JPH0875775A - 半導体型加速度センサ - Google Patents
半導体型加速度センサInfo
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- JPH0875775A JPH0875775A JP21484794A JP21484794A JPH0875775A JP H0875775 A JPH0875775 A JP H0875775A JP 21484794 A JP21484794 A JP 21484794A JP 21484794 A JP21484794 A JP 21484794A JP H0875775 A JPH0875775 A JP H0875775A
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- Japan
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- acceleration
- acceleration sensor
- cmos
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 指向性が高く、かつ感度の高い優れた半導体
型加速度センサを提供する。 【構成】 シリコン基板１６中央に形成されたダイアフ
ラム１８の面内においてその中心点Ｏを通り互いに直交
するＸ軸およびＹ軸を想定したときに、２組のＣＭＯＳ
インバータ２１ａ、２１ｂがそれらＸ軸、Ｙ軸の双方に
対して線対称となる位置に形成され、２組のＣＭＯＳイ
ンバータ２１ａ、２１ｂの論理しきい値電圧の和に基づ
いて加速度の大きさを検出するように構成されている。
型加速度センサを提供する。 【構成】 シリコン基板１６中央に形成されたダイアフ
ラム１８の面内においてその中心点Ｏを通り互いに直交
するＸ軸およびＹ軸を想定したときに、２組のＣＭＯＳ
インバータ２１ａ、２１ｂがそれらＸ軸、Ｙ軸の双方に
対して線対称となる位置に形成され、２組のＣＭＯＳイ
ンバータ２１ａ、２１ｂの論理しきい値電圧の和に基づ
いて加速度の大きさを検出するように構成されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車等の輸送
機体に設置され、その姿勢制御、衝突時の衝撃検知等の
目的で、または振動をパラメータとした各種の制御を行
なう目的で加速度をモニターする際に用いられる半導体
型加速度センサに関するものである。
機体に設置され、その姿勢制御、衝突時の衝撃検知等の
目的で、または振動をパラメータとした各種の制御を行
なう目的で加速度をモニターする際に用いられる半導体
型加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体型の加速度センサは、加速
度検知にピエゾ抵抗効果を利用するものが多く、この技
術は半導体型の圧力センサ等にも用いられている。ピエ
ゾ抵抗効果は、シリコン基板上に設けた拡散抵抗が、付
加される応力によって変化する効果である。加速度セン
サの場合、シリコン基板上に片持ち梁、両持ち梁、また
はダイアフラムなど可撓部を形成し、片持ち梁の場合は
その片端に、両持ち梁またはダイアフラムの場合はその
中央部に荷重体を設け、加速度によって梁またはダイア
フラムが撓むようにデバイスを構成する。そして、撓み
によって高い応力を生じる場所にピエゾ抵抗を形成す
る。そこで、ピエゾ抵抗効果を利用するデバイスの場
合、一般にはピエゾ抵抗素子を４個形成しホイートスト
ンブリッジを組むようにすれば、加速度が付加されたと
きのブリッジバランスの変化により、電流あるいは電位
を測定することで加速度を検知することができる。
度検知にピエゾ抵抗効果を利用するものが多く、この技
術は半導体型の圧力センサ等にも用いられている。ピエ
ゾ抵抗効果は、シリコン基板上に設けた拡散抵抗が、付
加される応力によって変化する効果である。加速度セン
サの場合、シリコン基板上に片持ち梁、両持ち梁、また
はダイアフラムなど可撓部を形成し、片持ち梁の場合は
その片端に、両持ち梁またはダイアフラムの場合はその
中央部に荷重体を設け、加速度によって梁またはダイア
フラムが撓むようにデバイスを構成する。そして、撓み
によって高い応力を生じる場所にピエゾ抵抗を形成す
る。そこで、ピエゾ抵抗効果を利用するデバイスの場
合、一般にはピエゾ抵抗素子を４個形成しホイートスト
ンブリッジを組むようにすれば、加速度が付加されたと
きのブリッジバランスの変化により、電流あるいは電位
を測定することで加速度を検知することができる。
【０００３】ＣＭＯＳインバータを能動素子とする場合
も前者と同様、ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳのピエゾ抵抗効果を
利用する。そして、ＣＭＯＳインバータの場合は、ピエ
ゾ抵抗効果によるインバータ全体のしきい値電圧、いわ
ゆる論理しきい値電圧の変化から加速度を検知すること
ができる。デバイスの構造は、通常ピエゾ抵抗型と同様
で、加速度を検知するＣＭＯＳインバータは高い応力を
生じる場所の１箇所に形成される。ＣＭＯＳインバータ
を使用した場合の特長としては、デジタル回路との相性
が比較的良く、Ａ／Ｄ変換も比較的容易に行なうことが
できるという点があげられる。また、同じシリコン基板
上でのセンサ信号の直接デジタル化はセンサシステムそ
のものの小型化を図ることができ、その意味で将来的に
も有望な技術である。
も前者と同様、ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳのピエゾ抵抗効果を
利用する。そして、ＣＭＯＳインバータの場合は、ピエ
ゾ抵抗効果によるインバータ全体のしきい値電圧、いわ
ゆる論理しきい値電圧の変化から加速度を検知すること
ができる。デバイスの構造は、通常ピエゾ抵抗型と同様
で、加速度を検知するＣＭＯＳインバータは高い応力を
生じる場所の１箇所に形成される。ＣＭＯＳインバータ
を使用した場合の特長としては、デジタル回路との相性
が比較的良く、Ａ／Ｄ変換も比較的容易に行なうことが
できるという点があげられる。また、同じシリコン基板
上でのセンサ信号の直接デジタル化はセンサシステムそ
のものの小型化を図ることができ、その意味で将来的に
も有望な技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般のＣＭＯＳインバ
ータは、図８に示すように、一対のＰＭＯＳ１とＮＭＯ
Ｓ２を直線状に配置したものである。加速度センサで能
動素子として使用する場合も同様で、ＰＭＯＳとＮＭＯ
Ｓを直線状に隣接して配置するか、あるいはＰＭＯＳ、
ＮＭＯＳどちらかの素子を応力が生じる場所に、他の素
子を応力を受けない場所に配置している。ただし、通常
はＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ両素子のピエゾ抵抗効果を利用し
たほうが感度が高くなるので、前者の方を利用すること
が多い。
ータは、図８に示すように、一対のＰＭＯＳ１とＮＭＯ
Ｓ２を直線状に配置したものである。加速度センサで能
動素子として使用する場合も同様で、ＰＭＯＳとＮＭＯ
Ｓを直線状に隣接して配置するか、あるいはＰＭＯＳ、
ＮＭＯＳどちらかの素子を応力が生じる場所に、他の素
子を応力を受けない場所に配置している。ただし、通常
はＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ両素子のピエゾ抵抗効果を利用し
たほうが感度が高くなるので、前者の方を利用すること
が多い。
【０００５】ところで、加速度は、大きさと方向をもっ
たベクトルで表される。したがって、通常の加速度セン
サはある決まった軸方向の加速度に対してだけ感応する
ように設計され、多軸タイプの加速度センサの場合は、
各軸方向それぞれに対応した検出機構が設けられるのが
普通である。
たベクトルで表される。したがって、通常の加速度セン
サはある決まった軸方向の加速度に対してだけ感応する
ように設計され、多軸タイプの加速度センサの場合は、
各軸方向それぞれに対応した検出機構が設けられるのが
普通である。
【０００６】そこで、従来のＣＭＯＳ型の加速度センサ
では、１組のＣＭＯＳインバータを上述したようにデバ
イス上に直線状に配置している。そして、加速度が付加
されたときに、デバイスの梁またはダイアフラムは加速
度の方向に応じて変形するわけであるが、上述したよう
なＣＭＯＳインバータの配置ではどの方向からの加速度
に対しても感応してしまい、いわゆる指向性がなく、加
速度の印加されている方向がわからないという問題があ
った。また、同じ大きさの加速度でも方向によって感度
が異なるという問題があった。
では、１組のＣＭＯＳインバータを上述したようにデバ
イス上に直線状に配置している。そして、加速度が付加
されたときに、デバイスの梁またはダイアフラムは加速
度の方向に応じて変形するわけであるが、上述したよう
なＣＭＯＳインバータの配置ではどの方向からの加速度
に対しても感応してしまい、いわゆる指向性がなく、加
速度の印加されている方向がわからないという問題があ
った。また、同じ大きさの加速度でも方向によって感度
が異なるという問題があった。
【０００７】本発明は、前記の課題を解決するためにな
されたものであって、指向性が高く、かつ感度の高い優
れた半導体型加速度センサを提供することを目的とす
る。
されたものであって、指向性が高く、かつ感度の高い優
れた半導体型加速度センサを提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の半導体型加速度センサは、シリコ
ン基板の中央部に形成され、その中央に荷重体部が設け
られた梁またはダイアフラムからなる可撓部と、該可撓
部上に形成されたＰＭＯＳ、ＮＭＯＳから構成されて能
動素子として用いられるＣＭＯＳインバータとを有し、
該ＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の変化に基づ
いて加速度を検出するように構成された加速度センサに
おいて、前記ＣＭＯＳインバータが２組用いられ、前記
可撓部の上面の中心点を通り該面に対して垂直な感度
軸、前記面内において前記中心点を通り互いに直交する
第１の軸および第２の軸を想定したときに、前記２組の
ＣＭＯＳインバータがそれら第１の軸、第２の軸の双方
に対して線対称となる位置に形成され、前記２組のＣＭ
ＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて加速
度を検出するように構成されていることを特徴とするも
のである。
めに、請求項１記載の半導体型加速度センサは、シリコ
ン基板の中央部に形成され、その中央に荷重体部が設け
られた梁またはダイアフラムからなる可撓部と、該可撓
部上に形成されたＰＭＯＳ、ＮＭＯＳから構成されて能
動素子として用いられるＣＭＯＳインバータとを有し、
該ＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の変化に基づ
いて加速度を検出するように構成された加速度センサに
おいて、前記ＣＭＯＳインバータが２組用いられ、前記
可撓部の上面の中心点を通り該面に対して垂直な感度
軸、前記面内において前記中心点を通り互いに直交する
第１の軸および第２の軸を想定したときに、前記２組の
ＣＭＯＳインバータがそれら第１の軸、第２の軸の双方
に対して線対称となる位置に形成され、前記２組のＣＭ
ＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて加速
度を検出するように構成されていることを特徴とするも
のである。
【０００９】また、請求項２記載の半導体型加速度セン
サは、前記ＣＭＯＳインバータが２組用いられ、前記可
撓部の上面の面内においてその中心点を通る感度軸を想
定したときに、一方のＣＭＯＳインバータが前記荷重体
部を取り囲む可撓部の内周部に、他方のＣＭＯＳインバ
ータが前記可撓部の外周部に、かつ、双方とも前記感度
軸に対して線対称となる位置に形成され、前記２組のＣ
ＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて加
速度を検出するように構成されていることを特徴とする
ものである。
サは、前記ＣＭＯＳインバータが２組用いられ、前記可
撓部の上面の面内においてその中心点を通る感度軸を想
定したときに、一方のＣＭＯＳインバータが前記荷重体
部を取り囲む可撓部の内周部に、他方のＣＭＯＳインバ
ータが前記可撓部の外周部に、かつ、双方とも前記感度
軸に対して線対称となる位置に形成され、前記２組のＣ
ＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて加
速度を検出するように構成されていることを特徴とする
ものである。
【００１０】
【作用】請求項１記載の半導体型加速度センサにおいて
は、図４（ａ）に示すように、可撓部の上面３の中心点
Ｏを通り該面に対して垂直な感度軸、前記面３内におい
て前記中心点Ｏを通り互いに直交する第１の軸および第
２の軸を想定し、これら第１の軸、第２の軸、感度軸を
それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とするとともに、２組のＣＭ
ＯＳインバータ４ａ、４ｂをＸ軸およびＹ軸の双方に対
して線対称となる位置に形成した状態で、それぞれの軸
方向に加速度が付加された場合、可撓部の任意の点に生
じる応力の関係は次のようになる。 （１）Ｘ軸方向に加速度が付加された場合 図４（ｂ）に示すように、可撓部のＹ軸に関して対称な
点に発生する応力は、符号が正負逆転し、絶対値が等し
い状態となる。したがって、図中左側のＣＭＯＳインバ
ータ４ａと右側のＣＭＯＳインバータ４ｂにおいては、
抵抗値のシフトが符号が正負逆転し絶対値が等しくなる
ことに伴って、論理しきい値電圧のシフトも符号が正負
逆転し絶対値が等しくなる。そこで、２組のＣＭＯＳイ
ンバータ４ａ、４ｂの論理しきい値電圧の和をとったと
きに、各組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の
シフトが相殺されるため、加速度付加前後における２組
のＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂの論理しきい値電圧の
和のシフトはゼロとなる。 （２）Ｙ軸方向に加速度が付加された場合 図４（ｃ）に示すように、可撓部のＸ軸に関して対称な
点に発生する応力は、符号が正負逆転し、絶対値が等し
い状態となる。したがって、１組のＣＭＯＳインバータ
４ｂ内で、ＰＭＯＳ５ｂにおける抵抗値のシフトとＮＭ
ＯＳ６ｂにおける抵抗値のシフトが符号が正負逆転し絶
対値が等しいということになるが、ＰＭＯＳとＮＭＯＳ
とでは元来、同一極性の応力を受けたときのチャネルコ
ンダクタンスの増減方向が互いに逆方向になるという関
係にあるため、この場合ではチャネルコンダクタンスの
増減方向が同一方向となり、ＰＭＯＳ５ｂ、ＮＭＯＳ６
ｂそれぞれのしきい値電圧のシフトは符号が同一で絶対
値が等しいことになる。すなわち、ＰＭＯＳ５ｂ、ＮＭ
ＯＳ６ｂそれぞれのしきい値電圧のシフトが互いに相殺
されるため、ＣＭＯＳインバータ４ｂ全体としては論理
しきい値電圧のシフトはゼロとなる。この関係は双方の
ＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂとも同じである。そこ
で、２組のＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂの論理しきい
値電圧の和をとったとしても、各ＣＭＯＳインバータの
論理しきい値電圧のシフトはゼロのため、加速度付加前
後における２組のＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂの論理
しきい値電圧の和のシフトもゼロとなる。 （３）Ｚ軸方向に加速度が付加された場合 この場合には、上記Ｘ軸、Ｙ軸方向に加速度が付加され
た場合と異なり、可撓部のＸ軸に関して対称な点、また
はＹ軸に関して対称な点に発生する応力は、いずれも符
号が同一で、絶対値が等しい状態となる。したがって、
各ＣＭＯＳインバータにおいては、抵抗値のシフトが符
号が同一で絶対値が等しくなることに伴って、論理しき
い値電圧のシフトも符号が同一で絶対値が等しくなる。
そこで、２組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧
の和をとったときに、その和は各ＣＭＯＳインバータの
論理しきい値電圧のシフト量の２倍となる。
は、図４（ａ）に示すように、可撓部の上面３の中心点
Ｏを通り該面に対して垂直な感度軸、前記面３内におい
て前記中心点Ｏを通り互いに直交する第１の軸および第
２の軸を想定し、これら第１の軸、第２の軸、感度軸を
それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とするとともに、２組のＣＭ
ＯＳインバータ４ａ、４ｂをＸ軸およびＹ軸の双方に対
して線対称となる位置に形成した状態で、それぞれの軸
方向に加速度が付加された場合、可撓部の任意の点に生
じる応力の関係は次のようになる。 （１）Ｘ軸方向に加速度が付加された場合 図４（ｂ）に示すように、可撓部のＹ軸に関して対称な
点に発生する応力は、符号が正負逆転し、絶対値が等し
い状態となる。したがって、図中左側のＣＭＯＳインバ
ータ４ａと右側のＣＭＯＳインバータ４ｂにおいては、
抵抗値のシフトが符号が正負逆転し絶対値が等しくなる
ことに伴って、論理しきい値電圧のシフトも符号が正負
逆転し絶対値が等しくなる。そこで、２組のＣＭＯＳイ
ンバータ４ａ、４ｂの論理しきい値電圧の和をとったと
きに、各組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の
シフトが相殺されるため、加速度付加前後における２組
のＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂの論理しきい値電圧の
和のシフトはゼロとなる。 （２）Ｙ軸方向に加速度が付加された場合 図４（ｃ）に示すように、可撓部のＸ軸に関して対称な
点に発生する応力は、符号が正負逆転し、絶対値が等し
い状態となる。したがって、１組のＣＭＯＳインバータ
４ｂ内で、ＰＭＯＳ５ｂにおける抵抗値のシフトとＮＭ
ＯＳ６ｂにおける抵抗値のシフトが符号が正負逆転し絶
対値が等しいということになるが、ＰＭＯＳとＮＭＯＳ
とでは元来、同一極性の応力を受けたときのチャネルコ
ンダクタンスの増減方向が互いに逆方向になるという関
係にあるため、この場合ではチャネルコンダクタンスの
増減方向が同一方向となり、ＰＭＯＳ５ｂ、ＮＭＯＳ６
ｂそれぞれのしきい値電圧のシフトは符号が同一で絶対
値が等しいことになる。すなわち、ＰＭＯＳ５ｂ、ＮＭ
ＯＳ６ｂそれぞれのしきい値電圧のシフトが互いに相殺
されるため、ＣＭＯＳインバータ４ｂ全体としては論理
しきい値電圧のシフトはゼロとなる。この関係は双方の
ＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂとも同じである。そこ
で、２組のＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂの論理しきい
値電圧の和をとったとしても、各ＣＭＯＳインバータの
論理しきい値電圧のシフトはゼロのため、加速度付加前
後における２組のＣＭＯＳインバータ４ａ、４ｂの論理
しきい値電圧の和のシフトもゼロとなる。 （３）Ｚ軸方向に加速度が付加された場合 この場合には、上記Ｘ軸、Ｙ軸方向に加速度が付加され
た場合と異なり、可撓部のＸ軸に関して対称な点、また
はＹ軸に関して対称な点に発生する応力は、いずれも符
号が同一で、絶対値が等しい状態となる。したがって、
各ＣＭＯＳインバータにおいては、抵抗値のシフトが符
号が同一で絶対値が等しくなることに伴って、論理しき
い値電圧のシフトも符号が同一で絶対値が等しくなる。
そこで、２組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧
の和をとったときに、その和は各ＣＭＯＳインバータの
論理しきい値電圧のシフト量の２倍となる。
【００１１】したがって、請求項１記載の半導体型加速
度センサにおいては、Ｘ軸またはＹ軸方向に加速度が付
加されたとしても２組のＣＭＯＳインバータの論理しき
い値電圧の和が変化しないことからその加速度を検出す
ることがなく、Ｚ軸方向に加速度が付加されたときのみ
その加速度を検出することができる。それに加えて、Ｚ
軸方向に加速度が付加された場合、１組のＣＭＯＳイン
バータのみが用いられた従来の加速度センサに比べて感
度が２倍となる。
度センサにおいては、Ｘ軸またはＹ軸方向に加速度が付
加されたとしても２組のＣＭＯＳインバータの論理しき
い値電圧の和が変化しないことからその加速度を検出す
ることがなく、Ｚ軸方向に加速度が付加されたときのみ
その加速度を検出することができる。それに加えて、Ｚ
軸方向に加速度が付加された場合、１組のＣＭＯＳイン
バータのみが用いられた従来の加速度センサに比べて感
度が２倍となる。
【００１２】また、請求項２記載の半導体型加速度セン
サにおいては、図５に示すように、可撓部の上面７内に
おいて中心点Ｏを通る感度軸、前記面７内において感度
軸と直交する第１の軸、前記中心点Ｏを通り面７に垂直
な第２の軸を想定し、これら感度軸、第１の軸、第２の
軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とするとともに、２組の
ＣＭＯＳインバータのうち一方８ａを荷重体部を取り囲
む可撓部の内周部に、他方８ｂを外周部にそれぞれＸ軸
に対して線対称となる位置に形成した状態では、各方向
に加速度が付加された場合、可撓部の任意の点に生じる
応力の関係は次のようになる。 （１）Ｚ軸方向に加速度が付加された場合 内周部のＣＭＯＳインバータ８ａと外周部のＣＭＯＳイ
ンバータ８ｂにおいて、それぞれにおける応力の符号が
正負逆転することにより抵抗値のシフトが符号が正負逆
転し、それに伴って、しきい値電圧のシフトも符号が正
負逆転する。また、各ＣＭＯＳインバータをＸ軸上にお
いて適切な位置関係に配置することにより絶対値が等し
くなる。そこで、２組のＣＭＯＳインバータ８ａ、８ｂ
の論理しきい値電圧の和をとったときに、各ＣＭＯＳイ
ンバータの論理しきい値電圧のシフトは相殺されるた
め、加速度付加前後における２組のＣＭＯＳインバータ
８ａ、８ｂの論理しきい値電圧の和のシフトはゼロとな
る。 （２）Ｙ軸方向に加速度が付加された場合 この場合については、上述した請求項１記載の半導体型
加速度センサにおいてＹ軸方向に加速度が付加された場
合の作用と同様である。すなわち、可撓部のＸ軸に関し
て対称な点に発生する応力は、符号が正負逆転し、絶対
値が等しい状態となる。したがって、１組のＣＭＯＳイ
ンバータ８ａ（８ｂ）内で、ＰＭＯＳにおける抵抗値の
シフトとＮＭＯＳにおける抵抗値のシフトが符号が正負
逆転し絶対値が等しくなることで、ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ
それぞれのしきい値電圧のシフトは符号が同一で絶対値
が等しいことになる。これにより、ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ
それぞれのしきい値電圧のシフトが互いに相殺されるた
め、ＣＭＯＳインバータ８ａ（８ｂ）全体としては論理
しきい値電圧のシフトは双方のＣＭＯＳインバータ８
ａ、８ｂともにゼロとなる。そこで、２組のＣＭＯＳイ
ンバータ８ａ、８ｂの論理しきい値電圧の和をとったと
きに、その和のシフトはゼロとなる。 （３）Ｘ軸方向に加速度が付加された場合 内周部のＣＭＯＳインバータ８ａと外周部のＣＭＯＳイ
ンバータ８ｂにおいて、それぞれにおける応力の符号が
同一となることにより抵抗値のシフトが符号が同一で絶
対値が等しくなり、それに伴って、しきい値電圧のシフ
トも符号が同一で絶対値が等しいことになる。そこで、
２組のＣＭＯＳインバータ８ａ、８ｂの論理しきい値電
圧の和をとったときに、その和は各ＣＭＯＳインバータ
８ａ、８ｂの論理しきい値電圧のシフト量の２倍とな
る。
サにおいては、図５に示すように、可撓部の上面７内に
おいて中心点Ｏを通る感度軸、前記面７内において感度
軸と直交する第１の軸、前記中心点Ｏを通り面７に垂直
な第２の軸を想定し、これら感度軸、第１の軸、第２の
軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とするとともに、２組の
ＣＭＯＳインバータのうち一方８ａを荷重体部を取り囲
む可撓部の内周部に、他方８ｂを外周部にそれぞれＸ軸
に対して線対称となる位置に形成した状態では、各方向
に加速度が付加された場合、可撓部の任意の点に生じる
応力の関係は次のようになる。 （１）Ｚ軸方向に加速度が付加された場合 内周部のＣＭＯＳインバータ８ａと外周部のＣＭＯＳイ
ンバータ８ｂにおいて、それぞれにおける応力の符号が
正負逆転することにより抵抗値のシフトが符号が正負逆
転し、それに伴って、しきい値電圧のシフトも符号が正
負逆転する。また、各ＣＭＯＳインバータをＸ軸上にお
いて適切な位置関係に配置することにより絶対値が等し
くなる。そこで、２組のＣＭＯＳインバータ８ａ、８ｂ
の論理しきい値電圧の和をとったときに、各ＣＭＯＳイ
ンバータの論理しきい値電圧のシフトは相殺されるた
め、加速度付加前後における２組のＣＭＯＳインバータ
８ａ、８ｂの論理しきい値電圧の和のシフトはゼロとな
る。 （２）Ｙ軸方向に加速度が付加された場合 この場合については、上述した請求項１記載の半導体型
加速度センサにおいてＹ軸方向に加速度が付加された場
合の作用と同様である。すなわち、可撓部のＸ軸に関し
て対称な点に発生する応力は、符号が正負逆転し、絶対
値が等しい状態となる。したがって、１組のＣＭＯＳイ
ンバータ８ａ（８ｂ）内で、ＰＭＯＳにおける抵抗値の
シフトとＮＭＯＳにおける抵抗値のシフトが符号が正負
逆転し絶対値が等しくなることで、ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ
それぞれのしきい値電圧のシフトは符号が同一で絶対値
が等しいことになる。これにより、ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ
それぞれのしきい値電圧のシフトが互いに相殺されるた
め、ＣＭＯＳインバータ８ａ（８ｂ）全体としては論理
しきい値電圧のシフトは双方のＣＭＯＳインバータ８
ａ、８ｂともにゼロとなる。そこで、２組のＣＭＯＳイ
ンバータ８ａ、８ｂの論理しきい値電圧の和をとったと
きに、その和のシフトはゼロとなる。 （３）Ｘ軸方向に加速度が付加された場合 内周部のＣＭＯＳインバータ８ａと外周部のＣＭＯＳイ
ンバータ８ｂにおいて、それぞれにおける応力の符号が
同一となることにより抵抗値のシフトが符号が同一で絶
対値が等しくなり、それに伴って、しきい値電圧のシフ
トも符号が同一で絶対値が等しいことになる。そこで、
２組のＣＭＯＳインバータ８ａ、８ｂの論理しきい値電
圧の和をとったときに、その和は各ＣＭＯＳインバータ
８ａ、８ｂの論理しきい値電圧のシフト量の２倍とな
る。
【００１３】したがって、請求項２記載の半導体型加速
度センサにおいては、Ｘ軸以外の方向に加速度が付加さ
れたとしても２組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値
電圧の和が変化しないことからその加速度を検出するこ
とがなく、Ｘ軸方向に加速度が付加されたときのみその
加速度を検知することができる。それに加えて、Ｘ軸方
向に加速度が付加された場合、１組のＣＭＯＳインバー
タのみが用いられた従来の加速度センサに比べて感度が
２倍となる。
度センサにおいては、Ｘ軸以外の方向に加速度が付加さ
れたとしても２組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値
電圧の和が変化しないことからその加速度を検出するこ
とがなく、Ｘ軸方向に加速度が付加されたときのみその
加速度を検知することができる。それに加えて、Ｘ軸方
向に加速度が付加された場合、１組のＣＭＯＳインバー
タのみが用いられた従来の加速度センサに比べて感度が
２倍となる。
【００１４】また、いずれの場合も、可撓部の外周縁あ
るいは内周縁に近いほど応力の絶対値は大きいので、よ
り外周部あるいはより内周部近傍に素子を配置すること
により、論理しきい値電圧のシフトすなわち感度を高く
することができる。
るいは内周縁に近いほど応力の絶対値は大きいので、よ
り外周部あるいはより内周部近傍に素子を配置すること
により、論理しきい値電圧のシフトすなわち感度を高く
することができる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図３を
参照して説明する。図１は本実施例の半導体型加速度セ
ンサ（以下、単に加速度センサと称する）を示す斜視
図、図２は同加速度センサの断面図、図３は比較例であ
る加速度センサを示す断面図である。なお、本実施例は
請求項１に記載の半導体型加速度センサの一例である。
参照して説明する。図１は本実施例の半導体型加速度セ
ンサ（以下、単に加速度センサと称する）を示す斜視
図、図２は同加速度センサの断面図、図３は比較例であ
る加速度センサを示す断面図である。なお、本実施例は
請求項１に記載の半導体型加速度センサの一例である。
【００１６】（実施例１）図１に示すように、台座１５
上にシリコン基板１６が取り付けられて加速度センサ１
７が作成されている。また、シリコン基板１６の中央に
薄膜のダイアフラム１８（可撓部）が形成されており、
図２に示すように、ダイアフラム１８中央に形成された
厚膜部１９（荷重体部）にはガラス荷重体２０が取り付
けられている。そして、ダイアフラム１８面の中心点Ｏ
を通りセンサの各辺に平行で、かつ互いに直交する２本
の軸をＸ軸（第１の軸）、Ｙ軸（第２の軸）、ダイアフ
ラム１８面に垂直な軸をＺ軸（感度軸）とすると、薄膜
のダイアフラム１８外周部のＸ軸、Ｙ軸の双方に対して
線対称となる位置に２組のＣＭＯＳインバータ２１ａ、
２１ｂを形成した。これを実施例１の加速度センサ１７
とした。
上にシリコン基板１６が取り付けられて加速度センサ１
７が作成されている。また、シリコン基板１６の中央に
薄膜のダイアフラム１８（可撓部）が形成されており、
図２に示すように、ダイアフラム１８中央に形成された
厚膜部１９（荷重体部）にはガラス荷重体２０が取り付
けられている。そして、ダイアフラム１８面の中心点Ｏ
を通りセンサの各辺に平行で、かつ互いに直交する２本
の軸をＸ軸（第１の軸）、Ｙ軸（第２の軸）、ダイアフ
ラム１８面に垂直な軸をＺ軸（感度軸）とすると、薄膜
のダイアフラム１８外周部のＸ軸、Ｙ軸の双方に対して
線対称となる位置に２組のＣＭＯＳインバータ２１ａ、
２１ｂを形成した。これを実施例１の加速度センサ１７
とした。
【００１７】（比較例１）上記に示す図１と同様の加速
度センサを作成するが、ダイアフラム外周部に２組のＣ
ＭＯＳインバータを形成することに代えて、図３に示す
ように、図１における一方のＣＭＯＳインバータに相当
する位置に１組のＣＭＯＳインバータ２２のみを形成し
た。これを比較例２の加速度センサ２３とした。
度センサを作成するが、ダイアフラム外周部に２組のＣ
ＭＯＳインバータを形成することに代えて、図３に示す
ように、図１における一方のＣＭＯＳインバータに相当
する位置に１組のＣＭＯＳインバータ２２のみを形成し
た。これを比較例２の加速度センサ２３とした。
【００１８】そこで、上記実施例１および比較例１の加
速度センサ１７、２３に対して、Ｚ軸（感度軸）方向、
およびＸ軸、Ｙ軸方向それぞれに１ｇの重力加速度を付
加した。そして、実施例１の加速度センサにおけるＺ軸
方向の感度を１としたときの各センサ、各方向における
感度を比較した。その評価結果を表１に示す。
速度センサ１７、２３に対して、Ｚ軸（感度軸）方向、
およびＸ軸、Ｙ軸方向それぞれに１ｇの重力加速度を付
加した。そして、実施例１の加速度センサにおけるＺ軸
方向の感度を１としたときの各センサ、各方向における
感度を比較した。その評価結果を表１に示す。
【表１】
【００１９】表１に示すように、比較例１の加速度セン
サ２３の場合、Ｚ軸方向が０．５、Ｘ軸方向が０．７、
Ｙ軸方向が０．０４というように感度の指向性がないこ
とに比べて、実施例１の加速度センサ１７の場合、Ｚ軸
方向が１、Ｘ軸方向が０．０６、Ｙ軸方向が０．０７で
あり、したがって、感度軸以外の方向の加速度はほとん
ど検出しないという結果となった。すなわち、実施例１
の加速度センサにおいては比較例１に比べて感度の指向
性を大幅に向上させることができた。また、Ｚ軸方向の
みで両方のセンサを比較してみると、実施例１の加速度
センサは比較例１の２倍の感度を得ることができた。
サ２３の場合、Ｚ軸方向が０．５、Ｘ軸方向が０．７、
Ｙ軸方向が０．０４というように感度の指向性がないこ
とに比べて、実施例１の加速度センサ１７の場合、Ｚ軸
方向が１、Ｘ軸方向が０．０６、Ｙ軸方向が０．０７で
あり、したがって、感度軸以外の方向の加速度はほとん
ど検出しないという結果となった。すなわち、実施例１
の加速度センサにおいては比較例１に比べて感度の指向
性を大幅に向上させることができた。また、Ｚ軸方向の
みで両方のセンサを比較してみると、実施例１の加速度
センサは比較例１の２倍の感度を得ることができた。
【００２０】なお、本実施例は、請求項１に記載の半導
体型加速度センサについて説明したものであるが、請求
項２に記載の半導体型加速度センサに相当する加速度セ
ンサであってもよい。すなわち、図６および図７に示す
ように、ダイアフラム面の中心点Ｏを通り、センサの１
辺に平行な軸をＸ軸（感度軸）とすると、厚膜部３１を
取り囲むダイアフラム３２の内周部と外周部にそれぞれ
Ｘ軸に対して線対称になるように２組のＣＭＯＳインバ
ータ３３ａ、３３ｂを配置すれば、Ｘ軸方向、すなわち
ダイアフラム面に平行な方向の加速度を検出し得る加速
度センサ３４を提供することができる。また、可撓部は
ダイアフラム１８に代えて両持ち梁の構造としてもよ
い。
体型加速度センサについて説明したものであるが、請求
項２に記載の半導体型加速度センサに相当する加速度セ
ンサであってもよい。すなわち、図６および図７に示す
ように、ダイアフラム面の中心点Ｏを通り、センサの１
辺に平行な軸をＸ軸（感度軸）とすると、厚膜部３１を
取り囲むダイアフラム３２の内周部と外周部にそれぞれ
Ｘ軸に対して線対称になるように２組のＣＭＯＳインバ
ータ３３ａ、３３ｂを配置すれば、Ｘ軸方向、すなわち
ダイアフラム面に平行な方向の加速度を検出し得る加速
度センサ３４を提供することができる。また、可撓部は
ダイアフラム１８に代えて両持ち梁の構造としてもよ
い。
【００２１】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、請求項１
記載の半導体型加速度センサは、可撓部の上面の中心点
を通り面に対して垂直な感度軸、面内において中心点を
通り互いに直交する第１の軸および第２の軸を想定した
ときに、２組のＣＭＯＳインバータが第１の軸、第２の
軸の双方に対して線対称となる位置に形成され、２組の
ＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて
加速度の大きさを検出するように構成されているため、
第１または第２の軸方向に加速度が付加された場合は各
組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧のシフトが
互いに相殺し合うか、もしくは１組のＣＭＯＳインバー
タ内のＰＭＯＳとＮＭＯＳとでしきい値電圧のシフトが
相殺し合うかのいずれかにより、２組のＣＭＯＳインバ
ータの論理しきい値電圧の和が変化しないことからその
加速度を検出することがなく、感度軸方向に加速度が付
加されたときのみその加速度を検出することができる。
したがって、１組のＣＭＯＳインバータのみが用いられ
た従来の加速度センサに比べて、指向性を大幅に向上さ
せることができるとともに、感度軸方向に加速度が付加
された場合にその感度を２倍とすることができる。
記載の半導体型加速度センサは、可撓部の上面の中心点
を通り面に対して垂直な感度軸、面内において中心点を
通り互いに直交する第１の軸および第２の軸を想定した
ときに、２組のＣＭＯＳインバータが第１の軸、第２の
軸の双方に対して線対称となる位置に形成され、２組の
ＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて
加速度の大きさを検出するように構成されているため、
第１または第２の軸方向に加速度が付加された場合は各
組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧のシフトが
互いに相殺し合うか、もしくは１組のＣＭＯＳインバー
タ内のＰＭＯＳとＮＭＯＳとでしきい値電圧のシフトが
相殺し合うかのいずれかにより、２組のＣＭＯＳインバ
ータの論理しきい値電圧の和が変化しないことからその
加速度を検出することがなく、感度軸方向に加速度が付
加されたときのみその加速度を検出することができる。
したがって、１組のＣＭＯＳインバータのみが用いられ
た従来の加速度センサに比べて、指向性を大幅に向上さ
せることができるとともに、感度軸方向に加速度が付加
された場合にその感度を２倍とすることができる。
【００２２】また、請求項２記載の半導体型加速度セン
サは、可撓部の上面の中心点を通る感度軸を想定したと
きに、一方のＣＭＯＳインバータが可撓部の内周部に、
他方のＣＭＯＳインバータが外周部に、かつ、双方とも
感度軸に対して線対称となる位置に形成され、２組のＣ
ＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて加
速度の大きさを検出するように構成されているため、感
度軸以外の方向に加速度が付加された場合は各組のＣＭ
ＯＳインバータの論理しきい値電圧のシフトが互いに相
殺し合うか、もしくは１組のＣＭＯＳインバータ内のＰ
ＭＯＳとＮＭＯＳとでしきい値電圧のシフトが相殺し合
うかのいずれかにより、２組のＣＭＯＳインバータの論
理しきい値電圧の和が変化しないことからその加速度を
検出することがなく、感度軸方向に加速度が付加された
ときのみその加速度を検出することができる。したがっ
て、１組のＣＭＯＳインバータのみが用いられた従来の
加速度センサに比べて、指向性を大幅に向上させること
ができるとともに、感度軸方向に加速度が付加された場
合、その感度を２倍とすることができる。
サは、可撓部の上面の中心点を通る感度軸を想定したと
きに、一方のＣＭＯＳインバータが可撓部の内周部に、
他方のＣＭＯＳインバータが外周部に、かつ、双方とも
感度軸に対して線対称となる位置に形成され、２組のＣ
ＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和に基づいて加
速度の大きさを検出するように構成されているため、感
度軸以外の方向に加速度が付加された場合は各組のＣＭ
ＯＳインバータの論理しきい値電圧のシフトが互いに相
殺し合うか、もしくは１組のＣＭＯＳインバータ内のＰ
ＭＯＳとＮＭＯＳとでしきい値電圧のシフトが相殺し合
うかのいずれかにより、２組のＣＭＯＳインバータの論
理しきい値電圧の和が変化しないことからその加速度を
検出することがなく、感度軸方向に加速度が付加された
ときのみその加速度を検出することができる。したがっ
て、１組のＣＭＯＳインバータのみが用いられた従来の
加速度センサに比べて、指向性を大幅に向上させること
ができるとともに、感度軸方向に加速度が付加された場
合、その感度を２倍とすることができる。
【図１】 本発明の一実施例である半導体型加速度セン
サを示す斜視図である。
サを示す斜視図である。
【図２】 図１のＣ―Ｃ線に沿う側断面図である。
【図３】 比較例の加速度センサを示す側断面図であ
る。
る。
【図４】 （ａ）請求項１記載の半導体型加速度センサ
の作用を説明するための図、（ｂ）（ａ）のＡ―Ａ線に
沿う側断面図、（ｃ）（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う側断面図
である。
の作用を説明するための図、（ｂ）（ａ）のＡ―Ａ線に
沿う側断面図、（ｃ）（ａ）のＢ―Ｂ線に沿う側断面図
である。
【図５】 請求項２記載の半導体型加速度センサの作用
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図６】 本発明の他の実施例である半導体型加速度セ
ンサを示す斜視図である。
ンサを示す斜視図である。
【図７】 図６のＤ―Ｄ線に沿う側断面図である。
【図８】 一般のＣＭＯＳインバータを示す図である。
１、５ａ、５ｂ…ＰＭＯＳ、２、６ａ、６ｂ…ＮＭＯ
Ｓ、４ａ、４ｂ、８ａ、８ｂ、２１ａ、２１ｂ、３３
ａ、３３ｂ…ＣＭＯＳインバータ、１６…シリコン基
板、１７、３４…半導体型加速度センサ、１８、３２…
ダイアフラム（可撓部）、１９、３１…厚膜部（荷重体
部）
Ｓ、４ａ、４ｂ、８ａ、８ｂ、２１ａ、２１ｂ、３３
ａ、３３ｂ…ＣＭＯＳインバータ、１６…シリコン基
板、１７、３４…半導体型加速度センサ、１８、３２…
ダイアフラム（可撓部）、１９、３１…厚膜部（荷重体
部）
フロントページの続き (72)発明者 西村 仁 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内
Claims (2)
- 【請求項１】 シリコン基板の中央部に形成され、その
中央に荷重体部が設けられた梁またはダイアフラムから
なる可撓部と、該可撓部上に形成されたＰＭＯＳ、ＮＭ
ＯＳから構成されて能動素子として用いられるＣＭＯＳ
インバータとを有し、該ＣＭＯＳインバータの論理しき
い値電圧の変化に基づいて加速度を検出するように構成
された半導体型加速度センサにおいて、 前記ＣＭＯＳインバータが２組用いられ、 前記可撓部の上面の中心点を通り該面に対して垂直な感
度軸、前記面内において前記中心点を通り互いに直交す
る第１の軸および第２の軸を想定したときに、前記２組
のＣＭＯＳインバータがそれら第１の軸、第２の軸の双
方に対して線対称となる位置に形成され、 前記２組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和
に基づいて加速度を検出するように構成されていること
を特徴とする半導体型加速度センサ。 - 【請求項２】 シリコン基板の中央部に形成され、その
中央に荷重体部が設けられた梁またはダイアフラムから
なる可撓部と、該可撓部上に形成されたＰＭＯＳ、ＮＭ
ＯＳから構成されて能動素子として用いられるＣＭＯＳ
インバータとを有し、該ＣＭＯＳインバータの論理しき
い値電圧の変化に基づいて加速度を検出するように構成
された半導体型加速度センサにおいて、 前記ＣＭＯＳインバータが２組用いられ、 前記可撓部の上面の面内においてその中心点を通る感度
軸を想定したときに、一方のＣＭＯＳインバータが前記
荷重体部を取り囲む可撓部の内周部に、他方のＣＭＯＳ
インバータが前記可撓部の外周部に、かつ、双方とも前
記感度軸に対して線対称となる位置に形成され、 前記２組のＣＭＯＳインバータの論理しきい値電圧の和
に基づいて加速度を検出するように構成されていること
を特徴とする半導体型加速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21484794A JPH0875775A (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 半導体型加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21484794A JPH0875775A (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 半導体型加速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0875775A true JPH0875775A (ja) | 1996-03-22 |
Family
ID=16662535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21484794A Pending JPH0875775A (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 半導体型加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0875775A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6683358B1 (en) | 1997-11-11 | 2004-01-27 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Silicon integrated accelerometer |
| WO2006106739A1 (ja) | 2005-03-30 | 2006-10-12 | The Yokohama Rubber Co., Ltd. | 半導体加速度センサ |
-
1994
- 1994-09-08 JP JP21484794A patent/JPH0875775A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6683358B1 (en) | 1997-11-11 | 2004-01-27 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Silicon integrated accelerometer |
| WO2004090556A1 (ja) * | 1997-11-11 | 2004-10-21 | Makoto Ishida | シリコン集積化加速度センサ |
| WO2006106739A1 (ja) | 2005-03-30 | 2006-10-12 | The Yokohama Rubber Co., Ltd. | 半導体加速度センサ |
| US7827865B2 (en) | 2005-03-30 | 2010-11-09 | The Yokohama Rubber Co., Ltd. | Semiconductor acceleration sensor |
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