本發(fā)明涉及測(cè)量施加于測(cè)量對(duì)象物的應(yīng)力或應(yīng)變等力學(xué)量的技術(shù)，具體地涉及具有由形成在半導(dǎo)體基板表面的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體構(gòu)成的應(yīng)變檢測(cè)區(qū)域的力學(xué)量測(cè)量裝置及使用其的壓力傳感器。

背景技術(shù)：

作為測(cè)量對(duì)象物的變形(應(yīng)變)的裝置，在薄絕緣體上配設(shè)有金屬電阻體(金屬箔)的金屬箔應(yīng)變計(jì)在以往被眾所周知。金屬箔應(yīng)變計(jì)測(cè)量跟隨測(cè)量對(duì)象物變形的金屬箔變形所產(chǎn)生的電阻值變化并換算成應(yīng)變量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià)而高精度，因此被廣泛使用。另一方面，金屬箔應(yīng)變計(jì)在其結(jié)構(gòu)上具有被測(cè)量物的溫度變化時(shí)容易產(chǎn)生測(cè)量誤差的點(diǎn)、為了不斷電驅(qū)動(dòng)所需的消耗電力大的點(diǎn)、和需要一定程度的設(shè)置面積的點(diǎn)等弱點(diǎn)。

作為克服金屬箔應(yīng)變計(jì)的這些弱點(diǎn)的裝置，開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器，其具有由形成在半導(dǎo)體基板表面的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體構(gòu)成的應(yīng)變檢測(cè)區(qū)域(橋電路)。半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器中，由于雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體對(duì)應(yīng)變的電阻變化率相比以往的金屬箔應(yīng)變計(jì)的金屬電阻體要大數(shù)十倍，即使微小的應(yīng)變也能夠檢測(cè)(即，具有對(duì)應(yīng)變的靈敏度高的優(yōu)點(diǎn))。此外，通過(guò)在雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體的形成時(shí)采用光刻等所謂半導(dǎo)體工藝，使雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體的精細(xì)圖案化變得可能，能夠使半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器整體小型化(小面積化)，并且能夠省電化。進(jìn)一步地，通過(guò)雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體的精細(xì)圖案化，能夠在同一基板上形成構(gòu)成惠斯通電橋電路的所有電阻體，因此相對(duì)于被測(cè)量物的溫度變化的電阻變化相互抵消，具有減小測(cè)量誤差(提高測(cè)量精度)的優(yōu)點(diǎn)。

例如，在日本特開(kāi)2007-263781號(hào)公報(bào)(專(zhuān)利文獻(xiàn))中記載了如下力學(xué)量測(cè)量裝置，其在半導(dǎo)體基板表面具有應(yīng)變檢測(cè)部，安裝在被測(cè)量物上來(lái)測(cè)量應(yīng)變。該力學(xué)量測(cè)量裝置中，在半導(dǎo)體單晶基板上至少形成有兩組以上的橋電路。兩組的橋電路中的一組橋電路由電流流過(guò)、測(cè)量電阻值的變動(dòng)的方向(長(zhǎng)度方向)與半導(dǎo)體單晶基板的<100>方向平行的n型擴(kuò)散電阻構(gòu)成。另一組橋電路將長(zhǎng)度方向與<110>方向平行的p型擴(kuò)散電阻組合而構(gòu)成。根據(jù)專(zhuān)利文獻(xiàn)1，認(rèn)為能夠以良好精度測(cè)量被測(cè)量物產(chǎn)生的特定方向的應(yīng)變分量(參考摘要)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2007-263781號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能化和排氣清潔化為目的，用于使燃料更有效率燃燒的各種技術(shù)得到了研究和采用。然而，近年來(lái)節(jié)能化和排氣清潔化的要求越來(lái)越強(qiáng)。以節(jié)能化為目的的燃燒技術(shù)的代表為實(shí)現(xiàn)比理論空燃比更稀薄的條件下的燃燒的技術(shù)。此外，以排氣清潔化為目的的燃燒技術(shù)的代表為實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)的穩(wěn)定、可靠的燃燒的技術(shù)。

為了有效地實(shí)現(xiàn)這些燃燒技術(shù)，不可缺少燃料噴射的精密控制。而為了實(shí)現(xiàn)燃料噴射的精密控制，與噴射壓力控制相關(guān)的壓力傳感器是關(guān)鍵部件的其中之一。

例如，在柴油發(fā)電機(jī)用的共軌系統(tǒng)中，用于促進(jìn)節(jié)能化和排氣清潔化的燃料壓力的進(jìn)一步高壓化(例如2500～3000大氣壓)正在推進(jìn)。這樣，對(duì)結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)烈要求更高的耐壓性和耐久性(長(zhǎng)期可靠性)。此外，在結(jié)構(gòu)部件中壓力傳感器也是構(gòu)成精密控制的基礎(chǔ)的部件，在耐壓性和耐久性的基礎(chǔ)上，強(qiáng)烈要求更進(jìn)一步的高精度。

專(zhuān)利文獻(xiàn)1中記載的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器具有如上所述的優(yōu)良作用效果。然而，為了達(dá)到對(duì)壓力傳感器的最新的要求水平(尤其是高精度和長(zhǎng)期可靠性)，已知在半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器(力學(xué)量測(cè)量裝置)中需要進(jìn)一步的改良(細(xì)節(jié)后述)。

本發(fā)明的目的為提供具有以往之上的高精度和長(zhǎng)期可靠性的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器(力學(xué)量測(cè)量裝置)。并且，通過(guò)使用該力學(xué)量測(cè)量裝置，提供具有以往之上的高精度和長(zhǎng)期可靠性的壓力傳感器。

用于解決課題的技術(shù)方案

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的力學(xué)量測(cè)量裝置為一種具有由形成在半導(dǎo)體基板的主表面上的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體構(gòu)成的應(yīng)變檢測(cè)區(qū)域的力學(xué)量檢測(cè)裝置，上述應(yīng)變檢測(cè)區(qū)域具有多個(gè)惠斯通電橋，利用上述多個(gè)惠斯通電橋中的一個(gè)惠斯通電橋來(lái)檢測(cè)半導(dǎo)體基板上正交的x軸方向與y軸方向上產(chǎn)生的應(yīng)變量的差分，利用上述多個(gè)惠斯通電橋的其它惠斯通電橋獨(dú)立地檢測(cè)出x軸方向的應(yīng)變量和y軸方向的應(yīng)變量，測(cè)量x軸方向、y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量的差分以及x軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值和y軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值。

此外，本發(fā)明的壓力傳感器為一種在金屬制膜片上接合有半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的壓力傳感器，上述半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器由上述力學(xué)量測(cè)量裝置所構(gòu)成。

發(fā)明效果

通過(guò)本發(fā)明，能夠提供具有以往之上的高精度和長(zhǎng)期可靠性的力學(xué)量測(cè)量裝置。并且，通過(guò)使用該力學(xué)量測(cè)量裝置，提供具有以往之上的高精度和長(zhǎng)期可靠性的壓力傳感器。

附圖說(shuō)明

圖1是表示實(shí)驗(yàn)中使用的以往的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的概要的平面示意圖。

圖2是表示實(shí)驗(yàn)中所用的模擬壓力傳感器的概要的平面示意圖和a-b線的截面示意圖。

圖3A是表示安裝正常進(jìn)行的模擬壓力傳感器的變形的情況的截面示意圖。

圖3B是表示安裝時(shí)由于硅芯片的一部分超過(guò)允許的應(yīng)變量而使部分(主要是芯片端部)破損后的模擬壓力傳感器的變形的情況的截面示意圖。

圖3C是表示安裝正常進(jìn)行的模擬壓力傳感器和部分破損后的模擬壓力傳感器中的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系的曲線圖。

圖4是表示第一實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的概要的平面示意圖。

圖5是表示第二實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的概要的平面示意圖。

圖6是表示第三實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的概要的平面示意圖。表示連接方式與惠斯通電橋A等價(jià)的狀態(tài)。

圖7是表示第三實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的概要的平面示意圖。表示連接方式與惠斯通電橋B等價(jià)的狀態(tài)。

圖8是表示第三實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的概要的平面示意圖。表示連接方式與惠斯通電橋C等價(jià)的狀態(tài)。

圖9是表示第三實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的概要的平面示意圖。表示連接方式不受X軸方向和Y軸方向的應(yīng)變量的影響、惠斯通電橋的輸出電壓為0的狀態(tài)。

圖10是表示本發(fā)明的壓力傳感器的一個(gè)例子的截面示意圖。

圖11是表示使用本發(fā)明的力學(xué)量測(cè)量裝置的壓力傳感器的內(nèi)部動(dòng)作流程的一個(gè)例子的流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的以下實(shí)施例中，對(duì)提高壓力傳感器的膜片(diaphragm)和硅芯片的安裝界面的可靠性的實(shí)施方式的例子進(jìn)行說(shuō)明。

在各種工業(yè)部件中汽車(chē)部件是對(duì)適用溫度范圍、耐候性、精度、長(zhǎng)期可靠性等相關(guān)的要求尤其嚴(yán)格的領(lǐng)域。本發(fā)明人等對(duì)使用半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的壓力傳感器進(jìn)行了可滿足最新的各種要求的研究后得知：即使半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器內(nèi)配置的4個(gè)P型擴(kuò)散電阻惠斯通電橋的值在正常范圍內(nèi)，還會(huì)產(chǎn)生硅芯片與膜片的接合界面上的破損，該現(xiàn)象是關(guān)系到精度及長(zhǎng)期可靠性的問(wèn)題，是應(yīng)解決的研究問(wèn)題。因此，本發(fā)明人等通過(guò)與使用4個(gè)P型擴(kuò)散電阻的惠斯通電橋不同的方法來(lái)嘗試造成該接合界面或硅芯片的破損原因的應(yīng)變量的檢測(cè)。

圖1是表示以往的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器中安裝的使用4個(gè)P型擴(kuò)散電阻的惠斯通電橋的概要的平面示意圖。利用圖1簡(jiǎn)單地說(shuō)明以往的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10的結(jié)構(gòu)和功能。半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10在單晶硅基板1的表面上形成多個(gè)P型擴(kuò)散電阻體2，多個(gè)P型擴(kuò)散電阻體2作為4個(gè)橋電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2彼此連接，構(gòu)成惠斯通電橋3?；菟雇姌?與電源端子4及接地端子5相連接，構(gòu)成使得4個(gè)橋電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2中流動(dòng)的電流方向?yàn)閱尉Ч杌?的<110>方向及與其垂直的方向。此外，硅為立方晶。

對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10施加單晶硅基板1的<110>方向和/或與其垂直的方向的應(yīng)變時(shí)，雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體2(即4個(gè)橋電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2)的電阻值變化，在橋電壓的輸出中產(chǎn)生電位差。該電位差被形成在單晶硅基板1內(nèi)的放大電路6放大，作為電信號(hào)從輸出端子7取出。這樣，半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10能夠輸出與施加到形成惠斯通電橋3的區(qū)域(應(yīng)變檢測(cè)區(qū)域)的應(yīng)變量相應(yīng)的電信號(hào)。此時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10的輸出電壓OUT可表示為：

VOUT＝GAIN·VDD((a－b)εx－(a－b)εy)/2…(1)

GAIN：放大電路的增益

a：與電流平行的方向的應(yīng)變系數(shù)、b：與電流垂直的方向的應(yīng)變系數(shù)

VDD：電源電壓、εx：X方向應(yīng)變、εy：Y方向應(yīng)變

此時(shí)，如果構(gòu)成橋的電阻使用P型擴(kuò)散電阻，平行于電流的方向的應(yīng)變系數(shù)與垂直于電流的方向的應(yīng)變系數(shù)相等，上述(1)式的a和b可由(2)式表示。

a≈﹣b…(2)

因此，(1)式變成(3)式。

VOUT＝GAIN·VDD·a·(εx－εy)…(3)

即可知使用P型擴(kuò)散電阻的以往的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的輸出電壓與半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器中產(chǎn)生的X方向應(yīng)變和Y方向應(yīng)變的差成比例。因此可知，在被測(cè)量物因熱導(dǎo)致的膨脹或收縮而使X方向與Y方向各向同性地發(fā)生變化的情況下，使用P型擴(kuò)散電阻的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器抵消其影響，顯示出良好的溫度依賴性。

圖2是表示實(shí)驗(yàn)中所用的模擬壓力傳感器的概要的平面示意圖和平面示意圖所示的a-b線的截面示意圖。如圖2所示，模擬壓力傳感器20中，半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10經(jīng)由焊接接合層22接合在模擬膜片的金屬板21的大致中央位置上。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用壓力傳感器由于配設(shè)在高溫(例如120～130℃左右)的環(huán)境下，因此膜片與半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的接合通常不是基于有機(jī)類(lèi)粘合劑的接合，而是通過(guò)焊接來(lái)進(jìn)行。金屬板21上設(shè)有端子臺(tái)23，連接了半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10的電源端子4、接地端子5和輸出端子7。

接著，利用圖3A、圖3B和圖3C針對(duì)實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。圖3A是表示安裝正常進(jìn)行的模擬壓力傳感器20的變形的情況的截面示意圖。圖3B是表示安裝時(shí)由于硅芯片的一部分超過(guò)允許的應(yīng)變量而使部分(主要是芯片端部)破損后的模擬壓力傳感器20’的變形的情況的截面示意圖。圖3C是表示半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10、10’的輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系的曲線圖。實(shí)驗(yàn)在“時(shí)間t＝0”時(shí)是未對(duì)金屬板施加應(yīng)力的初始狀態(tài)，令此時(shí)的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10的輸出電壓為V₀、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10’的輸出電壓為V₀’。

之后，經(jīng)“時(shí)間t＝t1”，在模擬壓力傳感器20、20’的金屬板21、21’上施加彎曲應(yīng)力時(shí)，金屬板21、21’發(fā)生應(yīng)變。金屬板21、21’的應(yīng)變經(jīng)焊接接合層傳遞到半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10、10’，半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10的輸出電壓從V₀開(kāi)始經(jīng)過(guò)渡狀態(tài)達(dá)到輸出電壓V₊，半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器10’的輸出電壓從V₀’開(kāi)始經(jīng)過(guò)渡狀態(tài)達(dá)到輸出電壓V₊’。

可知此時(shí)雖然為硅芯片部分破損的模擬壓力傳感器20’與正常的模擬壓力傳感器20相比其初始偏置稍大、施加應(yīng)力時(shí)的電壓變化稍小的結(jié)果，但僅觀察模擬壓力傳感器20’的值無(wú)法覺(jué)察硅芯片的破損。這意味著，由于使用P型擴(kuò)散電阻的惠斯通電橋的輸出是檢測(cè)X方向與Y方向的差，即使其絕對(duì)值如模擬壓力傳感器20’那樣大到破壞硅芯片的一部分，在X方向和Y方向的應(yīng)變量一起變大的情況下，僅靠惠斯通電橋的輸出無(wú)法捕捉該現(xiàn)象。

從該研究的結(jié)果可知，在配置有檢測(cè)X方向與Y方向的應(yīng)變量的差的、溫度依賴性良好的、使用P型擴(kuò)散電阻的惠斯通電橋的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的同一硅基板上，需要通過(guò)同時(shí)測(cè)量X方向、Y方向的絕對(duì)值是否未超過(guò)硅芯片或其安裝界面允許的應(yīng)變量，對(duì)硅芯片或安裝界面的可靠性提高到滿足車(chē)載質(zhì)量的水平。本發(fā)明根據(jù)該研究的結(jié)果而完成。

本發(fā)明可在上述的本發(fā)明的力學(xué)量測(cè)量裝置中增加如下所述的改良或變更。

(i)半導(dǎo)體基板的主表面為單晶硅的{100}面。

(ii)半導(dǎo)體基板中，x軸方向和y軸方向與硅基板的<100>方向一致。檢測(cè)x軸方向和y軸方向的應(yīng)變量的差的惠斯通電橋由配置成使電流在<110>方向上流動(dòng)且長(zhǎng)度方向形成在y軸方向、電流的流動(dòng)方向與y軸平行的兩個(gè)P型擴(kuò)散電阻、和配置成使電流在<110>方向上流動(dòng)且長(zhǎng)度方向形成在x軸方向、電流的流動(dòng)方向與x軸平行的兩個(gè)P型擴(kuò)散電阻所構(gòu)成。

(iii)測(cè)量x軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值與y軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值的惠斯通電橋由兩個(gè)惠斯通電橋構(gòu)成。其中一個(gè)由配置成使電流在<110>方向上流動(dòng)且長(zhǎng)度方向形成在y軸方向、電流的流動(dòng)方向與y軸平行的兩個(gè)多晶硅電阻、和配置成使電流在<100>方向上流動(dòng)且長(zhǎng)度方向形成在從x軸方向和y軸方向各自傾斜45度的方向、電流的流動(dòng)方向與從x軸方向和y軸方向各自傾斜45度的方向平行的兩個(gè)P型擴(kuò)散電阻所構(gòu)成。另一個(gè)惠斯通電橋由配置成使電流在<110>方向上流動(dòng)且長(zhǎng)度方向形成在x軸方向、電流的流動(dòng)方向與x軸平行的兩個(gè)多晶硅電阻、和配置成使電流在<100>方向上流動(dòng)且長(zhǎng)度方向形成在從x軸方向和y軸方向各自傾斜45度的方向、電流的流動(dòng)方向與從x軸方向和y軸方向分別傾斜45度的方向平行的兩個(gè)P型擴(kuò)散電阻所構(gòu)成。

(iv)構(gòu)成惠斯通電橋的電阻體隔開(kāi)電阻體的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度以下的間隔相鄰的方式排列。

(v)還在形成有惠斯通電橋的半導(dǎo)體基板上設(shè)置有基于多個(gè)惠斯通電橋各自的輸出來(lái)進(jìn)行應(yīng)變量的修正計(jì)算的修正運(yùn)算電路。

此外，如上所述，本發(fā)明的壓力傳感器為一種在金屬制的膜片上接合有半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器的壓力傳感器，其中上述半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器由上述本發(fā)明的力學(xué)量測(cè)量裝置構(gòu)成。

本發(fā)明在上述本發(fā)明的壓力傳感器中可增加以下所述的改良或變更。

(vi)半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器向金屬制膜片的接合為焊接接合。

(vii)上述壓力傳感器用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用的壓力傳感器。

以下，針對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式參考附圖進(jìn)行說(shuō)明。但本發(fā)明并不限定于這里所列舉的實(shí)施方式，可在不脫離該發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)適當(dāng)組合或改良。此外，對(duì)相同部件、部位附以相同記號(hào)，并省略重復(fù)說(shuō)明。

實(shí)施例1

在此，針對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的技術(shù)思想?yún)⒖紙D4～7進(jìn)行說(shuō)明。圖4是表示第一實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的概要的平面示意圖。

如圖4所示，第一實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置30(半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器)中，在半導(dǎo)體基板(例如單晶硅基板1)的表面上具有彼此相鄰地配設(shè)的三個(gè)惠斯通電橋A、B、C?；菟雇姌駻由4個(gè)電阻體R_v1、R_v2、R_h1、R_h2構(gòu)成。同樣地，相鄰的惠斯通電橋B由4個(gè)電阻體R_v3、R_v4、R_h3、R_h4構(gòu)成，相鄰的惠斯通電橋C由4個(gè)電阻體R_v5、R_v6、R_h5、R_h6構(gòu)成。惠斯通電橋A、B、C優(yōu)選形成為相對(duì)于單晶硅基板1的大小足夠地小。在本實(shí)施方式中，作為一個(gè)例子，使單晶硅基板1的大小為4mm的方形，惠斯通電橋A、B、C的大小分別為0.2mm的方形。

惠斯通電橋A為了輸出X軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變的差與Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變的差，由電阻值與半導(dǎo)體基板1的X軸方向上發(fā)生的應(yīng)變相應(yīng)地發(fā)生變化的電阻R_h1、R_h2和電阻值與Y軸方向上發(fā)生的應(yīng)變相應(yīng)地發(fā)生變化的電阻R_v1、R_v2構(gòu)成。這些電阻體R_v1、R_v2、R_h1、R_h2由P型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體構(gòu)成。更具體地，電阻R_v1、R_v2是配置成長(zhǎng)度方向?yàn)閅軸方向、電流的流動(dòng)方向與Y軸平行的P型擴(kuò)散電阻。此外，電阻R_h1、R_h2是配置成長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸方向、電流的流動(dòng)方向與X軸平行的P型擴(kuò)散電阻。并且，構(gòu)成惠斯通電橋A的電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2配置在半導(dǎo)體基板1的大致中心(中央)。

惠斯通電橋B、C用于通過(guò)計(jì)算其輸出電壓來(lái)檢測(cè)X軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變的絕對(duì)值和Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變的絕對(duì)值而構(gòu)成。在此，構(gòu)成惠斯通電橋B的4個(gè)電阻R_v3、R_v4、R_h3、R_h4中，電阻R_v3、R_v4為P型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體，其長(zhǎng)度方向?yàn)閺腦軸和Y軸方向傾斜45度的<100>方向。另一方面，電阻R_h3、R_h4為多晶硅電阻，其長(zhǎng)度方向?yàn)榕cX軸平行的方向。并且，構(gòu)成惠斯通電橋B的電阻體R_v3、R_v4、R_h3、R_h4與構(gòu)成惠斯通電橋A的電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2相鄰地配置。

構(gòu)成惠斯通電橋C的4個(gè)電阻R_v5、R_v6、R_h5、R_h6中，電阻R_h5、R_h6為P型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體，其長(zhǎng)度方向?yàn)閺腦軸和Y軸方向傾斜45度的<100>方向。另一方面，電阻R_v5、R_v6為多晶硅電阻，其長(zhǎng)度方向?yàn)榕cY軸平行的方向。并且，構(gòu)成惠斯通電橋C的電阻體R_v5、R_v6、R_h5、R_h6與構(gòu)成惠斯通電橋A的電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2相鄰地配置。

如上所述，惠斯通電橋A、B、C彼此相鄰配置，并且各電阻體具有所有4個(gè)橋電阻的部件。因此，在考慮到半導(dǎo)體基板的熱阻的情況下，各惠斯通電橋A、B、C都具有在自身的應(yīng)變檢測(cè)區(qū)域內(nèi)(更嚴(yán)密地說(shuō)，在形成有構(gòu)成該惠斯通電橋的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體的區(qū)域內(nèi))溫度分布大致一定的特征。

各惠斯通電橋A、B、C中，電源端子4與接地端子5連接。從惠斯通電橋A得到的信號(hào)(橋電壓的電位差)由形成在單晶硅基板1內(nèi)的放大電路6放大。從惠斯通電橋B、C得到的信號(hào)由形成在單晶硅基板1內(nèi)的放大電路8、9放大。被放大電路6、8、9放大后的信號(hào)輸入到形成在單晶硅基板1內(nèi)的修正運(yùn)算電路11。修正運(yùn)算電路11中，執(zhí)行根據(jù)惠斯通電橋A中檢測(cè)出的電壓來(lái)計(jì)算X軸方向的應(yīng)變量與Y軸方向的應(yīng)變量的差的修正運(yùn)算。此外，在修正運(yùn)算電路11中，進(jìn)行根據(jù)惠斯通電橋B、C中檢測(cè)出的電壓來(lái)計(jì)算X軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值和Y軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值的修正運(yùn)算。在X軸方向的應(yīng)變量和Y軸方向的應(yīng)變量在允許值以下的情況下，與X軸方向應(yīng)變量和Y軸方向應(yīng)變量的差相應(yīng)的信號(hào)從輸出端子7輸出。在X軸方向的應(yīng)變量和Y軸方向的應(yīng)變量中至少一方為超過(guò)允許值的應(yīng)變量的情況下，從輸出端子7輸出通知異常的電壓。(針對(duì)修正運(yùn)算的細(xì)節(jié)后述)。由此，在接合力學(xué)量測(cè)量裝置30(半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器)的焊接接合層或硅基板上發(fā)生超過(guò)允許應(yīng)變量的應(yīng)變的情況下，能夠?qū)⒃摖顟B(tài)以異常電壓的方式向外部通知。

接著，針對(duì)修正運(yùn)算進(jìn)行說(shuō)明?；菟雇姌駻由使電流在<110>方向上流動(dòng)的4個(gè)P型擴(kuò)散電阻構(gòu)成。因此，電阻值根據(jù)X軸方向和Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。如利用上述圖1所說(shuō)明的，此時(shí)的輸出電壓由(3)式表示。

即，其表示檢測(cè)到與施加到X軸方向的應(yīng)變量εx和施加到Y(jié)軸方向的應(yīng)變量εy的差成比例的輸出。

與以上相對(duì)，在惠斯通電橋B中，雖然電阻R_v3、R_v4為P型擴(kuò)散電阻，其長(zhǎng)度方向朝<100>方向配置。P型擴(kuò)散電阻在電流沿<100>方向流動(dòng)的情況下，對(duì)X軸方向和Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變表現(xiàn)出極低的靈敏度。因此，即使X軸方向和Y軸方向上產(chǎn)生應(yīng)變，電阻值R_v3、R_v4也不發(fā)生變化。與此相對(duì)，構(gòu)成惠斯通電橋B的電阻R_h3、R_h4為使電流在<110>方向上流動(dòng)、電流的流動(dòng)方向與X軸方向平行的多晶硅電阻。同樣地，在惠斯通電橋C中，雖然電阻R_h5、R_h6為P型擴(kuò)散電阻，其長(zhǎng)度方向朝<100>方向配置。另一方面，電阻R_v5、R_v6為多晶硅電阻，電流的流動(dòng)方向與Y軸方向平行。

此時(shí)，多晶硅電阻在電流的流動(dòng)方向的應(yīng)變靈敏度和與電流垂直方向產(chǎn)生的應(yīng)變靈敏度不同。即，在惠斯通電橋B、C中，通過(guò)改變流過(guò)多晶硅電阻的電流方向，能夠檢測(cè)出在X軸方向、Y軸方向上分離的應(yīng)變。對(duì)于此時(shí)的X軸方向應(yīng)變和Y軸方向應(yīng)變，若令惠斯通電橋B的輸出電壓為VOUTB、惠斯通電橋C的輸出電壓為VOUTC和與多晶硅電阻的電流流動(dòng)方向平行的應(yīng)變系數(shù)為A、垂直的應(yīng)變系數(shù)為B，則可導(dǎo)出(4)式和(5)式。

ε_x＝(1/(A²－B²))(A·(VOUTB/VDD)－B·(VOUTC/VDD))…(4)

ε_y＝(1/(A²－B²))(A·(VOUTB/VDD)－B·(VOUTC/VDD))…(5)

此時(shí)，與上述P型擴(kuò)散電阻的應(yīng)變系數(shù)a相比，多晶硅電阻的應(yīng)變系數(shù)A、B溫度依賴性高，對(duì)式(4)、(5)進(jìn)行減法運(yùn)算求出的應(yīng)變量εx和εy與實(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)變相比，包含最大30％左右的誤差。因此，作為力學(xué)量測(cè)量裝置，為了獲得和X軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量與Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量的差相應(yīng)的輸出，僅使用P型擴(kuò)散電阻的(3)式的方式是最佳的。其成為需要在同一基板上配置3個(gè)惠斯通電橋并求出X軸方向的應(yīng)變量與Y軸方向的應(yīng)變量的差、X軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值和Y軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值的根據(jù)。

通過(guò)上述力學(xué)量測(cè)量裝置中配置的3個(gè)惠斯通電橋，能夠以良好的溫度依賴性檢測(cè)出X軸方向的應(yīng)變量與Y軸方向的應(yīng)變量的差并且分別估算X軸方向和Y軸方向各自產(chǎn)生的應(yīng)變。

接著，對(duì)通過(guò)本發(fā)明次要地產(chǎn)生的力學(xué)量測(cè)量裝置的效果進(jìn)行說(shuō)明。由上，在圖4的修正電路11中，將圖3所示的硅或安裝界面允許的應(yīng)變量與式(4)、(5)獲得的應(yīng)變量的估算值進(jìn)行比較，在式(4)、(5)的值為超過(guò)允許應(yīng)變的值的情況下，通過(guò)令輸出端子7為將發(fā)生超過(guò)允許應(yīng)變的應(yīng)變的狀況予以通知的電壓，例如為GND電位，從而能夠作為力學(xué)量測(cè)量裝置安全地停止。將發(fā)生超過(guò)允許應(yīng)變的應(yīng)變的狀況予以通知的電壓設(shè)定為力學(xué)量測(cè)量裝置正常工作的情況下從輸出端子7輸出的輸出電壓的工作電壓范圍外的值。

在本實(shí)施例中，利用12個(gè)電阻體構(gòu)成3個(gè)惠斯通電橋。第一惠斯通電橋A由第一Y軸方向電阻R_v1、第二Y軸方向電阻R_v2、第一X軸方向電阻R_h1、和第二X軸方向電阻R_h2所構(gòu)成。第二惠斯通電橋B由第一多晶硅電阻R_h3、第二多晶硅電阻R_h4、第一傾斜(<100>方向)電阻R_v3、和第二傾斜(<100>方向)電阻R_v4所構(gòu)成。第三惠斯通電橋C由第三多晶硅電阻R_v5、第四多晶硅電阻R_v6、第三傾斜(<100>方向)電阻R_h5、和第四傾斜(<100>方向)電阻R_h6所構(gòu)成。

并且，惠斯通電橋A、B、C、電源端子4、接地端子5、輸出端子7、放大電路6、8、9和修正電路11形成在半導(dǎo)體基板1的主表面上。

實(shí)施例2

在此，針對(duì)上述第一實(shí)施方式之外的例子參考圖5進(jìn)行說(shuō)明。圖5表示第二實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的整體圖。為將第一實(shí)施方式所示的惠斯通電橋A、B、C的電阻體配置在芯片中心附近、各自的電阻體相鄰地配置的例子。此外，在圖5的平面示意圖中，為了使圖簡(jiǎn)化而省略了配線的細(xì)節(jié)(例如，雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體彼此之間的配線)。

如圖5所示，構(gòu)成本實(shí)施方式中的惠斯通電橋A的電阻體R_v1、R_v2、R_h1、R_h2分別配置在芯片中心部，構(gòu)成惠斯通電橋B、C的電阻體分別相鄰A的電阻體R_v1、R_v2、R_h1、R_h2而配置。由此(在構(gòu)成該惠斯通電橋的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體所形成的區(qū)域中)，檢測(cè)面內(nèi)的各向同性度高，具有不易受半導(dǎo)體基板的制造偏差或溫度分布的影響。

實(shí)施例3

在此，針對(duì)上述第一、第二實(shí)施方式之外的例子參考圖6、7、8、9進(jìn)行說(shuō)明。圖6是表示第三實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)量裝置的惠斯通電橋部分的連接方式的圖。在此，圖中的12、13、14、15為從連接在后端的3條配線中選擇1條的開(kāi)關(guān)電路。構(gòu)成上述惠斯通電橋A、B、C的電阻R_v1、R_v3、R_v5連接到開(kāi)關(guān)電路12，電阻R_h2、R_h4、R_h6連接到開(kāi)關(guān)電路13、電阻R_v2、R_v4、R_v6連接到開(kāi)關(guān)電路14，電阻R_h1、R_h3、R_h5連接到開(kāi)關(guān)電路15?；菟雇姌駻、B、C的輸出端子101a、101b連接到放大電路16。放大電路16的輸出16a連接到修正電路17，修正電路17的輸出信號(hào)17a從輸出端子7輸出。

在本實(shí)施方式中，為了構(gòu)成第一實(shí)施方式中說(shuō)明3個(gè)惠斯通電橋A、B、C，設(shè)有一個(gè)惠斯通電橋電路配線50?；菟雇姌螂娐放渚€50的第一配線部(第一條邊)51上經(jīng)由第一開(kāi)關(guān)電路12并排(并聯(lián))設(shè)置有第一Y軸方向電阻R_v1、第三多晶硅電阻R_v5和第一傾斜(<100>方向)電阻R_v3。通過(guò)第一開(kāi)關(guān)電路12從這些電阻R_v1、R_v5、R_v3中選擇任一個(gè)電阻，電連接到第一配線部51。第二配線部(第二條邊)52上經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)電路13并排(并聯(lián))設(shè)置有第二X軸方向電阻R_h2、第二多晶硅電阻R_h4和第四傾斜(<100>方向)電阻R_h6。通過(guò)第二開(kāi)關(guān)電路13從這些電阻R_h2、R_h4、R_h6中選擇任一個(gè)電阻，電連接到第二配線部52。第三配線部(第三條邊)53上經(jīng)由第三開(kāi)關(guān)電路14并排(并聯(lián))設(shè)置有第二Y軸方向電阻R_v2、第四多晶硅電阻R_v6和第二傾斜(<100>方向)電阻R_v4。通過(guò)第三開(kāi)關(guān)電路14從這些電阻R_v2、R_v6、R_v4中選擇任一個(gè)電阻，電連接到第三配線部53。第四配線部(第四條邊)54上經(jīng)由第四開(kāi)關(guān)電路15并排(并聯(lián))設(shè)置有第一X軸方向電阻R_h1、第一多晶硅電阻R_h3和第三傾斜(<100>方向)電阻R_h5。通過(guò)第四開(kāi)關(guān)電路15從這些電阻R_h1、R_h3、R_h5中選擇任一個(gè)電阻，電連接到第四配線部54。

圖6中，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路12、13、14、15分別選擇電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2的狀態(tài)，該狀態(tài)表示與上述實(shí)施例1的惠斯通電橋A等同的電阻連接方式。

圖7中，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路12、13、14、15分別選擇電阻R_v3、R_v4、R_h3、R_h4的狀態(tài)，該狀態(tài)表示與上述實(shí)施例1的惠斯通電橋B等同的電阻連接方式。

圖8中，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路12、13、14、15分別選擇電阻R_v5、R_v6、R_h5、R_h6的狀態(tài)，該狀態(tài)表示與上述實(shí)施例1的惠斯通電橋C等同的電阻連接方式。

此外，放大電路16具有放大惠斯通電橋的輸出電壓的功能，修正電路17中進(jìn)行開(kāi)關(guān)電路12、13、14、15的控制的同時(shí)導(dǎo)出X軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量與Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量的差、X軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值、和Y軸方向的應(yīng)變量的絕對(duì)值，并控制輸出端子7產(chǎn)生的電壓。由此實(shí)現(xiàn)具有與實(shí)施例1、2等同性能的力學(xué)量測(cè)量裝置。

在本實(shí)施方式中，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)電路12、13、14、15能夠?qū)崿F(xiàn)各惠斯通電橋A、B、C的連接，能夠利用放大電路16使實(shí)施例1中在各惠斯通電橋后端的放大電路6、8、9共用化。由此具有降低放大電路6、8、9的特性不均的影響的效果。

此外，作為本實(shí)施方式的次要效果，若如圖9所示地控制開(kāi)關(guān)電路12、13、14、15，連接以使長(zhǎng)度方向?yàn)?lt;100>方向的方式配置的電阻R_v3、R_v4、R_h5、R_h6，則不受X軸方向、Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量的影響，惠斯通電橋電路的輸出電壓始終為0。這在X軸方向和Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量并非已知的狀態(tài)下，進(jìn)入上述連接狀態(tài)，通過(guò)確認(rèn)惠斯通電橋的輸出電壓大致為0，能夠進(jìn)行包含開(kāi)關(guān)電路在內(nèi)的惠斯通電橋的連接的確認(rèn)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性更高的力學(xué)量測(cè)量裝置。

此外，在本實(shí)施例中，惠斯通電橋A、B、C、電源端子4、接地端子5、輸出端子7、放大電路16和修正電路17形成在半導(dǎo)體基板1的主表面上。

此外，惠斯通電橋A也可作為單獨(dú)的惠斯通電橋而構(gòu)成，惠斯通電橋B、C由共用的惠斯通電橋電路配線50構(gòu)成。或者，惠斯通電橋B、C的其中之一作為單獨(dú)的惠斯通電橋而構(gòu)成，另一惠斯通電橋由惠斯通電橋A與共用的惠斯通電橋電路配線50構(gòu)成。在這些情況下，可在圖6、7、8、9中在半導(dǎo)體基板1的主表面上設(shè)置單獨(dú)構(gòu)成的惠斯通電橋和從惠斯通電橋電路配線50除去單獨(dú)構(gòu)成的惠斯通電橋的電阻而構(gòu)成的惠斯通電橋電路配線50。

實(shí)施例4

在此，針對(duì)本發(fā)明的壓力傳感器參考圖10進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明的壓力傳感器的特征在于使用實(shí)施例1～3的力學(xué)量測(cè)量裝置作為應(yīng)變傳感器。圖10是表示本發(fā)明的壓力傳感器的一個(gè)例子的截面示意圖。

如圖10所示，本實(shí)施方式的壓力傳感器80大致分為接受壓力并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器部201和將電信號(hào)傳遞到外部設(shè)備的連接部202。傳感器部201由通過(guò)一端開(kāi)放、另一端封閉的金屬制有底筒狀體插入壓力接口中的壓力導(dǎo)入部81、限定壓力導(dǎo)入部81的插入量的凸緣82、在壓力導(dǎo)入部81的封閉端受壓變形的膜片83、焊接在膜片83上的應(yīng)變傳感器84、和與壓力傳感器84連接并控制壓力傳感器84的控制機(jī)構(gòu)(控制部)85所構(gòu)成?？刂茩C(jī)構(gòu)85上安裝了保存修正運(yùn)算所用的各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器和電容器86等。連接部202由與外部設(shè)備連接的接頭87、傳遞電信號(hào)的連接端子88、將接頭87固定在傳感器部的蓋89。

圖11表示使用實(shí)施例1～3中說(shuō)明的力學(xué)量測(cè)量裝置的壓力傳感器的內(nèi)部動(dòng)作流程的一個(gè)例子。通過(guò)實(shí)施例1～3的力學(xué)量測(cè)量裝置，在接通電源S301后，基于步驟S302、S303測(cè)量到的惠斯通電橋B、C的輸出電壓，在步驟S304導(dǎo)出X軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量的絕對(duì)值ε_x和X軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變量的絕對(duì)值ε_y。在步驟S305中判定其結(jié)果是否超過(guò)硅芯片或安裝界面允許的應(yīng)變量(應(yīng)變量的基準(zhǔn)值：X軸方向基準(zhǔn)值、Y軸方向基準(zhǔn)值)。在ε_x、ε_y其中至少一個(gè)超過(guò)允許的應(yīng)變量的情況下，進(jìn)入步驟S306，從輸出端子7輸出通知檢測(cè)到異常的規(guī)定電壓值。通知檢測(cè)到異常的規(guī)定電壓值設(shè)定為正常工作的輸出范圍之外的電壓值，例如接地電壓等。此外，在ε_x、ε_y兩者在允許應(yīng)變量以下的情況下，進(jìn)入步驟S307，通過(guò)惠斯通電橋A獲得與X軸方向的應(yīng)變量與Y軸方向的應(yīng)變量的差相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。然后，進(jìn)入步驟S308，從輸出端子7將測(cè)量結(jié)果作為正常工作的輸出范圍的電壓值輸出。由此，壓力傳感器能夠確保高可靠性。為此，上述各實(shí)施方式的力學(xué)量檢測(cè)裝置和壓力傳感器具有保存作為應(yīng)變量基準(zhǔn)值的X軸方向基準(zhǔn)值和Y軸方向基準(zhǔn)值的ROM等存儲(chǔ)裝置。在上述各實(shí)施方式中，將該存儲(chǔ)裝置設(shè)置在修正電路11中。

此外，圖11中說(shuō)明的流程也可由力學(xué)量測(cè)量裝置30單獨(dú)執(zhí)行。

此外，上述實(shí)施方式是為了幫助理解本發(fā)明而進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明并不僅限定于所記載的具體結(jié)構(gòu)。例如，可將某實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的一部分替換成其它實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，或者可在某實(shí)施方式中添加其它實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)。即，本發(fā)明中，可針對(duì)本說(shuō)明書(shū)的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行刪除、替換成其它結(jié)構(gòu)、增加其它結(jié)構(gòu)。

附圖記號(hào)說(shuō)明

1…單晶硅基板；2…雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體；3…惠斯通電橋；4…電源端子；5…接地端子；6、8、9…放大電路；7…輸出端子；10…半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器；11…修正運(yùn)算電路；12、13、14、15…開(kāi)關(guān)電路；16…放大電路；17…修正運(yùn)算電路；20、20’…模擬壓力傳感器；21、21’…金屬板；22…焊接接合層；23…端子臺(tái)；30、30’…力學(xué)量測(cè)量裝置；31…放大電路；50…惠斯通電橋電路配線；51、52、53、54…惠斯通電橋的配線部(邊)；80…壓力傳感器；81…壓力導(dǎo)入部；82…凸緣；83…膜片；84…應(yīng)變傳感器；85…控制機(jī)構(gòu)；86…電容器；87…接頭；88…連接端子；89…蓋；A…第一惠斯通電橋；B…第二惠斯通電橋；C…第三惠斯通電橋。