JP3269274B2 - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JP3269274B2 JP22874094A JP22874094A JP3269274B2 JP 3269274 B2 JP3269274 B2 JP 3269274B2 JP 22874094 A JP22874094 A JP 22874094A JP 22874094 A JP22874094 A JP 22874094A JP 3269274 B2 JP3269274 B2 JP 3269274B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、加速度センサに関し、
特に可動ゲート電極を有するMISFET(Metal Insulator S
emiconductor FET)型の半導体加速度センサに関する。
そしてその用途としては、例えば車両用の制御装置、具
体的にはエアバック、ABS(Antilock Brake System)
、ナビゲータ・システム等や、あるいは、ヨーレート
センシング、圧力検出等に用いて好適である。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車用加速度センサ(以下、G
センサと記す)に対し、小型、低コストかつ高性能なも
のが求められており、マイクロマシニング技術による1
チップGセンサが試作されている。これは、半導体基板
上に機械的な構造を形成して、直接信号を電気回路で処
理する構成とするものである。そのようなものとして、
例えば公表特許公報平4-504003号がある。これは、保持
用可動電極を構成して、この保持用可動電極を用いて差
動コンデンサを形成してサーボ系を組み、搬送波を用い
て、保持用可動電極にかかる加速度を検出し、出力信号
を得ている。
【0003】また、本発明の出願者は特願平5-322353号
にて、コンデンサもしくはMISFET(Metal Insulator Sem
iconductor Field Effect Transistor) を検出素子と
し、静電気力で可動部を加速度力に対抗して発生させて
該可動部の変化を打ち消して保持する手段を備えた閉ル
ープ制御の加速度センサを提案している。さらに同様
に、特願平5-322348号で可動部の動きを該基板に対して
水平に動かして捩じれを防ぐ構成とし、MISFETの電流量
の変化で加速度を検出するようにした加速度センサを提
案している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の公
表特許の方法では、センシングデバイスが保持用可動電
極を有する差動コンデンサという構造であるため、出力
信号レベルが小さく、小型化が困難である。また上記の
特願平5-322353号の方法でもコンデンサを用いており、
また、検出という目的のためにサーボ系を組んではいる
が、搬送波などの高周波信号を用いるため、雑音レベル
が高い。そのため、ABSあるいはヨーレートセンサ等
の低加速度検出が必要なセンサとしては、上記の構成で
は十分な信号強度を得ることができないという問題が生
じた。さらに、搬送波発生回路が集積回路全体のおよそ
40〜50% を占めており、センサチップの小型化にも不利
な要因となっているという問題も生じた。また特願平5-
322348号の方法では、MISFETの電流量の変化で加速度を
検出するものの、基板に垂直な方向と水平な方向との二
次元の加速度を同時に検出するために一次元方向のみの
加速度が検出できない。
【0005】従って本発明の目的は、搬送波を用いず
に、ノイズが少なく、構成的により小型で信頼性が高
く、なおかつ一次元方向のみの加速度を検出できるGセ
ンサを提供することである。
【0006】
【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、基板面と所定の間隔で梁によって支
えられるとともに加速度によって変位可能な可動ゲート
電極を有する可動部と、前記可動ゲート電極とMIS構
造的に位置するソース・ドレイン電極とを備えてなり、
前記可動ゲート電極に加わった加速度を検出する加速度
センサにおいて、該可動ゲート電極が前記可動部の両側
に対向配置されて、同一特性のMIS型トランジスタの
少なくとも一つの対に形成され、前記可動部が加速度を
受けて動かされた際に前記MIS型トランジスタの対が
互いに反対の動特性を示して差動出力信号を得る差動出
力部を有し、前記差動出力信号を積分する積分部を有
し、前記積分部の積分結果に基づき、前記加速度に対抗
する大きさの静電気力で以て前記可動部の変位をを打ち
消すように変位制御する変位制御部を有することを特徴
とする。
【0007】また関連発明の構成は、前記変位制御部
が、前記可動部の保持用可動電極と、前記基板上の第一
固定電極と第二固定電極とで構成され、無加速度時に、
該第一固定電極と該第二固定電極とが対で前記保持用可
動電極を挟み込んで略均等な間隔を取って配置されてい
ることを特徴とし、別の構成では、前記変位制御部が、
前記可動部に対して出力信号を帰還させることを特徴と
し、さらに別の構成では、前記第一固定電極、前記第二
固定電極間に所定バイアスを印加し、前記保持用可動電
極に前記出力信号を帰還させて、前記可動部に加速度が
加わって変位を生じた際に、前記変位を打ち消すように
該加速度と反対方向の静電気力を前記保持用可動電極に
発生させることを特徴とする。
【0008】本発明のさらに別の構成は、出力信号を第
一固定電極に帰還させ、前記出力信号の極性を反転させ
た反転信号を第二固定電極に帰還させ、前記保持用可動
電極は所定電位として、前記可動部に加速度が加わって
変位を生じた際に、該加速度と反対方向の静電気力を前
記保持用可動電極に発生させることを特徴とする。
【0009】本発明の別の構成としてはまた、両持ち型
の梁が平行に複数で前記可動部を支え、前記基板面に対
して水平方向で、前記梁方向と直角なゲート方向に前記
可動ゲート電極の対が配置され、前記ゲート方向が加速
度検出方向であることを特徴とし、あるいは、質量部分
が、一本の両持ち型の梁の取り付け方向と直角方向のい
ずれかの片側に配置されて、前記基板面に垂直方向の加
速度を検知する可動部を成し、該梁の前記直角方向の両
側に、前記可動ゲート電極が該梁を対称として配置さ
れ、前記変位制御部が、該梁を軸とする対称で略等しい
面積を有する可動電極と、該可動電極に面するとともに
前記梁の位置を軸対称として略等しい面積に形成された
基板面の前記第一固定電極および前記第二固定電極とで
構成されることを特徴とする。
【0010】本発明の構成はさらに、前記差動出力部が
差動増幅器から成り、前記対になったMIS型トランジ
スタの各々の出力を入力し、前記各々の出力の差分を増
幅し、その増幅結果を前記積分器の入力として出力する
こととか、前記変位制御部は、保持用可動電極と第一固
定電極および第二固定電極とにより構成される組が複数
組、前記可動部に有すること、そして、可動部に矩形穴
部を有し、変位制御部の前記第一固定電極および第二固
定電極が矩形内部の縁部に設けられていることも特徴と
している。
【0011】さらに特徴ある構成として、差動増幅器を
二値信号に変換する比較器に、また積分部を所定の信号
処理を行う信号処理部にそれぞれ置き換えたこと、加え
て前記信号処理部は、前記二値信号をパルス幅を変調し
たパルス列に変換し、このパルス列で前記可動部の変位
を制御すること、あるいは、前記信号処理部が、前記二
値信号をパルス密度を変調したパルス列に変換し、この
パルス列で前記可動部の変位を制御すること、さらにあ
るいは、前記信号処理部が、前記二値信号を基に加減算
を行う加減算回路と加減算回路の出力データをD/A変
換するD/A変換器とから構成されることである。
【0012】
【作用】可動部の可動ゲート自体が、該基板に対する一
方向の検出すべき加速度を受けて変位を生じ、回路の電
気的バランスを崩し、MIS型トランジスタ対に差動電
圧を発生させ、検出信号として出力する。この出力信号
を、可動部の一部を構成し、変位を制御する変位制御部
に戻すと、可動部に掛かる加速度の力を相殺する力が変
位制御部に発生し、可動部を中立位置でバランスさせ、
従って閉ループ制御で検出信号を安定させる。また信号
検出が差動となっていることから、可動部が水平方向以
外の加速度、特に該基板に対して垂直方向の加速度によ
り変位を生じたとしても同相の信号成分となるため、信
号には寄与しない。
【0013】請求項2の構成によれば、保持用可動電極
に対して、第一固定電極と第二固定電極とが略均等に静
電気力を与えるので、保持用可動電極を中立位置に保持
する。また請求項3の構成によれば、フィードバックに
よるサーボ制御が実施される。請求項4の構成では、フ
ィードバックの与え方として、対となった固定電極に一
定のバイアスが掛かり、保持用可動電極が加速度に対応
して電位変動して、それで加速度を打ち消して中立位置
を保つ。請求項5の構成では、固定電極側が保持用可動
電極に働きかけて加速度を打ち消す。請求項6の構成で
は、梁に対して直角で基板面に沿った一方向のみの加速
度が検出される。
【0014】また請求項7の構成のように、片持ち梁構
造で質量部分を支える構造の可動部では、梁部分が回動
軸となって上下方向の加速度に対して信号を発生し、梁
部分を中心軸として対称に配置されたMIS型トランジ
スタの対が差動電圧を発生し、前述と同様な閉ループ制
御で信号検出を行う。また請求項8の構成では、対称配
置のMIS型トランジスタからの信号の差分を取るの
で、同相ノイズ成分が除去される。請求項9の構成で
は、信号強度を強めることができる。また請求項10の
構成では、加速度検出の心臓部である可動部を大きくで
き、かつ検出部のスペースを小型化する。
【0015】請求項11の構成では、信号をデジタル化
して取り扱う構成となる。請求項12の構成において
は、パルス幅変調で帰還制御を行う。請求項13の構成
では、パルス密度変調で帰還制御を行う。請求項14の
構成では、デジタル化したデータを再びD/A変換して
アナログ値として出力する。
【0016】
【発明の効果】加速度検出部である可動部が検出回路の
一部であり、そのまま小型化して形成でき、また差動で
信号を検出するため、一方向の加速度のみを検出でき
る。また電流変化を電圧差として検出するため搬送波を
用いる必要がなく、また基板の同一部分にペアでトラン
ジスタが形成されるので、温度ドリフトの影響がなく、
同様に電源ドリフトによる影響も差動信号によるので相
殺でき、半導体装置を簡素に構成できる。
【0017】請求項2の効果は、このような構造によっ
て均等に可動部に対して静電気力を与えることができ、
加わった加速度を打ち消すことが容易となる。また請求
項3では、フィードバックによるサーボ制御となるので
安定した加速度信号検出ができる。請求項4や請求項5
の効果は、フィードバックが容易に実施できて、加速度
を相殺すると共に安定した加速度信号が得られることで
ある。請求項6では、基板に平行な一方向の加速度のみ
を検出できる利点がある。請求項7では、基板に垂直方
向の加速度のみを検出できる利点を持つ。請求項8で
は、同相ノイズ成分が除去でき、信頼性の高い加速度信
号が得られる。請求項9では微弱な加速度でも検出でき
るばかりでなく、通常の加速度検出でも信頼度を高めた
信号検出が可能である。請求項10においては、可動部
内部に変位制御部を構成するので、検出素子周囲が簡素
になり、またコンパクトな構成とできる。
【0018】請求項11から請求項14の構成では、加
速度信号が二値信号化されるので、直接マイクロコンピ
ュータによる処理が適用できる利点を持つ。特に請求項
12や請求項13では、デジタル回路でよく扱われるパ
ルス幅やパルス密度によるパルス列で処理するので容易
にデジタル出力が得られ、フィードバックもアナログ的
に実施できる便利さがある。さらにデジタル出力だけで
なく、請求項14にあるように加減算回路とD/A変換
器とによって容易に加速度に対応したアナログ電圧出力
を実現でき、かつ信号補正はデジタルで容易に実施でき
る。
【0019】以上のように本発明の構成によれば、搬送
波を用いずとも加速度の検知ができ、フィードバックル
ープを設けた閉ループ制御による、温度変化や電圧変化
に強い加速度検出ができる。またデジタル処理構成とす
ることで信号補正が容易になり、適用性が高まる。
【0020】
【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。 (第一実施例)図1は、半導体基板面上に、加速度を検
知する部分である可動部(MG)10として可動ゲート
G1、G2、保持用可動電極MVを設け、信号を処理す
る部分としてMIS型トランジスタの対11、12と、
そのドレイン出力を負荷15による電圧V1 、V2 の差
動で受けて差動出力信号を得る差動増幅部13、その差
動出力信号を積分して出力信号を出力する積分部14を
有した半導体加速度センサ(Gセンサ)100の基本的
な回路構成図の一例である。この可動部10を実現する
外観の一例として図2に、両持ちタイプの梁部23で支
える構成の可動部10の見取り図を示してある。ただし
図2は基板上に形成された可動部10に関する部分のみ
を描いてある。
【0021】可動ゲートG1、G2は電気的に同電位に
構成され、それぞれが同一形状なMISFET(MIS 型トラン
ジスタ、可動ゲートトランジスタ)11、12のゲート
電極となっており、かつ保持用可動電極MVも同電位に
なるように構成される。これら可動ゲートG1、G2、
および保持用可動電極MVは一体となった構造であり、
この可動部10が基板と平行で可動ゲートをG1、G2
を構成する方向(図2の矢印方向L)に働く加速度を検
知する。この可動部10は梁部23の一端に設けられた
基板上の絶縁部22の上に、固定部21で基板上部に支
えられている。可動ゲートG1、G2、および保持用可
動電極MVは、図2に示すように、力学的見地から可動
部10の方向Lに対して対称的に同一形状で配置されて
いる。そして、この可動ゲートG1、G2と保持用可動
電極に対して、基板から電位を供給するために、固定部
21、絶縁部22に設けられた基板とのコンタクト部
(図示しない)が形成されている。
【0022】MISFET11、12は、基板内の半導体活性
領域24、25でソース・ドレイン電極が形成される。
このソース・ドレイン電極は可動ゲートG1、G2それ
ぞれに対して、それらの下部でチャネル部が一部重なっ
たMIS構造的配置、詳細には自己整合的配置に形成さ
れ、可動ゲートG1、G2の位置が動くと、その重なり
の面積が変化する構成となっている。そしてこれらのソ
ース・ドレイン電極24、25はMISFET11、12共に
同一の大きさで、可動ゲートが同じ重なり量であれば、
同一値の電流値が流れるように形成されている。このた
め、MISFET11、12の電源VDDは所定の定電圧が印加
される。
【0023】また可動部10の下部の基板領域は、可動
部10に基板との間で静電気力が働くのを防ぐために、
可動部10と同一の電位となるように高濃度の不純物を
添加して活性領域20が設けられている。
【0024】二つのMISFET11、12の出力は、それぞ
れ電源VDDに接続された負荷15に接続されて電圧
1 、V2 として取り出し、差動増幅部13に入力さ
れ、二つの出力の差ΔV=V1 −V2 を増幅する。通
常、このΔVは小さい信号値なので、増幅率Aは1以上
に取る。増幅された出力ΔVは積分部14に入力され、
積分された結果が出力信号V0 として出力される。そし
て出力された信号V0 は、可動部10の固定部21より
保持用可動電極MVにフィードバックされる構成となっ
ている。これらの電気的回路は可動部10を形成する半
導体基板に同時に従来の半導体プロセスで形成される。
【0025】なお図2に示す可動部10の外観は、実際
の寸法を反映しているものではなく、実際の形状は、検
出すべき目標とする加速度の程度や可動部の材質、材料
強度などにより、目的に合うように設計される。例え
ば、可動部10には半導体材料ばかりでなくタングステ
ン等の高融点金属を用いても良い。また、可動ゲートの
動きによって生じる差動電圧の大きさもソース・ドレイ
ンの寸法等によって決定されるので、目的に合う信号レ
ベルが得られるようにすればよい。
【0026】上記の可動部の構造を有する半導体Gセン
サの装置が、何の加速度も受けない状態では、可動部1
0にはMISFET11、12のドライブ点として、バイアス
電圧が電源VDDの半分の値VDD/2で供給されており、
MISFETの出力としての電圧V1 、V2 が等しい状態にな
っている。従って外力の働かない、つまり加速度の働か
ない状態ではΔV=0であり、出力信号V0 は無変化で
ある。ここで、出力信号V0 は可動部10にフィードバ
ックすることから可動部10のバイアス値VDD/2をゼ
ロ点としている。
【0027】ここで、G1側に一定の大きさの加速度が
働きだしたとする(加速度の立ち上がりは無視する)
と、可動部10はG1側に力を受けて、梁の弾性力が抗
する所まで動こうとする。従って可動ゲートG1が動き
出すのでMISFET11の電流が大きくなり、V1 を下げ
る。MISFET12側のG2は逆の動きとなるので逆にV2
を上げる。そして差動電圧ΔVが−Δv1 を発生し、そ
れに見合って出力電圧がv0 という値であったのがv0
−v1 まで減少しようと変化する。その電圧が保持用可
動電極MVにフィードバックされているので、G1側に
変位した可動部10および保持用可動電極MVに対し
て、第一固定電極S1、第二固定電極S2にかけられた
バイアスにより、可動部10が移動した方向と反対側の
第二電極S2側に大きな静電気力が発生し、保持用可動
電極MVおよび可動部10をG2側のもともと中立位置
にあった位置まで動かそうとする。この一連の反応は電
気的なので機械的動きとほぼ同時、つまり加速度が働き
出すとそれに追従して静電気力を発生させる制御をしつ
つ出力信号を生じる。従って可動部10は殆ど動かずに
元のほぼ中立位置に戻る。従ってゲートG1、G2が元
の中立位置に戻るのでΔV=0となり、出力の積分値の
増大は止まってv0 −v1 のままとなる。もし加速度が
増大する変化で有れば、常に中立位置よりわずかに変位
した位置をとり続け、出力電圧も変化し続けることにな
る。
【0028】ここで加速度が無くなると、発生していた
静電気力はまだ残っているので、可動部10をG2側に
変位させ、V2 を下げてV1 を上げる動作をし、ΔVが
+Δv1 となり、出力電圧がv0 −v1 から電位を上げ
始め、静電気力も低下して可動部10を再び中立位置に
戻して、出力電圧を+v1 だけ増大させて止まる。つま
り、加速度がG1側にかかっている間は出力電圧v0
低下し、加速度が止むとその変化で元のv0 に戻る。従
って出力信号V0 は加速度がある間、加速度に比例した
変化を示して加速度が0になるとゼロ点(VDD/2)に
戻り、出力信号は加速度を表す信号となる。加速度が逆
のG2側に働く場合は逆の動作となり、出力電圧v0
上昇し、加速度が止まると元のv0 に戻る。
【0029】差動出力を得るための、対になったMIS
型トランジスタは、位置的に半導体基板のほぼ同じ位置
に形成されることになるので、キャリア濃度が影響を生
じるトランジスタの温度はほぼ同じ値をとると見なすこ
とができ、温度による信号への影響は無視できる。また
車両などの使用環境では電源の変動が起こることがあ
り、加速度センサ自体の電源(図1のVDD)も変動を生
じることがあるが、検出方式を差動としてあるために、
電源の変動(同相ノイズ成分)はほとんど信号に影響を
生じない。なお、電気的回路の宿命として、増幅部の誤
差や積分部にゼロ点ドリフト等が発生するが、トリミン
グ補正や補正回路を設けること、あるいは定期的にゼロ
点補正するなど通常の電子回路技術の運用で対応でき、
この点は理論的に本発明と直接関係はないので、発明の
効果の有効性を損なう要因ではない。
【0030】(第二実施例)可動部10の加速度を相殺
するための静電気力を可動部10に発生させるための手
段は図1に示した構成に限らず、どのような構成であっ
てもよい。即ち、請求項4を実現する手段として、可動
部10に対する静電気力を働かせる構成として図4に示
す構造であっても効果は同様である。図3では、可動部
10の保持用可動電極MVに対する固定電極S1に出力
電圧をフィードバックし、固定電極S2に出力電圧を反
転した電圧を与えて、保持用可動電極MVは所定電位と
し、この保持用可動電極MVに対して静電気力を生じさ
せる。この構成では、加速度によりゲート電位が変わる
ということがないため、常に一定のドレイン電流が得ら
れる。従ってサーボ制御の帰還速度等も加速度に依存し
なくなるという利点がある。
【0031】(第三実施例)可動ゲートおよび保持用可
動電極の配置は、図2のみがその最良なものという訳で
はなく、可動部の加速度に対する応答度や制動など必要
に応じて四対配置の可動ゲートや六対配置の保持用可動
電極であってもよい。図4に示す模式的な各形状は、そ
の可動部のいくつかのバリエーションを示したものであ
る。図4(a)は、保持用可動電極MVを梁部とした構成
で、第一固定電極および第二固定電極は、梁を挟むよう
にして形成される。梁部は4か所あるので、力学的バラ
ンスから4か所とも形成する。また図4(b) は請求項9
に示す発明を実現するもので、可動部の中央に矩形の穴
部を設け、その内部に梁構造を形成して、それを挟み込
むように第一、第二固定電極を形成する場合である。図
4(c) は、請求項8の場合を反映して、可動ゲートを複
数構成し、保持用可動電極も複数形成した場合である。
これは信号が強く得られる構成とできる。いずれの場合
も、外形的構成は加速度の掛かる方向に対して力学的に
対称となるような構成とする。
【0032】以上の他にも、加速度検出が一方向のみに
なる可動部の力学的構成であれば、本発明の特徴を備え
た効果を有することは言うまでもない。
【0033】(第四実施例)図5(a) は可動部60の質
量部分(マス)62を片持ち梁部63で支える構造とし
てあり、従って、可動ゲートG1、G2は基板に垂直な
方向の加速度に反応して両持ち梁部分61を中心に回動
運動を起こし、可動ゲートが基板のソース・ドレイン部
との間隔を変化させて、キャリア濃度を変化させ、電流
を変化させる。可動部60には、回動軸となる両持ち梁
部分61の両側に、回動軸を対称として保持用可動電極
MVが形成してあり、基板側には第一固定電極S1、第
二固定電極S2が設けてある。この可動部60を横から
見たA-A'断面図が図5(b) である。保持用可動電極6
4、65は基板側に設けられた固定電極S1、S2によ
り静電気力を受け、回動と反対方向の回動力を得てバラ
ンスさせる。なお、この図5に示した構成は請求項6の
発明を反映するものであるが、この図5の形状に限ら
ず、全体的形状、例えば変位制御部の第一固定電極、第
二固定電極の形状および寸法等は、用いる材料や使用条
件等によって最適に決定され、梁の太さなども対象とす
る加速度の程度によって決定される。
【0034】(第五実施例)第一実施例が基板に対して
水平方向の加速度を検出し、第三実施例が基板に対して
垂直方向の加速度を検出することから、これらを組み合
わせて一つのチップに形成すると三次元方向の加速度を
それぞれ独立に検出できる半導体Gセンサが形成でき
る。即ち、図6に示すように、直行するxyz軸に沿っ
て水平検出型Gセンサを直角関係に配置し、垂直検出型
Gセンサも同時に1チップに形成する。必要な演算部を
同時に周辺に形成することができるので、コンパクトな
1チップの立体的加速度検出Gセンサを実現することに
なる。これは加速度の各方向成分が独立して検知でき、
同時に各方向成分以外のノイズ分を相殺させることも可
能で、より精度ある加速度信号を得ることができる。ま
た図示しないが、第一実施例の水平検出型Gセンサ二つ
でxy平面方向の加速度が検出できるし、水平検出型と
垂直検出型との二つの組み合わせではxz方向(基板に
垂直な面の二方向)が検出できるなど、Gセンサ二つの
組み合わせで二方向検出可能であることはいうまでもな
い。
【0035】(第六実施例)第一から第五までの実施例
では、MISFET11、12のドレイン電圧V1 、V2の電
位差を差動増幅部13で増幅し、積分部14で積分して
いたが、図7に示す第六実施例ではV1 、V2 を比較器
71によって比較することにより、ハイレベル(Hi)ある
いはロウレベル(Lo)の二値信号に変換し、この二値信号
を信号処理部72において所定の信号処理を施した後、
可動部10に帰還、もしくは第一固定電極および第二固
定電極(図3のS1,S2)に出力信号を帰還させることによ
り、サーボ制御を行う構成としても良い。なお第六実施
例の構成は、第一乃至第五実施例における差動増幅部と
積分部を比較器71と信号処理部72に置き換えた部分
以外は同じである。
【0036】図7の信号処理部72の構成例を図8に示
す。図8(a) の構成では、比較器71の出力を、変調回
路によってパルス幅変調したパルス列に変換し、この信
号を帰還させて可動部10の変位を制御する。このパル
ス列をローパスフィルタ(LPF) を介して高周波成分を除
去し、加速度に応じた出力信号V0 を得る。
【0037】図8(a) の変調回路の構成は、外部クロッ
ク信号(外部CLK)でカウントアップして分周して内部ク
ロック信号(内部CLK)を発生させる分周カウンタ82
と、その内部CLK ごとに比較器出力信号に応じて稼働す
るアップダウンカウンタ81、このアップダウンカウン
タ81の出力とオフセットデータとを加減算器83で加
算した値を分周カウンタ82と比較するデジタルコンパ
レータ84から成る。内部CLK は、ちょうど目的とする
パルス幅変調(PWM) 信号の一周期を形成するサンプリン
グ周期を決めるのと等しい。このPWM 信号が出力である
ことから、このPWM 信号を直接帰還させる。そしてその
出力からノイズを除去するローパスフィルタ(LPF) 86
を通してアナログ出力V0 を得る。
【0038】図8(a) の動作の概要を図9に示すタイミ
ングチャートの例で説明すると、外部クロックによって
分周カウンタ82でカウントアップされて、オーバーフ
ローしてカウントが0に戻ることを繰り返し、そのオー
バーフロー信号が内部クロックとなっている。ここでは
3ビットカウンタであって、外部クロック8パルス毎に
内部クロックパルスが形成される。そして、内部クロッ
クがアップダウンカウンタ81に入るタイミングで、比
較器出力がHiかLoかでアップかダウンかが決まり、結果
として得られる u/dカウンタデータが変化する。
【0039】図9のタイミングチャートにおいては、こ
の u/dカウンタデータは最初「4」を示しており、比較
器の状態によって決まるので、以後「5」「6」「5」
「6」と変化している状態を示してある。この u/dカウ
ンタデータと分周カウンタ82のデータとをデジタルコ
ンパレータ84で比較し、分周カウンタ82が0になる
時点で出力をHiにし、データが一致した時点でLoとする
ことから、出力は内部クロックを周期とするパルスであ
り、そのパルス幅が u/dカウンタデータ、すなわち比較
器出力の値で決まるPWM 信号になる。なおオフセットデ
ータはここでは0として説明に加えなかったが、オフセ
ットデータは加速度が無い状態でも出力が生じて制御が
働いてしまうような場合に、適切な値で u/dカウンタデ
ータを補正することになる。
【0040】このPWM 信号を図7に示すように可動部1
0に帰還すると、可動部の可動ゲートG1、G2にパル
ス状の静電気力が印加されることになる。しかし可動部
10の共振周波数が数百Hz〜数kHz と低いため、信号の
周波数が十分高いことから可動ゲートG1、G2にかか
る静電気力はパルスのデューティに比例すると見なせ、
アナログ的に負帰還して制御するのと同じ効果を生じ
る。このパルス出力はローパスフィルタ(LPF) 86を通
じて出力信号V0 として出力されるが、ローパスフィル
タ(LPF) 86の構成をアナログ出力が得られるように変
換させるので、その出力信号V0 を帰還させるようにし
ても良い。
【0041】具体的には、まず可動ゲートG1、G2に
加速度が加わると、比較器71の出力はHiかLoを出力
し、アップダウンカウンタ81が連続的にアップまたは
ダウンカウントして、PWM 信号出力のパルス幅が増減す
る。ちょうどこれはアナログ回路の積分器の働きと等価
になる。これにより静電気力も増減し、可動部10を中
心部に引き戻す。可動部10が中心を横切ると、比較器
71の出力は反転し、アップダウンカウンタ81のカウ
ントが逆転する。これにより可動部10は再び中心側に
引き戻される動きをする。最終的には、比較器71の出
力はHi、Loを繰り返し、アップダウンカウンタ81のデ
ータは加速度に応じたある値に収束し、デジタルコンパ
レータ84は、その加速度に応じたデューティのパルス
を出力する。このデューティに比例する電圧、即ち加速
度に比例した電圧を、このパルス信号をローパスフィル
タ(LPF) 86を通して得ることができる。
【0042】なお、パルス幅変調以外のパルス密度変調
等の種々の変調方式でも、可動部10の変位を制御でき
ることはいうまでもない。また、図3のように第一固定
電極、第二固定電極に帰還させる場合に、図8(a) のよ
うなデジタル信号を帰還させる場合は、インバータ(NO
T 回路)を用いて反転させた信号を共に用いて、S1に直
接帰還させ、反転信号をS2に帰還させてやればよい。
【0043】図8(b) に示す構成では、比較器71の出
力をクロック(図8(a) の内部CLKにあたる)に同期し
て加減算し、加減算した結果のデジタル値をD/A変換
することで積分器と同等の動作をさせるものである。比
較器71の出力はアップダウンカウンタ91に入力さ
れ、クロック信号に同期して比較器71の出力に応じて
アップもしくはダウンカウントする。このアップダウン
カウント91の出力データは加減算器92でオフセット
データと加減算され、その出力がD/A変換器93でD
/A変換される。この変換された信号が可動部10へ帰
還されて、可動部10の変位を制御すると共に、出力信
号V0 として出力される構成である。
【0044】この構成の動作は、可動部10に加速度が
加わって比較器71の出力がHiまたはLoとなると、アッ
プダウンカウンタ91は連続的にアップまたはダウンカ
ウントし、D/A変換器93の出力電圧が増減する。こ
れにより静電気力も増減し、可動部10を中心部に引き
戻す。可動部10が中心を横切ると比較器31の出力は
反転し、アップダウンカウンタ91のカウントが逆転
し、これにより可動部10は再び中心側へ引き戻され
る。最終的には比較器71の出力はHiとLoとを繰り返
し、アップダウンカウンタ91のデータは加速度に応じ
たある値に収束するので、D/A変換器93は加速度に
応じた電圧を出力する。すなわちD/A変換は図8(a)
のデジタルコンパレータと同様の役割を果たしている。
オフセットデータの与え方は図8(a) の場合と同様であ
る。
【0045】この図8(b) の場合を固定電極S1,S2 に帰
還させる場合は、加減算回路92とD/A変換器93を
二組用意して、アップダウンカウンタ91のデータ出力
を一方が加算し、他方が減算する構成とすることで反転
信号が得られ、あるいはアナログ出力を図3のような反
転部41を用いて帰還させても良い。
【0046】このように、信号処理部72の回路構成は
種々の方法が存在し、可動部10を制御しうる回路構成
であればどのような構成であっても良い。また、第一実
施例や第二実施例では増幅部や積分部に発生するゼロ点
ドリフトなどの誤差要因をオフセット調整やトリミング
で補正しているが、信号処理部72をデジタル化するこ
とにより、そのようなオフセットや感度の調整もデジタ
ル値で容易に設定でき、面倒なトリミングの手間および
コストを低減できる。さらに、デジタル値を直接出力す
れば、マイクロコンピュータ等による信号処理が容易と
なり、性能の多様化が実現する。
【0047】いずれの場合の実施例においても、基板側
の活性領域や信号処理演算部などは通常の半導体プロセ
スを用い、信号にノイズが含まれないよう充分に素子分
離等を施し、より精度よく加速度を検出できるようにす
ることが望ましい。
【0048】なお、請求項でいう可動部とは、加速度に
よって変位を生じて加速度を検知して信号を発生させる
部分を構成し、MISFETの可動ゲート電極と、出力信号を
受けてサーボ制御的に検出信号を安定化させる保持用可
動電極とから成る。また差動出力部は、可動ゲートMI
S型トランジスタの対と、負荷による差動電圧取出しの
構成部分、および差動増幅部とからなり、差動出力信号
=ΔVである。
【0049】従って本発明を用いて、例えば寒暖の差が
大きい環境条件で利用され、電源電圧(バッテリ)の変
動が生じやすい車両のエアバックの衝突検出などで利用
される場合には、車両の発進や振動等による加速度で誤
動作することなく、衝突によってのみ生じる衝突方向の
加速度を検知してエアバック装置を作動させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体加速度センサ(Gセンサ)の基本的な回
路構成図。
【図2】加速度検知部である可動部の模式的見取り図。
【図3】第二実施例の回路構成図。
【図4】第三実施例の可動部の模式的構成図。
【図5】第四実施例を示す可動部の構成図。
【図6】第五実施例を示す模式的構成図。
【図7】第六実施例を示す模式的構成図。
【図8】第六実施例の信号処理部の構成例を示すブロッ
ク構成図。
【図9】図8(a) に示す信号処理部のタイミングチャー
ト。
【符号の説明】
100 加速度センサ 10 可動部(MG) 11、12 可動ゲートMIS型トランジスタ G1、G2 可動ゲート MV 変位制御用可動電極 S1、S2 固定電極(第一、第二) 15 負荷 21 固定部 22 絶縁部 23 梁部 24、25 ソース・ドレイン 41 反転部 60 可動部 61 固定部 62 質量部分(マス) 63 梁部 71 比較器 72 信号処理部 81 アップダウンカウンタ 82 分周カウンタ 83 加減算器 84 デジタルコンパレータ 85 帰還信号 86 ローパスフィルタ 91 アップダウンカウンタ 92 加減算器 93 D/A変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青 健一 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 彼末 将和 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 上野山 博文 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−253442(JP,A) 特開 平5−180866(JP,A) 特開 平7−20148(JP,A) 特開 平6−180325(JP,A) 特開 平4−25764(JP,A) 特開 平7−231102(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/00 - 15/13 G01P 15/08 H01L 29/84

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板面と所定の間隔で梁によって支えられ
    るとともに加速度によって変位可能な可動ゲート電極を
    有する可動部と、前記可動ゲート電極とMIS構造的に
    位置するソース・ドレイン電極とを備えてなり、前記可
    動ゲート電極に加わった加速度を検出する加速度センサ
    において、 該可動ゲート電極が前記可動部の両側に対向配置され
    て、同一特性のMIS型トランジスタの少なくとも一つ
    の対に形成され、 前記可動部が加速度を受けて動かされた際に前記MIS
    型トランジスタの対が互いに反対の動特性を示して差動
    出力信号を得る差動出力部を有し、 前記差動出力信号を積分する積分部を有し、 前記積分部の積分結果に基づき、前記加速度に対抗する
    大きさの静電気力で以て前記可動部の変位を打ち消すよ
    うに変位を制御する変位制御部を有することを特徴とす
    る加速度センサ。
  2. 【請求項2】前記変位制御部は、前記可動部の保持用可
    動電極と、前記基板上の第一固定電極と第二固定電極と
    で構成され、無加速度時に、該第一固定電極と該第二固
    定電極とが対で前記保持用可動電極を挟み込んで略均等
    な間隔を取って配置されていることを特徴とする請求項
    1に記載の加速度センサ。
  3. 【請求項3】前記変位制御部は、前記可動部に対して出
    力信号を帰還させることを特徴とする請求項1もしくは
    請求項2に記載の加速度センサ。
  4. 【請求項4】前記第一固定電極、前記第二固定電極間に
    所定バイアスを印加し、 前記保持用可動電極に前記出力信号を帰還させて、前記
    可動部に加速度が加わって変位を生じた際に、前記変位
    を打ち消すように該加速度と反対方向の静電気力を前記
    保持用可動電極に発生させることを特徴とする請求項2
    に記載の加速度センサ。
  5. 【請求項5】出力信号を第一固定電極に帰還させ、前記
    出力信号の極性を反転させた反転信号を第二固定電極に
    帰還させ、 前記保持用可動電極は所定電位として、前記可動部に加
    速度が加わって変位を生じた際に、該加速度と反対方向
    の静電気力を前記保持用可動電極に発生させることを特
    徴とする請求項2に記載の加速度センサ。
  6. 【請求項6】両持ち型の梁が平行に複数で前記可動部を
    支え、 前記基板面に対して水平方向で、前記梁方向と直角なゲ
    ート配置方向に前記可動ゲート電極の対が配置され、前
    記ゲート配置方向が加速度検出方向であることを特徴と
    する請求項1乃至5に記載の加速度センサ。
  7. 【請求項7】質量部分が、一本の両持ち型の梁の取り付
    け方向と直角方向のいずれかの片側に配置されて、前記
    基板面に垂直方向の加速度を検知する可動部を成し、 該梁の前記直角方向の両側に、前記可動ゲート電極が該
    梁を対称として配置され、 前記変位制御部が、該梁を軸とする対称で略等しい面積
    を有する可動電極と、該可動電極に面するとともに前記
    梁の位置を軸対称として略等しい面積に形成された基板
    面の前記第一固定電極および前記第二固定電極とで構成
    されることを特徴とする請求項1乃至5に記載の加速度
    センサ。
  8. 【請求項8】前記差動出力部は差動増幅器から成り、前
    記対になったMIS型トランジスタの各々の出力を入力
    し、前記各々の出力の差分を増幅し、この増幅結果を前
    記積分器の入力として出力することを特徴とする請求項
    1乃至7に記載の加速度センサ。
  9. 【請求項9】前記変位制御部は、保持用可動電極と第一
    固定電極および第二固定電極とにより構成される組が複
    数組、前記可動部に有することを特徴とする請求項1乃
    至8に記載の加速度センサ。
  10. 【請求項10】可動部に矩形穴部を有し、変位制御部の
    前記第一固定電極および第二固定電極が矩形内部の縁部
    に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の加
    速度センサ。
  11. 【請求項11】請求項1乃至10において、 差動出力部を、二値信号に変換する比較器に、 積分器を、所定の信号処理を行う信号処理部に、各々置
    き換えたことを特徴とする加速度センサ。
  12. 【請求項12】前記信号処理部は、前記二値信号をパル
    ス幅を変調したパルス列に変換し、このパルス列で前記
    可動部の変位を制御することを特徴とする請求項11に
    記載の加速度センサ。
  13. 【請求項13】前記信号処理部は、前記二値信号をパル
    ス密度を変調したパルス列に変換し、このパルス列で前
    記可動部の変位を制御することを特徴とする請求項11
    に記載の加速度センサ。
  14. 【請求項14】前記信号処理部は、前記二値信号を基に
    加減算を行う加減算回路と、前記加減算回路の出力デー
    タをD/A変換するD/A変換器とから構成されること
    を特徴とする請求項11に記載の加速度センサ。
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