JP2007085800A

JP2007085800A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2007085800A
Application number: JP2005272857A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Naohiro Taniguchi; 直博谷口
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】
Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の加速度を独立的に且つ高感度に検出することができる半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】
Ｘ、Ｙ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１〜ＲＸ４、ＲＹ１〜ＲＹ４をその長手方向がそれぞれの軸方向と並行するように重り部２の近傍において第一のビーム１０及び第二のビーム１１上に形成配置し、Ｚ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＺ１〜ＲＺ４をその長手方向が重り部２の中心を通り且つＸ軸方向と並行する直線と一致するように横一列に第一のビーム１０上に形成配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、３軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに関する。

従来の半導体加速度センサとして、図３（ａ）、（ｂ）に示すものがある（特許文献１参照）。この半導体加速度センサの構造は、シリコンから成る半導体基板の中心部下面に半導体加工技術を用いて重り部２を形成し、この重り部２と周囲の矩形枠状のフレーム３との間を薄肉の膜状の撓み部１により連結し、この撓み部１と重り部２との連結部位の周囲には、撓み部１と重り部２との間を分離する切込み溝４を形成してある。撓み部１には重り部２の動きによる撓み部１の撓みからＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の加速度を検出するための略長方形状のピエゾ抵抗Ｒを形成してある。フレーム３はシリコン或はガラスからなる下部ストッパ５上に配置され、下部ストッパ５と重り部２の下面との間には重り部２を揺動可能とする隙間を設けている。

この半導体加速度センサのピエゾ抵抗Ｒの配置は、図３（ｃ）に示すように、撓み部１と重り部２との連結部位がある撓み部１の中央部のＸ軸方向の両端側に、それぞれＸ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３、ＲＸ４をその長手方向がＹ軸方向に並行するように形成配置してある。同様に撓み部１と重り部２との連結部位がある撓み部１の中央部のＹ軸方向の両端側に、それぞれＹ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＹ１、ＲＹ２、ＲＹ３、ＲＹ４をその長手方向がＸ軸方向に並行するように形成配置してある。また、撓み部１のＸ軸方向の中心線上に、Ｚ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＺ１、ＲＺ２、ＲＺ３、ＲＺ４をその長手方向がＸ軸方向に並行するように形成配置し、ピエゾ抵抗ＲＺ１、ＲＺ３は、撓み部１のＸ軸方向の中心線上の両端のフレーム３に対する連結部位にそれぞれ位置し、撓み部１の中央部位において形成配置されるピエゾ抵抗ＲＺ２、ＲＺ４はピエゾ抵抗ＲＸ３とＲＸ１との間、ＲＸ４とＲＸ２との間にそれぞれ位置している。

また、図３（ｄ）に示すように、図３（ｃ）におけるＸ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１〜ＲＸ４の長手方向をＸ軸方向に並行に配置し、同様にＹ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＹ１〜ＲＹ４の長手方向をＹ軸方向に並行に配置するものもある。この場合Ｚ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＺ１〜ＲＺ４は、撓み部１の中央部位に配置されており、ピエゾ抵抗ＲＺ１、ＲＺ２をピエゾ抵抗ＲＹ１とＲＹ３との間、ＲＸ１とＲＸ３との間にそれぞれその長手方向をＹ軸方向と並行するように配置し、ピエゾ抵抗ＲＺ３、ＲＺ４をピエゾ抵抗ＲＸ２とＲＸ４との間、ＲＹ２とＲＹ４との間にそれぞれその長手方向をＸ軸方向と並行するように配置している。

これら各軸の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１〜ＲＸ４、ＲＹ１〜ＲＹ４、ＲＺ１〜ＲＺ４は図４（ａ）〜（ｃ）に示すようにブリッジ接続され、対向する一対の接続点間に電源部Ｅの電圧を印加し、残りの一対の接続点間に電圧検出部Ｖを設け、この電圧検出部Ｖの検出電圧でそれぞれの方向の加速度を独立して検出することができるようになっている。

上述のように、Ｘ、Ｙ軸方向の撓みを検出するピエゾ抵抗Ｒを撓み部１の中心近傍に配置することで、Ｘ、Ｙ軸方向の加速度がかかった場合に大きな応力が生じる撓み部１の中心部の撓みをピエゾ抵抗Ｒで検出することができ、検出出力を大きく取れ、したがってＸ、Ｙ軸方向の加速度検出が高感度となる。
特許第３３９１８４１号公報

ところで、上述の半導体加速度センサは撓み部１を膜状に形成したダイアフラム型であるが、他の半導体加速度センサとして、内方が開口された矩形枠状のフレーム３の各辺中央から弾性を有する板状のビーム１を撓み部１として開口内に延設し、開口内中央部において、これらビーム１によって重り部２を揺動自在に吊り下げ支持するビーム型の半導体加速度センサが知られている（図３（ｅ）参照）。

しかしながら、ビーム型の半導体加速度センサにおいて図３（ｃ）のようなピエゾ抵抗Ｒの配置にした場合、Ｙ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＹ１〜ＲＹ４がその長手方向をＸ軸方向と並行するように配置されているので、ピエゾ抵抗Ｒの長手方向の長さ分だけビーム１の幅を広くする必要がある。同様に、Ｘ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１〜ＲＸ４もその長手方向をＹ軸方向と並行するように配置されているため、ビーム１の幅を広くする必要がある。このようにビーム１の幅を広く形成すると、加速度がかかった時のビーム１の撓みが小さくなるため、感度が低くなるという問題があった。

また、図３（ｄ）のようにＸ、Ｙ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１〜ＲＸ４、ＲＹ１〜ＲＹ４がその長手方向をそれぞれの軸方向と並行するように配置されている場合でも、Ｚ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＺ１〜ＲＺ４の内、ＲＺ２、ＲＺ４がその長手方向をビーム１の幅方向と並行するように配置されているため、やはりビーム１の幅を広く形成する必要があり、したがって感度が低くなるという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたもので、３軸方向の加速度を高感度に検出できる半導体加速度センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、内方を開口した矩形枠状のフレームと、フレームの開口内でフレームの対向する一対の辺に両端が支持された第一のビームと、フレームの開口内でフレームの対向する他の一対の辺に両端が支持された第二のビームと、第一のビームと第二のビームが互いに交差する部位において第一のビーム及び第二のビームによって揺動自在に吊り下げ支持される重り部とを半導体基板を加工して形成し、重り部の動きによりビームに生じる撓みを検出するための長細い形状のピエゾ抵抗を第一のビーム及び第二のビームに形成した半導体加速度センサであって、第一のビームの長手方向と並行する軸方向の撓みを検出するピエゾ抵抗と、第二のビームの長手方向と並行する軸方向の撓みを検出するピエゾ抵抗とを、その長手方向がそれぞれの軸方向と並行するように重り部の近傍に配置し、半導体基板に対して垂直な軸方向の撓みを検出するピエゾ抵抗を、その長手方向が第一のビーム又は第二のビーム何れかの長手方向と一致するように一定の間隔を空けて一直線上に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、ピエゾ抵抗をその長手方向がビームの長手方向と一致するように形成したので、ピエゾ抵抗の長手方向の長さ分だけビームの幅を広く形成する必要が無く、したがってビームの幅を狭くすることができるので、加速度がかかった時のビームの撓みが大きくなり、検出出力が大きくなることで加速度検出が高感度となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。尚、以下に述べる実施形態はピエゾ抵抗の配置以外の構成が基本的に従来例の半導体加速度センサと同じであるため、共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の半導体加速度センサは、図３（ｅ）に示すようなビーム型の半導体加速度センサであり、内方を開口した矩形枠状のフレーム３と、フレーム３から開口内へ延設される２本の板状の第一のビーム１０及び第二のビーム１１と、フレーム３の開口内中央部において第一のビーム１０及び第二のビーム１１によって揺動自在に吊り下げ支持される重り部２とを半導体基板に形成し、重り部２の動きにより第一のビーム１０及び第二のビーム１１に生じる撓みを検出するための略長方形状のピエゾ抵抗Ｒを第一のビーム１０及び第二のビーム１１上に形成している。

第一のビーム１０は、フレーム３のＹ軸と並行な対向する一対の辺の各中央を連結してＸ軸と並行するように形成されている。第二のビーム１１は、フレーム３のＸ軸と並行な対向する一対の辺の各中央を連結してＹ軸と並行するように形成され、第一のビーム１０及び第二のビーム１１はフレーム３の開口内中央部において互いに連結されている。

本実施形態のピエゾ抵抗Ｒの配置は、図１（ａ）に示すように、Ｘ軸方向では、第一のビーム１０と重り部２との連結部位において重り部２を挟んで、Ｘ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１〜ＲＸ４をその長手方向がＸ軸方向と並行するように第一のビーム１０上に形成配置している。同様にＹ軸方向では、第二のビーム１１と重り部２との連結部位において重り部２を挟んで、Ｙ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＹ１〜ＲＹ４をその長手方向がＹ軸方向と並行するように第二のビーム１１上に形成配置している。Ｚ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＺ１〜ＲＺ４は、その長手方向が重り部２の中心を通り且つＸ軸方向と並行する直線と一致するように、第一のビーム１０上に図１（ａ）における左右方向に一列に形成配置されている。尚、Ｘ、Ｙ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＸ１〜ＲＸ４、ＲＹ１〜ＲＹ４のブリッジ回路は図４（ａ）、（ｂ）と同じであり、Ｚ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＺ１〜ＲＺ４は図１（ｂ）に示すようにブリッジ接続される。

上述のように、ピエゾ抵抗Ｒをその長手方向が第一のビーム１０及び第二のビーム１１の長手方向と一致するように配置したため、ピエゾ抵抗Ｒの長手方向の長さ分だけ第一のビーム１０及び第二のビーム１１の幅を広く形成する必要が無く、第一のビーム１０及び第二のビーム１１の幅を狭くすることができる。したがって、従来例と比べると、同じ加速度がかかった時のビームの撓みが大きくなる。このため各軸方向のブリッジ回路での電圧検出部Ｖの出力が従来例よりも大きくなり、したがって各軸方向での加速度検出が高感度となる。

尚、本実施形態のピエゾ抵抗Ｒの配置は、図２に示すように、Ｚ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗ＲＺ１〜ＲＺ４が、その長手方向が重り部２の中心を通り且つＹ軸方向と並行する直線と一致するように、第二のビーム１１上に図２における上下方向に一列に形成配置されてもよい。

本発明の実施形態を示す図で、（ａ）はピエゾ抵抗の配置を示す平面図で、（ｂ）はＺ軸方向の加速度検出のためのブリッジ回路の回路図である。本発明の実施形態の他のピエゾ抵抗の配置を示す平面図である。従来の半導体加速度センサを示す図で、（ａ）はダイアフラム型の半導体加速度センサの斜視図で、（ｂ）は同上の断面図で、（ｃ）は同上のピエゾ抵抗の配置を示す平面図で、（ｄ）は同上のピエゾ抵抗の他の配置を示す平面図で、（ｅ）はビーム型の半導体加速度センサの斜視図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の加速度検出のためのブリッジ回路の回路図である。

符号の説明

１０第一のビーム
１１第二のビーム
２重り部
３フレーム
ＲＸ１〜ＲＸ４ピエゾ抵抗
ＲＹ１〜ＲＹ４ピエゾ抵抗
ＲＺ１〜ＲＺ４ピエゾ抵抗

Claims

内方を開口した矩形枠状のフレームと、フレームの開口内でフレームの対向する一対の辺に両端が支持された第一のビームと、フレームの開口内でフレームの対向する他の一対の辺に両端が支持された第二のビームと、第一のビームと第二のビームが互いに交差する部位において第一のビーム及び第二のビームによって揺動自在に吊り下げ支持される重り部とを半導体基板を加工して形成し、重り部の動きによりビームに生じる撓みを検出するための長細い形状のピエゾ抵抗を第一のビーム及び第二のビームに形成した半導体加速度センサであって、第一のビームの長手方向と並行する軸方向の撓みを検出するピエゾ抵抗と、第二のビームの長手方向と並行する軸方向の撓みを検出するピエゾ抵抗とを、その長手方向がそれぞれの軸方向と並行するように重り部の近傍に配置し、半導体基板に対して垂直な軸方向の撓みを検出するピエゾ抵抗を、その長手方向が第一のビーム又は第二のビーム何れかの長手方向と一致するように一定の間隔を空けて一直線上に配置したことを特徴とする半導体加速度センサ。