JPS6294988A - 電界効果型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は大気中及び液体中の圧力変化を電気信号出力と
して取り出すことのできる圧力センサに関するものであ
る。

く従姿す術ン・ 従来より大気中又は液体中のＨニカ」１１定Ｖこはブル
ドン管、ベローズ、ダイヤフラム等の機械豹変１′ヒを
用いた圧力測定が行なわれτおり、安価で一１′＝軽で
あることから一般的に広く利用されている。１、　　′
かしながら、エレクトロニクス技術の発達によりこれに
即応させる！こめ圧力変化を電気信号出力として測定す
る圧力センサの開発が要望されている。

圧力変化を電気信号出力として測定する圧力センサは、
データ処理システムと容易に接続することができ、自動
計測及び自動制菌が容易でまた直接電気信号として測定
値を出力することは圧力を高精度で測定可能にするばか
りでなく、応答速度も速くなり小型軽量化し易いという
利点も得られる。

従って従来より次の様な種々のタイプの圧力センサが研
究開発されている。

（１）金属箔の歪ゲージを金属ダイヤフラムに取り付け
Ｔこ圧力センサ （２）Ｓｉダイヤフラム型圧カセンサ ｔ３）　　ＰＶＤＦ、　ＺｎＯ等の圧電材料を用い１こ
圧力センナ （４）水晶式圧力センサ （５）　　容量変化を利用し１こ圧力センサ上記の如き
従来の圧力センサにおいて、（１）の金属箔の歪ゲージ
を金属ダイヤフラムに取り付けた圧力センサはダイヤフ
ラムが圧力によって変形することにより金属箔が歪み、
この歪みによって金属箔の電気的抵抗が変化することを
利用し１こ圧力センサで、高圧測定を可能とし、また温
度特性や長期安定性に浸れているという利点を有する反
面、感度が小さく小型軽量化が困難であるという欠点を
有している。

（２）のＳｉダイヤフラム型圧力センサはＳｉ結晶に圧
力を加えることによりＳｉの比抵抗が変化するピエゾ抵
抗効果を利用しており、Ｓｌを材料として用いているの
で半導体技術の利用により大量生産が可能で周辺回路と
一体化し易い特長を有する反面、温度依存性が大きく温
度補償回路が必要となる。温度補償回路と８１圧力セン
ナを同−Ｓｉ基板に一体化し１こ圧力センサも作製され
ているが、価格が高く、さらにＳ１ダイヤフラムの機械
的強度が弱いため素子が破損し易いという欠点を有して
いる。

（３）のＰＶＤＦ、ＺｎＯ等の圧電材料を用いた圧力セ
ンサは、これら圧電材料が圧力を受けて歪むことにより
起電力を生じる圧電効果を利用した圧力センサで、小型
軽量、出力が太きいなどの長所を持っている反面、精度
が低く、振動等によるノイズを拾い易い欠点を有してい
る。

（４）の水晶式圧力センサは水晶の発振周波数が圧力に
対して直線的に変化することを利用したものであるが、
高価で小型軽量化が困難であるという欠点を有している
。

（５）はダイヤフラムの移動を静電容量変化として把ら
える圧力センサであり、最近Ｓ１ダイヤフラムを用いた
超小型な静電容量変化型圧力センサが開発され、ピエゾ
抵抗効果を利用したＳｉ圧力センサより高感度で安定性
が良いことが指摘されている。しかしながら、超小形な
静電容量変化型圧カセンザは静電容量の値が非常に小さ
く、すなわち、インピーダンスが非常に高く、外部ノイ
ズによる影響を受けやすい欠点を有している。

以上の如く、従来開発されている圧力センサは性能また
は価格的に充分なものでなく、実用化にあｆこって種々
の問題点を有していた。

本発明者等はこのような点に鑑みて先に電界効果型トラ
ンジスタを利用することにより、半導体技術で超小形に
安価に製作することを可能にし１こ新規有用な圧力セン
サを特願昭６０−５２６０２号として提案している。

本発明者等が先に提案した電界効果型圧力センサは、電
界効果型トランジスタのゲート絶縁膜上部に空洞室また
は圧力によって伸縮する絶縁層を設け、圧力により可動
変形可能なゲート電極を上記の空洞室または絶縁層を介
して上記のゲート絶縁膜」二に形成するように構成して
、ゲート絶縁膜上に空洞室ま１こは伸縮可能な絶縁膜を
介して設けられたゲート電極が圧力によって可動変形す
ることによりゲート電極とゲート絶縁膜の間隔が変化し
てチャネルに印加される電界強度が変化し、その結果、
圧力を電界効果型トランジスタのドレイン電流変化とし
て検知するようにし１こものである。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明者等が先に提案した電界効果型圧力センサは、上
述のように、ゲート絶縁膜上に空洞室または伸縮可能な
絶縁膜を介して設けられたゲート電極が圧力によって可
動変形することによりゲート電極とゲート絶縁膜の間隔
が変化してチャネルに印加される電界強度が変化し、そ
の結果、圧力カミ界効果型トランジスタのドレイン電流
変化として検知されるものであるが、その後種々検討し
た結果、電界効果トランジスタの特性変化、ドレイン電
流のドリフトが生じる問題点が見出され１こ。

即ち、本発明者等が先に提案しｆコミ界効果型圧カセン
サにおいては、電界効果トランジスタを動作させるため
、金属ダイヤフラムとして構成されｆこゲート電極に直
流電圧を印加する必要があり、その１こめ、金属ダイヤ
フラムの下部にあるスペーサ、ソース、ドレインにも直
流電圧が印加されて、電界効果トランジスタの特性変化
、ドレイン電流のドリフトが生じる問題点かあっ１こ。

本発明はこのような点に鑑みて創案されたもので、本発
明者等が先に提案し１こ電界効果型圧力センサに改良を
加えることにより、トランジスタを安定に動作させるこ
とが可能な高精度の圧力センサを提供することを目的と
している。

く問題点を解決する１こめの手段〉 本発明の電界効果型圧力センナは、電界効果型トランジ
スタのゲート絶縁膜上部に空洞室ま１こは圧力によって
伸縮する絶縁層を設け、圧力により可動変形可能な（上
部）ゲート電極を上記の空洞室ま１こは絶縁層を介して
上記のゲート絶縁膜上に形成し、上記のゲート絶縁膜と
空洞室または、上記のゲート絶縁膜と圧力によって伸縮
する絶縁膜の界面に補助（下部）ゲート電極を付設する
ように構成している。

く作用〉 上記のような構成により、ゲート絶縁膜上に空洞室また
は伸縮可能な絶縁膜を介して設けられ１こ上部ゲート電
極が圧力によって可動変形することにより、上部ゲート
電極と下部ゲート電極の間隔が変化してチャネルに印加
される電界強度が変化し、その結果、圧力が電界効果型
トランジスタのドレイン電流変イニて検出されることに
なる。

また、電界効果トランジスタを動作させるための直流電
圧を下部ゲート電極を介して印加することにより、トラ
ンジスタの特性の変化、ドレイン電流のドリフト等が生
じなくなる。

〈実施例〉 実施例の説明に先立って本発明の電界効果型圧力センサ
の動作原理を今少し説明すると、本発明の電界効果型圧
力センナは、電界効果型トランジスタのドレイン電流が
チャネルに印加される電界によって変化する事及び、チ
ャネル上部のゲート電極をゲート絶縁膜上に直接下部（
補助〕ゲート電極として設けると共に、ゲート絶縁膜上
に空洞室または伸縮可能な絶縁膜を介して上部ゲート電
極として設けることにより、上部ゲート電極が圧力によ
って可動変形し、上部ゲート電極と下部ゲート電極で構
成されるコンデンサの静電容量が変化して、チャネルに
印加される電界強度が変わることを利用したものである
。

次に本発明の一実施例としての電界効果型圧力センサを
構造模式図を用いて更に詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例としての電界効果型圧力セ
ンサの構造を模式的に示す図であり、第１図において、
１はシリコン基板、２はソース、３はドレイン、４はチ
ャネル、５はゲート絶縁膜、６は上部ゲート電極、７は
補助（下部）ゲート電極、８は空洞室であり、また９は
圧力を示しているＯ 本発明に係る電界効果型圧力センサの構造は第１図に示
すように、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜５上
に補助電極（下部ゲート電極）７を形成し、さらに、そ
の上にスペーサ１０をコーティングする。次にゲート領
域上のスペーサをエツチングにより取り除いた後、残在
したスペーサ１０の上に金属膜からなる上部ゲート電極
６を形成する。

この様に構成し１こ電界効果型圧力センサにおいて、電
界効果型トランジスタのゲート領域上部が空洞室８にな
っており金属膜から成る上部ゲート電極６が下部ゲート
電極７とコンデンサを形成している。上部ゲート電極６
である金属膜は空洞室８と外界囲気との圧力差によって
可動変形するダイヤフラムとして作用し、このダイヤフ
ラムが圧力差によって変位すると、金属膜である上部ゲ
ート電極６と下部ゲート電極で構成される静電容量が圧
力差に対応して変化し、ドレイン電流ＩＤが次式にした
がって変化することになる。

それ電界効果型トランジスタ素子のチャネル長、チャネ
ル幅及び閾値電圧を示し、Ｖｏはゲート電圧であり、Ｃ
ｍ１ｘはゲート絶縁膜５の静電容量Ｃｉと空洞室８の静
電容量Ｃ１すなわち下ａｖ 部ゲート電極７と上部ゲート電極６の中空間隔で形成さ
れる静電容量とを直列結合し１こ場合の混成静電容量で
あり、次式で与えられる。

ここで空洞室容量Ｃ３ａｖは上述のように下部ゲート電
＠７と上部ゲート電極６との間隔によって変わり、この
間隔は雰囲気圧力に依存して変化する０ 今、空洞室８を円筒状となし、その直径を１間、スペー
サＩＯの厚さを３μｍ１円形状下部ゲート電１槙７の直
径を０７問、上部ゲート電極６を構成する金属膜ダイヤ
フラムの材料が銅で、厚さを１０μｍ　とすると、金属
膜６と下部ゲート電極７で構成されるコンデンサの静電
容量は、空洞室８と外雰囲気との圧力差により、第２図
に示すように変化し、圧力差が無いときの静電容量は＋
、＋３．Ｆであるが、外雰囲気の圧力が空洞室より０．
２ａｔｒｎ高くなると、上部ゲート電極６を構成してい
るダイヤフラムが空洞室８側にたわみ、静電容量は１．
７２　ｐ　Ｆと１．５１　　倍に増加する。

電界効果型圧力センサは、電界効果トランジスタのゲー
ト領域上部の空洞室８を隔てて下部ゲート電極７と上部
ゲート電極（金属膜ダイヤフラム）６で構成されるコン
デンサの静電容量が圧力によって変化する状態を、電界
効果型トランジスタの出力変化（ドレイン電流の変化）
として圧力を検知する。圧力によって変化するコンデン
サの静電容量を直接測定して圧力変化を検知することは
、静電容量が数、Ｆと非常に小さいので測定が困難であ
るが、電界効果型トランジスタとこのコンデンサを一体
化し、圧力変化を電界効果型トランジスタのドレイン電
流変化として検知することより、素子の出力インピーダ
ンスを低下させることができ、ノイズ等の影響を受けに
くく、圧力測定が容易になる。さらに、電界効果型圧力
センサはコンデンサの圧力による静電容量変化を増幅し
て、電界効果型トランジスタのドレイン電流変化として
検知するので、高感度で圧力を測定することができる。

また圧力測定範囲、感度は主に金属膜ダイヤフラムの材
質および厚さ、空洞室の大きさによって決定されるため
、金属膜材料素子構造を適当に選択することにより、微
小圧力から大圧力まで測定圧力範囲を自由に設定するこ
とができる。

本発明による電界効果型圧力センサは第１図に示すよう
に電界効果トランジスタのゲート領域上部の空洞室８を
隔てて下部ゲート電極７と上部ゲート電極（金属膜ダイ
ヤフラム）６で構成されるコンデンサの静電容量が圧力
によって変化するのを電界効果トランジスタのドレイン
電流変化として圧力を検知するものである。これに対し
て本発明者等が先に提案しｆこものは下部ゲート電極（
補助電極）を有しない構造の電界効果型圧力センサであ
り、この場合、前述のように電界効果トランジスタを動
作させるために金属膜ダイヤスラムに直流電圧を印加す
る必要があり、そのため、金属膜ダイヤフラムの下部に
あるスペーサ１０、ソース２、ドレイン３にも直流電圧
が印加され、電界効果トランジスタの特性変化、ドレイ
ン電流のドリフトを生じる問題点があったが、本発明に
係る下部ゲート電極を有した電界効果型圧力センサにお
いては、下部ゲート電極７が直接ゲート絶縁膜５上に形
成されていることにより、トランジスタ特性の変化、ド
レイン電流のドリフト等を生じることなく、トランジス
タを動作させるための直流電圧を、下部ゲート電極７を
介して印加することが可能となる。

なお、第１図において、ゲート電極として可動変形が安
易な金属薄膜を用いて形成しｆコが、本発明はこれに限
定されるものではなく、例えば金属薄膜の代わりに、弾
性の優れ１こ高分子化合物を用いて空洞室を密閉して圧
力によって伸縮する絶縁層を形成し、その上にゲート電
極を形成しても、電界効果型圧力センサとして動作可能
であることは言うまでもない。

〈発明の効果〉 以上に述べた様に、電界効果トランジスタを利用した本
発明に係る電界効果型圧力センサは従来の圧力センサと
比較して次の様な特長を有する。

ｆｌ）　　半導体技術を用いて作製することが可能であ
るため、素子を超小形でしかも大量に作製することが出
来る。

（２）素子形状が超小型であるにもかかわらず、出力イ
ンピーダンスが低く、ノイズ等の影響を受けにくい。

（３）ダイヤフラム材料、素子形状を幅広く選定するこ
とができるため、圧力の測定精度、測定範囲を自由に設
計することができる。

（４）下部ゲート電極に直流電圧を印加することにより
、トランジスタを安定に動作させることが出来、高精度
で圧力を検知することが出来る。

（５）零圧カセンサはＳｉ基板を用いて作製した場合に
は、センナと信号処理回路等の周辺回路を一体化した、
−チップデバイスの実現が可能となり、雰囲気圧力を安
価に測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての電界効果型圧力セン
サの構造を模式的に示す図、第２図は電界効果型トラン
ジスタのゲート領域上部に構成した圧力に感知するコン
デンサの圧力−静電容量特性を示す図である。 １・・・レリコンＭ板、２・・・ソース、３・・・ドレ
イン。 ４・・・チャネル、５・・・ゲート絶縁膜、６・・・上
部ゲート電極（ダイヤフラム）、７・・・下部ゲート電
極。 ８・・・空洞室、９・・・圧力、１０・・・スペーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜上部に空洞
   室または圧力によって伸縮する絶縁層を設け、 圧力により可動変形可能なゲート電極を上記空洞室また
   は絶縁層を介して上記ゲート絶縁膜上に形成し、 上記ゲート絶縁膜と空洞室または、上記ゲート絶縁膜と
   圧力によって伸縮する絶縁膜の界面に補助ゲート電極を
   付設して成り、 圧力を電界効果型トランジスタのドレイン電流変化とし
   て検知するようにしたことを特徴とする電界効果型圧力
   センサ。