JPH07231102A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 閉ループ制御による加速度検出が可能な薄膜
構造の半導体加速度センサを提供する。 【構成】 基板１０１上に絶縁膜１０４を介して梁部１
０５が両側に設けられた変位検出用可動電極１０２を設
ける。この変位検出用可動電極１０２には変位制御用可
動電極１０７が設けられており、これを一定の間隔を隔
てて挟むように基板１０１上に変位制御用固定電極１０
６が設けられている。また基板１０１上には変位検出用
可動電極１０２と対面するように変位検出用固定電極１
０３が設けられている。この半導体加速度センサに加速
度が加わると変位検出用可動電極１０２が変位し変位検
出用可動電極１０２と変位検出用固定電極１０３間の静
電容量が変化する。この変化を打ち消すように変位制御
用可動電極１０７と変位制御用固定電極１０６との間に
静電引力を発生させる電圧をかける。加速度はその電圧
を処理することにより求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、閉ループ制御により加
速度を検出する加速度センサに関するものである。また
その用途には、例えば自動車に用いられるサスペンショ
ン制御、自動車用エアバック作動用加速度センサ等のボ
ディ制御がある。

【０００２】

【従来技術】近年、半導体基板上に形成された超小型の
半導体加速度センサが開発されており、例えば特開平１
−２５３６５７号公報「加速度センサ」にて開示された
ものが知られている。これは、図１８に示すようにエッ
チング加工により形成した梁部７０９と可動電極７０４
を有するシリコン基板７０２を、導電性膜による固定電
極７０５，７０６を有する２枚の半導体基板７０１，７
０３により酸化膜７０８などを介して張り合わせ接合し
たものである。重り機能を有する可動電極７０４は梁部
７０９によって支持されており、これに作用する図の上
下方向の加速度の大きさに応じて、可動電極７０４と固
定電極７０５，７０６との空隙が変化する。即ち、検出
部に作用する加速度に応じて空隙部の静電容量が変化
し、この変化を外部の電子回路に取り出すことで加速度
を検出しようとするものである。

【０００３】また、このような３層構造の加速度センサ
の場合、加速度を検出する方法に大きく分けて２種類あ
る。一つは、上部電極７０５−可動電極７０４，可動電
極７０４−下部電極７０６間の静電容量の差を外部回路
で検出し加速度を出力するもので、もう一つは、上部電
極７０５−可動電極７０４，可動電極７０４−下部電極
７０６間にそれぞれ可動部が変位しないような電圧を加
え、この加える電圧（または力）の違いを外部回路で検
出し加速度を出力するものである。後者のような制御検
出方法を、閉ループ制御検出と呼び、高感度かつ高精度
で加速度を検出することができる。

【０００４】また、図１７に表面マイクロマシニングを
用いた典型的な薄膜構造の静電容量型加速度センサを示
す。これは、シリコン基板１０１上にＳｉＯ₂ あるいは
ＳｉＮ等から成る絶縁膜１０４を成膜後に膜の端部を残
してエッチングし形成する。そして両持ち梁構造のポリ
シリコンまたはその他金属系, 酸化物系の材料等から成
る可動電極１０２、梁部１０５を絶縁膜１０４上に架橋
するように形成する。また下部電極１０３は、基板にイ
オン注入または、導電性の膜によって形成される。加速
度は、通常前記可動電極１０２−下部電極１０３間の静
電容量を外部回路によって検出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１７
に示すような表面マイクロマシニングを用いた薄膜構造
の加速度センサの場合、可動電極１０２の上部に微小間
隔をとって対向電極を設けるというような３層構造を形
成することが難しく、それにより閉ループ制御検出が難
しいという問題がある。

【０００６】そこで本発明は、上記課題を解決するため
になされたものであり、その目的とするところは、閉ル
ープ制御による高感度かつ高精度の加速度検出ができる
加速度センサを提供することであり、特に薄膜構造を有
するとともに閉ループ制御が可能な加速度センサを提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記課題を解
決するためになされた請求項１記載の加速度センサで
は、基板と、前記基板上に配置されるとともに梁構造を
有する可動部と、前記可動部が加速度を受けた時の変位
を電気的変化により検出する変位検出手段と、前記可動
部に設けられ前記可動部と共に可動する少なくとも１つ
の変位制御用可動電極と、前記基板における前記変位制
御用可動電極近傍に設けられるとともに、前記変位制御
用可動電極との間に保持電圧を印加して静電気力により
前記可動部を引き付けることで前記可動部と前記基板と
の間を実質的に一定距離に保たせようとする変位制御用
固定電極と、加速度に伴う前記変位検出手段の検出出力
の変化を打ち消すように前記保持電圧を増減制御する保
持電圧制御手段とを有し、前記保持電圧の変化値から加
速度を検出するようにしたことを特徴としている。

【０００８】ここで、前記変位検出手段は、可動部に取
り付けられた変位検出用可動電極と前記基板側に配置さ
れた変位検出用固定電極で構成されるコンデンサを有し
ており、前記変位検出手段は、加速度に伴う前記可動部
の変位を、前記コンデンサの静電容量の変化から検出し
ても良い。そして上記発明において、前記変位検出手段
は、可動部に取り付けられた変位検出用可動電極と前記
基板における前記変位検出用可動電極の両側に不純物拡
散層を形成して成る変位検出用固定電極で構成されるＭ
ＩＳ型トランジスタを有し、前記変位検出手段は、加速
度に伴う可動部の変位を、前記ＭＩＳ型トランジスタの
前記検出用固定電極間に流れる電流の変化から検出して
も良い。

【０００９】また、前記変位制御用固定電極は、前記可
動部から離れて前記基板上に設けられ、かつ前記変位制
御用固定電極は前記可動部の可動方向に交差する方向に
おいて前記変位制御用可動電極に対向する位置に配置さ
れることが好ましい。そして、前記変位検出手段におけ
る前記コンデンサの静電容量は、前記可動部の変位が前
記基板から離れる方向に大きくなるに従って減少し、前
記保持電圧制御手段は、前記コンデンサの静電容量の減
少に応じて前記保持電圧を増加させることが好ましい。

【００１０】ここで、前記変位制御用固定電極は、前記
基板と前記可動部との間に配置されていることが好まし
い。また、保持電圧制御手段は、前記可動部が前記基板
に近づく方向に加速度が加わった時には前記保持電圧を
減少させ、前記基板から離れる方向に加速度が加わった
時には前記保持電圧を増加させるように前記保持電圧を
増減制御することが好ましい。

【００１１】なお上記発明で、前記基板は、可動部と対
抗した部分で前記基板と前記可動部を等電位に保つ不純
物拡散層から成る等電位電極を備えていても良いし、ま
た前記可動部は、前記基板の上方に所定の間隔を隔てて
両持ち梁状部によって支えられていても良い。

【００１２】

【作用】上記構成の請求項１記載の発明によれば、加速
度に伴って可動部が変位すると、変位検出手段はその変
位を検出して電気的変化として出力する。保持電圧制御
手段は、その変位検出手段の検出出力に応じて、その電
気的変化を打ち消すように変位制御用可動電極と変位制
御用固定電極との間に印加する保持電圧の大きさを増減
させ、変位制御用可動電極と変位検出用固定電極との間
に働いている静電気力を変化させる。すなわち保持電圧
制御手段は、可動部の変位を打ち消すように保持電圧を
増減制御し、基板と可動部との間の距離を実質的に一定
間隔に保たせようとする。そして、保持電圧制御手段の
印加している保持電圧を検出することにより、可動部に
加わった加速度を検出する。

【００１３】また、請求項２記載の発明によれば、変位
検出手段は、可動部に取り付けられた変位検出用可動電
極と基板側に配置された変位検出用固定電極で構成され
るコンデンサを有している。そして加速度に伴って可動
部が変位すると、コンデンサの静電容量が変化する。変
位検出手段はこの静電容量の変化を検出し、可動部の変
位量として出力する。

【００１４】また、請求項３記載の発明によれば、変位
検出手段は、可動部に取り付けられた変位検出用可動電
極と基板における変位検出用可動電極の両側に不純物拡
散層を形成して成る変位検出用固定電極で構成されるＭ
ＩＳ型トランジスタを有している。そして加速度に伴っ
て可動部が変位すると、ＭＩＳ型トランジスタの変位検
出用固定電極間に流れる電流量が変化する。変位検出手
段はこの電流量の変化を検出し、可動部の変位量として
出力する。

【００１５】また、請求項４記載の発明によれば、変位
制御用固定電極は、可動部から離れて基板上に設けら
れ、かつこの変位制御用固定電極は可動部の可動方向に
交差する方向において変位制御用可動電極に対向する位
置に配置されている。そして、請求項５記載の発明によ
れば、変位検出手段におけるコンデンサの静電容量は、
可動部の変位が大きくなるに従って減少し、保持電圧制
御手段は、コンデンサの静電容量の減少に応じて保持電
圧を増加させる。

【００１６】請求項６記載の発明によれば、基板と可動
部との間に変位制御用固定電極が配置され、変位制御用
固定電極は、可動部を、基板側の変位制御用固定電極と
可動部側の変位制御用可動電極との間に働いている静電
気力により基板側に引き付ける。また、請求項７記載の
発明によれば、保持電圧制御手段は、可動部が基板に近
づく方向に加速度が加わった時には保持電圧を減少さ
せ、基板から離れる方向に加速度が加わった時には保持
電圧を増加させる。

【００１７】また、請求項８記載の発明によれば、不純
物拡散層から成る等電位電極は、基板と可動部を等電位
に保つ。そして、請求項９記載の発明によれば、可動部
は基板の上方に所定の間隔を隔てて両持ち梁状部によっ
て支えられている。

【００１８】

【発明の効果】上記構成の請求項１記載の発明によれ
ば、可動部に設けられ可動部と共に可動する少なくとも
１つの変位制御用可動電極と、基板における変位制御用
可動部近傍に設けられるとともに、変位制御用可動電極
との間に保持電圧を印加して静電気力により引き付ける
ことで可動部を基板と一定距離に保つ変位制御用固定電
極とを備え、加速度に伴う変位検出手段の検出出力の変
化を打ち消すように保持電圧を増減制御することで閉ル
ープ制御を可能にしているため、閉ループ制御による高
感度かつ高精度の加速度検出ができる薄膜構造の加速度
センサを得ることができる。

【００１９】また、請求項２記載の発明によれば、変位
検出手段がコンデンサの静電容量の変化を検出し可動部
の変位量として出力するため、可動部の変位を検出する
ために余分なセンサ等を付加することなく閉ループ制御
による高感度かつ高精度の加速度検出ができる薄膜構造
の加速度センサを得ることができる。また、請求項３記
載の発明によれば、変位検出手段がＭＩＳ型トランジス
タの検出用固定電極間に流れる電流量の変化を検出し可
動部の変位量として出力するため、可動部の変位を検出
するために余分なセンサ等を付加することなく閉ループ
制御による高感度かつ高精度の加速度検出ができる薄膜
構造の加速度センサを得ることができる。

【００２０】また、請求項４記載の発明によれば、変位
制御用固定電極が可動部の可動方向に交差する方向にお
いて前記変位制御用可動電極に対向する位置に配置され
ているため、可動部が大きく変位しても変位制御用可動
電極と変位制御用固定電極とが接触して破損したり、電
気的に短絡して保持電圧制御回路が故障してしまうこと
を防止できる。

【００２１】そして、請求項５記載の発明によれば、変
位検出手段におけるコンデンサの静電容量が可動部の変
位が大きくなるに従って減少し、保持電圧制御手段がコ
ンデンサの静電容量の減少に応じて保持電圧を増加させ
ているため、変位検出手段は可動部と基板との距離を正
確に検出することができる。請求項６記載の発明によれ
ば、基板と可動部との間に変位制御用固定電極が配置さ
れ、変位制御用固定電極が可動部を変位制御用固定電極
と変位制御用可動電極との間に働いている静電気力によ
り基板側に引き付けるようにしたため、保持電圧制御手
段は精度良く可動部の変位制御をすることができる。

【００２２】また、請求項７記載の発明によれば、保持
電圧制御手段は、可動部が基板に近づく方向に加速度が
加わった時には保持電圧を減少させ、基板から離れる方
向に加速度が加わった時には保持電圧を増加させている
ため、変位検出手段は可動部と基板との距離を正確に検
出することができる。また、請求項８記載の発明によれ
ば、不純物拡散層から成る等電位電極が、基板と可動部
を等電位に保っているため、さもなければ生じている基
板と可動部との間の電位差により、可動部が基板に引き
付けられてしまうことを防止できる。すなわち保持電圧
制御手段は、変位制御用固定電極・変位制御用可動電極
相互間の静電気力を正確に制御することができ、これに
より高感度かつ高精度の加速度検出ができる薄膜構造の
加速度センサを得ることができる。

【００２３】そして、請求項９記載の発明によれば、可
動部が基板の上方に所定の間隔を隔てて両持ち梁状部に
よって支えているため、可動部を常に基板と平行移動さ
せることができる。そしてこれにより変位検出手段は可
動部と基板との距離を正確に検出することができ、高感
度かつ高精度の加速度検出ができる薄膜構造の加速度セ
ンサを得ることができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。 （第１実施例）図１は、本発明の第１実施例に係わるセ
ンサの検出部を示した斜視図である。シリコン基板１０
１上にはＳｉＯ₂ あるいはＳｉＮ等から成る絶縁膜１０
４を成膜しその上に変位検出用可動電極１０２（変位検
出用可動電極に相当、以下可動電極１０２），梁部１０
５となる膜を成膜する。絶縁膜１０４は図１のように構
造体の端部を残してエッチングされ、絶縁膜１０４の上
には架橋するように両持ち梁構造の可動電極１０２，梁
部１０５が形成される。このエッチングは犠牲層エッチ
ングとよばれ、可動電極１０２，梁部１０５はエッチン
グされず、犠牲層である絶縁膜１０４が選択的にエッチ
ングされるエッチング液が使用される。

【００２５】また、可動電極１０２、それを支持する梁
部１０５はポリシリコンまたは、その他金属系，酸化物
系の材料等から成る。また変位検出用下部固定電極１０
３（変位検出用固定電極に相当、以下下部電極１０３）
は、シリコン基板１０１にイオン注入または導電性の膜
によって形成されたものである。これら可動電極１０２
と固定電極１０３とでコンデンサを形成している。加速
度による可動電極１０２の変位は、この可動電極１０
２，下部電極１０３間のコンデンサの静電容量によって
求めることができる。

【００２６】また可動電極１０２には変位制御用可動電
極１０７（変位制御用可動電極に相当、以下可動電極１
０７）が設けられており、さらに基板１０１上には、こ
の可動電極１０７を一定の距離を隔てて挟むように対向
させられた変位制御用固定電極１０６（変位制御用固定
電極に相当、以下固定電極１０６）が設けられている。
この固定電極１０６および可動電極１０７は可動電極１
０２の位置を中立位置（加速度が加わっていない状態Ｇ
＝０）または一定の位置に戻す働きをする。

【００２７】さらに、固定電極１０６，可動電極１０７
は図１のように４対配置するのが最良というわけではな
く、可動電極１０２に対して上下左右対称となる配置が
力学的見地から良い。これは、図１にあるような静電容
量式の検出であるため、できるだけ可動電極１０２が下
部電極１０３に対して平行に変位するように制御するた
めである。しかし、固定電極１０６，可動電極１０７対
の配置は、必ずしも上述した限りではない。

【００２８】また、変位検出用可動電極１０２と変位制
御用可動電極１０７は図４にあるように共通に接地する
ようにしてもよいが、その場合、変位検出用の電圧と可
動電極１０６駆動用の電圧に１〜２桁の違いがあるた
め、可動電極１０７駆動用の電圧が変位検出回路に影響
を与えてしまうことがある。これを避けるための１つの
方法として、可動電極１０２上に可動電極１０７駆動用
の配線と静電容量検出用の配線を分離して設けるように
して、両者の検出，制御を別配線で行うことにより、よ
り精度良く静電容量を検出することができる。

【００２９】また、上述した加速度センサは全てＩＣプ
ロセスそのもの、及び流用により作製されるため、ＩＣ
作製プロセスの中でセンサの構造体の形成ができ、回路
一体化が著しく容易に可能になる。次に上記加速度セン
サの作動を示す。図２は、図１の変位制御用の固定電極
１０６、可動電極１０７の断面を拡大したものである。
また図３はこの加速度センサの簡単な検出回路を示した
ものである。

【００３０】この加速度センサに、図２−１のように上
向き、すなわち基板と逆側に加速度Ｇが加わると図１に
おける変位検出用可動電極１０２とそれに設けられた変
位制御用可動電極１０７は基板側へ変位する。すると変
位検出用電極部４０２において可動電極１０２−下部電
極１０３間の静電容量ＣがＣ＋ΔＣに変化する。この静
電容量Ｃ＋ΔＣを図３に示す静電容量検出回路４０７
（変位検出手段に相当）で検出し、その検出値を変位制
御回路４０８（保持電圧制御手段に相当）に入力する。
変位制御回路４０８ではその入力値により可動電極１０
２が中立の位置に戻るように変位制御用電極部４０１に
変位制御電圧４１０を発生させる。その電圧により図２
−２に示すように可動電極１０７−固定電極１０６ａ，
ｂ間に静電引力Ｆが生じ、可動電極１０７を、図２−３
のように中立位置に戻すことができる。可動電極１０７
が中立位置に戻ると変位制御回路４０８から変位制御電
圧４１０を信号処理回路４０９に入力する。そして信号
処理回路４０９において入力された変位制御電圧４１０
を加速度信号に変換し出力する。

【００３１】フィードバック制御の方法には、図４、図
５、図６に示すように可動電極の中立位置より大きく２
つに分けることができる。１つは図５のように下部−可
動電極間距離を成膜時に設定したｄ₀ 付近（図４中領域
１）で制御する方法で、もう１つは、図６のように下部
−可動電極間ギャップｄ₀ より小さい値ｄ₁ を中立位置
として、ｄ₁ 付近（図４中領域２）で制御する方法であ
る。後者の方法は可動電極１０２におもりになるような
ものを付加することでより感度を良くし小さい加速度を
測定する場合に有効な方法である。

【００３２】前者の簡単な一制御例として図７にそのフ
ロー図を示す。これは、図１の下部電極１０３−可動電
極１０２間距離ｄをｄ₀ にするように変位制御用固定電
極１０６−可動電極１０７間電圧を増加させ、ｄ＝ｄ₀
になったところでそのときの固定電極１０６−可動電極
１０７間電圧を加速度に変換して出力する。ここで、固
定電極１０６−可動電極１０７間電圧すなわち図３に示
す変位制御電圧４１０を上げていくと静電引力Ｆが加速
度Ｇに比べて大きくなり、可動電極１０２が加速度を受
けても変位しなくなる場合があるため、変位制御回路部
４０８において常に変位制御電圧４１０を下げて可動電
極１０２が変位するかどうかを確認する必要がある。

【００３３】また、後者の簡単な一制御例として図８に
そのフロー図を示す。これは、図１の下部電極１０３−
可動電極１０２間距離をｄ₁ にするように可動電極駆動
用固定電極１０６−可動電極１０７間電圧を増減し、ギ
ャップｄ＝ｄ１になったところで、その固定電極１０６
−可動電極１０７間の電圧を加速度に変換して出力す
る。

【００３４】以上のように本実施例によると、変位制御
用固定電極，可動電極をそれぞれ基板上，変位検出用可
動電極に設け可動部の可動方向に対して横方向で制御す
るようにしているため、３層構造にしなくとも変位検出
部の可動電極が変位した場合にこれを中立の位置に戻す
ように変位制御用可動電極，固定電極間に電圧をかけ、
その電圧値により加速度を求めるというような閉ループ
制御による高感度かつ高精度の加速度検出が薄膜加速度
センサにおいても可能になる。

【００３５】本実施例においては、静電容量の変化を検
出し可動電極１０２の変位量として出力するため、可動
電極１０２の変位を検出するために余分なセンサ等を付
加することない。また、固定電極１０６が可動電極１０
２の可動方向に交差する方向において可動電極１０７に
対向する位置に配置されているため、可動電極が大きく
変位しても固定電極１０６と可動電極１０７とが接触し
て破損したり、電気的に短絡して変位制御回路４０８が
故障してしまうことを防止できる。そして、コンデンサ
の静電容量が可動電極１０２の変位が大きくなるに従っ
て減少し、変位制御回路４０８がコンデンサの静電容量
の減少に応じて変位制御電圧４１０を増加させているた
め、静電容量検出回路４０７は可動電極１０２とシリコ
ン基板１０１との距離を正確に検出することができる。
そして、可動電極１０２がシリコン基板１０１の上方に
所定の間隔を隔てて両持ち梁状部によって支えているた
め、可動電極１０２を常にシリコン基板１０１と平行移
動させることができる。そしてこれにより静電容量検出
回路４０７は可動電極１０２とシリコン基板１０１との
距離を正確に検出することができ、高感度かつ高精度の
加速度検出ができる薄膜構造の加速度センサを得ること
ができる。

【００３６】（第２実施例）次に、本発明の第２実施例
における加速度センサを図面に基づき説明する。なお本
実施例と第１実施例との違いは変位検出部のセンシング
方法が異なる点にある。図９に本実施例の加速度センサ
の斜視図を示す。

【００３７】図１に示す実施例では、可動電極１０２の
変位を可動電極１０２−下部電極１０３間の静電容量で
測定し閉ループ制御を行っているが、図９に示す第２実
施例では、可動部５０２を支える梁部１０５に歪みゲー
ジ５０８（変位検出手段に相当）を形成し、その歪みゲ
ージ５０８の抵抗変化をもとにして可動電極１０２の変
位を検出し、第１実施例と同様に可動電極１０７および
固定電極１０６による制御を行うことにより同じ効果を
得ることができる。

【００３８】（第３実施例）次に、第３実施例を説明す
る。本実施例と第１実施例との違いも変位検出部のセン
シング方法が異なる点にある。図１０に本実施例の加速
度センサの斜視図を示す。図１０に示す第３実施例のセ
ンシング部では、本件出願人が先に出願した特願平４−
３０５７０８号に述べられるようなトランジスタ型の検
出部のゲート電極６０８，ソース６０９ａ・ドレイン６
０９ｂをそれぞれ可動部６０２，基板１０１に設けるよ
うにしている。可動部６０２に加速度が加わり変位する
とゲート電極６０８も変位する。このゲート電極６０８
の変位によりソース６０９ａ，ドレイン６０９ｂ間に流
れる電流が変化するため、この電流を測定することによ
り可動部６０２に設けられたゲート電極６０８の変位を
検出することができ、第１実施例と同様に可動電極１０
６および固定電極１０７による制御を行うことで同様な
効果を得ることができる。

【００３９】本実施例においては、上記第１，２実施例
同様、固定電極１０６が可動電極１０２の可動方向に交
差する方向において可動電極１０７に対向する位置に配
置されているため、可動電極が大きく変位しても固定電
極１０６と可動電極１０７とが接触して破損したり、電
気的に短絡して変位制御回路４０８が故障してしまうこ
とを防止できる。

【００４０】また、変位検出手段としてトランジスタの
ソース・ドレイン間に流れる電流量の変化を検出し可動
電極１０２の変位量として出力するため、可動電極の変
位を検出するために余分なセンサ等を付加することなく
閉ループ制御による高感度かつ高精度の加速度検出がで
きる薄膜構造の加速度センサを得ることができる。そし
て、可動電極１０２がシリコン基板１０１の上方に所定
の間隔を隔てて両持ち梁状部によって支えているため、
可動電極１０２を常にシリコン基板１０１と平行移動さ
せることができる。そしてこれにより可動電極１０２と
シリコン基板１０１との距離を正確に検出することがで
き、高感度かつ高精度の加速度検出ができる薄膜構造の
加速度センサを得ることができる。

【００４１】（第４実施例）以下に本発明の第４実施例
における加速度センサを図面に基づき説明する。図１１
は本発明の第４実施例に係るＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の半
導体加速度センサを示す斜視図である。図１１において
可動部２３０（可動部）は、格子状に形成されたマス２
３１とそれを支えている４本の梁部２３２，ゲート電極
２３３（変位検出用可動電極，変位制御用可動電極を兼
用）から構成されており、また梁部２３２は絶縁膜２１
２を介してＰ型シリコン基板２１０（基板）上に固定さ
れている。Ｐ型シリコン基板２１０の主表面上にはゲー
ト絶縁膜２１１が全面に形成され、その上には絶縁膜２
１２が形成されている。ここでゲート絶縁膜２１１は基
板表面のリーク電流を低減するとともにトランジスタ特
性の経時変化を抑制する。ゲート絶縁膜２１１及び絶縁
膜２１２はＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等よりなる。

【００４２】図１２は図１１におけるＡ−Ａ断面図を示
す図である。図１２に示すように、Ｐ型シリコン基板１
０上には絶縁膜２１２の無い領域、即ち空隙部２１４が
形成されている。ゲート絶縁膜２１１の上方には、空隙
部２１４を架設するように絶縁膜２１２を介して両持ち
梁構造の可動部２３０が配置される構造となっている。
この可動部２３０はポリシリコンより成り、ＭＩＳ型ト
ランジスタのゲート電極として働く。

【００４３】なお、可動部２３０の下部における絶縁膜
２１２の空隙部２１４は、犠牲層としてゲート絶縁膜２
１１上一面に絶縁膜を形成し、その後絶縁膜２１２の部
分を残すようにエッチングすることにより形成されるも
のである。この犠牲層エッチングの際には、可動部２３
０と基板表面を保護するゲート絶縁膜２１１はエッチン
グされず、犠牲層である部分の絶縁膜のみがエッチング
されるエッチング液が使用される。例えば、ゲート絶縁
膜としてＳｉ₃ Ｎ₄ 膜を用い、絶縁膜としてＳｉＯ₂ 膜
を用い、ＨＦ系のエッチング液を用いれば良い。

【００４４】また、図１１に示すように可動部２３０の
マス２３１は格子状に形成されており、各格子の幅は梁
部２３２と同じ幅（約４μｍ）となるように形成されて
いる。前述のように可動部２３０を形成する場合、Ｐ型
シリコン基板２１０上にゲート絶縁膜２１１を形成し、
次にその上に犠牲層である絶縁膜を形成し、可動部２３
０を形成させてからエッチングにより空隙部２１４を形
成するが、その際、本実施例のようにマス２３１を格子
状にすることにより、エッチング液が同じ速さで可動部
２３０下部に入り込んで行く。従って、必要最小限の時
間でエッチングを完了することができ、またエッチング
のムラもなくなるので生産性を向上させることができ
る。

【００４５】また図１２に示すように、ゲート電極２３
３の下方両側には不純物拡散層からなる固定電極２１
５，２１６（変位検出用固定電極）が形成されている。
この固定電極２１５，２１６はＰ型シリコン基板２１０
にイオン注入等によりＮ型不純物を導入することにより
形成されたものであり、本実施例ではリン（Ｐ）や砒素
（Ａｓ）等を１０¹⁹〜１０²⁰ｃｍ^-3導入する。

【００４６】このように本実施例では、ＦＥＴのソース
・ドレインである固定電極２１５，２１６とゲート電極
２３３及びゲート絶縁膜２１１，空隙部２１４とで、電
界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）を構成している。
従って、ゲート電極２３３に電圧が印加されるとＰ型シ
リコン基板２１０における固定電極２１５，２１６の間
にはチャネル領域が形成されるため、固定電極２１５，
２１６間にはドレイン電流が流れることとなる。

【００４７】また、図１１，図１３に示すように可動部
２３０のゲート電極１３３を除く領域（梁部とマス）に
対向したＰ型シリコン基板２１０には、高濃度の不純物
を添加して下部電極２１８（変位制御用固定電極）が形
成されている。この下部電極２１８と可動部２３０の間
には常に保持電圧が印加されており、これにより下部電
極２１８と可動部２３０の間には静電気力Ｆが働いてい
る。なおこの領域は、前述の固定電極２１５，２１６と
同時に同じ濃度で形成することが望ましいが、別工程で
同じ又は異なった濃度で形成しても良い。

【００４８】なお、可動部（両持ち梁）２３０の梁部２
３２の幅およびマス２３１の格子幅は本実施例の値に限
られたものではなく、検出すべき加速度の大小，可動部
２３０の所望強度の大小に応じてその値を増減させても
良い。また材質もポリシリコンの他にタングステン等の
高融点金属を用いても良い。次に上記のように構成され
た半導体加速度センサの作動を簡単に説明する。ゲート
電極２３３とＰ型シリコン基板２１０との間、及び固定
電極２１５，２１６間には初めから電圧が印加され、固
定電極２１５，２１６間にチャネル領域が形成され、固
定電極２１５，２１６間に電流Ｉ_d が流れている。ま
た、図１３に示すように下部電極２１８と可動部２３０
（ゲート電極２３３）の間には変位制御用電圧Ｖ_Z （保
持電圧）が印加されており、可動部２３０は、この間に
働く静電気力Ｆ及び重力と可動部２３０の張力が釣り合
う位置ｄ（以下、中立位置）まで引き付けられている。

【００４９】ここで本加速度センサが加速度を受けて、
図中に示すＺ方向（基板に垂直方向）に可動部２３０が
変位した場合（ｄ＋Δｄ）には電界強度の変化によって
チャネル領域のキャリア濃度が増大し、電流が増大して
Ｉ_d ＋ΔＩ_d になる。この電流の変化を図１４に示す電
流変化検出回路２５３で検出し、その検出値を変位制御
回路２５４（保持電圧制御手段）に入力する。変位制御
回路２５４ではその入力値により可動部２３０が前述の
中立位置に戻るように、下部電極２１８に印加している
変位制御用電圧Ｖ_Z の大きさを増減する。すなわち、可
動部２３０が基板に近づく方向に変位した場合は変位制
御用電圧Ｖ_Z を小さくして静電気力Ｆを弱め、逆に離れ
る方向に変位した場合には変位制御用電圧Ｖ_Z を大きく
して静電気力Ｆを強める。そして、変位制御回路２５４
はその変化量を信号処理回路２５５に送り、信号処理回
路２５５はそれを加速度信号に変換して出力する。これ
らの制御は図８に示したフィードバックフローで説明す
ることができる。ここで図１４は一回路例であり、必ず
しも変位検出部と変位制御部の接地を共通にする必要は
ない。

【００５０】従って本実施例においても、変位制御用固
定電極，可動電極をそれぞれ基板上，変位検出用可動電
極に設け可動部を常に基板側に引き付けるように制御す
るようにしているため、３層構造にしなくとも変位検出
部の可動部が変位した場合にこれを中立の位置に戻すよ
うに変位制御用可動電極，固定電極間に電圧をかけ、そ
の電圧値により加速度を求めるというような閉ループ制
御による加速度検出が可能となる。

【００５１】また、変位検出手段としてＭＩＳ型トラン
ジスタのソース・ドレイン間に流れる電流量の変化を検
出し可動部２３０の変位量として出力するため、可動部
２３０の変位を検出するために余分なセンサ等を付加す
ることなく閉ループ制御による高感度かつ高精度の加速
度検出ができる薄膜構造の加速度センサを得ることがで
きる。そして、可動部２３０がＰ型シリコン基板２１０
の上方に所定の間隔を隔てて両持ち梁状部によって支え
ているため、可動部２３０を常にＰ型シリコン基板２１
０と平行移動させることができる。そしてこれにより可
動部２３０とＰ型シリコン基板２１０との距離を正確に
検出することができ、高感度かつ高精度の加速度検出が
できる薄膜構造の加速度センサを得ることができる。ま
た、Ｐ型シリコン基板２１０と可動部２３０との間に下
部電極２１８が配置され、変位制御回路２５４が可動部
２３０を下部電極２１８と可動部２３０との間に働いて
いる静電気力により基板側に引き付けるようにしたた
め、変位制御回路２５４は精度良く可動部２３０の変位
制御をすることができる。

【００５２】（第５実施例）以下に本発明の第５実施例
を図面に基づき説明する。図１５は、本実施例における
半導体加速度センサを示す斜視図である。本実施例と第
４実施例との違いは、可動部２３０の加速度による変位
を可動部２３０に取り付けられた上部電極２３４（変位
検出用可動電極）と基板側に配置された固定電極２１７
（変位検出用固定電極）で構成されるコンデンサで検出
する点である。

【００５３】本実施例においても、変位制御用固定電
極，可動電極をそれぞれ基板上，変位検出用可動電極に
設け可動部を常に基板側に引き付けるように制御するよ
うにしているため、変位検出部の可動部が変位した場合
にこれを中立の位置に戻すように変位制御用可動電極，
固定電極間に電圧をかけ、その電圧値により加速度を求
めるというような閉ループ制御による加速度検出が可能
となる。

【００５４】また、変位検出手段がコンデンサの静電容
量の変化を検出し可動部の変位量として出力するため、
可動部の変位を検出するために余分なセンサ等を付加す
ることなく閉ループ制御による高感度かつ高精度の加速
度検出ができる薄膜構造の加速度センサを得ることがで
きる。Ｐ型シリコン基板２１０上に下部電極２１８が配
置され、可動部２３０を静電気力により基板側に引き付
けるようにしたため、変位制御回路２５４は精度良く可
動部２３０の変位制御をすることができる。そして、可
動部２３０がＰ型シリコン基板２１０の上方に所定の間
隔を隔てて両持ち梁状部によって支えているため、可動
部２３０を常にＰ型シリコン基板２１０と平行移動させ
ることができる。そしてこれにより可動部２３０とＰ型
シリコン基板２１０との距離を正確に検出することがで
き、高感度かつ高精度の加速度検出ができる薄膜構造の
加速度センサを得ることができる。

【００５５】（第６実施例）以下に本発明の第６実施例
を図面に基づき説明する。図１６は、本実施例における
半導体加速度センサを示す斜視図である。本実施例と第
４実施例との違いは、Ｐ型シリコン半導体基板２１０上
の可動部と対抗した部分での固定電極２１５，２１６及
び下部電極２１８の無い領域において、Ｐ型シリコン基
板２１０と可動部２３０を等電位に保つ、不純物拡散層
から成る等電位電極２１９を形成する点である。

【００５６】この場合、変位制御用電圧Ｖ_Z の印加可能
な電圧範囲を大きく取ることができるため、加速度検出
の誤差を著しく低下できる。すなわち変位制御用電圧Ｖ
_Z をあまり大きく取ると、可動部２３０における梁状部
の張力よりも静電気力Ｆの方が大きくなってしまい、可
動部２３０がＰ型シリコン基板２１０に張り付いて加速
度を検出できなかったり、また張り付かなかったとして
も小さな加速度に対して反応しなくなってしまう。とこ
ろが、本実施例のように等電位電極２１９を設け、可動
部２３０をＰ型シリコン基板側に引き付ける下部電極２
１８の面積を小さくすることにより、変位制御用電圧Ｖ
_Z の印加可能な電圧範囲を広げることができ、広い範囲
で加速度を検出することができる。よって、高精度の閉
ループ制御による加速度検出が可能となる。なお本実施
例において、変位検出手段としてＭＩＳ型トランジスタ
のソース・ドレイン間に流れる電流量の変化を検出し可
動部２３０の変位量として出力するため、可動部２３０
の変位を検出するために余分なセンサ等を付加すること
なく閉ループ制御による高感度かつ高精度の加速度検出
ができる薄膜構造の加速度センサを得ることができる。
そして、可動部２３０がＰ型シリコン基板２１０の上方
に所定の間隔を隔てて両持ち梁状部によって支えている
ため、可動部２３０を常にＰ型シリコン基板２１０と平
行移動させることができる。そしてこれにより可動部２
３０とＰ型シリコン基板２１０との距離を正確に検出す
ることができ、高感度かつ高精度の加速度検出ができる
薄膜構造の加速度センサを得ることができる。また、Ｐ
型シリコン基板２１０と可動部２３０との間に下部電極
２１８が配置され、変位制御回路２５４が可動部２３０
を下部電極２１８と可動部２３０との間に働いている静
電気力により基板側に引き付けるようにしたため、変位
制御回路２５４は精度良く可動部２３０の変位制御をす
ることができる。また、不純物拡散層から成る等電位電
極２１９が、基板と可動部を等電位に保っているため、
さもなければ生じているＰ型シリコン基板２１０と可動
部２３０との間の電位差により、可動部２３０がＰ型シ
リコン基板２１０に引き付けられてしまうことを防止で
きる。すなわち変位制御回路２５４は、下部電極２１８
・可動部２３０間の静電気力を正確に制御することがで
き、これにより高感度かつ高精度の加速度検出ができる
薄膜構造の加速度センサを得ることができる。

【００５７】ここで、図１６にあるように下部電極２１
８と等電位電極２１９は可動部２３０と介して接続され
ているため、この電極間で電位差が生じている。従って
リーク電流を防止する目的で、基板内はＰＮ分離やＳＯ
Ｉ分離を使って両者の電気的分離を行うことが望まし
い。これにより、より精度良く加速度を検出することが
できる。

【００５８】なお、上記第１実施例から第６実施例にお
いて、各電極（変位検出用固定・可動電極，変位制御用
固定・可動電極）及び各不純物拡散層の大きさ，位置は
実施例中に示したものに限られたものではなく、任意に
その構成を変えることができる。また上記実施例では梁
状部，マス，ゲート電極等が一体構造になった可動部の
半導体加速度センサを用いて説明したが、本発明におい
ては梁状部によって可動部が保持され、可動部が加速度
を受けた時の変位を電気的変化により検出する手段を持
つ構成であればどの様なものでも良く、例えば変位検出
用可動電極と変位制御用可動電極とを電気的に分離して
可動部に配置した構造であったり、梁状部と可動部が別
構成であったり、また梁状部が４本以上（３本以下でも
可）であっても良い。また、図３〜図８に示した制御方
法も図中に示した構成に限られたものではなく、加速度
に伴う変位検出手段（コンデンサ，ＭＩＳＦＥＴ等）の
検出出力の変化を打ち消すように保持電圧を増減制御で
きる回路なら、どの様な構成でも良い。さらに本発明は
半導体基板を用いた半導体加速度センサに限られたもの
ではなく、例えば絶縁基板上に導電性板状部材を設け、
その上部に可動電極を設けてその間の静電容量により変
位検出を行うといった半導体以外の加速度センサにも適
用できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な一実施例に係わる加速度セン
サの斜視図である。

【図２】本発明の第１実施例に係わる加速度センサの電
極断面図である。

【図３】本発明の第１実施例に係わる加速度センサの加
速度検出回路である。

【図４】本発明の第１実施例に係わる加速度センサのフ
ィードバック制御領域である。

【図５】本発明の第１実施例に係わる変位制御用電極の
断面図である。

【図６】本発明の第１実施例に係わる変位制御用電極の
断面図である。

【図７】本発明の第１実施例に係わる加速度センサのフ
ィードバックフロー図である。

【図８】本発明の第１実施例に係わる加速度センサのフ
ィードバックフロー図である。

【図９】本発明の第２実施例に係わる加速度センサの斜
視図である。

【図１０】本発明の第３実施例に係わる加速度センサの
斜視図である。

【図１１】本発明の第４実施例に係わる加速度センサの
斜視図である。

【図１２】本発明の第４実施例に係わる変位検出用電極
の断面図である。

【図１３】本発明の第４実施例に係わる変位制御用電極
の断面図である。

【図１４】本発明の第４実施例に係わる加速度センサの
加速度検出回路である。

【図１５】本発明の第５実施例に係わる加速度センサの
斜視図である。

【図１６】本発明の第６実施例に係わる加速度センサの
斜視図である。

【図１７】典型的な表面マイクロマシニングンサ技術を
用いた静電容量式加速度センサの斜視図である。

【図１８】従来技術による半導体加速度センサを示す断
面図である。

【符号の説明】

１０１ 基板 １０２ 変位検出用可動電極 １０３ 変位検出用下部固定電極 １０４ 絶縁膜 １０５ 梁部 １０６ 変位制御用固定電極 １０７ 変位制御用可動電極 ２１０ Ｐ型シリコン基板（基板） ２１１ ゲート絶縁膜 ２１２ 絶縁膜 ２１５，２１６ 固定電極（変位検出用固定電極） ２１８ 下部電極（変位制御用固定電極） ２１９ 等電位電極 ２３０ 可動部 ２３１ マス ２３２ 梁部 ２３３ ゲート電極（変位検出用可動電極，変位制御用
可動電極）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板上に配置されるとともに梁構造を有する可動部
   と、 前記可動部が加速度を受けた時の変位を電気的変化によ
   り検出する変位検出手段と、 前記可動部に設けられ前記可動部と共に可動する少なく
   とも１つの変位制御用可動電極と、 前記基板における前記変位制御用可動電極近傍に設けら
   れるとともに、前記変位制御用可動電極との間に保持電
   圧を印加して静電気力により前記可動部を引き付けるこ
   とで前記可動部と前記基板との間を実質的に一定距離に
   保たせようとする変位制御用固定電極と、 加速度に伴う前記変位検出手段の検出出力の変化を打ち
   消すように前記保持電圧を増減制御する保持電圧制御手
   段とを有し、前記保持電圧の変化値から加速度を検出す
   るようにしたことを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記変位検出手段は、可動部に取り付け
   られた変位検出用可動電極と前記基板側に配置された変
   位検出用固定電極で構成されるコンデンサを有し、前記
   変位検出手段は、加速度に伴う前記可動部の変位を、前
   記コンデンサの静電容量の変化から検出することを特徴
   とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記変位検出手段は、可動部に取り付け
   られた変位検出用可動電極と前記基板における前記検出
   用可動電極の両側に不純物拡散層を形成して成る変位検
   出用固定電極で構成されるＭＩＳ型トランジスタを有
   し、前記変位検出手段は、加速度に伴う可動部の変位
   を、前記ＭＩＳ型トランジスタの前記変位検出用固定電
   極間に流れる電流の変化から検出す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】 前記変位制御用固定電極は、前記可動部
   から離れて前記基板上に設けられ、かつ前記変位制御用
   固定電極は前記可動部の可動方向に交差する方向におい
   て前記変位制御用可動電極に対向する位置に配置される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の加速度セ
   ンサ。
5. 【請求項５】 前記変位検出手段における前記コンデン
   サの静電容量は、前記可動部の変位が前記基板から離れ
   る方向に大きくなるに従って減少し、前記保持電圧制御
   手段は、前記コンデンサの静電容量の減少に応じて前記
   保持電圧を増加させることを特徴とする請求項１及び請
   求項２及び請求項４のうち何れかに記載の加速度セン
   サ。
6. 【請求項６】 前記変位制御用固定電極は、前記基板と
   前記可動部との間に配置されていることを特徴とする請
   求項１乃至請求項３記載の加速度センサ。
7. 【請求項７】 保持電圧制御手段は、前記可動部が前記
   基板に近づく方向に加速度が加わった時には前記保持電
   圧を減少させ、前記基板から離れる方向に加速度が加わ
   った時には前記保持電圧を増加させるように前記保持電
   圧を増減制御することを特徴とする請求項１乃至請求項
   ３、及び請求項６のうち何れかに記載の加速度センサ。
8. 【請求項８】 前記基板は、可動部と対抗した部分で前
   記基板と前記可動部を等電位に保つ、不純物拡散層から
   成る等電位電極を備えることを特徴とする請求項１乃至
   請求項７記載の加速度センサ。
9. 【請求項９】 前記可動部は、前記基板の上方に所定の
   間隔を隔てて両持ち梁状部によって支えられていること
   を特徴とする請求項１乃至請求項８記載の加速度セン
   サ。