JPH033371A - 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。

「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
２−２１３２８０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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

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。

〔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がそれぞれ異なる複数のショ
ットキーゲート電界効果トランジスタ（例えばＧａ　Ａ
ｓ−ＭＥＳＦＥＴ）であるようにしたことを特徴とする
。

〔作用〕

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ＭＥＳＦ
ＥＴ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Ｍ
ＥＳＦＥＴ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。

〔実施例〕

以下、添付図面により本発明の詳細な説明する。

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ＩＧ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ＭＥＳＦＥＴＱｌ。

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ＦＥＴＱ、、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ＦＥＴＱ　　、ＦＥＴ　
Ｑ　２　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ＦＥＴＱ、Ｑ　　は同一サイズ
でありながらゲート２ 電極の材料が異なっており、具体的にはＦＥＴＱｌのゲ
ート電極は５００Ａの厚さのＴＩ　　（またはＣｒ）に
４０００Ａの厚さでＷを積層して形成され、ＦＥＴＱ２
のゲート電極は上記のＷに変えて同一厚さでＡΩを積層
して形成されている。

第３図はＦＥＴＱ　　、Ｑ　　（７）Ｉ−Ｖ特性と、ス
２ ドレスによる特性変化を示している。なお、横軸ｖ　　
　、ｖ　　　はそれぞれＦＥＴＱ　　、Ｑ２のドＤＳＬ
　　　　　　ＤＳ２　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　ルーイン・ソース間電圧を示し、縦軸ＩＤＳ□。

Ｉ　　はそれぞれＦＥＴＱ、Ｑ２のドレイン・ＤＳ２　
　　　　　　　　　　　　　　　　１ソ一ス間電流を示
す。ＦＥＴＱ、Ｑ　　は同一の２ 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
Ｑ、Ｑ　　にストレスが加わ２ ったとする。すると、ＦＥＴＱｌ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、ＦＥＴＱ２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１　　、Ｉ　　はＩ　　＞１　　となり、１　
２　１　２ これがＩ／Ｖ変換されて電圧■　、■　として差２ 分増幅回路５３に入力される。差分増幅回路５３は電圧
Ｖ　　、　Ｖ　２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ＦＥＴＱｌ。

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、ＦＥＴＱｌ。

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ＦＥＴＱｌ、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、ＦＥＴＱ　　、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ＭＥＳＦＥＴＱ、Ｑ　　を形成し
、かつ、その出力信号を処２ 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、Ｇａ　Ａｓ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
するとことができる。

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。

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ＭＥＳＦＥＴＱ
　　、Ｑ　　が形成され２ ている。ここで、ＦＥＴＱｌ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、ＦＥＴＱ２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、ＦＥＴＱｌ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。

〔発明の効果〕 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Ｆ
ＥＴ（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。

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、ＩＧ・・・錘り、２・・・結晶成
長層、３・・・片持梁、４・・・信号処理回路、５１．
５２・・・■／■変換回路、５３・・・差分増幅回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、ゲート電極がそれぞれ異なる複数の
   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。