センサ
【課題】半導体基板上に簡易に形成可能なセンサを提供する。
【解決手段】加速度または圧力を検出するセンサは、前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子の出力に基づいて、前記加速度または圧力に対応したセンサ値を生成する検出部と、を備える。前記第１の半導体素子は、半導体基板に形成される第１の音響波伝播層と、前記第１の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第１の音響波反射層と、前記第１の音響波伝播層に形成され、前記検出部と接続される第１のコンタクトと、有する。
【解決手段】加速度または圧力を検出するセンサは、前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子の出力に基づいて、前記加速度または圧力に対応したセンサ値を生成する検出部と、を備える。前記第１の半導体素子は、半導体基板に形成される第１の音響波伝播層と、前記第１の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第１の音響波反射層と、前記第１の音響波伝播層に形成され、前記検出部と接続される第１のコンタクトと、有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路上に形成可能な圧力センサや加速度センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）構造のデバイスが多く用いられている。ＭＥＭＳはシリコン基板に形成可能ではあるが、通常のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスでの形成は困難であり、さらなる高集積化には不向きであるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５８８１９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】John J. Hall, “Electronic Effects in the Elastic Constants of n-Type Silicon”, Physical Review, Volume 161, No.3, Sept. 1967, pp161
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体基板上に簡易に形成可能なセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、加速度または圧力を検出するセンサは、前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子の出力に基づいて、前記加速度または圧力に対応したセンサ値を生成する検出部と、を備える。前記第１の半導体素子は、半導体基板に形成される第１の音響波伝播層と、前記第１の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第１の音響波反射層と、前記第１の音響波伝播層に形成され、前記検出部と接続される第１のコンタクトと、有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体素子１００の上面図。
【図２】半導体素子１００の斜視図。
【図３】半導体素子１００の断面図。
【図４】第１の実施形態に係るセンサ５０の概略構成を示すブロック図。
【図５】センサ５１の概略構成を示すブロック図。
【図６】センサ５２の概略構成を示すブロック図。
【図７】第２の実施形態に係るセンサ５３の概略構成を示すブロック図。
【図８】第３の実施形態に係るセンサ５４の概略構成を示すブロック図。
【図９】第４の実施形態に係るセンサに用いられる半導体素子１５０の斜視図。
【図１０】第４の実施形態に係るセンサ５５の概略構成を示すブロック図。
【図１１】第５の実施形態で用いられる半導体素子１００ａ，１００ｂの上面図。
【図１２】第５の実施形態に係るセンサ５６の概略構成を示すブロック図。
【図１３】第６の実施形態に係るセンサ５７の概略構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１〜図３はそれぞれ、センサに用いられる半導体素子１００の上面図、斜視図および断面図である。半導体素子１００は、シリコン基板（半導体基板）１０と、ｐ型拡散層（音響波伝播層）１と、ＳｉＯ２膜（音響波反射層）２と、ｎウェル３と、コンタクト４と、配線５とを備えている。
【００１０】
シリコン基板１０の表面には、例えば不純物としてリンあるいはヒ素がドーピングされたｎウェル３が形成される。ｎウェル３の内側に、例えば不純物としてホウ素がドーピングされたｐ型拡散層１が形成される。ｐ型拡散層１を上面から見た形状は、短辺および長辺を有する略長方形である。
【００１１】
ｎウェル３の内側で、ｐ型拡散層１を囲うように溝６がシリコン基板１０に形成され、その中にＳｉＯ２膜２が埋め込まれている。ＳｉＯ２膜２は、いわゆるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）と呼ばれる構造であり、ｐ型拡散層１をシリコン基板１０上に形成される他の素子と電気的に分離する。コンタクト４は、ｐ型拡散層１上に形成され、ｐ型拡散層１と配線５とを電気的に接続する。配線５は他の素子（不図示）と接続される。
【００１２】
図１〜図３の半導体素子１００は簡易な構造であるため、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成できる。
【００１３】
一般に、キャリアを有する半導体中では、電荷密度が変化すると体積が変化し、体積が変化すると電荷密度が変化すること、すなわち、電気と機械振動との相互作用が知られている。より具体的には、ρを電荷密度、Φを体積変化に比例する変数、ｃを半導体中の音速とすると、下記の方程式（１）が成立する。
【数１】
【００１４】
上記（１）式の左辺は音響波の伝搬を表す方程式であり、電荷密度ρの変化があると（右辺）、音速ｃの音響波が伝播する（左辺）ことを示している。
【００１５】
このことを図１〜図３の半導体素子１００に当てはめる。半導体素子１００では、ｐ型拡散層１にキャリアとしてホールが存在する。コンタクト４から電気入力が与えられるとｐ型拡散層１の電荷密度が変化し、その結果、ｐ型拡散層１が音響波伝播層となって音響波が伝播する。一方、ＳｉＯ２膜２は音響波反射層として機能する。すなわち、音響波はｐ型拡散層１とＳｉＯ２膜２との界面で反射し、ｐ型拡散層１に音響定在波が生じる。この音響定在波の周波数はｐ型拡散層１の長辺の長さとｐ型拡散層１中の音速ｃとに応じて定まる。
【００１６】
音速ｃは、加速度あるいは圧力（以下、まとめて外力と呼ぶ）によって変化することが知られている。例えば、外力が変化すると、変形ポテンシャル効果により、音速ｃも変化する。
【００１７】
したがって、音響定在波の周波数に基づいて、外力を検出することができる。
【００１８】
なお、図１〜図３の半導体素子１００は、１つのコンタクト４を有する例を示しているが、ｐ型拡散層１の一端側に形成されるコンタクト４ａに加え、他端側に形成されるコンタクト４ｂ（不図示）とを有してもよい。
【００１９】
図４は、第１の実施形態に係るセンサ５０の概略構成を示すブロック図である。センサ５０は、半導体素子１００と、検出部２００とを備えている。半導体素子１００のコンタクト４は検出部２００の入力端子に接続される。半導体素子１００に外力Ｐが与えられると、半導体素子１００は、周波数が外力Ｐに依存する電圧Ｖ（Ｐ）または電流Ｉ（Ｐ）を、コンタクト４から出力する。検出部２００はこれに基づいて、外力Ｐに対応したセンサ値を生成する。
【００２０】
検出部２００は電気信号を増幅するものであるから、半導体素子１００と同じシリコン基板上に形成でき、センサ５０を小型化できる。以下、センサ５０の具体的な構成例について説明する。
【００２１】
図５は、センサ５１の概略構成を示すブロック図である。同図の検出部２０１は、増幅器２１と、カウンタ２２とを有する。半導体素子１００のコンタクト４が増幅器２１の入力端子および出力端子に接続される。増幅器２１が半導体素子１００の出力を増幅し、再び半導体素子１００に入力することで半導体素子１００は共振する。
【００２２】
ここで、半導体素子１００中の音速ｃは、上述したように、外力Ｐに依存するため、共振周波数も外力Ｐに依存する。このようにして、増幅器２１は外力Ｐに依存する周波数ｆ（Ｐ）で発振する発振信号を生成する。カウンタ２２は、所定の基準クロックＣＬＫに基づいて発振信号のパルス数をカウントする。カウント値は周波数ｆ（Ｐ）にほぼ比例するため、このカウント値が外力Ｐと対応したセンサ値となる。
【００２３】
周波数ｆ（Ｐ）に対して十分に長い時間、例えば発振周波数１００ＭＨｚに対して１ｍｓ程度カウントを行うことで、信号成分は増幅され、かつ、ノイズ成分はキャンセルされるため、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００２４】
図６は、半導体素子１００に２つのコンタクトが設けられる場合のセンサ５２の概略構成を示すブロック図である。同図のセンサ５２では、半導体素子１００の一方のコンタクトが増幅器２１の入力端子に接続され、他方のコンタクトが増幅器２１の出力端子に接続される。増幅器２１は半導体素子１００の一方のコンタクトから出力される信号を増幅して、半導体素子１００の他方のコンタクトへ入力する。これにより半導体素子１００は共振する。その他の動作は図５と同様である。図６の構成では、デバイス１００の一方のコンタクトを接地端子ＧＮＤに接続する制約をなくすことができる。
【００２５】
このように、第１の実施形態では、シンプルな構造の半導体素子１００を用いて、周波数が外力Ｐに依存する電圧または電流を生成する。そのため、特殊なプロセスを用いなくても、センサを半導体基板上に形成でき、外力Ｐを検出できる。また、センサ５１，５２は半導体素子１００の出力を増幅して、外力Ｐに依存する周波数ｆ（Ｐ）の発振信号を生成することにより、簡易にセンサ値を生成できる。
【００２６】
なお、半導体素子１００の構造は図１〜図３に限定されるものではない。音響波をｐ型拡散層１内に効率よく閉じ込めるためには、図１〜図３に示すように音響波伝播層を取り囲むように音響波反射層が設けられるのが望ましいが、少なくとも、不純物拡散領域の長辺方向の両端に音響波反射層が形成されていればよい。例えば、ＳｉＯ２膜２をｐ型拡散層１の長辺方向の両端にのみ形成し、短辺方向の側面にはｎウェル３が形成されていてもよい。音響波反射層の材料は、ｐ型拡散層１が形成されるシリコン基板１０の材料の音響インピーダンスとの差が大きい方が望ましく、例えばＳｉＮ等でもよい。また、図１〜図３の半導体素子１００は、ｎウェル３およびｐ型拡散層１を形成しているが、導電型を逆にし、ｐウェル３’およびｎ型拡散層１’を形成してもよい。
【００２７】
（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、２つの半導体素子１００を用いてより高精度に外力Ｐを検出するものでる。
【００２８】
図７は、第２の実施形態に係るセンサ５３の概略構成を示すブロック図である。図７では、図５と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００２９】
センサ５３は、図５のセンサ５１に加え、半導体素子１００ｂと、増幅器２１ｂと、カウンタ２２ｂとを備えている。また、センサ５３の検出部２０３は、増幅器２１ａと、カウンタ２２ａと、比較器（ＣＭＰ）２３とを備えている。センサ５３は同一のシリコン基板１０上に形成されるのが望ましい。
【００３０】
半導体素子１００ｂ，増幅器２１ｂおよびカウンタ２２ｂはそれぞれ、半導体素子１００ａ，増幅器２１ａおよびカウンタ２２ａと同様の構成である。ただし、半導体素子１００ａには検出すべき外力Ｐが与えられ、半導体素子１００ｂには一定の基準外力Ｐ０が与えられている。また、比較器２３は、カウンタ２２ａのカウント値と、カウンタ２２ｂのカウント値とを比較するものである。
【００３１】
センサ５３内の半導体素子１００ａ，１００ｂ、増幅器２１ａ，２１ｂおよびカウンタ２２ａ，２２ｂは、温度や電源電圧等、外力Ｐとは無関係な外部要因の変化により動作特性が変動することがある。そのため、センサ値が変化したときに、外力Ｐが変化したのか他の外部要因が変化したのか区別がつかず、センサの精度が低下してしまう。
【００３２】
そこで、本実施形態では、比較器２３を設け、検出すべき外力Ｐが与えられる半導体素子１００ａに基づく共振周波数ｆ（０）と、基準外力Ｐ０が与えられる半導体素子１００ｂに基づく共振周波数ｆ（Ｐ０）とを比較することにより、外部要因の変化をキャンセルして、外力Ｐを検出する。より具体的には、以下のようにする。
【００３３】
前提として、半導体素子１００ａと半導体素子１００ｂ、増幅器２１ａと増幅器２１ｂおよびカウンタ２２ａとカウンタ２２ｂがそれぞれ、外力Ｐ以外の外部要因の変化に対して同様に動作特性が変動するよう形成しておく。そして、半導体素子１００ｂには既知で一定の基準外力Ｐ０を与え、外力Ｐの影響を与えないようにする。そのためには、できるだけ外力Ｐの影響を受けない位置に半導体素子１００ｂを形成したり、外力Ｐを受けたとしても音速ｃの変化が小さくなるような半導体素子１００ｂを形成したりすればよい。
【００３４】
増幅器２１ｂが生成する基準発振信号の基準周波数ｆ（Ｐ０）は、外力Ｐ以外の外部要因および基準外力Ｐ０には依存するが、外力Ｐには依存しない。したがって、カウンタ２２ｂが生成するカウント値も、外力Ｐ以外の外部要因および基準外力Ｐ０には依存するが、外力Ｐには依存しない。
【００３５】
一方、増幅器２１ａは、第１の実施形態と同様に、周波数ｆ（Ｐ）の発振周波数を生成する。周波数ｆ（Ｐ）は外力Ｐ以外の外部要因および外力Ｐに依存する。したがって、カウンタ２２ａが生成するカウント値も、外力Ｐ以外の外部要因および外力Ｐに依存する。
【００３６】
そして、比較器２３はカウンタ２２ａのカウンタ値とカウンタ２２ｂのカウンタ値とを比較する。両者の差をとることで、外力Ｐ以外の外部要因の影響はキャンセルされ、外力Ｐと基準外力Ｐ０との差に依存する比較結果が得られる。この比較結果は外力Ｐに対応したセンサ値となる。
【００３７】
このように、第２の実施形態では、一定の基準外力Ｐ０が与えられる半導体素子１００ｂを設けて比較を行う。そのため、外力Ｐ以外の外部要因の変化による各素子の動作特性の変動をキャンセルでき、センサの精度が向上する。
【００３８】
なお、センサ５３の周辺にヒータと温度計を用いた温度補償回路を実装して、さらに精度向上を図ってもよい。
【００３９】
（第３の実施形態）
上述した第２の実施形態では、増幅器およびカウンタを２つずつ用いるものであったが、以下に説明する第３の実施形態では、これらを１つずつ設けるものである。
【００４０】
図８は、第３の実施形態に係るセンサ５４の概略構成を示すブロック図である。図８では、図７と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００４１】
センサ５４は、半導体素子１００ａ，１００ｂと、１つずつの増幅器２１、カウンタ２２および比較器２３を有する検出部２０４と、スイッチ３００とを備えている。スイッチ３００は、半導体素子１００ａ，１００ｂのうちのいずれかを増幅器２１に接続する。
【００４２】
第２の実施形態では、増幅器２１ａ，２１ｂを外力Ｐ以外の外部要因に対して同様に動作特性が変化するよう形成する必要があるが、本実施形態では１つしか増幅器２１を用いないため、その必要はない。
【００４３】
本実施形態では、いわゆるＣＤＳ（Co-related Double Sampling）技術を応用し、増幅器２１およびカウンタ２２をタイミングをずらして時分割で利用する。すなわち、ある期間ではスイッチ３００により増幅器２１と半導体素子１００ｂとを接続して基準外力Ｐ０に基づくカウント値を生成し、別の期間ではスイッチ３００により増幅器２１と半導体素子１００ａとを接続して検出すべき外力Ｐに基づくカウント値を生成する。そして、比較器２３は両者を比較して、外力Ｐと基準外力Ｐ０との差に対応したセンサ値を生成する。
【００４４】
スイッチ３００を切り替える周波数は、周波数ｆ（Ｐ），ｆ（Ｐ０）に対して十分長くする。例えば共振周波数が１００ＭＨｚであれば、スイッチ３００を切り替える周波数を数ｋＨｚ程度とする。
【００４５】
このように、第３の実施形態では、１つずつの増幅器２１およびカウンタ２２を時分割で用いるため、回路面積を小さくできる。さらに、１つしか増幅器２１を用いないため、増幅器２１の動作特性は両方のカウント値に対して同様に作用することになり、センサの精度がさらに向上する。
【００４６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、外力として、加速度の一種である角速度を検出するものである。
【００４７】
図９は、第４の実施形態に係るセンサに用いられる半導体素子１５０の斜視図である。以下、図１〜図３との相違点を中心に説明する。
【００４８】
半導体素子１５０は、ＳｉＯ２膜２に囲まれたｐ型拡散層１上に形成されるコンタクト４ｉ１，４ｉ２，４ｏ１，４ｏ２を備えている。コンタクト４ｉ１，４ｉ２は垂直方向に延びる矩形形状であり、互いに水平方向に対向して形成される。一方、コンタクト４ｏ１，４ｏ２は水平方向に延びる矩形形状であり、互いに垂直方向に対向して形成される。コンタクト４ｉ１，４ｉ２の中心同士を結ぶ線は、コンタクト４ｏ１，４ｏ２の中心同士を結ぶ線と直交する。
【００４９】
また、本実施形態では、ｐ型拡散層１は水平方向および垂直方向の長さが同程度である。そのため、半導体素子１５０は半導体素子１００とほぼ同様の構成であるが、半導体素子１５０の水平方向のみならず垂直方向にも音響定在波が生じ得る。
【００５０】
半導体素子１５０も簡易な構成であり、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成できる。
【００５１】
本実施形態では、半導体素子１５０を用いて以下のように角速度ωを検出する。まず、半導体素子１５０の水平方向に音響定在波を励起しておく。そのためには、半導体素子１５０の共振現象を利用してもよいし、コンタクト４ｉ１，４ｉ２に外部から正弦波や矩形波等の周期的な電気信号を入力してもよい。この音響定在波により、コンタクト４ｉ１，４ｉ２間には電位差Ｖｉｎが生じる。電位差Ｖｉｎの周波数は半導体素子１５０の形状あるいは電気信号の周波数により定まる周波数ｆである。電位差Ｖｉｎの振幅をＡｉｎとすると、電位差Ｖｉｎは下記（２）式で表される。
Vin = Ain * sin2πft ・・・（２）
【００５２】
ここで、半導体素子１５０に角速度ωが与えられるとコリオリの力が生じる。その方向は音響定在波と直交する方向、すなわち垂直方向である。そのため、コンタクト４ｏ１，４ｏ２間に電位差Ｖｏｕｔが生じる。この電位差Ｖｏｕｔの周波数は半導体素子１５０の共振周波数ｆに等しい。電位差Ｖｏｕｔの振幅をＡｏｕｔとすると、電位差Ｖｏｕｔは下記（３）式で表される。
Vout = Aout * sin2πft ・・・（３）
【００５３】
ここで、振幅Ａｏｕｔは角速度ωに比例する。そのため、振幅Ａｏｕｔを検出することにより、角速度ωを知ることができる。
【００５４】
図１０は、第４の実施形態に係るセンサ５５の概略構成を示すブロック図である。センサ５５は、半導体素子１５０と、増幅器２１およびミキサ２４を有する検出部２０５を備えている。
【００５５】
増幅器２１はコンタクト４ｉ１，４ｉ２間に電位差Ｖｉｎを生成する。ミキサ２４は、電位差Ｖｉｎと電位差Ｖｏｕｔとを乗じる。ミキサ２４の出力ＯＵＴは下記（４）式で表される。
OUT = Vin * Vout = (Ain * sin2πft) * (Aout * sin2πft)
= Ain * Aout / 2 * (1 - cos4πft) ・・・（４）
【００５６】
よって、出力ＯＵＴの直流成分は振幅Ａｏｕｔに比例する。振幅Ａｏｕｔは角速度ωに比例するため、出力ＯＵＴの直流成分が角速度ωに対応するセンサ値となる。
【００５７】
半導体素子１５０のｐ型拡散層１の形状を、垂直方向の長さおよび水平方向の長さが等しい正方形にすると、効率よくコリオリの力による電位差Ｖｏｕｔを取り出すことができ、振幅Ａｏｕｔが大きくなってセンサの精度が向上する。
【００５８】
このように、第４の実施形態では、シンプルな構造の半導体素子１５０を用いて角速度を検出できる。
【００５９】
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、形状が異なる２つの半導体素子を用いて、センサの精度向上を図るものである。
【００６０】
図１１は、第５の実施形態で用いられる半導体素子１００ａ，１００ｂの上面図である。構造は図１と同様であるため簡略化して描いている。
【００６１】
半導体素子１００ａ，１００ｂは、ｐ型拡散層１ａ，１ｂの長辺方向（水平方向）の長さが等しいため、励起される音響定在波の共振周波数は等しい。外力Ｐが大きいほど音響定在波の振幅が大きくなるがが、ｐ型拡散層１ａ，１ｂの短辺方向の長さが異なっているため、同じ外力Ｐが与えられても、出力される電圧または電流の振幅は異なる。したがって、半導体素子１００ａに励起される音響定在波の振幅と、半導体素子１００ａに励起される音響定在波の振幅は異なる。
【００６２】
より具体的には、ｐ型拡散層１ｂは短辺方向の長さｗ２が比較的小さいため、外力Ｐが与えられても音響定在波が生じにくく、振幅が小さい。一方、ｐ型拡散層１ａは短辺方向の長さｗ１が比較的大きいため、同じ外力Ｐが与えられたときに励起される音響定在波の振幅は大きい。
【００６３】
本実施形態では、外力Ｐに応じて音響定在波の振幅が異なることを利用して、外力Ｐを検出する。さらに、異なる形状のｐ型拡散層１ａ，１ｂを用いて、外部要因の影響をキャンセルする。
【００６４】
図１２は、第５の実施形態に係るセンサ５６の概略構成を示すブロック図である。センサ５６は、図１１に示す形状が互いに異なる半導体装置１００ａ，１００ｂと、増幅器２１ａおよび比較器２５を有する検出部２０６と、増幅器２１ｂとを備えている。
【００６５】
半導体装置１００ａ，１００ｂには、ともに検出すべき外力Ｐが与えられる。
【００６６】
増幅器２１ａは半導体装置１００ａの出力を増幅し、第１の発振信号を生成する。一方、増幅器２１ｂは半導体装置１００ｂの出力を増幅し、第２の発振信号を生成する。上述のように、半導体装置１００ａ，１００ｂとも音響定在波の共振周波数が等しいため、第１および第２の発振信号の周波数は等しい。しかしながら、第１の発振信号の振幅Ａ１（Ｐ）と第２の発振信号の振幅Ａ２（Ｐ）は異なっている。
【００６７】
比較器２５は、振幅Ａ１（Ｐ）と振幅Ａ２（Ｐ）とを比較して、差をとる。両者の差もまた、外力Ｐに依存するため、この差が外力Ｐと対応するセンサ値となる。
【００６８】
第２の実施形態で説明したように、外力Ｐ以外の外部要因の変化によりセンサの動作特性が変動することがある。しかしながら、半導体素子１００ａ，１００ｂは、外力Ｐ以外の外部要因の変化に対して同様に動作特性が変動するため、比較器２５が比較を行って差を取ることで、外部要因の変化による動作特性の変動をキャンセルでき、センサの精度が向上する。また、本実施形態では一定の基準外力Ｐ０を与えておく必要もない。
【００６９】
このように、第５の実施形態では、形状が異なる複数の半導体素子を設け、両者の出力に基づく発振信号の振幅を比較するため、センサの精度が向上する。
【００７０】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は第５の実施形態の変形例であり、図１１の半導体素子１００ａ，１００ｂを用いる点は共通しているが、センサの構成が異なっている。以下、第５の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７１】
図１３は、第６の実施形態に係るセンサ５７の概略構成を示すブロック図である。センサ５７は、図１１に示す互いに形状が異なる半導体装置１００ａ，１００ｂと、増幅器２１ａおよび比較器２６を有する検出部２０７と、増幅器２１ｂとを備えている。
【００７２】
増幅器２１ａ，２１ｂはそれぞれ振幅制御端子を有する。増幅器２１ａ，２１ｂの振幅制御端子にはそれぞれ、振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂが入力され、これに応じて発振信号の振幅を制御できる。より具体的には、振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂにより増幅器２１ａ，２１ｂに流し込む電流量を大きくするほど発振信号の振幅を大きくすることができる。
【００７３】
本実施形態では、半導体素子１００ａの出力を増幅して生成される第１の発振信号の振幅、および、半導体素子１００ｂの出力を増幅して生成される第２の発振信号の振幅が、ともに予め定めた一定振幅Ａ０になるよう振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂを設定する。例えば、第１および第２の発振信号の振幅が一定振幅Ａ０に近づくようフィードバック制御することにより、振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂを自動的に設定することができる。
【００７４】
上述のように、半導体素子１００ａ，１００ｂに励起される音響定在波の振幅は外力Ｐに依存する。したがって、第１および第２の発振信号の振幅を一定振幅Ａ０にするための振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂも、外力Ｐに依存する。
【００７５】
すなわち、半導体素子１００ａに励起される音響定在波の振幅は大きいため、振幅制御信号ＣＮＴａはそれほど大きくなくても第１の発振信号の振幅を一定振幅Ａ０にすることができる。一方、半導体素子１００ｂに励起される音響定在波の振幅は小さいため、第２の発振信号の振幅を一定振幅Ａ０にするためには、振幅制御信号ＣＮＴｂをある程度大きくする必要がある。
【００７６】
比較器２６は振幅制御信号ＣＮＴａと振幅制御信号ＣＮＴｂとを比較して、差をとる。両者の差もまた、外力Ｐに依存するため、この差が外力Ｐと対応するセンサ値となる。差をとることで、やはり、外部要因の変化による動作特性の変動をキャンセルでき、センサの精度が向上する。また、本実施形態でも一定の基準外力Ｐ０を与えておく必要もない。
【００７７】
このように、第６の実施形態では、形状が異なる複数の半導体素子を設け、両者の出力に基づく発振信号の振幅を一定値にするための振幅制御信号を比較するため、センサの精度が向上する。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７９】
１，１ａ，１ｂ ｐ型拡散層
２ ＳｉＯ２膜
３ ｎウェル
４，４ｉ１，４ｉ２，４ｏ１，４ｏ２，４ａ，４ｂ コンタクト
５ 配線
１０ シリコン基板
２１，２１ａ，２１ｂ 増幅器
２２，２２ａ，２２ｂ カウンタ
２３，２５，２６ 比較器
２４ ミキサ
５０〜５７ センサ
１００，１００ａ，１００ｂ，１５０ 半導体素子
２００〜２０７ 検出部
３００ スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路上に形成可能な圧力センサや加速度センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）構造のデバイスが多く用いられている。ＭＥＭＳはシリコン基板に形成可能ではあるが、通常のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスでの形成は困難であり、さらなる高集積化には不向きであるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５８８１９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】John J. Hall, “Electronic Effects in the Elastic Constants of n-Type Silicon”, Physical Review, Volume 161, No.3, Sept. 1967, pp161
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体基板上に簡易に形成可能なセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、加速度または圧力を検出するセンサは、前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子の出力に基づいて、前記加速度または圧力に対応したセンサ値を生成する検出部と、を備える。前記第１の半導体素子は、半導体基板に形成される第１の音響波伝播層と、前記第１の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第１の音響波反射層と、前記第１の音響波伝播層に形成され、前記検出部と接続される第１のコンタクトと、有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体素子１００の上面図。
【図２】半導体素子１００の斜視図。
【図３】半導体素子１００の断面図。
【図４】第１の実施形態に係るセンサ５０の概略構成を示すブロック図。
【図５】センサ５１の概略構成を示すブロック図。
【図６】センサ５２の概略構成を示すブロック図。
【図７】第２の実施形態に係るセンサ５３の概略構成を示すブロック図。
【図８】第３の実施形態に係るセンサ５４の概略構成を示すブロック図。
【図９】第４の実施形態に係るセンサに用いられる半導体素子１５０の斜視図。
【図１０】第４の実施形態に係るセンサ５５の概略構成を示すブロック図。
【図１１】第５の実施形態で用いられる半導体素子１００ａ，１００ｂの上面図。
【図１２】第５の実施形態に係るセンサ５６の概略構成を示すブロック図。
【図１３】第６の実施形態に係るセンサ５７の概略構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１〜図３はそれぞれ、センサに用いられる半導体素子１００の上面図、斜視図および断面図である。半導体素子１００は、シリコン基板（半導体基板）１０と、ｐ型拡散層（音響波伝播層）１と、ＳｉＯ２膜（音響波反射層）２と、ｎウェル３と、コンタクト４と、配線５とを備えている。
【００１０】
シリコン基板１０の表面には、例えば不純物としてリンあるいはヒ素がドーピングされたｎウェル３が形成される。ｎウェル３の内側に、例えば不純物としてホウ素がドーピングされたｐ型拡散層１が形成される。ｐ型拡散層１を上面から見た形状は、短辺および長辺を有する略長方形である。
【００１１】
ｎウェル３の内側で、ｐ型拡散層１を囲うように溝６がシリコン基板１０に形成され、その中にＳｉＯ２膜２が埋め込まれている。ＳｉＯ２膜２は、いわゆるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）と呼ばれる構造であり、ｐ型拡散層１をシリコン基板１０上に形成される他の素子と電気的に分離する。コンタクト４は、ｐ型拡散層１上に形成され、ｐ型拡散層１と配線５とを電気的に接続する。配線５は他の素子（不図示）と接続される。
【００１２】
図１〜図３の半導体素子１００は簡易な構造であるため、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成できる。
【００１３】
一般に、キャリアを有する半導体中では、電荷密度が変化すると体積が変化し、体積が変化すると電荷密度が変化すること、すなわち、電気と機械振動との相互作用が知られている。より具体的には、ρを電荷密度、Φを体積変化に比例する変数、ｃを半導体中の音速とすると、下記の方程式（１）が成立する。
【数１】
【００１４】
上記（１）式の左辺は音響波の伝搬を表す方程式であり、電荷密度ρの変化があると（右辺）、音速ｃの音響波が伝播する（左辺）ことを示している。
【００１５】
このことを図１〜図３の半導体素子１００に当てはめる。半導体素子１００では、ｐ型拡散層１にキャリアとしてホールが存在する。コンタクト４から電気入力が与えられるとｐ型拡散層１の電荷密度が変化し、その結果、ｐ型拡散層１が音響波伝播層となって音響波が伝播する。一方、ＳｉＯ２膜２は音響波反射層として機能する。すなわち、音響波はｐ型拡散層１とＳｉＯ２膜２との界面で反射し、ｐ型拡散層１に音響定在波が生じる。この音響定在波の周波数はｐ型拡散層１の長辺の長さとｐ型拡散層１中の音速ｃとに応じて定まる。
【００１６】
音速ｃは、加速度あるいは圧力（以下、まとめて外力と呼ぶ）によって変化することが知られている。例えば、外力が変化すると、変形ポテンシャル効果により、音速ｃも変化する。
【００１７】
したがって、音響定在波の周波数に基づいて、外力を検出することができる。
【００１８】
なお、図１〜図３の半導体素子１００は、１つのコンタクト４を有する例を示しているが、ｐ型拡散層１の一端側に形成されるコンタクト４ａに加え、他端側に形成されるコンタクト４ｂ（不図示）とを有してもよい。
【００１９】
図４は、第１の実施形態に係るセンサ５０の概略構成を示すブロック図である。センサ５０は、半導体素子１００と、検出部２００とを備えている。半導体素子１００のコンタクト４は検出部２００の入力端子に接続される。半導体素子１００に外力Ｐが与えられると、半導体素子１００は、周波数が外力Ｐに依存する電圧Ｖ（Ｐ）または電流Ｉ（Ｐ）を、コンタクト４から出力する。検出部２００はこれに基づいて、外力Ｐに対応したセンサ値を生成する。
【００２０】
検出部２００は電気信号を増幅するものであるから、半導体素子１００と同じシリコン基板上に形成でき、センサ５０を小型化できる。以下、センサ５０の具体的な構成例について説明する。
【００２１】
図５は、センサ５１の概略構成を示すブロック図である。同図の検出部２０１は、増幅器２１と、カウンタ２２とを有する。半導体素子１００のコンタクト４が増幅器２１の入力端子および出力端子に接続される。増幅器２１が半導体素子１００の出力を増幅し、再び半導体素子１００に入力することで半導体素子１００は共振する。
【００２２】
ここで、半導体素子１００中の音速ｃは、上述したように、外力Ｐに依存するため、共振周波数も外力Ｐに依存する。このようにして、増幅器２１は外力Ｐに依存する周波数ｆ（Ｐ）で発振する発振信号を生成する。カウンタ２２は、所定の基準クロックＣＬＫに基づいて発振信号のパルス数をカウントする。カウント値は周波数ｆ（Ｐ）にほぼ比例するため、このカウント値が外力Ｐと対応したセンサ値となる。
【００２３】
周波数ｆ（Ｐ）に対して十分に長い時間、例えば発振周波数１００ＭＨｚに対して１ｍｓ程度カウントを行うことで、信号成分は増幅され、かつ、ノイズ成分はキャンセルされるため、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００２４】
図６は、半導体素子１００に２つのコンタクトが設けられる場合のセンサ５２の概略構成を示すブロック図である。同図のセンサ５２では、半導体素子１００の一方のコンタクトが増幅器２１の入力端子に接続され、他方のコンタクトが増幅器２１の出力端子に接続される。増幅器２１は半導体素子１００の一方のコンタクトから出力される信号を増幅して、半導体素子１００の他方のコンタクトへ入力する。これにより半導体素子１００は共振する。その他の動作は図５と同様である。図６の構成では、デバイス１００の一方のコンタクトを接地端子ＧＮＤに接続する制約をなくすことができる。
【００２５】
このように、第１の実施形態では、シンプルな構造の半導体素子１００を用いて、周波数が外力Ｐに依存する電圧または電流を生成する。そのため、特殊なプロセスを用いなくても、センサを半導体基板上に形成でき、外力Ｐを検出できる。また、センサ５１，５２は半導体素子１００の出力を増幅して、外力Ｐに依存する周波数ｆ（Ｐ）の発振信号を生成することにより、簡易にセンサ値を生成できる。
【００２６】
なお、半導体素子１００の構造は図１〜図３に限定されるものではない。音響波をｐ型拡散層１内に効率よく閉じ込めるためには、図１〜図３に示すように音響波伝播層を取り囲むように音響波反射層が設けられるのが望ましいが、少なくとも、不純物拡散領域の長辺方向の両端に音響波反射層が形成されていればよい。例えば、ＳｉＯ２膜２をｐ型拡散層１の長辺方向の両端にのみ形成し、短辺方向の側面にはｎウェル３が形成されていてもよい。音響波反射層の材料は、ｐ型拡散層１が形成されるシリコン基板１０の材料の音響インピーダンスとの差が大きい方が望ましく、例えばＳｉＮ等でもよい。また、図１〜図３の半導体素子１００は、ｎウェル３およびｐ型拡散層１を形成しているが、導電型を逆にし、ｐウェル３’およびｎ型拡散層１’を形成してもよい。
【００２７】
（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、２つの半導体素子１００を用いてより高精度に外力Ｐを検出するものでる。
【００２８】
図７は、第２の実施形態に係るセンサ５３の概略構成を示すブロック図である。図７では、図５と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００２９】
センサ５３は、図５のセンサ５１に加え、半導体素子１００ｂと、増幅器２１ｂと、カウンタ２２ｂとを備えている。また、センサ５３の検出部２０３は、増幅器２１ａと、カウンタ２２ａと、比較器（ＣＭＰ）２３とを備えている。センサ５３は同一のシリコン基板１０上に形成されるのが望ましい。
【００３０】
半導体素子１００ｂ，増幅器２１ｂおよびカウンタ２２ｂはそれぞれ、半導体素子１００ａ，増幅器２１ａおよびカウンタ２２ａと同様の構成である。ただし、半導体素子１００ａには検出すべき外力Ｐが与えられ、半導体素子１００ｂには一定の基準外力Ｐ０が与えられている。また、比較器２３は、カウンタ２２ａのカウント値と、カウンタ２２ｂのカウント値とを比較するものである。
【００３１】
センサ５３内の半導体素子１００ａ，１００ｂ、増幅器２１ａ，２１ｂおよびカウンタ２２ａ，２２ｂは、温度や電源電圧等、外力Ｐとは無関係な外部要因の変化により動作特性が変動することがある。そのため、センサ値が変化したときに、外力Ｐが変化したのか他の外部要因が変化したのか区別がつかず、センサの精度が低下してしまう。
【００３２】
そこで、本実施形態では、比較器２３を設け、検出すべき外力Ｐが与えられる半導体素子１００ａに基づく共振周波数ｆ（０）と、基準外力Ｐ０が与えられる半導体素子１００ｂに基づく共振周波数ｆ（Ｐ０）とを比較することにより、外部要因の変化をキャンセルして、外力Ｐを検出する。より具体的には、以下のようにする。
【００３３】
前提として、半導体素子１００ａと半導体素子１００ｂ、増幅器２１ａと増幅器２１ｂおよびカウンタ２２ａとカウンタ２２ｂがそれぞれ、外力Ｐ以外の外部要因の変化に対して同様に動作特性が変動するよう形成しておく。そして、半導体素子１００ｂには既知で一定の基準外力Ｐ０を与え、外力Ｐの影響を与えないようにする。そのためには、できるだけ外力Ｐの影響を受けない位置に半導体素子１００ｂを形成したり、外力Ｐを受けたとしても音速ｃの変化が小さくなるような半導体素子１００ｂを形成したりすればよい。
【００３４】
増幅器２１ｂが生成する基準発振信号の基準周波数ｆ（Ｐ０）は、外力Ｐ以外の外部要因および基準外力Ｐ０には依存するが、外力Ｐには依存しない。したがって、カウンタ２２ｂが生成するカウント値も、外力Ｐ以外の外部要因および基準外力Ｐ０には依存するが、外力Ｐには依存しない。
【００３５】
一方、増幅器２１ａは、第１の実施形態と同様に、周波数ｆ（Ｐ）の発振周波数を生成する。周波数ｆ（Ｐ）は外力Ｐ以外の外部要因および外力Ｐに依存する。したがって、カウンタ２２ａが生成するカウント値も、外力Ｐ以外の外部要因および外力Ｐに依存する。
【００３６】
そして、比較器２３はカウンタ２２ａのカウンタ値とカウンタ２２ｂのカウンタ値とを比較する。両者の差をとることで、外力Ｐ以外の外部要因の影響はキャンセルされ、外力Ｐと基準外力Ｐ０との差に依存する比較結果が得られる。この比較結果は外力Ｐに対応したセンサ値となる。
【００３７】
このように、第２の実施形態では、一定の基準外力Ｐ０が与えられる半導体素子１００ｂを設けて比較を行う。そのため、外力Ｐ以外の外部要因の変化による各素子の動作特性の変動をキャンセルでき、センサの精度が向上する。
【００３８】
なお、センサ５３の周辺にヒータと温度計を用いた温度補償回路を実装して、さらに精度向上を図ってもよい。
【００３９】
（第３の実施形態）
上述した第２の実施形態では、増幅器およびカウンタを２つずつ用いるものであったが、以下に説明する第３の実施形態では、これらを１つずつ設けるものである。
【００４０】
図８は、第３の実施形態に係るセンサ５４の概略構成を示すブロック図である。図８では、図７と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００４１】
センサ５４は、半導体素子１００ａ，１００ｂと、１つずつの増幅器２１、カウンタ２２および比較器２３を有する検出部２０４と、スイッチ３００とを備えている。スイッチ３００は、半導体素子１００ａ，１００ｂのうちのいずれかを増幅器２１に接続する。
【００４２】
第２の実施形態では、増幅器２１ａ，２１ｂを外力Ｐ以外の外部要因に対して同様に動作特性が変化するよう形成する必要があるが、本実施形態では１つしか増幅器２１を用いないため、その必要はない。
【００４３】
本実施形態では、いわゆるＣＤＳ（Co-related Double Sampling）技術を応用し、増幅器２１およびカウンタ２２をタイミングをずらして時分割で利用する。すなわち、ある期間ではスイッチ３００により増幅器２１と半導体素子１００ｂとを接続して基準外力Ｐ０に基づくカウント値を生成し、別の期間ではスイッチ３００により増幅器２１と半導体素子１００ａとを接続して検出すべき外力Ｐに基づくカウント値を生成する。そして、比較器２３は両者を比較して、外力Ｐと基準外力Ｐ０との差に対応したセンサ値を生成する。
【００４４】
スイッチ３００を切り替える周波数は、周波数ｆ（Ｐ），ｆ（Ｐ０）に対して十分長くする。例えば共振周波数が１００ＭＨｚであれば、スイッチ３００を切り替える周波数を数ｋＨｚ程度とする。
【００４５】
このように、第３の実施形態では、１つずつの増幅器２１およびカウンタ２２を時分割で用いるため、回路面積を小さくできる。さらに、１つしか増幅器２１を用いないため、増幅器２１の動作特性は両方のカウント値に対して同様に作用することになり、センサの精度がさらに向上する。
【００４６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、外力として、加速度の一種である角速度を検出するものである。
【００４７】
図９は、第４の実施形態に係るセンサに用いられる半導体素子１５０の斜視図である。以下、図１〜図３との相違点を中心に説明する。
【００４８】
半導体素子１５０は、ＳｉＯ２膜２に囲まれたｐ型拡散層１上に形成されるコンタクト４ｉ１，４ｉ２，４ｏ１，４ｏ２を備えている。コンタクト４ｉ１，４ｉ２は垂直方向に延びる矩形形状であり、互いに水平方向に対向して形成される。一方、コンタクト４ｏ１，４ｏ２は水平方向に延びる矩形形状であり、互いに垂直方向に対向して形成される。コンタクト４ｉ１，４ｉ２の中心同士を結ぶ線は、コンタクト４ｏ１，４ｏ２の中心同士を結ぶ線と直交する。
【００４９】
また、本実施形態では、ｐ型拡散層１は水平方向および垂直方向の長さが同程度である。そのため、半導体素子１５０は半導体素子１００とほぼ同様の構成であるが、半導体素子１５０の水平方向のみならず垂直方向にも音響定在波が生じ得る。
【００５０】
半導体素子１５０も簡易な構成であり、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成できる。
【００５１】
本実施形態では、半導体素子１５０を用いて以下のように角速度ωを検出する。まず、半導体素子１５０の水平方向に音響定在波を励起しておく。そのためには、半導体素子１５０の共振現象を利用してもよいし、コンタクト４ｉ１，４ｉ２に外部から正弦波や矩形波等の周期的な電気信号を入力してもよい。この音響定在波により、コンタクト４ｉ１，４ｉ２間には電位差Ｖｉｎが生じる。電位差Ｖｉｎの周波数は半導体素子１５０の形状あるいは電気信号の周波数により定まる周波数ｆである。電位差Ｖｉｎの振幅をＡｉｎとすると、電位差Ｖｉｎは下記（２）式で表される。
Vin = Ain * sin2πft ・・・（２）
【００５２】
ここで、半導体素子１５０に角速度ωが与えられるとコリオリの力が生じる。その方向は音響定在波と直交する方向、すなわち垂直方向である。そのため、コンタクト４ｏ１，４ｏ２間に電位差Ｖｏｕｔが生じる。この電位差Ｖｏｕｔの周波数は半導体素子１５０の共振周波数ｆに等しい。電位差Ｖｏｕｔの振幅をＡｏｕｔとすると、電位差Ｖｏｕｔは下記（３）式で表される。
Vout = Aout * sin2πft ・・・（３）
【００５３】
ここで、振幅Ａｏｕｔは角速度ωに比例する。そのため、振幅Ａｏｕｔを検出することにより、角速度ωを知ることができる。
【００５４】
図１０は、第４の実施形態に係るセンサ５５の概略構成を示すブロック図である。センサ５５は、半導体素子１５０と、増幅器２１およびミキサ２４を有する検出部２０５を備えている。
【００５５】
増幅器２１はコンタクト４ｉ１，４ｉ２間に電位差Ｖｉｎを生成する。ミキサ２４は、電位差Ｖｉｎと電位差Ｖｏｕｔとを乗じる。ミキサ２４の出力ＯＵＴは下記（４）式で表される。
OUT = Vin * Vout = (Ain * sin2πft) * (Aout * sin2πft)
= Ain * Aout / 2 * (1 - cos4πft) ・・・（４）
【００５６】
よって、出力ＯＵＴの直流成分は振幅Ａｏｕｔに比例する。振幅Ａｏｕｔは角速度ωに比例するため、出力ＯＵＴの直流成分が角速度ωに対応するセンサ値となる。
【００５７】
半導体素子１５０のｐ型拡散層１の形状を、垂直方向の長さおよび水平方向の長さが等しい正方形にすると、効率よくコリオリの力による電位差Ｖｏｕｔを取り出すことができ、振幅Ａｏｕｔが大きくなってセンサの精度が向上する。
【００５８】
このように、第４の実施形態では、シンプルな構造の半導体素子１５０を用いて角速度を検出できる。
【００５９】
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、形状が異なる２つの半導体素子を用いて、センサの精度向上を図るものである。
【００６０】
図１１は、第５の実施形態で用いられる半導体素子１００ａ，１００ｂの上面図である。構造は図１と同様であるため簡略化して描いている。
【００６１】
半導体素子１００ａ，１００ｂは、ｐ型拡散層１ａ，１ｂの長辺方向（水平方向）の長さが等しいため、励起される音響定在波の共振周波数は等しい。外力Ｐが大きいほど音響定在波の振幅が大きくなるがが、ｐ型拡散層１ａ，１ｂの短辺方向の長さが異なっているため、同じ外力Ｐが与えられても、出力される電圧または電流の振幅は異なる。したがって、半導体素子１００ａに励起される音響定在波の振幅と、半導体素子１００ａに励起される音響定在波の振幅は異なる。
【００６２】
より具体的には、ｐ型拡散層１ｂは短辺方向の長さｗ２が比較的小さいため、外力Ｐが与えられても音響定在波が生じにくく、振幅が小さい。一方、ｐ型拡散層１ａは短辺方向の長さｗ１が比較的大きいため、同じ外力Ｐが与えられたときに励起される音響定在波の振幅は大きい。
【００６３】
本実施形態では、外力Ｐに応じて音響定在波の振幅が異なることを利用して、外力Ｐを検出する。さらに、異なる形状のｐ型拡散層１ａ，１ｂを用いて、外部要因の影響をキャンセルする。
【００６４】
図１２は、第５の実施形態に係るセンサ５６の概略構成を示すブロック図である。センサ５６は、図１１に示す形状が互いに異なる半導体装置１００ａ，１００ｂと、増幅器２１ａおよび比較器２５を有する検出部２０６と、増幅器２１ｂとを備えている。
【００６５】
半導体装置１００ａ，１００ｂには、ともに検出すべき外力Ｐが与えられる。
【００６６】
増幅器２１ａは半導体装置１００ａの出力を増幅し、第１の発振信号を生成する。一方、増幅器２１ｂは半導体装置１００ｂの出力を増幅し、第２の発振信号を生成する。上述のように、半導体装置１００ａ，１００ｂとも音響定在波の共振周波数が等しいため、第１および第２の発振信号の周波数は等しい。しかしながら、第１の発振信号の振幅Ａ１（Ｐ）と第２の発振信号の振幅Ａ２（Ｐ）は異なっている。
【００６７】
比較器２５は、振幅Ａ１（Ｐ）と振幅Ａ２（Ｐ）とを比較して、差をとる。両者の差もまた、外力Ｐに依存するため、この差が外力Ｐと対応するセンサ値となる。
【００６８】
第２の実施形態で説明したように、外力Ｐ以外の外部要因の変化によりセンサの動作特性が変動することがある。しかしながら、半導体素子１００ａ，１００ｂは、外力Ｐ以外の外部要因の変化に対して同様に動作特性が変動するため、比較器２５が比較を行って差を取ることで、外部要因の変化による動作特性の変動をキャンセルでき、センサの精度が向上する。また、本実施形態では一定の基準外力Ｐ０を与えておく必要もない。
【００６９】
このように、第５の実施形態では、形状が異なる複数の半導体素子を設け、両者の出力に基づく発振信号の振幅を比較するため、センサの精度が向上する。
【００７０】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は第５の実施形態の変形例であり、図１１の半導体素子１００ａ，１００ｂを用いる点は共通しているが、センサの構成が異なっている。以下、第５の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７１】
図１３は、第６の実施形態に係るセンサ５７の概略構成を示すブロック図である。センサ５７は、図１１に示す互いに形状が異なる半導体装置１００ａ，１００ｂと、増幅器２１ａおよび比較器２６を有する検出部２０７と、増幅器２１ｂとを備えている。
【００７２】
増幅器２１ａ，２１ｂはそれぞれ振幅制御端子を有する。増幅器２１ａ，２１ｂの振幅制御端子にはそれぞれ、振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂが入力され、これに応じて発振信号の振幅を制御できる。より具体的には、振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂにより増幅器２１ａ，２１ｂに流し込む電流量を大きくするほど発振信号の振幅を大きくすることができる。
【００７３】
本実施形態では、半導体素子１００ａの出力を増幅して生成される第１の発振信号の振幅、および、半導体素子１００ｂの出力を増幅して生成される第２の発振信号の振幅が、ともに予め定めた一定振幅Ａ０になるよう振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂを設定する。例えば、第１および第２の発振信号の振幅が一定振幅Ａ０に近づくようフィードバック制御することにより、振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂを自動的に設定することができる。
【００７４】
上述のように、半導体素子１００ａ，１００ｂに励起される音響定在波の振幅は外力Ｐに依存する。したがって、第１および第２の発振信号の振幅を一定振幅Ａ０にするための振幅制御信号ＣＮＴａ，ＣＮＴｂも、外力Ｐに依存する。
【００７５】
すなわち、半導体素子１００ａに励起される音響定在波の振幅は大きいため、振幅制御信号ＣＮＴａはそれほど大きくなくても第１の発振信号の振幅を一定振幅Ａ０にすることができる。一方、半導体素子１００ｂに励起される音響定在波の振幅は小さいため、第２の発振信号の振幅を一定振幅Ａ０にするためには、振幅制御信号ＣＮＴｂをある程度大きくする必要がある。
【００７６】
比較器２６は振幅制御信号ＣＮＴａと振幅制御信号ＣＮＴｂとを比較して、差をとる。両者の差もまた、外力Ｐに依存するため、この差が外力Ｐと対応するセンサ値となる。差をとることで、やはり、外部要因の変化による動作特性の変動をキャンセルでき、センサの精度が向上する。また、本実施形態でも一定の基準外力Ｐ０を与えておく必要もない。
【００７７】
このように、第６の実施形態では、形状が異なる複数の半導体素子を設け、両者の出力に基づく発振信号の振幅を一定値にするための振幅制御信号を比較するため、センサの精度が向上する。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７９】
１，１ａ，１ｂ ｐ型拡散層
２ ＳｉＯ２膜
３ ｎウェル
４，４ｉ１，４ｉ２，４ｏ１，４ｏ２，４ａ，４ｂ コンタクト
５ 配線
１０ シリコン基板
２１，２１ａ，２１ｂ 増幅器
２２，２２ａ，２２ｂ カウンタ
２３，２５，２６ 比較器
２４ ミキサ
５０〜５７ センサ
１００，１００ａ，１００ｂ，１５０ 半導体素子
２００〜２０７ 検出部
３００ スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度または圧力を検出するセンサであって、
前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子の出力に基づいて、前記加速度または圧力に対応したセンサ値を生成する検出部と、を備え、
前記第１の半導体素子は、
半導体基板に形成される第１の音響波伝播層と、
前記第１の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第１の音響波反射層と、
前記第１の音響波伝播層に形成され、前記検出部と接続される第１のコンタクトと、有することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記検出部は、
前記第１の半導体素子の出力を増幅し、前記加速度または圧力に応じた周波数の第１の発振信号を生成する第１の増幅器と、
前記第１の発振信号のパルス数をカウントし、前記加速度または圧力に応じた第１のカウント値を生成する第１のカウンタと、を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
一定の基準加速度または基準圧力が与えられ、前記基準加速度または基準圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子の出力を増幅し、前記基準加速度または基準圧力に応じた周波数の第２の発振信号を生成する第２の増幅器と、
前記第２の発振信号のパルス数をカウントし、前記基準加速度または基準圧力に応じた第２のカウント値を生成する第２のカウンタと、を備え、
前記検出部は、前記第１のカウント値と前記第２のカウント値とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記第２の増幅器と接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
一定の基準加速度または基準圧力が与えられ、前記基準加速度または基準圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
所定のタイミングで、前記第１の半導体素子または前記第２の半導体素子の出力を前記検出部に供給するスイッチと、を備え、
前記第１の増幅器は、前記第１の半導体素子の出力を増幅した前記第１の発振信号または前記第２の半導体素子の出力を増幅した第２の発振信号を前記所定のタイミングで生成し、
前記第１のカウンタは、前記第１の発振信号のパルス数をカウントした前記第１のカウント値または前記第２の発振信号のパルス数をカウントした第２のカウント値を前記所定のタイミングで生成し、
前記検出部は、前記第１のカウント値と前記第２のカウント値とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記スイッチを介して、前記第１の増幅器に接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じて、前記第１の半導体素子が出力する電圧または電流と周波数が等しく、かつ、振幅が異なる電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子の出力を増幅し、前記加速度または圧力に応じた第２の振幅の第２の発振信号を生成する第２の増幅器と、を備え、
前記検出部は、
前記第１の半導体素子の出力を増幅し、前記加速度または圧力に応じた第１の振幅の第１の発振信号を生成する第１の増幅器と、
前記第１の振幅と前記第２の振幅とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器と、を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記第２の増幅器と接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じて、前記第１の半導体素子が出力する電圧または電流と周波数が等しく、かつ、振幅が異なる電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子の出力を増幅し、第２の振幅制御信号に基づいて、振幅が予め定めた値の第２の発振信号を生成する第２の検出部と、を備え、
前記検出部は、
前記第１の半導体素子の出力を増幅し、第１の振幅制御信号に基づいて、振幅が前記予め定めた値の第１の発振信号を生成する第１の検出部と、
前記第１の振幅制御信号と前記第２の振幅制御信号とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器と、を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記第２の増幅器と接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１の半導体素子は、
前記第１の音響波伝播層に、前記第１のコンタクトと第１の方向に対向して形成される第２のコンタクトと、
前記第１の音響波伝播層に、前記第１の方向と略直交する第２の方向に互いに対向して形成される第３および第４のコンタクトと、を有し、
前記検出部は、
前記第１および第２のコンタクト間に第１の電位差を生成する増幅器と、
前記第１の電位差と、前記第３および第４のコンタクト間に生じる、振幅が前記加速度に応じた第２の電位差と、に基づいて、前記加速度に対応したセンサ値を生成するミキサと、を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１の音響波伝播層の形状は、略正方形であることを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記検出部は、前記半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１】
加速度または圧力を検出するセンサであって、
前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子の出力に基づいて、前記加速度または圧力に対応したセンサ値を生成する検出部と、を備え、
前記第１の半導体素子は、
半導体基板に形成される第１の音響波伝播層と、
前記第１の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第１の音響波反射層と、
前記第１の音響波伝播層に形成され、前記検出部と接続される第１のコンタクトと、有することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記検出部は、
前記第１の半導体素子の出力を増幅し、前記加速度または圧力に応じた周波数の第１の発振信号を生成する第１の増幅器と、
前記第１の発振信号のパルス数をカウントし、前記加速度または圧力に応じた第１のカウント値を生成する第１のカウンタと、を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
一定の基準加速度または基準圧力が与えられ、前記基準加速度または基準圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子の出力を増幅し、前記基準加速度または基準圧力に応じた周波数の第２の発振信号を生成する第２の増幅器と、
前記第２の発振信号のパルス数をカウントし、前記基準加速度または基準圧力に応じた第２のカウント値を生成する第２のカウンタと、を備え、
前記検出部は、前記第１のカウント値と前記第２のカウント値とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記第２の増幅器と接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
一定の基準加速度または基準圧力が与えられ、前記基準加速度または基準圧力に応じた周波数の電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
所定のタイミングで、前記第１の半導体素子または前記第２の半導体素子の出力を前記検出部に供給するスイッチと、を備え、
前記第１の増幅器は、前記第１の半導体素子の出力を増幅した前記第１の発振信号または前記第２の半導体素子の出力を増幅した第２の発振信号を前記所定のタイミングで生成し、
前記第１のカウンタは、前記第１の発振信号のパルス数をカウントした前記第１のカウント値または前記第２の発振信号のパルス数をカウントした第２のカウント値を前記所定のタイミングで生成し、
前記検出部は、前記第１のカウント値と前記第２のカウント値とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記スイッチを介して、前記第１の増幅器に接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じて、前記第１の半導体素子が出力する電圧または電流と周波数が等しく、かつ、振幅が異なる電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子の出力を増幅し、前記加速度または圧力に応じた第２の振幅の第２の発振信号を生成する第２の増幅器と、を備え、
前記検出部は、
前記第１の半導体素子の出力を増幅し、前記加速度または圧力に応じた第１の振幅の第１の発振信号を生成する第１の増幅器と、
前記第１の振幅と前記第２の振幅とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器と、を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記第２の増幅器と接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記加速度または圧力が与えられ、前記加速度または圧力に応じて、前記第１の半導体素子が出力する電圧または電流と周波数が等しく、かつ、振幅が異なる電圧または電流を出力する第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子の出力を増幅し、第２の振幅制御信号に基づいて、振幅が予め定めた値の第２の発振信号を生成する第２の検出部と、を備え、
前記検出部は、
前記第１の半導体素子の出力を増幅し、第１の振幅制御信号に基づいて、振幅が前記予め定めた値の第１の発振信号を生成する第１の検出部と、
前記第１の振幅制御信号と前記第２の振幅制御信号とを比較し、前記加速度または圧力に応じた比較結果を生成する比較器と、を有し、
前記第２の半導体素子は、
前記半導体基板に形成される第２の音響波伝播層と、
前記第２の音響波伝播層内に音響波を閉じ込めるように形成される第２の音響波反射層と、
前記第２の音響波伝播層に形成され、前記第２の増幅器と接続される第２のコンタクトと、有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１の半導体素子は、
前記第１の音響波伝播層に、前記第１のコンタクトと第１の方向に対向して形成される第２のコンタクトと、
前記第１の音響波伝播層に、前記第１の方向と略直交する第２の方向に互いに対向して形成される第３および第４のコンタクトと、を有し、
前記検出部は、
前記第１および第２のコンタクト間に第１の電位差を生成する増幅器と、
前記第１の電位差と、前記第３および第４のコンタクト間に生じる、振幅が前記加速度に応じた第２の電位差と、に基づいて、前記加速度に対応したセンサ値を生成するミキサと、を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１の音響波伝播層の形状は、略正方形であることを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記検出部は、前記半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７６７３（Ｐ２０１３−７６７３Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４０９６８（Ｐ２０１１−１４０９６８）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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