JPH0275963A - 半導体センサ - 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〕 本発明は加速度、触圧、気圧、機械的振動の物理的な外
力等を検出するための半導体センサに関するものである
。

〔従来の技術〕

従来、このような分野の技術としては、例えば特開昭６
２−１２１３６７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、シリコンなどのの半導°体基
板に酸化シリコン（ＳｉＯ）、窒化シリコン（Ｓ１３Ｎ
４）などで片持梁を形成し、この基端部にピエゾ抵抗素
子などのストレス検知素子を設けることで、加速度を電
気的に検出している。

このストレス検知素子としてはピエゾ抵抗素子の他に、
例えば弾性表面波（ＳＡＷ：５ｕｒｆ’ａｃｅａｃｏｕ
ｓｔｔｃ　ｗａｖｅ　＞素子（ＳＡＷデバイス）が知ら
れている。これは、水晶あるいは酸化亜鉛（Ｚ　ｎ　Ｏ
）などの圧電性基板の表面に、適当な重み付けがされた
すだれ状電極（ＩＤＴ：　ｉｎｔｅｒｄ１ｇｌｔａｌ１
ａｎｓｄｎｃｅｒ）を設け、ＳＡＷを送受することによ
ってフィルタ特性を得る素子である。そして、ＳＡＷデ
バイスを増幅回路の帰還ループに設ければ発振回路を構
成できることになるので、ＳＡＷデバイスの基板にスト
レスを与えその共振周波数を変化させることで、発振回
路の出力周波数をストレスに応じて変化させることがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術のピエゾ抵抗素子を用いる
ものでは、加速度等の検出感度が十分でないという欠点
があった。また、ＳＡＷデバイスは水晶などを基板とし
て構成されるため、例えば特開昭６３−８５６５号公報
のように別の半導体基板に増幅回路等を設けなければな
らないので、センサが大型化し、またコスト高になって
いた。

そこで本発明は、簡単な構造によって高感度に加速度、
触圧、気圧、機械的振動等の物理的外力を検出できる半
導体センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕 本発明に係る半導体センサは、支持体と、この支持体に
固設されて物理的な外力により変形するＧａＡｓなどの
圧電型半導体からなる可変形部材と、この可変形部材の
変形が生じる部分に形成された圧電型半導体を基板とす
る弾性表面波デバイスと、この弾性表面波デバイスを含
んで形成される発振回路とを備え、この発振回路の発振
周波数の変化により物理的な外力を検知することを特徴
とする。

ここで、可変形部材は支持体に固着して設けられた半導
体結晶成長層により構成し、この半導体結晶成長層に発
振回路を形成してもよい。

〔作用〕

本発明の構成によれば、圧電型半導体を基板とするＳＡ
Ｗデバイスに変形が加わると共振周波数が変化し、従っ
てＳＡＷデバイスを有する発振回路の発振周波数が変化
する。従って、この発振周波数の変化を知ることにより
、加速度、圧力等を検出することができる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は実施例の基本構成の斜視図で、同図（ａ）は物
理的外力の一例として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）は物理的外力の一例
として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）からなる圧電型半導体の結晶成長層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）がエツチングで除去され
、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ＳＡＷデ
バイス４が形成されている。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、この中に上記のＳＡＷデバイスと組み
合されて構成される発振回路の一部（増幅回路）が含ま
れている。

この第１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
ＩＧ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
によるストレスが圧電型半導体を基板とするＳＡＷデバ
イス４の共振周波数を変化させ、従って上記の発振回路
の発振周波数の変化により加速度が検出されることにな
る。

第１図（ｂ）のセンサでは、同図（ａ）と同様に半導体
基板ｌ上に圧電型半導体の結晶成長層２が形成されてい
るが、半導体基板１のエツ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、この実施例
では装置の中央部分（第１の部分に１）で半導体基板１
がエツ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の部分に２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
支持体をなしている。なお、ＳＡＷデバイス４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。

この第１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、圧電型半導体を
基板とするＳＡＷデバイス４の共振周波数が変化するの
で、例えば第１図（ａ）と同様にこのＳＡＷデバイスと
増幅回路による発振回路を組むことによって、上記の圧
力によるストレスを発振周波数により定量的に検出する
ことができる。

次に、第２図ないし第４図を参照することにより、本発
明により構成した加速度センサの構成と検出原理を具体
的に説明する。

第２図に示す通り、半導体基板１の上面には圧電型半導
体の結晶成長層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片持梁３をなしている。そして、
可変形部材としての片持梁３の先端部には半導体基板１
が残存されて錘りＩＧをなし、片持梁３の基端部にはＳ
ＡＷデバイス４が形成されている。このＳＡＷデバイス
４　（４Ａ、４Ｂ）の具体的構成は第３図のようになっ
ているが、詳細な説明は後述する。さらに、結晶成長層
２の片持梁３以外の部分には増幅回路を含む信号処理回
路が形成され、上記増幅回路とＳＡＷデバイス４が発振
回路を構成するように配線されている。この発振回路の
具体的構成は第４図のようになっているが、そ、の説明
は後述する。

上記の具体例において、図中の矢印Ｇの方向に加速度が
加えられると、錘りＩＧによって片持梁３の基端部に屈
曲が生じ、従ってストレスが現われる。すると、圧電型
の化合物半導体にすだれ状電極を設けることで形成され
ているＳＡＷデバイス４は、ＳＡＷ効果によって共振周
波数が変化する。そこで、このＳＡＷデバイス４を帰還
ループとする増幅回路に電圧を印加して発振回路とじて
動作させると、発振出力電圧の周波数が変化する。

そして、この発振出力電圧は信号処理回路５で所定の信
号処理が施される。

実施例に用いられるＳＡＷデバイス４の構成は、第３図
のようになっている。同図（ａ）はＳＡＷデバイス４　
（４Ａ、４Ｂ）の平面図であり、同図（ｂ）はその要部
（すだれ状電極部）の拡大図であり、同図（ｃ）はその
Ａ　　　Ａ２線断面図である。図示の通り、本実施例で
は２個のＳＡＷデバイス４Ａ、４Ｂが設けられている。

半絶縁性のＧａＡｓからなる結晶成長層２上にアルミニ
ウム（Ａ１）からなる各一対の基部電極４０．４１を設
け、この基部電極４０．４１のそれぞれから例えば２５
本づつ、すだれ状電極４２．４３を交互に延設する。こ
こで、すだれ状電極４２．４３をなすＡ９層の厚さは３
０００Ａ程度とすればよい。

このよさなＳＡＷデバイス４Ａ、４Ｂの基板にストレス
が加わると、ＳＡＷ効果により共振周波数が変化する。

そこで、第４図のようにのＳＡＷデバイス４Ａ、４Ｂを
ＡＭＰ　（増幅回路）５０の帰還部に接続し、基板を介
して出力を正帰還させた発振回路として動作させると、
ストレスに応じて発振出力電圧Ｖ　の周波数を変化させ
ることができる。このＳＡＷ効果によるストレスの検知
は感度が高く、ダイナミックレンジも大きい。

なお、実施例のようにダイヤフラム、カンチレバー等を
圧電型の化合物半導体で構成すれば、この化合物半導体
のストレスが生じる部分にＳＡＷデバイス４を直接に形
成することができる。ここで、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精度
な半導体センサを提供することができる。そして、その
出力信号を処理するための信号処理回路５を同一の化合
物半導体による結晶成長層２に形成できるので、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。

更に、上記実施例の半導体センサは極めて簡単な製造工
程によって、精度よく製作することが可能である。以下
、この事情を第５図により具体的に説明する。

まず、Ｓｉからなる半導体基板１を用意し、この上面に
エピタキシャル成長法によってＧａＡｓの結晶成長層２
を形成する。そして、ＳＡＷデバイス４および信号処理
回路５を結晶成長層２中に真空蒸着法、イオン注入法、
リフトオフ法等を用いて形成する（第５図（ａ）図示）
。しかる後、全面にフォトレジスト膜１０を塗布して半
導体基板１の除去すべき部分を窓あけする（第５図（ｂ
）図示）。この窓あけは、例えば公知のフォトリソグラ
フィ技術を用いればよい。

次に、エツチングによってフォトレジスト膜１０の開口
から半導体基板１を除去していく。ここで、ウェットエ
ツチング法を用いるときにはエッチャントにはＨＦ系の
酸を使用し、ドライエツチング法を用いるときにはエッ
チャントにはＣＦ４プラズマを使用する。このようなエ
ッチャントを用いれば、Ｓｉは容易に除去されるのに対
してＧａＡｓはほとんどエツチングされず、従って第５
図（Ｃ）のように矢印Ａの部分の半導体基板１のみを選
択的に除去できる。最後に、フォトレジスト膜１０をア
セントなどで除去すると、第５図（ｄ）のようなカンチ
レバー構造を実現できる。

本発明は上記実施例に限定されず、種々の変形が可能で
ある。

例えば、センサのタイプとしてはダイヤフラム、カンチ
レバーに限らず、圧力、加速度などによってストレスを
生じさせ、このストレスを検出するタイプのものであれ
ば、２点支持あるいは４点支持などいかなるものでもよ
い。また、支持体や可変形部材は半導体に限らず、アル
ミナなどでもよく、ＳＡＷデバイス４を形成する基板材
料はＧａＡｓに限らず、閃亜鉛鉱型構造、ウルツ鉱型構
造など各種の圧電型半導体を用いてもよい。

更に、発振出力信号を処理するための信号処理回路は結
晶成長層上に一体的に形成されていなくてもよく、別の
チップに設けることもできる。また、発振回路は実施例
のような２個のＳＡＷデバイスを有する回路に限られる
ものではなく、］個のＳＡＷデバイスを用いるものでも
よい。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、圧電型半導体を
基板とするＳＡＷデバイスに変形が加わると、いわゆる
ＳＡＷ効果によって共振周波数が変化し、従ってＳＡＷ
デバイスを有する発振回路の発振周波数が変化する。、
従って、この発振周波数の変化を知ることにより、加速
度、圧力等を検出することができる。この半導体センサ
は構造が極めて簡単であって、高感度に大きなダイナミ
ックレンジで物理的な外力を検知することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の基本構成を示す斜視図、第
２図は、本発明により構成した加速度センサの具体例の
斜視図、第３図は、本発明の実施例に用いられるＳＡＷ
デバイスの構造を示す図、第４図は、ストレスを検出す
る発振回路の説明図、第５図は、実施例に係る半導体セ
ンサの製造工程を示す断面図である。 １・・・支持体となる半導体基板、ＩＧ・・・錘り、２
・・・可変形部材となる結晶成長層、４．４Ａ、４Ｂ・
・・ＳＡＷデバイス、５・・・信号処理回路、１０・・
・フォトレジスト膜、４２．４３・・・すだれ状電極。 特許出願人　　本田技研工業株式会社 代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹＊大列の耕ネ［
図 第１図 ＳＡＷテ）でイスめ土叱ノズ 莢Ｐｅ、伊Ｊの製追工糧

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．支持体と、この支持体に固設されて物理的な外力に
   より変形する圧電型半導体からなる可変形部材と、この
   可変形部材の変形が生じる部分に形成された前記圧電型
   半導体を基板とする弾性表面波デバイスと、この弾性表
   面波デバイスを含んで形成される発振回路とを備え、前
   記発振回路の発振周波数の変化により前記外力を検知す
   ることを特徴とする半導体センサ。
2. ２．前記可変形部材は前記支持体に固着して設けられた
   半導体結晶成長層からなり、この半導体結晶成長層には
   前記発振回路が形成されている請求項１記載の半導体セ
   ンサ。