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

背景技術(shù)：

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

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

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

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2007-263781號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

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

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

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

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

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

用于解決課題的技術(shù)方案

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

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

發(fā)明效果

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

附圖說明

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

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

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

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

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

圖4是表示第一實施方式的力學(xué)量測量裝置的概要的平面示意圖。

圖5是表示第二實施方式的力學(xué)量測量裝置的概要的平面示意圖。

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

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

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

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

圖10是表示本發(fā)明的壓力傳感器的一個例子的截面示意圖。

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

具體實施方式

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

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

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

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

VOUT＝GAIN·VDD((a－b)εx－(a－b)εy)/2…(1)

GAIN：放大電路的增益

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

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

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

a≈﹣b…(2)

因此，(1)式變成(3)式。

VOUT＝GAIN·VDD·a·(εx－εy)…(3)

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

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

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

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

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

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

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

(i)半導(dǎo)體基板的主表面為單晶硅的{100}面。

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

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

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

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

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

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

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

(vii)上述壓力傳感器用作汽車發(fā)動機(jī)用的壓力傳感器。

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

實施例1

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

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

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

惠斯通電橋B、C用于通過計算其輸出電壓來檢測X軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變的絕對值和Y軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變的絕對值而構(gòu)成。在此，構(gòu)成惠斯通電橋B的4個電阻R_v3、R_v4、R_h3、R_h4中，電阻R_v3、R_v4為P型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻體，其長度方向為從X軸和Y軸方向傾斜45度的<100>方向。另一方面，電阻R_h3、R_h4為多晶硅電阻，其長度方向為與X軸平行的方向。并且，構(gòu)成惠斯通電橋B的電阻體R_v3、R_v4、R_h3、R_h4與構(gòu)成惠斯通電橋A的電阻R_v1、R_v2、R_h1、R_h2相鄰地配置。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

實施例2

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

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

實施例3

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

實施例4

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

如圖10所示，本實施方式的壓力傳感器80大致分為接受壓力并將其轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器部201和將電信號傳遞到外部設(shè)備的連接部202。傳感器部201由通過一端開放、另一端封閉的金屬制有底筒狀體插入壓力接口中的壓力導(dǎo)入部81、限定壓力導(dǎo)入部81的插入量的凸緣82、在壓力導(dǎo)入部81的封閉端受壓變形的膜片83、焊接在膜片83上的應(yīng)變傳感器84、和與壓力傳感器84連接并控制壓力傳感器84的控制機(jī)構(gòu)(控制部)85所構(gòu)成?？刂茩C(jī)構(gòu)85上安裝了保存修正運算所用的各種數(shù)據(jù)的存儲器和電容器86等。連接部202由與外部設(shè)備連接的接頭87、傳遞電信號的連接端子88、將接頭87固定在傳感器部的蓋89。

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

此外，圖11中說明的流程也可由力學(xué)量測量裝置30單獨執(zhí)行。

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

附圖記號說明

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