KR20070098479A - 역학량 측정장치 - Google Patents

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KR20070098479A
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 특정방향의 변형 성분을 정밀도 좋게 측정할 수 있는 역학량 측정장치를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 반도체 단결정 기판, 반도체 칩 내에 적어도 2세트 이상의 브리지회로를 형성하고, 상기 브리지회로 중, 하나의 브리지회로가, 전류를 흘리고 저항값의 변동을 측정하는 방향(길이방향)이 상기 반도체 단결정 기판의 <100> 방향과 평행인 n형 확산 저항을 형성하고, 또 하나의 브리지회로는 <110> 방향과 평행인 p형 확산 저항을 조합하여 형성한다.

Description

역학량 측정장치{DYNAMIC QUANTITY MEASUREMENT DEVICE}
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 개요를 나타내는 모식도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 사용예를 나타내는 도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 브리지회로를 구성하는 확산 저항의 접속상태를 나타내는 도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 5는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 단면구조를 나타내는 모식도,
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 9는 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 10은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 11은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 12는 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 13은 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 브리지회로를 구성하는 접속상태를 나타내는 도,
도 14는 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 구성의 예를 나타내는 블럭도,
도 15는 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 16은 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 구성의 예를 나타내는 블럭도,
도 17은 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 18은 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 19는 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 동작 플로우를 나타내는 도,
도 20은 본 발명의 제 6 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 21은 본 발명의 제 7 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 22는 본 발명의 제 7 실시형태에 의한 앰플리파이어 회로의 예를 나타내는 모식도,
도 23은 본 발명의 제 8 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 24는 본 발명의 제 9 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 25는 본 발명의 제 10 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 상세를 나타내는 모식도,
도 26은 본 발명의 역학량 측정장치의 설치상태를 나타내는 모식도,
도 27은 본 발명의 제 11 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 최적형상을 나타내는 모식도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 역학량 측정장치 2 : 실리콘 기판
2a : 주면 3 : 변형 검출부
4, 5, 6 : 브리지회로 4a∼4d, 5a∼5d : 확산 저항
6a, 6c : n형 불순물 확산 저항 6b, 6d : p형 불순물 확산 저항
8 : 접착면 14 : 방향 표시 마크
15 : 온도센서
16, 17, 18, 19 : 박리 감시용 센서
L1∼L6 : 칩단으로부터의 거리
L7∼L14 : 칩단으로부터의 박리 감시용 센서의 거리
20, 20a, 20b, 21, 21a, 21b : 앰플리파이어
22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b : 저항
25 : 트랜지스터 102 : 폴디드저항
306 : 웰
405b, 405d, 505b, 505d : 폴리 실리콘 배선저항
본 발명은 물체의 역학량을 계측하는 것이 가능한 장치 및 이것을 사용한 시스템에 관한 것이다.
측정대상의 변형(왜곡)을 측정하는 기술로서, 금속박의 저항값이 변형에 의하여 변화하는 것을 이용한 금속박 변형 게이지를 이용하는 기술이 알려져 있다. 이 변형 게이지를 측정대상에 접착함으로써 측정대상의 변형에 따라 금속박의 길이를 변화시키고, 그 결과 변화되는 금속박의 저항값을 검출함으로써, 측정대상의 변 형 측정을 가능하게 하는 기술이다.
또, 금속박의 저항값은 변형에 대해서 뿐만 아니라 온도에 대해서도 감도를 가지기 때문에, 온도변화에 의한 측정 오차를 상쇄하는 기술로서, 일본국 특개평07-270109호 공보에 개시되는 바와 같이 변형 감도가 있는 금속박 저항체와 온도 보상을 행하기 위한 휘트스톤 브리지회로를 동일한 기판 위에 형성한 변형 게이지가 개시되어 있다. 또한 이하에서는 휘트스톤 브리지의 것을 브리지라 부른다.
또, 이들을 전지 구동하고자 하면 소비전력이 크기 때문에, 전지가 즉시 소비된다는 문제가 있었다. 따라서 일본국 특개2005-114443호 공보와 같이, 반도체제조기술을 사용하여 반도체 기판 위에 고저항의 확산 저항을 형성하고, 그 저항값의 변화로부터 변형을 측정하는 기술도 개발되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개평07-270109호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2005-114443호 공보
회전축의 토오크와 축력을 동시에 측정할 때에, 일본국 특개2005-114443호 공보 등에 기재되어 있는 변형 측정칩을 2개 부착하여 측정하는 것도 이론상은 가능하다. 그러나 2개의 변형 측정칩을 각각 맞붙혀 전단 변형과 수직 변형을 측정하고자 하면, 2개의 칩의 부착시의 불균일의 영향을 받기 때문에, 정밀도가 높은 측정에 적합하지 않다는 문제가 있다.
또 마찬가지로, 2개의 변형 측정칩을 각각 맞붙혀 전단 변형과 수직 변형을 측정하고자 하면, 실제상은 부착 각도의 오차가 생기기 쉬워, 정밀도가 높은 측정에 적합하지 않다는 문제가 있다.
또 마찬가지로, 다축(多軸)의 변형이 생겨 있는 피측정물의 각 축방향의 변형 계측을 행하는 것을 목적으로 하여, 복수의 변형 측정칩을 부착하는 경우에도 동일한 문제가 생긴다.
또, 상기한 목적으로 상기 변형 측정칩을 복수개 부착하면 어느 정도의 넓은 면적을 필요로 하여, 각 변형 성분을 측정하는 부분이 서로 떨어지기 때문에 응력 집중장의 변형 상태를 측정하는 목적으로는 사용할 수 없었다.
따라서 본 특허의 목적은, 센서의 감도 불균일이 적고, 특정방향의 변형을 고정밀도로 측정하는 것이 가능한 역학량 측정장치 및 이것을 사용한 시스템을 제공하는 것에 있다.
또한 본 특허의 다른 목적은, 응력 집중장에서의 수직 변형의 면내 2 방향과 전단 변형을 측정할 수 있어, 다축의 변형장(變形場)의 계측을 가능하게 한 역학량 측정장치 및 이것을 이용한 시스템을 제공하는 것에 있다.
또한 본 특허의 다른 목적은, 외부 노이즈가 많은 장소에서도, 백그라운드 노이즈가 작은 계측결과가 얻어지는 역학량 측정장치 및 이것을 이용한 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기한 목적은, 하나의 반도체 단결정으로 구성되는 반도체 칩 내에 적어도 2 세트 이상의 브리지회로를 형성함으로써 달성된다. 아울러 이하의 특징과 장점을 가짐으로써 상기한 각 문제점이 해결된다.
(1) < 실시예 1, 토오크, 축력 측정칩 >
회전축의 토오크와 축력을 고정밀도로 측정하기 위하여, 바람직하게는 상기 브리지회로 중, 적어도 하나의 브리지회로가, 상기 반도체 단결정 기판에서의 <100> 방향과 전류의 흐르는 방향이 평행인 n형 확산 저항으로 구성되고, 또한 다른 브리지회로가 <110> 방향과 전류의 흐르는 방향이 평행인 p형 확산 저항으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의하여 예를 들면 <110> 방향을 회전축 방향과 일치시켜 상기 역학량 측정장치를 부착하면, 취득하고 싶은 변형 방향과, 센서의 감도의 최대 방향을 일치시킬 수 있기 때문에, 토오크와 축력을 함께 고감도로 계측하는 것이 가능해진다.
이때, 동일한 실리콘 기판에 2개의 센서를 형성하기 때문에, 서로 간섭하는 일이 없도록 센서의 브리지회로를 구성하는 확산층과는 별도로 확산층을 설치한다. 즉, 반도체 단결정 기판이 p형인 경우를 예로 들면, p형 확산 저항으로 이루어지는 브리지회로의 근방에, p형 확산층을 둘러 싸도록 n형 확산층을 형성하는 것이 계측 정밀도 향상을 위하여 바람직하다. 이것에 의하여 센서 설치 불균일이나 접착시의 불균일을 방지하여 정밀도가 높은 계측이 가능해진다.
(2) < 실시예 2, 2축 분리칩 >
다축 변형장을 고정밀도로 측정하기 위하여 브리지회로가, 2개의 변형 감도가 높은 확산 저항과, 2개의 변형 감도가 낮은 확산 저항과의 조합으로 구성한다. 여기서, 변형 감도가 높은 확산 저항(불순물 확산층)이란, 예를 들면 전류의 흐르는 방향이 <100> 방향과 평행한 n형 확산 저항이나 전류의 흐르는 방향이 <110> 방향과 평행인 p형 확산 저항이고, 변형 감도가 낮은 확산 저항(불순물 확산층)이란, 예를 들면 전류의 흐르는 방향이 <100> 방향과 평행인 p형 확산 저항이나 전류의 흐르는 방향이 <110> 방향과 평행인 n형 확산 저항이다. 또 전류의 흐르는 방향을, 확산 저항의 길이방향으로 하는 것이 바람직하다.
<100> 방향이 직사각형의 p형 확산 저항은 각 방향의 변형에 대하여 감도가 없고, <100> 방향이 직사각형의 n형 확산 저항은 <100> 방향으로 큰 감도를 가지고, 전류가 흐르는 방향의〔100〕과 그것과 직각인〔010〕에서는 그 감도가 크게 다르도록 할 수 있다. 그 결과, 2축 변형장에서는 n형 저항의 길이방향을〔100〕으로 하는지, 〔010〕으로 하는지에 의하여 취득되는 저항값 증분이 다르기 때문에, 2축 변형장을 분리하여 검출할 수 있다. 바람직하게는 브리지회로를 상기 반도체 단결정 기판에서의 전류의 흐르는 방향이 <100> 방향과 평행인 2개의 n형 확산 저항과, 전류의 흐르는 방향이 <100> 방향과 평행인 2개의 p형 확산 저항과의 조합으로 구성한다.
따라서, 상기 제 1 브리지회로의 변형 감도가 높은 n형 확산 저항의 길이방향과, 상기 제 2 브리지회로의 변형 감도가 높은 n형 확산 저항의 길이방향이 직교에 가까운 배치를 취하는 것을 특징으로 한다. 또 각 브리지회로의 n형 확산 저항의 길이방향은 동일방향으로 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기에서는 전류를 흘리는 방향이 불순물 확산층의 패턴의 길이방향과 대략 일치하는 설명을 하였으나, 전류를 흘리는 방향이 상기한 방향과 일치하면 동일한 효과가 얻어진다. 단, 전류를 흘리는 방향과 불순물 확산층의 패턴의 길이방향이 대략 일치하도록 한 경우에는, 상기 확산층의 저항값을 올릴 수 있기 때문에, 더욱 저소비 전력을 달성할 수 있다. 따라서 이하에서는 전류를 흘리는 방향을 확산층의 패턴의 길이방향이 되는 경우에 대하여 설명한다.
또, 더욱 바람직하게는 제 1 브리지회로를 구성하는 n형 불순물 확산층의 배치와, 제 2 브리지회로를 구성하는 n형 불순물 확산층의 배치가, 축대칭인 것이 바람직하다. 축대칭으로 함으로써 완전히 동일한 배치조건으로 확산층의 길이방향만큼 직행하도록 할 수 있기 때문에, 2축 변형장을 분리하여 검출할 때에도 정밀도 좋은 계측이 가능해진다.
또, 더욱 바람직하게는 1개의 휘트스톤 브리지를 구성하는 n형 불순물 확산층을, 상기 휘트스톤 브리지를 구성하는 p형 불순물 확산층보다 칩의 중심점에 가까운 거리에 배치한다. 칩의 중심점 근방은 칩 단부의 변형 개방의 영향을 가장 받기 어렵기 때문에, 이 중심점 근방에 변형 감도를 가지는 n형 불순물 확산층을 배치함으로써 정밀도가 좋은 계측이 가능해진다.
또, 더욱 바람직하게는 센서를 구성하는 확산층과는 다른 확산층을 추가하여 설치한다. 즉, 반도체 단결정 기판이 p형인 경우를 예로 설명하면, 휘트스톤 브리지를 구성하는 p형 불순물 확산층을 n형 불순물 확산층이 둘러 싸도록 형성하고, 이 n형 확산층을 휘트스톤 브리지의 플러스측과 접속한다. 이에 의하여 p형과 n형의 불순물 확산층이 전기적으로 간섭하는 것을 방지할 수 있어 정밀도가 높은 계측 이 가능해진다.
(3) < 실시예 3, 조정용 저항 >
또, 더욱 바람직하게는 브리지회로 중의 p형 확산층에 저항값 조정용의 비교적 저저항인 p형 확산 저항을 직렬로 접속한다. 즉, p형 불순물 확산 저항의 단부로부터 브리지회로 외부로 인출되는 인출 배선의 갯수를, n형 불순물 확산 저항의 단부로부터 브리지회로 외부로 인출되는 인출 배선의 갯수보다 많아지도록 하고, p형 불순물 확산 저항, n형 불순물 확산 저항의 실제의 저항값을 측정하여, 측정시에 사용하는 인출 배선을 결정한다. 이와 같이 조정용 저항을 형성함으로써, p형 확산층과 n형 확산층의 형성공정이 다르기 때문에 발생하는 각 확산층 저항값의 제조상의 오차를 수정할 수 있다. 그 결과, 브리지회로의 출력 옵셋을 작게 할 수 있는, 온도 의존성을 작게 억제할 수 있다는 이점이 생긴다.
(4) < 실시예 4, 폴리 실리콘 저항 브리지 >
마찬가지로 다축 변형장을 고정밀도로 측정하기 위하여, 동일 반도체 기판위에, 불순물 확산 저항으로 이루어지는 휘트스톤 브리지회로를 적어도 2 세트 이상 설치하고, 상기 2 세트의 휘트스톤 브리지회로는, 전류를 흘리고 저항값의 변동을 측정하는 방향이 상기 반도체 단결정 기판의 <100> 방향과 평행인 p형 불순물 확산 저항과, 폴리 실리콘 배선 저항으로 구성되도록 한다.
<100> 방향이 직사각형의 p형 확산 저항은 각 방향의 변형에 대하여 감도가 없고, 폴리 실리콘 저항은 길이방향에만 큰 감도를 가진다. 따라서 제 1 휘트스톤 브리지를 구성하는 폴리 실리콘 배선 저항의 전류를 흘리고 저항값의 변동을 측정 하는 방향과, 제 2 휘트스톤 브리지를 구성하는 폴리 실리콘 배선 저항의 전류를 흘리고 저항값의 변동을 측정하는 방향을 직교시킨다. 이와 같이 폴리 실리콘배선저항을 배치함으로써 면내 2축의 수직 변형의 측정이 가능해진다.
또, 더욱 바람직하게는 브리지회로 중의 p형 확산층에 저항값 조정용의 비교적 저저항인 p형 확산 저항을 직렬로 접속한다. p형 확산층과 폴리 실리콘 배선 저항의 형성공정이 다르기 때문에, 회로 설계상은 동일한 저항으로서 설계하여도, 실제의 제조시에는 각 확산층 저항값이 다른 것도 많다. 따라서 이와 같이 p형 확산층에 조정용 저항을 넣어 두고, 그 접속단자의 어디를 접속할지로 저항값의 미세 조정을 할 수 있다. 그 결과, 브리지회로의 출력 옵셋을 작게 할 수 있는 온도 의존성을 작게 억제할 수 있다는 이점이 생긴다.
(5) < 실시예 5, 도 17, 3축 분리 칩>
또한, 전단 변형도 포함하여, 면내의 변형 상태 모두를 측정하기 위해서는 동일 반도체 기판 위에, 불순물 확산 저항으로 이루어지는 휘트스톤 브리지회로를 적어도 3세트 이상 설치하고, 그 중의 1세트의 휘트스톤 브리지회로는, 전류를 흘리고 저항값의 변동을 측정하는 방향이 상기 반도체 단결정 기판의 <110> 방향과 평행인 p형 불순물 확산 저항으로 구성한다. 또 다른 2 세트의 휘트스톤 브리지회로는, 전류를 흘리고 저항값의 변동을 측정하는 방향이 상기 반도체 단결정 기판의 <100> 방향과 평행인 p형 불순물 확산 저항과 전류를 흘리고 저항값의 변동을 측정하는 방향이 상기 반도체 단결정 기판의 <100> 방향과 평행인 n형 불순물 확산 저항과의 조합으로 구성한다. 이것에 의하여 면내의 2축의 수직 변형에 더하여 전단 변형도 측정할 수 있기 때문에, 역학량 측정장치를 부착한 면내의 변형 상태를 모두 파악할 수 있다.
< 실시예 5, 도 17, 온도센서부착 칩 >
또한, 온도가 변화된 경우에서도 정밀도 좋게 변형을 계측하기 위하여 상기 (1) 내지 (4)에 나타낸 역학량 측정장치에, 변형센서와 동일 반도체 기판 내에 pn 접합으로 이루어지는 온도센서를 설치한다. 이것에 의하여 변형센서의 브리지회로에 의한 온도 보정기능에 더하여, 더욱 엄밀한 온도의 보정이 가능해진다.
(6) < 실시예 6, 도 20, 박리센서부착 칩 >
계측의 신뢰성을 향상시키기 위하여, 변형센서와는 별도로, 동일 반도체 기판 내의 4 모서리에 확산층을 설치한다. 피측정물에 부착된 역학량 측정장치는 때로는 그 칩 에지로부터 박리가 발생한다. 따라서 본 실시예에 의하면 이 박리의 발생을 4 모서리의 확산층에서 검지할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 계측이 가능해진다.
(7) < 실시예 7, 앰플리파이어부착 칩 >
외부 노이즈가 큰 경우에도 계측이 가능하도록 변형 검출부로부터 출력되는 신호를 증폭하기 위한 앰플리파이어 회로를, 변형센서를 형성한 것과 동일한 반도체 기판 위에 설치한다. 브리지회로부터의 출력은 실리콘 기판 위에서 지근거리에 배치된 앰플리파이어에 입력할 수 있기 때문에, 외부 노이즈에 강한 역학량 측정장치를 제공할 수 있다. 즉, 불순물 확산층을 사용한 변형센서는 반도체 제조 프로세스로 작성할 수 있기 때문에, 상기 불순물 확산층의 조합인 브리지회로와 앰플리 파이어 회로를 동일 반도체 칩 위에 형성할 수 있다는 이점이 생긴다. 따라서 브리지회로의 출력을 반도체 기판 위에서 즉시 증폭할 수 있기 때문에, 외부 노이즈가 실리기 어렵고, 내 노이즈성이 있어 고정밀도한 측정이 가능한 역학량 측정장치가 제공된다. 또한 반도체 프로세스로 형성할 수 있기 때문에 브리지회로 자체를 미크론 크기까지 소형화할 수 있고, 그 때문에 브리지 내부를 자속이 통과하기 어렵기 때문에 외부 노이즈에 강하다는 이점이 생겨 내노이즈성이 있고, 고정밀도한 측정이 가능한 역학량 측정장치가 제공된다.
불순물 확산 저항으로 이루어지는 변형 검출부와, 변형 검출부로부터 출력되는 신호를 증폭하기 위한 앰플리파이어가, 적어도 2 세트 이상, 동일 반도체 기판 위에 설치되는 것이 바람직하다.
또 바람직하게는 앰플리파이어를 구성하는 귀환 저항의 길이방향이, 동일한 브리지회로에 접속된 것은 모두 동일방향을 향하고 있도록 하는 것이 바람직하다. 이것에 의하여 앰플리파이어의 귀환 저항에 변형 의존성이 있어, 2축의 복잡한 변형장을 계측하는 경우에도 그 영향을 받기 어렵다는 특징이 있다.
또 바람직하게는 앰플리파이어를 구성하는 귀환 저항의 길이방향이, 모두 변형 검출부를 구성하는 불순물 확산층의 길이방향과 평행 또는 수직의 어느 쪽인가에 통일하도록 한다. 이것에 의하여 변형 계측방향의 변형이 앰플리파이어의 귀환 저항에도 부하되게 되기 때문에, 2축의 복잡한 변형장을 계측하는 경우에도 2축 성분으로 분리를 행할 때에 그 영향을 받기 어렵다는 특징이 있다.
또 바람직하게는 앰플리파이어를 구성하는 귀환 저항이 모두 동일 방향을 향 하고 있고, 게다가 귀환 저항군의 길이방향의 끝부와 칩 단부로부터의 거리가, 같아지도록 한다. 이것에 의하여 칩 단부 변형의 해법의 영향을 모든 귀환 저항이 동등하게 받게 되기 때문에, 정밀도가 높은 계측이 가능해진다는 이점이 생긴다.
또 바람직하게는, 2세트의 앰플리파이어를 구성하는 귀환 저항이 모두 동일방향을 향하고, 게다가 2 세트의 앰플리파이어를 구성하는 귀환 저항군이, 선대칭으로 배치되도록 한다. 이에 의하여 브리지회로에 연결되는 2개의 작동 앰플리파이어의 다결정 실리콘 저항으로 이루어지는 귀환 저항을 대략 선대칭으로 배치함으로써, 2개의 다결정 실리콘에 대한 변형의 영향을 동일하게 할 수 있고, 앰플리파이어 회로에서의 변형의 영향을 상쇄할 수 있어 정밀도가 높은 측정이 가능해진다.
또 바람직하게는, 2 세트의 앰플리파이어를 구성하는 귀환 저항이 모두 동일방향을 향하고, 게다가 2세트의 앰플리파이어를 구성하는 귀환 저항군이, 칩의 중앙을 회전축으로 하여 회전 대칭으로 배치한다. 이 경우에는 브리지회로(5)와 앰플리파이어(21)가, 브리지회로(4)와 앰플리파이어(20)를 90도 회전시킨 완전히 등가의 구조가 되기 때문에, 설계가 용이하다는 효과가 얻어진다.
(8) < 실시예 12, 센서의 배치위치 >
상기한 (1) 내지 (6)의 역학량 측정장치에 있어서, 상기 변형 검출부가, 칩 끝으로부터의 거리가 적어도 49 ×(칩 두께)0.5㎛ 이상 안쪽이 되도록 배치한다. 이것에 의하여 반도체 칩으로 이루어지는 역학량 측정장치(1)를 피측정물에 부착한 경우에도 칩 단부의 영향을 받지 않고 측정 불균일을 억제할 수 있어, 매우 재현성이 좋게 고정밀도한 측정을 가능하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에서는 변형 감응 저항체로서 불순물 확산 저항 또는 폴리 실리콘의 저항을 설치한 것이고, 실리콘 단결정의 결정방위와 피에조 저항 계수의 관계를 고려하여, 불순물 확산 저항의 전류방향과 변형을 계측하는 방향과의 관계를, 원하는 특성이 얻어지도록 고려한 것이다. 이하에서는, 단결정 실리콘 기판(2)의 결정면이나 결정방위의 표기에는, 미러 지수를 사용한다.
미러 지수 표기에서는, 마이너스방향을 지정하는 경우, 숫자의 위에 바를 붙이나, 본 명세서 중에서는 편의상 바가 붙은 숫자는 "-"를 붙여,〔-110〕와 같이 표기한다. 또 특정한 면이나 방향을 나타내는 경우에는 ()와〔〕를 각각 사용하고, 단결정 실리콘 기판 내에서 등가인 면이나 방향을 나타내는 경우에는, 각각 {}와 < > 를 사용하여 표기한다. 또한 본 명세서에서는 불순물 확산층의 길이방향으로 전류를 흘리고, 전류가 흐르는 방향의 저항값의 변동을 계측한다. 저항의 길이방향이라는 표기는 전류를 흘리고 저항값 변동을 계측하는 방향을 의미하는 것으로 한다.
(실시예 1)
< 토오크와 축력 측정 칩 >
본 발명에서의 제 1 실시형태를 도 1 내지 도 8을 이용하여 설명한다. 본 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 주요부를 도 1에 나타낸다.
도 1에 나타내는 본 실시형태의 역학량 측정장치(1)에서, 표면이 {O01}인 동일한 단결정 반도체 기판으로 이루어지는 실리콘 기판(2)의 주면(2a)에 변형 검출부(3)가 설치되고, 상기 변형 검출부(3)에는 적어도 2개의 휘트스톤 브리지회로(이하, 브리지회로)(304, 305)가 설치되어 있다.
또한, 도시하고 있지 않으나, 브리지회로(304, 305)로부터 전기신호를 인출하기 위한 배선, 패드, 이들을 절연하기 위한 절연재료 등이 필요에 따라 형성된다. 본 실시예에서는 실리콘 기판(2)과 실리콘 기판(2) 위에 형성된 박막군을 총칭하여 역학량 측정장치(1)라 부른다. 이 역학량 측정장치(1)는 도 2에 나타내는 바와 같이 피측정물인 회전체의 회전축(201)에 설치함으로써 토오크와 축력의 측정이 가능해진다. 이 경우, 도 2와 같이 실리콘 기판(2)의 결정축 방향의 <110>이 회전축(201)의 축심과 평행이 되도록 설치하여도 좋고, 실리콘 기판(2)의 결정축 방향의 <100>이 회전축의 축심과 평행이 되도록 설치하여도 좋다. 또 피측정물의 표면에 부착하여도 좋고, 매립하도록 하여 설치하여도 좋다. 또 실리콘 기판(2)은, 그 특성으로부터 {001}을 표면에 가지는 것이 바람직하다.
상기 브리지회로(304)는, 도 3의 배선도에 나타내는 바와 같이, 4개의 불순물 확산 저항(304a, 304b, 304c, 304d)을 이 순서로 접속하여 형성되어 있고, 토오크센서로서 주로 축력의 측정에 사용된다. 불순물 확산층(304a와 304d)의 사이 또는 304b와 304c의 사이에 전압을 인가하고, 불순물 확산층(304a, 304b)의 사이 또는 304c, 304d의 사이로부터 신호를 인출한다. 브리지회로(305)도 마찬가지로 4개의 불순물 확산 저항(305a, 305b, 305c, 305d)을 이 순서로 접속하여 형성하고 있 고, 주로 토오크의 측정에 사용된다.
도 4에 304, 305의 2개의 브리지회로에서의 불순물 확산 저항의 배치도를 나타낸다. 상기 브리지회로(304)는, 전류를 흘리는 방향을 <110> 방향으로 평행한 방향이 되도록 형성한 4개의 p형 불순물 확산층으로 구성된다. 도 4에서는 일례로서〔110〕방향과 평행한 방향에 배치된 p형 확산 저항(304a, 304c)과, 〔-110〕방향과 평행한 방향으로 배치된 p형 확산 저항(304b, 304d)의 조합으로 브리지회로(304)가 형성되어 있다. 즉, p형 확산 저항(304a, 304c과 304b, 304d)은 그 길이방향이 직교하도록 배치된다. 또 각 확산 저항의 저항값은 가능한 한 정확하게 일치시킨다.
또한, 여기서 예를 들면 전류를 흘리는 방향을〔110〕방향과 평행한 방향(반대방향인〔-1-10〕방향도 포함한다. 이하 동일)으로 배치된 p형 확산 저항(304a, 304c)이라는 표기를 사용하였으나, 〔110〕의 방향으로부터 벗어난 경우에도 ± 10도의 각도범위의 어긋남에 들어가 있으면, 대략 동일한 효과를 기대할 수 있기 때문에, 본 발명에서는〔110〕방향과 평행하다고 한다. 다른 방향에 대해서도 마찬가지이다. 이 각도로부터 더욱 벗어난 경우는 급속하게 변형 감도가 저하하기 때문에, 〔110〕의 방향으로부터 ± 10도의 각도범위를 직사각형으로 하는 불순물 확산층을 형성하는 것이 바람직하다. 또한 전류를 흘리는 방향이란, 불순물 확산층이 장방형 등의 단순한 형의 영역에 형성되어 있는 경우에는, 불순물 확산층에 전류를 입력하는 선이 접속되어 있는 위치와, 전류를 출력하는 선이 접속되어 있는 위치를 연결한 방향으로 한다.
한편, 브리지회로(305)는, 전류를 흘리는 방향을 <100> 방향에 평행한 방향이 되도록 형성한 4개의 n형 불순물 확산층으로 구성된다. 도 4에서는〔100〕방향과 평행한 방향에 배치된 n형 확산 저항(305a, 305c)과, 〔010〕방향과 평행한 방향에 배치된 n형 확산 저항(305b, 305d)의 조합으로 브리지회로(305)가 형성되어 있다. 즉, n형 확산 저항(305a, 305c와 305b, 305d)은 그 길이방향이 직교하도록 배치된다.
또 브리지회로(304)의 주변에는 웰(306)이 구성되어 있고, 도시하고 있지 않으나, 웰(306)에 전기적으로 접속되도록 배선이 인출되어져 있다.
또, 이때 브리지회로를 구성하는 n형 확산 저항(305a, 305c와 305b, 305d), 및 P형 확산 저항(304a, 304c와 304b, 304d)은, 각각 저항값이 엄밀하게 같은 것이 요망되기 때문에, 이온 주입농도의 불균일을 가능한 한 균일하게 하기 위하여 밀집시켜 배치되는 것이 바람직하다. 즉 확산 저항의 길이보다 각 확산 저항 사이의 거리를 짧게 하는 것이 바람직하다.
브리지회로(304)와 같이, 〔110〕방향과 평행한 방향으로 배치된 p형 확산 저항(304a, 304c)과, 〔-110〕방향과 평행한 방향에 배치된 p형 확산 저항(304b, 304d)의 조합으로 브리지회로를 형성함으로써 환경온도가 변화된 경우에서도 온도보정이 가능하게 되어 고정밀도한 계측이 가능하게 된다. 또 이 경우에는 <110>방향으로 평행·수직한 XY방향, 즉〔110〕방향과〔-110〕방향의 변형에 대하여 큰 감도가 얻어진다. 따라서 도 2와 같이 회전축(201)의 축심이, 실리콘 기판(2)의 결정축 방향의 <110>과 평행이 되도록 설치함으로써 회전축의 축력을 측정할 수 있 다.
마찬가지로 브리지회로(305)에서도,〔100〕방향과 평행한 방향으로 배치된 n형 확산 저항(305a, 305c)과,〔010〕방향과 평행한 방향으로 배치된 n형 확산 저항(305b, 305d)의 조합으로 브리지회로를 형성함으로써, 마찬가지로 온도변화에 대하여 보정이 가능해진다. 또 이 경우에는 XY 방향에 대한 전단 변형에만 감도를 가지고, 수직 변형에 대해서는 감도를 가지지 않기 때문에, 고정밀도한 계측이 가능해진다. 또 이 경우에는 <100> 방향으로 평행·수직한 XY방향, 즉 〔100〕방향과 〔010〕방향의 변형에 대하여 큰 감도가 얻어진다. 따라서 도 2와 같이 회전축(201)의 축심이, 실리콘 기판(2)의 결정축 방향의 <110>과 평행이 되도록 설치됨으로써, 토오크의 계측이 가능해진다.
도 5에는 상기 역학량 측정장치(1)의 단면구조를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 토오크와 축력을 고정밀도로 측정하기 위하여 단지 센서를 2개 배치하면 문제가 발생한다. 즉, 실리콘 기판(2)은 p형이고, p형 확산층과 n형 확산층을 하나의 실리콘 기판(2) 중에 형성하게 되기 때문에, 다이오드가 형성되어 브리지회로(304)와 브리지회로(305)의 사이에 전류가 흐른다.
따라서, 본 실시예에서는 브리지회로(304)의 근방에는 브리지회로를 형성하지 않는 불순물 확산층인 n형의 웰(306)을 형성하고, 그 안쪽에 p형의 확산 저항(304a, 304c, 304b, 304d)을 형성함으로써 본 문제를 해결하였다. 이 경우, n형의 웰(306)은 전원의 플러스측에 접속하고, p형의 실리콘 기판(2)은 전원의 그라운드측에 접속한다. 즉, 상기 반도체 칩 내부에서 브리지회로(304)의 전원의 플러스 측과 웰(306)을 결선하고, 브리지회로(304)의 그라운드측과 실리콘 기판(2)을 결선한다. 이에 의하여 브리지회로 사이에서 전류가 흐르는 일이 없어, 정밀도가 높은 측정이 가능해진다. 또 상기 역학량 측정장치(1)인 반도체 칩의 외부에서 결선하여도 좋으나, 내부에서 결선한 쪽이, 전위가 모두 일치하기 때문에 더욱 정밀도가 높은 측정이 가능해지는 외에, 측정자가 접속하는 수고가 적어지는 등의 이점이 생기기 때문에 바람직하다. 실리콘 기판(2)에는 n형의 것을 사용하여도 좋고, 이 경우에는 브리지회로(305)의 근방에 p형의 웰(306)을 형성할 필요가 있다.
또 도 6과 같이, 확산 저항(305a, 305b, 305c, 305d)의 저항값을 상승시켜 소비전력을 저감할 목적으로, 확산 저항의 길이를 길게 하여도 좋다. 이 경우에는 센서의 면적을 그 만큼 증가시키는 일 없이 저항값을 상승시킬 수 있기 때문에, 센서의 소비전력을 감소할 수 있다는 이점이 생긴다. 확산 저항(305a, 305c, 305b, 305d)은, 각각 콘택트 홀을 사용하여 접속되어 되돌림으로써 저항값이 높아지도록 하고 있다. 또한 본 발명에서는 이와 같이 확산 저항을 연결할 목적으로 되돌려 형성하여, 되돌림점으로부터 브리지 외부로 배선이 나오지 않는 경우에는, 1개의 긴 확산 저항이라 해석한다.
일본국 특개평6-229853호 공보의 토오크 검출장치에도 보이는 바와 같이 토오크를 측정할 때에는, 회전축의 축심에 대하여 45도 경사방향을 변형 계측방향이 되도록, 변형센서를 비스듬하게 부착하는 것이 일반적으로 행하여진다. 그러나 이 사고방식에 따라 실리콘 기판(2) 위에서 축심과 동일방향의 축력을 측정하면서 브리지회로(304)를 비스듬하게 배치함으로써 토오크를 측정하고자 하면, 실리콘 기 판(2)이 단결정으로 되어 있기 때문에 문제가 발생한다. 즉, 브리지회로(304)를 그대로 비스듬하게 하여 배치하고자 하면, 전류가 흐르는 방향의 결정축이 변하기 때문에, 그 특성이 변화되고, 변형 감도가 거의 없어진다는 문제가 발생한다. 따라서 브리지회로(305)와 같이, n형 확산 저항(305a, 305c와 305b, 305d)을 경사방향으로 설치함으로써, 그 방향의 변형 감도를 최대로 할 수 있었다. 즉 본 발명에서는 브리지회로(304)는 경사방향으로는 거의 감도를 가지지 않고, 도 4의 xy 방향으로는 최대의 감도를 가지며, 브리지회로(305)는 도 4의 xy 방향으로는 감도를 가지지 않고, 경사방향으로 최대의 감도를 가지도록 하는 것이 가능해졌다. 본 발명은 수직 변형과 전단 변형이 취득 가능하도록 결정면과 결정축과 불순물 확산층의 종류를 선택할 수 있었기 때문에, 1칩으로 토오크와 축력의 측정이 가능하게 된 것으로서, 예를 들면 다른 결정축을 사용한 경우에는 복잡한 다축의 변형 감도를 가지는 등의 문제가 발생하여 측정이 곤란하게 된다.
이와 같이 하나의 실리콘 기판(2) 위에 2개의 브리지회로를 형성함으로써 작은 칩 중에서 수직 변형과 전단 변형을 계측할 수 있기 때문에, 그 계측위치가 떨어지는 일이 없어, 응력 집중부분의 측정에서도 정밀도가 높은 측정이 가능해진다. 또한 동일한 칩 중에 수직 변형과 전단 변형을 계측하는 부분이 있기 때문에, 2개의 칩을 따로따로 부착하는 경우에 비하여 부착에 의한 감도 불균일의 영향을 저감할 수 있다. 또한 브리지회로(304)는 xy 방향으로는 최대의 감도를 가지고, 브리지회로(305)는 경사방향으로 최대의 감도를 가지기 때문에, 측정방향의 차가 45도를 형성하여 고정밀도한 측정이 가능해진다는 이점이 생긴다. 또 이와 같이 하나 의 실리콘 기판(2) 위에 2개의 브리지회로를 형성함으로써 부착하는 수고가 한번으로 끝난다는 이점도 생긴다.
단, 본 실시예의 브리지회로(304)는 xy 방향으로는 최대의 감도를 가지나, x 방향과 y 방향의 변형의 양쪽의 영향을 등가로 받는 구조이다. 따라서 1축 변형장의 계측에는 매우 유효하나, 복잡한 변형장의 측정은 어렵다는 문제가 있다. 따라서 이하의 실시예 2에서는 복잡한 변형장에서도 측정할 수 있는 역학량 측정장치(1)를 나타낸다.
또, 본 실시예에서는 실리콘 기판(2)에 한정하여 예를 나타내었으나, 다른 반도체 기판이어도 동일한 효과를 가진다. 역학량 측정장치(1)의 기판에 실리콘 등의 반도체 기판을 제작한 경우, 반도체 제조 프로세스를 사용하여 상기 기판 내에 전자회로를 병설할 수 있다는 이점을 가지고 있다.
이 경우에는 변형 검출부(3)의 출력은, 직접 역학량 측정장치(1)밖으로 출력시킬 필요는 없고, 반도체 기판 내에 증폭회로, 아날로그 디지털 변환기, 정류·검파회로, 안테나회로 등의 회로를 탑재시켜, 변형 검출부(3)의 출력을 증폭시킨 후나 디지털 변환한 후에 역학량 측정장치의 외부로 출력을 행하는, 또는 무선통신형식으로 외부로 출력을 행하는 것이 가능해진다.
이 경우에는, 변형 검출부(3)로부터의 출력을 역학량 측정장치(1) 내에서 증폭시키거나 디지털 변환시키거나 할 수 있기 때문에, 역학량 측정장치(1)의 외부에 데이터 출력하는 경우에도, 외부 노이즈가 출력 데이터에 주는 영향을 최소한으로 할 수 있어, 고정밀도한 변형 측정이 가능해진다. 또 변형 검출부(3)로부터의 출 력을 무선으로 외부에 송신하는 경우에는 역학량 측정장치(1)는 외부와의 결선에 사용하는 노출 단자를 필요로 하지 않기 때문에, 패드 등에서 부식 등이 일어나지 않고, 신뢰성이 높은 역학량 측정장치를 제공할 수 있다.
(실시예 2)
< 2축 분리 칩 >
본 발명에서의 제 2 실시형태를 도 7 내지 도 11을 사용하여 설명한다. 도 7에 나타내는 바와 같이 본 실시형태에서는 2축 변형장을 고정밀도로 측정하기위하여 브리지회로(4)와 브리지회로(5)를 설치하고 있다. 브리지회로(4)는, 전류의 흐르는 방향이 상기 실리콘 기판(2)의 <100> 방향과 평행이 되도록 설치된 n형 확산 저항(4a, 4c)과, 전류의 흐르는 방향이 상기 실리콘 기판(2)의 <100> 방향과 평행이 되도록 설치된 p형 확산 저항(4b, 4d)과의 조합으로 구성되고, 확산 저항(4a, 4b, 4c, 4d)의 순으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 또 브리지회로(5)도 브리지회로(4)와 마찬가지로 n형 확산층, p형 확산층 모두 전류의 흐르는 방향이 <100> 방향과 평행이 되도록 설치되어 있으나, 브리지회로(5)의 n형 확산층의 길이방향, 즉 전류의 흐르는 방향과, 브리지회로(4)의 n형 확산층의 길이방향이 직교하도록 배치한다. 즉, 도 8에 상세하게 나타내는 바와 같이 상기 브리지회로(4)는, 〔010〕방향과 평행한 방향으로 배치된 n형 확산 저항(4a, 4c)과, 〔O1O〕방향과 평행한 방향으로 배치된 p형 확산 저항(4b, 4d)에 의하여 구성되고, 확산 저항(5a, 5b, 5c, 5d)의 순으로 접속되어 있다.
p형 확산 저항(4b, 4d)의 주변에는 n형 불순물을 확산시킨 웰(306)이 형성된 다. 웰은 p형 확산 저항(4b, 4d)을 포함하도록 각 브리지에 1개가 바람직하고, 그 경우에는 확산층을 형성할 때의 이온 주입조건이 단순해지기 때문에 확산 저항(4b와 4d)의 저항값을 고정밀도로 일치시키는 것이 가능해진다. 또 스페이스 효율의 점에서도 바람직하다. 이 n형의 웰(306)은 전원의 플러스측에 접속하고, p형의 실리콘 기판(2)은 전원의 그라운드측에 접속한다. 또한 본 실시예에서는 p형의 실리콘 기판을 사용하는 것을 전제로 하고 있으나, n형의 실리콘 기판을 사용한 경우에는, n형 확산 저항(4a, 4c)의 주변에 p형의 웰을 형성할 필요가 있다. 마찬가지로 상기 브리지회로(5)는, 〔100〕방향과 평행한 방향으로 배치된 n형 확산 저항(5a, 5c)과, 〔100〕방향과 평행한 방향으로 배치된 p형 확산 저항(5b, 5d)에 의하여 형성되어 있다. 본 실시예의 경우에도 실시예 1과 마찬가지로 표기의 방향에서 벗어난 경우에도 ± 10도의 각도범위의 어긋남에 들어가 있으면, 대략 동일한 효과를 기대할 수 있다.
도 9에는 브리지회로(5)의 p형 확산층 저항의 배치를 바꾼 예를 나타낸다. 본 실시예에서는 브리지회로(4)의 n형 확산 저항은, 그 길이방향이 대략 브리지회로(5)의 n형 확산 저항의 그것과 직교하고 있으나, p형 확산 저항의 길이방향은 브리지회로(4)와 브리지회로(5)에서 대략 평행하게 되어 있다.
또 도 10에는 브리지회로(4)와 브리지회로(5)의 확산층의 배치를 바꾼 예를 나타낸다. 본 실시예에서는 길이방향이 <100> 방향을 향한 확산 저항(4a, 4b, 4c, 4d)의 확산 저항이 <110>에 평행하게 나열하여 배치한 것으로, 도면 가로방향의 스페이스를 취하지 않는다는 이점이 있다. 그래서 도면 가로방향의 빈 스페이스에 앰플리파이어 등의 회로를 수납하는 것이 가능해진다. 또 브리지회로(4)와 브리지회로(5)가 완전히 좌우대칭으로 하는 것이 바람직하고, 그 경우에는 칩 단부의 영향을 브리지회로(4)와 브리지회로(5)가 동등하게 받게 되기 때문에, 오차가 적은 측정이 가능해진다는 이점이 생긴다.
또 도 11에는 n형 확산층으로 형성되는 확산 저항(4a와 4c)이 p형 확산층으로 형성되는 확산 저항(4b, 4d)에 끼워져 배치되는 경우를 나타낸다. 이 경우에는 변형 감도가 높은 확산 저항(4a와 4c)을 칩 중심부에 배치하는 것이 가능해지기 때문에, 칩 단부의 변형 개방영역의 영향을 받는 일이 없고, 더욱 정밀도가 높은 측정이 가능해진다는 이점이 생긴다. 또한 이 경우에는 각 브리지당 2개의 웰이 필요하게 된다.
다음에 본 실시형태에 의한 작용, 효과를 설명한다.
실리콘 기판에 형성한 불순물 확산층을 변형 감응 저항체로 하고, 상기 불순물 확산층의 피에조 저항 효과를 이용하여 변형 계측을 행하는 경우, 상기 불순물 확산층의 저항값 변화는, 목적으로 하는 변형 계측방위와는 다른 방위의 변형의 영향을 받는다. 이 때문에 다축의 변형이 생기고 있는 피측정물에 반도체 역학량 측정장치를 설치한 경우에는 특정방향의 변형량을 정확하게 검출할 수 없다는 문제가 있었다.
<100> 방향이 길이방향이 되도록 n형 확산 저항을 배치한 경우, 수직 변형에 대한 변형 감도가 크고, 게다가 길이방향(즉 전류방향)으로 평행한 변형에 대한 감도와, 전류방향으로 수직한 변형에 대한 감도가 크게 다르다. 한편, <100> 방향이 길이방향이 되도록 p형 확산 저항을 배치한 경우, 수직 변형에 대한 변형 감도가 매우 작다. 이들을 브리지회로로서 조합시킴으로써, 온도변화가 있었던 경우에서도 그 영향을 작게 할 수 있음과 동시에, 특정방향의 변형을 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
이와 같이 적어도 하나의 브리지회로를 구성하는 확산 저항체를, <100> 방향이 길이방향이 되도록 n형 확산 저항과, <100> 방향이 길이방향이 되도록 p형 확산 저항의 2종류의 확산 저항을 조합시킴으로써, 다축에 변형이 발생하는 경우에도 정밀도가 높은 측정이 가능해진다. 또한 본 실시예의 경우에는, <100> 방향과 <010> 방향의 2축의 변형을 분리하는 것이 가능해진다.
또한 측정에 사용하는 변형 감도가 높은 불순물 확산층으로서는, <100> 방향으로 평행한 n형 확산 저항이나 <110> 방향으로 평행한 p형 확산 저항이 있고, 변형 감도가 작은 불순물 확산층으로서는 <100> 방향으로 평행한 p형 확산 저항이나 <l1O> 방향으로 평행한 n형 확산 저항이 있다.
또, 도 7에 나타낸 실시예에 나타내는 바와 같이, 브리지회로(4, 5)에서의 확산 저항의 구성이나 패턴을 동일하게 하고, 배치만을 직교시키는 구조로 함으로써 브리지회로(4와 5)의 제조에 유래하는 불균일이나 변형 감도 특성을 완전히 동일하게 할 수 있기 때문에, 양자의 출력으로부터의 각 변형 성분의 분리계산시에 오차를 적게 할 수 있다는 효과도 얻어진다. 불순물 확산층(4a, 4c)과 불순물 확산층(5a, 5c)은, 선(2b)을 중심으로 대략 선대칭이면, 서로의 불순물 확산층의 존재의 영향을 동등하게 받기 때문에, 고정밀도한 측정으로 할 수 있다. 여기서 선 대칭이란, 엄밀하게 선대칭일 필요는 없고, 대칭이 되는 선에서 되돌렸을 때에, 불순물 확산층을 형성한 영역의 50% 이상이 겹칠 정도의 대칭성이 있으면 충분한다. 또, 선대칭의 대칭에 관한 선(2b)이, 실리콘 기판(2)의 평면의 도심(圖心) (2a)을 지나도록 불순물 확산층(4a, 4c, 5a, 5c)을 배치하면, 실리콘 기판(2)의 단부의 영향을 동등하게 받게 되기 때문에, 오차가 적은 측정이 가능해진다는 이점이 생긴다. 또한 불순물 확산층(4b, 4d, 5b, 5d)도, 선대칭으로 배치하면 더욱 효과가 높아진다.
또, 각 브리지를 각각의 칩에 형성하여 2 칩으로 하여 계측하여도 원리적으로는 가능하였으나, 현실적으로는 2개의 칩을 부착하는 경우에 각도의 상대오차가 생기는 일이 많아, 1 칩에 3개의 브리지를 결정축 방향으로 배려하여 형성한 경우에 비하여 현격하게 측정 정밀도가 떨어진다. 또 2개의 칩을 부착하는 경우에는 부착용 접착제의 약간의 두께의 차이 등에 의하여 오차가 생기기 쉽다는 문제도 있다. 따라서, 본 실시예에서는 반도체 기판의 결정축 방향을 잘 일치시켜, 2축의 수직 변형과 전단 변형을 1 칩으로 계측할 수 있게 되었기 때문에, 고정밀도의 계측을 실현할 수 있었다.
또한, 본 실시예에 의하면, 변형 감도가 높은 불순물 확산층(4a, 4c, 5a, 5c) 사이의 거리를, 변형 감도가 낮은 불순물 확산층(4b, 4d, 5b, 5d) 사이의 거리보다 작게 하고, 또 변형 감도가 높은 불순물 확산층(4a, 4c, 5a, 5c)을 변형 감도가 낮은 불순물 확산층(4b, 4d, 5b, 5d)보다 도심(2a)에 가깝게 함으로써, 수백 미크론이라는 미소부위에 이들 2개의 브리지가 형성되어 있기 때문에, 응력 집중장의 변형 상태를 고정밀도로 구하는 것이 가능해진다는 이점도 있다.
또, 칩 표면에 적어도 하나의 방향표시 마크(14)를 설치함으로써, 센서의 방향을 인식하기 쉽고, 처리가 용이하다. 예를 들면 계측자가 센서 칩을 피측정물에 접착하는 경우에도 센서 칩의 방향을 인식하면서 접착함으로써, 이 방향을 기초로 주응력 방향을 동정하는 것이 가능해진다는 이점이 생긴다.
(실시예 3)
< 2축 분리 칩의 조정용 저항 >
실시예 2의 경우와 같이 하나의 브리지회로 중에, n형의 확산 저항과 p형의 확산 저항이 혼재하고 있는 경우에는, n형의 확산 저항을 형성하기 위한 이온 주입처리와, p형의 확산 저항을 형성하기 위한 이온 주입처리와, 2개의 이온 주입처리가 적어도 필요하게 된다. 이 2개의 이온 주입처리에 있어서 확산 저항값이 불균일하면, 각 브리지회로에 옵셋이 발생하게 된다.
도 12는 이 과제를 해결한 본 발명의 실시예이다. 본 실시예에서는 p형 확산 저항(4b, 4d)에, 각각 저항 조정용 확산 저항(101)이 설치되어 있다. 또한 저항 조정용 확산 저항(101)은 p형 확산 저항으로 이루어진다. 저항 조정용 확산 저항(101)은 직렬로 접속되어 있고, 저항 조정용 저항 사이로부터는 배선이 인출되어 있고, 예를 들면 각각 패드(107)에 접속되어 있다.
브리지회로의 옵셋값을 제로 부근으로 하기 위해서는, n형 확산 저항(4a, 4c) 및 상기 p형 확산 저항(4b, 4d)의 값을 동일한 정도로 할 필요가 있다. 그러나 n형 확산 저항 및 p형 확산 저항의 값을 제어하기 위해서는, 단결정 기판에 도 입하는 불순물 농도나, 그 후의 불순물 확산 열처리의 온도나 시간에 의한 제어만으로는 불충분한 경우가 있다. 따라서 저항값을 미세 조정하기 위한 저항 조정용확산 저항(101)을 설치함으로써, p형 확산 저항의 실질의 저항값을 변화시킬 수 있어, 옵셋값을 제로 부근으로 조정하는 것이 가능해진다. 이온 주입처리에 기인한 시트저항 불균일이 발생한 경우에도 도 13에 나타내는 바와 같은 조정용 저항으로부터 인출한 패드 중, 어딘가는 옵셋이 작아지는 패드의 조합이 있다. 그래서 이 옵셋이 작아지는 패드의 조합을 찾아 내어 브리지로서 사용한다. 이때 저항 조정용 확산 저항의 길이를, 브리지회로를 구성하는 p형 확산 저항 본체의 길이보다 짧게 함으로써, 저항의 미세조정이 가능하여 옵셋을 더욱 작게 하는 것이 가능해진다. 조정용 저항은, 휘트스톤 브리지를 구성하는 확산 저항 중, 대변(對邊)에 위치하는 2개의 확산 저항에 설치된다. 그리고 휘트스톤 브리지 위에서 각각의 본체 저항에 대한 위치가 대각측이 되도록 설치함으로써, 4개의 확산 저항의 저항값의 미세조정에 사용할 수 있다.
이와 같이 하나의 브리지회로로부터 4개보다 많은 수의 배선을 인출하고, 그 중의 전압 밸런스가 잡히는 패드를 선택하여 사용함으로써, 이온 주입에 유래하는 시트 저항 불균일에 의한 옵셋 발생을 실질상, 대략 제거할 수 있다. 또 이 브리지회로로부터 인출되는 배선 중, 어느것을 선택할지는, 앰플리파이어와 A/D 컨버터부착 CPU를 사용하면, 자동적으로 행할 수 있다. 도 14에는 그 회로 블럭도를 나타내었다. CPU(301)로부터의 신호에 의하여 스위치(302)가 변환되고, 옵셋이 작아지도록 브리지회로로부터 인출된 인출 배선 중 어느 것을 선택할지가 결정되어, 확 산 저항에 통전이 행하여진다. 그리고 제작된 확산 저항의 저항값의 오차를 반영한 브리지회로로부터의 출력은 A/D 컨버터 경유로 CPU(301)에 전압값으로서 입력되어, 옵셋의 크기가 판단된다. 그리고 CPU(301)에 의하여 옵셋이 가장 작아지도록 자동적으로 어느 인출 배선(101)으로 접속하여 변형 측정을 행할지가 결정된다. 또한 사용하지 않는 인출 배선은, 그대로 남겨도 제거하여도 좋다. 또 이 확산 저항의 저항값의 측정 및 사용하는 인출 배선의 결정은, 역학량 측정장치의 제조공정에서 행하여도 좋고, 역학량 측정장치를 실제로 변형 측정을 행하는 피측정물에 설치한 후에, 측정 개시 전에 행하여도 좋다.
또한 저항 조정용 저항(101)은 적어도 n형 확산 저항, 또는 상기 p형 확산 저항 중 어느 하나에 설치함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있으나, p형 확산 저항에 <100> 방향과 평행인 p형 확산 저항으로 이루어지는 저항 조정용 확산 저항(101)을 설치하는 것이 바람직하다. 변형 감도가 낮은 <100> 방향과 평행인 p형 확산 저항을 저항 조정용 저항으로 함으로써, 저항 조정용 저항이 변형에 대하여 감도를 가지는 일이 없기 때문에, 저항 조정한 경우에도 고정밀도로 변형을 검출할 수 있다는 이점이 있다. 또 도 13에 나타내는 바와 같이 조정용 저항(101)은 4b, 4d 중에 설치되나, 그 위치는 4a, 4c에 가까운 쪽이 아니고, 센서의 바깥쪽에 배치하는 것이 바람직하다. 이에 의하여 패드(107)에 대한 배선의 둘러침이 편해진다는 이점이 생긴다.
또한, 도 7 내지 도 11의 실시예에 대하여, 조정용 저항(101)의 적용이 가능하여, 동일한 효과를 기대할 수 있다.
도 12는, 본 실시예의 불순물 확산층(4a, 4b, 4c, 4d)을 설명하기 위하여 확대한 도면이다. 조정용 저항(101)을 가지는 불순물 저항층(4b, 4d)은 변형 감도가 낮은 <100> 방향과 평행인 p형 확산 저항이고, 조정용 저항(101)을 가지지 않은 불순물 확산층(4a, 4c)은 변형 감도가 높은 <100>방향과 평행인 n형 확산 저항이다. 조정용 저항(101)은, 확산 저항 본체를 형성하는 폴디드저항(102)보다 짧고, 즉 저항값이 낮게 형성되어 있다. 작은 조정용 저항(101)을 복수 구비하고, 그 다음에 배선(50)으로 인출하여 패드(107)에 접속함으로써, 섬세한 저항값의 조정을 행할 수 있다. 또, 확산 저항(4b, 4d)이 조정용 저항(101)을 가짐으로써, 즉 휘트스톤 브리지의 대변에 있는 확산 저항(4b, 4d)에 조정용 저항(101)이 존재함으로써, 4개의 확산 저항층(4a, 4b, 4c, 4d)의 저항값의 조정에 대응할 수 있게 되어 있다. 또, 도 12에 나타내는 바와 같이 조정용 저항(101)은 확산 저항층(4a, 4b, 4c, 4d)의 배치의 양쪽 끝부에 배치하는, 즉 가장 바깥쪽에 배치함으로써, 다수 존재하는 패드(107)에 대한 둘러 침이 용이하게 된다. 또한 조정용 저항(101)을 포함하는 불순물 확산층의 4b, 4d의 저항값을, 불순물 확산층(4a, 4c)의 값보다 약간 크게 하여 둠으로써, 저항값의 증감의 조정을 용이하게 행할 수 있게 할 수 있어, 브리지저항의 평형상태를 용이하게 실현할 수 있다.
(실시예 4)
< 폴리 실리콘의 2축 분리 칩 >
본 발명에서의 제 2 실시형태를 도 15와 도 16을 사용하여 설명한다. 도 15에 나타내는 바와 같이 본 실시형태에서는 2축 변형장을 고정밀도로 측정하기 위하 여 브리지회로(4)와 브리지회로(5)를 설치하고 있고, 각 브리지회로는 폴리 실리콘의 배선 저항과 확산층 저항에 의하여 각각 구성되어 있다. 브리지회로(4)는, 전류의 흐르는 방향이 상기 실리콘 기판(2)의 <100> 방향과 평행이 되도록 설치된 p형 확산 저항(4b, 4d)과, 전류의 흐르는 방향이 상기 실리콘 기판(2)의 <110> 방향과 평행이 되도록 설치된 폴리 실리콘 배선 저항(405b, 405d)과의 조합으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또 브리지회로(5)도 마찬가지로, 전류의 흐르는 방향이 상기 실리콘 기판(2)의 <100> 방향과 평행이 되도록 설치된 p형 확산 저항(5b, 5d)과, 전류의 흐르는 방향이 상기 실리콘 기판(2)의 <110> 방향과 평행이 되도록 설치된 폴리 실리콘 배선 저항(505b, 505d)과의 조합으로 구성되어 있으나, 브리지회로(5)의 폴리 실리콘 배선 저항(505b, 505d)의 길이방향, 즉 전류가 흐르는 방향과, 브리지회로(4)의 폴리 실리콘 배선 저항(405b, 405d)의 길이방향이 직교하도록 배치한다. 본 실시예의 경우에도 실시예 1과 마찬가지로 표기의 방향으로부터 벗어난 경우에도 ± 10도의 각도범위의 어긋남에 들어가 있으면 대략 동일한 효과를 기대할 수 있다.
본 실시예의 경우도 실시예 2와 마찬가지로, 특정방향의 변형장을 계측할 수 있다. 폴리 실리콘 배선 저항에서는 그 길이방향의 수직 변형에 대한 변형 감도가 크고, 다른 방향의 변형 감도는 극히 작다. 한편, <100> 방향이 길이방향이 되도록 p형 확산 저항을 배치하였기 때문에, 각 변형 성분에 대한 변형 감도가 매우 작아져 있다. 따라서 이들을 브리지회로로서 접속함으로써, 일 방향의 변형만을 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능해진다. 그리고 하나의 칩에 2개의 브리지회로를 설 치하고, 그 폴리 실리콘 배선 저항의 길이방향을 직교시킴으로써 면내 2축의 변형 상태의 계측이 가능해진다.
또, 본 실시예에서는 브리지회로(4)와 브리지회로(5)의 각각의 폴리 실리콘 배선 저항의 길이방향을 <110>으로 하였으나, 브리지회로(4)의 폴리 실리콘 배선 저항의 길이방향과 브리지회로(5)의 폴리 실리콘 배선 저항의 길이방향이 대략 직교하는 상태로 배치되어 있으면 원리상, 동일한 효과가 얻어진다. 단, 실장이나 그후의 칩 설치시의 용이함이나 인식의 용이함으로부터 본 실시예와 같이 대략 <110> 방향으로 평행 직각으로 배치하는 것이 바람직하다.
또, 본 실시예에서도, 이온 주입조건이나 폴리 실리콘 배선 저항의 폭의 불균일 등에 의하여 브리지를 구성하는 각 저항의 값의 불균일이 생기기 때문에, 옵셋이 발생하기 쉽다. 그래서 실시예 3과 마찬가지로 도 16에 나타내는 바와 같이 조정용 저항(101)을 설치하는 것이 바람직하다. 이때 조정용 저항은 p형 확산층에 설치하는 것이, 정밀도의 점에서 바람직하다.
(실시예 5)
< 3축 분리 칩 >
도 17에 나타내는 바와 같이, 수직 변형 성분뿐만이 아니라, 제 3 브리지회로(24)에 의하여 전단 변형 성분도 분리하는 것이 가능하다. 즉, 제 3 브리지회로(24)는 제 1 실시예의 브리지회로(304)와 동일한 것이다. 또 n형 불순물 확산을 이용하여 제 1 실시예의 브리지회로(305)와 동일하게 하여도 좋다. 본 실시예에서는 변형 계측 좌표계를 도면과 같이 규정하면, 〔100]방향과〔010〕방향의 수직 변 형과 칩 부착면내의 전단 변형을 계측할 수 있다. 즉, 면내의 수직 변형 2방향과 전단 변형 일 방향을 이 하나의 칩으로 계측할 수 있게 된다. 즉, 피측정부재의 특정한 방향을 방향표시 마크(14)에 맞추어 접착하고, 상기 반도체 칩의 <100> 방향으로 평행 직각인 수직 변형 2성분과, 전단 변형 일 성분을 계측하는 것이 가능하고, 이 3성분을 사용함으로써 피측정 부재의 주변형 방향 등, 변형 상태를 구하는 것이 가능해진다. 또 도 18에 나타내는 바와 같은 배치이어도 좋다. 도 17에서는 길이방향이 <100> 방향을 향한 확산 저항(5a∼5d)을, 길이방향에 직교하는 <100> 방향으로 나열하여 배치하고 있으나, 도 18에서는 확산 저항(5a∼5d)을, <110> 방향으로 나열하여 배치하고 있다. 또 전단 변형을 측정하는 제 3 브리지회로(24)는, 제 1 브리지회로(4) 및 제 2 브리지회로(5)의 확산 저항을 나열한 방향(도면 아래쪽)의 영역에, 제 1 및 제 2 브리지회로(4, 5)에 인접하여 설치하고 있다. 인접한다란, 센서 또는 확산 저항 사이의 거리가, 확산 저항의 길이방향의 길이보다 작은 것으로 한다. 도 18의 경우에는, 확산 저항(4a∼4d 및 5a∼5d) 등을 치밀하게 배치하여 실리콘 기판면에 대한 센서의 면적 점유율을 낮게 설계할 수 있기 때문에, 칩을 작게 할 수 있어, 저렴하게 제조하는 것이 가능해진다. 또한 제 3 브리지회로(24)는 도 17, 도 18에서는 제 1 브리지회로(4)및 제 2 브리지회로(5)의 확산 저항을 나열한 방향(도면 아래쪽)의 영역에 설치하였으나, 도면 가로방향으로 나열하여 배치하여도 좋다.
본 실시예에 의하면, 3개의 브리지회로가 동일한 반도체 칩 내에 배치되어 있기 때문에, 부착시에 접착제의 두께에 의하여 발생하는 감도 저하의 영향을, 상 기 3개의 브리지회로가 완전히 같은 만큼 받기 때문에 각 변형 성분을 분리하여 검출하는 경우에 오차를 적게 할 수 있어, 고정밀도한 계측이 가능해진다.
또, 본 실시예에 의하면, 3개의 브리지회로가 동일한 반도체 칩 내에 배치되어 있기 때문에, 응력 집중장의 계측과 같은 미소부분의 변형 계측도 가능해진다.
또한 본 실시예에 의하면, 3개의 브리지회로가 동일한 반도체 칩 내에 배치되어 있기 때문에, 실리콘의 열전도율이 높으므로, 3개의 브리지회로가 동일한 온도가 된다. 따라서 온도에 의한 특성 변동을 3개의 브리지회로가 동일하게 받기 때문에, 정밀도가 높은 계측이 가능해진다.
또, 본 실시예에서는 실시예 2를 기초로 전단 변형을 추가하여 측정할 수 있도록 하였으나, 실시예 4를 기초로, 이것에 전단 변형을 측정할 수 있도록 제 3 브리지회로(24)를 추가한 것이어도 좋다.
< 온도센서부착 칩 >
또한 역학량 측정장치의 동일 칩 위에 온도센서(15)가 설치된 구조로 되어있다. 그 밖의 점은 동일구조이고, 제 1 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다. 또한 상기 온도센서(15)는, PN 접합으로 이루어지는 다이오드인 것이 바람직하다. 이에 의하여 온도센서는 변형의 변화에 의한 영향을 받는 일이 없어, 변형 검출부(3) 부근의 온도변화를 정확하게 측정하는 것이 가능해진다.
특히, 실시예 2, 3, 4에 나타내는 바와 같이 p형 확산층과 n형 확산층, 또는 p형 확산층과 폴리 실리콘 배선 저항을 조합시켜 브리지를 구성하는 경우에는, 각 각의 저항값의 온도 의존성이 다르기 때문에, 온도변화에 의하여 옵셋이 커지기쉽다. 그래서 동일 칩 내에 온도센서를 설치하여 계측값의 보정을 행한다.
변형 검출부(3)와 온도센서(15)를 동일 칩 위에 설치하는 것에 의한 효과를, 도 20의 플로우차트를 이용하여 설명한다. 온도센서(15)에 의하여 변형 측정 중의 온도변화(ΔT)를 측정하여, 온도변동에 의한 열변형을 산출한다. 이에 의하여 센서(4)와 센서(5)의 출력으로부터 각 변형 성분을 분리하여 계산할 때에, 열변형 분을 제거하여 산출하는 것이 가능해진다.
(실시예 6)
< 박리센서부착 칩 >
다음에 본 발명에서의 제 6 실시형태를 도 20에 의하여 설명한다. 도 20은 제 6 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 주요부를 나타내고 있고, 제 2 실시형태와 공통의 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 20에 나타내는 본 실시형태의 역학량 측정장치에서는 역학량 측정장치의 칩 위에 박리감시센서(16, 17, 18, 19)가 설치된 구조로 되어 있다. 그 밖의 점은 같은 개념이고, 제 2 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다. 박리 감시용 센서는, 예를 들면 불순물 확산 저항으로 형성할 수 있다. 또 박리 감시용 센서는 불순물 확산 저항으로 형성되는 경우, 4 모서리의 확산 저항으로 휘트스톤 브리지회로를 형성하여 출력변동을 감시함으로써, 역학량 측정장치(1)가 피측정물로부터 박리되었는지의 여부를 아는 것이 가능해진다. 박리 감시용 센서(16, 17, 18, 19)를 연결한 영역이 변형 측정용 센서(4, 5)를 둘러싸는 위치로 하여 4 모서리에 배치하는 것이 바람직하다. 또한 칩 끝으로부터 상기 박리감시센서의 거리 (L3∼L10)는 각각 동일한 것이 바람직하다.
본 발명의 역학량 측정장치는, 전력 절약화를 위하여 반도체 기판 위에 변형 검출부를 설치한 것으로, 피측정물에 설치하여 원격으로 변형을 검출할 수 있는 것이다. 원격으로 측정하기 때문에, 가령 역학량 측정장치의 일부가 박리되고 있었다 하여도 원격감시를 행하고 있는 사용자는 깨닫지 못하고, 잘못된 측정 데이터가 역학량 측정장치로부터 보내져 오게 된다. 그래서 본 실시예에서는 박리센서를 설치함으로써, 사용자에게 박리가 일어나 있는 것을 알려, 측정장치의 재설치를 촉구하여 정확한 변형 측정을 행하는 것이다.
상기 역학량 측정장치(1)를 피측정물(201)에 부착하여 변형 측정을 행하는 경우, 상기 실리콘 기판(2)의 주변부 근방 영역에서는, 피측정물에 대한 변형의 추종성이 나빠지나, 칩 끝으로부터 상기 박리감시센서의 거리를 같게 함으로써 상기 박리감시센서가 받는 단부의 영향을 같게 할 수 있다. 박리감시용 센서(16, 17, 18, 19)는, 칩 끝 근처에 설치되기 때문에, 박리가 일어나기 쉬워, 재빨리 박리를 검출할 수 있는 위치에 배치하고 있다. 또 이들 박리감시용 센서(16, 17, 18, 19)로 휘트스톤 브리지회로를 형성함으로써, 박리가 생기지 않은 경우의 출력은 제로 부근이 되고, 어느 부분에서 박리가 생기면 그 부분의 박리감시용 센서의 저항이 변동하여 브리지회로의 출력이 증가한다. 이와 같이 휘트스톤 브리지회로를 형성함으로써 출력단자를 감소시키는 효과도 얻어진다. 또 박리감시용 센서는, 불순물 확산 저항으로 함으로써, 센서를 제작하는 제조공정 이상으로 제조공정이 증가하는 일이 없어, 용이하게 제조할 수 있고, 비용상승이 없다는 효과도 얻어진다. 또한 본 실시예에서는 변형 측정용 센서(4, 5)를 2개 구비하고 있으나, 하나이어도 된다.
(실시예 7)
< 앰플리파이어부착 칩 >
다음에, 본 발명에서의 제 7 실시형태를 도 21에 의하여 설명한다. 도 21은 제 7 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 주요부를 나타내고 있고, 제 2 실시형태와 공통의 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 21에 나타내는 본 실시형태의 역학량 측정장치에서는 역학량 측정장치의 동일 칩 위에 센서와 동수의 앰플리파이어가, 센서와 함께 설치된 구조로 되어있다. 여기서는 2개의 센서에 2개의 앰플리파이어 회로가 접속되어 있다. 그 밖의 점은 상기 실시예와 동일 개념이다. 이와 같이 하나의 칩 위에 2개 이상의 센서와, 이것과 동수의 앰플리파이어를 설치함으로써 각각을 독립하여 동작시킬 수 있기 때문에, 스위칭동작에 의하여 변환할 필요가 없기 때문에 고속의 계측이 가능하게 된다는 이점이 있다. 또 용도에 따라 사용하지 않는 센서가 있는 경우에는, 그 센서와 앰플리파이어가 전원을 오프할 수 있기 때문에, 전력 절약화할 수 있다는 이점이 있다. 일반의 센서와 앰플리파이어를 접속하여 사용하는 통상의 용도에서는, 하나의 회로 내에 복수의 센서와 앰플리파이어를 1 칩으로 한 것도 산견(散見)되나, 그 장점은 저가격인 것이다. 그러나 본 실시예에서는 그것 이상의 이점이 생긴다. 즉, 1 칩 내에 변형을 검지하는 센서와 앰플리파이어의 세트를 복수 설치 함으로써, 각 센서의 부착 각도가 정확해지기 때문에, 고정밀도한 계측이 가능해진다. 또, 1 칩화함으로써 각 센서가 작은 부분에 집중하여 배치되기때문에, 협애부(狹隘部)의 응력 집중장의 다축 변형 성분을 정밀도 좋게 계측할 수 있다는 이점이 생긴다.
상기 앰플리파이어(20, 21) 내에는, 각각 저항(22, 23)이 형성되어 있고, 예를 들면 불순물을 도입한 다결정 실리콘에 의하여 형성된다. 또 트랜지스터(25)도 형성되고, 이것과 저항(22, 23)의 조합으로 앰플리파이어가 형성된다. 여기서 저항(22, 23)의 길이방향이 모두 동일 방향이 되도록 배치되어 있고, 게다가 변형 검출부(3)를 구성하는 확산 저항(4a, 4b, 4c, 4d)의 길이방향과 평행하게 되어 있고, 확산 저항(5a, 5b, 5c, 5d)의 길이방향과는 수직하게 배치되어 있다.
본 실시형태에 나타내는 바와 같이 브리지회로(4, 5)와 앰플리파이어(20, 21)를 동일 반도체 칩 위에 형성함으로써, 노이즈가 실리기 어려워 고정밀도한 측정이 가능한 역학량 측정장치가 제공된다. 또 브리지회로의 출력을 칩 위에서 가까운 거리에서 증폭할 수 있기 때문에, 노이즈 내성이 더욱 향상된다. 또한 브리지회로가 작음으로써, 자속이 빠져 나가기 어렵기 때문에, 역학량 측정장치 자체도 외부 노이즈에 강하다.
도 22에 나타내는 바와 같이, 앰플리파이어 회로는 센서로부터의 2개의 출력을 각각 다른 차동 앰플리파이어에 입력하는 것이 바람직하고, 그 경우에는 이 2개의 차동 앰플리파이어(20a, 20b)에 접속되는 다결정 실리콘 저항제의 저항(22a, 22b)을, 각각 대략 선대칭으로 배치함으로써, 2개의 다결정 실리콘(22a와 22b)에 대한 변형의 영향을 동일하게 할 수 있어, 앰플리파이어 회로에서의 변형의 영향을 어느 정도 상쇄할 수 있기 때문에, 정밀도가 높은 측정이 가능한 역학량 측정장치가 제공된다. 즉, 센서의 양 출력으로 연결되는 2개의 앰플리파이어(20a, 20b)의 저항(22a와 22b)을 대략 선대칭으로 배치하고, 도시 생략하였으나, 대칭 배치가 아닌 앰플리파이어의 저항이 있는 경우도, 그 길이방향을 동일 방향으로 구비하여 배치한다. 이와 같이 2개의 차동 앰플리파이어(20a, 20b)를 사용하여, 그것에 접속되는 저항을 대략 선대칭으로 배치함으로써, 앰플리파이어의 저항의 폴리 실리콘부분에 변형이 부하된 경우에도, 대략 선대칭으로 배치한 쌍이 되는 저항(22a와 22b)의 변형에 대한 변화량은 같아지기 때문에, 오차가 적어진다는 이점이 생긴다. 즉, 22a와 22b를 대략 선대칭으로 함으로써 동일 방향의 동일 크기의 변형이 상기 저항(22a, 22b)에 부하되기 때문에, 2개의 앰플리파이어의 증폭율의 변형에 의한 영향도 같아진다. 따라서 한쪽의 앰플리파이어만 다른 방향의 변형에 의하여 배율이 변화되는 일이 없어, 그 보정도 용이하다.
통상, 센싱회로에서는 차동 앰플리파이어에 의한 증폭이 행하여지나, 이것은 동상 제거효과, 즉 센서에 연결된 신호선에 노이즈가 혼입한 경우에 양 극의 신호선에 동일한 만큼의 노이즈가 실리기 때문에 제거할 수 있다는 효과를 가지기때문에, 노이즈 저감대책으로서 사용된다. 그러나 본 발명에서는 그 효과에 더하여 이와 같은 변형에 대한 영향을 경감하는 효과를 가진다.
더욱 바람직하게는, 칩의 선대칭축과 저항(22a, 22b)의 선대칭축이 일치하는 것이 바람직하다. 칩을 설치하여, 칩에 큰 변형이 부하된 경우에, 그 변형은 중심 선을 대칭축으로 하여 선대칭이 되기 때문에, 저항(22a, 22b)도 칩의 선대칭축에 대하여, 대칭으로 배치함으로써, 칩이 크게 변형된 경우에서도 저항(22a, 22b)의 변형에 대한 영향을 동일하게 할 수 있다는 이점이 있다.
또, 앰플리파이어 회로로서, 센서로부터의 출력을 2개의 차동 앰플리파이어에 입력하지 않은 경우에도 상기 앰플리파이어 회로에 접속되는 저항으로서 다결정 실리콘을 사용하고, 그 다결정 실리콘 저항의 길이방향을 모두 동일한 방향으로 구비함으로써 복수의 차동 앰플리파이어를 사용한 경우보다 효과는 저감되나, 그 효과는 충분히 가진다. 즉 다결정 실리콘 저항이 그 방향으로만 변형 감도를 가지도록 할 수 있어, 2축 변형장에서의 각 변형을 계산에 의하여 분리할 때에도 용이해지기 때문에, 비교적 고정밀도로 측정하는 것이 가능한 역학량 측정장치가 제공된다.
또, 반도체 칩 위의 브리지회로에 접속되는 앰플리파이어를 사용한 증폭회로에서, 상기 앰플리파이어에 접속되는 다결정 실리콘제의 저항의 길이를 변화시키는 기능이나 상기 저항의 접속수를 변화시키기 위한 기능을 설치함으로써, 상기 앰플리파이어 회로의 배율을 변화시키는 것이 가능한 역학량 측정장치가 제공된다.
이 경우, 저배율용 저항이, 고배율용 저항보다 칩 안쪽에 배치되어 있는 쪽이 바람직하다. 이에 의하여 저배율 앰플리파이어 사용시의 다결정 실리콘에 대한 감도 불균일의 영향을 최소한으로 하는 것이 가능하다.
또 본 실시예 및 하기 실시예에서는 2개의 센서와 2개의 앰플리파이어에 대하여 설명하였으나, 그것 이상의 경우에도 마찬가지로 적용이 가능하다. 또 동일 칩 내에 복수의 센서와 1개의 앰플리파이어를 가지는 경우에서도, 그 앰플리파이어의 저항의 배치나 회로에 관해서는, 본 실시예에 따라 배치함으로써, 마찬가지로 정밀도가 높은 계측이 가능하게 된다는 이점이 생긴다.
또, 본 실시예에서는 앰플리파이어에 접속되는 다결정 실리콘제의 저항의 길이방향의 방향은 모두 구비하고 있는 쪽이 바람직하나, 앰플리파이어 회로에 의하여 일부 달라도 좋고, 대칭이 무너지는 경우도 있다. 그러나 그 경우에도 효과는 적어지나, 본 실시예에 설명한 효과는 가진다. 또 본 실시예에서는 앰플리파이어 회로에 접속되는 저항은 다결정 실리콘제인 것을 가정하여 설명하였으나, 반도체 기판의 확산 저항이어도 좋고, 동일한 효과를 가진다.
또, 도 21에 나타내는 바와 같이, 브리지회로(4)와 브리지회로(5)는 가능한 한 칩의 중심에 오도록 설치하고, 앰플리파이어의 트랜지스터(25)는 칩 단부에 가까워지는 것이어도 좋다. 즉, 비교적 변형에 민감하지 않은 트랜지스터(25)를 칩 단부에 설치함으로써 고정밀도한 계측을 실현할 수 있다. 즉, 브리지회로(4)와 브리지회로(5)의 확산층과의 거리는, 브리지회로(4)에 접속되는 앰플리파이어의 트랜지스터와 브리지회로(5)에 접속되는 트랜지스터의 거리보다 작도록 배치함으로써 고정밀도한 계측이 가능해진다.
(실시예 8)
< 앰플리파이어부착 칩 >
다음에 본 발명에서의 제 9 실시형태를 도 23에 의하여 설명한다. 도 23은 제 8 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 주요부를 나타내고 있고, 다른 실시형태 와 공통부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 23에 나타내는 본 실시형태의 역학량 측정장치에서는, 동일 칩 위에 앰플리파이어(20, 21)가 형성되어 있는 점에서는, 도 22에 나타내는 제 7 실시형태에 의한 역학량 측정장치와 동일하고, 동일한 효과가 얻어진다.
본 실시형태에서는 앰플리파이어(20, 21)를 구성하는 저항군(22a와 22b, 23a와 23b)이, 칩의 중앙을 회전축으로 하여 회전 대칭으로 배치되어 있다. 이 경우에는 브리지회로(5)와 앰플리파이어(21)가, 브리지회로(4)와 앰플리파이어(20)를 90도 회전시킨 완전히 등가의 구조가 되기 때문에, 설계가 용이하다는 효과가 얻어진다. 또 브리지회로(4)에 접속하는 저항(22a, 22b)은 동일한 방향을 향하고 있기 때문에, 저항(22a, 22b)의 변형에 대한 영향을 동일하게 할 수 있고, 차동 앰플리파이어로 상쇄함으로써, 변형의 영향을 작게 할 수 있다.
(실시예 9)
< 앰플리파이어부착 칩 >
다음에, 본 발명에서의 제 9 실시형태를 도 24에 의하여 설명한다. 도 24는 제 9 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 주요부를 나타내고 있고, 다른 실시형태와 공통의 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
제 7 실시형태에 의한 도 21의 역학량 측정장치에서는, 각 변이 <100> 방향으로 평행한 사각형 형상인 데 대하여, 도 24에 나타내는 본 실시형태의 역학량 측정장치에서는 각 변이 <110> 방향으로 평행한 사각형 형상으로 되어 있다. 그 밖의 점은 동일 구조이며, 앰플리파이어를 역학량 측정장치와 동일 칩 위에 배치함으 로써 제 7 실시형태와 동일한 효과도 얻어진다.
앰플리파이어(20, 21) 내에는, 각각 저항(22a와 22b, 23a와 23b)이 형성되어 있고, 예를 들면 불순물을 도입한 다결정 실리콘에 의하여 형성된다. 여기서 저항(22a와 22b, 23a와 23b)의 길이방향이, 모두 동일방향이 되도록 배치되어 있고, 게다가 브리지회로(4)를 구성하는 확산 저항(4a∼4d)의 길이방향과 수직하게 되어 있고, 브리지회로(5)를 구성하는 확산 저항(5a∼5d)의 길이방향과는 평행하게 배치되어 있다.
브리지회로(4, 5)의 배치와 평행하게, 즉 대각선과 평행하게 앰플리파이어(20, 21)를 배치함으로써, 변형 측정방향과 앰플리파이어의 귀환 저항의 배치방향이 동일하기 때문에, 변형의 측정방향을 용이하게 할 수 있다는 이점이 있다. 또브리지회로(4, 5)를 인접하여 설치하고, 앰플리파이어의 저항(22a, 22b)과 저항(23a, 23b)이 각각 브리지회로(4, 5)에 인접하도록 양측에 설치함으로써, 브리지회로(4, 5)와 앰플리파이어의 저항(22a, 22b, 23a, 23b)의 설치면적을 작게 할 수 있다.
(실시예 10)
< 앰플리파이어부착 칩 >
다음에, 본 발명에서의 제 10 실시형태를 도 25에 의하여 설명한다. 도 25는 제 10 실시형태에 의한 역학량 측정장치의 주요부를 나타내고 있다.
본 실시형태에 의한 도 25의 역학량 측정장치는, 도 24에 나타내는 제 9 실시형태의 브리지회로(4, 5) 및 앰플리파이어(20, 21)의 배치를 변형시킨 구조로 되 어 있다. 그 밖의 점은 동일구조이고, 상기한 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다.
도 24에 나타내는 제 10 실시형태에서는 브리지회로(4, 5)가 칩의 대각선을 따라 일렬로 배치되어 있는 것에 대하여, 도 26에 나타내는 본 실시형태에서는 브리지회로(4, 5)가 칩의 중앙선을 따라 일렬로 배치된 구조로 되어 있다. 또 브리지회로(4, 5)를 구성하는 확산 저항(4a∼4d, 5a∼5d)의 중심이, 칩의 중앙선(201)을 따라 일렬로 배치된 구조로 되어 있다. 브리지회로(4)를 형성하는 확산 저항(4a∼4d)은 그 길이방향이 브리지회로(4)의 측정방향인〔100〕방향을 향하고, 브리지회로(5)를 형성하는 확산 저항(5a∼5d)은 그 길이방향이 브리지회로(5)의 측정방향인〔010〕방향을 향하여, 각각 직교하고 있다. 또 어느 쪽의 확산 저항도, <110>을 향하는 칩의 변 및 중앙선에 45°를 이루는 방향을 향하고 있다. 그리고 확산 저항(4a∼4d)의 각각의 중심은, 확산 저항(4a∼4d)의 길이방향과 45°를 이루는 방향으로 나열하고, 확산 저항(5a∼5d)의 각각의 중심은, 확산 저항(5a∼5d)의 길이방향과 45°를 이루는 방향으로 나열하여, 확산 저항(4a∼4d) 및 확산 저항(5a∼5d)의 중심이 일렬로 나열함으로써, 브리지회로(4, 5)가 차지하는 영역이 세로로 길고 콤팩트해진다.
또, 앰플리파이어(20, 21) 내에 형성되어 있는, 저항(22a와 22b, 23a와 23b)의 길이방향이, 모두 칩의 중앙선(201)과 평행, 즉 <110> 방향과 평행하게 설치되어 있다. 브리지회로(4, 5)의 한쪽의 옆쪽에 앰플리파이어의 저항(22a와 22b)을 설치하고, 브리지회로(4, 5)에 대하여 반대측에 앰플리파이어저항(23a와 23b)를 설 치하고 있다.
본 실시형태에서는, 브리지회로를 세로로 길게, 콤팩트하게 정리할 수 있기 때문에, 앰플리파이어를 배치하는 경우에도 앰플리파이어의 점유면적을 크게 하는 것이 가능하다. 따라서 더욱 작은 칩 면적으로 하는 것이 가능하고, 비용저감에 도움이 되는 외에, 점유면적이 커지기 쉬운 배율이 높은 앰플리파이어의 탑재도 가능해진다. 또 이와 같이 센서와 앰플리파이어를 배치함으로써, 센서와 앰플리파이어 사이의 배선의 둘러 침이 용이해진다는 이점이 생긴다.
(실시예 11)
< 변형 검출부의 위치 >
도 26에 나타내는 바와 같이, 상기 역학량 측정장치(1)를 피측정물(115)에 부착하고, 또는 다른 판을 거쳐 접속하여, 변형 측정을 행하는 경우, 실리콘 기판(2)의 측면은 자유 표면이 되기 때문에 실리콘 기판(2)과 피측정물(11)의 계면에 평행한 방향에 대한 구속이 약해진다. 즉 실리콘 기판(2)의 주변부 근방 영역에서는, 피측정물에 대한 변형의 추종성이 나빠진다는 문제가 염려되었다. 따라서 본원 발명자들은, 유한 요소법 해석에 의하여 칩 내에서 센서를 배치하는 장소를 한정함으로써 감도 불균일을 억제할 수 있는 것을 발견하였다.
변형 감도에 미치는 칩 두께 및 칩 끝으로부터의 거리를 검토한 결과를 도 27에 나타낸다. 그 결과, 변형 감도를 안정되게 하기 위해서는, 변형 검출부(3)를 칩 중앙부에 배치할 필요가 있고, 역학량 측정장치(1)의 칩 두께가 두꺼워짐에 따라 칩 단부로부터의 거리를 길게 할 필요가 있다. 감도가 안정화하는 영역을 검토 한 결과, 변형 검출부(3)를 칩 끝으로부터의 거리가 적어도 49 ×(칩 두께)0.5 ㎛ 이상 안쪽에 배치함으로써 감도의 변동을 억제할 수 있는 것을 분명하게 하였다.
이에 의하여 반도체 칩으로 이루어지는 역학량 측정장치(1)를 피측정물에 부착한 경우에도 칩 단부의 영향을 받는 일 없이 측정 불균일을 억제할 수 있어, 매우 재현성이 좋고 고정밀도한 측정이 가능해진다.
본 발명에 의하여 상기 과제의 해결에 기여할 수 있는 역학량 측정장치를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 피측정물이 응력 집중하고 있는 경우에도 미소한 영역의 변형 상태를 파악할 수 있다는 이점이 생긴다. 또 본 발명에 의하면, 다축의 변형장의 고정밀도한 변형 계측도 가능하게 된다. 또 본 발명에 의하면 역학량 측정장치를 부착할 때에 발생하는 오차를 최소로 할 수 있다. 또 외부 노이즈가 큰 장소에서도 백그라운드 노이즈가 작아지도록 변형을 계측하는 것이 가능하게 된다.
또, 이들 역학량 측정장치는 반도체 칩 위에 형성하기 때문에 반도체 프로세스를 사용하여 제작할 수 있으므로, 다른 CPU 등의 디지털회로나 메모리회로, 통신회로 등과 혼재하는 것이 가능하다. 또 반도체 제조 설비를 사용하여 고정밀도로, 또한 저가격, 대량 공급을 행할 수 있다는 효과도 있다.

Claims (52)

  1. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여, 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    확산 저항으로 휘트스톤 브리지를 각각 형성한 제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서를 구성하는 상기 확산 저항은, 서로의 거리가 그 길이방향의 길이보다 작고,
    상기 제 2 센서를 구성하는 상기 확산 저항은, 서로의 거리가 그 길이방향의 길이보다도 작고,
    상기 제 1 센서와 제 2 센서의 거리는, 상기 확산 저항의 길이방향의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  2. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서는, 길이방향이 <110> 방향을 향한 4개의 p형 불순물 확산 저항을 구비하고,
    상기 제 2 센서는, 길이방향이 <100> 방향을 향한 4개의 n형 불순물 확산 저항을 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  3. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여 측정을 행하는 역학량 측정장치에 있어서,
    단결정 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판의 {100}면 위에 형성된 제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서는, <110> 방향으로 전류를 흘리고, 서로 평행하게 설치되어 휘트스톤 브리지의 대변(對邊)의 저항을 형성하는 2개의 p형 불순물 확산 저항과, 상기 p형 불순물 확산 저항의 방향과 직교하는 <110> 방향으로 전류를 흘리고, 서로 평행하게 설치되어 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 p형 불순물 확산 저항을 가지는 휘트스톤브리지를 구비하고,
    상기 제 2 센서는, <100> 방향으로 전류를 흘리고, 서로 평행하게 설치되어 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 n형 불순물 확산 저항과, 상기 n형 불순물 확산 저항의 방향과 직교하는 <100> 방향으로 전류를 흘리고, 서로 평행하게 설치되어 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 n형 불순물 확산 저항을 가지는 휘트스톤 브리지를 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  4. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여 측정을 행하는 역학량 측정장치에 있어서,
    단결정 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판의 {100}면 위에 형성된 제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서는, 〔110〕방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 1 p형 불순물 확산 저항과, 〔-110〕방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 2 p형 불순물 확산 저항과, 〔110]방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 3 p형 불순물 확산 저항과, 〔-110〕방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 4 p형 불순물 확산 저항을 이 순서로 접속하여 형성한 휘트스톤 브리지를 구비하고,
    상기 제 2 센서는, 〔100〕방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 1 n형 불순물 확산 저항과, 〔010〕방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 2 n형 불순물 확산 저항과, 〔100〕방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 3 n형 불순물 확산 저항과, 〔O1O〕방향으로 평행하게 전류를 흘리는 제 4 n형 불순물 확산 저항을 이 순서로 접속하여 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 4개의 p형 불순물 확산 저항 사이의 거리는, 상기 불순물 확산 저항의 길이방향의 길이보다 작고,
    상기 제 2 센서의 4개의 p형 불순물 확산 저항 사이의 거리는, 상기 불순물 확산 저항의 길이방향의 길이보다 작고,
    상기 제 1 센서와 상기 제 2 센서의 거리는, 상기 불순물 확산 저항의 길이방향의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 p형이고,
    상기 제 1 센서의 p형 확산 저항의 주위에, 상기 p형 확산 저항을 둘러 싸는 n형 불순물 확산층을 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 n형이고,
    상기 제 2 센서의 n형 확산 저항의 주위에, 상기 n형 확산 저항을 둘러 싸는 p형 불순물 확산층을 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  8. 제 3항에 기재된 역학량 측정장치를 구비하고,
    상기 역학량 측정장치의 상기 반도체 기판면 위의 <100> 방향 또는 <110> 방향을 그 회전축 방향에 맞춰 구비한 것을 특징으로 하는 회전체.
  9. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여 측정을 행하는 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는, <100> 방향으로 전류를 흘리고, 서로 평행하게 설치되어 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 n형 불순물 확산 저항과, <100> 방향으로 전류를 흘리고, 휘트스톤 브리지의 저항을 형성하는 2개의 p형 불순물 확산 저항을 각각 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항의 전류를 흘리는 방향은, 상기 제 2 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항의 전류를 흘리는 방향과 직교하는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항은, 상기 제 2 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항과 대략 선대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  12. 반도체 기판 위에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여, 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는, 2개의 평행하게 설치된 변형 감도가 높은 확산 저항과, 2개의 변형 감도가 낮은 확산 저항을 각각 구비하고,
    상기 제 1 센서의 2개의 변형 감도가 높은 확산 저항의 길이방향은, 상기제 2 센서의 2개의 변형 감도가 높은 확산 저항의 길이방향과 직교하고, 또한 상기제 1 센서의 2개의 변형 감도가 높은 확산 저항과 상기 제 2 센서의 2개의 변형 감도가 높은 확산 저항이, 대략 선대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 대략 선대칭의 대칭이 되는 선은, 상기 반도체 기판의 주면의 중심점을 지나는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 2개의 p형 불순물 확산 저항의 길이방향은, 상기 제 2 센서의 2개의 p형 불순물 확산 저항의 길이방향과 직교하고, 또한 대략 선대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 2개의 p형 불순물 확산 저항은, 상기 제 2 센서의 2개의 p형 불순물 확산 저항과 대략 평행인 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 n형 불순물 확산 저항은, 상기 제 1 센서의 p형 불순물 확산층보다 반도체 기판 주면의 도심(圖心)에 가까운 위치에 배치되어 있는 것을 특 징으로 하는 역학량 측정장치.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 n형 불순물 확산 저항과 상기 제 2 센서의 n형 불순물 확산 저항과의 거리는, 상기 제 1 센서의 p형 불순물 확산 저항과 상기 제 2 센서의 p형 불순물 확산 저항과의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  18. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여, 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는, 변형 감도가 높은 확산 저항을 2개와, 변형 감도가 낮은 확산 저항을 2개를 각각 구비하고,
    상기 제 1 센서의 변형 감도가 높은 확산 저항은, 상기 제 1 센서의 변형 감도가 낮은 확산 저항보다 상기 반도체 기판의 도심에 가까운 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  19. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여 측정을 행하는 역학량 측정장치에 있어서,
    휘트스톤 브리지를 형성하는 복수의 p형 불순물 확산 저항 및 n형 불순물 확산 저항을 구비하고,
    상기 반도체 기판은 p형이고,
    상기 p형 확산 저항의 주위에, 휘트스톤 브리지를 형성하지 않은 n형 불순물 확산층을 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  20. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여, 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    휘트스톤 브리지를 형성하는 복수의 p형 불순물 확산 저항 및 n형 불순물 확산 저항을 구비하고,
    상기 반도체 기판은 n형 이고,
    상기 n형 확산 저항의 주위에, 휘트스톤 브리지를 형성하지 않은 p형 불순물 확산층을 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  21. 제 19항 또는 제 20항에 있어서,
    상기 불순물 확산 저항은, 서로의 거리가 그 길이방향의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  22. 제 12항 또는 제 18항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항과 2개의 p형 불순물 확산 저항은, 그 길이방향이 서로 평행하고, 또한 <110> 방향으로 나열하여 설치되어 있고,
    상기 제 2 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항과 2개의 p형 불순물 확산 저항은, 그 길이방향이 상기 제 1 센서의 불순물 확산 저항의 길이방향과 직교하는 방향을 향하고 있고, 또한 상기 <110> 방향과 동일한 방향으로 나열하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  23. 반도체 기판 표면에 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 확산 저항, 제 2 확산 저항, 제 3 확산 저항, 제 4 확산 저항을 이 순서로 서로 연결시켜 휘트스톤 브리지를 구성하고,
    상기 확산 저항을 서로 접속하는 4개의 배선과, 상기 휘트스톤 브리지의 외부에 있는 외부 회로에 접속하는 인출 배선을 적어도 구비하고,
    상기 인출 배선을 5개 이상 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  24. 반도체 기판 표면에 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 확산 저항, 제 2 확산 저항, 제 3 확산 저항, 제 4 확산 저항을 이 순서로 서로 연결하여 휘트스톤 브리지를 구성하고,
    상기 확산 저항을 서로 접속하는 4개의 배선과, 상기 휘트스톤 브리지의 외부에 있는 외부 회로에 접속하는 인출 배선을 구비하고,
    제 1 확산 저항은, 직렬로 접속된 제 1 본체 저항과, 상기 제 1 본체 저항보 다 저항값이 작은 제 1 조정용 저항을 구비하고,
    상기 인출 배선은 상기 4개의 배선 및 상기 제 1 본체 저항과 상기 제 1 조정용 저항의 사이에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    제 1 확산 저항은, 상기 제 1 본체 저항과, 상기 제 1 조정용 저항과, 제 2 조정용 저항을 이 순서로 접속하여 구비하고,
    상기 제 1 조정용 저항과 상기 제 2 조정용 저항의 사이에 상기 인출 배선을 접속한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  26. 제 24항에 있어서,
    상기 제 3 확산 저항은, 제 3 본체 저항과, 제 3 조정용 저항을 구비하고,
    상기 인출 배선은 상기 제 3 본체 저항과 상기 제 3 조정용 저항의 사이에 접속되어 있고,
    휘트스톤 브리지 위에서, 상기 제 1 조정용 저항과 상기 제 3 조정용 저항은, 각각의 본체 저항에 대한 위치가 대각측이 되도록 구비된 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  27. 제 24항에 있어서,
    상기 제 1 확산 저항은, 변형 감도가 낮은 확산 저항인 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  28. 제 24항에 있어서,
    상기 제 1 확산 저항 및 제 3 확산 저항은, <100> 방향으로 평행한 방향에 전류를 흘리는 p형 불순물 확산 저항이고, 상기 제 2 확산 저항 및 제 4 확산 저항은, <100> 방향으로 평행한 방향에 전류를 흘리는 n형 불순물 확산 저항인 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  29. 반도체 기판 표면에 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 역학량 측정장치를 사용하여 변형을 측정하는 역학량 측정방법에 있어서,
    상기 역학량 측정장치는, 반도체 기판 위에, 휘트스톤 브리지를 형성하는 확산 저항과, 상기 확산 저항을 서로 접속하는 배선과, 상기 확산 저항을 외부 회로에 접속하는 5개 이상의 인출 배선을 구비하고,
    상기 확산 저항의 저항값을 측정하는 공정과,
    상기 5개 이상의 인출 배선 중, 변형 측정에 사용하는 4개의 인출 배선을 결정하는 공정과 상기 결정한 인출 배선에 전류를 흘리고, 변형 측정을 행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 역학량 측정방법.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 인출 배선의 결정은, 상기 역학량 측정장치의 제조단계에서 행하는 것 을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  31. 제 29항에 있어서,
    상기 확산 저항의 저항값의 측정은, 상기 역학량 측정장치를 피측정물에 설치한 상태로 행하는 것을 특징으로 하는 역학량 측정방법.
  32. 반도체 기판 표면에 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 역학량 측정장치에 있어서,
    상기 휘트스톤 브리지는, 2개의 폴리 실리콘으로 형성한 확산 저항과, 2개의 변형 감도가 낮은 확산 저항으로 구성한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  33. 반도체 기판 위에 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 역학량측정장치에 있어서,
    제 1 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서는, 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 폴리 실리콘 배선 저항과, 2개의 <100> 방향으로 평행한 방향에 전류를 흘리는 p형 불순물 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 것을 특징으로 하는 역학량측정장치.
  34. 제 33항에 있어서,
    제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서는, 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 폴리 실리콘 배선 저항과, 2개의 <100> 방향으로 평행한 방향에 전류를 흘리는 p형 불순물 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비하고,
    상기 제 1 센서의 폴리 실리콘 배선저항의 길이방향과, 제 2 센서의 폴리 실리콘 배선 저항의 길이방향은, 직교하는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  35. 제 33항에 있어서,
    상기 p형 불순물 확산 저항은, 본체 저항 및 상기 본체 저항보다 저항값이 작은 조정용 저항을 가지고,
    외부장치에 접속하는 인출 배선을, 상기 p형 불순물 확산 저항과 상기 폴리 실리콘 배선 저항의 사이 및 상기 본체 저항과 상기 조정용 저항의 사이에 접속한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  36. 반도체 기판 표면에 불순물 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 센서와, 제 2 센서와, 제 3 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서는, <100> 방향으로 전류를 흘리고, 서로 평행하게 설치되어 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 n형 불순물 확산 저항과, <100> 방향에 전류를 흘리고, 휘트스톤 브리지의 저항을 형성하는 2개의 p형 불순물 확산 저항을 구비하고,
    상기 제 2 센서는, 상기 제 1 센서의 n형 불순물 확산 저항에 직교하는 <100> 방향으로 전류를 흘리고, 서로 평행하게 설치되어 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 n형 불순물 확산 저항과, <100> 방향으로 전류를 흘리고, 휘트스톤 브리지의 대변의 저항을 형성하는 2개의 p형 불순물 확산 저항을 구비하고,
    상기 제 3 센서는, <110> 방향으로 전류를 흘리고, 휘트스톤 브리지의 저항을 형성하는 4개의 p형 불순물 확산 저항을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  37. 반도체 기판 표면에 불순물 확산 저항으로 형성한 휘트스톤 브리지를 구비한 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 센서와, 제 2 센서와, 제 3 센서를 구비하고,
    상기 제 1 센서는, 평행하게 형성된 2개의 변형 감도가 큰 확산 저항과, 2개의 변형 감도가 작은 확산 저항으로 휘트스톤 브리지를 형성하고,
    상기 제 2 센서는, 길이방향이 상기 제 1 센서의 변형 감도가 큰 확산 저항과 직교하는 2개의 변형 감도가 큰 확산 저항과, 2개의 변형 감도가 작은 확산 저항으로 휘트스톤 브리지를 형성하고,
    상기 제 3 센서는, 4개의 변형 감도가 큰 확산 저항으로 휘트스톤 브리지를 형성한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  38. 제 36항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항과 2개의 p형 불순물 확산 저항은, 그 길이방향이 서로 평행하고, 또한 <110> 방향으로 나열하여 설치되어 있고,
    상기 제 2 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항과 2개의 p형 불순물 확산 저항은, 그 길이방향이 상기 제 1 센서의 불순물 확산 저항의 길이방향과 직교하는 방향을 향하고 있고, 또한 상기 <110> 방향과 동일한 방향으로 나열하여 설치되어 있고,
    상기 제 3 센서의 불순물 확산 저항은, 상기 제 1 센서의 상기 <100> 방향측의 영역 및 상기 제 2 센서의 상기 <100> 방향측의 영역에 설치된 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  39. 제 1항, 제 3항, 제 19항, 제 24항, 제 33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판 위에, pn 접합으로 이루어지는 온도센서를 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  40. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여, 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    제 1 센서와 제 2 센서를 구비하고,
    상기 제 2 센서는, 상기 반도체 기판의 박리를 검출하는 센서인 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  41. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여, 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    상기 반도체 기판 위에,
    휘트스톤 브리지를 형성하는 확산 저항과,
    상기 휘트스톤 브리지로부터 출력된 신호를 증폭하는 차동 앰플리파이어 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  42. 제 41항에 있어서,
    상기 휘트스톤 브리지는 복수 있고,
    상기 차동 앰플리파이어의 갯수는 상기 휘트스톤 브리지의 수와 동수인 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  43. 제 41항에 있어서,
    휘트스톤 브리지를 형성하는 저항을 제외하는 상기 앰플리파이어에 접속되는 저항은, 그 길이방향이 상기 반도체 기판 위에서 동일한 방향을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  44. 제 43항에 있어서,
    상기 앰플리파이어에 접속되는 저항은, 상기 반도체 기판 위에서 대략 선대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  45. 반도체 기판 표면에 변형 검출부를 구비하고,
    피측정물에 설치하여, 변형을 측정하는 역학량 측정장치에 있어서,
    확산 저항으로 형성된 휘트스톤 브리지를 각각 가지는 제 1 센서 및 제 2 센서와,
    상기 제 1 센서가 출력하는 신호를 증폭하는 제 1 앰플리파이어와,
    상기 제 2 센서가 출력하는 신호를 증폭하는 제 2 앰플리파이어를 구비하고,
    상기 제 1 센서의 휘트스톤 브리지를 형성하는 불순물 확산 저항과 상기 제 2 센서의 휘트스톤 브리지를 형성하는 불순물 확산 저항과의 거리는, 상기 제 1 앰플리파이어의 트랜지스터와 제 2 앰플리파이어의 트랜지스터의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  46. 제 45항에 있어서,
    상기 제 1 앰플리파이어에 접속되는 귀환 저항의 길이방향과, 상기 제 2 앰플리파이어에 접속되는 귀환 저항의 저항의 길이방향은, 동일한 방향을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  47. 제 45항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 상기 불순물 확산 저항과 상기 제 1 앰플리파이어에 접속되는 귀환 저항의 저항은, 그 길이방향이 동일 방향이고,
    상기 제 2 센서의 상기 불순물 확산 저항과 상기 제 2 앰플리파이어에 접속되는 귀환 저항의 저항은, 그 길이방향이 동일 방향인 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  48. 제 45항에 있어서,
    상기 제 1 센서와 상기 제 2 센서는 인접하고,
    상기 제 1 앰플리파이어 및 상기 제 2 앰플리파이어는, 상기 제 1 및 제 2센서에 인접하여 상기 제 1 및 제 2 센서의 양측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  49. 제 45항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 상기 불순물 확산 저항과 상기 제 2 센서의 상기 불순물 확산 저항은, 그 길이방향이 직교하고, 또한 상기 제 1 센서의 상기 불순물 확산 저항의 중심이 일렬로 나열하고, 상기 제 2 센서의 상기 불순물 확산 저항의 중심이 일렬로 나열하고,
    상기 제 1 센서와 제 2 센서의 양측에 상기 제 1 앰플리파이어와 상기 제 2 앰플리파이어를 배치한 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  50. 제 45항에 있어서,
    상기 앰플리파이어는, 저배율용 저항과 고배율용 저항을 구비하고,
    상기 저배율용 저항은, 상기 고배율용 저항보다, 상기 불순물 확산 저항에 가까운 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  51. 제 45항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항과 2개의 p형 불순물 확산 저항은, 그 길이방향이 서로 평행하고, 또한 <110> 방향으로 나열하여 설치되어 있고,
    상기 제 2 센서의 2개의 n형 불순물 확산 저항과 2개의 p형 불순물 확산 저항은, 그 길이방향이 상기 제 1 센서의 불순물 확산 저항의 길이방향과 직교하는 방향을 향하고 있고, 또한 상기 <110> 방향과 동일한 방향으로 나열하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
  52. 제 1항, 제 3항, 제 19항, 제 24항, 제 33항, 제 45항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 검출부가, 칩 끝으로부터의 거리가 49 × (칩 두께)0.5㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 역학량 측정장치.
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