JP2005049320A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 加速度センサ内の無効スペースを無くし、質量を大きくかつビーム長を長くして検出感度を向上させあるいは小型化が可能な加速度センサの構造を提供すること。
【解決手段】 枠部の内部に配した可動の質量の重心を含まない平面上に配置され質量と枠部とを連結する複数のビー厶と、それらの表面に設けた複数の抵抗素子を備え、加速度により質量に生成する慣性力による質量の変位に比例した電気的変化を抵抗素子の抵抗変化によって計測するように構成された加速度センサ構造体において、枠部の内周はほぼ正方形をなし、かつ各ビームの中心軸はほぼ直線的であって、枠部の内周の正方形の各辺に平行して配置されたこと。また更に質量の外周部の辺が各ビームと平行すること。また４本のビームは「卍」字型に配置されていること。あるいは４本のビームは両端が前記枠に固着され、中央部が前記質量に固着されていること。
【選択図】 図１

Description

本発明は加速度センサに関する。更に詳しくは、ピエゾ抵抗効果によって可動質量の変位にほぼ比例した電気的変化を出力する構成の加速度センサに関する。

加速度センサは近年小型化が進み、微細加工技術を駆使して、１次元のみならず２次元あるいは３次元方向の加速度を検出することが可能な小型化したセンサ構造体が提案されている。ピエゾ抵抗効果を利用した、加速度センサの一従来例の構造を、図８（平面図）および図９（中央Ｃ−Ｃ断面図）に示す。また方向を定義するため直交座標軸も各図内に示した。

センサ構造体の従来例を示す両図において、構成材料はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、即ち数百μｍの厚さのＳｉ基板の上面から数μｍ〜数十μｍの深さの位置に薄い埋込ＳｉＯ２層１を有する材料を用い、これにエッチング加工や薄膜形成技術より成る微細加工プロセスを適用して多数個のセンサを同時に成形する。単体のセンサは図示のように立方体を薄くしたような外形を呈する。

外側は正方形の枠部２（その下面は図示しないセンサ支持体の表面に固着されて使用される）、中心部には質量３を有し、両者は４本の直線的で同形のビーム５、６、７、８で連結される。各ビームの厚さはＳＯＩ基板の埋込ＳｉＯ２層１より上側のＳｉ層の厚さであってセンサの総厚（ＳＯＩ基板の厚さであり、枠部２の厚さでもある）よりかなり薄くして容易に撓みうるようにされている。

枠部２の内部には４個の「く」の字型をした透孔１０があるが、これはＳＯＩ基板の上面から透孔１０の位置のＳｉをエッチングし、また下面から透孔１０の位置およびビーム５、６、７、８の下面のＳｉを深堀りエッチングで除去し、最後に露出した埋込ＳｉＯ２層１をエッチングして除去することによって形成する。質量３の下面からも若干のＳｉ層を除去して質量３の可動スペースを作る。

質量３およびビーム５、６、７、８はこうして形成される。なお、これらの工程に先立って、各ビームの上面の必要位置には、ボロン等をドープしたＰ型Ｓｉの薄層より成り実質部分が短冊状をなしピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子９が複数個設けられる。また各抵抗素子９に付随して、絶縁層や外部へのリード線となるアルミニウム配線パターンも設けられるが図示はしていない。

質量３は４本の細く薄いビーム５、６、７、８で弾性的に吊られ、質量３の厚さは枠部２の厚さより僅かに薄くして枠部２の内部で可動の余地を残している。各ビー厶の上面の各抵抗素子９はホイートストンブリッジ回路に組み込まれ、静止時にはブリッジ回路をバランスさせてある。センサ支持体（図示せず）を通じてセンサすなわち枠部２に加速度が印加されると、質量３の重心Ｇにはセンサから見て加速度とは逆向きの慣性力が発生し、ビームの弾性支持力に抗して枠内で僅かに変位する。この変位によりビームが変形し、抵抗素子９の抵抗値が変化し、結局ブリッジ回路からは印加加速度にほぼ比例した非平衡出力が得られる。

質量３の重心Ｇが上下（Ｚ方向）に動くときは質量３は平行移動し、各ビームが同様な波形（あるいはゆるやかな段差型というべきか）の屈曲変形をなす。重心Ｇはビー厶５、６、７、８の厚さ中央に位置する平面よりかなり下方にずれた位置にあるため、重心ＧがＸまたはＹ方向に変位すると慣性力のモーメントによって各ビームはそれぞれ異なる波形の変形をなす。加速度の方向によってビームの変形態様が異なるので、例えば３種類のブリッジ回路を用意しておけば直交３方向の加速度成分に比例する出力を別個に得ることができる。

上述の従来例の加速度センサには次のような問題点がある。
（１）４か所の太い「く」の字型の透孔１０が有効に活かされないデッドスペースになっていて、センサの小型化を妨げている。
（２）ビーム５、６、７、８がセンサの直径方向に向かうため、その長さが十分に取れず検出感度が低い。ビームが短いと撓みの剛性が高くなり変形し難くなるし、それを避けようと薄くすれば脆弱になり破損しやすい。また形成可能な抵抗素子も短くならざるを得ず、検出感度である質量の変位に対する抵抗変化量も十分に得られない。
（３）また必要なビーム長を確保しようとして質量３の大型化を妨げている。

本発明はこれら問題点を解決すべくなされたもので、その目的は、加速度センサ内の無効スペースをほぼ無くして質量を大きくすると共に、ビームを極力長くして加速度の検出感度を向上させることができ、あるいは小型化が可能な加速度センサの構造を提供することである。

上記目的を実現するため、本発明の加速度センサは次の特徴を有する。
（１）外周を囲む枠部と、該枠部の内部に配置した可動の質量と、該質量の重心を含まない平面上に配置され前記質量と前記枠部とを連結する複数のビー厶と、該複数のビームの表面の所定位置に設けた複数の抵抗素子を備え、加速度により前記質量に生成する慣性力による前記質量の変位にほぼ比例した電気的変化を、前記ビームの変形を介して前記抵抗素子の抵抗変化によって計測するように構成された、加速度検出作用を有するセンサ構造体において、前記枠部の内周はほぼ正方形をなし、かつ前記複数のビームの中心軸はほぼ直線的であって、前記枠部の前記正方形の各辺に平行して配置されたこと。

また本発明の加速度センサは、次（２）〜（４）の特徴のどれか少なくとも一つを更に有することがある。
（２）前記質量の外周部は、前記枠部の内周の正方形の各辺、および前記複数のビームの中心軸とほぼ平行する複数の辺を備えたこと。

（３）前記ビームは４本あり、各ビームは一端が前記枠に固着され、他端が前記質量に固着され、かつ前記各ビームは前記質量の周囲に、ほぼ「卍」字型をなすように配置されていること。

（４）前記ビー厶は４本あり、各ビームは両端が前記枠に固着され、中央部が前記質量に固着されていること。

本発明においては、ビームを枠部の内周に沿わせて配置したのでビームの長さを長くすることができ、質量の変位に対する抵抗変化の感度を増すことができる。同時に個々のビームの強度も増すことができる。また更に質量の外周もビームの側面に接近させることによって質量の平面面積も大きくすることができるので、質量の値自体が増加し同じ加速度に対する質量の変位を増し、やはり加速度の検出感度を増すことができる。そしてセンサ平面の全面積を有効に利用することができるので、加速度センサの小型化にも寄与することができる。

本発明の加速度センサ構造においては、ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子を設ける４本のビームを枠部の内周、およびその内部の質量の外周の各辺に沿うように配置している。以下にその２つの実施例について述べる。それらの構造を示す図面において、従来例と対応し機能を等しくする部分には同じ符号を付し、それらについては改めて説明はせず反復を避けることとする。またいずれの実施例も、基本的には既に述べた従来例に準じた微細加工プロセスによって製造されるので、その詳細や改善された加工法の適用については自由とし、特に問わないものとする。

図１は本発明の３次元加速度センサの第１の実施例の平面図、図２はそのＡ−Ａ断面図である。本実施例では時１に表れたセンサ平面をＳｉ単結晶の（１００）面に、Ｘ軸を＜１１０＞方向に、Ｙ軸を＜１−１０＞方向に取ってある。これはピエゾ抵抗効果の異方性や対称性を考慮した結果である。ビー厶５、６、７、８は、平面形状が正方形である質量３の各辺の中央に設けた凸部４の側面と、枠部２の内部の各辺の端に近い部分とを連結するように、センサの上面側に形成される。（枠部２や質量３の平面形状は正方形であることが設計の素直さやＸ、Ｙ感度の均等化等の理由で好ましいが、これらの形状を矩形としてもセンサは実現可能である。各ビームの長さも形や必ずしも同一でなくてもよい。）

故に各ビームの平面的な配置は中心の質量３の周囲に、あたかも［卍」字型をなすように配置される。もとよりそれらビームの向きは時計回りでも反時計回りでもよい。このような配置により、各ビームの長さはかなり長く改善される。また質量３の平面的な外形は各ビームの側面に近接できるので（４か所の透孔１０の幅を極力狭くすることによる）その質量の値もかなり大きく設定することができる。なお４個の凸部４の質量値も質量３のそれと一体となって加算される。

ビーム５、６、７、８の長大化に伴うメリットについて述べる。まず長さ増大によって曲げ剛性が低下し、同じ質量と同じ加速度に対して大きな変形が得られる。またビーム上で同じ歪みを生ずる表面が増すので、その上に形成される抵抗素子９の長さや大きさを増すことができ、特性・感度・加工精度を改善し得る。また同じ曲げ剛性を与えるビーム厚さを厚くでき、ビームの中立面から表面までの距離（厚さの半分）は大となり、中立面が同じ曲率で曲がっても、その表面の伸縮歪みは大きくなり、ピエゾ抵抗効果の増大に寄与する。また質量３が衝撃などで激しく動いた場合、その運動エネルギは各ビームに吸収されるが、ビームが破損に至るまでに吸収し得るエネルギはビームの体積に比例するので、ビームの長大化によってセンサの耐破壊強度は改善されることにもなる。

ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子９であるＲｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、それぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の加速度成分を個別に測定するため、ビー厶５〜８の表面に大略図１に示す位置に形成される。これらはＸまたはＹ方向加速度が印加されたときは質量３の所定方向の傾斜変位による、Ｚ方向加速度の場合は質量３の上下平行移動によるビームの変形を分離して検出できるように配置される。

各抵抗素子は加速度検出回路の要部である３個のホイートストンブリッジ回路に図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように組み込まれている。長方形の枠は各抵抗素子９の抵抗値を示す。各ブリッジ回路は図面の垂直方向にＧＮＤとの間に定電圧入力Ｖｉｎが供給され、静止時には各辺の抵抗はバランスするように調整される。そして印加加速度に基づくビームの歪みにより抵抗のバランスが崩れる。図中各抵抗に付した矢印は、座標軸の方向に作用した加速度に対する抵抗変化の向きを表している。水平方向に設けた各検出端子間より、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の加速度成分に比例した電圧出力である、ＶｏｕｔＡｘ、ＶｏｕｔＡｙ、ＶｏｕｔＡｚがそれぞれ得られる。

第１実施例の変形例について述べる。図１では各透孔１０の一部にまだ幅の広い部分がある。このスペースを活用して質量３を増すため、点線で輪郭を示したように４個の付加質量３ａを質量３と一体に設けることができる。また他のスペース活用法として、ビーム５、６、７、８の質量３側の固定端である凸部４のそれぞれの位置を、質量３の辺上で、各ビー厶の枠部２側の固定端より遠い方向にずらすことにより、各ビームの長さを更に長く（ほぼ質量３の辺長近くまで）伸長させることもできる。また、各抵抗素子９の位置は、必ずしも図示位置（ビームの端部）のみが最良であるとは限らない。たとえばその幾つかはビームの中央部付近にあってもよいであろう。もちろんそれと共にブリッジ回路の構成も変化する。

その他にも種々の変形があり得るであろう。例えば、本実施例の構造では質量３の変位の状況によっては、いくつかのビームに僅かなねじれが発生することがあり得る。このねじれによるピエゾ抵抗効果が存在して、ビームの屈曲に基づくピエゾ抵抗効果に加算されると、ある方向の検出出力に対しては他軸感度となり、センサの検出精度や感度が影響を受ける可能性がある。ｐ型Ｓｉのピエゾ抵抗効果には異方性があるので、曲げ変形ではピエゾ抵抗効果があるが、ねじれ変形ではピエゾ抵抗効果が０になるような結晶面や方位を利用し、センサの切り出し方位を傾斜させてねじりに不感であるようなセンサ構成を得ることも可能である。

図４は本発明の３次元加速度センサの第２の実施例の平面図、図５はそのＢ−Ｂ断面図である。本実施例では、平面形状が正方形である質量３の各辺の中央に設けた凸部４の両側面から各辺に平行に沿うように、ビーム（部分ビームと考えてよい）５、５ａ、６、６ａ、７、７ａ、８、８ａを固定的に設け、それらの他端は枠部２に固着された形となる。故に一直線上にあって対をなすビーム（例えば５と５ａ等）を１本のビームとみなすと、質量３は４本の両持ちの４本のビームのそれぞれ中央部に固定され支持されていると言うことができる。第２実施例の長所は既述の第１実施例の長所をほぼ受け継いでいるが、更に対称性が増したためにねじれの効果が無視できるほど小さいことが期待される。

本実施例における抵抗素子９はビームの両側部分に設けたため数が多くなり、Ｒ’ｚ１〜Ｒ’ｚ４が増えており、図４のように配置されている。これらは図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すホイートストン・ブリッジ回路に組み込まれている。ブリッジ回路の検出作用や諸効果も第１実施例と本質的に同様である。本例もまた、例えば抵抗素子の位置や質量の形状やビーム長さやその他の種々の変形が可能であろう。

図７は本発明の第２実施例の変形例の平面図である。本変形例と図４の基本形とは、各抵抗素子９の配置が異なることである。センサの断面形状は図５と同一でよく、また検出用のブリッジ回路も図６と同じ回路が使用できるので、変形例の平面図のみを示している。図４の基本形ではＸ方向検出用抵抗素子であるＲｘ１〜Ｒｘ４や、Ｙ方向検出用抵抗素子であるＲｙ１〜Ｒｙ４をそれぞれ一直線をなす同じビーム上に配列したが、図７の変形例ではＸ方向検出用抵抗素子９の１対づつ（Ｒｘ１とＲｘ２、Ｒｘ３とＲｘ４）、およびＹ方向検出用抵抗素子９の１対づつ（Ｒｙ１とＲｙ２、Ｒｙ３とＲｙ４）を、異なる（対辺上の）ビー厶上に配置した。動作シミュレーションによるとこの配置の方が高いＸ、Ｙ検出感度が得られる。

本発明の第３実施例について、図面を使用しないで説明する。本例は第１実施例と第２実施例をミックスしたような部分的構造を持つ。すなわち、図８から例えばビー厶（部分ビーム）５ａ、６、７ａ、８を取り除いた平面形状を有する。換言すれば、第１実施例のビーム６とビーム８の延びる方向を逆にしたとも言える。この構成でも３次元加速度の検出は可能であり諸特徴は第１実施例に近くなる。ただし、各抵抗素子９のブリッジ回路上の位置は図３とは異なり得る。本例にも変形例はもちろん種々あり得る。

本発明によって、加速度センサの感度の向上あるいはより小型化（例えば１ｍｍ×１ｍｍ×０．５ｍｍ程度）が図れるので、加速度の検出精度の向上や検出回路の構成の簡素化や省電力化が達成あるいは期待でき、またセンサを封入するパッケージも小型化され、更に加速度センサが組み込まれる機器自体にも、省スペースによる部品配置の合理化やそれに伴う小型化が期待できる。

本発明の加速度センサの第１の実施例の平面図である。 本発明の加速度センサの第１の実施例のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図はそれぞれ、本発明の加速度センサの第１の実施例における検出回路の要部の回路図である。 本発明の加速度センサの第２の実施例の平面図である。 本発明の加速度センサの第２の実施例のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図はそれぞれ、本発明の加速度センサの第２の実施例における検出回路の要部の回路図である。 本発明の加速度センサの第２の実施例の変形例の平面図である。 加速度センサの従来例の平面図である。 加速度センサの従来例のＣ−Ｃ断面図である。

符号の説明

１ 埋込ＳｉＯ２層
２ 枠部
３ 質量
３ａ 追加質量
４ 凸部
５、５ａ、６、６ａ、７、７ａ、８、８ａ ビーム
９ 抵抗素子
１０ 透孔
Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ 加速度成分
Ｇ 重心
ＧＮＤ 接地端子
Ｖｉｎ 電源入力端子
Ｖｏｕｔ 加速度出力
Ｘ、Ｙ、Ｚ 座標軸

Claims (4)

1. 外周を囲む枠部と、該枠部の内部に配置した可動の質量と、該質量の重心を含まない平面上に配置され前記質量と前記枠部とを連結する複数のビームと、該複数のビー厶の表面の所定位置に設けた複数の抵抗素子を備え、加速度により前記質量に生成する慣性力による前記質量の変位にほぼ比例した電気的変化を、前記ビームの変形を介して前記抵抗素子の抵抗変化によって計測するように構成された、加速度検出作用を有するセンサ構造体において、前記枠部の内周はほぼ正方形をなし、かつ前記複数のビームの中心軸はほぼ直線的であって、前記枠部の前記正方形の各辺に平行して配置されたことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記質量の外周部は、前記枠部の内周の正方形の各辺、および前記複数のビームの中心軸とほぼ平行する複数の辺を備えたことを特徴とする請求項１の加速度センサ。
3. 前記ビームは４本あり、各ビー厶は一端が前記枠に固着され、他端が前記質量に固着され、かつ前記各ビームは前記質量の周囲に、ほぼ「卍」字型をなすように配置されていることを特徴とする請求項１あるいは２の加速度センサ。
4. 前記ビー厶は４本あり、各ビームは両端が前記枠に固着され、中央部が前記質量に固着されていることを特徴とする請求項１あるいは２の加速度センサ。

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