JP2804420B2 - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JP2804420B2 JP5088425A JP8842593A JP2804420B2 JP 2804420 B2 JP2804420 B2 JP 2804420B2 JP 5088425 A JP5088425 A JP 5088425A JP 8842593 A JP8842593 A JP 8842593A JP 2804420 B2 JP2804420 B2 JP 2804420B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板を用いて構
成される加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年では、操縦者等の安全のために車両
にエアバッグシステムが搭載されている。エアバッグシ
ステムは、衝突等により大きな加速度が発生した場合に
操縦者等の前面にあるエアバッグを作動させるシステム
であり、加速度を検出する手段を必須とする。半導体基
板を用いて構成される加速度センサは、エアバッグシス
テムに限らず、加速度を検出する手段として広く用いら
れている。
【０００３】図２１には、一従来例に係る加速度センサ
の構成が示されている。この図に示される加速度センサ
は「日経エレクトロニクス」、１９９１．１１．１１、
Ｎｏ．５４０、ｐｐ．２２４等に開示されているもので
ある。
【０００４】まず、図２１（ａ）には、この従来例の構
造及び付属回路の構成が示されている。この従来例は、
Ｓｉ基板１０上に多結晶シリコンによる片持ちバネ構造
を形成した例である。
【０００５】この片持ちバネ構造は、両端にそれぞれ２
個のアンカ１２が設けられた２個の桁（板バネ）１４を
有している。アンカ１２は、図２１（ｂ）に示されるよ
うに、導電性を有する多結晶Ｓｉから形成される固定部
１６によって、Ｓｉ基板１０上に固定されている。桁１
４は、従って、Ｓｉ基板１０と所定間隙となるよう宙止
される。
【０００６】一方で、桁１４は、多結晶Ｓｉから形成さ
れる重り１８を支持している。桁１４は、図２１（ａ）
に示されるようにＳｉ基板１０上に平行配置されてお
り、重り１８は両者を連結している。重り１８は、図中
矢印で示される向きの加速度が加わった場合に桁１４の
バネ性によって同方向に変位する。後述するように、加
速度はこの変位から間接的に検出されるため、図中の矢
印の方向の軸を検出軸と呼ぶ。
【０００７】重り１８には、多結晶Ｓｉから形成される
可動極板２０がリブ状に設けられている。一方で、Ｓｉ
基板１０上には、図２１（ｂ）と同様の構造で固定極板
２２及び２４が形成されている。固定極板２２及び２４
は、可動極板２０と噛み合うよう、すなわち重り１８の
変位に伴い可動極板２０が変位した場合に可動極板２０
との距離が変化するよう、複数対配置形成されている。
従って、重り１８に検出軸方向の加速度が加わると、固
定極板２２及び２４と可動極板２０との距離、ひいては
静電容量が変化する。
【０００８】また、このような構造に付属する回路とし
ては、この図には、１ＭＨｚの方形波発生器２６、バッ
ファアンプ２８、復調器・低域通過フィルタ３０、基準
電圧発生器３２、前置増幅器３４等がある。互いに逆相
の１ＭＨｚ方形波電圧ＶＡ及びＶＣを方形波発生器２６
から固定極板２２及び２４に加えると、可動極板２０と
接続された桁１４から電圧ＶＢが得られる。なお、図で
は、手前の可動極板２０、固定極板２２及び２４のみに
配線が行われているが、実際には奥側のそれについても
配線が行われる。
【０００９】電圧ＶＢは、図２２に示されるように、差
動容量コンデンサを形成している可動極板２０により得
られるものであるから、その値は加速度による重り１８
の変位を示している。電圧ＶＢはバッファアンプ２８を
介して復調器・低域通過フィルタ３０に入力され、復調
器・低域通過フィルタ３０の出力は、基準電圧発生器３
２によってオフセットが与えられる前置増幅器３４によ
って後段の回路に出力される。
【００１０】従って、この従来例においては、半導体技
術を用いて製造可能な加速度センサが実現される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する加速度センサにおいては、構造が複雑
であるため製造が困難であるという不具合や、検出に係
る静電容量が微小であるため加速度の変化に対する特性
の安定性を確保できず、また感度も低いという問題点が
生じてしまう。製造の困難性等は、高価格化の原因とな
る。
【００１２】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、より簡単な構造で
特性が安定しかつ感度が高く、安価で経時的に安定して
おり、さらには加速度に対して出力がリニアで再現性の
ある加速度センサを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明に係る第１の加速度検出方法は、所定
方向に変位可能に重りを支持しておき、重りと対向する
半導体基板上に重り又は重り表面の電極を金属層とする
複数個のＭＩＳ型反転構造を重りの変位方向に沿って配
置形成しておき、近接状態において上記複数個のＭＩＳ
型反転構造にゲート電界として作用するよう重り又は重
り表面の電極に電圧を印加し、重りの変位に伴う重り又
は重り表面の電極の近接により上記複数個のＭＩＳ型反
転構造のいずれかをオン又はオフさせ、オン又はオフし
ているＭＩＳ型反転構造の位置を、加速度として検出す
ることを特徴とする。
【００１４】また、本発明に係る第２の加速度検出方法
は、所定方向に変位可能に重りを支持しておき、重りと
対向する半導体基板上にそれぞれ独立した金属層を有す
る複数個のＭＩＳ型反転構造を重りの変位方向に沿って
配置形成しておき、金属層が重り又は重り表面の電極と
接触している状態において上記複数個のＭＩＳ型反転構
造にゲート電界として作用するよう重り又は重り表面の
電極に電圧を印加し、重りの変位に伴う重り又は重り表
面の電極と金属層との接近により上記複数個のＭＩＳ型
反転構造のいずれかをオン又はオフさせ、オン又はオフ
しているＭＩＳ型反転構造の位置を、加速度として検出
することを特徴とする。
【００１５】さらに、本発明に係る第３の加速度検出方
法は、所定方向に変位可能に重りを支持しておき、重り
又は重り表面の電極を共通の金属層としそのＭＩＳ容量
が重りの変位に伴い相補的に変化するよう重りと対向す
る半導体基板上に複数個のＭＩＳ型反転構造を重りの変
位方向に沿って配置形成しておき、重りに加速度が加わ
っていない状態で平衡状態となるよう、上記複数個のＭ
ＩＳ型反転構造に係るＭＩＳ容量を含むブリッジ回路を
構成し、ブリッジ回路に交流信号を印加し、これにより
得られる不平衡電圧を加速度として検出することを特徴
とする。
【００１６】本発明の加速度センサは、本発明に係る方
式を実現する装置であり、重りの変位を検出する手段と
して、重り又は重りの表面に形成された電極を金属層と
し、半導体基板上に形成された絶縁膜を絶縁物層とした
ＭＩＳ構造を有し、加速度を、重りの変位によって生じ
るＭＩＳ構造のリニア出力変化として検出することを特
徴とする。
【００１７】また、本発明の加速度センサは、重りが導
電性を有し当該重りに所定電圧が印加され、重りの変位
を検出する手段として、半導体基板上に形成された絶縁
膜を絶縁物層とし、この絶縁膜上に形成され半導体基板
表面と平行な面内における重りの変位に伴い重りと接触
／開離する電極を金属層としたＭＩＳ構造を有し、加速
度を、重りの変位によって生じるＭＩＳ構造のリニア出
力変化として検出することを特徴とする。
【００１８】このＭＩＳ構造は、例えば、重りの変位に
伴い各ＭＩＳトランジスタが順次オン／オフするＭＩＳ
トランジスタアレイを含み、加速度を、オン又はオフし
ているＭＩＳトランジスタの位置として検出することを
特徴とする。
【００１９】あるいは、このＭＩＳ構造は、重りの変位
に伴い相補的に静電容量が変化する複数のＭＩＳコンデ
ンサを含み、このＭＩＳコンデンサをその２辺に含むブ
リッジ回路を構成し、加速度を、重りの変位によって生
じるブリッジ回路の不平衡電圧として検出することを特
徴とする。
【００２０】さらに、ＭＩＳ構造を、互いに所定角度を
なすよう複数個配置してもよい。
【００２１】また、本発明の車両用安全装置は、加速度
を検出する手段として本発明の加速度センサを用い、こ
の加速度センサの出力に基づきエアバッグ等の安全機構
を作動させることを特徴とする。
【００２２】そして、本発明の加速度センサの製造方法
は、半導体基板中に不純物を拡散する工程と、少なくと
も不純物拡散層上を酸化させる工程と、少なくとも不純
物拡散層を覆うよう半導体酸化膜上に一定厚みの膜を形
成する工程と、この膜を覆い半導体基板上に架橋する膜
を形成する工程と、架橋膜上の所定位置に金属電極を形
成する工程と、架橋膜と酸化膜の間の膜を除去する工程
と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
【作用】本発明に係る第１の加速度検出方法において
は、所定方向に変位可能に支持された重りが加速度によ
って変位すると、複数個のＭＩＳ型反転構造のうち重り
又は重り表面の電極と近接しているものが、重り又は重
り表面の電極への電圧印加によって生じる電界によりオ
ン又はオフする。従って、オン又はオフしているＭＩＳ
型反転構造の位置により、加速度がリニアに検出され
る。
【００２４】また、本発明に係る第２の加速度検出方法
においては、所定方向に変位可能に支持された重りが加
速度によって変位すると、複数個のＭＩＳ型反転構造の
うち重り又は重り表面の電極と接触しているものが、重
り又は重り表面の電極への印加電圧によりオン又はオフ
する。従って、オン又はオフしているＭＩＳ型反転構造
の位置により、加速度がリニアに検出される。
【００２５】さらに、本発明に係る第３の加速度検出方
法においては、所定方向に変位可能に支持された重りが
加速度によって変位すると、複数個のＭＩＳ型反転構造
に係るＭＩＳ容量が相補的に変化する。一方で、重りに
加速度が加わっていない状態で平衡状態となるよう、上
記複数個のＭＩＳ型反転構造に係るＭＩＳ容量を含むブ
リッジ回路が構成されているから、ブリッジ回路に交流
信号を印加することにより、加速度がブリッジ回路の不
平衡電圧としてリニアに検出される。
【００２６】本発明の加速度センサにおいては、重りは
桁により支持されており、桁のバネ性によりその変位は
加速度とほぼ比例した値となる。また、半導体基板上に
形成された絶縁膜、重り又は重りの表面に形成された電
極及び当該半導体基板によって、あるいは半導体基板上
に形成された絶縁膜、絶縁膜上に形成され半導体基板表
面と平行な面内における重りの変位に伴い重りと接触／
開離する電極及び当該半導体基板によって、ＭＩＳ構造
が構成されており、このＭＩＳ構造によって、重りの変
位がこれとリニアな出力に変換される。例えばこのＭＩ
Ｓ構造がＭＩＳトランジスタアレイである場合、各ＭＩ
Ｓトランジスタを、重りの変位に伴い順次オン／オフす
るよう配置形成しておけば、オン又はオフしているＭＩ
Ｓトランジスタの位置が重りの変位に対してリニアとな
り、加速度がリニアに検出される。また例えば、ＭＩＳ
構造が、重りの変位に伴い相補的に静電容量が変化する
複数のＭＩＳコンデンサである場合、重りの変位に伴い
これらの静電容量が変化し、このＭＩＳコンデンサをそ
の２辺に含むブリッジ回路の不平衡電圧が加速度に対し
てリニアに変化する。従って、本発明においては、加速
度に対してリニアで再現性を有する出力が得られる。
【００２７】また、本発明において重りの変位の検出に
用いられているのは、上述のように重りに形成された電
極等から構成されるＭＩＳ構造である。従って、重りの
変位を極板端面の静電容量により検出している場合（従
来例参照）のように不安定で感度の低い出力となること
が防止される。例えばＭＩＳ構造がＭＩＳトランジスタ
アレイである場合には各ＭＩＳトランジスタのオン／オ
フの検出により、ＭＩＳコンデンサによるブリッジ回路
である場合にはより大きな検知容量である平板間容量の
検出により、重りの変位が安定に検出され、感度も向上
する。加えて、リブ状の配置が不要であるため検出範囲
も拡大する。ＭＩＳ構造を複数個所定角度をなすよう追
加すれば、加速度が２次元的に検出される。
【００２８】さらに、上述の構造は、従来から知られた
ＭＩＳプロセスを例えば次のように実施することで製造
される。まず、半導体基板中に不純物を拡散する。次
に、半導体基板上を酸化させる。その際、少なくとも不
純物拡散層上を酸化層が覆うようにする。さらに、半導
体酸化膜上に一定厚みの膜を形成する。この膜は、少な
くとも不純物拡散層を覆うようにする。さらに、この膜
を覆い半導体基板上に架橋する膜を形成する。次に、架
橋膜上の所定位置に金属電極を形成する。そして、架橋
膜と酸化膜の間の膜を除去する。すなわち、本発明にお
いては、その製造の際、簡素化された構造が精度よく半
導体基板上に形成され、安価で経時的に安定な加速度セ
ンサが得られる。
【００２９】このようにして得られる本発明の加速度セ
ンサは、各種機器に適用可能である。例えば、車両用安
全装置において、加速度を検出する手段として本発明の
加速度センサを用い、この加速度センサの出力に基づき
エアバッグ等の安全機構を作動させることができる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づき説明する。
【００３１】図１には、本発明に係る加速度センサの用
途例が示されている。この図のシステムは車両に搭載さ
れるエアバッグシステムであり、本発明に係る加速度セ
ンサ３６の他、制御装置３８、作動部４０、ガス発生装
置４２、エアバッグ４４から構成されている。加速度セ
ンサ３６により急激な加速が検出されると、制御装置３
８により作動部４０に信号が供給され、作動部４０はこ
の信号に応じてガス発生装置４２を動作させる。ガス発
生装置４２は、作動部４０からの指令に応じて不活性ガ
スを発生させ、操舵輪Ｈに装着されているエアバッグ４
４内にこのガスを噴出させる。エアバッグ４４はこのガ
スにより膨出し、操縦者等は加速度に伴う衝撃から保護
される。
【００３２】図２には、加速度センサ３６の一例回路構
成が示されている。この図に示される回路はＭＯＳトラ
ンジスタアレイに係る第１及び第２実施例の場合の回路
である。この回路は、検出部４６、増幅器４８、設定回
路５０、比較判定部５２、出力部５４及び電源装置５６
から構成されている。検出部４６以外は、図１の制御装
置３８と一体に構成できる。
【００３３】検出部４６の出力は加わる加速度に対して
リニアに変化する。増幅器４８は検出部４６の出力を増
幅し比較判定部５２に供給する。比較判定部５２は、増
幅器４８の出力を設定回路５０により設定される値と比
較し、所定の条件を満たした場合にその旨の信号を出力
する。当該条件は、大きな加速度が加わったと見なすこ
とができるか否かの条件である。この信号が発生した場
合、出力部５４は、制御回路３８（これと一体に構成さ
れている場合には作動部４０）に信号を出力し、これに
よりエアバッグ４４を作動させる。なお、電源装置５６
は、回路各部に電源を供給する。比較判定部５２を廃止
し絶対値を出力するようにしてもよい。
【００３４】このような回路構成において、検出部４６
以外は、従来から知られている回路を用いて構成でき
る。本発明の特徴に係る検出部４６は、例えば、図３乃
至図８に示されるような構成として実現される。これら
の図には、本発明の第１実施例に係る検出部の構成が示
されている。
【００３５】まず、図３には本実施例の平面形状が、図
４には本実施例の側面形状が、それぞれ示されている。
この実施例の検出部４６は、半導体基板５８上において
ＭＯＳプロセスを用いて形成される。半導体基板５８は
例えばＰ型Ｓｉ基板であり、その表面にはＳｉＯ２等の
酸化膜６０が被着形成されている。
【００３６】半導体基板５８上には、さらに、固定部６
２、桁６４及び重り６６から構成されるバネ構造が形成
されている。これらは多結晶シリコン（doped ：以下、
図中ではdoped poly-Si と表す）や金属材料により一体
に形成されており、図３中矢印で示される検出軸方向の
加速度が重り６６に加わった場合に、桁６４のバネ性に
より重り６６が当該方向に変位するよう、重り６６が半
導体基板５８上に宙止する構成を有している。すなわ
ち、重り６６は、屈曲形状を有する桁６４を介して固定
部６２に連結しており、固定部６２は半導体基板５８に
固定されている。桁６４は、繰返し荷重に対応すべく図
５に示されるようにその屈曲部が丸みを帯びている。重
り６６の変位は、従来例のようにリブ形状でないため規
制されにくくなる。
【００３７】重り６６に加わる検出軸方向の加速度をα
とした場合、その変位Δｘは次の式で求められる。
【００３８】Δｘ＝（ｍ／ｋ）・α ただし、ｍは重り６６の質量、ｋは桁６４のバネ定数で
ある。
【００３９】従って、ｍ／ｋが適当な値となるよう重り
６６及び桁６４を設計すれば、検出部４６の大きさを適
当なものとし重り６６の変位範囲を適当なものとしつ
つ、必要とする加速度αを検出できる。例えば、３０〜
５０Ｇの加速度を検出する場合には桁６４の厚みは２〜
５μｍ等というように設定する。
【００４０】加速度αによって生じる重り６６の変位
は、本実施例においては、ＭＯＳトランジスタアレイの
出力として当該変位に対してリニアに、すなわち加速度
αに対してリニアに、検出される。重り６６の表面に形
成されている薄膜電極６８は、このＭＯＳトランジスタ
アレイのゲート電極として機能する。薄膜電極６８に対
しては、Ａｌ等の金属から形成されるガイド７０及び導
電性を有する固定部６２、桁６４、重り６６を介して、
ゲート電圧＋Ｖｇが印加される。
【００４１】図６には、検出部４６のＡ−Ａ端面が示さ
れている。この図は、本実施例においてアレイを構成す
るＭＯＳトランジスタの構造を示している。
【００４２】先に述べたゲート電極たる薄膜電極６８
は、５００〜５０００オングストローム程度の酸化膜６
０を介して半導体基板５８と電界結合すべく、すなわち
ＭＯＳ構造を形成すべく、半導体基板５８と数千オング
ストローム程度の間隙をなすよう配置されている。この
間隙は、ゲート電圧＋Ｖｇに応じて設定する。なお、重
り６６の下部が酸化膜６０に接触しても構わない。
【００４３】半導体基板５８中には、Ｎ＋拡散層及びＰ
＋拡散層が所定位置に形成されている。半導体基板５８
としてＰ型Ｓｉ基板を用いる場合には、Ｎ＋拡散層を図
６中３か所（７２、７４、７６）に形成し、Ｐ＋拡散層
（７８、８０）を左右のＮ＋拡散層（７２、７６）中に
形成する。中央のＮ＋拡散層は共通ドレイン７４を形成
しており、左右のＮ＋拡散層は個別ソース７２、７６を
形成している。言い換えれば、この図においては、それ
ぞれチャネルを８２、８４とする左右１個ずつのＭＯＳ
トランジスタが形成されている。Ｐ＋拡散層は、各ＭＯ
Ｓトランジスタのチャネルストッパ７８、８０として機
能する。
【００４４】半導体基板５８上には、ＳｉＯ２による酸
化膜６０の他、配線８６が被着形成されている。この配
線８６は、個別ソース７２を接続するための配線であ
る。図７には、本実施例の検出部４６を重り６６等を透
視して上方から眺めた形状、すなわちＭＯＳトランジス
タのレイアウトパタンが示されている。
【００４５】この図に示されるように、本実施例では、
ソース７２、７６がドレイン７４の長手方向、すなわち
桁の延長方向に沿って複数個配列形成されている。配線
８６は、各ソース７２、７６に係るＡｌ配線であり、配
線８８は、共通ドレイン７４に係るＡｌ配線である。こ
れらは、製造時にはガイド７０と同一工程（蒸着等）で
形成する。
【００４６】このような構造によって、図８に示される
ような簡易等価回路を有するＭＯＳトランジスタアレイ
が形成される。すなわち、ドレインＤが共通接続された
２ｎ個のＭＯＳトランジスタからアレイが構成される。
この図において、２個のＭＯＳトランジスタが対となっ
ているのは、ドレイン７４の両側にソース７２、７６が
形成されそれぞれＭＯＳトランジスタが形成されている
ことに対応するものであり、各対のゲートＧが共通接続
されているのはソース７２、７６が検出軸の方向に沿っ
て同位置にあることに対応している。ソースＳの共通接
続は、図７におけるソース７２、７６それぞれに係る配
線８６、８６を結線した場合に得られる。
【００４７】重り６６に加速度αが加わり変位が生じる
と、この変位によって、薄膜電極６８があるＭＯＳトラ
ンジスタのチャネル８２又は８４上に近接到来する。薄
膜電極６８には、前述したようにゲート電圧＋Ｖｇが印
加されているから、当該ＭＯＳトランジスタはこの近接
によりオンする。従って、いずれのＭＯＳトランジスタ
がオンしているかにより、重り６６の変位を検出でき
る。ソース７２、７６を当ピッチで配置しておけば、こ
の検出に当たって重り６６の変位をリニアに検出でき
る。トランジスタ対の出力Ｔｒ１〜Ｔｒｎは、増幅器４
８を介して比較判定部５２に入力される。
【００４８】なお、ソース７２、７６の如く、ドレイン
７４の両側にソースを設けるのが検出の安定性の面から
は好ましいが、片側のみでも構わない。また、ドレイン
７４の如く、ドレインを一体形成しなくてもよい。その
場合には、各ドレインを薄膜電極等で接続する必要があ
る。
【００４９】図９には、本発明の第２実施例に係る検出
部９０の構成が示されている。この実施例は、第１実施
例にさらに多結晶Ｓｉの薄膜９２及び金属薄膜９４を付
加した構成である。多結晶Ｓｉの薄膜９２及び金属薄膜
９４は、その順に、チャネル８２及び８４上に積層形成
されている。この構成では、金属薄膜９４がＭＯＳトラ
ンジスタの金属層として機能しうることとなるから、重
り６６等と金属薄膜９４の接触によりＭＯＳトランジス
タの挙動がより安定化する。なお、図９中では重り６６
及び薄膜電極６８を図示の簡略化のため省略している。
【００５０】図１０には、本発明の第３及び第４実施例
に係る加速度センサの構成が示されている。この実施例
は、図２の検出部４６に代え、発振回路９６、検出部９
８及び零点調整回路１００を設けた構成である。本実施
例における検出部９８は、前述の各実施例と異なりＭＯ
Ｓトランジスタアレイによる重り変位検出は行っておら
ず、ＭＯＳコンデンサによる検出を行っている。発振回
路９６は、所定周波数の信号を検出部９８に与え、検出
部９８は重り変位時には不平衡電圧を増幅器４８に出力
する。零点調整回路１００は、加速度＝０のときに検出
部９８の出力電圧が０となるよう調整する回路である。
【００５１】図１１には、第３実施例における検出部９
８の回路構成が示されている。この図に示されるよう
に、検出部９８は、各辺がそれぞれＲＣ直列回路である
ブリッジ回路１０２を有している。各辺の抵抗値は常時
全てＲであり等しいが、容量値は重り静止状態でのみ等
しくなる（Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ０）。発振回路
９６の出力は、このブリッジ回路１０２に入力され、ブ
リッジ回路１０２の出力はダイオードＤ１、Ｄ２及びコ
ンデンサＣ５を介して増幅器４８に供給される。この実
施例において特徴的なところは、Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ０とす
る一方で、Ｃ１及びＣ２を第１及び第２実施例と近似し
たバネ構造で実現される相補的可変コンデンサとした点
にある。図１２及び図１３には、本実施例におけるばね
構造、すなわちコンデンサＣ１及びＣ２の構成が示され
ている。
【００５２】この図に示されるように、本実施例におい
ても、多結晶Ｓｉ等による架橋構造が実現されている。
この実施例では、桁６４上にＡｌ等の金属配線１０４が
被着形成されており、半導体基板（Ｐ型Ｓｉ基板）５８
中にはＮ＋拡散層が２か所（１０６、１０８）、検出軸
方向に沿って配置形成されている。また、これらのＮ＋
拡散層１０６、１０８と可動電極６８は、互いに対向
し、かつ、可動電極６８とＮ＋拡散層１０６の間のＭＯ
Ｓ容量と可動電極６８とＮ＋拡散層１０８の間のＭＯＳ
容量とが重り６６静止状態で等しくなるような位置関係
を有している。これらのＭＯＳ容量は、それぞれ前述の
ブリッジ回路１０２上のコンデンサＣ１又はＣ２として
使用される。
【００５３】従って、重り６６が加速度により検出軸方
向に変位した場合、コンデンサＣ１とＣ２の値が相補的
に変化することがわかる。変位の発生により、ブリッジ
回路１０２の平衡状態は崩れ、不平衡電圧が検出部９８
から出力される。この不平衡電圧は重り６６の変位に対
し、従って加速度に対し、リニアに変化する。
【００５４】図１４には、この実施例におけるコンデン
サＣ３及びＣ４の構造が示されている。コンデンサＣ３
及びＣ４は、半導体基板（Ｐ型Ｓｉ基板）５８中にＮ＋
拡散層１１０を形成し、その上に酸化膜６０を形成し、
酸化膜６０上にＡｌ等の電極１１２を形成し、これと共
にＡｌ等の引出用電極１１４を形成することで得られる
ＭＯＳコンデンサである。
【００５５】図１５には、この実施例における各コンデ
ンサのレイアウトパタンの一例が示されている。この図
に示されるように、図１２及び図１３の構造によるコン
デンサＣ１及びＣ２を、それぞれ図１４に示される構造
を有するコンデンサＣ３及びＣ４に、多結晶Ｓｉ等によ
り形成する抵抗Ｒを介して接続すれば、ブリッジ回路１
０２が得られる。
【００５６】以上説明した各実施例は、いずれも、従来
から知られているＭＯＳプロセスを用いて精度よく安価
に製造できる。また、構造が簡素であるため設計製造が
容易でこの面からも安価化が実現される。図１６には、
本発明に係る加速度センサ３６、特にその検出部の製造
方法が、第３実施例の検出部９８のコンデンサＣ１及び
Ｃ２を例として示されている。
【００５７】図１６（ａ）に示されるように、まず、半
導体基板（Ｐ形Ｓｉ基板）５８中にＮ＋を拡散し、Ｎ＋
拡散層１１６を２か所形成する。このＮ＋拡散層１１６
は、完成時には、ＭＯＳコンデンサＣ１及びＣ２を構成
するＮ＋拡散層１０６又は１０８として使用される。拡
散工程の後、半導体基板（Ｐ形Ｓｉ基板）５８表面の所
定箇所（Ｎ＋拡散層１１６近傍を含む）の酸化膜を除去
した上で、熱酸化によって１０００オングストローム程
度の酸化膜（ＳｉＯ２膜）１１８を形成する。この酸化
膜（ＳｉＯ２膜）１１８は、後に、酸化膜６０として使
用される。
【００５８】さらに、図１６（ｂ）に示されるように、
高濃度リンを含む常圧ＣＶＤ膜１２０を酸化膜（ＳｉＯ
２膜）１１８上の所定箇所に数千オングストローム程度
成長させる。さらに、図１６（ｃ）に示されるように、
多結晶Ｓｉ膜１２２を５０００オングストローム〜数μ
ｍ程度成長させ、マスキング／エッチングにより所定の
パタンを形成する。この多結晶Ｓｉ膜１２２は、後に重
り６６その他の部材となりバネ構造を提供する。次に、
図１６（ｄ）に示されるように、多結晶Ｓｉ膜１２２上
にＡｌの蒸着及びマスキング／エッチングを行い所定パ
タンのＡｌ膜１２４を形成する。このＡｌ膜１２４は、
後に、電極１０４となる。
【００５９】そして、レジストを残したままフッ酸エッ
チングを行い、常圧ＣＶＤ膜１２０を除去し、レジスト
を剥離させる。このようにすると、図１６（ｅ）に示さ
れるように第３実施例の特徴に係る構造が得られる。
【００６０】図１７には、本発明の第４実施例に係る加
速度センサ、特にその検出部の構成が示されている。こ
の実施例は、回路構成としては図１０の構成を用いて実
現することができる。この実施例は、第３実施例の構成
を要することにより、加速度を２次元的に検出可能とし
た構成である。
【００６１】まず、図１７に示されるように、検出部９
８は、第３実施例における検出部の構成（図１１参照）
を、２組備えている。すなわち、検出部９８は、各辺が
それぞれＲＣ直列回路であるブリッジ回路１０２−１及
び１０２−２を有している。各辺の抵抗値は常時すべて
Ｒであり等しいが、容量値は重り静止状態でのみ等しく
なる（Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ５＝Ｃ６＝Ｃ７＝Ｃ
８＝Ｃ０）。発振回路９６の出力は、各ブリッジ回路１
０２−１及び１０２−２に入力され、各ブリッジ回路１
０２−１及び１０２−２の出力は、それぞれダイオード
Ｄ１及びＤ２またはＤ３及びＤ４並びにコンデンサＣ９
またはＣ１０を介して増幅器４８に供給される。
【００６２】この実施例においては、Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ７
＝Ｃ８＝Ｃ０とする一方で、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５及びＣ６
を第３実施例と同様の相補的可変コンデンサとした点を
特徴としている。図１８乃至図２０には、本実施例にお
けるばね構造、すなわちコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５，
Ｃ６の構成が示されている。
【００６３】これらの図に示されるように、本実施例に
おいても、多結晶Ｓｉ等による架橋構造が実現されてい
る。この実施例では、桁６４上にＡｌ等の金属配線１０
４が被着形成されており、半導体基板（Ｐ型Ｓａ基板）
５８中にはＮ＋拡散層が４個所形成されている。４個所
のうち２個所は、図１９に示されるようにｘ軸に沿って
配置形成されており、他の２個所は図２０に示されるよ
うにｙ軸に沿って形成されている。また、これらのＮ＋
拡散層１０６，１０８と可動電極６８は、互いに対向し
かつ可動電極６８とＮ＋拡散層１０６の間のＭＯＳ容量
と可動電極６８とＮ＋拡散層１０８の間のＭＯＳ容量と
が重り６６静止状態で等しくなるような位置関係を有し
ている。これらのＭＯＳ容量は、ｘ軸に沿う２個所はブ
リッジ回路１０２−１上のコンデンサＣ１またはＣ２と
して、ｙ軸に沿う２個所はブリッジ回路１０２−２上の
コンデンサＣ５またはＣ６として、それぞれ使用され
る。したがって、本実施例においては、重り６６が加速
度によりｘ軸方向に変位した場合、コンデンサＣ１とＣ
２の値が相補的に変化し、また、ｙ軸方向に変位した場
合、コンデンサＣ５とＣ６の値は相補的に変化する。こ
れらの変位の発生により、ブリッジ回路１０２−１及び
１０２−２の平衡状態は崩れ、不平衡電圧が検出部９８
から出力される。この不平衡電圧は、重り６６の変位に
対し、したがって加速度に対し、リニアに変化する。
【００６４】このように、本実施例によれば、第３実施
例における相補的可変コンデンサの構成を応用すること
により、重り６６に加わる加速度を、ｘ軸方向及びｙ軸
方向の各成分に分解して２次元的に検出することができ
る。
【００６５】なお、本実施例における固定コンデンサＣ
３，Ｃ４，Ｃ７及びＣ８は、第３実施例におけるコンデ
ンサＣ３及びＣ４と同様な構成とすることができる。ま
た、その製造方法は、図１６に示される方法とすること
ができる。
【００６６】なお、本発明はＭＯＳに限定されず、ＭＩ
Ｓ全般に拡張できる。ただし、半導体基板５８としてＳ
ｉ基板を用いる場合には、ＭＯＳが好ましい。化合物半
導体を用いる場合には、窒化膜等によるＭＩＳ構造を用
いてもよいが、価格の面からは、半導体基板５８として
Ｓｉ基板を用い、ＭＯＳ構造とするのが好ましい。
【００６７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体基板上に形成された絶縁膜、重り又は重りの表面
に形成された電極及び当該半導体基板によって、あるい
は半導体基板上に形成された絶縁膜、絶縁膜上に形成さ
れ半導体基板表面と平行な面内における重りの変位に伴
い重りと接触／開離する電極及び当該半導体基板によっ
て、ＭＩＳ構造を形成し、このＭＩＳ構造によって重り
の変位をこれとリニアな出力に変換するようにしたた
め、加速度に対してリニアで再現性を有する出力が得ら
れる。例えばこのＭＩＳ構造がＭＩＳトランジスタアレ
イである場合、オン又はオフしているＭＩＳトランジス
タの位置により、また例えばＭＩＳ構造が複数の可変Ｍ
ＩＳコンデンサである場合、ブリッジ回路の不平衡電圧
により、加速度をリニアに検出できる。加えて、リブ状
配置が不要になるため検出範囲も拡大する。
【００６８】さらに、本発明によれば、ＭＩＳ構造によ
って重りの変位を安定に検出可能になり感度が向上す
る。例えばＭＩＳ構造がＭＩＳトランジスタアレイであ
る場合には各ＭＩＳトランジスタのオン／オフの検出に
より、ＭＩＳコンデンサによるブリッジ回路である場合
には平板間容量の検出により、重りの変位が安定に検出
され感度も向上する。ＭＩＳ構造を複数個、所定角度を
なすように配置すれば、加速度を２次元的に検出でき
る。
【００６９】さらに、本発明によれば、従来から知られ
たＭＩＳプロセスを応用して製造可能であるため、簡素
化された構造が精度よく半導体基板上に形成され、安価
で経時的に安定な加速度センサが得られる。
【００７０】そして、本発明によれば、車両用安全装置
等に適用可能な加速度センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一用途例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１及び第２実施例に係る加速度セン
サの回路構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施例における検出部の構造を示
す平面図である。
【図４】この実施例における検出部の構造を示す側面図
である。
【図５】この実施例における桁の形状を示す部分拡大図
である。
【図６】この実施例における検出部の構造を示すＡ−Ａ
断面図である。
【図７】この実施例におけるＭＯＳトランジスタレイア
ウトの一例を示す平面図である。
【図８】この実施例におけるＭＯＳトランジスタアレイ
の簡易等価回路図である。
【図９】本発明の第１実施例における検出部の構造を示
すＡ−Ａ断面図である。
【図１０】本発明の第３及び第４実施例に係る加速度セ
ンサの回路構成を示すブロック図である。
【図１１】第３実施例における検出部の構成を示す回路
図である。
【図１２】この実施例におけるＣ１及びＣ２の構造を示
す平面図である。
【図１３】この実施例におけるＣ１及びＣ２の構造を示
す断面図である。
【図１４】第３及び第４実施例におけるＣ３及びＣ４の
構造を示す断面図である。
【図１５】この実施例における各ＭＯＳコンデンサレイ
アウトの一例を示す平面図である。
【図１６】この実施例におけるＣ１及びＣ２の製造工程
を示す図であり、図１６（ａ）はＮ＋拡散及びＳｉＯ２
成長工程を、図１６（ｂ）は常圧ＣＶＤ工程を、図１６
（ｃ）は多結晶Ｓｉ成長工程を、図１６（ｄ）はＡｌ蒸
着工程を、図１６（ｅ）はフッ酸エッチング工程を、そ
れぞれ示す図である。
【図１７】第４実施例における検出部の構成を示す回路
図である。
【図１８】この実施例の構造を示す平面図である。
【図１９】この実施例におけるＣ１及びＣ２の構造を示
す端面図である。
【図２０】この実施例におけるＣ５及びＣ６の構造を示
す端面図である。
【図２１】一従来例に係る加速度センサの構成を示す図
であり、図２１（ａ）はその構造及び回路を示す図、図
２１（ｂ）は桁の固定部の構造を示す図である。
【図２２】この従来例における出力波形を示す図であ
る。
【符号の説明】
３６ 加速度センサ ４６，９８ 検出部 ５８ 半導体基板 ６０ 酸化膜 ６２ 固定部 ６４ 桁 ６６ 重り ６８ 薄膜電極（可動電極） ７２，７６ ソース ７４ ドレイン ８２，８４ チャネル ８６ ソースの配線 ８８ ドレインの配線 ９４ 金属薄膜 ９６ 発振回路 １０２ ブリッジ回路 １０４ 配線 １０６，１０８ Ｎ＋拡散層 １１８ ＳｉＯ２膜 １２０ 常圧ＣＶＤ膜 １２２ 多結晶Ｓｉ膜 １２４ Ａｌ膜 Ｒ ブリッジ回路を構成する抵抗 Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５，Ｃ６ 可変ＭＯＳコンデンサ Ｃ３，Ｃ４，Ｃ７，Ｃ８ ブリッジ回路を構成する固定
ＭＯＳコンデンサ

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定方向に変位可能に重りを支持してお
    き、 重りと対向する半導体基板上に重り又は重り表面の電極
    を金属層とする複数個のＭＩＳ型反転構造を重りの変位
    方向に沿って配置形成しておき、 近接状態において上記複数個のＭＩＳ型反転構造にゲー
    ト電界として作用するよう重り又は重り表面の電極に電
    圧を印加し、 重りの変位に伴う重り又は重り表面の電極の近接により
    上記複数個のＭＩＳ型反転構造のいずれかをオン又はオ
    フさせ、 オン又はオフしているＭＩＳ型反転構造の位置を、加速
    度として検出することを特徴とする加速度検出方法。
  2. 【請求項２】 所定方向に変位可能に重りを支持してお
    き、 重りと対向する半導体基板上にそれぞれ独立した金属層
    を有する複数個のＭＩＳ型反転構造を重りの変位方向に
    沿って配置形成しておき、 金属層が重り又は重り表面の電極と接触している状態に
    おいて上記複数個のＭＩＳ型反転構造にゲート電界とし
    て作用するよう重り又は重り表面の電極に電圧を印加
    し、 重りの変位に伴う重り又は重り表面の電極と金属層との
    接近により上記複数個のＭＩＳ型反転構造のいずれかを
    オン又はオフさせ、 オン又はオフしているＭＩＳ型反転構造の位置を、加速
    度として検出することを特徴とする加速度検出方法。
  3. 【請求項３】 所定方向に変位可能に重りを支持してお
    き、 重り又は重り表面の電極を共通の金属層としそのＭＩＳ
    容量が重りの変位に伴い相補的に変化するよう重りと対
    向する半導体基板上に複数個のＭＩＳ型反転構造を重り
    の変位方向に沿って配置形成しておき、 重りに加速度が加わっていない状態で平衡状態となるよ
    う、上記複数個のＭＩＳ型反転構造に係るＭＩＳ容量を
    含むブリッジ回路を構成し、 ブリッジ回路に交流信号を印加し、これにより得られる
    不平衡電圧を加速度として検出することを特徴とする加
    速度検出方法。
  4. 【請求項４】 半導体基板と、半導体基板上に一端が固
    定されバネ性を有する複数の桁と、桁を介して半導体基
    板上に所定間隙で宙支され加速度が加わることにより半
    導体基板表面と平行な面内で変位する重りと、重りの変
    位を検出する変位検出手段と、を備え、重りの変位によ
    り加速度を検出する加速度センサにおいて、 変位検出手段が、 重り又は重りの表面に形成された電極を金属層とし、半
    導体基板上に形成された絶縁膜を絶縁物層としたＭＩＳ
    構造を有し、 加速度を、重りの変位によって生じるＭＩＳ構造のリニ
    ア出力変化として検出することを特徴とする加速度セン
    サ。
  5. 【請求項５】 半導体基板と、半導体基板上に一端が固
    定されバネ性を有する複数の桁と、桁を介して半導体基
    板上に所定間隙で宙支され加速度が加わることにより半
    導体基板表面と平行な面内で変位する重りと、重りの変
    位を検出する変位検出手段と、を備え、重りの変位によ
    り加速度を検出する加速度センサにおいて、 重りが導電性を有し当該重りに所定電圧が印加され、 変位検出手段が、 半導体基板上に形成された絶縁膜を絶縁物層とし、この
    絶縁膜上に形成され半導体基板表面と平行な面内におけ
    る重りの変位に伴い重りと接触／開離する電極を金属層
    としたＭＩＳ構造を有し、 加速度を、重りの変位によって生じるＭＩＳ構造のリニ
    ア出力変化として検出することを特徴とする加速度セン
    サ。
  6. 【請求項６】 請求項４又は５記載の加速度センサにお
    いて、 上記ＭＩＳ構造が、重りの変位に伴い各ＭＩＳトランジ
    スタが順次オン／オフするＭＩＳトランジスタアレイを
    含み、 加速度を、オン又はオフしているＭＩＳトランジスタの
    位置として検出することを特徴とする加速度センサ。
  7. 【請求項７】 請求項４記載の加速度センサにおいて、 上記ＭＩＳ構造が、重りの変位に伴い相補的に静電容量
    が変化する複数のＭＩＳコンデンサを含み、 変位検出手段が、ＭＩＳ構造に係るＭＩＳコンデンサを
    その２辺に含むブリッジ回路を含み、 加速度を、重りの変位によって生じるブリッジ回路の不
    平衡電圧として検出することを特徴とする加速度セン
    サ。
  8. 【請求項８】 請求項４乃至７記載の加速度センサにお
    いて、 上記ＭＩＳ構造が、互いに所定角度をなすよう複数個配
    置されたことを特徴とする加速度センサ。
  9. 【請求項９】 請求項４乃至８記載の加速度センサと、 この加速度センサの出力に基づきエアバッグ等の安全機
    構を作動させる手段と、 を備えることを特徴とする車両用安全装置。
  10. 【請求項１０】 半導体基板中に不純物を拡散する工程
    と、 少なくとも不純物拡散層上を酸化させる工程と、 少なくとも不純物拡散層を覆うよう半導体酸化膜上に一
    定厚みの膜を形成する工程と、 この膜を覆い半導体基板上に架橋する膜を形成する工程
    と、 架橋膜上の所定位置に金属電極を形成する工程と、 架橋膜と酸化膜の間の膜を除去する工程と、 を含み、 請求項４乃至８記載の加速度センサを製造することを特
    徴とする加速度センサの製造方法。
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