JPH08334424A - 半導体圧力検出装置 - Google Patents
半導体圧力検出装置Info
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
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Abstract
圧力検出装置を提供する。 【構成】 半導体シリコンのダイアフラム部に形成した
ピエゾ抵抗を用いた半導体圧力検出装置において、ダイ
アフラム部の面積と厚さが、ダイアフラム部の面積と厚
さをS(m2)とt(m)で、印加圧力をP(kPa)
で、所望の圧力リニアリティ誤差をε(%)で表したと
き、次の式を満たすように設定する。これにより、圧力
のリニアリティ精度を改善する。 【数10】S/t2 < (ε/(P3/2K))1/3 ここに 【数11】K = 1×10-4。
Description
ゾ抵抗を用いた半導体圧力検出装置に関する。
装置は、圧力を検出するための薄肉部(ダイアフラム)
にゲージ抵抗を設け、そのピエゾ抵抗を測定して圧力を
検出するものである。圧力検出装置は、線形性を満足す
る圧力範囲で使用される。
置は、ある圧力を越えると、シリコンのバルーン効果に
より非線形性が現れ、圧力の線形性が悪化することが知
られている。しかし、性能保証圧力まで、要求される圧
力リニアリティ誤差を満足できるダイアフラム部の寸法
は、実際に試作して評価しないと分からない。このた
め、ダイアフラム部の寸法の決定が困難であった。
誤差を満たす半導体圧力検出装置を提供することであ
る。
検出装置は、(100)面または(110)面の結晶面
をもつ半導体シリコンに形成したダイアフラム部と、こ
のダイアフラム部に形成した複数のピエゾ抵抗素子から
なる。ここで、ダイアフラム部の面積と厚さが、ダイア
フラム部の面積と厚さをS(m2)とt(m)で、印加
圧力をP(kPa)で、所望の圧力リニアリティ誤差を
ε(%)で表したとき、次の式を満たすように設定され
る。
る。また、ピエゾ抵抗素子の数は、たとえば4個であ
り、ブリッジ回路を形成する。あるいは、ピエゾ抵抗素
子の数は、たとえば2個であり、ハーフブリッジ回路を
形成する。
厚さは、性能保証圧力と所望の圧力リニアリティ誤差を
用いた上記の関係式を用いて決定できる。これにより、
試作評価をしなくてもダイアフラム部の寸法を決定で
き、圧力リニアリティ誤差をおさえた半導体圧力検出装
置を提供できる。ダイアフラム部の形状は、正方形、円
形などを採用するが、応力に対するシリコンの歪みが同
じであるので、上記の関係式でダイアフラム部の寸法を
決定できる。複数のピエゾ抵抗素子を用いて、ブリッジ
回路やハーフブリッジ回路を構成して抵抗値を精度よく
検出する。
ついて説明する。半導体シリコンを用いた半導体圧力検
出装置において、性能保証圧力まで所望の圧力リニアリ
ティ誤差を満たすダイアフラム部の寸法を決定するた
め、実験データより、ダイアフラムの面積S、厚みt、
印加圧力Pおよび所望の圧力リニアリティ誤差εとの関
係式を、以下のように導いた。図1は、第1実施例の半
導体圧力検出装置の部分切欠斜視図である。半導体シリ
コン1は(100)面を有し、中央部に、正方形のダイ
アフラム部3を裏面からのエッチングにより設ける。そ
して、4個のゲージ抵抗2を、図に示すように、ダイア
フラム部3の正方形の各辺の中央付近に、拡散抵抗とし
て、<110>の結晶方向に平行に設ける。このゲージ
抵抗の設置場所は、シリコンのピエゾ抵抗効果の結晶異
方性に基づくものである。図2は、この半導体圧力検出
装置の中央部の断面を示し、ダイアフラム部3の厚さt
と1辺の長さDを示す。検出装置の4すみにパッド4を
設け、ゲージ抵抗2とパッド4との間を金属電極膜など
の電極線(図示しない)で接続し、ブリッジを形成す
る。なお、2個のゲージ抵抗を設け、ハーフブリッジを
形成してもよい。
することはよく知られている。そこで、感度が一定であ
る場合の印加圧力Pと圧力リニアリティ誤差εの関係式
を求める。図3は、圧力リニアリティ誤差ε(%FS)
の対数と印加圧力P(kPa)の対数との両対数グラフ
を、6つの感度について示す。図3に示される6種のデ
ータは、上側から順に、88.95(▽),81.31
(×),55.71(△),49.05(◇),35.5
0(+),36.33(□)の感度(mV/10kPa
で表す)に対応して得られたものである。図3より、圧
力リニアリティ誤差εは、印加圧力Pの3/2乗に比例
することがわかる。
加圧力Pを10,18,24kPaと一定にした場合の
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す。さらに、
図7、図8、図9は、それぞれ、印加圧力Pを10,1
8,24kPaと一定にした場合の圧力リニアリティ誤
差と感度との両対数グラフを示す。図7、図8、図9よ
りわかるように、圧力リニアリティ誤差は、感度の3乗
に比例することがわかった。また、圧力リニアリティ誤
差は、感度≒0の場合、限りなく0に近づく。
と厚さをS(m2)とt(m)で、印加圧力をP(kP
a)で表したとき、所望の圧力リニアリティ誤差ε
(%)は次の式で表せる。
望の圧力リニアリティは保証できる。この式は、次のよ
うに変形できる。
出装置は、圧力リニアリティを改善できる。また、試作
しなくても、要求仕様の圧力リニアリティ誤差の値によ
り、ダイアフラム部の面積および厚さを設定し、選定で
きるため、最適チップ設計が可能になる。なお、図1に
示した検出装置では、ダイアフラム部3の形状は正方形
であった。しかし、ダイアフラム部が円形状でも同様の
関係式が得られた。さらに、ダイアフラム3の形状が、
多角形、長方形、だ円などの場合も同様であった。同じ
シリコンを用いるため、応力に対するシリコンのピエゾ
抵抗特性が同じであるからである。
分切欠斜視図である。半導体シリコン11は(110)
面を有し、中央部に、正方形のダイアフラム部13を裏
面からのエッチングにより設ける。そして、4個のゲー
ジ抵抗12を、図に示すように、ダイアフラム部3の正
方形の各辺の中央付近に2個、ダイアフラム部3の中央
付近に2個、拡散抵抗として、<110>の結晶方向に
平行に設ける。このゲージ抵抗の設置場所は、シリコン
のピエゾ抵抗効果の(110)面での結晶異方性に基づ
くものである。検出装置の4すみにパッド14を設け、
ゲージ抵抗12とパッド14との間を金属電極膜などの
電極線(図示しない)で接続し、ブリッジを形成する。
この半導体圧力検出装置においても、ダイアフラム部の
寸法は、式(3)、式(4)の関係を満たせばよいこと
がわかった。これは、結晶面は変わるけれども、同じシ
リコンを用いるため、応力に対するシリコンの歪みが同
じであるからである。なお、図示しないが、ダイアフラ
ム部13に2個のゲージ抵抗を設けてハーフブリッジを
形成してもよい。
でき、圧力リニアリティの精度を改善できる。また、要
求仕様の圧力リニアリティ誤差の値により、ダイアフラ
ム部の面積および厚さを設定し選定できるため、最適チ
ップ設計が可能になる。複数のゲージ抵抗からブリッジ
回路またはハーフブリッジ回路を構成するので、抵抗し
たがって圧力が精度よく検出できる。
斜視図である。
ある。
(%)と印加圧力P(kPa)との両対数グラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示すグラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示すグラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示すグラフであ
る。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す両対数グラ
フである。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す両対数グラ
フである。
圧力リニアリティ誤差と感度との関係を示す両対数グラ
フである。
欠斜視図である。
フラム部。
Claims (5)
- 【請求項1】 (100)面または(110)面の結晶
面をもつ半導体シリコンに形成したダイアフラム部と、
このダイアフラム部に形成した複数のピエゾ抵抗素子か
らなり、 ダイアフラム部の面積と厚さが、ダイアフラム部の面積
と厚さをS(m2)とt(m)で、印加圧力をP(kP
a)で、所望の圧力リニアリティ誤差をε(%)で表し
たとき、次の式を満たすように設定されることを特徴と
する半導体圧力検出装置。 【数1】S/t2 < (ε/(P3/2K))1/3 ここに 【数2】K = 1×10-4。 - 【請求項2】 上記のダイアフラム部の形状が正方形で
あることを特徴とする請求項1に記載された半導体圧力
検出装置。 - 【請求項3】 上記のダイアフラム部の形状が円形であ
ることを特徴とする請求項1に記載された半導体圧力検
出装置。 - 【請求項4】 上記のピエゾ抵抗素子が4個であり、ブ
リッジ回路が形成されることを特徴とする請求項1〜3
のいずれかに記載された半導体圧力検出装置。 - 【請求項5】 上記のピエゾ抵抗素子が2個であり、ハ
ーフブリッジ回路が形成されることを特徴とする請求項
1〜3のいずれかに記載された半導体圧力検出装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14042695A JP3323032B2 (ja) | 1995-06-07 | 1995-06-07 | 半導体圧力検出装置の設計方法 |
US08/530,734 US5591917A (en) | 1995-06-07 | 1995-09-19 | Semiconductor pressure sensor with rated pressure specified for desired error of linearity |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14042695A JP3323032B2 (ja) | 1995-06-07 | 1995-06-07 | 半導体圧力検出装置の設計方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08334424A true JPH08334424A (ja) | 1996-12-17 |
JP3323032B2 JP3323032B2 (ja) | 2002-09-09 |
Family
ID=15268422
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP14042695A Expired - Lifetime JP3323032B2 (ja) | 1995-06-07 | 1995-06-07 | 半導体圧力検出装置の設計方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
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JP (1) | JP3323032B2 (ja) |
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-
1995
- 1995-06-07 JP JP14042695A patent/JP3323032B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1995-09-19 US US08/530,734 patent/US5591917A/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (6)
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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JP3323032B2 (ja) | 2002-09-09 |
US5591917A (en) | 1997-01-07 |
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