JP4697004B2 - 力学量測定装置 - Google Patents
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Description
<110>方向を回転軸方向と一致させて該力学量測定装置を貼り付けると、取得したいひずみ方向と、センサの感度の最大方向を一致させることが出来るため、トルクと軸力をともに高感度で計測することが可能となる。
<110>方向と平行であるp型拡散抵抗であり、ひずみ感度の低い拡散抵抗(不純物拡散層)とは、例えば、電流の流れる方向が<100>方向と平行であるp型拡散抵抗や電流の流れる方向が<110>方向と平行であるn型拡散抵抗である。また、電流の流れる方向を、拡散抵抗の長手方向とすることが好ましい。
<100>方向と平行である2本のn型拡散抵抗と、電流の流れる方向が<100>方向と平行である2本のp型拡散抵抗との組み合わせで構成する。
90度回転させた全く等価な構造となるため、設計が容易であるという効果が得られる。
μm以上内側となるように配置する。これによって半導体チップからなる力学量測定装置1を被測定物に貼り付けた場合にもチップ端部の影響を受けることなく測定ばらつきを抑制でき、非常に再現性が良く高精度な測定を可能とすることができる。
本発明における第1の実施形態を図1から図8を用いて説明する。本実施形態による力学量測定装置の主要部を図1に示す。
〔−1−10〕方向も含む。以下同じ。)に配置されたp型拡散抵抗304a,304c、という表記を用いたが、〔110〕の方向から外れた場合でも±10度の角度範囲のズレに収まっていれば、ほぼ同様な効果が期待できるので、本発明においては〔110〕方向と平行であるとする。他の方向についても同様である。この角度からさらに外れた場合は急速にひずみ感度が低下するので、〔110〕の方向から±10度の角度範囲を長手とする不純物拡散層を形成するのが望ましい。なお、電流を流す方向とは、不純物拡散層が長方形等の単純な形の領域に形成されている場合には、不純物拡散層に電流を入力する線が接続されている位置と、電流を出力する線が接続されている位置とを結んだ方向とする。
<110>方向に平行・垂直なXY方向、すなわち〔110〕方向と〔−110〕方向のひずみに対して大きな感度が得られる。よって図2のように回転軸201の軸心が、シリコン基板2の結晶軸方向の<110>と平行となるように取り付けることによって、回転軸の軸力が測定できる。
本発明における第2の実施形態を図7から図11を用いて説明する。図7に示すように、本実施形態では2軸ひずみ場を高精度に測定するために、ブリッジ回路4とブリッジ回路5を設けている。ブリッジ回路4は、電流の流れる方向が該シリコン基板2の<100>方向と平行となるように設けられたn型拡散抵抗4a,4cと、電流の流れる方向が該シリコン基板2の<100>方向と平行となるように設けられたp型拡散抵抗4b,4dとの組み合わせで構成され、拡散抵抗4a,4b,4c,4dの順で接続されていることを特徴としている。また、ブリッジ回路5もブリッジ回路4と同様にn型拡散層,p型拡散層とも電流の流れる方向が<100>方向と平行となるように設けられているが、ブリッジ回路5のn型拡散層の長手方向、すなわち電流の流れる方向と、ブリッジ回路4のn型拡散層の長手方向が直交するように配置する。すなわち、図8に詳細に示すように、前記ブリッジ回路4は、〔010〕方向と平行な方向に配置されたn型拡散抵抗4a,4cと、〔010〕方向と平行な方向に配置されたp型拡散抵抗4b,4dにより構成され、拡散抵抗5a,5b,5c,5dの順で接続されている。
<010>方向の2軸のひずみを分離することが可能となる。
4a,4c,5a,5cを配置すれば、シリコン基板2の端部の影響を等しく受けることとなるため、誤差の少ない測定が可能となるという利点が生じる。さらに、不純物拡散層4b,4d,5b,5dも、線対称に配置すれば、更に効果が高まる。
実施例2の場合のように1つのブリッジ回路の中に、n型の拡散抵抗とp型の拡散抵抗が混在している場合には、n型の拡散抵抗を形成するためのイオン注入処理と、p型の拡散抵抗を形成するためのイオン注入処理と、2つのイオン注入処理が少なくとも必要になる。この2つのイオン注入処理において拡散抵抗値がばらつくと、各ブリッジ回路にオフセットが発生することになる。
<100>方向と平行であるp型拡散抵抗であり、調整用抵抗101を有さない不純物拡散層4a,4cはひずみ感度の高い<100>方向と平行であるn型拡散抵抗である。調整用抵抗101は、拡散抵抗本体を形成する折り返し抵抗102よりも短く、すなわち抵抗値が低く形成されている。小さな調整用抵抗101を複数備え、それから配線50で引き出してパッド107に接続することで、きめ細かな抵抗値の調整を行うことができる。また、拡散抵抗4b,4dが調整用抵抗101を有することにより、すなわちホイートストンブリッジの対辺にある拡散抵抗4b,4dに調整用抵抗101が存在することにより、4つの拡散抵抗層4a,4b,4c,4dの抵抗値の調整に対応できるようになっている。また、図12に示すように、調整用抵抗101は拡散抵抗層4a,4b,4c,4dの配置の両端部に配置する、すなわち一番外側に配置することで、多数存在するパッド
107への引き回しが容易になる。なお、調整用抵抗101を含む不純物拡散層の4b,4dの抵抗値を、不純物拡散層4a,4cの値よりもやや大きくしておくことで、抵抗値の増減の調整が容易に行えるようにすることができ、ブリッジ抵抗の平衡状態を容易に実現することができる。
本発明における第2の実施形態を図15と図16を用いて説明する。図15に示すように、本実施形態では2軸ひずみ場を高精度に測定するために、ブリッジ回路4とブリッジ回路5を設けており、各ブリッジ回路はポリシリコンの配線抵抗と拡散層抵抗によってそれぞれ構成されている。ブリッジ回路4は、電流の流れる方向が該シリコン基板2の
<100>方向と平行となるように設けられたp型拡散抵抗4b,4dと、電流の流れる方向が該シリコン基板2の<110>方向と平行となるように設けられたポリシリコン配線抵抗405b,405dと、の組み合わせで構成されていることを特徴としている。また、ブリッジ回路5も同様に、電流の流れる方向が該シリコン基板2の<100>方向と平行となるように設けられたp型拡散抵抗5b,5dと、電流の流れる方向が該シリコン基板2の<110>方向と平行となるように設けられたポリシリコン配線抵抗505b,505dと、の組み合わせで構成されているが、ブリッジ回路5のポリシリコン配線抵抗505b,505dの長手方向、すなわち電流の流れる方向と、ブリッジ回路4のポリシリコン配線抵抗405b,405dの長手方向が直交するように配置する。本実施例の場合でも、実施例1と同様に、表記の方向から外れた場合でも±10度の角度範囲のズレに収まっていれば、ほぼ同様な効果が期待できる。
図17に示すように、垂直ひずみ成分だけではなく、第三のブリッジ回路24によってせん断ひずみ成分も分離することが可能である。すなわち、第三のブリッジ回路24は、第一の実施例のブリッジ回路304と同様なものである。また、n型不純物拡散を用いて、第一の実施例のブリッジ回路305と同様にしてもよい。本実施例では、ひずみ計測座標系を図のように規定すると、〔100〕方向と〔010〕方向の垂直ひずみとチップ貼り付け面内のせん断ひずみを計測することができる。すなわち、面内の垂直ひずみ二方向とせん断ひずみ一方向がこの1つのチップで計測できることになる。すなわち、被測定部材の特定の方向を方向表示印14に合わせて接着し、該半導体チップの<100>方向に平行直角な垂直ひずみ二成分と、せん断ひずみ一成分を計測することが可能であり、この3成分を用いることにより被測定部材の主ひずみ方向等、ひずみ状態を求めることが可能となる。また、図18に示すような配置でもよい。図17では、長手方向が<100>方向を向いた拡散抵抗5a〜5dを、長手方向に直交する<100>方向に並べて配置しているが、図18では、拡散抵抗5a〜5dを、<110>方向に並べて配置している。また、せん断ひずみを測定する第三のブリッジ回路24は、第一のブリッジ回路4及び第二のブリッジ回路5の拡散抵抗を並べた方向(図面下側)の領域に、第一及び第二のブリッジ回路4,5に隣接して設けてある。隣接するとは、センサまたは拡散抵抗間の距離が、拡散抵抗の長さ方向の長さよりも小さいこととする。図18の場合には、拡散抵抗4a〜4dおよび5a〜5d等を密に配置してシリコン基板面に対するセンサの面積占有率が低く設計できるので、チップを小さく出来、安価に製造することが可能となる。なお、第三のブリッジ回路24は図17,図18では第一のブリッジ回路4及び第二のブリッジ回路5の拡散抵抗を並べた方向(図面下側)の領域に設けたが、図面横方向に並べて配置しても良い。
さらに力学量測定装置の同一チップ上に温度センサ15が設けられた構造となっている。その他の点は同一構造であり、第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、前記温度センサ15は、PN接合からなるダイオードであることが好ましい。これにより、温度センサはひずみの変化による影響を受けることが無く、ひずみ検出部3付近の温度変化を正確に測定することが可能となる。
次に、本発明における第6の実施形態を図20により説明する。図20は第6の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、第2の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
次に、本発明における第7の実施形態を図21により説明する。図21は第7の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、第2の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
次に、本発明における第8の実施形態を図23により説明する。図23は第8の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、他の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
23bが、チップの中央を回転軸として、回転対称に配置されている。この場合には、ブリッジ回路5とアンプ21が、ブリッジ回路4とアンプ20を90度回転させた全く等価な構造となるため、設計が容易であるという効果が得られる。また、ブリッジ回路4に接続する抵抗22a,22bは同方向を向いているので、抵抗22a,22bのひずみに対する影響を同一に出来、差動アンプで相殺することで、ひずみの影響を小さくすることができる。
次に、本発明における第9の実施形態を図24により説明する。図24は第9の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、他の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
次に、本発明における第10の実施形態を図25により説明する。図25は第10の実施形態による力学量測定装置の主要部を示している。
図26に示すように、前記力学量測定装置1を被測定物115へ貼り付け、もしくは他の板を介して接続して、ひずみ測定を行う場合、シリコン基板2の側面は自由表面となることからシリコン基板2と被測定物11の界面に平行な方向に対する拘束が弱くなる。つまりシリコン基板2の周辺部近傍領域では、被測定物に対するひずみの追従性が悪くなるという問題が懸念された。そこで本願発明者らは、有限要素法解析により、チップ内でセンサを配置する場所を限定することにより感度ばらつきを抑制できることを見出した。
L7〜L14…チップ端からのはく離監視用センサの距離、20,20a,20b,21,21a,21b…アンプ、22,22a,22b,23,23a,23b…抵抗、25…トランジスタ、102…折り返し抵抗、306…ウェル、405b,405d,505b,505d…ポリシリコン配線抵抗。
Claims (3)
- 単結晶半導体基板表面にひずみ検出部を備え、
被測定物に取り付けて、ひずみを測定する力学量測定装置において、
前記単結晶半導体基板上に、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第一のセンサと、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第二のセンサと、
前記第一のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第一のアンプと、
前記第二のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第二のアンプとを備え、
前記第一のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗と前記第二のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗との距離は、前記第一のアンプのトランジスタと第二のアンプのトランジスタとの距離よりも小さく、
前記第一のセンサの前記不純物拡散抵抗と前記第一のアンプに接続される前記帰還抵抗は、その長手方向が同方向であり、
前記第二のセンサの前記不純物拡散抵抗と前記第二のアンプに接続される前記帰還抵抗は、その長手方向が同方向であることを特徴とする力学量測定装置。 - 単結晶半導体基板表面にひずみ検出部を備え、
被測定物に取り付けて、ひずみを測定する力学量測定装置において、
前記単結晶半導体基板上に、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第一のセンサと、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第二のセンサと、
前記第一のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第一のアンプと、
前記第二のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第二のアンプとを備え、
前記第一のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗と前記第二のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗との距離は、前記第一のアンプのトランジスタと第二のアンプのトランジスタとの距離よりも小さく、
前記第一のセンサの前記不純物拡散抵抗と前記第二のセンサの前記不純物拡散抵抗とは、その長手方向が直交し、かつ前記第一のセンサの前記不純物拡散抵抗の中心が一列に並び、前記第二のセンサの前記不純物拡散抵抗の中心が一列に並び、
前記第一のセンサと第二のセンサの両側に前記第一のアンプと前記第二のアンプとを配置したことを特徴とする力学量測定装置。 - 単結晶半導体基板表面にひずみ検出部を備え、
被測定物に取り付けて、ひずみを測定する力学量測定装置において、
前記単結晶半導体基板上に、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第一のセンサと、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第二のセンサと、
前記第一のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第一のアンプと、
前記第二のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第二のアンプとを備え、
前記第一のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗と前記第二のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗との距離は、前記第一のアンプのトランジスタと第二のアンプのトランジスタとの距離よりも小さく、
前記第一及び第二のアンプは、それぞれ低倍率用の抵抗と高倍率用の抵抗とを備え、
前記低倍率用の抵抗は、前記高倍率用の抵抗より、前記不純物拡散抵抗に近い位置に配置されていることを特徴とする力学量測定装置。
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