JP3093058B2 - 半導体加速度センサ及びその自己診断試験方法 - Google Patents

半導体加速度センサ及びその自己診断試験方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車,航空機等の加
速度を検出する自己診断試験機能付き半導体加速度セン
サ及びその自己診断試験方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、自己診断試験機能(セルフテスト
機能)を有する半導体加速度センサは、特開平3−20
0038号公報(G01L 25/00)等に記載され
ているように、自己診断試験の際、シリコンセンサチッ
プ(半導体ペレット)のセルフテスト電極と、この電極
に数μmのギャップを介して対向するセルフテスト電極
との間に電圧を印加し、両電極間の静電力によりセンサ
チップの錘部を支持するダイアフラム等の肉薄部を変位
させ、その変位量に対応した肉薄部のピエゾ抵抗のブリ
ッジ出力により動作状態が正常であるか否かを診断する
ものである。
【0003】そして、従来のこの種自己診断試験機能付
きの半導体加速度センサの1例は図7に示すように構成
され、シリコンセンサチップ1は下面(裏面)側のエッ
チングにより、枠状の周縁部2とほぼ中央に位置する平
面形状が四角形の錘部3との間に、この錘部3を支持す
る肉薄部としての厚さ数10μmのダイアフラム部4が
形成される。このダイアフラム部4の上面(表面)には
4本のピエゾ抵抗5が拡散形成され、これらの抵抗5は
アルミ配線によりフルブリッジ接続される。
【0004】また、ピエゾ抵抗5の形成と同時に錘部3
の上面にチップ側セルフテスト電極6が拡散形成され、
この電極6が形成されたセンサチップ1の上面には二酸
化シリコン(SiO2)のパシベーション膜7が一様に
形成される。さらに、加速度による錘部3の変位を規制
してダイヤフラム部4の破損を防止するため、センサチ
ップ1の上,下にシリコン基板等の半導体基板或いはガ
ラス基板により形成された上部ストッパ8,下部ストッ
パ9が接着して設けられ、上部ストッパ8の下面及び下
部ストッパ9の上面のほぼ錘部3の位置にはエッチング
等により数μmの段差の溝部10,11が形成される。
【0005】また、上部ストッパ8の下面にはチップ側
セルフテスト電極6に対向するストッパ側セルフテスト
電極12が形成される。なお、センサチップ1にはn
型,p型のいずれの導電型のシリコン基板も用いること
ができるが、図7の場合、センサチップ1がn型のシリ
コン基板で形成され、各ピエゾ抵抗5及びチップ側セル
フテスト電極6はp型に形成される。また、図中の13
はチップ側セルフテスト電極6の電極取出端子であり、
拡散リードにより引出されている。
【0006】つぎに、このセンサの加速度の検出につい
て説明する。このセンサに加速度が加わると、その方向
に錘部3が変位し、この変位によりダイアフラム部4が
変形して各ピエゾ抵抗5の抵抗値がピエゾ抵抗効果で変
化する。
【0007】このとき、各ピエゾ抵抗5のフルブリッジ
回路は外部の直流電源により定電流駆動され、そのブリ
ッジ出力として、加速度に比例したブリッジ出力電圧が
得られ、この電圧から加速度が検出される。なお、図7
は説明を簡単にするため、4本のピエゾ抵抗5のフルブ
リッジ回路により上下方向,すなわち1軸方向の加速度
を検出する場合を示す。
【0008】そして、2軸方向,3軸方向の加速度を検
出する場合は前記公報等に記載されているように、検出
軸方向毎にピエゾ抵抗のブリッジ回路を用意する必要が
あり、この場合、例えばダイアフラム部4に多数のピエ
ゾ抵抗が拡散形成される。
【0009】つぎに、自己診断試験について説明する。
自己診断試験する際は、各ピエゾ抵抗5のフルブリッジ
回路を定電流駆動した状態でセルフテスト電極6,12
間に基準加速度に相当する電圧として例えば数10Vの
直流の試験電圧が印加される。
【0010】このとき、ストッパ側セルフテスト電極1
2が正電位になるように試験電圧が印加されたとする
と、ストッパ側セルフテスト電極12の表面は正に帯電
して対向するチップ側セルフテスト電極6の表面は負に
帯電し、両電極6,12間に静電力(クーロン力)によ
る吸引力が作用して錘部3が上方に変位する。
【0011】この結果、変位量に対応したブリッジ出力
が得られ、この出力から検出される加速度と基準加速度
との比較によりセンサの状態が診断される。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】前記図7の従来の半導
体加速度センサの場合、自己診断試験の際に、ピエゾ抵
抗のブリッジ出力がセルフテスト電極の電極面積に依存
せず、正しい診断が行えない問題点がある。すなわち、
セルフテスト電極6,12間の試験電圧に基づく静電力
の理論値は、つぎの数1の式で示される。
【0013】
【数1】F=εSV2 /2d2 なお、式中のFは静電力,εは誘電率,Sは電極面積,
Vは印加電圧,dは電極間隔である。
【0014】そして、数1の式からも明らかなように、
両電極6,12間の静電力は理論上はその電極面積に依
存することになり、この結果、同じ試験電圧を印加して
もセルフテスト電極6,12の電極面積に応じてブリッ
ジ出力が異なる。しかし、図7の従来センサの場合、実
際にはセルフテスト電極6,12の電極面積を変えても
自己診断試験のブリッジ出力がほとんど変化しないこと
が、種々の実験から判明した。
【0015】これは、例えばストッパ側セルフテスト電
極12を正電位とする極性にセルフテスト電極6,12
間に数10Vの試験電圧を印加すると、ストッパ側セル
フテスト電極12の表面が正に帯電し、このとき、チッ
プ側セルフテスト電極6の表面だけでなくセンサチップ
1全体の表面が負に帯電し、この結果、静電力がセルフ
テスト電極6,12の電極面積に無関係になるからであ
ると、考えられる。
【0016】そして、静電出力がセルフテスト電極6,
12の電極面積に依存しなくなると、試験電圧に対する
正常時の静電出力及びブリッジ出力の大きさが求まら
ず、正しい診断が行えなくなる。本発明は、シリコンセ
ンサチップの電位を外部設定する電極を設け、自己診断
試験の際のセルフテスト電極間の静電力がその電極面積
に依存するようにして正しい診断が行えるようにした半
導体加速度センサ及びその自己診断試験方法を提供する
ことを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体加速度センサにおいては、シリコ
ンセンサチップにこのチップと同一導電型に拡散形成さ
た高濃度層と、シリコンセンサチップ上に設けられて
高濃度層にコンタクトし、外部電源に接続されてシリコ
ンセンサチップの電位を設定する電位補正電極を設け
る。また、本発明の半導体加速度センサの自己診断試験
方法においては、シリコンセンサチップにこのチップと
同一導電型の高濃度層を拡散形成し、シリコンセンサチ
ップ上に設けられて高濃度層にコンタクトした電位補正
電極を、ストッパ側セルフテスト電極と同電位に保持す
る。
【0018】
【作用】前記のように構成された本発明の半導体加速度
センサの場合、電位補正電極が高濃度層を介してシリコ
ンセンサチップにオーミックコンタクトし、外部電源か
ら与えられた電位補正電極の電位によってセンサチップ
の電位が決まり、センサチップの電位が外部から設定で
きる。
【0019】さらに、本発明の半導体加速度センサの自
己診断試験方法の場合、電位補正電極がストッパ側セル
フテスト電極の電位に保持されるため、シリコンセンサ
チップはチップ側セルフテスト電極の帯電極性と逆のス
トッパ側セルフテスト電極の帯電極性の電位になる。そ
のため、両セルフテスト電極間の静電力がその電極面積
に依存して数1の理論値に合致し、ピエゾ抵抗のブリッ
ジ出力により正しい診断が行える。
【0020】
【実施例】実施例について、図1ないし図6を参照して
説明する。 (1実施例) まず、1実施例について、図1ないし図4を参照して説
明する。それらの図面において、図7と同一符号は同一
もしくは相当するものを示し、異なる点はシリコンセン
サチップ1の上面側にこのチップと同一導電型の高濃度
層としてn+ 拡散層14を形成し、この拡散層14にオ
ーミックコンタクトした電位補正電極15を設けた点で
ある。なお、図2はシリコンセンサチップ1の平面図で
あり、図3はそのa−a’線の断面図である。
【0021】そして、自己診断試験の際は、図4に示す
ように直流電源16の正極,負極にチップ側セルフテス
ト電極6,ストッパ側セルフテスト電極12が接続され
て両セルフテスト電極6,12間に試験電圧が印加さ
れ、同時に、外部電源としての直流電源1の正極に電
位補正電極15が接続されてこの電極15がストッパ側
セルフテスト電極12と同じ正電位に保持される。
【0022】このとき、ストッパ側セルフテスト電極1
2の表面が正に帯電してチップ側セルフテスト電極6の
表面は負に帯電するが、電位補正電極15の正電位が拡
散層14を通じてセンサチップ1に印加されるため、こ
のチップ1のほぼチップ側セルフテスト電極6を除く表
面部分は正に帯電して正電位に固定される。
【0023】そのため、セルフテスト電極6,12間の
静電力が電極面積に比例して数1の理論上の静電力Fと
一致するようになり、各ピエゾ抵抗5のブリッジ出力に
基づき、正しい診断が行える。
【0024】なお、直流電源16の負極がピエゾ抵抗5
のブリッジ回路のアース側の端部と共にアースされてい
る場合、図7の従来センサであれば、直流電源16の負
極とチップ側セルフテスト電極6との間が開放されても
センサチップ1の表面が負に帯電して自己診断のブリッ
ジ出力に相当する誤出力が生じるが、本実施例のセンサ
は、電位補正電極15が直流電源16の正極に接続され
ている限りセンサチップ1が正電位に保持されるため、
直流電源16の負極とチップ側セルフテスト電極6との
間が開放されたときに前記の誤出力が生じることもな
い。
【0025】(他の実施例)つぎに、他の実施例につい
て、図5及び図6を参照して説明する。それらの図面に
おいて、図1ないし図4と同一符号は同一もしくは相当
するものを示し、1実施例と異なる点は、センサチップ
1の錘部3を支持する肉薄部がシングル・カンチレバー
部17により形成され、このカンチレバー部17の表面
に拡散形成された2個のピエゾ抵抗5をハーフブリッジ
接続してブリッジ出力を得るようにした点である。
【0026】そして、この実施例の場合もセンサチップ
1の上面側の一部にセンサチップ1と同一導電型の高濃
度層としてn+ 拡散層14が形成され、この層14の上
部にオーミックコンタクトした電位補正電極15が設け
られる。そのため、自己診断試験の際には、電位補正電
極15をストッパ側セルフテスト電極12と同電位に保
持することにより、1実施例と同様の効果が得られる。
【0027】そして、シリコンセンサチップに肉薄部と
してダブル・カンチレバー部等を形成した場合にも適用
することができるのは勿論である。また、シリコンセン
サチップがp型のシリコン基板で形成された場合に適用
できるのも勿論である。
【0028】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、以下に記載する効果を奏する。まず、請求
項1に記載の半導体加速度センサは、電位補正電極15
を設けたことにより、この電極15が高濃度層(拡散層
14)を介してシリコンセンサチップ1にオーミックコ
ンタクトし、センサチップ1の電位チップ側セルフテ
スト電極6の帯電電位でなく、外部電源から与えられた
電位補正電極15の電位によって定めることができ、自
己診断試験の際に、センサチップ1の全体の表面がチッ
プ側セルフテスト電極6の電位になること防止するこ
とができる。
【0029】さらに、請求項2の半導体加速度センサの
自己診断試験方法によると、電位補正電極15がストッ
パ側セルフテスト電極12の電位に保持されるため、シ
リコンセンサチップ1チップ側セルフテスト電極6の
帯電極性と逆のストッパ側セルフテスト電極12の帯電
極性の電位にすることができ、この結果、両セルフテス
ト電極6,12間の静電力がその電極面積に依存して数
式から求まる理論値に合致し、ピエゾ抵抗のブリッジ出
力により正しい診断が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセンサの1実施例の切断正面図であ
る。
【図2】図1のシリコンセンサチップの平面図である。
【図3】図2のa−a’線の断面図である。
【図4】本発明の試験方法の1実施例の一部の結線図で
ある。
【図5】本発明のセンサの他の実施例の切断正面図であ
る。
【図6】図5のシリコンセンサチップの平面図である。
【図7】従来のセンサの切断正面図である。
【符号の説明】
1 シリコンセンサチップ 2 周縁部 3 錘部 4 肉薄部としてのダイアフラム部 5 ピエゾ抵抗 6 チップ側セルフテスト電極 8 上部ストッパ 9 下部ストッパ 12 ストッパ側セルフテスト電極 14 高濃度層としてのn+ 拡散層 15 電位補正電極 17 肉薄部としてのシングル・カンチレバー部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 忠 埼玉県羽生市東5丁目4番71号 株式会 社曙ブレーキ中央技術研究所内 (56)参考文献 特開 平3−200038(JP,A) 特開 平5−102283(JP,A) 特開 平6−77502(JP,A) 特開 平5−172846(JP,A) 特開 平4−274766(JP,A) 特開 平5−209894(JP,A) 実開 平4−110977(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/12 G01P 21/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 枠状の周縁部と、ほぼ中央に位置した錘
    部と、該錘部を支持した肉薄部とからなる一導電型の
    リコンセンサチップと、 前記シリコンセンサチップの上,下に位置し,前記錘部
    の変位を規制する上部ストッパ及び下部ストッパと、 前記錘部の上面に拡散形成されたチップ側セルフテスト
    電極と、 前記上部ストッパの下面に形成されたストッパ側セルフ
    テスト電極と、 前記肉薄部の上面に拡散形成されたピエゾ抵抗とを有す
    る半導体加速度センサにおいて、 前記シリコンセンサチップに該チップと同一導電型に
    散形成された高濃度層と、 前記シリコンセンサチップ上に設けられて前記高濃度層
    にコンタクトし、外部電源に接続されて前記シリコンセ
    ンサチップの電位を設定する 電位補正電極を設けたこ
    とを特徴とする半導体加速度センサ。
  2. 【請求項2】 半導体加速度センサの一導電型のシリコ
    ンセンサチップに形成されたチップ側セルフテスト電極
    上部ストッパに形成されたストッパ側セルフテスト
    電極との間に直流の試験電圧を印加し、前記両電極間の
    静電力により自己診断試験する半導体加速度センサの自
    己診断試験方法において、 前記シリコンセンサチップに該チップと同一導電型の高
    濃度層を拡散形成し、 前記自己診断試験の際に、前記シリコンセンサチップ上
    に設けられて前記高濃度層 にコンタクトした電位補正電
    極を、前記ストッパ側セルフテスト電極と同電位に保持
    したことを特徴とする半導体加速度センサの自己診断試
    験方法。
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