JPS61222178A - 電界効果型圧力センサ - Google Patents
電界効果型圧力センサInfo
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- JPS61222178A JPS61222178A JP5260285A JP5260285A JPS61222178A JP S61222178 A JPS61222178 A JP S61222178A JP 5260285 A JP5260285 A JP 5260285A JP 5260285 A JP5260285 A JP 5260285A JP S61222178 A JPS61222178 A JP S61222178A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0098—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means using semiconductor body comprising at least one PN junction as detecting element
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
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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。
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〉
本発明は大気中及び液体中の圧力変化を電気信号出力と
して取り出すことのできる圧力センサに関するものであ
る。
して取り出すことのできる圧力センサに関するものであ
る。
〈発明の概要〉；
本発明は圧力変化を電気信号出力として取り出す圧力セ
ンサにおいて、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜
上部に空洞室または圧力によって伸縮する絶縁層を設は
ると共に、圧力により可動変形可能なゲート電極を上記
の空洞室または絶縁層＼を介してゲート絶縁膜上に形成
することにより、圧力を電界効果型トランジスタのドレ
イン電流変化として検知するようにしたものである。
ンサにおいて、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜
上部に空洞室または圧力によって伸縮する絶縁層を設は
ると共に、圧力により可動変形可能なゲート電極を上記
の空洞室または絶縁層＼を介してゲート絶縁膜上に形成
することにより、圧力を電界効果型トランジスタのドレ
イン電流変化として検知するようにしたものである。
〈従来の技術〉
従来より大気中又は液体中の圧力測定にはブルドン管、
ベローズ、ダイヤフラム等の機械的変化を用いた圧力測
定が行なわれており、安価で手軽であることから一般的
に広く利用されている。しかしながら、エレクトロニク
ス技術の発達によりこれに即応させるため圧力変化を電
気信号出力として測定する圧力センサの開発が要望され
ている。
ベローズ、ダイヤフラム等の機械的変化を用いた圧力測
定が行なわれており、安価で手軽であることから一般的
に広く利用されている。しかしながら、エレクトロニク
ス技術の発達によりこれに即応させるため圧力変化を電
気信号出力として測定する圧力センサの開発が要望され
ている。
圧力変化を電気信号出力として測定する圧力センサは、
データ処理システムと容易に接続することができ、自動
計測及び自動制御が容易でまた直接電気信号として測定
値を出力することは圧力を高精度で測定可能にするばか
りでなく、応答速度も速くなり小型軽量化し易いという
利点も得られる。
データ処理システムと容易に接続することができ、自動
計測及び自動制御が容易でまた直接電気信号として測定
値を出力することは圧力を高精度で測定可能にするばか
りでなく、応答速度も速くなり小型軽量化し易いという
利点も得られる。
従って従来より次の様な種々のタイプの圧カセ７−）１
−が研究開発されている。
−が研究開発されている。
（１１金属箔の歪ゲージを金属ダイヤフラムに取り付け
た圧力センサ ｆ２１Ｓｉダイヤフラム型圧カセンサ １３１ ＰＶＤＦ、ＺｎＯ等の圧電材料を用いた圧力
センサ （４） 水晶式圧力センサ （５） 容量変化を利用した圧力センサ〈発明が解決
しようとする問題点〉 上記の如き従来の圧力センサにおいて。
た圧力センサ ｆ２１Ｓｉダイヤフラム型圧カセンサ １３１ ＰＶＤＦ、ＺｎＯ等の圧電材料を用いた圧力
センサ （４） 水晶式圧力センサ （５） 容量変化を利用した圧力センサ〈発明が解決
しようとする問題点〉 上記の如き従来の圧力センサにおいて。
（１）の金属箔の歪ゲージを金属ダイヤフラムに取り付
けた圧力センサはダイヤフラムが圧力によって変形する
ことにより金属箔が歪み、この歪みによって金属箔の電
気的抵抗が変化することを利用した圧力センサで、高圧
測定を可能とし、また温度特性や長期安定性に優れてい
るという利点を有する反面、感度が小さく小型軽量化が
困難であるという欠点を有している。
けた圧力センサはダイヤフラムが圧力によって変形する
ことにより金属箔が歪み、この歪みによって金属箔の電
気的抵抗が変化することを利用した圧力センサで、高圧
測定を可能とし、また温度特性や長期安定性に優れてい
るという利点を有する反面、感度が小さく小型軽量化が
困難であるという欠点を有している。
（２）のＳｉダイヤフラム型圧カセンサＨ５ｉ結晶に圧
力を加えることによりＳｉの比抵抗が変化するピエゾ抵
抗効果を利用しており、Ｓｉを材料として用いているの
で半導体技術の利用により大量生産が可能で周辺回路と
一体化し易い特長を有する反面、温度依存性が大きく温
度補償回路が必要となる。温度補償回路とＳｉ圧力セン
サを同−Ｓｉ基板に一体化した圧力センサも作製されて
いるが１価格が高く、さらにＳｉダイヤフラムの機械的
強度が弱いため素子が破損し易いという欠点を有してい
る。
力を加えることによりＳｉの比抵抗が変化するピエゾ抵
抗効果を利用しており、Ｓｉを材料として用いているの
で半導体技術の利用により大量生産が可能で周辺回路と
一体化し易い特長を有する反面、温度依存性が大きく温
度補償回路が必要となる。温度補償回路とＳｉ圧力セン
サを同−Ｓｉ基板に一体化した圧力センサも作製されて
いるが１価格が高く、さらにＳｉダイヤフラムの機械的
強度が弱いため素子が破損し易いという欠点を有してい
る。
（３）のＰＶＤＦ 、ＺｎＯ等の圧電材料を用いた圧力
センサは、これら圧電材料が圧力を受けて歪むことによ
り起電力を生じる圧電効果を利用した圧力センサで、小
型軽量、出Ａが大きいなどの長所を持っている反面、精
度が低く、振動等によるノイズを拾い易い欠点を有して
いる。
センサは、これら圧電材料が圧力を受けて歪むことによ
り起電力を生じる圧電効果を利用した圧力センサで、小
型軽量、出Ａが大きいなどの長所を持っている反面、精
度が低く、振動等によるノイズを拾い易い欠点を有して
いる。
（４）の水晶式圧力センサは水晶の発振周波数が圧力に
対して直線的に変化することを利用したものｒあるが、
高価で小型軽量化が困難であるという欠点を有している
。
対して直線的に変化することを利用したものｒあるが、
高価で小型軽量化が困難であるという欠点を有している
。
ｉ５１ ｔｆダイヤフラムの移動゛を静電容量変化とし
て把らえる圧力センサであり、最近Ｓｉダイヤフラムを
用いた超小型な静電容量変化型圧力センサグ開発され、
ピエゾ抵抗効果を利用したＳｉ圧力センサより高感度で
安定性が良いことが指摘されている。しかしながら、超
小形な静電容量変化型圧力センサは静電容量の値が非常
に小さく、すなわち、インピーダンスが非常に高く、外
部ノイズによる影響を受けやすい欠点を有している。
て把らえる圧力センサであり、最近Ｓｉダイヤフラムを
用いた超小型な静電容量変化型圧力センサグ開発され、
ピエゾ抵抗効果を利用したＳｉ圧力センサより高感度で
安定性が良いことが指摘されている。しかしながら、超
小形な静電容量変化型圧力センサは静電容量の値が非常
に小さく、すなわち、インピーダンスが非常に高く、外
部ノイズによる影響を受けやすい欠点を有している。
以上の如く、従来開発されている圧力センサは性能また
は価格的に充分なものでなく、実用化にあたって種々の
問題′点を有していた。
は価格的に充分なものでなく、実用化にあたって種々の
問題′点を有していた。
本発明はこのような点に鑑みて創案されたもので、電界
効果型トランジスタを利用することにより２半導体技術
で超小形に安価に製作することを可能にした新規有用な
圧力センサを提供することを目的としている。
効果型トランジスタを利用することにより２半導体技術
で超小形に安価に製作することを可能にした新規有用な
圧力センサを提供することを目的としている。
く問題点を解決するための手段〉
本発明の電界効果型′圧力センサは、電界効果型トラン
ジスタのゲート絶縁膜上部に空洞室または圧力によって
伸縮する絶縁層を設け、圧力により可動変形可能なゲー
ト電極を上記の空洞室または絶縁層を介して上記のゲー
ト絶縁膜上に形成するように構成している。
ジスタのゲート絶縁膜上部に空洞室または圧力によって
伸縮する絶縁層を設け、圧力により可動変形可能なゲー
ト電極を上記の空洞室または絶縁層を介して上記のゲー
ト絶縁膜上に形成するように構成している。
く作 用〉
上記の如き構成により、ゲート絶縁膜上に空洞室または
伸縮可能な絶縁膜を介して設けられたゲート電極が圧力
Ｓこよって可動変形することによりゲート電極とゲート
絶縁膜の間隔が変化してチャネルに印加される電界強度
が変化し、その結果。
伸縮可能な絶縁膜を介して設けられたゲート電極が圧力
Ｓこよって可動変形することによりゲート電極とゲート
絶縁膜の間隔が変化してチャネルに印加される電界強度
が変化し、その結果。
圧力が電界効果型トランジスタのドレイン電流変化とし
て検知されることになる。
て検知されることになる。
〈実施例〉
実施例の説明に先立って本発明の電界効果型圧力センサ
の動作原理を今少し説明すると１本発明の電界効果型圧
力センサは、電界効果型トランジスタのドレイン電流が
チャネルに印加される電界によって変化する事及び、チ
ャネル上部のゲート電極をゲート絶縁膜上に空洞室また
は伸縮可能な絶縁膜を介して設けることにより、ゲート
電極が圧力に上って可動変形し、ゲート電極とゲート絶
縁膜の間隔が変化して、チャネルに印加される電界強度
が変わることを利用したものである・次に本発明の一実
施例としての電界効果型圧力センサを構造模式図を用い
て更に詳細に説明する。
の動作原理を今少し説明すると１本発明の電界効果型圧
力センサは、電界効果型トランジスタのドレイン電流が
チャネルに印加される電界によって変化する事及び、チ
ャネル上部のゲート電極をゲート絶縁膜上に空洞室また
は伸縮可能な絶縁膜を介して設けることにより、ゲート
電極が圧力に上って可動変形し、ゲート電極とゲート絶
縁膜の間隔が変化して、チャネルに印加される電界強度
が変わることを利用したものである・次に本発明の一実
施例としての電界効果型圧力センサを構造模式図を用い
て更に詳細に説明する。
第２図は一般的な電界効果型トランジスタの構造模式図
である。
である。
第２図において、シリコン基板１にソース２゜ドレイン
３が形成され、さらに金属酸化物からなるゲート絶縁膜
５がチャネル４の上部に形成された構造をしており、ゲ
ート絶縁膜５上句ゲート電極６を用いてチャネルに印加
する電界を変える。
３が形成され、さらに金属酸化物からなるゲート絶縁膜
５がチャネル４の上部に形成された構造をしており、ゲ
ート絶縁膜５上句ゲート電極６を用いてチャネルに印加
する電界を変える。
この場合のドレイン電流ＩＤｄ
ＩＤ＝ ”、”、” （Ｖｏ−Ｖ、、） ・ｉｌｌで表
わされる。ここでμはキャリア移動度、Ｗ。
わされる。ここでμはキャリア移動度、Ｗ。
Ｌ、ｖＴＨは電界効果型トランジスタ素子のチャネル長
、チャネル幅及び閾値電圧を示し、Ｃ１ｔｉゲート絶縁
膜５の静電容量、ｖｏはゲート電圧でである。
、チャネル幅及び閾値電圧を示し、Ｃ１ｔｉゲート絶縁
膜５の静電容量、ｖｏはゲート電圧でである。
第１図は、本発明の一実施例としての電界効果型圧力セ
ンサの構造を模式的に示す図であり、８！１図において
、ｌはシリコン基板、２はソース、３はドレイン、４は
チャネル、５はゲート絶縁膜。
ンサの構造を模式的に示す図であり、８！１図において
、ｌはシリコン基板、２はソース、３はドレイン、４は
チャネル、５はゲート絶縁膜。
６はゲート電極、７は空洞室であり、また８は圧力を示
している。
している。
本発明に係る電界効果型圧力センサの構造は第１図に示
すように、ゲート電極６がゲート絶縁膜５上に直接形成
されず、空洞室７を介して形成されている。ここでゲー
ト電極６はダイヤフラムと同様に圧力によって可動変形
する特長を有している。この場合のドレイン電流は Ｗ・μ・Ｃ面ｘ２ Ｉ−（Ｖ−Ｖ） ・・・（２） Ｄ ２Ｌ Ｇ Ｔで表わされる
。
すように、ゲート電極６がゲート絶縁膜５上に直接形成
されず、空洞室７を介して形成されている。ここでゲー
ト電極６はダイヤフラムと同様に圧力によって可動変形
する特長を有している。この場合のドレイン電流は Ｗ・μ・Ｃ面ｘ２ Ｉ−（Ｖ−Ｖ） ・・・（２） Ｄ ２Ｌ Ｇ Ｔで表わされる
。
ここでＣｍ１ｘはゲート絶縁膜５の静電容量Ｃｉと空洞
室７の静電容量ＣＣａＶ−すなわちゲート絶縁膜５とゲ
ート電極６の中空間隔で形成される静電容量とを直列結
合した場合の混成静電容量であり、次式で与えられる◎ ここで空洞室容量ｃｃａｖ Ｉｉゲート絶縁膜５とゲー
ト電極６との間隔によって変わり、この間隔は雰囲気圧
力に依存して変化する。
室７の静電容量ＣＣａＶ−すなわちゲート絶縁膜５とゲ
ート電極６の中空間隔で形成される静電容量とを直列結
合した場合の混成静電容量であり、次式で与えられる◎ ここで空洞室容量ｃｃａｖ Ｉｉゲート絶縁膜５とゲー
ト電極６との間隔によって変わり、この間隔は雰囲気圧
力に依存して変化する。
今、ゲート絶縁膜として０．５μｍの二酸化シリコン膜
（誘電率４）を用Ａ、空洞間隔を圧力を印加しない初期
に５μｍとすると、ゲート絶縁膜容量Ｃｉは７．０８ｎ
Ｆ、空気で満たされている空洞室容量Ｃ６ａｙは０．１
８ｎＦ、混成静電容量Ｃｍｌ工は０．１８ｎＦとなる。
（誘電率４）を用Ａ、空洞間隔を圧力を印加しない初期
に５μｍとすると、ゲート絶縁膜容量Ｃｉは７．０８ｎ
Ｆ、空気で満たされている空洞室容量Ｃ６ａｙは０．１
８ｎＦ、混成静電容量Ｃｍｌ工は０．１８ｎＦとなる。
ここで、加圧により空洞間隔が４μｍに変化すると、混
成静電容量Ｃｍ１ｘは０．２２ｎＦと変化する。この事
は無加圧状態における初期のドレイン電流が加圧によっ
て１７％の電流増加を生じることを示しており、とのド
レイン電流変化を測定することによって、雰囲気圧力を
検知することができる。
成静電容量Ｃｍ１ｘは０．２２ｎＦと変化する。この事
は無加圧状態における初期のドレイン電流が加圧によっ
て１７％の電流増加を生じることを示しており、とのド
レイン電流変化を測定することによって、雰囲気圧力を
検知することができる。
なお、第１図において、ゲート電極として可動変形が安
易な金属薄膜を用いて形成したが、本発明はこれに限定
されるものではなく１例えば金属薄膜の代わりに、弾性
の優れた高分子化合物を用いて空洞室を密閉して圧力に
よって伸縮する絶縁層を形成し、その上にゲート電極を
形成しても。
易な金属薄膜を用いて形成したが、本発明はこれに限定
されるものではなく１例えば金属薄膜の代わりに、弾性
の優れた高分子化合物を用いて空洞室を密閉して圧力に
よって伸縮する絶縁層を形成し、その上にゲート電極を
形成しても。
電界効果型圧力センサとして動作可能であることは言う
までもない。
までもない。
〈発明の効果〉
以上に述べた様に、電界効果トランジスタを利用した本
発明に係る電界効果型圧力センサは従来の圧力センサと
比較して次の様な特長を有する。
発明に係る電界効果型圧力センサは従来の圧力センサと
比較して次の様な特長を有する。
Ｔｌ＋ 半導体技術を用いて作製することか可能であ
るため、素子を超小形でしかも大量に作製することが出
来る。
るため、素子を超小形でしかも大量に作製することが出
来る。
１２１ｓｉピ工ゾ抵抗式およびＳｉダイヤフラムを用い
たキャパシタンス変化型圧力センサでは。
たキャパシタンス変化型圧力センサでは。
ダイヤフラム材料がＳｉに限られているが１本発明によ
る電界効果型圧力センサにおいては、ダイヤフラム材料
を幅広く選定することができる。
る電界効果型圧力センサにおいては、ダイヤフラム材料
を幅広く選定することができる。
（３）タイヤフラム材料を幅広く選定することができる
ため、圧力の測定精度、測定範囲を自由に設計すること
ができる。
ため、圧力の測定精度、測定範囲を自由に設計すること
ができる。
＋４１ｓｉキヤパシタンス型圧力センサでは、交流駆動
が必要で出力インピーダンスが高い欠点を有しているが
１本発明の電界効果型圧力センサでは、直流駆動を行な
うことができ、出力インピーダンスが低い。
が必要で出力インピーダンスが高い欠点を有しているが
１本発明の電界効果型圧力センサでは、直流駆動を行な
うことができ、出力インピーダンスが低い。
更にまた、本圧力センサはＳｉ基板を用いて作製した場
合には、センサと信号処理回路等の周辺回路を一体化し
た。−チップデバイスの実現が可能となり、雰囲気圧力
を安価に測定できる。
合には、センサと信号処理回路等の周辺回路を一体化し
た。−チップデバイスの実現が可能となり、雰囲気圧力
を安価に測定できる。
第１図は本発明の一実施例としての電界効果型圧力セン
サの構造を模式的に示す図、第２図は一般的な電界効果
型圧力センサの構造を模式的に示す図である。 ｌ・・・シ！Ｊｌ：４板、２・・・ソース、３・・・ド
レイン。 ４・・・チャネル、５・・・ゲート絶縁膜、６・・・ゲ
ート電極、７・・・空洞室、８・・・圧力。
サの構造を模式的に示す図、第２図は一般的な電界効果
型圧力センサの構造を模式的に示す図である。 ｌ・・・シ！Ｊｌ：４板、２・・・ソース、３・・・ド
レイン。 ４・・・チャネル、５・・・ゲート絶縁膜、６・・・ゲ
ート電極、７・・・空洞室、８・・・圧力。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜上部に空洞
室または圧力によって伸縮する絶縁層を設け、 圧力により可動変形可能なゲート電極を上記空洞室また
は絶縁層を介して上記ゲート絶縁膜上に形成して成り、 圧力を電界効果型トランジスタのドレイン電流変化とし
て検知するようにしたことを特徴とする電界効果型圧力
センサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5260285A JPS61222178A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 電界効果型圧力センサ |
| DE19863608633 DE3608633A1 (de) | 1985-03-15 | 1986-03-14 | Drucksensor |
| GB08606484A GB2174839A (en) | 1985-03-15 | 1986-03-17 | Pressure sensitive field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5260285A JPS61222178A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 電界効果型圧力センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61222178A true JPS61222178A (ja) | 1986-10-02 |
Family
ID=12919333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5260285A Pending JPS61222178A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 電界効果型圧力センサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61222178A (ja) |
| DE (1) | DE3608633A1 (ja) |
| GB (1) | GB2174839A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61222179A (ja) * | 1985-03-27 | 1986-10-02 | Nec Corp | 半導体装置 |
| US5503017A (en) * | 1993-05-21 | 1996-04-02 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor acceleration sensor |
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