CN106461484B - 力学量测量装置及使用其的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有以往之上的高精度和长期可靠性的力学量测量装置及使用其的压力传感器。在一个半导体基板(1)的主表面上具有由杂质扩散电阻体构成的第一惠斯通电桥(A)并利用第一惠斯通电桥(A)检测半导体基板(1)的主表面上正交的x轴方向产生的应变量与y轴方向产生的应变量的差的力学量测量装置中，在半导体基板(1)的主表面上具有检测x轴方向的应变量的第二惠斯通电桥(B)和检测y轴方向的应变量的第三惠斯通电桥(C)。

Description

力学量测量装置及使用其的压力传感器
技术领域
本发明涉及测量施加于测量对象物的应力或应变等力学量的技术，具体地涉及具有由形成在半导体基板表面的杂质扩散电阻体构成的应变检测区域的力学量测量装置及使用其的压力传感器。
背景技术
作为测量对象物的变形(应变)的装置，在薄绝缘体上配设有金属电阻体(金属箔)的金属箔应变计在以往被众所周知。金属箔应变计测量跟随测量对象物变形的金属箔变形所产生的电阻值变化并换算成应变量，结构简单、廉价而高精度，因此被广泛使用。另一方面，金属箔应变计在其结构上具有被测量物的温度变化时容易产生测量误差的点、为了不断电驱动所需的消耗电力大的点、和需要一定程度的设置面积的点等弱点。
作为克服金属箔应变计的这些弱点的装置，开发了半导体应变传感器，其具有由形成在半导体基板表面的杂质扩散电阻体构成的应变检测区域(桥电路)。半导体应变传感器中，由于杂质扩散电阻体对应变的电阻变化率相比以往的金属箔应变计的金属电阻体要大数十倍，即使微小的应变也能够检测(即，具有对应变的灵敏度高的优点)。此外，通过在杂质扩散电阻体的形成时采用光刻等所谓半导体工艺，使杂质扩散电阻体的精细图案化变得可能，能够使半导体应变传感器整体小型化(小面积化)，并且能够省电化。进一步地，通过杂质扩散电阻体的精细图案化，能够在同一基板上形成构成惠斯通电桥电路的所有电阻体，因此相对于被测量物的温度变化的电阻变化相互抵消，具有减小测量误差(提高测量精度)的优点。
例如，在日本特开2007-263781号公报(专利文献)中记载了如下力学量测量装置，其在半导体基板表面具有应变检测部，安装在被测量物上来测量应变。该力学量测量装置中，在半导体单晶基板上至少形成有两组以上的桥电路。两组的桥电路中的一组桥电路由电流流过、测量电阻值的变动的方向(长度方向)与半导体单晶基板的<100>方向平行的n型扩散电阻构成。另一组桥电路将长度方向与<110>方向平行的p型扩散电阻组合而构成。根据专利文献1，认为能够以良好精度测量被测量物产生的特定方向的应变分量(参考摘要)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-263781号公报
发明内容
发明要解决的课题
以汽车发动机的节能化和排气清洁化为目的，用于使燃料更有效率燃烧的各种技术得到了研究和采用。然而，近年来节能化和排气清洁化的要求越来越强。以节能化为目的的燃烧技术的代表为实现比理论空燃比更稀薄的条件下的燃烧的技术。此外，以排气清洁化为目的的燃烧技术的代表为实现气缸内的稳定、可靠的燃烧的技术。
为了有效地实现这些燃烧技术，不可缺少燃料喷射的精密控制。而为了实现燃料喷射的精密控制，与喷射压力控制相关的压力传感器是关键部件的其中之一。
例如，在柴油发电机用的共轨系统中，用于促进节能化和排气清洁化的燃料压力的进一步高压化(例如2500～3000大气压)正在推进。这样，对结构部件强烈要求更高的耐压性和耐久性(长期可靠性)。此外，在结构部件中压力传感器也是构成精密控制的基础的部件，在耐压性和耐久性的基础上，强烈要求更进一步的高精度。
专利文献1中记载的半导体应变传感器具有如上所述的优良作用效果。然而，为了达到对压力传感器的最新的要求水平(尤其是高精度和长期可靠性)，已知在半导体应变传感器(力学量测量装置)中需要进一步的改良(细节后述)。
本发明的目的为提供具有以往之上的高精度和长期可靠性的半导体应变传感器(力学量测量装置)。并且，通过使用该力学量测量装置，提供具有以往之上的高精度和长期可靠性的压力传感器。
用于解决课题的技术方案
为了达成上述目的，本发明的力学量测量装置为一种具有由形成在半导体基板的主表面上的杂质扩散电阻体构成的应变检测区域的力学量检测装置，上述应变检测区域具有多个惠斯通电桥，利用上述多个惠斯通电桥中的一个惠斯通电桥来检测半导体基板上正交的x轴方向与y轴方向上产生的应变量的差分，利用上述多个惠斯通电桥的其它惠斯通电桥独立地检测出x轴方向的应变量和y轴方向的应变量，测量x轴方向、y轴方向产生的应变量的差分以及x轴方向的应变量的绝对值和y轴方向的应变量的绝对值。
此外，本发明的压力传感器为一种在金属制膜片上接合有半导体应变传感器的压力传感器，上述半导体应变传感器由上述力学量测量装置所构成。
发明效果
通过本发明，能够提供具有以往之上的高精度和长期可靠性的力学量测量装置。并且，通过使用该力学量测量装置，提供具有以往之上的高精度和长期可靠性的压力传感器。
附图说明
图1是表示实验中使用的以往的半导体应变传感器的概要的平面示意图。
图2是表示实验中所用的模拟压力传感器的概要的平面示意图和a-b线的截面示意图。
图3A是表示安装正常进行的模拟压力传感器的变形的情况的截面示意图。
图3B是表示安装时由于硅芯片的一部分超过允许的应变量而使部分(主要是芯片端部)破损后的模拟压力传感器的变形的情况的截面示意图。
图3C是表示安装正常进行的模拟压力传感器和部分破损后的模拟压力传感器中的半导体应变传感器的输出电压与时间的关系的曲线图。
图4是表示第一实施方式的力学量测量装置的概要的平面示意图。
图5是表示第二实施方式的力学量测量装置的概要的平面示意图。
图6是表示第三实施方式的力学量测量装置的概要的平面示意图。表示连接方式与惠斯通电桥A等价的状态。
图7是表示第三实施方式的力学量测量装置的概要的平面示意图。表示连接方式与惠斯通电桥B等价的状态。
图8是表示第三实施方式的力学量测量装置的概要的平面示意图。表示连接方式与惠斯通电桥C等价的状态。
图9是表示第三实施方式的力学量测量装置的概要的平面示意图。表示连接方式不受X轴方向和Y轴方向的应变量的影响、惠斯通电桥的输出电压为0的状态。
图10是表示本发明的压力传感器的一个例子的截面示意图。
图11是表示使用本发明的力学量测量装置的压力传感器的内部动作流程的一个例子的流程图。
具体实施方式
本发明的以下实施例中，对提高压力传感器的膜片(diaphragm)和硅芯片的安装界面的可靠性的实施方式的例子进行说明。
在各种工业部件中汽车部件是对适用温度范围、耐候性、精度、长期可靠性等相关的要求尤其严格的领域。本发明人等对使用半导体应变传感器的压力传感器进行了可满足最新的各种要求的研究后得知：即使半导体应变传感器内配置的4个P型扩散电阻惠斯通电桥的值在正常范围内，还会产生硅芯片与膜片的接合界面上的破损，该现象是关系到精度及长期可靠性的问题，是应解决的研究问题。因此，本发明人等通过与使用4个P型扩散电阻的惠斯通电桥不同的方法来尝试造成该接合界面或硅芯片的破损原因的应变量的检测。
图1是表示以往的半导体应变传感器中安装的使用4个P型扩散电阻的惠斯通电桥的概要的平面示意图。利用图1简单地说明以往的半导体应变传感器10的结构和功能。半导体应变传感器10在单晶硅基板1的表面上形成多个P型扩散电阻体2，多个P型扩散电阻体2作为4个桥电阻Rv1、Rv2、Rh1、Rh2彼此连接，构成惠斯通电桥3。惠斯通电桥3与电源端子4及接地端子5相连接，构成使得4个桥电阻Rv1、Rv2、Rh1、Rh2中流动的电流方向为单晶硅基板1的<110>方向及与其垂直的方向。此外，硅为立方晶。
对半导体应变传感器10施加单晶硅基板1的<110>方向和/或与其垂直的方向的应变时，杂质扩散电阻体2(即4个桥电阻Rv1、Rv2、Rh1、Rh2)的电阻值变化，在桥电压的输出中产生电位差。该电位差被形成在单晶硅基板1内的放大电路6放大，作为电信号从输出端子7取出。这样，半导体应变传感器10能够输出与施加到形成惠斯通电桥3的区域(应变检测区域)的应变量相应的电信号。此时半导体应变传感器10的输出电压OUT可表示为：
VOUT＝GAIN·VDD((a－b)εx－(a－b)εy)/2…(1)
GAIN：放大电路的增益
a：与电流平行的方向的应变系数、b：与电流垂直的方向的应变系数
VDD：电源电压、εx：X方向应变、εy：Y方向应变
此时，如果构成桥的电阻使用P型扩散电阻，平行于电流的方向的应变系数与垂直于电流的方向的应变系数相等，上述(1)式的a和b可由(2)式表示。
a≈﹣b…(2)
因此，(1)式变成(3)式。
VOUT＝GAIN·VDD·a·(εx－εy)…(3)
即可知使用P型扩散电阻的以往的半导体应变传感器的输出电压与半导体应变传感器中产生的X方向应变和Y方向应变的差成比例。因此可知，在被测量物因热导致的膨胀或收缩而使X方向与Y方向各向同性地发生变化的情况下，使用P型扩散电阻的半导体应变传感器抵消其影响，显示出良好的温度依赖性。
图2是表示实验中所用的模拟压力传感器的概要的平面示意图和平面示意图所示的a-b线的截面示意图。如图2所示，模拟压力传感器20中，半导体应变传感器10经由焊接接合层22接合在模拟膜片的金属板21的大致中央位置上。汽车发动机用压力传感器由于配设在高温(例如120～130℃左右)的环境下，因此膜片与半导体应变传感器的接合通常不是基于有机类粘合剂的接合，而是通过焊接来进行。金属板21上设有端子台23，连接了半导体应变传感器10的电源端子4、接地端子5和输出端子7。
接着，利用图3A、图3B和图3C针对实验及其结果进行说明。图3A是表示安装正常进行的模拟压力传感器20的变形的情况的截面示意图。图3B是表示安装时由于硅芯片的一部分超过允许的应变量而使部分(主要是芯片端部)破损后的模拟压力传感器20’的变形的情况的截面示意图。图3C是表示半导体应变传感器10、10’的输出电压与时间的关系的曲线图。实验在“时间t＝0”时是未对金属板施加应力的初始状态，令此时的半导体应变传感器10的输出电压为V0、半导体应变传感器10’的输出电压为V0’。
之后，经“时间t＝t1”，在模拟压力传感器20、20’的金属板21、21’上施加弯曲应力时，金属板21、21’发生应变。金属板21、21’的应变经焊接接合层传递到半导体应变传感器10、10’，半导体应变传感器10的输出电压从V0开始经过渡状态达到输出电压V+，半导体应变传感器10’的输出电压从V0’开始经过渡状态达到输出电压V+’。
可知此时虽然为硅芯片部分破损的模拟压力传感器20’与正常的模拟压力传感器20相比其初始偏置稍大、施加应力时的电压变化稍小的结果，但仅观察模拟压力传感器20’的值无法觉察硅芯片的破损。这意味着，由于使用P型扩散电阻的惠斯通电桥的输出是检测X方向与Y方向的差，即使其绝对值如模拟压力传感器20’那样大到破坏硅芯片的一部分，在X方向和Y方向的应变量一起变大的情况下，仅靠惠斯通电桥的输出无法捕捉该现象。
从该研究的结果可知，在配置有检测X方向与Y方向的应变量的差的、温度依赖性良好的、使用P型扩散电阻的惠斯通电桥的半导体应变传感器的同一硅基板上，需要通过同时测量X方向、Y方向的绝对值是否未超过硅芯片或其安装界面允许的应变量，对硅芯片或安装界面的可靠性提高到满足车载质量的水平。本发明根据该研究的结果而完成。
本发明可在上述的本发明的力学量测量装置中增加如下所述的改良或变更。
(i)半导体基板的主表面为单晶硅的{100}面。
(ii)半导体基板中，x轴方向和y轴方向与硅基板的<100>方向一致。检测x轴方向和y轴方向的应变量的差的惠斯通电桥由配置成使电流在<110>方向上流动且长度方向形成在y轴方向、电流的流动方向与y轴平行的两个P型扩散电阻、和配置成使电流在<110>方向上流动且长度方向形成在x轴方向、电流的流动方向与x轴平行的两个P型扩散电阻所构成。
(iii)测量x轴方向的应变量的绝对值与y轴方向的应变量的绝对值的惠斯通电桥由两个惠斯通电桥构成。其中一个由配置成使电流在<110>方向上流动且长度方向形成在y轴方向、电流的流动方向与y轴平行的两个多晶硅电阻、和配置成使电流在<100>方向上流动且长度方向形成在从x轴方向和y轴方向各自倾斜45度的方向、电流的流动方向与从x轴方向和y轴方向各自倾斜45度的方向平行的两个P型扩散电阻所构成。另一个惠斯通电桥由配置成使电流在<110>方向上流动且长度方向形成在x轴方向、电流的流动方向与x轴平行的两个多晶硅电阻、和配置成使电流在<100>方向上流动且长度方向形成在从x轴方向和y轴方向各自倾斜45度的方向、电流的流动方向与从x轴方向和y轴方向分别倾斜45度的方向平行的两个P型扩散电阻所构成。
(iv)构成惠斯通电桥的电阻体隔开电阻体的长度方向的长度以下的间隔相邻的方式排列。
(v)还在形成有惠斯通电桥的半导体基板上设置有基于多个惠斯通电桥各自的输出来进行应变量的修正计算的修正运算电路。
此外，如上所述，本发明的压力传感器为一种在金属制的膜片上接合有半导体应变传感器的压力传感器，其中上述半导体应变传感器由上述本发明的力学量测量装置构成。
本发明在上述本发明的压力传感器中可增加以下所述的改良或变更。
(vi)半导体应变传感器向金属制膜片的接合为焊接接合。
(vii)上述压力传感器用作汽车发动机用的压力传感器。
以下，针对本发明的实施方式参考附图进行说明。但本发明并不限定于这里所列举的实施方式，可在不脱离该发明的技术思想的范围内适当组合或改良。此外，对相同部件、部位附以相同记号，并省略重复说明。
实施例1
在此，针对本发明的第一实施方式的力学量测量装置的技术思想参考图4～7进行说明。图4是表示第一实施方式的力学量测量装置的概要的平面示意图。
如图4所示，第一实施方式的力学量测量装置30(半导体应变传感器)中，在半导体基板(例如单晶硅基板1)的表面上具有彼此相邻地配设的三个惠斯通电桥A、B、C。惠斯通电桥A由4个电阻体Rv1、Rv2、Rh1、Rh2构成。同样地，相邻的惠斯通电桥B由4个电阻体Rv3、Rv4、Rh3、Rh4构成，相邻的惠斯通电桥C由4个电阻体Rv5、Rv6、Rh5、Rh6构成。惠斯通电桥A、B、C优选形成为相对于单晶硅基板1的大小足够地小。在本实施方式中，作为一个例子，使单晶硅基板1的大小为4mm的方形，惠斯通电桥A、B、C的大小分别为0.2mm的方形。
惠斯通电桥A为了输出X轴方向产生的应变的差与Y轴方向产生的应变的差，由电阻值与半导体基板1的X轴方向上发生的应变相应地发生变化的电阻Rh1、Rh2和电阻值与Y轴方向上发生的应变相应地发生变化的电阻Rv1、Rv2构成。这些电阻体Rv1、Rv2、Rh1、Rh2由P型杂质扩散电阻体构成。更具体地，电阻Rv1、Rv2是配置成长度方向为Y轴方向、电流的流动方向与Y轴平行的P型扩散电阻。此外，电阻Rh1、Rh2是配置成长度方向为X轴方向、电流的流动方向与X轴平行的P型扩散电阻。并且，构成惠斯通电桥A的电阻Rv1、Rv2、Rh1、Rh2配置在半导体基板1的大致中心(中央)。
惠斯通电桥B、C用于通过计算其输出电压来检测X轴方向产生的应变的绝对值和Y轴方向产生的应变的绝对值而构成。在此，构成惠斯通电桥B的4个电阻Rv3、Rv4、Rh3、Rh4中，电阻Rv3、Rv4为P型杂质扩散电阻体，其长度方向为从X轴和Y轴方向倾斜45度的<100>方向。另一方面，电阻Rh3、Rh4为多晶硅电阻，其长度方向为与X轴平行的方向。并且，构成惠斯通电桥B的电阻体Rv3、Rv4、Rh3、Rh4与构成惠斯通电桥A的电阻Rv1、Rv2、Rh1、Rh2相邻地配置。
构成惠斯通电桥C的4个电阻Rv5、Rv6、Rh5、Rh6中，电阻Rh5、Rh6为P型杂质扩散电阻体，其长度方向为从X轴和Y轴方向倾斜45度的<100>方向。另一方面，电阻Rv5、Rv6为多晶硅电阻，其长度方向为与Y轴平行的方向。并且，构成惠斯通电桥C的电阻体Rv5、Rv6、Rh5、Rh6与构成惠斯通电桥A的电阻Rv1、Rv2、Rh1、Rh2相邻地配置。
如上所述，惠斯通电桥A、B、C彼此相邻配置，并且各电阻体具有所有4个桥电阻的部件。因此，在考虑到半导体基板的热阻的情况下，各惠斯通电桥A、B、C都具有在自身的应变检测区域内(更严密地说，在形成有构成该惠斯通电桥的杂质扩散电阻体的区域内)温度分布大致一定的特征。
各惠斯通电桥A、B、C中，电源端子4与接地端子5连接。从惠斯通电桥A得到的信号(桥电压的电位差)由形成在单晶硅基板1内的放大电路6放大。从惠斯通电桥B、C得到的信号由形成在单晶硅基板1内的放大电路8、9放大。被放大电路6、8、9放大后的信号输入到形成在单晶硅基板1内的修正运算电路11。修正运算电路11中，执行根据惠斯通电桥A中检测出的电压来计算X轴方向的应变量与Y轴方向的应变量的差的修正运算。此外，在修正运算电路11中，进行根据惠斯通电桥B、C中检测出的电压来计算X轴方向的应变量的绝对值和Y轴方向的应变量的绝对值的修正运算。在X轴方向的应变量和Y轴方向的应变量在允许值以下的情况下，与X轴方向应变量和Y轴方向应变量的差相应的信号从输出端子7输出。在X轴方向的应变量和Y轴方向的应变量中至少一方为超过允许值的应变量的情况下，从输出端子7输出通知异常的电压。(针对修正运算的细节后述)。由此，在接合力学量测量装置30(半导体应变传感器)的焊接接合层或硅基板上发生超过允许应变量的应变的情况下，能够将该状态以异常电压的方式向外部通知。
接着，针对修正运算进行说明。惠斯通电桥A由使电流在<110>方向上流动的4个P型扩散电阻构成。因此，电阻值根据X轴方向和Y轴方向产生的应变而变化。如利用上述图1所说明的，此时的输出电压由(3)式表示。
即，其表示检测到与施加到X轴方向的应变量εx和施加到Y轴方向的应变量εy的差成比例的输出。
与以上相对，在惠斯通电桥B中，虽然电阻Rv3、Rv4为P型扩散电阻，其长度方向朝<100>方向配置。P型扩散电阻在电流沿<100>方向流动的情况下，对X轴方向和Y轴方向产生的应变表现出极低的灵敏度。因此，即使X轴方向和Y轴方向上产生应变，电阻值Rv3、Rv4也不发生变化。与此相对，构成惠斯通电桥B的电阻Rh3、Rh4为使电流在<110>方向上流动、电流的流动方向与X轴方向平行的多晶硅电阻。同样地，在惠斯通电桥C中，虽然电阻Rh5、Rh6为P型扩散电阻，其长度方向朝<100>方向配置。另一方面，电阻Rv5、Rv6为多晶硅电阻，电流的流动方向与Y轴方向平行。
此时，多晶硅电阻在电流的流动方向的应变灵敏度和与电流垂直方向产生的应变灵敏度不同。即，在惠斯通电桥B、C中，通过改变流过多晶硅电阻的电流方向，能够检测出在X轴方向、Y轴方向上分离的应变。对于此时的X轴方向应变和Y轴方向应变，若令惠斯通电桥B的输出电压为VOUTB、惠斯通电桥C的输出电压为VOUTC和与多晶硅电阻的电流流动方向平行的应变系数为A、垂直的应变系数为B，则可导出(4)式和(5)式。
εx＝(1/(A2－B2))(A·(VOUTB/VDD)－B·(VOUTC/VDD))…(4)
εy＝(1/(A2－B2))(A·(VOUTB/VDD)－B·(VOUTC/VDD))…(5)
此时，与上述P型扩散电阻的应变系数a相比，多晶硅电阻的应变系数A、B温度依赖性高，对式(4)、(5)进行减法运算求出的应变量εx和εy与实际产生的应变相比，包含最大30％左右的误差。因此，作为力学量测量装置，为了获得和X轴方向产生的应变量与Y轴方向产生的应变量的差相应的输出，仅使用P型扩散电阻的(3)式的方式是最佳的。其成为需要在同一基板上配置3个惠斯通电桥并求出X轴方向的应变量与Y轴方向的应变量的差、X轴方向的应变量的绝对值和Y轴方向的应变量的绝对值的根据。
通过上述力学量测量装置中配置的3个惠斯通电桥，能够以良好的温度依赖性检测出X轴方向的应变量与Y轴方向的应变量的差并且分别估算X轴方向和Y轴方向各自产生的应变。
接着，对通过本发明次要地产生的力学量测量装置的效果进行说明。由上，在图4的修正电路11中，将图3所示的硅或安装界面允许的应变量与式(4)、(5)获得的应变量的估算值进行比较，在式(4)、(5)的值为超过允许应变的值的情况下，通过令输出端子7为将发生超过允许应变的应变的状况予以通知的电压，例如为GND电位，从而能够作为力学量测量装置安全地停止。将发生超过允许应变的应变的状况予以通知的电压设定为力学量测量装置正常工作的情况下从输出端子7输出的输出电压的工作电压范围外的值。
在本实施例中，利用12个电阻体构成3个惠斯通电桥。第一惠斯通电桥A由第一Y轴方向电阻Rv1、第二Y轴方向电阻Rv2、第一X轴方向电阻Rh1、和第二X轴方向电阻Rh2所构成。第二惠斯通电桥B由第一多晶硅电阻Rh3、第二多晶硅电阻Rh4、第一倾斜(<100>方向)电阻Rv3、和第二倾斜(<100>方向)电阻Rv4所构成。第三惠斯通电桥C由第三多晶硅电阻Rv5、第四多晶硅电阻Rv6、第三倾斜(<100>方向)电阻Rh5、和第四倾斜(<100>方向)电阻Rh6所构成。
并且，惠斯通电桥A、B、C、电源端子4、接地端子5、输出端子7、放大电路6、8、9和修正电路11形成在半导体基板1的主表面上。
实施例2
在此，针对上述第一实施方式之外的例子参考图5进行说明。图5表示第二实施方式的力学量测量装置的整体图。为将第一实施方式所示的惠斯通电桥A、B、C的电阻体配置在芯片中心附近、各自的电阻体相邻地配置的例子。此外，在图5的平面示意图中，为了使图简化而省略了配线的细节(例如，杂质扩散电阻体彼此之间的配线)。
如图5所示，构成本实施方式中的惠斯通电桥A的电阻体Rv1、Rv2、Rh1、Rh2分别配置在芯片中心部，构成惠斯通电桥B、C的电阻体分别相邻A的电阻体Rv1、Rv2、Rh1、Rh2而配置。由此(在构成该惠斯通电桥的杂质扩散电阻体所形成的区域中)，检测面内的各向同性度高，具有不易受半导体基板的制造偏差或温度分布的影响。
实施例3
在此，针对上述第一、第二实施方式之外的例子参考图6、7、8、9进行说明。图6是表示第三实施方式的力学量测量装置的惠斯通电桥部分的连接方式的图。在此，图中的12、13、14、15为从连接在后端的3条配线中选择1条的开关电路。构成上述惠斯通电桥A、B、C的电阻Rv1、Rv3、Rv5连接到开关电路12，电阻Rh2、Rh4、Rh6连接到开关电路13、电阻Rv2、Rv4、Rv6连接到开关电路14，电阻Rh1、Rh3、Rh5连接到开关电路15。惠斯通电桥A、B、C的输出端子101a、101b连接到放大电路16。放大电路16的输出16a连接到修正电路17，修正电路17的输出信号17a从输出端子7输出。
在本实施方式中，为了构成第一实施方式中说明3个惠斯通电桥A、B、C，设有一个惠斯通电桥电路配线50。惠斯通电桥电路配线50的第一配线部(第一条边)51上经由第一开关电路12并排(并联)设置有第一Y轴方向电阻Rv1、第三多晶硅电阻Rv5和第一倾斜(<100>方向)电阻Rv3。通过第一开关电路12从这些电阻Rv1、Rv5、Rv3中选择任一个电阻，电连接到第一配线部51。第二配线部(第二条边)52上经由第二开关电路13并排(并联)设置有第二X轴方向电阻Rh2、第二多晶硅电阻Rh4和第四倾斜(<100>方向)电阻Rh6。通过第二开关电路13从这些电阻Rh2、Rh4、Rh6中选择任一个电阻，电连接到第二配线部52。第三配线部(第三条边)53上经由第三开关电路14并排(并联)设置有第二Y轴方向电阻Rv2、第四多晶硅电阻Rv6和第二倾斜(<100>方向)电阻Rv4。通过第三开关电路14从这些电阻Rv2、Rv6、Rv4中选择任一个电阻，电连接到第三配线部53。第四配线部(第四条边)54上经由第四开关电路15并排(并联)设置有第一X轴方向电阻Rh1、第一多晶硅电阻Rh3和第三倾斜(<100>方向)电阻Rh5。通过第四开关电路15从这些电阻Rh1、Rh3、Rh5中选择任一个电阻，电连接到第四配线部54。
图6中，通过开关电路12、13、14、15分别选择电阻Rv1、Rv2、Rh1、Rh2的状态，该状态表示与上述实施例1的惠斯通电桥A等同的电阻连接方式。
图7中，通过开关电路12、13、14、15分别选择电阻Rv3、Rv4、Rh3、Rh4的状态，该状态表示与上述实施例1的惠斯通电桥B等同的电阻连接方式。
图8中，通过开关电路12、13、14、15分别选择电阻Rv5、Rv6、Rh5、Rh6的状态，该状态表示与上述实施例1的惠斯通电桥C等同的电阻连接方式。
此外，放大电路16具有放大惠斯通电桥的输出电压的功能，修正电路17中进行开关电路12、13、14、15的控制的同时导出X轴方向产生的应变量与Y轴方向产生的应变量的差、X轴方向的应变量的绝对值、和Y轴方向的应变量的绝对值，并控制输出端子7产生的电压。由此实现具有与实施例1、2等同性能的力学量测量装置。
在本实施方式中，通过控制开关电路12、13、14、15能够实现各惠斯通电桥A、B、C的连接，能够利用放大电路16使实施例1中在各惠斯通电桥后端的放大电路6、8、9共用化。由此具有降低放大电路6、8、9的特性不均的影响的效果。
此外，作为本实施方式的次要效果，若如图9所示地控制开关电路12、13、14、15，连接以使长度方向为<100>方向的方式配置的电阻Rv3、Rv4、Rh5、Rh6，则不受X轴方向、Y轴方向产生的应变量的影响，惠斯通电桥电路的输出电压始终为0。这在X轴方向和Y轴方向产生的应变量并非已知的状态下，进入上述连接状态，通过确认惠斯通电桥的输出电压大致为0，能够进行包含开关电路在内的惠斯通电桥的连接的确认，能够实现可靠性更高的力学量测量装置。
此外，在本实施例中，惠斯通电桥A、B、C、电源端子4、接地端子5、输出端子7、放大电路16和修正电路17形成在半导体基板1的主表面上。
此外，惠斯通电桥A也可作为单独的惠斯通电桥而构成，惠斯通电桥B、C由共用的惠斯通电桥电路配线50构成。或者，惠斯通电桥B、C的其中之一作为单独的惠斯通电桥而构成，另一惠斯通电桥由惠斯通电桥A与共用的惠斯通电桥电路配线50构成。在这些情况下，可在图6、7、8、9中在半导体基板1的主表面上设置单独构成的惠斯通电桥和从惠斯通电桥电路配线50除去单独构成的惠斯通电桥的电阻而构成的惠斯通电桥电路配线50。
实施例4
在此，针对本发明的压力传感器参考图10进行说明。本发明的压力传感器的特征在于使用实施例1～3的力学量测量装置作为应变传感器。图10是表示本发明的压力传感器的一个例子的截面示意图。
如图10所示，本实施方式的压力传感器80大致分为接受压力并将其转换成电信号的传感器部201和将电信号传递到外部设备的连接部202。传感器部201由通过一端开放、另一端封闭的金属制有底筒状体插入压力接口中的压力导入部81、限定压力导入部81的插入量的凸缘82、在压力导入部81的封闭端受压变形的膜片83、焊接在膜片83上的应变传感器84、和与压力传感器84连接并控制压力传感器84的控制机构(控制部)85所构成。控制机构85上安装了保存修正运算所用的各种数据的存储器和电容器86等。连接部202由与外部设备连接的接头87、传递电信号的连接端子88、将接头87固定在传感器部的盖89。
图11表示使用实施例1～3中说明的力学量测量装置的压力传感器的内部动作流程的一个例子。通过实施例1～3的力学量测量装置，在接通电源S301后，基于步骤S302、S303测量到的惠斯通电桥B、C的输出电压，在步骤S304导出X轴方向产生的应变量的绝对值εx和X轴方向产生的应变量的绝对值εy。在步骤S305中判定其结果是否超过硅芯片或安装界面允许的应变量(应变量的基准值：X轴方向基准值、Y轴方向基准值)。在εx、εy其中至少一个超过允许的应变量的情况下，进入步骤S306，从输出端子7输出通知检测到异常的规定电压值。通知检测到异常的规定电压值设定为正常工作的输出范围之外的电压值，例如接地电压等。此外，在εx、εy两者在允许应变量以下的情况下，进入步骤S307，通过惠斯通电桥A获得与X轴方向的应变量与Y轴方向的应变量的差相应的测量结果。然后，进入步骤S308，从输出端子7将测量结果作为正常工作的输出范围的电压值输出。由此，压力传感器能够确保高可靠性。为此，上述各实施方式的力学量检测装置和压力传感器具有保存作为应变量基准值的X轴方向基准值和Y轴方向基准值的ROM等存储装置。在上述各实施方式中，将该存储装置设置在修正电路11中。
此外，图11中说明的流程也可由力学量测量装置30单独执行。
此外，上述实施方式是为了帮助理解本发明而进行说明，本发明并不仅限定于所记载的具体结构。例如，可将某实施方式的结构的一部分替换成其它实施方式的结构，或者可在某实施方式中添加其它实施方式的结构。即，本发明中，可针对本说明书的实施方式的结构的一部分进行删除、替换成其它结构、增加其它结构。
附图记号说明
1…单晶硅基板；2…杂质扩散电阻体；3…惠斯通电桥；4…电源端子；5…接地端子；6、8、9…放大电路；7…输出端子；10…半导体应变传感器；11…修正运算电路；12、13、14、15…开关电路；16…放大电路；17…修正运算电路；20、20’…模拟压力传感器；21、21’…金属板；22…焊接接合层；23…端子台；30、30’…力学量测量装置；31…放大电路；50…惠斯通电桥电路配线；51、52、53、54…惠斯通电桥的配线部(边)；80…压力传感器；81…压力导入部；82…凸缘；83…膜片；84…应变传感器；85…控制机构；86…电容器；87…接头；88…连接端子；89…盖；A…第一惠斯通电桥；B…第二惠斯通电桥；C…第三惠斯通电桥。

Claims (11)

1.一种力学量测量装置，其在一个半导体基板的主表面上具有由杂质扩散电阻体构成的第一惠斯通电桥，利用所述第一惠斯通电桥检测在所述半导体基板的所述主表面上正交的x轴方向上产生的应变量与y轴方向上产生的应变量的差，所述力学量测量装置的特征在于：
在所述半导体基板的所述主表面上具有检测x轴方向的应变量的第二惠斯通电桥和检测y轴方向的应变量的第三惠斯通电桥，
所述半导体基板的所述主表面为单晶硅的{100}面，
所述x轴方向和所述y轴方向与硅基板的<110>方向一致，
所述第一惠斯通电桥具有使电流在<110>方向上流动的4个电阻，所述4个电阻为第一y轴方向电阻和第二y轴方向电阻以及第一x轴方向电阻和第二x轴方向电阻，其中所述第一y轴方向电阻和第二y轴方向电阻由配置成长度方向为y轴方向且电流的流动方向与y轴平行的P型扩散电阻构成，所述第一x轴方向电阻和第二x轴方向电阻由配置成长度方向为x轴方向且电流的流动方向与x轴平行的P型扩散电阻构成，
所述第二惠斯通电桥由第一多晶硅电阻和第二多晶硅电阻以及第一倾斜电阻和第二倾斜电阻构成，其中所述第一多晶硅电阻和第二多晶硅电阻配置成使电流在<110>方向上流动，长度方向为x轴方向且电流的流动方向与x轴平行，所述第一倾斜电阻和第二倾斜电阻由配置成使电流在<100>方向上流动、长度方向为从x轴方向和y轴方向分别倾斜45度的方向且电流的流动方向与从x轴方向和y轴方向分别倾斜45度的方向平行的P型扩散电阻构成，
所述第三惠斯通电桥由第三多晶硅电阻和第四多晶硅电阻以及第三倾斜电阻和第四倾斜电阻构成，其中所述第三多晶硅电阻和第四多晶硅电阻配置成使电流在<110>方向上流动，长度方向为y轴方向且电流的流动方向与y轴平行，所述第三倾斜电阻和第四倾斜电阻由配置成使电流在<100>方向上流动、长度方向为从x轴方向和y轴方向分别倾斜45度的方向且电流的流动方向与从x轴方向和y轴方向分别倾斜45度的方向平行的P型扩散电阻构成。
2.如权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于：
包括具有第一配线部、第二配线部、第三配线部和第四配线部的一个惠斯通电桥电路配线，
所述第一配线部上经由第一开关电路并联设置有所述第一y轴方向电阻、所述第三多晶硅电阻和所述第一倾斜电阻，
所述第二配线部上经由第二开关电路并联设置有所述第二x轴方向电阻、所述第二多晶硅电阻和所述第四倾斜电阻，
所述第三配线部上经由第三开关电路并联设置有所述第二y轴方向电阻、所述第四多晶硅电阻和所述第二倾斜电阻，
所述第四配线部上经由第四开关电路并联设置有所述第一x轴方向电阻、所述第一多晶硅电阻和所述第三倾斜电阻，
由所述第一开关电路从所述第一y轴方向电阻、所述第三多晶硅电阻和所述第一倾斜电阻中选择任一个电阻来电连接到所述第一配线部，
由所述第二开关电路从所述第二x轴方向电阻、所述第二多晶硅电阻和所述第四倾斜电阻中选择任一个电阻电连接到所述第二配线部，
由所述第三开关电路从所述第二y轴方向电阻、所述第四多晶硅电阻和所述第二倾斜电阻中选择任一个电阻电连接到所述第三配线部，
由所述第四开关电路从所述第一x轴方向电阻、所述第一多晶硅电阻和所述第三倾斜电阻中选择任一个电阻电连接到所述第四配线部，
由此分时地构成所述第一惠斯通电桥、所述第二惠斯通电桥和所述第三惠斯通电桥。
3.如权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于：
构成所述第一、第二和第三惠斯通电桥的各电阻隔开比其长度方向的长度短的间隔相邻配置。
4.如权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于：
接收并放大所述第一、第二和第三惠斯通电桥的输出差动电压的放大电路及其输出端子配置在所述半导体基板的所述主表面上。
5.如权利要求1所述的力学量测量装置，其特征在于：
具有存储x轴方向的应变量的基准值和y轴方向的应变量的基准值的存储装置，
具有对由所述第二惠斯通电桥检测出x轴方向的应变量和由所述第三惠斯通电桥检测出的y轴方向的应变量与存储在所述存储装置中的所述基准值进行比较的功能。
6.如权利要求5所述的力学量测量装置，其特征在于，具有如下功能：
具有在利用所述功能进行比较的结果为x轴方向的应变量和y轴方向的应变量中的至少其中一个超过各自的基准值的情况下通知外部的功能。
7.一种在金属制的膜片上接合有半导体应变传感器的压力传感器，其特征在于：
所述半导体应变传感器为权利要求1所述的力学量测量装置。
8.如权利要求7所述的压力传感器，其特征在于：
通过焊接接合将所述半导体应变传感器接合在所述金属制的膜片上。
9.如权利要求7所述的压力传感器，其特征在于：
所述压力传感器为汽车发动机用的压力传感器。
10.如权利要求9所述的压力传感器，其特征在于：
所述压力传感器具有在检测出超过预先确定的额定压力的压力的情况下通知外部的功能。
11.如权利要求9所述的压力传感器，其特征在于：
所述压力传感器具有存储x轴方向的应变量的基准值和y轴方向的应变量的基准值的存储装置，
具有对由所述第二惠斯通电桥检测出的x轴方向的应变量和由所述第三惠斯通电桥检测出的y轴方向的应变量与存储在所述存储装置中的所述基准值进行比较的功能，
且具有在x轴方向的应变量和y轴方向的应变量的至少其中一个超过各自的基准值的情况下通知外部的功能。
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