JPH03220402A - 半導体歪検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体歪検出素子を備えた半導体歪検出回路
に関する。

従来の技術 従来、歪検出素子を備えた半導体歪検出回路は、その技
術が種々の分野で応用されている。その第一の例として
、歪検出素子（以下、歪ゲージと呼ぶ）をＳｉ（シリコ
ン）基板のダイヤフラム上に形成し、これらの各歪ゲー
ジをブリッジ回路に結線して圧力センサを構成し、これ
を各種の圧力計測に応用するものである。第１０図は、
それらの歪ゲージＲ１〜Ｒ４を用いてブリッジ回路１を
構成したものを示すものであり、定電流源２により駆動
するようになっている。この時、出力Δ■は、ΔＶ＝Ｇ
−Ｒ・ε・■　　　・・・（１）となる。

ただし、Ｇ：ゲージ率 Ｒ：無歪時の歪ゲージの抵抗 ■：電流値 これより、一定の歪εに対するΔ■（すなわち、感度）
の温度特性はＧとＲとの温度特性により決まる（Ｉは定
電流源で一定）。第１１図は、定電流源２で駆動させた
場合における感度温度係数と表面不純物濃度との関係を
示すものである。この場合、Ｇは負のゲージ率温度係数
をもち、Ｒは正の抵抗温度係数をもつので、表面不純物
濃度を、２　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ａｔｏｍ／ｃｍ　　又は２　
Ｘ　Ｉ　Ｏ”ａｔｏｍ／ｃｍと設定することにより両者
を相殺させ、ΔＶの温度変動を小さくすることができる
。

発明が解決しようとする課題 第１２図は、感度変化率と周囲温度との関係を示すもの
である。これより、０〜４５℃の温度範囲ならば±０．
３％程の感度変動で納まるが、２０〜８０°Ｃの広い温
度範囲においては±１％以上の変動をしてしまう。この
ような変動特性をもつ歪ゲージを高精度な測定精度を要
求される装置、特に、その測定精度上、変動範囲を±０
．３　％以下に抑えなければいけないような装置に応用
したような場合、上述したような歪ゲージのみでそのＧ
とＲの温度係数を互いに相殺させて温度補償を行う方法
ではその要求に応えることができない。

そこで、従来においては、このような問題に対処するた
めの一手段として、特公昭５９−４１１３４号公報に開
示されているような方法がある。

すなわち、第１３図に示すように、歪ゲージＲ１〜Ｒ４
を用いたブリッジ回路２を定電圧で駆動させる圧力変換
回路３である。この場合、歪ゲージＲ３〜Ｒ４と同じ工
程により形成した感温抵抗Ｒｐを増幅回路の帰還部に温
度不感素子Ｒｏと並列になるように接続することにより
温度補償を行い、これにより出力感度の変動の割合を抑
えている。

なお、この時の歪ゲージＲ１〜Ｒい感温抵抗Ｒｐの表面
不純物濃度は、２Ｘ１０’“〜８×１０”のものを用い
ている。しかし、この場合、第１３図に示したように複
雑な回路が必要となり、また、第１４図に示すように、
その感温抵抗Ｒｐはシリコン基板４に形成されたダイヤ
フラム５の周囲の歪不感部６に設ける必要があり、従っ
て、これによりその基板の作製工程が非常に面倒なもの
となるという問題がある。

課題を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、基板の表面に歪検出素子が形成され、これらの歪検出
素子をブリッジ回路に結線する二とによりその基板に発
生する歪の検出を行う半導体歪検出回路において、温度
に対してのみ感応する温度検出素子と温度及び歪の両者
に感応しない不感素子とを並列接続し、この並列接続さ
れた並列抵抗に定電流源を接続し、前記並列抵抗に生じ
る電圧に比例した電圧を前記ブリッジ回路に印加するよ
うに設定した。

作用 これにより、温度に対してのみ感応する温度検出素子と
温度及び歪の両者に感応しない不感素子とが並列接続さ
れた回路に定電流を流し、これによりそれら並列抵抗に
加わる電圧に比例した電圧をブリッジ回路に印加するよ
うにしたので、どのような構成のブリッジ回路について
も力や加速度等の物理量に対して直線性が優れた出力電
圧を得ることが可能となり、しかも、広い温度範囲に渡
って感度温度補償された出力電圧を得ることができ、ま
た、これにより複数の測定ブリッジ回路に対しても１個
の駆動回路で駆動させることができる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図及び第２図に基づいて説
明する。本実施例は、基板の表面に歪検出素子が形成さ
れ、これらの歪検出素子をブリッジ回路に結線すること
によりその基板に発生する歪の検出を行う半導体歪検出
回路において、温度に対してのみ感応する温度検出素子
と温度及び歪の両者に感応しない不感素子とを並列接続
し、この並列接続された並列抵抗に定電流源を接続し、
前記憤死抵抗に生じる電圧に比例した電圧を前記ブリッ
ジ回路に印加するように設定したものである。

そこで、本実施例の主要部の構成について述べる前に、
第３図及び第４図の回路について説明しておく。まず、
その第３図の回路に基づいて述べる。これは、力等の物
理量を測定するために、歪検出素子７（Ｒ１〜Ｒ，）を
ブリッジ結線して得られたブリッジ回路８が設けられて
おり、このブリッジ回路８には温度不感素子Ｒｘが並列
に接続されている。このような温度不感素子Ｒｘを備え
たブリッジ回路８は定電流源９と接続され、これにより
駆動される。

そして、定電流源９により定電流工を流すことにより、
温度不感素子Ｒｘの両端に現われる電圧Ｖｉの温度変化
（正特性）と歪検出素子Ｒ１〜Ｒ４の感度温度特性（負
特性）とを相殺させ、これにより出ノＩＴｏ圧■。の出
力感度Δ■。の温度補償を行うことができる。

この場合、第３図（ａ）は、無歪時における回路状態を
示したものであり、歪検出素子Ｒ１〜Ｒ４はその無歪時
において抵抗値Ｒを示し、そのブリッジ回路８の全体の
抵抗値もＲとなる。また、第３図（ｂ）は、歪が発生し
ている時の回路状態を示したものであり、各抵抗値の変
化ΔＲ８〜ΔＲ４はほぼ等しくΔＲで代表され、ブリッ
ジ回路８の全体の抵抗値はＲとなる。そこで、今、温度
不感素子Ｒｘの両端の電圧Ｖｉは、 Ｖｉ　　−Ｉ・Ｒａ　　　　　・＝　（１）と表わされ
、この場合、ＲとＲｘとは不変なためＶｉの値は常に一
定となり変化しない。従って、歪εの有無に関係なく感
度温度補償を行うことができる。

次に、第４図の回路に基づいて述べる。Ｒ１−Ｒ４は歪
検出素子７を示し、加速度αを測定の際、それらＲ１−
Ｒ４の全てが増加、又は、減少する。

従って、この場合、ブリッジ回路８全体の抵抗値は、加
わる加速度により変化することになる。

そこで、今、第５図に示すように、第３図で述べたよう
な定電流源１とＲｘとを直接ブリッジ回路８に接続する
。二の時、第６図に示すように加速度αを受けた場合、
Ｒ１−Ｒ４は、 Ｒ，＝　Ｒ２＝　Ｒ，＝　Ｒ，＝　Ｒ十ΔＲ・　（２）
となる。また、Ｒｂは、 Ｒｂ＝−（２Ｒ＋ΔＲ）　　　　　　・・（３）となる
。ここで、 ΔＲ ＝　Ｇ 尺 ただし、ε：αにより歪検出素子に生じる歪Ｇ　ゲージ
串 また、ε＝　ａ　Ｑ　　　（ａ　：定数）、°、　　Δ
Ｒ＝ＧａＲＱ　　　　　＝（４）従って、これにより（
３）式は、 Ｒｂ　＝　　　　　（２＋Ｇａα） ＝Ｒｂ（α）　　　　　・・・（５） と表わされ、Ｒｂは０の関数となる。

また、出力電圧■αは、 ＝Ｇ−ａ・α・■　　　　・・・（６）となる。さらに
、合成抵抗Ｒｃは、 Ｒｃ　　＝　Ｒｂ／Ｒｘ Ｒｂ＋Ｒｘ Ｒｂ（α）十Ｒｘ 八Ｒ Ｇ・ε・Ｒ ＝　Ｒｃ（Ｑ） ・・・（７） となる。

一’、　　Ｖ＝Ｒｃ・１ ＝　Ｒｃ（α）・■ ■（α）　　　　　　　　・・・（８）となり、ブリッ
ジ回路８に加わる電圧Ｖは、αにより変化する。従って
、これにより、 Ｖａ　　＝　　Ｇ−ａ・α−Ｖ（ｃｔ）　　　　　＋・
＋　（９）となる。

しかし、この場合、■αは、α・Ｖ（α）により変化す
るので、αに対して直線ではなくなり、測定した加速度
データ（物理量）の処理が複雑になる。

次に、これまで述べた第３図及び第４図の回路をもとに
、本実施例の主要部について述べる。第１図は、その主
要部の構成を示したものである。

Ｒ１−Ｒ４は歪検出素子であり、これらと同条件で作製
され歪に対して不感な抵抗Ｒと共にブリッジ回路８を構
成している。Ｒｘは温度と歪に対して抵抗値の変化しな
い不感素子、Ｒｔは歪検出素子Ｒ８〜Ｒ４と同一条件で
作製され歪に対して抵抗値の変化しない歪不感な感温素
子である。また、ＲＸとＲｔとが並列接続された回路に
は、定電流源９が接続されている。そして、ここでは、
定電流源９を駆動することによりＲｘ及びＲｔの並列抵
抗に加わる電圧がブリッジ回路８に印加されるように設
定しである。また、ブリッジ回路８と、Ｒｘ、Ｒｔによ
り構成される並列回路との間には、バッファアンプ１０
が設けられてい゛る。このバッファアンプ１０は、Ｒｔ
とＲｘの並列抵抗に加わる電圧値に比例した電圧値を出
力し、出ノＪ抵抗を低くする役割がある。また、第２図
は、第１図の駆動回路の一例を詳しく書いたものである
。なお、Ｒｔは基板となる単結晶Ｓｉの歪に対してほと
んど不感な結晶軸方位に形成してもよいし、また、Ｓ１
チツプの歪の生じない箇所に設けてもよい。

このような構成において、今、加速度αが加わり、ブリ
ッジ回路８により検出されたものとする。

この時、Ｒｔは、０に対して不感なので、ブリッジ回路
８に加わる出力電圧■は、 Ｖ　＝　（Ｒｔ／Ｒｘ）　・Ｉ となる。このことは、前述した（８）式における■か加
速度αの影響を受けるのに対して、（１０）式に示した
ように本実施例では、■はαに対して不変である。また
、この場合、Ｒｔは、その抵抗値の温度特性がＲ１−Ｒ
４、Ｒの無歪時の温度特性と等しく、また、Ｒｘはもち
ろん温度変化に対して不変である。従って、そのような
ＲｔとＲｘとの組合せによって決まる■は、歪検出素子
Ｒ１〜Ｒ４の感度温度特性を広い範囲（例えば、−２０
〜！３０’Ｃ）において温度補償できることになる。

すなわち、Ｒｘを最適な値に設定することにより、２０
〜８０℃において、±０．３　　％以下の出力感度温度
変動内におさめることができることになる。

次に、本発明の第二の実施例を第７図〜第９図に基づい
て説明する。前述した第一の実施例では、加速度等の物
理量を測定するのにブリッジ回路８を１個だけしか用い
なかったが、この他に例えば２つ以上のブリッジ回路８
をもつようなデバイスにおいては、第一の基本構成（第
３図参照）の定電流源９を用いて構成される回路は、第
８図に示すようにブリッジ回路８の数（ここでは、３個
）だけ必要となる。また、第９図に示すように定電流源
９を１個だけ用いた構成とすることもできるが、しかし
、この場合、印加電圧が高くなるので使用することはで
きない。

そこで、本実施例では、第７図に示すように、ブリッジ
回路８が複数個接続されたような場合においても１つの
回路のみて構成し、これにより、第一の実施例の場合と
同様な温度補償効果を得るようにしたものである。

発明の効果 本発明は、基板の表面に歪検出素子が形成され、これら
歪検出素子をブリッジ回路に結線することによりその基
板に琵生する歪の検出を行う半導体歪検出回路において
、温度に対してのみ感応する温度検出素子と温度及び歪
の両者に感応しない不感素子とを並列接続し、この並列
接続された並列抵抗に定電流源を接続し、前記並列抵抗
に生じる電圧に比例した電圧を前記ブリッジ回路に印加
するように設定したことによって、温度に対してのみ感
応する温度検出素子と温度及び歪の両者に感応しない不
感素子とが並列接続された回路に定電流を流し、これに
よりそれら並列抵抗に加わる電圧に比例した電圧をブリ
ッジ回路に印加するようにしたので、どのような構成の
ブリッジ回路についても力や加速度等の物理量に対して
直線性が優れた出力電圧を得ることが可能となり、しか
も、広い温度範囲に渡って感度温度補償された出力電圧
を得る二とができ、また、これにより複数の測定ブリッ
ジ回路に対しても１個の駆動回路で駆動させることがで
きるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す回路図、第２図は
その駆動部を詳細に記載した回路図、第３図は第一の基
本構成である歪発生前後の様子を示す回路図、第４図は
第二の基本構成を示す回路図、第５図は第−及び第二の
基本構成を組み合わせた場合における回路図、第６図は
第二の基本構成の回路が形成された基板に加速度が加わ
った場合における変形の様子を示す説明図、第７図は本
発明の第二の実施例を示す構成図、第８図は第一の基本
構成により作製されるブリッジ回路が複数個ある場合の
様子を示す回路図、第９図はその複数個のブリッジ回路
を従来の方法により接続した場合の様子を示す回路図、
第１０図は従来におけるブリッジ構成を示す回路図、第
１１図は感度温度係数と表面不純物濃度との関係を示す
波形図、第１２図は感度と温度特性との関係を示す波形
図、第１３図は従来における他のブリッジ構成例を示す
回路図、第１４図はその回路が形成される基板状態を示
す構成図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板の表面に歪検出素子が形成され、これらの歪検出素
   子をブリッジ回路に結線することによりその基板に発生
   する歪の検出を行う半導体歪検出回路において、温度に
   対してのみ感応する温度検出素子と温度及び歪の両者に
   感応しない不感素子とを並列接続し、この並列接続され
   た並列抵抗に定電流源を接続し、前記並列抵抗に生じる
   電圧に比例した電圧を前記ブリッジ回路に印加するよう
   に設定したことを特徴とする半導体歪検出回路。