JPH0833411B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

半導体加速度センサ

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JPH0833411B2
JPH0833411B2 JP2155218A JP15521890A JPH0833411B2 JP H0833411 B2 JPH0833411 B2 JP H0833411B2 JP 2155218 A JP2155218 A JP 2155218A JP 15521890 A JP15521890 A JP 15521890A JP H0833411 B2 JPH0833411 B2 JP H0833411B2
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清光 鈴木
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政之 三木
広道 海老根
由紀子 杉沢
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Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
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    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring 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
    • G01P2015/0805Measuring 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
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    • G01P2015/0825Measuring 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 for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828Measuring 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 for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自動車,航空機等の移動体の運動加速度を検
出する加速度センサに関するもので、特にその中の半導
体方式に係る構成とその方法に関する。
〔従来の技術〕
最近マイクロマシニング技術を利用した超小形の半導
体加速度センサが開発されており、特開昭62−27666号
公報に記載のように、可動電極の偏位による可動電極と
固定電極間の微小な静電容量の変化を検出することによ
つて加速度を検出するものがある。前記公報の第2図〜
第5図に加速度センサのチツプ構造が示されているが、
固定電極材料の耐熱性,固定電極と基板の密着強度,上
・下両基板厚さの特性に及ぼす影響、更にカンチレバー
の耐衝撃性,組立性から見た可動電極と固定電極の間隙
の管理等信頼性・コストの面には言及されておらず実用
に際して以上諸事項に関し、材質および構造上の考慮が
必要であつた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は、加速度を検出するゲージチツプを加
工する工程で受ける熱的,電気的ダメージに対する予防
がなされておらず、固定電極の劣化固定電極を支持する
基板の劣化等が生ずる問題があつた。すなわちカンチレ
バーと可動電極が形成されたシリコン部材と、固定電極
が形成されたアルカリ成分を含むホウケイ酸ガラス(例
えばパイレツクス#7740)の基板を組み立て、固定電極
と可動電極の空隙をある所定の寸法とする為に、前記シ
リコン部材と前記基板を陽極接合により積層接合する。
この場合300℃〜400℃の高温状態に加熱し200V〜500V高
電圧を印加する為、固定電極の劣化,パイレツクスガラ
スの絶縁破壊等が生ずる。
更に可動電極に対向した固定電極を支持する上・下の
基板の厚さに大きな差があると、熱変形による変位量が
上,下でアンバランスとなり、静電容量が変化し温度特
性が低下する。
更に可動電極部の質量とカンチレバー部の質量の比が
適当でないと、検出精度と耐衝撃性の双方を同時に満足
することが難かしい。更に可動電極と固定電極との空隙
寸法は、検出精度と加工性及び組立性の点からコストへ
のはね返りが大きくなる。
本発明は上記したように従来技術で考慮されていない
種々の問題を解決し、自動車等へ実装し易い高信頼性,
低コストの半導体加速度センサを提供することを目的と
する。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、カンチレバーの先端に形成された所定の
質量を有する導電性可動電極と、前記可動電極に対向し
て所定の空間を隔てて設けられた1個又は複数個の導電
性固定電極と、前記導電性固定電極を支持する基板とか
らなる半導体加速度センサにおいて、前記可動電極に対
向する導電性固定電極は2種以上の金属材料を用いて、
2層に形成されており、前記導電性固定電極を支持する
基板と直接接触する第1の層は第2層の材料より低融点
でAl,Al−Si,Al−Pd,Crのいずれか1種の材料からな
り、第2の層はMo,Ni,W,Ti,Pd,Ptのいずれか1種の材料
で形成されていることによって達成される。
〔作用〕
固定電極材料として高融点を有するNi,W,Pt,Pd,Mo,Ti
等の金属をスパッタリングあるいは蒸着等で基板上に形
成することにした。前記基板との着膜強度を向上させる
為に第1層目に基板と着膜性の良い材料例えばAl系合
金,Cr等を極く薄く形成し、第2層目にMo,Ti等の高融点
金属を着膜し2層構造としても良く、このような材料,
構造とすることによってシリコン板から形成された可動
電極部と、前記固定電極を支持する基板との陽極接合時
の温度約400℃に十分耐えられる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を第1図〜第4図を用いて説明
する。
第1図は本発明の半導体加速度センサの断面図と静電
サーボ式加速度センサとして用いる場合の制御回路を示
している。第1図においてセンサ10は半導体シリコン板
1と2枚の絶縁板2,3の積層体構造となつている。半導
体のシリコン板1は異方性エツチングによつてカンチレ
バー4と慣性体(可動電極)5が形成されている。慣性
体5は電極としての機能を有している。
さらに、絶縁板(パイレツクスガラス#7740)2,3の
慣性体5に対向する部分には、金属導体で薄膜状の電極
(固定電極)6,7が形成されている。慣性体5と上下の
電極6,7との間には微小な空隙が設けられている。慣性
体5と上側電極6および慣性体5と下側電極7とはそれ
ぞれ一対のコンデンサを形成している。
第2図(a)は上側固定電極6を形成した絶縁基板2
の平面図、第2図(b)は半導体シリコン板1の平面
図、第2図(c)は下側電極7を形成した絶縁基板3の
平面図をそれぞれ示す。8は上側基板2に設けられたス
ルーホールであり、9は外部回路と接続するためのワイ
ヤボンデイング用パツドである。
第3図は、第2図(a),(b),(c)を積層し陽
極接合した加速度センサ外観図である。
次に本加速度センサの動作を第1図を用いて説明す
る。第1図に示したセンサの上下方向に加速度が加わる
と、慣性体5には慣性力が働き、カンチレバー4がたわ
んで、センサに作用する加速度とは逆方向に慣性体5が
変化する。その結果、慣性体5と絶縁板2,3に設けた電
極6,7との間の空隙の大きさの変化に応じて、上下2つ
の電極と慣性体で形成されるコンデンサの静電容量が変
化する。
一般に静電容量はC=εS/d(ε:空気の誘電率,S:電
極の面積,d:空隙の大きさ)の関係式より求めることが
出来る。
静電容量式加速度センサは、この静電容量の加速度依
存性から、加速度検出回路100で加速度を検出するもの
である。また、第1図に示す静電サーボ式加速度センサ
では加速度検出回路100において、静電容量Cの変化量
ΔCを検出器101で検出し、この変化量ΔCを増幅器102
で増幅し、この信号が零となるようにPWMインバータ103
を制御し、その出力を変換器104で変換して上下の電極
に電圧を印加して両者の間に働く静電気力によつて慣性
体5が常に一定になるよう制御をする。そして、前記PW
Mインバータ103の制御信号をローパスフイルタ105を介
して増幅器106に入力しその出力から加速度を求めるも
のである。
第2図において、固定電極6,7は第3図に示す積層構
造を得る陽極接合時の温度300〜400℃に耐えるべくNi,
W,Pt,Pd,Mo,Ti等の高融点材料をスパツタ又は蒸着によ
り形成した。更に固定電極6,7は2層構造とすることも
出来る。2層構造の更に有利な点は、基板2,3と密着強
度の強い材料を第1層に選択出来、この第1層の材料は
必ずしも高融点金属でなくても良いことである。例えば
第1層目にAl,Al−Si,Al−Pd,Cr等を使用し、第2層目
にMo,Ti等を使用して2層構造の固定電極を形成した。
第1層目の膜厚を厚くすると熱的強度に問題を生ずる場
合があり、実験の結果0.01μmから0.1μm程度が良
い。第2層目は耐久性から第1層目より厚くする必要が
あり少なくとも0.1μm以上とした。
次に絶縁基板2,3を、シリコン板1と陽極接合可能な
アルカリ成分(K2O,Na2O)を含むホウケイ酸ガラス(例
えばパイレツクス#7740)を選定し、その板厚は、陽極
接合時の絶縁破壊とスルーホール8aへの高信頼性電極の
形成、更にダイサーによる切断の容易さから0.2mm以上
1.5mm以下とした。
更に上下両基板の厚さは、センサの温度特性に影響を
及ぼす。すなわち基板1,2が異なる熱変形を受けると、
上側の空隙と下側の空隙が変化し静電容量が変化し検出
誤差となる。この熱変形を少なくするためには上下両基
板の厚は出来るだけ近似した寸法が良く、その限度は実
験より厚さの比で0.5から2.0すなわち2倍以下であれば
それほど大きくない。実用上は0.5mm程度で同じ板厚が
良い。
第4図は第3図のQ−Q断面を示す。組立の容易さを
得るため、固定電極6に接続するリード電極41をスルー
ホール8aを通して外部接続用ボンデイングパツド9aへ接
続した。リード電極の材料は固定電極6と同様な材料、
例えばAl,Moによつて形成されており、シリコン板1と
は微小溝31によつて隔離絶縁されている。又前記スルー
ホールには、空隙51,52に水分,ゴミ等の異物が入つて
可動電極5の動きを防害することがないよう、シリコー
ンゴム21を充填・硬化されており、同時に前記微小溝部
31も封止されている。
更に第4図において、可動電極部5に対するカンチレ
バー部4の厚さが耐衝撃性に大きな影響を与える。
異方性エツチングによつて可動電極5,カンチレバー4
を形成したシリコン板1を取り扱う場合、エツチング液
の洗浄,基板2,3との陽極接合時のハンドリング等でカ
ンチレバーが折れる不具合が発生した。そこで可動電極
の質量とそれを支えるカンチレバーの質量の比と耐衝撃
性,検出精度の関係を調た所、検出精度への影響が小さ
く耐衝撃性が良いのは可動電極の質量とカンイレバーの
質量の比がおよそ100〜250:1であれば良いことが得られ
た。例えば可動電極の厚さが250μm,長さ1300μm,幅150
0μmで一方カンチレバーの長さが900μm,幅200μmと
した場合カンチレバーの厚さは10μm〜30μm程度とな
る。
第4図において空隙51,52の寸法精度は直接測定精度
に影響を与える。従つて空隙を形成するためのシリコン
板1の可動電極部5のエツチング量のコントロール,固
定電極6,7の膜厚のコントロールが重要となる。ここで
可動電極の形成はKOH等アルカリ液の異方性エツチング
で行なう。温度と時間によりエツチング量をコントロー
ルするが精度は±0.3μm程度である。一方固定電極は
スパツタあるいは蒸着等で形成されその膜厚は±10%程
度に管理される。従つて固定電極の膜厚が合計1μmと
するとその誤差は±0.1μmとなり、空隙のばらつきは
単純には±0.4μmとなる。更に基板2,3の熱変形の影響
等を考慮すると、生産管理上空隙を2μm以下に歩留り
良く管理することは困難であつた。以上の理由から実施
例第4図における空隙51,52は中央値で3μmとした。
〔発明の効果〕
本発明は、以上説明したように構成されているので以
下に記載されるような効果を奏する。
1.固定電極を、基板と密着強度が高い金属,融点が高い
金属による2層構造としたことにより信頼性を向上でき
る。
2.また上下基板の板厚の比を2倍以下としたので温度特
性に及ぼす影響を無視しうる。
3.更に基板の板厚を、0.3mm以上1.5mm以下としたことに
より陽極接合時のガラス絶縁破壊を防止しかつスルーホ
ール部のリード電極形成の信頼性を維持し、かつダイサ
ー等によるセンサの切断加工性を良くできる。
4.更に可動電極質量/カンチレバー質量を100〜250/1と
したことにより検出精度を落とさず、センサ加工・組立
時のハンドリング性を向上でき、かつ使用時の耐衝撃性
を改善できる。
5.更に可動電極と固定電極の空隙を2μm以上としたの
で歩留りが良く生産管理が有利にできる。
【図面の簡単な説明】
第1図はセンサ断面概略図と加速度検出回路の概略構成
図、第2図はセンサを構成する上側基板,可動電極・カ
ンチレバーを形成したシリコン板,下側基板それぞれの
平面図、第3図はセンサ外観図および第4図はセンサ断
面図である。 1……半導体シリコン板、2,3……上,下基板、4……
カンチレバー、5……可動電極(慣性体)、6,7……
上,下固定電極、8……スルーホール、10……加速度セ
ンサ、21……シリコーンゴム、51,52……空隙、100……
加速度検出回路。
フロントページの続き (72)発明者 土谷 茂樹 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 三木 政之 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 海老根 広道 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 3 日立オートモテイブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 杉沢 由紀子 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 3 日立オートモテイブエンジニアリング 株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】カンチレバーの先端に形成された所定の質
    量を有する導電性可動電極と、前記可動電極に対向して
    所定の空間を隔てて設けられた1個又は複数個の導電性
    固定電極と、前記導電性固定電極を支持する基板とから
    なる半導体加速度センサにおいて、前記可動電極に対向
    する導電性固定電極は2種以上の金属材料を用いて、2
    層に形成されており、前記導電性固定電極を支持する基
    板と直接接触する第1の層は第2層の材料より低融点で
    Al,Al−Si,Al−Pd,Crのいずれか1種の材料からなり、
    第2の層はMo,Ni,W,Ti,Pd,Ptのいずれか1種の材料で形
    成されていることを特徴とする半導体加速度センサ。
  2. 【請求項2】請求項第1項において、前記導電性固定電
    極の第1の層を形成する金属の膜厚が0.01μmから0.1
    μm、第2の層を形成する金属の膜厚は少なくとも0.1
    μm以上であることを特徴とする半導体加速度センサ。
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JPH01152369A (ja) * 1987-12-09 1989-06-14 Hitachi Ltd 容量式加速度センサ

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