(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶半導体基板表面にひずみ検出部を備え、
被測定物に取り付けて、ひずみを測定する力学量測定装置において、
前記単結晶半導体基板上に、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第一のセンサと、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第二のセンサと、
前記第一のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第一のアンプと、
前記第二のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第二のアンプとを備え、
前記第一のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗と前記第二のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗との距離は、前記第一のアンプのトランジスタと第二のアンプのトランジスタとの距離よりも小さく、
前記第一のセンサの前記不純物拡散抵抗と前記第一のアンプに接続される前記帰還抵抗は、その長手方向が同方向であり、
前記第二のセンサの前記不純物拡散抵抗と前記第二のアンプに接続される前記帰還抵抗は、その長手方向が同方向であることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項２】
単結晶半導体基板表面にひずみ検出部を備え、
被測定物に取り付けて、ひずみを測定する力学量測定装置において、
前記単結晶半導体基板上に、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第一のセンサと、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第二のセンサと、
前記第一のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第一のアンプと、
前記第二のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第二のアンプとを備え、
前記第一のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗と前記第二のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗との距離は、前記第一のアンプのトランジスタと第二のアンプのトランジスタとの距離よりも小さく、
前記第一のセンサの前記不純物拡散抵抗と前記第二のセンサの前記不純物拡散抵抗とは、その長手方向が直交し、かつ前記第一のセンサの前記不純物拡散抵抗の中心が一列に並び、前記第二のセンサの前記不純物拡散抵抗の中心が一列に並び、
前記第一のセンサと第二のセンサの両側に前記第一のアンプと前記第二のアンプとを配置したことを特徴とする力学量測定装置。
【請求項３】
単結晶半導体基板表面にひずみ検出部を備え、
被測定物に取り付けて、ひずみを測定する力学量測定装置において、
前記単結晶半導体基板上に、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第一のセンサと、
複数の拡散抵抗により形成されたホイートストンブリッジを有する第二のセンサと、
前記第一のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第一のアンプと、
前記第二のセンサが出力する信号を増幅し、複数の帰還抵抗の長手方向が同一となるよう前記単結晶半導体基板上に前記複数の帰還抵抗が形成された第二のアンプとを備え、
前記第一のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗と前記第二のセンサのホイートストンブリッジを形成する不純物拡散抵抗との距離は、前記第一のアンプのトランジスタと第二のアンプのトランジスタとの距離よりも小さく、
前記第一及び第二のアンプは、それぞれ低倍率用の抵抗と高倍率用の抵抗とを備え、
前記低倍率用の抵抗は、前記高倍率用の抵抗より、前記不純物拡散抵抗に近い位置に配置されていることを特徴とする力学量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物体の力学量を計測することが可能である装置およびこれを用いたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象の変形（ひずみ）を測定する技術として、金属箔の抵抗値がひずみによって変化することを利用した金属箔ひずみゲージを用いる技術が知られている。このひずみゲージを測定対象に接着することで測定対象のひずみに追従して金属箔の長さを変化させ、その結果変化する金属箔の抵抗値を検出することで測定対象のひずみ測定を可能にする技術である。
【０００３】
また、金属箔の抵抗値はひずみに対してだけではなく温度に対しても感度を持つため、温度変化による測定誤差を相殺する技術として、特開平０７−２７０１０９号公報に開示されるように、ひずみ感度のある金属箔抵抗体と温度補償を行うためのホイートストンブリッジ回路を同一の基板上に形成したひずみゲージが開示されている。なお、以下ではホイートストンブリッジのことをブリッジと呼ぶ。
【０００４】
また、これらを電池駆動しようとすると消費電力が大きいために、電池がすぐに消費してしまうという問題があった。そこで特開２００５−１１４４４３号公報のように、半導体製造技術を用いて、半導体基板上に高抵抗の拡散抵抗を形成し、その抵抗値の変化からひずみを測定する技術も開発されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−２７０１０９号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回転軸のトルクと軸力を同時に測定する際に、特開２００５−１１４４４３号公報等に書かれているひずみ測定チップを２個貼り付けて測定することも理論上は可能である。しかしながら、２つのひずみ測定チップをそれぞれ張り合わせて、せん断ひずみと垂直ひずみを測定しようとすると、２つのチップの貼り付け時のばらつきの影響を受けるため、精度の高い測定に向かないという問題がある。
【０００７】
また同様に、２つのひずみ測定チップをそれぞれ張り合わせて、せん断ひずみと垂直ひずみを測定しようとすると、実際上は貼り付け角度の誤差が生まれやすく、精度の高い測定に向かないという問題がある。
【０００８】
また同様に、多軸のひずみが生じている被測定物の各軸方向のひずみ計測を行うことを目的として、複数のひずみ測定チップを貼り付ける場合でも同様な問題が生じる。
【０００９】
また、上記の目的で該ひずみ測定チップを複数個貼り付けると、ある程度の広い面積を必要とし、各ひずみ成分を測定する箇所が互いに離れてしまうので、応力集中場のひずみ状態を測定する目的では使えなかった。
【００１０】
そこで、本特許の目的は、センサの感度ばらつきが少なく、特定方向のひずみを高精度に測定することが可能な力学量測定装置およびこれを用いたシステムを提供することにある。
【００１１】
さらに、本特許の他の目的は、応力集中場における垂直ひずみの面内２方向とせん断ひずみを測定でき、多軸のひずみ場の計測を可能とした力学量測定装置およびこれを用いたシステムを提供することにある。
【００１２】
さらに、本特許の他の目的は、外部ノイズの多い場所においても、バックグラウンドノイズの小さい計測結果が得られる力学量測定装置およびこれを用いたシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的は、１つの半導体単結晶から構成される半導体チップ内に少なくとも二組以上のブリッジ回路を形成することにより達成される。加えて以下の特長を有することによって前出の各問題点が解決される。
【００１４】
（１）＜実施例１、トルク・軸力測定チップ＞回転軸のトルクと軸力を高精度に測定するために、好ましくは、前記ブリッジ回路のうち、少なくとも一つのブリッジ回路が、該半導体単結晶基板における＜１００＞方向と電流の流れる方向とが平行であるｎ型拡散抵抗で構成され、さらに他のブリッジ回路が＜１１０＞方向と電流の流れる方向とが平行であるｐ型拡散抵抗で構成されていることを特徴としている。これによって、例えば
＜１１０＞方向を回転軸方向と一致させて該力学量測定装置を貼り付けると、取得したいひずみ方向と、センサの感度の最大方向を一致させることが出来るため、トルクと軸力をともに高感度で計測することが可能となる。
【００１５】
このとき、同一のシリコン基板に２つのセンサを形成することから、お互いに干渉することがないようにセンサのブリッジ回路を構成する拡散層とは別に拡散層を設ける。すなわち、半導体単結晶基板がｐ型である場合を例にとると、ｐ型拡散抵抗からなるブリッジ回路の近傍に、ｐ型拡散層を取り囲むようにｎ型拡散層を形成することが計測精度向上のために好ましい。これによって、センサ設置ばらつきや接着時のばらつきを防ぎ、精度の高い計測が可能となる。
【００１６】
（２）＜実施例２、２軸分離チップ＞多軸ひずみ場を高精度に測定するために、ブリッジ回路が、２本のひずみ感度の高い拡散抵抗と、２本のひずみ感度の低い拡散抵抗との組み合わせで構成する。ここで、ひずみ感度の高い拡散抵抗（不純物拡散層）とは、例えば、電流の流れる方向が＜１００＞方向と平行であるｎ型拡散抵抗や電流の流れる方向が
＜１１０＞方向と平行であるｐ型拡散抵抗であり、ひずみ感度の低い拡散抵抗（不純物拡散層）とは、例えば、電流の流れる方向が＜１００＞方向と平行であるｐ型拡散抵抗や電流の流れる方向が＜１１０＞方向と平行であるｎ型拡散抵抗である。また、電流の流れる方向を、拡散抵抗の長手方向とすることが好ましい。
【００１７】
＜１００＞方向が長手のｐ型拡散抵抗は各方向のひずみに対して感度が無く、＜100＞方向が長手のｎ型拡散抵抗は、＜１００＞方向に大きな感度を持ち、電流の流れる方向の〔１００〕とそれと直角な〔０１０〕とでは、その感度が大きく異なるようにできる。その結果、２軸ひずみ場ではｎ型抵抗の長手方向を〔１００〕にするか〔０１０〕にするかで、取得される抵抗値増分が異なるため、２軸ひずみ場を分離して検出することが出来る。好ましくは、ブリッジ回路を、該半導体単結晶基板における電流の流れる方向が
＜１００＞方向と平行である２本のｎ型拡散抵抗と、電流の流れる方向が＜１００＞方向と平行である２本のｐ型拡散抵抗との組み合わせで構成する。
【００１８】
よって、前記第一のブリッジ回路のひずみ感度の高いｎ型拡散抵抗の長手方向と、前記第二のブリッジ回路のひずみ感度の高いｎ型拡散抵抗の長手方向が直交に近い配置をとることを特徴とする。また、各ブリッジ回路のｎ型拡散抵抗の長手方向は同一方向に揃えることが望ましい。
【００１９】
なお、上記では電流を流す方向が、不純物拡散層のパターンの長手方向とほぼ一致するような説明をしたが、電流を流す向きが上記の方向と一致すれば同様な効果が得られる。ただし、電流を流す向きと不純物拡散層のパターンの長手方向がほぼ一致するようにした場合には、該拡散層の抵抗値を上げることができるので、より低消費電力を達成することができる。よって以下では、電流を流す向きを拡散層のパターンの長手方向となる場合について説明する。
【００２０】
また、さらに好ましくは第一のブリッジ回路を構成するｎ型不純物拡散層の配置と、第二のブリッジ回路を構成するｎ型不純物拡散層の配置が、軸対称であることが望ましい。軸対象にすることにより、全く同じ配置条件で拡散層の長手方向だけ直行するように出来ることから、２軸ひずみ場を分離して検出する際にも精度良い計測が可能となる。
【００２１】
また、さらに望ましくは１つのホイートストンブリッジを構成するｎ型不純物拡散層を、該ホイートストンブリッジを構成するｐ型不純物拡散層よりも、チップの中心点に近い距離に配置する。チップの中心点近傍はチップ端部のひずみ開放の影響を最も受けにくいので、この中心点近傍にひずみ感度を持つｎ型不純物拡散層を配置することにより、精度の良い計測が可能となる。
【００２２】
また、さらに好ましくは、センサを構成する拡散層とは別の拡散層を追加して設ける。すなわち、半導体単結晶基板がｐ型である場合を例に説明すると、ホイートストンブリッジを構成するｐ型不純物拡散層をｎ型不純物拡散層が取り囲むように形成し、このｎ型拡散層をホイートストンブリッジのプラス側と接続する。これによってｐ型とｎ型の不純物拡散層が電気的に干渉することを防ぐことが出来、精度の高い計測が可能となる。
【００２３】
（３）＜実施例３、調整用抵抗＞また、さらに望ましくは、ブリッジ回路の中のｐ型拡散層に抵抗値調整用の比較的低抵抗なｐ型拡散抵抗を直列に接続する。すなわち、ｐ型不純物拡散抵抗の端部からブリッジ回路外部へ引き出される引出配線の本数を、ｎ型不純物拡散抵抗の端部からブリッジ回路外部へ引き出される引出配線の本数より多くなるようにし、ｐ型不純物拡散抵抗，ｎ型不純物拡散抵抗の実際の抵抗値測定して、測定時に使用する引出配線を決定する。このように調整用抵抗を形成することにより、ｐ型拡散層とｎ型拡散層の形成工程が違うために発生する各拡散層抵抗値の製造上の誤差を修正することが出来る。その結果、ブリッジ回路の出力オフセットを小さく出来る，温度依存性を小さく抑えることが出来る、という利点が生じる。
【００２４】
（４）＜実施例４、ポリシリコン抵抗ブリッジ＞同様に、多軸ひずみ場を高精度に測定するために、同一半導体基板上に、不純物拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を少なくとも二組以上設け、前記二組のホイートストンブリッジ回路は、電流を流し抵抗値の変動を測定する方向が該半導体単結晶基板の＜１００＞方向と平行であるｐ型不純物拡散抵抗と、ポリシリコン配線抵抗から構成されるようにする。
【００２５】
＜１００＞方向が長手のｐ型拡散抵抗は各方向のひずみに対して感度が無く、ポリシリコン抵抗は長手方向のみに大きな感度を持つ。よって第一のホイートストンブリッジを構成するポリシリコン配線抵抗の電流を流し抵抗値の変動を測定する方向と、第二のホイートストンブリッジを構成するポリシリコン配線抵抗の電流を流し抵抗値の変動を測定する方向を直交させる。このようにポリシリコン配線抵抗を配置することによって面内２軸の垂直ひずみの測定が可能となる。
【００２６】
また、さらに望ましくは、ブリッジ回路の中のｐ型拡散層に抵抗値調整用の比較的低抵抗なｐ型拡散抵抗を直列に接続する。ｐ型拡散層とポリシリコン配線抵抗の形成工程が違うため、回路設計上は同一な抵抗として設計しても、実際の製造時には各拡散層抵抗値が異なることも多い。よってこのようにｐ型拡散層に調整用の抵抗を入れておき、その接続端子のどこを接続するかで抵抗値の微調整を行うことが出来る。その結果、ブリッジ回路の出力オフセットを小さく出来る，温度依存性を小さく抑えることが出来る、という利点が生じる。
【００２７】
（５）＜実施例５、図１７、３軸分離チップ＞さらに、せん断ひずみも含め、面内のひずみ状態全てを測定するためには、同一半導体基板上に、不純物拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を少なくとも三組以上設け、そのうちの一組のホイートストンブリッジ回路は、電流を流し抵抗値の変動を測定する方向が該半導体単結晶基板の＜１１０＞方向と平行であるｐ型不純物拡散抵抗で構成する。また、他の二組のホイートストンブリッジ回路は、電流を流し抵抗値の変動を測定する方向が該半導体単結晶基板の＜１００＞方向と平行であるｐ型不純物拡散抵抗と電流を流し抵抗値の変動を測定する方向が該半導体単結晶基板の＜１００＞方向と平行であるｎ型不純物拡散抵抗との組み合わせで構成する。これによって面内の２軸の垂直ひずみに加えて、せん断ひずみも測定できることから、力学量測定装置を貼り付けた面内のひずみ状態を全て把握することが出来る。
【００２８】
＜実施例５、図１７、温度センサ付きチップ＞さらに、温度が変化した場合においても、精度良くひずみを計測するために、上記（１）から（４）に示した力学量測定装置に、ひずみセンサと同一半導体基板内にｐｎ接合からなる温度センサを設ける。これによって、ひずみセンサのブリッジ回路による温度補正機能に加え、さらに厳密な温度の補正が可能となる。
【００２９】
（６）＜実施例６、図２０、はく離センサ付きチップ＞計測の信頼性を向上させるために、ひずみセンサとは別に、同一半導体基板内の四隅に拡散層を設ける。被測定物に貼り付けられた力学量測定装置は時として、そのチップエッジからはく離が発生する。よって本実施例によれば、このはく離の発生を四隅の拡散層で検知することが出来るので、信頼性の高い計測が可能となる。
【００３０】
（７）＜実施例７、アンプ付きチップ＞外部ノイズが大きい場合でも計測が可能なように、ひずみ検出部から出力される信号を増幅するためのアンプ回路を、ひずみセンサを形成したものと同一の半導体基板上に設ける。ブリッジ回路からの出力はシリコン基板上で、至近距離に配されたアンプに入力することができるので、外部ノイズに強い力学量測定装置が提供できる。すなわち、不純物拡散層を用いたひずみセンサは半導体製造プロセスで作成できるため、該不純物拡散層の組合せであるブリッジ回路とアンプ回路を同一半導体チップ上に形成することができるという利点を生じる。よってブリッジ回路の出力を半導体基板上で直に増幅することができるため、外部ノイズが乗りにくく、耐ノイズ性があり、高精度な測定が可能な力学量測定装置が提供される。さらに、半導体プロセスで形成できるためにブリッジ回路自体をミクロンサイズまで小型化することが出来、そのためにブリッジ内部を磁束が通り抜けにくいため外部ノイズに強いという利点が生じ、耐ノイズ性があり、高精度な測定が可能な力学量測定装置が提供される。
【００３１】
不純物拡散抵抗からなるひずみ検出部と、ひずみ検出部から出力される信号を増幅するためのアンプが、少なくとも二組以上、同一半導体基板上に設けられていることが望ましい。
【００３２】
また望ましくは、アンプを構成する帰還抵抗の長手方向が、同じブリッジ回路に接続されたものはすべて同じ方向を向いているようにすることが望ましい。これによって、アンプの帰還抵抗にひずみ依存性があり、２軸の複雑なひずみ場を計測する場合でも、その影響を受け難いという特徴がある。
【００３３】
また望ましくは、アンプを構成する帰還抵抗の長手方向が、全てひずみ検出部を構成する不純物拡散層の長手方向と平行または垂直のどちらかに統一するようにする。これによってひずみ計測方向のひずみがアンプの帰還抵抗にも負荷されることになるため、２軸の複雑なひずみ場を計測する場合でも、２軸成分に分離を行う際にその影響を受け難いという特徴がある。
【００３４】
また望ましくは、アンプを構成する帰還抵抗がすべて同じ方向を向いており、なおかつ、帰還抵抗群の長手方向の端部とチップ端部からの距離が、等しくなるようにする。これによって、チップ端部のひずみの解法の影響を全ての帰還抵抗が等しく受けることになるので、精度の高い計測が可能となるという利点が生じる。
【００３５】
また望ましくは、二組のアンプを構成する帰還抵抗がすべて同じ方向を向き、なおかつ、二組のアンプを構成する帰還抵抗群が、線対称に配置されるようにする。これによりブリッジ回路につながる２つの作動アンプの多結晶シリコン抵抗からなる帰還抵抗を略線対称に配置することにより、２つの多結晶シリコンに対するひずみの影響を同じにすることができ、アンプ回路におけるひずみの影響を相殺することができ、精度の高い測定が可能となる。
【００３６】
また望ましくは、二組のアンプを構成する帰還抵抗がすべて同じ方向を向き、なおかつ、二組のアンプを構成する帰還抵抗群が、チップの中央を回転軸として、回転対称に配置する。この場合には、ブリッジ回路５とアンプ２１が、ブリッジ回路４とアンプ２０を
９０度回転させた全く等価な構造となるため、設計が容易であるという効果が得られる。
【００３７】
（８）＜実施例１２、センサの配置位置＞前出の（１）から（６）の力学量測定装置において、前記ひずみ検出部が、チップ端からの距離が少なくとも４９× (チップ厚)0.5
μｍ以上内側となるように配置する。これによって半導体チップからなる力学量測定装置１を被測定物に貼り付けた場合にもチップ端部の影響を受けることなく測定ばらつきを抑制でき、非常に再現性が良く高精度な測定を可能とすることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明により、前記課題の何れかの解決に寄与しうる力学量測定装置を提供することができる。すなわち、本発明によれば、被測定物が応力集中している場合でも、微小な領域のひずみ状態を把握できるという利点が生じる。また本発明によれば、多軸のひずみ場の高精度なひずみ計測も可能となる。また、本発明によれば力学量測定装置を貼り付ける際に発生する誤差を最小にすることが出来る。また、外部ノイズが大きい場所でも、バックグラウンドノイズが小さくなるようにひずみを計測することが可能となる。
【００３９】
また、これらの力学量測定装置は半導体チップ上に形成するため、半導体プロセスを用いて作製することができるので、他のＣＰＵ等のデジタル回路やメモリ回路，通信回路等と混載することが可能である。また、半導体製造設備を用いて高精度且つ低価格・大量供給を行うことができるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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。
【００４１】
本発明においては、ひずみ感応抵抗体として不純物拡散抵抗もしくはポリシリコンの抵抗を設けたものであり、シリコン単結晶の結晶方位とピエゾ抵抗係数の関係を考慮し、不純物拡散抵抗の電流方向とひずみを計測する方向との関係を、所望の特性を得られるように考慮したものである。以下では、単結晶シリコン基板２の結晶面や結晶方位の表記には、ミラー指数を用いる。
【００４２】
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。また特定の面や方向を表す場合には（）と〔〕をそれぞれ用い、単結晶シリコン基板内において等価である面や方向を表す場合には、それぞれ｛｝と＜＞を用いて表記する。さらに、本明細書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。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】
【００４３】
＜トルクと軸力測定チップ＞
本発明における第１の実施形態を図１から図８を用いて説明する。本実施形態による力学量測定装置の主要部を図１に示す。
【００４４】
図１に示す本実施形態の力学量測定装置１において、表面が｛００１｝である同一の単結晶半導体基板からなるシリコン基板２の主面２ａにひずみ検出部３が設けられ、前記ひずみ検出部３には、少なくとも２つのホイートストンブリッジ回路(以下、ブリッジ回路)３０４，３０５が設けられている。
【００４５】
なお、図示していないが、ブリッジ回路３０４，３０５から電気信号を取り出すための配線，パッド、これらを絶縁するための絶縁材料などが必要に応じて形成される。本実施例においては、シリコン基板２とシリコン基板２上に形成された薄膜群を総称して力学量測定装置１と呼ぶ。この力学量測定装置１は図２に示すように、被測定物である回転体の回転軸２０１に取り付けることによりトルクと軸力の測定が可能となる。この場合、図２のようにシリコン基板２の結晶軸方向の＜１１０＞が回転軸２０１の軸心と平行となるように取り付けても良いし、シリコン基板２の結晶軸方向の＜１００＞が回転軸の軸心と平行となるように取り付けても良い。また、被測定物の表面に貼り付けても良いし、埋め込むようにして設けても良い。また、シリコン基板２は、その特性から｛００１｝を表面に持つものが望ましい。
【００４６】
前記ブリッジ回路３０４は、図３の配線図に示すように、４つの不純物拡散抵抗304ａ，３０４ｂ，３０４ｃ，３０４ｄをこの順番で接続して形成されており、トルクセンサとして主に軸力の測定に用いられる。不純物拡散層３０４ａと３０４ｄの間もしくは304ｂと３０４ｃの間に電圧を印加し、不純物拡散層３０４ａ，３０４ｂの間もしくは３０４ｃ，３０４ｄの間から信号を取り出す。ブリッジ回路３０５も同様に４つの不純物拡散抵抗３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ，３０５ｄをこの順番で接続して形成されており、主にトルクの測定に用いられる。
【００４７】
図４に３０４，３０５の２つのブリッジ回路における不純物拡散抵抗の配置図を示す。前記ブリッジ回路３０４は、電流を流す方向を＜１１０＞方向に平行な方向となるように形成した４つのｐ型不純物拡散層から構成される。図４では一例として〔１１０〕方向と平行な方向に配置されたｐ型拡散抵抗３０４ａ，３０４ｃと、〔−１１０〕方向と平行な方向に配置されたｐ型拡散抵抗３０４ｂ，３０４ｄの組み合わせでブリッジ回路３０４が形成されている。すなわち、ｐ型拡散抵抗３０４ａ，３０４ｃと３０４ｂ，３０４ｄはその長手方向が直交するように配置される。また、各拡散抵抗の抵抗値は可能な限り正確に一致させる。
【００４８】
なお、ここで例えば、電流を流す方向を〔１１０〕方向と平行な方向（逆方向である
〔−１−１０〕方向も含む。以下同じ。）に配置されたｐ型拡散抵抗３０４ａ，３０４ｃ、という表記を用いたが、〔１１０〕の方向から外れた場合でも±１０度の角度範囲のズレに収まっていれば、ほぼ同様な効果が期待できるので、本発明においては〔１１０〕方向と平行であるとする。他の方向についても同様である。この角度からさらに外れた場合は急速にひずみ感度が低下するので、〔１１０〕の方向から±１０度の角度範囲を長手とする不純物拡散層を形成するのが望ましい。なお、電流を流す方向とは、不純物拡散層が長方形等の単純な形の領域に形成されている場合には、不純物拡散層に電流を入力する線が接続されている位置と、電流を出力する線が接続されている位置とを結んだ方向とする。
【００４９】
一方、ブリッジ回路３０５は、電流を流す方向を＜１００＞方向に平行な方向となるように形成した４つのｎ型不純物拡散層から構成される。図４では〔１００〕方向と平行な方向に配置されたｎ型拡散抵抗３０５ａ，３０５ｃと、〔０１０〕方向と平行な方向に配置されたｎ型拡散抵抗３０５ｂ，３０５ｄの組み合わせでブリッジ回路３０５が形成されている。すなわち、ｎ型拡散抵抗３０５ａ，３０５ｃと３０５ｂ，３０５ｄはその長手方向が直交するように配置される。
【００５０】
またブリッジ回路３０４の周辺にはウェル３０６が構成されており、図示していないが、ウェル３０６に電気的に接続されるように配線が引き出されている。
【００５１】
また、このときブリッジ回路を構成するｎ型拡散抵抗３０５ａ，３０５ｃと３０５ｂ，３０５ｄ、およびｐ型拡散抵抗３０４ａ，３０４ｃと３０４ｂ，３０４ｄは、それぞれ抵抗値が厳密に等しいことが望まれるので、イオン注入濃度のばらつきをできるだけ均一にするために密集させて配置されることが望ましい。すなわち拡散抵抗の長さよりも各拡散抵抗間の距離を短くすることが望ましい。
【００５２】
ブリッジ回路３０４のように、〔１１０〕方向と平行な方向に配置されたｐ型拡散抵抗３０４ａ，３０４ｃと、〔−１１０〕方向と平行な方向に配置されたｐ型拡散抵抗304ｂ，３０４ｄの組み合わせでブリッジ回路を形成することにより、環境温度が変化した場合においても温度補正が可能となり、高精度な計測が可能となる。また、この場合には
＜１１０＞方向に平行・垂直なＸＹ方向、すなわち〔１１０〕方向と〔−１１０〕方向のひずみに対して大きな感度が得られる。よって図２のように回転軸２０１の軸心が、シリコン基板２の結晶軸方向の＜１１０＞と平行となるように取り付けることによって、回転軸の軸力が測定できる。
【００５３】
同様にブリッジ回路３０５でも、〔１００〕方向と平行な方向に配置されたｎ型拡散抵抗３０５ａ，３０５ｃと、〔０１０〕方向と平行な方向に配置されたｎ型拡散抵抗305ｂ，３０５ｄの組み合わせでブリッジ回路を形成することで、同様に温度変化に対して補正が可能となる。また、この場合には、ＸＹ方向に対するせん断ひずみのみに感度を持ち、垂直ひずみに対しては感度を持たないので、高精度な計測が可能となる。また、この場合には＜１００＞方向に平行・垂直なＸＹ方向、すなわち〔１００〕方向と〔０１０〕方向のひずみに対して大きな感度が得られる。よって図２のように回転軸２０１の軸心が、シリコン基板２の結晶軸方向の＜１１０＞と平行となるように取り付けることによって、トルクの計測が可能となる。
【００５４】
図５には該力学量測定装置１の断面構造を示す。本実施例において、トルクと軸力を高精度に測定するために単にセンサを２個配置すると問題が発生する。すなわち、シリコン基板２はｐ型であり、ｐ型拡散層とｎ型拡散層を１つのシリコン基板２の中に形成することになるので、ダイオードが形成されてブリッジ回路３０４とブリッジ回路３０５の間に電流が流れてしまう。
【００５５】
そこで、本実施例ではブリッジ回路３０４の近傍にはブリッジ回路を形成しない不純物拡散層であるｎ型のウェル３０６を形成し、その内側にｐ型の拡散抵抗３０４ａ，304ｃ，３０４ｂ，３０４ｄを形成することで本問題を解決した。この場合、ｎ型のウェル306は電源のプラス側に接続し、ｐ型のシリコン基板２は電源のグランド側に接続する。すなわち、該半導体チップ内部でブリッジ回路３０４の電源のプラス側とウェル３０６を結線し、ブリッジ回路３０４のグランド側とシリコン基板２を結線する。これにより、ブリッジ回路間で電流が流れることが無く、精度の高い測定が可能となる。また該力学量測定装置１である半導体チップの外部で結線してもよいが、内部で結線した方が、電位が全て一致するのでより精度が高い測定が可能となる他、測定者が接続する手間が少なくなる等の利点が生じるので望ましい。シリコン基板２にはｎ型のものを用いてもよく、この場合には、ブリッジ回路３０５の近傍にｐ型のウェル３０６を形成する必要がある。
【００５６】
また図６のように、拡散抵抗３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ，３０５ｄの抵抗値を上昇させて消費電力を低減する目的で、拡散抵抗の長さを長くしてもよい。この場合には、センサの面積をそれほど増加させることなく抵抗値を上昇させることができるので、センサの消費電力を減少することができるという利点が生じる。拡散抵抗３０５ａ，３０５ｃ，３０５ｂ，３０５ｄは、それぞれコンタクトホールを用いて接続されて折り返すことで抵抗値が高くなるようにしてある。なお、本発明では、このように拡散抵抗をつなげる目的で折り返して形成され、折り返し点からブリッジ外部に配線が出ない場合には、１本の長い拡散抵抗と解釈する。
【００５７】
特開平６−２２９８５３号公報のトルク検出装置にも見られるように、トルクを測定する際には、回転軸の軸心に対して４５度斜め方向をひずみ計測方向となるように、ひずみセンサを斜めに貼り付けることが一般的に行われる。しかしながら、この考え方に倣い、シリコン基板２上で、軸心と同一方向の軸力を測定しながら、ブリッジ回路３０４を斜めに配置することでトルクを測定しようとすると、シリコン基板２が単結晶で出来ているために問題が発生する。すなわち、ブリッジ回路３０４をそのまま斜めにして配置しようとすると、電流の流れる方向の結晶軸が変わってしまうため、その特性が変化し、ひずみ感度がほとんど無くなるという問題が発生する。そこでブリッジ回路３０５のように、ｎ型拡散抵抗３０５ａ，３０５ｃと３０５ｂ，３０５ｄを斜め方向に設けることにより、その方向のひずみ感度を最大にすることができた。すなわち本発明では、ブリッジ回路３０４は斜め方向にはほとんど感度を持たずに、図４のｘｙ方向には最大の感度を持ち、ブリッジ回路３０５は図４のｘｙ方向には感度を持たずに、斜め方向に最大の感度を持つようにすることが可能となった。本発明は垂直ひずみとせん断ひずみが取得可能なように結晶面と結晶軸と不純物拡散層の種類を選ぶことが出来たために、１チップでトルクと軸力の測定が可能となったものであり、例えば他の結晶軸を使った場合には複雑な多軸のひずみ感度を持つなどの問題が発生して測定が困難となる。
【００５８】
このように１つのシリコン基板２上に２つのブリッジ回路を形成することにより、小さなチップの中で垂直ひずみとせん断ひずみを計測できるので、その計測位置が離れることが無く、応力集中箇所の測定でも精度の高い測定が可能となる。さらに、同じチップの中に垂直ひずみとせん断ひずみを計測する箇所があるため、２個のチップを別々に貼り付ける場合に比べて、貼り付けによる感度ばらつきの影響を低減することが出来る。さらに、ブリッジ回路３０４はｘｙ方向には最大の感度を持ち、ブリッジ回路３０５は斜め方向に最大の感度を持つため、測定方向の差が４５度を形成し高精度な測定が可能となるという利点が生じる。また、このように１つのシリコン基板２上に２つのブリッジ回路を形成することにより、貼り付ける手間が１度で済むという利点も生じる。
【００５９】
ただし、本実施例のブリッジ回路３０４はｘｙ方向には最大の感度を持つが、ｘ方向とｙ方向のひずみの両方の影響を等価に受ける構造である。よって、一軸ひずみ場の計測には非常に有効であるが、複雑なひずみ場の測定は難しいという問題がある。そこで以下の実施例２では、複雑なひずみ場でも測定できる力学量測定装置１を示す。
【００６０】
また、本実施例においてはシリコン基板２に限定して例を示したが、他の半導体基板であっても、同様の効果を有する。力学量測定装置１の基板にシリコン等の半導体基板を作製した場合、半導体製造プロセスを用いて前記基板内に電子回路を併設できるという利点を持っている。
【００６１】
この場合にはひずみ検出部３の出力は、直接力学量測定装置１外へ出力させる必要は無く、半導体基板内に増幅回路，アナログ−デジタル変換器，整流・検波回路，アンテナ回路等の回路を搭載させて、ひずみ検出部３の出力を増幅させた後やデジタル変換した後に力学量測定装置の外部へ出力を行う、もしくは無線通信形式で外部へ出力を行うことが可能となる。
【００６２】
この場合には、ひずみ検出部３からの出力を力学量測定装置１内で増幅させたりデジタル変換させたりすることができるので、力学量測定装置１の外部へデータ出力する場合にも、外部ノイズが出力データに与える影響を最小限にすることができ、高精度なひずみ測定が可能となる。また、ひずみ検出部３からの出力を無線で外部に送信する場合には力学量測定装置１は外部との結線に使用する剥き出しの端子を必要としないため、パッド等において腐食等が起こらず、信頼性の高い力学量測定装置を提供することができる。
【実施例２】
【００６３】
＜２軸分離チップ＞
本発明における第２の実施形態を図７から図１１を用いて説明する。図７に示すように、本実施形態では２軸ひずみ場を高精度に測定するために、ブリッジ回路４とブリッジ回路５を設けている。ブリッジ回路４は、電流の流れる方向が該シリコン基板２の＜100＞方向と平行となるように設けられたｎ型拡散抵抗４ａ，４ｃと、電流の流れる方向が該シリコン基板２の＜１００＞方向と平行となるように設けられたｐ型拡散抵抗４ｂ，４ｄとの組み合わせで構成され、拡散抵抗４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの順で接続されていることを特徴としている。また、ブリッジ回路５もブリッジ回路４と同様にｎ型拡散層，ｐ型拡散層とも電流の流れる方向が＜１００＞方向と平行となるように設けられているが、ブリッジ回路５のｎ型拡散層の長手方向、すなわち電流の流れる方向と、ブリッジ回路４のｎ型拡散層の長手方向が直交するように配置する。すなわち、図８に詳細に示すように、前記ブリッジ回路４は、〔０１０〕方向と平行な方向に配置されたｎ型拡散抵抗４ａ，４ｃと、〔０１０〕方向と平行な方向に配置されたｐ型拡散抵抗４ｂ，４ｄにより構成され、拡散抵抗５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの順で接続されている。
【００６４】
ｐ型拡散抵抗４ｂ，４ｄの周辺にはｎ型不純物を拡散させたウェル３０６が形成される。ウェルはｐ型拡散抵抗４ｂ，４ｄを含むように各ブリッジに１個が望ましく、その場合には、拡散層を形成する際のイオン注入条件が単純となることから拡散抵抗４ｂと４ｄの抵抗値を高精度に一致させることが可能となる。また、スペース効率の点からも望ましい。このｎ型のウェル３０６は電源のプラス側に接続し、ｐ型のシリコン基板２は電源のグランド側に接続する。なお、本実施例ではｐ型のシリコン基板を用いることを前提にしているが、ｎ型のシリコン基板を用いた場合には、ｎ型拡散抵抗４ａ，４ｃの周辺にｐ型のウェルを形成する必要がある。同様に、前記ブリッジ回路５は、〔１００〕方向と平行な方向に配置されたｎ型拡散抵抗５ａ，５ｃと、〔１００〕方向と平行な方向に配置されたｐ型拡散抵抗５ｂ，５ｄにより形成されている。本実施例の場合でも、実施例１と同様に、表記の方向から外れた場合でも±１０度の角度範囲のズレに収まっていれば、ほぼ同様な効果が期待できる。
【００６５】
図９には、ブリッジ回路５のｐ型拡散層抵抗の配置を変えた例を示す。本実施例ではブリッジ回路４のｎ型拡散抵抗は、その長手方向がほぼブリッジ回路５のｎ型拡散抵抗のそれと直交しているが、ｐ型拡散抵抗の長手方向はブリッジ回路４とブリッジ回路５でほぼ平行となっている。
【００６６】
また図１０には、ブリッジ回路４とブリッジ回路５の拡散層の配置を変えた例を示す。本実施例では、長手方向が＜１００＞方向を向いた拡散抵抗４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの拡散抵抗が＜１１０＞に平行に並んで配置したものであり、図面横方向のスペースを取らないという利点がある。そこで、図面横方向の空きスペースにアンプ等の回路を収納することが可能となる。また、ブリッジ回路４とブリッジ回路５が全く左右対称とするのが望ましく、その場合には、チップ端部の影響をブリッジ回路４とブリッジ回路５が等しく受けることになるため、誤差の少ない測定が可能となるという利点が生じる。
【００６７】
また図１１には、ｎ型拡散層で形成される拡散抵抗４ａと４ｃがｐ型拡散層で形成される拡散抵抗４ｂ，４ｄに挟まれて配置される場合を示す。この場合には、ひずみ感度の高い拡散抵抗４ａと４ｃをチップ中心部に配置することが可能となるため、チップ端部のひずみ開放領域の影響を受けることがなく、より精度の高い測定が可能となるという利点が生じる。なお、この場合には各ブリッジ当り２個のウェルが必要となる。
【００６８】
次に、本実施形態による作用，効果を説明する。
【００６９】
シリコン基板に形成した不純物拡散層をひずみ感応抵抗体とし、前記不純物拡散層のピエゾ抵抗効果を利用してひずみ計測を行う場合、前記不純物拡散層の抵抗値変化は、目的とするひずみ計測方位とは異なる方位のひずみの影響を受けてしまう。このため、多軸のひずみが生じている被測定物に半導体力学量測定装置を設置した場合には特定方向のひずみ量を正確に検出することができないという問題があった。
【００７０】
＜１００＞方向が長手方向となるようにｎ型拡散抵抗を配置した場合、垂直ひずみに対するひずみ感度が大きく、なおかつ、長手方向（すなわち電流方向）に平行なひずみに対する感度と、電流方向に垂直なひずみに対する感度が大きく異なる。一方、＜１００＞方向が長手方向となるようにｐ型拡散抵抗を配置した場合、垂直ひずみに対するひずみ感度が非常に小さい。これらをブリッジ回路として組み合わせることにより、温度変化があった場合においてもその影響を小さくすることができるとともに、特定方向のひずみを精度良く計測することができる。
【００７１】
このように、少なくともひとつのブリッジ回路を構成する拡散抵抗体を、＜１００＞方向が長手方向となるようにｎ型拡散抵抗と、＜１００＞方向が長手方向となるようにｐ型拡散抵抗の二種類の拡散抵抗とを組み合わせることによって、多軸にひずみが発生する場合でも、精度の高い測定が可能となる。なお本実施例の場合には、＜１００＞方向と
＜０１０＞方向の２軸のひずみを分離することが可能となる。
【００７２】
なお、測定に用いるひずみ感度の高い不純物拡散層としては、＜１００＞方向に平行なｎ型拡散抵抗や＜１１０＞方向に平行なｐ型拡散抵抗があり、ひずみ感度の小さな不純物拡散層としては、＜１００＞方向に平行なｐ型拡散抵抗や＜１１０＞方向に平行なｎ型拡散抵抗がある。
【００７３】
また、図７に示した実施例に示すように、ブリッジ回路４，５における拡散抵抗の構成やパターンを同一とし、配置のみを直交させる構造とすることにより、ブリッジ回路４と５の製造に由来するばらつきやひずみ感度特性を全く同じにできるので、両者の出力からの各ひずみ成分の分離計算の際に誤差が少なくできるという効果も得られる。不純物拡散層４ａ，４ｃと不純物拡散層５ａ，５ｃは、線２ｂを中心に略線対称であれば、互いの不純物拡散層の存在の影響を等しく受けるので、高精度な測定とすることができる。ここで、線対称とは、厳密に線対称である必要は無く、対称となる線で折り返したときに、不純物拡散層を形成した領域の５０％以上が重なる程度の対称性があれば足りる。また、線対称の対称に係る線２ｂが、シリコン基板２の平面の図心２ａを通るように不純物拡散層
４ａ，４ｃ，５ａ，５ｃを配置すれば、シリコン基板２の端部の影響を等しく受けることとなるため、誤差の少ない測定が可能となるという利点が生じる。さらに、不純物拡散層４ｂ，４ｄ，５ｂ，５ｄも、線対称に配置すれば、更に効果が高まる。
【００７４】
また、各ブリッジを別々のチップに形成して２チップにして計測しても原理的には可能だが、現実的には、２つのチップを貼り付ける場合に角度の相対誤差が生じることが多く、１チップに３つのブリッジを結晶軸方向に配慮して形成した場合に比べて格段に測定精度が落ちる。また、２つのチップを貼る場合には、貼り付け用の接着剤のわずかな厚さの違い等によって誤差が生じやすいという問題もある。よって、本実施例では、半導体基板の結晶軸方向をうまく一致させて、二軸の垂直ひずみとせん断ひずみを１チップで計測できるようになったために、高精度の計測を実現できた。
【００７５】
さらに本実施例によれば、ひずみ感度の高い不純物拡散層４ａ，４ｃ，５ａ，５ｃの間の距離を、ひずみ感度の低い不純物拡散層４ｂ，４ｄ，５ｂ，５ｄの間の距離よりも小さくし、また、ひずみ感度の高い不純物拡散層４ａ，４ｃ，５ａ，５ｃをひずみ感度の低い不純物拡散層４ｂ，４ｄ，５ｂ，５ｄよりも図心２ａに近くすることにより、数百ミクロンという微小部位にこれらの２つのブリッジが形成できているので、応力集中場のひずみ状態を高精度に求めることが可能となるという利点もある。
【００７６】
また、チップ表面に少なくともひとつの方向表示印１４を設けることにより、センサの方向を認識しやすく、扱いが容易である。例えば計測者がセンサチップを被測定物に接着する場合でも、センサチップの方向を認識しながら接着することによって、この方向をもとに主応力方向を同定することが可能となるという利点が生じる。
【実施例３】
【００７７】
＜２軸分離チップの調整用抵抗＞
実施例２の場合のように１つのブリッジ回路の中に、ｎ型の拡散抵抗とｐ型の拡散抵抗が混在している場合には、ｎ型の拡散抵抗を形成するためのイオン注入処理と、ｐ型の拡散抵抗を形成するためのイオン注入処理と、２つのイオン注入処理が少なくとも必要になる。この２つのイオン注入処理において拡散抵抗値がばらつくと、各ブリッジ回路にオフセットが発生することになる。
【００７８】
図１２はこの課題を解決した本発明の実施例である。本実施例では、ｐ型拡散抵抗４ｂ，４ｄに、それぞれ抵抗調整用拡散抵抗１０１が設けられている。なお、抵抗調整用拡散抵抗１０１はｐ型拡散抵抗からなる。抵抗調整用拡散抵抗１０１は直列に接続されており、抵抗調整用抵抗間からは配線が引き出されており、例えばそれぞれパッド１０７に接続されている。
【００７９】
ブリッジ回路のオフセット値をゼロ付近にするためには、ｎ型拡散抵抗４ａ，４ｃおよび前記ｐ型拡散抵抗４ｂ，４ｄ、の値を同程度にする必要がある。しかし、ｎ型拡散抵抗およびｐ型拡散抵抗の値を制御するには、単結晶基板に導入する不純物濃度や、その後の不純物拡散熱処理の温度や時間による制御だけでは、不十分な場合がある。したがって、抵抗値を微調整するための抵抗調整用拡散抵抗１０１を設けることにより、ｐ型拡散抵抗の実質の抵抗値を変化させることができ、オフセット値をゼロ付近に調整することが可能となる。イオン注入処理に起因したシート抵抗ばらつきが発生した場合でも、図１３に示すような調整用抵抗から引き出したパッドのうち、どこかはオフセットが小さくなるパッドの組み合わせがある。そこで、このオフセットが小さくなるパッドの組み合わせを見つけてブリッジとして使用する。このとき抵抗調整用の拡散抵抗の長さを、ブリッジ回路を構成するｐ型拡散抵抗本体の長さよりも短くすることにより、抵抗の微調整が可能であり、よりオフセットを小さくすることが可能となる。調整用抵抗は、ホイートストンブリッジを構成する拡散抵抗のうち、対辺に位置する二つの拡散抵抗にもうけられる。そして、ホイートストンブリッジ上でそれぞれの本体抵抗に対する位置が対角側になるように設けることにより、４本の拡散抵抗の抵抗値の微調整に用いることができる。
【００８０】
このように１つのブリッジ回路から４つより多い数の配線を引き出し、その中の電圧バランスが取れるパッドを選択して用いることによって、イオン注入に由来するシート抵抗ばらつきによるオフセット発生を実質上、ほぼ取り除くことができる。また、このブリッジ回路から引き出される配線のうち、どれを選択するかは、アンプとＡ／Ｄコンバータ付きＣＰＵを用いれば、自動的に行うことができる。図１４には、その回路ブロック図を示した。ＣＰＵ３０１からの信号によりスイッチ３０２が切り替えられ、オフセットが小さくなるようにブリッジ回路から引き出された引出配線のうちどれを選択するかが決定され、拡散抵抗に通電が行われる。そして、作製された拡散抵抗の抵抗値の誤差を反映したブリッジ回路からの出力はＡ／Ｄコンバータ経由でＣＰＵ３０１に電圧値として入力されて、オフセットの大きさが判断される。そして、ＣＰＵ３０１によりオフセットが最も小さくなるように自動的にどの引出配線１０１で接続してひずみ測定を行うかが決定される。なお、使用しない引出配線は、そのまま残しても除去してもよい。また、この拡散抵抗の抵抗値の測定及び使用する引き出し配線の決定は、力学量測定装置の製造工程において行ってもよいし、力学量測定装置を実際にひずみ測定を行う被測定物に取り付けた後で、測定開始の前に行ってもよい。
【００８１】
なお、抵抗調整用抵抗１０１は少なくともｎ型拡散抵抗、または前記ｐ型拡散抵抗のいずれかに設けることによって、同様の効果が得られるが、ｐ型拡散抵抗に＜１００＞方向と平行であるｐ型拡散抵抗からなる抵抗調整用拡散抵抗１０１を設けるのが好ましい。ひずみ感度が低い＜１００＞方向と平行であるｐ型拡散抵抗を抵抗調整用抵抗とすることにより、抵抗調整用抵抗がひずみに対して感度をもつことがないため、抵抗調整した場合にも高精度にひずみを検出することができるという利点がある。また、図１３に示すように、調整用抵抗１０１は４ｂ，４ｄの中に設けられるが、その位置は４ａ，４ｃに近い側でなく、センサの外側に配置するのが望ましい。これにより、パッド１０７への配線の引き回しが楽になるという利点が生じる。
【００８２】
なお、図７から図１１の実施例に対して、調整用抵抗１０１の適用が可能であり、同様な効果が期待できる。
【００８３】
図１２は、本実施例の不純物拡散層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを、説明のために拡大した図である。調整用抵抗１０１を有する不純物拡散層４ｂ，４ｄはひずみ感度の低い
＜１００＞方向と平行であるｐ型拡散抵抗であり、調整用抵抗１０１を有さない不純物拡散層４ａ，４ｃはひずみ感度の高い＜１００＞方向と平行であるｎ型拡散抵抗である。調整用抵抗１０１は、拡散抵抗本体を形成する折り返し抵抗１０２よりも短く、すなわち抵抗値が低く形成されている。小さな調整用抵抗１０１を複数備え、それから配線５０で引き出してパッド１０７に接続することで、きめ細かな抵抗値の調整を行うことができる。また、拡散抵抗４ｂ，４ｄが調整用抵抗１０１を有することにより、すなわちホイートストンブリッジの対辺にある拡散抵抗４ｂ，４ｄに調整用抵抗１０１が存在することにより、４つの拡散抵抗層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの抵抗値の調整に対応できるようになっている。また、図１２に示すように、調整用抵抗１０１は拡散抵抗層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの配置の両端部に配置する、すなわち一番外側に配置することで、多数存在するパッド
１０７への引き回しが容易になる。なお、調整用抵抗１０１を含む不純物拡散層の４ｂ，４ｄの抵抗値を、不純物拡散層４ａ，４ｃの値よりもやや大きくしておくことで、抵抗値の増減の調整が容易に行えるようにすることができ、ブリッジ抵抗の平衡状態を容易に実現することができる。
【実施例４】
【００８４】
＜ポリシリコンの２軸分離チップ＞
本発明における第２の実施形態を図１５と図１６を用いて説明する。図１５に示すように、本実施形態では２軸ひずみ場を高精度に測定するために、ブリッジ回路４とブリッジ回路５を設けており、各ブリッジ回路はポリシリコンの配線抵抗と拡散層抵抗によってそれぞれ構成されている。ブリッジ回路４は、電流の流れる方向が該シリコン基板２の
＜１００＞方向と平行となるように設けられたｐ型拡散抵抗４ｂ，４ｄと、電流の流れる方向が該シリコン基板２の＜１１０＞方向と平行となるように設けられたポリシリコン配線抵抗４０５ｂ，４０５ｄと、の組み合わせで構成されていることを特徴としている。また、ブリッジ回路５も同様に、電流の流れる方向が該シリコン基板２の＜１００＞方向と平行となるように設けられたｐ型拡散抵抗５ｂ，５ｄと、電流の流れる方向が該シリコン基板２の＜１１０＞方向と平行となるように設けられたポリシリコン配線抵抗５０５ｂ，５０５ｄと、の組み合わせで構成されているが、ブリッジ回路５のポリシリコン配線抵抗５０５ｂ，５０５ｄの長手方向、すなわち電流の流れる方向と、ブリッジ回路４のポリシリコン配線抵抗４０５ｂ，４０５ｄの長手方向が直交するように配置する。本実施例の場合でも、実施例１と同様に、表記の方向から外れた場合でも±１０度の角度範囲のズレに収まっていれば、ほぼ同様な効果が期待できる。
【００８５】
本実施例の場合も実施例２と同様に、特定方向のひずみ場を計測することができる。ポリシリコン配線抵抗では、その長手方向の垂直ひずみに対するひずみ感度が大きく他の方向のひずみ感度はごく小さい。一方、＜１００＞方向が長手方向となるようにｐ型拡散抵抗を配置したので、各ひずみ成分に対するひずみ感度が非常に小さくなっている。よってこれらをブリッジ回路として接続することで、一方向のひずみのみを精度良く計測することが可能となる。そして１つのチップに２つのブリッジ回路を設け、そのポリシリコン配線抵抗の長手方向を直交させることで、面内２軸のひずみ状態の計測が可能となる。
【００８６】
また、本実施例ではブリッジ回路４とブリッジ回路５のそれぞれのポリシリコン配線抵抗の長手方向を＜１１０＞としたが、ブリッジ回路４のポリシリコン配線抵抗の長手方向とブリッジ回路５のポリシリコン配線抵抗の長手方向がほぼ直交する状態で配されていれば原理上、同様な効果が得られる。ただし、実装やその後のチップ取り付け時の容易さや認識のしやすさから、本実施例のようにほぼ＜１１０＞方向に平行直角に配するのが望ましい。
【００８７】
また、本実施例においても、イオン注入条件やポリシリコン配線抵抗の幅のばらつきなどによって、ブリッジを構成する各抵抗の値のばらつきが起こるため、オフセットが発生しやすい。そこで、実施例３と同様に図１６に示すように調整用抵抗１０１を設けるのが望ましい。このとき調整用抵抗はｐ型拡散層に設けるのが、精度の点から望ましい。
【実施例５】
【００８８】
＜３軸分離チップ＞
図１７に示すように、垂直ひずみ成分だけではなく、第三のブリッジ回路２４によってせん断ひずみ成分も分離することが可能である。すなわち、第三のブリッジ回路２４は、第一の実施例のブリッジ回路３０４と同様なものである。また、ｎ型不純物拡散を用いて、第一の実施例のブリッジ回路３０５と同様にしてもよい。本実施例では、ひずみ計測座標系を図のように規定すると、〔１００〕方向と〔０１０〕方向の垂直ひずみとチップ貼り付け面内のせん断ひずみを計測することができる。すなわち、面内の垂直ひずみ二方向とせん断ひずみ一方向がこの１つのチップで計測できることになる。すなわち、被測定部材の特定の方向を方向表示印１４に合わせて接着し、該半導体チップの＜１００＞方向に平行直角な垂直ひずみ二成分と、せん断ひずみ一成分を計測することが可能であり、この３成分を用いることにより被測定部材の主ひずみ方向等、ひずみ状態を求めることが可能となる。また、図１８に示すような配置でもよい。図１７では、長手方向が＜１００＞方向を向いた拡散抵抗５ａ〜５ｄを、長手方向に直交する＜１００＞方向に並べて配置しているが、図１８では、拡散抵抗５ａ〜５ｄを、＜１１０＞方向に並べて配置している。また、せん断ひずみを測定する第三のブリッジ回路２４は、第一のブリッジ回路４及び第二のブリッジ回路５の拡散抵抗を並べた方向（図面下側）の領域に、第一及び第二のブリッジ回路４，５に隣接して設けてある。隣接するとは、センサまたは拡散抵抗間の距離が、拡散抵抗の長さ方向の長さよりも小さいこととする。図１８の場合には、拡散抵抗４ａ〜４ｄおよび５ａ〜５ｄ等を密に配置してシリコン基板面に対するセンサの面積占有率が低く設計できるので、チップを小さく出来、安価に製造することが可能となる。なお、第三のブリッジ回路２４は図１７，図１８では第一のブリッジ回路４及び第二のブリッジ回路５の拡散抵抗を並べた方向（図面下側）の領域に設けたが、図面横方向に並べて配置しても良い。
【００８９】
本実施例によれば、３つのブリッジ回路が同一の半導体チップ内に配されているため、貼り付け時に接着剤の厚みによって発生する感度低下の影響を、前記３つのブリッジ回路が全く同じだけ受けるために、各ひずみ成分を分離して検出する場合に誤差を少なくすることができ、高精度な計測が可能となる。
【００９０】
また、本実施例によれば、３つのブリッジ回路が同一の半導体チップ内に配されているため、応力集中場の計測のような微小部分のひずみ計測も可能となる。
【００９１】
さらに、本実施例によれば、３つのブリッジ回路が同一の半導体チップ内に配されているため、シリコンの熱伝導率が高いため、３つのブリッジ回路が同じ温度となる。よって温度による特性変動を３つのブリッジ回路が同様に受けるので、精度の高い計測が可能となる。
【００９２】
また、本実施例では実施例２をもとにせん断ひずみを追加して測定できるようにしたが、実施例４をもとに、これにせん断ひずみが測定できるように第三のブリッジ回路２４を追加したものでも良い。
【００９３】
＜温度センサ付きチップ＞
さらに力学量測定装置の同一チップ上に温度センサ１５が設けられた構造となっている。その他の点は同一構造であり、第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、前記温度センサ１５は、ＰＮ接合からなるダイオードであることが好ましい。これにより、温度センサはひずみの変化による影響を受けることが無く、ひずみ検出部３付近の温度変化を正確に測定することが可能となる。
【００９４】
特に、実施例２，３，４に示すような、ｐ型拡散層とｎ型拡散層、もしくはｐ型拡散層とポリシリコン配線抵抗、とを組み合わせてブリッジを構成する場合には、それぞれの抵抗値の温度依存性が異なるために、温度変化によってオフセットが大きくなりやすい。そこで、同一チップ内に温度センサを設けて、計測値の補正を行う。
【００９５】
ひずみ検出部３と温度センサ１５を同一チップ上に設けることによる効果を、図２０のフローチャートを用いて説明する。温度センサ１５により、ひずみ測定中の温度変化ΔＴを測定し、温度変動による熱ひずみを算出する。これにより、センサ４とセンサ５の出力から各ひずみ成分を分離して計算する際に、熱ひずみ分を除去して算出することが可能となる。
【実施例６】
【００９６】
＜はく離センサ付きチップ＞
次に、本発明における第６の実施形態を図２０により説明する。図２０は第６の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、第２の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【００９７】
図２０に示す本実施形態の力学量測定装置においては、力学量測定装置のチップ上にはく離監視センサ１６，１７，１８，１９が設けられた構造となっている。その他の点は同様な概念であり、第２の実施形態と同様の効果が得られる。はく離監視用センサは、例えば不純物拡散抵抗から形成することができる。また、はく離監視用センサは不純物拡散抵抗から形成される場合、四隅の拡散抵抗でホイートストンブリッジ回路を形成し、出力変動を監視することにより、力学量測定装置１が被測定物からはく離したかどうかを知ることが可能となる。はく離監視用センサ１６，１７，１８，１９を結んだ領域がひずみ測定用のセンサ４，５を囲む位置として、四隅に配置することが好ましい。さらに、チップ端から前記はく離監視センサの距離Ｌ３〜Ｌ１０はそれぞれ同じであることが好ましい。
【００９８】
本発明の力学量測定装置は、省電力化のために半導体基板上にひずみ検出部を設けたものであり、被測定物に取付けて遠隔でひずみを検出することができるものである。遠隔で測定するゆえに、仮に力学量測定装置の一部がはく離しかけていたとしても、遠隔監視を行っている使用者は気がつかず、誤った測定データが力学量測定装置から送られてくることとなる。そこで、本実施例では、はく離センサを設けることにより、使用者にはく離が起きていることを知らせて、測定装置の再取付を促し、正確なひずみ測定を行うものである。
【００９９】
前記力学量測定装置１を被測定物２０１に貼り付けてひずみ測定を行う場合、前記シリコン基板２の周辺部近傍領域では、被測定物に対するひずみの追従性が悪くなるが、チップ端から前記はく離監視センサの距離を同じにすることで、前記はく離監視センサがうける端部の影響を同じにすることができる。はく離監視用センサ１６，１７，１８，１９は、チップ端近くに設置されるため、はく離が起きやすく、いち早くはく離を検出できる位置に配置してある。また、これらのはく離監視用センサ１６，１７，１８，１９でホイートストンブリッジ回路を形成することにより、はく離が生じない場合の出力はゼロ付近となり、ある箇所ではく離が生じるとその部分のはく離監視用センサの抵抗が変動し、ブリッジ回路の出力が増加する。このように、ホイートストンブリッジ回路を形成することにより、出力端子を減少させる効果も得られる。また、はく離監視用センサは、不純物拡散抵抗とすることにより、センサを製作する製造工程以上に製造工程が増加することが無く、容易に製造することができ、コスト上昇が無いという効果も得られる。なお、本実施例では、ひずみ測定用のセンサ４，５を二つ備えているが、一つでもよい。
【実施例７】
【０１００】
＜アンプ付きチップ＞
次に、本発明における第７の実施形態を図２１により説明する。図２１は第７の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、第２の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【０１０１】
図２１に示す本実施形態の力学量測定装置においては、力学量測定装置の同一チップ上にセンサと同数のアンプが、センサとともに設けられた構造となっている。ここでは２つのセンサに２つのアンプ回路が接続されている。その他の点は前実施例と同一概念である。このように、１つのチップ上に２つ以上のセンサと、これと同数のアンプを設けることによって、それぞれを独立して動作させることが出来るので、スイッチング動作により切り替える必要が無いために高速の計測が可能になるという利点がある。また、用途によって使用しないセンサがある場合には、そのセンサとアンプの電源を切ることが出来るため、省電力化できるという利点がある。一般のセンサとアンプを接続して用いる通常の用途では、１つの回路内に複数のセンサとアンプを１チップとしたものも散見されるが、そのメリットは低価格であることである。しかし本実施例ではそれ以上の利点が生まれる。すなわち、１チップ内にひずみを検知するセンサとアンプの組を複数設けることにより、各センサの貼り付け角度が正確になることから高精度な計測が可能となる。また、１チップ化することにより各センサが小さい部分に集中して配置されるので、狭隘部の応力集中場の多軸ひずみ成分が精度良く計測できるという利点が生じる。
【０１０２】
前記アンプ２０，２１内には、それぞれ抵抗２２，２３が形成されており、例えば不純物を導入した多結晶シリコンによって形成される。また、トランジスタ２５も形成され、これと抵抗２２，２３の組み合わせでアンプが形成される。ここで、抵抗２２，２３の長手方向が、すべて同じ方向となるように配置されており、なおかつ、ひずみ検出部３を構成する拡散抵抗４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの長手方向と平行となっており、拡散抵抗５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの長手方向とは垂直に配置されている。
【０１０３】
本実施形態に示すように、ブリッジ回路４，５とアンプ２０，２１を同一半導体チップ上に形成することにより、ノイズが乗りにくく、高精度な測定が可能な力学量測定装置が提供される。また、ブリッジ回路の出力をチップ上で至近距離において増幅することができるため、ノイズ耐性がさらに向上する。さらに、ブリッジ回路が小さいことにより、磁束が通り抜けにくいため、力学量測定装置自体も外部ノイズに強い。
【０１０４】
図２２に示すように、アンプ回路はセンサからの２つの出力をそれぞれ別の差動アンプに入力することが望ましく、その場合には、この２つの差動アンプ２０ａ，２０ｂに接続される多結晶シリコン抵抗製の抵抗２２ａ，２２ｂを、それぞれ略線対称に配置することにより、２つの多結晶シリコン２２ａと２２ｂに対するひずみの影響を同じにすることができ、アンプ回路におけるひずみの影響をある程度、相殺することができるため、精度の高い測定が可能な力学量測定装置が提供される。すなわち、センサの両出力につながる２つのアンプ２０ａ，２０ｂの抵抗２２ａと２２ｂを略線対称に配置し、図示していないが対称配置でないアンプの抵抗が有る場合も、その長手方向を同方向に揃えて配置する。このように２つの差動アンプ２０ａ，２０ｂを用いて、それに接続される抵抗を略線対称に配置することによって、アンプの抵抗のポリシリコン部分にひずみが付加された場合でも、略線対称に配置した対となる抵抗２２ａと２２ｂのひずみに対する変化量は等しくなることから、誤差が少なくなるという利点が生じる。すなわち、２２ａと２２ｂとを略線対称にすることによって同じ方向の同じ大きさのひずみが該抵抗２２ａ，２２ｂに付加されるので、２つのアンプの増幅率のひずみによる影響も等しくなる。よって片側のアンプだけ他方向のひずみによって倍率が変化するようなことが無く、その補正も容易である。
【０１０５】
通常、センシング回路では差動アンプによる増幅が行われるが、これは同相除去効果、すなわちセンサにつながれた信号線にノイズが混入した場合に両極の信号線に同じだけのノイズがのるために除去できるという効果を有するために、ノイズ低減対策として用いられる。しかしながら本発明においては、その効果に加えて、このようなひずみに対する影響を軽減する効果を有する。
【０１０６】
更に望ましくは、チップの線対称軸と抵抗２２ａ，２２ｂの線対称軸が一致するのが望ましい。チップを取り付けて、チップに大きなひずみが付加された場合に、その変形は中心線を対称軸として線対称となるため、抵抗２２ａ，２２ｂもチップの線対称軸に対して、対称に配置することにより、チップが大きく変形した場合においても、抵抗２２ａ，２２ｂのひずみに対する影響を同一に出来るという利点がある。
【０１０７】
また、アンプ回路として、センサからの出力を２つの差動アンプに入力しない場合でも、前記アンプ回路に接続される抵抗として多結晶シリコンを使用し、その多結晶シリコン抵抗の長手方向をすべて同一の方向に揃えることにより、複数の差動アンプを用いた場合よりも効果は低減するが、その効果は十分に有する。すなわち多結晶シリコン抵抗がその方向のみにひずみ感度をもつようにすることができ、２軸ひずみ場における各ひずみを計算によって分離する際にも容易になるため、比較的高精度で測定することが可能な力学量測定装置が提供される。
【０１０８】
また、半導体チップ上のブリッジ回路に接続されるアンプを用いた増幅回路において、該アンプに接続される多結晶シリコン製の抵抗の長さを変化させる機能や該抵抗の接続数を変化させるための機能を設けることにより、前記アンプ回路の倍率を変化させることが可能な力学量測定装置が提供される。
【０１０９】
この場合、低倍率用の抵抗が、高倍率用の抵抗よりもチップ内側に配置されているほうが好ましい。これにより、低倍率アンプ使用時の多結晶シリコンに対する感度ばらつきの影響を最小限にすることが可能である。
【０１１０】
また本実施例および下記実施例では、２個のセンサと２個のアンプについて説明したが、それ以上の場合でも同様に適用が可能である。また、同一チップ内に複数のセンサと１個のアンプを持つ場合においても、そのアンプの抵抗の配置や回路に関しては、本実施例に倣って配置することにより、同様に精度の高い計測が可能になるという利点を生じる。
【０１１１】
また、本実施例ではアンプに接続される多結晶シリコン製の抵抗の長手方向の向きは全部揃っていたほうが望ましいが、アンプ回路によって、一部違っても良いし、対称が崩れる場合もある。しかしその場合でも、効果は少なくなるが、本実施例に述べた効果は有する。また、本実施例ではアンプ回路に接続される抵抗は多結晶シリコン製であることを仮定して説明したが、半導体基板の拡散抵抗でもよく、同様な効果を有する。
【０１１２】
また、図２１に示すように、ブリッジ回路４とブリッジ回路５はできるだけチップの中心にくるように設け、アンプのトランジスタ２５はチップ端部に近くなるのでも良い。すなわち、比較的ひずみに敏感でないトランジスタ２５をチップ端部に設けることにより、高精度な計測が実現できる。すなわち、ブリッジ回路４とブリッジ回路５の拡散層との距離は、ブリッジ回路４に接続されるアンプのトランジスタとブリッジ回路５に接続されるトランジスタとの距離よりも小さいように配置することにより、高精度な計測が可能となる。
【実施例８】
【０１１３】
＜アンプ付きチップ＞
次に、本発明における第８の実施形態を図２３により説明する。図２３は第８の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、他の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【０１１４】
図２３に示す本実施形態の力学量測定装置においては、同一チップ上に、アンプ２０，２１が形成されている点では、図２２に示す第７の実施形態による力学量測定装置と同様であり、同様の効果が得られる。
【０１１５】
本実施形態においては、アンプ２０，２１を構成する抵抗群２２ａと２２ｂ，２３ａと
２３ｂが、チップの中央を回転軸として、回転対称に配置されている。この場合には、ブリッジ回路５とアンプ２１が、ブリッジ回路４とアンプ２０を９０度回転させた全く等価な構造となるため、設計が容易であるという効果が得られる。また、ブリッジ回路４に接続する抵抗２２ａ，２２ｂは同方向を向いているので、抵抗２２ａ，２２ｂのひずみに対する影響を同一に出来、差動アンプで相殺することで、ひずみの影響を小さくすることができる。
【実施例９】
【０１１６】
＜アンプ付きチップ＞
次に、本発明における第９の実施形態を図２４により説明する。図２４は第９の実施形態による力学量測定装置の主要部を示しており、他の実施形態と共通の部分には同一の符号を付している。
【０１１７】
第７の実施形態による図２１の力学量測定装置においては、各辺が＜１００＞方向に平行な四角形形状であるのに対し、図２４に示す本実施形態の力学量測定装置においては、各辺が＜１１０＞方向に平行な四角形形状となっている。その他の点は同一構造であり、アンプを力学量測定装置と同一チップ上に配置することにより第７の実施形態と同様の効果も得られる。
【０１１８】
アンプ２０，２１内には、それぞれ抵抗２２ａと２２ｂ，２３ａと２３ｂが形成されており、例えば不純物を導入した多結晶シリコンによって形成される。ここで、抵抗２２ａと２２ｂ，２３ａと２３ｂの長手方向が、すべて同じ方向となるように配置されており、なおかつ、ブリッジ回路４を構成する拡散抵抗４ａ〜４ｄの長手方向と垂直となっており、ブリッジ回路５を構成する拡散抵抗５ａ〜５ｄの長手方向とは平行に配置されている。
【０１１９】
ブリッジ回路４，５の配置と平行に、すなわち対角線と平行にアンプ２０，２１を配置することにより、ひずみ測定方向とアンプの帰還抵抗の配置方向が同じである為、ひずみの測定方向が容易に分かるという利点がある。また、ブリッジ回路４，５を隣接して設け、アンプの抵抗２２ａ，２２ｂと抵抗２３ａ，２３ｂがそれぞれブリッジ回路４，５に隣接するように両側に設けることにより、ブリッジ回路４,５とアンプの抵抗２２ａ,２２ｂ，２３ａ，２３ｂの設置面積を小さくすることができる。
【実施例１０】
【０１２０】
＜アンプ付きチップ＞
次に、本発明における第１０の実施形態を図２５により説明する。図２５は第１０の実施形態による力学量測定装置の主要部を示している。
【０１２１】
本実施形態による図２５の力学量測定装置は、図２４に示す第９の実施形態の、ブリッジ回路４，５およびアンプ２０，２１の配置を変形させた構造となっている。その他の点は同一構造であり、上記の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１２２】
図２４に示す第１０の実施形態においては、ブリッジ回路４，５がチップの対角線に沿って一列に配置されているのに対し、図２５に示す本実施形態においては、ブリッジ回路４，５がチップの中央線に沿って２０１に沿って配置された構造となっている。また、ブリッジ回路４，５を構成する拡散抵抗４ａ〜４ｄ，５ａ〜５ｄの中心が、チップの中央線２０１に沿って一列に配置された構造となっている。ブリッジ回路４を形成する拡散抵抗４ａ〜４ｄはその長手方向がブリッジ回路４の測定方向である〔１００〕方向を向き、ブリッジ回路５を形成する拡散抵抗５ａ〜５ｄはその長手方向がブリッジ回路５の測定方向である〔０１０〕方向を向き、それぞれ直交している。また、いずれの拡散抵抗も、＜１１０＞を向くチップの辺及び中央線に４５°をなす方向を向いている。そして、拡散抵抗４ａ〜４ｄのそれぞれの中心は、拡散抵抗４ａ〜４ｄの長手方向と４５°をなす方向に並び、拡散抵抗５ａ〜５ｄのそれぞれの中心は、拡散抵抗５ａ〜５ｄの長手方向と４５°をなす方向に並び、拡散抵抗４ａ〜４ｄ及び拡散抵抗５ａ〜５ｄの中心が一列に並ぶことにより、ブリッジ回路４，５の占める領域が縦長でコンパクトになる。
【０１２３】
また、アンプ２０，２１内に形成されている、抵抗２２ａと２２ｂ，２３ａと２３ｂの長手方向が、すべてチップの中央線２０１と平行、すなわち＜１１０＞方向と平行に設けられている。ブリッジ回路４，５の一方の側方にアンプの抵抗２２ａと２２ｂを設け、ブリッジ回路４，５に対して反対側にアンプ抵抗２３ａと２３ｂを設けている。
【０１２４】
本実施形態では、ブリッジ回路を縦長に、コンパクトにまとめることが出来るので、アンプを配置する場合にもアンプの占有面積を大きくすることが可能である。よってより小さいチップ面積とすることが可能で、コスト低減に役立つ他、占有面積が大きくなりやすい倍率の高いアンプの搭載も可能となる。またこのようにセンサとアンプを配置することで、センサとアンプ間の配線の引き回しが容易になるという利点が生じる。
【実施例１１】
【０１２５】
＜ひずみ検出部の位置＞
図２６に示すように、前記力学量測定装置１を被測定物１１５へ貼り付け、もしくは他の板を介して接続して、ひずみ測定を行う場合、シリコン基板２の側面は自由表面となることからシリコン基板２と被測定物１１の界面に平行な方向に対する拘束が弱くなる。つまりシリコン基板２の周辺部近傍領域では、被測定物に対するひずみの追従性が悪くなるという問題が懸念された。そこで本願発明者らは、有限要素法解析により、チップ内でセンサを配置する場所を限定することにより感度ばらつきを抑制できることを見出した。
【０１２６】
ひずみ感度に及ぼすチップ厚およびチップ端からの距離を検討した結果を図２７に示す。その結果、ひずみ感度を安定にするためには、ひずみ検出部３をチップ中央部に配置する必要があり、力学量測定装置１のチップ厚が厚くなるに従い、チップ端部からの距離を長くする必要がある。感度が安定化する領域を検討した結果、ひずみ検出部３をチップ端からの距離が少なくとも４９× (チップ厚)0.5μｍ以上内側に配置することにより感度の変動を抑制できることを明らかにした。
【０１２７】
これにより、半導体チップからなる力学量測定装置１を被測定物に貼り付けた場合にもチップ端部の影響を受けることなく測定ばらつきを抑制でき、非常に再現性が良く高精度な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置の概要を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における使用例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置のブリッジ回路を構成する拡散抵抗の接続状態を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置の断面構造を示す模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態による力学量測定装置のブリッジ回路を構成する拡散抵抗の接続状態を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態による力学量測定装置の構成の例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態による力学量測定装置の構成の例を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態による力学量測定装置の動作フローを示す図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図２１】本発明の第７の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図２２】本発明の第７の実施形態によるアンプ回路の例を示す模式図である。
【図２３】本発明の第８の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図２４】本発明の第９の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図２５】本発明の第１０の実施形態による力学量測定装置の詳細を示す模式図である。
【図２６】本発明の力学量測定装置の取り付け状態を示す模式図である。
【図２７】本発明の第１１の実施形態による力学量測定装置の最適形状を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１…力学量測定装置、２…シリコン基板、２ａ…主面、３…ひずみ検出部、４，５，６…ブリッジ回路、４ａ〜４ｄ，５ａ〜５ｄ…拡散抵抗、６ａ，６ｃ…ｎ型不純物拡散抵抗、６ｂ，６ｄ…ｐ型不純物拡散抵抗、８…接着面、１４…方向表示印、１５…温度センサ、１６，１７，１８，１９…はく離監視用センサ、Ｌ１〜Ｌ６…チップ端からの距離、
Ｌ７〜Ｌ１４…チップ端からのはく離監視用センサの距離、２０，２０ａ，２０ｂ，２１，２１ａ，２１ｂ…アンプ、２２，２２ａ，２２ｂ，２３，２３ａ，２３ｂ…抵抗、２５…トランジスタ、１０２…折り返し抵抗、３０６…ウェル、４０５ｂ,４０５ｄ,５０５ｂ，５０５ｄ…ポリシリコン配線抵抗。
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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