JP3323032B2 - 半導体圧力検出装置の設計方法 - Google Patents
半導体圧力検出装置の設計方法Info
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
Description
ゾ抵抗を用いた半導体圧力検出装置に関する。
装置は、圧力を検出するための薄肉部(ダイアフラム)
にゲージ抵抗を設け、そのピエゾ抵抗を測定して圧力を
検出するものである。圧力検出装置は、線形性を満足す
る圧力範囲で使用される。
置は、ある圧力を越えると、シリコンのバルーン効果に
より非線形性が現れ、圧力の線形性が悪化することが知
られている。しかし、性能保証圧力まで、要求される圧
力リニアリティ誤差を満足できるダイアフラム部の寸法
は、実際に試作して評価しないと分からない。このた
め、ダイアフラム部の寸法の決定が困難であった。
誤差を満たす半導体圧力検出装置を提供することであ
る。
検出装置の設計方法では、(100)面または(11
0)面の結晶面をもつ半導体シリコンに形成したダイア
フラム部と、このダイアフラム部に形成した複数のピエ
ゾ抵抗素子からなる半導体圧力検出装置について、実験
的に求まる常数Kを含み、ダイアフラム部の面積と厚さ
をSとtで、印加圧力をPで、圧力リニアリティ誤差を
εで表した次の関係式
き、ダイアフラム部の面積Sと厚さtを、
とえば、正方形や円形である。また、ピエゾ抵抗素子の
数は、たとえば4個であり、ブリッジ回路を形成する。
あるいは、ピエゾ抵抗素子の数は、たとえば2個であ
り、ハーフブリッジ回路を形成する。
厚さは、性能保証圧力と所望の圧力リニアリティ誤差を
用いた上記の関係式を用いて決定できる。これにより、
試作評価をしなくてもダイアフラム部の寸法を決定で
き、圧力リニアリティ誤差をおさえた半導体圧力検出装
置を提供できる。ダイアフラム部の形状は、正方形、円
形などを採用するが、応力に対するシリコンの歪みが同
じであるので、上記の関係式でダイアフラム部の寸法を
決定できる。複数のピエゾ抵抗素子を用いて、ブリッジ
回路やハーフブリッジ回路を構成して抵抗値を精度よく
検出する。
ついて説明する。半導体シリコンを用いた半導体圧力検
出装置において、性能保証圧力まで所望の圧力リニアリ
ティ誤差を満たすダイアフラム部の寸法を決定するた
め、実験データより、ダイアフラムの面積S、厚みt、
印加圧力Pおよび所望の圧力リニアリティ誤差εとの関
係式を、以下のように導いた。図1は、第1実施例の半
導体圧力検出装置の部分切欠斜視図である。半導体シリ
コン1は(100)面を有し、中央部に、正方形のダイ
アフラム部3を裏面からのエッチングにより設ける。そ
して、4個のゲージ抵抗2を、図に示すように、ダイア
フラム部3の正方形の各辺の中央付近に、拡散抵抗とし
て、<110>の結晶方向に平行に設ける。このゲージ
抵抗の設置場所は、シリコンのピエゾ抵抗効果の結晶異
方性に基づくものである。図2は、この半導体圧力検出
装置の中央部の断面を示し、ダイアフラム部3の厚さt
と1辺の長さDを示す。検出装置の4すみにパッド4を
設け、ゲージ抵抗2とパッド4との間を金属電極膜など
の電極線(図示しない)で接続し、ブリッジを形成す
る。なお、2個のゲージ抵抗を設け、ハーフブリッジを
形成してもよい。
することはよく知られている。そこで、感度が一定であ
る場合の印加圧力Pと圧力リニアリティ誤差εの関係式
を求める。図3は、圧力リニアリティ誤差ε(%FS)
の対数と印加圧力P(kPa)の対数との両対数グラフ
を、6つの感度について示す。図3に示される6種のデ
ータは、上側から順に、88.95(▽),81.31
(×),55.71(△),49.05(◇),35.5
0(+),36.33(□)の感度(mV/10kPa
で表す)に対応して得られたものである。図3より、圧
力リニアリティ誤差εは、印加圧力Pの3/2乗に比例
することがわかる。
加圧力Pを10,18,24kPaと一定にした場合の
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す。さらに、
図7、図8、図9は、それぞれ、印加圧力Pを10,1
8,24kPaと一定にした場合の圧力リニアリティ誤
差と感度との両対数グラフを示す。図7、図8、図9よ
りわかるように、圧力リニアリティ誤差は、感度の3乗
に比例することがわかった。また、圧力リニアリティ誤
差は、感度≒0の場合、限りなく0に近づく。
と厚さをS(m2)とt(m)で、印加圧力をP(kP
a)で表したとき、所望の圧力リニアリティ誤差ε
(%)は次の式で表せる。
望の圧力リニアリティは保証できる。この式は、次のよ
うに変形できる。
出装置は、圧力リニアリティを改善できる。また、試作
しなくても、要求仕様の圧力リニアリティ誤差の値によ
り、ダイアフラム部の面積および厚さを設定し、選定で
きるため、最適チップ設計が可能になる。なお、図1に
示した検出装置では、ダイアフラム部3の形状は正方形
であった。しかし、ダイアフラム部が円形状でも同様の
関係式が得られた。さらに、ダイアフラム3の形状が、
多角形、長方形、だ円などの場合も同様であった。同じ
シリコンを用いるため、応力に対するシリコンのピエゾ
抵抗特性が同じであるからである。
分切欠斜視図である。半導体シリコン11は(110)
面を有し、中央部に、正方形のダイアフラム部13を裏
面からのエッチングにより設ける。そして、4個のゲー
ジ抵抗12を、図に示すように、ダイアフラム部3の正
方形の各辺の中央付近に2個、ダイアフラム部3の中央
付近に2個、拡散抵抗として、<110>の結晶方向に
平行に設ける。このゲージ抵抗の設置場所は、シリコン
のピエゾ抵抗効果の(110)面での結晶異方性に基づ
くものである。検出装置の4すみにパッド14を設け、
ゲージ抵抗12とパッド14との間を金属電極膜などの
電極線(図示しない)で接続し、ブリッジを形成する。
この半導体圧力検出装置においても、ダイアフラム部の
寸法は、式(3)、式(4)の関係を満たせばよいこと
がわかった。これは、結晶面は変わるけれども、同じシ
リコンを用いるため、応力に対するシリコンの歪みが同
じであるからである。なお、図示しないが、ダイアフラ
ム部13に2個のゲージ抵抗を設けてハーフブリッジを
形成してもよい。
でき、圧力リニアリティの精度を改善できる。また、要
求仕様の圧力リニアリティ誤差の値により、ダイアフラ
ム部の面積および厚さを設定し選定できるため、最適チ
ップ設計が可能になる。複数のゲージ抵抗からブリッジ
回路またはハーフブリッジ回路を構成するので、抵抗し
たがって圧力が精度よく検出できる。
斜視図である。
ある。
(%)と印加圧力P(kPa)との両対数グラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示すグラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示すグラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示すグラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す両対数グラ
フである。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す両対数グラ
フである。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す両対数グラ
フである。
欠斜視図である。
フラム部。
Claims (5)
- 【請求項1】 (100)面または(110)面の結晶
面をもつ半導体シリコンに形成したダイアフラム部と、
このダイアフラム部に形成した複数のピエゾ抵抗素子か
らなる半導体圧力検出装置について、 実験的に求まる常数Kを含み、ダイアフラム部の面積と
厚さをSとtで、印加圧力をPで、圧力リニアリティ誤
差をεで表した次の関係式 【数1】ε = K(S/t 2 ) 3 P 3/2 を求め、 所望の圧力リニアリティ誤差をε o で表したとき、ダイ
アフラム部の面積Sと厚さtを、 【数2】S/t 2 < (ε o /(P 3/2 K)) 1/3 を満たすように決定する ことを特徴とする半導体圧力検
出装置の設計方法。 - 【請求項2】 上記のダイアフラム部の形状が正方形で
あることを特徴とする請求項1に記載された半導体圧力
検出装置の設計方法。 - 【請求項3】 上記のダイアフラム部の形状が円形であ
ることを特徴とする請求項1に記載された半導体圧力検
出装置の設計方法。 - 【請求項4】 上記のピエゾ抵抗素子が4個であり、ブ
リッジ回路が形成されることを特徴とする請求項1〜3
のいずれかに記載された半導体圧力検出装置の設計方
法。 - 【請求項5】 上記のピエゾ抵抗素子が2個であり、ハ
ーフブリッジ回路が形成されることを特徴とする請求項
1〜3のいずれかに記載された半導体圧力検出装置の設
計方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14042695A JP3323032B2 (ja) | 1995-06-07 | 1995-06-07 | 半導体圧力検出装置の設計方法 |
US08/530,734 US5591917A (en) | 1995-06-07 | 1995-09-19 | Semiconductor pressure sensor with rated pressure specified for desired error of linearity |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14042695A JP3323032B2 (ja) | 1995-06-07 | 1995-06-07 | 半導体圧力検出装置の設計方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08334424A JPH08334424A (ja) | 1996-12-17 |
JP3323032B2 true JP3323032B2 (ja) | 2002-09-09 |
Family
ID=15268422
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP14042695A Expired - Lifetime JP3323032B2 (ja) | 1995-06-07 | 1995-06-07 | 半導体圧力検出装置の設計方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
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JP (1) | JP3323032B2 (ja) |
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FR2894953B1 (fr) * | 2005-12-15 | 2008-03-07 | Ecole Polytechnique Etablissem | Systeme micro-electromecanique comprenant une partie deformable et un detecteur de contrainte |
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-
1995
- 1995-06-07 JP JP14042695A patent/JP3323032B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1995-09-19 US US08/530,734 patent/US5591917A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH08334424A (ja) | 1996-12-17 |
US5591917A (en) | 1997-01-07 |
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