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JPS6013316B2 - Arrangement method for semiconductor strain gauge elements - Google Patents
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JPS6013316B2 - Arrangement method for semiconductor strain gauge elements - Google Patents

Arrangement method for semiconductor strain gauge elements

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Publication number
JPS6013316B2
JPS6013316B2 JP10249478A JP10249478A JPS6013316B2 JP S6013316 B2 JPS6013316 B2 JP S6013316B2 JP 10249478 A JP10249478 A JP 10249478A JP 10249478 A JP10249478 A JP 10249478A JP S6013316 B2 JPS6013316 B2 JP S6013316B2
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strain gauge
diaphragm
gauge element
pressure
semiconductor
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正則 田辺
智 嶋田
一二 山田
泰昌 松田
元久 西原
芳己 山本
祥隆 松岡
彰夫 保川
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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、従釆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
半導体圧力変換器を提供できることは周知のとおりであ
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 formed with multiple semiconductor strain gauge elements exhibiting a piezoresistance effect can be used as semiconductor pressure transducers with superior 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−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優れておりも従来の金属線形
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へむしろ劣る
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洋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、■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
子を近壌して単位ブリッジ構成体を形成し「該単位ブリ
ッジ構成体をダイアフラム主面上の最適な位置に配置し
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q点tおよび圧力が印
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
動の補償は温度係数などの等しい素子を集積化し「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mの方法はもダイアフラムに
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、
ピェゾ抵抗効果を示す半導体歪ゲージ素子を本質的に有
している非線形性に対し何ら対策されず、高精度化は望
めない。しかも」ダイアフラムの加工の制御は容易でな
く、再現性の良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(2}の方法は、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すべ
きものでト補償用の電気回路が増加するという点で小形
化の特徴に逆行しも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のみで構成する
ものが多い。前述の{1)及び■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
を補償するまで対策されていないわけである。しかるに
前述の{3}0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、の2種類の半導体歪
ゲージ素子を複数個形成しもそれぞれの少なくとも1個
ずつを近接させt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トピェゾ抵抗係数が歪ゲ
ージ素子の電流方向(以下も縦方向という)とその直交
方向(以下t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
‘31の方法が単位ブリッジ機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。糊の方法がこのような複合体構成をとってい
る背景としてはち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トそのために
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
ば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トまた各歪ゲージ素子を近接配
置することによりも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を減少さ
せることによって、特性のドリフトやSノN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
おご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Voの点と印加圧力が測定レ
ンジの最大に対応する出力VMxの点とを直線で結んだ
場合に、このVoとVmax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.Lは
下記のごと〈表わされる。N.L=帯柳。% .
・・…。’但し、VFs『Vm松−Vo …
…{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〕: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。
As shown in FIG. 1, this type of semiconductor pressure-sensitive element is often 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, an electrical input is applied to the bridge via a lead wire 3 and a conductor 2, and an output voltage responsive to pressure is provided. There are many things you can get. This type of semiconductor pressure-sensitive element has excellent sensitivity characteristics especially when converting pressure into electrical output, and can obtain several tens of times the sensitivity compared to conventional metal linear strain gauges. However, with regard to the conversion accuracy, it may not only not be possible to obtain amazing superiority such as sensitivity characteristics, but may even be inferior. Furthermore, ``Sensitivity to temperature changes, which is an inherent characteristic of semiconductors, is also a major drawback of this type of semiconductor pressure-sensitive element.Various compensation methods have been proposed to date to address these drawbacks.'' ``In particular, as a method of compensating for conversion accuracy, there is a method of optimizing stress in the principal plane of a conductor diaphragm by controlling the processing shape of the diaphragm and compensating for accuracy. A method of electrically compensating for ``{3} Forming a unit bridge structure by placing a plurality of semiconductor strain gauge elements close to each other'' and ``arranging the unit bridge structure at an optimal position on the main surface of the diaphragm to compensate. In addition, many compensation methods have been proposed for the bridge output when the pressure is zero, that is, the zeq point t, and the fluctuations due to temperature, such as the output sensitivity when pressure is applied. The most common method for compensating for this temperature fluctuation is to integrate elements with equal temperature coefficients and use circuitry, which is relatively easy to achieve. Each of the above compensation methods has its drawbacks and is not satisfactory. This method attempts to compensate for accuracy by controlling the processing shape of the diaphragm so that the stress generated within the diaphragm is proportional to the pressure over a wide pressure range.
No countermeasures are taken against the nonlinearity inherent in semiconductor strain gauge elements exhibiting a piezoresistive effect, and high precision 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 using method '1}. The above-mentioned method (2) should be used as a last resort when compensation is impossible with the semiconductor pressure-sensitive element itself, and it is not economical even though it goes against the characteristics of miniaturization in that it increases the number of electric circuits for compensation. 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. Many devices are constructed only of radial strain gauge elements whose current direction is parallel to the current direction.In the methods {1) and (2) described above, the radial strain gauge elements are also constructed by applying stress directed in opposite directions to each other within the main surface of the diaphragm. In many cases, the output sensitivity is effectively obtained by placing the sensor in the radial direction. Strain gauge element and ~
A plurality of two types of semiconductor strain gauge elements, a tangential strain gauge element in which the tangential stress acting on the main surface of the diaphragm and the current direction are parallel, are formed, and at least one of each type is placed close to each other in at least one set. This forms a unit bridge structure. The fact that output sensitivity can be effectively obtained even in such a configuration is that the topiezoresistance coefficient has opposite polarity in the current direction of the strain gauge element (hereinafter also referred to as the vertical direction) and in the orthogonal direction (hereinafter referred to as the horizontal direction). It is based on the fact that However, such a method alone cannot sufficiently compensate for accuracy. The reason for this is that the '31 method targets a composite body consisting of a plurality of semiconductor strain gauge elements called a unit bridge mechanism. The reason behind the use of such a composite structure in the glue method is that it is required to reduce the zero point unbalance of the bridge in order to compensate for the temperature fluctuations mentioned above.For this purpose, multiple strain gauge elements are formed by diffusion. It is necessary to suppress variations in resistance values as much as possible by arranging strain gauge elements in close proximity to each other. By reducing the thermal potential of the semiconductor pressure-sensitive element, it is possible to prevent characteristic drift and S/N reduction.These problems are extremely important for semiconductor pressure-sensitive devices in terms of their characteristics, but countermeasures are required. The essence of the '3: method is that too much emphasis is placed on the accuracy, resulting in incomplete compensation of accuracy. This will be explained in more detail with reference to Figure 2. Figure 2 shows the above-mentioned This figure shows an example of the relationship between the distance from the center of the circular diaphragm of the unit bridge structure and the nonlinear error of the pressure-sensitive element. The conversion accuracy above all refers to this non-linear error.In other words, in the curve showing the relationship between the applied pressure to the pressure sensitive element and the output, the point of the output Vo corresponding to zero applied pressure and the If the point of the output VMx corresponding to the maximum applied pressure of the measurement range is connected with a straight line, and the maximum output error between the straight line connecting this Vo and Vmax and the above curve is △V, then the non-linear error is N.L is expressed as follows.N.L=Obiyanagi.%.
.... 'However, VFs "Vm Matsu-Vo...
...{21 The output of this type of semiconductor pressure-sensitive element is determined by determining the applied pressure and the axial direction of the bridge from the center of the diaphragm. It depends on two variables: the distance to the construct.

したがって、ブリl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図に示すような従来例
についての計算結果である。すなわち、第3図は{10
0}面方位を有するn形Si単結晶基板4のく110>
藤方位に沿って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lrからなる単位ブリッジ構成体5
を拡散形成したもので、ブリッジ機成体が円形ダイアフ
ラムの主面内にあり、かつダイアフラムの端部近傍に位
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道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
。この傾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はない。
したがって前述の脚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図に示す従来例
で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磯部近傍
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鞠方
位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、4組の単位ブリッジ構成体を例えば圧力
測定レンジに応じて4組をそれぞれ使い分けるなどの有
効な使い方ができず「ピェゾ抵抗係数の鞠方位等価性が
有効に活用され得ない。本発明は以上に述べたような「
特に‘3}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。
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 by the result and definition. Can calculate. Second
The figure shows an example of this, and shows calculation results for a conventional example as shown in FIG. That is, Fig. 3 is {10
0} plane orientation n-type Si single crystal substrate 4 110>
A unit bridge structure 5 consisting of a p-type radial strain gauge element 6 and a tangential strain gauge element lr along the wisteria direction.
The opposite surface of the substrate is processed into a concave shape so that the bridge member is located within the main surface of the circular diaphragm and near the end 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 where the extraneous error is calculated to be zero near the end of the diaphragm. However, as is clear from the figure, the shape of the curve showing the position dependence of the non-linear error is extremely steep near the position where it is calculated to be zero. This tendency is common when considering the position dependence of nonlinear error using a set of strain gauge element aggregates called a bridge structure, and is not limited to the example shown in FIG. 3.
Therefore, the above-mentioned leg method requires technical means to form the bridge structure in a predetermined position, such as a diaphragm recess, since variations in the position of the bridge structure on the diaphragm surface have a very large influence on non-linear errors. This requires extremely high processing precision in shaping techniques, making it difficult to manufacture pressure-sensitive elements that exhibit the same characteristics in a simple and stable manner. In the conventional example shown in Fig. 3, anticipating the instability of such characteristics, ``four sets of characteristically equivalent unit bridge structures are formed near the rocky part on the diaphragm surface, and one set of them is selected. It is used as a pressure sensitive element.This takes advantage of the azimuthal equivalence of the piezoresistance coefficient.However, in this case, the four unit bridge structures are used, for example, depending on the pressure measurement range. It is not possible to make effective use of each of the four sets, and the azimuthal equivalence of the piezoresistance coefficients cannot be effectively utilized.
In particular, the various problems that the method '3} had were solved 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置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、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、前記接線
方向歪ゲージ素子を前記ダイアフラムの中心近傍に配置
した後、前記半径方向歪ゲージ素子を「半径方向歪ゲー
ジ素子の前記ダイアフラム中心からの距離と非直線誤差
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
かって変化する過程で〜非直線誤差が零の直線と交差す
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 to provide a high-precision semiconductor pressure transducer that can sufficiently compensate for the shortcomings in conversion accuracy of semiconductor pressure-sensitive elements, by effectively reducing the diaphragm surface of each semiconductor strain gauge element. The aim is to provide a convenient arrangement method. The present invention provides 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. A radial strain gauge element in which a radial stress acting on one main surface of the diaphragm is parallel to the current direction, and a tangential strain gauge element in which the tangential stress acting on one main surface of the diaphragm is parallel to the current direction. After arranging the tangential strain gauge element near the center of the diaphragm, the radial strain gauge element is arranged in a non-linear manner with the distance from the diaphragm center of the radial strain gauge element. The curve representing the relationship with the error is arranged in the vicinity of the point where the nonlinear error intersects the zero straight line in the process of changing from the center of the diaphragm toward the periphery.

ダイアフラムの中心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内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
零の直線と交差する点の近傍とは、所要の精度を満足し
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。
The vicinity of the center of the diaphragm refers to a portion located inside 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 that predominantly contributes to the resistance change of the element. Furthermore, the vicinity of the point where the non-linear error intersects the straight line with zero includes the range within which the required accuracy can be satisfied. When pressure is applied to the circular diaphragm, each strain gauge element formed on the diaphragm surface receives stress and exhibits a resistance change.

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されることも既に周知である
。Rr;R。(1十仇r。r+付trot)
……{3,Rt3R。(1十のtot十かtt。r)
……【4}ここで、Rr、Rtはそれぞれ半径
方向歪ゲージ素子および接線方向歪ゲージ素子の抵抗値
、Roは圧力が零の場合の抵抗値、mr、汀lt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、汀tr、打u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ェゾ抵
抗係数である。また、。( 仇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。。
It is a well-known fact that this is due to the piezoresistance effect.
It is already well known that the resistance value of each strain gauge element in this case can be approximately expressed by the following equation if the temperature is constant. Rr;R. (1000 r. r + trot)
...{3, Rt3R. (10 tot 10 or tt.r)
...[4} Here, Rr and Rt are the resistance values of the radial strain gauge element and tangential strain gauge element, respectively, Ro is the resistance value when the pressure is zero, mr and lt are the resistance values of the radial strain gauge element, respectively. , the longitudinal piezoresistance coefficient of the tangential strain gauge element, tr, and u are the transverse piezoresistance coefficients of the radial strain gauge element and the tangential strain gauge element, respectively. Also,. (The enemies are the radial stress and the tangential stress that act on the diaphragm surface, respectively, and if the diaphragm is fixed at its outer circumference, they can be approximately expressed by the following equations.

r3−暮(畠)2‐p{(・+し)−(3+し)さ}
……風仇ご−旨く鼻)2・p{(・十
y)−(1十3レ)穿} ……‘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。{3’〜【6}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層軸万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
って醐〜{6i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。しかし、{3’〜
‘61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
分布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。応力。r、。tは【5}、■式に示すように圧力
pに比例しているとは限らず、抵抗値Rr、Rtは【3
1、‘4ー式に示すように応力。r、ot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
項を含んだ応力と圧力の関係を解析すると共に、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。rL 。上以外
の応力まで考慮して計算すればより厳密な結果が得られ
ることは明らかである。Rr2R。(1十町rの十汀t
rot+汀2rびr2 十m2trひt2)
【7}Rt二R。(1十力,
tot+のttor十中肌02十竹2ttの2)
‘8}ここで、mar、
中21tはそれぞれ半径方向歪ゲ−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、mar、汀
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
として得られたのが第4図に示すような曲線である。出
力感度の観点からすれば、接線方向歪ゲージ素子はダイ
アフラムの中心近傍に配置した方が好ましい場合が多い
。第4図はこのようにした場合、すなわち接線方向歪ゲ
ージ素子をダイアフラム中心近傍に配置した場合の、非
直線誤差と半径方向歪ゲージ素子のダイアフラム中心か
らの距離×Rとの間係を示すものである。こ‐の図によ
れば「 曲線はB点で非直線誤差が零の直線と交差して
おり、この位置近傍に半径方向歪ゲージ素子を配置すれ
ば感圧素子の非直線誤差は原理上零となって高精度な圧
力変換器を得ることができるわけである。第5図は接線
方向歪ゲージ素子のダイアフラム中心からの距離を若干
変化させた場合において、非直線誤差と半径方向歪ゲー
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つの曲線が接線方向歪ゲ−ジ素子の1つの位
置に対応する。今、第亀図に対応する曲線を×’とし、
この曲線に対応する接線方向歪ゲージ素子の位置を±△
×変化させた場合の曲線XT+△X、XT−△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特性
の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点を検討すると、2△×の位置変化に対し
てaからbまで非直線誤差が変化しているが、その変化
勾配は各曲線の勾配よりもゆるやかであることがわかる
。これは接線方向歪ゲージ素子をダイアフラム中心近傍
に配置していることに基づくもので、接線方向歪ゲージ
素子をダイアフラム周辺部近傍に配置した場合には、図
のaからbに相当する変化勾配がより急峻になることも
確認している。したがって、接線方向歪ゲージ素子をま
ずダイアフラム中心近傍に配置した後に、半径方向歪ゲ
ージ素子を第4図のB点に対応する点、すなわち非直線
誤差と半径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、非直線誤差が零の直線
と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、従釆の【3}で述べた精度補償法において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こともでき、ピェゾ抵抗
係数の軸方位等価性の有効な活用が可能となる。実施例
1 第6図は{110}面方位を有するn形Si単結晶基板
のく110>軸及び<100>軸より450の方向に沿
って2組のp形接線方向歪ゲージ素子を該方向軸に対称
に形成lし、<111>鞠方位に沿って2組のp形半径
方向歪ゲージ素子を該軸に対称に形成したものである。
r3-kure (hatake) 2-p {(・+shi)−(3+shi)sa}
... wind enemy - delicious nose) 2・p {(・10y) - (113re) pier} ...'6)
Here, a and h are the radius and thickness of the diaphragm, p is the pressure,
Poisson's ratio, r, is the distance from the center of the diaphragm. Inferring from equations {3' to [6}, the resistance values Rr and Rt of each strain gauge element can be determined by determining the pressure p and distance by determining the shape and material of the diaphragm and the orientation of the lamination axis of each strain gauge element. It can be seen that it is a function of r. Therefore, by using the formula 6i, it is possible to calculate the resistance value corresponding to any pressure at any position on the diaphragm surface, and by further applying this to the well-known bridge output calculation formula, the sensitivity of the semiconductor pressure-sensitive element can be approximated. Determined exactly. However, {3'~
As is clear from the '61 formula, the resistance value is in a proportional relationship with the pressure in this case, and it is not possible to calculate accuracy with this. Conventionally, this type of semiconductor pressure-sensitive element has been difficult in terms of accuracy because the stress distribution and piezoresistance effect cannot be completely expressed as in equations '3' to {6} and include nonlinear terms. None other than that. stress. r. t is not necessarily proportional to the pressure p as shown in the equation [5}, and the resistance values Rr and Rt are [3
1. Stress as shown in '4-Equation. It cannot be expressed only by the linear terms of r and ot. Therefore, the inventors analyzed the relationship between stress and pressure, including nonlinear terms, and calculated the respective resistance values using the expansion formula shown below.
From this, we calculated the bridge output and examined its nonlinear error. Note that although the following equation describes only up to the second-order term of each stress, it is considered that even higher-order terms are included and further act on the strain gauge element. rL. It is clear that more accurate results can be obtained if calculations are performed taking into account stresses other than those above. Rr2R. (10 towns of 10 towns
rot + 汀2rbir2 10m2trhit2)
[7}Rt2R. (10 powers,
tot+ ttor juchuhada 02 jutake 2tt 2)
'8} Here, mar,
21t is the second-order longitudinal piezoresistance coefficient of the radial strain gauge element and the tangential strain gauge element, respectively, and mar and 2tt are the respective second-order lateral piezoresistance coefficients. The curve shown in FIG. 4 was obtained as a result of the study using the method described above. From the viewpoint of output sensitivity, it is often preferable to arrange the tangential strain gauge element near the center of the diaphragm. Figure 4 shows the relationship between the nonlinear error and the distance of the radial strain gauge element from the center of the diaphragm x R when the tangential strain gauge element is placed near the center of the diaphragm. It is. According to this figure, "The curve intersects the straight line with zero nonlinear error at point B, and if the radial strain gauge element is placed near this position, the nonlinear error of the pressure sensitive element will be zero in principle. As a result, a highly accurate pressure transducer can be obtained.Figure 5 shows the relationship between nonlinear error and radial strain gauge element when the distance of the tangential strain gauge element from the center of the diaphragm is slightly changed. This figure shows the relationship between the distance from the center of the diaphragm and one curve corresponds to one position of the tangential strain gauge element.Let the curve corresponding to the turtle figure be x',
The position of the tangential strain gauge element corresponding to this curve is ±△
Consider the curves XT+ΔX and XT−ΔX in the case of changing ×. It is naturally expected that the position of each strain gauge element will deviate from its optimally designed position during the manufacturing process of pressure-sensitive elements, and in that case, it is required to minimize the influence in order to produce products with stable characteristics. . Examining point B in Figure 5 from this perspective, we can see that the nonlinear error changes from a to b for a position change of 2△×, but the slope of the change is gentler than the slope of each curve. I understand that there is something. This is based on the fact that the tangential strain gauge element is placed near the center of the diaphragm.If the tangential strain gauge element is placed near the periphery of the diaphragm, the gradient of change corresponding to a to b in the figure will change. It has also been confirmed that the slope will become steeper. Therefore, after first placing the tangential strain gauge element near the center of the diaphragm, the radial strain gauge element is placed at a point corresponding to point B in FIG. By placing the characteristic curve showing the relationship between A stable pressure transducer can be obtained.
Furthermore, if the strain gauge element arrangement method of the present invention is adopted, it is not necessary to form four equivalent bridge sets for one type of pressure range in the accuracy compensation method described in subsection [3]. Therefore, at least two or more types of pressure ranges can be covered by multiple sets of bridges, and it becomes possible to effectively utilize the axial equivalence of piezoresistance coefficients. Example 1 FIG. 6 shows two sets of p-type tangential strain gauge elements along the 450 direction from the 110> axis and the <100> axis of an n-type Si single crystal substrate having {110} plane orientation. It is formed symmetrically about an axis, and two sets of p-type radial strain gauge elements are formed symmetrically about the axis along the <111> direction.

各々1個の歪ゲージ素子は互いに平行な4組の紬条を低
抵抗領域を介して直列に接続した構成としている。この
ようにすると、微少な面積の領域で所要な抵抗値が得ら
れるからである。ダイアフラムは第1図に示すような形
状とした。例えば5k9/のの圧力測定用として厚さ0
.2柳、直径8肋のSiダイアフラム超わし、部上に接
線方向歪ゲージ素子及び半径方向歪ゲージ素子を該ダイ
アフラム中心からそれぞれo‐8肋(き=o‐2)、3
‐2肌を=o‐8)に形成し、ブリッジを入力端子間電
圧が3.5Vとなるように定電流励起した場合には、出
力電圧感度は200のVFS土10%、非直線誤差は士
0.1%FS以下であった。ここでFSとは圧力測定範
囲における最大範囲を意味する。また、100k9′塊
の圧力測定用としては厚さ0.8肌、直径8柵のSiダ
イアフラム超わい部上に接線方向歪ゲージ素子及び半径
方向歪ゲージ素子を該ダイアフラム中心からそれぞれ1
‐6物(き=o‐4)、3‐2脚(き二0.8)に形成
し、上記同様にブリッジを定電流励起した場合にも、5
kg/の圧力測定用の場合とはほぼ同程度の特性が得ら
れた。実施例 2 第7図は{110}面方位を有するn形灸i単結晶基板
の<112>滋方位に沿って2組のp形接線方向歪ゲー
ジ素子を該藤に対称に形成し、く111>鞠方位に沿っ
て2組のp形半径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 sets of mutually parallel pongee strips are connected in series via a low resistance region. This is because by doing so, the required resistance value can be obtained in a small area. The diaphragm was shaped as shown in FIG. For example, thickness 0 for pressure measurement of 5k9/
.. 2. Place a tangential strain gauge element and a radial strain gauge element on a Si diaphragm with a diameter of 8 ribs, respectively, from the center of the diaphragm to o-8 ribs (ki=o-2) and 3 ribs.
-2 skin =o-8) and when the bridge is excited with constant current so that the voltage between the input terminals is 3.5V, the output voltage sensitivity is 10% of VFS of 200, and the nonlinear error is It was less than 0.1%FS. Here, FS means the maximum range in the pressure measurement range. In addition, for pressure measurement of a 100k9' block, a tangential strain gauge element and a radial strain gauge element are placed on the super-curved part of a Si diaphragm with a thickness of 0.8 skin and a diameter of 8 bars, respectively, from the center of the diaphragm.
-6 legs (Ki=o-4) and 3-2 legs (Ki=0.8), and when the bridge is excited with a constant current in the same way as above, 5
Almost the same characteristics as those for pressure measurement in kg/kg were obtained. Example 2 Figure 7 shows that two sets of p-type tangential strain gauge elements are formed symmetrically along the <112> direction of an n-type moxibustion i single crystal substrate having a {110} plane orientation. 111> Two sets of p-type radial strain gauge elements are formed symmetrically along the axis.

例えば5k9/地の圧力測定用として厚さ0.2肌、直
径8肋のSiダイアフラム超わし、部上に接線方向歪ゲ
ージ素子及び半径方向歪ゲージ素子を該ダイアフラム中
心からそれぞれ・‐2側(き=o‐3)、3‐2側を=
o‐8)に形成し、実施例1と同様にブリッジを定電流
励起した場合には、出力電圧感度は200のVFS+1
0%、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。本発明はこれ
らの例に限定されるものではない。第 1 表以上述べ
たように本発明によれば「高感度、高精度で製品間の特
性ばらつきの小さい半導体圧力変換器を提供できる。
For example, a Si diaphragm with a thickness of 0.2 mm and a diameter of 8 ribs is used to measure the pressure of 5k9/ground, and a tangential strain gauge element and a radial strain gauge element are placed on the -2 side (-2 side) from the center of the diaphragm, respectively. Ki = o-3), 3-2 side =
o-8) and when the bridge is excited with constant current as in Example 1, the output voltage sensitivity is 200VFS+1
0%, and the non-linear error was less than ±0.1%FS. Other examples and application examples are shown in Table 1. The present invention is not limited to these examples. Table 1 As stated above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor pressure transducer with high sensitivity, high precision, and small variations in characteristics between products.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は半導体感圧素子の概略断面図、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
従来の配置パターン図、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である。 6……半径方向歪ゲージ素子、7・・・・・・接線方向
歪ゲージ素子。祭‘図 第2図 第3図 第4図 第s図 第5図 第7図
Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor pressure-sensitive element, Fig. 2 is a characteristic diagram corresponding to the conventional arrangement pattern shown in Fig. 3, Fig. 3 is a diagram of the conventional arrangement pattern, Fig. 4 and Fig. 5 are Characteristic diagrams illustrating the present invention, FIGS. 6 and 7 are examples of the present invention. 6... Radial strain gauge element, 7... Tangential strain gauge element. Figure 2 Figure 3 Figure 4 Figure s Figure 5 Figure 7

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 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、前記接線方向歪ゲ
ージ素子の位置を前記ダイアフラムの中心近傍に定め、
しかる後前記半径方向歪ゲージ素子の位置を半径方向歪
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。
1. A plurality of semiconductor strain gauge elements exhibiting a piezoresistive effect formed by diffusing impurities are arranged on one main surface of a circular diaphragm made of a semiconductor single crystal, in which the semiconductor strain gauge elements are connected to the diaphragm. a radial strain gauge element in which a radial stress acting on one main surface of the diaphragm is parallel to the current direction; and a tangential strain gauge element in which a tangential stress acting on one main surface of the diaphragm is parallel to the current direction. consisting of two types of gauge elements, with the tangential strain gauge element positioned near the center of the diaphragm;
A method for arranging a semiconductor strain gauge element, characterized in that the position of the radial strain gauge element is then determined at a point where a non-linear error of the radial strain gauge element is reduced.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0441813U (en) * 1990-08-03 1992-04-09
JP2018048859A (en) * 2016-09-20 2018-03-29 横河電機株式会社 Pressure sensor

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