JP3289069B2

JP3289069B2 - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP3289069B2
Application number: JP33217292A
Authority: JP
Inventors: 秀信梅田; 浩一日笠; 圭輔宇野; 善之森田
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 2002-06-04
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: JPH06160419A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量型の半導体加
速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電容量型の半導体加速度センサ
は、例えば図１０に示すようなものがある。この図示の
例では、いわゆる差動型と称されるもので、半導体基板
であるシリコン板１の中央に梁部２を介して重り部３を
一体的に形成し、またシリコン板１の上下両面にガラス
板４を配置する。この時、重り部３の上下両面と、ガラ
ス板４の対向面との間には、所定の空隙が形成され、重
り部３の揺動を許容している。そして重り部３の上下両
面を第１，第２の可動電極５，６とし、この両可動電極
５，６に対向するガラス板４の内面所定位置にアルミ蒸
着等により第１，第２の固定電極７，８を形成する。

【０００３】ところで、上記第１の可動電極５と，第１
の固定電極７との間には静電容量Ｃ１が生じており、ま
た同様に第２の可動電極６と，第２の固定電極８との間
には、静電容量Ｃ２が生じている。そして、このセンサ
に加速度が加わると梁部２が撓み、対向する両電極５と
７，６と８間の距離が変化し、この距離の変化により上
記の両静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。この時、両性で
容量の差ΔＣ（ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２）を検知することによ
り加速度を求めるようになっている。

【０００４】かかる構成（差動型）とすることにより、
第１，第２の静電容量Ｃ１，Ｃ２が有している温度特性
ならびに寄生容量が互いに減算されてキャンセルされる
ため、特性が向上する。さらに、以下に示す理由から加
速度の変化に対する出力（静電容量の差ΔＣ）の直線性
が向上する。すなわち、上側の電極面積（第１の可動電
極と固定電極の重合する面積で、通常は両者を一致させ
るか、固定電極側を大きくするため第１の可動電極５の
大きさと等しい）をＳ１とし、下側の電極面積（同様の
理由から第２の可動電極６の大きさと等しい）をＳ２と
し、さらに、それぞれの対向する電極間の距離をｄ１，
ｄ２とする。この状態で加速度が加わり重り部３がｘ
（便宜上下方への移動を正とする）だけ変位した時の各
静電容量Ｃ１，Ｃ２は、Ｃ１＝εＳ１／（ｄ１＋ｘ）（１）Ｃ２＝εＳ２／（ｄ２−ｘ）（２）となり、その静電容量の差ΔＣは、

【０００５】 ΔＣ＝εＳ１／（ｄ１＋ｘ）−εＳ２／（ｄ２−ｘ）（３）となる。そして、特性上、その形状を上下対象に形成す
るのが好ましいため、Ｓ１＝Ｓ２，ｄ１＝ｄ２とした時
の加速度に対する静電容量ならびにその差の変化を図１
１に示す。なお、変位ｘは加速度の大きさに比例するも
のとする。そして、図から明らかなように加速度０Ｇ付
近ではＣ１，Ｃ２単独のものに比し、ΔＣの方が直線性
が良くなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の差動型の加速度センサでは、以下に示す問題を有して
いる。すなわち、梁部２や重り部３は、平板状のシリコ
ン基板を異方性エッチングを行い、その基板の所定部位
を除去することにより形成するが、その除去量すなわち
梁部２の厚さは、エッチング時間により制御されるが、
処理対象となるシリコンウエハの厚さが異なることか
ら、製造された梁部２の厚さもばらつく。すると、その
梁部２の剛性（弾性係数）等もばらつき、センサの感度
のばらつきを生じる。

【０００７】また、縦方向（重力加速度の方向と同一方
向）の加速度を検出する場合には、定常状態において、
重り部３に常時重力加速度（１Ｇ）が加わるため、実際
には重り部３は図１０に示す状態より下方に位置、すな
わち、所定の距離ｘだけ変位する。よって、下方の距離
ｄ２の方が上方の距離ｄ１より短くなり、図１１に示す
特性図中、点Ｑを中心に静電容量が変化することにな
る。その結果、直線性が低下する。

【０００８】さらにまた、従来の加速度センサは、いず
れも静電容量の変化を周波数の変化として検出するよう
にしていたが、例えば係る加速度センサを自動車のアク
ティブサスペンションやエアバックシステム等の作動を
制御するための検出部に用いる場合には、係る周波数を
用いた加速度検出では、十分な応答を得ることができな
い。

【０００９】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、特性のばらつきが少
なく、しかも加速度の変化に対して直線性の良い半導体
加速度センサを提供すること、ならびにそれに用いる検
出装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る半導体加速度センサでは、枠体に
対して梁部を介して一体に接続され、加速度に応じて変
位する重り部の両面に可動電極が形成された半導体板
と、前記重り部の両面に形成された前記可動電極のう
ち、一方の可動電極の表面と同一平面をなす梁部を介し
て前記半導体板と一体に接続される枠体と、前記両可動
電極にそれぞれ所定の間隙をおいて対向させた固定電極
を備え、前記半導体板を挟持するように配置されたガラ
ス板等の基板とを備え、前記変位にともない、それぞれ
対となる前記可動電極と前記固定電極との間で生じる静
電容量の差から加速度を検出する半導体加速度センサに
おいて、前記重り部の一方の面に形成された前記可動電
極とそれと対向する前記固定電極との距離とその電極面
積、ならびに前記重り部の他方の面に形成された前記可
動電極とそれと対向する前記固定電極との距離とその電
極面積とが、前記可動電極の可動方向に対して重力加速
度のみがかかっている基準状態で、対となる前記電極間
で生じる両静電容量が、略等しくなるように設定した。

【００１１】また、少なくとも２組の可動電極と固定電
極とを備え、両電極間に生じる各静電容量の差から、発
生した加速度を検出する差動型の半導体加速度センサの
検出装置としては、電気的に接続された前記各可動電極
に対し所定の発振信号を入力する発振回路と、前記各固
定電極に接続され、与えられた前記発振信号を前記各静
電容量にて微分して得られた各ＰＷＭ信号を減算するこ
とにより加速度に応じた出力を得る手段とを備えた。

【００１２】また、他の検出装置としては、前記各固定
電極に接続され、対となる各電極間に対して交互に所定
の電圧を印加する手段と、電気的に接続された前記可動
電極に接続され、前記電圧を印加する手段により各静電
容量に蓄えられた電荷を、同時に差動増幅回路に入力す
る手段とを備え、前記差動増幅回路にて前記各静電容量
の差を電圧に変換することにより、加速度に応じた出力
電圧を得るようにしてもよい。

【００１３】

【作用】可動電極が形成される半導体基板の所定位置に
ｐ層とｎ層を設けたため、一方側（例えばｐ層）から電
気化学エッチングすると、ｎ層に到達するまでｐ層のエ
ッチング部位が除去される。よって、例えば係るｎ層部
位で梁部を構成することにより、梁部の厚さが正確に制
御される。

【００１４】また、前記重り部の一方の面に形成された
前記可動電極とそれと対向する前記固定電極との距離と
その電極面積、ならびに前記重り部の他方の面に形成さ
れた前記可動電極とそれと対向する前記固定電極との距
離とその電極面積とが、検出対象の加速度がかかってい
ない基準状態で、対となる前記電極間で生じる両静電容
量が、略等しくなるように設定することもできる。

【００１５】また、本発明の検出装置を用いたなら、各
静電容量の差分を直流成分として取り出すことができ、
応答性のよい加速度の検出が行われる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係る半導体加速度センサの好
適な実施例を添付図面を参照にして詳述する。図１は本
発明に係る加速度センサの第１実施例を示している。図
示するように、基本的な構成、すなわち、半導体板であ
るシリコン板１０の上下両面側にガラス板１１を配置
し、このシリコン板１０は、ロ字状の枠体１２に対し、
複数の梁部１３を介して重り部１４を片持ち支持状に連
結した構成からなる。そして、その重り部１４の上下両
面を第１，第２の可動電極１５，１６とし、両電極１
５，１６に対向するガラス板１１の表面にアルミ蒸着等
により第１，第２の固定電極１７，１８を形成する点
は、従来と同様である。

【００１７】ここで本発明では、Ｐ型のシリコンを基本
として形成されるシリコン板１０の中間の所定位置に例
えばドーピングにより、ｎ層（拡散層）１０ａを形成し
ている。そして、このｎ層は、梁部１３並びにそれに連
続する重り部１４の上側を構成するようになっている。

【００１８】そして係る構成のセンサ（シリコン板）を
製造するには、ｎ層１０ａが形成された板状のシリコン
板に対して、下側からその所定部位を電気化学エッチン
グする。すると、Ｐ型シリコンは、ｎ層１０ａに到達す
るまで除去される。よって、梁部１３の厚さは、ｎ層１
０ａの厚さと等しくなり、しかも係る厚さの制御はｎ層
１０ａの拡散深さにより容易かつ精密に行えるので、製
造された各センサ間での性能（感度）のばらつきが可及
的に抑制できる。

【００１９】なお、本例では、下側から電気化学エッチ
ングを行ったため、第１の可動電極１５の面積Ｓ１の方
が、第２の可動電極１６の面積Ｓ２よりも大きくなり、
それにともない対応する各固定電極の面積も相違（対と
なる可動電極の面積と略一致）させているが、上記のよ
うにＰ型のシリコンの所定部位にｎ拡散層を設けるので
はなく、板状（略同一平面形状からなる）のＰ型シリコ
ンとＮ型シリコンとを層状に積層配置するようにしても
良い（係る場合には、枠体１２にもその全周にわたって
Ｎ型とＰ型のシリコンが位置する）。

【００２０】さらに、本例では上記したごとく上側と下
側の電極の面積が異なるため、各対となる電極間の距離
ｄ１，ｄ２を等しくすると、加速度の変化に対する出力
の直線性が低下する。また、図２に示すように、縦方向
の加速度を検知するために、梁部１３，重り部１４が水
平状態になるよう配置すると、重り部１４に重力加速度
が常時加わり、検知しようとする加速度が無い状態でも
図示するように重り部が下方に移動し、仮に図１に示す
状態でｄ１＝ｄ２と設定したとしても実際の使用状況下
ではｄ１＞ｄ２となる。

【００２１】係る場合に直線性を良好にすべく、上記の
面積Ｓ１，Ｓ２並びに距離ｄ１，ｄ２の関係を、以下に
示すように設定する。すなわち、加速度（常時加わって
いるような重力加速度等は除く）がかかっていない基準
状態（対となる電極間の距離がそれぞれｄ１，ｄ２とな
っている）から、所定の加速度がかかって重り部１４が
下方にｘだけ変位した場合の出力ΔＣは、上記したごと
く

【００２２】 ΔＣ＝εＳ１／（ｄ１＋ｘ）−εＳ２／（ｄ２−ｘ）（３）である。

【００２３】したがって、この時のΔＣの加速度に対す
る直線性が最も良くなる条件は、基準状態のとき、すな
わち、ｘ＝０の時のΔＣが、図１１に示した変移点Ｐに
なるようになればよく、具体的には上記式（３）の２次
導関数が０となることである。従って、２次導関数Δ
Ｃ″は、

【００２４】 ΔＣ″＝ｋ（Ｓ１／（ｄ１＋ｘ）^３−Ｓ２／（ｄ２−ｘ）^３）（４）但し、ｋは任意の定数である。

【００２５】そして、ｘ＝０の時にΔＣ″＝０が成り立
つための条件は、式（４）に各値を代入することによ
り、ｄ２＝ｄ１（Ｓ２／Ｓ１）^１／３（５）となる。

【００２６】したがって、上記の条件式（５）が成り立
つように、各値を設定する。すなわち、製造プロセス上
面積Ｓ１，Ｓ２が先に決定されるため、係る面積を式
（５）に代入してｄ１とｄ２の比を求める。そして、か
かる条件を満たすように、例えば図１に示す半導体板１
０の上面側１０ｂをエッチング等により所定量だけ除去
することにより、直線性の最も良くなるセンサ構造を得
ることができる。なお、最適な構造を得るための調整
は、上記したものに限ることはなく、任意の箇所を除去
するなど種々の方式をとることができる。また、上記の
電極面積Ｓ１，Ｓ２は、実際には、有効面積、すなわ
ち、対となる電極の重合する面積（固定電極の面積が小
さい場合には、その固定電極の面積）である。

【００２７】さらに、上記の条件式（５）を満たすのが
最も直線性が良好になるが、正確にこの条件を満たさせ
る必要はなく、仕様（目標とする許容誤差範囲）等にあ
わせて、一定の範囲を持たせて設定するようにしても良
い。

【００２８】なお、図２に示すような、重力加速度によ
る撓み量は、重り部１４の重さ並びに梁部１３の弾性係
数等から計算により水平位置からどの程度変位するかを
求め、実際に製造する際には、その変位量を考慮して、
上記の条件式により得られたｄ１，ｄ２に足し込みなど
の調整をする必要がある。

【００２９】図３は、本発明に係る検出装置の第１実施
例を示している。同図に示すように、上記した実施例に
おける加速度センサの２組の電極間で生じる静電容量Ｃ
１，Ｃ２と、２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２とでブリッジ回路を
構成する。なお、２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の接続側
は、例えばシリコン板１０に形成された第１，第２の可
動電極１５，１６に接続された配線を接続することによ
り構成され、その両可動電極１５，１６に発振回路２０
の出力を印加するようにする。

【００３０】そして、この両電極１５，１６の接続構造
としては、例えば図４に示すように、重り部１４の下面
側にアルミ蒸着１９等を施すことにより第２の可動電極
１６を形成し、そのアルミ蒸着の端部１９ａをｎ層１０
ａに接続することにより、両可動電極１５，１６が同電
位となり、配線引き出しが容易に行える。

【００３１】さらに、両静電容量Ｃ１，Ｃ２の他端（こ
の例では固定電極１７，１８の配線）をシュミット回路
２１ａ，２１ｂ並びに整流回路２２ａ，２２ｂを介して
差動増幅回路２３に接続する。

【００３２】次に、上記した実施例の動作原理につい
て、図５に示すタイミングチャートを用いて説明する。
まず、発振回路２０から、周期Ｔの矩形波が出力され
（同図（Ａ））、それを両静電容量Ｃ１，Ｃ２で微分す
る（同図（Ｂ））。そして、微分された信号をシュミッ
ト回路２１ａ，２１ｂに入力することにより、矩形波を
作る（同図（Ｃ））。そして、この矩形波のパルス幅ｔ
は、時定数Ｃ１Ｒ１およびＣ２Ｒ２に比例する（ＰＷＭ
信号）。

【００３３】次いで、係る矩形波を整流回路２２ａ，２
２ｂに入力し、そこにおいて、パルス幅ｔすなわち静電
容量Ｃ１，Ｃ２に応じた直流信号が得られる（同図
（Ｄ））。そしてこれら、両直流信号を差動増幅回路２
３に入力することにより、上記のΔＣに比例した直流信
号がその回路２３から出力されることになる。なお、図
示の例では、Ｃ１＝Ｃ２のために各波形は同一形状とな
っているが、加速度が加わり静電容量が変化したなら、
各波形のデューティー比等が適宜変化する。

【００３４】係る構成にしたことにより、加速度の大き
さ（変化）に伴い両静電容量の差分（ΔＣ）を直流信号
の大小（変化）で見ることができ、応答性が良く、例え
ば、これをエアバックシステムに搭載した場合には、差
動増幅回路２３の出力がある閾値を越えたときに、作動
信号を発する（例えばその回路の出力並びに前記の閾値
を比較に入力することにより簡単に構成できる）こと等
に応用できる。

【００３５】なお、本実施例の具体的な回路構成の一例
を図６に示す。この例では、基準状態で出力が２．５Ｖ
になるように調整されている。また、本実施例では、直
流信号を出力するようにしたが、例えば、後段の装置等
で直流信号が必要でない場合には、シュミット回路２１
ａ，２１ｂからのＰＷＭ信号を取り出すことにより、デ
ジタル的な処理が可能となる。

【００３６】なお、本発明に係る検出装置は、上記した
本発明に係る加速度センサの出力検出として適用できる
のはもちろんのこと、図１０に示すものの他、従来の差
動型の各種の加速度センサに適用しても良い（以下、同
じ）。

【００３７】図７は本発明に係る検出装置の第２実施例
を示している。同図に示すように、まず半導体加速度セ
ンサの第１，第２の固定電極１７，１８に対し、第１，
第２のアナログスイッチ３０ａ，３０ｂを介して直流電
圧（Ｖin）を印加するようにしている。さらに、電気的
に接続されて共通電極となる第１，第２の可動電極１
５，１６には、第３のアナログスイッチ３１を介して、
差動増幅器であるオペアンプ３２の反転入力端子に接続
するようにしている。

【００３８】そして、第１，第２のアナログスイッチ３
０ａ，３０ｂの動作タイミングφ１，φ２は、図８に示
すようになっており、第３のアナログスイッチ３１の動
作タイミングは上記第２のアナログスイッチ３０ｂのそ
れと一致させている。かかる構成とすることにより、ス
イッチとキャパシタ回路が構成され、その静電容量Ｃ
１，Ｃ２の差（ΔＣ）に対応した差動出力（電圧）とし
て検出することができる。

【００３９】図９は、本発明に係る検出装置の第３実施
例を示しており、その構成としては、上記した第２実施
例と略同様であるが、第１，第２の固定電極１７，１８
に印加する電圧Ｖ１，Ｖ２を異ならせている。なお、そ
の他の構成並びに作用は、上記した第２実施例と同様で
あるため、同一符合を付しその説明を省略する。

【００４０】そして、それら各電圧Ｖ１，Ｖ２が印加さ
れた加速度センサ内の各静電容量Ｃ１，Ｃ２には、所定
の電荷Ｑ１，Ｑ２が蓄えられるが、その電荷Ｑ１，Ｑ２
はオペアンプ３２を介して下記式に示すような出力電圧
Ｖout として出力される（なお、下記式（６）において
Ｖ１＝Ｖ２とすれば、上記第２実施例における出力電圧
となる）。

【００４１】Ｖout ＝α（Ｑ１−Ｑ２）＝αε（Ｓ１＊Ｖ１／（ｄ１＋ｘ）＋Ｓ２＊Ｖ２／（ｄ２−ｘ））（６）但し、αは回路定数により決定される定数そして、この時のＶout の加速度に対する直線性が最も
良くなる条件は、上記したように基準状態（ｘ＝０）の
時に図１１に示す変曲点Ｐに位置することであるため、
上記式（６）のｘ＝０の時の２次導関数（Ｖout ″）が
０として解くと、

【００４２】Ｖout ″＝ｋ（Ｓ１＊Ｖ１／（ｄ１＋ｘ）^３−Ｓ２＊Ｖ２／（ｄ２−ｘ）^３より、Ｖ２＝Ｖ１＊（Ｓ１／Ｓ２）＊（ｄ２／ｄ１）（７）である。

【００４３】よって、上記式（７）の条件を満たすよう
な電圧Ｖ１，Ｖ２を設定することにより、加速度に対す
る直線性を最も良くすることができる。すなわち、たと
え差動型の加速度センサの電極面積，電極間の距離に差
異やばらつき等があっても、上記式（７）を満たす、或
いはそれに近い条件の電圧を与えるのみで、直線性の良
好な加速度センサ（検出装置）を構成することができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体加速
度センサでは、梁部が、他の重り部や枠体等とは異なる
材質（ｎ層或いはｐ層）で構成されるため、電気化学エ
ッチングなどにより不要部分を除去することにより、梁
部を係るｎ層（ｐ層）のみで構成することができる。す
なわち、その梁部の厚さは、ｎ層（ｐ層）の厚さとな
り、正確に所定厚さに形成することができる。よって、
特性（感度）のばらつきが少なくなる。そして、各電極
の面積や、電極間の距離を、基準状態で各静電容量が略
等しくなるように設定した場合には、加速度の変化に対
して直線性の良い出力特性が得られる。さらに本発明に
係る検出装置では、各静電容量の差分に対応する直流信
号として出力することが可能となり、検出が簡単で応答
性が良好となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体加速度センサの好適な一実
施例を示す断面図である。

【図２】使用状況下の一例を示す図である。

【図３】本発明に係る検出装置の第１実施例を示す図で
ある。

【図４】第１，第２の可動電極の接続の一例を示すブロ
ック図である。

【図５】図３に示す回路のタイミングチャート図であ
る。

【図６】図３に示す回路の具体的な構成を示す回路図で
ある。

【図７】本発明に係る検出装置の第２実施例を示す図で
ある。

【図８】アナログスイッチの動作タイミングを示す図で
ある。

【図９】本発明に係る検出装置の第３実施例を示す図で
ある。

【図１０】従来の半導体加速度センサの好適な一実施例
を示す断面図である。

【図１１】加速度に対する静電容量並びにその差の特性
の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０シリコン板（半導体板）１０ａｎ層１１ガラス板（基板）１２枠体１３梁部１４重り部１５第１の可動電極１６第２の可動電極１７第１の固定電極１８第２の固定電極２０発振回路２１ａ，２１ｂシュミット回路（加速度に応じた出力
を得る手段）２２ａ，２２ｂ整流回路（加速度に応じた出力を得る
手段）２３差動増幅回路（加速度に応じた出力を得る手段）３０ａ，３０ｂ第１，第２のアナログスイッチ（交互
に所定の電圧を印加する手段）３１第３のアナログスイッチ（差動増幅回路に入力す
る手段）３２オペアンプ（差動増幅回路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森田善之京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (56)参考文献特開平１−152369（ＪＰ，Ａ) 特開平２−119270（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−97572（ＪＰ，Ａ) 特開平５−273230（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/125 G01P 15/02 G01P 21/00 H01L 29/84

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】枠体に対して梁部を介して一体に接続さ
れ、加速度に応じて変位する重り部の両面に可動電極が
形成された半導体板と、前記重り部の両面に形成された前記可動電極のうち、一
方の可動電極の表面と同一平面をなす梁部を介して前記
半導体板と一体に接続される枠体と、前記両可動電極にそれぞれ所定の間隙をおいて対向させ
た固定電極を備え、前記半導体板を挟持するように配置
されたガラス板等の基板とを備え、前記変位にともない、それぞれ対となる前記可動電極と
前記固定電極との間で生じる静電容量の差から加速度を
検出する半導体加速度センサであって、前記重り部の一方の面に形成された前記可動電極とそれ
と対向する前記固定電極との距離とその電極面積、なら
びに前記重り部の他方の面に形成された前記可動電極
と、それと対向する前記固定電極との距離とその電極面
積とが、前記可動電極の可動方向に対して重力加速度のみがかか
っている基準状態で、対となる前記電極間で生じる両静
電容量が、略等しくなるように調整されてなることを特
徴とする半導体加速度センサ。