JPH06160421A - 振動型加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 質量部が上下方向に変位するのを規制し、検
出方向に加わる加速度のみを、ブリッジで高精度に検出
する。 【構成】 センサ本体２３はシリコン基板２４をエッチ
ング処理することにより、質量部２５を４本の梁部２８
で支持体２７に支持し、質量部２５と支持体２７との間
の溝２６を跨ぐようにブリッジ３０，３０を設ける。各
ブリッジ３０の振動部３０Ａは外部の発振回路により常
時共振周波数の固有振動され、質量部２５に矢示ａ方向
の加速度が加わると、各ブリッジ３０の共振周波数が一
方では低く他方では高くなる。これにより、質量部２５
の検出（Ｘ軸）方向に加わる加速度を正確に検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両等の回転方向，姿
勢等を検出するのに用いて好適な振動型加速度センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、従来技術の加速度センサとして特
開平2-183167号公報（米国特許第4901570 号）に記載の
振動型の加速度計は一般に知られている。

【０００３】ここで、図１２ないし図１４に特開平2-18
3167号公報による加速度計を示し説明する。

【０００４】図中、１は振動型の加速度計としての加速
度センサ、２は該加速度センサ１の本体を構成するシリ
コン基板を示し、該シリコン基板２は外側に位置した矩
形状の支持基板３と該支持基板３の内周側に位置した基
準質量４とからなる。

【０００５】５はシリコン基板２の上面側に形成された
窒化シリコン膜、６はシリコン基板２の下面側に形成さ
れた窒化シリコン膜を示し、該窒化シリコン膜６にはＶ
字状の裏梁としての抑制ブリッジ７，７，…が基準質量
４を下側から支持するように形成されている。

【０００６】８，９，１０，１１はシリコン基板２の基
準質量４と支持基板３との間を跨ぐように形成された共
振ブリッジをそれぞれ示し、該ブリッジ８〜１１のう
ち、ブリッジ８，１０およびブリッジ９，１１はそれぞ
れ対をなして長手方向が検出方向と同軸となるように配
置され、ブリッジ８，１０がＸ軸方向、ブリッジ９，１
１がＹ軸方向を検出するようになっている。

【０００７】１２，１２，…はブリッジ８〜１１の下側
に位置し、前記支持基板３の上面側に形成された駆動電
極を示し、該各駆動電極１２には外部に設けられた図示
しない発振装置から所定の周波数を印加することによ
り、前記ブリッジ８〜１０を共振周波数で固有振動させ
るものである。

【０００８】１３，１３，…はブリッジ８〜１１の下側
に位置し、前記支持基板３の上面側に形成された検出電
極を示し、該各検出電極１３は各ブリッジ８〜１１に加
わる検出方向の加速度により該各ブリッジ８〜１１の共
振周波数のずれを検出するものである。

【０００９】なお、前記発振装置はそれぞれの検出電極
１３からの信号により駆動電極１２の発振周波数を個々
に変化させ、ブリッジ８〜１１を共振状態に保つフィー
ドバック制御を行う。また、基準質量４は各抑制ブリッ
ジ７により該基準質量４の上下方向の移動を規制するよ
うにしているが、シリコン基板２の上面側に支持基板３
と基準質量４とに交互に固着された機械的なストッパを
設け、基準質量４が上下方向に移動するのを規制してい
る。これにより、ブリッジ８〜１１からの固有振動が基
準質量４に伝達されるを防止でき、該基準質量４の上下
方向の振動を防止する。

【００１０】このように構成される従来技術による加速
度センサにおいては、例えば図１２の矢示Ａ方向に加速
度が加わると、基準質量４は矢示Ａ方向に移動し、ブリ
ッジ８には圧縮効力が作用し、ブリッジ１０には引張応
力が作用する。そして、ブリッジ８では固有振動の共振
周波数よりも低い周波数となり、ブリッジ１０では固有
振動の共振周波数よりも高い周波数となる。さらに、こ
の周波数変化を各検出電極１３で検出して、発振装置で
再び共振周波数の固有振動にするためのフィードバック
制御を行っているから、駆動電極１２から補正した周波
数を印加し、この補正周波数の変化量を加算することに
より矢示Ａ方向の加速度を大きな信号として検出するよ
うになっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、共振ブリッジ８〜１１自体が基準質量４を
支持基板３に支持すると共に、裏梁となる各抑制ブリッ
ジ７も基準質量４を支持する構成となっているから、該
基準質量４の水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の加速度の変位
を低減し、加速度の検出感度を低下させるという問題が
ある。

【００１２】また、検出感度を向上させるために、シリ
コン基板２の裏面側に形成した裏梁となる各抑制ブリッ
ジ７を排除すると、基準質量４はブリッジ８〜１１の固
有振動の影響を受けて、基準質量４は上下方向（Ｚ軸方
向）に振動し、水平の検出方向の加速度を正確に検出す
ることができなくなるという問題がある。

【００１３】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は検出方向に高感度で分解能の良
い加速度検出を行うことのできる振動型加速度センサを
提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する構成の特徴は、質量部と支持
体とをシリコン板により一体形成し、該シリコン板には
前記質量部を支持体に連結し、前記質量部が支持体に対
して上下方向に変位するのを抑える梁部を形成したこと
にある。

【００１５】また、前記梁部の幅寸法は厚さ寸法よりも
十分小さく形成することが望ましい。

【００１６】

【作用】上記構成により、質量部には垂直方向の加速度
は規制されて水平の検出方向の加速度のみが加わり、こ
の加速度の加わる方向によりブリッジに圧縮または引張
応力が加わり、該ブリッジの固有振動の共振周波数を低
くまたは高くすることができる。

【００１７】また、シリコン基板に一体形成された梁部
は、質量部の上下方向の移動を規制し、水平の検出方向
の移動を容易にすることができ、ブリッジからの上下方
向の固有振動が質量部に作用するのをなくすことができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図１１に
基づき説明する。なお、実施例では前述した従来技術と
同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略す
るものとする。

【００１９】図中、２１は本実施例による加速度センサ
を示し、該加速度センサ２１は基台となるガラス基板２
２と、該ガラス基板２２の上面に固着された後述するセ
ンサ本体２３とから大略構成されている。

【００２０】２３はセンサ本体を示し、該センサ本体２
３はシリコン板としてのシリコン基板２４に一体形成さ
れ、長方形状の質量部２５と、該質量部２５の周囲に溝
２６を介して設けられた矩形状の支持体２７と、該支持
体２７に前記質量部２５を支持するように、該質量部２
５の４個の頂点から支持体２７に向けて伸長する（図１
中のＹ軸方向）梁部２８，２８，…と、前記質量部２５
と支持体２７との間に設けられたブリッジ３０，３０と
から構成されている。

【００２１】ここで、前記センサ本体２３はシリコン基
板２４を後述のエッチング処理で溝２６を形成すること
により、質量部２５，支持体２７および各梁部２８はシ
リコン基板２４により一体形成されているから、該質量
部２５，支持体２７および各梁部２８は同一平面上に位
置している。また、図１に示すように、各梁部２８の幅
寸法ｄは厚さ寸法ｈよりも小さくなっているから質量部
２５にＺ軸方向の加速度が加わった場合でも、変位を規
制するようになっている。

【００２２】２９はガラス基板２２とセンサ本体２３と
の間に設けられたスペーサを示し、該スペーサ２９は前
記センサ本体２３の支持体２７と同一の矩形状に形成さ
れ、前記ガラス基板２２と質量部２５との間に隙間を形
成している。

【００２３】３０，３０は導電性材料により形成された
略コ字状のブリッジを示し、該各ブリッジ３０は図３に
示す如く、中央が支持体２７との間に隙間を有する振動
部３０Ａ、該振動部３０Ａの両端が固着端部３０Ｂ，３
０Ｃとなって、該各固着端部３０Ｂ，３０Ｃをそれぞれ
質量部２５および支持体２７に固着することで、質量部
２５と支持体２７との間即ち溝２６を跨ぐようにして設
けられている。そして、該各ブリッジ３０の長手方向が
図１中のＸ軸方向に位置するように軸線を揃えて設けら
れている。

【００２４】なお、前記質量部２５は各梁部２８により
支持体２７に支持されるもので、各ブリッジ３０は質量
部２５と支持体２７とに固着されているものの、該各ブ
リッジ３０が質量部２５を支持するものではない。

【００２５】３１，３１，３２，３２，３３，３３は各
ブリッジ３０のそれぞれの下側に位置し、支持体２７上
に形成されたブリッジ電極，容量検出電極，駆動電極を
それぞれ示し、該各電極３１〜３３は図２に示す如く、
該ブリッジ電極３１の一端側はブリッジ３０の固着端部
３０Ｃに接続され、容量検出電極３２および駆動電極３
３の一端側はブリッジ３０の振動部３０Ａの下側に位置
し、容量検出電極３２の一端側のＹ軸方向両側に駆動電
極３３の一端側が位置するようになっている。そして、
各電極３１〜３３の他端側にはシリコン基板２４から突
出する取出電極３１Ａ〜３３Ａが形成され、該各取出電
極３１Ａ〜３３Ａとそれぞれの一端側とはリン（Ｐ）を
拡散したパターン３１Ｂ〜３３Ｂを介して接続されてい
る。

【００２６】一方、前記ブリッジ電極３１と駆動電極３
３とは振動発生手段としての発振回路に接続され、容量
検出電極３２と駆動電極３３とは検出手段としての信号
処理回路（いずれも図示せず）に接続されている。

【００２７】本実施例による加速度センサは上述の如く
構成を有するもので、次にその製造方法について図４な
いし図１１を参照しつつ説明する。なお、図面の説明上
一方のブリッジ３０についてのみ図示している。

【００２８】図４に示す電極パターンおよび第１の窒化
膜形成工程では、ｐ型（１１０）のシリコン基板２４の
上面に図２に示すような各電極３１，３２，３３をホト
エッチングした後に、リン（Ｐ）を拡散させて各電極３
１〜３３のパターン３１Ｂ〜３３Ｂを形成する。その後
に、上面には各ブリッジ３０の固着端部３０Ｂ，３０Ｃ
が固着される部分を除いて窒化膜が形成されるようにホ
トエッチングされ、下面には溝２６（窒化膜４２におい
ては切込部４２′）が形成される部分を除いて窒化膜が
形成されるようにホトエッチングを施す。そして、減圧
ＣＶＤ法により上，下面に第１の窒化膜４１，４２を形
成する。

【００２９】図５に示す犠牲層形成工程では、各ブリッ
ジ３０の振動部３０Ａの高さを確保するために、各ブリ
ッジ３０の形成位置にリン珪酸ガラス（ＰＳＧ）の犠牲
層４３を形成する。

【００３０】図６に示すブリッジおよび電極形成工程で
は、犠牲層４３を跨ぐように上側から減圧ＣＶＤ法によ
り多結晶シリコンを蒸着させ、その多結晶シリコンにリ
ン（Ｐ）を拡散させて低抵抗化した後に、エッチング加
工を施してブリッジ３０を形成する。一方、各電極３１
〜３３の他方に白金／クロムを蒸着し、取出用電極３１
Ａ〜３３Ａを突出形成する。

【００３１】図７に示す第２の窒化膜形成工程では、シ
リコン基板２４の上側から窒化膜４１およびブリッジ３
０を覆うようにプラズマＣＶＤ法で第２の窒化膜４４を
形成する。

【００３２】図８に示す溝形成工程では、アルカリ水溶
液（例えば、ＴＭＡＨ：テトラナチルアンモニウムハイ
ドロオキサイドまたはＫＯＨ）によりシリコン基板２４
のエッチングを行うが、該シリコン基板２４が露出して
いる部分は下面側の窒化膜４２の切込部４２′部分だけ
であるから、この部分からアルカリ水溶液が侵入しシリ
コン基板２４を溶かし、貫通する溝２６を形成し、シリ
コン基板２４を質量部２５と支持体２７に分ける。

【００３３】図９に示す酸化膜形成および窒化膜除去工
程では、プラズマＣＶＤ法により第２の窒化膜４４の上
側に酸化膜４５を形成する。一方、熱燐酸でシリコン基
板２４の下面側の第１の窒化膜４２および溝２６から露
出された窒化膜４１の部分をエッチングして除去する。

【００３４】図１０に示す酸化膜除去工程では、酸化膜
４５およびＰＳＧの犠牲層４３をエッチングにより除去
する。

【００３５】図１１に示す窒化膜除去工程では、窒化膜
４１および窒化膜４４をＣＦ₄ のガスにより除去してセ
ンサ本体２３を形成する。

【００３６】そして、図３に示すように、前述したよう
に形成したセンサ本体２３をスペーサ２９（アルカリガ
ラス）を有するガラス基板２２に接着剤Ｓで接合するこ
とで、加速度センサ２１を構成するようになっている。

【００３７】このように構成される本実施例による加速
度センサにおいても、従来技術の加速度センサ１と同様
で、ブリッジ電極３１と駆動電極３３との間にブリッジ
３０の固有振動となる共振周波数の交流波が発振回路か
ら入力され、各ブリッジ３０は常時固有振動状態に維持
されている。

【００３８】ここで、質量部２５に検出方向となるＸ軸
方向の加速度（図１中の矢示ａ）が加わると、右側に位
置したブリッジ３０には圧縮応力が作用し、左側に位置
したブリッジ３０には引張応力が作用する。これによ
り、一方のブリッジ３０の共振周波数は低くなり、他方
のブリッジ３０の共振周波数は高くなる。この周波数の
ずれを容量検出電極３２で検出し、信号処理回路から再
びブリッジ３０を固有振動の共振周波数に戻すために補
正した交流波をブリッジ電極３１と駆動電極３３の間に
出力する。このときの補正した交流波の周波数の差を演
算することにより温度変化による熱応力の影響やＹ軸方
向の加速度の影響を除去することができ、質量部２５に
加わる加速度の大きさを正確に検出することができる。

【００３９】そして、センサ本体２３の質量部２５は４
本の梁部２８，２８，…により支持体２７に支持されて
いて、該各梁部２８は幅寸法よりも厚さ寸法が小さくな
るように形成されているから、Ｚ軸方向の加速度が加わ
った場合でも質量部２５がＺ軸方向に変位するのを規制
する。また、各ブリッジ３０の振動部３０Ａが振動して
いるときでも、その振動が質量部２５に伝わるのを防止
できる。

【００４０】従って、本実施例による加速度センサ２１
においては、各梁部２８の形状により、質量部２５はＸ
軸方向の変位を許すものの、Ｙ，Ｚ軸方向の変位は規制
するようになっているから、各ブリッジ３０では、質量
部２５に加わるＸ軸方向の加速度のみを高感度に検出す
ることができる。

【００４１】さらに、従来技術のように、シリコン基板
の裏面に設けた裏梁としての各抑制ブリッジ７をなくす
ことができ、部品点数を少なくすることができる。

【００４２】なお、前記実施例では、質量部２５を支持
する梁部２８は該質量部２５Ｘ軸方向に変位し易いよう
にＹ軸方向に伸長するように４本形成したが、本発明は
これに限らず、２本，１本でもよく、要はＺ軸方向に変
位しにくいように支持体２７に対して質量部２５を支持
すればよい。

【００４３】また、前記実施例ではブリッジ３０はＸ軸
方向に質量部２５と支持体２７との溝２６を跨ぐように
２個設けたが、本発明は一方に１個設けるようにしても
よく、この場合には前記実施例よりも検出信号は小さく
なると共に、温度変化の影響を受け、検出精度が低下す
る。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば、シ
リコン板により一体形成し、質量部を上下方向に変位す
るのを抑える梁部を介して支持体に支持し、該支持体と
質量部との間には溝を跨ぐように質量部に加わる加速度
を検出するブリッジを設けるようにしたから、常に固有
振動状態の共振周波数にあるブリッジの上下方向の振動
が質量部に伝達されるのを防止すると共に、該質量部に
加わる水平な検出方向の加速度のみで質量部が変位する
ようにしたから、質量部の垂直方向に加わる加速度がブ
リッジに作用することなく、検出方向の加速度を高精度
に検出することができる。

【００４５】また、前記梁部の幅寸法は厚さ寸法よりも
十分小さく形成することで、質量部の上下方向の変位を
規制し、水平方向の変位のみを許す形状にでき、加速度
を正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による振動型加速度センサの斜
視図である。

【図２】図１中の共振ブリッジの要部拡大して示す平面
図である。

【図３】図２中の矢示III −III 方向からみた断面図で
ある。

【図４】第１の窒化膜形成工程を示す断面図である。

【図５】図４に続く犠牲層形成工程を示す断面図であ
る。

【図６】図５に続くブリッジおよび電極形成工程を示す
断面図である。

【図７】図６に続く第２の窒化膜形成工程を示す断面図
である。

【図８】図７に続く溝形成工程を示す断面図である。

【図９】図８に続く酸化膜形成および窒化膜除去工程を
示す断面図である。

【図１０】図９に続く酸化膜除去工程を示す断面図であ
る。

【図１１】図１０に続く窒化膜除去工程を示す断面図で
ある。

【図１２】従来技術による振動型加速度センサの平面図
である。

【図１３】図１２中の矢示XIII−XIII方向からみた断面
図である。

【図１４】従来技術による裏梁を示す平面図である。

【符号の説明】

２１ 加速度センサ ２３ センサ本体 ２４ シリコン基板 ２５ 質量部 ２６ 溝 ２７ 支持体 ２８ 梁部 ３０ ブリッジ ３１ ブリッジ電極 ３２ 容量検出電極 ３３ 駆動電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量部と、該質量部の周囲に隙間を介し
   て設けられた支持体と、前記質量部と支持体との間を跨
   ぐように水平の検出方向に少なくとも１個形成されたブ
   リッジと、該ブリッジに所定周波数を印加することによ
   り、該ブリッジの上下方向に固有振動を与える振動発生
   手段と、前記質量部に加わる検出方向の加速度を、前記
   ブリッジの固有振動の変化として検出する検出手段とか
   らなる振動型加速度センサにおいて、前記質量部と支持
   体とをシリコン板により一体形成し、該シリコン板には
   前記質量部を支持体に連結し、前記質量部が支持体に対
   して上下方向に変位するのを抑える梁部を形成したこと
   を特徴とする振動型加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記梁部の幅寸法は厚さ寸法よりも十分
   小さく形成してなる請求項１記載の振動型加速度セン
   サ。