JPH07103837A - 物理量検出センサ - Google Patents
物理量検出センサInfo
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- JPH07103837A JPH07103837A JP5249042A JP24904293A JPH07103837A JP H07103837 A JPH07103837 A JP H07103837A JP 5249042 A JP5249042 A JP 5249042A JP 24904293 A JP24904293 A JP 24904293A JP H07103837 A JPH07103837 A JP H07103837A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P1/00—Details of instruments
- G01P1/006—Details of instruments used for thermal compensation
-
- G—PHYSICS
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
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- G—PHYSICS
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Abstract
(57)【要約】
【目的】ピエゾゲージ抵抗を用いた物理量検出センサに
関し、出力の温度ヒステリシスを低減する。 【構成】熱応力によって降伏現象を起こすアルミなどの
配線材をピエゾゲージの応力不感方向に配列する。特に
(００１)面シリコンに対しては、配線方向を〈１００〉
方向とする。この他、使用温度範囲内で降伏しない配線
材を用いる。 【効果】ピエゾゲージの応力不感方向に配線することに
より、配線材が降伏現象を起こしてもゲージ抵抗値は変
化しない。したがって、センサの出力は温度ヒステリシ
スをもたない。
関し、出力の温度ヒステリシスを低減する。 【構成】熱応力によって降伏現象を起こすアルミなどの
配線材をピエゾゲージの応力不感方向に配列する。特に
(００１)面シリコンに対しては、配線方向を〈１００〉
方向とする。この他、使用温度範囲内で降伏しない配線
材を用いる。 【効果】ピエゾゲージの応力不感方向に配線することに
より、配線材が降伏現象を起こしてもゲージ抵抗値は変
化しない。したがって、センサの出力は温度ヒステリシ
スをもたない。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は特性量センサに関し、特
にプロセス制御に用いられるピエゾ抵抗式の圧力センサ
等、また自動車などに用いられるが速度センサ等に関す
る。
にプロセス制御に用いられるピエゾ抵抗式の圧力センサ
等、また自動車などに用いられるが速度センサ等に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体基板上に設けられたゲ
ージ抵抗体を配線する場合に、例えば圧力センサ上に設
けたアルミ配線が温度サイクルにより降伏現象を起こ
し、このためセンサ出力の零点がヒステリシスを持つと
いう欠点が知られていた。このため、従来の方法として
はｐ型ゲージ抵抗と同一の導伝性をもつ高濃度不純物拡
散層、ｐ+をパッド部まで引き延ばし、アルミ配線を行
わない方法が特公平3−6674号で述べられている。
ージ抵抗体を配線する場合に、例えば圧力センサ上に設
けたアルミ配線が温度サイクルにより降伏現象を起こ
し、このためセンサ出力の零点がヒステリシスを持つと
いう欠点が知られていた。このため、従来の方法として
はｐ型ゲージ抵抗と同一の導伝性をもつ高濃度不純物拡
散層、ｐ+をパッド部まで引き延ばし、アルミ配線を行
わない方法が特公平3−6674号で述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、ア
ルミ配線を行わないという点で温度ヒステリシスの低減
に大きな効果があるが、一方、高濃度不純物拡散層(ｐ+
層）のシート抵抗は通常値として数十Ω／□程度であ
り、アルミの数百倍と大きく、これを引き延ばしてゲー
ジ抵抗間あるいはボンディングパッド間を接続すると、
この接続部は応力不感部分であるのでゲージ抵抗の実行
感度が低下するという問題があった。
ルミ配線を行わないという点で温度ヒステリシスの低減
に大きな効果があるが、一方、高濃度不純物拡散層(ｐ+
層）のシート抵抗は通常値として数十Ω／□程度であ
り、アルミの数百倍と大きく、これを引き延ばしてゲー
ジ抵抗間あるいはボンディングパッド間を接続すると、
この接続部は応力不感部分であるのでゲージ抵抗の実行
感度が低下するという問題があった。
【０００４】また、接続部の抵抗値を下げるため、ｐ+
層の幅を広げるという手段が考えられるが、この方法で
は基板と高濃度不純物拡散層の間のリーク電流が大きく
なるという問題があった。
層の幅を広げるという手段が考えられるが、この方法で
は基板と高濃度不純物拡散層の間のリーク電流が大きく
なるという問題があった。
【０００５】本発明は、半導体基板上に形成された抵抗
体の実行感度を低下させること、及びリーク電流を増大
させること無しに、抵抗体の抵抗状態を出力する出力配
線の温度ヒステリシスを低減することを目的としてい
る。
体の実行感度を低下させること、及びリーク電流を増大
させること無しに、抵抗体の抵抗状態を出力する出力配
線の温度ヒステリシスを低減することを目的としてい
る。
【０００６】また、本発明は半導体基板上に形成された
抵抗体のドリフト等を防止するシールド用の低抵抗材に
おいて、これらシールド低抗抗材の温度ヒステリシスを
低減することを目的とする。
抵抗体のドリフト等を防止するシールド用の低抵抗材に
おいて、これらシールド低抗抗材の温度ヒステリシスを
低減することを目的とする。
【０００７】さらに、本発明は半導体基板上に形成され
た抵抗体の出力配線用金属，シールド用金属膜の材質を
より降伏応力の高いものに代え、弾性変形内で用いるこ
とによって、それらの部材のヒステリシスを避けること
を目的とするものである。
た抵抗体の出力配線用金属，シールド用金属膜の材質を
より降伏応力の高いものに代え、弾性変形内で用いるこ
とによって、それらの部材のヒステリシスを避けること
を目的とするものである。
【０００８】そして、抵抗体の出力配線又はシールド用
抵抗材が応力不感方向に設けた場合に、それらを設ける
基板を小さく構成することを目的とするものである。
抵抗材が応力不感方向に設けた場合に、それらを設ける
基板を小さく構成することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は半導体基板上に抵抗体を形成し、該抵抗体
の抵抗状態を検出する物理量検出センサにおいて、抵抗
体の抵抗状態を出力するための出力配線を半導体基板上
の応力不感応方向に設けたものである。
に、本発明は半導体基板上に抵抗体を形成し、該抵抗体
の抵抗状態を検出する物理量検出センサにおいて、抵抗
体の抵抗状態を出力するための出力配線を半導体基板上
の応力不感応方向に設けたものである。
【００１０】また、半導体基板上にピエゾゲージ抵抗体
を形成し、この抵抗体の抵抗状態を出力する物理量検出
センサにおいて、ピエゾゲージ抵抗体をシールド用低抵
抗材で覆い、かつこれら低抵抗材を５〜３０ｎｍ厚のア
ルミとしたものである。
を形成し、この抵抗体の抵抗状態を出力する物理量検出
センサにおいて、ピエゾゲージ抵抗体をシールド用低抵
抗材で覆い、かつこれら低抵抗材を５〜３０ｎｍ厚のア
ルミとしたものである。
【００１１】さらに、半導体基板上にピエゾゲージ抵抗
を形成した物理量センサにおいて、この抵抗体の抵抗状
態を出力する出力配線材、或いは抵抗シールド用のシー
ルド低抵抗材として降伏応力の高い物質を用いたもので
ある。
を形成した物理量センサにおいて、この抵抗体の抵抗状
態を出力する出力配線材、或いは抵抗シールド用のシー
ルド低抵抗材として降伏応力の高い物質を用いたもので
ある。
【００１２】そして、物理量センサの半導体基板の面積
を小さくするために、出力配線材又はシールド用抵抗材
の応力不感方向に沿って、半導体基板をダイシングする
ものである。
を小さくするために、出力配線材又はシールド用抵抗材
の応力不感方向に沿って、半導体基板をダイシングする
ものである。
【００１３】
【作用】本発明によれば、例えば出力配線としてアルミ
の配線を用いたとしても、アルミ配線をゲージ抵抗の応
力不感方向に配列したことにより、アルミ配線が温度サ
イクルにより降伏しても抵抗体はその影響を受けない。
の配線を用いたとしても、アルミ配線をゲージ抵抗の応
力不感方向に配列したことにより、アルミ配線が温度サ
イクルにより降伏しても抵抗体はその影響を受けない。
【００１４】また、ゲージ抵抗体にシールド用低抵抗材
を用い、かつこの低抵抗材を５〜３０ｎｍのアルミとし
たことにより温度ヒステリシスを低減することができ
る。さらに、出力配線材、或いはシールド低抵抗材とし
て降伏点の高い材料を用いることにより、温度サイクル
の影響が弾性変形内に収まり、センサ出力に温度ヒステ
リシスが現れない。
を用い、かつこの低抵抗材を５〜３０ｎｍのアルミとし
たことにより温度ヒステリシスを低減することができ
る。さらに、出力配線材、或いはシールド低抵抗材とし
て降伏点の高い材料を用いることにより、温度サイクル
の影響が弾性変形内に収まり、センサ出力に温度ヒステ
リシスが現れない。
【００１５】そして、本発明によれば応力不感方向に沿
ってダイシングすることにより、半導体基板の面積を最
も効率よく使用でき、生産工程の効率化が図れる。
ってダイシングすることにより、半導体基板の面積を最
も効率よく使用でき、生産工程の効率化が図れる。
【００１６】
【実施例】図１は本発明の一実施例に使用される複合機
能形センサ部の半導体基板部分の平面図であり、図２
は、図１のＡ−Ａ′における断面図、図３はこの基板上
に設けられた各センサ抵抗回路の回路配線図を示したも
のである。
能形センサ部の半導体基板部分の平面図であり、図２
は、図１のＡ−Ａ′における断面図、図３はこの基板上
に設けられた各センサ抵抗回路の回路配線図を示したも
のである。
【００１７】複合機能形センサチップ１６０は（１０
０）面のｎ型単結晶シリコンであり、その一方の面のほ
ぼ中央円周に、円形の薄肉部１６１と、厚肉部１６７を
有する。この基板上の薄肉部１６１に基板のそれぞれの
面から第１の圧力と第２の圧力を印加することにより、
前記薄肉部１６１と厚肉部１６７は差圧に感応する起歪
体となり、差圧検出用の感圧ダイアフラムとして動作す
る。差圧感圧ダイアフラムの上面には（１００）面にお
けるピエゾ抵抗係数が最大となる〈１１０〉軸方向に、
差圧センサであるｐ型抵抗体（ゲージ抵抗）１１１〜１
１４がそれぞれ結晶軸に対して平行又は直角方向に熱拡
散法あるいはイオンインプランティーション法により形
成される。前記各抵抗体１１１〜１１４の配置位置は、
差圧印加時に差圧感圧ダイアフラム上に発生する半径方
向，同方向の歪が最大になる固定部近傍に配置する。
０）面のｎ型単結晶シリコンであり、その一方の面のほ
ぼ中央円周に、円形の薄肉部１６１と、厚肉部１６７を
有する。この基板上の薄肉部１６１に基板のそれぞれの
面から第１の圧力と第２の圧力を印加することにより、
前記薄肉部１６１と厚肉部１６７は差圧に感応する起歪
体となり、差圧検出用の感圧ダイアフラムとして動作す
る。差圧感圧ダイアフラムの上面には（１００）面にお
けるピエゾ抵抗係数が最大となる〈１１０〉軸方向に、
差圧センサであるｐ型抵抗体（ゲージ抵抗）１１１〜１
１４がそれぞれ結晶軸に対して平行又は直角方向に熱拡
散法あるいはイオンインプランティーション法により形
成される。前記各抵抗体１１１〜１１４の配置位置は、
差圧印加時に差圧感圧ダイアフラム上に発生する半径方
向，同方向の歪が最大になる固定部近傍に配置する。
【００１８】また、差圧感圧ダイアフラム以外の厚肉部
に静圧に感応する静圧感応ダイアフラム１６８を形成
し、さらに静圧に感応する抵抗体１５１〜１５４を形成
し、温度に感応する抵抗体により温度センサ１５５を形
成して、これらを図３に示すようなブリッジ回路に結線
することにより大きな差圧信号さらには静圧信号，温度
信号を得ることができる。差圧感圧ダイアフラムと静圧
感圧ダイアフラムの形状と肉厚は感応する差圧，静圧に
応じて所望の形状と肉厚に設定され、異方性ウェットエ
ッチング、あるいはドライエッチングによって形成され
る。
に静圧に感応する静圧感応ダイアフラム１６８を形成
し、さらに静圧に感応する抵抗体１５１〜１５４を形成
し、温度に感応する抵抗体により温度センサ１５５を形
成して、これらを図３に示すようなブリッジ回路に結線
することにより大きな差圧信号さらには静圧信号，温度
信号を得ることができる。差圧感圧ダイアフラムと静圧
感圧ダイアフラムの形状と肉厚は感応する差圧，静圧に
応じて所望の形状と肉厚に設定され、異方性ウェットエ
ッチング、あるいはドライエッチングによって形成され
る。
【００１９】これにより差圧感圧ダイアフラム上の抵抗
体１１１〜１１４及び静圧感圧ダイアフラム上の抵抗体
１５１〜１５４はダイアフラムに発生する歪を受け、ピ
エゾ抵抗効果により抵抗が変化するため、図３に示した
ような回路方式を採用すればワイヤボンディング用のパ
ット端子５０４〜５０７及び端子５０８〜５１１からそ
の変化を信号として取り出すことができる。
体１１１〜１１４及び静圧感圧ダイアフラム上の抵抗体
１５１〜１５４はダイアフラムに発生する歪を受け、ピ
エゾ抵抗効果により抵抗が変化するため、図３に示した
ような回路方式を採用すればワイヤボンディング用のパ
ット端子５０４〜５０７及び端子５０８〜５１１からそ
の変化を信号として取り出すことができる。
【００２０】図４は図１に示した差圧，静圧，温度抵抗
体の構造を拡大したものである。
体の構造を拡大したものである。
【００２１】差圧センサ１１１〜１１４，静圧センサ１
５１〜１５４、そして温度センサ１５５はすべてこの図
で示したｐ+ 層で接続されたゲージストリングの構造を
持つが、ここでは簡略化してボックスで表示している。
この例では(００１)面のｎ型シリコン基板を用いｐ型の
ピエゾゲージ抵抗１１１〜１１４，１５１〜１５４を
〈１１０〉方向に配列し、高濃度不純物拡散層(ｐ+層）
５０でアルミ配線４０と接続している。
５１〜１５４、そして温度センサ１５５はすべてこの図
で示したｐ+ 層で接続されたゲージストリングの構造を
持つが、ここでは簡略化してボックスで表示している。
この例では(００１)面のｎ型シリコン基板を用いｐ型の
ピエゾゲージ抵抗１１１〜１１４，１５１〜１５４を
〈１１０〉方向に配列し、高濃度不純物拡散層(ｐ+層）
５０でアルミ配線４０と接続している。
【００２２】また、この一実施例では高濃度不純物拡散
層(ｐ+層）５０を介してセンサ抵抗体の状態を検出して
いるが、この拡散層を介さなくても図１４の一実施例に
示したように直接アルミ配線４０でセンサ抵抗体１１１
と結線することも可能である。
層(ｐ+層）５０を介してセンサ抵抗体の状態を検出して
いるが、この拡散層を介さなくても図１４の一実施例に
示したように直接アルミ配線４０でセンサ抵抗体１１１
と結線することも可能である。
【００２３】次に温度ヒステリシスの原因について述べ
る。シリコン及びシリコン酸化膜とアルミの熱膨張係数
が著しく異なるため、温度変化に依ってアルミに歪が発
生し図６に示すようにある一定の歪εmax を越えると降
伏してしまう。このときの降伏応力σy は約２ＭＰａと
なる。この降伏応力が温度サイクルによるヒステリシス
の原因である。
る。シリコン及びシリコン酸化膜とアルミの熱膨張係数
が著しく異なるため、温度変化に依ってアルミに歪が発
生し図６に示すようにある一定の歪εmax を越えると降
伏してしまう。このときの降伏応力σy は約２ＭＰａと
なる。この降伏応力が温度サイクルによるヒステリシス
の原因である。
【００２４】しかし、ゲージ抵抗は、〈１１０〉方向で
応力に対し最大の感度をもち、〈１００〉方向ではほと
んど感度がない。このため、図７に示すようにゲージ抵
抗に対し平行な応力σA 、或いは直角な応力に対しては
抵抗変化を示すが、ゲージ抵抗に対し４５゜の角度をも
つ応力σB に対しては抵抗変化を示さない。よって、ア
ルミ配線４０を〈１００〉方向に配列することにより配
線部がヒステリシス要因をもっていてもゲージ抵抗の抵
抗値変化は生じないことになる。
応力に対し最大の感度をもち、〈１００〉方向ではほと
んど感度がない。このため、図７に示すようにゲージ抵
抗に対し平行な応力σA 、或いは直角な応力に対しては
抵抗変化を示すが、ゲージ抵抗に対し４５゜の角度をも
つ応力σB に対しては抵抗変化を示さない。よって、ア
ルミ配線４０を〈１００〉方向に配列することにより配
線部がヒステリシス要因をもっていてもゲージ抵抗の抵
抗値変化は生じないことになる。
【００２５】また、半導体基板のダイシングの方向を、
出力配線の方向に対応した方向にすることにより、例え
ば本実施例のように配線が〈１００〉方向に配列されて
いるとき、ダイシング方向も〈１００〉方向とすること
により、センサのチップサイズを最小にでき、コストの
低減が図れる。
出力配線の方向に対応した方向にすることにより、例え
ば本実施例のように配線が〈１００〉方向に配列されて
いるとき、ダイシング方向も〈１００〉方向とすること
により、センサのチップサイズを最小にでき、コストの
低減が図れる。
【００２６】本発明の構成によれば、ヒステリシスを低
減しながら、従来例のようにｐ+ 層を長く引き延ばすこ
ともないのでゲージ抵抗の実効的な抵抗変化率を損なう
ことはなく、さらにリーク電流も小さく抑えられるとい
う効果がある。
減しながら、従来例のようにｐ+ 層を長く引き延ばすこ
ともないのでゲージ抵抗の実効的な抵抗変化率を損なう
ことはなく、さらにリーク電流も小さく抑えられるとい
う効果がある。
【００２７】さらに図４にて示した本発明の一実施例に
おいてはゲージ抵抗（１１１）の上をドリフト等を防止
する目的でシールド用のアルミ５２で覆い、基板の電位
に落とした構造が示されている。シールド用アルミは温
度ヒステリシスを低減するため、極力薄い方が良いが、
余りに薄いとアニール時に凝集，粒界形成が起こり、粒
界どうしに隙間が開き、電気的に断線してしまう。この
ため、実験による計測の結果、５〜３０ｎｍの厚さが最
も適していた。また、コンタクト部５４は通常０.５ 〜
１μｍ程度の厚いアルミが形成されるから、この部分が
ダイアフラムの上の薄肉部、特にゲージ抵抗に近いと温
度ヒステリシスを引き起こす原因になる。よって本発明
の一実施例においてはこのコンタクト部５４をシリコン
基板の厚肉部にまでもっていくことにより、ゲージ抵抗
に及ぶアルミコンタクト部の温度ヒステリシスを低減さ
せたものである。
おいてはゲージ抵抗（１１１）の上をドリフト等を防止
する目的でシールド用のアルミ５２で覆い、基板の電位
に落とした構造が示されている。シールド用アルミは温
度ヒステリシスを低減するため、極力薄い方が良いが、
余りに薄いとアニール時に凝集，粒界形成が起こり、粒
界どうしに隙間が開き、電気的に断線してしまう。この
ため、実験による計測の結果、５〜３０ｎｍの厚さが最
も適していた。また、コンタクト部５４は通常０.５ 〜
１μｍ程度の厚いアルミが形成されるから、この部分が
ダイアフラムの上の薄肉部、特にゲージ抵抗に近いと温
度ヒステリシスを引き起こす原因になる。よって本発明
の一実施例においてはこのコンタクト部５４をシリコン
基板の厚肉部にまでもっていくことにより、ゲージ抵抗
に及ぶアルミコンタクト部の温度ヒステリシスを低減さ
せたものである。
【００２８】さらにこのシールド用低抵抗材をセンサ抵
抗体の設置方法と同じように、図１５に示すように半導
体基板の応力不感応方向にコンタクト部５４への引き出
し部５８を設けることによりさらに温度ヒステリシスを
低減させることが可能になる。
抗体の設置方法と同じように、図１５に示すように半導
体基板の応力不感応方向にコンタクト部５４への引き出
し部５８を設けることによりさらに温度ヒステリシスを
低減させることが可能になる。
【００２９】また、図１６に示した本発明の一実施例
は、ゲージ抵抗（１１１）上のシールド用アルミ５２の
電位を配線コンタクト部５５或いは５６の一方に接続し
たものである。この様な構成とすれば、図４に示した基
板とのコンタクト部５４が省けるので、温度ヒステリシ
スを低減できる。ただし、シリコン基板がｎ型でシール
ド用アルミ５２の電位を低電位側に接続した場合、また
はシリコン基板がｐ型でシールド用アルミ５２の電位を
高電位側へ接続した場合には、ゲージストリング（１１
１）の間が空乏化，反転してしまい、リーク電流の増加
を招く恐れがあるため、例えば１×１０19／cm3 以上の
不純物濃度をもつ高濃度層２００をゲージストリング間
にさし入れる必要がある。
は、ゲージ抵抗（１１１）上のシールド用アルミ５２の
電位を配線コンタクト部５５或いは５６の一方に接続し
たものである。この様な構成とすれば、図４に示した基
板とのコンタクト部５４が省けるので、温度ヒステリシ
スを低減できる。ただし、シリコン基板がｎ型でシール
ド用アルミ５２の電位を低電位側に接続した場合、また
はシリコン基板がｐ型でシールド用アルミ５２の電位を
高電位側へ接続した場合には、ゲージストリング（１１
１）の間が空乏化，反転してしまい、リーク電流の増加
を招く恐れがあるため、例えば１×１０19／cm3 以上の
不純物濃度をもつ高濃度層２００をゲージストリング間
にさし入れる必要がある。
【００３０】そして、温度ヒステリシスを防ぐため配線
用金属，シールド用金属膜の材質をより降伏応力の高い
ものに代え、弾性変形内で用いることによって、ヒステ
リシスを避けることができ、この時、これら材料の条件
は、次式の条件に従うことが必要とされる。
用金属，シールド用金属膜の材質をより降伏応力の高い
ものに代え、弾性変形内で用いることによって、ヒステ
リシスを避けることができ、この時、これら材料の条件
は、次式の条件に従うことが必要とされる。
【００３１】 σy ＝｜Ｅm（αm −αsio2)Δｔ｜ …（数１） ここで、σyは降伏応力、αmは配線材、或いはシールド
材の熱膨張率、αsio2は配線材，シールド材の下地Ｓｉ
Ｏ2 の熱膨張率、ΔＴはセンサに加わる温度の上限と下
限の差、Ｅm は配線材，シールド材のヤング率である。
材の熱膨張率、αsio2は配線材，シールド材の下地Ｓｉ
Ｏ2 の熱膨張率、ΔＴはセンサに加わる温度の上限と下
限の差、Ｅm は配線材，シールド材のヤング率である。
【００３２】次に本発明の一実施例である複合センサを
用いたプロセス状態検出器の差圧伝送器の例を図８に示
す。この図で８１６は差圧センサ，静圧センサ，温度セ
ンサを集積した複合センサ、８０４は伝送器本体、８０
７は高圧側と低圧側を隔てるセンタダイアフラム、圧力
導入口８０８，８０９を通じて導かれた外部の圧力はシ
ールダイアフラム８１８，８１９によって受けられ複合
センサ８１６に伝達される。この複合センサは差圧，静
圧，温度のそれぞれにほぼ比例した信号を信号処理部に
出力する。
用いたプロセス状態検出器の差圧伝送器の例を図８に示
す。この図で８１６は差圧センサ，静圧センサ，温度セ
ンサを集積した複合センサ、８０４は伝送器本体、８０
７は高圧側と低圧側を隔てるセンタダイアフラム、圧力
導入口８０８，８０９を通じて導かれた外部の圧力はシ
ールダイアフラム８１８，８１９によって受けられ複合
センサ８１６に伝達される。この複合センサは差圧，静
圧，温度のそれぞれにほぼ比例した信号を信号処理部に
出力する。
【００３３】次に、図９を用いて、信号処理のフローを
説明する。複合センサ８１６に含まれる差圧センサ，静
圧センサ，温度センサのブリッジ電圧を出力し、マルチ
プレクサ８４０によって選択的に取り込まれ、プログラ
マブルゲインアンプ８４１で増幅される。次にＡ／Ｄ変
換器８４２でデジタル信号に変換され、マイクロコンピ
ュータ８４４に送信される。メモリ８４３には差圧，静
圧，温度センサの各特性が予め記憶されており、このデ
ータを用いてマイクロコンピュータ８４４でセンサ出力
を補正演算し、高精度に差圧，静圧，温度を算出する。
計算された差圧値，静圧値と温度値はＤ／Ａ変換器８４
５で再びアナログ信号に変換され、また、図では示して
いないがデジタル信号が直接に電圧−電流変換部８４６
を介して伝送器からプロセス状態を検出した高精度なア
ナログ信号，デジタル信号さらにはアナログデジタル信
号が重畳した信号が出力される。このように本発明の複
合センサを用いることでヒステリシスが無く、非常に再
現性の高い伝送器を実現できる。
説明する。複合センサ８１６に含まれる差圧センサ，静
圧センサ，温度センサのブリッジ電圧を出力し、マルチ
プレクサ８４０によって選択的に取り込まれ、プログラ
マブルゲインアンプ８４１で増幅される。次にＡ／Ｄ変
換器８４２でデジタル信号に変換され、マイクロコンピ
ュータ８４４に送信される。メモリ８４３には差圧，静
圧，温度センサの各特性が予め記憶されており、このデ
ータを用いてマイクロコンピュータ８４４でセンサ出力
を補正演算し、高精度に差圧，静圧，温度を算出する。
計算された差圧値，静圧値と温度値はＤ／Ａ変換器８４
５で再びアナログ信号に変換され、また、図では示して
いないがデジタル信号が直接に電圧−電流変換部８４６
を介して伝送器からプロセス状態を検出した高精度なア
ナログ信号，デジタル信号さらにはアナログデジタル信
号が重畳した信号が出力される。このように本発明の複
合センサを用いることでヒステリシスが無く、非常に再
現性の高い伝送器を実現できる。
【００３４】図１０は自動車用圧力センサに本発明のセ
ンサを適用した一実施例である。自動車用センサはマイ
ナス数十度から１００度程度と広い温度範囲で用いられ
るため、安定した温度特性が要求される。本図で、７１
６は本発明の圧力センサ、７０９はパイレックスガラス
などの台、７５０はキャンパッケージの台、７５２はセ
ンサを外気から保護するためのキャンパッケージ、７５
１は圧力導入管、７５３は出力取り出し用の端子であ
る。本発明の圧力センサを用いることにより伝送器同
様、広い温度範囲に対し、非常に出力再現性の良い自動
車用圧力センサを実現できる。
ンサを適用した一実施例である。自動車用センサはマイ
ナス数十度から１００度程度と広い温度範囲で用いられ
るため、安定した温度特性が要求される。本図で、７１
６は本発明の圧力センサ、７０９はパイレックスガラス
などの台、７５０はキャンパッケージの台、７５２はセ
ンサを外気から保護するためのキャンパッケージ、７５
１は圧力導入管、７５３は出力取り出し用の端子であ
る。本発明の圧力センサを用いることにより伝送器同
様、広い温度範囲に対し、非常に出力再現性の良い自動
車用圧力センサを実現できる。
【００３５】図１１は本発明の一実施例として（００
１）面シリコンに異方性エッチングを適用して加工した
加速度センサ６６４の応用例である。加速度センサ６６
４はピエゾゲージ抵抗６６０，アルミ配線部６６１，可
動質量部６６２，エッチング等により薄化したビーム部
６６３等により構成される。このセンサに加速度が働く
と可動質量部６６２が上下し、ビームの端部に大きな応
力が生じ、これをピエゾゲージ抵抗で検出する。この加
速度センサに対しても出力配線としてアルミ配線を〈１
００〉方向に配列することによって温度ヒステリシスを
低減することができる。
１）面シリコンに異方性エッチングを適用して加工した
加速度センサ６６４の応用例である。加速度センサ６６
４はピエゾゲージ抵抗６６０，アルミ配線部６６１，可
動質量部６６２，エッチング等により薄化したビーム部
６６３等により構成される。このセンサに加速度が働く
と可動質量部６６２が上下し、ビームの端部に大きな応
力が生じ、これをピエゾゲージ抵抗で検出する。この加
速度センサに対しても出力配線としてアルミ配線を〈１
００〉方向に配列することによって温度ヒステリシスを
低減することができる。
【００３６】図１３は図１１に示した加速度センサの一
変形例を示したものであり、本発明の一実施例において
は各構成部は図１１の内容と同一構成であるが、ピエゾ
ゲージ抵抗６６０をビーム部６６３のより中心に近い部
分に形成した場合において、薄化した部分に出力配線と
してアルミ配線をこれまで述べたように、基板の応力不
感方向〈１００〉に沿って設けたものである。このよう
に加速度センサの薄肉部、又図１に示した複合センサの
薄肉部のような可動しやすい部分においても本発明の出
力配線方法に従って設けることにより温度ヒステリシス
を低減する効果がある。
変形例を示したものであり、本発明の一実施例において
は各構成部は図１１の内容と同一構成であるが、ピエゾ
ゲージ抵抗６６０をビーム部６６３のより中心に近い部
分に形成した場合において、薄化した部分に出力配線と
してアルミ配線をこれまで述べたように、基板の応力不
感方向〈１００〉に沿って設けたものである。このよう
に加速度センサの薄肉部、又図１に示した複合センサの
薄肉部のような可動しやすい部分においても本発明の出
力配線方法に従って設けることにより温度ヒステリシス
を低減する効果がある。
【００３７】
【発明の効果】本発明によれば、ピエゾゲージ抵抗を利
用した圧力センサ，差圧センサ，加速度センサなどの物
理量検出センサにおいて、通常のアルミなどの金属配線
を用いても、温度ヒステリシスの極めて小さいデバイス
を実現できる。また、このセンサを差圧伝送器、或いは
自動車用圧力センサに用いることによって、非常に再現
性の高い特性が得られる。
用した圧力センサ，差圧センサ，加速度センサなどの物
理量検出センサにおいて、通常のアルミなどの金属配線
を用いても、温度ヒステリシスの極めて小さいデバイス
を実現できる。また、このセンサを差圧伝送器、或いは
自動車用圧力センサに用いることによって、非常に再現
性の高い特性が得られる。
【図１】本発明の一実施例を示す複合センサ。
【図２】図１の複合センサの断面図。
【図３】本発明の一実施例のセンサ抵抗信号出力回路。
【図４】本発明の一実施例のシールド部材構成例。
【図５】図４のシールド部材の断面図。
【図６】歪と降伏応力の関係。
【図７】ゲージ抵抗に及ぶ応力。
【図８】本発明の複合センサを備えた差圧伝送器。
【図９】図８に示した差圧伝送器の信号処理回路。
【図１０】本発明の複合センサを備えた自動車用圧力セ
ンサ。
ンサ。
【図１１】本発明の一実施例の加速度センサ。
【図１２】図１１の加速度センサの断面図。
【図１３】本発明の出力配線方法の一実施例。
【図１４】本発明の出力配線方法の一実施例。
【図１５】本発明のシールド部材の配置方法の一実施
例。
例。
【図１６】本発明のシールド部材の配置方法の一実施
例。
例。
４０…アルミ配線、５０，５１…高濃度不純物層(ｐ+
層）、５２…ゲージシールド、５４…ゲージシールドと
基板のコンタクト部、１１１〜１１４…差圧センサ用ピ
エゾゲージ抵抗、１５１〜１５４…静圧センサ用ピエゾ
ゲージ抵抗、155…温度センサ、１６１…差圧センサ用
ダイアフラムの薄肉部、１６７…差圧センサ用ダイアフ
ラムの厚肉部、１６８…差圧センサ用ダイアフラム、１
９９…台、５０１〜５１３…アルミパッド、６６０…ピ
エゾゲージ抵抗、６６１…アルミ配線、６６２…可動質
量部、６６３…ビーム部、６６４…加速度センサ、７５
０…キャンパッケージの台、７５１…圧力導入管、７５
２…キャンパッケージ、753…リードピン、８０４…伝
送器本体、８０６…信号処理部、８０７…センタダイア
フラム、８０８，８０９…圧力導入口、８１６…複合セ
ンサ、８１８，８１９…シールダイアフラム、８４０…
マルチプレクサ、８４１…プログラマブルゲインアン
プ、８４２…Ａ／Ｄコンバータ、８４３…メモリ、８４
４…マイクロコンピュータ、８４５…Ｄ／Ａコンバー
タ、８４６…Ｖ／Ｉ変換器。
層）、５２…ゲージシールド、５４…ゲージシールドと
基板のコンタクト部、１１１〜１１４…差圧センサ用ピ
エゾゲージ抵抗、１５１〜１５４…静圧センサ用ピエゾ
ゲージ抵抗、155…温度センサ、１６１…差圧センサ用
ダイアフラムの薄肉部、１６７…差圧センサ用ダイアフ
ラムの厚肉部、１６８…差圧センサ用ダイアフラム、１
９９…台、５０１〜５１３…アルミパッド、６６０…ピ
エゾゲージ抵抗、６６１…アルミ配線、６６２…可動質
量部、６６３…ビーム部、６６４…加速度センサ、７５
０…キャンパッケージの台、７５１…圧力導入管、７５
２…キャンパッケージ、753…リードピン、８０４…伝
送器本体、８０６…信号処理部、８０７…センタダイア
フラム、８０８，８０９…圧力導入口、８１６…複合セ
ンサ、８１８，８１９…シールダイアフラム、８４０…
マルチプレクサ、８４１…プログラマブルゲインアン
プ、８４２…Ａ／Ｄコンバータ、８４３…メモリ、８４
４…マイクロコンピュータ、８４５…Ｄ／Ａコンバー
タ、８４６…Ｖ／Ｉ変換器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 芳己 茨城県勝田市大字市毛882番地 株式会社 日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 高橋 幸夫 茨城県勝田市大字市毛882番地 株式会社 日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 丸山 泰男 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内
Claims (21)
- 【請求項１】半導体基板上に抵抗体を形成し、該抵抗体
の抵抗状態を出力する物理量検出センサにおいて、 前記抵抗体の抵抗状態を出力するための出力配線を前記
半導体基板の応力不感応方向に設けたことを特徴とする
物理量検出センサ。 - 【請求項２】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記半導体基板上に前記抵抗体の抵抗状態を外部に出力
する出力端子を設け、該出力端子に接続されうる前記出
力配線を前記半導体基板の応力不感応方向に設けたこと
を特徴とする物理量検出センサ。 - 【請求項３】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記半導体基板上に前記抵抗体を２つ以上設け、該２つ
以上の抵抗体を組合わせるための前記出力配線を前記半
導体基板の応力不感応方向に設けたことを特徴とする物
理量検出センサ。 - 【請求項４】請求項３の物理量検出センサにおいて、 前記２つ以上の抵抗体でホイートストンブリッジを構成
したことを特徴とする物理量検出センサ。 - 【請求項５】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記半導体基板として（００１）面シリコン基板を用
い、かつ前記抵抗体として前記半導体基板上に〈１１
０〉方向に配置したピエゾゲージ抵抗を用いて、該ピエ
ゾゲージ抵抗の抵抗状態を出力するための出力配線を
〈１００〉方向に設けたことを特徴とする物理量検出セ
ンサ。 - 【請求項６】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記半導体基板として（０１１）面シリコン基板を用
い、かつ前記抵抗体として前記半導体基板上に〈１１
０〉方向に配置したピエゾゲージ抵抗を用いて、該ピエ
ゾゲージ抵抗の抵抗状態を出力するための出力配線を
〈１００〉方向に設けたことを特徴とする物理量検出セ
ンサ。 - 【請求項７】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記抵抗体は差圧状態を検出することを特徴とする物理
量検出センサ。 - 【請求項８】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記抵抗体は静圧状態を検出することを特徴とする物理
量検出センサ。 - 【請求項９】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記抵抗体は加速度状態を検出することを特徴とする物
理量検出センサ。 - 【請求項１０】請求項１の物理量検出センサにおいて、 前記抵抗体は温度状態を検出することを特徴とする物理
量検出センサ。 - 【請求項１１】半導体基板上にピエゾゲージ抵抗体を形
成し、該抵抗体の抵抗状態を出力する物理量検出センサ
において、 前記ピエゾゲージ抵抗体をシールド用低抵抗材で覆い、
かつ該低抵抗材を５〜３０ｎｍ厚のアルミとしたことを
特徴とする物理量検出センサ。 - 【請求項１２】請求項１１の物理量検出センサにおい
て、 前記半導体基板としてｎ型のシリコン基板を用い、かつ
前記ピエゾゲージ抵抗体としてｐ型の抵抗体を用いたこ
とを特徴とする物理量検出センサ。 - 【請求項１３】請求項１２の物理量検出センサにおい
て、 前記半導体基板にダイアフラムを構成し、前記抵抗体を
前記ダイアフラムの薄肉部近辺に設け、かつ前記シール
ド用低抵抗材と前記半導体基板とのコンタクト部を前記
半導体基板の厚肉部に設け前記シールド用低抵抗材を前
記半導体基板電位と等しくしたことを特徴とする物理量
検出センサ。 - 【請求項１４】請求項１３の物理量検出センサにおい
て、 前記シールド用低抵抗材の前記コンタクト部への接続方
向を前記半導体基板の応力不感応方向に設けたことを特
徴とする物理量検出センサ。 - 【請求項１５】請求項１４の物理量検出センサにおい
て、 前記半導体基板として（００１）面シリコン基板を用
い、前記低抵抗材の前記コンタクト部への接続方向を
〈１００〉方向に設けたことを特徴とする物理量検出セ
ンサ。 - 【請求項１６】請求項７，８，９、または１０の物理量
検出センサ，受圧部構造，信号増幅回路，信号処理回路
を備えたプロセス状態検出装置において、 ヒートサイクル下でのプロセス状態検出信号の再現性を
向上させたことを特徴とするプロセス状態検出装置。 - 【請求項１７】請求項７，８，９、または１０の物理量
検出センサ，信号増幅回路，信号処理回路を備えた自動
車用センサ装置において、 前記物理量検出センサをキャンパッケージで封止したこ
とを特徴とする自動車用センサ装置。 - 【請求項１８】半導体基板上に抵抗体を形成し、該抵抗
体の抵抗状態を出力する物理量検出センサにおいて、 前記半導体基板のダイシング方向を前記半導体基板の応
力不感応方向としたことを特徴とする物理量検出セン
サ。 - 【請求項１９】請求項１８の物理量検出センサにおい
て、 半導体基板上に抵抗体を形成し、該抵抗体の抵抗状態を
出力する物理量検出センサにおいて、 前記抵抗体の抵抗状態を出力するための出力配線を前記
半導体基板の応力不感応方向に設けたことを特徴とする
物理量検出センサ。 - 【請求項２０】請求項１９の物理量検出センサにおい
て、 半導体基板上に抵抗体を形成し、該抵抗体の抵抗状態を
検出する物理量検出センサにおいて、 前記半導体基板として（００１）面シリコン基板を用
い、かつ前記抵抗体として前記半導体基板上に〈１１
０〉方向に配置したピエゾゲージ抵抗を用いて、該ピエ
ゾゲージ抵抗の抵抗状態を出力するための配線を〈１０
０〉方向に設け、かつ前記ダイシング方向を〈１００〉
方向としたことを特徴とする物理量検出センサ。 - 【請求項２１】半導体基板上にピエゾゲージ抵抗を形成
し、該抵抗体の抵抗状態を出力する物理量センサにおい
て、σy を前記抵抗体の抵抗状態を出力する配線材、或
いは抵抗シールド用のシールド材の降伏応力、αm をそ
の熱膨張率、αsio2を配線材，シールド材の下地ＳｉＯ
2 の熱膨張率、ΔＴをセンサに加わる温度の上限と下限
の差，Ｅm を配線材，シールド材のヤング率とすると
き、 σy ＝｜Ｅm（αm −αsio2)Δｔ｜ …（数１） を満たす低抵抗材を前記配線材，前記シールド材に用い
たことを特徴とする物理量検出センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05249042A JP3114453B2 (ja) | 1993-10-05 | 1993-10-05 | 物理量検出センサ及びプロセス状態検出器 |
| US08/317,156 US5537882A (en) | 1993-10-05 | 1994-10-03 | Semiconductor sensor for detecting physical amount without thermal hypsteresis where output wiring is disposed in a stress insensitive direction |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05249042A JP3114453B2 (ja) | 1993-10-05 | 1993-10-05 | 物理量検出センサ及びプロセス状態検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07103837A true JPH07103837A (ja) | 1995-04-21 |
| JP3114453B2 JP3114453B2 (ja) | 2000-12-04 |
Family
ID=17187147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05249042A Expired - Fee Related JP3114453B2 (ja) | 1993-10-05 | 1993-10-05 | 物理量検出センサ及びプロセス状態検出器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5537882A (ja) |
| JP (1) | JP3114453B2 (ja) |
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