WO1991010118A1

WO1991010118A1 - Apparatus for detecting physical quantity that acts as external force and method of testing and producing this apparatus

Info

Publication number: WO1991010118A1
Application number: PCT/JP1990/001688
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Okada
Original assignee: Wacoh Corporation
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-12-26
Publication date: 1991-07-11
Also published as: US5295386A; US6474133B1; DE69019343D1; US6185814B1; EP0461265B1; US6512364B1; EP0461265A4; DE69019343T2; EP0461265A1

Description

明細

外力として作用する物理量を検出する装置ならびにこの装置を試験および製造する方法

技術分野背

本発明は、外力として作用する物理量、たとえば作用体に作用する力、重錘体に作用する加速度、磁性体に作用する磁気、などを検出する装置に関するものである。本発明は特に、このような検出装術置の中枢をなす力センザのための信号処理回路、試験方法、製造方法、そしてこの力センサの構造に関するものである。

近年、機械的変形によって電気抵抗が変化するというピエゾ抵抗効果の性質を備えた抵抗素子を、半導体基板上に配列し、この抵抗素子の抵抗値の変化から力を検出する力センサが提案されている。更に、この力センサを応用した加速度センサあるいは磁気センサも提案されている。いずれの装置においても、部分的に可撓性をもつた起歪体が用いられ、この起歪休に生じる機械的変形を抵抗素子の電気抵抗の変化として検出している。起歪体に力を作用させるために作用体が設けられる。この作用体として、加速度に反応する重錘体を用いれば加速度センサとなり、磁気に反応する磁性体を用いれば磁気センサとなる。

たとえば、米国特許第 4905523号、米国特許出願第 2952 1 0号、同第 362399号、同第 470 1 〇 2号、同第 559381号には、本願発明者の発明に係る力 · 加速度 ·磁気のセンサが開示されている。また、米国特許出願第 526837号には、この種のセンザの新規な製造方法が開示されている。

これらに開示された力センサでは、単結晶基板上に形成された抵抗素子の抵抗値の変化から、所定の作用点に加えられた外力の方向と大きさとを検出することができる。この作用点に重錘体を形成しておけば、重錘体に作用した加速度を力として検出することもできるため、加速度センサとして応用することも可能である。また、作用点に磁性体を形成しておけば、磁性体に作用した磁気を力として検出することもできるため、磁気センサとして応用することも可能である。

し力、しな力《ら、従来の力センサ（あるいは同じ原理に基づく加速度センサ、磁気センサ）には、二次元あるいは三次元の各軸方向についての出力特性に干渉が生じるという問題がある。たとえば、三次元の加速度センサでは、所定の作用点に作用する加速度の X軸方向成分、 Y 軸方向成分、 Z軸方向成分、のそれぞれが独立して検出されなければならない。ところ力く、従来のセンサでは、これらの各拿由方向成分が互いに干渉しあい、ある 1軸方向成分の検出値が他軸方向成分の検出値に多少なりとも影響されてしまっていた。このような干渉は、測定値の信頼性を低下させるため好ましくない。

そこで本発明は、他軸方向成分の干渉を受けない正確な検出値を得ることのできる信号処理回路を提供することを第 1 の目的とする。

また、このようなセンサを大量生産して市場に出すためには、製造工程の最後に試験を行う必要がある。カセンサについての試験は比較的容易に行うことができる。すなわち、作用点に所定の大きさの力を所定の方向に作用させ、このときの検出出力をチェックすればよい。ところ力《、加速度センサや磁気センサについての試験はより複雑になる。センサ本体は密封された状態となっているため、実際に外部から加速度あるいは磁気を作用させながら、検出出力をチェックする必要がある。特に、加速度センサでは、振動発生装置を用いてセンサ本体に振動を与えて試験を行っているのが現状であり、試験装置が大掛かりになる上、振動という動的な加速度についての試験しか行うことができないという問題もある。

そこで本発明は、加速度センサや磁気センサのような力の作用体を有するセンサについて、より簡単に試験を行うことができる試験方法を提供するとともに、この試験方法を直ちに実施しうる機能をもったセンサを提供することを第 2の目的とする。

更に、従来提案されている抵抗素子を用いたセンサは、感度の高い測定を行う場合に問題があった。たとえば、加速度センサの場台、車両の衝突検出などに利用するには、フルスケールで 1 0 G〜 1 0 0 Gといった程度の加速度を検出できれば十分であるが、カメラの手振れ制御、車両のサスペンション制御、車両のアンチロックブレーキシステムの制御などを行うためには、 1 G〜 1 0 Gといつた程度の加速度を検出する必要がある。このような高感度の加速度検出を行うためには、加速度に基づいて力を発生させる機能をもつた作用体の重量を増す必要がある。ところ力 <、従来のセンサの構造では、作用体を大きくすることが困難であつた。

また、高感度のセンサでは、所定限界以上の大きな力が加わつた場合に、半導体基板が損傷する危険性が高くなる。このため、作用体の変位を所定範囲内に制限する部材を作用体の周囲に設ける必要があり、構造が複雑になるという問題が生じる。

更に、三次元方向に作用する力、加速度、磁気などを検出する場合には、半導体基板の基板面に平行な方向とこれに垂直な方向との間で、検出感度に差が生じる。このように検出方向によって感度差が生じることは、高感度のセンサでは特に好ましくない。

そこで本発明は、より高感度な物理量測定に適した抵抗素子を用いたセンサおよびその製造方法を提供することを第 3の'目的とする。発明の開示

I . 第 1の目的に関する特徵

他軸方向成分の干渉を受けない正確な検出値を得ることのできる信号処理回路を提供するという第 1 の目的を達成するために、本発明は以下の各特徴を有する。

(1) 第 1 の特徴は、 X Y Z三次元座標系における所定の作用点に外力が作用したとき、この外力によって単結晶基板に機械的変形が生じるようにし、作用点に作用した外力の X軸方向成分 A X 、 Y軸方向成分 Ay 、 Z幸由方向成分 Az を、機械的変形に起因して発生する電気信号 Vx 、 V y 、 V z に基づいて検出するセンサ用の信号処理回路において、

A x , A y , A z と V x , V y , V z との間に、 Ax = K 11 V x + Κ 12 V y + Κ 13Vz

A y - K 21 V x + K 22Vy + K 23V z

Az = K 31 V x + K 32V y + K 33 V z

なる関係式が成り立つような係数 K 11, K 12, K】3， Κ 21, Κ 22, Κ 23, Κ 31, Κ 32, Κ 33を求め、アナログ乗算器を用いて関係式の右辺の項の値を演算し、アナ口グ加減算器を用いて関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から検出値 Ax 、 Ay 、 Az を得るように構成したものである。

(2) 第 2の特徴は、所定の作用点に外力が作用したとき、この外力によって単結晶基板に機械的変形が生じるようにし、作用点に作用した外力の X軸方向成分 Ax と、これに直交する Y軸方向成分 Ay とを、機械的変形に起因して発生する電気信号 Vx と Vy とに基づいて検出する加速度検出装置用信号処理回路において、

Ax , Ay と Vx , Vy との間に、

Ax = K 11 V + Κ 12V y

Ay = K 21 V x + K 22V y

なる関係式が成り立つような係数 K 11, K 12, K 21, K22を求め、アナログ乗算器を用いて関係式の右辺の項の値を演算し、アナログ加減算器を用いて関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から検出値 Ax および A y を得るように構成したものである。

(3) 第 3の特徴は、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示す複数の抵抗素子を単結晶基板上に配置し、 X Y Z三次元座標系における所定の作用点に外力が作用したとき、この外力によつて単結晶基板に機械的変形が生じるようにし、作用点に作用した外力の X軸方向成分 Ax 、 Y軸方向成分 Ay 、 Z軸方向成分 Az を、複数の抵抗素子によつて構成されるブリッジ回路に基づいて得られる電圧値 Vx 、 Vy 、 Vz に基づいて検出するカセンサ用の信号処理回路において、

A x , A y ， A z と V x , V y , V z との間に、 A x = K 11 V x + K 12 V y + Κ 13 V ζ

A y = Κ 21 V χ + Κ 22 Vy + K 23 V ζ

Az = Κ 31 V χ + Κ 32Vy + K 33 Vz

なる関係式が成り立つような係数 K 11, Κ 12, Κ 13, Κ 21, Κ 22, Κ 23, Κ 31, Κ 32, Κ 33を求め、アナログ乗算器を用いて関係式の右辺の項の値を演算し、アナ口グ加減算器を用いて関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から検出値 Ax 、 Ay 、 Az を得るように構成したものである。

(4) 第 4の特徴は、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示す複数の抵抗素子を単結晶基板上に配置し、所定の作用点に外力が作用したとき、この外力によって単結晶基板に機械的変形が生じるようにし、作用点に作用した外力の X軸方向成分 Ax と、これに直交する Y軸方向成分 Ay とを、複数の抵抗素子によって構成される 2組のプリッジ回路のそれぞれのブリッジ電圧値 Vx と Vy とに基づいて検岀する加速度検出装置用信号処理回路において、

A , Ay と V x ， Vy との間に、

A = K 11 V X + K 12 V y A y = K 21 V x + K 22 V y

なる関係式が成り立つような係数 K l l , K 12 , K 21 , K 22を求め、アナログ乗算器を用いて関係式の右辺の項の値を演算し、アナログ加減算器を用いて関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から検出値 A x および A y を得るように構成したものである。

上述の信号処理回路によれば、各軸方向成分間に生じる干渉の様子を示す特性行列とその逆行列である逆特性行列が予め求められる。そして、この逆特性行列を用いた捕正演算を行うことにより、干渉の影響を相殺することができる。しかも、この補正演算はすべてアナログ演算回路で行われるため、回路構成は単純になり、低コス卜で補正回路を実現することができる。また、アナログ演算であるため、演算速度も高速となり、瞬時の現象を測定する場合にも支障は生じない。

Π . 第 2の目的に関する特徴

各センサについて、簡単な試験方法を提供するという第 2の目的を達成するために、本発明は以下の各特徵を有する。

( 1) 第 1の特徵は、

力の作用を受ける作用部、センサ本体に固定される固定部、およびこれらの間に形成され可撓性をもった可撓部、を有する起歪体と、作用した力を作用部に伝達させるための作用体と、伝達された力によって起歪体に生じる機械的変形を、電気信号に変換することにより、作用体に作用した力を電気信号として検出する検出手段と、

を備えるセンサを試験する方法において、

互いに対向した位置にあり、力の作用により両者間に変位を生じる第 1 の部位および第 2の部位を定め、両者間にクーロン力を作用させ、この作用させたクーロン力と検出手段による検出結果とに基づいて、センサの試験を行うようにしたものである。

この第 1 の特徴によれば、第 1 の部位と第 2の部位との間にクーロン力が働く。このクーロン力により、第 1 の部位が第 2の部位に対して変位を生じることになり、起歪体に機械的変形を誘起させる。したがって、作用体に外力を作用させたのと同じ状態を創り出すことができ、実際に外力を作用させることなしにセンサの試験を行うことができるようになる。

(2) 第 2の特徴は、上述の第 1 の特徴をもった方法おいて、

第 1 の部位に第 1 の電極層を形成し、第 2の部位に第 2の電極層を形成し、第 1 の電極層および第 2の電極層に、それぞれ同じ極性の電圧を印加することにより両者間に斥力を作用させながら行う試験と、それぞれ異なる極性の電圧を印加することにより両者間に引力を作用させながら行う試験と、を行うようにしたものである。この第 2の特徵によれば、対向する 2つの電極層間に電圧を印加することにより、クーロン力を作用させることができる。しかも、印加する電圧の極性を選択することにより、クーロン力を斥力としても引力としても作用させることができるようになり、より自由度をもった試験が可能になる

(3) 第 3の特徴は、

力の作用を受ける作用部、センサ本体に固定される固定部、およびこれらの間に形成され可撓性を持った可撓部、を有する起歪体と、

作用した力を作用部に伝達させるための作用体と、伝達された力によつて起歪体に生じる機械的変形を、電気信号に変換することにより、作用体に作用した力を電気信号として検出する検出手段と、

を備えるセンサを試験する方法において、

互いに対向した位置にあり、力の作用により両者間に変位を生じる第 1 の面および第 2の面を定め、第 1 の面上に電極層を形成し、第 2の面上の複数箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の電極層を形成し、

第 1 の面上の電極層には第 1の極性の電圧を印加し、第 2の面上の各電極層には第 1の極性の電圧またはこれとは逆の第 2の極性の電圧を各電極層ごとに選択的に印加し、第 1 の面上の電極層と第 2の面上の電極層との間に斥力または引力からなるクーロン力を作用させ、この作用させたクーロン力と検出手段による検出結果とに基づいて、センサの試験を行うようにしたものである。

この第 3の特徴によれば、一方の電極層を複数の副電極層としたため、印加する電圧の極性を選択することにより、種々の方向にク一ロン力を作用させた試験を行うことができるようになる。

(4) 第 4の特徴は、加速度センサにおいて、力の作用を受ける作用部、センサ本体に固定される固定部、およびこれらの間に形成され可撓性をもった可撓部、を有する起歪体と、

センサ本体に加わる加速度によって力の作用を受け、この作用した力を作用部に伝達して起歪体に機械的変形を生じさせるための重錘体と、

起歪体に生じる機械的変形によつて抵抗値が変化する性質をもつた抵抗素子と、

加速度の作用により変位を生じる第 1の面に形成された第 1 の電極層と、

第 1の面に対向した第 2の面に形成された第 2の電極層と、

抵抗素子、第 1 の電極層、および第 2の電極層を、外部の電気回路と接続させるための配線手段と、

を設け、第 1の電極層および第 2の電極層に所定の電圧を印加して両電極層間にクーロン力を作用させることにより、加速度が作用していない状態であっても起歪体に機械的変形を生じさせることができるように構成したものである。

この第 4の特徴によれば、加速度センサ内に、上述の第 1 の特徴に係る試験を'実施するための 2つの電極層が形成され、これに対する配線がなされる。したがって、この加速度センサに所定の電気回路を接続するだけで試験を行うことができる。

(5) 第 5の特徴は、磁気センサにおいて、

力の作用を受ける作用部、センサ本体に同定される固定部、およびこれらの間に形成され可撓性をもった可撓部、を有する起歪体と、

センサ本体が置かれた磁界によつて力の作用を受け、この作用した力を作用部に伝達して起歪体に機械的変形を生じさせるための磁性体と、

磁力の作用により変位を生じる第 1 の面に形成された第 1 の電極層と、

第 1 の面に対向した第 2の面に形成された第 2の電極層と、

抵抗素子、第 1の電極層、および第 2の電極層を、外部の電気回路と接続させるための配線手段と、

を設け、第 1の電極層および第 2の電極層に所定の電圧を印加して両電極層間にクーロンカを作用させることにより、磁力が作用していない状態であっても起歪体に機械的変形を生じさせることができるように構成したものである。

この第 5の特徵によれば、磁気センサ内に、上述の第 1 の特徴に係る試験を実施するための 2つの電極層が形成され、これに対する配線がなされる。したがって、この磁気センサに所定の電気回路を接続するだけで試験を行うことができる。

( 6) 第 6の特徴は、上述の第 4または第 5の特徴をもったセンサにおいて、第 1の電極層と第 2の電極層のうち、一方の電極層を電気的に単一の電極層で構成し、他方の電極層を電気的に独立した複数の副電極層で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、起歪体に生じる機械的変形に方向性をもたせうるようにしたものである。

この第 6の特徵によれば、一方の電極層を単一の電極層で構成し、他方の電極層を複数の副電極層で構成するようにしたため、印加する電極の極性を選択することにより、種々の方向にクーロン力を作用させた試験を行うことができるようになる。

(7 ) 第 7の特徴は、上述の第 6の特徴をもったセンザにおいて、他方の電極層を電気的に独立した 2枚の副電極層で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、 2枚の副電極層の中心を結ぶ線方向に関する機械的変形と、 2枚の副電極層の層面に対して垂直な方向に関する機械的変形と、を起歪体に生じさせるようにしたものである。

この第 7の特徴によれば、副電極層を 2枚設けるようにしたため、互いに垂直な 2とおりの方向に関してク一ロン力を作用させた試験を行うことができるようになる。

(8) 第 8の特徴は、上述の第 6の特徴をもったセンザにおいて、他方の電極層を電気的に独立した 4枚の副電極層で構成し、これらの副電極層を直交する 2線分の各端点位置に配置し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、 2線分のうち第〗の線分方向に関する機械的変形と、第 2の線分方向に関する機械的変形と、 4枚の副電極層の層面に対して垂直な方向に関する機械的変形と、を起歪体に生じさせるようにしたものである。

この第 8の特徵によれば、副電極層を十字状に 4枚設けるようにしたため、互いに垂直な 3とおりの方向に関してクーロンカを作用させた試験を行うことができるようになる。

(9) 第 9の特徴は、上述の第 4または第 5の特徴をもったセンサにおいて、第 1の電極層および第 2の電極層を、それぞれ電気的に独立した複数の第 1 の副電極層および電気的に独立した複数の第 2の副電極層で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより起歪体に生じる機械的変形に方向性をもたせうるようにしたものである。

この第 9の特徵によれば、より自由度をもった選択が可能になり、種々の方向にクーロン力を作用させた試験を行うことができるようになる。 m . 第 3の目的に関する特徴

より高感度な物理量測定に適したセンサおよびその製造方法を提供するという第 3の目的を達成するために、本発明は以下の各特徴を有する。

( 1 ) 第：！の特徴は、基板のほぼ中心に作用部、その周囲に可撓部、更にその周囲に固定部を定義し、この基板下面の可撓部に溝を掘るか、またはこの基板の可撓部に貫通孔を形成することにより可撓部に可撓性をもたせ、基板上面の可撓部に機械的変形に基づいて電気抵抗が変化する抵抗素子を形成し、作用部の固定部に対する変位に基づいて生ずる抵抗素子の電気抵抗の変化を検出することにより、作用部に作用した物理量を検出するセンサにおいて、

作用部下面に、この作用部に力を伝達させるための作用体を接台し、

固定部下面の第 1 の部分に、この固定部を支持するための台座を接合し、かつ、固定部下面の第 2の部分と、作用体上面の一部分とが、所定の間隙をおいて対向するように構成し、この第 2の部分によつて作用体の上方への変位を所定範囲内に制限できるようにしたものである。

この第 1の特徵よれば、作用体の上面中心部は基板の作用部下面に接台されるが、その側部は基板の固定部下方にまで延びることになる。したがって、全体的に作用体の体積を大きく設計することが可能になり、作用体の重量が増し、感度を向上させることが容易にできる。また、作用体の側部が基板の固定部下方にまで延びているので、基板の固定部下面を制御部材として利用し、作用体の上方への変位を制限することがてきるようになる < したがつて、別個に上方への制御部材を設ける必要がなくなり、構造を単純にすることができるようになる。

(2) 第 2の特徴は、上述の第 1 の特徴をもったセンサにおいて、

台座の内側面と、作用体の外側面とが、所定の間隙をおいて対向するように構成し、台座の内側面によつて作用休の横方向への変位を所定範囲内に制限できるようにしたものである。

この第 2の特徴によれば、更に、台座の内側面と作用体の外側面とが、所定の間隙をおいて対向するように構成される。このため、台座の内側面を制御部材として利用し、作用休の横方向への変位を制限することができるようになる。したがって、別個に横方向への制限部材を設ける必要がなくなり、構造を単純にすることができるようになる。

(3) 第 3の特徴は、上述の第 1 または第 2の特徴をもったセンサにおいて、

所定の制御面と、作用体の下面とが、所定の間隙をおいて対向するように、台座を制御面に固定し、この制御面によって作用体の下方向への変位を所定範囲内に制限できるようにしたものである。

この第 3の特徴によれば、更に、所定の制御面を設け、作用体の下面とこの制御面とが、所定の間隙をおいて対向するように、台座がこの制御面に固定される。した力つて、この制御面によって作用体の下方向への変位を所定範囲内に制限できるようになる。

(4) 第 4の特徴は、基板のほぼ中心に作用部、その周囲に可撓部、更にその周囲に固定部を定義し、この基板下面の可撓部に溝を掘るか、またはこの基板の可撓部に貫通孔を形成することにより可撓部に可撓性をもたせ、基板上面の可撓部に機械的変形を電気信号に変換するトランスデューサを形成し、作用部の固定部に対する変位に基づいて生ずる電気信号の変化を検出することにより、作用部に作用した物理量を検出するセンサにおいて、作用部下面に、この作用部に力を伝達させるための作用体を接合し、かつ、この作用体の重心 Gから、基板上面に垂線を下ろしたとき、この垂線の長さ Lと、垂線の足 Pから溝の外側部分までの距離 r と、の間に、 L < rなる関係が成り立つように構成したものである。

この第 4の特徴は、本願発明者が、基板上面の中心部に定義された作用点と作用体の重心点との間の距離について、その最適範囲を発見したことに基づく。この最適範囲は、三次元方向の物理量を検出するときに、すべての方向についての感度がほぼ均一になるような条件を満たすものである。このため、方向による検出感度に差のないセンサが実現できる

(5) 第 5の特徴は、抵抗素子を用いたセンサの製造方法において、

第 1 の基板上に幅をもつた方環状の可撓領域を定義し、この方環の内側または外側のいずれか一方に作用領域を、他方に固定領域を、それぞれ定義する段階と、

第 1の基板の第 1の面上の可撓領域内に、抵抗素子を形成する段階と、

第 1の基板の第 2の面上に方環位置に合わせて井桁状の溝を堀り、可撓領域にこの井桁状の溝の一部からなる方形状溝を形成し、可撓領域に可撓性をもたせる段階と、

第 1の基板の第 2の面に、第 2の基板の第 1の面を接合する段階と、第 2の基板を切断することにより、第 1 の基板の作用領域に接合しており第 2の基板の一部分から構成される作用体と、第 1 の基板の固定領域に接合しており第 2の基板の一部分から構成される台座と、を形成する段階と、を行うようにしたものである。

この第 5の特徴によれば、第 1の基板の第 2の面上の可撓領域に方形状の溝が形成される。この方形状の溝は、機械的加工によつて井桁状の溝を掘ることにより容易に形成することができるため、正確な溝を効率的に形成することができるようになる。また、第 2の基板の一部によって重錘休あるいは磁性体が形成され、別な一部によつて第 1 の基板を支えるための台座が形成される。すなわち、ダイシング工程を行う前に、ウェハ単位で重錘体あるいは磁性体、そして台座の形成が可能になる。

(6) 第 6の特徴は、抵抗素子を用いたセンサの製造方法において、

第：！の基板上に複数の単位領域を定義し、各単位領域内において、幅をもった方環状の可撓領域を定義し、この方環の内側または外側のいずれか一方に作用領域を、他方に固定領域を、それぞれ定義する段階と、

第 1 の基板の第 1の面上の各可撓領域内に、抵抗素子を形成する段階と、

第 1 の基板の第 2の面上に、縦方向および横方向にそれぞれ複数の溝を掘り、各単位領域において、作用領域または固定領域の四方にそれぞれ 4つの溝が形成され、この溝によつて可撓領域に可撓性が生じるようにする段階と、

第 1の基板の第 2の面に、第 2の基板の第 1 の面を接台する段階と、

第 2の基板を切断することにより、各単位領域において、第 1の基板の作用領域に接合しており第 2の基板の一部分から構成される作用体と、第 1 の基板の固定領域に接台しており第 2の基板の一部分から構成される台座と、を形成する段階と、

第 1 の基板および第 2の基板を、各単位領域ごとに切り離し、それぞれ独立したセンサを形成する段階と、を行うようにしたものである。

この第 6の特徴によれば、第 1の基板上に複数の単位領域が定義され、この複数の単位領域それぞれについて同時に処理が進行し、最終的に 1単位領域が 1つのセンサュニットを構成することになる。第： [ の基板の第 2の面上に、縦方向および横方向にそれぞれ複数の溝が掘られ、各単位領域において、作用領域または固定領域の四方にそれぞれ 4つの溝が形成されるようになる。この溝によって可撓領域に可撓性が与えられる。溝は、碁盤状に縦横に形成すればよいので、機械的加工によって容易に掘ることができ、正確な溝を効率的に形成することができるようになる。図面の簡単な説明第 1図は本発明の適用対象となる加速度センサの断面図、

第 2図は第 1図のセンサの中枢となる半導体ペレツトの上面図、

第 3図は第 1図のセンサの重錘体および台座の上面図、第 4図は第 1図のセンサの下部制御部材の上面図、第 5図は第 1図のセンサの上部制御部材の下面図、第 6 a — 6 c図は第 1図のセンサに関して組まれたブリッジ回路図、

第 7 a - 7 c図は第 1図に示すセンサに X軸方向の力 F X が作用したときの応力分布図、

第 8 a — 8 c図は第 1図に示すセンサに Y軸方向の力 F y が作用したときの応力分布図、

第 9 a - 9 c図は第 1図に示すセンサに Z軸方向の力 F z が作用したときの応力分布図、

第 1 0図は第 1図に示すセンサの検出動作を示すための表、

第 1 1図は本発明による加速度検出装置用信号処理回路のブ口ック図、

第 1 2図は本発明による別な加速度検出装置用信号処理回路のブロック図、

第 1 3図は本発明の信号処理回路に用いる乗算器の具体的な回路図、

第 1 4図は本発明の信号処理回路に用いる加算器の具体的な回路図、

第 1 5図は本発明の信号処理回路に用いる乗算器および加算器を兼ねた具体的な回路の回路図、

第 1 6図は本発明による加速度検出装置用信号処理冋路の具体的な部分回路図、

第 1 7図は第 1図のセンサの重錘体および台座に電極層を形成した状態を示す斜視図、

第：！ 8図は第 1図のセンサの半導体ペレツ卜に電極層を形成した状態を示す上面図、

第 1 9図は第 1図のセンサの中枢部の各部に電極層を形成した状態を示す断面図、

第 2 0図〜第 2 2図は第 1図のセンサの中枢部の変位状態を示す断面図、

第 2 3図は第 1図のセンサの半導体べレットに実用的な電極層を形成した状態を示す上面図、

第 2 4図は第 1図のセンサの中枢部の所定箇所に実用的な電極層を形成した状態を示す断面図、

第 2 5図は第 1図のセンサの中枢部の所定箇所に別な実施例に係る電極層を形成した状態を示す断面図、

第 2 6図は第 1図のセンサの半導体ペレツ卜に更に別な実施例に係る電極層を形成した状態を示す上面図、第 2 7図は第 1図のセンサの上部制御部材にまた別な実施例に係る電極層を形成した状態を示す下面図、第 28図は第 1図のセンサの中枢部の所定箇所にまた別な実施例に係る電極層を形成した状態を示す断面図、第 29図は第 1図のセンサの中枢部の所定箇所に更にまた別な実施例に係る電極層を形成した状態を示す断面図、

第 3 0 a図は第 1図に示すセンサの重錘休に Z方向の力が作用したのと同じ状態を実現するための電圧の印加方法を示す模式図、

第 3 0 b図は第；！図に示すセンサの重錘体に一 Z方向の力が作用したのと同じ状態を実現するための電圧の印加方法を示す模式図、

第 3 1図は本発明の一実施例に係る加速度センサの構造側断面図、

第 3 2図は第 3 1図に示すセンサの装置中枢部の斜視図、

第 3 3図は第 3 2図に示す装置中枢部の詳細側断面図、第 34図は第 3 3図に示す半導体ペレツト 3 1 0の上面図、

第 3 5図は第 3 3図に示す重錘体 3 2 0および台座 3 3 0の上面図、

第 3 6図は第 3 3図に示す制御基板 34 0の上面図、第 3 7 図および第 3 8図は第 3 5図に示す重錘体 3 2 ひおよび台座 3 3 0を形成するもとになる補助基板 3 5 0の側断面図および上面図、

第 3 9図は第 3 3図に示す半導体べレット 3 1 0に重錘体 3 2 0を接合する位置を示す図、

第 4 0図および第 4 1図は本発明の別な実施例に係る補助基板を示す側断面図および上面図、

第 4 2図および第 4 3図は本発明の更に別な実施例に係る半導体ペレツトを示す側断面図および下面図、第 4 4図は第 4 3図に示す半導体ペレット 3 1 0 ' に重錘体 3 2 0を接合する位置を示す図、

第 4 5図は本発明のまた別な実施例に係る加速度センザの構造側断面図、

第 4 6図および第 4 7図は本発明の一実施例に係る力センサの側断面図、

第 4 8図は従来のエア一バッグシステムの説明図、第 4 9図は本発明に係る加速度センサを利用したエアーバッグシステムの説明図、

第 5 0図は本発明による寸法設計の原理を示す図、第 5 1図は本発明に係るセンサに特有な試験方法を適用したときの構造を示す側断面図、

第 5 2図は第 5 1図に示す制御基板 3 4 0の上面図でめ o 発明を実施するための最良の形態

§ 1 センサの基本構造

1 . 加速度センサの構造

本発明は、外力として作用する物理量を検出する装置一般に広く適用しうるものであり、力センサは勿論のこと、加速度センサ、磁気センサにも利用しうるものである。別言すれば、いずれのセンサもその中枢部分の基本構造は共通したものである。そこで、ここでは加速度センサを例にとり、本発明の適用対象を簡単に説明しておくことにする。

第 1図は加速度センサの一例を示す構造断面図であるこのセンサの中枢ュニッ卜となるのは、半導体ペレツト

1 0である。この例では、シリコンの単結晶基板が用いられている。この半導体ペレット 1 0の上面図を第 2図に示す。第 1図の中央部分に示されている半導体ペレツト 1 0の断面は、第 2図を X軸に沿って切断した断面に相当する。この半導体べレット 1 0は、内側から外側に向かって順に、作用部 1 1、可撓部 1 2、固定部 1 3の 3つの領域に分けられる。第 2図に破線で示されているように、可撓部 1 2の下面には、環状に溝が形成されている。この溝によって、可撓部 1 2は肉厚が薄くなり、可撓性をもつことになる。したがって、固定部 1 3を固定したまま作用部 1 ュに力を作用させると、可撓部 1 2 が撓んで機械的変形を生じる。こうして半導体ペレット

1 0は起歪体としての機能をもつ。可撓部 1 2の上面には、第 2図に示すように、抵抗素子 Rxl〜Rx4, R yl~ Ry4， Rzl〜Rz4が所定の向きに形成されている。

第 1 図に示すように、作用部 1 1 の下方には重錘体 2 0が接合されており、固定部 1 3の下方には台座 2 1 , 2 2が接続されている。半導体ペレット 1 0としてシリコン基板を用いているので、重錘体 2 0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。また、第 1図には示されていないが、紙面垂直方向に、更に台座 2 3， 24が配置されており、斜め方向には台座 2 1 a〜 24 aが配置されている。この様子は、重錘体 2 0と台座 2 1〜 24， 2 1 a 〜 24 aのみの上面を示す第 3図に明瞭に示されている。第 1図に示されている断面は、第 3図を切断線 1 一 1 に沿って切断した断面に相当する。なお、台座が第 3図に示すような状態で配されているのは、米国特許出願第 5

2683 7号（欧州特許出願第 9 0 1 1 0 0 66. 9号）明細書に開示されている製造工程を実施したためであり、詳細は同明細書を参照されたい。台座 2 1〜 24の下方には、制御部材 3 0が接続されている。この制御部材

3 0の上面を第 4図に示す。制御部材 3 0の上面には、矩形の溝 3 1 (第 4図でハッチングを施す部分：後述するように、この図のハツチング部分は断面を示すのではなく、電極形成部を示す。）が形成されている。第 1 図に示されている断面は、第 4図を切断線 1 一 1 に沿つて切断した断面に相当する。また、半導体べレツ卜 1 ϋの上面には、制御部材 4 0が被さっている。この制御部材 4 0の下面を第 5図に示す。制御部材 4 0の下面には、矩形の溝 4 1 (第 5図でハッチングを施す部分：後述するように、この図のハツチング部分は断面を示すのではなく、電極形成部を示す。）が形成されている。第 1 図に示されている断面は、第 5図を切断線 ] 一 1 に沿つて切断した断面に相当する。

制御部材 3 0の底面はパッケージ 5 0の内側底面に接合されており、半導体べレット 1 0および重錘体 2 0は台座 2 1 〜 2 4および 2 1 a ~ 2 4 aによって支持される。重錘体 2 ◦は内部で宙吊りの状態となっている。パッケージ 5 0には、蓋 5 1が被せられる。半導体ペレツト 1 0に設けられたボンディングパッド 1 4は、各抵抗素子に対してペレツ卜内で電気的に接続されており、このボンディングパッド 1 4とパッケージ側方に設けられた外部配線用電極 5 2とは、ボンディングワイヤ 1 5によって接続されている。

このセンサに加速度が加わると、重錘体 2 ◦に外力が作用することになる。この外力は作用部 1 1 に伝達され、可撓部 1 2に機械的変形が生じる。これによつて、抵抗素子の電気抵抗に変化が生じ、この変化はボンディングワイヤ 1 5およびリード 5 2を介して外部に取り出すことができる。作用部 1 1 に加わった力の X方向成分は抵抗素子 Rxl〜Rx4の電気抵抗の変化により、 Y方向成分は抵抗素子 Ryl〜Ry4の電気抵抗の変化により、 Z方向成分は抵抗素子 Rzl〜Rz4の電気抵抗の変化により、それぞれ検出される。この検出方法については後述する。加速度センサとして実用した場合、大きな加速度がかかると、重錘体 2 ◦に過度な外力が作用することになる。その結果、可撓部 1 2に大きな機械的変形が生じ、半導体ペレット 1 0が破損する可能性がある。このような破損を防ぐため、第 1図に示すセンサでは、制御部材 3 〇および 4 0が設けられている。制御部材 3 0は、重錘体 2 0の下方向の変位が許容値を越えないように制御するものであり、制御部材 4 0は、重錘体 2 0 (実際には作用部 1 1 ) の上方向の変位が許容値を越えないように制御するものである。また、台座 2 1〜 24は、重錘体の横方向の変位が許容値を越えないように制御する役割を果たす。重錘体 2 0に過度の外力が作用して、上述の許容値を越えて動こうとしても、重錘体 2 0はこれらの部材に衝突してその移動が阻まれることになる。結局、半導体べレット 1 ◦には、許容値以上の機械的変形が加えられることはなく、破損から保護される。

第 2図に示されているように、半導体べレット 1 0の上面には、複数の抵抗素子 R (Rxl〜Rx4， Ryl~Ry4, Rzl〜Rz4) が形成されている。これらの抵抗素子 Rは、機械的変形によつ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 1 2の上面に所定の向きで配置されている。パッケージ 50側面の配線孔を通るようにして、外部配線用電極 52が、パッケージ内部から外部へと導出されている。この外部配線用電極 52 の内部端は、ボンディングワイヤ 1 5によって、半導体ペレツ卜 1 ◦の固定部 1 3上に設けられたボンディングパッド 14 (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 14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 52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つて測定することができる。

1. 2 加速度センサの動作

いま、第 2図の右方向に X軸を、上方向に Y铀を、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、 X Y Z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 Rxl〜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 Ryl〜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 Rzl〜 R z4は X軸近房に X軸に沿うように配され、 Z軸方向の加速度成分の検出に用いられる。抵抗素子 Rzl〜Rz4は任意の牵由上に配置することができる力ピエゾ抵抗係数の結晶依存性を考慮した適切な位置に配置するのが好ましい。前述のように、これら各抵抗素子 Rは、外部配線用電極 5 2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 6 a 〜 6 c図に示すようなプリッジ回路が組まれている。すなわち、抵抗素子 R x l〜R x4については第 6 a図に示すようなプリッジ回路が組まれ、抵抗素子 R y l〜R y4については第 6 b図に示すようなブリッジ回路が糾まれ、抵抗素子 R zl〜R z4については第 6 c図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 6 0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圧計 6 1 , 6 2 , 6 3によって測定される。第 1図に示されているように、重錘体 2 0は、周囲の台座 2 1 〜 2 4に囲まれた中央部空間に宙吊りの状態となっている。パッケ一ジ 5 0に加速度が加わると、この加速度に起因して重錘体 2 0に外力が作用し、重錘体 2 0が定位置から変位する。したがって、この重錘体 2 0に接続された作用部 1 1 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 1 2の機械的変形によって吸収される。可撓部 1 2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 6 a〜 6 c図に示すブリッジ回路の平衡条件がくずれて電圧計 6 1 , 6 2 , 6 3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。

さて、抵抗素子 Rを第 2図に示すように配置すると、第 6 a〜 6 c図のプリッジ回路において、電圧計 6 1 により X軸方向の加速度成分が、電圧計 6 2により Y軸方向の加速度成分が、電圧計 6 3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 o

第 7 a〜 7 c図は、第 1図に示す装置において、重錘体 2 ◦に X 由方向の力 F X 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。第 7 a図は抵抗素子 R X 1〜 R x4に沿つた断面における応力分布を示し、第 7 b図は抵抗素子 Ryl〜Ry4に沿つた断面における応力分布を示し、第 7 c図は抵抗素子 Rzl〜Rz4に沿つ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 +、縮む方向を符号一で示してある。たとえば、第 7 c図は、重錘体 2 0に X方向の力 F x が作用したときの抵抗素子 Rxl〜Rx4に沿つた断面における応力分布を示している。重錘体 2 0に作用した力 F X は、半導体べレット 1 0の表面においてはモーメン卜力として作用し、抵抗素子 R 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 Rx4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 Ryl〜Ry4については、第 7 b図に示すように、応力は変化しない。これは、抵抗素子 Ryl〜Ry4の配置方向 (Y軸方向）が力 F x の方向に直交しているためである。抵抗素子 Rzl〜Rz4については、第 7 c図に示すように、抵抗素子 Rxl〜Rx4と同じ変化が生じる。同様に、 Y軸方向の力 F y が作用した場合の各抵抗素子 Rに生じる応力分布を第 8 a〜 8 c図に、 Z軸方向の力 F z が作用した場合の各抵抗素子 Rに生じる応力分布を第 9 a〜 9 c 図に示す。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 2 0に作用した力 F x , F y , F z と各抵抗素子の抵抗値の変化との関係は、第 1 0図の表のようになる。ここで、符号 +は抵抗値の増加、符号一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。

この表と、第 6 a〜 6 c図のプリッジ回路とを参照すれば、電圧計 6 1 によって力 F X が検出され、電圧計 6 2によつて力 F が検出され、電圧計 6 3によつて力 F z が検出されることが理解できょう。たとえば、力 F X が作用した場合、第 6 a図のプリッジ回路では、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 6 1 の針は振れることになる。ところが、第 6 b図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 6 2の針は振れず、第 6 c図のプリッジ回路では、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 6 3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 6 1〜6 3 'の針の振れとして検出される。

なお、この実施例では、 X Y Zの 3軸すベ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、 X Y、 Y Z、あるいは X Z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、抵抗素子ゃブリッジ回路は 2轴分についてのみ用意すればよい。また、ここでは 3組のブリッジを用いて 3軸方向のそれぞれの加速度成分を検出する例を示したが、 2組のブリツジを用いて 3軸方向のそれぞれの加速度成分を検出する装置（たとえば、米国特許第 4 7 4 5 8 1 2号）に対しても木発明を適用することができる。また、ここでは、加速度検出装置を例に.とって説明したが、重錘体 2 0の代わりに磁性体を用いれば、この装置は磁性体に作用する磁気を検出する磁気検出装置となり、重錘体 2 0に直接外力が作用するような構造にすれば力検出装置となる。

§ 2 信号処理回路

2 . 1 信号処理の基本原理

続いて、本発明に係る信号処理回路についての説明を行う。前述のように、検出対象となる力（あるいは、加速度や磁気）は、第 6 a〜 6 c図に示すプリッジ回路において、その X軸方向成分は電圧計 6 1 における電圧値 Vx により、 Y軸方向成分は電圧計 6 2における電圧値 Vy により、 Z軸方向成分は電圧計 6 3における電圧値 V z により、それぞれ検出される。なお、 2組のブリツジを用いて 3軸方向成分を検出する装置では、ブリツジ電圧そのものではなく、ブリッジ電圧に基づいて演算を行つて得られた電圧値を Vx. Vy. Vz として用いることになる。各抵抗素子 Rを第 2図に示すように配置し、これら各抵抗素子がすべて同じ抵抗値をもち、すべて同じ温度特性を有し、しかも歪による抵抗変化がすべて等しいという条件下では、理論的には、こうして検出される各軸方向成分は全く独立した検出値として得られ、干渉は生じない。しかしながら、実際に各抵抗素子を形成する場台、このような理想的な条件は得られないため、各検出値間には干渉が生じてしまう。この干渉の様子は、実測することができる。すなわち、既知の大きさをもつた力（あるいは、加速度や磁気）を、所定の方向に作用させ、そのときに得られる検出値（各電圧計の読み）を実測するのである。その結果、次のような特性行列が得られることが知られている。

V X P 11 P 12 P 13 Ax

Vy P 21 P 22 P 23 Ay

Vz P 31 P 32 P 33 ここで、 V x ， V y , V z は、それぞれ電圧計 6 1 , 6 2 , 6 3の読みであり、 Ax , Ay , Az は、実際に作用させた力（あるいは、加速度や磁気）の各方向成分値である。また、 P 11〜 P 33は特性行列を構成する係数である。この行列式は、次のように変形できる。

[A X P 11 P 12 P 13 -1 ~V x一

Ay P 21 P 22 P 23 Vy

Az P 31 P 32 P 33 Vz

一

K 11 K 12 K 13 V x

K 21 K 22 K 23 Vy

K 31 K 32 K 33 V z ここで、係数 K 11 ~ K 33を用いた行列は、係数 P】 I〜 P 33を用いた行列の逆行列である。この行列式を一般式で書くと、

A X = K 11 V X + K 12 V y + K 13Vz

Ay = K 21 V x + Κ 22 V y + K 23 V ζ

Az = Κ 31 Vx + Κ 32 V y + K 33 V ζ

となる。したがって、電圧計 6 1 〜 6 3で得られた電圧値 Vx , Vy , Vz に対して、係数 K 11〜 K 33を用いた上式の演算を行えば、干渉のない正しい検出値 A X , Ay , A z が得られることになる。

2. 2 具体的な回路構成

本発明の信号処理回路は、この演算をアナ口グ回路で行うようにしたものである。第 1 1図にこの回路のプロック図を示す。ここで、 Vx ， Vy , Vz はそれぞれ電圧計 6 1 〜 6 3で得られるアナログ電圧である。係数 K 11 ~ K 33が表示されたブロック 1 0 】 ~ 1 0 9は、それぞれの係数値を乗ずるアナログ乗算器であり、 "+ " 記号で示したブロック 1 1 1 〜 1 1 3はアナ口グ加算器である。このような構成の回路を用いれば、正しい検出値 Ax , Ay , Αζ が、加算器 1 1 ：！〜 1 1 3の出力電圧として得られる。これは、この回路が上述の演算式に対応していることから容易に理解できよう。

以上は三次元の検出装置についての回路であるが、二次元の検出装置については、

Ax - K 11 V X + K 12V y

Ay = K 21 V χ + K22Vy

なる演算を行うことができればよいので、第 1 2図のプロック図に示す回路を用いればよい。ブロック 2 0 1〜 2 04は、それぞれの係数値を乗ずるアナログ演算器であり、加算器 2 1 1， 2 1 2の出力電圧として、正しい検出値 Ax , A が得られる。

なお、三次元の検出装置では 9つの係数、二次元の検出装置では 4つの係数を用いることになる力、係数値が零の場合はこれについての乗算器は不要になる。

続いて、第 1 1図および第 1 2図のブロック図中に示された乗算器および加算器の具体的な回路構成例を説明する。第 1 3図は乗算器の一構成例を示す回路図である, 演算増幅器 O Ρ Γの入力側に電圧 V inを与えると、出力側に電圧 V out が得られる。ここで、 R 3 = R 1 //R 2 としておくと（〃は 2つの抵抗を並列接続したときの抵抗値を示す）、

Vout =一（R 2 Z R 1 ) · V in

となる。したがって、係数— （R 2 / R 1 ) を乗ずる乗算器として機能する。一方、第 1 4図は加算器の一構成例を示す回路図である。抵抗 Rはすべて同じ抵抗値のものを用いればよい。演算増幅器 0 P 2の入力側に電圧 V inl , V in2 , V in3 を与えると、出力側に電圧

V out が得られる。ここで、

Vout = ( V inl + V in2 + V in3 ) ♦ 2/3 となる。したがって、入力電圧の加算を行うことができる。第 1 5図に、乗算器と加算器との両方の機能をもつた回路を示す。演算増幅器 0 P 3の入力側に電圧 V inl ,

V in2 , V in3 を与えると、出力側に電圧 Vout が得ら " I

Vout = - ( ( R 4 / R 1 ) · V inl

+ ( R 4 R 2 ) · V in2

+ ( R 4 / R 3 ) · V in3 )

となる。すなわち、この回路は、乗算器と加算器とを兼ねた機能を果たすことになる。

第 1 6図は、第 1 3図に示す乗算器と第 1 4図に示す加算器とを用いて、 Ax = (K llVx + Κ 12V y + K 13Vz) · 2/3 なる演算を行う具体的な回路を示す図である。ここでは、 K11〉 0、 Κ12< 0、 Κ 13> 0の場合の回路構成例を示す。電圧 Vx ， Vy , Vz は、それぞれ第 6 a ~ 6 c図の電圧計 6 1〜 6 3に現れる電圧をそのまま与えたものであり、演算増幅器 0 P 4 , 0 P 5 , 0 P 6によって、それぞれ— K 11倍、 — K12倍、 — K 13倍に増幅される。そのためには、 R 13= R 11//R 12、 R 23 R 21//R 22、 R33= R3 / R32とし、更に、 I Kil l - R 12ノ R ll、 I K 12 I = R 22/ R 2K I K 13 I = R 32 R 31となるように各抵抗値を設定しておけばよい。なお、 'この增幅演算により符号が反転することになる。 Vy については、 K 12く 0であるので符号が反転したままでよいが、 V X および Vz については、 K 11> 0、 Κ 13〉 0であるため、再び符号を反転させて符号を元に戻す必要がある。そこで、演算増幅器 0 Ρ 7および 0 Ρ 8によって、この符号反転を行っている。ここで、 R 14= R 15= 2 · R 16、 R 34= R 35= 2 · R36、とすれば、演算増幅器 0 P 7および 0 P 8は、増幅倍率が 1 となり、単に符号を反転するだけの機能を果たすことになる。かくして、 KllVx 、 K12Vy 、 K13Vz 、の各値が求まり、これらの値に相当する電圧が演算増幅器 0 P 9に与えられる。ここで、 R41= R42= R43= R 4= R45としておけば、演算増幅器 0 P 9は加算器として機能し、 Vout = ( K 11 Vx + K 12Vy + K 13Vz) · 2/3 が出力される。この出力電圧 Vout が求める検出値 Ax に相当する。

2. 3 その他の実施例

以上、本発明による力検出装置用信号処理回路の一例を第 1 6図に基づいて説明した力 <、この他にも種々の回路を甩いて本発明を実現できる。本発明における乗算器および加算器は、乗算および加算をアナ口グ処理することのできる回路であれば、どのような回路を用いてもかまわない。また、乗算器および加算器をそれぞれ別々の回路素子で構成する必要もない。たとえば、第：！ 5図に示すような回路を用いれば、 1つの演算増幅器 0 P 3によって、乗算器と加算器とを兼ねることができ、部品点数を減らすことができる点で有利である。ただし、この回路を利用する場合には、係数 Kの符号を考慮し、入力電圧 V inl ， Vin2 , V in3 に符号をもたせておくようにする必要がある。また、 3本の抵抗を用意し、これらをその一端が共通接続されるような Y字に結線し、それぞれの他端に電圧を加え、共通端から出力を取出すようにしてもよい。いずれにしても、このようなアナログ回路によって補正演算を行うようにすると、デジタル回路による補正演算を行う場合に比べ、コストダウンが図れるとともに、高速で演算が完了するため、瞬時の現象を測定するような場合に有利である。特に、加速度検出装置では、衝突時のショックを検出するような用途もある力^ 本発明を適用すれば正しい測定値を瞬時に得ることができるようになる。このように、本発明による信号処理回路は、力検出装置を母体とする加速度検出装置ゃ磁気検出装置などに広く適用しうるものであり、本願実施例では加速度検出装置について説明したが、本発明は力検出装置や磁気検出装置にも広く適用可能である。 2 . 4 本処理回路の利点

以上のとおり、本発明の加速度検出装置用信号処理回路によれば、各铀方向成分間に生じる干渉の様子を示す特性行列の逆行列を予め求めておき、この逆行列を用いた補正演算をアナログ演算回路によって行うようにしたため、低コストの回路で、干渉の影響を相殺した正しい測定値を瞬時に得ることができるようになる。

§ 3 センサの試験

3 . 1 本発明に係る試験方法の原理

前述の § 1で示したような加速度センサを大量生産するための方法は、米国特許出願第 5 2 6 8 3 7号（欧州特許出願第 9◦ 1 1 0 0 6 6 . 9号）明細書に開示されているが、これを製品として出荷する前に、加速度センザとしての機能に支障がないか試験を行う必要がある。この試験方法として、振動発生装置によってこの加速度センサに振動を与え、そのときのセンサからの出力を検査することによつて試験を行うことは可能である力《、前述のように、試験装置が大掛かりとなり、動的特性しか得ることができない。特に、このセンサは 3次元座標系における X Y Zのすベての方向についての加速度を検出することができるため、 3次元の方向を考慮して振動を与える必要があり、試験装置はかなり複雑なものとなつてしまう。

本発明による試験方法では、実際に加速度を与えることなしに、このセンサを加速度が作用したのと同じ環境におくことができるのである。その基本原理は次のとおりである。まず、センサ内部の所定筒所に、いくつかの電極層を形成する。この電極層は導電性の材質からなる層であればどのようなものでもかまわない。実際には、所定箇所にアルミニウムのような金属を蒸着あるいはスパッ夕リングによって薄く形成するようにすればよい。なお、アルミニウムの上面は、表面保護のために、 S i 0 ₂ 膜あるいは S i N膜で覆うのが好ましい。電極層は次のような各部に形成する。まず第 4図に示すように、制御部材 3 0に設けられた溝 3 1 内に電極層 E 1 (図ではハッチングで示す）を、そして第 5図に示すように、制御部材 4 0に設けられた溝 4 1内に電極層 E 2 (図ではハッチングで示す）を、それぞれ形成する。更に、第 1 7図に示すように、重錘体 2 0の全側面および底面に電極層 E 3 (図ではハッチングで示す： 5面に渡って形成される力、電気的には導通している 1枚の電極層である）を形成し、台座 2 1 〜 24の各内側面に電極層 E 4 〜 E 7 (図ではハッチンゲで示す）を形成する。また、半導体べレット 1 0の上面には、第 1 8図に示すように、抵抗素子 Rを避けるように電極層 E 8 (図ではハツチングで示す）を形成する。こうして、第 4図、第 5図、第 1 7図、第 1 8図、において、ハツチングを施す各領域にそれぞれ電極層を形成する。すると、パッケージ内のセンサ中枢部の断面図は第 1 9図のようになる（なお、第 1 9図においては、ハッチングを施した部分は電極層を示し、断面を示すハッチングは図が繁雑になるため省略する）。第 1 9図によって、各電極層 E 1〜 E 8の相対的な位置関係が理解できょう。なお、第 1 9図における波線は、各電極層に対する配線を示す。このような配線は、更にボンディングワイヤによって、ノッケージ外部の外部配線用電極 5 2 (第 1図参照）に接続することができる。また、重錘体 2 0の表面に形成された電極層 E 3に対しては、ボンディングワイヤ 2 5によって配線がなされている。

このように形成された各電極層 E 1〜 E 8の特徴は、それぞれ対となる電極層ごとに対向した位置に形成されている点である。すなわち、第 1 9図に示すように、 E 2 : E 8、 E 3 : E 4、 E 3 : E 5、 E 3 : E 6、 E 3 : E 7、 E 3 : E 1、がそれぞれ対向した位置に形成されている（電極層 E 3は、 5面がそれぞれ别な電極層に対向している）。このように対向した電極層に、それぞれ電圧を印加すると両者間にクーロン力が作用する。すなわち、両者間に同じ極性の電圧を印加すれば斥力が作用し、異なる極性の電圧を印加すれば引力が作用する。そこで、 E 3 ： E 4間に斥力、 E 3 ： E 5間に引力、が作用するように電圧を印加したとすると、重錘体 2 0に + X方向の力が作用したのと同じ現象が起こる。別言すれば、センサ本体に― X方向の加速度が作用しているのと同じ環境下にこのセンサを置くことができる（センサ本体に加速度が作用すると、重錘体にはこれと逆方向の慣性力が作用する）。この環境下において、抵抗素子の抵抗値の変化を示す出力が - X方向の加速度を検出したことを示しているか否かを調べれば、一 X方向の加速度に関する試験を行うことができる。引力と斥力とを逆に作用させれば、 + X方向の加速度に関する試験を行うこともできる。全く同様にして、 E 3 ： E 6間に引力、 E 3 ： E 7間に斥力が作用するように電圧を印加すれば、 - Y方向（第 1 9図の紙面に垂直上方向）の加速度に関する試験を行うことができ、引力と斥力を逆に作用させれば、 + Y方向（第 1 9図の紙面に垂直下方向）の加速度に関する試験を行うことができる。更に、 E 2 ： E 8 間に引力、 E 3 ： E 1間に斥力が作用するように電圧を印加すれば、一 Z方向の加速度に関する試験を行うことができ、引力と斥力を逆に作用させれば、 + Z方向の加速度に関する試験を行うことができる。前述のように各電極層も、加速度検出用の各抵抗素子も、いずれもボンディングワイヤによってパッケ一ジ外部のリ一ド 5 2 (第 1図参照）に電気的に接続されているので、上述の試験は、 ^に所定のリード端子に所定の電 U を印加しながら、所定のリード端子から出力される加速度検出 i 号をモニターするだけの操作ですむ。このように、本発叨による試験方法によれば、非常に簡中.に、 3次元のすベての方向に関する加速度検出試験を行うことが可能になる o

3 . 2 より実用的な実施例

第〗 9図に示す実施例では、電極層をかなり多くの筒所に形成する必要があるため、あまり実川的ではない。できれば、必要最小限の筒所に設けた電極層によって、 3次元のすべての方向に関する加速度検出試験を行うのが好ましい。そこで、次のようなモデルを考える。第 2 0図は、この加速度センサの中枢部の断面図である。いま、半導休ペレツト 1 0上の 2か所に点 Γ 1 および P 2をとり、制御部衬 4 0の内側の 2か所に点 Q 1 および Q 2をとる。点 P 1 と Q ϋ とが対向し、点 Ρ 2 と Q 2 とが対向する。ここで、点 P 1 ： Q 1 間に引力を作川させ、点 Ρ 2 ： Q 2間に斥力を作 ΓΠさせると、点 Ρ 1 ， Ρ 2は点 Q "1 , Q 2に対して変位し、第 2 1 図に示すように半導体ペレット 1 ◦が機械的変形を生じる。この状態は、重錘体 2 0に + X方向の力 F Xが作用したのと同じ状態である。別言すれば、センサ本体に— X方向の加速度が作用したのと同じ状態である。また、引力と斥力とを逆に作用させれば、 + X方向の加速度が作用したのと同じ状態になる。これで、半導体ペレツト 1 0の上面の所定箇所と、制御部材 4 0の下面の所定箇所と、に電極層を形成しておけば、 ± X方向の加速度検出試験が可能なことがわかる。土 Y方向の加速度検出試験も、電極層の位置を 9 0 ° 変えれば同様に行うことができる。次に、点 P 1 ： Q 1間に斥力を作用させ、点 P 2 ： Q 2間にも斥力を作用させると、第 2 2図に示すように、重錘体 2 0に一 Z方向の力— F zが作用したのと同じ状態になる。別言すれば、センサ本体に + Z方向の加速度が作用したのと同じ状態になる。また、両者ともに引力を作用させれば、 — Z方向の加速度が作用したのと同じ状態になる。これで、半導体ペレツト】 0の上面の所定箇所と、制御部材 4 0の下面の所定箇所と、に電極層を形成しておけば、士 Z方向の加速度検出試験も可能なことがわかる。

以上のとおり、結局は、半導体べレット 1 0の上面の所定箇所と、制御部材 4 0の下面の所定箇所と、に電極層を形成しておけば、 3次元のすべての方向に関する加速度検出試験を行うことが可能である。更に具体的な電極層配置の例を以下に説明してみる。まず、半導体ペレット 1 0の上面には、第 2 3図にハッチング（断面を示すものではない）を施して示すように、 4つの電極層 E 9〜 E 1 2を形成する。各電極層は、抵抗素子 Rの形成領域を避けるようにして形成されており、それぞれ配線層 W 9〜 W】 2によってボンディングパッド B 9〜 B 1 2に接続されている。ボンディングパッド B 9 ~ B 1 2 には、ボンディングワイヤ（図示されていない）が接続され、最終的にはパッケージ外部のリードに対する電気的接続がなされる。なお、第 2 3図には図示されていないが、各抵抗素子 Rも各ボンディングパッド 1 4に対して接続されており、パッケージ外部のリードに対して電気的に接続されている。半導体べレット 1 0には、この抵抗素子 Rに対する配線を行うために、アルミニウムなどによる配線層が形成されているが、電極層 E 9〜 E 1 2や配線層 W 9〜W 1 2を形成するには、このアルミ二ゥムなどによる配線層と同じマスクを用いるようにするのが好ましい。こうすれば、従来のマスクパターンを変更するだけの作業を追加するだけで、試験用の付加的な電極層 E 9〜 E 1 2や配線層 W 9〜W 1 2を形成することができる。もちろん電極層 E 9〜 E 1 2や配線層 W 9 〜W 1 2は、ゲージ抵抗等を形成するための拡散工程を利用して拡散層として形成してもよい。半導体ペレッ卜 1 ◦の製造プロセスは従来と全く同じプロセスですむ。一方、制御部材 4 0の下面には、第 5図に示す電極層 E 2を形成しておけばよい。これは、アルミニウムなどを蒸着あるいはスパッタリングによって表面に付着させればよい。第 5図に示す電極層 E 2は物理的に単一な電極層となっているが、これを物理的に複数枚の電極から構成し、これらが同一の電位となるように電気的に接続し、「物理的には複数だが電気的には単一な電極層」によつて構成してもかまわない。以上のような電極層を形成したときの断面図を第 2 4図に示す。電極層 E 2については、図の波線で示すような配線がなされ、更に外部のリードへと接続される。このように、一方の電極層として舉一の電極層 E 2を形成し、これに対向する他方の電極層として 4枚の副電極層 E 9〜 E 1 2を形成したことにる。

このような加速度センサについて試験を行うには、電極層 E 2に + Vなる電圧を印加しておき、次のようにすれば、 3次元のすべての方向についての加速度検出試験が可能である。

( 1 ) E 1 0に + V、 E 1 2に— Vを印加すれば、重錘体 2 0に力 + F Xを作用させることができ、一 X方向の加速度検出試験を行うことができる。

(2 ) E 1 C^ — V、 E I 2に + Vを印加すれば、重錘体 2 0にカー F xを作用させることができ、 + X方向の加速度検出試験を行うことができる。 (3) E 1 1 に + V、 E 9 に— Vを印加すれば、重錘体 2 0に力 + F yを作用させることができ、 — Y方向の加速度検出試験を行うことができる。

(4) E 1 1 に— V、 E 9 に + Vを印加すれば、重錘体 2 0にカー F yを作用させることができ、 + Y方向の加速度検出試験を行うことができる。

(5) E 9〜 E 1 2のすべてに一 Vを印加すれば、重錘体 2 0に力 + F zを作用させることができ、一 Z方向の加速度検出試験を行うことができる。

(6 ) E 9〜 E 1 2のすべてに + Vを印加すれば、重錘体 2 0にカー F zを作用させることができ、 + Z方向の加速度検出試験を行うことができる。

以上、 X , Y , Z軸上の加速度検出試験について述べたが、 X , Y , Z軸上にない方向の加速度についても、電極層 E 9〜E 1 2に所定の電圧を印加することにより検出試験を行うことができる。

なお、印加する電圧 + Vおよび— Vは、抵抗素子の抵抗値の変化が十分検出できるような電圧値にする。この値は環状のダイャフラムを形成している可撓部 1 2の厚さゃ径に依存する。

3 . 3 他の実施例

上述の実施例は、本発明の一態様であり、この他にも種々の実施例が考えられる。以下にそのいくつかを説明する。第 2 5図に断面を示す実施例は、上述の実施例の電極層 E 2の代わりに、電極層 E 1 3を形成したものである。電極層 E 1 3は制御部材 4 0の上面に形成されているため、外部への配線が容易になる。ただし、電極間に作用するクーロン力は前述の実施例よりもやや弱くなる。

第 2 6図に示す実施例は、上述の実施例の電極層 E 9 〜 E 1 2の代わりに、電極層 E 14〜 E 1 7 (ハツチングで示す）を形成し、れに対する配線層 W 1 4 〜 W 1 7およびボンディングパッド B 1 4〜 B 1 7を形成したものである。このような配置は、抵抗素子 Rに対する配線の妨げになることが少ないという利点はあるが、半導体ペレツト 1 0のもっとも可撓性をもった位置よりも内側に電極層が配置されており、また電極の面積が小さくなるため、力の作用効率は低下する。

第 2 7図および第 28図に示す実施例は、いままで述ベてきた実施例の電極層の上下の関係を逆にしたものである。すなわち、制御部材 4 0の下面の溝 4 1 内に、 4 つの電極層 E 1 8〜 E 2 1 (ハツチングで示す）およびその配線層 W 1 8〜W 2 1が形成されている。これに対向する電極は、たとえば第 1 8図に示すような半導体べレツド 1 0上に形成された単一の電極 E 8でよい。

第 2 9図に示す実施例は、第 28図に示す実施例の電極層 E 8の代わりに、 4枚の電極層 E 1 8' 〜 Ε 2 1 ' を形成したものである。電極層 E 1 8' 〜 Ε 2 1 ' は Ε 1 8〜 E 2 1 と対称の電極であり、上下で向いあつた 4 組の電極対が形成されることになる。 4組（合計 8枚）の電極を、いずれも電気的に独立したものにしておくと、これらに選択的に種々の電圧を印加することにより、種々の方向についての試験が可能になる。たとえば、第 2 9図に示すように、電極 E 1 9に「 + + J 、電極 E 1 9 ' に Γ— 一」の電荷を与え、同時に、電極 E 2 1 に

「+ + + +」、電極 E 2 1 ' に「」の電荷を与えれば（+や一の数は電荷の大きさを示す）、上下の電極対間では、いずれも引力が作用するものの、図の右側の電極対間の引力の方が大きくなるため、全体としては、図のような方向の力 F x z ( F x と F z との合力）が作用したのと同じ状態の試験を行うことができる。

この他にも種々の実施例が考えられる。要するに本発明は、力の作用により変位を生じる第 .1 の部位と、この第 1 の部位に対向した位置にある第 2の部位と、の間にクーロン力を作用させるようにできれば、どのような構成をとつてもかまわない。

また、上述の実施例は、いずれも加速度センサについてのものであるが、重錘体の代わりに磁性体を用いた磁気センサについても、あるいは力センサについても、全く同様に本発明を適用することが可能である。更に、 3 次元のセンサだけでなく、 2次元あるいは 1次元のセンサについても適用可能である。たとえば、 Xおよび Z軸方向の加速度や磁気を検岀する 2次元のセンサゃ X軸方向の加速度や磁気を検出する 1次元のセンサでは、第 2 3図に示す 4つの電極 E 9 ~ E 1 2のうち、 E 1 0 , E 1 2の 2つの電極を設けるだけですむ。

3. 4 電圧の印加方法

最後に、本試験方法を実施するための電圧の印加方法の一例を示しておく。第 3 0 a図は、重錘体（図示ざれていない）に Z方向の力が作用したのと同じ状態を実現するための電圧の印加方法を示す模式図である。制御部材 4 ◦側の電極 E 2 2と、半導体べレット 1 0側の電極 E 2 3 , E 24 と、に電源 Vにより逆極性の電荷を発生させ、両者間に吸引力を作用させている。

—方、第 3 0 b図は、重錘体に一 Z方向の力が作用したのと同じ状態を実現するための電圧の印加方法を示す模式図である。制御部材 4 0側の電極 E 2 2と、半導体ペレット 1 0側の電極 E 2 3, E 24と、に電源 Vにより同極性の電荷を発生させ、両者間に斥力を作用させている。この実施例では、より効率良い電圧印加を行うために、制御基盤 4 0上面に別な電極 E 2 5を形成し、この電極 E 2 5に正の電荷を与えるようにしている。すなわち、制御基板 4 0を挟んで分極を起こさせることにより、電極 E 2 2に負の電荷を発生させている。また、半導体ペレツト 1 0の本体にも正の電荷を与えている。半導体ペレツト 1 0の上面には、図のように絶縁廇 1 0 a (一般に S i 0膜あるいは S i N膜）が形成されているので、この絶縁層 1 ◦ aを挟んで分極を起こさせることにより、電極 E 2 3 , E 2 4に負の電荷を発生させている o

3 . 5 本試験方法の利点

上述の試験方法の利点を以下に述べる。

( 1 ) 第 1の部位とこれに対向した第 2の部位との間にクーロンカを作用させて起歪体に機械的変形を誘起させ、作用体に外力を作用させたのと同じ状態を創り出すようにしたため、実際に外力を作用させることなしにセンサの試験を行うことができるようになる。

(2) 対向する 2つの電極層間に所定の極性の電圧を印加することによりクーロン力を作用させるようにしたため、より自由度をもった試験が可能になる。

(3) 一方の電極層を単一の電極層とし、他方の電極層を複数の副電極層としておけば、印加する電圧の極性を選択することにより、種々の方向にクーロン力を作用させた試験を行うことができるようになる。

(4) 加速度センサ内に、上述の試験を実施するための電極層を形成し、これに対する配線を施すようにしたため、この加速度センサに所定の電気回路を接続するだけで試験を行うことができる。

(5) 磁気センサ内に、上述の試験を実施するための電極層を形成し、これに対する配線を施すようにしたため、この磁気センサに所定の電気回路を接続するだけで試験を行うことができる。

(6) 上述の加速度または磁気のセンサにおいて、一方の電極層を単一の電極層で構成し、他方の電極層を複数の副電極層で構成するようにしたため、印加する電極の極性を選択することにより、種々の方向にクーロン力を作用させた試験を行うことができるようになる。

(7) 上述の加速度または磁気のセンサにおいて、副電極層を 2枚設けるようにしたため、互いに垂直な 2とおりの方向に関してクーロン力を作用させた試験を行うことができるようになる。

(8) 上述の加速度または磁気のセンサにおいて副電極層を十字状に 4枚設けるようにしたため、互いに垂直な 3とおりの方向に関してクーロンカを作用させた試験を行うことができるようになる。

§ 4 高感度測定に適したセンサ

4 . 1 センサの構造

第 3 1図は、本発明の一実施例に係る高感度の測定に適した加速度センサの構造断面図である。装置中枢部 3 0 0は、半導体ペレツト 3 1 0、重錘体 3 2 0、台座 3 3 0、制御基板 3 4 0、の 4つの要素から構成されている。この装置中枢部 3 0 0は、パッケージ 4 ◦ 0内部の底面に接合されている。パッケージ 4 0 0の上部には蓋 4 1 0が被せられている。また、パッケージ 4 0 0の側部からは、リード 4 2 0が外部に導出されている。第

3 2図は装置中枢部 3 0 0の斜視図である。半導体ペレット 3 1 0の上面には複数の抵抗素子 Rが形成されており、各抵抗素子 Rはボンディングパッド 3 5 2に電気的に接続されている。ボンディングパッド 3 5 2とリード

4 2 0との間は、ボンディングワイヤ 3 5 1 によって接続されている。

第 3 3図は、第 3 1図に示す加速度センサの装置中枢部 3 0 0の断面詳細図である。半導体べレツ卜 3 1 0は、この実施例では単結晶シリコン基板からなり、抵抗素子 Rは、この半導体ペレット 3 1 ◦の上面に不純物を拡散することにより形成されている。もちろんイオン打込み法を用いてもよいし、シリコン基板上にゲージ抵抗を推積させる S 0 I構造にしてもよい。このようにして形成した抵抗素子 Rは、ピエゾ抵抗効果を有する。すなわち、機械的変形に基づいて電気抵抗が変化する性質を示す。半導体べレット 3 1 ◦の下面には、円環状の溝部 C 1 が形成されている。この実施例では、溝部 C 1 は深部（第 3 3図の上方）にゆくほど幅が狭くなるようなテーパー構造をとつている力 <、深部まで同一幅の溝にしてもかまわない。第 3 4図は、この半導体べレット 3 1 0の上面図である。下面に掘られた溝部 C 1 は破線で示されている。いま、第 3 3図および第 3 4図に矢印で示すような座標軸 X, Y, Ζを定義すれば、第 34図に示す半導体ペレット 3 1 0を X軸に沿って切断した断面が、第 3 3 図に示されていることになる。この溝部 C 1の形成により、半導体ペレツト 3 1 0を 3つの部分に分けること力くできる。すなわち、溝部 C 1の内側に位置する作用部 3 1 1 、溝部 C 1のちようど上方に位置する可撓部 3 1 2、そして溝部 C 1 の外側に位置する固定部 3 1 3、の 3つの部分である。別言すれば、半導体ペレツ卜 3 1 0の中心部分に作用部 3 1 1、その周囲に可撓部 3 1 2、更にその周囲に固定部 3 1 3、がそれぞれ位置する。可撓部 3 1 2は溝部 C 1 によつて肉厚が他の部分より薄くなつており、このため可撓性をもつことになる。このような溝を形成するかわりに、基板に部分的に貫通孔を形成して可撓性をもたせるようにしてもよい。

作用部 3 1 1 の下面には重錘体 3 2 0が接合されており、固定部 3 1 3の下面には台座 3 3 0が接合されている。第 3 5図は、重錘体 3 2 0および台座 3 3 0の上面図である。第 3 5図の切断線 3 3 - 3 3に沿った断面が第 3 3図に示されていることになる。重錘体 3 2 0の上面には段差がついており、重錘体上面中心部 3 2 1 と重錘体上面周囲部 3 2 2とが形成されている。重錘体上面中心部 3 2 1は、重錘体 3 2 0の上面の中心部分においてやや隆起した部分であり、この部分が作用部 3 1 1の下面に接合されている。したがって、重錘体上面周囲部 3 2 2と半導体ペレット 3 1 0の下面との間には、間隙部 C 2が形成されることになる。台座 3 3 0は、この重錘体 3 2 0の周囲 8方に配置された 8つの部材から成り、重錘体 3 2 0と台座 3 3 0との間には、溝部 C 3および溝部 C 4が形成されている。後述するように、もともと重錘体 3 2 0と台座 3 3 0とは、同一基板から構成されていた部材であり、溝部 C 3および溝部 C 4によって切断分離されたものである。第 3 5図に示されているように、溝部 C 3は幅 L 1、溝部 C 4はこれより狭い幅 L 2 をもつており、第 3 3図から明らかなように、溝部 C 3 は上方、溝部 C 4は下方に形成されている。もちろん、加工上、 L 1 = L 2としてもかまわない。

台座 3 3 0の下面には、制御基板 3 4 0が接合されている。第 3 6図にこの制御基板 3 4 0の上面図を示す。制御基板 3 4 0にはその周囲部分だけを残して溝部 C 5 が掘られており、この溝部 C 5の底面が制御面 3 4 1を形成している。第 3 6図の切断線 3 3— 3 3に沿った断面が第 3 3図に示されていることになる。第 3 3図に示すように、台座 3 3 0の下面には、制御基板 3 4 0の周囲部分だけが接合されている。

4 . 2 センサの製造方法

この装置中枢部 3 0 0の構造の理解を助けるために、その製造方法を簡単に説明する。まず、第 3 4図に示すような半導体べレット 3 1 0を用意する。ここで、溝部 C 1 は、たとえばェツチングプロセスにより形成することができ、抵抗素子 Rは所定のマスクを用いた不純物注入プロセスにより形成することができる。続いて、第 3 7図に断面図が、第 3 8図に上面図が、それぞれ示されるような補助基板 3 5 0を用意する。ここで、第 3 8図の切断線 3 7 - 3 7に沿った断面が第 3 7図に相当する。補助基板 3 5 ϋの材質としては、半導体ペレット 3 1 0 と同じシリコン力、、ガラスを用いるのが好ましい。これは、半導体べレット 3 1 0と補助基板 3 5 0とは後に接台されるので、両者の熱膨脹係数を等しくしておくことによりクラックの発生を抑制し、温度特性を改善するためである。この補助基板 3 5 0の上面には、幅 L ] をもつ溝部 C 3が井桁状に掘られており、その内側に幅 L 3 をもった間隙部 C 2が形成されている。この結果、重錘体上面中心部 3 2 1 と重錘体上面周囲部 3 2 2との間で段差が生じている。間隙部 C 2は、たとえばエッチングプロセスにより形成することができ、溝部 C 3はダイシングブレードを用いた切削加工により形成することができる。ここで注意すべき点は、第 3 3図や第 3 5図に示した溝部 C 4は、まだ形成されていない点である。したがって、補助基板 3 5 0はあくまでも 1枚の基板の状態である。このようにして用意した補助基板 3 5 0の上面を、半導体べレット 3 1 ◦の下面に接台する。このとき、重錘体上面中心部 3 2 1を作用部 3 1 1 の下面に接台し、捕助基板 3 5 0の周囲の部分（後に台座 3 3 0を構成することになる部分）を固定部 3 1 3下面に接合する。このような接合を完了した後に、補助基板 3 5 0の下面を幅 L 2のダイシングブレ一ドで切削加工し、溝部 C 4を形成する。こうして、溝部 C 3と溝部 C 4とが繋がり、補助基板 3 5 0は中央部分の重錘体 3 2 0と、周囲部分の台座 3 3 0 とに分割されることになる。この後、第 3 6図に示すような制御基板 3 4 0を用意し、エツチングプロセスなどで溝部 C 5を形成し、これを台座 3 3 0 の下面に接台する。以上の製造工程を経ることにより、第 3 3図に示す装置中枢部 3 0 0が得られる。

なお、上述のプロセスは、 1つの単位ユニットを製造する方法であり、実際にはこのような単位ュニットが縦横に複数個並べられた状態のウェハ単位で製造が行われる。すなわち、第 3 4図に示す単位ュニットを縦横に配列したウェハと、第 3 5図に示す単位ュニットを縦横に配列した補助基板とを接合し、更に第 3 6図に示す単位ユニットを縦横に配列した補助基板をこれに接合した後、最終的に各ュニットごとに切断することになる。なお、ここでは間隙部 C 2を補助基板 3 5 0側に形成したが、半導体べレット 3 1 0の固定部をェツチングし、間隙部 C 2を半導体ペレツト 3 1 ◦側に設けるようにしてもよい。 4 . 3 センサの動作

続いて、この装置の動作を説明する。第 3 1 図に示すように、装置中枢部 3 0 0はパッケージ 4 0 0の内部の底面に固着される。制御基板 3 4 0、台座 3 3 0、そして固定部 3 1 3は、互いに固着された状態となっているので、固定部 3 1 3は間接的にバッケージ 4 0 0に固着される。一方、重錘体 3 2 0は台座 3 3 0によつて周囲を囲まれた空間内で、宙吊りの状態となっている。すなわち、第 3 3図に示すように、重錘休 3 2 0の下面には溝部 C 5が形成され、側面には溝部 C 3および溝部 C 4 が形成され、上面周囲部には間隙部 C 2が形成されている。そして、この重錘休 3 2 0の上面中心部だけが作用部 3 1 1 に接合されている。このような宙吊りの状態にある重錘体 3 2 〔〕に加速度が作用すると、この加速度により作用部 3 1 1 に力が作用することになる。前述のように、可撓部 3 1 2は可撓性をもった部分であるから、作用部 3 1 1 に力が作用すると、可撓部 3 1 2が橈みを生じ、作用部 3 1 1が固定部 3 1 3に対して変位を生じるようになる。この可撓部 3 1 2の撓みは、抵抗素子 R に機械的変形をもたらし、抵抗素子 Rの電気抵抗に変化が生じる。この電気抵抗の変化は、第 3 1図に示すように、ボンディングワイヤ 3 5 1およびリード 4 2 0を禾 IJ 用して、装置外部で検出することができる。この実施例の装置は、第 3 4図に示すような位置に抵抗素子 Rを配置することにより、図の Χ Υ Ζ各軸方向についての加速度成分を独立して検出することができる。この検出原理は § 1で述べたとおりである。

4 . 4 センサの特徴

ここに述べた加速度センサの特徵は、高感度の加速度測定に適しているという点である。その第 1の理由は、限られたスペース内で、重錘体 3 2 0の体積をできる限り大きくとることができるためである。第 3 3図に示すように、重錘体 3 2 0は重錘体上面中心部 3 2 1 でのみ作用部 3 1 1 に接合されているが、その周囲は横に広がり、溝部 C 1を跨いで固定部 3 1 3の内側部分にまで延びている。このため、重錘体 3 2 0の質量を大きくすることができ、わずかな加速度が加わっても十分な力を作用部 3 1 に伝達することができる。そして第 2の理由は、単純な構造で重錘体 3 2 0の変位を所定範囲内に制限する制御部材を構成することができるためである。第 3 3図に示す構造において、重錘体 3 2 0の上方向への変位、横方向への変位、下方向への変位、のそれぞれがいずれも所定範囲内に制限されている。まず、上方向の変位については、固定部 3 1 3の下面の一部が制御部材として機能することが理解できょう。第 3 3図において、重錘体 3 2 0が上方向に動こうとした場合、可撓部 3 1 2の撓みにより、作用部 3 1 1が上方向に動き、それに伴い重錘体上面中心部 3 2 1 も上方向に動く。ところ力《、重錘体上面周囲部 3 2 2の外周部分は、固定部 3 1 3の下面に当接して動きが妨げられる。別言すれば、重錘体 3 2 0の上方向の変位は、間隙部 C 2の寸法の範囲内に制限される。この制限作用は、第 3 9図を参照するとより明瞭になろう。第 3 9図は半導体ペレット 3 1 0の下面図であり、重錘体 3 2 0の位置を破線で示してある。重錘体 3 2 0は、中央の斜線によるハツチングを施した部分（作用部 3 1 1 の下面）にのみ接合されている。溝部 C 1 の外側の部分が固定部 3 1 3となるが、このうち、ドットによるハッチングを施した部分が、制御部材としての機能を果たす面である。重錘体 3 2 0はこの面に当接し上方への動きが制限される。一方、横方向の動きについては、第 3 3図から明らかなように、台座 3 3 〇の内側面に重錘体 3 2 0の側面が当接し、溝部 C 4の寸法の範囲内に変位は制限される。また、下方向の動きについては、制御基板 3 4 0の制御面 3 4 1 に重錘体 3 2 0 の下面が当接し、溝部 C 5の寸法の範囲内に変位は制限される。このように、すべての方向の動きについて、重錘体 3 2 0の変位が所定範囲内に制限されているため、過度な変位により半導体ペレット 3 1 0が破損する危険を回避することができる。このような変位の制御は、高感度のセンサの場合は特に重要である。木発明の構造によれば、上方向の変位を半導体べレット 3 ] ϋを利用して制御し、横方向の変位を台座 3 3 0を利用して制御しているため、それぞれ別途制御部材を設ける必要がなくなり、構造が非常に単純になる。したがって、量産化を図れるというメリットも生じる。

4 . 5 他の実施例

以上、本発明を図示する一実施例に基づいて説明した力;'、本発明はこの実施例のみに限定されるものではなく、種々の態様で実施可能である。以下に、別な実施例をいくつか示す。

第 3 7図および第 3 8図に示す補助基板 3 5 ◦を形成する方法として、前述の実施例では、ダイシンダブレードによる切削加工により溝部 C 3を形成し、エツチングプロセスにより間隙部 C 2を形成する方法を一例として示したが、ダイシングブレードによる切削加ェにより間隙部 C 2を形成してもかまわない。これは、たとえば、第 4 0図に示すように、幅 L 3のダイシングブレード 3 6 1を ffl意し、第 4 1 図の破線で示す経路を通るようにして切削加工を行って補助基板 3 5 0 ' を形成すればよい。もちろん、幅 L 3以下のダイシングプレードを何回か通過させて幅 L 3の溝を掘るようにしてもかまわない。第 4 1図で、ハッチングを施した領域だけが、切削加工を受けなかった部分である。このような切削加工を行うと、台座 3 3 ◦となる部分も一部切削されてしまうが、台座 3 3 0としての機能に何ら支障は生じない。一般に、補助基板を大量生産する場台、第 4 1図に示すような補助基板 3 5 0 ' を 1 単位とし、これをウェハ上に縦横に多数配置し、ウェハ単位で基板の加工を行つた後、ダイシング工程により各単位を切断することになる。このようなウェハ単位の加工には、上述した切削加工は非常に効率的である。ダイシングブレード 3 6 1をゥェハ上で一直線に移動させれば、多数の補助基板に対する切削加工を一度に行うことができるのである。

前述の実施例では、半導体ペレツト 3 1 0に掘られた溝部 C 1 は、第 3 4図に示すように円環状のものであつた。このような円環状の溝は、エッチングプロセスによつて容易に形成することができる力 <、ダイシングブレ一ドによる切削工程で形成するには、ダイシングブレ一ドの移動制御が複雑になり不適当である。本発明では、半導体べレット 3 1 0に形成する溝部は円環状に限定されるものではない。ここでは、半導体ペレット 3 】 0 ' の下面に井桁状の溝部 C 6を形成した実施例の断面図を第 4 2図に、下面図を第 4 3図にそれぞれ示す。第 4 3図に示すように、幅 L 4のダイシングブレード 3 6 2を用意し、破線で示す経路を通るようにして切削加工を行えばよい。もちろん、幅 L 4以下のダイシングブレードを何回か通過させて幅 L 4の溝を掘るようにしてもかまわない。第 4 3図で、ハッチングを施した領域だけが、切削加工を受けなかった部分である。このような切削加工を行うと、作用部 3 1 1 ' 、可撓部 3 1 2 ' 、固定部 3 1 3 ' の形状は、前述の実施例とは若干異なってくるが、各部の機能については何ら支障は生じない。第 4 4 図は、この半導体ペレット 3 1 0 ' の下面図であり、重錘体 3 2 0の位置を破線で示してある。重錘体 3 2◦は、中央の斜線によるハッチングを施した部分（作用部 3 1 1 ' の下面）にのみ接合されている。溝部 C 6の外側の部分が固定部 3 1 3 ' となるが、このうち、ドットによるハッチングを施した部分が、制御部材としての機能を果たす面となる。この実施例も、ウェハ単位での加ェに適した方法となる。

第 4 5図に示す実施例は、制御基板 3 4 0の代わりにスぺ一サ 3 7 0を用いたものである。このスぺーサ 3 7 0としては、たとえば、ガラス繊維のフィルムなどを用いればよい。このスぺーサ 3 7 0を台座 3 3 0の下面とパッケージ 4 0 ◦の内部底面との間に挟み、ダイボンドなどの方法により固着すれば、パッケージ 4 0 0の内部底面自体を、重錘体 3 2 0の下方向の変位を制御する部材として利用することができる。重錘体 3 2 0の下方向の許容変位は、ス一サ 3 7 0の厚みによつて決定される。この他、スぺ一サ 3 7 0を用いずに、重錘体 3 2 0 の下面（パッケージ 4◦ 0の底面側の面）をエッチングし、台座をパッケージに接合したときに重錘体 3 2 0力浮いている状態になるようにしてもよい。あるいは、ノ、。ッケージ 4 0 0の内部底面に溝を掘り、重錘体 3 2 0を浮かす状態にしてもよい。

以上の実施例は、いずれも加速度センサに本発明を適用したものであるが、前述の重錘体 3 2 ◦を一般的な作用体に置き換えれば、本発明は磁気センサゃ力センサにも適用可能である。たとえば、磁気センサに適用する場合は、重錘体 3 2 ◦の代わりに磁気に反応する何らかの作用体（磁性体でよい）を用いればよい。また、力センザに適用する場台は、たとえば、第 4 6図に示ォように、半導体べレット 3 1 0を支持部材 3 8 0によつて支持すれば、作用体 3 2 0 ' に図のように作用する外力 Fを検出することができる。あるいは、第 4 7図に示すように、半導体べレット 3 1 ◦および台座 3 3 0の側面を支持部材 3 9 0によって支持しても同様である。

4 . 6 加速度センサの利用例

以上述べたように、本発明を加速度センサに適用すれば、三次元方向の加速度を高感度で検出することが可能になる。このような高感度加速度センサは種々の分野で利用可能である。たとえば、自動車事故から搭乗者を保護するためのシステムとして、エアバッグが普及しはじめている。ところ力 <、いまのところ、一次元方向の加速度センサしか実用化されていないため、現在のエアバッグは正面衝突を想定したシステムとなっている。すなわち、第 4 8図に示すように、矢印方向の衝撃を検出したときに、搭乗者 5 0 0の正面でエア一バッグ 5 1 0を膨らませ、搭乗者 5 0 0をシート 5 0 5 とエア一バッグ 5 1 0との間に挟むようにして保護している。したがつて、エア一バッグ 5 1 0は球状のものが用いられている c これに対し、本発明による加速度センサは、三次元方向の加速度を高感度で検出することができるので、側面衝突が起こった場台でも衝撃を検出することができる。したがって、第 4 9図に示すように、搭乗者 5 0 〔）の側方をも覆うような形状のエアーバッグ 5 2 0を用意しておき、本発明による加速度センサの検出信号でこれを膨らませるようにすれば、側面衝突についても対処できるェァーバッグシステムが導入できる。

4 . 7 三次元の各軸方向の検出感度

本発明のセンサによれば、三次元方向の力、加速度、磁気、を検出することができる力《、各軸方向についてのこれらの物理量の検出感度に大きな差があると問題である。いま、第 5 0図に示すような加速度センサの単純なモデルを考える。この加速度センサは、重錘体 3 2 0に与えられた加速度を、半導体ペレツト 3 1 0の上面の点 P (重錘体 3 2 0の重心 Gから半導体べレット 3 1 0の上面に下ろした垂線の足）に作用する力（あるいはモーメント）として検出していることになる。ここで、第 5 0図の矢印に示すような方向に、 X軸， Y軸（紙面に垂直な方向）， Z軸を定義し、質量 mの重錘体 3 2 0に作用する加速度を、重心 Gに作用する加速度として考えることにする。すると、重心 Gに作用する Z拳由方向の加速度 α ζ は、点 Ρにおいて Ζ軸方向に作用する力 F ζ ( = m · α ζ ) として検出される。これに対し、重心 G に作用する X軸方向の加速度 α Xは、点 Ρにおける Υ軸まわりのモーメント M y ( - m * な x ' L ) として検出され、重心 Gに作用する Y軸方向の加速度 a yは、点 P における X車由まわりのモ一メント M x ( = m · y · L ) として検出される。したがって、半導体ペレツ卜 3 1 0 を平面的にシンメトリックな構造としておけば、 X軸方向に作用する加速度の検出感度と Y軸方向に作用する加速度の検出感度とは、ほぼ等しくできる。ところが、これらと Z軸方向に作用する加速度の検出感度とは一般に異なる。

本願発明者は、モーメン卜 M xおよび M yが、垂線の長さ Lをパラメ一夕としてもつ量であることに着目し、 Lを適当な値に定めてやることにより、 X Y Z 3軸方向の検出感度をほぼ同じにできることに気が付いた。そして、実験の結果、 Lが次のような条件を満たせば、 3軸方向の検出感度がほぼ等しくなることを発見した。すなわち、第 5 0図に示すように、点 Pから半導体べレット 3 1 0に掘られた溝深部の内側部分までの距離を r 1 、点 Pからこの溝深部の外側部分までの距離を r 2としたとき、 r l く Lく r 2なる関係が成り立つようにすれば、 3 $由方向の検出感度がほぼ等しくなるのである。ただし、 X , Y , z各軸の感度は可撓部や作用部などの形状によつても多少変化を受ける。このため r 1 く Lなる関係を完全に満たさない場台もあり、少なくとも L < r 2なる関係が保たれていれば検出感度を均一にする効果があらわれる。したがって、本発明に係るセンサを実際に製造する場合は、このような条件を考慮して各部の寸法設計を行うのが好ましい。

4 . 8 センサの試験方法

本発明に係るセンサを大量生産する場合、各センサを出荷前に試験する必要が生じる。このような試験を容易に行うための方法は、 § 3で述べたとおりである。第 5 1 図は、この試験方法を第 3 3図に示す装置中枢部 3 0 0に適用したときの構造を示す側断面図、第 5 2図はこのときの制御基板 3 4 0の上面図（ハツチング部分は電極を示す）である。重錘体 3 2 0の底面には、 1枚の電極板 E 3 0が形成され、制御基板 3 4 〔）の制御面 3 4 1上には、この電極板 E 3 0に対向するように 4枚の電極板 E 3 1 ~ E 3 4が形成される。各電極板に対しては、それぞれ配線層が接続されるが、ここでは図示を省略する。このような電極層を形成しておき、各電極層に所定の極性の電圧を印加すると、対向する電極層間にクーロン力が作用し、加速度が作用していないにもかかわらず重錘体 3 2 0に力を作用させることができる。各電極層に印加する電圧の極性を変えることにより、種々の方向へ力を加えることが可能になる。各電極層に印加した電圧と、そのときのセンサ本来の出力とを比較すれば、このセンサが正常に動作するか否かを試験することができる。

4 . 本センサの利点

( 1 ) 上述のセンサによれば、作用体の側部を基板の固定部下方にまで延ばすようにしたため、全体的に作用体の体積を大きく設計することが可能になり、作用体の重量が増し、感度を向上させることが容易にできる。また、基板の固定部下面を制御部材として利用し、作用休の上方への変位を制限することができるようになるため、高感度な物理量測定に適したセンサを単純な構造で実現できる。

(2) 上述のセンサにおいて、台座の内側面を制御部材として利用し、作用体の横方向への変位を制限するようにすれば高感度な物理量測定に適したセンサを単純な構造で実現できる。

(3 ) 上述のセンサにおいて、作用体の下面と所定の制御面とが、所定の間隙をおいて対向するように台座を固定し、この制御面によって作用体の下方向への変位を所定範囲内に制限できるようにすれば、高感度な物理量測定に適したセンサを単純な構造で実現できる。

(4) 上述のセンサにおいて、基板上面の中心部に定義された作用点と作用体の重心点との間の距離を最適範囲に設計するようにすれば、三次元の各蚰方向の検出感度を均一にすることができる。産業上の利用可能性本発明に係る力センサ、加速度センサ、磁気センサは. あらゆる産業機械に搭載して利用することができる。小型で、低コス卜で、高精度の測定が可能であるため、自動車や産業用ロボットへの適用が期待される。特に、加速度センサは、実施例として述べたように、 Θ動車に衝撃センサとして搭載し、エアバッグへの動作信号を発生させる用途には理想的な装置となる。

Claims

請求の範囲

1. X Y Z三次元座標系における所定の作用点に外力（ F X , F y , F z ) が作用したとき、この外力によつて機械的変形が生じるようにし、前記作用点に作用した外力の X铀方向成分 Ax 、 Y蚰方向成分 Ay 、 Z軸方向成分 Az を、前記機械的変形に起因して発生する電気信号 Vx 、 Vy 、 Vz に基づいて検出するセンサ用の信号処理回路において、

前記 Ax ， Ay ， Az と前記 Vx , Vy , Vz との間にヽ

Ax = K 11 V X + K 12 V y + K 13V z

Ay = K 21 V x + K 22V y + K 28V z

Az = K 31Vx + K 32V y + K 33 V z

なる関係式が成り立つような係数 K U, K 12, Κ 13, Κ 21, 22, Κ 23, Κ 31, Κ 32, Κ 33を求め、アナログ乗算器（101-109) を用いて前記関係式の右辺の項の値を演算し、アナログ加減算器（111- 113) を用いて前記関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から、検出値 Ax 、 Ay 、 Az を得るように構成したことを特徴とするセンサ用の信号処理回路。

2 , 所定の作用点に外力（ F X , F y , F z ) が作用したとき、この外力によって機械的変形が生じるようにし、前記作用点に作用した外力の X軸方向成分 Ax と、これに直交する Y軸方向成分 Ay とを、前記機械的変形に起因して発生する電気信号 Vx と Vy とに基づいて検出するセンサ用の信号処理回路において、

前記 Ax , Ay と前記 Vx ， Vy との間に、

Ax = K 11 V + K 12V y

Ay = K 21Vx + K 22 V y

なる関係式が成り立つような係数 K 11， Κ 12, Κ 21, Κ 22を求め、アナログ乗算器（ 201- 204)を用いて前記関係式の右辺の項の値を演算し、アナログ加減算器（211， 212〉を用いて前記関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から検出値 Ax および Ay を得るように構成したことを特徴とするセンサ用の信号処理回路。

3. 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（R) を単結晶基板（10)上に配置し、 X Y Z三次元座標系における所定の作用点に外力（ F X， F y , F z ) が作用したとき、この外力によつて前記単結晶基板に機械的変形が生じるようにし、前記作用点に作用した外力の X軸方向成分 Ax 、 Y軸方向成分 Ay 、 Z軸方向成分 Az を、前記複数の抵抗素子によつて構成されるブリッジ回路に基づいて得られる電圧値 Vx 、 Vy 、 Vz に基づいて検出するセンサ用の信号処理回路において、前記 Ax , Ay , Az と前記 Vx ， Vy , Vz との間に、

Ax = K 11 V X + K 12 V y + K 13 V z

Ay = K 21 V x + Κ 22 V y + Κ 23 Vz

A z = K 31 V x + K 32Vy + K 33Vz

なる関係式が成り立つような係数 K 11, K 12, K 13, K 21, K 22, K 23, K 31, K 32, K33を求め、アナログ乗算器（101-109) を用いて前記関係式の右辺の項の値を演算し、アナログ加減算器（U1-113) を用いて前記関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から、検出値 Ax 、 Ay 、 Az を得るように構成したことを特徴とするセンサ用の信号処理回路。

4. 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（R) を単結晶基板（10)上に配置し、所定の作用点に外力（ F X , F y , F z ) が作用したとき、この外力によつて前記単結晶基板に機械的変形が生じるようにし、前記作用点に作用した外力の X軸方向成分 Ax と、これに直交する Y軸方向成分 Ay とを、前記複数の抵抗素子によって構成される 2組のブリッジ回路のそれぞれのブリッジ電圧値 V X と V y とに基づいて検出するセンサ用の信号処理回路において、前記 Ax , Ay と前記 V x , Vy との間に、

A = K 11 V X + K 12 V y Ay = K 21 V x + K 22Vy

なる関係式が成り立つような係数 Κ 11, Κ 12, Κ 21, Κ22を求め、アナログ乗算器（ 201- 204)を用いて前記関係式の右辺の項の値を演算し、アナログ加減算器（211, 212)を用いて前記関係式の右辺の各項間演算を行い、これらの演算結果から検出値 Ax および Ay を得るように構成したことを特徵とするセンサ用の信号処理回路。

5. 力の作用を受ける作用部（11)、センサ本体に固定される固定部（13)、およびこれらの間に形成され可撓性をもった可撓部（12)、を有する起歪体（10)と、

作用した力を前記作用部に伝達させるための作用体 (20)と、

伝達された力によつて莳記起歪体に生じる機械的変形を、電気信号に変換することにより、前記作用体に作'用した力を電気信号として検出する検出手段（60-63) と、を備えるセンサを試験する方法において、

互いに対向した位置にあり、力の作用により両者間に変位を生じる第 1 の部位および第 2の部位を定め、両者間にクーロン力を作用させ、この作用させたクーロン力と前記検出手段による検出結果とに基づいて、センサの試験を行うことを特徴とする力の作用体を有するセンサの試験方法。

6 . 請求項 5に記載の試験方法において、第】の部位に第 1 の電極層（E3)を形成し、第 2の部位に第 2の電極層（E4- E8 ) を形成し、前記第 1の電極層および前記第 2の電極層に、それぞれ同じ極性の電圧を印加することにより両者間に斥力を作用させながら行う試験と、それぞれ異なる極性の電圧を印加することにより両者間に引力を作用させながら行う試験と、を行うようにしたことを特徴とする力の作用体を有するセンサの試験方法。

7 . 力の作用を受ける作用部（U )、センサ本休に固定される固定部（ 1 3 )、およびこれらの間に形成され可撓性をもった可撓部（12)、を有する起歪体（10)と、

伝達された力によって前記起歪体に生じる機械的変形を、電気信号に変換することにより、前記作用体に作用した力を電気信号として検出する検出手段（60 - 63 ) を備えるセンサを試験する方法において、

互いに対向した位置にあり、力の作用により両者間に変位を生じる第 1 の面および第 2の面を定め、前記第：！の面上に電極層（E2 )を形成し、前記第 2の面上の複数箇所にそれぞれ電気的に独立した複数の電極層（ E 9 - E 12 )を形成し、

前記第 ] の面上の電極層には第 1 の極性の電圧を印加し、前記第 2の面上の各電極層には前記第 1の極性の電圧またはこれとは逆の第 2の極性の電圧を各電極層ごとに選択的に印加し、前記第 1の面上の電極層と前記第 2 の面上の電極層との間に斥力または引力からなるクー π ンカを作用させ、この作用させたクーロン力と前記検出手段による検出锆果とに基づいて、センサの試験を行うことを特徵とする力の作用体を有するセンサの試験方法

8 . 力の作用を受ける作用部（11 )、センサ本体に固定される固定部（13)、およびこれらの間に形成され可撓性をもった可撓部（12)、を有する起歪体（1 0)と、

センサ本体に加わる加速度によって力の作用を受け、この作用した力を前記作用部に伝達して前記起歪体に機械的変形を生じさせるための重錘体（20)と、

前記起歪体に生じる機械的変形によつて抵抗値が変化する性質を持った抵抗素子（R) と、

加速度の作用により変位を生じる第〗の面に形成された第 1の電極層（E8)と、

前記第 1の面に対向した第 2の面に形成された第 2の電極層（E18-E21 ) と、

前記抵抗素子、前記第： I の電極層、および前記第 2の電極層を、外部の電気回路と接続させるための配線手段 (14 , 15 , 52)と、

を備え、前記第 1の電極層および前記第 2の電極層に所定の電圧を印加して両電極層間にクーロン力を作用させることにより、加速度が作用していない状態であつても前記起歪体に機械的変形を生じさせることができるように構成したことを特徵とする加速度センサ。

9. 力の作用を受ける作用部 ϋΐ)、センサ本体に固定される固定部（13)、およびこれらの間に形成され可撓性をもった可撓部（12)、を有する起歪体（10)と、

センサ本体が置かれた磁界によって力の作用を受け、この作用した力を前記作用部に伝達して前記起歪体に機械的変形を生じさせるための磁性体（20)と、

前記起歪体に生じる機械的変形によつて抵抗値が変化する性質をもった抵抗素子 0 と、

磁力の作用により変位を生じる第 ] の面に形成された第ュの電極層（Ε8)と、

前記第 ] の面に対向した第 2の面に形成された第 2の電極層（E18- E21) と、

前記抵抗素子、前記第 1の電極層、および前記第 2の電極層を、外部の電気回路と接続させるための配線手段 (14, 15, 52)と、

を備え、前記第 1の電極層および前記第 2の電極層に所定の電圧を印加して両電極層間にクーロンカを作用させることにより、磁力が作用していない状態であっても前記起歪体に機械的変形を生じさせることができるように構成したことを特徴とする磁気センサ。

1 0. 請求項 8に記載のセンサにおいて、第 1 の電極層と第 2 'の電極層のうち、一方の電極層を電気的に単一の電極層（E8)で構成し、他方の電極層を電気的に独立した複数の副電極層（E18 - E21) で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、起歪休に生じる機械的変形に方向性をもたせうるようにしたことを特徴とするセンサ。

1 1. 請求項 9に記載のセンサにおいて、第 1の電極層と第 2の電極層のうち、一方の電極層を電気的に単一の電極層（E8)で構成し、他方の電極層を電気的に独立した複数の副電極層（E18-E21) で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、起歪休に生じる機械的変形に方向性をもたせうるようにしたことを特徴とするセンサ。

1 2. 請求項 1 0に記載のセンサにおいて、他方の電極層を電気的に独立した 2枚の副電極層（E18.E21) で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、前記 2枚の副電極層の中心を結ぶ線方向（X) に関する機械的変形と、前記 2枚の副電極層の層面に対して垂直な方向（ Z ) に関する機械的変形と、を起歪体に生じさせるようにしたことを特徴とするセンサ ,

1 3. 請求項 1 1 に記載のセンサにおいて、他方の電極層を電気的に独立した 2枚の副電極層（E18.E21) で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、前記 2枚の副電極層の中心を結ぶ線方向（X) に関する機械的変形と、前記 2枚の副電極層の層面に対して垂直な方向（ Z ) に関する機械的変形と、を起歪体に生じさせるようにしたことを特徵とするセンサ。

1 4 . 請求項 1 0に記載のセンサにおいて、他方の電極層を電気的に独立した 4枚の副電極層（E18- E21) で構成し、これらの副電極層を直交する 2線分の各端点位置に配置し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、前記 2線分のうちの第 ] の線分方向（ X ) に関する機械的変形と、第 2の線分方向（Y) に関する機械的変形と、前記 4枚の副電極層の層面に対して垂直な方向（ Z ) に関する機械的変形と、を起歪体に生じさせるようにしたことを特徴とするセンサ。

1 5. 請求項 1 1 に記載のセンサにおいて、他方の電極層を電気的に独立した 4枚の副電極層（E18- E21) で構成し、これらの副電極層を直交する 2線分の各端点位置に配置し、各副電極層に印加する電圧の性を選択することにより、前記 2線分のうちの第 1 の線分方向（X) に関する機械的変形と、第 2の線分方向（Y) に関する機械的変形と、前記 4枚の副電極層の層面に対して垂直な方向（ Z) に関する機械的変形と、を起歪体に生じさせるようにしたことを特徵とするセンサ。

1 6. 請求項 8に記載のセンサにおいて、第 1 の電極層および第 2の電極層を、それぞれ電気的に独立した複数の第】の副電極層（E18- E21) および電気的に独立した複数の第 2の副電極層（Ε18'- Ε2Γ) で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、起歪体に生じる機械的変形に方向性をもたせうるようにしたことを特徵とするセンサ。

1 7. 請求項 9に記載のセンサにおいて、第 1の電極層および第 2の電極層を、それぞれ電気的に独立した複数の第 1 の副電極層（E18- E21) および電気的に独立した複数の第 2の副電極層（Ε18'- Ε2Γ) で構成し、各副電極層に印加する電圧の極性を選択することにより、起歪体に生じる機械的変形に方向性をもたせうるようにしたことを特徴とするセンサ。

1 8. 基板（310) のほぼ中心に作用部（311) 、その周囲に可撓部（312) 、更にその周囲に固定部（313) を定義し、この基板下面の前記可撓部に溝（CI)を掘るか、またはこの基板の前記可撓部に貫通孔を形成することにより前記可撓部に可撓性をもたせ、前記基板上面の前記可撓部に機械的変形に基づいて電気抵抗が変化する抵抗素子（R) を形成し、前記作用部の前記固定部に対する変位に基づいて生ずる前記抵抗素子の電気抵抗の変化を検出することにより、前記作用部に作用した物理量を検出するセンサにおいて、

前記作用部下面に、この作用部に力を伝達させるための作用体（320) を接台し、

前記固定部下面の第 1 の部分に、この固定部を支持するための台座を接合し、

かつ、前記固定部下面の第 2の部分と、前記作用体上面の一部分とが、所定の間隙（C2)をおいて対向するように構成し、前記第 2の部分によって前記作用体の上方への変位を所定範囲内に制限できるようにしたことを特徴とする抵抗素子を用いたセンサ。

1 9 . 請求項 1 8に記載の抵抗素子を用いたセンサにおいて、

台座（330) の内側面と、作用体（320) の外側面とが、所定の間隙（C4)をおいて対向するように構成し、前記台座の内側面によって前記作用体の横方向への変位を所定範囲内に制限できるようにしたことを特徴とする抵抗素子を用いたセンサ,

2 0 . 請求項 1 8に記載の抵抗素子を用いたセンサにおいて、

所定の制御面（34U と、作用体（320) の下面とが、所定の間隙をおいて対向するように、台座を前記制御面に固定し、前記制御面によって前記作用体の下方向への変位を所定範囲内に制限できるようにしたことを特徴とする抵抗素子を用いたセンサ。

2 1 . 基板（310) のほぼ中心に作用部（31 1) 、その周囲に可撓部（312) 、更にその周囲に固定部（313 ) を定義し、この基板下面の前記可撓部に溝（C1)を掘るか、またはこの基板の前記可撓部に貫通孔を形成することにより前記可撓部に可撓性をもたせ、前記基板上面の前記可撓部に機械的変形を電気信号に変換するトランスデューサを形成し、前記作用部の前記固定部に対する変位に基づいて生ずる前記電気信号の変化を検出することにより . 前記作用部に作用した物理量を検出するセンサにおいて前記作用部下面に、この作用部に力を伝達させるための作用体（320) を接台し、

かつ、前記作用体の重心 Gから、前記基板上面に垂線を下ろしたとき、この垂線の長さと、前記垂線の足 P から前記溝（C 1 )の外側部分までの距離 r と、の間に、 L く rなる関係が成り立つように構成したことを特徴とする抵抗素子を用いたセンサ。

2 2. 第 1の基板（310' )上に幅 (L4)をもつた方環状の可撓領域（312')を定義し、この方環の内側または外側のいずれか一方に作用領域（31Γ)を、他方に固定領域 (313')を、それぞれ定義する段階と、

前記第 1 の基板の第 1の面上の前記可撓領域内に、抵抗素子（R) を形成する段階と、

前記第 1の基板の第 2の面上に前記方環位置に合わせて井桁状の溝（C6〉を掘り、前記可撓領域に前記井桁状の溝の一部からなる方形状の溝を形成し、この可撓領域に可撓性をもたせる段階と、

前記第〗の基板の第 2の面に、第 2の基板（350, 350') の第：! の面を接合する段階と、

前記第 2の基板を切断することにより、前記第 1 の基板の前記作用領域に接合しており前記第 2の基板の一部分から構成される作用体（320) と、前記第 1の基板の前記固定領域に接合しており前記第 2の基板の一部分から構成される台座（330) と、を形成する段階と、

を有することを特徴とする抵抗素子を用いたセンサの製造方法。

2 3. 第 1の基板上に複数の単位領域を定義し、各単位領域内において、幅（L4)をもつた方環状の可撓領域 (312 ' )を定義し、この方環の内側または外側のいずれか一方に作用領域（31 1 ' )を、他方に固定領域（3 1 3 ' )を、それぞれ定義する段階と、

前記第 1の基板の第 1 の面上の前記各可撓領域内に、抵抗素子（R) を形成する段階と、

前記第 1 の基板の第 2の面上に、縦方向および横方向にそれぞれ複数の溝を掘り、各単位領域において、作用領域または固定領域の四方にそれぞれ 4つの溝（C6)が形成され、この溝によって可撓領域に可撓性が生じるようにする段階と、

前記第 1 の基板の第 2の面に、第 2の基板の第 1 の面を接合する段階と、

前記第 2の基板を切断することにより、各単位領域において、前記第 1 の基板の前記作用領域に接合しており前記第 2の基板の一部分から構成される作用体（320) と . 前記第 1の基板の前記固定領域に接合しており前記第 2 の基板の一部分から構成される台座（330) と、を形成する段階と、

前記第 1 の基板および前記第 2の基板を、各単位領域ごとに切り離し、それぞれ独立したセンサを形成する段階と、