JP2551625C - - Google Patents

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JP2551625C
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gauge
gauge resistors
acceleration
weights
beams
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Fujikura Ltd
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、航空機、自動車等各種の分野において用いられる半導体加速度セ
ンサに係り、特に検出感度の向上を図った半導体加速度センサに関する。 [従来の技術] 第5図は従来の半導体加速度センサの構造を示す斜視図、第6図は第5図のA
A線断面図である。 これらの図において、1は方形状に形成されたシリコン単結晶基板(以下、S
i基板という)であり、このSi基板1の周縁部に沿って略C字状の空隙部2が
形成されている。1aは片持梁部であり、空隙部2によって細く、かつ薄く(第
6図参照)形成されており、この片持梁部1aの先端に方形状の重り部1bが形
成されている。3a、3aは各々片持梁部1aにボロン等の3族元素を熱拡散ま
たはイオン注入により形成したゲージ抵抗である。3b、3bは各々前記ゲージ
抵抗3a、3aと同様にボロン等の3族元素を熱拡散またはイオン注入により形
成したゲージ抵抗であり、第1図に示すように、片持梁部1aとSi基板1の接
続部分のSi基板1側に設けられている。これらゲージ抵抗3a、3a、3b、
3bは、第7図に示すようにゲージ抵抗3a、3aが対辺となるようにブリッジ
接続されている。 このように構成された半導体加速度センサにおいて、第6図に示すように、矢 印B方向から加速度が加わると、この加わった方向に重り部1bが偏位し、片持
梁部1aは撓む。これにより、片持梁部1aに設けられたゲージ抵抗3a、3a
は各々引っ張りの歪を受け、この歪に応じた分、抵抗値が変化する。しかして、
ブリッジ回路の出力端から加わった加速度の大きさに応じた出力Voが得られる
。 [発明が解決しようとする課題] ところで、上述した従来の半導体加速度センサにあっては、片持梁部1aに設
けられたゲージ抵抗3a、3aのみが外部より加わる加速度によって変化するよ
うになっているので(残りのゲージ抵抗3b、3bは単にブリッジを組むための
もの)、検出感度はこれらゲージ抵抗3a、3aの値によって決まってしまう。
すなわち、ゲージ抵抗3a、3aの抵抗値の変化により決定される検出感度以上
の検出感度が得られないということになる。例えば、片持梁部1aに設けたゲー
ジ抵抗3a、3aに加え、残りのゲージ抵抗3b、3bをも外部より加わる加速
度によって変化させるようにした場合に比べて略半分の検出感度しか得られない
。 この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、片持梁部に設けられたゲー
ジ抵抗の抵抗値の変化によって決定される検出感度以上の検出感度を得ることが
できる半導体加速度センサを提供することを目的としている。 [課題を解決するための手段] 上記目的を実現するために、本発明は、センサの周縁部に形成される支持部と
、複数の重り部と、該重り部間、及び該重り部と該支持部との間を連結する複数
の梁部と、加速度が加わった際に圧縮される面と引っ張られる面のそれぞれを有
するこれら梁部の内の少なくとも2つの梁部の上に拡散形成されるゲージ抵抗と
を具備していることを特徴とするものである。 [作用] この発明によれば、例えば、外部より加速度が加わると、この加速度が加わっ
た複数の梁部の内の第1の梁部の面が圧縮される。これにより、第1の梁部に設
けられた2個のゲージ抵抗各々が圧縮の歪を受け、この歪の分、抵抗値が増加す
る。一方、複数の梁部の内の第2および第3の梁部の加速度が加わった面が引っ 張られる。これにより、第2および第3の梁部に設けられたゲージ抵抗各々が引
っ張りの歪を受け、この歪の分、抵抗値が減少する。しかして、上記各ゲージ抵
抗の抵抗率が等しければ、これらを、連絡してブリッジ回路を作った場合、その
ブリッジ回路の出力は、片持梁に設けられた2個のゲージ抵抗のみが外部より加
わる加速度により変化する従来の半導体加速度センサに比べて約2倍となる。 [実施例] 以下、図面を参照してこの発明の実施例について説明する。 第1図はこの発明の一実施例の構成を示す斜視図、第2図は第1図のCC線断
面図である。 これらの図において、5は方形状に形成されたSi基板である。このSi基板
5には、図面幅方向に対向してE字状の空隙部6a、6bが形成されている。7
a、7bは各々前記空隙部6a、6bによって方形状に形成された重り部である
。8aは前記重り部7aと重り部7bとの間に形成された梁部、8bは重り部7
aとSi基板5の周縁部(以下、支持部という)との間に形成された梁部、8c
は重り部7bと支持部との間に形成された梁部である。これら梁部8a〜8cは
いずれも前記空隙部6a、6bによって細く、かつ薄く(第2図参照)形成され
ている。上記した梁部8b、8cによって重り部7a、7bを両側から支持する
ことによって、所謂両持梁構造となっている。9a〜9dは各々ゲージ抵抗であ
り、これらのうちゲージ抵抗9a、9bは各々前記梁部8aに、ゲージ抵抗9c
は前記梁部8bに、ゲージ抵抗9dは前記梁部8cにそれぞれ設けられている。
これらゲージ抵抗9a〜9dは各々ボロン等の3族元素を熱拡散またはイオン注
入により形成したものである。また、ゲージ抵抗9a〜9dは、第3図に示すよ
うに、ゲージ抵抗9a、9bが対辺となるようにブリッジ接続されている。 このように構成された両持梁構造の半導体加速度センサにおいて、第4図に示
すように、矢印D方向から加速度が加わると、梁部8aの加速度の加わった面が
圧縮される。これにより、梁部8aに設けられたゲージ抵抗9a、9b各々が圧
縮の歪を受け、この歪の分、抵抗値が増加する。一方、梁部8b、8cの加速度
の加わった面が引っ張られる。これにより、梁部8b、8cに設けられたゲージ
抵抗9c、9d各々力弓Iっ張りの歪を受け、この歪の分、抵抗値が減少する。
し かして、各ゲージ抵抗9a〜9dの抵抗値の変化分に応じた電圧がブリッジ回路
から出力される。この場合、各ゲージ抵抗9a〜9dの抵抗率を等しくすること
によって、その出力は2個のゲージ抵抗のみを変化させるようにした従来の半導
体加速度センサ(第5図参照)に比べて略2倍(2Vo)となる。すなわち、検
出感度が約2倍となる。 ところで、上記の実施例は、ゲージ抵抗をセンサ上でブリッジ配線した構成で
あり、その検出出力は非常に大きなものが取り出せる。しかしながら、本発明の
要旨は、複数の重り部と、該重り部間、及び該重り部と該支持部との間を連結す
る複数の梁部と、加速度が加わった際に圧縮される面と引っ張られる面のそれぞ
れを有するこれら梁部の内の少なくとも2つの梁部の上に拡散形成されるゲージ
抵抗とを具備したことにあるから、ゲージ抵抗の数、および位置については限定
されず、配線構成もそれに応じて、第4図の基本的な配線図以外に種々の変形例
が存在するものである。更には、基準抵抗や温度補正用の抵抗を支持部に拡散形
成した場合には、それらを含めた配線構成となる。 なお、重り部、梁部の材質は任意である、本実施例では、梁部を形成する際に
は、支持部を同一の半導体単結晶基板から一体的にエッチングする構成をとり、
この梁部上に拡散抵抗を形成しているが、この梁部を、ポリシリコンなどの異種
の材料の単層、或は、複層にて構成させても良い。この場合は、単結晶より抵抗
変化率が小となるが、梁部の精度が出し易いという利点がある。 [発明の効果] 以上説明したようにこの発明によれば、センサの周縁部に形成される支持部と
、複数の重り部と、該重り部間及び該重り部と該支持部との間を連結する複数の
梁部と、加速度が加わった際に圧縮される面と引っ張られる面のそれぞれを有す
るこれら梁部の内の少なくとも2つの梁部の上に拡散形成されるゲージ抵抗とを
具備したので、従来の半導体加速度センサに比較して、検出感度が増大する。ま
た、両持梁構造としているので破壊強度が増大するという利点も得られる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor used in various fields such as aircraft and automobiles, and more particularly to a semiconductor acceleration sensor with improved detection sensitivity. [Prior Art] FIG. 5 is a perspective view showing a structure of a conventional semiconductor acceleration sensor, and FIG. 6 is a view A of FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line A. In these figures, reference numeral 1 denotes a silicon single crystal substrate (hereinafter referred to as S
A substantially C-shaped gap 2 is formed along the periphery of the Si substrate 1. Reference numeral 1a denotes a cantilever portion, which is formed thin and thin (see FIG. 6) by the gap portion 2 and has a rectangular weight portion 1b formed at the tip of the cantilever portion 1a. Reference numerals 3a and 3a denote gauge resistors formed by thermally diffusing or ion-implanting a Group 3 element such as boron in the cantilever portion 1a. Reference numerals 3b and 3b denote gauge resistors formed by thermally diffusing or ion-implanting a Group 3 element such as boron in the same manner as the gauge resistors 3a and 3a. As shown in FIG. 1 is provided on the Si substrate 1 side of the connection portion. These gauge resistors 3a, 3a, 3b,
3b is bridge-connected such that the gauge resistors 3a, 3a are on opposite sides as shown in FIG. In the semiconductor acceleration sensor thus configured, as shown in FIG. 6, when acceleration is applied in the direction of arrow B, the weight 1b is displaced in the direction in which the acceleration is applied, and the cantilever 1a is bent. Thereby, the gauge resistors 3a, 3a provided on the cantilever 1a are provided.
Receive a tensile strain, and the resistance value changes by an amount corresponding to the strain. Then
An output Vo corresponding to the magnitude of the acceleration applied from the output terminal of the bridge circuit is obtained. [Problems to be Solved by the Invention] In the above-described conventional semiconductor acceleration sensor, only the gauge resistors 3a and 3a provided on the cantilever 1a are changed by an externally applied acceleration. (The remaining gauge resistances 3b and 3b are merely for forming a bridge), the detection sensitivity is determined by the values of the gauge resistances 3a and 3a.
That is, a detection sensitivity higher than the detection sensitivity determined by the change in the resistance value of the gauge resistors 3a, 3a cannot be obtained. For example, in addition to the gauge resistances 3a and 3a provided on the cantilever 1a, the remaining gauge resistances 3b and 3b can be detected only about half as sensitively as compared with the case where the remaining gauge resistances 3b and 3b are changed by an externally applied acceleration. . The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a semiconductor acceleration sensor capable of obtaining a detection sensitivity higher than a detection sensitivity determined by a change in a resistance value of a gauge resistor provided in a cantilever portion. It is intended to be. [Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a support formed on a peripheral portion of a sensor, a plurality of weights, a space between the weights, and A plurality of beams that connect to the supporting portion and a surface that is compressed and a surface that is pulled when acceleration is applied are formed on at least two of the beams, respectively, by diffusion. And a gauge resistor. [Operation] According to the present invention, for example, when acceleration is applied from the outside, the surface of the first beam portion of the plurality of beam portions to which the acceleration is applied is compressed. As a result, each of the two gauge resistors provided on the first beam portion receives a compressive strain, and the resistance value increases by the amount of the strain. On the other hand, the surface of the second and third beam portions of the plurality of beam portions to which the acceleration is applied is pulled. As a result, each of the gauge resistors provided on the second and third beams receives tensile strain, and the resistance value is reduced by the amount of the strain. If the resistivity of each of the gauge resistors is equal, if these are connected to form a bridge circuit, the output of the bridge circuit is only the two gauge resistors provided on the cantilever from outside. It is about twice as large as that of a conventional semiconductor acceleration sensor that changes according to the applied acceleration. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the structure of one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line CC of FIG. In these figures, reference numeral 5 denotes a square-shaped Si substrate. E-shaped voids 6a and 6b are formed in the Si substrate 5 so as to face in the drawing width direction. 7
Reference numerals a and 7b denote weight portions formed in a square shape by the gap portions 6a and 6b, respectively. 8a is a beam formed between the weights 7a and 7b, and 8b is a weight 7
a formed between a and a peripheral portion (hereinafter referred to as a support portion) of Si substrate 5, 8 c
Is a beam formed between the weight 7b and the support. Each of these beam portions 8a to 8c is formed thin and thin (see FIG. 2) by the gap portions 6a and 6b. By supporting the weights 7a, 7b from both sides by the above-mentioned beams 8b, 8c, a so-called doubly supported beam structure is obtained. Reference numerals 9a to 9d denote gauge resistors. Of these, the gauge resistors 9a and 9b are respectively connected to the beam portions 8a and the gauge resistors 9c.
Is provided on the beam portion 8b, and a gauge resistor 9d is provided on the beam portion 8c.
Each of the gauge resistors 9a to 9d is formed by thermally diffusing or ion-implanting a Group 3 element such as boron. The gauge resistors 9a to 9d are bridge-connected such that the gauge resistors 9a and 9b are on opposite sides as shown in FIG. In the doubly-supported semiconductor acceleration sensor configured as described above, when acceleration is applied from the direction of arrow D as shown in FIG. 4, the surface of the beam portion 8a to which the acceleration is applied is compressed. As a result, each of the gauge resistors 9a and 9b provided on the beam portion 8a receives a compressive strain, and the resistance value increases by the amount of the strain. On the other hand, the surfaces of the beams 8b and 8c to which the acceleration is applied are pulled. As a result, the gauge resistors 9c and 9d provided in the beam portions 8b and 8c respectively receive the strain of the force bow I, and the resistance value decreases by the amount of the strain.
Thus, a voltage corresponding to the change in the resistance value of each of the gauge resistors 9a to 9d is output from the bridge circuit. In this case, by making the resistivity of each of the gauge resistors 9a to 9d equal, the output is approximately twice as large as that of a conventional semiconductor acceleration sensor (see FIG. 5) in which only two gauge resistors are changed. (2Vo). That is, the detection sensitivity is approximately doubled. In the above embodiment, the gauge resistance is bridge-wired on the sensor, and a very large detection output can be obtained. However, the gist of the present invention is that a plurality of weights, between the weights, and a plurality of beams connecting between the weights and the support, and a surface that is compressed when acceleration is applied. A gauge resistance diffused and formed on at least two of the beams having each of the surfaces to be pulled, so that the number and position of the gauge resistors are not limited. Accordingly, various modifications other than the basic wiring diagram of FIG. 4 exist. Further, when a reference resistance and a resistance for temperature correction are diffused and formed in the support portion, the wiring configuration includes them. The material of the weight portion and the beam portion is arbitrary. In this embodiment, when the beam portion is formed, the support portion is integrally etched from the same semiconductor single crystal substrate,
Although the diffusion resistance is formed on the beam portion, the beam portion may be formed by a single layer or a multi-layer of a different material such as polysilicon. In this case, although the resistance change rate is smaller than that of the single crystal, there is an advantage that the accuracy of the beam portion is easily obtained. [Effect of the Invention] As described above, according to the present invention, the support portion formed on the peripheral portion of the sensor, the plurality of weight portions, the space between the weight portions, and the space between the weight portion and the support portion are provided. A plurality of beams to be connected; and a gauge resistor diffusely formed on at least two of the beams having a surface that is compressed and a surface that is pulled when an acceleration is applied. Therefore, the detection sensitivity is increased as compared with the conventional semiconductor acceleration sensor. In addition, because of the double-supported beam structure, there is obtained an advantage that the breaking strength is increased.

【図面の簡単な説明】 第1図はこの発明の一実施例の構成を示す斜視図、 第2図は第1図のCC線断面図、 第3図は前記実施例の電気的接続を示す配線図、 第4図は前記実施例の動作を説明するための断面図、 第5図は従来の半導体加速度センサの構成を示す斜視図、 第6図は第5図のAA線断面図、 第7図は第5図の電気的接続を示す配線図である。 5……シリコン単結晶基板(支持部)、 7a,7b……重り部、 8a〜8c……梁部、 9a〜9d……ゲージ抵抗。[Brief description of the drawings]   FIG. 1 is a perspective view showing the structure of one embodiment of the present invention,   FIG. 2 is a sectional view taken along the line CC of FIG. 1,   FIG. 3 is a wiring diagram showing an electrical connection of the embodiment,   FIG. 4 is a sectional view for explaining the operation of the embodiment,   FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a conventional semiconductor acceleration sensor,   FIG. 6 is a sectional view taken along line AA of FIG. 5,   FIG. 7 is a wiring diagram showing the electrical connection of FIG. 5 ... silicon single crystal substrate (support) 7a, 7b ... weight part, 8a to 8c: beam part, 9a to 9d: gauge resistance.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 センサの周縁部に形成される支持部と、複数の重り部と、該重り部間及び該重
り部と該支持部との間を連結する複数の梁部と、加速度が加わった際に圧縮され
る面と引っ張られる面のそれぞれを有するこれら梁部の内の少なくとも2つの梁
部の上に拡散形成されるゲージ抵抗とを具備していることを特徴とする半導体加
速度センサ。
Claims: A support formed on a peripheral portion of a sensor, a plurality of weights, a plurality of beams connecting between the weights and between the weights and the support, A semiconductor acceleration sensor having a gauge resistance diffusely formed on at least two of these beams having a surface compressed and a surface pulled when applied. .

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