JP2004304052A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種センサから出力される検出信号を増幅するなどの所要の処理を実行する信号処理回路がセンサ部共々、あるいはセンサ部とは別途に半導体チップ内に集積回路化された半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の半導体装置としては、例えば図5に例示するような半導体圧力センサについてその検出信号を処理する装置がある。
【0003】
はじめに、この図5を参照して、そのセンサ部を構成する半導体圧力センサの概要について説明する。なお、図5において、図5(a)は、この圧力センサの断面図、図5(b)は同圧力センサの平面図をそれぞれ示す。また、図5(a)は図5(b)のA−A線に沿った断面図に相当する。
【0004】
これら図5(a)および(b)に示されるように、このセンサ部は、例えばシリコン基板などからなる半導体基板1のダイアフラム部表面にひずみ抵抗R1〜R4を備えて構成されている。このため、ダイヤフラム部に図5(a)に示すような圧力が印加されると、これらひずみ抵抗R1〜R4のうち、中央部のひずみ抵抗R2およびR4には圧縮応力が作用し、また端部のひずみ抵抗R1およびR3には引張応力が作用する。そして通常は、ピエゾ抵抗効果により、引張応力が作用する側のひずみ抵抗R1およびR3はその抵抗値が増加し、他方の圧縮応力が作用する側のひずみ抵抗R2およびR4はその抵抗値が減少する。
【0005】
上記センサ部は、このような原理に基づいて、例えば車載エンジンに吸入される空気の圧力(吸気圧)や車両のブレーキ圧等を検出するものであり、通常は、同センサ部と一体に、あるいは別体に集積回路化された図6に例示する処理回路を通じてその信号処理が行われる。なお図6は、これらセンサ部と信号処理回路とが一体に集積回路化されたICチップを想定して、その等価回路を例示したものであり、次に、この図6を併せ参照して、その回路構成、並びに動作について説明する。
【0006】
この図6に示されるように、上記センサ部を構成するひずみ抵抗R1〜R4はブリッジ回路31として構成されている。このブリッジ回路31の一方端には適宜に定電圧化された電圧「+V」が印加され、他方端は接地されている。そして、上述した圧力の印加に伴う応力の向きに応じた各ひずみ抵抗R1〜R4の抵抗値変化は、このブリッジ回路31における各中点電位VaおよびVbの変化として取り出され、これら中点電位VaおよびVbの変化が差動増幅器32によって差動増幅される。さらに、この差動増幅器32によって差動増幅された信号は基準電圧「Vs」を基準として「−R6/R5」の増幅率をもつ反転増幅器33によって反転増幅され、この反転増幅された信号が、信号出力線Woを介して当該ICチップ30としての出力端子Toutから出力される。なお、この出力信号は適宜のケーブルCBを介して電子制御装置40の入力端子Tinに取り込まれ、該電子制御装置40を通じたエンジン制御などの各種の制御に際しての圧力値のモニタに供される。
【0007】
ところで、このような半導体装置にあっては、上記ケーブルCBによって同装置を上記電子制御装置40に接続する以前、例えば作業者が上記出力端子Toutに誤って触れてしまうなどに起因して、同出力端子Toutに静電気などのサージ電圧が印加されることがある。そして、このようなサージ電圧が印加されるようなことがあると、上記ICチップ30としての内部回路が破壊に至る懸念がある。
【0008】
そこで従来は、図6に併せて示すように、上記信号出力線WoにツェナーダイオードZDを並列に設けることによって、このようなサージ電圧から内部回路を保護するようにしている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ツェナーダイオードZDを保護素子として設けることで、上記サージ電圧が上記出力端子Toutに印加されたとしても、このツェナーダイオードZDの降伏によって、該印加されたサージ電圧は内部回路に至ることなく接地される。しかしこの際、上記信号出力線Woおよび該信号出力線WoからツェナーダイオードZDに至る経路には一時的に大電流が流れるため、この大電流によってこれら信号出力線Woあるいは該信号出力線WoからツェナーダイオードZDに至る経路が損傷することがある。
【0010】
一方、このような半導体装置(半導体センサ)を車両などに実装する場合、上記電子制御装置40では、上記ケーブルCBによって該半導体装置が接続されたときの入力端子Tinの電位を監視して、この接続された半導体装置が正常な状態(良品)であるか否かを判定している。すなわち、この図6に示されるように、電子制御装置40は、上記入力端子Tinに対してその電位を引き上げるためのプルアップ抵抗Rpを備えている。そして電子制御装置40は、上記半導体装置が接続されたときのこの入力端子Tinの電位がプルアップ抵抗Rpによって引き上げられた電位に維持された状態であれば、該半導体装置に信号出力線Woが断線している等の異常が生じている旨判定する。他方、この入力端子Tinの電位がそれ以外の適宜に分圧された電位を示していれば、同半導体装置が正常(良品)である旨判定する。
【0011】
ところが、保護素子として上記ツェナーダイオードZDを備える半導体装置の場合には上述のように、サージ電圧からの保護動作に際して、上記信号出力線Woあるいは該信号出力線WoからツェナーダイオードZDに至る経路に損傷が生じている可能性がある。そして、同経路にこのような損傷が生じていたとしても、上記電子制御装置40側からはこれが正常(良品)である旨判定されるようになる。結局、このような判定に基づいて該半導体装置が使用され続けた場合には、上記損傷している経路が意図しない抵抗成分として作用するなど、半導体装置あるいは半導体センサとしてのセンシング動作や信頼性を大きく損ねる要因ともなる。
【0012】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、サージ電圧などの印加に起因するチップ異常の有無をより的確に判別可能とする半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成するため、請求項1に記載の半導体装置では、検出対象の物理量をセンシングするセンサ部からの検出信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路が半導体チップ内に集積回路化されてなる半導体装置として、前記信号処理回路の出力端子に前記センサ部のセンシング動作に影響を及ぼす所定の電圧以上のサージ電圧が印加されることに基づいて自断線する抵抗素子を前記信号処理回路の信号出力線に直列に接続することとした。
【0014】
このような構成によれば、出力端子に印加された上記サージ電圧は、上記抵抗素子を介して半導体装置(半導体チップ)の内部回路に一気に大電流を流すように作用する。しかしこのとき、この電流は上記抵抗素子に局所的に集中するようになることから、結局は上記サージ電圧の急激な立ち上がりに伴って、該抵抗素子が自断線に至るようになる。そして、こうして抵抗素子が一旦断線されれば、上記出力端子は電気的に浮いた状態となるため、その後、例えば前述した電子制御装置にこの出力端子が接続されることにより、当該半導体装置(半導体チップ)の異常の有無を的確に判別することができるようになる。
【0015】
また、請求項2に記載のように、前記抵抗素子としてはこれを、薄膜抵抗によって形成することが実用上望ましい。
なお、このような薄膜抵抗材料としては、例えば半導体基板がシリコン基板からなる場合、クロムシリコン等のシリサイドを用いることができる。このような薄膜抵抗は、そのシート抵抗が概ね500Ω/□程度であるため、これを10〜100Ω程度の抵抗値となるように形成しておくことで、上記信号処理回路の信号出力線に与える電気的影響を最小限に抑えることができるようになる。すなわち、センサ部のセンシング動作や信号処理回路としての信頼性についてもこれを好適に維持することができるようになる。また、このような薄膜抵抗を採用することで、サージ電圧が印加された際には、上述した自断線にも至りやすい。
【0016】
一方、これらの構成において、請求項3に記載のように、前記信号処理回路の出力端子が、前記センサ部のセンシング動作をモニタしつつ所定の制御を実行する電子制御装置の所定電位にプルアップされた入力端子に適宜のケーブルを介して接続されるもの、とすることで、電子制御装置を通じた当該半導体装置(半導体チップ)の良否判定をより容易なものとすることができるようになる。
【0017】
すなわちこの場合、適宜のケーブルによって半導体装置の上記出力端子と電子制御装置の上記入力端子とを接続するとともに、それら電子制御装置および半導体装置に給電したときの電子制御装置の入力端子の電位を監視することのみで、この接続された半導体装置が正常な状態(良品)であるか否かを判定することができるようになる。ちなみにこの場合には、上記監視する電位がプルアップされた所定の電位に相当するものであれば、当該半導体装置が異常、すなわち上記抵抗素子が自断線している旨判定され、それ以外の適宜に分圧された電位を示していれば、同半導体装置が正常(良品)である旨判定される。
【0018】
また、請求項4に記載のように、前記信号処理回路の出力端子が、前記センサ部のセンシング動作をモニタしつつ所定の制御を実行する電子制御装置の入力端子に適宜のケーブルを介して接続されるものであり、同信号処理回路の信号出力線に直列に接続された前記抵抗素子の前段が所定電位にプルアップされてなるもの、とすることでも、電子制御装置を通じた当該半導体装置(半導体チップ)の良否判定を行うことはできる。
【0019】
この場合には、電子制御装置の入力端子と接地との間に適宜の抵抗を設けていわゆるプルダウン状態としておき、この入力端子を介して監視する電位が、上記半導体装置の接続後(半導体装置への給電後)もこのプルダウンした電位(「0V」)に相当するものであれば、該半導体装置が異常、すなわち上記抵抗素子が自断線しており、それ以外の適宜に分圧された電位を示していれば、同半導体装置が正常(良品)である旨判定される。
【0020】
なお、上記抵抗素子の、信号処理回路の信号出力線に対する接続(挿入)態様は、具体的には、それら信号処理回路の構成に応じて以下の態様となる。
例えば、請求項5に記載のように、前記センサ部が圧力の印加に基づくひずみ抵抗の抵抗値変化に基づいて該圧力の印加態様を検出する圧力センサからなり、信号処理回路が、この圧力センサの出力を所要に増幅する回路からなる場合には、上記抵抗素子は、この増幅された信号の信号出力線に直列に接続(挿入)される態様となる。
【0021】
また、請求項6に記載のように、前記センサ部が磁気抵抗素子に印加される磁気ベクトル変化に基づいて被検出回転体の回転態様を検出する磁気センサからなり、信号処理回路が、この磁気センサの出力を所要に増幅する回路と、この増幅された信号を所定のしきい値に基づいて2値化する回路と、この2値化された信号に基づいてスイッチング動作するスイッチング素子とを備えて構成される場合には、上記抵抗素子は、このスイッチング素子のコレクタ端子と前記出力端子とを結線する信号出力線に直列に接続される態様となる。
【0022】
また、上記何れの場合であれ、信号処理回路として半導体チップ内に集積回路化される半導体装置としては、該信号処理回路がセンサ部共々、1つのチップ内に集積回路化されたものであってもよいし、同信号処理回路がセンサ部とは別途のチップとして集積回路化されたものであってもよい。
【0023】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、この発明にかかる半導体装置の第1の実施の形態について、図1および図2を参照して詳細に説明する。
【0024】
この実施の形態の半導体装置を構成する半導体チップ(ICチップ)10も、基本的には先の図5に例示した態様で半導体基板1のダイアフラム部表面に設けられたひずみ抵抗R1〜R4をセンサ部として備える半導体圧力センサ、およびその信号処理回路からなるものを想定している。
【0025】
また、ICチップ10の出力端子でもある上記信号処理回路の出力端子Toutが、適宜のケーブルCBを介して電子制御装置40の入力端子Tinに電気的に接続され、この電子制御装置40を通じて、
・車載エンジンの運転制御などの各種の制御に際して上記センサ部のセンシング動作がモニタされること。
・上記ケーブルCBの接続時にはICチップ10の良否判定が行われること。
等々も、先の図6に例示した従来のICチップ30の場合と同様である。
【0026】
はじめに、図1に基づいて、この実施の形態の半導体装置を構成するICチップ10内の回路構成、並びにその動作について説明する。
同図1に示されるように、上記センサ部を構成するひずみ抵抗R1〜R4は、このICチップ10においてはブリッジ回路11として構成されている。このうち、ひずみ抵抗R1およびR2の共通接続部には適宜に定電圧化された例えば「5V」等の電圧「+V」が印加され、またひずみ抵抗R3およびR4の共通接続部は接地されている。そして、先の図5(a)に例示した態様での圧力の印加に基づき、引張応力が作用する側のひずみ抵抗R1およびR3はその抵抗値が増加し、他方の圧縮応力が作用する側のひずみ抵抗R2およびR4はその抵抗値が減少する態様で、それら抵抗値が変化することは前述の通りである。上記ブリッジ回路11からは、このようなひずみ抵抗R1〜R4の抵抗値変化が、同ブリッジ回路11における各中点電位VaおよびVbの変化として取り出され、これら各中点電位VaおよびVbの変化が差動増幅器12によって差動増幅される。
【0027】
また、この差動増幅器12による差動増幅出力は、適宜の基準電圧Vsをもとに反転増幅する反転増幅器13に入力される。そして、該反転増幅器13を通じて所要に、すなわち「−R6/R5」の増幅率をもって反転増幅され、この反転増幅された信号が信号出力線を介して上記出力端子Toutから出力される。
【0028】
ここで、この実施の形態の半導体装置にあっては、同図1に示されるように、上記差動増幅器12と共に信号処理回路を構成する反転増幅器13の信号出力線Wo1およびWo2には、抵抗素子である保護抵抗Rhが直列に接続(挿入)されている。すなわち、上記反転増幅器13によって反転増幅された信号は、これら信号出力線Wo1、保護抵抗Rh、および信号出力線Wo2を介して上記出力端子Toutに至る構成となっている。
【0029】
ちなみにこの実施の形態において、上記保護抵抗Rhは、上記センサ部によるセンシング動作はもとより、上記信号処理回路における信号処理動作に際してもその電気的な影響を最小限に抑えることのできる10〜1KΩ程度の抵抗値をもつ薄膜抵抗として形成されている。
【0030】
また一方、上記保護抵抗Rhは、上記ケーブルCBによってICチップ10が電子制御装置40に接続される以前、例えば作業者が誤って上記出力端子Toutに触れるなど、この出力端子Toutに静電気などのサージ電圧が印加された際には、自断線して、同出力端子Toutを電気的に浮いた状態とする。なお、上記保護抵抗Rhが自断線に至る目安となるサージ電圧としては、例えば「1KV」以上等の電圧を想定している。ちなみに、先の図6に例示したツェナーダイオードZDが降伏に至ることによって、先の信号出力線Woおよび該信号出力線WoからツェナーダイオードZDに至る経路には一時的に大電流が流れ、これら経路が損傷することがあることは前述した通りである。そして、信号出力線Woにこのような損傷が生じた場合、これが意図しない抵抗成分として作用するなど、上記センサ部によるセンシング動作に影響を及ぼすようになることも前述した。したがって、上記保護抵抗Rhとしても、上記センサ部のセンシング動作に影響を及ぼす上記所定の電圧(例えば「1KV」)以上等のサージ電圧が印加されることに基づいて自断線に至る構造とすることが望ましい。
【0031】
図2は、上記保護抵抗Rhについて、その半導体基板への実装構造を例示したものであり、図2(a)は、該保護抵抗Rhおよびその周辺部の平面構造を、また図2(b)は、同保護抵抗Rhおよびその周辺部の断面構造をそれぞれ示している。
【0032】
これら図2(a)および(b)に示されるように、例えばP型のシリコン基板からなる半導体基板1の表面には絶縁膜2が形成され、この絶縁膜2の上面に、上記保護抵抗Rhとする薄膜抵抗が形成されている。また、この薄膜抵抗からなる保護抵抗Rhの両端には、これと電気的に直列に接続される態様で、上記信号出力線Wo1およびWo2となる金属配線が敷設されている。
【0033】
なお、この実施の形態おいては、上記保護抵抗Rhとする薄膜抵抗の材料として、シート抵抗が概ね500Ω/□程度であるクロムシリコンを採用している。そして、その抵抗値が概ね100Ω程度となるように、該薄膜抵抗の幅と長さとの比を約「5:1」に定めている。
【0034】
こうした態様にて上記保護抵抗Rhを形成することにより、上記信号処理回路の信号出力線Wo1およびWo2に与える電気的な影響を最小限に抑えることができ、上記センサ部のセンシング動作はもとより、信号処理回路としての信頼性についても、これを好適に維持することができるようになる。一方、ICチップ10の出力端子Toutに上記サージ電圧が印加された際には、該サージ電圧の印加に起因する大電流が上記保護抵抗Rhに局所的に集中するようになる。このため、結局は、このサージ電圧の急激な立ち上がりに伴って、該保護抵抗Rhが自断線に至るようになる。そして、こうして保護抵抗Rhが一旦断線されれば、上記出力端子Toutは電気的に浮いた状態となるため、その後、上記電子制御装置40にこの出力端子Toutが接続されることにより、当該半導体装置(半導体チップ)の異常の有無についてもこれを的確に判別することができるようになる。
【0035】
以下、上記電子制御装置40を通じて行われる、この実施の形態の半導体装置を構成するICチップ10の良否判定方法について詳述する。
前述のように、上記ICチップ10を車両などに実装する場合、上記電子制御装置40では、上記ケーブルCBによって該ICチップ10が接続されたときの入力端子Tinの電位を監視して、この接続されたICチップ10が正常な状態(良品)であるか否かを判定している。すなわち、先の図6と同様、図1にも示されるように、電子制御装置40は、上記入力端子Tinに対してその電位を引き上げるためのプルアップ抵抗Rpを備えている。そして電子制御装置40は、上記ICチップ10が接続されたときのこの入力端子Tinの電位がプルアップ抵抗Rpによって引き上げられた電位に維持された状態であれば、該ICチップ10が異常、すなわち上記保護抵抗Rhが断線している旨判定する。他方、この入力端子Tinの電位がそれ以外の電位、すなわち上記保護抵抗Rhや上記反転増幅器13の内部抵抗等によって適宜に分圧された電位を示していれば、同ICチップ10が正常(良品)である旨判定する。なおこの良否判定に際して、上記電子制御装置40および上記ICチップ10は共に給電された状態におかれている。
【0036】
以上説明したように、この実施の形態にかかる半導体装置によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
(1)通常の使用時においては電気的な影響が少なく、ICチップ10としての出力端子Toutにセンサ部のセンシング動作に影響を及ぼすようなサージ電圧が印加されたときには自断線する保護抵抗Rhを信号処理回路の信号出力線Wo1およびWo2に直列に接続(挿入)することとした。このため、上記サージ電圧が印加された後は、上記出力端子Toutが電気的に完全に浮いた状態となり、ICチップ10の異常の有無を的確に判別することができるようになる。
【0037】
(2)上記保護抵抗Rhとして、例えばクロムシリコン等からなる薄膜抵抗を採用した。これにより、上記特性、すなわち通常の使用時においては電気的な影響が少なく、ICチップ10としての出力端子Toutにセンサ部のセンシング動作に影響を及ぼすようなサージ電圧が印加されたときには自断線するといった特性を備える保護抵抗Rhを容易に実現することができる。
【0038】
(3)ICチップ10の出力端子、すなわち信号処理回路の出力端子Toutが、電子制御装置40の所定電位にプルアップされた入力端子TinにケーブルCBを介して接続される構成とした。このため、電子制御装置40のこの入力端子Tinの電位を監視することで、ICチップ10の良否判定を容易に、且つ、的確に行うことができる。
【0039】
(第2の実施の形態)
次に、この発明にかかる半導体装置の第2の実施の形態について、図3および図4を参照しつつ説明する。
【0040】
この実施の形態は、先の半導体圧力センサに代えて、回転検出装置に用いられる磁気センサを構成する半導体装置にこの発明を適用したものであり、はじめに、図3に基づいて、この実施の形態にかかる半導体装置の概要を説明する。
【0041】
同図3に示すように、この半導体装置は、センサ部およびその信号処理回路の一部が、1つのICチップ20として集積回路化されて、被検出回転体である磁性体からなるロータRTに対向するように設けられる。そして、この半導体装置を構成するICチップ20は、樹脂などからなるモールド材によって円柱形状にモールドされた状態でその電源端子Tp、出力端子Tout、およびGND(接地)端子Tgndといった各端子が引き出される構造となっている。これら各端子のうち、上記出力端子Toutは、例えば車載エンジンの運転を制御する電子制御装置に接続され、該制御装置に上記ロータRTの回転情報を提供する。
【0042】
一方、このICチップ20内に組み込まれている上記センサ部は、付与される磁気ベクトルの向きにより抵抗値が変化する磁気抵抗素子(MRE)を備えて構成されている。このため、当該半導体装置を構成するICチップ20の周囲には上記磁気抵抗素子にバイアス磁界を付与するための円筒状のバイアス磁石MGが配設されている。
【0043】
このような構成により、上記ロータRTの回転に伴ってその突起部がICチップ20内に組み込まれた上記センサ部近傍を通過するたびに、上記バイアス磁石MGから付与されているバイアス磁界の磁気ベクトルが同突起部に引きづられるかたちで変化するようになる。そして、こうした磁気ベクトルの変化が上記磁気抵抗素子を備えるセンサ部を通じて抵抗値の変化として検出され、その対応する電気信号が適宜に信号処理されて、上記出力端子Toutから出力される。
【0044】
図4は、このような半導体装置を構成するICチップ20の上記センサ部、並びに信号処理回路についてその等価回路を示したものであり、以下、同図4を併せ参照して、該半導体装置の構成、並びに動作をさらに詳述する。
【0045】
同図4に示されるように、上記センサ部は、電気的には磁気抵抗素子MRE1〜MRE4のブリッジ回路21からなる周知の回路として構成されている。このブリッジ回路21の一方端には、適宜に定電圧化された例えば「5V」等の電圧「+V」が印加され、他方端は接地されている。そして、上述した磁気ベクトル変化に伴う各磁気抵抗素子MRE1〜MRE4の抵抗値変化は、このブリッジ回路21における各中点電位VaおよびVbの変化として取り出され、これら中点電位VaおよびVbの変化が信号処理回路に入力される。
【0046】
一方、信号処理回路では、ブリッジ回路21における上記各中点電位VaおよびVbが差動増幅器22によって差動増幅される。そして、この差動増幅された信号は、比較器23において所定のしきい値Vthとの比較のもとに2値化され、この2値化された信号に基づいて、例えばバイポーラ型トランジスタからなるスイッチング素子24がオン・オフ制御される。なお、上記2値化された信号(パルス信号)の2値化周期(パルス周期)が上記ロータRTの回転速度に対応したものとなることは周知の通りである。
【0047】
ここで、上記スイッチング素子24は、同図4に示されるように、ICチップ20内においてはオープンコレクタ型の配線がなされており、該ICチップ20の出力端子Toutが適宜のケーブルCBにより電子制御装置50の入力端子Tinに接続されることによって、そのスイッチング動作が能動となる。すなわち、電子制御装置50側に上記スイッチング素子24のコレクタ端子(出力端子Tout)に対するプルアップ抵抗Rpが設けられており、該プルアップ抵抗Rpを通じた給電が行われることによって、上記スイッチング素子24のスイッチング動作が有効となる。
【0048】
また、この実施の形態の半導体装置にあっても、同図4に示されるように、上記スイッチング素子24のコレクタ端子に接続された信号出力線Wo1およびWo2には、抵抗素子である保護抵抗Rhが直列に接続(挿入)されている。すなわち、上記電子制御装置50との接続によって有効となる給電信号(電圧)は、上記出力端子Toutから信号出力線Wo2、保護抵抗Rh、および信号出力線Wo1を介して上記コレクタ端子に至る構成となっている。
【0049】
そしてこの実施の形態においても、
(a)上記保護抵抗Rhは、上記センサ部によるセンシング動作はもとより、その後段の信号処理回路における信号処理動作に際しても、電気的な影響を最小限に抑えることのできる10〜100Ω程度の抵抗値をもつ薄膜抵抗として形成されていること。
(b)しかも、ケーブルCBによりICチップ20が電子制御装置50に接続される以前、作業者等が誤って上記出力端子Toutに触れるなど、該出力端子Toutに静電気などのサージ電圧が印加された際には、自断線して、同出力端子Toutを電気的に浮いた状態とすること。
(c)上記保護抵抗Rhが自断線に至る目安となるサージ電圧が、例えば「1KV」以上等、上記センサ部のセンシング動作に影響を及ぼす所定の電圧以上であること。
(d)上記保護抵抗Rhとする薄膜抵抗材料としては、シート抵抗が概ね500Ω/□程度であるクロムシリコンが採用され、その抵抗値が概ね100Ω程度となるように、先の図2に例示した態様で、当該薄膜抵抗の幅と長さとの比が約「5:1」に定められていること。
等々は、先の実施の形態の場合と同様である。
【0050】
こうした態様にて上記保護抵抗Rhを形成することにより、上記信号処理回路の信号出力線Wo1およびWo2に与える電気的な影響を最小限に抑えることができ、上記センサ部のセンシング動作はもとより、信号処理回路としての信頼性についても、これを好適に維持することができるようになる。一方、ICチップ20の出力端子Toutに上記サージ電圧が印加された際には、該サージ電圧の印加に起因する大電流が上記保護抵抗Rhに局所的に集中するようになる。このため、結局は、このサージ電圧の急激な立ち上がりに伴って、該保護抵抗Rhが自断線に至るようになる。そして、こうして保護抵抗Rhが一旦断線されれば、上記出力端子Toutは電気的に浮いた状態となるため、その後、上記電子制御装置50にこの出力端子Toutが接続されることにより、当該半導体装置(半導体チップ)の異常の有無についてもこれを的確に判別することができるようになる。
【0051】
以下、上記電子制御装置50を通じて行われる、この実施の形態の半導体装置を構成するICチップ20の良否判定方法について詳述する。
ここでも前述のように、上記ICチップ20を車両などに実装する場合、上記電子制御装置50では、上記ケーブルCBによって該ICチップ20が接続されたときの入力端子Tinの電位を監視して、この接続されたICチップ20が正常な状態(良品)であるか否かを判定している。すなわち上述のように、電子制御装置50は、上記入力端子Tinに対してその電位を引き上げるためのプルアップ抵抗Rpを備えている。そして電子制御装置50は、上記ICチップ20が接続されたときのこの入力端子Tinの電位がプルアップ抵抗Rpによって引き上げられた電位に維持された状態であれば、該ICチップ20が異常、すなわち上記保護抵抗Rhが断線している旨判定する。他方、この入力端子Tinの電位がそれ以外の電位、すなわち上記保護抵抗Rhや上記スイッチング素子24内のコレクタ−エミッタ間抵抗等によって適宜に分圧された電位を示していれば、同ICチップ20が正常(良品)である旨判定する。なおこの良否判定に際しても、上記電子制御装置50およびICチップ20は共に給電された状態におかれる。
【0052】
以上説明したように、この第2の実施の形態にかかる半導体装置によっても、センサ部や信号処理回路の構成が異なるとはいえ、先の第1の実施の形態の前記(1)〜(3)の効果に準じた効果を得ることができるようになる。
【0053】
(他の実施の形態)
なお、この発明にかかる半導体装置は、上記各実施の形態に限られるものではなく、それらを適宜に変形した、例えば以下のような形態をもって実施することもできる。
【0054】
・上記各実施の形態では、信号処理回路の出力端子Toutが、各センサ部のセンシング動作をモニタしつつ所定の制御を実行する電子制御装置40あるいは50の所定電位にプルアップされた入力端子Tinに適宜のケーブルCBを介して接続されるものとしたが、上記所定電位へのプルアップ箇所は任意である。すなわち、半導体装置(ICチップ10あるいは20)側、詳しくは上記保護抵抗Rhの前段においてこうした所定電位へのプルアップを行うようにしてもよい。ただしこの場合には、電子制御装置40あるいは50の入力端子Tinと接地との間に適宜の抵抗を設けて、いわゆるプルダウン状態としておくことが望ましい。これにより、この入力端子Tinを介して監視する電位が、上記半導体装置の接続後(半導体装置への給電後)もこのプルダウンした電位(「0V」)に相当するものであれば、該半導体装置が異常、すなわち上記保護抵抗Rhが自断線している旨判定する。他方、同入力端子Tinを介して監視する電位が、それ以外の適宜の分圧された電位を示していれば、同半導体装置が正常(良品)である旨判定する。
【0055】
・上記各実施の形態では、上記保護抵抗Rhとする抵抗素子として薄膜抵抗を採用したが、信号処理回路の出力端子Toutに前記センサ部のセンシング動作に影響を及ぼす所定の電圧以上のサージ電圧が印加されることに基づいて自断線する抵抗素子でさえあれば、任意の抵抗素子を採用することができる。
【0056】
・また、上記保護抵抗Rhとして薄膜抵抗を採用する場合であれ、該薄膜抵抗の材料としては、磁気抵抗素子なども含めて、前述したクロムシリコンに限られない任意の材料を用いることができる。
【0057】
・また、半導体装置を構成する半導体基板の導電型も任意であり、信号処理回路として作り込まれる回路の構成によってはN型半導体基板なども適宜採用することができる。
【0058】
・上記各実施の形態ではいずれも、センサ部およびその信号処理回路が1つの半導体チップとして集積回路化された例について示したが、これらセンサ部および信号処理回路が各別の半導体チップとして構成された半導体装置についても、この発明は同様に適用することができる。また、センサ部や信号処理回路としての構成も、上記各実施の形態にて例示した構成に限らず任意であり、要は、検出対象の物理量をセンシングするセンサ部からの検出信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路が半導体チップ内に集積回路化された半導体装置であればよい。そして、このような半導体装置の上記信号処理回路の信号出力線に対して、サージ電圧の印加に基づき自断線する抵抗素子が直列に接続(挿入)される構成でさえあれば、上記各実施の形態に準じた効果を得ることはできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明にかかる半導体装置の第1の実施の形態についてその内部等価回路を示す回路図。
【図2】(a)は同第1の実施の形態に採用される保護抵抗およびその周辺部の平面構造を示す平面図。(b)は同保護抵抗およびその周辺部の断面構造を示す断面図。
【図3】この発明にかかる半導体装置の第2の実施の形態について、これが適用される回転検出装置の概要を示す正面図。
【図4】同第2の実施の形態の半導体装置の内部等価回路を示す回路図。
【図5】(a)は半導体圧力センサの概略断面構造を示す断面図。(b)は同センサの概略平面構造を示す平面図。
【図6】上記半導体圧力センサおよびその信号処理回路から構成される従来の半導体装置についてその内部等価回路を示す回路図。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…絶縁膜、10、20、30…ICチップ(半導体装置)、11、21、31…ブリッジ回路、12、22、32…差動増幅器、13、33…反転増幅器、23…比較器、24…スイッチング素子、40、50…電子制御装置、R1〜R4…ひずみ抵抗、MRE1〜MRE4…磁気抵抗素子、Wo、Wo1、Wo2…信号出力線、Rh…保護抵抗(抵抗素子)、ZD…ツェナーダイオード、CB…ケーブル、Tout…出力端子、Tin…入力端子、Rp…プルアップ抵抗。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device in which a signal processing circuit for performing required processing such as amplifying a detection signal output from various sensors is integrated in a semiconductor chip together with a sensor unit or separately from the sensor unit. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of semiconductor device, there is a device for processing a detection signal of a semiconductor pressure sensor as exemplified in FIG.
[0003]
First, an outline of a semiconductor pressure sensor constituting the sensor unit will be described with reference to FIG. 5A is a sectional view of the pressure sensor, and FIG. 5B is a plan view of the pressure sensor. FIG. 5A corresponds to a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5B.
[0004]
As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the sensor section is provided with strain resistors R1 to R4 on the surface of the diaphragm of a
[0005]
The sensor section detects, for example, the pressure (intake pressure) of air taken into the vehicle-mounted engine, the brake pressure of the vehicle, and the like based on such a principle, and is usually integrated with the sensor section. Alternatively, the signal processing is performed through a processing circuit illustrated in FIG. 6 which is separately integrated. FIG. 6 illustrates an equivalent circuit assuming an IC chip in which the sensor unit and the signal processing circuit are integrally integrated. Next, referring to FIG. The circuit configuration and operation will be described.
[0006]
As shown in FIG. 6, the strain resistors R1 to R4 constituting the sensor section are configured as a
[0007]
By the way, in such a semiconductor device, before the device is connected to the
[0008]
Conventionally, as shown in FIG. 6, a Zener diode ZD is provided in parallel with the signal output line Wo to protect the internal circuit from such a surge voltage.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, by providing the Zener diode ZD as a protection element, even if the surge voltage is applied to the output terminal Tout, the applied surge voltage reaches the internal circuit due to the breakdown of the Zener diode ZD. Without being grounded. However, at this time, since a large current temporarily flows through the signal output line Wo and a path from the signal output line Wo to the Zener diode ZD, the large current causes the signal output line Wo or the Zener diode ZD to be connected to the Zener diode ZD. The path leading to the diode ZD may be damaged.
[0010]
On the other hand, when such a semiconductor device (semiconductor sensor) is mounted on a vehicle or the like, the
[0011]
However, in the case of a semiconductor device having the Zener diode ZD as a protection element, as described above, the signal output line Wo or the path from the signal output line Wo to the Zener diode ZD is damaged during the surge voltage protection operation. May have occurred. Then, even if such damage has occurred in the same path, the
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of more accurately determining the presence or absence of a chip abnormality caused by application of a surge voltage or the like.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, in the semiconductor device according to the first aspect, a signal processing circuit that performs predetermined signal processing on a detection signal from a sensor unit that senses a physical quantity to be detected is integrated in a semiconductor chip. The semiconductor device comprises a resistance element that self-disconnects when a surge voltage of a predetermined voltage or more that affects a sensing operation of the sensor unit is applied to an output terminal of the signal processing circuit. Are connected in series to the signal output line.
[0014]
According to such a configuration, the surge voltage applied to the output terminal acts so as to flow a large current to the internal circuit of the semiconductor device (semiconductor chip) via the resistance element at a stretch. However, at this time, since the current locally concentrates on the resistance element, the resistance element eventually comes to self-disruption with the rapid rise of the surge voltage. Then, once the resistance element is disconnected, the output terminal is in an electrically floating state. Thereafter, for example, by connecting the output terminal to the above-described electronic control device, the semiconductor device (semiconductor device) It is possible to accurately determine the presence or absence of an abnormality in the chip).
[0015]
In addition, as described in claim 2, it is practically preferable that the resistive element is formed by a thin film resistor.
When the semiconductor substrate is a silicon substrate, for example, a silicide such as chromium silicon can be used as such a thin film resistance material. Since such a thin film resistor has a sheet resistance of about 500Ω / □, it is formed so as to have a resistance value of about 10 to 100Ω to be applied to the signal output line of the signal processing circuit. The electric influence can be minimized. That is, the sensing operation of the sensor unit and the reliability of the signal processing circuit can be suitably maintained. Further, by adopting such a thin film resistor, when a surge voltage is applied, the above-described self-disconnection easily occurs.
[0016]
On the other hand, in these configurations, the output terminal of the signal processing circuit is pulled up to a predetermined potential of an electronic control device that executes predetermined control while monitoring the sensing operation of the sensor unit. The semiconductor device (semiconductor chip) can be more easily determined to be good or bad through the electronic control device by connecting the input device to the input terminal via an appropriate cable.
[0017]
That is, in this case, the output terminal of the semiconductor device and the input terminal of the electronic control device are connected by an appropriate cable, and the potential of the input terminal of the electronic control device when power is supplied to the electronic control device and the semiconductor device is monitored. Only by doing so, it can be determined whether or not the connected semiconductor device is in a normal state (non-defective). Incidentally, in this case, if the potential to be monitored corresponds to the predetermined potential that has been pulled up, it is determined that the semiconductor device is abnormal, that is, the resistance element is disconnected by itself. , The semiconductor device is determined to be normal (non-defective).
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, an output terminal of the signal processing circuit is connected via an appropriate cable to an input terminal of an electronic control device that executes a predetermined control while monitoring a sensing operation of the sensor unit. The resistance element connected in series to the signal output line of the signal processing circuit is pulled up to a predetermined potential, so that the semiconductor device through the electronic control unit ( The quality of the semiconductor chip can be determined.
[0019]
In this case, an appropriate resistor is provided between the input terminal of the electronic control unit and the ground to set a so-called pull-down state, and the potential to be monitored via this input terminal is changed after the connection of the semiconductor device (to the semiconductor device). If the semiconductor device is abnormal, that is, the resistive element is disconnected by itself, and the other appropriately divided potential is applied to the potential after the power supply (after the power supply). If so, it is determined that the semiconductor device is normal (non-defective).
[0020]
The connection (insertion) of the resistance element to the signal output line of the signal processing circuit is specifically as follows depending on the configuration of the signal processing circuit.
For example, as set forth in claim 5, the sensor unit includes a pressure sensor that detects an application mode of the pressure based on a change in the resistance value of the strain resistor based on the application of the pressure, and the signal processing circuit includes the pressure sensor. In this case, the resistance element is connected (inserted) in series to the signal output line of the amplified signal.
[0021]
According to a sixth aspect of the present invention, the sensor unit includes a magnetic sensor that detects a rotation mode of the detected rotating body based on a change in a magnetic vector applied to the magnetoresistive element. A circuit that amplifies the output of the sensor as required, a circuit that binarizes the amplified signal based on a predetermined threshold value, and a switching element that performs a switching operation based on the binarized signal. In this case, the resistance element is connected in series to a signal output line connecting the collector terminal of the switching element and the output terminal.
[0022]
In any of the above cases, a semiconductor device integrated into a semiconductor chip as a signal processing circuit is one in which the signal processing circuit and the sensor unit are integrated in one chip. Alternatively, the signal processing circuit may be integrated as a separate chip from the sensor unit.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0024]
The semiconductor chip (IC chip) 10 constituting the semiconductor device of this embodiment also basically uses the sensors shown in FIG. 5 to detect the strain resistances R1 to R4 provided on the surface of the diaphragm of the
[0025]
The output terminal Tout of the signal processing circuit, which is also the output terminal of the
Monitoring of the sensing operation of the sensor unit during various controls such as operation control of the vehicle-mounted engine.
When the cable CB is connected, the quality of the
The same applies to the case of the
[0026]
First, a circuit configuration in an
As shown in FIG. 1, the strain resistors R1 to R4 constituting the sensor section are configured as a
[0027]
The differential amplified output from the
[0028]
Here, in the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 1, the signal output lines Wo1 and Wo2 of the inverting
[0029]
Incidentally, in this embodiment, the protection resistor Rh has a resistance of about 10 to 1 KΩ which can minimize the electric influence during the signal processing operation in the signal processing circuit as well as the sensing operation by the sensor unit. It is formed as a thin film resistor having a resistance value.
[0030]
On the other hand, before the
[0031]
FIG. 2 illustrates the mounting structure of the protection resistor Rh on a semiconductor substrate. FIG. 2A illustrates a planar structure of the protection resistor Rh and its peripheral portion, and FIG. Indicates the cross-sectional structure of the protection resistor Rh and its peripheral portion.
[0032]
As shown in FIGS. 2A and 2B, an insulating film 2 is formed on the surface of a
[0033]
In this embodiment, chromium silicon having a sheet resistance of about 500 Ω / □ is used as a material of the thin film resistor used as the protection resistor Rh. Then, the ratio between the width and the length of the thin film resistor is set to about “5: 1” so that the resistance value is approximately 100Ω.
[0034]
By forming the protection resistor Rh in such a manner, it is possible to minimize the electrical influence on the signal output lines Wo1 and Wo2 of the signal processing circuit, and not only the sensing operation of the sensor unit but also the signal This also makes it possible to maintain the reliability of the processing circuit suitably. On the other hand, when the surge voltage is applied to the output terminal Tout of the
[0035]
Hereinafter, a method for judging the acceptability of the
As described above, when the
[0036]
As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The protection resistor Rh, which has a small electrical effect during normal use and is self-disconnected when a surge voltage that affects the sensing operation of the sensor section is applied to the output terminal Tout as the
[0037]
(2) As the protection resistor Rh, a thin film resistor made of, for example, chromium silicon is used. As a result, the above-mentioned characteristics, that is, the electric influence is small during normal use, and the self-disconnection is performed when a surge voltage that affects the sensing operation of the sensor unit is applied to the output terminal Tout as the
[0038]
(3) The output terminal of the
[0039]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0040]
In this embodiment, the present invention is applied to a semiconductor device constituting a magnetic sensor used in a rotation detecting device instead of the semiconductor pressure sensor described above. First, this embodiment will be described with reference to FIG. An outline of a semiconductor device according to the first embodiment will be described.
[0041]
As shown in FIG. 3, in this semiconductor device, a sensor unit and a part of a signal processing circuit thereof are integrated as one
[0042]
On the other hand, the sensor unit incorporated in the
[0043]
With such a configuration, each time the protrusion passes through the vicinity of the sensor unit incorporated in the
[0044]
FIG. 4 shows an equivalent circuit of the sensor unit and the signal processing circuit of the
[0045]
As shown in FIG. 4, the sensor section is electrically configured as a well-known circuit including a
[0046]
On the other hand, in the signal processing circuit, the midpoint potentials Va and Vb in the
[0047]
Here, as shown in FIG. 4, the switching
[0048]
Also, in the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 4, the signal output lines Wo1 and Wo2 connected to the collector terminal of the switching
[0049]
And also in this embodiment,
(A) The protection resistor Rh has a resistance value of about 10 to 100 Ω that can minimize the electric influence not only in the sensing operation by the sensor unit but also in the signal processing operation in the subsequent signal processing circuit. It must be formed as a thin film resistor with
(B) Moreover, before the
(C) The surge voltage, which is a measure of the protection resistor Rh leading to the self-disconnection, is equal to or higher than a predetermined voltage that affects the sensing operation of the sensor unit, for example, “1 KV” or higher.
(D) As the thin-film resistance material used as the protection resistance Rh, chromium silicon having a sheet resistance of about 500Ω / □ is adopted, and the resistance is about 100Ω as illustrated in FIG. In the aspect, the ratio of the width and the length of the thin film resistor is set to about “5: 1”.
Etc. are the same as in the previous embodiment.
[0050]
By forming the protection resistor Rh in such a manner, it is possible to minimize the electrical influence on the signal output lines Wo1 and Wo2 of the signal processing circuit, and not only the sensing operation of the sensor unit but also the signal This also makes it possible to maintain the reliability of the processing circuit suitably. On the other hand, when the surge voltage is applied to the output terminal Tout of the
[0051]
Hereinafter, a method for judging the acceptability of the
As described above, when the
[0052]
As described above, although the semiconductor device according to the second embodiment also differs in the configuration of the sensor unit and the signal processing circuit, the above-described (1) to (3) of the first embodiment described above. ) Can be obtained.
[0053]
(Other embodiments)
It should be noted that the semiconductor device according to the present invention is not limited to the above embodiments, but may be implemented by appropriately modifying them, for example, in the following embodiments.
[0054]
In the above embodiments, the output terminal Tout of the signal processing circuit has the input terminal Tin pulled up to a predetermined potential of the
[0055]
In the above embodiments, a thin film resistor is used as the resistance element as the protection resistor Rh. However, a surge voltage equal to or higher than a predetermined voltage that affects the sensing operation of the sensor unit is applied to the output terminal Tout of the signal processing circuit. Any resistance element can be adopted as long as it is a resistance element that breaks itself based on the applied voltage.
[0056]
Further, even when a thin film resistor is employed as the protection resistor Rh, any material other than the above-described chromium silicon can be used as a material of the thin film resistor, including a magnetoresistive element.
[0057]
The conductivity type of the semiconductor substrate constituting the semiconductor device is also arbitrary, and an N-type semiconductor substrate or the like can be appropriately adopted depending on the configuration of a circuit formed as a signal processing circuit.
[0058]
In each of the above embodiments, the example in which the sensor unit and the signal processing circuit thereof are integrated as one semiconductor chip has been described. However, these sensor units and the signal processing circuit are configured as separate semiconductor chips. The present invention can be similarly applied to the semiconductor device described above. Further, the configuration as the sensor unit or the signal processing circuit is not limited to the configuration illustrated in each of the above embodiments, and is arbitrary. In other words, a predetermined value is applied to a detection signal from the sensor unit that senses a physical quantity to be detected. The signal processing circuit for performing the above signal processing may be a semiconductor device integrated into a semiconductor chip. In addition, as long as a resistance element that self-disconnects based on the application of a surge voltage is connected (inserted) in series to the signal output line of the signal processing circuit of such a semiconductor device, each of the above-described embodiments can be implemented. The effect according to the form can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an internal equivalent circuit of a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2A is a plan view showing a planar structure of a protection resistor employed in the first embodiment and a peripheral portion thereof. (B) is a sectional view showing a sectional structure of the protection resistor and a peripheral portion thereof.
FIG. 3 is a front view showing an outline of a rotation detecting device to which the second embodiment of the semiconductor device according to the present invention is applied;
FIG. 4 is a circuit diagram showing an internal equivalent circuit of the semiconductor device according to the second embodiment;
FIG. 5A is a sectional view showing a schematic sectional structure of a semiconductor pressure sensor. (B) is a plan view showing a schematic plan structure of the sensor.
FIG. 6 is a circuit diagram showing an internal equivalent circuit of a conventional semiconductor device including the semiconductor pressure sensor and its signal processing circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記信号処理回路の出力端子に前記センサ部のセンシング動作に影響を及ぼす所定の電圧以上のサージ電圧が印加されることに基づいて自断線する抵抗素子を前記信号処理回路の信号出力線に直列に接続した
ことを特徴とする半導体装置。A semiconductor device in which a signal processing circuit that performs predetermined signal processing on a detection signal from a sensor unit that senses a physical quantity to be detected is integrated in a semiconductor chip,
A resistance element that self-disconnects based on the application of a surge voltage equal to or higher than a predetermined voltage affecting the sensing operation of the sensor unit to the output terminal of the signal processing circuit, in series with the signal output line of the signal processing circuit. A semiconductor device characterized by being connected.
請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said resistance element is formed of a thin film resistor.
請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。An output terminal of the signal processing circuit is connected via an appropriate cable to an input terminal pulled up to a predetermined potential of an electronic control device that executes a predetermined control while monitoring a sensing operation of the sensor unit. The semiconductor device according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。An output terminal of the signal processing circuit is connected via an appropriate cable to an input terminal of an electronic control device that executes predetermined control while monitoring a sensing operation of the sensor unit. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a front stage of the resistance element connected in series to a signal output line is pulled up to a predetermined potential.
請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。The sensor unit includes a pressure sensor that detects an application mode of the pressure based on a change in the resistance value of the strain resistor based on the application of the pressure, and the signal processing circuit includes a circuit that amplifies an output of the pressure sensor as needed. The semiconductor device according to claim 1, wherein the resistance element is connected in series to a signal output line of the amplified signal.
請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。The sensor section includes a magnetic sensor that detects a rotation mode of the detected rotating body based on a magnetic vector change applied to the magnetoresistive element, and the signal processing circuit amplifies an output of the magnetic sensor as needed. A circuit that binarizes the amplified signal based on a predetermined threshold value, and a switching element that performs a switching operation based on the binarized signal. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is connected in series to a signal output line connecting the collector terminal of the switching element and the output terminal.
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