JP4035889B2 - 全方位型半導体加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、全方位型半導体加速度センサ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のエアバッグ装置には、衝突を感知する衝突センサが設けられ、衝突センサに半導体加速度センサが用いられている。この半導体加速度センサにおいて衝突方向を検知する機能を持たせる場合、つまり、全方位型半導体加速度センサとする場合がある。この全方位型半導体加速度センサが、特開平９−１４５７４０号公報に開示されている。具体的には、図１４，１５に示すように、絶縁基板７０の上に固定電極７１が配置され、固定電極７１は円形の接触面７２を有する。また、絶縁基板７０の上にアンカー部７３が設けられ、このアンカー部７３から梁７４が延びリング状の可動電極７５が連結支持されている。可動電極７５での円形の外周面７６と固定電極７１とは所定の間隔をおいて対向している。さらに、固定電極７１での接触面はアンカー部７３を中心として所定角度毎に区画され、各固定電極７１ａ〜７１ｍと可動電極７５との間にコンデンサが形成され、加速度が基板７０の表面に平行な方向に加わると、可動電極７５と固定電極７１ａ〜７１ｍとの距離が変化し、各コンデンサの容量変化を検出することにより、その加速度の加わった方向を検知することができる。
【０００３】
しかしながら、この全方位型半導体加速度センサでは、梁７４と可動電極７５にて梁構造の可動部材が構成され、この可動部材７４，７５が自重にて垂下しやすい特性を有する。そのため、長期にわたる使用によっても梁構造の可動部材７４，７５の自重垂れが起きにくくしたいという要求がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の目的は、可動部材が自重により垂下するのを防止することができる全方位型半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサは、固定部材の上に配置され、半導体基板よりなる可動部材と、前記固定部材の上面に形成されたＶ字型溝と、前記可動部材の下面に形成され、前記Ｖ字型溝に配置され、前記固定部材の上に前記可動部材を可動部材の重心位置にて揺動可能に支持するアンカー用突起と、前記可動部材の下面での前記アンカー用突起を除いた範囲に全面に形成された可動電極と、前記固定部材の上面に、絶縁膜を介して、前記可動電極と対向し、かつ、前記Ｖ字型溝を中心として所定角度毎に複数配置され、固定部材の表面に平行な方向に加わる加速度を検出するための固定電極と、前記固定部材から、前記アンカー用突起の表面において可動電極形成時に形成される膜を経由して可動電極に至る電圧印加経路にて前記可動電極と固定電極との間に電圧を印加して前記アンカー用突起を中心としてその周囲に均等に静電気力を作用させて加速度が加わっていないときにおいて固定電極と可動電極との間の距離を一定に保った状態を保持するための電源と、を備えたことを特徴としている。
【０００６】
よって、固定部材の上にアンカー用突起により可動部材が揺動可能に支持され、固定部材の表面に平行な方向に加速度が加わると、可動部材が揺動する。この揺動が、アンカー用突起を中心とした所定角度毎の固定電極を用いて検出される。
【０００７】
このとき、加速度検出方向が固定部材の表面に平行な方向、即ち、水平方向であり、可動部材が自重方向（上下方向）に移動する構造となっているので、可動部材の自重方向への垂れが防止される。つまり、特開平９−１４５７４０号公報に示されたセンサ構造では可動電極７５等が自重にて垂下しやすい構造となっていたが、本発明では元々、可動部材が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材の自重方向への垂れが防止される。
【０００８】
ここで、請求項２に記載のように、加速度の印加に伴う前記可動部材の揺動にて前記複数の固定電極のうちのいずれかが前記可動電極と接触することにより加速度を検出するものとすると、実用上好ましいものとなる。
【０００９】
また、請求項３に記載のように、加速度の印加に伴う前記可動部材の揺動にて前記複数の固定電極と可動電極間の間隔が変化することによる容量変化により加速度を検出するものとすると、実用上好ましいものとなる。
【００１０】
また、請求項４に記載のように、前記可動部材は円形をなすものとすると、実用上好ましいものとなる。
全方位型半導体加速度センサの製造方法として、請求項５に記載のように、第１の半導体基板の上面にエッチングによりＶ字型溝を形成するとともに、第２の半導体基板の上面にエッチングにより突起を形成し、第１の半導体基板のＶ字型溝に前記突起を配置する。
【００１１】
その結果、請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサを製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
【００１３】
本実施形態においては、自動車のエアバッグシステムに適用している。詳しくは、衝突を感知する衝突センサに具体化している。
図１には、エアバッグシステムの全体構成を示す。エアバッグシステムはバッグ本体１とインフレータ２と点火回路３と処理回路４と全方位型Ｇセンサ５とセーフィングセンサ６を備えている。インフレータ２にはバッグ本体１が接続され、点火装置７を駆動（通電）することによりガス発生剤８からガスが発生しそのガスがバッグ本体１に供給され、バッグ本体１が膨らむようになっている。ここで、バッグ本体１とインフレータ２は前面衝突用エアバッグであるが、さらに同様のバッグ本体１とインフレータ２が側面衝突用エアバッグとして用意されており、点火回路３にて側面衝突の際に展開してドアと乗員との衝突を緩和するようになっている。
【００１４】
また、Ｇセンサ５には処理回路４が接続され、処理回路４はマイクロコンピュータよりなり、全方位型Ｇセンサ５からの信号により衝突の有無および衝突方向の判定を行い、点火回路３を介して前面衝突用または側面衝突用の点火装置７を駆動制御する。なお、点火回路３に接続されたセーフィングセンサ６は設定レベルを越える衝撃を受けた時のみ点火装置７を駆動可能な状態とする安全センサの役目を果たす。
【００１５】
図２には、全方位型Ｇセンサ５の斜視図を示す。図３には、全方位型Ｇセンサ５の平面図を示す。図４には図３のＡ−Ａ断面図を示す。この図４に示すように、加速度の検出方向は固定部材１１の表面に平行なＸ方向である。
【００１６】
図２に示すように、全方位型Ｇセンサ５は、固定部材１１と、その上に配置される可動部材１２を備えている。固定部材１１および可動部材１２はシリコン基板（半導体基板）よりなる。また、固定部材１１は四角形状をなし、可動部材１２は円形をなし、かつ、固定部材１１より面積が小さい。
【００１７】
図２，４に示すように、可動部材１２の下面における可動部材１２の重心位置には、円錐形のアンカー用突起１３が形成されている。また、図４に示すように、固定部材１１の中央部には凹部１４が形成されるとともに、その凹部１４の底面１４ａの中央部には円錐形に窪んだＶ字型溝１５が形成されている。このＶ字型溝１５の表面にはＡｕ（金）の薄膜１６が形成されている。そして、Ｖ字型溝１５にアンカー用突起１３が挿入され、この状態で固定部材１１の上に可動部材１２が揺動可能に支持されている。
【００１８】
一方、図４に示すように、固定部材１１の上面にはフィールド酸化膜（絶縁膜）１７が形成され、その上には固定電極１８が配置されている。固定電極１８はＡｕ（金）の薄膜よりなる。より詳しくは、図３での可動部材１２を取り外した状態を示す図５において、固定部材１１の上面にはＶ字型溝１５（アンカー用突起１３）を中心として２２．５°毎に固定電極２０〜３５が放射状に配置されている。さらに、図５において、固定部材１１の上面には固定電極２０〜３５から延びるパッド４０〜５５が配置され、パッド４０〜５５からボンディングワイヤにて外部機器である処理回路４（図１参照）と電気的に接続されている。この固定電極２０〜３５への電源ラインは接地電位にされる。
【００１９】
また、図４に示すように、可動部材１２の下面には可動電極１９が全面に形成されている。可動電極１９はＡｕ（金）の薄膜よりなる。可動電極１９は、固定部材１１の上面での固定電極１８（固定電極２０〜３５）と距離ｄ１をおいて対向している。このように、可動部材１２の下面と固定部材１１の上面に対向する対向電極が図３で符号ＳＷ１〜ＳＷ１６で示すようにアンカー用突起１３を中心として２２．５°毎に配置されている。
【００２０】
本実施形態においては、固定電極２０〜３５は接点用の電極であり、可動部材１２の揺動にて複数の対向電極（１８，１９）のうちのいずれかが接触するようになっている。このようにして、可動電極１９と各固定電極２０〜３５により図３のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１６が構成されている。
【００２１】
図４において、可動電極１９はアンカー用突起１３により固定部材（シリコン基板）１１と電気的に接続されている。また、図５において、固定部材１１の上面におけるフィールド酸化膜（絶縁膜）１７の無い領域に基板用パッド５６〜５９が配置され、同パッド５６〜５９は固定部材（シリコン基板）１１と電気的に接続されている。基板用パッド５６〜５９からボンディングワイヤにて電源９（図１参照）と電気的に接続されている。電源９としては、例えば５ボルト電源が使用される。よって、基板用パッド５６〜５９および固定部材（シリコン基板）１１を通して可動電極１９には電源電圧（例えば５ボルト）が印加される。この可動電極１９に対向する各固定電極２０〜３５の電位が図１の処理回路４に取り込まれる。
【００２２】
このように、本実施形態における全方位型Ｇセンサ５は、図４の可動電極１９と各固定電極２０〜３５により、図１に示すように、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ（ｎ＝１６）が構成され、各スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの出力信号により、固定部材１１の表面に平行な面において、図３のごとくＶ字型溝１５（アンカー用突起１３）を中心として２２．５°（＝３６０°／１６）毎の加速度方向が検出できるようになっている。
【００２３】
次に、この全方位型Ｇセンサ５の製造方法を説明する。
まず、固定部材の作成のために、図６に示すように、表面が（１００）のシリコン基板１１を用意し、シリコン基板１１の表面にホトパターニングしたマスク６０を所定領域に配置する。マスク材として、ＳｉＯ2 又はＳｉＮ膜を用いる。そして、シリコン基板１１に対しＫＯＨ等の異方性エッチングを行い、Ｖ字型溝１５を形成する。この溝１５はその側面が（１１１）面であり、（１００）のシリコン基板１１の表面とでなす角度は５４．７°である。その後、マスク６０を除去する。
【００２４】
引き続き、図７に示すように、シリコン基板１１の表面の所定領域にマスク６１を配置する。そして、シリコン基板１１に対しＫＯＨ等の異方性エッチングを行い凹部１４を形成する。この凹部１４はその側面が（１１１）面であり、（１００）のシリコン基板１１の表面とでなす角度は５４．７°である。さらに、シリコン基板１１を等方性エッチングして溝１５および凹部１４の角部を丸くして溝１５を円錐形の窪みにする。その後、マスク６１を除去する。
【００２５】
さらに、図８に示すように、シリコン基板１１の上面おける所定領域にフィールド酸化膜１７を形成するとともに、Ｖ字型溝１５内および固定電極形成領域に金スパッタによりＡｕ（金）の薄膜１６，１８を形成する。
【００２６】
一方、可動部材の作成のために、図９に示すように、表面が（１００）のシリコン基板１２を用意する。そして、シリコン基板１２の表面にホトパターニングしたマスク６２を所定領域に配置する。マスク材として、ＳｉＯ2 又はＳｉＮ膜を用いる。そして、シリコン基板１２に対しＫＯＨ等の異方性エッチングを行い、凹部６３を形成する。この凹部６３はその側面が（１１１）面であり、（１００）のシリコン基板１２の表面とでなす角度は５４．７°である。これにより、シリコン基板１２の中央部にアンカー用突起１３が形成される。さらに、シリコン基板１２を等方性エッチングして突起１３の角部を丸くして突起１３を円錐形にする。その後、マスク６２を除去する。
【００２７】
引き続き、図１０に示すように、シリコン基板１２の上面に、金スパッタによりＡｕ（金）の薄膜を形成し、可動電極１９とする。
そして、図８のシリコン基板１１の上に図１０のシリコン基板１２を逆向きして配置するとともに、Ｖ字型溝１５にアンカー用突起１３を挿入する。その結果、図４に示す全方位型Ｇセンサ５が組み立てられる。
【００２８】
次に、この全方位型Ｇセンサ５の作用を説明する。
図４に示す状態においては、固定部材１１の上にアンカー用突起１３により可動部材１２が揺動可能に支持されている。また、可動電極１９と各固定電極１８（２０〜３５）との間には、電源９により、所定の電圧（例えば、５ボルト）が印加されており、固定部材１１と可動部材１２との間には、アンカー用突起１３を中心としてその周囲に均等に静電気力が作用し、図４の状態を保持している。
【００２９】
この状態から、固定部材１１の表面に平行なＸ方向（水平方向）に加速度が加わると、図１１に示すように、可動部材１２が揺動、つまり、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動を開始する。すると、当該部位における固定および可動電極間において静電気力により吸引され、固定電極１８と可動電極１９とが接触する。この接触した可動電極１９に対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの出力が変化する。
【００３０】
図１の処理回路４は、この全方位型Ｇセンサ５のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの出力信号の変化にて衝突を検知し、その衝突方向に応じて点火回路３を介して前面衝突用または側面衝突用の点火装置７を駆動して必要なエアバックの展開を行わせる。
【００３１】
また、この構造においては、元々、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材１２の自重方向への垂れが防止される。
つまり、加速度検出方向が固定部材１１の表面に平行な方向、即ち、水平方向であり、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材１２の自重方向への垂れが防止される。特開平９−１４５７４０号公報に示されたセンサ構造では可動電極７１が自重にて垂下しやすい構造となっていたが、本実施形態では元々、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材１２の自重方向への垂れが防止される。
【００３２】
このように、本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）シリコン基板よりなる可動部材１２の下面での重心位置にアンカー用突起１３を設け、シリコン基板よりなる固定部材１１の上に可動部材１２を、可動部材１２の重心位置にて揺動可能に支持し、さらに、可動部材１２の下面と固定部材１１の上面の間に対向電極１９，２０〜３５を、固定部材１１の表面においてアンカー用突起１３を中心として２２．５°毎に配置しスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを構成し、固定部材１１の表面に平行な方向に加わる加速度を検出する。即ち、固定部材１１の表面に平行なＸ方向に加速度が加わると、可動部材１２が揺動し、この揺動により対向電極１８，１９を用いて（スイッチＳＷ１〜ＳＷｎがスイッチング作動して）加速度の加わった方向を検出する。
【００３３】
この構造を採用することにより、特開平９−１４５７４０号公報に示された梁による可動部材の支持構造とは異なり、可動電極１９を具備した可動部材１２が自重により垂下するのを防止することができる。
（ロ）また、可動部材１２の揺動にて複数の対向電極１８，１９のうちのいずれかが接触するスイッチ式としたので、実用上好ましいものとなる。
（ハ）可動部材１２を円形としたので、全方向に対して均等に揺動可能な状態で支持でき、実用上好ましいものとなる。
（ニ）全方位型半導体加速度センサの製造方法として、第１のシリコン基板１１の上面にエッチングによりＶ字型溝１５を形成するとともに、第２のシリコン基板１２の上面にエッチングにより突起１３を形成し、第１のシリコン基板１１のＶ字型溝１５に突起１３を配置して第１のシリコン基板１１の上に第２のシリコン基板１２を揺動可能に支持したので、上記（イ）のセンサを容易に製造することができる。
【００３４】
対向電極に関する応用例として、次のようにしてもよい。図２〜図４においては、固定部材１１の上面に多数の固定電極２０〜３５を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに可動部材１２の下面に共通の可動電極１９を全面に配置したが、これに代わり、可動部材１２の下面に多数の可動電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに固定部材１１の上面に共通の固定電極を全面に配置してもよい。あるいは、固定部材１１の上面に多数の固定電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに、この各固定電極と対向するように、可動部材１２の下面に多数の可動電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置してもよい。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３５】
図１２には、図１に代わる本実施形態におけるエアバッグシステムの全体構成を示す。全方位型Ｇセンサ５の機械的構成は図２〜図４と同じであるが、図１２に示すように、本実施形態における全方位型Ｇセンサ５には電源供給回路６５が備えられている。
【００３６】
スイッチＳＷ１〜ＳＷｎにおいては、固定部材１１の上面に多数の固定電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに、可動部材１２の下面に多数の可動電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置した構成となっている。各固定（あるいは可動）電極が処理回路４にそれぞれ接続されるとともに、各可動（あるいは固定）電極が電源供給回路６５にそれぞれ接続されている。また、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎにおける処理回路４側の電源ラインは負の電位が印加される。
【００３７】
電源供給回路６５はマイクロコンピュータを中心に構成され、正電位の電源と負電位の電源を具備し、この正負の電源をスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各可動（あるいは固定）電極に印加できるようになっている。また、マイクロコンピュータよりなる処理回路４から電源供給回路６５に衝突判定・衝突方向判定信号が送られるようになっている。
【００３８】
次に、作用を説明する。
通常状態においては、電源供給回路６５はスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各可動（あるいは固定）電極に正電位を印加している。そして、可動部材１２が加速度の印加に伴う揺動にて図１１に示すように対向電極１８，１９が接触していずれかのスイッチＳＷ１〜ＳＷｎがオンすると、電源供給回路６５は処理回路４からその旨の信号を入力する。すると、電源供給回路６５は、直ちに、オンしたスイッチでの（接触箇所の）固定電極１８と可動電極１９を離間させるために、オンしたスイッチの対向電極（図１１における電極１８ａと電極１９）の電位を同一にするとともに、オンしたスイッチ（接触箇所）からアンカー用突起１３を中心とした反対側のスイッチの対向電極（図１１における電極１８ｂと電極１９）に相反する電位を印加する。つまり、オンしたスイッチにおいては固定電極と可動電極を共に負の電位とするとともに、オンしたスイッチに対しアンカー用突起１３を中心とした反対側のスイッチにおいては固定電極と可動電極を正と負の電位にし静電気力にて引き寄せる。これにより、可動部材１２が図４に示すように、速やかに元位置に復帰する。
【００３９】
このように本システムは、図１２の処理回路４からの信号を電源供給回路６０にフィードバックしつつ、早期に、可動部材１２を元位置に復帰することができるようになっている。
【００４０】
このように、本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）可動部材１２の揺動にて対向電極が接触すると、接触箇所の固定電極１８と可動電極１９を離すために、接触箇所の対向電極の電位を同一とするとともに、接触箇所からアンカー用突起１３を中心とした反対側の対向電極に相反する電位を印加して、可動部材１２を元位置に復帰させるようにしたので、早期復帰が可能となり、実用上好ましいものになる。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４１】
図１３には、図１に代わる本実施形態におけるエアバッグシステムの全体構成を示す。全方位型Ｇセンサ５の機械的構成は図２〜図４と同じであるが、図１３に示すように、本実施形態における全方位型Ｇセンサ５においては、図４の可動電極１９と各固定電極２０〜３５によりエアギャップ式のコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎを構成し、コンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎの容量変化を測定することにより加速度の大きさおよび加速度の加わった方向を検出している。
【００４２】
より詳しくは、図１３のように、コンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎにおいて共通の可動電極１９には電源９が接続され、各固定電極２０〜３５が処理回路４にそれぞれ接続され、処理回路４は固定電極２０〜３５の電位測定にて容量を検知している。つまり、加速度が加わると、可動部材１２が揺動してコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎにおける対向電極での空隙の間隔ｄ１（図４参照）が変化する。この対向電極での空隙の間隔ｄ１が変化することによりコンデンサ容量が変化する。処理回路４はこのコンデンサ容量の変化をモニタしており、いずれのコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎの容量が変化したかにより加速度の印加方向を検知する。
【００４３】
このように、本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）複数の対向電極にてコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎを構成し、可動部材１２の揺動にて各対向電極の空隙の間隔が変化することにより容量変化が起こる容量式としたので、実用上好ましいものとなる。
【００４４】
これまで説明してきたものの他にも下記のように実施してもよい。
図４のように可動部材１２の下面にアンカー用突起１３を設け、可動部材１２の重心位置にて可動部材１２を揺動可能に支持したが、可動部材１２の下面には突起１３を設けず平坦面とし、固定部材１１の上面にアンカー用突起を設けてもよい。あるいは、可動部材１２の下面と固定部材１１の上面の両方にアンカー用突起をそれぞれ設け、両方の突起の先端部を接触させることにより、可動部材１２の重心位置にて可動部材１２を揺動可能に支持してもよい。
【００４５】
また、可動部材１２は円形であったが、これに限ることなく多角形等でもよい。
また、エアバック用Ｇセンサに適用したが、これに限ることはなく、例えば地震等の振動を感知する感振器に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態におけるエアバッグシステムの全体構成図。
【図２】 全方位型Ｇセンサの斜視図。
【図３】 全方位型Ｇセンサの平面図。
【図４】 図３のＡ−Ａ断面図。
【図５】 固定部材の平面図。
【図６】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図７】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図８】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図９】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図１０】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図１１】 全方位型Ｇセンサの作用を説明するための断面図。
【図１２】 第２の実施の形態におけるエアバッグシステムの全体構成図。
【図１３】 第３の実施の形態におけるエアバッグシステムの全体構成図。
【図１４】 従来の全方位型Ｇセンサの平面図。
【図１５】 図１４のＢ−Ｂ断面図。
【符号の説明】
１１…固定部材、１２…可動部材、１３…アンカー用突起、１５…Ｖ字型溝、１８…固定電極、１９…可動電極。
【発明の属する技術分野】
この発明は、全方位型半導体加速度センサ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のエアバッグ装置には、衝突を感知する衝突センサが設けられ、衝突センサに半導体加速度センサが用いられている。この半導体加速度センサにおいて衝突方向を検知する機能を持たせる場合、つまり、全方位型半導体加速度センサとする場合がある。この全方位型半導体加速度センサが、特開平９−１４５７４０号公報に開示されている。具体的には、図１４，１５に示すように、絶縁基板７０の上に固定電極７１が配置され、固定電極７１は円形の接触面７２を有する。また、絶縁基板７０の上にアンカー部７３が設けられ、このアンカー部７３から梁７４が延びリング状の可動電極７５が連結支持されている。可動電極７５での円形の外周面７６と固定電極７１とは所定の間隔をおいて対向している。さらに、固定電極７１での接触面はアンカー部７３を中心として所定角度毎に区画され、各固定電極７１ａ〜７１ｍと可動電極７５との間にコンデンサが形成され、加速度が基板７０の表面に平行な方向に加わると、可動電極７５と固定電極７１ａ〜７１ｍとの距離が変化し、各コンデンサの容量変化を検出することにより、その加速度の加わった方向を検知することができる。
【０００３】
しかしながら、この全方位型半導体加速度センサでは、梁７４と可動電極７５にて梁構造の可動部材が構成され、この可動部材７４，７５が自重にて垂下しやすい特性を有する。そのため、長期にわたる使用によっても梁構造の可動部材７４，７５の自重垂れが起きにくくしたいという要求がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の目的は、可動部材が自重により垂下するのを防止することができる全方位型半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサは、固定部材の上に配置され、半導体基板よりなる可動部材と、前記固定部材の上面に形成されたＶ字型溝と、前記可動部材の下面に形成され、前記Ｖ字型溝に配置され、前記固定部材の上に前記可動部材を可動部材の重心位置にて揺動可能に支持するアンカー用突起と、前記可動部材の下面での前記アンカー用突起を除いた範囲に全面に形成された可動電極と、前記固定部材の上面に、絶縁膜を介して、前記可動電極と対向し、かつ、前記Ｖ字型溝を中心として所定角度毎に複数配置され、固定部材の表面に平行な方向に加わる加速度を検出するための固定電極と、前記固定部材から、前記アンカー用突起の表面において可動電極形成時に形成される膜を経由して可動電極に至る電圧印加経路にて前記可動電極と固定電極との間に電圧を印加して前記アンカー用突起を中心としてその周囲に均等に静電気力を作用させて加速度が加わっていないときにおいて固定電極と可動電極との間の距離を一定に保った状態を保持するための電源と、を備えたことを特徴としている。
【０００６】
よって、固定部材の上にアンカー用突起により可動部材が揺動可能に支持され、固定部材の表面に平行な方向に加速度が加わると、可動部材が揺動する。この揺動が、アンカー用突起を中心とした所定角度毎の固定電極を用いて検出される。
【０００７】
このとき、加速度検出方向が固定部材の表面に平行な方向、即ち、水平方向であり、可動部材が自重方向（上下方向）に移動する構造となっているので、可動部材の自重方向への垂れが防止される。つまり、特開平９−１４５７４０号公報に示されたセンサ構造では可動電極７５等が自重にて垂下しやすい構造となっていたが、本発明では元々、可動部材が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材の自重方向への垂れが防止される。
【０００８】
ここで、請求項２に記載のように、加速度の印加に伴う前記可動部材の揺動にて前記複数の固定電極のうちのいずれかが前記可動電極と接触することにより加速度を検出するものとすると、実用上好ましいものとなる。
【０００９】
また、請求項３に記載のように、加速度の印加に伴う前記可動部材の揺動にて前記複数の固定電極と可動電極間の間隔が変化することによる容量変化により加速度を検出するものとすると、実用上好ましいものとなる。
【００１０】
また、請求項４に記載のように、前記可動部材は円形をなすものとすると、実用上好ましいものとなる。
全方位型半導体加速度センサの製造方法として、請求項５に記載のように、第１の半導体基板の上面にエッチングによりＶ字型溝を形成するとともに、第２の半導体基板の上面にエッチングにより突起を形成し、第１の半導体基板のＶ字型溝に前記突起を配置する。
【００１１】
その結果、請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサを製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
【００１３】
本実施形態においては、自動車のエアバッグシステムに適用している。詳しくは、衝突を感知する衝突センサに具体化している。
図１には、エアバッグシステムの全体構成を示す。エアバッグシステムはバッグ本体１とインフレータ２と点火回路３と処理回路４と全方位型Ｇセンサ５とセーフィングセンサ６を備えている。インフレータ２にはバッグ本体１が接続され、点火装置７を駆動（通電）することによりガス発生剤８からガスが発生しそのガスがバッグ本体１に供給され、バッグ本体１が膨らむようになっている。ここで、バッグ本体１とインフレータ２は前面衝突用エアバッグであるが、さらに同様のバッグ本体１とインフレータ２が側面衝突用エアバッグとして用意されており、点火回路３にて側面衝突の際に展開してドアと乗員との衝突を緩和するようになっている。
【００１４】
また、Ｇセンサ５には処理回路４が接続され、処理回路４はマイクロコンピュータよりなり、全方位型Ｇセンサ５からの信号により衝突の有無および衝突方向の判定を行い、点火回路３を介して前面衝突用または側面衝突用の点火装置７を駆動制御する。なお、点火回路３に接続されたセーフィングセンサ６は設定レベルを越える衝撃を受けた時のみ点火装置７を駆動可能な状態とする安全センサの役目を果たす。
【００１５】
図２には、全方位型Ｇセンサ５の斜視図を示す。図３には、全方位型Ｇセンサ５の平面図を示す。図４には図３のＡ−Ａ断面図を示す。この図４に示すように、加速度の検出方向は固定部材１１の表面に平行なＸ方向である。
【００１６】
図２に示すように、全方位型Ｇセンサ５は、固定部材１１と、その上に配置される可動部材１２を備えている。固定部材１１および可動部材１２はシリコン基板（半導体基板）よりなる。また、固定部材１１は四角形状をなし、可動部材１２は円形をなし、かつ、固定部材１１より面積が小さい。
【００１７】
図２，４に示すように、可動部材１２の下面における可動部材１２の重心位置には、円錐形のアンカー用突起１３が形成されている。また、図４に示すように、固定部材１１の中央部には凹部１４が形成されるとともに、その凹部１４の底面１４ａの中央部には円錐形に窪んだＶ字型溝１５が形成されている。このＶ字型溝１５の表面にはＡｕ（金）の薄膜１６が形成されている。そして、Ｖ字型溝１５にアンカー用突起１３が挿入され、この状態で固定部材１１の上に可動部材１２が揺動可能に支持されている。
【００１８】
一方、図４に示すように、固定部材１１の上面にはフィールド酸化膜（絶縁膜）１７が形成され、その上には固定電極１８が配置されている。固定電極１８はＡｕ（金）の薄膜よりなる。より詳しくは、図３での可動部材１２を取り外した状態を示す図５において、固定部材１１の上面にはＶ字型溝１５（アンカー用突起１３）を中心として２２．５°毎に固定電極２０〜３５が放射状に配置されている。さらに、図５において、固定部材１１の上面には固定電極２０〜３５から延びるパッド４０〜５５が配置され、パッド４０〜５５からボンディングワイヤにて外部機器である処理回路４（図１参照）と電気的に接続されている。この固定電極２０〜３５への電源ラインは接地電位にされる。
【００１９】
また、図４に示すように、可動部材１２の下面には可動電極１９が全面に形成されている。可動電極１９はＡｕ（金）の薄膜よりなる。可動電極１９は、固定部材１１の上面での固定電極１８（固定電極２０〜３５）と距離ｄ１をおいて対向している。このように、可動部材１２の下面と固定部材１１の上面に対向する対向電極が図３で符号ＳＷ１〜ＳＷ１６で示すようにアンカー用突起１３を中心として２２．５°毎に配置されている。
【００２０】
本実施形態においては、固定電極２０〜３５は接点用の電極であり、可動部材１２の揺動にて複数の対向電極（１８，１９）のうちのいずれかが接触するようになっている。このようにして、可動電極１９と各固定電極２０〜３５により図３のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１６が構成されている。
【００２１】
図４において、可動電極１９はアンカー用突起１３により固定部材（シリコン基板）１１と電気的に接続されている。また、図５において、固定部材１１の上面におけるフィールド酸化膜（絶縁膜）１７の無い領域に基板用パッド５６〜５９が配置され、同パッド５６〜５９は固定部材（シリコン基板）１１と電気的に接続されている。基板用パッド５６〜５９からボンディングワイヤにて電源９（図１参照）と電気的に接続されている。電源９としては、例えば５ボルト電源が使用される。よって、基板用パッド５６〜５９および固定部材（シリコン基板）１１を通して可動電極１９には電源電圧（例えば５ボルト）が印加される。この可動電極１９に対向する各固定電極２０〜３５の電位が図１の処理回路４に取り込まれる。
【００２２】
このように、本実施形態における全方位型Ｇセンサ５は、図４の可動電極１９と各固定電極２０〜３５により、図１に示すように、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ（ｎ＝１６）が構成され、各スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの出力信号により、固定部材１１の表面に平行な面において、図３のごとくＶ字型溝１５（アンカー用突起１３）を中心として２２．５°（＝３６０°／１６）毎の加速度方向が検出できるようになっている。
【００２３】
次に、この全方位型Ｇセンサ５の製造方法を説明する。
まず、固定部材の作成のために、図６に示すように、表面が（１００）のシリコン基板１１を用意し、シリコン基板１１の表面にホトパターニングしたマスク６０を所定領域に配置する。マスク材として、ＳｉＯ2 又はＳｉＮ膜を用いる。そして、シリコン基板１１に対しＫＯＨ等の異方性エッチングを行い、Ｖ字型溝１５を形成する。この溝１５はその側面が（１１１）面であり、（１００）のシリコン基板１１の表面とでなす角度は５４．７°である。その後、マスク６０を除去する。
【００２４】
引き続き、図７に示すように、シリコン基板１１の表面の所定領域にマスク６１を配置する。そして、シリコン基板１１に対しＫＯＨ等の異方性エッチングを行い凹部１４を形成する。この凹部１４はその側面が（１１１）面であり、（１００）のシリコン基板１１の表面とでなす角度は５４．７°である。さらに、シリコン基板１１を等方性エッチングして溝１５および凹部１４の角部を丸くして溝１５を円錐形の窪みにする。その後、マスク６１を除去する。
【００２５】
さらに、図８に示すように、シリコン基板１１の上面おける所定領域にフィールド酸化膜１７を形成するとともに、Ｖ字型溝１５内および固定電極形成領域に金スパッタによりＡｕ（金）の薄膜１６，１８を形成する。
【００２６】
一方、可動部材の作成のために、図９に示すように、表面が（１００）のシリコン基板１２を用意する。そして、シリコン基板１２の表面にホトパターニングしたマスク６２を所定領域に配置する。マスク材として、ＳｉＯ2 又はＳｉＮ膜を用いる。そして、シリコン基板１２に対しＫＯＨ等の異方性エッチングを行い、凹部６３を形成する。この凹部６３はその側面が（１１１）面であり、（１００）のシリコン基板１２の表面とでなす角度は５４．７°である。これにより、シリコン基板１２の中央部にアンカー用突起１３が形成される。さらに、シリコン基板１２を等方性エッチングして突起１３の角部を丸くして突起１３を円錐形にする。その後、マスク６２を除去する。
【００２７】
引き続き、図１０に示すように、シリコン基板１２の上面に、金スパッタによりＡｕ（金）の薄膜を形成し、可動電極１９とする。
そして、図８のシリコン基板１１の上に図１０のシリコン基板１２を逆向きして配置するとともに、Ｖ字型溝１５にアンカー用突起１３を挿入する。その結果、図４に示す全方位型Ｇセンサ５が組み立てられる。
【００２８】
次に、この全方位型Ｇセンサ５の作用を説明する。
図４に示す状態においては、固定部材１１の上にアンカー用突起１３により可動部材１２が揺動可能に支持されている。また、可動電極１９と各固定電極１８（２０〜３５）との間には、電源９により、所定の電圧（例えば、５ボルト）が印加されており、固定部材１１と可動部材１２との間には、アンカー用突起１３を中心としてその周囲に均等に静電気力が作用し、図４の状態を保持している。
【００２９】
この状態から、固定部材１１の表面に平行なＸ方向（水平方向）に加速度が加わると、図１１に示すように、可動部材１２が揺動、つまり、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動を開始する。すると、当該部位における固定および可動電極間において静電気力により吸引され、固定電極１８と可動電極１９とが接触する。この接触した可動電極１９に対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの出力が変化する。
【００３０】
図１の処理回路４は、この全方位型Ｇセンサ５のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの出力信号の変化にて衝突を検知し、その衝突方向に応じて点火回路３を介して前面衝突用または側面衝突用の点火装置７を駆動して必要なエアバックの展開を行わせる。
【００３１】
また、この構造においては、元々、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材１２の自重方向への垂れが防止される。
つまり、加速度検出方向が固定部材１１の表面に平行な方向、即ち、水平方向であり、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材１２の自重方向への垂れが防止される。特開平９−１４５７４０号公報に示されたセンサ構造では可動電極７１が自重にて垂下しやすい構造となっていたが、本実施形態では元々、可動部材１２が自重方向（上下方向）に移動する構造であるので、可動部材１２の自重方向への垂れが防止される。
【００３２】
このように、本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）シリコン基板よりなる可動部材１２の下面での重心位置にアンカー用突起１３を設け、シリコン基板よりなる固定部材１１の上に可動部材１２を、可動部材１２の重心位置にて揺動可能に支持し、さらに、可動部材１２の下面と固定部材１１の上面の間に対向電極１９，２０〜３５を、固定部材１１の表面においてアンカー用突起１３を中心として２２．５°毎に配置しスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを構成し、固定部材１１の表面に平行な方向に加わる加速度を検出する。即ち、固定部材１１の表面に平行なＸ方向に加速度が加わると、可動部材１２が揺動し、この揺動により対向電極１８，１９を用いて（スイッチＳＷ１〜ＳＷｎがスイッチング作動して）加速度の加わった方向を検出する。
【００３３】
この構造を採用することにより、特開平９−１４５７４０号公報に示された梁による可動部材の支持構造とは異なり、可動電極１９を具備した可動部材１２が自重により垂下するのを防止することができる。
（ロ）また、可動部材１２の揺動にて複数の対向電極１８，１９のうちのいずれかが接触するスイッチ式としたので、実用上好ましいものとなる。
（ハ）可動部材１２を円形としたので、全方向に対して均等に揺動可能な状態で支持でき、実用上好ましいものとなる。
（ニ）全方位型半導体加速度センサの製造方法として、第１のシリコン基板１１の上面にエッチングによりＶ字型溝１５を形成するとともに、第２のシリコン基板１２の上面にエッチングにより突起１３を形成し、第１のシリコン基板１１のＶ字型溝１５に突起１３を配置して第１のシリコン基板１１の上に第２のシリコン基板１２を揺動可能に支持したので、上記（イ）のセンサを容易に製造することができる。
【００３４】
対向電極に関する応用例として、次のようにしてもよい。図２〜図４においては、固定部材１１の上面に多数の固定電極２０〜３５を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに可動部材１２の下面に共通の可動電極１９を全面に配置したが、これに代わり、可動部材１２の下面に多数の可動電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに固定部材１１の上面に共通の固定電極を全面に配置してもよい。あるいは、固定部材１１の上面に多数の固定電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに、この各固定電極と対向するように、可動部材１２の下面に多数の可動電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置してもよい。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３５】
図１２には、図１に代わる本実施形態におけるエアバッグシステムの全体構成を示す。全方位型Ｇセンサ５の機械的構成は図２〜図４と同じであるが、図１２に示すように、本実施形態における全方位型Ｇセンサ５には電源供給回路６５が備えられている。
【００３６】
スイッチＳＷ１〜ＳＷｎにおいては、固定部材１１の上面に多数の固定電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置するとともに、可動部材１２の下面に多数の可動電極を可動部材１２の重心を中心として放射状に配置した構成となっている。各固定（あるいは可動）電極が処理回路４にそれぞれ接続されるとともに、各可動（あるいは固定）電極が電源供給回路６５にそれぞれ接続されている。また、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎにおける処理回路４側の電源ラインは負の電位が印加される。
【００３７】
電源供給回路６５はマイクロコンピュータを中心に構成され、正電位の電源と負電位の電源を具備し、この正負の電源をスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各可動（あるいは固定）電極に印加できるようになっている。また、マイクロコンピュータよりなる処理回路４から電源供給回路６５に衝突判定・衝突方向判定信号が送られるようになっている。
【００３８】
次に、作用を説明する。
通常状態においては、電源供給回路６５はスイッチＳＷ１〜ＳＷｎの各可動（あるいは固定）電極に正電位を印加している。そして、可動部材１２が加速度の印加に伴う揺動にて図１１に示すように対向電極１８，１９が接触していずれかのスイッチＳＷ１〜ＳＷｎがオンすると、電源供給回路６５は処理回路４からその旨の信号を入力する。すると、電源供給回路６５は、直ちに、オンしたスイッチでの（接触箇所の）固定電極１８と可動電極１９を離間させるために、オンしたスイッチの対向電極（図１１における電極１８ａと電極１９）の電位を同一にするとともに、オンしたスイッチ（接触箇所）からアンカー用突起１３を中心とした反対側のスイッチの対向電極（図１１における電極１８ｂと電極１９）に相反する電位を印加する。つまり、オンしたスイッチにおいては固定電極と可動電極を共に負の電位とするとともに、オンしたスイッチに対しアンカー用突起１３を中心とした反対側のスイッチにおいては固定電極と可動電極を正と負の電位にし静電気力にて引き寄せる。これにより、可動部材１２が図４に示すように、速やかに元位置に復帰する。
【００３９】
このように本システムは、図１２の処理回路４からの信号を電源供給回路６０にフィードバックしつつ、早期に、可動部材１２を元位置に復帰することができるようになっている。
【００４０】
このように、本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）可動部材１２の揺動にて対向電極が接触すると、接触箇所の固定電極１８と可動電極１９を離すために、接触箇所の対向電極の電位を同一とするとともに、接触箇所からアンカー用突起１３を中心とした反対側の対向電極に相反する電位を印加して、可動部材１２を元位置に復帰させるようにしたので、早期復帰が可能となり、実用上好ましいものになる。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４１】
図１３には、図１に代わる本実施形態におけるエアバッグシステムの全体構成を示す。全方位型Ｇセンサ５の機械的構成は図２〜図４と同じであるが、図１３に示すように、本実施形態における全方位型Ｇセンサ５においては、図４の可動電極１９と各固定電極２０〜３５によりエアギャップ式のコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎを構成し、コンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎの容量変化を測定することにより加速度の大きさおよび加速度の加わった方向を検出している。
【００４２】
より詳しくは、図１３のように、コンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎにおいて共通の可動電極１９には電源９が接続され、各固定電極２０〜３５が処理回路４にそれぞれ接続され、処理回路４は固定電極２０〜３５の電位測定にて容量を検知している。つまり、加速度が加わると、可動部材１２が揺動してコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎにおける対向電極での空隙の間隔ｄ１（図４参照）が変化する。この対向電極での空隙の間隔ｄ１が変化することによりコンデンサ容量が変化する。処理回路４はこのコンデンサ容量の変化をモニタしており、いずれのコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎの容量が変化したかにより加速度の印加方向を検知する。
【００４３】
このように、本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）複数の対向電極にてコンデンサＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎを構成し、可動部材１２の揺動にて各対向電極の空隙の間隔が変化することにより容量変化が起こる容量式としたので、実用上好ましいものとなる。
【００４４】
これまで説明してきたものの他にも下記のように実施してもよい。
図４のように可動部材１２の下面にアンカー用突起１３を設け、可動部材１２の重心位置にて可動部材１２を揺動可能に支持したが、可動部材１２の下面には突起１３を設けず平坦面とし、固定部材１１の上面にアンカー用突起を設けてもよい。あるいは、可動部材１２の下面と固定部材１１の上面の両方にアンカー用突起をそれぞれ設け、両方の突起の先端部を接触させることにより、可動部材１２の重心位置にて可動部材１２を揺動可能に支持してもよい。
【００４５】
また、可動部材１２は円形であったが、これに限ることなく多角形等でもよい。
また、エアバック用Ｇセンサに適用したが、これに限ることはなく、例えば地震等の振動を感知する感振器に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態におけるエアバッグシステムの全体構成図。
【図２】 全方位型Ｇセンサの斜視図。
【図３】 全方位型Ｇセンサの平面図。
【図４】 図３のＡ−Ａ断面図。
【図５】 固定部材の平面図。
【図６】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図７】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図８】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図９】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図１０】 全方位型Ｇセンサの製造工程を説明するための断面図。
【図１１】 全方位型Ｇセンサの作用を説明するための断面図。
【図１２】 第２の実施の形態におけるエアバッグシステムの全体構成図。
【図１３】 第３の実施の形態におけるエアバッグシステムの全体構成図。
【図１４】 従来の全方位型Ｇセンサの平面図。
【図１５】 図１４のＢ−Ｂ断面図。
【符号の説明】
１１…固定部材、１２…可動部材、１３…アンカー用突起、１５…Ｖ字型溝、１８…固定電極、１９…可動電極。
Claims (5)
- 半導体基板よりなる固定部材と、
半導体基板よりなり、前記固定部材の上に配置される可動部材と、
前記固定部材の上面に形成されたＶ字型溝と、
前記可動部材の下面に形成され、前記Ｖ字型溝に配置され、前記固定部材の上に前記可動部材を可動部材の重心位置にて揺動可能に支持するアンカー用突起と、
前記可動部材の下面での前記アンカー用突起を除いた範囲に全面に形成された可動電極と、
前記固定部材の上面に、絶縁膜を介して、前記可動電極と対向し、かつ、前記Ｖ字型溝を中心として所定角度毎に複数配置され、固定部材の表面に平行な方向に加わる加速度を検出するための固定電極と、
前記固定部材から、前記アンカー用突起の表面において可動電極形成時に形成される膜を経由して可動電極に至る電圧印加経路にて前記可動電極と固定電極との間に電圧を印加して前記アンカー用突起を中心としてその周囲に均等に静電気力を作用させて加速度が加わっていないときにおいて固定電極と可動電極との間の距離を一定に保った状態を保持するための電源と、
を備えたことを特徴とする全方位型半導体加速度センサ。 - 加速度の印加に伴う前記可動部材の揺動にて前記複数の固定電極のうちのいずれかが前記可動電極と接触することにより加速度を検出する請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサ。
- 加速度の印加に伴う前記可動部材の揺動にて前記複数の固定電極と可動電極間の間隔が変化することによる容量変化により加速度を検出する請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサ。
- 前記可動部材は円形をなすものである請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサ。
- 請求項１に記載の全方位型半導体加速度センサの製造方法であって、 第１の半導体基板の上面にエッチングによりＶ字型溝を形成するとともに、第２の半導体基板の上面にエッチングにより突起を形成し、前記第１の半導体基板のＶ字型溝に前記突起を配置したことを特徴とする全方位型半導体加速度センサの製造方法。
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