JPS63266358A

JPS63266358A - 加速度検出装置

Info

Publication number: JPS63266358A
Application number: JP62101267A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: NEKUSHII KENKYUSHO KK
Current assignee: NEKUSHII KENKYUSHO KK
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1988-11-02
Anticipated expiration: 2009-07-06
Also published as: JPH0652269B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、特に三次元座標系における加
速度を検出することができる加速度検出装置に関する。

〔従来の技術〕

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
、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、加速度の各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貼り付け、この片
持梁の応力歪みによつて特定の方向の加速度検出を行う
ことが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述した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軸方向底分
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高にな
るという問題が生じるのである。また、従来装置はスト
レーンゲージなどのセンサを用いているため、測定精度
が低いという問題もある。

そこで、本発明は構造が単純で量産に適し、しかも高精
度の測定を行うことができる加速度検出装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、機械的変形によって電気抵抗が変化する抵抗
素子が少なくとも一面に形成された半導体基板に、支持
部と作用部とを有する起歪体を連接し、この作用部の支
持部に対する変位に基づいて抵抗素子に機械的変形を生
じさせるようにし、しかも起歪体の作用部にその加速度
に応じた変位を生じさせる垂錘体を連接させて加速度検
出装置を構成したものである。

〔作　用〕

本発明に用いる抵抗素子は、ピエゾ抵抗効果を有し半導
体基板の一面に形成されている。垂錘体に加速度が生じ
ると、これに応じた変位が起歪体に生じ、結局、半導体
基板上の抵抗素子に機械的変形が生じることになる。し
たがって、ピエゾ抵抗効果によりこの機械的変形に基づ
く電気抵抗の変化が起り、垂錘体の加速度を検出するこ
とができる。抵抗素子はすべて半導体基板上の一面に形
成されているため、構造は非常に簡単になり、量産に適
したものとなる。また、ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素
子をセンサとして用いているため、測定精度も向上する
。

〔実施例〕

以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

装置の構成第１図（ａ）は本発明の一実施例に係る加速度検出装置
の側断面図、同図（ｂ）は同装置の上面図である。ここ
で、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図の方向に定義するものとする
。第１図（ａ）は同図（ｂ）に示す装置をＸ軸に沿って
切断した断面図に相当する。

この装置において、シリコンの単結晶基板１０上には、
合計１２個の抵抗素子Ｒが形成されている。抵抗素子Ｒ
ｘｌ〜Ｒｘ４はＸ軸上に配されＸ軸方向の加速度検出に
用いられ、抵抗素子Ｒｙｌ〜Ｒｙ４はＹ軸上に配されＹ
軸方向の加速度検出に用いられ、抵抗素子Ｒｚｌ〜Ｒｚ
４はＸ軸に平行でこの近傍にある軸上に配されＺ軸方向
の加速度検出に用いられる。各抵抗素子Ｒの具体的な構
造およびその製造方法については後に詳述するが、これ
ら抵抗素子Ｒは機械的変形によってその電気抵抗が変化
するピエゾ抵抗効果を有する素子である。

この単結晶基板１０は起歪体２０に接着されている。本
実施例に係る装置では、起歪体２０は円盤状のフランジ
部２１と、可撓性をもたせるために肉厚を薄くした可撓
部２２と、中心に突出した突出部２３とから構成される
。この起歪体２０の材質としてはコバール（鉄、コバル
ト、ニッケルの合金）が用いられている。コバールはシ
リコン単結晶基板１０とほぼ同程度の熱膨張率を有する
ため、単結晶基板１０に接着されていても、温度変化に
よって生じる熱応力が極めて小さいという利点を有する
。起歪体２０の材質、形状は、上述のものに限定される
わけではなく、ここに示す実施例は最適な一態様にすぎ
ない。なお、この起歪体２０は取付孔２４によって加速
度の測定対象物に固着される。

起歪体２０の突出部２３の先端には垂錘体３０が取付け
られている。本実施例では、この垂錘体３０は金属塊で
構成されている。この垂錘体３０の機能は、加わる加速
度に応じた応力歪みを起歪体２０に生じさせることであ
り、この機能を果たすものであればどのような材質のも
のをどのような位置に設けてもかまわない。

起歪体２０の上部には、単結晶基板１０を保護するため
の保護カバー４０が取付けられている（第１図（ｂ）で
は図示省略）。保護カバー４０は、保護の機能を有する
ものであればどのようなものでもよく、この装置の使用
態様によっては設けなくてもかまわない。

各抵抗素子には第２図に示すような配線がなされる。す
なわち、抵抗素子Ｒｘｌ〜Ｒｘ４は第２図（ａ）に示す
ようなブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Ｒｙｌ〜Ｒｙ４
は第２図（ｂ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、抵
抗素子Ｒｚｌ〜Ｒｚ４は第２図（Ｃ）に示すようなブリ
ッジ回路に組まれる。各ブリッジ回路には電源５０から
所定の電圧または電流が供給され、各ブリッジ電圧は電
圧計５１〜５３によって測定される。各抵抗素子Ｒに対
してこのような配線を行うため、第１図に示すように単
結晶基板１０上で各抵抗素子Ｒに電気的に接続されてい
るポンディングパッド１１と外部配線用の電極１３とが
、ボンディングワイヤ１２で接続される。

電極１３は配線孔２５を通して外部に導出されている。

装置の基本原理第１図（ａ）において、装置全体を運動させると、この
運動によって垂錘体３０に加速度がかかり、起歪体２０
にこの加速度に応じた応力歪みが生じることになる。前
述のように可撓部２２は肉厚が薄く可撓性を有するため
、起歪体の中心部（以下作用部という）と周辺部（以下
支持部という）との間に変位が生じ、各抵抗素子Ｒが機
械的に変形することになる。この変形によって各抵抗素
子Ｒの電気抵抗が変化し、結局、装置全体の運動加速度
は第２図に示す各ブリッジ電圧の変化として検出される
。

第３図に、応力歪みと抵抗素子Ｒの電気抵抗の変化との
関係を示す。ここでは、説明の便宜上、単結晶基板１０
と起歪体２０の突出部２３のみを図示し、図の左から右
に４つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されている場合を考
える。まず、第３図（ａ）に示すように、装置全体が静
止しているときは、単結晶基板１０に応力歪みは加わら
ず、すべての抵抗素子の抵抗変化は０である。ところが
下方向の加速度が加わると、垂錘体の運動によって作用
部に第３図（ｂ）に示すような下向きの力Ｆ１がかかり
、単結晶基板１０が図のように機械的に変形することに
なる。いま、抵抗素子の導電型をＰ型とすれば、この変
形によって、抵抗素子Ｒ１およびＲ４は伸びて抵抗が増
え（＋記号で示すことにする）、抵抗素子Ｒ２およびＲ
３は縮んで抵抗が減る（−記号で示すことにする）こと
になる。また、右方向の加速度が加わると、垂錘体の運
動によって作用部に第３図（Ｃ）に示すような右向きの
力Ｆ２がかかり、単結晶基板１ｏが図のように機械的に
変形することになる。この変形によって、抵抗素子Ｒ１
およびＲ３は伸びて抵抗が増え、抵抗素子Ｒ２およびＲ
４は縮んで抵抗が減ることになる。なお、各抵抗索子Ｒ
は図の横方向を長手方向とする抵抗素子であるため、図
の紙面に垂直な方向に力を加えた場合は、各抵抗素子と
もに抵抗値の変化は無視できる。このように、本装置で
は加わる力の方向によって抵抗素子の抵抗変化特性が異
なることを利用して、各方向の加速度を独立して検出す
るのである。

装置の動作以下、第４図〜第６図を参照して本装置の動作を説明す
る。第４図はＸ軸方向に加速度が生じた場合、第５図は
Ｙ軸方向に加速度が生じた場合、第６図はＺ軸方向に加
速度が生じた場合、の各抵抗素子に加わる応力（伸びる
方向を＋、縮む方向を−、変化なしを０で示す）をそれ
ぞれ示したものである。各図では、第１図に示す装置を
Ｘ軸に沿って切った断面を（ａ）　、Ｙ軸に沿って切っ
た断面を（ｂ）、そしてＸ軸に平行で素子Ｒｚｌ−Ｒｚ
４に沿って切った断面を（Ｃ）として示すことにする。

まず、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、第４図（ａ）　
、（ｂ）　、　（ｃ）の矢印Ｆｘ　　（第４図（ｂ）で
は紙面に垂直な方向）で示す方向に力が加わり、それぞ
れ図示する極性の応力が発生する。この応力の極性は第
３図の説明から容易に理解できよう。各抵抗素子Ｒには
、この応力に対応した抵抗変化が生じる。たとえば、抵
抗素子Ｒｘｌの抵抗は減り（−）、抵抗素子Ｒｘ２の抵
抗は増え（＋）、抵抗素子Ｒｙｌの抵抗は変化しない（
０）。また、Ｙ軸方向および２軸方向に加速度が生じた
場合は、それぞれ第５図および第６図に示すような矢印
ｐｙおよびＦＺで示す方向に力が加わり、図示するよう
な応力が発生する。

結局、加わる力と各抵抗素子の変化の関係を表にまとめ
ると、表１のようになる。

〈表　　１〉ここで、各抵抗素子Ｒが第２図に示すようなブリッジを
構成していることを考慮に入れると、加わる力と各電圧
計５１〜５３の変化の有無は表２のような関係になる。

く表　２〉抵抗素子Ｒｚｌ　〜Ｒｚ４は抵抗素子Ｒｘ１−ＲＸ４と
ほぼ同じ応力変化を受けるが、第２図に示すようにブリ
ッジ構成が両者具なるため、電圧計５１と５３とは異な
った応答をする点に注意されたい。

結局、電圧計５１．５２．５３は、それぞれＸ軸、Ｙ軸
、Ｚ軸方向の力に応答することになる。なお、表２では
変化の有無だけを示したが、加わる力の方向によって変
化の極性が支配され、また加わる力の大きさによって変
化量が支配されることになる。前述のように、これらの
力は垂鐘体３０の加速度に応じて生じる力であるため、
結局、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸について独立して加速度の向き
と大きさを測定することができる。

ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子の製造以下、本発明に
用いる抵抗素子の製造方法の一例を簡単に述べる。この
抵抗素子はピエゾ抵抗効果を有し、半導体基板上に半導
体プレーナプロセスによって形成されるものである。ま
ず、第７図（ａ）に示すように、Ｎ型のシリコン基板１
０１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ツチングして、開口部
１０３を形成する。続いて同図（ｅ）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１
０４を形成する。なお、この熱拡散の工程で、開口部１
０３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
化ソリコン層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１０７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、上述の製造工程は一例として示したものであり、
本発明は要するに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。

一体形成した実施例上述の実施例では、半導体基板、起歪体、および垂鐘体
がそれぞれ別個の部材から成り、これらを接着すること
によって全体の装置を構成していたが、これらをすべて
同一材料で一体形成することも可能である。第８図は、
シリコン単結晶から成る１チツプで一体形成した実施例
の断面図である。シリコンチップ２００は図のような形
状をしており、抵抗素子が形成されている基板部２０１
、支持部２０２、作用部２０３、および垂鐘部２０４か
ら構成されている。垂鐘部２０４は結局、シリコンとし
ての自重により垂鐘としての働きをする。各抵抗素子は
ボンディングワイヤ２０５によってリード２０６に接続
される。このシリコンチップ２００はモールド樹脂２０
７で封止され、上方には蓋板２０８が接着される。モー
ルド樹脂２０７および蓋板２０８には通気孔２０９が設
けられている。これは、密封してしまうと、温度変化に
よる密封圧の影響が検出結果に表われてしまうためであ
る。

なお、第８図に示すようなシリコンチップ２００を製造
するには、第７図（ｇ）に示す状態から更に、裏面に堆
積された窒化シリコン層１０６をパターニングし、これ
をマスクとしてアルカリ等のエツチング液を用いてエツ
チングを行えばよい。

このように本発明に係る装置は、半導体基板上で面状に
形成された抵抗素子を用いるため、構造が非常に単純に
なる。また、上述のようなプロセスで製造を行うことが
できるため量産に適し、コストダウンを図ることができ
る。しかも抵抗素子は単結晶からなる素子であり、応力
に基づいた高精度の抵抗変化を得ることができるため、
高精度の測定が可能になる。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明によれば、機械的変形によって電気
抵抗が変化する抵抗素子を半導体基板上に形成し、この
半導体基板に起歪体を連接し、この起歪体に垂鐘体を連
接して加速度に応じた応力を抵抗素子に与え、この抵抗
素子の抵抗変化によって加速度の検出を行うように加速
度検出装置を構成したため、構造が単純になり、量産に
適するようになり、しかも高精度の測定を行うことがで
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明に係る加速度測定装
置のそれぞれ側断面図および上面図、第２図は第１図に
示す装置の抵抗素子のブリッジ構成を示す回路図、第３
図は第１図に示す装置における応力歪みと抵抗素子の抵
抗変化との関係を示す原理図、第４図、第５図、第６図
は、第１図に示す装置において、それぞれＸ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸方向に力がかかったときに発生する応力を示す図、
第７図は第１図に示す装置に用いる抵抗素子を単結晶基
板上に形成するプロセスの工程図、第８図は本発明に係
わる加速度測定装置の別な実施例の断面図である。１０・・・シリコン単結晶基板、１１・・・ポンディン
グパッド、１２・・・ボンディングワイヤ、１３・・・
電極、２０・・・起歪体、２１・・・フランジ部、２２
・・・可撓部、２３・・・突出部、２４・・・取付孔、
２５・・・配線孔、３０・・・垂鐘体、４０・・・保護
カバー、５ｏ・・・電源、５１〜５３・・・電圧計、１
０１・・・Ｎ型シリコン基板、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、Ｒ・・・抵
抗素子、２００・・・シリコンチップ、２０１・・・基
板部、２０２・・・支持部、２０Ｂ・・・作用部、２０
４・・・垂鐘部、２０５・・・ボンディングワイヤ、２
０６・・・リード、２０７・・・モールド樹脂、２０８
・・・蓋板、２０９・・・通気孔。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄（α）（ｂ）第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

１．　機械的変形によって電気抵抗が変化する抵抗素子
が少なくとも一面に形成された半導体基板と、支持部と
作用部とを有し、前記作用部の前記支持部に対する変位
に基づいて前記抵抗素子に機械的変形を生じさせるよう
に前記半導体基板に連接された起歪体と、前記起歪体の
前記作用部に連接され、その加速度に応じた変位を前記
作用部に生じさせる垂錘体と、を備えることを特徴とす
る加速度検出装置。
２．　起歪体の中心部または周辺部のどちらか一方を支
持部とし、他方を作用部とすることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の加速度検出装置。
３．　半導体基板がシリコンの単結晶基板からなり、抵
抗素子が半導体プレーナプロセスによってこのシリコン
基板上に形成されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項または第２項記載の加速度検出装置。
４．　半導体基板、起歪体、垂鍾体がシリコンの同一チ
ップ内に一体形成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第３項記載の加速度検出装置。
５．　ＸＹＺの３軸で表現される三次元座標系における
加速度を検出することができ、各軸方向の加速度を検出
するためにそれぞれ少なくとも４つの抵抗素子が設けら
れ、この４つの抵抗素子によってそれぞれブリッジが形
成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
至第４項のいずれかに記載の加速度検出装置。