JPH02194362A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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Publication number
JPH02194362A
JPH02194362A JP1013156A JP1315689A JPH02194362A JP H02194362 A JPH02194362 A JP H02194362A JP 1013156 A JP1013156 A JP 1013156A JP 1315689 A JP1315689 A JP 1315689A JP H02194362 A JPH02194362 A JP H02194362A
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JP
Japan
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acceleration
electrode
cantilever
cantilever part
electrodes
Prior art date
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Pending
Application number
JP1013156A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenji Igarashi
健二 五十嵐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP1013156A priority Critical patent/JPH02194362A/ja
Publication of JPH02194362A publication Critical patent/JPH02194362A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

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  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、特にシリコン(84)  を構造体として用
いた微小機械(マイクロメカニズム)をなす加速度セン
サに関する。
(従来の技術) 近時、LSI製造技術の進歩が機械の分野にも強い影響
を及ぼし始めている。とくに、リングラフィ、エツチン
グなどの微細パターン形成技術が極めて微小な機構部材
の加工を可能にしたことから、微来の常識を破る微小機
械(マイクロメカニズム)の実現の途が開けてきた。と
りわけ、シリコンウェハ上に形成されるマイクロメカニ
ズムにおいては、機構部材とともに電子回路をも一枚の
ウェハ上に形成して、一つのシステムをウエノ為上に作
す上げる「システム・オン・チップ」を実現できる。
たとえば、第5図は、スタンフォード大学で開発した加
速度計〔「アイ・イー・イー・イー・トランザクション
ズJ (Vol、ED−26,1979年12月、第1
911〜1917頁)〕であるが、片持梁部(A)は、
シリコンウェハ(B)をエツチング穿孔することにより
形成されている。そうして、片持梁部(A)の付は根に
設けられた抵抗型ひずみゲージ(C)により、加速度に
より変形した片持梁部(A)のたわみ量を1%の精度で
検出するものである。このような加速度計の質量は非常
に小さく、わずかに20岬であり、微小質量の被測定物
に直接貼付けても加速度を精度良く測れるところに微小
化の意義がある。
しかしながら、上記従来の加速度計は、片持梁部(A)
に、過大な加速度がかかった場合、根元部分が破壊して
しまう事があり、信頼性の点で問題があるため、用途に
制約を受けている。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記事情を参酌してなされたもので、マイク
ロメカニズムをなす加速度センサを提供することを目的
とする。
〔発明の目的〕
(課題を解決するための手段と作用) マイクロメカニズムである加速度センサにおいて、シリ
コン基板を穿孔して形成された片持梁部に第1の電極を
設けるとともに、この片持梁部を封止する箱状の封止部
材の内底部に第2の電極を設け、これら第1及び第2の
電極を互に同極又は異他に帯電させることにより、片持
梁部が加速度によりその根元部から破壊しない方向に駆
動するようにしたものである。
(従来の技術) 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳述する。
第1図は、この実施例の加速度センサを示している。こ
の加速度センサは、加速度に応じて揺動する振り子部(
1)と、この振り子部(1)の上、下面に密着・封止す
る第1及び第2蓋体部(2)、 (3)と、後述する振
り子部(1)の加速度tこ基因する揺動を制御する変位
制御部(4)と、上記加速度を算出する加速度演算部(
5)とからなっている。しかして、振り子部(1)は、
シリコン(Si)を素材とするもので、第2図に示すよ
うに、矩形状をなす基板(6)と、この基板(6)の一
つの内側面に加速度により揺動自在に突設された片持梁
部(7)とからなっている。そして、この片持梁部(7
)は、基板(6)から突出した根元部(8)と、この根
元部(8)の先端に連結された振り子片(9)と、根元
部(8)の上面に形成されたピエゾ抵抗素子α1と、振
り子片(9)の上、下面に形成された第1及び第2電極
任υ、αりとからなっている。これら第1及び第2電極
αυ、σaは、接地されている。一方、第1及び第2蓋
体部(2)、 (3)は、振り子部(1)を密封・閉止
するように、例えばシリコン基板を素材として、箱状l
こ形成されている。そして、これら第1及び第2蓋体部
f2)、 (3)に設けられた凹部α3.(1411の
内底部には、第1及び第2電極圓、俣3#こ対面するよ
うに第3及び第4電極αつ、傾が形成されている。そし
て、第1及び第2蓋体部f2)、 (3)の側壁の端面
は、基板(6)の端面に固着している。さらに、変位制
御部(4)は、基板(6)上にフォトリングラフィ技術
を用いて形成されたもので、ピエゾ抵抗素子α1に電気
的に接続され、このピエゾ抵抗素子(11の根元部(8
)の加速度発生lこ伴う揺動変位1こ基因する抵抗変化
つまり、振り子片(9Jの変位量(回動量θ)を検出す
る変位検出部α榎と、この変位検出部(Ls+こおける
検出結果に基づいて、変位している振り子片(9)を加
速度が付加されていない状態に復元させるのに必要な第
3又は第4電極as、 (liに印加させるべき電圧値
V、 、 V、を算出する印加電圧演算部Iと、この電
圧演算部(19からの電圧値信号SVを入力しこの電圧
値信号Svが示す電圧値V、 、 V、を実際に第3又
は第4電極(Ls、 囮に印加する電圧印加部翰とから
なっている。他方、加速度演算部(5)基板(6)上に
フォトリソグラフィ技術を用いて形成されたもので、印
加電圧演算部(11において算出された電圧値V3. 
V、を示す電圧値信号Svを入力しこの電圧値信号SV
が示す電圧値V、 、 V、に基づいて加速度AXを算
出し、算出結果を示す加速度信号SAを出力し、別設さ
れた表示器Qυに測定した加速度AXを表示させるよう
になっている。なお、Si基板への振り子部(1)の片
持梁部(力の形成並びにSi基板への第1及び第2蓋体
部(2)、 (3)の凹部03、瑣の形成は、異方性エ
ツチングにより行う。
また、第1乃至第4電極+1.1)、 C[21,α5
)、(161は、St基板上へのアルミニウムの蒸着に
より形成する。そして、片持梁部(7)の長さは、例え
ば100μm〜500μ町基板(6)の大きさは例えば
2wX:3m である。さらに、ピエゾ抵抗素子OIの
根元部(8)への形成も、フ]ト・リングラフィ技術に
より行う。
つぎに、上記構成の加速度センサの作動について述べる
まず、第2図に示すように、加速度センサに、矢印(2
21方向に加速度が作用する古、振り子片(91には、
矢印(2)方向の力が作用し、角度θだけ変位する。こ
れjごともない根元部(8)に設けられているピエゾ抵
抗素子部の抵抗値が変化する。このときの抵抗値変化Δ
Rは、変位検出部08にて検出される。
ついて、この変位検出部α印からは、抵抗値変化Δ几を
示す検出信号SRが、印加電圧演算部(19に出力され
る。すると、検出信号Sltを入力したこの印加電圧演
算部(Llにては、振り子片(9(を矢印@方向に復元
させるのに必要な電圧V、 、 V、を算出する。
このとき、第1及び第2it極αυ、(1カは接地され
ている。したがって、振り子片(9)を加速度に逆って
矢印@方向に駆動するには、第4電極囮に正電圧■4を
印加することにより、第2電極仕2と第4電極(leと
の同に静電引力を発生させればよい。このとき、第3電
極05)への電圧V3 印加は停止させておく。かくし
こ、算出された電圧V、 、 V、を示す電圧値信号S
Vが電圧印加部□□□に印加される。すると、この電圧
印加部(1)からは、第4電極αeに正電圧V4が印加
される。その結果、第2電極(12と第4電極(161
との間には、静電引力が発生し、振り子片t91は、矢
印口方向に変位し、加速度による慣性力(!:静電引力
とが平衡する態位i! (加速度が付加されるiIJの
位置)にて停止する。一方、加速度演算部(5)にては
、印加電圧演算部α]から出力された電圧値信号Svを
入力し、印加丈べき電圧値V3゜■4を読み込んだ後、
これらの電圧値V、 、 V、から加速度AXを算出し
、この加速度AXを表示器(21)にて表示させる。
逆に、第4図に示すように、加速度センサに矢印(至)
方向に加速度が作用すると、振り子片(9)には、矢印
@方向の力が作用し、角度θ′だけ変位する。
この場合は、第4電極(16)へ印加する電圧V4はO
にし、第3電極09へ印加する電圧V、を印加電圧演算
部Q’Jにて求める。そして、求めた電圧V、を電圧印
加部(21を介して、電圧V、を第3電極叫へ印加する
と、第1電極0])と第3電極U最との間には、静′亀
引力が発生し、撮り子片(91は、矢印(2)方向に変
位し、加速度が付加される前の位置にて停止する。そう
して、加速度演算部(5)にては、このときのV、、V
、に基づいて、加速度AXを算出し、この加速度AXを
示す加速度信号8Aを入力した表示器011にて表示さ
せる。
以上のように、この実施例の加速度センサは。
付加された加速度により片持梁部(力に過大な力がかか
っても、変位制御部(4)により、静電気力を利用して
片持梁部(力を常に原位置に吉とまるように制御できる
ので、根元部(8)の破壊を招くことがない。したがっ
て、加速度センサ自体の質量が微小であることと相俟っ
て、この加速度センサの適応範囲が拡大する。
なお、上記実施例において、第1及び第2電極0υ、 
Q3接地となっているが、正・負電圧を印加しおいても
よい。この場合、第3及び第4電極0り。
(leには、同極又は異極の電圧を印加することにより
、振り子片(9)の揺動を制御するようにしてもよい。
さらに、振り子片(9Jの揺動の制御を、例えば、第3
図において、第2図に示す第4電極住eに正電圧を印加
することにより、第2電極Q3との間に静電引力を発生
させ、第1電極αυと第3電極(至)との間に発生して
いる静電付力と協働して振り子片(9)を零位置に保持
するようにしてもよい。さらにまた、加速度の算出を変
位検出部(IIからの信号SRに基づいて直接行うよう
にしてもよい。
〔発明の効果〕
この発明の加速度センサは、付加された加速度により片
持梁部に過大な力がかかつても、変位制御部により静電
気力を利用して、片持梁部を常に零位置にとどまるよう
に制御できるので、根元部の破壊を招くことがない。し
たがって、加速度センサ自体の質量が微小であることと
相俟って、この加速度センサの適応範囲が拡大する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の加速度センサの平面図、第
2図は第1図の■−■線1こ沿った矢視断面図、第3図
及び第4図は同じく作動説明図1第5図は従来技術の説
明図である。 (])・・・振り子部。 (2)、 (31・・・蓋体部(封止部材)。 (4)・・・片持梁駆動手段(変位制御部)。 (6)・・・基板(シリコン基板)。 (7)・・片持梁部。 a〔・・・ピエゾ抵抗素子抵抗型ひずみゲージ)。 α1)・・・第1電極(第1の電極)。 02・・第2電極(第1の電極)。 (LFjI・・・第3電砺(第2の電極)(10・・・
第4電極(第2の電極)。 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 同      松  山  光  之 ど□へ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 貫通溝が穿設されこの貫通溝により揺動変位自在に形成
    された片持梁部が設けられたシリコン基板と、上記片持
    梁部の根元に設けられた抵抗型ひずみゲージとを具備し
    、上記片持梁部に与えられた加速度により生じるひずみ
    の上記ひずみゲージによる検出結果に基づいて上記加速
    度を測定する加速度センサにおいて、上記シリコン基板
    の両主面に接着され上記片持梁部を封止する箱状の封止
    部材と、上記片持梁部に設けられた第1の電極と、上記
    封止部材に上記第1の電極に対向して設けられた第2の
    電極と、上記ひずみゲージによる検出結果に基づいて上
    記第1の電極及び上記第2の電極を互に同極、若しくは
    、異極に帯電させて上記片持梁部を上記加速度による変
    位方向とは逆方向に駆動する片持梁駆動手段とを具備す
    ることを特徴とする加速度センサ。
JP1013156A 1989-01-24 1989-01-24 加速度センサ Pending JPH02194362A (ja)

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JP1013156A JPH02194362A (ja) 1989-01-24 1989-01-24 加速度センサ

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JP1013156A Pending JPH02194362A (ja) 1989-01-24 1989-01-24 加速度センサ

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JP (1) JPH02194362A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04273068A (ja) * 1991-02-28 1992-09-29 Nippon Seiki Co Ltd 加速度センサ
US5596144A (en) * 1995-08-04 1997-01-21 Delco Electronics Corporation Piezoresistive force rebalance accelerometer

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JPH04273068A (ja) * 1991-02-28 1992-09-29 Nippon Seiki Co Ltd 加速度センサ
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