JPS61214583A - 半導体圧力変換装置 - Google Patents
半導体圧力変換装置Info
- Publication number
- JPS61214583A JPS61214583A JP5447485A JP5447485A JPS61214583A JP S61214583 A JPS61214583 A JP S61214583A JP 5447485 A JP5447485 A JP 5447485A JP 5447485 A JP5447485 A JP 5447485A JP S61214583 A JPS61214583 A JP S61214583A
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- Japan
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- type
- layer
- stress
- crystal
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、結晶面指数を（ｈ、に、 Ｑ）とした場合に
、ｈ、に、Ｑの少くとも１つがＯとなる結晶面方位を有
した半導体基板の表面層に拡散抵抗層を・作成した半導
体圧力変換装置に係り、特に観測面内の応力場に加えて
面に垂直な応力成分（但し、せん新成分は含ませない）
を高精度に検出するに好適な半導体圧力変換装置に関す
る８〔発明の背景〕 従来の、圧力センサとしての半導体のピエゾ抵抗効果を
利用した圧力センサは１例えば、特３１！昭５６−１４
０２２４号公報に開示されているようにシリコンダイヤ
フラム表面に拡散抵抗ゲージを形成し。
、ｈ、に、Ｑの少くとも１つがＯとなる結晶面方位を有
した半導体基板の表面層に拡散抵抗層を・作成した半導
体圧力変換装置に係り、特に観測面内の応力場に加えて
面に垂直な応力成分（但し、せん新成分は含ませない）
を高精度に検出するに好適な半導体圧力変換装置に関す
る８〔発明の背景〕 従来の、圧力センサとしての半導体のピエゾ抵抗効果を
利用した圧力センサは１例えば、特３１！昭５６−１４
０２２４号公報に開示されているようにシリコンダイヤ
フラム表面に拡散抵抗ゲージを形成し。
圧力に呼応したダイヤプラムの変形に伴う拡散ゲージの
抵抗変化を検出するという方式を基本型としていた。こ
のため、精密な圧力検出を行うためにはダイヤフラムの
加工精度に対する要求が厳しく、選択エツチングによっ
て形成される薄肉部の均一度も重要なパラメータであっ
た。また、構造上センサ素子部を樹脂時に埋込んで使用
することができないという欠点があった。また、ピエゾ
抵抗効果の１７に環上、拡散ゲージには三次元の応力場
に対する感度を有し最大６種類の応力成分が抵抗値変化
に寄与する。単結晶の結晶面を表わす指数を（ｈ、 ｋ
、 ｆｆ１）とした場合、ゲージを形成する結晶面を（
ｈ、 ｋ、ｎ）＝ （１ｏｏ）面とすると。
抵抗変化を検出するという方式を基本型としていた。こ
のため、精密な圧力検出を行うためにはダイヤフラムの
加工精度に対する要求が厳しく、選択エツチングによっ
て形成される薄肉部の均一度も重要なパラメータであっ
た。また、構造上センサ素子部を樹脂時に埋込んで使用
することができないという欠点があった。また、ピエゾ
抵抗効果の１７に環上、拡散ゲージには三次元の応力場
に対する感度を有し最大６種類の応力成分が抵抗値変化
に寄与する。単結晶の結晶面を表わす指数を（ｈ、 ｋ
、 ｆｆ１）とした場合、ゲージを形成する結晶面を（
ｈ、 ｋ、ｎ）＝ （１ｏｏ）面とすると。
ゲージの抵抗変化に寄与する応力成分は４種類（面内の
直交２軸成分とせん新成分および面に垂直な成分）とな
るが、１つの結晶面で独立に測定できる抵抗値変化は３
式分であることから一意に結晶面に働く応力場を決定す
ることは不可能である。このため、これまでは、結晶面
に垂直に働く応力成分に対する感度の低いｐ型の拡散抵
抗を（ｌ ＯＯ）面を有するｎ型のシリコン基板に形成
するという構造でセンサを構成している。この構成によ
り面に垂直に働く応力成分により基板を変形させ、変形
に伴う拡散ゲージの抵抗変化から圧力を決定したり、あ
るいは樹脂封止製品に埋込み。
直交２軸成分とせん新成分および面に垂直な成分）とな
るが、１つの結晶面で独立に測定できる抵抗値変化は３
式分であることから一意に結晶面に働く応力場を決定す
ることは不可能である。このため、これまでは、結晶面
に垂直に働く応力成分に対する感度の低いｐ型の拡散抵
抗を（ｌ ＯＯ）面を有するｎ型のシリコン基板に形成
するという構造でセンサを構成している。この構成によ
り面に垂直に働く応力成分により基板を変形させ、変形
に伴う拡散ゲージの抵抗変化から圧力を決定したり、あ
るいは樹脂封止製品に埋込み。
面内に働く応力場から三次元の応力場の検討を行ってい
た。
た。
本発明の目的は、半導体（１００）結晶面に働く面内応
力場と面に垂直に働く応力成分を一意に決定する半導体
圧力変換装置を提供することにある。
力場と面に垂直に働く応力成分を一意に決定する半導体
圧力変換装置を提供することにある。
シリコン等の半導体におけるピエゾ抵抗効果は２倍のテ
ンソルで表される比抵抗ρ・歪力テンソル又と、４階の
テンソルｎを用いて δρａＪ＝Σπ１Ｊｋ、Ｘｋ、 ・・・（
１）と表現される。
ンソルで表される比抵抗ρ・歪力テンソル又と、４階の
テンソルｎを用いて δρａＪ＝Σπ１Ｊｋ、Ｘｋ、 ・・・（
１）と表現される。
ρやＸのような２階のテンソルは一般に６つの独立な成
分を含むので、４１のテンソル■は６行６列の行列とな
る。三次元の応力場を検討するために、直交３軸方向を
それぞれＸ、 ｙ、Ｚ方向とし、ＸＸ？ ）’７１
ＺＺＩ ）’Ｚ、ＺＸｖ Ｘｙをそれぞれ１〜６と書き
直すと（１）式は。
分を含むので、４１のテンソル■は６行６列の行列とな
る。三次元の応力場を検討するために、直交３軸方向を
それぞれＸ、 ｙ、Ｚ方向とし、ＸＸ？ ）’７１
ＺＺＩ ）’Ｚ、ＺＸｖ Ｘｙをそれぞれ１〜６と書き
直すと（１）式は。
δ ρ声 ＝ Σλ−１入Ｘ入
・・・（２）入イ と表せる。ここで、７２：、、、、は一般に２１の成分
を持つが、対称性の良い結晶では独立な成分の数は少な
くなる。シリコンやゲルマニウムのような立方対称を持
つ結晶では、独立な成分は３である。今、（１００）結
晶面をＸ７平面とし、＜００１）結晶軸とＸ軸と一致さ
せると１面内でｗｔ測されるピエゾ抵抗効果は。
・・・（２）入イ と表せる。ここで、７２：、、、、は一般に２１の成分
を持つが、対称性の良い結晶では独立な成分の数は少な
くなる。シリコンやゲルマニウムのような立方対称を持
つ結晶では、独立な成分は３である。今、（１００）結
晶面をＸ７平面とし、＜００１）結晶軸とＸ軸と一致さ
せると１面内でｗｔ測されるピエゾ抵抗効果は。
σ５〜．は３軸方向応方式分、π、声は比例定数。
τｔｒはｘｙ−面内剪断応力成分
と表される。
従って、抵抗値変化に影響をおよぼす応力成分は４成分
で、独立に検出可能な抵抗値変化は３式分であるから、
結晶面に働く応力場を一意に決定することはできない、
しかし、ピエゾ抵抗係数π７．は、拡散抵抗に用いる不
純物の種類によって異なるので、ｐ型の拡散抵抗層とｎ
型の拡散抵抗層を近接させて配置すると、それぞれの拡
散領域で抵抗値変化が独立に検出できるので、面領域で
独立に６成分の抵抗値変化を測定できる。したがって、
結晶面指数を（ｈ、に、 Ｑ）とした場合に。
で、独立に検出可能な抵抗値変化は３式分であるから、
結晶面に働く応力場を一意に決定することはできない、
しかし、ピエゾ抵抗係数π７．は、拡散抵抗に用いる不
純物の種類によって異なるので、ｐ型の拡散抵抗層とｎ
型の拡散抵抗層を近接させて配置すると、それぞれの拡
散領域で抵抗値変化が独立に検出できるので、面領域で
独立に６成分の抵抗値変化を測定できる。したがって、
結晶面指数を（ｈ、に、 Ｑ）とした場合に。
ｈ、に、Ｑの少くとも１つが０となる結晶面方位を有す
る。半導体基板の表面層にｐ型とｎ型の拡散抵抗層を形
成することにより、独立に測定可能な４種類の抵抗ゲー
ジを設けることが出来、抵抗値変化に影響を与える応力
の４成分を一意に決定することが可能となる。さらに、
結晶面内に（１００）結晶軸方向を含む結晶面内におい
ても同様のことを言えることが１式（１）あるいは式（
２）より容易に導かれる。
る。半導体基板の表面層にｐ型とｎ型の拡散抵抗層を形
成することにより、独立に測定可能な４種類の抵抗ゲー
ジを設けることが出来、抵抗値変化に影響を与える応力
の４成分を一意に決定することが可能となる。さらに、
結晶面内に（１００）結晶軸方向を含む結晶面内におい
ても同様のことを言えることが１式（１）あるいは式（
２）より容易に導かれる。
以下１本発明の半導体圧力変換装置の一実施例を第１図
及び第２図により説明する。この実施例は、ｎ型シリコ
ン（ｌ ＯＯ）基板１上に、Ｃ門ａＳプロセスを使用し
てＰ型拡散抵抗層３とｎ型拡散抵抗層２を作成して圧力
センサを構成したものであり、第１図は平面図を示した
ものであり、第２図は第１図のＡ−Ａ’線断面図を示し
たもので、拡散抵抗層の形成状態を示している。ｐ型の
拡散抵抗層３とＰ型拡散抵抗層７に埋込まれたｎ型の拡
散抵抗層２を近接させて、それぞれ矩形状に作成し、各
四辺上に電極端子４を設ける。電極端子４は、 Ｓ ｘ
Ｏｘ Ｍｌ ５により絶縁分離され表面全体はパシベ
ーション膜６により覆われている。矩形の辺方向をＡ−
Ａ’線に沿った方向をＸ方向、その面内直交方向をｙ方
向とする。各拡散抵抗層における抵抗値変化の測定方法
を説明する。Ｘ方向に対向した２つの電極間に電流を流
し、かつ両電極間の電位差を測定することにより、前述
の（３）式のδｐ、、が、同様の方法をｙ方向に対向し
た２つの電極間で行うことによりδρ２．がそれぞれ測
定される。また、Ｘ方向に対向した電極間に電流を流し
、ｙ方向に対向した電極間での電位差を測定することに
より、δρ、、が決定され、１つの拡散抵抗層により、
独立した３成分の抵抗値変化が測定できる。ｐ型とｎ型
のいずれかの拡散抵抗層でδρ、、を測定し、他にδρ
１．。δρ、、、。
及び第２図により説明する。この実施例は、ｎ型シリコ
ン（ｌ ＯＯ）基板１上に、Ｃ門ａＳプロセスを使用し
てＰ型拡散抵抗層３とｎ型拡散抵抗層２を作成して圧力
センサを構成したものであり、第１図は平面図を示した
ものであり、第２図は第１図のＡ−Ａ’線断面図を示し
たもので、拡散抵抗層の形成状態を示している。ｐ型の
拡散抵抗層３とＰ型拡散抵抗層７に埋込まれたｎ型の拡
散抵抗層２を近接させて、それぞれ矩形状に作成し、各
四辺上に電極端子４を設ける。電極端子４は、 Ｓ ｘ
Ｏｘ Ｍｌ ５により絶縁分離され表面全体はパシベ
ーション膜６により覆われている。矩形の辺方向をＡ−
Ａ’線に沿った方向をＸ方向、その面内直交方向をｙ方
向とする。各拡散抵抗層における抵抗値変化の測定方法
を説明する。Ｘ方向に対向した２つの電極間に電流を流
し、かつ両電極間の電位差を測定することにより、前述
の（３）式のδｐ、、が、同様の方法をｙ方向に対向し
た２つの電極間で行うことによりδρ２．がそれぞれ測
定される。また、Ｘ方向に対向した電極間に電流を流し
、ｙ方向に対向した電極間での電位差を測定することに
より、δρ、、が決定され、１つの拡散抵抗層により、
独立した３成分の抵抗値変化が測定できる。ｐ型とｎ型
のいずれかの拡散抵抗層でδρ、、を測定し、他にδρ
１．。δρ、、、。
δｌ’ｐｍ□、δρ２２．のうち３個を測定すれば、４
種類の独立した抵抗値変化を１つの結晶面内で測定でき
る。
種類の独立した抵抗値変化を１つの結晶面内で測定でき
る。
本実施例によれば、シリコンの（１００）結晶面内で独
立な４種類の抵抗値変化を測定することができ、結晶面
に働く２軸方向応力σ、、σ、とせん断応力τ、２１面
に垂直な応力σ、を一意に決定できるという効果がある
。
立な４種類の抵抗値変化を測定することができ、結晶面
に働く２軸方向応力σ、、σ、とせん断応力τ、２１面
に垂直な応力σ、を一意に決定できるという効果がある
。
次に本発明の半導体圧力変換装置の第２の実施例を第３
図により説明する。第３図は本発明を応力した薄膜応力
・歪センサの平面図を示したものである。フィルム基板
（ＭえばＰＩＱ）上に作成したシリコンの（１００）面
を有した単結晶薄膜中に、ｐ型拡散抵抗層３とｎ型拡散
抵抗層２を図のように作成する。そして、それら拡散抵
抗層２゜３の一端側を共通配線１２で接続して、共通電
極端子１３に連通している。この単結晶薄膜は、真空蒸
着法、ＣＶＤ法、スパッタリング蒸着法、エピタキシャ
ル成長法などの薄膜作製法により作製される。ここでｐ
型拡散抵抗層３を＜０１１＞ 。
図により説明する。第３図は本発明を応力した薄膜応力
・歪センサの平面図を示したものである。フィルム基板
（ＭえばＰＩＱ）上に作成したシリコンの（１００）面
を有した単結晶薄膜中に、ｐ型拡散抵抗層３とｎ型拡散
抵抗層２を図のように作成する。そして、それら拡散抵
抗層２゜３の一端側を共通配線１２で接続して、共通電
極端子１３に連通している。この単結晶薄膜は、真空蒸
着法、ＣＶＤ法、スパッタリング蒸着法、エピタキシャ
ル成長法などの薄膜作製法により作製される。ここでｐ
型拡散抵抗層３を＜０１１＞ 。
ｎ型拡散抵抗層２を（ＯＯ１＞方向に配置すると。
それぞれの抵抗値変化は、
＜００１＞結晶軸方向を一致させた場合のピエゾ抵抗係
数である。ｐ型拡散抵抗層３とｎ型拡散抵抗層２での抵
抗変化は独立に測定されるので、応力の４成分（σ、σ
７．σ１．σ、、）は−意に決定される。このことから
、半導体の薄膜応力・歪センサが構成できることが明ら
かである。
数である。ｐ型拡散抵抗層３とｎ型拡散抵抗層２での抵
抗変化は独立に測定されるので、応力の４成分（σ、σ
７．σ１．σ、、）は−意に決定される。このことから
、半導体の薄膜応力・歪センサが構成できることが明ら
かである。
次に１本発明の半導体圧力変換装置の第３の実施例を第
４図により説明する。第４図は半導体圧力センサを構成
した場合の断面図である０円板上の（１００）ｎ型シリ
コン単結晶基板１の表面層に、Ｐ型拡数紙抗Ｍ３とｎ型
拡散抵抗層２を作成し、ゲージを構成する。ＪＥ結晶基
板１は、低融点ガラス９によりガラス基板１０に接合さ
れる。さらにｐ型拡散層７にｎ９型拡散抵抗層１１を形
成しｐ−ｎ接合体を構成することで、ゲージの温度検出
を行う、二九により、温度補償回路を形成し。
４図により説明する。第４図は半導体圧力センサを構成
した場合の断面図である０円板上の（１００）ｎ型シリ
コン単結晶基板１の表面層に、Ｐ型拡数紙抗Ｍ３とｎ型
拡散抵抗層２を作成し、ゲージを構成する。ＪＥ結晶基
板１は、低融点ガラス９によりガラス基板１０に接合さ
れる。さらにｐ型拡散層７にｎ９型拡散抵抗層１１を形
成しｐ−ｎ接合体を構成することで、ゲージの温度検出
を行う、二九により、温度補償回路を形成し。
帽広い温度領域での測定が可能となる。さらに。
シリコン基板は円板形状で良いことから、ダイアフラム
を作成する場合のような高度なエツチング技術が不用に
なり、製造の歩留りが向上するという効果もある。
を作成する場合のような高度なエツチング技術が不用に
なり、製造の歩留りが向上するという効果もある。
本発明によれば、半導体（ｌ ＯＯ）結晶面の面内にお
いて、結晶面に働く応力場に応じて独立に変化する４種
類の抵抗値変化を測定することができるので、（１００
）結晶面に作用する面内に２軸を含む直交３軸方向の応
力成分と面内に働くせん断応力の合計４種類の応力成分
を一意に決定できる半導体圧力変換装＝を実現できると
いう効果がある。
いて、結晶面に働く応力場に応じて独立に変化する４種
類の抵抗値変化を測定することができるので、（１００
）結晶面に作用する面内に２軸を含む直交３軸方向の応
力成分と面内に働くせん断応力の合計４種類の応力成分
を一意に決定できる半導体圧力変換装＝を実現できると
いう効果がある。
第１図は本発明の半導体圧力変換装置の第１の実施例の
平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ’線断面図、第３図は
本発明の半導体圧力変換装置の第２の実施例の平面図、
第４図は本発明の半導体圧力変換装置の第３の実施例の
断面図である。 １・・・ｎ型シリコン（１００）基板、２・・・ｎ型拡
散抵抗層、３・・・Ｐ型拡散抵抗層、４・・・ＡＮ配線
、５・・・Ｓｉｎ、膜、６・・・パッシベーション層、
７・・・ｐ型拡散層、８・・・ＰＩＱフィルム、９・・
・低融点ガラ第 ｊ ロ ”Ａｚ 図
平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ’線断面図、第３図は
本発明の半導体圧力変換装置の第２の実施例の平面図、
第４図は本発明の半導体圧力変換装置の第３の実施例の
断面図である。 １・・・ｎ型シリコン（１００）基板、２・・・ｎ型拡
散抵抗層、３・・・Ｐ型拡散抵抗層、４・・・ＡＮ配線
、５・・・Ｓｉｎ、膜、６・・・パッシベーション層、
７・・・ｐ型拡散層、８・・・ＰＩＱフィルム、９・・
・低融点ガラ第 ｊ ロ ”Ａｚ 図
Claims (3)
- １．結晶面指数を（ｈ，ｋ，ｌ）とした場合に、ｈ，ｋ
，ｌの少くとも１つが０となる結晶面方位を有した半導
体基板の表面層に拡散抵抗層を作成した半導体圧力変換
装置において、拡散抵抗層をｐ型とｎ型の拡散層により
それぞれ作成し、両拡散抵抗層により１組のゲージを構
成することを特徴とする半導体圧力変換装置。 - ２．半導体基板が、真空蒸着法，ＣＶＤ法，スパツタ蒸
着法・エピタキシヤル成長法などの薄膜作成法により作
製された単結晶薄膜であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の半導体圧力変換装置。 - ３．ｐ型とｎ型の拡散抵抗層により構成されたゲージの
近傍に温度補償用のｐ−ｎ接合体を形成したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の半導体
圧力変換装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5447485A JPS61214583A (ja) | 1985-03-20 | 1985-03-20 | 半導体圧力変換装置 |
| DE8686101679T DE3682793D1 (de) | 1985-03-20 | 1986-02-10 | Piezoresistiver belastungsfuehler. |
| EP86101679A EP0195232B1 (en) | 1985-03-20 | 1986-02-10 | Piezoresistive strain sensing device |
| US06/838,954 US4739381A (en) | 1985-03-20 | 1986-03-12 | Piezoresistive strain sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5447485A JPS61214583A (ja) | 1985-03-20 | 1985-03-20 | 半導体圧力変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61214583A true JPS61214583A (ja) | 1986-09-24 |
Family
ID=12971666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5447485A Pending JPS61214583A (ja) | 1985-03-20 | 1985-03-20 | 半導体圧力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61214583A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0329829A (ja) * | 1989-06-27 | 1991-02-07 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体圧力変換器 |
-
1985
- 1985-03-20 JP JP5447485A patent/JPS61214583A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0329829A (ja) * | 1989-06-27 | 1991-02-07 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体圧力変換器 |
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