JP5064665B2 - Pressure detection device - Google Patents
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Description
本発明は、例えば自動車に適用される圧力センサを備えた圧力検出装置に関するものである。 The present invention relates to a pressure detection device including a pressure sensor applied to, for example, an automobile.
従来、この種の圧力検出装置としては、下記特許文献1に開示された半導体圧力センサが提案されている。この半導体圧力センサは、半導体基板のダイヤフラム部に十字型ピエゾ抵抗素子を設け、その一方の隣り合う突出部を電流供給端子とし、他の隣り合う突出部を電圧検出端子とし、その電流供給端子から一定電流を流し、これによって生じた電圧降下を電圧検出端子の出力によって検出して被検測圧力を測定するように構成されている。
ところで、上述した半導体圧力センサにおいて、十字型ピエゾ抵抗素子が、結晶格子の面方位や結晶軸方向を考慮することなく、単に、半導体基板のダイヤフラム部に設けられるだけでは、電圧検出端子の出力は適切には得られにくいという不具合がある。 By the way, in the semiconductor pressure sensor described above, the output of the voltage detection terminal can be obtained simply by providing the cross-shaped piezoresistive element on the diaphragm portion of the semiconductor substrate without considering the plane orientation and crystal axis direction of the crystal lattice. There is a problem that it is difficult to obtain properly.
そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、放射状ピエゾ抵抗素子の形成に工夫を凝らし、適切な検出出力を確保し得るようにした圧力センサを備えた圧力検出装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention provides a pressure detection device including a pressure sensor that has been devised to form a radial piezoresistive element to ensure an appropriate detection output in order to deal with the above-described problems. With the goal.
上記課題の解決にあたり、本発明に係る圧力検出装置は、請求項1の記載によれば、
半導体基板(50)及びこの半導体基板のうち圧力を受ける受圧部に形成されてなるピエゾ抵抗素子(60)を有する圧力検出素子を備えた圧力センサと、
前記受圧部へ荷重を加える押圧部材(90)と、を備える圧力検出装置であって、
前記ピエゾ抵抗素子は、中点部位(65)と、面方位(110)或いはこの面方位と等価な面方位上においてピエゾ抵抗係数の絶対値が最小値と最大値との半値よりも大きなピエゾ抵抗係数となる結晶軸方向を1つの放射方向として含むように前記中点部位から放射形状に延出する偶数の抵抗素子部(61〜64)を有し、
当該抵抗素子部が前記中点部位において交叉して形成されていることを特徴とする。
In solving the above-described problem, the pressure detection device according to the present invention, according to the description of claim 1,
A pressure sensor comprising a semiconductor substrate (50) and a pressure detection element having a piezoresistive element (60) formed in a pressure receiving portion for receiving pressure in the semiconductor substrate;
A pressing member (90) for applying a load to the pressure receiving portion, and a pressure detecting device comprising:
The piezoresistive element has a piezoresistive element whose absolute value of the piezoresistive coefficient is greater than the half value between the minimum value and the maximum value on the midpoint portion (65) and the plane orientation (110) or a plane orientation equivalent to this plane orientation. An even number of resistive element portions (61 to 64) extending in a radial shape from the midpoint portion so as to include a crystal axis direction as a coefficient as one radial direction ;
The resistance element portion is formed so as to intersect at the midpoint portion .
このように、ピエゾ抵抗素子は、面方位(110)或いはこの面方位と等価な面方位であってピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向を1つの放射方向として含むように中点部位を有しこの中点部位で交叉する放射形状に形成された偶数の抵抗素子部を有している。 As described above, the piezoresistive element includes the midpoint portion so as to include , as one radial direction, a crystal axis direction having a plane orientation (110) or a plane orientation equivalent to this plane orientation and a large absolute value of the piezoresistance coefficient. It has an even number of resistor elements formed in a radial shape that intersects at the midpoint portion .
従って、ピエゾ抵抗素子が圧力を受けることで、上述したピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向においてピエゾ抵抗素子に抵抗値変化量が大きく生ずる。 Therefore, when the piezoresistive element receives pressure, a large amount of change in the resistance value occurs in the piezoresistive element in the crystal axis direction where the absolute value of the piezoresistive coefficient is large.
その結果、このような抵抗値変化量を利用することで、上記圧力を表す圧力センサの検出出力が適切に得られる。 As a result, the detection output of the pressure sensor representing the pressure can be appropriately obtained by using such a resistance value change amount.
なお、ピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向とは、面方位(110)或いはこの面方位と等価な面方位においてピエゾ抵抗係数の絶対値における最小値と最大値との半値よりも大きなピエゾ抵抗係数となる結晶軸方向のことを意味し、好ましくは、結晶軸方向<110>或いはこの結晶軸方向と等価な結晶軸方向を意味する。 The crystal axis direction in which the absolute value of the piezoresistance coefficient is large means that the piezo is greater than the half value between the minimum value and the maximum value of the absolute value of the piezoresistance coefficient in the plane orientation (110) or a plane orientation equivalent to this plane orientation. It means a crystal axis direction that becomes a resistance coefficient, and preferably a crystal axis direction <110> or a crystal axis direction equivalent to this crystal axis direction.
また、本発明に係る圧力検出装置は、請求項2の記載によれば、
前記圧力検出素子の偶数の抵抗素子部のうち互いに隣り合う各両隣接抵抗素子部毎に順次電圧を印加する電圧印加手段(110、120〜150、+Vcc)と、
この電圧印加手段による電圧印加毎に、前記中点部位に発生する各中点電圧を平均化する平均化手段(160〜163、170〜173、180、181、190)とを有する制御手段(100)を備える。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a pressure detection device according to the present invention.
Before SL pressure voltage applying means for applying the two adjacent element unit each sequentially voltages adjacent to each other among the even number of the resistance element of the detection element (110,120~150, + Vcc) and,
Control means (100 ) having averaging means (160 to 163, 170 to 173, 180, 181 and 190) for averaging each midpoint voltage generated at the midpoint portion for each voltage application by the voltage application means ) .
このように、圧力検出素子の偶数の抵抗素子部のうち互いに隣り合う各両隣接抵抗素子部毎に順次電圧を印加し、上記電圧印加毎に、上記各両隣接抵抗素子部のうちピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向に沿う抵抗素子部にて生ずる抵抗値変化量に基づき上記中点部位に発生する各中点電圧を平均化する。 Thus, a voltage is sequentially applied to each of the adjacent resistance element portions adjacent to each other among the even number of resistance element portions of the pressure detection element, and the piezoresistance coefficient of each of the adjacent resistance element portions is applied for each voltage application. Each of the midpoint voltages generated at the midpoint portion is averaged based on the amount of change in the resistance value generated in the resistance element portion along the crystal axis direction having a large absolute value.
従って、ピエゾ抵抗素子に対し圧力が偏って加わっていることに起因して、上述の各中点電位にばらつきが生じても、当該各中点電圧を平均化することで、上記ばらつきが吸収されて、適切な平均化出力が上記圧力の検出結果として得られる。 Therefore, even if the above-described midpoint potential varies due to the pressure applied to the piezoresistive element in a biased manner, the above-described variation is absorbed by averaging the midpoint voltages. Thus, an appropriate averaged output is obtained as a detection result of the pressure.
また、本発明に係る圧力検出装置は、請求項3の記載によれば、
半導体基板(50)及びこの半導体基板のうち圧力を受ける受圧部に形成されるピエゾ抵抗素子を有してなる圧力検出素子を備えた圧力センサと、
前記受圧部へ荷重を加える押圧部材と、
制御手段(100)と、を備える圧力検出装置であって、
前記ピエゾ抵抗素子は、面方位(110)或いはこの面方位と等価な面方位上においてピエゾ抵抗係数の絶対値が最小値と最大値との半値よりも大きなピエゾ抵抗係数となる結晶軸方向及びこの結晶軸方向とは直角な結晶軸方向の双方に沿うように十字形状に形成されていることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a pressure detection device according to the present invention.
A pressure sensor comprising a semiconductor substrate (50) and a pressure detection element having a piezoresistive element formed in a pressure receiving portion that receives pressure in the semiconductor substrate;
A pressing member for applying a load to the pressure receiving portion;
A pressure detecting device comprising a control means (100) ,
The piezoresistive element has a crystal orientation in which the absolute value of the piezoresistance coefficient is larger than the half value between the minimum value and the maximum value in the plane orientation (110) or a plane orientation equivalent to this plane orientation, and the crystal axis direction you characterized in that it is formed in a cross shape so as to conform to both the perpendicular crystal orientation.
このように、ピエゾ抵抗素子は、面方位(110)或いはこの面方位であってピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向及びこの結晶軸方向とは直角な結晶軸方向の双方に沿うように十字形状に形成されている。 As described above, the piezoresistive element is aligned along both the plane orientation (110) or the crystal axis direction which has this plane orientation and has a large absolute value of the piezoresistance coefficient, and the crystal axis direction perpendicular to the crystal axis direction. It is formed in a cross shape.
従って、ピエゾ抵抗素子が圧力を受けることで、上述したピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向においてピエゾ抵抗素子に抵抗値変化量が大きく生ずる。このとき、上述したピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向とは直角な結晶軸方向ではピエゾ抵抗素子に抵抗値変化量は生じない。 Therefore, when the piezoresistive element receives pressure, a large amount of change in the resistance value occurs in the piezoresistive element in the crystal axis direction where the absolute value of the piezoresistive coefficient is large. At this time, no change in resistance value occurs in the piezoresistive element in the crystal axis direction perpendicular to the crystal axis direction in which the absolute value of the piezoresistance coefficient is large.
その結果、これらのような抵抗値変化量を利用することで、圧力を表す圧力センサの検出出力がより一層適切に得られる。 As a result, the detection output of the pressure sensor representing the pressure can be obtained more appropriately by using the resistance value change amount as described above.
また、本発明は、請求項3の記載によれば、
前記半導体基板は、n型シリコン基板或いはSOI基板であり、
前記ピエゾ抵抗素子は、p型半導体材料でもって形成されており、
上記ピエゾ抵抗係数の絶対値における最小値と最大値との半値よりも大きなピエゾ抵抗係数となる結晶軸方向及びこの結晶軸方向とは直角な結晶軸方向は、それぞれ、結晶軸方向<110>或いはこの結晶軸方向と等価な結晶軸方向及び結晶軸方向<100>或いはこの結晶軸方向と等価な結晶軸方向であることを特徴とする。
Further, according to the third aspect of the present invention,
The semiconductor substrate is an n-type silicon substrate or an SOI substrate,
The piezoresistive element is formed of a p-type semiconductor material,
The crystal axis direction having a piezoresistance coefficient larger than the half value of the minimum value and the maximum value of the absolute value of the piezoresistance coefficient and the crystal axis direction perpendicular to the crystal axis direction are the crystal axis direction <110> or A crystal axis direction equivalent to the crystal axis direction and a crystal axis direction <100> or a crystal axis direction equivalent to the crystal axis direction.
このように構成することで、上記の作用効果がより一層向上する。また、半導体基板をSOI基板で形成することで、より一層耐熱性が向上する。その結果、耐熱性の向上及び上記の作用効果の向上が相乗的に確保され得る。 By comprising in this way, said effect is further improved. In addition, the heat resistance is further improved by forming the semiconductor substrate with an SOI substrate. As a result, improvement in heat resistance and improvement in the above-described effects can be synergistically ensured.
さらに、本発明に係る圧力検出装置は、請求項3の記載によれば、
前記圧力検出素子の前記ピエゾ抵抗素子は、中点部位(65)と、この中点部位から十字形状に延出する4つの抵抗素子部(61〜64)とを有しており、
前記制御手段(100)は、
前記圧力検出素子の前記4つの抵抗素子部のうち互いに隣り合う各両隣接抵抗素子部毎に電圧を印加する電圧印加手段(110、120〜150、+Vcc)と、
この電圧印加手段による電圧印加毎に、前記中点部位に発生する各中点電圧を平均化する平均化手段(160〜163、170〜173、180、181、190)とを有することを特徴とする。
Furthermore , according to the description of claim 3 , a pressure detection device according to the present invention is provided.
The piezoresistive element of the pressure detecting element has a midpoint portion (65) and four resistance element portions (61 to 64) extending in a cross shape from the midpoint portion,
The control means (100)
Voltage application means (110, 120 to 150, + Vcc) for applying a voltage to each of the adjacent resistance element portions adjacent to each other among the four resistance element portions of the pressure detection element;
And an averaging means (160 to 163, 170 to 173, 180, 181 and 190) for averaging each midpoint voltage generated at the midpoint portion each time voltage is applied by the voltage applying means. To do.
このように、圧力検出素子の4つの抵抗素子部のうち互いに隣り合う各両隣接抵抗素子部毎に順次電圧を印加し、上記電圧印加毎に、上記各両隣接抵抗素子部のうちピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい結晶軸方向に沿う抵抗素子部にて生ずる抵抗値変化量に基づき上記中点部位に発生する各中点電圧を平均化する。 As described above, a voltage is sequentially applied to each of the adjacent resistance element portions adjacent to each other among the four resistance element portions of the pressure detection element, and the piezoresistance coefficient of the both adjacent resistance element portions is applied for each voltage application. Each of the midpoint voltages generated at the midpoint portion is averaged based on the amount of change in the resistance value generated in the resistance element portion along the crystal axis direction having a large absolute value.
従って、ピエゾ抵抗素子に対し圧力が加わっていることに起因して、上述の各中点電位にばらつきが生じても、当該各中点電圧を平均化することで、上記ばらつきが吸収されて、上記平均化出力は適切な値として得ることができる。 Therefore, even if variation occurs in each of the above-described midpoint potentials due to the pressure applied to the piezoresistive element, by averaging each of the midpoint voltages, the variation is absorbed, The averaged output can be obtained as an appropriate value.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の各実施形態を図面により説明する。
(第1実施形態)
図1及び図4は、本発明に係る圧力検出装置の第1実施形態を示しており、この圧力検出装置は、例えば、自動車に搭載した内燃機関の燃焼室内に生ずる圧力を検出するために用いられる。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
1 and 4 show a first embodiment of a pressure detection device according to the present invention, and this pressure detection device is used, for example, to detect a pressure generated in a combustion chamber of an internal combustion engine mounted on an automobile. It is done.
この圧力検出装置は、図1にて示すごとく、圧力センサを備えており、この圧力センサは、上記内燃機関のシリンダヘッド10に装着されている。当該圧力センサは、円筒状の筐体20を備えており、この筐体20は、その薄肉周壁部21にて、シリンダヘッド10の貫通孔部11に挿通されて上記内燃機関の燃焼室内に延出している。 As shown in FIG. 1, the pressure detection device includes a pressure sensor, and this pressure sensor is mounted on the cylinder head 10 of the internal combustion engine. The pressure sensor includes a cylindrical casing 20, and the casing 20 is inserted into the through-hole portion 11 of the cylinder head 10 at its thin peripheral wall portion 21 and extends into the combustion chamber of the internal combustion engine. I'm out.
また、筐体20は、ダイアフラム22を有しており、このダイアフラム22は、薄肉周壁部21の先端部に設けられて、筐体20の底壁を構成する。また、筐体20は、その厚肉周壁部23にて、シリンダヘッド10の貫通孔部11の外周部位にリング状のガスケット12を介し着座している。なお、筐体20は、ダイアフラム22を含め、金属材料でもって形成されている。 Further, the housing 20 has a diaphragm 22, and this diaphragm 22 is provided at the distal end portion of the thin peripheral wall portion 21 and constitutes the bottom wall of the housing 20. The casing 20 is seated on the outer peripheral portion of the through-hole portion 11 of the cylinder head 10 via the ring-shaped gasket 12 at the thick peripheral wall portion 23. The housing 20 is formed of a metal material including the diaphragm 22.
また、当該圧力センサは、図1或いは図2にて示すごとく、円板状台座30、ガラス板40、半導体基板50、抵抗素子60、保護膜70及びガラス板80を備えている。 The pressure sensor includes a disk-shaped pedestal 30, a glass plate 40, a semiconductor substrate 50, a resistance element 60, a protective film 70, and a glass plate 80 as shown in FIG. 1 or FIG.
台座30は、電気絶縁材料からなるもので、この台座30は、筐体20の薄肉周壁部21内にてその軸方向中間部位に同軸的に嵌装されている。なお、台座30は金属材料でもって形成してもよく、この場合、後述する各ターミナル間の絶縁処理を施すことが望ましい。 The pedestal 30 is made of an electrically insulating material, and the pedestal 30 is coaxially fitted in the axially intermediate portion within the thin peripheral wall portion 21 of the housing 20. Note that the pedestal 30 may be formed of a metal material. In this case, it is desirable to perform an insulation process between the terminals described later.
ガラス板40は、台座30にその表面側から同軸的に固着されており、このガラス板40は、台座30からの歪み影響を低減する役割を果たす。 The glass plate 40 is coaxially fixed to the pedestal 30 from the surface side, and the glass plate 40 plays a role of reducing the distortion effect from the pedestal 30.
半導体基板50は、面方位(110)を受圧面とするn型シリコン基板からなるもので、この半導体基板50は、その裏面にて、ガラス板40の表面に接合されている。 The semiconductor substrate 50 is made of an n-type silicon substrate having a plane orientation (110) as a pressure receiving surface, and the semiconductor substrate 50 is bonded to the surface of the glass plate 40 at the back surface.
抵抗素子60は、半導体基板50の表面に不純物(例えば、ボロン)の拡散により十字形状に形成されたp型半導体でもって構成されている。即ち、この抵抗素子60は、図2にて示すごとく、各抵抗素子部61〜64を、交叉部位65を中心としてこの交叉部位65から十字形状に延出させて構成されている。 The resistance element 60 is configured by a p-type semiconductor formed in a cross shape on the surface of the semiconductor substrate 50 by diffusion of impurities (for example, boron). That is, as shown in FIG. 2, the resistance element 60 is configured by extending each of the resistance element portions 61 to 64 from the intersection part 65 in a cross shape with the intersection part 65 as a center.
従って、両抵抗素子部61、63は、交叉部位65から互いに逆方向に直線状に延出しており、一方、両抵抗素子部62、64は、両抵抗素子部61、63に対し直交するように、交叉部位65から互いに逆方向に直線状に延出している。 Accordingly, the two resistive element portions 61 and 63 extend linearly in opposite directions from the crossing portion 65, while the two resistive element portions 62 and 64 are orthogonal to the two resistive element portions 61 and 63. In addition, they extend linearly in opposite directions from the crossover portion 65.
本第1実施形態では、両抵抗素子部61、63は、上記n型シリコン基板の受圧面において結晶軸方向<100>に沿い形成されている。また、両抵抗素子部62、64は、上記n型シリコン基板の受圧面において結晶軸方向<110>に沿い形成されている。 In the first embodiment, both resistance element portions 61 and 63 are formed along the crystal axis direction <100> on the pressure-receiving surface of the n-type silicon substrate. The two resistance element portions 62 and 64 are formed along the crystal axis direction <110> on the pressure-receiving surface of the n-type silicon substrate.
ここで、交叉部位65は、両抵抗素子部61、62間の中点部位、両抵抗素子部62、63間の中点部位、両抵抗素子部63、64間の中点電位及び両抵抗素子部64、61間の中点電位を構成する。なお、各抵抗素子部61〜64は、後述のように圧力を受けていないとき、共に、同一の抵抗値(以下、抵抗値Rという)を有する。 Here, the crossover portion 65 includes a midpoint portion between both resistance element portions 61 and 62, a midpoint portion between both resistance element portions 62 and 63, a midpoint potential between both resistance element portions 63 and 64, and both resistance elements. A midpoint potential between the parts 64 and 61 is formed. In addition, each resistance element part 61-64 has the same resistance value (henceforth resistance value R), when not receiving the pressure so that it may mention later.
また、抵抗素子60は、図2にて示すごとく、各電極パッド66〜69を有しており、各電極パッド66、68は、半導体基板50の表面にて、両抵抗素子部61、63の各延出端部と一体的に形成されている。また、各電極パッド67、69は、半導体基板50の表面にて、両抵抗素子部62、64の各延出端部と一体的に形成されている。 Further, as shown in FIG. 2, the resistance element 60 includes electrode pads 66 to 69, and the electrode pads 66 and 68 are formed on the surface of the semiconductor substrate 50 with the resistance element portions 61 and 63. It is formed integrally with each extending end. The electrode pads 67 and 69 are formed integrally with the extended end portions of the two resistance element portions 62 and 64 on the surface of the semiconductor substrate 50.
保護膜70は、各電極パッド66〜69を除き、抵抗素子60を覆うように半導体基板50の表面に設けられている。 The protective film 70 is provided on the surface of the semiconductor substrate 50 so as to cover the resistance element 60 except for the electrode pads 66 to 69.
ここで、本第1実施形態において、上述のように半導体基板50として、面方位(110)を受圧面とするn型シリコン基板を採用し、抵抗素子60を当該n型シリコン基板の受圧面において結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>に沿い十字状に形成するという構成を採用した根拠について説明する。 Here, in the first embodiment, as described above, an n-type silicon substrate having a plane orientation (110) as the pressure receiving surface is employed as the semiconductor substrate 50, and the resistance element 60 is disposed on the pressure receiving surface of the n-type silicon substrate. The grounds for adopting the configuration of forming a cross shape along the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110> will be described.
即ち、面方位(110)にp型半導体からなる抵抗素子を形成し、この面方位に対し垂直方向に圧力を加えたときに、抵抗素子のピエゾ抵抗係数の結晶軸方向の依存性がどのようになるかについてあらためて調べたところ、ピエゾ抵抗係数の変化は、図3にてグラフ1でもって示すごとく、結晶軸方向<110>にて最大になるものの、結晶軸方向<100>では結晶軸方向<110>に比べ無視し得る程に小さくなることが確認された。 That is, when a resistance element made of a p-type semiconductor is formed in the plane orientation (110) and pressure is applied in a direction perpendicular to the plane orientation, how does the dependence of the piezoresistance coefficient of the resistance element in the crystal axis direction change? The change in the piezoresistance coefficient is maximized in the crystal axis direction <110> as shown by the graph 1 in FIG. 3, but in the crystal axis direction <100>, the crystal axis direction changes. It was confirmed that it was negligibly small compared to <110>.
従って、このようなピエゾ抵抗係数の結晶軸方向の依存性によれば、抵抗素子60は、圧力を受けたとき、両抵抗素子部62、64において抵抗値変化を生ずることが分かる。そして、このようなピエゾ抵抗係数の結晶軸方向の依存性を前提に、後述のような抵抗素子60に対する電圧印加を行えば、圧力を適切に検出し得ることが分かった。 Therefore, according to the dependency of the piezoresistance coefficient in the crystal axis direction, it is understood that the resistance element 60 changes in resistance value in both the resistance element portions 62 and 64 when subjected to pressure. Then, it was found that the pressure can be appropriately detected by applying a voltage to the resistance element 60 as will be described later on the assumption that the piezoresistance coefficient depends on the crystal axis direction.
そこで、本第1実施形態では、上述のように、抵抗素子60を上記n型シリコン基板の面方位(110)であって結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>に沿い十字状に形成することとした。ここで、上記結晶軸方向<110>は、上記ピエゾ抵抗係数の絶対値の大きい方向に相当し、上記結晶軸方向<100>は、上記面方位(110)においてピエゾ抵抗係数の絶対値の小さい方向に相当する。 Therefore, in the first embodiment, as described above, the resistive element 60 is formed in a cross shape along the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110> in the plane orientation (110) of the n-type silicon substrate. It was decided to form. Here, the crystal axis direction <110> corresponds to a direction in which the absolute value of the piezoresistance coefficient is large, and the crystal axis direction <100> has a small absolute value of the piezoresistance coefficient in the plane orientation (110). Corresponds to the direction.
ガラス板80は、その裏面にて、保護膜70を介し抵抗素子60を覆うように、保護膜70の表面に接合されており、このガラス板80は、保護膜70と共に、抵抗素子60を保護する役割を果たす。なお、ガラス板40、半導体基板50、抵抗素子60、保護膜70及びガラス板80は、当該圧力センサの検出素子を構成する。 The glass plate 80 is bonded to the surface of the protective film 70 so as to cover the resistive element 60 via the protective film 70 on the back surface thereof. The glass plate 80 protects the resistive element 60 together with the protective film 70. To play a role. The glass plate 40, the semiconductor substrate 50, the resistance element 60, the protective film 70, and the glass plate 80 constitute a detection element of the pressure sensor.
また、当該圧力センサは、金属材料からなる円柱状ロッド90を有しており、このロッド90は、筐体20の薄肉周壁部21内にて、ダイアフラム22とガラス板80との間に同軸的に挟持されている。しかして、ロッド90は、ダイアフラム22の図1にて図示上方への変位に伴い上方へ軸動してガラス板80を介し抵抗素子60を半導体基板50の表面上に押圧する。このことは、ロッド90がガラス板80を介し抵抗素子60に荷重を加えることを意味する。 The pressure sensor has a cylindrical rod 90 made of a metal material. The rod 90 is coaxial between the diaphragm 22 and the glass plate 80 in the thin peripheral wall portion 21 of the housing 20. Is sandwiched between. Thus, the rod 90 is axially moved upward in accordance with the upward displacement of the diaphragm 22 in FIG. 1 to press the resistance element 60 onto the surface of the semiconductor substrate 50 through the glass plate 80. This means that the rod 90 applies a load to the resistance element 60 through the glass plate 80.
当該圧力検出装置は、図4にて示すごとく、制御回路100を備えており、この制御回路100は、図1にて示すごとく、筐体20の軸方向中間部位内に嵌装されている。 As shown in FIG. 4, the pressure detection device includes a control circuit 100, and the control circuit 100 is fitted in an axial intermediate portion of the housing 20 as shown in FIG. 1.
制御回路100は、図4及び図5にて示すごとく、ゲート信号発生回路110を備えており、このゲート信号発生回路110は、図5にて示すごとく、クロック回路111及び両分周回路111−1、111−2を有している。 As shown in FIGS. 4 and 5, the control circuit 100 includes a gate signal generation circuit 110. The gate signal generation circuit 110 includes a clock circuit 111 and both frequency dividing circuits 111- as shown in FIG. 1 and 111-2.
クロック回路111は、所定周期Tを有するクロックパルス信号Cを順次発生する(図6参照)。本第1実施形態では、時間をt(図6参照)とすれば、所定周期Tは、T=ti+1−ti(i=1、2、3、・・・)である。 The clock circuit 111 sequentially generates a clock pulse signal C having a predetermined period T (see FIG. 6). In the first embodiment, if the time is t (see FIG. 6), the predetermined period T is T = t i + 1 −t i (i = 1, 2, 3,...).
分周回路111−1は、クロック回路111から順次発生するクロックパルス信号Cを分周して、当該クロックパルス信号Cの周期Tの2倍の周期2Tを有する分周パルス信号B1を順次発生する。本第1実施形態では、周期2Tは、2T=t2+i−tiである。 The frequency dividing circuit 111-1 divides the clock pulse signal C sequentially generated from the clock circuit 111, and sequentially generates the frequency divided pulse signal B1 having a period 2T that is twice the period T of the clock pulse signal C. . In the first embodiment, the period 2T is 2T = t 2 + i −t i .
分周回路111−2は、分周回路111−1から順次発生する分周パルス信号B1を分周して、当該分周パルス信号B1の周期2Tの2倍の周期4Tを有する分周パルス信号B2を発生する(図6参照)。本第1実施形態では、周期4Tは、4T=t4+i−tiである。 The frequency divider circuit 111-2 divides the frequency-divided pulse signal B1 sequentially generated from the frequency divider circuit 111-1, and the frequency-divided pulse signal having a period 4T that is twice the period 2T of the frequency-divided pulse signal B1. B2 is generated (see FIG. 6). In the first embodiment, the period 4T is 4T = t 4 + i −t i .
また、ゲート信号発生回路110は、4つのANDゲート112〜115を有している。ANDゲート112は、分周回路111−1からの分周パルス信号B1及び分周回路111−2からの分周パルス信号B2の論理積をとり、時間tk(k=1、5、9、・・・)毎にゲート信号(以下、ゲート信号G1という)を発生する。 The gate signal generation circuit 110 has four AND gates 112 to 115. The AND gate 112 takes the logical product of the frequency-divided pulse signal B1 from the frequency-dividing circuit 111-1 and the frequency-divided pulse signal B2 from the frequency-dividing circuit 111-2, and calculates the time tk (k = 1, 5, 9,. ..) a gate signal (hereinafter referred to as a gate signal G1) is generated.
ANDゲート113は、分周回路111−1からの分周パルス信号B1の反転信号及び分周回路111−2からの分周パルス信号B2の論理積をとり、時間tm(m=2、6、10、・・・)毎に、ゲート信号(以下、ゲート信号G2という)を発生する。 The AND gate 113 takes the logical product of the inverted signal of the frequency-divided pulse signal B1 from the frequency divider 111-1 and the frequency-divided pulse signal B2 from the frequency-divided circuit 111-2, and calculates the time tm (m = 2, 6, 10), a gate signal (hereinafter referred to as a gate signal G2) is generated.
ANDゲート114は、分周回路111−1からの分周パルス信号B1及び分周回路111−2からの分周パルス信号B2の反転信号の論理積をとり、時間tn(n=3、7、11、・・・)毎に、ゲート信号(以下、ゲート信号G3という)を発生する。 The AND gate 114 calculates the logical product of the frequency-divided pulse signal B1 from the frequency-dividing circuit 111-1 and the inverted signal of the frequency-divided pulse signal B2 from the frequency-divided circuit 111-2, and calculates the time tn (n = 3, 7, 11), a gate signal (hereinafter referred to as a gate signal G3) is generated.
ANDゲート115は、分周回路111−1からの分周パルス信号B1の反転信号及び分周回路111−2からの分周パルス信号B2の反転信号の論理積をとり、時間tp(p=4、8、12、・・・)毎に、ゲート信号(以下、ゲート信号G4という)を発生する。 The AND gate 115 calculates the logical product of the inverted signal of the divided pulse signal B1 from the frequency dividing circuit 111-1 and the inverted signal of the divided pulse signal B2 from the frequency dividing circuit 111-2, and calculates the time tp (p = 4). , 8, 12,...), A gate signal (hereinafter referred to as a gate signal G4) is generated.
また、当該ゲート信号発生回路110は、4つのORゲート116〜119を有している。ORゲート116は、ANDゲート112、ANDゲート114及びANDゲート115からの各出力の論理和をとる。これにより、ORゲート116は、ANDゲート112、114或いは115からのゲート信号G1、G3或いはG4を出力する(図6参照)。 The gate signal generation circuit 110 has four OR gates 116 to 119. The OR gate 116 performs a logical sum of outputs from the AND gate 112, the AND gate 114, and the AND gate 115. Accordingly, the OR gate 116 outputs the gate signal G1, G3, or G4 from the AND gate 112, 114, or 115 (see FIG. 6).
ここで、例えば、ゲート信号G1は、時間t=t1〜t=t2の間発生し、ゲート信号G3は、時間t=t3〜t=t4の間発生し、ゲート信号G4は、時間t=t4〜t=t5の間発生する(図6参照)。 Here, for example, the gate signal G1 is generated during the time t = t 1 to t = t 2 , the gate signal G3 is generated during the time t = t 3 to t = t 4 , and the gate signal G4 is Occurs between time t = t 4 and t = t 5 (see FIG. 6).
ORゲート117は、ANDゲート112、ANDゲート113及びANDゲート115からの各出力の論理和をとる。これにより、ORゲート117は、ANDゲート112、113或いは115からのゲート信号G1、G2或いはG4を出力する(図6参照)。ここで、ゲート信号G2は、例えば、時間t=t2〜t=t3の間発生する(図6参照)。 The OR gate 117 calculates the logical sum of the outputs from the AND gate 112, the AND gate 113, and the AND gate 115. As a result, the OR gate 117 outputs the gate signal G1, G2, or G4 from the AND gate 112, 113, or 115 (see FIG. 6). Here, the gate signal G2 is generated, for example, during the time t = t 2 to t = t 3 (see FIG. 6).
ORゲート118は、ANDゲート112、ANDゲート113及びANDゲート114からの各出力の論理和をとる。これにより、ORゲート118は、ANDゲート112、113或いは114からのゲート信号G1、G2或いはG3を出力する(図6参照)。 The OR gate 118 calculates the logical sum of the outputs from the AND gate 112, the AND gate 113, and the AND gate 114. Thereby, the OR gate 118 outputs the gate signal G1, G2 or G3 from the AND gate 112, 113 or 114 (see FIG. 6).
ORゲート119は、ANDゲート113、ANDゲート114及びANDゲート115からの各出力の論理和をとる。これにより、ORゲート119は、ANDゲート113、114或いは115からのゲート信号G2、G3或いはG4を出力する(図6参照)。 The OR gate 119 takes the logical sum of the outputs from the AND gate 113, the AND gate 114, and the AND gate 115. Thereby, the OR gate 119 outputs the gate signal G2, G3 or G4 from the AND gate 113, 114 or 115 (see FIG. 6).
また、制御回路100は、図4にて示すごとく、4つのアナログスイッチ120〜150を備えており、アナログスイッチ120は、ゲート端子121にて、ゲート信号発生回路110のORゲート116の出力端子に接続されている。 Further, as shown in FIG. 4, the control circuit 100 includes four analog switches 120 to 150, and the analog switch 120 is connected to the output terminal of the OR gate 116 of the gate signal generation circuit 110 at the gate terminal 121. It is connected.
また、アナログスイッチ120は、入力端子122にて、抵抗素子60の電極パッド66に接続されており、このアナログスイッチ120は、出力端子123にて、直流電源の正側電極+Vccに接続されている。また、このアナログスイッチ120は、出力端子124にて、接地されており、当該アナログスイッチ120の出力端子125は演算回路160の入力端子に接続されている。 The analog switch 120 is connected to the electrode pad 66 of the resistance element 60 at the input terminal 122, and the analog switch 120 is connected to the positive electrode + Vcc of the DC power source at the output terminal 123. . The analog switch 120 is grounded at the output terminal 124, and the output terminal 125 of the analog switch 120 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 160.
しかして、アナログスイッチ120は、ゲート端子121にて、ORゲート116からゲート信号G1、G3及びG4(図6参照)を順次入力されて、入力端子122を、順次、各出力端子123、125及び124に接続するように切り換えられる。 Thus, the analog switch 120 receives gate signals G1, G3, and G4 (see FIG. 6) sequentially from the OR gate 116 at the gate terminal 121, and sequentially inputs the input terminal 122 to the output terminals 123, 125, and Switch to connect to 124.
換言すれば、アナログスイッチ120は、ORゲート116から順次出力されるゲート信号G1、G3及びG4に基づき、抵抗素子60の電極パッド66を、順次、上記直流電源の正側電極+Vccに接続し、演算回路160に接続し及び接地するように切り換えられる。 In other words, the analog switch 120 sequentially connects the electrode pad 66 of the resistance element 60 to the positive electrode + Vcc of the DC power source based on the gate signals G1, G3, and G4 sequentially output from the OR gate 116, The operation circuit 160 is switched to be connected and grounded.
アナログスイッチ130は、ゲート端子131にて、ゲート信号発生回路110のORゲート117の出力端子に接続されている。また、アナログスイッチ130は、入力端子132にて、抵抗素子60の電極パッド67に接続されており、このアナログスイッチ130は、出力端子133にて、直流電源の正側電極+Vccに接続されている。また、このアナログスイッチ130は、出力端子134にて接地されており、当該アナログスイッチ130の出力端子135は演算回路161の入力端子に接続されている。 The analog switch 130 is connected to the output terminal of the OR gate 117 of the gate signal generation circuit 110 at the gate terminal 131. The analog switch 130 is connected to the electrode pad 67 of the resistance element 60 at the input terminal 132, and the analog switch 130 is connected to the positive electrode + Vcc of the DC power supply at the output terminal 133. . The analog switch 130 is grounded at the output terminal 134, and the output terminal 135 of the analog switch 130 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 161.
しかして、アナログスイッチ130は、ゲート端子131にて、ORゲート117からゲート信号G1、G2及びG4(図6参照)を順次入力されて、入力端子132を、順次、各出力端子134、133及び135に接続するように切り換えられる。 Thus, the analog switch 130 receives gate signals G1, G2, and G4 (see FIG. 6) sequentially from the OR gate 117 at the gate terminal 131, and sequentially inputs the input terminal 132 to the output terminals 134, 133, and Switch to connect to 135.
換言すれば、アナログスイッチ130は、ORゲート117から順次出力されるゲート信号G1、G2及びG4に基づき、抵抗素子60の電極パッド67を、順次、接地し、上記直流電源の正側電極+Vccに接続し及び演算回路161に接続するように切り換えられる。 In other words, the analog switch 130 sequentially grounds the electrode pads 67 of the resistance element 60 based on the gate signals G1, G2, and G4 sequentially output from the OR gate 117, and connects the positive electrode + Vcc of the DC power supply to the positive electrode + Vcc. Switching to connect and connect to the arithmetic circuit 161.
アナログスイッチ140は、ゲート端子141にて、ゲート信号発生回路110のORゲート118の出力端子に接続されている。また、アナログスイッチ140は、入力端子142にて、抵抗素子60の電極パッド68に接続されており、このアナログスイッチ140は、出力端子143にて、直流電源の正側電極+Vccに接続されている。また、このアナログスイッチ140は、出力端子144にて接地されており、当該アナログスイッチ140の出力端子145は演算回路162の入力端子に接続されている。 The analog switch 140 is connected to the output terminal of the OR gate 118 of the gate signal generation circuit 110 at the gate terminal 141. The analog switch 140 is connected to the electrode pad 68 of the resistance element 60 at the input terminal 142. The analog switch 140 is connected to the positive electrode + Vcc of the DC power supply at the output terminal 143. . The analog switch 140 is grounded at the output terminal 144, and the output terminal 145 of the analog switch 140 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 162.
しかして、アナログスイッチ140は、ゲート端子141にて、ゲート信号発生回路110のORゲート118から順次ゲート信号G1、G2、G3(図6参照)を入力されて、入力端子142を、順次、各出力端子145、144及び143に接続するように切り換えられる。 Thus, the analog switch 140 receives gate signals G1, G2, and G3 (see FIG. 6) sequentially from the OR gate 118 of the gate signal generation circuit 110 at the gate terminal 141, and sequentially inputs the input terminal 142 to the respective terminals. It is switched to connect to the output terminals 145, 144 and 143.
換言すれば、アナログスイッチ140は、ORゲート118から順次出力されるゲート信号G1、G2、G3に基づき、抵抗素子60の電極パッド68を、順次、演算回路162に接続し、接地し及び上記直流電源の正側電極+Vccに接続するように切り換えられる。 In other words, the analog switch 140 sequentially connects the electrode pads 68 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 162 based on the gate signals G1, G2, and G3 sequentially output from the OR gate 118, grounds, and the DC It is switched to connect to the positive electrode + Vcc of the power supply.
アナログスイッチ150は、ゲート端子151にて、ゲート信号発生回路110のORゲート119の出力端子に接続されている。また、アナログスイッチ150は、入力端子152にて、抵抗素子60の電極パッド69に接続されており、このアナログスイッチ150は、出力端子153にて、直流電源の正側電極+Vccに接続されている。また、このアナログスイッチ150は、出力端子154にて接地されており、当該アナログスイッチ150の出力端子155は演算回路163の入力端子に接続されている。 The analog switch 150 is connected to the output terminal of the OR gate 119 of the gate signal generation circuit 110 at the gate terminal 151. The analog switch 150 is connected to the electrode pad 69 of the resistance element 60 at the input terminal 152. The analog switch 150 is connected to the positive electrode + Vcc of the DC power supply at the output terminal 153. . The analog switch 150 is grounded at the output terminal 154, and the output terminal 155 of the analog switch 150 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 163.
しかして、アナログスイッチ150は、ゲート端子151にて、ゲート信号発生回路110のORゲート119から順次ゲート信号G2、G3、G4(図6参照)を入力されて、入力端子152を、順次、各出力端子155、154及び153に接続するように切り換えられる。 Therefore, the analog switch 150 receives gate signals G2, G3, and G4 (see FIG. 6) sequentially from the OR gate 119 of the gate signal generation circuit 110 at the gate terminal 151, and sequentially inputs the input terminal 152 to the respective terminals. It is switched to connect to output terminals 155, 154 and 153.
換言すれば、アナログスイッチ150は、ORゲート119から順次出力されるゲート信号G2、G3、G4に基づき、抵抗素子60の電極パッド69を、順次、演算回路163に接続し、接地し及び上記直流電源の正側電極+Vccに接続するように切り換えられる。 In other words, the analog switch 150 sequentially connects the electrode pads 69 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 163 based on the gate signals G2, G3, and G4 sequentially output from the OR gate 119, grounds, and the DC It is switched to connect to the positive electrode + Vcc of the power supply.
以上によれば、各ORゲート116、117、118が、共に、ゲート信号G1(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を接地し、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を演算回路162に接続する。 According to the above, when each of the OR gates 116, 117, and 118 outputs the gate signal G1 (see FIG. 6), the analog switch 120 connects the electrode pad 66 of the resistance element 60 to the positive terminal + Vcc of the DC power source. The analog switch 130 grounds the electrode pad 67 of the resistance element 60, and the analog switch 140 connects the electrode pad 68 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 162.
これにより、電極パッド68が演算回路162の入力端子に接続されるのにあわせて、上記直流電源は、電極パッド66を正側とし電極パッド67を負側として、正の直流電圧を両電極パッド66、67間に印加して、抵抗素子60の交叉部位65に中点電位を発生させる。このとき、アナログスイッチ150は、オフ状態にあり、抵抗素子60の電極パッド69を開放状態に維持する。 Thus, as the electrode pad 68 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 162, the DC power supply supplies the electrode pad 66 to the positive side and the electrode pad 67 to the negative side, and applies a positive DC voltage to both electrode pads. Applied between 66 and 67, a midpoint potential is generated at the crossing portion 65 of the resistance element 60. At this time, the analog switch 150 is in an off state and maintains the electrode pad 69 of the resistance element 60 in an open state.
また、各ORゲート117、118、119が、共に、ゲート信号G2(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を接地し、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を演算回路163に接続する。 When each of the OR gates 117, 118, and 119 outputs the gate signal G2 (see FIG. 6), the analog switch 130 connects the electrode pad 67 of the resistance element 60 to the positive terminal + Vcc of the DC power supply. The analog switch 140 grounds the electrode pad 68 of the resistance element 60, and the analog switch 150 connects the electrode pad 69 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 163.
これにより、電極パッド69が演算回路163の入力端子に接続されるのにあわせて、上記直流電源は、電極パッド67を正側とし電極パッド68を負側として、正の直流電圧を両電極パッド67、68間に印加して、抵抗素子60の交叉部位65に中点電位を発生させる。このとき、アナログスイッチ120は、オフ状態にあり、抵抗素子60の電極パッド66を開放状態に維持する。 Thus, as the electrode pad 69 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 163, the DC power supply supplies the positive DC voltage to both electrode pads with the electrode pad 67 on the positive side and the electrode pad 68 on the negative side. Applied between 67 and 68, a midpoint potential is generated at the crossing portion 65 of the resistance element 60. At this time, the analog switch 120 is in an off state and maintains the electrode pad 66 of the resistance element 60 in an open state.
また、各ORゲート118、119、116が、共に、ゲート信号G3(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を接地し、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を演算回路160に接続する。 When each of the OR gates 118, 119, and 116 outputs a gate signal G3 (see FIG. 6), the analog switch 140 connects the electrode pad 68 of the resistance element 60 to the positive terminal + Vcc of the DC power supply. The analog switch 150 grounds the electrode pad 69 of the resistance element 60, and the analog switch 120 connects the electrode pad 66 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 160.
これにより、電極パッド66が演算回路160の入力端子に接続されるのにあわせて、上記直流電源は、電極パッド68を正側とし電極パッド69を負側として、正の直流電圧を両電極パッド68、69間に印加して、抵抗素子60の交叉部位65に中点電位を発生させる。このとき、アナログスイッチ130は、オフ状態にあり、抵抗素子60の電極パッド67を開放状態に維持する。 Thus, as the electrode pad 66 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 160, the DC power supply supplies the positive DC voltage to both electrode pads with the electrode pad 68 on the positive side and the electrode pad 69 on the negative side. Applied between 68 and 69, a midpoint potential is generated at the crossing portion 65 of the resistance element 60. At this time, the analog switch 130 is in an off state and maintains the electrode pad 67 of the resistance element 60 in an open state.
また、各ORゲート119、116、117が、共に、ゲート信号G4(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を接地し、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を演算回路161に接続する。 When each of the OR gates 119, 116, 117 outputs a gate signal G4 (see FIG. 6), the analog switch 150 connects the electrode pad 69 of the resistance element 60 to the positive terminal + Vcc of the DC power supply. The analog switch 120 grounds the electrode pad 66 of the resistance element 60, and the analog switch 130 connects the electrode pad 67 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 161.
これにより、電極パッド67が演算回路161の入力端子に接続されるのにあわせて、上記直流電源は、電極パッド69を正側とし電極パッド66を負側として、正の直流電圧を両電極パッド69、66間に印加して、抵抗素子60の交叉部位65に中点電位を発生させる。このとき、アナログスイッチ140は、オフ状態にあり、抵抗素子60の電極パッド68を開放状態に維持する。 As a result, as the electrode pad 67 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 161, the DC power supply uses the electrode pad 69 as the positive side and the electrode pad 66 as the negative side, and applies a positive DC voltage to both electrode pads. Applied between 69 and 66, a midpoint potential is generated at the crossing portion 65 of the resistance element 60. At this time, the analog switch 140 is in an off state and maintains the electrode pad 68 of the resistance element 60 in an open state.
各演算回路160〜163は、入力インピーダンスを無限大とする演算増幅器でもって構成されている。演算回路160は、抵抗素子60の中点電位を電極パッド66及びアナログスイッチ120を介し入力されて増幅し増幅電圧をサンプルホールド回路170に出力する。演算回路161は、抵抗素子60の中点電位を電極パッド67及びアナログスイッチ130を介し入力されて増幅し増幅電圧をサンプルホールド回路171に出力する。 Each of the arithmetic circuits 160 to 163 is configured with an operational amplifier having an infinite input impedance. The arithmetic circuit 160 receives and amplifies the midpoint potential of the resistance element 60 via the electrode pad 66 and the analog switch 120, and outputs the amplified voltage to the sample and hold circuit 170. The arithmetic circuit 161 receives and amplifies the midpoint potential of the resistance element 60 via the electrode pad 67 and the analog switch 130, and outputs the amplified voltage to the sample and hold circuit 171.
演算回路162は、抵抗素子60の中点電位を電極パッド68及びアナログスイッチ140を介し入力されて増幅し増幅電圧をサンプルホールド回路172に出力する。演算回路163は、抵抗素子60の中点電位を電極パッド69及びアナログスイッチ150を介し入力されて増幅し増幅電圧をサンプルホールド回路173に出力する。 The arithmetic circuit 162 receives and amplifies the midpoint potential of the resistance element 60 via the electrode pad 68 and the analog switch 140 and outputs the amplified voltage to the sample hold circuit 172. The arithmetic circuit 163 receives and amplifies the midpoint potential of the resistance element 60 via the electrode pad 69 and the analog switch 150, and outputs the amplified voltage to the sample hold circuit 173.
サンプルホールド回路170は、演算回路160からの増幅電圧をサンプルホールドしサンプルホールド電圧として平均化回路180に出力する。サンプルホールド回路171は、演算回路161からの増幅電圧をサンプルホールドしサンプルホールド電圧として平均化回路181に出力する。 The sample hold circuit 170 samples and holds the amplified voltage from the arithmetic circuit 160 and outputs it to the averaging circuit 180 as a sample hold voltage. The sample hold circuit 171 samples and holds the amplified voltage from the arithmetic circuit 161 and outputs it to the averaging circuit 181 as a sample hold voltage.
サンプルホールド回路172は、演算回路162からの増幅電圧をサンプルホールドしサンプルホールド電圧として平均化回路180に出力する。サンプルホールド回路173は、演算回路163からの増幅電圧をサンプルホールドしサンプルホールド電圧として平均化回路181に出力する。 The sample hold circuit 172 samples and holds the amplified voltage from the arithmetic circuit 162 and outputs it to the averaging circuit 180 as a sample hold voltage. The sample hold circuit 173 samples and holds the amplified voltage from the arithmetic circuit 163 and outputs it to the averaging circuit 181 as the sample hold voltage.
平均化回路180は、両サンプルホールド回路170、172からの各サンプルホールド電圧を相加平均により平均化して平均化電圧を発生する。平均化回路181は、両サンプルホールド回路171、173からの各サンプルホールド電圧を相加平均により平均化して平均化電圧を発生する。 The averaging circuit 180 averages the sample and hold voltages from both the sample and hold circuits 170 and 172 by arithmetic averaging to generate an average voltage. The averaging circuit 181 generates an averaged voltage by averaging the sample and hold voltages from both the sample and hold circuits 171 and 173 by arithmetic averaging.
差分演算回路190は、両平均化回路180、181からの両平均化電圧の差分を演算し差分電圧を発生する。 The difference calculation circuit 190 calculates the difference between both averaged voltages from both the averaging circuits 180 and 181 to generate a difference voltage.
次に、上述した半導体基板50に抵抗素子60及び保護膜70を製造する工程について説明する。半導体基板50として、400(μm)の厚さ及び10(Ωcm)〜20(Ωcm)の範囲内の抵抗値を有するn型シリコンウェハ51を準備する(図7参照)。 Next, a process for manufacturing the resistance element 60 and the protective film 70 on the semiconductor substrate 50 described above will be described. As the semiconductor substrate 50, an n-type silicon wafer 51 having a thickness of 400 (μm) and a resistance value within a range of 10 (Ωcm) to 20 (Ωcm) is prepared (see FIG. 7).
このシリコンウェハ51の両面に100(nm)の膜厚にて両熱酸化膜52を共に形成した後、この両熱酸化膜52のうちシリコンウェハ51の表面側の熱酸化膜52(以下、表面側熱酸化膜52ともいう)にマスクを施して、抵抗素子60の外形形状に対応する十字形状部53をパターニング処理により熱酸化膜52に形成する(図8参照)。ここで、十字形状部53は、シリコンウェハ51の面方位(110)において結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>の双方に沿うような十字形状にて熱酸化膜52に形成される。 After both thermal oxide films 52 are formed on both sides of the silicon wafer 51 with a film thickness of 100 (nm), the thermal oxide film 52 (hereinafter referred to as the surface) on the surface side of the silicon wafer 51 of the both thermal oxide films 52 is formed. A mask is applied to the side thermal oxide film 52), and a cross-shaped portion 53 corresponding to the outer shape of the resistance element 60 is formed on the thermal oxide film 52 by patterning (see FIG. 8). Here, the cross-shaped portion 53 is formed on the thermal oxide film 52 in a cross shape that extends along both the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110> in the plane orientation (110) of the silicon wafer 51. .
ついで、ボロンを、イオン注入装置でもって、表面側熱酸化膜52を介しシリコンウェハ51の表面に注入した後、窒素N2ガス雰囲気中にて、950(℃)の温度でもって30(分)の間アニール処理して、p型半導体からなる抵抗素子60を形成する(図9参照)。なお、ボロンの濃度は、20(atom/cm3)とする。 Next, boron is implanted into the surface of the silicon wafer 51 through the surface-side thermal oxide film 52 by an ion implantation apparatus, and then at a temperature of 950 (° C.) in a nitrogen N 2 gas atmosphere for 30 (minutes). A resistance element 60 made of a p-type semiconductor is formed by annealing treatment (see FIG. 9). The concentration of boron is 20 (atoms / cm 3 ).
然る後、抵抗素子60を覆うように、HTO膜を、300(nm)の膜厚にて、シリコンウェハ51の表面に保護膜70として成膜する(図10参照)。 Thereafter, an HTO film having a thickness of 300 (nm) is formed as a protective film 70 on the surface of the silicon wafer 51 so as to cover the resistance element 60 (see FIG. 10).
ついで、保護膜70のうち各電極パッド66〜69に対する対応部位にエッチング処理を施して、各コンタクトホール53を形成する(図11参照)。 Next, the corresponding portions of the protective film 70 corresponding to the electrode pads 66 to 69 are etched to form the contact holes 53 (see FIG. 11).
然る後、保護膜70上に金属膜を成膜した後、当該金属膜にパターニング処理を施して、各電極パッド66〜69を形成する(図12参照)。 Thereafter, after forming a metal film on the protective film 70, the metal film is subjected to patterning to form the electrode pads 66 to 69 (see FIG. 12).
そして、陽極接合により、シリコンウェハ51の裏面及び保護膜70の表面に両ガラス板40、80を接合した上で、ガラス板40を台座30に接着剤で接着することで固着する。 Then, both glass plates 40 and 80 are bonded to the back surface of the silicon wafer 51 and the surface of the protective film 70 by anodic bonding, and then the glass plate 40 is fixed to the pedestal 30 with an adhesive.
ついで、図1から分かるように、各ターミナル31を台座30に挿通し、当該各ターミナル31の一側端部を各ボンディングワイヤ32により各対応の電極パッド66〜69に接続する。 Then, as can be seen from FIG. 1, each terminal 31 is inserted into the pedestal 30, and one end of each terminal 31 is connected to each corresponding electrode pad 66 to 69 by each bonding wire 32.
以上のように構成した本第1実施形態において、エンジンの燃焼室内の圧力が抵抗素子60の表面全体に亘り均一に加わる場合と、当該圧力が抵抗素子60の表面に対し傾斜して加わる場合とに分けて、当該圧力センサによる検出例を説明する。なお、当該圧力センサは作動状態にあるものとする。
1.エンジンの燃焼室内の圧力が抵抗素子60の表面全体に亘り均一に加わる場合
ロッド90の軸方向が半導体基板50の表面に対し垂直になっている場合には、燃焼室内の圧力は、図13にて実線による矢印2で示すごとく、ロッド90でもって、ガラス板80を介し抵抗素子60の表面に対し垂直に加えられる。従って、当該圧力が、図14にて2点鎖線でもって四角形状に囲われる領域3でもって示すごとく、抵抗素子60の表面全体に亘り均一に加わることとなる。このことは、均一荷重が、半導体基板50の表面、換言すれば、抵抗素子60の表面に対し作用することを意味する。
In the first embodiment configured as described above, when the pressure in the combustion chamber of the engine is applied uniformly over the entire surface of the resistance element 60, and when the pressure is applied with an inclination to the surface of the resistance element 60, An example of detection by the pressure sensor will be described separately. It is assumed that the pressure sensor is in an operating state.
1. When the pressure in the combustion chamber of the engine is uniformly applied over the entire surface of the resistance element 60. When the axial direction of the rod 90 is perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 50, the pressure in the combustion chamber is as shown in FIG. As indicated by the solid arrow 2, the rod 90 is applied perpendicularly to the surface of the resistance element 60 through the glass plate 80. Therefore, the pressure is applied uniformly over the entire surface of the resistance element 60 as shown by the region 3 surrounded by a two-dot chain line in FIG. This means that the uniform load acts on the surface of the semiconductor substrate 50, in other words, the surface of the resistance element 60.
ここで、上述のごとく、抵抗素子60は、半導体基板50の面方位(110)において結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>に沿い十字形状に形成されている。このため、図3にて示したように、結晶軸方向<100>の抵抗素子の抵抗変化は結晶軸方向<110>の抵抗素子の抵抗変化に比べて無視し得るほど小さいため、抵抗素子60のうち結晶軸方向<110>の抵抗素子部62、64にのみ抵抗値変化が生ずる。 Here, as described above, the resistance element 60 is formed in a cross shape along the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110> in the plane orientation (110) of the semiconductor substrate 50. For this reason, as shown in FIG. 3, the resistance change of the resistance element in the crystal axis direction <100> is negligibly small compared to the resistance change of the resistance element in the crystal axis direction <110>. Among them, the resistance value change occurs only in the resistance element portions 62 and 64 in the crystal axis direction <110>.
従って、各抵抗素子部61〜64の抵抗値をR1〜R4とすれば、R1≒R3≒R及びR2=R4=R+ΔRとなる。ここで、ΔRは、上述した各抵抗素子部62、64の各抵抗値変化により生ずる抵抗値増加分であって、上記圧力に比例する。 Therefore, if the resistance values of the resistance element portions 61 to 64 are R1 to R4, R1≈R3≈R and R2 = R4 = R + ΔR. Here, ΔR is an increase in resistance value caused by each resistance value change of each of the resistance element portions 62 and 64 described above, and is proportional to the pressure.
このような状態において、ゲート信号発生回路110の各ORゲート116、117、118が、上述のごとく、t=t1にて、ゲート信号G1(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ120は、ORゲート116からのゲート信号G1に基づき切り換えられて、抵抗素子60の電極パッド66を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を接地し、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を演算回路162に接続する。このとき、アナログスイッチ150は、オフ状態にあって、抵抗素子60の電極パッド69を開放状態に維持する。 In such a state, when each of the OR gates 116, 117, and 118 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G1 (see FIG. 6) at t = t1, as described above, the analog switch 120 is turned on. Switching is made based on the gate signal G1 from the gate 116 to connect the electrode pad 66 of the resistance element 60 to the positive terminal + Vcc of the DC power supply, and the analog switch 130 grounds the electrode pad 67 of the resistance element 60 to The switch 140 connects the electrode pad 68 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 162. At this time, the analog switch 150 is in an off state and maintains the electrode pad 69 of the resistance element 60 in an open state.
このため、抵抗素子60は、電極パッド66を正側としかつ電極パッド67を負側として、上記直流電源から正の直流電圧を印加される。従って、この直流電圧は、抵抗素子60の抵抗素子部61、交叉部位65及び抵抗素子部62からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部63及び電極パッド68を介し演算回路162の入力端子に接続される。 Therefore, the resistance element 60 is applied with a positive DC voltage from the DC power source with the electrode pad 66 on the positive side and the electrode pad 67 on the negative side. Therefore, this DC voltage is applied to a series circuit including the resistance element portion 61, the crossover portion 65, and the resistance element portion 62 of the resistance element 60. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 162 via the resistance element portion 63 and the electrode pad 68.
このような状態では、上記正の直流電圧をVとすれば、上述のごとく、抵抗素子部61の抵抗値は、R1≒Rであり、抵抗素子部62の抵抗値は、R2=R+ΔRであることから、交叉部位65の電位、即ち中点電位(以下、中点電位VMという)は、次の数式(1)でもって表される。 In such a state, if the positive DC voltage is V, as described above, the resistance value of the resistance element unit 61 is R1≈R, and the resistance value of the resistance element unit 62 is R2 = R + ΔR. Therefore, the potential of the crossing portion 65, that is, the midpoint potential (hereinafter referred to as the midpoint potential VM) is expressed by the following formula (1).
VM=VM1=R2・V/(R1+R2)≒(R+ΔR)・V/(2R+ΔR)・・・・・・・・(1)
しかして、演算回路162は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部63及び電極パッド68を介し中点電位VM1を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路172に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路172によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM1 = R2 ・ V / (R1 + R2) ≒ (R + ΔR) ・ V / (2R + ΔR) ... (1)
Therefore, the arithmetic circuit 162 receives the midpoint potential VM1 from the crossover portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 63 and the electrode pad 68, amplifies it, and outputs it to the sample hold circuit 172 as an amplified voltage. Accordingly, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 172 as a sample and hold voltage.
ついで、ゲート信号発生回路110の各ORゲート117、118、119が、上述のごとく、t=t2にて、ゲート信号G2(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を接地し、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を演算回路163に接続する。このとき、アナログスイッチ120は、オフ状態にあって、抵抗素子60の電極パッド66を開放状態に維持する。 Next, when each of the OR gates 117, 118, and 119 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G2 (see FIG. 6) at t = t2, as described above, the analog switch 130 causes the electrode of the resistance element 60 to be output. The pad 67 is connected to the positive terminal + Vcc of the DC power supply, the analog switch 140 grounds the electrode pad 68 of the resistance element 60, and the analog switch 150 connects the electrode pad 69 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 163. . At this time, the analog switch 120 is in an off state and maintains the electrode pad 66 of the resistance element 60 in an open state.
このため、抵抗素子60は、電極パッド67を正側としかつ電極パッド68を負側として、上記直流電源から正の直流電圧Vを印加される。従って、この直流電圧Vは、抵抗素子60の抵抗素子部62、交叉部位65及び抵抗素子部63からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部64及び電極パッド69を介し演算回路163の入力端子に接続される。 For this reason, the resistance element 60 is applied with a positive DC voltage V from the DC power source with the electrode pad 67 on the positive side and the electrode pad 68 on the negative side. Accordingly, the DC voltage V is applied to a series circuit including the resistance element portion 62, the crossover portion 65, and the resistance element portion 63 of the resistance element 60. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 163 via the resistance element portion 64 and the electrode pad 69.
このような状態では、上述のごとく、抵抗素子部62の抵抗値は、R2=R+ΔRであり、抵抗素子部63の抵抗値は、R3≒Rであることから、交叉部位65の中点電位VM=VM2は、次の数式(2)でもって表される。 In such a state, as described above, the resistance value of the resistance element portion 62 is R2 = R + ΔR, and the resistance value of the resistance element portion 63 is R3≈R. = VM2 is expressed by the following equation (2).
VM=VM2=R2・V/(R2+R3)≒R・V/(2R+ΔR)・・・・・・・・(2)
しかして、演算回路163は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部64及び電極パッド69を介し中点電位VM2を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路173に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路173によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM2 = R2 ・ V / (R2 + R3) ≒ R ・ V / (2R + ΔR) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (2)
Accordingly, the arithmetic circuit 163 receives the midpoint potential VM2 from the crossing portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 64 and the electrode pad 69, amplifies it, and outputs it as an amplified voltage to the sample hold circuit 173. Along with this, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 173 as a sample and hold voltage.
ついで、ゲート信号発生回路110の各ORゲート118、119、116が、上述のごとく、t=t3にて、ゲート信号G3(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を接地し、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を演算回路160に接続する。このとき、アナログスイッチ130は、オフ状態にあって、抵抗素子60の電極パッド67を開放状態に維持する。 Next, when each of the OR gates 118, 119, and 116 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G3 (see FIG. 6) at t = t3 as described above, the analog switch 140 causes the electrode of the resistance element 60 to be output. The pad 68 is connected to the positive terminal + Vcc of the DC power supply, the analog switch 150 grounds the electrode pad 69 of the resistance element 60, and the analog switch 120 connects the electrode pad 66 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 160. . At this time, the analog switch 130 is in an off state and maintains the electrode pad 67 of the resistance element 60 in an open state.
このため、抵抗素子60は、電極パッド68を正側としかつ電極パッド69を負側として、上記直流電源から正の直流電圧Vを印加される。従って、この直流電圧Vは、抵抗素子60の抵抗素子部63、交叉部位65及び抵抗素子部64からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部61及び電極パッド66を介し演算回路160の入力端子に接続される。 For this reason, the resistance element 60 is applied with a positive DC voltage V from the DC power source with the electrode pad 68 on the positive side and the electrode pad 69 on the negative side. Accordingly, the DC voltage V is applied to a series circuit including the resistance element portion 63, the crossover portion 65, and the resistance element portion 64 of the resistance element 60. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 160 via the resistance element portion 61 and the electrode pad 66.
このような状態では、上述のごとく、抵抗素子部63の抵抗値は、R3≒Rであり、抵抗素子部64の抵抗値は、R4=R+ΔRであることから、交叉部位65の中点電位VM=VM3は、次の数式(3)でもって表される。 In such a state, as described above, the resistance value of the resistance element portion 63 is R3≈R, and the resistance value of the resistance element portion 64 is R4 = R + ΔR. = VM3 is expressed by the following equation (3).
VM=VM3=R4・V/(R3+R4)≒(R+ΔR)・V/(2R+ΔR)・・・・・・・・(3)
しかして、演算回路160は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部61及び電極パッド66を介し中点電位VM3を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路170に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路170によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM3 = R4 ・ V / (R3 + R4) ≒ (R + ΔR) ・ V / (2R + ΔR) ... (3)
Accordingly, the arithmetic circuit 160 receives the midpoint potential VM3 from the crossover portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 61 and the electrode pad 66, amplifies it, and outputs it to the sample hold circuit 170 as an amplified voltage. Along with this, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 170 as a sample and hold voltage.
ついで、ゲート信号発生回路110の各ORゲート119、116、117が、上述のごとく、t=t4にて、ゲート信号G4(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を接地し、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を演算回路161に接続する。このとき、アナログスイッチ140は、オフ状態にあって、抵抗素子60の電極パッド68を開放状態に維持する。 Then, when each of the OR gates 119, 116, 117 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G4 (see FIG. 6) at t = t4 as described above, the analog switch 150 causes the electrode of the resistance element 60 to be output. The pad 69 is connected to the positive terminal + Vcc of the DC power source, the analog switch 120 grounds the electrode pad 66 of the resistance element 60, and the analog switch 130 connects the electrode pad 67 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 161. . At this time, the analog switch 140 is in an off state and maintains the electrode pad 68 of the resistance element 60 in an open state.
このため、抵抗素子60は、電極パッド69を正側としかつ電極パッド66を負側として、上記直流電源から正の直流電圧Vを印加される。従って、この直流電圧Vは、抵抗素子60の抵抗素子部64、交叉部位65及び抵抗素子部61からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部62及び電極パッド67を介し演算回路161の入力端子に接続される。 For this reason, the resistance element 60 is applied with a positive DC voltage V from the DC power source with the electrode pad 69 on the positive side and the electrode pad 66 on the negative side. Accordingly, the DC voltage V is applied to a series circuit including the resistance element portion 64, the crossover portion 65, and the resistance element portion 61 of the resistance element 60. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 161 via the resistance element portion 62 and the electrode pad 67.
このような状態では、上述のごとく、抵抗素子部64の抵抗値は、R4=R+ΔRであり、抵抗素子部61の抵抗値は、R1≒Rであることから、交叉部位65の中点電位VM=VM4は、次の数式(4)でもって表される。 In such a state, as described above, the resistance value of the resistance element portion 64 is R4 = R + ΔR, and the resistance value of the resistance element portion 61 is R1≈R. = VM4 is expressed by the following equation (4).
VM=VM4=R1・V/(R4+R1)≒R・V/(2R+ΔR)・・・・・・・・(4)
しかして、演算回路161は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部62及び電極パッド67を介し中点電位VM4を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路171に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路171によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM4 = R1 ・ V / (R4 + R1) ≒ R ・ V / (2R + ΔR) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (4)
Accordingly, the arithmetic circuit 161 receives the midpoint potential VM4 from the crossing portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 62 and the electrode pad 67, amplifies it, and outputs it to the sample hold circuit 171 as an amplified voltage. Accordingly, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 171 as a sample and hold voltage.
以上のようにしてサンプルホールドが終了すると、平均化回路180が、両サンプルホールド回路170、172からの各サンプルホールド電圧を平均化して平均化電圧(以下、平均化電圧VA1という)を発生する。ここで、平均化回路180の平均化電圧VA1は、両数式(1)、(3)に基づき次の数式(5)で表される。 When the sample-and-hold is completed as described above, the averaging circuit 180 averages the sample-and-hold voltages from both the sample-and-hold circuits 170 and 172 to generate an averaged voltage (hereinafter referred to as an averaged voltage VA1). Here, the averaged voltage VA1 of the averaging circuit 180 is expressed by the following formula (5) based on both formulas (1) and (3).
VA1=(VM1+VM3)/2=(R+ΔR)・V/(2R+ΔR)・・・・・・・・(5)
また、平均化回路181が、両サンプルホールド回路171、173からの各サンプルホールド電圧を平均化して平均化電圧(以下、平均化電圧VA2という)を発生する。ここで、平均化回路181の平均化電圧VA2は、両数式(2)、(4)に基づき次の数式(6)で表される。
VA1 = (VM1 + VM3) / 2 = (R + ΔR) ・ V / (2R + ΔR) (5)
The averaging circuit 181 averages the sample and hold voltages from both the sample and hold circuits 171 and 173 to generate an average voltage (hereinafter referred to as an average voltage VA2). Here, the averaged voltage VA2 of the averaging circuit 181 is expressed by the following equation (6) based on both equations (2) and (4).
VA2=(VM2+VM4)/2=R・V/(2R+ΔR)・・・・・・・・・・(6)
ついで、差分演算回路190が、両平均化回路180、181からの各平均化電圧VA1、VA2の差分を演算し差分電圧(以下、差分電圧VAという)を発生する。ここで、平均化回路181の差分電圧VAは、両数式(5)、(6)に基づき次の数式(7)により表される。
VA2 = (VM2 + VM4) / 2 = R ・ V / (2R + ΔR) (6)
Next, the difference calculation circuit 190 calculates a difference between the averaged voltages VA1 and VA2 from the two averaging circuits 180 and 181 to generate a difference voltage (hereinafter referred to as difference voltage VA). Here, the differential voltage VA of the averaging circuit 181 is expressed by the following equation (7) based on both equations (5) and (6).
VA=VA1-VA2=ΔR・V/(2R+ΔR)≒ΔR・V/(2R)・・・・・・・(7)
但し、数式(7)において、ΔRは2Rに比して無視し得る程小さいものとする。また、 差分電圧VAは、ΔRに比例し、このΔRは上記圧力に比例する。従って、差分電圧VAは、上記圧力に比例する。よって、上記圧力は差分電圧VAに基づき得られることが分かる。
2.エンジンの燃焼室内の圧力が抵抗素子60の表面に対し傾斜して加わる場合
ロッド90の軸方向が、図13にて二点鎖線で示すごとく、半導体基板50の表面に対し傾斜している場合には、燃焼室内の圧力が、図13にて二点鎖線の矢印4で示すごとく、ロッド90でもって、ガラス板80を介し抵抗素子60の表面に対し斜め方向に加えられる。このことは、偏荷重が、半導体基板50の表面、換言すれば、抵抗素子60の表面に対し作用することを意味する。
VA = VA1-VA2 = ΔR ・ V / (2R + ΔR) ≒ ΔR ・ V / (2R) ・ ・ ・ ・ ・ ・ (7)
However, in Equation (7), ΔR is negligibly small as compared with 2R. The differential voltage VA is proportional to ΔR, and ΔR is proportional to the pressure. Therefore, the differential voltage VA is proportional to the pressure. Therefore, it can be seen that the pressure is obtained based on the differential voltage VA.
2. When the pressure in the combustion chamber of the engine is applied with an inclination with respect to the surface of the resistance element 60 When the axial direction of the rod 90 is inclined with respect to the surface of the semiconductor substrate 50 as indicated by a two-dot chain line in FIG. The pressure in the combustion chamber is applied in an oblique direction with respect to the surface of the resistance element 60 through the glass plate 80 with the rod 90 as shown by the two-dot chain line arrow 4 in FIG. This means that the unbalanced load acts on the surface of the semiconductor substrate 50, in other words, the surface of the resistance element 60.
例えば、この偏荷重の場合において、半導体基板50の表面における圧力分布は、図15にて二点鎖線で示すごとく、圧力分布等圧線5〜9でもって表されるものとする。本実施形態では、抵抗素子60の交叉部位65上の圧力分布等圧線7は、圧力基準値1を表すものとする。また、圧力分布等圧線5は、圧力1.2を表し、圧力分布等圧線6は、圧力1.1を表し、圧力分布等圧線8は、圧力0.9を表し、圧力分布等圧線9は、圧力0.8を表すものとする。 For example, in the case of this uneven load, the pressure distribution on the surface of the semiconductor substrate 50 is represented by pressure distribution isobaric lines 5 to 9 as shown by a two-dot chain line in FIG. In the present embodiment, the pressure distribution isobaric line 7 on the crossing portion 65 of the resistance element 60 represents the pressure reference value 1. The pressure distribution isobaric line 5 represents the pressure 1.2, the pressure distribution isobaric line 6 represents the pressure 1.1, the pressure distribution isobaric line 8 represents the pressure 0.9, and the pressure distribution isobaric line 9 represents the pressure 0. 8 is assumed to be represented.
ここで、上述のごとく、抵抗素子60は、半導体基板50の面方位(110)において結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>に沿い十字形状に形成されている。このため、図3にて示したように、抵抗素子60のうち結晶軸方向<110>の抵抗素子部62、64にのみ抵抗値変化が生ずる。 Here, as described above, the resistance element 60 is formed in a cross shape along the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110> in the plane orientation (110) of the semiconductor substrate 50. For this reason, as shown in FIG. 3, the resistance value changes only in the resistance element portions 62 and 64 in the crystal axis direction <110> of the resistance element 60.
従って、各抵抗素子部61〜64の抵抗値R1〜R4のうち、上述と同様に、R1≒R3≒Rである。但し、上述の偏荷重に起因して、抵抗素子部62の抵抗値は、R2=R+ΔR2であり、抵抗素子部64の抵抗値は、R4=R+ΔR4であるものとする。 Therefore, among the resistance values R1 to R4 of the resistance element portions 61 to 64, R1≈R3≈R, as described above. However, it is assumed that the resistance value of the resistance element portion 62 is R2 = R + ΔR2 and the resistance value of the resistance element portion 64 is R4 = R + ΔR4 due to the above-described uneven load.
このような状態において、上述と同様に、ゲート信号発生回路110の各ORゲート116、117、118が、t=t1にて、ゲート信号G1(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を接地し、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を演算回路162に接続する。 In such a state, when each of the OR gates 116, 117, 118 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G1 (see FIG. 6) at t = t1, the analog switch 120 is The electrode pad 66 of the resistance element 60 is connected to the positive terminal + Vcc of the DC power supply, the analog switch 130 grounds the electrode pad 67 of the resistance element 60, and the analog switch 140 calculates the electrode pad 68 of the resistance element 60. Connect to circuit 162.
このため、上記直流電源から正の直流電圧は、上述と同様に、抵抗素子部61、交叉部位65及び抵抗素子部62からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部63及び電極パッド68を介し演算回路162の入力端子に接続される。 For this reason, a positive DC voltage from the DC power source is applied to a series circuit including the resistance element portion 61, the crossover portion 65, and the resistance element portion 62, as described above. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 162 via the resistance element portion 63 and the electrode pad 68.
このような状態では、上述のごとく、抵抗素子部61の抵抗値は、R1≒Rであり、抵抗素子部62の抵抗値は、R2=R+ΔR2であることから、交叉部位65の中点電位VM=VM11は、次の数式(8)でもって表される。
でもって表される。
In such a state, as described above, the resistance value of the resistance element portion 61 is R1≈R, and the resistance value of the resistance element portion 62 is R2 = R + ΔR2. = VM11 is expressed by the following equation (8).
It is expressed as such.
VM=VM11=R2・V/(R1+R2)
≒(R+ΔR2)・V/(2R+ΔR2)・・・・・・・・・(8)
しかして、演算回路162は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部63及び電極パッド68を介し中点電位VM11を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路172に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路172によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM11 = R2 ・ V / (R1 + R2)
≒ (R + ΔR2) ・ V / (2R + ΔR2) ... (8)
Accordingly, the arithmetic circuit 162 receives the midpoint potential VM11 from the crossover portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 63 and the electrode pad 68, amplifies it, and outputs it to the sample hold circuit 172 as an amplified voltage. Accordingly, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 172 as a sample and hold voltage.
ついで、上述と同様に、ゲート信号発生回路110の各ORゲート117、118、119が、t=t2にて、ゲート信号G2(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を接地し、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を演算回路163に接続する。 Next, when each of the OR gates 117, 118, and 119 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G2 (see FIG. 6) at t = t2, similarly to the above, the analog switch 130 is connected to the resistance element 60. The electrode pad 67 is connected to the positive terminal + Vcc of the DC power source, the analog switch 140 grounds the electrode pad 68 of the resistance element 60, and the analog switch 150 connects the electrode pad 69 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 163. To do.
このため、上記直流電源から正の直流電圧Vは、上述と同様に、抵抗素子60の抵抗素子部62、交叉部位65及び抵抗素子部63からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部64及び電極パッド69を介し演算回路163の入力端子に接続される。 For this reason, the positive DC voltage V from the DC power source is applied to a series circuit including the resistance element portion 62, the crossover portion 65, and the resistance element portion 63 of the resistance element 60, as described above. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 163 via the resistance element portion 64 and the electrode pad 69.
このような状態では、上述のごとく、抵抗素子部62の抵抗値は、R2=R+ΔR2であり、抵抗素子部63の抵抗値は、R3≒Rであることから、交叉部位65の中点電位VM=VM22は、次の数式(9)でもって表される。 In such a state, as described above, the resistance value of the resistance element portion 62 is R2 = R + ΔR2, and the resistance value of the resistance element portion 63 is R3≈R. = VM22 is expressed by the following equation (9).
VM=VM22=R2・V/(R2+R3)
≒R・V/(2R+ΔR2)・・・・・・・・・・(9)
しかして、演算回路163は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部64及び電極パッド69を介し中点電位VM22を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路173に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路173によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM22 = R2 ・ V / (R2 + R3)
≒ R ・ V / (2R + ΔR2) ... (9)
Thus, the arithmetic circuit 163 receives the midpoint potential VM22 from the crossing portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 64 and the electrode pad 69, amplifies it, and outputs it to the sample hold circuit 173 as an amplified voltage. Along with this, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 173 as a sample and hold voltage.
ついで、上述と同様に、ゲート信号発生回路110の各ORゲート118、119、116が、t=t3にて、ゲート信号G3(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ140は、抵抗素子60の電極パッド68を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を接地し、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を演算回路160に接続する。 Then, as described above, when each of the OR gates 118, 119, and 116 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G3 (see FIG. 6) at t = t3, the analog switch 140 The electrode pad 68 is connected to the positive terminal + Vcc of the DC power source, the analog switch 150 grounds the electrode pad 69 of the resistance element 60, and the analog switch 120 connects the electrode pad 66 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 160. To do.
このため、上記直流電源から正の直流電圧Vは、上述と同様に、抵抗素子部63、交叉部位65及び抵抗素子部64からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部61及び電極パッド66を介し演算回路160の入力端子に接続される。 For this reason, the positive DC voltage V from the DC power source is applied to a series circuit including the resistance element portion 63, the crossover portion 65, and the resistance element portion 64, as described above. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 160 via the resistance element portion 61 and the electrode pad 66.
このような状態では、上述のごとく、抵抗素子部63の抵抗値は、R3≒Rであり、抵抗素子部64の抵抗値は、R4=R+ΔR4であることから、交叉部位65の中点電位VM33は、次の数式(10)でもって表される。 In such a state, as described above, the resistance value of the resistance element portion 63 is R3≈R, and the resistance value of the resistance element portion 64 is R4 = R + ΔR4. Is expressed by the following formula (10).
VM=VM33=R4・V/(R3+R4)
≒(R+ΔR4)・V/(2R+ΔR4)・・・・・・・・(10)
しかして、演算回路160は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部61及び電極パッド66を介し中点電位VM33を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路170に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路170によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM33 = R4 ・ V / (R3 + R4)
≒ (R + ΔR4) ・ V / (2R + ΔR4) ... (10)
Accordingly, the arithmetic circuit 160 receives the midpoint potential VM33 from the crossover portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 61 and the electrode pad 66, amplifies it, and outputs it to the sample hold circuit 170 as an amplified voltage. Along with this, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 170 as a sample and hold voltage.
ついで、上述と同様に、ゲート信号発生回路110の各ORゲート119、116、117が、t=t4にて、ゲート信号G4(図6参照)を出力すると、アナログスイッチ150は、抵抗素子60の電極パッド69を上記直流電源の正側端子+Vccに接続し、アナログスイッチ120は、抵抗素子60の電極パッド66を接地し、アナログスイッチ130は、抵抗素子60の電極パッド67を演算回路161に接続する。 Next, when each of the OR gates 119, 116, and 117 of the gate signal generation circuit 110 outputs the gate signal G 4 (see FIG. 6) at t = t 4, the analog switch 150 causes the resistance element 60 to The electrode pad 69 is connected to the positive terminal + Vcc of the DC power source, the analog switch 120 grounds the electrode pad 66 of the resistance element 60, and the analog switch 130 connects the electrode pad 67 of the resistance element 60 to the arithmetic circuit 161. To do.
このため、上記直流電源から正の直流電圧Vは、上述と同様に、抵抗素子60の抵抗素子部64、交叉部位65及び抵抗素子部61からなる直列回路に印加される。これにあわせて、抵抗素子60の交叉部位65は、抵抗素子部62及び電極パッド67を介し演算回路161の入力端子に接続される。 For this reason, the positive DC voltage V from the DC power source is applied to the series circuit including the resistance element portion 64, the crossover portion 65, and the resistance element portion 61 of the resistance element 60 as described above. In accordance with this, the crossing portion 65 of the resistance element 60 is connected to the input terminal of the arithmetic circuit 161 via the resistance element portion 62 and the electrode pad 67.
このような状態では、上述のごとく、抵抗素子部64の抵抗値は、R4=R+ΔR4であり、抵抗素子部61の抵抗値は、R1≒Rであることから、交叉部位65の中点電位VM=VM44は、次の数式(11)でもって表される。 In such a state, as described above, the resistance value of the resistance element portion 64 is R4 = R + ΔR4, and the resistance value of the resistance element portion 61 is R1≈R. = VM44 is expressed by the following equation (11).
VM=VM44=R1・V/(R4+R1)
≒(R)・V/(2R+ΔR4)・・・・・・・・(11)
しかして、演算回路161は、抵抗素子60の交叉部位65から抵抗素子部62及び電極パッド67を介し中点電位VM44を入力されて増幅し増幅電圧としてサンプルホールド回路171に出力する。これに伴い、当該増幅電圧は、サンプルホールド回路171によりサンプルホールド電圧としてサンプルホールドされる。
VM = VM44 = R1 ・ V / (R4 + R1)
≒ (R) ・ V / (2R + ΔR4) ... (11)
Accordingly, the arithmetic circuit 161 receives and amplifies the midpoint potential VM44 from the crossing portion 65 of the resistance element 60 via the resistance element portion 62 and the electrode pad 67, and outputs the amplified voltage to the sample and hold circuit 171 as an amplified voltage. Accordingly, the amplified voltage is sampled and held by the sample and hold circuit 171 as a sample and hold voltage.
以上のようにしてサンプルホールドが終了すると、平均化回路180が、両サンプルホールド回路170、172からの各サンプルホールド電圧を平均化して平均化電圧(以下、平均化電圧VA11という)を発生する。ここで、平均化回路180の平均化電圧VA11は、両数式(8)、(10)に基づき次の数式(12)で表される。 When the sample-and-hold is completed as described above, the averaging circuit 180 averages the sample-and-hold voltages from both the sample-and-hold circuits 170 and 172 to generate an averaged voltage (hereinafter referred to as an averaged voltage VA11). Here, the averaged voltage VA11 of the averaging circuit 180 is expressed by the following formula (12) based on both formulas (8) and (10).
VA11=(VM11+VM33)/2
=[4R+3(ΔR2+ΔR4)]・V/[8R+4(ΔR2+ΔR4)]・・・・・・(12)
また、平均化回路181が、両サンプルホールド回路171、173からの各サンプルホールド電圧を平均化して平均化電圧(以下、平均化電圧VA22という)を発生する。ここで、平均化回路181の平均化電圧VA22は、両数式(9)、(11)に基づき次の数式(13)で表される。なお、ΔR2・ΔR4≒0とする。
VA11 = (VM11 + VM33) / 2
= [4R + 3 (ΔR2 + ΔR4)] ・ V / [8R + 4 (ΔR2 + ΔR4)] ・ ・ ・ ・ ・ ・ (12)
The averaging circuit 181 averages the sample and hold voltages from both the sample and hold circuits 171 and 173 to generate an averaged voltage (hereinafter referred to as an averaged voltage VA22). Here, the averaged voltage VA22 of the averaging circuit 181 is expressed by the following equation (13) based on both equations (9) and (11). Note that ΔR2 · ΔR4≈0.
VA22=(VM2+VM4)/2
=[4R+(ΔR2+ΔR4)]・V/[8R+4(ΔR2+ΔR4)]・・・・・・(13)
ついで、差分演算回路190が、両平均化回路180、181からの各平均化電圧VA11、VA22の差分を演算し差分電圧(以下、差分電圧VAAという)を発生する。ここで、差分演算回路190の差分電圧VAAは、両数式(12)、(13)に基づき次の数式(14)により表される。
VA22 = (VM2 + VM4) / 2
= [4R + (ΔR2 + ΔR4)] ・ V / [8R + 4 (ΔR2 + ΔR4)] ・ ・ ・ ・ ・ ・ (13)
Next, the difference calculation circuit 190 calculates the difference between the averaged voltages VA11 and VA22 from the two averaging circuits 180 and 181 to generate a difference voltage (hereinafter referred to as difference voltage VAA). Here, the difference voltage VAA of the difference calculation circuit 190 is expressed by the following equation (14) based on both equations (12) and (13).
VAA=VA11-VA22=(ΔR2+ΔR4)・V/[4R+2(ΔR2+ΔR4)]
≒(ΔR2+ΔR4)・V/(4R)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(14)
ここで、例えば、図15にて示すような圧力分布等圧線図を前提とし、ΔR2=0.9Rであり、ΔR4=1.1ΔRであるとすると、VAA≒(0.9ΔR+1.1ΔR)・V/(4R)=ΔRV/(2R)となる。
VAA = VA11-VA22 = (ΔR2 + ΔR4) ・ V / [4R + 2 (ΔR2 + ΔR4)]
≒ (ΔR2 + ΔR4) ・ V / (4R) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (14)
Here, for example, assuming a pressure distribution isobaric diagram as shown in FIG. 15 and ΔR2 = 0.9R and ΔR4 = 1.1ΔR, VAA≈ (0.9ΔR + 1.1ΔR) · V / (4R) = ΔRV / (2R).
従って、上述のようにΔR2とΔR4との間に差或いはばらつきがあっても、差分出力は、ΔRV/(2R)となり、ばらつきが吸収されて平均化され、偏荷重の影響が低減化され、適切な値として得られる。
(第2実施形態)
図16〜図21は、本発明の係る圧力検出装置の第2実施形態の要部を示している。この第2実施形態では、抵抗素子60の耐熱性を考慮して、半導体基板50が、上記第1実施形態とは異なり、p型半導体からなる抵抗素子60を面方位(110)に形成したSOI(silicon on insulator)基板でもって構成される。
Therefore, even if there is a difference or variation between ΔR2 and ΔR4 as described above, the difference output becomes ΔRV / (2R), the variation is absorbed and averaged, and the influence of the uneven load is reduced. Obtained as an appropriate value.
(Second Embodiment)
FIGS. 16-21 has shown the principal part of 2nd Embodiment of the pressure detection apparatus which concerns on this invention. In the second embodiment, considering the heat resistance of the resistance element 60, unlike the first embodiment, the semiconductor substrate 50 is an SOI in which a resistance element 60 made of a p-type semiconductor is formed in the plane orientation (110). It is composed of a (silicon on insulator) substrate.
従って、本第2実施形態において、圧力センサは、上記第1実施形態にて述べた半導体基板50をSOI基板で構成している点を除き、上記第1実施形態にて述べた圧力センサ(図1参照)と実質的に同様の構成を有する。 Therefore, in the second embodiment, the pressure sensor is the same as the pressure sensor described in the first embodiment except that the semiconductor substrate 50 described in the first embodiment is an SOI substrate (see FIG. 1)).
以下、半導体基板50として上記SOI基板を採用しこのSOI基板に抵抗素子60及び保護膜70を製造する工程について説明する。 Hereinafter, a process of adopting the SOI substrate as the semiconductor substrate 50 and manufacturing the resistance element 60 and the protective film 70 on the SOI substrate will be described.
上記SOI基板として、図16に示すような構成の貼り合わせSOIウェハ200を準備する。このSOIウェハ200は、支持基板201上に中間酸化膜202及び活性層203を順次積層状に設けられている。 As the SOI substrate, a bonded SOI wafer 200 having a configuration as shown in FIG. 16 is prepared. In the SOI wafer 200, an intermediate oxide film 202 and an active layer 203 are sequentially stacked on a support substrate 201.
本第2実施形態において、支持基板201は、525(μm)の厚さ及び10(Ω・cm)〜20(Ω・cm)の範囲以内の抵抗値を有するn型半導体材料からなる。中間酸化膜202は1(μm)の厚さを有する。また、活性層203は、1.5(μm)の厚さ及び10(Ω・cm)〜20(Ω・cm)の範囲以内の抵抗値を有するp型半導体からなる。 In the second embodiment, the support substrate 201 is made of an n-type semiconductor material having a thickness of 525 (μm) and a resistance value within a range of 10 (Ω · cm) to 20 (Ω · cm). The intermediate oxide film 202 has a thickness of 1 (μm). The active layer 203 is made of a p-type semiconductor having a thickness of 1.5 (μm) and a resistance value within a range of 10 (Ω · cm) to 20 (Ω · cm).
抵抗素子60を形成するために、ボロン(図17にて符号204参照)をSOIウェハ200の活性層203にイオン注入装置でもって注入する。ここで、ボロンの濃度を、上述と同様に、20(atom/cm3)とする。 In order to form the resistance element 60, boron (see reference numeral 204 in FIG. 17) is implanted into the active layer 203 of the SOI wafer 200 with an ion implantation apparatus. Here, the concentration of boron is set to 20 (atoms / cm 3 ) as described above.
次に、上述のように注入したボロンを活性層203内にて均一濃度にするために、N2雰囲気中で1100(℃)でもって5(時間)の間アニールする。 Next, in order to obtain a uniform concentration of boron implanted as described above in the active layer 203, annealing is performed for 5 (hours) in an N 2 atmosphere at 1100 (° C.).
然る後、活性層203中のシリコンにパターニング処理を施して、エッチングにより十字形状のピエゾ抵抗体を形成し抵抗素子60とする(図18にて符号204参照)。なお、上記シリコンのエッチングは、半導体プロセスにおける反応性イオンエッチングを用いる。 Thereafter, a patterning process is performed on the silicon in the active layer 203 to form a cross-shaped piezoresistor by etching to form a resistance element 60 (see reference numeral 204 in FIG. 18). The silicon etching is performed by reactive ion etching in a semiconductor process.
ついで、HTO膜205を300(nm)の膜厚にて保護膜70として成膜する(図19)。このとき、HTO膜205は支持基板201の裏面側にも形成されるが、保護膜70は、支持基板201の表面側に成膜されるHTO膜205でもって構成される。 Next, an HTO film 205 is formed as a protective film 70 with a film thickness of 300 (nm) (FIG. 19). At this time, the HTO film 205 is also formed on the back surface side of the support substrate 201, but the protective film 70 is configured by the HTO film 205 formed on the front surface side of the support substrate 201.
然る後、保護膜70のうち各電極パッド66〜69に対する対応部位にエッチング処理を施して、各コンタクトホール206を形成する(図20参照)。 Thereafter, the corresponding portions of the protective film 70 corresponding to the electrode pads 66 to 69 are etched to form the contact holes 206 (see FIG. 20).
次に、保護膜70上に金属膜を成膜した後、当該金属膜にパターニング処理を施して各電極パッド66〜69を形成する(図21参照)。そして、陽極接合により、SOIウェハ200の裏面及び保護膜70の表面に両ガラス板40、80を接合した上で、ガラス板40を台座30に接着剤で接着することで固着する。その他の構成は上記第1実施形態と同様である。 Next, after forming a metal film on the protective film 70, the metal film is subjected to a patterning process to form the electrode pads 66 to 69 (see FIG. 21). And after bonding both the glass plates 40 and 80 to the back surface of the SOI wafer 200 and the surface of the protective film 70 by anodic bonding, the glass plate 40 is fixed to the pedestal 30 with an adhesive. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
以上のように製造した構成を有する圧力センサによれば、半導体基板50がSOI基板からなるため、上記第1実施形態にて述べた圧力センサに比べて、より一層耐熱性を確保しつつ、上記第1実施形態にて述べた制御回路100を用いることで、上記第1実施形態と同様の作用効果が達成される。 According to the pressure sensor having the configuration manufactured as described above, since the semiconductor substrate 50 is made of an SOI substrate, the above-described pressure sensor is further improved in heat resistance as compared with the pressure sensor described in the first embodiment. By using the control circuit 100 described in the first embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be achieved.
なお、本発明の実施にあたり、上記各実施形態に限ることなく、次のような種々の変形例が挙げられる。
(1)抵抗素子60は、上記第1或いは第2の実施形態にて述べたように2対の抵抗素子部61、63及び62、64からなる十字形状の抵抗素子に限らず、3対以上の抵抗素子部でもって放射形状に形成した抵抗素子であってもよい。
In carrying out the present invention, the following various modifications are possible without being limited to the above embodiments.
(1) As described in the first or second embodiment, the resistance element 60 is not limited to the cross-shaped resistance element including the two pairs of resistance element portions 61, 63, 62, and 64. The resistance element portion may be a resistance element formed in a radial shape.
但し、この放射形状の抵抗素子においても、上記第1或いは第2の実施形態にて述べた両抵抗素子部62、64に相当する両抵抗素子部は、上記第1或いは第2の実施形態の半導体基板50の面方位(110)において結晶軸方向<110>に沿い形成されていることが望ましい。これにより、上記第1或いは第2の実施形態と実質的に同様の作用効果が達成され得る。 However, also in this radiation-shaped resistance element, both resistance element parts corresponding to the both resistance element parts 62 and 64 described in the first or second embodiment are the same as those in the first or second embodiment. It is desirable that the semiconductor substrate 50 be formed along the crystal axis direction <110> in the plane orientation (110). Thereby, substantially the same operation effect as the first or second embodiment can be achieved.
なお、例えば、3対の抵抗素子部からなる放射形状の抵抗素子は、図22にて示すごとく、3対の抵抗素子部のうちの一対の抵抗素子部を結晶軸方向<110>に沿い形成し、他の一対の抵抗素子部を結晶軸方向<100>に沿い形成し、残りの一対の抵抗素子部を、結晶軸方向<100>に対し所定角度α(例えば、45°)をなす方向に形成することが望ましい。
(2)半導体基板50は、n型シリコン基板に代えて、p型シリコン基板であってもよい。但し、上記実施形態にて述べた抵抗素子60を、上記p型シリコン基板の面方位(110)において結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>に沿い十字形状に形成する。
For example, a radial-shaped resistance element composed of three pairs of resistance element portions is formed with a pair of resistance element portions of the three pairs of resistance element portions along the crystal axis direction <110> as shown in FIG. The other pair of resistor elements are formed along the crystal axis direction <100>, and the remaining pair of resistor elements are formed at a predetermined angle α (for example, 45 °) with respect to the crystal axis direction <100>. It is desirable to form.
(2) The semiconductor substrate 50 may be a p-type silicon substrate instead of the n-type silicon substrate. However, the resistance element 60 described in the above embodiment is formed in a cross shape along the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110> in the plane orientation (110) of the p-type silicon substrate.
また、半導体基板50は、p型半導体からなる抵抗素子60を面方位(110)に形成したSOI基板に代えて、n型半導体からなる抵抗素子を面方位(110)に形成したSOI基板であってもよい。但し、抵抗素子を、結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>に沿い十字形状に形成する。 The semiconductor substrate 50 is an SOI substrate in which a resistor element made of an n-type semiconductor is formed in the plane orientation (110) instead of the SOI substrate in which the resistor element 60 made of a p-type semiconductor is formed in the plane orientation (110). May be. However, the resistance elements are formed in a cross shape along the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110>.
これによれば、図23にて示すごとく、n型半導体からなる抵抗素子60は、面方位(110)における結晶軸方向<100>にて大きなピエゾ抵抗係数の変化を有する。従って、このような抵抗値変化を利用すれば、上記第1或いは第2と実質的に同様の作用効果が達成され得る。
(4)不純物成分は、ボロンに限ることなく、例えば、ガリウムやインジウム等であってもよい。
(5)抵抗素子60は、面方位(110)に形成されるものに限ることなく、面方位(110)と等価な面方位に形成されるものであってもよい。ここで、面方位(100)と等価な面方位は、例えば、(−110)、(1−10)、(−1−10)、(101)、(−101)、(10−1)、(−10−1)、(011)、(0−11)、(01−1)、或いは(0−1−1)の面方位が挙げられる。なお、上記面方位中の「−1」は、「−」を「1」の上に付すバーを意味する。
(6)抵抗素子60は、半導体基板50の面方位(110)における結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>に沿う方向に限らず、当該結晶軸方向<100>及び結晶軸方向<110>にそれぞれ等価な方向に十字形状に形成しても、上記第1或いは第2の実施形態と同様の作用効果が達成され得る。
According to this, as shown in FIG. 23, the resistance element 60 made of an n-type semiconductor has a large change in piezoresistance coefficient in the crystal axis direction <100> in the plane orientation (110). Therefore, by using such a resistance value change, substantially the same effect as the first or second can be achieved.
(4) The impurity component is not limited to boron, and may be, for example, gallium or indium.
(5) The resistance element 60 is not limited to being formed in the plane orientation (110), but may be formed in a plane orientation equivalent to the plane orientation (110). Here, the plane orientation equivalent to the plane orientation (100) is, for example, (−110), (1-10), (−1-10), (101), (−101), (10-1), Examples include (-10-1), (011), (0-11), (01-1), or (0-1-1) plane orientation. Note that “−1” in the plane orientation means a bar with “−” on “1”.
(6) The resistance element 60 is not limited to the direction along the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction <110> in the plane orientation (110) of the semiconductor substrate 50, and the crystal axis direction <100> and the crystal axis direction < Even if it is formed in a cross shape in the direction equivalent to 110>, the same effect as the first or second embodiment can be achieved.
ここで、結晶軸方向<100>に等価な方向は、例えば、<−100>、<010>、<0−10>、<001>或いは<00−1>の方向が挙げられる。また、結晶軸方向<110>に等価な方向は、例えば、<−110>、<1−10>、<−1−10>、<101>、<−101>、<10−1>、<−10−1>、<011>、<0−11>、<01−1>、或いは<0−1−1>の方向が挙げられる。なお、上記結晶軸方向中の「−1」は、「−」を「1」の上に付すバーを意味する。 Here, the direction equivalent to the crystal axis direction <100> includes, for example, <-100>, <010>, <0-10>, <001>, or <00-1>. The directions equivalent to the crystal axis direction <110> are, for example, <−110>, <1-10>, <-1-10>, <101>, <−101>, <10-1>, <10-1> -10-1>, <011>, <0-11>, <01-1>, or <0-1-1>. Note that “−1” in the crystal axis direction means a bar with “−” on “1”.
50…半導体基板、60…抵抗素子、61〜64…抵抗素子部、
65…交差部位(中点部位)、90…ロッド、100…制御回路、
110…ゲート信号発生回路、120〜150…アナログスイッチ、
160〜163…演算回路、170〜173…サンプルホールド回路、
180、181…平均化回路、190…差分演算回路、+Vcc…直流電源の正側端子。
50 ... Semiconductor substrate, 60 ... Resistance element, 61-64 ... Resistance element part,
65 ... intersection part (middle point part), 90 ... rod, 100 ... control circuit,
110: Gate signal generation circuit, 120-150: Analog switch,
160-163 ... arithmetic circuit, 170-173 ... sample hold circuit,
180, 181... Averaging circuit, 190... Differential operation circuit, + Vcc.
Claims (3)
前記受圧部へ荷重を加える押圧部材と、を備える圧力検出装置であって、
前記ピエゾ抵抗素子は、中点部位と、面方位(110)或いはこの面方位と等価な面方位上においてピエゾ抵抗係数の絶対値が最小値と最大値との半値よりも大きなピエゾ抵抗係数となる結晶軸方向を1つの放射方向として含むように前記中点部位から放射形状に延出する偶数の抵抗素子部を有し、
当該抵抗素子部が前記中点部位において交叉して形成されていることを特徴とする圧力検出装置。 A pressure sensor including a semiconductor substrate and a pressure detection element having a piezoresistive element formed in a pressure receiving portion that receives pressure in the semiconductor substrate;
A pressure detection device comprising a pressing member that applies a load to the pressure receiving portion,
In the piezoresistive element, the absolute value of the piezoresistive coefficient is larger than the half value between the minimum value and the maximum value on the midpoint portion and the plane orientation (110) or the plane orientation equivalent to this plane orientation. Having an even number of resistance element portions extending radially from the midpoint portion so as to include the crystal axis direction as one radial direction;
The pressure detecting device, wherein the resistance element portion is formed to intersect at the midpoint portion.
この電圧印加手段による電圧印加毎に、前記中点部位に発生する各中点部位を平均化する平均化手段とを有する制御手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の圧力検出装置。 Voltage application means for sequentially applying a voltage to each of the adjacent resistance element portions adjacent to each other among the even number of resistance element portions of the pressure detection element;
The pressure detection apparatus according to claim 1 , further comprising a control unit having an averaging unit that averages each midpoint portion generated at the midpoint portion for each voltage application by the voltage applying unit.
前記受圧部へ荷重を加える押圧部材と、
制御手段と、を備える圧力検出装置であって、
前記ピエゾ抵抗素子は、面方位(110)或いはこの面方位と等価な面方位上においてピエゾ抵抗係数の絶対値が最小値と最大値との半値よりも大きなピエゾ抵抗係数となる結晶軸方向及びこの結晶軸方向とは直角な結晶軸方向の双方に沿うように十字形状に形成され、
前記半導体基板は、n型シリコン基板或いはSOI基板であり、
前記ピエゾ抵抗素子は、p型半導体材料でもって形成されており、
前記ピエゾ抵抗係数の絶対値における最小値と最大値との半値よりも大きなピエゾ抵抗係数となる結晶軸方向及びこの結晶軸方向とは直角な結晶軸方向は、それぞれ、結晶軸方向<110>或いはこの結晶軸方向と等価な結晶軸方向及び結晶軸方向<100>或いはこの結晶軸方向と等価な結晶軸方向であり、
さらに、前記圧力検出素子の前記ピエゾ抵抗素子は、中点部位と、この中点部位から十字形状に延出する4つの抵抗素子部とを有しており、
前記制御手段は、
前記圧力検出素子の前記4つの抵抗素子部のうち互いに隣り合う各両隣接抵抗素子部毎に電圧を印加する電圧印加手段と、
この電圧印加手段による電圧印加毎に、前記中点部位に発生する各中点電圧を平均化する平均化手段とを有することを特徴とする圧力検出装置。 A pressure sensor including a semiconductor substrate and a pressure detection element having a piezoresistive element formed in a pressure receiving portion that receives pressure in the semiconductor substrate;
A pressing member for applying a load to the pressure receiving portion;
A pressure detecting device comprising a control means ,
The piezoresistive element has a crystal orientation in which the absolute value of the piezoresistance coefficient is larger than the half value between the minimum value and the maximum value in the plane orientation (110) or a plane orientation equivalent to this plane orientation, and It is formed in a cross shape along both the crystal axis direction perpendicular to the crystal axis direction ,
The semiconductor substrate is an n-type silicon substrate or an SOI substrate,
The piezoresistive element is formed of a p-type semiconductor material,
The crystal axis direction having a piezoresistance coefficient larger than the half value of the absolute value of the absolute value of the piezoresistance coefficient and the crystal axis direction perpendicular to the crystal axis direction are the crystal axis direction <110> or A crystal axis direction equivalent to this crystal axis direction and a crystal axis direction <100> or a crystal axis direction equivalent to this crystal axis direction,
Furthermore, the piezoresistive element of the pressure detecting element has a midpoint portion and four resistance element portions extending in a cross shape from the midpoint portion,
The control means includes
Voltage applying means for applying a voltage to each of the two adjacent resistance element portions adjacent to each other among the four resistance element portions of the pressure detection element;
A pressure detecting device comprising: averaging means for averaging each midpoint voltage generated at the midpoint portion for each voltage application by the voltage applying means .
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