JPH08297141A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JPH08297141A
JPH08297141A JP10390395A JP10390395A JPH08297141A JP H08297141 A JPH08297141 A JP H08297141A JP 10390395 A JP10390395 A JP 10390395A JP 10390395 A JP10390395 A JP 10390395A JP H08297141 A JPH08297141 A JP H08297141A
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JP
Japan
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electrodes
acceleration
acceleration sensor
ferroelectric substance
gap
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Withdrawn
Application number
JP10390395A
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English (en)
Inventor
Keiichi Yoshida
恵一 吉田
Chomei Matsushima
朝明 松嶋
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造が単純で歩留り向上が図れる加速度セン
サを実現する。 【構成】 一対の対向する平板状の、上部電極1と下部
電極2間に、電極の面方向に移動可能な、強誘電体5を
配置し、上部電極1と下部電極2間に所定の電圧が印加
しておき、強誘電体5に所定値以上の加速度が作用し
て、強誘電体5が、上部電極1と下部電極2間の隙間か
ら外側に飛び出した場合の、上部電極1と下部電極2間
の静電容量の変化を捉えて加速度を検出する。 【効果】 構造が単純で製造が容易であるため量産化が
図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、加速度センサに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体式加速度センサは、歪みゲ
ージ式と静電容量式の2つのタイプに分けられる。歪み
ゲージ式は、シリコンウェハに半導体微細加工技術を用
いて、カンチレバーと呼ばれる厚みの小さい領域を作成
し、この部分が加速度により撓むことによりカンチレバ
ーの根元に形成したピエゾ抵抗体の抵抗値を変化させ、
その変化量で加速度を検出する方式の加速度センサであ
る。しかしながら、シリコンの密度は、非常に小さく2.
3g/cm3しかないため、加速度を検出するためには、カン
チレバー上に、ある程度の重いおもりを設ける必要があ
った。このため、この構造では、カンチレバーの根元の
部分にかかる力が大きく破壊が生じ、歩留りが非常に悪
くなり、その分、コストも上がるという構造上の欠点が
あった。
【0003】また、カンチレバーに印加される加速度を
検出する抵抗体として、一般的には、シリコンピエゾ抵
抗体が使われているが、この抵抗体は、シリコンウェハ
上に拡散抵抗領域を形成したり、または、イオン注入に
より抵抗領域を設けて形成している。加速度測定のため
には、一般的には、4つのピエゾ抵抗体からなるブリッ
ジ回路を構成しなければならない。しかし、回路内のピ
エゾ抵抗体の抵抗のばらつきが大きいため、外部に新た
に抵抗体を設けて抵抗値を補償する必要があった。
【0004】さらに、歪みゲージ式加速度センサでは、
その温度特性をいかに改善するかが大きな問題であり、
ピエゾ抵抗体の抵抗温度係数α及び抵抗体の感度を表す
ゲージ率Kの温度依存性βを打ち消すように、不純物濃
度を決めなければならない。また、回路部にトランジス
タを設け、トランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbe
の温度変化でこれらの影響を打ち消さねばばらない場合
もあった。
【0005】静電容量式加速度センサは、シリコン基板
の上下面に酸化シリコン基板を接合した3層構造を有す
るもので、シリコン基板と各酸化シリコン基板との間に
は、所定のギャップが形成されるように構成されてお
り、おもりを備えたシリコン基板上のカンチレバーに加
速度が作用すると、加速度の大きさに応じてカンチレバ
ーが変位し、ギャップが変化する。このギャップの変化
を、各基板間の静電容量の変化として検出する加速度セ
ンサであった。
【0006】静電容量式加速度センサの、各酸化シリコ
ン基板及びシリコン基板は、陽極接合により接合され
る。この接合工程においては、基板表面に蓄積される電
荷により、基板間に静電気力が生じ、シリコン基板に形
成されたカンチレバーが、対向する酸化シリコン基板に
吸着されてしまい、静電容量の変化で加速度を検出する
ことが不可能になるという問題が生じることがあった。
また、このような三層構造からなる半導体式センサで
は、通常、三層を接合した後、個々のチップをダイシン
グによって分離して製造するが、このとき、切粉または
水が基板間のギャップに流入し、ギャップが短絡した
り、静電容量が変化してしまうという問題を生じること
もあった。
【0007】また、この静電容量式加速度センサを、よ
り低コストで供給するためには、効率よい大量生産の方
法を採ることが不可欠であるが、この構造を有するセン
サを大量生産するための効率的な方法は現時点では知ら
れておらず、量産化が図れない状況である。このため、
どうしても生産コストが高くなってしまうという問題が
あった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上に説明したよう
に、歪みゲージ式加速度センサには、重いおもりを設け
た場合の機械的強度不足による歩留り悪化及びコスト高
という問題、または、温度特性改善が容易でないという
問題、外部に抵抗値を補償する抵抗が必要であるという
問題点があった。
【0009】一方、静電容量式加速度センサには、静電
気力によってカンチレバーが、対向する酸化シリコン基
板に吸着されて加速度検出が不可能になるという問題、
または、基板間ギャップへの切粉または水の侵入によ
り、基板が短絡したり、基板間の静電容量が変化してし
まうという問題、さらに、コスト高であるという問題点
があった。
【0010】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、構造が単純で、量産化が
図れると共に、歩留りの向上が図れる加速度センサの構
造を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の加速度センサは、一対の対向する平板状の
電極と、その電極間の隙間に、前記電極の面方向に移動
可能に配置された、比誘電率の高い誘電体とを備えた加
速度センサであって、前記電極間に所定の電圧が印加さ
れた状態で、前記誘電体に所定値以上の加速度が作用す
ることにより、前記誘電体が前記電極の面方向に移動し
て前記電極間の隙間から外側に飛び出すように構成され
ていることを特徴とするものである。
【0012】
【作用】本発明の加速度センサは、一対の平板状の電極
間の隙間に、電極の面方向に移動可能に構成された、比
誘電率の高い誘電体(強誘電体)を配置し、一対の電極
間に所定の電圧を印加した状態で、その強誘電体に、電
極面と平行な方向の加速度が作用し、マックスウェルの
応力以上の慣性力が強誘電体に作用すると、強誘電体が
電極間の隙間から外側に飛び出すという原理を用いて、
一定値以上の加速度を検出するように構成されたもので
ある。
【0013】一定の電圧が印加された一対の電極(上部
電極及び下部電極)間に強誘電体を挿入した状態で、こ
の強誘電体に、電極面に平行な方向(面方向)の加速度
が作用すると、強誘電体は慣性力を受けて、電極間の隙
間から外側に飛び出そうとするが、電極が電荷の保存則
を保とうとして強誘電体を、電極間の隙間に引き戻す方
向に、マックスウェルの応力を強誘電体に作用させるた
め、強誘電体は電極間の隙間に引き戻されてしまう。し
かし、マックスウェルの応力の最大値を越える慣性力が
強誘電体に作用した場合、強誘電体は電極間の隙間から
外側に飛び出し電極間の静電容量は大きく変化すること
になる。本発明の加速度センサはこの静電容量の変化を
出力として捉えることにより所定値以上の加速度を検出
しようとするものである。
【0014】
【実施例】図1に基づいて本発明の加速度センサの一実
施例について説明する。但し、主要構成のみを図示する
こととする。図1で、(a)は断面図、(b)は平面
図、(c)は強誘電体の移動方向に平行な方向からみた
場合の側面図である。図1で、1、2は、一対の対向す
る平板状の電極である、上部電極及び下部電極、3、4
は、それぞれ、上部電極1、下部電極2を外側から支持
する、上部シリコン基板及び下部シリコン基板である。
また、5は、上部電極1と下部電極2間の隙間に配置さ
れた、比誘電率の高い略平板状の誘電体(強誘電体)で
ある。強誘電体5の両側には、上部シリコン基板3と下
部シリコン基板4を接合する、一対の略帯状のシリコン
基板接合部6,7が形成されており、強誘電体5は、シ
リコン基板接合部6,7が形成されていない方向に移動
可能に配置されている。
【0015】次に、本発明の加速度センサの原理につい
て詳細に説明する。まず、加速度によって強誘電体5に
作用する慣性力F1は次式で表される。
【0016】
【数1】
【0017】ここで、Mは強誘電体5の質量、aは強誘
電体5に作用する加速度である。また、上部電極1及び
下部電極2が強誘電体5を、上部電極1と下部電極2間
の隙間に引き戻そうとする力、つまり、マックスウェル
の応力F2は次式で表される。
【0018】
【数2】
【0019】ここで、φは上部電極1と下部電極2電極
間に印加する電圧、εは強誘電体5の誘電率、b、dは
それぞれ、強誘電体5の長さ及び厚さである。
【0020】上記の2式により、強誘電体5が上部電極
1と下部電極2間の隙間から外側に飛び出すのに必要な
加速度aが求められ、次式のようになる。
【0021】
【数3】
【0022】上式を満たすような加速度が強誘電体5に
作用すると、強誘電体5は、上部電極1と下部電極2間
の隙間から飛び出し、上部電極1と下部電極2間の静電
容量は大きく変化する。
【0023】この静電容量の変化を、例えば、図2に示
す回路で検出する。但し、回路に関する構成のみを図示
することとし、その他の構成は図示を省略する。図2に
示すように、出力を検出するためにコンデンサ8(静電
容量C1)を用いる。センサ検出部9(上部電極1及び
下部電極2及び強誘電体5及び配線で構成された部分、
静電容量C2)と、コンデンサ8とを直列につなぎ、そ
の直列回路に定電圧電源Vinの直流電圧Eを印加する。
コンデンサ8は、センサ検出部9から強誘電体5を除い
た構成のものである。この時、コンデンサ8の静電容量
C1は、強誘電体5が上部電極1と下部電極2間の隙間
から飛び出した状態のセンサ検出部9の静電容量と同じ
値に設定しておく。定電圧電源Vinによって直流電圧E
を直列回路に印加した場合、電圧計10で測定される出
力電圧Vout(コンデンサ8の両端電圧)は次式のように
なる。
【0024】
【数4】
【0025】センサ検出部9に加速度が作用していない
ときは、コンデンサ8の静電容量C1に比べて、センサ
検出部9の静電容量C2は非常に大きく、例えば、約10
00倍であるので、コンデンサ8の両端電圧である出力電
圧Voutはほとんど零である。加速度が強誘電体5に作用
し、上部電極1と下部電極2間の隙間から飛び出した時
には、出力電圧Voutは次式のようになる。
【0026】
【数5】
【0027】この電圧差を電圧計10によって検出する
ことによって、所定値以上の加速度を検知した旨を電圧
出力の変化として出力することができる。
【0028】次に、図1に基づいて本発明の加速度セン
サの製造方法について説明する。まず、表面に下部電極
2を形成する下部シリコン基板4の表面でKOH 水溶液を
用いた異方性エッチングを行い、図1(c)に示すよう
に、上部シリコン基板3との接合部(シリコン基板接合
部6,7)だけを残したメサ構造を形成する。なお、垂
直なメサ構造を形成するため、下部シリコン基板4は、
(110)面基板を使用する。
【0029】次に、上部シリコン基板3と下部シリコン
基板4にマグネトロンスパッタ装置を用いて、白金の上
部電極1及び下部電極2を、縦10μm ×横10μm ×厚さ
0.3μm の大きさに形成する。形成条件は、導入ガスAr1
0sccm、スパッタ圧3.0 ×10 -3Torr、基板温度 600℃、
放電電力200Wとした。
【0030】続いて、下部電極2上に、犠牲層となる酸
化シリコン膜(図示省略)をプラズマCVD 装置で堆積
し、下部電極2と同じ平面形状にパターニングする。形
成条件は、SiH4:50sccm 、N2O:875sccm のガス供給量と
し、反応圧 1Torr、基板温度 150℃、放電電力150Wとし
た。さらに、その上に密着層(図示省略)として白金を
堆積し、比誘電率1200の強誘電体5(強誘電体PLZT)を
縦10μm ×横10μm ×厚さ0.3 μm の形状に加工する。
【0031】次に、各電極に接続する配線(図示省略)
を形成した後、上部シリコン基板3と下部シリコン基板
4とを直接接合によって接合する。強誘電体5の両側に
形成されたシリコン基板接合部6,7は、強誘電体5が
他の方向に飛び出すことがないようにストッパーの役割
をしている。
【0032】最後に、弗酸にこの試料を浸して犠牲層で
ある酸化シリコン膜のみを除去することにより、上部電
極1と下部電極2間の隙間に強誘電体5が挿入された構
造が形成される。以上に説明した形状に加工することに
より、自動車のエアバッグ装置に取り付けられる加速度
センサが検知すべき加速度(約±50G )を検知可能な加
速度センサを得ることができた。
【0033】なお、電極及び強誘電体は実施例に限定さ
れるものではない。また、図2に示した検出回路も実施
例に限定されるものではない。
【0034】
【発明の効果】以上の通り、本発明の加速度センサは、
その主要部分を、一対の平板状の電極間に強誘電体を挟
んだ簡単な構造で構成することができるため、量産化が
図れると共に、歩留りの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の加速度センサの一実施例を示す図で、
(a)は断面図、(b)は平面図、(c)は側面図であ
る。
【図2】本発明の加速度センサに接続される検出回路の
一実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 上部電極(電極) 2 下部電極(電極) 5 強誘電体(比誘電率の高い誘電体)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の対向する平板状の電極と、その電
    極間の隙間に、前記電極の面方向に移動可能に配置され
    た、比誘電率の高い誘電体とを備えた加速度センサであ
    って、前記電極間に所定の電圧が印加された状態で、前
    記誘電体に所定値以上の加速度が作用することにより、
    前記誘電体が前記電極の面方向に移動して前記電極間の
    隙間から外側に飛び出すように構成されていることを特
    徴とする加速度センサ。
JP10390395A 1995-04-27 1995-04-27 加速度センサ Withdrawn JPH08297141A (ja)

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JP10390395A JPH08297141A (ja) 1995-04-27 1995-04-27 加速度センサ

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JP10390395A JPH08297141A (ja) 1995-04-27 1995-04-27 加速度センサ

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JPH08297141A true JPH08297141A (ja) 1996-11-12

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JP10390395A Withdrawn JPH08297141A (ja) 1995-04-27 1995-04-27 加速度センサ

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002059921A1 (en) * 2001-01-24 2002-08-01 The Regents Of The University Of Michigan High-$i(q) micromechanical device and method of tuning same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Legal Events

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Effective date: 20020702