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

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。

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。