JPS6174374A

JPS6174374A - 半導体圧力変換器

Info

Publication number: JPS6174374A
Application number: JP19629884A
Authority: JP
Inventors: Yuji Yagi; 雄二八木; Shinji Suzuki; 真二鈴木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1984-09-19
Filing date: 1984-09-19
Publication date: 1986-04-16

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〕本発明はシリコン半導体より成るターイアフラムの表面
の所定部分へ不純物を選択的に注入して歪ゲージを形成
する半導体圧力変換器に関する。

〔従来の技術〕

近年、この塊の半導体圧力変換器は種々開発されている
。例えば、Ｎ形シリコン単結晶からなる弾性基板に外圧
により歪を生じる薄肉状のダイアフラムを形成し、この
ダイアフラムの表面に半導体不純物を拡散ブレーナ法に
より拡散させてピエゾ抵抗効果を有するＰ形の半導体歪
ゲージをブリッジ回路を構成するように形成しさらに弾
性基板を所定の基台の表面に接着してダイアフラムの歪
に対する電気的出力を半導体歪ゲージによって検出する
ようにした半導体圧力変換器がある。

このような半導体圧力変換器において、夕゛イアフラム
に圧力が加わった場合に発生するダイアフラム部の応力
は加わった圧力に対して非線形の関係を有する。又ピエ
ゾ抵抗係数は応力に依存する非線形性を有している。こ
のためダイアスラム上に形成された半導体歪ゲージは圧
力に対して非線形な抵抗変化を生じる。

通常の半導体圧力変換器において、半導体歪ゲージは、
ダイアフラム上の応力が大きく、応力状態が圧縮と引張
になるダイアフラム中央部と周辺部に配置されブリッジ
を構成している。ブリッジ出力は、ダイアフラム中央部
と周辺部のゲージの非直線性が組合さった非直線性を有
する。ここで非直線性とは以下のように定義する。圧力
がダイアフラムに加わった時の圧力と半導体歪ゲージと
の関係を示す特性曲線において、圧力が零の時の出力（
ＹＯ）とフルスケール圧力の時の出力（ＹｆｓＪを直線
で結び直線と特性曲線との最大ずれ量を△Ｙとすると非
直線性Ｎしは次式によって表わされる。

又圧力範囲のうちＮＬの最大値を最大非直線性ＮＬｍａ
ｘと呼ぶ。加圧時ダイアフラム面内に発生する応力は、
半導体結晶の異方性によって位置により非直線性が大き
く異なるため、ダイアフラム面内に形成した半導体歪ゲ
ージの出力の非直線性は位置により異なる。これを利用
しダイアフラム口内の半導体歪ゲージ位置を選択するこ
とによりブリッジの非直線性を小さくしていた。

しかしながら半導体歪ゲージの非直線性はダイアフラム
が単結晶シリコンであるため１弾性係数、ボアンン比、
ピエゾ抵抗係数には異方性がありその特性は簡単には予
測できず、従来はゲージ位置？経験的に求めていた。そ
のため最適なゲージ配置を得るために多くの試作が必要
となり、多大な労力、経費、時間が必要とされた。以上
のような理由でゲージの組合せにより非直線性を小さく
しようとする試みは一部でなされてきたがゲージ位置を
限定した数棟の組合せが提案されているにすぎない。

〔発明の背景〕

本発明者らは従来の半導体圧力変換器の問題点を解消す
る半導体圧力変換器を開発するため、これまでに第２０
図に示す様にシンプルな形状である円形ダイアフラムに
ついて系統的実験および計算解析を重ね、ダイアフラム
の厚さを所定厚さに設定した場合において、ダイアフラ
ム内に、所定の領域内に半径方向歪ゲージと接線方向歪
ゲージを夫々配設することにより非直線性を小さくする
領域を明確にした。

ところがその後本発明者らは、矩形ダイアフラムのゲー
ジ形成領域を求める過程においてダイアフラムの板厚を
変化させると、この一定の非直線性を約束するダイアフ
ラム上の領域が変化することを見い出した。すなわち、
本発明者らは、ある厚さのダイアフラムに於いて一定の
非直線性が約束される領域内に歪ゲージを形成した後、
このダイアフラムの板厚を最適に調整することにより。

非直線性を更に零に近ずけることかできるという知見を
得た。さらに、このことはダイアフラムの形状によらず
一般的に成立するという知見を得た。

したがって、円形ダイアフラムの厚さを所定の厚さに固
定したダイデフラムにおいて、非直線性を小さくする領
域にゲージを形成したとしても、必ずしも充分な非直線
性特性が得られなかったという問題を有していた。

〔発明の目的〕

本発明は、上述の本発明者らの知見に基づき従来の半導
体圧力変換器に比べ、非直線性を一層零に近づける高精
度の半導体圧力変換器を得ることを目的とする。

本発明は、タ゛イアフラム内の中心および周辺領域内に
形成された中心歪ゲージおよび周辺歪ゲージの位置の組
合せにおける最高の非直線性特性を可能にする高精度の
半導体圧力変換器を得ることを目的とする。

本発明は、生産および生産管理が容易で、量産性に優れ
、安価な半導体圧力変換器を得ることを目的とする。

〔発明の説明〕

本発明の半導体圧力変換器は、シリコン単結晶よ構成る
ダイアフラムと、該ダイアフラムの面方位および圧力の
作用面、出力として要求される非直線性および感度の基
準値に応じて周辺ゲージおよび中心ゲージの位置の組合
せからダイアクラム上の周辺に形成する周辺ゲージを形
成すべき周辺領域と、上記と同様に形成するダイアフラ
ム上の中心付近に形成する中心ゲージを形成すべき中心
領域と、前記周辺領域内の所定位置に形成したピエゾ抵
抗効果を有する周辺ゲージと、前記中心領域内の所定位
置に形成したピエゾ抵抗効果を有する中心ゲージとから
成り、前記周辺領域および中心領域内に形成された周辺
ゲージと中心ゲージとの位置の組合せに対して非直線性
を最適にする厚さに調整されたダイアフラム板厚を有す
るものである。

上述の構成より成る本発明の半導体圧力変換器は、要求
される非直線性および感度に応じて決定される周辺領域
および中心領域内に周辺ゲージおよび中心ゲージを形成
するので、要求される非直線性および感度を満足させる
とともに、前記各領域内に形成した周辺ゲージおよび中
心ゲージの位置の組合せに対し、非直線性を最適にする
ダイアいう利点を有する。したがって、本発明は、周辺
ゲージおよび中心ゲージが各領域内において必ずしも最
適な位置に形成することができない場合であっても、ダ
イアフラムの板厚の調整により、形成した周辺ゲージお
よび中心ゲージの位置の組合せにおける最高の非直線性
を得ることができるので、フレキシブルであるという利
点を有する。

また１本発明の半導体圧力変換器は、非直線性をほぼ零
にするので、従来の非直線性補償回路ｔｉ帖−２不　　　　　　、電気回路を簡素化し、小屋かつ安価に
するという利点を有する。

さらに本発明の半導体圧力変換器は、最近のＩＣ技術を
利用することにより、シリコンウェハー上に多数の圧力
チップを同時に精度良く作ることができるので、生産お
よび生産管理が容易で、量産性に優れているという利点
を有する。

〔実施態様の説明〕

以下本発明の実施態様について説明する。

本発明の第１態様は、半導体圧力変換器のダイアフラム
を矩形にした点に特徴がある。

本発明者らは、矩形ダイアフラムにおいても丸形ダイア
フラムと同様な非直線性があり、ダイアフラム板厚を変
えた場合に非直線性をほぼ零にできる歪ゲージ位置が矩
形ダイアフラム市内に領域として存在するはずでこの領
域を明確にすれば歪ゲージ位置のずれ、面方位、結晶方
向のずれなどがダイアフラム板厚を調整することにより
非直線性に及ぼす影響を小さくできるという知見に基づ
き第１態様に到達した。

通常矩形ダイアフラムの場合には半導体歪ゲージは矩形
ダイアフラム上の応力が大きく、応力が圧縮と引張にな
る矩形ダイアフラム中央部と周辺部に配置され、ブリッ
ジを構成している。この矩形ダイアフラムは円形ダイア
フラムと違い、矩形ダイアクラム面をダイアフラム中心
が原点となる直交座標系のｘｙ平面にとりｘ、ｙ軸をダ
イアフラムの辺と平行または垂直になるように選べば、
１つの象限内ではダイアフラム中心から周辺までの距離
は大きく異なって、当然タ゛イアフラム中心を通る面内
の軸方向においてダイアフラムの剛性は方向依存性をも
つ。その上、弾性定数等に異方性かあって、矩形ダイア
フラム面内の応力状態は円形ダイアフラムに比べ、複雑
で応力分布パターンが違っている。以上のように矩形ダ
イアフラムは、円形ダイアクラムとの形状的な差により
、その異方性が大幅に異なるため、大変形解析は一般的
な解析手法では困難である。

本発明者らは矩形ダイアクラム面おいて、非直腺性、出
力感度の圧力変換器の基本性能に対する矩形ターイアフ
ラム内のケージ位置等およびダイアフラムの板厚の関係
を実験および解析で更に詳細に調査、検討した。その結
果非直線性を零にする本第１の態様の矩形タ゛イアフ２
ムを有する半導体圧力変換器に到達した。

ダイアフラム板厚が一定の場合でもダイアフラム内に配
置するゲージ位置を移動きせると非直線性はプラス側に
もマイナス側にも変化する。例えば矩形ダイアフラム中
央部と周辺部に半導体歪ゲージが配置されるような通常
の配置でブリッジを構成した場合、ダイアフラム板厚と
非直線性、出力感度の関係は第２図の破線のようになる
。基準ダイアフラム板厚をＡとした時に非直線性はＢ点
、出力感度は０点である。この場合において、さらにダ
イアフラム板厚を厚くして非直線性をＢ点からＤ点にす
れば非直線性は向上する。つまり基準ダイアフラム板厚
Ａで非直線性がプラスの場合にはダイアフラム板厚を最
適な厚さまで厚くすることにより、非直線性をほぼ零に
できる。また第１図の英綴のように基準タ゛イアフラム
板厚Ａで非直線性がマイナスになる場合にはダイアフラ
ム板厚を最適な厚さまで薄くすると非直線性はＦ点がＨ
点になシ、はぼ零になる。この時には出力感度はＧ点か
ら１点になり増加する。つまりある基準のダイアフラム
板厚で非直線性がプラスでもマイナスでもダイアフラム
板厚を最適に調整することにより、非直線性をほぼ零に
することができるという特長がある。したがって非直線
性をほぼ零にするためには、周辺歪ゲージを形成すべき
周辺領域と中心歪ゲージを形成すべき中心領域を明確に
し、それらの領域内に周辺歪ゲージと中心歪ゲージを形
成して、この形成したゲージ位置に応じた最適なダイア
フラム板厚に調整すると非直線性がｆ’ｔ　ｆＹ零にな
り高精度な半導体圧力変換器が得られる。

つぎに、このゲージを形成すべき領域内の位置および厚
さの最適調整について詳細に述べる。

一般に、圧力計としての出力は、ホイートストンブリッ
ジを組むことにより取りだす。ブリッジは第３図に示す
ように向かい合う辺が同じ特性を持つ半導体歪ゲージと
した場合に出力ΔＶ／Ｖは次式で表わされる。

ここでＶはブリッジへの印加電圧、Δ■は圧力計に圧力
が加わる前のブリッジにおける初期不平衡電圧と圧力が
加わった後のブリッジにおける不平衡電圧との差、Ｒ，
１，Ｒ，は圧力が加わる前の半導体歪ゲージ’１　＋　
’２のゲージ抵抗、又Δ几８．Δ凡。

は、加圧前後のゲージ抵抗の差である。式（２）により
面内の任意の位置に周辺ゲージと中心ゲージを形成した
場合の圧力計の特性を求めることができる。

第１図は、第１の態様の半導体圧力変換器であり、矩形
ダイアフラム上に形成される半導体歪ゲージの配置の一
例を示す。第１図中のゲージ配置は、従来例を示す。第
４図は、第１図に示した第１態様の半導体圧力変換器の
ＩＶ−ＩＶ線断面図を示す。矩形で所定の厚さを有する
基台ＢＳは、その中央部に円形孔ＣＨが形成されている
。弾性基板ＥＳは、基台Ｂ８より若干小さな矩形で、そ
の中央部に矩形凹所を形成して、薄肉として矩形ダイア
フラムを形成するとｌともに、周縁の厚肉部を接合材Ｓ
Ｍにより基台ＢＳに接合する。弾性基板ＥＳは、面方位
（１１０）であり、矩形ターイアフラムＤ上の周辺部に
（１１０）軸に沿って一対の周辺ゲージ’！　＋　’４
をボロン等の不純物の選択拡散又はイオン注入等により
形成する。矩形ダイアフラムＤ上の中心付近に一対の中
心ゲージ’！＋’６を同様に形成する。ここで矩形ダイ
アフラムの歪ゲージを形成した面を第３７中矢印Ｂ方向
へ加圧する場合をコンケイプ加圧、反対側の面を第３７
中矢印Ｂ方向へ加圧する場合をコンベックス加圧とする
。

矩形ダイアフラム上に形成された半導体歪ゲージ？、な
いし？、は、外圧によって矩形ダイアフラムＤに生ずる
歪に応じてピエゾ抵抗効果により抵抗変化が生ずる。例
えばコンケイプ加圧の場合、周辺ゲージ’３＋’４は、
正の抵抗変化が生じ、中心ゲージ？３．２６は、負の抵
抗変化を生ずる。これらのケージ？、ないし？、は、ブ
リッジ構成されて、ブリッジの出力端子ｔ、ないしｔ４
から加圧力に応じた′屯気侶号を出力する。

矩形ダイアフラムＤがコンケイプ加圧された場合、中心
ゲージ’Ｍ　＊　’６と周辺ゲージ？！、　？、とのブ
リッジ出力の直線からのずれΔＹは、第５図に示すよう
になる。第５図から明らかな様に、中心ゲージ’！＋’
６は、図中上に凸の非直線性を有し、周辺ゲージ’ｊｓ
’４は図中下に凸の非直線性を有する。上に凸の非直線
性を有する中心ゲージ’Ｓ＋２６と、下に凸の非直線性
を有する周辺ゲージ１３゜ｔ４とを組合せた時のブリッ
ジ出力の直線からのずれΔＹは、第５図中破線で示すよ
うに互いに相殺され小さくなる。

本発明者らは、矩形ダイアフラム上に多数の周辺および
中心ゲージを形成したテスト用圧力計を試作し、ダイア
フラム面内の非直線性を実験的に求めた。しかし実験的
にダイアフラム面内の非直線性分布を求めるためにはテ
スト用圧力計が多数必要であり、試作に労力と時間がか
かるので、本発明者らはテスト用圧力計の試作と同時に
解析的手法とを併用して、ダイアフラム面内の非直線性
分布を把握した。

ダイアフラムに圧力が加わった場合第６図に示すように
半導体歪ゲージには長手方向応力σ！・横方向応力σｔ
、せん断芯力τＳの３種類の応力が発生する。そして各
３種の応力に対応するピエゾ抵抗係数π！、πｔ、πＳ
が存在し次式により抵抗変化率が算出される。

ΔＲ／Ｒ＝π４σ１＋πｔσｔ＋πＳｆＳ　　　・・・
・・・・・・　（３）ここでＲは応力が加わる前の初期
状態におけるゲージ抵抗、ΔＲは応力が加わった後のゲ
ージ抵抗と応力が加わる前のゲージ抵抗との差である。

この結果半導体歪ゲージの抵抗変化率の非直線性は、圧
力に対する応力の非直線性と応力に対するピエゾ抵抗係
数の非直疎性とを分離して考えることができる。応力の
非直線性に関しては有限要素法を用いて解析副食した。

谷９索は４節点のシェル要素であり、全要素数は１００
、節点数は１２１である。またシリコン単結晶には異方
性があるため異方性を考慮した応カー歪関係式を求めて
用いた。

このような矩形ダイアフラムの応力はいわゆる大変形効
果により非直線性が発生するため、荷重増分法により解
析を行なった。

次に長手方向応力σ１、横方向応力σｔ１せん断芯力で
Ｓに対するピエゾ抵抗効果が必要となってくる。線形の
成分に関しては理論的に異方性が求められ、例えば面方
位（１１０）に関して、ピエゾ抵抗係数π＊ｊ、π＊ｔ
、π＊Ｓ　は第７図のような分布をしている。また非直
線性に関しては線形のピエゾ抵抗係数π＊に対して非線
形のピエゾ抵抗係数πは π＝π＊（１＋Ｃ，σ＋Ｃ２σ２＋Ｃ１σ１）　・・・
曲・・（４）なる補正を行ない応力σに対する非線形性
を考慮した。ここでＣ１，Ｃ，、Ｃ８はピエゾ抵抗係数
の非線形性を表わす係数である。なおこれらの係数Ｃ１
，Ｃ，、Ｃ８は実験的に求めた。

以上の様な解析により、ダイアフラム面内の任意の位置
におけるゲージの特性を求めることができる。そこで任
意に周辺ゲージと中心ゲージを選びブリッジを構成した
ときの非直線性と出力感度を求め、両者に対して先に述
べた基準値を設け、この基準値を満たすゲージの組合せ
を選択しておく。次に組み合せの中から周辺ゲージを選
び中心ゲージをダイアフラム面内で移動させ、ブリッジ
を構成させた時の非直線性と出力感度の分布図を夫々コ
ンケイプ加圧とコンベックス加圧について求める。この
出力感度と非直線性の特性分布図を必要に応じ適宜重ね
、基準値を満たす中心領域を選択した全ての周辺ゲージ
に対して求める。これらの中心ゲージの領域を重ね合せ
、非直線性と出刃感度の基準値を満たす領域のうちで、
重なり合う部分が多い領域を中心ゲージ領域とする。次
にこのようＫして求まった中心ゲージ領域内に中心ゲー
ジを固定し同様な手１顯で周辺ゲージ領域を定める。矢
に得られた周辺領域内に周辺ゲージを形成し、中心領域
内に中心ゲージを形成したテストダイアフラムを作製し
、ダイアフラム板厚と非直線性および出力感度の関係を
求めた。そして非直線性と出力感度に対して基準値を設
け、この基準を満たす領域を確認した。このようにして
領域を求めたので、この領域内には必ず基準値を満たす
組合せが存在する。

上述した矩形ダイアフラムを有する第１態様の半導体圧
力変換器は、上述の発明と同様の作用効果を奏するほか
に、矩形外形を有する圧力チップに円形ダイアフラムに
形成した場合に比較し、円形ダイアフラムに外接するダ
イアフラムの形成が可能であシ、受圧面積を増加させる
ことができるという利点を有する。このように受圧面積
の増加によって、圧力が作用した時に発生する応力の最
大応力が大きくなり、圧力チップ内を有効に夕°イアス
ラムとして利用することができる。言い換えれば、矩形
ダイアフラムと円形ダイアフラムの受圧面積が同じであ
る場合、矩形ダイアフラムの外形寸法を小さくすること
ができ、小型化を可能にするという利点を有する。

またシリコンウェハー上に多数同時形成する場合でも、
矩形外形の圧力チップは、シリコンウェハー全体に基板
目状に形成されるので、圧力チップとして利用されない
領域が無く、ウェハーの利用効率も高いという利点を有
する。

本発明の第２の態様の半導体圧力変換器は、ダイアフラ
ムの板厚を非直線性がマイナスになる厚さに設定して、
各ゲージを形成すべき周辺領域および中心領域を決定し
て、その領域内に各ゲージを形成した後、ダイアフラム
の厚さを非直線性が零になる厚さまで薄くすることによ
りダイアフラム板厚を最適に調整するものである。

本第２の態様は、第を図からも明らかな様に、少し厚め
に設定したダイアフラムの板厚をうすくして非直線性が
零になる厚さに調整するので、非直線性を零にするとと
もに、笛′１−図からも明らかな様に出力感度も増加す
るので、高精度で高感度の半導体圧力変換器が得られ、
高精度で高感度の圧力計側を可能にするという利点を有
する。

本発明の第３の態様の半導体圧力変換器は、前記周辺領
域または中心領域のいずれか一方の領域がダイアフラム
面上の最大応力の発生する場所から少しずれた近傍領域
に形成するものである。

本第３の態様は、前記領域を上述の様に設定することに
より良好な非直線性特性が得られる。本発明者らは、こ
の事を実験的、解析的に確認した。

第４の態様の圧力変換器は、検出すべき圧力が作用する
前記矩形ターイア７ラム面に前記周辺ゲージおよび中心
ゲージを出力として要求される非直線性がほぼ零、感度
の絶対値が０．８％以上の場合の各周辺および中心領域
内に形成したものである。

一般に感度は、不純物濃度に依存する性質を持ち、以下
に述べる感度は、不純物濃度が３．５Ｘ１０”α−１の
ときの値である。

本第４の態様は、コンケイプ加圧（ゲージヲ形成したダ
イアフラム面への加圧）においてダイアフラム板厚を適
当に調整することによりその出力の非直線性がほぼ零に
なり、高精度の測定を可能にするという利点を有する。

第５の態様の半導体圧力変換器は、検出すべき圧力が作
用する前記矩形ダイアフラム面の反対側の面に前記周辺
ゲージおよび中心ゲージを出力として要求される非直線
性がほぼ零、感度の絶対値が０，８％以上の場合の各周
辺および中心領域内に形成したものである。

本第５の態様は、コンベックス加圧（ゲージを形成した
ダイアフラム面と反対側の面の加圧）においてダイアフ
ラム板厚を適当に調整することによりその出力の非直線
性がほぼ零となり高精度の測定を可能にするという利点
を有する。

第６の態様の半導体圧力変換器は前記周辺ゲージおよび
中心ゲージを形成した前記矩形ダイアフラム面に圧力が
作用した場合および反対側の矩形ダイアフラム面に圧力
が作用した場合の各周辺および中心領域の共通する各周
辺および中心領域内に周辺ゲージおよび中心ゲージを出
力として要求される非直線性が±０．２１　Ｆ　Ｓ以下
、感度の絶対値が０．８チ以上の場合の各周辺および中
心領域内に夫々形成したものである。

本第６の態様は矩形ダイアフラム面の各ゲージを形成し
た面またはその反対の面に圧力が作用しても、すなわち
、コンタイブ加圧またはコンベックス加圧の場合いずれ
でも特性の変化を小さくすることができ、所定の非直線
性および感度が得られるという利点を有する。したがっ
て本第６の態様は種々の加圧方向に適用可能な多用途に
使用でき、汎用性に富むという利点を有する。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。

後述する実施例は、第１図、および第４図に示す第１態
様と同様の構成より成シ、構造説明の詳細は省略する。

以下説明する実施例の半導体圧力変換器は１　ｋｙ／ｉ
圧力測定用であり、ダイアフラムの寸法は２　ｗ　Ｘ　
２　ｔｍのものである。

第１実施例の半導体圧力変換器は矩形ダイアフラム１を
シリコン単結晶の（１１０）面で構成し、横軸は＜１１
０＞軸、縦軸は（１００）軸であり、測定しようとする
圧力が作用するダイアフラム面にゲージを形成する。ま
たゲージの長手方向は横軸である＜１１０＞軸とする。

ゲージを形成する領域は、出力として要求される非直線
性がほぼ零、出力感度の絶対値が０．８チ以上となるよ
うに決定する。面方位（１１０）のシリコン単結晶では
（１１０）軸と（１００）軸とが対称軸・となシ、矩形
ダイアフラム１は対称性を有するので４分の１内で代表
して領域を示す。

この様な条件において各ゲージを形成すべき領域は、表
１および第８図中に示した領域となる。

表１表１においてａはダイアフラムの横方向の辺の１／２長
、Ｘはダイアフラム中心から形成するゲージまでの横方
向の距離、ｂはダイアフラムの縦方向の辺の１／２長、
ｙはダイアフラム中心から形成するゲージまでの縦方向
の距離である。向ゲージを形成すべき領域はゲージ中心
位置が含まれる領域である。

周辺ゲージを形成すべき周辺領域は第８図中の符号２で
示す横線を付した領域である。中心ケージを形成すべき
中心領域は第８図中の符号３で示す縦＋ｉｔ付した領域
である。周辺ゲージと中心ゲージは上述の領域２および
領域３内の位置の組合せに形成する。

上述のように構成した第１笑施例の半導体圧力変換器は
、フンケイプ加圧使用において出力の開弁直線性がほぼ
零であり、出力感度の絶対値が０．８チ以上の性能を有
する。

本第１実施例の半導体圧力変換器はケージを形成する位
置を矩形ダイアフラム面上の領域でとらえるため、ゲー
ジ位置のずれ、面方位、結晶方向のずれなどが非真線性
に及ぼす影響を小さくすることができるという利点を有
する。また非直線性自体がほぼ零なので高精度な圧力測
定が可能になる。以上のことから本第１実施例の半導体
圧力変換器は、生産工程の管理が容易になり、量産に適
し、且つコストを下げるという利点を有する。

次に本発明の第２実施例を説明する。第２実施例の半導
体圧力変換器は測定しようとする圧力が作用するダイア
フラム面の反対側の面にゲージを形成するもので、他は
第１実施例と同様であシ説明を省略する。

本第２実施例の半導体圧力変換器の周辺ゲージおよび中
心ゲージを形成する領域は１表２および第９図に示す様
な周辺領域４、中心領域５になる。

該領域４．５に各ゲージを形成するものである。

表２上述の構成よ構成る第２実施例の半導体圧力変換器は、
コンベックス加圧使用において第１実施例と同様の作用
効果を奏する。

次に、′本発明の第３実施例を説明する。

第３実施例の半導体圧力変換器は矩形ダイアフラムの横
軸を＜１１１＞軸とし、縦軸を（２１１）軸とする点が
前述の第１笑施例とは異なり、相異点を中心に第１０図
を用いて説明する。

横軸を（１１１）軸、縦軸を（２１１）軸とした場合の
矩形ダイアフラムの対称性は２分の１内であるが実験お
よび解析で検討した結果４分の１内で代表できることが
わかった。そこで、第１０図に示す矩形ダイアフラム６
は、対称性を有するので、４分の１内で代表して領域を
示す。

本第３実施例の半導体圧力変換器の周辺ゲージ於び中心
ゲージを形成する領域は表３および第１０図に示す様に
周辺領域７、中心領域８になる。これらの領域内に各ケ
ージの長手方向を＜１１１＞軸に形成する。

上述の構成より収る第３実施例の半導体圧力変換器は横
軸を（１１１）軸、縦軸を（２１１）軸とする矩形ダイ
アフラムのコンケイプ加圧時において出力の非直線性が
ほぼ零であり、出力感度が０．８−以上の性能を有し第
１実施例と同様に非直線性をほぼ零にでき、生産が容易
でｓｂ、量産に適し、且つコストを下げるという利点を
有する。

次に本発明の第４実施例を説明する。

第４実施例の半導体圧力変換器は、測定しようとする圧
力が作用するダイアフラム面との反対側にゲージを形成
するもので、他は第３実、施例と同様であり説明を省略
する。

本第４実施例の半導体圧力変換器の周辺ゲージおよび中
心ゲージを形成する領域は、表４および紀１１図に示す
様に周辺領域９および中心領域１０になる。これらの領
域内に各ゲージを形成するものである。

表４上述の構成・より成る第４実施例の半導体圧力変換器は
、コンベックス加圧使用において第３実施例と同様の作
用効果を奏する。

矢に、本発明の第５実施例を説明する。

第５実施例の半導体圧力変換器は、矩形ダイアフラムを
横軸＜１１０＞軸および縦軸＜１００＞軸のシリコン単
結晶で構成し、ダイアフラムのゲージを形成する面とそ
れと反対側の面とのいずれにも圧力を作用させて、出力
として要求される非直線性が±０．２　ｐ　Ｆ　Ｓ以内
とし、出力感度の絶対値が０．８−以上となる様な領域
内の適当な組合せ位置に各ゲージを形成するものでめシ
、表５および第１２図に示す様に周辺領域１１および中
心領域１２になる。

表５上述の構成よ構成る第５実施例の半導体圧力変換器はコ
ンケイプ加圧使用でもコンベックス加圧使用でも、出力
の非直線性が±０．２％以内であシ出力感度の絶対値が
０．８−以上の性能を有する。

第５実施例の半導体圧力変換器は、加圧方向の違いＫよ
る特性の変化を少なくすることができるので、種々の加
圧方向に適用可能であり、多用途に使用でき、汎用性に
富むという利点を有する。

次に、本発明の第６実施例を説明する。

第６実施例の半導体圧力変換器は、矩形ダイアフラムを
横軸＜１１１＞軸、縦軸（２１１＞軸のシリコン単結晶
で構成する点が、前述の実施例とは異なシ、他は同様で
多り説明を省略する。

第６実施例の半導体圧力変換器は表６および第１３図に
示す様に周辺領域１３および中心領域１４になる。

表６上述の構成より成る第６実施例の半導体圧力変換器は前
述の実施例と同様の非直線性、出力感度であシ、同様の
作用効果を奏する。

次に、上記各実施例の周辺領域と中心領域において、特
に出力感度が高いゲージ配設位置とダイアフラム板厚を
調整した具体例の出力の非直線性および感度について説
明する。

上述の第１実施例で特に出力感度が高いゲージ位置は第
１４図に示すように周辺ゲージ】５がｘ　／　ａ　＝　
０．９、ｙ７ｂ＝ｏ、中心ゲージ１６がｘ　／　ａ　＝
　Ｏ１ｙ／ｂ＝０．５である。この場合にはダイアフラ
ム板厚３１−でコンケイプ加圧使用において出力の非直
線性はほぼ零であり出力感度の絶対値は１．３５−であ
った。　　− ま九前述の第２実施例で特に出力感度が高いゲージ位置
は第１５図に示すように周辺ゲージ１７がｘ／ａ＝０．
９　、　）’／ｂ＝０．５、中心ゲージ１８がｘ／ａ＝
Ｑ、Ｙ／ｂ　＝　０．０４である。コノ場合にはダイア
フラム板厚３３μｍでコンベックス加圧使用において出
力の非直線性はほぼ零であシ、出力感度の絶対値は１．
２５％であった。

また前述の第３実施例で特に出力感度が高いゲージ位置
は第１６図に示すように周辺ゲージ１９がｘ　／　ａ　
＝　０．９、ｙ／ｂ　＝　０　、中心ケープ２０がｘ／
ａ＝Ｑ％ｙ／ｂ　＝　０．４である。この場合にはダイ
アフラム板厚２４μｍでコンケープ加圧使用において出
力の非直線性はほぼ零であり、出力感度の絶対値は２．
６％でめった。また上述の第６実施例で特に出力感度が
高いゲージ位置は第１７図に示すように周辺ゲージ２１
がｘ　／　ａ　＝　０．９　、Ｙ　／　ｂ　＝０．４、
中心ゲージ２２がｘ／ａ＝０．ｙ／ｂ＝０．０４である
。

この場合にはダイアフラム板厚３４μｍでコンケープ加
圧使用でも、コンベックス加圧使用でも出力の非直線性
は±０，２チＦ　Ｓ以内であシ出力感度の絶対値は１．
１７１であった。

尚本発明の矩形ダイアフラムは縦横比ｂ　／　ａ　が０
．８から３までの間で適用可能で、圧力変換器の構造上
から、圧力チップ外形寸法および縦横比が制限を受ける
場合でも圧力チップ外形に合せて受圧面積が大きくなる
ように有効にダイアフラムを形成でき、高精度、高出力
な圧力変換器が得られる。例えば第１８図に示すように
ｌ）　／　Ｂ　ｚ　２の場合でも適用できる。

また横軸が＜１１　Ｄ軸、縦軸が（２１１＞軸の矩形ダ
イアフラムの場合、第１９図に示すように＜１１１＞軸
から３５．３°の角度に＜１１０＞軸があシ＜１１１＞
軸から７０．６°の位置に＜１１１＞軸がるる。ここで
縦横比が０．８から１．５１での間で、ｘ／ａ＝±０．
５以内、　Ｗ／ｂ＝±０．５以内の領域内では１対の中
心ゲージ２６の長手方向が＜１１０＞軸から±３５．３
°の範囲、つまシ＜１１０〉軸を中心として＜１１１＞
軸までの方向において本発明が適用可能である。このよ
うに中心ゲージ方向は広い範囲内で変化しても高精度、
高出力な圧力変換器が得られ、ゲージ方向に自由度があ
る。上述以外の場合でもゲージの長手方向は±５°の範
囲では特性に影響を与えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１悪様に係る半導体圧力変換器を示
す正面図、第２図はダイアフラム板厚と出力感度及び非
直線性の関係を示す線図、第３図は、圧力変換器の出力
をとりたすフルブリッジのホイーストンブリッジ回路を
示す回路図、第４図は第１図の■−１１１’線断面図、
゛第５図は圧力に対するブリッジ出力の直線からのずれ
ΔＹを示す線図、第６図は歪ゲージに加わる応力説明図
、第７図はピエゾ抵抗係数を説明する線図、第８図乃至
第１３図はそれぞれ本発明の第１乃至第６実施例に係る
半導体圧力変換器の１／４ダイアフラム面内における周
辺領域及び中心領域を示す線図、第１４図乃至１７図は
それぞれダイアフラム面内において特に出力感度が高い
第１．２，３．６実施例のゲージ配置図、第１８図は縦
横比２の場合のゲージ配置図、第１９図は中心ゲージの
長手方向の範囲説明図、第２０図は従来の半導体圧力変
換器を示す正面図である。 ÷−ラＤ、１．６・・・ダイアフラム、。２．４．？、９，１１．１３・・・周辺領域、３．５，
８，１０，１２．１４・・・中心領域、？、　、　？６
．１６．１８．２０．２２．２４．２６−１ａｐ心ゲー
ジ、？、　、　？４．１５．１？、　１９．２１．２３．２
５・・・周辺ゲージ、ｔ、〜ｔ４・・・薄膜リード線。代理人　弁理士　　中　島　　　淳第１図第２図第４図コンゲイ７パカａ圧フンへ°・？りＸ力０庄第５図第６聞ｔ σ１第７図第８図（ＣＯＮＣＡＶＥ） ↑　＜１００＞Ｘ／ａ第９図（ＣＯＮＶＥＸ） ↑＜：１００＞第１０図（ＣＯＮＣＡＶＥ）ｘ／Ｑ第１１図（ＣＯＮＶＥＸＩ ↑（２１１＞第１２図ｔＣＯＮＣＡＶＥ＆Ｃ０ＮＶＥＸ）ｘ／ａ第１３図（ＣＯＮＣＡＶＥ＆Ｃ０ＮＶＥＸ）１　　＜２１１＞ ↑＜１００＞第１５図（ＣＯＮＶＥＸＩ ↑くＩ００ン第１６図（ＣＯＮＣＡＶ［：） ↑く２１１＞第１７図に０ＫＡＶＥ＆Ｃ０ＮＶＥＸ　ｌ ↑＜２１Ｄ第１８図第１９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリコン単結晶より成るダイアフラムと、該ダイ
アフラムの面方位および圧力の作用面、出力として要求
される非直線性および感度の基準値に応じて周辺ゲージ
および中心ゲージの位置の組み合わせからダイアフラム
上の周辺に形成する周辺ゲージを形成すべき周辺領域と
、上記と同様にダイアフラム上の中心付近に形成する中
心ゲージを形成すべき中心領域と、前記周辺領域内の所
定位置に形成したピエゾ抵抗効果を有する周辺ゲージと
、前記中心領域内の所定位置に形成したピエゾ抵抗効果
を有する中心ゲージとから成り、前記周辺領域および中
心領域内に形成された周辺ゲージと中心ゲージとの位置
の組合せに対して非直線性を最適にする厚さに調整され
たダイアフラム板厚を有することを特徴とする半導体圧
力変換器。
（２）前記ダイアフラムを矩形にしたことを特徴とする
特許請求の範囲第（１）項記載の半導体圧力変換器。
（３）前記ダイヤフラムの板厚を非直線性がマイナスに
なる厚さに設定して、周辺領域および中心領域を決定し
、その領域内に各ゲージを形成した後、形成した各ゲー
ジの位置の組合せにおいて非直線性が零になる厚さまで
薄くすることにより調整された板厚を有することを特徴
とする特許請求の範囲第（１）項記載の半導体圧力変換
器。
（４）前記周辺領域または前記中心領域のどちらか一方
の領域が最大応力の発生する場所から少しずれた近傍領
域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器。
（５）前記矩形ダイアフラムとしてシリコン単結晶の（
１１０）面を用い、横方向を＜１１０＞方向、縦方向を
＜１００＞方向とし、検出すべき圧力が作用する前記矩
形ダイアフラム面に前記周辺ゲージおよび中心ゲージを
、出力として要求される非直線性がほぼ零、および出力
として要求される感度の絶対値が０．８％以上になる各
周辺および中心領域内の所定位置に形成したことを特徴
とする特許請求の範囲第（２）項記載の半導体圧力変換
器。
（６）前記矩形ダイアフラムとしてシリコン単結晶の（
１１０）面を用い横方向を＜１１０＞方向、縦方向を＜
１００＞方向とし、検出すべき圧力を前記矩形ダイアフ
ラム面の反対側の面に作用させた場合に、前記矩形ダイ
アフラム面に前記周辺ゲージおよび中心ゲージを、出力
として要求される非直線性がほぼ零、および出力として
要求される感度の絶対量が０．８％以上になる各周辺お
よび中心領域内の所定位置に形成したことを特徴とする
特許請求の範囲第（２）項記載の半導体圧力変換器。
（７）前記矩形ダイアフラムとしてシリコン単結晶の（
１１０）面を用い、横方向を＜１１１＞方向、縦方向を
＜２１１＞方向とし検出すべき圧力が作用する前記矩形
ダイアフラム面に前記周辺ゲージおよび中心ゲージを、
出力として要求される非直線性がほぼ零および出力とし
て要求される感度の絶対値が０．８％以上になる各周辺
および中心領域内の所定位置に形成したことを特徴とす
る特許請求の範囲第（２）項記載の半導体圧力変換器。
（８）前記矩形ダイアフラムとしてシリコン単結晶の（
１１０）面を用い横方向を＜１１１＞方向、縦方向を＜
２１１＞方向とし、検出すべき圧力が前記矩形ダイアフ
ラム面の反対側の面に作用させた場合に、前記矩形ダイ
アフラム面に前記周辺ゲージおよび中心ゲージを、出力
として要求される非直線性がほぼ零、および出力として
要求される感度の絶対値が０．８％以上になる各周辺お
よび中心領域内の所定位置に形成したことを特徴とする
特許請求の範囲第（２）項記載の半導体圧力変換器。
（９）前記矩形ダイアフラムとしてシリコン単結晶の（
１１０）面を用い横方向を＜１１０＞方向、縦方向を＜
１００＞方向とし、前記周辺ゲージおよび中心ゲージを
形成した前記矩形ダイアフラム面に圧力が作用した場合
および反対側の矩形ダイアフラム面に圧力が作用した場
合のどちら側からの加圧においても前記周辺ゲージおよ
び中心ゲージを出力として要求される非直線性が±０．
２％ＦＳおよび出力として要求される感度の絶対値が０
．８％以上になる各周辺および中心領域内の所定位置に
形成したことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記
載の半導体圧力変換器。
（１０）前記矩形ダイアフラムとしてシリコン単結晶の
（１１０）面を用い横方向を＜１１１＞方向、縦方向を
＜２１１＞方向とし、前記周辺ゲージおよび接線ゲージ
を形成した前記矩形ダイアフラム面に圧力が作用した場
合および反対側の矩形ダイアフラム面に圧力が作用した
場合のどちら側からの加圧においても前記周辺ゲージお
よび中心ゲージを、出力として要求される非直線性が±
０．２％ＦＳ、および出力として要求される感度の絶対
値が０．８％になる各周辺および中心領域内の所定位置
に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項
記載の半導体圧力変換器。
（１１）周辺領域及び中心領域の組合せは第８図乃至１
３図に示されるいずれかの領域であることを特徴とする
特許請求の範囲第（２）項記載の半導体圧力変換器。