JP6603633B2

JP6603633B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP6603633B2
Application number: JP2016161626A
Authority: JP
Inventors: 洋中野; 昌大松本; 保夫小野瀬; 浩昭星加
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2036-08-22
Also published as: JP2018031586A; US11047822B2; WO2018037719A1; US20190204251A1; DE112017003438T5

Description

本発明は、抵抗回路を備えたセンサ装置に係り、特に抵抗値の温度依存性を低減可能な抵抗回路を備えたセンサ装置に関する。

近年、センサ装置の小型化の要求に対応するためにセンサ装置の集積化が進んでいる。例えば、自動車用の内燃機関に使われるセンサ装置においては、吸入空気の流量、湿度、圧力および温度などの環境パラメータの中から複数の環境パラメータを計測することができるようにした複合センサ装置が要求されている。これらの環境パラメータを計測する複数のセンサ素子とＬＳＩなどの回路部品とを一体化するためには、センサ素子および回路部品の小型化や部品数の削減が必要である。

さらにセンサ装置の一例として、センサ素子の駆動回路に基準抵抗を用いたブリッジ回路を用いたものがある。この基準抵抗は、温度による抵抗値変化が小さいことが求められる。従来は、基準抵抗として高精度な抵抗器を用いたり、抵抗トリミングなどにより抵抗器の抵抗値を調整したりしていたが、この場合、部品コストの増加や設置スペースの確保が課題になる。一方、チップ抵抗器の代替となる基準抵抗をＬＳＩに形成することにより部品数を削減することができる。しかし、ＬＳＩに形成できる抵抗素子は抵抗値の温度変化（以下、抵抗温度変化という）が大きいという問題がある。センサ素子の駆動回路の基準抵抗に抵抗温度変化があると、センサ装置の温度変化によって計測誤差が発生する。特に、センサ素子のブリッジ回路に使用する基準抵抗は、センサ素子の微少な抵抗変化をセンサ装置の温度変化によらず正確に検出するために、温度依存性を低減する必要がある。

特開２０１５−５０５４９号公報（特許文献１）には、センサ装置に用いられる発振回路の発振周波数の温度依存性を低減する技術が開示されている。このセンサ装置はセンサ信号を調整して出力する半導体チップを備え、半導体チップはＡ／Ｄコンバータ、デジタル演算手段およびＤ／Ａコンバータへ発振周波数を付与する発振回路を備える。発振回路において発振周波数を制御する抵抗器は、正温度係数抵抗器と負温度係数抵抗器とを組み合わせて設けられる。具体的には、正温度係数を有する複数の半導体抵抗と負温度係数を有する複数のコンタクト抵抗とを組み合わせ、半導体抵抗およびコンタクト抵抗の使用個数および使用個数の比率を調整して抵抗器全体の温度特性をフラット化する（要約参照）。さらに具体的には、半導体抵抗およびコンタクト抵抗は直列接続、並列接続、或いは直列接続と並列接続とを組み合わせて、接続される（段落００２２参照）。

特開２０１５−５０５４９号公報

例えば内燃機関の吸気通路の環境パラメータ（物理量）を測定する気体センサ装置は、走行環境の変化やエンジン発熱により、センサ装置が置かれる環境の温度範囲が広く、−４０℃から＋１２５℃においてセンサ性能を満たす必要がある。そのため、抵抗器の温度変化が大きくなり、広範囲の温度環境において抵抗温度変化の小さい抵抗器が必要になる。また、センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の基準抵抗として用いる場合、微小な基準抵抗の抵抗変化が計測精度に影響を与えるため、抵抗温度変化の小さい抵抗器が必要になる。

特許文献１の抵抗器は、正温度係数の抵抗材料からなる半導体抵抗と負温度係数の抵抗材料からなるコンタクト抵抗とを用いることで、半導体抵抗に生じる抵抗温度変化とコンタクト抵抗に生じる抵抗温度変化とを相殺している。この相殺効果を高めるためには半導体抵抗の抵抗値とコンタクト抵抗の抵抗値が最適な比率になっている必要があり、特許文献１の抵抗器では、半導体抵抗の個数とコンタクト抵抗の個数との比率が温度特性をフラット化するように予め調整されている。

しかしながら、製造ばらつきにより各々の抵抗値にばらつきが生じるため半導体抵抗の抵抗値とコンタクト抵抗の抵抗値との比率は設計値通りの比率にならない。抵抗値の比率にばらつきが発生するとどちらかの抵抗の抵抗温度変化が強まり相殺効果が低下する。例えば、正の温度係数を持つ抵抗が設計値より高い抵抗値で製造された場合、全体の合成抵抗には正の温度係数が生じる。逆に、負の温度係数を持つ抵抗が設計値より高抵抗値で製造された場合、全体の合成抵抗には負の温度係数が生じる。

したがって、２種の抵抗材料を組み合わせると２種の抵抗値バランスのばらつきによって、抵抗器の合成抵抗には正負ランダムな抵抗温度係数が生じる。そして、抵抗器に生じる抵抗温度係数は、センサ装置の特性を変化させ、センサ装置の計測精度に影響を与える。

本発明の目的は、温度変化による特性変化を低減することができるセンサ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のセンサ装置は、
物理量に応じて抵抗値が変化する検出抵抗体と、前記検出抵抗体と比較される基準抵抗と、を備え、前記検出抵抗体の抵抗値の変化に基づいて前記物理量を計測するセンサ装置において、
前記基準抵抗は、抵抗温度係数が正である第１抵抗素子と抵抗温度係数が負である第２抵抗素子とを電気的に接続した第１抵抗回路と、抵抗温度係数が正である第３抵抗素子と抵抗温度係数が負である第４抵抗素子とを電気的に接続した第２抵抗回路と、を電気的に接続して構成され、
前記第１抵抗回路は、合成抵抗値が温度変化に対して正又は負のいずれかの側に第１のずれを生じるように構成され、
前記第２抵抗回路は、合成抵抗値が前記温度変化に対して、前記第１のずれが生じる正又は負のいずれかの側とは逆側に第２のずれを生じるように構成される。

本発明によれば、温度変化によるセンサ装置の特性変化を低減することができ、温度変化の影響を受け難い高精度なセンサ装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係るセンサ素子の平面図である。図１に図示されたセンサ素子の断面図である。本発明の一実施例に係るセンサ素子の駆動回路図である。本発明との比較例の構成を示す抵抗回路図である。本発明の一実施例に係るセンサ装置の抵抗回路図である。本発明の一実施例に係るセンサ装置の作用および効果を説明するための図である。本発明の一実施例に係るセンサ装置の作用および効果を説明するための図である。本発明の一実施例に係る抵抗回路の平面図である。本発明の一実施例に係る抵抗回路の断面図である。本発明の一実施例に係る抵抗回路の平面図である。本発明の一実施例に係る抵抗回路の平面図である。

以下で説明する実施例は、センサ装置の一例として自動車エンジンの吸気湿度を計測する気体濃度センサ装置に本発明を適用したものである。本実施例のセンサ装置の検出対象とする物理量（環境パラメータ）は気体の濃度変化であり、例えば水素濃度などの計測にも用いることができる。

本実施例のセンサ装置が計測対象とする吸気湿度は、気体の濃度による気体の熱伝導率変化を検出することにより計測される。熱伝導率の変化はセンサ素子に形成したヒータの放熱量変化から検出する。気体の濃度による気体の熱伝導率変化は微小であることから、ヒータの放熱量変化の検出およびヒータの温度制御において高精度な駆動回路が要求され、このようなセンサ装置においては本発明の構成による効果が高い。

［実施例１］
図１に本実施例における気体濃度センサ装置のセンサ素子１の平面図を示す。

センサ素子１は、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部５が形成されており、空洞部５は薄膜支持体６によって覆われている。この薄膜支持体６には、検出ヒータ３と補償ヒータ４とが敷設される。補償ヒータ４は検出ヒータ３の周囲を取り巻くように配置されている。検出ヒータ３および補償ヒータ４は、薄膜支持体６の平面に沿って延在し、複数の折り返し部を有する抵抗パターンとして形成される。検出ヒータ３および補償ヒータ４は、駆動回路３０（図３参照）との接続のために基板２上に形成された電極７ａ、７ｂ、７ｃおよび７ｄを備える。

図２は、図１のII−II断面を示す図である。

センサ素子１は単結晶シリコンで形成された基板２を備える。基板２は空洞部５を備える。薄膜支持体６は基板２の上面に積層される。薄膜支持体６は絶縁層８ａ，８ｂから成り、これらの絶縁層８ａと絶縁層８ｂとの間に、検出ヒータ３および補償ヒータ４が介在するように設けられ、検出ヒータ３および補償ヒータ４は絶縁層８ａ，８ｂに支持されている。

図２を用いてセンサ素子１の動作について説明する。

検出ヒータ３は、検出ヒータ３に流れる電流を制御することによって、温度Ｔｈ１に保持される。また補償ヒータ４は、補償ヒータ４に流れる電流を制御することによって、温度Ｔｈ２に保持される。例えば温度Ｔｈ１は５００℃程度であり、温度Ｔｈ２は３００℃程度である。センサ素子１が置かれる雰囲気の気体濃度が変化すると気体の熱伝導率が変化し、検出ヒータ３の放熱量が変わる。この放熱量の変化から気体の濃度を検出する。

センサ素子１を設置する環境温度は自動車の走行環境やエンジンの運転状態に応じて変動するが、補償ヒータ４を用いて検出ヒータ３の周辺を環境温度よりも高い一定温度に保持することで、環境温度変化の影響を排除している。これにより、検出ヒータ３の放熱量の変化から湿度を直接検出することができる。

検出ヒータ３および補償ヒータ４としては、高温において安定な材料（高い融点を有する材料）として、例えば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）またはシリコン（Ｓｉ）等が選定され、絶縁層８ａ，８ｂとしては酸化シリコン（ＳｉＯ２）と窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が単層あるいは積層構成にて選定される。また、絶縁層８ａ，８ｂとして、ポリイミドなどの樹脂材料やセラミックまたはガラスなどを単層あるいは積層構成にて選定することもできる。また、電極７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄとしては、アルミニウム（Ａｌ）等が選定される。

センサ素子１は、フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術または異方性エッチング技術を用いて形成される。空洞部５は、単結晶シリコン基板２を異方性エッチングや等方性エッチングなどを用いて加工することにより形成される。

図３は、本実施例における気体濃度センサ装置の駆動回路を示す。

本実施例に係るセンサ装置は図１に示すセンサ素子１と図３に示す駆動回路３０とを備えて構成される。駆動回路３０は、検出ヒータ３を加熱制御するブリッジ回路３０Ａと、補償ヒータ４を加熱制御するブリッジ回路３０Ｂとから成る。

検出ヒータ３が含まれるブリッジ回路３０Ａは、検出ヒータ３に基準抵抗９ａを電気的に直列に接続した直列回路（第１直列回路）と、抵抗１０ａと抵抗１１ａとを電気的に直列に接続した直列回路（第２直列回路）から成る。検出ヒータ３と基準抵抗９ａとの接続部の電位（第１電位）と、抵抗１０ａと抵抗１１ａとの接続部の電位（第２電位）とは差動増幅器１２ａに入力される。差動増幅器１２ａは、入力電圧の差（第１電位と第２電位との差電圧）に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器１２ａの出力はブリッジ回路３０Ａの検出ヒータ３と抵抗１０ａとの間に接続され、検出ヒータ３の加熱電流としてフィードバックされる。

抵抗１０ａおよび抵抗１１ａの抵抗値は検出ヒータ３の抵抗値の１０倍以上に設定する。これにより差動増幅器１２ａから供給される電流の多くは検出ヒータ３に流れ、検出ヒータ３を効率よく加熱することができる。

検出ヒータ３は温度により抵抗値が変化するため、基準抵抗９ａとの抵抗比が一定となるようにフィードバック制御することにより一定温度に保持することができる。

補償ヒータ４が含まれるブリッジ回路３０Ｂは、補償ヒータ４に基準抵抗９ｂを電気的に直列に接続した直列回路（第３直列回路）と、抵抗１０ｂと抵抗１１ｂとを電気的に直列に接続した直列回路（第４直列回路）から成る。補償ヒータ４と基準抵抗９ｂとの接続部の電位（第３電位）と、抵抗１０ａｂ抵抗１１ｂとの接続部の電位（第４電位）とは差動増幅器１２ｂに入力される。差動増幅器１２ｂは、入力電圧の差（第３電位と第４電位との差電圧）に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器１２ｂの出力はブリッジ回路３０Ｂの補償ヒータ４と抵抗１０ｂとの間に接続され、補償ヒータ４の加熱電流としてフィードバックされる。

抵抗１０ｂおよび抵抗１１ｂの抵抗値は補償ヒータ４の抵抗値の１０倍以上に設定する。これにより差動増幅器１２ｂから供給される電流の多くは補償ヒータ４に流れ、補償ヒータ４を効率よく加熱することができる。

補償ヒータ４は温度により抵抗値が変化するため、基準抵抗９ｂとの抵抗比が一定となるようにフィードバック制御することにより一定温度に保持することができる。

基準抵抗９ａ，９ｂ、抵抗１０ａ，１０ｂ、抵抗１１ａ，１１ｂおよび差動増幅回路１２ａ，１２ｂは、半導体チップに集積化して設ける。

抵抗１０ａの抵抗値と抵抗１１ａの抵抗値との比は一定であることが必要である。また、抵抗１０ｂの抵抗値と抵抗１１ｂの抵抗値との比は一定であることが必要である。このためには、抵抗１０ａと抵抗１１ａとは同一材料を用いて且つ同じプロセスで半導体チップに形成する。また、抵抗１０ｂと抵抗１１ｂとは同一材料を用いて且つ同じプロセスで半導体チップに形成する。こうすることで、抵抗１０ａ，１１ａおよび抵抗１０ｂ，１１ｂに抵抗温度変化が発生した場合においても、抵抗１０ａと抵抗１１ａとの抵抗変化率は一致し、抵抗１０ｂと抵抗１１ｂとの抵抗変化率は一致するため、抵抗１０ａの抵抗値と抵抗１１ａの抵抗値との比および抵抗１０ａの抵抗値と抵抗１１ａの抵抗値との比はそれぞれ一定に保たれる。

駆動回路３０は、基準抵抗９ａの抵抗値と検出ヒータ３の加熱時（駆動時）の抵抗値との比が一定となるように動作している。そうすると、基準抵抗９ａの抵抗値が環境温度により変動すると、基準抵抗９ａとの抵抗比が一定となるように検出ヒータ３の温度が変化する。検出ヒータ３の温度が変化すると加熱電力が変化し計測誤差が生じる。また、基準抵抗９ｂの抵抗値と補償ヒータ４の加熱時（駆動時）の抵抗値との比が一定となるように動作することから、基準抵抗９ｂの抵抗値が環境温度により変動すると、基準抵抗９ｂとの抵抗比が一定となるように補償ヒータ４の温度が変化する。したがって、基準抵抗９ａ，９ｂは環境温度による抵抗温度変化が小さいことが求められる。

図４に本発明との比較例における抵抗回路の構成を示す。

図４の比較例においては、基準抵抗９ａ，９ｂを半導体チップに形成する場合、抵抗温度係数が正の抵抗材料からなる抵抗Ｒｐと負の抵抗材料からなる抵抗Ｒｎとを直列回路を成すように接続して形成する。抵抗Ｒｐの抵抗温度係数をαｐ、抵抗Ｒｎの抵抗温度係数を−αｎとすると、抵抗Ｒｎと抵抗Ｒｐとの合成抵抗Ｒｓは、
Ｒｓ＝Ｒｐ（１＋αｐ・Ｔ）＋Ｒｎ（１−αｎ・Ｔ）
＝（Ｒｐ＋Ｒｎ）（１＋（Ｒｐαｐ−Ｒｎαｎ）／（Ｒｐ＋Ｒｎ）・Ｔ（１）
となる。式（１）において温度Ｔの係数をゼロにするためには、
Ｒｐ／Ｒｎ＝αｎ／αｐ（２）
となり、抵抗Ｒｐと抵抗Ｒｎとの比を抵抗温度係数αｎ，αｐに合わせて適切に設計することよって温度依存性を相殺する効果が得られる。

しかし、抵抗Ｒｐと抵抗Ｒｎとは異なる材料で形成されるため、製造プロセスも異なり抵抗Ｒｐの抵抗値（Ｒｐ）と抵抗Ｒｎの抵抗値（Ｒｎ）とには互いに無関係なばらつきが発生する。したがって、抵抗比Ｒｐ／Ｒｎのばらつきに応じた抵抗温度係数が生じる。

この課題に対して、本実施例では以下の抵抗回路を備える。

図５に本発明を適用した基準抵抗としての抵抗回路を示す。

本発明の抵抗回路９は、抵抗温度係数が正の抵抗（第２抵抗素子）Ｒｐ１と負の抵抗（第１抵抗素子）Ｒｎ１からなる直列回路（第１抵抗回路）Ｒｓと、抵抗温度係数が正の抵抗（第４抵抗素子）Ｒｐ２と負の抵抗（第３抵抗素子）Ｒｎ２からなる並列回路（第２抵抗回路）Ｒｃとを備え、基準抵抗９ａ，９ｂを構成する。

抵抗Ｒｐ１と抵抗Ｒｐ２とは同一の抵抗材料を用いて且つ同じプロセスで形成する。また、抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｎ２とは同一の抵抗材料を用いて且つ同じプロセスで形成する。つまり、抵抗温度係数が正の抵抗薄膜をエッチングすることにより抵抗Ｒｐ１と抵抗Ｒｐ２とを同時にパターニングし形成する。抵抗薄膜の膜厚に製造ばらつきが生じると、抵抗Ｒｐ１の抵抗値と抵抗Ｒｐ２の抵抗値とは同時にばらつき、抵抗Ｒｐ１の抵抗値と抵抗Ｒｐ２の抵抗値との比（抵抗比）は保持される。抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｎ２とについても同様に、抵抗温度係数が負となる抵抗薄膜をエッチングすることにより同時に形成される。

すなわち本実施例では、抵抗Ｒｐ１と抵抗Ｒｐ２とは積み重なった複数層の中の同じ層の膜に同じプロセスで形成される。また抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｎ２とは積み重なった複数層の中の同じ層の膜に同じプロセスで形成される。

抵抗Ｒｐ１，Ｒｐ２の抵抗温度係数をαｐ、抵抗Ｒｎ１，Ｒｎ２の抵抗温度係数を−αｎとすると、抵抗回路９における抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｐ１との直列回路の合成抵抗Ｒｓは、
Ｒｓ＝Ｒｎ１（１＋αｎ・Ｔ）＋Ｒｐ１（１−αｐ・Ｔ）（３）
となる。また、抵抗回路９における抵抗Ｒｎ２と抵抗Ｒｐ２との並列回路の合成抵抗Ｒｃは、
Ｒｃ＝１／（１／（Ｒｎ１（１＋αｎ・Ｔ））＋１／（Ｒｐ１（１−αｐ・Ｔ）））（４）
となる。本実施例の抵抗回路９は上記の直列回路Ｒｓと並列回路Ｒｃとを接続したものである。

以下、本実施例の抵抗回路９の作用および効果を説明する。

図６に、直列回路部の合成抵抗Ｒｓにおいて、抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｐ１との抵抗比にばらつきが生じたときの温度特性を示す。ここで、抵抗Ｒｎ１の抵抗温度係数αｎとＲｐ１の抵抗温度係数αｐとは絶対値が等しく符号の正負が異なる特性の抵抗材を用いた例を示す。

図６に示すように、抵抗Ｒｐ１と抵抗Ｒｎ１との抵抗比が、設計値通りの１：１である場合、抵抗Ｒｎ１の抵抗温度変化と抵抗Ｒｐ１の抵抗温度変化とが互いに相殺し、温度に対してフラットな特性となる。次に、製造ばらつきによりＲｐ１が１．２倍となった場合、全体の合成抵抗Ｒｓはプラスにシフトすると同時に、温度に対する相殺効果が崩れ、温度変化によってΔＲｓの抵抗増加が生じる。

図７に、並列回路部の合成抵抗Ｒｃにおいて、抵抗Ｒｎ２と抵抗Ｒｐ２との抵抗比にばらつきが生じたときの温度特性を示す。ここで、同様に抵抗Ｒｎ２の抵抗温度係数αｎと抵抗Ｒｐ２の抵抗温度係数αｐとは絶対値が等しく符号の正負が異なる特性の抵抗材を用いた例を示す。

図７に示すように、抵抗Ｒｐ２と抵抗Ｒｎ２との抵抗比が、設計値通りの１：１である場合、抵抗Ｒｎ２の抵抗温度変化と抵抗Ｒｐ２の抵抗温度変化とが互いに相殺し、温度に対してフラットな特性となる。次に、製造ばらつきにより抵抗Ｒｐ２が１．２倍となった場合、全体の合成抵抗Ｒｃがプラスにシフトすると同時に、温度に対する相殺効果が崩れ、温度変化によってΔＲｃの抵抗減少が生じる。

図６に示した直列回路Ｒｓと図７で示した並列回路Ｒｃとは、抵抗温度係数が正の材料（Ｒｐ１、Ｒｐ２）の高抵抗化により発生する温度依存性が正負で異なる。直列回路Ｒｓでは、２つの抵抗のうち高抵抗側の抵抗の温度依存性が現れるため、Ｒｐ１が高抵抗になると正の抵抗温度変化が生じる。一方、並列回路Ｒｃでは、２つの抵抗のうち低抵抗側の抵抗の温度依存性が現れるため、逆に負の抵抗温度変化が生じる。このため、直列回路Ｒｓと並列回路Ｒｃとは、温度変化が生じた場合の合成抵抗Ｒｓ，Ｒｃの温度依存性が正負で異なる。

直列回路Ｒｓの合成抵抗値（Ｒｓ）と並列回路Ｒｃの合成抵抗値（Ｒｃ）とを電気的に直列に接続すると、直列回路Ｒｓの抵抗増加と並列回路Ｒｃの抵抗減少とが互いに相殺する効果が得られる。

上記の例では抵抗Ｒｎ１，Ｒｎ２の抵抗温度係数αｎの絶対値と、抵抗Ｒｐ１，Ｒｐ２の抵抗温度係数αｐの絶対値とが同一の材料を用いた場合について説明したが、抵抗温度係数αｎの絶対値と抵抗温度係数αｐの絶対値とが異なる場合は適宜、抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｐ１との抵抗比を調整すればよく、抵抗温度係数αｎの絶対値と抵抗温度係数αｐの絶対値とは同一である必要はない。

好ましくは、直列回路Ｒｓの合成抵抗値（Ｒｓ）と並列回路Ｒｃの合成抵抗値（Ｒｃ）とは、ほぼ同等の抵抗値（Ｒｓ＝Ｒｃ）となるように設計すれば、図６および図７に示したΔＲｓとΔＲｃとがより一致するため、抵抗ばらつきにより発生する抵抗温度変化の相殺効果が高まる。

すなわち、直列回路Ｒｓの合成抵抗値（Ｒｓ）と並列抵抗Ｒｃの合成抵抗値（Ｒｃ）とが実質的に同じである。ここで、合成抵抗値Ｒｓと合成抵抗値Ｒｃとが加工のばらつき等による誤差や、本発明の目的を達成可能な範囲で故意に設けられた各抵抗値Ｒｓ，Ｒｃの差を含む場合は、合成抵抗値（Ｒｓ）と合成抵抗値（Ｒｃ）とは実質的に同じであるとみなされる。

図８および図９に本実施例の抵抗回路９の具体的構造を示す。図８は平面構造、図９は断面構造を示す。

抵抗温度係数が負の多結晶シリコンＲｎ１と抵抗温度係数が正の多結晶シリコンＲｐ１とからなる直列回路Ｒｓと、抵抗温度係数が負の多結晶シリコンＲｎ２と抵抗温度係数が正の多結晶シリコンＲｐ１とからなる並列回路Ｒｃとを電気的に直列に接続した構成である。各々の抵抗はアルミ配線ＡＬとコンタクトＣｏｎｔにより接続している。多結晶シリコンの抵抗温度係数は不純物濃度により正負が決定する。

図９の断面構造に示すように、抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｎ２とは同一層に同一プロセスで形成される。また、抵抗Ｒｐ１と抵抗Ｒｐ２とについても同一層に同一プロセスで形成される。抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｐ１あるいは抵抗Ｒｎ２と抵抗Ｒｐ２は、異なる抵抗温度係数であるため異なるプロセスで形成される。図中では抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｐ１とは同一層に形成されているが、異なる層に形成されることもある。また抵抗Ｒｎ２と抵抗Ｒｐ２とは同一層に形成されているが、異なる層に形成されることもある。

また、上記の抵抗材料としては、多結晶シリコンのほか、シリコン基板に不純物をドープした拡散抵抗を用いることができる。シリコン基板に不純物をドープした拡散抵抗としては、シリサイド抵抗または金属抵抗を用いることもできる。多結晶シリコンはこれらの抵抗材料に比べて抵抗率のばらつきが小さい。したがって、抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｎ２との抵抗比、抵抗Ｒｐ１と抵抗Ｒｐ２との抵抗比をより一致させることができ、本発明の効果を高めることができる。

［実施例２］
本発明に係るセンサ素子の基準抵抗の他の実施例を説明する。

自動車エンジンなどの過酷な環境で使用されるセンサ装置１には、温度変化に加えて機械的な歪の影響を低減する必要がある。駆動回路９を形成した半導体チップに歪が加わると半導体チップに形成した抵抗にピエゾ効果による抵抗変化（以下、ピエゾ抵抗変化という）が生じる。このような機械的歪は半導体チップの温度による膨張および熱収縮のほか、半導体チップを設置した支持材の膨張および収縮によっても発生する。したがって、センサ装置１が使用される環境温度が変化すると、抵抗温度変化に加えてピエゾ抵抗変化が発生する。

半導体のピエゾ抵抗係数はシリコンの導電型によって正負異なる。例えば、不純物としてリンをドープしたＮ型シリコンでは、抵抗に流れる電流方向に沿って引っ張りを加えると抵抗値が減少する。不純物としてボロンをドープしたＰ型シリコンでは、逆に抵抗値が増加する。したがって、基準抵抗器の歪による抵抗変化は、導電型の異なるシリコン材料を複合することによって低減できる。

図１０に、上記のピエゾ抵抗変化を低減した基準抵抗の具体例を示す。

抵抗Ｒｎ１，Ｒｎ２はＮ型多結晶シリコンを用い、抵抗Ｒｐ１，Ｒｐ２はＰ型多結晶シリコンを用いている。それ以外の構成は、実施例１と同様に構成される。

抵抗に流れる電流方向に沿った応力σＬが加わると、直列回路（第１抵抗回路）Ｒｓを構成する抵抗Ｒｎ１および抵抗Ｒｐ１においては、抵抗Ｒｎ１の抵抗値は減少し、抵抗Ｒｐ１の抵抗値は増加する。また並列回路（第２抵抗回路）Ｒｃを構成する抵抗Ｒｎ２および抵抗Ｒｐ２においては、抵抗Ｒｎ２の抵抗値は減少し、抵抗Ｒｐ２の抵抗値は増加する。

抵抗に流れる電流方向に交差する応力σＴが加わると、直列回路Ｒｓを構成する抵抗Ｒｎ１および抵抗Ｒｐ１においては、抵抗Ｒｎ１の抵抗値は増加し、抵抗Ｒｐ１の抵抗値は減少する。また並列回路Ｒｃを構成する抵抗Ｒｎ２および抵抗Ｒｐ２においては、抵抗Ｒｎ２の抵抗値は増加し、抵抗Ｒｐ２の抵抗値は減少する。

上述した構成では、導電型の異なる抵抗を複合させることで、応力σＬまたは応力σＴが加わった場合に、抵抗Ｒｎ１のピエゾ抵抗変化と抵抗Ｒｐ１のピエゾ抵抗変化とが互いの抵抗変化を打ち消すように働くと共に、抵抗Ｒｎ２のピエゾ抵抗変化と抵抗Ｒｐ２のピエゾ抵抗変化とが互いの抵抗変化を打ち消すように働く。従って本実施例では、応力σＬおよび応力σＴによるピエゾ抵抗変化による影響を抑制して、抵抗回路９の合成抵抗値の変化を抑制する。

また本実施例の抵抗回路９は、実施例１と同様に直列回路Ｒｓおよび並列回路Ｒｃを有し、実施例１と同様な作用効果を有する。

［実施例３］
図１１に、ピエゾ抵抗変化を低減した基準抵抗のその他の具体例を示す。

抵抗Ｒｎ１，Ｒｎ２，Ｒｐ１，Ｒｐ２はすべて同じ導電型のＮ型多結晶シリコンを用いている。また、直列回路Ｒｓを構成する抵抗Ｒｎ１，Ｒｐ１に流れる電流の方向（ｙ方向）と並列回路Ｒｃを構成する抵抗Ｒｎ２，Ｒｐ２に流れる電流の方向（ｘ方向）とは、互いに直交する方向を向くようにパターニングしている。それ以外の構成は、実施例１および実施例２と同様に構成される。

上記構造において、図中のｘ方向に応力が加わると、抵抗Ｒｎ１，Ｒｐ１の抵抗値は増加し、抵抗Ｒｎ２，Ｒｐ２の抵抗値は減少する。このように同じ導電型の抵抗Ｒｎ１，Ｒｐ１と抵抗Ｒｎ２，Ｒｐ２とを電流の向きが直交するように配置することで、抵抗Ｒｎ１，Ｒｐ１と抵抗Ｒｎ２，Ｒｐ２とは互いの抵抗変化を打ち消すように働く。

このために本実施例では、直列回路Ｒｓを構成する抵抗Ｒｎ１および抵抗Ｒｐ１の配置が、実施例１および実施例２と異なっている。すなわち抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｐ１と接続する配線１３が折り返され、抵抗Ｒｎ１に流れる電流の方向と抵抗Ｒｐ１に流れる電流の方向とは平行で且つ１８０度向きが異なる。

すなわち本実施例では、第１抵抗回路Ｒｓを構成する第１抵抗素子Ｒｎ１及び第２抵抗素子Ｒｎ２に流れる電流の方向と第２抵抗回路Ｒｃを構成する第３抵抗素子Ｒｎ２及び第４抵抗素子Ｒｐ２に流れる電流の方向とが直交するように、第１抵抗素子Ｒｎ１、第２抵抗素子Ｒｐ１、第３抵抗素子Ｒｎ２及び第４抵抗素子Ｒｐ２が配置される。

なお実施例１では、抵抗Ｒｎ１と抵抗Ｒｐ１と接続する配線１３（図８参照）が直線状に形成されているが、ピエゾ抵抗変化を無視できる場合に、図８に示す配線１３を図１１に示すように折り返した構成にしてもよい。

上記のように、基準抵抗を構成する抵抗体Ｒｎ１，Ｒｐ１，Ｒｎ２，Ｒｐ２を、導電型の異なる抵抗（Ｎ型の抵抗）Ｒｎ１，Ｒｎ２と抵抗（Ｐ型の抵抗）Ｒｐ１，Ｒｐ２とを組み合わせて構成する構成や、同じ導電型の抵抗Ｒｎ１，Ｒｐ１と抵抗Ｒｎ２，Ｒｐ２とを、流れる電流の向きが９０度異なるように組み合わせる構成によって、環境温度の変化により生じる歪による基準抵抗の変化を低減することができる。

上述した各実施例では、直列抵抗Ｒｓ（Ｒｎ１、Ｒｐ１）と並列抵抗Ｒｃ（Ｒｎ２、Ｒｐ２）とを直列に接続した構成を示したが、これらを並列に接続した構成でも同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…センサ素子、２…基板、３…検出ヒータ、４…補償ヒータ、５…空洞部、６…薄膜支持体、７ａ〜７ｄ…電極、８ａ，８ｂ…絶縁層、９ａ，９ｂ…基準抵抗、１０ａ，１０ｂ…抵抗、１１ａ，１１ｂ…抵抗、１２ａ，１２ｂ…差動増幅器、１３…配線、３０…駆動回路，３０Ａ…検出ヒータ３が含まれるブリッジ回路、３０Ｂ…補償ヒータ４が含まれるブリッジ回路、Ｒｃ…並列回路、Ｒｎ１，Ｒｐ１…直列回路Ｒｓを構成する抵抗体、Ｒｎ２，Ｒｐ２…並列回路Ｒｃを構成する抵抗体、Ｒｓ…直列回路。

Claims

物理量に応じて抵抗値が変化する検出抵抗体と、前記検出抵抗体と比較される基準抵抗と、を備え、前記検出抵抗体の抵抗値の変化に基づいて前記物理量を計測するセンサ装置において、
前記基準抵抗は、抵抗温度係数が正である第１抵抗素子と抵抗温度係数が負である第２抵抗素子とを電気的に接続した第１抵抗回路と、抵抗温度係数が正である第３抵抗素子と抵抗温度係数が負である第４抵抗素子とを電気的に接続した第２抵抗回路と、を電気的に接続して構成され、
前記第１抵抗回路は、合成抵抗値が温度変化に対して正又は負のいずれかの側に第１のずれを生じるように構成され、
前記第２抵抗回路は、合成抵抗値が前記温度変化に対して、前記第１のずれが生じる正又は負のいずれかの側とは逆側に第２のずれを生じるように構成されることを特徴とするセンサ装置。
請求項１に記載のセンサ装置において、
前記第１抵抗回路は、前記第１抵抗素子と前記第２抵抗素子とが直列に接続された直列回路で構成され、
前記第２抵抗回路は、前記第３抵抗素子と前記第４抵抗素子とが並列に接続された並列回路で構成されることを特徴とするセンサ装置。
請求項２に記載のセンサ装置において、
前記第１抵抗素子と前記第３抵抗素子とは、同一層の多結晶シリコン膜により形成され、
前記第２抵抗素子と前記第４抵抗素子とは、同一層の多結晶シリコン膜により形成されることを特徴とするセンサ装置。
請求項３に記載のセンサ装置において、
前記基準抵抗は、前記直列回路の合成抵抗値と前記並列回路の合成抵抗値とが実質的に同じであることを特徴とするセンサ装置。
請求項３に記載のセンサ装置において、
前記第１抵抗素子と前記第３抵抗素子とは、同一の導電型となる不純物をドープした多結晶シリコンであり、
前記第３抵抗素子と前記第４抵抗素子とは、前記１抵抗素子及び前記第２抵抗素子と異なる導電型の不純物をドープした多結晶シリコンであることを特徴とするセンサ装置。
請求項３に記載のセンサ装置において、
前記第１抵抗素子、前記第２抵抗素子、前記第３抵抗素子及び前記第４抵抗素子は、同一の導電型となる不純物をドープした多結晶シリコンであり、
前記第１抵抗回路を構成する前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子に流れる電流の方向と前記第２抵抗回路を構成する前記第３抵抗素子及び前記第４抵抗素子に流れる電流の方向とが直交するように、前記第１抵抗素子、前記第２抵抗素子、前記第３抵抗素子及び前記第４抵抗素子が配置されることを特徴とするセンサ装置。