JP2748278B2 - 半導体センサ - Google Patents
半導体センサInfo
- Publication number
- JP2748278B2 JP2748278B2 JP1137884A JP13788489A JP2748278B2 JP 2748278 B2 JP2748278 B2 JP 2748278B2 JP 1137884 A JP1137884 A JP 1137884A JP 13788489 A JP13788489 A JP 13788489A JP 2748278 B2 JP2748278 B2 JP 2748278B2
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- Japan
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- stress
- change
- semiconductor
- fet
- cantilever
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加速度、触圧、気圧、機械的振動等の物理的
外力を検出するための半導体センサに関するものであ
る。
外力を検出するための半導体センサに関するものであ
る。
従来、このような分野の技術としては、例えば特開昭
62−213280号公報に示されるものが知られている。この
従来のセンサでは、シリコンからなる半導体基板で片持
梁（カンチレバー）を形成し、この基端部にピエゾ抵抗
素子としての半導体抵抗を拡散によって設けることで、
加速度を電気的に検出している。また、カンチレバーは
加速度検出用と温度補償用との２種とし、温度特性の改
善を図っている。
62−213280号公報に示されるものが知られている。この
従来のセンサでは、シリコンからなる半導体基板で片持
梁（カンチレバー）を形成し、この基端部にピエゾ抵抗
素子としての半導体抵抗を拡散によって設けることで、
加速度を電気的に検出している。また、カンチレバーは
加速度検出用と温度補償用との２種とし、温度特性の改
善を図っている。
しかし、上記従来装置のものでは、ピエゾ効果を利用
してストレスの変化を抵抗率の変化に変換しているた
め、高感度のセンサが得られない。また、ダイナミック
レンジも十分ではない。さらに、温度補償用のカンチレ
バーを別に設けるようにしているので、加速度検出用の
カンチレバーとの間で温度差が生じやすく、このような
ときには温度補償は極めて不十分になる。
してストレスの変化を抵抗率の変化に変換しているた
め、高感度のセンサが得られない。また、ダイナミック
レンジも十分ではない。さらに、温度補償用のカンチレ
バーを別に設けるようにしているので、加速度検出用の
カンチレバーとの間で温度差が生じやすく、このような
ときには温度補償は極めて不十分になる。
そこで本発明は、加速度、触圧、気圧、機械的振動等
の物理的外力を精度よく広いレンジで検出することがで
き、しかも温度特性に優れた半導体センサを提供するこ
とを目的とする。
の物理的外力を精度よく広いレンジで検出することがで
き、しかも温度特性に優れた半導体センサを提供するこ
とを目的とする。
本発明に係る半導体センサは、支持体と、この支持体
に固設されて物理的外力が加わったときに変形する可変
形部材と、これが変形するときにストレスが生じる部分
に設けられた半導体素子とを備え、この半導体素子の電
気的特性の変化により前述の外力を検出するものにおい
て、半導体素子はゲート電極の材料または厚さが互いに
異なる複数のショットキーゲート電界効果トランジスタ
（例えばGaAs−MESFET）であるようにしたことを特徴と
する。
に固設されて物理的外力が加わったときに変形する可変
形部材と、これが変形するときにストレスが生じる部分
に設けられた半導体素子とを備え、この半導体素子の電
気的特性の変化により前述の外力を検出するものにおい
て、半導体素子はゲート電極の材料または厚さが互いに
異なる複数のショットキーゲート電界効果トランジスタ
（例えばGaAs−MESFET）であるようにしたことを特徴と
する。
本発明の構成によれば、加速度センサ用の片持梁、圧
力センサ用のダイヤフラムなどの可変形部材の変化を生
じる部分に、ゲート電極の材料または厚さが異なるよう
に２個のMESFETを設けているので、一方のMESFETの特性
は変形によるストレスで電気特性が大きく変化し、他方
のMESFETはあまり変化しない。このため、物理的外力を
精度よく検出できる。また、２個のMESFETは別の位置に
設けなくてもよいので、FET間の温度差を少なくして温
度特性を良好にしうる。
力センサ用のダイヤフラムなどの可変形部材の変化を生
じる部分に、ゲート電極の材料または厚さが異なるよう
に２個のMESFETを設けているので、一方のMESFETの特性
は変形によるストレスで電気特性が大きく変化し、他方
のMESFETはあまり変化しない。このため、物理的外力を
精度よく検出できる。また、２個のMESFETは別の位置に
設けなくてもよいので、FET間の温度差を少なくして温
度特性を良好にしうる。
以下、添付図面により本発明の実施例を説明する。
第１図は本発明の実施例に係る半導体センサの斜視図
である。図示の通り、半導体基板１の上面には結晶成長
層２がエピタキシャル成長法により形成され、この半導
体基板１および結晶成長層２が略Ω字状に除去されて中
央部分が可変形部材としての片持梁３をなしている。そ
して、片持梁３の先端部には半導体基板１が残存されて
錘り1Gをなし、片持梁３の基端部にはストレス検知用の
半導体素子として、一対のMESFET Q1,Q2が形成されてい
る。さらに、結晶成長層２の片持梁３以外の部分（支持
体部分）には信号処理回路４が形成され、これは信号線
５によりFET Q1,Q2と接続されている。
である。図示の通り、半導体基板１の上面には結晶成長
層２がエピタキシャル成長法により形成され、この半導
体基板１および結晶成長層２が略Ω字状に除去されて中
央部分が可変形部材としての片持梁３をなしている。そ
して、片持梁３の先端部には半導体基板１が残存されて
錘り1Gをなし、片持梁３の基端部にはストレス検知用の
半導体素子として、一対のMESFET Q1,Q2が形成されてい
る。さらに、結晶成長層２の片持梁３以外の部分（支持
体部分）には信号処理回路４が形成され、これは信号線
５によりFET Q1,Q2と接続されている。
第２図は第１図の構成に対応した回路図である。片持
梁３の基端部に形成されたFET Q1,FETQ2ドレインは、そ
れぞれアンプＡと帰還抵抗Ｒを有するI/V変換回路51,52
に接続され、I/V変換回路51,52の出力は差分増幅回路53
に入力される。そして、差分に応じた信号OUTが出力さ
れる。ここで、ストレス検知用のFET Q1,Q2は同一サイ
ズでありながらゲート電極の材料が異なっており、具体
的にはFET Q1のゲート電極は500Åの厚さのTi（またはC
r）に4000Åの厚さでＷを積層して形成され、FET Q2の
ゲート電極は上のＷに変えて同一厚さでAlを積層して形
成されている。
梁３の基端部に形成されたFET Q1,FETQ2ドレインは、そ
れぞれアンプＡと帰還抵抗Ｒを有するI/V変換回路51,52
に接続され、I/V変換回路51,52の出力は差分増幅回路53
に入力される。そして、差分に応じた信号OUTが出力さ
れる。ここで、ストレス検知用のFET Q1,Q2は同一サイ
ズでありながらゲート電極の材料が異なっており、具体
的にはFET Q1のゲート電極は500Åの厚さのTi（またはC
r）に4000Åの厚さでＷを積層して形成され、FET Q2の
ゲート電極は上のＷに変えて同一厚さでAlを積層して形
成されている。
第３図はFET Q1,Q2のＩ−Ｖ特性と、ストレスによる
特性変化を示している。なお、横軸VDS1,VDS2はそれぞ
れFET Q1,Q2のドレイン・ソース間電圧を示し、縦軸I
DS1,IDS2はそれぞれFET Q1,Q2のドレイン・ソース間電
流を示す。FET Q1,Q2は同一の仕様で形成されており、
従ってそのI/V特性は第３図（ａ）（ｂ）に実線で示す
通り、本来はほぼ同一となっている。このような場合
に、片持梁３が変形してFET Q1,Q2にストレスが加わっ
たとする。すると、FET Q1ではゲート電極がヤング率の
高いタングステンを用いて形成されているので、圧電効
果に起因するＩ−Ｖ特性の変化が、第３図（ａ）の点線
の如く大きく現れる。これに対し、FET Q2ではゲート電
極がヤング率の低いアルミニウムを用いて形成されてい
るので、Ｉ−Ｖ特性の変化は第３図（ｂ）の点線の如く
小さく現れる。
特性変化を示している。なお、横軸VDS1,VDS2はそれぞ
れFET Q1,Q2のドレイン・ソース間電圧を示し、縦軸I
DS1,IDS2はそれぞれFET Q1,Q2のドレイン・ソース間電
流を示す。FET Q1,Q2は同一の仕様で形成されており、
従ってそのI/V特性は第３図（ａ）（ｂ）に実線で示す
通り、本来はほぼ同一となっている。このような場合
に、片持梁３が変形してFET Q1,Q2にストレスが加わっ
たとする。すると、FET Q1ではゲート電極がヤング率の
高いタングステンを用いて形成されているので、圧電効
果に起因するＩ−Ｖ特性の変化が、第３図（ａ）の点線
の如く大きく現れる。これに対し、FET Q2ではゲート電
極がヤング率の低いアルミニウムを用いて形成されてい
るので、Ｉ−Ｖ特性の変化は第３図（ｂ）の点線の如く
小さく現れる。
すると、第２図において２個のアンプＡにそれぞれ流
入する電流I1,I2はI1＞I2となり、これがI/V変換されて
電圧V1,V2として差分増幅回路53に入力される。差分増
幅回路53は電圧V1,V2の差分をとって増幅し、従って差
分増幅回路53の出力OUTはFETQ1,Q2に加わるストレスに
応じた信号となる。
入する電流I1,I2はI1＞I2となり、これがI/V変換されて
電圧V1,V2として差分増幅回路53に入力される。差分増
幅回路53は電圧V1,V2の差分をとって増幅し、従って差
分増幅回路53の出力OUTはFETQ1,Q2に加わるストレスに
応じた信号となる。
このように、本発明によれば従来装置のようなピエゾ
効果による抵抗変化とは全く異なった原理でFETのＩ−
Ｖ特性の変化を生じさせており、この変化は極めて鋭敏
である。従って、極めて高感度のセンサを実現できる。
また、FET Q1,Q2を共に片持梁３の基端部に形成してい
るので、温度変化はFET Q1,Q2においてほぼ同様に生じ
るので、温度補償により温度特性が極めて良好になる。
この温度特性は、FET Q1,Q2が近接しているほど優れる
ことは言うまでもない。
効果による抵抗変化とは全く異なった原理でFETのＩ−
Ｖ特性の変化を生じさせており、この変化は極めて鋭敏
である。従って、極めて高感度のセンサを実現できる。
また、FET Q1,Q2を共に片持梁３の基端部に形成してい
るので、温度変化はFET Q1,Q2においてほぼ同様に生じ
るので、温度補償により温度特性が極めて良好になる。
この温度特性は、FET Q1,Q2が近接しているほど優れる
ことは言うまでもない。
更に、実施例のようにカンチレバーを化合物半導体で
構成すると共に、この化合物半導体のストレスが生じる
部分にストレス検知用のMESFET Q1,Q2を形成し、かつ、
その出力信号を処理するため信号処理回路５を同一の化
合物半導体による結晶成長層２に形成すれば、半導体セ
ンサの構成を極めてコンパクトにすることができる。ま
た、GaAsなどの化合物半導体に形成した回路は高温環境
下でも十分に動作し、信号処理も高速に行なえるので、
耐環境性に優れた高感度な半導体センサを提供すること
ができる。
構成すると共に、この化合物半導体のストレスが生じる
部分にストレス検知用のMESFET Q1,Q2を形成し、かつ、
その出力信号を処理するため信号処理回路５を同一の化
合物半導体による結晶成長層２に形成すれば、半導体セ
ンサの構成を極めてコンパクトにすることができる。ま
た、GaAsなどの化合物半導体に形成した回路は高温環境
下でも十分に動作し、信号処理も高速に行なえるので、
耐環境性に優れた高感度な半導体センサを提供すること
ができる。
本発明は上記実施例に限定されることなく、種々の変
形が可能である。
形が可能である。
例えば、第４図に示すようなダイヤフラムに適用して
もよい。図示の通り、半導体基板１はその一部が除去さ
れ結晶成長層２によるダイヤフラム８が構成されてい
る。そして、このダイヤフラム８の端部にはMESFET Q1,
Q2が形成されている。ここで、FET Q1のゲート電極は高
ヤング率のもので形成されているだけでなく、その方向
はストレス方向と直交し、一方、FET Q2のゲート電極は
低ヤング率のもので形成されているだけでなく、その方
向はストレス方向と平行になっているので、FET Q1のＩ
−Ｖ特性がストレスに対して著しく大きく変化する。従
って、第２図に示す回路構成を信号線５で実現すること
により、前述の実施例に比べて更に優れた効果を奏する
ことができる。なお、ゲート電極の材料を変えずに、そ
の厚さを変えることによっても、ストレスにより特性変
化に差異をもたらし得るので、同様の効果を奏すること
ができる。
もよい。図示の通り、半導体基板１はその一部が除去さ
れ結晶成長層２によるダイヤフラム８が構成されてい
る。そして、このダイヤフラム８の端部にはMESFET Q1,
Q2が形成されている。ここで、FET Q1のゲート電極は高
ヤング率のもので形成されているだけでなく、その方向
はストレス方向と直交し、一方、FET Q2のゲート電極は
低ヤング率のもので形成されているだけでなく、その方
向はストレス方向と平行になっているので、FET Q1のＩ
−Ｖ特性がストレスに対して著しく大きく変化する。従
って、第２図に示す回路構成を信号線５で実現すること
により、前述の実施例に比べて更に優れた効果を奏する
ことができる。なお、ゲート電極の材料を変えずに、そ
の厚さを変えることによっても、ストレスにより特性変
化に差異をもたらし得るので、同様の効果を奏すること
ができる。
以上、詳細に説明した通り本発明によれば、可変形部
材の変化を生じる部分に、ゲート電極の材料、厚さが異
なるように２個のMESFETが設けられるので、一方のFET
（ヤング率の大きいゲートのもの）の特性は変形による
ストレスで電気特性が大きく変化し、他方のFET（ヤン
グ率の小さいゲートのもの）はあまり変化しない。この
ため、物理的外力を精度よく検出できる。また、２個の
FETは別の位置に設けなくてもよいので、温度特性を良
好にしうる。従って、本発明によれば加速度、触圧、気
圧、機械的振動等の物理的外力を精度よく広いレンジで
検出することができ、しかも温度特性に優れた半導体セ
ンサを実現できる。
材の変化を生じる部分に、ゲート電極の材料、厚さが異
なるように２個のMESFETが設けられるので、一方のFET
（ヤング率の大きいゲートのもの）の特性は変形による
ストレスで電気特性が大きく変化し、他方のFET（ヤン
グ率の小さいゲートのもの）はあまり変化しない。この
ため、物理的外力を精度よく検出できる。また、２個の
FETは別の位置に設けなくてもよいので、温度特性を良
好にしうる。従って、本発明によれば加速度、触圧、気
圧、機械的振動等の物理的外力を精度よく広いレンジで
検出することができ、しかも温度特性に優れた半導体セ
ンサを実現できる。
第１図は本発明の一実施例に係る半導体センサの斜視
図、第２図はその回路構成図、第３図はストレスによる
FETの特性変化を示す図、第４図は本発明の他の実施例
に係る半導体センサの斜視図である。 １……半導体基板、1G……錘り、２……結晶成長層、３
……片持梁、４……信号処理回路、51,52……I/V変換回
路、53……差分増幅回路。
図、第２図はその回路構成図、第３図はストレスによる
FETの特性変化を示す図、第４図は本発明の他の実施例
に係る半導体センサの斜視図である。 １……半導体基板、1G……錘り、２……結晶成長層、３
……片持梁、４……信号処理回路、51,52……I/V変換回
路、53……差分増幅回路。
Claims (1)
- 【請求項１】支持体と、この支持体に固設されて物理的
な外力が加わったときに変形する可変形部材と、この可
変形部材が変形するときにストレスが生じる部分に設け
られた半導体素子とを備え、前記半導体素子の電気的特
性の変化により前記外力を検出する半導体センサにおい
て、 前記半導体素子は、ゲート電極の材料または厚さが互い
に異なる複数のショットキーゲート電界効果トランジス
タであることを特徴とする半導体センサ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1137884A JP2748278B2 (ja) | 1989-05-31 | 1989-05-31 | 半導体センサ |
| DE68926601T DE68926601T2 (de) | 1988-09-02 | 1989-09-01 | Halbleitermessaufnehmer |
| EP89308866A EP0363005B1 (en) | 1988-09-02 | 1989-09-01 | A semiconductor sensor |
| US07/403,296 US5115292A (en) | 1988-09-02 | 1989-09-05 | Semiconductor sensor |
| US07/848,693 US5279162A (en) | 1988-09-02 | 1992-03-09 | Semiconductor sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1137884A JP2748278B2 (ja) | 1989-05-31 | 1989-05-31 | 半導体センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH033371A JPH033371A (ja) | 1991-01-09 |
| JP2748278B2 true JP2748278B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=15208935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1137884A Expired - Lifetime JP2748278B2 (ja) | 1988-09-02 | 1989-05-31 | 半導体センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2748278B2 (ja) |
-
1989
- 1989-05-31 JP JP1137884A patent/JP2748278B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH033371A (ja) | 1991-01-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |