專利名稱：力學(xué)量測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以對(duì)物體的力學(xué)量進(jìn)行計(jì)測(cè)的裝置以及使用該裝置的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為測(cè)定測(cè)定對(duì)象的變形(應(yīng)變)的技術(shù)，已知的是使用利用了金屬箔的電阻值隨著應(yīng)變而發(fā)生變化這一點(diǎn)的金屬箔應(yīng)變儀的技術(shù)。這是一種如下所述的技術(shù)通過(guò)將該應(yīng)變儀粘接在測(cè)定對(duì)象上，使金屬箔的長(zhǎng)度追隨測(cè)定對(duì)象的應(yīng)變而發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)出結(jié)果發(fā)生了變化的金屬箔的電阻值，可以進(jìn)行測(cè)定對(duì)象的應(yīng)變測(cè)定。
另外，由于金屬箔的電阻值不僅對(duì)應(yīng)變具有靈敏度，而且對(duì)溫度也具有靈敏度，因此作為抵消由于溫度變化引起的測(cè)定誤差的技術(shù)，如特開平07-270109號(hào)公報(bào)所公開的那樣，公開了一種將具有應(yīng)變靈敏度的金屬箔電阻器和用于進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)幕菟沟请姌螂娐沸纬稍谕换迳系膽?yīng)變儀。以下將惠斯登電橋稱為電橋。
另外，如果要用電池驅(qū)動(dòng)它們，則存在消耗電力大、電池很快就會(huì)耗完的問(wèn)題。因此，如特開2005-114443號(hào)公報(bào)所示，還開發(fā)了如下技術(shù)使用半導(dǎo)體制造技術(shù)，在半導(dǎo)體基板上形成高電阻的擴(kuò)散電阻，根據(jù)其電阻值的變化來(lái)測(cè)定應(yīng)變。
特開平07-270109號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)2]特開2005-114443號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在同時(shí)測(cè)定旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩和軸向力時(shí)，通過(guò)貼附2個(gè)特開2005-114443號(hào)公報(bào)等中描述的應(yīng)變測(cè)定芯片來(lái)進(jìn)行測(cè)定在理論上也是可行的。但是，如果要通過(guò)分別將2個(gè)應(yīng)變測(cè)定芯片貼在一起來(lái)測(cè)定剪切應(yīng)變和垂直應(yīng)變，則受到在貼附2個(gè)芯片時(shí)的偏差的影響，因此存在不適合精度高的測(cè)定的問(wèn)題。
另外，同樣，如果要通過(guò)分別將2個(gè)應(yīng)變測(cè)定芯片貼在一起來(lái)測(cè)定剪切應(yīng)變和垂直應(yīng)變，則實(shí)際上容易產(chǎn)生貼附角度的誤差，從而存在不適合精度高的測(cè)定的問(wèn)題。
另外，同樣，在以進(jìn)行產(chǎn)生多軸應(yīng)變的被測(cè)定物的各軸方向的應(yīng)變計(jì)測(cè)為目的而貼附多個(gè)應(yīng)變測(cè)定芯片的情況下，也產(chǎn)生同樣的問(wèn)題。
另外，如果為上述目的而貼附多個(gè)該應(yīng)變測(cè)定芯片，則需要某種程度的較大面積，并且測(cè)定各應(yīng)變分量的位置相互遠(yuǎn)離，因此無(wú)法為測(cè)定應(yīng)力集中場(chǎng)的應(yīng)變狀態(tài)的目的而使用。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種傳感器的靈敏度偏差小、可以高精度地測(cè)定特定方向的應(yīng)變的力學(xué)量測(cè)定裝置以及使用該裝置的系統(tǒng)。
另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種可以測(cè)定應(yīng)力集中場(chǎng)中的垂直應(yīng)變的面內(nèi)兩方向和剪切應(yīng)變、并且可以進(jìn)行多軸應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)測(cè)的力學(xué)量測(cè)定裝置以及使用該裝置的系統(tǒng)。
另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種在外部噪聲多的場(chǎng)所也可以得到背景噪聲小的計(jì)測(cè)結(jié)果的力學(xué)量測(cè)定裝置以及使用該裝置的系統(tǒng)。
解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)手段上述目的通過(guò)在一個(gè)由半導(dǎo)體單晶構(gòu)成的半導(dǎo)體芯片內(nèi)形成至少兩組以上的電橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且由于具有以下特長(zhǎng)而解決了上述的各問(wèn)題點(diǎn)。
(1)<實(shí)施例1、轉(zhuǎn)矩與軸向力測(cè)定芯片>為了高精度地測(cè)定旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩和軸向力，最好是其特征在于，上述電橋電路中的至少一個(gè)電橋電路由該半導(dǎo)體單晶基板上的<100>方向與電流的流動(dòng)方向平行的n型擴(kuò)散電阻構(gòu)成，并且其它電橋電路由<110>方向與電流的流動(dòng)方向平行的p型擴(kuò)散電阻構(gòu)成。由此，例如在使<110>方向與旋轉(zhuǎn)軸方向一致地貼附該力學(xué)量測(cè)定裝置時(shí)，可以使想要取得的應(yīng)變方向與傳感器靈敏度的最大方向一致，因此可以高靈敏度地對(duì)轉(zhuǎn)矩和軸向力進(jìn)行計(jì)測(cè)。
此時(shí)，由于在同一硅基板上形成2個(gè)傳感器，因此設(shè)置與構(gòu)成傳感器的電橋電路的擴(kuò)散層不同的擴(kuò)散層，以便不相互干擾。即，若以半導(dǎo)體單晶基板為p型的情況為例，為了提高計(jì)測(cè)精度，最好在由p型擴(kuò)散電阻構(gòu)成的電橋電路的附近，以包圍p型擴(kuò)散層的方式形成n型擴(kuò)散層。由此，可以防止傳感器設(shè)置偏差或粘接時(shí)的偏差，從而可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。
(2)<實(shí)施例2、2軸分離芯片>為了高精度地測(cè)定多軸應(yīng)變場(chǎng)，電橋電路最好由2個(gè)應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻和2個(gè)應(yīng)變靈敏度低的擴(kuò)散電阻的組合構(gòu)成。這里，應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻(雜質(zhì)擴(kuò)散層)例如是電流流動(dòng)的方向與<100>方向平行的n型擴(kuò)散電阻或電流流動(dòng)的方向與<110>方向平行的p型擴(kuò)散電阻，應(yīng)變靈敏度低的擴(kuò)散電阻(雜質(zhì)擴(kuò)散層)例如是電流流動(dòng)的方向與<100>方向平行的p型擴(kuò)散電阻或電流流動(dòng)的方向與<110>方向平行的n型擴(kuò)散電阻。另外，最好使電流流動(dòng)的方向?yàn)閿U(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向。
<100>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊的p型擴(kuò)散電阻對(duì)于各方向的應(yīng)變沒有靈敏度，而<100>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊的n型擴(kuò)散電阻在<100>方向上具有較大的靈敏度，從而在電流流動(dòng)的方向的〔100〕和與其成直角的〔010〕上，其靈敏度可以大大不同。結(jié)果，在2軸應(yīng)變場(chǎng)中，使n型電阻的長(zhǎng)邊方向?yàn)椤?00〕還是為〔010〕，所取得的電阻值增量不同，因此可以分離檢測(cè)出2軸應(yīng)變場(chǎng)。最好是，利用該半導(dǎo)體單晶基板上的電流流動(dòng)的方向與<100>方向平行的2個(gè)n型擴(kuò)散電阻和電流流動(dòng)的方向與<100>方向平行的2個(gè)p型擴(kuò)散電阻的組合構(gòu)成電橋電路。
從而其特征在于，采取使所述第一電橋電路的應(yīng)變靈敏度高的n型擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向與所述第二電橋電路的應(yīng)變靈敏度高的n型擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向幾乎正交的配置。另外，各電橋電路的n型擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向最好統(tǒng)一為同一方向。
另外，上述進(jìn)行了電流流動(dòng)的方向與雜質(zhì)擴(kuò)散層的圖案(pattern)的長(zhǎng)邊方向大體一致的說(shuō)明，但只要電流流動(dòng)的朝向與上述方向一致，就可以得到同樣的效果。但是，在使電流流動(dòng)的朝向與雜質(zhì)擴(kuò)散層的圖案的長(zhǎng)邊方向大體一致的情況下，可以提高該擴(kuò)散層的電阻值，因此可以實(shí)現(xiàn)更低的電力消耗。因而以下說(shuō)明使電流流動(dòng)的朝向?yàn)閿U(kuò)散層的圖案的長(zhǎng)邊方向的情況。
另外，最好是，構(gòu)成第一電橋電路的n型雜質(zhì)擴(kuò)散層的配置與構(gòu)成第二電橋電路的n型雜質(zhì)擴(kuò)散層的配置為軸對(duì)稱。通過(guò)為軸對(duì)稱，可以以完全相同的配置條件僅沿?cái)U(kuò)散層的長(zhǎng)邊方向直行，因此在分離檢測(cè)2軸應(yīng)變場(chǎng)時(shí)也可以進(jìn)行精度良好的計(jì)測(cè)。
另外，最好是，將構(gòu)成一個(gè)惠斯登電橋的n型雜質(zhì)擴(kuò)散層配置在比構(gòu)成該惠斯登電橋的p型雜質(zhì)擴(kuò)散層更靠近芯片中心點(diǎn)的距離上。芯片的中心點(diǎn)附近最不容易受到芯片端部的應(yīng)變釋放的影響，因此通過(guò)將具有應(yīng)變靈敏度的n型雜質(zhì)擴(kuò)散層配置在該中心點(diǎn)附近，可以進(jìn)行精度良好的計(jì)測(cè)。
另外，最好是，追加設(shè)置與構(gòu)成傳感器的擴(kuò)散層不同的擴(kuò)散層。即，若以半導(dǎo)體單晶基板為p型的情況為例進(jìn)行說(shuō)明，則以由n型雜質(zhì)擴(kuò)散層包圍的方式形成構(gòu)成惠斯登電橋的p型雜質(zhì)擴(kuò)散層，并將該n型擴(kuò)散層與惠斯登電橋的正極側(cè)連接。由此，可以防止p型與n型雜質(zhì)擴(kuò)散層產(chǎn)生電氣干擾，從而可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。
(3)<實(shí)施例3、調(diào)整用電阻>另外，最好是，將電阻值調(diào)整用的電阻比較低的p型擴(kuò)散電阻與電橋電路中的p型擴(kuò)散層串聯(lián)連接。即，使從p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的端部向電橋電路外部引出的引出布線的條數(shù)比從n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的端部向電橋電路外部引出的引出布線的條數(shù)多，通過(guò)測(cè)定p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻、n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的實(shí)際電阻值，來(lái)決定在測(cè)定時(shí)使用的引出布線。通過(guò)這樣形成調(diào)整用電阻，可以修正由于p型擴(kuò)散層與n型擴(kuò)散層的形成工序不同而產(chǎn)生的各擴(kuò)散層電阻值的制造上的誤差。結(jié)果，具有可以減小電橋電路的輸出偏移和可以將溫度依賴性抑制在較小程度的優(yōu)點(diǎn)。
(4)<實(shí)施例4、多晶硅電阻電橋>同樣，為了高精度地測(cè)定多軸應(yīng)變場(chǎng)，在同一半導(dǎo)體基板上至少設(shè)置兩組以上的由雜質(zhì)擴(kuò)散電阻構(gòu)成的惠斯登電橋電路，上述兩組惠斯登電橋電路由流有電流且測(cè)定電阻值變動(dòng)的方向與該半導(dǎo)體單晶基板的<100>方向平行的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和多晶硅布線電阻構(gòu)成。
<100>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊的p型擴(kuò)散電阻對(duì)于各方向的應(yīng)變沒有靈敏度，而多晶硅電阻僅在長(zhǎng)邊方向上具有較大的靈敏度。因而，使構(gòu)成第一惠斯登電橋的多晶硅布線電阻的、流有電流且測(cè)定電阻值變動(dòng)的方向與構(gòu)成第二惠斯登電橋的多晶硅布線電阻的、流有電流且測(cè)定電阻值變動(dòng)的方向正交。這樣，通過(guò)配置多晶硅布線電阻，可以進(jìn)行面內(nèi)2軸的垂直應(yīng)變的測(cè)定。
另外，最好是，將電阻值調(diào)整用的電阻比較低的p型擴(kuò)散電阻與電橋電路中的p型擴(kuò)散層串聯(lián)連接。由于p型擴(kuò)散層與多晶硅布線電阻的形成工序不同，因此在電路設(shè)計(jì)上即使設(shè)計(jì)為同一電阻，在實(shí)際制造時(shí)各擴(kuò)散層電阻值也常常不同。因此，可以這樣向p型擴(kuò)散層引入調(diào)整用電阻，利用連接其連接端子的哪一個(gè)來(lái)進(jìn)行電阻值的微調(diào)。結(jié)果，具有可以減小電橋電路的輸出偏移和可以將溫度依賴性抑制在較小程度的優(yōu)點(diǎn)。
(5)<實(shí)施例5、圖17、3軸分離芯片>進(jìn)而，為了還包含剪切應(yīng)變?cè)趦?nèi)測(cè)定面內(nèi)的所有應(yīng)變狀態(tài)，在同一半導(dǎo)體基板上設(shè)置至少三組以上由雜質(zhì)擴(kuò)散電阻構(gòu)成的惠斯登電橋電路，其中一組惠斯登電橋電路由流有電流且測(cè)定電阻值變動(dòng)的方向與該半導(dǎo)體單晶基板的<110>方向平行的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻構(gòu)成。另外，其它兩組惠斯登電橋電路由流有電流且測(cè)定電阻值變動(dòng)的方向與該半導(dǎo)體單晶基板的<100>方向平行的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和流有電流且測(cè)定電阻值變動(dòng)的方向與該半導(dǎo)體單晶基板的<100>方向平行的n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的組合構(gòu)成。由此，除了面內(nèi)2軸的垂直應(yīng)變，還可以測(cè)定剪切應(yīng)變，因此可以把握貼附了力學(xué)量測(cè)定裝置的面內(nèi)的所有應(yīng)變狀態(tài)。
<實(shí)施例5、圖17、帶溫度傳感器的芯片>進(jìn)而，為了在溫度發(fā)生變化的情況下也可以精度良好地對(duì)應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)，在上述(1)至(4)所示的力學(xué)量測(cè)定裝置中，在與應(yīng)變傳感器的同一個(gè)半導(dǎo)體基板內(nèi)設(shè)置由pn結(jié)形成的溫度傳感器。由此，在應(yīng)變傳感器的電橋電路的溫度校正功能的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行更嚴(yán)格的溫度校正。
(6)<實(shí)施例6、圖20、帶脫離傳感器的芯片>為了提高計(jì)測(cè)的可靠性，在應(yīng)變傳感器之外，還在同一半導(dǎo)體基板內(nèi)的四個(gè)角上設(shè)置擴(kuò)散層。貼附在被測(cè)定物上的力學(xué)量測(cè)定裝置有時(shí)會(huì)從其芯片邊緣發(fā)生脫離。因而，根據(jù)本發(fā)明，可以利用四個(gè)角的擴(kuò)散層檢測(cè)到該脫離的發(fā)生，從而可以進(jìn)行高可靠性的計(jì)測(cè)。
(7)<實(shí)施例7、帶放大器的芯片>為了在外部噪聲大的情況下也可以進(jìn)行計(jì)測(cè)，在與形成應(yīng)變傳感器的半導(dǎo)體基板相同的半導(dǎo)體基板上設(shè)置用于放大從應(yīng)變檢測(cè)部輸出的信號(hào)的放大器電路。來(lái)自電橋電路的輸出可以輸入到在硅基板上配置在極近距離處的放大器中，因此可以提供一種對(duì)外部噪聲的耐噪性強(qiáng)的力學(xué)量測(cè)定裝置。即，使用了雜質(zhì)擴(kuò)散層的應(yīng)變傳感器可以利用半導(dǎo)體制造工藝制造，因此具有可以將作為該雜質(zhì)擴(kuò)散層的組合的電橋電路和放大器電路形成在同一半導(dǎo)體芯片上的優(yōu)點(diǎn)。因而，可以在半導(dǎo)體基板上直接放大電橋電路的輸出，因此可以提供一種外部噪聲難以進(jìn)入、具有耐噪性能、可以進(jìn)行高精度測(cè)定的力學(xué)量測(cè)定裝置。而且，由于可以利用半導(dǎo)體工藝形成，因此可以將電橋電路本身小型化至微米大小，因此磁通難以穿過(guò)電橋內(nèi)部，從而可以提供一種具有對(duì)外部噪聲的耐噪性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)、具有耐噪性能、可以進(jìn)行高精度計(jì)測(cè)的力學(xué)量測(cè)定裝置。
最好是，在同一半導(dǎo)體基板上設(shè)置至少兩組以上由雜質(zhì)擴(kuò)散電阻構(gòu)成的應(yīng)變檢測(cè)部和用于放大從應(yīng)變檢測(cè)部輸出的信號(hào)的放大器。
另外，最好是，構(gòu)成放大器的反饋電阻的長(zhǎng)邊方向朝向與連接在同一電橋電路上的電阻的長(zhǎng)邊方向相同的方向。由此，具有如下特征放大器的反饋電阻具有應(yīng)變依賴性，在對(duì)2軸復(fù)雜應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行計(jì)測(cè)的情況下，也難以受到其影響。
另外，最好是，構(gòu)成放大器的反饋電阻的長(zhǎng)邊方向都統(tǒng)一成與構(gòu)成應(yīng)變檢測(cè)部的雜質(zhì)擴(kuò)散層的長(zhǎng)邊方向平行或垂直中的任意一種。由此具有的特征是，應(yīng)變計(jì)測(cè)方向的應(yīng)變也負(fù)載在放大器的反饋電阻上，因此在對(duì)2軸的復(fù)雜應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行計(jì)測(cè)的情況下，在分離成2軸分量時(shí)也難以受到其影響。
另外，最好是，構(gòu)成放大器的反饋電阻都朝向相同方向，并且，離反饋電阻群的長(zhǎng)邊方向的端部與芯片端部的距離相等。由此，所有反饋電阻都同等地受到芯片端部的應(yīng)變的釋放的影響，因此具有可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
另外，最好是，構(gòu)成兩組放大器的反饋電阻都朝向相同的方向，并且，構(gòu)成兩組放大器的反饋電阻群成線對(duì)稱地配置。由此，通過(guò)將與電橋電路連接的2個(gè)差動(dòng)放大器的、由多晶硅電阻構(gòu)成的反饋電阻大致線對(duì)稱地配置，可以使應(yīng)變對(duì)2個(gè)多晶硅的影響相同，從而可以抵消放大器電路中的應(yīng)變的影響，可以進(jìn)行高精度的測(cè)定。
另外，最好是，構(gòu)成兩組放大器的反饋電阻都朝向相同的方向，并且，構(gòu)成兩組放大器的反饋電阻群以芯片的中央為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地配置。這種情況下，電橋電路5和放大器21形成與將電橋電路4和放大器20旋轉(zhuǎn)90度后的結(jié)構(gòu)完全等價(jià)的結(jié)構(gòu)，因此具有設(shè)計(jì)容易的效果。
(8)<實(shí)施例12、傳感器的配置位置>在上述(1)至(6)的力學(xué)量測(cè)定裝置中，上述應(yīng)變檢測(cè)部配置成離芯片端部的距離至少為49×(芯片厚度)0.5μm以上的內(nèi)側(cè)。由此，在將由半導(dǎo)體芯片構(gòu)成的力學(xué)量測(cè)定裝置1貼附在被測(cè)定物上的情況下，也可以不受芯片端部影響地抑制測(cè)定偏差，從而可以進(jìn)行再現(xiàn)性非常好的高精度的測(cè)定。
發(fā)明效果利用本發(fā)明，可以提供一種可有助于上述任意技術(shù)問(wèn)題的解決的力學(xué)量測(cè)定裝置。即，根據(jù)本發(fā)明，具有在被測(cè)定物應(yīng)力集中的情況下，也可以把握微小區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。另外，根據(jù)本發(fā)明，還可以進(jìn)行多軸應(yīng)變場(chǎng)的高精度的應(yīng)變計(jì)測(cè)。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以使在貼附力學(xué)量測(cè)定裝置時(shí)產(chǎn)生的誤差最小。另外，在外部噪聲大的場(chǎng)所，也可以使背景噪聲小地對(duì)應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)。
另外，這些力學(xué)量測(cè)定裝置形成在半導(dǎo)體芯片上，因此可以利用半導(dǎo)體工藝制造，因此可以與其它CPU等數(shù)字電路或存儲(chǔ)電路、通信電路等混載。另外，還具有可以使用半導(dǎo)體制造設(shè)備來(lái)進(jìn)行高精度且低價(jià)格、大量供給的效果。


圖1是表示本發(fā)明第1實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的概要的示意圖。
圖2是表示本發(fā)明第1實(shí)施方式的使用例的圖。
圖3是表示構(gòu)成本發(fā)明第1實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的電橋電路的擴(kuò)散電阻的連接狀態(tài)的圖。
圖4是表示本發(fā)明第1實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖5是表示本發(fā)明第1實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的斷面構(gòu)造的示意圖。
圖6是表示本發(fā)明第1實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖7是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖8是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖9是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖10是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖11是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖12是表示本發(fā)明第3實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖13是表示構(gòu)成本發(fā)明第3實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的電橋電路的擴(kuò)散電阻的連接狀態(tài)的14是表示本發(fā)明第3實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示例的框圖。
圖15是表示本發(fā)明第4實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖16是表示本發(fā)明第4實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示例的框圖。
圖17是表示本發(fā)明第5實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖18是表示本發(fā)明第5實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖19是表示本發(fā)明第5實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的動(dòng)作流程的圖。
圖20是表示本發(fā)明第6實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖21是表示本發(fā)明第7實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖22是表示本發(fā)明第7實(shí)施方式的放大電路的例子的示意圖。
圖23是表示本發(fā)明第8實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖24是表示本發(fā)明第9實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖25是表示本發(fā)明第10實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的詳細(xì)情況的示意圖。
圖26是表示本發(fā)明的力學(xué)量測(cè)定裝置的安裝狀態(tài)的示意圖。
圖27是表示本發(fā)明第11實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的最佳形狀的示意圖。
符號(hào)說(shuō)明1力學(xué)量測(cè)定裝置、2硅基板、2a主面、3應(yīng)變檢測(cè)部、4、5、6電橋電路、4a～4d、5a～5d擴(kuò)散電阻、6a、6cn型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻、6b、6dp型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻、8粘接面、14方向顯示標(biāo)記、15溫度傳感器、16、17、18、19脫離監(jiān)視用傳感器、L1～L6離芯片端部的距離、L7～L14脫離監(jiān)視用傳感器離芯片端部的距離、20、20a、20b、21、21a、21b放大器、22、22a、22b、23、23a、23b電阻、25晶體管、102折疊電阻、306槽、405b、405d、505b、505d多晶硅布線電阻。
具體實(shí)施例方式
以下參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。
在本發(fā)明中，作為應(yīng)變感應(yīng)電阻器，設(shè)置了雜質(zhì)擴(kuò)散電阻或多晶硅電阻，考慮硅單晶的結(jié)晶方位與壓電電阻系數(shù)的關(guān)系，并考慮雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的電流方向與對(duì)應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)的方向之間的關(guān)系，以得到期望的特性。以下在單晶硅基板2的結(jié)晶面或結(jié)晶方位的表述中使用密勒指數(shù)。
在密勒指數(shù)的表述中，在指定負(fù)方向的情況下，在數(shù)字上添加一橫，在本說(shuō)明書中為了方便起見，加了一橫的數(shù)字用“-”，象〔-110〕這樣表述。另外，在表示特定的面或方向的情況下，分別使用( )和〔 〕，在表示在單晶硅基板內(nèi)等價(jià)的面或方向的情況下，分別使用{}和<>來(lái)表述。而且，在本說(shuō)明書中，在雜質(zhì)擴(kuò)散層的長(zhǎng)邊方向上流有電流，并對(duì)電流流動(dòng)方向的電阻值的變動(dòng)進(jìn)行計(jì)測(cè)。電阻的長(zhǎng)邊方向一表述是指流有電流并且對(duì)電阻值變動(dòng)進(jìn)行計(jì)測(cè)的方向。
<轉(zhuǎn)矩與軸向力測(cè)定芯片>
使用圖1至圖8來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的第1實(shí)施方式。圖1中示出本實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的主要部分。
在圖1所示的本實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置1中，在表面為{001}的、由同一單晶半導(dǎo)體基板構(gòu)成的硅基板2的主面2a上設(shè)置應(yīng)變檢測(cè)部3，在所述應(yīng)變檢測(cè)部3上設(shè)置至少2個(gè)惠斯登電橋電路(以下稱為電橋電路)304、305。
另外，雖然沒有圖示，但根據(jù)需要形成用于從電橋電路304、305取出電信號(hào)的布線、焊接點(diǎn)、用于使它們絕緣的絕緣材料等。在本實(shí)施例中，將硅基板2和形成在硅基板2上的薄膜群總稱為力學(xué)量測(cè)定裝置1。該力學(xué)量測(cè)定裝置1如圖2所示，通過(guò)安裝在作為被測(cè)定物的旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)軸201上，可以測(cè)定轉(zhuǎn)矩和軸向力。這種情況下，如圖2所示，可以安裝成硅基板2的結(jié)晶軸方向的<110>與旋轉(zhuǎn)軸201的軸心平行，也可以安裝成硅基板2的結(jié)晶軸方向的<100>與旋轉(zhuǎn)軸的軸心平行。另外，可以貼附在被測(cè)定物的表面上，也可以設(shè)計(jì)成埋入被測(cè)定物。另外，硅基板2最好根據(jù)其特性在表面具有{001}。
上述電橋電路304如圖3的布線圖所示，通過(guò)將4個(gè)雜質(zhì)擴(kuò)散電阻304a、304b、304c、304d按此順序連接而形成，作為轉(zhuǎn)矩傳感器，主要用于測(cè)定軸向力。在雜質(zhì)擴(kuò)散層304a與304d之間或者304b與304c之間施加電壓，并從雜質(zhì)擴(kuò)散層304a與304b之間或者304c與304d之間取出信號(hào)。電橋電路305也同樣，通過(guò)將4個(gè)雜質(zhì)擴(kuò)散電阻305a、305b、305c、305d按此順序連接而形成，主要用于測(cè)定轉(zhuǎn)矩。
在圖4中示出304、305這2個(gè)電橋電路中的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的配置圖。上述電橋電路304由形成為使流有電流的方向成為與<110>方向平行的方向的4個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散層構(gòu)成。在圖4中，作為一個(gè)例子，利用配置在與〔110〕方向平行的方向上的p型擴(kuò)散電阻304a、304c和配置在與〔-110〕方向平行的方向上的p型擴(kuò)散電阻304b、304d的組合，來(lái)形成電橋電路304。即，p型擴(kuò)散電阻304a、304c和304b、304d被配置成其長(zhǎng)邊方向正交。另外，使各擴(kuò)散電阻的電阻值盡可能正確地一致。
這里，例如使用的是配置在使流有電流的方向與〔110〕方向平行的方向(也包含作為反方向的〔-1-10〕方向。以下相同)上的p型擴(kuò)散電阻304a、304c這樣的表述，但在偏離〔110〕方向的情況下，只要是在±10度的角度范圍的偏差內(nèi)，就可以期待幾乎同樣的效果，因此，在本發(fā)明中，設(shè)與〔110〕方向平行。其它方向也同樣。在進(jìn)一步偏離該角度的情況下，應(yīng)變靈敏度急速降低，因此最好形成以離〔110〕方向±10度的角度范圍作為長(zhǎng)邊的雜質(zhì)擴(kuò)散層。另外，在雜質(zhì)擴(kuò)散層形成為長(zhǎng)方形等簡(jiǎn)單形狀的區(qū)域的情況下，流有電流的方向是連接了在雜質(zhì)擴(kuò)散層上連接有輸入電流的線的位置和連接有輸出電流的線的位置的方向。
另一方面，電橋電路305由形成為使流有電流的方向成為與<100>方向平行的方向的4個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散層構(gòu)成。在圖4中，利用配置在與〔100〕方向平行的方向上的n型擴(kuò)散電阻305a、305c和配置在與〔010〕方向平行的方向上的n型擴(kuò)散電阻305b、305d的組合，形成電橋電路305。即，n型擴(kuò)散電阻305a、305c和305b、305d被配置成其長(zhǎng)邊方向正交。
另外，在電橋電路304的周邊構(gòu)成槽(well)306，雖然沒有圖示，但以與槽306電氣連接的方式引出布線。
另外，此時(shí)構(gòu)成電橋電路的n型擴(kuò)散電阻305a、305c和305b、305d以及p型擴(kuò)散電阻304a、304c和304b、304d各自的電阻值最好嚴(yán)格相等，因此為了使離子注入濃度的偏差盡可能地均勻，最好使其密集地配置。即，最好使各擴(kuò)散電阻間的距離比擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)度短。
象電橋電路304那樣，通過(guò)利用配置在與〔110〕方向平行的方向上的p型擴(kuò)散電阻304a、304c和配置在與〔-110〕方向平行的方向上的p型擴(kuò)散電阻304b、304d的組合來(lái)形成電橋電路，在環(huán)境溫度發(fā)生變化的情況下，也可以進(jìn)行溫度校正，從而可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。另外，在該情況下，對(duì)于與<110>方向平行·垂直的XY方向、即〔110〕方向和〔-110〕方向的應(yīng)變，得到較大的靈敏度。從而如圖2所示，通過(guò)安裝成旋轉(zhuǎn)軸201的軸心與硅基板2的結(jié)晶軸方向的<110>平行，可以測(cè)定旋轉(zhuǎn)軸的軸向力。
同樣，通過(guò)利用配置在與〔100〕方向平行的方向上的n型擴(kuò)散電阻305a、305c和配置在與〔010〕方向平行的方向上的n型擴(kuò)散電阻305b、305d的組合來(lái)形成電橋電路，電橋電路305同樣可以對(duì)溫度變化進(jìn)行校正。另外，在這種情況下，由于僅對(duì)針對(duì)XY方向的剪切應(yīng)變具有靈敏度，而對(duì)垂直應(yīng)變不具有靈敏度，因此可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。另外，在這種情況下，對(duì)于與<100>方向平行·垂直的XY方向、即〔100〕方向和〔010〕方向的應(yīng)變，得到較大的靈敏度。從而如圖2所示，通過(guò)安裝成旋轉(zhuǎn)軸201的軸心與硅基板2的結(jié)晶軸方向的<110>平行，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的計(jì)測(cè)。
圖5中示出該力學(xué)量測(cè)定裝置1的斷面構(gòu)造。在本實(shí)施例中，如果為了高精度地測(cè)定轉(zhuǎn)矩和軸向力而簡(jiǎn)單地配置2個(gè)傳感器，則會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。即，硅基板2為p型，并且將p型擴(kuò)散層和n型擴(kuò)散層形成在一個(gè)硅基板2中，因此形成二極管，從而在電橋電路304和電橋電路305之間流有電流。
因此，本實(shí)施例在電橋電路304的附近形成作為不形成電橋電路的雜質(zhì)擴(kuò)散層的n型槽306，并在其內(nèi)側(cè)形成p型擴(kuò)散電阻304a、304c、304b、304d，由此解決了本問(wèn)題。這種情況下，n型槽306與電源的正極側(cè)連接，p型硅基板2與電源的接地側(cè)連接。即，在該半導(dǎo)體芯片內(nèi)部，將電橋電路304的電源的正極側(cè)與槽306連線，并將電橋電路304的接地側(cè)與硅基板2連線。由此，在電橋電路間沒有電流流動(dòng)，從而可以進(jìn)行精度高的測(cè)定。另外，也可以在作為該力學(xué)量測(cè)定裝置1的半導(dǎo)體芯片的外部連線，但在內(nèi)部連線的方法由于電位都一致，因此可以進(jìn)行精度更高的測(cè)定，而且具有測(cè)定者進(jìn)行連接的手續(xù)少等優(yōu)點(diǎn)，因此是優(yōu)選使用的。在硅基板2中也可以使用n型硅基板，這種情況下，需要在電橋電路305的附近形成p型槽306。
另外，如圖6所示，為了通過(guò)提高擴(kuò)散電阻305a、305b、305c、305d的電阻值來(lái)降低消耗電力的目的，可以加長(zhǎng)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)度。這種情況下，無(wú)需使傳感器的面積增加很多就可提高電阻值，因此具有可以減少傳感器的消耗電力的優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)散電阻305a、305c、305b、305d通過(guò)分別使用接觸孔來(lái)連接并折疊，使電阻值變大。另外，在本發(fā)明中，在這樣為了連接擴(kuò)散電阻的目的而折疊形成、并且不從折疊點(diǎn)向電橋外部引出布線的情況下，解釋為1個(gè)長(zhǎng)的擴(kuò)散電阻。
從特開平6-229853號(hào)公報(bào)的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置可知，在測(cè)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，一般傾斜貼附應(yīng)變傳感器，以使相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的軸心傾斜45度的方向?yàn)閼?yīng)變計(jì)測(cè)方向。但是，按照這樣的思路，如果想要在硅基板2上一邊測(cè)定與軸心相同方向的軸向力、一邊通過(guò)傾斜配置電橋電路304來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)矩，則會(huì)由于硅基板2由單晶形成而產(chǎn)生問(wèn)題。即，如果要原樣傾斜地配置電橋電路304，則電流流動(dòng)方向的結(jié)晶軸改變，因此產(chǎn)生其特性發(fā)生變化、應(yīng)變靈敏度幾乎沒有的問(wèn)題。因此，通過(guò)象電橋電路305那樣在傾斜方向上設(shè)置n型擴(kuò)散電阻305a、305c和305b、305d，可以使該方向的應(yīng)變靈敏度最大。即，在本發(fā)明中，可以使電橋電路304在傾斜方向上幾乎不具有靈敏度，而在圖4的xy方向上具有最大靈敏度，并且使電橋電路305在圖4的xy方向上不具有靈敏度，而在傾斜方向上具有最大靈敏度。本發(fā)明可以選擇結(jié)晶面、結(jié)晶軸和雜質(zhì)擴(kuò)散層的種類，以便可以得到垂直應(yīng)變和剪切應(yīng)變，因此可以用一個(gè)芯片來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)矩和軸向力，例如在使用了其它結(jié)晶軸的情況下，產(chǎn)生具有復(fù)雜的多軸應(yīng)變靈敏度等問(wèn)題，從而使測(cè)定變得困難。
這樣，通過(guò)在一個(gè)硅基板2上形成2個(gè)電橋電路，可以在小芯片中對(duì)垂直應(yīng)變和剪切應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)，因此其計(jì)測(cè)部位不會(huì)離開，從而在應(yīng)力集中處的測(cè)定中也可進(jìn)行精度高的測(cè)定。而且，在同一芯片中存在對(duì)垂直應(yīng)變和剪切應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)的部位，因此與分別貼附2個(gè)芯片的情況相比，可以減小由于貼附引起的靈敏度偏差的影響。而且，由于電橋電路304在xy方向上具有最大靈敏度，電橋電路305在傾斜方向上具有最大靈敏度，因此測(cè)定方向的差形成45度，從而具有可以進(jìn)行高精度測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)。另外，通過(guò)這樣在一個(gè)硅基板2上形成2個(gè)電橋電路，還具有貼附手續(xù)可以一次完成的優(yōu)點(diǎn)。
但是，本實(shí)施例的電橋電路304的構(gòu)造雖然在xy方向上具有最大靈敏度，但等價(jià)地受到x方向和y方向的應(yīng)變這兩方的影響。因此，雖然在單軸應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)測(cè)中非常有效，但存在復(fù)雜應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)定困難的問(wèn)題。因此，以下的實(shí)施例2示出在復(fù)雜應(yīng)變場(chǎng)中也可以進(jìn)行測(cè)定的力學(xué)量測(cè)定裝置1。
另外，在本實(shí)施方式中限定于硅基板2示出例子，但其它半導(dǎo)體基板也可以具有同樣的效果。在將硅等的半導(dǎo)體基板制造成力學(xué)量測(cè)定裝置1的基板的情況下，具有可以利用半導(dǎo)體制造工藝將電子電路并設(shè)在上述基板內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)。
這種情況下，應(yīng)變檢測(cè)部3的輸出不必直接向力學(xué)量測(cè)定裝置1外輸出，可以在半導(dǎo)體基板內(nèi)搭載放大電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、整流·檢波電路、天線電路等電路，在將應(yīng)變檢測(cè)部3的輸出放大后或進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換后向力學(xué)量測(cè)定裝置的外部輸出，或者以無(wú)線通信形式向外部輸出。
這種情況下，可以將應(yīng)變檢測(cè)部3的輸出在力學(xué)量測(cè)定裝置1內(nèi)放大或者進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，因此在向力學(xué)量測(cè)定裝置1的外部進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出的情況下，也可以將外部噪聲對(duì)輸出數(shù)據(jù)的影響限制在最小限度，從而可以進(jìn)行高精度的應(yīng)變測(cè)定。另外，在以無(wú)線形式向外部發(fā)送應(yīng)變檢測(cè)部3的輸出時(shí)，力學(xué)量測(cè)定裝置1不需要在與外部的連線中使用的露出端子，因此在焊接點(diǎn)等中不會(huì)產(chǎn)生腐蝕等，從而可以提供可靠性高的力學(xué)量測(cè)定裝置。
<2軸分離芯片>
使用圖7至圖11說(shuō)明本發(fā)明第2實(shí)施方式。如圖7所示，在本實(shí)施方式中，為了高精度地測(cè)定2軸應(yīng)變場(chǎng)，設(shè)置電橋電路4和電橋電路5。電橋電路4的特征在于，由設(shè)置成電流流動(dòng)的方向與該硅基板2的<100>方向平行的n型擴(kuò)散電阻4a、4c和設(shè)置成電流流動(dòng)的方向與該硅基板2的<100>方向平行的p型擴(kuò)散電阻4b、4d的組合構(gòu)成，并且按照擴(kuò)散電阻4a、4b、4c、4d的順序連接。另外，電橋電路5也與電橋電路4同樣，n型擴(kuò)散層和p型擴(kuò)散層都被設(shè)置成電流流動(dòng)的方向與<100>方向平行，但配置成電橋電路5的n型擴(kuò)散層的長(zhǎng)邊方向、即電流流動(dòng)的方向與電橋電路4的n型擴(kuò)散層的長(zhǎng)邊方向正交。即，如圖8詳細(xì)所示，上述電橋電路4由配置在與〔010〕方向平行的方向上的n型擴(kuò)散電阻4a、4c和配置在與〔010〕方向平行的方向上的p型擴(kuò)散電阻4b、4d構(gòu)成，并且按照擴(kuò)散電阻5a、5b、5c、5d的順序連接。
在p型擴(kuò)散電阻4b、4d的周邊形成使n型雜質(zhì)擴(kuò)散后形成的槽306。槽最好以包含p型擴(kuò)散電阻4b、4d的方式在各電橋中設(shè)置一個(gè)，在這種情況下，由于形成擴(kuò)散層時(shí)的離子注入條件簡(jiǎn)單，因此可以使擴(kuò)散電阻4b和4d的電阻值高精度地一致。另外，從空間效率的方面看也是優(yōu)選的。該n型槽306與電源的正極側(cè)連接，p型硅基板2與電源的接地側(cè)連接。在本實(shí)施例中雖然以使用p型硅基板為前提，但在使用n型硅基板的情況下，必須在n型擴(kuò)散電阻4a、4c的周邊形成p型槽。同樣，上述電橋電路5由配置在與〔100〕方向平行的方向上的n型擴(kuò)散電阻5a、5c和配置在與〔100〕方向平行的方向上的p型擴(kuò)散電阻5b、5d形成。在本實(shí)施例的情況下，與實(shí)施例1同樣，即使在偏離表述方向的情況下，只要在±10度的角度范圍的偏差內(nèi)，則可以期待幾乎同樣的效果。
圖9中示出改變了電橋電路5的p型擴(kuò)散層電阻的配置后的例子。在本實(shí)施例中，電橋電路4的n型擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向雖然基本與電橋電路5的n型擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向正交，但p型擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向在電橋電路4和電橋電路5中幾乎平行。
另外，圖10中示出改變了電橋電路4和電橋電路5的擴(kuò)散層的配置后的例子。在本實(shí)施例中，長(zhǎng)邊方向朝向<100>方向的擴(kuò)散電阻4a、4b、4c、4d的擴(kuò)散電阻與<110>平行地排列配置，具有不占圖面橫向空間的優(yōu)點(diǎn)。因此，可以將放大器等電路收納在圖面橫向的空閑空間中。另外，電橋電路4和電橋電路5最好完全左右對(duì)稱，這種情況下，電橋電路4和電橋電路5同等地受到芯片端部的影響，因此具有可以進(jìn)行誤差小的測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)。
另外，圖11中示出由n型擴(kuò)散層形成的擴(kuò)散電阻4a和4c被由p型擴(kuò)散層形成的擴(kuò)散電阻4b、4d夾著配置的情況。在該情況下，可以將應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻4a和4c配置在芯片中心部，因此具有不受芯片端部的應(yīng)變釋放區(qū)域的影響、可以進(jìn)行精度更高的測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)。另外，在這種情況下，各電橋中的每一個(gè)需要2個(gè)槽。
以下說(shuō)明本實(shí)施方式的作用和效果。
在將形成在硅基板上的雜質(zhì)擴(kuò)散層作為應(yīng)變感應(yīng)電阻器、并利用上述雜質(zhì)擴(kuò)散層的壓電電阻效應(yīng)來(lái)進(jìn)行應(yīng)變計(jì)測(cè)的情況下，上述雜質(zhì)擴(kuò)散層的電阻值變化受到與作為目的的應(yīng)變計(jì)測(cè)方位不同方位的應(yīng)變的影響。因此，在將半導(dǎo)體力學(xué)量測(cè)定裝置設(shè)置在產(chǎn)生多軸應(yīng)變的被測(cè)定物上的情況下，存在難以正確檢測(cè)出特定方向的應(yīng)變量的問(wèn)題。
在將n型擴(kuò)散電阻配置成<100>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊方向的情況下，針對(duì)垂直應(yīng)變的應(yīng)變靈敏度大，且針對(duì)平行于長(zhǎng)邊方向(即電流方向)的應(yīng)變的靈敏度與針對(duì)垂直于電流方向的應(yīng)變的靈敏度大大不同。另一方面，在將p型擴(kuò)散電阻配置成<100>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊方向的情況下，針對(duì)垂直應(yīng)變的應(yīng)變靈敏度非常小。通過(guò)將它們組合成電橋電路，在發(fā)生溫度變化的情況下，也可減小其影響，并且可以高精度地對(duì)特定方向的應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)。
這樣，通過(guò)將構(gòu)成至少一個(gè)電橋電路的擴(kuò)散電阻器以使<100>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊方向的方式與n型擴(kuò)散電阻、和以使<100>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊方向的方式與p型擴(kuò)散電阻這兩種擴(kuò)散電阻相組合，在多軸上產(chǎn)生應(yīng)變的情況下，也可以進(jìn)行精度高的測(cè)定。另外，在本實(shí)施例的情況下，可以分離<100>方向和<010>方向的兩個(gè)軸的應(yīng)變。
作為在測(cè)定中使用的應(yīng)變靈敏度高的雜質(zhì)擴(kuò)散層，有平行于<100>方向的n型擴(kuò)散電阻和平行于<110>方向的p型擴(kuò)散電阻等，作為應(yīng)變靈敏度小的雜質(zhì)擴(kuò)散層，有平行于<100>方向的p型擴(kuò)散電阻和平行于<110>方向的n型擴(kuò)散電阻等。
另外，如圖7示出的實(shí)施例所示，通過(guò)采用使電橋電路4、5中的擴(kuò)散電阻的結(jié)構(gòu)或圖案相同、并僅使配置正交的結(jié)構(gòu)，可以使來(lái)源于電橋電路4和5的制造的偏差或應(yīng)變靈敏度特性完全相同，因此還可以得到的效果是，在根據(jù)兩者的輸出進(jìn)行各應(yīng)變分量的分離計(jì)算時(shí)可使誤差減小。只要雜質(zhì)擴(kuò)散層4a、4c和雜質(zhì)擴(kuò)散層5a、5c以線2b為中心大致成線對(duì)稱，則同等地受到相互的雜質(zhì)擴(kuò)散層的存在的影響，因此可以進(jìn)行高精度的測(cè)定。這里的線對(duì)稱不必是嚴(yán)格的線對(duì)稱，只要達(dá)到在沿對(duì)稱線折疊時(shí)形成雜質(zhì)擴(kuò)散層的區(qū)域的50％以上重疊的程度的對(duì)稱性即可。另外，只要將雜質(zhì)擴(kuò)散層4a、4c、5a、5c配置成使得與線對(duì)稱的對(duì)稱有關(guān)的線2b通過(guò)硅基板2的平面的形心2a，就同等地受到硅基板2的端部的影響，因此具有可以進(jìn)行誤差小的測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)。而且，如果雜質(zhì)擴(kuò)散層4b、4d、5b、5d也線對(duì)稱地配置，則可進(jìn)一步提高效果。
另外，在不同的芯片上形成各個(gè)電橋、從而形成2個(gè)芯片來(lái)進(jìn)行計(jì)測(cè)在原理上也是可行的，但現(xiàn)實(shí)中在貼附2個(gè)芯片的情況下常常會(huì)產(chǎn)生角度的相對(duì)誤差，與考慮將3個(gè)電橋沿結(jié)晶軸方向形成在一個(gè)芯片上的情況相比，測(cè)定精度大大降低。另外，在貼附2個(gè)芯片的情況下，還存在由于貼附用粘接劑的微小厚度的差異等而容易產(chǎn)生誤差的問(wèn)題。因此，在本實(shí)施例中，可以使半導(dǎo)體基板的結(jié)晶軸方向完全一致地利用一個(gè)芯片對(duì)二個(gè)軸的垂直應(yīng)變和剪切應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)，因此實(shí)現(xiàn)了高精度的計(jì)測(cè)。
另外，根據(jù)本實(shí)施例，通過(guò)使應(yīng)變靈敏度高的雜質(zhì)擴(kuò)散層4a、4c、5a、5c間的距離小于靈敏度低的雜質(zhì)擴(kuò)散層4b、4d、5b、5d間的距離，并使應(yīng)變靈敏度高的雜質(zhì)擴(kuò)散層4a、4c、5a、5c比靈敏度低的雜質(zhì)擴(kuò)散層4b、4d、5b、5d更靠近形心2a，可以在數(shù)百微米這樣的微小部位上形成這2個(gè)電橋，因此還具有可以高精度地求出應(yīng)力集中場(chǎng)的應(yīng)變狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。
另外，通過(guò)在芯片表面上設(shè)置至少一個(gè)方向顯示標(biāo)記14，容易識(shí)別傳感器的方向，從而容易進(jìn)行處理。例如具有如下優(yōu)點(diǎn)在計(jì)測(cè)者將傳感器芯片粘接在被測(cè)定物上的情況下，可以一邊識(shí)別傳感器芯片的方向一邊進(jìn)行粘接，從而具有可以以該方向?yàn)榛A(chǔ)來(lái)識(shí)別主應(yīng)力方向的優(yōu)點(diǎn)。

<2軸分離芯片的調(diào)整用電阻>
象實(shí)施例2的情況那樣，在1個(gè)電橋電路中混合存在n型擴(kuò)散電阻和p型擴(kuò)散電阻的情況下，至少需要進(jìn)行用于形成n型擴(kuò)散電阻的離子注入處理、用于形成p型擴(kuò)散電阻的離子注入處理這2個(gè)離子注入處理。在這2個(gè)離子注入處理中，如果擴(kuò)散電阻值產(chǎn)生偏差，則在各電橋電路中產(chǎn)生偏移。
圖12是解決了上述問(wèn)題的本發(fā)明的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，在p型擴(kuò)散電阻4b、4d上分別設(shè)置電阻調(diào)整用擴(kuò)散電阻101。電阻調(diào)整用擴(kuò)散電阻101由p型擴(kuò)散電阻構(gòu)成。電阻調(diào)整用擴(kuò)散電阻101串聯(lián)連接，從電阻調(diào)整用電阻之間引出布線，例如分別與焊接點(diǎn)107連接。
為了使電橋電路的偏移值在0附近，必須使n型擴(kuò)散電阻4a、4c以及上述p型擴(kuò)散電阻4b、4d的值為相同程度。但是，在控制n型擴(kuò)散電阻和p型擴(kuò)散電阻的值時(shí)，僅利用導(dǎo)入單晶基板的雜質(zhì)濃度或其后的雜質(zhì)擴(kuò)散熱處理的溫度或時(shí)間來(lái)進(jìn)行控制有時(shí)是不夠的。因此，通過(guò)設(shè)置用于對(duì)電阻值進(jìn)行微調(diào)的電阻調(diào)整用擴(kuò)散電阻101，可以使p型擴(kuò)散電阻的實(shí)際電阻值發(fā)生變化，從而可以將偏移值調(diào)整到0附近。即使在產(chǎn)生起源于離子注入處理的薄膜電阻偏差的情況下，在從圖13所示的調(diào)整用電阻引出的焊接點(diǎn)中，也存在哪里的偏移小的焊接點(diǎn)的組合。因此，找出該偏移小的焊接點(diǎn)的組合并用作電橋。此時(shí)，通過(guò)使電阻調(diào)整用擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)度短于構(gòu)成電橋電路的p型擴(kuò)散電阻本體的長(zhǎng)度，可以進(jìn)行電阻的微調(diào)，從而可使偏移更小。調(diào)整用電阻設(shè)置在構(gòu)成惠斯登電橋的擴(kuò)散電阻中、位于對(duì)邊位置上的2個(gè)擴(kuò)散電阻上。然后，通過(guò)在惠斯登電橋上設(shè)置成相對(duì)各自的本體電阻的位置為對(duì)角側(cè)，可以用于4個(gè)擴(kuò)散電阻的電阻值的微調(diào)。
這樣，通過(guò)從1個(gè)電橋電路中引出數(shù)量多于4個(gè)的布線，并選擇使用其中取得電壓平衡的焊接點(diǎn)，可以在實(shí)質(zhì)上大致消除由來(lái)源于離子注入的薄膜電阻偏差導(dǎo)致的偏移的發(fā)生。另外，在從該電橋電路引出的布線中選擇哪一個(gè)可以使用帶有放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的CPU來(lái)自動(dòng)地進(jìn)行。圖14中示出其電路框圖。利用來(lái)自CPU301的信號(hào)切換開關(guān)302，決定選擇從電橋電路引出的引出布線中的哪一個(gè)，以使偏移較小，并向擴(kuò)散電阻通電。然后，反映了所制造的擴(kuò)散電阻的電阻值誤差的、電橋電路的輸出經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器作為電壓值被輸入到CPU301中，從而判斷偏移的大小。然后，由CPU301自動(dòng)地決定用哪個(gè)引出布線101連接來(lái)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)定以使偏移最小。沒有使用的引出布線可以原樣留下也可以去掉。另外，該擴(kuò)散電阻的電阻值的測(cè)定以及要使用的引出布線的決定可以在力學(xué)量測(cè)定裝置的制造工序中進(jìn)行，也可以在將力學(xué)量測(cè)定裝置實(shí)際安裝到進(jìn)行應(yīng)變測(cè)定的被測(cè)定物上后、在開始測(cè)定之前進(jìn)行。
通過(guò)將電阻調(diào)整用電阻101至少設(shè)置在n型擴(kuò)散電阻或者上述p型擴(kuò)散電阻中的任意一個(gè)上，可以得到同樣的效果，但最好在p型擴(kuò)散電阻上設(shè)置由與<100>方向平行的p型擴(kuò)散電阻構(gòu)成的電阻調(diào)整用擴(kuò)散電阻101。通過(guò)將應(yīng)變靈敏度低的、與<100>方向平行的p型擴(kuò)散電阻作為電阻調(diào)整用電阻，電阻調(diào)整用電阻對(duì)應(yīng)變不具有靈敏度，因此具有在進(jìn)行了電阻調(diào)整的情況下也可以高精度地檢測(cè)應(yīng)變的優(yōu)點(diǎn)。另外，如圖13所示，調(diào)整用電阻101設(shè)置在4b、4d之中，但其位置最好不在靠近4a、4c的一側(cè)，而是配置在傳感器的外側(cè)。由此，具有容易向焊接點(diǎn)107引出布線的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于圖7至圖11的實(shí)施例，可以應(yīng)用調(diào)整用電阻101，并且可以期待同樣的效果。
圖12是為了說(shuō)明而將本實(shí)施例的雜質(zhì)擴(kuò)散層4a、4b、4c、4d放大后的圖。具有調(diào)整用電阻101的雜質(zhì)擴(kuò)散層4b、4d是應(yīng)變靈敏度低的、與<100>方向平行的p型擴(kuò)散電阻，不具有調(diào)整用電阻101的雜質(zhì)擴(kuò)散層4a、4c是應(yīng)變靈敏度高的、與<100>方向平行的n型擴(kuò)散電阻。調(diào)整用電阻101比形成擴(kuò)散電阻本體的折疊電阻102短，即，電阻值較低地形成。通過(guò)具備多個(gè)小的調(diào)整用電阻101，并且用布線50從其引出并與焊接點(diǎn)107連接，可以進(jìn)行極為細(xì)致的電阻值調(diào)整。另外，通過(guò)使擴(kuò)散電阻4b、4d具有調(diào)整用電阻101，即，通過(guò)使位于惠斯登電橋?qū)吷系臄U(kuò)散電阻4b、4d中存在調(diào)整用電阻101，可以應(yīng)對(duì)4個(gè)擴(kuò)散電阻層4a、4b、4c、4d的電阻值的調(diào)整。另外，如圖12所示，通過(guò)使調(diào)整用電阻101配置在擴(kuò)散電阻層4a、4b、4c、4d的配置的兩端部、即配置在最外側(cè)，容易向存在多個(gè)的焊接點(diǎn)107引出。另外，通過(guò)使包含調(diào)整用電阻101的雜質(zhì)擴(kuò)散層4b、4d的電阻值略大于雜質(zhì)擴(kuò)散層4a、4c的值，可以容易地進(jìn)行電阻值增減的調(diào)整，從而可以容易地實(shí)現(xiàn)電橋電阻的平衡狀態(tài)。
<多晶硅的2軸分離芯片>
使用圖15和圖16說(shuō)明本發(fā)明的第2實(shí)施方式。如圖15所示，在本實(shí)施方式中，為了高精度地測(cè)定2軸應(yīng)變場(chǎng)，設(shè)置電橋電路4和電橋電路5，各電橋電路分別由多晶硅的布線電阻和擴(kuò)散層電阻構(gòu)成。電橋電路4的特征在于，由設(shè)置成電流流動(dòng)的方向與該硅基板2的<100>方向平行的p型擴(kuò)散電阻4b、4d和設(shè)置成電流流動(dòng)的方向與該硅基板2的<110>方向平行的多晶硅布線電阻405b、405d的組合構(gòu)成。另外，電橋電路5也同樣，由設(shè)置成電流流動(dòng)的方向與該硅基板2的<100>方向平行的p型擴(kuò)散電阻5b、5d和設(shè)置成電流流動(dòng)的方向與該硅基板2的<110>方向平行的多晶硅布線電阻505b、505d的組合構(gòu)成，但配置成電橋電路5的多晶硅布線電阻505b、505d的長(zhǎng)邊方向、即電流流動(dòng)的方向與電橋電路4的多晶硅布線電阻405b、405d的長(zhǎng)邊方向正交。在本實(shí)施例的情況下，與實(shí)施例1同樣，在從表述的方向偏離的情況下，只要在±10度的角度范圍的偏差內(nèi)，就可以期待幾乎同樣的效果。
在本實(shí)施例的情況下，與實(shí)施例2同樣，可以對(duì)特定方向的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行計(jì)測(cè)。多晶硅布線電阻對(duì)于其長(zhǎng)邊方向的垂直應(yīng)變的應(yīng)變靈敏度大、其它方向的應(yīng)變靈敏度極小。另一方面，由于將p型擴(kuò)散電阻配置成<110>方向?yàn)殚L(zhǎng)邊方向，因此對(duì)于各應(yīng)變分量的應(yīng)變靈敏度非常小。因此，通過(guò)將它們連接為電橋電路，可以僅對(duì)一個(gè)方向的應(yīng)變進(jìn)行高精度計(jì)測(cè)。而且，通過(guò)在1個(gè)芯片上設(shè)置2個(gè)電橋電路，并使其多晶硅布線電阻的長(zhǎng)邊方向正交，可以對(duì)面內(nèi)2軸的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行計(jì)測(cè)。
另外，在本實(shí)施例中，使電橋電路4和電橋電路5各自的多晶硅布線電阻的長(zhǎng)邊方向?yàn)?amp;lt;110>，但如果在電橋電路4的多晶硅布線電阻的長(zhǎng)邊方向與電橋電路5的多晶硅布線電阻的長(zhǎng)邊方向幾乎正交的狀態(tài)下配置，則原理上可以得到同樣的效果。但是，為了容易進(jìn)行安裝和其后的芯片安裝和識(shí)別，最好象本實(shí)施例這樣與<110>方向大致成平行直角。
另外，在本實(shí)施例中同樣，由于離子注入條件或多晶硅布線電阻的寬度的偏差等，構(gòu)成電橋的各電阻值容易產(chǎn)生偏差，因此容易產(chǎn)生偏移。因此，最好與實(shí)施例3同樣，如圖16所示設(shè)置調(diào)整用電阻101。此時(shí)從精度的角度考慮，最好在p型擴(kuò)散層上設(shè)置調(diào)整用電阻。
<3軸分離芯片>
如圖17所示，不僅是垂直應(yīng)變分量，利用第三電橋電路24，還可以分離剪切應(yīng)變分量。即，第三電橋電路24與第一實(shí)施例的電橋電路304相同。另外，通過(guò)利用n型雜質(zhì)擴(kuò)散，也可以與第一實(shí)施例的電橋電路305相同。在本實(shí)施例中，如果如圖所示規(guī)定應(yīng)變計(jì)測(cè)坐標(biāo)系，則可以對(duì)〔100〕方向和〔010〕方向的垂直應(yīng)變和芯片貼附面內(nèi)的剪切應(yīng)變進(jìn)行計(jì)測(cè)。即，可以用這一個(gè)芯片來(lái)對(duì)面內(nèi)的垂直應(yīng)變兩個(gè)方向和剪切應(yīng)變一個(gè)方向進(jìn)行計(jì)測(cè)。即，可以按照方向顯示標(biāo)記14來(lái)粘接被測(cè)定構(gòu)件的特定方向，并對(duì)與該半導(dǎo)體芯片的<100>方向成平行直角的兩個(gè)垂直應(yīng)變分量和一個(gè)剪切應(yīng)變分量進(jìn)行計(jì)測(cè)，并且，通過(guò)使用該3個(gè)分量，可以求出被測(cè)定構(gòu)件的主應(yīng)變方向等應(yīng)變狀態(tài)。另外，也可以如圖18所示配置。在圖17中，將長(zhǎng)邊方向朝向<100>方向的擴(kuò)散電阻5a～5d在與長(zhǎng)邊方向正交的<100>方向上排列配置，但在圖18中，在<110>方向上排列配置擴(kuò)散電阻5a～5d。另外，測(cè)定剪切應(yīng)變的第三電橋電路24在排列了第一電橋電路4和第二電橋電路5的擴(kuò)散電阻的方向(圖面下側(cè))的區(qū)域中，與第一以及第二電橋電路4、5相鄰地設(shè)置。相鄰是指?jìng)鞲衅骰驍U(kuò)散電阻間的距離小于擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度。在圖18的情況下，通過(guò)緊密地配置擴(kuò)散電阻4a～4d和5a～5d等，可以設(shè)計(jì)成使傳感器對(duì)硅基板面的面積占有率低，因此可以使芯片變小，從而可以低價(jià)地制造。另外，雖然第三電橋電路24在圖17、圖18中設(shè)置在排列了第一電橋電路4和第二電橋電路5的擴(kuò)散電阻的方向(圖面下側(cè))的區(qū)域內(nèi)，但也可以排列配置在圖面的橫向上。
根據(jù)本實(shí)施例，將3個(gè)電橋電路配置在同一個(gè)半導(dǎo)體芯片內(nèi)，因此上述3個(gè)電橋電路都幾乎同樣地受到在貼附時(shí)由于粘接劑的厚度產(chǎn)生的靈敏度降低的影響，因此在分離檢測(cè)各應(yīng)變分量的情況下，可以減小誤差，從而可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。
另外，根據(jù)本實(shí)施例，將3個(gè)電橋電路配置在同一個(gè)半導(dǎo)體芯片內(nèi)，因此也可以進(jìn)行應(yīng)力集中場(chǎng)的計(jì)測(cè)等微小部分的應(yīng)變計(jì)測(cè)。
而且，根據(jù)本實(shí)施例，將3個(gè)電橋電路配置在同一個(gè)半導(dǎo)體芯片內(nèi)，因此，由于硅的熱傳導(dǎo)率高，3個(gè)電橋電路為相同溫度。因此，3個(gè)電橋電路同樣地受到由溫度引起的特性變動(dòng)，因此可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。
另外，在本實(shí)施例中，可以在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上追加測(cè)定剪切應(yīng)變，但也可以在實(shí)施例4的基礎(chǔ)上向其追加第三電橋電路24，從而可以測(cè)定剪切應(yīng)變。
<帶溫度傳感器的芯片>
進(jìn)而形成在力學(xué)量測(cè)定裝置的同一芯片上設(shè)置溫度傳感器15的結(jié)構(gòu)。其他為相同結(jié)構(gòu)，可以得到與第1實(shí)施方式相同的效果。上述溫度傳感器15最好是由PN結(jié)形成的二極管。由此，可使溫度傳感器在不受到應(yīng)變變化的影響的情況下，正確地測(cè)定應(yīng)變檢測(cè)部3附近的溫度變化。
特別是，在通過(guò)組合實(shí)施例2、3、4所示的p型擴(kuò)散層與n型擴(kuò)散層、或者p型擴(kuò)散型與多晶硅布線電阻來(lái)構(gòu)成電橋的情況下，各自的電阻值的溫度依賴性不同，因此容易由于溫度變化而使偏移變大。因此，在同一芯片內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，來(lái)進(jìn)行計(jì)測(cè)值的校正。
利用圖20的流程圖說(shuō)明將應(yīng)變檢測(cè)部3和溫度傳感器15設(shè)置在同一芯片上的效果。利用溫度傳感器15測(cè)定在應(yīng)變測(cè)定中的溫度變化ΔT，計(jì)算出由于溫度變動(dòng)引起的熱應(yīng)變。由此，在根據(jù)傳感器4和傳感器5的輸出來(lái)分離計(jì)算各應(yīng)變分量時(shí)，可以去掉熱應(yīng)變部分來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
<帶脫離傳感器的芯片>
以下，利用圖20說(shuō)明本發(fā)明第6實(shí)施方式。圖20表示第6實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的主要部分，與第2實(shí)施方式共同的部分標(biāo)注相同的符號(hào)。
在圖20所示的本實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置中，采用在力學(xué)量測(cè)定裝置的芯片上設(shè)置脫離監(jiān)視傳感器16、17、18、19的結(jié)構(gòu)。其他方面屬于同樣的概念，可以得到與第2實(shí)施方式同樣的效果。脫離監(jiān)視用傳感器例如可以由雜質(zhì)擴(kuò)散電阻形成。另外，脫離監(jiān)視用傳感器在由雜質(zhì)擴(kuò)散電阻形成的情況下，利用四個(gè)角的擴(kuò)散電阻形成惠斯登電橋電路，通過(guò)監(jiān)視輸出變動(dòng)，可以知道力學(xué)量測(cè)定裝置1是否從被測(cè)定物脫離。連接了脫離監(jiān)視用傳感器16、17、18、19的區(qū)域最好作為包圍應(yīng)變測(cè)定用傳感器4、5的位置而配置在四個(gè)角上。而且，上述脫離監(jiān)視傳感器離芯片端部的距離L3～L10最好分別相同。
本發(fā)明的力學(xué)量測(cè)定裝置為了省電而在半導(dǎo)體基板上設(shè)置了應(yīng)變檢測(cè)部，可以通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)遠(yuǎn)程地檢測(cè)應(yīng)變。由于是遠(yuǎn)程測(cè)定，因此即使力學(xué)量測(cè)定裝置的一部分脫離，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視的使用者也覺察不到，從而從力學(xué)量測(cè)定裝置發(fā)送來(lái)錯(cuò)誤的測(cè)定數(shù)據(jù)。因此，本實(shí)施方式通過(guò)設(shè)置脫離傳感器，可以使使用者知道發(fā)生了脫離，從而促使進(jìn)行測(cè)定裝置的再次安裝，來(lái)進(jìn)行正確的應(yīng)變測(cè)定。
在將上述力學(xué)量測(cè)定裝置1貼附在被測(cè)定物201上來(lái)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)定的情況下，在上述硅基板2的周邊部附近區(qū)域，應(yīng)變對(duì)被測(cè)定物的跟蹤性能變差，但通過(guò)使上述脫離監(jiān)視傳感器離芯片端部的距離相同，可以使上述脫離監(jiān)視傳感器受到的端部的影響相同。脫離監(jiān)視用傳感器16、17、18、19設(shè)置在芯片端部附近，因此配置在容易發(fā)生脫離、可以迅速地檢測(cè)出脫離的位置上。另外，通過(guò)利用這些脫離監(jiān)視用傳感器16、17、18、19形成惠斯登電橋電路，沒有發(fā)生脫離的情況下的輸出為0附近，在某處發(fā)生脫離時(shí)，該部分的脫離監(jiān)視用傳感器的電阻發(fā)生變動(dòng)，電橋電路的輸出增加。這樣，通過(guò)形成惠斯登電橋電路，還可以得到減少輸出端子的效果。另外，通過(guò)使脫離監(jiān)視用傳感器為雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，在制造傳感器的制造工序以外無(wú)需增加制造工序，因此容易制造，從而還可以得到?jīng)]有成本上升的效果。另外，在本實(shí)施例中，具有2個(gè)應(yīng)變測(cè)定用傳感器4、5，但也可以是一個(gè)。
<帶放大器的芯片>
以下，利用圖21說(shuō)明本發(fā)明第7實(shí)施方式。圖21表示第7實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的主要部分，與第2實(shí)施方式共同的部分標(biāo)注相同的符號(hào)。
在圖21所示的本實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置中，采用在力學(xué)量測(cè)定裝置的同一芯片上與傳感器一起設(shè)置與傳感器相同數(shù)量的放大器的結(jié)構(gòu)。這里將2個(gè)放大器電路與2個(gè)傳感器連接。其他方面與上述實(shí)施例屬于相同概念。這樣，通過(guò)在一個(gè)芯片上設(shè)置2個(gè)以上的傳感器和與其相同數(shù)量的放大器，可以使它們分別獨(dú)立地動(dòng)作，因此無(wú)需通過(guò)開關(guān)動(dòng)作進(jìn)行切換，從而具有可以進(jìn)行高速計(jì)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。另外，在由于用途的不同而存在不使用的傳感器的情況下，可以切斷該傳感器與放大器的電源，因此具有省電的優(yōu)點(diǎn)。在連接使用一般的傳感器和放大器的通常的用途中，到處可見在一個(gè)電路內(nèi)將多個(gè)傳感器和放大器作為一個(gè)芯片的做法，但其優(yōu)點(diǎn)是低價(jià)。但是，在本實(shí)施例中可以產(chǎn)生更多的優(yōu)點(diǎn)。即，通過(guò)在一個(gè)芯片內(nèi)設(shè)置多個(gè)檢測(cè)應(yīng)變的傳感器和放大器的組，使得各傳感器的貼附角度準(zhǔn)確，從而可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。另外，通過(guò)形成一個(gè)芯片，可以將各傳感器集中配置在較小的部分上，因此具有可以高精度地對(duì)狹隘部分的應(yīng)力集中場(chǎng)的多軸應(yīng)變分量進(jìn)行計(jì)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
在上述放大器20、21內(nèi)分別形成電阻22、23，例如由導(dǎo)入了雜質(zhì)的多晶硅形成。另外，還形成晶體管25，利用其與電阻22、23的組合形成放大器。這里，電阻22、23的長(zhǎng)邊方向都配置為相同方向，并且，配置成與構(gòu)成應(yīng)變檢測(cè)部3的擴(kuò)散電阻4a、4b、4c、4d的長(zhǎng)邊方向平行、并與擴(kuò)散電阻5a、5b、5c、5d的長(zhǎng)邊方向垂直。
如本實(shí)施方式所示，通過(guò)在同一半導(dǎo)體芯片上形成電橋電路4、5和放大器20、21，噪聲不容易進(jìn)入，從而提供了一種可以進(jìn)行高精度測(cè)定的力學(xué)量測(cè)定裝置。另外，由于可以在芯片上在極近的距離內(nèi)放大電橋電路的輸出，從而進(jìn)一步提高了耐噪性能。而且，由于電橋電路小，因而磁通難以穿過(guò)，因此力學(xué)量測(cè)定裝置本身也對(duì)外部噪聲具有很強(qiáng)的耐噪性能。
如圖22所示，放大器電路最好將來(lái)自傳感器的2個(gè)輸出分別輸入到不同的差動(dòng)放大器。這種情況下，通過(guò)將與該2個(gè)差動(dòng)放大器20a、20b連接的多晶硅電阻制成的電阻22a、22b分別大致成線對(duì)稱地配置，可以使應(yīng)變對(duì)2個(gè)多晶硅22a和22b的影響相同，從而可以在某種程度上抵消放大器電路中的應(yīng)變的影響，因此提供了一種可以進(jìn)行高精度測(cè)定的力學(xué)量測(cè)定裝置。即，大致線對(duì)稱地配置與傳感器的兩個(gè)輸出相連的2個(gè)放大器20a、20b的電阻22a、22b，并且在雖然沒有圖示但具有非對(duì)稱配置的放大器電阻的情況下，也使其長(zhǎng)邊方向統(tǒng)一為相同方向來(lái)配置。這樣，通過(guò)使用2個(gè)差動(dòng)放大器20a、20b并且大致線對(duì)稱地配置與其連接的電阻，在放大器電阻的多晶硅部分上負(fù)載了應(yīng)變的情況下，針對(duì)大致線對(duì)稱地配置的成對(duì)電阻22a和22b的應(yīng)變的變化量相等，因此具有誤差小的優(yōu)點(diǎn)。即，通過(guò)使22a和22b大致線對(duì)稱，相同方向的相同大小的應(yīng)變負(fù)載在該電阻22a、22b上，因此，由2個(gè)放大器的放大率的應(yīng)變產(chǎn)生的影響也相等。從而，不會(huì)出現(xiàn)僅單側(cè)的放大器由于其它方向的應(yīng)變而使倍率發(fā)生變化的情況，從而使其校正也變得容易。
通常，在傳感電路中進(jìn)行利用差動(dòng)放大器的放大，但由于其具有同相除去效果，即在與傳感器連接的信號(hào)線中混入了噪聲的情況下、由于在兩極的信號(hào)線上產(chǎn)生相同的噪聲因而可以除去，因此用作降噪對(duì)策。但是，在本發(fā)明中，除了該效果，還具有降低對(duì)這樣的應(yīng)變的影響的效果。
更好是，芯片的線對(duì)稱軸和電阻22a、22b的線對(duì)稱軸最好一致。在安裝芯片、并在芯片上負(fù)載了大的應(yīng)變的情況下，其變形以中心線為對(duì)稱軸成線對(duì)稱，因此電阻22a、22b也相對(duì)芯片的線對(duì)稱軸對(duì)稱地配置，從而具有的優(yōu)點(diǎn)是，即使在芯片發(fā)生了較大變形的情況下，也可以使應(yīng)變對(duì)電阻22a、22b的影響相同。
另外，作為放大器電路，即使在沒有將來(lái)自傳感器的輸出輸入到2個(gè)差動(dòng)放大器的情況下，通過(guò)使用多晶硅作為與上述放大器電路連接的電阻，并將該多晶硅電阻的長(zhǎng)邊方向全部統(tǒng)一為相同方向，與使用了多個(gè)差動(dòng)放大器的情況相比效果降低，但其效果是足夠的。即，多晶硅電阻可以僅在該方向上具有應(yīng)變靈敏度，并且在通過(guò)計(jì)算來(lái)分離2軸應(yīng)變場(chǎng)中的各應(yīng)變時(shí)也變得容易，因此可以提供一種可以比較高精度地進(jìn)行測(cè)定的力學(xué)量測(cè)定裝置。
另外，在使用了與半導(dǎo)體芯片上的電橋電路連接的放大器的放大電路中，通過(guò)設(shè)置用于使與該放大器連接的多晶硅制成的電阻的長(zhǎng)度改變的功能、或使該電阻的連接數(shù)量改變的功能，可以提供一種可以使上述放大器電路的倍率改變的力學(xué)量測(cè)定裝置。
這種情況下，低倍率用的電阻最好比高倍率用的電阻配置在更靠近芯片內(nèi)側(cè)。這樣，可以將靈敏度偏差對(duì)低倍率放大器使用時(shí)的多晶硅的影響抑制在最小限度。
另外，在本實(shí)施例以及下述實(shí)施例中說(shuō)明了2個(gè)傳感器和2個(gè)放大器，但同樣可以適用于2個(gè)以上的情況。另外，在同一芯片內(nèi)具有多個(gè)傳感器和1個(gè)放大器的情況下，通過(guò)仿照本實(shí)施例來(lái)配置該放大器的電阻的配置或電路，同樣具有可以進(jìn)行高精度計(jì)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
另外，在本實(shí)施例中，與放大器連接的多晶硅制成的電阻的長(zhǎng)邊方向的朝向最好都一致，但有時(shí)由于放大器電路的不同，一部分可以不同，從而破壞對(duì)稱。但是，在這種情況下，雖然效果小，但也具有本實(shí)施例中所述的效果。另外，在本實(shí)施例中假定與放大器電路連接的電阻為多晶硅制成來(lái)進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以是半導(dǎo)體基板的擴(kuò)散電阻，具有同樣的效果。
另外，如圖21所示，電橋電路4和電橋電路5盡可能地設(shè)置成接近芯片的中心，放大器的晶體管25可以靠近芯片端部。即，通過(guò)將對(duì)應(yīng)變比較不敏感的晶體管25設(shè)置在芯片端部，可以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)測(cè)。即，通過(guò)配置成使得電橋電路4與電橋電路5的擴(kuò)散層之間的距離小于與電橋電路4連接的放大器的晶體管和與電橋電路5連接的晶體管之間的距離，可以進(jìn)行高精度的計(jì)測(cè)。
<帶放大器的芯片>
以下，利用圖23說(shuō)明本發(fā)明第8實(shí)施方式。圖23示出第8實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的主要部分，與其它實(shí)施方式共同的部分標(biāo)注相同的符號(hào)。
在圖23所示的本實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置中，在同一芯片上形成放大器20、21，這一點(diǎn)與圖22所示的第7實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置相同，可以得到同樣的效果。
在本實(shí)施方式中，構(gòu)成放大器20、21的電阻群22a和22b、23a和23b以芯片的中央為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地配置。這種情況下，電橋電路5和放大器21是與將電橋電路4和放大器20旋轉(zhuǎn)90度后完全等價(jià)的結(jié)構(gòu)，因此具有設(shè)計(jì)容易的效果。另外，與電橋電路4連接的電阻22a、22b朝向相同方向，因此可以使電阻22a、22b對(duì)應(yīng)變的影響相同，通過(guò)利用差動(dòng)放大器相互抵消，可以減小應(yīng)變的影響。
<帶放大器的芯片>
以下，利用圖24說(shuō)明本發(fā)明第9實(shí)施方式。圖24表示第9實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的主要部分，與其它實(shí)施方式共同的部分標(biāo)注相同的符號(hào)。
在第7實(shí)施方式的圖21的力學(xué)量測(cè)定裝置中，形成各邊與<100>方向平行的四角形形狀，而在圖24所示的本實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置中，形成各邊與<110>方向平行的四角形形狀。其它方面為相同結(jié)構(gòu)，通過(guò)將放大器與力學(xué)量測(cè)定裝置配置在同一芯片上，可以得到與第7實(shí)施方式相同的效果。
在放大器20、21內(nèi)分別形成電阻22a和22b、23a和23b，例如由導(dǎo)入了雜質(zhì)的多晶硅形成。這里，配置成使電阻22a和22b、23a和23b的長(zhǎng)邊方向都為相同方向，并且配置成與構(gòu)成電橋電路4的擴(kuò)散電阻4a～4d的長(zhǎng)邊方向垂直、與構(gòu)成電橋電路5的擴(kuò)散電阻5a～5d的長(zhǎng)邊方向平行。
通過(guò)將放大器20、21配置成與電橋電路4、5的配置平行、即與對(duì)角線平行，應(yīng)變測(cè)定方向與放大器的反饋電阻的配置方向相同，因此具有容易知道應(yīng)變測(cè)定方向的優(yōu)點(diǎn)。另外，通過(guò)相鄰設(shè)置電橋電路4、5，并在兩側(cè)設(shè)置放大器的電阻22a、22b和電阻23a、23b，使它們分別與電橋電路4、5相鄰，從而可以減小電橋電路4、5和放大器的電阻22a、22b、23a、23b的設(shè)置面積。
<帶放大器的芯片>
以下，利用圖25說(shuō)明本發(fā)明第10實(shí)施方式。圖25表示第10實(shí)施方式的力學(xué)量測(cè)定裝置的主要部分。
本實(shí)施方式的圖25的力學(xué)量測(cè)定裝置是使圖24所示的第9實(shí)施方式的電橋電路4、5和放大器20、21的配置變形后的結(jié)構(gòu)。其它方面為相同結(jié)構(gòu)，可以得到與上述實(shí)施方式相同的效果。
在圖24所示的第10實(shí)施方式中，電橋電路4、5沿芯片的對(duì)角線配置在一列上，而在圖25所示的本實(shí)施方式中，采用的是電橋電路4、5沿芯片的中央線201配置的結(jié)構(gòu)。另外，采用構(gòu)成電橋電路4、5的擴(kuò)散電阻4a～4d、5a～5d的中心沿芯片的中央線201配置在一列上的結(jié)構(gòu)。形成電橋電路4的擴(kuò)散電阻4a～4d的長(zhǎng)邊方向朝向作為電橋電路4的測(cè)定方向的〔100〕方向，形成電橋電路5的擴(kuò)散電阻5a～5d的長(zhǎng)邊方向朝向作為電橋電路5的測(cè)定方向的〔010〕方向，并且分別正交。另外，任意一個(gè)擴(kuò)散電阻都朝向與朝向<110>的芯片的邊以及中央線成45°的方向。而且，擴(kuò)散電阻4a～4d的各自的中心沿與擴(kuò)散電阻4a～4d的長(zhǎng)邊方向成45°的方向排列，擴(kuò)散電阻5a～5d的各自的中心沿與擴(kuò)散電阻5a～5d的長(zhǎng)邊方向成45°的方向排列，擴(kuò)散電阻4a～4d和擴(kuò)散電阻5a～5d的中心排列在一列上，由此使電橋電路4、5所占的區(qū)域在縱長(zhǎng)上緊湊。
另外，形成在放大器20、21內(nèi)的電阻22a和22b、23a和23b的長(zhǎng)邊方向都設(shè)置成與芯片的中央線201平行，即與<110>方向平行。在電橋電路4、5的一側(cè)設(shè)置放大器的電阻22a和22b，在相對(duì)于電橋電路4、5的相反側(cè)設(shè)置放大器電阻23a和23b。
在本實(shí)施方式中，可以將電橋電路緊湊地集中在縱長(zhǎng)上，因此在配置放大器的情況下，也可以增大放大器的占有面積。因此，除了可形成更小的芯片面積、降低成本外，還可以搭載占有面積容易很大的高倍率的放大器。另外，通過(guò)這樣配置傳感器和放大器，具有容易進(jìn)行傳感器和放大器之間的布線的引出的優(yōu)點(diǎn)。
<應(yīng)變檢測(cè)部的位置>
如圖26所示，在將上述力學(xué)量測(cè)定裝置1貼附到被測(cè)定物115上、或者經(jīng)由其它板連接來(lái)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)定的情況下，硅基板2的側(cè)面為自由表面，因此，對(duì)于與硅基板2和被測(cè)定物11的界面平行的方向的約束弱。即，在硅基板2的周邊部附近區(qū)域，可能產(chǎn)生應(yīng)變對(duì)被測(cè)定物的跟蹤性差的問(wèn)題。因此，本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)利用有限要素法解析來(lái)限定在芯片內(nèi)配置傳感器的場(chǎng)所，發(fā)現(xiàn)可以抑制靈敏度偏差。
圖27中示出對(duì)影響應(yīng)變靈敏度的芯片厚度和離芯片端部的距離進(jìn)行研究的結(jié)果。結(jié)果是，為了使應(yīng)變靈敏度穩(wěn)定，必須將應(yīng)變檢測(cè)部3配置在芯片中央部分，隨著力學(xué)量測(cè)定裝置1的芯片厚度變厚，必須使離芯片端部的距離變長(zhǎng)。從對(duì)靈敏度穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行研究的結(jié)果可知，通過(guò)將應(yīng)變檢測(cè)部3配置在離芯片端部的距離至少為49×(芯片厚度)0.5μm以上的內(nèi)側(cè)，可以抑制靈敏度的變動(dòng)。
由此，在將由半導(dǎo)體芯片構(gòu)成的力學(xué)量測(cè)定裝置1貼附在被測(cè)定物上的情況下，也可以不受芯片端部影響地抑制測(cè)定偏差，從而可以進(jìn)行再現(xiàn)性非常好的高精度的測(cè)定。
權(quán)利要求
1.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，具備分別利用擴(kuò)散電阻形成惠斯登電橋的第一傳感器和第二傳感器，其中，構(gòu)成所述第一傳感器的所述擴(kuò)散電阻的相互距離小于其長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度，構(gòu)成所述第二傳感器的所述擴(kuò)散電阻的相互距離小于其長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度，所述第一傳感器與第二傳感器的距離小于所述擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度。
2.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，具備第一傳感器和第二傳感器，其中，所述第一傳感器具備長(zhǎng)邊方向朝向<110>方向的4個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，所述第二傳感器具備長(zhǎng)邊方向朝向<100>方向的4個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻。
3.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)進(jìn)行測(cè)定，其特征在于，具備形成在由單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體基板的{100}面上的第一傳感器和第二傳感器，其中，所述第一傳感器具備惠斯登電橋，該惠斯登電橋具有電流在<110>方向上流動(dòng)、相互平行設(shè)置從而形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻；和電流在與所述p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的朝向正交的<110>方向上流動(dòng)、相互平行設(shè)置從而形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，所述第二傳感器具備惠斯登電橋，該惠斯登電橋具有電流在<100>方向上流動(dòng)、相互平行設(shè)置從而形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻；和電流在與所述n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的朝向正交的<100>方向上流動(dòng)、相互平行設(shè)置從而形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻。
4.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)進(jìn)行測(cè)定，其特征在于，具備形成在由單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體基板的{100}面上的第一傳感器和第二傳感器，其中，所述第一傳感器具備惠斯登電橋，該惠斯登電橋通過(guò)將電流與〔110〕方向平行地流動(dòng)的第一p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻、電流與〔-110〕方向平行地流動(dòng)的第二p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻、電流與〔110〕方向平行地流動(dòng)的第三p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和電流與〔-110〕方向平行地流動(dòng)的第四p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻按此順序連接而形成，所述第二傳感器具備惠斯登電橋，該惠斯登電橋通過(guò)將電流與〔100〕方向平行地流動(dòng)的第一n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻、電流與〔010〕方向平行地流動(dòng)的第二n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻、電流與〔100〕方向平行地流動(dòng)的第三n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和電流與〔010〕方向平行地流動(dòng)的第四n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻按此順序連接而形成。
5.如權(quán)利要求3所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的4個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻間的距離小于所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度，所述第二傳感器的4個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻間的距離小于所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度，所述第一傳感器與所述第二傳感器的距離小于所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度。
6.如權(quán)利要求3所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體基板為p型，在所述第一傳感器的p型擴(kuò)散電阻的周圍具備包圍所述p型擴(kuò)散電阻的n型雜質(zhì)擴(kuò)散層。
7.如權(quán)利要求3所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體基板為n型，在所述第二傳感器的n型擴(kuò)散電阻的周圍具備包圍所述n型擴(kuò)散電阻的p型雜質(zhì)擴(kuò)散層。
8.一種旋轉(zhuǎn)體，具備如權(quán)利要求3所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，并且使所述力學(xué)量測(cè)定裝置的所述半導(dǎo)體基板面上的<100>方向或<110>方向與其旋轉(zhuǎn)軸方向一致。
9.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)進(jìn)行測(cè)定，其特征在于，具備第一傳感器和第二傳感器，其中，所述第一傳感器和所述第二傳感器分別具備電流在<100>方向上流動(dòng)、相互平行設(shè)置從而形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻；和電流在<100>方向上流動(dòng)、形成惠斯登電橋的電阻的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻。
10.如權(quán)利要求9所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的電流流動(dòng)的方向與所述第二傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的電流流動(dòng)的方向正交。
11.如權(quán)利要求10所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻與所述第二傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻大致線對(duì)稱地形成。
12.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，具備第一傳感器和第二傳感器，所述第一傳感器和所述第二傳感器分別具備2個(gè)平行設(shè)置的應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻和2個(gè)應(yīng)變靈敏度低的擴(kuò)散電阻，所述第一傳感器的2個(gè)應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向與所述第二傳感器的2個(gè)應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向正交，并且，所述第一傳感器的2個(gè)應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻與所述第二傳感器的2個(gè)應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻大致線對(duì)稱地形成。
13.如權(quán)利要求11所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述大致線對(duì)稱的對(duì)稱線通過(guò)所述半導(dǎo)體基板的主面的中心點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求10所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向與所述第二傳感器的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向正交，并且，大致線對(duì)稱地形成。
15.如權(quán)利要求10所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻與所述第二傳感器的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻大致平行。
16.如權(quán)利要求9所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻配置在比所述第一傳感器的p型雜質(zhì)擴(kuò)散層更靠近半導(dǎo)體基板主面的形心的位置上。
17.如權(quán)利要求9所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻與所述第二傳感器的n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻之間的距離小于所述第一傳感器的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻與所述第二傳感器的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻之間的距離。
18.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，具備第一傳感器和第二傳感器，所述第一傳感器和所述第二傳感器分別具備2個(gè)應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻和2個(gè)應(yīng)變靈敏度低的擴(kuò)散電阻，所述第一傳感器的應(yīng)變靈敏度高的擴(kuò)散電阻配置在比所述第一傳感器的應(yīng)變靈敏度低的擴(kuò)散電阻更靠近所述半導(dǎo)體基板的形心的位置上。
19.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)進(jìn)行測(cè)定，其特征在于，具備形成惠斯登電橋的多個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，其中，所述半導(dǎo)體基板為p型，在所述p型擴(kuò)散電阻的周圍具備沒有形成惠斯登電橋的n型雜質(zhì)擴(kuò)散層。
20.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，具備形成惠斯登電橋的多個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，其中，所述半導(dǎo)體基板為n型，在所述n型擴(kuò)散電阻的周圍具備沒有形成惠斯登電橋的p型雜質(zhì)擴(kuò)散層。
21.如權(quán)利要求19或20所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的相互距離小于其長(zhǎng)邊方向的長(zhǎng)度。
22.如權(quán)利要求12或18所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻其長(zhǎng)邊方向相互平行，并且沿<110>方向并列設(shè)置，所述第二傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻其長(zhǎng)邊方向朝向與所述第一傳感器的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向正交的方向，并且與所述<110>方向同方向地并列設(shè)置。
23.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備由擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋，其特征在于，通過(guò)將第一擴(kuò)散電阻、第二擴(kuò)散電阻、第三擴(kuò)散電阻和第四擴(kuò)散電阻按此順序相互連接起來(lái)構(gòu)成惠斯登電橋，所述力學(xué)量測(cè)定裝置至少具備將上述擴(kuò)散電阻相互連接的4條布線和與位于上述惠斯登電橋的外部的外部電路連接的引出布線，并且具備5條以上的所述引出布線。
24.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備由擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋，其特征在于，通過(guò)將第一擴(kuò)散電阻、第二擴(kuò)散電阻、第三擴(kuò)散電阻和第四擴(kuò)散電阻按此順序相互連接起來(lái)構(gòu)成惠斯登電橋，所述力學(xué)量測(cè)定裝置具備將上述擴(kuò)散電阻相互連接的4條布線和與位于上述惠斯登電橋的外部的外部電路連接的引出布線，第一擴(kuò)散電阻具備串聯(lián)連接的第一本體電阻和電阻值小于所述第一本體電阻的第一調(diào)整用電阻，所述引出布線被連接在所述4條布線和所述第一本體電阻與所述第一調(diào)整用電阻之間。
25.如權(quán)利要求24所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，第一擴(kuò)散電阻將所述第一本體電阻、所述第一調(diào)整用電阻和第二調(diào)整用電阻按此順序連接，在所述第一調(diào)整用電阻和所述第二調(diào)整用電阻之間連接了所述引出布線。
26.如權(quán)利要求24所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第三擴(kuò)散電阻具備第三本體電阻和第三調(diào)整用電阻，所述引出布線被連接在所述第三本體電阻和所述第三調(diào)整用電阻之間，在惠斯登電橋上，所述第一調(diào)整用電阻和所述第三調(diào)整用電阻相對(duì)于各自的本體電阻的位置為對(duì)角側(cè)。
27.如權(quán)利要求24所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散電阻是應(yīng)變靈敏度低的擴(kuò)散電阻。
28.如權(quán)利要求24所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散電阻和第三擴(kuò)散電阻是電流在平行于<100>方向的方向上流動(dòng)的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，所述第二擴(kuò)散電阻和第四擴(kuò)散電阻是電流在平行于<100>方向的方向上流動(dòng)的n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻。
29.一種力學(xué)量測(cè)定方法，使用力學(xué)量測(cè)定裝置來(lái)測(cè)定應(yīng)變，所述力學(xué)量測(cè)定裝置在半導(dǎo)體基板表面上具備由擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋，其特征在于，所述力學(xué)量測(cè)定裝置在半導(dǎo)體基板上具備形成惠斯登電橋的擴(kuò)散電阻、將所述擴(kuò)散電阻相互連接的布線和將所述擴(kuò)散電阻與外部電路連接的5條以上的引出布線，所述力學(xué)量測(cè)定方法包括如下步驟測(cè)定所述擴(kuò)散電阻的電阻值；決定所述5條以上的引出布線之中、在應(yīng)變測(cè)定中使用的4條引出布線；以及使電流在所決定的引出布線中流動(dòng)并進(jìn)行應(yīng)變測(cè)定。
30.如權(quán)利要求29所述的力學(xué)量測(cè)定方法，其特征在于，所述引出布線的決定在所述力學(xué)量測(cè)定裝置的制造階段進(jìn)行。
31.如權(quán)利要求29所述的力學(xué)量測(cè)定方法，其特征在于，所述擴(kuò)散電阻的電阻值的測(cè)定在已經(jīng)將所述力學(xué)量測(cè)定裝置安裝在被測(cè)定物上的狀態(tài)下進(jìn)行。
32.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備由擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋，其特征在于，所述惠斯登電橋由2個(gè)由多晶硅形成的擴(kuò)散電阻和2個(gè)應(yīng)變靈敏度低的擴(kuò)散電阻構(gòu)成。
33.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備由擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋，其特征在于，具備第一傳感器，所述第一傳感器具備惠斯登電橋，該惠斯登電橋由形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)多晶硅布線電阻和2個(gè)使電流在平行于<100>方向的方向上流動(dòng)的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻形成。
34.如權(quán)利要求33所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，具備第二傳感器，所述第一傳感器具備惠斯登電橋，該惠斯登電橋由形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)多晶硅布線電阻和2個(gè)使電流在平行于<100>方向的方向上流動(dòng)的p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻形成，所述第一傳感器的多晶硅布線電阻的長(zhǎng)邊方向與第二傳感器的多晶硅布線電阻的長(zhǎng)邊方向正交。
35.如權(quán)利要求33所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻具有本體電阻和電阻值小于所述本體電阻的調(diào)整用電阻，將與外部裝置連接的引出布線連接在所述p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻與所述多晶硅布線電阻之間以及所述本體電阻與所述調(diào)整用電阻之間。
36.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備由雜質(zhì)擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋，其特征在于，具備第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器，其中，所述第一傳感器具備電流在<100>方向上流動(dòng)、相互平行設(shè)置從而形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻；和電流在<100>方向上流動(dòng)、形成惠斯登電橋的電阻的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，所述第二傳感器具備電流在與所述第一傳感器的n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻正交的<100>方向上流動(dòng)、相互平行設(shè)置從而形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻；和電流在<100>方向上流動(dòng)、形成惠斯登電橋的對(duì)邊電阻的2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻，所述第三傳感器具備電流在<110>方向上流動(dòng)、形成惠斯登電橋的電阻的4個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻。
37.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備由雜質(zhì)擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋，其特征在于，具備第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器，其中，所述第一傳感器利用平行地形成的2個(gè)應(yīng)變靈敏度大的擴(kuò)散電阻和2個(gè)應(yīng)變靈敏度小的擴(kuò)散電阻形成惠斯登電橋，所述第二傳感器利用長(zhǎng)邊方向與所述第一傳感器的應(yīng)變靈敏度大的擴(kuò)散電阻正交的2個(gè)應(yīng)變靈敏度大的擴(kuò)散電阻和2個(gè)應(yīng)變靈敏度小的擴(kuò)散電阻形成惠斯登電橋，所述第三傳感器利用4個(gè)應(yīng)變靈敏度大的擴(kuò)散電阻形成惠斯登電橋。
38.如權(quán)利要求36所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻其長(zhǎng)邊方向相互平行，并且沿<110>方向并列設(shè)置，所述第二傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻其長(zhǎng)邊方向朝向與所述第一傳感器的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向正交的方向，并且與所述<110>方向同方向地并列設(shè)置，所述第三傳感器的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻被設(shè)置在所述第一傳感器的所述<100>方向側(cè)的區(qū)域和所述第二傳感器的所述<100>方向側(cè)的區(qū)域中。
39.如權(quán)利要求1、3、19、24、33中任意一項(xiàng)所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，在所述半導(dǎo)體基板上具備由pn結(jié)形成的溫度傳感器。
40.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，具備第一傳感器和第二傳感器，其中，所述第二傳感器是檢測(cè)所述半導(dǎo)體基板的脫離的傳感器。
41.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，在所述半導(dǎo)體基板上具備形成惠斯登電橋的擴(kuò)散電阻；和放大從所述惠斯登電橋輸出的信號(hào)的差動(dòng)放大器電路。
42.如權(quán)利要求41所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述惠斯登電橋有多個(gè)，所述差動(dòng)放大器的個(gè)數(shù)與所述惠斯登電橋的個(gè)數(shù)相同。
43.如權(quán)利要求41所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，除了形成惠斯登電橋的電阻以外的、與所述放大器連接的電阻其長(zhǎng)邊方向在所述半導(dǎo)體基板上朝向相同的方向。
44.如權(quán)利要求43所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，與所述放大器連接的電阻在所述半導(dǎo)體基板上大致線對(duì)稱地形成。
45.一種力學(xué)量測(cè)定裝置，在半導(dǎo)體基板表面上具備應(yīng)變檢測(cè)部，并且通過(guò)安裝在被測(cè)定物上來(lái)測(cè)定應(yīng)變，其特征在于，具備分別具有由擴(kuò)散電阻形成的惠斯登電橋的第一傳感器和第二傳感器；放大所述第一傳感器輸出的信號(hào)的第一放大器；和放大所述第二傳感器輸出的信號(hào)的第二放大器，其中，形成所述第一傳感器的惠斯登電橋的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻與形成所述第二傳感器的惠斯登電橋的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻之間的距離小于所述第一放大器的晶體管與第二放大器的晶體管之間的距離。
46.如權(quán)利要求45所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，與所述第一放大器連接的反饋電阻的長(zhǎng)邊方向和與所述第二放大器連接的反饋電阻的電阻的長(zhǎng)邊方向朝向相同方向。
47.如權(quán)利要求45所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和與所述第一放大器連接的反饋電阻的電阻其長(zhǎng)邊方向?yàn)橄嗤较?，所述第二傳感器的所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和與所述第二放大器連接的反饋電阻的電阻其長(zhǎng)邊方向?yàn)橄嗤较颉?br> 48.如權(quán)利要求45所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器與所述第二傳感器相鄰，所述第一放大器和所述第二放大器與所述第一和第二傳感器相鄰地配置在所述第一和第二傳感器的兩側(cè)。
49.如權(quán)利要求45所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和所述第二傳感器的所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻其長(zhǎng)邊方向正交，并且，所述第一傳感器的所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的中心排列在一列上，所述第二傳感器的所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的中心排列在一列上，將所述第一放大器和所述第二放大器配置在所述第一傳感器和第二傳感器的兩側(cè)。
50.如權(quán)利要求45所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述放大器具備低倍率用的電阻和高倍率用的電阻，所述低倍率用的電阻配置在比所述高倍率用的電阻更靠近所述雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的位置上。
51.如權(quán)利要求45所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述第一傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻其長(zhǎng)邊方向相互平行，并且沿<110>方向并列設(shè)置，所述第二傳感器的2個(gè)n型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻和2個(gè)p型雜質(zhì)擴(kuò)散電阻其長(zhǎng)邊方向朝向與所述第一傳感器的雜質(zhì)擴(kuò)散電阻的長(zhǎng)邊方向正交的方向，并且與所述<110>方向同方向地并列設(shè)置。
52.如權(quán)利要求1、3、19、24、33、45中的任意一項(xiàng)所述的力學(xué)量測(cè)定裝置，其特征在于，所述應(yīng)變檢測(cè)部離芯片端部的距離為49×(芯片厚度)0.5μm以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種力學(xué)量測(cè)定裝置，可以高精度地測(cè)定特定方向的應(yīng)變分量。該力學(xué)量測(cè)定裝置在半導(dǎo)體單晶基板、半導(dǎo)體芯片內(nèi)至少形成兩組以上的電橋電路，在上述電橋電路中，一個(gè)電橋電路形成流有電流并測(cè)定電阻值變動(dòng)的方向(長(zhǎng)邊方向)與該半導(dǎo)體單晶基板的(100)方向平行的n型擴(kuò)散電阻，另一個(gè)電橋電路組合形成與(110)方向平行的p型擴(kuò)散電阻。
文檔編號(hào)G01L1/22GK101046368SQ20071007895
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者島津浩美, 太田裕之, 丹野洋平 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所