JP2773460B2 - 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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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
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- Pressure Sensors (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体加速度センサ、
特にサーボ型半導体加速度センサに関する。
特にサーボ型半導体加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体加速度センサは主にシリコ
ン基板を出発材料として製造されている。この中で加速
度の検出原理の違いにより、ピエゾゲージをシリコン中
に設けて加速度に比例して変形する梁の応力をその抵抗
値の変化を利用して読み出すものと、加速度に比例して
変位する可動電極を設けてその電極と基板表面に設けら
れた電極との間で構成されるコンデンサの容量が加速度
に応じて変化するのを読み取るものとの２つの形式が知
られている。前者は、アイトリプルイー トランザクシ
ョンズ オン エレクトロン デバイセズ（ＩＥＥＥ
ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ
ＤＥＶＩＣＥＳ）、ＶｏＬ．ＥＤ−２６，Ｐ．１９１
１，１９７９に紹介されているようなものがある。静電
容量の変化を利用する後者の加速度センサでは、前者の
ピエゾ抵抗を利用したセンサよりも、製造が容易である
という利点がある。つまり、前者が正確なピエゾゲージ
を製造するためにイオン注入等の高精度な不純物拡散プ
ロセスを経て作製されるのに対して、後者では導電性を
有する材料で構成されるコンデンサの容量変化を利用す
るため、構造を作りさえすれば容易に動作可能なデバイ
スが作製できるからである。その構造の一例を図５に示
した。これは特開平１−２４０８６５号公報に開示さ
れ、トランスジューサ’８９（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’
８９）において発表され、センサとアクチュエータ（Ｓ
ｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ），Ａ２１
−Ａ２３，１９９０，Ｐ３１６−３１９に掲載されたサ
ーボ型のセンサである。この例では、ピエゾ型の半導体
加速度センサと同様のシリコン片持ち梁５５を利用する
とともに、入力された加速度に対する加速度検出系の運
動自由度を極力制限した構造を採用している。入力加速
度を可動電極５１であるおもり部と上下のガラス基板５
４上に設けられた電極５２，５３間の容量をスイッチト
キャパシター技術によって測定し、片持ち梁５５のたわ
みが０になるようにパルス幅変調（ＰＷＭ）による制御
電圧を電極５２，５３に与えている。この制御は正負の
電荷が引き合う力（引力）を用いた引力制御であるか
ら、上下に２枚の電極が必要である。これ以前のサーボ
型容量センサでは、通常、容量検出電極と可動電極をコ
ントロールするための電極が別になっていたため、コン
デンサー組を複数設けていたが、この例では時分割によ
り電極を共有しているため２つの電極のみからなり、シ
ンプルな構造となっている。このセンサでは、帯域１０
０Ｈｚ程度，感度１Ｖ／Ｇ程度のものが得られている。
ン基板を出発材料として製造されている。この中で加速
度の検出原理の違いにより、ピエゾゲージをシリコン中
に設けて加速度に比例して変形する梁の応力をその抵抗
値の変化を利用して読み出すものと、加速度に比例して
変位する可動電極を設けてその電極と基板表面に設けら
れた電極との間で構成されるコンデンサの容量が加速度
に応じて変化するのを読み取るものとの２つの形式が知
られている。前者は、アイトリプルイー トランザクシ
ョンズ オン エレクトロン デバイセズ（ＩＥＥＥ
ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ
ＤＥＶＩＣＥＳ）、ＶｏＬ．ＥＤ−２６，Ｐ．１９１
１，１９７９に紹介されているようなものがある。静電
容量の変化を利用する後者の加速度センサでは、前者の
ピエゾ抵抗を利用したセンサよりも、製造が容易である
という利点がある。つまり、前者が正確なピエゾゲージ
を製造するためにイオン注入等の高精度な不純物拡散プ
ロセスを経て作製されるのに対して、後者では導電性を
有する材料で構成されるコンデンサの容量変化を利用す
るため、構造を作りさえすれば容易に動作可能なデバイ
スが作製できるからである。その構造の一例を図５に示
した。これは特開平１−２４０８６５号公報に開示さ
れ、トランスジューサ’８９（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’
８９）において発表され、センサとアクチュエータ（Ｓ
ｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ），Ａ２１
−Ａ２３，１９９０，Ｐ３１６−３１９に掲載されたサ
ーボ型のセンサである。この例では、ピエゾ型の半導体
加速度センサと同様のシリコン片持ち梁５５を利用する
とともに、入力された加速度に対する加速度検出系の運
動自由度を極力制限した構造を採用している。入力加速
度を可動電極５１であるおもり部と上下のガラス基板５
４上に設けられた電極５２，５３間の容量をスイッチト
キャパシター技術によって測定し、片持ち梁５５のたわ
みが０になるようにパルス幅変調（ＰＷＭ）による制御
電圧を電極５２，５３に与えている。この制御は正負の
電荷が引き合う力（引力）を用いた引力制御であるか
ら、上下に２枚の電極が必要である。これ以前のサーボ
型容量センサでは、通常、容量検出電極と可動電極をコ
ントロールするための電極が別になっていたため、コン
デンサー組を複数設けていたが、この例では時分割によ
り電極を共有しているため２つの電極のみからなり、シ
ンプルな構造となっている。このセンサでは、帯域１０
０Ｈｚ程度，感度１Ｖ／Ｇ程度のものが得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来からピエゾ抵抗効
果を利用した多軸の加速度検出を行える機能を有したセ
ンサがある。一般に加速度を検出するために用いられる
素子には半導体が用いられ非線型性を有する。例えばも
し素子に非線型性が無ければ複数のピエゾ抵抗効果素子
を利用することによってｘ，ｙ，ｚ軸に沿った加速度の
みを検出することができる。しかし、ピエゾ抵抗効果素
子は非線型性を有し、しかもその非線型性が軸によって
異なるため、実際に入力されている加速度の大きさが各
々の軸で同じであっても、その強度が変化すると検出さ
れる加速度の相対的な大きさが変化してしまうと言う問
題があった。
果を利用した多軸の加速度検出を行える機能を有したセ
ンサがある。一般に加速度を検出するために用いられる
素子には半導体が用いられ非線型性を有する。例えばも
し素子に非線型性が無ければ複数のピエゾ抵抗効果素子
を利用することによってｘ，ｙ，ｚ軸に沿った加速度の
みを検出することができる。しかし、ピエゾ抵抗効果素
子は非線型性を有し、しかもその非線型性が軸によって
異なるため、実際に入力されている加速度の大きさが各
々の軸で同じであっても、その強度が変化すると検出さ
れる加速度の相対的な大きさが変化してしまうと言う問
題があった。
【０００４】また、従来の容量型半導体加速度センサで
は、基本的には１対のコンデンサしか持っていないた
め、一つの軸の加速度しか測定できず、ｘ，ｙ，ｚ軸の
加速度を一つのセンサで測定することが不可能であっ
た。
は、基本的には１対のコンデンサしか持っていないた
め、一つの軸の加速度しか測定できず、ｘ，ｙ，ｚ軸の
加速度を一つのセンサで測定することが不可能であっ
た。
【０００５】また、フィードバック機構を備えたサーボ
型の半導体加速度センサにおいて、上記の理由によっ
て、電極の検出可能な加速度信号以外の振動を加速度検
出系に入力させた場合にはコントロールが不能になるた
め、おもりに平行におかれた１対のコンデンサによって
検出できる加速度センサの共振モードがそのほかに励起
され得る共振モードに比較してしめる割合が非常に大き
い構造すなわち片持ち梁構造のセンサしか実用化できな
い問題があった。
型の半導体加速度センサにおいて、上記の理由によっ
て、電極の検出可能な加速度信号以外の振動を加速度検
出系に入力させた場合にはコントロールが不能になるた
め、おもりに平行におかれた１対のコンデンサによって
検出できる加速度センサの共振モードがそのほかに励起
され得る共振モードに比較してしめる割合が非常に大き
い構造すなわち片持ち梁構造のセンサしか実用化できな
い問題があった。
【０００６】本発明の目的は、複数軸の加速度を測定で
きる容量型加速度センサを提供することにある。
きる容量型加速度センサを提供することにある。
【０００７】また本発明の他の目的は、片持ち梁に限ら
ずいかなる構造のセンサでもサーボフィードバックでき
るようにすることにある。
ずいかなる構造のセンサでもサーボフィードバックでき
るようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体加速度セ
ンサは、支持基板上に設けられた可動電極と、この電極
が共振した際に生じる共振モードの腹に相当する位置に
対向する支持基板上に設けられた複数の対向電極と、可
動電極と支持基板との間に設けられたコンデンサ構造
と、各々の対向電極に加えられる電圧の積和演算を行
い、加速度のベクトル成分を分離する手段とを備えたこ
とを特徴とする。
ンサは、支持基板上に設けられた可動電極と、この電極
が共振した際に生じる共振モードの腹に相当する位置に
対向する支持基板上に設けられた複数の対向電極と、可
動電極と支持基板との間に設けられたコンデンサ構造
と、各々の対向電極に加えられる電圧の積和演算を行
い、加速度のベクトル成分を分離する手段とを備えたこ
とを特徴とする。
【０００９】また本発明の半導体加速度センサは、支持
基板上に設けられた可動電極と、この電極が共振した際
に生じる共振モードの腹に相当する位置に対向する支持
基板上に設けられた複数の対向電極と、可動電極である
支持基板との間に設けられたコンデンサ構造と、各々の
対向電極と可動電極との間の容量を別々に検出する手段
と、検出信号に応じて各々の電極をバイアスする手段と
を備えたことを特徴とする。
基板上に設けられた可動電極と、この電極が共振した際
に生じる共振モードの腹に相当する位置に対向する支持
基板上に設けられた複数の対向電極と、可動電極である
支持基板との間に設けられたコンデンサ構造と、各々の
対向電極と可動電極との間の容量を別々に検出する手段
と、検出信号に応じて各々の電極をバイアスする手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１０】さらに本発明では、コンデンサを構成する
電極間を短絡させる手段を有し、コンデンサのどちらか
１つの電極との間に絶縁体を挟み第３の電極を配置し
て、別のコンデンサを構成するのが好適である。
電極間を短絡させる手段を有し、コンデンサのどちらか
１つの電極との間に絶縁体を挟み第３の電極を配置し
て、別のコンデンサを構成するのが好適である。
【００１１】
【作用】一般に振動系には、その系で発生する任意の振
動を記述できる様な少数の基準振動（振動モード）の組
が存在する。通常の振動下では、各々の基準振動振幅に
は明確な大きさの違いが存在し、全ての基準振動の組の
うちの２つないしは３つを用いることで振動系で起こる
振動をおおよそ記述することが可能である。そこで、こ
の少数の基準モードを公知の有限要素法を利用して予め
求めておき、各振動モードの腹の位置に電極を配置し
て、コンデンサを構成することにより、振動の全ての情
報を得ることが可能となる。この情報をそのまま利用す
れば、一つのセンサで複数の軸の加速度を検出できる
し、各々の容量変化を打ち消すようにバイアス電圧を加
え梁の変形を阻止する回路を設けることによって、全て
の振動モードに対して安定な動作ができるサーボ型半導
体加速度センサを作ることができる。実際に多軸の検出
を行う場合には配置された電極各々においてサーボルー
プを構築し、各々の電極間の距離が一定値になるような
制御を行う。そして、その制御に用いられている電圧を
積和演算して各々の軸に沿った加速度を検出する。例え
ば正方形の四隅に４つのコンデンサが形成されている場
合に、電極を制御するために用いる電圧をＶ１，Ｖ２，
Ｖ３，Ｖ４とすると、加速度を検出するための振動子が
センサ面に対して垂直に振動する状態を検出するために
はサーボ電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の和をもとめる演
算を施す。また、Ｘ軸もしくはＹ軸の加速度を検出する
場合にはＶ１＋Ｖ２−Ｖ３−Ｖ４もしくはＶ１＋Ｖ３−
Ｖ２−Ｖ４の電圧を求めるような演算を施す。また、軸
の干渉の程度を予め記憶装置に記憶させておき、そのデ
ータを利用して上記演算の答えを補正することによって
より正確な加速度測定を行うことが可能となる。
動を記述できる様な少数の基準振動（振動モード）の組
が存在する。通常の振動下では、各々の基準振動振幅に
は明確な大きさの違いが存在し、全ての基準振動の組の
うちの２つないしは３つを用いることで振動系で起こる
振動をおおよそ記述することが可能である。そこで、こ
の少数の基準モードを公知の有限要素法を利用して予め
求めておき、各振動モードの腹の位置に電極を配置し
て、コンデンサを構成することにより、振動の全ての情
報を得ることが可能となる。この情報をそのまま利用す
れば、一つのセンサで複数の軸の加速度を検出できる
し、各々の容量変化を打ち消すようにバイアス電圧を加
え梁の変形を阻止する回路を設けることによって、全て
の振動モードに対して安定な動作ができるサーボ型半導
体加速度センサを作ることができる。実際に多軸の検出
を行う場合には配置された電極各々においてサーボルー
プを構築し、各々の電極間の距離が一定値になるような
制御を行う。そして、その制御に用いられている電圧を
積和演算して各々の軸に沿った加速度を検出する。例え
ば正方形の四隅に４つのコンデンサが形成されている場
合に、電極を制御するために用いる電圧をＶ１，Ｖ２，
Ｖ３，Ｖ４とすると、加速度を検出するための振動子が
センサ面に対して垂直に振動する状態を検出するために
はサーボ電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の和をもとめる演
算を施す。また、Ｘ軸もしくはＹ軸の加速度を検出する
場合にはＶ１＋Ｖ２−Ｖ３−Ｖ４もしくはＶ１＋Ｖ３−
Ｖ２−Ｖ４の電圧を求めるような演算を施す。また、軸
の干渉の程度を予め記憶装置に記憶させておき、そのデ
ータを利用して上記演算の答えを補正することによって
より正確な加速度測定を行うことが可能となる。
【００１２】一方、静電型半導体加速度センサにおい
て、サーボをかけるには可動電極に対して上下にバイア
ス電極を必要としたが、それは２つの電極によって構成
されるコンデンサに電圧を加えると、各々の電極が互い
に引きあう力（引力）が発生することを利用しているた
めである。しかし、電荷にはプラスとマイナスの２種類
が存在し、引力だけでなく反発力も同様に取り出すこと
ができるはずである。前者のコンデンサで互いに引きあ
うのは、２つの電極がプラスマイナスに各々バイアスさ
れるために各々の電極を構成する材料の表面に各々プラ
スとマイナスの余剰電荷ができ、その余剰電荷が絶縁体
を介して引きあうためである。そこで、第３の電極を用
いて前述の２つの電極の間に別のコンデンサを構成し、
２つの電極と第３の電極との間にバイアス電圧を加える
ことができれば、第３の電極に対しては極性が反対であ
るが、２つの電極の上には同じ極性の表面電荷を生じさ
せることが可能となり、電極間に反発力を生じさせるこ
とができる。この原理は検電気の原理と全く同様であ
る。
て、サーボをかけるには可動電極に対して上下にバイア
ス電極を必要としたが、それは２つの電極によって構成
されるコンデンサに電圧を加えると、各々の電極が互い
に引きあう力（引力）が発生することを利用しているた
めである。しかし、電荷にはプラスとマイナスの２種類
が存在し、引力だけでなく反発力も同様に取り出すこと
ができるはずである。前者のコンデンサで互いに引きあ
うのは、２つの電極がプラスマイナスに各々バイアスさ
れるために各々の電極を構成する材料の表面に各々プラ
スとマイナスの余剰電荷ができ、その余剰電荷が絶縁体
を介して引きあうためである。そこで、第３の電極を用
いて前述の２つの電極の間に別のコンデンサを構成し、
２つの電極と第３の電極との間にバイアス電圧を加える
ことができれば、第３の電極に対しては極性が反対であ
るが、２つの電極の上には同じ極性の表面電荷を生じさ
せることが可能となり、電極間に反発力を生じさせるこ
とができる。この原理は検電気の原理と全く同様であ
る。
【００１３】
【実施例】図１に、本発明の第１の実施例である半導体
加速度センサの平面図を示す。可動電極９は、支持部５
を中心に梁６５で支えられた「田」の字形をした電極
で、その四隅に下部電極２１ａ〜２１ｄが対向してい
る。
加速度センサの平面図を示す。可動電極９は、支持部５
を中心に梁６５で支えられた「田」の字形をした電極
で、その四隅に下部電極２１ａ〜２１ｄが対向してい
る。
【００１４】この半導体加速度センサの構造を、図２の
製造工程図に基づき、その製造過程を参照しながら、更
に詳細に説明する。
製造工程図に基づき、その製造過程を参照しながら、更
に詳細に説明する。
【００１５】先ず、図２（ａ）に示すように、基板とな
るシリコン基板１を用意する。この基板は、単純に支持
基板として機能するので、抵抗値の高い基板もしくはＳ
ＯＩウエハー、プロセスが許せばガラス基板のような絶
縁基板を用いる。ここでは、シリコン基板を用いた場合
について述べる。次に、表面に厚さ１ミクロン程度の酸
化膜２を堆積する。その上に下部電極２１となるアルミ
ニウム３を堆積し電極形状にパターニングする。その上
に可動電極９とのショートを防ぐために酸化膜４を薄く
堆積して保護する。次に、図２（ｂ）に示すように、可
動電極９の支持部分となる領域５の酸化膜４を取り除
く。次に、図２（ｃ）に示すように犠牲層となる金７を
数千オングストロームから数ミクロンの厚みに堆積す
る。次に、図２（ｄ）に示すように、支持部の金を取り
除くために支持部分５のみエッチングを行う。その上
に、図２（ｅ）に示すように、可動電極９となる金属な
どの導電性の材料（例えばＴｉ）８を厚さ数千オングス
トロームから数ミクロン堆積し、所定の平面形状にエッ
チング加工する。最後に図２（ｆ）に示すように、犠牲
層である金７をエッチングにより取り除いて導電性材料
８と酸化膜４の間に空間を作り可動電極９を得る。な
お、図２（ｆ）は、図１のＡ−Ａ′断面を示している。
るシリコン基板１を用意する。この基板は、単純に支持
基板として機能するので、抵抗値の高い基板もしくはＳ
ＯＩウエハー、プロセスが許せばガラス基板のような絶
縁基板を用いる。ここでは、シリコン基板を用いた場合
について述べる。次に、表面に厚さ１ミクロン程度の酸
化膜２を堆積する。その上に下部電極２１となるアルミ
ニウム３を堆積し電極形状にパターニングする。その上
に可動電極９とのショートを防ぐために酸化膜４を薄く
堆積して保護する。次に、図２（ｂ）に示すように、可
動電極９の支持部分となる領域５の酸化膜４を取り除
く。次に、図２（ｃ）に示すように犠牲層となる金７を
数千オングストロームから数ミクロンの厚みに堆積す
る。次に、図２（ｄ）に示すように、支持部の金を取り
除くために支持部分５のみエッチングを行う。その上
に、図２（ｅ）に示すように、可動電極９となる金属な
どの導電性の材料（例えばＴｉ）８を厚さ数千オングス
トロームから数ミクロン堆積し、所定の平面形状にエッ
チング加工する。最後に図２（ｆ）に示すように、犠牲
層である金７をエッチングにより取り除いて導電性材料
８と酸化膜４の間に空間を作り可動電極９を得る。な
お、図２（ｆ）は、図１のＡ−Ａ′断面を示している。
【００１６】図３は可動電極９を取り除いた平面図であ
り、下部電極２１ａ〜２１ｄは外部との電気的なやり取
りをするためのアルミパッド２３と配線２２で接続され
ている。センサが対称ならば共振モードの腹の位置も対
称であるから下部電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ
も同様に対称に配置される。通常３次までのモードを考
慮すると、１次がセンサおもりの垂直運動、２次，３次
が横揺れとなるため、電極は図１，図３に示したように
最低で４つ設ければ良い。尚、２４は可動電極９に対し
て電気を供給するためのコンタクト電極である。
り、下部電極２１ａ〜２１ｄは外部との電気的なやり取
りをするためのアルミパッド２３と配線２２で接続され
ている。センサが対称ならば共振モードの腹の位置も対
称であるから下部電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ
も同様に対称に配置される。通常３次までのモードを考
慮すると、１次がセンサおもりの垂直運動、２次，３次
が横揺れとなるため、電極は図１，図３に示したように
最低で４つ設ければ良い。尚、２４は可動電極９に対し
て電気を供給するためのコンタクト電極である。
【００１７】このセンサでサーボフィードバック動作を
行わせるためには、まず、可動電極９と各々の下部電極
２１ａ〜２１ｄの間の容量を測定し基準値と比較して誤
差増幅を行う。その増幅された電圧を各々のコンデンサ
に加え、その容量が基準値に等しくなるようにバイアス
を行う。この際にコンデンサに加えられている電圧が外
から入力されている加速度信号に比例しているため、そ
れを取り出すことによって加速の検出が可能である。さ
らに、多軸の加速検出を行うためには、各々の下部電極
２１ａ〜２１ｄに加えられている電圧の積和演算を行う
必要がある。実際に多軸の検出を行う場合には、配置さ
れた電極各々においてサーボループを構築し、各々の電
極間の距離が一定値になるような制御を行う。そして、
その制御に用いられている電圧を積和演算して各々の軸
に沿った加速度を検出する。例えば、本発明のように４
つのコンデンサが形成されている場合に、下部電極２１
ａ〜２１ｄを制御するために用いられる電圧をＶａ，Ｖ
ｂ，Ｖｃ，Ｖｄとすると、可動電極が基板面に対して垂
直方向（ｚ軸）に振動する状態を検出するためには、サ
ーボ電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄの和をもとめる演算を
施す。また、Ｘ軸もしくはＹ軸方向の加速度を検出する
場合にはＶａ＋Ｖｂ−Ｖｃ−ＶｄもしくはＶａ＋Ｖｃ−
Ｖｂ−Ｖｄを求める演算を施す。また、軸の干渉の程度
を予め記憶装置に記憶させておき、そのデータを利用し
て上記演算の答えを補正する、つまり補正値を掛けるこ
とによってより正確な加速度測定を行うことが可能とな
る。
行わせるためには、まず、可動電極９と各々の下部電極
２１ａ〜２１ｄの間の容量を測定し基準値と比較して誤
差増幅を行う。その増幅された電圧を各々のコンデンサ
に加え、その容量が基準値に等しくなるようにバイアス
を行う。この際にコンデンサに加えられている電圧が外
から入力されている加速度信号に比例しているため、そ
れを取り出すことによって加速の検出が可能である。さ
らに、多軸の加速検出を行うためには、各々の下部電極
２１ａ〜２１ｄに加えられている電圧の積和演算を行う
必要がある。実際に多軸の検出を行う場合には、配置さ
れた電極各々においてサーボループを構築し、各々の電
極間の距離が一定値になるような制御を行う。そして、
その制御に用いられている電圧を積和演算して各々の軸
に沿った加速度を検出する。例えば、本発明のように４
つのコンデンサが形成されている場合に、下部電極２１
ａ〜２１ｄを制御するために用いられる電圧をＶａ，Ｖ
ｂ，Ｖｃ，Ｖｄとすると、可動電極が基板面に対して垂
直方向（ｚ軸）に振動する状態を検出するためには、サ
ーボ電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄの和をもとめる演算を
施す。また、Ｘ軸もしくはＹ軸方向の加速度を検出する
場合にはＶａ＋Ｖｂ−Ｖｃ−ＶｄもしくはＶａ＋Ｖｃ−
Ｖｂ−Ｖｄを求める演算を施す。また、軸の干渉の程度
を予め記憶装置に記憶させておき、そのデータを利用し
て上記演算の答えを補正する、つまり補正値を掛けるこ
とによってより正確な加速度測定を行うことが可能とな
る。
【００１８】本実施例は従来のセンサに比較して、可動
部の質量が非常に小さいため安定したサーボ動作を行う
ことが可能である。本実施例では可動部の四隅を押える
ことになり安定に可動部を固定することができる。
部の質量が非常に小さいため安定したサーボ動作を行う
ことが可能である。本実施例では可動部の四隅を押える
ことになり安定に可動部を固定することができる。
【００１９】図４に別の実施例を示した。この実施例で
は、第３の電極３５を有していることが特徴であり図４
に示された配置をとる。可動電極３１と下部電極３３は
電気的にショートしており、検電気と同じ構造をしてい
る。よって、実際に用いる場合には、これらの電極と第
３の電極３５との間をバイアスして用いる。静電気で
は、反発力だけでなく引力もあるから、可動電極３１，
下部電極３３および第３の電極３５に加えることのでき
る電圧を自由にコントロールすることによって、静電力
のあらゆる力を利用できる。サーボフィードバックは次
のように行う。入力加速度による共振で可動電極３１が
第３の電極３５に近づく方向に動いているときは両電極
の間に反発力が、可動電極３１が第３の電極３５から離
れる方向に動いているときは両電極の間に吸引力が働く
ようにバイアスを加えて電極間の容量変化がないように
する。電極間容量の測定は、変調されたバイアス電圧を
用いることによって行われる。なお図４において、３７
はシリコン基板、３４，３６は酸化膜である。
は、第３の電極３５を有していることが特徴であり図４
に示された配置をとる。可動電極３１と下部電極３３は
電気的にショートしており、検電気と同じ構造をしてい
る。よって、実際に用いる場合には、これらの電極と第
３の電極３５との間をバイアスして用いる。静電気で
は、反発力だけでなく引力もあるから、可動電極３１，
下部電極３３および第３の電極３５に加えることのでき
る電圧を自由にコントロールすることによって、静電力
のあらゆる力を利用できる。サーボフィードバックは次
のように行う。入力加速度による共振で可動電極３１が
第３の電極３５に近づく方向に動いているときは両電極
の間に反発力が、可動電極３１が第３の電極３５から離
れる方向に動いているときは両電極の間に吸引力が働く
ようにバイアスを加えて電極間の容量変化がないように
する。電極間容量の測定は、変調されたバイアス電圧を
用いることによって行われる。なお図４において、３７
はシリコン基板、３４，３６は酸化膜である。
【００２０】以上述べたセンサの可動電極はリソグラフ
ィで作るため、正方形に限らず円形などの種々の形にす
ることが可能である。しかし円形，正方形など対称形の
方が測定がしやすい。また感度を向上させるために可動
電極を重くしたい時には、可動電極の上に重量密度の高
い材料を堆積するとよい。
ィで作るため、正方形に限らず円形などの種々の形にす
ることが可能である。しかし円形，正方形など対称形の
方が測定がしやすい。また感度を向上させるために可動
電極を重くしたい時には、可動電極の上に重量密度の高
い材料を堆積するとよい。
【００２１】また図２の犠牲層７として、金ではなくレ
ジストを用いてもよいが、レジストを用いると可動電極
を作製する際に金属を堆積するために基板加熱を施した
り、堆積した金属のクリーニングなどの処理が困難にな
る。
ジストを用いてもよいが、レジストを用いると可動電極
を作製する際に金属を堆積するために基板加熱を施した
り、堆積した金属のクリーニングなどの処理が困難にな
る。
【００２２】
【発明の効果】本発明を用いると、従来では不安定であ
ったサーボ型の半導体加速度センサにより良い安定性を
与えることができるとともに、多軸の加速度を同時に検
出することが可能となる効果がある。従来の静電型のサ
ーボ加速度センサでは、可動電極を挟んで上下に間隙を
正確に設定した対向電極を配置する必要があり、複雑な
製造プロセスを利用する必要があったが、本発明の第３
の電極を用いた構造では、可動電極の片側だけに電極を
配置すればよいため、製造プロセスが非常に容易にな
る。また従来の半導体加速度センサでは利用されたこと
がない反発力をその制御力として用いることができる。
サーボ型を構成した場合には、加速度が加わっても可動
電極が動かないように制御して加速度を測定するため、
機械系の非直線性の影響を全く受けず非常に直線性のよ
い加速度センサを容易に得ることが可能となることは言
うまでもない。そのため、従来のピエゾ抵抗効果式の多
軸検出において問題になった加速度検出分離度の非線型
性の問題が全く無くなる利点がある。更に従来のピエゾ
抵抗効果式で多軸を検出するためにはピエゾ抵抗体の配
線を変更する必要があったが、本発明では各々の電極か
ら電圧信号が出力されるため、単純な信号処理をするだ
けで多軸の加速度検出ができる。また、静電型の高精度
なセンサが得られる。この明細書では、加速度センサへ
の応用のみについて述べているが、静電力によって制御
する全てのデバイスに本発明が適用できることは言うま
でもない。
ったサーボ型の半導体加速度センサにより良い安定性を
与えることができるとともに、多軸の加速度を同時に検
出することが可能となる効果がある。従来の静電型のサ
ーボ加速度センサでは、可動電極を挟んで上下に間隙を
正確に設定した対向電極を配置する必要があり、複雑な
製造プロセスを利用する必要があったが、本発明の第３
の電極を用いた構造では、可動電極の片側だけに電極を
配置すればよいため、製造プロセスが非常に容易にな
る。また従来の半導体加速度センサでは利用されたこと
がない反発力をその制御力として用いることができる。
サーボ型を構成した場合には、加速度が加わっても可動
電極が動かないように制御して加速度を測定するため、
機械系の非直線性の影響を全く受けず非常に直線性のよ
い加速度センサを容易に得ることが可能となることは言
うまでもない。そのため、従来のピエゾ抵抗効果式の多
軸検出において問題になった加速度検出分離度の非線型
性の問題が全く無くなる利点がある。更に従来のピエゾ
抵抗効果式で多軸を検出するためにはピエゾ抵抗体の配
線を変更する必要があったが、本発明では各々の電極か
ら電圧信号が出力されるため、単純な信号処理をするだ
けで多軸の加速度検出ができる。また、静電型の高精度
なセンサが得られる。この明細書では、加速度センサへ
の応用のみについて述べているが、静電力によって制御
する全てのデバイスに本発明が適用できることは言うま
でもない。
【図１】本発明の第１の実施例を示した平面図である。
【図２】第１の実施例の製造工程を示した図である。
【図３】第１の実施例の電極配置を示した平面図であ
る。
る。
【図４】本発明の第２の実施例を示した断面図である。
【図５】従来例を示した図である。
１ シリコン基板 ２ 酸化膜 ３ アルミ ４ 酸化膜 ５ 支持部分 ６ ＰＡＤ領域 ７ 金 ８ 導電性材料 ９ 可動電極 ２１ 下部電極 ２２ 配線 ２３ アルミパッド ２４ コンタクト電極 ３１ 可動電極 ３２ 酸化膜 ３３ 下部電極 ３４ 酸化膜 ３５ 第３電極 ３６ 酸化膜 ３７ シリコン基板 ５１ 可動電極 ５２ 上部電極 ５３ 下部電極 ５４ ガラス基板 ５５ シリコン片持ち梁
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01P 15/125 G01P 15/13 H01L 29/84
Claims (3)
- 【請求項１】支持基板上に設けられた可動電極と、この
電極が共振した際に生じる共振モードの腹に相当する位
置に対向する支持基板上に設けられた複数の対向電極
と、可動電極と支持基板との間に設けられたコンデンサ
構造と、各々の対向電極に加えられる電圧の積和演算を
行い、加速度のベクトル成分を分離する手段とを備えた
ことを特徴とする半導体加速度センサ。 - 【請求項２】支持基板上に設けられた可動電極と、この
電極が共振した際に生じる共振モードの腹に相当する位
置に対向する支持基板上に設けられた複数の対向電極
と、可動電極である支持基板との間に設けられたコンデ
ンサ構造と、各々の対向電極と可動電極との間の容量を
別々に検出する手段と、検出信号に応じて各々の電極を
バイアスする手段とを備えたことを特徴とする半導体加
速度センサ。 - 【請求項３】コンデンサを構成する電極間を短絡させる
手段を有し、コンデンサのどちらか１つの電極との間に
絶縁体を挟み第３の電極を配置して、別のコンデンサを
構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の半
導体加速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3119550A JP2773460B2 (ja) | 1991-03-05 | 1991-03-05 | 半導体加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3119550A JP2773460B2 (ja) | 1991-03-05 | 1991-03-05 | 半導体加速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04278464A JPH04278464A (ja) | 1992-10-05 |
| JP2773460B2 true JP2773460B2 (ja) | 1998-07-09 |
Family
ID=14764089
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3119550A Expired - Fee Related JP2773460B2 (ja) | 1991-03-05 | 1991-03-05 | 半導体加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2773460B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020193951A (ja) * | 2019-05-30 | 2020-12-03 | 株式会社日立製作所 | 慣性センサの電極レイアウト作成方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2654602B2 (ja) * | 1992-12-25 | 1997-09-17 | 日本電気株式会社 | 半導体力学量センサ |
| DE69922727T2 (de) | 1998-03-31 | 2005-12-15 | Hitachi, Ltd. | Kapazitiver Druckwandler |
| CN1221035C (zh) * | 2001-08-01 | 2005-09-28 | 三菱电机株式会社 | 薄膜构造体的制造方法 |
| JP5631529B2 (ja) | 2007-03-09 | 2014-11-26 | パナソニック株式会社 | 加速度センサ |
| JP4752078B2 (ja) * | 2009-09-17 | 2011-08-17 | 株式会社デンソー | 半導体力学量センサ |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0419568A (ja) * | 1990-05-14 | 1992-01-23 | Fuji Electric Co Ltd | 加速度センサ |
| JP2841240B2 (ja) * | 1990-10-12 | 1998-12-24 | 株式会社ワコー | 力・加速度・磁気の検出装置 |
-
1991
- 1991-03-05 JP JP3119550A patent/JP2773460B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020193951A (ja) * | 2019-05-30 | 2020-12-03 | 株式会社日立製作所 | 慣性センサの電極レイアウト作成方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04278464A (ja) | 1992-10-05 |
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