JP2754253B2 - Semiconductor sensor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電界効果トランジスタ（FET）を用いた半導
体センサに関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor sensor using a field effect transistor (FET).
従来、このような分野の技術として例えば特開昭62−
213280号公報のものが知られている。これは、半導体に
より形成したカンチレバーにピエゾ抵抗体を形成し、こ
の抵抗体の抵抗変化からストレスを検出するものであ
る。Conventionally, as a technique in such a field, for example,
Japanese Patent Publication No. 213280 is known. In this method, a piezoresistor is formed on a cantilever formed of a semiconductor, and a stress is detected from a change in resistance of the resistor.
しかしながら、従来の半導体センサでは感度が十分に
得られない欠点があった。また、温度補正を行なうため
に温度センサを併設すると、温度センサとストレスセン
サとの間の温度差があるため、正確な温度補正を行なえ
ないという欠点があった。However, the conventional semiconductor sensor has a disadvantage that sufficient sensitivity cannot be obtained. In addition, if a temperature sensor is provided for temperature correction, there is a temperature difference between the temperature sensor and the stress sensor, so that there is a disadvantage that accurate temperature correction cannot be performed.
本発明の目的は、構造が簡単であって高感度にストレ
スを検出することができ、しかも温度についてもこれを
同時に検出することのできる半導体センサを提供するこ
とにある。An object of the present invention is to provide a semiconductor sensor which has a simple structure, can detect stress with high sensitivity, and can detect temperature simultaneously.
本発明に係る半導体センサは、物理的外力が加えられ
ることにより変形する可変形部材（カンチレバー、ダイ
ヤフラム等）の変形部分に設けられた電界効果トランジ
スタ（FET）と、この電界効果トランジスタのゲートに
所定直流バイアスされた交流電圧信号を印加する信号印
加手段と、電界効果トランジスタの出力信号の交流成分
の変化から可変形部材に生じるストレス変化に応じた第
１の検出信号を出力する第１の検出手段と、電界効果ト
ランジスタの出力信号の直流成分の変化から可変形部材
の温度変化に応じた第２の検出信号を出力する第２の検
出手段とを備えることを特徴とする。A semiconductor sensor according to the present invention includes a field effect transistor (FET) provided at a deformed portion of a deformable member (a cantilever, a diaphragm, or the like) that is deformed by the application of a physical external force, and a gate connected to the field effect transistor. Signal applying means for applying a DC-biased AC voltage signal, and first detecting means for outputting a first detection signal corresponding to a change in stress generated in the deformable member from a change in an AC component of the output signal of the field effect transistor And a second detection means for outputting a second detection signal according to a change in the temperature of the deformable member from a change in the DC component of the output signal of the field effect transistor.
本発明の半導体センサによれば、FETの相互コンダク
タンスgmがストレスによって変化するので、ゲートに交
流信号を印加するとソース・ドレイン間電流IDSの振幅
はストレスに応じて変化する。従って、FETの交流出力
の変化によりストレスを検出できる。According to the semiconductor sensor of the present invention, since the mutual conductance g m of the FET is changed by stress, the amplitude of the applied AC signal to the gate source-drain current I DS is changed in accordance with stress. Therefore, stress can be detected by a change in the AC output of the FET.
また、温度変化を検出できる。 Further, a temperature change can be detected.
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。本発明の半導体センサは、カンチレバーやダイヤフ
ラムなどの可変形部材に配設される。そこで、実施例の
要部の説明に先立ち、この一例を第４図に示して説明す
る。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The semiconductor sensor of the present invention is disposed on a deformable member such as a cantilever or a diaphragm. Therefore, prior to the description of the main part of the embodiment, this example will be described with reference to FIG.
第４図は半導体センサの基本構成の斜視図で、同図
（ａ）は加速度を検出するタイプ（カンチレバータイ
プ）を示し、同図（ｂ）は圧力を検出するタイプ（ダイ
ヤフラムタイプ）を示している。同図（ａ）のセンサで
は、例えばシリコン（Si）からなる半導体基板１上に、
例えばガリウムヒ素（GaAs）からなる結晶成長層２がエ
ピタキシャル成長されている。そして、半導体基板１の
一部（図中の記号Ａの部分）がエッチング除去され、図
中の左側部分が可変形部材としての片持梁３をなしてい
る。片持梁３の基端部の結晶成長層２にはMESFET（ショ
ットキゲート型FET）が形成され、これが検知FET4をな
している。そして、片持梁３の支持体側（図中の右側）
部分の結晶成長層２上には信号処理回路５が形成されて
いる。この第４図（ａ）の装置において、図中の矢印Ｇ
の方向に加速度が加わると、片持梁３側の半導体基板１
は錘り1Gとして作用し、矢印Ａで示す部分の結晶成長層
（可変形部材）２が屈曲することになる。すると、この
屈曲によるストレスが検知FET4の相互コンダクタンスgm
等を変化させ、従って上記の加速度が検出されることに
なる。また、温度が変化すると検知FET4のＩ−Ｖ特性は
変化するので、温度を同時に検出できる。FIG. 4 is a perspective view of the basic configuration of the semiconductor sensor. FIG. 4 (a) shows a type for detecting acceleration (cantilever type), and FIG. 4 (b) shows a type for detecting pressure (diaphragm type). I have. In the sensor of FIG. 1A, for example, a semiconductor substrate 1 made of silicon (Si) is
For example, a crystal growth layer 2 made of gallium arsenide (GaAs) is epitaxially grown. Then, a part of the semiconductor substrate 1 (the part indicated by symbol A in the figure) is removed by etching, and the left part in the figure forms a cantilever 3 as a deformable member. An MESFET (Schottky gate type FET) is formed in the crystal growth layer 2 at the base end of the cantilever 3, and forms a detection FET 4. And the support side of the cantilever 3 (right side in the figure)
A signal processing circuit 5 is formed on a part of the crystal growth layer 2. In the apparatus shown in FIG. 4 (a), an arrow G in FIG.
When acceleration is applied in the direction of the arrow, the semiconductor substrate 1 on the cantilever 3 side
Acts as a weight 1G, and the portion of the crystal growth layer (deformable member) 2 indicated by the arrow A is bent. Then, the stress due to this bending becomes the mutual conductance g m of the detection FET4.
And so on, so that the above acceleration is detected. When the temperature changes, the IV characteristic of the detection FET 4 changes, so that the temperature can be detected simultaneously.
第４図（ｂ）のセンサでは、同図（ａ）と同様に半導
体基板１上に結晶成長層２が形成されているが、半導体
基板１のエッチングにより除去される部分Ａが同図
（ａ）と異なっている。すなわち、この例では装置の中
央部分（第１の部分K1）で半導体基板１がエッチング等
により除去されて結晶成長層２よる可変形部材が構成さ
れ、それを取り囲む第２の部分K2で半導体基板１が残存
されて結晶成長層（可変形部材）２の支持をなしてい
る。なお、検知FET4については加圧によってストレスが
生じる部分（可変形部材となる部分）の結晶成長層２
に、MESFETして形成されている。また、半導体基板１が
残存された部分（支持体部分）の結晶成長層２には、信
号処理回路５が別途に形成されている。In the sensor of FIG. 4B, a crystal growth layer 2 is formed on a semiconductor substrate 1 as in FIG. 4A, but a portion A of the semiconductor substrate 1 which is removed by etching is shown in FIG. ) And different. That is, in this example, the semiconductor substrate 1 is removed by etching or the like at the central portion (first portion K 1 ) of the device to form a deformable member made of the crystal growth layer 2, and the second portion K 2 surrounding it is formed. The semiconductor substrate 1 is left to support the crystal growth layer (variable member) 2. As for the sensing FET 4, the crystal growth layer 2 in a portion where stress is generated by pressurization (a portion that becomes a deformable member).
In addition, it is formed by MESFET. Further, a signal processing circuit 5 is separately formed in the crystal growth layer 2 in the portion (support portion) where the semiconductor substrate 1 remains.
この第４図（ｂ）の装置において、例えば矢印Ｇの方
向に圧力が加わると、K1で示すダイヤフラムは上方に湾
曲し、ストレスを生じさせる。すると、圧電効果による
ゲート領域直下の分極によって検知FET4の相互コンダク
タンスgm等が変化するので、圧力を定量的に検出するこ
とができる。また、温度変化はＩ−Ｖ特性の変化から検
出できる。The apparatus of the FIG. 4 (b), for example, a pressure is applied in the direction of arrow G, the diaphragm shown in K 1 is curved upwardly, causing stress. Then, since the mutual conductance g m and the like of the detection FET4 by polarization under the gate region by the piezoelectric effect changes, it is possible to quantitatively detect the pressure. Further, a temperature change can be detected from a change in the IV characteristic.
次に、本発明の実施例に係る半導体センサの回路構成
を、第１図により詳細に説明する。Next, the circuit configuration of the semiconductor sensor according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
ストレス入力INが印加される検知FET4のゲートには、
交流信号vgを直流阻止コンデンサＣを介して与える発振
回路51と、直流バイアスVgを与えるバイアス回路52とが
並列に接続されている。検知FET4のソースには電源VSS
が接続され、ドレインにはソース・ドレイン間電流IDS
としてId＋id（Id′＋id′）が流れる。ここで、Idは直
流バイアスVgによる電流成分であり、idは交流信号vgに
よる電流成分であり、Id′,id′はストレス入力INがあ
ったときのこれらの電流成分である。The gate of the detection FET4 to which the stress input IN is applied,
An oscillation circuit 51 for providing an AC signal v g via a DC blocking capacitor C, the bias circuit 52 to provide a DC bias V g are connected in parallel. Power supply V SS is connected to the source of detection FET4.
Is connected to the drain and the source-drain current I DS
And Id + id ( Id '+ id ') flows. Here, I d is the current component due to DC bias V g, i d is the current component due to the AC signal v g, I d ', i d' in these current components when a stress input IN is there.
検知FET4のドレインにはI/V変換回路53、HPF54および
AM検波回路55が接続されている。ここで、I/V変換回路5
3は検知FET4の電流出力（ソース・ドレイン間電流IDS）
を電流／電圧変換するものであり、HPF54は低周波成分
を阻止して高周波成分のみを取り出す高域通過フィルタ
であり、AM検波回路55は交流信号をAM検波してストレス
検出信号OUT1を出力するものである。The I / V conversion circuit 53, HPF54 and
The AM detection circuit 55 is connected. Here, the I / V conversion circuit 5
3 is the current output of the detection FET 4 (source-drain current I DS )
The HPF 54 is a high-pass filter that blocks low-frequency components and extracts only high-frequency components. The AM detection circuit 55 AM-detects an AC signal and outputs a stress detection signal OUT 1 . Is what you do.
次に、上記実施例の回路の作用を第２図により説明す
る。Next, the operation of the circuit of the above embodiment will be described with reference to FIG.
横軸にゲート電圧VGをとり、縦軸にソース・ドレイン
間電流IDSをとったときには、検知FET4の特性は第２図
の実線の曲線Boのようになる。この状態で検知FET4にス
トレス入力INが加わると相互コンダクタンスgmが変化
し、例えば引張り応力が働いたときには第２図の点線の
曲線BSのようになる。従って、ゲート電圧VG＝Vg＋vgが
第２図のようになっているときは、ストレス入力INがな
いときにソース・ドレイン間電流IDSは図中のId＋idの
ようになり、ストレス入力INが加わっているときにソー
ス・ドレイン間電流IDSは図中のId′＋id′のようにな
る。Taking the gate voltage V G on the horizontal axis, when taken source-I drain current I DS in the vertical axis, the characteristics of the detection FET4 is as the solid curve B o of Figure 2. Transconductance g m is changed when the stress input IN is applied in this state to the sensing FET 4, so that the dotted curve B S of FIG. 2 when the example tensile stress is exerted. Therefore, when the gate voltage V G = V g + v g is as shown in FIG. 2, when there is no stress input IN, the source-drain current I DS becomes like I d + i d in the drawing. , the source-drain current I DS when stress input iN is applied is as I d '+ i d' in FIG.
検知FET4はソース・ドレイン間電流IDSはI/V変換回路
53で電圧信号に変換され、HPF54で直流分および低周波
ノイズ分がカットされる。従って、AM検波回路55にはソ
ース・ドレイン間電流IDSの交流成分、すなわち第２図
のid,id′に対応した成分のみが与えられることにな
る。ここで、交流成分id,id′については、その振幅が
ストレスに応じて変化していることが第２図よりわか
る。従って、この交流成分id,id′をAM検波するので、
ストレス入力INに応じた出力がストレス検出信号OUT1と
して得られることになる。Detection FET4 the source-drain current I DS is the I / V conversion circuit
The signal is converted into a voltage signal at 53, and the DC component and the low-frequency noise component are cut at the HPF. Therefore, the AC component of the source-drain current I DS is the AM detection circuit 55, i.e., i d of FIG. 2, only the components corresponding to the i d 'is given. Here, it can be seen from FIG. 2 that the amplitudes of the AC components i d and i d ′ change according to the stress. Therefore, since the AC components i d and i d ′ are subjected to AM detection,
Output corresponding to stress input IN is obtained as the stress detection signal OUT 1.
上記の実施例では、検知FET4にストレス入力INがあっ
たときの相互コンダクタンスgmの変化でストレスを検出
しているので、極めて高い感度を容易に実現できる。ま
た、検知FET4のゲートに交流信号を印加し、ソース・ド
レイン間電流IDSの交流成分の変化を検出しているの
で、検知FET4のソース・ドレイン間電流IDSドリフトや
低周波ノイズをHPF54でカットすることができる。この
ため、大きなダイナックレンジを実現することができ
る。In the embodiment described above, since the detecting stress variation of the transconductance g m when there is stress input IN to the sensing FET 4, can easily realize a very high sensitivity. Further, an AC signal is applied to the gate of the sensing FET4, since detecting the change of the AC component of the source-drain current I DS, the source-drain current I DS drift and low-frequency noise detection FET4 in HPF54 Can be cut. For this reason, a large dynamic range can be realized.
さらに本実施例は、積分回路56をHPF54およびAM検波
回路55と並列に設けた点に特徴がある。積分回路56は、
その回路固有の時定数でI/V変換回路53の出力を積分
し、結果を温度検出信号OUT2として出力する。このよう
な回路構成によれば、検知FET4のソース・ドレイン間電
流IDSの交流成分の変化（ストレスによる変化）はHPF54
およびAM検波回路55により検出され、直流成分の変化
（温度による変化）は積分回路56により検出される。Further, the present embodiment is characterized in that the integration circuit 56 is provided in parallel with the HPF 54 and the AM detection circuit 55. The integration circuit 56
Integrates the output of the I / V conversion circuit 53 with a time constant of the circuit-specific, and outputs the result as the temperature detection signal OUT 2. According to such a circuit configuration, the change of the AC component of the source-drain current I DS of the sensing FET 4 (change due to stress) is HPF54
And a change in the DC component (change due to temperature) is detected by an integrating circuit 56.
第３図はこの様子を示している。 FIG. 3 shows this state.
同図において、曲線Bco,Bcs,Bho,Bhsは検知FET4のゲ
ート電圧VGに対するソース・ドレイン間電流IDSの変化
を示し、Bcoは低温でストレス入力INのないとき、Bcsは
低温でストレス入力INのあるとき、Bhoは高温でストレ
ス入力INのないとき、Bhsは高温でストレス入力INのあ
るときを示している。このような検知FET4にゲート電圧
VG＝Vg＋vgが入力されると、低温時のソース・ドレイン
間電流IDSの直流成分は第３図のIdc〜Idc′の間で変化
し、高温時の直流成分はIdh〜Idh′の間で変化する。こ
の高温時と低温時のソース・ドレイン間電流IDSの直流
成分は、電流／電圧変換の後に時定数の長い積分回路56
で検出され、温度検出信号OUT2として出力される。この
実施例では、温度とストレスは全く同一の検知FET4の特
性変化によって検出されるので、温度補正を正確に行な
うことができる。In the figure, curve B co, B cs, B ho, B hs represents the variation of the source-drain current I DS versus gate voltage V G of the sensing FET 4, B co is the absence of stress input IN at a low temperature, B cs indicates the case where there is a stress input IN at low temperature, B ho indicates the case where there is no stress input IN at high temperature, and B hs indicates the case where there is a stress input IN at high temperature. Gate voltage is applied to such detection FET4.
When V G = V g + v g is input, the DC component of the source-drain current I DS at low temperature changes between I dc and I dc ′ in FIG. It varies between dh and I dh ′. The DC component of the source-drain current I DS at the time of high temperature and at the time of low temperature is calculated by an integrating circuit 56 having a long time constant after current / voltage conversion.
In is detected and outputted as the temperature detection signal OUT 2. In this embodiment, since the temperature and the stress are detected by the completely same characteristic change of the detection FET 4, the temperature can be corrected accurately.
以上、詳細に説明した通り本発明では、FETの相互コ
ンダクタンスgmがストレスによって変化することを利用
し、ゲートに交流信号を印加してソース・ドレイン間電
流IDSの振幅をストレスに応じて変化させ、このFETの交
流出力の変化によりストレスを検出している。このた
め、構造が簡単であって高感度にストレスを検出するこ
とのできる半導体センサを提供できる。Above, the following invention has been described in detail, according to utilize the mutual conductance g m of the FET is changed by stress, by applying an AC signal to the gate of the amplitude of the source-drain current I DS stress change Then, the stress is detected by a change in the AC output of the FET. Therefore, a semiconductor sensor having a simple structure and capable of detecting stress with high sensitivity can be provided.
また、本発明では上記のストレス検出に加えて、FET
のソース・ドレイン間電流IDSの直流成分の変化により
温度変化を検出しているので、構造が簡単であって高感
度にストレスを検出することができ、しかも温度につい
て同時に検出することのできる半導体センサを提供する
ことが可能になる。In the present invention, in addition to the above-described stress detection,
The temperature change is detected by the change in the DC component of the source-drain current IDS of the semiconductor, so the structure is simple, the stress can be detected with high sensitivity, and the temperature can be detected simultaneously. It becomes possible to provide a sensor.
第１図は本発明の実施例に係る半導体センサの回路図、
第2,3図は本発明の実施例に係る半導体センサの作用を
示す特性図、第４図は半導体センサの基本的な全体構成
を示す斜視図である。 １……半導体基板、２……結晶成長層、３……片持梁、
４……検知FET、５……信号処理回路、51……発振回
路、52……バイアス回路、53……I/V変換回路、54……H
PF、55……AM検波回路、56……積分回路、IN……ストレ
ス入力、OUT1……ストレス検出信号、OUT2……温度検出
信号。FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor sensor according to an embodiment of the present invention,
2 and 3 are characteristic diagrams showing the operation of the semiconductor sensor according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a perspective view showing the basic overall configuration of the semiconductor sensor. 1 ... semiconductor substrate, 2 ... crystal growth layer, 3 ... cantilever,
4 ... Detection FET, 5 ... Signal processing circuit, 51 ... Oscillation circuit, 52 ... Bias circuit, 53 ... I / V conversion circuit, 54 ... H
PF, 55: AM detection circuit, 56: Integration circuit, IN: Stress input, OUT 1: Stress detection signal, OUT 2: Temperature detection signal.
Claims (4)
る可変形部材の変形部分に設けられた電界効果トランジ
スタと、 この電界効果トランジスタのゲートに所定直流バイアス
された交流電圧信号を印加する信号印加手段と、 前記電界効果トランジスタの出力信号の交流成分の変化
から前記可変形部材に生じるストレス変化に応じた第１
の検出信号を出力する第１の検出手段と、 前記電界効果トランジスタの出力信号の直流成分の変化
から前記可変形部材の温度変化に応じた第２の検出信号
を出力する第２の検出手段とを備えることを特徴とする
半導体センサ。1. A field effect transistor provided on a deformed portion of a deformable member deformed by the application of a physical external force, and a signal application for applying a predetermined DC biased AC voltage signal to a gate of the field effect transistor. Means for changing a stress generated in the deformable member from a change in an AC component of an output signal of the field effect transistor.
First detection means for outputting a detection signal of the following; and second detection means for outputting a second detection signal corresponding to a temperature change of the deformable member from a change in a DC component of an output signal of the field effect transistor. A semiconductor sensor comprising:
前記電界効果トランジスタはショットキゲート型である
請求項１記載の半導体センサ。2. The deformable member is made of a piezoelectric semiconductor.
2. The semiconductor sensor according to claim 1, wherein said field effect transistor is of a Schottky gate type.
ンジスタの出力信号をAM検波するAM検波回路であること
を特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ。3. The semiconductor sensor according to claim 1, wherein the first detection means is an AM detection circuit that performs an AM detection on an output signal of the field-effect transistor.
ンジスタの出力信号を積分する積分回路であることを特
徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体セ
ンサ。4. The semiconductor sensor according to claim 1, wherein said second detecting means is an integrating circuit for integrating an output signal of said field effect transistor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1233480A JP2754253B2 (en) | 1989-09-08 | 1989-09-08 | Semiconductor sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1233480A JP2754253B2 (en) | 1989-09-08 | 1989-09-08 | Semiconductor sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0395412A JPH0395412A (en) | 1991-04-19 |
| JP2754253B2 true JP2754253B2 (en) | 1998-05-20 |
Family
ID=16955668
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1233480A Expired - Lifetime JP2754253B2 (en) | 1989-09-08 | 1989-09-08 | Semiconductor sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2754253B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5124272A (en) * | 1974-08-23 | 1976-02-27 | Furuno Kyotaka | DORIFUTODENATSUSOKUTEISOCHI |
-
1989
- 1989-09-08 JP JP1233480A patent/JP2754253B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0395412A (en) | 1991-04-19 |
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