JPH0560672B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ 「発明の目的」 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体圧力センサの温度特性の改善
及びこの半導体圧力センサを用いた圧力測定装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

圧力を電気信号に交換する手段として、半導体
を用いたセンサが近年注目されるようになつた。
圧力センサとして要求される条件である低価格
性、高信頼性、小型化等を満たす点で、シリコン
半導体を利用したものが、特に有望と見られてい
る。半導体圧力センサは、ピエゾ抵抗効果を利用
したものが一般的である。このピエゾ抵抗効果を
利用したセンサは、外力による歪みで半導体の結
晶内に応力変化が生じ、これに起因して電子エネ
ルギー準位が変化する。その結果、抵抗値が変る
のである。従つて、この抵抗値の変化を計測する
ことで、加えられた圧力を測定しようとするもの
である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、半導体圧力センサは温度依存性が強い
ため、圧力を精度良く測定するためには、温度補
償回路が必要とされる。温度の影響には２つの形
がある。一つは出力電圧の温度変動であり、他方
は、最小圧力に対する出力電圧の温度変動であ
る。一般に前者はスパン変動、後者はオフセツト
変動と呼ばれる。

従来の半導体圧力センサでは、この２つの温度
変動を補償するための回路を設けざるをえない
が、そのため回路が複雑となり、価格の上昇と信
頼性の点で問題があつた。

この点を解決するため、特公昭57−26430号
「シリコンストレンゲージ」の発明（以下先願１
の記す）や本出願人が出願した特願昭60−138591
号（特開昭61−295672号）「半導体圧力センサお
よび圧力測定装置」の出願（以下、先願２と記
す）がある。

本発明は、これらの先願に係る手段とは別の手
段を用いて、上記従来の技術が有していた問題点
を解決するものである。

ロ 「発明の構成」 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、上記問題点を解決するために、シリ
コン半導体からなるダイアフラム上に形成された
所定の濃度と面積を有する第１の不純物層と、該
第１の不純物層中に形成された第２の不純物層
と、該第２の不純物層上に所定の間隔を隔てて設
けられた端子間の抵抗素子からなり、前記抵抗素
子の抵抗値を前記第１、第２不純物層の抵抗の合
成値と前記端子間の距離および形状によつて決定
するとともに、前記抵抗素子の形成方向を温度依
存性が小さくなるように前記ダイアフラムの結晶
軸上に配置したものであり、 また、上記抵抗を４つ用いてブリツジ回路を構
成し、このブリツジ回路の入力端子間に定電圧源
から電圧を加えて、ブリツジ回路の出力端子間か
ら圧力の変化に比例した電圧を得るようにしたも
のである。

なお、本発明が先願１に係る技術と異なる点
は、先願１の技術は抵抗体の不純物濃度をある特
定の値に限定することが必要であるが、本発明
は、この不純物濃度をある特定の値に限定せずと
も上記の従来例が持つていた問題点を解決するこ
とが出来る点で異なつている。

また、本発明が先願２に係かる技術と異なる点
は、先願２の技術は２本の抵抗体が独立に形成さ
れていたのに対し、本発明は１つの拡散層中にも
う１つの拡散層を設け、合成抵抗体としている点
である。

〔実施例〕 以下、図面を用いて本発明を詳しく説明する。

第１図は本発明に係る半導体圧力センサの一構
成例を示した平面図イと断面図ロ、第２図は第１
図の半導体圧力センサに示した端子間の抵抗に対
する電流のパスの分布を模式的に示した図、第３
図は第２図に示す抵抗分布を等価回路で示す図、
第４図は半導体圧力センサを４つ用いてブリツジ
回路を構成した場合の本発明に係る圧力測定装置
を示した図、第５図は第１図に示した半導体圧力
センサに圧力が加わつて歪みが生じている様子を
示した図、第６図はダイアフラムの薄肉部の上に
配置された半導体圧力センサを示す断面図イと平
面図ロ、第７図は他の実施例を示す平面図、第８
図は表面濃度とピエゾ係数との関係を示した図、
第９図はｎ型シリコンの温度とピエゾ係数の成分
π₁₁との関係を示した図、第１０図はｐ型シリコ
ンの温度とピエゾ係数の成分π₄₄との関係を示し
た図、第１１図はｎ型シリコン・ピエゾ係数の成
分π₁₁の温度係数と電子濃度との関係を示す図で
あり、これは第９図のグラフの勾配より求めたも
のである。第１２図はｐ型シリコン・ピエゾ係数
の成分π₄₄の温度係数とホール濃度との関係を示
す図、第１３図はｎ型シリコンの抵抗温度係数と
比抵抗との関係を示す図、第１４図はｐ型シリコ
ンの抵抗温度係数と比抵抗との関係を示す図であ
る。なお、第１３図と第１４図の出典はsolid
state electron、11 pp 639〜646、feb（1968）で
ある。第１５図は第９図又は第１０図から求めた
ピエゾ係数の成分π₁₁、π₄₄と表面電子濃度又は表
面ホール濃度との関係を示す図、第１６図は第１
３図又は第１４図において異なる濃度でありなが
ら同じ抵抗温度係数を示す２つの電子濃度又はホ
ール濃度が存在することを示す図、第１７図はダ
イアフラム上に抵抗体２，５を配置した時ピエゾ
係数の符号が異なることを示す図であり、ｃ，ｄ
は結晶軸と抵抗体方位との関係を示す図である。

なお、第８〜第１０図はJ.of apply.phys.34、
No.２ pp313〜318、feb.1963から抜粋したもので
ある。

第１図イ，ロにおいて、３はシリコン半導体で
あり、２はシリコン半導体３の上に熱拡散、イオ
ン注入、エピタキシヤル成長等の手段により形成
した第１の不純物層、５は第１の拡散層の中に第
１の不純物層２と同様の手段により形成した第２
の不純物層、４，４ａは第２の不純物層５の上に
所定の間隔を隔てて形成された端子、６は第１、
第２の不純物層の上に形成され端子間を絶縁する
ためのSiO₂層である。

このような構成においては、第１の拡散層２
と、第２の拡散層５をみたとき縦方向、横方向の
２種類の抵抗体の組合わせと考えることが出来
る。この場合、出力端子４，４ａ間の電流のパス
は第２図に示すようにＸ成分の抵抗体１０と、Ｙ
成分の抵抗体２０に分割して考えることができ、
第３図に示すような等価回路に置きかえることが
できる。

半導体圧力センサで得られる抵抗の変化（検出
信号）は僅かなものである。このため圧力測定装
置においては、この検出信号をできるだけ大きく
精度良く取出すため、通常は、第４図のように、
ホイートストン・ブリツジ（以下単にブリツジと
記す）回路を組んでいる。

第１図イ，ロでは、１つの抵抗体のみ示してい
るが、ブリツジ回路を組むときは４ペア抵抗体が
形成される。第３図で示す等価回路の抵抗体１０
の抵抗値をr₁、抵抗体２０の抵抗値をr₂、各ブリ
ツジ辺の並列抵抗をR₁〜R₄とすると、 R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝１／（r₁＋r₂）＝R_M である。そして、ブリツジ回路として機能するよ
うに対辺同士（R₁とR₄、R₂とR₃）が印加圧力に
対応して同方向に抵抗変化し、隣接同士が逆方向
に抵抗変化するように構成する。

入力端子１２，１３間には定電圧源１４が接続
されており、出力端子１５，１６間からは出力電
圧e₀が取出される。

第４図に示したフルブリツジ回路による圧力測
定装置の動作を説明するために、基本構成である
第３図を用いて動作の説明をする。

抵抗体１０，２０は、ともに単結晶ダイアフラ
ムに歪みが加わつた際に、歪抵抗体として動作す
る位置に配置してあるものとする。例えば、第５
図のように、歪みのない状態Ｂから歪みが加わつ
た状態Ｃに変化した時、抵抗体に応力が加わるよ
うな配置になつている。

一般に、歪抵抗体の感度は、ピエゾ係数π
（cm²／dyn）で表現され、定義は(1)式である。

Δρ／ρ＝π・σ (1) ここで、ρ：比抵抗（Ωcm） Δρ：比抵抗変化（Ωcm） σ：抵抗体に加わつた応力（dyn／cm²） これを抵抗体の抵抗値ｒで表現すると、抵抗体
の形状変化の項が加わるが、半導体の場合、πの
値が大きいので(2)式としてよい。

Δγ／γ＝（１＋2ν）ε＋π・σπ・σ(2) ここで、ν：ポアソン比 ε：歪量 このピエゾ係数πの温度係数を(3)式のように定
式化する。

π＝π₀（１＋βT） (3) ここで、β：ピエゾ係数の温度係数（deg^-1） π₀：基準温度T₀でのピエゾ係数 Ｔ：T₀から測定した温度 また、抵抗体の抵抗値自体の温度係数を(4)式の
ように置く。

ｒ＝r₀（１＋αT） (4) ここで、α：抵抗の温度係数（deg^-1） r₀：基準温度T₀での抵抗値 抵抗体に応力が加わつて、かつ温度が変つた場
合の抵抗値の変化は(2)、(3)式から次式のようにな
る。

Δγ／γ＝π・σ＝π₀（１＋βT）σ (5) また、第４図のように第３図に示す抵抗を４つ
用いて、ブリツジ回路を構成し、端子１２，１３
に定電圧源１４を接続した時、出力端子１５，１
６に現れる電圧e₀は(6)式で示される。

e₀＝Δγ／γ・Ｅ (6) Ｅ：定電圧源１４の電圧Ｅ 従つて、温度による出力電圧e₀の変化、即ち、
圧力センサ（圧力測定装置）としての温度依存性
を問題にするときは、Δγ／γを考えれば良い。

抵抗体１０と抵抗体２０の並列接続の場合、抵
抗変化は、 Δγ／γ＝γ₁ ²・Δγ₂＋Δγ・γ₂ ²／（γ＋γ₂）²・
γ₁＋γ₂／γ₁・γ₂＝Δγ／γ₁・γ₂／γ＋γ₂＋Δγ₂
／γ・γ₁／γ₁＋γ₂＝π₁＋σ₁／１＋γ₁／γ₂＋π₂・
σ₂／１＋γ₂／γ₁(7) π₁：抵抗体１０のピエゾ係数 π₂：抵抗体２０のピエゾ係数 温度依存性を考慮すると、 Δγ／γ＝π₁₀（１＋β₁T）σ₁／１＋γ₁₀
／γ₂₀・１＋α₁T／１＋α₂T＋ π₂₀（１＋β₂T）σ₂／１＋γ₂₀／γ₁₀・１＋α₂T／１
＋α₁T(8) π₁₀・r₁₀……温度T₀での抵抗体１０のピエゾ係数
及び抵抗値 π₂₀・r₂₀……温度T₀での抵抗体２０のピエゾ係数
及び抵抗値 β₁、α₁……抵抗体１０のピエゾ係数の温度係数と
抵抗値の温度係数 β₂、α₂……抵抗体２０のピエゾ係数の温度係数と
抵抗値の温度係数 σ₁、σ₂……抵抗体に加わる応力 ここでα及びβの値は、抵抗体がｎ型シリコン
の場合は第１１、第１３図より、ｐ型シリコンの
場合は第１２図、第１４図より求めることができ
る。

第１３図、１４図において、αは比抵抗が
10^-2Ωcmの所で極小値をとるから、第１６図のよ
うに、或るαの値に対応する比抵抗は２つ存在す
る。第１６図で□１、□２に対応する不純物濃度を抵
抗体の不純物濃度として選択しておくと、 α₁＝α₂ (9) となる。(8)式は、ｍ＝γ₂₀／γ₁₀とすると、(10)式と
な る。

Δγ／γ＝π₁₀（１＋β₁＋Ｔ）σ₁／１＋ｍ＋π₂₀（１
＋β₂T）σ₂／１＋１／ｍ＝１／１＋ｍ・〔π₁₀（１＋
β₁T）σ₁＋mπ₂₀（１＋β₂T）σ₂〕 ＝１／１＋ｍ・〔（π₁₀σ₁＋mπ₂₀σ₂）＋（π₁₀σ₁
・β₁＋mπ₂₀σ₂・β₂）Ｔ〕……(10) ここで(10)式の第１項をＡ、第２項をＢとする
と、 Ａ＝π₁₀・σ₁＋mπ₂₀・σ₂≠０ (11) Ｂ＝π₁₀・σ₁β₁＋mπ₂₀σ₂・β₂＝０ (12) となるように抵抗体１，２を構成するとすれば、 Δγ／γ＝１／１＋ｍ・（π₁₀・σ₁＋mπ₂₀σ₂） となり、応力により抵抗値は変化するが、温度で
は抵抗値が変化しない抵抗体素子を得ることがで
きる。

次に、以上の抵抗体素子を用いて実際の圧力セ
ンサを構成する場合、上述したような関係になる
ように構成し、圧力感度における温度依存性を小
さくすることができる旨の具体例を持つて証明す
る。

例えば、第６図に示すようなダイアフラムに抵
抗体を配置したとすると、ダイアフラムの結晶面
や抵抗体の配置方向により、(10)式のπ₁₀、π₂₀のピ
エゾ係数は変化する。例えば、第１１，１２図よ
り(12)式に満たすためには、β₁＜０、β₂＜０である
から、 （π₁₀・σ₁）・（mπ₂₀・σ₂）＜０ (13) でなければならない。これは、以下の手段により
実現することができる。

＜＞ 抵抗体の配置方向（ダイアフラム上で接
線方向と放射線方向）…即ち、ピエゾ係数π₁₀、
π₂₀の極性を正、負とする手段、 例えば、＜＞の手段により本発明を実現する
場合は、第１７図のように〔100〕面のダイアフ
ラム上の〔110〕方向に２種の抵抗体を配置する。
このときｘ成分、ｙ成分の抵抗体のピエゾ係数の
値は、第１７のｃ，ｄのように、π₁₀＞０、π₂₀＜
０となり、(13)式が満たされる。従つて、(12)式の形
から、Ｂ＝０となる条件が存在する。ここで、
π₁₀・σ₁・β₁＋mπ₂₀・σ₂・β₂＝０を実際に達成す
る手段の一例を述べる。

予め、上式が満足されるように抵抗体の抵抗
値、シリコン半導体ダイアフラム上での配置、抵
抗体の形成方向とダイアフラムの結晶軸との方向
の関係、不純物濃度の組合せ等で定めて製造す
る。

ここで、抵抗体をシリコン半導体ダイアフラム
に形成した瞬間に、π₁₀、π₂₀、σ₁、σ₂、β₁、β₂の
値は決定されてしまうものである。

従つて、調整手段としては、抵抗比ｍを調整す
ることが行なわれる。この抵抗比ｍの調整は経験
的方法で行うことが出来る。例えば、抵抗体を複
数個形成し、良い抵抗体を選択すること、又は、
第１、第２の拡散層の形状や、その端子の取り方
等で調整することが出来る。

第７図は他の実施例を示すもので、この例にお
いては拡散層２を比較的広い面積で形成し、この
第２の拡散層に負数の端子４０ａ〜４０ｅを設
け、それらの端子のうち最適な抵抗体となる端子
（例えば４０ａと４０ｅを結ぶように構成したも
のである。

以上の具体的説明は本発明を実施する場合の一
例であり、これに限定するものではない。例え
ば、ｎ型シリコンでも可能であり、また、結晶面
や抵抗体の配置方向も種々の組合せが可能であ
る。また、以上では、(9)式においてα₁＝α₂と仮定
したが、これが成立しなくても、圧力感度の温度
依存性がないピエゾ抵抗素子を得ることができ
る。

ハ 「本発明の効果」 以上述べたように、本発明によれば、次の効果
が得られる。

歪み感度を有するとともに、歪み感度の温度
依存性が小さい半導体圧力センサを比較的簡単
に実現できる。

応力と抵抗値変化の非直線性が改善できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体圧力センサの一構
成例を示した平面図イと断面図ロ、第２図は第１
図の半導体圧力センサに示した端子間の抵抗の抵
抗分布を模式的に示した図、第３図は第２図に示
す抵抗分布を等価回路で示す図、第４図は半導体
圧力センサを４つ用いてブリツジ回路を構成した
場合の本発明に係る圧力測定装置を示した図、第
５図は第１図に示した半導体圧力センサに圧力が
加わつて歪みが生じている様子を示した図、第６
図はダイアフラムの薄肉部の上に配置された半導
体圧力センサを示す断面図イと平面図ロ、第７図
は他の実施例を示す平面図、第８図は表面濃度と
ピエゾ係数との関係を示した図、第９図はｎ型シ
リコンの温度とピエゾ係数の成分π₁₁との関係を
示した図、第１０図はｐ型シリコンの温度とピエ
ゾ係数の成分π₄₄との関係を示した図、第１１図
はｎ型シリコン・ピエゾ係数の成分π₁₁の温度係
数と電子濃度との関係を示す図、第１２はｐ型シ
リコン・ピエゾ係数の成分π₄₄の温度係数とホー
ル濃度との関係を示す図、第１３図はｎ型シリコ
ンの抵抗温度係数と比抵抗との関係を示す図、第
１４図はｐ型シリコンの抵抗温度数と比抵抗との
関係を示す図、第１５図は第７図又は第８図から
求めたピエゾ係数の成分π₁₁、π₄₄と表面電子濃度
又は表面ホール濃度との関係を示す図、第１６図
は第１３図又は第１４図において異なる濃度であ
りながら同じ抵抗温度係数を示す２つの電子濃度
又はホール濃度が存在することを示す図、第１７
図ａ，ｂはダイアフラム上に抵抗体を配置した時
その抵抗の半径方向成分、垂直成分のピエゾ係数
の符号が異なることを示す図であり、ｃ，ｄは結
晶軸と抵抗体方位との関係を示す図である。 １０，２０……抵抗体、３……シリコン単結
晶、１４……定電圧源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリコン半導体からなるダイアフラム上に形
   成された所定の濃度と面積を有する第１の不純物
   層と、該第１の不純物層中に形成された第２の不
   純物層と、該第２の不純物層上に所定の間隔を隔
   てて設けられた端子間の抵抗素子からなり、前記
   抵抗素子の抵抗値を前記第１、第２不純物層の抵
   抗の合成値と前記端子間の距離および形状によつ
   て決定するとともに、前記抵抗素子の形成方向を
   温度依存性が小さくなるように前記ダイアフラム
   の結晶軸上に配置したことを特徴とする半導体圧
   力センサ。 ２ シリコン半導体からなるダイアフラム上に形
   成された所定の濃度と面積を有する第１の不純物
   層と、該第１の不純物層中に形成された第２の不
   純物層と、該第２の不純物層上に所定の間隔を隔
   てて設けられた端子間の抵抗素子からなり、前記
   抵抗素子の抵抗値を前記第１、第２不純物層の抵
   抗の合成値と前記端子間の距離および形状によつ
   て決定するとともに、前記抵抗素子の形成方向を
   温度依存性が小さくなるように前記ダイアフラム
   の結晶軸上に配置した抵抗を４つ用いてブリツジ
   回路を構成し、このブリツジ回路の入力端子間に
   定電圧源から電圧を加えて、ブリツジ回路の出力
   端子間から圧力の変化に比例した電圧を得るよう
   にした圧力測定装置。