DE3608633A1 - PRESSURE SENSOR - Google Patents

PRESSURE SENSOR

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DE3608633A1
DE3608633A1 DE19863608633 DE3608633A DE3608633A1 DE 3608633 A1 DE3608633 A1 DE 3608633A1 DE 19863608633 DE19863608633 DE 19863608633 DE 3608633 A DE3608633 A DE 3608633A DE 3608633 A1 DE3608633 A1 DE 3608633A1
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pressure sensor
pressure
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DE19863608633
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German (de)
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Masaya Yamatokoriyama Nara Hijikigawa
Shuji Nara Miyoshi
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Sharp Corp
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Sharp Corp
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0098—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means using semiconductor body comprising at least one PN junction as detecting element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

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Description

r. Ö · 1r. Ö 1

Be Schreibung:Description:

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zum Erfassen von Druckschwankungen der Atmosphäre oder von Flüssigkeiten in Form eines elektrischen Ausgangssignals. Die Erfindung schafft speziell einen Feldeffekt-Drucksensor, bei dem zur Feststellung der Druckschwankungen ein Feldeffekttransistor verwendet wird.The invention relates to a pressure sensor for detecting pressure fluctuations in the atmosphere or in liquids in the form of an electrical output signal. The invention specifically provides a field effect pressure sensor, in which a field effect transistor is used to determine the pressure fluctuations.

W Bislang basierte die Messung von Drücken der Atmosphäre oder von Flüssigkeiten auf der mechanischen Verformung von beispielsweise einem Bourdon-Rohr, eines Balges oder einer Membran. Aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer einfachen Betriebsweise sind derartige Vorrichtungen weit verbreitet. Mit der Entwicklung der Elektronik entstand jedoch ein wachsender Bedarf an einem Drucksensor, der in der Lage ist, Druckschwankungen in Form von elektrischen Signalen zu erfassen. Drucksensoren dieser Art lassen sich leicht an Datenverarbeitungseinrichtungen anschließen und eignen sich zur automatischen Messung und Regelung. Da ein solcher Drucksensor als Druckmeßsignal elektrische Ausgangssignale liefert, vermag er bei kurzer Ansprechzeit sehr genaue Druckmessungen zu liefern. Außerdem können Abmessungen und Gewichte des Drucksensors verringert werden. W Up to now, the measurement of pressures in the atmosphere or liquids has been based on the mechanical deformation of, for example, a Bourdon tube, a bellows or a membrane. Such devices are widely used because of their low cost and ease of operation. With the development of electronics, however, there has been a growing need for a pressure sensor that is capable of detecting pressure fluctuations in the form of electrical signals. Pressure sensors of this type can easily be connected to data processing devices and are suitable for automatic measurement and control. Since such a pressure sensor delivers electrical output signals as a pressure measurement signal, it is able to deliver very precise pressure measurements with a short response time. In addition, the dimensions and weights of the pressure sensor can be reduced.

Angesichts der oben aufgezeigten Umstände beschäftigen sich Forschung und Entwicklung mit verschiedenen Arten von Drucksensoren: Given the circumstances outlined above, deal with Research and development with different types of pressure sensors:

(1) Ein auf einer Metallmembran montierter Drucksensor mit einem Metallfolien-Dehnungsmesser;(1) A pressure sensor mounted on a metal diaphragm with a metal foil strain gauge;

(2) Ein Drucksensor mit Siliziummembran;(2) A silicon diaphragm pressure sensor;

(3) Ein Drucksensor mit piezoelektrischem Material wie z. B. PVDF oder ZnO;(3) A pressure sensor using a piezoelectric material such as B. PVDF or ZnO;

(4) Ein Quarz-Drucksensor;(4) a quartz pressure sensor;

(5) Ein Drucksensor/ der auf der Grundlage von Kapazitätsänderungen arbeitet. (5) A pressure sensor that operates on the basis of changes in capacitance.

Jeder dieser herkömmlichen Drucksensoren besitzt Vorteile und Nachteile, die im folgenden zusammengefaßt werden:Each of these conventional pressure sensors has advantages and disadvantages, which are summarized below:

(1) Drucksensor mit einem auf einer Metallmembran montierten Metallfolien-Dehnungsmesser:(1) Pressure sensor with a metal foil extensometer mounted on a metal membrane:

Die Metallmembran wird bei Druckbeaufschlagung verformt und dehnt die Metallfolie. Der elektrische Widerstand der Metallfolie ändert sich mit der Dehnung. Der Drucksensor dieses Typs macht Gebrauch von dieser Eigenschaft. Der Vorteil dieses Drucksensors ist darin zu sehen, daß er Werte im Bereich hoher Drücke messen kann. Außerdem haben diese Drucksensoren ein vorteilhaftes Temperaturverhalten und sind über lange Zeit stabil. Nachteilig ist, daß diese Sensoren nur geringe Empfindlichkeit aufweisen und eine Reduzierung von Gewicht und Größe schwierig ist.The metal membrane is deformed when pressure is applied and stretches the metal foil. The electrical resistance of the metal foil changes with expansion. The pressure sensor this type makes use of this property. The advantage of this pressure sensor is to be seen in the fact that it Can measure values in the range of high pressures. In addition, these pressure sensors have an advantageous temperature behavior and are stable over a long period of time. The disadvantage is that these sensors have only low sensitivity and a Reducing weight and size is difficult.

(2) Drucksensor mit Siliziummembran:(2) Pressure sensor with silicon diaphragm:

Dieser Drucksensor nutzt den Piezowiderstands-Effekt aus, wonach sich der spezifische Widerstand eines Si-Kristalls bei Druckbeaufschlagung des Kristalls ändert. Ein solcher Silizium-Drucksensor eignet sich für die MassenproduktionThis pressure sensor uses the piezoresistance effect, according to which the specific resistance of a Si crystal is increased changes when the crystal is pressurized. Such a silicon pressure sensor is suitable for mass production

♦·"· a ♦ · "· a

und kann mit Hilfe der Halbleitertechnologie einstückig mit den peripheren Schaltungen ausgebildet werden. Nachteilig ist, daß die Druckmessung mit Hilfe eines solchen Sensors eine Temperaturkompensationsschaltung erforderlich macht, da die Meßwerte sehr stark von der Temperatur abhängen. Es wurde ein Drucksensor hergestellt, bei dem in Verbindung mit dem Silizium-Drucksensorelement auf einem Siliziumsubstrat die Temperaturkompensationsschaltung ausgebildet wurde. Ein solcher Drucksensor ist teuer, und das Sensorelement kann aufgrund der geringen mechanischen Festigkeit der Siliziummembran sehr leicht beschädigt werden.and can be formed integrally with the peripheral circuits using semiconductor technology. Disadvantageous is that the pressure measurement with the help of such a sensor requires a temperature compensation circuit because the measured values are very dependent on the temperature. A pressure sensor was manufactured in which in The temperature compensation circuit is formed in connection with the silicon pressure sensor element on a silicon substrate became. Such a pressure sensor is expensive, and the sensor element can due to the low mechanical Strength of the silicon membrane can be damaged very easily.

(3) Der Drucksensor mit piezoelektrischem Material wie z.B. PVDF oder ZnO:(3) The pressure sensor with piezoelectric material such as PVDF or ZnO:

Dieser Drucksensor nutzt den piezoelektrischen Effekt aus, wonach das piezoelektrische Material eine elektromotorische Kraft erzeugt, wenn es durch Druck verformt wird. Der Vorteil dieses Sensors besteht darin, daß er eine geringe Größe und ein geringes Gewicht aufweist und ein großes Ausgangssignal liefert. Nachteilig ist die geringe Meßgenauigkeit und die Tatsache, daß das Meßsignal häufig von durch Erschütterungen verursachtem Rauschen überlagert ist.This pressure sensor uses the piezoelectric effect, after which the piezoelectric material is an electromotive Force generated when it is deformed by pressure. The advantage of this sensor is that it is small in size, light in weight and provides a large output signal. Is disadvantageous the low measurement accuracy and the fact that the measurement signal is often caused by vibrations Noise is superimposed.

(4) Quarz-Drucksensor;(4) quartz pressure sensor;

Dieser Drucksensor nutzt die Eigenschaft von Quarz aus, dessen Schwingungsfrequenz sich linear mit dem beaufschlagenden Druck ändert. Der Sensor ist teuer, und Größe und Gewicht lassen sich nur schwer verringern.This pressure sensor uses the property of quartz, the oscillation frequency of which varies linearly with the one acting on it Pressure changes. The sensor is expensive and it is difficult to reduce its size and weight.

(5) Drucksensor auf der Grundlage von Kapazitätsänderungen:(5) Pressure sensor based on capacitance changes:

Dieser Drucksensor erfaßt die Verformung einer Membran als Kapazitätsänderung. In jüngster Zeit wurden besonders kleine/ auf Kapazitätsänderungen basierende Sensoren mit einer Siliziummembran entwickelt. Es wurde berichtet, daß der besonders kleine, auf Kapazitätsänderungen basierende Sensor empfindlicher und stabiler ist als der auf dem Piezowiderstand-Effekt basierende Silizium-Drucksensor. Allerdings besitzt ersterer eine extrem kleine Kapazität, d.h., eine extrem hohe Impedanz, die den Sensor besonders empfindlich gegenüber externem Rauschen macht.This pressure sensor detects the deformation of a membrane as a change in capacitance. Recently, there have been particularly small / capacity change based Developed sensors with a silicon membrane. It has been reported that the particularly small one, based on capacity changes based sensor is more sensitive and stable than the silicon pressure sensor based on the piezoresistance effect. However, the former has an extreme small capacitance, i.e. an extremely high impedance, which makes the sensor particularly sensitive to external Noise makes.

Die herkömmlichen Drucksensoren weisen also eine Anzahl von Problemen auf, die einerseits mit ihrem Betriebsverhalten und andererseits mit ihren Herstellungskosten verbunden sind. . Vor einer Anwendung in der Praxis müßten diese Probleme gelöst werden. The conventional pressure sensors thus have a number of Problems on the one hand with their operating behavior and on the other hand are associated with their manufacturing costs. . These problems should be resolved before they can be used in practice.

Ω Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, der mit kleinen Abmessungen hergestellt und mit geringen Kosten gefertigt werden kann, wobei zur Fertigung insbesondere Gebrauch von der Halbleitertechnologie gemacht werden kann. Ω The invention has for its object to provide a pressure sensor that can be manufactured with small size and manufactured at low cost, to manufacture particular use can be made of semiconductor technology.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Die Erfindung verwendet also einen Feldeffekttransistor für die Druckmessung.This object is achieved by the invention specified in claim 1 solved. The invention therefore uses a field effect transistor for pressure measurement.

* 4 ft ft ; «* 4 ft ft; «

Erfindungsgemäß ist in einem Feldeffekt-Drucksensor ein bei Druckbeaufschlagung kontrahierbarer Hohlraum oder eine Isolierschicht über der Gate-Isolierschicht eines Feldeffekttransistors gebildet. Eine durch Druck verformte Gateelektrode befindet sich oberhalb der Gate-Isolierschicht unter Zwischenschaltung eines Hohlraums bzw. der Isolierlage.According to the invention, a is in a field effect pressure sensor Pressurizing a contractible cavity or an insulating layer over the gate insulating layer of a field effect transistor educated. A gate electrode that is deformed by pressure is located above the gate insulating layer with the interposition of it a cavity or the insulating layer.

Wird die über der Gate-Isolierschicht unter Zwischenschaltung des Hohlraums oder der Isolierstofflage gebildete Gateelektrode durch einen externen Druck verformt, ändert sich der Abstand zwischen der Gateelektrode und der Gate-Isolierschicht, mit der Folge, daß die auf den Kanal einwirkende elektrische Feldstärke variiert. Demzufolge läßt sich der Druck als Änderung des Feldeffekttransistor-Drainstroms erfassen.Is the gate electrode formed over the gate insulating layer with the interposition of the cavity or the insulating material layer deformed by an external pressure, the distance between the gate electrode and the gate insulating layer changes, with the result that the electric field strength acting on the channel varies. As a result, the pressure can be changed as a change of the field effect transistor drain current.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following, exemplary embodiments of the invention are based on the drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Feldeffektdrucksensors gemäß der Erfindung, und1 shows a cross-sectional view of an embodiment of a field effect pressure sensor according to the invention, and

Fig. 2 eine Schnittansicht eines allgemeinen Feldeffekttransistors. Fig. 2 is a sectional view of a general field effect transistor.

Bevor ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird, soll zunächst die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Feldeffekt-Drucksensors erläutert werden. Der erfindungsgemäße Feldeffekt-Drucksensor besitzt eine Gateelektrode, die unter Zwischenschaltung eines Hohlraums oder einer'kontrahierbaren Isolierstofflage oberhalb einer auf einem Kanal befindlichen Gate-Isolierschicht angeordnet ist. Entsprechend dem Prinzip eines Feldeffekttransistors, wonach der DrainstromBefore an embodiment of the invention is explained in more detail, the operation of an inventive Field effect pressure sensor are explained. The field effect pressure sensor according to the invention has a gate electrode which with the interposition of a cavity or a contractible one Insulating material is arranged above a gate insulating layer located on a channel. Corresponding the principle of a field effect transistor, according to which the drain current

abhängig von dem auf den Kanal einwirkenden elektrischen Feld variiert, arbeitet der Drucksensor so, daß eine Verformung der Gateelektrode durch Druckbeaufschlagung den Abstand zwischen der Gateelektrode und der Gate-Isolierschicht ändert, mit der Folge, daß die auf den Kanal einwirkende elektrische Feldstärke variiert.varies depending on the electric field acting on the channel, the pressure sensor works so that a deformation the gate electrode changes the distance between the gate electrode and the gate insulating layer by applying pressure, with the result that the electric field strength acting on the channel varies.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.With reference to the drawing, preferred embodiments of the invention will now be explained in more detail.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines typischen Feldeffekttransistors.Fig. 2 shows the structure of a typical field effect transistor.

Auf einem Siliziumsubstrat 1 sind eine Source 2 und ein Drain gebildet, und auf einem Kanal 4 ist eine Metalloxid-Gate-Isolierschicht 5 gebildet. Wenn eine direkt auf der Gate-Isolierschicht 5 befindliche G*eelektrode 6 verformt wird, ändert sich die auf den Kanal einwirkende elektrische Feldstärke. Source und Drain sind an eine Sourceelektrode 7 bzw. an eine Drainelektrode 8 angeschlossen. Der Drainstrom IQ überträgt:A source 2 and a drain are formed on a silicon substrate 1, and a metal oxide gate insulating layer 5 is formed on a channel 4. If a G * e electrode 6 located directly on the gate insulating layer 5 is deformed, the electric field strength acting on the channel changes. The source and drain are connected to a source electrode 7 and a drain electrode 8, respectively. The drain current I Q transmits:

I0.I 0 .

μ: Ladungsträgerbeweglichkeit,μ: charge carrier mobility,

W, L und V: Kanalbreite, Kanallänge bzw. Schwellenwert des Feldeffekttransistor-Bauelements ,W, L and V: channel width, channel length or threshold value of the field effect transistor component,

Ci: Kapazität der Gate-Isolierschicht 5, undCi: capacitance of the gate insulating layer 5, and

V : Gate-Spannung.V: gate voltage.

k« * s « * # ft & *■ k «* s« * # ft & * ■

Λ ♦ * * θ Λ ♦ * * θ

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldeffekt-Drucksensors. Nach Fig. 1 sind auf einem Siliziumsubstrat 11 eine Source 12 und eine Drain 13 sowie oberhalb eines Kanals 14 eine Metalloxid-Gate-Isolierschicht gebildet. Durch Abstandshalter 10 wird ein Hohlraum 17 gebildet, über den oberhalb der Gate-Isolierschicht 15 eine Gateelektrode 16 vorgesehen ist. Eine Sourceelektrode trägt das Bezugszeichen 12', eine Drainelektrode das Bezugszeichen 13'.Fig. 1 shows the structure of an embodiment of an inventive Field effect pressure sensor. According to FIG. 1, a source 12 and a source 12 are on a silicon substrate 11 Drain 13 and, above a channel 14, a metal oxide gate insulating layer educated. A cavity 17 is formed by spacers 10, over the above the gate insulating layer 15 a gate electrode 16 is provided. A source electrode bears the reference symbol 12 ', a drain electrode the reference number 13 '.

Bei dem erfindungsgemäßen Feldeffekt-Drucksensor nach Fig. 1 ist die Gateelektrode 16 nicht direkt auf der Gate-Isolierschicht 15 gebildet, sondern unter Zwischenschaltung des Hohlraums 17. Wie eine Membran, ist die Gateelektrode 16 durch Druckbeaufschlagung verformbar. Wird sie deshalb einem durch einen Pfeil 18 angedeuteten Druck ausgesetzt, verformt sie sich, wie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien bei der Gateelektrode 16 gezeigt ist.In the field effect pressure sensor according to the invention according to FIG. 1 the gate electrode 16 is not formed directly on the gate insulating layer 15, but with the interposition of the Cavity 17. Like a membrane, the gate electrode 16 is deformable by the application of pressure. Therefore it becomes one exposed to pressure indicated by an arrow 18, it deforms, as in Fig. 1 by dashed lines in the Gate electrode 16 is shown.

Der Drainstrom beträgt hierbei:The drain current is:

wobei C . eine kombinierte Kapazität darstellt, die manwhere C. represents a combined capacity that one

Iu. jL XIu. jL X

dadurch erhält, daß die Kapazität Ci der Gate-Isolierschicht 15 in Reihe geschaltet ist zu der Kapazität des Hohlraums 17 oder einem Raum zwischen der Gate-Isolierschicht 15 und der Gateelektrode 16.obtained in that the capacitance Ci of the gate insulating layer 15 is connected in series with the capacitance of the cavity 17 or a space between the gate insulating layer 15 and the Gate electrode 16.

Die kombinierte oder gemischte Kapazität C . läßt sichThe combined or mixed capacity C. let yourself

ITIjLITIjL

folgendermaßen berechnen:calculate as follows:

cav
cmix a (3) cav
c mix a (3)

Die Hohlraum-Kapazität C ändert sich mit dem vom Umgebungsdruck abhängenden Abstand zwischen der Gate-Isolierschicht 15 und der Gateelektrode 16.The cavity capacity C changes with that of the ambient pressure depending distance between the gate insulating layer 15 and the gate electrode 16.

Es sei angenommen, die Gate-Isolierschicht sei eine 0,5 μπι dicke Siliziumdioxidschicht (Dielektrizitätskonstante: 4), die ursprüngliche oder normale Tiefe des Hohlraums bei fehlender Druckbeaufschlagung betrage 5 μπι, die Kapazität der Gate-Isolierschicht C. betrage etwa 7,08 nF, die Kapazität des mit Luft gefüllten Hohlraums, c cav' betrage etwa 0,18 nF, und die kombinierte Kapazität C . betrage etwa 0,18 nF.It is assumed that the gate insulating layer is a 0.5 μm thick silicon dioxide layer (dielectric constant: 4), the original or normal depth of the cavity in the absence of pressure is 5 μm, the capacitance of the gate insulating layer C. is about 7.08 nF Assume that the capacitance of the air-filled cavity, c cav 'is about 0.18 nF, and the combined capacitance is C. amount to about 0.18 nF.

Wird die Hohlraumtiefe durch Druckbeaufschlagung auf etwa 4 μπι verringert, ändert sich die kombinierte Kapazität C .If the cavity depth is increased to about 4 μπι reduced, the combined capacity C changes.

XU J-JvXU J-Jv

auf etwa 0,22 nF . Dies bedeutet, daß der bei fehlendem Druck fließende, ursprüngliche Drainstrom bei Druckbeaufschlagung um etwa 17 % erhöht wird. Folglich läßt sich durch Messen der Drainstrom-Änderungen der Umgebungsdruck feststellen,to about 0.22 nF. This means that if there is no Pressure flowing, original drain current is increased by about 17% when pressurized. Consequently it lets through Measure the drain current changes determine the ambient pressure,

Das Substrat 1 braucht nicht unbedingt aus Silizium zu bestehen. Es kann sich auch um GaAs oder ein ähnliches Halbleitermaterial handeln, welches man zur Herstellung eines Feldeffekttransistors verwendet. Die Gate-Isolierschicht kann aus Si3N4 oder einem Metalloxid, z. B. SiO2 r Al3O3 oder dergleichen bestehen. Die Gateelektrode 16 sollte aus einem Material bestehen, welches nicht oder nur kaum oxidiert und eine gute Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit besitzt. Au wird diesen Anforderungen gerecht. Die Abstandshalter 10 können aus SiO2/ Silikonkautschuk oder Kunstharz bestehen. Die Sourceelektrode 12' sowie die Drainelektrode 13' können ausThe substrate 1 does not necessarily have to be made of silicon. It can also be GaAs or a similar semiconductor material which is used to produce a field effect transistor. The gate insulating layer may be made of Si 3 N 4 or a metal oxide, e.g. B. SiO 2 r Al 3 O 3 or the like. The gate electrode 16 should consist of a material which does not or only hardly oxidizes and has good moisture resistance. Au meets these requirements. The spacers 10 can consist of SiO 2 / silicone rubber or synthetic resin. The source electrode 12 'and the drain electrode 13' can be made from

Al oder Cu bestehen.Al or Cu exist.

Die Tiefe des Hohlraums 12 sollte auf einem Wert im Bereich zwischen etwa 1 um und etwa 100 um eingestellt sein. Vorzugsweise beträgt die Tiefe zwischen etwa 3 um und etwa 10 um. Die optimale Hohlraumtiefe beträgt etwa 5 um.The depth of the cavity 12 should be set to a value in the range between about 1 µm and about 100 µm. Preferably the depth is between about 3 µm and about 10 um. The optimum cavity depth is about 5 µm.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die aus einer leicht verformbaren Metallschicht bestehende Gateelektrode direkt über dem Hohlraum angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt. Alternativ kann ein durch Druck zusammenziehbarer, elastischer Film aus einer hochmolekularen Verbindung luftdicht in dem Hohlraum gebildet sein, um eine Isolierstofflage zu bilden, wobei
dann die Gateelektrode auf dieser Isolierlage gebildet
ist. In diesem Fall sollte die Dicke der Isolierlage etwa
0,1 bis 3 um, vorzugsweise etwa 1 um betragen.In the embodiment according to FIG. 1, the gate electrode, which consists of an easily deformable metal layer, is arranged directly above the cavity. However, the invention is not limited to this specific embodiment. Alternatively, a pressure-contractible elastic film made of a high molecular compound may be airtightly formed in the cavity to form an insulating material layer, wherein
then the gate electrode is formed on this insulating layer
is. In this case the thickness of the insulating layer should be about
0.1 to 3 µm, preferably about 1 µm.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, erfaßt der erfindungsgemäße Drucksensor Druckschwankungen in Form eines elektrischen Ausgangssignals. Der Hohlraum oder die durch Druck komprimierbare Isolierstofflage auf der Feldeffekt-Transistor-Gate-Isolierschicht und die oberhalb dieser Isolierschicht unter Zwischenschaltung des Hohlraums oder der Isolierstofflage gebildete, durch Druck verformbare Gateelektrode bilden eine Anordnung, durch die der Druck als Änderung des Feldeffekttransistor-Drainstroms feststellt.As can be seen from the above description, the inventive Pressure sensor Pressure fluctuations in the form of an electrical output signal. The cavity or the through Pressure compressible insulating material on the field effect transistor gate insulating layer and the one above this insulating layer with the interposition of the cavity or the A layer of insulating material, which can be deformed by pressure, forms an arrangement through which the pressure changes of the field effect transistor drain current.

ρ Der erfindungsgemäße Feldeffekt-Drucksensor, in welchem ein Feldeffekttransistor verwendet wird, hat gegenüber den herkömmlichen Drucksensoren folgende Vorteile:ρ The field effect pressure sensor according to the invention, in which a Field effect transistor is used has the following advantages over conventional pressure sensors:

(1) Da er mit Halbleitertechnologie kompatibel ist, lassen sich in Massenproduktion sehr kleine Sensorelemente herstellen;(1) Since it is compatible with semiconductor technology, very small sensor elements can be mass-produced produce;

(2) im Gegensatz zu dem auf dem PiezowiderStändseffekt basierenden Silizium-Drucksensor oder dem auf Kapazitätsänderung basierenden Silizium-Drucksensor, bei dem das Material der Membran auf Silizium beschränkt ist, eröffnet der erfindungsgemäße Feldeffekt-Drucksensor eine größere Auswahlmöglichkeit hinsichtlich des Membranmaterials. (2) in contrast to the one based on the piezoresistive effect Silicon pressure sensor or the capacitance change-based silicon pressure sensor in which the The material of the membrane is limited to silicon, opens up the field effect pressure sensor according to the invention a greater choice in terms of membrane material.

(3) Aufgrund der umfangreicheren Auswahlmöglichkeit für das Material der Membran läßt sich der Drucksensor bei Vorgabe der gewünschten Meßgenauigkeit und eines gewünschten Meßbereichs entsprechend auslegen;(3) Due to the more extensive selection options for the material of the membrane, the pressure sensor can be preset design according to the desired measuring accuracy and a desired measuring range;

(4) Der auf Kapazitätsänderungen basierende Silizium-Drucksensor wird von Wechselstrom gespeist und besitzt eine hohe Ausgangsimpedanz. Im Gegensatz dazu läßt sich der erfindungsgemäße Feldeffekt-Drucksensor mit Gleichstrom speisen und hat eine geringe Ausgangsimpedanz. Wird darüber hinaus als Substratmaterial Silizium verwendet, läßt sich eine Anordnung in Form eines einzelnen Chips schaffen, auf welchem der Sensor integral mit den peripheren Schaltungen einschließlich einer Signalverarbeitungsschaltung ausgebildet ist. Mit einem solchen Drucksensor läßt sich beispielsweise der atmosphäre Druck billig messen.(4) The capacitance change-based silicon pressure sensor is powered by alternating current and has a high output impedance. In contrast, the Feed field effect pressure sensor according to the invention with direct current and has a low output impedance. In addition, if silicon is used as the substrate material, an arrangement in the form of a single Create chips on which the sensor is integral with peripheral circuits including signal processing circuitry is trained. With such a pressure sensor, for example, the atmospheric pressure measure cheap.

Claims (7)

KU1NKER-SCHMITT-MLSaN-HIRSCB:. * · ;.:%;% ΙΆΤΕΝΤΑΝ^ΆΕΙΈKU 1 NKER-SCHMITT-MLSaN-HIRSCB :. * ·;.:%;% ΙΆΤΕΝΤΑΝ ^ ΆΕΙΈ I "*. » * * · * . ·- El Ri)TEAN POTiVTATK)KNE^iI "*.» * * · *. · - El Ri) TEAN POTiVTATK) KNE ^ i SHARP KABÜSHIKI KAISHASHARP KABÜSHIKI KAISHA u.Z.: K 30 464SM/6eb-Du.z .: K 30 464SM / 6eb-D 14. März 1986March 14, 1986 DrucksensorPressure sensor PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS ( 1J
g ( 1Y
G 1J Drucksensor,1J pressure sensor, gekennzeichnet durch
ein Halbleitersubstrat (11), auf dem eine Source (12) und ein Drain (13) gebildet sind,marked by
a semiconductor substrate (11) on which a source (12) and a drain (13) are formed, eine auf dem Halbleitersubstrat (11) gebildete Isolierschicht (15), die einen Kanal (14) zwischen Source (12) und Drain (13) überdeckt, undan insulating layer formed on the semiconductor substrate (11) (15), which covers a channel (14) between source (12) and drain (13), and eine über der Isolierschicht (15) befindliche, verformbare Gateelektrode (16),a deformable gate electrode (16) located above the insulating layer (15), wodurch ein auf die Gateelektrode ausgeübter Druck als Änderung des Drainstromes erfaßbar ist.whereby a pressure exerted on the gate electrode can be detected as a change in the drain current. 2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode (16) mit Hilfe von Abstandsmitteln (10) oberhalb der Isolierschicht (15) gebildet ist.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that that the gate electrode (16) with the help of spacer means (10) is formed above the insulating layer (15). 3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abstandsmittel (10) ein Hohlraum (17) auf der Isolierschicht (15) gebildet wird.3. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that a cavity (17) on the through the spacing means (10) Insulating layer (15) is formed. 4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode (16) derart über der Isolierschicht (15) angeordnet ist, daß der Abstand zwischen der Gateelektrode (16) und der Isolierschicht (15) sich bei Druckbeaufschlagung ändert.4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the gate electrode (16) such is arranged above the insulating layer (15) that the distance between the gate electrode (16) and the insulating layer (15) changes when pressure is applied. 5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gateelektrode (16) und der Isolierschicht (15) eine weitere, durch Druck komprimierbare Isolierschicht angeordnet ist.5. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that between the gate electrode (16) and the insulating layer (15) a further insulating layer compressible by pressure is arranged. 6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode (16) über der Isolierschicht (15) mit einem Abstand von etwa 0,1 bis 100 μΐη angeordnet ist.6. Pressure sensor according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the gate electrode (16) over the insulating layer (15) with a distance of about 0.1 to 100 μΐη is arranged. 7. Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch einen Hohlraum oder eine durch Druck komprimierbare Isolierschicht auf einer Feldeffekttransistor-Gate-Isolierschicht, und eine durch Druck verformbare Gateelektrode (16), die unter Zwischenschaltung des Hohlraums oder der Isolierschicht oberhalb der Gate-Isolierschicht gebildet ist, so daß der Druck als Änderung des Feldeffekttransistor-Drainstroms erfaßbar ist.7. Field effect transistor, characterized by a cavity or an insulating layer compressible by pressure on a field effect transistor gate insulating layer, and a pressure-deformable gate electrode (16) which, with the interposition of the cavity or the insulating layer is formed above the gate insulating layer, so that the pressure as a change in the field effect transistor drain current is detectable.
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