JP2773460B2 - Semiconductor acceleration sensor - Google Patents
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- G01P2015/0828—Measuring 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
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体加速度センサ、
特にサーボ型半導体加速度センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor,
In particular, it relates to a servo type semiconductor acceleration sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、半導体加速度センサは主にシリコ
ン基板を出発材料として製造されている。この中で加速
度の検出原理の違いにより、ピエゾゲージをシリコン中
に設けて加速度に比例して変形する梁の応力をその抵抗
値の変化を利用して読み出すものと、加速度に比例して
変位する可動電極を設けてその電極と基板表面に設けら
れた電極との間で構成されるコンデンサの容量が加速度
に応じて変化するのを読み取るものとの2つの形式が知
られている。前者は、アイトリプルイー トランザクシ
ョンズ オン エレクトロン デバイセズ(IEEE
TRANSACTIONS ON ELECTRON
DEVICES)、VoL.ED−26,P.191
1,1979に紹介されているようなものがある。静電
容量の変化を利用する後者の加速度センサでは、前者の
ピエゾ抵抗を利用したセンサよりも、製造が容易である
という利点がある。つまり、前者が正確なピエゾゲージ
を製造するためにイオン注入等の高精度な不純物拡散プ
ロセスを経て作製されるのに対して、後者では導電性を
有する材料で構成されるコンデンサの容量変化を利用す
るため、構造を作りさえすれば容易に動作可能なデバイ
スが作製できるからである。その構造の一例を図5に示
した。これは特開平1−240865号公報に開示さ
れ、トランスジューサ’89(Transducer’
89)において発表され、センサとアクチュエータ(S
ensors and Actuators),A21
−A23,1990,P316−319に掲載されたサ
ーボ型のセンサである。この例では、ピエゾ型の半導体
加速度センサと同様のシリコン片持ち梁55を利用する
とともに、入力された加速度に対する加速度検出系の運
動自由度を極力制限した構造を採用している。入力加速
度を可動電極51であるおもり部と上下のガラス基板5
4上に設けられた電極52,53間の容量をスイッチト
キャパシター技術によって測定し、片持ち梁55のたわ
みが0になるようにパルス幅変調(PWM)による制御
電圧を電極52,53に与えている。この制御は正負の
電荷が引き合う力(引力)を用いた引力制御であるか
ら、上下に2枚の電極が必要である。これ以前のサーボ
型容量センサでは、通常、容量検出電極と可動電極をコ
ントロールするための電極が別になっていたため、コン
デンサー組を複数設けていたが、この例では時分割によ
り電極を共有しているため2つの電極のみからなり、シ
ンプルな構造となっている。このセンサでは、帯域10
0Hz程度,感度1V/G程度のものが得られている。2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor acceleration sensor is mainly manufactured using a silicon substrate as a starting material. Due to the difference in acceleration detection principle, a piezo gauge is provided in silicon to read out the stress of a beam that deforms in proportion to the acceleration by using the change in its resistance value, and a movable type that displaces in proportion to the acceleration There are two types known in which an electrode is provided and a capacitor configured between the electrode and the electrode provided on the surface of the substrate reads the change in capacitance according to acceleration. The former is based on iTripleE Transactions on Electron Devices (IEEE)
TRANSACTIONS ON ELECTRON
DEVICES), VoL. ED-26, p. 191
1, 1979. The latter acceleration sensor using the change in capacitance has an advantage that it is easier to manufacture than the former sensor using piezoresistance. In other words, the former utilizes a change in capacitance of a capacitor made of a conductive material, while the former is manufactured through a high-precision impurity diffusion process such as ion implantation in order to manufacture an accurate piezo gauge. Therefore, a device that can be easily operated can be manufactured as long as the structure is made. An example of the structure is shown in FIG. This is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 1-2240865, and the transducer '89 (Transducer ') is disclosed.
89), sensors and actuators (S
sensors and Actuators), A21
-A23, 1990, P316-319. In this example, a silicon cantilever 55 similar to a piezo-type semiconductor acceleration sensor is used, and a structure in which the degree of freedom of movement of an acceleration detection system with respect to input acceleration is limited as much as possible. The input acceleration is applied to the weight portion serving as the movable electrode 51 and the upper and lower glass substrates 5.
The capacitance between the electrodes 52 and 53 provided on 4 is measured by a switched capacitor technique, and a control voltage by pulse width modulation (PWM) is applied to the electrodes 52 and 53 so that the deflection of the cantilever 55 becomes zero. I have. Since this control is an attractive force control using a force (attraction) of attracting positive and negative charges, two upper and lower electrodes are required. In previous servo type capacitance sensors, usually, a capacitance detection electrode and an electrode for controlling the movable electrode were separate, so a plurality of capacitor sets were provided, but in this example, the electrodes are shared by time division. Therefore, it has only two electrodes and has a simple structure. In this sensor, band 10
The one having about 0 Hz and the sensitivity of about 1 V / G is obtained.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来からピエゾ抵抗効
果を利用した多軸の加速度検出を行える機能を有したセ
ンサがある。一般に加速度を検出するために用いられる
素子には半導体が用いられ非線型性を有する。例えばも
し素子に非線型性が無ければ複数のピエゾ抵抗効果素子
を利用することによってx,y,z軸に沿った加速度の
みを検出することができる。しかし、ピエゾ抵抗効果素
子は非線型性を有し、しかもその非線型性が軸によって
異なるため、実際に入力されている加速度の大きさが各
々の軸で同じであっても、その強度が変化すると検出さ
れる加速度の相対的な大きさが変化してしまうと言う問
題があった。Conventionally, there is a sensor having a function of performing multi-axis acceleration detection using the piezoresistance effect. In general, a semiconductor is used as an element used for detecting acceleration and has non-linearity. For example, if the element has no nonlinearity, it is possible to detect only the acceleration along the x, y, and z axes by using a plurality of piezoresistive effect elements. However, the piezoresistive effect element has non-linearity, and since the non-linearity differs depending on the axis, even if the magnitude of the actually input acceleration is the same for each axis, the intensity changes. Then, there is a problem that the relative magnitude of the detected acceleration changes.
【0004】また、従来の容量型半導体加速度センサで
は、基本的には1対のコンデンサしか持っていないた
め、一つの軸の加速度しか測定できず、x,y,z軸の
加速度を一つのセンサで測定することが不可能であっ
た。Further, since the conventional capacitive semiconductor acceleration sensor basically has only one pair of capacitors, it can measure acceleration of only one axis, and can measure acceleration of x, y, z axes by one sensor. Was impossible to measure.
【0005】また、フィードバック機構を備えたサーボ
型の半導体加速度センサにおいて、上記の理由によっ
て、電極の検出可能な加速度信号以外の振動を加速度検
出系に入力させた場合にはコントロールが不能になるた
め、おもりに平行におかれた1対のコンデンサによって
検出できる加速度センサの共振モードがそのほかに励起
され得る共振モードに比較してしめる割合が非常に大き
い構造すなわち片持ち梁構造のセンサしか実用化できな
い問題があった。Further, in a servo type semiconductor acceleration sensor having a feedback mechanism, if vibration other than an acceleration signal detectable by an electrode is input to the acceleration detection system, control becomes impossible. Only a sensor having a structure in which the resonance mode of the acceleration sensor that can be detected by a pair of capacitors placed in parallel with the weight is very large compared to other resonance modes that can be excited, ie, a cantilever structure sensor, can be put to practical use. There was a problem.
【0006】本発明の目的は、複数軸の加速度を測定で
きる容量型加速度センサを提供することにある。An object of the present invention is to provide a capacitive acceleration sensor capable of measuring accelerations on a plurality of axes.
【0007】また本発明の他の目的は、片持ち梁に限ら
ずいかなる構造のセンサでもサーボフィードバックでき
るようにすることにある。It is another object of the present invention to enable a sensor having any structure, not limited to a cantilever, to perform servo feedback.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体加速度セ
ンサは、支持基板上に設けられた可動電極と、この電極
が共振した際に生じる共振モードの腹に相当する位置に
対向する支持基板上に設けられた複数の対向電極と、可
動電極と支持基板との間に設けられたコンデンサ構造
と、各々の対向電極に加えられる電圧の積和演算を行
い、加速度のベクトル成分を分離する手段とを備えたこ
とを特徴とする。A semiconductor acceleration sensor according to the present invention comprises a movable electrode provided on a support substrate and a movable electrode provided on the support substrate opposed to a position corresponding to an antinode of a resonance mode generated when the electrode resonates. A plurality of opposing electrodes provided on the substrate, a capacitor structure provided between the movable electrode and the support substrate, and means for performing a product-sum operation of voltages applied to the respective opposing electrodes and separating a vector component of acceleration. It is characterized by having.
【0009】また本発明の半導体加速度センサは、支持
基板上に設けられた可動電極と、この電極が共振した際
に生じる共振モードの腹に相当する位置に対向する支持
基板上に設けられた複数の対向電極と、可動電極である
支持基板との間に設けられたコンデンサ構造と、各々の
対向電極と可動電極との間の容量を別々に検出する手段
と、検出信号に応じて各々の電極をバイアスする手段と
を備えたことを特徴とする。Further, the semiconductor acceleration sensor of the present invention comprises a movable electrode provided on a support substrate and a plurality of electrodes provided on the support substrate facing positions corresponding to antinodes of resonance modes generated when the electrodes resonate. And a capacitor structure provided between a supporting substrate which is a movable electrode, means for separately detecting the capacitance between each counter electrode and the movable electrode, and each electrode according to a detection signal. Means for biasing
【0010】さらに本発明では、コンデンサを構成する
電極間を短絡させる手段を有し、コンデンサのどちらか
1つの電極との間に絶縁体を挟み第3の電極を配置し
て、別のコンデンサを構成するのが好適である。Further, in the present invention, there is provided a means for short-circuiting between the electrodes constituting the capacitor, and a third electrode is arranged with an insulator interposed between any one of the electrodes of the capacitor to form another capacitor. It is preferred to configure.
【0011】[0011]
【作用】一般に振動系には、その系で発生する任意の振
動を記述できる様な少数の基準振動(振動モード)の組
が存在する。通常の振動下では、各々の基準振動振幅に
は明確な大きさの違いが存在し、全ての基準振動の組の
うちの2つないしは3つを用いることで振動系で起こる
振動をおおよそ記述することが可能である。そこで、こ
の少数の基準モードを公知の有限要素法を利用して予め
求めておき、各振動モードの腹の位置に電極を配置し
て、コンデンサを構成することにより、振動の全ての情
報を得ることが可能となる。この情報をそのまま利用す
れば、一つのセンサで複数の軸の加速度を検出できる
し、各々の容量変化を打ち消すようにバイアス電圧を加
え梁の変形を阻止する回路を設けることによって、全て
の振動モードに対して安定な動作ができるサーボ型半導
体加速度センサを作ることができる。実際に多軸の検出
を行う場合には配置された電極各々においてサーボルー
プを構築し、各々の電極間の距離が一定値になるような
制御を行う。そして、その制御に用いられている電圧を
積和演算して各々の軸に沿った加速度を検出する。例え
ば正方形の四隅に4つのコンデンサが形成されている場
合に、電極を制御するために用いる電圧をV1,V2,
V3,V4とすると、加速度を検出するための振動子が
センサ面に対して垂直に振動する状態を検出するために
はサーボ電圧V1,V2,V3,V4の和をもとめる演
算を施す。また、X軸もしくはY軸の加速度を検出する
場合にはV1+V2−V3−V4もしくはV1+V3−
V2−V4の電圧を求めるような演算を施す。また、軸
の干渉の程度を予め記憶装置に記憶させておき、そのデ
ータを利用して上記演算の答えを補正することによって
より正確な加速度測定を行うことが可能となる。In general, a vibration system has a small set of reference vibrations (vibration modes) that can describe any vibration generated in the vibration system. Under normal vibration, there is a clear difference in the amplitude of each reference vibration, and the vibration occurring in the vibration system is roughly described by using two or three of all sets of reference vibrations. It is possible to Therefore, by obtaining the small number of reference modes in advance using a known finite element method, arranging electrodes at positions of antinodes of each vibration mode, and forming a capacitor, all information of the vibration is obtained. It becomes possible. If this information is used as it is, a single sensor can detect acceleration in multiple axes, and by providing a circuit that applies a bias voltage to cancel each capacitance change and prevents deformation of the beam, all vibration modes can be detected. A servo-type semiconductor acceleration sensor that can operate stably with respect to the above can be manufactured. When actually performing multi-axis detection, a servo loop is constructed for each of the arranged electrodes, and control is performed so that the distance between the electrodes becomes a constant value. Then, a product-sum operation is performed on the voltages used for the control to detect acceleration along each axis. For example, when four capacitors are formed at four corners of a square, the voltages used to control the electrodes are V1, V2,
Assuming that V3 and V4 are set, an operation for obtaining the sum of the servo voltages V1, V2, V3 and V4 is performed to detect a state in which the vibrator for detecting acceleration vibrates perpendicularly to the sensor surface. When detecting the acceleration of the X-axis or the Y-axis, V1 + V2-V3-V4 or V1 + V3-
An operation is performed to obtain the voltage V2-V4. In addition, by storing the degree of shaft interference in a storage device in advance and using the data to correct the answer of the above calculation, more accurate acceleration measurement can be performed.
【0012】一方、静電型半導体加速度センサにおい
て、サーボをかけるには可動電極に対して上下にバイア
ス電極を必要としたが、それは2つの電極によって構成
されるコンデンサに電圧を加えると、各々の電極が互い
に引きあう力(引力)が発生することを利用しているた
めである。しかし、電荷にはプラスとマイナスの2種類
が存在し、引力だけでなく反発力も同様に取り出すこと
ができるはずである。前者のコンデンサで互いに引きあ
うのは、2つの電極がプラスマイナスに各々バイアスさ
れるために各々の電極を構成する材料の表面に各々プラ
スとマイナスの余剰電荷ができ、その余剰電荷が絶縁体
を介して引きあうためである。そこで、第3の電極を用
いて前述の2つの電極の間に別のコンデンサを構成し、
2つの電極と第3の電極との間にバイアス電圧を加える
ことができれば、第3の電極に対しては極性が反対であ
るが、2つの電極の上には同じ極性の表面電荷を生じさ
せることが可能となり、電極間に反発力を生じさせるこ
とができる。この原理は検電気の原理と全く同様であ
る。On the other hand, in the electrostatic type semiconductor acceleration sensor, a bias electrode is required above and below the movable electrode in order to apply a servo. However, when a voltage is applied to a capacitor formed by two electrodes, each of the bias electrodes is applied. This is because the electrode utilizes the generation of a force (attraction) in which the electrodes attract each other. However, there are two types of charge, plus and minus, and it should be possible to extract not only attractive force but also repulsive force. The former capacitor pulls each other because the two electrodes are biased positively and negatively, respectively, so that positive and negative surplus electric charges are formed on the surface of the material constituting each electrode, and the surplus electric charge forms an insulator. This is because they are going through each other. Therefore, another capacitor is formed between the two electrodes using the third electrode,
If a bias voltage can be applied between the two electrodes and the third electrode, the polarity is opposite to the third electrode, but a surface charge of the same polarity is generated on the two electrodes. And a repulsive force can be generated between the electrodes. This principle is exactly the same as the principle of electric detection.
【0013】[0013]
【実施例】図1に、本発明の第1の実施例である半導体
加速度センサの平面図を示す。可動電極9は、支持部5
を中心に梁65で支えられた「田」の字形をした電極
で、その四隅に下部電極21a〜21dが対向してい
る。FIG. 1 is a plan view of a semiconductor acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention. The movable electrode 9 includes the support 5
Are formed in the shape of a "field" supported by a beam 65 with the lower electrode 21a to 21d facing the four corners.
【0014】この半導体加速度センサの構造を、図2の
製造工程図に基づき、その製造過程を参照しながら、更
に詳細に説明する。The structure of the semiconductor acceleration sensor will be described in more detail with reference to the manufacturing process diagram of FIG. 2 and referring to the manufacturing process.
【0015】先ず、図2(a)に示すように、基板とな
るシリコン基板1を用意する。この基板は、単純に支持
基板として機能するので、抵抗値の高い基板もしくはS
OIウエハー、プロセスが許せばガラス基板のような絶
縁基板を用いる。ここでは、シリコン基板を用いた場合
について述べる。次に、表面に厚さ1ミクロン程度の酸
化膜2を堆積する。その上に下部電極21となるアルミ
ニウム3を堆積し電極形状にパターニングする。その上
に可動電極9とのショートを防ぐために酸化膜4を薄く
堆積して保護する。次に、図2(b)に示すように、可
動電極9の支持部分となる領域5の酸化膜4を取り除
く。次に、図2(c)に示すように犠牲層となる金7を
数千オングストロームから数ミクロンの厚みに堆積す
る。次に、図2(d)に示すように、支持部の金を取り
除くために支持部分5のみエッチングを行う。その上
に、図2(e)に示すように、可動電極9となる金属な
どの導電性の材料(例えばTi)8を厚さ数千オングス
トロームから数ミクロン堆積し、所定の平面形状にエッ
チング加工する。最後に図2(f)に示すように、犠牲
層である金7をエッチングにより取り除いて導電性材料
8と酸化膜4の間に空間を作り可動電極9を得る。な
お、図2(f)は、図1のA−A′断面を示している。First, as shown in FIG. 2A, a silicon substrate 1 serving as a substrate is prepared. Since this substrate simply functions as a support substrate, a substrate having a high resistance value or S
An OI wafer or an insulating substrate such as a glass substrate if the process permits. Here, a case where a silicon substrate is used will be described. Next, an oxide film 2 having a thickness of about 1 micron is deposited on the surface. Aluminum 3 serving as the lower electrode 21 is deposited thereon and patterned into an electrode shape. An oxide film 4 is deposited thinly to protect the movable electrode 9 from short-circuiting. Next, as shown in FIG. 2B, the oxide film 4 in a region 5 serving as a support portion of the movable electrode 9 is removed. Next, as shown in FIG. 2C, gold 7 serving as a sacrificial layer is deposited to a thickness of several thousand angstroms to several microns. Next, as shown in FIG. 2D, only the support portion 5 is etched to remove gold from the support portion. As shown in FIG. 2 (e), a conductive material (for example, Ti) 8 such as a metal to be a movable electrode 9 is deposited thereon from a thickness of several thousand angstroms to several microns to form a predetermined planar shape. I do. Finally, as shown in FIG. 2 (f), the gold 7 which is a sacrificial layer is removed by etching to form a space between the conductive material 8 and the oxide film 4 to obtain the movable electrode 9. FIG. 2F shows a cross section taken along line AA ′ of FIG.
【0016】図3は可動電極9を取り除いた平面図であ
り、下部電極21a〜21dは外部との電気的なやり取
りをするためのアルミパッド23と配線22で接続され
ている。センサが対称ならば共振モードの腹の位置も対
称であるから下部電極21a,21b,21c,21d
も同様に対称に配置される。通常3次までのモードを考
慮すると、1次がセンサおもりの垂直運動、2次,3次
が横揺れとなるため、電極は図1,図3に示したように
最低で4つ設ければ良い。尚、24は可動電極9に対し
て電気を供給するためのコンタクト電極である。FIG. 3 is a plan view with the movable electrode 9 removed, and the lower electrodes 21a to 21d are connected to an aluminum pad 23 for electrical exchange with the outside via a wiring 22. If the sensor is symmetric, the antinode positions of the resonance mode are also symmetric, so the lower electrodes 21a, 21b, 21c, 21d
Are similarly arranged symmetrically. Normally, considering the modes up to the third order, the first order is the vertical motion of the sensor weight, the second and third orders are the roll, so if at least four electrodes are provided as shown in FIGS. good. 24 is a contact electrode for supplying electricity to the movable electrode 9.
【0017】このセンサでサーボフィードバック動作を
行わせるためには、まず、可動電極9と各々の下部電極
21a〜21dの間の容量を測定し基準値と比較して誤
差増幅を行う。その増幅された電圧を各々のコンデンサ
に加え、その容量が基準値に等しくなるようにバイアス
を行う。この際にコンデンサに加えられている電圧が外
から入力されている加速度信号に比例しているため、そ
れを取り出すことによって加速の検出が可能である。さ
らに、多軸の加速検出を行うためには、各々の下部電極
21a〜21dに加えられている電圧の積和演算を行う
必要がある。実際に多軸の検出を行う場合には、配置さ
れた電極各々においてサーボループを構築し、各々の電
極間の距離が一定値になるような制御を行う。そして、
その制御に用いられている電圧を積和演算して各々の軸
に沿った加速度を検出する。例えば、本発明のように4
つのコンデンサが形成されている場合に、下部電極21
a〜21dを制御するために用いられる電圧をVa,V
b,Vc,Vdとすると、可動電極が基板面に対して垂
直方向(z軸)に振動する状態を検出するためには、サ
ーボ電圧Va,Vb,Vc,Vdの和をもとめる演算を
施す。また、X軸もしくはY軸方向の加速度を検出する
場合にはVa+Vb−Vc−VdもしくはVa+Vc−
Vb−Vdを求める演算を施す。また、軸の干渉の程度
を予め記憶装置に記憶させておき、そのデータを利用し
て上記演算の答えを補正する、つまり補正値を掛けるこ
とによってより正確な加速度測定を行うことが可能とな
る。In order to perform a servo feedback operation with this sensor, first, the capacitance between the movable electrode 9 and each of the lower electrodes 21a to 21d is measured and compared with a reference value to perform error amplification. The amplified voltage is applied to each capacitor, and biasing is performed so that the capacitance becomes equal to the reference value. At this time, since the voltage applied to the capacitor is proportional to the acceleration signal input from outside, acceleration can be detected by extracting the voltage. Further, in order to perform multi-axis acceleration detection, it is necessary to perform a product-sum operation of voltages applied to the lower electrodes 21a to 21d. When actually performing multi-axis detection, a servo loop is constructed for each of the arranged electrodes, and control is performed so that the distance between the electrodes becomes a constant value. And
The sum of the voltages used for the control is calculated to detect the acceleration along each axis. For example, as in the present invention, 4
When two capacitors are formed, the lower electrode 21
The voltages used to control a to 21d are Va, V
Assuming b, Vc, and Vd, in order to detect a state in which the movable electrode vibrates in the vertical direction (z-axis) with respect to the substrate surface, an operation is performed to obtain the sum of the servo voltages Va, Vb, Vc, and Vd. When detecting acceleration in the X-axis or Y-axis direction, Va + Vb-Vc-Vd or Va + Vc-
An operation for calculating Vb-Vd is performed. In addition, the degree of shaft interference is stored in a storage device in advance, and the data is used to correct the answer of the above calculation, that is, by multiplying the correction value, more accurate acceleration measurement can be performed. .
【0018】本実施例は従来のセンサに比較して、可動
部の質量が非常に小さいため安定したサーボ動作を行う
ことが可能である。本実施例では可動部の四隅を押える
ことになり安定に可動部を固定することができる。In this embodiment, since the mass of the movable portion is very small as compared with the conventional sensor, a stable servo operation can be performed. In this embodiment, the four corners of the movable part are pressed, so that the movable part can be fixed stably.
【0019】図4に別の実施例を示した。この実施例で
は、第3の電極35を有していることが特徴であり図4
に示された配置をとる。可動電極31と下部電極33は
電気的にショートしており、検電気と同じ構造をしてい
る。よって、実際に用いる場合には、これらの電極と第
3の電極35との間をバイアスして用いる。静電気で
は、反発力だけでなく引力もあるから、可動電極31,
下部電極33および第3の電極35に加えることのでき
る電圧を自由にコントロールすることによって、静電力
のあらゆる力を利用できる。サーボフィードバックは次
のように行う。入力加速度による共振で可動電極31が
第3の電極35に近づく方向に動いているときは両電極
の間に反発力が、可動電極31が第3の電極35から離
れる方向に動いているときは両電極の間に吸引力が働く
ようにバイアスを加えて電極間の容量変化がないように
する。電極間容量の測定は、変調されたバイアス電圧を
用いることによって行われる。なお図4において、37
はシリコン基板、34,36は酸化膜である。FIG. 4 shows another embodiment. This embodiment is characterized in that it has a third electrode 35, and FIG.
Take the configuration shown in. The movable electrode 31 and the lower electrode 33 are electrically short-circuited, and have the same structure as the electric detection. Therefore, when actually used, a bias is used between these electrodes and the third electrode 35. Since static electricity has not only a repulsive force but also an attractive force, the movable electrode 31,
By freely controlling the voltage that can be applied to the lower electrode 33 and the third electrode 35, any force of the electrostatic force can be used. Servo feedback is performed as follows. When the movable electrode 31 moves in a direction approaching the third electrode 35 due to resonance due to the input acceleration, a repulsive force is applied between the two electrodes, and when the movable electrode 31 moves in a direction away from the third electrode 35, A bias is applied so that a suction force acts between the two electrodes so that there is no change in capacitance between the electrodes. The measurement of the interelectrode capacitance is performed by using a modulated bias voltage. In FIG. 4, 37
Is a silicon substrate, and 34 and 36 are oxide films.
【0020】以上述べたセンサの可動電極はリソグラフ
ィで作るため、正方形に限らず円形などの種々の形にす
ることが可能である。しかし円形,正方形など対称形の
方が測定がしやすい。また感度を向上させるために可動
電極を重くしたい時には、可動電極の上に重量密度の高
い材料を堆積するとよい。Since the movable electrode of the sensor described above is made by lithography, it can be formed in various shapes such as not only a square but also a circle. However, symmetrical shapes such as circles and squares are easier to measure. When it is desired to increase the weight of the movable electrode in order to improve the sensitivity, a material having a high weight density may be deposited on the movable electrode.
【0021】また図2の犠牲層7として、金ではなくレ
ジストを用いてもよいが、レジストを用いると可動電極
を作製する際に金属を堆積するために基板加熱を施した
り、堆積した金属のクリーニングなどの処理が困難にな
る。As the sacrificial layer 7 shown in FIG. 2, a resist may be used instead of gold. However, when a resist is used, a substrate is heated to deposit a metal when a movable electrode is formed, or the deposited metal is deposited. Processing such as cleaning becomes difficult.
【0022】[0022]
【発明の効果】本発明を用いると、従来では不安定であ
ったサーボ型の半導体加速度センサにより良い安定性を
与えることができるとともに、多軸の加速度を同時に検
出することが可能となる効果がある。従来の静電型のサ
ーボ加速度センサでは、可動電極を挟んで上下に間隙を
正確に設定した対向電極を配置する必要があり、複雑な
製造プロセスを利用する必要があったが、本発明の第3
の電極を用いた構造では、可動電極の片側だけに電極を
配置すればよいため、製造プロセスが非常に容易にな
る。また従来の半導体加速度センサでは利用されたこと
がない反発力をその制御力として用いることができる。
サーボ型を構成した場合には、加速度が加わっても可動
電極が動かないように制御して加速度を測定するため、
機械系の非直線性の影響を全く受けず非常に直線性のよ
い加速度センサを容易に得ることが可能となることは言
うまでもない。そのため、従来のピエゾ抵抗効果式の多
軸検出において問題になった加速度検出分離度の非線型
性の問題が全く無くなる利点がある。更に従来のピエゾ
抵抗効果式で多軸を検出するためにはピエゾ抵抗体の配
線を変更する必要があったが、本発明では各々の電極か
ら電圧信号が出力されるため、単純な信号処理をするだ
けで多軸の加速度検出ができる。また、静電型の高精度
なセンサが得られる。この明細書では、加速度センサへ
の応用のみについて述べているが、静電力によって制御
する全てのデバイスに本発明が適用できることは言うま
でもない。According to the present invention, the servo type semiconductor acceleration sensor, which has been unstable in the past, can provide better stability and can simultaneously detect multi-axis acceleration. is there. In the conventional electrostatic servo acceleration sensor, it is necessary to dispose counter electrodes with the gap accurately set above and below the movable electrode, and it is necessary to use a complicated manufacturing process. 3
In the structure using the electrodes described above, since the electrodes need only be arranged on one side of the movable electrode, the manufacturing process becomes very easy. Further, a repulsion force that has not been used in a conventional semiconductor acceleration sensor can be used as the control force.
When the servo type is configured, the acceleration is measured by controlling the movable electrode so that it does not move even if acceleration is applied.
It goes without saying that it is possible to easily obtain an acceleration sensor having extremely good linearity without being affected by the non-linearity of the mechanical system. Therefore, there is an advantage that the problem of the non-linearity of the acceleration detection separation, which has been a problem in the conventional piezoresistance effect type multi-axis detection, is completely eliminated. Furthermore, in order to detect multi-axis by the conventional piezoresistive effect type, it was necessary to change the wiring of the piezoresistor, but in the present invention, since voltage signals are output from each electrode, simple signal processing is performed. Multi-axis acceleration can be detected simply by doing. In addition, a highly accurate electrostatic sensor can be obtained. In this specification, only the application to an acceleration sensor is described, but it goes without saying that the present invention can be applied to all devices controlled by electrostatic force.
【図1】本発明の第1の実施例を示した平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of the present invention.
【図2】第1の実施例の製造工程を示した図である。FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of the first embodiment.
【図3】第1の実施例の電極配置を示した平面図であ
る。FIG. 3 is a plan view showing an electrode arrangement of the first embodiment.
【図4】本発明の第2の実施例を示した断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.
【図5】従来例を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing a conventional example.
1 シリコン基板 2 酸化膜 3 アルミ 4 酸化膜 5 支持部分 6 PAD領域 7 金 8 導電性材料 9 可動電極 21 下部電極 22 配線 23 アルミパッド 24 コンタクト電極 31 可動電極 32 酸化膜 33 下部電極 34 酸化膜 35 第3電極 36 酸化膜 37 シリコン基板 51 可動電極 52 上部電極 53 下部電極 54 ガラス基板 55 シリコン片持ち梁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Oxide film 3 Aluminum 4 Oxide film 5 Support part 6 PAD area 7 Gold 8 Conductive material 9 Movable electrode 21 Lower electrode 22 Wiring 23 Aluminum pad 24 Contact electrode 31 Movable electrode 32 Oxide film 33 Lower electrode 34 Oxide film 35 Third electrode 36 Oxide film 37 Silicon substrate 51 Movable electrode 52 Upper electrode 53 Lower electrode 54 Glass substrate 55 Silicon cantilever
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01P 15/125 G01P 15/13 H01L 29/84Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01P 15/125 G01P 15/13 H01L 29/84
Claims (3)
電極が共振した際に生じる共振モードの腹に相当する位
置に対向する支持基板上に設けられた複数の対向電極
と、可動電極と支持基板との間に設けられたコンデンサ
構造と、各々の対向電極に加えられる電圧の積和演算を
行い、加速度のベクトル成分を分離する手段とを備えた
ことを特徴とする半導体加速度センサ。1. A movable electrode provided on a support substrate, a plurality of opposed electrodes provided on the support substrate facing a position corresponding to an antinode of a resonance mode generated when the electrode resonates, and a movable electrode A semiconductor acceleration sensor, comprising: a capacitor structure provided between a substrate and a support substrate; and means for performing a product-sum operation of voltages applied to respective counter electrodes and separating a vector component of acceleration.
電極が共振した際に生じる共振モードの腹に相当する位
置に対向する支持基板上に設けられた複数の対向電極
と、可動電極である支持基板との間に設けられたコンデ
ンサ構造と、各々の対向電極と可動電極との間の容量を
別々に検出する手段と、検出信号に応じて各々の電極を
バイアスする手段とを備えたことを特徴とする半導体加
速度センサ。A movable electrode provided on the support substrate, a plurality of opposed electrodes provided on the support substrate facing positions corresponding to antinodes of a resonance mode generated when the electrode resonates, and a movable electrode. And a means for separately detecting the capacitance between each counter electrode and the movable electrode, and means for biasing each electrode according to a detection signal. A semiconductor acceleration sensor.
手段を有し、コンデンサのどちらか1つの電極との間に
絶縁体を挟み第3の電極を配置して、別のコンデンサを
構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の半
導体加速度センサ。3. A capacitor having means for short-circuiting between electrodes constituting a capacitor, wherein an insulator is interposed between one of the electrodes of the capacitor and a third electrode is arranged to form another capacitor. The semiconductor acceleration sensor according to claim 1 or 2, wherein:
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- 1991-03-05 JP JP3119550A patent/JP2773460B2/en not_active Expired - Fee Related
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