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JPS6328615Y2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6328615Y2
JPS6328615Y2 JP1987053627U JP5362787U JPS6328615Y2 JP S6328615 Y2 JPS6328615 Y2 JP S6328615Y2 JP 1987053627 U JP1987053627 U JP 1987053627U JP 5362787 U JP5362787 U JP 5362787U JP S6328615 Y2 JPS6328615 Y2 JP S6328615Y2
Authority
JP
Japan
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diode
semiconductor substrate
type
pair
bridge circuit
Prior art date
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Expired
Application number
JP1987053627U
Other languages
Japanese (ja)
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JPS62180964U (en
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed filed Critical
Priority to JP1987053627U priority Critical patent/JPS6328615Y2/ja
Publication of JPS62180964U publication Critical patent/JPS62180964U/ja
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Publication of JPS6328615Y2 publication Critical patent/JPS6328615Y2/ja
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体センサーにかかり、とくに温度
検出と変位或は圧力検出を同一半導体基板上で行
えるようにした半導体センサーに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor sensor, and more particularly to a semiconductor sensor capable of detecting temperature and detecting displacement or pressure on the same semiconductor substrate.

従来より半導体の持つピエゾ抵抗効果を利用し
た歪ゲージは、高感度でかつ小型にできるために
広く使われている。特に高感度で小型で信頼性が
高いということから、医療機器のセンサーとして
注目されている。小型の半導体歪ゲージを搭載し
た、生体内の圧力計や脈波計が実用化されてい
る。
Strain gauges that utilize the piezoresistive effect of semiconductors have been widely used because they are highly sensitive and can be made compact. It is attracting attention as a sensor for medical equipment because it is particularly sensitive, small, and reliable. In-vivo pressure gauges and pulse wave meters equipped with small semiconductor strain gauges have been put into practical use.

ところで、このような生体計測には体温測定が
重要になる場合が多い。生体内に挿入される場合
には、センサーの形状は小さい程良く、圧力と温
度を別々のセンサーで測定することは不都合であ
る。生体系に限らず、機械系においても局所的な
変位と温度を同時に測定できることは利点が多
い。
By the way, body temperature measurement is often important for such biological measurements. When inserted into a living body, the smaller the shape of the sensor, the better; it is inconvenient to measure pressure and temperature with separate sensors. There are many advantages to being able to simultaneously measure local displacement and temperature not only in biological systems but also in mechanical systems.

本考案では、半導体集積回路の製造技術を用い
て、同一シリコン基板上に弾性歪を検出するため
の拡散抵抗と、絶対温度を測定するためのPN接
合ダイオードを組み込んだものである。集積回路
技術を用いているために、0.1mm角内に2種類の
センサーを作ることができる。
The present invention uses semiconductor integrated circuit manufacturing technology to incorporate a diffused resistor for detecting elastic strain and a PN junction diode for measuring absolute temperature on the same silicon substrate. Because it uses integrated circuit technology, it is possible to create two types of sensors within a 0.1 mm square.

第1図は本考案を説明するための素子断面図、
第2図はその平面図を示す。第1図の1は(100)
面を持つn型シリコン基板、2は基板の弾性歪を
検出するためのP型拡散抵抗、3は温度測定を行
うダイオードの陽極で、前記P型拡散抵抗と同時
に形成される。4はダイオードの陰型でn+型拡
散領域である。5はn+型拡散領域で、基板1へ
の電極を取るためのものである。第2図に示され
る様に、P型拡散抵抗2は正方形の各辺を形作る
ように形成されており、抵抗の巾は一定である。
この正方形の辺は<110>方向に配置される。6
は抵抗に電極を取り付けるためのコンタクト窓で
ある。ダイオードの陰極4,4′は4個の大きさ
の等しい円からなる。そして対角線上にある2個
が並列接続され1個のダイオードの陰極が形成さ
れる。2個の等しい形状を持つダイオードを作る
のに4個の円形の陰極を用いているのは、ピエゾ
抵抗効果によるダイオード特性の変化が互いに相
等しくなるようにするためである。2個のダイオ
ードの陽極は共通である。ダイオードの陽極は、
コンタクト9を通して基板と接続される。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an element for explaining the present invention.
FIG. 2 shows its plan view. 1 in Figure 1 is (100)
An n-type silicon substrate having a surface, 2 a P-type diffused resistor for detecting elastic strain of the substrate, and 3 a diode anode for temperature measurement, which are formed at the same time as the P-type diffused resistor. 4 is a negative type n + type diffusion region of the diode. 5 is an n + type diffusion region for connecting an electrode to the substrate 1; As shown in FIG. 2, the P-type diffused resistor 2 is formed to form each side of a square, and the width of the resistor is constant.
The sides of this square are arranged in the <110> direction. 6
is the contact window for attaching the electrode to the resistor. The cathode 4, 4' of the diode consists of four circles of equal size. Then, two diagonally located diode are connected in parallel to form a cathode of one diode. The reason why four circular cathodes are used to create two diodes with the same shape is to ensure that the changes in diode characteristics due to the piezoresistive effect are mutually equal. The anodes of the two diodes are common. The anode of the diode is
It is connected to the substrate through contacts 9.

第3図は本考案の等価回路図である。破線の左
側はシリコン基板上のセンサー部分を、右側は外
部回路を示す。P型拡散抵抗2は、R1,R2,R3
R4からなる抵抗ブリツジ回路を構成する。10
から15はセンサーの端子を示す。端子10,1
3間にはブリツジの入力電圧Eが印加される。端
子14,15はブリツジの出力で、弾性歪に比例
した出力電圧ΔVEが得られる。端子11,12に
は2個のダイオードD1,D2へ供給される定電流
源I1,I2が接続される。絶対温度に比例した出力
電圧ΔVTが端子11,12間に現われる。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the present invention. The left side of the broken line shows the sensor part on the silicon substrate, and the right side shows the external circuit. The P-type diffused resistor 2 has R 1 , R 2 , R 3 ,
Configure a resistor bridge circuit consisting of R 4 . 10
to 15 indicate the terminals of the sensor. terminal 10,1
The input voltage E of the bridge is applied between 3 and 3. Terminals 14 and 15 are the outputs of the bridge, and an output voltage ΔV E proportional to the elastic strain can be obtained. Constant current sources I 1 and I 2 that are supplied to two diodes D 1 and D 2 are connected to the terminals 11 and 12 . An output voltage ΔV T proportional to the absolute temperature appears between terminals 11 and 12.

次に本考案の原理を説明する。第3図において
抵抗R1,R3が<110>方向にあるものとする。シ
リコン基板の弾性歪の<110>方向成分をe1、こ
れを直角な<110>方向成分をe2、基板表面に垂
直な成分をe3とすると、抵抗R1,R3の歪による
変化率Δ1,Δ3は Δ1=Δ3=A(e1+e2) +π44C44(e1−e2)+Be3 ……(1) 抵抗R2,R4の変化率Δ2,Δ4は Δ2=Δ4=A(e1+e2) −π44C44(e1−e2)+Be3 ……(2) で与えられる。ここに、A及びBは A=1/2{π11(C11+C12) +π12(C11+3C12)} B=π11C12+π12(C11+C12) で表わされる。π11,π12,π44はP型拡散抵抗のピ
エゾ抵抗定数、C11,C12,C44はシリコンのステ
イフネス定数である。
Next, the principle of the present invention will be explained. In FIG. 3, it is assumed that resistors R 1 and R 3 are in the <110> direction. If the <110> direction component of the elastic strain of the silicon substrate is e 1 , the <110> direction component perpendicular to this is e 2 , and the component perpendicular to the substrate surface is e 3 , then the change in resistances R 1 and R 3 due to strain The rates Δ 1 and Δ 3 are Δ 1 = Δ 3 = A (e 1 + e 2 ) + π 44 C 44 (e 1 − e 2 ) + Be 3 ...(1) Rate of change of resistances R 2 and R 4 Δ 2 , Δ 4 is given by Δ 24 =A(e 1 +e 2 )−π 44 C 44 (e 1 −e 2 )+Be 3 (2). Here, A and B are expressed as A=1/2 {π 11 (C 11 +C 12 ) +π 12 (C 11 +3C 12 )} B=π 11 C 1212 (C 11 +C 12 ). π 11 , π 12 , π 44 are piezoresistance constants of the P-type diffused resistor, and C 11 , C 12 , C 44 are stiffness constants of silicon.

ブリツジの出力ΔVEは(1)式,(2)式の差を取つて ΔVE=E/2π44C44(e1−e2) ……(3) で与えられる。このように、歪成分の差に比例し
た出力電圧が得られる。通常の一軸性歪では、e1
とe2の符号が異なるため、大きな出力電圧が得ら
れる。又、本方法では、ブリツジの各辺で歪を検
出するため、感度は2倍に増強される。
The bridge output ΔV E is given by the difference between equations (1) and (2), ΔV E =E/2π 44 C 44 (e 1 −e 2 ) ……(3). In this way, an output voltage proportional to the difference in distortion components can be obtained. For normal uniaxial strain, e 1
Since the signs of and e 2 are different, a large output voltage can be obtained. In addition, in this method, since distortion is detected on each side of the bridge, the sensitivity is doubled.

次に温度測定の原理を説明する。ダイオード
D1,D2の順方向電圧をそれぞれV1,V2とすると V1=kT/qlnI1/Is ……(4) V2=kT/qlnI2/Is ……(5) で表わせる。ここにkはボルツマン定数、qは単
位電荷、Tは絶対温度、Isはダイオードの飽和電
流である。2個のダイオードD1,D2のIsは等し
く作られているものとする。又、シリコン基板の
弾性歪によるIsの変化は、2個のダイオードに関
して等しいものとする。
Next, the principle of temperature measurement will be explained. diode
Letting the forward voltages of D 1 and D 2 be V 1 and V 2 respectively, it can be expressed as V 1 =kT/qlnI 1 /Is (4) V 2 =kT/qlnI 2 /Is (5). Here, k is the Boltzmann constant, q is the unit charge, T is the absolute temperature, and Is is the saturation current of the diode. It is assumed that the two diodes D 1 and D 2 have the same Is. Further, it is assumed that the change in Is due to the elastic strain of the silicon substrate is equal for the two diodes.

ダイオードの順方向電圧V1,V2の差ΔVTは式
(4),(5)から ΔVT=kT/qlnI1/I2 ……(6) で与えられる。従つて、外部に接続される定電流
源の値を適当に選べば、絶対温度に比例した出力
電圧が得られる。シリコン基板の弾性歪によるダ
イオード特性の変化は、2個のダイオードに関し
て等しい限りにおいて、出力には現れない。第2
図のように、4個のダイオードをクロス接続すれ
ば、弾性歪の効果を等しくすることができる。こ
のようにして、歪の効果を受けずに絶対温度の測
定が可能である。
The difference ΔV T between the forward voltages V 1 and V 2 of the diode is expressed by the formula
From (4) and (5), ΔV T =kT/qlnI 1 /I 2 ...(6) is given. Therefore, by appropriately selecting the value of the externally connected constant current source, an output voltage proportional to the absolute temperature can be obtained. Changes in diode characteristics due to elastic strain of the silicon substrate do not appear in the output as long as the two diodes are equal. Second
As shown in the figure, by cross-connecting four diodes, the effects of elastic strain can be made equal. In this way, absolute temperature measurements are possible without distortion effects.

尚、今までの説明では、n型基板にP型拡散抵
抗を作る場合について考えてきたが、P型基板に
n型拡散抵抗を作ることもできる。ただしこの場
合には、拡散抵抗の方向を<100>方向にする必
要がある。そして、歪出力は式(3)の代りに次式で
与えられる。
In the explanation so far, we have considered the case where a P-type diffused resistor is formed on an n-type substrate, but it is also possible to form an n-type diffused resistor on a P-type substrate. However, in this case, the direction of the diffused resistance needs to be in the <100> direction. Then, the distortion output is given by the following equation instead of equation (3).

ΔV′E=E/2(π′11−π′12) (C11−C12)(e′1−e′2) ……(7) ここに、π′11,π′12はn型拡散抵抗のピエゾ抵
抗定数、e′1,e′2はそれぞれ<100>,<010>方向
の歪成分である。P型基板を用いる場合には、ダ
イオードの極性が反転するだけで、温度センサー
の出力電圧は同じく式(6)で与えられる。
ΔV' E = E/2 (π' 11 - π' 12 ) (C 11 - C 12 ) (e' 1 - e' 2 ) ...(7) Here, π' 11 and π' 12 are n-type The piezoresistance constants e′ 1 and e′ 2 of the diffused resistance are strain components in the <100> and <010> directions, respectively. When a P-type substrate is used, the output voltage of the temperature sensor is similarly given by equation (6) simply by reversing the polarity of the diode.

以上の説明から明らかなように、本考案によつ
て、極めて小型な変位式は圧力と温度を同時に検
出するためのセンサーが可能になる。本考案によ
るセンサーは、生体系或は機械系や建造物の局所
的な変位及び温度を同時に測定する場合に特に有
要である。
As is clear from the above description, the present invention enables an extremely small displacement type sensor for simultaneously detecting pressure and temperature. Sensors according to the invention are particularly useful for simultaneously measuring local displacements and temperatures of biological or mechanical systems or structures.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図,第2図および第3図は、それぞれ本考
案を説明するための素子断面図、素子平面図およ
び等価回路図である。 1……n型シリコン基板、2……P型拡散抵
抗、3……P型拡散層、4,4′……n+型拡散
層、5……基板コンタクトを取るためのn+型拡
散層、6……拡散抵抗のコンタクト、7……ダイ
オードの陰極、8……ダイオードの陽極、9……
基板とダイオードの陽極を接続するためのコンタ
クト、R1,R2,R3,R4……P型拡散抵抗、D1
D2……ダイオード、10……共通端子、11,
12……ダイオード端子、13……ブリツジ入力
電圧端子、14,15……ブリツジ出力端子。
FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3 are an element cross-sectional view, an element plan view, and an equivalent circuit diagram, respectively, for explaining the present invention. 1...n-type silicon substrate, 2...P-type diffused resistor, 3...P-type diffused layer, 4,4'...n + -type diffused layer, 5...n + -type diffused layer for making substrate contact , 6... contact of diffused resistor, 7... cathode of diode, 8... anode of diode, 9...
Contacts for connecting the substrate and the anode of the diode, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 ... P-type diffused resistor, D 1 ,
D 2 ... Diode, 10 ... Common terminal, 11,
12...Diode terminal, 13...Bridge input voltage terminal, 14, 15...Bridge output terminal.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 一導電型を有する半導体基板の一主面に形成さ
れた他の導電型の拡散抵抗によるブリツジ回路
と、前記半導体基板の一主面に前記半導体基板に
生じる弾性歪を等しく受けるように配置して形成
された一対のPN接合ダイオードと、前記ブリツ
ジ回路の出力より前記半導体基板の弾性歪を検出
する手段と、前記一対のPN接合ダイオードにそ
れぞれ接続され異なる値の電流を流す一対の電流
源と、前記PN接合ダイオードに生じる順方向電
圧の差を検出する手段とを有することを特徴とす
る半導体センサー。
A bridge circuit including a diffused resistor of one conductivity type formed on one main surface of a semiconductor substrate of another conductivity type, and a bridge circuit formed on one main surface of the semiconductor substrate so as to equally receive elastic strain generated in the semiconductor substrate. a pair of PN junction diodes formed, a means for detecting elastic strain of the semiconductor substrate from the output of the bridge circuit, a pair of current sources each connected to the pair of PN junction diodes and flowing currents of different values; A semiconductor sensor comprising: means for detecting a difference in forward voltage occurring in the PN junction diode.
JP1987053627U 1987-04-09 1987-04-09 Expired JPS6328615Y2 (en)

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