JP4410478B2 - 半導体力学量センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定電極と可動電極の間の容量に基づいて加速度などの力学量を検出する半導体力学量センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の従来例としては、例えば下記の特許文献1に開示されているものがある。ここで、図3を参照して1軸方向(X方向)の容量式加速度センサについて説明する。図3(a)は平面図、図3(b)は図3(a)のb−b断面図、図3(c)は図3(a)のc−c断面図であり、Siなどの半導体基板10の半導体層に溝11を形成することにより複数組の固定電極1と可動電極2がX方向に対向して容量を形成するように構成されている。可動電極2は、X方向に伸びた錘3に対して±Y方向に櫛歯状に複数組形成されている。錘3の両端はX方向に変位可能に半導体基板10上に形成され、錘3の両端には加速度に応じて変位可能な梁4が形成されている。そして、可動電極2に対向するように±Y方向にそれぞれ配列された各固定電極1はそれぞれAlなどのパッド5a、5bに接続され、可動電極2はパッド5cに接続されている。パッド5a、5b、5cはワイヤWによるボンディングによりマザー基板などの他の回路チップ6のパッド6a、6b、6cを通して外部に接続される。
【0003】
ここで、隣接している固定電極1a、1bの間には可動電極2aが配置されており、このような構成において、このセンサにX方向の加速度が印加されると、梁4がX方向に変位することにより固定電極1a、1bと可動電極2aの間の各距離が変化して、固定電極1aと可動電極2aの間の容量CS1と、固定電極1bと可動電極2aの間の容量CS2が変化する。この半導体力学量センサの等価回路を図4の左側に示す。固定電極1a、1bにはパルス電圧Vccが印加されている。そして、この発生した容量CS1、CS2の変化ΔC(=CS1−CS2)を可動電極2aから取り出し、例えば図4の右側に示すようなスイッチドキャパシタ回路5により電圧=(CS1−CS2)・Vcc/Cfに変換して加速度を検出することができる。
【0004】
ここで、従来、比較的低い加速度(低G)から比較的高い加速度(高G)まで検出可能にする場合、櫛歯構造の梁4、電極1、2、錘3の寸法を変更した複数のセンサを用いることにより対応している。図3(a)は、その一例として、梁4の長さが異なる2つのセンサを同じ方向に配置した従来例を示し、左側に示すセンサの梁4aは比較的長いので低Gで変位し、右側に示すセンサの梁4bは比較的短いので高Gで変位することから、低Gと高Gの2段階のレンジを検出することができる。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−304303号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、広範囲の加速度を検出するために櫛歯構造の梁4、電極1、2、錘3の寸法を変更した複数のセンサを用いるので、センサ全体のサイズが大きくなるという問題点がある。
【0007】
本発明は上記従来例の問題点に鑑み、小さなサイズで広範囲の加速度を検出することができる半導体力学量センサを提供することを目的とする。
【0008】
本発明は上記目的を達成するために、固定電極と、加速度に応じて変位可能な梁に連結された可動電極との間の容量に基づいて加速度を検出する半導体力学量センサにおいて、
前記梁はバネ定数が異なるように形成された長さの最も長い第1の梁と2番目に長い第2の梁とを含み、
前記第1及び第2の梁は、それぞれ長手方向中央部に間隔を持たせて両端部が一体的に連結されて加速度検出方向に2枚構造で構成され、かつ、前記第1の梁の中央部と前記第2の梁の中央部とが加速度検出方向に直列的に結合され、
前記第1の梁の前記間隔をd1、前記第2の梁の前記間隔をd2としたとき、d1<d2であり、かつ、d2が前記固定電極と前記可動電極の電極間隔に等しくなっており、
前記第1の梁は、あらかじめ定めた第1のGが印加された場合に前記間隔d1まで変位して前記2枚構造が接触し、
前記第2の梁は、前記第1のGより高い第2のGが印加された場合に前記間隔d2まで変位するように構成したことを特徴とする。
上記構成により、加速度に応じたバネ定数の梁が変位するので、1つのセンサで広範囲の加速度を検出することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明に係る半導体力学量センサの一実施の形態を示す平面図及び断面図、図2は従来例と図1の半導体力学量センサの加速度−電極間隔を示すグラフである。
【0010】
図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のb−b断面図、図1(c)は図1(a)のc−c断面図である。図1は加速度に応じて変位する梁をバネ定数の異なる複数の梁で構成する一例として、長さが異なる3つの梁41、42、43が錘3の各端部に形成されている。この例では、梁41が最も長く、梁43が最も短く形成されている。錘3は3つの梁41、42、43を保持可能なようにアンカ7を介して半導体基板10上に支持されている。他の構成は図3に示した従来のセンサの構成と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【0011】
また、梁41、42、43のそれぞれは加速度検出方向(X方向)に2枚構造で構成され、梁41、42、43の内部の各間隔d1、d2、d3と、電極間隔(固定電極と可動電極の間隔)の関係は、
d1<d2<d3=電極間隔
である。
【0012】
上記構成において、低Gが印加された場合には最も長い梁41が変位し、間隔d1まで変位すると2枚の梁41が接触するため、それ以上は変位しない。さらに、低Gより高い中Gが印加された場合には2番目に長い梁42が変位し、間隔d2まで変位すると2枚の梁42が接触するため、それ以上は変位しない。さらに、中Gより高い高Gが印加された場合には最も短い梁43が間隔d3まで変位する。このように長さが異なる3つの梁41、42、43がそれぞれ変位すると、図2(2)に示すように固定電極1と可動電極2の間の距離が低Gから高Gまでの範囲で追従して変化するので、1つのセンサで広範囲の加速度を検出することができる。ちなみに、図2(1)は梁4の長さが異なる3つのセンサを用いた場合の加速度−電極間隔を示し、低Gでは梁4の長さが最も長いセンサの電極間隔が変化し、中Gでは梁4の長さが2番目のセンサの電極間隔が変化し、高Gでは梁4の長さが最も短いセンサの電極間隔が変化する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体力学量センサの一実施の形態を示す(a)平面図及び(b)b−b断面図、(c)c−c断面図である。
【図2】従来例と図1の半導体力学量センサの加速度−電極間隔を示すグラフである。
【図3】従来例の半導体力学量センサを示す(a)平面図及び(b)b−b断面図、(c)c−c断面図である。
【図4】半導体力学量センサの等価回路及びスイッチドキャパシタ回路を示す回路図である。
【符号の説明】
1、1a、1b 固定電極
2、2a 可動電極
3 錘
4、4a、4b、41、42、43 梁
5 スイッチドキャパシタ回路
5a、5b、5c、6a、6b、6c パッド
7 アンカ
10 半導体基板
11 溝
W ワイヤ
Claims (1)
- 固定電極と、加速度に応じて変位可能な梁に連結された可動電極との間の容量に基づいて加速度を検出する半導体力学量センサにおいて、
前記梁はバネ定数が異なるように形成された長さの最も長い第1の梁と2番目に長い第2の梁と3番目に長い第3の梁とを含み、
前記第1、第2及び第3の梁は、それぞれ長手方向中央部に間隔を持たせて両端部が一体的に連結されて加速度検出方向に2枚構造で構成され、かつ、前記第1の梁の中央部と前記第2の梁の中央部と前記第3の梁の中央部とが加速度検出方向に直列的に結合され、前記第1の梁の前記間隔をd1、前記第2の梁の前記間隔をd2、前記第3の梁の前記間隔をd3としたとき、d1<d2<d3であり、かつ、d3が前記固定電極と前記可動電極の電極間隔に等しくなっており、
前記第1の梁は、あらかじめ定めた第1のGが印加された場合に前記間隔d1まで変位して前記2枚構造が接触し、
前記第2の梁は、前記第1のGより高い第2のGが印加された場合に前記間隔d2まで変位して前記2枚構造が接触し、
前記第3の梁は、前記第2のGより高い第3のGが印加された場合に前記間隔d3まで変位するように構成したことを特徴とする半導体力量学センサ。
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