(57)【要約】      （修正有）【課題】単一方形シリコン（ＳＳＳ）センサを使用し、典型的なホイートストンブリッジセンサの複雑さを低減すること、圧力感度を高めてオンチップ電圧を減少し、平均電力使用を低減すること、および圧力測定値と温度測定値との間の温度勾配を低減することができる。【解決手段】本発明のセンサは、電流の流れが検出素子３２に対して接線方向であるときに接線方向抵抗Ｒｔを有し、電流の流れが検出素子に対して半径方向であるときに半径方向抵抗Ｒｒを有する単一の検出素子を備え、検出素子が定電流源を用いて稼働されるとき、前記接線方向抵抗と前記半径方向抵抗との差が、前記検出素子に供給された圧力の測定値であり、前記接線方向抵抗と前記半径方向抵抗との和が、前記検出素子の周囲温度の測定値である。【選択図】図３
2008122336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流の流れが検出素子に対して接線方向であるときに接線方向抵抗を有し、電流の流れが検出素子に対して半径方向であるときに半径方向抵抗を有する単一の検出素子を備えるセンサであって、
前記検出素子が定電流源を用いて稼働されるとき、前記接線方向抵抗と前記半径方向抵抗との差が、前記検出素子に供給された圧力の測定値であり、前記接線方向抵抗と前記半径方向抵抗との和が、前記検出素子の周囲温度の測定値であるセンサ。
【請求項２】
前記単一検出素子は、方形素子の各隅から三角形隅部分が除去された方形素子として構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記単一検出素子は、方形素子の各隅から方形部分が除去された方形素子として構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記検出素子は圧電抵抗素子である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
さらにダイアフラムを備え、前記単一検出素子は前記ダイアフラムの縁部に注入される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記単一検出素子は、バルクシリコンベースのイオン注入型センサである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記単一検出素子は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ベースのイオン注入型センサである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記半径方向抵抗は、第１および第２のリードアウト抵抗器を含み、前記接線方向抵抗は、第３および第４のリードアウト抵抗器を含み、前記第１および第２のリードアウト抵抗器は、前記単一方形シリコン素子にわたって半径方向に直列であり、前記第３および第４のリードアウト抵抗器は、前記単一方形シリコン素子にわたって接線方向に直列である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記第１、第２、第３、および第４のリードアウト抵抗器は、低い面積抵抗率（Ｒｓ）と低い正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）とを有する重注入素子である、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記単一方形シリコン素子は、高い面積抵抗率（Ｒｓ）と高い正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）とを有する軽注入素子である、請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に圧力および温度センサに関し、より詳細には、半径方向抵抗器と接線方向抵抗器との両方として素子の圧電抵抗を検出することができる圧電抵抗素子の共通構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの圧電抵抗圧力センサが、検出された圧力に比例する差分電圧出力を提供するために、定電圧源によって電力供給される従来のフル（４アーム）ホイートストンブリッジ機構を採用している。約０．０１２％フルスケール（ＦＳ）以上の精度（非補償可能誤差の和と定義される）および製品の寿命にわたる約０．０２％ＦＳ以上の長期安定性を提供することがある高性能センサは、オンチップ・フルホイートストン温度ブリッジを含むこともできる。次いで、温度出力を使用して、例えばマイクロプロセッサベースの電子回路を用いて圧力出力を補償して較正することができる。したがって、圧力ホイートストンブリッジ機構と温度ホイートストンブリッジ機構との両方を含む高性能センサは、同じチップ上に２つの別個の構成を含む。
【０００３】
フルブリッジ機構は、イオン注入型抵抗器を使用することがある。例えば、フルホイートストン温度ブリッジは、ホイートストンブリッジの一組の対向アームにおいて高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）の軽注入素子を利用し、温度に比例する出力を提供するホイートストンブリッジのもう一組の対向アームにおいて低いＴＣＲの重注入素子を利用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、フルブリッジ機構は、非比率計誤差、起動ドリフト、熱履歴、および時間依存高温誘導ドリフト（ＨＴＮＲ）など非補償可能誤差の影響を受けやすいことがある。これらの誤差は、以下のものの１つまたは複数に関係付けられることがある。ホイートストンブリッジの底部と比較したホイートストンブリッジの上部での素子の電圧感度の差、電界が存在するとき、または存在しないときのイオン汚染物質の移動、およびセンサ電圧源の大きさである。
【０００５】
さらに、多くのセンサは、外部演算増幅器と共に使用するためのオンチップ注入型フィードバックおよびバイアス抵抗器も提供する。しかし、この水準の複雑さは、実施するために計１６個の素子について７個の重注入素子と最大９個の軽注入素子とを必要とすることがあり、さらに、ガラス対金属気密シールを有する最大１１個のピンを必要とするセンサパッケージを必要とすることがあり、これらは全て製品にコストを追加する。
【０００６】
その結果、既存の高性能センサは、圧力検出と温度検出との両方を可能にするために複雑な構成を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下に説明される実施形態において、単一検出素子を含むセンサが提供される。単一検出素子は、電流の流れが検出素子に対して接線方向であるときに接線方向抵抗を有し、電流の流れが検出素子に対して半径方向であるときに半径方向抵抗を有する。検出素子が定電流源を用いて稼働されるとき、接線方向抵抗と半径方向抵抗との差は、検出素子に供給された圧力の測定値であり、接線方向抵抗と半径方向抵抗との和は、検出素子の周囲温度の測定値である。
【０００８】
一実施形態では、単一検出素子が方形シリコン素子であり、この素子は、電流の流れが単一方形シリコン素子に対して接線方向であるときに接線方向抵抗を有し、電流の流れが単一方形シリコン素子に対して半径方向であるときに半径方向抵抗を有する。単一方形シリコン素子を通る電流の方向を変えることによって、接線方向抵抗にわたる接線方向電圧および半径方向抵抗にわたる半径方向電圧を測定して、単一方形シリコン素子に供給された圧力の大きさを求めることができ、かつ単一方形シリコン素子の周囲温度の大きさを求めることができる。
【０００９】
その結果、以下に説明される実施形態において、検出素子の半径方向抵抗と接線方向抵抗との差は、印加された圧力に比例し、半径方向抵抗と接線方向抵抗との和は、半径方向抵抗と接線方向抵抗との圧力感度がほぼ等しくかつ逆であるときには、周囲温度に比例し、また印加された圧力とは無関係である。
【００１０】
これらおよびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を、添付図面を適宜参照しながら読むことによって当業者に明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
一実施形態では、１つの圧電抵抗圧力／温度検出素子が、素子のダイアフラムの縁部に位置された単一の軽注入方形として構成され、検出される圧力と温度との両方に関する出力を生成することができる。圧電検出素子は、定電流がダイアフラムに対して半径方向に素子を通って伝導されるとき、圧電抵抗半径方向素子として動作することができる。逆に、圧電検出素子は、定電流がダイアフラムの縁部に対して接線方向に素子を通って導電されるとき、圧電抵抗接線方向素子として動作することができる。半径方向抵抗と接線方向抵抗との差、およびそれに対応する電圧降下の差は、供給された圧力に比例し、一方、これら２つの抵抗の和は、例えば半径方向抵抗と接線方向抵抗との圧力感度が公称で等しくかつ逆であるときには、温度の関数であり、供給された圧力とは無関係である。
【００１２】
したがって、一実施形態では、単一の圧電抵抗素子が、半径方向圧電抵抗器（Ｒｒ）と接線方向圧電抵抗器（Ｒｔ）との両方として稼働されることがあり、定電流源を用いて稼働されるとき、ＲｒとＲｔの差は圧力の測定値であり、ＲｒとＲｔの和は温度の測定値である。このようにして、単一の圧電抵抗素子が、定電圧フル（４アーム）ホイートストン圧力ブリッジと定電圧フル（４アーム）ホイートストン温度ブリッジとの両方によって提供されるのと同様の機能を提供することができる。
Ｉ．単一方形シリコン（ＳＳＳ）センサ
ここで図面、特に図１を参照すると、ＳＳＳセンサの概念を利用する圧電抵抗センサ１０の一実施形態が例示されている。図１の圧電抵抗センサ１０および本明細書で説明する他の構成は、単に例として記載されており、製造上の選好によっては、他の構成および素子を代わりに使用することもでき、いくつかの素子を完全に省くこともできることを理解されたい。
【００１３】
圧電抵抗センサ１０は、定電流源１２を含み、定電流源１２が、センサチップ１４上に位置された単一方形シリコン（ＳＳＳ）圧電抵抗検出素子１６を駆動する。定電流源１２は、例えば１ｍＡの電流を提供することがある。２つの３段スイッチ（通常は開いている）が、電流源１２をチップ１４に接続する。図示されるように、第１のスイッチＳＷ１は、ノード２および４で定電流源１２をＳＳＳ検出素子１６に接続し、またノード２をノード５に接続する。第２のスイッチＳＷ２は、ノード１および３で定電流源１２をＳＳＳ検出素子１６に接続し、またノード１をノード５に接続する。スイッチＳＷ１およびＳＷ２は、例えばセンサチップ１４自体の上に集積することもできる。
【００１４】
センサチップ１４のノード５が、シリコンチップのｎ型エピタキシャル（ｎ−ｅｐｉ）層に接続することに留意されたい。例えば、バルクシリコンセンサでは、ｐ型圧電抵抗器がｎ−ｅｐｉ層内にイオン注入され、または拡散され、それによりｐｎ接合を形成する。ｐｎ接合で逆バイアスを維持するために、ＳＷ１が閉じられるときにはノード５がノード２に接続され、ＳＷ２が閉じられるときにノード５がノード１に接続される。シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）センサでは、絶縁層が圧電抵抗器をｎ−ｅｐｉ層から離し、これはｐｎ接合をなくす。したがって、ＳＯＩセンサでは、ノード５は開いたままであってよい。
【００１５】
センサチップ１４は、固体デバイスであってよい。センサチップ１４は、単一方形シリコン（ＳＳＳ）圧電抵抗素子１６を含み、この素子１６が、供給された圧力と周囲温度との両方を検出する。ＳＳＳ素子１６は２つの入力を有する。すなわち、一方の入力は、ＳＷ２が閉じられたときにリード１８（ノード１）から入力されて、リード２２（ノード３）を通して戻される定電流であり、他方の入力は、ＳＷ１が閉じられたときにリード２０（ノード２）から入力されて、リード２４（ノード４）を通して戻される定電流である。それに応じて、ＳＳＳ素子１６は２つの出力を有する。すなわち、一方の出力は、ＳＷ２が閉じられたときの、ノード１とノード３との間の半径方向電圧出力（Ｖｒ）であり、他方の出力は、ＳＷ１が閉じられたときの、ノード２とノード４との間の接線方向電圧出力（Ｖｔ）である。
【００１６】
また、センサチップ１４は、ダイアフラムを含むこともあり、ダイアフラムの上に（例えばダイアフラムの縁部の近くに）ＳＳＳ素子１６が取り付けられる。圧力がダイアフラムに供給されるとき、センサチップ１４の格子構造が応力を受け、（１）接線方向応力の変化に比例するＳＳＳ素子１６の接線方向圧電抵抗の変化を生じ、かつ（２）半径方向応力の変化に比例し、接線方向抵抗の変化とは逆の極性をもつＳＳＳ素子１６の半径方向圧電抵抗の変化を生じる。ＳＳＳ素子１６が共通の定電流源によって稼働されるので、接線方向電圧出力測定値と半径方向電圧出力測定値との差は、供給された圧力の差に直接比例する。
【００１７】
定温での印加圧力による接線方向電圧と半径方向電圧との変化の大きさが等しく、しかし極性が逆であるという条件では、接線方向電圧と半径方向電圧との和が、検出された温度に直接比例する。さらに、検出された温度は、共通圧電抵抗器素子の抵抗温度係数（ＴＣＲ）に直接比例する。圧力電圧と温度電圧とが、同じ共通素子から記録される同じ測定値（例えば接線方向および半径方向電圧）から求められるので、ＳＳＳセンサは、圧力と温度とを測定するための別個のフルブリッジ構成を使用する従来のセンサに関して存在する圧力出力と温度出力との間の任意の温度勾配を低減する、またはなくすことに留意されたい。さらに、温度の変化に対する圧力測定値と温度測定値との時間応答は、（共通の検出素子により）ＳＳＳセンサに関しては同一であり、一方、従来のセンサに関しては同一でないことがある。これらの特徴は、温度移行中のセンサの精度を高める。
【００１８】
図２に、概念上の検出素子３０の一例を例示する。概念上の検出素子３０は、検出素子３２を含み、検出素子３２は、適宜に配置された半径方向抵抗器（Ｒｒ）および接線方向抵抗器（Ｒｔ）としてモデル化することができる。半径方向電圧（Ｖｒ）は、リードアウト抵抗器３４、３６および半径方向抵抗器（Ｒｒ）にわたって測定することができる。同様に、接線方向電圧（Ｖｔ）は、リードアウト抵抗器３８、４０および接線方向抵抗器（Ｒｔ）にわたって測定することができる。
【００１９】
リードアウト抵抗器は、ダイアフラムの外の金属接点をダイアフラム上の検出素子に接続するための、圧電抵抗素子と直列な抵抗器である。半径方向電圧と接線方向電圧との差を、ダイアフラムにわたるゼロ印加差圧で公称でゼロにすることが望ましい場合、抵抗器３４と３６のリードアウト抵抗の和が、抵抗器３８と４０のリードアウト抵抗の和に等しくなるように設計される。共通の圧電抵抗検出素子３２（Ｒｒ，Ｒｔ）は、リードアウト抵抗器３４、３６、３８、および４０に比べて高い面積抵抗率（Ｒｓ）およびそれに関連する高い正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有することがある。また、圧電検出素子３２は、本質的に、高い負の感度温度係数（ＴＣＳ）を有する。シリコンベースのイオン注入型センサに関して、高いＲｓ、高いＴＣＲの抵抗器は「軽」注入素子と呼ばれ、低いＲｓ、低いＴＣＲの素子は「重」注入素子と呼ばれることに留意されたい。例えば、検出素子３２のＲｓは８６０〜２４００Ω／平方の範囲となることがあり、典型的なＴＣＲは２５℃で２６００ｐｐｍ／℃であり、一方、リードアウト抵抗器のＲｓは１２０〜３１０Ω／平方の範囲となることがあり、典型的なＴＣＲは２５℃で６００ｐｐｍ／℃である。定電流モードで稼働されるとき、センサ抵抗の正のＴＣＲが、検出素子にわたる電圧の増加をもたらし、これが検出素子の負のＴＣＳを補償する。
【００２０】
動作時、以下に述べるように、一時点では、接線方向または半径方向抵抗器ネットワークのみが活性状態となる。概念上の検出素子は、圧力ホイートストンブリッジ構成と温度ホイートストンブリッジ構成との両方を含むフルホイートストンブリッジ構成と同様の機能を提供する。
【００２１】
図３は、センサチップ１４の拡大描写図の一例を示す。ＳＳＳセンサ素子１６がダイアフラム４２に取り付けられ、ダイアフラム４２は、例えばセンサチップ１４の背面にキャビティを電気化学的にエッチングすることによって形成される。ダイアフラム４２の直径は、直径４４によって示される。直径４６は、センサチップ１４の背面に開いたキャビティの直径を示す。図示されるように、ＳＳＳセンサ素子１６は、ダイアフラム４２の外縁部の近くに位置されることがある。可撓膜の最大応力がダイアフラム４２の縁部４４で生じることがあり、したがってＳＳＳセンサ素子１６は、半径方向および接線方向応力を最大にして、それと同時に両方の応力の大きさを公称で等しくするように配置することができる。
【００２２】
ダイアフラム４２への供給圧力がダイアフラム４２の可撓膜を撓ませ、膜でのこれらの応力がＳＳＳセンサ素子１６の抵抗を変える。ＳＳＳセンサ素子１６の抵抗のそのような変化は、供給圧力に比例するＳＳＳチップ１４の半径方向および接線方向出力電圧の変化をもたらす。例えば、ゼロ圧力から定義フルスケール圧力へのダイアフラムにわたる供給圧力の変化は、２５℃の温度条件で、ＳＳＳセンサ素子１６の半径方向および接線方向抵抗の５％〜１５％の範囲内の対応する典型的な変化をもたらす。フルスケール圧力がチップの表側に供給されて、ダイアフラム４２を下方向に曲げる場合、半径方向圧電抵抗の値は増加し、接線方向圧電抵抗の値は減少する。逆に、フルスケール圧力がチップの裏側（キャビティ側）に供給されて、ダイアフラム４２を上方向に曲げる場合、半径方向圧電抵抗の値は減少し、接線方向圧電抵抗の値は増加する。ダイアフラム４２の厚さおよび直径、例えばダイアフラムの縦横比は、特定のフルスケール供給圧力に関してある決まった撓みを生じるように選択することができ、これが次いで検出素子の圧電抵抗のある決まったパーセント変化をもたらす。例えば、厚いダイアフラムは、供給圧力によるＳＳＳチップ１４での小さなパーセンテージの抵抗変化をもたらすことがあり、薄いダイアフラムは、供給圧力によるＳＳＳチップ１４での大きなパーセンテージの抵抗変化をもたらすことがある。この例では、半径方向検出素子と接線方向検出素子とのフルスケール抵抗変化の大きさは、等しくかつ逆になるように定義され、例としては２５℃で１０％の値（すなわちｄＲ／Ｒ＝０．１０）をもつ。ｄＲ／Ｒは、圧電抵抗器素子のゲージ率と定義される。
【００２３】
さらに、別の例では、ＳＳＳセンサ素子１６は、図３Ａに示されるように、追加のＳＳＳセンサ素子１６をダイアフラムから離してセンサチップ１４の厚い部分に配置することによって、静圧を検出するために使用されることがある。例えば工業管理など高い共通モードまたは静圧範囲で低い差圧測定値を必要とする適用例では、差圧測定値は、静圧に対してもいくらかの感度を有することがあり、したがって差分測定値を補正するために静圧測定値が必要とされることがある。
ＩＩ．単一方形シリコン（ＳＳＳ）センサ動作
図４は、共通検出素子を使用して圧力および温度を測定するための方法の機能ブロックの一例を示す流れ図である。例えば図１に例示されるように、共通検出素子は、センサチップ１４のＳＳＳセンサ素子１６であってよい。そのような例では、共通検出素子は、電流の流れが共通検出素子に対して接線方向であるときに接線方向抵抗を有し、電流の流れが共通検出素子に対して半径方向であるときに半径方向抵抗を有する。ブロック５０に示されるように、初めに、定電流が接線方向で共通検出素子を通して供給される。次いで、ブロック５２に示されるように、接線方向抵抗にわたる接線方向電圧を測定して記憶することができる。次に、ブロック５４に示されるように、定電流が半径方向で共通検出素子を通して供給される。次いで、ブロック５６に示されるように、半径方向抵抗にわたる半径方向電圧を測定することができる。続いて、それぞれブロック５８および６０に示されるように、接線方向電圧および半径方向電圧を使用して、共通検出素子に印加された圧力の大きさに比例する電圧の大きさ、および共通検出素子の周囲温度に比例する電圧の大きさを求めることができる。
【００２４】
特に、図１を参照すると、ＳＳＳチップ１４が電流源１２によって駆動されるとき、ＳＳＳチップ１４の出力は、検出素子１０に供給された圧力または温度に関連付けることができる。方形シリコン素子１６にわたって２つの抵抗を測定することができる。電流の流れが方形１６に対して接線方向である条件に関する抵抗は、接線方向抵抗Ｒｔと定義される。この条件は、ＳＷ１が閉じてＳＷ２が開いているときに当てはまる。逆に、電流の流れが方形１６に対して半径方向である条件に関する抵抗は、半径方向抵抗Ｒｒと定義される。この条件は、ＳＷ２が閉じてＳＷ１が開いているときに当てはまる。したがって、電圧Ｖｔは、ノード２からノード４で以下のようになる。
【００２５】
【数１】
2008122336.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｉｃｃは、定電流源から供給される電流であり、ｄＲｔ／Ｒｔは、接線方向圧電抵抗ゲージ率である。
同様に、電圧Ｖｒは、ノード１からノード３で以下のようになる。
【００２７】
【数２】
2008122336.tif 000004
【００２８】
ここで、ｄＲｒ／Ｒｒは半径方向圧電抵抗ゲージ率である。
Ｒｔ＝Ｒｒ＝Ｒ０であり、かつ
【００２９】
【数３】
2008122336.tif 000005
【００３０】
であるという条件では、圧力に比例する差分電圧ｄＶは、以下のようにＶｔとＶｒの差である。
【００３１】
【数４】
2008122336.tif 000006
【００３２】
ここで、（Ｒ０Ｉｃｃ）＝Ｖｃｍは、圧力＝０の条件で、接線方向動作モードと半径方向動作モードとの両方に関するＳＳＳチップ１４にわたる共通モード電圧降下である。一例として、Ｒ０＝２．５ｋΩおよびＩｃｃ＝ＩｍＡに関して、Ｖｃｍ＝２．５Ｖである。したがって、ＳＳＳチップ１４への供給圧力は、ＳＳＳ素子１６にわたって測定される接線方向電圧と半径方向電圧との差に比例する。
【００３３】
Ｖｃｍが電流源１２のＶｒｅｆ電圧の半分となるように設計される場合、式（３）が以下のようになることに留意されたい。
【００３４】
【数５】
2008122336.tif 000007
【００３５】
式（４）は、Ｖｒｅｆの定電圧源を用いて動作するフルホイートストンブリッジ圧力センサ構成のものである。したがって、検出素子１０は、フルホイートストンブリッジセンサと同じ圧力電圧出力を提供することができ、しかし、例えば４つではなく単一の圧電抵抗素子を用いてそれを達成する。
【００３６】
さらに、ＳＳＳチップ１４の出力は、検出素子１０の周囲温度と関連付けることもできる。ＶＴとして表される温度信号は、上の式（１）および（２）で定義されるＶｔとＶｒの和と定義される。したがって、ＶＴは、以下のように定義される。
【００３７】
【数６】
2008122336.tif 000008
【００３８】
｜ｄＲｔ｜＝｜ｄＲｒ｜に関して、ＶＴ（Ｔ）は、
ＶＴ（Ｔ）＝［Ｒｒ（Ｔ）＋Ｒｔ（Ｔ）］Ｉｃｃ      式（６）
となり、このときＶＴは圧力とは無関係である。したがって、ＳＳＳチップ１４の周囲温度は、ＳＳＳ素子１６にわたって測定される接線方向電圧と半径方向電圧との和に比例する。
【００３９】
したがって、圧力と温度との両方を測定するために同一の共通検出素子、例えばＳＳＳ素子１６を使用することは、どちらに関しても同じ素子の同じ測定値が使用されるので、圧力信号と温度信号との間の任意の温度勾配を低減する、またはなくす。例えば、圧力測定値と温度測定値とが同一の検出素子から生じたものであるので、温度測定値を用いた圧力測定値の補償がより正確になることがある。
ＩＩＩ．ＳＳＳセンサの例示的なレイアウト
図５Ａ〜５Ｃは、ダイアフラムにわたる差圧を検出するための、様々なダイアフラム直径に関するＳＳＳセンサセルの例示的なレイアウトを示す。図５Ａ〜５Ｃで、オンチップ相互接続および結合パッドは図示されていない。
【００４０】
図５Ａは、１つの単一方形シリコン（ＳＳＳ）セルを有する単一ユニット設計の一例を示す。この例では、センサチップは、直径０．１０１６ｃｍ（４０ミル）のダイアフラムを含む０．３３０２ｃｍ（１３０ミル）平方チップである。Ｒ１０＝２．８ｋΩ、Ｒ２０＝２．８ｋΩ、およびＩｃｃ＝０．８９３ｍＡの定電流源を用いた単一ユニット設計は、以下の出力を有する。
【００４１】
【表１】
2008122336.tif 000009
【００４２】
一実施形態では、定電流源１２の大きさは、ＳＳＳセンサ素子１４にわたる電圧降下をゼロ圧力および２５℃で約２．５Ｖに設定する値であり、これは、ＳＳＳチップ電位を、典型的なフルブリッジ構成に必要とされる電位の半分に低減する。例えば１０％デューティサイクルで行われることがあるチップ電圧のこの低減は、電圧効果および汚染物質のイオン移動に関連付けられる誤差、例えば比率計誤差、起動ドリフトおよび時間依存高温ドリフトなどを低減することができる。
【００４３】
定電流源１２が、例えば１０％デューティサイクルで半径方向抵抗と接線方向抵抗との間で切り替えられる場合、平均電流、したがって電力消費は、典型的なフルホイートストンブリッジ構成のものに匹敵することがある。しかし、定電流源１２は、望みに合わせて任意の周波数または任意のデューティサイクルで切り替えることができる。
【００４４】
図５Ｂは、ダイアフラムの対向する縁部に埋め込まれた２つの単一方形シリコンを有する２ユニット設計の一例を示す。この例では、チップは０．３３０２ｃｍ（１３０ミル）平方であり、直径０．１０１６ｃｍ（４０ミル）のダイアフラムを含む。２つの個別の単一ユニットは、直列または並列に接続することができる。適用例がより高い入力インピーダンスを必要とする場合、個別の単一センサユニットが直列に接続されることがある。逆に、適用例がより低い入力抵抗を必要とする場合、個別の単一センサユニットが並列に接続されることがある。いくつかの適用例は電気的冗長性を必要とすることがあり、この場合、２つの個別の単一センサユニットは電気的に別個に稼働されることがあり、しかし共有の共通ダイアフラムを有する。各単一ユニットに関してＲ１０＝２．８ｋΩおよびＲ２０＝２．８ｋΩを有し、かつ上の表１で定義されるパラメータを用いた２ユニットチップ設計は、以下のパラメータおよび出力を有する。
【００４５】
【表２】
2008122336.tif 000010
【００４６】
並列接続に関する定電流Ｉｃｃを直列接続の４倍に設定すると、同じ条件に関して全ての出力が同じになることに留意されたい。
図５Ｃは、ダイアフラム上に並べて取り付けられた４つの単一方形シリコンチップを有する４ユニット設計の一例を示す。この例では、チップは、直径０．２０３２ｃｍ（８０ミル）のダイアフラムを含む０．３３０２ｃｍ（１３０ミル）平方チップである。４つの個別の単一ユニットは、直列または並列に接続することができる。適用例が高い入力インピーダンスを必要とする場合、４つの個別の単一センサユニットが直列に接続されることがある。逆に、適用例が低い入力抵抗を必要とする場合、個別の単一センサユニットが並列に接続されることがある。いくつかの適用例は電気的な冗長性を必要とすることがあり、これらの場合には、４つの個別の単一センサユニットが電気的に別個に稼働されることがあり、四重冗長性を提供し、しかし共通のダイアフラムを共有する。各単一ユニットに関してＲ１０＝２．８ｋΩおよびＲ２０＝２．８ｋΩを有する４ユニットチップ設計は、以下のパラメータおよび出力を有する。
【００４７】
【表３】
2008122336.tif 000011
【００４８】
並列接続に関する定電流（Ｉｃｃ）を直列接続の６倍に設定すると、同じ条件に関して全ての出力が同じになることに留意されたい。
ＩＶ．バルクシリコンＳＳＳセンサの性能特性
ＳＳＳセンサチップは、例えばバルクシリコンまたはシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上のフルホイートストンブリッジ構成でのセンサなど従来のセンサを製造するために現在使用されているものと同様のプロセスを使用して製造されることがある。
【００４９】
圧力および温度にわたるバルクシリコンベースのイオン注入型センサの性能は、２５℃に関する温度の関数としての軽注入素子（ＲｒおよびＲｔ）の抵抗変化によって見定めることができ、それぞれ比率Ｒｒ（Ｔ）／Ｒｒ（２５℃）および比率Ｒｔ（Ｔ）／Ｒｔ（２５℃）と表すことができる。これは、以下の５次多項式（Ｋ１（Ｔ）と表される）によって定義することができる。
【００５０】
Ｋ１（Ｔ）＝（５．９０２９Ｅ−１３）Ｔ５＋（５．０９７３Ｅ−１１）Ｔ４−（３．６０９５Ｅ−０８）Ｔ３＋（９．２８８０Ｅ−０６）Ｔ２＋（２．３４６１Ｅ−０３）Ｔ＋（０．９３６４７）            式（７）
また、センサの性能は、２５℃に関する温度の関数としての重注入素子（抵抗器３４（Ｒ３４）、３６（Ｒ３６）、３８（Ｒ３８）、および４０（Ｒ４０））の抵抗変化によって推定することもでき、それぞれ比率Ｒ３４（Ｔ）／Ｒ３４（２５℃）、比率Ｒ３６（Ｔ）／Ｒ３６（２５℃）、比率Ｒ３８（Ｔ）／Ｒ３８（２５℃）、および比率Ｒ４０（Ｔ）／Ｒ４０（２５℃）と表すことができ、これは、以下の５次多項式（Ｋ２（Ｔ）と表される）によって特徴付けることができる。
【００５１】
Ｋ２（Ｔ）＝（１．３９０５Ｅ−１３）Ｔ５＋（６．５７７Ｅ−１１）Ｔ４−（２．７４７２Ｅ−０８）Ｔ３＋（７．６１４６Ｅ−０６）Ｔ２＋（１．０４５０Ｅ−０４）Ｔ＋（０．９９３０７）            式（８）
２５度に関する温度の関数としての圧電抵抗器素子（ＲｒおよびＲｔ）の定電圧（ＣＶ）圧力感度またはＣＶスパン（比率Ｓｐａｎ（Ｔ）／Ｓｐａｎ（２５℃）と表される）は、以下の多項式（Ｋ３（Ｔ）と表される）によって定義することができる。
【００５２】
Ｋ３（Ｔ）＝−（１．１６４５１Ｅ−１３）Ｔ５＋（９．６４１３６Ｅ−１１）Ｔ４−（２．９０６５５Ｅ−０８）Ｔ３＋（７．９２１７９Ｅ−０６）Ｔ２−（２．５７６９１Ｅ−０３）Ｔ＋（１．０５９８６）            式（９）
−５５℃から＋１２５℃の温度範囲にわたるＫ１（Ｔ）、Ｋ２（Ｔ）、およびＫ３（Ｔ）の例示プロットが、図６に示されている。
【００５３】
バルクベースのシリコンセンサでは、ｐ型センサ素子がｎ型エピタキシャル（ｎ−ｅｐｉ）層に注入され、したがってｐｎ接合が形成される。ｎ−ｅｐｉ層は通常、ｐｎ接合で逆バイアスを提供する励起電圧の正の側につながれる。逆バイアスにより、接合の漏れ電流の影響が約１０℃ごとに倍になり、したがって上側動作温度範囲は通常＋１２５℃に制限される。ＳＯＩセンサでは、ｐ型センサ素子が絶縁層の上に製造され、これはｐｎ接合をなくす。したがって、ＳＯＩベースのセンサに関する上側動作温度は、バルクベースのセンサよりも高くすることができる。
【００５４】
このバルクシリコンの例では、「軽」注入抵抗（Ｋ１）のドーパント濃度は、立方センチメートル当たり公称で３×１０＾１７イオンであり、これは、図６に示されるように高い正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）をもたらす。ＴＣＲは、２５℃で約２６００ｐｐｍ／℃であり、温度の増加に伴って徐々に増加を示す。
【００５５】
「重」注入抵抗（Ｋ２）のドーパント濃度は、この例では、立方センチメートル当たり公称で１×１０＾１９イオンであり、これは、図６に示されるように低い正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）をもたらす。ＴＣＲは、２５℃で約６００ｐｐｍ／℃であり、やはり温度の増加に伴って徐々に増加を示す。しかし、ＴＣＲは、約−１０℃で０ｐｐｍ／℃になり、次いで−５５℃から−１０℃で低い負のＴＣＲ特性を示す。
【００５６】
圧電素子の正規化された圧力感度（Ｋ３）（ΔＲ／Ｒ（Ｔ）／ΔＲ／Ｒ（２５℃）と定義される）は、この例では、図６に示されるように負の感度温度係数（ＴＣＳ）を有する。圧電素子にわたる定電圧の場合の典型的な感度変化は、約−０．２５％／℃、すなわち−２５００ｐｐｍ／℃である。温度の増加に伴うこの感度減少は、シリコンの圧電効果の固有の特性であり、ドーピング濃度とは比較的無関係である。この例では、「軽」注入圧電素子の正のＴＣＲの大きさが、「軽」圧電素子の定電圧ＴＣＳの負の大きさにほぼ等しいことに留意されたい。したがって、定電流（ＣＣ）を用いて稼働されるとき、素子にわたる電圧は、Ｋ１（Ｔ）に従って温度の増加に伴って増加し、これはＫ３（Ｔ）による感度の減少を相殺する。例えば２５℃で、１℃の温度増加が、素子にわたる電圧を約０．２６％増加させ、これは約０．２５％の概算の感度減少を相殺し、＋０．０１％のみの正味の感度変化をもたらす。
【００５７】
３つの多項式Ｋ１（Ｔ）、Ｋ２（Ｔ）、およびＫ３（Ｔ）と組み合わされた上の式（１）〜（６）を使用して、図５Ａおよび上の表１に示して定義した単一ユニット設計の例に関する回路モデルを生成することができる。−５５℃から＋１２５℃の温度範囲にわたって、補償抵抗器を用いた場合および用いない場合の、例示的なモデル化された定電流比率Ｓｐａｎ（Ｔ）／Ｓｐａｎ（２５℃）が図７にプロットされている。比較のために、Ｋ３（Ｔ）多項式によって定義されるＣＶスパン比率もプロットされている。＋１２５℃の温度点で、補償されていないＣＣスパンシフトは約＋１０％まで増加し（１．１０の比）、一方、ＣＣ補償されたスパンシフトは、０℃から＋１２５℃の温度範囲にわたって±１．０％未満である。スパン補償は、（図１の図に表されるように、ピン１と３の間およびピン２と４の間で）各検出素子と平行に、公称ゼロＴＣＲで１４０００Ω抵抗器を配置することを含む。同じ補償が、電流源にわたって１４０００Ω抵抗器を直接配置することによって実現される。この例では、補償抵抗器は、切り替えられたときにのみ電力供給されるのではなく、連続的に電力供給される。
【００５８】
また、回路モデルは、（Ｖｔ＋Ｖｒ）／２に等しくなるように定義される温度信号ＶＴの出力特性を提供する。図８は、スパン補償を「用いた」場合と「用いない」場合との２つの場合に関する−５５℃から＋１２５℃の範囲にわたるＶＴを示す。信号レベルは、スパン補償を「用いた」場合には約２５％未満である。しかし、信号感度は約５ｍＶ／℃であり、これは、５Ｖ励起で動作する従来のフルホイートストンブリッジ構成とほぼ同じである。
Ｖ．ＳＯＩシリコンＳＳＳセンサの性能特性
また、圧力および温度にわたるＳＯＩベースのイオン注入型センサの性能も、上に論じた因子を使用して見定めることができる。特に、２５℃に関する温度の関数としての軽注入素子（ＲｒおよびＲｔ）の抵抗変化を求め、それぞれ比率Ｒｒ（Ｔ）／Ｒｒ（２５℃）および比率Ｒｔ（Ｔ）／Ｒｔ（２５℃）と表すことができる。これは、以下の５次多項式（Ｋ４（Ｔ）と表される）によって特徴付けることができる。
【００５９】
Ｋ４（Ｔ）＝（−８．１７１４９６Ｅ−１４）Ｔ５＋（９．９３０３９８Ｅ−１１）Ｔ４−（３．５５７０９１Ｅ−０８）Ｔ３＋（９．６９１１２７Ｅ−０６）Ｔ２＋（２．９５８０９３Ｅ−０３）Ｔ＋（０．９２０５０８）            式（１０）
２５℃に関する温度の関数としての重注入素子（抵抗３４、３６、３８、および４０）の抵抗変化は、それぞれ比率Ｒ３４（Ｔ）／Ｒ３４（２５℃）、比率Ｒ３６（Ｔ）／Ｒ３６（２５℃）、比率Ｒ３８（Ｔ）／Ｒ３８（２５℃）、比率Ｒ４０（Ｔ）／Ｒ４０（２５℃）と表され、以下の５次多項式（Ｋ５（Ｔ）と表される）によって特徴付けることができる。
【００６０】
Ｋ５（Ｔ）＝（−３．０１８４９７Ｅ−１４）Ｔ５＋（４．６０３６０４Ｅ−１１）Ｔ４−（２．２８２８５７Ｅ−０８）Ｔ３＋（７．５３８７５０Ｅ−０６）Ｔ２−（２．２５２８３４Ｅ−０５）Ｔ＋（０．９９６１９１）            式（１１）
２５℃に関する温度の関数としての圧電抵抗器素子（ＲｒおよびＲｔ）の定電圧（ＣＶ）圧力感度またはＣＶスパンは、比率Ｓｐａｎ（Ｔ）／Ｓｐａｎ（２５℃）と表すことができ、以下の多項式（Ｋ６（Ｔ）と表される）によって特徴付けることができる。
【００６１】
Ｋ６（Ｔ）＝（−６．２６５７５３Ｅ−１４）Ｔ５＋（５．３９３８４５Ｅ−１１）Ｔ４−（２．４４０４８１Ｅ−０８）Ｔ３＋（８．０２２８８１Ｅ−０６）Ｔ２−（２．５８５２６２Ｅ−０３）Ｔ＋（１．０５８３００）            式（１２）
−５５℃から＋２２５℃の温度範囲にわたるＫ４（Ｔ）、Ｋ５（Ｔ）、およびＫ６（Ｔ）の例示的なプロットが図９に示されている。ＳＯＩセンサでは、ｐ型センサ素子が絶縁層の上に製造され、上述したバルクベースのセンサに存在するｐｎ接合をなくす。したがって、ＳＯＩベースのセンサに関する上側動作温度は広げることができる。この例では、上側動作温度は約＋２２５℃まで広げられている。
【００６２】
「軽」注入抵抗（Ｋ４）のドーパント濃度は、この例では、立方センチメートル当たり公称で３×１０＾１７イオンであり、これは、図９に示されるように高い正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）をもたらす。ＴＣＲは、２５℃で約２６００ｐｐｍ／℃であり、温度の増加に伴って徐々に増加を示す。
【００６３】
「重」注入抵抗（Ｋ５）のドーパント濃度は、この例では、立方センチメートル当たり公称で１×１０＾１９イオンであり、これは、図９に示されるように低い正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）をもたらす。ＴＣＲは、２５℃で約６００ｐｐｍ／℃であり、やはり温度の増加に伴って徐々に増加を示す。しかし、ＴＣＲは、約−１０℃で０ｐｐｍ／℃になり、次いで−５５℃〜−１０℃で低い負のＴＣＲ特性を示す。
【００６４】
圧電素子の正規化された圧力感度（Ｋ６）（ΔＲ／Ｒ（Ｔ）／ΔＲ／Ｒ（２５℃）と定義される）は、この例では、図９に示されるように負の感度温度係数（ＴＣＳ）を有する。圧電素子にわたる定電圧の場合の感度変化は、約−０．２５％／℃、すなわち−２５００ｐｐｍ／℃である。温度の増加に伴うこの感度減少は、シリコンの圧電効果の固有の特性であり、ドーピング濃度とは比較的無関係である。この例では、「軽」注入圧電素子の正のＴＣＲの大きさが、「軽」圧電素子の定電圧ＴＣＳの負の大きさにほぼ等しいことに留意されたい。したがって、定電流（ＣＣ）を用いて稼働されるとき、素子にわたる電圧は、Ｋ４（Ｔ）に従って温度の増加に伴って増加し、これはＫ６（Ｔ）による感度の減少を相殺（補償）する。例えば２５℃で、１℃の温度増加が、素子にわたる電圧を約０．２６％増加させ、これは約０．２５％の概算の感度減少を相殺し、＋０．０１％のみの正味の感度変化をもたらす。動作範囲全体にわたるこのＣＣ補償の最適化は以下で扱う。
【００６５】
３つの多項式Ｋ４（Ｔ）、Ｋ５（Ｔ）、およびＫ６（Ｔ）と組み合わされた上の式（１）〜（６）を使用して、図５Ａおよび上の表１に示して定義した単一ユニット設計の例に関する回路モデルを生成することができる。−５５℃から＋２２５℃の温度範囲にわたって、補償抵抗器を用いた場合および用いない場合の、例示的なモデル化された定電流比率Ｓｐａｎ（Ｔ）／Ｓｐａｎ（２５℃）が図１０にプロットされている。比較のために、Ｋ６（Ｔ）多項式によって定義されるＣＶスパン比率もプロットされている。＋２２５℃の温度点で、補償されていないＣＣスパンシフトは約＋３３％まで増加し（１．３３の比）、一方、ＣＣ補償されたスパンシフトは、−１０℃から＋２２５℃の温度範囲にわたって±１．０％の範囲内である。スパン補償は、（図１の図に表されるように、ピン１と３の間およびピン２と４の間で）各検出素子と平行に、公称ゼロＴＣＲで１０５００Ω抵抗器を配置することを含む。同じ補償が、電流源にわたって１０５００Ω抵抗器を直接配置することによって実現される。この構成では、補償抵抗器は、切り替えられたときにのみ電力供給されるのではなく、連続的に電力供給される。
【００６６】
また、この回路モデルは、（Ｖｔ＋Ｖｒ）／２に等しくなるように定義される温度信号ＶＴの出力特性を提供する。図１１は、スパン補償を「用いた」場合と「用いない」場合との２つの場合に関する−５５℃から＋２２５℃の範囲にわたるＶＴを示す。信号レベルは、スパン補償を「用いた」場合には約３０％未満である。しかし、信号感度は約６．３ｍＶ／℃であり、これは、５Ｖ励起で動作する従来のフルホイートストンブリッジ構成よりもわずかに大きい。
ＶＩ．ＳＳＳセンサ共通セルの例
図１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃは、本明細書では「中央抵抗」と呼ばれるＳＳＳセンサ共通セルの「軽」注入抵抗を構成する３つの異なる変形形態を例示する。図１２Ａの構成Ａは方形フィーチャである。図１２Ｂの構成Ｂは、各隅から隅が除去された方形フィーチャであり、除去された隅の各縁部がＬ３寸法に等しい。図１２Ｃの構成Ｃは、各隅から方形が除去された方形フィーチャであり、除去された方形の寸法はＬ３寸法に等しい。全ての場合に関して、Ｌ１寸法は６０ユニットに等しく、Ｌ２寸法は３０ユニットに等しい。
【００６７】
３つの構成の有限要素解析（ＦＥＡ）が、１２０Ω／平方でのセンサセルの「重」リードアウト部分の注入抵抗率および２０８５Ω／平方でのセンサセルの「軽」中央抵抗部分の注入抵抗率を用いて、２、５、１０、および１５のＬ３ユニット値に関して行われた。図１３に例示されるプロットは、３つの構成それぞれに関するＬ３寸法の関数としての中央抵抗の値を示す。いくつかの場合には、例えば、レイアウトために軽注入の抵抗率（例えば２０８５Ω／平方）と大きさが等しい中央セル抵抗を有することが望ましい場合がある。図１３が示すように、各構成の中央抵抗は、異なるＬ３値で、すなわち構成Ａでは約１２で、構成Ｂでは約９で、構成Ｃでは約５．５で、２０８５Ωラインに交差する（Ｌ３が増加するにつれて、ＳＳＳセンサセルのフィーチャサイズが増加することに留意されたい）。
【００６８】
全ての場合に、ＳＳＳセンサセルの中央抵抗は、Ｌ３値の増加に伴って増加し、分流効果は減少する。また、図１３は、構成Ａが、構成ＢおよびＣと比較して同じＬ３値に関して非常に高い中央抵抗値を実現することを示す。したがって、より高い抵抗が必要とされる適用例では、構成Ａがフィーチャサイズの最小の増加に関して中央抵抗のより大きな増加をもたらすので、構成Ａが好ましい。
ＶＩＩ．結論
本明細書で説明された多くの実施形態におけるＳＳＳセンサを使用して、例えば、典型的なホイートストンブリッジセンサの複雑さを低減すること、圧力感度を高めてオンチップ電圧を減少し、平均電力使用を低減すること、および圧力測定値と温度測定値との間の温度勾配を低減することができる。
【００６９】
例示的な実施形態を説明してきたが、本発明の範囲および精神から逸脱せずに変形を加えることができることは当業者に理解されよう。この真の範囲および精神は、前述のことを考慮して解釈することができる頭記の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】共通の方形検出素子を利用する圧電抵抗センサの一実施形態のブロック図である。
【図２】概念上の検出素子の一例を示す図である。
【図３】ＳＳＳセンサチップの拡大描写図の一例を示す図である。
【図４】共通検出素子を使用して圧力および温度を測定するための方法の機能ブロックの一例を示す流れ図である。
【図５】図５Ａは、あるダイアフラム直径に関するＳＳＳセンサセルの例示的なレイアウトを示す図、図５Ｂは、別のダイアフラム直径に関するＳＳＳセンサセルの例示的なレイアウトを示す図、図５Ｃは、別のダイアフラム直径に関するＳＳＳセンサセルの例示的なレイアウトを示す図である。
【図６】バルクシリコンＳＳＳセンサに関して、＋２５℃に正規化された温度の関数として、軽注入抵抗、重注入抵抗、および圧力スパンを定義するＫ１（Ｔ）、Ｋ２（Ｔ）、およびＫ４（Ｔ）の例示プロットを示す図である。
【図７】バルクシリコンＳＳＳセンサに関して、スパン補償を用いた場合および用いない場合の、温度の関数としてのＣＣスパンシフトの例示的なプロットを示す図である。
【図８】バルクシリコンＳＳＳセンサに関して、スパン補償を用いた場合および用いない場合の、温度の関数としての温度出力の例示プロットを示す図である。
【図９】ＳＯＩシリコンＳＳＳセンサに関して、＋２５℃に正規化された温度の関数として、軽注入抵抗、重注入抵抗、および圧力スパンを定義するＫ１（Ｔ）、Ｋ２（Ｔ）、およびＫ４（Ｔ）の例示プロットを示す図である。
【図１０】ＳＯＩシリコンＳＳＳセンサに関して、スパン補償を用いた場合および用いない場合の、温度の関数としてのＣＣスパンシフトの例示プロットを示す図である。
【図１１】ＳＯＩシリコンＳＳＳセンサに関して、スパン補償を用いた場合および用いない場合の、温度の関数としての温度出力の例示プロットを示す図である。
【図１２Ａ】ＳＳＳセンサの１つの構成の例を示す図である。
【図１２Ｂ】ＳＳＳセンサの別の構成の例を示す図である。
【図１２Ｃ】ＳＳＳセンサの別の構成の例を示す図である。
【図１３】図１２の３つの構成それぞれに関する隅寸法の関数としての中央抵抗の値の例示プロットである。
【符号の説明】
【００７１】
１０  圧電抵抗センサ
１２  定電流源
１４  チップ
１６  単一方形シリコン（ＳＳＳ）圧電抵抗検出素子
３０  検出素子
３４、３６、３８、４０  リードアウト抵抗器
４２  ダイアフラム
ＳＷ１、ＳＷ２  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2008122336.tif 000024
【図１２Ｃ】
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【図１３】
2008122336.tif 000026
【外国語明細書】
2008122336000001.pdf