JPH06294812A - 半導体加速度センサー - Google Patents
半導体加速度センサーInfo
- Publication number
- JPH06294812A JPH06294812A JP10768893A JP10768893A JPH06294812A JP H06294812 A JPH06294812 A JP H06294812A JP 10768893 A JP10768893 A JP 10768893A JP 10768893 A JP10768893 A JP 10768893A JP H06294812 A JPH06294812 A JP H06294812A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- elements
- axis
- piezoresistive
- bob
- weight
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】４本ゲージの構成でも十分に他軸感度をキャン
セルできて、さらになお小型とできる加速度センサーの
提供 【構成】図１のホイートストーンブリッジ(WB)回路(a)
は、図１(c) に示す構造の半導体加速度センサーに構成
された本発明の配置によるピエゾ抵抗素子を接続した回
路で、WBの抵抗R1〜R4は図１(c) のａ〜ｈに示す４つの
ピエゾ抵抗素子で、図１(c) で固定枠３の内側に、XY平
面に配置される錘２を支える４本のビーム１上にあり、
かつ交互に固定枠側、錘側に位置する。結果として錘の
動きで信号に寄与するのはＺ軸方向の運動のみであり、
錘２の可能な運動はＺ軸方向の並進運動以外にはＸ、Ｙ
軸を軸とする回転運動のみなので、結局目標とするＺ軸
方向の加速度がほぼ正しく検出できる。
セルできて、さらになお小型とできる加速度センサーの
提供 【構成】図１のホイートストーンブリッジ(WB)回路(a)
は、図１(c) に示す構造の半導体加速度センサーに構成
された本発明の配置によるピエゾ抵抗素子を接続した回
路で、WBの抵抗R1〜R4は図１(c) のａ〜ｈに示す４つの
ピエゾ抵抗素子で、図１(c) で固定枠３の内側に、XY平
面に配置される錘２を支える４本のビーム１上にあり、
かつ交互に固定枠側、錘側に位置する。結果として錘の
動きで信号に寄与するのはＺ軸方向の運動のみであり、
錘２の可能な運動はＺ軸方向の並進運動以外にはＸ、Ｙ
軸を軸とする回転運動のみなので、結局目標とするＺ軸
方向の加速度がほぼ正しく検出できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、加速度を半導体歪みゲ
ージ（ピエゾ抵抗素子）センサーで検出する装置に関す
る。
ージ（ピエゾ抵抗素子）センサーで検出する装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、４本の両持梁（ビーム）に設けら
れたピエゾ抵抗素子によって加速度を検知する半導体加
速度センサーはビームの取付面に垂直な方向の錘の振動
だけではなく、ビームの取付面内に回転軸を有する運動
モードを有するため検出したい信号以外の信号が混じっ
てしまう。そのため、それらの信号をキャンセルするよ
うな工夫が、例えば Stephen Terry,IEEE Solid State
Sensor and Accelerometer Workshop(1988)pp.114-116
等に提案されている。この提案はピエゾ抵抗素子を４本
のビームにそれぞれ２本ずつ両端に配置して、８個の素
子で特定のホイートストーンブリッジを組んで不要な振
動モードの信号をキャンセルするものである。
れたピエゾ抵抗素子によって加速度を検知する半導体加
速度センサーはビームの取付面に垂直な方向の錘の振動
だけではなく、ビームの取付面内に回転軸を有する運動
モードを有するため検出したい信号以外の信号が混じっ
てしまう。そのため、それらの信号をキャンセルするよ
うな工夫が、例えば Stephen Terry,IEEE Solid State
Sensor and Accelerometer Workshop(1988)pp.114-116
等に提案されている。この提案はピエゾ抵抗素子を４本
のビームにそれぞれ２本ずつ両端に配置して、８個の素
子で特定のホイートストーンブリッジを組んで不要な振
動モードの信号をキャンセルするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
提案では各両持梁に２本ずつピエゾ抵抗素子を設け、か
つそれらの接続が単純ではないため配線が多くなり、ビ
ームを小さくすることには限度がある。このことは所定
の検出範囲に対して設定する錘の質量を大きくせざるを
得ないことを意味し、結果として検出加速度に制限を与
えてしまい、より高感度な小型のセンサーを構成するた
めに障害となっていた。
提案では各両持梁に２本ずつピエゾ抵抗素子を設け、か
つそれらの接続が単純ではないため配線が多くなり、ビ
ームを小さくすることには限度がある。このことは所定
の検出範囲に対して設定する錘の質量を大きくせざるを
得ないことを意味し、結果として検出加速度に制限を与
えてしまい、より高感度な小型のセンサーを構成するた
めに障害となっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、三次元空間直交軸X,Y,Z 軸のＸ−Ｙ
平面上で、Ｘ軸対称かつＹ軸対称な配置の、二組の平行
な合計４本の両持梁を有し、該４本の前記両持梁で固定
枠の内側の空間に支えられるＸ軸対称かつＹ軸対称の錘
でもって、前記両持梁に設けられたピエゾ抵抗素子によ
ってＺ軸方向の加速度を検知する半導体加速度センサー
において、前記ピエゾ抵抗素子が４本の前記両持梁にそ
れぞれ一個ずつ合計４個、かつ、隣合う位置関係にある
前記ピエゾ抵抗素子がそれぞれ前記両持梁の錘側端部と
固定枠側端部とに交互に配置され、前記ピエゾ抵抗素子
は隣合う配置の素子どうしが接続されてループとなった
ホイートストーンブリッジ回路に構成され、相対するブ
リッジ端子が出力端子、残りのブリッジ端子が電源端子
であることからなることを特徴とする。
め本発明の構成は、三次元空間直交軸X,Y,Z 軸のＸ−Ｙ
平面上で、Ｘ軸対称かつＹ軸対称な配置の、二組の平行
な合計４本の両持梁を有し、該４本の前記両持梁で固定
枠の内側の空間に支えられるＸ軸対称かつＹ軸対称の錘
でもって、前記両持梁に設けられたピエゾ抵抗素子によ
ってＺ軸方向の加速度を検知する半導体加速度センサー
において、前記ピエゾ抵抗素子が４本の前記両持梁にそ
れぞれ一個ずつ合計４個、かつ、隣合う位置関係にある
前記ピエゾ抵抗素子がそれぞれ前記両持梁の錘側端部と
固定枠側端部とに交互に配置され、前記ピエゾ抵抗素子
は隣合う配置の素子どうしが接続されてループとなった
ホイートストーンブリッジ回路に構成され、相対するブ
リッジ端子が出力端子、残りのブリッジ端子が電源端子
であることからなることを特徴とする。
【０００５】
【作用】ビームの振動は、錘がＺ軸方向に振動する場合
では、４つの素子のうち、対角線に位置するピエゾ抵抗
素子どうしに同位相の抵抗変化が発生して、隣どうしの
素子間では位相が反対の抵抗変化となるが、錘に他軸の
回転振動が含まれる場合は、その回転軸対称に位置する
隣あったピエゾ抵抗素子間では、お互いに同相の抵抗変
化を発生するので、その二つを組み合わせれば他軸の抵
抗変化成分を相殺できる。従って、この４つの素子でホ
イートストーンブリッジを組んで信号を取り出す場合、
隣合った位置のピエゾ抵抗素子を錘側部と固定枠側とに
交互に、即ち本発明の示す配置でピエゾ抵抗素子をルー
プ状に接続すると、他軸の望ましくない信号はキャンセ
ルされる。
では、４つの素子のうち、対角線に位置するピエゾ抵抗
素子どうしに同位相の抵抗変化が発生して、隣どうしの
素子間では位相が反対の抵抗変化となるが、錘に他軸の
回転振動が含まれる場合は、その回転軸対称に位置する
隣あったピエゾ抵抗素子間では、お互いに同相の抵抗変
化を発生するので、その二つを組み合わせれば他軸の抵
抗変化成分を相殺できる。従って、この４つの素子でホ
イートストーンブリッジを組んで信号を取り出す場合、
隣合った位置のピエゾ抵抗素子を錘側部と固定枠側とに
交互に、即ち本発明の示す配置でピエゾ抵抗素子をルー
プ状に接続すると、他軸の望ましくない信号はキャンセ
ルされる。
【０００６】
【発明の効果】本発明の構成では、各ビームに一つのピ
エゾ抵抗素子が形成されればよく、そのため配線も少な
くて簡単で済み、他軸感度を含むことなくビームを小型
化した加速度センサーが形成できる。
エゾ抵抗素子が形成されればよく、そのため配線も少な
くて簡単で済み、他軸感度を含むことなくビームを小型
化した加速度センサーが形成できる。
【０００７】
（第一実施例）以下、本発明を具体的な実施例に基づい
て説明する。図１は本発明を適用した構造の半導体加速
度センサーの模式平面図で、固定枠３の内側の空間４
に、ＸＹ平面に配置される錘２を支えている４本のビー
ム１上に、ピエゾ抵抗素子ａ〜ｈが４つ、交互に固定枠
側、錘側に位置している。このピエゾ抵抗素子は図２に
示すホイートストーンブリッジ回路を構成し、ブリッジ
の抵抗Ｒ1 〜Ｒ4 はそれぞれ図１(a) のａ，ｄ，ｅ，ｈ
に示す４つのピエゾ抵抗素子である。この固定枠３及び
錘２は半導体のウエハ状態からエッチングにより、くり
抜かれて形成される。ビーム１の部分は図１(b) に示す
K-K 部分の断面図の様に、ウエハの裏側からやはりエッ
チングで、薄肉部を設けることで形成する。
て説明する。図１は本発明を適用した構造の半導体加速
度センサーの模式平面図で、固定枠３の内側の空間４
に、ＸＹ平面に配置される錘２を支えている４本のビー
ム１上に、ピエゾ抵抗素子ａ〜ｈが４つ、交互に固定枠
側、錘側に位置している。このピエゾ抵抗素子は図２に
示すホイートストーンブリッジ回路を構成し、ブリッジ
の抵抗Ｒ1 〜Ｒ4 はそれぞれ図１(a) のａ，ｄ，ｅ，ｈ
に示す４つのピエゾ抵抗素子である。この固定枠３及び
錘２は半導体のウエハ状態からエッチングにより、くり
抜かれて形成される。ビーム１の部分は図１(b) に示す
K-K 部分の断面図の様に、ウエハの裏側からやはりエッ
チングで、薄肉部を設けることで形成する。
【０００８】ビーム１の位置は錘が振動するモードを考
慮してなるべく検出軸以外の成分が入ってこないような
位置に決められる。これは検出目標や形状や錘の寸法等
の設計により変化する。しかしどのような寸法になって
も図１(a) に示すＺ軸方向の動き以外にも錘の中心を通
るＸ軸またはＹ軸を軸とする回転運動が存在し、この振
動モードによる信号、即ち他軸感度が含まれてしまう。
慮してなるべく検出軸以外の成分が入ってこないような
位置に決められる。これは検出目標や形状や錘の寸法等
の設計により変化する。しかしどのような寸法になって
も図１(a) に示すＺ軸方向の動き以外にも錘の中心を通
るＸ軸またはＹ軸を軸とする回転運動が存在し、この振
動モードによる信号、即ち他軸感度が含まれてしまう。
【０００９】一例としてＹ軸を中心にして回転する振動
モードの場合に、ｂの部分がさがってｄの部分が上がる
ような動きの場合は、ａのピエゾ抵抗素子は伸張力を受
け、ｅのピエゾ抵抗素子は圧縮力を受けるので、ａは抵
抗値が下がり、ｅは抵抗値が上がるが、この時、ｄのピ
エゾ抵抗素子とｈのピエゾ抵抗素子との間でも同様な関
係の変動が発生するためブリッジのバランスは保たれる
ことになる。また、ａとｄとの間では両者とも伸張力を
受ける配置なので同じ抵抗変化が発生する関係になって
いる。錘が反対の方向に動く場合も同様で、同じ回転軸
側の隣合ったピエゾ抵抗素子はお互いに反対の抵抗変化
を生じ、回転対称に位置する隣のピエゾ抵抗素子どうし
は同相の抵抗変化を発生する。従って、ホイートストー
ンブリッジにおいては丁度出力端子に対してバランスを
保ったままの関係になり、このＹ軸の動きによる信号成
分は出力端子に出てこない。
モードの場合に、ｂの部分がさがってｄの部分が上がる
ような動きの場合は、ａのピエゾ抵抗素子は伸張力を受
け、ｅのピエゾ抵抗素子は圧縮力を受けるので、ａは抵
抗値が下がり、ｅは抵抗値が上がるが、この時、ｄのピ
エゾ抵抗素子とｈのピエゾ抵抗素子との間でも同様な関
係の変動が発生するためブリッジのバランスは保たれる
ことになる。また、ａとｄとの間では両者とも伸張力を
受ける配置なので同じ抵抗変化が発生する関係になって
いる。錘が反対の方向に動く場合も同様で、同じ回転軸
側の隣合ったピエゾ抵抗素子はお互いに反対の抵抗変化
を生じ、回転対称に位置する隣のピエゾ抵抗素子どうし
は同相の抵抗変化を発生する。従って、ホイートストー
ンブリッジにおいては丁度出力端子に対してバランスを
保ったままの関係になり、このＹ軸の動きによる信号成
分は出力端子に出てこない。
【００１０】この関係はＸ軸を軸として錘が回転運動す
る場合も同様であり、結果として錘の動きで信号に寄与
するのはＺ軸方向の運動のみとなる。Ｚ軸方向の振動の
際には、錘２が上に上がる時、ピエゾ抵抗ａ、ｈは圧縮
を受け、ｄ、ｅは伸張の力を受けるので、ブリッジの各
抵抗はバランスを大きく崩す様に抵抗変化する。従っ
て、錘２のＺ軸方向の並進運動以外に可能な運動はＸ、
Ｙ軸を軸とする回転運動のみなので、結局上記の理由に
より、目標とするＺ軸方向の加速度のみがほぼ正しく検
出できる。
る場合も同様であり、結果として錘の動きで信号に寄与
するのはＺ軸方向の運動のみとなる。Ｚ軸方向の振動の
際には、錘２が上に上がる時、ピエゾ抵抗ａ、ｈは圧縮
を受け、ｄ、ｅは伸張の力を受けるので、ブリッジの各
抵抗はバランスを大きく崩す様に抵抗変化する。従っ
て、錘２のＺ軸方向の並進運動以外に可能な運動はＸ、
Ｙ軸を軸とする回転運動のみなので、結局上記の理由に
より、目標とするＺ軸方向の加速度のみがほぼ正しく検
出できる。
【００１１】（第二実施例）ピエゾ抵抗素子の配置を図
１に示した他に、ビームの反対の端に置き換えたもの
（b,c,f,g の位置、図３の断面図参照）でも、構造に対
称性があるため同様な効果がある。
１に示した他に、ビームの反対の端に置き換えたもの
（b,c,f,g の位置、図３の断面図参照）でも、構造に対
称性があるため同様な効果がある。
【００１２】従来は図５に示すホイートストーンブリッ
ジ回路で示すような８個のピエゾ抵抗素子を用いて図１
(a) のａ〜ｈ全ての位置にピエゾ抵抗素子を設け、同じ
ペアの素子内で他軸感度を相殺するようホイートストー
ンブリッジを組んでいたので、複雑な配線を必要とし、
ビーム部分に数本の配線を通さなくてはならなかった。
そのためビームの幅を小さくすることには限度があっ
た。今回の構成では各ビームに一つのピエゾ抵抗素子が
あるだけでよく、配線も最大２本通す事が出来ればよい
だけなのでかなり細くでき、センサー構造を小型化する
ことが出来る。
ジ回路で示すような８個のピエゾ抵抗素子を用いて図１
(a) のａ〜ｈ全ての位置にピエゾ抵抗素子を設け、同じ
ペアの素子内で他軸感度を相殺するようホイートストー
ンブリッジを組んでいたので、複雑な配線を必要とし、
ビーム部分に数本の配線を通さなくてはならなかった。
そのためビームの幅を小さくすることには限度があっ
た。今回の構成では各ビームに一つのピエゾ抵抗素子が
あるだけでよく、配線も最大２本通す事が出来ればよい
だけなのでかなり細くでき、センサー構造を小型化する
ことが出来る。
【００１３】この構造をＦＥＭ（有限要素法）でシミュ
レーションすると、図４(a) 及び(b) の指向性欄（出力
に相当）で示されるように、８本のピエゾ抵抗素子を用
いた(b) に比べ、４本のピエゾ抵抗素子で構成した本発
明の場合でも、Ｚ軸方向のみが大きく値を持ち、他の軸
の出力はほとんどなく、他軸感度の程度にはほとんど差
がない。即ちこれは４本の構成でも十分に他軸感度をキ
ャンセルできて、さらになお小型の加速度センサーが実
現できることを意味する。
レーションすると、図４(a) 及び(b) の指向性欄（出力
に相当）で示されるように、８本のピエゾ抵抗素子を用
いた(b) に比べ、４本のピエゾ抵抗素子で構成した本発
明の場合でも、Ｚ軸方向のみが大きく値を持ち、他の軸
の出力はほとんどなく、他軸感度の程度にはほとんど差
がない。即ちこれは４本の構成でも十分に他軸感度をキ
ャンセルできて、さらになお小型の加速度センサーが実
現できることを意味する。
【００１４】
【図１】本発明のピエゾ抵抗素子の配置を施した半導体
加速度センサーの模式図。
加速度センサーの模式図。
【図２】図１のピエゾ抵抗素子によるホイートストーン
ブリッジ回路図。
ブリッジ回路図。
【図３】本発明の第二実施例をしめすビーム部の断面
図。
図。
【図４】ＦＥＭ解析結果一覧図。
【図５】従来のホイートストーンブリッジ回路図。
１ ビーム（梁） ２ 錘 ３ 固定枠 ａ，ｄ，ｅ，ｈ 本発明のピエゾ抵抗素子（歪みゲー
ジ） ｂ，ｃ，ｆ，ｇ 第二実施例、及び従来のピエゾ抵抗素
子の配置部分
ジ） ｂ，ｃ，ｆ，ｇ 第二実施例、及び従来のピエゾ抵抗素
子の配置部分
Claims (1)
- 【請求項１】三次元空間直交軸X,Y,Z 軸のＸ−Ｙ平面上
で、Ｘ軸対称かつＹ軸対称な配置の、二組の平行な合計
４本の両持梁を有し、該４本の前記両持梁で固定枠の内
側の空間に支えられるＸ軸対称かつＹ軸対称の錘でもっ
て、前記両持梁に設けられたピエゾ抵抗素子によってＺ
軸方向の加速度を検知する半導体加速度センサーにおい
て、 前記ピエゾ抵抗素子が４本の前記両持梁にそれぞれ一個
ずつ合計４個、かつ、隣合う位置関係にある前記ピエゾ
抵抗素子がそれぞれ前記両持梁の錘側端部と固定枠側端
部とに交互に配置され、 前記ピエゾ抵抗素子は隣合う配置の素子どうしが接続さ
れてループとなったホイートストーンブリッジ回路に構
成され、相対するブリッジ端子が出力端子、残りのブリ
ッジ端子が電源端子であることからなることを特徴とす
る半導体加速度センサー。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10768893A JPH06294812A (ja) | 1993-04-09 | 1993-04-09 | 半導体加速度センサー |
| US08/198,052 US5507182A (en) | 1993-02-18 | 1994-02-18 | Semiconductor accelerometer with damperless structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10768893A JPH06294812A (ja) | 1993-04-09 | 1993-04-09 | 半導体加速度センサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06294812A true JPH06294812A (ja) | 1994-10-21 |
Family
ID=14465451
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10768893A Pending JPH06294812A (ja) | 1993-02-18 | 1993-04-09 | 半導体加速度センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06294812A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10290792A (ja) * | 1997-04-18 | 1998-11-04 | Toshiba Corp | 生体磁場計測装置 |
| US6683358B1 (en) | 1997-11-11 | 2004-01-27 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Silicon integrated accelerometer |
| JP2007003211A (ja) * | 2005-06-21 | 2007-01-11 | Sharp Corp | 加速度センサおよびその出力補正方法 |
| JP2014010021A (ja) * | 2012-06-29 | 2014-01-20 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | 加速度計 |
-
1993
- 1993-04-09 JP JP10768893A patent/JPH06294812A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10290792A (ja) * | 1997-04-18 | 1998-11-04 | Toshiba Corp | 生体磁場計測装置 |
| US6683358B1 (en) | 1997-11-11 | 2004-01-27 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Silicon integrated accelerometer |
| WO2004090556A1 (ja) * | 1997-11-11 | 2004-10-21 | Makoto Ishida | シリコン集積化加速度センサ |
| JP2007003211A (ja) * | 2005-06-21 | 2007-01-11 | Sharp Corp | 加速度センサおよびその出力補正方法 |
| JP2014010021A (ja) * | 2012-06-29 | 2014-01-20 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | 加速度計 |
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