JPH085657A - センサ・プレートのたわみが低減された半導体加速度計 - Google Patents
センサ・プレートのたわみが低減された半導体加速度計Info
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- JPH085657A JPH085657A JP6293674A JP29367494A JPH085657A JP H085657 A JPH085657 A JP H085657A JP 6293674 A JP6293674 A JP 6293674A JP 29367494 A JP29367494 A JP 29367494A JP H085657 A JPH085657 A JP H085657A
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- 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
- G01P15/125—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 by capacitive pick-up
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 加速力が印加されても実質的に平面に維持さ
れるセンサ・プレート１４で、半導体加速度計１０を形
成する。 【構成】 センサ・プレート１４は、拘束点２６，２
７，２８，２９においてセンサ・プレート１４に取り付
けられた支持ビーム１６，１７，１８，１９によって支
えられる。センサ素子２０の質量の一部３３は、拘束点
２６，２７の外側で片持固定される。加速力の印加中
に、片持質量３３はセンサ・プレート１４を実質的に平
面状態に維持する釣り合いモーメントを生成する。
れるセンサ・プレート１４で、半導体加速度計１０を形
成する。 【構成】 センサ・プレート１４は、拘束点２６，２
７，２８，２９においてセンサ・プレート１４に取り付
けられた支持ビーム１６，１７，１８，１９によって支
えられる。センサ素子２０の質量の一部３３は、拘束点
２６，２７の外側で片持固定される。加速力の印加中
に、片持質量３３はセンサ・プレート１４を実質的に平
面状態に維持する釣り合いモーメントを生成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、半導体に関
し、さらに詳しくは、半導体加速度計に関する。
し、さらに詳しくは、半導体加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従
来、半導体業界では半導体加速度計を製造するためにさ
まざまな構造および方法を利用してきた。従来の加速度
計の１つの種類では、２つの固定平行プレートを有する
２つの直列コンデンサと、これら２つの固定プレート間
で支えられた可動平面センサ素子とを利用する。センサ
素子は、両方のコンデンサに共通の第３プレートとな
る。加速力によりセンサ素子が固定コンデンサ・プレー
トの一方に近づくと、加速度計の容量値が変化する。加
速度計に結合された外部電子装置は、容量値の変化を検
出する。このような従来の半導体加速度計の１つの欠点
は、その実現可能な精度である。一般に、加速力により
センサ素子が移動するのみならず、センサ素子の中心部
がたわんだりたるんだりして、センサ素子が平面でなく
なる。このたわみにより、センサ素子の一部がセンサ素
子の他の部分よりも一方のコンデンサ・プレートに近づ
き、容量変化が加速度計に印加される力に対して線形で
なくなる。さらに、たわみまたはたるみは、センサ素子
とコンデンサ・プレートとの間の距離を短くする。多く
の場合、プレートからセンサ素子までの距離は、静電引
力によりセンサ素子をコンデンサ・プレートに圧迫し
て、加速度計を電気的に短絡させるのに十分小さい。
来、半導体業界では半導体加速度計を製造するためにさ
まざまな構造および方法を利用してきた。従来の加速度
計の１つの種類では、２つの固定平行プレートを有する
２つの直列コンデンサと、これら２つの固定プレート間
で支えられた可動平面センサ素子とを利用する。センサ
素子は、両方のコンデンサに共通の第３プレートとな
る。加速力によりセンサ素子が固定コンデンサ・プレー
トの一方に近づくと、加速度計の容量値が変化する。加
速度計に結合された外部電子装置は、容量値の変化を検
出する。このような従来の半導体加速度計の１つの欠点
は、その実現可能な精度である。一般に、加速力により
センサ素子が移動するのみならず、センサ素子の中心部
がたわんだりたるんだりして、センサ素子が平面でなく
なる。このたわみにより、センサ素子の一部がセンサ素
子の他の部分よりも一方のコンデンサ・プレートに近づ
き、容量変化が加速度計に印加される力に対して線形で
なくなる。さらに、たわみまたはたるみは、センサ素子
とコンデンサ・プレートとの間の距離を短くする。多く
の場合、プレートからセンサ素子までの距離は、静電引
力によりセンサ素子をコンデンサ・プレートに圧迫し
て、加速度計を電気的に短絡させるのに十分小さい。
【０００３】よって、加速力に応答してたわまず、かつ
容量値と印加加速力との間で実質的に線形な関係を有す
る半導体加速度計センサ素子を設けることが望ましい。
容量値と印加加速力との間で実質的に線形な関係を有す
る半導体加速度計センサ素子を設けることが望ましい。
【０００４】
【実施例】図１は、半導体加速度計１０の拡大切り欠き
斜視図を示す。加速度計１０は、基板１１の上に形成さ
れた第１コンデンサ・プレート１３と、プレート１３の
上にある第２コンデンサ・プレート２１とを有する。プ
レート２１は、プレート２１の側面から基板１１の表面
まで延在する複数の壁２２によってプレート１３の上に
支えられる。複数の支持ビーム１６，１７，１８，１９
は、コンデンサ・プレート１３と２１との間でセンサ・
プレート１４を支える。プレート１４およびビーム１
６，１７，１８，１９は、センサ素子２０として機能す
る。ビーム１６，１７，１８，１９の第１端部は、プレ
ート１４の側面に取り付けられ、各ビーム１６，１７，
１８，１９の他方の端部は、基板１１の表面に向かって
延在する支持コラム２３を有する。好適な実施例では、
コラム２３はビーム１６，１７，１８，１９から実質的
に垂直に延在する。コラム２３は、基板１１においてコ
ラム２３に加わる力を分散するために、支持領域１２に
着座する。力が印加されないと、プレート１４はプレー
ト１３と２１との間のほぼ中間で実質的に同一面上(cop
lanarly)に支えられる。以下からわかるように、加速力
によりプレート１４は、実質的に同一面的に、プレート
１３，２１に対して垂直に移動する。
斜視図を示す。加速度計１０は、基板１１の上に形成さ
れた第１コンデンサ・プレート１３と、プレート１３の
上にある第２コンデンサ・プレート２１とを有する。プ
レート２１は、プレート２１の側面から基板１１の表面
まで延在する複数の壁２２によってプレート１３の上に
支えられる。複数の支持ビーム１６，１７，１８，１９
は、コンデンサ・プレート１３と２１との間でセンサ・
プレート１４を支える。プレート１４およびビーム１
６，１７，１８，１９は、センサ素子２０として機能す
る。ビーム１６，１７，１８，１９の第１端部は、プレ
ート１４の側面に取り付けられ、各ビーム１６，１７，
１８，１９の他方の端部は、基板１１の表面に向かって
延在する支持コラム２３を有する。好適な実施例では、
コラム２３はビーム１６，１７，１８，１９から実質的
に垂直に延在する。コラム２３は、基板１１においてコ
ラム２３に加わる力を分散するために、支持領域１２に
着座する。力が印加されないと、プレート１４はプレー
ト１３と２１との間のほぼ中間で実質的に同一面上(cop
lanarly)に支えられる。以下からわかるように、加速力
によりプレート１４は、実質的に同一面的に、プレート
１３，２１に対して垂直に移動する。
【０００５】プレート２１，１４は第１コンデンサをな
し、プレート１３，１４は第１コンデンサと直列な第２
コンデンサをなす。プレート１３，１４，２１は、２つ
のコンデンサの値を監視する電子装置（図示せず）に電
気的に接続される。この電子装置は基板１１に形成で
き、あるいは外部であってもよい。
し、プレート１３，１４は第１コンデンサと直列な第２
コンデンサをなす。プレート１３，１４，２１は、２つ
のコンデンサの値を監視する電子装置（図示せず）に電
気的に接続される。この電子装置は基板１１に形成で
き、あるいは外部であってもよい。
【０００６】加速度計１０は、当業者に周知のさまざま
な半導体材料および方法から形成できる。基板１１は、
シリコンなどの半導体材料を含むさまざまな材料でもよ
い。また、基板１１は、加速度計１０を支えるため、窒
化シリコンまたは他の材料の表面層を有することができ
る。このような材料および方法の一例については、１９
９３年９月７日にAddie et al に付与された米国特許第
５，２４１，８６４号に説明されている。好適な実施例
では、支持領域１２，壁２２およびプレート１３，２１
は、多結晶シリコンからなる。プレート１４，コラム２
３およびビーム１６，１７，１８，１９の好適な実施例
は、多結晶シリコンの２つの層にはさまれた窒化シリコ
ンの層からなる多層構造である。
な半導体材料および方法から形成できる。基板１１は、
シリコンなどの半導体材料を含むさまざまな材料でもよ
い。また、基板１１は、加速度計１０を支えるため、窒
化シリコンまたは他の材料の表面層を有することができ
る。このような材料および方法の一例については、１９
９３年９月７日にAddie et al に付与された米国特許第
５，２４１，８６４号に説明されている。好適な実施例
では、支持領域１２，壁２２およびプレート１３，２１
は、多結晶シリコンからなる。プレート１４，コラム２
３およびビーム１６，１７，１８，１９の好適な実施例
は、多結晶シリコンの２つの層にはさまれた窒化シリコ
ンの層からなる多層構造である。
【０００７】図２は、図１に示すセンサ素子２０の一部
の平面図を示す。また、図２は、プレート１４に印加さ
れる加速力の例を示す示力図(force diagram) ４０を含
む。図１と同じ図２の素子は、同じ参照番号が付されて
いる。プレート１４は、ビーム１６，１７，１８，１９
がそれぞれプレート１４の側面と交差するところに、複
数の拘束点(constraint point) ２６，２７，２８，２
９を有する。拘束点２６，２７，２８，２９は、プレー
ト１４の質量を支え、プレート１４をプレート１３，２
１（図１）と実質的に同一面に保持する機能を果たす。
矢印３２に示されるように、プレート１４の全質量は、
拘束点２６，２７，２８，２９によって囲まれたプレー
ト１４の中心部分を含む中心質量と、拘束点２６，２７
の外側で片持固定(cantilevered)された片持質量３３と
を含む。拘束点２６と２７との間の点線３１は、質量３
３の支持端部を示し、プレート１４の外側端部は自由端
部を表す。同様な片持質量は、拘束点２７と２８，２８
と２９および２９と２６との間にもある。
の平面図を示す。また、図２は、プレート１４に印加さ
れる加速力の例を示す示力図(force diagram) ４０を含
む。図１と同じ図２の素子は、同じ参照番号が付されて
いる。プレート１４は、ビーム１６，１７，１８，１９
がそれぞれプレート１４の側面と交差するところに、複
数の拘束点(constraint point) ２６，２７，２８，２
９を有する。拘束点２６，２７，２８，２９は、プレー
ト１４の質量を支え、プレート１４をプレート１３，２
１（図１）と実質的に同一面に保持する機能を果たす。
矢印３２に示されるように、プレート１４の全質量は、
拘束点２６，２７，２８，２９によって囲まれたプレー
ト１４の中心部分を含む中心質量と、拘束点２６，２７
の外側で片持固定(cantilevered)された片持質量３３と
を含む。拘束点２６と２７との間の点線３１は、質量３
３の支持端部を示し、プレート１４の外側端部は自由端
部を表す。同様な片持質量は、拘束点２７と２８，２８
と２９および２９と２６との間にもある。
【０００８】加速力がプレート１４に印加されると、こ
れらの片持質量はプレート１４の端部に沿って釣り合い
モーメント(counterbalancing moment) を生成する。こ
の釣り合いモーメントは、プレート１４の中心を平面ま
たは平行状態に復元させ、それによりセンサ１０（図
１）の精度を改善する。この釣り合いモーメントは、示
力図４０によって示される。プレート１４は、示力図４
０において要素３４によって表される。支点３６，３７
は、拘束点２６，２９それぞれの影響を表す。説明を簡
単にするために、示力図４０には２つの拘束点しか示さ
れていないが、この説明はプレート１４のすべての片持
質量について当てはまる。矢印４１，４２，４３は、プ
レート１４に印加される加速力を表す。矢印４１によっ
て表される、プレート１４の中心に作用する力の部分
は、プレート１４の中心をその平面状態からたわませ、
あるいはずらす。このたわみは、点線４４によって示さ
れる。矢印４２，４３によって表される、片持質量に印
加される力も、プレート１４のそれぞれの片持部分に対
して下方向の力を印加する。しかし、支点３６，３７
は、矢印４２，４３の下方向の力を、それぞれの支点３
６，３７付近の釣り合いモーメントに変換し、これはプ
レート１４の中心部分を実質的に平面状態に復元する。
プレート１４を実質的に平面状態に維持することによ
り、片持質量は、加速力と加速度計１０（図１）の容量
変化との間の実質的に線形な関係を生成するのを助け
る。
れらの片持質量はプレート１４の端部に沿って釣り合い
モーメント(counterbalancing moment) を生成する。こ
の釣り合いモーメントは、プレート１４の中心を平面ま
たは平行状態に復元させ、それによりセンサ１０（図
１）の精度を改善する。この釣り合いモーメントは、示
力図４０によって示される。プレート１４は、示力図４
０において要素３４によって表される。支点３６，３７
は、拘束点２６，２９それぞれの影響を表す。説明を簡
単にするために、示力図４０には２つの拘束点しか示さ
れていないが、この説明はプレート１４のすべての片持
質量について当てはまる。矢印４１，４２，４３は、プ
レート１４に印加される加速力を表す。矢印４１によっ
て表される、プレート１４の中心に作用する力の部分
は、プレート１４の中心をその平面状態からたわませ、
あるいはずらす。このたわみは、点線４４によって示さ
れる。矢印４２，４３によって表される、片持質量に印
加される力も、プレート１４のそれぞれの片持部分に対
して下方向の力を印加する。しかし、支点３６，３７
は、矢印４２，４３の下方向の力を、それぞれの支点３
６，３７付近の釣り合いモーメントに変換し、これはプ
レート１４の中心部分を実質的に平面状態に復元する。
プレート１４を実質的に平面状態に維持することによ
り、片持質量は、加速力と加速度計１０（図１）の容量
変化との間の実質的に線形な関係を生成するのを助け
る。
【０００９】センサ・プレート１４は八角形に制限され
ず、質量の一部が拘束点から外側に片持固定されている
限り、さまざまな形状および構成でもよい。適切な形状
には、円、三角形または他の多角形が含まれる。
ず、質量の一部が拘束点から外側に片持固定されている
限り、さまざまな形状および構成でもよい。適切な形状
には、円、三角形または他の多角形が含まれる。
【００１０】片持固定される全質量の割合は、プレート
１４の形状に依存する。片持質量が大きすぎると、プレ
ート１４は加速中に平面に維持されずに、一方に傾く。
同一平面性を維持するため、全片持質量はプレート１４
の全質量の１０パーセントから約８０パーセントまで変
えることができる。好適な実施例では、各片持質量はプ
レート１４の全質量の約１６パーセントであり、全片持
質量は約６４パーセントである。１６パーセントの片持
質量は、プレート１４の中心のたわみを約５０パーセン
ト低減する。
１４の形状に依存する。片持質量が大きすぎると、プレ
ート１４は加速中に平面に維持されずに、一方に傾く。
同一平面性を維持するため、全片持質量はプレート１４
の全質量の１０パーセントから約８０パーセントまで変
えることができる。好適な実施例では、各片持質量はプ
レート１４の全質量の約１６パーセントであり、全片持
質量は約６４パーセントである。１６パーセントの片持
質量は、プレート１４の中心のたわみを約５０パーセン
ト低減する。
【００１１】図３は、図１の加速度計などの半導体加速
度計で用いるのに適したセンサ素子５０の別の実施例を
示す。図２と同じ図３の部分は、同じ参照番号が付され
ている。素子５０は、拘束点２６，２７，２８，２９で
それぞれビーム１６，１７，１８，１９によって支えら
れた実質的に正方形のセンサ・プレート５１を含む。ま
た、素子５０は、矢印３２によって示されるように、拘
束点２６，２７から外側に延在する片持質量５２を含
む。質量５２は、図２で説明した釣り合いモーメントと
同様な、プレート５１を実質的に平面状態に維持する釣
り合いモーメントを生成する。
度計で用いるのに適したセンサ素子５０の別の実施例を
示す。図２と同じ図３の部分は、同じ参照番号が付され
ている。素子５０は、拘束点２６，２７，２８，２９で
それぞれビーム１６，１７，１８，１９によって支えら
れた実質的に正方形のセンサ・プレート５１を含む。ま
た、素子５０は、矢印３２によって示されるように、拘
束点２６，２７から外側に延在する片持質量５２を含
む。質量５２は、図２で説明した釣り合いモーメントと
同様な、プレート５１を実質的に平面状態に維持する釣
り合いモーメントを生成する。
【００１２】以上、半導体加速度計を形成する新規な方
法が提供されたことが明らかであろう。拘束点の外側で
プレートの質量の一部を片持固定することにより、加速
力が加速度計に印加されてもセンサ・プレートを実質的
に平面に維持する釣り合いモーメントが生成される。
法が提供されたことが明らかであろう。拘束点の外側で
プレートの質量の一部を片持固定することにより、加速
力が加速度計に印加されてもセンサ・プレートを実質的
に平面に維持する釣り合いモーメントが生成される。
【図１】本発明による半導体加速度計の拡大切り欠き斜
視図である。
視図である。
【図２】本発明による図１の加速度計のセンサ素子の一
部の図である。
部の図である。
【図３】本発明によるセンサ・プレートの別の実施例の
図である。
図である。
１０ 半導体加速度計 １１ 基板 １２ 支持領域 １３ 第１コンデンサ・プレート １４ センサ・プレート １６，１７，１８，１９ 支持ビーム ２０ センサ素子 ２１ 第２コンデンサ・プレート ２２ 壁 ２３ 支持コラム ２６，２７，２８，２９ 拘束点 ３３ 片持質量 ３６，３７ 支点 ４０ 示力図 ４１，４２，４３ 加速力 ４４ たわみ ５０ センサ素子 ５１ センサ・プレート ５２ 片持質量
Claims (4)
- 【請求項１】 複数の拘束点（２６，２７，２８，２
９）によって囲まれた第１質量であって、この第１質量
は複数の拘束点（２６，２７，２８，２９）の内側に配
置される第１質量；および前記第１質量に対して釣り合
いモーメントを生成するため、前記第１質量から片持固
定された第２質量（３３）であって、この第２質量（３
３）は複数の拘束点（２６，２７）の外側に配置される
第２質量；によって構成されることを特徴とする半導体
加速度計センサ・プレート（１４）。 - 【請求項２】 前記第２質量（３３）が前記複数の拘束
点の少なくとも２つ（２６，２７）によって前記第１質
量から片持固定されることを特徴とする請求項１記載の
センサ・プレート（１４）。 - 【請求項３】 表面を有する半導体基板（１１）；前記
半導体基板の前記表面上の第１コンデンサ・プレート
（１３）；前記第１コンデンサ・プレート（１３）の上
にあり、かつそこから離間された第２コンデンサ・プレ
ート（２１）；および側面，第１質量および第２質量を
有する平面センサ・プレート（１４）であって、前記第
２質量（３３）は、前記第１質量に対して釣り合いモー
メントを生成するため前記第１質量から片持固定され、
前記第１質量は複数の拘束点（２６，２７，２８，２
９）によって囲まれ、前記複数の拘束点（２６，２７，
２８，２９）の内側に配置され、前記第２質量（３３）
は前記複数の拘束点（２６，２７）の外側に配置され、
前記センサ・プレート（１４）は、前記第１コンデンサ
・プレート（１３）と前記第２コンデンサ・プレート
（２１）との間で支えられるように前記複数の拘束点
（２６，２７，２８，２９）の１つまたはそれ以上で支
えられる平面センサ・プレート（１４）；によって構成
されることを特徴とする半導体加速度計（１０）。 - 【請求項４】 それぞれが前記複数の拘束点（２６，２
７，２８，２９）の１つにおいて前記センサ・プレート
（１４）の側面に取り付けられた端部を有し、前記側面
から放射状に延在する複数の支持ビームを（１６，１
７，１８，１９）をさらに含んで構成されることを特徴
とする請求項３記載の半導体加速度計（１０）。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US148307 | 1993-11-08 | ||
| US08/148,307 US5814727A (en) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | Semiconductor accelerometer having reduced sensor plate flexure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH085657A true JPH085657A (ja) | 1996-01-12 |
Family
ID=22525203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6293674A Pending JPH085657A (ja) | 1993-11-08 | 1994-11-04 | センサ・プレートのたわみが低減された半導体加速度計 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5814727A (ja) |
| EP (1) | EP0652439B1 (ja) |
| JP (1) | JPH085657A (ja) |
| CN (1) | CN1113008A (ja) |
| DE (1) | DE69408779T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007271320A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Kyocera Corp | 加速度・角速度検出素子およびその製造方法、ならびに加速度・角速度測定装置 |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6196067B1 (en) * | 1998-05-05 | 2001-03-06 | California Institute Of Technology | Silicon micromachined accelerometer/seismometer and method of making the same |
| US6871544B1 (en) * | 1999-03-17 | 2005-03-29 | Input/Output, Inc. | Sensor design and process |
| US6516666B1 (en) | 2000-09-19 | 2003-02-11 | Motorola, Inc. | Yaw rate motion sensor |
| US6792804B2 (en) | 2001-10-19 | 2004-09-21 | Kionix, Inc. | Sensor for measuring out-of-plane acceleration |
| US6904805B2 (en) * | 2003-06-03 | 2005-06-14 | Cherry Corporation | Accelerometer |
| KR100513345B1 (ko) * | 2003-12-20 | 2005-09-07 | 삼성전기주식회사 | 정전용량형 ｚ축 가속도계 |
| TWI360516B (en) * | 2008-05-09 | 2012-03-21 | Pixart Imaging Inc | In-plane sensor and method for making same |
| US8371167B2 (en) * | 2008-07-29 | 2013-02-12 | Pixart Imaging Inc. | In-plane sensor, out-of-plane sensor, and method for making same |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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