JPS5814751B2 - ダイアフラム形ひずみゲ−ジ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ダイアフラム形ひずみゲージ、特に半導体単
結晶よりなるダイアフラム面上にひずみゲージを配設し
たダイアフラム形ひずみゲージに関するものである。

シリコンダイアフラムを用いた半導体ひずみゲージは、
シリコン自体を固定部と起歪部とを有するダイアフラム
として、その上に複数個のひずみゲージを不純物の拡散
により形成して、これら複数個のひずみゲージをホイー
トストンブリッジ配線したもので、これによってダイア
フラム面内に生ずるひずみを効果的に電気信号に変換す
ることができ、種々き原因によって生じる機械的な力ま
たは液体圧力等のひずみに変換される物理量を電気信号
に変換する。

コノ種ダイアフラム形ひずみゲージにおいては特定の面
方位を有するシリコンダイア７ラムの面上の中心を通る
任意または特定の軸に対称に、この軸と並行に配置され
た半径方向ひずみゲージ、およびこの軸に直交する軸と
並行に配置された接線方向ひずみゲージを不純物の拡散
によって形成し、これらのひずみゲージを組合せてフル
ブリッジを構成している。

第１図は、その一例として本発明者等が試作したダイア
フラム形ひずみゲージを示すもので、同図ａはダイアフ
ラム上に形成されているひずみゲージの配置を示し、同
図ｂは縦断面を示すものである。

同図ｂに示す如く、裏面に凹型の孔があけられ、ダイア
フラム面が（１１０）面方位をもつダイアフラム１０が
形成されたシリコン素子の起歪部１１には、拡散法によ
り不純物を拡散して歪ゲージ１，２，３，４が形成され
、ダイアフラムの固定部１２は接着剤１３により筐体１
４に接着固定されている。

面方位（１１０）を有するダイアフラム面には、半径方
向歪ゲージ１，２がダイアフラム中心を通る＜１１１＞
軸方向に平行に形成され、接線方向歪ゲージ３，４がダ
イアフラム中心を通る＜１１２＞軸方向に、この軸と直
交して形成され、これらの半径方向歪ゲージ１，２、接
線方向歪ゲージ３，４は何れもダイアフラムの中心から
等距離に配置されている。

しかし、このようにひずみゲージが配設されているダイ
アフラム形ひずみゲージは、結晶軸方向のいずれに対し
て本質的に敏感であり、製作毎の特性のばらつきが大き
い欠点があった。

また、ダイアフラム面を（１１０）とする代りに（１１
１）面を用いて形成することも可能であるが、出力感度
が低いため大きい出方電圧が得られない欠点があった。

本発明は、出力感度が大きく、特性ぱらつきの小さく、
直線性の優れたダイアフラム形ひずみゲージを提供する
ことを目的とするもので、半導体単結晶基板よりなるダ
イアフラム上に、不純物拡散により形成され、ダイアフ
ラム面上に作用する半径方向応力とその電流方向とが平
行な少なくとも一個の半径方向ひずみゲージと、ダイア
フラム面上に作用する接線方向応力とその電流方向とが
平行な少さくともＨ固の接線方向ひずみゲージとを有す
るダイアスラム形ひずみゲージにおいて、ダイアフラム
面が（１１０）面方位を有し、半径方向ひずみゲージが
＜１１１＞軸方向に配設され、接線方向ひずみゲージが
＜１１０＞軸および＜１００＞軸からそれぞれ４５°の
角度をなす軸方向に配設されていることを特徴とするも
のである。

すなわち、本発明は半導体単結晶よりなるダイアフラム
上に配列するひずみゲージがこうむる抵抗変化を理論的
に解折した結果、ピエゾ抵抗係数の結晶軸（角度）依存
性に基づいてこれを最も効果的に利用し得るひずみゲー
ジの配列の存在することを確認したことに基づいてなさ
れたものである。

すなわち、周辺固定モデルのダイアフラム上に配置され
ているひずみゲージは第２図ａに示すような表面応力を
受けており、その感度係数であるビエゾ抵抗係数は第３
図のようになる。

第２図ａは横軸にはダイアフラム中心からの距離ｒとダ
イアフラム半径ａとの比がとってあり、Ｏはダイアフラ
ムの中心１はダイアフラムの端部を示しており，縦軸に
は応力がとってある。

図のσｒ，σｔはそれそれ、半径方向の応力、接線方向
の応力を示している。

この曲げ応力σｘ，σｔはそれぞれ次式で表わされる。

また、第３図の横軸、縦軸は、それぞれ（１１０）面方
位を有するシリコンタイアフラムのタイアフラム中心を
通る＜１１０＞軸、＜１００＞軸を示し、πｔは長手方
向のピエゾ抵抗係数，πｔは横手方向のピエゾ抵抗係数
を示している。

長手方向がダイアフラムの半径方向に配列した歪ゲージ
、すなわち二半径ゲージの抵抗変化率は大略次式のよう
になる。

同様に、接線方向に配列した接線ゲージは次式のように
なる。

（１），（２）式の第１項、第２項の大きさは、歪ゲー
ジの配置によって変化するので最も抵抗変化の大きい配
置が存在する。

第３図より明らかな如く、半径ゲージについてはダイア
フラムの中心を通る結晶軸が＜１１１＞軸、接線ゲージ
についてはダイアフラムの中心を通る結晶軸が＜１１０
＞軸および＜１００＞軸から４５°の角度がピエゾ抵抗
係数が最大で、かつ、曲線の変曲点にあるから角度ずれ
による変動も少ないことがわかる。

また、第２図ｂに示すように半径ゲージ１と接線ゲージ
３のダイアフラム中心からの距離をかえ、かつ、接線ゲ
ージ３を半径ゲージ１よりもダイアフラムの中心に近い
位置に配置すれば、半径ゲージ１、接線ゲージ３は両方
とも長手方向の応力が大部分を占めるので、式（３）お
よび（４）における第１項が支配的となる。

すなわち、第２図および第３図において、半径ゲージは
Ａ，Ｂ点がそれぞれ（３）（４）式の１，２項に対応し
、接線ゲージはａ，ｂ点がそれぞれ（１），（２）式の
１ ２項に対応する。

以上の結果、半径ゲージ＜１１１＞軸に、接線ゲージは
＜１１０＞軸およびく１００＞軸から４５°の角度に配
列し、かつ、半径ゲージは接線応力σｔ＝０となる附近
に配置し、接線ゲージはそれより内側で、半径応力σｒ
＝０となる付近に配置すればよいことが理解される。

これらのゲージはそれぞれベアーとして第４図のように
周知のブリツヂ構成として用いられ、ここの時の圧力〜
出力間の非直線性は各ゲージの非直線性の和になるが、
この点についても定性的にはゲージへの直交応力成分が
より大きい非直線性をもっているため，第２図のように
ゲージを配置すれば非直線誤差が小さいことを確認して
おり、このことは非直線性の温度影響についても同様で
ある。

しかし、低い圧力を検出するダイアスラムにおいては、
その板厚に対する変位量が大きくなり、いわゆる、膜応
力による圧力一ひすみ間の非直線性が問題となるので、
各ゲージをブリッジに組んだ場合の圧力一出力間の非直
線性の観点から言えば、このようなゲージ配置が最適で
あるとは限らない。

以下、実施例について説明する。

第５図は本発明のシリコンダイアフラム形ひずみゲージ
の一実施例を示す。

同図ａはダイアフラム上に形成されているひずみゲージ
の配置を示し、同図ｂは縦断面を示すもので、第１図と
同一符号を付してあるものは同一部分を示す。

ひずみゲージはｎ導電型のシリコン単結晶よりなり面方
位（１１０）のシリコンダイアフラム上の＜１１１＞軸
にそって半径方向に配設された一対の半径ゲージ１，２
；２１，２２，３１，３２；４１，４２がボロン等の不
純物の選択拡散により形成され、＜１００＞および＜１
００＞軸から４５°の角度をなす軸方向に直角に配列さ
れたそれぞれ一対の接線（円周）ゲージ３，４；２３，
２４，３３，３４；４３，４４が半径ゲージよりもダイ
アフラムの中心に近い位置に同様に選択拡散により形成
されている。

１５は一部だけ示してあるがひずみゲージの出力信号を
取出すためのアルミニウム蒸着電極でリード線１６をこ
の上にボンデングする。

なお、この実施例では各象限に配置されている半径ゲー
ジおよび接線ゲージは、それぞれダイアフラムの中心か
ら等しい位置に配置されているが、各象限の半径ゲージ
あるいは接線ゲージのダイアフラムの中心からの位置を
少しうつ変えておけば前述の圧力測定範囲の差による非
直線性の問題をカバーでき、同圧力を測定するダイアフ
ラムでも製品のぱらつきをカバーすることができる。

このような構成を有するダイアフラム１０の上面に圧力
ｐが加わると、ダイアフラムが変形し，各ひずみゲージ
はそれぞれひずみを受け，これに対応してビエゾ抵抗効
果に基づく抵抗変化を生じる。

すなわち、半径ゲージ、例えば１，２には正の抵抗変化
を生じ、接線ゲージ例えば３，４には負の抵抗変化を生
じ、これらは第４図に示す如くブリッジ構成されるので
、その出力端子から圧力ｐに比例した電気信号が得られ
る。

このようなダイアフラム形ひずみゲージを用いた場合の
効果を具体的数値によって説明する。

例えば厚さ０．１７５、直径８．４ｍｍのシリコンダイ
アフテムの起歪部上の半径ゲージ、接線ケージをダイア
スラム中心からそれぞれ３．６１ｍｍ（ｒ／ａ＝０．８
６２．６９ｍｍ（ｒ／ａ＝０．６４）とした場合、ブリ
ッジ出力電圧感度は２２２ｍＶＦＳ／３．５Ｖ，ＦＳ＝
５Ｋｇ／ｃｍ２となり、非直線誤差は−０．１３％ＦＳ
、非直線誤差の温度影響（−４０℃〜１２０℃）は０．
１％ＦＳ〜−０．２％ＦＳが得られた。

従って、実施例記載のダイアフラム形ひずみゲージは、
次のような効果を有する。

（１）ｐ形ひずみゲージの最大感度を有する結晶軸に半
径ゲージ、接線ゲージのいずれも配列されているため大
きい抵抗変化が得られ、出力感度が高い。

（２）半径ゲージ、接線ゲージのいずれも感度曲線の変
曲点に配列されているため、結晶軸のずれによる感度の
ぱらつきが小さく、本実施例を応用すれば均一な特性の
製品が得られる。

すなわち、角度ずれによるゲージ抵抗の変動が第１図の
実施例の場合に較べ改善され、特に、接線ゲージにおい
ては約１／１０に改善でき、この結果ゲージブリッジの
出力で比較すると角度ずれによる変動が従来の１／２〜
１／６に改善される。

第６図はこの実施例の接線ゲージの抵抗変化率を従来例
の場合と比較して示したもので、縦軸には（ΔＲ／Ｒ）
ｔ（％）がとってあり、Ａが本実施例の場合Ｂが第１図
の場合である。

また第７図はこの実施例の歪ゲージを用いて構成された
ブリッジの直線性を従来例の場合と比較して示したもの
で、縦軸には直線性（％）がとってありＣが本実施例の
場合、Ｄが第１図の場合である。

いづれの特性においても、試料間のばらつきが極めて小
さくなっている。

（３）シリコンダイアフラム上において、半径ゲージ、
接線ゲージのいずれもその長手方向の応力が支配的な配
置をしているので、いわゆる、単軸応力の作用下にあっ
て圧力（ひずみ）に対する抵抗変化の非直線および温度
影響が小さい。

すなわち、定電圧励起ブリッジに組むと接線ゲージと半
径ゲージとの抵抗変化比が１でない場合、ブリッジのイ
ンピーダンス変化に基く非直線性が現われるが，この実
施例の場合は角度ずれによる抵抗変化の変動が極めて小
さいので、これに基因する非直線性の変化は無視できる
。

（４）低圧用のシリコンダイアフラムを製作する場合に
問題となる、いわゆる膜応力に基因する非直線誤差はゲ
ージの位置を若干変え、ゲージに働らく直交応力に基因
する非直線誤差を互に積極的に打消し合わせることによ
って低減できる。

なお、このダイアフラム型ひずみゲージは半径ゲージと
接線ゲージとダイアフラムの中心からの距離を変えて配
置するが、半径ゲージと接線ゲージの位置が極端に離れ
るときは良好な直線性が得られず、抵抗値にぱらつきを
生じる結果ブリッジ出力の不平衡電圧や温度特性などを
損うことになる。

また半径ゲージと接線ゲージの配置される角度は約１０
°であるため、互いに極めて接近して配置されることに
なり、単一細条で５ｋΩという高抵抗を得るにはゲージ
を長くする必要を生じ，その結果ダイアフラムが大きく
なる。

そのため、ひずみゲージを例えば４本の細条より構成し
、高抵抗を確保しながらダイアフナムの小形化を図る。

また、半径ゲージと接線ゲージはフルブリッジを構成す
るための各一対のひずみゲージを必要とするが、実施例
の如く、各象限または全象限のいくつかに半径ゲージと
接線ゲージを設け，適当な組合せを用いることは製造上
効果的である。

以上の如く、本発明ダイアフラム形ひずみゲージは、感
度大きく、特性のばらつきが少なく、直線性の優れたダ
イアフラム形ひずみゲージを提供するもので工業的効果
の犬なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来のシリコンダイアフラム形ひずみゲージ
のひずみゲージの配置図、第１図ｂは同じく縦断面図、
第２図ａはダイアフラム上のひずみゲージの受ける応力
の分布図、第２図ｂは本発明シリコンダイアフラム形ひ
ずみゲージのゲージ位置を示す説明図、第３図は（１１
０）シリコン単結晶面におけるピエゾ抵抗係数の分布図
、第４図はひずみゲージにより構成したブリッジの同路
図、第５図ａは本発明シリコンダイアフラム形ひずみゲ
ージの一実施例のひずみゲージの配置図、第５図ｂは同
じく縦断面図、第６図および第７図は同じくその効果を
示す特性図である。 １０・・・ダイアフラム、１，２，２１，２２，３１，
３２，４１，４２・・・半径ゲージ、３，４，２３，２
４，３３，３４，４３，４４．・．接線ゲージ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体単結晶基板よりなるダイアフラム上に，不純
   物拡散により形成され，前記ダイアスラム面上に作用す
   る半径方向応力とその電流方向が平行な少なくとも一個
   の半径方向ひずみゲージと、前記ダイアフラム面上に作
   用する接線方向応力と、その電流方向とが平行な少なく
   とも一個の接線方向ひずみゲージとを有するダイアフラ
   ム形ひずみゲージにおいて／前記ダイアフラム面が（１
   １０）面方位を有し、前記半径方向ひずみゲージが（１
   １１）軸方向に配設され、前記接線方向ひずみゲージ素
   子が（１１０）軸および（１００）軸からそれぞれ４５
   °の角度をなす軸方向に配設されていることを特徴とす
   るダイアフラム形ひずみゲージ。 ２ 前記半径方向ひずみゲージが接線応力がほぼ零とな
   る位置に開設され、前記接線方向ヒ拐ケージが前記半径
   方向ひずみゲージよりダイアフラム中心に近く半径応力
   がほぼ零となる位置に配設されている特許請求の範囲第
   １項記載のダイアフラム形ひずみゲージ。 ３ 前記ひずみゲージが互いに並行な複数個の線条より
   なり、該線条が低抵抗領域を介して直列に接続されてい
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載のダイアフラ
   ム形ひずみゲージ。 ４ 前記半径方向ひずみゲージと接線方向ひずみゲージ
   が／前記タイファラムの（１１０）面の各象限内に形成
   されている特許請求の範囲第１項から第３項までの何れ
   か一項記載のダイアフラム形ひずみゲージ。 ５ 前記半導体がシリコンである特許請求の範囲第１項
   から第４項までの何れか一項記載のダイアフラム形ひず
   みゲージ。