JPS61163667A - 感度自己温度補償型歪検出素子 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体歪検出素子に関するものであり、詳細に
はブラダｖ　ＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏ
ｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、起歪部を構成
する基板の歪量温度係数を補償するような温度特性を有
した半導体とニジ抵抗ゲージを前記基板上に形成した歪
検出素子に関するものである。

〔従来技術〕

従来から半導体歪ゲージを製造する方法には種々のもの
がある。例えば真空蒸着またはスパッタリング法などに
より薄膜歪ゲージを形成する方法、あるいは結晶性シリ
コンを細長い薄片状に切り出して半導体歪ゲージを得る
方法などがある。

これらの方法によって得られた半導体歪ゲージは、起歪
部（例えば、金属板、ベローズ、金属ダイヤフラムなと
）に貼着、接着または蒸着などして歪検出素子とし、ざ
らに起歪部付近又は歪検出素子の外部に感度温度補償用
抵抗部を貼着等により付設し、この感度温度補償用抵抗
部を前記歪検出素子の入力段に直列または並列にトラン
ジスタや固定抵抗とともに挿入したり、あるいは前記歪
検出素子の出力段増幅器のフィードバック回路に挿入し
て増幅率を変化させることなどにより感度温度補償を行
なっていた。

また単結晶基板内に不純物選択拡散により基板と異種タ
イプの半導体歪ゲージブリッジを形成して歪検出素子と
し、さらに単結晶基板内に拡散により感度温度補償抵抗
領域を形成し、上記と同様の位置に感度温度補償用抵抗
領域を挿入することによって感度温度補償を行なってい
た。

第９図なしい第１０図は従来の拡散型圧力センサーの起
歪部を示すものであり、符号１は基板を構成するシリコ
ンチップで、同シリコンチップ１の中央部には凹部を形
成してダイヤフラム部２を構成している。そして前記ダ
イヤフラム部２に拡散型ピエゾ抵抗素子３が形成され、
さらに感９度温度補償を行うための拡散型感度温度補償
部４が形成されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の単結晶切断および真空蒸着の前二
者の方法による歪検出素子は、抵抗およびゲージ率につ
いての温度係数が小さくかつ使用温度範囲が広いという
利点を持つが、切断方法や不純物１度のばらつきなどの
ため感度温度補償を行う必要があり、そのため感温抵抗
等により外部または内部補償を行なっていた。

また後者の拡散型ピエゾ抵抗素子を用いる歪検出素子の
場合には、抵抗およびゲージ率の感度温度係数が各々２
０００ＥＩＤｌ／℃、−１０００１）Ｉ）１１１７℃で
あり、共に大きいために、外付又は同時に形成されたト
ランジスタ等の能動素子あるいは感温抵抗により温度補
償を行う必要がある。

このように感度温度補償手段を別途画けることは、製作
工程の１１化をもたらすのみならず、素子点数の増加に
より信頼性の低下や応答性の劣化を引き起こすという問
題点があった。

本発明は上記事情に鑑みて９１案されたもので、その目
的とする所は、起歪部を構成する基板の歪量温度係数を
補償するような温度特性を有した半導体ピエゾ抵抗ゲー
ジを提供する点にある。

〔問題点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、起歪部を構成する
基板上にこの基板の歪量温度係数を補償するような温度
特性を有したピエゾ抵抗ゲージをプラズマＣＶＤ法を用
いて形成し、このピエゾ抵抗ゲージによりホイートスト
ンブリッジを構成したものである。

〔作　用〕

本発明は、プラズマＣＶＤ装置を利用して、水素化ケイ
素ガスに水素化ホウ素ガスを導入し、その反応条件など
を変える事により、ピエゾ抵抗ゲージの感度温度係数を
コントロールし、このピエゾ抵抗ゲージの基板の歪量の
温度係数を補償するものである。

〔実施例〕

以下、第１図ないし第８図に示した実施例に基づいて本
発明の詳細な説明する。

第１図ないし第２図において、符号１は金属性の基板で
あり、同基板１は例えばステンレスの一体成形により製
造したものであり、この基板１の下部に凹部を形成する
ことにより円形の薄板部１ａを形成して圧力を受けるダ
イヤフラムとし、このダイヤフラムにより起歪部を構成
している。

前記基板１の上面を研磨したのち、この上面に層間絶縁
用のシリコン酸化膜（Ｓ　ｉ　Ｏ２膜）２をプラズマＣ
ＶＤ法より形成し、さらにこのシリコン酸化膜２上にプ
ラズマＣＶＤ法によってシリコン１１Ｗ１を析出させる
。

そして前記シリコン１ｍｌにホトエツチングを施し、第
１図および第２図に示すように部分的にシリコンＩＩＩ
を残してその他の部分を除去せしめ、残されたシリコン
ｍ膜によりピエゾ抵抗ゲージ３を形成する。

さらに前記ピエゾ抵抗ゲージ３に金などの金属を蒸着し
て電極を形成し、この電極にリード線を超音波□ポンデ
ィ°ングによって添着する。そして電極およびリード線
を適宜接続することによりホイートストンブリッジを構
成して、このホイートストンブリッジで直接圧力を測定
する。次に、基板１にシリコン酸化１！２を析出し、さ
らに同シリコン酸化躾２上にシリコン簿膜を析出させる
ためのプラズマＣＶＤ法を遂行するためのプラズマＣＶ
Ｄ装置について説明する。

本発明に係るピエゾ抵抗ゲージ３の製造に用いるプラズ
マＣＶＤ１ａｌには、誘導結合方式および音階結合方式
のものがある（詳しくは、菅野卓雄編著１半導体プラズ
マプロセス技術Ｊ産業図書）。

ここでは、容量結合型プラズマＣＶＤ装置を使用した場
合について述べる。

第３図は、容量結合型プラズマＣＶＤ装置の一実施例で
あり、反応室１１内には丸型の基板電極１２と高周波電
極１３が対向して配設されている。

また反応室１１の外側部近傍には、真空ポンプ（図示せ
ず）に連通するための連通路１４．１４が形成されてい
て、前記真空ポンプにより反応室１１内が排気されるよ
うになっている。

一方、前記基板電極１２の中央部にはガス導入路１５が
形成されていて、このガス導入路１５から水素化ケイ素
ガスや水素化ホウ素ガスなどの反応ガスが導入されるよ
うになっている。

そして、前記基板電極１２は磁気回転機構１６により回
転可能に構成されている。

また、前記基板電極１２の下方にはヒータ１７が配設さ
れていて、同ヒーター７により反応室１１内の基板電極
１２の温度がコントロールされるようになっている。

次に上記装置によりシリコン酸化膜２上にシリコン１ｉ
ｌｌｌを析出させる方法について説明する。

まず、シリコン酸化ｌＩ２を形成した基板１を反応室１
１内の基板電極１２上に配置し、同反応室１１内の空気
を前記真空ポンプにより排気する。

そしてガス導入路１５から、Ｓ　ｉ　Ｈ４ガス（）−１
９０％希釈）とＢ２Ｈ６ガス（１５０００１）ｌ。

Ｈ希釈）とを反応室１１内に導入し、ＳｉＨ４ガスと８
２Ｈ６ガスとの割合がモル比で１００二０．０１〜１０
０：２である混合ガスを反応ガスとして用いる。この反
応ガスに基板電極１２と高周波電極１３とにより高周波
電界を印加し、その電気的エネルギーを利用して反応ガ
スを活性化し、このプラズマ中で気体状物質を反応させ
てシリコン酸化ｎ２の表面に薄膜を析出させる。

ＳｉＨガスと８２　Ｈ６ガスの流量はニードルバルブで
微調整されて、たとえば８２Ｈ６ガスの流量は３０８Ｃ
ＣＭ　（２０℃１気圧での１分間あたりのｄ＞　、６０
８ＣＣＭ、９０８ＣＣＭ。

１２０ＳＣＣＭ、１５０８ＣＣＭに調整される。

また反応室１１内の圧力を約２，５Ｔｏｒｒに設定し、
この真空度はビラニー真空計を排気側に設けて測定した
。

さらに、基板温度（Ｔｓ）を５００℃、５５０℃、５７
５℃、６００℃、６２５℃、６５０℃に各々変えて、ピ
エゾ抵抗ゲージ３をそれぞれ調整した。

次に、上記のように調整したピエゾ抵抗ゲージ３とステ
ンレスダイヤフラムを構成する基板１との関係について
説明する。

上記ステンレスダイヤフラムに加わる圧力を周辺固定円
板の等分布荷重と等価とすると、ダイヤフラムの半径方
向および円周方向応力σ１．σ０は、圧力をＰ１ダイヤ
フラムの厚さをｈ、ポアソン比をν、ダイヤフラム半径
をａ、中心からの半径をｒとすると ・・・・・・・・・　（１） （１＋３ν）□〕　　・・・　（２） と表わされる。

そして、半径方向および円周方向のひずみをε１、εθ
とすると、 と表わされる。

一方ステンレスのヤング率の温度特性は、第４図のよう
に図示され、同図において、横軸が周囲温度Ｔ　（’Ｃ
）であり、たて軸がヤング率Ｅ（Ｋｙｆ／−）を示し、
また周囲温度Ｔ（’Ｃ）に対する歪Ｍεの変化は、第５
図のように図示され、同図において横軸が周囲温度Ｔ（
’Ｃ）であり、たて軸が歪量εを示ずものである。第５
図がこの様に表わせるのは（３）、（４）式においてヤ
ング率Ｅが分子にありかつヤング率Ｅの温度特性が降り
勾配にあるからである。

すなわち、第４図ないし第５図および（１）ないしく４
）式からステンレスダイヤフラムの温度が上昇すれば、
同ステンレスダイヤフラムの歪量も増加する関係にあり
、すなわち、歪量温度係数は正の傾向にある事がわかる
。

また、前記したプラズマＣｖＤ法によって１、反応条件
等を種々変えて調整したピエゾ抵抗素子の歪εに対する
電気抵抗（Ｒ）の変化の度合を示す抵抗変化率（ΔＲ／
Ｒ）を第６図に示す。

第６図で明らかなようにこのピエゾ抵抗素子は、ホウ素
添加のためにＰ型伝導を示し、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）
は引張りに対し増大、圧縮に対して減少し、本発明によ
るピエゾ抵抗素子は歪に対して直線性を有していること
がわかる。

次に上記ピエゾ抵抗素子からなるピエゾ抵抗ゲージ３の
周囲温度Ｔ（”Ｃ）に対するゲージ率Ｇの変化を第７図
に示す。ここでゲージ率Ｇは以下のように表わされる。

Ｇ＝（ΔＲ／Ｒ）／（Δｊ／１） ここにΔｊ／ｊは長さの変化率、すなわち歪εを示す。

この図から、基板温度約５５０℃で形成されたものは正
の周囲温度依存性を、また基板温度約５７５℃以上で形
成されたものは負の周囲温度依存性を有していることが
わかる。

第７図に加えて第８図に反応ガス中の水素化ホウ素添加
割合をパラメータとし、ピエゾ抵抗ゲージ３の周囲温度
Ｔ　（’Ｃ）に対するゲージ率変化を示す。

この図から水素化ホウ素の添加割合をコントロールする
ことにより所望のゲージ率変化を示ずピエゾ抵抗ゲージ
３が得られることがわかる。

すなわち、水素化ホウ素添加割合を種々変えることによ
り、周囲温度Ｔ（’Ｃ）の上昇方向に対しでゲージ率Ｇ
の減少の割合を変化させることができる。

ところでピエゾ抵抗ゲージの抵抗変化率ΔＲ／Ｒはゲー
ジ率Ｇおよび歪量εを用いて、べ （５）式で表わされ、またダイヤフラム温度Ｔ（’Ｃ）
の時のゲージ率Ｇ□および歪量ε１はゲージ率温度係数
αおよび歪量温度係数βを用いてＧ、　＝Ｇ　（１＋α
・Ｔ）　　　町・・・・・（６）ε丁＝ε（１＋β・Ｔ
）　　　制・・・・・（７）（６）式および（７）式で
表わされる。

したがって、ピエゾ抵抗ゲージの温度Ｔ　（’Ｃ）（８
）式で表わせることがわかる。

（８）式を見ると、起歪部ダイヤフラム（基板によって
構成される）の歪１１度係敗βとゲージ率温度係数αに
よりピエゾ抵抗ゲージの温度による抵抗変化率が決定で
き、又本実施例によるステンレスダイヤフラムとピエゾ
抵抗ゲージを使用した圧力センサーの出力はホイートス
トンブリッジ回路の入力電圧Ｅ・　これの出力電圧をＥ
　　と＋ｎ’　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
ｏｕｔすると （９）式で表わされる。

したがって、圧力センサーの感度温度係数γはγ＝α＋
β　　　　　　　　　・・・・・・・・・（１ｏ）（１
０）式で表わすことができ、これにより圧力センサーの
感度温度特性は、起歪部ダイセフラム（基板によって構
成される）の歪量温度係数βとゲージ率温度係数αによ
り決定される事がわかる。

ここでダイヤフラムの歪量温度係数βは第５図で図示さ
れるように昇り勾配にあり、ピエゾ抵抗ゲージ３のゲー
ジ率温度係数αは第７．８図で図示されるように概略降
り勾配にあることがわがっている。

したがって、ダイヤフラムの歪量温度係数βを補償（相
殺）するようなゲージ率温度係数αを有したピエゾ抵抗
ゲージ３を選択すれば、圧力センサーの感ｒ！１潟度係
数Ｔを零にすることができる。

したがって本発明による圧力センサーは感度温度補償部
なしに、ダイセフラムの歪量温度係数をピエゾ抵抗ゲー
ジのゲージ率温度係数が補償するものであり、この他に
プラズマＣＶＤ法の反応条件を変えることにより所望の
感度温度係数とゼロ点温度係数を有したピエゾ抵抗ゲー
ジを作成すれば、圧力センサーの温度係数を総合的に零
と、することができる。

本実施例においては、ステンレスからなる金属ダイヤフ
ラムへの適用について述べたが、種々の材質のダイヤフ
ラムにも勿論適用できるものである。

〔発明の効果］ 以上実施例の説明から明らかなように、本発明において
は、水素化ホウ素を含む水素化ケイ素ガスを用いたプラ
ズマＣＶＤ法により生成されたピエゾ抵抗ゲージの特性
を利用することにより、感温抵抗等の外部又は内部感度
温度補償を別設設ける必要がない圧力センサーとするこ
とができる。

すなわち、本発明によれば起歪部を構成する基板上にこ
の基板の歪量温度係数を補償するようなゲージ率温度係
数を有したピエゾ抵抗ゲージを形成することができ、こ
のとニジ抵抗ゲージによりホイートストンブリッジを構
成することにより、感度温度補償を行う抵抗等を別途設
けなくてもピエゾ抵抗ゲージ自身のゲージ率温度係数に
より起歪部を構成する基板の歪量温度係数を補償するこ
とができる。

また上記効果に伴いピエゾ抵抗ゲージ自体の製作工程の
簡略化を図ることができるとともに、素子点数の削減に
より信頼性の向上や応答性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る感麿自己ｍａＭ償型歪検出素子の
横断側面図、第２図はその平面図、第３図は本発明に係
る歪検出素子を製造する容量結合型プラズマｃｖｏｉ＊
ｇの概略図、第４図は本発明に係るダイヤフラムを構成
する基板のヤング率の温度特性を示す図、第５図は同基
板の歪量の温度特性を示す図、第６図は本発明に係る歪
検出素子の歪−抵抗特性を示す図、第７図および第８図
は本発明に係るピエゾ抵抗ゲージのゲージ率の温度特性
図であり、第７図は基板温度をパラメータとした図Ｃあ
り、第８図は水素化ホウ素温度をパラメータとした図で
ある。第９図は従来の拡散型圧力センサーの起歪部を示
す横断側面図、第１０図はその平面図である。 １・・・基板、２・・・シリコン酸化膜、３・・・ピエ
ゾ抵抗ゲージ。 Ｔｔ’ Ｔ　”Ｃ 第７図 局囲潅ｇｔ　（Ｔ’Ｃ） 第８図 周囲温ＭＣＴ”の 第９図 苓１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　起歪部を構成する基板上にこの基板の歪量温度係
   数を補償するような温度特性を有したピエゾ抵抗ゲージ
   を形成し、このピエゾ抵抗ゲージによりホイートストン
   ブリッジを構成したことを特徴とする感度自己温度補償
   型歪検出素子。
2. ２．　前記ピエゾ抵抗ゲージが水素化ホウ素を含む水素
   化ケイ素ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により生成され
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の感度自
   己温度補償型歪検出素子。