NEWS LETTER 52 - 21ppi.org · データをオープンにすることが必要になる。 オープンデータは、行政の保有する公共データを 開示する取り組みとして始まったが、政府が今般定
MOSFET型センサチップ2014).pdfTanner EDA Software Toolsを使用 100μm ②アレイ化した...
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1つの素子で温度と応力ひずみが 同時計測可能な MOSFET型センサチップ 山形大学 山﨑 義人 貝和 航陽 原田 知親 1
Transcript of MOSFET型センサチップ2014).pdfTanner EDA Software Toolsを使用 100μm ②アレイ化した...
1つの素子で温度と応力ひずみが同時計測可能な
MOSFET型センサチップ
山形大学
山﨑 義人 貝和 航陽 原田 知親
1
目次
・背景
・目的
・作製したチップの概要
・まとめ
・測定結果
・8角形MOSFET ・アレイ化した多端子MOSFET
2
背景 センサは家電、自動車など日常的に利用されている
・所望の回路とセンサ用の回路が独立しているため、 別々の回路によってシステムを構築する必要がある
・電子回路におけるセンサの規模が大きいため 場所を取る
・回路機能とセンサ機能の兼用による センサの小型化、高機能化
・MOSFETをベースにした集積化センサ
ライフケア・ヘルスケア分野への センサ応用が期待
3
MOSFETを利用したセンサの研究
センサ検出と回路動作の並列化が可能 9端子MOSFET型温度検出素子 5端子MOSFET型応力検出素子
5端子MOSFET型応力検出素子 9端子MOSFET型温度検出素子
Output
Channel resistance
Output
・ それぞれのOutput端子はGate,Source,Drainと独立
・飽和領域で応力印加を行ったとき Output端子間の感度が一定
・Drain-Source方向に対して 45゜方向に応力印加で Output端子間の電位差測定
・端子間の距離が離れているほど 感度が良い
・飽和領域で熱印加を行ったとき Output端子間の感度が一定
stress
stress
・回路を構成するMOSFETを多端子MOSFETに置き換えることで、 回路動作をしながらセンシングが可能
4
目的
・熱と応力の2つの物理量を測定することが 可能な素子の作製と評価
・デジタル的にセンサを制御することが可能な アレイ化したセンサの作製と評価
・応力検出素子と温度検出素子の構造は非常に似ている
・熱と応力を同時に測定できる素子を利用することで、 小型化、高機能化を両立したフレキシブルなセンサとなる
8角形MOSFET、アレイ化したMOSFETの作製
5
作製したチップ
①8角形 MOSFET (nMOSとpMOS)
チップ動作確認用の nMOSFET
ケイデンス・デザイン・システム社のCAD(Virtuso) Tanner EDA Software Toolsを使用
100μm
②アレイ化した MOSFET (nMOSとpMOS)
6
①8角形MOSFET Gate
O1O2
O5
O3
O4O6
O8
O7
・Drain-Sourceを任意に決定することができる ・応力をDrain-Source方向に対して0゜、45゜、90゜方向に応力を 印加したときに応力特性が測定でき、応力印加方向がわかる ・温度特性はOutput端子間のチャネル抵抗によって測定可能
31.1um
31um
4.24um
4um
10μm
Gate
O4
O6
O1
O7
O8
O5 O3 O2
7
31um
31um
4um
Vgs1
Vgs2
Vgs3
Vds
Vout1 Vout2 Vout3 Vout4 Vout5 Vout6
Source
②アレイ化したMOSFET
・個々の静特性を測定
・0゜方向 ・45゜方向 ・8角形MOSFET
・3つ中2つの素子のGateをGND(OFF状態)におとし測定
18um
素子を多数接続し、センサ動作を制御する
10μm
Gate2
Gate1
Drain
Source
Gate3
O5 O6 O4 O3 O2 O1
8
測定方法
応力検出
温度検出 保温器の中にチップを入れ、温度を10℃間隔で30℃から100℃まで変化させる
ステージを初期状態から100mmまで移動させて測定する
温度、応力同時測定時は、応力印加装置のステンレス板の下に ペルチェ素子を設置し、銅柱を通して熱を伝えながら、応力を印加
・Output端子の電圧をV0,V1として測定し 電位差Vout = V0 – V1を求める
・Gate電圧VGSを印加し、 Drain電圧VDSを変化させる
評価方法
ステージ 測定ボードを 保温器内に入れる
圧縮応力 y : ステージ移動量
チップ ステンレス板
y
9
8角形MOSFETの静特性と Output端子の特性 Gate
O1O2
O5
O3
O4O6
O8
O7
・8角形MOSFETは MOSFETとして動作する ・端子間の距離によって 電位差が変化する
Drain(O7)-Source(O3)のVDS-ID
Drain(O7)-Source(O3)
Gate電圧VGS=3.0V 時におけるOutput端子の電位Vout
0 1 2 30
0.2
0.4
0.6
O1 O2 O4 O5 O6 O8
VDS[V]
VO
UT[V
] VGS=3.0V
0 1 2 30
1
2
3
4
5
[10-5
]
VDS[V]
I DS[A
]
VGS=0.0V VGS=0.3V VGS=0.6V VGS=0.9V VGS=1.2V VGS=1.5V VGS=1.8V VGS=2.1V VGS=2.4V VGS=2.7V VGS=3.0V
10
0 1 2 30
0.1
0.2
VT
EM
P[V
]
VDS[V]
T=30 T=40 T=50 T=60 T=70 T=80 T=90 T=100
VGS[V]
温度[℃]
8角形MOSFETの温度センサ評価
・端子間の距離によってVTEMPの値が変化 ・Drain-Source端子に斜め方向の端子間の電位差が大きい
・Drain(O7)-Source(O3) O1-O5のVTEMP
・Drain(O7)-Source(O3) O8-O4のVTEMP
温度印加による電位差をVTEMPとする 測定された電位差の変化量をΔVTEMPとする
GateO1
O2
O5
O3
O4O6
O8
O7
0 1 2 30
0.002
0.004
0.006
T=30 T=40 T=50 T=60 T=70 T=80 T=90 T=100
VDS[V]
VT
EM
P[V
]
温度[℃]
VGS=3.0V
30 40 50 60 70 80 90 1000
0.002
0.004
0.006
0.008
TEMP[℃]
ΔV
TE
MP[V
]
VGS=3.0VVDS=3.0V
O8-O4 O1-O5
11
2 2.2 2.4 2.6 2.8 30.26
0.27
0.28
VT
EM
P[V
]
VDS[V]
T=30 T=40 T=50 T=60 T=70 T=80 T=90 T=100
VGS[V]
温度[℃]
GateO1
O2
O5
O3
O4O6
O8
O7
8角形MOSFETの応力センサ評価
・1つの素子で2方向の判別が可能 ・8角形MOSFETは応力検出素子としても利用可能
・Drain(O7)-Source(O3) -45 ゜方向に応力印加 O1-O5のVSTRESS
・Drain(O7)-Source(O3) 0 ゜方向に応力印加 O1-O5のVstress
ステージ移動による圧縮応力で発生する電位差をVSTRESSとする 測定された電位差の変化量をΔVSTRESSとする
0°
45° 90°
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-20
-10
0
10
20
⊿V
ST
RE
SS[m
V]
ステージ移動量[mm]
応力印加方向 90° 45° 0° -45°
VDS = 3.0VVGS = 3.0V
-45°
12
0 1 2 3
-2
-1
0ステージ移動量[mm]
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
VS
TR
ES
S[m
V]
VDS[V]
VGS = 3.0V
0 1 2 30
10
20
VS
TR
ES
S[m
V]
VDS[V]
ステージ移動量[mm] 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
VGS = 3.0V
応力印加時、VDS- VTEMP-STRESS特性に 大きな変化がみられない
8角形MOSFETの温度、応力センサ評価
温度のみ、応力のみの 物理量の測定が可能
Drain(O7)-Source(O3)とする
・T=50℃
・T=30℃
・ステージ移動に対するVTEMP-STRESS
Output端子(O1-O5)の電位差VTEMP-STRESSを測定
GateO1
O2
O5
O3
O4O6
O8
O7
0°
45° 90°
45 ゜方向に応力印加
13
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
1
2
3
T=30 T=35 T=40 T=45 T=50
温度[℃]
ステージ移動量[mm]
VT
EM
P-S
TR
ES
S[m
V]
VDS=3.0VVGS=3.0V
0 1 2 30
1
2
3 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0,5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
ステージ移動量[mm]
VDS[V]
VT
EM
P-S
TR
ES
S[m
V]
VGS=3.0V
0 1 2 3
0.5
1
1.5
2
VDS[V]
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
ステージ移動量[mm]VGS=3.0V
VT
EM
P-S
TR
ES
S[m
V]
アレイ化したMOSFETの特性 ①0°
②45°
・MOSFETはアレイ化による 並列接続でも動作可能
③8角形 MOSFET
・デジタル制御によって 個々のセンサを管理可能
14
0 1 2 30
0.5
1
VOUT1 VOUT2 VOUT3 VOUT4 VOUT5 VOUT6
外部端子
VDS[V]
V[V
]
VGS=3.0V
0 1 2 30
0.2
0.4
0.6
VOUT1 VOUT2 VOUT3 VOUT4 VOUT5 VOUT6
V[V
]
VDS[V]
外部端子
VGS=3.0V
0 1 2 30
0.5
1
VOUT1 VOUT2 VOUT3 VOUT4 VOUT5 VOUT6
VDS[V]
V[V
] 外部端子
VGS=3.0V
まとめ ・8角形MOSFETの温度特性、応力特性を測定した
・MOSFETは並列接続しても素子の動作に影響は見られない
・8角形MOSFETは温度、応力測定可能
・8角形MOSFETにおける温度、応力の同時測定の 再試験
・アレイ化された素子の温度特性、応力特性評価と 素子の制御システムの考察
今後の課題
・並列接続時にデジタル制御による 個々のセンサの管理が可能
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