JPH049673A - 半導体加速度センサ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、車両、航空機、建造物、家電製品などの加速
度検出に使用される半導体加速度センサに関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来、第１５図に示す両持ちはり形の二次元半導体加速
度センサが提案されている。

即ち、シリコンウェハのような半導体基板１に、異方性
エツチング加工によって、中央部に重り部２、重り部２
の一方の対向側面に弾性変形可能なはり部３ａ、３ｂ、
重り部２の他方の対向側面に長方形の切欠空間部４　ａ
　、　４　ｂ　ｓはり部３ａ、３ｂおよび切欠空間部４
ａ、４ｂの各外側に枠部５がそれぞれ形成され、はり部
３ａ、３ｂにより両持ちはり形に構成したものである。

そして、第１６図（第１５図のＩ−Ｉ線断面図）および
第１７図（第１５図の一部切欠斜視図）に示すように、
重り部２と枠部５は同一の肉厚に形成され、はり部３．
ａ、３ｂは肉薄に形成されている。

而して、かかる両持ちはり形の半導体基板１にＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸方向の加速度Ｆ　　、Ｆ　　、ＦＹＺ が加わった場合には、はり部３ａ、３ｂに発生する応力
分布は第１８図（Ａ）〜（Ｃ）に示すようになる。

即ち、引張り応力を（＋）、圧縮応力を（−）で表示す
ると、 （ａ）　Ｘ軸方向の加速度ＦＸが加わった場合には、第
１８図（Ａ）に示すように、はり部３ａの枠部５側には
引張り応力（＋）が、重り部２側には圧縮応力（−）が
それぞれ働き、またはり部３ｂの重り部２側には引張り
応力（＋）が、枠部５側には圧縮応力（−）がそれぞれ
働く。

（ｂ）　ｙ軸方向の加速度ＦＹが加わった場合には、第
１８図（Ｂ）に示すように、はり部３ａ、３ｂにおける
それぞれの重り部２側と枠部５側とで応力を打消す方向
の引張り応力（＋）と圧縮応力（−）とが働く。

（ｃ）　Ｚ軸方向の加速度Ｆｚが加わった場合には、第
１８図（Ｃ）に示すように、はり部３ａと３ｂの各重り
部２側には引張り応力（＋）か、枠部５側には圧縮応力
（−）がそれぞれ働く。

よって、加速度Ｆ、ＦＹ、ＦＺが加わった場合、はり部
３ａの表面に不純物拡散又はインオ注入等により形成さ
れているピエゾ抵抗ＲＲＸｌ’　　Ｚｌ’ ＲＲおよびはり部３ｂの表面に不純物拡散ｚ２’　　ｘ
２ 又はイオン注入等により形成されているピエゾ抵抗ＲＲ
ＲＲの抵抗変化は下記の表 ｘ３°　ｚ３°　ｚ４’　　ｘ４ １に示すようになる。

表　　１ よって、第１９図に示すように、ピエゾ抵抗ＲとＲとを
一方の対辺とし、ピエゾ抵抗Ｒｘ２ｘｉ　　　　　ｘ８ とＲｘ４とを他方の対辺としたホイートストンブリッジ
回路を構成することにより、Ｘ軸方向の加速度Ｆｘが検
出される。

また、第２０図に示すように、ピエゾ抵抗Ｒ２□とＲと
を一方の対辺とし、ピエゾ抵抗Ｒ２□とＲ２，３とを他
方の対辺としたホイートストンブリッジ回路を構成する
ことにより、Ｚ軸方向の加速度Ｆｚが検出される。

よって、スイッチＳ　、Ｓ　のオンによる出力ｘ　　　
　　　　ｚ Ｖ　、■　によってＸ軸方向とＺ軸方向の二次元Ｘ　　
　　　　　Ｚ の加速度を検出することができるものである。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 前記の第１８図にみられるように、はり部３ｇ。

’３ｂに発生する応力は、はり部３ａ、３ｂの重り部２
の近くと枠部５の近く（はり部３ｇ、３ｂの両側端辺近
く）において最大になることから、ピエゾ抵抗ＲＲ−Ｒ
Ｒ−ＲＲ・ ｘＬ’　　　　ｚｌ’　　　ｚ２″　　　ｘ２°　　ｘ
３°　　　ｚ３’ＲＲのそれぞれは同一の位置に配置す
る場ｚ４’　　ｘ４ 合に最高の感度が得られるものである。

しかし、そのような配置は物理的に不可能であるので、
第１５図、第１６図に示すように、ピエゾ抵抗Ｒｘ１〜
Ｒｘ４をはり部３ａ、３ｂの両側端辺近くに配置し、こ
れと接近して並列にピエゾ抵抗Ｒｚｌ〜Ｒｚ４をはり部
３ａ、３ｂの内方に配置しているものである（ピエゾ抵
抗ＲとＲの配置はｘ　　　　　　ｚ 逆でもよい）。

よって、Ｘ軸、Ｚ軸方向の加速度Ｆ　　、Ｆ　　のｚ 何れかが他に対して検出感度が劣るという問題があった
。

本発明はかかる問題点に鑑み、検出感度の高い半導体加
速度センサを得ることを目的とするものであり、はり部
３ａ、３ｂの表面をそれぞれ平面的に４等分することに
着目し、下記の知見に基づいてなされたものである。

即ち、第１５図に示した両持ちはり形の半導体基板１に
加速度Ｆ　　、ＦＹ　、Ｆｚを加えた場合のはり部３ａ
、３ｂの応力変化を、第１４図に示すようにはり部３ａ
、３ｂの表面をそれぞれ平面的に十字状に４等分した８
つの領域Ａ−Ｈについて考察すると、その応力は第１８
図（Ａ）〜（Ｃ）の応力分布より下記の表２に示すよう
になる。

表　　　　２ この表２から、各領域内に形成するピエゾ抵抗によって
ホイートストンブリッジ回路を組み、各領域の応力変化
に伴う抵抗値変化によって出力を取り出しうるブリッジ
４辺に対する各領域の組合せについてみると鴬 （ａ）加速度Ｆｘの場合 領域（Ａ・十Ｂ）と（Ｅ＋Ｆ）とを一方の対辺とし、領
域（Ｃ＋Ｄ）と（Ｇ＋Ｈ）とを他方の対辺とするホイー
トストンブリッジ回路が最適。

（ｂ）加速度Ｆ、の場合 領域（Ａ　＋　Ｄ）と（Ｆ＋Ｇ）とを一方の対辺とし、
領域（Ｂ　＋　Ｃ）と（Ｅ＋Ｈ）とを他方の対辺とする
ホイートストンブリッジ回路が最適。

（ｃ）加速度Ｆ２の場合 領域（Ａ十Ｂ）と（Ｇ　十Ｈ）とを一方の対辺とし、領
域（Ｃ＋Ｄ）と（Ｅ　＋　Ｆ）とを他方の対辺とするホ
イートストンブリッジ回路が最適。

であることが認知できる。

そして、領域Ａ−Ｈ内に配置するピエゾ抵抗は、領域Ａ
、Ｂ、Ｇ、Ｈ内において枠部５側近くに、領域Ｃ，Ｄ、
Ｅ、Ｆ内においては重り部２側近くにそれぞれ形成する
ことが可能となり、抵抗値変化を大きくなしうることが
認知できる。

さらに、−次元の加速度検出には各領域内に１個（合計
８個）のピエゾ抵抗を、二次元の加速度検出には各領域
内に２個（合計１６個）のピエゾ抵抗を上下並列に、そ
して三次元の加速度検出には各領域内に３個（合計２４
個）のピエゾ抵抗を上下並列に、それぞれ形成すること
が認知できる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するために、上記の知見に
基づき、両持ちはり形の半導体加速度センサにおいて、
各はり部の表面を平面的に十字状に４等分した各領域内
にｍ個（ｍ　＋検出加速度の次元数に相当する数）のピ
エゾ抵抗を形成し、該ピエゾ抵抗によってｎ組（ｎ二上
記ｍの変化時における検出可能な加速度の次元数に相当
する数）のホイートストンブリッジ回路を構成したこと
にある。　また、ピエゾ抵抗は、各領域内におけるはり
部の両側端辺近くにそれぞれ形成したことにある。　そ
して、ホイートストンブリッジ回路の各辺は、各はり部
に形成された加速度検出用の各次元における同一次元の
ピエゾ抵抗を２個直列に接続したことにある。

〔作用〕

両持ちはり形の各はり部を４等分した各領域内にｍ個あ
て形成されているピエゾ抵抗によってｎ組のホイートス
トンブリッジ回路を構成することにより、−次元、二次
元、三次元の加速度を検出し、また二次元の場合は一次
元の加速度をも、そして三次元の場合は一次元、二次元
の加速度をも、必要によりホイートストンブリッジ回路
のスイッチ操作により検出することができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面を参照して説明する。

（実施例１−一次元加速度センサ） 第１図に示すように、両持ちはり形の半導体基板１の各
はり部３ａ、３ｂの表面を平面的に十字状に４等分した
領域Ａ−Ｈ内にピエゾ抵抗Ｒ〜Ｒｈを形成する（合計８
個、ピエゾ抵抗Ｒａ。

Ｒ，Ｒ，Ｒｈをはり部３ａ、３ｂの枠部５側ｇ 近くに、ピエゾ抵抗Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒｆをはｃ　　　　　
　ｄ　　　　　　ｅ り部３ａ、３ｂの重り部２側近くにそれぞれ形成）。

而して、前記表２に基づく加速度Ｆ　　、Ｆ　　。

Ｙ Ｆｚ検出用のホイートストンブリッジ回路の構成指針よ
り下記の表３に示す３通りのホイートストンブリッジ回
路を構成する。

表 よって、−次元方向の加速度ＦｘはスイッチＳ　をオン
し、出力■　により検出される。

Ｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｘ同
じく加速度ＦＹはスイッチＳ、をオンし、出力Ｖ　によ
り、また加速度ＦｚはスイッチＳ２をオンし、出力Ｖ　
により検出される。

而して、上記加速度Ｆｘ検出のピエゾ抵抗を２個直列に
接続した各辺のホイートストンブリッジ回路（第２図）
において、他軸方向の加速度ＦＹが加わった場合には、
（Ｒ十Ｒｂ）辺、（Ｒ０＋Ｒ）辺、（Ｒ＋Ｒ，）辺およ
び（Ｒｇ＋ｄ　　　　　　　　　　　　ｅ Ｒｈ）辺の抵抗値変化は前記表２よりトータルで０とな
り、また加速度Ｆｚが加わった場合には、（Ｒ＋Ｒ）ｘ
（Ｒ，＋Ｒｆ）−（Ｒｏ＋Ｒｄ）ａ　　　　　ｂ　　　
　　　　　　ｅ ｘ（Ｒ＋Ｒｈ）の関係から出力が出ないので、Ｘ軸方向
以外の他軸方向の加速度には感度を有しないものである
。

そして、同様にして第３図、第４図に示すホイートスト
ンブリッジ回路においては、Ｙ軸方向のみ、Ｚ軸方向の
みに感度を有するものである。

（実施例２−二次元加速度センサ） 第５図に示すように、領域Ａ−Ｈ内にピエゾ抵抗Ｒ、Ｒ
’　　；Ｒ’　、　Ｒ；Ｒｏ、　Ｒ’　　；Ｒ’ａ　　
　　ａ　　　　ｂ　　　　ｂ　　　　　　　　　ｃ　　
　　ｄＲ、Ｒ、Ｒ’　　、Ｒ’、Ｒ、Ｒ、Ｒ’　　。

ｄｅ　　　　　ｅ　　　　　ｆ　　　　　ｆ　　　　　
ｇ　　　　　ｇＲ’　、　Ｒをそれぞれ上下並列に形成
する（合計ｈ １６個）。

而して、前記表２に基づく加速度Ｆ　　、Ｆ　　。

Ｙ Ｆｚ検出用のホイートストンブリッジ回路の構成指針よ
り下記の表４に示す４通りのホイートストンブリッジ回
路を構成する。

よって、二次元方向の加速度Ｆ　　−Ｆ、はスイッチＳ
　、Ｓ　をオンし、出力Ｖ、Ｖ、１により！　　　　　
ｙｌ　　　　　　　　　　　　　　　Ｘ検出される。

同じく二次元方向の加速度Ｆｘ−Ｆ７はスイ・ソチＳ　
、Ｓ　をオンし、出力ｖ　、■　により検Ｘ　　　　　
　Ｚ　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｘ　　　　
　　Ｚ出され、加速度Ｆ　　−ＦＺはスイッチｓ、、ｓ
２をオンし、出力ｖ　　ｖ　により検出される。

ｙ２″　２ なお、各領域内に形成されるピエゾ抵抗の配置は、第５
図に示すように、半導体基板１の中心線１−１に対して
対称にしである（例えば、Ｒ３とＲは一方の次元、Ｒ′
とＲ′は他方の次元の検ｂ　　　　　　　　ａ　　ｂ 出用に対応する抵抗のように）が、Ｒ３とＲｂの上下関
係は逆でもよい。

本実施例の二次元の加速度センサは、スイッチＳＸ　’
　　Ｓｙｌ’　　”ｚの単独オン操作により一次元の加
速度センサとしても使用可能である。

表　　　４ （実施例３−三次元加速度センサ） 第１０図に示すように、領域Ａ−Ｈ内にピエゾ抵抗Ｒ，
Ｒ，Ｒ，ＲＲＲ−Ｒ。

ｘａ　　　ｙａ　　　ｚａ　　　ｚｂ’　　ｙｂ’　　
ｘｂ’　　ｘｃＲ，Ｒ，ＲＲＲ・Ｒ、Ｒ。

ｙｃ　　　ｚｃ　　　ｚｄ″　ｙｄ’　　ｘｄ’　　ｘ
ｅ　　　ｙｅＲｚｅ’　Ｒｚｆ、ｙｆ”　ｘｉ、’　Ｒ
Ｘｇ’　　ｐ、、、、　　”’Ｚｇ’ｌ？ ＲＲ，Ｒをそれぞれ」下並列に形成するｚｈ’　　ｙｈ
’　　ｘｈ （合計２４個）。

而して、前記表２に基づく加速度Ｆ、Ｆ、。

ＦＺ検出用のポー（−）ストンブリッジ回路の構成指針
より１・“記の表５に示１′３通りのポイー　トストン
ブリッジ回路を構成する。

表　　　５ よって、三次元方向の加速度Ｆｘ〜Ｆ　Ｙ　　Ｆ　ｚは
スイッチｓ、ｓｙ、ｓ　　をオンＬ２、出力Ｖ　。

Ｘ　　　　　　　　　　　　　　　Ｚ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　ＸＶ　　、Ｖ　　によ
り検出される。

ｚ なお、各領域内に形成されるピエゾ抵抗の配置は、Ｒ，
Ｒ，Ｒ；Ｒ，Ｒ，Ｒ（半導 ｘ　　　　　　　ｙ　　　　　　　ｚ　　　　　　　ｚ
　　　　　　　ｙ　　　　　　　Ｘ体基板１の中心線１
−１に対して対称）に限らず、Ｒ、Ｒ，、Ｒ，、Ｒ、Ｒ
、ＲやＲ。

３’　　　　　　Ｚ　　　　　　Ｘ　　　　　　Ｘ　　
　　　　Ｚ　　　　　　３’　　　　　　ＺＲ，Ｒ，ｉ
；ζ　、Ｒ、Ｒなど計６通りの組Ｘ　　　　　　　ｙｙ
Ｘ　　　　　　　Ｚ合せがある。

本実施例の−１次元加速度センザは、スイッチＳ　　、
Ｓ　　、Ｓ、　　の単独オン操作により一次元のＸ　　
　　　　　ｙＺ 加速度センサ１．−１またスイッチＳ、Ｓ；Ｓ。

Ｘ　　　　　　　ｙ　　　　　　ｙ Ｓ、Ｓ、Ｓ　　のオン操作により二次元の加速Ｚ　　　
　　　　　Ｚ　　　　　　　　Ｘ度センサにも使用可能
である。

〔発明の効果〕

本発明は次の効架を有する。

（ａ）加速度検出用に対応するピエゾ抵抗を両持ちはり
形の各はり部における応力最大の両側端辺近くに形成ｊ
ることができるので、感度が著るしく向上する。

（ｂ）ホイートストンブリッジ回路の各辺がピエゾ抵抗
を２個直列に接続されているので、他軸方向の加速度が
加わったときには２個の抵抗値変化かトータルでＯにな
り、また他軸方向に関１、では対辺同志の抵抗値の積が
等しいことから、他軸方向の加速度には感度を有せず、
精度の高い加速度センサを提供することができる。

（ｅ）各はり部を４等分した各領域内に形成するピエゾ
抵抗の数によって、−次元、二次元、−ニー次元等の加
速度センサを構成することができると共に、二次元の加
速度センサては一次元の加速度センサとしても、また三
次元の加速度センサでは一次元、二次元の各加速度セン
サとＬ２ても使用することができ、有用性に優れている
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における実施例１の平面図、第２図は実
施例］−のＸ軸方向加速度検出のホイーストンブリッジ
回路図、 第３図は同じくＹ軸方向加速度検出のホイートストンブ
リッジ回路図、 第４図は同じくＺ軸方向加速度検出のホイートストンブ
リッジ回路図、 第５図は実施例２の平面図、 第６図は実施例２のＸ軸方向加速度検出のホイートスト
ンブリッジ回路図、 第７図は同じくＹ軸方向加速度検出のホイー）−ストン
ブリッジ回路図、 第８図は同じくＺ軸方向加速度検出のホイルトストンブ
リッジ回路図、 第９図は同しくＹ軸方向加速度検出のホイートストンブ
リッジ回路図、 第１０図は実施例３の平面図、 第１１図は実施例３のＸ軸方向加速度検出のホイートス
トンブリッジ回路図、 第１２図は同Ｕ；　＜　Ｙ軸方向加速度検出のホイート
ストンブリッジ回路図、 第１３図は同じくＺ軸方向加速度検出のホイートストン
ブリッジ回路図、 第１４図は各はり部の表面を４等分し５．８つの領域Ａ
−・Ｈを形成する説明図、 第１５図は従来の両持ちはり形の二次元加速度センサの
平面図、 第１６図は第１５図の１−１線断面図、第１７図は第１
５図の一部切欠斜視図、第１８図（Ａ）〜（Ｃ）ははり
部に発生する応力の説明図、 第１９図はＸ軸方向加速度検出のホイートストンブリッ
ジ回路図、 第２０図はＺ軸方向加速度検出のホイートストンブリッ
ジ回路である。 １・・・半導体基板、２・・・重り部、３ａ、３ｂ・・
・はり部、４ａ、４ｂ・・・切欠空間部、５・・・枠部
、Ｒａ〜Ｒ，Ｒ’　　〜Ｒ’、Ｒ−Ｒ、Ｒ−Ｒ。 ｈ　　　　　ａ　　　　　ｈ　　　　　ｘａ　　　　ｘ
ｈ　　　　ｙａ　　　　ｙｈＲｚａ〜Ｒｚｈ・・・ピエ
ゾ抵抗。 出願人代理人　　藤　　本　　博　　光第１４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．両持ちはり形の半導体加速度センサにおいて、各は
   り部の表面を平面的に十字状に４等分した各領域内にｍ
   個（ｍ：検出加速度の次元数に相当する数）のピエゾ抵
   抗を形成し、該ピエゾ抵抗によってｎ組（ｎ：上記ｍの
   変化時における検出可能な加速度の次元数に相当する数
   ）のホイートストンブリッジ回路を構成したことを特徴
   とする半導体加速度センサ。
2. ２．ピエゾ抵抗は、各領域内におけるはり部の両側端辺
   近くにそれぞれ形成されている請求項１記載の半導体加
   速度センサ。
3. ３．ホイートストンブリッジ回路の各辺は、各はり部に
   形成された加速度検出用の各次元における同一次元のピ
   エゾ抵抗を２個直列に接続している請求項１又は２記載
   の半導体加速度センサ。