JP3223638B2 - 半導体加速度センサー - Google Patents
半導体加速度センサーInfo
- Publication number
- JP3223638B2 JP3223638B2 JP10768993A JP10768993A JP3223638B2 JP 3223638 B2 JP3223638 B2 JP 3223638B2 JP 10768993 A JP10768993 A JP 10768993A JP 10768993 A JP10768993 A JP 10768993A JP 3223638 B2 JP3223638 B2 JP 3223638B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- weight
- stress
- thin portion
- acceleration sensor
- piezoresistive element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、加速度を半導体歪みゲ
ージセンサーで検出する装置に関する。
ージセンサーで検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、歪みゲージを用いた半導体加速度
センサーは、錘と梁（ビーム）とを半導体基板を異方性
エッチングして形成し、錘部を周囲から切離し、図３に
示すようなビーム部を薄肉化した構造を有している。エ
ッチングされてこの様な切り欠き部を形成する構造は、
力学的に応力が角の部分に集中するため、梁にかかる最
大応力部も図３の３で示す部分に生じる。従ってこの部
分にピエゾ抵抗素子を形成すれば感度の良いセンサーを
形成することが出来るが、この部分に素子を形成するこ
とは工程上難しいため、そのすぐ裏側の図３の２の部分
に形成するのが一般的である。
センサーは、錘と梁（ビーム）とを半導体基板を異方性
エッチングして形成し、錘部を周囲から切離し、図３に
示すようなビーム部を薄肉化した構造を有している。エ
ッチングされてこの様な切り欠き部を形成する構造は、
力学的に応力が角の部分に集中するため、梁にかかる最
大応力部も図３の３で示す部分に生じる。従ってこの部
分にピエゾ抵抗素子を形成すれば感度の良いセンサーを
形成することが出来るが、この部分に素子を形成するこ
とは工程上難しいため、そのすぐ裏側の図３の２の部分
に形成するのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】梁にかかる応力の最大
値が検出できないことは、せっかく発生する応力を十分
利用できないことで、効率が良くないことを意味し、ま
た加速度検出時において過大な入力があった場合に、検
出信号からは安全と考えられても梁を破損してしまう恐
れがある。このため、梁の構造で応力集中を避けるため
に梁の根元部をアールを付けて補強した形状にすること
が提案されている（A.Koide et.al;Technical Digest o
f the 11. Sensor Symposium,1992.pp.23-26）。この効
果は十分な対策であるが、しかし、そのような形状を半
導体で形成するためには複雑なエッチング工程となって
しまうという問題がある。
値が検出できないことは、せっかく発生する応力を十分
利用できないことで、効率が良くないことを意味し、ま
た加速度検出時において過大な入力があった場合に、検
出信号からは安全と考えられても梁を破損してしまう恐
れがある。このため、梁の構造で応力集中を避けるため
に梁の根元部をアールを付けて補強した形状にすること
が提案されている（A.Koide et.al;Technical Digest o
f the 11. Sensor Symposium,1992.pp.23-26）。この効
果は十分な対策であるが、しかし、そのような形状を半
導体で形成するためには複雑なエッチング工程となって
しまうという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、錘を支える梁に設けられたピエゾ抵
抗素子の歪みゲージによって加速度を検知する半導体加
速度センサーにおいて、前記ピエゾ抵抗素子が前記梁の
端部に長さ方向に配置され、前記ピエゾ抵抗素子が設け
られた前記梁の両端部に連続して、前記梁と同じ厚さの
薄肉部を設けたこと、前記梁、前記薄肉部、前記錘、及
びこれらを支える固定枠が同一部材で形成され、前記薄
肉部は、少なくとも前記梁の形成されている前記錘と前
記固定枠の対向領域に連続して形成され、前記梁の横幅
よりも広いことを特徴とする。またその関連発明の構成
は、前記錘に対して前記梁を４本有し、前記ピエゾ抵抗
素子を４個有してホイートストーンブリッジ回路を形成
して加速度を検出することを特徴とする。
め本発明の構成は、錘を支える梁に設けられたピエゾ抵
抗素子の歪みゲージによって加速度を検知する半導体加
速度センサーにおいて、前記ピエゾ抵抗素子が前記梁の
端部に長さ方向に配置され、前記ピエゾ抵抗素子が設け
られた前記梁の両端部に連続して、前記梁と同じ厚さの
薄肉部を設けたこと、前記梁、前記薄肉部、前記錘、及
びこれらを支える固定枠が同一部材で形成され、前記薄
肉部は、少なくとも前記梁の形成されている前記錘と前
記固定枠の対向領域に連続して形成され、前記梁の横幅
よりも広いことを特徴とする。またその関連発明の構成
は、前記錘に対して前記梁を４本有し、前記ピエゾ抵抗
素子を４個有してホイートストーンブリッジ回路を形成
して加速度を検出することを特徴とする。
【０００５】
【作用】薄肉部をビーム部の形成されている錘と固定枠
の対向領域に、同一部材で連続して形成することによ
り、従来の切り欠きの角部に集中していた応力を薄肉部
の根元部分や横方向に分散でき、ピエゾ抵抗素子を形成
する側の応力と最大応力部との応力値の差が少なくな
る。つまり応力集中が減少することは耐破壊応力が向上
する。
の対向領域に、同一部材で連続して形成することによ
り、従来の切り欠きの角部に集中していた応力を薄肉部
の根元部分や横方向に分散でき、ピエゾ抵抗素子を形成
する側の応力と最大応力部との応力値の差が少なくな
る。つまり応力集中が減少することは耐破壊応力が向上
する。
【０００６】
【発明の効果】耐破壊応力が向上したことは、強度が向
上したことを意味する。そして強度が向上したために、
同一の強度にするならビームの厚さを薄くできるので、
わずかな加速度でも信号を拾うことができるようにな
り、結果として感度を上げることができる。つまり、同
じ感度ならば強度が向上したことを意味し、同一強度で
見るならば感度が向上したことを意味する。
上したことを意味する。そして強度が向上したために、
同一の強度にするならビームの厚さを薄くできるので、
わずかな加速度でも信号を拾うことができるようにな
り、結果として感度を上げることができる。つまり、同
じ感度ならば強度が向上したことを意味し、同一強度で
見るならば感度が向上したことを意味する。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は本発明を適応することを想定した半導体
加速度センサーの構造を示すモデルで、４本のビーム５
によって錘６が固定枠７に支えられている。(a) はその
全体図、(b) はその１／４を拡大した図である。図１
(b) の８に示す部分がビーム部５に続く薄肉部で、固定
枠側と錘側に設けられている。その様子をA-A 断面で示
したのが図１(c) で、ビーム５の両端の表側にあるピエ
ゾ抵抗素子２に続いた外側に薄肉部８が同一の厚さで形
成されている。薄肉部８は錘６側、固定枠７側ともビー
ム５の幅よりも広がって形成されている。このモデルを
用いて有限要素法で振動解析を行い、本発明の優位性を
示す。
明する。図１は本発明を適応することを想定した半導体
加速度センサーの構造を示すモデルで、４本のビーム５
によって錘６が固定枠７に支えられている。(a) はその
全体図、(b) はその１／４を拡大した図である。図１
(b) の８に示す部分がビーム部５に続く薄肉部で、固定
枠側と錘側に設けられている。その様子をA-A 断面で示
したのが図１(c) で、ビーム５の両端の表側にあるピエ
ゾ抵抗素子２に続いた外側に薄肉部８が同一の厚さで形
成されている。薄肉部８は錘６側、固定枠７側ともビー
ム５の幅よりも広がって形成されている。このモデルを
用いて有限要素法で振動解析を行い、本発明の優位性を
示す。
【０００８】ピエゾ抵抗素子を用いた半導体加速度セン
サーの場合、感度を上げることと破壊強度を上げること
とが要求されるが、前者はゲージ抵抗配置部へ応力集中
を起こさせることであり、後者は応力集中を如何に少な
くするかであるから、相反する目的となる。従ってこれ
を両立させるような考え方として、最大発生応力部をピ
エゾ抵抗素子形成部とすることである。しかしこれが直
接にはできないので、ピエゾ抵抗素子形成部の応力と最
大発生応力の差を少なくするような構造にすること、ま
た、応力集中を緩和して破壊に至るまでの荷重を大きく
できるようにすることで対処する。
サーの場合、感度を上げることと破壊強度を上げること
とが要求されるが、前者はゲージ抵抗配置部へ応力集中
を起こさせることであり、後者は応力集中を如何に少な
くするかであるから、相反する目的となる。従ってこれ
を両立させるような考え方として、最大発生応力部をピ
エゾ抵抗素子形成部とすることである。しかしこれが直
接にはできないので、ピエゾ抵抗素子形成部の応力と最
大発生応力の差を少なくするような構造にすること、ま
た、応力集中を緩和して破壊に至るまでの荷重を大きく
できるようにすることで対処する。
【０００９】そこでビームより幅のある薄肉部８を設け
る。このような構造は半導体のエッチング工程を複雑に
することなく形成が可能である。そのことでビーム裏側
角部の応力最大発生部はピエゾ抵抗素子のある位置から
移動し、かつ、横方向に力は分散する。そのため表裏の
応力値の差が少なくなり、検出効率をより高め、即ち、
ゲージ配置部平均応力値と破断開始部応力とが一致する
関係に近づけるように薄肉部の寸法を設計する。しかし
薄肉部が長くなるとピエゾ抵抗素子にかかる応力が低下
してしまうため、薄肉部の長さには最適値が存在する。
る。このような構造は半導体のエッチング工程を複雑に
することなく形成が可能である。そのことでビーム裏側
角部の応力最大発生部はピエゾ抵抗素子のある位置から
移動し、かつ、横方向に力は分散する。そのため表裏の
応力値の差が少なくなり、検出効率をより高め、即ち、
ゲージ配置部平均応力値と破断開始部応力とが一致する
関係に近づけるように薄肉部の寸法を設計する。しかし
薄肉部が長くなるとピエゾ抵抗素子にかかる応力が低下
してしまうため、薄肉部の長さには最適値が存在する。
【００１０】そのような方針で行ったシミュレーション
計算について、まず図１(b) で、図の上端と右端は分割
した対称中心になるので計算を簡単化するためビーム部
に無関係な動きを無くすように、上端はＹ軸方向を、右
端はＸ軸方向を固定して考える。また固定枠の底面に当
たる面（図１(c) の７の底面）もＺ軸を固定する。要素
としての分割は、図１(b) に示すようなメッシュで行
い、実際の計算は市販の有限要素法ソフトウエアを用い
ている。メッシュの細かさは計算精度に影響するが、こ
こでは傾向を知るのに十分な程度としてある。寸法は、
ビーム長さ２５０μｍ、ビーム幅１１０μｍ、ビーム厚
さ１４．５μｍで、錘６に７．５ｇの荷重がかかるとし
て、ピエゾ抵抗素子２を配置した部分の応力値、ビーム
近傍での応力最大値を、薄肉部８の長さｄの寸法を変化
させて求めた。
計算について、まず図１(b) で、図の上端と右端は分割
した対称中心になるので計算を簡単化するためビーム部
に無関係な動きを無くすように、上端はＹ軸方向を、右
端はＸ軸方向を固定して考える。また固定枠の底面に当
たる面（図１(c) の７の底面）もＺ軸を固定する。要素
としての分割は、図１(b) に示すようなメッシュで行
い、実際の計算は市販の有限要素法ソフトウエアを用い
ている。メッシュの細かさは計算精度に影響するが、こ
こでは傾向を知るのに十分な程度としてある。寸法は、
ビーム長さ２５０μｍ、ビーム幅１１０μｍ、ビーム厚
さ１４．５μｍで、錘６に７．５ｇの荷重がかかるとし
て、ピエゾ抵抗素子２を配置した部分の応力値、ビーム
近傍での応力最大値を、薄肉部８の長さｄの寸法を変化
させて求めた。
【００１１】シミュレーション結果を図２のグラフで示
す。横軸は薄肉部の長さｄで左端が薄肉部が無い従来の
構造に相当する。縦軸は実線のデータが左側、破線デー
タが右側で、実線はピエゾ抵抗素子の歪みゲージに発生
する応力平均値（表側の最大応力発生部）、破線はビー
ム裏側の角部近傍に発生する最大応力の値を示してい
る。この計算結果により、薄肉部８の幅ｄが２０μｍの
時に最も最大応力が小さくなった。この場合、図２中に
示すように、耐破壊性としては従来の薄肉部が無い場合
に比べてｄ＝２０μｍで１３％強度が上昇した（図２の
（ｄ／ｃ）／（ｂ／ａ）＝１．１３）。なお、薄肉部８
の寸法はビーム形状に依存するため設計の都度、最適化
が必要である。
す。横軸は薄肉部の長さｄで左端が薄肉部が無い従来の
構造に相当する。縦軸は実線のデータが左側、破線デー
タが右側で、実線はピエゾ抵抗素子の歪みゲージに発生
する応力平均値（表側の最大応力発生部）、破線はビー
ム裏側の角部近傍に発生する最大応力の値を示してい
る。この計算結果により、薄肉部８の幅ｄが２０μｍの
時に最も最大応力が小さくなった。この場合、図２中に
示すように、耐破壊性としては従来の薄肉部が無い場合
に比べてｄ＝２０μｍで１３％強度が上昇した（図２の
（ｄ／ｃ）／（ｂ／ａ）＝１．１３）。なお、薄肉部８
の寸法はビーム形状に依存するため設計の都度、最適化
が必要である。
【００１２】以上のように、従来の構造に比べ、本発明
の構造で感度を上げる、もしくは強度を上げることがで
きて、製造工程を複雑にすることなく製造が容易な半導
体加速度センサーを提供できる。
の構造で感度を上げる、もしくは強度を上げることがで
きて、製造工程を複雑にすることなく製造が容易な半導
体加速度センサーを提供できる。
【図１】本発明を適用した半導体加速度センサーの構造
モデル図。
モデル図。
【図２】有限要素法による応力解析結果を示す図。
【図３】従来の半導体加速度センサーの構造を示す断面
図。
図。
１ ビーム幅 ２ ピエゾ抵抗素子（歪みゲージ） ３ 応力集中部（切り欠きの角部） ４ ビーム長 ５ ビーム（梁） ６ 錘 ７ 固定枠 ８ 薄肉部
───────────────────────────────────────────────────── 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
Claims (2)
- 【請求項１】錘を支える梁に設けられたピエゾ抵抗素子
の歪みゲージによって加速度を検知する半導体加速度セ
ンサーにおいて、 前記ピエゾ抵抗素子が前記梁の端部に長さ方向に配置さ
れ、 前記ピエゾ抵抗素子が設けられた前記梁の両端部に連続
して、前記梁と同じ厚さの薄肉部を設けたこと、前記梁、前記薄肉部、前記錘、及びこれらを支える固定
枠が同一部材で形成され、 前記薄肉部は、少なくとも前記梁の形成されている前記
錘と前記固定枠の対向領域に連続して形成され、前記梁
の横幅よりも広いことを特徴とする半導体加速度センサ
ー。 - 【請求項２】前記錘に対して前記梁を４本有し、前記ピ
エゾ抵抗素子を４個有してホイートストーンブリッジ回
路を形成して加速度を検出することを特徴とする請求項
１に記載の半導体加速度センサー。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10768993A JP3223638B2 (ja) | 1993-04-09 | 1993-04-09 | 半導体加速度センサー |
| US08/198,052 US5507182A (en) | 1993-02-18 | 1994-02-18 | Semiconductor accelerometer with damperless structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10768993A JP3223638B2 (ja) | 1993-04-09 | 1993-04-09 | 半導体加速度センサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06294813A JPH06294813A (ja) | 1994-10-21 |
| JP3223638B2 true JP3223638B2 (ja) | 2001-10-29 |
Family
ID=14465476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10768993A Expired - Lifetime JP3223638B2 (ja) | 1993-02-18 | 1993-04-09 | 半導体加速度センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3223638B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100565211C (zh) * | 2003-12-24 | 2009-12-02 | 日立金属株式会社 | 半导体型三轴加速度传感器 |
| JP5494803B2 (ja) * | 2010-06-11 | 2014-05-21 | 株式会社村田製作所 | 加速度センサ |
-
1993
- 1993-04-09 JP JP10768993A patent/JP3223638B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06294813A (ja) | 1994-10-21 |
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