CN101046368B

CN101046368B - 力学量测定装置

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Publication number: CN101046368B
Application number: CN2007100789578A
Authority: CN
Inventors: 岛津浩美; 太田裕之; 丹野洋平
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: EP1840500A3; TWI356902B; KR100844092B1; US20070228500A1; US8365609B2; US20110259112A1; US20130118268A1; JP2007263781A; JP4697004B2; KR20070098479A; US8695433B2; CN101046368A; TW200745527A; EP1840500A2; US7992448B2

Abstract

本发明提供一种力学量测定装置，可以高精度地测定特定方向的应变分量。该力学量测定装置在半导体单晶基板、半导体芯片内至少形成两组以上的电桥电路，在上述电桥电路中，一个电桥电路形成流有电流并测定电阻值变动的方向(长边方向)与该半导体单晶基板的<100>方向平行的n型扩散电阻，另一个电桥电路组合形成与<110>方向平行的p型扩散电阻。

Description

力学量测定装置

技术领域

本发明涉及一种可以对物体的力学量进行计测的装置以及使用该装置的系统。

背景技术

作为测定测定对象的变形(应变)的技术，已知的是使用利用了金属箔的电阻值随着应变而发生变化这一点的金属箔应变仪的技术。这是一种如下所述的技术：通过将该应变仪粘接在测定对象上，使金属箔的长度追随测定对象的应变而发生变化，通过检测出结果发生了变化的金属箔的电阻值，可以进行测定对象的应变测定。

另外，由于金属箔的电阻值不仅对应变具有灵敏度，而且对温度也具有灵敏度，因此作为抵消由于温度变化引起的测定误差的技术，如特开平07-270109号公报所公开的那样，公开了一种将具有应变灵敏度的金属箔电阻器和用于进行温度补偿的惠斯登电桥电路形成在同一基板上的应变仪。以下将惠斯登电桥称为电桥。

另外，如果要用电池驱动它们，则存在消耗电力大、电池很快就会耗完的问题。因此，如特开2005-114443号公报所示，还开发了如下技术：使用半导体制造技术，在半导体基板上形成高电阻的扩散电阻，根据其电阻值的变化来测定应变。

[专利文献1]特开平07-270109号公报

[专利文献2]特开2005-114443号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在同时测定旋转轴的转矩和轴向力时，通过贴附2个特开2005-114443号公报等中描述的应变测定芯片来进行测定在理论上也是可行的。但是，如果要通过分别将2个应变测定芯片贴在一起来测定剪切应变和垂直应变，则受到在贴附2个芯片时的偏差的影响，因此存在不适合精度高的测定的问题。

另外，同样，如果要通过分别将2个应变测定芯片贴在一起来测定剪切应变和垂直应变，则实际上容易产生贴附角度的误差，从而存在不适合精度高的测定的问题。

另外，同样，在以进行产生多轴应变的被测定物的各轴方向的应变计测为目的而贴附多个应变测定芯片的情况下，也产生同样的问题。

另外，如果为上述目的而贴附多个该应变测定芯片，则需要某种程度的较大面积，并且测定各应变分量的位置相互远离，因此无法为测定应力集中场的应变状态的目的而使用。

因此，本发明的目的在于提供一种传感器的灵敏度偏差小、可以高精度地测定特定方向的应变的力学量测定装置以及使用该装置的系统。

另外，本发明的另一目的在于提供一种可以测定应力集中场中的垂直应变的面内两方向和剪切应变、并且可以进行多轴应变场的计测的力学量测定装置以及使用该装置的系统。

另外，本发明的另一目的在于提供一种在外部噪声多的场所也可以得到背景噪声小的计测结果的力学量测定装置以及使用该装置的系统。

解决技术问题的技术手段

上述目的通过在一个由半导体单晶构成的半导体芯片内形成至少两组以上的电桥电路来实现。并且由于具有以下特长而解决了上述的各问题点。

(1)<实施例1、转矩与轴向力测定芯片>为了高精度地测定旋转轴的转矩和轴向力，最好是其特征在于，上述电桥电路中的至少一个电桥电路由该半导体单晶基板上的<100>方向与电流的流动方向平行的n型扩散电阻构成，并且其它电桥电路由<110>方向与电流的流动方向平行的p型扩散电阻构成。由此，例如在使<110>方向与旋转轴方向一致地贴附该力学量测定装置时，可以使想要取得的应变方向与传感器灵敏度的最大方向一致，因此可以高灵敏度地对转矩和轴向力进行计测。

此时，由于在同一硅基板上形成2个传感器，因此设置与构成传感器的电桥电路的扩散层不同的扩散层，以便不相互干扰。即，若以半导体单晶基板为p型的情况为例，为了提高计测精度，最好在由p型扩散电阻构成的电桥电路的附近，以包围p型扩散层的方式形成n型扩散层。由此，可以防止传感器设置偏差或粘接时的偏差，从而可以进行高精度的计测。

(2)<实施例2、2轴分离芯片>为了高精度地测定多轴应变场，电桥电路最好由2个应变灵敏度高的扩散电阻和2个应变灵敏度低的扩散电阻的组合构成。这里，应变灵敏度高的扩散电阻(杂质扩散层)例如是电流流动的方向与<100>方向平行的n型扩散电阻或电流流动的方向与<110>方向平行的p型扩散电阻，应变灵敏度低的扩散电阻(杂质扩散层)例如是电流流动的方向与<100>方向平行的p型扩散电阻或电流流动的方向与<110>方向平行的n型扩散电阻。另外，最好使电流流动的方向为扩散电阻的长边方向。

<100>方向为长边的p型扩散电阻对于各方向的应变没有灵敏度，而<100>方向为长边的n型扩散电阻在<100>方向上具有较大的灵敏度，从而在电流流动的方向的〔100〕和与其成直角的〔010〕上，其灵敏度可以大大不同。结果，在2轴应变场中，使n型电阻的长边方向为〔100〕还是为〔010〕，所取得的电阻值增量不同，因此可以分离检测出2轴应变场。最好是，利用该半导体单晶基板上的电流流动的方向与<100>方向平行的2个n型扩散电阻和电流流动的方向与<100>方向平行的2个p型扩散电阻的组合构成电桥电路。

从而其特征在于，采取使所述第一电桥电路的应变灵敏度高的n型扩散电阻的长边方向与所述第二电桥电路的应变灵敏度高的n型扩散电阻的长边方向几乎正交的配置。另外，各电桥电路的n型扩散电阻的长边方向最好统一为同一方向。

另外，上述进行了电流流动的方向与杂质扩散层的图案(pattern)的长边方向大体一致的说明，但只要电流流动的朝向与上述方向一致，就可以得到同样的效果。但是，在使电流流动的朝向与杂质扩散层的图案的长边方向大体一致的情况下，可以提高该扩散层的电阻值，因此可以实现更低的电力消耗。因而以下说明使电流流动的朝向为扩散层的图案的长边方向的情况。

另外，最好是，构成第一电桥电路的n型杂质扩散层的配置与构成第二电桥电路的n型杂质扩散层的配置为轴对称。通过为轴对称，可以以完全相同的配置条件仅沿扩散层的长边方向直行，因此在分离检测2轴应变场时也可以进行精度良好的计测。

另外，最好是，将构成一个惠斯登电桥的n型杂质扩散层配置在比构成该惠斯登电桥的p型杂质扩散层更靠近芯片中心点的距离上。芯片的中心点附近最不容易受到芯片端部的应变释放的影响，因此通过将具有应变灵敏度的n型杂质扩散层配置在该中心点附近，可以进行精度良好的计测。

另外，最好是，追加设置与构成传感器的扩散层不同的扩散层。即，若以半导体单晶基板为p型的情况为例进行说明，则以由n型杂质扩散层包围的方式形成构成惠斯登电桥的p型杂质扩散层，并将该n型扩散层与惠斯登电桥的正极侧连接。由此，可以防止p型与n型杂质扩散层产生电气干扰，从而可以进行高精度的计测。

(3)<实施例3、调整用电阻>另外，最好是，将电阻值调整用的电阻比较低的p型扩散电阻与电桥电路中的p型扩散层串联连接。即，使从p型杂质扩散电阻的端部向电桥电路外部引出的引出布线的条数比从n型杂质扩散电阻的端部向电桥电路外部引出的引出布线的条数多，通过测定p型杂质扩散电阻、n型杂质扩散电阻的实际电阻值，来决定在测定时使用的引出布线。通过这样形成调整用电阻，可以修正由于p型扩散层与n型扩散层的形成工序不同而产生的各扩散层电阻值的制造上的误差。结果，具有可以减小电桥电路的输出偏移和可以将温度依赖性抑制在较小程度的优点。

(4)<实施例4、多晶硅电阻电桥>同样，为了高精度地测定多轴应变场，在同一半导体基板上至少设置两组以上的由杂质扩散电阻构成的惠斯登电桥电路，上述两组惠斯登电桥电路由流有电流且测定电阻值变动的方向与该半导体单晶基板的<100>方向平行的p型杂质扩散电阻和多晶硅布线电阻构成。

<100>方向为长边的p型扩散电阻对于各方向的应变没有灵敏度，而多晶硅电阻仅在长边方向上具有较大的灵敏度。因而，使构成第一惠斯登电桥的多晶硅布线电阻的、流有电流且测定电阻值变动的方向与构成第二惠斯登电桥的多晶硅布线电阻的、流有电流且测定电阻值变动的方向正交。这样，通过配置多晶硅布线电阻，可以进行面内2轴的垂直应变的测定。

另外，最好是，将电阻值调整用的电阻比较低的p型扩散电阻与电桥电路中的p型扩散层串联连接。由于p型扩散层与多晶硅布线电阻的形成工序不同，因此在电路设计上即使设计为同一电阻，在实际制造时各扩散层电阻值也常常不同。因此，可以这样向p型扩散层引入调整用电阻，利用连接其连接端子的哪一个来进行电阻值的微调。结果，具有可以减小电桥电路的输出偏移和可以将温度依赖性抑制在较小程度的优点。

(5)<实施例5、图17、3轴分离芯片>进而，为了还包含剪切应变在内测定面内的所有应变状态，在同一半导体基板上设置至少三组以上由杂质扩散电阻构成的惠斯登电桥电路，其中一组惠斯登电桥电路由流有电流且测定电阻值变动的方向与该半导体单晶基板的<110>方向平行的p型杂质扩散电阻构成。另外，其它两组惠斯登电桥电路由流有电流且测定电阻值变动的方向与该半导体单晶基板的<100>方向平行的p型杂质扩散电阻和流有电流且测定电阻值变动的方向与该半导体单晶基板的<100>方向平行的n型杂质扩散电阻的组合构成。由此，除了面内2轴的垂直应变，还可以测定剪切应变，因此可以把握贴附了力学量测定装置的面内的所有应变状态。

<实施例5、图17、带温度传感器的芯片>进而，为了在温度发生变化的情况下也可以精度良好地对应变进行计测，在上述(1)至(4)所示的力学量测定装置中，在与应变传感器的同一个半导体基板内设置由pn结形成的温度传感器。由此，在应变传感器的电桥电路的温度校正功能的基础上，可以进行更严格的温度校正。

(6)<实施例6、图20、带脱离传感器的芯片>为了提高计测的可靠性，在应变传感器之外，还在同一半导体基板内的四个角上设置扩散层。贴附在被测定物上的力学量测定装置有时会从其芯片边缘发生脱离。因而，根据本发明，可以利用四个角的扩散层检测到该脱离的发生，从而可以进行高可靠性的计测。

(7)<实施例7、带放大器的芯片>为了在外部噪声大的情况下也可以进行计测，在与形成应变传感器的半导体基板相同的半导体基板上设置用于放大从应变检测部输出的信号的放大器电路。来自电桥电路的输出可以输入到在硅基板上配置在极近距离处的放大器中，因此可以提供一种对外部噪声的耐噪性强的力学量测定装置。即，使用了杂质扩散层的应变传感器可以利用半导体制造工艺制造，因此具有可以将作为该杂质扩散层的组合的电桥电路和放大器电路形成在同一半导体芯片上的优点。因而，可以在半导体基板上直接放大电桥电路的输出，因此可以提供一种外部噪声难以进入、具有耐噪性能、可以进行高精度测定的力学量测定装置。而且，由于可以利用半导体工艺形成，因此可以将电桥电路本身小型化至微米大小，因此磁通难以穿过电桥内部，从而可以提供一种具有对外部噪声的耐噪性强的优点、具有耐噪性能、可以进行高精度计测的力学量测定装置。

最好是，在同一半导体基板上设置至少两组以上由杂质扩散电阻构成的应变检测部和用于放大从应变检测部输出的信号的放大器。

另外，最好是，构成放大器的反馈电阻的长边方向朝向与连接在同一电桥电路上的电阻的长边方向相同的方向。由此，具有如下特征：放大器的反馈电阻具有应变依赖性，在对2轴复杂应变场进行计测的情况下，也难以受到其影响。

另外，最好是，构成放大器的反馈电阻的长边方向都统一成与构成应变检测部的杂质扩散层的长边方向平行或垂直中的任意一种。由此具有的特征是，应变计测方向的应变也负载在放大器的反馈电阻上，因此在对2轴的复杂应变场进行计测的情况下，在分离成2轴分量时也难以受到其影响。

另外，最好是，构成放大器的反馈电阻都朝向相同方向，并且，离反馈电阻群的长边方向的端部与芯片端部的距离相等。由此，所有反馈电阻都同等地受到芯片端部的应变的释放的影响，因此具有可以进行高精度的计测的优点。

另外，最好是，构成两组放大器的反馈电阻都朝向相同的方向，并且，构成两组放大器的反馈电阻群成线对称地配置。由此，通过将与电桥电路连接的2个差动放大器的、由多晶硅电阻构成的反馈电阻大致线对称地配置，可以使应变对2个多晶硅的影响相同，从而可以抵消放大器电路中的应变的影响，可以进行高精度的测定。

另外，最好是，构成两组放大器的反馈电阻都朝向相同的方向，并且，构成两组放大器的反馈电阻群以芯片的中央为旋转轴，旋转对称地配置。这种情况下，电桥电路5和放大器21形成与将电桥电路4和放大器20旋转90度后的结构完全等价的结构，因此具有设计容易的效果。

(8)<实施例12、传感器的配置位置>在上述(1)至(6)的力学量测定装置中，上述应变检测部配置成离芯片端部的距离至少为49×(芯片厚度)^0.5μm以上的内侧。由此，在将由半导体芯片构成的力学量测定装置1贴附在被测定物上的情况下，也可以不受芯片端部影响地抑制测定偏差，从而可以进行再现性非常好的高精度的测定。

发明效果

利用本发明，可以提供一种可有助于上述任意技术问题的解决的力学量测定装置。即，根据本发明，具有在被测定物应力集中的情况下，也可以把握微小区域的应变状态的优点。另外，根据本发明，还可以进行多轴应变场的高精度的应变计测。另外，根据本发明，可以使在贴附力学量测定装置时产生的误差最小。另外，在外部噪声大的场所，也可以使背景噪声小地对应变进行计测。

另外，这些力学量测定装置形成在半导体芯片上，因此可以利用半导体工艺制造，因此可以与其它CPU等数字电路或存储电路、通信电路等混载。另外，还具有可以使用半导体制造设备来进行高精度且低价格、大量供给的效果。

附图说明

图1是表示本发明第1实施方式的力学量测定装置的概要的示意图。

图2是表示本发明第1实施方式的使用例的图。

图3是表示构成本发明第1实施方式的力学量测定装置的电桥电路的扩散电阻的连接状态的图。

图4是表示本发明第1实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图5是表示本发明第1实施方式的力学量测定装置的断面构造的示意图。

图6是表示本发明第1实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图7是表示本发明第2实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图8是表示本发明第2实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图9是表示本发明第2实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图10是表示本发明第2实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图11是表示本发明第2实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图12是表示本发明第3实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图13是表示构成本发明第3实施方式的力学量测定装置的电桥电路的扩散电阻的连接状态的图

图14是表示本发明第3实施方式的力学量测定装置的结构示例的框图。

图15是表示本发明第4实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图16是表示本发明第4实施方式的力学量测定装置的结构示例的框图。

图17是表示本发明第5实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图18是表示本发明第5实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图19是表示本发明第5实施方式的力学量测定装置的动作流程的图。

图20是表示本发明第6实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图21是表示本发明第7实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图22是表示本发明第7实施方式的放大电路的例子的示意图。

图23是表示本发明第8实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图24是表示本发明第9实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图25是表示本发明第10实施方式的力学量测定装置的详细情况的示意图。

图26是表示本发明的力学量测定装置的安装状态的示意图。

图27是表示本发明第11实施方式的力学量测定装置的最佳形状的示意图。

符号说明

1：力学量测定装置、2：硅基板、2a：主面、3：应变检测部、4、5、6：电桥电路、4a～4d、5a～5d：扩散电阻、6a、6c：n型杂质扩散电阻、6b、6d：p型杂质扩散电阻、8：粘接面、14：方向显示标记、15：温度传感器、16、17、18、19：脱离监视用传感器、L1～L6：离芯片端部的距离、L7～L14：脱离监视用传感器离芯片端部的距离、20、20a、20b、21、21a、21b：放大器、22、22a、22b、23、23a、23b：电阻、25：晶体管、102：折叠电阻、306：槽、405b、405d、505b、505d：多晶硅布线电阻。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施方式。

在本发明中，作为应变感应电阻器，设置了杂质扩散电阻或多晶硅电阻，考虑硅单晶的结晶方位与压电电阻系数的关系，并考虑杂质扩散电阻的电流方向与对应变进行计测的方向之间的关系，以得到期望的特性。以下在单晶硅基板2的结晶面或结晶方位的表述中使用密勒指数。

在密勒指数的表述中，在指定负方向的情况下，在数字上添加一横，在本说明书中为了方便起见，加了一横的数字用“-”，象〔-110〕这样表述。另外，在表示特定的面或方向的情况下，分别使用()和〔〕，在表示在单晶硅基板内等价的面或方向的情况下，分别使用{}和<>来表述。而且，在本说明书中，在杂质扩散层的长边方向上流有电流，并对电流流动方向的电阻值的变动进行计测。电阻的长边方向一表述是指流有电流并且对电阻值变动进行计测的方向。

[实施例1]

<转矩与轴向力测定芯片>

使用图1至图8来说明本发明的第1实施方式。图1中示出本实施方式的力学量测定装置的主要部分。

在图1所示的本实施方式的力学量测定装置1中，在表面为{001}的、由同一单晶半导体基板构成的硅基板2的主面2a上设置应变检测部3，在所述应变检测部3上设置至少2个惠斯登电桥电路(以下称为电桥电路)304、305。

另外，虽然没有图示，但根据需要形成用于从电桥电路304、305取出电信号的布线、焊接点、用于使它们绝缘的绝缘材料等。在本实施例中，将硅基板2和形成在硅基板2上的薄膜群总称为力学量测定装置1。该力学量测定装置1如图2所示，通过安装在作为被测定物的旋转体的旋转轴201上，可以测定转矩和轴向力。这种情况下，如图2所示，可以安装成硅基板2的结晶轴方向的<110>与旋转轴201的轴心平行，也可以安装成硅基板2的结晶轴方向的<100>与旋转轴的轴心平行。另外，可以贴附在被测定物的表面上，也可以设计成埋入被测定物。另外，硅基板2最好根据其特性在表面具有{001}。

上述电桥电路304如图3的布线图所示，通过将4个杂质扩散电阻304a、304b、304c、304d按此顺序连接而形成，作为转矩传感器，主要用于测定轴向力。在杂质扩散层304a与304d之间或者304b与304c之间施加电压，并从杂质扩散层304a与304b之间或者304c与304d之间取出信号。电桥电路305也同样，通过将4个杂质扩散电阻305a、305b、305c、305d按此顺序连接而形成，主要用于测定转矩。

在图4中示出304、305这2个电桥电路中的杂质扩散电阻的配置图。上述电桥电路304由形成为使流有电流的方向成为与<110>方向平行的方向的4个p型杂质扩散层构成。在图4中，作为一个例子，利用配置在与〔110〕方向平行的方向上的p型扩散电阻304a、304c和配置在与〔-110〕方向平行的方向上的p型扩散电阻304b、304d的组合，来形成电桥电路304。即，p型扩散电阻304a、304c和304b、304d被配置成其长边方向正交。另外，使各扩散电阻的电阻值尽可能正确地一致。

这里，例如使用的是配置在使流有电流的方向与〔110〕方向平行的方向(也包含作为反方向的〔-1-10〕方向。以下相同)上的p型扩散电阻304a、304c这样的表述，但在偏离〔110〕方向的情况下，只要是在±10度的角度范围的偏差内，就可以期待几乎同样的效果，因此，在本发明中，设与〔110〕方向平行。其它方向也同样。在进一步偏离该角度的情况下，应变灵敏度急速降低，因此最好形成以离〔110〕方向±10度的角度范围作为长边的杂质扩散层。另外，在杂质扩散层形成为长方形等简单形状的区域的情况下，流有电流的方向是连接了在杂质扩散层上连接有输入电流的线的位置和连接有输出电流的线的位置的方向。

另一方面，电桥电路305由形成为使流有电流的方向成为与<100>方向平行的方向的4个n型杂质扩散层构成。在图4中，利用配置在与〔100〕方向平行的方向上的n型扩散电阻305a、305c和配置在与〔010〕方向平行的方向上的n型扩散电阻305b、305d的组合，形成电桥电路305。即，n型扩散电阻305a、305c和305b、305d被配置成其长边方向正交。

另外，在电桥电路304的周边构成槽(well)306，虽然没有图示，但以与槽306电气连接的方式引出布线。

另外，此时构成电桥电路的n型扩散电阻305a、305c和305b、305d以及p型扩散电阻304a、304c和304b、304d各自的电阻值最好严格相等，因此为了使离子注入浓度的偏差尽可能地均匀，最好使其密集地配置。即，最好使各扩散电阻间的距离比扩散电阻的长度短。

象电桥电路304那样，通过利用配置在与〔110〕方向平行的方向上的p型扩散电阻304a、304c和配置在与〔-110〕方向平行的方向上的p型扩散电阻304b、304d的组合来形成电桥电路，在环境温度发生变化的情况下，也可以进行温度校正，从而可以进行高精度的计测。另外，在该情况下，对于与<110>方向平行·垂直的XY方向、即〔110〕方向和〔-110〕方向的应变，得到较大的灵敏度。从而如图2所示，通过安装成旋转轴201的轴心与硅基板2的结晶轴方向的<110>平行，可以测定旋转轴的轴向力。

同样，通过利用配置在与〔100〕方向平行的方向上的n型扩散电阻305a、305c和配置在与〔010〕方向平行的方向上的n型扩散电阻305b、305d的组合来形成电桥电路，电桥电路305同样可以对温度变化进行校正。另外，在这种情况下，由于仅对针对XY方向的剪切应变具有灵敏度，而对垂直应变不具有灵敏度，因此可以进行高精度的计测。另外，在这种情况下，对于与<100>方向平行·垂直的XY方向、即〔100〕方向和〔010〕方向的应变，得到较大的灵敏度。从而如图2所示，通过安装成旋转轴201的轴心与硅基板2的结晶轴方向的<110>平行，可以进行转矩的计测。

图5中示出该力学量测定装置1的断面构造。在本实施例中，如果为了高精度地测定转矩和轴向力而简单地配置2个传感器，则会产生问题。即，硅基板2为p型，并且将p型扩散层和n型扩散层形成在一个硅基板2中，因此形成二极管，从而在电桥电路304和电桥电路305之间流有电流。

因此，本实施例在电桥电路304的附近形成作为不形成电桥电路的杂质扩散层的n型槽306，并在其内侧形成p型扩散电阻304a、304c、304b、304d，由此解决了本问题。这种情况下，n型槽306与电源的正极侧连接，p型硅基板2与电源的接地侧连接。即，在该半导体芯片内部，将电桥电路304的电源的正极侧与槽306连线，并将电桥电路304的接地侧与硅基板2连线。由此，在电桥电路间没有电流流动，从而可以进行精度高的测定。另外，也可以在作为该力学量测定装置1的半导体芯片的外部连线，但在内部连线的方法由于电位都一致，因此可以进行精度更高的测定，而且具有测定者进行连接的手续少等优点，因此是优选使用的。在硅基板2中也可以使用n型硅基板，这种情况下，需要在电桥电路305的附近形成p型槽306。

另外，如图6所示，为了通过提高扩散电阻305a、305b、305c、305d的电阻值来降低消耗电力的目的，可以加长扩散电阻的长度。这种情况下，无需使传感器的面积增加很多就可提高电阻值，因此具有可以减少传感器的消耗电力的优点。扩散电阻305a、305c、305b、305d通过分别使用接触孔来连接并折叠，使电阻值变大。另外，在本发明中，在这样为了连接扩散电阻的目的而折叠形成、并且不从折叠点向电桥外部引出布线的情况下，解释为1个长的扩散电阻。

从特开平6-229853号公报的转矩检测装置可知，在测定转矩时，一般倾斜贴附应变传感器，以使相对旋转轴的轴心倾斜45度的方向为应变计测方向。但是，按照这样的思路，如果想要在硅基板2上一边测定与轴心相同方向的轴向力、一边通过倾斜配置电桥电路304来测定转矩，则会由于硅基板2由单晶形成而产生问题。即，如果要原样倾斜地配置电桥电路304，则电流流动方向的结晶轴改变，因此产生其特性发生变化、应变灵敏度几乎没有的问题。因此，通过象电桥电路305那样在倾斜方向上设置n型扩散电阻305a、305c和305b、305d，可以使该方向的应变灵敏度最大。即，在本发明中，可以使电桥电路304在倾斜方向上几乎不具有灵敏度，而在图4的xy方向上具有最大灵敏度，并且使电桥电路305在图4的xy方向上不具有灵敏度，而在倾斜方向上具有最大灵敏度。本发明可以选择结晶面、结晶轴和杂质扩散层的种类，以便可以得到垂直应变和剪切应变，因此可以用一个芯片来测定转矩和轴向力，例如在使用了其它结晶轴的情况下，产生具有复杂的多轴应变灵敏度等问题，从而使测定变得困难。

这样，通过在一个硅基板2上形成2个电桥电路，可以在小芯片中对垂直应变和剪切应变进行计测，因此其计测部位不会离开，从而在应力集中处的测定中也可进行精度高的测定。而且，在同一芯片中存在对垂直应变和剪切应变进行计测的部位，因此与分别贴附2个芯片的情况相比，可以减小由于贴附引起的灵敏度偏差的影响。而且，由于电桥电路304在xy方向上具有最大灵敏度，电桥电路305在倾斜方向上具有最大灵敏度，因此测定方向的差形成45度，从而具有可以进行高精度测定的优点。另外，通过这样在一个硅基板2上形成2个电桥电路，还具有贴附手续可以一次完成的优点。

但是，本实施例的电桥电路304的构造虽然在xy方向上具有最大灵敏度，但等价地受到x方向和y方向的应变这两方的影响。因此，虽然在单轴应变场的计测中非常有效，但存在复杂应变场的测定困难的问题。因此，以下的实施例2示出在复杂应变场中也可以进行测定的力学量测定装置1。

另外，在本实施方式中限定于硅基板2示出例子，但其它半导体基板也可以具有同样的效果。在将硅等的半导体基板制造成力学量测定装置1的基板的情况下，具有可以利用半导体制造工艺将电子电路并设在上述基板内的优点。

这种情况下，应变检测部3的输出不必直接向力学量测定装置1外输出，可以在半导体基板内搭载放大电路、模拟-数字转换器、整流·检波电路、天线电路等电路，在将应变检测部3的输出放大后或进行数字转换后向力学量测定装置的外部输出，或者以无线通信形式向外部输出。

这种情况下，可以将应变检测部3的输出在力学量测定装置1内放大或者进行数字转换，因此在向力学量测定装置1的外部进行数据输出的情况下，也可以将外部噪声对输出数据的影响限制在最小限度，从而可以进行高精度的应变测定。另外，在以无线形式向外部发送应变检测部3的输出时，力学量测定装置1不需要在与外部的连线中使用的露出端子，因此在焊接点等中不会产生腐蚀等，从而可以提供可靠性高的力学量测定装置。

[实施例2]

<2轴分离芯片>

使用图7至图11说明本发明第2实施方式。如图7所示，在本实施方式中，为了高精度地测定2轴应变场，设置电桥电路4和电桥电路5。电桥电路4的特征在于，由设置成电流流动的方向与该硅基板2的<100>方向平行的n型扩散电阻4a、4c和设置成电流流动的方向与该硅基板2的<100>方向平行的p型扩散电阻4b、4d的组合构成，并且按照扩散电阻4a、4b、4c、4d的顺序连接。另外，电桥电路5也与电桥电路4同样，n型扩散层和p型扩散层都被设置成电流流动的方向与<100>方向平行，但配置成电桥电路5的n型扩散层的长边方向、即电流流动的方向与电桥电路4的n型扩散层的长边方向正交。即，如图8详细所示，上述电桥电路4由配置在与〔010〕方向平行的方向上的n型扩散电阻4a、4c和配置在与〔010〕方向平行的方向上的p型扩散电阻4b、4d构成，并且按照扩散电阻5a、5b、5c、5d的顺序连接。

在p型扩散电阻4b、4d的周边形成使n型杂质扩散后形成的槽306。槽最好以包含p型扩散电阻4b、4d的方式在各电桥中设置一个，在这种情况下，由于形成扩散层时的离子注入条件简单，因此可以使扩散电阻4b和4d的电阻值高精度地一致。另外，从空间效率的方面看也是优选的。该n型槽306与电源的正极侧连接，p型硅基板2与电源的接地侧连接。在本实施例中虽然以使用p型硅基板为前提，但在使用n型硅基板的情况下，必须在n型扩散电阻4a、4c的周边形成p型槽。同样，上述电桥电路5由配置在与〔100〕方向平行的方向上的n型扩散电阻5a、5c和配置在与〔100〕方向平行的方向上的p型扩散电阻5b、5d形成。在本实施例的情况下，与实施例1同样，即使在偏离表述方向的情况下，只要在±10度的角度范围的偏差内，则可以期待几乎同样的效果。

图9中示出改变了电桥电路5的p型扩散层电阻的配置后的例子。在本实施例中，电桥电路4的n型扩散电阻的长边方向虽然基本与电桥电路5的n型扩散电阻的长边方向正交，但p型扩散电阻的长边方向在电桥电路4和电桥电路5中几乎平行。

另外，图10中示出改变了电桥电路4和电桥电路5的扩散层的配置后的例子。在本实施例中，长边方向朝向<100>方向的扩散电阻4a、4b、4c、4d的扩散电阻与<110>平行地排列配置，具有不占图面横向空间的优点。因此，可以将放大器等电路收纳在图面横向的空闲空间中。另外，电桥电路4和电桥电路5最好完全左右对称，这种情况下，电桥电路4和电桥电路5同等地受到芯片端部的影响，因此具有可以进行误差小的测定的优点。

另外，图11中示出由n型扩散层形成的扩散电阻4a和4c被由p型扩散层形成的扩散电阻4b、4d夹着配置的情况。在该情况下，可以将应变灵敏度高的扩散电阻4a和4c配置在芯片中心部，因此具有不受芯片端部的应变释放区域的影响、可以进行精度更高的测定的优点。另外，在这种情况下，各电桥中的每一个需要2个槽。

以下说明本实施方式的作用和效果。

在将形成在硅基板上的杂质扩散层作为应变感应电阻器、并利用上述杂质扩散层的压电电阻效应来进行应变计测的情况下，上述杂质扩散层的电阻值变化受到与作为目的的应变计测方位不同方位的应变的影响。因此，在将半导体力学量测定装置设置在产生多轴应变的被测定物上的情况下，存在难以正确检测出特定方向的应变量的问题。

在将n型扩散电阻配置成<100>方向为长边方向的情况下，针对垂直应变的应变灵敏度大，且针对平行于长边方向(即电流方向)的应变的灵敏度与针对垂直于电流方向的应变的灵敏度大大不同。另一方面，在将p型扩散电阻配置成<100>方向为长边方向的情况下，针对垂直应变的应变灵敏度非常小。通过将它们组合成电桥电路，在发生温度变化的情况下，也可减小其影响，并且可以高精度地对特定方向的应变进行计测。

这样，通过将构成至少一个电桥电路的扩散电阻器以使<100>方向为长边方向的方式与n型扩散电阻、和以使<100>方向为长边方向的方式与p型扩散电阻这两种扩散电阻相组合，在多轴上产生应变的情况下，也可以进行精度高的测定。另外，在本实施例的情况下，可以分离<100>方向和<010>方向的两个轴的应变。

作为在测定中使用的应变灵敏度高的杂质扩散层，有平行于<100>方向的n型扩散电阻和平行于<110>方向的p型扩散电阻等，作为应变灵敏度小的杂质扩散层，有平行于<100>方向的p型扩散电阻和平行于<110>方向的n型扩散电阻等。

另外，如图7示出的实施例所示，通过采用使电桥电路4、5中的扩散电阻的结构或图案相同、并仅使配置正交的结构，可以使来源于电桥电路4和5的制造的偏差或应变灵敏度特性完全相同，因此还可以得到的效果是，在根据两者的输出进行各应变分量的分离计算时可使误差减小。只要杂质扩散层4a、4c和杂质扩散层5a、5c以线2b为中心大致成线对称，则同等地受到相互的杂质扩散层的存在的影响，因此可以进行高精度的测定。这里的线对称不必是严格的线对称，只要达到在沿对称线折叠时形成杂质扩散层的区域的50％以上重叠的程度的对称性即可。另外，只要将杂质扩散层4a、4c、5a、5c配置成使得与线对称的对称有关的线2b通过硅基板2的平面的形心2a，就同等地受到硅基板2的端部的影响，因此具有可以进行误差小的测定的优点。而且，如果杂质扩散层4b、4d、5b、5d也线对称地配置，则可进一步提高效果。

另外，在不同的芯片上形成各个电桥、从而形成2个芯片来进行计测在原理上也是可行的，但现实中在贴附2个芯片的情况下常常会产生角度的相对误差，与考虑将3个电桥沿结晶轴方向形成在一个芯片上的情况相比，测定精度大大降低。另外，在贴附2个芯片的情况下，还存在由于贴附用粘接剂的微小厚度的差异等而容易产生误差的问题。因此，在本实施例中，可以使半导体基板的结晶轴方向完全一致地利用一个芯片对二个轴的垂直应变和剪切应变进行计测，因此实现了高精度的计测。

另外，根据本实施例，通过使应变灵敏度高的杂质扩散层4a、4c、5a、5c间的距离小于灵敏度低的杂质扩散层4b、4d、5b、5d间的距离，并使应变灵敏度高的杂质扩散层4a、4c、5a、5c比灵敏度低的杂质扩散层4b、4d、5b、5d更靠近形心2a，可以在数百微米这样的微小部位上形成这2个电桥，因此还具有可以高精度地求出应力集中场的应变状态的优点。

另外，通过在芯片表面上设置至少一个方向显示标记14，容易识别传感器的方向，从而容易进行处理。例如具有如下优点：在计测者将传感器芯片粘接在被测定物上的情况下，可以一边识别传感器芯片的方向一边进行粘接，从而具有可以以该方向为基础来识别主应力方向的优点。

[实施例3]

<2轴分离芯片的调整用电阻>

象实施例2的情况那样，在1个电桥电路中混合存在n型扩散电阻和p型扩散电阻的情况下，至少需要进行用于形成n型扩散电阻的离子注入处理、用于形成p型扩散电阻的离子注入处理这2个离子注入处理。在这2个离子注入处理中，如果扩散电阻值产生偏差，则在各电桥电路中产生偏移。

图12是解决了上述问题的本发明的实施例。在本实施例中，在p型扩散电阻4b、4d上分别设置电阻调整用扩散电阻101。电阻调整用扩散电阻101由p型扩散电阻构成。电阻调整用扩散电阻101串联连接，从电阻调整用电阻之间引出布线，例如分别与焊接点107连接。

为了使电桥电路的偏移值在0附近，必须使n型扩散电阻4a、4c以及上述p型扩散电阻4b、4d的值为相同程度。但是，在控制n型扩散电阻和p型扩散电阻的值时，仅利用导入单晶基板的杂质浓度或其后的杂质扩散热处理的温度或时间来进行控制有时是不够的。因此，通过设置用于对电阻值进行微调的电阻调整用扩散电阻101，可以使p型扩散电阻的实际电阻值发生变化，从而可以将偏移值调整到0附近。即使在产生起源于离子注入处理的薄膜电阻偏差的情况下，在从图13所示的调整用电阻引出的焊接点中，也存在哪里的偏移小的焊接点的组合。因此，找出该偏移小的焊接点的组合并用作电桥。此时，通过使电阻调整用扩散电阻的长度短于构成电桥电路的p型扩散电阻本体的长度，可以进行电阻的微调，从而可使偏移更小。调整用电阻设置在构成惠斯登电桥的扩散电阻中、位于对边位置上的2个扩散电阻上。然后，通过在惠斯登电桥上设置成相对各自的本体电阻的位置为对角侧，可以用于4个扩散电阻的电阻值的微调。

这样，通过从1个电桥电路中引出数量多于4个的布线，并选择使用其中取得电压平衡的焊接点，可以在实质上大致消除由来源于离子注入的薄膜电阻偏差导致的偏移的发生。另外，在从该电桥电路引出的布线中选择哪一个可以使用带有放大器和A/D转换器的CPU来自动地进行。图14中示出其电路框图。利用来自CPU301的信号切换开关302，决定选择从电桥电路引出的引出布线中的哪一个，以使偏移较小，并向扩散电阻通电。然后，反映了所制造的扩散电阻的电阻值误差的、电桥电路的输出经由A/D转换器作为电压值被输入到CPU301中，从而判断偏移的大小。然后，由CPU301自动地决定用哪个引出布线101连接来进行应变测定以使偏移最小。没有使用的引出布线可以原样留下也可以去掉。另外，该扩散电阻的电阻值的测定以及要使用的引出布线的决定可以在力学量测定装置的制造工序中进行，也可以在将力学量测定装置实际安装到进行应变测定的被测定物上后、在开始测定之前进行。

通过将电阻调整用电阻101至少设置在n型扩散电阻或者上述p型扩散电阻中的任意一个上，可以得到同样的效果，但最好在p型扩散电阻上设置由与<100>方向平行的p型扩散电阻构成的电阻调整用扩散电阻101。通过将应变灵敏度低的、与<100>方向平行的p型扩散电阻作为电阻调整用电阻，电阻调整用电阻对应变不具有灵敏度，因此具有在进行了电阻调整的情况下也可以高精度地检测应变的优点。另外，如图13所示，调整用电阻101设置在4b、4d之中，但其位置最好不在靠近4a、4c的一侧，而是配置在传感器的外侧。由此，具有容易向焊接点107引出布线的优点。

对于图7至图11的实施例，可以应用调整用电阻101，并且可以期待同样的效果。

图12是为了说明而将本实施例的杂质扩散层4a、4b、4c、4d放大后的图。具有调整用电阻101的杂质扩散层4b、4d是应变灵敏度低的、与<100>方向平行的p型扩散电阻，不具有调整用电阻101的杂质扩散层4a、4c是应变灵敏度高的、与<100>方向平行的n型扩散电阻。调整用电阻101比形成扩散电阻本体的折叠电阻102短，即，电阻值较低地形成。通过具备多个小的调整用电阻101，并且用布线50从其引出并与焊接点107连接，可以进行极为细致的电阻值调整。另外，通过使扩散电阻4b、4d具有调整用电阻101，即，通过使位于惠斯登电桥对边上的扩散电阻4b、4d中存在调整用电阻101，可以应对4个扩散电阻层4a、4b、4c、4d的电阻值的调整。另外，如图12所示，通过使调整用电阻101配置在扩散电阻层4a、4b、4c、4d的配置的两端部、即配置在最外侧，容易向存在多个的焊接点107引出。另外，通过使包含调整用电阻101的杂质扩散层4b、4d的电阻值略大于杂质扩散层4a、4c的值，可以容易地进行电阻值增减的调整，从而可以容易地实现电桥电阻的平衡状态。

[实施例4]

<多晶硅的2轴分离芯片>

使用图15和图16说明本发明的第2实施方式。如图15所示，在本实施方式中，为了高精度地测定2轴应变场，设置电桥电路4和电桥电路5，各电桥电路分别由多晶硅的布线电阻和扩散层电阻构成。电桥电路4的特征在于，由设置成电流流动的方向与该硅基板2的<100>方向平行的p型扩散电阻4b、4d和设置成电流流动的方向与该硅基板2的<110>方向平行的多晶硅布线电阻405b、405d的组合构成。另外，电桥电路5也同样，由设置成电流流动的方向与该硅基板2的<100>方向平行的p型扩散电阻5b、5d和设置成电流流动的方向与该硅基板2的<110>方向平行的多晶硅布线电阻505b、505d的组合构成，但配置成电桥电路5的多晶硅布线电阻505b、505d的长边方向、即电流流动的方向与电桥电路4的多晶硅布线电阻405b、405d的长边方向正交。在本实施例的情况下，与实施例1同样，在从表述的方向偏离的情况下，只要在±10度的角度范围的偏差内，就可以期待几乎同样的效果。

在本实施例的情况下，与实施例2同样，可以对特定方向的应变场进行计测。多晶硅布线电阻对于其长边方向的垂直应变的应变灵敏度大、其它方向的应变灵敏度极小。另一方面，由于将p型扩散电阻配置成<110>方向为长边方向，因此对于各应变分量的应变灵敏度非常小。因此，通过将它们连接为电桥电路，可以仅对一个方向的应变进行高精度计测。而且，通过在1个芯片上设置2个电桥电路，并使其多晶硅布线电阻的长边方向正交，可以对面内2轴的应变状态进行计测。

另外，在本实施例中，使电桥电路4和电桥电路5各自的多晶硅布线电阻的长边方向为<110>，但如果在电桥电路4的多晶硅布线电阻的长边方向与电桥电路5的多晶硅布线电阻的长边方向几乎正交的状态下配置，则原理上可以得到同样的效果。但是，为了容易进行安装和其后的芯片安装和识别，最好象本实施例这样与<110>方向大致成平行直角。

另外，在本实施例中同样，由于离子注入条件或多晶硅布线电阻的宽度的偏差等，构成电桥的各电阻值容易产生偏差，因此容易产生偏移。因此，最好与实施例3同样，如图16所示设置调整用电阻101。此时从精度的角度考虑，最好在p型扩散层上设置调整用电阻。

[实施例5]

<3轴分离芯片>

如图17所示，不仅是垂直应变分量，利用第三电桥电路24，还可以分离剪切应变分量。即，第三电桥电路24与第一实施例的电桥电路304相同。另外，通过利用n型杂质扩散，也可以与第一实施例的电桥电路305相同。在本实施例中，如果如图所示规定应变计测坐标系，则可以对〔100〕方向和〔010〕方向的垂直应变和芯片贴附面内的剪切应变进行计测。即，可以用这一个芯片来对面内的垂直应变两个方向和剪切应变一个方向进行计测。即，可以按照方向显示标记14来粘接被测定构件的特定方向，并对与该半导体芯片的<100>方向成平行直角的两个垂直应变分量和一个剪切应变分量进行计测，并且，通过使用该3个分量，可以求出被测定构件的主应变方向等应变状态。另外，也可以如图18所示配置。在图1 7中，将长边方向朝向<100>方向的扩散电阻5a～5d在与长边方向正交的<100>方向上排列配置，但在图18中，在<110>方向上排列配置扩散电阻5a～5d。另外，测定剪切应变的第三电桥电路24在排列了第一电桥电路4和第二电桥电路5的扩散电阻的方向(图面下侧)的区域中，与第一以及第二电桥电路4、5相邻地设置。相邻是指传感器或扩散电阻间的距离小于扩散电阻的长边方向的长度。在图18的情况下，通过紧密地配置扩散电阻4a～4d和5a～5d等，可以设计成使传感器对硅基板面的面积占有率低，因此可以使芯片变小，从而可以低价地制造。另外，虽然第三电桥电路24在图17、图18中设置在排列了第一电桥电路4和第二电桥电路5的扩散电阻的方向(图面下侧)的区域内，但也可以排列配置在图面的横向上。

根据本实施例，将3个电桥电路配置在同一个半导体芯片内，因此上述3个电桥电路都几乎同样地受到在贴附时由于粘接剂的厚度产生的灵敏度降低的影响，因此在分离检测各应变分量的情况下，可以减小误差，从而可以进行高精度的计测。

另外，根据本实施例，将3个电桥电路配置在同一个半导体芯片内，因此也可以进行应力集中场的计测等微小部分的应变计测。

而且，根据本实施例，将3个电桥电路配置在同一个半导体芯片内，因此，由于硅的热传导率高，3个电桥电路为相同温度。因此，3个电桥电路同样地受到由温度引起的特性变动，因此可以进行高精度的计测。

另外，在本实施例中，可以在实施例2的基础上追加测定剪切应变，但也可以在实施例4的基础上向其追加第三电桥电路24，从而可以测定剪切应变。

<带温度传感器的芯片>

进而形成在力学量测定装置的同一芯片上设置温度传感器15的结构。其他为相同结构，可以得到与第1实施方式相同的效果。上述温度传感器15最好是由PN结形成的二极管。由此，可使温度传感器在不受到应变变化的影响的情况下，正确地测定应变检测部3附近的温度变化。

特别是，在通过组合实施例2、3、4所示的p型扩散层与n型扩散层、或者p型扩散型与多晶硅布线电阻来构成电桥的情况下，各自的电阻值的温度依赖性不同，因此容易由于温度变化而使偏移变大。因此，在同一芯片内设置温度传感器，来进行计测值的校正。

利用图20的流程图说明将应变检测部3和温度传感器15设置在同一芯片上的效果。利用温度传感器15测定在应变测定中的温度变化ΔT，计算出由于温度变动引起的热应变。由此，在根据传感器4和传感器5的输出来分离计算各应变分量时，可以去掉热应变部分来进行计算。

[实施例6]

<带脱离传感器的芯片>

以下，利用图20说明本发明第6实施方式。图20表示第6实施方式的力学量测定装置的主要部分，与第2实施方式共同的部分标注相同的符号。

在图20所示的本实施方式的力学量测定装置中，采用在力学量测定装置的芯片上设置脱离监视传感器16、17、18、19的结构。其他方面属于同样的概念，可以得到与第2实施方式同样的效果。脱离监视用传感器例如可以由杂质扩散电阻形成。另外，脱离监视用传感器在由杂质扩散电阻形成的情况下，利用四个角的扩散电阻形成惠斯登电桥电路，通过监视输出变动，可以知道力学量测定装置1是否从被测定物脱离。连接了脱离监视用传感器16、17、18、19的区域最好作为包围应变测定用传感器4、5的位置而配置在四个角上。而且，上述脱离监视传感器离芯片端部的距离L3～L10最好分别相同。

本发明的力学量测定装置为了省电而在半导体基板上设置了应变检测部，可以通过安装在被测定物上来远程地检测应变。由于是远程测定，因此即使力学量测定装置的一部分脱离，进行远程监视的使用者也觉察不到，从而从力学量测定装置发送来错误的测定数据。因此，本实施方式通过设置脱离传感器，可以使使用者知道发生了脱离，从而促使进行测定装置的再次安装，来进行正确的应变测定。

在将上述力学量测定装置1贴附在被测定物201上来进行应变测定的情况下，在上述硅基板2的周边部附近区域，应变对被测定物的跟踪性能变差，但通过使上述脱离监视传感器离芯片端部的距离相同，可以使上述脱离监视传感器受到的端部的影响相同。脱离监视用传感器16、17、18、19设置在芯片端部附近，因此配置在容易发生脱离、可以迅速地检测出脱离的位置上。另外，通过利用这些脱离监视用传感器16、17、18、19形成惠斯登电桥电路，没有发生脱离的情况下的输出为0附近，在某处发生脱离时，该部分的脱离监视用传感器的电阻发生变动，电桥电路的输出增加。这样，通过形成惠斯登电桥电路，还可以得到减少输出端子的效果。另外，通过使脱离监视用传感器为杂质扩散电阻，在制造传感器的制造工序以外无需增加制造工序，因此容易制造，从而还可以得到没有成本上升的效果。另外，在本实施例中，具有2个应变测定用传感器4、5，但也可以是一个。

[实施例7]

<带放大器的芯片>

以下，利用图21说明本发明第7实施方式。图21表示第7实施方式的力学量测定装置的主要部分，与第2实施方式共同的部分标注相同的符号。

在图21所示的本实施方式的力学量测定装置中，采用在力学量测定装置的同一芯片上与传感器一起设置与传感器相同数量的放大器的结构。这里将2个放大器电路与2个传感器连接。其他方面与上述实施例属于相同概念。这样，通过在一个芯片上设置2个以上的传感器和与其相同数量的放大器，可以使它们分别独立地动作，因此无需通过开关动作进行切换，从而具有可以进行高速计测的优点。另外，在由于用途的不同而存在不使用的传感器的情况下，可以切断该传感器与放大器的电源，因此具有省电的优点。在连接使用一般的传感器和放大器的通常的用途中，到处可见在一个电路内将多个传感器和放大器作为一个芯片的做法，但其优点是低价。但是，在本实施例中可以产生更多的优点。即，通过在一个芯片内设置多个检测应变的传感器和放大器的组，使得各传感器的贴附角度准确，从而可以进行高精度的计测。另外，通过形成一个芯片，可以将各传感器集中配置在较小的部分上，因此具有可以高精度地对狭隘部分的应力集中场的多轴应变分量进行计测的优点。

在上述放大器20、21内分别形成电阻22、23，例如由导入了杂质的多晶硅形成。另外，还形成晶体管25，利用其与电阻22、23的组合形成放大器。这里，电阻22、23的长边方向都配置为相同方向，并且，配置成与构成应变检测部3的扩散电阻4a、4b、4c、4d的长边方向平行、并与扩散电阻5a、5b、5c、5d的长边方向垂直。

如本实施方式所示，通过在同一半导体芯片上形成电桥电路4、5和放大器20、21，噪声不容易进入，从而提供了一种可以进行高精度测定的力学量测定装置。另外，由于可以在芯片上在极近的距离内放大电桥电路的输出，从而进一步提高了耐噪性能。而且，由于电桥电路小，因而磁通难以穿过，因此力学量测定装置本身也对外部噪声具有很强的耐噪性能。

如图22所示，放大器电路最好将来自传感器的2个输出分别输入到不同的差动放大器。这种情况下，通过将与该2个差动放大器20a、20b连接的多晶硅电阻制成的电阻22a、22b分别大致成线对称地配置，可以使应变对2个多晶硅22a和22b的影响相同，从而可以在某种程度上抵消放大器电路中的应变的影响，因此提供了一种可以进行高精度测定的力学量测定装置。即，大致线对称地配置与传感器的两个输出相连的2个放大器20a、20b的电阻22a、22b，并且在虽然没有图示但具有非对称配置的放大器电阻的情况下，也使其长边方向统一为相同方向来配置。这样，通过使用2个差动放大器20a、20b并且大致线对称地配置与其连接的电阻，在放大器电阻的多晶硅部分上负载了应变的情况下，针对大致线对称地配置的成对电阻22a和22b的应变的变化量相等，因此具有误差小的优点。即，通过使22a和22b大致线对称，相同方向的相同大小的应变负载在该电阻22a、22b上，因此，由2个放大器的放大率的应变产生的影响也相等。从而，不会出现仅单侧的放大器由于其它方向的应变而使倍率发生变化的情况，从而使其校正也变得容易。

通常，在传感电路中进行利用差动放大器的放大，但由于其具有同相除去效果，即在与传感器连接的信号线中混入了噪声的情况下、由于在两极的信号线上产生相同的噪声因而可以除去，因此用作降噪对策。但是，在本发明中，除了该效果，还具有降低对这样的应变的影响的效果。

更好是，芯片的线对称轴和电阻22a、22b的线对称轴最好一致。在安装芯片、并在芯片上负载了大的应变的情况下，其变形以中心线为对称轴成线对称，因此电阻22a、22b也相对芯片的线对称轴对称地配置，从而具有的优点是，即使在芯片发生了较大变形的情况下，也可以使应变对电阻22a、22b的影响相同。

另外，作为放大器电路，即使在没有将来自传感器的输出输入到2个差动放大器的情况下，通过使用多晶硅作为与上述放大器电路连接的电阻，并将该多晶硅电阻的长边方向全部统一为相同方向，与使用了多个差动放大器的情况相比效果降低，但其效果是足够的。即，多晶硅电阻可以仅在该方向上具有应变灵敏度，并且在通过计算来分离2轴应变场中的各应变时也变得容易，因此可以提供一种可以比较高精度地进行测定的力学量测定装置。

另外，在使用了与半导体芯片上的电桥电路连接的放大器的放大电路中，通过设置用于使与该放大器连接的多晶硅制成的电阻的长度改变的功能、或使该电阻的连接数量改变的功能，可以提供一种可以使上述放大器电路的倍率改变的力学量测定装置。

这种情况下，低倍率用的电阻最好比高倍率用的电阻配置在更靠近芯片内侧。这样，可以将灵敏度偏差对低倍率放大器使用时的多晶硅的影响抑制在最小限度。

另外，在本实施例以及下述实施例中说明了2个传感器和2个放大器，但同样可以适用于2个以上的情况。另外，在同一芯片内具有多个传感器和1个放大器的情况下，通过仿照本实施例来配置该放大器的电阻的配置或电路，同样具有可以进行高精度计测的优点。

另外，在本实施例中，与放大器连接的多晶硅制成的电阻的长边方向的朝向最好都一致，但有时由于放大器电路的不同，一部分可以不同，从而破坏对称。但是，在这种情况下，虽然效果小，但也具有本实施例中所述的效果。另外，在本实施例中假定与放大器电路连接的电阻为多晶硅制成来进行了说明，但也可以是半导体基板的扩散电阻，具有同样的效果。

另外，如图21所示，电桥电路4和电桥电路5尽可能地设置成接近芯片的中心，放大器的晶体管25可以靠近芯片端部。即，通过将对应变比较不敏感的晶体管25设置在芯片端部，可以实现高精度的计测。即，通过配置成使得电桥电路4与电桥电路5的扩散层之间的距离小于与电桥电路4连接的放大器的晶体管和与电桥电路5连接的晶体管之间的距离，可以进行高精度的计测。

[实施例8]

<带放大器的芯片>

以下，利用图23说明本发明第8实施方式。图23示出第8实施方式的力学量测定装置的主要部分，与其它实施方式共同的部分标注相同的符号。

在图23所示的本实施方式的力学量测定装置中，在同一芯片上形成放大器20、21，这一点与图22所示的第7实施方式的力学量测定装置相同，可以得到同样的效果。

在本实施方式中，构成放大器20、21的电阻群22a和22b、23a和23b以芯片的中央为旋转轴，旋转对称地配置。这种情况下，电桥电路5和放大器21是与将电桥电路4和放大器20旋转90度后完全等价的结构，因此具有设计容易的效果。另外，与电桥电路4连接的电阻22a、22b朝向相同方向，因此可以使电阻22a、22b对应变的影响相同，通过利用差动放大器相互抵消，可以减小应变的影响。

[实施例9]

<带放大器的芯片>

以下，利用图24说明本发明第9实施方式。图24表示第9实施方式的力学量测定装置的主要部分，与其它实施方式共同的部分标注相同的符号。

在第7实施方式的图21的力学量测定装置中，形成各边与<100>方向平行的四角形形状，而在图24所示的本实施方式的力学量测定装置中，形成各边与<110>方向平行的四角形形状。其它方面为相同结构，通过将放大器与力学量测定装置配置在同一芯片上，可以得到与第7实施方式相同的效果。

在放大器20、21内分别形成电阻22a和22b、23a和23b，例如由导入了杂质的多晶硅形成。这里，配置成使电阻22a和22b、23a和23b的长边方向都为相同方向，并且配置成与构成电桥电路4的扩散电阻4a～4d的长边方向垂直、与构成电桥电路5的扩散电阻5a～5d的长边方向平行。

通过将放大器20、21配置成与电桥电路4、5的配置平行、即与对角线平行，应变测定方向与放大器的反馈电阻的配置方向相同，因此具有容易知道应变测定方向的优点。另外，通过相邻设置电桥电路4、5，并在两侧设置放大器的电阻22a、22b和电阻23a、23b，使它们分别与电桥电路4、5相邻，从而可以减小电桥电路4、5和放大器的电阻22a、22b、23a、23b的设置面积。

[实施例10]

<带放大器的芯片>

以下，利用图25说明本发明第10实施方式。图25表示第10实施方式的力学量测定装置的主要部分。

本实施方式的图25的力学量测定装置是使图24所示的第9实施方式的电桥电路4、5和放大器20、21的配置变形后的结构。其它方面为相同结构，可以得到与上述实施方式相同的效果。

在图24所示的第10实施方式中，电桥电路4、5沿芯片的对角线配置在一列上，而在图25所示的本实施方式中，采用的是电桥电路4、5沿芯片的中央线201配置的结构。另外，采用构成电桥电路4、5的扩散电阻4a～4d、5a～5d的中心沿芯片的中央线201配置在一列上的结构。形成电桥电路4的扩散电阻4a～4d的长边方向朝向作为电桥电路4的测定方向的〔100〕方向，形成电桥电路5的扩散电阻5a～5d的长边方向朝向作为电桥电路5的测定方向的〔010〕方向，并且分别正交。另外，任意一个扩散电阻都朝向与朝向<110>的芯片的边以及中央线成45°的方向。而且，扩散电阻4a～4d的各自的中心沿与扩散电阻4a～4d的长边方向成45°的方向排列，扩散电阻5a～5d的各自的中心沿与扩散电阻5a～5d的长边方向成45°的方向排列，扩散电阻4a～4d和扩散电阻5a～5d的中心排列在一列上，由此使电桥电路4、5所占的区域在纵长上紧凑。

另外，形成在放大器20、21内的电阻22a和22b、23a和23b的长边方向都设置成与芯片的中央线201平行，即与<110>方向平行。在电桥电路4、5的一侧设置放大器的电阻22a和22b，在相对于电桥电路4、5的相反侧设置放大器电阻23a和23b。

在本实施方式中，可以将电桥电路紧凑地集中在纵长上，因此在配置放大器的情况下，也可以增大放大器的占有面积。因此，除了可形成更小的芯片面积、降低成本外，还可以搭载占有面积容易很大的高倍率的放大器。另外，通过这样配置传感器和放大器，具有容易进行传感器和放大器之间的布线的引出的优点。

[实施例11]

<应变检测部的位置>

如图26所示，在将上述力学量测定装置1贴附到被测定物115上、或者经由其它板连接来进行应变测定的情况下，硅基板2的侧面为自由表面，因此，对于与硅基板2和被测定物11的界面平行的方向的约束弱。即，在硅基板2的周边部附近区域，可能产生应变对被测定物的跟踪性差的问题。因此，本发明的发明人通过利用有限要素法解析来限定在芯片内配置传感器的场所，发现可以抑制灵敏度偏差。

图27中示出对影响应变灵敏度的芯片厚度和离芯片端部的距离进行研究的结果。结果是，为了使应变灵敏度稳定，必须将应变检测部3配置在芯片中央部分，随着力学量测定装置1的芯片厚度变厚，必须使离芯片端部的距离变长。从对灵敏度稳定的区域进行研究的结果可知，通过将应变检测部3配置在离芯片端部的距离至少为49×(芯片厚度)^0.5μm以上的内侧，可以抑制灵敏度的变动。

由此，在将由半导体芯片构成的力学量测定装置1贴附在被测定物上的情况下，也可以不受芯片端部影响地抑制测定偏差，从而可以进行再现性非常好的高精度的测定。

Claims

1.一种力学量测定装置，在单晶半导体基板表面上具备应变检测部，并且通过安装在被测定物上来测定应变，其特征在于，

在所述单晶半导体基板上具备：

由4个扩散电阻形成的惠斯登电桥；和

放大从所述惠斯登电桥输出的信号的放大器电路，

以使构成所述放大器电路的反馈电阻群的长边方向相同的方式，在所述单晶半导体基板上形成所述反馈电阻群。

2.如权利要求1所述的力学量测定装置，其特征在于，

所述惠斯登电桥有多个，

所述放大器电路的个数与所述惠斯登电桥的个数相同。

3.如权利要求1所述的力学量测定装置，其特征在于，

构成所述放大器电路的反馈电阻群在所述单晶半导体基板上大致线对称地形成。