JPH033370A

JPH033370A - 半導体センサ

Info

Publication number: JPH033370A
Application number: JP13788389A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Takebe; 克彦武部
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1991-01-09
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: JP2748277B2

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り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
、半導体素子はストレスの生じる方向に対して配置方向
がそれぞれ異なる複数の電界効果トランジスタ（例えば
Ｇａ　Ａｓ−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、配置方向が異なるように２個のＦＥＴを設け
ているので、一方のＦＥＴ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ＦＥＴ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ＲＥＴ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、１／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　　は配置方向が
異なっており、具体２的にはＦＥＴＱｌはストレス方向とゲートの長手方向が
直交する方向、ＦＥＩＱ２はストレス方向とゲートの長
手方向が平行する方向となっている。

第３図＋１ＦＥＴＱ　　、Ｑ　　（７）Ｉ−Ｖ特性と、
ス２ドレスによる時性変化を示している。なお、横軸ｖ　　
、■　　はそれぞれＦＥＴＱ、Ｑ　　のドＤＳＬ　　　
ＤＳ２　　　　　　　　　１　　２レイン・ソース間電
圧を示し、縦軸ＩＤＳ□。

夏　　はそれぞれＦＥＩＱ、Ｑ　　のドレイン番ＤＳ２
　　　　　　　　　　１　　２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　　、Ｑ２にストレスが加わったとする。すると、Ｆ
ＥＴＱｌではゲート電極の方向と応力の加わる方向が直
交しているので、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、ＦＥＩＱ２ではゲートの方向と応力の方向が平行な
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１．１２は■１〉■２　（例え■ ばｌ　ｖ　２１２　）となり、これがＩ／Ｖ変換されて
電圧Ｖ、Ｖ２として差分増幅回路５３に入力される。差
分増幅回路５３は電圧Ｖ　　、Ｖ２の差■ 分をとって増幅し、従って差分増幅回路５３の出力ＯＵ
ＴはＦＥＴＱ、Ｑ　　に加わるストレスに２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ＦＥＴＱ　　、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、Ｑ　　が２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、Ｑ２を形成し、
かつ、その出力信号を処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
　　、Ｑ２が形成されている。ここで、ＦＥＴＱｌのゲ
ート方向はストレス方向と直交し、ＦＥＴＱ２のゲート
方向はストレス方向と平行になっているので、ＦＥＴＱ
ｌのＩ−Ｖ特性がストレスに対してより大きく変化する
。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、同様の効果を奏することができる。また、
ストレス検知用のＦＥＴはショットキーゲート型のもの
に限定されない。

〔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、配置方向が異なるように２個の
ＦＥＴが設けられるので、一方のＦＥＴ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ＦＥＴ
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。

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・・・Ｉ／Ｖ変換回路、５３・・・差分増幅回路。

Claims

【特許請求の範囲】１、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、前記ストレスの生じる方向に対して
配置方向がそれぞれ異なる複数の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。２、前記電界効果トランジスタは圧電性半導体に形成さ
れたショットキーゲート電界効果トランジスタである請
求項１記載の半導体センサ。