JPH05333042A - 半導体力学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出軸方向以外の方向である他軸方向におけ
る感度を低減し、印加電圧変動による出力変動を抑制で
きる半導体力学センサを提供すること。 【構成】 半導体加速度センサ１００は、半導体基板１
１を加工した片持梁構造で、その薄肉部１６の溝部１４
と反対側表面に４つの半導体歪ゲージ２１，２２，２
３，２４が形成されている。それらは、図１(a) のよう
に、薄肉部１６の法線方向である検出軸方向（Ｚ軸方
向）の撓みに関与する幅の中心線Ｌに対して左右対称で
配列方向が互い違いに配設される。又、図１(b) のよう
に、それらはフルブリッジ回路における電圧印加端子Ｖ
_CCと両出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y 間又は両出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y と接
地端子ＧＮＤ間にそれぞれ接続される。これにより、半
導体加速度センサ１００は他軸方向に撓みが生じた場合
及び印加電圧変動によるフルブリッジ回路の両出力端子
間の電圧差をなくすことができ検出精度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体歪ゲージのピエ
ゾ抵抗効果を利用して物理的な変位を検出する半導体力
学センサに関する。

【０００２】

【従来技術】従来、片持梁構造の半導体基板の固定端近
傍の薄肉部でエッチング面と反対側の面側に複数の半導
体歪ゲージが形成されブリッジ回路を構成した半導体力
学センサとして、特開昭６３−８６５７６号公報「半導
体式加速度センサ」にて開示されたものが知られてい
る。このものは、図４(a) に示したような、半導体歪ゲ
ージ６１，６２，６３，６４の配列で、図４(b) に示し
たような、それら半導体歪ゲージ６１，６２，６３，６
４によりフルブリッジ回路を構成したものと等価であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の半導
体力学センサは、検出軸方向以外の方向（以下、他軸方
向という）の加速度に対しても、自由端が感応して動く
ことによりセンサ出力にその分の誤差が生じるという問
題があった。ここで、半導体歪ゲージは、電流の流れる
方向に対して引張力が働くと抵抗値が増加し、同じく圧
縮力が働くと抵抗値が減少する。この反対に、半導体歪
ゲージは、電流の流れる方向に直角な方向に対して引張
力が働くと抵抗値が減少し、同じく圧縮力が働くと抵抗
値が増加する。そして、引張力と圧縮力の大きさが同じ
であれば抵抗値の変化分は等しくなる。図５に示したよ
うに、他軸方向のＸ軸方向に撓みが生じた場合には上記
薄肉部の幅の中心線に対して半導体歪ゲージにかかる応
力は左右で異なり、一方が引張力となると他方は圧縮力
となる。又、ある位置である方向に引張力が作用してい
るとその方向に直角な方向には圧縮力が作用しているこ
とと等価になる。更に、このときの半導体歪ゲージの抵
抗値の増減及びその変化量の大きさは上記左右対称の位
置において等しくなる。このため、上述の配列におい
て、半導体歪ゲージ６１は抵抗値が大きく変化し、半導
体歪ゲージ６２は抵抗値が小さく変化し、半導体歪ゲー
ジ６３は抵抗値が小さく逆に変化し、半導体歪ゲージ６
４は抵抗値が大きく逆に変化することになる。これによ
り、出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y には電圧差が生じてしまうからで
ある。

【０００４】又、半導体力学センサ上に形成された半導
体歪ゲージは、幅方向の端面位置に近い程、空気層に近
く放熱し易い。このような各半導体歪ゲージの幅方向に
おける発熱と周囲への放熱との違いにより温度が幅方向
で異なり、この温度特性により出力が変動し検出精度が
低下するという問題があった。即ち、発熱により、各半
導体歪ゲージ６１，６２，６３，６４の抵抗値は、図６
に示したような変化を呈する。半導体歪ゲージ６１は抵
抗値が小さく、半導体歪ゲージ６２は抵抗値が大きく、
半導体歪ゲージ６３は抵抗値が大きく、半導体歪ゲージ
６４は抵抗値が小さくそれぞれ減少することになる。こ
れにより、出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y には電圧差が生じてしまう
からである。

【０００５】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的とするところは、他軸方向
における感度を低減し、熱平衡状態及び温度変化による
出力変動を抑制できる半導体力学センサを提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、長さ方向の一端の自由端側に厚肉部、
長さ方向の他端の固定端側に、長さ方向に直角な幅方向
に形成され薄肉部を有した片持梁構造の半導体基板から
成りその薄肉部の感歪面に歪み検出用の４つの半導体歪
ゲージを形成しフルブリッジ回路を構成し、前記感歪面
に垂直な方向の力を検出する半導体力学センサにおい
て、前記半導体歪ゲージは前記薄肉部の幅の前記長さ方
向にとられた中心線に対して左右対称となる位置で、そ
の配列方向が前記中心線に平行又は直角方向で互い違い
に配設され、前記フルブリッジ回路における電圧印加端
子と両出力端子間又は両出力端子と接地端子間には前記
中心線に対して左右対称な位置に配設された前記半導体
歪ゲージがそれぞれ接続されることを特徴とする。

【０００７】

【作用】上記の手段によれば、４つの半導体歪ゲージは
薄肉部の幅の長さ方向にとられた中心線に対して左右対
称となる位置でその配列方向がその中心線に平行又は直
角方向で互い違いに配設される。ここで、半導体歪ゲー
ジは、電流の流れる方向に対して引張力が働くと抵抗値
が増加し、同じく圧縮力が働くと抵抗値が減少する。こ
の反対に、半導体歪ゲージは、電流の流れる方向に直角
な方向に対して引張力が働くと抵抗値が減少し、同じく
圧縮力が働くと抵抗値が増加する。そして、引張力と圧
縮力の大きさが同じであれば抵抗値の変化分は等しくな
る。上記半導体歪ゲージの配列により、他軸方向の撓み
が生じた場合には上記薄肉部の幅の中心線に対して半導
体歪ゲージには左右で異なった引張力又は圧縮力が働く
ことになる。このときの半導体歪ゲージの抵抗値の増減
及びその変化量の大きさは上記左右対称の位置において
等しくなる。そして、フルブリッジ回路における電圧印
加端子と両出力端子間又は両出力端子と接地端子間には
上記薄肉部の幅の中心線に対して左右対称な位置に配設
された上記半導体歪ゲージがそれぞれ接続される。これ
により、フルブリッジ回路における電圧印加端子と両出
力端子間及び両出力端子と接地端子間に接続される半導
体歪ゲージの他軸方向における抵抗値の増減及びその変
化量の大きさが等しくなる。従って、本発明の半導体力
学センサは、他軸方向に撓みが生じた場合のフルブリッ
ジ回路の両出力端子間の電圧差をなくすことができ、検
出軸方向における検出精度が向上する。

【０００８】又、上記半導体歪ゲージの配列により、電
源オン時などの際、半導体歪ゲージの発熱と周囲への放
熱とのバランス状況が異なり熱平衡状態に至るまで上記
薄肉部の幅の中心線に対して左右対称な位置でほぼ等し
くなる。このような場合においても、本発明の半導体力
学センサは、上述のフルブリッジ回路における各半導体
歪ゲージの接続によりそのフルブリッジ回路の両出力端
子間の電圧差を少なくでき、その出力の変動が抑制され
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は本発明に係る半導体力学センサである半
導体加速度センサの構造及びフルブリッジ回路を示した
構成図である。図１(a) に示したように、半導体加速度
センサ１００は、半導体基板１１を加工し、先端に自由
端である厚肉部１２、手前にエッチングなどにより溝部
１４を形成して成る薄肉部１６及び固定部１８を有した
片持梁構造である。上記薄肉部１６の溝部１４と反対側
表面に４つの半導体歪ゲージ２１，２２，２３，２４が
形成されている。これら４つの半導体歪ゲージ２１，２
２，２３，２４は薄肉部１６の法線方向である検出軸方
向（Ｚ軸方向）の撓みに関与する幅の中心線Ｌに対して
左右対称となる位置で、その配列方向が中心線Ｌに対し
て平行方向（Ｙ軸方向）、直角方向（Ｘ軸方向）となる
ように互い違いに配設されている。又、図１(b) に示し
たように、フルブリッジ回路における電圧印加端子Ｖ_CC
と両出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y 間又は両出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y と接地
端子ＧＮＤ間にはそれぞれ中心線Ｌに対して左右対称な
位置に配設された４つの半導体歪ゲージ２１，２２，２
３，２４が接続されている。

【００１０】次に、その作用について説明する。図１の
半導体加速度センサ１００において、検出軸方向（Ｚ軸
方向）以外の他軸方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）のうち矢印
のように、Ｘ軸方向加速度が加わった場合を想定する。
このときの各半導体歪ゲージ２１，２２，２３，２４の
抵抗値は前述したように変化しその状態を図２に示し
た。尚、図２において、矢印の方向及び大きさはそれぞ
れ抵抗値の増減及びその変化の大きさを表している。
又、各半導体歪ゲージにかかる応力に関しては図５を参
照する。半導体歪ゲージ２１には引張方向の大きな力が
加わることにより、その抵抗値は大きく増加する。又、
半導体歪ゲージ２２には引張方向の小さな力が加わるこ
とにより、その抵抗値は小さく減少する。又、半導体歪
ゲージ２３には圧縮方向の小さな力が加わることによ
り、その抵抗値は小さく減少する。そして、半導体歪ゲ
ージ２４には圧縮方向の大きな力が加わることにより、
その抵抗値は大きく増加する。このため、図２のフルブ
リッジ回路における出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y の電圧値が等しく
なりキャンセルされる。即ち、Ｘ軸方向加速度が加わっ
ても半導体加速度センサ１００の出力変化に影響を与え
ることはない。

【００１１】次に、図１の半導体加速度センサ１００に
おいて、各半導体歪ゲージが発熱する場合を想定する。
半導体基板１１の薄肉部１６における各半導体歪ゲージ
２１，２２，２３，２４の配列により、それらの発熱と
周囲への放熱とが異なるが中心線Ｌに対して左右対称な
位置で温度はほぼ等しくなる。このときの各半導体歪ゲ
ージ２１，２２，２３，２４の抵抗値の変化は前述と同
様でありその状態を図３に示した。尚、図３において、
矢印の方向及び大きさはそれぞれ抵抗値の増減及びその
変化の大きさを表している。半導体歪ゲージ２１は放熱
し易いため温度上昇は小さくその抵抗値は小さな減少と
なる。又、半導体歪ゲージ２２は放熱し難いため温度上
昇は大きくその抵抗値は大きな減少となる。又、半導体
歪ゲージ２３は半導体歪ゲージ２２と同様に、放熱し難
いため温度上昇は大きくその抵抗値は大きな減少とな
る。そして、半導体歪ゲージ２４は半導体歪ゲージ２１
と同様に、放熱し易いため温度上昇は小さくその抵抗値
は小さな減少となる。即ち、半導体歪ゲージ２１と半導
体歪ゲージ２４及び半導体歪ゲージ２２と半導体歪ゲー
ジ２３で同じような抵抗値変化となる。このため、図３
のフルブリッジ回路における出力端子Ｖ_X,Ｖ_Y の電圧値
がほぼ等しくなりキャンセルされる。即ち、電源オンな
どにより各半導体歪ゲージに熱変化が生じる場合におい
て、半導体加速度センサ１００の出力変化に与える影響
を抑制できる。

【００１２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成さ
れ、４つの半導体歪ゲージを薄肉部の幅の中心線に対し
て左右対称となる位置で、その中心線に平行又は直角方
向に互い違いに配設するという構造上の工夫とフルブリ
ッジ回路における電圧印加端子と両出力端子間又は両出
力端子と接地端子間に上記中心線に対して左右対称な位
置に配設された半導体歪ゲージをそれぞれ接続するとい
う回路上の工夫とがなされており、半導体力学センサは
検出軸方向における出力誤差が低減され、電源電圧変動
や電源オンなどに対する出力変動も抑制されるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な一実施例に係る半導体力学セ
ンサである半導体加速度センサの構造及び回路を示した
構成図である。

【図２】図１の半導体加速度センサにＸ軸方向加速度が
加わった場合におけるフルブリッジ回路における各半導
体歪ゲージの抵抗値の変化を示した説明図である。

【図３】図１の半導体加速度センサで電源オン時におけ
るフルブリッジ回路における各半導体歪ゲージの抵抗値
の変化を示した説明図である。

【図４】従来の半導体加速度センサの構造及び回路を示
した構成図である。

【図５】図４の半導体加速度センサにＸ軸方向加速度が
加わった場合における薄肉部の幅方向にかかる引張力又
は圧縮力を示した説明図である。

【図６】図４の半導体加速度センサで電源オン時におけ
るフルブリッジ回路における各半導体歪ゲージの抵抗値
の変化を示した説明図である。

【符号の説明】

１１…半導体基板 １２…厚肉部 １４…溝部 １６…薄肉部 １８…固定部 ２１，２２，２３，２４…半導体歪ゲージ １００…半導体加速度センサ（半導体力学センサ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長さ方向の一端の自由端側に厚肉部、長
   さ方向の他端の固定端側に、長さ方向に直角な幅方向に
   形成され薄肉部を有した片持梁構造の半導体基板から成
   りその薄肉部の感歪面に歪み検出用の４つの半導体歪ゲ
   ージを形成しフルブリッジ回路を構成し、前記感歪面に
   垂直な方向の力を検出する半導体力学センサにおいて、 前記半導体歪ゲージは前記薄肉部の幅の前記長さ方向に
   とられた中心線に対して左右対称となる位置で、その配
   列方向が前記中心線に平行又は直角方向で互い違いに配
   設され、前記フルブリッジ回路における電圧印加端子と
   両出力端子間又は両出力端子と接地端子間には前記中心
   線に対して左右対称な位置に配設された前記半導体歪ゲ
   ージがそれぞれ接続されることを特徴とする半導体力学
   センサ。