JPH0697697B2 - 半導体圧力変換装置 - Google Patents
半導体圧力変換装置Info
- Publication number
- JPH0697697B2 JPH0697697B2 JP5447385A JP5447385A JPH0697697B2 JP H0697697 B2 JPH0697697 B2 JP H0697697B2 JP 5447385 A JP5447385 A JP 5447385A JP 5447385 A JP5447385 A JP 5447385A JP H0697697 B2 JPH0697697 B2 JP H0697697B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- diffusion resistance
- single crystal
- semiconductor pressure
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- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、結晶面指数を（h,k,l）とした場合に、h,k,l
の全てが０と異なる値をもつ結晶面方位を有する半導体
基板の表面層に拡散抵抗層を形成した半導体圧力変換装
置に係り、特に測定面に働く三次元の応力場を高感度・
高精度で検出するに好適な半導体圧力変換装置に関す
る。
の全てが０と異なる値をもつ結晶面方位を有する半導体
基板の表面層に拡散抵抗層を形成した半導体圧力変換装
置に係り、特に測定面に働く三次元の応力場を高感度・
高精度で検出するに好適な半導体圧力変換装置に関す
る。
従来、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して、圧力の印加
に伴つて生じる機械的歪を電気信号に変換する装置とし
ては、例えば、特開昭56−140229号公報に開示されてい
るように、半導体圧力センサがあつた。これは、シリコ
ンのダイアフラム上に拡散抵抗によりブリツジ回路を組
み、圧面に伴うダイアフラムの変形による抵抗値変動を
検出して圧力を測定するものである。また、シリコン基
板上に拡散抵抗層を形成し、基板をセンサとして樹脂中
に埋込み、拡散抵抗を形成した面内に作用する二次元の
応力場を検出するという試みもなされている。しかし、
いずれの場合も特定の応力成分についての検出をねらい
としたもので、用途に限界があつた。一般の構造物には
三次元の応力場が存在しており、この三次元の応力場を
分離検出することが従来の半導体圧力センサをはじめと
した機械的歪−電気変換素子では行えないという問題が
あつた。
に伴つて生じる機械的歪を電気信号に変換する装置とし
ては、例えば、特開昭56−140229号公報に開示されてい
るように、半導体圧力センサがあつた。これは、シリコ
ンのダイアフラム上に拡散抵抗によりブリツジ回路を組
み、圧面に伴うダイアフラムの変形による抵抗値変動を
検出して圧力を測定するものである。また、シリコン基
板上に拡散抵抗層を形成し、基板をセンサとして樹脂中
に埋込み、拡散抵抗を形成した面内に作用する二次元の
応力場を検出するという試みもなされている。しかし、
いずれの場合も特定の応力成分についての検出をねらい
としたもので、用途に限界があつた。一般の構造物には
三次元の応力場が存在しており、この三次元の応力場を
分離検出することが従来の半導体圧力センサをはじめと
した機械的歪−電気変換素子では行えないという問題が
あつた。
本発明の目的は、三次元の応力場を高感度・高精度に検
出する半導体圧力変換装置を提供することにある。
出する半導体圧力変換装置を提供することにある。
一般に、シリコン等の半導体におけるピエゾ抵抗効果
は、２階のテンソルで表される比抵抗ρ、歪力テンソル
Χと、４階のテンソルIIを用いて、 と表現される。
は、２階のテンソルで表される比抵抗ρ、歪力テンソル
Χと、４階のテンソルIIを用いて、 と表現される。
ρやΧのような２階のテンソルは、一般に６つの独立な
成分を含むので、４階のテルソンIIは、６行６列の行列
として表される。三次元の応力場を検討するために、直
交３軸方向をそれぞれx,y,z方向とし、xx,yy,aa,yz,zx,
xyをそけぞれ１〜６と書き直すと（１）式は、 と表せる。ここでπμλはピエゾ抵抗係数と呼ばれ一般
に21の成分を持つが、対称性の良い結晶では孤独な成分
の数は少なくなり、シリコンやゲルマニウムのような立
方対称を持つ結晶では独立な成分は３になる。
成分を含むので、４階のテルソンIIは、６行６列の行列
として表される。三次元の応力場を検討するために、直
交３軸方向をそれぞれx,y,z方向とし、xx,yy,aa,yz,zx,
xyをそけぞれ１〜６と書き直すと（１）式は、 と表せる。ここでπμλはピエゾ抵抗係数と呼ばれ一般
に21の成分を持つが、対称性の良い結晶では孤独な成分
の数は少なくなり、シリコンやゲルマニウムのような立
方対称を持つ結晶では独立な成分は３になる。
任意の単結晶基板上に拡散抵抗を形成し、その抵抗値変
動を検出すると、一般に抵抗値変動に寄与する歪力成分
は６成分存在する。ところが、抵抗値変動を検出するの
は、拡散抵抗を形成した二次元の平面であるから、面上
で独立に測定できる抵抗成分は３成分しかない。したが
つて１種類の拡散抵抗層を使用していたのでは、原理上
歪力成分を分離検出することは不可能である。
動を検出すると、一般に抵抗値変動に寄与する歪力成分
は６成分存在する。ところが、抵抗値変動を検出するの
は、拡散抵抗を形成した二次元の平面であるから、面上
で独立に測定できる抵抗成分は３成分しかない。したが
つて１種類の拡散抵抗層を使用していたのでは、原理上
歪力成分を分離検出することは不可能である。
そこで、検出用の拡散ゲージを複数の独立した拡散抵抗
により構成する必要がある。同一面上で６種類の独立し
た抵抗値成分を検出するためには最低２種類の拡散抵抗
層を形成しなければならない。歪力に対する感度である
ピエゾ抵抗係数は、不純物の種類により大きく異なる。
したがつて、結晶面指数を（h,k,l）とした場合に、h,
k,lの全てが０とは異なる値を持つ結晶面を有する半導
体基板上にｐ型とｎ型の拡散抵抗層を形成し、それぞれ
の領域で独立な３種類の抵抗成分を検出することによ
り、同一面上で独立な６種類の抵抗成分が検出可能とな
る。これにより、観測面に働く三次元の応力場を一意に
決定することができる。
により構成する必要がある。同一面上で６種類の独立し
た抵抗値成分を検出するためには最低２種類の拡散抵抗
層を形成しなければならない。歪力に対する感度である
ピエゾ抵抗係数は、不純物の種類により大きく異なる。
したがつて、結晶面指数を（h,k,l）とした場合に、h,
k,lの全てが０とは異なる値を持つ結晶面を有する半導
体基板上にｐ型とｎ型の拡散抵抗層を形成し、それぞれ
の領域で独立な３種類の抵抗成分を検出することによ
り、同一面上で独立な６種類の抵抗成分が検出可能とな
る。これにより、観測面に働く三次元の応力場を一意に
決定することができる。
ただし＜100＞結晶軸方向を面内に有する単結晶基板で
は、面内の拡散抵抗値変化に影響を及ぼす応力因子とし
て面内応力成分と面に垂直な応力成分の計４成分にしか
原理上感度を有しないため、本来の目的である三次元応
力場の検出には不適当である。
は、面内の拡散抵抗値変化に影響を及ぼす応力因子とし
て面内応力成分と面に垂直な応力成分の計４成分にしか
原理上感度を有しないため、本来の目的である三次元応
力場の検出には不適当である。
以下、本発明の半導体圧力変換装置の一実施例を第１図
及び第２図により説明する。この実施例は、ｎ型シリコ
ン（111）単結晶円板１を基板として作製した応力セン
サであり、第１図は平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ′
線に沿つた断面図の概略図である。基板１上に形成され
た６本の拡散抵抗層2,3は、３本ずつｐ型の拡散層２と
ｎ型の拡散抵抗層３で形成され、端がそれぞれ１本のAl
配線４で接続されている。なお、各拡散抵抗層2,3は45
°ずつ方向がずれて作成されているものとする。また、
Ａ−Ａ′線方向が、＜112＞結晶軸方向と一致している
ものとする。３本のｐ型の拡散抵抗層２の一端側は１本
の共通のAl配線４を介して共通電極端子９に接続し、他
端側は別個のAl配線10を介して別個の電極端子11に接続
している。同じように、３本のｎ型の拡散抵抗層３の一
端側は、１本の共通のAl配線12を介して共通電極端子13
に接続し、他端は別個のAl配線14を介して別個の電極端
子15に接続している。ｎ型拡散抵抗層３はｐ型拡散層５
中に形成される。また、Al配線４はSiO2絶縁膜６により
分離されており、表面全体はパツシベーシヨン膜７によ
り覆われている。なお、ｐ型拡散層５にｎ型拡散抵抗層
８を形成し、温度補償用のｐ−ｎ接合を同時に作製して
いる。次に本センサの動作を説明する。
及び第２図により説明する。この実施例は、ｎ型シリコ
ン（111）単結晶円板１を基板として作製した応力セン
サであり、第１図は平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ′
線に沿つた断面図の概略図である。基板１上に形成され
た６本の拡散抵抗層2,3は、３本ずつｐ型の拡散層２と
ｎ型の拡散抵抗層３で形成され、端がそれぞれ１本のAl
配線４で接続されている。なお、各拡散抵抗層2,3は45
°ずつ方向がずれて作成されているものとする。また、
Ａ−Ａ′線方向が、＜112＞結晶軸方向と一致している
ものとする。３本のｐ型の拡散抵抗層２の一端側は１本
の共通のAl配線４を介して共通電極端子９に接続し、他
端側は別個のAl配線10を介して別個の電極端子11に接続
している。同じように、３本のｎ型の拡散抵抗層３の一
端側は、１本の共通のAl配線12を介して共通電極端子13
に接続し、他端は別個のAl配線14を介して別個の電極端
子15に接続している。ｎ型拡散抵抗層３はｐ型拡散層５
中に形成される。また、Al配線４はSiO2絶縁膜６により
分離されており、表面全体はパツシベーシヨン膜７によ
り覆われている。なお、ｐ型拡散層５にｎ型拡散抵抗層
８を形成し、温度補償用のｐ−ｎ接合を同時に作製して
いる。次に本センサの動作を説明する。
Ａ−Ａ′線方向をｘ方向、面内で直交する方向をｙ方
向、面に垂直な方向をｚ方向として直交３軸を与え、軸
方向の応力をσ、各面内でのせん断応力をτで表すもの
とする。第１図で、Ａ−Ａ′線図上の抵抗をρ２、左側
をρ１、右側をρ３とすると、各抵抗値変化は、 と表わされる。ｐ型の拡散抵抗層２の拡散抵抗とｎ型の
拡散抵抗層３の拡散抵抗ではピエゾ抵抗係数πｉ（ｉ＝
α，β，…）の値が異なるため、６種類の独立した抵抗
値変化が測定できる。各抵抗値変化に寄与する応力成分
は６種類であるから、（２）式のマトリクスを解く事に
より、歪力テンソルの各成分すなわち三次元の応力場が
分離検出される。
向、面に垂直な方向をｚ方向として直交３軸を与え、軸
方向の応力をσ、各面内でのせん断応力をτで表すもの
とする。第１図で、Ａ−Ａ′線図上の抵抗をρ２、左側
をρ１、右側をρ３とすると、各抵抗値変化は、 と表わされる。ｐ型の拡散抵抗層２の拡散抵抗とｎ型の
拡散抵抗層３の拡散抵抗ではピエゾ抵抗係数πｉ（ｉ＝
α，β，…）の値が異なるため、６種類の独立した抵抗
値変化が測定できる。各抵抗値変化に寄与する応力成分
は６種類であるから、（２）式のマトリクスを解く事に
より、歪力テンソルの各成分すなわち三次元の応力場が
分離検出される。
以上、本実施例にれば、三次元の応力場を検出するセン
サが実現でき、かつ温度補償用のｐ−ｎ接合を利用する
ことにより幅広い温度での計測が可能になるという効果
がある。
サが実現でき、かつ温度補償用のｐ−ｎ接合を利用する
ことにより幅広い温度での計測が可能になるという効果
がある。
前述した実施例では、各拡散抵抗層2,3は各各が45°の
角度をなして形成されている。これは、（111）結晶面
上で抵抗層の長手方向を＜112＞結晶軸と＜110＞結晶軸
に合わせ、その中間45°方向に１本抵抗層を配置するこ
とを考慮したためである。しかし、この抵抗層配置の方
向は、任意（ただし、同一拡散抵抗層内で２本以上が平
行となる場合は不可）としても原理上かまわない。
角度をなして形成されている。これは、（111）結晶面
上で抵抗層の長手方向を＜112＞結晶軸と＜110＞結晶軸
に合わせ、その中間45°方向に１本抵抗層を配置するこ
とを考慮したためである。しかし、この抵抗層配置の方
向は、任意（ただし、同一拡散抵抗層内で２本以上が平
行となる場合は不可）としても原理上かまわない。
また、各拡散層内での拡散抵抗層は３本ずつとしている
が、配置数は各層で３本以上あつてもかまわない。独立
に作用する応力成分は６成分であるから、各層で拡散抵
抗層が３本以上合計６本以上存在すれば、応力成分は一
意に決定される。同一拡散層内に拡散抵抗層を４本以上
形成する場合には、その中の少なくとも３本がそれぞれ
異なる結晶方向を向いていればよい。
が、配置数は各層で３本以上あつてもかまわない。独立
に作用する応力成分は６成分であるから、各層で拡散抵
抗層が３本以上合計６本以上存在すれば、応力成分は一
意に決定される。同一拡散層内に拡散抵抗層を４本以上
形成する場合には、その中の少なくとも３本がそれぞれ
異なる結晶方向を向いていればよい。
実際の測定は、拡散抵抗層の抵抗値の変化をそれぞれ検
出することになる。
出することになる。
以上説明した各実施例において、半導体単結晶基板は、
真空蒸着法,CVD法，スパツタ法，エピタキシヤル法など
の薄膜作製法で作製された単結晶薄膜としてもよい。
真空蒸着法,CVD法，スパツタ法，エピタキシヤル法など
の薄膜作製法で作製された単結晶薄膜としてもよい。
本発明によれば、同一の半導体単結晶基板上でピエゾ抵
抗効果に起因した６種類の独立した抵抗値変化を検出で
きるので、三次元の応力場を決定する応力センサを実現
できるという効果がある。
抗効果に起因した６種類の独立した抵抗値変化を検出で
きるので、三次元の応力場を決定する応力センサを実現
できるという効果がある。
第１図は本発明の半導体圧力変換装置の一実施例の平面
図、第２図は第１図のＡ−Ａ′線の概略断面図である。 １…ｎ型シリコン（111）単結晶基板、２…ｐ型拡散抵
抗層、３…ｎ型拡散抵抗層、4,10,12,14…Al配線、５…
ｐ型拡散層、６…SiO2膜、７…パツシベーシヨン膜、８
…ｎ型拡散抵抗層、9,11,13,15…電極端子。
図、第２図は第１図のＡ−Ａ′線の概略断面図である。 １…ｎ型シリコン（111）単結晶基板、２…ｐ型拡散抵
抗層、３…ｎ型拡散抵抗層、4,10,12,14…Al配線、５…
ｐ型拡散層、６…SiO2膜、７…パツシベーシヨン膜、８
…ｎ型拡散抵抗層、9,11,13,15…電極端子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−120687（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−121491（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−253279（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】半導体単結晶基板と基板上に作成した拡散
抵抗ゲージからなる半導体圧力変換装置において、結晶
面指数を（h,k,l）とした場合、h,k,lの全てが０と異な
る値を持つ結晶面を有する半導体単結晶基板上にｐ型と
ｎ型の拡散抵抗層を夫々少なくとも３本形成し、両拡散
層の抵抗ゲージにより１組の拡散ゲージを構成し、三次
元の応力場を分離検出することを特徴とする半導体圧力
変換装置。 - 【請求項２】半導体単結晶基板が、真空蒸着法・CVD法
・スパッタ法あるいはエピタキシャル法などの薄膜成長
法により作製された単結晶薄膜であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の半導体圧力変換装置。 - 【請求項３】ｐ型とｎ型の拡散抵抗層により構成された
ゲージの近傍に温度補償用のｐ−ｎ接合体を形成したこ
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
の半導体圧力変換装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5447385A JPH0697697B2 (ja) | 1985-03-20 | 1985-03-20 | 半導体圧力変換装置 |
| DE8686101679T DE3682793D1 (de) | 1985-03-20 | 1986-02-10 | Piezoresistiver belastungsfuehler. |
| EP86101679A EP0195232B1 (en) | 1985-03-20 | 1986-02-10 | Piezoresistive strain sensing device |
| US06/838,954 US4739381A (en) | 1985-03-20 | 1986-03-12 | Piezoresistive strain sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5447385A JPH0697697B2 (ja) | 1985-03-20 | 1985-03-20 | 半導体圧力変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61214582A JPS61214582A (ja) | 1986-09-24 |
| JPH0697697B2 true JPH0697697B2 (ja) | 1994-11-30 |
Family
ID=12971638
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5447385A Expired - Lifetime JPH0697697B2 (ja) | 1985-03-20 | 1985-03-20 | 半導体圧力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697697B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0197827A (ja) * | 1987-07-08 | 1989-04-17 | Ricoh Co Ltd | 半導体拡散型力覚センサ |
| JP2746298B2 (ja) * | 1987-09-03 | 1998-05-06 | 株式会社リコー | 二成分以上の力検出装置 |
-
1985
- 1985-03-20 JP JP5447385A patent/JPH0697697B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61214582A (ja) | 1986-09-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |