DE19509338A1

DE19509338A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE19509338A1
Application number: DE19509338A
Authority: DE
Inventors: Takamoto Watanabe; Shigeru Nonoyama; Yukihiro Takeuchi
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2015-03-16
Also published as: US5541437A; JP3269274B2; JPH08110354A; DE19509338C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleu nigungssensor und insbesondere auf einen Halbleiterbe schleunigungssensor eines MISFET-Typs (metal inslulator se miconductor Field Effect Transistor), der bewegliche Gate elektroden besitzt, die vorzugsweise für Steuersysteme bei Kraftfahrzeugen wie Airbag-Steuerungssysteme, ABS- (antilock brake systems) und Navigationssysteme und zur Aufnahme einer Giergeschwindigkeit und zur Druckerfassung verwendet werden können.

In letzter Zeit ist der Bedarf an kostengünstigen kompakten Beschleunigungssensoren (hiernach als G-Sensoren bezeich net) für Automobile gestiegen, und es sind diesbezüglich auf einem Chip befindliche G-Sensoren als Prototypen unter Verwendung einer mikromaschinellen Herstellung gefertigt worden. Die auf einem Chip befindlichen G-Sensoren haben eine Gestalt, bei welcher eine mechanische Struktur auf ei nem Halbleitersubstrat gebildet ist, um direkt Signale un ter Verwendung einer elektrischen Schaltung zu verarbeiten.

Ein Beispiel eines derartigen Bauelements ist in dem US-Pa tent Nr. 5,314,572 (Japanische PCT-Patentveröffentlichungs schrift Nr. H4-504003) offenbart worden, wobei eine beweg liche Elektrode, die als Gewicht dient, vorgesehen ist, ei nen differentiellen Kondensator zu bilden, wodurch ein Ser vosystem eingerichtet wird und wobei ein Ausgangssignal durch Erfassen der Beschleunigung erlangt wird, auf die be wegliche Elektrode wirkt, unter Verwendung einer Träger welle.

In der japanischen Patentveröffentlichungsschrift Nr. H5-322353 ist vorgeschlagen worden, daß ein gesteuerter Be schleunigungssensor mit geschlossener Schleife einen Kon densator oder einen MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) als Erfassungselement aufweist und ein Teil zum Erzeugen einer elektrostatischen Kraft ent hält, um einer Beschleunigungskraft standzuhalten, die auf ein bewegliches Teil wirkt, um durch Aufhebung der Ver schiebung des beweglichen Teils das bewegliche Teil in Po sition zu halten.

Des weiteren ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. H5-322348 ebenso ein Beschleunigungssensor mit einer Anordnung vorgeschlagen worden, wobei ein bewegliches Teil horizontal relativ zu dem Substrat bewegt wird, um eine Verdrehung zu verhindern, und wobei eine Beschleunigung aus Änderungen des Betrags des Stroms, der durch ein MISFET fließt, erfaßt wird.

Entsprechend dem in dem oben dargestellten US-Patent offen barten Verfahren ist der Pegel des Ausgangssignals jedoch niedrig, und das Bauelement kann nicht kompakt gebildet werden, da der verwendete Fühler als differentieller Kon densator gefertigt ist, der eine bewegliche Elektrode be sitzt, die als Gewicht dient. Obwohl das Verfahren entspre chend der japanischen Patentanmeldung Nr. H5-322353 einen Kondensator verwendet und ein Servosystem enthält, das zum Zwecke der Erfassung vorgesehen ist, treten Verluste aus einem hohen Rauschpegel auf, da hohe Frequenzsignale wie eine Trägerwelle verwendet werden. Daraus ergibt sich die Schwierigkeit, daß die oben beschriebenen Konfigurationen keine hinreichende Signalstärke bei Verwendung in Systemen für ABS und in Giergeschwindigkeitssensoren bereitstellen, welche geeignet sein müssen, niedrige Pegel von Beschleuni gungen zu erfassen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Schaltkreis zum Erzeugen der Trägerwelle etwa 40-50% der gesamten integrierten Schaltung ausmacht, wodurch es erschwert wird, einen kompakteren Sensorchip herzustellen. Obwohl in dem Verfahren entsprechend der japanischen Pa tentanmeldung Nr. H5-322348 die Beschleunigung aus Verände rungen des Betrages des Stromflusses durch den MISFET er faßt wird, ist es nicht möglich, die Beschleunigung ledig lich in einer Dimension getrennt zu erfassen, da die Be schleunigung auf einer zweidimensionalen Grundlage zur sel ben Zeit in vertikaler und horizontaler Richtung bezüglich des Substrats erfaßt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen G-Sensor bereitzustel len, bei welchem keine Trägerwelle verwendet wird, bei wel chem ein geringeres Rauschen auftritt und der kompakt, ver läßlich im Betrieb und geeignet zum Erfassen einer Be schleunigung lediglich in einer Dimension ist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Beschleunigungssensor vorgesehen, der ein bewegliches Teil mit beweglichen Gateelektroden besitzt, die von Trägern an einem vorbestimmten Intervall von der Oberfläche eines Substrats aus getragen werden und die durch die Beschleuni gung verschoben werden können, mit Source- und Drainelek troden, die relativ zu den beweglichen Gateelektroden der art angeordnet sind, daß eine MIS-ähnliche Struktur zum Er fassen einer Beschleunigung gebildet wird, die auf die be weglichen Gateelektroden wirkt. Die beweglichen Gateelek troden sind auf beiden Seiten des beweglichen Teils in ei ner gegenüberliegenden Beziehung angeordnet, um wenigstens ein Paar Transistoren eines MIS-Typs zu bilden, welche dieselbe Charakteristik besitzen. Der Sensor ist mit einem differentiellen Ausgangsteil zum Erlangen eines differenti ellen Ausgangssignals aus wechselseitig entgegengesetzten dynamischen Charakteristiken ausgestattet, die sich durch das Paar von Transistoren des MIS-Typs als Antwort auf die Bewegung des beweglichen Teils durch die Beschleunigung hervorgerufen zeigen. Des weiteren ist der Sensor mit einem Integrationsteil zum Integrieren des differentiellen Si gnals ausgestattet. Der Sensor ist ferner mit einem Ver schiebungssteuerungsteil zum Durchführen der Verschiebungs steuerung auf der Grundlage des Integrationsergebnisses von dem Integrationsteil ausgestattet, so daß die Verschiebung des beweglichen Teils durch eine elektrostatische Kraft aufgehoben wird, die eine hinreichende Größe besitzt, um der Beschleunigung zu widerstehen.

Vorzugsweise besitzt das Verschiebungssteuerungsteil eine bewegliche Elektrode an dem beweglichen Teil und eine erste feste Elektrode und eine zweite feste Elektrode auf dem Substrat, und das Paar der ersten festen Elektrode und der zweiten festen Elektrode ist angeordnet, um die bewegliche Elektrode mit im wesentlichen gleichen Lücken dazwischen zu umgeben.

Vorzugsweise koppelt das Verschiebungssteuerungsteil ein Ausgangssignal dem beweglichen Teil zurück. Eine vorbe stimmte Vorspannung wird an die ersten und zweiten festen Elektroden angelegt, und es wird das Ausgangssignal an die bewegliche Elektrode rückgekoppelt, um eine elektrostati sche Kraft an den beweglichen Elektroden in Richtung entge gengesetzt zu der Beschleunigung zu erzeugen, die durch die Verschiebung des beweglichen Teils hervorgerufen wurde, wo durch die Verschiebung aufgehoben wird.

Vorzugsweise wird das Ausgangssignal an die erste feste Elektrode rückgekoppelt, und es wird ein invertiertes Si gnal, welches durch Invertieren der Polarität des Ausgangs signals erlangt wird, an die zweite feste Elektrode rückge koppelt. Die bewegliche Elektrode wird auf einem vorbe stimmten elektrischen Potential gehalten, um eine elektro statische Kraft an der beweglichen Elektrode in Richtung entgegengesetzt zu der Beschleunigung zu erzeugen, welche die Verschiebung des beweglichen Teils hervorgerufen hat.

Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von parallelen Trägern ei nes zweiseitigen Typs, die das bewegliche Teil tragen, und das Paar von beweglichen Gateelektroden in Richtung des Gates angeordnet, welches horizontal bezüglich der Substratoberfläche und senkrecht zur Richtung der Träger ausgerichtet ist. Die Richtung des Gates ist die Richtung, in welcher die Beschleunigung erfaßt wird.

Vorzugsweise ist ein Massenteil auf einer Seite eines der Träger vom zweiseitigen Typ in einer Richtung senkrecht zu der Anbringungsrichtung vorgesehen, um das bewegliche Teil zum Erfassen der Beschleunigung in eine Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche zu bilden. Die beweglichen Elek troden sind auf beiden Seiten der Richtung senkrecht und symmetrisch zu dem Träger angeordnet. Das Verschiebungs steuerteil wird von den beweglichen Elektroden symmetrisch um den Träger und im wesentlichen mit gleich großer Ober fläche gebildet. Die ersten und zweiten festen Elektroden auf der Substratoberfläche liegen gegenüber den beweglichen Elektroden und sind symmetrisch um die Position des Trägers gebildet und besitzen im wesentlichen eine gleich große Oberfläche.

Vorzugsweise besitzt das differentielle Ausgangsteil einen Differentialverstärker, der die Ausgangssignale des Paars Transistoren vom MIS-Typ empfängt, den Unterschied zwischen den Ausgangssignalen verstärkt und das Ergebnis der Ver stärkung an den Eingang des Integrators ausgibt.

Das Verschiebungssteuerungsteil enthält vorzugsweise eine Mehrzahl von Sätzen der beweglichen Elektroden und der er sten und zweiten festen Elektroden, die an dem beweglichen Teil vorgesehen sind.

Vorzugsweise sind der bewegliche und die ersten und zweiten festen Elektroden an Umfangs teilen der rechteckigen Löcher vorgesehen.

Vorzugsweise wird das differentielle Ausgangsteil durch ei nen Komparator zum Durchführen einer Umwandlung in ein Bi närsignal ersetzt, und der Integrator wird durch ein Si gnalverarbeitungsteil zum Durchführen der vorbestimmten Si gnalverarbeitung ersetzt. Das Signalverarbeitungsteil wan delt das Binärsignal in einen pulsbreitenmodulierten Puls zug um und steuert die Verschiebung des beweglichen Teils unter Verwendung dieses Pulszuges.

Vorzugsweise umfaßt das Signalverarbeitungsteil eine Addie rer/Subtrahiererschaltung zum Durchführen einer Addition und Subtraktion auf der Grundlage des Binärsignals und ei nen D/A-Wandler zum Durchführen einer D/A-Umwandlung bezüg lich des Datenausgangs von dem Addierer/Subtrahierer- Schaltkreis.

Bei der vorliegenden Erfindung werden die beweglichen Gates des beweglichen Teils durch die zu erfassende Beschleuni gung verschoben, die auf das Substrat in eine Richtung wirkt. Als Ergebnis wird die Schaltung elektrisch ver stimmt, und es wird eine differentielle Spannung an dem Paar von MIS-Transistoren erzeugt, um als Erfassungssignal ausgegeben zu werden. Dieses Ausgangssignal wird zum Ver schiebungssteuerungsteil zurückgegeben, welches einen Teil des beweglichen Teils bildet und die Verschiebung steuert. Danach wird eine Kraft, welche die Beschleunigung aufhebt und auf das Bewegungsteil wirkt, an dem Verschiebungssteue rungsteil erzeugt, um das bewegliche Teil bezüglich einer neutralen Position abzugleichen, wodurch das Erfassungssi gnal auf der Steuerbasis einer geschlossenen Schleife sta bilisiert wird. Da des weiteren die Signalerfassung auf ei ner differentiellen Basis durchgeführt wird, liegt sogar dann, wenn das bewegliche Teil durch die Beschleunigung in irgendeine Richtung außer der horizontalen Richtung ver schoben wird, insbesondere durch eine Beschleunigung in ei ne Richtung vertikal zu dem Substrat, kein Einfluß auf das Signal vor, da eine derartige Verschiebung Gleichtaktsi gnalkomponenten (common mode signal components) bereitstel len wird.

Da des weiteren die ersten und zweiten festen Elektroden die bewegliche Elektrode vorsehen, welche als Gewicht dient, wobei im wesentlichen gleiche elektromagnetische Kräfte auftreten, behält die bewegliche Elektrode ihre neu trale Position bei. Die Servosteuerung wird unter Verwen dung der Rückkopplung durchgeführt. Die Rückkopplung wird durch Anlegen einer vorbestimmten Vorspannung an das Paar von festen Elektroden vorgesehen, um das elektrische Poten tial an der beweglichen Elektrode hervorzurufen, um in Übereinstimmung mit der Beschleunigung zu schwanken. Somit wird die Beschleunigung aufgehoben, und die neutrale Posi tion wird beibehalten.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine grundlegende Schaltungsdarstellung eines Halbleiterbeschleunigungssensors (G-Sensor) in Übereinstim mung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Er findung;

Fig. 2(a) zeigt eine repräsentative Form eines beweglichen Teils, das als Beschleunigungserfassungsteil dient;

Fig. 2(b) zeigt eine modifizierte Form eines in Fig. 2(a) dargestellten beweglichen Teils;

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsgestaltung der zweiten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4(a) zeigt eine repräsentative Gestaltung eines be weglichen Teils in Übereinstimmung mit einer dritten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4(b) zeigt eine repräsentative Gestaltung eines be weglichen Teils in Übereinstimmung mit der dritten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4(c) zeigt eine repräsentative Gestaltung eines be weglichen Teils in Übereinstimmung mit der dritten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5(a) zeigt eine Gestaltung eines beweglichen Teils in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung;

Fig. 5(b) zeigt eine Gestaltung eines beweglichen Teils in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 6 zeigt eine repräsentative Gestaltung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 zeigt eine repräsentative Gestaltung einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8(a) zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel der Gestaltung des Signalverarbeitungsteils in Übereinstim mung mit der sechsten Ausführungsform darstellt;

Fig. 8(b) zeigt ein Blockdiagramm, welches ein anderes Beispiel der Gestaltung des Signalverarbeitungsteils in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform darstellt;

Fig. 9 zeigt ein Zeitablaufsdiagramm des in Fig. 8(a) dar gestellten Signalverarbeitungsteils;

Fig. 10 zeigt eine Schaltungsgestaltung einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 11 zeigt ein repräsentatives Schaltungsdiagramm eines beweglichen Teils in Übereinstimmung mit der siebenten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf be stimmte Ausführungsformen beschrieben.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, welche ein Bei spiel einer grundlegenden Schaltungsgestaltung eines Halb leiterbeschleunigungssensors (G-Sensor) darstellt. Der Sen sor 100 weist bewegliche Gates G1 und G2 und eine bewegli che Elektrode MV auf, die als Gewicht dient, welche insge samt ein bewegliches Teil (MG) 10 zum Erfassen einer Be schleunigung darstellen, ein Paar von Transistoren 11 und 12 eines MIS-Typs als Signalverarbeitungsteil, ein Diffe rentialverstärkerteil 13, der die Ausgangssignale von den Drainanschlüssen der Transistoren als Unterschied zwischen den Spannungen V₁ und V₂ an Lasten 15 empfängt, um ein dif ferentielles Ausgangssignal ΔV zu erlangen, und ein Inte grationsteil 14 zum Integrieren des differentiellen Aus gangssignals, um ein Ausgangssignal V₀ auszugeben.

Fig. 2(a) zeigt ein Beispiel der Implementierung des be weglichen Teils 10, wobei das bewegliche Teil 10 als von einem Paar Trägerteilen 23 eines zweitseitigen Typs getra gen dargestellt wird. Es wird festgestellt, daß Fig. 2(a) lediglich die Teile darstellt, die auf einem (nicht darge stellten) Substrat gebildet sind und dem beweglichen Teil 10 zugeordnet sind.

Die beweglichen Gates G1 und G2 sind elektrisch konfigu riert, um dasselbe elektrische Potential zu besitzen und um jeweils als Gateelektroden der MISFET′s (Transistoren vom MIS-Typ, bewegliche Gatetransistoren) 11 und 12 zu dienen, welche dieselbe Form besitzen.

Die MISFET′s 11 und 12 müssen nicht wie in Fig. 2(a) dar gestellt gebildet sein, sie können jedoch wie in Fig. 2(b) dargestellt gebildet sein. D.h. eine quadratisch geformte Öffnung 107 ist in dem beweglichen Teil 10 gebildet, um Seiten 108 und 109 vorzusehen, die einander in Richtung der Beschleunigungserfassung L gegenüberliegen. Die Source- und Drainelektroden 24 und 25 sind auf dem Substrat unter den sich gegenüberliegenden Oberflächen 108 und 109 angeordnet. Die beweglichen Gates werden in der Figur mit G1 und G2 be zeichnet. Somit sind zwei Paare von Source- und Drainelek troden 24 und 25 nahe zueinander angeordnet, so daß die Be schleunigung in Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats unterschiedlich erfaßt werden kann. Als Ergebnis kann der Unterschied in der Charakteristik der Transistoren reduziert werden, und eine Begrenzung des Beschleunigungs erfassungsbetriebs kann minimiert werden.

Die beweglichen Elektroden MV, welche als Gewicht dienen, sind ebenso gestaltet, um dasselbe elektrische Potential zu besitzen. Diese beweglichen Gates G1 und G2 und beweglichen Elektroden MV sind integriert hergestellt, um das bewegli che Teil 10 zur Erfassung der Beschleunigung in die Rich tung parallel zu dem Substrat und die Richtung zu bilden, in welche die beweglichen Gates G1 und G2 in die Richtung L ausgerichtet sind, die durch den Pfeil in Fig. 2(a) und 2(b) angezeigt ist. Das bewegliche Teil 10 wird oberhalb des Substrats unter Verwendung der Befestigungsteile 21 auf Isolierungsteilen 22 gehalten, die auf dem Substrat an ei nem Ende jedes Trägerteils 23 vorgesehen sind. Wie in Fig. 2(a) und 2(b) dargestellt ist, sind die beweglichen Gates G1 und G2 und die beweglichen Elektroden MV, die als Ge wicht dienen, angeordnet, um dynamisch symmetrisch und identisch in der Form bezüglich der Richtung L des bewegli chen Teils 10 ausgebildet zu sein. Um die beweglichen Gates G1 und G2 und die beweglichen Elektroden MV mit einem elek trischen Potential von dem Substrat zu versehen, besitzen die Befestigungsteile 21 und die Isolierungsteile 22 Teile, um den Kontakt mit dem Substrat zu gestatten.

Die Source- und Drainelektroden der MISFET′s 11 und 12 sind in den aktiven Halbleitergebieten 25 und 26 in dem Substrat gebildet. Die Source- und Drainelektroden sind in einer An ordnung ähnlich einer MIS-Struktur, insbesondere in einer Selbstanpassungsanordnung gebildet, bei welcher die Kanal gebiete davon sich teilweise bezüglich der jeweiligen be weglichen Gates G1 und G2 an der Unterseite davon überlap pen und sich das überlappende Gebiet verändert, wenn die Positionen der beweglichen Gates G1 und G2 bewegt werden. Die Sourceelektroden 24 und die Drainelektroden 25 der MIS- FET′s 11 und 12 besitzen dieselbe Größe und sind derart ge bildet, daß elektrischer Strom desselben Wertes fließen wird, wenn sich die beweglichen Gates G1 und G2 um densel ben Betrag überlappen. Als Ergebnis wird eine vorbestimmte konstante Spannung an die Leistungszuführungen VDD der MIS- FET′s 11 und 12 angelegt.

Um zu verhindern, daß eine elektrostatische Kraft zwischen dem beweglichen Teil und dem Substrat hervorgerufen wird, ist ein aktives Gebiet 20 in dem Bereich des Substrats un terhalb des beweglichen Teils 10 durch Hinzufügen von Ver unreinigungen bei einer hohen Konzentration vorgesehen, so daß dasselbe elektrische Potential wie an dem beweglichen Teil 10 hervorgerufen wird.

Die Ausgänge der zwei MISFET′s 11 und 12 sind an die Lasten 15 angeschlossen, die an die jeweiligen Leistungszufuhren VDD als die Spannungen V₁ und V₂ angeschlossen sind, welche dem Differentalverstärkerteil 13 zum Verstärken der Diffe renz V₁-V₂ zwischen den zwei Ausgängen eingegeben werden. Da die Differenz ΔV ein Kleinsignalwert darstellt, wird normalerweise ein Verstärkungsfaktor von 1 oder darüber verwendet. Das verstärkte Ausgangssignal ΔV wird dem Inte grationsteil 14 eingegeben, und das Ergebnis der Integra tion wird als Ausgangssignal V₀ ausgegeben. Das Ausgangssi gnal V₀ wird den beweglichen Elektroden MV über die Befe stigungsteile 21 des beweglichen Teils 10 rückgekoppelt. Eine derartige elektrische Schaltung wird auf dem Halblei tersubstrat gleichzeitig mit dem beweglichen Teil 10 unter Verwendung eines bekannten üblichen Halbleiterverfahrens gebildet.

Die in Fig. 2 dargestellte Skizze des beweglichen Teils 10 zeigt nicht die tatsächlichen Dimensionen und kann auf der geforderten Grundlage des Pegels der zu erfassenden Be schleunigung und des Typs und der Stärke des Materials des beweglichen Teils entworfen werden. Beispielsweise können nicht nur Halbleitermaterialien sondern ebenso Metalle mit hohen Schmelzpunkten wie Wolfram für das bewegliche Teil 10 verwendet werden. Da des weiteren die Größe und die diffe rentielle Spannung, die durch die Bewegung der beweglichen Gates erzeugt wurde, von den Faktoren einschließlich der Dimensionen der Sources und Drains abhängen, können derar tige Dimensionen gewählt werden, um einen für den beabsich tigten Zweck geeigneten Signalpegel zu erlangen.

Wenn keine Beschleunigung auf das G-Sensor-Halbleiterbau element einwirkt, das das bewegliche Teil besitzt, welches wie oben beschrieben hergestellt ist, wird eine Vorspannung eines Wertes VDD/2, welcher der Hälfte der Leistungszufuhr VDD entspricht, dem beweglichen Teil 10 als Ansteuerungs punkt für die MISFET′s 11 und 12 zugeführt, wodurch die Spannungen V₁ und V₂ als die Ausgangssignale der MISFET′s gleich groß gemacht werden. Daher gleicht die Differenz ΔV dem Wert 0, und es gibt keine Veränderung beim Ausgangssi gnal, wenn keine externe Kraft auftritt, d. h. wenn keine Beschleunigung vorliegt. Da das Ausgangssignal V₀ an das bewegliche Teil 10 rückgekoppelt ist, liegt der Wert der Vorspannung VDD/2 des beweglichen Teils 10 auf dem Null punkt.

Unter der Annahme, daß eine Beschleunigung einer bestimmten Größe in Richtung des Gates G1 auftritt (der Anstieg oder die Veränderung der Beschleunigung bezüglich der Größe wird ignoriert), nimmt das bewegliche Teil 10 eine Kraft in Richtung des Gates G1 auf und wird auf einen Punkt zube wegt, bei welchem es der elastischen Kraft des Trägers 23 widersteht. Daraus ergibt sich eine Bewegung des bewegli chen Gates G1, wodurch der Strom durch den MISFET 11 erhöht wird und wodurch die Spannung V₁ vermindert wird. Da das Gate G2 auf der Seite des MISFET′s 12 eine umgekehrte Bewe gung macht, wird demgegenüber die Spannung V₂ erhöht. Als Ergebnis nimmt die differentielle Spannung ΔV einen Wert -ΔV₁ an, und der Wert der Ausgangsspannung verändert sich von dem Wert V₀, um einen verminderten Wert V₀-V₁ entsprechend anzunehmen. Da diese Spannung an die beweglichen Elektroden NV rückgekoppelt wird, erzeugt die an das bewegliche Teil 10 und an die beweglichen Elektroden MV angelegte Vorspan nung, welche sich in Richtung auf das Gate G1 durch die er sten festen Elektroden S1 und die zweiten festen Elektroden S2 bewegt haben, eine große elektrostatische Kraft in Rich tung auf die zweiten Elektroden S2 in Richtung entgegenge setzt zu der Bewegung des beweglichen Teils 10, um die be wegliche Elektrode MV und das bewegliche Teil 10 in Rich tung auf das Gate G2 zu bewegen, um an ihren anfänglichen neutralen Positionen befindlich zu sein. Da diese Reihen von Reaktionen von elektrischer Natur sind, wird ein Aus gangssignal bereitgestellt, während die Steuerung durch Er zeugen der elektrostatischen Kraft im wesentlichen gleich zeitig zu der mechanischen Bewegung durchgeführt wird, d. h. dem Auftreten der Beschleunigung folgend. Als Ergebnis kehrt das bewegliche Teil 10 nach einer kleinen Verschie bung zu der im wesentlichen neutralen Position zurück. Dem entsprechend kehren die Gates G1 und G2 an ihre anfängli chen neutralen Positionen zurück. Somit gleicht ΔV dem Wert 0, und das Erhöhen des integrierten Ausgangswerts wird be endet, wobei der Wert V₀-V₁ unverändert zurückgelassen wird. Wenn die auftretende Veränderung derart ist, daß die Beschleunigung fortfährt anzusteigen, werden die Gates stets in Positionen angeordnet sein, welche leicht von den neutralen Positionen entfernt sind, und die Ausgangsspan nung wird fortfahren, sich zu verändern.

Wenn die Beschleunigung beendet wird, da die elektrostati sche Kraft weiterhin erzeugt wird, wird das bewegliche Teil 10 auf das Gate G2 hin verschoben, wodurch die Spannung V₂ verringert und die Spannung V₁ erhöht wird. Dann nimmt die Differenz ΔV einen Wert +ΔV₁ an. Als Ergebnis beginnt die Ausgangsspannung von dem Potential V₀-V₁ anzusteigen, die elektrostatische Kraft wird reduziert, um zu dem bewegli chen Teil 10 wiederum zu der neutralen Position zurückzu kehren, und das Erhöhen der Ausgangsspannung wird nach ei ner Erhöhung von +ΔV₁ beendet. Mit anderen Worten es wird die Ausgangsspannung V₀ verringert, während die Beschleuni gung auf das Gate G1 einwirkt, und sie kehrt zu dem anfäng lichen Wert von V₀ zurück, wenn die Beschleunigung beendet ist. Während des Auftretens einer Beschleunigung zeigt da her das Ausgangssignal V₀ Veränderungen proportional der Beschleunigung und kehrt zu dem Nullpunkt (VDD/2) zurück, wenn die Beschleunigung zu 0 wird. Das Ausgangssignal wird somit zu einem Signal, welches die Beschleunigung anzeigt. Wenn die Beschleunigung in eine Richtung entgegengesetzt auf das Gate G2 zu auftritt, findet die Operation umgekehrt statt, wodurch die Ausgangsspannung V₀ erhöht wird, und, wenn die Beschleunigung beendet wird, kehrt die Spannung auf den anfänglichen Wert V₀ zurück.

Da das Paar von Transistoren des MIS-Typs zum Erlangen des differentiellen Ausgangssignals im wesentlichen an dersel ben Position auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, kann angenommen werden, daß die Temperaturen jener Transistoren, die die Ladungsträgerdichte beeinträchtigen, denselben Wert besitzen. Somit kann der Einfluß der Temperatur auf das Si gnal ignoriert werden. In der Umgebung von Fahrzeugen bei spielsweise können Schwankungen der Leistungszufuhr auftre ten, wodurch sich Schwankungen der Leistungszufuhr des Be schleunigungssensors selbst ergeben (VDD von Fig. 1). Da das verwendete Erfassungsverfahren auf einer differentiel len Grundlage basiert, haben derartige Schwankungen der Leistungszufuhr (Gleichtaktrauschkomponenten) keinen we sentlichen Einfluß auf das Signal. Obwohl es unvermeidbar ist, daß bei der elektrischen Schaltung am Verstärkungsteil Fehler, Nullpunktsdriften an dem Integrationsteil und ähn liche Schwierigkeiten auftreten, können derartige Schwie rigkeiten unter Verwendung von gebräuchlichen Techniken be züglich elektronischer Schaltungen wie einer Trimmkorrek tur, dem Vorsehen einer Korrekturschaltung und periodische Nullpunktskorrektur gelöst werden. Theoretisch sind diese Schwierigkeiten nicht auf die vorliegende Erfindung bezogen und werden nicht die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung beeinträchtigen.

Im folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorlie genden Erfindung beschrieben. Die Einrichtung zum Erzeugen einer elektrostatischen Kraft an dem beweglichen Teil 10 zur Aufhebung der Beschleunigung des beweglichen Teils 10 ist nicht auf die in Fig. 1 dargestellte Gestaltung be schränkt, sie kann irgendeine andere Gestaltung besitzen und es kann Fig. 3 als Gestaltung zum Anlegen einer elek trostatischen Kraft an das bewegliche Teil 10 verwendet werden, um denselben Effekt zu erzielen.

Entsprechend Fig. 3 wird die Ausgangsspannung an die feste Elektrode S1 bezüglich der beweglichen Elektrode MV rückge koppelt, die als Gewicht des beweglichen Teils 10 dient. Eine durch Invertieren der Ausgangsspannung erlangte Spannung wird der festen Elektrode S2 zugeführt, und die bewegliche Elektrode MV wird auf einem vorbestimmten elektrischen Po tential VDD gehalten. Eine elektrostatische Kraft wird an der beweglichen Elektrode MV erzeugt. Da bei dieser Anord nung eine Veränderung des elektrischen Potentials der Gates infolge einer Beschleunigung nicht möglich ist, wird stets ein konstanter Drainstrom erlangt. Dadurch ergibt sich ein Vorteil dahingehend, daß die Geschwindigkeit der Rückkopp lung bezüglich der Servosteuerung und ähnliches unabhängig von der Beschleunigung ist.

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben. Die Anordnung der beweglichen Gates und der beweglichen Elektroden MV, welche in Fig. 2 dargestellt sind, ist nicht auf vier Paar beweglicher Gates und sechs Paar beweglicher Elektroden MV beschränkt, sie kann, wenn verlangt, in Relation zum Ansprechen oder bezüg lich des Brechens des beweglichen Teils auf die Beschleuni gung oder ähnliches gestaltet werden. Die in den Fig. 4(a) bis 4(c) dargestellten repräsentativen Ausgestaltungen veranschaulichen einige Variationen des beweglichen Teils. Fig. 4(a) stellt eine Gestaltung dar, bei welcher die be weglichen Elektroden MV als Trägerteile verwendet werden, und die ersten und zweiten festen Elektroden S1 und S2 sind derart gebildet, daß sie um die Träger herum angeordnet sind. Da es vier Trägerteile gibt, sind jene Elektroden an vier Stellen unter Berücksichtigung der dynamischen Balance angeordnet. Fig. 4(b) zeigt eine Gestaltung zur Implemen tierung der Gestaltung, derart, daß ein rechteckiges Loch H1 in der Mitte des beweglichen Teils gebildet ist. Die ersten und zweiten festen Elektroden sind an Umfangs teilen des rechteckigen Lochs gebildet. Fig. 4(c) zeigt eine Gestal tung, bei welcher eine Mehrzahl beweglicher Gates G1 und G2 und beweglicher Elektroden MV, die als Gewicht dienen, ge bildet sind. Diese Gestaltung verbessert die Stärke eines Signals. In jedem der Fälle ist die Gestaltung dynamisch symmetrisch bezüglich der Richtung der auftretenden Be schleunigung.

Es ist nicht nötig hervorzuheben, daß andere dynamische Ge staltungen des beweglichen Teils eine vorteilhafte Charak teristik der Erfindung darstellen, solange wie die Erfas sung der Beschleunigung in lediglich einer Richtung ermög licht wird.

Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben. Fig. 5(a) zeigt eine Struktur, bei welcher ein Massenteil 62 eines beweglichen Teils 60 von einem Trägerteil 63 mit einem einzigen Ende getragen wird. Bei dieser Struktur rotieren die beweglichen Gates G1 und G2 um ein Trägerteil 61 mit zweifachen Ende im Anspre chen auf eine Beschleunigung in Richtung senkrecht zu dem Substrat. Die beweglichen Gates veranlassen dadurch, daß die Lücke zwischen den Source- und Drainteilen des Substrats sich verändert, wodurch sich eine Veränderung der Ladungsträgerdichte und somit eine Veränderung im Strom er gibt. Das bewegliche Teil 60 besitzt eine bewegliche Elek trode MV, die auf beiden Seiten des Trägerteils 63 mit zweifachem Ende gebildet ist, das als Rotationsachse zur symmetrischen Anordnung um die Achse der Rotation dient. Die erste feste Elektrode S1 und die zweite feste Elektrode S2 sind auf der Substratseite unter den Teilen 65 und 64 angeordnet. Fig. 5(b) zeigt eine Querschnittsansicht des beweglichen Teils 60 seitlich entlang der Linie V_B-V_B von Fig. 5(a). Die bewegliche Elektrode MV empfängt eine elek trostatische Kraft von den festen Elektroden S1 und S2, die auf dem Substrat vorgesehen sind. Als Ergebnis tritt eine Rotationskraft in entgegengesetzter Richtung auf, wodurch die oben beschriebene Rotation ausbalanciert wird. Die in Fig. 5(a) und Fig. 5(b) dargestellte Gestaltung ist nicht auf diese Anordnung beschränkt, es können andere Gestaltun gen wie die Formen und Dimensionen der ersten und zweiten festen Elektroden S1 und S2 in Abhängigkeit von den verwen deten Materialen und den Bedingungen, unter welchen das Bauelement verwendet wird, optimiert werden. Die Dicke der Träger wird ebenso auf der Grundlage des Pegels der zu er fassenden Beschleunigung bestimmt.

Im folgenden wird eine fünfte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung beschrieben. Die erste Ausführungsform zum Erfassen einer Beschleunigung in einer Richtung horizontal zu dem Substrat und die dritte Ausführungsform zum Erfassen einer Beschleunigung in einer Richtung senkrecht zu dem Substrat können in einem einzigen Chip miteinander verbun den werden, wodurch die Bildung eines Halbleiter-G-Sensors ermöglicht wird, der zum Erfassen einer Beschleunigung in drei Dimensionen unabhängig zueinander geeignet ist. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, sind insbesondere G-Sensoren eines horizontalen Erfassungstyps in rechten Winkeln zueinander entlang der orthonalen X- und Y-Achse angeordnet, und es ist ein G-Sensor eines vertikalen Erfassungstyps entlang der Z-Achse angeordnet. Die Beschleunigungssensoren eines horizontalen Erfassungstyps und die Beschleunigungssensoren eines vertikalen Erfassungstyps sind auf dem einzigen Chip gebildet. Da ein arithmetisches Teil oder ein Signalverar beitungsteil daher gleichzeitig an einer Randposition auf dem Chip gebildet sein kann, ist es möglich, einen G-Sensor eines kompakten Einchiptyps zum Erfassen einer dreidimen sionalen Beschleunigung vorzusehen. Dieser Sensor kann die Komponente der Beschleunigung in jeder Richtung unabhängig zueinander erfassen, und es können unterschiedlich zu den Komponenten der Beschleunigung Rauschsignale in jeder Rich tung aufgehoben werden, um genauere Beschleunigungssignale zu erlangen. Es sollte erwähnt werden, daß, obwohl nicht dargestellt, durch Kombinieren zweier G-Sensoren eine bidi rektionale Erfassung durchgeführt werden kann. Beispiels weise kann eine Beschleunigung in Richtung der X-Y-Ebene unter Verwendung von zwei Einheiten von G-Sensoren eines horizontalen Erfassungstyps in Übereinstimmung mit der er sten Ausführungsform erfaßt werden, während eine Erfassung in X- und Y-Richtung (die zwei Richtungen einer Ebene ver tikal zu dem Substrat) durch Verbinden von Sensoren eines horizontalen Erfassungstyps und eines vertikalen Erfas sungstyps durchgeführt werden kann.

Im folgenden wird eine sechste Ausführungsform der vorlie genden Erfindung beschrieben. Entsprechend den ersten bis fünften Ausführungsformen wird die Differenz zwischen den Drainspannungen V₁ und V₂ der MISFET′s 11 und 12 von dem Differentialverstärkerteil 13 verstärkt und von dem Inte grationsteil 14 integriert. Bei der in Fig. 7 dargestellten sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Spannungen V₁ und V₂ von einem Komparator 71 vergli chen, um in ein binäres Signal mit hohem oder niedrigen Pe geln umgewandelt zu werden. Das binäre Signal wird danach einer vorbestimmten Signalverarbeitung an einem Signalver arbeitungsteil 72 unterworfen. Danach wird das Ausgangssi gnal an das bewegliche Teil 10 oder an die ersten und zwei ten festen Elektroden (S1 und S2 von Fig. 3) rückgekoppelt, um eine Servosteuerung zu ermöglichen. Die Gestaltung ent sprechend der sechsten Ausführungsform ist dieselbe wie diejenige der ersten bis fünften Ausführungsformen mit der Ausnahme, daß das Differentialverstärkerteil und das Inte grationsteil durch den Komparator 71 bzw. das Signalverar beitungsteil 72 ersetzt werden.

Beispiele der Gestaltung des Signalverarbeitungsteils 72 von Fig. 7 sind in Fig. 8(a) und 8(b) dargestellt. Bei der in Fig. 8(a) dargestellten Gestaltung wird das Aus gangssignal des Komparators 71 in einen Pulszug umgewan delt, der von einer Modulationsschaltung pulsbreitenmodu liert ist. Das Signal wird danach dem beweglichen Teil 10 rückgekoppelt, um die Verschiebung davon zu steuern. Hoch frequenzkomponenten des Pulszuges werden von einem Tiefpaß filter (LPF) entfernt, um ein Ausgangssignal V₀ in Überein stimmung mit der Beschleunigung zu erlangen.

Die Modulationsschaltung von Fig. 8(a) weist einen Tei lungszähler 82 auf, der eine Frequenzteilung durch Zählen externer Taktsignale durchführt, um interne Taktsignale zu erzeugen, einen Herauf/Herunter-Zähler 81, der in Überein stimmung mit dem Ausgangssignal des Komparators auf jeden internen Takt arbeitet, und einen Digitalkomparator 84, der einen Wert, der durch Addieren des Ausgangssignals des Her auf/Herunter-Zählers 81 erlangt wurde, mit Offsetdaten an einem Addierer/Subtrahierer 83 mit dem Teilungszähler 82 vergleicht. Der interne Takt stellt denselben Effekt wie ein Bestimmen der Abtastperiode bereit, die eine Periode des pulsbreitenmodulierten (PWM) Signals von Interesse dar stellt. Da dieses PWM-Signal das Ausgangssignal ist, wird das PWM-Signal direkt rückgekoppelt. Ein analoges Ausgangs signal V₀ wird von einem Tiefpaßfilter (LPF) 86 erlangt, der Rauschen aus dem Ausgangssignal entfernt.

Der Betrieb der in Fig. 8(a) dargestellten Gestaltung wird im folgenden kurz unter Bezugnahme auf das in Fig. 9 darge stellte beispielhafte Zeitablaufsdiagramm beschrieben. Der Teilungszähler 82 zählt den externen Takt, und es tritt ein Überlauf auf, der den Zählwert zur Rückkehr auf 0 veran laßt. Dieses Verfahren wird wiederholt, und Signale, die derartige Überläufe anzeigen, dienen als interner Takt. In diesem Fall wird ein 3-Bit-Zähler verwendet, um einen inter nen Taktpuls im Ansprechen auf 8 Pulse des externen Taktes zu bilden. Ob der Herauf/Herunter-Zähler 81 herauf- oder herunterzählt, wird durch den Zustand des Komparatoraus gangssignals, d. h. des Zustands hoch oder niedrig, be stimmt, wobei der Zeitablauf an jedem internen Takt dem Herauf/Herunter-Zähler 81 eingegeben wird. Die resultieren den Daten des Herauf/Herunter-Zählers verändern sich dem entsprechend.

In demselben in Fig. 9 dargestellten Zeitablaufsdiagramm zeigt der Herauf/Herunter-Zähler anfänglich die Daten "4" an, denen "5", "6", "5" und "6" in Abhängigkeit des Zustand des Komparators folgen. Die Daten des Herauf/Herunter-Zäh lers werden mit den Daten des Teilungszählers 82 von dem Digitalkomparator 84 verglichen. Da sich der Ausgang des Digitalkomparators 84 im Zustand hoch befindet, wenn der Wert des Teilungszählers 82 den Wert 0 annimmt, und den Zu stand niedrig annimmt, wenn die Daten einander angepaßt sind, wird das Ausgangssignal zu einem PWM-Signal, das ei nen Puls darstellt, dessen Zyklus mit den internen Takten übereinstimmt und dessen Pulsbreite durch die Daten des Herauf/Herunter-Zählers bestimmt wird, d. h. von dem Wert des Komparatorausgangs. Es wird hier angenommen, daß die Offsetdaten den Wert 0 besitzen und nicht beschrieben wur den. Diese Daten werden verwendet, die Daten des Her auf/Herunter-Zählers mit einem geeigneten Wert in dem Fall zu korrigieren, bei welchem das Ausgangssignal erzeugt wird, um eine nicht gewünschte Steuerung sogar dann zu be wirken, wenn es keine Beschleunigung gibt.

Wenn das PWM-Signal, wie in Fig. 7 dargestellt, an das be wegliche Teil 10 rückgekoppelt wird, wird eine elektrosta tische Kraft im Ansprechen auf das PWM-Signal in Form eines Pulses an die beweglichen Gates G1 und G2 des beweglichen Teils angelegt.

Da jedoch die Resonanzfrequenz des beweglichen Teils 10 mit einigen 100 Hz bis zu einigen KHz niedrig ist, kann die an die beweglichen Gates G1 und G2 angelegte elektrostatische Kraft als geeignet bezüglich des Testverhältnisses des Pul ses angesehen werden, da die Frequenz des Signals hinrei chend hoch ist. Daraus ergibt sich derselbe Effekt wie der jenige, der von der Steuerung unter Verwendung einer nega tiven Rückkopplung auf analoger Basis erzielt wird. Dieser Pulsausgang wird als das Ausgangssignal V₀ durch den Tief paßfilter (LPF) 86 ausgegeben. Da der Tiefpaßfilter (LPF) 86 das Signal derart umwandelt, daß das Analogausgangssi gnal erlangt wird, kann das Ausgangssignal V₀ rückgekoppelt werden.

Insbesondere wenn die Beschleunigung auf die beweglichen Gates G1 und G2 einwirkt und der Komparator 71 den Pegel des hohen oder des niedrigen Zustands ausgibt, zählt der Herauf/Herunter-Zähler 81 kontinuierlich nach oben oder nach unten, wodurch veranlaßt wird, daß die Pulsbreite des PMW-Ausgangssignals sich erhöht bzw. verringert. Dies ist äquivalent zu dem Betrieb des Integrators in der analogen Schaltung. Als Ergebnis wird die elektrostatische Kraft er höht bzw. verringert, damit das bewegliche Teil 10 zu dem mittleren Teil zurückkehrt. Wenn das bewegliche Teil 10 sich über die Mitte hinaus bewegt, wird der Ausgang des Komparators 71 invertiert, und der Herauf/Herunter-Zähler 81 beginnt umgekehrt zu zählen. Als Ergebnis wird das be wegliche Teil 10 wiederum auf die Mitte zu bewegt. Schließ lich gibt der Komparator 71 wiederholt Ausgangssignale der hohen und niedrigen Zustände aus, und die Daten des Her auf/Herunter-Zählers 81 konvergieren auf einen bestimmten Wert entsprechend der Beschleunigung. Der Digitalkomparator 84 gibt ein Puls aus, der ein Tastverhältnis entsprechend der Beschleunigung besitzt. Es kann eine Spannung propor tional zu diesem Tastverhältnis, d. h. eine Spannung propor tional zu der Beschleunigung durch Passieren des Pulssi gnals durch den Tiefpaßfilter (LPF) 86 erlangt werden.

Die Verschiebung des beweglichen Teils 10 kann in Überein stimmung mit verschiedenen Modulationsverfahren einschließ lich der Pulsdichtenmodulation anders als der Pulsbreiten modulation gesteuert werden. Wenn ein entsprechend Fig. 8(a) dargestelltes Digitalsignal 85 den ersten und zweiten festen Elektroden wie in Fig. 3 dargestellt rückgekoppelt wird, kann ein Signal, welches durch Invertieren des Si gnals unter Verwendung eines Invertors (NOT-Schaltkreis) erlangt wurde, gleichzeitig verwendet werden. Das Digital signal kann direkt der ersten festen Elektrode S1 rückge koppelt werden, und das invertierte Signal kann der zweiten festen Elektrode S2 rückgekoppelt werden.

In der in Fig. 8(b) dargestellten Gestaltung werden eine Addition und Subtraktion auf den Ausgang des Komparators 71 synchron zu einem Takt entsprechend dem internen Takt von Fig. 8(a) durchgeführt, und es werden Digitalwerte, die durch die Addition und Subtraktion erlangt wurden, D/A-um gewandelt, um einen Betrieb äquivalent zu demjenigen des Integrators durchzuführen. Das Ausgangssignal des Kompara tors 71 wird einem Herauf/Herunter-Zähler 91 eingegeben, der in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des Kompara tors 71 synchron zu dem Taktsignal herauf- oder herunter zählt. Offsetdaten werden den Ausgangsdaten des Her auf/Herunter-Zählers 91 durch einen Addierer/Subtrahierer 92 hinzugefügt, bzw. davon abgezogen, und das resultierende Ausgangssignal ist das von einem D/A-Wandler 93 D/A-umge wandelte. Dieses konvertierte Signal wird dem beweglichen Teil 10 rückgekoppelt, um die Verschiebung des beweglichen Teils 10 zu steuern, und wird als das Ausgangssignal V₀ ausgegeben.

Diese Gestaltung führt einen Betrieb aus, bei welchem, wenn die Beschleunigung auf das bewegliche Teil 10 einwirkt und der Komparator 71 veranlaßt wird, den hohen oder niedrigen Zustand auszugeben, der Herauf/Herunter-Zähler 91 kontinu ierlich herauf- oder herunterzählt, um zu veranlassen, daß die Pulsbreite des PMW-Ausgangssignals erhöht bzw. verrin gert wird. Als Ergebnis wird die elektrostatische Kraft er höht bzw. verringert, damit das bewegliche Teil 10 zu dem mittleren Teil zurückkehrt. Wenn sich das bewegliche Teil 10 über die Mitte hinaus bewegt, wird der Ausgang des Kom parators 71 invertiert, und der Herauf/Herunter-Zähler 91 beginnt damit, umgekehrt zu zählen. Danach wird das beweg liche Teil wiederum auf die Mitte zurückgezogen. Schließ lich gibt der Komparator 71 wiederholt die hohen und nied rigen Zustände aus, und die Daten des Herauf/Herunter-Zäh lers 91 konvergieren entsprechend der Beschleunigung auf einen bestimmten Wert. Dadurch wird der D/A-Wandler 93 ver anlaßt, eine Spannung in Übereinstimmung mit der Beschleu nigung auszugeben. D.h. der D/A-Wandler führt dieselbe Funktion wie der Digitalkonverter von Fig. 8(a) aus. Die Offsetdaten werden auf dieselbe Weise wie unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben verwendet.

Wenn in der in Fig. 8(b) dargestellten Gestaltung die Rückkopplung zu den festen Elektroden S1 und S2 durchge führt wird, können zwei Paare der Addierer/Subtrahierer 92 und D/A-Wandler 93 aufbereitet werden, um wechselseitig in vertierte Signale durch Durchführen einer Addition auf die von dem Herauf/Herunter-Zähler 91 ausgegebenen Daten unter Verwendung eines der Paare und durch Durchführen einer Sub traktion unter Verwendung des anderen Paars zu erlangen. Alternativ kann das analoge Ausgangssignal unter Verwendung des in Fig. 3 dargestellten Inversionsteils 41 rückgekop pelt werden.

Wie oben beschrieben, gibt es verschiedene Verfahren zum Gestalten der Schaltung des Signalsverarbeitungsteiles 72, und es kann irgendeine Schaltungsgestaltung verwendet wer den, solange das bewegliche Teil 10 davon gesteuert werden kann. Während Fehlerfaktoren wie Nullpunktsdriften, die an dem Verstärkerteil und dem Integrationsteil auftreten, durch eine Offseteinstellung und durch Trimmen der ersten und zweiten Ausführungsformen korrigiert werden, kann das Signalverarbeitungsteil 72 auf digitaler Basis gestaltet werden, um eine Einstellung eines derartigen Offsets zu ge statten und um unter Verwendung von Digitalwerten eine Emp findlichkeit leicht zu handhaben. Dadurch werden Arbeit und Kosten reduziert, die mit dem komplizierten Trimmverfahren verbunden sind. Darüber hinaus vereinfacht ein direktes ausgeben von Digitalwerten die von einem Mikrocomputer oder ähnlichem durchgeführte Signalverarbeitung und gestattet die Durchführung einer verschiedenartigen Gestaltung.

Im folgenden wird eine siebente Ausführungsform der vorlie genden Erfindung beschrieben. Fig. 10 stellt eine bestimmte Schaltungsgestaltung dieser Ausführungsform dar. Die Schal tung arbeitet auf denselben Prinzipien wie denjenigen be züglich der in Fig. 3 dargestellten Schaltung. Die Aus gangsspannung V₀ und eine Spannung, die durch Invertieren der Ausgangsspannung erlangt wird, werden an die festen Elektroden S1 und S2 angelegt, wobei die Spannung der be weglichen Gates G1 und G2 fest ist, um unter Verwendung ei ner somit erlangten elektrostatischen Kraft einen Servobe trieb durchzuführen.

Es wird an dem Schaltkreis 102 die Spannung VDD/2, die als Bezugsspannung dient, erzeugt. Operationsverstärker 104, 105, 109 und 110 sind zur Impedanzwandlung miteinander ver bunden. Ein Anschluß 103 zum Einstellen einer Offsetspan nung ist an einem Differentialverstärkerteil 13 vorgesehen. Da die Ausgangsspannung des Differentialverstärkerteils 13 (V₁-V₂) + V_OFF beträgt, kann die anfängliche Offsetspannung (V₁-V₂) durch V_OFF eingestellt werden.

Es wird ein Anschluß 106 zur Arbeitsüberprüfung an dem Ein gang eines Differentialverstärkers 107 vorgesehen, der an einen Ausgangsanschluß V₀ angeschlossen ist. Im Normalbe trieb wird der Anschluß 106 offengelassen, so daß die Aus gangsspannung des Differentialverstärkers 107 V₀ gleicht und es keinen Einfluß auf den Servobetrieb gibt. Wenn je doch eine Spannung V_D an den Anschluß 106 angelegt wird, wird die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 107 zu 2V₀-V_D. Als Ergebnis verändern sich die Spannungen der festen Elektroden, und die bewegliche Elektrode wird durch die elektrostatische Kraft verschoben. Wenn der Sensor und die Schaltung richtig arbeiten, gleicht das Ausgangssignal V₀ dem Wert V_DD/2. Dadurch wird die elektrostatische Kraft entfernt, und die bewegliche Elektrode kehrt auf ihren An fangszustand zurück. Wenn in der Schaltung oder dem Sensor irgendeine Abnormität auftritt, kann eine derartige Abnor mität erfaßt werden, da das Ausgangssignal V₀ nicht dem Wert V_DD/2 gleicht.

Des weiteren ist ein Anschluß 108 zum Einstellen der Emp findlichkeit an dem Eingang der Differentialverstärker 111 und 112 vorgesehen, die an den Ausgang des Differentialver stärkers 107 angeschlossen sind. Da die Empfindlichkeit des Sensors wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt pro portional zu der Spannung zwischen der beweglichen Elek trode und den festen Elektroden ist, kann die Empfindlich keit durch Verändern der Bezugsspannung V_R der festen Elek troden eingestellt werden.

ma = ε₀A/2[(Vr - Vg/d1)² - {(Vr + Vg)/d2]²]

wobei m die Masse des Massenteils, a die Beschleunigung Y₀ die elektrische Konstante von Luft, A die Oberfläche der Elektroden, d1 den Abstand (1) zwischen der beweglichen Elektrode und den festen Elektroden und d2 den Abstand (2) zwischen der beweglichen Elektrode und den festen Elektro den darstellen.

Wenn d1 = d2 = d, gilt:

ma = 2 ε₀AVr · Vg/d² und Vg = mad²/(2ε₀AVr).

Danach fügen die Differentialverstärker 111 und 112 eine Empfindlichkeitseinstellungsspannung Vk hinzu, um die Emp findlichkeit einzustellen. Für die Bezugsspannung Vref = Vdd/2 in der in Fig. 11 dargestellten Schaltung sowie für Vr und Vg der obigen ersten Gleichung gilt:

Vr = Vdd - Vref = Vdd/2 = Vref
Vg = V₀ - Vref.

Die Bezugsspannung Vref dient ebenso als Bezug für die Emp findlichkeitseinstellungsspannung Vk. Daher gilt für die an die festen Elektroden anzulegende Spannung:

(Bezugsspannung) + (Empfindlichkeitseinstellungsspannung) ± (Ausgangsspannung) = Vref + (Vk - Vref) + (V₀ - Vref) = Vk + (V₀ - Vref).

Somit nehmen die Ausgänge der Differentialverstärker 111 und 112 die Werte (V₀ - Vref) + Vk bzw. (Vref - V₀) + Vk an.

Die Schalter 114 und 115 sind zum temporären Schalten der Spannung der festen Elektroden auf einen Wert gleich demje nigen der beweglichen Elektrode vorgesehen, um zu verhin dern, daß die bewegliche Elektrode von den festen Elektro den berührt wird, wenn die Leistung anfänglich zugeführt wird.

Die an den Empfindlichkeitseinstellungsanschluß und den Offseteinstellungsanschluß angelegten Spannungen können durch Trimmen eines Dünnschichtwiderstands oder auf digita ler Basis unter Verwendung eines Speichers und eines D/A- Wandlers vorgesehen werden. Es gibt keine Beschränkung des Verfahrens zum Anlegen der Spannung.

Wie in Fig. 11 dargestellt, kann der Transistor G3 des MIS- Typs mit einem beweglichen Gate, der dieselbe Gestaltung wie der Transistor 11 oder 12 von Fig. 2 mit der Ausnahme besitzt, daß kein Massenteil vorgesehen ist, in der Nähe des Sensors angeordnet sein. Der Drain des Transistors kann an den Anschluß V3 angeschlossen sein, so daß die Betriebs punkte der Spannungen V1 und V2 ohne Rücksicht auf die Tem peratur konstant gehalten werden. Da der Transistor G3 kein Massenteil besitzt, wirkt sich die Beschleunigung im we sentlichen nicht auf die Drainspannung davon aus. Darüber hinaus sieht der Operationsverstärker 101 bezüglich der Gatespannung einer Last 15a eine Rückkopplung derart vor, so daß die Drainspannung V3 stets dem Wert VDD/2 gleicht. Da dieselbe Gatespannung an die Lasten 15 angelegt wird, verändern sich die Spannungen V1 und V2 um den Wert VDD/2, wodurch ein Betrieb in größeren Temperaturbereichen ermög licht wird.

In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist es wünschenswert, eine hinreichende Bauelementetrennung bezüg lich der aktiven Gebiete und der Signalverarbeitung und der arithmetischen Teile auf dem Substrat unter Verwendung ei ner normalen Halbleiterverarbeitung vorzusehen, um ein Rau schen aus den Signalen zur genaueren Erfassung der Be schleunigung zu eliminieren.

Das bewegliche Teil in dieser Spezifizierung stellt einen Teil dar, der durch die Beschleunigung verschoben wird, um die Beschleunigung zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, welches selbige anzeigt und aus beweglichen Gateelektroden von MISFET′s und einer beweglichen Retensionselektrode be steht, die das Ausgangssignal empfängt und das Erfassungs signal auf einer Servosteuerbasis stabilisiert. Das diffe rentielle Ausgangsteil weist ein Paar von Transistoren ei nes MIS-Typs mit beweglichem Gate auf, eine Komponente zum Erlangen einer differentiellen Spannung unter Verwendung von Lasten und ein Differentialverstärkerteil, wobei das differentielle Ausgangssignal davon durch ΔV dargestellt wird.

Wenn beispielsweise zur Erfassung eines Unfalls ein Fahr zeugairbag verwendet wird, der in einer Umgebung angewandt wird, in welcher die Temperatur stark zwischen Extremen va riiert und der häufig Schwankungen bezüglich der Leistungs zufuhrbatterie unterworfen wird, wird das Bauelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nicht feh lerhaft durch die Beschleunigung aktiviert, die im Anspre chen auf das Starten des Fahrzeugs, auf Vibrationen oder ähnliches auftritt, und der Airbag wird geeignet durch Er fassung lediglich der durch den Unfall in Richtung des Un falls erzeugten Beschleunigung aktiviert.

Vorstehend wurde ein Beschleunigungssensor offenbart. In dem Beschleunigungssensor, der bewegliche Gates und eine bewegliche Elektrode und ein Signalverarbeitungsteil be sitzt, erzeugen die beweglichen Gates eine differentielle Spannung aus der Beschleunigung in einer Richtung, und es wird das Ausgangssignal der beweglichen Elektrode rückge koppelt. Die Balance des beweglichen Teils wird unter Ver wendung einer elektrostatischen Kraft, welche die Beschleu nigung aufhebt, die auf das bewegliche Teil wirkt, gehal ten, und es wird eine Signalerfassung unter Verwendung ei ner Steuerung mit einer geschlossenen Schleife stabili siert. Da die Signalerfassung auf einer differentiellen Ba sis durchgeführt wird, kann die Beschleunigung lediglich in einer Richtung erfaßt werden. Da eine Veränderung bezüglich des Stroms als Spannungsdifferenz erfaßt wird, wird keine Trägerwelle benötigt. Da MISFET′s mit beweglichen Gates in Paaren gebildet werden, gibt es keinen Einfluß von Tempera turdriften. Die Verwendung eines differentiellen Signals hebt auf ähnliche Weise den Einfluß von Schwankungen der Leistungszufuhr auf. Eine Gestaltung eines Beschleunigungs sensors wird somit vereinfacht.

Claims

1. Beschleunigungssensor mit:
einem beweglichen Teil (10), das bewegliche Gateelek troden (G1, G2) enthält, die von Trägern (23) in einem vor bestimmten Abstand von der Oberfläche des Substrats getra gen werden und von einer darauf angewandten Beschleunigung verschoben werden, und
Source- und Drainelektroden (24, 25), die relativ zu den beweglichen Gateelektroden angeordnet sind, um eine MIS-ähnliche Struktur zum Erfassen einer Beschleunigung zu bilden, die auf die beweglichen Gatelektroden (G1, G2) ein wirkt,
wobei die beweglichen Gateelektroden (G1, G2) an dem beweglichen Teil (10) angeordnet sind, um wenigstens ein Paar von Transistoren (11, 12) eines MIS-Typs zu bilden, welche dieselbe Charakteristik besitzen,
wobei ein Ausgangsteil (13, 14, 71, 72) an die Transi storen des MIS-Typs zum Erzeugen eines Ausgangssingals an geschlossen sind, welches die Polarität in Abhängigkeit ei ner wechselseitig entgegengesetzten dynamischen Betriebs charakteristik des Paars der Transistoren (11, 12) des MIS- Typs im Ansprechen auf eine Bewegung des beweglichen Teils (10) verändert, die durch-die Beschleunigung hervorgerufen wurde, und
wobei ein Verschiebungssteuerungsteil (MV, S1, S2) zwischen dem Ausgangsteil (13, 14, 71, 72) und dem bewegli chen Teil (10) zum Durchführen einer Verschiebungssteuerung auf der Grundlage des Ausgangssignals derart angeschlossen ist, so daß die Verschiebung des beweglichen Teils durch eine elektrostatische Kraft aufgehoben wird, die eine hin reichende Größe besitzt, um der Beschleunigung zu widerste hen.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verschiebungssteuerungsteil (MV, S1, S2) eine bewegliche Elektrode (MV) aufweist, die als Gewicht an dem beweglichen Teil (10) dient, und eine erste feste Elek trode (S1) und eine zweite feste Elektrode (S2) auf dem Substrat, und
ein Paar der ersten festen Elektrode (S1) und der zweiten festen Elektrode (S2) derart angeordnet ist, daß die bewegliche Elektrode (MV) mit im wesentlichen gleichen Abständen dazwischen umgeben wird.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß dem Verschiebungssteuerungsteil (MV, S1, S2) ein Ausgangssignal (V₀) als Rückkopplung bezüglich des be weglichen Teils (10) zugeführt wird.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß den ersten und zweiten festen Elektroden (S1, S2) eine vorbestimmte Vorspannung (VDD) zugeführt wird und das Ausgangssignal (V₀) der beweglichen Elektrode (MV) rückgekoppelt wird, um eine elektrostatische Kraft an der beweglichen Elektrode (MV) in Richtung entgegengesetzt zu der Beschleunigung zu erzeugen, welche das bewegliche Teil (10) verschiebt, wodurch die Verschiebung aufgehoben wird.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangssignal (V₀) der festen Elektrode rückgekoppelt wird, ein invertiertes Signal, welches durch Invertieren der Polarität des Ausgangssignals erlangt wurde, der zweiten festen Elektrode (S2) rückgekoppelt wird und die bewegliche Elektrode (MV) auf einem vorbestimmten elektrischen Potential (VDD) gehalten wird, wodurch eine elektrostatische Kraft an der beweglichen Elektrode (MV) in Richtung entgegengesetzt zu der Beschleunigung erzeugt wird, welche das bewegliche Teil verschoben hat (Fig. 3).

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Träger (23) als Mehrzahl von parallelen Trägern eines zweiseitigen Typs gebildet sind, um das be wegliche Teil (10) zu tragen, wobei das Paar von bewegli chen Gateelektroden (G1, G2) in einer Gateanordnungsrich tung angeordnet ist, welche horizontal bezüglich der Substratoberfläche und senkrecht zu der Richtung der Träger (23) ausgerichtet ist, und wobei die Gateanordnungsrichtung die Richtung ist, in welcher die Beschleunigung erfaßt wird.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Massenteil auf einer Seite eines der Trä ger (23) des doppelseitigen Typs in eine Richtung senkrecht zu der Anbringungsrichtung vorgesehen ist, um das bewegli che Teil zur Erfassung der Beschleunigung in Richtung senk recht zu der Substratoberfläche zu bilden,
die beweglichen Gateelektroden (G1, G2) auf beiden Seiten der Richtung senkrecht zu den Trägern (23) symme trisch um den Träger herum angeordnet sind, und
das Verschiebungssteuerungsteil die bewegliche Elek trode (MV) enthält, die symmetrisch und im wesentlichen gleich in dem Oberflächenbereich um die Träger (23) herum angeordnet ist, und erste und zweite feste Elektroden (S1, S2) auf der Substratoberfläche, die der beweglichen Elek trode (MV) gegenüberstehen, und axialsymmetrisch um die Po sition des Trägers und im wesentlichen gleich bezüglich des Oberflächenbereiches gebildet sind.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangsteil (13, 14, 71, 72) einen
Differentialverstärker (13) zum Empfang von Ausgangs signalen (V1, V2) des Paars von Transistoren (11, 12) eines MIS-Typs und zum Verstärken des Unterschieds zwischen den Ausgangssignalen und
einen Integrator (14) zum Integrieren der Ausgangssi gnale des Ergebnisses der Verstärkung aufweist.

9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verschiebungssteuerungsteil eine Mehrzahl von Sätzen einer beweglichen Elektrode (MV) und ersten und zweiten festen Elektroden (S1, S2) aufweist, die an dem be weglichen Teil (10) vorgesehen sind.

10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß rechteckige Löcher (H1) in dem beweglichen Teil (10) gebildet sind und erste und zweite feste Elektro den (S1, S2) an Randteilen der rechteckigen Löcher vorgese hen sind.

11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangsteil
einen Komparator (71) zum Durchführen einer Umwandlung in ein binäres Signal und
ein Signalverarbeitungsteil (72) zum Durchführen einer vorbestimmten Signalverarbeitung aufweist.

12. Beschleunigungssensor nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsteil (72) das bi näre Signal in einen pulsbreitenmodulierten Pulszug umwan delt und die Verschiebung des beweglichen Teils unter Ver wendung des Pulszugs steuert.

13. Beschleunigungssensor nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsteil (72) das bi näre Signal in einen pulsdichtemodulierten Pulszug umwan delt und die Verschiebung des beweglichen Teils unter Ver wendung des Pulszuges steuert.

14. Beschleunigungssensor nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsteil (72)
einen Addierer/Subtrahierer-Schaltkreis (92) zum Durchführen einer Addition und Subtraktion auf der Grund lage des binären Signals und
einen D/A-Wandler (93) zum Durchführen einer D/A-Um wandlung bezüglich der Daten aufweist, welche von dem Ad dierer/Subtrahierer-Schaltkreis (92) ausgegeben werden.

15. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Anschluß (108) zur Empfindlichkeitsein stellung und ein Differentialverstärkerschaltkreis (109) zwischen einem Ausgangsanschluß und dem Verschiebungssteue rungsteil (MV, S1, S2) zum Durchführen der Empfindlich keitseinstellung durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung (VK) vorgesehen sind.

16. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Anschluß (106) zur Betriebsüberprüfung und ein dritter Differentialverstärkerschaltkreis (107) zwischen einem Ausgangsanschluß und dem Verschiebungssteue rungsteil zum Überprüfen des Betriebs durch Anlegen eines vorbestimmten Signals an den Anschluß zur Betriebsüberprü fung vorgesehen sind.

17. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Anschluß (103) zur Offseteinstellung an dem Ausgangsteil vorgesehen ist.

18. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß
ein dritter Transistor (G3, 24, 25) eines MIS-Typs, der nicht durch die Beschleunigung beeinträchtigt wird und dieselbe Struktur wie die Transistoren (11, 12) des MIS- Typs besitzt, welche die beweglichen Gateelektroden (G1, G2) zum Erfassen der Beschleunigung besitzen, in der Nähe der Transistoren (11, 12) des MIS-Typs vorgesehen ist,
Transitoren (15, 15A) des MIS-Typs, welche als Lasten dienen, an den Drain jedes der Transistoren (11, 12, G3, 24, 25) des MIS-Typs angeschlossen sind und
die Arbeitspunkte der Drainspannungen der Transistoren (11, 12) des MIS-Typs durch Steuern der Gatespannungen der Transistoren des MIS-Typs konstant gehalten werden, die als tasten (15, 15A) dienen, so daß die Drainspannung der Tran sistoren (G3, 24, 25) des MIS-Typs konstant gehalten wer den.

19. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Schalter zwischen dem Ausgangsanschluß und dem Verschiebungssteuerungsteil vorgesehen ist, welcher derart geschaltet wird, daß die festen Elektroden und die bewegliche Elektrode dasselbe elektrische Potential während einer vorbestimmten Zeitperiode besitzen.