JP2512171B2 - 加速度検出器 - Google Patents

加速度検出器

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    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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    • G01P2015/0825Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加速度検出器に係り、特に自動車等の制御に
好適な加速度検出器に関するものである。
〔従来の技術〕
加速度検出器としては圧電材料の圧電効果を利用した
圧電式、ピエゾ抵抗効果を利用した歪ゲージ式,力のフ
イードバツク機構を有するサーボ式、差動トランスを利
用した磁気式、フオトインタラプタを利用した光式、蒸
着した電極の間の容量を利用した容量式等が提案されて
いる。
ところで、このような加速度検出器として最も有望視
されているのが容量式の加速度検出器である。
そして、この容量式加速度検出器は、トランスデユー
サーズ'87,ダイジエスト オブ テクニカル ペイパー
ズ(1987年)第395頁から第398頁(Transducers '87,Di
gest of technical Papers(1987)p395-398)において
説明されている。
この文献に従えば、カンチレバーの自由端に変位可能
な質量が取り付けられ、加速度が加われば自由端に取り
付けた質量が変位する。
そして、質量部及びこの質量部に対向した固定部に各
々静電容量を形成すべく電極を配設することで、質量部
と固定部の間の静電容量の変化から質量の変位を検出
し、この結果をフイードバツクして静電気力で質量部を
強制的に中立点に維持するものである。
したがつて、この時のフイードバツク量から加速度が
検出されることになる。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述したような容量式加速度検出器においてはその検
出感度が大きい反面、測定範囲が狭くこれを拡大するた
めには駆動電圧を高くする必要がある。
ところが、自動車等のように電源電圧が規定されてい
るものでは昇圧回路等が必要となるといつた問題があつ
た。
本発明の目的は、測定精度を維持しつつ低電力で測定
可能な加速度検出器を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、少なくとも対向する面が電気的な絶縁性
を備えた一対の基板と、前記一対の基板の電気的な絶縁
性を備えた面に配設された固定電極と、前記一対の基板
の間に固定端が設けられ、かつ自由端が前記一対の基板
の間で自由に振れるようにされたカンチレバーと、前記
カンチレバーの自由端に支承され電気的な導体性を有す
る質量体とを備えた加速度検出器において、前記質量体
の内部に空間を形成する孔を設け、その孔の開口部の面
積が前記質量体の内部の空間の水平方向の断面積よりも
小さく構成したことによって達成される。
また、上記目的は、少なくとも対向する面が電気的な
絶縁性を備えた一対の基板と、前記一対の基板の電気的
な絶縁性を備えた面に配設された固定電極と、前記一対
の基板の間に固定端が設けられ、かつ自由端が前記一対
の基板の間で自由で振れるようにされたカンチレバー
と、前記カンチレバーの自由端に支承され電気的な導体
性を有する質量体とを備えた加速度検出器において、前
記質量体は2枚のシリコン板を接着して形成されてお
り、しかもそれぞれのシリコン板の接着面側に形成され
た凹部で前記質量体の内部に空間を設けたことにより達
成される。
〔作用〕
質量体内部に空間を設けているため質量体自体の質量
が軽くなり低い電圧の印加でも測定範囲を広くとること
ができる。また、対向する電極の面積を変えずにあるい
は対向しない面積を小さく抑えることで測定精度の低下
を防いでいる。
〔実施例〕
以下図面に従い本発明の詳細を説明する。
まず、第2図を用いて本発明の基本的な考え方を説明
する。
第2図において、2は導体基板で、カンチレバー5と
質量部からなる可動電極4が形成されている。導体基板
の上,下には絶縁体基板1が接着され、その可動電極4
と対向した面には固定電極3が設けられている。
可動電極4の質量をmとすると、加速度印加時、可動
電極4に働く慣性力は、 F1=mα …(1) 可動電極4の変位が十分小さく、上,下の固定電極3
に対して平行に変位するとする。可動電極4と上,下の
固定電極3側の間隙の大きさをそれぞれd1,d2とし、こ
れらの電極間にそれぞれ電圧V1,V2を印加すると、可動
電極3に働く静電気力は となる。
ここでεは間隙間の媒質の誘電率、Sは可動電極4と
固定電極3の対向部の面積である。
そして、d1=d2=dでサーボ系が安定しているとす
ると、 となる。
更に、可動電極4の面積をS、厚みをt、密度をρと
すると、可動電極4の質量は m=Stρ …(4) となる。
したがつて、カンチレバー5の復元力が無視できると
し、慣性力F1と静電気力F2が釣り合つている時、式
(1),(3),(4)より よつて となる。
そして、式(6)より、角速度αの測定範囲を拡大す
るためには、以下4つの方法が考えられる。
(a). 可動電極4と固定電極3間の間隙dを小さく
する。
(b). 可動電極4の厚みtを小さくする。
(c). 可動電極4を構成する材料の密度ρを小さく
する。
(d). V1 2−V2 2を大きくする。すなわち、正の加
速度に対して測定範囲を拡大するには、V1を大きく、
2を小さくする。負の加速度に対する場合には、V1
小さく、V2を大きくする。従つて、正負の加速度を考
慮した場合には、大きなV1,V2を印加できるようにする
ことである。
ところが、(a)の方法において間隙dをだんだん小
さくすると、加工精度、間隙への異物の付着などの影響
で、dを精度良く管理することが困難となつてくるとい
う問題がある。
また、(d)の方法において印加電圧を大きくするこ
とは、電源回路の変更を必要とするため、自動車等に適
用するには難しい場合がある。
一方、(b),(c)の方法においては、可動電極4
の質量を軽減すれば良いので実現が可能である。ここ
で、半導体加速度センサでは、非常に優れたセンサ材料
であるSiを用いることが多く、材料そのものの密度ρを
小さくすることは難しいが可動電極の内部に空洞を設け
ることにより、平均的な密度を小さくすることは可能で
ある。
以上のことから、本発明は(b),(c)の方法にあ
るように可動電極4の質量を軽減するとに着目してなさ
れたものである。
以上、上述の観点から本発明の実施例を説明する。
第1図は(c)の方法を達成するための基本的な構造
の1つである。
可動電極4の内部には、可動電極4の上下面に通じる
空洞6を設けている。可動電極4の表面積Sをできるだ
け小さくしないよう、上下面の穴の径をなるべく小さく
する。一方、平均的な密度ρをできるだけ小さくするよ
う、可動電極4の機械的強度をそこなわない程度に空洞
6の大きさを大きくする。
そして、加速度の測定範囲は式(6)からわかるよう
に可動電極の平均密度ρに反比例する。
すなわち、形成した空洞の総容積をVとすると、 となりVと共に増大する。例えばV=St/2の時、測定範
囲は2倍になる。
第3図は第1図の構造を達成するための具体的な構成
の1つである。1はガラス基板で、フオトリソグラフイ
ーなどで一方の面に1つ又は複数の固定電極3を形成す
る。2はシリコン基板で、アルカリエツチングなどの異
方性エツチングで可動電極4やカンチレバー5を形成す
る。空洞6の形成には、エチング速度が不純物濃度依存
性を示すようなエツチングを行う。例えば、塩素プラズ
マを用いたプラズマエツチングや光励起ドライエツチン
グでは、エツチング速度の不純物の種類及び濃度依存性
はn+>n>p>p+となる。このようなエツチング方法
を用いて可動電極4の空洞6を形成するためのプロセス
の概略を第4図に示す。異方性エツチングによつて可動
電極4の外形形成後、可動電極4の表面の穴形成部以外
の領域に熱拡散やイオン打込みで低エツチング速度不純
物層7であるp+層を形成する。その後、塩素プラズマ
エツチングを行う。p+層以外の表面領域からエツチン
グが進行し、p+層の厚み以上の深さまでエツチングが
進むと、p+層の裏側がエツチングされ(アンダーカツ
ト)、空洞6の容積が増大する。
シリコン基板,ガラス基板の加工が終われば、3枚の
基板を重ね合せ、陽極接合によつて接着する。
本実施例によれば、シリコンのエツチング速度の不純
物濃度依存性を用いるという単純なプロセスで可動電極
の質量低減を行うことができる効果がある。
第5図は第1図の構造を達成するための他の具体的構
成である。可動電極4外形形成後、窒化シリコン層8な
どの絶縁層をマスクとして可動電極4内部のエツチング
を行い、空洞とする。この場合にはシリコンエツチング
は通常の等方的なウエツトエツチングで良い。窒化シリ
コン層8のマスク形成前又は空洞6の形成後、窒化シリ
コン層8表面に金属の蒸着などで導体層9を形成して電
極とする。
以上の実施例によれば、従来からよく使用されてきた
プロセス技術によつて可動電極4の質量低減を達成でき
る効果がある。
以上は、可動電極4の表面に微小な穴を形成し、さら
にエツチングを進めて内部に大きな空洞6を形成すると
いうものである。
これに対し、シリコン同志の接合技術を用いれば、外
部に通じることなく内部に大きな空洞6を有する可動電
極4や、より複雑な形状のものを形成することができ
る。
第6図は可動電極4の内部のみに空洞6を有するセン
サの構造である。あらかじめ空洞6の半分に相当する凹
部10を設けた2枚のシリコン基板2a,2bをシリコン同志
の直接接合技術を用いてはり合わせ、内部に空洞6を有
する一枚の基板とする。接合の際には、2枚のシリコン
基板2a,2bの結晶方向を一致させておく。
以後は、通常の異方性エツチングを用いて内部に空洞
6を有するよう可動電極4やカンチレバー5などを形成
する。ガラス基板1の加工法及びシリコン基板2a,2bと
ガラス基板1の接着法は上述の実施例と同じである。
以上の実施例によれば、シリコン同志の直接接合技術
を用いることにより、従来のセンサと同じく異方性エツ
チングで可動電極の質量低減をはかることができる。
シリコンの直接接合を行うと、第7図に示すようなよ
り複雑な形状の可動電極4を形成することができる。
第7図において、可動電極4は偏平I型構造となつて
おり、上面4a,下面4bを継ぐ支持部4cの両側は空洞とな
つている。
したがつて、可動電極4の質量を可及的に小さくする
ことが可能となる。
次に(b)の方法の可動電極の厚みを小さくした構造
について述べる。
可動電極の厚みを薄くする最も簡単な方法は、厚みの
薄い基板を用いることである。しかし近年ウエハの大口
径化が進んでおり、取扱いや強度の点からウエハの厚み
を小さくするにも限界がある。
第8図はエツチングによつて可動電極4の厚みを薄く
した構造である。可動電極4と固定電極3間の間隙の大
きさをそのままに保つため、可動電極4の厚みが薄くな
つた分だけ固定電極3の厚みが厚くなつている。
そして、式(6)より、例えば厚みtを1/2にした場
合、測定範囲は2倍になる。
以上の実施例によれば、単純な構造で可動電極の質量
を低減できる効果がある。
なお、本発明において、第9図に示したように、可動
電極4に対して上下から対向する基板1は、特に絶縁体
基板上に電極を設けたものとは限らずにシリコン基板1
でも良い。この場合は、ガラスや酸化シリコンなどの絶
縁層10を介して中央のシリコン基板と接着する。
また、可動電極4と固定電極3間に電圧を印加した状
態で何らかの原因でこれらが接触した場合、接点に大き
な電流密度の電流が流れ、発熱して両者が接着すること
もあるので、その場合には、可動電極4又は固定電極3
の表面に非常に薄い絶縁層を設ける必要がある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、従来測定加速度範囲の小さかつた半
導体静電サーボ式加速度センサの測定範囲を、駆動電圧
を変えずに拡大できるという効果がある。例えば、可動
電極の外形体積の1/2の容積の空洞を形成した場合や可
動電極の厚みを1/2にした場合、測定範囲は2倍にな
る。これは特に電源電圧に制限がある場合、特に有効で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本的な構造を示す断面図、第2図は
本発明の考えを説明するための断面図、第3図及び第5
図は第1図の具体的な断面図、第4図は第3図の構造を
作成するためのプロセスの概略フロー図、第6図は本発
明の他の構造を示す断面図、第7図はシリコン−シリコ
ン直接接合を用いた場合の可動電極部の構造図、第8図
及び第9図は本発明の他の構造を示す断面図である。 1……絶縁体基板、1′……ガラス基板、2……導体基
板、2′……シリコン基板、3……固定電極、4……可
動電極、5……カンチレバー、6……空洞、7……低エ
ツチング速度不純物層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 政之 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 松本 昌大 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 横田 吉弘 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社日立製作所佐和工場内

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも対向する面が電気的な絶縁性を
    備えた一対の基板と、前記一対の基板の電気的な絶縁性
    を備えた面に配設された固定電極と、前記一対の基板の
    間に固定端が設けられ、かつ自由端が前記一対の基板の
    間で自由に振れるようにされたカンチレバーと、前記カ
    ンチレバーの自由端に支承され電気的な導体性を有する
    質量体とを備えた加速度検出器において、前記質量体の
    内部に空間を形成する孔を設け、その孔の開口部の面積
    が前記質量体の内部の空間の水平方向の断面積よりも小
    さく構成したことを特徴とする加速度検出器。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記質量体をシリコン
    で形成し、しかも前記孔以外の表面を低エッチング速度
    を有する不純物層で形成してなることを特徴とする加速
    度検出器。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記質量体をシリコン
    で形成し、しかも前記孔以外の表面を絶縁層と導体層で
    形成してなることを特徴とする加速度検出器。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記質量体の厚さは前
    記カンチレバーの厚さよりも大きいことを特徴とする加
    速度検出器。
  5. 【請求項5】少なくとも対向する面が電気的な絶縁性を
    備えた一対の基板と、前記一対の基板の電気的な絶縁性
    を備えた面に配設された固定電極と、前記一対の基板の
    間に固定端が設けられ、かつ自由端が前記一対の基板の
    間で自由に振れるようにされたカンチレバーと、前記カ
    ンチレバーの自由端に支承され電気的な導体性を有する
    質量体とを備えた加速度検出器において、前記質量体は
    2枚のシリコン板を接着して形成されており、しかもそ
    れぞれのシリコン板の接着面側に形成された凹部で前記
    質量体の内部に空間を設けたことを特徴とする加速度検
    出器。
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JPS6227666A (ja) * 1985-07-25 1987-02-05 リットン システムズ インコ−ポレ−テッド 加速度計
JPH01152369A (ja) * 1987-12-09 1989-06-14 Hitachi Ltd 容量式加速度センサ

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