JPWO2015190331A1 - 力学量測定装置およびそれを用いた圧力センサ - Google Patents

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Abstract

従来以上に高い精度や長期信頼性を有する力学量測定装置およびそれを用いた圧力センサを提供する。一つの半導体基板1の主表面に不純物拡散抵抗体によって構成される第１のホイートストンブリッジAを備え、第１のホイートストンブリッジAにより半導体基板1の主表面上で直交するｘ軸方向に生じるひずみ量とｙ軸方向に生じるひずみ量との差分を検出する力学量測定装置において、半導体基板1の主表面に、ｘ軸方向のひずみ量を検出する第２のホイートストンブリッジBと、ｙ軸方向のひずみ量を検出する第３のホイートストンブリッジCとを備える。

Description

本発明は、測定対象物に掛かる応力やひずみ等の力学量を測定する技術に関し、特に、半導体基板表面に形成された不純物拡散抵抗体によって構成されるひずみ検出領域を備えた力学量測定装置およびそれを用いた圧力センサに関する。
測定対象物の変形（ひずみ）を測定する装置として、薄い絶縁体上に金属抵抗体（金属箔）が配設された金属箔ひずみゲージが、昔からよく知られている。金属箔ひずみゲージは、測定対象物の変形に追従した金属箔の変形に伴う電気抵抗値の変化を測定してひずみ量に換算するものであり、構造が単純で安価である割に高精度であるため、広く利用されてきた。一方、金属箔ひずみゲージは、その構成上、被測定物の温度が変化すると測定誤差が生じ易い点や、常時駆動させるには消費電力が大きい点や、ある程度の設置面積を要する点などの弱点を有している。
金属箔ひずみゲージのそれらの弱点を克服する装置として、半導体基板表面に形成された不純物拡散抵抗体によって構成されるひずみ検出領域（ブリッジ回路）を備えた半導体ひずみセンサが開発されている。半導体ひずみセンサは、不純物拡散抵抗体のひずみに対する抵抗変化率が従来の金属箔ひずみゲージの金属抵抗体のそれに比して数１０倍大きいことから、微小なひずみでも検知することが可能である（すなわち、ひずみに対する感度が高い利点がある）。また、不純物拡散抵抗体の形成にフォトリソグラフィ等のいわゆる半導体プロセスを利用することで、不純物拡散抵抗体の微細パターン化が可能であり、半導体ひずみセンサ全体を小型化（小面積化）することができると共に省電力化することができる。さらに、不純物拡散抵抗体の微細パターン化により、ホイートストンブリッジ回路を構成する全ての抵抗体を同一の基板上に形成できるため、被測定物の温度変化に対する電気抵抗の変動が相殺されて測定誤差が小さくなる（測定精度が向上する）利点もある。
例えば、特開２００７−２６３７８１号公報（特許文献１）には、半導体基板表面にひずみ検出部を備え、被測定物に取り付けられて、ひずみを測定する力学量測定装置が記載されている。この力学量測定装置では、半導体単結晶基板に少なくとも二組以上のブリッジ回路を形成している。二組のブリッジ回路のうち、ひとつのブリッジ回路は、電流を流して抵抗値の変動を測定する方向（長手方向）が半導体単結晶基板の＜1 0 0＞方向と平行であるn型拡散抵抗で構成されている。もう一つのブリッジ回路は、長手方向が＜1 1 0＞方向と平行であるp型拡散抵抗を組み合わせて構成されている。特許文献１によると、被測定物に生じる特定方向のひずみ成分を精度良く測定することができるとされている（要約参照）。
特開２００７−２６３７８１号公報
自動車エンジンにおける省エネルギー化や排ガスクリーン化を目的として、燃料をより効率的に燃焼させるための種々の技術が検討・採用されている。しかし、近年、省エネルギー化および排ガスクリーン化の要求はますます強まっている。省エネルギー化を目指す燃焼技術の代表格は、理論空燃比よりも薄い条件の燃焼を実現する技術である。また、排ガスクリーン化を目指す燃焼技術の代表格は、シリンダ内での安定・確実な燃焼を実現する技術である。
それらの燃焼技術を効果的に実現するためには、燃料噴射の精密制御が必要不可欠である。そして、燃料噴射の精密制御を実現するにあたり、噴射圧力制御に関わる圧力センサはキーパーツの内の１つである。
例えば、ディーゼルエンジン用のコモンレールシステムにおいては、省エネルギー化および排ガスクリーン化を進展させるため燃料圧力の更なる高圧化（例えば、2500〜3000気圧）が進められている。そして、構成部品に対してより高い耐圧性と耐久性（長期信頼性）とが強く求められている。また、構成部品の内でも圧力センサは、精密制御の根幹をなす部品であり、耐圧性および耐久性に加えて更なる高精度が強く求められている。
特許文献１に記載された半導体ひずみセンサは、前述したような優れた作用効果を有している。しかしながら、圧力センサに対する最新の要求レベル（特に、高精度や長期信頼性）を達成するためには、半導体ひずみセンサ（力学量測定装置）においても更なる改良が必要であることが判ってきた（詳細は後述する）。
本発明の目的は、従来以上に高い精度や長期信頼性を有する半導体ひずみセンサ（力学量測定装置）を提供することにある。また、当該力学量測定装置を用いることにより、従来以上に高い精度や長期信頼性を有する圧力センサを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の力学量測定装置は、半導体基板の主表面に形成された不純物拡散抵抗体によって構成されるひずみ検出領域を備えた力学量測定装置であって、前記ひずみ検出領域は複数のホイートストンブリッジを有し、前記複数のホイートストンブリッジの内の１つのホイートストンブリッジにより、半導体基板上で直交するｘ軸方向とｙ軸方向に生じるひずみ量の差分を検出し、前記複数のホイートストンブリッジの他のホイートストンブリッジにより、ｘ軸方向のひずみ量とｙ軸方向のひずみ量を独立に検出し、ｘ軸方向、ｙ軸方向に生じるひずみ量の差分と、ｘ軸方向のひずみ量の絶対値と、ｙ軸方向のひずみ量の絶対値とを測定する。
また、本発明の圧力センサは、金属製のダイアフラム上に半導体ひずみセンサが接合された圧力センサであって、前記半導体ひずみセンサが上記力学量測定装置によって構成される。
本発明によれば、従来以上に高い精度や長期信頼性を有する力学量測定装置を提供することができる。また、当該力学量測定装置を用いることにより、従来以上に高い精度や長期信頼性を有する圧力センサを提供することができる。
実験に用いた従来の半導体ひずみセンサの概要を示す平面模式図である。 実験に用いた疑似圧力センサの概要を示す平面模式図とａ−ｂ線の断面模式図である。 実装が正常に行われた擬似圧力センサの変形の様子を示す断面模式図である。 実装時にシリコンチップの一部が許容されるひずみ量を超えたために一部（主にチップ端部）が破損した擬似圧力センサの変形の様子を示す断面模式図である。 実装が正常に行われた擬似圧力センサと一部が破損した擬似圧力センサにおける半導体ひずみセンサの出力電圧と時間との関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。 第２実施形態に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。 第３実施形態に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。接続形態がホイートストンブリッジＡと等価な状態を示す。 第３実施形態に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。接続形態がホイートストンブリッジＢと等価な状態を示す。 第３実施形態に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。接続形態がホイートストンブリッジＣと等価な状態を示す。 第３実施形態に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。接続形態がＸ軸方向とＹ軸方向のひずみ量によらず、ホイートストンブリッジの出力電圧が０となる状態を示す。 本発明に係る圧力センサの一例を示す断面模式図である。 本発明に係る力学量測定装置を用いた圧力センサの内部動作チャートの一例を示すフローチャートである。
本発明に係る以下の実施例では、圧力センサにおけるダイアフラムとシリコンチップの実装界面での信頼性を高める実施形態の例を説明する。
自動車部品は、各種工業部品の中でも適用温度範囲、耐候性、精度、長期信頼性などに関する要求が特に厳しい分野である。本発明者等は、半導体ひずみセンサを用いた圧力センサにおいて、最新の各種要求を満たすべく研究を行っていたところ、半導体ひずみセンサ内に配置される４本のＰ型拡散抵抗ホイートストンブリッジの値が正常範囲内であっても、シリコンチップとダイアフラムとの接合界面での破損が生じていることがあり、この現象は、精度や長期信頼性に関わる問題であり、解決すべき課題であることがわかった。そこで、本発明者等は、４本のＰ型拡散抵抗を使ったホイートストンブリッジと別の手段で、当該接合界面やシリコンチップの破損原因となるひずみ量の検出を試みた。
図１は、従来の半導体ひずみセンサに搭載していた４本のＰ型拡散抵抗を使ったホイートストンブリッジの概要を示す平面模式図である。図１を用いて従来の半導体ひずみセンサ10の構成と機能とを簡単に説明する。半導体ひずみセンサ10は、シリコン単結晶基板1の表面上に複数のＰ型拡散抵抗体2が形成されており、複数のＰ型拡散抵抗体2は４つのブリッジ抵抗Rv1，Rv2，Rh1，Rh2として互いに接続されてホイートストンブリッジ3を構成している。ホイートストンブリッジ3は、電源端子4とグランド端子5とに接続され、４つのブリッジ抵抗Rv1，Rv2、Rh1，Rh2に流れる電流方向がシリコン単結晶基板1の＜1 1 0＞方向およびそれに垂直な方向となるにように構成されている。なお、シリコンは立方晶である。
半導体ひずみセンサ10に対してシリコン単結晶基板1の＜1 1 0＞方向および、またはそれに垂直な方向のひずみが掛かると、不純物拡散抵抗体2（すなわち、４つのブリッジ抵抗Rv1，Rv2，Rh1，Rh2）の抵抗値が変化し、ブリッジ電圧の出力に電位差が生じる。この電位差は、シリコン単結晶基板1内に形成されたアンプ回路6で増幅され、電気信号として出力端子7から取り出される。このようにして、半導体ひずみセンサ10は、ホイートストンブリッジ3が形成された領域（ひずみ検出領域）に掛かるひずみ量に応じた電気信号を出力することができる。このとき半導体ひずみセンサ10の出力電圧OUTは、
VOUT = GAIN ・ VDD (( a−b ) εx − (a−b) εy )/ 2 …（１）
GAIN: アンプ回路の増幅率
a:電流に平行な方向のゲージ率、b:電流に垂直な方向のゲージ率
VDD：電源電圧 εx ：X方向ひずみ、εy：Y方向ひずみ
であらわすことが出来る。このとき、ブリッジを構成する抵抗にＰ型拡散抵抗を使うと、電流に平行な方向のゲージ率と電流に垂直な方向のゲージ率が等しく、上記（１）式のaおよびbは（２）式で表すことができる。
a ≒ −b …（２）
このため、（１）式は（３）式のようになる。
VOUT = GAIN ・VDD ・ a ・ (εx−εy ) …（３）
すなわち、Ｐ型拡散抵抗を用いた従来の半導体ひずみセンサの出力電圧は、半導体ひずみセンサに生じるＸ方向ひずみとＹ方向ひずみの差分に比例することがわかる。このため、Ｐ型拡散抵抗を用いた半導体ひずみセンサは、被測定物が熱による膨張や収縮によりＸ方向とＹ方向に等方的に変化する場合において、その影響をキャンセルし良好な温度依存性を示すことが知られている。
図２は、実験に用いた疑似圧力センサの概要を示す平面模式図と、平面模式図に示すａ−ｂ線の断面模式図である。図２に示したように、疑似圧力センサ20は、ダイアフラムを模した金属板21のほぼ中央位置にはんだ接合層22を介して半導体ひずみセンサ10が接合されたものである。自動車エンジン用圧力センサは、高温（例えば、120〜130℃程度）の環境下に配設されることから、ダイアフラムと半導体ひずみセンサとの接合は、通常、有機系接着剤による接合ではなく、はんだ接合によって行われる。金属板21には、端子台23が設けられており、半導体ひずみセンサ10の電源端子4とグランド端子5と出力端子7とが接続されている。
次に、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃを用いて、実験とその結果について説明する。図３Ａは、実装が正常に行われた擬似圧力センサ20の変形の様子を示す断面模式図である。図３Ｂは、実装時にシリコンチップの一部が許容されるひずみ量を超えたために一部（主にチップ端部）が破損した擬似圧力センサ20’の変形の様子を示す断面模式図である。図３Ｃは、半導体ひずみセンサ10,10’の出力電圧と時間との関係を示すグラフである。実験は「時間t＝0」において金属板に対して応力が掛かっていない初期状態であり、この時の半導体ひずみセンサ10の出力電圧をV0、半導体ひずみセンサ10’の出力電圧をV0’とする。
その後、「時間t＝t1」にかけて疑似圧力センサ20,20’の金属板21,21’に曲げ応力を加えると、金属板21,21’にひずみが生じる。金属板21,21’のひずみは、はんだ接合層を介して半導体ひずみセンサ10,10’に伝播し、半導体ひずみセンサ10の出力電圧が、V0から過渡状態を経て出力電圧V＋となり、半導体ひずみセンサ10’の出力電圧がV0’から過渡状態を経て出力電圧V＋’に変化した。
この際、シリコンチップの一部が破損している擬似圧力センサ20’は、正常な擬似圧力センサ20と比べて、初期のオフセットが若干大きく、応力印加時の電圧変動が若干少ない結果となったが、擬似圧力センサ20’の値だけを見る限り、シリコンチップの破損に気づくことは出来ないことがわかった。このことは、Ｐ型拡散抵抗を用いたホイートストンブリッジの出力がＸ方向とＹ方向の差分を検出するために、その絶対値が擬似圧力センサ20’のようにシリコンチップの一部を破壊するほど大きくても、Ｘ方向とＹ方向のひずみ量が共に大きくなっている場合においては、ホイートストンブリッジの出力だけではその現象を捉えることができないことを意味している。
当該研究の結果、Ｘ方向とＹ方向のひずみ量の差分を検出し温度依存性に優れたＰ型拡散抵抗を用いたホイートストンブリッジを配置した半導体ひずみセンサと同一のシリコン基板上で、Ｘ方向、Ｙ方向の絶対値がシリコンチップやその実装界面で許容されるひずみ量を超えていないかを同時に計測することにより、シリコンチップや実装界面の信頼性について、車載品質を満たすレベルに向上する必要があることがわかった。本発明は、当該研究の結果、完成されたものである。
本発明は、上述した本発明に係る力学量測定装置において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）半導体基板の主表面は単結晶シリコンの｛１００｝面である。
（ii）半導体基板はｘ軸方向とｙ軸方向がシリコン基板の＜１１０＞方向と一致する。ｘ軸方向とｙ軸方向のひずみ量の差分を検出するホイートストンブリッジは、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｙ軸方向に形成され、ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗２本と、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向に形成され、ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗の２本とによって構成される。（iii）ｘ軸方向のひずみ量の絶対値とｙ軸方向のひずみ量の絶対値とを測定するホイートストンブリッジは、２つのホイーストンブリッジからなる。そのうちのひとつは、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｙ軸方向に形成され、ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置されたポリシリコン抵抗２本と、＜１００＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向およびｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向に形成され、ｘ軸方向およびｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向に平行に電流を流すＰ型拡散抵抗２本とによって構成される。もうひとつのホイーストンブリッジは、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向に形成され、ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置されたポリシリコン抵抗２本と、＜１００＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向およびｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向に形成され、ｘ軸方向およびｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向に平行に電流を流すＰ型拡散抵抗２本とによって形成される。
（iv）ホイートストンブリッジを構成する抵抗体は抵抗体の長手方向の長さ以下の間隔で互いに隣り合う形で配列されている。
（v）複数のホイートストンブリッジのそれぞれからの出力に基づいてひずみ量の補正計算を行う補正演算回路が、ホイートストンブリッジが形成された半導体基板上に更に設けられている。
また、前述したように、本発明に係る圧力センサは、金属製のダイアフラム上に半導体ひずみセンサが接合された圧力センサであって、前記半導体ひずみセンサは、上記の本発明に係る力学量測定装置で構成される。
本発明は、上述した本発明に係る圧力センサにおいて、以下のような改良や変更を加えることができる。
（vi）半導体ひずみセンサの金属製ダイアフラムへの接合は、はんだ接合である。
（vii）前記圧力センサは、自動車エンジン用の圧力センサとして用いられる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げる実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。なお、同じ部材・部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
ここでは、本発明の第１実施形態に係る力学量測定装置の技術的思想について図４〜７を参照しながら説明する。図４は、第１実施形態に係る力学量測定装置の概要を示す平面模式図である。
図４に示したように、第１実施形態に係る力学量測定装置30（半導体ひずみセンサ）は、半導体基板（例えば、シリコン単結晶基板1）の表面上に、互いにとなり合うように配設された３つのホイートストンブリッジA，B，Cを有している。ホイートストンブリッジAは、４つの抵抗体R v1，R v2，R h1，R h2から成っている。同様に、隣り合うホイートストンブリッジBは４つの抵抗体R v3，R v4，R h3，R h4からなっており、ホイートストンブリッジCはR v5，R v6，R h5，R h6からなる。ホイートストンブリッジA，B，Cは、シリコン単結晶基板1の大きさに対して十分小さく形成されていることが好ましい。本実施形態では、一例として、シリコン単結晶基板1の大きさを４mm角とし、ホイートストンブリッジA，B，Cの大きさをそれぞれ０．２mm角に形成している。
ホイートストンブリッジAは、Ｘ軸方向に発生するひずみの差分とＹ軸方向に発生するひずみとの差分を出力するため、半導体基板1のＸ軸方向に発生するひずみに応じて抵抗値が変化する抵抗Rh1，Rh2と、Ｙ軸方向に発生するひずみに応じて抵抗値が変化する抵抗Rv1，Rv2とで構成する。これらの抵抗体Rv1，Rv2，Rh1，Rh2は、P型不純物拡散抵抗体からなる。より具体的には、抵抗Rv1，Rv2は長手方向がＹ軸方向であり、Ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗である。また、抵抗Rh1，Rh2は長手方向がＸ軸方向であり、Ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗である。また、ホイートストンブリッジＡを構成する抵抗体Rv1，Rv2，Rh1，Rh2は半導体基板１のほぼ中心（中央）に配置されている。
ホイートストンブリッジB，Cはその出力電圧を演算することで、Ｘ軸方向に発生するひずみの絶対値とＹ軸方向に発生するひずみの絶対値とを検出するために構成する。ここで、ホイートストンブリッジＢを構成する４つの抵抗Rv3，Rv4，Rh3，Rh4のうち、抵抗Rv3，Rv4は、P型不純物拡散抵抗体であり、その長手方向はＸ軸およびＹ軸方向から４５度傾いた＜１００＞方向である。一方、抵抗Rh3，Rh4はポリシリコン抵抗であり、その長手方向はＸ軸に平行な方向である。また、ホイートストンブリッジＢを構成する抵抗体Rv3，Rv4，Rh3，Rh4はホイートストンブリッジＡを構成する抵抗Rv1，Rv2，Rh1，Rh2と隣接して配置されている。
ホイートストンブリッジCを構成する４つの抵抗Rv5，Rv6，Rh5，Rh6のうち、抵抗Rh5， Rh6は、P型不純物拡散抵抗体であり、その長手方向はＸ軸およびＹ軸方向から４５度傾いた＜１００＞方向である。一方、抵抗Rv5，Rv6はポリシリコン抵抗であり、その長手方向はY軸に平行な方向である。また、ホイートストンブリッジＣを構成する抵抗体Rv5，Rv6，Rh5，Rh6はホイートストンブリッジAを構成する抵抗Rv1，Rv2，Rh1，Rh2と隣接して配置されている。
上述したように、ホイートストンブリッジA，B，Cは、互いに隣接して配設されており、かつ各抵抗体は４つのブリッジ抵抗の要素を全て有している。このことから、ホイートストンブリッジA，B，Cのそれぞれは、半導体基板の熱抵抗を考慮した場合に、自身のひずみ検出領域内において（より厳密には、当該ホイートストンブリッジを構成する不純物拡散抵抗体が形成された領域において）、温度分布がほぼ一定になる特徴をあわせ持つ。
ホイートストンブリッジA，B，Cのそれぞれは、電源端子4とグランド端子5とに接続されている。ホイートストンブリッジAから得られる信号（ブリッジ電圧の電位差）はシリコン単結晶基板1内に形成されたアンプ回路6で増幅される。ホイートストンブリッジＢ、Ｃから得られる信号はシリコン単結晶基板1内に形成されたアンプ回路8，9で増幅される。アンプ回路6，8，9で増幅された信号は、シリコン単結晶基板1内に形成された補正演算回路11に入力される。補正演算回路11において、ホイートストンブリッジAで検出された電圧からＸ軸方向のひずみ量とＹ軸方向のひずみ量との差分を算出する補正演算が実行される。また、補正演算回路11においては、ホイートストンブリッジB、Cで検出された電圧から、Ｘ軸方向のひずみ量の絶対値と、Ｙ軸方向のひずみ量の絶対値とを算出する補正演算が行われる。Ｘ軸方向のひずみ量およびＹ軸方向のひずみ量が許容値以下である場合において、Ｘ軸方向のひずみ量とＹ軸方向のひずみ量との差分に応じた信号が出力端子7から取り出される。Ｘ軸方向のひずみ量とＹ軸方向のひずみ量とのうち少なくともいずれか一方が許容値を超えるひずみ量であった場合には、出力端子7より異常を知らせる電圧を出力する。（補正演算の詳細については後述する）。これにより、力学量測定装置30（半導体ひずみセンサ）を接合するはんだ接合層やシリコン基板に、許容されるひずみ量を超えるひずみが発生した場合には、その状態を異常電圧の形で外部に知らせることが可能となる。
次に、補正演算について説明する。ホイーストンブリッジＡは＜１１０＞方向に電流を流す４つのＰ型拡散抵抗で構成される。そのため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に発生するひずみに応じて抵抗値が変化する。この時の、出力電圧は、上記図１を用いて説明したように（３）式であらわされる。
このことはすなわち、Ｘ軸方向にかかるひずみ量εxとＹ軸方向にかかるひずみ量εyとの差分に比例した出力が検出されることを表している。
上記に対し、ホイーストンブリッジBにおいては、抵抗Rv3，Rv4はＰ型拡散抵抗であるものの、その長手方向は＜１００＞方向を向いて配置される。Ｐ型拡散抵抗は、＜１００＞方向に電流が流れている場合、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に発生したひずみに対して、きわめて低い感度をしめす。そのため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にひずみが発生しても、抵抗値Rv3，Rv4は変化しない。これに対して、ホイーストンブリッジBを構成する抵抗Rｈ3，Rｈ4は＜１１０＞方向に電流を流し、Ｘ軸方向に平行に電流を流すポリシリコン抵抗である。同様にホイーストンブリッジCにおいては、抵抗Rh5，Rh6はＰ型拡散抵抗であるものの、その長手方向は＜１００＞方向を向いて配置される。一方、抵抗Rv5，Rv6はポリシリコン抵抗であり、Ｙ軸方向と平行な方向に電流を流す。
このとき、ポリシリコン抵抗は電流の流れる方向のひずみ感度と、電流と垂直な向きに発生するひずみ感度が異なる。すなわち、ホイーストンブリッジB，Cにおいて、ポリシリコン抵抗に流れる電流の向きをかえることで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に分離したひずみを検出することができる。この時のＸ軸方向ひずみとＹ軸方向ひずみを、ホイーストンブリッジBの出力電圧ＶＯＵＴＢ，ホイーストンブリッジCの出力電圧VOUTCとポリシリコン抵抗の電流の流れる方向に平行なゲージ率A、垂直なゲージ率Bとすると、（４）式および（５）式を導出することができる。
εｘ＝(１/(A２−B２))(A・(VOUTB/VDD)−B・(VOUTC/VDD) …（４）
εy＝(１/(A２−B２))(A・(VOUTB/VDD)−B・(VOUTC/VDD) …（５）
このとき、前述したＰ型拡散抵抗のゲージ率aに比べて、ポリシリコン抵抗のゲージ率Ａ、Ｂは温度依存性が大きく、式（４）（５）を減算して求められるひずみ量εｘとεｙは実際に発生しているひずみに比べて、最大３０％程度の誤差を含む。そのため、力学量測定装置として、Ｘ軸方向に発生するひずみ量とＹ軸方向に発生するひずみ量との差分に応じた出力を得るためには、Ｐ型拡散抵抗のみを使った（３）式の形態が最良である。このことが、同一基板上に３つのホイーストンブリッジを配置し、Ｘ軸方向のひずみ量とＹ軸方向のひずみ量との差分と、Ｘ軸方向のひずみ量の絶対値と、Ｙ軸方向のひずみ量の絶対値とを求めることが必要な根拠となる。
上記力学量測定装置上に配置された３つのホイーストンブリッジで、Ｘ軸方向のひずみ量とＹ軸方向のひずみ量との差分を温度依存性よく検出しつつ、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに発生するひずみを個別に概算することが可能となる。
次に、本発明により副次的に発生する力学量測定装置の効果を説明する。上記より、図４の補正回路１１において、図３で示したようにシリコンや実装界面で許容されるひずみ量と、式（４）（５）から得られるひずみ量の概算値を比較し、式（４）（５）の値が、許容ひずみを超える値となった場合に、出力端子7に許容ひずみを超えるひずみが発生したことを知らせる電圧、例えばＧＮＤ電位とすることで力学量測定装置として、安全に停止することが可能となる。許容ひずみを超えるひずみが発生したことを知らせる電圧は、力学量測定装置が正常に動作している場合に出力端子7から出力される出力電圧の動作電圧範囲外の値に設定される。
本実施例では、１２本の抵抗体を用いて３つのホイートストンブリッジを構成する。第１のホイートストンブリッジAは第１のＹ軸方向抵抗Rv1と第２のＹ軸方向抵抗Rv2と第１のＸ軸方向抵抗Rh1と第２のＸ軸方向抵抗Rh2とで構成される。第２のホイートストンブリッジBは第１のポリシリコン抵抗Rh3と第２のポリシリコン抵抗Rh4と第１の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rv3と第２の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rv4とで構成される。第３のホイートストンブリッジCは第３のポリシリコン抵抗Rv5と第４のポリシリコン抵抗Rv6と第３の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rh5と第４の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rh6とで構成される。
そして、ホイートストンブリッジA，B，C、電源端子4、グランド端子5、出力端子7、アンプ回路6，8，9および補正回路11は、半導体基板1の主表面上に形成される。
ここでは、前述した第１実施形態の別の例について図５を参照しながら説明する。図５は、第２実施形態の力学量測定装置の全体図を示したものである。第１実施形態で示したホイートストンブリッジA，B，Cの抵抗体をチップ中心付近に配置し、互いの抵抗体を隣接配置した例である。なお、図５の平面模式図においては、図面を単純化するために、配線の詳細（例えば、不純物拡散抵抗体同士の配線）を省略してある。
図５に示したように、本実施形態におけるホイートストンブリッジAを構成する抵抗体Rv1，Rv2，Rh1，Rh2のそれぞれは、チップ中心部に配置され、ホイートストンブリッジB， Cを構成する抵抗体のそれぞれは、Aの抵抗体Rv1，Rv2，Rh1，Rh2に隣接する配置されている。これにより（当該ホイートストンブリッジを構成する不純物拡散抵抗体が形成された領域において）、検出の面内の等方性が高く、半導体基板の製造ばらつきや温度分布の影響を受けにくい効果がある。
ここでは、前述した第１、２実施形態の別の例について図６，７，８、９を参照しながら説明する。図６は、第３実施形態の力学量測定装置のホイートストンブリッジ部の接続形態を示した図である。ここで図中の12，13，14，15は後段に接続された３本の配線から、１本を選択するスイッチ回路である。前述したホイートストンブリッジA，B，Cを構成する抵抗Rv1，Rv3，Rv5をスイッチ回路12、抵抗Rh2，Rh4，Rh6をスイッチ回路13、抵抗Rv2，Rv4，Rv6をスイッチ回路14、抵抗Rh1，Rh3，Rh5をスイッチ回路15に接続している。ホイートストンブリッジA，B，Cの出力端子101a，101bはアンプ回路16に接続されている。アンプ回路16の出力16aは補正回路17に接続され、補正回路17の出力信号17aが出力端子7から出力される。
本実施形態では、第１実施形態で説明した３つのホイートストンブリッジA，B，Cを構成するために、一つのホイートストンブリッジ回路配線50が設けられる。ホイートストンブリッジ回路配線50の第１配線部（第１の辺）51には、第１のＹ軸方向抵抗Rv1と第３のポリシリコン抵抗Rv5と第１の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rv3とが第１のスイッチ回路12を介して並列に設けられている。第１のスイッチ回路12によってこれらの抵抗Rv1，Rv5， Rv3の中からいずれか一つの抵抗が選択され、第１配線部51に電気的に接続される。第２配線部（第２の辺）52には、第２のＸ軸方向抵抗Rh2と第２のポリシリコン抵抗Rh4と第４の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rh6とが第２のスイッチ回路13を介して並列に設けられている。第２のスイッチ回路13によってこれらの抵抗Rh2，Rh4，Rh6の中からいずれか一つの抵抗が選択され、第２配線部52に電気的に接続される。第３配線部（第３の辺）53には、第２のＹ軸方向抵抗Rv2と第４のポリシリコン抵抗Rv6と第２の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rv4とが第３のスイッチ回路14を介して並列に設けられている。第３のスイッチ回路14によってこれらの抵抗Rv2，Rv6，Rv4の中からいずれか一つの抵抗が選択され、第３配線部53に電気的に接続される。第４配線部（第４の辺）54には、第１のＸ軸方向抵抗Rh1と第１のポリシリコン抵抗Rh3と第３の傾斜（＜１００＞方向）抵抗Rh5とが第４のスイッチ回路15を介して並列に設けられている。第４のスイッチ回路15によってこれらの抵抗Rh1，Rh3，Rh5の中からいずれか一つの抵抗が選択され、第４配線部54に電気的に接続される。
図６ではスイッチ回路12，13，14，15によって、それぞれ抵抗Rv1，Rv2，Rh1，Rh2を選択した状態を示しており、この状態は前述の実施例１のホイーストンブリッジAと同等の抵抗接続形態を示す。
図７では、スイッチ回路12，13，14，15によって、それぞれ抵抗Rv3，Rv4，Rh3，Rh4を選択した状態を示しており、この状態は前述の実施例１のホイーストンブリッジBと同等の抵抗接続形態を示す。
図８では、スイッチ回路12，13，14，15によって、それぞれ抵抗Rv5，Rv6，Rh5，Rh6を選択した状態を示しており、この状態は前述の実施例１のホイーストンブリッジCと同等の抵抗接続形態を示す。
また、アンプ回路16はホイートストンブリッジの出力電圧を増幅する機能を有し、補正回路17では、スイッチ回路12，13，14，15の制御を行いながら、Ｘ軸方向に発生するひずみ量とＹ軸方向に発生するひずみ量との差分と、Ｘ軸方向のひずみ量の絶対値と、Ｙ軸方向のひずみ量の絶対値とを導出し、出力端子７に発生させる電圧を制御する。これにより、実施例１，２と同等の性能をもつ力学量測定装置を実現する。
本実施形態において、スイッチ回路12，13，14，15を制御することで、ホイートストンブリッジA，B，Cそれぞれの接続を実現することができ、実施例１で各ホイートストンブリッジの後段にあるアンプ回路6，8，9をアンプ回路16で共通化することができる。これにより、アンプ回路6，8，9の特性ばらつきの影響を低減できる効果がある。
また本実施形態の副次的効果として、図９に示したようにスイッチ回路12，13，14，15を制御し、長手方向が＜１００＞方向になるように配置された抵抗Rv3、Rv4、Rh5、Rh6を接続すると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に発生するひずみ量によらず、ホイートストンブリッジ回路の出力電圧は常に０となる。これは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に発生しているひずみ量が既知ではない状態において、上記接続状態にし、ホイートストンブリッジの出力電圧が略０となることを確認することで、スイッチ回路を含むホイートストンブリッジの接続確認が可能となり、より信頼性の高い、力学量測定装置を実現することができる。
なお、本実施例においては、ホイートストンブリッジA，B，C、電源端子4、グランド端子5、出力端子7、アンプ回路16および補正回路17が、半導体基板1の主表面上に形成される。
また、ホイートストンブリッジAは単独のホイートストンブリッジとして構成し、ホイートストンブリッジB，Cを共通のホイートストンブリッジ回路配線50で構成してもよい。或いは、ホイートストンブリッジB，Cのいずれか一方を単独のホイートストンブリッジとして構成し、他方のホイートストンブリッジをホイートストンブリッジAと共通のホイートストンブリッジ回路配線50で構成してもよい。これらの場合には、図６，７，８，９において、単独で構成したホイートストンブリッジと、ホイートストンブリッジ回路配線50から単独で構成したホイートストンブリッジの抵抗を除いて構成したホイートストンブリッジ回路配線50とを、半導体基板1の主表面上に設ければよい。
ここでは、本発明に係る圧力センサについて図１０を参照しながら説明する。本発明に係る圧力センサは、ひずみセンサとして実施例１〜３に係る力学量測定装置を用いていることに特徴がある。図１０は、本発明に係る圧力センサの一例を示す断面模式図である。
図１０に示したように、本実施形態に係る圧力センサ80は、圧力を受けてそれを電気信号に変換するセンサ部201と、電気信号を外部機器に伝達するコネクタ部202とに大別される。センサ部201は、一端が開放され他端が閉塞した金属製の有底筒状体で圧力ポートに挿入される圧力導入部81と、圧力導入部81の挿入量を規定するフランジ82と、圧力導入部81の閉塞端側で圧力を受けて変形するダイアフラム83と、ダイアフラム83上にはんだ接合されたひずみセンサ84と、ひずみセンサ84と接続されひずみセンサ84を制御する制御機構（制御部）85とからなる。制御機構85には、補正演算に用いる各種データが格納されたメモリやコンデンサ86等が搭載されている。コネクタ部202は、外部機器と接続されるコネクタ87と、電気信号を伝達する接続端子88と、コネクタ87をセンサ部に固定するカバー89とからなる。
図１１に、実施例１〜３で説明した力学量測定装置を用いた圧力センサの内部動作チャートの一例を示す。実施例１〜３に係る力学量測定装置により、電源投入S301後、ステップS302 ，S303で測定したホイーストンブリッジB，Cの出力電圧に基づいて、ステップS304でＸ軸方向に発生しているひずみ量の絶対値εｘとＹ軸方向に発生しているひずみ量の絶対値εｙとを導出する。この結果が、シリコンチップや実装界面に許容されるひずみ量（ひずみ量の基準値：Ｘ軸方向基準値、Ｙ軸方向基準値）を超えているか否かをステップS305で判定する。εｘ，εｙのうち少なくともいずれか一方が許容されるひずみ量を超える場合に、ステップS306に進み、異常が検知されたことを知らせる所定の電圧値を出力端子7から出力する。異常が検知されたことを知らせる所定の電圧値は、正常動作における出力範囲外の電圧値、例えばグランド電圧等に設定される。また、εｘ，εｙの両方が許容ひずみ量以下である場合には、ステップS307に進み、ホイーストンブリッジAによりＸ軸方向のひずみ量とＹ軸方向のひずみ量との差分に応じた計測結果を得る。そして、ステップS308に進み、出力端子7から測定結果を正常動作における出力範囲の電圧値として出力する。これにより、圧力センサは高い信頼性を確保することができる。このために、上記の各実施形態における力学量検出装置及び圧力センサは、ひずみ量の基準値であるＸ軸方向基準値およびＹ軸方向基準値を記憶するＲＯＭなどの記憶装置を備える。上記の各実施形態では、この記憶装置は補正回路11に設けられている。
なお、図１１で説明したフローチャートは、力学量測定装置30単体でも実行可能である。
なお、上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
1…シリコン単結晶基板、2…不純物拡散抵抗体、3…ホイートストンブリッジ、4…電源端子、5…グランド端子、6，8，9…アンプ回路、7…出力端子、10…半導体ひずみセンサ、11…補正演算回路、12，13，14，15…スイッチ回路、16…アンプ回路、17…補正演算回路、20，20’…疑似圧力センサ、21，21’…金属板、22…はんだ接合層、23…端子台、30，30’…力学量測定装置、31…アンプ回路、50…ホイートストンブリッジ回路配線、51， 52，53，54…ホイートストンブリッジの配線部（辺）、80…圧力センサ、81…圧力導入部、82…フランジ、83…ダイアフラム、84…ひずみセンサ、85…制御機構、86…コンデンサ、87…コネクタ、88…接続端子、89…カバー、A…第１のホイートストンブリッジ、B…第２のホイートストンブリッジ、C…第３のホイートストンブリッジ。

Claims (13)

  1. 一つの半導体基板の主表面に不純物拡散抵抗体によって構成される第１のホイートストンブリッジを備え、前記第１のホイートストンブリッジにより前記半導体基板の前記主表面上で直交するｘ軸方向に生じるひずみ量とｙ軸方向に生じるひずみ量との差分を検出する力学量測定装置において、
    前記半導体基板の前記主表面に、ｘ軸方向のひずみ量を検出する第２のホイートストンブリッジと、ｙ軸方向のひずみ量を検出する第３のホイートストンブリッジとを備えたことを特徴とする力学量測定装置。
  2. 請求項１に記載の力学量測定装置において、
    前記半導体基板の前記主表面は単結晶シリコンの｛１００｝面であることを特徴とする力学量測定装置。
  3. 請求項２に記載の力学量測定装置において、
    前記ｘ軸方向と前記ｙ軸方向とがシリコン基板の＜１１０＞方向と一致し、
    前記第１のホイーストンブリッジは、＜１１０＞方向に電流を流す４本の抵抗を備え、前記４本の抵抗が、長手方向がｙ軸方向で、ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗からなる第１のｙ軸方向抵抗及び第２のｙ軸方向抵抗と、長手方向がｘ軸方向で、ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置されたＰ型拡散抵抗からなる第１のｘ軸方向抵抗及び第２のｘ軸方向抵抗とで構成され、
    前記第２のホイーストンブリッジは、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向で、ｘ軸に平行に電流を流す向きに配置された第１のポリシリコン抵抗及び第２のポリシリコン抵抗と、＜１００＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向及びｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向で、ｘ軸方向及びｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向に平行に電流を流すＰ型拡散抵抗からなる第１の傾斜抵抗及び第２の傾斜抵抗とによって構成され、
    前記第３のホイーストンブリッジは、＜１１０＞方向に電流を流し、長手方向がｙ軸方向で、ｙ軸に平行に電流を流す向きに配置された第３のポリシリコン抵抗及び第４のポリシリコン抵抗と、＜１００＞方向に電流を流し、長手方向がｘ軸方向及びｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向で、ｘ軸方向及びｙ軸方向からそれぞれ４５度傾いた方向に平行に電流を流すＰ型拡散抵抗からなる第３の傾斜抵抗及び第４の傾斜抵抗とによって形成されたことを特徴とする力学量測定装置。
  4. 請求項３に記載の力学量測定装置において、
    第１配線部と第２配線部と第３配線部と第４配線部とを有する一つのホイートストンブリッジ回路配線を備え、
    前記第１配線部に、前記第１のＹ軸方向抵抗と前記第３のポリシリコン抵抗と前記第１の傾斜抵抗とが第１のスイッチ回路を介して並列に設けられ、
    前記第２配線部に、前記第２のＸ軸方向抵抗と前記第２のポリシリコン抵抗と前記第４の傾斜抵抗とが第２のスイッチ回路を介して並列に設けられ、
    前記第３配線部に、前記第２のＹ軸方向抵抗と前記第４のポリシリコン抵抗と前記第２の傾斜抵抗とが第３のスイッチ回路を介して並列に設けられ、
    前記第４配線部に、前記第１のＸ軸方向抵抗と前記第１のポリシリコン抵抗と前記第３の傾斜抵抗とが第４のスイッチ回路を介して並列に設けられ、
    前記第１のスイッチ回路によって前記第１のＹ軸方向抵抗、前記第３のポリシリコン抵抗又は前記第１の傾斜抵抗の中からいずれか一つの抵抗を選択して前記第１配線部に電気的に接続し、
    前記第２のスイッチ回路によって前記第２のＸ軸方向抵抗、前記第２のポリシリコン抵抗又は前記第４の傾斜抵抗の中からいずれか一つの抵抗を選択して前記第２配線部に電気的に接続し、
    前記第３のスイッチ回路によって前記第２のＹ軸方向抵抗、前記第４のポリシリコン抵抗又は前記第２の傾斜抵抗の中からいずれか一つの抵抗を選択して前記第３配線部に電気的に接続し、
    前記第４のスイッチ回路によって前記第１のＸ軸方向抵抗、前記第１のポリシリコン抵抗又は前記第３の傾斜抵抗の中からいずれか一つの抵抗を選択して前記第４配線部に電気的に接続することにより、前記第１のホイートストンブリッジと前記第２のホイートストンブリッジと前記第３のホイートストンブリッジとを時分割で構成することを特徴とする力学量測定装置。
  5. 請求項３に記載の力学量測定装置において、
    前記第１、第２及び第３のホイーストンブリッジを構成する各抵抗は、その長手方向の長さより短い間隔で互いに隣り合って配置されていることを特徴とする力学量測定装置。
  6. 請求項３に記載の力学量測定装置において、
    前記第１、第２及び第３のホイーストンブリッジの出力差動電圧を受けて増幅するアンプ回路とその出力端子とを前記半導体基板の前記主表面上に配置したことを特徴とする力学量測定装置。
  7. 請求項３に記載の力学量測定装置において、
    ｘ軸方向のひずみ量の基準値とｙ軸方向のひずみ量の基準値とを記憶する記憶装置を備え、
    前記第２のホイーストンブリッジにより検出されたｘ軸方向のひずみ量と前記第３のホイーストンブリッジにより検出されたｙ軸方向のひずみ量とを、前記記憶装置に記憶された前記基準値と比較する機能を有することを特徴とする力学量測定装置。
  8. 請求項７に記載の力学量測定装置において、
    前記機能による比較の結果、ｘ軸方向のひずみ量又はｙ軸方向のひずみ量の少なくともいずれか一方がそれぞれの基準値を超えた場合に、外部に知らせる機能を有することを特徴とする力学量測定装置。
  9. 金属製のダイアフラム上に半導体ひずみセンサが接合された圧力センサにおいて、
    前記半導体ひずみセンサは、請求項１に記載の力学量測定装置であることを特徴とする圧力センサ。
  10. 請求項９に記載の圧力センサにおいて、
    前記金属製のダイアフラム上に前記半導体ひずみセンサを、はんだ接合で接合したことを特徴とする圧力センサ。
  11. 請求項９に記載の圧力センサにおいて、
    前記圧力センサは、自動車エンジン用の圧力センサであることを特徴とする圧力センサ。
  12. 請求項１１に記載の圧力センサにおいて、
    前記圧力センサは、あらかじめ決められた定格圧力を超える圧力を検出した場合に、外部に知らせる機能を有することを特徴とする圧力センサ。
  13. 請求項１１に記載の圧力センサにおいて、
    前記圧力センサは、ｘ軸方向のひずみ量の基準値とｙ軸方向のひずみ量の基準値とを記憶する記憶装置を備え、
    前記第２のホイーストンブリッジにより検出されたｘ軸方向のひずみ量と前記第３のホイーストンブリッジにより検出されたｙ軸方向のひずみ量とを、前記記憶装置に記憶された前記基準値と比較する機能を有し、
    ｘ軸方向のひずみ量又はｙ軸方向のひずみ量の少なくともいずれか一方がそれぞれの基準値を超えた場合に、外部に知らせる機能を有することを特徴とする圧力センサ。
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