JP3391841B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

半導体加速度センサ

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JP3391841B2 JP12436193A JP12436193A JP3391841B2 JP 3391841 B2 JP3391841 B2 JP 3391841B2 JP 12436193 A JP12436193 A JP 12436193A JP 12436193 A JP12436193 A JP 12436193A JP 3391841 B2 JP3391841 B2 JP 3391841B2
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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、半導体加速度センサに
関するものである。 【0002】 【従来の技術】この半導体加速度センサには撓み部1を
図13(a)に示すダイヤフラム型に形成されたもの
と、図14(a)に示すビーム型に形成したものがあ
る。そしてその構造は図13(b)又は図14(b)に
示すようにSiからなる半導体基板の中心部下面に半導
体加工技術を用いて重り部2を形成し、この重り部2と
周囲の枠状の支持部3との間を薄肉の撓み部1により連
結し、この撓み部1と重り部2との連結部位の周囲には
撓み部1と重り部2との間を分離する切込み溝4を形成
してある。撓み部1は重り部2の動きによおきる撓み部
1の歪からX,Y,Zの各軸方向の加速度を検出するた
めのピエゾ抵抗Rを形成してある。支持部3はSi或い
はガラスからなる下部ストッパ5上に配置され、下部ス
トッパ5と重り部2の下面との間には重り部2を揺動可
能とする隙間を設けている。尚6はポンティングパッド
である。 【0003】従来の半導体加速度センサ(図示例はダイ
アフラム型であるがビーム型でも同じ)のピエゾ抵抗R
の配置は図15(a)乃至(d)に示すような配置が成
されていた。つまり図15(a)では、Y軸方向の撓み
部1の中心線上の両端と、中央の重り部2と撓み部1の
連結部位の上記中心線上に対応する両端とに夫々Y軸方
向の加速度検出用のピエゾ抵抗RY1〜RY4を形成
し、X軸方向の撓み部1の中心線上の両端の両側と、中
央の重り部2と撓み部1の連結部位の中心線上に対応す
る両端の両側にX軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗R
X1〜RX4及びZ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗
RZ1〜RZ4を並行形成してある。 【0004】図15(b)では、Y軸方向の撓み部1の
中心線上の両端の両側に、Y軸方向の加速度検出用のピ
エゾ抵抗RY1,RY3と、RY2,RY4とを並行形
成し、X軸方向の撓み部1の中心線上の両端、中央の重
り部2と撓み部1の連結部位の上記中心線上に対応する
両端とに夫々Z軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗RZ
1〜RZ4を形成し、更にX軸方向の中心線上の両端の
ピエゾ抵抗RZ1、RZ4の両側にX軸方向の加速度検
出用のピエゾ抵抗RX1,RX3と、RX2,RX4と
を並行形成してある。 【0005】図15(c)では図15(b)に於ける中
央部のピエゾ抵抗RZ2,RZ3の形成位置を、Y軸方
向の中心線の両端のピエゾ抵抗RY1とRY3との間、
RY2とRY4との間に変更し、その両端方向がY軸方
向に並行となるように形成してある。図15(d)では
加速度検出用のピエゾ抵抗RZ1〜RZ4を中央の重り
部2と撓み部1の連結部位のY軸方向及びX軸方向の中
心線上の両端位置に形成し、且つピエゾ抵抗RZ2,R
Z3の両端方向をY軸方向に、ピエゾ抵抗RZ1,RZ
4の両端方向をX軸方向に並行させて形成した点で図1
5(b)又は(c)と異なっている。 【0006】これら各軸の加速度検出用ピエゾ抵抗RX
1〜RX4、RY1〜RY4、RZ1〜RZ4は図16
(a)〜(c)に示すようにブリッジ接続され、対向す
る一対の接続点間に電源部Eの電圧を印加し、残りの一
対の接続点間に電圧検出部Vを設け、この電圧検出部V
の検出電圧で夫々の方向の加速度を独立して検出するこ
とができるようになっている。 【0007】つまり図17(a)に示すようZ軸方向の
加速度Gが加わると、重り部2と撓み部1との連結部位
には引張応力(+)が、また撓み部1と支持部3との連
結部位には圧縮応力(−)が夫々生じ、また図17
(b)に示すようにX軸方向又はY軸方向に加速度Gが
加わると、重り部2の先端が撓み部1に当たる側の撓み
部1と支持部3との連結部位には圧縮応力(−)が、こ
の部位に近い方の重り部2と撓み部1との連結部位には
引張応力(+)が、また遠い方の重り部2と撓み部1と
の連結部位には圧縮応力(−)が、更に重り部2の先端
が撓み部1から離れる側の撓み部1と支持部3との連結
部位には引張応力(+)が夫々生じる。 【0008】これらの引張応力、圧縮応力及び撓み部1
の歪は加速度Gに比例したものとなり、撓み部1に発生
した歪に比例して、ピエゾ抵抗RX1〜RX4、RY1
〜RY4、RZ1〜RZ4の抵抗値が変化し、上述のよ
うに構成したブリッジ回路により電圧出力として取り出
すことができるのである。この電圧は加速度Gの大きさ
に応じたものであり、この電圧の大きさからX,Y,Z
軸方向の加速度が夫々検出することができるのである。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】ところで上記のような
従来例のピエゾ抵抗Rの形成位置では次のような問題が
あった。例えばビーム型の半導体加速度センサにZ軸方
向の加速度がかかった時の応力分布を図18(a)に示
すように両端が支持された撓み部1の中心に剛体2aを
介して重り部2を連結したモデルで近似して考えると、
Z軸方向に加速度Gがかかると撓み部1は図18(b)
に示すように撓み、この時の応力σの分布は図18
(d)に示すように撓み部1の中心と、両端とのでピー
クの絶対値が等しい応力分布となる。 【0010】そのため図15(a)〜(d)に示す何れ
の位置に配置しようとも検出出力に大きな差はない。し
かし、図19(a)に示すようにX軸方向又はY軸方向
に加速度Gがかかった場合の応力分布は図19(b)に
示すように撓み部1の中心での応力σを1とすると、両
端では1/2の応力σしか得られない。 【0011】例えば図15(a)に示すようなピエゾ抵
抗の配置であると、ブリッジ出力電圧Vは定電流励起の
場合、 V=3/4 ・R・πe ・σ・IS (但しR:変化前のピエゾ抵抗値、πe :縦方向のピエ
ゾ係数、IS :ブリッジ励起電流)となる。 【0012】このように従来例ではX,Y軸方向の加速
度がかかった時には大きな出力が得られず、感度が低い
という問題があった。尚ダイアフラム型の半導体加速度
センサの場合の応力分布はビーム型の場合に比べて複雑
になるが従来例のピエゾ抵抗の配置位置ではビーム型と
同様な問題が存在するのには変わりはない。 【0013】本発明は、上述の問題点に鑑みて為された
もので、その目的とするところは,X,Y,Zの各軸方
向の加速度を独立的に且つ高感度に検出することができ
る半導体加速度センサを提供するにある。 【0014】 【課題を解決するための手段】本発明は、加速度を受け
る重り部と、この重り部に連結する撓み部と、この撓み
部を支持する支持部と、重り部が撓み部の中心部に連結
されるように設けた重り部と撓み部との間の切込み溝と
を半導体基板を加工して形成し、重り部の動きにより撓
み部におきる歪みを前記半導体基板の面に対して並行す
る左右方向の第1の軸方向と、前記半導体基板の面に対
して並行し且つ第1の軸方向に直交する第2の軸方向
と、前記半導体基板の面に対して垂直な第3の軸方向と
において夫々検出するためのピエゾ抵抗を撓み部に形成
した半導体加速度センサにおいて、前記撓み部に形成す
る前記ピエゾ抵抗の内、前記第1,第2の軸方向の歪み
を検出するピエゾ抵抗の全てを前記撓み部の中心近傍に
配置し、この配置位置以外に前記第3の軸方向の歪みを
検出するピエゾ抵抗を配置して成ることを特徴とする。 【0015】 【作用】本発明によれば、撓み部に形成するピエゾ抵抗
の内X,Y軸方向の歪を検出するピエゾ抵抗を撓み部の
中心近傍に配置し、この配置位置以外にZ軸方向の歪を
検出するピエゾ抵抗を配置したので、X,Y軸方向の加
速度がかかった場合に大きな応力が生じる撓み部の中心
部の歪をピエゾ抵抗で検出することができるため、検出
出力が大きくとれ、そのためX,Y軸方向の加速度検出
も高感度となる。 【0016】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。尚以下にのべる実施例はピエゾ抵抗の配置位置以
外の構成が基本的に従来例の半導体加速度センサと同じ
であるため、ピエゾ抵抗の配置位置以外の構成について
の説明は省略する。 (実施例1) 本実施例は、図1に示すように撓み部1のY軸方向の中
心線上の両端の支持部3に対する連結部位に夫々Z軸方
向の加速度検出用のピエゾ抵抗RZ1、RZ4を形成配
置し、また撓み部1のX軸方向の中心線上の両端の支持
部3に対する連結部位に夫々Z軸方向の加速度検出用の
ピエゾ抵抗RZ2、RZ3を形成配置してあり、これら
の内ピエゾ抵抗RZ1,RZ2はY軸方向に並行させ、
またピエゾ抵抗RRZ3,RZ4はX軸方向に並行させ
てある。また撓み部1と重り部2との連結部位がある撓
み部1の中央部のY軸方向の両端側には夫々Y軸方向の
加速度検出用ピエゾ抵抗RY1,RY3、RY2,RY
4をその両端方向がX軸方向に並行するように形成配置
してある。同様に撓み部1と重り部2との連結部位があ
る撓み部1の中央部のY軸方向の両端側には夫々X軸方
向の加速度検出用ピエゾ抵抗RX1,RX3、RX2,
RX4をその両端方向がY軸方向に並行するように形成
配置してある。 【0017】而して本実施例ではX、Y、Z軸方向の加
速度がかかったときのピエゾ抵抗の変化は表1に示すよ
うになる。 【0018】 【表1】 【0019】さてZ軸方向の加速度の場合には、検出出
力がピエゾ抵抗の形成位置の影響を受けないことは上述
した通りであるが、X軸方向、Y軸方向の加速度検出用
のピエゾ抵抗RX1〜RX4、RY1〜RY4を重り部
2と連結している撓み部1の中央部位に形成配置したこ
とにより、ブリッジ回路の出力電圧が従来例に比べて増
加し、X軸方向、Y軸方向の加速度検出の感度が向上し
た。 【0020】尚撓み部1の形状は、ダイヤフラム型でも
ビーム型でも良く、特に限定されることはない。 (実施例2)本実施例は図2(a)に示すように重り部
2との連結部位がある撓み部1の中央部に形成配置する
Y軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗RY1,RY3、R
Y2,RY4の両端方向をY軸方向に並行させ、また同
様に配置されるX軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗RX
1,RX3、RX2,RX4の両端方向をX軸方向に並
行するように形成配置してある点で実施例1と相違する
ものである。 【0021】本実施例の場合のX軸方向又はY軸方向の
加速度がかかった場合のブリッジ回路の出力電圧はV=
R・πe ・σ・IS となり、図15(a)に示す従来例
に比べて約33%の出力増加となった(但し横方向応力
は考慮しいない)。 【0022】(実施例3) 本実施例は図2(b)に示すようにZ軸方向の加速度検
出用ピエゾ抵抗RZ1〜RZ4をX軸方向に横一列に形
成配置したもので、撓み部1の中央部位において形成配
置されるピエゾ抵抗RZ2、RZ4はピエゾ抵抗RX3
とRX1との間、RX4とRX2との間に夫々位置して
いる点で実施例1と相違する。 【0023】(実施例4)本実施例は図2(c)に示す
ようにZ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗RZ1〜RZ
4をも撓み部1の中央部位に配置したものであり、ピエ
ゾ抵抗RZ1、RZ4をピエゾ抵抗RY1とRX3との
間、RX2とRX4との間に夫々形成し、ピエゾ抵抗R
Z2、RZ3をピエゾ抵抗RX3とRX1との間、RX
4とRX2との間に夫々形成配置してある点で実施例2
と相違する。 【0024】以上の実施例2〜4も実施例1と同様ブリ
ッジ接続した場合のブリッジ出力Vが従来例に比べて増
加することになり、感度が向上する。また撓み部1の形
状は、ダイヤフラム型でもビーム型でも良く、特に限定
されることはない。ところで上記半導体加速度センサに
は、図3に示すように重り部2の底面下方に電極10を
設け、この電極10と、重り部2底面との間に電圧を印
加して発生する静電力により疑似的にX,Y,Zの3軸
方向のベクトル成分GX ,GY ,G Z を持つ加速度Gを
発生させ、センサの故障診断を行う自己診断駆動部を備
えたものがあった。 【0025】この自己診断駆動部は、3軸方向の自己診
断を同時に行うことは可能であるが、得られる静電力が
小さく、目標とする電圧を出力できないという問題があ
る。そこでビーム型の撓み部1を形成した半導体加速度
センサにおいて、図4(a)(b)に示す如くビーム型
の撓み部1を形成するために半導体基板を切り欠いた部
分に対向するように、撓み部1に被さるように配置した
上部ストッパ7の下部に突起8を設けて上部ストッパ7
と重り部2との間に静電力を発生させ、自己診断駆動を
行うようにしたものを本発明者らは提案する。 【0026】この場合図3に示す場合のように重り部2
の底面と、その下方に電極10を形成して静電力を発生
させる場合よりも、重り部2の上面の面積が大きい分
(ビーム部分の面積を除外した後)、また電極の受信が
センサチップの中心から遠くへ移動する分より大きな静
電力或いはモーメントを発生させることが可能となり、
より高い出力が得られる。 【0027】また図5に示すように撓み部1と重り部3
とを結合している部分の大きさをビーム部位の幅よりも
大きくすることにより、撓み部1を形成するための切り
欠き部分9を図示するような形状として、従来切り欠い
ていた部分に重り部2に対する蓋のような四角形部分を
一体形成し、この部分に2点鎖線で示す如く金属の電極
10、10’を設置すれば、上部ストッパ7との間に静
電力を発生させることが可能となる。 【0028】この場合上部ストッパ7に上記のような突
起8を設ける必要が無くなり、より簡単な方法で図4の
場合と同様な自己診断駆動を行うことが可能となる。図
6、図7は製造プロセスを示しており、図6(a)乃至
図6(c)〔図7(a)、図7(b)〕に示すプロセス
を経て重り部2、撓み部1、支持部3を形成した後上面
にSiO2 の膜を成膜し、その後、図6(d)、図7
(c)の斜線で示すように金属を蒸着して電極10を形
成すれば、図4に於ける上部ストッパ7との間で静電力
を発生させることができる。尚図6(a)は図7(a)
のA−A断面を、図6(b)は図7(b)のA−A断面
を、図6(c)は図7(b)のA−A断面を、図6
(d)は図7(c)のA−A断面を夫々示す。 【0029】図4、図5の構成において、重り部2の底
面側にも電極を形成して、重り部2の上面側と、底面側
の両方で静電力を発生させ、自己診断駆動を行うように
しても良い。例えば図5のように重り部2の上面側に三
角形電極10’を設けた場合、重り部2の底面側には上
面側と反対の場所に同様に三角形の電極を設置する。こ
のようにすれば重り部2の上面と底面との両方で静電力
を発生させることができるので、更に大きな静電力が得
られる。 【0030】また図8に示すように重り部2に対する蓋
のような4つの四角形部分の上面に四角形の電極10a
〜10dを形成すると、X軸方向の診断をする場合には
電極10a、10cに、Y軸方向の場合には電極10
b、10dに、そしてZ軸方向の場合には電極10a〜
10dの全てに電圧を印加することによりX,Y、Zの
各軸方向を個別に診断することができる。この場合X,
Y,Zの3軸の全てを同時に診断することが不可能とな
るが、三角形の電極10’を設ける場合に比べてZ軸方
向で2倍、X,Y軸方向で1.5倍以上(ビーム幅によ
り若干異なる)の静電力を発生させることができる。 【0031】更に図9に示すように垂直にエッチングを
進行させて半導体加速度センサを形成した場合、重り部
2の上面側と底面側とで静電力を発生させると共に重り
部2の側面側にも電極を設け(重り部2の上面側に設置
した三角形電極10’と同じ側の重り部2側面2箇所に
設置し)て、重り部2の上面、底面、側面の3方向から
静電力を発生させることができ、更に大きな静電力が得
られる。 【0032】上述したX,Y,Z軸方向の加速度を検出
するための半導体加速度センサは、各軸方向の共振周波
数を持っており、そのため共振点に達すると半導体加速
度センサが破損する恐れがある。そのためにオイルダン
ピングやエアダンピングによりダンピング効果を持たせ
て半導体加速度センサの破損を防いでいるが、X、Y軸
方向の共振周波数と、Z軸方向の共振周波数が等しくな
らないという問題がある。 【0033】図10に示すような周波数特性を持つ半導
体加速度センサの場合、使用可能周波数帯は、A点まで
となるので、例えば矢印位置の周波数を持つ加速度がか
かった場合、正しい出力が得られない。そのため電気的
なフィルタにより使用周波数帯びを制限する方法が採用
されているが、この場合回路処理が複雑になり、コスト
アップにつながるという問題がある。 【0034】そこで上記図17(a)(b)に示すよう
にZ軸方向、X,Y軸方向の加速度がかかった場合にお
ける共振について考察すると、これらの共振周波数fr
は fr=1/2π・√g/mC (但しg:重力加速度、m:重り部2の重さ、C:コン
プライアンス)という式で表され、この式から分かるよ
うにX,Y軸方向の共振の際のコンプライアンスCx,
Y とZ軸方向の共振の際のコンプライアンスCZ が等し
くなるように各部の寸法を取れば共振周波数を等しくす
ることができる。 【0035】そこでビーム型の半導体加速度センサにお
いて、各部の寸法を図11に示すように設定すれば、
X,Y軸方向の共振周波数と、Z軸方向の共振周波数が
等しくなる。このときの共振周波数は略3300Hzと
なる。尚図示する寸法の内ビームの厚みを変化させても
X,Y軸方向の共振周波数=Z軸方向の共振周波数とい
う関係は崩れない。 【0036】またダイヤフラム型の半導体加速度センサ
の場合には図12に示すような寸法で形成すると、共振
周波数は略4400Hzとなる。また図11の場合と同
様にようにダイヤフラムの厚みを変化させてもX,Y軸
方向の共振周波数=Z軸方向の共振周波数という関係は
崩れない。かように図11、12のような寸法に設定す
れば、X,Y軸方向の共振周波数と、Z軸方向の共振周
波数が等しくなり、電気的なフィルタを使用することな
く、半導体加速度センサの使用周波数帯を設定すること
ができ、回路構成が簡単となり、コスト的にも改善でき
る。尚図11におけるビーム厚は7μmで、図12にお
けるダイヤフラム厚も7μmである。また図11、12
に於ける寸法の単位はmmである。 【0037】 【発明の効果】本発明は、加速度を受ける重り部と、こ
の重り部に連結する撓み部と、この撓み部を支持する支
持部と、重り部が撓み部の中心部に連結されるように設
けた重り部と撓み部との間の切込み溝とを半導体基板を
加工して形成し、重り部の動きにより撓み部におきる歪
みを前記半導体基板の面に対して並行する左右方向の第
1の軸方向と、前記半導体基板の面に対して並行し且つ
第1の軸方向に直交する第2の軸方向と、前記半導体基
板の面に対して垂直な第3の軸方向とにおいて夫々検出
するためのピエゾ抵抗を撓み部に形成した半導体加速度
センサにおいて、前記撓み部に形成する前記ピエゾ抵抗
内、前記第1,第2の軸方向の歪みを検出するピエゾ
抵抗の全てを前記撓み部の中心近傍に配置し、この配置
位置以外に前記第3の軸方向の歪みを検出するピエゾ抵
抗を配置しているので、第1,第2の軸方向の加速度が
かかった場合に大きな応力が生じる撓み部の中心部の歪
みをピエゾ抵抗で検出することができ、そのため検出出
力が大きくとれ、結果第1,2の軸方向の加速度検出も
高感度な半導体加速度センサを実現できるという効果が
ある。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例1のピエゾ抵抗の配置説明図で
ある。 【図2】(a)は 本発明の実施例2のピエゾ抵抗の配
置説明図である。(b)は 本発明の実施例3のピエゾ
抵抗の配置説明図である。(c)は 本発明の実施例4
のピエゾ抵抗の配置説明図である。 【図3】半導体加速度センサに用いる自己診断駆動部の
基本例の説明図である。 【図4】(a)は自己診断駆動部の一例の上面図であ
る。(b)は同上のA−A断面図である。 【図5】自己診断駆動部の別の例の上部ストッパを外し
た状態の上面図である。 【図6】同上の半導体加速度センサの製造プロセスの説
明図である。 【図7】同上の半導体加速度センサの製造プロセスの説
明図である。 【図8】自己診断駆動部の他の例の上部ストッパを外し
た状態の上面図である。 【図9】自己診断駆動部のその他の例の断面図である。 【図10】半導体加速度センサの一例の周波数特性の説
明図である。 【図11】共振周波数の対策を施した半導体加速度セン
サの一例の斜視図である。 【図12】共振周波数の対策を施した半導体加速度セン
サの他例の斜視図である。 【図13】(a)はダイヤフラム型の半導体加速度セン
サの従来例の斜視図である。(b)は同上の断面図であ
る。 【図14】(a)はビーム型の半導体加速度センサの従
来例の斜視図である。(b)は同上の断面図である。 【図15】(a)〜(d)は従来例のピエゾ抵抗の配置
例図である。 【図16】(a),(b),(c)はX,Y,Z軸方向
の加速度検出のためのブリッジ回路の回路図である。 【図17】(a)Z軸方向の加速度がかかった場合の動
作説明図である。(b)X,Y軸方向の加速度がかかっ
た場合の動作説明図である。 【図18】Z軸方向の加速度時の応力分布の説明図であ
る。 【図19】X,Y軸方向の加速度時の応力分布の説明図
である。 【符号の説明】 RX1〜RX4 ピエゾ抵抗 RY1〜RY4 ピエゾ抵抗 RZ1〜RZ4 ピエゾ抵抗
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−2535(JP,A) 特開 平1−263576(JP,A) 特開 昭63−266358(JP,A) 特開 昭63−266359(JP,A) 特開 平6−109755(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/12

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】加速度を受ける重り部と、この重り部に連
    結する撓み部と、この撓み部を支持する支持部と、重り
    部が撓み部の中心部に連結されるように設けた重り部と
    撓み部との間の切込み溝とを半導体基板を加工して形成
    し、重り部の動きにより撓み部におきる歪みを前記半導
    体基板の面に対して並行する左右方向の第1の軸方向
    と、前記半導体基板の面に対して並行し且つ第1の軸方
    向に直交する第2の軸方向と、前記半導体基板の面に対
    して垂直な第3の軸方向とにおいて夫々検出するための
    ピエゾ抵抗を撓み部に形成した半導体加速度センサにお
    いて、前記撓み部に形成する前記ピエゾ抵抗の内、前
    第1,第2の軸方向の歪みを検出するピエゾ抵抗の全て
    を前記撓み部の中心近傍に配置し、この配置位置以外に
    前記第3の軸方向の歪みを検出するピエゾ抵抗を配置し
    成ることを特徴とする半導体加速度センサ。
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