JPS6313357B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS6313357B2 JPS6313357B2 JP53150003A JP15000378A JPS6313357B2 JP S6313357 B2 JPS6313357 B2 JP S6313357B2 JP 53150003 A JP53150003 A JP 53150003A JP 15000378 A JP15000378 A JP 15000378A JP S6313357 B2 JPS6313357 B2 JP S6313357B2
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- Japan
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- pressure
- semiconductor
- diaphragm
- thickness
- strain gauge
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- Expired
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- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 10
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
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- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
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- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
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Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体基板とその表面に形成された
半導体ストレンゲージとより成る半導体圧力変換
素子に係り、特に半導体ストレンゲージが形成さ
れた面と反対側の面に凹部を設けて受圧ダイアフ
ラムと一体構造として用いる場合の歪に対する抵
抗変化の非直線性を改良した半導体圧力変換素子
に関するものである。
半導体ストレンゲージとより成る半導体圧力変換
素子に係り、特に半導体ストレンゲージが形成さ
れた面と反対側の面に凹部を設けて受圧ダイアフ
ラムと一体構造として用いる場合の歪に対する抵
抗変化の非直線性を改良した半導体圧力変換素子
に関するものである。
半導体ストレンゲージは、シリコンの持つピエ
ゾ抵抗効果を利用したもので、最近は、シリコン
による受圧ダイアフラムに拡散法によつて一体形
成した拡散形半導体圧力変換素子が使用されるよ
うになつて来た。この種半導体圧力変換素子の従
来例は、第１図に示すように、Ｎ形シリコン基板
１の表面に拡散によつてＰ形ストレンゲージ２お
よび３が形成されている。この受圧ダイアフラム
部４に例えば半導体ストレンゲージが形成されて
いる面から圧力Ｐが印加されると、半導体ストレ
ンゲージの歪に対する抵抗変化の関係は、シリコ
ン受圧ダイアフラムのもつ圧力〜歪特性の非直線
性に起因し次のように近似することができる。
ゾ抵抗効果を利用したもので、最近は、シリコン
による受圧ダイアフラムに拡散法によつて一体形
成した拡散形半導体圧力変換素子が使用されるよ
うになつて来た。この種半導体圧力変換素子の従
来例は、第１図に示すように、Ｎ形シリコン基板
１の表面に拡散によつてＰ形ストレンゲージ２お
よび３が形成されている。この受圧ダイアフラム
部４に例えば半導体ストレンゲージが形成されて
いる面から圧力Ｐが印加されると、半導体ストレ
ンゲージの歪に対する抵抗変化の関係は、シリコ
ン受圧ダイアフラムのもつ圧力〜歪特性の非直線
性に起因し次のように近似することができる。
△Ｒ＝K1（ｒ／ｈ）2｛Ｐ＋K2P1/3｝ ……(1)
上式において、
△Ｒ：圧力による半導体ストレンゲージの抵抗
変化 ｒ：ダイアフラム部の直径 ｈ：ダイアフラム部の厚さ Ｐ：圧力 K1，K2：ポアソン比、縦弾性係数などによつ
て決まる定数 第２図は圧力Ｐと抵抗変化△Ｒとの関係の非直
線性を示す図で、(1)式のK2P1/3項が非直線性の原
因となつている。このような非直線性は、電気的
に補償したり、感度と呼ばれる抵抗変化率の最大
値を小さくすること、つまり、ダイアフラム部の
厚さｈを大きくし、非直線性の項を相対的に小さ
くする方法などがとられてきた。
変化 ｒ：ダイアフラム部の直径 ｈ：ダイアフラム部の厚さ Ｐ：圧力 K1，K2：ポアソン比、縦弾性係数などによつ
て決まる定数 第２図は圧力Ｐと抵抗変化△Ｒとの関係の非直
線性を示す図で、(1)式のK2P1/3項が非直線性の原
因となつている。このような非直線性は、電気的
に補償したり、感度と呼ばれる抵抗変化率の最大
値を小さくすること、つまり、ダイアフラム部の
厚さｈを大きくし、非直線性の項を相対的に小さ
くする方法などがとられてきた。
しかしながらこのような方法では、非直線性の
補償回路が必要なこと、補償のための調整が必要
なこと、感度を犠性にして非直線性を改良した場
合は、増幅回路系のゲインを上げなければならな
いため回路系の安定性、非直線性以外の誤差の拡
大の面から考えて好ましいことではないなど種々
の欠点があつた。
補償回路が必要なこと、補償のための調整が必要
なこと、感度を犠性にして非直線性を改良した場
合は、増幅回路系のゲインを上げなければならな
いため回路系の安定性、非直線性以外の誤差の拡
大の面から考えて好ましいことではないなど種々
の欠点があつた。
本発明は、上記した欠点を解消し、精度の高い
信頼性に富んだ半導体圧力変換素子を提供するこ
とを目的とするもので、このため本発明では、半
導体基板の一方の面にその周辺部以外の中央部分
を凹ませて薄肉の受圧ダイアフラム部を形成し、
このダイアフラム部をその周縁から中心に向い連
続的に高まつている凸面に形成して、この凸面と
反対側の前記ダイアフラム部周縁領域の表面に半
導体ストレンゲージを形成するようにして、所期
の目的を達成した。
信頼性に富んだ半導体圧力変換素子を提供するこ
とを目的とするもので、このため本発明では、半
導体基板の一方の面にその周辺部以外の中央部分
を凹ませて薄肉の受圧ダイアフラム部を形成し、
このダイアフラム部をその周縁から中心に向い連
続的に高まつている凸面に形成して、この凸面と
反対側の前記ダイアフラム部周縁領域の表面に半
導体ストレンゲージを形成するようにして、所期
の目的を達成した。
以下図面を参照して本発明の一実施例を説明す
る。第３図は、本発明に係る半導体圧力変換素子
の一実施例の断面図で、Ｎ形のシリコン基板１１
の一方の面にはその周辺部１１ａを残して中央部
を凹ませて薄肉のダイアフラム部１４が形成され
ている。そして、このダイアフラム部１４の凹ん
でいる面は周縁から中心に向い連続的に高まつて
いる凸面に形成されている。いま、ダイアフラム
部１４の中心の厚さをhc、周縁の厚さをheとす
ればhc＞he、即ちダイアフラム部１４は中心の
厚さが周縁の厚さよりも大きくなつている。そし
て、この凸面と反対側のダイアフラム部１４の周
縁領域の表面には不純物の拡散によるＰ形のスト
レンゲージ１２および１３が形成されている。
る。第３図は、本発明に係る半導体圧力変換素子
の一実施例の断面図で、Ｎ形のシリコン基板１１
の一方の面にはその周辺部１１ａを残して中央部
を凹ませて薄肉のダイアフラム部１４が形成され
ている。そして、このダイアフラム部１４の凹ん
でいる面は周縁から中心に向い連続的に高まつて
いる凸面に形成されている。いま、ダイアフラム
部１４の中心の厚さをhc、周縁の厚さをheとす
ればhc＞he、即ちダイアフラム部１４は中心の
厚さが周縁の厚さよりも大きくなつている。そし
て、この凸面と反対側のダイアフラム部１４の周
縁領域の表面には不純物の拡散によるＰ形のスト
レンゲージ１２および１３が形成されている。
なお、シリコン基板にダイアフラム部を形成す
るには、ふつ酸、硝酸の混合液によるエツチング
加工を行なつて形成しているが、上記のように部
分的にダイアフラム部の厚さを変えることは、エ
ツチング液の組成とエツチング液中でのシリコン
基板の回転量とをうまく調節することにより比較
的容易に行なうことができる。
るには、ふつ酸、硝酸の混合液によるエツチング
加工を行なつて形成しているが、上記のように部
分的にダイアフラム部の厚さを変えることは、エ
ツチング液の組成とエツチング液中でのシリコン
基板の回転量とをうまく調節することにより比較
的容易に行なうことができる。
上記のように構成された半導体圧力変換素子に
おいて、例えば半導体ストレンゲージ１２および
１３が形成された面に圧力Ｐを印加すると、スト
レンゲージはシリコンの結晶面と長手方向とが予
め決定されているので、ストレンゲージ１２は圧
力Ｐによつて抵抗がプラスに変化し（この抵抗を
RPとする）、ストレンゲージ１３は圧力Ｐによつ
て抵抗がマイナスに変化する（この抵抗をＲＮと
する）。この２つのストレンゲージを第４図に示
すように、ホイートストンブリツジの２辺とし、
その抵抗をそれぞれRP，RNで示し、各々の対辺
は固定抵抗Ｒに対して定電圧EINを印加すると、
圧力Ｐに対応したブリツジ出力EOUTが得られる。
次に、本発明の特徴であるダイアフラム部１４の
中心の厚さhcと、ダイアフラム部１４の周縁の
厚さheと非直線性の関係を説明すると第５図の
ようになる。即ち、ダイアフラム部中心の厚さ
hcとダイアフラム部周縁の厚さheとの比を最適
にとると非直線性が零になる所が存在する。実際
にはストレンゲージが長さを持ち、その比hc／
heも完全に理想値をとることができないので、
非直線性は零近傍となる。
おいて、例えば半導体ストレンゲージ１２および
１３が形成された面に圧力Ｐを印加すると、スト
レンゲージはシリコンの結晶面と長手方向とが予
め決定されているので、ストレンゲージ１２は圧
力Ｐによつて抵抗がプラスに変化し（この抵抗を
RPとする）、ストレンゲージ１３は圧力Ｐによつ
て抵抗がマイナスに変化する（この抵抗をＲＮと
する）。この２つのストレンゲージを第４図に示
すように、ホイートストンブリツジの２辺とし、
その抵抗をそれぞれRP，RNで示し、各々の対辺
は固定抵抗Ｒに対して定電圧EINを印加すると、
圧力Ｐに対応したブリツジ出力EOUTが得られる。
次に、本発明の特徴であるダイアフラム部１４の
中心の厚さhcと、ダイアフラム部１４の周縁の
厚さheと非直線性の関係を説明すると第５図の
ようになる。即ち、ダイアフラム部中心の厚さ
hcとダイアフラム部周縁の厚さheとの比を最適
にとると非直線性が零になる所が存在する。実際
にはストレンゲージが長さを持ち、その比hc／
heも完全に理想値をとることができないので、
非直線性は零近傍となる。
シリコン受圧ダイアフラムの圧力〜歪特性の非
直線性を厳密に解折することは難しいが、定性的
には、歪が大きくなるとダイアフラム自身の中心
面が伸張応力を受けるため、これを考慮して方程
式をたてるとその解は非線形となるためと言え
る。したがつて、第５図の定性的説明は、シリコ
ン受圧ダイアフラムの中心の厚さを周縁の厚さよ
り厚くすることにより、ダイアフラム部中心面に
発生する伸張応力による歪を最小にすることがで
きる結果、圧力に対する歪特性の非直線が改善さ
れたと言える。
直線性を厳密に解折することは難しいが、定性的
には、歪が大きくなるとダイアフラム自身の中心
面が伸張応力を受けるため、これを考慮して方程
式をたてるとその解は非線形となるためと言え
る。したがつて、第５図の定性的説明は、シリコ
ン受圧ダイアフラムの中心の厚さを周縁の厚さよ
り厚くすることにより、ダイアフラム部中心面に
発生する伸張応力による歪を最小にすることがで
きる結果、圧力に対する歪特性の非直線が改善さ
れたと言える。
以上の解折結果に基づき、例えば本発明の半導
体圧力変換素子では、第３図に示したダイアフラ
ム部の中心の厚さhcと周縁の厚さheとの比、即
ちhc／heの値を1.20になるように形成することに
より、圧力〜歪特性の非直線性をほゞ零にするこ
とができた。このhc／heの値は、ダイアフラム
部の直径に応じて選択される。
体圧力変換素子では、第３図に示したダイアフラ
ム部の中心の厚さhcと周縁の厚さheとの比、即
ちhc／heの値を1.20になるように形成することに
より、圧力〜歪特性の非直線性をほゞ零にするこ
とができた。このhc／heの値は、ダイアフラム
部の直径に応じて選択される。
なお、本発明は上記の実施例のみに選定される
ものでなく、例えば上記実施例のものは、Ｎ形の
半導体基板にＰ形拡散層によるストレンゲージを
形成したが、Ｐ形の半導体基板にＮ形拡散層によ
るストレンゲージを形成した半導体圧力変換素子
に対しても同様に実施することができる。
ものでなく、例えば上記実施例のものは、Ｎ形の
半導体基板にＰ形拡散層によるストレンゲージを
形成したが、Ｐ形の半導体基板にＮ形拡散層によ
るストレンゲージを形成した半導体圧力変換素子
に対しても同様に実施することができる。
以上詳述したように本発明によれば、感度を犠
性にしないで圧力〜歪特性の非直線性をほゞ零に
した半導体圧力変換素子を提供することができる
ので、非直線性の補償回路が不要になり、したが
つて補償のための調整も不要で、価格の低減が可
能となる。また増幅回路系のゲインを上げないた
めSN比が良く、非直線性以外の誤差、例えば温
度、静圧等による誤差を拡大しないという効果も
得られる。
性にしないで圧力〜歪特性の非直線性をほゞ零に
した半導体圧力変換素子を提供することができる
ので、非直線性の補償回路が不要になり、したが
つて補償のための調整も不要で、価格の低減が可
能となる。また増幅回路系のゲインを上げないた
めSN比が良く、非直線性以外の誤差、例えば温
度、静圧等による誤差を拡大しないという効果も
得られる。
第１図は半導体圧力変換素子の従来例を示す断
面図、第２図は圧力と抵抗変化の関係を示す線
図、第３図は本発明に係る半導体圧力変換素子の
一実施例を示す断面図、第４図は第３図の半導体
圧力変換素子のストレンゲージを組込んだホイー
トストンブリツジ回路を示す回路図、第５図は第
３図の半導体圧力変換素子のダイアフラム部の中
心の厚さhcと同周縁の厚さheとの比（hc／he）
と圧力〜歪特性の非直線性（％フルスケール）と
の関係を示す線図である。 １１……半導体基板、１１ａ……周辺部、１
２，１３……ストレンゲージ、１４……ダイアフ
ラム部、hc……ダイアフラム部中心の厚さ、he
……ダイアフラム部周縁の厚さ。
面図、第２図は圧力と抵抗変化の関係を示す線
図、第３図は本発明に係る半導体圧力変換素子の
一実施例を示す断面図、第４図は第３図の半導体
圧力変換素子のストレンゲージを組込んだホイー
トストンブリツジ回路を示す回路図、第５図は第
３図の半導体圧力変換素子のダイアフラム部の中
心の厚さhcと同周縁の厚さheとの比（hc／he）
と圧力〜歪特性の非直線性（％フルスケール）と
の関係を示す線図である。 １１……半導体基板、１１ａ……周辺部、１
２，１３……ストレンゲージ、１４……ダイアフ
ラム部、hc……ダイアフラム部中心の厚さ、he
……ダイアフラム部周縁の厚さ。
Claims (1)
- １ 流体の圧力に感応する受圧ダイアフラム部が
周辺部より内方に一方の面を凹ませて薄肉に形成
された半導体基板と、この半導体基板の前記ダイ
アフラム部表面に形成された半導体ストレンゲー
ジとにより圧力を検出しそれを電気信号に変換す
るものにおいて、前記ダイアフラム部の凹んでい
る面がその周縁から中心に向い連続的に高まつて
いる凸面に形成され、前記半導体ストレンゲージ
がこの凸面と反対側の前記ダイアフラム部周縁領
域に配置され、前記ダイアフラム部の凸面の中心
の厚さと前記周縁の厚さとの比を、前記半導体ス
トレンゲージの圧力・歪特性の非直線が最小とな
るように構成されることを特徴とする半導体圧力
変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15000378A JPS5577178A (en) | 1978-12-06 | 1978-12-06 | Semiconductor pressure converting element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15000378A JPS5577178A (en) | 1978-12-06 | 1978-12-06 | Semiconductor pressure converting element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5577178A JPS5577178A (en) | 1980-06-10 |
| JPS6313357B2 true JPS6313357B2 (ja) | 1988-03-25 |
Family
ID=15487335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15000378A Granted JPS5577178A (en) | 1978-12-06 | 1978-12-06 | Semiconductor pressure converting element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5577178A (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2130435B (en) * | 1982-10-27 | 1986-10-15 | Tokyo Shibaura Electric Co | Semiconductor strain sensor and method for manufacturing the same |
| JPS6174374A (ja) * | 1984-09-19 | 1986-04-16 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 半導体圧力変換器 |
| JP3289196B2 (ja) * | 1991-06-27 | 2002-06-04 | ドレッサ・ナガノ、インク | 変換器の全非直線性を低減する方法及び変換器の非直線性を低減する方法 |
| JP3323032B2 (ja) * | 1995-06-07 | 2002-09-09 | 三菱電機株式会社 | 半導体圧力検出装置の設計方法 |
| JP6694747B2 (ja) * | 2016-03-31 | 2020-05-20 | 京セラ株式会社 | 応力センサ及びその製造方法 |
| JP6908355B2 (ja) * | 2016-03-31 | 2021-07-28 | 京セラ株式会社 | 応力センサ |
| JP6882850B2 (ja) * | 2016-03-31 | 2021-06-02 | 京セラ株式会社 | 応力センサ |
| WO2017170748A1 (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 京セラ株式会社 | 応力センサ |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4984189A (ja) * | 1972-12-15 | 1974-08-13 |
-
1978
- 1978-12-06 JP JP15000378A patent/JPS5577178A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4984189A (ja) * | 1972-12-15 | 1974-08-13 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5577178A (en) | 1980-06-10 |
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