專利名稱：物理量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基板上形成電阻器后檢出所定的物理量的傳感器，例如涉及檢出流體的流量的流量傳感器、或加速度傳感器、傾斜傳感器中應(yīng)用的物理量傳感器。
背景技術(shù)：
作為檢出汽車(chē)等內(nèi)燃機(jī)的吸入空氣量的流量傳感器，有人提出在硅(Si)等半導(dǎo)體基板上，使用微型機(jī)器技術(shù)制造傳感器元件的方案。這種類(lèi)型的流量傳感器，能夠用低成本大批量生產(chǎn)，還具有小型、能夠用低電力驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。作為這種傳感器，能夠直接測(cè)量質(zhì)量流量的發(fā)熱電阻器式的空氣流量傳感器，已成為主流。
現(xiàn)有技術(shù)中廣為人知的半導(dǎo)體類(lèi)型的發(fā)熱電阻器式流量傳感器，例如專利文獻(xiàn)1(特開(kāi)2001-021401號(hào)公報(bào))所述，除去硅基板中的一部分，形成具有空洞部的隔膜(diaphragm)結(jié)構(gòu)，在該隔膜上形成發(fā)熱電阻器和溫度補(bǔ)償電阻器。因此，這種傳感器存在機(jī)械強(qiáng)度低、因隔膜部位的內(nèi)部應(yīng)力不平衡而產(chǎn)生撓曲的問(wèn)題。在所述公報(bào)中，給所述隔膜部位配備剛性部件，從而減少隔膜的撓曲，提高傳感器元件的可靠性和空氣流量的測(cè)量精度。
專利文獻(xiàn)1特開(kāi)2001-021401號(hào)公報(bào)許多物理量傳感器，利用粘接劑固定傳感器元件。另外，為了保護(hù)旨在調(diào)出來(lái)自傳感器元件的電信號(hào)的引線接合，而使用環(huán)氧樹(shù)脂等密封材料。這些粘接劑及密封材料，在環(huán)境溫度變化的作用下，膨脹·收縮，產(chǎn)生應(yīng)力。另外，來(lái)自收納傳感器元件的驅(qū)動(dòng)電路等的安裝部件的應(yīng)力，還會(huì)傳給傳感器元件。在傳感器元件中產(chǎn)生應(yīng)力后，應(yīng)力就加到傳感器元件中形成的電阻器上，使電阻值變化。特別是用硅等半導(dǎo)體形成電阻器時(shí)，壓電電阻系數(shù)增大，電阻變化很大。這種電阻變化，成為導(dǎo)致測(cè)量精度下降的重要原因。
上述特開(kāi)2001-021401號(hào)公報(bào)講述的熱式空氣流量傳感器，是降低在隔膜內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力的失衡引起的撓曲的傳感器。所以，雖然降低了內(nèi)部應(yīng)力引起的撓曲，但卻沒(méi)有考慮對(duì)來(lái)自外部的應(yīng)力。另外，由安裝部件外加給傳感器元件的應(yīng)力，不僅影響隔膜部位，而且還影響整個(gè)傳感器元件。所以，不僅影響旨在檢出物理量的電阻器，而且還影響旨在調(diào)出這些電信號(hào)的布線部。這樣，關(guān)于安裝傳感器元件的部件產(chǎn)生的應(yīng)力的影響，還遺留著需要解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，降低由外加給傳感器元件的應(yīng)力而引起的電阻變化，提供高精度的物理量傳感器。
本發(fā)明的物理量傳感器，基本上利用以下手段，解決上述課題。
(1)一種手段是在基板上帶狀圖案形成旨在計(jì)測(cè)物理量的物理量傳感器中，采用下述結(jié)構(gòu)。
加給基板的應(yīng)力，從各種方向外加應(yīng)力。將與其中的所定方向(例如最大應(yīng)力的外加方向)的應(yīng)力σ平行的方向定義為橫向、將垂直的方向定義為縱向后，所述電阻器，就具有橫向電阻成分Rl和縱向電阻成分Rt。加給基板的應(yīng)力σ，加給橫向的電阻成分Rl時(shí)的壓電電阻系數(shù)πl(wèi)，和加給縱向的電阻成分Rt時(shí)的壓電電阻系數(shù)πt之比，是πl(wèi)∶πl(wèi)＝-n∶1(即πt/πl(wèi)＝-1/n，n為整數(shù))時(shí)，將縱向的電阻成分Rt和橫向的電阻成分Rl的電阻比，設(shè)定成與壓電電阻系數(shù)πl(wèi)和πt之比的絕對(duì)值大致相等(Rl/Rt|πt/πl(wèi)|)。
例如電阻器是摻入雜質(zhì)的多晶硅時(shí)，πl(wèi)和πt的關(guān)系是πl(wèi)＝-3πt。就是說(shuō)，對(duì)于加給基板的應(yīng)力σ而言，橫向的電阻成分Rl的壓電電阻系數(shù)πl(wèi)，向負(fù)方向變化，而且是縱向電阻的壓電電阻系數(shù)πt的3倍的變化率(πl(wèi)∶πt＝-3∶1)。
這樣，如果設(shè)縱向的電阻成分Rt和橫向的電阻成分Rl的電阻值的比為Rt∶Rl＝3∶1，那么應(yīng)力σ的電阻變化就互相抵消，能夠降低電阻器整體的變化。用公式表達(dá)這種情況，就成為ΔR＝(Rlπl(wèi)+Rtπt)σ此外，πl(wèi)∶πt是n∶1(例如3∶1)時(shí)，如果令Rt∶Rl為n∶1±0.5(例如2∶1(？1)3∶0.5)，就能夠?qū)⒄`差減少一半(ΔR＝0.5σ)。所以，想使傳感器的應(yīng)力誤差至少減少一半時(shí)，可在n∶l～n∶1±0.5的范圍內(nèi)設(shè)定Rt∶Rl。
進(jìn)而，在半導(dǎo)體基板上形成電阻器時(shí)，使Rl和Rt的電阻器的線寬大致相等后，可以減少離差。為了簡(jiǎn)易地調(diào)整Rl和Rt的電阻值之比，雖然有調(diào)整電阻Rl和Rt的電阻長(zhǎng)度或調(diào)整電阻寬度的方法，但最好使電阻寬度相同后，用電阻長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。這是由于為了減少布線電阻造成的靈敏度下降，需要加大傳感器元件的檢出部的電阻值，所以電阻線寬變細(xì)的緣故。腐蝕細(xì)圖案的電阻器時(shí)，腐蝕量的離差(過(guò)度腐蝕)的影響增大。如果使電阻器的線寬相等，即使過(guò)度腐蝕時(shí)，也能確保Rl和Rt的電阻比，所以能使其更加高精度化。
(2)另一個(gè)發(fā)明其特征在于在基板上形成電阻器(電阻器是1個(gè)電阻器或2個(gè)以上(在本申請(qǐng)文件中“以上”包含本數(shù))的串聯(lián)電阻器)的物理量傳感器中，電阻器的電源端子和接地端子，以4端子以上構(gòu)成。這樣，采用4端子以上后，能夠通過(guò)端子做媒介，將旨在維持電源電壓和接地電壓的反饋元件，與串聯(lián)的電阻器的電源端子和接地端子連接。
這樣，即使電阻器的電源側(cè)的布線及接地側(cè)的布線電阻，由于應(yīng)力畸變等而出現(xiàn)變化時(shí)，也能構(gòu)成對(duì)上述電阻器的布線電阻的畸變無(wú)略不計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，能夠降低應(yīng)力外加給布線部分時(shí)的影響。
采用本發(fā)明后，可以降低外加給傳感器元件的應(yīng)力的影響，獲得高精度的物理量傳感器。


圖1是本實(shí)施方式中的傳感器元件的簡(jiǎn)要俯視圖。
圖2是第1實(shí)施方式中的傳感器元件的剖面圖。
圖3是第1實(shí)施方式中的傳感器元件的驅(qū)動(dòng)電路。
圖4是表示第1實(shí)施方式中的傳感器元件的安裝結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。
圖5是表示第1實(shí)施方式中的熱敏電阻器的形狀的俯視圖。
圖6是表示第1實(shí)施方式中的其它熱敏電阻器的形狀的俯視圖。
圖7是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的熱敏電阻器的形狀的俯視圖。
圖8是表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式中的傳感器元件的形狀的俯視圖。
圖9是表示第3實(shí)施方式中的傳感器元件的縱剖面圖。
圖10是表示第3實(shí)施方式中的傳感器元件的驅(qū)動(dòng)電路的圖。
圖11是第3實(shí)施方式中的熱敏電阻器的形狀的俯視圖。
圖12是表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式中的傳感器元件的簡(jiǎn)要俯視圖。
圖13是表示第4實(shí)施方式中的傳感器元件的驅(qū)動(dòng)電路的一部分的圖。
圖14是表示第4實(shí)施方式中的傳感器元件的驅(qū)動(dòng)電路的一部分的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖，講述本發(fā)明涉及的物理量傳感器的優(yōu)選實(shí)施方式。
(第1實(shí)施方式)第1實(shí)施方式，作為物理量傳感器，例示旨在計(jì)測(cè)汽車(chē)等的內(nèi)燃機(jī)的吸入空氣流量的熱式空氣流量傳感器。
圖1是本實(shí)施方式中的傳感器元件的簡(jiǎn)要俯視圖，另外，圖2是表示圖1中的A-A剖面的簡(jiǎn)要圖。在這些圖中，傳感器元件1在單晶硅(Si)板制的半導(dǎo)體基板2(基體)上，采用下述方法形成。
在半導(dǎo)體基板2的一部分上，通過(guò)各向異性腐蝕，形成空洞部3。該空洞部3，由平面形狀為長(zhǎng)方形的孔構(gòu)成。在空洞部3的一個(gè)面上，形成隔膜4。隔膜4，由在半導(dǎo)體基板2的一個(gè)面上，通過(guò)熱氧化或CVD(Chemical VaporDeposition)形成的二氧化硅(SiO2)的電絕緣膜5構(gòu)成。
在隔膜4上，形成具有溫度依賴特性的發(fā)熱電阻器6和熱敏電阻器7a、7b、8a、8b。再在離開(kāi)隔膜4的部位，形成空氣溫度補(bǔ)償用的熱敏電阻器9。這些電阻器的布線10，也在基板1上形成。這些電阻器及布線，是多晶硅，采用CVD等，在電絕緣膜5上形成多晶硅層，再腐蝕成所需的形狀后形成。
這些電阻器，由例如采用熱擴(kuò)散或離子注入的方法，摻入了磷(P)的n型的多晶硅構(gòu)成，以便成為所需的電阻值·電阻溫度系數(shù)。
空氣流量的氣流43，面向圖紙從左向右流動(dòng)后，熱敏電阻器7a、7b配置在發(fā)熱電阻器6的上游，熱敏電阻器8a、8b配置在發(fā)熱電阻器6的下游。各電阻器7a、7b、8a、8b，是分別將互相正交的縱向電阻成分29和橫向電阻成分28組合而成的元件。圖5示出其一個(gè)例子。在這里，將與外加給基板2的所定方向的應(yīng)力σ(在這里，所定方向最好與應(yīng)力分布中的最大方向一致)平行的方向定義為橫向(X方向)，垂直的方向定義為縱向(Y方向)。
圖5是表示熱敏電阻器7a、7b、8a、8b中的某一個(gè)(在這里是熱敏電阻器8a)的排列的圖形，成為向縱向(Y方向)延伸后反復(fù)折回的縱向的電阻成分(縱向電阻成分Rt)29，與向橫向(X方向)延伸后反復(fù)折回的橫向的電阻成分(橫向電阻成分Rl)28的電阻值之比，與電阻器的壓電電阻系數(shù)πl(wèi)與πt之比n∶1大致相等的形狀(長(zhǎng)度)。其它的熱敏電阻器7a、7b、8b，也成為同樣的結(jié)構(gòu)。具體的熱敏電阻器的形狀，將在后文講述。
為了保護(hù)這些電阻器，形成電絕緣膜11。電絕緣膜11，采用CVD等方法形成二氧化硅(SiO2)。進(jìn)而，為了取出各電阻器的電極，形成鋁電極12。
下面，講述使用傳感器元件1計(jì)測(cè)空氣流量的原理。為了計(jì)測(cè)空氣流量，使用圖3所示的電橋電路、運(yùn)算放大器15及加熱電流控制的晶體管16，電性地加熱控制發(fā)熱電阻器6，保證發(fā)熱電阻器6的溫度始終比感知空氣溫度的溫度補(bǔ)償電阻器9的溫度高一定溫度(該電路的詳細(xì)內(nèi)容將在后文講述)。在這種狀態(tài)下，計(jì)測(cè)在發(fā)熱電阻器6的上下游形成的熱敏電阻器7(7a、7b)、8(8a、8b)的溫度差。沒(méi)有流過(guò)空氣時(shí)，隔膜4上的溫度分布，以發(fā)熱電阻器6為中心對(duì)稱。所以，在熱敏電阻器7a、7b和8a、8b上不產(chǎn)生溫度差。另一方面，空氣向圖中43的方向流動(dòng)時(shí)，配置在發(fā)熱電阻器6的上游側(cè)的熱敏電阻器7a、7b的溫度下降，下游側(cè)的熱敏電阻器8a、8b的溫度上升，產(chǎn)生溫度差。由于這些熱敏電阻器7a、7b、8a、8b的電阻值隨著溫度變化，所以電性地取出將溫度變化作為電阻值的變化后，就可以獲得與空氣流量相應(yīng)的電信號(hào)。
另外，空氣向與空氣流43的方向相反的方向流動(dòng)時(shí)，由于所述的溫度分布也成為相反的狀態(tài)，所以通過(guò)比較熱敏電阻器7a、7b和熱敏電阻器8a、8b的電阻值，可以判別流動(dòng)的方向。
在這里，講述旨在驅(qū)動(dòng)傳感器元件1計(jì)測(cè)空氣流量的驅(qū)動(dòng)電路。
圖3(a)是旨在控制發(fā)熱電阻器6的溫度的反饋電路。該電路具有由發(fā)熱電阻器6、溫度補(bǔ)償電阻器9、固定電阻13及14構(gòu)成的電橋電路。該電橋電路的差電壓，由運(yùn)算放大器15檢出，通過(guò)晶體管16控制加熱電流。在加熱電流的作用下，發(fā)熱電阻器6的溫度上升，電阻值變化。所以，調(diào)整固定電阻13和固定電阻14的電阻值后，可以調(diào)整發(fā)熱電阻器6和溫度補(bǔ)償電阻器9的電阻比。溫度補(bǔ)償電阻器9，與空氣溫度大致相等。發(fā)熱電阻器6與溫度補(bǔ)償電阻器9的電阻之比，與對(duì)空氣溫度而言的發(fā)熱電阻器6的溫度值對(duì)應(yīng)。所以，能夠保證發(fā)熱電阻器6的溫度始終比空氣溫度高一定的溫度。
圖3(b)是檢出發(fā)熱電阻器6的上下游的溫度差，輸出與空氣流量有關(guān)的電信號(hào)的電路。該電路用熱敏電阻器7a、7b、8a、8b構(gòu)成電橋電路，通過(guò)運(yùn)算器17后輸出。在圖1的43的方向出現(xiàn)空氣流時(shí)，熱敏電阻器7a、7b的溫度下降后，其電阻值下降；熱敏電阻器8a、8b的溫度上升后，其電阻值上升。這樣，在電橋電路中，就產(chǎn)生與空氣流量對(duì)應(yīng)的差電壓?？諝獾沽鲿r(shí)，能夠根據(jù)差電壓的符號(hào)，檢知空氣流的方向。另外，還可以使運(yùn)算器17具有修正、輸出電橋電路的輸出的功能。
圖4是采用將傳感器元件1安裝到汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣管道中，測(cè)量吸入空氣流量的結(jié)構(gòu)時(shí)的剖面圖。吸入空氣如箭頭43所示，在吸氣管道的主通道18中流動(dòng)。傳感器元件1，設(shè)置在突出到主通道18內(nèi)的副通道19中。然后，構(gòu)成該副通道19的部件20，被外殼21支承。
外殼21，在支承緊固件22的作用下，被安裝到吸氣管道的壁面23上。在該外殼21中，設(shè)置著電路基板24。旨在驅(qū)動(dòng)傳感器元件1、獲得空氣信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路，搭載在電路基板24上。
傳感器元件1，被外殼21機(jī)械性地支承，通過(guò)接合引線26與電路基板24的驅(qū)動(dòng)電路電連接。另外，為了保護(hù)接合引線26，使用環(huán)氧樹(shù)脂等等樹(shù)脂保護(hù)傳感器元件1的電極和電路基板24。具有該傳感器元件1的熱式空氣流量傳感器的空氣流量信號(hào)，通過(guò)連接器25后被取出，供給未圖示的發(fā)動(dòng)機(jī)控制用計(jì)算機(jī)，被用于燃料供給量的控制等。
可是，上述結(jié)構(gòu)的熱式空氣流量傳感器，為了安裝傳感器元件1而在傳感器元件1的背面涂敷粘接劑，進(jìn)而，為了保護(hù)接合引線26，還形成密封材料27。形成這些粘接劑及密封材料27等樹(shù)脂，需要在涂敷樹(shù)脂后，裝入高溫爐中使其硬化。在硬化之際，樹(shù)脂膨脹·收縮，產(chǎn)生應(yīng)力。這樣，傳感器元件1就被外加應(yīng)力。在傳感器元件1中，形成多個(gè)電阻器7a、7b、8a、8b，應(yīng)力就被外加給這些電阻器。
應(yīng)力被外加給這些電阻器后，其電阻值就按照下式變化。
ΔR/R＝πl(wèi)σ+πtσ …(1)式中ΔR/R是電阻變化率，πl(wèi)是應(yīng)力σ外加給橫向的電阻成分28時(shí)的壓電電阻系數(shù)，πt是應(yīng)力σ外加給縱向的電阻成分29時(shí)的壓電電阻系數(shù)。雖然來(lái)自各方向的應(yīng)力作用于傳感器元件1，但根據(jù)該傳感器元件1的結(jié)構(gòu)，圖1、圖5的箭頭方向的應(yīng)力σ成為最大。本實(shí)施方式中的電阻器，用多晶硅形成，壓電電阻系數(shù)πl(wèi)和πt的關(guān)系如下πl(wèi)＝-3πt …(2)特別是如單晶硅及多晶硅那樣的半導(dǎo)體時(shí)，壓電電阻系數(shù)很大，外加給傳感器元件1的應(yīng)力，成為導(dǎo)致熱式空氣流量傳感器的測(cè)量精度下降的重要原因。
在這里，講述降低上述應(yīng)力影響的具體方法。在本實(shí)施方式中，圖1中的熱敏電阻器7a、7b、8a、8b，通過(guò)采用本發(fā)明后，降低了應(yīng)力的影響。圖5是表示熱敏電阻器8a的形狀的俯視圖，其它的熱敏電阻器7a、7b、8b，也是同樣的形狀。如圖所示，電阻器以一定的寬度，帶狀地形成，圖上的縱向的電阻成分29(與σ垂直)的長(zhǎng)度，約為橫向的電阻成分28(與σ平行)的3倍，所以，縱向成分29的電阻值R29和橫向成分28的電阻值R28的關(guān)系就成為R29＝3R28 …(3)R29和R28之比，就作為圖2所示的壓電電阻系數(shù)之比。
圖5所示的σ，表示外加給熱敏電阻器8a的應(yīng)力。由該應(yīng)力σ引起的熱敏電阻器8a的電阻變化量ΔR，成為下式。
ΔR＝(R28πl(wèi)+R29πt)σ…(4)在這里，代入(2)、(3)式的關(guān)系后，就成為ΔR＝0。這樣，將縱向成分R29和橫向成分R28的電阻值，設(shè)為πl(wèi)和πt之比后，就能減少應(yīng)力引起的電阻變化。
形成熱敏電阻器8a等電阻器時(shí)，采用腐蝕進(jìn)行布圖。在腐蝕量上存在離差，由于電阻器的帶寬變窄(過(guò)度腐蝕)等后，電阻值就出現(xiàn)離差。用一定的帶寬，形成電阻器后，即使腐蝕量存在離差，也由于縱向的電阻成分29和橫向的電阻成分28的電阻比得到確保，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高精度化。
在本實(shí)施方式中，作為在傳感器元件1上形成的電阻器，使用了n型的多晶硅。但p型的多晶硅、n型單晶硅、p型單晶硅，也能通過(guò)將電阻器的縱向成分和橫向成分的電阻，調(diào)整成壓電電阻系數(shù)πl(wèi)和πt之比后，獲得同樣的效果。另外，使用白金等金屬的電阻器時(shí)，也能夠獲得同樣的效果。
另外，如圖6所示，對(duì)于應(yīng)力分布中成為最大的應(yīng)力σ的方向而言，斜向布圖形成熱敏電阻器8a時(shí)，也能使縱向成分和橫向成分成為壓電電阻系數(shù)πl(wèi)和πt之比地形成，獲得和圖5同樣的效果。
(第2實(shí)施方式)下面，使用圖7講述第2實(shí)施方式。本實(shí)施方式也是在熱式流量傳感器中采用本發(fā)明的示例?；镜脑斫Y(jié)構(gòu)，與第1實(shí)施方式相同，所以對(duì)共同之點(diǎn)不再贅述，只講述不同之點(diǎn)。
圖7是表示本實(shí)施方式中的熱敏電阻器8a、8b的形狀的俯視圖。在第1實(shí)施方式中，熱敏電阻器8a、8b朝發(fā)熱電阻器6的縱向上下分割后配置，但本實(shí)施方式中的熱敏電阻器8a、8b，使縱向的電阻成分彼此之間以及橫向的電阻成分彼此之間互相嚙合(交錯(cuò))地并列設(shè)置。圖上的縱向的電阻成分(與σ垂直)和橫向的電阻成分(與σ平行)，與第1實(shí)施方式一樣，成為壓電電阻系數(shù)πl(wèi)與πt之比地形成。另外，電阻器的帶寬設(shè)為一定。
在半導(dǎo)體工藝的制造工序中，往往由于制造離差，導(dǎo)致形成電阻器的多晶硅膜的電阻率在晶片內(nèi)產(chǎn)生離差、分布。如第1實(shí)施方式所示，如果將熱敏電阻器8a、8b分割成不同的部位后形成，那么受到電阻率的分布影響，熱敏電阻器8a、8b的電阻比也被認(rèn)為或多或少存在離差。本實(shí)施方式中的熱式空氣流量傳感器，由于是用4個(gè)熱敏電阻器構(gòu)成電橋電路、獲得與流量對(duì)應(yīng)的電性輸出的結(jié)構(gòu)，所以這些熱敏電阻器8a、8b的電阻值出現(xiàn)離差后，電橋電路的對(duì)稱性就要變化，成為使測(cè)量精度下降的原因。
采用本實(shí)施方式后，將熱敏電阻器做成圖7所示的結(jié)構(gòu)，就能夠在大致相同的部位形成熱敏電阻器8a、8b。這樣，即使晶片內(nèi)有電阻率分布，也能保證電橋電路的對(duì)稱性。
另外，即使在發(fā)熱電阻器6的長(zhǎng)度方向產(chǎn)生溫度分布時(shí)，也由于熱敏電阻器8a和8b處于大致相同的溫度中，所以能夠保持電橋電路的平衡。
這樣，采用本實(shí)施方式后，可以降低電阻的離差，高精度地計(jì)測(cè)空氣流量。
在本實(shí)施方式中，作為在傳感器元件1上形成的電阻器，也使用了n型的多晶硅。但如果使用p型的多晶硅、n型單晶硅、p型單晶硅，也能通過(guò)將電阻器的縱向成分和橫向成分的電阻，調(diào)整成壓電電阻系數(shù)πl(wèi)和πt之比后，獲得同樣的效果。另外，使用白金等金屬的電阻器時(shí)，也能夠獲得同樣的效果。
(第3實(shí)施方式)下面，講述第3實(shí)施方式。本實(shí)施方式，是能夠在汽車(chē)等的加速度傳感器及傾斜傳感器中使用的發(fā)熱電阻器式加速度傳感器中，采用本發(fā)明時(shí)的示例。
作為現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)熱電阻器式加速度傳感器，有美國(guó)專利5581034號(hào)公報(bào)記述的產(chǎn)品。
圖8是表示本實(shí)施方式中的熱型加速度傳感器的傳感器元件的簡(jiǎn)要俯視圖，另外，圖9是表示圖1中的A-A剖面的簡(jiǎn)要圖。雖然沒(méi)有示出，但傳感器元件30安裝在密閉的容器內(nèi)，容器內(nèi)裝滿空氣及氙氣(Xe)等熱傳導(dǎo)率低的流體。
在這些圖中，傳感器元件30，整個(gè)將單晶硅(Si)板的半導(dǎo)體基板31作為基體后形成。在半導(dǎo)體基板31中，形成空洞部34。該空洞部34的平面形狀，作為長(zhǎng)方形的孔形成。然后，在空洞部34的一個(gè)面上，形成雙柱梁35a、35b、35c。如圖所示，在雙柱梁35a、35b、35c上，形成發(fā)熱電阻器36、熱敏電阻器37a、37b、38a、38b。
這些電阻器，是多晶硅，采用CVD等，在電絕緣膜32上形成多晶硅層，再腐蝕成所需的形狀后形成。另外，為了成為所需的電阻值及電阻溫度系數(shù)，采用熱擴(kuò)散或離子注入的方法，摻入磷(P)后，做成n型的多晶硅。
例如，熱敏電阻器37a，是正交的縱、橫兩個(gè)方向的電阻成分的合成電阻，采用使縱向成分與橫向成分的電阻值的比，與壓電電阻系數(shù)πl(wèi)與πt之比大致相等的結(jié)構(gòu)。其它的熱敏電阻器37b、38a、38b，也成為同樣的結(jié)構(gòu)。具體的熱敏電阻器的形狀，將在后文利用圖11進(jìn)行講述。為了保護(hù)這些電阻器，形成電絕緣膜33。
上述雙柱梁35a、35b、35c以及它們之上的電阻器，采用下述方法制作。起初，用電絕緣膜32覆蓋整個(gè)半導(dǎo)體基板31。電絕緣膜32，是通過(guò)熱氧化或CVD(Chemical Vapor Deposition)形成的二氧化硅(SiO2)。在該電絕緣膜32上，形成發(fā)熱電阻器36、熱敏電阻器37a、37b、38a、38b，再在其上形成電絕緣膜33。進(jìn)而，通過(guò)腐蝕，除去電絕緣膜32、33的一部分，以便形成所需的形狀。進(jìn)而，通過(guò)各向異性腐蝕，除去半導(dǎo)體基板31的另一個(gè)面，形成空洞部34。經(jīng)過(guò)以上的工藝后，就制造出傳感器元件。
下面，講述動(dòng)作原理。電流流入發(fā)熱電阻器36，將其加熱后，周?chē)黧w的溫度上升、密度下降。在這里，向圖9所示的方向外加加速度G后，流體向與加速度G相反的方向移動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)流。這樣，密閉容器內(nèi)的溫度分布，發(fā)生變化，熱敏電阻器37a、37b的溫度，比熱敏電阻器38a、38b的溫度高。由于該溫度差隨著加速度G的大小而變，所以利用電信號(hào)，取出熱敏電阻器37a、37b、38a、38b的溫度變化引起的電阻值的變化，就可以獲得與加速度G對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
圖10是為了驅(qū)動(dòng)傳感器元件30、獲得與加速度對(duì)應(yīng)的信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路。在圖10中，(a)是為了給發(fā)熱電阻器36外加電流加熱的電路，(b)是旨在檢出熱敏電阻器37a、37b、38a、38b的溫度差的電橋電路。
這種發(fā)熱電阻器式加速度傳感器，為了使發(fā)熱電阻器36和熱敏電阻器37a、37b、38a、38b具有良好的絕熱性，在雙柱梁37a、37b、38a、38b上，形成各自的電阻器。這樣，雙柱梁的機(jī)械強(qiáng)度下降，容易外加應(yīng)力，在雙柱梁上形成的電阻器，在壓電電阻效應(yīng)的作用下，電阻值發(fā)生變化。
圖11示出采用本發(fā)明的、減少圖中的應(yīng)力σ的影響的結(jié)構(gòu)。如圖所示，帶寬一定的2個(gè)熱敏電阻器38a、38b，使其縱向電阻成分29的彼此之間、橫向電阻成分28的彼此之間互相嚙合后并列設(shè)置。圖上的縱向的電阻成分(與σ垂直)與橫向的電阻成分(與σ平行)的電阻值之比，與壓電電阻系數(shù)πl(wèi)與πt之比大致相等。在本實(shí)施方式中，熱敏電阻器38a、38b用多晶硅形成，壓電電阻系數(shù)πl(wèi)和πt，存在上述公式(2)的關(guān)系。這樣，本實(shí)施方式中的熱敏電阻器38a、38b，其縱向成分29的長(zhǎng)度，就成為橫向成分28的長(zhǎng)度的3倍。因此，就成為能夠抵消應(yīng)力σ的影響的結(jié)構(gòu)，能夠降低電阻值變化，提高發(fā)熱電阻器式加速度傳感器的計(jì)測(cè)精度。
在本實(shí)施方式中，作為在傳感器元件30上形成的電阻器，也使用了n型的多晶硅。但如果使用p型的多晶硅、n型單晶硅、p型單晶硅，也能通過(guò)將電阻器的縱向成分和橫向成分的電阻，調(diào)整成壓電電阻系數(shù)πl(wèi)和πt之比后，獲得同樣的效果。另外，使用白金等金屬的電阻器時(shí)，也能夠獲得同樣的效果。
另外，在本實(shí)施方式中，也和第1、第2實(shí)施方式一樣，將熱敏電阻器38a、38b的形狀做成一定的帶寬，能夠減少過(guò)度腐蝕導(dǎo)致的電阻比的離差。
(第4實(shí)施方式)下面，使用圖12～圖14，講述第4實(shí)施方式。
本實(shí)施方式，是使用和以上各實(shí)施方式講述的示例不同的手法，防止發(fā)熱電阻式流量傳感器的布線電阻的畸變導(dǎo)致流量測(cè)量精度下降的示例。就是說(shuō)，在傳感器元件1上形成的各電阻器的布線部位在應(yīng)力的作用下變形，布線部位的電阻值因此而變化后，就產(chǎn)生流量檢出誤差。本實(shí)施方式旨在降低這種流量檢出誤差。
圖12是表示本實(shí)施方式中的流量傳感器元件的簡(jiǎn)要俯視圖，圖13是表示本實(shí)施方式中的傳感器元件上的旨在控制發(fā)熱電阻器6的加熱溫度的電電路的圖形，圖14是表示利用熱敏電阻器7a、8a檢出發(fā)熱電阻器6的上下游的溫度差，以便獲得與流量對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的電電路的圖。流量傳感器的基本動(dòng)作原理等，和第1實(shí)施方式相同，這里只講述不同之處。
首先，在講述圖12的傳感器元件之前，講述圖13及圖14的電路圖。
圖13的發(fā)熱電阻器的驅(qū)動(dòng)電路，基本上與圖1(a)的驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)相同。在圖13中，與圖1(a)的不同之處是將串聯(lián)的發(fā)熱電阻器6和溫度補(bǔ)償電阻器9的電源側(cè)的一端39a，通過(guò)布線10n、10m做媒介，作為2個(gè)端子(39a-1、39a-2)；將接地側(cè)的一端39b，也通過(guò)布線10k、10l做媒介，作為2個(gè)端子(39b-1、39b-2)。就是說(shuō)，將串聯(lián)的發(fā)熱電阻器的電源側(cè)的端子和接地側(cè)的端子，至少合計(jì)做成4個(gè)端子。
通過(guò)端子39a-1，使發(fā)熱電阻器6的電源側(cè)的一端(+側(cè))39a的1根布線10n，與差動(dòng)放大器40的倒相輸入端子連接，電源電位39c，與差動(dòng)放大器40的非倒相輸入端子連接。差動(dòng)放大器40的輸出端子，通過(guò)端子39a-2，與發(fā)熱電阻器6的電源側(cè)的一端39a的布線10m連接。
這樣，就能夠設(shè)置即使發(fā)熱電阻器6的電源側(cè)的一端的布線10m、10n出現(xiàn)變形，其布線電阻變化時(shí)，也能夠始終使發(fā)熱電阻器6的電源側(cè)的一端39a維持成為電源電位39c的反饋電路40。此外，10n’、10m’，是布線10m、10n的布線電阻。
同樣，通過(guò)端子39b-2，使溫度補(bǔ)償電阻器9的接地側(cè)一端39b的1根布線101，與差動(dòng)放大器41的倒相輸入端子連接，接地電位與差動(dòng)放大器41的非倒相輸入端子連接。差動(dòng)放大器41的輸出端子，通過(guò)端子39b-1，與溫度補(bǔ)償電阻器的布線10k(接地側(cè)一端39b的布線)連接。
這樣，就能夠設(shè)置即使溫度補(bǔ)償電阻器9的一端39b的布線10l、10k出現(xiàn)變形，其布線電阻變化時(shí)，也能夠始終使溫度補(bǔ)償電阻器9的一端39b的電位維持成為接地電位的反饋電路41。此外，10l’、10k’，是布線10l、10k的布線電阻。發(fā)熱電阻器6和溫度補(bǔ)償電阻器9之間的中點(diǎn)電位，通過(guò)布線10j做媒介，與差動(dòng)放大器15的一側(cè)連接，10j’是布線電阻。
圖14的流量測(cè)量電路，基本上是和圖1(b)同樣的電路。但配置在發(fā)熱電阻器6的上下游的熱敏電阻器7a和熱敏電阻器8a，分別由一個(gè)缸筒構(gòu)成。
該流量測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)原理為熱敏電阻器7a的兩端電位和熱敏電阻器8a的兩端電位，分別通過(guò)布線10a、10b及10g、10h做媒介，輸入差動(dòng)檢出電路42，能夠根據(jù)其電位差，檢知流量及空氣流的方向性。
在本實(shí)施方式中，也將串聯(lián)的熱敏電阻器中的電阻器7a的電源側(cè)的一端39c，通過(guò)布線10c、10d做媒介，作為2個(gè)端子(39c-1、39c-2)；將接地側(cè)的一端39d，也通過(guò)布線10f、10e做媒介，作為2個(gè)端子(39d-1、39d-2)。就是說(shuō)，將串聯(lián)的電阻器的電源側(cè)的端子和接地側(cè)的端子，至少合計(jì)做成4個(gè)端子。
通過(guò)端子39c-1，使熱敏電阻器7a的一端39c的1根布線10d，與差動(dòng)放大器44的倒相輸入端子連接，電源的基準(zhǔn)電位Vref，與差動(dòng)放大器44的非倒相輸入端子連接。差動(dòng)放大器44的輸出端子，通過(guò)端子39c-2、布線10m，與熱敏電阻器7a的一端39c連接。
這樣，就能夠設(shè)置即使熱敏電阻器7a的電源側(cè)的一端的布線10c、10d出現(xiàn)變形，其布線電阻變化時(shí)，也能夠始終使熱敏電阻器7a的電源側(cè)的一端39c維持成為Vref的反饋電路44。此外，10c’、10d’，是布線10c、10d的布線電阻。
同樣，通過(guò)端子39d-2，使熱敏電阻器8a的接地側(cè)一端39d的1根布線10e，與差動(dòng)放大器45的倒相輸入端子連接，接地電位，與差動(dòng)放大器45的非倒相輸入端子連接。差動(dòng)放大器45的輸出端子，通過(guò)端子39d-1，與熱敏電阻器8a的布線10f(接地側(cè)一端39d)連接。
這樣，就能夠設(shè)置即使熱敏電阻器8a的一端39b的布線10e、10f出現(xiàn)變形，其布線電阻變化時(shí)，也能夠始終使熱敏電阻器8a的一端39d的電位維持成為接地電位的反饋電路45。此外，10e’、10f’，是布線10e、10f的布線電阻。
采用這種結(jié)構(gòu)后，即使布線10a～10n的電阻值由于應(yīng)力而變動(dòng)，外加給發(fā)熱電阻器6、熱敏電阻器9、7a、8a的電壓也不變動(dòng)，所以進(jìn)行高精度的測(cè)量檢測(cè)。
在圖12所示的傳感器元件中，形成上述發(fā)熱電阻器6、溫度補(bǔ)償電阻器9、熱敏電阻器8a、8b，而且還形成與上述反饋元件對(duì)應(yīng)的各端子39a-1、39a-2、39b-1、39b-2、39c-1、39c-2、39d-1、39d-2。
另外，將本實(shí)施方式與上述第1～第3實(shí)施方式組合后，能夠降低檢出部和布線部?jī)烧叩膽?yīng)力影響，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。
權(quán)利要求
1.一種物理量傳感器，在基板上形成有帶狀圖案的用于計(jì)測(cè)物理量的電阻器，其特征在于，當(dāng)將與加給所述基板的所定方向的應(yīng)力相平行的方向作為橫向而相垂直的方向作為縱向時(shí)，所述電阻器，具有橫向電阻成分R1和縱向電阻成分Rt；在壓電電阻系數(shù)π1與壓電電阻系數(shù)πt之比是πt/π1＝-1/n時(shí)，其中，n為整數(shù)，所述壓電電阻系數(shù)π1是當(dāng)加給所述基板的所定方向的應(yīng)力是加給所述橫向的電阻成分R1時(shí)的壓電電阻系數(shù)π1；所述壓電電阻系數(shù)πt是當(dāng)所述所定方向的應(yīng)力是加給所述縱向的電阻成分Rt時(shí)的壓電電阻系數(shù)πt，通過(guò)設(shè)定，使所述縱向的電阻成分Rt與所述橫向的電阻成分R1之間的電阻比、與所述壓電電阻系數(shù)π1與πt之比的絕對(duì)值大致相等R1/Rt|πt/π1|。
2.一種物理量傳感器，在基板上形成有帶狀圖案的用于計(jì)測(cè)物理量的電阻器，其特征在于，當(dāng)將與加給所述基板的所定方向的應(yīng)力相平行的方向作為橫向而相垂直的方向作為縱向時(shí)，所述電阻器，具有橫向電阻成分R1和縱向電阻成分Rt；在壓電電阻系數(shù)π1與壓電電阻系數(shù)πt之比是πt/π1＝-1/n時(shí)，其中，n為整數(shù)，所述壓電電阻系數(shù)π1是當(dāng)加給所述基板的所定方向的應(yīng)力是加給所述橫向的電阻成分R1時(shí)的壓電電阻系數(shù)π1；所述壓電電阻系數(shù)πt是當(dāng)所述所定方向的應(yīng)力是加給所述縱向的電阻成分Rt時(shí)的壓電電阻系數(shù)πt，將所述縱向的電阻成分Rt與所述橫向的電阻成分R1之間的電阻比、與所述壓電電阻系數(shù)π1與πt之比，設(shè)定在R1/Rt＝(1±0.5)/n的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的物理量傳感器，其特征在于所述電阻器，是摻入雜質(zhì)的多晶硅；其縱向的電阻成分Rt與橫向的電阻成分R1的電阻值之比，設(shè)定在R1/Rt＝(1±0.5)/3的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的物理量傳感器，其特征在于所述電阻器，由多個(gè)構(gòu)成；各電阻器，具有所述縱向電阻成分Rt和所述橫向電阻成分R1，而且所述多個(gè)電阻器的縱向的電阻成分彼此之間以及橫向的電阻成分彼此之間互相嚙合地并列設(shè)置。
5.一種物理量傳感器，具有用于測(cè)量物理量的電阻器，在基板上形成這些電阻器，其特征在于所述電阻器的電源端子和接地端子，至少合計(jì)4個(gè)端子以上。
6.如權(quán)利要求5所述的物理量傳感器，其特征在于所述電阻器，由1個(gè)電阻器或2個(gè)以上的串聯(lián)電阻器構(gòu)成；在這些電阻器的電源端子和接地端子上，連接有與用于維持電源電壓和接地電壓的反饋元件。
7.一種發(fā)熱電阻器式空氣流量傳感器，其特征在于由權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的物理量傳感器構(gòu)成。
8.一種發(fā)熱電阻器式加速度傳感器，其特征在于由權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的物理量傳感器構(gòu)成。
全文摘要
一種物理量傳感器，將與所定方向(例如最大應(yīng)力的外加方向)的應(yīng)力(σ)平行的方向定義為橫向、垂直的方向定義為縱向后，所述流量傳感器的電阻器(7a、7b、8a、8b)，就具有橫向電阻成分(Rl)和縱向電阻成分(Rt)。加給基板的應(yīng)力σ加給橫向的電阻成分Rl時(shí)的壓電電阻系數(shù)πl(wèi)，和應(yīng)力σ加給縱向的電阻成分(Rt)時(shí)的壓電電阻系數(shù)(πt)之比，是πl(wèi)∶πl(wèi)＝－n∶1(n為整數(shù))時(shí)，將縱向的電阻成分(Rt)和橫向的電阻成分Rl的電阻比，設(shè)定成與壓電電阻系數(shù)πl(wèi)與πt之比的絕對(duì)值大致相等。在確保強(qiáng)度的可靠性的同時(shí)，降低應(yīng)力引起的電阻變化，提供高精度的物理量傳感器。
文檔編號(hào)G01P5/12GK1834592SQ200610005918
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月15日
發(fā)明者中野洋, 松本昌大, 山田雅通, 中田圭一, 渡邊泉 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所