JP2011003794A - 歪み検出素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネルが形成される圧電材料からなる層と、を備えた歪み検出素子であって、(a)上記ゲート電極の長さが2μmより大きいこと、(b)上記ゲート電極の幅が1mmより小さいこと、(c)上記ゲート電極と上記ソース電極の距離と、上記ゲート電極と上記ドレイン電極の距離との和が13μmより大きいこと、の3条件のうち少なくともいずれか1つの条件が成立していることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
金属歪みゲージに定電流を印加した状態で、歪み前の電圧と歪み後の電圧の変化量が測定され、その変化量に基づいて歪みが検出される。金属歪みゲージは歪みによる電圧変化量が小さいため、単品で用いられる場合、微小な歪みを検出することができない。
金属歪みゲージがブリッジ回路に組み込まれて用いられる場合、検出感度は向上するものの、ブリッジ回路を含めた検出素子全体としては面積が大型化するとともに回路が複雑化する。
ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネルが形成される圧電材料からなる層と、を備えた歪み検出素子であって、
(a)上記ゲート電極の長さが2μmより大きいこと、
(b)上記ゲート電極の幅が1mmより小さいこと、
(c)上記ゲート電極と上記ソース電極の距離と、上記ゲート電極と上記ドレイン電極の距離との和が13μmより大きいこと、
の3条件のうち少なくともいずれか1つの条件が成立していることを特徴とする歪み検出素子である。
第1の発明によれば、上記(a)〜(c)の3条件のうち少なくともいずれか1つの条件が成立していることにより、金属製歪みゲージよりも格段に優れた検出感度(10倍以上)を有する歪み検出素子を得ることができる。
上記ゲート電極および当該ゲート電極下方の電子伝導層が、屈曲していることを特徴とする。
上記圧電材料からなる層は、上記ソース電極と上記ドレイン電極の間において上記ゲート電極の下方領域以外の領域で通電しないように当該下方領域以外の領域がエッチングされ、このエッチングにより、屈曲した上記電子伝導層が形成されていることを特徴とする。
上記圧電材料からなる層は、上記ソース電極と上記ドレイン電極の間において上記ゲート電極の下方領域以外の領域で通電しないように当該下方領域以外の領域がイオン注入され、このイオン注入により、屈曲した上記電子伝導層が形成されていることを特徴とする。
本発明の第1実施形態に係る歪み検出素子について、図面を参照しつつ説明する。図1は、第1実施形態に係る歪み検出素子を示す平面図である。図2は、図1に示される歪み検出素子の縦断面図である。図3は、図1に示される歪み検出素子を含む歪み検出装置を示す断面図である。図3は、ゲート電極の長さを調整した場合の検知電圧変化量を示す図である。図4は、ゲート電極の幅を調整した場合の検知電圧変化量を示す図である。図5は、ゲート電極とソース電極の距離と、ゲート電極とドレイン電極の距離との和を調整した場合の検知電圧変化量を示す図である。
(a)ゲート電極の長さLgが2μmより大きいこと、(b)ゲート電極の幅Wgが1mmより小さいこと、(c)ゲート電極とソース電極の距離Lgsと、ゲート電極とドレイン電極の距離Lgdとの和Lgs+Lgdが13μmより大きいこと、の3条件のうち少なくともいずれか1つの条件が成立している。
以下の説明では、ゲート電極とソース電極の距離Lgsをゲートソース間距離Lgs、ゲート電極とドレイン電極の距離Lgdをゲートドレイン間距離Lgd、ゲート電極とソース電極の距離Lgsと、ゲート電極とドレイン電極の距離Lgdとの和Lgs+Lgdを電極間距離の和Lgs+Lgdと称することがある。
各電極のサイズを上記(a)〜(c)のように限定した理由については後述する。
歪みによる電圧変化量ΔVdsは、以下の式(数1)で与えられる。
ソースドレイン間抵抗Rdsは、以下の式(数3)で表される。
ゲート長Lgを2μmより大きい値に設定した場合の電圧変化量ΔVdsは、金属製歪みゲージの電圧変化量ΔVdsの10倍以上となることが確かめられている。
ゲート幅Wgを1mm未満に設定した場合の電圧変化量ΔVdsは、金属製歪みゲージの電圧変化量ΔVdsの10倍以上になることが確かめられている。
電極間距離の和Lgs+Lgdを13μmより大きな値に設定した場合の電圧変化量ΔVdsは、金属製歪みゲージの電圧変化量ΔVdsの10倍以上になることが確かめられている。
金属歪みゲージの現状の最大ゲージ率Kが2.1、抵抗Rが120(Ω)であるとして、金属歪みゲージを単品で使用した場合を想定する。歪み1(μstrain)を、電流Iが1(A)印加した時の電圧変化量から算出する場合、電圧変化量ΔVは以下の式(数13)で表される。
本発明の第2実施形態に係る歪み検出素子について、図面を参照しつつ説明する。図12は、第2実施形態に係る歪み検出素子を示す平面図である。図13は、図12に示される歪み検出素子を示すA−A線断面図である。なお、図13では、ソース電極よりも外側の領域およびドレイン電極よりも外側の領域の図示を省略している。第2実施形態において第1実施形態と同じ構成については、参照符号を同一にしてその説明を省略する。
本発明の第3実施形態に係る歪み検出素子について、図面を参照しつつ説明する。図14は、第3実施形態に係る歪み検出素子を示す平面図である。図15は、図14に示される歪み検出素子を示すA−A線断面図である。なお、図15では、ソース電極よりも外側の領域およびドレイン電極よりも外側の領域の図示を省略している。第3実施形態において第2実施形態と同じ構成については、参照符号を同一にしてその説明を省略する。
これに対し、第3実施形態に係る歪み検出素子110では、圧電材料からなる層5は、ソース電極3とドレイン電極4の間においてゲート電極20の下方領域以外の領域で通電しないように当該下方領域以外の領域がイオン注入されている(図15参照)。イオン注入領域を符号60で示す。このイオン注入により、屈曲した電子伝導層(通電経路)502が形成される。
2、20 ゲート電極
3 ソース電極
4 ドレイン電極
5 圧電材料からなる層
6 歪み検出装置
7 基板
8 バッファ層
9 チャネル層
10 キャリア供給層
11 絶縁膜
12 電圧印加手段
14 歪み量検出手段
15 定電流源
16 電圧検出手段
50 エッチングしている領域
60 イオン注入している領域
Claims (4)
- ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、チャネルが形成される圧電材料からなる層と、を備えた歪み検出素子であって、
(a)前記ゲート電極の長さが2μmより大きいこと、
(b)前記ゲート電極の幅が1mmより小さいこと、
(c)前記ゲート電極と前記ソース電極の距離と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極の距離との和が13μmより大きいこと、
の3条件のうち少なくともいずれか1つの条件が成立していることを特徴とする歪み検出素子。 - 前記ゲート電極および当該ゲート電極下方の電子伝導層が、屈曲していることを特徴とする請求項1に記載の歪み検出素子。
- 前記圧電材料からなる層は、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間において前記ゲート電極の下方領域以外の領域で通電しないように当該下方領域以外の領域がエッチングされ、このエッチングにより、屈曲した前記電子伝導層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の歪み検出素子。
- 前記圧電材料からなる層は、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間において前記ゲート電極の下方領域以外の領域で通電しないように当該下方領域以外の領域がイオン注入され、このイオン注入により、屈曲した前記電子伝導層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の歪み検出素子。
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