JPS5924552B2 - シリコンダイアフラム形ひずみゲ−ジ - Google Patents
シリコンダイアフラム形ひずみゲ−ジInfo
- Publication number
- JPS5924552B2 JPS5924552B2 JP4139677A JP4139677A JPS5924552B2 JP S5924552 B2 JPS5924552 B2 JP S5924552B2 JP 4139677 A JP4139677 A JP 4139677A JP 4139677 A JP4139677 A JP 4139677A JP S5924552 B2 JPS5924552 B2 JP S5924552B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gauge
- resistance
- stress
- radial
- tangential
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- Expired
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はダイアフラムの作用をするシリコン単結晶板上
に、反対導電形のゲージ抵抗を不純物を選択的に拡散す
ることによれ形成させ、これのピエゾ抵抗効果を利用し
て圧力を電気信号に変換して測定するシリコンダイアフ
ラム形ひずみゲージの改良に関する。
に、反対導電形のゲージ抵抗を不純物を選択的に拡散す
ることによれ形成させ、これのピエゾ抵抗効果を利用し
て圧力を電気信号に変換して測定するシリコンダイアフ
ラム形ひずみゲージの改良に関する。
従来のこの種シリコンダイアフラム形ひずみゲージは、
例えば、（１１０）面のｎ形半導体のシリコン単結晶板
の表面の＜１１１〉軸に沿つてｐ形半導体ゲージ抵抗を
配列していたが、圧カー出力電圧の直線性が不十分で、
また、温度影響が大きいという欠点があＶ、さらに、製
品毎の特性のばらつきが大きいという問題があつた。
例えば、（１１０）面のｎ形半導体のシリコン単結晶板
の表面の＜１１１〉軸に沿つてｐ形半導体ゲージ抵抗を
配列していたが、圧カー出力電圧の直線性が不十分で、
また、温度影響が大きいという欠点があＶ、さらに、製
品毎の特性のばらつきが大きいという問題があつた。
本発明は上記に鑑みてなされたものであつて、その目的
とするところは、直線性が良好で温度影響が小さいシリ
コンダイアフラム形ひずみゲージを提供することにある
。
とするところは、直線性が良好で温度影響が小さいシリ
コンダイアフラム形ひずみゲージを提供することにある
。
本発明の特徴は、〔１１０〕面のダイアフラムとして作
用するｎ形半導体のシリコン単結晶板の＜１１０＞軸方
向に少なくとも１つの半径方向のｐ形半導体よりなるゲ
ージ抵抗を形成させ、く１１０〉軸と４５度をなす方向
に少なくとも１つの接線方向のｐ形半導体よりなるゲー
ジ抵抗を形成させた点にある。
用するｎ形半導体のシリコン単結晶板の＜１１０＞軸方
向に少なくとも１つの半径方向のｐ形半導体よりなるゲ
ージ抵抗を形成させ、く１１０〉軸と４５度をなす方向
に少なくとも１つの接線方向のｐ形半導体よりなるゲー
ジ抵抗を形成させた点にある。
まず、ダイアフラムの作用をするシリコン単結晶板の表
面に形成配列した半導体ゲージ抵抗の抵抗変化を理論的
に解析してみることにする。
面に形成配列した半導体ゲージ抵抗の抵抗変化を理論的
に解析してみることにする。
周辺固定モデルのダイアフラム上に配列した半導体ゲー
ジ抵抗は、第１図に示すような応力を受ける。ここで、
半径方向応力σｒと接続方向応力σｔは、それぞれ次式
で表わされる。ここに、γ＝ｒ／Ａ ａ；ダイアフラムの半径 ｈ；ダイアフラムの厚さ ν；ボアソン比 Ｐ；圧力 そして半径方向のゲージ抵抗（電流を流す長手方向が半
径方向に配列されているゲージ抵抗）の抵抗変化は、同
じく接線方向のゲージ抵抗（電流を流す長手方向が接線
方向に配列されているゲージ抵抗）の抵抗変化は、ここ
に、π１；電流を流す長手方向と応力の方向が一致して
いるときのビエゾ抵抗係数 πＴ；電流を流す長手方向と応力の方 向が直交しているときのビエゾ 抵抗係数 ＫＬ；ゲージ抵抗の半径方向応力によ る抵抗変化の２次係数 ＫＴ；ゲージ抵抗の接線方向応力によ る抵抗変化の２次係数 これらの式のビエゾ抵抗係数πＬ，πＴは、シリコン単
結晶板中の不純物が決まると、結晶方向のみに依存する
。
ジ抵抗は、第１図に示すような応力を受ける。ここで、
半径方向応力σｒと接続方向応力σｔは、それぞれ次式
で表わされる。ここに、γ＝ｒ／Ａ ａ；ダイアフラムの半径 ｈ；ダイアフラムの厚さ ν；ボアソン比 Ｐ；圧力 そして半径方向のゲージ抵抗（電流を流す長手方向が半
径方向に配列されているゲージ抵抗）の抵抗変化は、同
じく接線方向のゲージ抵抗（電流を流す長手方向が接線
方向に配列されているゲージ抵抗）の抵抗変化は、ここ
に、π１；電流を流す長手方向と応力の方向が一致して
いるときのビエゾ抵抗係数 πＴ；電流を流す長手方向と応力の方 向が直交しているときのビエゾ 抵抗係数 ＫＬ；ゲージ抵抗の半径方向応力によ る抵抗変化の２次係数 ＫＴ；ゲージ抵抗の接線方向応力によ る抵抗変化の２次係数 これらの式のビエゾ抵抗係数πＬ，πＴは、シリコン単
結晶板中の不純物が決まると、結晶方向のみに依存する
。
例えば、ｐ形半導体のシリコン単結晶板の〔１１０〕面
の場合は、第２図に示すように、く１１０〉軸訃よびく
１００〉軸に関して対称で、π，は負符号をもつ。感度
だけに注目すれば、πＬの最大であるく１１１〉軸方向
を選んでゲージ抵抗が配置すればよいが、（１）〜（４
）式｝よび第１図から明らかなように、ゲージ抵抗の電
流の流れる長手方向訃よびこれと直角方向の応力の２次
項がゲージ抵抗の抵抗変化に非直線誤差を生ぜしめるの
で、感度と直線性の両方を考慮してゲージ抵抗の方向と
位置を決める必要がある。第１図において、半径方向の
ゲージ抵抗Ｇｒは、大きい抵抗変化を得るため、半径方
向応力σｒが大きいダイアフラムの端部に近い位置へ配
置する。
の場合は、第２図に示すように、く１１０〉軸訃よびく
１００〉軸に関して対称で、π，は負符号をもつ。感度
だけに注目すれば、πＬの最大であるく１１１〉軸方向
を選んでゲージ抵抗が配置すればよいが、（１）〜（４
）式｝よび第１図から明らかなように、ゲージ抵抗の電
流の流れる長手方向訃よびこれと直角方向の応力の２次
項がゲージ抵抗の抵抗変化に非直線誤差を生ぜしめるの
で、感度と直線性の両方を考慮してゲージ抵抗の方向と
位置を決める必要がある。第１図において、半径方向の
ゲージ抵抗Ｇｒは、大きい抵抗変化を得るため、半径方
向応力σｒが大きいダイアフラムの端部に近い位置へ配
置する。
このようにすると、（３）式の抵抗変化率を低下させる
方向に接線方向応力σｔが作用するので、この影響をな
くすため、第２図において、接線方向感度πＴがほとん
どないく１１０〉軸方向に配列するのがよいことがわか
る。このとき、（３）式の２次係数は、ＫＬ〉０，ＫＴ
＝ＯとなＤ１負の非直線誤差（第４図ａに示すように応
力に対して尻上ｂ的に抵抗変化が増加する）を有する。
一方、接続方向のゲージ抵抗Ｇｔは、第２図に示すよう
に、く１１０〉軸と４５度をなす結晶軸方向で、πＴが
最大値を示す変曲点に配列レかつ、第１図に示すように
、半径方向応力σｒが零付近で、接線方向応力σｔが若
干生ずる位置に配置する。このとき、（４）式の２次係
数は、ＫＬ＜０，ＫＴ〉０となる。ところで、発明者等
の実験によれば、ＫＬ〉くＫＴで、半径方向応力σｒが
大きい非直線誤差発生の要因になる。また、この係数の
温度影響も同じ関係にある。σｒ＝Ｏの位置に配置しな
い理由は、逆にこの非直線誤差発生の要印となるσｒを
利用して接線方向のゲージ抵抗による非直線誤差の値を
半径方向のゲージ抵抗のそれに等しくして相殺させ、第
３図に示すように、半径方向のゲージ抵抗Ｇｒと接続方
向のゲージ抵抗Ｇｔとで４アクテイブブリツジを組んだ
ときの出力電圧ｅの非直線誤差を小さくするためである
。しかＬＫＴの値は、ＫＬの値に比べて大きいので、製
作毎の結晶軸からのずれによつて非直線誤差が大きくば
らつくことが顕念される。このため、第２図のπＴの変
曲点となるく１１０〉軸から４５度ずれた軸方向を選択
して、ここに接続方向のゲージ抵抗Ｇｔを配列する。（
３），（４）式の２次係数は、ビエゾ抵抗効果の非直線
項と圧力ー応力の変換過程に含まれるダイアフラム応力
効果による非直線項との和であるが、後者の非直線量は
、ダイアフラムの直径と厚みの比に大きく左右されるの
で、測定範囲の異なるダイアフラムごとに最適なゲージ
抵抗位置があり、これは接続方向のゲージ抵抗の位置を
若干ずらすことによつて調整すればよい。第５図は、上
記した理由にもとずき構成した本発明のシリコンダイア
フラム形ひずみゲージの一実施例を示す構成図で、第５
図ａは平面図、第５図ｂは縦断面図である。第５図にお
いて、１０は〔１１０〕面のｎ形半導体のシリコン単結
晶板で、中央部に凹部１１があつて薄肉部１２が形成さ
れていて、この薄肉部１２を起歪部とするダイアフラム
として作用する。１，２は薄肉部１２の上面の〈１１０
〉軸に沿つて半径方向に配列した半径方向のゲージ抵抗
で、ｐ形不純物を選択的に拡散して形成させたｐ形半導
体よ勺なつている。
方向に接線方向応力σｔが作用するので、この影響をな
くすため、第２図において、接線方向感度πＴがほとん
どないく１１０〉軸方向に配列するのがよいことがわか
る。このとき、（３）式の２次係数は、ＫＬ〉０，ＫＴ
＝ＯとなＤ１負の非直線誤差（第４図ａに示すように応
力に対して尻上ｂ的に抵抗変化が増加する）を有する。
一方、接続方向のゲージ抵抗Ｇｔは、第２図に示すよう
に、く１１０〉軸と４５度をなす結晶軸方向で、πＴが
最大値を示す変曲点に配列レかつ、第１図に示すように
、半径方向応力σｒが零付近で、接線方向応力σｔが若
干生ずる位置に配置する。このとき、（４）式の２次係
数は、ＫＬ＜０，ＫＴ〉０となる。ところで、発明者等
の実験によれば、ＫＬ〉くＫＴで、半径方向応力σｒが
大きい非直線誤差発生の要因になる。また、この係数の
温度影響も同じ関係にある。σｒ＝Ｏの位置に配置しな
い理由は、逆にこの非直線誤差発生の要印となるσｒを
利用して接線方向のゲージ抵抗による非直線誤差の値を
半径方向のゲージ抵抗のそれに等しくして相殺させ、第
３図に示すように、半径方向のゲージ抵抗Ｇｒと接続方
向のゲージ抵抗Ｇｔとで４アクテイブブリツジを組んだ
ときの出力電圧ｅの非直線誤差を小さくするためである
。しかＬＫＴの値は、ＫＬの値に比べて大きいので、製
作毎の結晶軸からのずれによつて非直線誤差が大きくば
らつくことが顕念される。このため、第２図のπＴの変
曲点となるく１１０〉軸から４５度ずれた軸方向を選択
して、ここに接続方向のゲージ抵抗Ｇｔを配列する。（
３），（４）式の２次係数は、ビエゾ抵抗効果の非直線
項と圧力ー応力の変換過程に含まれるダイアフラム応力
効果による非直線項との和であるが、後者の非直線量は
、ダイアフラムの直径と厚みの比に大きく左右されるの
で、測定範囲の異なるダイアフラムごとに最適なゲージ
抵抗位置があり、これは接続方向のゲージ抵抗の位置を
若干ずらすことによつて調整すればよい。第５図は、上
記した理由にもとずき構成した本発明のシリコンダイア
フラム形ひずみゲージの一実施例を示す構成図で、第５
図ａは平面図、第５図ｂは縦断面図である。第５図にお
いて、１０は〔１１０〕面のｎ形半導体のシリコン単結
晶板で、中央部に凹部１１があつて薄肉部１２が形成さ
れていて、この薄肉部１２を起歪部とするダイアフラム
として作用する。１，２は薄肉部１２の上面の〈１１０
〉軸に沿つて半径方向に配列した半径方向のゲージ抵抗
で、ｐ形不純物を選択的に拡散して形成させたｐ形半導
体よ勺なつている。
３，４は薄肉部１２の上面のく１１０〉軸から４５度を
なす軸に直交した接線方向に配列した接線方向のゲージ
抵抗で、上記と同様ｐ形半導体よ勺なつている。
なす軸に直交した接線方向に配列した接線方向のゲージ
抵抗で、上記と同様ｐ形半導体よ勺なつている。
５はゲージ抵抗１〜４に接続されたＡｌ蒸着電極で、そ
れぞれの電極５にはリード線６がボンデイングされてい
る。
れぞれの電極５にはリード線６がボンデイングされてい
る。
なお、一般にシリコン単結晶板１０の固定部１３は、筐
体１５に接着剤１４を用いて気密に固着されて使用され
る。このような構成にしておいて、シリコンダイアフラ
ム（シリコン単結晶板）１０の上面に圧力Ｐを作用する
と、薄肉部１２が変形−ゲージ抵抗１〜４はそれぞれ応
力を受けて、ビエゾ抵抗効果にもとずく抵抗変化を生じ
るから、これを利用して圧力を測定することができる。
この場合、半径方向ゲージ抵抗１，２は正の抵抗変化を
生じ、接線方向ゲージ抵抗３，４は負の抵抗変化を生じ
るから、これらのゲージ抵抗１〜４で、第３図に示すブ
リツジ回路を構成すれば、その出力端子からノ圧力Ｐに
比例した電気信号が高感度で得られる。
体１５に接着剤１４を用いて気密に固着されて使用され
る。このような構成にしておいて、シリコンダイアフラ
ム（シリコン単結晶板）１０の上面に圧力Ｐを作用する
と、薄肉部１２が変形−ゲージ抵抗１〜４はそれぞれ応
力を受けて、ビエゾ抵抗効果にもとずく抵抗変化を生じ
るから、これを利用して圧力を測定することができる。
この場合、半径方向ゲージ抵抗１，２は正の抵抗変化を
生じ、接線方向ゲージ抵抗３，４は負の抵抗変化を生じ
るから、これらのゲージ抵抗１〜４で、第３図に示すブ
リツジ回路を構成すれば、その出力端子からノ圧力Ｐに
比例した電気信号が高感度で得られる。
なお、半径方向ゲージ抵抗１，２は、第１図に示すよう
に、接線方向応力σｔが零となる付近より外側に配置し
、接線方向ゲージ抵抗３，４は、これより内側の半径方
向応力σｒが零となる付近に配置することが望ましい。
その理由は上記した通ｂである。上記したよう本発明の
実施例によれば、 （１）低圧用ないし高圧用シリコンダイアフラムを製作
する場合、膜応力による非直線誤差の補正をして圧力ー
出力電圧の直線性の良好なものとすることができる。
に、接線方向応力σｔが零となる付近より外側に配置し
、接線方向ゲージ抵抗３，４は、これより内側の半径方
向応力σｒが零となる付近に配置することが望ましい。
その理由は上記した通ｂである。上記したよう本発明の
実施例によれば、 （１）低圧用ないし高圧用シリコンダイアフラムを製作
する場合、膜応力による非直線誤差の補正をして圧力ー
出力電圧の直線性の良好なものとすることができる。
（２）半径方向ゲージ抵抗と接線方向ゲージ抵抗の双方
がそれの長手方向の応力が支配的になつているので、非
直線量を表わす２次係数とその温度係数が小さく、広い
温度範囲にわたＤ１直線性が良好なものとすることがで
きる。
がそれの長手方向の応力が支配的になつているので、非
直線量を表わす２次係数とその温度係数が小さく、広い
温度範囲にわたＤ１直線性が良好なものとすることがで
きる。
（３）半径方向ゲージ抵抗と接線方向ゲージ抵抗とが結
晶軸の方位誤差による非直線誤差が小さい方位に配置し
てあるので、製作による非直線誤差のばらつきがほとん
ど生じない。
晶軸の方位誤差による非直線誤差が小さい方位に配置し
てあるので、製作による非直線誤差のばらつきがほとん
ど生じない。
以上説明したように、本発明によれば、直線性が良好で
、温度影響が小さいという顕著な効果がある。
、温度影響が小さいという顕著な効果がある。
第１図はダイアフラム上のゲージ抵抗が受ける応力の大
きさの説明図、第２図はｎ形半導体の〔１１０］面のシ
リコン単結晶板のｐ形半導体のゲージ抵抗のビエゾ抵抗
係数の特性曲線図、第３図はゲージ抵抗によるブリツジ
回路図、第４図は非直線誤差に関する２次係数の説明図
、第５図ａは本発明のシリコンダイアフラム形ひずみゲ
ージの一実施例を示す平面図、第５図ｂは第５図ａの縦
断面図である。 １，２・・・・・・半径方向のゲージ抵抗、３，４・・
・・・・接線方向のゲージ抵抗、５・・・・・・電極、
６・・・・・・りード線、１０・・・・・・ｎ形半導体
のシリコン単結晶板（シリコンダイアフラム）。
きさの説明図、第２図はｎ形半導体の〔１１０］面のシ
リコン単結晶板のｐ形半導体のゲージ抵抗のビエゾ抵抗
係数の特性曲線図、第３図はゲージ抵抗によるブリツジ
回路図、第４図は非直線誤差に関する２次係数の説明図
、第５図ａは本発明のシリコンダイアフラム形ひずみゲ
ージの一実施例を示す平面図、第５図ｂは第５図ａの縦
断面図である。 １，２・・・・・・半径方向のゲージ抵抗、３，４・・
・・・・接線方向のゲージ抵抗、５・・・・・・電極、
６・・・・・・りード線、１０・・・・・・ｎ形半導体
のシリコン単結晶板（シリコンダイアフラム）。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ダイアフラムの作用をするｎ形半導体の〔１１０〕
面のシリコン単結晶板よりなり、該単結晶板上の＜１１
０＞軸に少なくとも１つの半径方向のゲージ抵抗を、＜
１１０＞軸と４５度をなす軸に少なくとも１つの接線方
向のゲージ抵抗をそれぞれ不純物を選択的に拡散するこ
とによりｐ形半導体として形成させてあることを特徴と
するシリコンダイアフラム形ひずみゲージ。 ２ 半径方向のゲージ抵抗をシリコン単結晶板の接線方
向応力が零となる付近より外側に配置し、接線方向のゲ
ージ抵抗を前記半径方向のゲージ抵抗が配置される部分
より内側の前記シリコン単結晶板の半径方向応力が零と
なる付近に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載のシリコンダイアフラム形のひずみゲージ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4139677A JPS5924552B2 (ja) | 1977-04-13 | 1977-04-13 | シリコンダイアフラム形ひずみゲ−ジ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4139677A JPS5924552B2 (ja) | 1977-04-13 | 1977-04-13 | シリコンダイアフラム形ひずみゲ−ジ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS53126880A JPS53126880A (en) | 1978-11-06 |
| JPS5924552B2 true JPS5924552B2 (ja) | 1984-06-09 |
Family
ID=12607208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4139677A Expired JPS5924552B2 (ja) | 1977-04-13 | 1977-04-13 | シリコンダイアフラム形ひずみゲ−ジ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5924552B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58110819U (ja) * | 1982-01-22 | 1983-07-28 | マツダ株式会社 | 半導体流量センサ |
| JPS60258972A (ja) * | 1984-06-05 | 1985-12-20 | Fujikura Ltd | 半導体圧力センサの温度補償方法 |
| JPS6378229U (ja) * | 1986-11-10 | 1988-05-24 | ||
| US5432372A (en) * | 1993-01-14 | 1995-07-11 | Yamatake-Honeywell Co., Ltd. | Semiconductor pressure sensor |
| JP2007161269A (ja) * | 2005-12-12 | 2007-06-28 | Mitsubishi Alum Co Ltd | カップ容器用紙製トレイ |
-
1977
- 1977-04-13 JP JP4139677A patent/JPS5924552B2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS53126880A (en) | 1978-11-06 |
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