センサ・信号処理を同一素子で可能な能動素子を用いた半導体集積化圧力センサの研究

研究使用有源元件的半导体集成压力传感器，在同一元件中实现传感器和信号处理

• 批准号: 18760299
• 负责人: 原田 知親
• 金额: $ 2.3万
• 依托单位: Yamagata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18760299/
• 关键词: 能動型ひずみセンサ; SOI-MOSFET; SOI基板; 弱反転動作アナログ回路; アナログ情報長期保持回路; SOI-nMOSFET; 極低電圧動作; 極低電圧センサ

本研究では、センサ検出と信号処理を同一回路で行えるひずみ検出素子の実現に向けた基礎研究として、MEMS技術によるSi加工が比較的簡単に実現できるSOI基板を用い、SOI基板上に試作したSOI-MOSFETを用いたひずみ検出素子を試作し、評価を行なった。その結果、以下のように結論できる。(1)チャネル直下の反転層のピエゾ抵抗効果を利用し、MOSFET2段にして一定方向のひずみを検出する回路として構成した結果、応力印加方向に対して選択的に検出することが可能であることが示せた。まず、チャネルに対し垂直に応力を加えた場合、2つのMOSFETに同じ応力を加えているため、応力を増加させても出力が変化しないことが確認できた。次にチャネルに平行に応力を加えた場合、2つのMOSFETに応力の差が生じるため、応力をかけない場合と比べて出力の傾きが変化した。よって、応力の有無を検出できることが確認できた。しかし、応力の大きさに応じた定量的な検出については、素子特性の不安定さから検証することができなかった。これについては、今後、安定的に検出が可能な素子構造の見直しを行い、定量的に測定できるようにする予定である。(2)チャネル直下の反転層に対してせん断応力を印加することでひずみを検出する素子を試作した。せん断応力を検出していることを検証するために、作製した素子の応力印加方向を[110]方向に印加することでせん断応力が最大になり、[010]方向に印加することでせん断応力が最小となる。[010]方向に応力を印加すると、出力電圧変化は0となるが、素子自体の形状の非対称性からくるオフセットに起因した出力変化が見られた。しかし、[110]方向に印加した場合と比べて出力電圧変化が小さいことから、せん断応力を検知できていると結論できる。また、せん断応力に比例した電圧出力が得られ、その出力はMOSFETの動作領域に依存する形で動作することが明らかとなった。(3) (1)や(2)を支える周辺回路技術として、弱反転層動作を用いたアナログ増幅回路や、アナログ情報を長期的に保持が可能なアナログ情報記憶保持回路の設計と評価を行い、有効性を確認した。

在本研究中，作为实现可在同一电路中执行传感器检测和信号处理的应变传感元件的基础研究，我们使用了可以通过MEMS技术相对容易地加工的SOI基板-我们制作了应变检测元件的原型。使用 MOSFET 并对其进行评估。结果，我们可以得出如下结论。 (1)利用沟道正下方反型层的压阻效应，电路配置两级MOSFET，检测固定方向的应变，从而可以选择性地检测应力方向的应力显示了应用程序。首先，当垂直于沟道施加应力时，相同的应力施加到两个MOSFET，因此可以确认即使应力增加，输出也不会改变。接下来，当与沟道平行地施加应力时，两个MOSFET之间出现应力差异，并且与没有施加应力时相比，输出的斜率发生变化。因此，证实可以检测压力的存在或不存在。然而，由于元件特性的不稳定，根据应力大小的定量检测无法得到验证。对此，今后我们计划重新研究能够稳定检测并实现定量测量的元件结构。 (2) 我们原型设计了一种通过向通道正下方的逆温层施加剪切应力来检测应变的装置。为了验证是否检测到剪应力，在 [110] 方向上向制造的元件施加应力可最大化剪应力，并在 [010] 方向上施加应力可最大化剪应力最小值。当在[010]方向施加应力时，输出电压变化变为0，但由于元件本身形状的不对称性造成的偏移，观察到输出变化。然而，由于输出电压变化小于在[110]方向施加时的变化，因此可以得出结论，可以检测到剪切应力。还表明，获得了与剪切应力成正比的电压输出，并且该输出以取决于 MOSFET 的工作区域的方式工作。 (3) 作为支持(1)和(2)的外围电路技术，我们设计并评估了使用弱反转层操作的模拟放大器电路以及可以长时间保留模拟信息的模拟信息存储和保持电路。有效性得到了证实。

项目成果

センサ情報処理向けアナログ情報記憶保持回路

用于传感器信息处理的模拟信息存储和保留电路

• 发表时间: 2008
• 作者: 本村文孝;今井康文;才本明秀;今井康文;本村文孝;楠田朋之;中島晃;本村文孝;本村文孝;本村文孝;木之下 博;大前 伸夫;木之下博;Nobuo Ohmae;Hiroshi Kinoshita;Hiroshi Kinoshita;和田剛典;高橋・原田・奥山・松下;原田・永井・高橋・奥山・松下
• 通讯作者: 原田・永井・高橋・奥山・松下

弱反転動作を用いた極低電圧アナログ増幅回路

采用弱反相操作的超低压模拟放大器电路

• 发表时间: 2008
• 作者: 本村文孝;今井康文;才本明秀;今井康文;本村文孝;楠田朋之;中島晃;本村文孝;本村文孝;本村文孝;木之下 博;大前 伸夫;木之下博;Nobuo Ohmae;Hiroshi Kinoshita;Hiroshi Kinoshita;和田剛典;高橋・原田・奥山・松下
• 通讯作者: 高橋・原田・奥山・松下

SOI-MOSFETを利用した能動型ひずみ検出素子

使用 SOI-MOSFET 的有源应变传感元件

• 发表时间: 2008
• 作者: 本村文孝;今井康文;才本明秀;今井康文;本村文孝;楠田朋之;中島晃;本村文孝;本村文孝;本村文孝;木之下 博;大前 伸夫;木之下博;Nobuo Ohmae;Hiroshi Kinoshita;Hiroshi Kinoshita;和田剛典;高橋・原田・奥山・松下;原田・永井・高橋・奥山・松下;原田・神谷・石澤・奥山・松下
• 通讯作者: 原田・神谷・石澤・奥山・松下

ボディ端子付きSOI-nMOSFETひずみセンサの作製と評価

带体端子的 SOI-nMOSFET 应变传感器的制作和评估

• 发表时间: 2007
• 作者: 本村文孝;今井康文;才本明秀;今井康文;本村文孝;楠田朋之;中島晃;本村文孝;本村文孝;本村文孝;木之下 博;大前 伸夫;木之下博;Nobuo Ohmae;Hiroshi Kinoshita;Hiroshi Kinoshita;和田剛典;高橋・原田・奥山・松下;原田・永井・高橋・奥山・松下;原田・神谷・石澤・奥山・松下;神谷・原田・奥山・松下
• 通讯作者: 神谷・原田・奥山・松下

擬似ホール効果に基づくひずみセンサの作製

基于赝霍尔效应的应变传感器的制作

• 发表时间: 2007
• 作者: 本村文孝;今井康文;才本明秀;今井康文;本村文孝;楠田朋之;中島晃;本村文孝;本村文孝;本村文孝;木之下 博;大前 伸夫;木之下博;Nobuo Ohmae;Hiroshi Kinoshita;Hiroshi Kinoshita;和田剛典;高橋・原田・奥山・松下;原田・永井・高橋・奥山・松下;原田・神谷・石澤・奥山・松下;神谷・原田・奥山・松下;石澤・原田・奥山・松下
• 通讯作者: 石澤・原田・奥山・松下