JP2018021796A - Semiconductor strain gauge - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直列に接続された2つのピエゾ抵抗を有する半導体歪ゲージに関する。 The present invention relates to a semiconductor strain gauge having two piezoresistors connected in series.
従来、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変換するセンサが利用されてきた。この種のセンサとして、例えば特許文献1や2に記載のものがある。
Conventionally, a sensor that converts pressure into an electric signal by using a piezoresistive effect of a semiconductor has been used. Examples of this type of sensor include those described in
特許文献1に記載の圧力センサは、p型シリコンからなるゲージ抵抗(本願「ピエゾ抵抗」に相当)を用いて構成される。この圧力センサでは、p型シリコン基板上に形成される複数のゲージ抵抗の夫々を絶縁分離するためにpn接合を逆バイアス状態にしている。一方、pn接合では逆バイアス時のリーク電流が比較的大きく、このリーク電流によりセンサの出力が大きくドリフトすることが知られている。特許文献1に記載の圧力センサでは、リーク電流を減らしてセンサの出力のドリフトを低減するために、p型基板上にピエゾ抵抗に対応して独立したn型ウェル領域(本願「ウェル層」に相当)を形成し、n型ウェル領域の夫々にp型ピエゾ抵抗を形成し、各ピエゾ抵抗をブリッジ回路に組み込んでいる。この時、各n型ウェル領域は、領域内に形成されたp型ピエゾ抵抗の高電位側と電気的に接続され、その電位に固定される。
The pressure sensor described in
特許文献2に記載の自己検知型SPMプローブは、p型シリコンからなるピエゾ抵抗を用いたカンチレバーを備えて構成される。この自己検知型SPMプローブは、ピエゾ抵抗間のリーク電流や光が照射されて発生するキャリアの影響を排除して、カンチレバーの撓み量を適正に検出できるようにするため、ピエゾ抵抗とp型シリコン基板とが接する面に、シリコン基板の導電型(すなわち「p型」)と、当該導電型とは異なる導電型(すなわち「n型」)とからなる不純物拡散層を形成して絶縁による素子分離を行っている。
The self-detecting SPM probe described in
特許文献1に記載の技術では、p型シリコン基板上にn型ウェル領域を形成する際に、p型シリコン基板に対してV族の元素を不純物として注入するため、p型シリコン基板の不純物濃度に対してn型ウェル領域の不純物濃度が高くなる。同様に、n型ウェル領域に不純物拡散によって形成されるp型ゲージ抵抗の不純物濃度はn型ウェル領域の不純物濃度よりも高くなる。一方、p型ゲージ抵抗の不純物濃度は、感度の温度特性が良い2×1018/cm3程度と低濃度に設計されることが多い(山田一二他「P形シリコン拡散層におけるピエゾ抵抗効果の温度特性」電気学会論文誌A 103巻10号31頁)。また、p型シリコン基板は、n型ウェル領域に対して逆バイアス状態となるような電位に接続されており、通常接地レベルであり、ゲージ抵抗の高電位側電極及びn型ウェル領域は正の電位が与えられている。以上より、通電時においてn型ウェル層とp型シリコン基板との間は逆バイアス状態になると同時に、大きな空乏層領域が形成され、熱励起による正孔−電子によるリーク電流や結晶欠陥を介したリーク電流が流れ易くなる。ピエゾ抵抗によるブリッジ回路における低電位側のピエゾ抵抗のように高電位側電極に接続される配線の出力インピーダンスが高い場合、上記リーク電流はピエゾ抵抗の高電位側電極に接続される配線より供給されるため、ピエゾ抵抗を流れる電流が変動してしまい、ブリッジ回路の感度やオフセットの変動、及びバラツキを発生させてしまう。
In the technique described in
特許文献2に記載の技術は、ピエゾ抵抗をカンチレバーの変形の検出に応用したものであり、p型シリコン基板とウェル領域とピエゾ抵抗との関係はピエゾ抵抗の高電位側の電極とウェル領域とが直接、金属配線では接続されていないことを除いて上記特許文献1に記載の技術と同じである。このため、ウェル領域とピエゾ抵抗との間のpn接合を介してn型ウェル領域に順方向電流が流れるが、n型ウェル領域の電位が十分高くなると上記順方向電流は流れなくなり、ウェル領域とピエゾ抵抗との間が絶縁状態となる。しかしながら、特許文献1に記載の技術と同様に、p型シリコン基板とウェル領域との間のpn接合は逆バイアス状態となり、空乏層が拡がるため、リーク電流が大きくなり易くなる。その結果、ウェル領域からシリコン基板へ流れる電流はp型ピエゾ抵抗の高電位側よりpn接合を介してウェル領域に流れることになり、ピエゾ抵抗の高電位側電極に接続される配線の出力インピーダンスが高い場合、特許文献1に記載の技術に対する問題点と同様に、ブリッジ回路の感度やオフセットの変動、及びバラツキを発生させてしまう。
The technique described in
そこで、ブリッジ回路の感度やオフセットの変動、及びバラツキの発生を抑制できる半導体歪ゲージが求められる。 Therefore, a semiconductor strain gauge that can suppress the fluctuation of the sensitivity and offset of the bridge circuit and the occurrence of variations is required.
本発明に係る半導体歪ゲージの特徴構成は、第1導電型の半導体基板に前記第1導電型とは異なる第2導電型を有して形成された第1ウェル層と、前記半導体基板に前記第1ウェル層と離間し、前記第2導電型を有して形成された第2ウェル層と、前記第1ウェル層に前記第1導電型を有して形成された第1ピエゾ抵抗と、前記第2ウェル層に前記第1導電型を有して形成された第2ピエゾ抵抗と、前記第1ピエゾ抵抗の一方の端子と前記第1ウェル層とを電気的に接続し、所定の第1電位にクランプされる第1配線と、前記第1ピエゾ抵抗の他方の端子と前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子とを電気的に接続する第2配線と、前記第2ピエゾ抵抗の他方の端子に接続され、前記第1電位と異なる第2電位にクランプされる第3配線と、前記第2ウェル層と前記第2ピエゾ抵抗とで形成されるpn接合、及び前記第2ウェル層と前記半導体基板とで形成されるpn接合が、同電位状態及び逆バイアス状態の少なくとも一方の状態になるように、前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位に連動した電位を前記第2ウェル層に出力する電圧源と、を備えている点にある。 A characteristic configuration of a semiconductor strain gauge according to the present invention includes a first well layer formed on a first conductivity type semiconductor substrate having a second conductivity type different from the first conductivity type, and the semiconductor substrate including the first well layer. A second well layer spaced apart from the first well layer and having the second conductivity type; a first piezoresistor formed in the first well layer having the first conductivity type; A second piezoresistor formed on the second well layer having the first conductivity type, and electrically connecting one terminal of the first piezoresistor and the first well layer; A first wiring that is clamped at one potential; a second wiring that electrically connects the other terminal of the first piezoresistor and one terminal of the second piezoresistor; and the other of the second piezoresistor. A third wiring connected to the terminal and clamped at a second potential different from the first potential; A pn junction formed by the well layer and the second piezoresistor and a pn junction formed by the second well layer and the semiconductor substrate are in at least one of the same potential state and the reverse bias state. And a voltage source that outputs a potential linked to the potential of one terminal of the second piezoresistor to the second well layer.
半導体歪ゲージは高感度であり、ゲージの小型化や、半導体歪ゲージが接着される対象物やセンサの小型化が可能である。また、同一チップ上に複数のゲージ抵抗であるピエゾ抵抗を同じ工程で作り込めるため、相対位置精度が高くゲージ特有の相対精度を高くできる。しかしながら、ピエゾ抵抗間の絶縁分離に、n型のウェル領域にp型のピエゾ抵抗を形成し、ピエゾ抵抗の高電位側電極とウェル領域とを電気的に接続し、p型の半導体基板を接地レベル等ウェル領域より低い電位にしてpn接合を逆バイアス状態にして用いる。このため、ピエゾ抵抗の高電位側電極に接続される配線の出力インピーダンスが高く、ウェル領域と半導体基板との間のリーク電流が大きくなり、ピエゾ抵抗を流れる電流低下が無視できなくなると感度変動を引き起こす。更にはリーク電流のバラツキによるオフセットが発生し、また、リーク電流の温度特性がゲージ特性の温度特性の悪化を引き起こす。 The semiconductor strain gauge is highly sensitive, and it is possible to reduce the size of the gauge and the object or sensor to which the semiconductor strain gauge is bonded. Moreover, since a plurality of piezoresistors that are gauge resistors can be formed on the same chip in the same process, the relative positional accuracy is high and the relative accuracy specific to the gauge can be increased. However, the p-type piezoresistor is formed in the n-type well region to electrically isolate the piezoresistors, the high-potential side electrode of the piezoresistor and the well region are electrically connected, and the p-type semiconductor substrate is grounded. The pn junction is used in a reverse bias state by setting the potential lower than that of the well region. For this reason, the output impedance of the wiring connected to the high-potential side electrode of the piezoresistor is high, the leakage current between the well region and the semiconductor substrate increases, and if the current drop through the piezoresistor cannot be ignored, the sensitivity fluctuations cause. Furthermore, offset due to variations in leakage current occurs, and the temperature characteristics of the leakage current cause deterioration of the temperature characteristics of the gauge characteristics.
そこで、半導体基板上に互いに離間して形成された第1ウェル層及び第2ウェル層と、夫々のウェル層に形成された第1ピエゾ抵抗及び第2ピエゾ抵抗とを備えた半導体歪ゲージにおいて、電圧源が、第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗とで形成されるpn接合、及び第2ウェル層と半導体基板とで形成されるpn接合が、同電位状態及び逆バイアス状態の少なくとも一方の状態になるように、第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位に連動した電位を第2ウェル層に出力することで、第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗との間の絶縁を可能とし、且つ、第2ウェル層と半導体基板との間のリーク電流の第2ピエゾ抵抗に流れる電流の電流量への影響を抑制できるため、感度及びオフセット変動の少ない半導体歪ゲージを実現することができる。なお、第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗との間の電位差は、第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗との間で形成されるpn接合の順方向の閾値電圧よりも十分小さい、例えば閾値電圧の1/3以下であれば第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗との間のリーク電流を小さくできるため第2ピエゾ抵抗と第2ウェル層との間が必ずしも逆バイアス状態でなくても良い。 Therefore, in a semiconductor strain gauge comprising a first well layer and a second well layer formed on a semiconductor substrate so as to be separated from each other, and a first piezoresistor and a second piezoresistor formed in each well layer, The voltage source is at least one of a pn junction formed by the second well layer and the second piezoresistor and a pn junction formed by the second well layer and the semiconductor substrate in the same potential state and the reverse bias state. By outputting a potential linked to the potential of one terminal of the second piezoresistor to the second well layer, insulation between the second well layer and the second piezoresistor is possible, and Since the influence of the leakage current between the second well layer and the semiconductor substrate on the amount of current flowing through the second piezoresistor can be suppressed, a semiconductor strain gauge with little sensitivity and offset variation can be realized. Note that the potential difference between the second well layer and the second piezoresistor is sufficiently smaller than the threshold voltage in the forward direction of the pn junction formed between the second well layer and the second piezoresistor, for example, the threshold voltage. The leakage current between the second well layer and the second piezoresistor can be reduced so that the reverse bias state is not necessarily required between the second piezoresistor and the second well layer.
また、前記電圧源は、前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位と同じ電位を出力するバッファであると好適である。 The voltage source is preferably a buffer that outputs the same potential as the potential of one terminal of the second piezoresistor.
電圧源をバッファ(電圧バッファ回路)とすることにより、第2ピエゾ抵抗内のキャリアの流れの上流側電極の電位と第2ウェル層とを略同電位とできるため、第2ウェル層と半導体基板との間のリーク電流の第2ピエゾ抵抗を流れる電流への影響を抑制できる上、第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗との間の空乏層の広がりを抑制できる。その結果、第2ウェル領域とピエゾ抵抗との間のリーク電流を低減できるため、第2ピエゾ抵抗を流れる電流へのリーク電流の影響を抑制でき、感度及びオフセット変動の少ない半導体歪ゲージを実現できる。 By setting the voltage source as a buffer (voltage buffer circuit), the potential of the upstream electrode in the flow of carriers in the second piezoresistor and the second well layer can be set to substantially the same potential, so the second well layer and the semiconductor substrate The influence of the leakage current between the second piezoresistor and the current flowing through the second piezoresistor can be suppressed, and the spread of the depletion layer between the second well layer and the second piezoresistance can be suppressed. As a result, since the leakage current between the second well region and the piezoresistor can be reduced, the influence of the leakage current on the current flowing through the second piezoresistor can be suppressed, and a semiconductor strain gauge with less sensitivity and offset variation can be realized. .
また、前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型であり、前記第1ピエゾ抵抗及び前記第2ピエゾ抵抗の電位が前記半導体基板の電位以上であり、前記電圧源は、p型MOS−FETと抵抗器とを有して構成され、前記抵抗器は、一方の端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも高い電位にクランプされ、他方の端子が前記p型MOS−FETのソース端子及び前記第2ウェル層に接続され、前記p型MOS−FETは、ドレイン端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも低い電位にクランプされ、ゲート端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子に接続されると好適である。 The first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, the potential of the first piezoresistor and the second piezoresistor is equal to or higher than the potential of the semiconductor substrate, and the voltage source Is composed of a p-type MOS-FET and a resistor, and the resistor has one terminal clamped at a potential higher than the potential of one terminal of the second piezoresistor, and the other terminal The p-type MOS-FET is connected to the source terminal of the p-type MOS-FET and the second well layer, and the p-type MOS-FET has a drain terminal clamped at a potential lower than the potential of one terminal of the second piezoresistor. It is preferable that the terminal is connected to one terminal of the second piezoresistor.
第1ピエゾ抵抗、第2ピエゾ抵抗、及び半導体基板をp型半導体とし、第1ウェル層及び第2ウェル層をn型半導体とした時に、その出力が第2ウェル層に接続される電圧源は抵抗器とp型MOS−FETとからなるソースフォロワとし、p型MOS−FETのソース端子は第2ウェル層に接続され、p型MOS−FETのゲート端子は第2ピエゾ抵抗の高電位側電極に接続される。これより、第2ピエゾ抵抗の高電位側電極に対して第2ウェル層はp型MOS−FETの閾値電圧分高い電位に保持され、第2ウェル層と半導体基板との間のpn接合、及び第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗との間のpn接合が逆バイアス状態となるため、第2ピエゾ抵抗の素子分離が可能となると同時に、第2ウェル層と半導体基板との間のリーク電流のピエゾ抵抗を流れる電流への影響を抑制できる。したがって、感度及びオフセット変動の少ない半導体歪ゲージを実現できる。 A voltage source whose output is connected to the second well layer when the first piezoresistor, the second piezoresistor, and the semiconductor substrate are p-type semiconductors and the first well layer and the second well layer are n-type semiconductors, The source follower is composed of a resistor and a p-type MOS-FET, the source terminal of the p-type MOS-FET is connected to the second well layer, and the gate terminal of the p-type MOS-FET is the high potential side electrode of the second piezoresistor. Connected to. Accordingly, the second well layer is held at a potential higher than the threshold voltage of the p-type MOS-FET with respect to the high potential side electrode of the second piezoresistor, and a pn junction between the second well layer and the semiconductor substrate, and Since the pn junction between the second well layer and the second piezoresistor is in a reverse bias state, element isolation of the second piezoresistor becomes possible, and at the same time, leakage current between the second well layer and the semiconductor substrate is reduced. The influence on the current flowing through the piezoresistor can be suppressed. Therefore, a semiconductor strain gauge with little sensitivity and offset fluctuation can be realized.
また、前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型であり、前記第1ピエゾ抵抗及び前記第2ピエゾ抵抗の電位が前記半導体基板の電位以下であり、前記電圧源は、n型MOS−FETと抵抗器とを有して構成され、前記抵抗器は、一方の端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも高い電位にクランプされ、他方の端子が前記n型MOS−FETのソース端子及び前記第2ウェル層に接続され、前記n型MOS−FETは、ドレイン端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも低い電位にクランプされ、ゲート端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子に接続されると好適である。 Further, the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, the potential of the first piezoresistor and the second piezoresistor is equal to or lower than the potential of the semiconductor substrate, and the voltage source Is composed of an n-type MOS-FET and a resistor, and the resistor has one terminal clamped at a potential higher than the potential of one terminal of the second piezoresistor, and the other terminal The n-type MOS-FET is connected to the source terminal of the n-type MOS-FET and the second well layer, and the n-type MOS-FET has a drain terminal clamped at a potential lower than the potential of one terminal of the second piezoresistor, It is preferable that the terminal is connected to one terminal of the second piezoresistor.
第1ピエゾ抵抗、第2ピエゾ抵抗、及び半導体基板をn型半導体とし、第1ウェル層及び第2ウェル層をp型半導体とした時に、その出力が第2ウェル層に接続される電圧源は抵抗器とn型MOS−FETとからなるバッファ回路とし、n型MOS−FETのソース端子は第2ウェル層に接続され、n型MOS−FETのゲート端子は第2ピエゾ抵抗の低電位側電極に接続される。これより、第2ピエゾ抵抗の低電位側電極に対して第2ウェル層はn型MOS−FETの閾値電圧分低い電位に保持され、第2ウェル層と半導体基板との間のpn接合、及び第2ウェル層と第2ピエゾ抵抗との間のpn接合が逆バイアス状態となるため、第2ピエゾ抵抗の素子分離が可能となると同時に、第2ウェル層と半導体基板との間のリーク電流のピエゾ抵抗を流れる電流への影響を抑制できる。したがって、感度及びオフセット変動の少ない半導体歪ゲージを実現できる。 When the first piezoresistor, the second piezoresistor, and the semiconductor substrate are n-type semiconductors and the first well layer and the second well layer are p-type semiconductors, the voltage source whose output is connected to the second well layer is The buffer circuit is composed of a resistor and an n-type MOS-FET, the source terminal of the n-type MOS-FET is connected to the second well layer, and the gate terminal of the n-type MOS-FET is the low potential side electrode of the second piezoresistor. Connected to. Thus, the second well layer is held at a potential lower than the threshold voltage of the n-type MOS-FET with respect to the low potential side electrode of the second piezoresistor, and a pn junction between the second well layer and the semiconductor substrate, and Since the pn junction between the second well layer and the second piezoresistor is in a reverse bias state, element isolation of the second piezoresistor becomes possible, and at the same time, leakage current between the second well layer and the semiconductor substrate is reduced. The influence on the current flowing through the piezoresistor can be suppressed. Therefore, a semiconductor strain gauge with little sensitivity and offset fluctuation can be realized.
本発明に係る半導体歪ゲージは、ブリッジ回路の感度やオフセットの変動、及びバラツキの発生を抑制できるように構成される。以下、半導体歪ゲージの実施形態について図面を用いて説明する。 The semiconductor strain gauge according to the present invention is configured to suppress the fluctuation of the sensitivity and offset of the bridge circuit and the occurrence of variations. Hereinafter, embodiments of a semiconductor strain gauge will be described with reference to the drawings.
1.第1の実施形態
図1は、第1の実施形態に係る半導体歪ゲージ1によるハーフブリッジの回路構成を模式的に示した図である。図1に示されるように、半導体歪ゲージ1は、第1ウェル層11、第1ピエゾ抵抗12、第2ウェル層21、第2ピエゾ抵抗22、第1配線31、第2配線32、第3配線33、電圧源40を備えて構成される。
1. First Embodiment FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit configuration of a half bridge by a
第1ウェル層11は、第1導電型の半導体基板2に第1導電型とは異なる第2導電型を有して形成される。本実施形態の半導体歪ゲージ1は、p型の半導体基板2を用いて構成される。このため、本実施形態では「第1導電型」とはp型が相当し、「第1導電型とは異なる第2導電型」とはn型が相当する。したがって、第1ウェル層11は、p型の半導体基板2にn型を有して形成される。本実施形態では、p型の半導体基板2は接地される(図1では電位V3として示される)。
The
第2ウェル層21は、半導体基板2に第1ウェル層11と離間し、第2導電型を有して形成される。半導体基板2とは、p型の半導体基板である。「第1ウェル層11と離間」するとは、少なくとも第1ウェル層11と第2ウェル層21との間に、第1ウェル層11及び第2ウェル層21の双方とは異なる部分(本実施形態では「半導体基板2」が相当)が配置され、第1ウェル層11と第2ウェル層21とが互いに独立して形成されることをいう。第2ウェル層21は、第1ウェル層11と同じn型を有して形成される。
The
第1ピエゾ抵抗12は、第1ウェル層11に第1導電型を有して形成される。また、第2ピエゾ抵抗22は、第2ウェル層21に第1導電型を有して形成される。上述したように、「第1導電型」とはp型である。また、第1ウェル層11及び第2ウェル層21は、夫々n型を有して形成される。したがって、第1ピエゾ抵抗12はn型の第1ウェル層11にp型を有して形成され、第2ピエゾ抵抗22はn型の第2ウェル層21にp型を有して形成される。
The
第1配線31は、第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12Aと第1ウェル層11とを電気的に接続し、所定の第1電位V1にクランプされる。本実施形態では、「第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12A」とは、半導体歪ゲージ1によりハーフブリッジ回路を構成した場合に正の電源が接続される電極である。正の電源とは、0Vより大きい電圧を出力する電源であり、本実施形態では所定の電位V1を出力する。第1配線31は第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12Aと第1ウェル層11との双方に接続されるため、第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12Aと第1ウェル層11とは、所定の電位V1が印加される。なお、第1配線31と第1ウェル層11との接続は、第1ウェル層11における第1ピエゾ抵抗12の他方の端子12Bよりも一方の端子12A側(好ましくは、一方の端子12Aの近傍)で行うと良い。
The
第2配線32は、第1ピエゾ抵抗12の他方の端子12Bと第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aとを電気的に接続する。「第1ピエゾ抵抗12の他方の端子12B」とは、所定の電位V1が端子12Aに印加された第1ピエゾ抵抗12から電流が流れ出る端子であり、「第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22A」とは、第1ピエゾ抵抗12からの電流が流れ込む端子に相当する。第2配線32はこれらの端子を電気的に接続し、ハーフブリッジ回路の出力端子に相当する。
The
第3配線33は、第2ピエゾ抵抗22の他方の端子22Bに接続され、第1電位V1と異なる第2電位V2にクランプされる。本実施形態では、「第2ピエゾ抵抗22の他方の端子22B」とは、半導体歪ゲージ1によりハーフブリッジ回路を構成した場合に基準となる電位が接続される電極である。本実施形態では、この基準となる電位が第2電位V2であり、0Vが相当する。したがって、本実施形態では第3配線33は接地される。以上のように接続することにより、第1ピエゾ抵抗12及び第2ピエゾ抵抗22の電位が半導体基板2の電位以上となる。
The
第1配線31、第2配線32、及び第3配線33は、第1ウェル層11、第2ウェル層21、第1ピエゾ抵抗12、第2ピエゾ抵抗22、半導体基板2に対して、夫々が上述した電気的に接続される部分を除き、絶縁層50により絶縁される。
The
電圧源40は、第2ウェル層21と第2ピエゾ抵抗22とで形成されるpn接合、及び第2ウェル層21と半導体基板2とで形成されるpn接合が、同電位状態及び逆バイアス状態の少なくとも一方の状態になるように、第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位に連動した電位を第2ウェル層21に出力する。
The
上述したように、本実施形態では、第2ウェル層21はn型を有して形成され、第2ピエゾ抵抗22はp型を有して形成される。また、半導体基板2は、p型のものが用いられる。したがって、第2ウェル層21と第2ピエゾ抵抗22とでpn接合が形成され、第2ウェル層21と半導体基板2とでpn接合が形成される。
As described above, in the present embodiment, the
本実施形態では、電圧源40はバッファ41(電圧バッファ回路)を用いて構成される。バッファ41の入力端子(非反転端子)は第2配線32に接続され、出力端子は第2ウェル層21に接続される。したがって、バッファ41は、第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aと同じ電位を、第2ウェル層21に対して出力する。
In the present embodiment, the
以上のように接続することにより、第1ウェル層11は正の電源に接続されて第1ピエゾ抵抗12との界面、及びp型の半導体基板2との界面が逆バイアス状態となる。一方、第2ウェル層21は、バッファ41の出力に接続されて第2ピエゾ抵抗22との界面、及びp型の半導体基板2との界面が逆バイアス状態となる。
By connecting as described above, the
通常、不純物濃度は、p型のピエゾ抵抗>n型のウェル層>p型の半導体基板である。このため、第1ウェル層11と第1ピエゾ抵抗12との間の空乏層、及び第2ウェル層21と第2ピエゾ抵抗22との間の空乏層は狭く、空乏層に起因するリーク電流が無視でき、第1ウェル層11とp型の半導体基板2の間の空乏層に起因するリーク電流は、正の電源より供給され、第2ウェル層21とp型の半導体基板2との間の空乏層に起因するリーク電流は、バッファ41より供給されるため、第1ピエゾ抵抗12及び第2ピエゾ抵抗22を流れる電流へのリーク電流の影響は抑制できる。
Usually, the impurity concentration is p-type piezoresistance> n-type well layer> p-type semiconductor substrate. For this reason, the depletion layer between the
2.第2の実施形態
次に、半導体歪ゲージ1の第2の実施形態について説明する。図2は、第2の実施形態に係る半導体歪ゲージ1によるハーフブリッジの回路構成を模式的に示した図である。第1の実施形態の半導体歪ゲージ1では電圧源40がバッファ41で構成されるとして説明したが、本実施形態では電圧源40がp型MOS−FET42と抵抗器43とを有して構成される点で第1の実施形態と異なる。その他の構成については、第1の実施形態と同様であるので説明を省略し、主に異なる点を中心に説明する。
2. Second Embodiment Next, a second embodiment of the
図2に示されるように、本実施形態の半導体歪ゲージ1も、第1ウェル層11、第1ピエゾ抵抗12、第2ウェル層21、第2ピエゾ抵抗22、第1配線31、第2配線32、第3配線33、電圧源40を備えて構成される。第1ウェル層11、第1ピエゾ抵抗12、第2ウェル層21、第2ピエゾ抵抗22、第1配線31、第2配線32、及び第3配線33については、第1の実施形態と同様であるので説明は省略する。
As shown in FIG. 2, the
本実施形態では、電圧源40は、p型MOS−FET42と抵抗器43とを有して構成される。抵抗器43は、一方の端子43Aが第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも高い電位にクランプされ、他方の端子43Bがp型MOS−FET42のソース端子及び第2ウェル層21に接続される。「第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも高い電位」とは、第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位に対してp型MOS−FET42の閾値電圧よりも高い電位である。本実施形態では、第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12Aに印加される第1電位V1と同じ電位とする。これにより、抵抗器43の一方の端子43Aには、第1電位V1が印加される。抵抗器43の他方の端子43Bは、p型MOS−FET42のソース端子及び第2ウェル層21と導体を用いて電気的に接続される。
In the present embodiment, the
p型MOS−FET42は、ドレイン端子が第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも低い電位にクランプされ、ゲート端子が第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aに接続される。「第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも低い電位」とは、本実施形態では、第2ピエゾ抵抗22の他方の端子22Bに印加される第2電位V2と同じ電位とする。第2電位V2は第1の実施形態と同様に0Vである。したがって、p型MOS−FET42のドレイン端子は接地される。ゲート端子は、第2配線32を介して、第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aに電気的に接続される。
The p-type MOS-
以上のように接続することにより、第1ウェル層11は正の電源に接続されて第1ピエゾ抵抗12との界面、及びp型の半導体基板2との界面が逆バイアス状態となる。一方、第2ウェル層21は、ハーフブリッジ回路の出力よりp型MOS−FET42の閾値電圧分高い電位となるために、第2ピエゾ抵抗22及びp型の半導体基板2に対して逆バイアス状態となると同時に、p型MOS−FET42及び抵抗器43からなる電圧源40(ソースフォロワ)は、抵抗器43で制限される電流値以下では電圧源とみなせるので、第2ウェル層21とp型の半導体基板2との間の空乏層に起因するリーク電流は電圧源40から供給される。また、電圧源40は、p型MOS−FET42と抵抗器43のみで構成可能なため、p型の半導体基板2上に第1ピエゾ抵抗12及び第2ピエゾ抵抗22によるハーフブリッジ回路を形成するプロセスに対して大きな変更をすることなく形成することが可能である。
By connecting as described above, the
3.第3の実施形態
次に、半導体歪ゲージ1の第3の実施形態について説明する。図3は、第3の実施形態に係る半導体歪ゲージ1によるハーフブリッジの回路構成を模式的に示した図である。第2の実施形態の半導体歪ゲージ1では電圧源40がp型MOS−FET42と抵抗器43とを有して構成されるとして説明したが、本実施形態では電圧源40がn型MOS−FET52と抵抗器53とを有して構成される点で第2の実施形態と異なる。また、第1ウェル層11、第1ピエゾ抵抗12、第2ウェル層21、及び第2ピエゾ抵抗22の導電型も第2の実施形態と異なる。
3. Third Embodiment Next, a third embodiment of the
本実施形態では、第1導電型がn型であり、第2導電型がp型である。したがって、n型の半導体基板2が用いられる。このn型の半導体基板2に、p型の第1ウェル層11及びp型の第2ウェル層21が形成される。また、第1ピエゾ抵抗12及び第2ピエゾ抵抗22は、夫々第1ウェル層11及び第2ウェル層21にn型を有して形成される。
In the present embodiment, the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type. Therefore, the n-
第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12Aと第1ウェル層11とは第1配線31で電気的に接続され、第1配線31には負の電源が接続される。したがって、本実施形態では、第1電位V1が負の電位となる。第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12A及び第1ウェル層11は、第1配線31を介して負の電位に接続される。
One terminal 12A of the
第1ピエゾ抵抗12の他方の端子12Bと第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aとは第2配線32で接続される。第2ピエゾ抵抗22の他方の端子22Bは、第3配線33を介して第2電位にクランプされる。本実施形態では、第2電位とは0Vが相当する。したがって、第2ピエゾ抵抗22の他方の端子22Bは接地される。n型の半導体基板2は所定の第3電位V3に接続される。本実施形態では、n型の半導体基板2は接地される。以上のように接続することにより、第1ピエゾ抵抗12及び第2ピエゾ抵抗22の電位が半導体基板2の電位以下となる。
The other terminal 12B of the
本実施形態では、電圧源40は、n型MOS−FET52と抵抗器53とを有して構成される。抵抗器53は、一方の端子53Aが第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも高い電位にクランプされ、他方の端子53Bがn型MOS−FET52のソース端子及び第2ウェル層21に接続される。「第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも高い電位」とは、第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位に対してn型MOS−FET52の閾値電圧よりも低い電位である。本実施形態では、第2ピエゾ抵抗22の他方の端子22Bに印加される第2電位V2と同じ電位とする。これにより、抵抗器53の一方の端子53Aには、第2電位V2が印加される。抵抗器53の他方の端子53Bは、n型MOS−FET52のソース端子及び第2ウェル層21と導体を用いて電気的に接続される。
In the present embodiment, the
n型MOS−FET52は、ドレイン端子が第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも低い電位にクランプされ、ゲート端子が第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aに接続される。「第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aの電位よりも低い電位」とは、本実施形態では、第1ピエゾ抵抗12の一方の端子12Aに接続される第1電位V1と同じ電位とする。ゲート端子は、第2配線32を介して、第2ピエゾ抵抗22の一方の端子22Aに電気的に接続される。
The n-type MOS-
以上のように接続することにより、第1ウェル層11は負の電源に接続されて第1ピエゾ抵抗12との界面、及びn型の半導体基板2との界面が逆バイアス状態となる。一方、第2ウェル層21は、ハーフブリッジ回路の出力よりn型MOS−FET52の閾値電圧分低い電位となるために、第2ピエゾ抵抗22及びn型の半導体基板2に対して逆バイアス状態となると同時に、n型MOS−FET52及び抵抗器53からなる電圧源40は、抵抗器53で制限される電流値以下では電圧源とみなせるので、第2ウェル層21とn型の半導体基板2との間の空乏層に起因するリーク電流は電圧源40から供給される。また、電圧源40は、n型MOS−FET52と抵抗器53のみで構成可能なため、n型の半導体基板2上に第1ピエゾ抵抗12及び第2ピエゾ抵抗22によるハーフブリッジ回路を形成するプロセスに対して大きな変更をすることなく形成することが可能である。
By connecting as described above, the
本発明は、直列に接続された2つのピエゾ抵抗を有する半導体歪ゲージに用いることが可能である。 The present invention can be used for a semiconductor strain gauge having two piezoresistors connected in series.
1:半導体歪ゲージ
2:半導体基板
11:第1ウェル層
12:第1ピエゾ抵抗
12A:一方の端子(第1ピエゾ抵抗の一方の端子)
12B:他方の端子(第1ピエゾ抵抗の他方の端子)
21:第2ウェル層
22:第2ピエゾ抵抗
22A:一方の端子(第2ピエゾ抵抗の一方の端子)
22B:他方の端子(第2ピエゾ抵抗の他方の端子)
31:第1配線
32:第2配線
33:第3配線
40:電圧源
41:バッファ
42:p型MOS−FET
43:抵抗器
43A:一方の端子(抵抗器の一方の端子)
43B:他方の端子(抵抗器の他方の端子)
52:n型MOS−FET
53:抵抗器
53A:一方の端子(抵抗器の一方の端子)
53B:他方の端子(抵抗器の他方の端子)
V1:第1電位
V2:第2電位
1: Semiconductor strain gauge 2: Semiconductor substrate 11: First well layer 12:
12B: the other terminal (the other terminal of the first piezoresistor)
21: second well layer 22:
22B: the other terminal (the other terminal of the second piezoresistor)
31: First wiring 32: Second wiring 33: Third wiring 40: Voltage source 41: Buffer 42: p-type MOS-FET
43:
43B: the other terminal (the other terminal of the resistor)
52: n-type MOS-FET
53:
53B: the other terminal (the other terminal of the resistor)
V1: first potential V2: second potential
Claims (4)
前記半導体基板に前記第1ウェル層と離間し、前記第2導電型を有して形成された第2ウェル層と、
前記第1ウェル層に前記第1導電型を有して形成された第1ピエゾ抵抗と、
前記第2ウェル層に前記第1導電型を有して形成された第2ピエゾ抵抗と、
前記第1ピエゾ抵抗の一方の端子と前記第1ウェル層とを電気的に接続し、所定の第1電位にクランプされる第1配線と、
前記第1ピエゾ抵抗の他方の端子と前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子とを電気的に接続する第2配線と、
前記第2ピエゾ抵抗の他方の端子に接続され、前記第1電位と異なる第2電位にクランプされる第3配線と、
前記第2ウェル層と前記第2ピエゾ抵抗とで形成されるpn接合、及び前記第2ウェル層と前記半導体基板とで形成されるpn接合が、同電位状態及び逆バイアス状態の少なくとも一方の状態になるように、前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位に連動した電位を前記第2ウェル層に出力する電圧源と、
を備える半導体歪ゲージ。 A first well layer formed on a first conductivity type semiconductor substrate having a second conductivity type different from the first conductivity type;
A second well layer formed on the semiconductor substrate and spaced apart from the first well layer and having the second conductivity type;
A first piezoresistor formed in the first well layer with the first conductivity type;
A second piezoresistor formed in the second well layer with the first conductivity type;
A first wiring that electrically connects one terminal of the first piezoresistor and the first well layer and is clamped to a predetermined first potential;
A second wiring that electrically connects the other terminal of the first piezoresistor and one terminal of the second piezoresistor;
A third wiring connected to the other terminal of the second piezoresistor and clamped at a second potential different from the first potential;
A pn junction formed by the second well layer and the second piezoresistor and a pn junction formed by the second well layer and the semiconductor substrate are in at least one of the same potential state and the reverse bias state. A voltage source that outputs a potential linked to the potential of one terminal of the second piezoresistor to the second well layer;
A semiconductor strain gauge.
前記第2導電型がn型であり、
前記第1ピエゾ抵抗及び前記第2ピエゾ抵抗の電位が前記半導体基板の電位以上であり、
前記電圧源は、p型MOS−FETと抵抗器とを有して構成され、
前記抵抗器は、一方の端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも高い電位にクランプされ、他方の端子が前記p型MOS−FETのソース端子及び前記第2ウェル層に接続され、
前記p型MOS−FETは、ドレイン端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも低い電位にクランプされ、ゲート端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子に接続される請求項1に記載の半導体歪ゲージ。 The first conductivity type is p-type;
The second conductivity type is n-type;
The potential of the first piezoresistor and the second piezoresistor is greater than or equal to the potential of the semiconductor substrate;
The voltage source includes a p-type MOS-FET and a resistor,
The resistor has one terminal clamped at a potential higher than the potential of one terminal of the second piezoresistor, and the other terminal connected to the source terminal of the p-type MOS-FET and the second well layer. ,
The drain terminal of the p-type MOS-FET is clamped to a potential lower than the potential of one terminal of the second piezoresistor, and the gate terminal is connected to one terminal of the second piezoresistor. The semiconductor strain gauge described.
前記第2導電型がp型であり、
前記第1ピエゾ抵抗及び前記第2ピエゾ抵抗の電位が前記半導体基板の電位以下であり、
前記電圧源は、n型MOS−FETと抵抗器とを有して構成され、
前記抵抗器は、一方の端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも高い電位にクランプされ、他方の端子が前記n型MOS−FETのソース端子及び前記第2ウェル層に接続され、
前記n型MOS−FETは、ドレイン端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子の電位よりも低い電位にクランプされ、ゲート端子が前記第2ピエゾ抵抗の一方の端子に接続される請求項1に記載の半導体歪ゲージ。 The first conductivity type is n-type;
The second conductivity type is p-type;
The potential of the first piezoresistor and the second piezoresistor is less than or equal to the potential of the semiconductor substrate;
The voltage source includes an n-type MOS-FET and a resistor,
The resistor has one terminal clamped to a potential higher than the potential of one terminal of the second piezoresistor, and the other terminal connected to the source terminal of the n-type MOS-FET and the second well layer. ,
The n-type MOS-FET has a drain terminal clamped at a potential lower than a potential of one terminal of the second piezoresistor and a gate terminal connected to one terminal of the second piezoresistor. The semiconductor strain gauge described.
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