JPH0233975A - Semiconductor pressure measuring device - Google Patents
Semiconductor pressure measuring deviceInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は気体又は液体の圧力を容易に感度良く測定する
事ができ、しかも、出力の零点補正が容易な半導体圧力
測定装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to a semiconductor pressure measuring device that can easily measure the pressure of gas or liquid with high sensitivity and that can easily correct the zero point of the output.
従来の技術
圧力測定装置として金属ダイヤフラムに歪ゲージを取付
けたもの、半導体ダイヤフラム面上にピエゾ抵抗素子を
不純物拡散法により形成したもの等があり、特に近年半
導体圧力センサーが簡便性と小形のため普及が著しい。Conventional pressure measurement devices include one in which a strain gauge is attached to a metal diaphragm, and one in which a piezoresistive element is formed on the surface of a semiconductor diaphragm using an impurity diffusion method.In recent years, semiconductor pressure sensors have become particularly popular due to their simplicity and small size. is remarkable.
しかし、この半導体圧力センサーは拡散型抵抗のブリッ
ジを用いているため、ブリッジに組み込まれている各ゲ
ージ抵抗のバランスが非常に重要である。各ブリッジ抵
抗のバランスがとれていないと圧力が印加されていない
時の出力が零に保てなく、ゲージとして使用するために
は外部回路で何らかの補償をしなければならない。圧力
が印加されていない時のブリッジの出力をオフセット電
圧と言うが、外部回路で補正をした場合、周囲の温度の
変化が起った場合にも、このオフセット電圧を補正する
事は非常に困難である。従って外部回路で補正する必要
がないように、このオフセット電圧を極力小さくするた
めに、種々の方法を採り入れている。例えばブリッジ抵
抗のパターン形成するためには超高精度パターン形成技
術を用い、各ゲージ抵抗のパターン幅寸法の偏差を極力
小さくする。また、これによって形成されたシリコン酸
化膜マスクを通してP型不純物を拡散するがその濃度の
ばらつきが少なくなるように、イオン注入によるP型不
純物(ボロンなと〉を注入拡散し、濃度のばらつきを少
なくし、結果としてバランスの良いブリッジを形成する
必要がある。これらの超高精度パターン形成技術やイオ
ン注入技術には高度かつ高価な設備を用い、しかも、高
熟練度が必要となる。However, since this semiconductor pressure sensor uses a diffused resistance bridge, the balance of each gauge resistance built into the bridge is extremely important. If each bridge resistor is not balanced, the output cannot be maintained at zero when no pressure is applied, and in order to use it as a gauge, some kind of compensation must be done in an external circuit. The output of the bridge when no pressure is applied is called the offset voltage, but it is extremely difficult to correct this offset voltage even if the ambient temperature changes if it is corrected using an external circuit. It is. Therefore, various methods are employed to reduce this offset voltage as much as possible so that there is no need for correction using an external circuit. For example, in order to form a pattern for a bridge resistor, ultra-high precision pattern forming technology is used to minimize deviations in the pattern width dimensions of each gauge resistor. In addition, P-type impurities (such as boron) are implanted and diffused by ion implantation to reduce the variation in concentration of P-type impurities that are diffused through the silicon oxide film mask thus formed. However, as a result, it is necessary to form a well-balanced bridge.These ultra-high precision pattern forming techniques and ion implantation techniques use sophisticated and expensive equipment and require a high degree of skill.
発明が解決しようとする課題
先に述べたように、従来の半導体圧力センサーは半導体
単結晶の表面に作成した4つの良くバランスのとれた拡
散ゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果を利用しているが、オフ
セット電圧を小さく作成する事は非常に困難である。こ
の発明はこの問題点を容易に解決するものである。Problems to be Solved by the Invention As mentioned earlier, conventional semiconductor pressure sensors utilize the piezoresistive effect of four well-balanced diffusion gauge resistors fabricated on the surface of a semiconductor single crystal, but offset It is very difficult to create a small voltage. This invention easily solves this problem.
課題を解決するための手段
本発明は圧力を受けて変形するシリコン単結晶ダイヤフ
ラムと、そのダイヤフラム表面の最大歪発生部分に配置
されたPN接合とから成り、PN接合の逆方向電流が圧
力によって変化することによって圧力を検出することが
でき、オフセットを容易に零にすることが可能な圧力検
出装面を提案するものである。Means for Solving the Problems The present invention consists of a silicon single-crystal diaphragm that deforms under pressure, and a PN junction placed at the part of the diaphragm surface where maximum strain occurs, and the reverse current of the PN junction changes depending on the pressure. This paper proposes a pressure detection device that can detect pressure and easily reduce offset to zero.
作用
本発明によれば、圧力によって変形するシリコン単結晶
ダイヤフラム上にPN接合をもち、そのPN接合の逆方
向電流の変化によって圧力を検出することができる。According to the present invention, a PN junction is provided on a silicon single crystal diaphragm that is deformed by pressure, and pressure can be detected by a change in reverse current of the PN junction.
実施例
本発明の半導体ダイヤフラム式圧力検出装置について第
1図、第2図を参照して説明する。Embodiment A semiconductor diaphragm type pressure sensing device according to the present invention will be explained with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
第1図は本発明の半導体単結晶ダイヤフラム式圧力検出
装置の断面概要図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor single-crystal diaphragm type pressure detection device of the present invention.
1は圧力センサーのキャップで通気孔2を有している。1 is a cap of the pressure sensor and has a vent hole 2.
3は電気信号を半導体単結晶ダイヤフラムからとり出す
ための接続用金属細線たとえば、金線またはアルミニウ
ム線である。4は半導体単結晶ダイヤフラムであり、本
発明の主要部分である。5は台座であり、6は接続用金
線またはアルミニウム線によって接続され、パッケージ
の外部に信号を取り出すためのリード線である。7はヘ
ッダーであり、8はヘッダー7とリード線を絶縁するた
めのガラスである、9は圧力導入管で開口部10から圧
力が導入され、半導体単結晶ダイヤフラムの裏面に加圧
される。Reference numeral 3 denotes a thin metal wire for connection, such as a gold wire or an aluminum wire, for extracting an electric signal from the semiconductor single crystal diaphragm. 4 is a semiconductor single crystal diaphragm, which is the main part of the present invention. 5 is a pedestal, and 6 is a lead wire connected by a connecting gold wire or aluminum wire for taking out a signal to the outside of the package. 7 is a header, 8 is a glass for insulating the header 7 and the lead wires, and 9 is a pressure introduction tube through which pressure is introduced through an opening 10 and applied to the back surface of the semiconductor single crystal diaphragm.
次に、第2図について説明する。第2図は半導体単結晶
ダイヤフラム4の表面に配置したPN接合のパターン図
である。11はシリコン半導体単結晶チップを示す、黒
線部円形12の内側裏面はシリコン単結晶が薄く加工さ
れ、ダイヤフラムが形成されている。このダイヤフラム
の周辺に極く近くに内接するPN接合13が形成されて
いる。Next, FIG. 2 will be explained. FIG. 2 is a pattern diagram of a PN junction arranged on the surface of the semiconductor single crystal diaphragm 4. Reference numeral 11 indicates a silicon semiconductor single crystal chip. On the inside back surface of the black line circle 12, silicon single crystal is processed into a thin layer to form a diaphragm. A PN junction 13 is formed very close to and inscribed around this diaphragm.
このPN接合13は一部分がダイヤフラムの外に迄延長
され、そこに接続用のアルミニウム電極バッド14か形
成されている。この電極はPN接合のP型側電極として
作動する。また、15はPN接合のN型側電極として形
成されている。前述したように、第2図のような構造の
PN接合ダイオードを形成し、その逆方向電流を測定す
れば非常に簡単に高感度の圧力検出装置が形成されるこ
とが分かる。また、1個のPN接合ダイオード素子しか
使用していないので、アンバランスによるオフセットも
発生せず容易に圧力を検出できることが分かる。A part of this PN junction 13 is extended to the outside of the diaphragm, and an aluminum electrode pad 14 for connection is formed there. This electrode operates as the P-type side electrode of the PN junction. Further, 15 is formed as an N-type side electrode of a PN junction. As mentioned above, it can be seen that a highly sensitive pressure detection device can be formed very easily by forming a PN junction diode having the structure shown in FIG. 2 and measuring its reverse current. Furthermore, since only one PN junction diode element is used, it can be seen that pressure can be easily detected without offset due to unbalance.
PN接合の飽和電流は次式で表わされる。The saturation current of the PN junction is expressed by the following equation.
ここで、qは電子の電荷、Do、D、は夫々電子、ホー
ルの拡散係数、np、 plJは夫々P型領域、N型領
域に於ける少数キャリヤ(電子、ホール)密度を表わす
。又り。、Lpは少数キャリヤ(電子。Here, q represents the electron charge, Do and D represent the diffusion coefficients of electrons and holes, respectively, and np and plJ represent the minority carrier (electron, hole) density in the P-type region and the N-type region, respectively. Matari. , Lp is a minority carrier (electron).
ホール)の拡散距離である。又逆方向電流は次式%式%
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電子
の電荷、■は印加電圧で逆方向の場合色の値を示す。ま
た、eは自然対数の底である。(2)式でVが負である
から、成る程度逆方向電圧が大きい値になれば逆方向電
流は飽和電流に等しくなる。従って−Isが逆方向電流
となる。hole) is the diffusion distance. The reverse current is expressed by the following formula (%) where k is Boltzmann's constant, T is the absolute temperature, q is the electron charge, and ■ is the applied voltage, which indicates the color value in the case of the reverse direction. Further, e is the base of natural logarithm. Since V in equation (2) is negative, if the reverse voltage becomes a large value, the reverse current becomes equal to the saturation current. Therefore, -Is becomes a reverse current.
ところで少数キャリヤは圧力が印加されると著しく増加
することが知られている。例えば第3図に圧力と少数キ
ャリヤの数の関係を示す。この図からみると少数キャリ
ヤは圧力印加により約ioo。By the way, it is known that minority carriers increase significantly when pressure is applied. For example, FIG. 3 shows the relationship between pressure and the number of minority carriers. From this figure, the minority carriers are reduced to about iooo due to pressure application.
倍の数に増加することが分かる。また、引張り応力より
は圧縮応力の方が感度が約10倍大きいことが分かる。It can be seen that the number increases by double. Furthermore, it can be seen that the sensitivity is about 10 times greater for compressive stress than for tensile stress.
一方円形のシリコンダイヤフラムに一方向から圧力が印
加された場合ダイヤフラムの各部分における応力の大き
さは第4図に示すような値となる。この図から半径方向
の応力がダイヤフラムの中心と周辺で大きな値を示すが
、特に周辺方向の応力の絶対値は中心部のそれより大き
いことが分かる。又付号が負であることから中心が引張
り応力がかかれば、周辺は圧縮応力になることが分かる
。このことから感度の高い即ちPN接合の逆方向電流の
変化を利用する圧力検出装置を実現するためには次のよ
うな構造が必要であることが分かる。On the other hand, when pressure is applied to a circular silicon diaphragm from one direction, the magnitude of stress in each part of the diaphragm takes on values as shown in FIG. This figure shows that the stress in the radial direction shows a large value at the center and periphery of the diaphragm, and in particular, the absolute value of the stress in the periphery direction is larger than that at the center. Also, since the number is negative, it can be seen that if a tensile stress is applied to the center, a compressive stress is applied to the periphery. From this, it can be seen that the following structure is necessary to realize a highly sensitive pressure detection device that utilizes changes in the reverse current of the PN junction.
受圧面はシリコン単結晶ダイヤフラムの裏面からとしダ
イヤフラム表面の周辺部にPN接合を配置した圧力セン
サーが提案される。A pressure sensor has been proposed in which the pressure receiving surface is from the back side of a silicon single crystal diaphragm and a PN junction is arranged around the surface of the diaphragm.
発明の効果
実施例で述べたように1つのPN接合ダイオードをシリ
コン半導体単結晶ダイヤフラム上の応力の最大の所に配
置させることにより、アンバランスによるオフセット調
整回路も簡素化でき、非常に安価な、高感度な圧力検出
装置を作成することが可能となった。Effects of the Invention As described in the embodiment, by arranging one PN junction diode at the location where the stress is greatest on the silicon semiconductor single crystal diaphragm, the offset adjustment circuit due to unbalance can be simplified, and a very inexpensive, It has become possible to create a highly sensitive pressure detection device.
第1図は本発明実施例装置の概要断面図、第2図は同実
施例で用いた半導体チップの平面図、第3図は応力と半
導体単結晶中の少数キャリヤの増加比との関係を示す特
性図、第4図は円形シリコン単結晶ダイヤフラムの半径
方向の位置と応力との関係を示す特性図である。
1・・・・・・キャップ、2・・・・・・外気導入口、
3・・・・・・接続用金属細線、4・・・・・・シリコ
ンチップ、5・・・・・・台座、6・・・・・・リード
線、7・・・・・・ヘッダー、8・・・・・・ガラス(
絶縁体)、9・・・・・・圧力導入パイプ、10・・・
・・・圧力導入口。
代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 はか1名第1図
第 3 図
第2図
身方(イD” dqne/cml )Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a plan view of a semiconductor chip used in the same embodiment, and Fig. 3 shows the relationship between stress and the increase ratio of minority carriers in a semiconductor single crystal. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the radial position and stress of a circular silicon single crystal diaphragm. 1...Cap, 2...Outside air intake port,
3... Thin metal wire for connection, 4... Silicon chip, 5... Pedestal, 6... Lead wire, 7... Header, 8...Glass (
insulator), 9...pressure introduction pipe, 10...
...Pressure inlet. Name of agent: Patent attorney Shigetaka Awano (1 person) Figure 1 Figure 3 Figure 2 Personality
Claims (1)
その主面にPN接合をもちそのPN接合が前記ダイヤフ
ラム面上の最大起歪部分に配置された半導体圧力測定装
置。It has a diaphragm part made of thinly processed semiconductor single crystal,
A semiconductor pressure measuring device having a PN junction on its main surface, the PN junction being arranged at the maximum strain area on the diaphragm surface.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18437188A JPH0233975A (en) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | Semiconductor pressure measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18437188A JPH0233975A (en) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | Semiconductor pressure measuring device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0233975A true JPH0233975A (en) | 1990-02-05 |
Family
ID=16152047
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18437188A Pending JPH0233975A (en) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | Semiconductor pressure measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0233975A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102116995A (en) * | 2010-01-06 | 2011-07-06 | 佳能株式会社 | Image stabilizing apparatus and imaging apparatus including the same |
-
1988
- 1988-07-22 JP JP18437188A patent/JPH0233975A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102116995A (en) * | 2010-01-06 | 2011-07-06 | 佳能株式会社 | Image stabilizing apparatus and imaging apparatus including the same |
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