JPH06302832A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JPH06302832A
JPH06302832A JP6082552A JP8255294A JPH06302832A JP H06302832 A JPH06302832 A JP H06302832A JP 6082552 A JP6082552 A JP 6082552A JP 8255294 A JP8255294 A JP 8255294A JP H06302832 A JPH06302832 A JP H06302832A
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mass part
mass
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silicon film
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Markus Biebl
ビーブル マルクス
Thomas Scheiter
シヤイター トーマス
Helmut Klose
クローゼ ヘルムート
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Siemens Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きな機械的長時間安定性を有し百万分の一
の最終加速度の範囲まで高精度で測定するための簡単に
製造可能な加速度センサを提供する。 【構成】 ＳＯＩ基板上においてシリコン膜１内にばね
３に懸吊された質量部分２がマイクロメカニカル要素と
して形成され、基板の加速度によって生ずる質量部分２
の変位を検出して電子回路にて評価することができるよ
うにするために例えば圧電抵抗４のような手段が設けら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は極めて小さい加速度を精
密に測定するためにＳＯＩ基板上に設けられた加速度セ
ンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車分野における最近のナビゲーショ
ンシステム並びに安全性システムは高い測定精度及び測
定量と出力信号との間の良好な比例性を有して信頼でき
小形でかつ簡単に製造可能な加速度センサを必要として
いる。それに対して、従来製造されている加速度センサ
は比較的大形で高価でありかつ不精密であった。従来で
は、例えばホー（Ｒ．Ｔ．Ｈｏｗｅ）等著「シリコン
マイクロメカニクス：チップ上に設けられたセンサ及び
アクチュエータ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ
ａｎｉｃｓ：Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏ
ｒｓ ｏｎ ａｃｈｉｐ）」（ＩＥＥＥ Ｓｐｅｃｔｒ
ｕｍ、１９９０年７月発行、第２９頁〜第３５頁参照）
に記載されているように、マイクロメカニカル加速度セ
ンサが使用されていた。この場合センサの機械的可動部
分を製造するためにポリシリコン膜が使用されている
が、その機械的な長時間安定性は場合によってはこのセ
ンサが使用されるシステムの寿命にとっては充分ではな
い。時間的な性能低下の他に、膜の弾性係数及び固有応
力のような機械的特性はその都度の製造条件に敏感に依
存する。膜の固有応力の熱的除去は製造工程に付加的な
熱処理工程を必要とするが、この付加的な工程は同時に
製造されてセンサ内に集積された電子回路に悪影響を与
える。さらに、半導体膜を長時間に亘ってかつ労力を掛
けて析出させる必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、大き
な機械的長時間安定性を有し百万分の一の最終加速度の
範囲まで高精度で測定するための簡単に製造可能な加速
度センサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、ＳＯＩ基板上において結晶質シリコン膜内に１つ
又は複数個のばねに懸吊された質量部分が形成され、そ
の質量部分の自由な動きのために充分な大きさを有する
範囲の絶縁膜が除去され、質量部分の静止状態からの変
位を測定する手段と、基板の加速度から生ずる慣性力が
質量部分に発生した際にその慣性力から加速度の大きさ
を決定する電子回路とが設けられることによって解決さ
れる。
【０００５】本発明の実施態様は請求項２以降に記載さ
れている。
【０００６】
【作用】本発明による加速度センサによれば、機械的可
動部分として単結晶シリコンを使用することによって、
この機械的可動部分としてポリシリコン膜を使用するこ
との上記欠点が回避される。単結晶シリコンは製造工程
のその都度のパラメータに依存しない公知の精密な機械
的特性を有している。さらに、この機械的特性は時間的
な性能低下を示さず、それゆえ長時間安定性が大きい。
特に有利なのはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓ
ｕｌａｔｏｒ）基板を使用することである。この種の基
板においては、単結晶シリコン膜が絶縁膜上に設けられ
ている。この基板の主要構成要素は同様に単結晶シリコ
ン基体であり、それゆえこの場合２つの単結晶シリコン
膜はこれらの単結晶シリコン膜の間に位置する絶縁膜に
よって分離される。ＳＯＩ基板を使用した本発明による
加速度センサにおいては、機械的可動部分は絶縁膜上の
シリコン膜内に形成される。シリコン膜のそれに応じて
パターン化された領域の下方では、マイクロメカニカル
部分の自由な動きを可能にするために、絶縁膜が除去さ
れる。
【０００７】
【実施例】次に本発明によるセンサの実施例を図面に基
づいて説明する。
【０００８】図１はＳＯＩ基板上に設けられた圧電抵抗
式加速度センサのパターンの平面図を示す。機械部分の
パターンは基板の上側単結晶シリコン膜１からエッチン
グ形成される。質量部分２は１つ又は複数個のばね３に
懸吊され、このばね３を介してシリコン膜１に結合され
る。ばね３がシリコン膜１に固定される個所には、変形
すると電気抵抗が変化する圧電抵抗体４が設けられてい
る。シリコン膜１はこの圧電抵抗体の抵抗値のこの種の
変化を測定することができるように電気リード線として
充分にドーピングされている。圧電抵抗体４は原理的に
はばね３の変形されるそれぞれ任意の個所に取付けるこ
とができる。しかし特にこの圧電抵抗体４を、質量部分
２が動くとシリコン膜１の材料が特に大きく変形する個
所に取付けると有利である。基板を加速すると質量部分
２がその慣性により基板に対して相対的に動くことがで
きるようにするために、質量部分２の下方及びばね３の
下方では質量部分２の動きのために充分に大きな範囲で
絶縁膜が除去される。質量部分２はさらに製造時にこの
絶縁膜の除去を容易にするために孔を明けることができ
る。ばね３の幅、即ち、図１に示された平面図における
横方向寸法がその厚みよりも小さい場合、センサの主感
応軸はシリコン膜１の平面内に位置する。反対に、ばね
３の幅がその厚みよりも大きい場合、センサの主感応軸
はシリコン膜１に対して垂直になる。図１では検出すべ
き加速度の方向はばね３の長手方向に対して垂直であ
る。
【０００９】図２は本発明による容量測定式加速度セン
サのパターンの平面図を示す。マイクロメカニカル要素
は基板の上側単結晶シリコン膜１からエッチング形成さ
れる。質量部分２は上述した実施例と同様にばね３によ
ってシリコン膜１に結合される。質量部分２は導電性に
ドーピングされ、シリコン膜１内の適当にドーピングさ
れて質量部分２に対向しかつゲート電極５を形成する領
域と共にそれぞれ１つのコンデンサを形成する。これら
のコンデンサは、質量部分２がばね３の長手方向に対し
て垂直に動くとコンデンサの容量が導体の間隔の変化に
応じて変化するように配置される。容量のこの変化は質
量部分２の異なった側面に配置されているコンデンサで
は逆方向に生ずる。従って、両コンデンサの容量変化の
差から加速度を直接求めることができる。さらに、コン
デンサのドーピングされた領域に適当な分極電圧を印加
することによって、シリコン膜１の平面内の加速度に基
づいてばね３の長手方向に対して垂直に作用する力を補
償することができる。これによって、測定信号は非常に
良好に直線化され、測定範囲が拡大され、そして質量部
分２のばね３によって形成された懸吊部のばね定数は第
一次近似では無視することができる。このような構造は
ばね３の長手方向に対して垂直に生ずるシリコン膜１の
平面内の加速度を検出するのに適する。
【００１０】図３はコンデンサがフィンガー状電極によ
って形成された容量測定式加速度センサのパターンを示
す。質量部分２はばね３によってシリコン膜１に結合さ
れる。質量部分２は製造時にエッチング除去する絶縁膜
に容易にアクセスできるようにするための機能を有する
孔が明けられている。質量部分２には導電性にドーピン
グされたフィンガー状電極６が設けられている。この電
極６はシリコン膜１に結合されている対応するフィンガ
ー状電極７、８と共にコンデンサを形成する。ばね３に
対して垂直に生ずるシリコン膜１の平面内の質量部分２
の加速度によって、質量部分２のフィンガー状電極６の
１つとシリコン膜１においてそのフィンガー状電極に並
んで配置された電極７、８との間の容量がそれぞれ変化
させられる。従って、シリコン膜１に結合されているフ
ィンガー状電極７、８のうち、質量部分２の隣接して配
置されたフィンガー状電極の同一側面側に位置する電極
（各電極７及び各電極８）が電気的に互いに有利に接続
され、それゆえそれぞれ一方の側面に形成されたコンデ
ンサ９１は質量部分２が変位するとその容量が同一方向
に変化し、他方の側面に配置されたコンデンサ９２は共
通的にその容量がそれに対して逆方向に変化する。これ
らのコンデンサの全容量の差から加速度を直接求めるこ
とができる。さらに、この実施例においても同様に適当
な分極電圧を印加することによって質量部分２が基板に
対して相対的に動かないように基板の加速度により生ず
る慣性力を補償することができる。これによって測定信
号は非常に良好に直線化され、測定範囲が拡大され、質
量部分２が大きく変位してもばね定数の変化を考慮する
必要がない。このような構造はばね３の長手方向に対し
て垂直に生ずるシリコン膜１の平面内の加速度を検出す
るのに適する。
【００１１】図４は質量部分２の変位がフィンガー状電
極の長手方向に生ずる容量測定式加速度センサのパター
ンを示す。基板の加速度はこの例においても同様に質量
部分２を保持するばね３の長手方向に対して垂直に検出
される。質量部分２に取付けられたフィンガー状電極６
はその長手方向がばね３の長手方向に対して垂直に配置
されている。シリコン膜１に結合されて対向電極を形成
するフィンガー状電極７、８はこの例では質量部分２の
一方の側面における電極が電気的に互いに結合され（各
電極７及び各電極８）、それによって質量部分２の各側
面側でインターディジタルコンデンサを形成する。これ
らの両コンデンサ９１、９２は基板が加速されると、従
ってばね３の長手方向に対して垂直にシリコン膜１の平
面内の質量部分２が変位するとその容量が逆方向に変化
する。両コンデンサ９１、９２の容量変化の差から加速
度を直接求めることができる。さらに、適当な分極電圧
を印加することによって質量部分２が変位しないように
加速度のために生ずる慣性力を補償することができる。
測定信号の直線化及び上述した利点は従ってこの例にお
いても生ずる。
【００１２】実施例として示されたそれぞれの構成に関
係なく、本発明による加速度センサは１つ又は複数個の
ばねに懸吊された１つの質量部分を含み、その質量部分
及びばねはＳＯＩ基板のシリコン膜内に形成される。ば
ねの幅と厚みとの比はセンサの感応方向（ばねの長手方
向に対して垂直な方向）を決定する。基板の加速度のた
めに質量部分に作用する慣性力の測定は圧電抵抗体によ
って行うよりも容量式に極めて精密に行うことができ
る。この種の容量測定式加速度センサは温度に殆ど関係
しない。さらに、このセンサは僅かな公差で大量に生産
することができる。さらに、容量測定方式は、コンデン
サの電極に適当な分極電圧を印加することによって、発
生した慣性力を静電力により補償することができるとい
う利点を有する。原理的には、本発明による加速度セン
サの実施例を用いて、シリコン膜の平面に対して垂直な
加速度も同様に容量式に測定することが可能である。質
量部分の両側面における容量変化の差を評価することの
利点のために、何れにしても、基板電極の他に、質量部
分の上方に対向電極が必要である。測定を簡単にするこ
の対向電極は例えばＳＯＩ基板上にポリシリコン膜を設
けることによって作られる別の膜によって形成すること
ができる。
【００１３】本発明によるセンサはＳＯＩ基板が圧電抵
抗体又はコンデンサ及びその端子のための電気導体のパ
ターンに応じて導電性にドーピングされることによって
製造される。シリコン膜は例えばリソグラフィ（例えば
電子線リソグラフィ）によってパターン化される。マイ
クロメカニカル部分はこの部分の間に存在するシリコン
膜部分がエッチング（例えば異方性ドライエッチング）
によって除去されることによって形成される。形成され
たパターンの下方に存在する絶縁膜材料（例えばＳｉＯ
2 ）はエッチング（例えば湿式化学法）によって除去さ
れる。湿式化学的エッチングの際に生ずるおそれのある
付着問題を解決するために、昇華性化学薬品（例えばシ
クロヘキサン又はジクロルベンゼン）を使用することが
できる。共通のＳＯＩ基板に集積されるセンサと電子回
路とを同時に作る場合、先ず、電子回路がその金属膜に
至るまで作られる。センサに属しない基板部分は保護
膜、例えばホトレジストによって被覆され、マイクロメ
カニカル要素が作られ、次に保護膜が除去される。
【００１４】
【発明の効果】本発明による加速度センサは製造時に補
助膜を析出させることが省かれ、このために製造工程が
簡単になる。さらに、固有応力を取除くための熱処理は
必要でない。従って、基板内に集積された電子部分はそ
の特性がセンサ部分の形成によって影響を受けない。従
って、電子回路部分のために小さな寸法を有する最新の
製造工程を使用することができる。従って、極めて小さ
い寸法の電子回路が集積されたセンサを製造することが
できる。共通の製造工程が簡単になる。三次元方向の加
速度を検出するためにセンサアレイとして複数個のセン
サを配置することは簡単に可能である。小さな加速度の
場合でも高い測定精度が保証され、かつ同時に高い長時
間安定性が保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による加速度センサの第１の実施例を示
す平面図。
【図２】本発明による加速度センサの第２の実施例を示
す平面図。
【図３】本発明による加速度センサの第３の実施例を示
す平面図。
【図４】本発明による加速度センサの第４の実施例を示
す平面図。
【符号の説明】
１ シリコン膜 ２ 質量部分 ３ ばね ４ 圧電抵抗体 ５ ゲート電極 ６ フィンガー状電極 ７、８ フィンガー状電極 ９１、９２ コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルムート クローゼ ドイツ連邦共和国 81929 ミユンヘン シユテフアン−ゲオルゲ−リング ９

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＳＯＩ基板上において結晶質シリコン膜
    （１）内に１つ又は複数個のばね（３）に懸吊された質
    量部分（２）が形成され、その質量部分（２）の自由な
    動きのために充分な大きさを有する範囲の絶縁膜が除去
    され、質量部分（２）の静止状態からの変位を測定する
    手段と、基板の加速度から生ずる慣性力が前記質量部分
    （２）に発生した際にその慣性力から前記加速度の大き
    さを決定する電子回路とが設けられることを特徴とする
    加速度センサ。
  2. 【請求項２】 慣性力を測定するために電気端子を有す
    る圧電抵抗体（４）がばね（３）内に設けられることを
    特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
  3. 【請求項３】 質量部分（２）は導電性にドーピングさ
    れて、ばね（３）を介してシリコン膜（１）に電気的に
    接続され、慣性力を容量式に測定するために基板の質量
    部分（２）に対向した領域は対向電極（５）として導電
    性にドーピングされることを特徴とする請求項１記載の
    加速度センサ。
  4. 【請求項４】 質量部分（２）はシリコン膜（１）の平
    面内で動くことができ、この質量部分（２）は導電性に
    ドーピングされて、ばね（３）を介してシリコン膜
    （１）に電気的に接続され、また質量部分（２）はフィ
    ンガー状電極（６）を有し、このフィンガー状電極
    （６）はシリコン膜（２）に設けられた別のフィンガー
    状電極（７、８）と電気端子と共に慣性力を容量式に測
    定するためのコンデンサ（９１、９２）を形成すること
    を特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
  5. 【請求項５】 質量部分（２）の２つの互いに対向する
    側面にフィンガー状電極（６）が設けられ、質量部分
    （２）はこれらのフィンガー状電極（６）の長手縦方向
    へ動くことができ、シリコン膜（１）に設けられた別の
    フィンガー状電極（７、８）は質量部分（２）のそれぞ
    れの側面側に位置する電極が互いに電気的に接続され、
    質量部分（２）の同一側面側に存在するフィンガー状電
    極（６）と共にそれぞれ１つのコンデンサ（９１、９
    ２）を形成することを特徴とする請求項４記載の加速度
    センサ。
  6. 【請求項６】 質量部分（２）の２つの互いに対向する
    側面にフィンガー状電極（６）が設けられ、質量部分
    （２）はこれらのフィンガー状電極（６）の長手方向に
    対して垂直に動くことができ、シリコン膜（１）に設け
    られた別のフィンガー状電極（７、８）は、質量部分
    （２）のそれぞれの側面側に位置する電極が互いに電気
    的に接続されて、シリコン膜（２）の平面において質量
    部分（２）のそれぞれ隣接するフィンガー状電極（６）
    と共にその長手方向に対して垂直に両方向にそれぞれ１
    つのコンデンサ（９１、９２）を形成することを特徴と
    する請求項４記載の加速度センサ。
JP6082552A 1993-03-30 1994-03-28 加速度センサ Pending JPH06302832A (ja)

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DE4310352.9 1993-03-30
DE4310352 1993-03-30

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JP6082552A Pending JPH06302832A (ja) 1993-03-30 1994-03-28 加速度センサ

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US (1) US5447067A (ja)
EP (1) EP0618450A1 (ja)
JP (1) JPH06302832A (ja)
KR (1) KR940022091A (ja)
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