JPH0455267B2 - - Google Patents

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JPH0455267B2
JPH0455267B2 JP61174009A JP17400986A JPH0455267B2 JP H0455267 B2 JPH0455267 B2 JP H0455267B2 JP 61174009 A JP61174009 A JP 61174009A JP 17400986 A JP17400986 A JP 17400986A JP H0455267 B2 JPH0455267 B2 JP H0455267B2
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JP
Japan
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accelerometer
substrate
sensing body
acceleration sensing
semiconductor
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Ii Suchuaato Robaato
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Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
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Litton Systems Inc
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Publication of JPH0455267B2 publication Critical patent/JPH0455267B2/ja
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring 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
    • G01P15/13—Measuring 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 by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
    • G01P15/131—Measuring 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 by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electrostatic counterbalancing means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P2015/0825—Measuring 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
    • G01P2015/0828—Measuring 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/54—Flexible member is joint component

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路を備え、クローズ
ド・ループ式の一体型の加速度計に関するもので
ある。
特に、本発明は、サーボ回路や信号処理回路が
形成されている普通の半導体基盤内に設けられ、
かつ集積回路を備える加速度計に関する。
〔従来の技術〕
センサと信号処理回路を１つのシリコンチツプ
に組み込むことは、約10年前に、圧力トランスジ
ユーサについて始められた。現在も、この技術を
加速度計を含む多くの分野で応用しようと、いろ
いろな大学や研究機関で、熱心な努力が傾けられ
ている。
これまで、オープン・ループ式の加速度計はい
くつか作られテストされている。これらのオープ
ン・ループ式加速度計の代表的なものは、一端が
半導体に取り付けられ、もう一方の自由端に、慣
性体が取り付けられた片持ばり式の構造体を持つ
ものである。この構造体の固定端側には圧力セン
サが取り付けられており、このセンサの電気抵抗
が、構造体の加速度に応答する運動によつて変化
することを利用して、加速度を測定するものであ
る。
〔本発明が解決するべき問題点〕
こうしたオープン・ループ式の加速度計は、安
定性の欠如、大きなヒステリシス、そして熱に対
する極端な過敏性という問題を内包している。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、オープン・ループ式の加速度計の研
究で培われた技術を、慣性誘導や飛行制御システ
ムへの応用に必要な、より精度の高いクローズ
ド・ループ式加速度計の技術へと拡張するもので
ある。
本発明は、集積回路が作られるのと全く同様
に、シリコン・ウエハーに一括して作られるクロ
ーズド・ループ式加速度計に関するものである。
本発明による加速度計には、必要な部分に導電
部を形成するため、ドーピングすることの出来る
シリコンのような半導体から作られた慣性体が内
蔵されている。
１枚の結晶シリコン板を、異方性エツチングし
て作られたヒンジによつて、この慣性体は、半導
体基盤に結合されている。これらのヒンジは、慣
性体を片持ばり式によるものと同様に、この基盤
に結合している。
このような慣性体の片持ばり式の支持は、複数
の互いに交差する屈曲ブレード構成されるヒンジ
によるのが望ましい。このブレードは、半導体基
盤の両面にそれぞれ１つのＶ型溝をエツチング
し、薄い折れ曲がつたブレードを残すことで作ら
れる。このブレードが、慣性体と基盤の結合の役
割を果す。
第２の互いに交差する屈曲ブレードは、最初の
ブレードの溝から、その幅の約半分ずらして、同
様の溝を切ることで作られる。
その結果、最初のブレードと２番目のブレード
とは、正反対の傾斜を持つことになる。最初のブ
レードと２番目のブレードがずれていること、並
びに互いに傾斜が正反対であることにより、これ
らのブレードは、横から見ると、それぞれの中心
点で互いに交差し、シリコン基盤の水平面に平行
な軸回りの回転に対しては、高い柔軟性を持ち、
それ以外の方向への回転や移動に対しては、高い
剛性を持つ。
フオトリソグラフイツクとか、デイフアレンシ
ヤル・エツチングといつたよく知られた半導体製
造技術によつて作られるクローズド・ループ式加
速度計は、多くの利点を有している。
例えば、許容誤差をきびしくコントロール出来
ること、そして、この加速度計の一部もしくは全
部を、相当に微小な基盤内に他の回路と一緒に組
み込むことが出来ること、などが挙げられる。
さらに、後者の場合には、マイクロコンピユー
タによる制御も可能となり、ユーザの用途に合わ
せた特殊な加速度計を作ること、並びに加速度の
キヤリブレーシヨンなどが可能となる。
〔実施例〕
以下、図面に基づき、本発明の実施例について
説明する。
第１図には、ハウジング１２の中に取り付けら
れた加速度計１０の、斜視図が示されている。
ハウジング１２は、４つの側壁１４を備えてい
る。そのうちの相対する１対の側壁１４から、装
着用タブ１６が張り出している。残りの相対する
１対の側壁１４には、電気接続用端子１８が差し
込まれ、加速度計１０と電気的に接続されてい
る。
ハウジング１２の中には、独立したハイブリツ
ド回路から成る増幅器２０と補償回路２２が組み
込まれている。
第２図は、本発明による加速度計が、シリコン
から作ることが出来る半導体基盤２４と、それを
上下からはさむ耐熱ガラス、もしくは他の絶縁性
の材料から作られた１対の絶縁体２６，２８を内
蔵していることを分かり易く表している。
ここに示された加速度計は、公知の異方性エツ
チング法で作ることが可能である。この加速度計
の製造は、公知の集積回路製造法の簡単な応用で
さらに単純化される。すなわち、このような技術
を使うことで、センサドライブ、そして加速度計
初期化増幅器（ARA）３０などのデータ処理回
路を、半導体基盤２４の表面に形成出来るからで
ある。
加速度計１０は、半導体基盤２４の水平面に対
して直角方向に働く加速度を検知する慣性体３２
を内蔵している。この慣性体３２には、上部絶縁
基盤２８の下面にある導電面３６とセツトになつ
て、慣性体の変位を静電容量の変化という形で検
出するための第１の導電面３４が取り付けられて
いる。
第２図から分かるように、慣性体３２は、単純
なウエツブ様のヒンジ３８で片側だけを支持され
ている。このヒンジ３８は、半導体基盤２４の両
面を異方性エツチングして作られるとよい。
慣性体３２を基盤２４からくり抜くのにも、ま
た同様の技術が用いられる。ヒンジ３８を互い違
いにして作ることについては、後で、第３図から
第５図に基づき、より詳細に説明する。
基盤２４の表面は、増幅器３０と導電体３４の
間を電気的に接続するために、ドーピングもしく
は金属化されているとよい。
慣性体３２のもう一方の面にも、第２の導電面
３４があつて、第４図からも分かるように、下部
絶縁基盤２６の上面の導電面４０と隣接してい
る。
絶縁基盤２８の導電面３６と絶縁基盤２６の導
電面４０との間にはさまれた導電面３４には、
ARA３０がある電位を与え、バイアス・フイー
ルドを形成している。
このバイアス・フイールドが、導電面３４を持
つ慣性体３２を、「ゼロ」即ち「中立」の位置に
押し戻す役割を果している。
加速度形１０に取り付けられた物体に加速度が
作用すると、慣性体３２が動き、導電面３６，４
０及び導電面３４で部分的に形成している静電容
量ブリツジのバランスが崩れ、電気出力信号が発
生してARA３０に送られる。
上に述べたシステムが加速度計としての働き
を、クローズド・ループのフイードバツク制御
し、慣性体の運動範囲を非常に限られた空間内に
制限している。
第３図と第４図は、第２の型のヒンジ３９を示
している。
好適実施例においては、このヒンジ３９は、交
差する屈曲ブレード４２から作られているとよ
い。
屈曲ブレード４２は、単一の結晶シリコンを異
方性エツチングすることにより形成されている。
このシリコンは、（１，０，０）シリコン・ウエ
ハーに配向され、基盤２４の上下両面にＶ型溝を
刻むためのエツチングに備えてマスクされる。
第４図は、第３図の４−４線に沿つたヒンジの
断面を示している。
この図から、上面の溝４４が、下面の溝４４の
左側に位置していることが分かると思う。
異方性エツチングでシリコンを融かして除去す
ると、半導体基盤２４の水平面に対してある角度
を持つて傾斜した薄いブレード４２が、上方から
の溝と下方からの溝４４の間に残る。
第２の屈曲ブレード４２′は、その中心が第１
のブレードの中心と一直線上に並ぶように、また
第１のブレードと大体70度位の角度をなすよう
に、基盤２４の両面から同様の１対のＶ型溝を作
ることで形成される。こうして、いわゆる互いに
交差する屈曲ブレードが形成される。
第３図に示すように、屈曲ブレード４２，４
２′は、２対の互いに交差する屈曲ブレード３９
を備えている。これらのブレードのエツチングの
際、基盤２４はマスクされていて、慣性体３２の
周面４６も同時にエツチングされる。
慣性体３２と屈曲ブレード４２，４２′は、例
えばホウ素などでドーピングされ、導電面が形成
される。このドーピングは、基盤２４の表面を第
３図に示された接続パツド４８まで全面にわたつ
て行なわれる。ドーピングされた部分は、ドーピ
ングされていない部分に比べて、極めて遅い速度
でしかエツチングされない。従つて、ドーピング
される部分の深さを調整することにより、互いに
交差する屈曲するブレードの厚さを調整すること
が出来る。
これらの導電面は、基盤２８，２６にそれぞれ
導電面３６，４０を形成するのに使用される技術
と同様の金属化法によつても形成することが可能
である。この技術によつて、基盤２６では、導電
面４０と接続パツド５０の間の、そして基盤２８
では、導電面３６と接続パツド５２の間で、それ
ぞれ電気的に接続される。
好適実施例においては、慣性体３２を形成する
半導体基盤から、余分なシリコン材を除去し、慣
性体の質量を軽くすることが望ましい。シリコン
材を除去する１つの方法は、基盤２４の両面に、
菓子の焼き型の様な凹凸を持つた凹み５４をエツ
チングすることである。中央の孔５６も、慣性体
３２にエツチングされたもので、慣性体表面３４
の静電容量をバランスさせ、かつ慣性体の重心を
その物質的中心に保持している。
慣性体３２の面積の対質量比を出来るだけ大き
くするためには、慣性体の質量をなるべく小さく
しなければならないことは、容易に理解されるこ
とと思う。
互いに交差する屈曲ブレードのヒンジ３９によ
つて基盤２４に結合されている慣性体３２を、第
５図に示す。
適当にエツチングされたＶ型溝４４により、２
対の交差ブレード４２，４２′が形成されている。
各交差ブレード４２，４２′の中心は、基盤２４
の水平面に平行で、かつ基盤の重心を含む平面内
にある１本の線上に位置している。
第５図に示されたヒンジの配置は、第３図に示
されているものとは異なつている。すなわち、第
５図に示されているものは、中央のヒンジの間隔
が、第３図のものよりも広くなつている。
当然のことながら、この明細書で説明している
範囲から逸脱しない範囲内で、これ以外のバリエ
ーシヨンも可能である。
シリコンの成形加工は、微細で複雑な形のシリ
コン製品を作ることを専門にしている工場によつ
て行なうことが出来る。例えば、米国カルフオル
ニア州フレモントのトランセンサリー・デバイス
イーズ・インコーポレーテツド（Transensory
Devices，Inc.）とか、米国カルフオルニア州サ
ンタクララのジエレクトリツク・セミコンダクタ
ー（Dielectric Semiconductor）などが挙げられ
る。
第６図には、本発明による加速度計１０の使用
される代表的な回路が示されている。
この回路は、加速度計初期化増幅器ARA３０
を中心として構成されている。ARA３０の出力
は、出力端子６１ならびにフイードバツク・ルー
プを介して、接続パツド４８に接続されている。
接続パツド４８は、上部の電極３６と下部の電極
４０の間に配置された導電面３４に接続されてい
る。電極３６，４０は、それぞれコンデンサ６
４，６６を介して増幅器３０の入力端と接続され
ている。
接続パツド５２は接続点６８と接続し、その
後、電極３６へと接続されている。同様に、下部
基盤２６の接続パツド５０は、接続点７０を介し
て、電極４０に接続されている。接続点６８，７
０は、１対のコンデンサ７２，７４に接続されて
いる。
これらのコンデンサ７２，７４の共通の電極に
は、慣性体の変位を静電容量の変化へと結びつけ
るための静伝容量ブリツジを形成するべく、例え
ば50キロヘルツの交流電源７６が接続されてい
る。接続パツド５０，５２は、それぞれ−
15VDC及び＋15VDCに保持されている。
作動状態では、慣性体３２の上方への偏位は、
電極３６の交流電圧を引き下げ、電極４０の交流
電圧を引き上げる。
この交流電圧の変化は増幅器３０に入力され、
さらに、増幅器３０のフイードバツク信号を端子
４８に送り出し、慣性体３２の元の位置に復帰さ
せ、加速度計をバランスした「０」の状態に復帰
させる。同時に、増幅器３０からの出力信号は、
この加速度計を含むシステムが求める加速度信号
として端子６１に出力される。
以上、好適な実施例として、ウエツブ様のヒン
ジ３８と互いに交差する屈曲ブレード３９を持つ
ものについて説明したが、本発明を、これらとは
異なる形で実現することも可能である。従つて、
本発明は、特許請求の範囲にのみ、限定されるも
のである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ハウジング内に組み込まれた本発明
による加速度計の斜視図、第２図は、シリコン・
ウエハーと耐熱ガラスウエハーから成る１個の加
速度計チツプの分解斜視図、第３図は、本発明に
よる慣性体及び互いに交差する屈曲ブレード支持
部を示す平面図、第４図は、第３図の−線に
よる断面図、第５図は、本発明による互いに交差
する屈曲ブレード、及び慣性体の片端支持式結合
の要領を、第３図示のものとは若干構造の異なる
ものとした例を示す斜視図、第６図は、本発明に
よる加速度計のブロツク図である。 １０……加速度計、１２……ハウジング、１４
……側壁、１６……タブ、１８……端子、２０…
…増幅器、２２……補償回路、２４……半導体基
盤、２６，２８……絶縁体、３０……増幅器、３
２……慣性体、３４，３６，４２……導電面、３
８，３９……ヒンジ、４２……屈曲ブレード、４
４……溝、４６……周面、４８，５０，５２……
接続パツド、５４……凹み、５６……孔、６１…
…出力端子、６４，６６，７２，７４……コンデ
ンサ、６８，７０……接続点、７６……交流電
源。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 加速度検知体の外周となる開口部を持つ半導
    体製の第１の平面基板を備え、前記加速度検知体
    が、前記半導体基盤に、複数の互いに交差する屈
    曲ブレードにより接続され、かつ前記第１の平面
    基盤の両面に装着され、さらに、前記加速度検知
    体に隣接する導電面を、それぞれ有する第２及び
    第３の平面基盤と、前記加速度検知体と前記第２
    及び第３の基盤上の前記導電面との間に電位を与
    える装置と、前記電位を前記加速度検知体に接続
    するために、前記第１の平面基盤の前記半導体の
    中に形成された装置とを備える加速度計。 ２ 半導体の中に形成された装置が、加速度計か
    らの出力信号に応答する装置を内蔵している特許
    請求の範囲第１項に記載の加速度計。 ３ 屈曲ブレードが、片端支持式により、一方向
    に柔軟性を持ち、かつ他の全ての方向に剛性を持
    つている特許請求の範囲第１項に記載の加速度
    計。 ４ 屈曲ブレードが、いくつかの対をなし、各ブ
    レードが、半導体基盤の両面のＶ型溝によつて形
    成され、この基盤と、ある角度を持ち、上記の対
    になつたブレードが、互いに正反対の傾斜をなし
    ている特許請求の範囲第１項に記載の加速度計。 ５ 加速度検知体が、表面積の対質量比を高める
    ために、凹凸形状をなしている特許請求の範囲第
    １項に記載の加速度計。 ６ 加速度検知体が、ドーピングすることにより
    導電性となるように、半導体基盤内に形成され、
    また第２及び第３の平面基盤が、半導体の対向面
    に取り付けた１対の絶縁板よりなるとともに、前
    記加速度検知体に隣接する導電性パツドを有する
    特許請求の範囲第１項に記載の加速度計。 ７ 屈曲ブレードが、半導体基盤を形成している
    単一結晶体を異方性エツチングして作られている
    特許請求の範囲第１項に記載の加速度計。
JP61174009A 1985-07-25 1986-07-25 加速度計 Granted JPS6227666A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/758,692 US4679434A (en) 1985-07-25 1985-07-25 Integrated force balanced accelerometer
US758692 2001-01-11

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Publication Number Publication Date
JPS6227666A JPS6227666A (ja) 1987-02-05
JPH0455267B2 true JPH0455267B2 (ja) 1992-09-02

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ID=25052723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP61174009A Granted JPS6227666A (ja) 1985-07-25 1986-07-25 加速度計

Country Status (11)

Country Link
US (1) US4679434A (ja)
JP (1) JPS6227666A (ja)
CA (1) CA1273222A (ja)
CH (1) CH671290A5 (ja)
DE (1) DE3621585A1 (ja)
FR (1) FR2585474B1 (ja)
GB (1) GB2178856B (ja)
IL (1) IL79175A (ja)
IT (1) IT1195083B (ja)
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