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

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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