JPH08189937A - Acceleration sensor - Google Patents

Acceleration sensor

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JPH08189937A
JPH08189937A JP7002410A JP241095A JPH08189937A JP H08189937 A JPH08189937 A JP H08189937A JP 7002410 A JP7002410 A JP 7002410A JP 241095 A JP241095 A JP 241095A JP H08189937 A JPH08189937 A JP H08189937A
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JP
Japan
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substrate
acceleration
resistance
acceleration sensor
piezoresistor
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Pending
Application number
JP7002410A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsushi Hasegawa
達志 長谷川
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Publication date
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

PURPOSE: To measure acceleration in a direction parallel to a substrate and perpendicular to a beam. CONSTITUTION: A weight 61 and beam 62 are displaced by acceleration Y which is parallel to a silicon substrate 50 and perpendicular to the beam 62 and another acceleration αZ which is perpendicular to the substrate 50. When piezo- resistors 64-1 and 64-2 are respectively strained by e1 and e2 , e1 -e2 =9.6mldY/ Ea<2> b, and e1 +e2 =12mlαZ/Eab<2> are established. Since the resistance of the piezo-resistor 64-1 varies proportionally to the displacement of the resistor 64-1 by the strain e1 , the variation of the resistance is measured as the output voltage of a detector. Similarly, the variation of the resistance of the piezo- resistor 64-2 is measured as the output voltage of the detector. A computing element calculates the acceleration αY by taking the difference between the outputs of the detector and multiplying the difference by a constant. The computing element, in addition, calculates the acceleration αZ by taking the sum of the outputs of the detector and multiplying the sum by a constant.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、梁に配置したピエゾ抵
抗を用いて、この梁のひずみによるピエゾ抵抗の抵抗の
変化を検出することにより、加速度を検出する加速度セ
ンサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor for detecting acceleration by using a piezoresistor arranged on a beam and detecting a change in resistance of the piezoresistor due to strain of the beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献1;江刺、藤田他著、「マイクロマシーニングとマ
イクロメカトロニクス」、1992年、培風館 文献2;IEEE TRANSACTION ON E
LECTRON DEVICES、ED−26、197
9、Lynn Michelle Roylance著、「A Batch-Fabricated
Silicon Accelerometer」、P.1911−1917 文献3;Micro System Technologies 90-Proceedings o
f 1st International Conference on Micro Electro,Op
to,Mechanic System and Components Ed,H,Reichl.Berl
in,Sept.10-13(1990) 、J.Mohr et.l.著、「Movable Mi
crostructures Manufactured by LIGA Process as Basi
c Element for Microsystems」、Springer−V
erlag、P.529−537 自動車用(エアバック、ナビゲーション、ABS(アン
チスキッドブレーキシステム)制御、サスペンション制
御)、その他ロボットの制御などに加速度センサは数多
くの用途がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, techniques in such a field include:
For example, some documents were described in the following documents. Reference 1; Esashi, Fujita et al., "Micromachining and Micromechatronics", 1992, Baifukan Reference 2; IEEE TRANSACTION ON E
LECTRON DEVICES, ED-26, 197
9. Lynn Michelle Roylance, “A Batch-Fabricated
Silicon Accelerometer ", p. 1911-1917 Reference 3; Micro System Technologies 90-Proceedings o
f 1st International Conference on Micro Electro, Op
to, Mechanic System and Components Ed, H, Reichl.Berl
in, Sept. 10-13 (1990), J. Mohr et.l., `` Movable Mi
crostructures Manufactured by LIGA Process as Basi
c Element for Microsystems ", Springer-V
erlag, P.M. 529-537 Accelerometers have many uses for automobiles (airbags, navigation, ABS (anti-skid brake system) control, suspension control), and other robot control.

【0003】加速度センサは、おもりが梁で支えられて
いる構造を用い、おもりが加速度により変位するのを測
定するものである。梁にひずみゲージを付けて変位を知
るひずみゲージ型と、変位を静電容量の変化に変換する
容量型がある。図2(a)〜(b)は、前記文献1及び
3に記載された加速度センサを示す図であり、同図
(a)は平面図、同図(b)はA−A断面図である。こ
の加速度センサは、片持ち梁3の先におもり2がついて
おり、梁3に形成されたピエゾ抵抗4のピエゾ抵抗効果
による拡散抵抗の変化を、拡散層5を通して、リード6
より検出することで、シリコン基板1に垂直な加速度を
測定することができる。加速度のシリコン基板1に平行
な成分の影響を小さくするために、ピエゾ抵抗4のある
梁3の延長線上におもり2の重心が一致するように設計
されている。また、加速度センサは、おもり2の周辺部
7がエッチングにより除去されたガラスカバー8により
覆われている。
An acceleration sensor uses a structure in which a weight is supported by a beam and measures displacement of the weight due to acceleration. There are two types of strain gauges, one is to attach a strain gauge to the beam to know the displacement, and the other is to convert the displacement into a change in capacitance. 2 (a) and 2 (b) are views showing the acceleration sensor described in Documents 1 and 3, where FIG. 2 (a) is a plan view and FIG. 2 (b) is a sectional view taken along line AA. . In this acceleration sensor, a weight 2 is attached to a tip of a cantilever beam 3, and a change in diffusion resistance due to a piezoresistive effect of a piezoresistor 4 formed on the beam 3 is passed through a diffusion layer 5 to lead 6
By further detecting, the acceleration perpendicular to the silicon substrate 1 can be measured. In order to reduce the influence of the acceleration component parallel to the silicon substrate 1, the weight 2 is designed so that the centers of gravity of the weights 2 coincide with each other on the extension line of the beam 3 having the piezoresistor 4. The acceleration sensor is covered with a glass cover 8 in which the peripheral portion 7 of the weight 2 is removed by etching.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
加速度センサにおいては、次のような課題があった。従
来の加速度センサは、基板に垂直な加速度を測定するも
のが殆どであり、基板に平行な加速度を測定できるもの
は殆どない。マイクロマシーニングで、基板に平行な方
向のみに振動する梁、おもりを製作することは、以下に
示すように困難であるからである。図3は、従来の加速
度センサの問題点を示す図である。図3中、おもり12
は重量m、梁13は幅a、厚さb、長さlである。厚さ
bは、基板11の垂直方向に一致する。Xは梁13の長
さの方向、Yは基板11に平行でXに垂直な方向、Zは
基板11に垂直な方向である。基板11に平行で、梁1
3に垂直な加速度αYがかかるとき梁13は−Y方向に
曲がる。このときの梁13の支点から距離xでの曲率半
径RXYは、 RXY=Ea3 b/{12×m(l−x)αY} ・・・(1) となる。ここでEは、ヤング率である。
However, the conventional acceleration sensor has the following problems. Most of the conventional acceleration sensors measure acceleration perpendicular to the substrate, and almost none measure acceleration parallel to the substrate. This is because it is difficult to manufacture a beam and a weight that vibrate only in a direction parallel to the substrate by micromachining, as shown below. FIG. 3 is a diagram showing a problem of the conventional acceleration sensor. Weight 12 in FIG.
Is weight m, and the beam 13 has width a, thickness b, and length l. The thickness b corresponds to the vertical direction of the substrate 11. X is the length direction of the beam 13, Y is the direction parallel to the substrate 11 and perpendicular to X, and Z is the direction perpendicular to the substrate 11. Beam 1 parallel to substrate 11
When the acceleration αY perpendicular to 3 is applied, the beam 13 bends in the −Y direction. The radius of curvature R XY at a distance x from the fulcrum of the beam 13 at this time is R XY = Ea 3 b / {12 × m (l−x) αY} (1). Here, E is Young's modulus.

【0005】また、おもり12と梁13は、基板11に
垂直な加速度αZによって−Z方向に曲がる。この時の
曲率半径RZXは、 RZX=Eab3 /{12×m(l−x)αZ} ・・・(2) となる。梁13の変位の大きさは、曲率半径に反比例す
る。従ってY方向の単位加速度に対するひずみの大きさ
と、Z方向の単位加速度に対するひずみの大きさの比
は、 (1/RZXαZ)/(1/RXYαY)=a2 /b2 ・・・(3) となる。例えば、アスペクト比b/a=10の構造を作
ると、加速度αZの影響を1%以内に抑えられて、図3
に示す構造のおもり12と梁13とを有する加速度セン
サによって基板11に平行な加速度αYを測定すること
が可能である。しかし、マイクロマシーニングによって
アスペクト比の大きい構造を得ることは極めて難しい。
マイクロマシーニングによってアスペクト比の大きい構
造を得るための手法として、前記文献3に記載されるL
IGA(Lithografie,Galvanoformung,Abformung) プロ
セスがある。ところが、LIGAプロセスはシンクロト
ロン放射光を必要とするため、一般には使用が困難であ
り、量産性も劣る。
The weight 12 and the beam 13 are bent in the -Z direction by the acceleration αZ perpendicular to the substrate 11. The radius of curvature R ZX at this time is R ZX = Eab 3 / {12 × m (l−x) αZ} (2) The magnitude of displacement of the beam 13 is inversely proportional to the radius of curvature. Therefore, the ratio of the magnitude of strain to the unit acceleration in the Y direction and the magnitude of strain to the unit acceleration in the Z direction is (1 / R ZX αZ) / (1 / R XY αY) = a 2 / b 2 ... (3) For example, if a structure with an aspect ratio b / a = 10 is created, the influence of the acceleration αZ can be suppressed within 1%, and the structure shown in FIG.
The acceleration αY parallel to the substrate 11 can be measured by the acceleration sensor having the weight 12 and the beam 13 having the structure shown in FIG. However, it is extremely difficult to obtain a structure with a large aspect ratio by micromachining.
As a method for obtaining a structure having a large aspect ratio by micromachining, the method described in L.
There is an IGA (Lithografie, Galvanoformung, Abformung) process. However, since the LIGA process requires synchrotron radiation, it is generally difficult to use, and mass productivity is poor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】第1の発明の加速度セン
サは、前記課題を解決するために、おもりと該おもりを
支える梁とを有し、前記おもりと前記梁の周辺部のシリ
コン等の基板を貫通部とする振動子と、前記梁に配置さ
れ(例えば、梁の長さ方向の中心線に対して対称)、加
速度による前記梁の変位の大きさ応じて抵抗が変化する
複数のピエゾ抵抗とを有している。さらに、前記ピエゾ
抵抗の抵抗の変化を測定するピエゾ抵抗測定回路と、前
記抵抗測定回路により測定された抵抗の変化に基づい
て、前記基板に平行でかつ前記梁の方向に対して垂直な
方向の加速度を算出する演算器とを有している。
In order to solve the above-mentioned problems, the acceleration sensor of the first invention has a weight and a beam that supports the weight, and the weight and the silicon around the beam are used. A vibrator having a substrate as a penetrating portion and a plurality of piezos arranged on the beam (e.g., symmetric with respect to the center line in the length direction of the beam) and having resistance varying according to the magnitude of displacement of the beam due to acceleration. Have resistance. Furthermore, based on the change in resistance measured by the piezoresistive measurement circuit for measuring the change in resistance of the piezoresistor, the direction parallel to the substrate and perpendicular to the direction of the beam. And an arithmetic unit for calculating acceleration.

【0007】[0007]

【作用】第1の発明によれば、以上のように加速度セン
サを構成したので、基板に対して平行な加速度によって
梁の変位によって、ピエゾ抵抗の抵抗が変化する。ピエ
ゾ抵抗は複数個で構成され、梁に配置されているので、
各ピエゾ抵抗の変位量が異なる。ピエゾ抵抗が梁の長さ
方向の中心に関して対称な位置に配置された場合は、こ
の二つのピエゾ抵抗の変位量の差が、基板に平行でかつ
梁に垂直な方向の加速度成分とその他の定数との積とな
る。そこで、ピエゾ抵抗測定回路によって、ピエゾ抵抗
の変位量を測定し、演算器によって、ピエゾ抵抗回路に
よって測定されたピエゾ抵抗の変位量に対して、差分及
び乗算等の演算をおこなって、基板に平行でかつ梁に垂
直な方向の加速度成分を算出する。従って、前記課題を
解決できるのである。
According to the first aspect of the invention, since the acceleration sensor is constructed as described above, the resistance of the piezoresistor changes due to the displacement of the beam due to the acceleration parallel to the substrate. Since the piezoresistor is composed of multiple pieces and is arranged on the beam,
The amount of displacement of each piezoresistor is different. When the piezoresistors are arranged symmetrically with respect to the center of the beam length, the difference between the displacements of the two piezoresistors is the acceleration component in the direction parallel to the substrate and perpendicular to the beam, and other constants. And the product. Therefore, the piezoresistance measurement circuit measures the displacement amount of the piezoresistance, and the calculator calculates the difference and multiplication with respect to the displacement amount of the piezoresistance measured by the piezoresistance circuit. And the acceleration component in the direction perpendicular to the beam is calculated. Therefore, the above problem can be solved.

【0008】[0008]

【実施例】第1の実施例 図1(a)〜(b)は、本発明の第1の実施例を示す加
速度センサであり、同図(a)は平面図、同図(b)は
側面図である。この加速度センサが従来の加速度センサ
と異なる点は、梁62の幅方向の異なる位置に二つのピ
エゾ抵抗64−1と64−2とを配置し、ピエゾ抵抗6
4−1とシリコン基板50の固定部に配置したピエゾ抵
抗71−1〜71〜3とによりブリッジ回路を、ピエゾ
抵抗64−2とシリコン基板50の固定部に配置したピ
エゾ抵抗72−1〜72−3とによりブリッジ回路をそ
れぞれ構成し、二つのブリッジ回路の検出器の出力を演
算して、シリコン基板50に平行な加速度成分を算出す
る演算器を設けたことである。図1(a)に示すよう
に、この加速度センサでは、シリコン基板50の中央部
にシリコン基板50に対して垂直方向(±Z方向)及び
平行(±Y方向)に振動する振動子60を有している。
振動子60は、おもり61とこのおもり61を支える梁
62とにより構成されている。おもり61と梁62の周
辺部は、シリコン基板50の貫通エッチングにより形成
された貫通部63となっており、振動子60が±Z方向
及び±Y方向に振動が可能となっている。梁62の長さ
方向には、1×1018〜2×1021cm-3程度の濃度の
不純物が導入された拡散抵抗によって形成されたピエゾ
抵抗64−1と64−2が配置されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment FIGS. 1 (a) and 1 (b) are acceleration sensors showing a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view and FIG. It is a side view. This acceleration sensor differs from the conventional acceleration sensor in that two piezoresistors 64-1 and 64-2 are arranged at different positions in the width direction of the beam 62, and the piezoresistor 6
4-1 and the piezoresistors 71-1 to 71-3 arranged on the fixed part of the silicon substrate 50 form a bridge circuit, and the piezoresistors 64-2 and the piezoresistors 72-1 to 72 arranged on the fixed part of the silicon substrate 50. The bridge circuits are respectively constituted by 3 and 3, and the arithmetic unit for calculating the outputs of the detectors of the two bridge circuits to calculate the acceleration component parallel to the silicon substrate 50 is provided. As shown in FIG. 1A, in this acceleration sensor, a vibrator 60 that oscillates in the vertical direction (± Z direction) and parallel (± Y direction) with respect to the silicon substrate 50 is provided in the central portion of the silicon substrate 50. are doing.
The vibrator 60 includes a weight 61 and a beam 62 that supports the weight 61. Peripheral portions of the weight 61 and the beam 62 are penetrating portions 63 formed by penetrating etching of the silicon substrate 50, and the vibrator 60 can vibrate in the ± Z direction and the ± Y direction. Piezoresistors 64-1 and 64-2, which are formed by diffusion resistors introduced with impurities having a concentration of about 1 × 10 18 to 2 × 10 21 cm −3, are arranged in the length direction of the beam 62. .

【0009】図4は、図1中のA部の拡大図である。図
4に示すように、ピエゾ抵抗64−1とピエゾ抵抗64
−2は、梁62の根元で梁62をY方向に二等分する直
線に対して対称な位置に配置され、それぞれ中心線から
8μm(0.4a、aは梁62の幅)の位置にある。電
源を共通に供給するためにピエゾ抵抗64−1とピエゾ
抵抗64−2の一方の端子は、アルミニウム配線65に
よって接続されている。図1(a)に示すように、シリ
コン基板50の固定部には、拡散抵抗によって形成さ
れ、ピエゾ抵抗64−1,64−2と同じ不純物濃度の
拡散抵抗によるピエゾ抵抗71−1〜71−3、72−
1〜72−3が配置されている。図5(a)〜(b)
は、ピエゾ抵抗間の接続を示す図である。図5(a)に
示すように、変位しない状態でのピエゾ抵抗64−1と
各ピエゾ抵抗71−1〜71−3の抵抗は約10kΩと
等しくなっており、これら4個のピエゾ抵抗によってホ
イストーンブリッジを構成している。短絡したピエゾ抵
抗64−1の一方の端子とピエゾ抵抗71−1の一方の
端子と、短絡したピエゾ抵抗71−2の一方の端子とピ
エゾ抵抗71−3の一方の端子とを電源分岐として、一
定の電源が供給される。短絡したピエゾ抵抗64−1の
他方の端子とピエゾ抵抗71−3の他方の端子と、短絡
したピエゾ抵抗71−1の他方の端子とピエゾ抵抗71
−2の他方の端子とを検出分岐として、検出器により電
圧が測定される。
FIG. 4 is an enlarged view of portion A in FIG. As shown in FIG. 4, the piezoresistors 64-1 and 64
-2 is arranged at a position symmetrical with respect to a straight line that bisects the beam 62 in the Y direction at the base of the beam 62, and at a position of 8 μm (0.4a, a is the width of the beam 62) from the center line. is there. One terminals of the piezoresistor 64-1 and the piezoresistor 64-2 are connected by an aluminum wiring 65 in order to commonly supply power. As shown in FIG. 1A, the fixed portion of the silicon substrate 50 is formed of diffused resistors, and the piezoresistors 71-1 to 71-1 are formed of diffused resistors having the same impurity concentration as the piezoresistors 64-1 and 64-2. 3,72-
1 to 72-3 are arranged. 5 (a)-(b)
FIG. 4 is a diagram showing a connection between piezoresistors. As shown in FIG. 5A, the resistance of the piezoresistor 64-1 and each of the piezoresistors 71-1 to 71-3 in the non-displaced state is equal to about 10 kΩ, and these four piezoresistors make It constitutes a stone bridge. One terminal of the short-circuited piezoresistors 64-1 and one terminal of the piezoresistors 71-1, one terminal of the short-circuited piezoresistors 71-2 and one terminal of the piezoresistors 71-3 are used as a power supply branch, A constant power is supplied. The other terminal of the shorted piezoresistor 64-1 and the other terminal of the piezoresistor 71-3, the other terminal of the shorted piezoresistor 71-1 and the piezoresistor 71.
The voltage is measured by the detector with the other terminal of −2 as the detection branch.

【0010】また、図5(b)に示すように、変位しな
い状態でのピエゾ抵抗64−2と各ピエゾ抵抗72−1
〜72−3の抵抗は約10kΩと等しくなっており、こ
れら4個のピエゾ抵抗によってホイストーンブリッジを
構成している。短絡したピエゾ抵抗64−2の一方の端
子とピエゾ抵抗72−1の一方の端子と、短絡したピエ
ゾ抵抗72−2の一方の端子とピエゾ抵抗72−3の一
方の端子とを電源分岐として、一定の電源が供給され
る。短絡したピエゾ抵抗64−2の他方の端子とピエゾ
抵抗72−3の他方の端子と、短絡したピエゾ抵抗72
−1の他方の端子とピエゾ抵抗72−2の他方の端子と
を検出分岐として、検出器により電圧が測定される。ブ
リッジを構成するためにピエゾ抵抗64−1と64−2
とピエゾ抵抗71−1〜71−3、72−1〜72−3
の間の接続は、アルミニウム配線によって行われる。検
出器の出力側には、その出力を差分及び乗算などの演算
を行う図示しない演算器が接続されている。
Further, as shown in FIG. 5B, the piezoresistors 64-2 and the respective piezoresistors 72-1 in the non-displaced state.
The resistance of ˜72-3 is equal to about 10 kΩ, and these four piezoresistors form a Wheatstone bridge. One terminal of the short-circuited piezoresistors 64-2 and one terminal of the piezoresistors 72-1, one terminal of the short-circuited piezoresistors 72-2 and one terminal of the piezoresistors 72-3 are used as a power supply branch, A constant power is supplied. The other terminal of the short-circuited piezoresistor 64-2 and the other terminal of the piezoresistor 72-3, and the short-circuited piezoresistor 72
The voltage is measured by the detector with the other terminal of -1 and the other terminal of the piezoresistor 72-2 as detection branches. Piezoresistors 64-1 and 64-2 to form a bridge
And piezoresistors 71-1 to 71-3, 72-1 to 72-3
The connection between the two is made by aluminum wiring. The output side of the detector is connected to a calculator (not shown) that performs calculation such as difference and multiplication on the output.

【0011】図1(b)に示すように、振動子60の周
辺82がエッチングされたガラスカバー80,81によ
り覆われている。梁62は、幅a=20μm、厚さb=
50μm、長さl=1000μmと細長く、±Z方向、
±Y方向に振動する構造となっている。感度を増すため
には、おもり61に数mgの付加重量を加えればよい
が、その場合、おもり61全体の重心が梁62の延長線
上にあるような配慮が必要である。おもり62に付加容
量を付けない場合は、おもり62の質量が0.1mgで
ある。この場合、この設計によると振動子60の±Y方
向の固有振動数は463.5Hz、±Z方向の振動の固
有振動数は1159Hzとなる。これらの固有振動数
は、有限要素法による振動シミュレーションによって求
めたものである。振動子60は、加速度1Gによる変位
は±方向で1.48μm、±Z方向で0.28μmであ
る。以下、これらの図を参照しつつ本発明の第1の実施
例の加速度センサの動作の説明をする。
As shown in FIG. 1B, the periphery 82 of the vibrator 60 is covered with etched glass covers 80 and 81. The beam 62 has a width a = 20 μm and a thickness b =
50 μm, length l = 1000 μm, long and thin, ± Z direction,
It has a structure that vibrates in the ± Y direction. In order to increase the sensitivity, an additional weight of several mg may be added to the weight 61. In that case, it is necessary to consider that the center of gravity of the entire weight 61 is on the extension line of the beam 62. When the additional weight is not attached to the weight 62, the weight 62 has a mass of 0.1 mg. In this case, according to this design, the natural frequency of the vibrator 60 in the ± Y directions is 463.5 Hz, and the natural frequency of the vibration in the ± Z directions is 1159 Hz. These natural frequencies are obtained by vibration simulation by the finite element method. The vibrator 60 has a displacement of 1.48 μm in the ± directions and 0.28 μm in the ± Z directions due to acceleration 1G. The operation of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to these drawings.

【0012】おもり61と梁62は、シリコン基板50
に平行で梁62に垂直な加速度αYとシリコン基板50
に垂直な加速度αZによって変位する。このときのピエ
ゾ抵抗64−1と64−2の抵抗の変化を見る。図6
は、図1の加速度センサの梁の変位を示す図である。図
6に示すように、加速度αYだけが動いたとき、おもり
61の慣性モーメント(−m・l・αY)と梁62の曲
げモーメントが等しいことから(梁62の質量は無視す
る)中性点Pにおける曲率半径は、 RXY=Ea3 b/(mlαY×12) ・・・(4) となる。このとき、図に示すように、ピエゾ抵抗64−
1と64−2の部分での曲率半径は、それぞれRXY
0.4a、RXY−0.4aとなる。よって、ピエゾ抵抗
64−1は、 eY1=0.4a/RXY=4.8mlαY/(Ea2 b) ・・・(5) の引っ張りひずみを感じ、ピエゾ抵抗64−2は、 eY2=−0.4a/RXY=−4.8mlαY/(Ea2 b) ・・(6) の圧縮ひずみを感じる。
The weight 61 and the beam 62 are formed on the silicon substrate 50.
And the acceleration of the silicon substrate 50 that is parallel to
It is displaced by the acceleration αZ perpendicular to. A change in resistance of the piezoresistors 64-1 and 64-2 at this time will be seen. Figure 6
FIG. 3 is a diagram showing displacement of a beam of the acceleration sensor of FIG. 1. As shown in FIG. 6, when only the acceleration αY moves, the inertia moment (-m · l · αY) of the weight 61 and the bending moment of the beam 62 are equal (ignoring the mass of the beam 62). The radius of curvature at P is R XY = Ea 3 b / (mlαY × 12) (4). At this time, as shown in the figure,
The radii of curvature at the portions 1 and 64-2 are R XY +
0.4a and R XY -0.4a. Therefore, the piezoresistor 64-1 feels a tensile strain of e Y1 = 0.4a / R XY = 4.8 ml αY / (Ea 2 b) (5), and the piezoresistor 64-2 has e Y2 = -0.4a / R XY = -4.8 ml αY / (Ea 2 b) ··· Feel the compressive strain of (6).

【0013】次に、シリコン基板50に垂直な加速度α
Zだけが働いたときを考える。この場合の中性点におけ
る曲率半径は、 RZX=Eab3 /(mlαZ×12) ・・・(7) ピエゾ抵抗64−1、64−2とも曲率半径は、RZX
0.5bであるからひずみは共に eZ1=eZ2=0.5b/RZX=6mlαZ/(Eab2 ) ・・・(8) となる。加速度センサに一般の加速度ベクトル(αZ,
αY,αZ)が与えられたとき、ピエゾ抵抗64−1と
64−2の感じるひずみは、それぞれ e1 =eY1+eZ1=4.8mlαY/(Ea2 b)+6mlαZ/Eab2 ・・・(9) e2 =eY2+eZ2=−4.8mlαY/(Ea2 b)+6mlαZ/Eab2 ・・・(10) となる。
Next, the acceleration α perpendicular to the silicon substrate 50
Consider when only Z worked. The radius of curvature at the neutral point in this case is R ZX = Eab 3 / (mlαZ × 12) (7) The radius of curvature is R ZX + for both piezoresistors 64-1 and 64-2.
Since it is 0.5b, the strains are both e Z1 = e Z2 = 0.5b / R ZX = 6 ml αZ / (Eab 2 ) (8). General acceleration vector (αZ,
αY, αZ), the strains felt by the piezoresistors 64-1 and 64-2 are e 1 = e Y1 + e Z1 = 4.8 ml αY / (Ea 2 b) +6 ml αZ / Eab 2 ... ( 9) e 2 = e Y2 + e Z2 = −4.8 ml αY / (Ea 2 b) +6 ml αZ / Eab 2 (10)

【0014】これらより、 e1 −e2 =9.6mlαY/(Ea2 b) ・・・(11) e1 +e2 =12mlαZ/(Eab2 ) ・・・(12) ひずみが小さいとき、ひずみはピエゾ抵抗64−1と6
4−2の抵抗の変化率に比例する。すなわち、ピエゾ抵
抗64−1、64−2の抵抗の変化を通して、ピエゾ抵
抗64−1、64−2の位置におけるひずみの差を測定
することによって、式(11)によって加速度のαY成
分を、ひずみの和を測定することによって式(12)に
よって加速度のαZの成分をそれぞれ検出することがで
きる。測定は、図5に示すように、ホイストーンブリッ
ジを組んで行う。ピエゾ抵抗64−1にひずみがかから
ないときは、ブリッジを組む4個のピエゾ抵抗64−
1、71−1〜71−3の抵抗が等しいので、ブリッジ
に入力電圧を加えても検出器からの出力はそれぞれ0で
ある。ピエゾ抵抗64−1にひずみがかかるときには、
そのひずみの変位量に比例して抵抗が変化して、検出器
より出力電圧としてその変化量が測定される。同様に、
ピエゾ抵抗64−2のひずみの大きさに比例して抵抗が
変化して、検出器より出力電圧としてその変化量が測定
される。演算器によって、検出器の出力の差分及びその
差分結果に定数の掛け算をおこなって、加速度αYを算
出する。さらに、検出器の出力の加算及びその加算結果
に定数の掛け算をおこなって、加速度αZを算出する。
From these, e 1 −e 2 = 9.6 ml αY / (Ea 2 b) (11) e 1 + e 2 = 12 ml αZ / (Eab 2 ) (12) When strain is small, strain Is piezoresistors 64-1 and 6
It is proportional to the rate of change of the resistance of 4-2. That is, by measuring the difference in strain at the positions of the piezoresistors 64-1 and 64-2 through changes in the resistance of the piezoresistors 64-1 and 64-2, the αY component of acceleration is The αZ component of the acceleration can be detected by the equation (12) by measuring the sum of The measurement is performed by forming a Hoystone bridge as shown in FIG. When the piezoresistor 64-1 is not distorted, the four piezoresistors 64-
Since 1 and 71-1 to 71-3 have the same resistance, the output from the detector is 0 even when an input voltage is applied to the bridge. When strain is applied to the piezoresistor 64-1,
The resistance changes in proportion to the amount of displacement of the strain, and the amount of change is measured as an output voltage from the detector. Similarly,
The resistance changes in proportion to the magnitude of the strain of the piezoresistor 64-2, and the detector measures the amount of change as an output voltage. An arithmetic unit calculates the acceleration αY by multiplying the difference between the outputs of the detectors and the difference result by a constant. Further, the output of the detector is added and the addition result is multiplied by a constant to calculate the acceleration αZ.

【0015】以上のように、本第1の実施例では、以下
の利点がある。 (a)Z方向(基板に垂直な方向)、Y方向(基板に垂
直で梁に垂直な方向)の両方向に振動する片持梁の梁を
Y方向に2等分する直線に対し対称な位置にピエゾ抵抗
64−1と64−2を形成したので、ピエゾ抵抗64−
1、及び64−2の抵抗の位置におけるひずみの差を抵
抗を通して測定して、さらに演算することにより、基板
に平行で梁に垂直な加速度の成分を、基板に垂直な加速
度の成分と分離して検出することができる。 (b)ひずみの和を測定することによって、基板に垂直
な加速度の成分も他軸の加速度の混入無く検出すること
がる。また、ピエゾ抵抗による検出であるから線形性が
高いので、正確に加速度の測定が可能となる。 (c)極端に高アスペクト比の構造を作成する必要がな
いので、LIGAプロセスを用いる必要がなく、通常の
半導体プロセスを用いて、単純な構造を作成ればよいの
で安価であり量産性にも優れている。
As described above, the first embodiment has the following advantages. (A) A position symmetrical to a straight line bisecting a cantilever beam vibrating in both the Z direction (direction perpendicular to the substrate) and the Y direction (direction perpendicular to the substrate and perpendicular to the beam) in the Y direction. Since the piezoresistors 64-1 and 64-2 are formed on the
The difference in strain between the resistance positions of 1 and 64-2 is measured through the resistance and further calculated to separate the acceleration component parallel to the substrate and perpendicular to the beam from the acceleration component perpendicular to the substrate. Can be detected. (B) By measuring the sum of strains, it is possible to detect an acceleration component perpendicular to the substrate without mixing the accelerations of other axes. Further, since the detection is based on piezo resistance, the linearity is high, so that the acceleration can be accurately measured. (C) Since it is not necessary to create a structure with an extremely high aspect ratio, there is no need to use the LIGA process, and a simple structure can be created using a normal semiconductor process, which is inexpensive and mass-producible. Are better.

【0016】図1の加速度センサの製造方法 図7は、図1の加速度センサの製造方法を示す製造工程
図である。以下、図を参照しつつ、図1の加速度センサ
の製造方法の説明をする。 (1) 図7(a)の工程 50ミクロンの厚さのn型シリコン基板を用意する。基
板が薄すぎて十分な強度が得られない場合は、振動子周
辺のみを、濃いKOH水溶液により50ミクロンの厚さ
まで、裏側からエッチングする。 (2) 図7(b)の工程 基板を1200°C酸素中において、酸化膜0.5ミク
ロンを形成する。 (3) 図7(c)の工程 フォトリソグラフィーによりピエゾ抵抗部分のエッチン
グ、さらにボロンの拡散によってピエゾ抵抗を形成す
る。 (4) 図7(d)の工程 アルミニウムを全面に蒸着後、パターニングして、ピエ
ゾ抵抗間の配線及び入出力のためのアルミニウム電極を
形成してホイ−ストンブリッジを構成する。
Method of Manufacturing Acceleration Sensor of FIG . 1 FIG. 7 is a manufacturing process diagram showing a method of manufacturing the acceleration sensor of FIG. Hereinafter, a method for manufacturing the acceleration sensor of FIG. 1 will be described with reference to the drawings. (1) Step of FIG. 7A An n-type silicon substrate having a thickness of 50 μm is prepared. If the substrate is too thin to obtain sufficient strength, only the periphery of the vibrator is etched from the back side with a concentrated KOH aqueous solution to a thickness of 50 microns. (2) Step of FIG. 7B The oxide film of 0.5 micron is formed on the substrate in 1200 ° C. oxygen. (3) Step of FIG. 7C The piezoresistive portion is formed by etching the piezoresistive portion by photolithography and further by diffusing boron. (4) Step of FIG. 7D After vapor deposition of aluminum on the entire surface, patterning is performed to form wiring between piezoresistors and aluminum electrodes for input / output to form a Wheatstone bridge.

【0017】(5) 図7(e)の工程 CVDによりマスクとして酸化シリコン膜5ミクロン、
さらにタングステンシリサンド膜0.5ミクロン蒸着す
る。タングステンシリサイドをマスクとして、酸化シリ
コン膜をエッチングし、次工程のシリコンウェハ貫通エ
ッチングのマスクを形成する。 (6) 図7(f)の工程 SF3 とCCl2 2 との混合ガスを反応ガスとして、
反応性イオンエッチングにより、シリンコ基板を垂直に
エッチングする。 (7) 図7(g)の工程 マスクを除去し、図1に示す振動子の製造を完了する。
以上説明したように、本実施例では、シリコン基板に平
行で梁に垂直な方向(Y方向)とシリコン基板に垂直な
方向(Z方向)の加速度を測定する図1に示す加速度セ
ンサが、LIGAプロセスを用いる必要がなく、通常の
半導体プロセスを用いて作成すればよいので、安価であ
り量産性にも優れている。
(5) Step of FIG. 7 (e) Silicon oxide film 5 μm as a mask by CVD,
Further, a tungsten silicon sand film of 0.5 micron is deposited. Using the tungsten silicide as a mask, the silicon oxide film is etched to form a mask for silicon wafer through etching in the next step. (6) Step of FIG. 7 (f) A mixed gas of SF 3 and CCl 2 F 2 is used as a reaction gas,
The reactive ion etching vertically etches the silinco substrate. (7) Step of FIG. 7G The mask is removed, and the manufacturing of the vibrator shown in FIG. 1 is completed.
As described above, in the present embodiment, the acceleration sensor shown in FIG. 1 for measuring the acceleration in the direction parallel to the silicon substrate and perpendicular to the beam (Y direction) and the direction perpendicular to the silicon substrate (Z direction) is the LIGA. Since it is not necessary to use a process and can be formed by using an ordinary semiconductor process, it is inexpensive and excellent in mass productivity.

【0018】第2の実施例 図8(a)〜(b)は、本発明の第2の実施例の加速度
センサを示す図であり、同図(a)は平面図、同図
(b)は側面図である。本第2の実施例の加速度センサ
が第1の実施例の加速度センサと異なる点は、振動子1
10を両持ち梁112−1、112−2で構成して、お
もり111の重心Oに関して点対称な位置にピエゾ抵抗
114−1と114−2を設けたことである。図8
(a)に示すように、この加速度センサは、シリコン基
板100に振動子110が配置されている。振動子11
0は、中央部に配置されたおもり111とこのおもり1
11の左右に配置された両持ち梁112−1、112−
2とにより構成されている。振動子110のおもり11
1、及び梁112−1、112−2の周辺は、シリコン
基板100の貫通エッチングにより形成された貫通部1
13である。おもり111の重心Oに関して点対称に、
梁112−1、112−2の根元に不純物の濃度が1×
1018〜2×1021cm-3程度の拡散抵抗により形成さ
れたピエゾ抵抗114−1、114−2が配置されてい
る。
Second Embodiment FIGS. 8A and 8B are views showing an acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention. FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a view. Is a side view. The difference between the acceleration sensor of the second embodiment and the acceleration sensor of the first embodiment is that the vibrator 1
10 is composed of both-supported beams 112-1 and 112-2, and piezoresistors 114-1 and 114-2 are provided at positions symmetrical with respect to the center of gravity O of the weight 111. FIG.
As shown in (a), in this acceleration sensor, a vibrator 110 is arranged on a silicon substrate 100. Oscillator 11
0 is the weight 111 arranged in the center and this weight 1
Support beams 112-1 and 112- arranged on the left and right of 11
2 and. Weight 11 of oscillator 110
1 and the peripheries of the beams 112-1 and 112-2 are penetrating portions 1 formed by penetrating etching of the silicon substrate 100.
It is 13. Point-symmetric about the center of gravity O of the weight 111,
The concentration of impurities is 1 × at the roots of the beams 112-1 and 112-2.
Piezoresistors 114-1 and 114-2 formed by diffusion resistances of about 10 18 to 2 × 10 21 cm −3 are arranged.

【0019】図9は、図8(a)中のB部の拡大図であ
る。図9に示すように、ピエゾ抵抗114−2は、梁1
12−2の根元に梁112−2の長さ方向に、Y方向の
対称軸から4μm(0.4a,aは梁112−1、11
2−2の厚み)離れた位置に配置されている。ピエゾ抵
抗114−2は、アルミニウム配線115によって、図
8(a)に示すようにシリコン基板100の固定部にピ
エゾ抵抗114−2と同じ濃度の拡散抵抗により形成さ
れた他のピエゾ抵抗122−1〜122−3に接続され
ている。図10は、図8中のピエゾ抵抗間の接続を示す
図である。図10(a)に示すように、ピエゾ抵抗11
4−1とピエゾ抵抗121−1〜121−3はホイスト
ーンブリッジを構成する。ホイストーンブリッジの電源
分岐には一定の電源が供給され、検出分岐には検出器が
接続されている。そして、検出器の出力側には、シリコ
ン基板に平行で梁112−1に垂直な方向の加速度を求
めるための演算器が接続されている。
FIG. 9 is an enlarged view of portion B in FIG. 8 (a). As shown in FIG. 9, the piezoresistor 114-2 is connected to the beam 1
At the base of 12-2, in the length direction of the beam 112-2, 4 μm from the symmetry axis in the Y direction (0.4a, a is the beam 112-1, 11
2-2 thickness). The piezoresistor 114-2 is another piezoresistor 122-1 formed by a diffusion resistance having the same concentration as that of the piezoresistor 114-2 on the fixed portion of the silicon substrate 100 by the aluminum wiring 115, as shown in FIG. 8A. To 122-3. FIG. 10 is a diagram showing the connection between the piezoresistors in FIG. As shown in FIG. 10A, the piezoresistor 11
4-1 and the piezoresistors 121-1 to 121-3 form a Wheatstone bridge. A constant power is supplied to the power branch of the Hoystone bridge, and a detector is connected to the detection branch. Then, the output side of the detector is connected to an arithmetic unit for obtaining the acceleration in the direction parallel to the silicon substrate and perpendicular to the beam 112-1.

【0020】また、図10(b)に示すように、ピエゾ
抵抗114−2とピエゾ抵抗122−1〜122−3は
ホイストーンブリッジを構成する。ホイストーンブリッ
ジの電源分岐には一定の電源が供給され、検出分岐には
検出器が接続されている。そして、検出器の出力側に
は、上記演算器が接続されている。図8(b)に示すよ
うに左右の梁112−1,112−2は、それぞれ幅a
=10μm、厚さb=30μm、長さl=500μm
で、±Z方向(基板100に垂直な方向)、±Y方向
(基板100に垂直で梁112−1、112−2に垂直
な方向)共に振動する構造となっている。おもり111
は、下部がシリコン111a、上部が金111bにより
構成されており、おもり111全体の重量は2mgであ
る。上部の金11は付加重量である。おもり111全体
の重心Oが、梁112−1,112−2の延長上にある
ように設計してある。
Further, as shown in FIG. 10B, the piezoresistor 114-2 and the piezoresistors 122-1 to 122-3 form a Wheatstone bridge. A constant power is supplied to the power branch of the Hoystone bridge, and a detector is connected to the detection branch. Then, the arithmetic unit is connected to the output side of the detector. As shown in FIG. 8B, the left and right beams 112-1 and 112-2 have a width a.
= 10 μm, thickness b = 30 μm, length l = 500 μm
Thus, both ± Z directions (directions perpendicular to the substrate 100) and ± Y directions (directions perpendicular to the substrate 100 and perpendicular to the beams 112-1 and 112-2) are vibrated. Weight 111
Has a lower part made of silicon 111a and an upper part made of gold 111b, and the weight 111 as a whole weighs 2 mg. The upper gold 11 is the added weight. The center of gravity O of the entire weight 111 is designed to be on the extension of the beams 112-1 and 112-2.

【0021】以下、図8の加速度センサの動作の説明を
する。おもり111と梁112−1、112−2は、シ
リコン基板100に平行で梁112−1,112−2に
垂直な加速度αYとシリコン基板100に垂直な加速度
αZによって変位する。加速度αYだけが働いたとき、
梁112−1、112−2の根元の中性点における曲率
は、 RXY=Ea3 b/(mlαY×3) ・・・(13) となる。また、加速度αZだけが働いたとき、梁112
−1、112−2の根元の中性点における曲率は、 RYZ=Eab2 /(mlαZ×3) ・・・(14) となる。後は、第1の実施例と同様に考えて、センサに
一般の加速度ベクトル(αX,αY,αZ)が与えられ
たとき、ピエゾ抵抗114−1,114−2の感じるひ
ずみをそれぞれe1 ,e2 とすると、 e2 −e1 =1.2mlαY/(Ea2 b) ・・・(15) e1 +e2 =1.5mlαZ/(Eab2 ) ・・・(16) の関係があり、加速度αY,αZを検出することができ
る。
The operation of the acceleration sensor shown in FIG. 8 will be described below. The weight 111 and the beams 112-1 and 112-2 are displaced by an acceleration αY parallel to the silicon substrate 100 and perpendicular to the beams 112-1 and 112-2 and an acceleration αZ perpendicular to the silicon substrate 100. When only acceleration αY works,
The curvature at the neutral point of the roots of the beams 112-1 and 112-2 is R XY = Ea 3 b / (mlαY × 3) (13). Further, when only the acceleration αZ works, the beam 112
The curvature at the neutral point of the root of −1, 112-2 is R YZ = Eab 2 / (mlαZ × 3) (14). After that, considering the same as in the first embodiment, when the general acceleration vector (αX, αY, αZ) is given to the sensor, the strains felt by the piezoresistors 114-1 and 114-2 are e 1 , respectively. When e 2, e 2 -e 1 = 1.2mlαY / (Ea 2 b) ··· (15) e 1 + e 2 = 1.5mlαZ / (Eab 2) is related to (16), The accelerations αY and αZ can be detected.

【0022】測定は、図9に示すように、ホイストーン
ブリッジを組んで行う。ピエゾ抵抗114−1にひずみ
がかからないときは、ブリッジを組む4個のピエゾ抵抗
114−1、121−1〜121−3の抵抗が等しいの
で、ブリッジに入力電圧を加えても出力は0である。一
方、ピエゾ抵抗114−1にひずみがかかるときには、
ピエゾ抵抗114−1の抵抗が変化して、出力電圧が得
られる。同様に、ピエゾ抵抗114−2にひずみがかか
るかかるときには、ピエゾ抵抗114−2の抵抗が変化
して、出力電圧が得られる。そこで、演算器によって、
ブリッジの出力電圧の差分と、この差分結果と定数との
乗算とを行って、加速度αYを求める。また、ブリッジ
の出力電圧の加算とこの加算結果と定数との乗算とをお
こなって、加速度αZを求める。以上説明したように、
本第2の実施例では、第1の実施例と同様の利点があ
る。
The measurement is carried out by constructing a Hoystone bridge as shown in FIG. When the piezoresistor 114-1 is not distorted, the four piezoresistors 114-1, 121-1 to 121-3 forming the bridge have the same resistance, so that the output is 0 even if an input voltage is applied to the bridge. . On the other hand, when strain is applied to the piezoresistor 114-1,
The resistance of the piezoresistor 114-1 changes and an output voltage is obtained. Similarly, when strain is applied to the piezoresistor 114-2, the resistance of the piezoresistor 114-2 changes and an output voltage is obtained. So, by the arithmetic unit,
The difference between the output voltages of the bridge and the result of this difference are multiplied by a constant to obtain the acceleration αY. Further, the output voltage of the bridge is added and the result of this addition is multiplied by a constant to obtain the acceleration αZ. As explained above,
The second embodiment has the same advantages as the first embodiment.

【0023】図8の加速度センサの製造方法 次に、図8の加速度センサの製造方法の説明をする。ま
ず、厚さ400μmのシリコン基板を用いる。シリコン
基板上に拡散法により1×1018〜2×1021cm-3
度の不純物濃度のピエゾ抵抗を形成した後、おもりの部
分を残して、振動子の周辺を濃いKOH溶液によりシリ
コン基板の裏面からエッチングする。その後、反応性イ
オンエッチングにより、SF6 とCCl2 2 の混合ガ
スを用いて、梁及びおもりの周辺を貫通するまで垂直エ
ッチングする。その後、付加重量を加える。
Method of Manufacturing Acceleration Sensor of FIG . 8 Next, a method of manufacturing the acceleration sensor of FIG. 8 will be described. First, a silicon substrate having a thickness of 400 μm is used. After forming a piezoresistor having an impurity concentration of about 1 × 10 18 to 2 × 10 21 cm −3 on the silicon substrate by a diffusion method, the periphery of the vibrator is left with a concentrated KOH solution while leaving the weight portion. Etch from the back. After that, by reactive ion etching, vertical etching is performed using a mixed gas of SF 6 and CCl 2 F 2 until it penetrates around the beam and the weight. Then add additional weight.

【0024】第3の実施例 図11は、本発明の第3の実施例の加速度センサを示す
図である。本発明の第3の実施例の加速度センサが従来
の加速度センサと異なる点は、直交する二つの振動子を
用いて、3次元方向の加速度を測定する3次元加速度セ
ンサとしたことである。この加速度センサは、シリコン
基板200を貫通エッチングして得た直交する二つの振
動子250と270とを有している。振動子250と2
70は、方向が異なるのみで第1の実施例の加速度セン
サの振動子60と全く同様な構造を持つ。図12
(a),(b)は、図11中の振動子250を示す図で
あり、同図(a)は平面図、同図(b)は側面図であ
る。図12(a)に示すように、振動子250は、おも
り251と梁252とにより構成されている。おもり2
51と梁252の周辺部は、シリコン基板200の貫通
エッチングにより形成された貫通部253となってい
る。梁の252の長さ方向に沿って、ピエゾ抵抗254
−1と254−2が配置されている。
Third Embodiment FIG. 11 is a diagram showing an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention. The acceleration sensor according to the third embodiment of the present invention is different from the conventional acceleration sensor in that it is a three-dimensional acceleration sensor that measures acceleration in three-dimensional directions by using two transducers that are orthogonal to each other. This acceleration sensor has two oscillators 250 and 270 which are orthogonal to each other and are obtained by etching the silicon substrate 200. Oscillator 250 and 2
Reference numeral 70 has exactly the same structure as the vibrator 60 of the acceleration sensor of the first embodiment except that the direction is different. 12
11A and 11B are diagrams showing the vibrator 250 in FIG. 11, FIG. 11A is a plan view, and FIG. 11B is a side view. As shown in FIG. 12A, the vibrator 250 is composed of a weight 251 and a beam 252. Weight 2
The periphery of 51 and the beam 252 is a through portion 253 formed by through etching of the silicon substrate 200. Piezoresistor 254 along the length of beam 252
-1 and 254-2 are arranged.

【0025】図13は、図12(a)中のC部の拡大図
である。図13に示すように、ピエゾ抵抗254−1と
ピエゾ抵抗254−2は、梁252の根元で梁252を
Y方向に二等分する直線に対して対称に、中心線から8
μm(0.4a)の位置にある。ピエゾ抵抗254−1
と252−2の一方の端子は、アルミニウム配線255
によって接続されている。図12(a)に示すように、
シリコン基板200の固定部には、ピエゾ抵抗261−
1〜261−3が配置されている。図14(a),
(b)は、図12(a)中のピエゾ抵抗間の配線を示す
図である。図14(a)に示すように、ピエゾ抵抗25
4−1とピエゾ抵抗261−1〜261−3によりホイ
ストーンブリッジ回路を構成する。短絡されたピエゾ抵
抗254−1と261−3の端子と、短絡されたピエゾ
抵抗261−1と261−2の端子との間には検出器が
配置され、この検出器の出力側に、図示しない演算器が
配置されている。同様に、図14(a)に示すように、
ピエゾ抵抗254−2とピエゾ抵抗262−1〜262
−3によりホイストーンブリッジ回路を構成する。短絡
されたピエゾ抵抗254−2と262−3の端子と短絡
されたピエゾ抵抗262−1と262−2の端子との間
には検出器が配置され、この検出器の出力側に、上記演
算器が配置されている。
FIG. 13 is an enlarged view of portion C in FIG. 12 (a). As shown in FIG. 13, the piezoresistor 254-1 and the piezoresistor 254-2 are symmetrical with respect to a straight line that bisects the beam 252 in the Y direction at the root of the beam 252, and is 8 degrees from the center line.
It is located at the position of μm (0.4a). Piezo resistance 254-1
And one of the terminals 252-2 has an aluminum wiring 255
Connected by. As shown in FIG.
The fixed portion of the silicon substrate 200 has a piezoresistor 261-.
1-261-3 are arranged. FIG. 14 (a),
FIG. 12B is a diagram showing wiring between the piezoresistors in FIG. As shown in FIG. 14A, the piezoresistor 25
A Wheatstone bridge circuit is configured by 4-1 and the piezo resistors 261-1 to 261-3. A detector is arranged between the terminals of the short-circuited piezoresistors 254-1 and 261-3 and the terminals of the short-circuited piezoresistors 261-1 and 261-2. A calculator is not installed. Similarly, as shown in FIG.
Piezoresistor 254-2 and piezoresistors 262-1 to 262
-3 constitutes a Hoystone bridge circuit. A detector is arranged between the terminals of the short-circuited piezoresistors 254-2 and 262-3 and the terminals of the short-circuited piezoresistors 262-1 and 262-2, and the above calculation is performed on the output side of the detector. Are placed.

【0026】梁252は幅a=20μm、厚さb=50
μm、長さl=1000μmと細長く、±Z方向、±Y
方向の二つの方向に振動することのできる構造となって
いる。図12(b)に示すように、加速度センサは、振
動子250の上下の周辺213、214がエッチングさ
れたガラスカバーー211、212で覆われている。ま
た、シリコン基板200の面方位が(011)のn型シ
リコン基板を用いている。振動子250の梁の方向は、
(−21/2 ,1,−1)に一致しており、振動子270
の梁の方向は、(−21/2 ,−1,1)方向に一致して
いる。なお、方向(−21/2 ,1,−1)と(−
1/2 ,−1,1)が直交することは、ベクトルの内積
をとれば分かる。これらの梁の方向は、シリコン基板2
00のオリエンテーションフラットの方向を基準として
決める。また、以降、梁の方向が(l,m,n)に一致
すると述べるときは、梁が(l,m,n)と(−l,−
m,−n)方向のどちらに向いているかは問わない。す
なわち、おもりがどちらの方向を向いているかは問わな
いこととする。
The beam 252 has a width a = 20 μm and a thickness b = 50.
μm, length l = 1000 μm, long and thin, ± Z direction, ± Y
It has a structure that can vibrate in two directions. As shown in FIG. 12B, the acceleration sensor is covered with glass covers 211 and 212 in which upper and lower peripheral portions 213 and 214 of the vibrator 250 are etched. Further, an n-type silicon substrate whose plane orientation of the silicon substrate 200 is (011) is used. The beam direction of the oscillator 250 is
It matches (-2 1/2 , 1, -1), and the oscillator 270
The direction of the beam of is in agreement with the (-2 1/2 , -1, 1) direction. Note that the directions (-2 1/2 , 1, -1) and (-
It can be seen that 21/2 , -1, 1) are orthogonal by taking the inner product of the vectors. The direction of these beams is the silicon substrate 2
The orientation flat direction of 00 is used as a reference. Further, hereinafter, when it is stated that the direction of the beam coincides with (l, m, n), the beam is (l, m, n) and (-l,-).
It does not matter which of the m, -n) direction it is facing. That is, it does not matter which direction the weight is facing.

【0027】以下、図11の加速度センサの動作の説明
をする。まず、振動子250の動作の説明をする。第1
の実施例と同様に、基板200に平行で梁252に垂直
な加速度αYだけが動いたとき、梁の支点の中性点にお
ける曲率半径は、 RXY=Ea3 b/(mlαY×12) ・・・(17) となる。このとき、ピエゾ抵抗254−1と254−2
の部分での曲率半径は、それぞれRXY+0.4a、RXY
−0.4aとなる。よって、ピエゾ抵抗254−1は、 eY1=0.4a/RXY=4.8mlαY/(Ea2 b) ・・・(18) の引っ張りひずみを感じ、ピエゾ抵抗254−2は、 eY2=−0.4a/RXY=−4.8mlαY/(Ea2 b) ・・(19) の圧縮ひずみを感じる。
The operation of the acceleration sensor shown in FIG. 11 will be described below. First, the operation of the vibrator 250 will be described. First
In the same manner as in the above example, when only the acceleration αY parallel to the substrate 200 and perpendicular to the beam 252 moves, the radius of curvature at the neutral point of the fulcrum of the beam is R XY = Ea 3 b / (mlαY × 12).・ ・ (17) At this time, the piezo resistors 254-1 and 254-2
The radii of curvature at the part of are R XY + 0.4a, R XY
It becomes −0.4a. Therefore, the piezoresistor 254-1 feels a tensile strain of e Y1 = 0.4a / R XY = 4.8 ml αY / (Ea 2 b) (18), and the piezoresistor 254-2 evaluates e Y2 = -0.4a / R XY = -4.8 ml αY / (Ea 2 b) ··· Feel a compressive strain of (19).

【0028】次に、シリコン基板200に垂直な加速度
αZだけが働いたときを考える。この場合の中性点にお
ける曲率半径は、 RZX=Eab3 /(mlαZ×12) ・・・(20) ピエゾ抵抗254−1、254−2とも曲率半径は、R
ZX+0.5bであるからひずみは共に、 eZ1=eZ2=0.5b/RZX=6mlαZ/(Eab2 ) ・・・(21) となる。加速度センサに一般の加速度ベクトル(αX,
αY,αZ)が与えられたとき、ピエゾ抵抗254−1
と254−2の感じるひずみはそれぞれ e1 =eY1+eZ1=4.8mlαY/Ea2 b+6mlαZ/(Eab2 ) ・・・(22) e2 =eY2+eZ2=−4.8mlαY/Ea2 b+6mlαZ/(Eab2 ) ・・・(23) これらより、 e1 −e2 =9.6mlαY/(Ea2 b) ・・・(24) e1 +e2 =12mlαZ/(Eab2 ) ・・・(25) ひずみが小さいとき、ひずみはピエゾ抵抗254−1と
254−2の抵抗の変化率に比例する。ピエゾ抵抗25
4−1、254−2の繋がるホイストーンブリッジの検
出器の出力をVo 1 ,Vo 2 とすると、 Vo 1 =πe1 i ×E/4 ・・・(26) Vo 2 =πe2 i ×E/4 ・・・(27) 式(24)、(25)、(26)、(27)により、 Vo 1 −Vo 2 =π2.4mlαYVi /(a2 b) ・・・(28) Vo 1 +Vo 2 =−π3mlαZVi /(ab2 ) ・・・(29) となる。
Next, consider a case where only the acceleration αZ perpendicular to the silicon substrate 200 is applied. The radius of curvature at the neutral point in this case is R ZX = Eab 3 / (mlαZ × 12) (20) The radius of curvature is R for both piezoresistors 254-1 and 254-2.
ZX + because it is 0.5b strain together, e Z1 = e Z2 = 0.5b / R ZX = 6mlαZ / (Eab 2) a ... (21). A general acceleration vector (αX,
.alpha.Y, .alpha.Z) is given, the piezoresistor 254-1
And the strains felt by 254-2 are e 1 = e Y1 + e Z1 = 4.8 ml αY / Ea 2 b + 6 ml αZ / (Eab 2 ) ... (22) e 2 = e Y2 + e Z2 = −4.8 ml αY / Ea 2 b + 6 ml αZ / (Eab 2 ) ... (23) From these, e 1 −e 2 = 9.6 ml αY / (Ea 2 b) ・ ・ ・ (24) e 1 + e 2 = 12 ml αZ / (Eab 2 ) ・ ・ ・(25) When the strain is small, the strain is proportional to the rate of change of the resistance of the piezoresistors 254-1 and 254-2. Piezo resistance 25
Supposing that the outputs of the detector of the Hoystone bridge connected with 4-1 and 254-2 are V o 1 and V o 2 , V o 1 = πe 1 V i × E / 4 (26) V o 2 = πe 2 V i × E / 4 (27) From formulas (24), (25), (26) and (27), V o 1 -V o 2 = π 2.4 ml αYV i / (a 2 b) (28) V o 1 + V o 2 = −π3 ml αZV i / (ab 2 ) (29)

【0029】ここで、πは(−21/2 ,−1,1)方向
の見かけのピエゾ抵抗係数、Vi は各ブリッジへの入力
電圧である。これによりαY,αZが求められる。そこ
で、演算器によって、式(28)にしたがって検出器の
出力の差をとり、その差分結果とみかけのピエゾ係数π
などの定数との乗算を行うことにより、加速度αYを算
出する。また、式(29)にしたがって、演算器によっ
て、加速度αZを算出する。同様にして、振動子27
0、この振動子270の梁に配置されたピエゾ抵抗を含
むホイストーンブリッジ回路、及び演算器によって加速
度αX,αZが求められる。以下、本発明の第3の実施
例の利点を説明する。本第3の実施例では、基板200
として面方位(011)のn型のシリコン基板を用い、
振動子250,270の梁の長さの方向が方向(−2
1/2 ,1,−1)、(−21/2 ,−1,1)方向に一致
している。一般に、(l,m,n)方向(l2 +m2
2 =1)に応力Tが加えられたときののピエゾ抵抗の
変化は、 Δρ/ρ={π11+2(π44+π12−π11)(l2 2 +m2 2 +n2 2 )}T ・・・(30) と表される。括弧内は見掛けのピエゾ抵抗係数である。
Here, π is the apparent piezoresistive coefficient in the (−2 1/2 , −1, 1) direction, and V i is the input voltage to each bridge. As a result, αY and αZ are obtained. Therefore, the difference between the outputs of the detectors is calculated by the arithmetic unit according to the equation (28), and the difference result and the apparent piezo coefficient π
The acceleration αY is calculated by performing multiplication with a constant such as. In addition, the computing unit calculates the acceleration αZ according to the equation (29). Similarly, the oscillator 27
0, accelerations αX and αZ are obtained by a Hoiston bridge circuit including a piezoresistor arranged on the beam of the vibrator 270 and a calculator. The advantages of the third embodiment of the present invention will be described below. In the third embodiment, the substrate 200
Using an n-type silicon substrate with a plane orientation (011) as
The direction of the beam length of the oscillators 250 and 270 is the direction (-2
1/2, 1, -1), (- consistent 21/2, -1,1) direction. Generally, in the (l, m, n) direction (l 2 + m 2 +
The change in piezoresistance when the stress T is applied to (n 2 = 1) is Δρ / ρ = {π 11 +2 (π 44 + π 12 −π 11 ) (l 2 m 2 + m 2 n 2 + n 2 l 2 )} T ... (30) The apparent piezoresistive coefficient is shown in parentheses.

【0030】図15は、式(30)により計算されるp
型シリコンの室温における代表的結晶面の見かけのピエ
ゾ抵抗係数を示す図であり、同図(a)は(001)
面、同図(b)は(011)面、同図(c)は(11
1)面における見かけのピエゾ抵抗係数である。図中の
原点からの長さがピエゾ抵抗係数の大きさを表し、原点
からの方位が結晶の方位を表している。図16はシリコ
ンにおけるゲージ率と比抵抗との関係を示す図である。
この図により、p型及びn型における結晶面のひずみに
よる感度とピエゾ抵抗との関係が分かる。すなわち、ゲ
ージ率の絶対値が大きい程、そのゲージ率を持つピエゾ
抵抗を加速度センサに用いた場合において感度が良くな
る。図15に示すように、シリコンの面方位(011)
の場合では、ピエゾ抵抗係数が最大になるのは、(−
1,1,−1)方向、及び(−1,−1,1)方向とな
り、梁の長さがこの方位に振動子を持つ加速度センサの
感度が最大となる。ところが、これらの方位は直交しな
い。基板に水平な加速度のどの方向からに対しても均一
な感度を得るためには、直交する二つのセンサの感度が
等しくなければならない。この条件を満たし、さらにピ
エゾ抵抗係数を最大とするためには、基板として面方位
が(011)のシリコンを用い、振動子250,270
のそれぞれの梁の長さの方向として(−21/2 ,1,−
1)及びそれに直交する(−21/2 ,−1,1)方向に
することである。これにより、X,Y方向いずれに対し
ても高感度なセンサが実現できる。
FIG. 15 shows p calculated by the equation (30).
It is a figure which shows the apparent piezoresistive coefficient of the typical crystal plane of room-temperature silicon at room temperature, and the figure (a) is (001).
Plane, (b) in the figure, (011) plane, and (c) in the figure, (11)
1) The apparent piezoresistive coefficient in the plane. The length from the origin in the figure represents the magnitude of the piezoresistance coefficient, and the orientation from the origin represents the crystal orientation. FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the gauge factor and the specific resistance of silicon.
From this figure, the relationship between the sensitivity due to the strain of the crystal plane in the p-type and the n-type and the piezoresistance can be understood. That is, the larger the absolute value of the gauge factor, the better the sensitivity when the piezoresistor having the gauge factor is used in the acceleration sensor. As shown in FIG. 15, the plane orientation of silicon (011)
In the case of, the maximum piezoresistance coefficient is (-
The direction of the beam is the (1,1, -1) direction and the (-1, -1,1) direction, and the length of the beam maximizes the sensitivity of the acceleration sensor having the vibrator in this direction. However, these directions are not orthogonal. In order to obtain uniform sensitivity from any direction of acceleration horizontal to the substrate, the sensitivities of two orthogonal sensors must be equal. In order to satisfy this condition and further maximize the piezoresistance coefficient, silicon having a plane orientation of (011) is used as the substrate, and the oscillators 250 and 270 are used.
As the direction of the length of each beam of (-2 1/2 , 1,-
1) and the (-2 1/2 , -1, 1) direction orthogonal thereto. This makes it possible to realize a sensor having high sensitivity in both the X and Y directions.

【0031】第4の実施例 本第4の実施例が第3の実施例と異なる点は、シリコン
基板として(001)面のn型のシリコンを用いて、直
交する二つの振動子250、270を(−1,1,
0)、(1,1,0)方向に配置して、ピエゾ抵抗をp
型の拡散抵抗としたことである。本第4の実施例の加速
度センサは、第3の実施例の加速度センサと同様に動作
する。以下、本第4の実施例の利点を説明する。図15
に示すように(001)面方位のp型シリコンにおいて
は、ピエゾ抵抗係数は、(−1,1,0)、及び(1,
1,0)の方位において最大になる。よって、基板とし
て(001)面方位のn型シリコン基板を用い、直交す
る二つの振動子の梁の長さの方向として、(−1,1,
0)、及びそれに直交する(1,1,0)方向にすれ
ば、X,Y方向のいずれの方向に対しても高感度のセン
サが実現できる。
Fourth Embodiment This fourth embodiment differs from the third embodiment in that (001) -plane n-type silicon is used as a silicon substrate and two oscillators 250 and 270 which are orthogonal to each other are used. To (-1, 1,
0), (1, 1, 0) direction and piezoresistor p
That is the diffusion resistance of the mold. The acceleration sensor of the fourth embodiment operates similarly to the acceleration sensor of the third embodiment. The advantages of the fourth embodiment will be described below. FIG.
As shown in (1), in the p-type silicon having the (001) plane orientation, the piezoresistance coefficients are (-1, 1, 0) and (1,
It becomes maximum in the direction of (1, 0). Therefore, the n-type silicon substrate having the (001) plane orientation is used as the substrate, and the directions of the beam lengths of the two oscillators orthogonal to each other are (−1, 1,
0) and the (1, 1, 0) direction orthogonal thereto, it is possible to realize a sensor with high sensitivity in any of the X and Y directions.

【0032】第5の実施例 本第5の実施例が第3の実施例と異なる点は、シリコン
基板として(111)面方位のn型シリコン基板を用
い、直交する二つの振動子に拡散法によりp型のピエゾ
抵抗を形成したことである。振動子の形成される方位は
問わない。本第5の実施例の加速度センサは、第3の実
施例の加速度センサと同様に動作する。以下、本第5の
実施例の利点を説明する。図15に示すように(11
1)面方位のp型シリコンにおいては、ピエゾ抵抗係数
はすべての方位において等しくなる。よって、基板とし
て(111)面方位n型シリコン基板を用い、直交する
二つの振動子にp型のピエゾ抵抗を形成すれば、基板に
水平などの方向にも同一の感度を持つ加速度センサが得
られる。そのため、振動子の方位を正確に合わせる必要
がないので、シリコン基板に対して、ピエゾ抵抗、梁な
どを形成する際のマスクを合わせにおいて、方位を気に
しなくてもよいという利点がある。
Fifth Embodiment The fifth embodiment is different from the third embodiment in that an n-type silicon substrate having a (111) plane orientation is used as a silicon substrate and a diffusion method is applied to two oscillators orthogonal to each other. Is to form a p-type piezoresistor. The orientation in which the oscillator is formed does not matter. The acceleration sensor of the fifth embodiment operates similarly to the acceleration sensor of the third embodiment. The advantages of the fifth embodiment will be described below. As shown in FIG.
1) In plane-oriented p-type silicon, the piezoresistance coefficient is the same in all orientations. Therefore, if a (111) plane orientation n-type silicon substrate is used as a substrate and p-type piezoresistors are formed on two orthogonal oscillators, an acceleration sensor having the same sensitivity in the horizontal direction can be obtained. To be Therefore, since it is not necessary to accurately align the orientation of the vibrator, there is an advantage that the orientation does not need to be taken into consideration when aligning the mask for forming the piezoresistor, the beam, and the like with the silicon substrate.

【0033】なお、本発明は、上記実施例に限定されず
種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば
次のようなものがある。 (1) 本実施例では、単結晶シリコン基板を用いた
が、多結晶シリコン、他の半導体(p型のGe、n型の
Ge、p型のInSb、n型のInSb等)、または金
属などの振動子の材質は問わない。 (2) 本実施例では、拡散法によって形成されたシリ
コンのピエゾ抵抗を用いたが、薄膜タイプのものであっ
てもかまわない。 (3) 本実施例では、ブリッジ回路によりピエゾ抵抗
の抵抗の変化を測定したが、ブリッジ回路以外の回路に
より測定してもよい。 (4) 図1中のシリコン基板50として(011)面
方位のn型のシリコンを用い、振動子60の梁62の方
向を(1,−1,1)又は(1,1,−1)方向に配置
して、ピエゾ抵抗64−1、64−2としてはp型の拡
散抵抗としてもよい。 (5) 図1中のシリコン基板50として(011)面
方位のn型のシリコンを用い、振動子60の梁62の方
向を(2,−1,1)又は(2,1,−1)方向に配置
して、ピエゾ抵抗64−1、64−2としてはp型の拡
散抵抗としてもよい。この時は、反応性イオンエッチン
グではなくKOH溶液等によるウェットエッチングによ
り梁62の制作が可能となる点がある。すなわち、この
方向に梁62を取ると梁62の側面が(111)面と同
等な方向となる。(111)面は他の面に比べてエッチ
ングされにくい性質を持つため、梁62の部分をSiO
2等でマスクしておき、KOHでエッチングすることに
より垂直な梁62が作製できる。この方法は、反応性イ
オンエッチングに比べて簡便である。また、オゾン層を
破壊するフロンガスを用いる必要がない。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. The following are examples of such modifications. (1) In this embodiment, the single crystal silicon substrate is used, but polycrystalline silicon, another semiconductor (p-type Ge, n-type Ge, p-type InSb, n-type InSb, etc.), metal, or the like. The material of the vibrator of does not matter. (2) In this embodiment, the piezoresistance of silicon formed by the diffusion method is used, but a thin film type may be used. (3) In this embodiment, the resistance change of the piezoresistor is measured by the bridge circuit, but it may be measured by a circuit other than the bridge circuit. (4) As the silicon substrate 50 in FIG. 1, n-type silicon having the (011) plane orientation is used, and the direction of the beam 62 of the vibrator 60 is (1, -1,1) or (1,1, -1). Alternatively, p-type diffusion resistors may be used as the piezoresistors 64-1 and 64-2. (5) n-type silicon having a (011) plane orientation is used as the silicon substrate 50 in FIG. 1, and the direction of the beam 62 of the vibrator 60 is (2, -1,1) or (2,1, -1). Alternatively, p-type diffusion resistors may be used as the piezoresistors 64-1 and 64-2. At this time, there is a point that the beam 62 can be manufactured by wet etching using a KOH solution or the like instead of the reactive ion etching. That is, when the beam 62 is taken in this direction, the side surface of the beam 62 is in the same direction as the (111) plane. Since the (111) plane has a property of being less likely to be etched than other planes, the portion of the beam 62 is made of SiO 2.
A vertical beam 62 can be manufactured by masking with 2 etc. and etching with KOH. This method is simpler than reactive ion etching. Further, there is no need to use CFC gas that destroys the ozone layer.

【0034】(6) 図11中のシリコン基板200と
しては、(001)面方位のp型シリコン基板を用い、
直交する二つの振動子のそれぞれの梁の長さの方向とし
て(1,0,0)及び(0,1,0)方向に配置して、
拡散法によりn型のピエゾ抵抗を形成してもよい。図1
7は、式(30)により計算されるn型シリコンの室温
における代表的結晶面の見かけのピエゾ抵抗係数を示す
図である。図16に示すように、n型シリコンにおいて
は、シリコンの面方位が(001)及びそれと同等な方
位の場合に、ゲージ率が最大となる、感度が最も良くな
る。である。よって、シリコン基板として、(100)
面方位のn型シリコン基板を用いる。また、図17に示
すように、シリコンの面方位(001)の場合では、ピ
エゾ抵抗係数が最大になるのは、(1,0,0)及び
(0,1,0)方向であり、梁の長さがこの方位に振動
子を持つ加速度センサの感度が最大となる。よって、基
板に水平な加速度のどの方向からに対しても均一に高感
度な加速度センサが得られる。 (7) 図11中のシリコン基板200としては、(0
11)面のp型のシリコンを用いて、直交する二つの振
動子250、270を(0,1,−1)、(1,0,
0)方向に配置して、ピエゾ抵抗をn型の拡散抵抗とし
てもよい。 (8) 図11中のシリコン基板200としては、(1
11)面のp型のシリコンを用いて、ピエゾ抵抗をn型
の拡散抵抗としてもよい。
(6) A p-type silicon substrate having a (001) plane orientation is used as the silicon substrate 200 in FIG.
Arranged in the (1,0,0) and (0,1,0) directions as the direction of the length of each beam of the two orthogonal oscillators,
You may form an n-type piezoresistor by the diffusion method. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing an apparent piezoresistive coefficient of a typical crystal plane of n-type silicon at room temperature calculated by the equation (30). As shown in FIG. 16, in the n-type silicon, when the plane orientation of silicon is (001) and its orientation is the same, the gauge factor becomes maximum and the sensitivity becomes highest. Is. Therefore, as a silicon substrate, (100)
A plane-oriented n-type silicon substrate is used. Further, as shown in FIG. 17, in the case of the plane orientation of silicon (001), the maximum piezoresistance coefficient is in the (1,0,0) and (0,1,0) directions, and The length of is the maximum sensitivity of the acceleration sensor having the vibrator in this direction. Therefore, it is possible to obtain an acceleration sensor which is uniformly sensitive to any direction of acceleration horizontal to the substrate. (7) As the silicon substrate 200 in FIG.
Using the p-type silicon of the (11) plane, two orthogonal oscillators 250 and 270 are (0, 1, -1), (1, 0,
The piezoresistors may be n-type diffused resistors by arranging in the 0) direction. (8) As the silicon substrate 200 in FIG.
The piezoresistor may be an n-type diffused resistor by using p-type silicon of the 11) plane.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1〜第1
6の発明によれば、振動子の梁の幅方向の異なる位置に
複数のピエゾ抵抗を配置したので、そのピエゾ抵抗の梁
の変位による抵抗の変化を検出して、基板に平行で梁に
垂直な方向の加速度を測定することができる。
As described above in detail, the first to the first
According to the invention of claim 6, since a plurality of piezoresistors are arranged at different positions in the width direction of the beam of the vibrator, a change in resistance due to the displacement of the piezoresistive beam is detected, and the piezoresistance is parallel to the substrate and perpendicular to the beam. Acceleration in various directions can be measured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示す加速度センサの図
である。
FIG. 1 is a diagram of an acceleration sensor showing a first embodiment of the present invention.

【図2】従来の加速度センサを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a conventional acceleration sensor.

【図3】従来の加速度センサの問題点を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a problem of a conventional acceleration sensor.

【図4】図1中のA部拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of part A in FIG.

【図5】図1中のピエゾ抵抗間の接続を示す図である。5 is a diagram showing a connection between piezoresistors in FIG.

【図6】図1の加速度センサの梁の曲りを示す図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing bending of a beam of the acceleration sensor of FIG.

【図7】図1の加速度センサの製造方法を示す製造工程
図である。
7A to 7C are manufacturing process diagrams showing a method of manufacturing the acceleration sensor of FIG.

【図8】本発明の第2の実施例の加速度センサを示す図
である。
FIG. 8 is a diagram showing an acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図9】図8中のB部拡大図である。9 is an enlarged view of part B in FIG.

【図10】図8中のピエゾ抵抗間の接続を示す図であ
る。
10 is a diagram showing a connection between piezoresistors in FIG.

【図11】本発明の第3の実施例の加速度センサを示す
図である。
FIG. 11 is a diagram showing an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図12】図11中の振動子250を示す図である。12 is a diagram showing a vibrator 250 in FIG.

【図13】図12中のC部拡大図である。13 is an enlarged view of part C in FIG.

【図14】図12中のピエゾ抵抗間の接続を示す図であ
る。
14 is a diagram showing a connection between piezoresistors in FIG.

【図15】p型シリコンの室温におけるピエゾ抵抗係数
を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a piezoresistance coefficient of p-type silicon at room temperature.

【図16】シリコンにおけるゲージ率と比抵抗との関係
を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a gauge factor and a specific resistance in silicon.

【図17】n型シリコンの室温におけるピエゾ抵抗係数
を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a piezoresistance coefficient of n-type silicon at room temperature.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

50,100,200
シリコン基板 60,110,250,270
振動子 61,111,251
おもり 62,112−1,112−2,252
梁 63,113,253
貫通部 64−1,64−2,114−1
ピエゾ抵抗 114−2,254−1,254−2
ピエゾ抵抗 71−1〜71−3,72−1〜72−3
ピエゾ抵抗 121−1〜121−3,122−1〜122−3
ピエゾ抵抗 261−1〜261−3,262−1〜262−3
ピエゾ抵抗
50, 100, 200
Silicon substrate 60, 110, 250, 270
Transducer 61,111,251
Weight 62,112-1,112-2,252
Beam 63,113,253
Penetration part 64-1, 64-2, 114-1
Piezoresistor 114-2, 254-1, 254-2
Piezoresistors 71-1 to 71-3, 72-1 to 72-3
Piezoresistors 121-1 to 121-3, 122-1 to 122-3
Piezoresistors 261-1 to 261-3, 262-1 to 262-3
Piezo resistance

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 おもりと該おもりを支える梁とを有し、
前記おもりと前記梁との周辺部の基板を貫通部とする振
動子と、 前記梁に配置され、加速度による前記梁のひずみの大き
さ応じて抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗と、 前記ピエゾ抵抗の抵抗の変化を測定するピエゾ抵抗測定
回路と、 前記抵抗測定回路により測定された抵抗の変化に基づい
て、前記基板に平行でかつ前記梁の方向に対して垂直な
方向の加速度を算出する演算器とを、 備えたことを特徴とする加速度センサ。
1. A weight and a beam for supporting the weight,
A vibrator having a substrate in a peripheral portion of the weight and the beam as a penetrating portion; a plurality of piezoresistors arranged on the beam, the resistance of which changes according to the magnitude of strain of the beam due to acceleration; A piezoresistance measuring circuit for measuring a change in resistance of the, and a calculation for calculating an acceleration in a direction parallel to the substrate and perpendicular to the beam direction, based on the change in resistance measured by the resistance measuring circuit. An acceleration sensor characterized by comprising:
【請求項2】 各々がおもりと該おもりを支える梁とを
有し、前記おもりと前記梁との周辺部の基板を貫通部と
し、前記梁の長さの方向が互いに直交する二つの振動子
と、 前記二つのそれぞれの振動子の梁に配置され、加速度に
よる前記梁のひずみの大きさ応じて抵抗が変化する複数
のピエゾ抵抗と、 前記ピエゾ抵抗の抵抗の変化を測定するピエゾ抵抗測定
回路と、 前記抵抗測定回路により測定された抵抗の変化に基づい
て、前記基板に平行でかつ前記梁の方向に対して垂直な
二つの方向の加速度を算出する演算器とを、 備えたことを特徴とする加速度センサ。
2. Two vibrators each having a weight and a beam supporting the weight, a substrate in a peripheral portion of the weight and the beam being a penetrating portion, and length directions of the beams being orthogonal to each other. And a plurality of piezoresistors arranged on the beams of each of the two vibrators, the resistance of which changes according to the magnitude of strain of the beams due to acceleration, and a piezoresistance measuring circuit for measuring the change of resistance of the piezoresistors. And an arithmetic unit that calculates acceleration in two directions parallel to the substrate and perpendicular to the beam direction based on a change in resistance measured by the resistance measurement circuit. And an acceleration sensor.
【請求項3】 前記ピエゾ抵抗測定回路は、 前記各ピエゾ抵抗とブリッジ回路を構成し、該ブリッジ
の電源分枝に電源を供給し、検出分枝の検出器により前
記ピエゾ抵抗の抵抗の変化を測定する構成したことを特
徴とする請求項1又は2記載の加速度センサ。
3. The piezoresistance measuring circuit constitutes a bridge circuit with each of the piezoresistances, supplies power to a power supply branch of the bridge, and detects a change in resistance of the piezoresistance by a detector of a detection branch. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration sensor is configured to measure.
【請求項4】 前記梁は、 片持ち梁であり、 前記ピエゾ抵抗は、 前記梁の長さ方向の中心線に対して対称な位置に配置し
た、 ことを特徴とする請求項1又は2記載の加速度センサ。
4. The beam is a cantilever beam, and the piezoresistor is arranged at a position symmetrical with respect to a center line in the length direction of the beam. Acceleration sensor.
【請求項5】 前記振動子は、 中央におもりと該おもりに対して対称に配置された両持
ち梁とを有し、 前記ピエゾ抵抗は、 前記振動子の重心に対して点対称に配置した、 ことを特徴とする請求項1記載の加速度センサ。
5. The vibrator has a weight in the center and a doubly supported beam symmetrically arranged with respect to the weight, and the piezoresistor is arranged point-symmetrically with respect to the center of gravity of the vibrator. The acceleration sensor according to claim 1, wherein
【請求項6】 前記基板と前記梁の方向は、 前記梁の加速度によるひずみに対して前記ピエゾ抵抗の
抵抗の変化率が大きくなるように選択した、 ことを特徴とする請求項1記載の加速度センサ。
6. The acceleration according to claim 1, wherein the directions of the substrate and the beam are selected so that the rate of change of the resistance of the piezoresistor with respect to the strain due to the acceleration of the beam is large. Sensor.
【請求項7】 前記基板と前記二つの振動子の各梁の方
向は、 前記各梁の加速度によるひずみに対して、前記各振動子
の梁に配置された前記ピエゾ抵抗の抵抗の変化率がいず
れも大きくなるように選択した、 ことを特徴とする請求項2記載の加速度センサ。
7. The direction of each beam of the substrate and the two vibrators is such that a rate of change of resistance of the piezoresistor arranged on the beam of each vibrator is relative to strain due to acceleration of each beam. The acceleration sensor according to claim 2, wherein both are selected to be large.
【請求項8】 前記基板は、 シリコン結晶であり、 前記ピエゾ抵抗は、 n型又はp型不純物拡散抵抗である、 ことを特徴とする請求項1又は2記載の加速度センサ。8. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the substrate is made of silicon crystal, and the piezoresistance is an n-type or p-type impurity diffusion resistance. 【請求項9】 前記基板は、 (011)面方位のn型シリコン基板であり、 前記振動子の梁の長さの方向は、 (1,−1,1)方向、(−1,1,−1)方向、
(1,1,−1)方向、又は(−1,−1,1)方向に
一致するようにし、 前記ピエゾ抵抗は、 p型の不純物拡散抵抗である、 ことを特徴とする請求項1記載の加速度センサ。
9. The substrate is an n-type silicon substrate having a (011) plane orientation, and the beam length directions of the vibrator are (1, -1,1) direction, (-1,1,1,) -1) direction,
The (1, 1, -1) direction or the (-1, -1, 1) direction is made to match, and the piezoresistance is a p-type impurity diffusion resistance. Acceleration sensor.
【請求項10】 前記基板は、 (011)面方位のn型シリコン基板であり、 前記振動子の梁の長さの方向は、 (2,−1,1)方向、(−2,1,−1)方向、(−
2,−1,1)方向、又は(2,1,−1)方向に一致
するようにし、 前記ピエゾ抵抗は、 p型の不純物拡散抵抗である、 ことを特徴とする請求項1記載の加速度センサ。
10. The substrate is an n-type silicon substrate having a (011) plane orientation, and the length direction of the beam of the oscillator is (2, -1,1) direction, (-2,1,) -1) direction, (-
The (2, -1,1) direction or the (2,1, -1) direction is matched, and the piezoresistance is a p-type impurity diffusion resistance, The acceleration according to claim 1, wherein Sensor.
【請求項11】 前記基板は、 (011)面方位のn型シリコン基板であり、 前記二つの振動子のそれぞれの梁の長さの方向が、 (−21/2 ,1,−1)方向又は(21/2 ,−1,1)
方向と、(−21/2 ,−1,1)方向又は(21/2
1,−1)方向とに一致するようにし、 前記ピエゾ抵抗は、 p型の不純物拡散抵抗である、 ことを特徴とする請求項2記載の加速度センサ。
11. The substrate is an n-type silicon substrate having a (011) plane orientation, and the beam length directions of the two oscillators are (−2 1/2 , 1, −1). Direction or (2 1/2 , -1, 1)
Direction and the (-2 1/2 , -1, 1) direction or (2 1/2 ,
The acceleration sensor according to claim 2, wherein the piezoresistor is a p-type impurity diffused resistor so that the piezoresistor is aligned with the (1, -1) direction.
【請求項12】 前記基板は、 (001)面方位のn型シリコン基板であり、 前記二つの振動子のそれぞれの梁の長さの方向は、 (−1,1,0)方向又は(1,−1,0)方向と、
(1,1,0)方向又は(−1,−1,0)方向とに一
致するようにし、 前記ピエゾ抵抗は、 p型の不純物拡散抵抗である、 ことを特徴とする請求項2記載の加速度センサ。
12. The substrate is an n-type silicon substrate having a (001) plane orientation, and a length direction of each beam of the two vibrators is a (−1,1,0) direction or a (1 , -1, 0) direction,
The (1,1,0) direction or the (-1, -1,0) direction is made to coincide with each other, and the piezoresistance is a p-type impurity diffusion resistance. Acceleration sensor.
【請求項13】 前記基板は、(011)面方位のp型
シリコン基板であり、 前記二つの振動子のそれぞれの梁の長さの方向は、 (0,1,−1)方向又は(0,−1,1)方向と、
(1,0,0)方向又は(−1,0,0)方向とに一致
するようにし、 前記ピエゾ抵抗は、 n型の不純物拡散抵抗である、 ことを特徴とする請求項2記載の加速度センサ。
13. The substrate is a p-type silicon substrate having a (011) plane orientation, and a length direction of each beam of the two vibrators is a (0,1, −1) direction or a (0,1) direction. , -1, 1) direction,
The (1, 0, 0) direction or the (-1, 0, 0) direction is made to coincide with each other, and the piezo resistance is an n-type impurity diffusion resistance. Sensor.
【請求項14】 前記基板は、 (001)面方位のp型シリコン基板であり、 前記二つの振動子のそれぞれの梁の長さの方向は、 (0,1,0)方向又は(0,−1,0)方向、及び
(1,0,0)方向又は(−1,0,0)方向とに一致
するようにし、 前記ピエゾ抵抗は、 n型の不純物拡散抵抗である、 ことを特徴とする請求項2記載の加速度センサ。
14. The substrate is a p-type silicon substrate having a (001) plane orientation, and a length direction of each beam of the two vibrators is a (0,1,0) direction or a (0,1,0) direction. -1,0) direction and (1,0,0) direction or (-1,0,0) direction, and the piezoresistance is an n-type impurity diffusion resistance. The acceleration sensor according to claim 2.
【請求項15】 前記基板は、 (111)面方位のn型シリコン基板であり、 前記ピエゾ抵抗は、 p型の不純物拡散抵抗であることを特徴とする請求項2
記載の加速度センサ。
15. The substrate is an n-type silicon substrate having a (111) plane orientation, and the piezoresistor is a p-type impurity diffusion resistor.
The acceleration sensor described.
【請求項16】 前記基板は、 (111)面方位のp型シリコン基板であり、 前記ピエゾ抵抗は、 n型の不純物拡散抵抗であることを特徴とする請求項2
記載の加速度センサ。
16. The substrate is a p-type silicon substrate having a (111) plane orientation, and the piezoresistor is an n-type impurity diffusion resistor.
The acceleration sensor described.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007256236A (en) * 2006-03-27 2007-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Acceleration sensor
KR101531088B1 (en) * 2013-05-30 2015-07-06 삼성전기주식회사 Inertial Sensor and Method of Manufacturing The Same

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