JPH0875777A - Semiconductor acceleration sensor - Google Patents

Semiconductor acceleration sensor

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JPH0875777A
JPH0875777A JP20991094A JP20991094A JPH0875777A JP H0875777 A JPH0875777 A JP H0875777A JP 20991094 A JP20991094 A JP 20991094A JP 20991094 A JP20991094 A JP 20991094A JP H0875777 A JPH0875777 A JP H0875777A
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JP
Japan
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acceleration
self
diagnosis
acceleration sensor
sensor
Prior art date
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Application number
JP20991094A
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Japanese (ja)
Inventor
Binrin Tei
敏林 程
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0875777A publication Critical patent/JPH0875777A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a semiconductor acceleration sensor which greatly improves detecting sensitivity at self-diagnosis time and has high reliability. CONSTITUTION: A mass part 29 is set in a semiconductor substrate 25. The sensor is provided with an acceleration-detecting part 1 which detects an acceleration from a stress generated as a result of the acceleration impressed to the mass part 29, and a self-diagnosing part which diagnoses whether the acceleration-detecting part 1 operates normally. The self-diagnosing part is equipped with a differential amplifier circuit 3 which differentiates and amplifies a change of potential caused when the mass part 29 is shifted because of the potential applied to the acceleration-detecting part 1, and a signal-holding circuit 5 which holds outputs of the differential amplifier circuit 3.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体加速度センサに
関し、特に自己診断回路を具備した集積化半導体加速度
センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor, and more particularly to an integrated semiconductor acceleration sensor having a self-diagnosis circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、自動車のエアバッグは、その
衝突時に生じる加速度を検知することにより動作するも
のが多い。ここで、このエアバッグ等に用いられている
加速度センサは、精度が良好である等の理由から半導体
式のものが望まれている。また、このエアバッグ等に用
いられている加速度センサは安全性の要求から、絶えず
このセンサが正常に動作していることをチェック出来る
ことが好ましい。すなわち、このセンサが正常動作をし
ているか否かをチェックする自己診断機能が付いている
ことを要求されている。この自己診断機能を有する半導
体加速度センサについての文献が多数存在する(例え
ば、TECHNICAL DIGEST OF THE 11TH SENSORSYMPOSIUM,1
992.pp43 〜46) 。
2. Description of the Related Art Conventionally, most automobile airbags operate by detecting the acceleration generated during the collision. Here, the acceleration sensor used in the airbag and the like is desired to be of a semiconductor type for reasons such as high accuracy. Further, it is preferable that the acceleration sensor used in the airbag or the like can constantly check that the sensor is normally operating, in view of safety requirements. That is, it is required to have a self-diagnosis function for checking whether this sensor is operating normally. There are many documents about the semiconductor acceleration sensor having this self-diagnosis function (for example, TECHNICAL DIGEST OF THE 11TH SENSORSYMPOSIUM, 1
992.pp43-46).

【0003】ここで、上記文献にて開示された半導体加
速度センサについて、図4(a)にその概要の断面図を
示し、以下説明する。この半導体加速度センサは、耐熱
ガラス層23と、Si層25と、トップキャップ27と
が積層されており、Si層25内には可動マス29が設
けられ、可撓部31により保持されている。可動マス2
9に力が加わったときに撓みやすくするため、この可撓
部31の厚みを少なくしてある。また、可動マス29上
部であって、Si層25とトップキャップ27との接合
面には、所定の幅を有して空洞部41が設けられてい
る。この空洞部41のトップキャップ27面側及びSi
層25面側には、それぞれ電極33及び35が備えら
れ、この電極33及び35に図示しない電源により所定
の電圧を加えることができる。
Here, the semiconductor acceleration sensor disclosed in the above-mentioned document will be described below with reference to a schematic sectional view of FIG. In this semiconductor acceleration sensor, a heat resistant glass layer 23, a Si layer 25, and a top cap 27 are laminated, a movable mass 29 is provided in the Si layer 25, and is held by a flexible portion 31. Movable mass 2
The thickness of the flexible portion 31 is reduced so that the flexible portion 31 can be easily bent when a force is applied to it. Further, a cavity 41 having a predetermined width is provided on the upper surface of the movable mass 29 and on the joint surface between the Si layer 25 and the top cap 27. The top cap 27 surface side of this cavity 41 and Si
Electrodes 33 and 35 are provided on the surface side of the layer 25, and a predetermined voltage can be applied to the electrodes 33 and 35 by a power source (not shown).

【0004】次に、この半導体加速度センサの動作につ
いて説明する。図4(a)の紙面の方向に加速度が生じ
ると、可動マス29に力が加わる。これにより、可撓部
31が撓んで機械的変形が生じ、前記空洞部41の間隔
が狭くなる。従って、空洞部41内に設けられた電極3
3及び35間の容量が変化し、その容量変化を集積回路
37が検知することで、加速度を検知することができ
る。この加速度検出方法を容量型加速度検出方法とい
う。また、この加速度センサは温度変化による誤差が少
なく、また、例えば、耐熱ガラス層23とSi層25と
の間の空洞部39に振動吸収材等を注入することによ
り、共振による検出の誤差を減少することができるた
め、自動車等に搭載するのに適しているといえる。
Next, the operation of this semiconductor acceleration sensor will be described. When acceleration occurs in the direction of the paper surface of FIG. 4A, a force is applied to the movable mass 29. As a result, the flexible portion 31 is bent and mechanically deformed, and the space between the hollow portions 41 is narrowed. Therefore, the electrode 3 provided in the cavity 41 is
The capacitance between 3 and 35 changes, and the integrated circuit 37 detects the capacitance change, whereby the acceleration can be detected. This acceleration detection method is called a capacitive acceleration detection method. Further, this acceleration sensor has a small error due to temperature change, and for example, by injecting a vibration absorbing material or the like into the cavity 39 between the heat resistant glass layer 23 and the Si layer 25, the error in detection due to resonance is reduced. Therefore, it can be said that it is suitable for mounting on an automobile or the like.

【0005】次に、従来の半導体加速度センサの自己診
断機能について説明する。この説明では、前述の容量型
加速度検出方法に対して、抵抗型加速度検出方法につい
て説明する。
Next, the self-diagnosis function of the conventional semiconductor acceleration sensor will be described. In this description, a resistance type acceleration detection method will be described in contrast to the capacitive type acceleration detection method described above.

【0006】この抵抗型加速度検出方法を用いた自己診
断機能を具備する半導体加速度センサの構造は、容量型
加速度検出方法を用いた自己診断機能を具備する半導体
加速度センサの構造とほぼ同様なので、その説明は省略
するが、可撓部31の上面に抵抗素子43が設けられて
いる点で相違する。以下、抵抗型加速度検出方法による
自己診断機能を具備した半導体加速度センサの動作を図
4(a)及び(b)を用いて説明する。
The structure of the semiconductor acceleration sensor having the self-diagnosis function using the resistance type acceleration detection method is almost the same as the structure of the semiconductor acceleration sensor having the self-diagnosis function using the capacitive acceleration detection method. Although the description is omitted, the difference is that the resistance element 43 is provided on the upper surface of the flexible portion 31. The operation of the semiconductor acceleration sensor having the self-diagnosis function by the resistance type acceleration detection method will be described below with reference to FIGS.

【0007】電極33及び35に電圧がかけられていな
い状態では、可動マス29は所定の場所に配置されてい
る(図4(b)中の点線部)。ここで、可動マス29と
トップキャップ27上の電極33及び35の間に自己診
断用の電圧を加えると静電引力が生じる。この静電引力
が可動マス29に加わることで、疑似的に可動マス29
に加速度が加わった状態となり、可動マス29とトップ
キャップ27の距離が変化し、可撓部31が撓んで機械
的変形が生じる(図4(b)中の実線部)。これによっ
て、可撓部31の上面に設けられた抵抗素子43の電気
抵抗に変化が生じる。この電気抵抗の変化を集積回路3
7が検知することによってセンサが正常に動作している
か否かを判断し、動作が異常と判断した場合には、警告
表示等の各種処理を行う。
When no voltage is applied to the electrodes 33 and 35, the movable mass 29 is arranged at a predetermined place (dotted line portion in FIG. 4B). Here, when a voltage for self-diagnosis is applied between the movable mass 29 and the electrodes 33 and 35 on the top cap 27, an electrostatic attractive force is generated. By applying this electrostatic attraction to the movable mass 29, the movable mass 29 is simulated.
Then, the distance between the movable mass 29 and the top cap 27 changes, the flexible portion 31 bends, and mechanical deformation occurs (solid line portion in FIG. 4B). As a result, the electric resistance of the resistance element 43 provided on the upper surface of the flexible portion 31 changes. The integrated circuit 3
The sensor 7 detects whether the sensor is operating normally, and if the operation is abnormal, various processes such as warning display are performed.

【0008】なお、実際の動作の場合(例えば自動車等
が衝突した場合)には、加速度検出部に相当量の力が加
わる。自己診断を行う場合にはそれに比べて小さい力が
加わるため、実際の動作の検出と自己診断を同時に1つ
の加速度センサにて実施することができるのである。
In the case of actual operation (for example, when a car or the like collides), a considerable amount of force is applied to the acceleration detecting section. When performing self-diagnosis, a force smaller than that is applied, so that it is possible to perform actual operation detection and self-diagnosis simultaneously with one acceleration sensor.

【0009】[0009]

【従来技術の問題点】しかしながら、従来の半導体加速
度センサでは、電極33及び35に電圧を加えたときに
生じる静電引力が小さく、実際には可撓部31があまり
撓まないため、抵抗素子の電気抵抗等の変化が少なかっ
た。従って、集積回路37にて検知するセンサ信号が微
小なものとなってしまい、自己診断が困難であった。
However, in the conventional semiconductor acceleration sensor, the electrostatic attraction generated when a voltage is applied to the electrodes 33 and 35 is small, and the flexible portion 31 does not actually bend so much. There was little change in the electrical resistance of. Therefore, the sensor signal detected by the integrated circuit 37 becomes very small, which makes self-diagnosis difficult.

【0010】上記事情は、自己診断用の高い電源を一般
回路駆動用電源とは別に設けることで回避が可能である
が、自動車等の移動体にそのような電圧の高い電源を設
けるのは非現実的であり、本質的な問題解決とはいえな
い。また自己診断のための回路が複雑になるなどの欠点
もあった。さらに、センサ信号が微小なため、自動車等
に搭載した場合には、自動車の振動等から発生するノイ
ズにより、そのまま増幅すれば誤動作を起こすおそれも
あった。
The above situation can be avoided by providing a high power supply for self-diagnosis separately from a power supply for driving a general circuit, but it is not provided with such a high power supply for a moving body such as an automobile. It is realistic and cannot be said to be an essential problem solving. There is also a drawback that the circuit for self-diagnosis becomes complicated. Further, since the sensor signal is so small, when it is mounted on an automobile or the like, there is a possibility that a malfunction may occur if it is amplified as it is due to noise generated by vibration of the automobile or the like.

【0011】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、自己診断時における
検出の感度を大幅に向上し、信頼性の高い半導体加速度
センサを提供することである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor acceleration sensor that significantly improves the detection sensitivity during self-diagnosis. is there.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の特徴は、半導体基板に質量部を設け、この
質量部に加速度が加わることにより生じる応力により加
速度を検出する加速度検出部と、この加速度検出部が正
常に動作しているか否かの診断を行う自己診断部とを具
備する半導体加速度センサにおいて、前記自己診断部
は、前記加速度検出部に電位を与えることで前記質量部
が変位し、この変位により発生する電位の変化を差動増
幅する差動増幅回路と、この差動増幅回路の出力を保持
する信号保持回路とを設けたことである。
In order to achieve the above object, a feature of the present invention is to provide a mass portion on a semiconductor substrate, and an acceleration detecting portion for detecting acceleration by a stress generated by applying acceleration to the mass portion. In the semiconductor acceleration sensor including a self-diagnosis unit that diagnoses whether or not the acceleration detection unit is operating normally, the self-diagnosis unit is configured such that the mass unit is controlled by applying a potential to the acceleration detection unit. That is, a differential amplifier circuit that is displaced and differentially amplifies a change in potential generated by this displacement, and a signal holding circuit that holds an output of the differential amplifier circuit are provided.

【0013】ここで、前記差動増幅回路は、第1のクロ
ックで動作する第1のスイッチと、前記第1のスイッチ
と並列に接続され、第2のクロックで動作する第2のス
イッチと、第1のクロックで動作する第3のスイッチ
と、この第3のスイッチにてその出力と入力とが短絡さ
れる第1のインバータと、前記並列に接続されたスイッ
チと、前記第1のインバータの間に設けられたコンデン
サと、を具備することが好ましく、更に好ましくは、第
2のインバータ及びバッファを直列に接続し、前記第1
のインバータに直列に接続することである。また、前記
第1のスイッチ及び前記第2のスイッチ及び前記第3の
スイッチは、同一基板上に形成できるという点でNMO
S(N-channel MOS)トランジスタで構成されていること
が好ましい。また、上記全てのインバータ及びバッファ
は、同一基板上に形成できるという点で、NMOSイン
バータもしくはCMOS(Complementary MOS) インバー
タで構成されていることが好ましい。また、前記信号保
持回路は、前記差動増幅回路の信号を保持することがで
きるという点で、Dフリップフロップで構成されている
ことが好ましい。また、前記差動増幅回路及び前記信号
保持回路は、前記加速度検出部と同一基板上に有するこ
とが好ましい。
Here, the differential amplifier circuit includes a first switch which operates at a first clock, and a second switch which is connected in parallel with the first switch and operates at a second clock. A third switch that operates on a first clock; a first inverter whose output and input are short-circuited by the third switch; the switch connected in parallel; and the first inverter. And a capacitor provided therebetween, and more preferably, the second inverter and the buffer are connected in series,
Is connected in series to the inverter. In addition, the first switch, the second switch, and the third switch can be formed on the same substrate.
It is preferably composed of an S (N-channel MOS) transistor. Further, it is preferable that all the above-mentioned inverters and buffers are composed of NMOS inverters or CMOS (Complementary MOS) inverters in that they can be formed on the same substrate. Further, the signal holding circuit is preferably configured by a D flip-flop in that it can hold the signal of the differential amplifier circuit. Further, it is preferable that the differential amplifier circuit and the signal holding circuit are provided on the same substrate as the acceleration detection unit.

【0014】[0014]

【作用】上記構成によれば、前記自己診断部に差動増幅
回路を設けているので、半導体基板に設けられた質量部
に加速度が加わることにより検出する加速度検出部から
出力された信号の電位の変化の差を相対的に比較し、こ
の比較は、電位変化前と変化後を減算することにより行
うため、電源電圧のゆらぎや、加速度検出部から出力さ
れた信号に混入した同相ノイズが相殺されるのである。
従って、この比較結果は同相ノイズ等が減算されたもの
を差動増幅するため、精度よく微小なセンサ信号を差動
増幅することができるのである。
According to the above configuration, since the differential amplifier circuit is provided in the self-diagnosis section, the potential of the signal output from the acceleration detection section, which is detected when acceleration is applied to the mass section provided on the semiconductor substrate, is detected. The difference between the changes in the voltage is relatively compared and this comparison is performed by subtracting the voltage before and after the voltage change.Therefore, fluctuations in the power supply voltage and common-mode noise mixed in the signal output from the acceleration detection unit are canceled out. Is done.
Therefore, this comparison result differentially amplifies the signal from which the in-phase noise and the like have been subtracted, so that a minute sensor signal can be differentially amplified with high accuracy.

【0015】また、例えば、差動増幅回路が加速度検出
部の異常を検知した場合には、異常信号を保持して外部
機器等に伝えなければならない。この点で、差動増幅回
路の出力を保持する信号保持回路を用いる意義がある。
Further, for example, when the differential amplifier circuit detects an abnormality in the acceleration detecting section, the abnormality signal must be held and transmitted to an external device or the like. In this respect, it is meaningful to use a signal holding circuit that holds the output of the differential amplifier circuit.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明に係る実施例について図面を参
照しながら説明する。図1は本発明の一実施例に係る自
己診断部を具備した半導体加速度センサの概略図であ
る。この半導体加速度センサは、加速度の検出を行う加
速度検出部1と、前記加速度検出部1により出力された
電位変化の前後の差を増幅する差動増幅する差動増幅回
路3と、前記増幅した差を保持する信号保持回路5とを
有する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a semiconductor acceleration sensor including a self-diagnosis unit according to an embodiment of the present invention. This semiconductor acceleration sensor includes an acceleration detector 1 that detects acceleration, a differential amplifier circuit 3 that differentially amplifies a difference before and after a potential change output by the acceleration detector 1, and the amplified difference. And a signal holding circuit 5 for holding.

【0017】まず、本実施例に係る加速度検出部1につ
いて説明する。ここでは、前述した抵抗型加速度検出方
法を用いたものを使用する。ここで、図1の加速度検出
部1内に記載された可変抵抗は、図4(b)における抵
抗素子43に相当する。また、この抵抗素子43には熱
拡散などで作製したものが好ましく、中でも感歪ゲージ
のピエゾ抵抗素子が好ましい。また、図4(b)におけ
る可撓部31が撓むことによりこの可撓部31に圧縮応
力が加わる部分に設けられた抵抗素子43及び引張の応
力が加わる部分に設けられた抵抗素子43を、図1の加
速度検出部1内に記載された可変抵抗のように直列に接
続し、その中間点の電位を基準とすると、自己診断を行
う場合に電位の変化が大きくなる。
First, the acceleration detector 1 according to this embodiment will be described. Here, the one using the above-mentioned resistance type acceleration detection method is used. Here, the variable resistance described in the acceleration detection unit 1 of FIG. 1 corresponds to the resistance element 43 in FIG. 4B. The resistance element 43 is preferably manufactured by thermal diffusion or the like, and among them, a piezo resistance element of a strain sensitive gauge is preferable. Further, the flexible element 31 in FIG. 4 (b) is bent so that the resistive element 43 provided at a portion where a compressive stress is applied to the flexible portion 31 and the resistive element 43 provided at a portion where a tensile stress is applied. If the resistors are connected in series like the variable resistor described in the acceleration detecting unit 1 of FIG. 1 and the potential at the midpoint thereof is used as a reference, the potential change becomes large when self-diagnosis is performed.

【0018】次に、本実施例に係る差動増幅回路3の構
成要件について説明する。クロックΦ1 で動作するスイ
ッチ9a及びΦ2 で動作するスイッチ9bが並列に接続
され、いずれか一方がオンの状態で、加速度検出部1か
らの信号が入力されるようになっている。なお、これら
のスイッチはNMOSトランジスタを用いる。コンデン
サ13は、接点Aと接点Bの電位差を保存、及び、同相
雑音(ノイズ)を防止のために設けてある。インバータ
15は、その出力と入力との短絡(ショート)をスイッ
チ11にて出来るようにしてある。また、このスイッチ
11はクロックΦ1 で動作するようにしてある。なお、
本実施例においては、インバータ15は、CMOSイン
バータを用いる。また、インバータ17及びバッファ1
9は主に論理合せ及び波形修正を目的として配置してあ
る。
Next, the structural requirements of the differential amplifier circuit 3 according to this embodiment will be described. A switch 9a that operates on the clock Φ 1 and a switch 9b that operates on the Φ 2 are connected in parallel, and a signal from the acceleration detection unit 1 is input when one of them is on. Note that these switches use NMOS transistors. The capacitor 13 is provided to store the potential difference between the contact A and the contact B and to prevent common-mode noise. The inverter 15 has a switch 11 that can short-circuit its output and input. The switch 11 is designed to operate with the clock Φ 1 . In addition,
In this embodiment, the inverter 15 is a CMOS inverter. In addition, the inverter 17 and the buffer 1
9 is arranged mainly for the purpose of logical matching and waveform correction.

【0019】以上、差動増幅回路3は、上記並列に接続
されたスイッチ9a及び9bと、コンデンサ13と、イ
ンバータ15と、インバータ17と、バッファ19と、
が直列に接続されており、また、インバータ15の出力
と入力とをショートさせるためのスイッチ11を有して
いる。
As described above, the differential amplifier circuit 3 includes the switches 9a and 9b connected in parallel, the capacitor 13, the inverter 15, the inverter 17, the buffer 19, and the like.
Are connected in series and have a switch 11 for short-circuiting the output and input of the inverter 15.

【0020】次に、本実施例に係る信号保持回路5につ
いて説明する。この信号保持回路5は、差動増幅回路3
からの出力を保持し、外部に出力する外部インターフェ
ースの役割を担う。本実施例においては、Dフリップフ
ロップを使用することにする。なお、上述した判定回路
3及び信号保持回路5は、同一基板上に形成することが
好ましい。
Next, the signal holding circuit 5 according to this embodiment will be described. The signal holding circuit 5 includes a differential amplifier circuit 3
Holds the output from and plays the role of the external interface to output to the outside. In this embodiment, a D flip-flop will be used. The determination circuit 3 and the signal holding circuit 5 described above are preferably formed on the same substrate.

【0021】次に、本実施例に係る半導体加速度センサ
の動作について説明する。 (1)図2(a)は、自己診断を行うために静電引力を
発生させる自己診断電極を説明する図である。本図に示
すように、クロックΦ1 の反転信号が高電圧(オンの状
態)の場合(クロックΦ1 が低電圧(オフの状態))の
場合に自己診断電極21に電圧Vが加わるようにしてあ
る。ここで、本実施例においては自己診断電極21は、
図4(a)における電極33及び35である。従って、
クロックΦ1 が低電圧(オフの状態)の場合に電極33
及び35に電圧が加わる。
Next, the operation of the semiconductor acceleration sensor according to this embodiment will be described. (1) FIG. 2A is a diagram for explaining a self-diagnosis electrode that generates electrostatic attraction for self-diagnosis. As shown in this figure, the voltage V is applied to the self-diagnosis electrode 21 when the inverted signal of the clock Φ 1 is high voltage (ON state) (clock Φ 1 is low voltage (OFF state)). There is. Here, in this embodiment, the self-diagnosis electrode 21 is
The electrodes 33 and 35 in FIG. Therefore,
When the clock Φ 1 has a low voltage (off state), the electrode 33
And 35 are energized.

【0022】図2(b)は、クロックΦ1 及びクロック
Φ2 のタイミングについて示した図である。クロックΦ
1 の反転信号及びクロックΦ2 の信号は本図に示す通
り、クロックΦ2 がオンの場合に必ずクロックΦ1 の反
転信号がオンになっているようにタイミングをとってあ
る。また、自己診断電極21に電圧を加えていないとき
のセンサ出力(差動出力の場合は、その片側の出力)を
REF 、また、自己診断電極に電圧を加えたときのセン
サ出力をVSEN とする。
FIG. 2B is a diagram showing timings of the clock Φ 1 and the clock Φ 2 . Clock Φ
As shown in the inverted signal and the clock [Phi 2 signals this figure 1, always inverted signal of the clock [Phi 1 when the clock [Phi 2 is turned on are timed so on. Further, the sensor output when no voltage is applied to the self-diagnostic electrode 21 (in the case of a differential output, the output on one side thereof) is V REF , and the sensor output when a voltage is applied to the self-diagnostic electrode is V SEN. And

【0023】ここで、クロックΦ1 は100[Hz]から1
000[Hz]程度が好ましく、更に好ましくは300[Hz]
から600[Hz]である。これはあまりに周波数が高いと
可動マス33が振動に追従できず、また周波数が低いと
信号の変化時にコンデンサ13よりリーク電流が発生し
てしまうためである。
Here, the clock Φ 1 is 1 from 100 [Hz].
000 [Hz] is preferable, more preferably 300 [Hz]
To 600 [Hz]. This is because when the frequency is too high, the movable mass 33 cannot follow the vibration, and when the frequency is low, a leak current is generated from the capacitor 13 when the signal changes.

【0024】(2)次に、図1を用いて説明する。パル
ス発生回路7より、クロックΦ1 及びΦ2 を発生させ、
スイッチ9a及びスイッチ11にクロックΦ1 を、ま
た、スイッチ9bにクロックΦ2 をそれぞれ入力する。
(2) Next, description will be made with reference to FIG. Generate the clocks Φ 1 and Φ 2 from the pulse generation circuit 7,
The clock Φ 1 is input to the switches 9a and 11, and the clock Φ 2 is input to the switch 9b.

【0025】まず、クロックΦ1 が高電位になった場合
には、スイッチ11がオンの状態になり、インバータ1
5の出力と入力とがショートされる。これにより、接点
Bはインバータ15の論理のしきい値Vth1 にバイアス
され、リセット状態(入力と出力が同電位)になる。ま
た、スイッチ9aがオンの状態になり、加速度検出部1
の電位が入力されるが、電極33及び35に自己診断用
電圧Vが加えられていないので、センサには静電引力が
加えられていない場合の状態である。従って、接点Aは
REF に充電される。
First, when the clock Φ 1 has a high potential, the switch 11 is turned on and the inverter 1
The output and the input of 5 are short-circuited. As a result, the contact B is biased to the logic threshold value V th1 of the inverter 15 and is in a reset state (input and output are at the same potential). Further, the switch 9a is turned on, and the acceleration detection unit 1
However, since the self-diagnosis voltage V is not applied to the electrodes 33 and 35, the electrostatic attraction force is not applied to the sensor. Therefore, contact A is charged to V REF .

【0026】次に、クロックΦ1 は低電位になった場合
には、スイッチ9a及びスイッチ11はオフになる。図
2(b)に示す通り、クロックΦ1 が低電位になってか
ら所定時間をおいてクロックΦ2 が高電位になった時
に、スイッチ9bはオンの状態になる。また、電極33
及び35に自己診断用電圧Vが加えられているので接点
AはVSEN に充電される。
Next, when the clock Φ 1 has a low potential, the switches 9a and 11 are turned off. As shown in FIG. 2B, when the clock Φ 2 becomes high in potential after a predetermined time has passed since the clock Φ 1 became low in potential, the switch 9b is turned on. Also, the electrode 33
Since the self-diagnosis voltage V is applied to and 35, the contact A is charged to V SEN .

【0027】ここで、クロックΦ1 が低電位になってか
ら所定時間をおいてクロックΦ2 が高電位になるように
するのは、スイッチ11は確実にオフになってから、ス
イッチ9bをオンにするためである。
Here, the reason why the clock Φ 2 is set to the high potential after a predetermined time has passed since the clock Φ 1 is set to the low potential is to turn on the switch 9b after the switch 11 is surely turned off. This is because

【0028】コンデンサ13の電位降下(VREF −V
th1 )は保存されるので、接点Bの電位はVREF から接
点Aの電位変化分(VSEN −VREF )だけ変化すること
になる。
The potential drop of the capacitor 13 (V REF -V
Since th1 ) is stored, the potential of the contact B changes from V REF by the amount of change in the potential of the contact A (V SEN −V REF ).

【0029】(3)ここで、センサが正常に動作すれ
ば、VSEN とVREF が異なるはずである。ここで、イン
バータ1個では、図3に示す通り、論理しきい値Vth1
で垂直に変化するのではなく、ある傾き(一般に50〜
100で、ここでは絶対値を取って0以上とする。)を
有して変化するため、僅かな入力の変化に対して50〜
100倍増幅された時の出力変化が得られることにな
る。従って、本実施例のような構成にすることにより、
簡易な構成にて増幅を得ることができるのである。ま
た、オフセットなどの調整をいっさい必要としないた
め、容易に用いることができるのである。
(3) Here, if the sensor operates normally, V SEN and V REF should be different. Here, in one inverter, as shown in FIG. 3, the logic threshold V th1
Rather than changing vertically at a certain inclination (generally 50 ~
It is 100, and here, the absolute value is taken to be 0 or more. ), It changes from 50 to 50 for slight changes in input.
The output change when amplified 100 times will be obtained. Therefore, by adopting the configuration of this embodiment,
Amplification can be obtained with a simple configuration. Further, since it does not require any adjustment such as offset, it can be easily used.

【0030】いま、VSEN がVREF より大きいとする
と、この増幅された出力はインバータ17に入力され、
更に、バッファ19に入力されると、Dフリップフロッ
プへの出力が論理1となる。一方、センサの出力が変わ
らない場合、即ち、VSEN とVREF が同じとなる場合に
は、インバータ15の出力は論理1になり、インバータ
17の出力及びバッファ19から信号保持回路5である
Dフリップフロップへの出力が論理0となる。従って、
信号保持回路3のDフリップフロップへの出力が論理0
の場合にはセンサが異常と認識し、Dフリップフロップ
の出力は論理0(センサ異常信号)を保持する。
Now, assuming that V SEN is greater than V REF , this amplified output is input to the inverter 17,
Further, when input to the buffer 19, the output to the D flip-flop becomes logic 1. On the other hand, when the output of the sensor does not change, that is, when V SEN and V REF are the same, the output of the inverter 15 becomes logic 1, and the output of the inverter 17 and the buffer 19 from the signal holding circuit 5 to D The output to the flip-flop becomes logic 0. Therefore,
The output to the D flip-flop of the signal holding circuit 3 is logical 0
In the case of, the sensor recognizes that there is an abnormality, and the output of the D flip-flop holds logic 0 (sensor abnormality signal).

【0031】ここで、センサ異常の場合には、インバー
タ15の出力がVth1 となるが、この場合には、図3に
示す通り、インバータ17の出力を確実に論理0にする
ためにインバータ17の論理しきい値Vth2 はVth1
り小さくなるように設計するのが望ましい。これによ
り、インバータ17がVth1 を入力した場合でも、出力
は、0に近付けることができ、更にバッファ19によっ
てほぼ0にすることができる。
Here, in the case of a sensor abnormality, the output of the inverter 15 becomes V th1 , but in this case, as shown in FIG. It is desirable to design the logical threshold value V th2 of the above to be smaller than V th1 . As a result, even when the inverter 17 inputs V th1 , the output can be brought close to 0, and can be made almost 0 by the buffer 19.

【0032】また、インバータ17のしきい値はVth2
は、たとえば、素子間のばらつきも考慮し、Vth1 より
約10mV小さくなるように設計すればよい。これは、
例えばインバータ17のプルアップPMOSのチャネル
幅をインバータ15のそれより数パーセント小さくすれ
ばよい。ほかのパラメータ(チャネル長など)を変えて
も同じ効果が得られる。また、VSEN がVREF より小さ
い場合には、Vth2 がVth1 より約10mV大きくなる
ように設計すればよい。
The threshold value of the inverter 17 is V th2
May be designed to be smaller than V th1 by about 10 mV in consideration of variations between elements. this is,
For example, the channel width of the pull-up PMOS of the inverter 17 may be made smaller than that of the inverter 15 by several percent. The same effect can be obtained by changing other parameters (channel length, etc.). When V SEN is smaller than V REF , V th2 may be designed to be larger than V th1 by about 10 mV.

【0033】以上より、接点Aの電位VREF が変化すれ
ば、その変化量が僅かであってもその変化量を検出し
て、変化した(論理1)、若しくは、変化しない(論理
0)信号を信号保持回路であるDフリップフロップに出
力することができる。従って、本実施例に係る半導体加
速度センサによれば、微小なセンサ信号でも確実に検出
することができるのである。なお、この自己診断部は、
すべての回路が単一電源(例えば、5V)でもよい。ま
たコンデンサ13があらゆる同相雑音(ノイズ)を防止
しており、また、オフセット調整や温度ドリフト調整を
必要としない。
From the above, if the potential V REF of the contact A changes, even if the change amount is small, the change amount is detected and changed (logic 1) or unchanged (logic 0) signal. Can be output to a D flip-flop which is a signal holding circuit. Therefore, the semiconductor acceleration sensor according to the present embodiment can reliably detect even a minute sensor signal. In addition, this self-diagnosis unit
All circuits may be on a single power supply (eg 5V). Further, the capacitor 13 prevents any common-mode noise (noise), and does not require offset adjustment or temperature drift adjustment.

【0034】また、本実施例においては、元の値(本実
施例ではVREF )と、変化後の値(本実施例では
SEN )の電位差により相対的に電位変化を検出するた
め、電源電圧のゆらぎや、同相ノイズによる誤動作を回
避することができる。
Further, in this embodiment, since the potential change is relatively detected by the potential difference between the original value (V REF in this embodiment) and the changed value (V SEN in this embodiment), the power supply is changed. It is possible to avoid malfunctions due to voltage fluctuations and common mode noise.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上のごとき、本発明によれば、電位変
化の前後の差を比較することにより相対的に電位変化を
検出するため、電源電圧のゆらぎや、同相ノイズによる
誤動作を回避することができる。従って、自己診断時に
おける検出感度を大幅に向上させることができるので、
加速度センサの信頼性を向上させることができる。
As described above, according to the present invention, the potential change is relatively detected by comparing the difference before and after the potential change, so that the fluctuation of the power supply voltage and the malfunction due to the common mode noise can be avoided. You can Therefore, the detection sensitivity during self-diagnosis can be significantly improved.
The reliability of the acceleration sensor can be improved.

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

【図1】本発明に係る半導体加速度センサの概略図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram of a semiconductor acceleration sensor according to the present invention.

【図2】本発明に係る半導体加速度センサの動作を説明
するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the semiconductor acceleration sensor according to the present invention.

【図3】インバータの入出力特性を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing input / output characteristics of an inverter.

【図4】(a)は半導体加速度センサの概略を示す図で
あり、(b)はその動作を説明するための図である。
FIG. 4A is a diagram schematically showing a semiconductor acceleration sensor, and FIG. 4B is a diagram for explaining the operation thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 加速度検出部 3 差動増幅回路 5 信号保持回路 7 パルス発生回路 9a スイッチ 9b スイッチ 11 スイッチ 13 コンデンサ 15 インバータ 17 インバータ 19 バッファ 21 自己診断電極 23 耐熱ガラス層 25 Si層 27 耐熱ガラス層(トップキャップ) 29 可動マス 31 可撓部 33 電極 35 電極 37 集積回路 39 空洞部 41 空洞部 43 抵抗素子 1 Acceleration Detection Section 3 Differential Amplifier Circuit 5 Signal Holding Circuit 7 Pulse Generation Circuit 9a Switch 9b Switch 11 Switch 13 Capacitor 15 Inverter 17 Inverter 19 Buffer 21 Self-Diagnosis Electrode 23 Heat-Resistant Glass Layer 25 Si Layer 27 Heat-Resistant Glass Layer (Top Cap) 29 Movable Mass 31 Flexible Part 33 Electrode 35 Electrode 37 Integrated Circuit 39 Cavity 41 Cavity 43 Resistance Element

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板に質量部を設け、この質量部
に加速度が加わることにより生じる応力により加速度を
検出する加速度検出部と、この加速度検出部が正常に動
作しているか否かの診断を行う自己診断部とを具備する
半導体加速度センサにおいて、 前記自己診断部は、 前記加速度検出部に電位を与えることで前記質量部が変
位し、この変位により生じる電位の変化を差動増幅する
差動増幅回路と、 この差動増幅回路の出力を保持する信号保持回路と、 を具備することを特徴とする半導体加速度センサ。
1. A mass part is provided on a semiconductor substrate, and an acceleration detecting part for detecting acceleration by a stress generated by applying acceleration to the mass part, and a diagnosis as to whether or not the acceleration detecting part is operating normally. In the semiconductor acceleration sensor including a self-diagnosis unit for performing, the self-diagnosis unit is configured to apply a potential to the acceleration detection unit to displace the mass unit and differentially amplify a change in potential generated by the displacement. A semiconductor acceleration sensor, comprising: an amplifier circuit; and a signal holding circuit that holds the output of the differential amplifier circuit.
JP20991094A 1994-09-02 1994-09-02 Semiconductor acceleration sensor Pending JPH0875777A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7337669B2 (en) * 2003-10-03 2008-03-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Inertial sensor and combined sensor therewith

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