JPH05312829A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JPH05312829A
JPH05312829A JP4123220A JP12322092A JPH05312829A JP H05312829 A JPH05312829 A JP H05312829A JP 4123220 A JP4123220 A JP 4123220A JP 12322092 A JP12322092 A JP 12322092A JP H05312829 A JPH05312829 A JP H05312829A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】加速度を検出する半導体加速度センサに係るも
のである。微小な加速度から衝突に至る百Ｇにも達する
加速度を検出可能な構造であり、量産性が高いプロセス
構造となっている。 【構成】単結晶シリコン１を加工して、枠部３と質量部
５とをつなぐ、ダイヤフラム部６とにより、質量部５と
付加金属膜７の重量がダイヤフラム部を中心に上下に配
設され、質量部５の加速度によって変位する変化量を高
精度に検出することが出来、更に印加された加速度の方
向とレベルを判別する回路を設えた構成となっており、
端子部８に接続された回路によって検出するものであ
る。 【効果】加速度及び三次元加速度を検出することによ
り、車両用のセンサとして新たな用い方が出来る効果が
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は加速度センサに係り、特
に自動車のエアバック用や車体制御用に好適な加速度セ
ンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の加速度センサとしては例えば特開
平3−214064 号公報に記載されている装置がある。この
加速度センサは回転加速度と並進加速度を分離して検出
するセンサで、検出面の厚みに関して等配分平面内に重
心をもつ重りを設けたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、重り
を質量部と同様のシリコンを加工して形成したものであ
るため、微細加工の両面アライメントが数回に亘たり、
加工精度を十分確保することはできなかった。そのた
め、量産とするために問題があった。本発明の目的は、
量産が可能で微小加速度から百Ｇに達する加速度が検出
できる加速度センサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的は検出対象物に
固定される枠部と、前記検出対象物の加速度を慣性力に
変換する質量部と、前記枠部と前記質量部とを接続する
ダイヤフラム部とを有する加速度センサにおいて、前記
質量部に付加質量膜を設けることによって達成される。
【０００５】また、上記目的を達成するための本発明
は、検出対象物に固定される枠部と、前記検出対象物の
加速度を慣性力に変換する質量部と、前記枠部と前記質
量部とを接続するダイヤフラム部とを有する加速度セン
サにおいて、前記質量部の上面と下面に付加質量部材を
設けたものである。
【０００６】さらに、本発明の加速度センサは、検出対
象物に固定される枠部と、前記検出対象物の加速度を慣
性力に変換する質量部と、前記枠部と前記質量部とを接
続するダイヤフラム部とを有する加速度センサにおい
て、前記質量部にその質量部よりも密度の高い材料から
なる付加質量部材を設けたものである。
【０００７】さらに、本発明の加速度センサは、検出対
象物に固定される枠部と、前記検出対象物の加速度を慣
性力に変換する質量部と、前記枠部と前記質量部とを接
続するダイヤフラム部とを有する加速度センサにおい
て、前記質量部の前記ダイヤフラム部の幅の部分に質量
中心がくるように付加質量部材を前記質量部に設けたも
のである。
【０００８】
【作用】車体制御用の微小加速度及び衝突時の百Ｇにも
及ぶ加速度のいずれの検出の場合でも、質量部をつなぐ
ダイヤフラム部によって一体となっているシリコンに
て、印加された加速度により、質量部が変位し、質量部
につながれたダイヤフラム部に配設された拡散ゲージが
変化として採り出し、加速度の印加された方向と加速度
レベルを検出するものである。
【０００９】このように作用する加速度センサで質量部
に付加質量膜や、質量部よりも密度の高い付加質量部材
を設けることによって、質量中心をダイヤフラム部の幅
の位置にもってくることができるので、出力の零点補償
が容易となるとともに、加工精度がよくなる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１，図２により
説明する。
【００１１】単結晶シリコン板１を加工して、枠部３と
質量部５とを形成し、それらを継ぐダイヤフラム部６を
形成し、ダイヤフラム部６との組合わせにより質量部５
が加速度に応じた動きを検出した際、その動きのバラン
スをとるものである。そのバランスは付加金属７と質量
部５との組合わせにもよってくる。
【００１２】この質量部５の形状は従来、図９に示すご
とく、図１のダイヤフラム部６に相当するカンチレバー
１０は質量部５の中心に配設されている構造となってい
る。これは加速度検出時の特性であるヒステリシスや感
度を確保するための構成であるが、微細加工においては
両面からのアライメントが複雑となり、これらの断面形
状を確保するためにはウエハ両面からのアライメント
（ホトリソグラフィ）が４〜５回必要となりウエハ両面
での精度確保は非常に困難とならざるを得ない。更に、
この形状で量産適用となると、両面アライナーはコンタ
クト方式のみであり、ＵＬＳＩ等の半導体で用いられて
いるステッパ方式の両面アライナーは無く、数回の表裏
両面のパターン合わせ精度と共に量産移行が困難な構成
であると云わざるを得ないものである。ところが図１の
構成形状はダイヤフラム部６は現在量産されている半導
体圧力センサと同じく、両面のアライメントが１回で行
なわれるもので、ディープエッチングも図１のごとく、
片側から一度行なうだけで済み、そのため、ヒステリシ
ス等の特性を確保するため、Ａｕ等の付加金属膜７を質
量部５相当分だけ、薄膜化して成膜積上げるものであ
り、実質ダイヤフラム部６が付加金属膜７＋質量部５の
中心に配設されるものである。
【００１３】本発明においては半導体圧力センサと同じ
く、両面アライメントが一回で済む形状であり、容易に
量産可能な形状を示した。
【００１４】図１は本発明の断面を示し、ダイヤフラム
部６を中心に質量部５と付加金属膜７を構成し、そのダ
イヤフラム部６に拡散ひずみゲージ２１，２２，２３，
２４で構成するブリッジ回路２を配設し、実装を容易に
するガラス板（下）４を陽極接合等により接合したもの
を示した。
【００１５】図２はその平面図であり、点線部分が裏側
からディープエッチングして極薄となったダイヤフラム
部６を示しているものである。
【００１６】図３はチップサイズ（図１等において）が
数mm角となった場合に加速度に対応した質量部５の形状
が確保出来なかったり、又はダイヤフラム部６の厚みが
極薄となって質量部５との組合わせが困難となった場合
に質量部５に補助付加金属膜１１を成膜し、付加金属膜
７もこれに相当する膜厚にすることにより、ダイヤフラ
ム部６を極薄にしなくても良い構成を示したものであ
る。
【００１７】この様に一枚のウエハに数百チップを形成
（数mm角）するセンサ等の両面アライメントはウエハ中
心と端部とのチップでは露光時の光の入射角の違いや光
の収差の関係で多数回の両面アライメントは大変であ
り、パワー半導体のごとき、ＧＴＯ等のサイリスタでの
両面露光はウエハがそのままチップであり、センサ等の
数百チップ／ウエハとは両面アライナーの用い方やセン
サ構成時と利用プロセスによって精度や量産性が決って
しまうものである。
【００１８】図４は、質量部５の下部に空隙１６を設け
た加速度センサである。
【００１９】図５及び図６には図１〜図４を用いたセン
サとしての回路図を示したもので、特に図６には図１及
び図２と一体化した回路の概念図と断面構造を示したも
のである。
【００２０】図７は図６に示した回路構成の断面概念図
を示した。もちろん、これらは図１に示す検出部と回路
は別々に構成され、ワイヤボンディング等により接続さ
れても良いことは云うまでもない。
【００２１】図８は図１及び図２の検出部を用いて加速
度の他に角速度も検出する、所謂三次元の加速度を検出
する回路を示したものである。
【００２２】図９，図１０は一般の半導体容量式加速度
センサの検出部と回路ブロック図を示したものである。
これらは先に説明したごとく質量部５の中央にカンチレ
バー１０を設けて特性であるヒステリシスを確保した形
状である。この加速度センサを製作するためには微細加
工を両面のアライメント数回する必要がある。
【００２３】図１１は図１の構造のものを静電容量方式
に代え付加金属膜７を質量部５の上側に配設したもので
あり、図１と同様にカンチレバー１０が中央から上方に
移って微細加工が仕易くなった構成となっており、同様
に加速度の検出が可能な構成である。図１２は図３と同
じ構成であり、図３と同様に補助付加金属膜１１を設け
たものである。
【００２４】図１３，図１４，図１５，図１６の構成の
ものについては質量部５の上に付加金属膜７を配設する
ことにより、静電容量方式において三次元の加速度を検
出する構成とその動作回路を示したものである。付加金
属膜７を設けて前に示した実施例と同様にヒステリシス
の特性が改善される構成にしたものである。
【００２５】図１７は図１の平面図と同様に付加金属膜
７の配設を示したものである。図１との違いはダイヤフ
ラム部６に吹抜け孔１４を設けたものである。これらは
ブリッジ回路２の拡散ひずみゲージ２１，２３の両脇に
設けた構成としているが、どの位置でも良いのは云うま
でもない。質量部５の中に吹抜け孔１４を設けることも
可能であり、シリコン板１と陽極接合等でガラス板
（下）４とのダンピングを良くすることである。しか
し、図１１〜図１２での静電容量方式においてはガラス
板（上）９も接合され、上下に動作することにより、ダ
ンピング時の空気の流れが上下に移動する構造の時は吹
抜け孔１４の設定位置は中央等に検討しなければならな
い。
【００２６】図１８はダイヤフラム部６が極薄になる様
な質量部５の設計の際は、ダイヤフラム部６よりも若干
肉厚にする必要がある。厚肉部１５を設定することによ
り極薄のダイヤフラム部６と質量部５を支えることが出
来る構成である。
【００２７】図１９は、図１７に示した実施例にスリッ
ト１７を設けたものである。
【００２８】図２０，図２１は加速度センサの特性を示
したものであるが、非直線誤差(Non−linearity)のヒス
テリシスを示した。図９，図１０のように微細加工にて
表裏の両面アライメントを数回繰返して図９の質量部５
の中心にカンチレバー１０（又はダイヤフラム部６）を
配設すれば特性を確保出来るが、質量部５の上面にダイ
ヤフラム部６を設定すると上下の動作に対し、ヒステリ
シスを生じるため、付加金属膜７を設けたものであり、
その比較を示したものである。これによって微細加工が
容易になり、両面のアライメントも一回で済み、精度確
保が可能な構成となった。
【００２９】図１６の回路は、各電極間の容量変化はΔ
Ｃ検出部５０にて検出され、増幅部５１にて増幅され、
ＰＷＭ部５２（パルス幅変調部）で変調され、その各々
の信号が演算出力部５３にて演算され、Ｚ方向はＶ1 と
して検出され、Ｘ方向はＶ2として、Ｙ方向はＶ3 とし
て各々の電圧が検出され、三次元の加速度として判別さ
れるものである。電源部１１０１，規準電圧発生部１１
０２，自己診断回路１１０３等は当然、設えられている
ものである。
【００３０】図１６と図８の回路における各信号の干渉
を排除するための位相をずらす様にするものであるが、
ここではタイミングチャート等は示してないが、信号の
位相を各々ずらしているものである。以上の様に本発明
の加速度センサは三次元の判別可能な構成となってお
り、質量部５とダイヤフラム部６（カンチレバー１０）
に対し、付加金属膜７及び補助付加金属膜１１等の組合
わせによって確保されるものである。
【００３１】以上説明した図１１〜図１２の構造におい
て、ガラス板（下）４とガラス板（上）９を用いた構成
になっているが、上下にシリコン板を配設してシリコン
／シリコン／シリコンの組合わせが出来ることは云うま
でもない。
【００３２】以上説明した加速度センサにおいては、実
質的な質量中心の位置を質量部５のダイヤフラム部６の
幅内に設けることによって出力の零点調整が簡単に行え
るとともに、温度変化による影響を受けずに精度よく加
速度を検出することができる。
【００３３】さらに、本発明の実施例で示した加速度セ
ンサは、自動車等の車体制御用の微小加速度の検出か
ら、エアバック用の百Ｇの大きな加速度を検出すること
もできる。そのため、検出部，エアバック動作等の判断
するための演算出力部、その演算出力部からの出力によ
って動作するエアバック装置との組合わせにより、より
高精度に動作するエアバックシステムに適用することが
可能である。同様に車体制御システムにも適用すること
ができる。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば自動車等の車体制御用の
微小加速度の検出から、衝突による百Ｇ等の大きな加速
度も検出することが出来、更にこれまで、方向によって
多数個のセンサを要していたものが、一ケにて三次元の
加速度を検出することが出来る等の効果があると共に、
それらによって製造の容易さと信頼性の向上が計れると
云う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの一実施例を示す断面
図。
【図２】図１の平面図。
【図３】本発明の他の実施例を示す加速度センサの断面
図。
【図４】本発明の他の実施例を示す加速度センサの断面
図。
【図５】本発明の適用回路構成図。
【図６】適用回路の平面及び断面概念図。
【図７】適用回路の断面構造概念図。
【図８】三次元検出用の適用回路構成図。
【図９】従来構造の断面図。
【図１０】従来構造の回路構成図。
【図１１】本発明の他の実施例を示す加速度センサの断
面図。
【図１２】本発明の他の実施例を示す加速度センサの断
面図。
【図１３】本発明の他の実施例を示す加速度センサの斜
視図。
【図１４】図１３のＡ−Ａ′断面図。
【図１５】図１３のＢ−Ｂ′断面図。
【図１６】図１３の検出用回路構成図。
【図１７】本発明の他の実施例を示す図。
【図１８】本発明の他の実施例を示す図。
【図１９】本発明の他の実施例を示す図。
【図２０】本発明の特性比較図。
【図２１】本発明の特性比較図。
【符号の説明】
１，１′…シリコン板、２…ブリッジ回路、２１〜２４
（２１′〜２４′，２１″〜２４″）…拡散ひずみゲー
ジ、３…枠部、４…ガラス板（下）、５…質量部（可動
電極）、６…ダイヤフラム部、７…付加金属膜、８…端
子部、９…ガラス板（上）、１０…カンチレバー、１１
…補助付加金属膜、１２（１２ａ〜１２ｄ）…分離領
域、１３…固定電極、１４…吹き抜け孔、１５…厚肉
部、３３〜３４…直列抵抗、４５〜４６…並列抵抗、５
０…ΔＣ検出部、５１…増幅部、５２…ＰＷＭ部、５３
…演算出力部、５４…発振器、５５…クロック発生器、
６１〜６４…出力端子及び電源端子、８１〜８４…並列
抵抗、１０４…絶縁分離用拡散層、１０５…エピタキシ
ャル成長層、１０６…ｎｐｎトランジスタ、107…アル
ミ電極配線、１０８…シリコン酸化膜、１５１〜１５８
…演算増幅器、１１０１…電源部、１１０２…規準電圧
発生部、１１０３…自己診断回路、Ｖ0〜Ｖ3 …出力電
圧。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小出 晃 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】検出対象物に固定される枠部と、前記検出
    対象物の加速度を慣性力に変換する質量部と、前記枠部
    と前記質量部とを接続するダイヤフラム部とを有する加
    速度センサにおいて、前記質量部に付加質量膜を設けた
    ことを特徴とする加速度センサ。
  2. 【請求項２】請求項１記載の加速度センサにおいて、前
    記付加質量膜は金属膜であることを特徴とする加速度セ
    ンサ。
  3. 【請求項３】請求項１記載の加速度センサにおいて、前
    記枠部、前記質量部及び前記ダイヤフラム部をシリコン
    の一体構造としたことを特徴とする加速度センサ。
  4. 【請求項４】請求項１記載の加速度センサにおいて、前
    記質量部の周囲に前記ダイヤフラム部を設けたことを特
    徴とする加速度センサ。
  5. 【請求項５】請求項１記載の加速度センサにおいて、前
    記ダイヤフラム部に検出部を配設したことを特徴とする
    加速度センサ。
  6. 【請求項６】請求項５記載の加速度センサにおいて、前
    記検出部の肉厚を前記ダイヤフラム部よりも厚くしたこ
    とを特徴とする加速度センサ。
  7. 【請求項７】検出対象物に固定される枠部と、前記検出
    対象物の加速度を慣性力に変換する質量部と、前記枠部
    と前記質量部とを接続するダイヤフラム部とを有する加
    速度センサにおいて、前記質量部の上面と下面に付加質
    量部材を設けたことを特徴とする加速度センサ。
  8. 【請求項８】請求項７記載の加速度センサにおいて、前
    記付加質量部材は金属膜であることを特徴とする加速度
    センサ。
  9. 【請求項９】検出対象物に固定される枠部と、前記検出
    対象物の加速度を慣性力に変換する質量部と、前記枠部
    と前記質量部とを接続するダイヤフラム部とを有する加
    速度センサにおいて、前記質量部にその質量部よりも密
    度の高い材料からなる付加質量部材を設けたことを特徴
    とする加速度センサ。
  10. 【請求項１０】検出対象物に固定される枠部と、前記検
    出対象物の加速度を慣性力に変換する質量部と、前記枠
    部と前記質量部とを接続するダイヤフラム部とを有する
    加速度センサにおいて、前記質量部の前記ダイヤフラム
    部の幅の部分に質量中心がくるように付加質量部材を前
    記質量部に設けたことを特徴とする加速度センサ。
  11. 【請求項１１】請求項１ないし請求項１０のいずれか記
    載の加速度センサにおいて、前記質量部は上部に付加質
    量部と、下部に空隙部を有することを特徴とする加速度
    センサ。
  12. 【請求項１２】請求項１ないし請求項１１のいずれか記
    載の加速度センサと、前記ダイヤフラム部に配設された
    検出部の変化により加速度の変化を検出する検出回路
    と、前記検出回路からの出力に基づいて自動車のエアバ
    ックを動作させるか否かを判断する演算出力部とから構
    成したことを特徴とするエアバックシステム。
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