JPS6341079A - 半導体歪変換装置 - 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】 ［発明の技術分野］ この発明は、例えば自動車のエンジン制御用セン帯す等
として用いられる半導体歪変換装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従来の半導体歪変換装置としては、例えば第４図に示す
ような半導体圧力センサとして構成されたものがある（
　Ｓ　ｅｎｓｏｒｓ　　ａｎｄ　　Ａ　ｃｔｕａｔｏｒ
ｓ、　Ｎ。

４　（１９８３）　、　Ｐ６３〜６９　ｒＡ　　Ｐｉｅ
ｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　　Ｉ　ｎｔｅｇｒａｔｅｄ　
　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　　３ｅｎｓｏｒ　Ｊ　）（以下こ
れを第１の従来例という）。

第４図中、５は４個のピエゾ抵抗Ｒｏで構成されたブリ
ッジ回路で、半導体圧力センサは、第１図で後述するよ
うに半導体基板の中央部にエツチング加工により肉薄ダ
イヤフラムが設けられ、その周辺の表面部に半導体基板
とは異なる導電形の不純物がドープされて拡散層抵抗が
形成され、この拡散層抵抗により上記の各ピエゾ抵抗Ｒ
ｏが形成されている。

４藺のピエゾ抵抗Ｒｏは、同抵抗値に設定されている。

６は直流電圧Ｖｄｄが印加される電＠ｉ端子、７ａ、７
ｂは検出電圧端子で、検出電圧端子７ａ、７ｂから、ブ
リッジ回路５の接続点Ａ、Ｂ間の差電圧が検出電圧Ｖｏ
　＋　とじて取出される。

検出電圧ＩＮ子７ａ、７ｂには、さらにオペアンプ８で
構成された差動増幅器１１が接続されている。

Ｒ３、Ｒ３は差動増幅器１１の入力抵抗、Ｒ４、Ｒ４は
帰還抵抗、９ａ、９ｂは出力電圧ＶＯ２の出力端子であ
る。

入力抵抗Ｒ３、Ｒ３、および帰還抵抗Ｒ４、Ｒ４は、厚
膜抵抗またはチップ抵抗が用いられて半導体基板に対し
外付けされている。

上記のように構成された差動増幅器１１の電圧増幅率Ｇ
１は、ピエゾ抵抗Ｒｏ、入力抵抗Ｒ３、および帰還抵抗
Ｒ４の各符号がそのままそれぞれの抵抗値を表ねずもの
とすると、次式で与えられる。

Ｇ＋　＝Ｒ４／　（Ｒ３＋　（ＲＯ／２））　　　−（
＋）そして当初はブリッジ回路５が平衡状態にあるもの
とし、ダイレフラムに圧力が加わると、これがたわんで
その表面部に歪が発生し、各ピエゾ抵抗ＲＯの抵抗値が
その歪量に応じて変化する。

この結果ブリッジ回路５の平衡がくずれて検出電圧端子
７ａ、７ｂからは歪量に比例した値の検出電圧Ｖｏ　Ｉ
　が取出される。この検出電圧ＶＯＩは通常低レベルで
あるので、これが差動増幅器１１でＧ１　・Ｖｏ　＋　
に増幅されて出力端子９ａ、９ｂから所要レベルの出力
電圧ＶＯ２が出力される。

ところで前記（１）式中、ピエゾ抵抗Ｒｏは、半導体基
板中の拡散層抵抗で形成されているため、その抵抗値は
温度変化の影響が比較的大きく、通常０．１〜０．３％
／℃の抵抗温度特性を持ち、さらにその抵抗温度特性は
非線形性を有している。

これに対し、入力抵抗Ｒ３、および帰還抵抗Ｒ４は、外
付けの抵抗が用いられているので、その抵抗］直の温度
変化による影響は、拡散層抵抗に比べると非常に少ない
。

そして前記（１）式には、温度依存性の比較的大きいピ
エゾ抵抗ＲＯの抵抗値が分母のみに入っている。

このため第１の従来例にあっては、電圧増幅率Ｇ＋　が
温度により変化して検出誤差が生じるという問題点があ
った。

第５図は、上記の問題点に対して改善策がとられた他の
半導体歪変換装置を示すものである（これを以下筒２の
従来例という）。

この半導体歪変換装置では、ブリッジ回路５の検出電圧
端子７ａと、差動増幅器１１における入力抵抗Ｒ３との
間にボルテージフォロワ構成のオペアンプ１２が接続さ
れ、これと同様に検出電圧端子７ｂと他の入力抵抗Ｒ３
との間にもボルテージフォロワ構成の他のオペアンプ１
３が接続されている。

オペアンプ１２．１３にはぞれぞれ帰還抵抗Ｒ８が接続
され、さらに両帰還抵抗Ｒ６、Ｒ６の間に抵抗Ｒ５が接
続されている。

このように構成された増幅器の電圧増幅率Ｇ２は次式で
与えられる。

Ｇ２＝（１＋２・Ｒｅ　／Ｒｓ　）　　（Ｒ４／Ｒ３）
・・・（２） 上記（２）式中にはピエゾ抵抗Ｒｏの抵抗値が含まれて
いない。したがって第２の従来例では、電圧増幅率Ｇ２
は温度による影響が非常に小さくなり、前記第１の従来
例におけるような温度変化に起因する検出誤差は生じな
い。

しかしながら第２の従来例にあっては、前記第１の従来
例と比べるとその構成に、２個のオペアンプ１２．１３
等を余分に接続する必要があるのでコスト高になるとい
う問題点があった。

［発明の目的］ この発明は、上記事情に基づいてなされたもので、電圧
増幅率の温度依存性が少なく高精度で、且つ低コストの
半導体歪変換装置を提供することを目的とする。

［発明の概要］ この発明は、上記目的を達成するために、増幅器におけ
る増幅度設定用の抵抗を半導体の拡ｒＩ１層抵抗で構成
し、且つこの拡散層抵抗をピエゾ抵抗とともに同一の拡
散条件で同一の半導体基板上に形成することにより、電
圧増幅率が前記（１）式で表わされるような増幅器構成
とした場合において、ピエゾ抵抗の抵抗温度特性と、増
幅器における抵抗の抵抗温度特性とを相殺して電圧増幅
率の温度依存性を少なくし、高い検出精度が得られるよ
うにしたものである。

［発明の実施例］ 以下この発明の実施例を第１図〜第３図に基づいて説明
する。

この実施例は半導体圧力センサとして構成されたもので
ある。

第１図は平面図、第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ線断面図
、第３図は回路図である。

なお第３図等において、前記第４図における回路素子等
と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以って示
し重複した説明を省略する。

まず構成を説明すると、第１図および第２図中、１は３
ｉの半導体基板で、この半導体基板１の裏面側中央部が
エツチング加工されて肉薄のダイヤフラム２が形成され
ている。ダイヤフラム２は、第１図に示すように平面的
には方形状に形成されている。

ダイヤフラム２の周辺の表面部には、半導体基板１とは
異なる導電形の不純物がドープされて拡散層抵抗が形成
され、この拡散層抵抗により４個のピエゾ抵抗Ｒつが形
成されている。

３はＳ　ｉ　０２等の絶縁膜で、この絶縁膜３上に形成
されたＡ１等の金属配線層４により４個のピエゾ抵抗Ｒ
ｏがブリッジ接続されてブリッジ回路５が構成されてい
る。

４ａは電源端子６への接続線、７ａ、７ｂはブリッジ回
路５の検出電圧端子である。

そして第３図に示ず差動増幅器１０における増幅度設定
用の各抵抗、即ち入力抵抗Ｒ＋　、Ｒ＋　、および帰還
抵抗Ｒ２、Ｒ２が、各ピエゾ抵抗ＲＯと同一の半導体基
板１上に拡散層抵抗により形成され、これが検出電圧端
子７ａ、７ｂに接続されている。

各抵抗Ｒ＋　〜Ｒ２を形成する拡散層抵抗は、この実施
例では、ピエゾ抵抗Ｒｏ形成のための拡散プロ゛セスで
同時に拡散が行なわれ、第１図に示すようにそのパター
ンにより所要の抵抗１直となるように調整されている。

このようにしてピエゾ抵抗Ｒｏと、差動増幅器１０にお
ける増幅度設定用の各抵抗Ｒ＋〜Ｒ２とには、同一の抵
抗温度特性が与えられている。

４ｂは出力端子９ａへの接続線、４Ｃはオペアンプ８の
θλ入力端子の接続線、４ｄはオペアンプ８の○入力端
子への接続線、４ｅは接地線である。

第３図に示すように上記の各抵抗Ｒ１〜Ｒ２、およびオ
ペアンプ８で構成された差動増幅器１０は、当該各抵抗
が半導体基板１上の拡散層抵抗で形成されている点を除
けば、前記第４図に示した第１の従来例のものと回路構
成が同じである。

したがって差動増幅器１０の電圧増幅率Ｇ３は前記（１
）式と同様に次式で与えられる。

Ｇ３　＝Ｒ２／　（Ｒ＋　＋　（Ｒｏ　／　２　）　３
　　　・・・（３）なおオペアンプ８そのものも各抵抗
Ｒ１〜Ｒ２と同様に半導体基板１上に形成することもで
きる。

次に作用を説明する。

当初ブリッジ回路５は平衡状態にあるものとする。ダイ
ヤフラム２に圧力が加わると、これがたわんでその表面
部に歪が発生し、各ピエゾ抵抗ＲＯの抵抗値がその歪量
に応じて変化する。

この結果ブリッジ回路５の平衡がくずれて検出電圧端子
７ａ、７ｂから歪倦に比例した値の検出電圧■ＯＩが取
出される。この検出電圧Ｖｏ　Ｉ　は、差動増幅器１ｏ
でＧ３　・Ｖｏ　＋　に増幅され、出力端子９ａ、９ｂ
からは所要レベルの出力電圧Ｖ。

２が出力される。

そしてこのような圧力検出作用において周囲温度等の変
化により半導体基板１に温度変化が生じると゛、ピエゾ
抵抗ＲＯと差動増幅器１０における増幅度設定用の抵抗
Ｒ１−Ｒ２とは同一の抵抗温度特性を有しているので、
両者には同一割合の抵抗値変化が生じる。

しかしこのような両者の抵抗値変化は、前記（３）式の
電圧増幅率Ｇ３の表式において、分母、分子の値を同一
割合で変化させることになる。

したがってピエゾ抵抗Ｒｏの抵抗温度特性と、差動増幅
器１０における各抵抗Ｒ１〜Ｒ２の抵抗温度特性との相
殺により、電圧増幅率Ｇ３の温度依存性が極めて少なく
なり、圧力値が高精度で検出される。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明の構成によれば、ピエゾ
抵抗と増幅器における増幅度設定用の抵抗とは、同一の
抵抗温度特性を持つので、電圧増幅率の表底の分母等に
ピエゾ抵抗の抵抗値の項が入るような増幅器構成として
も、ピエゾ抵抗の抵抗温度特性と増幅器における抵抗の
抵抗温度特性との相殺により電圧増幅率の温度依存性が
極めて少なくなり、歪ｍが高精度で検出され、また増幅
器の構成が簡単になってコスト低減を図ることができる
。

したがって自動車のエンジン制御用センサ等として極め
て好適な半導体歪変換装置を提供することができるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る半導体歪変換装置の実施例を示
す平面図、第２図は第１図のＩ［−４線断面図、第３図
は同上実施例の回路構成を示す回路図、第４図は半導体
歪変換装置の第１の従来例を示す回路図、第５図は第２
の従来例を示す回路図である。 １：半導体基板、 ２：ダイヤフラム、 ５ニブリッジ回路、 １０：差動増幅器、 ＲＯ：ピエゾ抵抗、 Ｒ１、Ｒ２：差動増幅器における増幅度設定用の抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　圧力または加速度等で半導体基板に生ずる歪を該半導
   体基板上に形成したピエゾ抵抗の抵抗値変化で検出し、
   該抵抗値変化を電気信号の変化として取出して増幅器で
   増幅し所要レベルの検出信号を得る半導体歪変換装置に
   おいて、 前記増幅器における増幅度設定用の抵抗となる拡散層抵
   抗とピエゾ抵抗とを同一の拡散条件で同一の半導体基板
   上に形成したことを特徴とする半導体歪変換装置。