JPH087228B2 - Acceleration detection device - Google Patents

Acceleration detection device

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JPH087228B2
JPH087228B2 JP2077396A JP7739690A JPH087228B2 JP H087228 B2 JPH087228 B2 JP H087228B2 JP 2077396 A JP2077396 A JP 2077396A JP 7739690 A JP7739690 A JP 7739690A JP H087228 B2 JPH087228 B2 JP H087228B2
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resistance elements
acceleration
weight body
axis direction
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和廣 岡田
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • 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
    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加速度検出装置、特にピエゾ抵抗効果を示す
抵抗素子を用いて、二次元あるいは三次元方向の加速度
を検出することのできる加速度検出装置に関する。
The present invention relates to an acceleration detecting device, and more particularly to an acceleration detecting device capable of detecting two-dimensional or three-dimensional acceleration using a resistance element exhibiting a piezoresistive effect. Regarding

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ロボットをはじめとする運動を伴う種々の産業機器で
は、二次元あるいは三次元座標系における加速度の検出
が必要になる。すなわち、XYZの3軸で表現される三次
元座標系において、加速度の2軸あるいは3軸方向成分
を独立して検出する必要が生じる。従来、一般に用いら
れている加速度検出装置は、加速度に起因する応力歪み
を半導体等を用いたストレーンゲージなどで電気量に変
換することによって検出を行っている。通常は、片持梁
の構造体にストレーンゲージを形成し、この片持梁の応
力歪みによって特定の方向の加速度検出を行うことが多
い。
Various industrial devices involving movements such as robots need to detect acceleration in a two-dimensional or three-dimensional coordinate system. That is, in the three-dimensional coordinate system represented by the three axes of XYZ, it becomes necessary to independently detect the two-axis or three-axis direction components of acceleration. Conventionally, generally used acceleration detection devices detect stress strain caused by acceleration by converting it into an electric quantity with a strain gauge or the like using a semiconductor or the like. Usually, a strain gauge is often formed in the structure of the cantilever, and acceleration of a specific direction is often detected by the stress strain of the cantilever.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

しかしながら、従来の加速度検出装置には、構造が複
雑で量産性に適さないという問題点がある。たとえば、
片持梁の構造体を用いた装置では、3軸方向成分を検出
するために3組の片持梁を立体的に組合わせなければな
らない。したがって、量産に適さずコストも高くなる。
However, the conventional acceleration detection device has a problem that the structure is complicated and is not suitable for mass production. For example,
In the device using the cantilever structure, three sets of cantilevers must be combined three-dimensionally in order to detect the components in the three axial directions. Therefore, it is not suitable for mass production and the cost becomes high.

そこで本発明は、製造コストが低く量産に適し、しか
も測定精度の良い加速度検出装置を提供することを目的
とする。
Therefore, it is an object of the present invention to provide an acceleration detecting device which has a low manufacturing cost, is suitable for mass production, and has high measurement accuracy.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

(1) 本願第1の発明は、加速度検出装置において、 装置本体に固定される固定部と、装置本体に加わる加
速度に起因して力の作用を受ける作用部と、固定部と作
用部との間を可撓性をもって接続する可撓部と、を有す
る単結晶基板を用意し、 機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効
果を示す複数の抵抗素子を、単結晶基板上の、作用部と
固定部との間に生ずる変位によって機械的変形が生ずる
領域に、三次元直交座標系における少なくとも二軸方向
についての機械的変形を検出しうるように配置し、 各抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、装置本体に
加わった加速度の各軸方向成分を検出できるように構成
したものである。
(1) The first invention of the present application is, in an acceleration detecting device, a fixing part fixed to the device body, an action part receiving a force action due to an acceleration applied to the device body, a fixing part and an action part. A single-crystal substrate having a flexible portion connecting between them is prepared, and a plurality of resistance elements exhibiting a piezoresistive effect in which electric resistance is changed by mechanical deformation are provided on the single-crystal substrate. In the area where mechanical deformation occurs due to the displacement between the fixed part and the fixed part, it is arranged so that mechanical deformation in at least two axial directions in the three-dimensional Cartesian coordinate system can be detected, and the change in electrical resistance of each resistance element Based on the above, it is configured so that each axial component of the acceleration applied to the apparatus main body can be detected.

(2) 本願第2の発明は、前述の第1の発明による加
速度検出装置において、 単結晶基板の中心部分を作用部、外周部分を固定部、
これらの間の部分を可撓部とし、固定部を支持する台座
を設け、この台座の中央部空間に重錘体を配置し、この
重錘体を作用部に接続することにより加速度に起因する
力を効果的に作用させるようにしたものである。
(2) A second invention of the present application is the acceleration detecting device according to the first invention, wherein the central portion of the single crystal substrate is the acting portion, the outer peripheral portion is the fixing portion,
The portion between these is made a flexible portion, a pedestal for supporting the fixed portion is provided, a weight body is arranged in the central space of this pedestal, and this weight body is connected to the action portion to cause acceleration. The force is made to act effectively.

(3) 本願第3の発明は、前述の第1の発明による加
速度検出装置において、 単結晶基板の中心部分を固定部、外周部分を作用部、
これらの間の部分を可撓部とし、固定部を支持する台座
を設け、この台座の周囲に重錘体を配置し、この重錘体
を作用部に接続することにより加速度に起因する力を効
果的に作用させるようにしたものである。
(3) A third invention of the present application is the acceleration detecting device according to the first invention, wherein the central portion of the single crystal substrate is a fixed portion, the outer peripheral portion is a working portion,
The part between these is made a flexible part, a pedestal supporting the fixed part is provided, a weight body is arranged around this pedestal, and the force caused by acceleration is connected by connecting this weight body to the action part. It is designed to work effectively.

(4) 本願第4の発明は、前述の第1〜第3の発明に
よる加速度検出装置において、 加速度に起因する力によって生じる作用部あるいは重
錘体の三次元方向の変位を制限するように、作用部ある
いは重錘体に対して所定間隔をおいて変位制限部材を更
に設けたものである。
(4) A fourth invention of the present application is, in the acceleration detecting device according to the above-mentioned first to third invention, so as to limit displacement in three-dimensional directions of the acting portion or the weight body caused by a force caused by acceleration. A displacement limiting member is further provided at a predetermined distance from the acting portion or the weight body.

〔作 用〕[Work]

(1) 本願第1の発明によれば、加速度に基づいて単
結晶基板に力が作用すると、基板に機械的変形が生じ、
基板上に形成された抵抗素子の電気抵抗が変化する。こ
の電気抵抗の変化によって、作用した加速度の向きおよ
び大きさを検出することができる。このように、本発明
の装置では、装置の中枢機能を果たす部分は単結晶基板
1枚に集約される。単結晶基板を構成する固定部、作用
部、可撓部、はいずれも基板のもとになるウエハの加工
により形成することができ、基板上に配列される各抵抗
素子も、一般的な半導体プレーナプロセスによって形成
することができる。このため、半導体デバイスと同様の
工程により大量生産を行うことができ、低コスト化が実
現できる。しかも、ピエゾ抵抗素子を用いた測定を行っ
ているため、高精度の測定結果が得られる。
(1) According to the first invention of the present application, when a force acts on the single crystal substrate based on acceleration, mechanical deformation occurs in the substrate,
The electric resistance of the resistance element formed on the substrate changes. The direction and magnitude of the applied acceleration can be detected by the change in the electric resistance. As described above, in the device of the present invention, the portion that performs the central function of the device is integrated into one single crystal substrate. The fixed portion, the acting portion, and the flexible portion that compose the single crystal substrate can all be formed by processing the wafer that is the base of the substrate, and each resistance element arranged on the substrate is also a common semiconductor. It can be formed by a planar process. Therefore, mass production can be performed by the same process as that of the semiconductor device, and cost reduction can be realized. Moreover, since the measurement is performed using the piezoresistive element, highly accurate measurement results can be obtained.

(2) 本願第2の発明によれば、単結晶基板の外周部
分が台座によって装置本体に固定され、単結晶基板の中
央部分には重錘体が接続される。この重錘体は加わった
加速度に起因する力を単結晶基板の中央部分に効果的に
作用させる機能を果たす。この重錘体は台座の中央部空
間に位置するようになるため、装置全体として省スペー
ス化を図ることができる。
(2) According to the second invention of the present application, the outer peripheral portion of the single crystal substrate is fixed to the apparatus main body by the pedestal, and the weight body is connected to the central portion of the single crystal substrate. The weight body has a function of effectively exerting a force resulting from the applied acceleration on the central portion of the single crystal substrate. Since the weight body is located in the central space of the pedestal, it is possible to save space in the entire device.

(3) 本願第3の発明によれば、単結晶基板の中心部
分が台座によって装置本体に固定され、単結晶基板の外
周部分には重錘体が接続される。この重錘体は加わった
加速度に起因する力を単結晶基板の外周部分に効果的に
作用させる機能を果たす。この重錘体は台座の周囲の空
間に位置するようになるため、装置全体として省スペー
ス化を図ることができる。また、前述の第2の発明の装
置に比べて重錘体の質量が増えるので、効率よく感度を
高めることができる。
(3) According to the third invention of the present application, the central portion of the single crystal substrate is fixed to the device main body by the pedestal, and the weight body is connected to the outer peripheral portion of the single crystal substrate. The weight body has a function of effectively exerting a force resulting from the applied acceleration on the outer peripheral portion of the single crystal substrate. Since the weight body is located in the space around the pedestal, it is possible to save space in the entire device. Further, since the mass of the weight body is larger than that of the device of the second invention described above, the sensitivity can be efficiently increased.

(4) 本願第4の発明によれば、装置本体に大きな加
速度が作用しても、作用部あるいは重錘体はその動きを
変位制限部材に妨げられ、所定の上限値を越えて変位を
生じることがない。このため、単結晶基板に無理な機械
的変形が生じることを避けることができ、大きな加速度
の作用により単結晶基板が損傷するのを防ぐことができ
る。
(4) According to the fourth aspect of the present invention, even if a large acceleration acts on the apparatus main body, the action portion or the weight body is prevented from moving by the displacement limiting member and is displaced beyond a predetermined upper limit value. Never. Therefore, it is possible to avoid the occurrence of unreasonable mechanical deformation of the single crystal substrate, and it is possible to prevent the single crystal substrate from being damaged by the action of large acceleration.

〔実施例〕〔Example〕

以下本願発明を図示する実施例に基づいて説明する。
第1図は、本願発明の一実施例に係る加速度検出装置の
側断面図、第2図は、この装置を切断線A−Aに沿って
切った上断面図である。この検出装置の中枢機能を果た
す部分が、単結晶基板10である。この実施例では、シリ
コンの単結晶基板が用いられている。単結晶基板10は、
第2図に示すように円盤状をしており、この明細書で
は、中央部分を作用部11、その周囲を可撓部12、更にそ
の周囲の外周部分を固定部13、と呼ぶことにする。基板
下面には筒状の溝が形成されており、可撓部12はこの溝
の上部に位置する部分となる。溝が形成されているた
め、可撓部12は肉厚が薄い部分となり可撓性をもつこと
になる。固定部13の下方には、円筒状の台座20が接続さ
れ、作用部11の下方には、円柱状の重錘体30が接続され
る。この実施例では、重錘体30にはガラス材が用いられ
ている。単結晶基板10としてシリコン基板を用いたの
で、重錘体30としてはシリコンと熱膨張係数が近いパイ
レックス等の硼硅酸ガラスを用いるのが好ましい。台座
20の下面は、ケース40の底面に固着され、ケース40の上
部には蓋41が被せられる。
The present invention will be described below based on illustrated embodiments.
FIG. 1 is a side sectional view of an acceleration detecting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an upper sectional view of the device taken along the section line AA. The single crystal substrate 10 plays a central role in this detection device. In this embodiment, a silicon single crystal substrate is used. The single crystal substrate 10 is
As shown in FIG. 2, it has a disk shape, and in this specification, the central portion is referred to as the action portion 11, the periphery thereof is referred to as the flexible portion 12, and the outer peripheral portion thereof is referred to as the fixed portion 13. . A tubular groove is formed on the lower surface of the substrate, and the flexible portion 12 is a portion located above the groove. Since the groove is formed, the flexible portion 12 has a thin wall portion and has flexibility. A cylindrical pedestal 20 is connected below the fixed portion 13, and a cylindrical weight body 30 is connected below the acting portion 11. In this embodiment, a glass material is used for the weight body 30. Since the silicon substrate is used as the single crystal substrate 10, it is preferable to use borosilicate glass such as Pyrex having a thermal expansion coefficient close to that of silicon as the weight body 30. pedestal
The lower surface of the case 20 is fixed to the bottom surface of the case 40, and the upper portion of the case 40 is covered with a lid 41.

第2図に示されているように、単結晶基板10の上面に
は、複数の抵抗素子R(Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4)
が形成されている。これらの抵抗素子Rは、機械的変形
によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果をもった抵
抗素子であり、可撓部12の上面に所定の向きで配置され
ている。ケース40側面の配線孔を通るようにして、外部
配線用電極50が、ケース内部から外部へと導出されてい
る。この外部配線用電極50の内部端は、ボンディングワ
イヤ51によって、単結晶基板10の固定部13上に設けられ
たボンディングパッド52(第1図では図示省略)に接続
される。このボンディングパッド52は、図示しない配線
パターンによって抵抗素子Rに接続されている。したが
って、外部配線用電極50を外部の制御装置(図示省略)
と電気的に接続すれば、抵抗素子Rの抵抗値の変化を外
部の制御装置によって測定することができる。
As shown in FIG. 2, a plurality of resistance elements R (Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4) are provided on the upper surface of the single crystal substrate 10.
Are formed. These resistance elements R are resistance elements having a piezoresistive effect in which electric resistance changes due to mechanical deformation, and are arranged on the upper surface of the flexible portion 12 in a predetermined direction. The external wiring electrode 50 is led out from the inside of the case to the outside so as to pass through the wiring hole on the side surface of the case 40. The inner end of the external wiring electrode 50 is connected by a bonding wire 51 to a bonding pad 52 (not shown in FIG. 1) provided on the fixed portion 13 of the single crystal substrate 10. The bonding pad 52 is connected to the resistance element R by a wiring pattern (not shown). Therefore, the external wiring electrode 50 is connected to an external control device (not shown).
When electrically connected to, the change in the resistance value of the resistance element R can be measured by an external control device.

いま、第2図の右方向にX軸を、上方向にY軸を、紙
面に対し垂直な方向(第1図における図の上方向)にZ
軸を、それぞれとり、XYZ三次元座標系を定義する。こ
の座標系において、4つの抵抗素子Rx1〜Rx4はX軸上に
配され、X軸方向の加速度成分の検出に用いられ、4つ
の抵抗素子Ry1〜Ry4はY軸上に配され、Y軸方向の加速
度成分の検出に用いられ、4つの抵抗素子Rz1〜Rz4はX
軸に平行で、その近傍にある軸上に配され、Z軸方向の
加速度成分の検出に用いられる。前述のように、これら
各抵抗素子Rは、外部配線用電極50を通して外部の制御
装置に電気的に接続されている。この制御装置内では、
各抵抗素子Rについて、第3図に示すようなブリッジ回
路が組まれている。すなわち、抵抗素子Rx1〜Rx4につい
ては同図(a)に示すようなブリッジ回路が組まれ、抵
抗素子Ry1〜Ry4については同図(b)に示すようなブリ
ッジ回路が組まれ、抵抗素子Rz1〜Rz4については同図
(c)に示すようなブリッジ回路が組まれる。各ブリッ
ジ回路には、電源60から所定の電圧あるいは電流が供給
され、各ブリッジ電圧が電流計61,62,63によって測定さ
れる。
Now, in FIG. 2, the X axis is in the right direction, the Y axis is in the upward direction, and the Z axis is in the direction perpendicular to the paper surface (the upward direction in the drawing in FIG. 1).
Each axis is taken to define an XYZ three-dimensional coordinate system. In this coordinate system, four resistance elements Rx1 to Rx4 are arranged on the X axis and are used for detecting an acceleration component in the X axis direction, and four resistance elements Ry1 to Ry4 are arranged on the Y axis and in the Y axis direction. Used to detect the acceleration component of the four resistance elements Rz1 to Rz4 are X
It is arranged on an axis parallel to the axis and in the vicinity thereof, and is used for detecting the acceleration component in the Z-axis direction. As described above, each of the resistance elements R is electrically connected to the external control device through the external wiring electrode 50. In this controller,
For each resistance element R, a bridge circuit as shown in FIG. 3 is assembled. That is, for the resistance elements Rx1 to Rx4, a bridge circuit as shown in FIG. 7A is assembled, and for the resistance elements Ry1 to Ry4, a bridge circuit as shown in FIG. For Rz4, a bridge circuit as shown in FIG. A predetermined voltage or current is supplied from the power supply 60 to each bridge circuit, and each bridge voltage is measured by the ammeters 61, 62, 63.

第1図に示されているように、重錘体30は、円筒状の
台座20の中央部空間に宙吊りの状態となっている。ケー
ス40に加速度が加わると、この加速度に起因して重錘体
30に外力が作用し、重錘体30が定位置から変位する。し
たがって、この重錘体30に接続された作用部11も定位置
から変位し、この変位によって生じた機械的歪みは可撓
部12の機械的変形によって吸収される。可撓部12に機械
的変形が生じると、この上に形成された抵抗素子Rの電
気抵抗が変化する。その結果、第3図に示すブリッジ回
路の平衡条件がくずれて電圧計61,62,63の針が振れるこ
とになる。これが、この装置による加速度検出の基本原
理である。
As shown in FIG. 1, the weight body 30 is suspended in the central space of the cylindrical pedestal 20. When acceleration is applied to the case 40, the weight
An external force acts on 30, and the weight body 30 is displaced from the fixed position. Therefore, the acting portion 11 connected to the weight body 30 is also displaced from the fixed position, and the mechanical strain generated by this displacement is absorbed by the mechanical deformation of the flexible portion 12. When the flexible portion 12 is mechanically deformed, the electric resistance of the resistance element R formed thereon changes. As a result, the equilibrium condition of the bridge circuit shown in FIG. 3 is broken and the needles of the voltmeters 61, 62, 63 swing. This is the basic principle of acceleration detection by this device.

さて、抵抗素子Rを第2図に示すように配置すると、
第3図のブリッジ回路において、電圧計61によりX軸方
向の加速度成分が、電圧計62によりY軸方向の加速度成
分が、電圧計63によりZ軸方向の加速度成分が、それぞ
れ検出できる。この理由を以下に説明する。第4図は、
第1図に示す装置において、重錘体30にX軸方向の力Fx
が作用したときの、各抵抗素子Rにかかる応力歪みを示
す模式図である。同図(a)は抵抗素子Rx1〜Rx4に沿っ
た断面における応力分布を示し、同図(b)は抵抗素子
Ry1〜Ry4に沿った断面における応力分布を示し、同図
(c)は抵抗素子Rz1〜Rz4に沿った断面における応力分
布を示す。応力分布は、伸びる方向を符号+、縮む方向
を符号−で示してある。たとえば、第4図(a)は、重
錘体30にX方向の力Fxが作用したときの抵抗素子Rx1〜R
x4に沿った断面における応力分布を示している。重錘体
30に作用した力Fxは、単結晶基板10の表面においてはモ
ーメント力として作用し、抵抗素子Rx1およびRx3に対し
ては縮む方向の機械的変形が生じ、抵抗素子Rx2およびR
x4に対しては伸びる方向の機械的変形が生じる。これに
対し、抵抗素子Ry1〜Ry4については、第4図(b)に示
すように、応力は変化しない。これは、抵抗素子Ry1〜R
y4の配置方向(Y軸方向)が力Fxの方向に直交している
ためである。抵抗素子Rz1〜Rz4については、第4図
(c)に示すように、抵抗素子Rx1〜Rx4と同じ変化が生
じる。同様に、Y軸方向の力Fyが作用した場合の各抵抗
素子Rに生じる応力分布を第5図(a)〜(c)に、Z
軸方向の力Fzが作用した場合の各抵抗素子Rに生じる応
力分布を第6図(a)〜(c)に示す。ここで、伸びる
方向の機械的変形に対して抵抗値が増え、縮む方向の機
械的変形に対して抵抗値が減るような性質をもった抵抗
素子を用いたとすれば、重錘体30に作用した力Fx,Fy,Fz
と各抵抗素子Rの抵抗値の変化との関係は、次の表1の
ようになる。ここで、符号+は抵抗値の増加、符号−は
抵抗値の減少を示し、0は抵抗値に変化のないことを示
す。
Now, when the resistance element R is arranged as shown in FIG.
In the bridge circuit of FIG. 3, the voltmeter 61 can detect the acceleration component in the X-axis direction, the voltmeter 62 can detect the acceleration component in the Y-axis direction, and the voltmeter 63 can detect the acceleration component in the Z-axis direction. The reason for this will be described below. Figure 4 shows
In the apparatus shown in FIG. 1, the force Fx in the X-axis direction is applied to the weight body 30.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a stress strain applied to each resistance element R when is applied. The figure (a) shows the stress distribution in the cross section along the resistance elements Rx1 to Rx4, and the figure (b) shows the resistance element.
The stress distribution in the cross section along Ry1 to Ry4 is shown, and FIG. 7C shows the stress distribution in the cross section along the resistance elements Rz1 to Rz4. In the stress distribution, the extending direction is indicated by + and the contracting direction is indicated by −. For example, FIG. 4A shows resistance elements Rx1 to Rx when a force Fx in the X direction acts on the weight body 30.
The stress distribution in the cross section along x4 is shown. Weight body
The force Fx acting on 30 acts as a moment force on the surface of the single crystal substrate 10 and causes mechanical deformation in a contracting direction with respect to the resistance elements Rx1 and Rx3, resulting in resistance elements Rx2 and Rx.
For x4, mechanical deformation occurs in the extending direction. On the other hand, in the resistance elements Ry1 to Ry4, the stress does not change as shown in FIG. 4 (b). This is the resistance element Ry1 ~ R
This is because the arrangement direction (Y-axis direction) of y4 is orthogonal to the direction of force Fx. Regarding the resistance elements Rz1 to Rz4, the same changes as those of the resistance elements Rx1 to Rx4 occur as shown in FIG. 4 (c). Similarly, the stress distribution generated in each resistance element R when a force Fy in the Y-axis direction is applied is shown in FIGS.
The stress distribution generated in each resistance element R when an axial force Fz is applied is shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c). Here, if a resistance element having a property that the resistance value increases with respect to the mechanical deformation in the extending direction and the resistance value decreases with respect to the mechanical deformation in the contracting direction, it acts on the weight body 30. Force Fx, Fy, Fz
The relationship between the resistance value of each resistance element R and the change of the resistance value is as shown in Table 1 below. Here, the sign + indicates an increase in the resistance value, the sign − indicates a decrease in the resistance value, and 0 indicates that the resistance value does not change.

この表1と、第3図のブリッジ回路とを参照すれば、
電圧計61によって力Fxが検出され、電圧計62によって力
Fyが検出され、電圧計63によって力Fzが検出されること
が理解できよう。たとえば、力Fxが作用した場合、第3
図(a)のブリッジ回路では、一方の対辺の抵抗値はと
もに増加、他方の対辺の抵抗値はともに減少するため、
電圧計61の針は振れることになる。ところが、第3図
(b)のブリッジ回路では、いずれの抵抗値にも変化が
ないため電圧計62の針は振れず、第3図(c)のブリッ
ジ回路では、各対辺を構成する抵抗の一方は抵抗値増
加、他方は抵抗値減少となり、結局相互に相殺しあっ
て、電圧計63の針は振れない。こうして、この装置本体
に作用した加速度の各方向成分が、電圧計61〜63の針の
振れとして検出される。
Referring to Table 1 and the bridge circuit of FIG. 3,
The voltmeter 61 detects the force Fx and the voltmeter 62 detects the force.
It can be seen that Fy is detected and the force Fz is detected by the voltmeter 63. For example, if force Fx acts, the third
In the bridge circuit of FIG. 10A, the resistance values on one opposite side both increase and the resistance values on the other opposite side both decrease,
The needle of the voltmeter 61 will swing. However, in the bridge circuit of FIG. 3 (b), the needle of the voltmeter 62 does not swing because there is no change in any resistance value, and in the bridge circuit of FIG. 3 (c), the resistance of each opposite side is reduced. One increases the resistance value and the other decreases the resistance value, which eventually offset each other, and the needle of the voltmeter 63 cannot be swung. In this way, each direction component of the acceleration acting on the main body of the apparatus is detected as the deflection of the needle of the voltmeter 61-63.

なお、この実施例では、XYZの3軸すべての加速度方
向成分を検出する三次元加速度検出装置として説明した
が、XY、YZ、あるいはXZの2軸についての加速度方向成
分を検出する二次元加速度検出装置も同様に構成するこ
とができる。この場合、抵抗素子やブリッジ回路は2軸
分についてのみ用意すればよい。
In this embodiment, the three-dimensional acceleration detecting device for detecting the acceleration direction components of all three axes of XYZ has been described, but the two-dimensional acceleration detection for detecting the acceleration direction components of two axes of XY, YZ or XZ. The device can be similarly configured. In this case, the resistance element and the bridge circuit may be prepared only for two axes.

以上が第1図に示す加速度検出装置の基本的な動作原
理である。続いて、この装置を実用する場合に、より好
適な実施例を示す。第1図に示す装置では、前述のよう
に、重錘体30は作用部11の下部に宙吊りになった状態で
ある。この状態で、大きな加速度が作用すると、重錘体
30は作用した加速度の大きさに応じた大きな変位を生じ
る。ところが、可撓部12はシリコンの単結晶基板である
ため、可撓性にも限界がある。したがって、あまり大き
な変位が生じるとこれを吸収することができなくなり、
単結晶基板10はクラックを生じるなどして破損する。
The above is the basic operation principle of the acceleration detecting device shown in FIG. Next, a more preferred embodiment will be shown when this device is put to practical use. In the apparatus shown in FIG. 1, as described above, the weight body 30 is suspended in the lower portion of the working portion 11. In this state, if a large acceleration acts, the weight
30 produces a large displacement according to the magnitude of the applied acceleration. However, since the flexible portion 12 is a silicon single crystal substrate, its flexibility is also limited. Therefore, if a large displacement occurs, it cannot be absorbed,
The single crystal substrate 10 is damaged by causing cracks.

第7図はこのような単結晶基板10の破損を防ぐための
工夫を凝らした別な実施例を示す側断面図である。この
実施例では、シリコンの単結晶基板10Aの下面に起歪体1
0Aの下面に起歪体10Bを固着している。起歪体10Bは、中
央部分の作用部11B、その周囲の可撓部12B、更にその周
囲の外周部分である固定部13B、によって構成されてい
る。可撓部12Bは他の部分に比べて肉厚が薄くなってお
り、可撓性を有する。この実施例の装置では、単結晶基
板10Aと起歪体10Bとの2つの部材によって、第1図に示
す装置の単結晶基板10と同等の機能を果たすことにな
る。起歪体10Bとしては、シリコンの単結晶基板と熱膨
張係数の近い金属、たとえばコバール(鉄、コバルト、
ニッケルの合金)を用いるようにするのが好ましい。作
用部11Bの下面には重錘体31が接続され、固定部13Bの下
面には筒状の台座21が接続される。この台座21の下面に
は、更に底板42が接続されている。第8図はこの装置の
上面図である。単結晶基板10Aの上面には、抵抗素子R
が形成されており、ボンディングワイヤ51によってボン
ディングパッド52と外部配線用電極53とが接続されてい
る。この装置の特徴は、単結晶基板10Aが重錘体31に直
接接続されていない点である。両者間に起歪体10Bが介
挿されているため、重錘体31からの力が単結晶基板10A
には直接伝達されない。このため、大きな加速度が作用
した場合でも、単結晶基板10Aが破損するのを防ぐこと
ができる。この装置のもうひとつの特徴は、重錘体31と
台座21の形状にある。重錘体31は断面が逆T字状をして
おり、台座21はこの重錘体31に対して一定間隔を保ちな
がらこれを包み込むような形状をしている。この装置に
大きな加速度が加わり、重錘体31を図の上方に移動させ
るような力が作用しても、重錘体31の上周面31aが台座2
1の下周面21aに衝突するため、重錘体31の上方への変位
は所定の限度以内に制限される。また、重錘体31を図の
左右方向に移動させるような力が作用しても、重錘体の
外側面31bが台座21の内側面21bに衝突するため、重錘体
31の左右への変位は所定の限度以内に制限される。更
に、重錘体31を図の下方に移動させるような力が作用し
ても、重錘体31の下面31cが底板42の上面42cに衝突する
ため、重錘体31の下方への変位は所定の限度以内に制限
される。結局、重錘体31の三次元方向の変位が所定の限
度以内に制限され、単結晶基板10Aに許容限度以上の機
械的変形が加わるのを妨げることができ、大きな加速度
が加わった場合に単結晶基板10Aを破損から保護するこ
とができる。
FIG. 7 is a side sectional view showing another embodiment in which a device for preventing such damage of the single crystal substrate 10 is elaborated. In this embodiment, the strain element 1 is formed on the lower surface of the silicon single crystal substrate 10A.
The flexure element 10B is fixed to the lower surface of 0A. The flexure element 10B is composed of a central action portion 11B, a flexible portion 12B around the action portion 11B, and a fixed portion 13B that is an outer peripheral portion around the action portion 11B. The flexible portion 12B is thinner than other portions and has flexibility. In the device of this embodiment, the two members, that is, the single crystal substrate 10A and the strain element 10B, fulfill the same function as the single crystal substrate 10 of the device shown in FIG. As the strain generating body 10B, a metal having a thermal expansion coefficient close to that of a silicon single crystal substrate, for example, Kovar (iron, cobalt,
It is preferable to use a nickel alloy). A weight 31 is connected to the lower surface of the action portion 11B, and a cylindrical pedestal 21 is connected to the lower surface of the fixed portion 13B. A bottom plate 42 is further connected to the lower surface of the pedestal 21. FIG. 8 is a top view of this device. On the upper surface of the single crystal substrate 10A, the resistance element R
Is formed, and the bonding pad 52 and the external wiring electrode 53 are connected by the bonding wire 51. The feature of this device is that the single crystal substrate 10A is not directly connected to the weight body 31. Since the flexure element 10B is interposed between the two, the force from the weight body 31 causes the single crystal substrate 10A to move.
Not directly transmitted to. Therefore, even if a large acceleration acts, it is possible to prevent the single crystal substrate 10A from being damaged. Another feature of this device is the shape of the weight body 31 and the pedestal 21. The weight body 31 has an inverted T-shaped cross section, and the pedestal 21 has a shape that encloses the weight body 31 while keeping a constant space therebetween. Even if a large acceleration is applied to this device and a force that moves the weight body 31 to the upper side in the figure acts, the upper peripheral surface 31a of the weight body 31 does not move to the base 2
Since the weight body 31 collides with the lower peripheral surface 21a, the upward displacement of the weight body 31 is limited within a predetermined limit. Further, even if a force that moves the weight body 31 in the left-right direction in the drawing acts, the outer surface 31b of the weight body collides with the inner side surface 21b of the pedestal 21.
The displacement of 31 to the left and right is limited within the specified limit. Further, even if a force that moves the weight body 31 downward is applied, the lower surface 31c of the weight body 31 collides with the upper surface 42c of the bottom plate 42, so that the weight body 31 is not displaced downward. Limited to within the prescribed limits. After all, the displacement of the weight body 31 in the three-dimensional direction is limited within a predetermined limit, and it is possible to prevent the single crystal substrate 10A from being subjected to mechanical deformation exceeding the allowable limit, and when a large acceleration is applied, The crystal substrate 10A can be protected from damage.

第9図は、本発明のまた別な実施例に係る加速度検出
装置の側断面図である。この装置の構成要素は、第1図
の装置とほぼ同じである。単結晶基板10は、作用部11、
可撓部12、固定部13から構成され、上面に抵抗素子R
(図示せず)が形成されている。作用部11の下面には円
柱状の重錘体32が接続され、固定部13の下面には円筒状
の台座22が接続されている。台座22はケース43の底面に
固着される。また、単結晶基板10の上面には、下面中央
に円盤状のくりぬき部をもった蓋部材44が取り付けられ
ている。このような構造の加速度検出装置においても、
重錘体32の三次元方向の変位を制御することができる。
すなわち、この装置に大きな加速度が加わり、重錘体32
を図の上方に移動させるような力が作用しても、単結晶
基板10の作用部11の上面が蓋部材44のくりぬき部天面44
aに衝突するため、重錘体32の上方への変位は所定の限
度以内に制限される。また、重錘体32を図の左右方向に
移動させるような力が作用しても、重錘体32の外側面32
aが台座22の内側面22aに衝突するため、重錘体32の左右
への変位は所定の限度以内に制限される。更に、重錘体
32を図の下方に移動させるような力が作用しても、重錘
体32の下面32bがケース43の底面43bに衝突するため、重
錘体32の下方への変位は所定の限度以内に制限される。
結局、重錘体32の三次元方向の変位が所定の限度以内に
制限され、単結晶基板10に許容限度以上の機械的変形が
加わるのを妨げることができ、大きな加速度が加わった
場合に単結晶基板10を破損から保護することができる。
FIG. 9 is a side sectional view of an acceleration detecting device according to another embodiment of the present invention. The components of this device are similar to those of the device of FIG. The single crystal substrate 10 has an action part 11,
It is composed of a flexible portion 12 and a fixed portion 13, and has a resistance element R on the upper surface.
(Not shown) is formed. A cylindrical weight body 32 is connected to the lower surface of the action portion 11, and a cylindrical pedestal 22 is connected to the lower surface of the fixed portion 13. The pedestal 22 is fixed to the bottom surface of the case 43. Further, on the upper surface of the single crystal substrate 10, a lid member 44 having a disk-shaped hollow portion at the center of the lower surface is attached. Even in the acceleration detecting device having such a structure,
It is possible to control the displacement of the weight body 32 in the three-dimensional direction.
That is, a large acceleration is applied to this device, and the weight 32
Even if a force is applied to move the upper part of the drawing to the upper side of the figure, the upper surface of the acting portion 11 of the single crystal substrate 10 will be
Since it collides with a, the upward displacement of the weight body 32 is limited within a predetermined limit. In addition, even if a force that moves the weight body 32 in the left-right direction acts, the outer surface 32 of the weight body 32
Since a collides with the inner surface 22a of the pedestal 22, the lateral displacement of the weight body 32 is limited within a predetermined limit. Furthermore, the weight body
Even if a force to move the weight 32 downward is applied, the lower surface 32b of the weight body 32 collides with the bottom surface 43b of the case 43, so that the weight body 32 cannot be displaced downward within a predetermined limit. Limited.
Eventually, the displacement of the weight body 32 in the three-dimensional direction is limited within a predetermined limit, it is possible to prevent the single crystal substrate 10 from being subjected to a mechanical deformation exceeding the allowable limit, and when a large acceleration is applied, The crystal substrate 10 can be protected from damage.

第10図は、本発明の更に別な実施例に係る加速度検出
装置の側断面図である。この装置の構成要素も、第1図
の装置とほぼ同じである。単結晶基板10は、作用部11、
可撓部12、固定部13から構成され、上面に抵抗素子R
(図示せず)が形成されている。作用部11の下面には有
段円柱状の重錘体33が接続され、固定部13の下面には有
段円筒状の台座23が接続されている。台座23はケース45
の底面に固着される。この装置に大きな加速度が加わ
り、重錘体33を図の上方に移動させるような力が作用し
ても、重錘体33の上周面33aが台座23の下周面23aに衝突
するため、重錘体33の上方への変位は所定の限度以内に
制限される。また、重錘体33を図の左右方向に移動させ
るような力が作用しても、重錘体33の外側面33bが台座2
3の内側面23bに衝突するため、重錘体33の左右への変位
は所定の限度以内に制限される。更に、重錘体33を図の
下方に移動させるような力が作用しても、重錘体33の下
面33cがケース45の底面45cに衝突するため、重錘体33の
下方への変位は所定の限度以内に制限される。
FIG. 10 is a side sectional view of an acceleration detecting device according to still another embodiment of the present invention. The components of this device are also almost the same as the device of FIG. The single crystal substrate 10 has an action part 11,
It is composed of a flexible portion 12 and a fixed portion 13, and has a resistance element R on the upper surface.
(Not shown) is formed. A stepped columnar weight body 33 is connected to the lower surface of the action portion 11, and a stepped cylindrical pedestal 23 is connected to the lower surface of the fixed portion 13. Pedestal 23 is case 45
Fixed to the bottom of the. Even if a large acceleration is applied to this device and a force that moves the weight body 33 upward in the figure acts, the upper peripheral surface 33a of the weight body 33 collides with the lower peripheral surface 23a of the pedestal 23. The upward displacement of the weight body 33 is limited within a predetermined limit. In addition, even if a force that moves the weight body 33 in the left-right direction in the drawing acts, the outer surface 33b of the weight body 33 does not move to the pedestal 2.
Since the weight body 33 collides with the inner side surface 23b, the lateral displacement of the weight body 33 is limited within a predetermined limit. Further, even if a force that moves the weight body 33 downward is applied, the lower surface 33c of the weight body 33 collides with the bottom surface 45c of the case 45, so that the weight body 33 is not displaced downward. Limited to within the prescribed limits.

第11図は、本発明のまた別な実施例に係る加速度検出
装置の側断面図である。この装置は、今まで述べてきた
装置に対し、内側と外側の関係が逆になっている。すな
わち、単結晶基板10の外周部分が作用部11であり、その
内側部分が可撓部12であり、中央部分が固定部13であ
る。固定部13の下面には円柱状の台座70が接続され、こ
の台座70はケース46の底面に固着される。作用部11の下
面には、円筒状の重錘体80が接続される。加速度が加わ
ると、円筒状の重錘体80が変位を生じ、この変位が単結
晶基板10に伝達される。重錘体80の図の左右方向の変位
は、重錘体80と台座70との間に形成される間隙によって
制限できる。すなわち、重錘体80を図の左右方向に移動
させるような力が作用しても、重錘体80の内側面80aが
台座70の外側面70aに衝突するため、重錘体80の左右へ
の変位は所定の限度以内に制限されることになる。
FIG. 11 is a side sectional view of an acceleration detecting device according to another embodiment of the present invention. This device has an inverted relationship between the inside and outside of the devices described so far. That is, the outer peripheral portion of the single crystal substrate 10 is the acting portion 11, the inner portion thereof is the flexible portion 12, and the central portion thereof is the fixing portion 13. A cylindrical pedestal 70 is connected to the lower surface of the fixed portion 13, and the pedestal 70 is fixed to the bottom surface of the case 46. A cylindrical weight body 80 is connected to the lower surface of the action portion 11. When acceleration is applied, the cylindrical weight body 80 is displaced, and this displacement is transmitted to the single crystal substrate 10. The displacement of the weight body 80 in the left-right direction in the drawing can be limited by the gap formed between the weight body 80 and the pedestal 70. That is, even if a force that moves the weight body 80 in the left-right direction acts, the inner side surface 80a of the weight body 80 collides with the outer side surface 70a of the pedestal 70, so that the weight body 80 moves to the left and right. Will be limited to within a predetermined limit.

以上述べた実施例は、いずれも円盤状の単結晶基板に
円柱状の重錘体および円筒状の台座を用いた例である
が、本発明は円状の部材を用いるものに限定されるもの
ではない。たとえば、正方形状の単結晶基板を用い、直
方体状の重錘体およびこれを四方から囲うような台座を
用いてもよい。
The examples described above are examples in which a cylindrical weight body and a cylindrical pedestal are used for a disk-shaped single crystal substrate, but the present invention is limited to those using a circular member. is not. For example, a square single crystal substrate may be used, and a rectangular parallelepiped weight body and a pedestal surrounding the weight body from four sides may be used.

最後に、本発明に用いる抵抗素子Rを単結晶基板10上
に形成する方法の一例を述べておく。この実施例では、
単結晶基板10としてシリコン基板を用いており、抵抗素
子Rはこのシリコン基板上に半導体プレーナプロセスに
よって形成される。まず、第12図(a)に示すように、
N型のシリコン基板101を熱酸化し、表面に酸化シリコ
ン層102を形成する。続いて、同図(b)に示すよう
に、この酸化シリコン層102を写真蝕刻法によってエッ
チングして、開口部103を形成する。続いて、同図
(c)に示すように、この開口部103からほう素を熱拡
散し、P型拡散領域104を形成する。なお、この熱拡散
の工程で、開口部103には酸化シリコン層105が形成され
ることになる。次に、同図(d)に示すように、CVD法
によって窒化シリコンを堆積させ、窒化シリコン層106
を保護層として形成する。そして、同図(e)に示すよ
うに、この窒化シリコン層106および酸化シリコン層105
に写真蝕刻法によってコンタクトホールを開口した後、
同図(f)に示すように、アルミニウム配線層107を蒸
着形成する。そして最後に、このアルミニウム配線層10
7を写真蝕刻法によってパターニングし、同図(g)に
示すような構造を得る。なお、上述の工程は一例として
示したものであり、本発明はピエゾ抵抗効果を有する抵
抗素子であればどのようなものを用いても実現可能であ
る。
Finally, an example of a method of forming the resistance element R used in the present invention on the single crystal substrate 10 will be described. In this example,
A silicon substrate is used as the single crystal substrate 10, and the resistance element R is formed on this silicon substrate by a semiconductor planar process. First, as shown in FIG. 12 (a),
The N type silicon substrate 101 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 102 on the surface. Then, as shown in FIG. 2B, the silicon oxide layer 102 is etched by a photo-etching method to form an opening 103. Subsequently, as shown in FIG. 3C, boron is thermally diffused from the opening 103 to form a P-type diffusion region 104. Note that the silicon oxide layer 105 is formed in the opening 103 in this thermal diffusion step. Next, as shown in FIG. 3D, silicon nitride is deposited by the CVD method to form the silicon nitride layer 106.
Is formed as a protective layer. Then, as shown in FIG. 7E, the silicon nitride layer 106 and the silicon oxide layer 105 are formed.
After opening the contact hole by photolithography,
As shown in FIG. 6F, the aluminum wiring layer 107 is formed by vapor deposition. And finally, this aluminum wiring layer 10
7 is patterned by photolithography to obtain a structure as shown in FIG. The above steps are shown as an example, and the present invention can be realized by using any resistive element having a piezoresistive effect.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

(1) 本願第1の発明によれば、加速度に基づいて単
結晶基板に力を作用させ、この力を基板上に形成された
抵抗素子の電気抵抗の変化として検出するように加速度
検出装置を構成したため、半導体デバイスと同様の工程
により大量生産を行うことができ、低コスト化が実現で
き、しかも、高精度の測定結果が得られるようになる。
(1) According to the first invention of the present application, an acceleration detecting device is provided so that a force is applied to a single crystal substrate based on acceleration and the force is detected as a change in electrical resistance of a resistance element formed on the substrate. Since it is configured, mass production can be performed by the same steps as those for semiconductor devices, cost reduction can be realized, and highly accurate measurement results can be obtained.

(2) 本願第2の発明によれば、単結晶基板の外周部
分を台座によって装置本体に固定し、この台座の中央部
空間に重錘体を設けるようにしたため、加わった加速度
に起因する力を単結晶基板の中央部分に効果的に作用さ
せることができ、しかも、装置全体として省スペース化
を図ることができるようになる。
(2) According to the second invention of the present application, since the outer peripheral portion of the single crystal substrate is fixed to the apparatus main body by the pedestal and the weight body is provided in the central space of the pedestal, the force due to the applied acceleration is applied. Can be effectively applied to the central portion of the single crystal substrate, and moreover, the space can be saved in the entire device.

(3) 本願第3の発明によれば、単結晶基板の中心部
分を台座によって装置本体に固定し、この台座の周囲に
重錘体を設けるようにしたため、加わった加速度に起因
する力を単結晶基板の外周部分に効果的に作用させるこ
とができ、しかも、装置全体として省スペース化を図る
ことができるようになる。また、前述の第2の発明の装
置に比べて重錘体の質量が増えるので、効率よく感度を
高めることができる。
(3) According to the third invention of the present application, since the central portion of the single crystal substrate is fixed to the apparatus main body by the pedestal and the weight body is provided around the pedestal, the force caused by the applied acceleration is reduced. It is possible to effectively act on the outer peripheral portion of the crystal substrate, and moreover, it is possible to save space in the entire device. Further, since the mass of the weight body is larger than that of the device of the second invention described above, the sensitivity can be efficiently increased.

(4) 本願第4の発明によれば、作用部あるいは重錘
体の動きを制限する変位制限部材を設けるようにしたた
め、装置本体に大きな加速度が作用したときでも、単結
晶基板に無理な機械的変形が生じることを避けることが
でき、大きな加速度の作用による単結晶基板の損傷を防
ぐことができるようになる。
(4) According to the fourth aspect of the present invention, since the displacement limiting member for limiting the movement of the acting portion or the weight body is provided, even if a large acceleration acts on the apparatus main body, it is impossible to machine the single crystal substrate. It is possible to avoid mechanical deformation and prevent damage to the single crystal substrate due to the action of large acceleration.

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

第1図は本発明の一実施例に係る加速度検出装置の側断
面図、第2図は第1図に示す装置を切断線A−Aに沿っ
て切断した上断面図、第3図は第1図に示す装置内の抵
抗素子によって形成されたブリッジ回路の回路図、第4
図は第1図に示す装置にX軸方向の力Fxが作用したとき
の応力分布図、第5図は第1図に示す装置にY軸方向の
力Fyが作用したときの応力分布図、第6図は第1図に示
す装置にZ軸方向の力Fzが作用したときの応力分布図、
第7図は本発明の別な実施例に係る加速度検出装置の側
断面図、第8図は第7図に示す装置の上面図、第9図〜
第11図はそれぞれ本発明の更に別な実施例に係る加速度
検出装置の側断面図、第12図は本発明の加速度検出装置
に用いられる抵抗素子の形成方法の一例を示す工程図で
ある。 10,10A……単結晶基板、10B……起歪体、11,11B……作
用部、12,12B……可撓部、13,13B……固定部、20〜23…
…台座、30〜33……重錘体、40……ケース、41……蓋、
42……底板、43……ケース、44……蓋部材、45,46……
ケース、50……外部配線用電極、51……ボンディングワ
イヤ、52……ボンディングパッド、53……外部配線用電
極、60……電源、61〜63……電圧計、70……台座、80…
…重錘体、101……シリコン基板、102……酸化シリコン
層、103……開口部、104……P型拡散領域、105……酸
化シリコン層、106……窒化シリコン層、107……アルミ
ニウム配線層。
1 is a side sectional view of an acceleration detecting apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an upper sectional view of the apparatus shown in FIG. 1 taken along the section line AA, and FIG. FIG. 4 is a circuit diagram of a bridge circuit formed by resistance elements in the device shown in FIG.
The figure shows a stress distribution diagram when a force Fx in the X-axis direction acts on the device shown in FIG. 1, and FIG. 5 shows a stress distribution diagram when a force Fy in the Y-axis direction acts on the device shown in FIG. FIG. 6 is a stress distribution diagram when a force Fz in the Z-axis direction acts on the device shown in FIG.
7 is a side sectional view of an acceleration detecting device according to another embodiment of the present invention, FIG. 8 is a top view of the device shown in FIG. 7, and FIG.
FIG. 11 is a side sectional view of an acceleration detecting device according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a process drawing showing an example of a method of forming a resistance element used in the acceleration detecting device of the present invention. 10,10A …… single crystal substrate, 10B …… strain element, 11,11B …… acting part, 12,12B …… flexible part, 13,13B …… fixing part, 20-23…
… Pedestal, 30-33 …… Weight, 40 …… Case, 41 …… Lid,
42 …… bottom plate, 43 …… case, 44 …… cover member, 45,46 ……
Case, 50 ... External wiring electrode, 51 ... Bonding wire, 52 ... Bonding pad, 53 ... External wiring electrode, 60 ... Power supply, 61-63 ... Voltmeter, 70 ... Pedestal, 80 ...
… Weight, 101 …… Silicon substrate, 102 …… Silicon oxide layer, 103 …… Opening, 104 …… P-type diffusion region, 105 …… Silicon oxide layer, 106 …… Silicon nitride layer, 107 …… Aluminum Wiring layer.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】XYZ三次元座標系におけるX軸方向および
Y軸方向に作用する加速度を検出する加速度検出装置で
あって、 半導体単結晶基板と、この基板を収容するケースと、こ
のケース内において前記基板を支持固定する台座と、前
記基板の一部に固着された重錘体と、前記基板上に形成
された8本の抵抗素子と、この8本の抵抗素子に接続さ
れた検出回路と、を備え、 前記基板の中心部および周辺部のうちのいずれか一方を
作用部、他方を固定部と定義するとともに、前記作用部
と前記固定部との間の領域に可撓部を定義したときに、
前記可撓部は、前記作用部および前記固定部の厚みに比
べて薄くすることにより可撓性をもつ構造とし、 前記台座は、前記固定部と前記ケースとを接続すること
により、前記基板を支持する機能を有し、 前記重錘体は、前記作用部に固着され、 前記8本の抵抗素子は、前記可撓部に配置され、前記可
撓部の機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵
抗効果を示す素子であり、 前記基板の中心位置に原点Oをとり、XY平面が、前記基
板の主面に平行になるように、XYZ三次元座標系を定義
したときに、X軸上に4本の抵抗素子Rx1,Rx2,Rx3,Rx4
がこの順に配列され、Y軸上に4本の抵抗素子Ry1,Ry2,
Ry3,Ry4がこの順に配列されており、かつ、各座標軸上
に配列されている4本の抵抗素子のうち、2本は各座標
軸の正の領域に、他の2本は各座標軸の負の領域に、そ
れぞれ配置されており、 前記検出回路は、抵抗素子Rx1,Rx3を第1の対辺、抵抗
素子Rx2,Rx4を第2の対辺、とするブリッジ回路の平衡
状態によりX軸方向に作用した加速度を検出する機能
と、抵抗素子Ry1,Ry3を第1の対辺、抵抗素子Ry2,Ry4を
第2の対辺、とするブリッジ回路の平衡状態によりY軸
方向に作用した加速度を検出する機能と、を有すること
を特徴とする加速度検出装置。
1. An acceleration detecting device for detecting an acceleration acting in the X-axis direction and the Y-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system, comprising a semiconductor single crystal substrate, a case accommodating the substrate, and a case in the case. A pedestal for supporting and fixing the substrate, a weight body fixed to a part of the substrate, eight resistance elements formed on the substrate, and a detection circuit connected to the eight resistance elements. , And one of the central portion and the peripheral portion of the substrate is defined as a working portion, the other is defined as a fixed portion, and a flexible portion is defined in a region between the working portion and the fixed portion. sometimes,
The flexible portion has a structure having flexibility by making it thinner than the thickness of the acting portion and the fixing portion, and the pedestal connects the fixing portion and the case to each other to support the substrate. It has a function of supporting, the weight body is fixed to the acting portion, the eight resistance elements are arranged in the flexible portion, and the electric resistance is changed by mechanical deformation of the flexible portion. An element showing a piezoresistive effect, which has an origin O at the center position of the substrate, and has an XYZ three-dimensional coordinate system defined so that the XY plane is parallel to the main surface of the substrate. 4 resistance elements Rx1, Rx2, Rx3, Rx4
Are arranged in this order, and four resistance elements Ry1, Ry2, and
Ry3 and Ry4 are arranged in this order, and of the four resistance elements arranged on each coordinate axis, two are in the positive region of each coordinate axis, and the other two are the negative elements of each coordinate axis. The detection circuits are arranged in the respective regions, and the detection circuit acts in the X-axis direction by the equilibrium state of the bridge circuit in which the resistance elements Rx1 and Rx3 are the first opposite sides and the resistance elements Rx2 and Rx4 are the second opposite sides. A function of detecting acceleration, and a function of detecting acceleration acting in the Y-axis direction by the equilibrium state of a bridge circuit in which the resistance elements Ry1 and Ry3 are the first opposite sides and the resistance elements Ry2 and Ry4 are the second opposite sides, An acceleration detecting device comprising:
【請求項2】XYZ三次元座標系におけるX軸方向および
Z軸方向に作用する加速度を検出する加速度検出装置で
あって、 半導体単結晶基板と、この基板を収容するケースと、こ
のケース内において前記基板を支持固定する台座と、前
記基板の一部に固着された重錘体と、前記基板上に形成
された8本の抵抗素子と、この8本の抵抗素子に接続さ
れた検出回路と、を備え、 前記基板の中心部および周辺部のうちのいずれか一方を
作用部、他方を固定部と定義するとともに、前記作用部
と前記固定部との間の領域に可撓部を定義したときに、
前記可撓部は、前記作用部および前記固定部の厚みに比
べて薄くすることにより可撓性をもつ構造とし、 前記台座は、前記固定部と前記ケースとを接続すること
により、前記基板を支持する機能を有し、 前記重錘体は、前記作用部に固着され、 前記8本の抵抗素子は、前記可撓部に配置され、前記可
撓部の機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵
抗効果を示す素子であり、 前記基板の中心位置に原点Oをとり、XY平面が、前記基
板の主面に平行になるように、XYZ三次元座標系を定義
したときに、X軸上に4本の抵抗素子Rx1,Rx2,Rx3,Rx4
がこの順に配列され、XY平面上の一座標軸上に4本の抵
抗素子Rz1,Rz2,Rz3,Rz4がこの順に配列されており、か
つ、各座標軸上に配列されている4本の抵抗素子のう
ち、2本は各座標軸の正の領域に、他の2本は各座標軸
の負の領域に、それぞれ配置されており、 前記検出回路は、抵抗素子Rx1,Rx3を第1の対辺、抵抗
素子Rx2,Rx4を第2の対辺、とするブリッジ回路の平衡
状態によりX軸方向に作用した加速度を検出する機能
と、抵抗素子Rz1,Rz4を第1の対辺、抵抗素子Rz2,Rz3を
第2の対辺、とするブリッジ回路の平衡状態によりZ軸
方向に作用した加速度を検出する機能と、を有すること
を特徴とする加速度検出装置。
2. An acceleration detecting device for detecting acceleration acting in the X-axis direction and the Z-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system, comprising a semiconductor single crystal substrate, a case accommodating the substrate, and a case in the case. A pedestal for supporting and fixing the substrate, a weight body fixed to a part of the substrate, eight resistance elements formed on the substrate, and a detection circuit connected to the eight resistance elements. , And one of the central portion and the peripheral portion of the substrate is defined as a working portion, the other is defined as a fixed portion, and a flexible portion is defined in a region between the working portion and the fixed portion. sometimes,
The flexible portion has a structure having flexibility by making it thinner than the thickness of the acting portion and the fixing portion, and the pedestal connects the fixing portion and the case to each other to support the substrate. It has a function of supporting, the weight body is fixed to the acting portion, the eight resistance elements are arranged in the flexible portion, and the electric resistance is changed by mechanical deformation of the flexible portion. An element showing a piezoresistive effect, which has an origin O at the center position of the substrate, and has an XYZ three-dimensional coordinate system defined so that the XY plane is parallel to the main surface of the substrate. 4 resistance elements Rx1, Rx2, Rx3, Rx4
Are arranged in this order, and four resistance elements Rz1, Rz2, Rz3, Rz4 are arranged in this order on one coordinate axis on the XY plane, and four resistance elements arranged on each coordinate axis are arranged. Of these, two are arranged in the positive area of each coordinate axis and the other two are arranged in the negative area of each coordinate axis. The detection circuit includes the resistance elements Rx1 and Rx3 as the first opposite side and the resistance element. Rx2, Rx4 is the second opposite side, the function to detect the acceleration acting in the X-axis direction by the equilibrium state of the bridge circuit, the resistance elements Rz1, Rz4 are the first opposite side, and the resistance elements Rz2, Rz3 are the second side. An acceleration detecting device having a function of detecting acceleration acting in the Z-axis direction depending on the equilibrium state of a bridge circuit on the opposite side.
【請求項3】XYZ三次元座標系におけるX軸方向、Y軸
方向およびZ軸方向に作用する加速度を検出する加速度
検出装置であって、 半導体単結晶基板と、この基板を収容するケースと、こ
のケース内において前記基板を支持固定する台座と、前
記基板の一部に固着された重錘体と、前記基板上に形成
された12本の抵抗素子と、この12本の抵抗素子に接続さ
れた検出回路と、を備え、 前記基板の中心部および周辺部のうちのいずれか一方を
作用部、他方を固定部と定義するとともに、前記作用部
と前記固定部との間の領域に可撓部を定義したときに、
前記可撓部は、前記作用部および前記固定部の厚みに比
べて薄くすることにより可撓性をもつ構造とし、 前記台座は、前記固定部と前記ケースとを接続すること
により、前記基板を支持する機能を有し、 前記重錘体は、前記作用部に固着され、 前記12本の抵抗素子は、前記可撓部に配置され、前記可
撓部の機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵
抗効果を示す素子であり、 前記基板の中心位置に原点Oをとり、XY平面が、前記基
板の主面に平行になるように、XYZ三次元座標系を定義
したときに、X軸上に4本の抵抗素子Rx1,Rx2,Rx3,Rx4
がこの順に配列され、Y軸上に4本の抵抗素子Ry1,Ry2,
Ry3,Ry4がこの順に配列され、XY平面上の一座標軸上に
4本の抵抗素子Rz1,Rz2,Rz3,Rz4がこの順に配列されて
おり、かつ、各座標軸上に配列されている4本の抵抗素
子のうち、2本は各座標軸の正の領域に、他の2本は各
座標軸の負の領域に、それぞれ配置されており、 前記検出回路は、抵抗素子Rx1,Rx3を第1の対辺、抵抗
素子Rx2,Rx4を第2の対辺、とするブリッジ回路の平衡
状態によりX軸方向に作用した加速度を検出する機能
と、抵抗素子Ry1,Ry3を第1の対辺、抵抗素子Ry2,Ry4を
第2の対辺、とするブリッジ回路の平衡状態によりY軸
方向に作用した加速度を検出する機能と、抵抗素子Rz1,
Rz4を第1の対辺、抵抗素子Rz2,Rz3を第2の対辺、とす
るブリッジ回路の平衡状態によりZ軸方向に作用した加
速度を検出する機能と、を有することを特徴とする加速
度検出装置。
3. An acceleration detecting device for detecting acceleration acting in X-axis direction, Y-axis direction and Z-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system, comprising a semiconductor single crystal substrate and a case for accommodating the substrate. A pedestal for supporting and fixing the substrate in this case, a weight body fixed to a part of the substrate, 12 resistance elements formed on the substrate, and connected to the 12 resistance elements. And a detection circuit, wherein one of the central portion and the peripheral portion of the substrate is defined as an acting portion and the other is defined as a fixed portion, and the flexible portion is provided in a region between the acting portion and the fixed portion. When you define the division,
The flexible portion has a structure having flexibility by making it thinner than the thickness of the acting portion and the fixing portion, and the pedestal connects the fixing portion and the case to each other to support the substrate. It has a function of supporting, the weight body is fixed to the acting portion, the 12 resistance elements are arranged in the flexible portion, and the electrical resistance is changed by mechanical deformation of the flexible portion. An element showing a piezoresistive effect, which has an origin O at the center position of the substrate, and has an XYZ three-dimensional coordinate system defined so that the XY plane is parallel to the main surface of the substrate. 4 resistance elements Rx1, Rx2, Rx3, Rx4
Are arranged in this order, and four resistance elements Ry1, Ry2, and
Ry3, Ry4 are arranged in this order, and four resistance elements Rz1, Rz2, Rz3, Rz4 are arranged in this order on one coordinate axis on the XY plane, and four resistance elements are arranged on each coordinate axis. Of the resistance elements, two are arranged in the positive area of each coordinate axis, and the other two are arranged in the negative area of each coordinate axis. In the detection circuit, the resistance elements Rx1 and Rx3 are arranged on the first opposite side. , The resistance element Rx2, Rx4 is the second opposite side, the function of detecting the acceleration acting in the X-axis direction by the equilibrium state of the bridge circuit, the resistance element Ry1, Ry3 is the first opposite side, the resistance element Ry2, Ry4 is The second opposite side, the function of detecting the acceleration acting in the Y-axis direction depending on the equilibrium state of the bridge circuit, and the resistance element Rz1,
An acceleration detecting device having a function of detecting acceleration acting in the Z-axis direction according to a balanced state of a bridge circuit having Rz4 as a first opposite side and resistance elements Rz2 and Rz3 as a second opposite side.
【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の検出装置
において、 基板の固定部下面に台座を接続し、基板の作用部下面に
重錘体を接続し、基板の上面には、前記作用部のZ軸方
向への変位を所定範囲内に制限する蓋部材を接続したこ
とを特徴とする加速度検出装置。
4. The detection device according to claim 1, wherein a pedestal is connected to the lower surface of the fixed portion of the substrate, a weight body is connected to the lower surface of the operating portion of the substrate, and an upper surface of the substrate is An acceleration detecting device, comprising a lid member connected to limit the displacement of the acting portion in the Z-axis direction within a predetermined range.
【請求項5】請求項1〜3のいずれかに記載の検出装置
において、 基板の中心部を作用部、周辺部を固定部とし、固定部下
面に台座を接続するとともに、作用部下面に重錘体を接
続し、台座が重錘体の周囲を取り囲む構造とし、加速度
が作用していない状態において、重錘体の外面と台座の
内面とが所定距離を維持するようにし、台座が、重錘体
のX軸方向もしくはY軸方向への変位を所定範囲内に制
限する部材として機能するようにしたことを特徴とする
加速度検出装置。
5. The detection device according to claim 1, wherein the central portion of the substrate serves as a working portion and the peripheral portion serves as a fixed portion, a pedestal is connected to the lower surface of the fixed portion, and the lower surface of the working portion is overlapped. The weight is connected so that the pedestal surrounds the circumference of the weight body, and the outer surface of the weight body and the inner surface of the pedestal maintain a predetermined distance when acceleration is not applied. An acceleration detecting device characterized in that it functions as a member for limiting the displacement of the weight body in the X-axis direction or the Y-axis direction within a predetermined range.
【請求項6】請求項5に記載の検出装置において、 加速度が作用していない状態において、重錘体の下面と
ケースの対向面とが所定距離を維持するようにし、ケー
スが、重錘体のZ軸方向への変位を所定範囲内に制限す
る部材として機能するようにしたことを特徴とする加速
度検出装置。
6. The detection device according to claim 5, wherein a lower surface of the weight body and a facing surface of the case maintain a predetermined distance in a state where no acceleration is applied, and the case is the weight body. An acceleration detecting device characterized in that the acceleration detecting device functions as a member for limiting the displacement of the z in the Z-axis direction within a predetermined range.
【請求項7】請求項1〜3のいずれかに記載の検出装置
において、 基板の中心部を固定部、周辺部を作用部とし、固定部下
面に台座を接続するとともに、作用部下面に重錘体を接
続し、重錘体が台座の周囲を取り囲む構造としたことを
特徴とする加速度検出装置。
7. The detection device according to claim 1, wherein a central portion of the substrate serves as a fixed portion and a peripheral portion serves as a working portion, a pedestal is connected to a lower surface of the fixed portion, and a lower surface of the working portion is overlapped. An acceleration detecting device having a structure in which a weight is connected and the weight surrounds the periphery of the pedestal.
【請求項8】請求項1〜7のいずれかに記載の検出装置
において、 基板としてシリコンの単結晶基板を用い、重錘体をガラ
スによって構成したことを特徴とする加速度検出装置。
8. The acceleration detecting device according to claim 1, wherein a silicon single crystal substrate is used as the substrate, and the weight body is made of glass.
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