JPS6013315B2 - Arrangement method for semiconductor strain gauge elements - Google Patents
Arrangement method for semiconductor strain gauge elementsInfo
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- JPS6013315B2 JPS6013315B2 JP10249378A JP10249378A JPS6013315B2 JP S6013315 B2 JPS6013315 B2 JP S6013315B2 JP 10249378 A JP10249378 A JP 10249378A JP 10249378 A JP10249378 A JP 10249378A JP S6013315 B2 JPS6013315 B2 JP S6013315B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体単結晶からなる円形ダイアフラムの一方
の主面上に、不純物を拡散して形成された、ピェゾ抵抗
効果を示す複数個の半導体歪ゲージ素子の配置法に関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for arranging a plurality of semiconductor strain gauge elements exhibiting a piezoresistive effect, which are formed by diffusing impurities on one main surface of a circular diaphragm made of a semiconductor single crystal. .
半導体単結晶を円形ダイアフラムとして圧力に応動させ
、該ダイアフラムの一方の主面上に不純物を拡散して、
ピェゾ抵抗効果を示す複数個の半導体歪ゲージ素子を形
成した半導体感圧素子は、従来の金属線形歪ゲージ等に
比較して高感度で小形化できるなど優れた特性を有する
半導体圧力変襖器を提供できることは周知の通りである
。A semiconductor single crystal is used as a circular diaphragm to respond to pressure, and an impurity is diffused onto one main surface of the diaphragm.
Semiconductor pressure-sensitive elements, which are made up of multiple semiconductor strain gauge elements exhibiting a piezoresistive effect, have excellent characteristics such as higher sensitivity and smaller size than conventional metal linear strain gauges. It is well known that this can be provided.
この種半導体感圧素子は第1図に示すように、半導体単
結晶基板4の一方の主面を凹形に加工して薄肉部を形成
し、この部分を円形ダイアフラムとして圧力に応動させ
るものが多く「ダイアフラムの他方の主面上に拡散形成
した複数個の半導体歪ゲージ素子1によってブリッジを
構成し、ブリッジにリード線3および導体2を介して電
気入力を与え、圧力に応答する出力電圧を得るものが多
い。この種半導体感圧素子は圧力を電気出力に変換する
際に、特に感度特性において磯れており、従来の金属線
形歪ゲージ等に比較して数十倍の感度を得ることができ
る。しかしながら、その変換精度については感度特性の
ような驚異的な優越性が得られないばかりか〜むしろ劣
る場合さえあり得る。さらには、半導体固有の特徴であ
る温度変化に敏感な点もこの種半導体感圧素子の大きな
欠点である。これらの欠点に対してはこれまでにも種々
の補償法が提案されており、特に変換精度の補償法とし
ては「{1}半導体ダイアフラムの主面内応力を該ダイ
アフラムの加工形状を制御することにより最良化し「精
度を補償する方法、‘2}外部に電気回路を設けて精度
を電気的に補償する方法、(3}複数個の半導体歪ゲー
ジ素子を近接して単位ブリッジ構成体を形成し、単位ブ
リッジ構成体をダイアフラム主面上の最適な位置に配圏
して補償する方法」などが用いられてきた。また、圧力
が零のときのブリッジ出力すなわちゼロ点や、圧力が印
加されたときの出力感度等の温度による変動についても
これまでに多くの補償法が提案されている。この温度変
動の補償の温度係数などの等しい素子を集積化しへ回路
的手段を用いる方法が最も一般的で、比較的容易に実現
可能である。しかしながら「前述した変換精度のこれま
での補償法はそれぞれ欠点を有しており「十分なものに
なり得ていない。前述の川の方法は、ダイアフラムに圧
力が加えられた場合、半導体歪ゲージ素子を形成してあ
る前記ダイアフラムの主面内に発生する応力が広い圧力
範囲にわたって圧力と比例するように前記ダイアフラム
の加工形状を制御し、精度を補償しようとするもので、
ピェゾ抵抗効果を有する半導体歪ゲージ素子が本質的に
有している非線形性に対し何ら対策されず〜高精度なも
のは望めない。しかも、ダイアフラムの加工の制御は容
易でなく、再現性のよい特性を得るのは困難である。し
たがって、{1’の方法では変換精度の十分な補償を実
現することは困難である。前述の■の方法はト半導体感
圧素子自体では補償不可能という場合の最後の手段とし
て用いるべきもので、補償用の回路が増加するという点
で小形化という特徴に逆行し、経済性を考えても不利に
なることは明らかである。従来、この種半導体感圧素子
は円形ダイアフラム主面上に形成する複数個の半導体歪
ゲージ素子を、ダイアフラム学面上に作用する半径方向
応力と電流方向とが平行な半径方向歪ゲージ素子のみで
構成するものが多い。前述の川又は■の方法においても
、半径方向歪ゲージ素子をダイアフラム主面内の互いに
反対方向に指向された応力領域に配置して〜効果的に出
力感度を得るようにしたものが多く「 この結果十分に
精度を補償するまでに対策されていないわけである。し
かるに前述の【31の方法は前記半径方向歪ゲージ素子
と、ダイアフラム主面上に作用する接線方向応力と電流
方向とが平行な接線方向歪ゲージ素子もの2種類の半導
体歪ゲージ素子で複数個の半導体歪ゲージ素子を構成し
「それぞれの少なくとも1個ずつを近接させ、少なくと
も1組の単位ブリッジ構成体を形成するものである。こ
のような構成の場合にも出力感度が効果的に得られるこ
とは〜ピェゾ抵抗係数が歪ゲージ素子の電流方向(以下
、縦方向という)とその直交方向(以下、横方向という
)とで逆極性を有するという事実に基づいている。しか
しながら、このような方法だけでは十分に精度を補償す
るにいたらない。この理由は{3}の方法が単位ブリッ
ジ構成体という複数の半導体歪ゲージ素子からなる複合
体を対象としている事に基づいている。脚の方法がこの
ような複合体構成をとっている背景としてはへ前述した
温度変動の補償上ブリッジのゼロ点不平衡を小さくする
ことが要求され、そのために拡散によって複数の歪ゲー
ジ素子を形成する際の抵抗値ぱらつきを歪ゲージ素子を
近接配置することによって極力抑える必要があること、
また各歪ゲージ素子を近接配置することにより、ほぼ同
一の周囲条件をうけるようにし「かつ隣接するブリッジ
アーム間の熱電々位菱を減少させることによってL特性
のドリフトやS/N比の低下を防止していること「など
がある。これらの問題は半導体感圧素子にとっては特性
上極めて重要であるが、その対策に重点を置くあまり精
度の補償が不完全なものにならざるを得ないというのが
、{3}の方法の実体である。これを第2図によってさ
らに詳しく説明する。第2図は前述した単位ブリッジ構
成体の円形ダイアフラム中心からの距離と感圧素子の非
直線誤差との関係の一例を示すものである。ここで、非
直線誤差とは下記のごとく定義され、これまでに述べて
きた変換精度とはとりもなおさずこの非直線誤差のこと
をいう。すなわち、感圧素子への印加圧力と出力との関
係を示す曲線において、印加圧力が零に対応する出力V
oの点と印加圧力が測定レンジの最大に対応する出力V
maxの点とを直線で結んだ場合に、このVoとVma
xを結ぶ直線と上記曲線との間の最大出力誤差を△Vと
すれば非直線誤差N・いま下記のごとく表わされる。N
QL=鍔側% ‐.・・.・{1}但し、
VFSニVm瓜−V。As shown in FIG. 1, this type of semiconductor pressure-sensitive element is one in which one main surface of a semiconductor single crystal substrate 4 is processed into a concave shape to form a thin part, and this part is used as a circular diaphragm to respond to pressure. A bridge is formed by a plurality of semiconductor strain gauge elements 1 diffused on the other main surface of the diaphragm, and an electrical input is given to the bridge via a lead wire 3 and a conductor 2 to generate an output voltage responsive to pressure. There is a lot to be gained.This type of semiconductor pressure-sensitive element has particularly excellent sensitivity characteristics when converting pressure into electrical output, and can obtain several tens of times the sensitivity compared to conventional metal linear strain gauges, etc. However, in terms of conversion accuracy, it may not be possible to obtain amazing superiority such as sensitivity characteristics, or it may even be inferior.Furthermore, it is sensitive to temperature changes, which is a characteristic unique to semiconductors. This is a major drawback of this type of semiconductor pressure-sensitive element. Various compensation methods have been proposed to date for these drawbacks, and in particular, as a compensation method for conversion accuracy, "{1} A method of optimizing internal stress by controlling the processed shape of the diaphragm and compensating for accuracy; 2) A method of electrically compensating for accuracy by providing an external electric circuit; 3) A method of using multiple semiconductor strain gauges. A method has been used to compensate by placing elements close together to form a unit bridge structure and arranging the unit bridge structure at an optimal position on the main surface of the diaphragm. Many compensation methods have been proposed to date for temperature-related variations in the bridge output, or zero point, and output sensitivity when pressure is applied.To compensate for this temperature variation, elements with equal temperature coefficients are integrated. The most common method is to use circuitry to compensate for conversion accuracy, and it is relatively easy to implement. The above-mentioned Kawa method is such that when pressure is applied to a diaphragm, the stress generated in the main surface of said diaphragm forming a semiconductor strain gauge element is proportional to the pressure over a wide pressure range. It attempts to control the machining shape of the diaphragm and compensate for accuracy.
There is no countermeasure against the inherent nonlinearity of a semiconductor strain gauge element having a piezoresistance effect, and high accuracy cannot be expected. Moreover, it is not easy to control the processing of the diaphragm, and it is difficult to obtain characteristics with good reproducibility. Therefore, it is difficult to achieve sufficient compensation for conversion accuracy with the method {1'. The above-mentioned method (■) should be used as a last resort when compensation is not possible with the semiconductor pressure-sensitive element itself, and it goes against the characteristic of miniaturization in that it increases the number of compensation circuits, so it is not suitable for economic reasons. It is clear that this would be a disadvantage. Conventionally, this type of semiconductor pressure-sensitive element has a plurality of semiconductor strain gauge elements formed on the main surface of a circular diaphragm, with only radial strain gauge elements in which the radial stress acting on the diaphragm surface is parallel to the current direction. There are many components. In the above-mentioned method, most of the radial strain gauge elements are arranged in stress regions oriented in opposite directions on the main surface of the diaphragm to effectively obtain output sensitivity. As a result, no countermeasure has been taken to sufficiently compensate for the accuracy.However, in the method [31] mentioned above, the radial strain gauge element, the tangential stress acting on the main surface of the diaphragm, and the current direction are parallel to each other. A plurality of semiconductor strain gauge elements are constituted by two types of semiconductor strain gauge elements, including tangential strain gauge elements, and at least one of each type is placed close to each other to form at least one unit bridge structure. The fact that output sensitivity can be effectively obtained even in such a configuration is that the piezoresistance coefficient is opposite in the current direction of the strain gauge element (hereinafter referred to as the vertical direction) and in the orthogonal direction (hereinafter referred to as the lateral direction). However, this method alone cannot sufficiently compensate for the accuracy.The reason for this is that method {3} consists of multiple semiconductor strain gauge elements called a unit bridge structure. This is based on the fact that the leg method uses such a composite structure because it is required to reduce the zero point unbalance of the bridge in order to compensate for the temperature fluctuations mentioned above. , Therefore, it is necessary to minimize the variation in resistance value when forming a plurality of strain gauge elements by diffusion by arranging the strain gauge elements close to each other.
In addition, by arranging each strain gauge element close to each other, they are exposed to almost the same ambient conditions, and by reducing the thermoelectric potential between adjacent bridge arms, drift in the L characteristic and a decrease in the S/N ratio can be avoided. These problems are extremely important for the characteristics of semiconductor pressure-sensitive devices, but it is said that too much emphasis is placed on countermeasures, which inevitably results in incomplete compensation for accuracy. This is the substance of the method {3}. This will be explained in more detail with reference to Figure 2. Figure 2 shows the relationship between the distance of the unit bridge structure from the center of the circular diaphragm and the nonlinear error of the pressure-sensitive element. Here, the non-linear error is defined as below, and the conversion accuracy described so far refers to this non-linear error. In the curve showing the relationship between the pressure applied to the pressure element and the output, the output V corresponding to zero applied pressure
The output V where the point o and the applied pressure correspond to the maximum of the measurement range
When connecting the max point with a straight line, this Vo and Vma
If the maximum output error between the straight line connecting x and the above curve is ΔV, the non-linear error N can be expressed as below. N
QL=Tsuba side% -.・・・.・{1} However, VFS NiVm-V.
……【21この種半導体感圧素子
の出力は、温度一定とした場合、ダイアフラムの形状と
面万位及びブリッジ構成体の配置される軸方位を決定す
ることによって、印加圧力とダイアフラム中心からブリ
ッジ構成体までの距離の2つの変数によって決まる。し
たがって、ブリッジ構成体のダイアフラム中心から任意
距離の位置において、圧力を零から測定レンジの最大ま
で印加した場合の出力を計算すれば、その結果と定義に
よって非直線誤差の位置依存性を計算できる。第2図は
その一例を示すもので、第3図に示すような従釆例につ
いての計算結果である。すなわち、第3図は{100}
両方位を有するn形Si単結晶基板4の<110>鞄方
位に沿ってp形の半径方向歪ゲージ素子6および接線方
向歪ゲージ素子7からなる単位ブリッジ構成体5を拡散
形成したもので、ブリッジ構成体が円形ダイアフラムの
薄肉部にあり、かつダイアフラム簿肉部の端部近傍に位
置するように基板の反対側の面を凹形に加工したもので
ある。第2図に示すように、第3図のような従来例はダ
イアフラム端部付近に非直線誤差が計算上零となるブリ
ッジ構成体の位置Aが存在する。しかしながら「図から
明らかなように非直線誤差の位置依存性を示す曲線の形
状は計算上零となる位置近傍では極めて急峻になってい
る。この煩向はブリッジ構成体という1組の歪ゲージ素
子集合体によって非直線誤差の位置依存性を考える場合
に共通しており、第3図の例に限定されるものでない。
したがって前述の{3}の方法はブリッジ構成体のダイ
アフラム面上における位置の変動が、非直線誤差に対し
て極めて大きな影響を及ぼすため、該ブリッジ構成体を
所定の位置に形成する技術手段、例えばダイアフラムの
凹形加工技術などにかなりきびしい加工精度を要求する
ことになり、同一の特性を示す感圧素子を簡便にかつ安
定した方法で製造することが困難となる。第3図に示す
従釆例はこのような特性の不安定性を予想して、特性的
に等価な単位ブリッジ構成体をダイアフラム面上の端部
近傍に4組形成し、そのうちの1組を選択して感圧素子
として用いるようにしている。これはピェゾ抵抗係数の
等価性を利用したものである。しかしながらこのように
した場合、次のような欠点を有することになる。‘1}
4組の単位ブリッジ構成体を形成できるにもかかわらず
、そのうちの1組のみしか用いないため、例えば測定圧
力範囲に応じて4組を各々使い分けるなど、4組のブリ
ッジ構成体の有効な使い方ができない。{2’ダイアフ
ラムを小型にした場合には4組の等価なブリッジ構成体
を第3図のように形成しても、個々のブリッジ構成体は
いずれも藤圧素子として良好な特性を示すことができな
くなる。これは個々の歪ゲージ素子の大きさに技術的な
限界があるために、ダイアフラムの小形化と対処し切れ
なくなり、ダイアフラムに加えられた圧力に対する効果
的な感応を示し得なくなるためである。したがって、4
組の等価なブリッジ構成体を形成してはじめて有効な感
圧素子を得ることのできるような方法、すなわち第3図
のような方法では、ダイアフラムの小形化に技術的な限
界があり、圧力変換器の小形化という点で非常に不利に
なる。本発明は以上に述べたような、特に‘3ーの方法
が背景として有していた種々の問題を全く別の技術的手
段を用いて解決し得たものである。...[21 When the temperature is constant, the output of this type of semiconductor pressure-sensitive element is determined by determining the shape and plane of the diaphragm and the axial direction in which the bridge structure is arranged. It depends on two variables: the distance to the construct. Therefore, by calculating the output when pressure is applied from zero to the maximum of the measurement range at a position at an arbitrary distance from the center of the diaphragm of the bridge structure, the position dependence of the nonlinear error can be calculated from the result and definition. FIG. 2 shows an example of this, and shows the calculation results for the subordinate example shown in FIG. That is, Fig. 3 is {100}
A unit bridge structure 5 consisting of a p-type radial strain gauge element 6 and a tangential strain gauge element 7 is formed by diffusion along the <110> bag orientation of an n-type Si single crystal substrate 4 having both orientations. The opposite surface of the substrate is processed into a concave shape so that the bridge structure is located in the thin section of the circular diaphragm and near the end of the thick section of the diaphragm. As shown in FIG. 2, in the conventional example shown in FIG. 3, there is a position A of the bridge structure near the end of the diaphragm where the nonlinear error is calculated to be zero. However, as is clear from the figure, the shape of the curve showing the position dependence of the nonlinear error becomes extremely steep near the position where it is calculated to be zero. This is common when considering the position dependence of non-linear errors in terms of aggregates, and is not limited to the example shown in FIG.
Therefore, in the above-mentioned method {3}, since variations in the position of the bridge structure on the diaphragm surface have an extremely large effect on nonlinear errors, technical means for forming the bridge structure at a predetermined position, such as This requires extremely high processing precision in the diaphragm's concave processing technology, making it difficult to manufacture pressure-sensitive elements that exhibit the same characteristics in a simple and stable manner. Anticipating the instability of such characteristics, the dependent example shown in Figure 3 forms four sets of characteristically equivalent unit bridge structures near the ends on the diaphragm surface, and selects one of them. It is used as a pressure-sensitive element. This utilizes the equivalence of piezoresistance coefficients. However, this method has the following drawbacks. '1}
Although four sets of unit bridge structures can be formed, only one of them is used, so it is difficult to effectively use the four sets of bridge structures, such as using each of the four sets depending on the measurement pressure range. Can not. {2' When the diaphragm is made smaller, even if four sets of equivalent bridge structures are formed as shown in Figure 3, each individual bridge structure will not exhibit good characteristics as a Fuji pressure element. become unable. This is because there are technical limits to the size of the individual strain gauge elements, which prevent them from being able to cope with the miniaturization of the diaphragm and to exhibit effective sensitivity to the pressure applied to the diaphragm. Therefore, 4
In a method in which an effective pressure-sensitive element can only be obtained by forming a pair of equivalent bridge structures, that is, in the method shown in Fig. 3, there is a technical limit to miniaturizing the diaphragm, and pressure conversion is difficult. This is very disadvantageous in terms of making the vessel smaller. The present invention has been able to solve the various problems that the '3- method had as a background, as described above, by using completely different technical means.
すなわち、、本発明は半導体感圧素子の有している変換
精度の欠点を十分に補償し得た高精度な半導体圧力変換
器を得るべく個々の半導体歪ゲージ素子のダイアフラム
面上における効果的な配贋方法を提供せんとするもので
ある。本発明は半導体単結晶からなる円形ダイアフラム
の一方の主面上に、不純物を拡散して形成されたピェゾ
抵抗効果を示す複数個の半導体歪ゲージ素子を配置する
ものにおいて、前記半導体歪ゲ−ジ素子を前記ダイアフ
ラムの一方の主面上に作用する半径方向応力と電流方向
とが平行な半径方向歪ゲージ素子と、前記ダイアフラム
の一方の主面上に作用する接線方向応力と電流方向とが
平行な接線方向歪ゲージ素子の2種類で構成し、前記半
径方向歪ゲージ素子を前記ダイアフラムの周辺部近傍に
配置した後、前記接線方向歪ゲージ素子を接線方向歪ゲ
ージ素子の前記ダイアフラム中心からの距離と非道線誤
差との関係を示す曲線がダイアフラムの中心から周辺に
向って変化する過程で、非直線誤差が零の直線と交差又
は接する点の近傍に配置するようにしたものである。That is, the present invention aims at obtaining an effective semiconductor pressure transducer on the diaphragm surface of each semiconductor strain gauge element in order to obtain a high-precision semiconductor pressure transducer that can sufficiently compensate for the shortcomings in conversion accuracy that semiconductor pressure-sensitive elements have. The purpose is to provide a distribution method. The present invention provides a semiconductor strain gauge element in which a plurality of semiconductor strain gauge elements exhibiting a piezoresistance effect formed by diffusing impurities are arranged on one main surface of a circular diaphragm made of a semiconductor single crystal. A radial strain gauge element in which the radial stress acting on one main surface of the diaphragm is parallel to the current direction, and a radial strain gauge element in which the tangential stress acting on one main surface of the diaphragm is parallel to the current direction. The radial strain gauge element is arranged near the periphery of the diaphragm, and then the tangential strain gauge element is arranged at a distance from the center of the diaphragm of the tangential strain gauge element. In the process in which the curve representing the relationship between the curve and the non-linear error changes from the center of the diaphragm toward the periphery, the curve is arranged near a point where the non-linear error intersects or touches the straight line of zero.
特に前記曲線が、非道線誤差が零の直線と交差する場合
には、交差する点は2点存在し、そのうちの最初に交差
する点、すなわち前記ダイアフラム中心に近い方の点近
傍が望ましい。なお、ダイアフラムの周辺部近傍とはダ
イアフラム中心とその外周を結ぶ半径の半分の位置より
も外側に配置された部分をいう。歪ゲージ素子のダイア
フラム中心からの距離とは歪ゲージ素子の中心とダイア
フラム中心との距離を意味し、歪ゲージ素子の中心とは
、該素子の抵抗変化に支配的に寄与する部分の中心を意
味する。また、非直線誤差が零の直線と交差又は接する
点近傍とは「要求される精度又は感度を満足しうる範囲
までを含むものとする。円形ダイアフラムに圧力を加え
ると、ダイアフラム面上に形成された各々の歪ゲージ素
子が応力を受けて抵抗変化を示す。これがピェゾ抵抗効
果によることは周知の事実であり「 この場合の各々の
歪ゲージ素子の抵抗値は温度を一定とすれば近似的に次
式で表わせることも既に周知である。Rr3R。In particular, when the curve intersects a straight line with zero non-linear error, there are two intersecting points, and the first intersecting point, that is, the vicinity of the point near the center of the diaphragm is desirable. Note that the vicinity of the periphery of the diaphragm refers to a portion located outside of a position half of the radius connecting the center of the diaphragm and its outer periphery. The distance from the center of the diaphragm of the strain gauge element means the distance between the center of the strain gauge element and the center of the diaphragm, and the center of the strain gauge element means the center of the part of the element that predominantly contributes to resistance change. do. In addition, the vicinity of the point where the nonlinear error intersects or touches the straight line with zero includes the range that satisfies the required accuracy or sensitivity.When pressure is applied to the circular diaphragm, each point formed on the diaphragm surface The strain gauge element in this case exhibits a change in resistance when subjected to stress. It is a well-known fact that this is due to the piezoresistance effect, and the resistance value of each strain gauge element in this case can be approximated by the following formula if the temperature is kept constant. It is already well known that it can be expressed as Rr3R.
(1十仇ror十げび。t) ……{3IRt2R。
(1十打,tot十仇‘。r) …,..■ここでR
r、Rtはそれぞれ半径方向歪ゲージ素子、接線方向歪
ゲージ素子の抵抗値、R。は圧力が零の場合の抵抗値、
mr、汀,tはそれぞれ半径方向歪ゲージ素子、接線方
向歪ゲージ素子の縦方向ピェゾ抵抗係数、mtr、mt
tはそれぞれ半径方向歪ゲージ素子、接線方向歪ゲージ
素子の横方向ピヱゾ抵抗係数である。また、。r、。t
はそれぞれダイアフラム面上に作用する半径方向応力、
接線方向応力であり、ダイアフラムが外周を固定されて
いる場合には近似的にそれぞれ次式で表わされる。。(10 enemies ror 10 games.t) ...{3IRt2R.
(10 strokes, tot 10 '.r) ...,. .. ■R here
r and Rt are the resistance values of the radial strain gauge element and the tangential strain gauge element, respectively. is the resistance value when the pressure is zero,
mr, t, and t are the longitudinal piezoresistance coefficients of the radial strain gauge element and tangential strain gauge element, mtr, mt, respectively.
t is the transverse piezoresistance coefficient of the radial strain gauge element and the tangential strain gauge element, respectively. Also,. r. t
are the radial stress acting on the diaphragm surface, respectively,
This is a tangential stress, and when the outer periphery of the diaphragm is fixed, it is approximately expressed by the following equations. .
r;−暮‐(台〉20p{(1+し)−(3+し)(き
)2} ‐‐‐‐‐‐‘51仇二−身(登
)2‐p{(1+し)−(1十3y)(き)2}
‐‐‐‐‐‐【6}ここでa、hはダイアフラム
の半径と厚さ、pは圧力、し‘まポアソン比、rはダイ
アフラム中心からの距離である。脚〜‘6ー式より推察
すれば各々の歪ゲージ素子の抵抗値Rr、Rtは、ダイ
アフラムの形状と材質及び各々の歪ゲージ素子の配置敵
方位を決めることによって圧力pと距離rの関数となる
ことがわかる。したがって糊〜【61式を用いればダイ
アフラム面上の任意の位置における任意の圧力に応じた
抵抗値が計算でき、これをさらに周知のブリッジ出力計
算式に適用すれば半導体感圧素子の感度が近似的に求ま
るわけである。しかしながら、t31〜【6}式から明
らかなようにこの場合抵抗値は圧力と比例関係にあり、
これでは精度の計算はできない。従来よりこの種半導体
感圧素子が精度の点で難があるのは応力計算及びピェゾ
抵抗効果が完全に‘3’〜{6’式のように表現できず
、非線形項を含んでいるからにほかならない。‘6’(
6}式に示すようにそれぞれの応力。r、。【は圧力p
に比例しているとは限らず、【3}‘4)式に示すよう
にそれぞれの抵抗値Rr、Rtは応力。r、。tの1次
項だけで表現できるものではない。そこで本発明者等は
非線形墳を含んだ応力と圧力の関係を考慮しつつ、下記
に示すような展開式によってそれぞれの抵抗値を計算し
、これからブリッジ出力を計算してその非直線誤差を検
討した。なお下記の式では各応力の2次項までしか記述
していないが、それ以上の高次項まで含めて、さらには
歪ゲージ素子に作用すると考えられるor、。上以外の
応力まで含めて計算すれば、より厳密な結果が得られる
ことはいうまでもない。。r; - Kurashi - (Tai) 20 p {(1 + shi) - (3 + shi) (ki) 2} ‐-‐‐‐‐'51 2nd body (climb) 2‐p {(1 + shi) - (1 13y) (ki)2}
‐‐‐‐‐[6} Here, a and h are the radius and thickness of the diaphragm, p is the pressure, Poisson's ratio, and r is the distance from the center of the diaphragm. Inferring from formula 6, the resistance values Rr and Rt of each strain gauge element can be determined as a function of pressure p and distance r by determining the shape and material of the diaphragm and the orientation of each strain gauge element. I know what will happen. Therefore, by using Equation 61, the resistance value corresponding to any pressure at any position on the diaphragm surface can be calculated, and by further applying this to the well-known bridge output calculation formula, the sensitivity of the semiconductor pressure-sensitive element can be approximated. It can be found exactly. However, as is clear from equation t31 ~ [6}, the resistance value is proportional to the pressure in this case,
This makes it impossible to calculate accuracy. Conventionally, this type of semiconductor pressure-sensitive element has been difficult in terms of accuracy because the stress calculation and piezoresistance effect cannot be completely expressed as in equations ``3'' to ``6'' and include nonlinear terms. None other than that. '6' (
6} Each stress as shown in formula. r. [is pressure p
The resistance values Rr and Rt are not necessarily proportional to stress, as shown in equations [3}'4). r. It cannot be expressed only by the linear term of t. Therefore, the present inventors calculated the respective resistance values using the expansion formula shown below, taking into account the relationship between stress and pressure that includes nonlinear mounds, calculated the bridge output from this, and examined its nonlinear error. did. Although the following equation describes only up to the second-order term of each stress, higher-order terms are also included, and it is thought that it also acts on the strain gauge element. It goes without saying that more accurate results can be obtained by including stresses other than those above. .
r2R。(1十のr。r+中ひ。t十汀幼。r2 十竹
肌ot2) ……【7)R
t工R。(1十のt仇十mttりr+他,tot2十竹
2比びr2) …,.,職
ここでmar、け21tはそれぞれ半径方向歪ゲージ素
子、接線方向歪ゲージ素子の2次の縦方向ピェゾ抵抗係
数、竹柵、け2ttは同じくそれぞれの2次の横方向ピ
ェゾ抵抗係数である。以上に述べたような方法によって
検討した結果得られたのが第4図及び第5図に示すよう
な曲線又は曲線群である。出力感度の観点からすれば、
半径方向歪ゲ−ジ素子はダイアフラムの周辺部近傍に配
置する方が好ましい。第‘1図はこのようにした場合、
すなわち半径方向歪ゲージ素子をダイアフラム周辺部近
傍に配置した場合の、非直線誤差と接線方向歪ゲージ素
子のダイアフラム中′じからの距離X,との関係を示し
たものである。この図によれば曲線はB点とC点におい
て非直線誤差が零の直線と交差し、したがってこの位置
のどちらか一方の近傍に接線方向歪ゲ、−ジ素子を配置
すれば感圧素子の非直線誤差は原理上零となり、高精度
な圧力変換器を得ることができるわけである。また、半
径方向歪ゲージ素子の位置を若干変えることによって、
曲線は非直線誤差が零の直線と‘1}1点でしか交差し
ない場合小{211点で接する場合、及び{3}交差も
接しもしない場合などが生じる。‘1脚の場合はそれら
の1点の近傍に接線方向歪ゲージ素子を配置すればよい
。{3’の場合には前記曲線が、非道線誤差が零の直線
に最も近づく点の近傍に配置すればよい。以上に述べた
ような接線方向歪ゲージ素子の位置のうち最も優れた特
性を示すのが第4図に示すB点近傍である。これを第5
図によって説明する。第5図は半径方向歪ゲージ素子の
ダイアフラム中心からの距離を変化させた場合において
、非直線誤差と接線方向歪ゲージ素子のダイアフラム中
心からの距離との関係を示したもので、1つの曲線が半
径方向歪ゲージ素子の1つの位置に対応する。今、第4
図に対応する曲線をXRとし、この曲線に対応する半径
方向歪ゲージ素子の位置から±△×変化させた場合の曲
線XR+△X、×R−△Xを考える。感圧素子の製作過
程において各々の歪ゲージ素子の位置が最適設計された
位置からずれることは当然予想され、その場合における
影響を最も小さくすることが安定な製品を作る上で要求
される。このような観点から第5図のB点、C点を検討
すると、2△×の位置変化に対してB点ではaからbま
で、C点ではcからdまでそれぞれ非直線誤差が変化し
、その変化量はC点の方がはるかに大きいことがわかる
。したがって、半径方向歪ゲージ素子をダイアフラム周
辺部近傍に配置した後に、接線方向歪ゲージ素子を第4
図のB点に対応する点、すなわち非直線誤差と接線方向
歪ゲージ素子のダイアフラム中心からの距離との関係を
示す特性曲線が、非道線誤差が零の直線と最初に交差す
る点の近傍に配置することによって、高感度で高精度な
感圧素子を得ることができ、製品間の特性のばらつきが
小さい安定した圧力変換器を得ることができる。また本
発明のような歪ゲージ素子の配置法を採用すれば、従来
の精度補償法の{3}で述べたような方法、すなわち1
種類の圧力範囲に対して等価な4組のブリッジを形成す
るという方法をとる必要がなくなり、少なくとも2種類
以上の圧力範囲を複数組のブリッジによってカバーする
ような有効な方法も可能となる。さらに各々の歪ゲ−ジ
素子を独立に配置形成するため感圧素子の小形化も従来
の‘3}の方法に比べて容易にできうる。実施例 1
第6図は{110}両方位を有するn形Si単結晶基板
の<111>鞠方位に沿って2組のp形の半径方向歪ゲ
ージ素子を該軸に対称に形成し、く110>軸及び<1
00>軸より45o の方向に沿って2組のp形の接線
方向歪ゲージ素子を該方向に対称に形成したものである
。r2R. (10 r. r + middle hi. t 10 yo. r2 10 bamboo skin ot2) ...[7] R
T Engineering R. (10 t enemy 10 mtt r + others, tot 2 1 bamboo 2 comparison r 2) …,. , where mar and ke21t are the second-order longitudinal piezoresistance coefficients of the radial strain gauge element and tangential strain gauge element, respectively, and the bamboo fence and ke2tt are the respective second-order lateral piezoresistance coefficients. . A curve or a group of curves as shown in FIGS. 4 and 5 were obtained as a result of examination using the method described above. From the point of view of output sensitivity,
Preferably, the radial strain gauge element is located near the periphery of the diaphragm. Figure '1 shows that when done like this,
That is, it shows the relationship between the non-linear error and the distance X of the tangential strain gauge element from the center of the diaphragm when the radial strain gauge element is disposed near the periphery of the diaphragm. According to this figure, the curve intersects the straight line with zero nonlinear error at points B and C, so if a tangential strain gage element is placed near either of these positions, the pressure-sensitive element In principle, the nonlinear error becomes zero, and a highly accurate pressure transducer can be obtained. Also, by slightly changing the position of the radial strain gauge element,
A curve may intersect with a straight line with zero non-linearity error at only 1 point, 211 points, {3} neither intersect nor touch. In the case of one leg, a tangential strain gauge element may be placed near one of the legs. In the case of {3', the curve may be placed near the point where the non-traditional line error approaches the straight line of zero. Among the positions of the tangential strain gauge element as described above, the position showing the most excellent characteristics is near point B shown in FIG. This is the fifth
This will be explained using figures. Figure 5 shows the relationship between the nonlinear error and the distance from the diaphragm center of the tangential strain gauge element when the distance from the diaphragm center of the radial strain gauge element is changed. Corresponds to one position of the radial strain gauge element. Now, the fourth
Let the curve corresponding to the figure be XR, and consider the curves XR+ΔX and ×R−ΔX when the position of the radial strain gauge element corresponding to this curve is changed by ±Δ×. It is naturally expected that the position of each strain gauge element will deviate from its optimally designed position during the manufacturing process of a pressure sensitive element, and in order to produce a stable product, it is necessary to minimize the influence in such a case. Considering points B and C in Figure 5 from this perspective, the nonlinear error changes from a to b at point B and from c to d at point C for a position change of 2△×, respectively. It can be seen that the amount of change is much larger at point C. Therefore, after arranging the radial strain gauge element near the periphery of the diaphragm, the tangential strain gauge element is placed in the fourth position.
The point corresponding to point B in the figure, that is, the characteristic curve showing the relationship between the nonlinear error and the distance from the diaphragm center of the tangential strain gauge element, is near the point where the nonlinear error first intersects the straight line with zero. By arranging them, it is possible to obtain a highly sensitive and highly accurate pressure sensing element, and it is possible to obtain a stable pressure transducer with small variations in characteristics between products. Furthermore, if the strain gauge element arrangement method of the present invention is adopted, the method described in {3} of the conventional accuracy compensation method, that is, 1
It is no longer necessary to form four sets of bridges equivalent to different types of pressure ranges, and an effective method of covering at least two or more types of pressure ranges with multiple sets of bridges becomes possible. Furthermore, since each strain gauge element is arranged and formed independently, the size of the pressure sensitive element can be easily reduced compared to the conventional method '3'. Example 1 Figure 6 shows two sets of p-type radial strain gauge elements formed symmetrically along the <111> direction of an n-type Si single crystal substrate having both {110} orientations. 110> axis and <1
Two sets of p-type tangential strain gauge elements are formed symmetrically along the direction 45o from the 00> axis.
各々1個の歪ゲージ素子は互いに平行な4個の紬条を低
抵抗領域を介して直列に接続した構成としている。ダイ
アフラムは第1図に示すような形状とした。例えば5k
g/地の圧力測定用として厚さ0.2柵、直径8肋のS
iダイアフラムの起歪部上に半径方向歪ゲージ素子及び
接線方向歪ゲージ素子を該ダイアフラム中心から靴ぞれ
3.2肌を:o.8)、o.8雌を=o.2)1こ形成
し、ブリッジを入力端子間電圧が3.5Vとなるように
定電流で励起した場合には、出力電圧感度は200土2
0のVFS/3.5V非道線誤差は土0.1%FS以下
であった。ここでFSとは圧力測定範囲における最大圧
力を意味する。また100k9′地の圧力測定用として
は厚さ0.8級、直径8柵のSjダイアフラムの起歪部
上に半径方向歪ゲージ素子及び接線方向歪ゲージ素子を
該ダイアフラム中心からそれぞれ343側ら三o‐8)
、1‐6側(き:o‐4)彫成し、上記同様にブリッジ
を定電流励起した場合にも、5k9′の圧力測定の場合
とほぼ同程度の特性が得られた。実施例 2
第7図は{110}面万位を有するn形Si単結晶基板
のく110>鞄方位に沿って2組のp形の半径方向歪ゲ
ージ素子を該軸に対称に形成し、く100>軸万位に沿
って2組のp形の接線方向歪ゲージ素子を該軸に対称に
形成したものである。Each strain gauge element has a configuration in which four mutually parallel pongee strips are connected in series via a low resistance region. The diaphragm was shaped as shown in FIG. For example, 5k
g/S for ground pressure measurement with a thickness of 0.2 and a diameter of 8 ribs.
i.A radial strain gauge element and a tangential strain gauge element are placed on the strain-generating part of the diaphragm from the center of the diaphragm to 3.2 parts of each shoe: o. 8), o. 8 females = o. 2) When the bridge is excited with a constant current so that the voltage between the input terminals is 3.5V, the output voltage sensitivity is 200V.
The VFS/3.5V non-linear error of 0 was less than 0.1%FS. Here, FS means the maximum pressure in the pressure measurement range. In addition, for pressure measurement on 100k9' ground, a radial strain gauge element and a tangential strain gauge element are placed on the strain-generating part of an Sj diaphragm with a thickness of 0.8 grade and a diameter of 8 bars, respectively, from the 343rd side to the 343rd side from the center of the diaphragm. o-8)
, 1-6 side (ki: o-4) and when the bridge was excited with a constant current in the same manner as above, almost the same characteristics as in the pressure measurement of 5k9' were obtained. Embodiment 2 FIG. 7 shows two sets of p-type radial strain gauge elements formed symmetrically along the 110>bag direction of an n-type Si single crystal substrate having {110} plane orientation, Two sets of p-type tangential strain gauge elements are formed symmetrically along the 100>axis.
この配置法によって5k9′仇の圧力測定用として厚さ
0.23肌、直径8欄のSiダイアフラム起歪部上に半
径方向歪ゲージ素子及び接線方向歪ゲージ素子を該ダイ
アフラム中心からそれぞれ3‐2柵(き=o‐8)、2
‐4脚を=o‐6)に形成し、実施側と同様‘こブリッ
ジを定電流励起した場合には、出力電圧感度は200±
20のVFS/3.5V「非直線誤差は±0.1%FS
以下であった。そのほかの実施例及び応用例を第1表に
示す。With this arrangement method, a radial strain gauge element and a tangential strain gauge element are placed on the strain generating part of a Si diaphragm with a thickness of 0.23 mm and a diameter of 8 columns for pressure measurement of 5K9'. Fence (ki=o-8), 2
-4 legs are formed as =o-6), and when this bridge is excited with a constant current as in the implementation side, the output voltage sensitivity is 200±
20VFS/3.5V "Non-linear error is ±0.1%FS
It was below. Other examples and application examples are shown in Table 1.
本発明はこれらの例に必ずしも限定されるものではない
。さらにn形の歪ゲージ素子や、Ge等のSi以外の半
導体単結晶などにおいても実現可能である。第 1 表
以上述べたように本発明によれば、高感度で製品間の特
性のばらつきが小さい半導体圧力変換器を提供できる。The present invention is not necessarily limited to these examples. Furthermore, it is also possible to realize an n-type strain gauge element or a semiconductor single crystal other than Si such as Ge. Table 1 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor pressure transducer with high sensitivity and small variations in characteristics between products.
図面の簡単な説明第1図はSiダイアフラムの概略断面
図、第2図は第3図に示す従来の配置パターンに対応す
る特性図、第3図は従来の配置図、第4図、第5図は本
発明を説明する特性図、第6図、第7図は本発明の実施
例を示す配置図である。Brief description of the drawings Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a Si diaphragm, Figure 2 is a characteristic diagram corresponding to the conventional arrangement pattern shown in Figure 3, Figure 3 is a conventional layout diagram, Figures 4 and 5. The figure is a characteristic diagram for explaining the present invention, and FIGS. 6 and 7 are layout diagrams showing embodiments of the present invention.
6・・…・半径方向歪ゲージ素子、7…・・・接線方向
歪ゲージ素子。6... Radial strain gauge element, 7... Tangential strain gauge element.
弟ー図 第2図 第3図 第4図 髪S図 穿る図 第7図younger brother diagram Figure 2 Figure 3 Figure 4 Hair S figure figure to wear Figure 7
Claims (1)
面上に、不純物を拡散して形成されたピエゾ抵抗効果を
示す複数個の半導体歪ゲージ素子を配置するものにおい
て、前記半導体歪ゲージ素子を前記ダイアフラムの一方
の主面上に作用する半径方向応力と電流方向とが平行な
半径方向歪ゲージ素子と、前記ダイアフラムの一方の主
面上に作用する接線方向応力と電流方向とが平行な接線
方向歪ゲージ素子の2種類で構成し、前記半径方向歪ゲ
ージ素子の位置を前記ダイアフラムの周辺部近傍に定め
、しかる後前記接線方向歪ゲージ素子の位置を接線方歪
ゲージ素子の非直線誤差が少なくなる点に定めるように
したことを特徴とする半導体歪ゲージ素子の配置法。 2 特許請求の範囲第1項記載において、前記接線方向
歪ゲージ素子の位置を、接線方向歪ゲージ素子のダイア
フラム中心からの距離と非直線誤差との関係を示す曲線
が前記ダイアフラムの中心から周辺に向って変化する過
程で非直線誤差が零の直線と最初に交差する点の近傍に
定めるようにしたことを特徴とする半導体歪ゲージ素子
の配置法。[Scope of Claims] 1. A device in which a plurality of semiconductor strain gauge elements exhibiting a piezoresistance effect formed by diffusing impurities are arranged on one main surface of a circular diaphragm made of a semiconductor single crystal, wherein the semiconductor The strain gauge element is a radial strain gauge element in which a radial stress acting on one main surface of the diaphragm is parallel to a current direction, and a tangential stress acting on one main surface of the diaphragm and a current direction are parallel to each other. The radial strain gauge element is positioned near the periphery of the diaphragm, and then the tangential strain gauge element is positioned in the vicinity of the tangential strain gauge element. A method of arranging a semiconductor strain gauge element, characterized in that it is determined at a point where non-linear errors are reduced. 2. In claim 1, the position of the tangential strain gauge element is determined by a curve indicating the relationship between the distance of the tangential strain gauge element from the center of the diaphragm and the non-linear error from the center of the diaphragm to the periphery. 1. A method of arranging a semiconductor strain gauge element, characterized in that the non-linear error is set in the vicinity of a point where it first intersects a zero line in the process of changing direction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10249378A JPS6013315B2 (en) | 1978-08-22 | 1978-08-22 | Arrangement method for semiconductor strain gauge elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10249378A JPS6013315B2 (en) | 1978-08-22 | 1978-08-22 | Arrangement method for semiconductor strain gauge elements |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5529149A JPS5529149A (en) | 1980-03-01 |
| JPS6013315B2 true JPS6013315B2 (en) | 1985-04-06 |
Family
ID=14328938
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10249378A Expired JPS6013315B2 (en) | 1978-08-22 | 1978-08-22 | Arrangement method for semiconductor strain gauge elements |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6013315B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018048859A (en) * | 2016-09-20 | 2018-03-29 | 横河電機株式会社 | Pressure sensor |
-
1978
- 1978-08-22 JP JP10249378A patent/JPS6013315B2/en not_active Expired
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018048859A (en) * | 2016-09-20 | 2018-03-29 | 横河電機株式会社 | Pressure sensor |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5529149A (en) | 1980-03-01 |
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