JP3019444B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents
半導体加速度センサInfo
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- JP3019444B2 JP3019444B2 JP5829891A JP5829891A JP3019444B2 JP 3019444 B2 JP3019444 B2 JP 3019444B2 JP 5829891 A JP5829891 A JP 5829891A JP 5829891 A JP5829891 A JP 5829891A JP 3019444 B2 JP3019444 B2 JP 3019444B2
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は自己診断が可能な半導
体加速度センサに関する。
体加速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体加速度センサとしては、例
えば図8に示すようなものがある。これは自己診断が可
能な両持梁の加速度センサで、詳細については「 Accel
erometer Systems with Self-testable Features
」( HENRY V.ALLEN, STEPHENC. TERRY and DIEDERI
K W. DE BRUIN : Sensors and Actuators, 20(198
9) pp.153-161 )に説明されている。
えば図8に示すようなものがある。これは自己診断が可
能な両持梁の加速度センサで、詳細については「 Accel
erometer Systems with Self-testable Features
」( HENRY V.ALLEN, STEPHENC. TERRY and DIEDERI
K W. DE BRUIN : Sensors and Actuators, 20(198
9) pp.153-161 )に説明されている。
【0003】すなわちシリコン基板1をエッチングして
形成した薄肉の梁2によって錘部3を支持し、このシリ
コン基板1の上下両面にはそれぞれシリコンあるいはガ
ラス材のストッパ基板4、5が接合されている。ストッ
パ基板はそれぞれ梁2と錘部3を包含する領域に対応し
た凹部7、8を持ち、その凹部内には錘部3と所定ギャ
ップをもって対向する突起9、10を設けて過大加速度
が印加されたとき錘部3の変位を所定量に制限して破損
するのを防止するようにしてある。梁2の表面にはピエ
ゾ抵抗6が形成されていて、加速度により錘部3が変位
し、梁2に応力が生じるとその抵抗値が変化し加速度を
検出できるようになっている。
形成した薄肉の梁2によって錘部3を支持し、このシリ
コン基板1の上下両面にはそれぞれシリコンあるいはガ
ラス材のストッパ基板4、5が接合されている。ストッ
パ基板はそれぞれ梁2と錘部3を包含する領域に対応し
た凹部7、8を持ち、その凹部内には錘部3と所定ギャ
ップをもって対向する突起9、10を設けて過大加速度
が印加されたとき錘部3の変位を所定量に制限して破損
するのを防止するようにしてある。梁2の表面にはピエ
ゾ抵抗6が形成されていて、加速度により錘部3が変位
し、梁2に応力が生じるとその抵抗値が変化し加速度を
検出できるようになっている。
【0004】さらに、ストッパ基板4の突起部9と対向
する錘部表面には金極電極11が形成されている。外部
から金属電極11とストッパ基板4の間に電圧を印加す
ると静電力により錘部3が変位するので、加速度を印加
した状況を擬似的に作り、これによりセンサの各部の機
能を確認するいわゆる自己診断を行おうとするものであ
る。なお、図中シリコン基板1の表面酸化膜・配線電極
等は簡単のため省略した。
する錘部表面には金極電極11が形成されている。外部
から金属電極11とストッパ基板4の間に電圧を印加す
ると静電力により錘部3が変位するので、加速度を印加
した状況を擬似的に作り、これによりセンサの各部の機
能を確認するいわゆる自己診断を行おうとするものであ
る。なお、図中シリコン基板1の表面酸化膜・配線電極
等は簡単のため省略した。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の半導体加速度センサにあっては自己診断のた
め電圧を印加するストッパ基板の突起9と金属電極11
間のギャップAはわずか数μmのオーダーであり、
(1)ギャップの管理が難しい、(2)接着剤もそれに
よる厚み変動が出るので使えないためアノーディック・
ボンディング等を用いなければならず、製造工程が複雑
になる、さらには(3)いわゆるサンドウィッチ構造以
外の通常の加速度センサには適用できない等の問題点が
あった。
うな従来の半導体加速度センサにあっては自己診断のた
め電圧を印加するストッパ基板の突起9と金属電極11
間のギャップAはわずか数μmのオーダーであり、
(1)ギャップの管理が難しい、(2)接着剤もそれに
よる厚み変動が出るので使えないためアノーディック・
ボンディング等を用いなければならず、製造工程が複雑
になる、さらには(3)いわゆるサンドウィッチ構造以
外の通常の加速度センサには適用できない等の問題点が
あった。
【0006】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、困難なギャップの管理を不要と
し、構造或いは製造工程に制約を受けないで製造できる
自己診断可能な半導体加速度センサを提供することを目
的とする。
目してなされたもので、困難なギャップの管理を不要と
し、構造或いは製造工程に制約を受けないで製造できる
自己診断可能な半導体加速度センサを提供することを目
的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】このため本発明は半導体
基板から区画された梁または錘部の梁近傍にヒータを形
成し、梁の面上には絶縁膜を設けるようにして、これに
より前記ヒータを外部からの信号で駆動したとき梁の温
度が固定部の温度よりも高くなり、絶縁膜とのバイメタ
ル効果で梁がたわんで等価的な加速度印加状態が得られ
るようにした。
基板から区画された梁または錘部の梁近傍にヒータを形
成し、梁の面上には絶縁膜を設けるようにして、これに
より前記ヒータを外部からの信号で駆動したとき梁の温
度が固定部の温度よりも高くなり、絶縁膜とのバイメタ
ル効果で梁がたわんで等価的な加速度印加状態が得られ
るようにした。
【0008】
【実施例】図1、図2はこの発明の実施例を示す。シリ
コン基板101は溝117で錘部103および梁102
および固定部120に区画されており、梁102はシリ
コン基板101を裏面よりエッチングを行なって肉薄に
形成され、片持ち梁として錘部103を固定部120に
接続支持している。溝117もシリコン基板101の表
面側からエッチングするか、あるいはあらかじめP形層
を形成しておいて、梁102の形成と同時に裏面からエ
レクトロ・ケミカル・エッチングすることにより形成さ
れる。
コン基板101は溝117で錘部103および梁102
および固定部120に区画されており、梁102はシリ
コン基板101を裏面よりエッチングを行なって肉薄に
形成され、片持ち梁として錘部103を固定部120に
接続支持している。溝117もシリコン基板101の表
面側からエッチングするか、あるいはあらかじめP形層
を形成しておいて、梁102の形成と同時に裏面からエ
レクトロ・ケミカル・エッチングすることにより形成さ
れる。
【0009】シリコン基板101を載置する台座105
には錘部103の上下方向の変位が可能となるように凹
部108が形成されている。梁102上にはP形ピエゾ
抵抗106が形成されていて加速度が印加された時に梁
102に生じる応力により抵抗値が変化する。このピエ
ゾ抵抗106は梁102と平行すなわち錘部と固定部と
を結ぶ方向に2本、垂直に2本、正方形の形に形成され
ていて、フルブリッジを構成している。
には錘部103の上下方向の変位が可能となるように凹
部108が形成されている。梁102上にはP形ピエゾ
抵抗106が形成されていて加速度が印加された時に梁
102に生じる応力により抵抗値が変化する。このピエ
ゾ抵抗106は梁102と平行すなわち錘部と固定部と
を結ぶ方向に2本、垂直に2本、正方形の形に形成され
ていて、フルブリッジを構成している。
【0010】いま、シリコン基板が(100)面で梁1
02が<110>方向に形成されているとすると、P形
ピエゾ抵抗106は平行方向と垂直方向では抵抗値変化
の絶対値がほぼ等しく極性は逆になるので、フル・ブリ
ッジ構成により感度を高くすることができる。
02が<110>方向に形成されているとすると、P形
ピエゾ抵抗106は平行方向と垂直方向では抵抗値変化
の絶対値がほぼ等しく極性は逆になるので、フル・ブリ
ッジ構成により感度を高くすることができる。
【0011】さらに梁102の錘部103側には拡散抵
抗から成るヒータ115が形成されていて、外部信号に
よりヒータが駆動されるようになっている。116は絶
縁膜としてのシリコン酸化膜で、この上に設けられる配
線電極は簡単のため省略してある。
抗から成るヒータ115が形成されていて、外部信号に
よりヒータが駆動されるようになっている。116は絶
縁膜としてのシリコン酸化膜で、この上に設けられる配
線電極は簡単のため省略してある。
【0012】加速度検出については、通常のセンサと同
様である。加速度が印加されると梁102がたわみ応力
が生じる。これによりピエゾ抵抗106は抵抗値が変化
しフル・ブリッジの電圧変化として出力される。この抵
抗値変化から従来の半導体加速度センサにおけると同様
に加速度を検出できる。
様である。加速度が印加されると梁102がたわみ応力
が生じる。これによりピエゾ抵抗106は抵抗値が変化
しフル・ブリッジの電圧変化として出力される。この抵
抗値変化から従来の半導体加速度センサにおけると同様
に加速度を検出できる。
【0013】自己診断は外部信号によりヒ−タ115を
駆動して等価的な加速度印加状態を作り、その時の出力
変化をチェックすることにより行われる。すなわち、図
3に示されるように制御システム150は通常加速度セ
ンサ100からの出力をA/D変換器151でディジタ
ル信号に変換した後マイクロプロセッサ152で処理を
行ない所定の制御対象を制御するが、マイクロプロセッ
サ152からは一定時間間隔であるいは電源投入時にヒ
ータを駆動するパルス信号が図4(a)のように出力さ
れる。
駆動して等価的な加速度印加状態を作り、その時の出力
変化をチェックすることにより行われる。すなわち、図
3に示されるように制御システム150は通常加速度セ
ンサ100からの出力をA/D変換器151でディジタ
ル信号に変換した後マイクロプロセッサ152で処理を
行ない所定の制御対象を制御するが、マイクロプロセッ
サ152からは一定時間間隔であるいは電源投入時にヒ
ータを駆動するパルス信号が図4(a)のように出力さ
れる。
【0014】ここでヒ−タ115は熱抵抗の大きな梁1
02を介して固定部120へ接続されているため、固定
部とは熱分離されていてヒータ115の発熱によりヒー
タ周辺の温度は固定部120よりもかなり高くなる。梁
102は表面に酸化膜116が形成されているので温度
が上がるとバイメタル効果によりたわんで応力が生じブ
リッジ出力が変化する。
02を介して固定部120へ接続されているため、固定
部とは熱分離されていてヒータ115の発熱によりヒー
タ周辺の温度は固定部120よりもかなり高くなる。梁
102は表面に酸化膜116が形成されているので温度
が上がるとバイメタル効果によりたわんで応力が生じブ
リッジ出力が変化する。
【0015】したがって駆動パルス信号を受けた加速度
センサ100からは図4(b)に示されるように検出さ
れている加速度レベルにパルス状変化が加わった出力が
出る。この変化分をマイクロプロセッサ152で識別処
理してセンサ機能の診断が行なわれる。
センサ100からは図4(b)に示されるように検出さ
れている加速度レベルにパルス状変化が加わった出力が
出る。この変化分をマイクロプロセッサ152で識別処
理してセンサ機能の診断が行なわれる。
【0016】ここで駆動パルス信号によるセンサ出力の
変化分としては、ダイナミックレンジの数%程度とすれ
ばよい。いま単純化して、梁102の中央にヒータが形
成されていて梁の両端が熱的に接地され、またヒータか
らの熱の伝搬は梁を介した熱伝導だけとし、外気への伝
搬は無視すると、梁の長さが200μm,梁の幅が10
0μm,梁の厚さが12μmの場合には、熱抵抗は30
0K/Wとなり、ヒータの発熱を100mWとすると3
0℃の温度差が得られる。したがって例えば1Gレベル
の加速度センサならば、十分の数G相当の加速度が印加
されたときと同程度の応力を生じ正常機能の確認には十
分な変化となる。
変化分としては、ダイナミックレンジの数%程度とすれ
ばよい。いま単純化して、梁102の中央にヒータが形
成されていて梁の両端が熱的に接地され、またヒータか
らの熱の伝搬は梁を介した熱伝導だけとし、外気への伝
搬は無視すると、梁の長さが200μm,梁の幅が10
0μm,梁の厚さが12μmの場合には、熱抵抗は30
0K/Wとなり、ヒータの発熱を100mWとすると3
0℃の温度差が得られる。したがって例えば1Gレベル
の加速度センサならば、十分の数G相当の加速度が印加
されたときと同程度の応力を生じ正常機能の確認には十
分な変化となる。
【0017】図5には他の実施例を示す。これは図1の
実施例に対しピエゾ抵抗の配列を変えたもので、梁10
2上には梁と平行に2本のピエゾ抵抗206を形成し、
さらに固定部120上に同一の拡散抵抗207が梁方向
と平行に2本形成されている。これらのピエゾ抵抗は図
示しない結線によって図6のようなブリッジに構成され
る。
実施例に対しピエゾ抵抗の配列を変えたもので、梁10
2上には梁と平行に2本のピエゾ抵抗206を形成し、
さらに固定部120上に同一の拡散抵抗207が梁方向
と平行に2本形成されている。これらのピエゾ抵抗は図
示しない結線によって図6のようなブリッジに構成され
る。
【0018】この実施例によれば、梁102上に垂直方
向の抵抗を形成しないので梁102の幅を狭くでき構造
的感度が向上する。一方、フルブリッジ構成と比較して
特性の異なりやすい梁方向に垂直なピエゾ抵抗を省いた
から、加速度センサとしての感度を落とすことなく、対
称性の良い出力が得られる。
向の抵抗を形成しないので梁102の幅を狭くでき構造
的感度が向上する。一方、フルブリッジ構成と比較して
特性の異なりやすい梁方向に垂直なピエゾ抵抗を省いた
から、加速度センサとしての感度を落とすことなく、対
称性の良い出力が得られる。
【0019】さらに、梁102に設けたヒータ115を
駆動すると上述のバイメタル効果に加え、固定部120
と梁との温度差により抵抗の温度依存性によるオフセッ
ト出力が加わるので、より低いヒータ電力でも感度のよ
い自己診断が可能となる。
駆動すると上述のバイメタル効果に加え、固定部120
と梁との温度差により抵抗の温度依存性によるオフセッ
ト出力が加わるので、より低いヒータ電力でも感度のよ
い自己診断が可能となる。
【0020】図7は容量式加速度センサに適用した実施
例を示す。加速度による変位部分の構造は上述の2実施
例と同じで、錘部103、梁102および固定部120
に区画されたシリコン基板101が台座105に載置さ
れている。
例を示す。加速度による変位部分の構造は上述の2実施
例と同じで、錘部103、梁102および固定部120
に区画されたシリコン基板101が台座105に載置さ
れている。
【0021】基板101上には、梁102と錘部103
を包含する領域に対応した凹部307を持つ導電性のキ
ャップ304がシリコン酸化膜116を挟んで固定部で
接合されており、また錘部および梁部分には酸化膜11
6上に電極309が形成されていて、凹部307の面と
の間に所定のギャップを設けて対向し容量を形成してい
る。梁102には前実施例と同様に拡散抵抗から成るヒ
ータ115が形成されていて、該ヒータが外部信号によ
り駆動される。なお、ヒータや電極の配線は省略した。
を包含する領域に対応した凹部307を持つ導電性のキ
ャップ304がシリコン酸化膜116を挟んで固定部で
接合されており、また錘部および梁部分には酸化膜11
6上に電極309が形成されていて、凹部307の面と
の間に所定のギャップを設けて対向し容量を形成してい
る。梁102には前実施例と同様に拡散抵抗から成るヒ
ータ115が形成されていて、該ヒータが外部信号によ
り駆動される。なお、ヒータや電極の配線は省略した。
【0022】ここでは加速度が印加されると梁102が
たわんで電極309と凹部307面とのギャップが変化
し、容量値が変化するのでこの変化から加速度を検出す
ることができる。そしてこの実施例においても、自己診
断に際してはヒータ115を駆動することにより局部的
に温度上昇を起こさせ、バイメタル効果により梁102
をたわませて等価的な加速度印加状態を生じさせる。こ
れにより出力としての容量値の変化をモニターして機能
のチェックが行なわれる。
たわんで電極309と凹部307面とのギャップが変化
し、容量値が変化するのでこの変化から加速度を検出す
ることができる。そしてこの実施例においても、自己診
断に際してはヒータ115を駆動することにより局部的
に温度上昇を起こさせ、バイメタル効果により梁102
をたわませて等価的な加速度印加状態を生じさせる。こ
れにより出力としての容量値の変化をモニターして機能
のチェックが行なわれる。
【0023】なお、実施例はいずれも片持ち梁構造で説
明したが、これに限定されることなく両持ち梁や4辺支
持梁にも適用される。
明したが、これに限定されることなく両持ち梁や4辺支
持梁にも適用される。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、梁または錘部の梁近傍
にヒータを設け、梁の温度を固定部の温度よりも高くす
ることによりバイメタル効果により梁をたわませるよう
にしたので、(1)静電力方式と比較して自己診断機能
付与のために特別なギャップの管理および複雑な製造工
程を追加する必要がない、(2)等価的な変位を起こす
ための手段として梁またはその近くにヒータを設けるの
みであるから、サンドウイッチ構造以外のタイプの加速
度センサにも簡単に適用することができる等の効果があ
る。
にヒータを設け、梁の温度を固定部の温度よりも高くす
ることによりバイメタル効果により梁をたわませるよう
にしたので、(1)静電力方式と比較して自己診断機能
付与のために特別なギャップの管理および複雑な製造工
程を追加する必要がない、(2)等価的な変位を起こす
ための手段として梁またはその近くにヒータを設けるの
みであるから、サンドウイッチ構造以外のタイプの加速
度センサにも簡単に適用することができる等の効果があ
る。
【図1】本発明の実施例を示す平面図である。
【図2】図1のX−X断面図である。
【図3】自己診断の制御システムを示す図である。
【図4】自己診断の制御システムにおける信号波系図で
ある。
ある。
【図5】他の実施例を示す図である。
【図6】抵抗のブリッジ結線を示す図である。
【図7】さらに他の実施例を示す図である。
【図8】従来例を示す図である。
101 シリコン基板 102 梁 103 錘部 105 台座 106 ピエゾ抵抗 115 ヒータ 116 シリコン酸化膜 117 溝 120 固定部
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 21/00 G01P 15/12 G01P 15/125 H01L 29/84
Claims (7)
- 【請求項1】半導体基板が溝により錘部、固定部および
錘部を固定部に接続支持する梁とに区画され、加速度が
印加されたとき錘部が変位するようになっており、その
変位に対応する信号を取り出す電気素子を前記基板上に
備えるとともに、前記梁または錘部の梁近傍にヒータを
形成し、梁の面上には絶縁膜を設けて、これにより前記
ヒータを外部からの信号で駆動することにより梁がたわ
み等価的な加速度印加状態を得られることを特徴とする
半導体加速度センサ。 - 【請求項2】前記半導体基板がシリコンであり、絶縁膜
がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項1記載
の半導体加速度センサ。 - 【請求項3】前記ヒータが半導体基板に拡散形成された
抵抗であることを特徴とする請求項1または2記載の半
導体加速度センサ。 - 【請求項4】前記電気素子が梁の表面部に形成されたピ
エゾ抵抗であることを特徴とする請求項1記載の半導体
加速度センサ。 - 【請求項5】ピエゾ抵抗が梁と平行および垂直にそれぞ
れ2本ずつ配置され互いにブリッジ接続されていること
を特徴とする請求項4記載の半導体加速度センサ。 - 【請求項6】前記電気素子が梁の表面部に梁と平行に形
成された2本のピエゾ抵抗と、固定部に梁と平行に形成
された2本のピエゾ抵抗とからなり、互いにブリッジ接
続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体加
速度センサ。 - 【請求項7】前記基板上には固定部で接合されたキャッ
プが設けられており、前記電気素子は錘部上に配置され
前記キャップとの間で容量を形成する金属電極であるこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体加速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5829891A JP3019444B2 (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 半導体加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5829891A JP3019444B2 (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 半導体加速度センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04274766A JPH04274766A (ja) | 1992-09-30 |
JP3019444B2 true JP3019444B2 (ja) | 2000-03-13 |
Family
ID=13080316
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5829891A Expired - Fee Related JP3019444B2 (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 半導体加速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3019444B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07325104A (ja) * | 1994-06-01 | 1995-12-12 | Zexel Corp | 加速度センサ |
JP6545918B1 (ja) * | 2019-05-22 | 2019-07-17 | Imv株式会社 | 加速度センサコアユニット、加速度センサを載置する基板のたわみを防止する方法 |
-
1991
- 1991-02-28 JP JP5829891A patent/JP3019444B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04274766A (ja) | 1992-09-30 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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