JP3212411B2 - 半導体加速度センサ及びそれを用いた半導体加速度検出装置 - Google Patents
半導体加速度センサ及びそれを用いた半導体加速度検出装置Info
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- optical
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上に形成さ
れ、自動車のエアバックシステムにおける衝突検出部等
に用いられる半導体加速度センサ及びそれを用いた半導
体加速度検出装置に関するものである。
れ、自動車のエアバックシステムにおける衝突検出部等
に用いられる半導体加速度センサ及びそれを用いた半導
体加速度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献１；アイーイーイーイー トランス エレクトロン
デバイシーズ（IEEETrans. Electron Devices）、Ｅ
Ｄ−２６［１２］（1979-12)、（米）、Lynn Michelle
Roylance,James B Angell 著“A Batch-Fabricated Sil
icon Accelerometer”P.1911-1917 文献２；電子情報通信学会論文誌、J75-C-II［10］( 19
92-10)、白井，裏，江刺“２線式シリコン容量形加速度
センサ”P.554-562 文献３；テクニカル ダイジェスト オブ ザ イレブ
ンス センサ シンポジウム（Technical Digest of Se
nsor Symposium) 、(1992)、電気学会、Matsumoto,Esas
hi著“Integrated Capacitive Accelerometer with Nov
el Electrostatic Force Balancing”P.47-50 近年、半導体基板上に形成された超小型半導体加速度セ
ンサが、多く開発されている。これらの加速度センサの
多くは、異方性エッチング等の技術を用いてシリコン
（Ｓｉ）を加工することにより、３次元的な形状とされ
ている。従来の技術における半導体加速度センサは、加
速度の変化に伴う半導体圧電素子の抵抗（ピエゾ抵抗）
の抵抗値変化、或いは微小な容量の変化を検知してい
る。
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献１；アイーイーイーイー トランス エレクトロン
デバイシーズ（IEEETrans. Electron Devices）、Ｅ
Ｄ−２６［１２］（1979-12)、（米）、Lynn Michelle
Roylance,James B Angell 著“A Batch-Fabricated Sil
icon Accelerometer”P.1911-1917 文献２；電子情報通信学会論文誌、J75-C-II［10］( 19
92-10)、白井，裏，江刺“２線式シリコン容量形加速度
センサ”P.554-562 文献３；テクニカル ダイジェスト オブ ザ イレブ
ンス センサ シンポジウム（Technical Digest of Se
nsor Symposium) 、(1992)、電気学会、Matsumoto,Esas
hi著“Integrated Capacitive Accelerometer with Nov
el Electrostatic Force Balancing”P.47-50 近年、半導体基板上に形成された超小型半導体加速度セ
ンサが、多く開発されている。これらの加速度センサの
多くは、異方性エッチング等の技術を用いてシリコン
（Ｓｉ）を加工することにより、３次元的な形状とされ
ている。従来の技術における半導体加速度センサは、加
速度の変化に伴う半導体圧電素子の抵抗（ピエゾ抵抗）
の抵抗値変化、或いは微小な容量の変化を検知してい
る。
【０００３】（第１の従来例） 図２は、半導体加速度センサの第１の従来例を示す平面
図であり、図３は図２の断面図を示している。図２は、
文献１に示されているピエゾ抵抗の抵抗値変化から、加
速度を検出する半導体加速度センサ１０である。半導体
加速度センサ１０は、ガラス１１−シリコン基板１２−
ガラス１１のサンドイッチ構造である。シリコン基板１
２は１枚の基板から作成され、加速度を受けると撓む片
持ち梁（カンチレバービーム）１３と撓まない固定部か
らなっている。半導体加速度センサ１０の中心部に、そ
のカンチレバービーム１３が配置され、カンチレバービ
ーム１３の先端には、加速度を感知する重錘体１４が構
成されている。カンチレバービームの根元は、シリコン
の幅が狭い梁（ビーム）部分１５となっていて、重錘体
１４がビーム部分１３，１５で支えられている。上下の
ガラスカバー１１とカンチレバービーム１３との間は、
空間であり、該カンチレバービーム１３が振動できる構
成となっている。そのビーム１５部分の上部には、Ｐタ
イプのピエゾ抵抗１６ａが形成され、カンチレバービー
ム１３以外の固定部分には、温度補償用のピエゾ抵抗１
６ｂが形成されている。半導体加速度センサ１０は、さ
らに高濃度のＰ+ タイプで構成されてピエゾ抵抗１６
ａ，１６ｂにそれぞれ接続された導体１７と、その導体
１７に接続された電極１８とを有している。各電極１８
は、リード線１９と導電性エポキシで接続されている。
次に、半導体加速度センサ１０の動作を図２，図３を参
照しつつ説明する。図３において、半導体加速度センサ
１０が上下方向に加速度を受けると、重錘体１４が振動
する。重錘体１４の振動によってビーム部分１５に応力
が加って撓み、ピエゾ抵抗１６ａの抵抗値が変化する。
一方、ピエゾ抵抗１６ｂは、加速度に影響されず環境温
度の変化により、抵抗値が変化する。各ピエゾ抵抗１６
ａ，１６ｂの抵抗値の変化が、電極及びリード線を介し
て、外部の検出器で検出される。外部の検出器で環境温
度の変化による抵抗値の変動が除去されて加速度が求め
られる。
図であり、図３は図２の断面図を示している。図２は、
文献１に示されているピエゾ抵抗の抵抗値変化から、加
速度を検出する半導体加速度センサ１０である。半導体
加速度センサ１０は、ガラス１１−シリコン基板１２−
ガラス１１のサンドイッチ構造である。シリコン基板１
２は１枚の基板から作成され、加速度を受けると撓む片
持ち梁（カンチレバービーム）１３と撓まない固定部か
らなっている。半導体加速度センサ１０の中心部に、そ
のカンチレバービーム１３が配置され、カンチレバービ
ーム１３の先端には、加速度を感知する重錘体１４が構
成されている。カンチレバービームの根元は、シリコン
の幅が狭い梁（ビーム）部分１５となっていて、重錘体
１４がビーム部分１３，１５で支えられている。上下の
ガラスカバー１１とカンチレバービーム１３との間は、
空間であり、該カンチレバービーム１３が振動できる構
成となっている。そのビーム１５部分の上部には、Ｐタ
イプのピエゾ抵抗１６ａが形成され、カンチレバービー
ム１３以外の固定部分には、温度補償用のピエゾ抵抗１
６ｂが形成されている。半導体加速度センサ１０は、さ
らに高濃度のＰ+ タイプで構成されてピエゾ抵抗１６
ａ，１６ｂにそれぞれ接続された導体１７と、その導体
１７に接続された電極１８とを有している。各電極１８
は、リード線１９と導電性エポキシで接続されている。
次に、半導体加速度センサ１０の動作を図２，図３を参
照しつつ説明する。図３において、半導体加速度センサ
１０が上下方向に加速度を受けると、重錘体１４が振動
する。重錘体１４の振動によってビーム部分１５に応力
が加って撓み、ピエゾ抵抗１６ａの抵抗値が変化する。
一方、ピエゾ抵抗１６ｂは、加速度に影響されず環境温
度の変化により、抵抗値が変化する。各ピエゾ抵抗１６
ａ，１６ｂの抵抗値の変化が、電極及びリード線を介し
て、外部の検出器で検出される。外部の検出器で環境温
度の変化による抵抗値の変動が除去されて加速度が求め
られる。
【０００４】（第２の従来例） 図４は、半導体加速度センサの第２の従来例を示す平面
図であり、図５は、図４の断面図を示している。図４
は、文献２、３に示されている微小な容量の変化から、
加速度を検出する半導体加速度センサ２０である。加速
度センサ２０は、ガラスカバー２１−シリコン基板２２
−ガラスカバー２１のサンドイッチ構造である。各ガラ
スカバー２１の内側には、チタン（Ｔｉ）の上に酸化し
にくい白金（Ｐｔ）をつけた２層膜の電極２３が、それ
ぞれ形成されている。加速度センサ２０の中央部には、
加速度が与えられたときに振動する重錘体２４があり、
該重錘体２４の表面と電極２３，２３との間でコンデン
サＣ１，Ｃ２がそれぞれ構成されている。重錘体２４は
シリコンで構成され、重錘体２４が、シリコンオキシナ
イトライド（ＳｉＯＮ）で構成された複数の梁（ビー
ム）２５で支えられている。半導体加速度センサ２０に
は、さらに、容量検出用の回路２６，２６と電極２７，
２７がシリコン基板２２上に形成されている。次に、図
４及び図５を参照しつつ半導体加速度センサ２０の動作
を説明する。図５において、半導体加速度センサ２０が
上下方向に加速度を受けると、重錘体２４が上下に振動
する。この重錘体２４の振動により、ガラスカバー２
１，２１上の電極２３，２３とシリコン重錘体２４間の
距離が変化し、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値が変化す
る。この容量値の変化を検出することにより、加速度が
求められる。
図であり、図５は、図４の断面図を示している。図４
は、文献２、３に示されている微小な容量の変化から、
加速度を検出する半導体加速度センサ２０である。加速
度センサ２０は、ガラスカバー２１−シリコン基板２２
−ガラスカバー２１のサンドイッチ構造である。各ガラ
スカバー２１の内側には、チタン（Ｔｉ）の上に酸化し
にくい白金（Ｐｔ）をつけた２層膜の電極２３が、それ
ぞれ形成されている。加速度センサ２０の中央部には、
加速度が与えられたときに振動する重錘体２４があり、
該重錘体２４の表面と電極２３，２３との間でコンデン
サＣ１，Ｃ２がそれぞれ構成されている。重錘体２４は
シリコンで構成され、重錘体２４が、シリコンオキシナ
イトライド（ＳｉＯＮ）で構成された複数の梁（ビー
ム）２５で支えられている。半導体加速度センサ２０に
は、さらに、容量検出用の回路２６，２６と電極２７，
２７がシリコン基板２２上に形成されている。次に、図
４及び図５を参照しつつ半導体加速度センサ２０の動作
を説明する。図５において、半導体加速度センサ２０が
上下方向に加速度を受けると、重錘体２４が上下に振動
する。この重錘体２４の振動により、ガラスカバー２
１，２１上の電極２３，２３とシリコン重錘体２４間の
距離が変化し、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値が変化す
る。この容量値の変化を検出することにより、加速度が
求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体加速度センサにおいては、次のような課題があっ
た。加速度をうけて振動する振動体を有する加速度セン
サでは、振動体の構造等で決まる固有振動によってその
能力が制限される。即ち、突発的で衝撃的な加速度を検
出するためには、固有振動数が高く、使用可能周波数の
バンド幅の広い加速度センサが必要である。しかるに、
従来の半導体加速度センサ１０，２０では、加速度をう
けて振動をする図２，図３のカンチレバービーム１３或
いは図４，図５の重錘体２４の持つ固有振動数によって
制限を受け、固有振動数を高めた構造とすると、振動体
の変位が減少して検出感度が低下する。また、逆に、感
度を高めると、使用可能な周波数のバンド幅が狭くなっ
ていた。即ち、圧電素子の抵抗（ピエゾ抵抗）の抵抗値
変化、或いは微小なキャパシタンスの変化を検知して加
速度を求める従来の半導体加速度センサ１０，２０で
は、このことを解決することが困難であった。本発明
は、前記従来技術が持っていた課題として、周波数のバ
ンド幅を広くできない或いは感度を高められない点につ
いて解決した半導体加速度センサ及びそれを用いた半導
体加速度検出装置を提供するものである。
半導体加速度センサにおいては、次のような課題があっ
た。加速度をうけて振動する振動体を有する加速度セン
サでは、振動体の構造等で決まる固有振動によってその
能力が制限される。即ち、突発的で衝撃的な加速度を検
出するためには、固有振動数が高く、使用可能周波数の
バンド幅の広い加速度センサが必要である。しかるに、
従来の半導体加速度センサ１０，２０では、加速度をう
けて振動をする図２，図３のカンチレバービーム１３或
いは図４，図５の重錘体２４の持つ固有振動数によって
制限を受け、固有振動数を高めた構造とすると、振動体
の変位が減少して検出感度が低下する。また、逆に、感
度を高めると、使用可能な周波数のバンド幅が狭くなっ
ていた。即ち、圧電素子の抵抗（ピエゾ抵抗）の抵抗値
変化、或いは微小なキャパシタンスの変化を検知して加
速度を求める従来の半導体加速度センサ１０，２０で
は、このことを解決することが困難であった。本発明
は、前記従来技術が持っていた課題として、周波数のバ
ンド幅を広くできない或いは感度を高められない点につ
いて解決した半導体加速度センサ及びそれを用いた半導
体加速度検出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの第１の発明は、加速度の印加によっ
て撓む片持ち梁状のカンチレバービームが半導体基板に
形成された半導体加速度センサにおいて、前記半導体基
板に設けられ、光信号を入力する入力用光ファイバを固
定する第１の接続部と、前記半導体基板に設けられ、光
信号を出力する出力用光ファイバを固定する第２の接続
部と、前記カンチレバービーム上に蛇行状に形成され、
かつ入力端が前記第１の接続部を介して前記入力用光フ
ァイバに接続されると共に、出力端が前記第２の接続部
を介して前記出力用光ファイバに接続された光導波路と
を設けている。そして、前記光導波路は、前記カンチレ
バービームの撓み量に応じて長さが変化し、前記入力光
用光ファイバからの光信号の経路長を変えて前記出力用
光ファイバへ出力する構成にしている。第２の発明は、
加速度の印加によって撓む片持ち梁状のカンチレバービ
ームが半導体基板に形成された半導体加速度センサにお
いて、前記半導体基板に設けられ、光信号を入出力する
入出力用光ファイバを固定する接続部と、前記半導体基
板上に設けられ、前記光信号を反射する反射鏡と、前記
カンチレバービーム上に蛇行状に形成され、かつ一端が
前記接続部を介して前記光ファイバに接続され、他端が
前記反射鏡に接続された光導波路とを設けている。そし
て、前記光導波路は、前記カンチレバービームの撓み量
に応じて経路長が変り、その経路中を前記光ファイバか
らの入力光信号を前記反射鏡へ伝送し、かつ前記反射鏡
からの反射光を前記光ファイバへ出力する構成にしてい
る。
に、本発明のうちの第１の発明は、加速度の印加によっ
て撓む片持ち梁状のカンチレバービームが半導体基板に
形成された半導体加速度センサにおいて、前記半導体基
板に設けられ、光信号を入力する入力用光ファイバを固
定する第１の接続部と、前記半導体基板に設けられ、光
信号を出力する出力用光ファイバを固定する第２の接続
部と、前記カンチレバービーム上に蛇行状に形成され、
かつ入力端が前記第１の接続部を介して前記入力用光フ
ァイバに接続されると共に、出力端が前記第２の接続部
を介して前記出力用光ファイバに接続された光導波路と
を設けている。そして、前記光導波路は、前記カンチレ
バービームの撓み量に応じて長さが変化し、前記入力光
用光ファイバからの光信号の経路長を変えて前記出力用
光ファイバへ出力する構成にしている。第２の発明は、
加速度の印加によって撓む片持ち梁状のカンチレバービ
ームが半導体基板に形成された半導体加速度センサにお
いて、前記半導体基板に設けられ、光信号を入出力する
入出力用光ファイバを固定する接続部と、前記半導体基
板上に設けられ、前記光信号を反射する反射鏡と、前記
カンチレバービーム上に蛇行状に形成され、かつ一端が
前記接続部を介して前記光ファイバに接続され、他端が
前記反射鏡に接続された光導波路とを設けている。そし
て、前記光導波路は、前記カンチレバービームの撓み量
に応じて経路長が変り、その経路中を前記光ファイバか
らの入力光信号を前記反射鏡へ伝送し、かつ前記反射鏡
からの反射光を前記光ファイバへ出力する構成にしてい
る。
【０００７】第３の発明は、第１の発明の半導体加速度
センサにおいて、前記第１、第２の接続部及び前記光導
波路と同一構造のものを前記半導体基板上に設けてい
る。第４の発明は、第２の発明の半導体加速度センサに
おいて、前記接続部、前記反射鏡及び前記光導波路と同
一構造のものを前記半導体基板上に設けている。第５の
発明は、半導体加速度検出装置において、第１の発明の
半導体加速度センサと、前記出力用光ファイバからの光
信号と参照光信号との位相差を検出する位相差検出回路
と、前記位相差検出回路の出力信号に応じた電圧を生成
するドリフト補償回路と、前記カンチレバービームと対
抗する箇所に設けられ、前記ドリフト補償回路の出力信
号に基づき、クーロン力で前記カンチレバービームの変
位を制御する電極とを、備えている。第６の発明は、半
導体加速度検出装置において、第２の発明の半導体加速
度センサと、前記光ファイバからの光信号と参照光信号
との位相差を検出する位相差検出回路と、前記位相差検
出回路の出力信号に応じた電圧を生成するドリフト補償
回路と、前記カンチレバービームと対抗する箇所に設け
られ、前記ドリフト補償回路の出力信号に基づき、クー
ロン力で前記カンチレバービームの変位を制御する電極
とを、備えている。第７の発明は、半導体加速度検出装
置において、第４の発明の半導体加速度センサと、前記
各接続部からの出力光信号間の位相差を検出する位相差
検出回路と、前記位相差検出回路の出力信号に応じた電
圧を生成するドリフト補償回路と、前記カンチレバービ
ームと対抗する箇所に設けられ、前記ドリフト補償回路
の出力信号に基づき、クーロン力で前記カンチレバービ
ームの変位を制御する電極とを、備えている。
センサにおいて、前記第１、第２の接続部及び前記光導
波路と同一構造のものを前記半導体基板上に設けてい
る。第４の発明は、第２の発明の半導体加速度センサに
おいて、前記接続部、前記反射鏡及び前記光導波路と同
一構造のものを前記半導体基板上に設けている。第５の
発明は、半導体加速度検出装置において、第１の発明の
半導体加速度センサと、前記出力用光ファイバからの光
信号と参照光信号との位相差を検出する位相差検出回路
と、前記位相差検出回路の出力信号に応じた電圧を生成
するドリフト補償回路と、前記カンチレバービームと対
抗する箇所に設けられ、前記ドリフト補償回路の出力信
号に基づき、クーロン力で前記カンチレバービームの変
位を制御する電極とを、備えている。第６の発明は、半
導体加速度検出装置において、第２の発明の半導体加速
度センサと、前記光ファイバからの光信号と参照光信号
との位相差を検出する位相差検出回路と、前記位相差検
出回路の出力信号に応じた電圧を生成するドリフト補償
回路と、前記カンチレバービームと対抗する箇所に設け
られ、前記ドリフト補償回路の出力信号に基づき、クー
ロン力で前記カンチレバービームの変位を制御する電極
とを、備えている。第７の発明は、半導体加速度検出装
置において、第４の発明の半導体加速度センサと、前記
各接続部からの出力光信号間の位相差を検出する位相差
検出回路と、前記位相差検出回路の出力信号に応じた電
圧を生成するドリフト補償回路と、前記カンチレバービ
ームと対抗する箇所に設けられ、前記ドリフト補償回路
の出力信号に基づき、クーロン力で前記カンチレバービ
ームの変位を制御する電極とを、備えている。
【０００８】
【作用】第１〜第７の発明によれば、以上のように半導
体加速度センサを構成したので、接続部が光ファイバと
光導波路を接合している。半導体基板の成す平面に対し
て垂直な方向（或いは、それに近い方向）の加速度を、
片持ち梁状のカンチレバービームが感知して撓むと、そ
のカンチレバービームの撓みにより、蛇行状に形成され
た光導波路の長さが変化する。光導波路の長さの変化
は、伝送される光信号の位相を変化させる。その位相の
変化から加速度が求められる。第２の発明によれば、反
射鏡が光導波路を通る光信号の経路長を長くし、位相の
変化を２倍にして出力する。第３及び第４の発明によれ
ば、同一温度状況下の、加速度によって位相の変化する
センシング用光信号及び位相の変化をしない参照光信号
が出力される。第５、第６及び第７の発明によれば、加
速度によって位相の変化した光信号と参照光信号との、
位相差に基づいた制御用電圧が電極に帰還される。その
電圧から、カンチレバービームの変位に応じた加速度が
検出されると共に、該カンチレバービームに復元力が与
えられる。従って、前記課題を解決できるのである。
体加速度センサを構成したので、接続部が光ファイバと
光導波路を接合している。半導体基板の成す平面に対し
て垂直な方向（或いは、それに近い方向）の加速度を、
片持ち梁状のカンチレバービームが感知して撓むと、そ
のカンチレバービームの撓みにより、蛇行状に形成され
た光導波路の長さが変化する。光導波路の長さの変化
は、伝送される光信号の位相を変化させる。その位相の
変化から加速度が求められる。第２の発明によれば、反
射鏡が光導波路を通る光信号の経路長を長くし、位相の
変化を２倍にして出力する。第３及び第４の発明によれ
ば、同一温度状況下の、加速度によって位相の変化する
センシング用光信号及び位相の変化をしない参照光信号
が出力される。第５、第６及び第７の発明によれば、加
速度によって位相の変化した光信号と参照光信号との、
位相差に基づいた制御用電圧が電極に帰還される。その
電圧から、カンチレバービームの変位に応じた加速度が
検出されると共に、該カンチレバービームに復元力が与
えられる。従って、前記課題を解決できるのである。
【０００９】
【実施例】（第１の実施例） 図１は、本発明の第１の実施例の半導体加速度センサ３
０を示す平面図であり、図６は、図１の中央断面図であ
る。半導体加速度センサ３０は、シリコン基板３１から
フォトリソ工程と異方性エッチング工程を経て形成され
ている。半導体加速度センサ３０は、加速度が与えられ
たときに撓むカンチレバービーム３２と、カンチレバー
ビーム３２の先端に設けられて該加速度を感知する重錘
体３７と、入出力用光ファイバＦ１，Ｆ２を固定する２
個のＶ字型の溝３３とが備えられている。カンチレバー
ビームの根元は、振動による応力が加わりやすいように
薄く仕上げられたビーム部３４とされ、そのカンチレバ
ービーム３２上には、光ファイバＦ１，Ｆ２に接続され
て光信号ＯＰ１を通す光導波路３５が、蛇行して走って
いる。光導波路３５は、カンチレバービーム３２の形成
前に、気相成長（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2 ）を１μｍ形成してパターン化したものである。Ｖ
字型の溝３３，３３は、光ファイバの第１、第２の接続
部で光ファイバＦ１，Ｆ２を固定したとき、該光ファイ
バＦ１，Ｆ２の中心が光導波路３５の中心に位置する形
状となっている。また、半導体加速度センサ３０には、
カンチレバービーム３２が衝撃的な加速度を受けたと
き、該カンチレバービーム３２の破損を防止するガラス
のストッパ３６が設けられている。
０を示す平面図であり、図６は、図１の中央断面図であ
る。半導体加速度センサ３０は、シリコン基板３１から
フォトリソ工程と異方性エッチング工程を経て形成され
ている。半導体加速度センサ３０は、加速度が与えられ
たときに撓むカンチレバービーム３２と、カンチレバー
ビーム３２の先端に設けられて該加速度を感知する重錘
体３７と、入出力用光ファイバＦ１，Ｆ２を固定する２
個のＶ字型の溝３３とが備えられている。カンチレバー
ビームの根元は、振動による応力が加わりやすいように
薄く仕上げられたビーム部３４とされ、そのカンチレバ
ービーム３２上には、光ファイバＦ１，Ｆ２に接続され
て光信号ＯＰ１を通す光導波路３５が、蛇行して走って
いる。光導波路３５は、カンチレバービーム３２の形成
前に、気相成長（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2 ）を１μｍ形成してパターン化したものである。Ｖ
字型の溝３３，３３は、光ファイバの第１、第２の接続
部で光ファイバＦ１，Ｆ２を固定したとき、該光ファイ
バＦ１，Ｆ２の中心が光導波路３５の中心に位置する形
状となっている。また、半導体加速度センサ３０には、
カンチレバービーム３２が衝撃的な加速度を受けたと
き、該カンチレバービーム３２の破損を防止するガラス
のストッパ３６が設けられている。
【００１０】次に、この半導体加速度センサの加速度検
出原理を説明する。図７及び図８は、カンチレバービー
ム３２の動作を説明するための概略図である。図７及び
図８を参照しつつ加速度検出原理を説明する。図７及び
図８は、図１及び図６のカンチレバービーム３２と光導
波路３５を示している。図７は加速度を受けていないと
き、図８は加速度を受けたときの状態をそれぞれ示して
いる。なお、図７において、Ｌはカンチレバービーム３
２の長さ、Ｙはカンチレバービーム３２の厚さの１／２
の値をそれぞれ示している。半導体加速度センサ３０に
加速度を与えると、カンチレバービーム３２の先端に力
が加わり、該カンチレバービーム３２が、図７の状態か
ら撓んで湾曲し、図８の様になる。湾曲の曲率半径が長
さＬに対して非常に大きい場合に、その加わった力を
Ｗ、カンチレバービーム３２のヤング率をＥ、カンチレ
バービーム３２の先端のずれをＺとすると、 Ｚ＝ＷＬ3 ／（３ＥＩ） ……………………（１） で表すことができる。ここで、Ｉはカンチレバービーム
３２の断面Ｓの慣性モーメントであり、 Ｉ＝∫Ｙ2 ds ……………………（２） である。
出原理を説明する。図７及び図８は、カンチレバービー
ム３２の動作を説明するための概略図である。図７及び
図８を参照しつつ加速度検出原理を説明する。図７及び
図８は、図１及び図６のカンチレバービーム３２と光導
波路３５を示している。図７は加速度を受けていないと
き、図８は加速度を受けたときの状態をそれぞれ示して
いる。なお、図７において、Ｌはカンチレバービーム３
２の長さ、Ｙはカンチレバービーム３２の厚さの１／２
の値をそれぞれ示している。半導体加速度センサ３０に
加速度を与えると、カンチレバービーム３２の先端に力
が加わり、該カンチレバービーム３２が、図７の状態か
ら撓んで湾曲し、図８の様になる。湾曲の曲率半径が長
さＬに対して非常に大きい場合に、その加わった力を
Ｗ、カンチレバービーム３２のヤング率をＥ、カンチレ
バービーム３２の先端のずれをＺとすると、 Ｚ＝ＷＬ3 ／（３ＥＩ） ……………………（１） で表すことができる。ここで、Ｉはカンチレバービーム
３２の断面Ｓの慣性モーメントであり、 Ｉ＝∫Ｙ2 ds ……………………（２） である。
【００１１】光導波路３５が、カンチレバービーム３２
の上側にｎ回往復して形成されて、光導波路３５の経路
長ｎＬであるとする。湾曲の曲率半径が長さＬに対して
非常に大きくてＺが小さい場合に、光導波路３５の経路
長の変化ΔＬは、ポアソン比を無視して ΔＬ＝−４πｎＹＺ／Ｌ ……………………（３） となる。
の上側にｎ回往復して形成されて、光導波路３５の経路
長ｎＬであるとする。湾曲の曲率半径が長さＬに対して
非常に大きくてＺが小さい場合に、光導波路３５の経路
長の変化ΔＬは、ポアソン比を無視して ΔＬ＝−４πｎＹＺ／Ｌ ……………………（３） となる。
【００１２】以上のように、加速度等によるカンチレバ
ービーム３２の振動は、光導波路３５の経路長に変化を
もたらす。この経路長の変化ΔＬに基づいて光導波路３
５を通る光信号の位相がずれる。この光信号の位相のず
れは、例えば、図９に示す光干渉計で参照光信号との位
相差として検出される。図９は、その位相差から加速度
を求める半導体加速度検出装置を示している。この半導
体加速度検出装置は、レーザダイオード等の光源４１
と、光源４１の出力光を受けて順方向光のみを出力する
光アイソレータ４２と、入力光をセンシング用光信号Ｏ
Ｐ１と参照用光信号ＯＰ２に分岐するフォトカプラ４３
と、光ファイバＦ１を介して光信号ＯＰ１を入力し、光
ファイバＦ２から出力する半導体加速度センサ３０と、
光ファイバＦ２，Ｆ３からの光信号ＯＰ１，ＯＰ２を干
渉させて出力するフォトカプラ４４と、フォトカプラ４
４の出力光を電気信号に変換するフォトダイオードの受
光器４５，４５と、受光器４５，４５の出力信号を差動
増幅するアンプ４６とを備えている。この装置には、鉛
（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及び
酸素（Ｏ）で構成された圧電セラミックス（ＰＺＴ）シ
リンダ４７が設けられ、フォトカプラ４３，４４間を繋
ぐ光ファイバＦ３が、シリンダ４７に巻装されている。
シリンダ４７には、アンプ４６の出力に基づいた電圧
が、ドリフト補償用回路４８を介して帰還される構成と
なっている。各光ファイバＦ１〜Ｆ３は、単一モード光
ファイバであり、フォトカプラ４３，４４とでマッハツ
ェンダー型の干渉計を構成している。
ービーム３２の振動は、光導波路３５の経路長に変化を
もたらす。この経路長の変化ΔＬに基づいて光導波路３
５を通る光信号の位相がずれる。この光信号の位相のず
れは、例えば、図９に示す光干渉計で参照光信号との位
相差として検出される。図９は、その位相差から加速度
を求める半導体加速度検出装置を示している。この半導
体加速度検出装置は、レーザダイオード等の光源４１
と、光源４１の出力光を受けて順方向光のみを出力する
光アイソレータ４２と、入力光をセンシング用光信号Ｏ
Ｐ１と参照用光信号ＯＰ２に分岐するフォトカプラ４３
と、光ファイバＦ１を介して光信号ＯＰ１を入力し、光
ファイバＦ２から出力する半導体加速度センサ３０と、
光ファイバＦ２，Ｆ３からの光信号ＯＰ１，ＯＰ２を干
渉させて出力するフォトカプラ４４と、フォトカプラ４
４の出力光を電気信号に変換するフォトダイオードの受
光器４５，４５と、受光器４５，４５の出力信号を差動
増幅するアンプ４６とを備えている。この装置には、鉛
（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及び
酸素（Ｏ）で構成された圧電セラミックス（ＰＺＴ）シ
リンダ４７が設けられ、フォトカプラ４３，４４間を繋
ぐ光ファイバＦ３が、シリンダ４７に巻装されている。
シリンダ４７には、アンプ４６の出力に基づいた電圧
が、ドリフト補償用回路４８を介して帰還される構成と
なっている。各光ファイバＦ１〜Ｆ３は、単一モード光
ファイバであり、フォトカプラ４３，４４とでマッハツ
ェンダー型の干渉計を構成している。
【００１３】光源４１からの光信号は、フォトカプラ４
３で分岐され、一方はセンシング用光信号ＯＰ１として
半導体加速度センサ３０に入力され、加速度を受けて光
信号ＯＰ１の位相がずれてフォトカプラ４４へ出力され
る。他方の光信号ＯＰ２は、参照光信号として、フォト
カプラ４４へ出力される。フォトカプラ４４は、光信号
ＯＰ１，ＯＰ２の位相差変動を干渉光として出力する。
この検出された位相差ΔΦは、レーザ光の波長をλとす
ると、 ΔΦ＝８π2 ｎＹＺ／（Ｌλ） ……………………（４） となる。干渉光は受光器４５，４５を介して、アンプ４
６に入力され、そしてアンプ４６が、位相差変動に応じ
て差動増幅された電気信号を出力する。ドリフト補償用
回路４８は、アンプ４６の出力信号に基づいた帰還電圧
Ｖｄｄを生成してシリンダ４７に与えている。電圧Ｖｄ
ｄは、光信号ＯＰ１，ＯＰ２間の位相差が無い状態にな
るようにシリンダ４７へ印加される。即ち、シリンダ４
７に電圧Ｖｄｄが印加されることによってシリンダ４７
の直径が変動し、光信号ＯＰ１，ＯＰ２の経路長の変化
が等しくなるような電圧Ｖｄｄが印加される。帰還電圧
Ｖｄｄを測定することによって加速度が求められる。
３で分岐され、一方はセンシング用光信号ＯＰ１として
半導体加速度センサ３０に入力され、加速度を受けて光
信号ＯＰ１の位相がずれてフォトカプラ４４へ出力され
る。他方の光信号ＯＰ２は、参照光信号として、フォト
カプラ４４へ出力される。フォトカプラ４４は、光信号
ＯＰ１，ＯＰ２の位相差変動を干渉光として出力する。
この検出された位相差ΔΦは、レーザ光の波長をλとす
ると、 ΔΦ＝８π2 ｎＹＺ／（Ｌλ） ……………………（４） となる。干渉光は受光器４５，４５を介して、アンプ４
６に入力され、そしてアンプ４６が、位相差変動に応じ
て差動増幅された電気信号を出力する。ドリフト補償用
回路４８は、アンプ４６の出力信号に基づいた帰還電圧
Ｖｄｄを生成してシリンダ４７に与えている。電圧Ｖｄ
ｄは、光信号ＯＰ１，ＯＰ２間の位相差が無い状態にな
るようにシリンダ４７へ印加される。即ち、シリンダ４
７に電圧Ｖｄｄが印加されることによってシリンダ４７
の直径が変動し、光信号ＯＰ１，ＯＰ２の経路長の変化
が等しくなるような電圧Ｖｄｄが印加される。帰還電圧
Ｖｄｄを測定することによって加速度が求められる。
【００１４】以上のように、本実施例では、次のような
利点を生じている。 （ａ）カンチレバービーム３２の撓みから生じる経路長
の変化ΔＬを、光信号の位相差として検出しているの
で、微量の変化分を検出することが可能となる。特に、
光導波路３５は蛇行状に形成されているので、経路長を
長くすることができ、そのため感度を向上させることが
できる。従って、抵抗値変化、或いは容量の変化を検知
する従来のセンサに比べて、感度の高い半導体加速度セ
ンサを実現できる。 （ｂ）（ａ）により、使用可能周波数のバンド幅を高く
設定できる。 （ｃ）加速度の検出に光信号ＯＰ１，ＯＰ２を使用して
いるので、半導体加速度センサ３０の近傍に発生する電
気的な雑音に対して強い。
利点を生じている。 （ａ）カンチレバービーム３２の撓みから生じる経路長
の変化ΔＬを、光信号の位相差として検出しているの
で、微量の変化分を検出することが可能となる。特に、
光導波路３５は蛇行状に形成されているので、経路長を
長くすることができ、そのため感度を向上させることが
できる。従って、抵抗値変化、或いは容量の変化を検知
する従来のセンサに比べて、感度の高い半導体加速度セ
ンサを実現できる。 （ｂ）（ａ）により、使用可能周波数のバンド幅を高く
設定できる。 （ｃ）加速度の検出に光信号ＯＰ１，ＯＰ２を使用して
いるので、半導体加速度センサ３０の近傍に発生する電
気的な雑音に対して強い。
【００１５】（第２の実施例） 図１０は、本発明の第２の実施例の半導体加速度センサ
５０を示す平面図であり、図１１は図１０の中央断面図
である。半導体加速度センサ５０は、一体のシリコン基
板５１からエッチング等の工程を経て形成されている。
半導体加速度センサ５０は、加速度が与えられたときに
撓むカンチレバービーム５２と、カンチレバービーム５
２の先端に設けられて加速度を感知する重錘体５３と、
入力用光ファイバＦ４ａ，Ｆ５ａ及び出力用光ファイバ
Ｆ４ｂ，Ｆ５ｂをそれぞれ固定する接続部の４個のＶ字
型の溝５４と、カンチレバービーム５２上に数回往復し
て形成された第１の光導波路５５と、光導波路５５と同
じ長さで、基板５１の振動しない部分に数回往復して形
成された第２の光導波路５６とを、有している。
５０を示す平面図であり、図１１は図１０の中央断面図
である。半導体加速度センサ５０は、一体のシリコン基
板５１からエッチング等の工程を経て形成されている。
半導体加速度センサ５０は、加速度が与えられたときに
撓むカンチレバービーム５２と、カンチレバービーム５
２の先端に設けられて加速度を感知する重錘体５３と、
入力用光ファイバＦ４ａ，Ｆ５ａ及び出力用光ファイバ
Ｆ４ｂ，Ｆ５ｂをそれぞれ固定する接続部の４個のＶ字
型の溝５４と、カンチレバービーム５２上に数回往復し
て形成された第１の光導波路５５と、光導波路５５と同
じ長さで、基板５１の振動しない部分に数回往復して形
成された第２の光導波路５６とを、有している。
【００１６】カンチレバービーム５２の先端部の重錘体
５３の幅は、広くされていると共に、上部に電極５７が
形成されている。光導波路５５において、一方の端部に
入力用光導波路５５ａと出力用光導波路５５ｂとが光導
波路結合部５８ａで結合され、他端は、反射鏡５９で終
端されている。同様に、光導波路５６において、一方の
端部に入力用光導波路５６ａと出力用光導波路５６ｂと
が光導波路結合器５８ｂで結合され、他端は反射鏡６０
で終端されている。半導体加速度センサ５０は、ガラス
カバー６１で蓋をされ、該ガラスカバー６１の内側の前
記電極５７と対向する位置に、制御用電極６２が固着さ
れている。電極６２は、外部からのリード線６３とガラ
スカバー６１に開けられた穴６４を介して導電性エポキ
シ６５で接続されている。図１０の半導体加速度センサ
５０は、感度をあげるために真空密封されている。
５３の幅は、広くされていると共に、上部に電極５７が
形成されている。光導波路５５において、一方の端部に
入力用光導波路５５ａと出力用光導波路５５ｂとが光導
波路結合部５８ａで結合され、他端は、反射鏡５９で終
端されている。同様に、光導波路５６において、一方の
端部に入力用光導波路５６ａと出力用光導波路５６ｂと
が光導波路結合器５８ｂで結合され、他端は反射鏡６０
で終端されている。半導体加速度センサ５０は、ガラス
カバー６１で蓋をされ、該ガラスカバー６１の内側の前
記電極５７と対向する位置に、制御用電極６２が固着さ
れている。電極６２は、外部からのリード線６３とガラ
スカバー６１に開けられた穴６４を介して導電性エポキ
シ６５で接続されている。図１０の半導体加速度センサ
５０は、感度をあげるために真空密封されている。
【００１７】次に、この半導体加速度センサ５０の動作
を説明する。半導体加速度センサ５０も、図１，図６の
半導体加速度センサ３０と同様に、加速度を受けると、
カンチレバービーム５２が撓む。カンチレバービーム５
２が撓むと、カンチレバービーム５２及び光導波路５５
が湾曲する。そのため、光導波路５５の経路長がΔＬ変
化する。ただし、半導体加速度センサ５０では、反射鏡
５９を用いていることにより、光導波路５５の経路長
が、第１の実施例の場合に比べ、実質上２倍となる。そ
のため、図７，８において、光導波路５５の経路長は２
ｎＬとなり、第１の実施例の式（３）による経路長の変
化ΔＬが、 ΔＬ＝−８πｎＹＺ／Ｌ ……………………（５） となる。一方、光導波路５６は、加速度による経路長の
変化はない。
を説明する。半導体加速度センサ５０も、図１，図６の
半導体加速度センサ３０と同様に、加速度を受けると、
カンチレバービーム５２が撓む。カンチレバービーム５
２が撓むと、カンチレバービーム５２及び光導波路５５
が湾曲する。そのため、光導波路５５の経路長がΔＬ変
化する。ただし、半導体加速度センサ５０では、反射鏡
５９を用いていることにより、光導波路５５の経路長
が、第１の実施例の場合に比べ、実質上２倍となる。そ
のため、図７，８において、光導波路５５の経路長は２
ｎＬとなり、第１の実施例の式（３）による経路長の変
化ΔＬが、 ΔＬ＝−８πｎＹＺ／Ｌ ……………………（５） となる。一方、光導波路５６は、加速度による経路長の
変化はない。
【００１８】図１２は、上記、光導波路５５の加速度に
よる経路長の変化を検出して該加速度を求める半導体加
速度検出装置の構成図である。図１２には、レーザダイ
オード等の光源７１と、光源７１の出力光を受けて順方
向光のみを出力する光アイソレータ７２と、入力光をセ
ンシング用光信号ＯＰ１と参照用光信号ＯＰ２とに分岐
するフォトカプラ７３と、光ファイバＦ４ａを介して光
信号ＯＰ１を入力して光ファイバＦ４ｂから出力する共
に、光ファイバＦ５ａを介して光信号ＯＰ２を入力して
光ファイバＦ５ｂから出力する半導体加速度センサ５０
と、光ファイバＦ４ｂ，Ｆ５ｂからの光信号ＯＰ１，Ｏ
Ｐ２を干渉させて出力するフォトカプラ７４と、フォト
カプラ７４の出力光を電気信号に変換するフォトダイオ
ードの受光器７５，７５と、受光器７５，７５の出力信
号を差動増幅するアンプ７６と、アンプ７６の出力信号
に基づいた電圧を生成して半導体加速度センサ５０の電
極６２に帰還させるドリフト補償用回路７７とを、備え
ている。各光ファイバは、単一モード光ファイバであ
り、フォトカプラ７３，７４とでマッハツェンダー型の
干渉計を構成し、マッハツェンダー型の干渉計、受光器
７５，７５及びアンプ７６で位相差検出回路が構成され
ている。
よる経路長の変化を検出して該加速度を求める半導体加
速度検出装置の構成図である。図１２には、レーザダイ
オード等の光源７１と、光源７１の出力光を受けて順方
向光のみを出力する光アイソレータ７２と、入力光をセ
ンシング用光信号ＯＰ１と参照用光信号ＯＰ２とに分岐
するフォトカプラ７３と、光ファイバＦ４ａを介して光
信号ＯＰ１を入力して光ファイバＦ４ｂから出力する共
に、光ファイバＦ５ａを介して光信号ＯＰ２を入力して
光ファイバＦ５ｂから出力する半導体加速度センサ５０
と、光ファイバＦ４ｂ，Ｆ５ｂからの光信号ＯＰ１，Ｏ
Ｐ２を干渉させて出力するフォトカプラ７４と、フォト
カプラ７４の出力光を電気信号に変換するフォトダイオ
ードの受光器７５，７５と、受光器７５，７５の出力信
号を差動増幅するアンプ７６と、アンプ７６の出力信号
に基づいた電圧を生成して半導体加速度センサ５０の電
極６２に帰還させるドリフト補償用回路７７とを、備え
ている。各光ファイバは、単一モード光ファイバであ
り、フォトカプラ７３，７４とでマッハツェンダー型の
干渉計を構成し、マッハツェンダー型の干渉計、受光器
７５，７５及びアンプ７６で位相差検出回路が構成され
ている。
【００１９】光源７１からの光信号は、フォトカプラ７
３で分岐され、一方はセンシング用光信号ＯＰ１として
光ファイバＦ４ａを介して光導波路５５に入力され、そ
の光信号ＯＰ１は、加速度を受けて位相がずれてフォト
カプラ７４へ出力される。他方の光信号ＯＰ２は、参照
光信号として、光ファイバＦ５ａを介して光導波路５６
に入力されフォトカプラ７４へ出力される。ここで、光
信号ＯＰ１に存在していた温度変動による位相のずれ
が、光信号ＯＰ２と比較されることにより除去される。
フォトカプラ７４は、光信号ＯＰ１，ＯＰ２の加速度変
化による位相差ΔΦのみを検出して干渉光として出力す
る。この検出された位相差ΔΦは、レーザ光の波長をλ
とすると、 ΔΦ＝１６π2 ｎＹＺ／（Ｌλ） ……………………（４） となる。干渉光は受光器７５，７５を介して、アンプ７
６に入力され、そのアンプ７６が、位相差変動に応じて
差動増幅された電気信号を出力する。ドリフト補償用回
路７７は、アンプ７６の出力から電圧Ｖｄｄを生成し、
この電圧Ｖｄｄは、半導体加速度センサ５０の電極６２
に帰還されると共に測定されて加速度が求められる。帰
還電圧Ｖｄｄは、電極５７，６２に電荷を誘起し、誘起
された電荷によってガラスカバー６１とカンチレバービ
ーム５２間にクーロン力が発生する。クーロン力によ
り、加速度をうけて変位したカンチレバービーム５２が
復元する。
３で分岐され、一方はセンシング用光信号ＯＰ１として
光ファイバＦ４ａを介して光導波路５５に入力され、そ
の光信号ＯＰ１は、加速度を受けて位相がずれてフォト
カプラ７４へ出力される。他方の光信号ＯＰ２は、参照
光信号として、光ファイバＦ５ａを介して光導波路５６
に入力されフォトカプラ７４へ出力される。ここで、光
信号ＯＰ１に存在していた温度変動による位相のずれ
が、光信号ＯＰ２と比較されることにより除去される。
フォトカプラ７４は、光信号ＯＰ１，ＯＰ２の加速度変
化による位相差ΔΦのみを検出して干渉光として出力す
る。この検出された位相差ΔΦは、レーザ光の波長をλ
とすると、 ΔΦ＝１６π2 ｎＹＺ／（Ｌλ） ……………………（４） となる。干渉光は受光器７５，７５を介して、アンプ７
６に入力され、そのアンプ７６が、位相差変動に応じて
差動増幅された電気信号を出力する。ドリフト補償用回
路７７は、アンプ７６の出力から電圧Ｖｄｄを生成し、
この電圧Ｖｄｄは、半導体加速度センサ５０の電極６２
に帰還されると共に測定されて加速度が求められる。帰
還電圧Ｖｄｄは、電極５７，６２に電荷を誘起し、誘起
された電荷によってガラスカバー６１とカンチレバービ
ーム５２間にクーロン力が発生する。クーロン力によ
り、加速度をうけて変位したカンチレバービーム５２が
復元する。
【００２０】次に、半導体加速度センサ５０の製作方法
を説明する。図１３は、シリコン基板から半導体加速度
センサの製作過程を説明する図である。図１３を参照し
つつ半導体加速度センサ５０の製作方法を説明する。な
お、図１３では、光導波路５５，５６の折り返しをそれ
ぞれ１回と、簡略化した形で示している。図１３の
（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板５１上に、Ｓｉ3 Ｎ4 層
８１を減圧気相成長（ＬＰＣＶＤ）法により形成する。
フォトレジストをマスクとしてＣＦ4+O2 でエッチング
してＳｉ3 Ｎ4 層に窓８２を開け、Ｓｉを露出させる。
その後、ＬＰＣＶＤ法により、ホウ素（Ｂ）をドープし
た高濃度Ｐ++Ｓｉを図１３の（Ａ）に示すように、窓８
２に選択的にエピタキシャル成長させる。次に、図１３
の（Ｂ）のように、図１０のカンチレバービーム５２に
当たる部分の周辺８３と、Ｖ字型の溝５４に当たる部分
のＳｉ3 Ｎ4 層をエッチングで除去する。その後、クロ
ム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）を蒸着し、フォトレジストをマ
スクとしてＡｕのエッチャントでカンチレバービーム５
２の先端に重錘体５３を兼ねる電極５７を形成する。次
に、図１３の（Ｃ）のように、ＳｉＯ2 をスパッタによ
り成膜し、Ｃｒをマスクとしてエッチングで光導波路５
５，５６を形成する。光導波路５５，５６の先端にＡｌ
の反射鏡５９，６０をフォトレジストをマスクとしてＣ
ｒのエッチャントでエッチングで形成する。最後に、ハ
イドラジン水溶液により、Ｖ字型の溝５４及びカンチレ
バービーム５２を形成する。
を説明する。図１３は、シリコン基板から半導体加速度
センサの製作過程を説明する図である。図１３を参照し
つつ半導体加速度センサ５０の製作方法を説明する。な
お、図１３では、光導波路５５，５６の折り返しをそれ
ぞれ１回と、簡略化した形で示している。図１３の
（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板５１上に、Ｓｉ3 Ｎ4 層
８１を減圧気相成長（ＬＰＣＶＤ）法により形成する。
フォトレジストをマスクとしてＣＦ4+O2 でエッチング
してＳｉ3 Ｎ4 層に窓８２を開け、Ｓｉを露出させる。
その後、ＬＰＣＶＤ法により、ホウ素（Ｂ）をドープし
た高濃度Ｐ++Ｓｉを図１３の（Ａ）に示すように、窓８
２に選択的にエピタキシャル成長させる。次に、図１３
の（Ｂ）のように、図１０のカンチレバービーム５２に
当たる部分の周辺８３と、Ｖ字型の溝５４に当たる部分
のＳｉ3 Ｎ4 層をエッチングで除去する。その後、クロ
ム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）を蒸着し、フォトレジストをマ
スクとしてＡｕのエッチャントでカンチレバービーム５
２の先端に重錘体５３を兼ねる電極５７を形成する。次
に、図１３の（Ｃ）のように、ＳｉＯ2 をスパッタによ
り成膜し、Ｃｒをマスクとしてエッチングで光導波路５
５，５６を形成する。光導波路５５，５６の先端にＡｌ
の反射鏡５９，６０をフォトレジストをマスクとしてＣ
ｒのエッチャントでエッチングで形成する。最後に、ハ
イドラジン水溶液により、Ｖ字型の溝５４及びカンチレ
バービーム５２を形成する。
【００２１】以上のように、本実施例では、次のような
利点を生じている。 （ｄ）第１の実施例と同様に、カンチレバービーム５２
の撓みから生じる経路長の変化ΔＬを、光信号の位相差
として検出しているので、微量の変化分を検出すること
が可能となる。しかも、光導波路５５，５６は蛇行状に
形成されているので、経路長を長くすることができ、そ
のため感度を向上させることができる。従って、抵抗値
変化、或いは容量の変化を検知する従来のセンサに比べ
て、感度の高い半導体加速度センサを実現できる。 （ｅ）（ｄ）により、使用可能周波数のバンド幅を高く
設定できる。 （ｆ）反射鏡５９，６０を光導波路５５，５６に設けて
光信号ＯＰ１，ＯＰ２の経路長を２倍としている。その
ため、検出感度も２倍となる。 （ｇ）半導体加速度センサ内に温度補償用の光導波路５
６を設け、温度変化による測定誤差を補正しているの
で、測定値の信頼性が高くなっている。
利点を生じている。 （ｄ）第１の実施例と同様に、カンチレバービーム５２
の撓みから生じる経路長の変化ΔＬを、光信号の位相差
として検出しているので、微量の変化分を検出すること
が可能となる。しかも、光導波路５５，５６は蛇行状に
形成されているので、経路長を長くすることができ、そ
のため感度を向上させることができる。従って、抵抗値
変化、或いは容量の変化を検知する従来のセンサに比べ
て、感度の高い半導体加速度センサを実現できる。 （ｅ）（ｄ）により、使用可能周波数のバンド幅を高く
設定できる。 （ｆ）反射鏡５９，６０を光導波路５５，５６に設けて
光信号ＯＰ１，ＯＰ２の経路長を２倍としている。その
ため、検出感度も２倍となる。 （ｇ）半導体加速度センサ内に温度補償用の光導波路５
６を設け、温度変化による測定誤差を補正しているの
で、測定値の信頼性が高くなっている。
【００２２】なお、本発明は、上記実施例に限定されず
種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば
次のようなものがある。 （Ｉ）第１の実施例において、カンチレバービーム３２
が、気体の流体抵抗を受けないようにガラスカバーで蓋
をし、真空密閉の構造にすると、さらに測定精度が高く
なる。 （II）第２の実施例において、用途に応じて反射鏡５
９，６０を使用せず、光信号ＯＰ１、ＯＰ２を光導波路
５５，５６の一方端部から入力して他方の端部へ出力す
る構成としてもよい。 （III)第１の実施例のように、参照光信号用の光導波路
を同一基板上に形成しない半導体加速度センサにおい
て、第２の実施例と同様に、検出用の光導波路に反射鏡
を設けて、感度を高める構造にすることもできる。ま
た、図１に示す第１の実施例の半導体加速度センサに、
さらに図１の溝３３，３３及び光導波路３５と同一構造
の参照光信号用のものを基板３０の振動しない部分に設
け、温度変化による測定誤差を補正して加速度測定値の
信頼性を向上させることも可能である。 （IV) 第１の実施例の半導体加速度センサにおいて、カ
ンチレバービーム３２と該カンチレバービーム３２に対
向した位置にそれぞれ電極を設け、第２の実施例の半導
体加速度検出装置を用いて加速度を求める構成にして
も、従来に比べて感度を高める効果がある。
種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば
次のようなものがある。 （Ｉ）第１の実施例において、カンチレバービーム３２
が、気体の流体抵抗を受けないようにガラスカバーで蓋
をし、真空密閉の構造にすると、さらに測定精度が高く
なる。 （II）第２の実施例において、用途に応じて反射鏡５
９，６０を使用せず、光信号ＯＰ１、ＯＰ２を光導波路
５５，５６の一方端部から入力して他方の端部へ出力す
る構成としてもよい。 （III)第１の実施例のように、参照光信号用の光導波路
を同一基板上に形成しない半導体加速度センサにおい
て、第２の実施例と同様に、検出用の光導波路に反射鏡
を設けて、感度を高める構造にすることもできる。ま
た、図１に示す第１の実施例の半導体加速度センサに、
さらに図１の溝３３，３３及び光導波路３５と同一構造
の参照光信号用のものを基板３０の振動しない部分に設
け、温度変化による測定誤差を補正して加速度測定値の
信頼性を向上させることも可能である。 （IV) 第１の実施例の半導体加速度センサにおいて、カ
ンチレバービーム３２と該カンチレバービーム３２に対
向した位置にそれぞれ電極を設け、第２の実施例の半導
体加速度検出装置を用いて加速度を求める構成にして
も、従来に比べて感度を高める効果がある。
【００２３】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１〜第７
の発明によれば、半導体基板の成す平面に対して垂直
（或いは、それに近い方向）の加速度を受けて撓む片持
ち梁状のカンチレバービームを半導体基板に設け、その
カンチレバービーム上に光信号を通す光導波路を形成
し、加速度による光信号の位相のずれを検出して加速度
を求める構成にしているので、微量の加速度の変化分を
検出することができる。特に、光導波路は蛇行状に形成
されているので、経路長を長くすることができ、そのた
め感度を向上させることができる。従って、抵抗値変
化、或いは容量の変化を検知する従来のセンサに比べ
て、感度の高い半導体加速度センサを実現できる。感度
が高いので、測定周波数領域を広げることも可能とな
る。また、半導体製造工程で作製される構造となってい
るので、小型で大量生産可能な半導体加速度センサを実
現できる。第２の発明によれば、光信号の位相を検出す
る半導体加速度センサの光導波路端部に、反射鏡を設け
ているので、第１の発明に比べ、光信号の経路長を２倍
にすることができ、そのためさらに検出感度を向上させ
ることができる。第３及び第４の発明によれば、温度変
化による光信号の位相のずれを補償するための光導波路
を半導体基板上に設けている。そのため、加速度を受け
て位相の変化した光信号から、温度による変動を相殺し
て位相差を検出することが可能となり、測定値の信頼性
を高めることができる。第５〜第７の発明によれば、位
相差検出回路によって加速度に応じた位相差を検出し、
ドリフト補償回路によってその位相差に基づいた帰還電
圧を生成し、その帰還電圧によってカンチレバービーム
に復元力を与ると共に、その帰還電圧から加速度を求め
る構成にしている。そのため、カンチレバービームのク
リープや、動作の非直線性等の影響を少なくすることが
できる。
の発明によれば、半導体基板の成す平面に対して垂直
（或いは、それに近い方向）の加速度を受けて撓む片持
ち梁状のカンチレバービームを半導体基板に設け、その
カンチレバービーム上に光信号を通す光導波路を形成
し、加速度による光信号の位相のずれを検出して加速度
を求める構成にしているので、微量の加速度の変化分を
検出することができる。特に、光導波路は蛇行状に形成
されているので、経路長を長くすることができ、そのた
め感度を向上させることができる。従って、抵抗値変
化、或いは容量の変化を検知する従来のセンサに比べ
て、感度の高い半導体加速度センサを実現できる。感度
が高いので、測定周波数領域を広げることも可能とな
る。また、半導体製造工程で作製される構造となってい
るので、小型で大量生産可能な半導体加速度センサを実
現できる。第２の発明によれば、光信号の位相を検出す
る半導体加速度センサの光導波路端部に、反射鏡を設け
ているので、第１の発明に比べ、光信号の経路長を２倍
にすることができ、そのためさらに検出感度を向上させ
ることができる。第３及び第４の発明によれば、温度変
化による光信号の位相のずれを補償するための光導波路
を半導体基板上に設けている。そのため、加速度を受け
て位相の変化した光信号から、温度による変動を相殺し
て位相差を検出することが可能となり、測定値の信頼性
を高めることができる。第５〜第７の発明によれば、位
相差検出回路によって加速度に応じた位相差を検出し、
ドリフト補償回路によってその位相差に基づいた帰還電
圧を生成し、その帰還電圧によってカンチレバービーム
に復元力を与ると共に、その帰還電圧から加速度を求め
る構成にしている。そのため、カンチレバービームのク
リープや、動作の非直線性等の影響を少なくすることが
できる。
【図１】本発明の第１の実施例の半導体加速度センサを
示す平面図である。
示す平面図である。
【図２】第１の従来例の半導体加速度センサを示す平面
図である。
図である。
【図３】図２の断面図である。
【図４】第２の従来例の半導体加速度センサを示す平面
図である。
図である。
【図５】図４の断面図である。
【図６】図１の断面図である。
【図７】カンチレバービームの動作を説明する図であ
る。
る。
【図８】カンチレバービームの動作を説明する図であ
る。
る。
【図９】第１の実施例の半導体加速度検出装置の構成図
である。
である。
【図１０】第２の実施例の半導体加速度センサを示す平
面図である。
面図である。
【図１１】図１０の断面図である。
【図１２】第２の実施例の半導体加速度検出装置の構成
図である。
図である。
【図１３】半導体加速度センサの製造方法を示す図であ
る。
る。
１２，２２，３１，５１ 半導体基板 １３，３２，５２ カンチレバービーム ３３，５４ 光ファイバ固定溝（接続
部） ３５，５５ センシング用光導波路 ５６ 温度補償用光導波路 ５９，６０ 反射鏡 ６２ 制御用の電極 Ｆ１，Ｆ４ａ，Ｆ５ａ 入力用光ファイバ Ｆ２，Ｆ４ｂ，Ｆ５ｂ 出力用光ファイバ
部） ３５，５５ センシング用光導波路 ５６ 温度補償用光導波路 ５９，６０ 反射鏡 ６２ 制御用の電極 Ｆ１，Ｆ４ａ，Ｆ５ａ 入力用光ファイバ Ｆ２，Ｆ４ｂ，Ｆ５ｂ 出力用光ファイバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 毛利 幹雄 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電 気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−240865（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−170015（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−107071（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−251189（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−247209（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−60781（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/03 G01P 15/08 G01P 9/04 G01C 19/56
Claims (7)
- 【請求項１】 加速度の印加によって撓む片持ち梁状の
カンチレバービームが半導体基板に形成された半導体加
速度センサにおいて、 前記半導体基板に設けられ、光信号を入力する入力用光
ファイバを固定する第１の接続部と、 前記半導体基板に設けられ、光信号を出力する出力用光
ファイバを固定する第２の接続部と、 前記カンチレバービーム上に蛇行状に形成され、かつ入
力端が前記第１の接続部を介して前記入力用光ファイバ
に接続されると共に、出力端が前記第２の接続部を介し
て前記出力用光ファイバに接続された光導波路とを設
け、 前記光導波路は前記カンチレバービームの撓み量に応じ
て長さが変化し、前記入力用光ファイバからの光信号の
経路長を変えて前記出力用光ファイバへ出力する構成に
したことを特徴とする半導体加速度センサ。 - 【請求項２】 加速度の印加によって撓む片持ち梁状の
カンチレバービームが半導体基板に形成された半導体加
速度センサにおいて、前記半導体基板に設けられ、 光信号を入出力する入出力
用光ファイバを固定する接続部と、 前記半導体基板上に設けられ、前記光信号を反射する反
射鏡と、 前記カンチレバービーム上に蛇行状に形成され、かつ一
端が前記接続部を介して前記光ファイバに接続され、他
端が前記反射鏡に接続された光導波路とを設け、 前記光導波路は前記カンチレバービームの撓み量に応じ
て経路長が変り、その経路中を前記光ファイバからの入
力光信号を前記反射鏡へ伝送し、かつ前記反射鏡からの
反射光を前記光ファイバへ出力する構成にしたことを特
徴とする半導体加速度センサ。 - 【請求項３】 請求項１記載の半導体加速度センサにお
いて、 前記第１、第２の接続部及び前記光導波路と同一構造の
ものを前記半導体基板上に設けたことを特徴とする半導
体加速度センサ。 - 【請求項４】 請求項２記載の半導体加速度センサにお
いて、 前記接続部、前記反射鏡及び前記光導波路と同一構造の
ものを前記半導体基板上に設けたことを特徴とする半導
体加速度センサ。 - 【請求項５】 請求項１記載の半導体加速度センサと、 前記出力用光ファイバからの光信号と参照光信号との位
相差を検出する位相差検出回路と、 前記位相差検出回路の出力信号に応じた電圧を生成する
ドリフト補償回路と、 前記カンチレバービームと対抗する箇所に設けられ、前
記ドリフト補償回路の出力信号に基づき、クーロン力で
前記カンチレバービームの変位を制御する電極とを、 備えたことを特徴とする半導体加速度検出装置。 - 【請求項６】 請求項２記載の半導体加速度センサと、 前記光ファイバからの光信号と参照光信号との位相差を
検出する位相差検出回路と、 前記位相差検出回路の出力信号に応じた電圧を生成する
ドリフト補償回路と、 前記カンチレバービームと対抗する箇所に設けられ、前
記ドリフト補償回路の出力信号に基づき、クーロン力で
前記カンチレバービームの変位を制御する電極とを、 備えたことを特徴とする半導体加速度検出装置。 - 【請求項７】 請求項４記載の半導体加速度センサと、 前記各接続部からの出力光信号間の位相差を検出する位
相差検出回路と、 前記位相差検出回路の出力信号に応じた電圧を生成する
ドリフト補償回路と、 前記カンチレバービームと対抗する箇所に設けられ、前
記ドリフト補償回路の出力信号に基づき、クーロン力で
前記カンチレバービームの変位を制御する電極とを、 備えたことを特徴とする半導体加速度検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10814693A JP3212411B2 (ja) | 1993-05-10 | 1993-05-10 | 半導体加速度センサ及びそれを用いた半導体加速度検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10814693A JP3212411B2 (ja) | 1993-05-10 | 1993-05-10 | 半導体加速度センサ及びそれを用いた半導体加速度検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06317606A JPH06317606A (ja) | 1994-11-15 |
| JP3212411B2 true JP3212411B2 (ja) | 2001-09-25 |
Family
ID=14477112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10814693A Expired - Lifetime JP3212411B2 (ja) | 1993-05-10 | 1993-05-10 | 半導体加速度センサ及びそれを用いた半導体加速度検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3212411B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7981478B2 (en) | 2005-12-30 | 2011-07-19 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Fluoropolymer coating compositions containing adhesive polymers and substrate coating process |
| US8124221B2 (en) | 2006-12-21 | 2012-02-28 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Crosslinkable vinyl fluoride copolymer coated film and process for making same |
| US8168297B2 (en) | 2007-04-23 | 2012-05-01 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Fluoropolymer coated film, process for forming the same, and fluoropolymer liquid composition |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62247209A (ja) * | 1986-04-21 | 1987-10-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光ジヤイロスコ−プ |
| JPH087227B2 (ja) * | 1988-03-23 | 1996-01-29 | 株式会社日立製作所 | 加速度センサ |
| JPH02251189A (ja) * | 1989-03-24 | 1990-10-08 | Nippondenso Co Ltd | 光集積回路装置 |
| JPH03170015A (ja) * | 1989-11-28 | 1991-07-23 | Japan Aviation Electron Ind Ltd | 振動ジャイロスコープ |
| JPH0560781A (ja) * | 1991-09-05 | 1993-03-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 加速度測定装置 |
| JP2842959B2 (ja) * | 1991-10-18 | 1999-01-06 | 日立電線株式会社 | 光励起導波路型ループレーザ |
-
1993
- 1993-05-10 JP JP10814693A patent/JP3212411B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7981478B2 (en) | 2005-12-30 | 2011-07-19 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Fluoropolymer coating compositions containing adhesive polymers and substrate coating process |
| US8012542B2 (en) | 2005-12-30 | 2011-09-06 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Fluoropolymer coating compositions containing adhesive polymers and substrate coating process |
| US8124221B2 (en) | 2006-12-21 | 2012-02-28 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Crosslinkable vinyl fluoride copolymer coated film and process for making same |
| US8168297B2 (en) | 2007-04-23 | 2012-05-01 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Fluoropolymer coated film, process for forming the same, and fluoropolymer liquid composition |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06317606A (ja) | 1994-11-15 |
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