JPH06300774A - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
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- JPH06300774A JPH06300774A JP5090056A JP9005693A JPH06300774A JP H06300774 A JPH06300774 A JP H06300774A JP 5090056 A JP5090056 A JP 5090056A JP 9005693 A JP9005693 A JP 9005693A JP H06300774 A JPH06300774 A JP H06300774A
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- thick
- acceleration
- single crystal
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- piezoresistance
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- G—PHYSICS
- 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
- G01P2015/0805—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
- G01P2015/0822—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
- G01P2015/084—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 the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 使用するシリコン単結晶の面方位や抵抗素子
の配置に制約がなく、しかも、高温で安定に動作する半
導体ゲージ型の加速度センサを提供する。 【構成】 加速度が加わると、重り部の質量に加速度が
作用して慣性力が発生する。慣性力は、厚肉剛体部を介
して薄肉部に伝達されたわみを生じさせる。たわみによ
って薄肉部に応力が発生する。その応力によるピエゾ抵
抗効果によって各ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。
４つのピエゾ抵抗素子はホイートストンブリッジを形成
している。よって、ブリッジの出力電位差にもとづいて
加速度が検出される。ここで、ピエゾ抵抗素子として、
高濃度に不純物がドープされた多結晶シリコンが用いら
れ、各ピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗係数は結晶軸方向に
依存しない。また、ピエゾ抵抗素子は、絶縁膜でシリコ
ン単結晶と絶縁される。
の配置に制約がなく、しかも、高温で安定に動作する半
導体ゲージ型の加速度センサを提供する。 【構成】 加速度が加わると、重り部の質量に加速度が
作用して慣性力が発生する。慣性力は、厚肉剛体部を介
して薄肉部に伝達されたわみを生じさせる。たわみによ
って薄肉部に応力が発生する。その応力によるピエゾ抵
抗効果によって各ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。
４つのピエゾ抵抗素子はホイートストンブリッジを形成
している。よって、ブリッジの出力電位差にもとづいて
加速度が検出される。ここで、ピエゾ抵抗素子として、
高濃度に不純物がドープされた多結晶シリコンが用いら
れ、各ピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗係数は結晶軸方向に
依存しない。また、ピエゾ抵抗素子は、絶縁膜でシリコ
ン単結晶と絶縁される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、直交するＸ，Ｙ，Ｚの
３軸方向の成分に分けて、作用した加速度を検出する半
導体ゲージ型の加速度センサに関する。
３軸方向の成分に分けて、作用した加速度を検出する半
導体ゲージ型の加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】図５（Ａ）は従来の半導体ゲージ型の加
速度センサの構造を示す平面図である。また、図５
（Ｂ）は図５（Ａ）に示すものにおける＜１１０＞軸を
通る切断面の断面図である。この加速度センサは、例え
ば、（１１０）面のｎ型半導体のシリコン単結晶板３１
の外周部分の厚みのある部分である厚肉固定部３２と、
シリコン単結晶板３１の中央部分の厚みのある部分であ
る厚肉剛体部３３と、厚肉固定部３２と厚肉剛体部３３
との間の環状の薄い部分である薄肉部３４と、以下に述
べる半導体ゲージ抵抗とで構成されている。
速度センサの構造を示す平面図である。また、図５
（Ｂ）は図５（Ａ）に示すものにおける＜１１０＞軸を
通る切断面の断面図である。この加速度センサは、例え
ば、（１１０）面のｎ型半導体のシリコン単結晶板３１
の外周部分の厚みのある部分である厚肉固定部３２と、
シリコン単結晶板３１の中央部分の厚みのある部分であ
る厚肉剛体部３３と、厚肉固定部３２と厚肉剛体部３３
との間の環状の薄い部分である薄肉部３４と、以下に述
べる半導体ゲージ抵抗とで構成されている。
【０００３】シリコン単結晶板３１の薄肉部３４の上部
表面には、＜１１０＞軸方向にそって、ＲZ1，ＲZ2，Ｒ
Z3，ＲZ4の４つの半導体ゲージ抵抗（以下、ゲージ抵抗
という。）が不純物拡散によって形成されている。同様
に、＜１１０＞軸から＋４５°ずれた軸方向に沿って、
薄肉部３４の上部表面にＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4の４つ
のゲージ抵抗が不純物拡散によって形成されている。さ
らに、＜１１０＞軸から−４５°ずれた軸方向に沿っ
て、薄肉部３４の上部表面にＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4の
４つのゲージ抵抗が不純物拡散によって形成されてい
る。
表面には、＜１１０＞軸方向にそって、ＲZ1，ＲZ2，Ｒ
Z3，ＲZ4の４つの半導体ゲージ抵抗（以下、ゲージ抵抗
という。）が不純物拡散によって形成されている。同様
に、＜１１０＞軸から＋４５°ずれた軸方向に沿って、
薄肉部３４の上部表面にＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4の４つ
のゲージ抵抗が不純物拡散によって形成されている。さ
らに、＜１１０＞軸から−４５°ずれた軸方向に沿っ
て、薄肉部３４の上部表面にＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4の
４つのゲージ抵抗が不純物拡散によって形成されてい
る。
【０００４】厚肉固定部３２は台座３５上に接合固定さ
れ、厚肉剛体部３３は重り部３６に接合されている。さ
らに、＜１１０＞軸方向に沿って一直線上に配置された
４つのゲージ抵抗ＲZ1，ＲZ2，ＲZ3，ＲZ4は、ホイート
ストンブリッジを構成するように接続される。同様に、
一直線上に配置された４つのゲージ抵抗ＲX1，ＲX2，Ｒ
X3，ＲX4も、ホイートストンブリッジを構成するように
接続される。一直線上に配置された４つのゲージ抵抗Ｒ
Y1，ＲY2，ＲY3，ＲY4も、ホイートストンブリッジを構
成するように接続される。各ホイートストンブリッジの
入力側は、定電流源に接続される。
れ、厚肉剛体部３３は重り部３６に接合されている。さ
らに、＜１１０＞軸方向に沿って一直線上に配置された
４つのゲージ抵抗ＲZ1，ＲZ2，ＲZ3，ＲZ4は、ホイート
ストンブリッジを構成するように接続される。同様に、
一直線上に配置された４つのゲージ抵抗ＲX1，ＲX2，Ｒ
X3，ＲX4も、ホイートストンブリッジを構成するように
接続される。一直線上に配置された４つのゲージ抵抗Ｒ
Y1，ＲY2，ＲY3，ＲY4も、ホイートストンブリッジを構
成するように接続される。各ホイートストンブリッジの
入力側は、定電流源に接続される。
【０００５】このように構成された加速度センサに加速
度が加わると、重り部３６の質量に加速度が作用して慣
性力が発生する。この慣性力は、重り部３６に接合され
た厚肉剛体部３３を介して薄肉部３４に伝達され、薄肉
部３４にたわみを生じさせる。このたわみによって薄肉
部３４に応力が発生する。
度が加わると、重り部３６の質量に加速度が作用して慣
性力が発生する。この慣性力は、重り部３６に接合され
た厚肉剛体部３３を介して薄肉部３４に伝達され、薄肉
部３４にたわみを生じさせる。このたわみによって薄肉
部３４に応力が発生する。
【０００６】一般に、シリコン単結晶に不純物拡散によ
って形成されたゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果による抵抗
値の変化は、次式で表される。 ΔＲ／Ｒ0 ＝πl σl ＋πt σt ・・・（１） ここで、Ｒ0 は、応力がないときの抵抗値、πはピエゾ
抵抗係数、σは応力を示す。また、ｌ（エル）は電流の
流れる方向、ｔはｌに直交する方向を示す。
って形成されたゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果による抵抗
値の変化は、次式で表される。 ΔＲ／Ｒ0 ＝πl σl ＋πt σt ・・・（１） ここで、Ｒ0 は、応力がないときの抵抗値、πはピエゾ
抵抗係数、σは応力を示す。また、ｌ（エル）は電流の
流れる方向、ｔはｌに直交する方向を示す。
【０００７】よって、加速度センサに加速度が加わり薄
肉部３４にたわみが生ずると、一直線上に配置された４
つのゲージ抵抗の抵抗値のそれぞれに変化が生ずる。そ
の結果、ホイートストンブリッジの平衡がくずれ、ホイ
ートストンブリッジの出力側に電位差が生ずる。この電
位差は、４つのゲージ抵抗が並んでいる方向の加速度に
対応した値を示す。それぞれが４つのゲージ抵抗を含む
３つのグループのホイートストンブリッジの各出力電位
差を検出することにより、Ｘ，Ｙ，Ｚ各方向の加速度が
検知される。
肉部３４にたわみが生ずると、一直線上に配置された４
つのゲージ抵抗の抵抗値のそれぞれに変化が生ずる。そ
の結果、ホイートストンブリッジの平衡がくずれ、ホイ
ートストンブリッジの出力側に電位差が生ずる。この電
位差は、４つのゲージ抵抗が並んでいる方向の加速度に
対応した値を示す。それぞれが４つのゲージ抵抗を含む
３つのグループのホイートストンブリッジの各出力電位
差を検出することにより、Ｘ，Ｙ，Ｚ各方向の加速度が
検知される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のピエゾ抵抗効果
を用いた加速度センサは以上のような構成であるが、ピ
エゾ抵抗係数には結晶方位依存性があり、１つの結晶面
上でも方向が異なるとその値は異なる。このために、ピ
エゾ抵抗係数の値が大きくなる結晶方位に合わせてゲー
ジ抵抗を配置しないと十分な出力が得られない。
を用いた加速度センサは以上のような構成であるが、ピ
エゾ抵抗係数には結晶方位依存性があり、１つの結晶面
上でも方向が異なるとその値は異なる。このために、ピ
エゾ抵抗係数の値が大きくなる結晶方位に合わせてゲー
ジ抵抗を配置しないと十分な出力が得られない。
【０００９】図５（Ａ）における中心点について対称な
構造として、中心点を原点とする（ｒ，θ）座標におけ
るθ方向に等方的に応力を生ずるように工夫したとして
も、θ座標値が異なるとピエゾ抵抗係数の値も異なるの
で、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸の感度にばらつきを生じ、後の信号
処理が複雑になるという問題がある。
構造として、中心点を原点とする（ｒ，θ）座標におけ
るθ方向に等方的に応力を生ずるように工夫したとして
も、θ座標値が異なるとピエゾ抵抗係数の値も異なるの
で、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸の感度にばらつきを生じ、後の信号
処理が複雑になるという問題がある。
【００１０】また、使用するシリコン単結晶の面方位と
ゲージ抵抗が配置される結晶軸方向との組み合わせに制
約が生じてしまうために、設計の自由度が小さく、製造
工程中で結晶軸に対するゲージ抵抗の位置合わせがばら
つくと出力の感度や直線性にばらつきが生ずるという問
題がある。さらに、ゲージ抵抗はｐｎ接合によって形成
されているので、１５０°Ｃ以上の高温では、リーク電
流が増大して測定不能になるという問題もある。
ゲージ抵抗が配置される結晶軸方向との組み合わせに制
約が生じてしまうために、設計の自由度が小さく、製造
工程中で結晶軸に対するゲージ抵抗の位置合わせがばら
つくと出力の感度や直線性にばらつきが生ずるという問
題がある。さらに、ゲージ抵抗はｐｎ接合によって形成
されているので、１５０°Ｃ以上の高温では、リーク電
流が増大して測定不能になるという問題もある。
【００１１】よって、本発明は、使用するシリコン単結
晶の面方位やゲージ抵抗の配置に制約がなく、しかも、
高温で安定に動作する加速度センサを提供することを目
的とする。
晶の面方位やゲージ抵抗の配置に制約がなく、しかも、
高温で安定に動作する加速度センサを提供することを目
的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明に係る加速度セン
サは、外周部に形成された厚肉固定部、中央部に形成さ
れた厚肉剛体部、および厚肉固定部と厚肉剛体部との間
の環状の薄肉部を有するシリコン単結晶板と、このシリ
コン単結晶板上に形成された複数の抵抗素子と、厚肉剛
体部に接合され、加わった加速度によって発生した力に
もとづいた応力を薄肉部に生じさせる重り部とを有し、
複数の抵抗素子の抵抗値変化にもとづいて加速度を検出
するセンサにおいて、シリコン単結晶板を、少なくとも
一方の面が平滑に形成されたものとし、複数の抵抗素子
を、シリコン単結晶板の平滑な面における薄肉部の上部
に電気的な絶縁膜を介して形成された素子であって、不
純物が高濃度にドープされた多結晶シリコンの複数のピ
エゾ抵抗素子としたものである。
サは、外周部に形成された厚肉固定部、中央部に形成さ
れた厚肉剛体部、および厚肉固定部と厚肉剛体部との間
の環状の薄肉部を有するシリコン単結晶板と、このシリ
コン単結晶板上に形成された複数の抵抗素子と、厚肉剛
体部に接合され、加わった加速度によって発生した力に
もとづいた応力を薄肉部に生じさせる重り部とを有し、
複数の抵抗素子の抵抗値変化にもとづいて加速度を検出
するセンサにおいて、シリコン単結晶板を、少なくとも
一方の面が平滑に形成されたものとし、複数の抵抗素子
を、シリコン単結晶板の平滑な面における薄肉部の上部
に電気的な絶縁膜を介して形成された素子であって、不
純物が高濃度にドープされた多結晶シリコンの複数のピ
エゾ抵抗素子としたものである。
【００１３】
【作用】このように構成された加速度センサに加速度が
加わると、重り部の質量に加速度が作用して慣性力が発
生する。この慣性力は、重り部に接合された厚肉剛体部
を介して薄肉部に伝達され、薄肉部にたわみを生じさせ
る。このたわみによって、薄肉部に引張応力または圧縮
応力が発生する。その応力によるピエゾ抵抗効果によっ
て各ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。よって、その
変化を検出することにより加速度が検出される。ここ
で、ピエゾ抵抗素子として、高濃度に不純物がドープさ
れた多結晶シリコンが用いられているので、各ピエゾ抵
抗素子のピエゾ抵抗係数は結晶軸方向に依存しない。
加わると、重り部の質量に加速度が作用して慣性力が発
生する。この慣性力は、重り部に接合された厚肉剛体部
を介して薄肉部に伝達され、薄肉部にたわみを生じさせ
る。このたわみによって、薄肉部に引張応力または圧縮
応力が発生する。その応力によるピエゾ抵抗効果によっ
て各ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。よって、その
変化を検出することにより加速度が検出される。ここ
で、ピエゾ抵抗素子として、高濃度に不純物がドープさ
れた多結晶シリコンが用いられているので、各ピエゾ抵
抗素子のピエゾ抵抗係数は結晶軸方向に依存しない。
【００１４】
【実施例】図１（Ａ）は本発明の一実施例による加速度
センサの構造を示す平面図である。図１（Ｂ）は図１
（Ａ）に示すものにおけるＢ−Ｂ切断面による断面を示
す断面図である。この加速度センサは、一方の面が平滑
に形成されているシリコン単結晶板１の外周部分の厚み
のある部分である厚肉固定部２と、シリコン単結晶板１
の中央部分の厚みのある部分である厚肉剛体部３と、厚
肉固定部２と厚肉剛体部３との間の環状の薄い部分であ
る薄肉部４と、シリコン単結晶板１の表面に形成された
絶縁膜７上であって薄肉部４の上方の位置に形成された
ピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 ，Ｙ1 〜Ｙ4 ，Ｚ1 〜Ｚ4 と
で構成されている。厚肉固定部２は台座５上に接合固定
され、厚肉剛体部３は重り部６に接合されている。
センサの構造を示す平面図である。図１（Ｂ）は図１
（Ａ）に示すものにおけるＢ−Ｂ切断面による断面を示
す断面図である。この加速度センサは、一方の面が平滑
に形成されているシリコン単結晶板１の外周部分の厚み
のある部分である厚肉固定部２と、シリコン単結晶板１
の中央部分の厚みのある部分である厚肉剛体部３と、厚
肉固定部２と厚肉剛体部３との間の環状の薄い部分であ
る薄肉部４と、シリコン単結晶板１の表面に形成された
絶縁膜７上であって薄肉部４の上方の位置に形成された
ピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 ，Ｙ1 〜Ｙ4 ，Ｚ1 〜Ｚ4 と
で構成されている。厚肉固定部２は台座５上に接合固定
され、厚肉剛体部３は重り部６に接合されている。
【００１５】次にこの加速度センサの製造方法について
説明する。この場合に、シリコン単結晶板１として、少
なくとも一方の表面が鏡面に研磨された（１１０）面の
シリコン単結晶基板を用いる。そして、基板全体を熱酸
化して、表面に二酸化シリコンによる絶縁膜７を形成す
る。
説明する。この場合に、シリコン単結晶板１として、少
なくとも一方の表面が鏡面に研磨された（１１０）面の
シリコン単結晶基板を用いる。そして、基板全体を熱酸
化して、表面に二酸化シリコンによる絶縁膜７を形成す
る。
【００１６】次に、超音波加工によって、薄肉部４を形
成する。さらに、減圧ＣＶＤ法によって、絶縁膜７上に
多結晶シリコン膜を形成する。多結晶シリコン膜にフォ
トレジストによってパターンを形成した後、イオン注入
法によってボロンを１０10〜１０20atms／cm3 程度に高
濃度にドーピングしてピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 ，Ｙ 1
〜Ｙ4 ，Ｚ1 〜Ｚ4 を形成する。
成する。さらに、減圧ＣＶＤ法によって、絶縁膜７上に
多結晶シリコン膜を形成する。多結晶シリコン膜にフォ
トレジストによってパターンを形成した後、イオン注入
法によってボロンを１０10〜１０20atms／cm3 程度に高
濃度にドーピングしてピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 ，Ｙ 1
〜Ｙ4 ，Ｚ1 〜Ｚ4 を形成する。
【００１７】ここで、図１（Ａ）に示すように、ピエゾ
抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 は、薄肉部４の上に絶縁膜７を介し
て一直線上に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｙ1 〜Ｙ
4 は、薄肉部４の上に絶縁膜７を介してピエゾ抵抗素子
Ｘ1 〜Ｘ4 による直線とは９０°ずれた直線上に配置さ
れる。ピエゾ抵抗素子Ｚ1 〜Ｚ4 は、薄肉部４の上に絶
縁膜７を介してピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 による直線と
ピエゾ抵抗素子Ｙ1 〜Ｙ4による直線との中間の直線上
に配置される。なお、結晶軸方向とは無関係に各直線の
方向を設定することができる。
抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 は、薄肉部４の上に絶縁膜７を介し
て一直線上に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｙ1 〜Ｙ
4 は、薄肉部４の上に絶縁膜７を介してピエゾ抵抗素子
Ｘ1 〜Ｘ4 による直線とは９０°ずれた直線上に配置さ
れる。ピエゾ抵抗素子Ｚ1 〜Ｚ4 は、薄肉部４の上に絶
縁膜７を介してピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 による直線と
ピエゾ抵抗素子Ｙ1 〜Ｙ4による直線との中間の直線上
に配置される。なお、結晶軸方向とは無関係に各直線の
方向を設定することができる。
【００１８】一直線上に配置された４つのピエゾ抵抗素
子Ｘ1 〜Ｘ4 は、ホイートストンブリッジを構成するよ
うに接続される。同様に、一直線上に配置された４つの
ピエゾ抵抗素子Ｙ1 〜Ｙ4 も、ホイートストンブリッジ
を構成するように接続される。一直線上に配置された４
つのピエゾ抵抗素子Ｚ1 〜Ｚ4 も、ホイートストンブリ
ッジを構成するように接続される。各ホイートストンブ
リッジの入力側は、定電流源に接続される。
子Ｘ1 〜Ｘ4 は、ホイートストンブリッジを構成するよ
うに接続される。同様に、一直線上に配置された４つの
ピエゾ抵抗素子Ｙ1 〜Ｙ4 も、ホイートストンブリッジ
を構成するように接続される。一直線上に配置された４
つのピエゾ抵抗素子Ｚ1 〜Ｚ4 も、ホイートストンブリ
ッジを構成するように接続される。各ホイートストンブ
リッジの入力側は、定電流源に接続される。
【００１９】次いで、台座５と重り部６とを形成する。
シリコン単結晶板１の片面が鏡面に仕上げられている場
合には、まず、パイレックスガラス板が、低融点ガラス
によってシリコン単結晶板１の鏡面でない面に接合され
る。また、シリコン単結晶板１の両面が鏡面に仕上げら
れている場合には、陽極接合によって、パイレックスガ
ラス板がシリコン単結晶板１の絶縁膜７が形成されてい
ない面に接合される。この後、ダイサーで溝を形成し、
台座５と重り部６とを切り離す。
シリコン単結晶板１の片面が鏡面に仕上げられている場
合には、まず、パイレックスガラス板が、低融点ガラス
によってシリコン単結晶板１の鏡面でない面に接合され
る。また、シリコン単結晶板１の両面が鏡面に仕上げら
れている場合には、陽極接合によって、パイレックスガ
ラス板がシリコン単結晶板１の絶縁膜７が形成されてい
ない面に接合される。この後、ダイサーで溝を形成し、
台座５と重り部６とを切り離す。
【００２０】次にこのように構成された加速度センサの
動作について図２〜図４の各図を参照して説明する。な
お、図２は加速度をうけた加速度センサの様子を示す説
明図であり、図３は薄肉部４に発生した応力の分布を示
す説明図である。図４はＸ軸についてのホイートストン
ブリッジ示す構成図である。
動作について図２〜図４の各図を参照して説明する。な
お、図２は加速度をうけた加速度センサの様子を示す説
明図であり、図３は薄肉部４に発生した応力の分布を示
す説明図である。図４はＸ軸についてのホイートストン
ブリッジ示す構成図である。
【００２１】まず、Ｘ軸方向の加速度検出について説明
する。加速度センサに加速度ｇが加わると、質量ｍの重
り部６に、次式による力Ｆx が加わる。 Ｆx ＝ｍ×ｇ ・・・（２） この力Ｆx は、重り部６に接合された厚肉剛体部３を介
して薄肉部４にたわみを生じさせる（図２参照）。さら
に、このたわみによって応力が発生する。すると、ピエ
ゾ抵抗効果によって、ピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 の抵抗
値が応力に比例して変化する。図２では電流はＸ方向に
流れるので、（１）式より、抵抗変化ΔＲは（３）式に
ように書ける。
する。加速度センサに加速度ｇが加わると、質量ｍの重
り部６に、次式による力Ｆx が加わる。 Ｆx ＝ｍ×ｇ ・・・（２） この力Ｆx は、重り部６に接合された厚肉剛体部３を介
して薄肉部４にたわみを生じさせる（図２参照）。さら
に、このたわみによって応力が発生する。すると、ピエ
ゾ抵抗効果によって、ピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 の抵抗
値が応力に比例して変化する。図２では電流はＸ方向に
流れるので、（１）式より、抵抗変化ΔＲは（３）式に
ように書ける。
【００２２】 ΔＲ／Ｒ0 ＝πX σX ＋πY σY ・・・（１） この場合には、ピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 として高濃度
にボロンかドープされた多結晶シリコンが用いられてい
るので、ピエゾ抵抗係数の値は等方的であり結晶方位に
依存しない。よって、ピエゾ抵抗素子を一直線上に配置
する場合に、この直線の方向を結晶軸の方向と無関係に
選ぶことができる。
にボロンかドープされた多結晶シリコンが用いられてい
るので、ピエゾ抵抗係数の値は等方的であり結晶方位に
依存しない。よって、ピエゾ抵抗素子を一直線上に配置
する場合に、この直線の方向を結晶軸の方向と無関係に
選ぶことができる。
【００２３】図２，図３からわかるように、ピエゾ抵抗
素子Ｘ1 ，Ｘ3 には引張応力が作用し、ピエゾ抵抗素子
Ｘ2 ，Ｘ4 には圧縮応力が作用する。図４に示すように
ピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 がホイートストンブリッジ接
続されているものに、定電流源８から一定電流が供給さ
れると、ホイートストンブリッジの出力に、応力に応じ
た電位差ＶOUT が生ずる。
素子Ｘ1 ，Ｘ3 には引張応力が作用し、ピエゾ抵抗素子
Ｘ2 ，Ｘ4 には圧縮応力が作用する。図４に示すように
ピエゾ抵抗素子Ｘ1 〜Ｘ4 がホイートストンブリッジ接
続されているものに、定電流源８から一定電流が供給さ
れると、ホイートストンブリッジの出力に、応力に応じ
た電位差ＶOUT が生ずる。
【００２４】また、力Ｆx が図２に示す向きと反対向き
になった場合には、薄肉部４に発生する応力の引張，圧
縮が図３に示す場合とは逆になり、出力される電位差Ｖ
OUTの極性が逆になる。電位差ＶOUT から応力を知るこ
とができ、応力から加速度を知ることができる。
になった場合には、薄肉部４に発生する応力の引張，圧
縮が図３に示す場合とは逆になり、出力される電位差Ｖ
OUTの極性が逆になる。電位差ＶOUT から応力を知るこ
とができ、応力から加速度を知ることができる。
【００２５】なお、以上の説明はＸ軸についての説明で
あるが、Ｙ軸，Ｚ軸についても同様に説明できる。すな
わち、ホイートストンブリッジの出力である電位差から
Ｙ軸，Ｚ軸方向の加速度を知ることができる。そして、
この場合には、ピエゾ抵抗素子の配列方向が結晶軸方向
に無関係であっても、十分な感度で加速度を検出でき
る。
あるが、Ｙ軸，Ｚ軸についても同様に説明できる。すな
わち、ホイートストンブリッジの出力である電位差から
Ｙ軸，Ｚ軸方向の加速度を知ることができる。そして、
この場合には、ピエゾ抵抗素子の配列方向が結晶軸方向
に無関係であっても、十分な感度で加速度を検出でき
る。
【００２６】また、ここでは、シリコン単結晶板１とし
て、（１１０）面のシリコン単結晶基板を用いる場合に
ついて説明したが、シリコン単結晶基板の面方位も任意
でよく、（１００）面や（１１１）面のシリコン単結晶
基板を用いることもできる。
て、（１１０）面のシリコン単結晶基板を用いる場合に
ついて説明したが、シリコン単結晶基板の面方位も任意
でよく、（１００）面や（１１１）面のシリコン単結晶
基板を用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
加速度センサが、シリコン単結晶板の薄肉部の上部に、
電気的な絶縁膜を介して不純物が高濃度にドープされた
多結晶シリコンの複数のピエゾ抵抗素子が形成された構
成であるから、シリコン単結晶板の面方位とピエゾ抵抗
素子の配置方向との組み合わせに制約のないものを提供
できる。よって、従来の加速度センサに比べて、設計や
製造をより容易にすることができる。さらに、電気的な
絶縁膜の上にピエゾ抵抗素子が形成されているので、高
温でもリーク電流が少なく信頼性の高いものとなる。
加速度センサが、シリコン単結晶板の薄肉部の上部に、
電気的な絶縁膜を介して不純物が高濃度にドープされた
多結晶シリコンの複数のピエゾ抵抗素子が形成された構
成であるから、シリコン単結晶板の面方位とピエゾ抵抗
素子の配置方向との組み合わせに制約のないものを提供
できる。よって、従来の加速度センサに比べて、設計や
製造をより容易にすることができる。さらに、電気的な
絶縁膜の上にピエゾ抵抗素子が形成されているので、高
温でもリーク電流が少なく信頼性の高いものとなる。
【図１】（Ａ）は本発明の一実施例による加速度センサ
の構造を示す平面図である。（Ｂ）はＢ−Ｂ切断面によ
る加速度センサの断面を示す断面図である。
の構造を示す平面図である。（Ｂ）はＢ−Ｂ切断面によ
る加速度センサの断面を示す断面図である。
【図２】加速度をうけた加速度センサの様子を示す説明
図である。
図である。
【図３】薄肉部に発生した応力の分布を示す説明図であ
る。
る。
【図４】Ｘ軸についてのホイートストンブリッジ示す構
成図である。
成図である。
【図５】（Ａ）は従来の加速度センサの構造を示す平面
図である。（Ｂ）は＜１１０＞軸を通る切断面の断面図
である。
図である。（Ｂ）は＜１１０＞軸を通る切断面の断面図
である。
１ シリコン単結晶板 ２ 厚肉固定部 ３ 厚肉剛体部 ４ 薄肉部 ５ 台座 ６ 重り部 ７ 絶縁膜 ８ 定電流源
Claims (1)
- 【請求項１】 少なくとも一方の面が平滑であって、外
周部に形成された厚肉固定部、中央部に形成された厚肉
剛体部、および厚肉固定部と厚肉剛体部との間の環状の
薄肉部を有するシリコン単結晶板と、 このシリコン単結晶板の平滑な面における前記薄肉部の
上部に電気的な絶縁膜を介して形成された不純物ドープ
多結晶シリコンの複数のピエゾ抵抗素子と、 前記厚肉剛体部に接合され、発生した加速度による力を
厚肉剛体部を介して前記薄肉部に伝達する重り部とを備
えた加速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5090056A JPH06300774A (ja) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | 加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5090056A JPH06300774A (ja) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | 加速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06300774A true JPH06300774A (ja) | 1994-10-28 |
Family
ID=13987931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5090056A Pending JPH06300774A (ja) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | 加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06300774A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000277754A (ja) * | 1999-03-29 | 2000-10-06 | Asahi Kasei Denshi Kk | 半導体加速度センサ |
| JP2006212313A (ja) * | 2005-02-07 | 2006-08-17 | Kyoraku Sangyo | 遊技機 |
| WO2013176595A1 (en) * | 2012-05-21 | 2013-11-28 | Bae Systems Bofors Ab | Autonomous measurement of the initial velocity of an object that can be fired |
-
1993
- 1993-04-16 JP JP5090056A patent/JPH06300774A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000277754A (ja) * | 1999-03-29 | 2000-10-06 | Asahi Kasei Denshi Kk | 半導体加速度センサ |
| JP2006212313A (ja) * | 2005-02-07 | 2006-08-17 | Kyoraku Sangyo | 遊技機 |
| WO2013176595A1 (en) * | 2012-05-21 | 2013-11-28 | Bae Systems Bofors Ab | Autonomous measurement of the initial velocity of an object that can be fired |
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