JPH04232875A - 加速度センサ - Google Patents
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
された、加速度を検出するためのセンサ、特に角加速度
センサであって、前記シリコン担体から、少なくとも1
つの定置のフレームと、該フレーム内に固定された変形
可能な少なくとも1つのサイズモ質量体とが突出するよ
うに構成されていて、該サイズモ質量体の担体平面内で
の変向を検出するための手段が設けられている形式のも
のに関する。
号明細書には、単結晶の2層担体より成る加速度センサ
が開示されている。この加速度センサは、担体表面に対
して平行に振動する舌片を有していて、該舌片に、振動
方向に抗して定置の電極が配置されている。このセンサ
においては加速度は、可動な舌片と定置の電極との間の
容量変化を介して検出されるようになっている。
olysiliconResonant Micros
tructures(側方駆動式ポリシリコン共鳴マイ
クロ構造)”「W.C.Tange, T.H.Nau
yen, R.T.Howe; Sensorand
Actuators, 20(1989) 25〜30
」によれば、アルキメデスのらせんに懸架され、静電的
なカム伝動装置を備えたサイズモ質量体が公知である。 この刊行物には、このような構造体がポリシリコン技術
によって実現されることが記載されている。
に述べた形式の従来の加速度センサを改良して、より良
好なものを提供することである。
明によれば、サイズモ質量体が、担体平面で湾曲可能な
、左右対称に配置された少なくとも2つのウエブを介し
てフレームに接続されており、担体平面内での前記サイ
ズモ質量体の変向が、サイズモ質量体の互いに向き合う
少なくとも2つの側で検出されるようになっている。
体の複数の側でこのサイズモ質量体の変向を検出するこ
とによって、回転運動を直線加速度と区別することがで
きるという利点がある。加速度の種類に応じて、サイズ
モ質量体の種々異なる側で検出される測定信号は、同一
方向又は逆方向で変化する。これらの信号を比較するこ
とによって、非常に簡単な形式で、回転運動と直線加速
度とを区別することができる。また、センサのサイズモ
質量体は、有利には担体平面内で変向可能で、この時に
担体平面から外へ突出しない。この場合、担体自体は有
利には機械的なオーバーロードに対する保護部材として
役立つ。サイズモ質量体が、薄いウエブを介して少なく
とも2つの側で懸架されていることによって、オーバー
ロードに対するセンサの安定性は高められると同時に、
非常に高い測定感度が得られる。またそれと同時に横方
向加速度に対する感度は低められる。横方向感度に関し
ては、サイズモ質量体を4つの側で懸架しても特に有利
である。センサをシリコン担体より製造すれば特に有利
である。何故ならば、規格製造方法によって特に小さい
構造が得られるからである。さらに有利には、シリコン
担体にセンサの評価回路を組み込むこともできる。
求項1に記載した加速度センサの有利な変化例が可能で
ある。
ブでウエブ軸線の左右に取り付けられたそれぞれ2つの
ピエゾ抵抗によって、特に有利にピエゾ抵抗式に行うこ
とができる。サイズモ質量体が直線的に加速される場合
、各懸架ウエブにおける少なくとも2つのピエゾ抵抗が
同方向で変化する。回転運動が生じた場合は、各懸架ウ
エブの一方の側が伸びるの対して、他方の側が縮む。 これによって、各懸架ウエブの抵抗値は逆方向で変化す
る。ピエゾ抵抗式の信号検出は、有利には、単層構造の
担体より製造されたセンサに使用することもできる。担
体全体を狭い懸架ウエブで構成すれば、これによって担
体平面内でのサイズモ質量体の変向が優勢となり、一方
、担体平面に対して直角な方向のサイズモ質量体の変向
は押さえられるので、有利である。
は、2軸式のシリコン担体を使用し、上側の層と下側の
層との間にドーピング接合、有利にはpn−接合を形成
すれば、特に有利である。担体は単結晶で構成し、この
場合、上側の層は、不純原子の拡散によって製造するこ
とができるか、又はこの上側の層は、担体上で分離した
エピタキシャル層であってよい。センサの構造に応じて
、分離されたポリシリコン層を備えたシリコン担体を使
用すれば有利である。この場合、絶縁は、例えば、単結
晶のシリコン層と多結晶のシリコン層との間の酸化シリ
コンを介して行われる。
行うことである。このためには、定置の電極を、フレー
ムの互いに向き合う、かつ、懸架ウエブに対して平行な
2つの側から出発して突出するように、シリコン担体よ
り構成すると有利である。定置の電極は、可動な電極と
して用いられる懸架ウエブと協働してそれぞれ1つのコ
ンデンサを形成している。信号を増幅するために、別の
定置の電極をフレームから突出させて構成し、この定置
の電極に対して平行に、サイズモ質量体から出発し、か
つ、定置の電極と協働して内蔵デジタルコンデンサを形
成する可動の電極を設けると有利である。本発明の別の
有利な構成によれば、コンデンサは、可変な電圧を供給
することによって、サイズモ質量体が再びその停止位置
にもたらされる位置制御部材として使用することができ
る。容量性の位置制御部材と容量性の信号検出部材とピ
エゾ抵抗式の信号検出部材との組み合わせも有利である
。定置の電極に対して可動な電極を絶縁することは、サ
イズモ質量体が上側の層にだけ構成されている場合に、
特に良好に実現され得る。このようにすれば、上側の層
と下側の層との間のpn−接合は、下側の層に対する電
極の絶縁を形成し;上側の層における絶縁は、有利には
絶縁拡散によって行われるか、又は上側の層を完全に貫
通するエッチング凹部によって行われる。
れば、サイズモ質量体は、互いに入り込む2つのアルキ
メデスのらせんに懸架され、これら2つのらせんは、一
番外側の巻条に可動なウエブを備えている。この可動な
ウエブは、カム状のフィンガー構造を有しており、この
フィンガー構造は、定置のウエブから出発するフィンガ
ー構造と共に静電式の磁気抵抗式駆動装置を形成する。 互いに入り込むフィンガー構造は有利には、信号測定の
ために又は位置制御のためにも使用され得る。付加的な
信号引き取りは、らせん上に配置されたピエゾ抵抗によ
って有利にはピエゾ抵抗式に行われる。
量体は担体の幅全体に亙って構成してもよい。サイズモ
質量体を、懸架部分と同じ厚さで構成すれば、慣性モー
メント又は横方向感度が高められる。
成を具体的に説明する。
ーム10内で固定された変向可能なサイズモ質量体20
とを備えたセンサが示されている。この実施例ではサイ
ズモ質量体20は、4つの薄いウエブ21,22,23
,24を介して左右対称に懸架されている。この構造体
は、単層又は2層のシリコン担体より構成されている。 担体は単結晶であるか又はポリシリコン層を備えている
。ウエブ21,22,23,24及びサイズモ質量体2
0は、担体の厚さ全体に構成してもよいし、その厚さを
減少してもよい。感度を高めるために、サイズモ質量体
20をできるだけ大きく、つまり担体の厚さ全部に亙っ
て構成するとよい。ウエブ21,22,23,24の幅
寸法を厚さ寸法よりも大きくした(つまり例えばウエブ
は担体の厚さ全体に亙って構成されている)サイズモ質
量体20においては、担体平面内の変向が、担体に対し
て直角方向の変向よりも優勢する。図1に示された実施
例においては、各ウエブ21〜24にそれぞれ2つのピ
エゾ抵抗81,82が取り付けられている。これらのピ
エゾ抵抗81,82はそれぞれウエブ軸線の左右に配置
されている。担体平面内での又は担体平面に対して直角
方向の直線的な加速によって、懸架ウエブの両半部、つ
まりウエブ軸線を中心とした左右の両半部の常に同方向
の長さ変化、つまりウエブのピエゾ抵抗の同方向の抵抗
変化が生じる。これとは反対に、担体平面に対して直角
方向の回転軸線を中心とした回転運動はウエブ半部の同
方向の湾曲を生ぜしめ、ひいてはウエブにおけるピエゾ
抵抗の同方向の抵抗変化を生ぜしめる。ウエブにおける
抵抗値を比較することによって、若しくは相応に回路接
続することによって、直線加速運動を回転運動に対して
簡単に区別することができる。
示されている。この図2の実施例においては、信号測定
はピエゾ抵抗式ではなく容量式に行われる。このために
懸架ウエブ21,22,23,24に対して平行に、担
体の定置のフレーム10から突き出して、定置の電極1
1,12,13,14が構成されている。これら定置の
電極11,12,13,14は、可動な電極として用い
られる懸架ウエブ21,22,23,24と協働してキ
ャパシタンスを形成している。定置の電極11,12,
13,14は可動な電極21,22,23,24に対し
て、担体平面内における直線的な加速が、互いに逆向き
の2つのキャパシタンスにおける互いに逆向きのキャパ
シタンス変化を生ぜしめるように配置されている。担体
平面に対して直角方向の回転軸線を中心とした回転運動
だけが、少なくとも2つの互いに逆向きのキャパシタン
スにおける同方向のキャパシタンス変化を生ぜしめる。 このセンサ構造は、2層のシリコン担体1より構成され
ており、このシリコン担体1の上側の層2と下側の層3
との間にドーピング接合が形成されている。ウエブ21
,22,23,24は、上側の層2にだけ形成されてい
る。フレーム10には、ウエブの結合範囲の周囲に絶縁
拡散30が設けられている。これらの絶縁拡散30は、
定置の電極11,12,13,14が突き出している、
フレーム10の箇所に適当な形式で設けてもよい。 これらの絶縁拡散30は、上側の層2と下側の層3との
間のpn−接合と協働して、可動な電極として働く懸架
ウエブ21,22,23,24を定置の電極11,12
,13,14に対して電気的に絶縁する。図3には、セ
ンサのウエブ22,24の範囲の断面図が示されている
。定置のフレーム10は、サイズモ質量体20と同様に
担体の厚さ全部に亙って形成されている。サイズモ質量
体20は、その厚さを薄くするか、又は上側の層2にだ
け設けてもよい。
性は図4に示されている。上側の層2を完全に貫通する
エッチング凹部は符号45で示されている。これによっ
て、図4でフレームから出発する定置の電極41は、サ
イズモ質量体20から出発する可動な電極42に対して
電気的に分離されている。可動な電極42は、定置の電
極41と共に、信号を増幅させる、平行接続された内蔵
デジタルコンデンサを形成している。図4に示されたセ
ンサの作動形式は、図2及び図3に示されたセンサの作
動形式に相当する。図示の信号検出方法の総ての組み合
わせが可能である。例えば、内蔵デジタルコンデンサを
、図2に示された拡散絶縁に組み合わせるか及び/又は
図1に示されているようにピエゾ抵抗式の信号検出と組
み合わせることができる。さらにまた、図2及び図4に
示されたコンデンサ構造は、信号検出のためだけでなく
、可変の電圧を供給することによってサイズモ質量体2
0の位置制御を行うために設けることも考えられる。 このような形式で、オーバーロード(過負荷)は良好に
防止され、耐用年数は高められる。出発信号の直線性も
これによって改善される。
成された下側の層3と、このサブストレート3上に施さ
れた絶縁層5と、該絶縁層5上に施されたポリシリコン
層として構成された上側の層2と、該ポリシリコン層2
上に施された絶縁層5とから成るシリコン担体1より構
成されている。図6及び図7は、図5で符号A及びBで
示された軸線に沿った断面図が示されている。ポリシリ
コン層2からは、アンカポイント55が突き出し構成さ
れていて、該アンカポイント55は、絶縁層5を介して
サブストレート3にしっかり結合されている。中心ポイ
ントとしてのこのアンカポイント55から、互いに入り
込む2つのらせん50,60が出発している。これら2
つのらせん50,60は、ポリシリコン層2にだけ形成
されていて、アンカポイント55以外ではサブストレー
ト3とは接続されておらず、渦巻きばねのように可動に
構成されている。らせん50,60の最も外側の巻条に
はそれぞれ可動のアース51,61が、同様にポリシリ
コン層2にだけ構成されている。このポリシリコン層2
はアンカポイント55を中心にして星状に配置されてい
る。これらの可動のアース51,61はその両側に櫛状
のフィンガー構造511,611を有している。可動の
アース51,61の間には、同様にアンカポイント55
を中心にして星状に定置の電極71が配置されており、
これらの電極71は、サブストレート3及び/又はフレ
ーム(図5、図6及び図7には示されていない)に接続
されている。定置の電極71も櫛状のフィンガー構造7
11を有している。可動のアース51,61のフィンガ
ー構造511,611と、定置の電極71のフィンガー
構造711とは互いに入り込んでいる。これらのフィン
ガー構造511,611,711は協働して、位置制御
及び信号検出のためにも使用される内蔵デジタルコンデ
ンサ若しくは静電学的な磁気抵抗式駆動装置を形成して
いる。しかもこの構造における信号検出は、らせん50
,60上に配置されたピエゾ抵抗によっても可能である
。
角方向の軸線を中心とした角加速度を特に良好に検出す
ることできる。この場合に、アルキメデスのらせん50
,60は、回転方向に応じて膨張又は圧縮される渦巻き
ばねのように働き、これによって可動なアース51,6
1の位置は、定置の電極71に関連して変化し、これに
よって内蔵デジタルコンデンサの電気値が変化する。
概略的な平面図である。
な平面図である。
的な平面図である。
センサの概略的な平面図である。
ン層)、 3 下側の層(サブストレート)、
5 絶縁層、 10 フレーム、 11,12
,13,14電極、 20 サイズモ質量体、
21,22,23,24 ウエブ、 30絶縁拡散
、 41,42 電極、 45 エッチング凹
部、 50,60 らせん、51,61 アース
、 55 アンカポイント、 71 電極、
81,82 ピエゾ抵抗、 511,611,7
11 フィンガー構造
Claims (14)
- 【請求項1】 シリコン担体より製造された、加速度
を検出するためのセンサであって、前記シリコン担体か
ら、少なくとも1つの定置のフレームと、該フレーム内
に固定された変形可能な少なくとも1つのサイズモ質量
体とが突出するように構成されていて、該サイズモ質量
体の担体平面内での変向を検出するための手段が設けら
れている形式のものにおいて、前記サイズモ質量体(2
0)が、担体平面内で湾曲可能な、左右対称に配置され
た少なくとも2つのウエブ(21,22,23,24)
を介してフレーム(10)に接続されており、担体平面
内での前記サイズモ質量体(20)の変向が、サイズモ
質量体(20)の互いに向き合う少なくとも2つの側で
検出されるようになっていることを特徴とする、加速度
センサ。 - 【請求項2】 フレーム(10)が方形であって、サ
イズモ質量体(20)が方形の横断面を有しており、サ
イズモ質量体(20)が4つの側若しくは2つの側でフ
レーム(10)に接続されていて、サイズモ質量体(2
0)の方形の上側の縁部がフレーム(10)の内側面に
対して平行に配置されており、サイズモ質量体(20)
がフレーム(10)の中央に懸架されており、懸架用の
ウエブ(21,22,23,24)がサイズモ質量体(
20)の上側の縁部中央から直角に突き出ている、請求
項1記載の加速度センサ。 - 【請求項3】 ウエブ(21,22,23,24)上
で、それぞれ2つのピエゾ抵抗(81,82)が、ウエ
ブ軸線の左右に取り付けられているか又はウエブ(21
,22,23,24)内に組み込まれている、請求項1
又は2記載の加速度センサ。 - 【請求項4】 ウエブ(21,22,23,24)及
び/又はサイズモ質量体(20)の全体又は一部が、シ
リコン担体(1)の厚さ全体に構成されている、請求項
1から3までのいずれか1項記載の加速度センサ。 - 【請求項5】 シリコン担体(1)が上側の層(2)
と下側の層(3)とを有している、請求項1から4まで
のいずれか1項記載の加速度センサ。 - 【請求項6】 上側の層(2)と下側の層(3)との
間にドーピング接合が形成されている、請求項6記載の
加速度センサ。 - 【請求項7】 シリコン担体(1)が単結晶である、
請求項5又は6記載の加速度センサ。 - 【請求項8】 上側の層(2)がポリシリコン層であ
る、請求項5又は6記載の加速度センサ。 - 【請求項9】 シリコン担体(1)が、上側の層(2
)と下側の層(3)との間で、絶縁層(5)を有してい
る、請求項8記載の加速度センサ。 - 【請求項10】 シリコン担体(1)より成るフレー
ム(10)の互いに向き合う内側から突出するように、
少なくとも2つの定置の電極(11,12,13,14
)が構成されており、これらの電極(11,12,13
,14)がそれぞれ、懸架用のウエブ(21,22,2
3,24)に対して平行に配置されていて、可動な電極
として構成された懸架用のウエブ(21,22,23,
24)と共にそれぞれコンデンサを形成している、請求
項5から9までのいずれか1項記載の加速度センサ。 - 【請求項11】 シリコン担体(1)より成るフレー
ム(10)の互いに向き合う内側から突出するように、
少なくとも2つの定置の電極(11,12,13,14
)が構成されていて、これらの電極に対して平行にサイ
ズモ質量体(20)から突出して、少なくとも2つの可
動な電極(42)が構成されており、これらの定置の電
極と可動な電極とが協働してそれぞれ1つのコンデンサ
を形成している、請求項5から10までのいずれか1項
記載の加速度センサ。 - 【請求項12】 懸架用のウエブ(21,22,23
,24)が上側の層(2)にだけ構成されており、定置
の電極(11,12,13,14,41)が、pn−接
合によって、又は上側の層(2)と下側の層(3)との
間の絶縁層(5)によって、及び上側の層(2)の絶縁
拡散(30)によって及び/又は上側の層(2)を完全
に貫通するエッチング凹部(45)によって絶縁されて
いる、請求項10又は11記載の加速度センサ。 - 【請求項13】 シリコン担体(1)より製造された
、加速度を検出するためのセンサであって、該シリコン
担体(1)が、サブストレートとして構成された下側の
層(3)と、このサブストレート上に載せられた絶縁層
(5)と、この絶縁層(5)上に載せられたポリシリコ
ン層として構成された上側の層(2)とを有している形
式のものにおいて、ポリシリコン層としての上側の層(
2)から突出してアンカポイント(55)が構成されて
いて、該アンカポイント(55)が絶縁層(5)を介し
てサブストレートとしての下側の層(3)に結合されて
おり、中心点としてのアンカポイント(55)から突出
し、かつ、サブストレート(3)に接続されていない、
互いに入り込む2つのらせん(50,60)が構成され
ており、これらのらせん(50,60)が、それぞれ外
側に存在する壁部で少なくとも1つの可動のアース(5
1,61)を有していて、該可動のアース(51,61
)が片側又は両側でフィンガ構造(511,611)を
有しており、前記可動のアース(51,61)の間のア
ンカポイント(55)を星状に取り囲む定置の電極(7
1)が、絶縁層(5)を介してサブストレート(3)に
接続されていて、定置の電極(71)が片側又は両側で
フィンガ構造(511,611)を有しており、可動の
アース(51,61)のフィンガ構造(511,611
)と、定置の電極(71)のフィンガ構造(711)と
が互いに入り込んでいることを特徴とする、加速度セン
サ。 - 【請求項14】 ピエゾ抵抗がらせん(50,60)
上に配置されている、請求項13記載の加速度センサ。
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