JP2017500545A - 半導体圧力センサ - Google Patents

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Abstract

センサに加えられた外圧を測定するための半導体圧力センサは、膜と、膜(2)の第1および第2側面部分(S1、S2)上に配置される、第1および第2の抵抗器対(P1、P2)を備えるブリッジと、を備える。第1の抵抗器対(P1)は、直列に接続され、かつともに接近して位置する細長いピエゾ抵抗条片を備える第1および第2の抵抗器(R1、R2)を備え、よって、R1およびR2が実質的に同じ温度を有する。本センサは、1)膜上の温度勾配、任意に2)パッケージングによって引き起こされる不均一な応力勾配、および3)本センサに対して垂直な不均一な外乱電界に対する感度の低減を有する。第1および第2の抵抗器のピエゾ抵抗条片(8、9)は、最大ピエゾ抵抗係数の直交方向に配向され得る。パッケージ圧力を補償するために、第2のブリッジが膜(2)の外側に追加され得る。

Description

本発明は、圧力センサの分野に関し、具体的には、半導体デバイス内に集積される圧力センサに関する。
半導体圧力センサが当技術分野で知られている。
特許文献1(日立)は、半導体本体に形成される隔膜を有する圧力センサ(図1に示される)、一対の圧力感知半導体条片を隔膜の主要面に有する隔膜(図1の垂直ピエゾ抵抗条片30、31)を開示する。条片30、31の各々は、半導体領域(図1の三角形領域32)によって一方の端部でもう一方の端部に接続される。半導体領域32が、小さいピエゾ抵抗係数の方向に形成される一方で、条片30、31は、大きいピエゾ抵抗係数の方向に形成される。半導体領域32(三角形)は、条片30、31の抵抗よりも小さいシート抵抗を有する。また、電極引出領域が条片30、31のもう一方の端部に提供され、該領域は、低い抵抗を有し、小さいピエゾ抵抗係数の方向に延在し、隔膜の縁を超えて延在し、よって、電極は、隔膜の外側で半導体本体と接触する。抵抗条片30、31は、ブリッジ内で接続される。隔膜の変形は、拡散抵抗器層(すなわち、ピエゾ抵抗条片)の抵抗を変化させるように、該拡散抵抗器層を膨張または収縮させる。圧力センサは、抵抗の変化を電気的に検出することによって圧力変化を感知する。
米国特許第4672411号明細書 欧州特許出願公開第0083496A2号公報
しかしながら、この圧力センサは、すべての状況、例えば温度変動が生じた場合、かつ残留パッケージ応力が生じた場合に、あまり正確ではない。
本発明の目的は、良好な半導体圧力センサを提供することである。
具体的には、本発明の実施形態の目的は、特に半導体基板の不均一な温度が生じた場合、かつ/または不均一なパッケージング応力が生じた場合、かつ/または不均一な電界が生じた場合、またはそれらの組み合わせにおいて、良好な精度を有する圧力センサを提供することである。
本発明の実施形態の利点は、不均一な温度、および/または不均一な応力、および/または不均一な電界が存在しても、さらにはそのような温度、応力、または電界が経時的に変動するときであっても、良好な精度、例えば改善された精度が提供されることである。
本発明の特定の実施形態の目的は、改善されたゼロオフセット補償を有する半導体圧力センサを提供することである。
これらの目的は、本発明の実施形態によるデバイスによって達成される。
第1の態様において、本発明は、センサに加えられる外圧を測定するための半導体圧力センサを提供し、本センサは、半導体基板の一部としての外圧により変形する膜であって、膜縁および膜厚さを有する、膜と、膜の第1の側面部分上またはそれに隣接して位置する第1の抵抗器対および膜の第2の側面部分上またはそれに隣接して位置する第2の抵抗器対を備える第1のブリッジ回路と、を備え、第1の抵抗器対が、第1のバイアスノードと第1の出力ノードとの間で接続される第1の抵抗器と、第1の出力ノードと第2のバイアスノードとの間で接続される第2の抵抗器と、を備え、第2の抵抗器対が、第1のバイアスノードと第2の出力ノードとの間で接続される第3の抵抗器と、第2の出力ノードと第2のバイアスノードとの間で接続される第4の抵抗器と、を備え、第1、第2、第3、および第4の抵抗器のうちの少なくとも1つが、測定される外圧による膜の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備え、第1の抵抗器点と第2の抵抗器点との間の最大距離と、膜の最大寸法の比率が、50%未満であり、第3の抵抗器点と第4の抵抗器点との間の最大距離と、膜の最大寸法の比率が、50%未満である。
「外圧」とは、例えばパッケージングによって引き起こされる「内圧」とは対照的に、例えば圧力センサが位置する環境の空気圧またはガス圧を意味する。
第1および第2の抵抗器を同じ側面部分上にまたはそれに隣接して提供し、第1の抵抗器点と第2の抵抗器点との間の最大距離と、膜の最大寸法(例えば、正方形膜の幅、または円形膜の直径)との比率が、50%未満、さらには25%未満であり、これは、抵抗器R1およびR2が膜の寸法に対して「ともに接近して」位置するという事実を意味し、これらの抵抗器の温度は、実質的に同一であり、それ故に、第1および第2の抵抗器の抵抗値の比率R1/R2は、第1の側面部分での(経時的な)温度変化、および第1の側面部分と膜の任意の他の場所との間の温度差に実質的に鈍感である。同様に、抵抗値の比率R3/R4は、第2の側面部分での(経時的な)温度変化、および第2の側面部分と膜の任意の他の場所、具体的には第1の側面部分との間の温度差に鈍感である。したがって、示されるように抵抗器を配置することによって、ブリッジの精度は、センサチップ上、具体的には膜上の温度勾配に比較的鈍感である(または、少なくとも、低減された感度を有する)。
第1、第2、第3、および第4の抵抗器のうちの少なくとも1つが、1つ以上のピエゾ抵抗素子、例えば1つ以上のピエゾ抵抗条片を有するため、外圧によって引き起こされる膜の変形は、ブリッジ回路の不平衡を引き起こし、したがって、膜に印加される外圧は、膜上の温度勾配に鈍感な方法で、ブリッジの出力ノード上で測定することができる。発明者らに知られている限りでは、膜上の温度差(例えば、温度勾配)の補償は、当技術分野では知られていない。そのような温度勾配およびそのセンサの精度への影響の存在は、恐らく当技術分野では認識さえされていない。
出力ノード上で測定することができるブリッジの出力信号は、膜の変形、故に外圧を表す。
各対の抵抗器を同じ側面部分に、かつともに「比較的接近して」位置付けることによって、膜上に加えられる得る温度勾配の影響は大幅に低減され、さらには相殺される。換言すれば、膜上の温度勾配によるゼロオフセットが低減されるか、または相殺される。
特定の実施形態において、第1のブリッジのピエゾ抵抗条片は、膜上に完全に位置するが、それが必ずしも必要であるわけではない。実際には、シミュレーションは、ピエゾ抵抗条片をバルク材料上に部分的に位置付けることによってセンサの最大感度を得ることができることを示している。
ピエゾ抵抗条片は、既知の方法で、具体的には、結晶格子に関する特定の方法で条片を配向することによって、シリコンデバイス上に製造することができる。
一実施形態において、第1、第2、第3、および第4の抵抗器のうちの少なくとも2つは、測定される外圧による膜の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備え、ピエゾ抵抗条片が、圧力が膜に加えられたときにブリッジの不平衡に対して協働するように配向される。
それは、少なくとも2つのピエゾ抵抗条片を使用することの利点であり、条片は、各ピエゾ抵抗素子の個々の影響が出力電圧に蓄積されるように配向される。2つ以上のピエゾ抵抗器を使用することにより、圧力測定の感度および精度が高まる。
しかしながら、これには、抵抗器がブリッジの不平衡に対して協働するような方法で抵抗器を配設することが必要である。例えば、(図4の配置を参照して)R1およびR2だけがピエゾ抵抗である場合、それらのピエゾ抵抗条片は、実質的に直角に配向する必要があり、よって、(p型シリコン条片の場合)圧力によるR1の増加は、その同じ圧力によるR2の減少を伴う。別の例として、R1およびR3だけがピエゾ抵抗であり、R1およびR3を正方形膜の隣接する側面上に配置する場合は、それらのピエゾ抵抗条片を実質的に平行に配向する必要がある。しかしながら、R1およびR3だけがピエゾ抵抗であり、R1およびR3を正方形膜の両側に配置する場合は、それらのピエゾ抵抗条片を直角に配向する必要がある。
一実施形態において、第1、第2、第3、および第4の抵抗器のうちの少なくとも3つは、測定される外圧による膜の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備え、ピエゾ抵抗条片が、圧力が膜に加えられたときにブリッジの不平衡に対して協働するように配向される。
少なくとも3つのピエゾ抵抗条片を使用することにより、圧力測定の感度および精度が一層高まる。
一実施形態において、第1、第2、第3、および第4の抵抗器の各々は、測定される外圧による膜の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備え、圧力が膜に加えられたときにブリッジの不平衡に対して協働するように、ピエゾ抵抗条片が配向される。
図4の配置を参照すると、第1、第2、第3、および第4の抵抗器のピエゾ抵抗条片は、外圧が膜に印加されたときに、膜の変形が、第1および第3の抵抗値を増加させる一方で、第2および第4の抵抗値を減少させ、または逆も同様であるように選択され、したがって、R1/R2とR3/R4とのブリッジの不平衡が最大化され、したがって、センサの感度が高められる。
一実施形態において、1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備える少なくとも1つの抵抗器は、直列に接続される少なくとも2つの、または少なくとも3つのピエゾ抵抗条片を備える。
直列に接続される少なくとも2つの、または少なくとも3つのピエゾ抵抗条片を提供することによって、ドーピングレベルを減少させることを必要とせずに、抵抗値を高めることができる。抵抗器の各々が少なくとも1つのピエゾ抵抗条片を有する場合、抵抗器の各々は、好ましくは、直列に接続される少なくとも2つの、または少なくとも3つのそのような条片を有する。これは、技術スケーリングのためチップの寸法がより小さくなるときに、特に重要である。個々の抵抗器のピエゾ抵抗条片は、実質的に平行に配向される。
一実施形態において、第2の側面部分は、膜の中心から測定されたときに、第1の側面部分から実質的にまたは正確に90°の角距離に位置する。
本発明の実施形態の利点は、第2の側面部分が、第1の側面部分に対して実質的にまたは正確に90°に位置し(例えば、正方形膜の場合、これは、第1の対および第2の対が隣接する側面に位置することを意味する)、よって、そのような構造が、均一な応力、例えば基板に対して平行な応力の影響に対して低減された感度を有することである。この構成によって、膜全体にわたる均一な応力が、出力ノードのコモンモード電圧シフトを引き起こし、さらなる差動信号を引き起こさない。
一実施形態において、第1の抵抗器点と第2の抵抗器点との間の最大距離と、膜の最大寸法の比率は、25%未満であり、第3の抵抗器点と第4の抵抗器点との間の最大距離と、膜の最大寸法の比率は、25%未満である。
本発明の実施形態の利点は、第1および第2の抵抗器のピエゾ抵抗条片が、「互いに比較的接近して」位置することである。この比率によって「接近」を定義する理由は、「比較的接近して」が何を意味するのかを明確に定義するためである。
ピエゾ抵抗条片間の距離が小さくなるほど、それらの温度差も小さくなり、よって、ブリッジの1つの分岐内のすべての条片の温度は、分岐間で温度差があったとしても、実質的に同じであると見なすことができる。
一実施形態において、膜は、実質的に正方形であり、最大寸法は、正方形の幅であり、第1の側面部分は、正方形の第1の側面であり、第2の側面部分は、第1の側面に隣接する正方形の第2の側面であり、第1の抵抗器および第2の抵抗器は、正方形の第1の側面の実質的に中央に配置され、第3の抵抗器および第4の抵抗器は、正方形の第2の側の実質的に中央に配置される。
この実施形態において、圧力センサは、正方形状を有する膜を有する。圧力が正方形膜に加えられると、変形は、コーナー部の近くよりも側面の中央の方が大きくなり、また、膜の中心よりも側面の方が大きくなり、したがって、側面の実質的に中央に抵抗器を提供することによって、圧力センサの感度が高められ、例えば最大化される。
側面の中央、および膜縁に対して垂直な方向において、膜に加えられた圧力による応力は、典型的には、膜厚さの約2倍(2×)の距離でのこの最大値の約50%である。したがって、第1、第2、第3、および第4の抵抗器は、好ましくは、膜縁から膜厚さの3倍の距離以内(≦3×)に完全に位置するが、(原則として)この抵抗器のピエゾ抵抗条片のうちの少なくとも1つがその距離以内に位置していれば十分である。
一実施形態において、膜は、実質的に円形であり、最大寸法は、円の直径であるか、膜は、実質的に長方形であり、最大寸法は、長方形の長さおよび幅のうちの大きい方であるか、または膜は、実質的に楕円形であり、最大寸法は、楕円形の第1の軸および第2の軸のうちの大きい方である。
これらは、膜形状の複数の実施例であり、膜の適切な寸法が特定されるが、本発明は、これらの実施例に限定されず、例えば三角形状などの他の形状を有する膜を使用することもできる。
一実施形態において、いかなる外部応力も印加されていないときに、第1の抵抗器の抵抗と第2の抵抗器の抵抗の比率は、50%〜200%の範囲であり、第3の抵抗器の抵抗と第4の抵抗器の抵抗の比率は、50%〜200%の範囲である。
抵抗については、「電気抵抗」を意味する。
出力ノードでの電圧は、ブリッジに印加されるバイアス電圧の約50%になり、正または負のいずれかの方向において最大ゼロオフセットを可能にするため、第2の抵抗値にほぼ等しい第1の抵抗値を選択することが有利である。同時に、出力信号を供給電圧または接地点にクリップするリスクも低減される。
一実施形態において、第2の側面部分は、膜の中心から測定されたときに、第1の側面部分から90°の角距離に位置し、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第2の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第3の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第4の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第3の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向される。
これは、(単一のブリッジだけを使用するときの)特に興味深い配置であり、膜上の温度勾配に対して低減された感度を有するが、さらに、均一なパッケージ応力に対して低減された感度を有する。
別の実施形態において、第2の側面部分は、膜の中心から測定されたときに、第1の側面部分から180°の角距離に位置し、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第2の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第3の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第4の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第3の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向される。
これは、(単一のブリッジだけを使用するときの)別の特に興味深い配置であり、膜上の温度勾配に対して低減された感度を有するが、残念なことに、依然として均一なパッケージ応力に敏感である。
一実施形態において、半導体圧力センサはさらに、膜の第1の側面部分であるが膜の外側に配置される第3の抵抗器対と、膜の第2の側面部分であるが膜の外側に配置される第4の抵抗器対と、を備える、第2のブリッジ回路と、第3の抵抗器対が、第1のバイアスノードと第3の出力ノードとの間で接続される第5の抵抗器と、第3の出力ノードと第2のバイアスノードとの間で接続される第6の抵抗器と、を備え、第4の抵抗器対が、第1のバイアスノードと第4の出力ノードとの間で接続される第7の抵抗器と、第4の出力ノードと第2のバイアスノードとの間で接続される第8の抵抗器と、を備え、第5、第6、第7、および第8の抵抗器のうちの少なくとも1つが、半導体基板上にパッケージングすることによって加えられる応力(膜に加えられる圧力ではない)を測定するだけのために、膜厚さの少なくとも4倍(≧4×)の膜縁からの距離に配置される、1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備え、第2のブリッジによって測定される値を使用して、第1のブリッジによって測定される値を補償するための回路と、を備える。
主に膜上に位置し、膜厚さの最大3倍(≦3×)の距離以内であり、パッケージ応力および測定される外圧の双方に敏感な第1および第2の抵抗器対とは対照的に、第3および第4の抵抗器対を膜の外側の基板上に、膜厚さの少なくとも4倍(≧4×)、例えば膜厚さの少なくとも8倍(≧8×)の膜縁からの距離に位置付けることによって、これらの条片は、パッケージ応力にだけ敏感であるが、外圧による膜の変形には鈍感である。
第1および第2のブリッジからの信号を組み合わせること、例えば減算することによって、パッケージ応力を補償することができ、またはその影響を最終応力測定値において少なくとも低減することができる。
したがって、半導体圧力には、コモンモード温度、例えば(第1のブリッジによる)周囲温度に対して、(「ともに接近して」配置される抵抗器対を使用することによる)温度勾配に対して、(膜の外側の第2のブリッジの抵抗器対による)コモンモードパッケージ応力に対して、任意に(例えば抵抗器対が約90°の角距離で配置された場合に、基板に対して平行な方向に加えられる)均一なパッケージ応力に対しても低減された感度が提供される。
一実施形態において、第5、第6、第7、および第8の抵抗器の各々は、半導体基板上にパッケージングすることによって引き起こされる応力を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備える。
第1および第2の抵抗器対に関して、第5〜第8の抵抗器の各々がピエゾ抵抗条片を備えるときに、より大きい信号が得られ、より正確な信号をもたらす。
一実施形態において、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片および第6の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、直交方向に配向され、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して平行または直角であり、第7の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片および第8の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、直交方向に配向され、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して平行または直角である。
4つのピエゾ抵抗抵抗器を使用し、それらをこのように配置することによって、ブリッジの不平衡が高められ(例えば、最大化され)、それ故に、センサの感度が高められ、例えば最適化される。
一実施形態において、第5、第6、第7、および第8の各々の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、それぞれ、第1、第2、第3、および第4の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片と同じ寸法を有する。
これは、第1のブリッジおよび第2のブリッジの挙動がより良好に整合されるという利点がある。
一実施形態において、第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、および第8の抵抗器の各々は、同数のピエゾ抵抗条片を有し、これらのすべてのピエゾ抵抗条片の寸法は、同一である。
これは、第1のブリッジおよび第2のブリッジの挙動が最適に整合されるという利点がある。好ましくは、この事例において、抵抗器対のレイアウトは、(回転、平行移動、ミラーリング、および/またはスケーリングは別にして)可能な限り同一である。驚くべきことに、そのようにすることによって、第1の(内側の)ブリッジのゼロオフセットと第2の(外側の)ブリッジのゼロオフセットとの間に非常に良好な相関があり、よって、第1のブリッジの補償を大幅に(少なくとも2倍)改善することができる。
特定の実施形態において、第2の側面部分は、膜の中心から測定されたときに、第1の側面部分から90°の角距離に位置し、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第6の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第7の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第8の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第7の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向され、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向される。
これは、(二重ブリッジを使用するときの)特に興味深い配置であり、特に抵抗器のレイアウトが(回転、平行移動、およびミラーリングは別にして)「同じ」である場合に、ピエゾ抵抗器の整合のおかげで、膜上の温度勾配に対して低減された感度を有するが、さらに、均一なパッケージ応力に対して低減された感度を有し、第1のブリッジの改善されたゼロオフセット補正を有する。
別の特定の実施形態において、第2の側面部分は、膜の中心から測定されたときに、第1の側面部分から180°の角距離に位置し、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第6の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第7の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第8の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第7の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、第5の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片は、第1の抵抗器の細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向される。
これは、(二重ブリッジを使用するときの)別の特に興味深い配置である。
実施形態において、半導体圧力センサはCMOSウエハ上に配置され、膜は、平面(100)内に位置し、ピエゾ抵抗素子のうちの少なくとも1つは、<110>方向に配向される。
本発明の特定の好ましい態様は、添付の独立請求項および従属請求項に記載される。従属請求項からの特徴は、必要に応じて、単に請求項に明示的に記載されているだけでなく、独立請求項の特徴と組み合わせることができ、また、他の従属請求項の特徴と組み合わせることができる。
本発明のこれらのおよび他の態様は、以下に説明される実施形態(複数可)から明らかになり、また、該実施形態を参照することで解明されるであろう。
当技術分野で知られている半導体圧力センサを示す図である。 各々が2つの抵抗器を備える2つの分岐を有する、当技術分野で知られているホイートストンブリッジ構成を示す図である。 当技術分野で知られている、別の半導体圧力センサを示す図である。 図2のホイートストンブリッジを示す図であり、本発明に関連するある特定の態様をさらに示す。 本発明の実施形態による圧力センサに使用することができる、抵抗器対と、引出部分とを備えるレイアウトパターンの一実施例の上面図である。抵抗器対は、膜縁のごく近くにピエゾ抵抗条片(濃い灰色)を備える。 図5のピエゾ抵抗条片の拡大図であり、「第1の抵抗器点と第2の抵抗器点との間の最大距離」を示す。 図5のレイアウトパターンの変形例を示す図であり、出力ノードの引出領域が、バイアスノードの引出領域間にある。 図7のレイアウトパターンの変形例であり、各抵抗器が、3つではなく直列に接続した2つの平行なピエゾ抵抗条片だけを有する。 本発明の実施形態による圧力センサの第1の実施形態の一部を示す図であり、図5のレイアウトパターン(またはその一部)を使用する2つの抵抗器対を有し、正方形半導体膜の隣接する側面に位置し、2つの抵抗器対は、ブリッジに接続されている。 本発明の実施形態による圧力センサの第2の実施形態の一部を示す図であり、図5のパターン(またはその一部)を使用する4つの抵抗器対を有し、2対が、膜上に位置し、第1のブリッジに接続され、他の2対が、膜の外側に位置し、第2のブリッジに接続され、第3の対および第4の対が、それぞれ、第1の対および第2の対に接近して位置する。 図9の圧力センサの実施形態の変形例を示す図であり、第1の抵抗器対および第2の抵抗器対が、正方形膜の両側面に位置する。 図11の圧力センサの実施形態の変形例を示す図であり、第1、第2、第3、および第4の抵抗器対が、正方形膜の両側面に位置する。 図5のパターンの代わりに図8のレイアウトパターン(またはその一部)を使用する、図11の圧力センサの実施形態の変形例を示す図である。 膜の4つの場所での(例えば、圧力によって引き起こされる)半径方向の応力の概略的な実施例を示す図であり、該応力は、典型的に、基板に対して垂直な方向で膜に加えられる圧力によって引き起こされる。 膜の4つの場所での(この事例では、左から右への)均一な応力の概略的な実施例を示す図であり、該応力は、パッケージングによって引き起こされる場合がある。 図5のパターンの代わりに図8のパターン(またはその一部)を使用する、図9の圧力センサの実施形態の変形例を示す図である。
図面は、概略的なものに過ぎず、限定的なものではない。図面において、要素のいくつかのサイズは、説明の目的で誇張され、一定の縮尺で描画されない場合がある。
図面は、概略的なものに過ぎず、限定的なものではない。図面において、要素のいくつかのサイズは、説明の目的で誇張され、一定の縮尺で描画されない場合がある。
請求項中の参照符号は、範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似する要素を指す。
本発明は、特定の実施形態に関して、ある特定の図面を参照して説明されるが、本発明は、それらに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってだけ限定されるものである。説明される図面は、概略的なものに過ぎず、限定的なものではない。図面において、要素のいくつかのサイズは、説明の目的で誇張され、一定の縮尺で描画されない場合がある。寸法および相対寸法は、本発明を実践するための実際の縮小に対応しない。
さらに、本明細書および特許請求の範囲における第1、第2などの用語は、類似する要素を区別するために使用されるものであり、必ずしも時間的に、空間的に、ランキングで、または任意の他の様式で順序を説明するものではない。そのように使用される用語は、適切な条件下で交換可能であること、および本明細書で説明される本発明の実施形態が、本明細書で説明または例示されるもの以外の他の順序での動作が可能であることを理解されたい。
さらに、説明および特許請求の範囲における上、下などの用語は、説明の目的で使用されるものであり、必ずしも相対位置を説明するものではない。そのように使用される用語は、適切な条件下で交換可能であること、および本明細書で説明される本発明の実施形態が、本明細書で説明または例示されるもの以外の他の配向での動作が可能であることを理解されたい。
特許請求の範囲で使用される用語「備える(comprising)」は、以下に列記される手段に限定されるものとして解釈されるべきではなく、他の要素やステップを排除しないことに留意されたい。したがって、述べられる特徴、整数、ステップ、または参照される構成要素の存在を特定するものとして解釈されるべきであるが、1つ以上の他の特徴、整数、ステップもしくは構成要素、またはそれらの群の存在または追加を排除しない。したがって、表現「手段AおよびBを備えるデバイス」の範囲は、構成要素AおよびBだけからなるデバイスに限定されるべきではない。これは、本発明に関して、デバイスの関連構成要素がAおよびBのみであることを意味する。
本明細書の全体を通して、「一実施形態(one embodiment)」または「ある実施形態(an embodiment)」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体を通して種々の場所における「一実施形態(one embodiment)」や「ある実施形態(an embodiment)」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態への言及とは限らないが、言及である場合もある。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、本開示から当業者には明らかなように、1つ以上の実施形態において、任意の適切な様式で組み合わせることができる。
同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の種々の特徴は、あるときには、本開示を合理化し、また、種々の本発明の態様の1つ以上の理解を支援する目的で、単一の実施形態、図、またはその説明にともにグループ化されることを認識されたい。しかしながら、本開示の方法は、特許請求される発明が、各請求項において明示的に記載されるよりも多い特徴が必要であるという意図を反映したものと解釈されない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、発明の複数の態様は、単一の上で開示された実施形態のすべての特徴よりも少ないものに存する。したがって、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、この詳細な説明に明示的に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態としてそれ自体で成立する。
さらに、本明細書で説明されるいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれるいくつかの特徴は含むが、他の特徴は含まず、当業者によって理解されるように、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内であることを意味し、異なる実施形態を形成する。例えば、以下の特許請求の範囲において、特許請求される実施形態のいずれも、任意の組み合わせで使用することができる。
本明細書にて提供される説明には、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細を伴わずに実践され得ることを理解されたい。他の事例では、この説明の理解を不明瞭にしないために、よく知られている方法、構造、および手法は、詳細に示されていない。
本発明において、用語「隔膜」および「膜」は、測定される圧力がそれらに印加されたときに機械的に変形するように適合される、(「バルク」と呼ばれる)周囲の基板材料と比較して厚さを低減させた半導体基板の領域を示すための同義語として使用される。
本発明において、「膜の最大寸法」または単に「膜の寸法」に対して参照が行われるときに、参照は、膜が実質的に正方形状を有する場合には側面の長さに対して行われ、または膜が丸みのあるコーナーを有する正方形状を有する場合には対向する側面間の距離に対して行われ、または膜が実質的に円形である場合には直径に対して行われ、または膜が実質的に楕円形である場合には最も大きい軸の長さに対して行われ、膜が実質的に長方形である場合には長さおよび幅のうちの大きい方に対して行われ、または膜が、例えば六角形状もしくは八角形状などの、正多角形状を有する場合には内円の直径に対して行われる。
用語「膜の厚さ」は、基板に対して垂直な方向に測定することができる、その通常の意味を有する。
背景技術の項で説明され、図1で例示される、特許文献1(日立)の回路は、いくつかの欠点を有するが、その中で説明される基本原理の多くは、本発明でも使用されている。例えば、本発明の実施形態の膜縁は、好ましくは、印加圧力によって引き起こされる最大応力が、膜縁に対して垂直な少なくとも2つの領域に到達し、膜縁が<110>方向に配向されるような方法で実現される。平面<111>上の異方性エッチングストップにより膜縁の中間にそのような4つの領域を作り出すため、シリコンには正方形膜の異方性エッチングはしばしば使用される。他のエッチング方法を使用することによって、円形膜はまた、そのような4つの領域、およびそのような2つの領域内の楕円形膜ももたらす。ピエゾ抵抗器の応力感度はまた、結晶配向にも依存し、p型ドープ抵抗器は、<110>方向に沿って抵抗の最大変化を有し、また、<110>方向から45°の<100>方向に沿って抵抗の最小変化を有する。金属接続は、シリコンに応力を引き起こし、この応力は、クリープのため経時的に変化させることもできる。したがって、高濃度ドープのp型ドープ経路が、金属とピエゾ抵抗条片との間に実現される。これらの高濃度p型ドープ経路を<110>方向から45度の<100>方向に配置することによって、金属配線からの応力は、これらの条片の抵抗を変化させない。
これらの基本的概念の不必要な繰り返しを回避するために、本出願は、結晶学的な平面および方向に関する詳細には触れず、また、従来技術に勝る本発明の貢献に集中する。読者は、さらなる詳細について特許文献1を参照することができる。他の結晶学的な方向も使用することができるが、本発明による圧力センサの膜がCMOSウエハの結晶学的な平面(100)内に位置すること、およびピエゾ抵抗条片が<110>方向に位置することが想定される。CMOSウエハを使用することで、圧力膜およびCMOS回路、例えば少なくとも読み出し回路の組み合わせを同じウエハに集積することを可能にする。
本発明の実施形態による圧力センサを説明する前に、最初に、ホイートストンブリッジ回路の原理を説明する。図2に示されるように配置される4つの抵抗器を有するホイートストンブリッジ回路は、当技術分野でよく知られている。そのような回路は、3つの他の抵抗器値R1、R2、およびR3が既知であるときに未知の抵抗器値Rxを決定することに、または4つすべての抵抗器値が既知あるときに小さい抵抗の変化を測定することに非常によく適している。図2のブリッジは、4つの抵抗器R1、R2、R3、およびR4(または、Rx)を有する。供給電圧(例えば、DC電圧)VddおよびGndが、それぞれ、ノードAおよびCに印加されたときに、第1の電流が、R2と直列のR1によって形成される第1の分岐を通ってAからCに流れ、第2の電流が、R4と直列のR3によって形成される第2の分岐を通って流れる。差動電圧出力「Vout」は、ノードDおよびBに提供され、次式で定義される。
Vout=Vd−Vb
ブリッジが「平衡状態である」ときに、以下の式を適用する。
R1/R2=R3/R4 (1)
これは、次式に等しい。
R1×R4=R2×R3 (2)
ブリッジが平衡状態であるときに、R1とR2との間のノードDでの電圧「Vd」は、R3とR4との間のノードBでの電圧「Vb」に正確に等しく、また、ノードBとDとの間の経路には(例えば、検流計を通して、Vgで示される)いかなる電流も流れない。抵抗器値R1〜R4の1つ以上が、僅かにでもこの平衡状態から逸脱したときに、ブリッジはもはや平衡状態ではなくなり、電圧差VoutがノードDおよびBに現れ、これは、当技術分野で知られている任意の様式で、例えば典型的には約100以上の増幅定数を有する増幅器によって、測定することができる。そのようなブリッジ回路は、上の式(1)から理解できるように、絶対抵抗値ではなくそれらの比率だけが重要であるため、コモンモード温度の変化に、すなわち、すべての抵抗器R1〜R4の温度が同じ量上昇または低下するときに、比較的鈍感である。
理想的な圧力センサにおいて、さらには単に「圧力」と称されるいかなる圧力差も膜2に印加されないときに、ノードDおよびBの出力電圧は、正確にゼロになるべきであり、理想的には、この値は、この圧力がない状態でのセンサ温度にかかわらず正確にゼロのままである。しかしながら、実際には、ゼロ圧力に対応するこの出力電圧値Vgは、正確にゼロではなく、正確な圧力測定値を達成するために補償する必要がある。この非ゼロ値は、「ゼロオフセット」と呼ばれ、すなわち、いかなる外圧もセンサ膜に加えられない(または印加されない)ときのノードDとBとの間の電圧オフセット値である。そのようなゼロオフセットについては、例えば、半導体処理の不完全性による種々の抵抗値の不整合、半導体(例えば、シリコン)ダイのパッケージングによる膜内の残留応力、または異なる方法で抵抗器を変更する(空乏層が変化する)基板に対して垂直な不均質な電界といった、種々の理由が存在する。個別の(厚膜)抵抗器の場合、半導体処理による種々の抵抗値間の不整合は、製造段階においてレーザートリミングによって修正することできるが、レーザートリミングは、CMOS回路の一部であるピエゾ抵抗器には不可能である。加えて、例えばパッケージングおよび温度勾配による応力などの、複数の他の影響も残る。
ゼロオフセットを低減させるために、当技術分野において種々の試みがなされてきた。例えば、図3は、特許文献2においてHoneywellによって開示されている従来技術の圧力センサを示す。本文書における実例において、後で明らかになる理由から、ピエゾ抵抗条片の位置および配向を明確に示すために、図3には黒線が加えられることに留意されたい。このセンサは、膜に加えられる圧力を測定するために膜上に位置する抵抗器を有する第1のブリッジを有する。この第1のブリッジは、温度変化による、およびパッケージ応力によるゼロオフセットを有する。このオフセットは、膜の外側に位置する4つの抵抗器を有する第2のブリッジを使用することによって低減される。この全二重ブリッジセンサは、パッケージ応力を補償する圧力値を提供するが、該補償は、完全ではない。
パッケージ応力を補償するという課題は、Honeywellによって取り組まれたが、発明者らの知る限りでは、基板の、具体的には膜2の温度差または温度勾配を考慮したいかなる圧力センサもこれまで開発されていない。そのうえ、発明者らは、抵抗器R1〜R4のうちの1つの0.1℃ほどに小さい温度差が、典型的には、1%のフルスケール誤差を引き起こすことを見出した。この課題は、当技術分野では認識さえされていない。これは、すべての抵抗器についてよく見られる変動温度に対する補償とは異なる課題であり、この課題がブリッジ構造を使用することによって本質的に解決されることに留意されたい。
発明者らはさらに、そのような温度差(または、温度勾配)が、例えば集積圧力センサ上の複数のサブ回路によって消散される電力によって引き起こされる場合があり、さらには、(例えば、センサが、ある特定のサブ回路を起動または停止させる、または該サブ回路のクロック周波数を変化させるプロセッサを有する集積チップの一部であるときに)ファームウェアに依存する場合があるため、該温度差を予測することが困難であること、さらには不可能であることを認識した。しかし、半導体、例えばシリコンダイ上の温度勾配はまた、環境によっても、例えば圧力センサが不均一な、および/または時間依存の熱の流れに晒されるときにも引き起こされる場合がある。
膜上の温度勾配の存在を認識した後に、図1の従来技術のセンサをより詳しく見ることで、抵抗器が異なる膜縁において互いに離れて比較的遠くに配置される(抵抗器間の距離は、膜サイズの0.7倍にほぼ等しい)ことが判明した。読み出し信号(測定される外圧を示す)に加えて、温度勾配が膜全体にわたって存在する場合に、誤差信号が生成される。抵抗器は、これらの温度差のため、異なる値となる。誤差信号は、抵抗器の温度差の増加とともに(例えば、ほぼ比例的に)増加し、抵抗器がより離れるほど、これらの温度差が大きくなる。類似する方法において、誤差信号は、抵抗器上の残留応力(例えば、測定される外圧によって引き起こされない応力)が、すべての抵抗器について同じではないとき生成され、さらには、経時的に変化する場合がある。そのような応力は、例えば、センサのパッケージングによって導入される力によって引き起こされ得る。この応力の変化は、例えば、センサを表面に接合する接着剤の塑性変形、表面の塑性変形、および/またはしばしば塗布される保護ゲルの塑性変形によって引き起こされ得る。第3の誤差原因は、個々の抵抗について同じではない不均一な外部電界によって引き起こされる場合があり、ここでも、抵抗器がより離間されるほど、それらの抵抗値がより大きく異なる。そのような電界の変化は、例えばそれが絶縁空乏層を変更するときに、該拡散抵抗器の値を変化させる。可能性がある原因は、チップに近い外部構成要素、チップ上に集積された電子部品からの、またはピエゾ抵抗器の上の材料に捕捉された電荷からの電界の放出であり得る。加えて、これらの現象(温度、パッケージ応力、電界)のうちの2つ以上が同時に発生する場合がある。
温度勾配によって引き起こされる不正確さを低減させるための解決策を調べることで、発明者らは、図2のホイートストンブリッジの4つの抵抗器R1〜R4は、実際には、ブリッジを平衡状態にする(またはそれを維持する)ためにすべてが同じ温度を有する必要はなく、図4において「対1(T1)」および「対2(T3)」で示されるように、第1の分岐の抵抗器R1およびR2の温度が(実質的に)同じであり、また、第2の分岐の抵抗器R3およびR4の温度が(実質的に)同じであれば十分である、という技術的洞察に至った。数学的表記法において、iが1〜4である、Tiが抵抗器Riの温度を表す場合、ブリッジを平衡状態にする(またはそれを維持する)ために、T1=T2およびT3=T4であれば十分であるが、T1は、T3と実質的に異なっていてもよい。実際には、当然、T1は、T2に正確に等しくならず、T3は、D4に正確に等しくならないが、ここで重要なことは、絶対値での温度差|T1−T2|が、絶対値での温度差|T1−T3|よりも小さい、好ましくは、少なくとも2分の1、より好ましくは、少なくとも5分の1であることである。しかしながら、議論のために、発明者らは、T1とT2が等しく、T1がT3と異なると想定する。一例として、R1およびR2の抵抗値がどちらも、(例えば、T1およびT2がどちらも2℃上昇したため)例えばそれらの公称値を2%超えて増加した場合、比率R1/R2は、変化しないままであり、したがって、ノードDでの電圧Vdも変化しないままである。R3およびR4の抵抗値が同時に、(例えば、T3およびT4がどちらも4℃上昇したため)それらの公称値を4%超えて増加した場合、比率R3/R4は、変化しないままであり、それ故に、ノードのBの電圧Vbは、変化しないままであり、したがって、ブリッジは、T1とT3との温度差にもかかわらず、平衡状態のままである。この洞察は、本発明の根底にある概念の1つである。
ブリッジが完全に平衡状態でない、すなわち、Vout<>0のときにも当てはまる。以下の式は、ブリッジが平衡状態でないときに適用可能である。
Vout/Vdd=R2/(R2+R1)−R4/(R3+R4) (3)、または
Vout/Vdd=1/(1+R1/R2)−1/(1+R3/R4) (4)
式(4)から、各対内の整合だけが重要であり、すべての抵抗器を整合させる必要はないことが分かる。この洞察は、2つの抵抗器R1およびR2を(膜2の幅Wと比較して)互いに「接近して」配置することによって本発明において活用され、よって、従来技術の実施形態に対して、該抵抗器の温度差T1およびT2が膜2の温度勾配の存在下で低減される。実際に、温度勾配の影響は、典型的に、抵抗器間の距離に比例する。従来技術(図1および図3)において、抵抗器間の距離は、膜長(または、直径)の約1/2√2倍または約0.7倍であるが、本発明の抵抗器対の場合、この距離は、より小さく選択され、例えば膜長または直径よりも0.50倍小さく、例えば膜長または直径よりも0.35倍未満に、例えば膜長または直径よりも0.20倍未満に、さらには例えば膜長または直径よりも0.10倍未満に選択される。それ故に、温度差|T1−T2|は、(0.35の場合は)約1/2に、または(0.10の場合は)約1桁低減される。同様に、抵抗器R3およびR4は、ともに「接近して」位置する。相対的な用語「接近」を回避するために、「接近」が何を意味するのかという明確な定義は、図6に関連して与えられる。
同時に、2つの対自体は、ともに接近して位置する必要はなく、好ましくは、高感度を有する膜上の場所(例えば、正方形膜の側面の中央近く)に位置する。4つすべての抵抗器をともに位置付けるのではなく、抵抗器対を離して(例えば、異なる縁上に)位置付けることが有利であるが、その理由は、そのようにすることで、各対の2つの抵抗器を、高感度を有する膜上のそれらの場所(例えば、正方形膜の場合は、対向する側面の中央)により接近して位置付けることができるからである。さらに重要なことに、4つの抵抗器をともに位置させないことによって、(測定される)圧力によって引き起こされる応力と、パッケージによって引き起こされる応力とを区別することが可能である。
少なくとも2つのピエゾ抵抗素子、具体的には、2つだけ、または3つだけ、または4つのピエゾ抵抗素子を有する本発明の根底にある実施形態の第2の(任意の)概念は、それらのピエゾ抵抗素子、例えばピエゾ抵抗条片を、それらの値が圧力により変化するときに、それらがブリッジの不平衡に対して「協働する」ような方法で配向することである。次に、いくつかの実施例を説明する。
第1の実施例において、R1およびR2は、ピエゾ抵抗であるが、R3およびR4は、ピエゾ抵抗ではない。R1およびR2を適切に配向することによって、膜に印加される外圧は、R1の値を増加させる一方で、R2の値を減少させ、逆も同様である。これは、R1の変化およびR2の変化によってノードDでのVdの値が同じ方向に変化(例えば、減少)する一方で、ノードBでのVbの値が該圧力により変化しないままである、という効果を有する。それ故に、それらの配向によって、抵抗器R1およびR2は、ブリッジの不平衡に対して「協働する」。第2の実施例として、R1およびR3がピエゾ抵抗である場合、R1およびR3は、R1が圧力とともに増加し、R3が減少し、別様には、VdおよびVbがどちらも同じ方向に変化し、それ故に、Voutが変化しないままであるような方法で配向されるべきである。第3の実施例として、R1およびR4がピエゾ抵抗である場合、R1およびR4は、R1が圧力とともに増加し、R4も増加し、それ故に、ノードDでのVdが減少する一方で、ノードBでのVbが増加し、それ故に、Voutが変化するような方法で配向されるべきである。第4の実施例として、R2およびR4がピエゾ抵抗である場合、R2およびR4は、R2が減少したときに(それ故に、Vdが減少したときに)、R4が増加する(それ故に、Vbが増加する)ような方法で配向されるべきである。第5の実施例として、すべての抵抗器R1〜R4がピエゾ抵抗である場合、該抵抗器は、R1が増加したときに、R2が減少し、R3が減少し、そして、R4が増加するような方法で配向されるべきである。当業者は、上を指す(例えば、圧力とともに増加する)または下を指す(例えば、圧力とともに減少する)が、逆になっていることもあり得る図4の矢印に注目することによって、2つまたは3つのピエゾ抵抗要素の場合の他の可能な組み合わせを容易に推論することができる。下でさらに説明されるように、抵抗器を実質的に平行に配向するべきか、または実質的に垂直に配向するべきかを決定することについては、膜2のどの縁に抵抗器R1、R2、R3、R4が位置するのかに依存する。
上で説明されるように、最大感度に対しては好ましいが、4つすべての抵抗器R1〜R4が1つ以上のピエゾ抵抗素子8、9を有することが必ずしも必要であるわけではない。実際に、本発明はまた、1つの抵抗器だけ、例えばR1だけが、膜2に加えられる圧力に敏感なピエゾ抵抗要素を有する場合にも機能する。その場合、比率R1(T1、p)/R2(T2)は、圧力に敏感であるが、(T1≒T2ならば)温度勾配に(実質的に)鈍感である一方で、比率R3(T3)/R4(T4)は、(T3≒T4ならば)圧力「p」および温度勾配の双方に(実質的に)鈍感である。そのようなセンサの感度は、抵抗器R1〜R4の各々がピエゾ抵抗素子を有する場合の圧力センサの約1/4になる。
本発明の根底にある第3の態様は、膜への圧力が、ピエゾ抵抗器の応力の唯一の原因ではないという「洞察」である。そのようなさらなる応力は、膜の表面に対して直角な方向に配向される(半径方向応力をもたらす)印加圧力と同じ効果を有することができるが、さらなる応力はまた、すべての抵抗器について共通の方向に、かつ基板表面に対して実質的に平行に配向することもできる。また、この応力は、下でさらに説明されるように、膜上の抵抗器を適切に位置付けることによって低減させることもできる。
図5は、本発明の実施形態による圧力センサで使用することができる、第1の抵抗器R1および第2の抵抗器R2を備える抵抗器対P1の可能なパターンの一実施形態を示す。
示される実施例において、第1の抵抗器R1は、直列に接続される3つの細長い感圧性半導体条片8a、8b、8cを備えるが、3つを超える、または3つ未満の条片、例えば2つだけの条片を使用することもできる。これらの条片8a、8b、8cは、第1のドーパント型、例えばp型シリコンのドーパントによってドープされた半導体材料で作製され、また、例えば比較的大きい、例えば最大ピエゾ抵抗係数の、結晶格子方向に対応する、第1の方向Yに配向される。ピエゾ抵抗係数に関するさらなる情報、およびそれらの結晶格子方向との関係について、読者は、特許文献1、特にその図9、および説明の対応する部分を参照されたい。
第2の抵抗器R2は、直列に接続される3つの細長い感圧性半導体条片9a、9b、9cを備えるが、3つを超える、または3つ未満の条片を使用することもできる。これらの条片9a、9b、9cは、第1のドーパント型、例えばp型シリコンのドーパントによってドープされた半導体材料で作製され、また、同様に、比較的大きい、例えば最大ピエゾ抵抗係数の、結晶格子方向に対応する、第1の方向Yに対して実質的に直角な第2の方向Xに配向される。
第1の抵抗器R1の(細長い)条片8a、8b、8c、および第2の抵抗器R2の(細長い)条片9a、9b、9cの直角配向のため、電流に対して平行な方向の応力による条片8a、8b、8cの応力の増加は、第2の抵抗器R2の条片9の電流の方向に対して垂直な、類似する応力を伴う。したがって、第1の抵抗器R1の電気抵抗の増加を引き起こす膜2への圧力は、同時に、第2の抵抗器R2の電気抵抗の減少も引き起こし、逆も同様である。実際には、これは、p型抵抗器にだけ当てはまる。ブリッジの不平衡を引き起こす一方で、これはまた、ブリッジを通る電流が圧力に全く関係しないという効果も有するが、その理由は、各分岐の全抵抗、例えば(R1+R2)が、圧力とともに「大きく」変化しないからであるか、またはより正確に表現すれば、|Δ(R1+R2)|で表される総計(R1+R2)の変化が、個々の変化|ΔR1|および|ΔR2|のうちの大きい方よりも絶対値において小さいからである。
抵抗器R1およびR2の直列接続にバイアス電圧(例えばVddおよびGnd)を印加するために、および抵抗器R1とR2との間の中間ノード「D」の電圧を測定するために、電極引出領域6が提供される。ピエゾ抵抗条片8a、8b、8cおよび条片9a、9b、9cを相互接続するこれらの引出領域6、ならびに「コーナー部品」3は、第1のドーパント型の高濃度ドープ層、例えば高濃度ドープしたp+型拡散層で作製される。それらは、比較的低い電気抵抗を有し、また、比較的少ないピエゾ抵抗係数の方向に(示される実施例では、好ましくは、第1の方向Yおよび第2の方向Xに対して±45°の角度で)延在する。引出領域6は、膜2の縁21を超えて延在し、また、膜2の外側で、導体電極、例えば金属電極4とオーム接触している。そのような金属電極4は、例えばアルミニウムを含むことができる。実際には、リード線を通って流れるいかなる電流も実質的に存在しないため、このリード線には必要ないため、読者は、ノードDに接続された電極引出領域6が、第1の方向Yおよび第2の方向Xに対して±45°の角度で完全に配向されないことに気付くであろう。実際には、ノードDおよびB(図5にはノードDだけが示される)は、典型的に、出力電圧Voutを増幅するための増幅器(図示せず)の入力に接続される。
第1のドーパント型の拡散層、例えば圧力感知素子を構成するp型拡散層8a、8b、8c、9a、9b、9cは、比較的大きい、例えば最大のピエゾ抵抗係数を有するため、それらの電気抵抗は、半導体、例えばシリコン膜2の変形により発生する歪みによって大幅に変動する。すなわち、これらの圧力感知要素は、圧力または同類のものに非常に敏感である。対照的に、拡散層は、第1のドーパント型のドーパントで高濃度ドープされる、例えば高濃度ドープしたp+型拡散層であるため、相互接続部3および6は、比較的小さい、例えば最小のピエゾ抵抗係数の配向で配置されるため、該相互接続部は、圧力変化に最も鈍感である。第1の抵抗器R1のピエゾ抵抗条片8a、8b、8cを、第2の抵抗器R2のピエゾ抵抗条片9a、9b、9cに接近して、かつそれらに対して直角に配向することによって、第1の抵抗器R1の抵抗が、それ加えられた圧力により増加したときに、第2の抵抗器R2の抵抗が減少し、逆も同様であり、したがって、ブリッジの比率R1/R2が歪みにより大幅に変化し、それによって、回路の感度が大幅に増加するという意味で、膜2に加えられる圧力は、第1の抵抗器R1および第2の抵抗器R2の電気抵抗に対して逆の影響を及ぼす。
導電性の、例えば金属の電極4と、第1のドーパント型の引出領域6、例えばp+型拡散層の引出領域との接点を、膜2の大幅に外側に位置付けることによって、接点部分の近傍に発生する残留応力および任意の温度ヒステリシスによって半導体、例えばシリコンの膜の変形に及ぼされる影響を低減させる、例えば最小にすることができる。
この態様は、図7および図8に示されるレイアウトにおいてさらに改善され、(構造の中央の)出力ノードの引出領域6は、構造の外側にルーティングされるのではなく、バイアスノードの引出領域間に位置付けられる。図7の構造において、各抵抗器R1、R2は、3つのピエゾ抵抗条片を含む。図8の実施形態において、各抵抗器は、2つだけのピエゾ抵抗条片を含む。しかし、本発明は、これらの特定のレイアウトに限定されず、他の変形例、例えば、その回転、ミラーリング、スケーリング、および/または拡大バージョン、または3つのピエゾ抵抗条片を有する第1の抵抗器R1および2つだけのピエゾ抵抗条片を有する第2の抵抗器R2である変形例を使用することもでき、逆も同様である。
図5を再度参照すると、第1の抵抗器R1の電気抵抗(この抵抗器R1に条片が存在するときに、1つのピエゾ抵抗条片8a、8b、8cの電気抵抗の数倍にほぼ等しく、例えば、例示される実施形態では、3つのピエゾ抵抗条片8a、8b、8cを備えるR1を考慮して3倍)は、好ましくは、第2の抵抗器R2の電気抵抗と実質的に同じであり、第3の抵抗器R3の電気抵抗は、好ましくは、第4の抵抗器R4の電気抵抗と実質的に同じであるが、その理由は、その場合に、出力電圧VdおよびVb、すなわち、抵抗器R1とR2との間のノードDの電圧および抵抗器R3とR4との間のノードBの電圧が、バイアス電圧VddとGndとの実質的に中間であり、したがって、供給電圧Vddの約50%になるからである。しかしながら、これは必ずしも必要であるわけではなく、本発明は、一方ではR1およびR2の抵抗器値、もう一方ではR3およびR4の抵抗器値が大きく異なる場合でも機能する。
図9は、図5に示されるようなパターンを有する2つの抵抗器対P1、P2、またはその平行移動、回転、ミラーリング、スケーリング、または拡大バージョンを使用する、本発明の実施形態による圧力センサの第1の実施形態の一部を示す。図9の圧力センサは、正方形状で、幅Wの4つの側面S1、S2、S3、S4を有する膜2を有するが、本発明はそれに限定されず、例えば、長方形状、楕円形状、円形状、または他の適切な形状でも機能する。側面S1およびS2は、隣接する側面であり、側面S1およびS3は、対向する側面である。センサはさらに、ノードAとCとの間に2つの分岐を有するブリッジ回路を備える。ノードAおよびCは、当技術分野で知られている任意の適切な方法で、電圧VddおよびGndによってバイアスすることができる。第1の分岐は、直列に接続される抵抗器R1およびR2を備える第1の抵抗器対P1を備える。第2の分岐は、直列に接続される抵抗器R3およびR4を備える第2の抵抗器対P2を備える。抵抗器R1およびR2は、互いに「接近して」、実質的に側面S1の中央に位置し、また、膜2の縁に「接近する」。抵抗器R3およびR4は、互いに「接近して」、実質的に側面S2の中央に位置し、また、膜2の縁に「接近する」。
第1の対P1の抵抗器R1およびR2が(膜2のサイズと比較して)互いに「接近して」位置することを定量化するために、図6で示されるように、第1の抵抗器R1の点と第2の抵抗器R2の点との間に画定される、具体的には、抵抗器R1のピエゾ抵抗条片8aの点および抵抗器R2のピエゾ抵抗条片9aの点によって画定される、最大距離L73が決定され、これらの点は、例示の目的で、黒い点で示される。本発明の好ましい実施形態において、この最大距離L73と膜2の寸法(正方形膜の場合、この寸法は、膜の幅Wになるように選択される)の比率、すなわち、L73/Wは、50%未満、好ましくは、40%未満、好ましくは、35%未満、好ましくは、30%未満、好ましくは、25%未満、好ましくは、20%未満、好ましくは、15%未満、例えば約10%などである。膜2が円形状を有する場合、比率は、円の直径上の該最大距離L73の長さとして算出される。膜が楕円形状を有する場合、比率は、楕円の2つの軸のうちの大きい方上の最大距離L73として算出される。膜2が実質的に八角形状を有する場合、比率は、八角形の対向する側面間の距離上の該対角線L73の長さとして算出されるといった具合である。
図5または図6には示されていないが、図9〜図13および図16では認識することができる抵抗器R1、R2、R3、R4は、正方形状膜の場合には、圧力が最大引張応力を引き起こす場所であるため、好ましくは、膜2の側面のほぼ中央に位置する。円形膜または楕円形膜の場合は、いかなる「側面」もないが、抵抗器は、好ましくは、膜の縁の近くに、また、膜の中心から見たときに実質的に90°または180°離れて、適切な結晶学的位置および配向で位置し、具体的には、CMOSウエハの場合に、膜は、好ましくは、平面(100)内に存在し、ピエゾ抵抗条片は、好ましくは、<110>方向に配向される。
図6で例示されるように、膜縁21(破線で示される)に対するピエゾ抵抗条片8、9の位置、具体的には、条片8の中心と膜縁21との間の距離「d1」は、圧力が印加されたときに、3つの条片すべての抵抗変化の最大値(例えば、ΔR1)を有するように選択することができる。選択した数のピエゾ抵抗条片(例えば、示される実施形態では3つ)について、および選択した寸法(条片の長さおよび幅、ならびに条片間の距離)について、圧力に対する最大感度に関する最適な距離「d1」を決定すること、例えば計算もしくはシミュレーションすることができ、または任意の他の方法で、例えば設計の変形例を介して決定することができる。同様に、選択した条片9の数について、およびその選択した寸法について、圧力に対する最大感度に関する最適距離「d2」を決定することができる。「d2」の値は、「d1」の値とは関係なく決定することができるが、膜サイズおよび膜厚Tに依存する。これらの「最適」距離を決定するために、有限要素モデリングを使用することができる。しかしながら、本発明はまた、式(4)が依然として当てはまるため、次善の位置によっても機能する。シミュレーションは、そのような最適位置が、膜縁21上で約25%抵抗条片8を「シフトする」ことによって、および膜21上で抵抗条片9cを完全に「シフトする」ことによって得ることができることを示したが、第1の抵抗器R1および第2の抵抗器R2が、この領域で応力が最高になるため、膜縁21に「隣接して」、膜厚Tの最大3倍(≦3×)以内、好ましくは、Tの2.5倍未満、例えばTの2.0倍未満以内にあり、また、膜の側面の実質的に中心の近くに位置する限りは、d1およびd2の他の値も機能する。シミュレーションは、圧力が膜2に印加されたときに、縁21に接近する膜2上でその最大値を有する応力勾配が確立されることを示した。しかしながら、縁では、応力が突然なくなるのではなく、バルクの方向において、および膜の方向において、縁21から離れる距離とともに増加する。縁から膜厚Tの約2.0倍離れた距離において、バルクシリコンへの応力は、典型的には、依然として最大応力の約50%である。
図9を再度参照すると、第1の抵抗器対の抵抗器R1およびR2は、したがって、(膜2のサイズに対して)ともに「接近して」配置され、したがって、R1およびR2のピエゾ抵抗条片の温度がすべて実質的に同じ、例えばT1であると見なす(または近似する)ことができることが分かる。同様に、第2の対の抵抗器R3およびR4は、ともに「接近して」配置され、したがって、そのピエゾ抵抗条片の温度が実質的に同じ、例えばT3であると見なす(または近似する)ことができることが分かるが、第2の対P2の抵抗器R3およびR4は、第1の対P1の抵抗器R1およびR2から「比較的遠くに」離れて位置するため、第2の対P2の温度T3は、第1の対P1の温度T1と異なり得る。この技術的効果は、抵抗器R1、R2、R3、R4のうちの1つだけがピエゾ抵抗である場合であっても得られる。
したがって、抵抗器R1の条片8およびR2の条片9をともに「比較的接近して」位置付けることによって、より具体的には、条片によって画定される可能な最大距離L73が膜2の最大寸法W(長さ、幅、直径など)のほんの数分の1(例えば50%未満、好ましくは、20%未満)であるように位置付けることによって、抵抗器R1、R2間の温度差|T1−T2|もまた、膜2上に存在し得る総温度差のほんの数分の1になる。それ故に、膜2上の任意の温度勾配に関する圧力センサの感度が大幅に低減され、したがって、圧力センサの精度が高められる。
この点で、式(4)から分かるように、R1およびR2の材料ならびにそれらの温度が実質的に同じである限り、R1、R2の抵抗が温度とともに直線的に変化するか、非直線的に変化するかは重要でないことを述べておかなければならない。実際には、R1およびR2がどちらも温度Tに関する同じ非線形関数に従って変化する場合、それらの比率は同じままである。完全性のために、(T1<>T3であってもブリッジが鈍感であるという)上で説明される効果は、当技術分野で知られているコモンモード温度の排除と異なり、ブリッジ構造自体は、抵抗器R1〜R4がすべて同じ温度を有するならば、該抵抗器のコモンモード温度を相殺する役割を果たすことを想起されたい。
さらに図9を参照すると、R1およびR2を備える第1の抵抗器対P1が、膜2の第1の側面S1に隣接して、実質的にその中央に位置付けられる一方で、R3およびR4を備える第2の抵抗器対P2は、第2の側面S2に隣接して、実質的にその中央に位置付けられることが分かる。図9の実施形態において、第1の対P1および第2の対P2は、膜の隣接する側面に位置するが、図11の実施形態において、第1の対P1および第2の対P2は、膜2の対向する側面に位置する(それ故に、180°離れる)。「実質的に側面の中央に」は、側面の中央にその中心を有し、上で述べられる「膜の寸法」(例えば、正方形の幅、円の直径など)の50%未満、好ましくは、40%未満、より好ましくは、30%未満、さらに好ましくは、20%未満の直径を有する、想像上の円内を意味する。
さらに、R1およびR2のピエゾ抵抗条片の配向が、互いに対して直角であることが分かる。その効果は、圧力が膜2の面XYに対して実質的に垂直な方向に(Z方向に)加えられたときに、図14に概略的に表されるように、半径方向の応力をもたらし、これは、R1の値を増加させ、R2の値を減少させる(逆も同様である)。図4に関連して上で説明されるように、側面S2に対する半径方向の応力がR4の値を増加させ、R3の値を減少させ、それ故に、すべての抵抗器R1〜R4が「協働している」ため、R3およびR4のピエゾ抵抗条片もまた、互いに対して直角であるが、加えて、R3の条片は、R1の条片に対して実質的に平行である。
膜2が円形状、楕円形状、または八角形状を有する場合、第1の対P1の場所および第2の対P2の場所は、理想的には、膜の中心から測定されたときに、90°の角距離に選択される。しかしながら、角距離が70°〜110°の範囲、好ましくは、80°〜100°の範囲である実施形態も機能する。
発明者らは、抵抗器R1、R2、R3、R4のこの配置はまた、均一な応力成分の影響、例えば膜2の平面に対して実質的に平行に、かつ例えば図15に概略的に表されるように左から右に配向される応力成分の影響も低減させることを発見した。そのような応力は、例えば、パッケージングにより引き起こされる場合がある。図9のブリッジ回路は、そのような応力にどのように反応するのか?この事例では、R2およびR4の値が減少する一方で、R1およびR3の値が増加し、それ故に、図4を参照して、値Vdおよび値Vbの双方が減少するが、値Voutは実質的に変わらないままである。それ故に、図9の実施形態はまた、非半径方向に膜2に加えられる均一な応力にも実質的に鈍感である。
図11は、図9の変形例を示すが、第1および第2の抵抗器対P2は、90°の角距離(正方形膜の場合、隣接する側面を意味する)ではなく、180°の角距離(正方形膜の場合、対向する側面を意味する)に配置される。この実施形態はまた、(各抵抗器対の抵抗器が互いに「接近して」いるため)温度勾配に対して低減された感度を有するという利点、および(4つすべての抵抗器R1〜R4が、ピエゾ抵抗素子を有し、ピエゾ抵抗素子が、外圧が印加されたときのブリッジの不平衡に対して「協働する」ように配向され、半径方向の応力成分をもたらすため(図14を参照されたい)、かつ抵抗器対が、膜上の最大感度の場所に位置するため)実質的に最大の感度を有するという利点も有する。しかしながら、図9の実施形態とは対照的に、この事例では、(図9における垂直と対比して)R1およびR4の条片が平行に配向されるが、その理由は、そうすることによって、図14の半径方向の応力のパターンをもたらす外圧が、R1およびR4の増加を引き起こしす一方で、R2およびR3の減少を引き起こすからであることに留意されたい。
しかしながら、この配置の不利な点は、例えば図15で描写されるように、基板に対して実質的に平行な方向の均一な応力を実質的に相殺しないことである。実際に、そのような応力パターンは、外圧による半径方向の応力パターンのように、R1およびR4の値を増加させ、R2およびR3の値を減少させる。その結果として、パッケージ応力の変化は、印加圧力の変化と解釈される。
図10は、本発明による圧力センサの第2の実施形態を示す。図9の圧力センサについて述べられていることのほとんどまたはすべてが、図10の圧力センサにも当てはまる。図9に示される膜2および第1のブリッジ(P1およびP2を備える)に加えて、図10の圧力センサはさらに、第2のブリッジ(P3およびP4を備える)を備える。第2のブリッジは、好ましくは、第1のブリッジと同じバイアス電圧Vddおよび接地Gndによってバイアスされるが、それが必ずしも必要であるわけではない。第2のブリッジは、2つの分岐を備え、一方の分岐は、第3の抵抗器対P3を備え、もう一方の分岐は、第4の抵抗器対P4を備える。第3の抵抗器対P3は、直列に接続される2つの抵抗器R5およびR6を備え、第4の抵抗器対P4は、直列に接続される抵抗器R7およびR8を備える。第3の出力「Ve」は、第5の抵抗器R5と第6の抵抗器R6との間のノードEで提供される。第4の出力「Vf」は、第7の抵抗器R7と第8の抵抗器R8との間のノードFで提供される。ノードEの出力電圧VfおよびノードFの出力電圧Veは、第2のブリッジの差動出力電圧を提供する。
抵抗器R1、R2、R3、R4は、上で説明されるように、隣接して、膜2の第1の側面S1および第2の側面S2の実質的に中央に位置付けられる。
第3の抵抗器対P3および第4の抵抗器対P4の抵抗器R5、R6、R7、R8は、膜2の外側のバルク材料上に位置付けられ、また、膜2の撓みを測定することを意図するのではなく、パッケージングによる歪みを測定することを意図する。上で既に示されているように、膜2に加えられる応力に実質的に鈍感であるために、抵抗器R5〜R8は、好ましくは、膜縁からある距離に位置し、該距離は、膜厚さTの少なくとも4.0倍、例えばTの少なくとも6倍、例えばTの約10倍である。抵抗器R5の温度は、R6の温度に実質的に等しく、例えばT5とするべきであり、これは、本発明の態様によれば、R5をR6に比較的接近して位置付けることによって得られるが、抵抗器R5の温度がR1の温度と異なり得ることに留意されたい。
図5、図7、または図8と同じ(または類似する、例えば回転、平行移動、ミラーリング)パターンを使用することによって、R5およびR6のピエゾ抵抗条片は、(同じ式、L73/Wを使用して)膜のサイズに対して「ともに接近して」位置付けられ、それ故に、第5の抵抗器R5および第6の抵抗器R6の温度は、実質的に同じ、例えばT5であると見なすことができる。同様に、第7の抵抗器R7および第8の抵抗器R8の温度は、実質的に同じであると見なすことができる。数学的表記法において、Tiが抵抗器Ri(iは、5〜8)の温度を表す場合、T5=T6およびT7=T8と仮定する(または少なくとも近似する)ことができるが、T5は、ブリッジを不平衡にすることなく、T7と実質的に異なり得る。したがって、第2の(外側)ブリッジの抵抗器を(従来技術で行われるように個々の抵抗器としてではなく)2つ1組で編成することによって、第2のブリッジもまた、温度勾配に鈍感であり、これは、第1のブリッジの出力を修正するために第2のブリッジの出力を使用するときに、従来技術に勝る大きな利点である。
典型的に10〜100マイクロメートル程度の膜2の厚さTは、通常、非常に小さく、例えば膜のサイズ(例えば、200〜2000マイクロメートル程度の膜幅)の少なくとも10分の1であり、第3の抵抗器対P3は、第1の抵抗器対P1に比較的「接近して」位置し、第4の抵抗器対P4は、第2の抵抗器対P2に比較的「接近して」位置し、よって、パッケージングにより第3の抵抗器対P3によって感知される圧力は、第1の抵抗器対P1上のパッケージによって加えられる圧力と実質的に同じであり、パッケージングにより第4の抵抗器対P4によって感知される圧力は、第2の抵抗器対P2上のパッケージによって加えられる圧力と実質的に同じである。
したがって、第1の(内側)ブリッジによって測定される値が、外圧およびパッケージ応力を示す一方で、第2のブリッジによって測定される値は、パッケージ応力だけを示す。第1および第2のブリッジの抵抗器に対して同じレイアウトが選択された場合、および第1および第2のブリッジに対して同じバイアス電圧が選択された場合は、第2のブリッジの値を第1のブリッジの値から減算してパッケージ応力を補償することができる。しかし、本発明はそれに限定されず、一般に、第2のブリッジの値は、パッケージ応力と比例し、その値の数分の1を第1のブリッジの出力から減算してパッケージ応力を補償することができる。
パッケージストレスによるオフセット誤差を補償する試みにおける第2のブリッジの使用は、従来技術(特許文献2を参照されたい)において既に述べられているが、実験は、従来技術において開示される様式(個々の抵抗器が膜の4つの側面およびバルクに配置される)で編成される第2のブリッジによる第1のブリッジのオフセットの補償は、あまり良好に機能せず、温度勾配に敏感であることを示した。
本発明で説明され、図10および図12で示されるように、2つのブリッジの各分岐の抵抗器を2つ1組で編成したときに、膜の圧力を測定する第1の(内側)ブリッジと、パッケージ応力だけを測定する第2の(外側)ブリッジとの整合は、ブリッジが個々の抵抗器ではなく抵抗器対を備えるときに少なくとも3.0倍向上することが見出され、これは、大きな改善である。
本明細書で説明されるように2つ1組で編成されるブリッジの整合が、従来技術のブリッジの整合よりもかなり良好であることの根底にある理由の1つは、主に、その対内のピエゾ抵抗条片間の距離が、従来のブリッジのピエゾ抵抗条片間の距離よりもかなり短いという事実に関連することが考えられるが、発明者らは、いかなる理論によっても束縛されることを望まない。
第3の対P3を第1の対P1に「接近して」位置付けることによって、自動的に、抵抗器R1、R2、R5、およびR6の温度もまた、実質的に同じ(したがって、T1=T2=T5=T6)になるが、それが必ずしも必要であるわけではなく、T1=T2およびT5=T6であれば十分である。上で述べられるように、第3の対P3を第1の対P1に接近して位置付ける主な理由は、パッケージ応力をできる限り良好に整合させることである。抵抗器R1〜R4は、膜2上に位置する(より正確に述べれば、R1およびR4の大部分が膜上に位置する)ため、該抵抗器は、膜2に加えられる圧力に、ならびにパッケージによって加えられる圧力に敏感である。対照的に、抵抗器R5〜R8は、膜2の外側に「十分遠くに」、例えば膜縁21から膜厚さTの少なくとも4.0倍(≧4×)離れて位置するため、該抵抗器は、パッケージによって加えられる圧力にだけ敏感である。それ故に、抵抗器R5〜R8を備える第2のブリッジは、パッケージによって基板に加えられるコモンモード圧力を決定するために使用することができ、コモンモード圧力は、既知の方法を使用して、第1のブリッジから得られる圧力値を補償するために使用することができる。
実際には、第1の抵抗器対P1および第2の抵抗器対P2に関連する第3の抵抗器対P3および第4の抵抗器対P4の位置に関して二律背反にする必要があり、P3が膜縁(したがってP1)に「接近し過ぎて」位置する場合は、P1およびP2の抵抗器に加えられるパッケージ圧力のより良好な指示(より高い相関)を提供するが、P3はまた、膜への外圧にもより敏感である。P3が膜縁から「遠過ぎる」場合は、第1のブリッジによって測定される外圧に実質的に鈍感であるが、P3が経験するパッケージ応力は、P1が経験するパッケージ応力からより大きく逸脱する(より低い相関)場合がある。大雑把に言えば、第3の抵抗器対P3および第4の抵抗器対P4は、例えば、膜厚Tの約4.0倍(4×)〜約10.0倍(10×)に等しい距離に位置付けることができる。
最終的な結果として、図10の圧力センサは、膜2に加えられる圧力を正確に測定することができ、(ブリッジ回路を使用することによって、抵抗器の絶対値ではなくその値の比率だけが重要である)コモンモード温度とは関係のない様式で(4つのピエゾ抵抗器が使用されているため)高い感度を有し、(第2のブリッジの存在およびそれによる補償によるだけでなく、第1の対および第3の対と第2の対および第4の対との間の90°の角距離により)パッケージ応力に対して低減された感度を有し、また、(各ブリッジ内の各対の2つの抵抗器の接近した位置付けのため)チップの温度勾配に対して低減された感度を有する。
図12は、図10の変形例を示し、抵抗器対P1およびP2ならびにP3およびP4が、隣接する側面ではなく、膜2の対向する側面に位置する。この実施形態はまた、図11の変形例と見なすこともでき、第3および第4の抵抗器対が膜の外側に加えられる。図12の実施形態は、図15に関連して上で説明されたように、膜に対して平行な面内の均一な応力を低減させないという不利な点を除いて、図10の実施形態と同じ利点を有する。
図9の圧力センサの別の変形例(図示せず)において、圧力センサは、2つの抵抗器対P3およびP4を有し、主に膜2上に位置し、第3の側面S3および第4の側面S4に位置する、第2のブリッジを有する。そのような圧力センサは、2つだけの場所の代わりに4つの場所で、膜2に加えられる圧力を測定する。そのような第2のブリッジは、通常、第1のブリッジと同じまたは類似する値を提供し、それ故に、(例えば、双方のブリッジの値を比較することによって)自己試験または信頼性検査に使用することができ、または、値は、局所的な不完全性を補償するために、または精度を高めるために、合計または平均することができる。しかしながら、そのような第2のブリッジは、(バルク材料上に抵抗器対を有しないため)半径方向に配向されるパッケージ応力を補償するのではなく、(各ブリッジの抵抗器対が90°の角距離であるため)均一なパッケージ応力を補償する。
先に説明された圧力センサのさらなる変形例において、圧力センサは、図10の実施形態に類似して、半径方向のパッケージ応力を補償するために膜の外側に位置する、第3および第4のブリッジを有することができる。実際には、本発明はまた、第4のブリッジが取り除かれた場合でも機能する。
図13は、円形膜2を有し、図8の抵抗器対のレイアウト構造を有する、図11の実施形態の変形例を示す。図11の実施形態について述べられたすべてのことはまた、ここにも適用することができるが、この場合では、各抵抗器が3つではなく2つのピエゾ抵抗素子を備えること、および膜縁が直線状ではないことを除く。見て分かるように、抵抗器対は、膜の中心から見たときに、180°の角距離で配置される。
図11に関して論じられたように、および図12に示されるように、図13の実施形態の変形例はまた、パッケージ応力を測定し、補償するためにバルク上に位置するか、または冗長性の理由で、もしくは(平均することによって、または較正中に最良の性能を有する回路を選択することによって)改善された精度のために膜上に位置する、第2のブリッジも有することができる。
図16は、円形膜2を有し、また、図8の抵抗器対のレイアウト構造を有する、図9の実施形態の変形例を示す。図9の実施形態について述べられたすべてのことはまた、ここにも適用することができるが、この場合では、各抵抗器が3つではなく2つのピエゾ抵抗素子を備えること、および膜縁が直線状ではないことを除く。見て分かるように、抵抗器対は、膜の中心から見たときに、90°の角距離で配置される。
図9に関して論じられたように、および図10に示されるように、図16の実施形態の変形例はまた、パッケージ応力を測定し、補償するためにバルク上に位置するか、または冗長性の理由で、もしくは(平均することによって、または較正中に最良の性能を有する回路を選択することによって)改善された精度のために膜上に位置する、第2のブリッジも有することができる。
2 膜、
21 膜縁、
3 コーナー部品、
4 金属電極、
6 電極引出領域、
73 最大距離、
8 第1の抵抗器のピエゾ抵抗条片、
9 第2の抵抗器のピエゾ抵抗条片、
10 第3の抵抗器のピエゾ抵抗条片、
11 第4の抵抗器のピエゾ抵抗条片、
P1 第1の抵抗器対、
R1 第1の抵抗器、
S1 正方形膜の第1の側面、
W 正方形膜の幅、
T 膜厚、
Vdd 供給電圧、
Gnd 接地電圧。

Claims (21)

  1. 半導体圧力センサであって、前記センサに加えられる外圧を測定するためのものであり、
    −半導体基板の一部としての前記外圧により変形する膜(2)であって、膜縁(21)および膜厚さ(T)を有する、膜(2)と、
    −前記膜(2)の第1の側面部分(S1)上またはそれに隣接して位置する第1の抵抗器対(P1)および前記膜の第2の側面部分(S2)上またはそれに隣接して位置する第2の抵抗器対(P2)を備える第1のブリッジ回路と、を備え、
    −前記第1の抵抗器対(P1)が、第1のバイアスノード(A)と第1の出力ノード(D)との間で接続される第1の抵抗器(R1)と、前記第1の出力ノード(D)と第2のバイアスノード(C)との間で接続される第2の抵抗器(R2)と、を備え、
    −前記第2の抵抗器対(P2)が、前記第1のバイアスノード(A)と第2の出力ノード(B)との間で接続される第3の抵抗器(R3)と、前記第2の出力ノード(B)と前記第2のバイアスノード(C)との間で接続される第4の抵抗器(R4)と、を備え、
    −前記第1、第2、第3、および第4の抵抗器(R1、R2、R3、R4)のうちの少なくとも1つが、測定される前記外圧による前記膜(2)の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片(8、9、10、11)を備え、
    前記第1の抵抗器(R1)点と前記第2の抵抗器(R2)点との間の最大距離(L73)と、前記膜(2)の最大寸法(W)の比率が、50%未満であり、
    前記第3の抵抗器(R3)点と前記第4の抵抗器(R4)点との間の最大距離と、前記膜(2)の最大寸法(W)の比率が、50%未満である、半導体圧力センサ。
  2. −前記第1、第2、第3、および第4の抵抗器(R1、R2、R3、R4)のうちの少なくとも2つが、測定される前記外圧による前記膜(2)の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片(8、9、10、11)を備え、
    前記1つ以上のピエゾ抵抗条片が、圧力が前記膜(2)に加えられたときに前記ブリッジの不平衡に対して協働するように配向される、請求項1に記載の半導体圧力センサ。
  3. −前記第1、第2、第3、および第4の抵抗器(R1、R2、R3、R4)のうちの少なくとも3つが、測定される前記外圧による前記膜(2)の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片(8、9、10、11)を備え、
    前記1つ以上のピエゾ抵抗条片が、圧力が前記膜(2)に加えられたときに前記ブリッジの不平衡に対して協働するように配向される、請求項2に記載の半導体圧力センサ。
  4. −前記第1、第2、第3、および第4の抵抗器(R1、R2、R3、R4)の各々が、測定される前記外圧による前記膜(2)の変形を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片(8、9、10、11)を備え、
    前記1つ以上のピエゾ抵抗条片が、圧力が前記膜(2)に加えられたときに前記ブリッジの不平衡に対して協働するように配向される、請求項3に記載の半導体圧力センサ。
  5. 前記1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備える少なくとも1つの抵抗器が、直列に接続される少なくとも2つのピエゾ抵抗条片を備える、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  6. 前記第2の側面部分(S2)が、前記膜(2)の中心から測定されたときに、前記第1の側面部分(S1)から実質的にまたは正確に90°の角距離に位置する、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  7. 前記第1の抵抗器(R1)点と前記第2の抵抗器(R2)点との間の最大距離(L73)と、前記膜(2)の最大寸法(W)の比率が、25%未満であり、
    前記第3の抵抗器(R3)点と前記第4の抵抗器(R4)点との間の最大距離(L73’)と、前記膜(2)の最大寸法(W)の比率が、25%未満である、請求項1〜6のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  8. −前記膜(2)が、実質的に正方形であり、前記最大寸法(W)が、前記正方形の幅であり、前記第1の側面部分が、前記正方形の第1の側面(S1)であり、前記第2の側面部分が、前記第1の側面(S1)に隣接する前記正方形の第2の側面(S2)であり、
    −前記第1の抵抗器(R1)および前記第2の抵抗器(R2)が、前記正方形の前記第1の側面(S1)の実質的に中央に配置され、
    −前記第3の抵抗器(R3)および前記第4の抵抗器(R4)が、前記正方形の前記第2の側面(S2)の実質的に中央に配置される、請求項1〜7のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  9. −前記膜が、実質的に円形であり、前記最大寸法(W)が、前記円の直径であるか、
    −前記膜が、実質的に長方形であり、前記最大寸法(W)が、前記長方形の長さおよび幅のうちの大きい方であるか、
    −前記膜が、実質的に楕円形であり、前記最大寸法(W)が、前記楕円形の第1の軸および第2の軸のうちの大きい方であるか、または
    −前記膜が、実質的に八角形であり、前記最大の寸法(W)が、前記八角形の両側面間の距離である、請求項1〜7のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  10. −前記第1の抵抗器(R1)の抵抗と前記第2の抵抗器(R2)の抵抗の比率が、50%〜200%の範囲であり、
    −前記第3の抵抗器(R3)の抵抗と前記第4の抵抗器(R4)の抵抗の比率が、50%〜200%の範囲である、請求項1〜9のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  11. −前記第2の側面部分(S2)が、前記膜(2)の中心から測定されたときに、前記第1の側面部分(S1)から90°の角距離に位置し、
    −前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第2の抵抗器(R2)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第3の抵抗器(R3)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第4の抵抗器(R4)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第3の抵抗器(R3)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向される、請求項1〜10のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  12. −前記第2の側面部分(S2)が、前記膜(2)の中心から測定されたときに、前記第1の側面部分(S1)から180°の角距離に位置し、
    −前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第2の抵抗器(R2)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第3の抵抗器(R3)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第4の抵抗器(R4)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第3の抵抗器(R3)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向される、請求項1〜11のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  13. −前記膜(2)の前記第1の側面部分(S1)であるが前記膜の外側に配置される第3の抵抗器対(P3)と、前記膜(2)の前記第2の側面部分(S2)であるが前記膜の外側に配置される第4の抵抗器対(P4)と、を備える、第2のブリッジ回路であって、
    −前記第3の抵抗器対(P3)が、前記第1のバイアスノード(A)と第3の出力ノード(E)との間で接続される第5の抵抗器(R5)と、前記第3の出力ノード(E)と前記第2のバイアスノード(C)との間で接続される第6の抵抗器(R6)と、を備え、
    −前記第4の抵抗器対(P4)が、前記第1のバイアスノード(A)と第4の出力ノード(F)との間で接続される第7の抵抗器(R7)と、前記第4の出力ノード(F)と前記第2のバイアスノード(C)との間で接続される第8の抵抗器(R8)と、を備え、
    −前記第5、第6、第7、および第8の抵抗器(R5、R6、R7、R8)のうちの少なくとも1つが、前記半導体基板上にパッケージングすることによって加えられる応力を測定するだけのために、前記膜厚さ(T)の少なくとも4倍の前記膜縁(21)からの距離に配置される、1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片(10、11)を備える、第2のブリッジ回路と、
    −前記第2のブリッジによって測定される値を使用して、前記第1のブリッジによって測定される値を補償するための回路と、をさらに備える、請求項1〜12のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  14. −前記第5、第6、第7、および第8の抵抗器(R5、R6、R7、R8)の各々が、前記半導体基板上にパッケージングすることによって引き起こされる応力を測定するために配置される1つ以上の細長いピエゾ抵抗条片を備える、請求項12に記載の半導体圧力センサ。
  15. −前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片および前記第6の抵抗器(R6)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、直交方向に配向され、前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して平行または直角であり、
    −前記第7の抵抗器(R7)の前記細長いピエゾ抵抗条片および前記第8の抵抗器(R8)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、直交方向に配向され、前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して平行または直角である、請求項14に記載の半導体圧力センサ。
  16. 前記第5、第6、第7、および第8の抵抗器(R5、R6、R7、R8)の各々の前記細長いピエゾ抵抗条片(10、11)が、それぞれ、前記第1、第2、第3、および第4の抵抗器(R1、R2、R3、R4)の前記細長いピエゾ抵抗条片(10、11)と同じ寸法を有する、請求項13〜15のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  17. 前記第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、および第8の抵抗器(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8)の各々が、同じ数のピエゾ抵抗条片(10、11)を有し、これらすべてのピエゾ抵抗条片の寸法が、同一である、請求項13〜16のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  18. −前記第2の側面部分(S2)が、前記膜(2)の中心から測定されたときに、前記第1の側面部分(S1)から90°の角距離に位置し、
    −前記第1の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第6の抵抗器(R6)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第7の抵抗器(R7)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第8の抵抗器(R8)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第7の抵抗器(R7)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向され、
    −前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向される、請求項13〜17のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  19. −前記第2の側面部分(S2)が、前記膜(2)の中心から測定されたときに、前記第1の側面部分(S1)から180°の角距離に位置し、
    −前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第6の抵抗器(R6)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第7の抵抗器(R7)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第8の抵抗器(R8)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第7の抵抗器(R7)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して直角に配向され、
    −前記第5の抵抗器(R5)の前記細長いピエゾ抵抗条片が、前記第1の抵抗器(R1)の前記細長いピエゾ抵抗条片に対して平行に配向される、請求項13〜18のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  20. CMOSウエハ上に配置され、それによって、前記膜が、平面(100)内に位置し、前記ピエゾ抵抗素子のうちの少なくとも1つが、<110>方向に配向される、請求項1〜19のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
  21. 請求項1〜20のいずれかに記載の半導体圧力センサを備える半導体デバイス。
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