JPH102911A

JPH102911A - 容量式センサ及びそれを用いたシステム

Info

Publication number: JPH102911A
Application number: JP8153717A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Satoshi Shimada; 嶋田　　智; Yasuhiro Mochizuki; 康弘望月; Akira Koide; 晃小出; Norio Ichikawa; 範男市川; Junichi Horie; 潤一堀江; Terumi Nakazawa; 照美仲沢; Masanori Kubota; 正則久保田; Keiji Hanzawa; 恵二半沢
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 1998-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】検出部と信号処理回路部を同一基板に集積化し
た容量式センサにおいて、検出部の可動電極と電気回路
部を空間的に分離することによって、可動電極と電気回
路部の基板領域との間に寄生的に生じる静電容量を低減
した容量式センサを提供すること。【解決手段】本容量式加速度センサはシリコン層１０，
シリコン酸化膜層９，シリコン層８，シリコン酸化膜層
７，シリコン窒化膜層１よりなる５層構造により構成さ
れ、シリコン層８には固定部１１によって支持され加速
度によって移動する可動電極４と信号処理回路６を配置
している。ここで、可動電極４はシリコン層８と空間的
に分離されており、可動電極４とシリコン層８間の静電
容量を低減している。また、可動電極４と信号処理回路
６はポリシリコン配線５により接続されている。また、
アルミ膜２を介してガラス３を接着することで、可動電
極４を機密に封止している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上に形
成される容量式センサに係り、特に、同一半導体基板上
に検出部（可動電極と固定電極を含むような機械的に動
作する部分）と電気回路部を配置した容量式センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、計測対象物理量に応じて移動
する可動電極と、この可動電極の移動に応じて変化する
静電容量を前記可動電極と共に形成する固定電極とより
なる容量式センサが提案されている。また、容量式セン
サの検出部と電気回路部を同一基板上に形成する試みも
行われている。

【０００３】この種の容量式センサとしては特開平7−1
28362 号に記載されているように半導体基板自身をエッ
チングすることで可動電極と固定電極を形成した容量式
センサや、特表平4−504003 号に記載されているように
半導体基板上に形成した多結晶シリコン（以下「ポリシ
リコン」という）をエッチングすることにより可動電極
と固定電極を形成した容量式センサなどがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】検出部と電気回路部を
同一基板上に形成しようとした従来技術には、検出部の
製造を優先させた特開平7−128362 号に記載される加速
度センサや、電気回路部の製造を優先させた特表平4−5
04003 号に記載される加速度センサなどがある。この両
者ともに一方の製造に優先させたために、他方に関して
は不具合が生じている。まず、両者は可動電極を構成し
たシリコン基板に電気回路を形成したものであるが、可
動電極と電気回路部の絶縁にＰＮ分離や酸化膜分離を使
用している。このため、可動電極と電気回路部の基板領
域との間に大きな寄生容量が生じてしまい、この寄生容
量によって可動電極と固定電極間の静電容量を計測する
時に種々の傷害をもたらした。

【０００５】次に、後者は可動電極と固定電極を通常の
ＩＣ回路で使用する厚さ１μｍ程度のポリシリコン配線
層を利用して形成したものである。従って、可動電極と
固定電極の対向部の高さも１μｍ程度しかない。このた
め、必要な感度を得るために可動電極と固定電極の対向
面積を増やすには、可動電極と固定電極の対向距離を長
くするしかなく、可動電極の重量の増加を招いている。
従って、１μｍ程度の厚さしかないポリシリコンによっ
て重い可動電極を形成しているため、半導体基板に対し
て垂直方向（ポリシリコンの厚さ方向）の加速度に対す
る機械的剛性が小さく、この方向の加速度が働くと可動
電極と固定電極間の対向面積が変化し、加速度の検出感
度が大きく変化してしまった。

【０００６】従って、本発明の目的は、可動電極と電気
回路部領域との間に大きな寄生容量が生じず、且つ、半
導体基板に対して垂直方向の加速度によって、検出感度
が大きく変化しない容量式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】上記の目的を達成するた
めの第１の手段は、計測対象物理量に応じて移動する可
動電極と、前記可動電極の移動に応じて変化する静電容
量を前記可動電極と共に形成する固定電極と、少なくと
も前記可動電極及び前記固定電極を含む平面上に配置さ
れ、且つ、前記可動電極及び前記固定電極と電気的に絶
縁された構造体と、前記構造体上に形成された電気回路
（配線のみも含む）を有する容量式センサにおいて、前
記可動電極と前記構造体との間に少なくとも部分的に構
造的な空間を設け、前記構造的に空間上を架橋する導電
性材料により前記可動電極と前記電気回路間を電気的に
接続することにより達成できる。

【０００８】第２の手段は、半導体基板上にポリシリコ
ンによって形成され、計測対象物理量に応じて移動する
可動電極と、前記可動電極の移動に応じて変化する静電
容量を前記可動電極と共に形成する固定電極とを有する
容量式センサにおいて、前記固定電極を前記半導体基板
上に形成した拡散領域によって構成することにより達成
できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１０】まず、本発明による第１の実施例の容量式
加速度センサについて、図１，図２，図３，図４を参照
し説明する。図１は第１の実施例の容量式加速度センサ
の図３で示す平面Ａの断面図、図２は第１の実施例の容
量式加速度センサの図３で示す平面Ｂの断面図、図３は
第１及び第２の実施例の容量式加速度センサの斜視図、
図４は第１の実施例の容量式加速度センサの製造プロセ
スチャートである。

【００１１】本容量式加速度センサはシリコン層１０，
シリコン酸化膜層９，シリコン層８，シリコン酸化膜層
７，シリコン窒化膜層１よりなる５層構造により構成さ
れる。シリコン層８には固定部１１によって支持され加
速度によって移動する可動電極４と、可動電極４に対向
して配置される固定電極１２，１３と、信号処理回路６
を配置している。

【００１２】可動電極４及び固定電極１２，１３はシリ
コン層８をくりぬくことにより形成しており、シリコン
層８と可動電極４及び固定電極１２，１３間の電気的な
絶縁はこの空間により行われる。従って、この空間を広
くとればシリコン層８と可動電極４及び固定電極１２，
１３間の静電的な結合を小さくすることができる。つま
り、シリコン層８に形成した信号処理回路６と可動電極
４及び固定電極１２，１３間の静電的な結合を小さくで
きる。言い換えれば、信号処理回路６と可動電極４及び
固定電極１２，１３間の寄生的に存在する静電容量を小
さくすることができる。

【００１３】次に、可動電極４及び固定電極１２，１３
と信号処理回路６間の電気的な接続方法について説明す
る。可動電極４及び固定電極１２，１３と信号処理回路
６の間には空間があるため、この空間をまたぎ導電性を
有する橋を形成する必要がある。この橋には機械的に丈
夫で且つ、寄生容量を小さくすることから細くできる材
料が望ましい。このことからこの橋にはポリシリコンを
使用した。ポリシリコンは機械的に丈夫であり、パター
ンニングが容易で細くでき、集積回路とのプロセス的な
マッチングも優れている。つまり、信号処理回路６と固
定電極１２にそれぞれに設けられたコンタクト１４とコ
ンタクト１８の間をポリシリコン配線１５によって信号
処理回路６と固定電極１２間を接続した。同様に、信号
処理回路６と固定電極１３の接続についてはコンタクト
２０とコンタクト２１とポリシリコン配線１７によっ
て、信号処理回路６と可動電極４の接続についてはコン
タクト１６とコンタクト１９とポリシリコン配線５によ
って接続した。

【００１４】次に、カバーについて説明する。本実施例
の容量式加速度センサにおいては可動電極４と固定電極
１２，１３間に狭い空隙を必要とし、この空隙が表面に
露出している。この空隙はゴミや水などが浸入すると、
可動電極４が移動不能になり、本容量式加速度センサが
動作不能になる恐れがある。これを防止するために可動
電極４と固定電極１２，１３間の狭い空隙を機密に封止
する必要がある。本実施例のような構造では、可動電極
４と固定電極１２，１３の下側はシリコン層１０によ
り、また、平面方向の周囲はシリコン層８により既に囲
まれているので、上側にカバーを設け封止しさえすれ
ば、可動電極４と固定電極１２，１３間の狭い空隙を機
密に封止することができる。

【００１５】以下、カバーの構成方法を説明する。本実
施例ではシリコン酸化膜層７に蒸着したアルミ膜２を介
して、ガラス３をアノーディックボンディングにより接
合することにより、可動電極４及び固定電極１２，１３
を機密に封止した。ここで、アルミ膜２のように、柔ら
かい材料を使用することで、接合面が凸凹であっても機
密に封止できるようにした。また、ガラス３の代わりに
シリコンをアルミ膜２の代わりに銀を使用する方法もあ
る。また、ガラス３の下側面を凹状にしておくことで、
ガラス３と可動電極４及び固定電極１２，１３間の間隔
を大きくしている。このことにより、ガラス３から可動
電極４及び固定電極１２，１３に働く静電的な影響を低
減している。

【００１６】次に、製造プロセスを図４を参照して説明
する。本実施例ではＳＯＩ基板（シリコン・オン・イン
シュレータ基板）を使用し、このＳＯＩ基板に信号処理
回路６を通常の集積回路を形成するプロセスを行うこと
により形成する。この時、ポリシリコン配線５及びアル
ミ膜２を同時に形成しておく。なお、このポリシリコン
配線５及びアルミ膜２は通常の集積回路を形成する時に
使用するものと同じものを使用できる。次の工程ではシ
リコン層８をドライエッチングによりくりぬき、可動電
極４及び固定電極１２，１３の周囲を形成する。そし
て、可動電極４の下側のシリコン酸化膜層９を固定部１
１を残してエッチングすることにより、可動電極４を宙
に浮かせる。そして、アルミ膜２を露出させ、このアル
ミ膜２を介してガラス３をアノーディックボンディング
により接合することで完成する。

【００１７】なお、本実施例のような構造では可動電極
４及び固定電極１２，１３の厚さを１００ミクロンメー
タ以上にできるので、上下方向の加速度の影響はほとん
どない。

【００１８】次に、本発明による第２の実施例の容量式
加速度センサについて、図３，図５を参照し説明する。
図３は第１及び第２の実施例の容量式加速度センサの斜
視図、図５は第２の実施例の容量式加速度センサの平面
Ｂの断面図である。本発明による第２の実施例の容量式
加速度センサは第１の実施例の容量式加速度センサで一
組であった可動電極４と固定電極１２，１３を複数並べ
た容量式加速度センサで、シリコン層８をくりぬくこと
によって、可動電極２３，２６，２９と固定電極２２，
２４，２５，２７，２８，３０を形成し、ポリシリコン
配線３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３
８，３９により信号処理回路６に接続している。このよ
うに複数の可動電極２３，２６，２９と固定電極２２，
２４，２５，２７，２８，３０を形成することで感度の
増加を図ることができる。なお、可動電極２３，２６，
２９と固定電極２２，２４，２５，２７，２８，３０を
それぞれ同じ形にしておくことで、それぞれバラバラに
動く可動電極２３，２６，２９であっても、ほぼ同じに
動かすことができる。

【００１９】次に、本発明による第３の実施例の容量式
加速度センサについて、図６，図７，図８，図９を参照
し説明する。図６は第３及び第４の実施例の容量式加速
度センサの斜視図、図７は第３の実施例の容量式加速度
センサの図６で示す平面Ａの断面図、図８は第３の実施
例の容量式加速度センサの図６で示す平面Ｂの断面図
（但し、ポリシリコン配線部を追加）、図９は第３の実
施例の容量式加速度センサの図６で示す平面Ｃの断面図
である。

【００２０】本容量式加速度センサはシリコン層４６，
シリコン酸化膜層４５，シリコン層４４，シリコン酸化
膜層４３，シリコン窒化膜層４２よりなる５層構造によ
り構成される。シリコン層４４にはポリシリコン配線４
９とコンタクト５３，５５によって支持され、加速度に
よって移動する可動電極４８と、可動電極４８に対向し
て配置され、ポリシリコン配線５０とコンタクト５４，
５２によって支持され加速度によってほとんど移動しな
い固定電極５１と、可動電極４８に対向して配置され、
ポリシリコン配線６０とコンタクト５６，６２によって
支持され加速度によってほとんど移動しない固定電極６
１と、信号処理回路４１を配置している。

【００２１】可動電極４８及び固定電極５１，６１は第
１の実施例同様シリコン層４４をくりぬくことにより形
成しており、シリコン層４４と可動電極４８及び固定電
極５１，６１間の電気的な絶縁はこの空間により行われ
る。従って、この空間を広くとればシリコン層４４と可
動電極４８及び固定電極５１，６１間の静電的な結合を
小さくすることができる。つまり、シリコン層４４に形
成した信号処理回路４１と可動電極４８及び固定電極５
１，６１間の静電的な結合を小さくできる。言い換えれ
ば、信号処理回路４１と可動電極４８及び固定電極５
１，６１間の寄生的に存在する静電容量を小さくするこ
とができる。また、本実施例では第１の実施例のように
固定部１１を持たないので、この固定部１１を介して生
じる静電容量をなくすことができ、更に、信号処理回路
４１と可動電極４８及び固定電極５１，６１間の寄生的
に存在する静電容量を小さくすることができる。

【００２２】次に、可動電極４８及び固定電極５１，６
１と信号処理回路４１間の電気的な接続方法について説
明する。可動電極４８及び固定電極５１，６１はポリシ
リコン配線４９，５０，６０によって支持されており、
また電気的にもコンタクト５２，５３，５４，５５，５
６，６２でつながっている。従って、このポリシリコン
配線４９，５０，６０により信号処理回路４１へ容易に
コンタクト５７，５８，５９を介して接続することがで
きる。

【００２３】次に、カバーについて説明する。本実施例
の容量式加速度センサにおいては可動電極４８及び固定
電極５１，６１間に狭い空隙を必要とし、この空隙が表
面に露出している。この空隙にゴミや水などが浸入する
と、可動電極４８が移動不能になり、本容量式加速度セ
ンサが動作不能になる恐れがある。これを防止するため
にカバーを設ける必要がある。本実施例ではシリコン酸
化膜層４３に蒸着したアルミ膜４７を介して、ガラス４
０をアノーディックボンディングにより接合することに
より、可動電極４８及び固定電極５１，６１を機密に封
止した。

【００２４】なお、本実施例のような構造では可動電極
４８及び固定電極５１，６１の厚さを１００ミクロンメ
ータ以上にできるので、上下方向の加速度の影響はほと
んどない。

【００２５】次に、本発明による第４の実施例の容量式
加速度センサについて、図６，図１０を参照し説明す
る。図６は第３及び第４の実施例の容量式加速度センサ
の斜視図、図１０は第４の実施例の容量式加速度センサ
の図６で示す平面Ｂの断面図である。本発明による第４
の実施例の容量式加速度センサは第３の実施例の容量式
加速度センサで一組であった可動電極４８と固定電極５
１，６１を複数並べた容量式加速度センサで、シリコン
層４４をくりぬくことによって、可動電極６５，７０，
７５と固定電極６３，６６，６８，７１，７３，７６を
形成している。ここで、可動電極６５，７０，７５はポ
リシリコン配線７８により機械的に支持されると同時に
信号処理回路４１へ電気的に接続される。また、固定電
極６３はポリシリコン配線６４，７９により機械的に支
持されると同時に信号処理回路４１へ電気的に接続され
る。同様に、固定電極６６はポリシリコン配線６７，８
０により、固定電極６８はポリシリコン配線６９，８１
により、固定電極７１はポリシリコン配線７２，８２に
より、固定電極７３はポリシリコン配線７４，８３によ
り、固定電極７６はポリシリコン配線７７，８４によ
り、機械的に支持されると同時に信号処理回路４１へ電
気的に接続される。このように複数の可動電極６５，７
０，７５と固定電極６３，６６，６８，７１，７３，７
６を形成することで感度の増加を図ることができる。

【００２６】次に、本発明による第５の実施例の容量式
加速度センサについて、図１１，図１２を参照し説明す
る。図１１は第５の実施例の容量式加速度センサの断面
図、図１２は第５の実施例の容量式加速度センサの製造
プロセスチャートである。なお、本実施例の加速度セン
サは第３の実施例の加速度センサと基本的な構造はほぼ
同じで、製造工程が異なるものである。

【００２７】本容量式加速度センサはシリコン層９４，
エピタキシャル層９３，シリコン酸化膜層９２，シリコ
ン窒化膜層８５よりなる４層構造により構成される。エ
ピタキシャル層９３にはポリシリコン配線８９によって
支持され加速度によって移動する可動電極９６と、可動
電極９６に対向して配置され、ポリシリコン配線８８に
よって支持され加速度によってほとんど移動しない固定
電極９５と、可動電極９６に対向して配置され、ポリシ
リコン配線９０によって支持され加速度によってほとん
ど移動しない固定電極９７と、信号処理回路９１を配置
している。また、カバーについてはシリコン酸化膜層９
２に蒸着したアルミ膜８６を介して、ガラス８７をアノ
ーディックボンディングにより接合している。

【００２８】次に、図１３を参照し、製造プロセスを説
明する。本実施例ではエピタキシャル層９３を有する基
板を使用し、このエピタキシャル層９３を有する基板に
信号処理回路９１を通常の集積回路を形成するプロセス
を行うことにより構成する。この時、ポリシリコン配線
８８，８９，９０及びアルミ膜８６を同時に形成してお
く。なお、このポリシリコン配線８８，８９，９０及び
アルミ膜８６は通常の集積回路を形成する時に使用する
ものと同じものを使用できる。次の工程ではエピタキシ
ャル層９３をドライエッチングによりくりぬき、可動電
極９６及び固定電極９５，９７の周囲を形成する。そし
て、可動電極９６及び固定電極９５，９７の下側のシリ
コン層９４をエピタキシャル層９３を残してエッチング
する。なお、ここで、エピタキシャル層９３を残すため
にＰＮエッチストップを利用した。このエッチングによ
り、可動電極９６及び固定電極９５，９７を宙に浮かせ
る。そして、アルミ膜８６を露出させ、このアルミ膜８
６を介してガラス８７をアノーディックボンディングに
より接合することで完成する。従って、本実施例では第
３の実施例で示したようなＳＯＩ基板を利用することに
より、安価なエピタキシャル基板を使用することがで
き、この容量式加速度センサの低コスト化を図ることが
できる。

【００２９】次に、本発明による第６の実施例の容量式
加速度センサについて、図１３，図１４を参照し説明す
る。図１３は第６の実施例の容量式加速度センサの断面
図、図１４は第６の実施例の容量式加速度センサの製造
プロセスチャートである。なお、本実施例の加速度セン
サは第３の実施例の加速度センサと基本的な構造はほぼ
同じで、製造工程が異なるものである。

【００３０】本容量式加速度センサはシリコン層１０
６，シリコン酸化膜層１０５，シリコン窒化膜層９８よ
りなる３層構造により構成される。シリコン層１０６に
はポリシリコン配線１０２によって支持され加速度によ
って移動する可動電極１０８と、可動電極１０８に対向
して配置され、ポリシリコン配線１０１によって支持さ
れ加速度によってほとんど移動しない固定電極１０７
と、可動電極１０８に対向して配置され、ポリシリコン
配線１０３によって支持され加速度によってほとんど移
動しない固定電極１０９と、信号処理回路１０４を配置
している。また、カバーについてはシリコン酸化膜層１
０５に蒸着したアルミ膜９９を介して、ガラス１００を
アノーディックボンディングにより接合している。

【００３１】次に、図１４を参照し製造プロセスを説明
する。本実施例では標準のシリコン基板を使用し、この
シリコン基板に信号処理回路１０４を通常の集積回路を
形成するプロセスを行うことにより構成する。この時、
ポリシリコン配線１０１，１０２，１０３及びアルミ膜
９９を同時に形成しておく。なお、このポリシリコン配
線１０１，１０２，１０３及びアルミ膜９９は通常の集
積回路を形成する時に使用するものと同じものを使用で
きる。また、この工程で高濃度で深い拡散１０７，１０
８，１０９を形成しておく（最終的に可動電極１０８及
び固定電極１０７，１０９になる。）。次の工程ではシ
リコン層１０６をドライエッチングによりくりぬき、可
動電極１０８及び固定電極１０７，１０９の周囲を形成
する。そして、可動電極１０８及び固定電極１０７，１
０９の下側のシリコン層106を高濃度の部分（可動電極
１０８及び固定電極１０７，１０９の部分）を残してエ
ッチングする。このエッチングにより、可動電極１０８
及び固定電極１０７，１０９を宙に浮かせる。そして、
アルミ膜９９を露出させ、このアルミ膜９９を介してガ
ラス１００をアノーディックボンディングにより接合す
ることで完成する。本実施例では、第３の実施例で示し
たようなＳＯＩ基板を利用することより、安価な標準の
シリコン基板を使用することができ、この容量式加速度
センサの低コスト化を図ることができる。

【００３２】次に、本発明による第７の実施例の容量式
加速度センサについて、図１５，図１６を参照し説明す
る。図１５は第７の実施例の容量式加速度センサの平面
図、図１６は第７の実施例の容量式加速度センサのＡ−
Ａ′の断面図である。本容量式加速度センサはシリコン
層１１０，シリコン酸化膜層１２０，シリコン窒化膜層
１１７よりなる３層構造により構成される。シリコン酸
化膜層１２０にはポリシリコンによって構成された可動
電極１１２が形成されている。また、シリコン層１１０
には可動電極１１２に対向するように拡散によって構成
された固定電極１１１，１１３と信号処理回路１１６が
配置されている。また、可動電極１１２と信号処理回路
１１６はコンタクト１１４，１１５によって接続されて
いる。また、カバーについてはシリコン酸化膜層１２０
に蒸着したアルミ膜１１８を介して、ガラス１１９をア
ノーディックボンディングにより接合している。

【００３３】本加速度センサはＡ−Ａ′方向の加速度に
よって、可動電極１１２がＡ−Ａ′方向に移動するか
ら、この可動電極１１２の含動によって可動電極１１２
と固定電極１１１の間の静電容量と可動電極１１２と固
定電極１１３の間の静電容量が変化するから、この静電
容量の変化を検出することによって、加速度を検出する
ものである。

【００３４】本加速度センサでは可動電極１１２をポリ
シリコンによって構成しているので、可動電極１１２の
サイズを大きくしてしまうと上下方向の加速度によって
感度が変化してしまう。しかし、本加速度センサのよう
な構造では、可動電極１１２の長さで感度が決まるか
ら、可動電極１１２を細くすることができ、可動電極１
１２のサイズを小さくすることができ、上下の加速度に
よる感度変化を小さくすることができる。

【００３５】次に、本発明による第８の実施例の容量式
加速度センサについて、図１７を参照し説明する。図１
７は第８の実施例の容量式加速度センサの断面図であ
る。本容量式加速度センサはシリコン層１２８，シリコ
ン酸化膜層１２７，シリコン窒化膜層１２１よりなる３
層構造により構成される。シリコン酸化膜層１２７には
ポリシリコンによって構成された可動電極１２５と固定
電極１２４，１２６が形成されている。また、シリコン
層１２８には可動電極１２５に対向するように拡散によ
って構成された固定電極１２９，１３０が配置されてい
る。また、カバーについてはシリコン酸化膜層１２７に
蒸着したアルミ膜１２２を介して、ガラス１２３をアノ
ーディックボンディングにより接合している。

【００３６】この容量式加速度センサでは図１７の上下
方向の加速度は可動電極１２５と固定電極１２４，１２
６間の静電容量と可動電極１２５と固定電極１２９，１
３０間の静電容量の差を検出することにより測定してい
る。また、図１７の左右方向の加速度は可動電極１２５
と固定電極１２４，１２９間の静電容量と可動電極１２
５と固定電極１２６，１３０間の静電容量の差を検出す
ることにより測定している。なお、図１７の上下方向の
加速度を検出する時の左右方向の加速度の影響は可動電
極１２５よりも固定電極１２４，１２６，１２９，１３
０を大きくすることにより影響がでないようにしてい
る。また、図１７の左右方向の加速度を検出する時の上
下方向の加速度の影響は可動電極１２５の上下に固定電
極１２４，１２６，１２９，１３０を配置することで低
減している。本発明による容量式加速度センサは、車両
用エアバックシステム（例えば、特開平7−128362 号に
記載されているようなもの）の衝突検出用加速度センサ
として使用することができる。

【００３７】次に、本発明による第９の実施例の容量式
圧力センサについて、図１８を参照し説明する。図１８
は第９の実施例の容量式圧力センサの断面図である。本
容量式圧力センサはシリコン層１３４，シリコン酸化膜
層１３３，シリコン窒化膜層１３１よりなる３層構造に
より構成される。シリコン酸化膜層１３３にはポリシリ
コンによって構成された可動電極１３２が形成されてい
る。また、シリコン層１３４には可動電極１３２に対向
するように拡散によって構成された固定電極１３５，１
３６が配置されている。従って、この容量式圧力センサ
に圧力が働くと、可動電極１３２はたわみ、可動電極１
３２と固定電極１３５の間の静電容量は大きく変化す
る。また、可動電極１３２の固定部の近くに配置された
固定電極１３６と可動電極１３２の間の静電容量は圧力
によって大きく変化しない。従って、この可動電極１３
２と固定電極１３５の間の静電容量と可動電極１３２と
固定電極１３６の間の静電容量の差を検出することによ
って、本検出部に働く圧力を検出するものである。本容
量式圧力センサではダイアフラムの役目をする可動電極
１３２をポリシリコンによって形成するため、厚さ１ミ
クロンメータ以下のダイアフラムを形成することがで
き、非常に高感度な圧力センサを得ることができる。ま
た、可動電極１３２と固定電極１３５間の間隔を１ミク
ロンメータ以下にできるので、可動電極１３２の変位を
１ミクロンメータ以下に押さえる。このため、本容量式
圧力センサに過大圧力が印加されたとしても、可動電極
１３２の変位を１ミクロンメータに押さえることができ
るから、可動電極１３２の破壊を防止することができ
る。また、可動電極１３２がポリシリコンであるため、
シリコン基板上に配置した信号処理回路に容易に接続が
でき、また、寄生容量を小さくすることができる。

【００３８】次に、本発明による第１０の実施例の容量
式加速度スイッチについて、図１９，図２０，図２１を
参照し説明する。図１９は第１０の実施例の容量式加速
度スイッチの断面図、図２０は第１０の実施例の下向き
の加速度を検出する回路、図２１は第１０の実施例の上
向きの加速度を検出する回路である。本容量式加速度ス
イッチはシリコン層１４１，シリコン酸化膜層１４０，
シリコン窒化膜層137よりなる３層構造により構成され
る。シリコン酸化膜層１４０にはポリシリコンによって
構成された可動電極１３９が形成されている。また、可
動電極１３９の重量を増すために金属を蒸着することに
より構成された重り１３８を配置している。また、シリ
コン層１４１には可動電極１３９に対向するように拡散
によって構成された固定電極１４２が配置されている。
この容量式加速度スイッチに上下方向の加速度が働くと
可動電極１３９は上下に変位し、可動電極１３９と固定
電極１４２間の静電容量が変化するものである。

【００３９】次に、信号処理回路について説明する。図
２０は下向きの加速度を検出する信号処理回路である。
本信号処理回路は基準電源１４３，可動電極１３９と固
定電極１４２より構成されるコンデンサ１４４，コンデ
ンサ１４４の容量値の変化により生じる電荷によってオ
ンオフの動作をするＭＯＳトランジスタ１４５、及び負
荷抵抗１４６によって構成される。まず、加速度が働か
ない状態ではコンデンサ１４４の容量値は安定であり、
コンデンサ１４４からＭＯＳトランジスタ145に流れる
電荷は生じず、ＭＯＳトランジスタ１４５は自分自身の
リーク電流によってオフの状態を維持している。ここ
で、この容量式加速度スイッチに下向きの加速度が働き
コンデンサ１４４の容量値が増加すると基準電源１４３
の電圧とコンデンサ１４４の静電容量の変化に応じた電
荷がＭＯＳトランジスタ１４５に流れ、ＭＯＳトランジ
スタ１４５をオンにする。

【００４０】次に、上向きの加速度に対する信号処理回
路を説明する。図２１は上向きの加速度を検出する信号
処理回路である。本信号処理回路は基準電源１４７，可
動電極１３９と固定電極１４２より構成されるコンデン
サ１４８，コンデンサ１４８の容量値の変化により生じ
る電荷によってオンオフの動作をするＭＯＳトランジス
タ１４９、及び負荷抵抗１５０によって構成される。ま
ず、加速度が働かない状態ではコンデンサ１４８の容量
値は安定であり、コンデンサ１４８からＭＯＳトランジ
スタ１４９に流れる電荷は生じず、ＭＯＳトランジスタ
１４９は自分自身のリーク電流によってオフの状態を維
持している。ここでこの容量式加速度スイッチに上向き
の加速度が働きコンデンサ１４８が減少すると基準電源
１４７の電圧とコンデンサ１４８の静電容量の変化に応
じた電荷がＭＯＳトランジスタ１４９に流れ、ＭＯＳト
ランジスタ１４９をオンにする。

【００４１】このように、コンデンサ１４４，１４８の
静電容量の変化によって、生じる電荷によってＭＯＳ
トランジスタ１４５，１４９をオンオフさせることによ
り動作する加速度スイッチを構成することにより、非接
触で動作する加速度スイッチを提供することができる。
このように非接触で動作する加速度スイッチを提供する
ことで、従来の接触型のスイッチで生じる電極部の固
着，融着あるいは転移等の問題を回避するスイッチを提
供できる。また、可動電極１３９がポリシリコンである
ため、シリコン基板上に配置した信号処理回路に容易に
接続ができ、また、寄生容量を小さくすることができ
る。

【００４２】次に、本発明による容量式加速度センサを
使用したエアバックシステムを図２２，図２３により説
明する。図２２はこの加速度センサを使用したエアバッ
クシステムのコントロールユニットの断面図、図２３は
エアバックシステムの構成である。本エアバックシステ
ムはこれを収納するケース１７０１，容量式加速度セン
サ１７０３及び電子回路１７０２を搭載したプリント板
１７０４により構成される。本エアバックシステムでは
容量式加速度センサ１７０３をプリント板１７０４に表
面実装している特徴がある。また、容量式加速度センサ
１７０３の固定位置についてはプリント基板の固定部の
近くに配置し、プリント板１７０４の共振による影響を
低減している。また、エアバックシステムの概略構成を
図２３により説明しておく。本エアバックシステムは車
両の衝突加速度を検出する容量式加速度センサ１８０
１，容量式加速度センサ１８０１の出力から衝突の大き
さを計算しエアバックの展開の有無を判定するマイクロ
コンピュータ１８０２，マイクロコンピュータ１８０２
の出力を増幅しエアバックを駆動するドライブ回路１８
０３より構成される。なお、本実施例においては容量式
の加速度センサについて記載したが歪ゲージ式や圧電式
の加速度センサについても適用できる。本発明によれ
ば、検出加速度方向が加速度センサの取付け面と並行
で、且つ、プリント板に表面実装できる加速度センサを
構成できるので、エアバックのような用途に加速度セン
サを応用した時にも容易に実装できる加速度センサを提
供することができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、可動電極と電気回路部
を空間により絶縁することができるので、可動電極と電
気回路部の基板領域との間に大きな寄生容量を生じさせ
ず、静電容量の計測を高精度にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の容量式加速度センサの図３で示
す平面Ａの断面図。

【図２】第１の実施例の容量式加速度センサの図３で示
す平面Ｂの断面図。

【図３】第１及び第２の実施例の容量式加速度センサの
斜視図。

【図４】第１の実施例の容量式加速度センサの製造プロ
セスチャート。

【図５】第２の実施例の容量式加速度センサの平面Ｂの
断面図。

【図６】第３及び第４の実施例の容量式加速度センサの
斜視図。

【図７】第３の実施例の容量式加速度センサの図６で示
す平面Ａの断面図。

【図８】第３の実施例の容量式加速度センサの図６で示
す平面Ｂの断面図。

【図９】第３の実施例の容量式加速度センサの図６で示
す平面Ｃの断面図。

【図１０】第４の実施例の容量式加速度センサの図６で
示す平面Ｂの断面図。

【図１１】第５の実施例の容量式加速度センサの断面
図。

【図１２】第５の実施例の容量式加速度センサの製造プ
ロセスチャート。

【図１３】第６の実施例の容量式加速度センサの断面
図。

【図１４】第６の実施例の容量式加速度センサの製造プ
ロセスチャート。

【図１５】第７の実施例の容量式加速度センサの平面
図。

【図１６】第７の実施例の容量式加速度センサのＡ−
Ａ′の断面図。

【図１７】第８の実施例の容量式加速度センサの断面
図。

【図１８】第９の実施例の容量式圧力センサの断面図。

【図１９】第１０の実施例の容量式加速度スイッチの断
面図。

【図２０】第１０図の実施例の下向きの加速度を検出す
る回路。

【図２１】第１０の実施例の上向きの加速度を検出する
回路。

【図２２】容量式加速度センサを使用したエアバックシ
ステムのコントロールユニットの断面図。

【図２３】エアバックシステムの構成図。

【符号の説明】

１，４２，８５，９８，１１７，１２１，１３１，１３
７…シリコン窒化膜層、２，４７，８６，９９，１１
８，１２２…アルミ膜、３，４０，８７，１００，１１
９，１２３…ガラス、４，２３，２６，２９，４８，６
５，７０，７５，９６，１０８，１１２，１２５，１３
２，１３９…可動電極、５，１５，１７，３１，３２，
３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４９，５
０，６０，６４，６７，６９，７２，７４，７７，７
８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８８，８
９，９０，１０１，１０２，１０３…ポリシリコン配
線、６，４１，９１，１０４，１１６…信号処理回路、
７，９，４３，４５，９２，105，１２０，１２７，１
３３，１４０…シリコン酸化膜層、８，１０，４４，４
６，９４，１０６，１１０，１２８，１３４，１４１…
シリコン層、１１…固定部、１２，１３，２２，２４，
２５，２７，２８，３０，５１，６１，６３，６６，６
８，７１，７３，７６，９５，９７，１０７，１０９，
１１１，１１３，１２４，１２６，１２９，１３０，１
３５，１３６，１４２…固定電極、１４，１６，１８，
１９，２０，２１，５２，５３，５４，５５，５６，５
７，５８，５９，６２，１１４，１１５…コンタクト、
９３…エピタキシャル層、１３８…重り、１４３，１４
７…基準電源、１４４,１４８…コンデンサ、１４５,１
４９…ＭＯＳトランジスタ、１４６，１５０…負荷抵
抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者嶋田智茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者望月康弘茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小出晃茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者市川範男茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者堀江潤一茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者仲沢照美茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者久保田正則茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者半沢恵二茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象物理量に応じて移動する可動電極
と、前記可動電極の移動に応じて変化する静電容量を前記可
動電極と共に形成する固定電極と、前記可動電極及び前記固定電極と電気的に絶縁された構
造体と、前記構造体上に形成された電気回路（配線のみも含む）
を有する容量式センサにおいて、前記構造体は前記可動電極の可動平面上に配置され、且
つ、前記可動電極との間に少なくとも一部分に構造的な
空間を設け、前記構造的な空間上を架橋する導電性材料
により前記可動電極と前記電気回路間を電気的に接続し
たことを特徴とする容量式センサ。
【請求項２】請求項１において、前記構造体上に金属膜
を配置し、前記金属膜を介して接合したガラスあるいは
シリコンによって、前記可動電極及び前記固定電極を含
む空間の少なくとも一つの面を覆ったことを特徴とする
容量式センサ。
【請求項３】請求項１あるいは２において、前記可動電
極を前記構造体とを完全に構造的な空間で分離し、且
つ、前記可動電極を前記導電性材料によって弾性的に支
持したことを特徴とする容量式センサ。
【請求項４】半導体基板上に多結晶シリコンによって形
成され、計測対象物理量に応じて移動する可動電極と、前記可動電極の移動に応じて変化する静電容量を前記可
動電極と共に形成する固定電極とを有する容量式センサ
において、前記固定電極を前記半導体基板上に形成した拡散領域に
よって構成したことを特徴とする容量式センサ。
【請求項５】請求項４において、前記半導体基板上に金
属膜を配置し、前記金属膜を介して接合したガラスある
いはシリコンによって、前記可動電極及び前記固定電極
を含む空間の少なくとも一つの面を覆ったことを特徴と
する容量式センサ。
【請求項６】半導体基板上に多結晶シリコンによって形
成され、計測対象物理量に応じて移動する可動電極と、前記可動電極の移動に応じて変化する静電容量を前記可
動電極と共に形成し、且つ、前記半導体基板上に形成し
た拡散領域によって構成された固定電極とを有する容量
式センサにおいて、前記可動電極と前記固定電極によって構成された静電容
量の変化によって生じる電荷の移動によって、電界効果
トランジスタを制御することを特徴とする容量式セン
サ。
【請求項７】請求項１から６のいずれか記載の容量式セ
ンサを備えた車両用エアバックシステム。