JP3010725B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

半導体加速度センサ

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JP3010725B2
JP3010725B2 JP2293618A JP29361890A JP3010725B2 JP 3010725 B2 JP3010725 B2 JP 3010725B2 JP 2293618 A JP2293618 A JP 2293618A JP 29361890 A JP29361890 A JP 29361890A JP 3010725 B2 JP3010725 B2 JP 3010725B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring 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
    • G01P2015/0805Measuring 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
    • G01P2015/0822Measuring 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
    • G01P2015/084Measuring 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 the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

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  • Pressure Sensors (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、三次元の加速度が検出可能な半導体加速度
センサに関する。
(従来の技術) 従来の半導体加速度センサとしては、例えば第5図に
示すようなものがある(特開昭63−169078号公報参
照)。ここで、第5図(a)は上面図、第5図(b)は
第5図(a)におけるB−B断面図である。
即ち、周辺厚肉部21は、正方形の中央厚肉部20の周囲
を、この中央厚肉部20から所定の間隔22をおいてロの字
状に囲うように形成されている。中央厚肉部20と周辺厚
肉部21は、z方向表側同一平面上で薄肉支持部23〜26に
よって連結支持されている。各支持部の上には、ピエゾ
抵抗4本からなる歪ゲージ群16〜19が拡散等によって形
成されていて、加速度によって生じる応力のx,y,z成分
を検出している。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、このような従来の半導体加速度センサ
にあっては、検出したい加速度が小さくなると、少なく
とも四ケ所で中央厚肉部を連結支持している薄肉支持部
に生じる応力も小さくなることから、検出の精度に限界
があった。この検出の精度を高くするため、つまり感度
を良くするためには、検出のための変位を生じさせる慣
性力がはたらく中央厚肉部の質量を増加させて、慣性力
を増大させなければならず、その結果、加速度センサ全
体が大きくなってしまうという不都合があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、機械的な
強度を損なうことなく、小型で、しかも感度の良好な半
導体加速度センサを提供することを目的としている。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明における半導体加
速度センサは、厚肉状の中央厚肉部と、前記中央厚肉部
から所定の間隔をおいて該中央厚肉部を囲むように形成
した厚肉状の中間厚肉部と、前記中間厚肉部から所定の
間隔をおいて該中間厚肉部を囲むように形成した厚肉状
の周辺厚肉部と、第1の直線上のニケ所で前記中央厚肉
部を前記中間厚肉部に連結して該中央厚肉部を支持する
薄肉状の第1の薄肉支持部と、前記第1の直線に垂直な
第2の直線上の二ケ所で前記中間厚肉部を前記周辺厚肉
部に連結して該中間厚肉部を支持する薄肉状の第2の薄
肉支持部と、前記第1及び第2の薄肉支持部の上側に形
成された歪ゲージを有することを特徴とする。また、本
発明における半導体加速度センサの特徴において、第1
の直線は中央厚肉部の中心部を通り、第2の直線は中央
厚肉部を含む中間厚肉部の中心部を通ることが望まし
い。さらに望ましくは、第2の直線は中央厚肉部の中心
部を通ることである。
(作用) 本発明による半導体加速度センサによれば、加速度が
生じた場合、検出のための変位を生じさせる慣性力がは
たらく部分(以後、重錘という)は、検出する三方向の
うち一方向に関しては中央厚肉部であり、該一方向に直
交する他の一方向に関しては中央厚肉部を含む中間厚肉
部である。また、中央厚肉部が重錘となる該一方向に平
行な第1の直線上の二ケ所に中央厚肉部を連結支持する
第1の薄肉支持部が形成されている。同様に、中央厚肉
部を含む中間厚肉部が重錘となる該他の一方向に平行な
第2の直線上のニケ所に中間厚肉部を連結支持する第2
の薄肉支持部が形成されている。したがって、該一方向
に加速度が生じた場合、中央厚肉部にはたらく慣性力に
より第1の薄肉支持部が変位する。同様に、該他の一方
向に加速度が生じた場合、中央厚肉部を含む中間厚肉部
にはたらく慣性力により第2の薄肉支持部が変位する。
そして、第1及び第2の薄肉支持部の上に形成された歪
ゲージがこれら変位をそれぞれ電気信号に変換し、直交
する二方向の加速度をそれぞれ検出することができる。
つまり、直交する二方向に関する重錘を中央厚肉部と
中央厚肉部を含む中間厚肉部の2つに分けて、各重錘を
それぞれ2つの第1の薄肉支持部と2つの第2の薄肉支
持部だけで連結支持している。したがって、従来のセン
サと同じ数の薄肉支持部を有しているため従来のセンサ
の機械的な強度を保持することができる。同時に、直交
する二方向に関する各重錘を連結支持する薄肉支持部の
数はそれぞれ従来のセンサの半分になるため薄肉支持部
は変位し易くなり、重錘を小さくしても良好な感度が得
られる。つまり、機械的な強度を損なうことなく、三次
元の加速度の検出を行う半導体加速度センサの小型化及
び高感度化が可能となる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
第1図は、本発明による半導体加速度センサの一実施
例であり、第1図(a)は上面図、第1図(b)は第1
図(a)におけるA−A断面図である。以下その構成か
ら説明する。
中間厚肉部6が、正方形の中央厚肉部5の周囲を、こ
の中央厚肉部5から所定の間隔13をおいて、ロの字状に
取り囲むように設けられている。この間隔13は、例えば
電界エッチング等の異方性エッチングによって容易に形
成される。この中央厚肉部5と中間厚肉部6とは、第1
図におけるy軸上のニケ所で、z方向表面同一平面上で
薄肉状の第1の薄肉支持部としての薄肉支持部8,10によ
って連結支持されている。
さらに周辺厚肉部7が、中間厚肉部6の周囲を、この
中間厚肉部6から所定の間隔12をおいて、ロの字状に取
り囲むように設けられている。この間隔12も、前記間隔
13と同様の方法によって、形成される。この中間厚肉部
6と周辺厚肉部7は、前記y軸と直交するx軸上のニケ
所で、z方向表面同一平面上で前記薄肉支持部8,10と同
様な第2の薄肉支持部としての薄肉支持部9,11によって
連結支持されている。
以上四ケ所の薄肉支持部8〜11の上側には、拡散等に
よって形成されたピエゾ抵抗素子である四本の歪抵抗ゲ
ージからなる歪抵抗ゲージ群1〜4が設けられ、これら
の歪抵抗ゲージ群1〜4を形成する歪抵抗ゲージは、電
気的に接続してブリッジ回路をなしている。
次に、上記実施例の作用を説明する。
本実施例による半導体加速度センサに加速度等による
力が加わると、中央厚肉部5及び中間肉厚部6に慣性力
がはたらき、薄肉支持部8〜11が変位する。この変位状
態に応じて、電気信号が検出される。
すなわち、x方向について第2図を参照して説明す
る。本実施例による半導体加速度センサを、該センサの
周辺厚肉部7とのみ接して支持する台座12上に設置し、
例えば正のx方向に加速度が作用した場合、中央厚肉部
5および中間厚肉部6、すなわち中間厚肉部6の内側部
分に慣性力がはたらく。ここで、中央厚肉部5の重心G
と薄肉支持部9,11との間にはz軸方向においてずれlが
生じている。このずれのために、該慣性力がはたらく
と、薄肉支持部9においては、周辺厚肉部7に近接する
ほど圧縮応力が作用し、反対に中間厚肉部6に近接する
ほど引張り応力が作用する。これに対して、薄肉支持部
11においては、周辺厚肉部7に近接するほど引張り応力
が作用し、中間厚肉部6に近接するほど圧縮応力が作用
する。したがって、これらの薄肉支持部9,11の各々に設
けられた歪ゲージ群2,4が形成するブリッジ回路の出力
信号の差をとることによって、x方向に作用する加速度
に応じた電気信号が検出される。
次に、y方向について説明する。y方向についてはx
方向と同様で、加速度が作用して中央厚肉部5に慣性力
がはたらき、この慣性力により薄肉支持部8,10に作用す
る応力の差をとることによって、y方向に作用する加速
度に応じた電気信号が検出される。
最後に、z方向について第3図及び第4図を参照して
説明する。例えば負のz方向に加速度が作用した場合、
中央厚肉部5及び中間厚肉部6に慣性力がはたらく。こ
の慣性力によって、四ケ所の薄肉支持部8〜11の外側す
なわち、薄肉支持部8,10においては中間厚肉部6に近接
するほど、また薄肉支持部9,11においては周辺厚肉部7
に近接するほど引張り応力が作用し、内側すなわち、薄
肉支持部8,10においては中央厚肉部5に近接するほど、
また薄肉支持部9,11においては中間厚肉部6に近接する
ほど圧縮応力が作用する。ここで、薄肉支持部8,10と薄
肉支持部9,11では、はたらく慣性力が必ずしも同じでは
ないので、作用する応力の大きさも同じではない。した
がって、歪ゲージ群1,3のブリッジ回路の出力信号の平
均または和、及び歪ゲージ群2,4のブリッジ回路の出力
信号の平均または和をとることによって、z方向に作用
する加速度に応じた電気信号が検出される。
このように本実施例による半導体加速度センサによれ
ば、加速度のx方向成分はy軸まわりのねじれとして、
y方向成分はx軸まわりのねじれとして、z方向成分は
z方向にはたらく力として、三次元での加速度の検出を
効果的に行うことができる。
さらに、例えば、加速度のx方向成分の検出におい
て、慣性力のはたらく部分を支持する薄肉支持部を、従
来では少くとも四ケ所(第5図の薄肉支持部23〜26)必
要としていたのであるが、特に本実施例による半導体加
速度センサの場合、これをx軸上の二ケ所(第1図の薄
肉支持部9,11)のみとし、この二ケ所の薄肉支持部9,11
以外では、周辺厚肉部7と分離することによって、x方
向の電気信号の検出に係る薄肉支持部が、従来に比べて
変位し易くなっている。したがって、慣性力のはたらく
部分すなわち中央厚肉部5と中間厚肉部6を、従来の中
央厚肉部20に比べかなり小さくしても、従来よりも良好
な感度で検出できる。
また、y方向についてもx方向と同様に、中央厚肉部
を従来に比べかなり小さくしても、従来よりも良好な感
度で検出できる。
このように、本実施例による半導体加速度センサは、
従来に比べて、小型でかつ良好な感度とすることができ
る。さらに、2つの間隔12,13は、従来と同様に電界エ
ッチング等の異方性エッチングによって形成できるの
で、従来の製造工程と同じ工程で生産することができ、
量産性に富む。
[発明の効果] 以上説明してきたようによれば、機械的な強度を損な
うことなく、小型で、しかも感度の良好な半導体加速度
センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明による一実施例の半導体加速度セ
ンサの上面図、第1図(b)は第1図(a)のA−A断
面図、第2図はx方向成分について説明するためのx−
z断面図、第3図はz方向成分について説明するための
x−z断面図、第4図はz方向成分について説明するた
めのy−z断面図、第5図は従来例を示す図である。 1〜4……歪ゲージ群 5……中央厚肉部 6……中間厚肉部 7……周辺厚肉部 8,10……薄肉支持部(第1) 9,11……薄肉支持部(第2)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】厚肉状の中央厚肉部と、 前記中央厚肉部から所定の間隔をおいて該中央厚肉部を
    囲むように形成した厚肉状の中間厚肉部と、 前記中間厚肉部から所定の間隔をおいて該中間厚肉部を
    囲むように形成した厚肉状の周辺厚肉部と、 第1の直線上のニケ所で前記中央厚肉部を前記中間厚肉
    部に連結して該中央厚肉部を支持する薄肉状の第1の薄
    肉支持部と、 前記第1の直線に垂直な第2の直線上のニケ所で前記中
    間厚肉部を前記周辺厚肉部に連結して該中間厚肉部を支
    持する薄肉状の第2の薄肉支持部と、 前記第1及び第2の薄肉支持部の上側に形成された歪ゲ
    ージと を有することを特徴とする半導体加速度センサ。
  2. 【請求項2】前記第1の直線は前記中央厚肉部の中心部
    を通り、前記第2の直線は前記中央厚肉部を含む前記中
    間厚肉部の中心部を通ることを特徴とする請求項1記載
    の半導体加速度センサ。
  3. 【請求項3】前記第2の直線は前記中央厚肉部の中心部
    を通ることを特徴とする請求項2記載の半導体加速度セ
    ンサ。
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