(57)【要約】【課題】回転軸の曲面に貼ることのできる単結晶シリコン製のひずみセンサチップおよびひずみセンサチップの使用システムであって、ひずみセンサチップを曲げたときの内蔵ブリッジ回路の出力オフセットを小さくすることのできるひずみセンサチップを提供する。【解決手段】ひずみセンサチップの内蔵ブリッジ回路を構成する不純物拡散層のうち、回転軸の長手方向と平行となる不純物拡散抵抗拡散層に＜100＞方向を長手方向とする調整用のダミー抵抗を直列に接続する。【選択図】図１
2010197219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
｛１００｝面を表面として持つ単結晶半導体基板の一主面である素子形成面に、ｐ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［−１１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１１０］方向が長手方向となるものと、［０１０］方向もしくは［−１００］が長手方向となるものを接続して形成されたことを特徴とするセンサデバイス。
【請求項２】
｛１００｝面を表面として持つ単結晶半導体基板の一主面である素子形成面に、ｎ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［０１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１００］方向が長手方向となるものと、［１１０］方向もしくは［−１１０］が長手方向となるものを接続して形成されたことを特徴とするセンサデバイス。
【請求項３】
請求項１におけるセンサデバイスにおいて、［０１０］方向もしくは［−１００］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのパッド電極に接続されることを特徴とするセンサデバイス。
【請求項４】
請求項２におけるセンサデバイスにおいて、［１１０］方向もしくは［−１１０］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのパッド電極に接続されることを特徴とするセンサデバイス。
【請求項５】
請求項１におけるセンサデバイスにおいて、［０１０］方向もしくは［−１００］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのデジタルスイッチに接続されることを特徴とするセンサデバイス。
【請求項６】
請求項２におけるセンサデバイスにおいて、［１１０］方向もしくは［−１１０］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのデジタルスイッチに接続されることを特徴とするセンサデバイス。
【請求項７】
請求項１におけるセンサデバイスを表面に設けた回転体であって、
該センサデバイスの［１１０］方向が回転体の回転対称軸方向と平行となるように取り付けられたことを特徴とする回転体。
【請求項８】
請求項２におけるセンサデバイスを表面に設けた回転体であって、
該センサデバイスの［１００］方向が回転体の回転対称軸方向と平行となるように取り付けられたことを特徴とする回転体。
【請求項９】
｛１００｝面を表面として持つ単結晶半導体基板の一主面である素子形成面に、  
ｐ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［−１１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１１０］方向が長手方向となるものと、［０１０］方向もしくは［−１００］が長手方向となるものを接続して形成されたことを特徴とするセンサデバイスと、  
ｎ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［０１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１００］方向が長手方向となるように形成されたことを特徴とするセンサデバイスとを具備し、  
該単結晶半導体基板の［１１０］方向が回転体の回転対称軸方向と平行となるように、該単結晶半導体基板が取り付けられたことを特徴とする回転体。
【請求項１０】
請求項７ないし請求項９の回転体を具備し、該回転体に該センサデバイスからの信号の処理部と無線部を有することを特徴とする計測システム。
【請求項１１】
請求項５もしくは請求項６のセンサデバイスと、該センサデバイスからの信号の処理部と、回転体と、を少なくとも具備した計測システムであって、該センサデバイスのデジタルスイッチと該センサデバイスからの信号の処理部が結線されていることを特徴とする計測システム。
【請求項１２】
単結晶半導体基板の平坦な結晶面にホイートストンブリッジ回路を形成したセンサデバイスであって、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、少なくとも１辺の抵抗が不純物拡散層で形成され、センサデバイスを曲げたときに生じる前記不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗を、前記４辺の抵抗のいずれかに接続可能となるよう形成したことを特徴とするセンサデバイス。
【請求項１３】
単結晶半導体基板の平坦な結晶面に、４辺ともｐ型不純物拡散層、または４辺ともn型の不純物拡散層を抵抗として用いるホイートストンブリッジ回路を形成し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺の抵抗が、第１の不純物拡散層を有し、その長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の第１の方向とするものであり、他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の抵抗層とを接続して形成され、第２の不純物拡散層の長手方向を、半導体単結晶の前記第１の方向と垂直な第２の方向とすることを特徴とするセンサデバイス。
【請求項１４】
単結晶半導体基板の平坦な結晶面に、４辺ともｐ型不純物拡散層、または４辺ともn型の不純物拡散層を抵抗として用いるホイートストンブリッジ回路を形成し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺の抵抗が、第１の不純物拡散層を有し、その長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の第１の方向とするものであり、他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の不純物拡散層とを接続して形成され、第２の不純物拡散層の長手方向を、半導体単結晶の前記第１の方向と垂直な第２の方向とし、第３の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と前記第２の方向の間の第３の方向とすることを特徴とするセンサデバイス。
【請求項１５】
請求項１、請求項２、請求項１２、請求項１３もしくは請求項１４のセンサデバイスと、該センサデバイスが取り付けられた弁棒と、センサデバイスからのセンサ出力情報を送信する送信部と、センサ出力情報を受信する受信部と、受信されたセンサ出力情報に基づいて制御を行う制御部とを具備することを特徴とする弁装置の監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力学量の計測が可能なセンサデバイス、および計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書では、シリコン基板を含む単結晶半導体基板の結晶面や結晶方位の表記には、ミラー指数を用いる。ミラー指数表記においては、マイナス方向を指定する場合、数字の上にバーを付するが、本明細書中においては、便宜上、バーの付いた数字は“−”をつけて〔−１１０〕のように表記する。また特定の結晶面や結晶方向を表す場合には（）と〔〕をそれぞれ用い、単結晶半導体基板内において等価である結晶面や結晶方向を表す場合には、それぞれ｛｝と＜＞を用いて表記する。
【０００３】
シリコンには、応力が作用すると、該シリコンの電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果と呼ばれる現象がある。このピエゾ抵抗効果を用いて、シリコンの応力値を計測することができる。不純物を含まないシリコンは、その抵抗値が著しく大きい。したがって、通常は、シリコン上に、不純物をドーピングした不純物拡散層を形成し、その長手方向に電圧をかけ、不純物拡散層に応力が発生した際の電流量の変化を計測することで、応力値を計測する。
【０００４】
不純物拡散層の抵抗値は、温度変動の影響を強く受けることから、抵抗値計測には、温度補償回路が必要となる。通常、例えば、ひずみゲージを用いてひずみ測定を行う場合には、ホイートストンブリッジ回路が温度補償回路として用いられる。その場合には、ホイートストンブリッジ回路を、ひずみに対して感度を持つアクティブ抵抗と、ひずみに対して感度を持たないダミー抵抗とによって構成するのが通常である。アクティブ抵抗は、ひずみ測定部に設置され、ダミー抵抗は、ひずみの影響を受けない隔離された場所に設置される。
【０００５】
ところが、ホイートストンブリッジ回路をシリコンチップに用いようとすると、シリコンチップ上にすべての抵抗を配置しなければならない。この場合には、すべての抵抗に対してひずみが加わることから、ブリッジ回路としての機能を正常に果たすことができないという問題が生じる。
【０００６】
この問題を解決したブリッジ回路の構造を図１３に示す。図１３は、シリコン単結晶基板２の結晶面上に、ｐ 型の不純物拡散層からなる拡散抵抗４本を用いてブリッジ回路を形成したシリコンチップである。力学量を計測するためのホイートストンブリッジ回路としては、前述のように、測定する力学量に対して感度を有するアクティブ抵抗と、感度を持たないダミー抵抗、もしくはアクティブ抵抗とは正負反対の出力を生じるダミー抵抗を必要とする。つまり、アクティブ抵抗とダミー抵抗の出力の差分が必要であり、その差分が大きくなればなるほど、ブリッジ回路出力の感度は大きくなる。前述のように、シリコンは、ひずみが加わるとその固有抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有している。さらに、シリコン単結晶の場合には、そのピエゾ抵抗効果は、結晶方位に依存した直交異方性を有している。つまり、シリコンの結晶方位と、拡散抵抗（不純物拡散層）の配置、ひずみの基準となる座標系（つまり、応力の方向）の相対関係を変化させることで、ひずみに対する抵抗変化の度合いを操作することができる。
【０００７】
図１３において、ホイートストンブリッジ回路を形成する４本のｐ 型不純物拡散層による抵抗は、対向する２辺からなる一組の抵抗（４ａ、４ｃ）の長手方向がシリコン単結晶の[−１１０]方向となるように配置されており、残りの２辺からなる一組の抵抗（４ｂ、４ｄ）は、[−１１０]方向に対して９０°回転させた［１１０］方向が長手方向となるように配置されている。また、このシリコンチップは、回転軸の表面に、シリコンチップの[１１０]方向が回転軸長手方向と一致するように、取り付けられている。
例えば、軸方向の力がシリコンチップに加えられた場合、軸方向である[１１０]方向に平行な抵抗の抵抗値変化は、軸方向に対して垂直な方向である[−１１０]方向に配置した抵抗の抵抗値変化とは、正負逆の出力を生じる。  
したがって、図１３に示すホイートストンブリッジ回路を用いて、抵抗値の変化を求めることができ、その抵抗値の変化に基づいて、軸方向の応力を求めることができる。
【０００８】
特許文献１や特許文献２には、ひずみ感度の高い領域を局所的に形成し、これをブリッジ回路として構成したシリコンチップを回転体に取り付けて、軸力（軸と平行方向に働く力）を計測する技術が示されている。この場合、センサデバイスとしては、図１３に示すように、回転軸と平行な方向を長手方向とするｐ型不純物拡散層２本（４ｂ、４ｄ）と、回転軸に対して直角方向を長手方向とするｐ型不純物拡散層２本（４ａ、４ｃ）とを組み合わせたブリッジ回路を、シリコンチップ上に形成したものを用いている。このとき回転軸と平行方向を長手とするp型不純物拡散層（４ｂ、４ｄ）を流れる電流の方向は、シリコンチップの＜１１０＞結晶軸の方向とほぼ一致し、また回転軸に対して直角方向を長手とするp型不純物拡散層（４ａ、４ｃ）を流れる電流の方向も、シリコンチップの＜−１１０＞結晶軸の方向とほぼ一致するように配置したものである。
【０００９】
このようなセンサデバイスを形成したシリコンチップは平板であり、その厚さは百ミクロン程度から数百ミクロンである。これを曲面である回転軸に貼り付けようとすると、脆いシリコンチップが割れてしまうという問題が起こる。そこで、特開２００８−３９１２６の図６にも示されているように、回転軸の一部に面取りを行って平面の部分を形成し、その平面部分にシリコンチップを貼り付けることが行なわれている。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６-２２０５７４
【特許文献２】特開２００８-３９１２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の従来技術では、既設の機器にシリコンチップを取り付けて、ひずみのモニタリングを行なおうとすると、以下の問題点が生じる。シリコンチップを貼り付けるために、機器を分解して単体の軸として、もしくは軸が組み込まれた状態で、平面部分を形成するための面取り加工をせねばならないが、この面取り加工は、現実的に困難である場合が多い。例えば、既設の装置の回転軸を面取り加工すると、回転軸が削られるので、設計時に想定していた以上の応力が発生するために強度的に問題が出る場合が多い。例えば、原子力用途に使用する場合を考えると、その場で安易に回転軸を削ることは許されず、大掛かりな安全性の検証作業や、回転軸の設計変更、製造、組み直し等、莫大な労力とコストが必要となる。また強度的に問題が出ないまでも、分解、加工、組み直しのコスト、および改造中に設備が停止することの損失は大きい。
【００１２】
そこで代案として、軸を加工するかわりに、シリコンチップを曲げても割れないように薄くすることを考えた。近年、半導体ウエハを、デバイス形成後に５０ミクロン以下にまで研削する技術ができてきたため、これを用いてシリコンチップを薄く加工した。これを回転軸に貼り付けたところ、割れることはなくなったが、別の課題に直面することとなった。すなわち、センサとして用いるシリコンチップは、本来、平面に貼り付けるために作られているので、シリコンチップを曲げたことによって、シリコンチップ上のホイートストンブリッジの出力回路に、大きな出力オフセットが発生して、ひずみの計測の障害となることが明らかとなった。
【００１３】
この大きな出力オフセットは、シリコンチップ内に曲げ応力が発生し、これに起因してシリコンチップ内のブリッジ回路の４辺の抵抗値のバランスが大きく崩れたことに起因する。剛性の高いシリコンチップを無理やり曲げることになるために、この出力オフセットは非常に大きく、計測装置の計測レンジを越えてしまうために、現場で調整が不可能な量となる。計測レンジを越えない場合でも、小さめのひずみ量を測定する際には、大きなオフセットに埋もれてしまうことになり、計測精度が低下することになる。
【００１４】
この課題は、従来から一般的に用いられてきた箔ひずみゲージ（有機フィルム上に金属細線が形成されたもの）では、剛性が低く、薄いために生じない。シリコンチップなどの半導体基板を用いたセンサチップに特有の課題である。
【００１５】
よって本発明の目的は、回転軸の一部を平面に加工しなくても半導体基板のセンサチップが割れることがなく、また大きな出力オフセットが発生しない高感度なセンサデバイスを得ること、およびこれを用いた計測システムを実現することにある。  
なおこのような課題は、板状の半導体基板であるひずみセンサを、回転軸のような曲面に曲げて貼り付ける場合にのみ発生するものであり、従来型のフィルム状の抵抗線ひずみゲージや加速度センサや圧力センサでは、発生し得ない課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明では、センサデバイスを次のような構成とした。すなわち、  
単結晶半導体基板の平坦な結晶面に、ホイートストンブリッジ回路を形成したセンサデバイスであって、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、少なくとも１辺の抵抗が不純物拡散層で形成され、センサデバイスを曲げたときに生じる前記不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗を、前記４辺の抵抗のいずれかに接続可能となるよう形成したことを特徴とするセンサデバイス。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、単結晶半導体基板の平坦な結晶面に、ホイートストンブリッジ回路を形成したセンサデバイスにおいて、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、少なくとも１辺の抵抗が不純物拡散層で形成されているので、センサデバイスに応力が発生すると、ピエゾ抵抗効果により不純物拡散層の抵抗値が大きく変化する。その結果、ホイートストンブリッジ回路により、発生した応力を測定することができる。このセンサデバイスを回転軸のような曲面に取り付ける場合は、センサデバイスを曲面に沿って曲げることが必要となる。センサデバイスを曲げると、ホイートストンブリッジ回路を構成する不純物拡散層の抵抗値が、増加、あるいは減少する場合がある。その場合、不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗を、前記４辺の抵抗のいずれかに接続可能となるよう、単結晶半導体基板の平坦な結晶面に形成しているので、センサデバイスを曲げた場合に、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例における、シリコンチップのセンサレイアウトを示した模式図である。
【図２】本発明の実施例における、シリコンチップを回転軸に取り付けた状態を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例における、不純物拡散層を折り曲げて形成した場合の模式図である。
【図４】本発明の実施例における、ｐ型不純物拡散層4e、4fの抵抗値を、ジャンパ線を用いて可変にする場合の模式図である。
【図５】本発明の実施例における、ｐ型不純物拡散層4e、4fの抵抗値を、デジタルスイッチを用いて可変にする場合の模式図である。
【図６】本発明の実施例における、ｎ型不純物拡散層を用いた場合のセンサレイアウトを示した模式図である。
【図７】本発明の実施例における、トルクセンサと軸力センサをシリコンチップに混載した場合の模式図である。
【図８】本発明の実施例における、電動弁の弁棒にシリコンチップを取り付けた電動弁開閉検知システムの模式図である。
【図９】本発明の実施例における、シリコンチップを電動弁の弁棒に取り付けた状態を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例における、オフセット調整を自動で行なうシステムを示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施例における、オフセット調整を自動で行なうシステムの動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例における、シリコンチップのセンサレイアウトを示した模式図である。
【図１３】従来のシリコンチップのセンサレイアウトを示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。  
本発明においては、ひずみ感応部として半導体基板に不純物拡散層を設けたセンサデバイスにおいて、半導体基板の曲げ応力に起因するホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制するために、半導体基板に補償用の抵抗を設けたものである。  
本発明の実施の形態においては、不純物拡散層の長手方向に電流を流し、電流の流れる方向の抵抗値の変動を計測する。不純物拡散層や抵抗の長手方向という表記は、電流を流し抵抗値変動を計測する方向を意味するものとする。
【実施例１】
【００２０】
実施例１を、図１〜図３を用いて説明する。  
図１は、実施例１における、シリコンチップのセンサレイアウトを示した模式図である。図１に示すように、結晶面｛００１｝を表面とする単結晶のシリコン基板２に、結晶方位の［−１１０］方向を長手方向とするｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃと、該［−１１０］方向と直交する［１１０］方向を長手方向とするｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄと、［−１１０］方向と［１１０］方向のちょうど中間の方向である［０１０］方向を長手方向とするｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆを形成する。このとき、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、抵抗値が同じになるように形成する。ｐ型不純物拡散層４ｂと４ｅ、及びｐ型不純物拡散層４ｄと４ｆは、それぞれ直列に接続されてホイートストンブリッジ回路の１辺を構成している。
【００２１】
なお、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆは、［−１１０］方向と［１１０］方向のちょうど中間の方向である［−１００］方向を長手方向とする等、［１００］方向に等価な方向を長手方向としても良い。ここで、［−１１０］方向と［１１０］方向のちょうど中間の方向とは、［−１００］方向や［０１０］方向など、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの長手方向と、ｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの長手方向の、ちょうど中間の方向であり、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの長手方向と４５°の角度をなし、また、ｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの長手方向と４５°の角度をなす方向である。
【００２２】
次に、ｐ型不純物拡散層４ａ〜４ｆを形成したシリコン基板２を、シリコンセンサチップ１として、回転軸６に取り付ける。図２は、本発明の実施例における、シリコンチップを回転軸に取り付けた状態を示す模式図である。  
本例では、図２に示すように、シリコンセンサチップ１を曲げて、回転軸６の曲面に沿わせるように貼り付ける。このとき、回転軸６の軸方向（回転軸長手方向）とｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの長手方向が一致するように設置する。この場合、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃは、その長手方向（回転軸に垂直な方向）に曲げられるために引張応力が働き、これによって抵抗値が増加する。その一方、ｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄは、その長手方向と直角方向（幅方向）に曲げられるために、その引張応力によって、逆に抵抗値が減少する。
【００２３】
また、ｐ型不純物拡散層4e、4fの長手方向は、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの長手方向と、ｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの長手方向の、ちょうど中間の方向であるので、シリコンチップ１が回転軸に垂直な方向に曲げられても、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値は、変化することがない。したがって、曲げの程度が変わったとしても、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値は、変化することがない。  
ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値は、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの抵抗値の増加分とｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの抵抗値の減少分とを加算した値、あるいは、その近傍の値に設定するのが望ましい。そのようにすると、シリコンチップ１を回転軸６に貼り付けた後にも、ブリッジバランスを保てる機能を有する。
【００２４】
例えば、シリコンチップ１が曲げられる前の平面の状態において、ｐ型不純物拡散層４ａ〜４ｄの抵抗値を、Ｒ１とする。また、シリコンチップ１を回転軸６に貼り付け、シリコンチップ１が曲げられた状態において、ｐ型不純物拡散層4a、4cの抵抗値の増加分をＲ２とし、ｐ型不純物拡散層4b、4dの抵抗値の減少分をＲ３する。すると、シリコンチップ１が曲げられた状態において、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの抵抗値は（Ｒ１＋Ｒ２）となり、ｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの抵抗値は（Ｒ１−Ｒ３）となる。このとき、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値は、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの抵抗値の増加分（Ｒ２）とｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの抵抗値の減少分（Ｒ３）を加算した値に設定しているので、（Ｒ２＋Ｒ３）となる。よって、ブリッジ回路の４辺のうち、ｐ型不純物拡散層４ｂと４ｅを接続した１辺の抵抗値は、（Ｒ１＋Ｒ２）となる。したがって、ブリッジ回路の４辺の抵抗値は、いずれも（Ｒ１＋Ｒ２）となるので、ブリッジ回路はバランスする。
【００２５】
上記の曲げによって発生するｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの抵抗値の増加分（Ｒ２）と、ｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの抵抗値の減少分（Ｒ３）は、回転軸の曲率に依存して変わる。このように、ブリッジ抵抗値のバランス状態は、回転軸の曲率に依存して変わるため、回転軸の曲率にあわせて、ｐ型不純物拡散層4e、4fの抵抗値を決めることが望ましい。またP型不純物拡散層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆは、イオン注入処理で作成するのが、精度良く抵抗値が管理できるので望ましい。
【００２６】
なお、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆは、［１００］方向に等価な方向を長手方向として配置されることにより、優れた効果を生じる。例えば、ｐ型不純物拡散層4e、4fの長手方向を＜１１０＞方向とすると、軸方向のひずみに対して、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆ自体に大きなひずみ依存性が生じる。そのために、単位軸ひずみ（軸方向のひずみの単位量）に対するｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値の変化量が、軸方向のひずみ量の大きさに応じて変わってくる。特に、回転軸径の大きさの変化に対応して、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を可変としたい場合には、単位軸ひずみに対するｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値の変化量が、回転軸径の大きさに応じて変わってくるために、回転軸径の大きさに応じてｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を計測せねばならないという問題が生じる。これに対して、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆを＜１００＞方向、すなわち、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｃの長手方向と、ｐ型不純物拡散層４ｂ、４ｄの長手方向の、ちょうど中間の方向とすると、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆには軸方向のひずみ感度がなくなるため、単位軸ひずみに対するブリッジ回路の抵抗値の変化量は、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｂ、４ｃ、４dのみによって決まり、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆには依存しない。したがって、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を軸径に応じて可変としても、軸ひずみの大きさによってセンサ感度が変わることがないという利点が生じる。
【００２７】
なお、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆを＜１００＞方向としない場合であっても、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆを＜１００＞方向とする場合に比べて煩雑にはなるが、設定すべきｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を実験等により求めることにより、シリコンチップ１を回転軸６に貼り付けた後にも、ブリッジバランスを保つことができる。  
また、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを同じ抵抗値にしない場合であっても、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを同じ抵抗値にした場合に比べて煩雑にはなるが、設定すべきｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を実験等により求めることにより、シリコンチップ１を回転軸６に貼り付けた後にも、ブリッジバランスを保つことができる。
【００２８】
なお、図３に示すように、ｐ型不純物拡散層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆは折り返して形成されてもよい。この場合には、小さいセンサチップに長い拡散抵抗（不純物拡散層）を作成することが出来るので、高い抵抗値を実現でき、センサの消費電力を低減することが出来る。
【実施例２】
【００２９】
次に、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を可変とする構成例である実施例２を、図４を用いて説明する。  
図４は、本発明の実施例における、ｐ型不純物拡散層4e、4fの抵抗値を、ジャンパ線を用いて可変にする場合の模式図である。図４では、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆはそれぞれ複数個形成され、それぞれがパッド７（７４１〜７４８）に接続されている。このパッド７を、適宜、ジャンパ線８（８１、８２）でつなぎかえることにより、ｐ型不純物拡散層4e、4fの抵抗値を可変とすることができる。これにより、回転軸の直径が異なる複数の場合に対して、それぞれの場合に最適な抵抗値を選択することが可能となる。すなわち、各種の直径を持つ回転軸に用いる際に、ブリッジ回路のバランスをとることが可能となり、異なる直径を持つ回転軸でも、ブリッジ回路の出力オフセットを０か、あるいは、ほぼ０近傍にすることができる。
【００３０】
図４の例では、パッド７４１、７４４、７４５、７４８が、ブリッジ回路の入出力用パッドとなっている。図４に示すように、ジャンパ線８１でパッド７４１とパッド７４２を接続することにより、ｐ型不純物拡散層４ｂと４ｅ１とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。また、ジャンパ線８１でパッド７４１とパッド７４３を接続することにより、ｐ型不純物拡散層４ｂと４ｅ１と４ｅ２とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。
【００３１】
同様に、図４の例では、ジャンパ線８２でパッド７４５とパッド７４６を接続することにより、ｐ型不純物拡散層４ｄと４ｆ１とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。また、ジャンパ線８２でパッド７４５とパッド７４７を接続することにより、ｐ型不純物拡散層４ｄと４ｆ１と４ｆ２とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。
【実施例３】
【００３２】
次に、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの接続の切り替えを、デジタルスイッチ１１で行なう実施例３を、図５を用いて説明する。  
図５は、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの接続の切り替えを、図４で用いたジャンパ線８に代えて、デジタルスイッチ１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）で行なう例である。デジタルスイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦで、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を可変とする。また、デジタルスイッチ１１は、パッド７（７５２、７５３、７５６、７５７）を通して外部から制御できるようにしている。
【００３３】
図５の例では、パッド７５１、７５４、７５５、７５８が、ブリッジ回路の入出力用パッドとなっている。図５に示すように、パッド７５１とｐ型不純物拡散層４ｅ３とを接続する信号パターン上に、デジタルスイッチ１１ａを設け、パッド７５１とｐ型不純物拡散層４ｅ４とを接続する信号パターン上に、デジタルスイッチ１１ｂを設けている。ここで、デジタルスイッチ１１ａをＯＮとし、デジタルスイッチ１１ｂをＯＦＦとすることにより、ｐ型不純物拡散層４ｂと４ｅ３とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。また、デジタルスイッチ１１ａをＯＦＦとし、デジタルスイッチ１１ｂをＯＮとすることにより、ｐ型不純物拡散層４ｂと４ｅ３と４ｅ４とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。
【００３４】
同様に、図５では、パッド７５５とｐ型不純物拡散層４ｆ３とを接続する信号パターン上に、デジタルスイッチ１１ｃを設け、パッド７５５とｐ型不純物拡散層４ｆ４とを接続する信号パターン上に、デジタルスイッチ１１ｄを設けている。ここで、デジタルスイッチ１１ｃをＯＮとし、デジタルスイッチ１１ｄをＯＦＦとすることにより、ｐ型不純物拡散層４ｄと４ｆ３とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。また、デジタルスイッチ１１ｃをＯＦＦとし、デジタルスイッチ１１ｄをＯＮとすることにより、ｐ型不純物拡散層４ｄと４ｆ３と４ｆ４とを直列接続したものを、ブリッジ回路の１辺の抵抗とすることができる。
【００３５】
なお、図５では、デジタルスイッチ１１の制御端子をパッド７に接続しているが、デジタルスイッチ１１とパッド７の間にデコーダ（図示せず）を設け、デコーダの入力をパッド７に接続し、デコーダの出力をデジタルスイッチ１１の制御端子に接続するようにしてもよい。この場合には、パッド７の数を少なくすることが出来るという利点がある。
【実施例４】
【００３６】
上記の実施例１〜３においては、ｐ 型不純物拡散層の場合を例に挙げて、その配置方法を説明したが、ｎ 型不純物拡散層の場合も、ｐ 型不純物拡散層と同様の効果を得ることができる。通常、シリコン等の半導体単結晶材料では、異方性が強いため、結晶軸方向によってその電気的特性が大きく異なる。よって、特定の結晶軸方向に電流を流すと、該特定の結晶軸方向のひずみに対して、抵抗値が大きく変化するため、特定方向のひずみに対して感度を持たせることができる。この感度を持つひずみ方向は、ｐ型半導体とｎ型半導体で大きく異なる。
【００３７】
単結晶半導体基板２上に、ｎ型不純物拡散抵抗でブリッジ回路を構成した実施例を、図６に示す。図６は、本発明の実施例における、ｎ型不純物拡散層を用いた場合のセンサレイアウトを示した模式図である。  
図６では、４ａｎ、４ｂｎ、４ｃｎ、４ｄｎ、４ｅｎ、４ｆｎを、ｎ型不純物拡散抵抗で構成しており、不純物拡散抵抗４ａｎ、４ｃｎは、＜０１０＞方向と平行方向を長手方向とし、不純物拡散抵抗４ｂｎ、４ｄｎは、＜１００＞方向と平行方向を長手方向とし、また、不純物拡散抵抗４ｅｎ、４ｆｎは、＜０１０＞方向と＜１００＞方向のちょうど中間の方向である＜１１０＞方向と平行方向を長手方向としている。この実施例４においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例５】
【００３８】
次に、回転軸のトルクを計測するトルクセンサと、軸力を計測する軸力センサと、をシリコン基板２に混載したシリコンチップ１の実施例を説明する。図７は、本発明の実施例における、トルクセンサ１０と軸力センサ９をシリコンチップに混載した場合の模式図である。トルクセンサ１０を構成するブリッジ回路の４辺は、＜１００＞方向および＜０１０＞方向を長手方向とするｎ型不純物拡散層のみで形成され、その他の結晶方位を長手方向とするｎ型不純物拡散層は存在しない。そして、トルクセンサ１０のｎ型不純物拡散層の長手方向と、回転軸長手方向とは、４５°の角度をなしている。
【００３９】
一方、軸力センサ９は、実施例１の図１と同様に、＜１１０＞方向および＜−１１０＞方向を長手方向とするｐ型不純物拡散層に加え、＜１００＞方向あるいは＜１００＞方向を長手方向とする不純物拡散層4e、4fが接続される。本実施例では、回転軸にセンサチップを貼り付けた際にセンサチップが曲げられても、トルクセンサ１０のブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。その理由は、ｎ型不純物拡散層の長手方向が、回転軸長手方向と４５°の角度であるので、曲げ応力により発生する抵抗増加分と抵抗減少分が相殺されるためである。また、本実施例では、実施例１と同様に、軸力センサ９も、不純物拡散層4e、4fの働きにより、ブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【実施例６】
【００４０】
次に、センサデバイスを電動弁の開閉検知に用いた計測システムの実施例を、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施例における、電動弁の弁棒にシリコンチップを取り付けた電動弁開閉検知システムの模式図である。図８において、１０２はシリコンチップ、１０９はバルブヨーク、１１０は弁棒、１１１はモータ、１１２は弁箱、１１３は弁駆動ギアである。モータ１１１の回転力が、弁駆動ギア１１３により、弁を駆動するための直進力に変換され、弁棒１１０を図８の上下方向に作動させて弁を開閉する。シリコンチップ１０２は、弁棒１１０に取り付けられている。
【００４１】
該シリコンチップ１０２は、図９に示すように、弁棒１１０の曲率に合わせて曲げられて接着されている。図９は、本発明の実施例における、シリコンチップ１０２を電動弁の弁棒に取り付けた状態を示す模式図である。またシリコンチップ１０２は、図７に示すようにトルクセンサ１０と軸力センサ９を、両方含んでいてもよい。１０３は、弁棒１１０に取り付けられた送信部であり、シリコンチップ１０２からのセンサ出力信号を受け取ると、データをデジタル化して無線送信する。シリコンチップ１０２内のひずみ感知部であるトルクセンサ１０、軸力センサ９からの出力は送信部１０３へ伝送され、送信部１０３内のＡ／Ｄ変換器でデジタル化され、送信部１０３内のＣＰＵやＭＰＵ等の制御演算装置で演算処理された後に、送信部１０３内の通信モジュールによって無線送信される。そのセンサ出力情報は、受信部１１９で受信され、例えばＬＡＮ１２１などのネットワークを通して、表示制御部１２０により表示され、あるいは、表示制御部１２０により各種機器の制御に用いられる。
【００４２】
特開２００８−３９１２６にもあるように、このようなひずみセンサを用いた応力計測システムは、電動弁の開閉を確実に検知することができるため、原子力施設等に設置されることが期待されてきた。しかしながら、従来は特開２００８−３９１２６の図６にあるように、弁棒１１０の一部を面取りして、平面を出して、その部分にシリコンチップ１０２を貼り付けていた。前述のように、シリコンチップ１０２が厚い場合には、曲面に張ると作業中に破損し、シリコンチップ１０２を薄くして破損を防ぐと、シリコンチップ１０２に曲げ応力が発生し、ブリッジ回路の出力オフセットが大きくなり、ブリッジ回路の出力が、送信部１０３内のＡ／Ｄ変換器の処理電圧範囲を超えてしまうために、計測が不可能になるためである。  
そこで、既存の施設にこのような計測システムを設置しようとすると、弁棒の一部を平らに削る必要がでてくる。したがって、弁棒１１０の取り外しに要する大幅な改修工事と、強度確認のための応力解析や実証試験が必要となる。すなわち、非常にコストと時間を要するものとなっていた。しかしながら、本実施例によれば、既存の設備を加工しなくても、シリコンチップ１０２を曲面に沿って貼るだけで計測が可能となるため、コストと時間が大幅に節約できる。
【００４３】
次に、本実施例の計測システムにおける、シリコンチップ１０２の貼り付けと計測手順を説明する。  
シリコンチップ１０２として、図４に示すような、ジャンパ線を用いた、抵抗値が可変式のブリッジ回路を使用した場合には、シリコンチップ１０２を貼り付けた後に、その軸径に適するように、つまり、ブリッジ回路がつりあうように、パッド７にジャンパ線８を接続する。ジャンパ線８の接続は、回転軸への貼り付け前でも良いが、貼り付け後の方が、若干の接着時の曲がりや、接着剤の偏りによる接着残留応力の不均一があっても、それを含めて補正できるのでさらに良い。そして接着後、適切なジャンパ線の接続とともに、ブリッジ回路の入出力の４端子を送信部１０３に接続する。
【００４４】
また、シリコンチップ１０２として、図５に示すような、デジタルスイッチを用いた、抵抗値が可変式のブリッジ回路を使用した場合には、デジタルスイッチ１１を外部信号で制御できるために、さらにブリッジ回路の出力オフセット値の調整が簡単になる。図１０に、シリコンチップ１０２と送信部１０３のハードウエア構成を示す。図１０は、本発明の実施例における、オフセット調整を自動で行なうシステムを示すブロック図である。シリコンチップ１０２は、ブリッジ回路４とデジタルスイッチ１１を備えている。送信部１０３は、Ａ／Ｄコンバータ１２と、ＣＰＵ１３と、無線部１４とを備えている。Ａ／Ｄコンバータ１２と無線部１４は、ＣＰＵ１３と接続されている。シリコンチップ１０２のブリッジ回路４と、送信部１０３のＡ／Ｄコンバータ１２とが接続されている。また、図示はしていないが、送信部からブリッジ回路４に電源が供給されている。また、ＣＰＵ１３とデジタルスイッチ１１が接続されている。このデジタルスイッチ１１は、ブリッジ回路を構成する補償用抵抗である不純物拡散層４ｅ、４ｆの抵抗値を可変にするためのものである。
【００４５】
次に、ブリッジ回路の出力オフセット値の調整動作を、図１１を用いて説明する。  
図１１は、本発明の実施例における、オフセット調整を自動で行なうシステムの動作を示すフローチャートである。まずシリコンチップ１０２を回転軸に接着する（図１１のステップＳ１）。この時点で、シリコンチップ１０２に、曲面に貼り付けることによる曲げ応力と、接着剤の収縮力、貼り付け誤差等による、ブリッジ回路の出力オフセットが発生する。次に、シリコンチップ１０２内のデジタルスイッチ１１の状態がある規定値の状態となるように、ＣＰＵ１３が規定値の設定命令を出力する（図１１のステップＳ２）。例えば、ＣＰＵ１３は、図５において、デジタルスイッチ１１ａ、１１ｃをＯＮとし、１１ｂ、１１ｄをＯＦＦとするような設定命令を出力する。その状態でのブリッジ回路の出力オフセット値をＣＰＵ１３で読み取り（図１１のステップＳ３）、変更可能な最小のオフセット値よりも大きければ（図１１のステップＳ４でＹｅｓ）、小さくなるように、ＣＰＵ１３がデジタルスイッチ１１の状態を切り替えるように制御する（図１１のステップＳ６）。すなわち、ｐ型不純物拡散層４ｅ、４ｆにより変更可能な最小のオフセット値より、測定したオフセット値が大きい場合には、オフセット値が小さくなるように、デジタルスイッチ１１の状態を変化させるように、ＣＰＵ１３が制御する。例えば、ＣＰＵ１３は、図５において、デジタルスイッチ１１ａ、１１ｃをＯＦＦとし、１１ｂ、１１ｄをＯＮとするような設定命令を出力する。そして、十分にオフセット値が小さくなった時点で計測を開始する（図１１のステップＳ７）。
【００４６】
デジタルスイッチを用いた計測システムでは、オフセットの調整を、シリコンチップ１０２の接着後に自動で行えるため、ジャンパ線を用いた場合に比べて、特に作業が容易となる。また、装置の構造変更により、装置の無負荷時のひずみが変化した場合でも、その時点で容易にゼロ点の調整が行なえるという利点を有する。  
なお、上記では電動弁の例を示したが、回転体などの曲面体であるならば同様な効果を有し、現場で曲面体を加工することが難しい場合には特に有効である。
【実施例７】
【００４７】
次に、ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、少なくとも１辺の抵抗が不純物拡散層で形成された構成の実施例を説明する。  
図１２は、本発明において、ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、少なくとも１辺の抵抗が不純物拡散層で形成された構成の模式図である。図１２では、４ｋのみがｐ型不純物拡散層で形成され、４ｇ、４ｈ、４ｊ、４ｍは、不純物拡散以外の方法で形成されている。ここで、不純物拡散以外の方法とは、例えば、炭素皮膜抵抗や金属皮膜抵抗を、単結晶半導体基板に接着するなどの方法である。したがって、不純物拡散以外の方法で形成した抵抗は、不純物拡散層のように、応力に応じて抵抗値が大きく変化するものではない。
このセンサデバイスを回転軸のような曲面に取り付ける場合は、センサデバイスを曲面に沿って曲げることになる。センサデバイスを曲げると、図１２の場合は、ホイートストンブリッジ回路の１辺を構成する不純物拡散層４ｋの抵抗値が減少する。本例では、不純物拡散層４ｋの抵抗値の減少分を補償するための抵抗４ｍを、不純物拡散層４ｋに接続可能となるよう、単結晶半導体基板に形成しているので、センサデバイスを曲げた場合に、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することが可能となる。
【００４８】
図１２の例では、パッド７１、７２、７３、７７が、ブリッジ回路の入出力用パッドとなっている。図１２に示すように、ジャンパ線８５でパッド７３とパッド７６を接続し、ジャンパ線８５、８６は接続しない状態とすることにより、４ｇ、４ｈ、４ｊ、４ｋを４辺とするホイートストンブリッジ回路が構成される。また、ジャンパ線８６でパッド７３とパッド７４を接続し、ジャンパ線８７でパッド７５とパッド７６を接続することにより、４ｇ、４ｈ、４ｊ、（４ｋ＋４ｍ）を４辺とするホイートストンブリッジ回路が構成される。すなわち、ホイートストンブリッジ回路の１辺の抵抗を、４ｋのみとする場合と、４ｋと４ｍを接続した抵抗とする場合とを、切り替えることができる。したがって、センサデバイスを平坦面に取り付けて曲げずに使用する場合と、特定の曲面に取り付けて曲げて使用する場合の両方の場合において、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することが可能となる。本例では、４ｍの抵抗値は、計算で算出するか、または実験により求めることができる。
【００４９】
なお、以上の種々の実施例の説明において、例えば、［１１０］方向を長手方向とする不純物拡散層４ｂ、等という表記を用いたが、［１１０］方向から外れた場合でも±１０度程度の角度範囲のズレに収まっていれば、一定程度の効果が期待できるものである。
【００５０】
以上の、本明細書の記載から、次の発明を把握することができる。すなわち、第１の発明は、｛１００｝面を表面として持つ単結晶半導体基板の一主面である素子形成面に、ｐ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［−１１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１１０］方向が長手方向となるものと、［０１０］方向もしくは［−１００］方向が長手方向となるものを接続して形成されたことを特徴とするセンサデバイス。
【００５１】
このように、ホイートストンブリッジ回路の４辺の抵抗を、４辺ともｐ型不純物拡散層として構成し、対向する２辺の不純物拡散層の長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の[−１１０]方向とし、他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の不純物拡散層とを接続して形成され、第２の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と垂直な[１１０]方向とし、第３の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と前記第２の方向の間の[０１０]方向もしくは[−１００]方向としているので、センサデバイスを曲げた場合に、前記第３の不純物拡散層が、不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗として働き、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００５２】
第２の発明は、｛１００｝面を表面として持つ単結晶半導体基板の一主面である素子形成面に、ｎ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［０１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１００］方向が長手方向となるものと、［１１０］方向もしくは［−１１０］方向が長手方向となるものを接続して形成されたことを特徴とするセンサデバイス。
【００５３】
このように、ホイートストンブリッジ回路の４辺の抵抗を、４辺ともｎ型不純物拡散層として構成し、対向する２辺の不純物拡散層の長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の[０１０]方向とし、他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の不純物拡散層とを接続して形成され、第２の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と垂直な[１００]方向とし、第３の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と前記第２の方向の間の［１１０］方向もしくは［−１１０］方向としているので、センサデバイスを曲げた場合に、前記第３の不純物拡散層が、不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗として働き、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００５４】
第３の発明は、第１の発明におけるセンサデバイスにおいて、［０１０］方向もしくは［−１００］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのパッド電極に接続されることを特徴とするセンサデバイス。  
このような構成によれば、第３の不純物拡散層が複数存在するので、センサデバイスを曲げる度合いが複数存在する場合、例えば、センサデバイスを取り付ける対象の回転軸径が複数存在する場合においても、第３の不純物拡散層を適宜組み合わせて構成することにより、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００５５】
第４の発明は、第２の発明におけるセンサデバイスにおいて、［１１０］方向もしくは［−１１０］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのパッド電極に接続されることを特徴とするセンサデバイス。  
このような構成によれば、前記第３の発明と同様に、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００５６】
第５の発明は、第１の発明におけるセンサデバイスにおいて、［０１０］方向もしくは［−１００］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのデジタルスイッチに接続されることを特徴とするセンサデバイス。  
このような構成によれば、前記第３の発明と同様に、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００５７】
第６の発明は、第２の発明におけるセンサデバイスにおいて、［１１０］方向もしくは［−１１０］が長手方向となる不純物拡散層が複数存在し、各不純物拡散層の端部から取り出された配線がセンサデバイスのデジタルスイッチに接続されることを特徴とするセンサデバイス。  
このような構成によれば、前記第３の発明と同様に、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００５８】
第７の発明は、第１の発明におけるセンサデバイスを表面に設けた回転体であって、該センサデバイスの［１１０］方向が回転体の回転対称軸方向と平行となるように取り付けられたことを特徴とする回転体。
【００５９】
第８の発明は、第２の発明におけるセンサデバイスを表面に設けた回転体であって、該センサデバイスの［１００］方向が回転体の回転対称軸方向と平行となるように取り付けられたことを特徴とする回転体。
【００６０】
第９の発明は、｛１００｝面を表面として持つ単結晶半導体基板の一主面である素子形成面に、  
ｐ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［−１１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１１０］方向が長手方向となるものと、［０１０］方向もしくは［−１００］が長手方向となるものを接続して形成されたことを特徴とするセンサデバイスと、  
ｎ型不純物拡散層の抵抗から構成されるホイートストンブリッジ回路を有し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺が半導体単結晶の［０１０］方向が長手方向となるように形成され、他の２辺が半導体単結晶の［１００］方向が長手方向となるように形成されたことを特徴とするセンサデバイスとを具備し、  
該単結晶半導体基板の［１１０］方向が回転体の回転対称軸方向と平行となるように、該単結晶半導体基板が取り付けられたことを特徴とする回転体。
【００６１】
第１０の発明は、第７の発明ないし第９の発明の回転体を具備し、該回転体に該センサデバイスからの信号の処理部と無線部を有することを特徴とする計測システム。
【００６２】
第１１の発明は、第５の発明、もしくは第６の発明のセンサデバイスと、該センサデバイスからの信号の処理部と、回転体と、を少なくとも具備した計測システムであって、該センサデバイスのデジタルスイッチと該センサデバイスからの信号の処理部が結線されていることを特徴とする計測システム。
【００６３】
第１２の発明は、単結晶半導体基板の平坦な結晶面にホイートストンブリッジ回路を形成したセンサデバイスであって、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、少なくとも１辺の抵抗が不純物拡散層で形成され、センサデバイスを曲げたときに生じる前記不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗を、前記４辺の抵抗のいずれかに接続可能となるよう形成したことを特徴とするセンサデバイス。
【００６４】
第１２の発明によれば、単結晶半導体基板の平坦な結晶面に、ホイートストンブリッジ回路を形成したセンサデバイスにおいて、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、少なくとも１辺の抵抗が不純物拡散層で形成されているので、センサデバイスに応力が発生すると、ピエゾ抵抗効果により不純物拡散層の抵抗値が大きく変化する。その結果、ホイートストンブリッジ回路により、発生した応力を測定することができる。このセンサデバイスを回転軸のような曲面に取り付ける場合は、センサデバイスを曲面に沿って曲げることが必要となる。センサデバイスを曲げると、ホイートストンブリッジ回路を構成する不純物拡散層の抵抗値が、増加、あるいは減少する場合がある。その場合、不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗を、前記４辺の抵抗のいずれかに接続可能となるよう、単結晶半導体基板の平坦な結晶面に形成しているので、センサデバイスを曲げた場合に、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００６５】
第１３の発明は、単結晶半導体基板の平坦な結晶面に、４辺ともｐ型不純物拡散層、または４辺ともn型の不純物拡散層を抵抗として用いるホイートストンブリッジ回路を形成し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺の抵抗が、第１の不純物拡散層を有し、その長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の第１の方向とするものであり、他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の抵抗層とを接続して形成され、第２の不純物拡散層の長手方向を、半導体単結晶の前記第１の方向と垂直な第２の方向とすることを特徴とするセンサデバイス。
【００６６】
このように、ホイートストンブリッジ回路の４辺の抵抗を、４辺ともｐ型不純物拡散層、または４辺ともn型の不純物拡散層を用いて構成し、対向する２辺の抵抗の長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の第１の方向とし、他の２辺の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と垂直な第２の方向としてるので、センサデバイスに一方向の応力が発生した場合に、ホイートストンブリッジ回路の対抗する２辺の抵抗値変化が、他の２辺の抵抗値変化と正負逆の出力を生じるように構成可能となる。その結果、ホイートストンブリッジ回路の１辺のみを不純物拡散層とした場合に比べて、ホイートストンブリッジ回路出力の感度が大きくなり、小さい応力を測定することができる。そして、前記他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の抵抗層とを接続して形成されているので、センサデバイスを曲げた場合に、前記第３の抵抗層が、不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗として働き、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。前記第３の抵抗層は、不純物拡散層であってもよいし、そうでなくてもよい。
【００６７】
第１４の発明は、単結晶半導体基板の平坦な結晶面に、４辺ともｐ型不純物拡散層、または４辺ともn型の不純物拡散層を抵抗として用いるホイートストンブリッジ回路を形成し、該ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺の抵抗のうち、対向する２辺の抵抗が、第１の不純物拡散層を有し、その長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の第１の方向とするものであり、他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の不純物拡散層とを接続して形成され、第２の不純物拡散層の長手方向を、半導体単結晶の前記第１の方向と垂直な第２の方向とし、第３の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と前記第２の方向の間の第３の方向とすることを特徴とするセンサデバイス。
【００６８】
このように、ホイートストンブリッジ回路の４辺の抵抗を、４辺ともｐ型不純物拡散層、または４辺ともn型の不純物拡散層として構成し、対向する２辺の抵抗が第１の不純物拡散層で形成され、該第１の不純物拡散層の長手方向を、半導体単結晶の結晶軸の第１の方向とし、他の２辺の抵抗が、第２の不純物拡散層と第３の不純物拡散層とを接続して形成され、第２の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と垂直な第２の方向とし、第３の不純物拡散層の長手方向を、前記第１の方向と前記第２の方向の間の第３の方向としているので、センサデバイスを曲げた場合に、前記第３の不純物拡散層が、不純物拡散層の抵抗値の変化分を補償するための抵抗として働き、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することができる。
【００６９】
特に、第３の不純物拡散層の長手方向である前記第３の方向を、前記第１の方向と前記第２の方向の間のちょうど中間の方向とした場合は、センサデバイスに応力が生じた場合に、第３の不純物拡散層に起こる抵抗値の変化を抑制することができる。すなわち、センサデバイスに前記第１の方向の応力が生じても、あるいは、センサデバイスの曲げの程度を変えても、第３の不純物拡散層の抵抗値を一定に保つことができる。したがって、センサデバイスの曲げの程度を変えても、ホイートストンブリッジ回路の出力オフセットを抑制することが容易となり、また、センサデバイスに生じた応力の大きさに関わらず、ホイートストンブリッジ回路出力の感度、すなわちセンサ感度を一定にすることが容易となる。
【００７０】
第１５の発明は、第１の発明、第２の発明、第１２の発明、第１３の発明もしくは第１４の発明のセンサデバイスと、該センサデバイスが取り付けられた弁棒と、センサデバイスからのセンサ出力情報を送信する送信部と、センサ出力情報を受信する受信部と、受信されたセンサ出力情報に基づいて制御を行う制御部とを具備することを特徴とする弁装置の監視システム。
【符号の説明】
【００７１】
１…シリコンチップ、２…シリコン基板、３…不純物拡散抵抗、４…ブリッジ回路、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ…ｐ型不純物拡散抵抗、６…回転軸、７…パッド、８…ジャンパ線、９…軸力センサ、１０…トルクセンサ、１１…デジタルスイッチ、１２…Ａ／Ｄコンバータ、１３…ＣＰＵ、１４…無線部、１０２…シリコンチップ、１０３…送信部、１０９…バルブヨーク、１１０…弁棒、１１１…モータ、１１２…弁箱、１１３…弁駆動ギア、１１９…受信部、１２０…表示制御部、１２１…ＬＡＮ。
【図１】
2010197219.tif 000003
【図２】
2010197219.tif 000004
【図３】
2010197219.tif 000005
【図４】
2010197219.tif 000006
【図５】
2010197219.tif 000007
【図６】
2010197219.tif 000008
【図７】
2010197219.tif 000009
【図８】
2010197219.tif 000010
【図９】
2010197219.tif 000011
【図１０】
2010197219.tif 000012
【図１１】
2010197219.tif 000013
【図１２】
2010197219.tif 000014
【図１３】
2010197219.tif 000015