JPH041471Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、シリコン等の半導体単結晶の持つピ
エゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変換す
る半導体圧力変換器に係り、特にせん断形ゲージ
を用いた半導体圧力変換器の温度補償を効果的に
実現する半導体圧力変換器の改良に関する。

〈従来技術〉 従来の半導体圧力変換器は、同一の半導体チツ
プ上に測定すべき圧力を検知する圧力検出素子と
半導体チツプの温度変化を検出する温度検出素子
とを形成し、この温度検出素子で測定された温度
特性を各半導体圧力変換器に対応したメモリ中に
記憶させ、この特性を用いて圧力検出素子で得た
被測定圧力に対して補正演算を実行している。

しかし、各半導体圧力変換器ごとに温度特性を
測定しこれを各半導体圧力変換器に固有の特性デ
ータとして多数のデータを１体的に取扱うことは
このための調整工数の増加とコストの上昇を招く
問題がある。

〈考案の目的〉 本考案は、前記の従来技術に鑑み、簡単な構成
で汎用性のある温度補償を実現することの出来る
半導体圧力変換器を提供することを目的とする。

〈本考案の構成〉 この目的を達成する本考案の構成は、結晶面が
（100）の面方向の半導体単結晶のダイヤフラムの
起歪部上に伝導形がＰ形で結晶軸が〈100〉方向
に形成されてなるせん断形ゲージと、このせん断
形ゲージの入力端に定電流が供給されたときの出
力端に発生する電圧E_siと入力端の電圧E_Riとせん
断形ゲージの入力端に定電圧が供給されたときの
その出力端の電圧E_svと基準温度においてせん断
形ゲージの入力端に定電流が供給されたときの入
力端の電圧E_Ri0と定数Ｃとを用いて E₀＝E_si１−ＣE_SV／E_Si／E_Ri／E_RiO−１ なる出力電圧E₀を演算する演算手段とを具備し、
ダイヤフラムに印加される被測定圧力に対応した
出力電圧E₀を出力することを特徴とするもので
ある。

〈実施例〉 以下、本考案の実施例について図面に基づいて
説明する。

第１図イは本考案の一実施例のダイヤフラムの
要部平面図、ロはセンサ部の断面図を示す。１は
ダイヤフラムであり、シリコン単結晶の一主面に
設けられた矩形状の凹部２を有し、更に凹部２の
形成により単結晶の厚さの薄くなつた起歪部３
と、その周辺の固定部４とを有している。固定部
４は連通孔５を有する基板６にガラス薄膜７を介
して陽極接合等により固定されている。起歪部３
上にはその中心を通る縦の結晶軸〈110〉方向に
対して45°方向の〈100〉軸の方向にせん断形ゲー
ジ８が不純物の拡散により伝導形がＰ形として形
成されている。ダイヤフラム１には上部より被測
定圧力Ｐが印加され歪を生じさせ、これをせん断
形ゲージ８で検出する。

第１図ハにせん断形ゲージの構成を拡大して示
した。第１図ハに示すせん断ゲージはゲージ長が
ｌでゲージ幅がｗであり、このせん断形ゲージの
長手方向に入力端９，１０が形成され、ここに電
圧または電流が印加される。被測定圧力Ｐがダイ
ヤフラム１に与えられるとこれによつて生じたせ
ん断応力τ_sに対応した電圧がゲージ長ｌのほぼ中
央に形成された出力端１１，１２から得られる。

第２図は第１図に示したセンサ部を用いて被測
定圧力Ｐをこれに対応した電圧E₀に変換する変
換回路のブロツク図である。

せん断形ゲージ８の入力端９はスイツチSW₁を
介して定電流源CCSの１端に接続され、その他端
はせん断形ゲージ８の入力端１０に接続されてい
る。更に入力端９はスイツチSW₂を介して定電圧
源CVSの１端に接続されその他端は入力端１０
に接続されている。せん断形ゲージ８の入力端
９，１０はまたスイツチSW₃を介して増幅器Q₁
の入力端に接続されている。せん断ゲージ８の出
力端１１，１２はスイツチSW₄を介して増幅器
Q₂の入力端に接続され、同様にスイツチSW₅を
介して増幅器Q₃の入力端に接続されている。こ
れ等のスイツチSW₁〜SW₅は発振器OSCにより
制御される。スイツチ群SW₁，SW₅は同時に開閉
され、スイツチ群SW₂，SW₃，SW₄も同時に開閉
されるが、これ等のスイツチ群は互いに相補的に
動作する。

増幅器Q₁の出力端は割算器Q₄の入力端に接続
され、一方、増幅器Q₂とQ₃の各出力端は減算器
Q₅の各入力端に接続されている。割算器Q₄は減
算器Q₆を介してその出力端と減算器Q₅の出力端
とは割算器Q₇の各入力端に接続されている。割
算器Q₇の出力端から出力電圧E₀が得られる。な
お、割算器Q₄の入力の他端には電圧E_Ri0が設定さ
れている。増幅器Q₁〜Q₃、割算器Q₄，Q₇および
減算器Q₅，Q₆などで演算回路PCCを構成してい
る。

以上の如く構成された第２図に示す回路の動作
につき次に説明する。

先ず、発振器OSCによりスイツチSW₁を閉じ、
せん断形ゲージ８に定電流源CCSより定電流I_iを
供給する。任意温度ｔにおけるせん断形ゲージ８
の単位厚みの抵抗率、即ちシート抵抗をR_spt、せ
ん断ピエゾ抵抗係数をπ〓_pt、せん断応力をτ_pとす
れば、その出力電圧E_siは E_si＝I_iR_spt（ΔR_spt／R_spt） ＝I_iR_sptπ〓_ptτ_p (1) で示すことができる。基準温度t₀でのシート抵抗
をR_sp0、せん断ピエゾ抵抗係数をπ〓_p0とすれば、 R_spt＝R_sp0（１＋ｆ(t)） (2) π〓_pt＝π〓_p0（１＋ｇ(t)） (3) となる。ここで、ｆ(t)はシート抵抗の抵抗温度変
化率をα₁，α₂，〜とすれば次式の如き温度の多項
式で表わせる。

ｆ(t)＝α₁ｔ＋α₂t²＋… (4) また、ｇ(t)はピエゾ抵抗係数の温度変化率を
β₁，β₂，〜とすれば次式の如き温度の多項式で表
わせる。

ｇ(t)＝β₁ｔ＋β₂t²＋… (5) (2)、(3)式を(1)式に代入して E_si＝I_iR_sp0π〓_p0τ_p(1+f(t))(1+g(t)) (6) であり、t_p＝KP（Ｋ：一定）、Ａ＝I_iR_sp0π〓_ptＫと
おけば、 E_si＝AP（１＋ｆ(t)）（１＋ｇ(t)） (7) となる。この出力電圧E_siはスイツチSW₄を介し
て増幅器Q₂に入力される。この出力電圧E_siは温
度の関数を含む被測定圧力Ｐに対応した出力であ
る。

次に、結晶面が（100）面のダイヤフラム１の
面で結晶軸が〈100〉の方向に定電流I_iを流すよ
うに形成された状態のせん断形ゲージ８の入力端
９，１０間には、この定電流I_iに対応した出力電
圧E_Riが生じるが、この出力電圧E_Riはダイヤフラ
ム１に印加される応力の影響を受けない点につい
て説明する。

ダイヤフラム１に応力が加わつた状態において
は、シリコン結晶中の電界強度（E_x、E_y、E_z）
と電流密度（J_x、J_y、J_z）との間には、ρを応力
が印加されない状態の抵抗率、Δρij（テンソル、
ｉ、ｊは指標）を応力による抵抗率の変化とすれ
ば、オームの法則により次のような関係が成り立
つ。

E_x E_y E_z＝ρ＋Δρ_xx Δρ_xy Δρ_xz Δρ_xy ρ＋Δρ_yy Δρ_yz Δρ_xz Δρ_yz ρ＋Δρ_zz×J_x J_y J_z ……(8) 但し、ｘは電流が入力する入力端９，１０の方
向（〈100〉軸）、Ｙはこの電流の方向に直角な出
力端１３，１４の方向を示し、Ｚは紙面に垂直な
方向を示している。結晶に応力が加わつたとき
の、抵抗率は A〓＝１／ρΔρ_xx Δρ_yy Δρ_zz Δρ_yz Δρ_xz Δρ_xy で、ピエゾ抵抗係数は Aβ＝π₁₁ π₁₂ π₁₃ π₁₄ π₁₅ π₁₆ π₂₁ π₂₂ π₂₃ π₂₄ π₂₅ π₂₆ π₃₁ π₃₂ π₃₃ π₃₄ π₃₅ π₃₆ π₄₁ π₄₂ π₄₃ π₄₄ π₄₅ π₄₆ π₅₁ π₅₂ π₅₃ π₅₄ π₅₅ π₅₆ π₆₁ π₆₂ π₆₃ π₆₄ π₆₅ π₆₆ となり、応力に関しては、σ_x，σ_y，σ_zをそれぞれ
応力のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の成分、τ_yz，τ_xz，
τ_xyをそれぞれ剪断応力成分とすると、 A〓＝σ_x σ_y σ_z τ_yz τ_xz τ_xy となる。これ等は、 A〓＝A〓・A〓 ……(9) の関係がある。

以上の(8)、(9)式を用い、電流をＸ軸方向にのみ
流すのでJ_Y＝J_Z＝０を考慮して、電界のＸ方向成
分E_xを求めると、 （E_x／ρ）＝J_x（１＋π₁₁σ_x＋π₁₂σ_y ＋π₁₃σ_z＋π₁₄τ_yz＋π₁₅τ_xz＋π₁₆τ_xy）……(10
) となる。（E_y／ρ）、（E_z／ρ）についても同様に
して求めることができるが、省略する。

ここで、π₁₄，π₁₅は、立方晶の場合にはゲージ
に流す電流の方向の如何にかかわらずゼロである
ので、(10)式は （E_x／ρ）＝J_x（１＋π₁₁σ_x＋π₁₂σ_y ＋π₁₃σ_z＋π₁₆τ_xy） ……（11） となる。

出力電圧E_Riは、シート抵抗の単位厚みをｍと
すれば、 E_Ri＝E_x・ｌ I_i＝J_x・ｍ・ｗ の関係があるので、これ等の関係を（11）式に代
入し、かつ（ρl／mw）＝R_t（せん断形ゲージのゲ
ージ抵抗）の関係を用いると、 E_Ri＝R_t・I_i（１＋π₁₁σ_x ＋π₁₂σ_y＋π₁₃σ_z＋π₁₆τ_xy） ……（12） となる。

ところで、π₁₁，π₁₂は電流方向と〈100〉軸と
のなす角度をθとするとθ＝０、つまり電流方向
が〈100〉方向では、通常使用する〈110〉軸の値
が70×10^-12dyn／cm²程度であるのに対して、それ
ぞれ７×10^-12dyn／cm²程度、−１×10^-12dyn／cm²
程度と小さく、またπ₁₃はθにかかわらず−１×
10^-12dyn／cm²程度、さらにπ₁₆はゼロである。

したがつて、θ＝０では（）の中のピエゾ抵抗
係数πの項が無視できるので E_Ri＝R_t・I_i なり、応力の影響を受けることはなく、このため
ピエゾ抵抗係数の温度係数による影響もない。

R₀を基準温度でのゲージ抵抗とすれば、R_tは R_t＝R₀（１＋ｆ(t)） で示されるので、E_Riは E_Ri＝I_iR₀（１＋ｆ(t)） ……（13） となる。ここでI_iR₀は基準温度において入力端
９，１０間に生ずる電圧であるのでE_Ri0＝I_iR₀と
おくと、（13）式は、 E_Ri＝E_Ri0（１＋ｆ(t)） （14） で示される。

この電圧は温度の関数であり発振器OSCより
制御されたスイツチSW₃を介して増幅器Q₂に入
力される。なお、出力電圧E_Ri0は基準温度t₀にお
ける入力端９，１０間の電圧であり、割算器Q₄
の入力にあらかじめ設定される。

次に、発振器OSCよりスイツチSW₁をオフと
し、スイツチSW₂，SW₅をオンとする。この状態
ではせん断形ゲージ８の入力端９，１０間に定電
圧源CVSより定電圧V_sが印加される。ここで、
せん断形ゲージ８の任意温度ｔでのシート抵抗を
R_svt、シート抵抗の単位厚みをｍ、圧力ゲージの
固有抵抗をρとすれば、 R_svt＝ρ／ｍ で表わすことができる。

また、せん断形ゲージ８の持つ抵抗値R_vtは R_vt＝ρl／mw で表わすことができる。これ等の関係から、 R_svt＝WR_vt／ｌ の関係を得ることができる。この関係を定電流駆
動の式(1)に代入し、せん断形ゲージ８の任意温度
ｔにおけるせん断ピエゾ抵抗係数をπ〓_vt、出力電
圧をE_svとすると、 E_sv＝I_i・（WR_vt／ｌ）・π〓_vt・τ_p となる。

ここで、電流（I_i）と抵抗（R_vt）の積（I_i・
R_vt）はとりもなおさず印加された電圧V_sを示し
ている。つまり、 V_s＝I_i・R_vt となる。これ等の関係を用いると E_sv＝（Ｗ／ｌ）V_s・π〓_vt・τ_p ……（15） となる。印加された電圧V_sは定電圧源CVSから
供給され温度の影響を受けることはない。

したがつて、定電圧駆動したときの出力電圧
E_svは、ゲージの形状Ｗ、ｌに依存するが、温度
の影響はせん断ピエゾ抵抗係数π〓_vtにのみ依存
し、(2)式に対応するシート抵抗の温度係数に依存
することはない。基準温度t₀でのせん断ピエゾ抵
抗係数をπ〓_v0とすれば、 π〓_vt＝π〓_v0（１＋ｇ(t)） （16） となるのでこれを（15）式に代入すると次式を得
る。

E_sv＝ｗ／ｌV_sπ〓_v0（１＋ｇ(t)）τ_p （17） ここで、τ_p＝KPを用いて（17）式を変形する
と、 Ｂ＝ｗ／ｌV_sπ〓_v0Ｋ （18） となる。Ｂは基準温度t₀においてせん断形ゲージ
８に定電圧を供給し単位圧力を印加したときの出
力電圧を表わし、一定値をとる。そこで（17）式
は E_sv＝BP（１＋ｇ(t)） （19） となる。

この出力電圧E_svは発振器OSCにより制御され
たスイツチSW₅を介して増幅器Q₃に入力される。

以上の(7)式、（14）式、および（19）式で示さ
れる各出力電圧に基づいて演算回路PCCにより
次の様にして温度の影響を除去する演算がなされ
る。

（14）式より ｆ(t)＝E_Ri／E_Ri0−１ （20） （19）式より ｇ(t)＝E_sv／BP−１ （21） (7)式より、ｆ(t)ｇ(t)≪１として E_si＝AP（１＋ｆ(t)）（１＋ｇ(t)） ≒AP（１＋ｆ(t)＋ｇ(t)） （22） （22）式に（20）、（21）式を代入して E_si＝AP（E_Ri／E_Ri0＋E_sv／BP−１） ここでＡ／Ｂ＝Ｃ、E₀＝APとおくと E₀＝E_si１−ＣE_SV／E_Si／E_RV／E_RiO−１ （23） となる。この式を変形して、 E₀＝E_si−CE_sv／E_Ri／E_RiO−１ （24） の演算を演算回路PCCにおいて演算する。演算
回路PCCにおいては、割算器Q₄で増幅器Q₁（簡単
のため利得１とする）の出力電圧E_Riと設定電圧
E_Ri0との比E_Ri／E_Ri0をとる割算を実行し、その出
力に対して減算器Q₆で１を減算する演算をして
（E_Ri／E_Ri0）−１なる出力を割算器Q₇に入力する。
一方、増幅器Q₂（簡単のため利得１とする）の出
力電圧E_siと増幅器Q₃（利得Ｃ）の出力電圧CE_svと
を減算器Q₅で減算しE_si−CE_svなる出力を出す。
割算器Q₇では減算器Q₆の出力と減算器Q₅の出力
との比をとることにより（24）式の演算結果が得
られる。

以上の如くして、温度の影響が除去された被測
定圧力Ｐに対応した出力電圧E₀が得られる。

以上の実施例の説明ではダイヤフラムの形状は
矩形状のものとして説明したが、これに限らず円
形その他のものでも良い。せん断形ゲージの形状
も実施例に示す形状に限られず同様な効果が得ら
れるものであれば任意の形状のものが使用でき
る。

〈考案の効果〉 以上、実施例とともに具体的に説明した様に、
本考案によれば、シリコンのダイヤフラム上にせ
ん断形ゲージを形成し、定電流あるいは定電圧で
ドライブすることにより、それ等の入力端あるい
は出力端の電圧を検出して簡単な所定の演算を実
行するだけで温度の影響を受けない半導体圧力変
換器が実現できる。このため信頼性が高くかつ調
整工数を大幅に削減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図イは本考案の一実施例のダイヤフラムの
要部平面図、第１図ロはセンサ部の断面図、第１
図ハはせん断形ゲージの構成を拡大した拡大図、
第２図は第１図に示したセンサ部の出力電圧を圧
力に変換する変換回路である。 １……ダイヤフラム、３……起歪部、４……固
定部、５……連通孔、６……基板、７……ガラス
薄膜、８……せん断形ゲージ、９，１０……入力
端、１１，１２……出力端、Ｐ……被測定圧力、
CCS……定電流源、CVS……定電圧源、OSC…
…発振器、PCC……演算回路、V_s……定電圧、I_i
……定電流、E₀……出力電圧。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 結晶面が（100）の面方向の半導体単結晶のダ
   イヤフラムの起歪部上に伝導形がＰ形で結晶軸が
   〈100〉方向に入力端が形成されると共にこの結晶
   軸とは直角方向で中央部近傍に出力端が形成され
   たせん断形ゲージと、前記せん断形ゲージの前記
   入力端に定電流が供給されたときの前記出力端に
   発生する電圧E_siと前記入力端の電圧E_Riと前記入
   力端に定電圧が供給されたときの前記出力端の電
   圧E_svと基準温度において前記入力端に定電流が
   供給されたときの入力端の電圧E_Ri0と定数Ｃとを
   用いて E₀＝E_si［１−Ｃ（E_sv／E_si）］ ／［（E_Ri／E_Ri0）−１］ なる出力電圧E₀を演算する演算手段とを具備し、
   前記ダイヤフラムに印加される被測定圧力に対応
   した前記出力電圧E₀を出力することを特徴とす
   る半導体圧力変換器。