JPS61295672A - 半導体圧力センサ及び圧力測定装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、「発明の目的」 〔ａ東上の利用分野〕 本発明は、半導体圧力センサの温度特性の改善及びこの
半導体圧力センサを用いた圧力測定Ｈｉｆｆに関するも
のである。

〔従来の技術〕

圧力を電気信号に劾換する手段として、半導体を用いた
センサが近年注目されるようになった。

圧力センサとして要求される条件である低１西格性、高
信頼性、小型化等を満たす点で、シリコン半導体を利用
したものが、特に有望と見られている。

半導体圧力センサは、ピエゾ抵抗効果を利用したものが
一般的である。このピエゾ抵抗効果を利用したセンサは
、外力による歪みで半導体の結晶内に応力変化が生じ、
これに起因して電子エネルギ一単位が変化する。その結
果、抵抗値が変るのである。従って、この抵抗値の変化
を計測することで、加えられた圧力を測定しようとする
ものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、半導体圧力センサは温度依存性が強いため、圧
力を精度良く測定するためには、温度補償回路が必要と
される。温度の影響には２つの形がある。一つは出力電
圧の温度変動であり、他方は、最小圧力に対する出力電
圧の温度変動である。

一般に前者はスパン変動、後者はオフセット変動と呼ば
れる。

従来の半導体圧力センサでは、この２つの温度変動を補
償するための回路を設けざるえないが、そのため回路が
複雑となり、価格の上昇と信頼性の点で問題があった。

この点を解決するため、特公昭５７−２６４３０４「シ
リコンスドレンゲージ」９発明く以下、先願１と記す）
、及び昭和６０年５月２２日出願「半導体圧力センサ及
び圧力測定装置」の発明（以下、先願２と記す）が成さ
れている。

本発明は、この先願１及び先願２に係る手段とは別の手
段を用いて、上記従来の技術が有していた問題点を解決
するものである。

口、「発明の構成」 （問題点を解決するための手段） 本発明は、上記問題点を解決するためにシリコン半導体
ダイアフラムと、　このシリコン半導体ダイアフラムに
導電型が同一の半導体であって不純物濃度が異なる第１
．第２の２つの抵抗体とで構成された合成抵抗体を設け
、２つの抵抗体の抵抗値、　２つの抵抗体のシリコン半
導体グイアワラム上での配置、　２つの抵抗体の形成方
向とダイアフラムの結晶軸との方向の関係、　２つの抵
抗体の不純物濃度の組合せの少なくともいずれか一つを
用いて、下記（イ）式を満たずように構成したものであ
る。

π１ｏσ曹β＋＋ｍπ２ｏσ２β２−０　　・”（イ）
式また、この半導体圧力センサを４つ用いてブリッジ回
路を溝成し、このブリッジ回路の入力端子間に定電圧源
から電圧を印加し、ブリッジ回路の出力端子間から圧力
の変化に比例した電圧を１！７るようにしたものである
。

なお、本発明が先願１に係る技術と異なる点は、先願１
の技術は抵抗体の不純物濃度を成る特定の埴に限定する
ことが必要であるが、本発明は、この不純物１１ｆ１度
を成る特定の値に限定せずとも上記の従来例がもってい
た問題点を解決することができる点で異なっている。

また、本発明が先願２に係る技術と異なる点は、先願２
の技術が定電流源から電流を流すことにより、ブリッジ
回路を動作させているのに対し、本発明は、定電圧源か
ら電力を供給することにより、ブリッジ回路を動作させ
ている点である。その結果、２つの半導体圧力素子にお
ける温度変化分を打消し合うための条件が先ｍ２と異な
ってくることである。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る半導体圧力センサの一構成例を示
した平面図（イ）と断面図（ロ）、第２図は第１図の半
導体圧カセンザを電気的接続で示した図、第３図は第２
図に示す半導体圧力センサを４つ用いてブリッジ回路を
構成した場合の本発明に係る圧力測定装置を示した図、
第４図は第１図に示した半導体圧力センサに圧力が加わ
って歪みが生じている様子を示した図、第５図はダイア
フラムの薄肉部の上に配置された半導体圧力センサを示
す断面図（イ）と平面図（ロ）、第６図は表面濃度とピ
エゾ係数との関係を示した図、第７図はｎ型シリコンの
温度とピエゾ係数の成分π１１との関係を示した図、第
８図はｎ型シリコンの温度とピエゾ係数の成分π４４と
の関係を示した図、第９図はｎ型シリコンピエゾ係数の
成分π＋１の温度係数と電子濃度との関係を示す図であ
り、これは、第７図のグラフの勾配より求めたものであ
る。第１０図はｎ型シリコン・ピエゾ係数の成分π４４
の温度係数とホール濃度との関係を示す図であり、第８
図のグラフの勾配より求めたものである。第１１図はｎ
型シリコンの抵抗温度係数と比抵抗との関係を示す図で
ある。第１２図はｎ型シリコンの抵抗温度係数と比抵抗
との関係を示す図である。なお、第１１図と第１２図の
出典は、５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ、
１１　ｐｐ　６３９〜６４Ｂ、ｆｅｂ＜１９６８）であ
る。第１３図は第７図又は第８図から求めたピエゾ係数
の成分π１．、π４４と表面電子濃度又は表面ホール濃
度との関係を示す図、第１４図は第１１図又は第１２図
において５！ｉ！なる濃度でありながら同じ抵抗温度係
数を示す２つの電子ａ度又はホール濃度が存在すること
を示す図、第１５図”はダイアフラム上に抵抗体１，２
を配置した時一方に引張り応力が加わり他方に圧縮応力
が加わるような配置の仕方があることを示す図、第１６
図はダイアフラム上に抵抗体１を半径方向に、抵抗体２
をそれと垂直に配置した時ピエゾ係数の符号が異なるこ
とを示す図であり、（Ｃン、　　（ｄ）は結晶軸と抵抗
体方位との関係を示す図、第１７図は本発明により組合
せた抵抗体の設計例を示した図である。

なお、第６図はＪ　、　ｏｆ　ａｐｐｌｙ、ｐｈｙｓ、
　３４．ｎｏ、２ｐｐ３１３〜３１８．　Ｆｅｂ、１９
６３から抜粋したものテアル。

第７図と第８図も第６図と同じ出典からｊ友粋したもの
である。

半導体圧力センサで１ｑられる抵抗の変化（検出信号）
は僅かなものであるため、圧力測定装置においては、こ
の検出信号をできるだけ大きく精度良く取出すため、通
常は、第３図のように、ホイートストン・ブリッジ（以
下単にブリッジと記す）回路を組んでいる。

第３図において、１は不純物濃度がＮ１の抵抗体、２は
抵抗体１と異なる不純物濃度Ｎ２の抵抗体である。この
抵抗体１と２の２ｉ１電型は同じものである。各抵抗体
１．２は、第５図に示すダイアフラム５の薄肉部上に配
置される。第５図では、１ペアの抵抗体のみ示している
が、ブリッジ回路を組むときは４ベアの抵抗体が形成さ
れる。抵抗体１の抵抗値を’１％抵抗抵抗の抵抗値をｒ
２、各ブリッジ辺の直列抵抗をＲ１−Ｒ４とすると、Ｒ
＋　−Ｒ２＝Ｒｓ　−Ｒ４”ｒｌ　＋ｒ２　＝ＲＭであ
る。そして、ブリッジ回路として機能するように対辺同
士（Ｒ＋　とＲ４、Ｒ２どＲｓ）が印加圧力に対応して
同方向に抵抗変化し、隣接同士が逆方向に抵抗変化する
ように構成する。

入力端子１２．１３間には定電圧源１４が接続されてお
り、出力端子１５．１６１からは出力電圧（３ｏが取出
される。

第１図において、１．２は導電型が同一であって不純物
濃度がそれぞれ異なる抵抗体、３はシリコン単結晶であ
る。この抵抗体１，２はシリコン単結晶３の上に熱拡散
、イオン注入、エピタキシャル成長等の手段により形成
される。なお、第１図では、抵抗体１．２の電極の図示
を省略して描いた。第１図の（ロ）は、（イ）における
Ａ−Ａ＝部の断面を表わしたものである。

第３図に示したフルブリッジ回路による圧力測定装置の
動作を説明するために、基本構成である第２図を用いて
動作の説明をする。

抵抗体１，２は、ともに半導体ダイアフラムに歪みが加
わった際に、歪抵抗体として動作する位置に配置しであ
るものとする。例えば、第４図のように、歪みのない状
態Ｂから歪みが加わった状態Ｃに変化した時、抵抗体１
．２に応力が加わるような配置になっている。

一般に、歪抵抗体の感度は、ピエゾ係数π（Ｃｌｔｌ’
　／ｄｙｎ　）で表現され、定義は（１）式である。

ここで、ρ：比抵抗（０ｃｍ　） Δρ：比抵抗変化（０ｃｍ　） σ：抵抗体に加わった応力（ｄｙｎ　ｙｃｒｎ’　）こ
れを抵抗体の抵抗ｌｒで表現すると、低抗体の形状変化
の項が加わるが、半導体の場合、πの値が大きいので（
２）式としてよい。

セπ・σ　　　　　　　　　　　　　　（２）ここで、
シ：ボアソン比 ε：歪量 このピエゾ係数πの温度係数を（３）式のように定式化
する。

π−π０　（１＋βＴ　）　　　　　　　　　　（３）
ここで、β＝ピエゾ係数の温度係数（ｄｅｇ　＋　’　
）π。二基率温度Ｔｏでのピエゾ係数 Ｔ：Ｔｏから測定した温度 また、抵抗体の抵抗値自体の温度係数を（４）式のよう
に置く。

ｒ　＝ｒｏ　　（１＋αＴ）　　　　　　　　　　　（
４）ここで、α：抵抗の温度係数（ｄｅａ　−’　）ｒ
ｏ：基準温度Ｔｏ゛での抵抗値 抵抗体１．２に応力が加わって、か°つ温度が変った場
合の抵抗１直の変化は（２）、（３）式から次式のよう
になる。

また、第３図のように第２図に示すベアの抵抗を４つ用
いて、ブリッジ回路を構成し、端子１２゜１３に定電圧
源１４を接続した時、出力端子１５．１６に現れる電圧
ｅＱは（６）式で示される。

Ｅ：定電圧源１４の電圧Ｅ 従って、温度による出力電圧ｅＯの変化、即ち、圧力セ
ンサ（圧力測定装置）としての温度依存性抵抗体１と抵
抗体２の直列接続の場合、抵抗変化は、 πＩ　＝抵抗体１のピエゾ係数 π２　：抵抗体２のピエゾ係数 温度依存性を考慮すると、 π　、ｒ　・・・温度ＴＯでの抵抗体１のピエゾ係ｔｏ
　　　　　　ＩＱ 数及び抵抗脇 π　、ｒ　・・・温度Ｔｏでの抵抗体２のピエゾ係２０
　　　　　２゜ 数及び抵抗値 β１．α、・・・抵抗体１のピエゾ係数の温度係数と抵
抗値の温度係数 β２．α２・・・抵抗体２のピエゾ係数の温度係数と抵
抗値の温度係数 σ１．σ２・・・抵抗体１．２に加わる応力ここでα及
びβの値は、抵抗体がｎ型シリコンの場合は第９図、第
１１図より、ｎ型シリコンの場合は第１０図、第１２図
より求めることができる。

第１１図、１２図において、αは比抵抗が１０−２Ωｃ
ｍの所で極小値をとるから、第１４図のように、成るα
の値に対応する比抵抗は２つ存在する。第１４図で刀、
■に対応する不純物１１度を抵抗体１，２の不純物８１
度として選択しておくと、α　曹　　＝　α　２　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（９）−（Ｔｒｉｏ（’十戸＋　”）　　、
　＋　電Ｔｒ２０（１十β２丁）う）１＋気 ＝　−Ｌ−、ｃ　＜　ｒｃ１０ｃｒｔ　＋ｆｆｌπ２゜
σ２）１千気 ＋（π１ｏσ１　・β１＋ｍπ２ｏσ２　・β２）Ｔ〕
・・・０■ ここで００式の第１項をＡ１第２項をＢとすると、△…
π、０・σｌ＋ｍπ２ｏ・σ２〜○　　　　　　　（１
１）Ｂ−π１０・σ、・β、＋ｍπ２ｏ・σ２　・β２
−０　　　（＋２）となるように抵抗体１．２を構成す
るとすれば、となり、応力により抵抗値は変化するが、
）ｎ度では抵抗値が変化しない抵抗体素子を得ることが
できる。

次に、以上の抵抗体素子を用いて実際の圧力センサを構
成する場合、上述したように、（１４式の８−０、即ち
、圧力感度における湿度依存性をなくすことができる旨
を具体例を持って証明する。

例えば、第５図に示ずようなダイアフラムに抵抗体１，
２を配置したとすると、ダイアフラムの結晶面や抵抗体
の装置方向により、６０式のπ１０　。

π２゜のピエゾ係数は変化する。例えば、第９，１０図
よりθ乃式を満たすためには、β嘗・く０．β２＜Ｑで
あるから、 （π１゜σＩ）・（ｍπ２゜σ２）く○　　　　θ専で
なければならない。これは、以下の手段により実現する
ことができる。

（１）　　抵抗体１．２の配置方向くダイアフラム上で
接線方向と放射線方向）・・・即ち、ピエゾ係数π１０
、π２ｏの極性を正、負とする手段又は （１１）　　応力く引張り応力と圧縮応力）・・・即ち
、応力σ４．σ２の極性を正、負とする手段 例えば、（１）の手段により本発明を実現する場合は、
第１Ｇ図のように（１００）面のダイアプラム上の（１
１０）方向に平行な抵抗体１と（１１０）方向と垂直な
抵抗体２を配置する。このときピエゾ係数の値は、第１
Ｇ図の（Ｃ）、（ｄ）のように、π＃）〉０’　π２０
＜○となり、θ勇武が満たされる。

従って、（１２式の形から、Ｂ−０となる条件が存在゛
する。

また、（１１）の手段の具体例を第１５図を参照して説
明する。第１５図（ｂ）のような構造のダイアフラムを
考えると、応力の分布は、（Ｃ）のようにダイアフラム
上の位置により引張りと圧縮の応力が発生することは良
く知られている。そこで、抵抗体１を引張り応力の部分
に、抵抗体２を圧縮部分に第１５図（ａ）のように配置
ブれば、σＩ　＞Ｏ＋σ２＜Ｑとなる。このようにして
も、０３式を満たすことができるので８−０とすること
ができる。

次に上記（１）による実際の例を説明する。

ダイアフラム面を〔１００〕面に選び、抵抗体方向を（
１１０）方向と、それと直角な方向に選ぶ。以下、第１
７図を参照する。抵抗体１，２のｐ型不純物１１度を Ｎｓ−１，２ｘ１０　　及び１，９Ｘ１０”にすると、
ａ　、、　−ａ　２−１１０００ｐｐ　／ｄｅｇとなる
。

σ１　：ｍσ２−　１．７６５：　１に設計しておくと
、（１２Ｊ式の８は Ｂ　−π１０　σ　１　　β　嘗　　＋　ｍ　π２ｏ　
σ　２　β２−＋π４４σ１βビτπ４σ２β２ −上（−６８Ｘ１５６０Ｘ（７１＋９０Ｘ２０８０Ｘｍ
（７２）−−”蜘互（−６＋　＋　　１．７６５ｘｍｃ
ｒ２）一〇 （ＩＩ）式のＡは Ａ−π、０σＩ＋ｍπ２ｏσ２ ！ ＝１７′ｃ４４σ１−Ｔ７ｃ４４　σ２一、（６８−σ
、−９０−ｍ（７２） −’ｚ’　（６８Ｘ　１．７Ｇ　Ｊ　　９０　）−二ｆ
ｉｘ３ｏ、ｏ２〜○ となる。

従って、温度依存性のないピエゾ抵抗素子を得ることが
できる。

ここで、π、０・σビβｌ＋ｍπ２．・σ２・β２＝０
を実際に達成する手段の一例を述べる。

予め、上式が満足されるように抵抗体の抵抗値、シリコ
ン半導体ダイアフラム上での配置、抵抗体の形成方向と
ダイアフラムの結晶軸との方向の関係、不純物８１度の
組合せ等を定めて製造する。しかし必豐しも、各定数が
目的の精度の通りに形成されるとは限らない。従って、
上式がＪＯ柊的に満たされるように調整する手段が用い
られる。

ここで、抵抗体をシリコン半導体ダイアフラムに形成し
た瞬間に、π　、π　、σ１．σ２゜ＨＯｚ。

β１．β２の値は決定されてしまうものである。

従って、ｍｔｎ手段としては、抵抗比ｍを調整すること
が行なわれる。この抵抗比ｍの調整は種々の方法が考え
られる。例えば、抵抗体を複数個形成し、良いペアを選
択すること、又は、抵抗体をトリミングすることで調整
する等である。

以上の具体的説明は、本発明を実施する場合の一例であ
り、これに限°定するらのではない。例えば、ｎ型シリ
コンでも可能であり、また、結晶面や抵抗体の配置方向
も種々の組合せが可能である。

また、以上では、（９）式においてα盲−α２と仮定し
たが、これが成立しなくても、圧力感度の温度依存性が
ないピエゾ抵抗素子を得ることができる。

ハ、「本発明の効果」 以上述べたように、本発明によれば、次の効果が１ｑら
れる。

■　歪み感度を有するどともに、歪み感度の温度依存性
が小さい半導体圧力センサを実現できる。

■　応力と抵抗値変化の非直線性が改善できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体圧力センサの−（に成例を
示した平面図（イ）と断面図〈口）、第２図は第１図の
圧力センサを電気的接続で示した図、第３図は第２因の
半導体圧力センサをブリッジ回路に組込んだ場合の圧力
測定装置の構成例を示した図、第４図は第１図に示した
圧力センサに圧力が加わって歪みが止じている様子を示
した図、第５図はダイアフラムの薄肉部の上に配置され
た圧力センサを示す図、　第６図は表面濃度とピエゾ係
数との関係を示した図、　第７図はｎ型シリコンの温度
とピエゾ係数の成分π１．との関係を示した図、　第８
図はｎ型シリコンの温度とピエゾ係数の成分π４４との
関係を示した図、　第９図はｎ型シリコン・ピエゾ係数
の成分π１１の温度係数と電子濃度との関係を示す図、
　第１０図はｎ型シリコン・ピエゾ係数の成分π４４の
温度係数とホール濃度との関係を示す図、　第１１図は
ｎ型シリコンの抵抗温度係数と比抵抗との関係を示す図
、　第１２図はｎ型シリコンの抵抗温度係数と比抵抗と
の関係を示す図、　第１３図は第７図又は第８図から求
めたピエゾ係数の成分πＩ＋＋　π４ｄと表面電子濃度
又は表面ホール濃度とのｒｊＡ係を示す図、　第１４図
は第１１図又は第１２図において異なる′ａ度でありな
がら同じ抵抗温度係数を示す２つの電子濃度又はホール
１１１度が存在することを示す図、　第１５図はダイア
フラム上に抵抗体１゜２を配置した時一方に引張り応力
が加わり他方に圧縮応力が加わるような配置の仕方があ
ることを示す図、　第１６図はダイアフラム上に抵抗体
１を半径方向に、抵抗体２をそれと垂直に配置した時ピ
エゾ係数の符号が異なることを示す図であり、（ｃ）、
（ｄ）は結晶軸と抵抗体方位との関係を示す図、　第１
７図は本発明により組合せた抵抗体の設計例を示した図
である。 １．２・・・抵抗体、３・・・シリコン単結晶、５・・
・ダイアフラム、１４・・・定電圧源。 第１図　　　　第２図 第５図 第り図 港船面渫Ｌ（ｃｍン３ 第７図 ？ＩＬ庚″Ｃ 第６図 ヲＬＬ’Ｃ 第１１図 尤：＃ｆＬ　（ｎ−ｃｘり、ン 第７２図 応１１几（ｎ　−ｃ７ＩＬ） 第１４図 第１５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン半導体ダイアフラムと、 このシリコン半導体ダイアフラムに導電型が同一の半導
   体であつて不純物濃度が異なる第１、第２の２つの抵抗
   体とで構成された合成抵抗体を設け、 ２つの抵抗体の抵抗値、２つの抵抗体のシ リコン半導体ダイアフラム上での配置、２つの抵抗体の
   形成方向とダイアフラムの結晶軸との方向の関係、２つ
   の抵抗体の不純物濃度の組合せの少なくともいずれか一
   つを用いて、下記（イ）式を満たすように構成した半導
   体圧力センサ。 π＿１＿０σ＿１β＿１＋ｍπ＿２＿０σ＿２β＿２＝
   ０・・・（イ）式π＿１＿０、π＿２＿０：温度Ｔ＿０
   における第１、第２の抵抗体のピエゾ係数 σ＿１、σ＿２：第１、第２の抵抗体に加わる応力β＿
   １、β＿２：第１、第２の抵抗体のピエゾ係数の温度係
   数 ｍ：温度Ｔ＿０における第１、第２の抵抗 体の抵抗値の比
2. （２）シリコン半導体ダイアフラムに、導電型が同一の
   半導体であつて不純物濃度が異なる２つの抵抗体とで構
   成された合成抵抗体を形成し、この２つの抵抗体におけ
   る圧力感度の温度変化分が互いに打消し合うように構成
   した半導体圧力センサを４つ用いてブリッジ回路を構成
   し、このブリッジ回路の入力端子間に定電圧源から電圧
   を加えて、ブリッジ回路の出力端子間から圧力の変化に
   比例した電圧を得るようにした圧力測定装置。