JPS59127876A - ダイアフラム形半導体圧力センサ - Google Patents

ダイアフラム形半導体圧力センサ

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JPS59127876A
JPS59127876A JP381283A JP381283A JPS59127876A JP S59127876 A JPS59127876 A JP S59127876A JP 381283 A JP381283 A JP 381283A JP 381283 A JP381283 A JP 381283A JP S59127876 A JPS59127876 A JP S59127876A
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JP
Japan
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diaphragm
gauge
resistors
resistance
bridge circuit
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JP381283A
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English (en)
Inventor
Tsutomu Ishihara
力 石原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring 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
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ピエゾ抵抗効果を利用したダイアフラム形
の半導体圧力センサに関する。
従来、この種の圧力センサとして、第1図および第2図
に示すように、例えば、n形シリコン基板1の中央部を
エツチング等で薄肉化することによシダイアフラム(起
歪s)2を形成し、このダイアフラム2上に例えばボロ
ンの選択拡散あるいはイオン注入によって4個のP形波
散層抵抗(ゲージ抵抗と呼ばれる)3,4,5.6e配
設した構造のものが用いられている。第1図および第2
図には例として、それぞれ(110)面方位および(1
00)面方位のn形シリコン基板を用いた場合の典型的
なゲージ配列が示されている。また、ダイアフラム2に
裏面から圧力Pが印加された場合の各ゲージの抵抗変化
率(八R/R)もダイアフラム中心からの距離の関数と
して示されている。両図から明らかなように、圧力Pに
よりゲージ抵抗4.5の抵抗値は増大し、ゲージ抵抗3
.6は減少する。したがって、第3図に示すようにゲー
ジ抵抗3と6およびグー?抵抗4と5をそれぞれ対向さ
せてブリッジ回路を構成し、これを定電圧源フないし定
電流源8で駆動すれば、端子9.10間に圧力Pに比例
した出力電圧Voを得ることができる。
ところで、前記構成の圧力センサでは、ゲージ抵抗3〜
6の抵抗値および印加圧力に対する抵抗変化率ができる
だけ均一であることが要求される。
ゲージ抵抗3〜6の抵抗値が揃っていれば零オフセット
および温度ドリフトを小さくすることができる。また、
抵抗変化率が揃っていれば秀れた直線性を得ることがで
きる。
ゲージ抵抗の抵抗値の不均一性は、面積に逆比例する。
そこで例えば第4図に示すようにゲージ抵抗3.6に近
接してゲージ抵抗3’、6’を形成し、ゲージ抵抗3.
3’、4.5かゲージ4 、5 、6 、6’かのいず
れかよい方の組合せでブリッジを構成する方法が提案さ
れている。また、更に均一な抵抗値を得るために隣接す
るゲージ抵抗を互いに入り組んだパターンにすることも
提案されている。
一方、ゲージ間の印加圧力に対する抵抗変化率の不均一
性は、主として製造時の目合せ誤差によるダイアフラム
穴とゲージ抵抗の位置ずれによって生じる。すなわち、
ダイアフラム穴が第1図の破線から、例えば一点鎖線で
示す位置にずれた場合、各ゲージ抵抗位置のダイアフラ
ム中心からの距離が実効的に変化し、その結果、ゲージ
位置の応力すなわち各ゲージの抵抗変化率が変化する。
部に配置されたゲージ抵抗3,6について特に著しく、
その結果、ゲージ抵抗3と6の印加圧力に対する抵抗変
化率は著しく不均衡となシ、圧力特性の直線性は劣化す
る。また、上記位置ずれは目合せ誤差によって生じるも
のであるからウェハー間で異なることが予想され、これ
は素子間の特性はらつきの原因になる。しかも、ダイア
フラム穴とゲージ抵抗の位置は両面回合わせによって行
なわれるものであるから、位置ずれを無くすることは製
造技術的に非常に困難である。
以上のように上記従来技術では、ダイアフラム穴とゲー
ジ抵抗の位置ずれによって、ゲージ位置での応力分布が
夏化し、これが圧力感度の非直線性と素子間ばらつきの
原因となっていた。
この発明は上記従来技術の欠点を解消するためになされ
たもので、その目的は上d己ダイアスラム穴とゲージ抵
抗の位置ずれによる圧力感度の非直線性と素子間ばらつ
きを除去し得る構成を備えたダイアフラム形半導体圧力
センサを提供することにある。
この発明は、半導体基板に形成されたダイアフラム上に
配設された複数個の拡散層ゲージ抵抗を用いてブリッジ
回路を構成する圧力センサにおいて、前記ブリッジ回路
の少なくとも一辺を、前記ダイアフラムの中心線に対し
て両側に配置された少なくとも2個以上のゲージ抵抗の
直列接続で構成するもので、前記ダイアフラム穴とゲー
ジの位置ずれによって生じる各ゲージの抵抗変化率の不
均衡を位置ずれの影響を逆に被るゲージ抵抗を直列接続
することによシ平均化し、ブリッジ各辺の均一化をはか
ることを要旨、としている。
以下、実施例とともに、この発明の詳細な説明する。
第5図、第6図にこの発明をn形シリコン基板を用いた
圧力センサに適用した場合の一実施例におけるゲージ抵
抗の配置とブリッジ回路の構成を示す。第5図において
、円形ダイアフラム2は第5− 1図の場合と同じくn形シリコン基板1の裏面に形成さ
れている。そして、との実施例では、ダイアフラム2の
圧力が印加される側とは反対側の表面に6個のP形ゲー
ジ抵抗11.11’、12,13゜14 、14’が、
中央部に21rlA(12と13)、周辺部に4個(1
1,11’、14.14’)、それぞれ長手方向が<1
io>結晶軸と合致するように選択拡散されている。そ
して、第6図に示すように周辺部に配置された各ゲージ
抵抗11.11’、14.14’の内、互いに点対称の
位置にある11と14および11′と14′がそれぞれ
直列接続されて中央部に配置されたゲージ抵抗12およ
び13とともにブリッジ回路の一辺を構成している。な
お、ブリッジ回路の平衡を保つため、周辺部のゲージ抵
抗11.11’。
14 、14’の印加圧力学のときの抵抗値は中央部の
ゲージ抵抗12.13のそれの1/2に選ばれる。
次に本実施例の効果について説明する。第5図において
ダイアフラム2の位置が破線から一点鎖点で示す位置に
ずれた場合、ダイアフラム中心からの距離が相対的KK
化することによシ、前述の6− ように各ゲージの抵抗変化率が変化する。第5図の例で
は、ゲージ抵抗11 、11’はダイアフラム中心から
の距離が小さくなるので抵抗変化率が低下し、逆にゲー
ジ抵抗14 、14’はダイアフラム中心からの距離が
大きくなるので抵抗変化率が上昇する。この実施例では
、ゲージ抵抗11と14、ゲージ抵抗11′と14′が
それぞれ直列接続されているため、位置ずれによる抵抗
変化率の増減がブリ1= ッジの一辺内で互蓼キャンセルされる。また、11と1
1’、14と14′は互いに近接して配置されているの
で抵抗値の均一性が満足されておシ、これらの直列接続
によシ構成されるブリッジ辺の抵抗値の均一性も満足さ
れる。したがって、この実施例によれば、ブリッジ各辺
の抵抗値と抵抗変化率が殆んど均一にされた温度ドリフ
トの小さい、直線性に優れた半導体圧力センサが得られ
る。
なお、上記実施例では、簡単のため、一方向性(横方向
)の位置ずれが生じた場合につき説明を行なったが、互
いに点対称にあるゲージ抵抗11と14および11′と
14′が直列されているので、横方向と縦方向の位置ず
れが生じた場合にも同様の効果が得られる。
また、上記実施例では比較的抵抗変化率の傾斜が緩やか
な中央部のゲージ抵抗については1個で一辺を構成した
が、第7図に示したように中央部にも4個のゲージ抵抗
15.15’ 、16.16’を配設し、15と16.
15’と16′の直列接続を対向させて第8図に示すよ
うなブリッジ回路を構成しても同様な効果が得られる。
次に、この発明を(Zoo)面方位n形シリコン基板を
用いたダイアスラム形圧カセンサに適用した場合につい
て、第2の実施例を説明する。第9図と第10図にこの
実施例におけるゲージ抵抗の配列とブリッジの回路構成
を示す。この例では、ダイアフラム2上の周辺部に8個
のP形ゲージ抵抗21〜24.21’〜24′がそれぞ
れ長手方向が<110>結晶軸と合致するように選択拡
散されておシ、かつ21と21’、22と22’、23
と23’、24と24′はそれぞれ互いに平行かつ近接
して配置されている。これらは、21.21’ 、 2
4 、24’が法線方向に、22.22’ 、23.2
3’が接線方向にそれぞれ長手方向を有するゲージ抵抗
である。そしてブリッジ回路は、第10図に示すように
、法線方向に長手方向を有するゲージ抵抗では点対称に
位置するもの同志21と24および21′と24′が、
接線方向に長手方向を有するゲージ抵抗では外側のもの
と内側のもの、22と23および22′と23′がそれ
ぞれ直列接続されて各辺が構成されている。この場合、
各辺を構成する2個のゲージ抵抗の位置ずれによる抵抗
変化率の変化は互いに逆向きとなるのでキャンセルされ
、均一化される。また、異なる風域に配置されたゲージ
抵抗が直列接続されるので、抵抗値のばらつきは平均化
され、各辺の抵抗値は均一化される。したがって、この
実施例においても前記第1の実施例と同様、ブリッジ各
辺の抵抗値と抵抗変化率が均一にされた温度ドリフトの
小さい、圧力感度の直線性に優れた半導体圧力センサが
得られる。また圧力感度の素子間ばらつきも小さくでき
る。
以上、ゲージ抵抗を中央部と周辺部に配列する9− 場合および周辺部にのみ配列する場合につき、2つの実
施例を挙げて説明した。説明はn型シリコン基板、P形
ゲージ抵抗を用いたが、本発明はシリコン基板の導′電
型、面方位、ゲージ抵抗の導電型、結晶軸方向を一切限
定しない。また、この発明はフルブリッジ回路に限らず
ハーフブリッジ回路にも適用される。この場合、第1図
および第2図に示したゲージ抵抗配列を用い、第11図
に示すようにブリッジ回路を構成すればよい。なお、同
図において、Rは固定抵抗である。さらに以上の例では
ブリッジの一辺を2個のゲージ抵抗で構成していたが、
直列接続するゲージ抵抗の数を2個以上、例えば4 i
f! 、 8個等に選ぶことも可能である。
以上の説明から明らかなように、この発明によればブリ
ッジ各辺の抵抗値および抵抗変化率が均一化され、温度
ドリフト、非百線娯差および素子間特性ばらつきの小さ
い、高性能、高信頼性かつ量産に適した半導体圧力セン
サを得ることができる。
10−
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第4図は従来例で、第1図及び第2図は代表
的なゲージ抵抗の配列と各ゲージの位置による抵抗変化
率を示す図、第3図はブリッジ回路の構成図、第4図は
ゲージ抵抗の均一化をはかるためのパターンを示す図で
ある。第5図乃至第11図はこの発明の各実施例におけ
るゲージ抵抗の配列とブリッジ回路の構成を示す図で、
第5゜第7.第9図はゲージ抵抗配列の例を第6.第8
゜第10図は対応するフルブリッジ回路の構成例を示し
ている。第11図はハーフブリッジ回路の構成例を示す
。 l・・・・・・半導体基板 2・・・・・・ダイア7ラム 7・・・・・・電圧源   8−・・・・電流源9.1
0・−・・・・出力端子 γ・・・・・・固定抵抗 −11−代理人弁理士内原  晋 第 1 図 〈00ブン 鴻 2 図 犠3ワ 謔4図 謀 5 図 築7図 纂 91

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 半導体基板に形成されたダイアフラム上に配設された複
    数個の拡散層ゲージ抵抗を用いてブリッジ回路を構成す
    る圧力センサにおいて、前記ブリッジ回路の少なくとも
    一辺を前記ダイアフラムの中心線に対して両側に配置さ
    れた少なくとも2個以上のゲージ抵抗の直列接続によ多
    形成したことを特徴とするダイアフラム形半導体圧力セ
    ンサ。
JP381283A 1983-01-13 1983-01-13 ダイアフラム形半導体圧力センサ Pending JPS59127876A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0833137A2 (en) * 1996-09-30 1998-04-01 Motorola, Inc. Circuit and method of compensating for membrane stress in a sensor
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