JPS62147335A - Electric field effect type pressure sensor - Google Patents

Electric field effect type pressure sensor

Info

Publication number
JPS62147335A
JPS62147335A JP28820085A JP28820085A JPS62147335A JP S62147335 A JPS62147335 A JP S62147335A JP 28820085 A JP28820085 A JP 28820085A JP 28820085 A JP28820085 A JP 28820085A JP S62147335 A JPS62147335 A JP S62147335A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pressure
change
field effect
gate electrode
cavity
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
Application number
JP28820085A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hisashi Akiyama
久 秋山
Hideji Saneyoshi
実吉 秀治
Masaya Hijikigawa
正也 枅川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP28820085A priority Critical patent/JPS62147335A/en
Priority to DE19863635462 priority patent/DE3635462A1/en
Priority to GB8625084A priority patent/GB2183906B/en
Publication of JPS62147335A publication Critical patent/JPS62147335A/en
Priority to US07/338,545 priority patent/US4894698A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make it possible to suppress the change in output due to the change in temp. or a secular change, by detecting the pressure difference between a measuring atmosphere and a cavity chamber as the change in the drain current of an electric field effect transistor. CONSTITUTION:A lower gate electrode 7 is formed on the gate insulating film 5 of an electric field effect transistor and a spacer 11 is further applied to said electrode 7. Next, the spacer on the gate region is removed by etching and an upper gate electrode 6 comprising a metal film is subsequently formed on the residual spacer 11. A fine aperture 9 is preliminarily opened to a silicon substrate 1 to communicate a cavity chamber 8 with the outside. By the above mentioned constitution, a pressure sensor grasps such a state that the electrostatic capacity of a condenser constituted of a lower gate electrode 7 and an upper electrode 6 changes by pressure difference 10 across the cavity chamber 8 above the gate region of the electric field effect transistor as the output change of the electric field effect transistor, that is, the change in a drain current to detect pressure. By this method, the output change of a sensor by temp. change or a secular change can be suppressed.

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 未発明は大気中及び液体中の参照雰囲気との圧力差を電
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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a pressure sensor capable of extracting the pressure difference between the atmosphere and a reference atmosphere in a liquid as an electrical signal output.

〈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t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
に広く利用されてめる。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rる。
<Prior art> Bourdon tubes,
The t-pressure is measured using mechanical changes in bellows, diaphragms, etc., and it is generally widely used because it is cheap and easy. However, with the development of electronics technology, there is a demand for the development of a pressure sensor that measures pressure changes as an electrical signal output in order to respond quickly to this trend.

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てき、自動
計測及び自動制御が容易でまた直接醤 電気信号として測定値を出力することは圧力楓高精度で
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。
A pressure sensor that measures pressure changes as an electrical signal output is
It can be easily connected to a data processing system, automatic measurement and automatic control are easy, and direct output of measured values as electric signals not only enables pressure measurement with high accuracy but also has a fast response speed. It also has the advantage of being easy to reduce in size and weight.

従って従来より次の様な種々のタイプの圧力センサか研
究開発されている。
Therefore, various types of pressure sensors have been researched and developed as follows.

(1)  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 (21Siダイヤフラム型圧カセンサ +3+  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 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て、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■化が困難であるとい
う欠点を有している。
(1) Pressure sensor with a metal foil strain gauge attached to a metal diaphragm (21Si diaphragm type pressure sensor + 3+ Pressure sensor using piezoelectric material such as PVDF, ZnO, etc.) (4) Crystal pressure sensor (5) Using capacitance change Pressure sensor In the conventional pressure sensor as described above, in the pressure sensor (1) in which a metal foil strain gauge is attached to a metal diaphragm, the metal foil is distorted when the diaphragm is deformed by pressure, and this distortion causes the electrical Pressure sensors that utilize changes in resistance have the advantage of being able to measure high pressures and have excellent temperature characteristics and long-term stability, but have the disadvantages of low sensitivity and being difficult to miniaturize. are doing.

(2)の81ダイヤフラム型圧カセンサはS i fa
 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、Sik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−S1基板に一体化した圧力センサも作
製されているが、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。
(2) 81 diaphragm type pressure sensor is S i fa
It utilizes the piezoresistance effect in which the specific resistance of Si changes by applying pressure to the crystal, and since it is used as a SiK material, it has the advantage of being mass-produced using semiconductor technology and easy to integrate with peripheral circuits. , the temperature dependence is large and a temperature compensation circuit is required. Temperature compensation circuit and Si
A pressure sensor in which the pressure sensor is integrated with the same -S1 substrate has also been manufactured, but it has the disadvantage that it is expensive and the element is easily damaged because the mechanical strength of the Si diaphragm is weak.

(3)のPVDF 、Z no等の圧電材料を用いた圧
力センサは、これら圧′亀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土丹 力センサで、小型軽借、出力が大きいなどの可所を持っ
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。
(3) Pressure sensors using piezoelectric materials such as PVDF and Z no. Although it has advantages such as high output, it has low accuracy and tends to pick up noise due to vibration etc.

(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念ものであるが、
高価で小型怪量化が困難であるとhう欠点を有している
The crystal pressure sensor (4) uses the fact that the oscillation frequency of the crystal changes linearly with pressure, but
It has the drawbacks of being expensive and difficult to make small and bulky.

(51はダイヤフラムの移動を静電界■変化として把ら
える圧力センサてあり、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が開発され、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
が良りことが指摘されて力る。しかしながら、超小型な
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
ズしてよる影響を受はシすい欠点を有している。
(No. 51 is a pressure sensor that detects the movement of a diaphragm as a change in the electrostatic field.Recently, an ultra-compact capacitance variable pressure sensor using a Si diaphragm has been developed, and it is better than a Si pressure sensor using a piezoresistive effect. It has been pointed out that it has high sensitivity and good stability.However, ultra-compact capacitance variable pressure sensors have a very small capacitance value, which means they have a very high impedance and are susceptible to external noise. However, it has some drawbacks.

以上の如く、従来開発されている圧力センサは性能寸た
は価格的に充分なものでなく、実用化にあたっては種々
の問題点を有していた。
As described above, the pressure sensors that have been developed so far have not been satisfactory in terms of performance or price, and have had various problems when put into practical use.

太田願人はこのような点に鑑みて、先vc電界効果型ト
ランジスタを利用することにより、半導体技術で超小型
に安価に製作することを可能にした新規汀用な圧力セン
サを特願昭60−52602号として提案している。
In view of these points, Ganto Ota filed a special patent application in 1983 for a new pressure sensor for seawater use, which could be manufactured ultra-small and inexpensively using semiconductor technology by using VC field-effect transistors. It is proposed as No.-52602.

本山願人が先に提案した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
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、ゲート絶縁膜上に空洞室を介して設けられたゲート
電極が圧力に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、圧力を電界効果トランジ
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。
The field-effect pressure sensor proposed earlier by Ganto Motoyama has a cavity above the gate insulating film of a field-effect transistor, and the gate electrode, which can be moved and deformed by pressure, is connected to the gate insulator through the cavity. When the gate electrode, which is provided on the gate insulating film through a cavity, is movably deformed by pressure, the distance between the gate electrode and the gate insulating film changes, and the voltage is applied to the channel. As a result, the pressure is detected as a change in the drain current of the field effect transistor.

〈発明が解決しようとする問題点〉 水出願人が先に提案した電界効果型圧力センサは、上述
のように、ゲート絶縁膜上に空洞室を介して設けられた
ゲート電極が圧力に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もの
であるが、その後種々検討した結果、温度変化、経年変
化による出力変化が比較的大きい等の問題点が見出され
た。
<Problems to be solved by the invention> As mentioned above, the field-effect pressure sensor proposed by Mizu et al. As a result, the distance between the gate electrode and the gate insulating film changes and the electric field strength applied to the channel changes, and as a result, the pressure is detected as a change in the drain current of the field effect transistor. As a result of the study, problems were found, such as relatively large output changes due to temperature changes and aging.

即ち、太田願人が先に提案した電界効果型圧力センサに
おいては、その構造上、空洞室を一定の圧力または真空
に保つようにした絶対圧式の圧力センサを構成している
That is, the field-effect pressure sensor previously proposed by Ganto Ohta is an absolute pressure sensor that maintains a cavity at a constant pressure or vacuum due to its structure.

この絶対圧式電界効果型圧力センサは、空洞室を一定の
圧力又は真空に保持し、外雰囲気の圧力変化によって電
界効果型トランジスタのゲート絶縁膜上部の金属膜ダイ
ヤフラムが可動変形することを利用したものである。こ
の様な絶対圧式圧力センサにおいて、空洞室は常時、経
年変化に影グされずに一定の圧力又は真空に保つ必要が
あるため、空洞室を完全に気密化する必要があり、空洞
室を形成するためのスペーサ材料を厳選しなければなら
ず、又、スペーサーと金属膜ダイヤフラムの密着性も充
分高くする必要がある。
This absolute pressure type field effect pressure sensor maintains a cavity at a constant pressure or vacuum, and utilizes the movable deformation of a metal film diaphragm on top of the gate insulating film of a field effect transistor due to pressure changes in the outside atmosphere. It is. In such an absolute pressure sensor, the cavity must be kept at a constant pressure or vacuum at all times without being affected by aging, so it is necessary to make the cavity completely airtight. Therefore, the spacer material must be carefully selected, and the adhesion between the spacer and the metal film diaphragm must be sufficiently high.

更に、密閉空洞室を一定圧力に設定するように構成した
場合、空洞室の温度による圧力変動が大きく、温度変化
によって金属膜ダイヤフラムが変位し、電界効果型トラ
ンジスタの出力が変化する問題点があった。
Furthermore, if the sealed cavity is configured to have a constant pressure, there is a problem in that the pressure fluctuates greatly depending on the temperature of the cavity, and the metal membrane diaphragm is displaced due to temperature changes, causing a change in the output of the field effect transistor. Ta.

本発明は、このような点に鑑みて創案されたもので、水
出願人が先に提案した電界効果型圧力センサに改良を加
えることにより、温度変化、経年変化等による出力変化
を極力抑制し得るようにした新規有用な差圧式の電界効
果型圧力センサを提供することを目的としている。
The present invention was devised in view of these points, and by improving the field-effect pressure sensor previously proposed by Mizu, it suppresses output changes due to temperature changes, aging, etc. as much as possible. The object of the present invention is to provide a new and useful differential pressure type field effect pressure sensor.

く問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、未発明の電界効果型圧力セ
ンサは、半導体基板を用いた電界効果型トランジスタの
ゲート絶縁膜上部に空洞室全没けこの空洞室の上に圧力
により可動変形可能なゲート電極を形成し、上記の空洞
室と外部とを連通する紙札を上記の半導体基板に形成す
るように構成している。
Means for Solving the Problems> In order to achieve the above object, an uninvented field effect pressure sensor has a cavity completely submerged above the gate insulating film of a field effect transistor using a semiconductor substrate. A gate electrode movable and deformable by pressure is formed above the chamber, and a paper bill communicating between the cavity chamber and the outside is formed on the semiconductor substrate.

〈作 用〉 上記のような構成により、ゲート絶縁膜上に空洞室を介
して設けられたゲート電極が、測定雰囲気と参照雰囲気
である外気に通じた空洞室との圧力差によって可動変形
することにより、チャネルに印加される電界強度が変化
し、その結果、圧力差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出されることになる。
<Function> With the above configuration, the gate electrode provided on the gate insulating film through the cavity is movably deformed due to the pressure difference between the measurement atmosphere and the cavity communicating with the outside air, which is the reference atmosphere. As a result, the electric field strength applied to the channel changes, and as a result, the pressure difference is detected as a change in the drain current of the field effect transistor.

また、半導体基板に細孔を設けて空洞室と外部とを連通
ずるようにして差圧式の圧力センサとしているため、絶
対圧式圧力センサのように常にダイヤフラムを構成して
^るゲート電極に圧力が加わることなく、圧力差が生じ
た場合のみ、ダイヤフラムが変位するため、常時にはダ
イヤフラムや空洞室を形成するスペーサに歪みが生じる
ことがな−0その結果、温度変化、経年変化等により長
刀変化が生じない、長寿命のセンサが得られることにな
る。
In addition, since the semiconductor substrate is provided with pores to communicate between the cavity and the outside to create a differential pressure type pressure sensor, pressure is always applied to the gate electrode, which forms a diaphragm, like an absolute pressure type pressure sensor. Since the diaphragm displaces only when a pressure difference occurs without any pressure being applied, there is no distortion in the diaphragm or the spacer that forms the cavity under normal conditions.As a result, changes in temperature, aging, etc. This results in a long-life sensor that does not cause any damage.

〈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、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直接下部
(補助)ゲート絶縁膜として設はると共に、ゲート絶縁
膜上に外部と細孔によって連通した空洞室?介して上部
ゲート電極として設けることにより、上部ゲート電極が
測定雰囲気と参照雰囲気である外気に通じた空洞室との
圧力差によって可動変形し、上部ゲート電極と下部ゲー
ト電極で構成されるコンデンサの静電容量が変化して、
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。
<Example> Before explaining the examples, the operating principle of the field effect pressure sensor of the present invention will be briefly explained. change depending on the electric field, and
The gate electrode at the top of the channel is provided directly on the gate insulating film as a lower (auxiliary) gate insulating film, and a cavity is formed on the gate insulating film that communicates with the outside through a pore? By providing the upper gate electrode through the capacitor, the upper gate electrode is movably deformed due to the pressure difference between the measurement atmosphere and the reference atmosphere, which is a hollow chamber that communicates with the outside air. The capacitance changes,
This takes advantage of the fact that the electric field strength applied to the channel changes.

次に未発明の一実施例としての1界効果型圧力センサを
構造模式図を用いて更に詳訓に説明する。
Next, a one-field effect type pressure sensor as an embodiment of the invention will be explained in more detail using a schematic structural diagram.

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、第1図において、
■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は上部ゲート電極(ダイ
ヤフラム)、7は補助(下部)ゲート電極、8は空洞室
、9はシリコン基板IK形成された外部と空洞室8とを
連通ずる細孔であり、またlOは測定雰囲気と空洞室8
との差圧を示している。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a field-effect pressure sensor as an embodiment of the present invention.
■ is a silicon substrate, 2 is a source, 3 is a drain, 4 is a channel, 5 is a gate insulating film, 6 is an upper gate electrode (diaphragm), 7 is an auxiliary (lower) gate electrode, 8 is a cavity, 9 is a silicon substrate It is a pore that communicates between the outside formed by IK and the cavity chamber 8, and IO is a pore that communicates between the measurement atmosphere and the cavity chamber 8.
It shows the differential pressure between

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、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜5上
に補助電極(下部ゲート電極)7全形成し、さらに、そ
の上にスペーサll’rコーティングする。次にゲート
領域上のスペーサをエツチングにより取り除いた後、残
在し念スペーサ(ζ 11の上8金属膜からなる上部ゲート電極6を形成する
。また、シリコン基板1には予め細孔9を開口しておき
、空洞室8と参照雰囲気(外部)とが連通ずるように構
成する。
As shown in FIG. 1, the structure of the field-effect pressure sensor according to the present invention is such that an auxiliary electrode (lower gate electrode) 7 is entirely formed on the gate insulating film 5 of the field-effect transistor, and a spacer 11 is further formed on the auxiliary electrode (lower gate electrode) 7. 'r coat. Next, after removing the spacer on the gate region by etching, an upper gate electrode 6 made of a metal film is formed on the remaining spacer (ζ 11).Furthermore, a pore 9 is previously opened in the silicon substrate 1. In addition, the cavity chamber 8 is configured to communicate with the reference atmosphere (exterior).

このように構成した電界効果型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5の上部が空洞室
8となっており、金属膜からなる上部ゲート電極6と下
部ゲート電極7とでコンデンサを形成してbる。シリコ
ン基板に開けた細孔9全介して空洞室8と参照雰囲気が
連通した状態になっており、測定雰囲気と参照雰囲気と
の圧力差によって空洞室8の上部の金属膜からなる上部
ゲート電極6である金属膜ダイヤフラムが可動変化する
。このダイヤフラムが圧力差によって変位すると、金属
膜である上部ゲート電極6と下部ゲート電極7で構成さ
れる静電容量が圧力差に対応して変化し、ドレイン電流
IDが次式にしたがって変化することになる。
In the field-effect pressure sensor configured in this manner, the upper part of the gate insulating film 5 of the field-effect transistor is a cavity 8, and the upper gate electrode 6 and lower gate electrode 7 made of a metal film form a capacitor. Do it. The cavity chamber 8 and the reference atmosphere are in communication through all the pores 9 made in the silicon substrate, and the upper gate electrode 6 made of a metal film on the upper part of the cavity chamber 8 is caused by the pressure difference between the measurement atmosphere and the reference atmosphere. The metal membrane diaphragm is movably changed. When this diaphragm is displaced due to a pressure difference, the capacitance formed by the upper gate electrode 6 and the lower gate electrode 7, which are metal films, changes in response to the pressure difference, and the drain current ID changes according to the following equation. become.

ここでμはキャリア移動度、L、W、VTHはそれぞれ
電界効果型トランジスタ素子のチャネ/l/長、チャネ
ル幅及び閾値電圧を示し、vGはゲート電圧であり、C
mlえはゲート絶縁膜5の静電容量C1と空洞室8の静
電容量Ccav、すなわち下部ゲート電極7と上部デー
1−電極6の中空間隔て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置てあり、次式で与えられる。
Here, μ is the carrier mobility, L, W, and VTH are the channel/l/length, channel width, and threshold voltage of the field effect transistor element, respectively, vG is the gate voltage, and C
ml is a case where the capacitance C1 of the gate insulating film 5 and the capacitance Ccav of the cavity chamber 8, that is, the capacitance formed by the hollow space between the lower gate electrode 7 and the upper electrode 6 are coupled in series. There is a hybrid capacitor of , which is given by the following equation.

ここで空洞室容量C6aVは上述のように下部ゲート電
極7と上部ゲート電極6との間隔によって変わり、この
間隔は測定雰囲気と参照雰囲気との圧力差に依存して変
化する。
Here, the cavity capacitance C6aV changes depending on the distance between the lower gate electrode 7 and the upper gate electrode 6 as described above, and this distance changes depending on the pressure difference between the measurement atmosphere and the reference atmosphere.

電界効果型圧力センサは、電界効果トランジスタのゲー
トM域上部の空洞室8を隔てて下部ゲート電極7と上部
ゲート電極(金属膜ダイヤフラム)6で構成されるコン
デンサの静電容量が圧力差によって変化する状態を、電
界効果型トランジスタの出力変化(ドレイン電流の変化
)として圧力を検知する。圧力差によって変化するコン
デンサの静電容量を直接測定して圧力変化を検知するこ
とは、静電容量が数PFと非常に小さいので測定が困難
であるが、電界効果型トランジスタとこのコンデンサを
一体化し、圧力変化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ことより、素子の出力インピ
ーダンスを低下させることができ、ノイズ等の影響を受
けにくく、圧力測定が容易になる。さらに、電界効果型
圧力センサはコンデンサの圧力差による静電容量変化を
増幅して、電界効果型トランジスタのドレイン電流変化
として検知するので、高感度で圧力を測定することがで
きる。寸た圧力測定範囲、感度は主に金属膜ダイヤフラ
ムの材質および厚さ、空洞室の大きさKjって決定され
るため、金属膜材料素子構造を適当に選択することによ
り、微小圧力から大圧力まで測定圧力範囲を自由に設定
することができる。
In a field-effect pressure sensor, the capacitance of a capacitor composed of a lower gate electrode 7 and an upper gate electrode (metal film diaphragm) 6 across a cavity chamber 8 above the gate M region of a field-effect transistor changes depending on the pressure difference. The pressure is detected as a change in the output of a field effect transistor (a change in drain current). It is difficult to detect pressure changes by directly measuring the capacitance of a capacitor, which changes depending on the pressure difference, because the capacitance is very small, only a few PF. By detecting pressure changes as changes in the drain current of a field-effect transistor, the output impedance of the element can be lowered, making it less susceptible to noise and the like, making pressure measurement easier. Furthermore, the field effect pressure sensor amplifies the change in capacitance due to the pressure difference between the capacitors and detects it as a change in the drain current of the field effect transistor, so it is possible to measure pressure with high sensitivity. The small pressure measurement range and sensitivity are mainly determined by the material and thickness of the metal membrane diaphragm and the cavity size Kj, so by appropriately selecting the metal membrane material element structure, it is possible to measure pressures from minute to large. You can freely set the measurement pressure range up to

未発明の実施例による電界効果型圧力センサは第1図に
示すように電界効果トランジスタのゲート領域上部の空
洞室8を隔てて下部ゲート電極7と上部ゲート電極(金
属1漢ダイヤフラム)6で構成されるコンデンサの静電
容量が圧力によって変化するの2電界効果トランジスタ
のドレイン電流変化として圧力を検知するものである。
As shown in FIG. 1, a field-effect pressure sensor according to an uninvented embodiment is composed of a lower gate electrode 7 and an upper gate electrode (metallic diaphragm) 6, separated by a cavity 8 above the gate region of a field-effect transistor. The capacitance of the capacitor changes depending on the pressure, and the pressure is detected as a change in the drain current of two field effect transistors.

このように下部ゲート電極を有した電界効果型圧力セン
サにおいては、下部ゲート電極7が直接ゲート絶縁膜5
上に形成されてAることにより、トランジスタ特性の変
化、ドレイン電流のドリフト等を生じることなく、トラ
ンジスタを動作させるための直流電圧を、下部ゲート電
極7を介して印加することが可能となる。
In the field effect pressure sensor having the lower gate electrode as described above, the lower gate electrode 7 is directly connected to the gate insulating film 5.
By forming A on the lower gate electrode 7, it becomes possible to apply a DC voltage for operating the transistor through the lower gate electrode 7 without causing changes in transistor characteristics, drift of drain current, etc.

また、未発明による電界効果型圧力センサは前述のよう
に、シリコン基板1に開口した細孔9を介して空洞室8
と参照雰囲気が通じており、このため空洞室8を一定圧
力又は真空に保つ必要がなく、絶対圧式圧力センサの様
な高い空洞室の気密性は要求されない。又、温度変化に
よって空洞室8内の圧力は大きな影響を受けなくなる。
Further, as described above, the uninvented field effect pressure sensor has a cavity 8 which is connected to the cavity 8 through the pore 9 opened in the silicon substrate 1.
Since the reference atmosphere is in communication with the reference atmosphere, there is no need to maintain the cavity 8 at a constant pressure or vacuum, and high airtightness of the cavity is not required as in the case of an absolute pressure sensor. Furthermore, the pressure within the cavity 8 is no longer significantly affected by temperature changes.

上部ゲート電極6である金属膜は空洞室8と通じた参照
雰囲気と上部ゲート電極6に作用する測定雰囲気との圧
力差によって可動変形するダイヤフラムとして作用し、
ダイヤフラムが圧力差によって変形すると金属膜ダイヤ
フラムと下部ゲート電極7で構成される静′准容゛砒が
圧力差に対応して変化子る。
The metal film serving as the upper gate electrode 6 acts as a diaphragm that is movably deformed by the pressure difference between the reference atmosphere communicating with the cavity chamber 8 and the measurement atmosphere acting on the upper gate electrode 6.
When the diaphragm deforms due to the pressure difference, the static volume composed of the metal film diaphragm and the lower gate electrode 7 changes in response to the pressure difference.

この静電容量が圧力差に対応して変化するのt電界効果
型トランジスタの出力変化として圧力検知する。なお差
圧式にすることによって絶対圧式圧力センサの様に常に
ダイヤフラムに圧力が力)力することがなく、圧力差が
生じた場合のみダイヤスラムが変位するため常にダイヤ
フラムやスペーサーに歪みが生じることがない。
When this capacitance changes in response to the pressure difference, the pressure is detected as a change in the output of the field effect transistor. Note that by using a differential pressure type, pressure does not always apply to the diaphragm like with absolute pressure type pressure sensors, and the diaphragm only displaces when a pressure difference occurs, so there is no possibility of distortion occurring in the diaphragm or spacer. do not have.

〈発明の効果〉 以上に述べたように本発明に係る差圧式の電界効果型圧
力センサは、本山願人が先に提案した絶対圧式の電界効
果型圧力センサと比較すると次の様な利点を有する。
<Effects of the Invention> As described above, the differential pressure type field effect pressure sensor according to the present invention has the following advantages when compared with the absolute pressure type field effect type pressure sensor previously proposed by Ganto Motoyama. have

■ 差圧式圧力センサは空洞室が参照雰囲気と細孔によ
って通じているため、空洞室を一定圧力又は真空に保つ
必要がなく、空洞室の完全な気密性あるいはスペーサー
と金属膜ダイヤフラムの完全な密若性は要求されない。
■ Differential pressure type pressure sensors have a cavity that communicates with the reference atmosphere through pores, so there is no need to maintain a constant pressure or vacuum in the cavity, and it is not necessary to maintain complete airtightness of the cavity or between the spacer and metal membrane diaphragm. Youth is not required.

■ 空洞室が参照雰囲気と通じているため、空洞室内の
温度変化による圧力変動への影響は少なく、従って温度
変化ICよる金属膜ダイヤフラムの可動変化は少ない。
(2) Since the cavity communicates with the reference atmosphere, there is little effect on pressure fluctuations due to temperature changes within the cavity, and therefore there are few changes in the movement of the metal membrane diaphragm due to the temperature change IC.

■ 絶対圧式圧力センサの様に金属膜ダイヤフラムに圧
力はかかっておらず、空洞室と測定雰囲気との間に圧力
差が生じた場合のみ、ダイヤフラムの可動変化が見られ
るため、ダイヤフラムやスペーサーに常に歪みが生じる
ことがなく、長寿命のセンサの作製が可能である。
■ Unlike absolute pressure sensors, no pressure is applied to the metal membrane diaphragm, and changes in diaphragm movement are observed only when a pressure difference occurs between the cavity chamber and the measurement atmosphere. It is possible to produce a long-life sensor without distortion.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例としての差圧式電界効果型圧
力センサの構造を模式的に示す図である。 l:シリコン基板、2:ソース、8ニドレイン、4:チ
ャネル、5:ゲート絶縁膜、6:上部ゲート電極(ダイ
ヤフラム)、7:下部ゲート電極、8:空洞室、9:細
孔、10:差圧、11ニスペーサ0
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a differential pressure field effect pressure sensor as an embodiment of the present invention. l: silicon substrate, 2: source, 8 drains, 4: channel, 5: gate insulating film, 6: upper gate electrode (diaphragm), 7: lower gate electrode, 8: cavity, 9: pore, 10: difference Pressure, 11 Ni spacer 0

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、半導体基板を用いた電界効果型トランジスタのゲー
ト絶縁膜上部に空洞室を設け、 圧力により可動変形可能なゲート電極を上記空洞室上に
形成し、 上記空洞室と外部とを連通する細孔を上記半導体基板内
に形成して成り、 測定雰囲気と上記空洞室との圧力差を電界効果トランジ
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。
[Claims] 1. A cavity is provided above the gate insulating film of a field effect transistor using a semiconductor substrate, a gate electrode movable and deformable by pressure is formed on the cavity, and the cavity and the outside are connected to each other. A field-effect pressure field-effect type pressure device, characterized in that a pore is formed in the semiconductor substrate to communicate with the semiconductor substrate, and the pressure difference between the measurement atmosphere and the cavity chamber is detected as a change in the drain current of a field-effect transistor. sensor.
JP28820085A 1985-10-21 1985-12-20 Electric field effect type pressure sensor Pending JPS62147335A (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP28820085A JPS62147335A (en) 1985-12-20 1985-12-20 Electric field effect type pressure sensor
DE19863635462 DE3635462A1 (en) 1985-10-21 1986-10-18 FIELD EFFECT PRESSURE SENSOR
GB8625084A GB2183906B (en) 1985-10-21 1986-10-20 Pressure sensor
US07/338,545 US4894698A (en) 1985-10-21 1989-04-17 Field effect pressure sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP28820085A JPS62147335A (en) 1985-12-20 1985-12-20 Electric field effect type pressure sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS62147335A true JPS62147335A (en) 1987-07-01

Family

ID=17727108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP28820085A Pending JPS62147335A (en) 1985-10-21 1985-12-20 Electric field effect type pressure sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS62147335A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0310164A (en) * 1989-06-08 1991-01-17 Honda Motor Co Ltd Semiconductor sensor
US5503017A (en) * 1993-05-21 1996-04-02 Nippondenso Co., Ltd. Semiconductor acceleration sensor
US5504356A (en) * 1992-11-16 1996-04-02 Nippondenso Co., Ltd. Semiconductor accelerometer
WO2013039153A1 (en) * 2011-09-15 2013-03-21 独立行政法人国立高等専門学校機構 Respiratory protective tool provided with electric fan

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0310164A (en) * 1989-06-08 1991-01-17 Honda Motor Co Ltd Semiconductor sensor
US5504356A (en) * 1992-11-16 1996-04-02 Nippondenso Co., Ltd. Semiconductor accelerometer
US5503017A (en) * 1993-05-21 1996-04-02 Nippondenso Co., Ltd. Semiconductor acceleration sensor
WO2013039153A1 (en) * 2011-09-15 2013-03-21 独立行政法人国立高等専門学校機構 Respiratory protective tool provided with electric fan

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4894698A (en) Field effect pressure sensor
US6151967A (en) Wide dynamic range capacitive transducer
US5550516A (en) Integrated resonant microbeam sensor and transistor oscillator
KR100486322B1 (en) Semiconductor pressure sensor
KR100807193B1 (en) The fabrication method of capacitive pressure sensor and product thereof
Ko Solid-state capacitive pressure transducers
CN111351608B (en) Micromechanical component for a capacitive pressure sensor device
US4433580A (en) Pressure transducer
US4169389A (en) Pressure measuring device
CN114323408A (en) Multi-range multi-sensitivity pressure MEMS chip
KR20010032103A (en) Micromechanical differential pressure sensor device
JPS61222178A (en) Field effect type pressure sensor
JPS62147335A (en) Electric field effect type pressure sensor
JP2014089183A (en) Pressure sensor
Elgamel A simple and efficient technique for the simulation of capacitive pressure transducers
CN114046927B (en) Closed-loop air pressure sensor
CN117268600A (en) MEMS pressure sensor chip and preparation method thereof
US4453412A (en) Pressure sensor
JPH0587032B2 (en)
CN107144378B (en) MEMS pressure sensor
CN115452207A (en) Differential capacitance type MEMS pressure sensor and manufacturing method thereof
JPWO2005003711A1 (en) Quartz pressure sensor and manufacturing method thereof
CN109029828B (en) A kind of capacitance differential pressure transducer and its output characteristics calculation method and production method
JPS62228927A (en) Pressure sensor
CN113848001B (en) RF resonance pressure sensor