JP6371012B2 - 力学量測定装置およびそれを用いた圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物に掛かる応力やひずみ等の力学量を測定する技術に関し、特に、半導体基板表面に形成された不純物拡散抵抗体によって構成されるひずみ検出領域を備えた力学量測定装置およびそれを用いた圧力センサに関する。

測定対象物の変形（ひずみ）を測定する装置として、薄い絶縁体上に金属抵抗体（金属箔）が配設された金属箔ひずみゲージが、昔からよく知られている。金属箔ひずみゲージは、測定対象物の変形に追従した金属箔の変形に伴う電気抵抗値の変化を測定してひずみ量に換算するものであり、構造が単純で安価である割に高精度であるため、広く利用されてきた。一方、金属箔ひずみゲージは、その構成上、被測定物の温度が変化すると測定誤差が生じ易い点や、常時駆動させるには消費電力が大きい点や、ある程度の設置面積を要する点などの弱点を有している。

金属箔ひずみゲージのそれらの弱点を克服する装置として、半導体基板表面に形成された不純物拡散抵抗体によって構成されるひずみ検出領域（ブリッジ回路）を備えた半導体ひずみセンサが開発されている。半導体ひずみセンサは、不純物拡散抵抗体のひずみに対する抵抗変化率が従来の金属箔ひずみゲージの金属抵抗体のそれに比して数１０倍大きいことから、微小なひずみでも検知することが可能である（すなわち、ひずみに対する感度が高い利点がある）。また、不純物拡散抵抗体の形成にフォトリソグラフィ等のいわゆる半導体プロセスを利用することで、不純物拡散抵抗体の微細パターン化が可能であり、半導体ひずみセンサ全体を小型化（小面積化）することができると共に省電力化することができる。さらに、不純物拡散抵抗体の微細パターン化により、ホイートストンブリッジ回路を構成する全ての抵抗体を同一の基板上に形成できるため、被測定物の温度変化に対する電気抵抗の変動が相殺されて測定誤差が小さくなる（測定精度が向上する）利点もある。

例えば、特開２００７−２６３７８１号公報（特許文献１）には、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られて、ひずみを測定する力学量測定装置が記載されている。この力学量測定装置では、半導体単結晶基板に少なくとも二組以上のブリッジ回路を形成している。二組のブリッジ回路のうち、ひとつのブリッジ回路は、電流を流して抵抗値の変動を測定する方向（長手方向）が半導体単結晶基板の＜100＞方向と平行であるn型拡散抵抗で構成されている。もう一つのブリッジ回路は、長手方向が＜110＞方向と平行であるp型拡散抵抗を組み合わせて構成されている。特許文献１によると、被測定物に生じる特定方向のひずみ成分を精度良く測定することができるとされている（要約参照）。

また、特開２０１２−４７６０８号公報（特許文献２）には、半導体基板に形成されたブリッジ回路を用いた力学量測定装置であって、前記ブリッジ回路は４つのブリッジ抵抗R_v1，R_v2，R_h1，R_h2からなり、各ブリッジ抵抗はそれぞれ複数の拡散抵抗からなり、前記
複数の拡散抵抗は前記半導体基板上にマトリックス状に配置され、前記ブリッジ抵抗R_v1，R_v2は前記マトリックスの奇数列に配置された前記複数の拡散抵抗が選択的に直列接続されたものであり、前記ブリッジ抵抗R_h1，R_h2は前記マトリックスの偶数列に配置された前記複数の拡散抵抗が選択的に直列接続されたものである力学量測定装置が、開示されている。特許文献２によると、被測定物の温度変化によって発生する応力や、半導体基板上の熱分布や、拡散抵抗の不純物のドーズ量勾配に起因するブリッジ回路のオフセット出力の発生を防ぐことができるとされている。

一方、ひずみセンサによる力学量測定は、被測定物の変形に追従してひずみセンサも変形することが基本事項であり、より小さな変形を検知し測定精度のよい力学量測定を実現するためには、センサに使用する抵抗体の微小な抵抗変化を捉える必要がある。この観点において、例えば特開２０１３−２０５４０３号公報（特許文献３）には、力学量を測定するセンサを被測定物の複数の箇所に搭載し、センサ部の後段に接続した演算回路で演算することで精度のより検出が可能とされている。

特開２００７−２６３７８１号公報 特開２０１２−４７６０８号公報 特開２０１３−２０５４０３号公報

自動車エンジンにおける省エネルギー化や排ガスクリーン化を目的として、燃料をより効率的に燃焼させるための種々の技術が検討・採用されている。しかし、近年、省エネルギー化および排ガスクリーン化の要求はますます強まっている。省エネルギー化を目指す燃焼技術の代表格は、理論空燃比よりも薄い条件の燃焼を実現する技術である。また、排ガスクリーン化を目指す燃焼技術の代表格は、シリンダ内での安定・確実な燃焼を実現する技術である。

それらの燃焼技術を効果的に実現するためには、燃料噴射の精密制御が必要不可欠である。そして、燃料噴射の精密制御を実現するにあたり、噴射圧力制御に関わる圧力センサはキーパーツの内の１つである。

例えば、ディーゼルエンジン用のコモンレールシステムにおいては、省エネルギー化および排ガスクリーン化を進展させるため燃料圧力の更なる高圧化（例えば、2500〜3000気圧）が進められている。そして、構成部品に対してより高い耐圧性と耐久性（長期信頼性）とが強く求められている。また、構成部品の内でも圧力センサは、精密制御の根幹をなす部品であり、耐圧性および耐久性に加えて更なる高精度が強く求められている。

特許文献１〜３に記載されたひずみセンサは、前述したような優れた作用効果を有している。しかしながら、圧力センサに対する最新の要求レベル（特に、高精度や長期信頼性）を達成するためには、半導体ひずみセンサ（力学量測定装置）においても更なる改良が必要であることが判ってきた（詳細は後述する）。

本発明の目的は、従来以上に高い精度を持つ半導体ひずみセンサ（力学量測定装置）を提供することにある。また、当該力学量測定装置を用いることにより、従来以上に高い精度を有する圧力センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の力学量測定装置は、半導体基板の主表面に形成された不純物拡散抵抗体によって構成されるひずみ検出領域を備えた力学量測定装置であって、前記ひずみ検出領域は複数のホイートストンブリッジを有し、前記複数のホイートストンブリッジを構成する抵抗体は検出領域内に各々均等に分散配置されることにより、複数のホイーストンブリッジはほぼ同等のひずみ検出能力を備えることを特長とする。また、本発明の力学量測定装置は、同半導体基板上に配置された演算回路によって、複数のホイーストンブリッジの出力信号を加算することで、ほぼ同一の信号特性を持つ各々のセンサ信号を加算する一方、センサを構成する抵抗体で発生するランダムノイズ成分は２乗平均化され、センサの信号対ノイズ比を高め、精度のよい検出を可能とすることができることを特長とする。

また本発明の圧力センサは、金属製のダイアフラム上に半導体ひずみセンサが接合された圧力センサであって、前記半導体ひずみセンサが上記力学量測定装置によって構成される。

本発明によれば、従来以上に高い検出性能を持つ力学量測定装置を提供することができる。また、当該力学量測定装置を用いることにより、従来以上に高い精度や長期信頼性を有する圧力センサを提供することができる。

実験に用いた従来の半導体ひずみセンサの概要を示す平面模式図である。 実験に用いた疑似圧力センサの概要を示す平面模式図とａ−ｂ線の断面模式図である。 擬似圧力センサの変形の様子を示す断面模式図である。 擬似圧力センサの出力信号の様子を示す模式図である。 複数のセンサと加算回路を接続した模式図である。 従来のひずみセンサを金属板に複数配置した断面模式図である。 従来のひずみセンサを金属板に複数配置した時の出力信号の変化の様子を示す模式図である。 実施形態１に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。 実施形態１に係る力学量測定装置の回路構成を示す図である。 実施形態１に係る力学量測定装置を金属板に配置したときの変形の様子を示す断面模式図である。 実施形態１に係る力学量測定装置を金属板に配置したときの出力信号の変化の様子を示す模式図である。 実施形態２に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。 実施形態２に係る力学量測定装置の回路構成を示す図である。 実施形態３に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。 実施形態３に係る力学量測定装置の回路構成を示す図である。 本発明に係る圧力センサの一例を示す断面模式図である。

本発明に係る以下の実施形態では、圧力センサにおけるダイアフラムとシリコンチップの実装界面での信頼性を高める実施形態の例を説明する。

自動車部品は、各種工業部品の中でも適用温度範囲、耐候性、精度、長期信頼性などに関する要求が特に厳しい分野である。本発明者等は、半導体ひずみセンサを用いた圧力センサにおいて、最新の各種要求を満たすべく研究を行っていたところ、半導体ひずみセンサ内に配置される４本のＰ型拡散抵抗ホイートストンブリッジが、ひずみによって出力する信号成分と、拡散抵抗に電流が流れることによって発生する熱雑音に起因するノイズ成分との比を、従来よりも大きくする必要があることがわかった。

図１は、従来の半導体ひずみセンサに搭載していた４本のＰ型拡散抵抗を使ったホイートストンブリッジの概要を示す平面模式図である。図１を用いて従来の半導体ひずみセンサ10の構成と機能とを簡単に説明する。半導体ひずみセンサ10は、シリコン単結晶基板1の表面上に複数のＰ型拡散抵抗体2が形成されており、複数のＰ型拡散抵抗体2は４つのブリッジ抵抗R_v1，R_v2，R_h1，R_h2として互いに接続されてホイートストンブリッジ3を構成している。ホイートストンブリッジ3は、電源端子4とグランド端子5とに接続され、４つのブリッジ抵抗R_v1，R_v2、R_h1，R_h2に流れる電流方向がシリコン単結晶基板1の＜1 1 0＞方向およびそれに垂直な方向となるにように構成されている。なお、シリコンは立方晶である。

半導体ひずみセンサ10に対してシリコン単結晶基板1の＜1 1 0＞方向および、またはそれに垂直な方向のひずみが掛かると、不純物拡散抵抗体2（すなわち、４つのブリッジ抵抗R_v1，R_v2，R_h1，R_h2）の抵抗値が変化し、ブリッジ電圧の出力に電位差が生じる。この電位差は、シリコン単結晶基板1内に形成されたアンプ回路6で増幅され、電気信号として出力端子7から取り出される。このようにして、半導体ひずみセンサ10は、ホイートストンブリッジ3が形成された領域（ひずみ検出領域）に掛かるひずみ量に応じた電気信号を出力することができる。このとき半導体ひずみセンサ10の出力電圧VOUTは、以下の（１）式であらわすことが出来る。

VOUT = GAIN・VDD((a−b)εx−(a−b)εy)/2 …（１）

（１）式において、
GAIN:アンプ回路の増幅率、
a:電流に平行な方向のゲージ率、b:電流に垂直な方向のゲージ率、
VDD：電源電圧、εx：X方向ひずみ、εy：Y方向ひずみ、
である。

このとき、ブリッジを構成する抵抗にＰ型拡散抵抗を使うと、電流に平行な方向のゲージ率と電流に垂直な方向のゲージ率が等しく、上記（１）式のaおよびbは（２）式で表すことができる。

a ≒ −b …（２）

このため、（１）式は（３）式のようになる。

信号成分S＝VOUT = GAIN・VDD・a・(εx−εy) …（３）

すなわち、Ｐ型拡散抵抗を用いた従来の半導体ひずみセンサの出力電圧は、半導体ひずみセンサに生じるＸ方向ひずみとＹ方向ひずみの差分に比例することがわかる。このため、Ｐ型拡散抵抗を用いた半導体ひずみセンサは、被測定物が熱による膨張や収縮によりＸ方向とＹ方向に等方的に変化する場合において、その影響をキャンセルし良好な温度依存性を示すことが知られている。

また半導体ひずみセンサに使われるＰ型拡散抵抗は、金属薄膜を用いたひずみゲージよりもゲージ率が多く、かつシート抵抗値が大きいため高抵抗化が容易である。そのため、ブリッジに流す電流値を小さくすることができ、低消費電力のセンサを構成することができる。しかしながら、このときＰ型拡散抵抗には電流が流れることにより熱雑音が発生する。一般に抵抗の熱雑音は、電圧表記を行う（４）式のようになる。

雑音成分Ｎ＝（４ＫＢＴＲΔｆ）^1/2 …（４）

（４）式において、
ＫＢ：ボルツマン定数、Ｔ：温度、Δｆ：帯域幅、Ｒ：抵抗値
である。

すなわちセンサブリッジに使用するＰ型拡散抵抗の抵抗値の1/2乗に比例して雑音が大きくなることになる。上記（３）式が半導体ひずみセンサの信号成分であり、上記（４）式が雑音成分であり、この信号対雑音比を高めることで半導体ひずみセンサの高分解能化を実現することが出来る。

図２は、実験に用いた疑似圧力センサの概要を示す平面模式図と、平面模式図に示すａ−ｂ線の断面模式図である。図２に示したように、疑似圧力センサ20は、ダイアフラムを模した金属板21のほぼ中央位置にはんだ接合層22を介して半導体ひずみセンサ10が接合されたものである。自動車エンジン用圧力センサは、高温（例えば、120〜130℃程度）の環境下に配設されることから、ダイアフラムと半導体ひずみセンサとの接合は、通常、有機系接着剤による接合ではなく、はんだ接合によって行われる。金属板21には、端子台23が設けられており、半導体ひずみセンサ10の電源端子4とグランド端子5と出力端子7とが接続されている。

次に、図３Ａ、図３Ｂを用いて、実験とその結果について説明する。図３Ａは、実装が正常に行われた擬似圧力センサ20の変形の様子を示す断面模式図である。図３Ｂは、半導体ひずみセンサ10の出力電圧と時間との関係を示すグラフである。実験は「時間t＝0」において金属板に対して応力が掛かっていない初期状態であり、この時の半導体ひずみセンサ10の信号成分を略０とし、雑音成分をＮとする。

その後、「時間t＝t1」にかけて疑似圧力センサ20の金属板21に曲げ応力を加えると、金属板21にひずみが生じる。金属板21のひずみは、はんだ接合層22を介して半導体ひずみセンサ10に伝播し、半導体ひずみセンサ10の信号成分が０から過渡状態を経て電圧Ｓ_＋となり、雑音成分Ｖｎは一定である。

この時の信号成分Ｓ_＋に対して、雑音成分Ｎを如何に小さくできるかで半導体ひずみセンサの測定最小分解能は決定される。

あらためて、式（３）で表される信号成分を考察した場合、ゲージ率を示すaは半導体プロセスで決まる値であり、ＶＤＤは特長である低消費電力を考えた場合大きくすることは得策ではなく、信号成分を大きくする方法は限られていると考えた。

また、式（４）で表される雑音成分を考察した場合、ボルツマン定数は定数であり小さく出来ず、温度、帯域幅はセンサを使用するアプリケーションで決定してしまう。また、抵抗値Ｒを下げることは、特長である低消費電力を考えた場合に得策ではないため、雑音成分を小さくする方法も限られていると考えた。

そこで本特許の発明者は、図４に示すセンサブリッジを複数用意しその出力を加算することで信号成分を足し算する手法を検討した。すなわち図４に示すように、１からｎまでのセンサブリッジｎ個を構成する。このときの各センサの信号成分をＳ１〜Ｓｎとし、雑音成分をＮ１〜Ｎｎとする。この方法によると加算回路の信号成分Ｓは、ひずみに対して一定に発生するＤＣ信号であるため、（５）式のように単純加算になる。

Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３・・・・＋Ｓｎ ・・・（５）

その一方で、雑音成分は各抵抗素子からランダムに発生されるためにその合計信号は、（６）式に示すように、２乗平均になることが特徴である。

Ｎ＝（Ｎ１^２＋Ｎ２^２＋Ｎ３^２・・・・＋Ｎｎ^２）^１／２ ・・・（６）

もし仮に測定物にかかる応力に対してほぼ同じひずみが複数のセンサに発生し、ほぼ同一の出力電圧を得ることができるｎ個のセンサを構成することが出来れば、１個のブリッジの信号成分Ｓ１とＮ１を使って、（７）式のようになる。

Ｓ／Ｎ＝ｎＳ１／（ｎ（Ｎ１）^２) ^１／２ ＝ Ｓ１／Ｎ１ ・ｎ^１／２ ・・・（７）

すなわち、ｎ個のブリッジによって、信号対雑音比はｎの１／２乗に比例して向上する。

上記の複数のセンサを並列に接続して信号対雑音比を向上する方法は従来からある公知の技術であるが、従来の金属薄膜を使ったゲージや、特許文献３（特開２０１３−２０５４０３号公報）に示す方法で構成した場合の課題を図５Ａ，図５Ｂを用いて説明する。従来の半導体ひずみセンサの例である図５Ａにおいては、擬似圧力センサ２０’として、金属板２１に対して、半導体ひずみセンサ１０と同一の半導体ひずみセンサ１０’を並べて配置した。金属板に応力が生じていない時刻ｔ＝０での出力を略０とし、各々のセンサから発生する雑音成分をＮ、Ｎ’とする。

時刻ｔ＝ｔ１にかけて、測定対象物が応力によって変形すると半導体ひずみセンサ１０の出力がＳ＋になるのに対し、半導体ひずみセンサ１０’の出力はＳ＋’となるが、このとき、Ｓ＋’はＳ＋に対して小さくなる。これは、半導体ひずみセンサ１０と１０’が貼り付ける測定対象物上で空間的に離れて配置されることにより、その構造上センサに生じるひずみ量が同じではなく、同一の出力感度を得ることが出来ないためである。そのため、この例においては、半導体ひずみセンサ１０と１０’の出力成分を加算しても理想状態の式（７）ほどの効果が得られない。また、従来の金属薄膜ゲージや半導体ひずみセンサでは、その構造上、センサの数を増やせば増やすほど、センサ同士が空間的に離れてしまい、ますます効果が得られにくくなってしまう。

そこで本特許の発明者は、半導体ひずみセンサが測定物に対して、ｎ個のほぼ同じ感度を持つセンサの構成を有しその出力を加算する機構を有することで、より高分解能化を図ることを考えた。

本発明は、上述した本発明に係る力学量測定装置において、以下のような改良や変更を加えることができる。

（i）半導体基板の主表面は単結晶シリコンの｛１００｝面である。

（ii）半導体基板はｘ軸方向とｙ軸方向がシリコン基板の＜１１０＞方向と一致する。同一の半導体基板上に複数配置するｘ軸方向とｙ軸方向のひずみ量の差分を検出するホイートストンブリッジは、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｙ軸方向に形成され、ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗２本と、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向に形成され、ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗の２本とによって構成される。

（iii）複数配置されたホイートストンブリッジを構成する抵抗体は、各々同じ領域内に均等に配置されることで、測定物に生じるひずみをほぼ同一の感度で検知することができる。

（v）複数のホイートストンブリッジのそれぞれからの出力に基づいてひずみ量の加算計算を行う演算回路が、ホイートストンブリッジが形成された半導体基板上に更に設けられている。

また、前述したように、本発明に係る圧力センサは、金属製のダイアフラム上に半導体ひずみセンサが接合された圧力センサであって、前記半導体ひずみセンサは、上記の本発明に係る力学量測定装置で構成される。

本発明は、上述した本発明に係る圧力センサにおいて、以下のような改良や変更を加えることができる。

（vi）半導体ひずみセンサの金属製ダイアフラムへの接合は、はんだ接合である。

（vii）前記圧力センサは、自動車エンジン用の圧力センサとして用いられる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げる実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。なお、同じ部材・部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

［実施形態１］
ここでは、本発明の実施形態１に係る力学量測定装置の技術的思想について図６Ａから図７Ｂを参照しながら説明する。図６Ａは、実施形態１に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図であり、本例においては模式的に示すため、抵抗体以外の配線パターン等は省略している。また、図６Ｂはその回路構成図の概略を示したものである。

図６Ａに示したように、実施形態１に係る力学量測定装置30（半導体ひずみセンサ）は、半導体基板（例えば、シリコン単結晶基板1）の表面上に、ほぼ同じ抵抗体で構成される２つのホイートストンブリッジを有している。ホイートストンブリッジＡは、４つの抵抗体R _v1Ａ，R _v2Ａ，R _h1Ａ，R _h2Ａから成っている。同様に、隣り合うホイートストンブリッジBは４つの抵抗体R _v1Ｂ，R _v2Ｂ，R _h1Ｂ，R _h2Ｂからなっており、シリコン単結晶基板1の大きさに対して十分小さく形成されていることが好ましい。本実施形態では、一例として、シリコン単結晶基板1の大きさを４mm角とし、ホイートストンブリッジＡ、Ｂの大きさをそれぞれ０．０２mm角に形成している。

ホイートストンブリッジＡ、Ｂは共に、Ｘ軸方向に発生するひずみの差分とＹ軸方向に発生するひずみとの差分を出力するため、半導体基板1のＸ軸方向に発生するひずみに応じて抵抗値が変化する抵抗R_h1A，R_h1B、R_h2Ａ，R_h2Ｂと、Ｙ軸方向に発生するひずみに応じて抵抗値が変化する抵抗R_v1Ａ，R_v1Ｂ，R_v2Ａ，R_v2Ｂとで構成する。これらの抵抗体R_h1A，R_h1B、R_h2Ａ，R_h2Ｂ、R_v1Ａ，R_v1Ｂ，R_v2Ａ，R_v2Ｂは、P型不純物拡散抵抗体からなる。より具体的には、抵抗R_h1A，R_h1B、R_h2Ａ，R_h2Ｂは長手方向がＹ軸方向であり、Ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗である。また、抵抗R_h1A，R_h1B、R_h2Ａ，R_h2Ｂは長手方向がＸ軸方向であり、Ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗である。この８個の抵抗体は同一の半導体基板１の中央付近に配置され、そのそれぞれの抵抗体は同じ寸法の抵抗体で構成され、抵抗体同士は近接に配置されている。具体的な寸法を示すならば、例えば、抵抗体の寸法は全て幅５um、長さを15umとする抵抗値0.3kΩのP型拡散抵抗であり、互いに5umの間隔で配置されている。この場合、抵抗体が配置されている半導体基板１の中央付近約２０um四方において、ホイーストンブリッジＡ、Ｂの抵抗体はほぼ均一に配置されることになり、２０um四方に生じる平均ひずみ量に応じ
、ほぼ同一の出力感度を得ることが可能となる。

上記ホイートストンブリッジＡ，Ｂの出力電圧を、加算回路８で加算する。図６Ｂには容量Ｃでの電圧結合を示している。これにより信号成分（図６Ｂにおいては差動電圧Ｖ＋とＶ−の差分電圧）を単純加算で２倍化できるのに加え、雑音成分を２乗平均化し、信号対雑音成分を２^１／２倍改善することが可能となる。

図７Ａに上記ホイーストンブリッジＡ，Ｂおよび加算回路８を搭載した半導体ひずみセンサ１０’’を測定対象物２１に実装したときの模式図を示す。この時、抵抗体の寸法を図３で示した例と同一とする。図３の時と同じく時刻ｔ１にかけて対象物に応力をかけると、図７Ｂに示すように、ホイーストンブリッジＡ，Ｂの出力信号成分ＳＡ_＋、ＳＢ_＋はほぼ同じ感度で増加する。そのため、加算回路８で加算した半導体ひずみセンサ１０’’の出力成分は、（８）式に示すように、図３Ａで示した半導体ひずみセンサの約２倍の信号成分となる。

Ｓ１０’’＝ ＳＡ_＋ ＋ ＳＢ_＋ ＝ ２Ｓ_＋ ・・・ （８）

これに対して雑音成分は、各々の抵抗体からランダムに発生するために、（９）式に示すように、雑音成分は２乗平均化され、図３Ａで示した半導体ひずみセンサの約１．４倍となる。

Ｎ１０’’＝ （（ＮＡ）^２＋（ＮＢ）^２）^１／２＝１．４Ｎ ・・・（９）

これによって、半導体ひずみセンサ１０’’の信号対雑音成分は図３Ａで示した半導体ひずみセンサ１０の約１．４倍向上したことになる。

［実施形態２］
ここでは、前述した実施形態１の別の例について図８Ａおよび図８Ｂを参照しながら説明する。

図８Ａは、ホイーストンブリッジＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つを持つ力学量測定装置の模式図を示したものである。実施形態１で示したホイートストンブリッジＡ，Ｂと同様に、ホイーストンブリッジＡ，Ｂ，Ｃ、Ｄのそれぞれの抵抗体はチップ中心付近に配置し、互いの抵抗体を隣接配置した例である。なお、図８Ａの平面模式図においては、図面を単純化するために、配線の詳細（例えば、不純物拡散抵抗体同士の配線）を省略してある。

図８Ａに示したように、本実施形態におけるホイートストンブリッジＡ、Ｂ，Ｃ，Ｄを構成する抵抗体R_v1Ａ，R_v1Ｂ，R_v1Ｃ，R_v1Ｄ，R_v２Ａ，R_v２Ｂ，R_v２Ｃ，R_v２Ｄ，R_ｈ1Ａ，R_ｈ1Ｂ，R_ｈ1Ｃ，R_ｈ1Ｄ，R_ｈ２Ａ，R_ｈ２Ｂ，R_ｈ２Ｃ，R_ｈ２Ｄのそれぞれは、同一の幅、長さを持つＰ型拡散抵抗体でチップ中心部に互いに隣接して配置されている。具体的な寸法を記載するならば、各々の抵抗体の幅が2.5um、長さが15umで抵抗値0.6kΩの抵抗体で、その配置間隔が2.5umである。

これにより当該ホイートストンブリッジを構成する不純物拡散抵抗体が形成された領域において、ホイートストンブリッジＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを構成する抵抗体は均一に配置され、配置される約２０um四方に生じる平均ひずみ量に応じ、ほぼ同一の出力感度を得ることが可能となる。図８Ａ，図８Ｂに示した半導体基板を使って図７Ａと同一の実験を行ったならば、信号成分が加算により４倍化されるのに対して、雑音成分は２乗平均化されて２倍になり、信号対雑音比は図３で示した例に対して２倍向上する。

［実施形態３］
ここでは、前述した実施形態１、２の別の例について図９Ａ，図９Ｂを参照しながら説明する。

図９Ａは、有限なｎ個のホイートストンブリッジを持つ半導体ひずみセンサの平面模式図を示している。本例においては模式的に示すため、抵抗体以外の配線パターン等は省略している。また、図９Ｂはその回路構成図の概略を示したものである。

すなわちホイートストンブリッジＡからホイートストンブリッジｎまでの全ての抵抗体は同一の幅、長さを持つ抵抗体で構成され、その抵抗体は各々近接に配置されていることを特徴とする。これにより当該ホイートストンブリッジを構成する不純物拡散抵抗体が形成された領域において、ホイートストンブリッジを構成する抵抗体は均一に配置され、配置される領域内において生じる平均ひずみ量に応じ、ほぼ同一の出力感度を得ることが可能となる。これによって、このｎ個のホイートストンブリッジを持つ半導体ひずみセンサを使って図３と同一の実験をするならば、その信号成分と雑音成分は式（５）（６）（７）によって表すことができる。

［実施形態４］
ここでは、本発明に係る圧力センサについて図１０を参照しながら説明する。本発明に係る圧力センサは、ひずみセンサとして実施形態１〜３に係る力学量測定装置を用いていることに特徴がある。図１０は、本発明に係る圧力センサの一例を示す断面模式図である。

図１０に示したように、本実施形態に係る圧力センサ80は、圧力を受けてそれを電気信号に変換するセンサ部201と、電気信号を外部機器に伝達するコネクタ部202とに大別される。センサ部201は、一端が開放され他端が閉塞した金属製の有底筒状体で圧力ポートに挿入される圧力導入部81と、圧力導入部81の挿入量を規定するフランジ82と、圧力導入部81の閉塞端側で圧力を受けて変形するダイアフラム83と、ダイアフラム83上にはんだ接合されたひずみセンサ84と、ひずみセンサ84と接続されひずみセンサ84を制御する制御機構（制御部）85とからなる。制御機構85には、補正演算に用いる各種データが格納されたメモリやコンデンサ86等が搭載されている。コネクタ部202は、外部機器と接続されるコネクタ87と、電気信号を伝達する接続端子88と、コネクタ87をセンサ部に固定するカバー89とからなる。

なお、上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。なお、本発明において、複数のホイートストンブリッジの出力信号成分がほぼ同一の感度で増加するとは、出力信号成分が同一の感度で増加する場合を含むだけでなく、出力信号成分が所定の範囲の感度差で増加する場合も含むことを意味する。

1…シリコン単結晶基板、2…不純物拡散抵抗体、3…ホイートストンブリッジ、4…電源端子、5…グランド端子、6…アンプ回路、7…出力端子、8…加算回路、10…半導体ひずみセンサ、20，20’，２０’’…疑似圧力センサ、21…金属板、22…はんだ接合層、23…端子台、30，30’，30’’…力学量測定装置、80…圧力センサ、81…圧力導入部、82…フランジ、83…ダイアフラム、84…ひずみセンサ、85…制御機構、86…コンデンサ、87…コネクタ、88…接続端子、89…カバー、A…第１のホイートストンブリッジ、B…第２のホイートストンブリッジ、201…圧力センサのセンサ部、202…圧力センサの端子部

Claims (8)

1. 一つの半導体基板の主表面に形成された複数の不純物拡散抵抗体によってそれぞれ構成される複数のホイートストンブリッジと、
   前記複数のホイーストンブリッジの出力差動電圧を受けて加算する加算回路とを備え、
   測定する領域内の平均のひずみ量に応じて前記複数のホイートストンブリッジの出力信号成分である前記出力差動電圧がほぼ同一の感度で増加するように、前記複数の不純物拡散抵抗体が互いに近接されて配置され、
   前記加算回路の加算結果により前記半導体基板の前記主表面上で直交するｘ軸方向に生じるひずみ量とｙ軸方向に生じるひずみ量との差分を検出することを特徴とする力学量測定装置。
2. 請求項１に記載の力学量測定装置において、
   前記半導体基板の前記主表面は、単結晶シリコンの｛１００｝面であることを特徴とする力学量測定装置。
3. 請求項２に記載の力学量測定装置において、
   前記ｘ軸方向と前記ｙ軸方向とがシリコン基板の＜１１０＞方向と一致し、
   前記複数のホイーストンブリッジは、前記複数の不純物拡散抵抗体として、それぞれ、＜１１０＞方向に電流を流す４本の抵抗を備え、前記４本の抵抗が、長手方向がｙ軸方向で、ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗からなる第１のｙ軸方向抵抗及び第２のｙ軸方向抵抗と、長手方向がｘ軸方向で、ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗からなる第１のｘ軸方向抵抗及び第２のｘ軸方向抵抗とで構成されることを特徴とする力学量測定装置。
4. 請求項３に記載の力学量測定装置において、
   前記複数のホイーストンブリッジを構成する各抵抗は、その長手方向の長さより短い間隔で互いに隣り合って配置されていることを特徴とする力学量測定装置。
5. 請求項３に記載の力学量測定装置において、
   前記加算回路とその出力端子とを前記半導体基板の前記主表面上に配置したことを特徴とする力学量測定装置。
6. 金属製のダイアフラム上に半導体ひずみセンサが接合された圧力センサにおいて、
   前記半導体ひずみセンサは、請求項１に記載の力学量測定装置であることを特徴とする圧力センサ。
7. 請求項６に記載の圧力センサにおいて、
   前記金属製のダイアフラム上に前記半導体ひずみセンサを、はんだ接合で接合したことを特徴とする圧力センサ。
8. 請求項６に記載の圧力センサにおいて、
   前記圧力センサは、自動車エンジン用の圧力センサであることを特徴とする圧力センサ。

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