JPH0337750B2 - - Google Patents
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- JPH0337750B2 JPH0337750B2 JP59108937A JP10893784A JPH0337750B2 JP H0337750 B2 JPH0337750 B2 JP H0337750B2 JP 59108937 A JP59108937 A JP 59108937A JP 10893784 A JP10893784 A JP 10893784A JP H0337750 B2 JPH0337750 B2 JP H0337750B2
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- Japan
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- strain gauge
- measuring device
- substrate
- temperature
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
- G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は半導体歪み測定器、特に物理的な歪み
を電気信号として出力する半導体歪み測定器の改
良に関する。
を電気信号として出力する半導体歪み測定器の改
良に関する。
［背景技術］
シリコン単結晶基板上に起歪領域を形成し、該
起歪領域表面に歪みゲージを一体的に設けた半導
体歪み測定器が周知であり、基板の起歪領域にお
いて発生する物理的な歪み量を歪みゲージから電
気的に検出することができることから、今日各種
用途に幅広く用いられている。
起歪領域表面に歪みゲージを一体的に設けた半導
体歪み測定器が周知であり、基板の起歪領域にお
いて発生する物理的な歪み量を歪みゲージから電
気的に検出することができることから、今日各種
用途に幅広く用いられている。
特に、拡散歪みゲージを用いて形成されたこの
ような歪み測定器は、自動車、工業計測及び医療
計測の各分野で広く用いられており、更に、この
ような拡散歪みゲージを用いた測定器は、IC技
術を用いることによつて小形化が容易であり、か
つ機械的特性にも優れていることから、今日微小
部位の各種圧力測定にも使用が開始されている。
ような歪み測定器は、自動車、工業計測及び医療
計測の各分野で広く用いられており、更に、この
ような拡散歪みゲージを用いた測定器は、IC技
術を用いることによつて小形化が容易であり、か
つ機械的特性にも優れていることから、今日微小
部位の各種圧力測定にも使用が開始されている。
このように、半導体歪み測定器は、今日各種の
分野において用いられおり、今後更に幅広い分野
への適用が期待されている。特に、自動車の分野
においては、エンジン各部の圧力測定を正確に行
うことがエンジン制御を高精度に行い資源の効率
的な利用を図る上から重要であり、このため前述
した半導体歪み測定器をエンジン各部の圧力計測
用として使用可能とすることが期待されている。
分野において用いられおり、今後更に幅広い分野
への適用が期待されている。特に、自動車の分野
においては、エンジン各部の圧力測定を正確に行
うことがエンジン制御を高精度に行い資源の効率
的な利用を図る上から重要であり、このため前述
した半導体歪み測定器をエンジン各部の圧力計測
用として使用可能とすることが期待されている。
しかし、従来の半導体歪み測定器は、高温域に
おいてその特性が急激に劣化し、特に温度が180°
を越えると測定不能となるという欠点があつた。
おいてその特性が急激に劣化し、特に温度が180°
を越えると測定不能となるという欠点があつた。
このため、従来の半導体歪み測定器は180°以上
の高温域においは使用不能であり、従つて、例え
ばエンジンのように高温度の環境下、特にその温
度が時には250℃を上回る高温度環境下において
エンジン各部の圧力測定用として用いることは到
底不可能であつた。
の高温域においは使用不能であり、従つて、例え
ばエンジンのように高温度の環境下、特にその温
度が時には250℃を上回る高温度環境下において
エンジン各部の圧力測定用として用いることは到
底不可能であつた。
［発明の目的］
本発明は、このような従来の課題に鑑みなされ
たものであり、その目的は、180℃を上回る高温
の環境下においても各種の歪み測定、例えば圧力
測定を正確に行うことの可能な半導体歪み測定器
を提供することにある。
たものであり、その目的は、180℃を上回る高温
の環境下においても各種の歪み測定、例えば圧力
測定を正確に行うことの可能な半導体歪み測定器
を提供することにある。
［発明の構成］
前記目的を達成するため本発明の測定器は、起
歪領域を有するシリコン単結晶基板と、前記起歪
領域上に一体的に設けられた少なくとも１個の歪
みゲージと、を含む。そして、前記シリコン単結
晶基板又は歪みゲージのいずれか一方をＰ伝導
型、他方をＮ伝導型に形成し、かつ前記シリコン
単結晶基板の不純物濃度を１×1016〜２×1019cm
-3の範囲に設定することを特徴とする。
歪領域を有するシリコン単結晶基板と、前記起歪
領域上に一体的に設けられた少なくとも１個の歪
みゲージと、を含む。そして、前記シリコン単結
晶基板又は歪みゲージのいずれか一方をＰ伝導
型、他方をＮ伝導型に形成し、かつ前記シリコン
単結晶基板の不純物濃度を１×1016〜２×1019cm
-3の範囲に設定することを特徴とする。
また、本発明の他の特徴は、起歪領域と歪みゲ
ージとの間に中間層を設け、該中間層又は歪みゲ
ージのいずれか一方をＰ伝導型、他方をＮ伝導型
に形成し、かつ前記中間層の不純物濃度を１×
1016〜２×1019cm-3の範囲に設定することにある。
ージとの間に中間層を設け、該中間層又は歪みゲ
ージのいずれか一方をＰ伝導型、他方をＮ伝導型
に形成し、かつ前記中間層の不純物濃度を１×
1016〜２×1019cm-3の範囲に設定することにある。
［実施例］
次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明
する。
する。
第１実施例
第１図及び第２図には本発明に係る半導体歪み
測定器の好適な実施例が示されており、本発明の
測定器は、起歪領域１００を有するシリコン単結
晶基板１０と、前記起歪領域１００上に一体的に
設けられた少なくとも１個の拡散歪みゲージ１２
と、を含み、起歪領域に発生する物理的な歪み量
を電気的な信号としてシリコン歪みゲージ１２か
ら出力する。
測定器の好適な実施例が示されており、本発明の
測定器は、起歪領域１００を有するシリコン単結
晶基板１０と、前記起歪領域１００上に一体的に
設けられた少なくとも１個の拡散歪みゲージ１２
と、を含み、起歪領域に発生する物理的な歪み量
を電気的な信号としてシリコン歪みゲージ１２か
ら出力する。
実施例において、前記基板１０は、その表面及
び裏面がほぼ正方形状に形成されており、裏面中
央部はザグリ加工されてダイヤフラム１４が形成
され、該ダイヤフラム１４を起歪領域１００とし
て用いている。
び裏面がほぼ正方形状に形成されており、裏面中
央部はザグリ加工されてダイヤフラム１４が形成
され、該ダイヤフラム１４を起歪領域１００とし
て用いている。
そして、この起歪領域１００の表面、すなわち
ダイヤフラム１４の表面に、４個の拡散歪みゲー
ジ１２−１，１２−２，１２−３，１２−４が基
板１０と一体的に設けられ、圧力印加によつてダ
イヤフラム１４に作用する応力に比例して各歪み
ゲージ１２の抵抗値が変化するよう形成されてい
る。尚、実施例において各歪みゲージ１２は、歪
みのない状態でその抵抗値が1Kオームに設定さ
れている。
ダイヤフラム１４の表面に、４個の拡散歪みゲー
ジ１２−１，１２−２，１２−３，１２−４が基
板１０と一体的に設けられ、圧力印加によつてダ
イヤフラム１４に作用する応力に比例して各歪み
ゲージ１２の抵抗値が変化するよう形成されてい
る。尚、実施例において各歪みゲージ１２は、歪
みのない状態でその抵抗値が1Kオームに設定さ
れている。
そして、該基板１０の表面には拡散層により、
一端が各歪みゲージ１２に接続された拡散リード
層１６−１，１６−２，…１６−５が形成され、
これら各リード層１６の他端にはアルミニウム蒸
着膜により形成された金属電極１８−１，１８−
２，…１８−５が前記各歪みゲージ１２をブリツ
ジ接続可能とするよう設けられている。そして、
このようにして歪みゲージ１２、リード層１６が
設けられた基板１０の表面上はシリコン酸化膜２
０により被覆保護されている。
一端が各歪みゲージ１２に接続された拡散リード
層１６−１，１６−２，…１６−５が形成され、
これら各リード層１６の他端にはアルミニウム蒸
着膜により形成された金属電極１８−１，１８−
２，…１８−５が前記各歪みゲージ１２をブリツ
ジ接続可能とするよう設けられている。そして、
このようにして歪みゲージ１２、リード層１６が
設けられた基板１０の表面上はシリコン酸化膜２
０により被覆保護されている。
実施例において、このようにして形成された歪
み測定器を用いて圧力測定を行う場合には、前記
各金属前直１８をブリツジ接続し、これに所定の
外部電圧を印加する。これにより、ダイヤフラム
１４に印加される圧力に応じた電気信号がブリツ
ジから出力されることになる。
み測定器を用いて圧力測定を行う場合には、前記
各金属前直１８をブリツジ接続し、これに所定の
外部電圧を印加する。これにより、ダイヤフラム
１４に印加される圧力に応じた電気信号がブリツ
ジから出力されることになる。
ところで、半導体の歪み測定器は、出力される
電気信号中に、歪みゲージ１２から基板１０を介
して流れる漏れ電流が誤差成分となつて混入す
る。このため、一般にこのような半導体の歪み測
定器では、基板１０又は歪みゲージ１２の何れか
一方をＰ伝導型、他方をＮ伝導型に形成し、両者
をPN接合又はNP接合することにより漏れ電流
の発生を抑制している。
電気信号中に、歪みゲージ１２から基板１０を介
して流れる漏れ電流が誤差成分となつて混入す
る。このため、一般にこのような半導体の歪み測
定器では、基板１０又は歪みゲージ１２の何れか
一方をＰ伝導型、他方をＮ伝導型に形成し、両者
をPN接合又はNP接合することにより漏れ電流
の発生を抑制している。
本実施例においては、基板１０をＮ伝導型、拡
散歪みゲージ１２及び拡散リード層１６をそれぞ
れＰ伝導型に形成している。
散歪みゲージ１２及び拡散リード層１６をそれぞ
れＰ伝導型に形成している。
第３図には、このようにして形成された本発明
の歪み測定器の等価回路が表されており、同図中
Rgは歪みゲージ１２の抵抗、RBは基板１０の抵
抗を表わし、D1，D2はＰ型に形成された歪みゲ
ージ１２とＮ型に形成された基板１０との接合面
をダイオードとして等価的に表現したものであ
る。ここにおいて、歪みゲージ１２と基板１０と
の実際のＰ−Ｎ接合面は、歪みゲージ拡散領域全
域に渡つて分布しているが、考察を容易にするた
めに第３図においては電流が流れこむ方向と流れ
出す方向の２つのダイオードD1，D2で近似的に
表現している。
の歪み測定器の等価回路が表されており、同図中
Rgは歪みゲージ１２の抵抗、RBは基板１０の抵
抗を表わし、D1，D2はＰ型に形成された歪みゲ
ージ１２とＮ型に形成された基板１０との接合面
をダイオードとして等価的に表現したものであ
る。ここにおいて、歪みゲージ１２と基板１０と
の実際のＰ−Ｎ接合面は、歪みゲージ拡散領域全
域に渡つて分布しているが、考察を容易にするた
めに第３図においては電流が流れこむ方向と流れ
出す方向の２つのダイオードD1，D2で近似的に
表現している。
同図からも明らかなように、歪みゲージ１２か
ら基板１０に流れ出す漏れ電流Ilは、ダイオード
D1，D2のいずれか一方により阻止されることと
なり、歪みゲージ１２に流れ込む電流Ｉ中に含ま
れる漏れ電流Ilの割り合いを著しく低減可能であ
ることが理解される。
ら基板１０に流れ出す漏れ電流Ilは、ダイオード
D1，D2のいずれか一方により阻止されることと
なり、歪みゲージ１２に流れ込む電流Ｉ中に含ま
れる漏れ電流Ilの割り合いを著しく低減可能であ
ることが理解される。
ところで、従来の半導体歪み測定器において
は、基板１０を不純物濃度３×1015cm-3のＮ伝導
型のものを用い、拡散歪みゲージ１２及び拡散リ
ード層１６として表面不純物濃度が約３×1020cm
-3のＰ型拡散層を用いていた。
は、基板１０を不純物濃度３×1015cm-3のＮ伝導
型のものを用い、拡散歪みゲージ１２及び拡散リ
ード層１６として表面不純物濃度が約３×1020cm
-3のＰ型拡散層を用いていた。
第４図には、このようにして形成された従来の
歪み測定器の温度特性が示されており、曲線Ｂは
定格圧力を印加したときに各歪みゲージ１２のブ
リツジ出力すなわち、歪み測定器のフルスケール
出力の温度特性を表し、曲線Ａは零点の温度特
性、すなわち圧力印加のないときのブリツジ出力
のドリフト量を表している。
歪み測定器の温度特性が示されており、曲線Ｂは
定格圧力を印加したときに各歪みゲージ１２のブ
リツジ出力すなわち、歪み測定器のフルスケール
出力の温度特性を表し、曲線Ａは零点の温度特
性、すなわち圧力印加のないときのブリツジ出力
のドリフト量を表している。
ここにおいて、曲線Ａで示される零点のドリフ
ト量の絶対値は、第４図からも明らかなように、
周囲温度が室温程度では曲線Ｂで示すブリツジ出
力に比し無視できる値であるが、温度の上昇とと
もその値は増大し、周囲温度が180°を越えると急
激に増大する。この結果、曲線Ａ，Ｂは共に数10
％／FSの変化を示すこととなり、該歪み測定器
を用いた正確な圧力測定が不可能となる。
ト量の絶対値は、第４図からも明らかなように、
周囲温度が室温程度では曲線Ｂで示すブリツジ出
力に比し無視できる値であるが、温度の上昇とと
もその値は増大し、周囲温度が180°を越えると急
激に増大する。この結果、曲線Ａ，Ｂは共に数10
％／FSの変化を示すこととなり、該歪み測定器
を用いた正確な圧力測定が不可能となる。
このような歪み測定器の使用温度の限界を引起
す要因について検討して見るに、次の３個の因子
が考えられる。
す要因について検討して見るに、次の３個の因子
が考えられる。
第１に、歪みゲージ１２の抵抗効果自体の温度
限界。
限界。
第２に、歪みゲージ１２相互間及び歪みゲージ
１２と基板１０との絶縁分離に用いているPN接
合の逆方向漏れ電流Ilの増大にともなう温度限
界。
１２と基板１０との絶縁分離に用いているPN接
合の逆方向漏れ電流Ilの増大にともなう温度限
界。
第３に、測定器それ自体の構造や材料から制約
される温度限界。
される温度限界。
本発明を行うにあたつて、このような各因子を
検討し実験を進めた結果、測定器の使用温度限界
を定める要因として前記第２の因子が最大の要因
であることが確認された。
検討し実験を進めた結果、測定器の使用温度限界
を定める要因として前記第２の因子が最大の要因
であることが確認された。
すなわち、第３図からも明らかなように、電源
から歪みゲージ１２に流れ込む電源電流Ｉは、歪
みゲージ内部を流れる実効電流Igと歪みゲージ１
２から基板１０に流れ出る漏れ電流Ilとに分流す
る。ここにおいて、漏れ電流Ilの値は、ゲージ１
２と基板１０との間で形成される逆方向ダイオー
ドD2の逆方向漏れ電流の値により決定され、こ
の逆方向漏れ電流は室温では約数十nA以下の値
となり、従つて従来の歪み測定器においても室温
では正確な歪み測定を行うことが可能であること
が理解される。
から歪みゲージ１２に流れ込む電源電流Ｉは、歪
みゲージ内部を流れる実効電流Igと歪みゲージ１
２から基板１０に流れ出る漏れ電流Ilとに分流す
る。ここにおいて、漏れ電流Ilの値は、ゲージ１
２と基板１０との間で形成される逆方向ダイオー
ドD2の逆方向漏れ電流の値により決定され、こ
の逆方向漏れ電流は室温では約数十nA以下の値
となり、従つて従来の歪み測定器においても室温
では正確な歪み測定を行うことが可能であること
が理解される。
しかしながら、この逆方向漏れ電流Ilは温度が
上昇するとともに指数関数的に増大し、200℃付
近では数十μA以上に達する。この結果、電源電
流Ｉを一定とした場合に、歪みゲージ１２に流れ
る実効電流Igは減少し、見掛け上出力感度が低下
したものとして観測される。
上昇するとともに指数関数的に増大し、200℃付
近では数十μA以上に達する。この結果、電源電
流Ｉを一定とした場合に、歪みゲージ１２に流れ
る実効電流Igは減少し、見掛け上出力感度が低下
したものとして観測される。
この現象を、第４図に示す従来の測定器の温度
特性に基づき検討してみると、逆方向漏れ電流、
すなわち漏れ電流Ilの指数関数的な増加は、曲線
Ｂで示すごとく測定器の出力特性が180°を越える
と指数関数的に急激に減少していることからも確
認される。
特性に基づき検討してみると、逆方向漏れ電流、
すなわち漏れ電流Ilの指数関数的な増加は、曲線
Ｂで示すごとく測定器の出力特性が180°を越える
と指数関数的に急激に減少していることからも確
認される。
そして、このように各歪みゲージ１２の漏れ電
流Ilが減少すると、各歪みゲージ１２によつて形
成されるブリツジ回路の抵抗バランスが崩れ、こ
れが該ブリツジ回路の零点の大幅なドリフト量の
変化となつて表れ、曲線Ａで示すごとく該抵抗バ
ランスは温度が180°を越えると急激に崩れ測定不
能となることが理解される。
流Ilが減少すると、各歪みゲージ１２によつて形
成されるブリツジ回路の抵抗バランスが崩れ、こ
れが該ブリツジ回路の零点の大幅なドリフト量の
変化となつて表れ、曲線Ａで示すごとく該抵抗バ
ランスは温度が180°を越えると急激に崩れ測定不
能となることが理解される。
本発明の特徴的事項は、このように歪みゲージ
１２と基板１０間のＰ−Ｎ接合面を介して流れる
逆方向漏れ電流Ilの温度上昇にともなう増加を高
温域において十分に抑制し、これにより温度が
180℃を越える使用条件下においても各種の歪み
測定を正確に行うことも可能としたことにある。
１２と基板１０間のＰ−Ｎ接合面を介して流れる
逆方向漏れ電流Ilの温度上昇にともなう増加を高
温域において十分に抑制し、これにより温度が
180℃を越える使用条件下においても各種の歪み
測定を正確に行うことも可能としたことにある。
このため、本発明においては、基板１０の不純
物濃度を１×1016〜２×1019cm-3の範囲に設定し
ている。
物濃度を１×1016〜２×1019cm-3の範囲に設定し
ている。
以上の構成とすることにより、本発明の歪み測
定器では、歪みゲージ１２と基板１０のPN接合
面を介して流れる逆方向漏れ電流Ilを、従来の装
置の数分の１以下まで低減し、かつ周囲温度が
180℃を上回つた場合においても該逆方向リーク
電流Ilの増加を十分に抑制することが可能とな
り、この結果本発明の歪み測定器によれば、180
℃以上の温度条件の下においても各種の歪み測定
を正確に行うことができる。
定器では、歪みゲージ１２と基板１０のPN接合
面を介して流れる逆方向漏れ電流Ilを、従来の装
置の数分の１以下まで低減し、かつ周囲温度が
180℃を上回つた場合においても該逆方向リーク
電流Ilの増加を十分に抑制することが可能とな
り、この結果本発明の歪み測定器によれば、180
℃以上の温度条件の下においても各種の歪み測定
を正確に行うことができる。
尚、本実施例においては、基板１０の不純物濃
度は１×1017cm-3に設定されている。
度は１×1017cm-3に設定されている。
また、前述した歪みゲージ１２の定電流電源を
用いた場合の感度の温度特性の変化を更に低減す
るために、拡散歪みゲージ１２の表面不純物濃度
を2.4×1020〜４×1020cm-3の範囲に設定すること
が好ましく、このため本実施例においては、歪み
ゲージ１２の表面不純物濃度を３×1020cm-3に設
定している。
用いた場合の感度の温度特性の変化を更に低減す
るために、拡散歪みゲージ１２の表面不純物濃度
を2.4×1020〜４×1020cm-3の範囲に設定すること
が好ましく、このため本実施例においては、歪み
ゲージ１２の表面不純物濃度を３×1020cm-3に設
定している。
第５図には拡散歪きゲージ１２と基板１０間の
Ｐ−Ｎ接合面における逆方向漏れ電流Ilの温度特
性が示されており、図中２００は本実施例の特性
曲線を表し、２１０は従来の装置の特性曲線を表
している。
Ｐ−Ｎ接合面における逆方向漏れ電流Ilの温度特
性が示されており、図中２００は本実施例の特性
曲線を表し、２１０は従来の装置の特性曲線を表
している。
この特性図からも明らかなように本実施例の装
置は従来装置に比し、その逆方向漏れ電流Ilが各
温度において１桁以上低減されており、特に200
℃以上の温度領域においても、その値をマイクロ
アンペアオーダの値を保つことが可能である。
置は従来装置に比し、その逆方向漏れ電流Ilが各
温度において１桁以上低減されており、特に200
℃以上の温度領域においても、その値をマイクロ
アンペアオーダの値を保つことが可能である。
第６図には、本実施例の半導体歪み測定器の温
度特性が示されており、図中Ａ曲線は０点の温度
特性、Ｂ曲線は出力の温度特性を表している。こ
の第６図に示す本実施例の温度特性と、第４図に
示す従来の装置との温度特性との比較からも明ら
かなように、本実施例の装置は、その周囲温度が
200℃を上回つてもその特性は安定しており、周
囲温度が250℃を上回るまで安定した歪み測定を
行うことが可能である。
度特性が示されており、図中Ａ曲線は０点の温度
特性、Ｂ曲線は出力の温度特性を表している。こ
の第６図に示す本実施例の温度特性と、第４図に
示す従来の装置との温度特性との比較からも明ら
かなように、本実施例の装置は、その周囲温度が
200℃を上回つてもその特性は安定しており、周
囲温度が250℃を上回るまで安定した歪み測定を
行うことが可能である。
第７図にはシリコン単結晶基板１０の不純物濃
度を増加させ本発明の効果を実験的に確認したデ
ータが示されており、同図中特性曲線300は装置
の使用限界温度を表し、特性曲線400は装置の耐
圧特性、すなわち歪みゲージ１２と基板１０間の
Ｐ−Ｎ接合面における絶縁耐圧を表している。
度を増加させ本発明の効果を実験的に確認したデ
ータが示されており、同図中特性曲線300は装置
の使用限界温度を表し、特性曲線400は装置の耐
圧特性、すなわち歪みゲージ１２と基板１０間の
Ｐ−Ｎ接合面における絶縁耐圧を表している。
尚、特性曲線300で表される使用限界温度は、
逆方向漏れ電流Ilと電源電流Ｉとの比Il／Ｉの値
が１％以上に達した温度として定義されている。
これは、Il／Ｉが１％に達すると出力感度の変化
が１％以上となり、この温度以上ではもはや高精
度な圧力測定が期待できなくなるからである。
逆方向漏れ電流Ilと電源電流Ｉとの比Il／Ｉの値
が１％以上に達した温度として定義されている。
これは、Il／Ｉが１％に達すると出力感度の変化
が１％以上となり、この温度以上ではもはや高精
度な圧力測定が期待できなくなるからである。
この特性曲線300で示される使用限界温度から
も明らかなように、基板１０の不純物濃度を増加
するに従い装置の使用限界温度は上昇し、高温域
における測定が可能となることが理解される。
も明らかなように、基板１０の不純物濃度を増加
するに従い装置の使用限界温度は上昇し、高温域
における測定が可能となることが理解される。
しかし、この反面、特性曲線400で示すされる
装置の耐圧特性からも明らかなように、基板１０
の不純物濃度を増加すると歪みゲージ１２と基板
１０とのＰ−Ｎ接合面の電気的な耐圧は直線的に
低下し、該Ｐ−Ｎ接合面に絶縁破壊が発生しやす
くなる。従つて、使用する電源電圧がこの特性曲
線400で示される絶縁破壊電圧以上の値となると、
歪みゲージ１２と基板１０間のＰ−Ｎ接合面に絶
縁破壊現象が発生し、装置が破損されることにな
る。
装置の耐圧特性からも明らかなように、基板１０
の不純物濃度を増加すると歪みゲージ１２と基板
１０とのＰ−Ｎ接合面の電気的な耐圧は直線的に
低下し、該Ｐ−Ｎ接合面に絶縁破壊が発生しやす
くなる。従つて、使用する電源電圧がこの特性曲
線400で示される絶縁破壊電圧以上の値となると、
歪みゲージ１２と基板１０間のＰ−Ｎ接合面に絶
縁破壊現象が発生し、装置が破損されることにな
る。
一般に、このような歪み測定器に使用される電
源の電圧は3V以上であり、このことから実用に
供する基板１０の不純物濃度は耐圧3Vに対応す
る値、すなわち２×1019cm-3が上限となることが
理解される。
源の電圧は3V以上であり、このことから実用に
供する基板１０の不純物濃度は耐圧3Vに対応す
る値、すなわち２×1019cm-3が上限となることが
理解される。
従つて、周囲温度が200℃以上の使用環境下に
おいても、その耐圧を損うことなく各種の測定を
正確に行うためには、本発明のように、基板１０
の不純物濃度を１×1016〜２×1019cm-3の範囲に
設定することが必要であり、例えば基板１０の不
純物濃度を上限値２×1019cm-3に設定した場合に
は約300℃の温度領域まで歪み測定を行うことが
でき、また本実施例のごとくその不純物濃度を１
×1017程度の値に設定した場合には約250℃の温
度領域までその測定を行うことが可能となる。
おいても、その耐圧を損うことなく各種の測定を
正確に行うためには、本発明のように、基板１０
の不純物濃度を１×1016〜２×1019cm-3の範囲に
設定することが必要であり、例えば基板１０の不
純物濃度を上限値２×1019cm-3に設定した場合に
は約300℃の温度領域まで歪み測定を行うことが
でき、また本実施例のごとくその不純物濃度を１
×1017程度の値に設定した場合には約250℃の温
度領域までその測定を行うことが可能となる。
尚、本実施例においては、歪みゲージ１２をＰ
伝導型、基板１０をＮ伝導型として形成した場合
を例にとり説明したが、本発明はこれらに限らず
歪みゲージ１２をＮ伝導型とし、基板１０をＰ伝
導型として形成することもでき、いずれの場合に
おいても良好な温度特性を得ることが可能であ
る。
伝導型、基板１０をＮ伝導型として形成した場合
を例にとり説明したが、本発明はこれらに限らず
歪みゲージ１２をＮ伝導型とし、基板１０をＰ伝
導型として形成することもでき、いずれの場合に
おいても良好な温度特性を得ることが可能であ
る。
第２実施例
第８図には本発明の第２実施例が示されてお
り、前記第１実施例と対応する部材には同一符号
を付しその説明は省略する。
り、前記第１実施例と対応する部材には同一符号
を付しその説明は省略する。
本発明の特徴的事項は、基板１０の起歪領域、
実施例においてはダイヤフラム１４の表面と、歪
みゲージ１２と、の間に単結晶中間層２２を設
け、この単結晶中間層２２と歪みゲージ１２との
一方をＰ伝導型、他方をＮ伝導型に形成し、かつ
前記単結晶中間層２２の不純物濃度を１×1016〜
２×1019cm-3の範囲に設定したことにある。
実施例においてはダイヤフラム１４の表面と、歪
みゲージ１２と、の間に単結晶中間層２２を設
け、この単結晶中間層２２と歪みゲージ１２との
一方をＰ伝導型、他方をＮ伝導型に形成し、かつ
前記単結晶中間層２２の不純物濃度を１×1016〜
２×1019cm-3の範囲に設定したことにある。
実施例において、単結晶中間層２２は、エピタ
キシヤル成長法により基板１０の上方表面に全面
に渡つて積層されている。そして、該中間層２２
は不純物濃度１×1017cm-3のＮ伝導型に形成され
ている。
キシヤル成長法により基板１０の上方表面に全面
に渡つて積層されている。そして、該中間層２２
は不純物濃度１×1017cm-3のＮ伝導型に形成され
ている。
また、本実施例において、シリコン単結晶基板
１０は不純物濃度が１×1015cm-3のＰ伝導型に形
成され、拡散歪みゲージ１２は表面不純物濃度が
３×1020cm-3のＰ伝導型に形成されている。
１０は不純物濃度が１×1015cm-3のＰ伝導型に形
成され、拡散歪みゲージ１２は表面不純物濃度が
３×1020cm-3のＰ伝導型に形成されている。
以上のように、本実施例の測定器によれば、所
定の不純物濃度を有する中間層２２を設けること
により、歪みゲージ１２から基板１０を介して流
れる逆方向漏れ電流Ilを有効に抑制し、前記第１
実施例とほぼ同様な優れた温度特性を得ることが
でき、180℃を越える使用条件のもとにおいても
各種歪み測定を正確に行うことが可能となる。
定の不純物濃度を有する中間層２２を設けること
により、歪みゲージ１２から基板１０を介して流
れる逆方向漏れ電流Ilを有効に抑制し、前記第１
実施例とほぼ同様な優れた温度特性を得ることが
でき、180℃を越える使用条件のもとにおいても
各種歪み測定を正確に行うことが可能となる。
第３実施例
第９図には本発明の好適な第３実施例が示され
ており、実施例の歪み測定器は、シリコン単結晶
基板１０のダイヤフラム１４表面をザグリ加工
し、該ザグリ加工部に拡散中間層２２を設け、更
に、該拡散中間層２２の内側に拡散歪みゲージ１
２を形成している。
ており、実施例の歪み測定器は、シリコン単結晶
基板１０のダイヤフラム１４表面をザグリ加工
し、該ザグリ加工部に拡散中間層２２を設け、更
に、該拡散中間層２２の内側に拡散歪みゲージ１
２を形成している。
そして、その基板１０の上方表面はシリコン酸
化膜２０により積層被覆されており拡散歪みゲー
ジ１２からのリード層１６及び電極１８はこのシ
リコン酸化膜２０上に形成されている。
化膜２０により積層被覆されており拡散歪みゲー
ジ１２からのリード層１６及び電極１８はこのシ
リコン酸化膜２０上に形成されている。
本実施例において、前記拡散中間層２２は表面
不純物濃度が１×1017cm-3のＮ伝導型に形成され
ており、拡散歪みゲージ１２は表面不純物濃度が
３×1020cm-3のＰ伝導型、基板１０は不純物濃度
が１×1015cm-3のＮ伝導型に形成されている。
不純物濃度が１×1017cm-3のＮ伝導型に形成され
ており、拡散歪みゲージ１２は表面不純物濃度が
３×1020cm-3のＰ伝導型、基板１０は不純物濃度
が１×1015cm-3のＮ伝導型に形成されている。
以上の構成とすることにより、本実施例の歪み
測定器は、前記第２実施例と同様にして歪みゲー
ジ１２から基板１０を介して流れる漏れ電流Ilを
有効に抑制し、前記第１実施例と同様の優れた温
度特性を得ることが可能となる。
測定器は、前記第２実施例と同様にして歪みゲー
ジ１２から基板１０を介して流れる漏れ電流Ilを
有効に抑制し、前記第１実施例と同様の優れた温
度特性を得ることが可能となる。
また、前記第２実施例及び第３実施例の歪み測
定器は中間層２２を設け、該中間層と歪みゲージ
１２とのＰ−Ｎ接合面により逆方向漏れ電流を有
効に抑制しているため、基板１０をＰ伝導型又は
Ｎ伝導型のいずれに形成してもその特性は何ら変
りがなく、しかも該基板１０の不純物濃度も基板
の結晶性が損われていない範囲内で任意に設定す
ることができる。従つて、第２実施例及び第３実
施例の歪み測定器は、前記第１実施例の測定器に
比し基板１０に要求される条件を極めて緩かなも
のとすることができる。
定器は中間層２２を設け、該中間層と歪みゲージ
１２とのＰ−Ｎ接合面により逆方向漏れ電流を有
効に抑制しているため、基板１０をＰ伝導型又は
Ｎ伝導型のいずれに形成してもその特性は何ら変
りがなく、しかも該基板１０の不純物濃度も基板
の結晶性が損われていない範囲内で任意に設定す
ることができる。従つて、第２実施例及び第３実
施例の歪み測定器は、前記第１実施例の測定器に
比し基板１０に要求される条件を極めて緩かなも
のとすることができる。
また、前記第２実施例及び第３実施例において
は、中間層２２をＮ伝導型、歪みゲージ１２をＰ
伝導型として形成した場合を例にとり説明した
が、本発明はこれに限らず歪みゲージ１２をＮ伝
導型、中間層２２をＰ伝導型として形成すること
も可能である。
は、中間層２２をＮ伝導型、歪みゲージ１２をＰ
伝導型として形成した場合を例にとり説明した
が、本発明はこれに限らず歪みゲージ１２をＮ伝
導型、中間層２２をＰ伝導型として形成すること
も可能である。
また、前記第２実施例及び第３実施例は、中間
層２２の不純物濃度を１×1017cm-3と設定した場
合を例にとり説明したが本発明はこれに限らず、
該不純物濃度は１×1016〜２×1019cm-3の範囲で
あれば任意の値に設定することが可能である。
層２２の不純物濃度を１×1017cm-3と設定した場
合を例にとり説明したが本発明はこれに限らず、
該不純物濃度は１×1016〜２×1019cm-3の範囲で
あれば任意の値に設定することが可能である。
また、第１実施例、第２実施例及び第３実施例
において拡散歪みゲージの形成は熱拡散法のほか
イオン注入法にても全く同様の優れた特性を得る
ことが可能である。
において拡散歪みゲージの形成は熱拡散法のほか
イオン注入法にても全く同様の優れた特性を得る
ことが可能である。
また、本発明の半導体歪み測定器は、圧力変換
器として、例えば自動車のエンジン各部における
圧力測定に用いることが可能であり、これ以外に
も加重計、加速度計、トルクメータ及びその他の
用途に幅広く用いることも可能である。
器として、例えば自動車のエンジン各部における
圧力測定に用いることが可能であり、これ以外に
も加重計、加速度計、トルクメータ及びその他の
用途に幅広く用いることも可能である。
［発明の効果］
以上説明したように、本発明によれば、歪みゲ
ージから基板を介して流れる逆方向漏れ電流の増
加を高温域において有効に抑制し、これにより、
180℃以上の高温の使用条件のもとにおいても各
種の歪み測定を正確に行うことが可能となる。
ージから基板を介して流れる逆方向漏れ電流の増
加を高温域において有効に抑制し、これにより、
180℃以上の高温の使用条件のもとにおいても各
種の歪み測定を正確に行うことが可能となる。
第１図は本発明に係る半導体歪み測定器の好適
な実施例を示す説明図、第２図は第１図に示す測
定器の−断面図、第３図は第１図及び第２図
に示す第１実施例の等価回路図、第４図は従来の
半導体歪み測定器の温度特性図、第５図は本発明
に係る測定器と従来の測定器との特性曲線図、第
６図は本発明に係る装置の温度特性図、第７図は
不純物濃度と使用限界温度及び耐圧との相関関係
を示す特性図、第８図は本発明の好適な第２実施
例を示す説明図、第９図は本発明の好適な第３実
施例を示す説明図である。 １０……基板、１２……歪みゲージ、２２……
単結晶中間層、１００……起歪領域。
な実施例を示す説明図、第２図は第１図に示す測
定器の−断面図、第３図は第１図及び第２図
に示す第１実施例の等価回路図、第４図は従来の
半導体歪み測定器の温度特性図、第５図は本発明
に係る測定器と従来の測定器との特性曲線図、第
６図は本発明に係る装置の温度特性図、第７図は
不純物濃度と使用限界温度及び耐圧との相関関係
を示す特性図、第８図は本発明の好適な第２実施
例を示す説明図、第９図は本発明の好適な第３実
施例を示す説明図である。 １０……基板、１２……歪みゲージ、２２……
単結晶中間層、１００……起歪領域。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 起歪領域を有するシリコン単結晶基板と、 前記起歪領域上に一体的に設けられた少なくと
も１個の歪みゲージと、 を含み、起歪領域に発生する物理的な歪み量を電
気的な信号として歪みゲージから出力する半導体
歪み測定器において、 前記シリコン単結晶基板又は歪みゲージのいず
れか一方をＰ伝導型、他方をＮ伝導型に形成し、
かつ前記シリコン単結晶基板の不純物濃度を１×
1016〜２×1019cm-3の範囲に設定することを特徴
とする半導体歪み測定器。 ２ 特許請求の範囲１記載の歪み測定器におい
て、シリコン単結晶基板をＮ伝導型に形成し、歪
みゲージをＰ伝導型に形成したことを特徴とする
半導体歪み測定器。 ３ 特許請求の範囲１記載の歪み測定器におい
て、シリコン単結晶基板をＰ伝導型に形成し、歪
みゲージをＮ伝導型に形成したことを特徴とする
半導体歪み測定器。 ４ 特許請求の範囲１，２，３のいずれかに記載
の歪み測定器において、歪みゲージの表面不純物
濃度を2.4×1020〜４×1020cm-3の範囲に設定した
ことを特徴とする半導体歪み測定器。 ５ 起歪領域を有するシリコン単結晶基板と、 前記起歪領域上に一体的に設けられた少なくと
も１個の歪みゲージと、 を含み、起歪領域に発生する物理的な歪み量を電
気的な信号として歪みゲージから出力する半導体
歪み測定器において、 起歪領域と歪みゲージとの間に中間層を設け、
該中間層又は、歪みゲージのいずれか一方をＰ伝
導型、他方をＮ伝導型に形成し、かつ前記中間層
の不純物濃度を１×1016〜２×1019cm-3の範囲に
設定することを特徴とする半導体歪み測定器。 ６ 特許請求の範囲５記載の歪み測定器におい
て、 歪みゲージをＰ伝導型に形成し、中間層をＮ伝
導型に形成したことを特徴とする半導体歪み測定
器。 ７ 特許請求の範囲５，６のいずれかに記載の歪
み測定器において、 シリコン単結晶基板をＰ伝導型に形成したこと
を特徴とする半導体歪み測定器。 ８ 特許請求の範囲５，６のいずれかに記載の歪
み測定器において、 シリコン単結晶基板をＮ伝導型に形成したこと
を特徴とする半導体歪み測定器。 ９ 特許請求の範囲５，６，７，８のいずれかに
記載の歪み測定器において、 歪みゲージの表面不純物濃度を2.4×1020〜４
×1020cm-3の範囲に設定したことを特徴とする半
導体歪み測定器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59108937A JPS60253279A (ja) | 1984-05-29 | 1984-05-29 | 半導体歪み測定器 |
| US06/738,092 US4654621A (en) | 1984-05-29 | 1985-05-24 | Semiconductor strain measuring apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59108937A JPS60253279A (ja) | 1984-05-29 | 1984-05-29 | 半導体歪み測定器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60253279A JPS60253279A (ja) | 1985-12-13 |
| JPH0337750B2 true JPH0337750B2 (ja) | 1991-06-06 |
Family
ID=14497427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59108937A Granted JPS60253279A (ja) | 1984-05-29 | 1984-05-29 | 半導体歪み測定器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4654621A (ja) |
| JP (1) | JPS60253279A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4706100A (en) * | 1986-08-01 | 1987-11-10 | Honeywell Inc. | High temperature hetero-epitaxial pressure sensor |
| CA1314410C (en) * | 1986-12-08 | 1993-03-16 | Masanori Nishiguchi | Wiring structure of semiconductor pressure sensor |
| DE3874884T2 (de) * | 1988-04-21 | 1993-04-29 | Marelli Autronica | Elektrischer kraft- und/oder verformungsmessfuehler, insbesondere zum gebrauch als druckmessfuehler. |
| JPH07114288B2 (ja) * | 1989-09-26 | 1995-12-06 | 株式会社豊田中央研究所 | 半導体歪測定装置 |
| US5549785A (en) * | 1992-09-14 | 1996-08-27 | Nippondenso Co., Ltd. | Method of producing a semiconductor dynamic sensor |
| JP2816635B2 (ja) * | 1993-01-14 | 1998-10-27 | 株式会社山武 | 半導体圧力センサ |
| US6867841B2 (en) * | 2001-10-31 | 2005-03-15 | Hitachi, Ltd. | Method for manufacturing liquid crystal display panels |
| KR100427430B1 (ko) * | 2002-01-28 | 2004-04-13 | 학교법인 동서학원 | 금속박막형 압력센서 및 그 제조방법 |
| CN104864988B (zh) * | 2015-06-10 | 2017-07-04 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 硅岛膜结构的mems压力传感器及其制作方法 |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2617731C3 (de) * | 1976-04-23 | 1979-06-07 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Miniaturdruckmeßwandler |
| JPS5527670A (en) * | 1978-08-18 | 1980-02-27 | Hitachi Ltd | Pressure-electric signal converter |
| JPS55113379A (en) * | 1979-02-21 | 1980-09-01 | Omron Tateisi Electronics Co | Method of fabrication for semiconductor pressure- sensitive element |
| JPS562671A (en) * | 1979-06-22 | 1981-01-12 | Nissan Motor Co Ltd | Manufacture of semiconductor diaphragm |
| JPS56118374A (en) * | 1980-02-22 | 1981-09-17 | Hitachi Ltd | Semiconductor strain gauge |
| JPS5941134B2 (ja) * | 1980-04-15 | 1984-10-04 | 富士電機株式会社 | 圧力変換器 |
| JPS5710271A (en) * | 1980-06-23 | 1982-01-19 | Fuji Electric Co Ltd | Semiconductor pressure converter |
| JPS5758791A (en) * | 1980-09-26 | 1982-04-08 | Sankyo Kogyo Kk | Excavation of deep well or vertical shaft |
| US4400869A (en) * | 1981-02-12 | 1983-08-30 | Becton Dickinson And Company | Process for producing high temperature pressure transducers and semiconductors |
| JPS57177574A (en) * | 1981-04-24 | 1982-11-01 | Omron Tateisi Electronics Co | Manufacture of semiconductor pressure-sensitive element |
| JPS57190366A (en) * | 1981-05-20 | 1982-11-22 | Hitachi Ltd | Manufacture of semiconductor pressure sensor |
| US4510671A (en) * | 1981-08-31 | 1985-04-16 | Kulite Semiconductor Products, Inc. | Dielectrically isolated transducer employing single crystal strain gages |
| US4463336A (en) * | 1981-12-28 | 1984-07-31 | United Technologies Corporation | Ultra-thin microelectronic pressure sensors |
| JPS58171866A (ja) * | 1982-03-31 | 1983-10-08 | Sanyo Electric Co Ltd | 圧力センサ |
| JPS58182529A (ja) * | 1982-04-19 | 1983-10-25 | Toshiba Corp | 半導体圧力変換装置 |
| JPS5911683A (ja) * | 1982-07-13 | 1984-01-21 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | 半導体装置の埋込みゲ−ト形成法 |
| JPS5936971A (ja) * | 1982-08-26 | 1984-02-29 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | 半導体装置の埋込みゲ−ト形成法 |
| JPS5911684A (ja) * | 1982-07-13 | 1984-01-21 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | 半導体装置の埋込みゲ−ト形成法 |
| JPS5972774A (ja) * | 1982-10-19 | 1984-04-24 | Mitsubishi Electric Corp | ガリウム・ヒ素電界効果トランジスタ |
-
1984
- 1984-05-29 JP JP59108937A patent/JPS60253279A/ja active Granted
-
1985
- 1985-05-24 US US06/738,092 patent/US4654621A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4654621A (en) | 1987-03-31 |
| JPS60253279A (ja) | 1985-12-13 |
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