JPH0731125Y2

JPH0731125Y2 - 剪断形半導体歪みゲージ

Info

Publication number: JPH0731125Y2
Application number: JP1446889U
Authority: JP
Inventors: 聡福原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1995-07-19
Anticipated expiration: 2004-02-09
Also published as: JPH02105108U

Description

【考案の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本考案は、高出力が得られる剪断形半導体歪みゲージの
改善に関するものである。

〈従来の技術〉半導体歪みゲージセンサ検出素子の一種として、剪断型
半導体歪ゲージがある。

ここで、「剪断型半導体歪ゲージ」は米国特許3213681
号「剪断形ゲージ圧力測定素子」或いは、特許出願公表
昭57−500491号「シリコン圧力センサ」等に示されてい
る。がある。

剪断形半導体歪みゲージ１の構成を第５図に示す。

図において、2,3は駆動端子、4,5は出力端子である。

Ｌはゲージ長、Ｗはゲージ幅である。ｔはゲージ厚さで
ある（図示せず）。

駆動端子2,3には、駆動電圧が加えられ、出力端子4,5か
ら歪みに対応した出力が出力される。

そして、その出力は、シート数Ｓ＝L/Wに反比例する。

このことは、以下の式から導き出される。

ここで、一般的な抵抗体の抵抗値Ｒは下記の式で表わせ
る。

Ｒ＝ρＬ（1/（Ｗ×ｔ）（１） ρ：比抵抗 L:抵抗体の長さ W:抵抗体の幅 t:抵抗体の厚さ半導体の分野に於いてもこの抵抗の計算は正しく適応さ
れる。

しかし、半導体の場合は、その抵抗値はマスクパターン
で決まるL,Wと不純物の拡散深さで決まるｔで、その抵
抗値が決まる。

この、ｔを決定する拡散深さは、半導体のプロセス条件
で１つの値に決まってしまうため、ｔの次元は無視し
て、便宜上、パターンのみで決まるＬとＷからシート数
Ｓという概念を採用し、そのときの深さの次元を含む比
抵抗をシート抵抗R_sと呼んでいる。

従って、半導体の分野での抵抗体ＲはＲ＝ρＬ（1/（Ｗ×ｔ））＝R_s・Ｓ（２） R_s：ρ（1/t） S:L（1/W）〈考案が解決しようとする課題〉しかしながら、この様な装置において、シート数Ｓの逆
数とゲージの出力は、第６図に示すように、シート数が
小さくなるに従って飽和して、理論値通りの出力が得ら
れなくなり、高出力化が難しい。第６図において、実線
ａは実際の出力値、点線ｂは理論値である。第６図の縦
軸の出力は、剪断力一定、駆動電圧一定とした場合の出
力を表わしている。

シート数の逆数が増大すると出力が飽和するのは、下記
の理由によると考えられる。

剪断型半導体歪ゲージ１の抵抗値は、結晶方向により、
電流の流れやすい方向と流れにくい方向の差が生じる。
従って、剪断型半導体歪ゲージ１の内部に生じる等電位
線は電流に直交する方向に出来る。

剪断型半導体歪ゲージ１は、剪断力が加わっていない場
合には、等電位線は駆動端子2,3を結ぶ線に直角であっ
て互いに平行な線として表わされる。出力端子4,5間に
は電位差が生ぜず、出力が発生しない。

剪断型半導体歪ゲージ１に剪断力が加わった場合には、
剪断型半導体歪ゲージ１には剪断歪が発生し、第７図，
第８図に示す如く、ゲージ１内部の電位分布に、剪断歪
により傾きが生じる為に、出力端子4,5間に電位差が生
じ、出力が発生する。

しかし、ゲージ１の駆動端子2,3部分近くの等電位線
は、駆動端子2,3の部分の電位は一定になっている（シ
ョートしている）ので、駆動端子2,3の部分の影響を受
け、駆動端子2,3に近ずくに従い、等電位線は駆動端子
2,3を結ぶ線に直角となる。

従って、シート数を小さくすると、駆動端子2,3が互い
に近づき、駆動端子2,3部分の影響が大きくなり、電位
の傾きが大きくならず、理論的傾きに到達出来ず、結果
として、出力が飽和してしまうのである。第７図にシー
ト数大の場合、第８図にシート数小の場合を示す。矢印
ｃはゲージ１内の等電位線を、矢印ｄは駆動端子端でシ
ヨートしていることを示す。

本考案は、この問題点を解決するものである。

本考案の目的は、高出力が得られる剪断形半導体歪みゲ
ージを提供するにある。

〈課題を解決するための手段〉この目的を達成するために、本考案は、剪断形半導体歪
みゲージにおいて、少なくとも２個の剪断形半導体歪みゲージの駆動端子を
並列接続して構成された事を特徴とする剪断形半導体歪
みゲージを構成したものである。

〈作用〉以上の構成において、駆動端子には、駆動電圧が加えら
れ、出力端子から歪みに対応した出力が出力される。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

〈実施例〉第１図は本考案の一実施例の要部構成説明図である。

図において、11,12は剪断形半導体歪みゲージ、この場
合はシート数1.3以上の剪断形半導体歪みゲージが用い
られている。

13,14,15,16は駆動端子、17,18,19,21は出力端子であ
る。

駆動端子13,14,15,16は駆動電源22に並列に接続されて
いる。

出力端子17,18,19,21は、第２図に示す如く、差動アン
プ23,24に接続され、その出力は加算器25で加算され
る。

以上の構成において、駆動端子13,14,15,16には、駆動
電圧が加えられ、出力端子17,18,19,21から歪みに対応
した出力が出力される。

ここで、従来例と本考案の剪断型半導体歪ゲージに付い
て比較検討する。

比較を簡単にするために、入力電圧、入力（消費）電流
一定の場合に付いて比較する。

消費電流は、オームの法則によりゲージ抵抗に反比例す
る。

従って、ゲージ抵抗について、比較検討する。

従来例の剪断型半導体歪みゲージの抵抗値をR_G0とすれ
ば、（２）式より、 R_G0＝R_s×S₀ （３） R_s：シート抵抗 S₀：シート数本考案の剪断型半導体歪みゲージの抵抗値をR_G1とすれ
ば、 R_G1＝R_s×S₁ R_s：シート抵抗（４） S₁：シート数ここで、駆動電圧はそのままで、消費電流を増やし、出
力を上げることを目標とする。

出力を上げるためには、第６図に示す如く、シート数を
小さくすれば良い。

出力を上げるためシート数を小さくしていったとき問題
になるのが、第６図に示す如く、シート数の逆数と出力
が比例しないということである。

以下に、駆動電圧一定で、本考案での並列配置と、従来
の１個のゲージでの、消費電流を同じにした場合の出力
を比較する。

まず、消費電流一定と考えると、従来例のゲージのゲー
ジ抵抗R_G0は、上記のように、 R_G0＝R_s×S₀ 同様に、本考案の並列配置の場合、同じゲージを２個配
置することを考えると、２つの並列配置のトータルの抵
抗値は（４）式を使って、 R_GtotaL＝R_G1/2 ＝R_s×S₁/2 （５）ここで、消費電流が同じ場合の出力について、検討をす
るためには抵抗値を同じと考えればよい。

したがって、（３），（５）式より R_G0＝R_GtotaL R_s×S₀＝R_s×S₁/2 ２S₀＝S₁ （６）が導出される。

つまり、同じ消費電流の条件下では、本考案では、従来
例の剪断型半導体歪ゲージの２倍のシート数を有する剪
断型半導体歪ゲージを２個並列接続することが出来る。
此の関係を第３図、第４図に示す。

一方、ゲージ出力は、第６図に示す如く、シート数の逆
数で決まって来るから、今、従来例の１剪断型半導体歪
ゲージ式の場合、例えば、シート数1.0（例えば、矩形
でＬ＝Ｗのような場合）のゲージを採用した場合、従来
例の１剪断型半導体歪ゲージ式の出力は飽和して2.1mV
となる。

一方、本考案の剪断型半導体歪ゲージの場合は、同一入
力電圧、同一入力電流の条件下で、（６）式より、シー
ト数は、従来例の１剪断型半導体歪ゲージ式の２倍のも
ので良いから、シート数2.0が採用出来る。」５）明細書第５頁第20行から第６頁第１行の「高感度の
剪断型半導体歪ゲージが得られる。」の次に改行して下
記の文を追加する。

「即ち、第６図に示すように、剪断型半導体歪ゲージで
は、シート数が小さくなるほど出力は大きくなる。シー
ト数は前述したようにL/Wなので、Ｗを一定とするとＬ
が短いほど出力は大きくなることを意味する。

一方、シート数を小さくすると、（２）式の通り、ゲー
ジの抵抗値は下がるから、駆動電圧を一定にしている場
合、流れる電流（消費電流）は増加する。

これを式にまとめると、消費電流Ｉとシート数Ｓの関係
は、Ｉ＝V_s／（R_s×Ｓ）（７） V_s：ゲージ駆動電圧 R_s：シート抵抗値出力Voutとシート数Ｓの関係（理論式の範囲：シート数
の逆数＜0.5:で）は、 Vout＝V_s×π×τ×（1/S）（８） π：ピエゾ抵抗係数 τ：剪断力（７），（８）式はどちらもシート数の逆数で増加する
から、一見、消費電流Ｉと出力Voutの関係は比例すると
思われる。

（７），（８）式の関係から、Vout/Iを求めると、 Vout/I＝π×τ／R_s （９）という変数に依存しない式が導出できる。

しかしながら、実際には、第６図に示すように、（８）
の式はシート数Ｓの逆数が0.5を越えるあたりから、成
立しなくなり、出力Voutは飽和をはじめるため、シート
数Ｓを小さくしても消費電流Ｉは増加するが、出力Vout
は増加しない、という現象が起こる。つまり（８）式の
右項には１より小さい係数がかかってしまうことにな
る。

本考案では、そのような現象を回避する一手段として、
同じ駆動電圧、同じ消費電流での出力Voutを、１つのシ
ート数Ｓの小さいゲージで得るよりは、シート数Ｓが比
較的大きい剪断型半導体歪ゲージ（２個並列では２倍の
シート数）を並列に接続することでより出力Voutを大き
くできる事を提案している。

要するに、第６図で示す、出力Voutの飽和している領域
のシート数Ｓを持つゲージ１個の出力Voutより、出力の
飽和していない領域のゲージを並列に接続するほうが出
力Voutは大きいということに着目したものである。

たとえば、出力１（単位は何でも良い）の剪断型半導体
歪ゲージのシート数Ｓを半分にしても、消費電流Ｉは２
倍になるが、出力の飽和により、出力は1.数倍にとどま
る。

一方、出力１のゲージを２個並列に接続すると、消費電
流は２倍になり、出力も単純に２倍になる。よって、同
一駆動電圧、同一駆動電流の場合１つのゲージより２個
用いた方が効率が高くなる。シート数2.0のゲージ出力
は、第６図から分るように、1.4mVが１個当たりのゲー
ジ出力で、剪断形半導体歪みゲージは２個使用されるの
で、2.8mVが合計の出力となる。

この結果、剪断形半導体歪みゲージ単体での、出力の飽
和による高出力化の限界を、取り払う事が出来、高感度
の剪断形半導体歪みゲージが得られる。

なお、前述の実施例においては、出力の演算回路の一例
を示したがこの回路に限ることはない事は勿論である、
要するに、少なくとも２個の剪断形歪みゲージの駆動端
子を並列接続して構成されたものであれば良い。

また、剪断形半導体歪みゲージの形状は、矩形に限る事
はなく、例えば、菱形形状でも良く、要するに剪断形半
導体歪みゲージであれば良い。

〈考案の効果〉以上説明したように、本考案は、剪断形半導体歪みゲー
ジにおいて、少なくとも２個の剪断形半導体歪みゲージの駆動端子を
並列接続して構成された事を特徴とする剪断形半導体歪
みゲージを構成した。

この結果、剪断形半導体歪みゲージ単体での、出力の飽
和よる高出力化の限界を、取り払う事が出来、高感度の
剪断形半導体歪みゲージが得られる。

従って、本考案によれば高出力が得られる剪断形半導体
歪みゲージを実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本考案の一実施例の要部構成説明図、
第３図，第４図は第１図，第２図の動作説明図、第５図
は従来より一般に使用されている従来例の構成説明図、
第６図は第５図の動作説明図である、第７図は第５図の
動作説明図である、第８図は第５図の動作説明図であ
る。 11,12…剪断形半導体歪みゲージ、13,14,15,16…駆動端
子、17,18,19,21…出力端子、22…駆動電源、23,24…差
動アンプ、25…加算器。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】剪断形半導体歪みゲージにおいて、少なくとも２個の剪断形半導体歪みゲージの駆動端子を
並列接続して構成された事を特徴とする剪断形半導体歪
みゲージ。