JPS60253279A - 半導体歪み測定器 - Google Patents
半導体歪み測定器Info
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- JPS60253279A JPS60253279A JP59108937A JP10893784A JPS60253279A JP S60253279 A JPS60253279 A JP S60253279A JP 59108937 A JP59108937 A JP 59108937A JP 10893784 A JP10893784 A JP 10893784A JP S60253279 A JPS60253279 A JP S60253279A
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- 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
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- 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
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- 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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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
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。
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」：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。
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って小形
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。
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って小形
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−３− においでは、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。
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−３− においでは、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
測定不能どなるという欠点があった。
の特性が急激に劣化し、特に温度が１８０°を越えると
測定不能どなるという欠点があった。
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、従って、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側底不可能であった。
温域においは使用不能であり、従って、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側底不可能であった。
［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−４− 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。
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−４− 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。
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ｍ痕を１ｘｉｏ”〜２Ｘ
１０１９Ｃ１ｌｌ−３の範囲に設定することを特徴と
する。
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ｍ痕を１ｘｉｏ”〜２Ｘ
１０１９Ｃ１ｌｌ−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１×１０“〜２Ｘ １０１ＩＣ１ｌ
ｌ−３の範囲に設定することにある。
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１×１０“〜２Ｘ １０１ＩＣ１ｌ
ｌ−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。
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【ノられた少なくとも１個
の拡散歪みゲージ１２ど、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。
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【ノられた少なくとも１個
の拡散歪みゲージ１２ど、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。
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１２−１．１
２−２．１２−３．１２−４が基板１０と一体的に設け
られ、圧力印加によってダイヤフラム１４に作用する応
力に比例して各歪みゲージ１２の抵抗値が変化づるよう
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１にオーームに設定
されている。
ラム１４の表面に、４個の拡散歪みゲージ１２−１．１
２−２．１２−３．１２−４が基板１０と一体的に設け
られ、圧力印加によってダイヤフラム１４に作用する応
力に比例して各歪みゲージ１２の抵抗値が変化づるよう
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１にオーームに設定
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１６−１．１
６−２．・・・１６−５が形成され、これら各リード層
１６の細端にはアルミニウム蒸着膜により形成された金
属電極１Ｂ−１゜１８−２．・・・１８−５が前記各歪
みゲージ１２をブリッ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
２０により被覆保護されている。
歪みゲージ１２に接続された拡散リード層１６−１．１
６−２．・・・１６−５が形成され、これら各リード層
１６の細端にはアルミニウム蒸着膜により形成された金
属電極１Ｂ−１゜１８−２．・・・１８−５が前記各歪
みゲージ１２をブリッ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
２０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揚台には、前記各金属電極１８
をブリッジ接続し、これに所定の外部電圧を印加する。
を用いて圧力測定を行う揚台には、前記各金属電極１８
をブリッジ接続し、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
た電気信号がブリッジから出力されることになる。
た電気信号がブリッジから出力されることになる。
−７−
どころで、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って混入する。
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って混入する。
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、
使方を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。
基板１０又は歪みゲージ１２の何れか一方をＰ伝導型、
使方を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。
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ＲＯは歪みゲー
ジ１２の抵抗、Ｒｅは基板１０の抵抗を表わし、Ｄ＋
、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
域全域に渡って分布しているが、考察を容易にする−
８ − 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Ｄ＋ 、Ｄ２で近似的に表現し
ている。
定器の等価回路が表されており、同図中ＲＯは歪みゲー
ジ１２の抵抗、Ｒｅは基板１０の抵抗を表わし、Ｄ＋
、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
域全域に渡って分布しているが、考察を容易にする−
８ − 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Ｄ＋ 、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１
０に流れ出す漏れ電流ＩＱは、ダイオードＤ＋ 、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ＩＱの割
り合いを著しく低減可能であることが理解される。
０に流れ出す漏れ電流ＩＱは、ダイオードＤ＋ 、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ＩＱ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１
０を不純物濃度３Ｘ １０ Ｉｓ Ｃｍ−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＠１
６として表面不純物温度が約３ｘ １０’ ｃｍ−３の
Ｐ型拡散層を用いていた。
０を不純物濃度３Ｘ １０ Ｉｓ Ｃｍ−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＠１
６として表面不純物温度が約３ｘ １０’ ｃｍ−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１３は定格圧力を印
加したときの各歪みゲージ１２のブリッジ出力すなわち
、歪み測定器のフルスケール出力の温度特性を表し、曲
線へは零点の温度特性、すなわち圧力印加のないときの
ブリッジ出力のドリフト量を表している。
器の温度特性が示されており、曲線１３は定格圧力を印
加したときの各歪みゲージ１２のブリッジ出力すなわち
、歪み測定器のフルスケール出力の温度特性を表し、曲
線へは零点の温度特性、すなわち圧力印加のないときの
ブリッ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で示すブリッジ出力に化し無視できる値
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。
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で示すブリッジ出力に化し無視できる値
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。
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。
第２に、歪みゲージ１２相ｎ聞及び歪みゲージ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Ｉｇの増大にともなう温度限界。
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Ｉｇ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調
度限界。
度限界。
本発明を行うにあたって、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。
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［＋と歪みゲージ１２から基板１０に流
れ出る漏れ電流ＩＱとに分流する。ここにおいて、漏れ
電流ＩＱの値は、ゲージ１２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子〇へ以
下の値となり、従っ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。
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［＋と歪みゲージ１２から基板１０に流
れ出る漏れ電流ＩＱとに分流する。ここにおいて、漏れ
電流ＩＱの値は、ゲージ１２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子〇へ以
下の値となり、従っ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ＩＱ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ＩＯは減少し
、見掛は上田力感度が−１１− 低下したものとして観測される。
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ＩＯは減少し
、見掛は上田力感度が−１１− 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
づぎ検討してみると、逆方向漏れ電流、すなわち漏れ電
流ＩＱ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１８ｏ°を越えると指数関数的に急激に
減少していることがらも確認される。
づぎ検討してみると、逆方向漏れ電流、すなわち漏れ電
流ＩＱ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１８ｏ°を越えると指数関数的に急激に
減少していることがらも確認される。
そして、このように各歪みゲージ１２の漏れ電流ＩＱが
減少すると、各歪みゲージ１２によって形成されるブリ
ッジ回路の抵抗バランスが崩れ、これが該ブリッジ回路
の零点の大幅なドリフト量の変化となって表れ、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。
減少すると、各歪みゲージ１２によって形成されるブリ
ッジ回路の抵抗バランスが崩れ、これが該ブリッジ回路
の零点の大幅なドリフト量の変化となって表れ、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
ＩＱ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。
板１０間のＰ−Ｎ接合面を介して流れる逆方向漏れ電流
ＩＱ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−
このため、本発明においては、基板１０の不純物濃度を
１×１０１６〜２Ｘ１０１９ｃｍ−３の範囲に設定して
いる。
１×１０１６〜２Ｘ１０１９ｃｍ−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ＩＱ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℃を上回った場合にお
いても該逆方向リーク電流ＩＱ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。
、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ＩＱ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℃を上回った場合にお
いても該逆方向リーク電流ＩＱ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Ｉ
Ｘ １Ｇ ” Ｃ１１ｌ−３に設定されている。
Ｘ １Ｇ ” Ｃ１１ｌ−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〜
４×１０Ｐｏｃ１１″９）範囲に設定スルコとが好まし
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３×１０にＣ１′３に設定している。
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〜
４×１０Ｐｏｃ１１″９）範囲に設定スルコとが好まし
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３×１０にＣ１′３に設定している。
第５図には拡散歪みゲージ１２と基板１０間のＰ−Ｎ接
合面における逆方向漏れ電流ＩＱ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。
合面における逆方向漏れ電流ＩＱ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ＩＱが各氾痕において
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。
装置に比し、その逆方向漏れ電流ＩＱが各氾痕において
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、図中へ曲線は０点の温度特性、８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℃を上回っ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。
示されており、図中へ曲線は０点の温度特性、８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℃を上回っ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接合面におりる絶縁耐圧
を表している。
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接合面におりる絶縁耐圧
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ＩΩと電源電流Ｉとの比ＩＱ／Ｔ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、ＩＱ／
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ｆｉｔ度な圧力測定がＩＩ￥
ｊできなくなるからである。
漏れ電流ＩΩと電源電流Ｉとの比ＩＱ／Ｔ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、ＩＱ／
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ｆｉｔ度な圧力測定がＩＩ￥
ｊ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。
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、特性面＠ 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−１５− １０とのｌ”−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
って、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。
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−１５− １０とのｌ”−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
って、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２Ｘ
１０ ” Ｃｌ−３が上限となることが理解される。
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２Ｘ
１０ ” Ｃｌ−３が上限となることが理解される。
従って、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ｌＸ
１０’〜２ｘ ｉｏ １９ｃｍ＋’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２Ｘ １０ ” Ｃ１う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−１６− １ｘ１０１？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。
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ｌＸ
１０’〜２ｘ ｉｏ １９ｃｍ＋’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２Ｘ １０ ” Ｃ１う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−１６− １ｘ１０１？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。
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。
１１塞１１
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。
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１４１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１ｘｉｏ”〜２ｘ １０ ｌ９ｃｍうの範囲に設定
したことにある。
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１４１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１ｘｉｏ”〜２ｘ １０ ｌ９ｃｍうの範囲に設定
したことにある。
実施例において、単結晶中間層２２は、■ビタキシャル
成長法により基板１０の上方表面に全面に渡って積層さ
れている。そして、該中間層２２は不純物濃度ＩＸ １
０ ｌ？ ｃｍ−３のＮ伝導型に形成されている。
成長法により基板１０の上方表面に全面に渡って積層さ
れている。そして、該中間層２２は不純物濃度ＩＸ １
０ ｌ？ ｃｍ−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ＩＸ １０１５ Ｃ１１ｌ−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×
１０９Ｃｌ１ｌ−３のＰ伝導型に形成されている。
純物濃度がＩＸ １０１５ Ｃ１１ｌ−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×
１０９Ｃｌ１ｌ−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Ｉ
Ｑ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子み測定を正確に行うことが可能
となる。
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Ｉ
Ｑ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子み測定を正確に行うことが可能
となる。
第３実施１
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１２を形成している。
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１２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。
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Ｉ Ｘ １０１ｒＣ１ｌｌ−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×
１０″Ｃｍ−３のＰ伝導型、基板１０は不純物濃度がＩ
Ｘ １０１５ ｃｎ＋−３のＮ伝導型に形成されてい
る。
度がＩ Ｘ １０１ｒＣ１ｌｌ−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×
１０″Ｃｍ−３のＰ伝導型、基板１０は不純物濃度がＩ
Ｘ １０１５ ｃｎ＋−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ＩＱ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。
、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ＩＱ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−１９− 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
って、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。
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−１９− 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
って、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伝導型どして形
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。
層２２をＮ伝導型、歪みゲージ１２をＰ伝導型どして形
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ＩＸ １０１’／ Ｃ１１ｌ−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１×１０１６〜２Ｘ１０１９ＣＩ−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。
不純物濃度をＩＸ １０１’／ Ｃ１１ｌ−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１×１０１６〜２Ｘ１０１９ＣＩ−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−２０− 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。
拡散歪みゲージの形成は熱拡散法のほか−２０− 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。
、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。
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Ｉ−４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。 出願人 豊田中央研究所 代理人 弁理士 吉 １）研二 （外１名） ２３− ＃ −Ａつ１−
を示す説明図、 第２図は第１図に示す測定器のＩ−４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。 出願人 豊田中央研究所 代理人 弁理士 吉 １）研二 （外１名） ２３− ＃ −Ａつ１−
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聞を電気的な
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ｍ１ｌｌｉを１ｘｉｏ’〜２ｘ
１０１ｇｃｍ″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
な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づる半導体歪み測定
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２．４ｘｌＯ°〜４Ｘ１０”Ｃ１１−３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１×１
０″〜２Ｘ １０１ｇＣ１ｌｌ″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２．４Ｘ １０″〜４×１０２
Ｄｃｒ３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 true JPS60253279A (ja) | 1985-12-13 |
| JPH0337750B2 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) |
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| JPS58182529A (ja) * | 1982-04-19 | 1983-10-25 | Toshiba Corp | 半導体圧力変換装置 |
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| US4510671A (en) * | 1981-08-31 | 1985-04-16 | Kulite Semiconductor Products, Inc. | Dielectrically isolated transducer employing single crystal strain gages |
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-
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
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Also Published As
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| JPH0337750B2 (ja) | 1991-06-06 |
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