JPH0367211B2 - - Google Patents
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- JPH0367211B2 JPH0367211B2 JP58091443A JP9144383A JPH0367211B2 JP H0367211 B2 JPH0367211 B2 JP H0367211B2 JP 58091443 A JP58091443 A JP 58091443A JP 9144383 A JP9144383 A JP 9144383A JP H0367211 B2 JPH0367211 B2 JP H0367211B2
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/14—Housings
- G01L19/148—Details about the circuit board integration, e.g. integrated with the diaphragm surface or encapsulation
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- G—PHYSICS
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
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- G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
- G01L9/065—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices with temperature compensating means
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、シリコン単結晶を用いた機械−電気
変換装置の改良に関するものであり、特に小型
化、集積化に適した機械−電気変換装置に関する
ものである。
変換装置の改良に関するものであり、特に小型
化、集積化に適した機械−電気変換装置に関する
ものである。
従来例を第１図および第２図に示す。図におい
て、シリコン単結晶１に形成されたダイヤフラム
９に加えられた圧力を検出するためにブリツジ回
路２は拡散ひずみゲージ２１，２２，２３，２４
によつて構成されている。ブリツジ回路２には電
源端子６２によつて電圧が印加されている。電源
端子６２とブリツジ回路２の間にはひずみゲージ
の感度の温度補償回路７が挿入されている。ブリ
ツジ回路２の出力は差動増幅回路によつて増幅さ
れ圧力に比例した電圧出力を取り出すことができ
る。その差動増幅回路は、演算増幅器５と、ブリ
ツジ回路２の一対の出力端子に一端が接続され他
端が演算増幅器の反転入力端子（−）および非反
転入力端子（＋）に接続された抵抗３１，３２
（以下、直列抵抗という）と、反転入力端子と出
力端子６１間および非反転入力端子と接地間にそ
れぞれ接続された抵抗４１，４２（以下、並列抵
抗という）とからなつている。
て、シリコン単結晶１に形成されたダイヤフラム
９に加えられた圧力を検出するためにブリツジ回
路２は拡散ひずみゲージ２１，２２，２３，２４
によつて構成されている。ブリツジ回路２には電
源端子６２によつて電圧が印加されている。電源
端子６２とブリツジ回路２の間にはひずみゲージ
の感度の温度補償回路７が挿入されている。ブリ
ツジ回路２の出力は差動増幅回路によつて増幅さ
れ圧力に比例した電圧出力を取り出すことができ
る。その差動増幅回路は、演算増幅器５と、ブリ
ツジ回路２の一対の出力端子に一端が接続され他
端が演算増幅器の反転入力端子（−）および非反
転入力端子（＋）に接続された抵抗３１，３２
（以下、直列抵抗という）と、反転入力端子と出
力端子６１間および非反転入力端子と接地間にそ
れぞれ接続された抵抗４１，４２（以下、並列抵
抗という）とからなつている。
このような、従来例の問題点を挙げると次のと
おりである。
おりである。
(1) 差動増幅回路の増幅率は直列抵抗と並列抵抗
の比で決められるが、直列抵抗３１，３２にひ
ずみゲージ２１，２２，２３，２４の合成抵抗
成分が加算され、その結果増幅率が低下する。
このひずみゲージの抵抗値の影響を無くすため
には、直列抵抗３１，３２の抵抗値をひずみゲ
ージに比べ十分大きくする必要があり、また増
幅率を高めるためには、さらに並列抵抗４１，
４２の抵抗値を大きくする必要がある。このた
め、通常数10kΩ以上の抵抗が用いられており、
例えば、シリコン単結晶基板にひずみゲージと
同様一体的に形成するには大きな面積を必要と
し不適である。
の比で決められるが、直列抵抗３１，３２にひ
ずみゲージ２１，２２，２３，２４の合成抵抗
成分が加算され、その結果増幅率が低下する。
このひずみゲージの抵抗値の影響を無くすため
には、直列抵抗３１，３２の抵抗値をひずみゲ
ージに比べ十分大きくする必要があり、また増
幅率を高めるためには、さらに並列抵抗４１，
４２の抵抗値を大きくする必要がある。このた
め、通常数10kΩ以上の抵抗が用いられており、
例えば、シリコン単結晶基板にひずみゲージと
同様一体的に形成するには大きな面積を必要と
し不適である。
(2) 差動増幅回路の増幅率の温度による変動は、
直列抵抗と並列抵抗のそれぞれの抵抗温度係数
の差によつて生ずる。一般に直列抵抗３１，３
２と、並列抵抗４１，４２は、同一材料の抵抗
体を用い、抵抗温度係数の差は非常に少なく一
般にはあまり問題にならないが、直列抵抗３
１，３２の先端には、ひずみゲージ２１，２
２，２３，２４が接続されておりこの抵抗温度
係数を加味する必要があり、従来例では増幅率
の変動を生ずる場合が多い。このため前記(1)と
同様に直列抵抗および並列抵抗をひずみゲージ
の抵抗変化を無視できる程の大きな抵抗値にす
る必要がある。しかしながら本質的に影響は消
えない。そこで前記感度温度補償回路７を、こ
れらの考慮を加え挿入しており、複雑な回路構
成が必要となり、広い範囲の温度変化において
精度良く測定することができない。
直列抵抗と並列抵抗のそれぞれの抵抗温度係数
の差によつて生ずる。一般に直列抵抗３１，３
２と、並列抵抗４１，４２は、同一材料の抵抗
体を用い、抵抗温度係数の差は非常に少なく一
般にはあまり問題にならないが、直列抵抗３
１，３２の先端には、ひずみゲージ２１，２
２，２３，２４が接続されておりこの抵抗温度
係数を加味する必要があり、従来例では増幅率
の変動を生ずる場合が多い。このため前記(1)と
同様に直列抵抗および並列抵抗をひずみゲージ
の抵抗変化を無視できる程の大きな抵抗値にす
る必要がある。しかしながら本質的に影響は消
えない。そこで前記感度温度補償回路７を、こ
れらの考慮を加え挿入しており、複雑な回路構
成が必要となり、広い範囲の温度変化において
精度良く測定することができない。
(3) 上記問題点(1)、(2)において、ひずみゲージの
抵抗値の影響を取り除く方法として第３図の第
二の従来例で示すごとく高入力抵抗増幅回路を
構成する方法が使われている。この方式におい
ては多数の演算増幅器を必要とするため、シリ
コン単結晶基板に一体的に形成する場合に、大
きな面積を必要とし、小型化を計る上で問題を
生ずる。
抵抗値の影響を取り除く方法として第３図の第
二の従来例で示すごとく高入力抵抗増幅回路を
構成する方法が使われている。この方式におい
ては多数の演算増幅器を必要とするため、シリ
コン単結晶基板に一体的に形成する場合に、大
きな面積を必要とし、小型化を計る上で問題を
生ずる。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、小
型化、集積化に適した機械−電気変換装置を提供
することを目的とするものである。すなわち、大
きな抵抗値を必要とすることなく所望の増幅率を
得ることができ、ひずみゲージの温度感度低下を
特別な補償回路を付加することなく補償すること
ができ、回路素子数を低減でき、小型化、高集積
化が容易な高精度の機械−電気変換装置を提供す
ることを目的とする。
型化、集積化に適した機械−電気変換装置を提供
することを目的とするものである。すなわち、大
きな抵抗値を必要とすることなく所望の増幅率を
得ることができ、ひずみゲージの温度感度低下を
特別な補償回路を付加することなく補償すること
ができ、回路素子数を低減でき、小型化、高集積
化が容易な高精度の機械−電気変換装置を提供す
ることを目的とする。
本発明は、演算増幅器入力側の直列抵抗を省略
し得るように構成し、シリコン単結晶基板の主表
面に一体的に形成されたひずみゲージの抵抗温度
係数とひずみゲージの感度温度係数の差が、同じ
シリコン単結晶基板の主表面に形成された差動増
幅器の並列抵抗の温度係数と略々等しくなるよう
に構成することにより、前記目的を達成するもの
である。
し得るように構成し、シリコン単結晶基板の主表
面に一体的に形成されたひずみゲージの抵抗温度
係数とひずみゲージの感度温度係数の差が、同じ
シリコン単結晶基板の主表面に形成された差動増
幅器の並列抵抗の温度係数と略々等しくなるよう
に構成することにより、前記目的を達成するもの
である。
以下、図面に示す実施例により本発明を詳細に
説明する。第４図は本発明第一実施例の電気等価
回路図を示す。シリコン単結晶基板１０に拡散ひ
ずみゲージ２１，２２，２３，２４を形成し、ブ
リツジ回路２を構成している。電源端子６２より
電圧が印加され、圧力に比例した出力をブリツジ
回路２の出力端子２６，２７より発生する。該出
力端子２６，２７は直列抵抗を介することなく直
接に演算増幅器５の反転入力端子２８および非反
転入力端子２９に接続されている。並列抵抗８
１，８２は、拡散ひずみゲージ２１，２２，２
３，２４と同様シリコン単結晶基板１０に熱拡散
法にて形成されている。並列抵抗８１は一端が演
算増幅器５の反転入力端子２８に接続され、他端
は出力端子６１に接続され、並列抵抗８２は一端
が演算増幅器５の非反転入力端子２９に接続さ
れ、他端は接地に接続されている。拡散ひずみゲ
ージ２１，２２，２３，２４の抵抗値は全て等し
くRgとし、圧力による抵抗変化はひずみゲージ
２１，２２は＋ΔR、ひずみゲージ２２，２４は
−ΔRとし、演算増幅器５に並列接続されている
抵抗体８１，８２の抵抗値は共にRfとし、電源
電圧をVsとすると、ブリツジ回路２の出力端子
２６と出力端子２７との間には、 Vg＝ΔR／RgVs （１−１） で示すように、圧力による電圧変化Vgが発生す
る。
説明する。第４図は本発明第一実施例の電気等価
回路図を示す。シリコン単結晶基板１０に拡散ひ
ずみゲージ２１，２２，２３，２４を形成し、ブ
リツジ回路２を構成している。電源端子６２より
電圧が印加され、圧力に比例した出力をブリツジ
回路２の出力端子２６，２７より発生する。該出
力端子２６，２７は直列抵抗を介することなく直
接に演算増幅器５の反転入力端子２８および非反
転入力端子２９に接続されている。並列抵抗８
１，８２は、拡散ひずみゲージ２１，２２，２
３，２４と同様シリコン単結晶基板１０に熱拡散
法にて形成されている。並列抵抗８１は一端が演
算増幅器５の反転入力端子２８に接続され、他端
は出力端子６１に接続され、並列抵抗８２は一端
が演算増幅器５の非反転入力端子２９に接続さ
れ、他端は接地に接続されている。拡散ひずみゲ
ージ２１，２２，２３，２４の抵抗値は全て等し
くRgとし、圧力による抵抗変化はひずみゲージ
２１，２２は＋ΔR、ひずみゲージ２２，２４は
−ΔRとし、演算増幅器５に並列接続されている
抵抗体８１，８２の抵抗値は共にRfとし、電源
電圧をVsとすると、ブリツジ回路２の出力端子
２６と出力端子２７との間には、 Vg＝ΔR／RgVs （１−１） で示すように、圧力による電圧変化Vgが発生す
る。
また、ブリツジ回路２の出力端子２６，２７を
入力端子としたときの演算増幅器５の増幅率Ｇ
は、 Ｇ＝２Rf／Rg （１−２） で示される。
入力端子としたときの演算増幅器５の増幅率Ｇ
は、 Ｇ＝２Rf／Rg （１−２） で示される。
よつて、（１−１）式と（１−２）式とから、
出力端子６１に取り出される出力電圧V0は(1)式
として表される。
出力端子６１に取り出される出力電圧V0は(1)式
として表される。
V0＝２Rf／RgΔR／RgVs (1)
また、加えられる圧力をＰ、ブリツジ回路の圧
力感度をＫとすると(2)式となる。
力感度をＫとすると(2)式となる。
また、温度変化を考慮に入れると、ひずみゲー
ジ２１，２２，２３，２４の抵抗温度係数をαg、
同じく感度の温度係数をβgとし、並列抵抗８１，
８２の抵抗温度係数をαfとした場合、V0は、(2)
式から、温度ｔの関数として次の（３−１）式の
ように表わせる。
ジ２１，２２，２３，２４の抵抗温度係数をαg、
同じく感度の温度係数をβgとし、並列抵抗８１，
８２の抵抗温度係数をαfとした場合、V0は、(2)
式から、温度ｔの関数として次の（３−１）式の
ように表わせる。
V0＝２Rf（１＋αfｔ）／Rg（１＋αgｔ）Ｋ（１＋βg
ｔ）PVs ＝2RfＫ｛１＋（αf−αg＋βg）ｔ ＋（αf−βg−αfαg−βgαg）t2 −αfβgαgt3｝PVs ／Rg（１−αgt2） （３−１） ここで、 １≫（αfβg−αfαg−βgαg）t2 １≫αfβgαgt3 １≫αgt2 と仮定すると、(3)式のごとく近似できる。
ｔ）PVs ＝2RfＫ｛１＋（αf−αg＋βg）ｔ ＋（αf−βg−αfαg−βgαg）t2 −αfβgαgt3｝PVs ／Rg（１−αgt2） （３−１） ここで、 １≫（αfβg−αfαg−βgαg）t2 １≫αfβgαgt3 １≫αgt2 と仮定すると、(3)式のごとく近似できる。
V0≒２Rf／RgＫ｛１＋（αf−αg＋βg）ｔ｝PVs (3)
すなわち、演算増幅器５の出力電圧V0の温度係
数は（αf−αg＋βg）となり、ひずみゲージ２１，
２２，２３，２４の抵抗温度係数αgと感度温度係
数βgの差が並列抵抗８１，８２の温度係数αfと等
しいという関係を選べば、温度係数は、 αf−αg＋βg＝０ (4) で表わされるように零となり、また、演算増幅器
５の出力電圧V0は、 V0≒２Rf／RgKPVs (5) の関係となつて、温度依存性のない良好な特性を
得ることができる。
数は（αf−αg＋βg）となり、ひずみゲージ２１，
２２，２３，２４の抵抗温度係数αgと感度温度係
数βgの差が並列抵抗８１，８２の温度係数αfと等
しいという関係を選べば、温度係数は、 αf−αg＋βg＝０ (4) で表わされるように零となり、また、演算増幅器
５の出力電圧V0は、 V0≒２Rf／RgKPVs (5) の関係となつて、温度依存性のない良好な特性を
得ることができる。
第６図は、Ｐ型の拡散抵抗の抵抗温度係数α
と、拡散ひずみゲージの感度温度係数βを表面不
純物濃度の関係で示したもので公知のところであ
る。図中破線はα−βを示している。前記出力電
圧V0の温度依存性を無くする関係は、図中の破
線のα−β上でひずみゲージの表面不純物濃度を
選び、実線のα上で並列抵抗の濃度を選び両者の
値が等しい関係を用いれば良い。第６図よりその
関係は見い出すことができる。例えば、拡散ひず
みゲージ２１，２２，２３，２４の表面不純物濃
度を1019〜1020個／cm3とし、並列抵抗８１，８２
の表面不純物濃度を1018個／cm3近傍に選べば前記
（αf−αg＋βg）＝０の関係となり、前記温度依存性
の無い関係を得ることができる。尚本効果を精度
よく発揮するためにはには拡散ひずみゲージと並
列抵抗は同一温度になる必要がある。この目的の
ため同一シリコン単結晶基板上に両者を形成する
のが望ましく、さらには両者を近接形成する方が
良い。
と、拡散ひずみゲージの感度温度係数βを表面不
純物濃度の関係で示したもので公知のところであ
る。図中破線はα−βを示している。前記出力電
圧V0の温度依存性を無くする関係は、図中の破
線のα−β上でひずみゲージの表面不純物濃度を
選び、実線のα上で並列抵抗の濃度を選び両者の
値が等しい関係を用いれば良い。第６図よりその
関係は見い出すことができる。例えば、拡散ひず
みゲージ２１，２２，２３，２４の表面不純物濃
度を1019〜1020個／cm3とし、並列抵抗８１，８２
の表面不純物濃度を1018個／cm3近傍に選べば前記
（αf−αg＋βg）＝０の関係となり、前記温度依存性
の無い関係を得ることができる。尚本効果を精度
よく発揮するためにはには拡散ひずみゲージと並
列抵抗は同一温度になる必要がある。この目的の
ため同一シリコン単結晶基板上に両者を形成する
のが望ましく、さらには両者を近接形成する方が
良い。
また、大きな増幅率を得るためには、(1)式に示
されたごとくRf／Rgの比を大きくすれば良い。
これに関して、拡散抵抗の抵抗値は大略表面不純
物濃度に反比例しているので、前記拡散ひずみゲ
ージに比べ並列抵抗の表面不純物濃度を低く選べ
ば良く、増幅率を高めるためにはなはだ有利であ
る。
されたごとくRf／Rgの比を大きくすれば良い。
これに関して、拡散抵抗の抵抗値は大略表面不純
物濃度に反比例しているので、前記拡散ひずみゲ
ージに比べ並列抵抗の表面不純物濃度を低く選べ
ば良く、増幅率を高めるためにはなはだ有利であ
る。
第５図は、前記第４図にさらに一段増幅回路を
付加しまた、電圧分割抵抗３３，３４を用い出力
電圧の零点調整回路を有しているより実際的な第
二実施例の電気等価回路図である。本第二実施例
においては、シリコン単結晶基板１１に拡散ひず
みゲージ２１，２２，２３，２４と、演算増幅器
５１，５２と、並列抵抗８１，８２と、抵抗体３
３，３４，４５，４６の全てを一体的に形成した
例である。
付加しまた、電圧分割抵抗３３，３４を用い出力
電圧の零点調整回路を有しているより実際的な第
二実施例の電気等価回路図である。本第二実施例
においては、シリコン単結晶基板１１に拡散ひず
みゲージ２１，２２，２３，２４と、演算増幅器
５１，５２と、並列抵抗８１，８２と、抵抗体３
３，３４，４５，４６の全てを一体的に形成した
例である。
第７図は、本第二実施例の機械−電気変換装置
の断面構造の概念図であり、また第８図は平面お
よび断面形状の概念図である。シリコン単結晶体
１０１にエピタキシヤル成長層１０２を上面に成
長させ第一伝導型となるシリコン単結晶基板１１
と成し、その主表面上に絶縁分離用拡散層１０３
を設け、所望の分離領域１２ａ，１２ｂ……１２
ｄを設け、シリコン単結晶基板１１の裏面よりエ
ツチング加工し、薄肉の起歪領域としてのダイヤ
フラム９を設け、前記分離領域１２ａ，１２ｂ…
…１２ｄには、各々第二伝導型となる拡散ひずみ
ゲージ２１〜２４、並列抵抗８１、npnトランジ
スタ１０５を設け、表面にはシリコン酸化膜１０
６を設け表面を絶縁被覆し、アルミ電極配線１０
４で所望の回路に接続している。本概念図は本実
施例、機械−電気変換装置のごく一部を示したも
ので、前記の構成素子はれぞれ複数個作られてお
り、第５図に示した電気等価回路を構成してい
る。
の断面構造の概念図であり、また第８図は平面お
よび断面形状の概念図である。シリコン単結晶体
１０１にエピタキシヤル成長層１０２を上面に成
長させ第一伝導型となるシリコン単結晶基板１１
と成し、その主表面上に絶縁分離用拡散層１０３
を設け、所望の分離領域１２ａ，１２ｂ……１２
ｄを設け、シリコン単結晶基板１１の裏面よりエ
ツチング加工し、薄肉の起歪領域としてのダイヤ
フラム９を設け、前記分離領域１２ａ，１２ｂ…
…１２ｄには、各々第二伝導型となる拡散ひずみ
ゲージ２１〜２４、並列抵抗８１、npnトランジ
スタ１０５を設け、表面にはシリコン酸化膜１０
６を設け表面を絶縁被覆し、アルミ電極配線１０
４で所望の回路に接続している。本概念図は本実
施例、機械−電気変換装置のごく一部を示したも
ので、前記の構成素子はれぞれ複数個作られてお
り、第５図に示した電気等価回路を構成してい
る。
第５図、第７図および第８図において、拡散ひ
ずみゲージ２１，２２，２３，２４は表面不純物
濃度を約1.5×1019個／cm3に選び熱拡散処理ある
いはイオン注入によつて形成され、並列抵抗８
１，８２は、前記拡散ひずみゲージ２１，２２，
２３，２４の抵抗温度係数αgと感度温度係数βgの
差と略々等しい抵抗温度係数αfを得ることのでき
る不純物濃度約1.5×1018個／cm3に選び拡散処理
あるいはイオン注入によつて形成されている。ま
た、本並列抵抗の形成処理工程と同時に、他の抵
抗体３３，３４，４５，４６および演算増幅器５
１，５２の内部に用いられているnpnトランジス
タのベース領域をも形成している。
ずみゲージ２１，２２，２３，２４は表面不純物
濃度を約1.5×1019個／cm3に選び熱拡散処理ある
いはイオン注入によつて形成され、並列抵抗８
１，８２は、前記拡散ひずみゲージ２１，２２，
２３，２４の抵抗温度係数αgと感度温度係数βgの
差と略々等しい抵抗温度係数αfを得ることのでき
る不純物濃度約1.5×1018個／cm3に選び拡散処理
あるいはイオン注入によつて形成されている。ま
た、本並列抵抗の形成処理工程と同時に、他の抵
抗体３３，３４，４５，４６および演算増幅器５
１，５２の内部に用いられているnpnトランジス
タのベース領域をも形成している。
本第二実施例において、シリコン単結晶基板１
１の外形寸法は、１mm×３mm×0.4mmと超小型で
あるにもかかわらず、総合増幅率を100倍に取る
ことができ、電源電圧を5Vとした出力電圧は圧
力０〜750mmHgに対し１〜4Vの直線性良好な結
果を得ており、またさらに、感度温度特性は外部
補償回路を用いることなく−30℃〜110℃の範囲
において0.05％／℃の非常に良好な結果を得てい
る。
１の外形寸法は、１mm×３mm×0.4mmと超小型で
あるにもかかわらず、総合増幅率を100倍に取る
ことができ、電源電圧を5Vとした出力電圧は圧
力０〜750mmHgに対し１〜4Vの直線性良好な結
果を得ており、またさらに、感度温度特性は外部
補償回路を用いることなく−30℃〜110℃の範囲
において0.05％／℃の非常に良好な結果を得てい
る。
次に第三実施例について説明する。第９図は第
三実施例の機械−電気変換装置のシリコン単結晶
基板１１１の平面および断面形状の概念図を示
す。本実施例の特徴は、本発明の効果を有効に利
用し、集積化の度合を増したところにある。すな
わち、ダイヤフラム９の主表面上には、ひずみゲ
ージ２１，２２，２３，２４で構成されたブリツ
ジ回路２と、ひずみゲージ２１′，２２′，２３′，
２４′で構成したブリツジ回路２′の二回路が構成
されている。図中右側は演算増幅器５１，５２
と、並列抵抗８１，８２，８３，８４等で構成さ
れた増幅回路で増幅率100倍を得ている。出力電
圧は、出力端子６１よりボルトオーダーで取り出
すことができる。また、図中左側は演算増幅器５
３と並列抵抗８５，８６等で増幅回路を構成し、
ブリツジ回路２′の出力電圧を増幅し、増幅され
た後、電圧−周波数変換器５００によつて周波数
に変換し、圧力に比例した周波数変化を出力端子
６６から取り出し得るものであり、精度の高いア
ナログ出力と、雑音に強い周波数出力の両方を得
ることができる機械−電気変換装置である。
三実施例の機械−電気変換装置のシリコン単結晶
基板１１１の平面および断面形状の概念図を示
す。本実施例の特徴は、本発明の効果を有効に利
用し、集積化の度合を増したところにある。すな
わち、ダイヤフラム９の主表面上には、ひずみゲ
ージ２１，２２，２３，２４で構成されたブリツ
ジ回路２と、ひずみゲージ２１′，２２′，２３′，
２４′で構成したブリツジ回路２′の二回路が構成
されている。図中右側は演算増幅器５１，５２
と、並列抵抗８１，８２，８３，８４等で構成さ
れた増幅回路で増幅率100倍を得ている。出力電
圧は、出力端子６１よりボルトオーダーで取り出
すことができる。また、図中左側は演算増幅器５
３と並列抵抗８５，８６等で増幅回路を構成し、
ブリツジ回路２′の出力電圧を増幅し、増幅され
た後、電圧−周波数変換器５００によつて周波数
に変換し、圧力に比例した周波数変化を出力端子
６６から取り出し得るものであり、精度の高いア
ナログ出力と、雑音に強い周波数出力の両方を得
ることができる機械−電気変換装置である。
第１０図は第二実施例および第三実施例の機械
−電気変換装置を実際に応用して絶対圧力検出に
用いるパツケージの断面図を示したものである。
シリコン単結晶基板はガラス台座７３に低融点ガ
ラスあるいは陽極接合法で接合されダイヤフラム
９とガラス台座７３で囲まれた空間７８は真空状
態に保たれている。ガラス台座７３は積層セラミ
ツク容器７１の底部にシリコンゴム等の接着剤で
接着されている。シリコン単結晶基板の入出力電
極端子と、積層セラミツク容器７１のメタライズ
電極端子は金線６１０で所望の数を超音波ボンデ
イングされ接続されている。積層セラミツク容器
７１の外側の側面のメタライズ電極端子には外部
取出しリード６０１，６０２がろう接されてい
る。積層セラミツク容器７１の上部には圧力導入
パイプ７４がろう接されているキヤブ７２がろう
接されている。パイプ７４の圧力導入口以外は気
密性良好に保たれている。第１１図は第１０図に
示すパツケージの外観図である。第１０図、第１
１図に示されるパツケージを用いることによつて
一般に市販されている集積回路（IC）と同様な
取扱いが可能となり、本発明実施例の機械−電気
変換装置を電子回路部品と同じ扱い方で使用する
ことができる。またこのパツケージを用いて小
型、高精度のマノメータ、気圧計を実現できる。
−電気変換装置を実際に応用して絶対圧力検出に
用いるパツケージの断面図を示したものである。
シリコン単結晶基板はガラス台座７３に低融点ガ
ラスあるいは陽極接合法で接合されダイヤフラム
９とガラス台座７３で囲まれた空間７８は真空状
態に保たれている。ガラス台座７３は積層セラミ
ツク容器７１の底部にシリコンゴム等の接着剤で
接着されている。シリコン単結晶基板の入出力電
極端子と、積層セラミツク容器７１のメタライズ
電極端子は金線６１０で所望の数を超音波ボンデ
イングされ接続されている。積層セラミツク容器
７１の外側の側面のメタライズ電極端子には外部
取出しリード６０１，６０２がろう接されてい
る。積層セラミツク容器７１の上部には圧力導入
パイプ７４がろう接されているキヤブ７２がろう
接されている。パイプ７４の圧力導入口以外は気
密性良好に保たれている。第１１図は第１０図に
示すパツケージの外観図である。第１０図、第１
１図に示されるパツケージを用いることによつて
一般に市販されている集積回路（IC）と同様な
取扱いが可能となり、本発明実施例の機械−電気
変換装置を電子回路部品と同じ扱い方で使用する
ことができる。またこのパツケージを用いて小
型、高精度のマノメータ、気圧計を実現できる。
以上の本発明の実施例は、説明を容易にするた
め圧力検出を主体に説明したが、本発明は圧力検
出のみならず、ひずみ検出、荷重検出、変位検
出、トルク検出等あらゆる機械−電気変換装置に
適応できるものである。
め圧力検出を主体に説明したが、本発明は圧力検
出のみならず、ひずみ検出、荷重検出、変位検
出、トルク検出等あらゆる機械−電気変換装置に
適応できるものである。
なお、前記実施例において、４個のひずみゲー
ジで構成するブリツジ回路を、必要に応じて、ひ
ずみゲージ接続間に直列または並列に抵抗を挿
入、接続して、ブリツジの零点あるいは出力感度
の温度補償をし得るよう構成してもよく、その場
合、全体の合成抵抗をもつてブリツジの等価回路
として扱えばよい。
ジで構成するブリツジ回路を、必要に応じて、ひ
ずみゲージ接続間に直列または並列に抵抗を挿
入、接続して、ブリツジの零点あるいは出力感度
の温度補償をし得るよう構成してもよく、その場
合、全体の合成抵抗をもつてブリツジの等価回路
として扱えばよい。
本発明は、従来の増幅回路に比べ演算増幅器入
力端子に接続する直列抵抗を省くことができたの
で、並列抵抗の抵抗値を低くとることができ、そ
のため並列抵抗の占める面積が小さくなり、装置
を小型化することができる。
力端子に接続する直列抵抗を省くことができたの
で、並列抵抗の抵抗値を低くとることができ、そ
のため並列抵抗の占める面積が小さくなり、装置
を小型化することができる。
また、ひずみゲージの抵抗温度係数と感度温度
係数の差が演算増幅器の並列抵抗の抵抗温度係数
と略々等しくなるように構成することにより、前
述の(3)式、(4)式および(5)式で示されるように、特
別な感度温度補償回路を付加する必要がなく、前
記直列抵抗の省略と相俟つて著しく小型化し、高
集積化に適したものとなるとともに、高精度の機
械−電気変換を行なうことが可能である。さら
に、前記各係数の設定は、表面不純物濃度の広い
範囲から選択的に行なうことができるので、製造
時における処理条件のバラツキに対し、広く合格
範囲を設定することができ、よつて製造コストの
低減を計ることができる。
係数の差が演算増幅器の並列抵抗の抵抗温度係数
と略々等しくなるように構成することにより、前
述の(3)式、(4)式および(5)式で示されるように、特
別な感度温度補償回路を付加する必要がなく、前
記直列抵抗の省略と相俟つて著しく小型化し、高
集積化に適したものとなるとともに、高精度の機
械−電気変換を行なうことが可能である。さら
に、前記各係数の設定は、表面不純物濃度の広い
範囲から選択的に行なうことができるので、製造
時における処理条件のバラツキに対し、広く合格
範囲を設定することができ、よつて製造コストの
低減を計ることができる。
第１図は、従来技術例の等価回路図、第２図
は、従来技術例の部分切除構造概念図、第３図は
第二従来技術例の等価回路図、第４図は第一実施
例の原理等価回路図、第５図は第二実施例の等価
回路図、第６図は、ｐ型拡散ひずみゲージの抵抗
温度係数および感度温度係数の表面不純物濃度関
係図、第７図は、第二実施例の断面構造概念図、
第８図は、第二実施例の平面および断面概念図、
第９図は、第三実施例の平面および断面概念図、
第１０図はパツケージの断面構造図、第１１図は
パツケージの外観図である。 １……シリコン単結晶、２……ブリツジ回路、
２１〜２４……ひずみゲージ、３１，３２……直
列抵抗、４１，４２……並列抵抗、５，５１，５
２……演算増幅器、６１……出力端子、６２……
電源端子、１０……シリコン単結晶基板、２６，
２７……ブリツジ出力端子、２８，２９……演算
増幅器入力端子、８１，８２……並列抵抗。
は、従来技術例の部分切除構造概念図、第３図は
第二従来技術例の等価回路図、第４図は第一実施
例の原理等価回路図、第５図は第二実施例の等価
回路図、第６図は、ｐ型拡散ひずみゲージの抵抗
温度係数および感度温度係数の表面不純物濃度関
係図、第７図は、第二実施例の断面構造概念図、
第８図は、第二実施例の平面および断面概念図、
第９図は、第三実施例の平面および断面概念図、
第１０図はパツケージの断面構造図、第１１図は
パツケージの外観図である。 １……シリコン単結晶、２……ブリツジ回路、
２１〜２４……ひずみゲージ、３１，３２……直
列抵抗、４１，４２……並列抵抗、５，５１，５
２……演算増幅器、６１……出力端子、６２……
電源端子、１０……シリコン単結晶基板、２６，
２７……ブリツジ出力端子、２８，２９……演算
増幅器入力端子、８１，８２……並列抵抗。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ シリコン単結晶基板上に、起歪領域と、その
起歪領域の前記シリコン単結晶基板の主表面に一
体的に形成された４個のひずみゲージを４辺にそ
れぞれ接続してなるブリツジ回路と、そのブリツ
ジ回路の出力端子に入力端子を接続した演算増幅
器と、その演算増幅器の入力端子と出力端子に両
端を接続され、前記シリコン単結晶基板の主表面
に一体的に形成された並列抵抗とを具備し、 前記ひずみゲージの抵抗温度係数とひずみゲー
ジの感度温度係数の差が前記並列抵抗の温度係数
に略々等しくなるように構成してなる半導体機械
−電気変換装置。 ２ 前記シリコン単結晶基板を第一伝導型とな
し、前記ひずみゲージおよび前記並列抵抗を第二
伝導型となしたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の半導体機械−電気変換装置。 ３ 前記シリコン単結晶基板は第二伝導型を有す
るシリコン単結晶体上に形成した第一伝導型のエ
ピタキシヤル成長層の表面を主表面となし、前記
ひずみゲージおよび前記並列抵抗を第二伝導型と
なし、前記演算増幅器を前記シリコン単結晶基板
の主表面に一体的に形成したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の半導体機械−電気変換
装置。 ４ 前記ひずみゲージの表面不純物濃度より前記
並列抵抗の表面不純物濃度が低く形成されている
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
２項記載の半導体機械−電気変換装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58091443A JPS59217375A (ja) | 1983-05-26 | 1983-05-26 | 半導体機械−電気変換装置 |
| US06/613,968 US4576052A (en) | 1983-05-26 | 1984-05-24 | Semiconductor transducer |
| DE3419710A DE3419710A1 (de) | 1983-05-26 | 1984-05-26 | Halbleiterwandler |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58091443A JPS59217375A (ja) | 1983-05-26 | 1983-05-26 | 半導体機械−電気変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59217375A JPS59217375A (ja) | 1984-12-07 |
| JPH0367211B2 true JPH0367211B2 (ja) | 1991-10-22 |
Family
ID=14026507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58091443A Granted JPS59217375A (ja) | 1983-05-26 | 1983-05-26 | 半導体機械−電気変換装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4576052A (ja) |
| JP (1) | JPS59217375A (ja) |
| DE (1) | DE3419710A1 (ja) |
Families Citing this family (56)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4777826A (en) * | 1985-06-20 | 1988-10-18 | Rosemount Inc. | Twin film strain gauge system |
| IT206726Z2 (it) * | 1985-09-17 | 1987-10-01 | Marelli Autronica | Dispositivo misuratore di pressione |
| JPS62108842U (ja) * | 1985-12-26 | 1987-07-11 | ||
| DE3616308C2 (de) * | 1986-05-14 | 1995-09-21 | Bosch Gmbh Robert | Sensor |
| JPS6323371A (ja) * | 1986-07-16 | 1988-01-30 | Nippon Denso Co Ltd | 半導体歪検出器 |
| EP0262366A1 (de) * | 1986-09-30 | 1988-04-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Drucksensorelement |
| US4966039A (en) * | 1988-04-21 | 1990-10-30 | Marelli Autronica S.P.A. | Electrical force and/or deformation sensor, particularly for use as a pressure sensor |
| US5036286A (en) * | 1988-06-03 | 1991-07-30 | The Research Corporation Of The University Of Hawaii | Magnetic and electric force sensing method and apparatus |
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| JPH0777266B2 (ja) * | 1988-12-28 | 1995-08-16 | 株式会社豊田中央研究所 | 半導体歪み検出装置 |
| US5135488A (en) * | 1989-03-17 | 1992-08-04 | Merit Medical Systems, Inc. | System and method for monitoring, displaying and recording balloon catheter inflation data |
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| US5289721A (en) * | 1990-09-10 | 1994-03-01 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor pressure sensor |
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| DE4137624A1 (de) * | 1991-11-15 | 1993-05-19 | Bosch Gmbh Robert | Silizium-chip zur verwendung in einem kraftsensor |
| JPH05149814A (ja) * | 1991-11-29 | 1993-06-15 | Fuji Electric Co Ltd | 二重ダイヤフラム式半導体圧力センサ |
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