JP4410478B2

JP4410478B2 - 半導体力学量センサ

Info

Publication number: JP4410478B2
Application number: JP2003078197A
Authority: JP
Inventors: 峰一酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004286554A

Description

【０００１】
【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

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。