DE68926601T2

DE68926601T2 - Halbleitermessaufnehmer

Info

Publication number: DE68926601T2
Application number: DE68926601T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hiyama; Masanobu Urabe
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2009-09-02
Also published as: US5279162A; US5115292A; EP0363005A3; EP0363005B1; EP0363005A2; DE68926601D1

Description

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

(Hintergrund der Erfindung)

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Meßwertaufnehmer oder -sensor, speziell einen Sensor, der äußere physikalische Kräfte wie eine Beschleunigung, Kontaktdrücke, Luftdrücke, mechanische Schwingungen usw. erfaßt.

(Einschlägige, hintergrundbildende Technik)

Den Stand der Technik auf diesem Gebiet der Technik bilden die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 121367/1987 von HOSHINO, die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 18272/1888 von IKUDOME, die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 213280/1885 von MIHARA usw.
Beim Sensor von HOSHINO ist Siliziumoxid (SiO&sub2;) als Balken auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet, und am proximalen Ende des Balkens ist eine Spannungsmeßvorrichtung angeordnet, die aus einem piezoelektrischen Widerstandsbauteil besteht, wodurch Beschleunigungen elektrisch erfaßt werden. Das piezoelektrische Widerstandsbauteil zum Erfassen dieser Spannung besteht aus Si, und es liefert z. B. eine Empfindlichkeit von ungefähr 100 x 10&supmin;¹² cm&supmin;²/Dyn. Jedoch ist die unzureichende Empfindlichkeit beim Erfassen von Beschleunigungen ein Nachteil dieses Sensors.
Beim Sensor von IKUDOME ist ein Transistor in einen Halbleitersensor eingebaut, und eine elektrische, piezoelektrisch erzeugte Ladung wird dem Gate des Transistors zugeführt, wodurch Beschleunigung auf Grundlage einer Änderung einer elektrischen Eigenschaft erfaßt wird. Bei diesem Sensor sind ein piezoelektrischer Körper und eine Trägheitsmasse auf dem Gateoxidfilm eines MOSFET angeordnet. Jedoch müssen beim Sensor gemäß IKUDOME der piezoelektrische Körper und die Trägheitsmasse auf dem FET ausgebildet werden, was den Sensor in nachteiliger Weise groß macht und seine Herstellkosten erhöht.
Beim Sensor gemäß MIHARA ist ein Siliziumsubstrat zu Balken ausgebildet, und am proximalen Ende eines der Balken ist durch Diffusion ein Halbleiterwiderstand als piezoelektrisches Halbleiterbauteil ausgebildet, wodurch Beschleunigung elektrisch erfaßt wird. Einer der Balken dient zur Beschleunigungserfassung und der andere zur Temperaturkompensation, um die Temperatureigenschaften zu verbessern. Jedoch wird beim Sensor gemäß MIHARA der piezoelektrische Effekt des Siliziumsubstrats zum Umwandeln einer spannungserzeugten Ladung in eine widerstandsänderung verwendet. Demgemäß kann keine hohe Meßempfindlichkeit erzielt werden. Der für einen Sensor erforderliche dynamische Bereich ist nicht ausreichend groß. Die Temperaturkompensation hat kein ausreichendes Niveau erreicht. Ferner ist ein anderer Balken zur Temperaturkompensation ausgebildet. Es besteht die Tendenz, daß zwischen den Balken für die Beschleunigungserfassung und demjenigen für die Temperaturkompensation eine Temperaturdifferenz entsteht, und wenn eine derartige Differenz auftritt, wird die Temperaturkompensation sehr unzureichend.
Andererseits beschreiben die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 17830/1982 und die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 148377/1982 Sensoren abweichender Typen. Der Sensor gemäß der ersteren enthält einen auf einer Membran vorhandenen MIS-Transistor. Die Tatsache, daß sich die Schalteigenschaften des MIS-Transistors abhängig vom Druck ändern, wird dazu verwendet, die Frequenz eines Oszillatorkreises zu ändern. Der Sensor gemäß der letzteren enthält eine Schottky-Sperrschicht mit Druckempfindlichkeit sowie einen Transistor, der das Ausgangssignal der Sperrschicht erfaßt, wodurch Drücke usw. erfaßt werden können. Jedoch besteht bei diesen bekannten Sensoren das Problem, daß es schwierig ist, Spannungen mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen.
Das Dokument GB-A-2 130 373 offenbart einen Beschleunigungsmesser mit einem Halbleitersensor mit einem aus einkristallinem Silizium hergestellten Element, das durch eine äußere physikalische Kraft elastisch verformbar ist, einem Träger, an dem das Element befestigt ist, und Dehnungsmessern, die in den Balken angeordnet sind, die die Elemente am Träger befestigen.
Das Dokument EP-A-0 178 662 offenbart einen Beschleunigungsmesser mit einem Halbleitersensor aus einem aus Silizium ausgebildeten Balken, wobei dieses Element durch eine äußere physikalische Kraft verf ormbar ist, und einem Träger, an dem das Element in einem zugehorigen Teil befestigt ist. Im Balken sind die Spannung erfassende Piezowiderstände vorhanden.
Das Dokument US-A-4,522,072 offenbart einen Beschleunigungsmesser mit einem Halbleitersensor aus einem aus Silizium bestehenden Balkenelement, das durch eine äußere physikalische Kraft elastisch verformbar ist; einem Träger, an dem das Balkenelement in einem zugehörigen Teil befestigt ist; und einem Dehnungs-Meßbauteil, das an einem Abschnitt des Balkens angeordnet ist, in dem eine Verformung auftritt. Die Dehnungs-Meßanordnung umfaßt mehrere Piezowiderstände, die als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind, die in ihrem Ohmschen Bereich arbeiten und die zu einer Wheatstone-Brücke miteinander verbunden sind, damit die Brücke dadurch abgeglichen werden kann, daß die Eigenschaften der Feldeffekttransistoren eingestellt werden.
Die Erfindung zielt darauf hin, einen verbesserten Halbleitersensor zu schaffen, durch den zumindest einige der vorstehend genannten Schwierigkeiten und Beschränkungen bekannter Sensoren überwunden oder zumindest verringert sind.
Gemäß der Erfindung ist ein Halbleitersensor mit folgendem geschaffen: einem Substrat; einer Schicht aus Halbleitermaterial, die auf dem Substrat ausgebildet ist und von diesem getragen wird, wobei ein Abschnitt oder mehrere des Substrats entfernt sind, um einen Abschnitt der Halbleiterschicht freizulegen, der durch eine äußere physikalische Kraft elastisch verformbar ist; und einem Sensor für elastische Spannungen mit einer elektrischen Eigenschaft, die sich auf mechanische Spannungen im Abschnitt der Schicht beim Anlegen einer äußeren physikalischen Kraft ändert; dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht einen piezoelektrischen Effekt zeigt, der höher als der von Silizium ist und daß der Sensor für mechanische Spannungen einen Feldeffekttransistor aufweist, der im Abschnitt der Schicht ausgebildet ist.
Bei einem die Erfindung verkörpernden Sensor sind, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben wird, die Struktur desselben und die bei ihm verwendeten Materialien so ausgewählt, daß hohe Erfassungsempfindlichkeit und ein großer dynamischer Bereich sowie die Fähigkeit geschaffen sind, normal zu arbeiten, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Der Sensor, wie er beschrieben wird, kann nicht nur Spannungen erfassen, sondern auch die Temperatur messen.
Der Sensor, wie er beschrieben wird, kann mit niedrigen Kosten hergestellt werden, und er kann miniaturisiert werden, und ferner ist er dergestalt beschaffen, daß ein Spannungserfassungs-Bauteil und eine Signalverarbeitungsschaltung auf einem einzelnen Chip integriert werden können.
Bei einer Ausführungsform wird, wenn der im piezoelektrischen Halbleiter ausgebildete FET einer Verformung unterworfen wird, eine durch die Verformung hervorgerufene mechanische Spannung an der Grenzfläche zwischen der Gateelektrode und der Kanalzone erzeugt, und es tritt Polarisation auf. Daraus folgend ändern sich elektrische Eigenschaften, z. B. der Schwellenwert des FET. Auf Grundlage der Änderungen der elektrischen Eigenschaften können Beschleunigungen, Drücke usw. erfaßt werden.
Bei einer Ausführungsform ist die Kristallwachstumsschicht eines piezoelektrischen Halbleiters als Balken zum Messen von Beschleunigungen oder als Membran zum Messen von Drücken ausgebildet. Demgemäß wird, wenn der Balken oder das Diagramm einer äußeren physikalischen Kraft wie einer Beschleunigung, einem Druck oder anderen Kräften unterliegt, in der Kristallwachstumsschicht eine mechanische Spannung erzeugt. Zum elektrischen Erfassen der mechanischen Spannung aufgrund der äußeren physikalischen Kraft, oder einer Änderung der Spannung, wird der Feldeffekttransistor (FET) oder werden andere Teile, im Abschnitt der Kristallwachstumsschicht ausgebildet.
Bei einer Ausführungsform umfaßt der Halbleitersensor ferner eine Vorspannungs-Versorgungseinrichtung zum Liefern einer Gleichvorspannung an das Gate des Feldeffekttransistors und einer Konstantspannung zwischen Source und Drain des Feldeffekttransistors. Bei dieser Ausführungsform kann, da dem Gate, der Source und dem Drain des FET eine konstante Gleichspannung zugeführt wird, das Erfassungsausgangssignal selbst dann erhöht werden, wenn eine Verkürzung der Gatelänge des FET zum Kurzkanaleffekt führt.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt ein Halbleitersensor eine Signalversorgungseinrichtung zum Liefern eines Wechselspannungssignals an das Gate des Feldeffekttransistors.
Vorzugsweise umfaßt der Halbleitersensor bei dieser Ausführungsform ferner eine erste Signalerfassungseinrichtung zum Ausgeben eines Erfassungssignals entsprechend einer mechanischen Spannung aufgrund der Verformung oder einer Änderung der mechanischen Spannung auf Grundlage einer Änderung einer Wechselstromkomponente eines Ausgangssignals des Feldeffekttransistors. In diesem Fall ändert sich, da sich die Vorwärtssteilheit des FET aufgrund der mechanischen Spannung ändert, die Amplitude der wechselspannungskomponente eines Source-Drain-Stroms entsprechend der mechanischen Spannung. Auf Grundlage dieser Tatsache kann eine mechanische Spannung auf Grundlage einer Änderung des Wechselspannungs-Ausgangssignals des FET erfaßt werden.
Zusätzlich kann ein Halbleitersensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine zweite Signalerfassungseinrichtung zum Ausgeben eines zweiten erfaßten Signals aufweisen, das einer Änderung der Temperatur des elastisch verformbaren Elements entspricht, auf Grundlage einer Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals des Feldeffekttransistors. In diesem Fall kann eine mechanische Spannung auf Grundlage einer Änderung des Wechselspannungs-Ausgangssignals des FET erfaßt werden. Da sich die Eigenschaften des FET entsprechend der Temperatur ändern, kann eine Temperaturänderung auf Grundlage einer Änderung der Gleichstromkomponente eines Source- Drain-Stroms erfaßt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Halbleitersensor mehrere Feldeffekttransistoren mit Ausgangssignalen aufweisen, die verschieden von angelegten mechanischen Spannungen oder Änderungen dieser Spannungen abhängen; und er kann eine Signalerfassungseinrichtung zum Ausgeben eines erfaßten Signals aufweisen, das der mechanischen Spannung oder der Änderung dieser Spannung entspricht, auf Grundlage der Differenz von Änderungen einer elektrischen Eigenschaft zwischen den Feldeffekttransistoren.
Bei einem bevorzugten Aufbau gemäß dieser Ausführungsform sind zwei FETs in verschiedenen Richtungen in Abschnitten des piezoelektrischen Halbleiterbereichs ausgebildet, in dem Verformungen der elastisch verformbaren Elemente, z. B. eines Balkens zum Erfassen von Beschleunigung und einer Membran zum Erfassen von Drücken, stattfinden. Einer der FETs, bei dem sein Gatestück die Richtung der Erzeugung einer mechanischen Spannung mit größerem Schnittwinkel schneidet, hat elektrische Eigenschaften, die sich aufgrund einer von einer Verformung herrührenden mechanischen Spannung stark ändern. Der andere der FETs, der einen kleineren Schnittwinkel aufweist, verfügt über elektrische Eigenschaften, die sich nicht stark ändern. Dies ermöglicht es, eine äußere physikalische Kraft mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Es ist nicht erforderlich, die zwei FETs an verschiedenen Positionen auszubilden, was es möglich macht, die Temperaturdifferenz zwischen den FETs minimal zu machen, um die Temperaturcharakteristik zu verbessern.
Bei einem alternativen bevorzugten Aufbau sind in einem Abschnitt des piezoelektrischen Halbleiterbereichs, in dem eine Verformung des elastisch verformbaren Elements auftritt, zwei FETs ausgebildet, deren Gateelektroden dadurch mit verschiedenen körperlichen Festigkeiten ausgebildet sind, daß diese Gateelektroden aus verschiedenen Materialien hergestellt sind und ihre Dicken usw. geändert sind. Einer der FETs, der die Elektrode mit der höheren körperlichen Festigkeit aufweist, weist abhängig vom Ausmaß einer mechanischen Spannung eine starke Änderung der elektrischen Eigenschaften auf. Der andere der FETs mit geringerer körperlicher Festigkeit verfügt über elektrische Eigenschaften, die sich nicht so stark abhängig vom Ausmaß einer mechanischen Spannung ändern.
Andere bevorzugte Gesichtspunkte und Ausführungsformen werden, zusammen mit Vorteilen derselben, aus der beigefügten Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.
Die Erfindung wird aus der detaillierten nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen von die Erfindung verkörpernden Sensoren vollständiger zu verstehen sein, die nur zur Beschreibung erfolgen und demgemäß nicht als die Erfindung beschränkend anzusehen sind.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der Erfindung wird aus der detaillierten nachfolgenden Beschreibung ersichtlich. Jedoch ist zu beachten, daß die detaillierte Beschreibung und spezielle Beispiele, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zur Veranschaulichung angegeben sind, da dem Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifizierungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung erkennbar sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(a) - (e) sind perspektivische Ansichten von Grundaufbauten von die Erfindung verkörpernden Halbleitersensoren;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines die Erfindung verkörpernden Beschleunigungssensors;
Fig. 3(a) - (d) sind Schnittansichten der die Erfindung verkörpernden Halbleitersensoren bei jeweiligen Herstellungsschritten derselben;
Fig. 4(a) und (b) sind perspektivische Ansichten eines die Erfindung verkörpernden Beschleunigungssensors;
Fig. 5(a) ist eine Draufsicht auf einen bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten MESFET;
Fig. 5(b) ist eine Schnittansicht zu Fig. 5(a) entlang der Linie A&sub1; - A&sub2;;
Fig. 6 ist eine Charakteristikkurve zu Änderungen des Schwellenwerts des MESFET, wenn eine mechanische Spannung an diesen angelegt wird;
Fig. 7(a) ist ein Bild einer Schaltung zum Erfassen von Änderungen des Schwellenwerts des FET;
Fig. 7(b) ist eine Ansicht zum Erläutern der Funktion der Schaltung von Fig. 7(a);
Fig. 8(a) und (b) sind Schnittansichten durch andere FETs, die bei die Erfindung verkörpernden Sensoren anwendbar sind;
Fig. 9(a) ist eine Draufsicht auf einen bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten JFET;
Fig. 9(b) ist eine Schnittansicht zu Fig. 9(a) entlang der Linie A&sub1; - A&sub2;;
Fig. 10 ist eine Strom-Spannung-Charakteristik des JFET, wenn eine mechanische Spannung an ihn angelegt wird;
Fig. 11(a) - (d) sind Schnittansichten des bei Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendeten JFET bei jeweiligen Herstellschritten desselben;
Fig. 12 ist ein Schaltbild eines mit Konstantstrom betriebenen Halbleitersensors für mechanische Spannungen, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 13 ist eine Strom-Spannung-Charakteristikkurve zum Erläutern der Funktion der Schaltung von Fig. 12;
Fig. 14 ist ein Schaltbild eines mit einem Konstantstrom betriebenen Halbleitersensor für mechanische Spannungen, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 15 ist eine Strom-Spannung-Charakteristikkurve zum Erläutern der Funktion der Schaltung von Fig. 14;
Fig. 16 ist ein Schaltbild eines mit einem Konstantstrom betriebenen Halbleitersensors für mechanische Spannungen, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 17 ist eine Strom-Spannung-Charakteristikkurve zum Erläutern der Funktion der Schaltung von Fig. 16;
Fig. 18(a) und (b) sind Schaltbilder von mit Konstantstrom betriebenen Halbleitersensoren für mechanische Spannungen, wie bei Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet;
Fig. 19 ist eine Strom-Spannung-Charakteristikkurve zum Erläutern der Funktionen der Schaltungen von Fig. 18;
Fig. 20 ist ein Schaltbild eines mit Konstantstrom betriebenen Halbleitersensors für mechanische Spannungen, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 21(a) und (b) sind Charakteristikkurven zum Erläutern der Funktion der Schaltung von Fig. 20;
Fig. 22 ist ein Schaltbild eines mit Konstantstrom betriebenen Halbleitersensors für mechanische Spannungen, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 23(a) und (b) sind Charakteristikkurven zum Erläutern der Funktion der Schaltung von Fig. 22;
Fig. 24 ist ein Schaltbild eines mit Konstantstrom betriebenen Halbleitersensors für mechanische Spannungen, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 25(a) und (b) sind Charakteristikkurven zum Erläutern der Funktion der Schaltung von Fig. 24;
Fig. 26 ist ein Schaltbild eines Halbleitersensors mit Wechselspannungs-Eingangssignal, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 27 ist eine Strom-Spannung-Charakteristikkurve des Halbleitersensors von Fig. 26;
Fig. 28 ist ein Schaltbild eines Halbleitersensors mit Wechselspannungs-Eingangssignal, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 29 ist eine Strom-Spannung-Charakteristikkurve zum Erläutern der Funktion des Halbleitersensors von Fig. 28;
Fig. 30 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleitersensors vom Differenztyp, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 31 ist ein Schaltbild des Sensors von Fig. 30;
Fig. 32(a) und (b) sind Ansichten zu Änderungen einer Eigenschaft der FETs aufgrund einer mechanischen Spannung;
Fig. 33(a) ist eine Draufsicht auf einen Halbleitersensor vom Differenztyp, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet;
Fig. 33(b) ist eine Schnittansicht zu Fig. 33(a) entlang einer Linie B-B in derselben;
Fig. 34 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleitersensors vom Differenztyp, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet; und
Fig. 35 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersensors, bei dem ein GaAs-LEC-Substrat verwendet ist, wobei der Sensor mit der beanspruchten Erfindung in Beziehung steht, diese jedoch nicht verkörpert.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1(a) zeigt einen Halbleitersensor vom Balkentyp, der Beschleunigungen als Beispiel äußerer physikalischer Kräfte erfaßt. Fig. 1(b) zeigt einen Halbleitersensor vom Membrantyp, der Drücke erfaßt. Beim Sensor der Fig. 1(a) wird eine Kristallwachstumsschicht 2 aus Galliumarsenid (GaAs), das ein stark piezoelektrischer Verbindungshalbleiter ist, epitaktisch auf ein Substrat mit nur Silizium(Si)-Einatomen aufgewachsen. Ein Abschnitt des Substrats 1 (in Fig. 1(a) durch A gekennzeichnet) wird abgeätzt, um den linken Abschnitt (wie in Fig. 1(a) gesehen) als Balken 3 auszubilden. In einem Abschnitt der Kristallwachstumsschicht 2 am proximalen Ende des Balkens 3 werden durch Ionenimplantation Halbleiter-Widerstände ausgebildet, die ein mechanische Spannungen messendes Bauelement 4 bilden. In einem Abschnitt der Kristallwachstumsschicht 2 auf der Seite eines Trägers des Balkens (rechts, wie in Fig. 1(a) gesehen) wird eine Signalverarbeitungsschaltung 5 ausgebildet, die ein erfaßtes Signal verarbeitet und ein Treibersignal an das mechanische Spannungen messende Bauelement 4 liefert.
Wenn beim Sensor von Fig. 1(a) eine Beschleunigung in der Richtung des Pfeils G in Fig. 1(a) wirkt, wirkt das Substrat 1 auf der Seite des Balkens 3 als Gewicht 1G, das bewirkt, daß sich der mit A gekennzeichnete Abschnitt der Kristallwachstumsschicht 2 verbiegt. Dann ändert eine durch die Verbiegung hervorgerufene mechanische Spannung den spezifischen Widerstand des mechanische Spannungen messenden Bauelements 4 (Piezowiderstandseffekt). Demgemäß kann die Beschleunigung elektrisch erfaßt werden. Um eine mechanische Spannung aufgrund einer Änderung des spezifischen Widerstands des mechanische Spannungen messenden Bauelements 4 zu messen, ist es erforderlich, eine Brückenschaltung aus z. B. vier Widerstandselementen auszubilden und das erfaßte Signal zu ver stärken. Jedoch sind diese Schaltungselemente in der Signalverarbeitungsschaltung 5 enthalten.
Beim Sensor von Fig. 1(b) wird wie beim Sensor von Fig. 1(a) eine Kristallschicht 2 auf einem Substrat 1 hergestellt. Jedoch unterscheidet sich der abzuätzende Abschnitt (A) des Substrats 1 von dem beim Sensor von Fig. 1(a). D. h., daß beim Sensor gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1(b) der Abschnitt des Substrats 1 im zentralen Abschnitt des Sensors (erster Abschnitt K&sub1;) abgeätzt wird. Ein zweiter Abschnitt K&sub2; des Substrats 1, der den ersten Abschnitt K&sub1; umgibt, bleibt zurück, um einen Träger für die Kristallwachstumsschicht 2 zu bilden. Das mechanische Spannungen messende Bauelement 4 ist in einem Halbleiterwiderstand ausgebildet, der dadurch hergestellt wurde, daß Ionen in denjenigen Abschnitt der Kristallwachstumsschicht 2 implantiert wurden, in dem mechanische Spannungen aufgrund eines Drucks auftreten. Im Abschnitt der Kristallwachstumsschicht 2, in dem das Substrat 1 verblieben ist, wird eine Signalverarbeitungsschaltung 5 hergestellt.
Wenn beim Sensor von Fig. 1(b) ein Druck z. B. in der Richtung des Pfeils G wirkt, krümmt sich die Membran K&sub1; nach oben, wodurch eine mechanische Spannung hervorgerufen wird. Dann ändert sich der spezifische Widerstand des mechanische Spannungen messenden Bauelements 4 durch den Piezowiderstandseffekt. Wie beim Sensor der Fig. 1(a) sind vier Widerstandselemente in einer Brückenschaltung ausgebildet, um den Druck quantitativ zu erfassen.
Der erfindungsgemäße Halbleitersensor ist nicht auf Typen mit Membran und Balken begrenzt, sondern er kann von beliebigem Typ sein, z. B. vom Typ mit zwei Stützpunkten, vom Typ mit vier Stützpunkten usw., solange mechanische Spannungen auf äußere physikalische Kräfte hin wie Drücke, Beschleunigungen usw. erzeugt werden können. Fig. 1(c) zeigt das Aussehen eines Beschleunigungssensors vom Typ mit zwei Stützpunkten. Fig. 1(d) zeigt das Aussehen eines Beschleunigungssensors vom Typ mit vier Stützpunkten. Fig. 1(e) zeigt das Aussehen eines Durchflußsensors zum Erfassen von Strömungsmengen und Strömungsraten von Gas, Flüssigkeiten usw. Bei diesem Durchflußsensor strömt ein zu erfassendes Fluid in der Richtung des Pfeils S. Die Sensoren der Fig. 1(c) - (e) enthalten mechanische Spannungen messende Bauelemente 4 wie Piezowiderstands-Bauelemente, FETs und andere, die in Abschnitten ausgebildet sind, in denen Verformungen aufgrund äußerer physikalischer Kräfte auftreten. Signalverarbeitungsschaltungen 5 sind auf den Kristallwachstumsschichten 2 ausgebildet.
Bei einem erfindungsgemäßen Halbleitersensor besteht hinsichtlich des Materials des Substrats keine Beschränkung auf Silizium, sondern es kann aus Germanium (Ge) oder anderen Materialien bestehen. Die Kristallwachstumsschicht 2 besteht nicht notwendigerweise aus GaAs, sondern sie kann aus Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) usw. bestehen. Das Ätzmittel zum Entfernen von Abschnitten des Substrats wird abhängig von den Materialien der Kristallwachstumsschicht 2 geändert. Es ist nicht wesentlich, daß eine Signalverarbeitungsschaltung integral mit der Kristallwachstumsschicht ausgebildet ist, sondern sie kann auf einem anderen Halbleiterchip ausgebildet sein.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors erläutert.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird eine GaAs-Kristallwachstumsschicht 2 epitaktisch auf ein Si-Substrat 1 aufgewachsen. Das Substrat 1 und die Kristallwachstumsschicht 2 werden im wesentlichen mit Omegaform entfernt, um einen Balken 3 herzustellen. Der Abschnitt des Substrats am distalen Ende des Balkens 3 wird belassen, um ein Gewicht 1G auszubilden. Am proximalen Ende des Balkens 3 werden Halbleiterwiderstände R&sub1; und R&sub2; ausgebildet. Im Abschnitt der Kristallwachstumsschicht 2, in dem der Balken 3 nicht ausgebildet ist, werden Halbleiterwiderstände R&sub3;, R&sub4; hergestellt, die elektrisch mit den Widerständen R&sub1;, R&sub2; verbunden werden, um eine Halbbrükkenschaltung aufzubauen.
Beim Sensor von Fig. 2 wirkt eine Beschleunigung in der Richtung des Pfeils G, und das Gewicht 1G bewirkt eine Biegung am proximalen Ende des Balkens 3. Entsprechend wird eine mechanische Spannung erzeugt. Dann ändern die Widerstände R&sub1;, R&sub2;, die aus mittels Ionenimplantation dotiertem GaAs bestehen, den spezifischen Widerstand aufgrund des Piezowiderstandseffekts. Andererseits sind die Widerstände R&sub3;, R&sub4; frei von mechanischen Spannungen, und demgemäß ändert sich ihr spezifischer Widerstand nicht. Dann wird von einem Kontaktfleck 6 eine Gleichspannung E&sub1; an die Brückenschaltung angelegt, die aus den Widerständen R&sub1; - R&sub4; besteht, so daß eine Gleichspannung V&sub0; ausgegeben wird, die der Widerstandsänderung entspricht. Diese Ausgangsspannung V&sub0; wird der Signalverarbeitungsschaltung 5 zur Signalverarbeitung, z. B. zur Verstärkung usw., zugeführt.
Demgemäß kann, da Sensorstrukturen, wie Membranen und Balken, aus stark piezoelektrischem Halbleitermaterial (GaAs) bestehen, ein die mechanische Spannung erfassendes Bauelement 4 direkt im Abschnitt des piezoelektrischen Halbleiters ausgebildet werden, in dem eine mechanische Spannung entsteht. Da Verbindungshalbleiter, die piezoelektrisch sind, einen starken piezoelektrischen Effekt zeigen, verfügt der erfindungsgemäße Sensor über hohe Empfindlichkeit und hohe Erfassungsgenauigkeit. Galliumarsenid (GaAs), das ein Verbindungshalbleiter ist, weist eine breite Bandlücke auf, so daß die Schaltung im Sensor mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann, die normalerweise selbst in Umgebungen mit hohen Temperaturen ausreichend ist, und demgemäß kann der Sensor gute Umgebungsbeständigkeit aufweisen. Die Erfindung kann einen Sensor mit guter Umgebungsbeständigkeit, hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit schaffen. Ferner kann der Halbleitersensor vereinfacht und miniaturisiert werden, da die Verarbeitungsschaltung 5 auf ein und derselben Kristallwachstumsschicht 2 hergestellt werden kann.
Der erfindungsgemäße Halbleitersensor kann mittels eines einfachen Prozesses und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Der Herstellprozeß wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.
Als erstes wird ein Si-Substrat 1 mit einer spiegelglatt polierten Oberfläche hergestellt. Auf die Oberfläche wird eine GaAs-Kristallwachstumsschicht 2 epitaktisch aufgewachsen. Dann werden das mechanische Spannungen messende Bauelement 4 und die Signalverarbeitungsschaltung 5 durch Implantieren von Ionen in die Kristallwachstumsschicht 2 hergestellt (Fig. 3(a)). Dann wird ein Photoresistfilm 10 auf die Oberfläche des Substrats 1 und dessen Unterseite aufgebracht, wobei die zu entfernenden Abschnitte geöffnet werden, und die Öffnungen werden mittels bekannter Lithographie hergestellt.
Anschließend wird das Substrat 1 durch die öffnungen im Photoresistfilm 10 hindurch abgeätzt. Für Naßätzvorgänge ist das Ätzmittel ein solches aus der HF(Fluorwasserstoff)-Gruppe. Für Trockenätzvorgänge ist das Ätzmittel CF&sub4;(Arsenfluorid)-Plasma. Diese Ätzmittel entfernen Si leicht, jedoch ätzen sie GaAs nicht erheblich. Demgemäß kann der durch den Pfeil A in Fig. 3 gekennzeichnete Abschnitt des Substrats 1 selektiv abgeätzt werden. Abschließend wird der Photoresistfilm 10 durch Aceton entfernt, und die in Fig. 3(d) dargestellte Balkenstruktur wird fertiggestellt. Die Brückenschaltung zum Erfassen einer Widerstandsänderung ist nicht auf die obenangegebenen Beispiele beschränkt, sondern es kann eine solche sein, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 222164/1987 beschrieben ist.
Ein Halbleitersensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen FET mit Schottky-Gate (MESFET) als mechanische Spannungen messendes Bauelement.
Wie es in Fig. 4(a) dargestellt ist, werden ein Si-Substrat 1 und eine GaAs-Kristallwachstumsschicht 2 im wesentlichen mit Omegaform entfernt, um in der Mitte einen Balken 3 auszubilden. Ein mechanische Spannungen messender FET 40, der aus einem MESFET besteht, wird am proximalen Ende des Balkens 3 ausgebildet, der als elastisch verformbares Element wirkt. Im Abschnitt der Kristallwachstumsschicht 2, die außerhalb des Balkens 3 liegt, wird ein Halbleiterwiderstand R ausgebildet, und dieser wird so verdrahtet, daß eine Inverterschaltung zusammen mit dem mechanische Spannungen erfassenden FET 40 gebildet ist. Wenn beim Halbleitersensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Beschleunigung in der Richtung des Pfeils G einwirkt, bewirkt das Gewicht 1G, daß das proximale Ende des Balkens verbogen wird. Diese Biegung erzeugt eine mechanische Spannung, und der sogenannte piezoelektrische Effekt bewirkt eine Polarisation an der Grenzfläche zwischen der Gateelektrode und der Kanalzone des mechanische Spannungen messenden FET 40, mit einer Änderung der elektrischen Eigenschaften (z. B. des Schwellenwerts) des FET. Am Widerstand R wirken keine mechanischen Spannungen, und sein Widerstand ändert sich nicht. Wenn die durch den mechanische Spannungen messenden FET 40 und den Widerstand R gebildete Inverterschaltung mit Spannungen VD, VI von Kontaktflächen 6, 6 sowie mit Massepotential versorgt wird, wird eine Spannung V&sub0; ausgegeben. Diese Ausgangsspannung V&sub0; wird in eine Signalverarbeitungsschaltung 5 für erforderliche Signalverarbeitung eingegeben. Wie es in Fig. 4(b) dargestellt ist, können die Schaltung zum Ausgeben der Spannungen VD, VI und der Widerstand R in der Signalverarbeitungsschaltung 5 ausgebildet sein.
In den Fig. 5(a) und (b) ist der Aufbau des bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten, mechanische Spannungen messenden FET dargestellt. Wie es in den Zeichnungen dargestellt ist, wird auf der Kristallwachstumsschicht 2 eine n-GaAs- Schicht 21 durch Ionenimplantation hergestellt. Zu den beiden Seiten der n-GaAs-Schicht 2 werden eine Sourceelektrode 4S und eine Drainelektrode 4D aus einem Ohmschem Metall (z. B. Au/AuGe) durch z. B. das Abhebeverfahren hergestellt. Eine zwischen der Sourceelektrode 4S und der Drainelektrode 4D ausgebildete Gateelektrode 4G besteht aus einer unteren Schicht 41 aus Titan (Ti) und einer oberen Schicht 42 aus Wolfram (W). Die Länge des Gates ist Lg und die Höhe der Gateelektrode ist Hg.
Wenn bei diesem MESFET eine mechanische Spannung in der Richtung des Pfeils ST einwirkt, wird an der Grenzfläche zwischen der Gateelektrode 4G und der Kanalzone der n-GaAs- Schicht 21 eine Scherspannung hervorgerufen, und der sich ergebende piezoelektrische Effekt bewirkt eine Polarisation in der Kanalzone. Die Änderung des Schwellenwerts aufgrund dieser Polarisation hängt vom Ausmaß der mechanischen Spannung an der Oberfläche der Kanalzone ab, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.
Damit der MESFET mit dem obenbeschriebenen Aufbau wirkungsvoll als mechanische Spannungen messender FET 40 arbeitet, ist es bevorzugt, daß der FET 40 die folgenden Eigenschaften aufweist. Als erstes gilt, daß die Empfindlichkeit zum Erfassen mechanischer Spannungen um so höher ist, je kürzer die Gatelänge Lg ist. D. h., daß, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, eine Gatelänge Lg von ungefähr 0,8 µm eine Empfindlichkeit liefert, die doppelt so hoch oder höher ist als die, die bei einer Gatelänge Lg von ungefähr 1,8 µm besteht. Zweites ist ein engerer Kontakt zwischen der Gateelektrode 4G und der n-GaAs-Schicht 21 zur Verwendung als mechanische Spannungen erfassender FET 40 besser geeignet. Zum Verbessern dieses Kontakts besteht die untere Schicht 41 der Gateelektrode 4G aus Ti mit einer Dicke von ungefähr 500 Å.
Drittens erfolgt eine um so höhere Polarisation an der Oberfläche der Kanalzone, je höher die körperliche Festigkeit der Gateelektrode 4G ist. Um die körperliche Festigkeit der Gateelektrode 4G zu erhöhen, besteht die obere Schicht 42 der Gateelektrode 4G, wie oben beschrieben, aus W mit hohem Young-Modul (4,1 x 10¹² Dyn/cm²) mit einer Dicke von ungefähr 3000 Å. Es ist auch möglich, Materialien mit hohem Young-Modul wie TiW, TiW-Silicid, W-Silicid usw. zu verwenden. Die Höhe Hg der Gateelektrode 4G wird erhöht, um die körperliche Festigkeit dieser Gateelektrode 4G zu erhöhen und um schließlich die Scherspannung zu erhöhen, die auf die Kanalzone ausgeübt wird.
Die so erhaltene Änderung der Schwellenspannung kann z. B. mittels der Inverterschaltung von Fig. 7(a) erhalten werden. Wenn dem Gate des MESFET, der als mechanische Spannungen messender FET 40 wirkt, eine Spannung VI zugeführt wird, ändert sich die Spannung V&sub0; abhängig von der Spannung VI, wie es in Fig. 7(b) dargestellt ist. Wenn sich die Schwellenspannung des MESFET ändert, verschiebt sich der Abfallpunkt der Ausgangsspannung V&sub0; so, wie es durch den Pfeil in Fig. 7(b) gekennzeichnet ist. Hierdurch kann, wenn die Eingangsspannung am Gate durch VI = Vp gekennzeichnet wird, das Vorliegen oder Fehlen von auf den MESFET einwirkenden mechanischen Spannungen auf Grundlage der Änderung der Ausgangsspannung V&sub0; erfaßt werden.
Der als mechanische Spannungen erfassender FET 40 verwendete FET kann dergestalt sein, wie es in den Fig. 8(a) und (b) dargestellt ist. Gemäß Fig. 8(a) wird eine n-GaAs-Mesastruktur 21 auf einer halbisolierenden GaAs-Kristallwachstumsschicht 2 hergestellt. Auf der Mesastruktur werden eine Gateelektrode 4G, eine Sourceelektrode 4S und eine Drainelektrode 4D hergestellt. Gemäß Fig. 8(b) werden Ohmsche n&spplus;-GaAs-Kontaktschichten 22, 23 auf der halbisolierenden GaAs-Kristallwachstumsschicht 2 ausgebildet. Auf den Kontaktschichten 22, 23 werden eine Sourceelektrode 4S und eine Drainelektrode 4D hergestellt. Zwischen der Source- und der Drainelektrode 4S, 4D wird eine i-GaAlAs-Schicht 24 hergestellt. Auf dieser Schicht 24 wird eine Gateelektrode 4G hergestellt. So wird ein sogenannter MISFET hergestellt.
Der mechanische Spannungen messende FET 40 kann durch einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) gebildet sein, wie er in den Fig. 9(a) und (b) dargestellt ist. Gemäß den Fig. 9(a) und (b) wird eine n-GaAs-Schicht 21 epitaktisch auf eine Kristallwachstumsschicht 2 aus halbisolierendem GaAs aufgewachsen. Zu den beiden Seiten der Schicht 21 werden eine Sourceelektrode 4S und eine Drainelektrode 4D hergestellt. Eine Gateelektrode 4G besteht aus einer Ti-Schicht 41 und einer W-Schicht 42. Die Gateelektrode 4G steht in Ohmschem Kontakt mit einer p&spplus;-GaAs-Schicht 22, die zwischen der n-GaAs-Schicht 21 und derselben ausgebildet ist. Der JFET weist bei Temperaturanstiegen nur einen geringen Anstieg des Gateleckstroms auf, und er zeigt gute Temperatureigenschaften.
Fig. 10 zeigt eine elektische Eigenschaft eines JFET aufgrund durch mechanische Spannungen hervorgerufene Änderungen. Die Source-Drain-Spannung VDS des JFET ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Der zugehörige Drainstrom IDS ist auf der vertikalen Achse aufgetragen. Im normalen Zustand ist die Strom-Spannung(I-V)-Charakteristik durch die durchgezogene Linie gekennzeichnet, wenn jedoch eine Zugspannung auf den JFET einwirkt, ändert sich die I-V-Charakteristik auf die gestrichelte Linie. Eine Änderung der Schwellenspannung als ein Beispiel betreffend Änderungen elektrischer Eigenschaften kann durch die Inverterschaltung erfaßt werden, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 7(a) erläutert wurde.
Der JFET (mechanische Spannungen erfassender FET 40) wird durch den Prozeß der Fig. 11(a) - (d) hergestellt. Eine n&spplus;-GaAs- und p&spplus;-GaAs-Schicht werden epitaktisch auf eine Kristallwachstumsschicht 2 aufgewachsen und zu einer Mesastruktur abgeätzt, wie in Fig. 11(a) dargestellt. Dann wird durch ein Abhebeverfahren eine Gateelektrode 4G hergestellt (Fig. 11(a)). Danach wird die p&spplus;-GaAs-Schicht 22' mit der Gateelektrode 4G als Maske abgeätzt, und anschließend wird, wie es in Fig. 11(c) dargestellt ist, ein Gatebereich 22' nur unter der Gateelektrode 4G ausgebildet. Eine Sourceelektrode 4S und eine Drainelektrode 4D werden erneut durch ein Abhebeverfahren hergestellt, und damit ist der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete JFET fertiggestellt.
Änderungen der elektrischen Eigenschaften des FET aufgrund mechanischer Spannungen können dadurch erfaßt werden, daß der FET mittels einer sogenannten Konstantstromansteuerung betrieben wird. Die folgenden Ausführungsbeispiele betreffen Halbleitersensoren, in die Schaltungen dieses Typs eingebaut sind.
Wie es in Fig. 12 dargestellt ist, wird dem Gate des mechanische Spannungen messenden FET 40 ein Gate-Vorbelastungsstrom VG zugeführt. Der Drain des FET 40 ist mit der Source eines MESFET Q&sub1; verbunden. Der Drain des MESFET Q&sub1; ist mit einer Spannungsquelle VDD verbunden. Die Source und der Drain sind kurzgeschlossen, so daß der MESFET als Konstantstromquelle arbeitet. Wie es in Fig. 4(b) dargestellt ist, ist der mechanische Spannungen erfassende FET 40 z. B. am proximalen Ende eines Balkens ausgebildet, so daß diesem mechanische Spannungen erfassenden FET 40 Eingangsinformation EIN in Form mechanischer Spannungen aufgrund einer Beschleunigung, mechanischer Schwingungen oder anderer Effekte zugeführt wird. Diese Spannungseingangsinformation EIN ändert die Source-Drain-Spannung VDS des mechanische Spannungen erfassenden FET 40, und durch die Schaltung von Fig. 12 wird die Änderung der Spannung VDS als Ausgangssignal AUS entnommen.
Fig. 13 zeigt den Betrieb der Schaltung von Fig. 12 mittels der I-V-Charakteristik. In Fig. 13 kennzeichnet die durchgezogene Kurve B die Lastlinie des FET Q&sub1; als Konstantstromquelle. Die Kurven A&sub1; und A&sub2; zeigen Strom-Spannung-Charakteristiken des mechanische Spannungen messenden FET 40. Die durchgezogene Kurve A&sub1; kennzeichnet die I-V-Charakteristik für den Fall, daß keine mechanische Spannung einwirkt. Die gestrichelte Kurve kennzeichnet die I-V-Kurve für den Fall, daß eine Zugspannung einwirkt. Wie es in Fig. 13 dargestellt ist, verschiebt sich der Betriebspunkt vom Punkt C&sub1; zum Punkt C&sub2;, was zeigt, daß ein größeres Ausgangssignal AUS erzeugt werden kann. In Fig. 12 repräsentiert IDSATQ1 einen Sättigungs-Drainstrom zum Zeitpunkt, zu dem die Gate-Source- Spannung VGS des als Konstantstromquelle wirkenden FET Q&sub1; null ist.
Beim obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, um die Empfindlichkeit zum Erfassen mechanischer Spannungen des mechanische Spannungen messenden FET 40 zu erhöhen, die Gatelänge des mechanische Spannungen messenden FET 40 zu erhöhen. Z. B. wird die Gatelänge auf 1,0 µm oder weniger eingestellt. Andererseits ist es zum Verbessern der Funktion des FET Q&sub1; zum Liefern eines konstanten Stroms bevorzugt, die Gatelänge des FET Q&sub1; relativ zu der des FET 40 länger zu machen. Hohe Meßempfindlichkeit kann dadurch erzielt werden, daß die Gatelänge des FET Q&sub1; auf das 1,5- oder Mehrfache (vorzugsweise 2- - Mehrfache) derjenigen des mechanische Spannungen messenden FET 40 eingestellt wird.
Die bekannte Erfassungsschaltung verwendete ein Widerstandselement R anstelle des FET Q&sub1; als Konstantstromquelle. Ein Nachteil beim Stand der Technik ist der, daß keine großen Erfassungsausgangssignale erzeugt werden können. Beim Verbessern der Abhängigkeit der I-V-Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 von mechanischen Spannungen, um dadurch eine Erfassung mit hoher Genauigkeit auszuführen, muß der Wert der Gatelänge klein gemacht werden. Wenn dies jedoch bei der bekannten Schaltung realisiert wird, ist es noch schwieriger, das Erfassungsausgangssignal zu erhöhen, und zwar wegen des Auftretens des sogenannten Kurzkanaleffekts. Da sich der Drainstrom stark abhängig von der Temperatur ändert, ändert sich das Erfassungsausgangssignal stark abhängig von der Temperatur, wenn der Kurzkanaleffekt auftritt. Die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 105029/1983 beschreibt eine Gegenmaßnahme gegen diese Temperaturabhängigkeit, jedoch besteht die Gegenmaßnahme darin, daß lediglich die Gate-Source-Vorspannung eingestellt wird, um dadurch diese Temperaturabhängigkeit zu beseitigen.
Der mit Konstantstrom betriebene Halbleitersensor kann die Schaltung von Fig. 14 aufweisen. Diese Schaltung unterscheidet sich vom obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel dahingehend, daß ein zwischen dem Drain eines mechanische Spannungen messenden FET 40 und einer Spannungsquelle VDD ausgebildeter MESFET Q&sub2; zusammen mit einem anderen MESFET Q&sub3; eine Stromspitzenschaltung bildet, wobei ein Widerstand R als Bauelement zum Ermitteln des Werts des Konstantstroms ausgebildet ist. In dieser Schaltung hat der durch den mechanische Spannungen messenden FET 40 zu liefernde Drainstrom ID den folgenden Wert:
ID = (VDD - VthQ3)/R,
wobei die Schwellenspannung des FET Q&sub3; mit VthQ3 repräsentiert ist. Die I-V-Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 ist in Fig. 15 dargestellt. Die gerade Linie B kennzeichnet die Lastlinie. Wenn eine mechanische Spannungen repräsentierende Eingangsinformation EIN die Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 von der Kurve A&sub1; auf die Kurve A&sub2; ändert, verschiebt sich der Betriebspunkt vom Punkt C&sub1; auf den Punkt C&sub2;. Demgemäß erzeugt die Schaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel, im Vergleich mit der bekannten Schaltung, ein viel größeres Erfassungsausgangssignal.
Der mit Konstantstrom betriebene Halbleitersensor kann die Schaltung von Fig. 16 aufweisen. Eine Differenz dieser Schaltung gegenüber der des obenbeschriebenen Ausführungsbeispiels ist die, daß ein MESFET Q&sub4; verwendet wird, der beim selben Herstellprozeß in ein und demselben Substrat ausgebildet wird. Gatevorspannungen VG1, VG2, die den jeweiligen Gates eines mechanische Spannungen messenden FET 40 bzw. dem FET Q&sub4; zugeführt werden, können gleich oder leicht verschieden voneinander sein. Bei dieser Schaltung wird der an den mechanische Spannungen messenden FET 40 zu liefernde Drainstrom ID dem Sättigungsdrainstrom IDSATQ4 des FET Q&sub4; gleich.
Die I-V-Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 ist in Fig. 17 dargestellt. In Fig. 17 kennzeichnet die durchgezogene Kurve B&sub1; die Lastlinie bei der Temperatur T&sub1;. Die durchgezogene Kurve A&sub1;&sub1; kennzeichnet die I-V-Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 bei der Temperatur T&sub1;. Die gestrichelte Kurve A&sub1;&sub2; kennzeichnet die I-V-Charakteristik, wie sie entsteht, wenn bei der Temperatur T&sub1; eine mechanische Spannung einwirkt. Wie dargestellt, verschiebt das Auftreten einer mechanischen Spannung den Betriebspunkt vom Punkt C&sub1;&sub1; zum Punkt C&sub1;&sub2;, was zeigt, daß ein großes Erfassungsausgangssignal erzeugt wird. Diese Charakteristik wird von der Kurve B&sub1; zur Kurve B&sub2;, von der Kurve A&sub1;&sub1; zur Kurve A&sub2;&sub1; und von der Kurve A&sub1;&sub2; zur Kurve A&sub2;&sub2; verschoben, wenn sich die Temperatur von T&sub1; auf T&sub2; (T&sub1; > T&sub2;) ändert. Wenn die Temperatur ansteigt (T&sub1; < T&sub2;), verschiebt sich die Charakteristik umgekehrt zum obigen Fall. Demgemäß verschieben sich die Lastlinien B&sub1;, B&sub2; abhängig von der Temperatur, wie dies für die Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 gilt. Dies, da in der Stromspiegelschaltung als Bauelement zum Erfassen des Laststroms der MESFET Q&sub4; verwendet wird, der mit dem mechanische Spannungen messenden FET 40 übereinstimmt. Demgemäß verschieben sich selbst dann, wenn große Temperaturänderungen auftreten, auch die Betriebspunkte C&sub1;&sub1; C&sub2; (C&sub1;&sub1;, C&sub1;&sub2;, C&sub1;&sub1;, C&sub2;&sub1;), und demgemäß kann ein großes Erfassungsausgangssignal unabhangig von der Temperatur erzeugt werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, die Gatelänge des mechanische Spannungen messenden FET 40 zu verkürzen, um seine Empfindlichkeit zum Erfassen mechanischer Spannungen zu verbessern. Andererseits ist es zum Verbessern der Konstantstromeigenschaften des FET Q&sub4; bevorzugt, die Gatelänge dieses FET Q&sub4; relativ zu der des mechanische Spannungen messenden FET 40 länger zu machen. Hohe Empfindlichkeit zum Erfassen mechanischer Spannungen kann dadurch erzielt werden, daß die Gatelänge des FET Q&sub4; zum 1,5- oder Mehrfachen (vorzugsweise 2- - Mehrfachen) der Gatelänge des mechanische Spannungen messenden FET 40 gemacht wird. Eine derartige Einstellung der Gatelänge kann dadurch ausgeführt werden, daß beim Herstellschritt ein Maskenmuster geändert wird.
Der mit Konstantstrom betriebene Halbleitersensor kann die Schaltungen der Fig. 18(a) und (b) aufweisen. Wie dargestellt, ist der mechanische Spannungen messende FET 40, wenn eine Eingangsinformation EIN entsprechenden mechanischen Spannungen an ihn gegeben wird, mit einem MESFET Q&sub5; zur Temperaturkompensation verbunden. Zwischen dem FET Q&sub5; und einer Spannungsquelle VDD ist ein MESFET Q&sub6; zur Stromsteuerung ausgebildet. Das Gate des MESFET Q&sub6; ist mit dem Ausgangsanschluß eines Operationsverstärkers 71 verbunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 71 ist mit einer Bezugsspannungsquelle VREF verbunden. Bei der Schaltung von Fig. 18(a) wird der FET Q6 so gesteuert, daß am Operationsverstärker 71 VREF = VV gilt, wobei die Source-Drain-Potentialdifferenz am FET Q&sub5; durch VV repräsentiert ist und der Source-Drain-Widerstand durch RV repräsentiert ist. Daraus ergibt sich, daß der Drainstrom ID konstant wird. Das heißt, daß folgendes gilt:
VREF = ID RV.
Daher gilt:
ID = VREF/RV.
Der Ersatzwiderstand des mechanische Spannungen messenden FET 40 ändert sich aufgrund einer Temperaturdrift. Jedoch erfolgt eine Temperaturkompensation dadurch, daß die Gatevorspannung VG4 des FET Q&sub5; geändert wird.
Fig. 19 zeigt diese Temperaturkompensation mittels der I-V- Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40. Die Kurve A&sub1;&sub1; zeigt die I-V-Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 bei der Temperatur T&sub1;. Die Kurve A&sub1;&sub2; ist die I-V-Kurve bei der Temperatur T&sub1;, wenn mechanische Spannungen einwirken, und die Lastlinie zu diesem Zeitpunkt ist durch die gerade Linie B&sub1; gekennzeichnet. Es ist erkennbar, daß sich der Betriebspunkt von C&sub1;&sub1; nach C&sub1;&sub2; verschiebt und daß ein großes Erfassungsausgangssignal erzeugt werden kann. Wenn die Temperatur von T&sub1; auf T&sub2; fällt, verschiebt sich die Kurve A&sub1;&sub1; auf die Kurve A&sub2;&sub1;, und die Kurve A&sub1;&sub2; verschiebt sich auf die Kurve A&sub2;&sub2;. Dabei verschiebt sich die Lastlinie B&sub1; auf die Lastlinie B&sub2;, und zwar durch Ändern der Gatevorspannung VG4 des FET Q&sub5;. D. h., daß sich der Betriebspunkt vom Punkt C&sub2;&sub1; auf den Punkt C&sub2;&sub2; verschiebt und daß ein großes Erfassungsausgangssignal unabhängig von der Temperatur erzeugt werden kann. Die Schaltung der Fig. 18(g) führt denselben Vorgang wie der Fig. 18(a) aus. In der Schaltung von Fig. 18(b) erfolgt die Temperaturkompensation dadurch, daß die Gatevorspannung VG6 am FET Q&sub5; geändert wird.
Änderungen der elektrischen Eigenschaften des FET aufgrund mechanischer Spannungen können dadurch erfaßt werden, daß der FET mittels sogenannter Konstantspannungsansteuerung betrieben wird. Die folgenden Ausführungsbeispiele betreffen Halbleitersensoren, in die eine Schaltung dieses Typs eingebaut ist.
Wie in Fig. 20 dargestellt, ist ein mechanische Spannungen messender FET 40 mit der Source mit dem invertierenden Eingangsanschluß (-) eines Verstärkers 11 verbunden, er ist mit dem Drain mit einer Spannungsquelle VDD verbunden, und er ist mit dem Gate mit einem Anschluß zum Zuführen einer Gatevorspannung VG verbunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 11 ist geerdet. Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 11 wird ein Ausgangssignal AUS entnommen. Der mechanische Spannungen messende FET 40 ist auf einem Balken ausgebildet, wie z. B. in Fig. 4(b) dargestellt, so daß eine auf Beschleunigung oder einer anderen Wirkung beruhende mechanische Spannung als Eingangsinformation EIN betreffend mechanische Spannungen auf den mechanische Spannungen messenden FET 40 einwirken. Wenn bei der Schaltung von Fig. 20 die Potentialdifferenz zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß (-) und dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) den Wert V&sub2; hat, kann die Potentialdifferenz V&sub2; als null angesehen werden. Dann, wenn die Potentialdifferenz zwischen der Spannungsquelle VDD und Masse den Wert V&sub1;' hat, liegt immer eine konstante Spannung V&sub1; zwischen der Source und dem Drain des mechanischen Spannungen messenden FET 40. Demgemäß hat dann, wenn der Spannungspegel des Ausgangssignals AUS den Wert V&sub3; hat, der Widerstand zwischen der Source und dem Drain des mechanische Spannungen messenden FET 40 den Wert RV, und der Drainstrom ist ID:
V&sub3;/V&sub1; = -R&sub1;/RV,
und da V&sub1; RV ID gilt, gilt
V&sub3; = -(R&sub1;/RV) V&sub1; = -ID R&sub1;.
Die Beziehung ist durch die I-V-Charakteristik in den Fig. 21(a) und (b) dargestellt. Fig. 21(a) zeigt die I-V-Charakteristik für den Fall, daß im mechanische Spannungen messenden FET 40 kein Kurzkanaleffekt auftritt. Fig. 21(b) zeigt die I-V-Charakteristik für den Fall, daß der Drainstrom wegen des Kurzkanaleffekts nicht ausreichend gesättigt ist. Die durchgezogene Kurve A&sub1; kennzeichnet die Abhängigkeit von VDS vom Drainstrom ID für den Fall, daß sich die mechanischen Spannungen auf dem Wert Null befinden. Die gestricheite Kurve A&sub2; kennzeichnet die Abhängigkeit von VDS vom Drainstrom ID für den Fall, daß eine Zugspannung einwirkt. Die durchgezogene, gerade Linie B ist eine Lastlinie. Wie dargestellt, verschiebt sich der Betriebspunkt vom Punkt C&sub1; auf den Punkt C&sub2;, und es ist erkennbar, daß ein ausreichend großes Erfassungsausgangssignal selbst dann erzeugt werden kann, wenn ein Kurzkanaleffekt vorliegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt eine konstante Spannung zwischen der Source und dem Drain des mechanische Spannungen messenden FET 40, und eine Änderung des Drainstroms ID tritt auf, wenn eine auf ihn einwirkende mechanische Spannung von einem Strom in eine elektrische Spannung umgesetzt wird, die als Erfassungsausgangssignal zu liefern ist. Demgemäß kann ein großes Erfassungsausgangssignal, das frei von Einflüssen durch den Kurzkanaleffekt und die Umgebungstemperatur ist, als Spannungssignal erzeugt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 22 ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das Erfassungsausgangssignal als Frequenzsignal ausgegeben wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Drain eines mechanische Spannungen messenden FET 40 mit einer Versorgungsspannung VDD versorgt, sein Gate wird mit einer Gatevorspannung VG versorgt und seine Source ist mit einem MESFET Q&sub2; verbunden, dessen Gate und Drain kurzgeschlossen sind. Das Gate des MESFET Q&sub2; ist mit dem Gate eines MESFET Q&sub3; verbunden, dessen Source geerdet ist. Eine Oszillatorschaltung 13 besteht aus einem invertierenden Schmitt-Trigger 12 mit zwei verschiedenen Schwellenwerten, d. h. mit Hysterese, Widerständen R&sub3;&sub1;, R&sub3;&sub2;, die an der Ausgangsseite des Inverters 12 in Reihe geschaltet sind, und einem Kondensator C&sub3;, der zwischen einen Ausgangsanschluß und Masse eingefügt ist. Der Knoten zwischen den Widerständen R&sub3;&sub1;, R&sub3;&sub2; ist mit dem FET Q&sub3; verbunden.
Bei der obenbeschriebenen Schaltung entspricht, da das Gate und der Drain des FET Q&sub2; kurzgeschlossen sind, die Source- Drain-Spannung der Schwellenspannung Vth des FET Q&sub2;. Demgemäß wird zwischen der Source und dem Drain des mechanische Spannungen messenden FET 40 eine erforderliche Gleichspannung (VDD - Vth) angelegt. Dadurch ändert sich, während eine im wesentlichen konstante Spannung (VDD - Vth) zwischen der Source und dem Drain des mechanische Spannungen messenden FET 40 liegt, wenn auf diesen mechanische Spannungen einwirken, der Drainstrom ID entsprechend dem Ausmaß der mechanischen Spannungen, wie es in den Fig. 21(a) und (b) dargestellt ist. Demgemäß ändert sich das Gatepotential des MESFET Q&sub3;, und es ändert sich der durch den FET Q&sub3; fließende Strom. Dann ändert sich auch die Frequenz der Oszillatorschaltung 13, die aus dem invertierenden Schmitt-Trigger 12, den Widerständen R&sub3;&sub1;, R&sub3;&sub2; und dem Kondensator C&sub3; besteht.
Fig. 23(a) und (b) zeigen die Schwingung der Oszillatorschaltung 13 durch Ersatzschaltungen. Fig. 23(a) zeigt den Zustand, bei dem sich die Ausgangsspannung Vout auf hohem Pegel befindet. Fig. 23(b) zeigt den Zustand, in dem sich die Ausgangsspannung Vout auf niedrigem Pegel befindet. Wie es in Fig. 23(a) dargestellt ist, fließt dann, wenn die Ausgangsspannung Vout hohen Pegel hat, ein Strom i&sub1; durch den Kondensator C&sub3;, und dieser Kondensator C&sub3; wird durch den Strom geladen, wobei der Eingangspegel des invertierenden Schmitt-Triggers 12 allmählich ansteigt. Wenn der Eingangspegel am invertierenden Schmitt-Trigger 12 einen ersten Schwellenpegel überschreitet, wird die Ausgangsspannung Vout auf den niedrigen Pegel invertiert, und die Oszillatorschaltung 13 wird in den in Fig. 23(b) dargestellten Zustand umgeschaltet; Dann fließt ein Strom i&sub2;, und dadurch wird die elektrische Ladung des Kondensators C&sub3; entladen, und der Eingangspegel des invertierenden Schmitt-Triggers 12 fällt allmählich. Wenn der Eingangspegel des invertierenden Schmitt-Triggers 12 niedriger als ein zweiter Schwellenpegel wird, wird die Ausgangsspannung Vout vom niedrigen auf den hohen Pegel invertiert, und der Inverter 12 wird erneut auf den Zustand von Fig. 23(a) umgeschaltet. Demgemäß verfügt der invertierende Schmitt-Trigger 12 über zwei Schwellenwerte, so daß seine Ausgangsspannung Vout zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel umgeschaltet wird, um durch die Schwingung Impulse mit der erforderlichen Frequenz auszugeben. Ein Konstantstrom IC in den Schaltungen der Fig. 23(a) und (b) wird durch den FET Q&sub3; in der Schaltung von Fig. 22 geliefert. Dieser Konstantstrom IC ändert sich abhängig von der auf den mechanische Spannungen messenden FET 40 einwirkenden Eingangsinformation EIN betreffend mechanische Spannungen. D. h., daß sich dann, wenn sich die auf den mechanische Spannungen messenden FET 40 einwirkenden mechanischen Spannungen ändern, der Wert des Konstantstroms IC ändert. Demgemäß weisen die Ladung und die Entladung des Kondensators C&sub3; zeitliche Unterschiede auf, so daß sich die Schwingungsfrequenz entsprechend dem Ausmaß der mechanischen Spannung ändert. Dabei liegt zwischen der Source und dem Drain des mechanische Spannungen messenden FET 40 dauernd eine konstante Vorspannung, so daß selbst dann, wenn wegen der kurzen Gatelänge dieses mechanische Spannungen messenden FET 40 ein Kurzkanaleffekt auftritt, unabhängig von der Temperatur eines großen Erfassungsausgangssignal erzeugt werden kann.
Die Fig. 24 sowie 25(a) und (b) zeigen Modifizierungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels Die Schaltung von Fig. 24 unterscheidet sich von der von Fig. 22 dadurch, daß eine Oszillatorschaltung aus zwei üblichen Invertern (INV) 21, 22 anstelle des invertierenden Schmitt-Triggers 12 besteht. Bei der Schaltung von Fig. 24 entspricht die Source-Drain-Spannung eines FET Q&sub2; der Schwellenspannung, so daß die Source-Drain-Spannung des mechanische Spannungen erfassenden FET 40 konstant ist. Wenn an den mechanische Spannungen messenden FET 40 eine mechanische Spannung angelegt wird, ändert sich der durch den FET Q&sub3; fließende Strom, und diese Stromänderung ändert die Frequenz der Oszillatorschaltung.
Fig. 25(a) und (b) zeigen dies mittels Ersatzschaltungen. Fig. 25(a) zeigt den Zustand, bei dem eine Ausgangsspannung Vout hohen Pegel hat. Fig. 25(b) zeigt einen Zustand, bei dem eine Ausgangsspannung Vout niedrigen Pegel hat. Wie es in Fig. 25(a) dargestellt ist, wird, wenn die Ausgangsspannung Vout hohen Pegel hat, der Kondensator C&sub3; mit einem Strom i&sub1; geladen, und die Ausgangsspannung Vout wird auf den niedrigen Pegel invertiert. Dann folgt der Zustand von Fig. 25(b), und die elektrische Ladung des Kondensators C&sub3; wird mittels eines Stroms i&sub2; entladen. Dabei werden die Lade- und Entladezeiten des Kondensators C&sub3; durch einen Konstantstrom IC geändert, so daß eine Änderung der Schwingungsfrequenz eine Änderung des Ausmaßes mechanischer Spannungen änzeigt.
Bei der Schaltung von Fig. 24 kann ein Widerstand auf der Seite des Ausgangs des Inverters 22 eingefügt sein, und zwischen diesen Widerstand und den Kondensator C&sub3; kann ein FET eingefügt sein. Bei einem Halbleitersensor gemäß der Erfindung kann die Schaltung von Fig. 20 parallel als Paar vorhanden sein. In diesem Fall ist der mechanische Spannungen messende FET 40 bei einer Schaltung des Paars Schaltungen an einer Stelle ausgebildet, auf die keine mechanische Spannungen einwirken. In der anderen Schaltung des Paars Schaltungen ist der mechanische Spannungen messende FET 40 an einer Stelle ausgebildet, auf die mechanische Spannungen einwirken. Durch Ermitteln der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der so angeordneten Schaltungen kann ein Ausgangssignal erzeugt werden, das vollkommen unabhängig von der Temperatur ist.
Wenn mechanische Spannungen auf einen FET einwirken, ändert der FET nicht nur die Schwellenspannung, sondern auch die Vorwärtssteilheit (gm). Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel betrifft einen Halbleitersensor, der mechanische Spannungen aufgrund einer Änderung der Vorwärtssteilheit erfaßt. Dieser Sensor verfügt über einen mechanische Spannungen messenden FET, der mit derselben Anordnung wie beim Sensor von Fig. 4(a) ausgebildet ist. Durch Verbiegen einer Kristallwachstumsschicht (elastisch verformbares Element) 2 hervorgerufene mechanische Spannungen ändern die Vorwärtssteilheit gm des mechanische Spannungen messenden FET 40. Demgemäß kann die durch G in Fig. 4(a) gekennzeichnete Beschleunigung erfaßt werden.
Fig. 26 zeigt eine Schaltung eines Halbleitersensors gemäß diesem Ausführungsbeispiel Ein mechanische Spannungen messender FET 40, auf den mechanische Spannungen einwirken, ist mit seinem Gate parallel zu einer Oszillatorschaltung 51 geschaltet, zum Liefern eines Wechselspannungssignals vg über einen Gleichspannungs-Sperrkondensator C, an eine Vorspannungsschaltung 52 zum Liefern einer Gleichvorspannung Vg. Der mechanische Spannungen messende FET 40 ist mit seiner Source mit einer Spannungsquelle Vss verbunden. Durch den Drain des mechanische Spannungen messenden FET 40 fließt ein Drainstrom IDS, Id + id (Id' + id'), wobei Id die der Gleichvorspannung Vg entsprechende Stromkomponente repräsentiert, id die dem Wechselspannungssignal vg entsprechende Stromkomponente repräsentiert und Id' und id' die Stromkomponenten dieser Stromkomponenten repräsentieren, wie sie dann erhalten werden, wenn mechanische Spannungen einwirken. Der Drain des mechanische Spannungen messenden FET 40 ist mit einer I/V-Umsetzschaltung 53, einem HPF 54 und einer Amplitudenmodulations-Detektorschaltung 55 (AM-Detektorschaltung) verbunden. Die I/V-Umsetzschaltung 53 setzt den Ausgangsstrom (Drainstrom IDS) des mechanische Spannungen messenden FET 40 in ein Spannungssignal um. Das HPF 54 ist ein Hochfrequenz-Durchlaßfilter zum Sperren einer niederfrequenten Komponente, um eine hochfrequente Komponete zu entnehmen. Die AM-Detektorschaltung 55 führt einen AM-Detektorvorgang an einem Wechselspannungssignal aus, um ein Erfassungssignal OUT&sub1; für mechanische Spannungen auszugeben.
Fig. 27 zeigt die Funktion der Schaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Während die Gatespannung VG auf der horizontalen Achse aufgetragen ist und der Drainstrom IDS auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, ist die Charakteristik des mechanische Spannungen messenden FET 40 durch die durchgezogene Linie B&sub0; in Fig. 27 gekennzeichnet. Wenn in diesem Zustand eine mechanische Spannung auf dem mechanische Spannungen messenden FET 40 einwirkt, ändert sich die Vorwärtssteilheit gm. Wenn z. B. eine Zugspannung einwirkt, wird die gestrichelte Kurve Bs in Fig. 27 erhalten. Demgemäß hat, wenn die Gatespannung VG = Vg + vg dergestalt ist, wie es in Fig. 27 dargestellt ist, der Drainstrom IDS den Wert ID + id, wie dargestellt, und zwar wenn die mechanische Spannung den Wert Null hat. Wenn eine mechanische Spannung einwirkt, hat der Strom IDS den Wert Id' + id'.
Der Strom IDS des mechanische Spannungen messenden FET 40 wird durch die I/V-Umsetzschaltung 53 in ein Spannungssignal umgesetzt, und aus dem umgesetzten Signal werden Gleichspannungskomponenten und Komponenten niederfrequenter Störsignale entfernt. Demgemäß sind die der AM-Detektorschaltung 55 zugeführten Komponenten Wechselstromkomponenten des Drainstroms IDS, d. h. eine Komponente, die den Pegeln id, id' in Fig. 27 entspricht. Aus Fig. 27 ist erkennbar, daß sich die Amplituden der Wechselstromkomponente id, id' abhängig von der mechanischen Spannung ändert. Demgemäß kann durch AM- Ermittlung der Wechselstromkomponenten id, id' ein Erfassungssignal OUT&sub1; erzeugt werden, das dem Ausmaß mechanischer Spannungen entspricht.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann auf einfache Weise sehr hohe Empfindlichkeit erzielt werden, da eine mechanische Spannung als Änderung der Vorwärtssteilheit gm erfaßt wird, wie sie auftritt, wenn eine mechanische Spannung auf den mechanische Spannungen messenden FET 40 einwirkt. Da an das Gate des mechanische Spannungen messenden FET 40 ein Wechselspannungssignal gegeben wird, um eine Änderung der Wechselstromkomponente des Drainstroms IDS zu erfassen, können Drifterscheinungen im Drainstrom IDS und niederfrequente Störsignale durch das HPF 54 entfernt werden. Demgemäß kann ein großer dynamischer Bereich erzielt werden.
Der FET 40 verfügt bei diesem Ausführungsbeispiel über eine Strom-Spannung-Charakteristik, die sich entsprechend Temperaturänderungen ändert. Dies ermöglicht es, die Temperatur gleichzeitig mit der Erfassung mechanischer Spannungen zu messen. Die Schaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Schaltung gemäß dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß, wie es in Fig. 28 dargestellt ist, eine Integrierschaltung 56 parallel zu einem HPF 54 und einer AM-Detektorschaltung 55 eingefügt ist. Die Integrierschaltung 56 integriert das Ausgangssignal der I/V- Umsetzschaltung 53 mit gewünschter Zeitkonstante und gibt das Ergebnis als Temperaturerfassungssignal OUT&sub2; aus. Bei dieser Schaltung wird eine Änderung (aufgrund mechanischer Spannungen) einer Wechselstromkomponente des Drainstroms IDS des mechanische Spannungen messenden FET 40 durch das HPF 54 und den AM-Detektor 55 erfaßt, und eine Änderung (aufgrund einer Temperaturänderung) der Gleichstromkomponente wird durch die Integrierschaltung 56 erfaßt.
In Fig. 29 repräsentieren die Kurven Bco, Bcs, Bho, Bhs Änderungen des Drainstroms IDS des mechanische Spannungen messenden FET 40 bezogen auf die Gatespannung VG desselben. Die Kurve Bco kennzeichnet einen Zustand bei niedrigen Temperaturen und dem Pegel Null an mechanischen Spannungen. Die Kurve Bcs kennzeichnet einen Zustand bei niedrigen Temperaturen und mit Spannungen. Die Kurve Bho kennzeichnet einen Zustand bei hoher Temperatur mit dem Pegel Null an mechanischen Spannungen. Die Kurve Bhs kennzeichnet einen Zustand mit hoher Temperatur und mit mechanischen Spannungen. Wenn dem mechanische Spannungen messenden FET 40 mit dieser Charakteristik die Gatespannung VG = Vg + vg zu geführt wird, ändert sich die Gleichstromkomponente des Drainstroms IDS in Fig. 29 zwischen Idc - Idc', und die Gleichstromkomponente bei hoher Temperatur ändert sich hierbei zwischen Idh - Idh'. Diese Gleichstromkomponenten des Drainstroms IDS werden in ein Spannungssignal umgesetzt und dann durch die Integrierschaltung 56 mit großer Zeitkonstante erfaßt, um als Temperaturerfassungssignal OUT&sub2; ausgegeben zu werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Temperatur und mechanische Spannungen durch ein und denselben messenden FET 40 auf Grundlage ein und derselben Charakteristikänderung erfaßt, was es ermöglicht, eine Temperaturkompensation genau auszuführen.
In einem elastisch verf ormbaren Element erzeugte mechanische Spannungen können dadurch mit hoher Genauigkeit erfaßt werden, daß zwei FETs im elastisch verforrnbaren Abschnitt ausgebildet werden, um die Differenz zwischen den Ausgangssignalen zu berechnen. Das folgende Ausführungsbeispiel betrifft einen derartigen Halbleitersensor.
Wie es in Fig. 30 dargestellt ist, ist ein Paar MESFETs 401, 402 am proximalen Ende eines Balkens 3 als mechanische Spannungen messende Halbleiter-Bauelemente ausgebildet. Eine Signalverarbeitungsschaltung 5 ist einem Abschnitt (einem Träger) einer Kristallwachstumsschicht 2 in einem anderen Abschnitt als dem des Balkens 3 ausgebildet. Diese Signalverarbeitungsschaltung 5 ist über eine Signalleitung an die FETs 401, 402 angeschlossen.
Fig. 31 zeigt ein Schaltbild für den Sensor von Fig. 30. Jeder der FETs 401, 402, die am proximalen Ende des Balkens 3 ausgebildet sind, ist drainseitig mit einer I/V-Umsetzschaltung 51 mit einem Verstärker A und einem Rückkopplungswiderstand 51, 52 verbunden. Die Ausgangssignale der I/V- Umsetzschaltungen 51, 52 werden an eine Differenzverstärkungsschaltung 53 gegeben, und es wird ein der Differenz entsprechendes Signal AUS erzeugt. Die mechanische Spannungen messende FETs sind in verschiedenen Richtungen angeordnet. Genau gesagt, ist der FET 401 so angeordnet, daß die Länge des Gates rechtwinklig zur Richtung mechanischer Spannungen steht, und der FET 401 ist so angeordnet, daß die Länge des Gates parallel zur Richtung mechanischer Spannungen verläuft.
Die Fig. 32(a) und (b) zeigen die Strom-Spannung-Charakteristik der FETs 401, 402 und Charakteristikänderungen aufgrund mechanischer Spannungen. Die Drain-Source-Spannung der FETs 401, 402 sind auf den horizontalen Achsen VDS1, VDS2 aufgetragen. Die Drainströme der FETs 401, 402 sind auf den vertikalen Achsen IDS1, IDS2 aufgetragen. Die FETs 401, 402 werden gemäß denselben Spezifikationen hergestellt. Demgemäß stimmen ihre I-V-Charakteristiken im Prinzip im wesentlichen miteinander überein, wie es durch die durchgezogenen Linien in den Fig. 32(a) und (b) angezeigt ist. Hierbei ist angenommen, daß der Balken verformt ist und mechanische Spannungen auf die FETs 401, 402 einwirken. Dann ist im FET 401, dessen Gatelänge rechtwinklig zur Richtung mechanischer Spannungen verläuft, die Änderung des Drainstroms aufgrund des piezoelektrischen Effekts groß, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 32(a) angezeigt. Im Gegensatz hierzu ist im FET 402, dessen Gatelänge parallel zur Richtung der mechanischen Spannungen verläuft, die Änderung des Gate stroms klein, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 32(b) angezeigt.
Gemäß Fig. 31 gilt für die in den zwei Verstärkern A fließenden Ströme I&sub1;, I&sub2; die Beziehung I&sub1; > I&sub2; (d. h. I&sub1; = 2I&sub2;), und diese werden dann in Spannungssignale V&sub1;, V&sub2; umgesetzt, um einer Differenzverstärkungsschaltung 53 zugeführt zu werden. Die Differenzverstärkungsschaltung 53 bildet die Differenz zwischen den Spannungen V&sub1;, V&sub2; und verstärkt diese Differenz. Demgemäß wird das Ausgangssignal AUS der Differenzverstärkungsschaltung 53 ein Signal, das dem Ausmaß der auf die FETs 401, 402 einwirkenden mechanischen Spannungen entspricht.
Wie vorstehend beschrieben, werden bei diesem Ausführungsbeispiel Änderungen der I-V-Charakteristiken der FETs auf Grundlage von Prinzipien erzeugt, die sich völlig von Widerstandsänderungen aufgrund des piezoelektrischen Effekts unterscheiden, und die Änderungen sind sehr empfindlich erkennbar. Dies ermöglicht es, Sensoren mit sehr hoher Empfindlichkeit zu realisieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt, da die FETs 401, 402 am proximalen Ende des Balkens 3 ausgebildet sind, eine Temperaturänderung im wesentlichen für die FETs 401, 402 auf ähnliche Weise. Dies macht die Temperaturcharakteristik zu einer sehr vorteilhaften. Die Temperaturcharakteristik wird um so besser, je näher die FETs 401, 402 beieinander liegen.
Das obenbeschriebene Ausführungsbeispiel kann auf die Membran der Fig. 33 angewendet werden. Wie dargestellt, wird ein Halbleitersubstrat 1 teilweise entfernt, um aus der Kristallwachstumsschicht 2 eine Membran 8 auszubilden. Am Ende der Membran werden MESFETs 401, 402 ausgebildet. Die Länge der Gateelektrode des FET 401 verläuft rechtwinklig zur Richtung mechanischer Spannungen, und die Länge der Gateelektrode des FET 402 verläuft parallel zur Richtung mechanischer Spannungen. Demgemäß ändert sich die I-V-Charakteristik des FET 401 stärker abhängig von den Niveaus mechanischer Spannungen.
Beim Halbleitersensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 34 ist ein Paar MESFETs 401, 402 in derselben Richtung am proximalen Ende eines Balkens 3 als Halbleiter-Bauelemente zum Messen von Spannungen ausgebildet. Die FETs 401, 402 verfügen über dieselbe Größe, jedoch bestehen ihre Gateelektroden aus verschiedenen Materialien. Genau gesagt, besteht die Gateelektrode des FET 401 aus Ti (oder Cr) mit einer Dicke von 500 Å und aus W, das mit einer Dicke aus 4000 Å über dem Ti liegt. Die Gateelektrode des FET 402 besteht aus Aluminium anstelle des W, mit derselben Dicke. Die FETs 401, 402 werden mit denselben Spezifikationen hergestellt, mit Ausnahme der körperlichen Festigkeiten ihrer Gateelektroden. Demgemäß sind ihre I-V-Charakteristiken im Prinzip im wesentlichen dieselben, wie durch die durchgezogenen Kurven in den Fig. 32(a) und (b) dargestellt. Hierbei ist angenommen, daß der Balken verformt wird und daß mechanische Spannungen auf die FETs 401, 402 einwirken. Im FET 401, dessen Gateelektrode aus W mit hohem Young-Modul besteht, ist die Änderung der I-V-Charakteristik aufgrund des piezoelektrischen Effekts groß, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 32(a) dargestellt. Im Gegensatz hierzu ist im FET 402, dessen Gateelektrode aus Aluminium mit niedrigem Young-Modul besteht, die Änderung der I-V-Charakteristik klein, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 32(b) angezeigt. Diese I-V- Charakteristiken werden durch dieselbe Schaltung wie in Fig. 31 erfaßt.
Ein Halbleitersensor, der mit der beanspruchten Erfindung in Beziehung steht, sie jedoch nicht verkörpert, ist in Fig. 35 dargestellt. Bei diesem Sensor besteht ein Träger aus einer Grundplatte 91 aus Aluminiumoxid, wobei am Ende der Oberseite der Grundplatte 91 ein dünner Chip 92 aus einem piezoelektrischen Halbleiter wie GaAs mittels eines Klebers (nicht dargestellt) befestigt ist. Der Chip 92 aus GaAs ist als Balken ausgebildlet, der von der Grundplatte 91 gehalten wird. Am Vorderende des Chips 92 ist ein Gewicht 93 befestigt. Auf den GaAs-Chip ist ein elastisch verformbares Element zwischen seinem mit der Grundplatte 91 verbundenen Abschnitt und dem Gewicht 93 gebildet. An der Oberseite des elastisch verformbaren Elements ist ein mechanische Spannungen erfassendes Bauelement 4, z. B. ein MESFET, ausgebildet. An der Oberseite der Grundplatte 91 aus Aluminiumoxid ist ein Substrat mit integrierter Schaltung (H-IC-Substrat) 94 befestigt. Ein Anschluß des H-IC-Substrats 94 und ein auf dem GaAs-Chip 92 ausgebildeter Elektroden-Kontaktfleck sind über einen Draht 95 aus Gold (Au) verbunden. Auf dem GaAs- Chip 92 oder dem H-IC-Substrat 94 kann eine Signalverarbeitungsschaltung zum Liefern eines Treibersignals an das mechanische Spannungen messende Bauelement 4 und zum Empfangen eines Erfassungssignals von diesem mechanische Spannungen messenden Bauelement 4 zum Ausführen einer erforderlichen Signalverarbeitung ausgebildet sein.
Der Halbleitersensor von Fig. 35 wird durch den folgenden Prozeß hergestellt. Es wird ein GaAs-Wafer, der durch Dotierung mit z. B. Cr halbisolierend gemacht ist, vorbereitet, und die Oberfläche des Wafers wird zu einer spiegelglatten Oberfläche endbearbeitet. Anschließend wird eine Photomaske hergestellt, um einen FET z. B. durch Photolithographie herzustellen. Dann werden Ionen für einen n-Fremdstoff implantiert, um im GaAs-Wafer einen Bereich mit implantierten Ionen auszubilden. Anschließend wird der GaAs-Wafer mit einem SiO&sub2;-Film beschichtet und in der Wärme bei 850ºC für 15 Minuten behandelt, um den Ionenimplantationsbereich zu aktivieren. Nachfolgend werden die Gateelektrode, die Sourceelektrode und die Drainelektrode des MESFET durch ein Abhebeverfahren hergestellt. Folgend auf diese Elektrodenherstellung wird der Wafer bei ungefähr 400ºC (Legierungsbildung) wärmebehandelt, und Protonen werden selektiv implantiert, um das Bauelement zu isolieren. Dann wird eine Schicht aus einem isolierenden Film hergestellt, und der isolierende Film wird selektiv geätzt, um ein Kontaktloch herzustellen. Nachdem eine Verdrahtungsschicht auf dem isolierenden Film ausgebildet ist, wird ein Passivierungsfilm hergestellt. Der so hergestellte GaAs-Wafer mit einem darin ausgebildeten FET oder anderen Bauelementen wird durch Zerschneiden in GaAs-Chips unterteilt. Die hergestellten GaAs- Chips werden an der Grundplatte aus Aluminiumoxid befestigt.
Beim Halbleitersensor der Fig. 35 besteht das elastisch verformbare Element nicht aus der sogenannten Kristallwachstumsschicht aus GaAs, sondern aus einem LEC(Czochralski-Verfahren mit Flüssigkeitseinkapselung)-Substrat oder einem HB (horizontales Bridgeman-Verfahren)-Substrat. Im LEC-Substrat oder anderen Teilen ist durch Ionenimplantation ein MESFET oder ein anderes Bauelement als mechanische Spannungen messendes Bauelement ausgebildet. Demgemäß ist es leicht, gute Erfassungseigenschaften zu realisieren.

Claims

1. Halbleitersensor mit:

- einem Substrat (1);

- einer Schicht (2) aus Halbleitermaterial, die auf dem Substrat ausgebildet ist und von diesem getragen wird, wobei ein Abschnitt (A) oder mehrere des Substrats entfernt sind, um einen Abschnitt der Halbleiterschicht freizulegen, der durch eine äußere physikalische Kraft (G) elastisch verformbar ist; und

- einem Sensor (4) für elastische Spannungen mit einer elektrischen Eigenschaft, die sich auf mechanische Spannungen im Abschnitt der Schicht beim Anlegen einer äußeren physikalischen Kraft (G) ändert;

dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht einen piezoelektrischen Effekt zeigt, der höher als der von Silizium ist und daß der Sensor für mechanische Spannungen einen Feldeffekttransistor (4) aufweist, der im Abschnitt der Schicht ausgebildet ist.

2. Halbleitersensor nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (3) aus Halbleitermaterial aus einem GaAs-Kristall besteht.

3. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Abschnitt des Substrats so entfernt ist, daß das Substrat einen Träger (1) und ein Gewicht (1G) bildet, wobei sich der freiliegende Abschnitt der Halbleiterschicht zwischen dem Träger und dem Gewicht erstreckt.

4. Halbleitersensor nach Anspruch 3, bei dem das Gewicht (1G) mittels des freiliegenden Abschnitts der Halbleiterschicht eine Balkenverbindung zum Träger (1) bildet.

5. Halbleitersensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Einatom- Halbleiter ist.

6. Halbleitersensor nach Anspruch 3, bei dem der Feldeffekttransistor (4) dadurch hergestellt wurde, daß Ionen in den GaAs-Kristall implantiert wurden.

7. Halbleitersensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Feldeffekttransistor (4) vom Typ mit Schottky- Gate ist.

8. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Feldeffekttransistor (4) vom Sperrschichttyp ist.

9. Halbleitersensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Anlegen einer äußeren Kraft eine Scherung zwischen dem Gate (4a) und dem Kanal des Feldeffekttransistors (4) hervorruft, wodurch eine Polarisation im Kanal hervorgerufen wird.

10. Halbleitersensor nach Anspruch 7, bei dem die Gateelektrode (4G) des Feldeffekttransistors (4) in ausreichend engern Kontakt mit der zugehörigen Kanalzone steht, um sich nicht von der Kanalzone zu entfernen, wenn eine Verformung des elastisch verformbaren Elements (3) stattfindet.

11. Halbleitersensor nach Anspruch 10, bei dem die Gateelektrode (4G) aus einem Material mit einem Young-Modul besteht, der ausreichend hoch dafür ist, daß in der Kanalzone mechanische Spannungen hervorgerufen werden, wenn eine Verformung des Elements (3) auftritt.

12. Halbleitersensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Gate (4G) des Feldeffekttransistors (4) mit einer eingestellten Gleichvorspannung versorgt wird, ferner mit einer Konstantstrom-Versorgungseinrichtung (Q&sub1;) zum Liefern eines eingestellten Drainstroms an den Drain (4D) des Feldeffekttransistors (4).

13. Halbleitersensor nach Anspruch 12, bei dem die Konstantstrom-Versorgungseinrichtung einen Feldeffekttransistor (Q&sub1;) aufweist, dessen Source und Gate kurzgeschlossen sind und der als Bauelement zum Bestimmen des Werts des Drainstroms dient.

14. Halbleitersensor nach Anspruch 12, bei dem die Konstantstrom-Versorgungseinrichtung eine Stromspiegelschaltung (Q&sub2;, Q&sub3;) enthält.

15. Halbleitersensor nach Anspruch 14, bei dem die Stromspiegelschaltung einen Feldeffekttransistor (Q4) enthält, dessem Gate eine eingestellte Gleichstromspannung zugeführt wird und der als Bauelement zum Bestimmen des Werts des Drainstroms dient.

16. Halbleitersensor nach Anspruch 12, bei dem die Konstantstrom-Versorgungseinrichtung einen Feldeffekttransistor (Q&sub5;) aufweist, dessen Gatevorspannung entsprechend der Temperatur eingestellt wird.

17. Halbleitersensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Signalerfassungseinrichtung zum Ausgeben eines Signals, das einer mechanischen Spannung aufgrund einer äußeren physikalischen Kraft oder einer Spannungsänderung entspricht, auf Grundlage einer Änderung einer elektrischen Eigenschaft des mechanische Spannungen messenden Bauelements.

18. Halbleitersensor nach Anspruch 18, bei dem das Signal auf einer Änderung des Drainpotentials des Feldeffekttransistors (4) beruht.

19. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner mit einer Vorspannungsversorgungseinrichtung zum Liefern einer Gleichvorspannung an das Gate des Feldeffekttransistors (4) und einer konstanten Spannung zwischen der Source und dem Drain des Feldeffekttransistors (4).

20. Halbleitersensor nach Anspruch 19, ferner mit einer Signalerfassungseinrichtung (Fig. 20) zum Ausgeben eines Erfassungssignals, das einer mechanischen Spannung aufgrund einer äußeren physikalischen Kraft oder einer Spannungsänderung entspricht, und zwar auf Grundlage einer Änderung des Drainstroms des Feldeffekttransistors (4).

21. Halbleitersensor nach Anspruch 20, bei dem die Signalerfassungseinrichtung den Drainstrom in eine Spannung umsetzt, um das Erfassungssignal als Spannungssignal auszugeben.

22. Halbleitersensor nach Anspruch 20, bei dem die Signalerfassungseinrichtung eine Oszillatorschaltung (13) enthält, deren Schwingungsfrequenz sich entsprechend einer Änderung des Drainstroms ändert, um das Erfassungssignal als Frequenzsignal auszugeben.

23. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner mit einer Signalversorgungseinrichtung (51) zum Liefern eines Wechselspannungssignals an das Gate des Feldeffekttransistors (4).

24. Halbleitersensor nach Anspruch 23, bei dem das Wechselspannungssignal durch einen eingestellten Gleichstrom vorbelastet ist, der dem Gate des Feldeffekttransistors (4) zugeführt wird.

25. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 23 oder 24, ferner mit einer ersten Signalerfassungseinrichtung (53 - 55) zum Ausgeben eines Erfassungssignals, das einer mechanischen Spannung aufgrund einer Verformung oder einer Spannungsänderung entspricht, und zwar auf Grundlage der Änderung einer Wechselstromkomponente des Ausgangssignals des Feldeffekttransistors (4).

26. Halbleitersensor nach Anspruch 25, ferner mit einer zweiten Signalerfassungseinrichtung (56) zum Ausgeben eines zweiten Erfassungssignals, das einer Änderung der Temperatur des elastisch verformbaren Elements entspricht, und zwar auf Grundlage der Änderung einer Gleichstromkomponente des Ausgangssignals des Feldeffekttransistors (4).

27. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 25 oder 26, bei dem die erste Signalerfassungseinrichtung eine I/V- Umsetzereinrichtung (53) zum Umsetzen des Drainstroms des Feldeffekttransistors in ein Spannungssignal, ein Hochpaßfilter (54) zum Sperren der Gleichstrom- und niederfrequenten Komponenten des Ausgangssignals der I/V-Umsetzereinrichtung und eine AM-Detektoreinrichtung (55) zur Amplitudenmodulations-Erfassung des Ausgangssignals des Hochpaßfilters aufweist.

28. Halbleitersensor nach Anspruch 26 oder Anspruch 27 in Abhängigkeit von diesem, bei dem die zweite Signalerfassungseinrichtung eine Integriereinrichtung (56) zum Integrieren des Ausgangssignals der I/V-Umsetzereinrichtung mit einer eingestellten Zeitkonstante aufweist.

29. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem mehrere Feldeffekttransistoren (401, 402, Fig. 30 - 33) mit Ausgangssignalen, die verschieden von angelegten mechanischen Spannungen oder Spannungsänderungen abhängen; und eine Signalerfassungseinrichtung (53) zum Ausgeben eines der mechanischen Spannung oder der Spannungsänderung entsprechenden Erfassungssignals vorliegen, und zwar auf Grundlage der Differenz von Änderungen einer elektrischen Eigenschaft zwischen den Feldeffekttransistoren.

30. Halbleitersensor nach Anspruch 29, bei dem die mehreren Feldeffekttransistoren (401, 402, Fig. 30 - 33) in Abschnitten ausgebildet sind, die in zueinander verschiedenen Richtungen in bezug auf die Erzeugungsrichtung mechanischer Spannungen aufgrund einer Verformung ausgerichtet sind.

31. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 29 oder 30, bei dem die mehreren Feldeffekttransistoren (401, 402, Fig. 34) Gates mit voneinander verschiedenen körperlichen Festigkeiten aufweisen.

32. Halbleitersensor nach Anspruch 31, bei dem die Gates der Feldeffekttransistoren aus voneinander verschiedenen Materialien bestehen.

33. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 31 oder 32, bei dem die Gates der Feldeffekttransistoren voneinander verschiedene Dicken aufweisen.

34. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 30 bis 33, bei dem die Feldeffekttransistoren einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor umfassen und die Signalerfassungseinrichtung eine erste und eine zweite I/V-Umsetzereinrichtung umfaßt, um die Drainströme des ersten und zweiten Feldeffekttransistors in Spannungssignale umzusetzen, und mit einer Operationseinrichtung zum Berechnen der Differenz der Ausgangssignale der ersten und zweiten I/V-Umsetzereinrichtung.

35. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 12 bis 34, bei dem eine die Signalversorgungseinrichtung oder jede Signalerfassungseinrichtung enthaltende Signalverarbeitungsschaltung in der Schicht (2) aus Halbleitermaterial ausgebildet ist.