JP2006294892A - Uniaxial semiconductor acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度を検出する半導体加速度センサ、特に、一軸の加速度成分を検出する一軸半導体加速度センサに関する。 The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor that detects acceleration, and more particularly to a uniaxial semiconductor acceleration sensor that detects a uniaxial acceleration component.
加速度センサは、構造物の衝撃強度の測定、あるいは構造物に生じた振動における加速度波形の解析を行うとき等、広範囲にわたって使用されている。このようにして使用されている従来の加速度センサとしては、例えば、金属からなる一軸加速度センサの技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、金属は微細な加工が困難であり、小型化に限界があるため、金属を用いた前記技術では一軸加速度センサの小型化が困難である。そこで、本発明は、小型化を図った一軸加速度センサを提供することを目的とする。 However, since metal is difficult to finely process and there is a limit to downsizing, it is difficult to reduce the size of a uniaxial acceleration sensor with the above-described technology using metal. Therefore, an object of the present invention is to provide a uniaxial acceleration sensor that is reduced in size.
本発明に係る一軸半導体加速度センサは、半導体材料からなる固定部と、前記半導体材料からなり、所定方向の加速度を受けて前記固定部に対して変位する変位部と、前記半導体材料からなり、前記固定部と前記変位部とをそれぞれ接続し、かつ前記所定方向に並んで配置される複数の接続部であって、前記所定方向での幅より前記所定方向に垂直な方向での厚さが大きい断面形状を有する複数の接続部と、前記複数の接続部に配置される複数の歪検出素子と、を具備したことを特徴とする。 The uniaxial semiconductor acceleration sensor according to the present invention comprises a fixed portion made of a semiconductor material, the semiconductor material, a displacement portion that receives an acceleration in a predetermined direction and is displaced with respect to the fixed portion, and the semiconductor material, A plurality of connection portions that connect the fixed portion and the displacement portion and are arranged side by side in the predetermined direction, wherein the thickness in the direction perpendicular to the predetermined direction is larger than the width in the predetermined direction A plurality of connection portions having a cross-sectional shape, and a plurality of strain detection elements arranged in the plurality of connection portions.
上記構成によれば、半導体を使用して、マイクロマシニング技術を用いるので、一軸半導体加速度センサの小型化を図ることができる。 According to the above configuration, since a micromachining technique is used using a semiconductor, the uniaxial semiconductor acceleration sensor can be reduced in size.
ここで、接続部は、前記所定方向での幅より前記所定方向に垂直な方向での厚さが大きい断面形状を有している。そのため、前記所定方向の一方向の成分の加速度を受けた場合に接続部は撓むようになっている。
また、接続部が前記所定方向に並んで複数設けられているので、前記所定方向(つまり受感軸)に直交する方向の加速度に対しては、接続部の変位は小さい。したがって、受感軸は一つであり、受感軸方向に直交する加速度に対しては接続部の変位は小さい。したがって、本発明に係る半導体加速度センサは実質的に一軸方向のみの加速度を検出できる。
Here, the connection portion has a cross-sectional shape in which the thickness in the direction perpendicular to the predetermined direction is larger than the width in the predetermined direction. For this reason, the connection portion bends when receiving an acceleration of a unidirectional component in the predetermined direction.
Further, since a plurality of connecting portions are provided side by side in the predetermined direction, the displacement of the connecting portion is small with respect to acceleration in a direction orthogonal to the predetermined direction (that is, the sensitive axis). Therefore, there is one sensitive axis, and the displacement of the connecting portion is small with respect to the acceleration orthogonal to the sensitive axis direction. Therefore, the semiconductor acceleration sensor according to the present invention can detect acceleration substantially only in one axis direction.
本発明によれば、小型の一軸半導体加速度センサを提供できる。 According to the present invention, a small uniaxial semiconductor acceleration sensor can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係る一軸半導体加速度センサ1を表す斜視図である。一軸半導体加速度センサ1は、加速度検出部2と加速度検出部2を狭持するように配設された上蓋部3及び下蓋部4とから構成されている。図2は、加速度検出部2を表す斜視図である。また、図3は図1の一軸半導体加速度センサ1を表す上面図である。図4、5は一軸半導体加速度センサ1を図3のA1−A2およびB1−B2に沿って切断した状態を表す一部断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a uniaxial
加速度検出部2の外形は、例えば、X方向2500μm、Y方向2000μm、Z方向260μmである。加速度検出部2の構成材料には、半導体、例えば、多結晶又は単結晶のシリコンを用いることができ、本実施の形態では、加速度検出部2の上面の面方位が(100)である単結晶シリコンを使用した。
上蓋部3の外形は、例えば、X方向2500μm、Y方向1750μm、Z方向300μmである。下蓋部4の外形は、例えば、X方向2500μm、Y方向2000μm、Z方向300μmである。上蓋部3及び下蓋部4の構成材料には、例えば、ガラス板を用いることができ、本実施の形態ではパイレックス(登録商標)を用いた。上蓋部3は加速度検出部2及び下蓋部4よりもY方向の長さが250μm短く、加速度検出部2と上蓋部3間には前面に段差Wが形成されている。また、加速度検出部2と上蓋部3及び下蓋部4との間には、加速度を受けて加速度検出部2が変位できるように内部に空間5aが設けられている。
The external shape of the
The outer shape of the
図6は、加速度検出部2の要部を表す斜視図である。加速度検出部2は、固定部6と、変位部7と、第一の接続部8と第二の接続部9、第一の接続部8及び第二の接続部9上に配置された複数の歪検出素子R(R1〜R4)とから構成される。
固定部6は、上蓋3と下蓋4に固定されている(図5参照)。変位部7は、固定部6に離間して設けられ、X方向の加速度を受けて固定部6に対して変位する直方体のものである。
第一の接続部8及び第二の接続部9は、固定部6及び変位部7に両端部がそれぞれ一体に結合されて、互いに平行であり長さが等しい。また、第一の接続部8及び第二の接続部9は、X方向に並んで配置され、Y方向に沿ってそれぞれ設けられ、Z方向の厚さに対してX方向の幅が薄い板状のものである。本実施の形態では、第一の接続部8及び第二の接続部9の長手方向は、それぞれ<110>方向に配置されている。
FIG. 6 is a perspective view illustrating a main part of the
The
The
接続部8、9のX方向の幅が、Z方向の厚さに対して薄くなっている。そのため、X方向の加速度を受けた場合に接続部は撓むようになっている。また、接続部8、9がX方向に並んで複数設けられているので、X方向に直交するY、Z方向の加速度に対しては、接続部8、9の変位は小さい。したがって、受感軸はX方向であり、受感軸方向に直交するY、Z方向の加速度に対しては接続部8、9の変位は小さいため、加速度センサ1は実質的に一軸方向の加速度のみを検出する。
The width in the X direction of the connecting
第一の接続部8及び第二の接続部9は撓みが可能な梁として機能する。加速度を受けて、第一の接続部8及び第二の接続部9が撓むことで、変位部7が固定部6に対して変位可能である。具体的には、X軸方向の加速度成分が印加されると変位部7に力が作用し、変位部7が固定部6に対してX正方向、X負方向に直線的に変位する。すなわち、ここでいう「変位」は、X軸の正負方向への移動をいう。
The
変位部7のX軸方向への変位を検知することで、X軸方向の加速度を測定することができる。図6に示すように、接続部8、9の各両端部付近であって、接続部8、9の上面である(100)面の外縁に、ピエゾ抵抗素子の長手方向が<110>方向に配置されるように、ピエゾ抵抗素子R(R1〜R4)をそれぞれ形成している。
図7は、図6の楕円の点線で囲まれた領域の拡大図であって、第二の接続部に形成したピエゾ抵抗素子R3、R4の拡大図である。ピエゾ抵抗素子の長手方向を配線11の電流方向に沿わせて配置している。ピエゾ抵抗素子Rは、歪検出素子として機能する。ピエゾ抵抗素子Rは抵抗の変化として接続部の撓み(あるいは、歪)、ひいては変位部の変位を検出するためのものである。なお、この詳細は後述する。
By detecting the displacement of the displacement part 7 in the X-axis direction, the acceleration in the X-axis direction can be measured. As shown in FIG. 6, the longitudinal direction of the piezoresistive element is in the <110> direction in the vicinity of both end portions of the
FIG. 7 is an enlarged view of a region surrounded by an elliptical dotted line in FIG. 6, and is an enlarged view of the piezoresistive elements R3 and R4 formed at the second connection portion. The longitudinal direction of the piezoresistive element is arranged along the current direction of the wiring 11. The piezoresistive element R functions as a strain detection element. The piezoresistive element R is for detecting the bending (or distortion) of the connection portion as a change in resistance, and consequently the displacement of the displacement portion. Details of this will be described later.
本実施の形態では、加速度検出部2は、主面の面方位が(100)である単結晶シリコンが使用されている。第一の接続部8及び第二の接続部9の長手方向をそれぞれ<110>方向に配置し、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向も、前記接続部8、9の上面の<110>方向に向かって配置されている。上記構成によれば、シリコン単結晶の異方性を利用することによって、小型であって、比較的高感度で、なおかつ高精度の一軸半導体加速度センサを得ることができる。なお、この詳細は後述する。
In the present embodiment, the
なお、図2に示すように、加速度検出部2は、主面の面方位が(100)である単結晶シリコン基板を異方性ドライエッチングして作成できる。単結晶シリコン基板の長手方向の一側寄りに直方体状に基板を貫通した孔部10を形成するとともに、孔部10の相対する一対の面を両端部付近で挟むようにコ字型状に基板を貫通した空間5bを形成する。
As shown in FIG. 2, the
(第2の実施形態)
本実施形態は、以下の点において第1の実施形態と相違する。第一に、加速度検出部2が、主面の面方位が(110)である単結晶シリコン基板から構成されている。第二に、第一の接続部8及び第二の接続部9の長手方向をそれぞれ<111>方向に配置している。第三に、接続部8、9の上面である(110)面の外縁に、<111>方向に向かってピエゾ抵抗素子Rの長手方向が配置されている。
本実施形態は、その他の点では、第1の実施形態の構成と特に異なるところが無いので説明を省略する。上記構成によれば、シリコン単結晶の異方性を利用することによって、小型であって、高感度の一軸半導体加速度センサを得ることができる。なお、この詳細は後述する。
(Second Embodiment)
This embodiment is different from the first embodiment in the following points. First, the
In the other respects, the present embodiment is not particularly different from the configuration of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. According to the above configuration, by using the anisotropy of the silicon single crystal, a small and highly sensitive uniaxial semiconductor acceleration sensor can be obtained. Details of this will be described later.
(一軸半導体加速度センサの動作)
一軸半導体加速度センサ1による加速度の検出の原理を説明する。図6に示すように、第一の接続部8及び第二の接続部9の各両端部付近であって、接続部8、9の上面の外縁に合計4個のピエゾ抵抗素子R1〜R4が配置されている。これらピエゾ抵抗素子は、単結晶シリコン基板の第一の接続部8及び第二の接続部9の上面に形成されたP型もしくはN型の不純物ドープ領域によって構成できる。
(Operation of single-axis semiconductor acceleration sensor)
The principle of acceleration detection by the uniaxial
ピエゾ抵抗素子R1〜R4はそれぞれ、変位部7のX軸方向成分の変位を検出するX軸方向成分変位検出部として機能する。 The piezoresistive elements R1 to R4 each function as an X-axis direction component displacement detection unit that detects the displacement of the X-axis direction component of the displacement unit 7.
図8は、図6に対応し、変位部7にX軸正方向の加速度(+αX)による力(+FX=+m・αX)が印加されたときの一軸半導体加速度センサ1の状態を表す上面図である。変位部7がX軸の正方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子R1、R4は伸び((+)として表現)、ピエゾ抵抗素子R2、R3は縮んでいる((−)として表現)。
FIG. 8 corresponds to FIG. 6 and shows the state of the uniaxial
図9は、図6に対応し、変位部7にX軸負方向の加速度(−αX)による力(−FX=−m・αX)が印加されたときの一軸加速度センサ1の状態を表す上面図である。変位部7がX軸の負方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子R1、R4は縮み((−)として表現)、ピエゾ抵抗素子R2、R3は伸びている((+)として表現)。
FIG. 9 corresponds to FIG. 6, and the state of the
以上からわかるように、ピエゾ抵抗素子Rの伸び縮みの量から、X方向の加速度を検出することができる。ピエゾ抵抗素子Rの伸び、縮みは、ピエゾ抵抗素子Rの抵抗の変化として検出できる。 As can be seen from the above, the acceleration in the X direction can be detected from the amount of expansion and contraction of the piezoresistive element R. The expansion and contraction of the piezoresistive element R can be detected as a change in the resistance of the piezoresistive element R.
各ピエゾ抵抗素子RがシリコンへのP型不純物ドープによって構成されているとする。この場合には、ピエゾ抵抗素子Rの長手での抵抗値は伸び方向の応力が作用したときには増加し、縮み方向の応力が作用した場合には減少する。なお、ピエゾ抵抗素子RをシリコンへのN型不純物ドープによって構成した場合は抵抗値の変化が逆になる。 Assume that each piezoresistive element R is configured by doping P-type impurities into silicon. In this case, the resistance value in the longitudinal direction of the piezoresistive element R increases when stress in the expansion direction is applied, and decreases when stress in the contraction direction is applied. When the piezoresistive element R is configured by doping N-type impurities into silicon, the change in resistance value is reversed.
図10は、ピエゾ抵抗素子Rの抵抗からX軸の方向の加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。この検出回路では、X軸方向の加速度成分を検出するために、4個のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路を構成し、そのブリッジ電圧を検出している。 FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration example of a detection circuit for detecting the acceleration in the X-axis direction from the resistance of the piezoresistive element R. In this detection circuit, in order to detect an acceleration component in the X-axis direction, a bridge circuit composed of four piezoresistive elements is formed, and the bridge voltage is detected.
これらのブリッジ回路では入力電圧Vinに対する出力電圧Voutの関係は以下の式で表される。
Vout/Vin=
[R3/(R1+R3)−R4/(R2+R4)] ……式(1)
In these bridge circuits, the relationship between the output voltage Vout and the input voltage Vin is expressed by the following equation.
Vout / Vin =
[R3 / (R1 + R3) -R4 / (R2 + R4)] (1)
ピエゾ抵抗素子Rの伸び縮の量と抵抗値Rの変化とが比例することから、入力電圧に対する出力電圧の比(Vout/Vin)は加速度と比例し、X軸の加速度を測定することが可能となる。 Since the amount of expansion and contraction of the piezoresistive element R and the change in the resistance value R are proportional, the ratio of the output voltage to the input voltage (Vout / Vin) is proportional to the acceleration, and the X-axis acceleration can be measured. It becomes.
(シリコン単結晶の異方性を利用した一軸加速度センサの高性能化)
シリコン単結晶の異方性を利用して、一軸半導体加速度センサ1を高感度、かつ/または、高精度化する理論的説明をする。
(High-performance single-axis acceleration sensor using anisotropy of silicon single crystal)
Theoretical explanation will be given for making the uniaxial
まず、シリコン単結晶の異方性が電気的特性に与える影響について説明し、検出感度を向上させるための理論的説明をする。 First, the influence of the anisotropy of the silicon single crystal on the electrical characteristics will be explained, and a theoretical explanation for improving the detection sensitivity will be given.
図7に示すように、電流が流れる方向にピエゾ抵抗素子Rの長手方向を配置する。図11に示すようにピエゾ抵抗素子Rの長手方向の応力σlと長手方向と直交する方向の応力σtとが作用すると、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化率ΔR/Rは近似的に次式のように表される。
ΔR/R=πlσl+πtσt ……式(2)
As shown in FIG. 7, the longitudinal direction of the piezoresistive element R is arranged in the direction in which the current flows. To act and the direction of the stress sigma t perpendicular to the longitudinal direction of the stress sigma l and the longitudinal direction of the piezoresistive element R as shown in FIG. 11, the resistance change rate [Delta] R / R of the piezoresistive element is of approximately the following equation It is expressed as follows.
ΔR / R = π l σ l + π t σ t (2)
ここで、Rは加速度による力が印加される前のピエゾ抵抗素子の抵抗、ΔRは加速度による力が印加された後のピエゾ抵抗素子の抵抗(R+ΔR)と加速度による力が印加される前のピエゾ抵抗素子の抵抗Rとの差である。πl、πtは応力σl、σtにそれぞれ対するピエゾ抵抗係数である。 Here, R is the resistance of the piezoresistive element before the force due to acceleration is applied, ΔR is the resistance (R + ΔR) of the piezoresistive element after the force due to acceleration is applied, and before the force due to the acceleration is applied This is the difference from the resistance R of the piezoresistive element. π l and π t are piezoresistance coefficients for the stresses σ l and σ t , respectively.
ピエゾ抵抗素子にp型シリコンを用いた場合を例に、ピエゾ抵抗係数πl、πtの結晶方向における特性について説明する。p型シリコンからなるピエゾ抵抗素子を用いたほうが、n型と比較してせん断応力に関係するピエゾ抵抗係数が大きいため、一軸半導体加速度センサ1を高感度化できる。
図12にp型シリコンの(100)面におけるピエゾ抵抗係数πl、πtを示す。図13にp型シリコンの(110)面におけるピエゾ抵抗係数πl、πtを示す。原点からの長さがピエゾ抵抗係数の大きさを表し、原点からの方向がそれぞれの基板面におけるピエゾ抵抗素子の長手方向の配置方向を示す。図12と図13は同一のスケールで示されている。
The characteristics in the crystal direction of the piezoresistance coefficients π l and π t will be described by taking as an example the case where p-type silicon is used for the piezoresistive element. Using a piezoresistive element made of p-type silicon has a higher piezoresistance coefficient related to shear stress than n-type, and thus the uniaxial
FIG. 12 shows piezoresistance coefficients π l and π t in the (100) plane of p-type silicon. FIG. 13 shows the piezoresistance coefficients π l and π t in the (110) plane of p-type silicon. The length from the origin represents the magnitude of the piezoresistive coefficient, and the direction from the origin represents the arrangement direction of the piezoresistive elements in the longitudinal direction on the respective substrate surfaces. 12 and 13 are shown on the same scale.
図12及び図13が示すように、いずれの結晶面の単結晶シリコン基板でもπlはπtよりも値が大きい。そのため、σlの値を大きくすれば、式(2)のΔR/Rの値を大きくすることができ、その結果、ホイーンストンブリッジからの出力電圧も大きくなり、検出感度を向上させることができる。
σlの値を大きくするには、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向とピエゾ抵抗素子Rの伸び縮み方向を一致させればよい。そのため、本発明の実施の形態では、図6に示すように、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向(電流方向)とピエゾ抵抗素子Rの伸び縮み方向を一致させるべく、ピエゾ抵抗素子Rを第一の接続部8及び第二の接続部9の上面の外縁に配置し、検出感度を向上させている。
As shown in FIGS. 12 and 13, π l has a value larger than π t in any crystal plane single crystal silicon substrate. Therefore, if the value of σ l is increased, the value of ΔR / R in equation (2) can be increased, and as a result, the output voltage from the Wheatstone bridge also increases and the detection sensitivity can be improved. it can.
In order to increase the value of σ l , the longitudinal direction of the piezoresistive element R and the expansion / contraction direction of the piezoresistive element R may be matched. Therefore, in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, in order to make the longitudinal direction (current direction) of the piezoresistive element R and the expansion / contraction direction of the piezoresistive element R coincide with each other, It arrange | positions in the outer edge of the upper surface of the
図13に示すように、(110)面の、<111>方向が最大のピエゾ抵抗係数πlをとることから、最も検出感度を向上させることができる。また、図12に示すように、(100)面では、<110>方向が比較的大きなピエゾ抵抗係数πlをとることから、検出感度を向上させることができる。 As shown in FIG. 13, since the <111> direction of the (110) plane has the maximum piezoresistance coefficient π 1 , the detection sensitivity can be improved most. Further, as shown in FIG. 12, in the (100) plane, the <110> direction has a relatively large piezoresistance coefficient π l , so that the detection sensitivity can be improved.
次に、シリコン単結晶の異方性が機械的特性に与える影響について説明し、検出精度を向上させるための理論的説明をする。 Next, the influence of the anisotropy of the silicon single crystal on the mechanical characteristics will be explained, and a theoretical explanation for improving the detection accuracy will be given.
十分小さい変形に対して歪は応力に比例する(フックの法則)。応力成分は歪成分の1次関数となり、シリコン単結晶は立方晶であるため、次のように表すことができる。
ここで、σxx、σyy、σzzは垂直応力であり、σxy、σxz、σyzはせん断応力である。ここで、図14に示すように、サフィックスの最初の字(σxyのx)は力の方向、2番目の字(σxyのy)は力が加えられている面の法線方向を示す。εxx、εyy、εzzは、それぞれx軸方向、y軸方向、z軸方向の歪成分を表し、γxy、γxz、γyzは、せん断歪を表す。図14に示す単位立方体に角加速度がなく、また、全体としての回転力がないという条件では、γxy=γyx、γxz=γzx、γyz=γzyである。D1111、D1122……は、弾性スティフネス定数である。 Here, σ xx , σ yy , and σ zz are normal stresses, and σ xy , σ xz , and σ yz are shear stresses. Here, as shown in FIG. 14, the first letter of the suffix (x of σ xy ) indicates the direction of the force, and the second letter ( y of y of σ xy ) indicates the normal direction of the surface to which the force is applied. . ε xx , ε yy , and ε zz represent strain components in the x-axis direction, y-axis direction, and z-axis direction, respectively, and γ xy , γ xz , and γ yz represent shear strains. No angular acceleration unit cube shown in FIG. 14, and in the condition that there is no rotational force as a whole, γ xy = γ yx, γ xz = γ zx, a γ yz = γ zy. D 1111 , D 1122 ... Are elastic stiffness constants.
主面の面方位が(100)の単結晶シリコン基板のx、y、z軸を、それぞれ<100>、<010>、<001>方向にとると、フックの法則は以下のような一般的な形になる。
式(4)のマトリックスからわかるように、垂直応力σxx、σyy、σzzの値は、せん断歪γxy、γxz、γyzの影響を全く受けていない。したがって、垂直応力を受けた場合に、一軸半導体加速度センサ1は、せん断歪によって捩れを生じない。捩れを生じないことから、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、ピエゾ抵抗素子R1とR3の伸び縮みの量が同じであり、ピエゾ抵抗素子R2とR4の伸び縮みの量も同じである。そのため、式(1)から、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けても、出力はキャンセルされて、理論的にゼロにすることができる。
ここで、一般に加速度センサは受感軸に直交する方向の加速度に対してもわずかながら感度を持ち、これは、横感度と呼ばれ、測定誤差の一因となっていた。このため、加速度センサの横感度を極限まで下げることが必要である。
As can be seen from the matrix of Equation (4), the values of the normal stresses σ xx , σ yy , and σ zz are not affected at all by the shear strains γ xy , γ xz , and γ yz . Therefore, the uniaxial
Here, in general, the acceleration sensor has a slight sensitivity to acceleration in a direction orthogonal to the sensitive axis, which is called lateral sensitivity, and contributes to a measurement error. For this reason, it is necessary to reduce the lateral sensitivity of the acceleration sensor to the limit.
このように、主面の面方位が(100)の単結晶シリコン基板を用いた場合に、一軸半導体加速度センサ1の第一の接続部8及び第二の接続部9の長手方向をそれぞれ<100>方向に配置すれば、横感度を理論的にゼロにすることができ、一軸半導体加速度センサ1の高精度化を図ることができる。
As described above, when a single crystal silicon substrate having a main surface orientation of (100) is used, the longitudinal directions of the first connecting
次に、基板の主面の面方位が(100)である単結晶シリコン基板のx、y、z軸を、それぞれ<110>、<110>、<001>方向にとった場合を説明する。この場合、フックの法則は、次のように表すことができる。
式(5)のマトリックスからわかるように、垂直応力σxx、σyy、σzzの値は、せん断歪γxy、γxz、γyzの影響を全く受けていない。したがって、垂直応力を受けた場合に、一軸半導体加速度センサ1は、せん断歪によって捩れを生じない。捩れを生じないことから、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、ピエゾ抵抗素子R1とR3の伸び縮みの量が同じであり、ピエゾ抵抗素子R2とR4の伸び縮みの量も同じである。そのため、式(1)から、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けても、出力はキャンセルされて、横感度を理論的にゼロにすることができる。
そのため、主面の面方位が(100)である単結晶シリコン基板を用いた場合には、一軸半導体加速度センサ1の第一の接続部8及び第二の接続部9の長手方向をそれぞれ<110>方向に配置すれば、横感度を理論的にゼロにすることができ、一軸半導体加速度センサ1の高精度化を図ることができる。
As can be seen from the matrix of equation (5), the values of the normal stresses σ xx , σ yy , and σ zz are not affected at all by the shear strains γ xy , γ xz , and γ yz . Therefore, the uniaxial
Therefore, when a single crystal silicon substrate having a main surface orientation of (100) is used, the longitudinal directions of the
次に、基板の主面が(110)である単結晶シリコン基板のx、y、z軸を、それぞれ<111>、<112>、<110>方向にとった場合を説明する。この場合、フックの法則は次のように表すことができる。
D2223、D3323……は、ゼロでない弾性スティフネス定数である。式(6)のマトリックスからわかるように、垂直応力σxx、σyy、σzzの値は、せん断歪γxy、γxz、γyzの影響を受けている。したがって、垂直応力を受けた場合に、一軸半導体加速度センサ1は、せん断歪によって捩れを生じる。捩れを生じることから、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、ピエゾ抵抗素子R1とR3の伸び縮みの量が異なり、ピエゾ抵抗素子R2とR4の伸び縮みの量も異なる。そのため、式(1)から、Y軸方向やZ軸方向の加速度を受けた場合に、出力はキャンセルされず、横感度をゼロにすることは困難である。
そのため、主面の面方位が(110)である単結晶シリコン基板を用いた場合に、一軸半導体加速度センサ1の接続部8、9の長手方向を<111>方向に配置すると、高感度であるというメリットがあるが、横感度をゼロにすることは困難である。
D 2223 , D 3323 ... Are non-zero elastic stiffness constants. As can be seen from the matrix of Equation (6), the values of the normal stresses σ xx , σ yy , and σ zz are affected by the shear strains γ xy , γ xz , and γ yz . Therefore, the uniaxial
For this reason, when a single crystal silicon substrate having a principal plane orientation of (110) is used, the longitudinal direction of the connecting
以上から、主面の面方位が(110)である単結晶シリコン基板を使用する場合には、<111>方向で最大のピエゾ抵抗係数πlをとる。そのため、接続部8、9の長手方向を、<111>方向にそれぞれ配置し、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向を<111>方向にすれば、最も検出感度を向上させることができるというメリットがある。その一方で、横感度をゼロにすることは困難である。
From the above, in the case of using a single crystal silicon substrate whose principal surface has a (110) plane orientation, the maximum piezoresistance coefficient π 1 is taken in the <111> direction. Therefore, if the longitudinal directions of the connecting
主面の面方位が(100)である単結晶シリコン基板を使用する場合について説明する。一軸半導体加速度センサ1の第一の接続部8及び第二の接続部9の長手方向を、それぞれ<100>又は<110>方向に配置すれば、横感度を理論的にゼロにすることができる。しかし、<100>方向のピエゾ抵抗係数πlは非常に小さく感度が低いので一軸半導体加速度センサ1に適用するのは困難である。一方、(100)面の<110>方向は比較的大きなピエゾ抵抗係数πlをとる。そのため、接続部8、9の長手方向を、<110>方向にそれぞれ配置し、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向を<110>方向にすれば、高精度で、比較的高感度の一軸半導体加速度センサ1を得ることができる。
A case where a single crystal silicon substrate having a main surface with a plane orientation of (100) is used will be described. If the longitudinal directions of the
(その他の実施形態)
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本実施の形態では、ピエゾ抵抗素子にp型シリコンを用いた場合について説明したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、n型のピエゾ抵抗素子を用いても良いことはもちろんである。
(Other embodiments)
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
For example, in this embodiment, the case where p-type silicon is used for the piezoresistive element has been described. However, the present invention is not limited to this, and an n-type piezoresistive element may be used. Of course.
1…一軸半導体加速度センサ、2…加速度検出部、5a,5b…空間、6…固定部、7…変位部、8…第一の接続部、9…第二の接続部、10…孔部、R1〜R4…ピエゾ抵抗素子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体材料からなり、所定方向の加速度を受けて前記固定部に対して変位する変位部と、
前記半導体材料からなり、前記固定部と前記変位部とをそれぞれ接続し、かつ前記所定方向に並んで配置される複数の接続部であって、前記所定方向での幅より前記所定方向に垂直な方向での厚さが大きい断面形状を有する複数の接続部と、
前記複数の接続部に配置される複数の歪検出素子と、
を具備することを特徴とする一軸半導体加速度センサ。 A fixing part made of a semiconductor material;
A displacement portion made of the semiconductor material, which receives an acceleration in a predetermined direction and is displaced with respect to the fixed portion;
A plurality of connecting portions made of the semiconductor material, each connecting the fixed portion and the displacement portion and arranged side by side in the predetermined direction, and perpendicular to the predetermined direction from the width in the predetermined direction A plurality of connecting portions having a cross-sectional shape having a large thickness in the direction;
A plurality of strain sensing elements arranged in the plurality of connecting portions;
A uniaxial semiconductor acceleration sensor comprising:
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