JPH04232875A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JPH04232875A
JPH04232875A JP3172289A JP17228991A JPH04232875A JP H04232875 A JPH04232875 A JP H04232875A JP 3172289 A JP3172289 A JP 3172289A JP 17228991 A JP17228991 A JP 17228991A JP H04232875 A JPH04232875 A JP H04232875A
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Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、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、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。
【０００２】
【従来の技術】ドイツ連邦共和国特許第４０００９０３
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。
【０００３】“Ｌａｔｅｒａｌｌｙ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｐ
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
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。
【０００６】
【発明の効果】本発明の加速度センサは、サイズモ質量
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。
【０００７】請求項２以下に記載した手段によって、請
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。
【０００８】サイズモ質量体の変向の検出は、懸架ウエ
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。
【０００９】センサの部分構造を製造し絶縁するために
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。
【００１０】別の有利な可能性は、容量性の信号検出を
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。
【００１１】本発明による加速度センサの別の構成によ
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。
【００１２】センサの感度を高めるために、サイズモ質
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。
【００１３】
【実施例】次に図面に示した実施例について本発明の構
成を具体的に説明する。
【００１４】図１には、定置のフレーム１０と、該フレ
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。
【００１５】図２には、図１と比較可能なセンサ構造が
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。
【００１６】構造部分の絶縁、及び信号測定の別の可能
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。
【００１７】図５〜図７には、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
。
【００１８】このセンサによって、担体平面に対して直
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピエゾ抵抗式の信号測定装置を備えたセンサの
概略的な平面図である。
【図２】容量性の信号測定装置を備えたセンサの概略的
な平面図である。
【図３】図２に示したセンサの概略的な断面図である。
【図４】内蔵デジタルコンデンサを備えたセンサの概略
的な平面図である。
【図５】アルキメデスのらせんによる懸架部材を備えた
センサの概略的な平面図である。
【図６】図５の符号Ａに沿った断面図である。
【図７】図５の符号Ｂに沿った断面図である。
【符号の説明】
１　　シリコン担体、　　２　　上側の層（ポリシリコ
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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
  11. 【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。
  12. 【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。
  13. 【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。
  14. 【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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