JPH10153498A - 半導体センサ - Google Patents
半導体センサInfo
- Publication number
- JPH10153498A JPH10153498A JP8313700A JP31370096A JPH10153498A JP H10153498 A JPH10153498 A JP H10153498A JP 8313700 A JP8313700 A JP 8313700A JP 31370096 A JP31370096 A JP 31370096A JP H10153498 A JPH10153498 A JP H10153498A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cmos
- circuit
- diaphragm
- sensor
- operating point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高感度特性を得ることを可能とした半導体セ
ンサを提供する。 【解決手段】 シリコン基板１のダイアフラム２の周辺
厚肉無３との境界４の近くに、圧力に感応して動作点変
動を示す入出力を短絡したＣＭＯＳインバータ構成のＣ
ＭＯＳセンサ回路５が形成され、ダイアフラム中央付近
にＣＭＯＳセンサ回路５と同じ素子パラメータをもって
ＣＭＯＳ増幅回路６が形成される。ＣＭＯＳＣＭＯＳ増
幅回路６は、圧力がかかったときにＣＭＯＳセンサ回路
５とは逆方向の動作点変動を示し、見かけの増幅率が大
きくなる。
ンサを提供する。 【解決手段】 シリコン基板１のダイアフラム２の周辺
厚肉無３との境界４の近くに、圧力に感応して動作点変
動を示す入出力を短絡したＣＭＯＳインバータ構成のＣ
ＭＯＳセンサ回路５が形成され、ダイアフラム中央付近
にＣＭＯＳセンサ回路５と同じ素子パラメータをもって
ＣＭＯＳ増幅回路６が形成される。ＣＭＯＳＣＭＯＳ増
幅回路６は、圧力がかかったときにＣＭＯＳセンサ回路
５とは逆方向の動作点変動を示し、見かけの増幅率が大
きくなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ＭＯＳトランジ
スタのチャネルコンダクタンス変化を利用して圧力や加
速度等を検出する半導体センサに関する。
スタのチャネルコンダクタンス変化を利用して圧力や加
速度等を検出する半導体センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体拡散層のピエゾ抵抗効
果を利用した圧力センサや加速度センサが知られてい
る。通常これらの半導体センサは、半導体基板にダイア
フラムが加工され、そのダイアフラムに４個のゲージ抵
抗が所定の向きで形成される。４個のゲージ抵抗の抵抗
値変化は、ブリッジ回路を組むことにより電圧変化とし
て検出される。
果を利用した圧力センサや加速度センサが知られてい
る。通常これらの半導体センサは、半導体基板にダイア
フラムが加工され、そのダイアフラムに４個のゲージ抵
抗が所定の向きで形成される。４個のゲージ抵抗の抵抗
値変化は、ブリッジ回路を組むことにより電圧変化とし
て検出される。
【０００３】従来のゲージ抵抗を用いる半導体センサで
は、ピエゾ抵抗効果が不純物濃度や温度変化に大きく依
存する。そのため零点補償や温度補償が必要になり、製
造コストが増大する。またブリッジ回路は増幅機能を持
たないため、出力レベルが小さい。特に加速度センサで
は出力信号レベルが小さく、増幅回路の負担が大きくな
る。
は、ピエゾ抵抗効果が不純物濃度や温度変化に大きく依
存する。そのため零点補償や温度補償が必要になり、製
造コストが増大する。またブリッジ回路は増幅機能を持
たないため、出力レベルが小さい。特に加速度センサで
は出力信号レベルが小さく、増幅回路の負担が大きくな
る。
【０００４】この様な従来の半導体センサの難点を解決
するため、本発明者等は先に、圧力等に感応するチャネ
ルコンダクタンスの変化を利用したＣＭＯＳインバータ
形式のセンサ回路を用いた半導体センサを提案している
（特開平７−３２６７７１号公報参照）。この半導体セ
ンサは、ダイアフラムが加工された半導体基板のダイア
フラムにＣＭＯＳセンサ回路を構成し、周辺厚肉部にＣ
ＭＯＳセンサ回路と同じ素子パラメータをもってＣＭＯ
Ｓ増幅回路を構成するというものである。
するため、本発明者等は先に、圧力等に感応するチャネ
ルコンダクタンスの変化を利用したＣＭＯＳインバータ
形式のセンサ回路を用いた半導体センサを提案している
（特開平７−３２６７７１号公報参照）。この半導体セ
ンサは、ダイアフラムが加工された半導体基板のダイア
フラムにＣＭＯＳセンサ回路を構成し、周辺厚肉部にＣ
ＭＯＳセンサ回路と同じ素子パラメータをもってＣＭＯ
Ｓ増幅回路を構成するというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述の先
願発明を発展させて、一層の高感度特性を得ることを可
能とした半導体センサを提供することを目的としてい
る。
願発明を発展させて、一層の高感度特性を得ることを可
能とした半導体センサを提供することを目的としてい
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体セ
ンサは、半導体基板と、この基板上に形成されて入出力
端を短絡したＣＭＯＳインバータにより構成され、検出
すべき物理量に感応する動作点変動をセンサ信号として
出力するＣＭＯＳセンサ回路と、前記基板上に前記ＣＭ
ＯＳセンサ回路と同じ素子パラメータをもって形成され
て前記検出すべき物理量に感応して動作点が前記ＣＭＯ
Ｓセンサ回路の動作点変動と逆方向に変動すると共に前
記ＣＭＯＳセンサ回路からのセンサ信号を増幅するＣＭ
ＯＳ増幅回路とを有することを特徴とする。
ンサは、半導体基板と、この基板上に形成されて入出力
端を短絡したＣＭＯＳインバータにより構成され、検出
すべき物理量に感応する動作点変動をセンサ信号として
出力するＣＭＯＳセンサ回路と、前記基板上に前記ＣＭ
ＯＳセンサ回路と同じ素子パラメータをもって形成され
て前記検出すべき物理量に感応して動作点が前記ＣＭＯ
Ｓセンサ回路の動作点変動と逆方向に変動すると共に前
記ＣＭＯＳセンサ回路からのセンサ信号を増幅するＣＭ
ＯＳ増幅回路とを有することを特徴とする。
【０００７】この発明に係る半導体センサはまた、ダイ
アフラムが加工された半導体基板と、前記ダイアフラム
に形成されて、ダイアフラムにかかる応力に感応するチ
ャネルコンダクタンス変化による動作点変動をセンサ信
号として出力するＣＭＯＳセンサ回路と、このＣＭＯＳ
センサ回路からのセンサ信号を増幅すべく前記ダイアフ
ラムに形成されて、ダイアフラムにかかる応力に感応す
るチャネルコンダクタンス変化により動作点が変動する
ＣＭＯＳ増幅回路とを備え、前記ＣＭＯＳセンサ回路と
前記ＣＭＯＳ増幅回路とは、前記ダイアフラム上の、応
力がかかったときの動作点変動が互いに逆方向となる位
置に形成されていることを特徴とする。
アフラムが加工された半導体基板と、前記ダイアフラム
に形成されて、ダイアフラムにかかる応力に感応するチ
ャネルコンダクタンス変化による動作点変動をセンサ信
号として出力するＣＭＯＳセンサ回路と、このＣＭＯＳ
センサ回路からのセンサ信号を増幅すべく前記ダイアフ
ラムに形成されて、ダイアフラムにかかる応力に感応す
るチャネルコンダクタンス変化により動作点が変動する
ＣＭＯＳ増幅回路とを備え、前記ＣＭＯＳセンサ回路と
前記ＣＭＯＳ増幅回路とは、前記ダイアフラム上の、応
力がかかったときの動作点変動が互いに逆方向となる位
置に形成されていることを特徴とする。
【０００８】この発明において好ましくは、前記ＣＭＯ
Ｓセンサ回路を構成するＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭ
ＯＳトランジスタは、チャネル方向が前記ダイアフラム
の周辺厚肉部との境界に垂直でかつチャネル領域が前記
境界に沿うように形成され、前記ＣＭＯＳ増幅回路のＰ
ＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタは、前記
ＣＭＯＳセンサ回路のＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯ
Ｓトランジスタと平行になるようにダイアフラム中央付
近に形成される。
Ｓセンサ回路を構成するＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭ
ＯＳトランジスタは、チャネル方向が前記ダイアフラム
の周辺厚肉部との境界に垂直でかつチャネル領域が前記
境界に沿うように形成され、前記ＣＭＯＳ増幅回路のＰ
ＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタは、前記
ＣＭＯＳセンサ回路のＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯ
Ｓトランジスタと平行になるようにダイアフラム中央付
近に形成される。
【０００９】この発明によると、圧力等に感応してチャ
ネルコンダクタンス変化に伴う動作点変動を出力するＣ
ＭＯＳセンサ回路と、これと同じ素子パラメータを持っ
て形成されたＣＭＯＳ増幅回路とを組み合わせた高感度
の半導体センサが得られる。特にこの発明においては、
ＣＭＯＳセンサ回路とＣＭＯＳ増幅回路とが共に、圧力
等に感応して動作点変動を生じるように形成され、ＣＭ
ＯＳセンサ回路の動作点変動をセンサ信号として、ＣＭ
ＯＳ増幅回路でこれを増幅して取り出すようにしてい
る。従って特に、圧力等がかかったときのＣＭＯＳ増幅
回路での動作点変動とＣＭＯＳ増幅回路での動作点変動
が互いに逆方向となるように、各回路のレイアウトを選
択することにより、ＣＭＯＳ増幅回路の見かけの増幅率
を大きくすることが可能となり、高感度の半導体センサ
が得られる。
ネルコンダクタンス変化に伴う動作点変動を出力するＣ
ＭＯＳセンサ回路と、これと同じ素子パラメータを持っ
て形成されたＣＭＯＳ増幅回路とを組み合わせた高感度
の半導体センサが得られる。特にこの発明においては、
ＣＭＯＳセンサ回路とＣＭＯＳ増幅回路とが共に、圧力
等に感応して動作点変動を生じるように形成され、ＣＭ
ＯＳセンサ回路の動作点変動をセンサ信号として、ＣＭ
ＯＳ増幅回路でこれを増幅して取り出すようにしてい
る。従って特に、圧力等がかかったときのＣＭＯＳ増幅
回路での動作点変動とＣＭＯＳ増幅回路での動作点変動
が互いに逆方向となるように、各回路のレイアウトを選
択することにより、ＣＭＯＳ増幅回路の見かけの増幅率
を大きくすることが可能となり、高感度の半導体センサ
が得られる。
【００１０】ダイアフラムが加工された半導体基板を用
いた圧力センサの場合であれば、ＣＭＯＳセンサ回路と
ＣＭＯＳ増幅回路とをダイアフラム上の異なる位置に、
圧力によるそれぞれの動作点変動が逆になるように配置
する。好ましくは、ＣＭＯＳセンサ回路を構成するＰＭ
ＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタを、チャネ
ル方向がダイアフラムの周辺厚肉部との境界に垂直にな
り、チャネル領域がその境界に沿うように配置し、ＣＭ
ＯＳ増幅回路のＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトラ
ンジスタはＣＭＯＳセンサ回路のそれと平行になるよう
にダイアフラム中央付近に配置する。これにより、各回
路の動作点は圧力により互いに逆方向に大きく変動する
ことになり、高感度の半導体圧力センサが得られる。
いた圧力センサの場合であれば、ＣＭＯＳセンサ回路と
ＣＭＯＳ増幅回路とをダイアフラム上の異なる位置に、
圧力によるそれぞれの動作点変動が逆になるように配置
する。好ましくは、ＣＭＯＳセンサ回路を構成するＰＭ
ＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタを、チャネ
ル方向がダイアフラムの周辺厚肉部との境界に垂直にな
り、チャネル領域がその境界に沿うように配置し、ＣＭ
ＯＳ増幅回路のＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトラ
ンジスタはＣＭＯＳセンサ回路のそれと平行になるよう
にダイアフラム中央付近に配置する。これにより、各回
路の動作点は圧力により互いに逆方向に大きく変動する
ことになり、高感度の半導体圧力センサが得られる。
【００１１】なお、ＣＭＯＳセンサ回路がＣＭＯＳイン
バータの入出力を短絡した構成であると、ＣＭＯＳイン
バータとしての論理しきい値が動作点となる。ＣＭＯＳ
インバータの論理しきい値が温度依存性を持つとして
も、この発明においてはＣＭＯＳセンサ回路とその出力
を増幅するＣＭＯＳ増幅回路とが同一ダイアフラム上に
近接して配置されるため、これらが同じ温度依存性を示
し、従ってＣＭＯＳセンサ回路の温度による動作点変動
はＣＭＯＳ増幅回路で相殺されることになり、センサ感
度の温度特性が大きく改善される。特に加速度センサに
おいてはこの効果は大きい。
バータの入出力を短絡した構成であると、ＣＭＯＳイン
バータとしての論理しきい値が動作点となる。ＣＭＯＳ
インバータの論理しきい値が温度依存性を持つとして
も、この発明においてはＣＭＯＳセンサ回路とその出力
を増幅するＣＭＯＳ増幅回路とが同一ダイアフラム上に
近接して配置されるため、これらが同じ温度依存性を示
し、従ってＣＭＯＳセンサ回路の温度による動作点変動
はＣＭＯＳ増幅回路で相殺されることになり、センサ感
度の温度特性が大きく改善される。特に加速度センサに
おいてはこの効果は大きい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１（ａ）（ｂ）は、この発明の
一実施例に係る半導体圧力センサチップを示す平面図と
そのＡ−Ａ′断面図である。シリコン基板１は、主面が
（１００）面のｎ型シリコン基板であり、裏面がエッチ
ング加工されてダイアフラム２が設けられている。この
基板１のダイアフラム２の周辺厚肉部３との境界４の近
傍に、ＣＭＯＳセンサ回路５が形成され、ダイアフラム
２の中央部にＣＭＯＳセンサ回路５の出力を増幅するＣ
ＭＯＳ増幅回路６が形成されている。周辺厚肉部３に
は、必要に応じてＣＭＯＳ増幅回路６に後続する信号処
理回路２０が形成される。
の実施例を説明する。図１（ａ）（ｂ）は、この発明の
一実施例に係る半導体圧力センサチップを示す平面図と
そのＡ−Ａ′断面図である。シリコン基板１は、主面が
（１００）面のｎ型シリコン基板であり、裏面がエッチ
ング加工されてダイアフラム２が設けられている。この
基板１のダイアフラム２の周辺厚肉部３との境界４の近
傍に、ＣＭＯＳセンサ回路５が形成され、ダイアフラム
２の中央部にＣＭＯＳセンサ回路５の出力を増幅するＣ
ＭＯＳ増幅回路６が形成されている。周辺厚肉部３に
は、必要に応じてＣＭＯＳ増幅回路６に後続する信号処
理回路２０が形成される。
【００１３】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図１のＣＭＯ
Ｓセンサ回路５及びＣＭＯＳ増幅回路６の部分を拡大し
て示す素子レイアウトとそのＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′断面
図である。ＣＭＯＳセンサ回路５は、圧力センサ素子と
してのＰＭＯＳトランジスタＱP1とＮＭＯＳトランジス
タＱN1により構成される。ＣＭＯＳ増幅回路６は、やは
り圧力に感応するＰＭＯＳトランジスタＱP2とＮＭＯＳ
トランジスタＱN2により構成されている。
Ｓセンサ回路５及びＣＭＯＳ増幅回路６の部分を拡大し
て示す素子レイアウトとそのＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′断面
図である。ＣＭＯＳセンサ回路５は、圧力センサ素子と
してのＰＭＯＳトランジスタＱP1とＮＭＯＳトランジス
タＱN1により構成される。ＣＭＯＳ増幅回路６は、やは
り圧力に感応するＰＭＯＳトランジスタＱP2とＮＭＯＳ
トランジスタＱN2により構成されている。
【００１４】図２のレイアウトにおいて重要なことは、
第１に、ＣＭＯＳセンサ回路５が、ダイアフラム２にか
かる応力をチャネルコンダクタンスの変化として検出す
るために、ダイアフラム２にチャネル領域が形成されて
いることである。第２に、ＣＭＯＳセンサ回路５を構成
するＰＭＯＳトランジスタＱP1、ＮＭＯＳトランジスタ
ＱN1ともに、それらのチャネル方向がダイアフラム２と
周辺厚肉部３との境界４に垂直になるように、かつチャ
ネル領域が境界４に沿ってレイアウトされていることで
ある。そして第３に、ダイアフラム２の中央付近に形成
されるＣＭＯＳ増幅回路６がＣＭＯＳセンサ回路５と同
一設計条件で作られていること、即ちゲート酸化膜厚、
しきい値、チャネル長、チャネル幅等の素子パラメータ
が同じであることである。
第１に、ＣＭＯＳセンサ回路５が、ダイアフラム２にか
かる応力をチャネルコンダクタンスの変化として検出す
るために、ダイアフラム２にチャネル領域が形成されて
いることである。第２に、ＣＭＯＳセンサ回路５を構成
するＰＭＯＳトランジスタＱP1、ＮＭＯＳトランジスタ
ＱN1ともに、それらのチャネル方向がダイアフラム２と
周辺厚肉部３との境界４に垂直になるように、かつチャ
ネル領域が境界４に沿ってレイアウトされていることで
ある。そして第３に、ダイアフラム２の中央付近に形成
されるＣＭＯＳ増幅回路６がＣＭＯＳセンサ回路５と同
一設計条件で作られていること、即ちゲート酸化膜厚、
しきい値、チャネル長、チャネル幅等の素子パラメータ
が同じであることである。
【００１５】ＮＭＯＳトランジスタＱN1，ＱN2は、図２
（ｃ）に示したように、シリコン基板１にｐ型ウエル９
ａ，９ｂを形成してこれらの中にそれぞれ作られる。ま
た、図２に模式的な配線を示したように、ＣＭＯＳセン
サ回路５は、ＰＭＯＳトランジスタＱP1のｐ+型ドレイ
ン拡散層１０及びＮＭＯＳトランジスタＱN1のｎ+型ド
レイン拡散層１１をゲートに共通接続して、ＣＭＯＳイ
ンバータの入出力を短絡した構成としている。ＣＭＯＳ
増幅回路６は、ＰＭＯＳトランジスタＱP2のｐ+型ドレ
イン拡散層１２とＮＭＯＳトランジスタＱN2のｎ+型ド
レイン拡散層１３を共通接続して出力端子としている。
ＰＭＯＳトランジスタＱP1，ＱP2のソース拡散層７，１
４は電源ＶDDに、ＮＭＯＳトランジスタＱN1，ＱN2のソ
ース拡散層８，１５は接地ＶSSに接続される。これによ
り、図３に示す等価回路が得られる。ＣＭＯＳ増幅回路
６の入出力端間には、必要に応じて、図３に示すように
直列抵抗ＲS と帰還抵抗ＲF を接続する。
（ｃ）に示したように、シリコン基板１にｐ型ウエル９
ａ，９ｂを形成してこれらの中にそれぞれ作られる。ま
た、図２に模式的な配線を示したように、ＣＭＯＳセン
サ回路５は、ＰＭＯＳトランジスタＱP1のｐ+型ドレイ
ン拡散層１０及びＮＭＯＳトランジスタＱN1のｎ+型ド
レイン拡散層１１をゲートに共通接続して、ＣＭＯＳイ
ンバータの入出力を短絡した構成としている。ＣＭＯＳ
増幅回路６は、ＰＭＯＳトランジスタＱP2のｐ+型ドレ
イン拡散層１２とＮＭＯＳトランジスタＱN2のｎ+型ド
レイン拡散層１３を共通接続して出力端子としている。
ＰＭＯＳトランジスタＱP1，ＱP2のソース拡散層７，１
４は電源ＶDDに、ＮＭＯＳトランジスタＱN1，ＱN2のソ
ース拡散層８，１５は接地ＶSSに接続される。これによ
り、図３に示す等価回路が得られる。ＣＭＯＳ増幅回路
６の入出力端間には、必要に応じて、図３に示すように
直列抵抗ＲS と帰還抵抗ＲF を接続する。
【００１６】この実施例のＣＭＯＳセンサ回路５は、ダ
イアフラム２に応力が加わったときの、ＰＭＯＳトラン
ジスタＱP1とＮＭＯＳトランジスタＱN1のチャネルコン
ダクタンス変化が互いに逆方向になる。具体的に、図１
（ｂ）の断面においてダイヤフラム２に下方から圧力が
かかったとき、ＮＭＯＳトランジスタＱN1ではチャネル
コンダクタンスが減少し、ＰＭＯＳトランジスタＱP1で
はチャネルコンダクタンスが増大する。この結果ＣＭＯ
Ｓセンサ回路５の動作点が大きく変動し、この動作点変
動をセンサ出力として取り出すことができる。
イアフラム２に応力が加わったときの、ＰＭＯＳトラン
ジスタＱP1とＮＭＯＳトランジスタＱN1のチャネルコン
ダクタンス変化が互いに逆方向になる。具体的に、図１
（ｂ）の断面においてダイヤフラム２に下方から圧力が
かかったとき、ＮＭＯＳトランジスタＱN1ではチャネル
コンダクタンスが減少し、ＰＭＯＳトランジスタＱP1で
はチャネルコンダクタンスが増大する。この結果ＣＭＯ
Ｓセンサ回路５の動作点が大きく変動し、この動作点変
動をセンサ出力として取り出すことができる。
【００１７】図３の回路の動作を具体的に図４を用いて
説明する。先ず基本的な回路動作説明においては、ＣＭ
ＯＳ増幅回路６での動作点変動を無視する。図４（ａ）
は、ＣＭＯＳセンサ回路５の特性であり、同図（ｂ）は
ＣＭＯＳ増幅回路６の特性である。ＣＭＯＳセンサ回路
５の無応力時の直流動作点Ｐ１は、この回路をＣＭＯＳ
インバータとしてみたときの入出力伝達特性と、ＶIN＝
ＶOUT なる直線の交点、即ち、ＣＭＯＳインバータの論
理しきい値に相当する電圧ＶS となる。ＣＭＯＳ増幅回
路６はＣＭＯＳセンサ回路５と素子条件が同じであるた
め、無応力時の動作点Ｐ２は、図４（ｂ）に示すよう
に、ＣＭＯＳセンサ回路５の動作点Ｐ１と等しく、ＶS
である。なお図４（ｂ）は、直列抵抗ＲS と帰還抵抗Ｒ
F がない場合の特性を示しているが、直列抵抗ＲS と帰
還抵抗ＲF が接続された場合には、入出力伝達特性の遷
移領域の傾斜が緩くなる。
説明する。先ず基本的な回路動作説明においては、ＣＭ
ＯＳ増幅回路６での動作点変動を無視する。図４（ａ）
は、ＣＭＯＳセンサ回路５の特性であり、同図（ｂ）は
ＣＭＯＳ増幅回路６の特性である。ＣＭＯＳセンサ回路
５の無応力時の直流動作点Ｐ１は、この回路をＣＭＯＳ
インバータとしてみたときの入出力伝達特性と、ＶIN＝
ＶOUT なる直線の交点、即ち、ＣＭＯＳインバータの論
理しきい値に相当する電圧ＶS となる。ＣＭＯＳ増幅回
路６はＣＭＯＳセンサ回路５と素子条件が同じであるた
め、無応力時の動作点Ｐ２は、図４（ｂ）に示すよう
に、ＣＭＯＳセンサ回路５の動作点Ｐ１と等しく、ＶS
である。なお図４（ｂ）は、直列抵抗ＲS と帰還抵抗Ｒ
F がない場合の特性を示しているが、直列抵抗ＲS と帰
還抵抗ＲF が接続された場合には、入出力伝達特性の遷
移領域の傾斜が緩くなる。
【００１８】ダイアフラム２に圧力が印加されると、Ｃ
ＭＯＳセンサ回路５を構成するＰＭＯＳトランジスタＱ
P1及びＮＭＯＳトランジスタＱN1ともに、キャリア移動
度が変調されてチャネルコンダクタンスが変化し、応力
が引張り応力か圧縮応力かに応じて、入出力伝達特性
が、破線イあるいはロで示すように変化する。このとき
のＣＭＯＳセンサ回路５の動作点変動がセンサ信号とな
ってＣＭＯＳ増幅回路６の入力信号となり、図４（ｂ）
に示すように、入出力伝達特性の遷移領域の傾斜で決ま
る増幅度で増幅されて、出力端子ＯＵＴに大きなセンサ
出力電圧が得られることになる。
ＭＯＳセンサ回路５を構成するＰＭＯＳトランジスタＱ
P1及びＮＭＯＳトランジスタＱN1ともに、キャリア移動
度が変調されてチャネルコンダクタンスが変化し、応力
が引張り応力か圧縮応力かに応じて、入出力伝達特性
が、破線イあるいはロで示すように変化する。このとき
のＣＭＯＳセンサ回路５の動作点変動がセンサ信号とな
ってＣＭＯＳ増幅回路６の入力信号となり、図４（ｂ）
に示すように、入出力伝達特性の遷移領域の傾斜で決ま
る増幅度で増幅されて、出力端子ＯＵＴに大きなセンサ
出力電圧が得られることになる。
【００１９】以上が基本動作であるが、この実施例の場
合、圧力がかかったときにＣＭＯＳ増幅回路６において
も動作点変動が生じる。このＣＭＯＳ増幅回路６での動
作点変動はＣＭＯＳセンサ回路５での動作点変動とは互
いに逆方向になり、これが感度をより高くする方向に作
用する。このことを図５及び図６を参照して説明する。
図５（ａ）に示すように外部圧力がかかった場合、ダイ
アフラム２には同図（ｂ）に示すような応力が作用す
る。即ち、ダイアフラム２の周辺にあるＣＭＯＳセンサ
回路５で圧縮応力のとき、中央部のＣＭＯＳ増幅回路６
では引張り応力となる。このとき、ＣＭＯＳセンサ回路
５とＣＭＯＳ増幅回路６の各ＰＭＯＳトランジスタＱP
1，ＱP2のチャネルコンダクタンスの変化はそれぞれ、
（＋），（−）方向と互いに逆になり、またＮＭＯＳト
ランジスタＱN1，ＱN2のチャネルコンダクタンス変化は
それぞれ、（−），（＋）方向と互いに逆方向になる。
従って、ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６で
は互いに逆方向の動作点変動を示すことになる。
合、圧力がかかったときにＣＭＯＳ増幅回路６において
も動作点変動が生じる。このＣＭＯＳ増幅回路６での動
作点変動はＣＭＯＳセンサ回路５での動作点変動とは互
いに逆方向になり、これが感度をより高くする方向に作
用する。このことを図５及び図６を参照して説明する。
図５（ａ）に示すように外部圧力がかかった場合、ダイ
アフラム２には同図（ｂ）に示すような応力が作用す
る。即ち、ダイアフラム２の周辺にあるＣＭＯＳセンサ
回路５で圧縮応力のとき、中央部のＣＭＯＳ増幅回路６
では引張り応力となる。このとき、ＣＭＯＳセンサ回路
５とＣＭＯＳ増幅回路６の各ＰＭＯＳトランジスタＱP
1，ＱP2のチャネルコンダクタンスの変化はそれぞれ、
（＋），（−）方向と互いに逆になり、またＮＭＯＳト
ランジスタＱN1，ＱN2のチャネルコンダクタンス変化は
それぞれ、（−），（＋）方向と互いに逆方向になる。
従って、ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６で
は互いに逆方向の動作点変動を示すことになる。
【００２０】図６（ａ）（ｂ）はこのときのＣＭＯＳセ
ンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６での入出力伝達特性変
化を示している。破線が無歪み時であり、実線が圧力が
かかった場合である。図６（ａ）に示すように、ＣＭＯ
Ｓセンサ回路５において動作点変動ΔＳがあると、ＣＭ
ＯＳ増幅回路６では逆方向に動作点変動を示す。ＣＭＯ
Ｓセンサ回路５の動作点変動ΔＳがＣＭＯＳ増幅回路６
の入力となるから、同図（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳ
増幅回路６では、動作点変動がない場合の出力電圧変化
ΔＶａに対し、動作点変動があった場合の出力電圧変化
ΔＶｂは大きなものとなる。即ちＣＭＯＳ増幅回路６で
の動作点変動は見かけ上増幅率を大きくしたことにな
り、これによりセンサ感度が向上する。
ンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６での入出力伝達特性変
化を示している。破線が無歪み時であり、実線が圧力が
かかった場合である。図６（ａ）に示すように、ＣＭＯ
Ｓセンサ回路５において動作点変動ΔＳがあると、ＣＭ
ＯＳ増幅回路６では逆方向に動作点変動を示す。ＣＭＯ
Ｓセンサ回路５の動作点変動ΔＳがＣＭＯＳ増幅回路６
の入力となるから、同図（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳ
増幅回路６では、動作点変動がない場合の出力電圧変化
ΔＶａに対し、動作点変動があった場合の出力電圧変化
ΔＶｂは大きなものとなる。即ちＣＭＯＳ増幅回路６で
の動作点変動は見かけ上増幅率を大きくしたことにな
り、これによりセンサ感度が向上する。
【００２１】この実施例においてはまた、前述のように
ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６が、ダイア
フラム２の近接した位置に配置され、かつ同一素子設計
条件で作られているため、製造上のばらつきの影響を受
けることなく特性が揃う。従って、論理しきい値の絶対
値を正確に制御することなく、微小な検出出力信号を高
いＳ／Ｎ比をもって増幅することができ、高感度特性を
得ることができる。また同様の理由で、ＣＭＯＳセンサ
回路５とＣＭＯＳ増幅回路６において温度変動の影響や
ノイズの影響が互いに相殺されるため、高いＳ／Ｎが得
られ、またセンサ感度の温度特性も優れたものとなる。
ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６が、ダイア
フラム２の近接した位置に配置され、かつ同一素子設計
条件で作られているため、製造上のばらつきの影響を受
けることなく特性が揃う。従って、論理しきい値の絶対
値を正確に制御することなく、微小な検出出力信号を高
いＳ／Ｎ比をもって増幅することができ、高感度特性を
得ることができる。また同様の理由で、ＣＭＯＳセンサ
回路５とＣＭＯＳ増幅回路６において温度変動の影響や
ノイズの影響が互いに相殺されるため、高いＳ／Ｎが得
られ、またセンサ感度の温度特性も優れたものとなる。
【００２２】この発明は上記実施例に限られない。上記
実施例のＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６の
レイアウトは、圧力による動作点変動が互いに逆方向に
最も大きくなるという最も好ましい例であるが、ＣＭＯ
Ｓ増幅回路６をダイアフラム２の他の位置に配置するこ
ともできる。図７は、この発明を圧力センサに適用し、
ＣＭＯＳセンサ回路５をダイアフラム周辺に配置したと
きに、感度向上の観点から好ましいＣＭＯＳ増幅回路６
のレイアウト範囲（斜線）を示している。即ち、矩形の
ダイアフラム２の大きさ（円の場合であれば直径）をａ
としたとき、ダイアフラム中心を中心とする幅ａ／２の
斜線範囲にＣＭＯＳ増幅回路６を配置すれば、ＣＭＯＳ
センサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６は圧力により互いに
逆方向の動作点変動を示し、従って感度向上が図られ
る。なおＣＭＯＳ増幅回路６は必ずしもＣＭＯＳセンサ
回路５と平行に配置する必要はないが、素子特性を揃え
るという観点からは平行に配置することが望ましい。
実施例のＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６の
レイアウトは、圧力による動作点変動が互いに逆方向に
最も大きくなるという最も好ましい例であるが、ＣＭＯ
Ｓ増幅回路６をダイアフラム２の他の位置に配置するこ
ともできる。図７は、この発明を圧力センサに適用し、
ＣＭＯＳセンサ回路５をダイアフラム周辺に配置したと
きに、感度向上の観点から好ましいＣＭＯＳ増幅回路６
のレイアウト範囲（斜線）を示している。即ち、矩形の
ダイアフラム２の大きさ（円の場合であれば直径）をａ
としたとき、ダイアフラム中心を中心とする幅ａ／２の
斜線範囲にＣＭＯＳ増幅回路６を配置すれば、ＣＭＯＳ
センサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６は圧力により互いに
逆方向の動作点変動を示し、従って感度向上が図られ
る。なおＣＭＯＳ増幅回路６は必ずしもＣＭＯＳセンサ
回路５と平行に配置する必要はないが、素子特性を揃え
るという観点からは平行に配置することが望ましい。
【００２３】また、この発明を加速度センサに適用した
場合には、図８に示すように、ＣＭＯＳセンサ回路５と
ＣＭＯＳ増幅回路６とは、その一方をダイアフラム２の
周辺厚肉部３との境界近くに、他方を重り部２１との境
界近くに配置すればよい。この場合、同図（ｂ）に同図
（ａ）のＡ−Ａ′断面を示すように、重り部２１がどの
方向に変位しても、ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増
幅回路６とは、一方が圧縮応力、他方が引張り応力を受
けることになるので、感度向上が図られる。またこの実
施例では、ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６
とが先の実施例に比べてより近接して配置されることに
なるので、素子パラメータや温度特性のばらつきはより
低減される。
場合には、図８に示すように、ＣＭＯＳセンサ回路５と
ＣＭＯＳ増幅回路６とは、その一方をダイアフラム２の
周辺厚肉部３との境界近くに、他方を重り部２１との境
界近くに配置すればよい。この場合、同図（ｂ）に同図
（ａ）のＡ−Ａ′断面を示すように、重り部２１がどの
方向に変位しても、ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増
幅回路６とは、一方が圧縮応力、他方が引張り応力を受
けることになるので、感度向上が図られる。またこの実
施例では、ＣＭＯＳセンサ回路５とＣＭＯＳ増幅回路６
とが先の実施例に比べてより近接して配置されることに
なるので、素子パラメータや温度特性のばらつきはより
低減される。
【００２４】実施可能な他のレイアウト例を図９に示
す。図９（ａ）（ｂ）は、ＣＭＯＳ増幅回路６を、ＣＭ
ＯＳセンサ回路５を配置したダイアフラムの辺に隣接す
る辺にＣＭＯＳセンサ回路５と平行に配置した例であ
る。これらの場合も、同様の効果が得られる。図９
（ｃ）は、図１の実施例にほぼ対応するＣＭＯＳセンサ
回路５ａとＣＭＯＳ増幅回路６ｂからなる第１の回路に
対称的に、第２の回路を構成するＣＭＯＳセンサ回路５
ｂとＣＭＯＳ増幅回路６ｂを配置した例である。第２の
回路では第１の回路と逆に、ＣＭＯＳセンサ回路５ｂを
ほぼダイアフラム中央部に、ＣＭＯＳ増幅回路６ｂを周
辺部に配置している。この様に配置して、第１，第２の
回路により差動回路を構成すれば、第１，第２の回路で
互いに逆方向出力が得られるから、一層の高感度化が図
られる。
す。図９（ａ）（ｂ）は、ＣＭＯＳ増幅回路６を、ＣＭ
ＯＳセンサ回路５を配置したダイアフラムの辺に隣接す
る辺にＣＭＯＳセンサ回路５と平行に配置した例であ
る。これらの場合も、同様の効果が得られる。図９
（ｃ）は、図１の実施例にほぼ対応するＣＭＯＳセンサ
回路５ａとＣＭＯＳ増幅回路６ｂからなる第１の回路に
対称的に、第２の回路を構成するＣＭＯＳセンサ回路５
ｂとＣＭＯＳ増幅回路６ｂを配置した例である。第２の
回路では第１の回路と逆に、ＣＭＯＳセンサ回路５ｂを
ほぼダイアフラム中央部に、ＣＭＯＳ増幅回路６ｂを周
辺部に配置している。この様に配置して、第１，第２の
回路により差動回路を構成すれば、第１，第２の回路で
互いに逆方向出力が得られるから、一層の高感度化が図
られる。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、圧
力等に感応してチャネルコンダクタンス変化に伴う動作
点変動を出力とするＣＭＯＳセンサ回路と、これと同じ
素子パラメータを持って形成されたＣＭＯＳ増幅回路と
を組み合わせた半導体センサであって、ＣＭＯＳセンサ
回路とＣＭＯＳ増幅回路とを共に圧力等に感応して動作
点変動を示すように配置して高感度特性を示すセンサを
得ることができる。
力等に感応してチャネルコンダクタンス変化に伴う動作
点変動を出力とするＣＭＯＳセンサ回路と、これと同じ
素子パラメータを持って形成されたＣＭＯＳ増幅回路と
を組み合わせた半導体センサであって、ＣＭＯＳセンサ
回路とＣＭＯＳ増幅回路とを共に圧力等に感応して動作
点変動を示すように配置して高感度特性を示すセンサを
得ることができる。
【図１】 この発明の一実施例による圧力センサチップ
の構成を示す。
の構成を示す。
【図２】 同実施例の要部構造を拡大して示す。
【図３】 同実施例の圧力センサの等価回路を示す。
【図４】 同実施例の圧力センサの基本動作を説明する
ための図である。
ための図である。
【図５】 同実施例のダイアフラム変形と応力分布を示
す。
す。
【図６】 同実施例の圧力センサの感度向上の動作を説
明するための図である。
明するための図である。
【図７】 この発明の好ましいＣＭＯＳ増幅回路レイア
ウト範囲を示す。
ウト範囲を示す。
【図８】 他の実施例の加速度センサの構成を示す。
【図９】 他の実施例の圧力センサのレイアウトを示
す。
す。
１…シリコン基板、２…ダイアフラム、３…周辺厚肉
部、４…境界、５…ＣＭＯＳセンサ回路、６…ＣＭＯＳ
増幅回路、ＱP1，ＱP2…ＰＭＯＳトランジスタ、ＱN1，
ＱN2…ＮＭＯＳトランジスタ。
部、４…境界、５…ＣＭＯＳセンサ回路、６…ＣＭＯＳ
増幅回路、ＱP1，ＱP2…ＰＭＯＳトランジスタ、ＱN1，
ＱN2…ＮＭＯＳトランジスタ。
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体基板と、 この基板上に形成されて入出力端を短絡したＣＭＯＳイ
ンバータにより構成され、検出すべき物理量に感応する
動作点変動をセンサ信号として出力するＣＭＯＳセンサ
回路と、 前記基板上に前記ＣＭＯＳセンサ回路と同じ素子パラメ
ータをもって形成されて前記検出すべき物理量に感応し
て動作点が前記ＣＭＯＳセンサ回路の動作点変動と逆方
向に変動すると共に前記ＣＭＯＳセンサ回路からのセン
サ信号を増幅するＣＭＯＳ増幅回路とを有することを特
徴とする半導体センサ。 - 【請求項２】 ダイアフラムが加工された半導体基板
と、 前記ダイアフラムに形成されて、ダイアフラムにかかる
応力に感応するチャネルコンダクタンス変化による動作
点変動をセンサ信号として出力するＣＭＯＳセンサ回路
と、 このＣＭＯＳセンサ回路からのセンサ信号を増幅すべく
前記ダイアフラムに形成されて、ダイアフラムにかかる
応力に感応するチャネルコンダクタンス変化により動作
点が変動するＣＭＯＳ増幅回路とを備え、 前記ＣＭＯＳセンサ回路と前記ＣＭＯＳ増幅回路とは、
前記ダイアフラム上の、応力がかかったときの動作点変
動が互いに逆方向となる位置に形成されていることを特
徴とする半導体センサ。 - 【請求項３】 前記ＣＭＯＳセンサ回路を構成するＰＭ
ＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタは、チャネ
ル方向が前記ダイアフラムの周辺厚肉部との境界に垂直
でかつチャネル領域が前記境界に沿うように形成され、 前記ＣＭＯＳ増幅回路のＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭ
ＯＳトランジスタは、前記ＣＭＯＳセンサ回路のＰＭＯ
Ｓトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタと平行になる
ようにダイアフラム中央付近に形成されていることを特
徴とする請求項２記載の半導体センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8313700A JPH10153498A (ja) | 1996-11-25 | 1996-11-25 | 半導体センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8313700A JPH10153498A (ja) | 1996-11-25 | 1996-11-25 | 半導体センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10153498A true JPH10153498A (ja) | 1998-06-09 |
Family
ID=18044474
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8313700A Pending JPH10153498A (ja) | 1996-11-25 | 1996-11-25 | 半導体センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10153498A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009107562A1 (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-03 | 日本電気株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
| US9089055B2 (en) | 2012-09-11 | 2015-07-21 | Seiko Epson Corporation | Electronic device, method of manufacturing the same, and oscillator |
-
1996
- 1996-11-25 JP JP8313700A patent/JPH10153498A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009107562A1 (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-03 | 日本電気株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
| US9089055B2 (en) | 2012-09-11 | 2015-07-21 | Seiko Epson Corporation | Electronic device, method of manufacturing the same, and oscillator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7544940B2 (en) | Semiconductor device including vanadium oxide sensor element with restricted current density | |
| US6870236B2 (en) | Integrated resistor network for multi-functional use in constant current or constant voltage operation of a pressure sensor | |
| US6718830B1 (en) | Customized span compensation of SOI pressure sensor | |
| WO2014203525A1 (ja) | 増幅回路及び増幅回路ｉｃチップ | |
| WO2011092563A1 (ja) | 圧力センサ | |
| US20170045407A1 (en) | Semiconductor physical quantity sensor device | |
| JPH0159525B2 (ja) | ||
| JPH07294283A (ja) | 利得回路への入力信号における温度による変動を補償する方法および装置 | |
| JP4045979B2 (ja) | 圧力検出装置 | |
| US4683429A (en) | Electrical circuit which is linearly responsive to changes in magnetic field intensity | |
| EP1718932B1 (en) | Series bridge circuit | |
| JPH0972805A (ja) | 半導体センサ | |
| JPH10153498A (ja) | 半導体センサ | |
| US6072339A (en) | Current sensing circuit with high input impedance | |
| JP2553826B2 (ja) | 半導体センサ | |
| JP3237256B2 (ja) | 加速度検出回路 | |
| JPH09270523A (ja) | 半導体センサ | |
| KR101096220B1 (ko) | 차동 증폭기 및 그의 레이아웃 방법 | |
| JP2001165797A (ja) | 半導体圧力センサ装置 | |
| EP3168576B1 (en) | Differential amplifier for hall effect bridge transducer | |
| JP4424762B2 (ja) | 圧力センサー | |
| JPH05203682A (ja) | 半導体センサ | |
| JPH11183507A (ja) | 半導体センサ | |
| JPH04209575A (ja) | 化合物半導体センサユニット | |
| JPH0529634A (ja) | 半導体センサ |