JP3019444B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は自己診断が可能な半導
体加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体加速度センサとしては、例
えば図８に示すようなものがある。これは自己診断が可
能な両持梁の加速度センサで、詳細については「 Accel
erometer Systems with Self-testable Features
」（ HENRY V.ALLEN, STEPHENC. TERRY and DIEDERI
K W. DE BRUIN : Sensors and Actuators, 20（198
9） pp.153-161 ）に説明されている。

【０００３】すなわちシリコン基板１をエッチングして
形成した薄肉の梁２によって錘部３を支持し、このシリ
コン基板１の上下両面にはそれぞれシリコンあるいはガ
ラス材のストッパ基板４、５が接合されている。ストッ
パ基板はそれぞれ梁２と錘部３を包含する領域に対応し
た凹部７、８を持ち、その凹部内には錘部３と所定ギャ
ップをもって対向する突起９、１０を設けて過大加速度
が印加されたとき錘部３の変位を所定量に制限して破損
するのを防止するようにしてある。梁２の表面にはピエ
ゾ抵抗６が形成されていて、加速度により錘部３が変位
し、梁２に応力が生じるとその抵抗値が変化し加速度を
検出できるようになっている。

【０００４】さらに、ストッパ基板４の突起部９と対向
する錘部表面には金極電極１１が形成されている。外部
から金属電極１１とストッパ基板４の間に電圧を印加す
ると静電力により錘部３が変位するので、加速度を印加
した状況を擬似的に作り、これによりセンサの各部の機
能を確認するいわゆる自己診断を行おうとするものであ
る。なお、図中シリコン基板１の表面酸化膜・配線電極
等は簡単のため省略した。

【０００５】

【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自己診断のた
め電圧を印加するストッパ基板の突起９と金属電極１１
間のギャップＡはわずか数μｍのオーダーであり、
（１）ギャップの管理が難しい、（２）接着剤もそれに
よる厚み変動が出るので使えないためアノーディック・
ボンディング等を用いなければならず、製造工程が複雑
になる、さらには（３）いわゆるサンドウィッチ構造以
外の通常の加速度センサには適用できない等の問題点が
あった。

【０００６】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、困難なギャップの管理を不要と
し、構造或いは製造工程に制約を受けないで製造できる
自己診断可能な半導体加速度センサを提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため本発明は半導体
基板から区画された梁または錘部の梁近傍にヒータを形
成し、梁の面上には絶縁膜を設けるようにして、これに
より前記ヒータを外部からの信号で駆動したとき梁の温
度が固定部の温度よりも高くなり、絶縁膜とのバイメタ
ル効果で梁がたわんで等価的な加速度印加状態が得られ
るようにした。

【０００８】

【実施例】図１、図２はこの発明の実施例を示す。シリ
コン基板１０１は溝１１７で錘部１０３および梁１０２
および固定部１２０に区画されており、梁１０２はシリ
コン基板１０１を裏面よりエッチングを行なって肉薄に
形成され、片持ち梁として錘部１０３を固定部１２０に
接続支持している。溝１１７もシリコン基板１０１の表
面側からエッチングするか、あるいはあらかじめＰ形層
を形成しておいて、梁１０２の形成と同時に裏面からエ
レクトロ・ケミカル・エッチングすることにより形成さ
れる。

【０００９】シリコン基板１０１を載置する台座１０５
には錘部１０３の上下方向の変位が可能となるように凹
部１０８が形成されている。梁１０２上にはＰ形ピエゾ
抵抗１０６が形成されていて加速度が印加された時に梁
１０２に生じる応力により抵抗値が変化する。このピエ
ゾ抵抗１０６は梁１０２と平行すなわち錘部と固定部と
を結ぶ方向に２本、垂直に２本、正方形の形に形成され
ていて、フルブリッジを構成している。

【００１０】いま、シリコン基板が（１００）面で梁１
０２が＜１１０＞方向に形成されているとすると、Ｐ形
ピエゾ抵抗１０６は平行方向と垂直方向では抵抗値変化
の絶対値がほぼ等しく極性は逆になるので、フル・ブリ
ッジ構成により感度を高くすることができる。

【００１１】さらに梁１０２の錘部１０３側には拡散抵
抗から成るヒータ１１５が形成されていて、外部信号に
よりヒータが駆動されるようになっている。１１６は絶
縁膜としてのシリコン酸化膜で、この上に設けられる配
線電極は簡単のため省略してある。

【００１２】加速度検出については、通常のセンサと同
様である。加速度が印加されると梁１０２がたわみ応力
が生じる。これによりピエゾ抵抗１０６は抵抗値が変化
しフル・ブリッジの電圧変化として出力される。この抵
抗値変化から従来の半導体加速度センサにおけると同様
に加速度を検出できる。

【００１３】自己診断は外部信号によりヒ−タ１１５を
駆動して等価的な加速度印加状態を作り、その時の出力
変化をチェックすることにより行われる。すなわち、図
３に示されるように制御システム１５０は通常加速度セ
ンサ１００からの出力をＡ／Ｄ変換器１５１でディジタ
ル信号に変換した後マイクロプロセッサ１５２で処理を
行ない所定の制御対象を制御するが、マイクロプロセッ
サ１５２からは一定時間間隔であるいは電源投入時にヒ
ータを駆動するパルス信号が図４（ａ）のように出力さ
れる。

【００１４】ここでヒ−タ１１５は熱抵抗の大きな梁１
０２を介して固定部１２０へ接続されているため、固定
部とは熱分離されていてヒータ１１５の発熱によりヒー
タ周辺の温度は固定部１２０よりもかなり高くなる。梁
１０２は表面に酸化膜１１６が形成されているので温度
が上がるとバイメタル効果によりたわんで応力が生じブ
リッジ出力が変化する。

【００１５】したがって駆動パルス信号を受けた加速度
センサ１００からは図４（ｂ）に示されるように検出さ
れている加速度レベルにパルス状変化が加わった出力が
出る。この変化分をマイクロプロセッサ１５２で識別処
理してセンサ機能の診断が行なわれる。

【００１６】ここで駆動パルス信号によるセンサ出力の
変化分としては、ダイナミックレンジの数％程度とすれ
ばよい。いま単純化して、梁１０２の中央にヒータが形
成されていて梁の両端が熱的に接地され、またヒータか
らの熱の伝搬は梁を介した熱伝導だけとし、外気への伝
搬は無視すると、梁の長さが２００μｍ，梁の幅が１０
０μｍ，梁の厚さが１２μｍの場合には、熱抵抗は３０
０Ｋ／Ｗとなり、ヒータの発熱を１００ｍＷとすると３
０℃の温度差が得られる。したがって例えば１Ｇレベル
の加速度センサならば、十分の数Ｇ相当の加速度が印加
されたときと同程度の応力を生じ正常機能の確認には十
分な変化となる。

【００１７】図５には他の実施例を示す。これは図１の
実施例に対しピエゾ抵抗の配列を変えたもので、梁１０
２上には梁と平行に２本のピエゾ抵抗２０６を形成し、
さらに固定部１２０上に同一の拡散抵抗２０７が梁方向
と平行に２本形成されている。これらのピエゾ抵抗は図
示しない結線によって図６のようなブリッジに構成され
る。

【００１８】この実施例によれば、梁１０２上に垂直方
向の抵抗を形成しないので梁１０２の幅を狭くでき構造
的感度が向上する。一方、フルブリッジ構成と比較して
特性の異なりやすい梁方向に垂直なピエゾ抵抗を省いた
から、加速度センサとしての感度を落とすことなく、対
称性の良い出力が得られる。

【００１９】さらに、梁１０２に設けたヒータ１１５を
駆動すると上述のバイメタル効果に加え、固定部１２０
と梁との温度差により抵抗の温度依存性によるオフセッ
ト出力が加わるので、より低いヒータ電力でも感度のよ
い自己診断が可能となる。

【００２０】図７は容量式加速度センサに適用した実施
例を示す。加速度による変位部分の構造は上述の２実施
例と同じで、錘部１０３、梁１０２および固定部１２０
に区画されたシリコン基板１０１が台座１０５に載置さ
れている。

【００２１】基板１０１上には、梁１０２と錘部１０３
を包含する領域に対応した凹部３０７を持つ導電性のキ
ャップ３０４がシリコン酸化膜１１６を挟んで固定部で
接合されており、また錘部および梁部分には酸化膜１１
６上に電極３０９が形成されていて、凹部３０７の面と
の間に所定のギャップを設けて対向し容量を形成してい
る。梁１０２には前実施例と同様に拡散抵抗から成るヒ
ータ１１５が形成されていて、該ヒータが外部信号によ
り駆動される。なお、ヒータや電極の配線は省略した。

【００２２】ここでは加速度が印加されると梁１０２が
たわんで電極３０９と凹部３０７面とのギャップが変化
し、容量値が変化するのでこの変化から加速度を検出す
ることができる。そしてこの実施例においても、自己診
断に際してはヒータ１１５を駆動することにより局部的
に温度上昇を起こさせ、バイメタル効果により梁１０２
をたわませて等価的な加速度印加状態を生じさせる。こ
れにより出力としての容量値の変化をモニターして機能
のチェックが行なわれる。

【００２３】なお、実施例はいずれも片持ち梁構造で説
明したが、これに限定されることなく両持ち梁や４辺支
持梁にも適用される。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、梁または錘部の梁近傍
にヒータを設け、梁の温度を固定部の温度よりも高くす
ることによりバイメタル効果により梁をたわませるよう
にしたので、（１）静電力方式と比較して自己診断機能
付与のために特別なギャップの管理および複雑な製造工
程を追加する必要がない、（２）等価的な変位を起こす
ための手段として梁またはその近くにヒータを設けるの
みであるから、サンドウイッチ構造以外のタイプの加速
度センサにも簡単に適用することができる等の効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す平面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。

【図３】自己診断の制御システムを示す図である。

【図４】自己診断の制御システムにおける信号波系図で
ある。

【図５】他の実施例を示す図である。

【図６】抵抗のブリッジ結線を示す図である。

【図７】さらに他の実施例を示す図である。

【図８】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１０１ シリコン基板 １０２ 梁 １０３ 錘部 １０５ 台座 １０６ ピエゾ抵抗 １１５ ヒータ １１６ シリコン酸化膜 １１７ 溝 １２０ 固定部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 21/00 G01P 15/12 G01P 15/125 H01L 29/84

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板が溝により錘部、固定部および
   錘部を固定部に接続支持する梁とに区画され、加速度が
   印加されたとき錘部が変位するようになっており、その
   変位に対応する信号を取り出す電気素子を前記基板上に
   備えるとともに、前記梁または錘部の梁近傍にヒータを
   形成し、梁の面上には絶縁膜を設けて、これにより前記
   ヒータを外部からの信号で駆動することにより梁がたわ
   み等価的な加速度印加状態を得られることを特徴とする
   半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】前記半導体基板がシリコンであり、絶縁膜
   がシリコン酸化膜であ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】前記ヒータが半導体基板に拡散形成された
   抵抗であることを特徴とする請求項１または２記載の半
   導体加速度センサ。
4. 【請求項４】前記電気素子が梁の表面部に形成されたピ
   エゾ抵抗であ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。
5. 【請求項５】ピエゾ抵抗が梁と平行および垂直にそれぞ
   れ２本ずつ配置され互いにブリッジ接続されていること
   を特徴とする請求項４記載の半導体加速度センサ。
6. 【請求項６】前記電気素子が梁の表面部に梁と平行に形
   成された２本のピエゾ抵抗と、固定部に梁と平行に形成
   された２本のピエゾ抵抗とからなり、互いにブリッジ接
   続されてい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。
7. 【請求項７】前記基板上には固定部で接合されたキャッ
   プが設けられており、前記電気素子は錘部上に配置され
   前記キャップとの間で容量を形成する金属電極であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。