JP2013088246A

JP2013088246A - Heat acceleration sensor

Info

Publication number: JP2013088246A
Application number: JP2011227936A
Authority: JP
Inventors: Katsuhisa Toyoshima; 克久豊島
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2013-05-13
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: JP5767076B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat acceleration sensor which is capable of high-accuracy triaxial acceleration measurement.SOLUTION: A triaxial acceleration sensor comprises a measuring space, a plurality of heating means and a plurality of temperature measuring means. A plurality of substrates having through holes comprised of slopes formed by anisotropic etching of a single-crystal silicon substrate and a plurality of substrates having slopes with recesses formed by anisotropic etching of a single-crystal silicon substrate are laminated and the measuring space is formed from the through holes and the recesses. In the measuring space, the plurality of heating means and the plurality of temperature measuring means are positioned while being formed integrally with any substrates.

Description

本発明は、加速度センサーに関し、三軸方向の加速度を同時に測定可能な熱型加速度センサーに関する。 The present invention relates to an acceleration sensor, and more particularly to a thermal acceleration sensor capable of simultaneously measuring acceleration in three axial directions.

加速度センサーは、ロボット、自動車等の制御装置に加えて近年は携帯電話、歩数計等の様々の分野において加速度を測定する手段として広く用いられており、小型で測定精度の高いものが求められている。
加速度センサは、ＭＥＭＳと称される、半導体基板に半導体装置の製造と同様の工程を利用して製造するデバイスのひとつとして小型化した装置の利用が進んでおり、半導体基板上に検出手段を形成した熱式加速度センサーが提案されている（例えば，特許文献１参照）。
しかしながら、この熱式加速度センサーでは、半導体基板上に酸化膜等の熱伝導率の低い物質で作られた細長い梁を形成したものであった。その結果、小型で耐衝撃性等にも優れているものの以下の問題点があった。
すなわち、１．Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸全ての方向の加速度を直接測定するものでなく、Ｚ軸成分の値によっては、Ｘ軸、Ｙ軸成分の測定値が小さくなる可能性がある。２．クロストークの影響で、加速度方向の検出精度が一定でなく、偏りやムラが生じる。３．傾き検出は、Ｘ−Ｙ平面における傾き検出のみが可能である。 In recent years, acceleration sensors are widely used as a means for measuring acceleration in various fields such as mobile phones and pedometers in addition to control devices for robots, automobiles, etc., and are required to be small and have high measurement accuracy. Yes.
Accelerometers, which are called MEMS, are increasingly used as miniaturized devices that are manufactured on semiconductor substrates using the same process as semiconductor device manufacturing, and detection means are formed on the semiconductor substrate. A thermal acceleration sensor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
However, in this thermal acceleration sensor, an elongated beam made of a material having low thermal conductivity such as an oxide film is formed on a semiconductor substrate. As a result, although it was small and excellent in impact resistance and the like, there were the following problems.
That is: The accelerations in all three axes of X, Y, and Z are not directly measured. Depending on the value of the Z-axis component, the measured values of the X-axis and Y-axis components may be small. 2. Due to the influence of crosstalk, the detection accuracy in the acceleration direction is not constant, and deviation and unevenness occur. 3. For the tilt detection, only tilt detection in the XY plane is possible.

また、以上のようなＺ軸の測定値の感度が小さいという問題点を増幅器を用いて解消した熱式加速度センサーが提案されている（例えば，特許文献２参照）。
しかしながら、この熱式加速度センサーでも、Ｚ軸成分の値によっては、Ｘ軸、Ｙ軸成分の測定値が小さくなる可能性がある。クロストークの影響で、加速度方向の検出精度が一定でなく、偏りやムラが生じる。熱式加速度センサーをどの方向へ向けても鉛直方向に対する傾き検出が可能であるが校正が必要であるという、問題点があった。
また、半導体基板上に半導体製造プロセスを用いて製造した小型の加速度センサーが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、加速度によって移動する検出電極と対極との間に形成される静電容量変化を検出するものであって、検出電極には、加速度を検出するための錘を設けたアーム、カンチレバー構造を有しているために、強度的な面での問題があった。 In addition, a thermal acceleration sensor has been proposed in which the above-described problem that the sensitivity of the Z-axis measurement value is small is eliminated by using an amplifier (see, for example, Patent Document 2).
However, even with this thermal acceleration sensor, the measured values of the X-axis and Y-axis components may be small depending on the value of the Z-axis component. Due to the influence of crosstalk, the detection accuracy in the acceleration direction is not constant, and deviation and unevenness occur. Although it is possible to detect the inclination in the vertical direction regardless of the direction of the thermal acceleration sensor, there is a problem that calibration is necessary.
In addition, a small acceleration sensor manufactured on a semiconductor substrate using a semiconductor manufacturing process has been proposed (for example, see Patent Document 3). However, it detects a change in capacitance formed between a detection electrode that moves due to acceleration and a counter electrode, and the detection electrode has an arm with a weight for detecting acceleration and a cantilever structure. Therefore, there is a problem in terms of strength.

一方、ヒーターにより筐体内に熱気流を発生させ、加速度による対流の変化を測定する熱式加速度センサーについても半導体基板上に作製したものが開発され、携帯電話、デジタルスチルカメラ等の小型機器等に利用されているが、二つの二軸加速度センサーを用いたものであって、三軸同時に加速度を測定するものではなかった。 On the other hand, thermal accelerometers that generate thermal airflow in the housing with a heater and measure changes in convection due to acceleration have also been developed on semiconductor substrates and have been developed for small devices such as mobile phones and digital still cameras. Although it is used, it uses two biaxial accelerometers and does not measure acceleration at the same time for three axes.

特開２０００−６５８５０号公報JP 2000-65850 A 特開２００５−３５１８９２公報JP-A-2005-351892 特許第３３２７５９５号公報Japanese Patent No. 3327595

本発明は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ともに同じ感度が得られ、各軸の検出値にクロストークがなく、３軸成分を完全分離して検出可能である熱式加速度センサーであって加速度方向の検出精度が一定となる熱式加速度センサーを提供することを課題とするものである。また、熱式加速度センサーをいずれの方向へ向けても鉛直方向に対する傾き検出の校正が不要な熱式加速度センサーを提供することを課題とするものである。 The present invention is a thermal acceleration sensor that can obtain the same sensitivity for the X-axis, Y-axis, and Z-axis, has no crosstalk in the detected value of each axis, and can detect three-axis components completely separated. It is an object of the present invention to provide a thermal acceleration sensor in which direction detection accuracy is constant. It is another object of the present invention to provide a thermal acceleration sensor that does not require calibration of tilt detection with respect to the vertical direction regardless of which direction the thermal acceleration sensor is directed.

本発明は上記の課題を解決するものであって、単結晶シリコン基板を異方性エッチングによって貫通孔を形成した傾斜面を有する基板と、単結晶シリコン基板を異方性エッチングによって凹部を形成した傾斜面を有する基板のそれぞれの複数枚を積層して前記貫通孔と前記凹部によって形成した測定空間と、前記測定空間にいずれかの基板に一体に形成した前記測定空間に位置する複数の発熱手段と複数の測温手段とを設けた三軸加速度センサーである。
前記測定空間の中心と中心が一致する正八面体の頂点に位置するように発熱手段および測温手段を配置した前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段がシリコン基板に一体に結合している前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段が一つの白金測温抵抗体である前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した抵抗体、およびダイオードである前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した一つのダイオードであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。 The present invention solves the above-mentioned problems, and has a substrate having an inclined surface in which a through hole is formed by anisotropic etching of a single crystal silicon substrate and a recess formed by anisotropic etching of the single crystal silicon substrate. A measurement space formed by laminating a plurality of substrates each having an inclined surface and formed by the through hole and the recess, and a plurality of heating means located in the measurement space formed integrally with any substrate in the measurement space And a plurality of temperature measuring means.
In the triaxial acceleration sensor, the heat generation means and the temperature measurement means are arranged so as to be positioned at the apex of a regular octahedron whose center coincides with the center of the measurement space.
In the triaxial acceleration sensor, the heat generating unit and the temperature measuring unit are integrally coupled to a silicon substrate.
In the three-axis acceleration sensor, the heating means and the temperature measuring means are one platinum resistance temperature detector.
The heat generating means and the temperature measuring means are the three-axis acceleration sensor which is a resistor and a diode formed in a semiconductor substrate.
The triaxial acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat generating means and the temperature measuring means are one diode formed in a semiconductor substrate.

本発明は、単結晶シリコン基板の異方性エッチングによって形成した空間に発熱手段、測温手段を配置したので、対称性が優れており、三軸のすべての方向について、正と負の加速度を直接検出することが可能であって、高精度の加速度の検出が可能な三軸加速度センサーを提供することができる。 In the present invention, since the heat generating means and the temperature measuring means are arranged in the space formed by anisotropic etching of the single crystal silicon substrate, the symmetry is excellent, and positive and negative accelerations are obtained in all three directions. It is possible to provide a triaxial acceleration sensor that can be directly detected and can detect acceleration with high accuracy.

図１は、本発明の熱式加速度センサーの実施形態を説明する図であり、基板に垂直な面で切断した断面図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of a thermal acceleration sensor according to the present invention, and is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to a substrate. 図２は、本発明の熱式加速度センサーについて図１の実施形態の各シリコン基板を、図１の上方から下方へ見た平面図である。FIG. 2 is a plan view of the silicon substrate of the embodiment of FIG. 1 as viewed from the top to the bottom of FIG. 1 in the thermal acceleration sensor of the present invention. 図３は、図１、図２で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the thermal acceleration sensor described in FIGS. 1 and 2. 図４は、本発明の熱式加速度センサーの他の実施形態を説明する図であって、発熱測温手段の少なくともいずれか一方は半導体のＰＮ接合によって作製した例を説明する断面図である。FIG. 4 is a view for explaining another embodiment of the thermal acceleration sensor of the present invention, and is a cross-sectional view for explaining an example in which at least one of the heat generation temperature measuring means is made by a semiconductor PN junction. 図５は、図４の実施形態の各シリコン基板を、図４の上方から下方へ見た平面図である。FIG. 5 is a plan view of each silicon substrate of the embodiment of FIG. 4 as viewed from above in FIG. 図６は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図５（Ｄ）で示す、Ｄ−１の部分の発熱測温手段を詳細に説明する図である。図６（Ａ）は平面図を示し、図６（Ｂ）は、Ａ−Ａ線の断面図を示す。FIG. 6 is a diagram for explaining one embodiment of the heat generation temperature measurement means, and is a view for explaining in detail the heat generation temperature measurement means in the portion D-1 shown in FIG. 5 (D). 6A shows a plan view, and FIG. 6B shows a cross-sectional view taken along the line AA. 図７は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図４で示すシリコン基板１４０に発熱測温手段を設けた例を説明する図である。FIG. 7 is a view for explaining an embodiment of the heat generation temperature measurement means, and is a view for explaining an example in which the heat generation temperature measurement means is provided on the silicon substrate 140 shown in FIG. 図８は、図４、図５で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a manufacturing process of the thermal acceleration sensor described in FIGS. 4 and 5. 図９は、図２で説明した白金抵抗測温体等の発熱測温手段を用いた例を説明する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining an example using heat generation temperature measuring means such as the platinum resistance temperature sensor described in FIG. 図１０は、他の測温，発熱手段を用いた加速度検出過程を説明する図であって、ＰＮ接合ダイオードとＰ型拡散抵抗を利用したものである。FIG. 10 is a diagram for explaining an acceleration detection process using other temperature measurement and heat generation means, which uses a PN junction diode and a P-type diffusion resistor. 図１１は、ＰＮ接合ダイオードを発熱および温度検出手段とした加速度検出手段を説明する図である。FIG. 11 is a diagram for explaining acceleration detection means using a PN junction diode as heat generation and temperature detection means.

本発明は、シリコン基板の異方性エッチングによって作製した凹部、貫通孔を有する基板の複数枚を積層することによって形成される空間を測定空間に利用した熱加速度センサーである。シリコンの異方性エッチングによって形成される空洞、および貫通孔を有するシリコン基板の積層によって形成される測定空間に発熱手段、測温手段を配置した場合には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ともに同じ感度が得られ、各軸の検出値にクロストークがなく、３軸成分を完全分離して検出可能である加速度センサーであって加速度方向の検出精度が一定となる熱式加速度センサーが得られることを見いだしたものである。 The present invention is a thermal acceleration sensor that uses, as a measurement space, a space formed by stacking a plurality of substrates each having a recess and a through-hole formed by anisotropic etching of a silicon substrate. When the heat generating means and the temperature measuring means are arranged in the measurement space formed by the lamination of the silicon substrate having a through hole and the cavity formed by anisotropic etching of silicon, all of the X axis, the Y axis, and the Z axis An accelerometer that has the same sensitivity, has no crosstalk in the detection values of each axis, and can detect the three-axis components completely separated, and has a constant acceleration direction detection accuracy. I found out.

以下、本発明の実施形態について，詳細に説明する。
図１は、本発明の熱式加速度センサーの実施形態を説明する図であり、基板に垂直な面で切断した断面図である。
図１に示す熱式加速度センサー１は、結晶方向が（１００）面のシリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０を半導体製造プロセスによって加工した後に積層して内部空間２００を形成したものである。
各シリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０は、それぞれシリコン支持層１１０ａ、１２０ａ、１３０ａ，１４０ａ、埋め込み酸化膜層１１０ｂ、１３０ｂ，１４０ｂ、シリコン層１１０ｃ、１３０ｃ，１４０ｃが形成されており、両面には、酸化膜層１１０ｄ、１１０ｅ、１２０ｄ，１２０ｅ、１３０ｄ，１３０ｅ，１４０ｄ，１４０ｅを形成した基板である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of a thermal acceleration sensor according to the present invention, and is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to a substrate.
The thermal acceleration sensor 1 shown in FIG. 1 is formed by processing the silicon substrates 110, 120, 130, and 140 having a (100) crystal direction by a semiconductor manufacturing process and then stacking them to form an internal space 200.
Each silicon substrate 110, 120, 130, 140 has silicon support layers 110a, 120a, 130a, 140a, buried oxide film layers 110b, 130b, 140b, and silicon layers 110c, 130c, 140c formed on both sides. This is a substrate on which oxide film layers 110d, 110e, 120d, 120e, 130d, 130e, 140d, and 140e are formed.

図１では各シリコン基板相互の関係をわかりやすくするために間隔を設けて表現しているが、各基板は、密着して接合されて内部に測定空間２００が形成されている。
シリコン基板１１０、１４０には、それぞれ凹部２１０、２４０が形成されて、各凹部の内部には、基板と一体に作製した発熱測温手段３１０ａ、３１０ｆが配置されている。
シリコン基板１２０、１３０には、それぞれ貫通孔２２０、２３０が形成されており、シリコン基板１３０には、基板と一体に形成され、凹部に周囲の部材から延びた梁状の部材上に発熱測温手段３１０ｂ（図示しない）、３１０ｃ、３１０ｄ（図示しない）、３１０ｅが配置されている。 In FIG. 1, the relationship between the silicon substrates is expressed with an interval in order to make it easy to understand. However, the substrates are closely bonded and a measurement space 200 is formed therein.
Concave portions 210 and 240 are formed in the silicon substrates 110 and 140, respectively, and heat generation temperature measuring means 310a and 310f manufactured integrally with the substrate are disposed inside the concave portions.
Through-holes 220 and 230 are formed in the silicon substrates 120 and 130, respectively. The silicon substrate 130 is integrally formed with the substrate, and the temperature measurement is performed on a beam-shaped member that is formed integrally with the substrate and extends from surrounding members to the recess. Means 310b (not shown), 310c, 310d (not shown), 310e are arranged.

また、本発明の熱式加速度センサーは、内部の空間と外部とを通気孔（図示せず）を設けて内部空間と外部の空気等が通気するものとすることができる。これによって、周囲温度の上昇時にも内部空間の圧力増加対策が不要となる。
一方、内部空間を密閉することによって、内部空間を空気以外の気体を満たして密閉することもできる。例えば、空気に比べて熱伝導率が小さな気体を封入して密閉した場合には、発熱手段の周辺から内部空間の気体のほうへは熱が伝達し難くなり、発熱手段の周辺の熱分布の広がりは小さくなるため、加速度感度の調整が可能となる。具体的には空気に熱伝導率が１／５のキセノンを使用し、空気とキセノンの混合比を調整する方法が挙げられる。 In addition, the thermal acceleration sensor of the present invention can be provided with a ventilation hole (not shown) between the internal space and the outside so that the internal space and the outside air or the like can vent. This eliminates the need for measures to increase the pressure in the internal space even when the ambient temperature rises.
On the other hand, by sealing the internal space, the internal space can be sealed with a gas other than air. For example, when a gas having a lower thermal conductivity than air is sealed and sealed, heat is difficult to transfer from the periphery of the heating means to the gas in the internal space, and the heat distribution around the heating means is reduced. Since the spread becomes small, the acceleration sensitivity can be adjusted. Specifically, there is a method in which xenon having a thermal conductivity of 1/5 is used for air and the mixing ratio of air and xenon is adjusted.

図２は、本発明の熱式加速度センサーについて図１の実施形態の各シリコン基板を、図１の上方から下方へ見た平面図である。
図２（Ａ）は、図１に示すシリコン基板１１０の平面図である。
図２（Ａ）において、結晶方向は、矢印Ａで示す方向が＜１１０＞方向である。また、Ａ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ａを形成した部分を図２（Ａ−１）に拡大図を示す。
図１の凹部２１０に位置する発熱測温手段３１０ａは、周囲の基板から梁状に延びた橋状部１１０ｆに形成されている。また、発熱測温手段３１０ａへの接続は、シリコン基板面にスパッタリングによって導電性膜を形成した配線１１５ａ、１１５ｂによって形成されている。
図２（Ｂ）は、図１に示すシリコン基板１２０の平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が＜１１０＞方向である。
シリコン基板１２０は、貫通孔２２０を有しており、シリコン基板１１０に形成した配線１１５ａ、１１５ｂに接続する配線接続部１２５ａ、１２５ｂを有している。 FIG. 2 is a plan view of the silicon substrate of the embodiment of FIG. 1 as viewed from the top to the bottom of FIG. 1 in the thermal acceleration sensor of the present invention.
FIG. 2A is a plan view of the silicon substrate 110 shown in FIG.
In FIG. 2A, the crystal direction is the <110> direction indicated by the arrow A. 2A-1 is an enlarged view of the portion indicated by A-1, that is, the portion where the heat generation temperature measuring means 310a is formed.
The exothermic temperature measuring means 310a located in the concave portion 210 of FIG. 1 is formed in a bridge-like portion 110f extending in a beam shape from the surrounding substrate. Further, the connection to the heat generation and temperature measuring means 310a is formed by wirings 115a and 115b in which a conductive film is formed on the silicon substrate surface by sputtering.
FIG. 2B is a plan view of the silicon substrate 120 shown in FIG. As for the crystal direction, the direction indicated by the arrow A is the <110> direction.
The silicon substrate 120 has a through hole 220 and wiring connection portions 125 a and 125 b that connect to the wirings 115 a and 115 b formed in the silicon substrate 110.

図２（Ｃ）は、図１のシリコン基板１３０を説明する平面図である。また、Ｃ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅを形成した部分を図２（Ｃ−１）に拡大図を示す。
貫通孔２３０には周囲の基板からは延びた橋状部１３０ｆ１、１３０ｆ２、１３０ｆ３、１３０ｆ４が形成されており、それぞれの橋状部には、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅが形成されている。
各発熱測温手段は、シリコン基板１３０面にスパッタリングによって形成した配線１３５ｂ１、１３５ｂ２、１３５ｃ１、１３５ｃ２、１３５ｄ１、１３５ｄ２、１３５ｅ１、１３５ｅ２に接続されている。
図２（Ｄ）は、図１におけるシリコン基板１４０を説明する平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が＜１１０＞方向である。
また、Ｄ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｆを形成した部分を図２（Ｄ−１）に拡大図を示す。
発熱測温手段３１０ｆは、凹部２４０に周囲の基板から梁状に延びた橋状部１４０ｆに形成されており、発熱測温手段３１０ｆへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線１４５ａ、１４５ｂに接続されている。 FIG. 2C is a plan view illustrating the silicon substrate 130 of FIG. FIG. 2C-1 shows an enlarged view of a portion indicated by C-1, that is, a portion where the heat generation temperature measuring means 310b, 310c, 310d, 310e are formed.
In the through hole 230, bridge-like portions 130f1, 130f2, 130f3, and 130f4 extending from the surrounding substrate are formed, and heat generation temperature measuring means 310b, 310c, 310d, and 310e are formed in the respective bridge-like portions. ing.
Each exothermic temperature measuring means is connected to wirings 135b1, 135b2, 135c1, 135c2, 135d1, 135d2, 135e1, and 135e2 formed on the surface of the silicon substrate 130 by sputtering.
FIG. 2D is a plan view illustrating the silicon substrate 140 in FIG. As for the crystal direction, the direction indicated by the arrow A is the <110> direction.
FIG. 2D-1 shows an enlarged view of the portion indicated by D-1, that is, the portion where the heat generation temperature measuring means 310f is formed.
The exothermic temperature measuring means 310f is formed in a bridge portion 140f extending in a beam shape from the surrounding substrate in the recess 240, and the wiring to the exothermic temperature measuring means 310f is a wiring 145a formed by sputtering on the silicon substrate surface, 145b.

シリコン基板１１０の面を水平に配置した場合には、それぞれの発熱測温手段からの出力のうちＸ軸方向は、配線１３５ｃ１と１３５ｅ２から取り出し、Ｙ軸方向は、配線１３５ｂ２と１３５ｄ２から取り出し、Ｚ軸方向は、配線１１５ａと１４５ｂから取り出すことができる。
以上の様に、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向の出力を全て相互に影響を受けることなく取り出すことができるので、熱加速度センサーを高精度化、高信頼性化するとともに、微細化が可能となる。 When the surface of the silicon substrate 110 is horizontally arranged, the X-axis direction out of the outputs from the respective heat generation and temperature measuring means is taken out from the wires 135c1 and 135e2, and the Y-axis direction is taken out from the wires 135b2 and 135d2, and the Z The axial direction can be taken out from the wirings 115a and 145b.
As described above, all the outputs in the three axes of X, Y, and Z can be taken out without being affected by each other, so the thermal acceleration sensor can be made highly accurate, highly reliable, and miniaturized. It becomes.

図３は、図１、図２で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する断面図であり、図１に示したシリコン基板１４０について説明する。他のシリコン基板についても同様に行うことができる。以下に、工程順に説明する。
図３（Ａ）に示すように、シリコン支持層１４０ａ、埋め込み酸化膜層１４０ｂを有する所望の大きさのＳＯＩ基板からなるシリコン基板１４０を準備する。
図３（Ｂ）に示すように、シリコン基板１４０の両面を酸化雰囲気で加熱し、両面に酸化膜層１４０ｄ，１４０ｅを形成する。 FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the thermal acceleration sensor described with reference to FIGS. 1 and 2, and the silicon substrate 140 illustrated in FIG. 1 will be described. The same can be done for other silicon substrates. Below, it demonstrates in order of a process.
As shown in FIG. 3A, a silicon substrate 140 made of an SOI substrate of a desired size having a silicon support layer 140a and a buried oxide film layer 140b is prepared.
As shown in FIG. 3B, both surfaces of the silicon substrate 140 are heated in an oxidizing atmosphere to form oxide film layers 140d and 140e on both surfaces.

図３（Ｃ）に示すように、上面にレジストパターンを形成した後に、表面の酸化膜層およびＳＯＩ層を等方性エッチングすることによって、測定空間形成部２０５および発熱測温手段形成部３００を作製する。
図３（Ｄ）に示すように、酸化雰囲気において熱処理を行って発熱測温手段形成部３００の側面に酸化膜層３０１を形成する。
図３（Ｅ）に示すように、発熱測温手段形成部３００の表面に発熱測温手段となる白金膜３０２を形成する。 As shown in FIG. 3C, after the resist pattern is formed on the upper surface, the measurement oxide layer and the SOI layer on the surface are isotropically etched, so that the measurement space forming unit 205 and the heating temperature measuring unit forming unit 300 are formed. Make it.
As shown in FIG. 3D, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to form an oxide film layer 301 on the side surface of the heat generation and temperature measuring means forming portion 300.
As shown in FIG. 3E, a platinum film 302 serving as a heat generation temperature measurement unit is formed on the surface of the heat generation temperature measurement unit formation unit 300.

次いで、図３（Ｆ）に示すように、レジストを塗布して測定空間形成部２０５に位置する酸化膜層のみを等方性エッチングを行って酸化物層を除去する。
更に図３（Ｇ）に示すように、アルカリ性エッチング液を用いてシリコン支持層１４０ａに対して異方性エッチングを行い、測定空間の凹部２４０を形成する。
以上の様にして作製した各シリコン基板を積層し、本発明の熱式加速度センサーを作製することができる。
また、以上の説明では、単一の熱式加速度センサーの製造工程を説明したが、半導体集積回路を形成した半導体装置の製造方法と同様に、それぞれの工程では、母材のシリコン基板の大きさに応じて複数個の構成部材を同時に作製することができる。 Next, as shown in FIG. 3F, a resist is applied and only the oxide film layer located in the measurement space forming portion 205 is isotropically etched to remove the oxide layer.
Further, as shown in FIG. 3G, anisotropic etching is performed on the silicon support layer 140a using an alkaline etching solution to form a recess 240 in the measurement space.
Each of the silicon substrates produced as described above can be laminated to produce the thermal acceleration sensor of the present invention.
In the above description, the manufacturing process of a single thermal acceleration sensor has been described. Like the manufacturing method of a semiconductor device in which a semiconductor integrated circuit is formed, in each process, the size of the base silicon substrate is determined. Depending on the case, a plurality of components can be produced simultaneously.

図４は、本発明の熱式加速度センサーの他の実施形態を説明する図であって、発熱測温手段の少なくともいずれか一方は半導体のＰＮ接合によって作製した例を説明する断面図である。
図４に示す熱式加速度センサー１は、結晶方向が（１００）面のシリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０を半導体製造プロセスによって加工した後に積層して内部空間２００を形成したものである。
各シリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０は、それぞれシリコン支持層１１０ａ、１２０ａ、１３０ａ，１４０ａ、埋め込み酸化膜層１１０ｂ、１３０ｂ、１４０ｂ、シリコン層１１０ｃ、１３０ｃ、１４０ｃが形成されており、両面には、酸化膜層１１０ｄ、１１０ｅ、１２０ｄ，１２０ｅ、１３０ｄ、１３０ｅ、１４０ｄ、１４０ｅを形成した基板である。 FIG. 4 is a view for explaining another embodiment of the thermal acceleration sensor of the present invention, and is a cross-sectional view for explaining an example in which at least one of the heat generation temperature measuring means is made by a semiconductor PN junction.
The thermal acceleration sensor 1 shown in FIG. 4 is formed by processing the silicon substrates 110, 120, 130, and 140 whose crystal direction is the (100) plane by a semiconductor manufacturing process and then stacking them to form the internal space 200.
Each silicon substrate 110, 120, 130, 140 has silicon support layers 110a, 120a, 130a, 140a, buried oxide film layers 110b, 130b, 140b, and silicon layers 110c, 130c, 140c formed on both sides. , Oxide substrates 110d, 110e, 120d, 120e, 130d, 130e, 140d, and 140e.

図４では各シリコン基板相互の関係をわかりやすくするために間隔を設けて表現しているが、各基板は密着して接合されて内部に測定空間２００が形成されている。
シリコン基板１１０、１４０には、それぞれ凹部２１０、２４０が形成されて、各凹部の内部には、基板と一体に作製した発熱測温手段４１０ａ、４１０ｆが配置されている。
シリコン基板１２０、１３０には、それぞれ貫通孔２２０、２３０が形成されており、シリコン基板１３０には、基板と一体に形成されて凹部に周囲の部材から延びた梁状の部材上に発熱測温手段４１０ｂ（図示しない）、４１０ｃ、４１０ｄ（図示しない）、４１０ｅが配置されている。
これらの発熱手段、測温手段の少なくともいずれか一方は、ＰＮ接合によって形成されたものである。 In FIG. 4, the relationship between the silicon substrates is expressed with an interval in order to make it easy to understand. However, the substrates are in close contact with each other to form a measurement space 200 therein.
Concave portions 210 and 240 are formed in the silicon substrates 110 and 140, respectively, and exothermic temperature measuring means 410a and 410f manufactured integrally with the substrate are disposed inside the concave portions.
Through-holes 220 and 230 are formed in the silicon substrates 120 and 130, respectively, and the silicon substrate 130 is formed integrally with the substrate, and the heat generation temperature measurement is performed on a beam-shaped member that is formed integrally with the substrate and extends from the surrounding members to the concave portion. Means 410b (not shown), 410c, 410d (not shown), 410e are arranged.
At least one of these heat generating means and temperature measuring means is formed by a PN junction.

図５は、図４の実施形態の各シリコン基板を、図４の上方から下方へ見た平面図である。
図５（Ａ）は、図４に示すシリコン基板１１０の平面図である。図５（Ａ）において、結晶方向は、矢印Ａで示す方向が＜１１０＞方向である。また、Ａ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ａを形成した部分を図５（Ａ−１）に拡大図を示す。
凹部２１０には、発熱測温手段３１０ａが周囲の基板から梁状に延びた橋状部１１０ｆに形成されている。また、発熱測温手段３１０ａへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄに接続されている。 FIG. 5 is a plan view of each silicon substrate of the embodiment of FIG. 4 as viewed from above in FIG.
FIG. 5A is a plan view of the silicon substrate 110 shown in FIG. In FIG. 5A, the crystal direction is the <110> direction as indicated by the arrow A. FIG. 5A-1 shows an enlarged view of the portion indicated by A-1, that is, the portion where the heat generation temperature measuring means 310a is formed.
In the recess 210, a heat generation temperature measuring means 310a is formed in a bridge-like portion 110f extending in a beam shape from the surrounding substrate. The wiring to the heat generation and temperature measuring means 310a is connected to wirings 215a, 215b, 215c, and 215d formed on the silicon substrate surface by sputtering.

図５（Ｂ）は、図１で示すシリコン基板１２０の平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が＜１１０＞方向である。
シリコン基板１２０は貫通孔２２０を有しており、シリコン基板１１０に形成した配線２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄに接続する配線接続部２２５ａ、２２５ｂ、２２５ｃ、２２５ｄを有している。 FIG. 5B is a plan view of the silicon substrate 120 shown in FIG. As for the crystal direction, the direction indicated by the arrow A is the <110> direction.
The silicon substrate 120 has a through hole 220 and wiring connection portions 225 a, 225 b, 225 c, and 225 d that connect to the wirings 215 a, 215 b, 215 c, and 215 d formed in the silicon substrate 110.

図５（Ｃ）は、図４におけるシリコン基板１３０を説明する平面図である。また、Ｃ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０eを形成した部分を図５（Ｃ−１）に拡大図を示す。
貫通孔２３０には周囲の基板からは延びた橋状部１３０ｆ−１，１３０ｆ−２，１３０ｆ−３，１３０ｆ−４が形成されており、それぞれの橋状部には、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０eが形成されている。
各発熱測温手段は、シリコン基板１３０面にスパッタリングによって形成した配線２３５ｂ１〜２３５ｂ４、２３５ｃ１〜２３５ｃ４、２３５ｄ１〜２３５ｄ４、２３５e１〜２３５ｅ４に接続されている。 FIG. 5C is a plan view illustrating the silicon substrate 130 in FIG. FIG. 5C-1 shows an enlarged view of a portion indicated by C-1, that is, a portion where the heat generation temperature measuring means 310b, 310c, 310d, 310e are formed.
Bridge-like portions 130f-1, 130f-2, 130f-3, and 130f-4 extending from the surrounding substrate are formed in the through-hole 230, and each of the bridge-like portions has an exothermic temperature measuring means 310b, 310c, 310d, and 310e are formed.
Each exothermic temperature measuring means is connected to wirings 235b1 to 235b4, 235c1 to 235c4, 235d1 to 235d4, 235e1 to 235e4 formed on the surface of the silicon substrate 130 by sputtering.

図５（Ｄ）は、図１におけるシリコン基板１４０を説明する平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が＜１１０＞方向である。
また、Ｄ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｄを形成した部分を図５（Ｄ−１）に拡大図を示す。
発熱測温手段３１０ｄは、凹部２４０に周囲の基板から梁状に延びた橋状部１４０ｆに形成されており、発熱測温手段３１０ｄへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線２４５ａ、２４５ｂ、２４５ｃ、２４５ｄに接続されている。 FIG. 5D is a plan view illustrating the silicon substrate 140 in FIG. As for the crystal direction, the direction indicated by the arrow A is the <110> direction.
Further, FIG. 5D-1 shows an enlarged view of a portion indicated by D-1, that is, a portion where the heat generation temperature measuring means 310d is formed.
The exothermic temperature measuring means 310d is formed in a bridge portion 140f extending in a beam shape from the surrounding substrate in the recess 240, and the wiring to the exothermic temperature measuring means 310d is a wiring 245a formed on the silicon substrate surface by sputtering, 245b, 245c, 245d.

各発熱測温手段からの出力は、Ｘ軸方向は、配線２３５ｃ３と２３５ｅ３から取り出し、Ｙ軸方向は、配線２３５ｂ１と２３５ｄ３から取り出し、Ｚ軸方向は、配線２１５ｂと２４５ｂから取り出すことができる。
以上の様に、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向の出力を相互に影響を受けることなく取り出すことができるので、熱加速度センサーを微細化、高精度化、高信頼性化することが可能となる。 The output from each of the temperature measuring means can be taken out from the wirings 235c3 and 235e3 in the X-axis direction, taken out from the wirings 235b1 and 235d3 in the Y-axis direction, and taken out from the wirings 215b and 245b in the Z-axis direction.
As described above, the output in the three axes of X, Y, and Z can be taken out without being affected by each other, so that the thermal acceleration sensor can be miniaturized, highly accurate, and highly reliable. Become.

図６は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図５（Ｄ）で示す、Ｄ−１の部分の発熱測温手段を詳細に説明する図である。図６（Ａ）は平面図を示し、図６（Ｂ）は、Ａ−Ａ線の断面図を示す。
発熱測温手段４１０ｂは、ＰＮ接合ダイオード４１０Ｐによる測温手段と半導体中に不純物を拡散させた抵抗体４１０Ｒからなる発熱手段で構成されている。
Ｎ型基板を用いてＰ型拡散層２４６ａ、２４６ｂを形成したものである。その結果、ＰＮ接合ダイオードのＰ型の部分が２４６ａに形成されるので、半導体基板上に形成した金属膜２４５ａ、２４５ｄの間にＰＮ接合ダイオードが形成される。ＰＮ接合に一定バイアス電圧を印加すると、電流は絶対温度の逆数に対して指数関数的に変化するため、電流を検出することで高感度な温度センサーとして利用できる。
また、Ｐ型拡散層２４６ｂによって半導体基板に所望の抵抗値の抵抗体４１０Ｒを形成することができるので、Ｐ型拡散層に電流を通電することによって発熱手段とすることができる。 FIG. 6 is a diagram for explaining one embodiment of the heat generation temperature measurement means, and is a view for explaining in detail the heat generation temperature measurement means in the portion D-1 shown in FIG. 5 (D). 6A shows a plan view, and FIG. 6B shows a cross-sectional view taken along the line AA.
The heat generation temperature measurement means 410b is composed of a temperature measurement means using a PN junction diode 410P and a heat generation means comprising a resistor 410R in which impurities are diffused in the semiconductor.
P-type diffusion layers 246a and 246b are formed using an N-type substrate. As a result, since the P-type portion of the PN junction diode is formed at 246a, a PN junction diode is formed between the metal films 245a and 245d formed on the semiconductor substrate. When a constant bias voltage is applied to the PN junction, the current changes exponentially with respect to the reciprocal of the absolute temperature, so that it can be used as a highly sensitive temperature sensor by detecting the current.
In addition, since the resistor 410R having a desired resistance value can be formed on the semiconductor substrate by the P-type diffusion layer 246b, it can be used as a heat generating unit by supplying current to the P-type diffusion layer.

図７は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図４で示すシリコン基板１４０に発熱測温手段を設けた例を説明する図である。
発熱測温手段４１０ｄは、ＰＮ接合ダイオードから構成されており、Ｎ型のシリコン基板１４０に設けた凹部２４０に周囲の基板から梁状に延びた橋状部１４０ｆに形成されている。発熱測温手段４１０ｄへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線１４５ａ、１４５ｂに接続されている。
ＰＮ接合ダイオードは、Ｎ型であるシリコン基板１４０にＰ型不純物をドープしたＰ型拡散層１４６ａを設けることによって作製することができる。
本発明の発熱測温手段４１０ｄ、ＰＮ接合に印加する電圧および電流の値によって温度検出を行うことができる。 FIG. 7 is a view for explaining an embodiment of the heat generation temperature measurement means, and is a view for explaining an example in which the heat generation temperature measurement means is provided on the silicon substrate 140 shown in FIG.
The exothermic temperature measuring means 410d is composed of a PN junction diode, and is formed in a bridge portion 140f extending in a beam shape from the surrounding substrate in a recess 240 provided in the N-type silicon substrate 140. Wirings to the exothermic temperature measuring means 410d are connected to wirings 145a and 145b formed by sputtering on the silicon substrate surface.
The PN junction diode can be manufactured by providing a P-type diffusion layer 146a doped with a P-type impurity on an N-type silicon substrate 140.
Temperature detection can be performed by the exothermic temperature measuring means 410d of the present invention and the voltage and current values applied to the PN junction.

図８は、図４、図５で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する図であり、図４に示したシリコン基板１４０について説明する。他のシリコン基板についても同様に行うことができる。以下に、工程順に説明する。
図８（Ａ）に示すように、シリコン支持層１４０ａ、埋め込み酸化膜層１４０ｂを有する所望の大きさのＳＯＩ基板からなるシリコン基板１４０を準備する。
図８（Ｂ）に示すように、シリコン基板１４０の両面を酸化雰囲気で加熱し、両面に酸化膜層１４０ｄ，１４０ｅを形成する。 FIG. 8 is a diagram for explaining a manufacturing process of the thermal acceleration sensor described with reference to FIGS. 4 and 5, and the silicon substrate 140 shown in FIG. 4 will be described. The same can be done for other silicon substrates. Below, it demonstrates in order of a process.
As shown in FIG. 8A, a silicon substrate 140 made of an SOI substrate of a desired size having a silicon support layer 140a and a buried oxide film layer 140b is prepared.
As shown in FIG. 8B, both surfaces of the silicon substrate 140 are heated in an oxidizing atmosphere to form oxide film layers 140d and 140e on both surfaces.

次に、図８（Ｃ）に示すように、上面にレジストパターンを形成した後に、表面の酸化膜層およびＳＯＩ層を等方性エッチングすることによって、測定空間形成部２０５および発熱測温手段形成部３００を作製する。
図８（Ｄ）に示すように、酸化雰囲気において熱処理を行ってエッチングによって露出したシリコン面に酸化膜層１４０ｇを形成する。
図８（Ｅ）に示すように、レジストパターンを形成した後に表面の酸化物層を一部除去し、Ｎ型シリコン層にＰ型拡散層２４６ａを形成する。
図８（Ｆ）に示すように、レジストパターンを形成した後に表面の酸化物層を一部除去した後に、電極の形状に金属膜２４５ａ、２４５ｄを形成する。その結果、ＰＮ接合ダイオードのＰ型の部分が２４６ａに形成されるので、半導体基板上に形成した金属膜２４５ａ、２４５ｄの間にＰＮ接合ダイオードが形成される。
ＰＮ接合に一定バイアス電圧を印加すると、電流は絶対温度の逆数に対して指数関数的に変化するため、電流を検出することで高感度な温度センサーとして利用できる。
また、Ｐ型拡散層２４６ｂによって半導体基板に所望の抵抗値の抵抗体４１０Ｒを形成することができるので、Ｐ型拡散層に電流を通電することによって発熱手段とすることができる。 Next, as shown in FIG. 8C, after forming a resist pattern on the upper surface, the measurement space forming portion 205 and the heating temperature measuring means are formed by isotropic etching of the oxide film layer and the SOI layer on the surface. The part 300 is produced.
As shown in FIG. 8D, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to form an oxide film layer 140g on the silicon surface exposed by etching.
As shown in FIG. 8E, after the resist pattern is formed, a part of the oxide layer on the surface is removed, and a P-type diffusion layer 246a is formed in the N-type silicon layer.
As shown in FIG. 8F, after a resist pattern is formed and part of the oxide layer on the surface is removed, metal films 245a and 245d are formed in the shape of electrodes. As a result, since the P-type portion of the PN junction diode is formed at 246a, a PN junction diode is formed between the metal films 245a and 245d formed on the semiconductor substrate.
When a constant bias voltage is applied to the PN junction, the current changes exponentially with respect to the reciprocal of the absolute temperature, so that it can be used as a highly sensitive temperature sensor by detecting the current.
In addition, since the resistor 410R having a desired resistance value can be formed on the semiconductor substrate by the P-type diffusion layer 246b, it can be used as a heat generating unit by supplying current to the P-type diffusion layer.

次いで、図８（Ｇ）に示すように、レジストを塗布して測定空間形成部２０５に位置する酸化膜層のみを等方性エッチングを行って酸化物層を除去する。
更に図８（Ｈ）に示すように、アルカリ性エッチング液を用いてシリコン支持層１４０ａに対して異方性エッチングを行い、測定空間の凹部２４０を形成する。
以上の様にして作製した各シリコン基板を積層し、本発明の熱式加速度センサーを作製することができる。
また、以上の説明では、単一の熱式加速度センサーの製造工程を説明したが、半導体集積回路を形成した半導体装置の製造方法と同様に、それぞれの工程では、母材のシリコン基板の大きさに応じて複数個の構成部材を同時に作製することができる。 Next, as shown in FIG. 8G, a resist is applied and only the oxide film layer located in the measurement space forming portion 205 is isotropically etched to remove the oxide layer.
Further, as shown in FIG. 8H, anisotropic etching is performed on the silicon support layer 140a using an alkaline etching solution to form a recess 240 in the measurement space.
Each of the silicon substrates produced as described above can be laminated to produce the thermal acceleration sensor of the present invention.
In the above description, the manufacturing process of a single thermal acceleration sensor has been described. Like the manufacturing method of a semiconductor device in which a semiconductor integrated circuit is formed, in each process, the size of the base silicon substrate is determined. Depending on the case, a plurality of components can be produced simultaneously.

以下に、加速度検出過程についてブロック図を参照して説明する。
図９は、図２で説明した白金抵抗測温体等の発熱測温手段を用いた例を説明する図である。
Ｘ軸方向の発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅには、それぞれ定温度回路４０１ｃ、４０１ｅが接続されており、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅを含むブリッジ回路に電流を通電している。ブリッジ回路の平衡の検出によって温度が一定であると判断することができる。また、差動増幅器５０１ｃ、５０１ｅを用いて、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅに印加する電圧Ｖｈを制御することによって定温度回路として動作させることができる。 Hereinafter, the acceleration detection process will be described with reference to a block diagram.
FIG. 9 is a diagram for explaining an example using heat generation temperature measuring means such as the platinum resistance temperature sensor described in FIG.
Constant temperature circuits 401c and 401e are connected to the X-axis direction heat generation temperature measurement means 310c and 310e, respectively, and current is passed through the bridge circuit including the heat generation temperature measurement means 310c and 310e. It can be determined that the temperature is constant by detecting the balance of the bridge circuit. Further, the differential amplifiers 501c and 501e can be used to operate as a constant temperature circuit by controlling the voltage Vh applied to the heat generating temperature measuring means 310c and 310e.

Ｘ軸方向を３１０ｃから３１０ｅの方向とした場合、Ｘ軸方向に加速度を印加すると、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅの周辺の空間における熱分布は、それぞれ加速度と同じ方向となるＸ軸方向へ偏移する。そのため、発熱測温手段３１０ｃの周辺の熱は逃げ易くなり、温度を一定に保つためには、より多くの印加電圧Ｖｈを印加しなければならなくなる。一方、発熱測温手段３１０ｅの周辺の熱は逃げ難くなり、温度を一定に保つためには、より少ない印加電圧Ｖｈで済ませることができる。そうなると、発熱測温手段３１０ｃの印加電圧Ｖｈに相当するＶ−ｘが大きくなり、発熱測温手段３１０ｅの印加電圧Ｖｈに相当するＶ＋ｘが小さくなる。
このように、Ｘ軸方向の加速度に対して、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅのそれぞれにおいてＶ−ｘとＶ＋ｘとを出力するので、加速度演算回路５０１ｘからＸ軸方向の加速度αｘが得られる。 Assuming that the X-axis direction is the direction from 310c to 310e, when acceleration is applied in the X-axis direction, the heat distribution in the space around the heat generation temperature measuring means 310c and 310e is deviated in the X-axis direction, which is the same direction as the acceleration, respectively. Move. Therefore, the heat around the exothermic temperature measuring means 310c is likely to escape, and in order to keep the temperature constant, it is necessary to apply a larger applied voltage Vh. On the other hand, the heat around the exothermic temperature measuring means 310e is difficult to escape, and a smaller applied voltage Vh can be used to keep the temperature constant. As a result, V-x corresponding to the applied voltage Vh of the exothermic temperature measuring means 310c increases, and V + x corresponding to the applied voltage Vh of the exothermic temperature measuring means 310e decreases.
As described above, since Vx and V + x are output from the heat generation temperature measuring means 310c and 310e with respect to the acceleration in the X-axis direction, the acceleration αx in the X-axis direction is obtained from the acceleration calculation circuit 501x.

Ｙ軸方向についても同様に、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｄには、それぞれ定温度回路４０１ｂ、４０１ｄが接続されており、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｄを含むブリッジ回路に電流を通電している。
Ｙ軸方向を３１０ｄから３１０ｂの方向とした場合、Ｙ軸方向に加速度を印加すると、発熱測温手段３１０ｄ、３１０ｂの周辺の空間における熱分布は、それぞれ加速度と同じ方向となるＹ軸方向へ偏移する。そのため、発熱測温手段３１０ｄの周辺の熱は逃げ易くなり、温度を一定に保つためには、より多くの印加電圧Ｖｈを印加しなければならなくなる。一方、発熱測温手段３１０ｂの周辺の熱は逃げ難くなり、温度を一定に保つためには、より少ない印加電圧Ｖｈで済ませることができる。そうなると、発熱測温手段３１０ｄの印加電圧Ｖｈに相当するＶ−ｙが大きくなり、発熱測温手段３１０ｂの印加電圧Ｖｈに相当するＶ＋ｙが小さくなる。
このように、Ｙ軸方向の加速度に対して、発熱測温手段３１０ｄ、３１０ｂのそれぞれにおいてＶ−ｙとＶ＋ｙとを出力するので、加速度演算回路５０１ｙからＹ軸方向の加速度αｙが得られる。 Similarly, in the Y-axis direction, constant temperature circuits 401b and 401d are connected to the exothermic temperature measuring means 310b and 310d, respectively, and current is passed through the bridge circuit including the exothermic temperature measuring means 310b and 310d.
Assuming that the Y-axis direction is the direction from 310d to 310b, when acceleration is applied in the Y-axis direction, the heat distribution in the space around the heat-generating temperature measuring means 310d and 310b is biased toward the Y-axis direction, which is the same direction as the acceleration. Move. Therefore, the heat around the exothermic temperature measuring means 310d is likely to escape, and in order to keep the temperature constant, it is necessary to apply a larger applied voltage Vh. On the other hand, the heat around the exothermic temperature measuring means 310b is difficult to escape, and a smaller applied voltage Vh can be used to keep the temperature constant. Then, Vy corresponding to the applied voltage Vh of the heat generation temperature measuring means 310d increases, and V + y corresponding to the application voltage Vh of the heat generation temperature measurement means 310b decreases.
As described above, since V-y and V + y are output in each of the heat generation temperature measuring means 310d and 310b with respect to the acceleration in the Y-axis direction, the acceleration αy in the Y-axis direction can be obtained from the acceleration calculation circuit 501y.

また、Ｚ軸方向についても、発熱測温手段３１０ａ、３１０ｆには、それぞれ定温度回路４０１ａ、４０１ｆが接続されており、発熱測温手段３１０ａ、３１０ｆを含むブリッジ回路に電流を通電している。
Ｚ軸方向を３１０ｆから３１０ａの方向とした場合、Ｚ軸方向に加速度を印加すると、発熱測温手段３１０ｆ、３１０ａの周辺の空間における熱分布は、それぞれ加速度と同じ方向となるＺ軸方向へ偏移する。そのため、発熱測温手段３１０ｆの周辺の熱は逃げ易くなり、温度を一定に保つためには、より多くの印加電圧Ｖｈを印加しなければならなくなる。一方、発熱測温手段３１０ａの周辺の熱は逃げ難くなり、温度を一定に保つためには、より少ない印加電圧Ｖｈで済ませることができる。そうなると、発熱測温手段３１０ｆの印加電圧Ｖｈに相当するＶ−ｚが大きくなり、発熱測温手段３１０ａの印加電圧Ｖｈに相当するＶ＋ｚが小さくなる。
このように、Ｚ軸方向の加速度に対して、発熱測温手段３１０ｆ、３１０ａのそれぞれにおいてＶ−ｚとＶ＋ｚとを出力するので、加速度演算回路５０１ｚからＺ軸方向の加速度αｚが得られる。
以上の様にして、熱式加速度センサーは、発熱手段の温度が一定となるように通電して発熱させて、その上流側、下流側に配置した測温手段によって温度を測温して、上流側と下流側のそれぞれの出力の差分から加速度を検出することができるので、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向すべての加速度の正確な測定が可能となる。 In the Z-axis direction, constant temperature circuits 401a and 401f are connected to the exothermic temperature measuring means 310a and 310f, respectively, and current is supplied to the bridge circuit including the exothermic temperature measuring means 310a and 310f.
Assuming that the Z-axis direction is from 310f to 310a, when acceleration is applied in the Z-axis direction, the heat distribution in the space around the heat-generating temperature measuring means 310f and 310a is biased toward the Z-axis direction, which is the same direction as the acceleration. Move. For this reason, the heat around the exothermic temperature measuring means 310f easily escapes, and in order to keep the temperature constant, it is necessary to apply a larger applied voltage Vh. On the other hand, the heat around the exothermic temperature measuring means 310a is difficult to escape, and a lower applied voltage Vh can be used to keep the temperature constant. As a result, Vz corresponding to the applied voltage Vh of the exothermic temperature measuring means 310f increases, and V + z corresponding to the applied voltage Vh of the exothermic temperature measuring means 310a decreases.
As described above, since Vz and V + z are output in each of the heat generation temperature measuring means 310f and 310a with respect to the acceleration in the Z-axis direction, the acceleration αz in the Z-axis direction is obtained from the acceleration calculation circuit 501z.
As described above, the thermal acceleration sensor generates heat by energizing so that the temperature of the heat generating means is constant, and measures the temperature by the temperature measuring means disposed on the upstream side and the downstream side thereof, and the upstream. Since the acceleration can be detected from the difference between the respective outputs on the side and the downstream side, it is possible to accurately measure the accelerations in all three axis directions of X, Y, and Z.

本発明において加速度検出方法には、発熱手段の温度を一定とする方法、各発熱手段に通電する電流値又は電圧値を一定とする方法のいずれの方法によっても検出することができる。
発熱手段に通電する電流値、電圧値を一定とする方法は温度制御回路を必要としないので、温度検出回路を簡単なものとすることができる。
一方、発熱手段の温度を一定とする方法は、周囲温度が上昇した場合においても、発熱手段の温度が予め設定した温度を超えることがないため、発熱手段の過熱防止手段を別途設ける必要がない。このため、白金薄膜抵抗、半導体拡散抵抗、およびダイオードにおいて、素子の劣化や破損を防ぐことが可能となる。また、発熱手段の温度が１２０℃付近において、湿度に対して熱伝導率がほぼ一定となる領域を利用すると、周囲環境の湿度の影響を受けることなく加速度検出が可能となる。 In the present invention, the acceleration detection method can be detected by any of a method for keeping the temperature of the heat generating means constant and a method for making the current value or voltage value supplied to each heat generating means constant.
Since the method of making the current value and voltage value to be energized to the heat generating means constant does not require the temperature control circuit, the temperature detection circuit can be simplified.
On the other hand, in the method of keeping the temperature of the heat generating means constant, even when the ambient temperature rises, since the temperature of the heat generating means does not exceed a preset temperature, it is not necessary to separately provide an overheating preventing means for the heat generating means. . For this reason, it becomes possible to prevent deterioration and breakage of elements in the platinum thin film resistor, the semiconductor diffusion resistor, and the diode. Further, when the temperature of the heat generating means is in the vicinity of 120 ° C., acceleration can be detected without being affected by the humidity of the surrounding environment by using a region where the thermal conductivity is almost constant with respect to the humidity.

発熱手段の温度を一定にするための印加電圧は、周囲温度が上昇するにつれて、少なくて済むため、それとともに加速度感度も小さくなっていく。そのため、周囲温度も検出しながら、加速度出力を補正することが必要となる。
周囲温度も検出しながら発熱手段を一定温度に保持するためには、発熱手段に間欠的に通電して、温度応答性良く制御する方法が挙げられる。また、発熱手段は熱応答性に優れた極薄ブリッジ状に形成することが望ましく、小型化によって低消費電力化が実現できる。
測定空間の内部の熱を外部に放熱させ、さらに測定空間外部の温度が内部に伝わりやすくするために、基板材料および測定容器に用いる材料はシリコン基板などの熱伝導率の高い材料で構成させるともに、測定空間内部の体積は極力小さくし熱容量を抑えることが望ましく、これにより熱式加速度センサーの応答性能も向上する。 Since the applied voltage for keeping the temperature of the heat generating means constant can be reduced as the ambient temperature rises, the acceleration sensitivity also decreases. Therefore, it is necessary to correct the acceleration output while also detecting the ambient temperature.
In order to maintain the heat generating means at a constant temperature while detecting the ambient temperature, there is a method in which the heat generating means is intermittently energized and controlled with good temperature responsiveness. Further, it is desirable to form the heat generating means in a very thin bridge shape with excellent thermal response, and low power consumption can be realized by downsizing.
In order to dissipate the heat inside the measurement space to the outside, and to make it easier for the temperature outside the measurement space to be transferred to the inside, the substrate material and the material used for the measurement container are made of a material with high thermal conductivity such as a silicon substrate. It is desirable to reduce the volume inside the measurement space as much as possible to suppress the heat capacity, thereby improving the response performance of the thermal acceleration sensor.

図１０は、他の測温，発熱手段を用いた加速度検出過程を説明する図であって、ＰＮ接合ダイオードとＰ型拡散抵抗を利用したものである。
図１０は、図６で示した金属膜２４５ｂ、２４５ｄの間に形成されるＰＮ接合ダイオード４１０ＰとＰ型拡散抵抗４１０Ｒを利用したものである。
ＰＮ接合に一定バイアス電圧を印加すると、電流は絶対温度の逆数に対して指数関数的に変化するため、電流を検出することで高感度な温度センサーとして利用できる。同様にＰ型拡散層２４６ｂによって半導体基板に所望の抵抗値の半導体拡散抵抗体４１０Ｒを形成しているので、Ｐ型拡散層に電流を通電することによって発熱手段とすることができる。
ここでは、ＰＮ接合ダイオードに逆方向バイアスを印加したときの電流値を演算増幅器の電圧出力Ｖ0として検出し、この状態で一定温度であると判断する。
更に得られた電圧出力が常にＶ0＝Ｖｓとなるように差動増幅器を用いて半導体拡散抵抗に印加される電圧Ｖｈを制御して定温度回路として動作させることで、図９の抵抗測温抵抗体を用いた場合と同様に加速度の検出が可能となる。
以上の説明では、Ｘ軸方向についての説明を行ったがＹ軸、Ｚ軸方向も同様に行うことができる。 FIG. 10 is a diagram for explaining an acceleration detection process using other temperature measurement and heat generation means, which uses a PN junction diode and a P-type diffusion resistor.
FIG. 10 utilizes the PN junction diode 410P and the P-type diffused resistor 410R formed between the metal films 245b and 245d shown in FIG.
When a constant bias voltage is applied to the PN junction, the current changes exponentially with respect to the reciprocal of the absolute temperature, so that it can be used as a highly sensitive temperature sensor by detecting the current. Similarly, since the semiconductor diffusion resistor 410R having a desired resistance value is formed on the semiconductor substrate by the P-type diffusion layer 246b, it can be used as a heat generating means by supplying current to the P-type diffusion layer.
Here, the current value when a reverse bias is applied to the PN junction diode is detected as the voltage output V0 of the operational amplifier, and it is determined that the temperature is constant in this state.
Further, by controlling the voltage Vh applied to the semiconductor diffusion resistor using a differential amplifier so that the obtained voltage output always becomes V0 = Vs, the resistor RTD of FIG. 9 is operated. The acceleration can be detected as in the case of using the body.
In the above description, the X-axis direction has been described, but the Y-axis and Z-axis directions can be similarly performed.

次に、ＰＮ接合ダイオードを用いた温度測定手段を用いた他の測定方法について説明する。
ＰＮ接合ダイオードの順方向電流Ｉは、以下の式１で表されることが知られている。
式１Ｉ＝Ｉs(T)(Exp(ｑＶ_F／ｎｋＴ）−１）
ここで、Ｉs（Ｔ）：逆方向飽和電流、ｑ：電荷素量、Ｖ_F：順方向電圧、ｎ：理想係数、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度
ｑＶ_F＞＞ｎｋＴであれば、式１は以下の式２次のように近似できる。
式２Ｉ≒Ｉs(T)Exp(ｑＶ_F／ｎｋＴ）
次に、式２をＶ_Fで微分し、Ｔを求める式に変形すると式３が得られる。
式３Ｔ＝（ｑ／ｎｋ）・Ｉ・（ΔＶ_F／ΔＩ）
式３において、ΔＶ_Fが一定となるようにして、Ｉ／ΔＩを測定すると、Ｔ∝Ｉ／ΔＩなる関係が得られる。この関係において、比例定数をβとすると式４が得られる。
式４Ｔ＝（ｑ／ｎｋ）・Ｉ・（ΔＶ_F／ΔＩ）＝β（Ｉ／ΔＩ）
ただし、β＝（ｑ／ｎｋ）ΔＶ_F
以上のように、式４によってＩ／ΔＩを測定することにより、ＰＮ接合の絶対温度Ｔを求めることができる。 Next, another measuring method using temperature measuring means using a PN junction diode will be described.
It is known that the forward current I of the PN junction diode is expressed by the following formula 1.
Formula 1 I = Is (T) (Exp (qV _F / nkT) −1)
Here, Is (T): reverse saturation current, q: elementary charge, V _F : forward voltage, n: ideal coefficient, k: Boltzmann constant, T: absolute temperature qV _F >> nkT 1 can be approximated by the following equation (2).
Formula 2 I≈Is (T) Exp (qV _F / nkT)
Next, Equation 3 is obtained by differentiating Equation 2 by V _F and transforming it into an equation for obtaining T.
Formula 3 T = (q / nk) · I · (ΔV _F / ΔI)
In Equation 3, when I / ΔI is measured so that ΔV _F is constant, a relationship of T∝I / ΔI is obtained. In this relationship, if the proportionality constant is β, Equation 4 is obtained.
Formula 4 T = (q / nk) · I · (ΔV _F / ΔI) = β (I / ΔI)
Where β = (q / nk) ΔV _F
As described above, the absolute temperature T of the PN junction can be obtained by measuring I / ΔI according to Equation 4.

図１１は、ＰＮ接合ダイオードを発熱および温度検出手段とした加速度検出手段を説明する図である。
発熱手段、および温度検出手段として動作するＰＮ接合ダイオード４２０ａ、４２０ｂには、矩形波発振回路６０１ｃ，６０１ｅの一定振幅の電圧ΔＶ_Fと、演算回路の温度出力電圧を加算回路６０２ｃ，６０２ｅで加えた電圧をダイオードに印加した状態で、ダイオードの電流値の直流分：Ｉを直流分検出回路６０３ｃ，６０３ｅで検出する。同様にダイオードの電流値の交流分：ΔＩを・交流分検出回路６０４ｃ，６０４ｅで検出し、除算回路６０５ｃ，６０５ｅによって演算して、Ｉ／ΔＩに比例した出力電圧Ｖ₀を得ることができる。
出力電圧Ｖ₀は式４のように絶対温度に比例するので、出力電圧Ｖ₀の大きさが一定となるように制御を行うことで、温度制御回路が実現できる。 FIG. 11 is a diagram for explaining acceleration detection means using a PN junction diode as heat generation and temperature detection means.
To the PN junction diodes 420a and 420b operating as the heat generation means and the temperature detection means, the voltage ΔV _F having a constant amplitude of the rectangular wave oscillation circuits 601c and 601e and the temperature output voltage of the arithmetic circuit are added by the addition circuits 602c and 602e. With the voltage applied to the diode, the DC component: I of the current value of the diode is detected by the DC component detection circuits 603c and 603e. Similarly, the AC component of the diode current value: ΔI can be detected by the AC component detection circuits 604c and 604e and calculated by the division circuits 605c and 605e to obtain an output voltage V ₀ proportional to I / ΔI.
Since the output voltage V ₀ is proportional to the absolute temperature as shown in Equation 4, a temperature control circuit can be realized by performing control so that the magnitude of the output voltage V ₀ is constant.

すなわち、順方向バイアス電圧Ｖ_Fと矩形波電圧ΔＶ_Fの重畳電圧をＰＮ接合ダイオードに印加したときの電流値において、直流分Ｉを交流分ΔＩで除算したものを演算増幅器の電圧出力Ｖ0として検出し、この状態で一定温度であると判断する。
更に得られた電圧出力が常にＶ0＝Ｖｓとなるように差動増幅器を用いてＰＮ接合ダイオードに印加される順方向バイアス電圧ＶＦを制御して、定温度回路として動作させることで、図９の抵抗測温抵抗体を用いた場合と同様に加速度の検出が可能となる。
以上の説明では、Ｘ軸方向についての説明を行ったがＹ軸、Ｚ軸方向も同様に行うことができる。 That is, the current value when the superimposed voltage of the forward bias voltage V _F and the rectangular wave voltage ΔV _F is applied to the PN junction diode, the DC component I divided by the AC component ΔI is detected as the voltage output V 0 of the operational amplifier. In this state, it is determined that the temperature is constant.
Further, by controlling the forward bias voltage VF applied to the PN junction diode by using a differential amplifier so that the obtained voltage output always becomes V0 = Vs, and operating as a constant temperature circuit, FIG. The acceleration can be detected as in the case of using the resistance temperature measuring resistor.
In the above description, the X-axis direction has been described, but the Y-axis and Z-axis directions can be similarly performed.

本発明は、結晶シリコン基板の異方性エッチングによって形成した空間に発熱手段、測温手段を配置したので、対称性が優れており、三軸方向すべてについて、正と負の加速度を直接検出することが可能であって、高精度の三軸加速度の測定に利用することができる。 In the present invention, since the heat generating means and the temperature measuring means are arranged in the space formed by anisotropic etching of the crystalline silicon substrate, the symmetry is excellent, and positive and negative accelerations are directly detected in all three axial directions. Therefore, it can be used for highly accurate triaxial acceleration measurement.

１… 熱式加速度センサー、１１０，１２０，１３０，１４０…シリコン基板，１１０ａ，１２０ａ，１３０ａ，１４０ａ…シリコン支持層、１１０ｂ，１２０ｃ，１３０ｂ，１４０ｂ…埋め込み酸化膜層，１１０ｃ１３０ｃ，１４０ｃ…シリコン層、１１０ｄ，１１０ｅ，１２０ｄ，１２０ｅ，１３０ｄ，１３０ｅ，１４０ｄ，１４０ｅ…酸化膜層、１１５ａ，１１５ｂ，１４５ａ，１４５ｂ…配線、１２５ａ，１２５ｂ…配線接続部、１１０ｆ、１３０ｆ１，１３０ｆ２，１３０ｆ３，１３０ｆ４、１４０ｆ…橋状部，１３５ｂ１，１３５ｂ２，１３５ｃ１，１３５ｃ２，１３５ｄ１，１３５ｄ２，１３５ｅ１，１３５ｅ２配線、２００…内部空間、２０５…測定空間形成部、２１０，２４０…凹部、２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ，２１５ｄ…配線，２２５ａ，２２５ｂ，２２５ｃ，２２５ｄ…配線接続部、２２０，２３０…貫通孔、２３５ｂ１〜２３５ｂ４，２３５ｃ１〜２３５ｃ４，２３５ｄ１〜２３５ｄ４，２３５e１〜２３５ｅ４…配線、２４５ａ，２４５ｂ，２４５ｃ，２４５ｄ…配線、３００…発熱測温手段形成部、３０１…酸化膜層、３０２…白金膜、３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅ，３１０ｆ，４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ，４１０ｅ，４１０ｆ…発熱測温手段、２４６ａ，２４６ｂ…Ｐ型拡散層、４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ、４０１ｄ，４０１ｅ，４０１ｆ…定温度回路、４１０Ｐ…ＰＮ接合ダイオード、４１０Ｒ…Ｐ型拡散抵抗、４２０ａ、４２０ｂ・・・温度検出ダイオード、５０１ｃ，５０１ｅ…差動増幅器、５０１ｘ…加速度演算回路、６０１ｃ，６０１ｅ・・矩形波発振回路、６０２ｃ，６０２ｅ・・・加算回路、６０３ｃ，６０３ｅ・・・交流分検出回路、６０４ｃ，６０４ｅ・・・直流分検出回路、６０５ｃ，６０５ｅ・・・除算回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermal type acceleration sensor, 110, 120, 130, 140 ... Silicon substrate, 110a, 120a, 130a, 140a ... Silicon support layer, 110b, 120c, 130b, 140b ... Embedded oxide film layer, 110c 130c, 140c ... Silicon layer, 110d, 110e, 120d, 120e, 130d, 130e, 140d, 140e ... oxide layer, 115a, 115b, 145a, 145b ... wiring, 125a, 125b ... wiring connection, 110f, 130f1, 130f2, 130f3, 130f4, 140f ... Bridge-like portion, 135b1, 135b2, 135c1, 135c2, 135d1, 135d2, 135e1, 135e2 wiring, 200 ... internal space, 205 ... measurement space forming portion, 210,240 ... concave, 215a, 215b, 215c, 21 5d ... wiring, 225a, 225b, 225c, 225d ... wiring connection, 220, 230 ... through hole, 235b1-235b4, 235c1-235c4, 235d1-235d4, 235e1-235e4 ... wiring, 245a, 245b, 245c, 245d ... wiring 300 ... exothermic temperature measuring means forming part, 301 ... oxide film layer, 302 ... platinum film, 310a, 310b, 310c, 310d, 310e, 310f, 410a, 410b, 410c, 410d, 410e, 410f ... exothermic temperature measuring means, 246a, 246b ... P type diffusion layer, 401a, 401b, 401c, 401d, 401e, 401f ... constant temperature circuit, 410P ... PN junction diode, 410R ... P type diffusion resistance, 420a, 420b ... temperature detection diode, 501c, 501e: differential amplifier, 5 01x: acceleration calculation circuit, 601c, 601e, .., square wave oscillation circuit, 602c, 602e,... Addition circuit, 603c, 603e, AC component detection circuit, 604c, 604e, DC component detection circuit, 605c, 605e ... Division circuit

Claims

単結晶シリコン基板の異方性エッチングによって傾斜面からなる貫通孔を形成した基板と、単結晶シリコン基板の異方性エッチングによって凹部を形成した傾斜面を有する基板のそれぞれの複数枚を積層して前記貫通孔と前記凹部によって形成した測定空間と、前記測定空間にいずれかの基板に一体に形成した前記測定空間に位置する複数の発熱手段と複数の測温手段とを設けたことを特徴とする三軸加速度センサー。 Laminating a plurality of substrates each having a through-hole formed of an inclined surface by anisotropic etching of a single crystal silicon substrate and a substrate having an inclined surface having recesses formed by anisotropic etching of the single crystal silicon substrate. A measurement space formed by the through hole and the recess, and a plurality of heat generating means and a plurality of temperature measuring means located in the measurement space formed integrally with any substrate in the measurement space. A three-axis acceleration sensor.

前記測定空間の中心に中心を一致させて配置した正八面体の頂点に位置するように発熱手段および測温手段を配置したことを特徴とする請求項１記載の三軸加速度センサー。 2. The triaxial acceleration sensor according to claim 1, wherein the heat generating means and the temperature measuring means are arranged so as to be located at the apex of a regular octahedron arranged so as to coincide with the center of the measurement space.

前記発熱手段、前記測温手段がシリコン基板に一体に結合していることを特徴とする請求項１または２記載の三軸加速度センサー。 3. The triaxial acceleration sensor according to claim 1, wherein the heat generating unit and the temperature measuring unit are integrally coupled to a silicon substrate.

前記発熱手段、前記測温手段が一つの白金測温抵抗体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。 The triaxial acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat generating means and the temperature measuring means are one platinum resistance temperature detector.

前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した抵抗体、およびダイオードであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。 The triaxial acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat generating unit and the temperature measuring unit are a resistor and a diode formed in a semiconductor substrate.

前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した一つのダイオードであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。 The triaxial acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat generating means and the temperature measuring means are one diode formed in a semiconductor substrate.