JP3019549B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

半導体加速度センサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、自己診断回路を備え
たピエゾ抵抗式半導体加速度センサの構成に関する。
【0002】
【従来の技術】自己診断回路を備えた半導体加速度セン
サとして、例えば「TOYOTA AIR BAG S
ENSOR」(M.Mutoh et al、ISAT
A 911270号 第95頁、1991年)に開示さ
れたようなものがある。この半導体加速度センサは、図
5に示すように、肉薄の片持ち梁6が半導体基体の固定
部7から延びており、その先端側には質量部8が接続さ
れていて、基体主面に垂直な方向の加速度が加わると、
片持ち梁6の表面に歪みが生じ応力が発生するようにな
っている。片持ち梁6上にはピエゾ抵抗ブリッジ回路1
が形成されている。すなわちピエゾ抵抗は、例えば(1
00)シリコン基体の<110>方向に形成された梁6
上に、梁と平行に2本、垂直に2本形成されていて、応
力に対して2つの出力端子の電圧変化が逆の極性になる
ようになっている。
【0003】このピエゾ抵抗ブリッジ回路1を用いた検
知および自己診断の回路は、図6のようになっており、
2はピエゾ抵抗ブリッジ回路1を駆動するための電流源
回路、3はピエゾ抵抗ブリッジ回路1の出力を増幅する
ための増幅器、4はピエゾ抵抗ブリッジ回路の出力にオ
フセットを与えるための微少電流源、5は微少電流源4
をピエゾ抵抗ブリッジ回路1の片側の出力に接続するた
めのスイッチである。増幅器3や電流源回路2、微少電
流源4など周辺回路は、図5の半導体基体の固定部7に
設けられた領域9に形成される。
【0004】半導体加速度センサ外部の制御システムか
ら診断信号が入力されると、スイッチ5がオンされ、微
少電流源4がピエゾ抵抗ブリッジ回路1に接続される。
これによりピエゾ抵抗ブリッジ回路1が擬似的に出力を
生じる形になるので、自己診断が可能となる。
【0005】他の例としてはまた、「Accelero
meter Systems with Self−t
estable Features」(HENRY
V.ALLEN,STEPHEN C.TERRY a
nd DIEDERIK W.DE BRUIN, S
ensors and Actuators、 Vo
l.20、 第153〜161頁、1989年)に開示
された両持ち梁式の半導体加速度センサもある。
【0006】これを図7に示すと、中央の質量部12を
挟むようにシリコン基体10を裏面からエッチングして
複数の肉薄の梁11が形成されていて、質量部12を両
側から支持している。このシリコン基体10の上下両面
には、それぞれストッパ基板13、14が接着されてい
る。ストッパ基板13、14の材料はシリコン或いはガ
ラスで、凹部16、17を形成して質量部12が加速度
に応じて上下に変位可能な空間をつくっている。さらに
質量部12と対向する部分には質量部の変位を所定限度
に制限するように、突起部18、19が形成されてい
る。
【0007】梁11の表面にはブリッジ回路を構成する
ピエゾ抵抗15が形成されていて、加速度により質量部
12が変位し梁11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。
【0008】この加速度センサでは、過大な加速度が加
わると質量部12は突起部18、19に当接するまでは
変位するが、そこで制限されて、梁に過大応力による破
損が生じないようになっている。両持ち梁構造での通常
作動における変位量は応力の割りに小さく、この突起部
までのギャップは微少で、通常数μmのレベルである。
【0009】質量部12上には上側ストッパ基板の突起
部18と対向して金属電極20が形成されている。外部
から金属電極20とストッパ基板13の間に電圧が印加
されると、静電力により質量部12が上方に変位し、加
速度が加わった状態を擬似的に作ることができる。これ
によりセンサの各部の機能を確認する自己診断を行うこ
とが可能となる。なお、図中21はボンディング・パッ
ドである。その他のシリコン基体10の表面酸化膜.配
線電極等は簡単のため省略した。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の半導体加速度センサのうち、自己診断回路として、
ピエゾ抵抗ブリッジ回路の片側の出力端子にスイッチを
介して微少電流源を接続する構成のものでは、この微少
電流源の値は、例えばピエゾ抵抗5KΩ、ブリッジ印加
電圧3V、フル・レンジのピエゾ抵抗の変化率を0.1
%、診断出力をフルレンジの10%とすると、30nA
となり、極めて小さな値にする必要がある。
【0011】このような微少な電流源を実現するために
は、大きな値の抵抗と、電流を絞っていくための多段の
カレント・ミラーが必要となる。このため、微少電流源
を実現するための回路構成が複雑となり、かつ大きな面
積を占有することになるという問題があった。
【0012】また、数μmという狭いギャップを挟ん
で、静電力により質量部を変位させて出力をチェックす
る方式のものでは、ギャップの管理が難かしく、製造工
程も複雑である。また静電力を用いるという特殊性か
ら、サンドウィッチ構造以外の通常の加速度センサには
適用できないという問題があった。
【0013】したがってこの発明は、上記のような従来
の問題点に着目し、自己診断のために特別の駆動電源を
設ける必要がなく、また機械構造的に精度を必要としな
い自己診断回路を備えた半導体加速度センサを提供する
ことを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、半導
体基体が固定部と質量部とこれら固定部と質量部とを接
続する薄肉の梁とに区分けされ、前記梁上にピエゾ抵抗
を有し、前記質量部の変位による前記ピエゾ抵抗の抵抗
値変化をブリッジ回路で検出する半導体加速度センサに
おいて、前記ブリッジ回路の出力端子の一端に設けられ
た診断抵抗と、診断信号を受けて前記ブリッジ回路の出
力端子と接地との間を前記診断抵抗を介して接続するス
イッチを有する自己診断回路を備え、前記診断抵抗が前
記半導体基体上に形成された薄膜抵抗で構成されるもの
とした。
【0015】
【作用】スイッチがオフしているとき、加速度を受けて
質量部が変位すると、梁に歪み応力が生じて、ピエゾ抵
抗ブリッジ回路が歪み応力に対応したオフセットを生
じ、このオフセットを基に加速度信号が出力される。診
断信号によりスイッチがオンすると診断抵抗が接続され
る。これによりピエゾ抵抗ブリッジ回路の抵抗値が変化
し、擬似的に出力を生じる形になるので自己診断が可能
となる。
【0016】
【実施例】図1は本発明の実施例を示す。ピエゾ抵抗ブ
リッジ回路26にはその駆動回路としての電流源回路3
2が接続され、ピエゾ抵抗ブリッジ回路26の出力端子
P1、P2は増幅器33に接続されている。出力端子P
1には診断抵抗28の一端が接続されており、診断抵抗
28の他端は、スイッチ34により接地される。このス
イッチ34は診断信号を受けてオンするもので、例えば
トランジスタスイッチとすることができる。
【0017】回路の主要素は、半導体基体上に図2およ
び図3に示すようにレイアウトされる。半導体基体は固
定部22と質量部24とこれら両者を接続するように裏
面よりエッチングして形成された薄肉の梁23に別れて
おり、25は質量部24および梁23を取り囲むように
形成された略U字形の溝で、表面側からのエッチングあ
るいは、予めP形層を形成しておいて、裏面からのエレ
クトロ・ケミカル・エッチングで梁23部形成と同時に
エッチすることにより実現される。
【0018】ピエゾ抵抗ブリッジ回路26は梁23上に
形成され、梁23の長さ方向と平行なブリッジ抵抗2
本、これに垂直な2本が正方形の形に配置されて、フル
ブリッジを構成している。増幅器33や電流源回路32
など周辺回路は固定部22に周辺回路部27として配置
されている。なお、ブリッジ回路26はすべての抵抗が
梁23の面上に形成される必要はなく、一部を固定部2
2に設けるなど各種変形例が考えられる。
【0019】診断抵抗28が半導体基体の固定部22上
に形成された周辺回路部27に重ねて、薄膜プロセスに
よって同一基体上に形成されている。29は台座で質量
部24の上下方向の変位が可能となるように凹部30が
形成されている。31は絶縁酸化膜である。
【0020】この構成における作用を説明すると、通常
はスイッチ34はオフしていて、ピエゾ抵抗ブリッジ回
路26は、加速度を受けたときに、ブリッジ回路が形成
されている梁23に生じる歪み応力に対応したオフセッ
トを生じ、このオフセットが増幅器33で増幅されて、
加速度信号等の出力を出すようになっている。
【0021】図示しない外部の制御システムから診断信
号が入ると、スイッチ34がオンとなり、診断抵抗28
が接地される。これによりピエゾ抵抗ブリッジ回路26
の抵抗値が変化し擬似的に出力を生じる形になるので自
己診断が可能となる。
【0022】診断抵抗28の値としては、例えば応力に
よるピエゾ抵抗の変化率を0.1%、診断出力をフルレ
ンジの10%とすると、診断抵抗28をブリッジ回路2
6に接続した際の抵抗値の変化が10-4程度になるよう
に設定される。したがって診断抵抗28の値はピエゾ抵
抗のおよそ104倍となるので、ピエゾ抵抗を5kΩと
仮定すれば、診断抵抗28は50MΩ程度となる。
【0023】このような高抵抗は通常の拡散抵抗では実
現が難しいが、ポリシリコン薄膜抵抗とすることによ
り、容易に基体の酸化膜上に形成できる。診断抵抗28
はこのように設定された抵抗値を得るため、固定部22
上で複数回折り返されて所定の長さを得ている。あるい
はまた図4に示すように、薄膜抵抗を半導体基体の外周
縁にそって延ばして診断抵抗28’とすることもでき
る。
【0024】以上のように、この構成によればオンチッ
プで自己診断回路をつくり込むことができ、しかもその
設計の自由度が大きい。なお、図示の実施例では片持ち
梁について説明したが、これに限定されることなく、両
持ち梁方式や4方向支持の半導体加速度センサにおいて
も適用でき、同じ効果が得られる。また、スイッチ34
は出力端子P1と診断抵抗28の間に設けるようにして
もよい。
【0025】
【発明の効果】以上のとおり、この発明は、スイッチに
より加速度センサのブリッジ回路に診断抵抗を接続する
ようにして自己診断回路を形成し、診断抵抗を薄膜抵抗
としたから、従来の微少電流源方式と比較して、複雑な
電流源回路を省略でき、通常のプロセスによって容易に
自己診断回路のオン・チップ化された半導体加速度セン
サが得られる。また静電力方式に比較して、ギャップの
管理を必要とせず、製造の困難性も伴なわない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す回路図である。
【図2】実施例の半導体基体上のレイアウトを示す図で
ある。
【図3】図2のA−A部断面図である。
【図4】他のレイアウト例を示す図である。
【図5】従来例を示す図である。
【図6】従来例における回路を示す図である。
【図7】他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
1 ピエゾ抵抗ブリッジ回路 2 電流源回路 3 増幅器 4 微少電流源 5 スイッチ 6、11 梁 7 固定部 8、12 質量部 10 半導体基体 13、14 ストッパ基板 15 ピエゾ抵抗 16、17 凹部 18、19 突起部 20 金属電極 22 固定部 23 梁 24 質量部 25 溝 26 ピエゾ抵抗ブリッジ回路 27 周辺回路部 28、28’ 診断抵抗 29 台座 30 凹部 31 絶縁酸化膜 32 電流源回路 33 増幅器 34 スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/12 G01P 21/00 G01R 17/12 G01R 31/02 H01L 29/84

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基体が固定部と質量部とこれら固
    定部と質量部とを接続する薄肉の梁とに区分けされ、前
    記梁上にピエゾ抵抗を有し、前記質量部の変位による前
    記ピエゾ抵抗の抵抗値変化をブリッジ回路で検出する半
    導体加速度センサにおいて、前記ブリッジ回路の出力端
    子の一端に設けられた診断抵抗と、診断信号を受けて前
    記ブリッジ回路の出力端子と接地との間を前記診断抵抗
    を介して接続するスイッチを有する自己診断回路を備
    え、前記診断抵抗が前記半導体基体上に形成された薄膜
    抵抗で構成されていることを特徴とする半導体加速度セ
    ンサ。
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