JPH0875778A - 半導体加速度センサ - Google Patents

半導体加速度センサ

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JPH0875778A
JPH0875778A JP20991794A JP20991794A JPH0875778A JP H0875778 A JPH0875778 A JP H0875778A JP 20991794 A JP20991794 A JP 20991794A JP 20991794 A JP20991794 A JP 20991794A JP H0875778 A JPH0875778 A JP H0875778A
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JP
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acceleration
self
potential
inverter
sensor
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JP20991794A
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English (en)
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Binrin Tei
敏林 程
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 自己診断により生じたセンサの出力変化が所
定範囲内であるどうかを判断する自己診断回路を具備す
る半導体加速度センサを提供することを目的とする。 【構成】 半導体基板29に質量部33を設け、この質
量部33に加速度が加わることにより生じる応力にて加
速度を検出する加速度検出部1と、前記質量部33に静
電引力を加えることによる電位変化で前記加速度検出部
1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1に電位を与えることで前記
質量部33が変位し、この変位により発生する電位の変
化が所定範囲にあるか否かの判定を行う判定回路3と、
前記判定の結果を保持する信号保持回路5とを設けてあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【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センサ
に関する。
【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出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) 。
【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27と、Si層29と、トップキャップ31と
が積層されており、Si層29内には可動マス33が設
けられ、可撓部35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35の厚みを少なくしてある。また、可動マス33上
部であって、Si層29とトップキャップ31との接合
面には、所定の幅を有して空洞部45が設けられてい
る。この空洞部45のトップキャップ31面側及びSi
層29面側には、それぞれ電極37及び39が備えら
れ、この電極37及び39は図示しない電源により所定
の電位差を有することができる。
【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)の紙面の下方向に加速度が生
じると、可動マス33に力が加わる。これにより、可撓
部35が撓んで機械的変形が生じ、前記空洞部45の間
隔が狭くなる。従って、空洞部45内に設けられた電極
37及び39間の容量が変化し、その変化を集積回路4
1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27とSi層29との間の
空洞部43に振動吸収材等を注入することにより、共振
による誤動作をふせぐことができるため、自動車等に搭
載するのに適しているといえる。
【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。
【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35の上面に抵抗素子47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を用い
た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。
【0007】電極37及び39に電圧がかけられていな
い状態では、可動マス33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33と
トップキャップ31上の電極37及び39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33に加わることで、疑似的に可動マス3
3に加速度が加わった状態となり、可動マス33とトッ
プキャップ31の距離が変化し、可撓部35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35の上面に設けられた抵抗素子47の電
気抵抗に変化が生じる。この変化を電気信号として集積
回路41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。
【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。
【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、加速度検出部に電圧を加えた場合に、セ
ンサの出力に変化があるか否かだけで判断するのでは、
極端に小さな値や、極端に大きな値でもセンサ出力が変
化と判断するため、誤動作を起こす危険性があった。よ
り確実な方法として、加速度検出部に電圧を加えたとき
センサの出力変化がある範囲内にあるかどうかを判断出
来ることを望まれる。
【0010】本発明は上記事情を鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、自己診断により生じた
センサの出力変化が所定範囲内であるかどうかを判断す
る自己診断回路を具備する半導体加速度センサを提供す
ることである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の特徴は、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が所定範囲に
あるか否かの判定を行う判定回路と、前記判定の結果を
保持する信号保持回路と、を具備することである。
【0012】ここで、前記判定回路は、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有
し、前記電位変化を増幅することが好ましい。更に、前
記判定回路は、第2のインバータと、第3のインバータ
と、第4のインバータと、第1のバッファと、第2のバ
ッファと、ANDゲートを有し、第2のインバータ、第
1のバッファを第1の直列接続をし、第3のインバー
タ、第2のバッファ、及び第4のインバータを第2の直
列接続をし、前記第1の直列接続と前記第2の直列接続
とを並列接続し、前記第1の直列接続の出力と、前記第
2の直列接続の出力とをANDゲートの入力とすること
が好ましく、更に好ましくは、第2のインバータの論理
しき値を第1のインバータの論理しきい値より小さいこ
とであり、また、第3のインバータの論理しき値を第2
のインバータの論理しきい値より小さいことである。
【0013】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NMOS(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(Complemen
tary 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、前記判定回路の信号を
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、これら判定回
路及び信号保持回路は専有面積(体積)を低減すること
ができるという点で同一基板上に形成することが好まし
い。
【0014】
【作用】上記構成によれば、前記加速度検出部に電位を
与えることで、この加速度検出部内に設けられた質量部
に力が加わり、この力により質量部が変位する。この力
が所定の大きさであればこの質量部の変位も所定の大き
さのはずである。また、質量部の変位が大きければ、電
位の変化も大きい。従って、この電位の変化が所定の範
囲内にあるかどうかを判定回路にて判定することにより
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
ことができるのである。これにより、この電位の変化が
極端に小さい又は大きい場合には異常と検出することが
できるので、加速度センサの信頼性を向上することがで
きるのである。
【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。
【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、この検出された信号の電位変化が所定
範囲にあるか否かの判定を行う判定回路と、前記判定さ
れた信号を保持する信号保持回路5とを有する。
【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47に相当する。また、この抵抗素子47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35が撓むことによりこの可撓部35に圧縮応
力が加わる部分に設けられた抵抗素子47及び引張応力
が加わる部分に設けられた抵抗素子47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。
【0018】次に、本実施例に係る判定回路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1
5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1
1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。なお、これら構成要件は、加速度検出部
1より出力された電位変化の前後の差を増幅する役割を
担う。
【0019】また、インバータ17a及びバッファ19
aが直列に接続され、また、インバータ17b、バッフ
ァ19b及びインバータ21とが同様に直列に接続さ
れ、上記二つの直列接続が並列に接続されている。この
二つの直列接続は、インバータ15の出力を入力とし、
ANDゲート23に出力している。なお、これら構成要
件は、加速度検出部1の出力変化が所定範囲にあるか否
かを判断する役割を担う。
【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、判定回路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。
【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25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25は、
図4(a)における電極37及び39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37
及び39に電圧が加わる。
【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25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、自己診断用電極に電圧を加えたときのセ
ンサ出力をVSEN とする。
【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。
【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Φ2 をそれぞれ入力する。
【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)にある。す
なわち、このときの接点Bの電位VB は VB =Vth1 (1) となる。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37及び39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VREFに充電される。
【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 は低電位になってか
ら所定時間をおいてクロックΦ2 が高電位になった時に
は、スイッチ9はオンの状態になる。また、電極37及
び39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。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が確実にOFFにな
ってからスイッチ9bをオンにするためである。
【0027】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Vth1 から接
点Aの電位変化分(VSEN −VREF )だけ変化すること
になる。従って、接点Bの電位VB は、 VB =Vth1 +VSEN −VREF (2) となる。
【0028】(3)センサが正常に動作すれば、VSEN
とVREF が異なるはずである。図3(a)のインバータ
入出力伝達特性に示すように、インバータ1個では、図
3(a)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、イ
ンバータ15の出力電圧V1は式(3) で表せる。
【0029】 V1=Vth1 −G・(VSEN −VREF ) (3) 一般にセンサの出力変化(VSEN −VREF )は微小なも
のであり、せいぜい数mVである、それが式(3) で示す
ように、インバータ15によってG倍に増幅されて、出
力電圧V1に現れる。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。
【0030】このように、加速度検出部1から出力され
た信号の電位変化の前後の差を増幅する。この増幅は、
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1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。
【0031】(4)センサの出力変化(VSEN
REF )が零より大きいとし、その値が以下の式 ΔVmin <VSEN −VREF <ΔVmax (4) で表す範囲内であれば、センサの動作が正常であると仮
定する。式(3) より式(4) を満たすことは、すなわちイ
ンバータ15の出力電圧V1が
【数1】 Vth1 −G・ΔVmax <V1<Vth1 −G・ΔVmin (5) を満たすことを意味する。
【0032】従って、インバータ17aの論理しきい値
th2 及びインバータ17bの論理しきい値Vth3 が、 Vth2 =Vth1 −ΔVmin ・G (6) Vth3 =Vth1 −ΔVmax ・G (7) となるように設計すればよい。これは、例えばインバー
タ17aと17b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〜数十パーセン
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。
【0033】インバータ17a及び17bの出力にそれ
ぞれバッファ19a及び19bをつないで理想的なイン
バータを構成するが、バッファ19a及び19bを構成
するインバータはそれぞれインバータ17a及び17b
と同じように設計する。それによってインバータ17a
の入力電圧V1とバッファ19aの出力電圧V2とバッ
ファ19bの出力電圧V3との関係は図3(b)のよう
になる。図3(b)と式(5) よりセンサが正常に動作す
るならば、電圧V2の出力が1となると同時に電圧V3
の出力が0となる。よって、そのときに信号保持回路3
への出力(以下Vout と記す)が1となる。また、それ
以外に、すなわち、ΔVmin >VSEN −VREF もしくは
SEN −VREF >ΔVmax のときは、Vout が0とな
る。
【0034】よって、Vout が1か0かによってセンサ
が正常に動作しているかどうか判断出来ることは明らか
である。
【0035】以上の説明から分かるように、この回路は
インバータ15と、インバータ17a及び17bとの間
の論理しきい値の相対的な値を制御できればよいので、
同じチップの中で精度よく得られる。またコンデンサ1
3があらゆる同相雑音を防止しているし、オフセット調
整や温度ドリフト調整を必要としない。
【0036】なお、VSEN がVREF より小さい場合に
は、Vth2 とVth3 がVth1 より大きくなるように設計
すればよい。
【0037】
【発明の効果】以上のごとき、本発明によれば、判定回
路を有しているので、電極に電圧を加えたときに生じる
電位変化が所定範囲内であるかどうかを判断することが
できる。従って、この電位変化が極端に小さいか又は大
きい場合には異常と検出することができるので、加速度
センサの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体加速度センサの概略図であ
る。
【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。
【図3】インバータの入出力特性を示した図である。
【図4】(a)は従来の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。
【符号の説明】
1 加速度検出部 3 判定回路 5 信号保持回路 7 パルス発生回路 9a、b スイッチ 11 スイッチ 13 コンデンサ 15 インバータ 17a、17b インバータ 19a、19b バッファ 21 インバータ 23 ANDゲート 25 自己診断電極 27 耐熱ガラス層 29 Si層 31 耐熱ガラス層(トップキャップ) 33 可動マス 35 可撓部 37 電極 39 電極 41 集積回路 43 空洞部 45 空洞部 47 抵抗素子

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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が所定範囲にあ
    るか否かの判定を行う判定回路と、 前記判定の結果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。
JP20991794A 1994-09-02 1994-09-02 半導体加速度センサ Pending JPH0875778A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011189931A (ja) * 2004-11-23 2011-09-29 Robert Bosch Gmbh 加速度センサを備えた制御装置

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JP2011189931A (ja) * 2004-11-23 2011-09-29 Robert Bosch Gmbh 加速度センサを備えた制御装置

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