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JPH08228015A - Acceleration sensor - Google Patents

Acceleration sensor

Info

Publication number
JPH08228015A
JPH08228015A JP3030195A JP3030195A JPH08228015A JP H08228015 A JPH08228015 A JP H08228015A JP 3030195 A JP3030195 A JP 3030195A JP 3030195 A JP3030195 A JP 3030195A JP H08228015 A JPH08228015 A JP H08228015A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
acceleration sensor
acceleration
piezoresistor
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP3030195A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsushi Hasegawa
達志 長谷川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
Priority to JP3030195A priority Critical patent/JPH08228015A/en
Publication of JPH08228015A publication Critical patent/JPH08228015A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

PURPOSE: To obtain an acceleration sensor, which can meet an acceleration parallel to a substrate, by a method wherein the sensor is constituted into such a structure that a voltage is fed to a beam for supporting a weight from one direction over the beam to a piezoelectric resistor formed on a diffused layer and an output voltage is led out from the direction intersecting orthogonally the one direction. CONSTITUTION: An acceleration sensor is provided with a vibrator 20, which has a weight 22 formed by a through etching through a substrate 11 and a beam 21 for supporting the weight 22 and is vibrated in the directions vertical and parallel to the substrate surface. Moreover, the sensor is constituted of a P-type or N-type diffused region arranged on the beam 21, is provided with a piezoelectric resistor 23, whose resistance value is changed by the deflection of the beam 21 due to the vibration of the vibrator 20, and an acceleration is detected from a change in the resistance value. Such the acceleration sensor is constituted into a structure, wherein a voltage Vi is fed to a U-axis in one direction over the beam 21 to the resistor 23, an output voltage Vo is led out from a V-axis direction, which intersects orthogonally the U-axis direction, over the beam 21 and a shearing stress in the beam 21 is measured from the resistance value, which is found by the supply voltage Vi and the output voltage Vo, of the resistor 23 to detect the acceleration.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、自動車やロボット等に
搭載され、梁に設けたピエゾ抵抗の抵抗値の変化で加速
度を検出する加速度センサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor which is mounted on an automobile, a robot or the like and detects an acceleration by a change in resistance value of a piezoresistor provided on a beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献1;江刺、藤田他著、“マイクロマシーニングとマ
イクロメカトロニクス”(1992)倍風館、P.198-201 文献2;IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES、12
[ED-26](1979)Lynn Michelle Roylance 他著
“A Batch-Fablicated Silicon Accelerometer”P.1911
-1917 文献3;Micro System Technologies 90-Proceedings o
f 1st InternationalConference on Micro Electro,Opt
o,Mechanic System and Components 、Ed,H,Reichi Ber
lin、Sept.10-13(1990)、J.Mohr et.al. “Movable M
icrostructures Manufactured by the LIGA Process as
Basic Elements for Microsystems ”Springer-Verlag
、P.529-537 自動車のエアバック,ナビゲーション,ABS制御,及
びサスペンション制御、その他にロボットの制御など、
加速度センサには種々の用途がある。それらの加速度セ
ンサは、梁で支えられたおもりを有し、そのおもりが加
速度によって変位する。おもりの変位を検出すること
で、加速度が求められるのである。変位の検出の方法に
よって、加速度センサはゲージ型と静電容量型とに分け
られる。ゲージ型では、梁に歪みゲージをつけて変位を
検出し、静電容量型では、変位によって生じた静電容量
の変化を検出するものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a technique in such a field,
For example, some documents were described in the following documents. Reference 1: Esashi, Fujita et al., “Micromachining and Ma
Ikuro Mechatronics ”(1992) Baifukan, P.198-201 Reference 2; IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES,12
[ED-26] (1979) Lynn Michelle Roylance et al.
“A Batch-Fablicated Silicon Accelerometer” P.1911
-1917 Reference 3; Micro System Technologies 90-Proceedings o
f 1st International Conference on Micro Electro, Opt
o, Mechanic System and Components, Ed, H, Reichi Ber
lin, Sept. 10-13 (1990), J. Mohr et.al. “Movable M
icrostructures Manufactured by the LIGA Process as
 Basic Elements for Microsystems "Springer-Verlag
 , P.529-537 Automotive airbag, navigation, ABS control, and
Suspension control, robot control, etc.
The acceleration sensor has various uses. Their acceleration
The sensor has a weight supported by a beam, and the weight is added.
It changes according to the speed. Detecting displacement of weight
Then, the acceleration is obtained. For detecting displacement
Therefore, the acceleration sensor is divided into the gauge type and the capacitance type.
Can be In the gauge type, a strain gauge is attached to the beam to
Capacitance generated by displacement, for detecting and capacitance type
To detect changes in

【0003】図2(I),(II)は、上記文献1及び文
献2に示された従来の加速度センサを示す図であり、同
図(I)は平面図、同図(II)はその断面図である。こ
の加速度センサは、シリコン基板1に形成された片持ち
梁2を備え、その梁2の先におもり3が形成されてい
る。梁2には拡散層のピエゾ抵抗4が備えられ、そのピ
エゾ抵抗4に拡散層5を介してリード線6が接続されて
いる。この加速度センサには、おもり3と梁2の動く範
囲がエッチングによって除去されたカバー7が施されて
いる。加速度がセンサに加えられるとおもり3が変位
し、梁が撓む。梁の撓みによって、ピエゾ抵抗4のピエ
ゾ抵抗効果で拡散抵抗の変化が起こる。リード線6に接
続された図示しない検出部が、この拡散抵抗の変化を拡
散層5とリード線6を通して検出し、加速度を算出す
る。加速度の基板1に平行な成分の影響を小さくするた
めに、ピエゾ抵抗4の存在する梁2の延長線上に、おも
り3の重心が一致するように、設計されている。
2 (I) and (II) are views showing the conventional acceleration sensor shown in the above-mentioned Document 1 and Document 2. FIG. 2 (I) is a plan view and FIG. 2 (II) is its plan view. FIG. This acceleration sensor includes a cantilever beam 2 formed on a silicon substrate 1, and a weight 3 is formed at the tip of the beam 2. The beam 2 is provided with a piezoresistor 4 of a diffusion layer, and the lead wire 6 is connected to the piezoresistor 4 via a diffusion layer 5. The acceleration sensor is provided with a cover 7 in which the moving range of the weight 3 and the beam 2 is removed by etching. When acceleration is applied to the sensor, the weight 3 is displaced and the beam is bent. Due to the bending of the beam, the diffusion resistance changes due to the piezoresistance effect of the piezoresistance 4. A detector (not shown) connected to the lead wire 6 detects the change in the diffusion resistance through the diffusion layer 5 and the lead wire 6 and calculates the acceleration. In order to reduce the influence of the acceleration component parallel to the substrate 1, the weight 3 is designed so that the center of gravity of the weight 3 coincides with the extension line of the beam 2 in which the piezoresistor 4 exists.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
加速度センサにおいては、次のような課題があった。従
来の加速度センサは、基板1の平面に垂直な加速度を測
定するものがほとんどであり、基板1に平行な加速度を
測定するものがほとんどない。これは、基板平行な方向
のみに振動する構造の梁及びおもりを製作することが、
マイクロマシーニングでは困難であるからである。図3
は従来の加速度センサの問題点を説明するための斜視図
であり、図2と共通する部分には、共通の符号が付され
ている。図3には、基板1と梁2とおもり3とが示され
ている。おもり3の質量はmであり、梁の幅,厚さ,長
さが、それぞれa,b,lである。厚さbは、基板1の
垂直方向Zに一致している。ここで、梁の長さ方向を
X、基板1に平行でXに垂直の方向をYとする。
However, the conventional acceleration sensor has the following problems. Most of the conventional acceleration sensors measure acceleration perpendicular to the plane of the substrate 1, and almost none measure acceleration parallel to the substrate 1. This is to manufacture beams and weights that vibrate only in the direction parallel to the substrate.
This is because micromachining is difficult. FIG.
[FIG. 3] is a perspective view for explaining the problems of the conventional acceleration sensor, and portions common to FIG. 2 are denoted by common reference numerals. In FIG. 3, a substrate 1, a beam 2 and a weight 3 are shown. The weight 3 has a mass of m, and the beams have widths, thicknesses, and lengths of a, b, and l, respectively. The thickness b corresponds to the vertical direction Z of the substrate 1. Here, the length direction of the beam is X, and the direction parallel to the substrate 1 and perpendicular to X is Y.

【0005】基板1に平行で、梁2に垂直な方向の加速
度αy がかかるとき、梁2は−Y方向に力を受けて撓
む。このとき、梁2における支点から距離xでの曲率半
径Rxyは、次の(1)式となる。 Rxy=Ea3 b/{12×m(l−x)αy } ・・・(1) 但し、E;ヤング率 また、基板1に垂直な加速度αz を受けると、おもり3
が−Z方向に変位し、梁2に歪が生ずる。このときの梁
2の曲率半径Rzxは、次の(2)式となる。 Rzx=Eab3 /{12×m(l−x)αz } ・・・(2) このように、梁の曲率半径は加速度αy ,αz の両方に
影響される。加速度αz を測定する際に、加速度αz
影響を少なくするためには、(1)式と(2)式から、
bとaの比、即ち、梁2におけるアスペクト比を大きく
すればよいことが分かる。しかし、マイクロマシーニン
グによって、アスペクト比の大きな構造を得ることは、
極めて困難である。マイクロマシーニングでアスペクト
比の大きな構造を得る手法として、文献3に記載される
LIGA(Lithografie,Galvanoformung,Abformung)プ
ロセスがある。ところが、このLIGAプロセスは、シ
ンクロトロン放射光を必要とするため、一般に使用が困
難であり、量産性も劣る。
When an acceleration α y in a direction parallel to the substrate 1 and perpendicular to the beam 2 is applied, the beam 2 receives a force in the -Y direction and bends. At this time, the radius of curvature R xy at the distance x from the fulcrum of the beam 2 is given by the following expression (1). R xy = Ea 3 b / {12 × m (l−x) α y } (1) However, E; Young's modulus Further, when the acceleration α z perpendicular to the substrate 1 is received, the weight 3
Is displaced in the -Z direction, and the beam 2 is distorted. The radius of curvature R zx of the beam 2 at this time is given by the following expression (2). R zx = Eab 3 / {12 × m (l−x) α z } (2) Thus, the radius of curvature of the beam is affected by both the accelerations α y and α z . When measuring the acceleration alpha z, in order to reduce the influence of the acceleration alpha z is from (1) and (2),
It is understood that the ratio of b and a, that is, the aspect ratio of the beam 2 may be increased. However, obtaining a structure with a large aspect ratio by micromachining is
It's extremely difficult. As a method for obtaining a structure with a large aspect ratio by micromachining, there is a LIGA (Lithografie, Galvanoformung, Abformung) process described in Reference 3. However, since this LIGA process requires synchrotron radiation, it is generally difficult to use, and mass productivity is also poor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】第1から第4の発明は、
上記課題を解決するために、基板の貫通エッチングで形
成されたおもり及び該おもりを支える梁を有し該基板面
に垂直方向と平行方向に振動する振動子と、前記梁に配
置されたp型拡散領域またはn型拡散領域で構成され、
前記振動による前記梁の撓みで抵抗値の変化するピエゾ
抵抗とを備え、前記ピエゾ抵抗の抵抗値の変化から加速
度を検出する加速度センサにおいて、次のような構造を
講じている。即ち、前記ピエゾ抵抗に対して前記梁上の
一方向のu軸に電圧を供給しそのu軸方向とは直交する
該梁上v軸方向から出力電圧を取り出し、該供給電圧と
該出力電圧によって求まる前記ピエゾ抵抗の抵抗値から
前記梁におけるせん断応力を測定して加速度を検出する
構造としている。
Means for Solving the Problems The first to fourth inventions are as follows.
In order to solve the above problems, a vibrator having a weight formed by through-etching of a substrate and a beam supporting the weight and vibrating in a direction parallel to a direction perpendicular to the substrate surface, and a p-type disposed on the beam A diffusion region or an n-type diffusion region,
A piezoresistor having a resistance value that changes due to the bending of the beam due to the vibration, and an acceleration sensor that detects acceleration from a change in the resistance value of the piezoresistor has the following structure. That is, a voltage is supplied to the piezoresistor on the u-axis in one direction on the beam and an output voltage is taken out from the v-axis on the beam orthogonal to the u-axis direction. The structure is such that the shear stress in the beam is measured from the resistance value of the piezoresistance obtained and the acceleration is detected.

【0007】[0007]

【作用】第1から第4の発明では、以上のように加速度
センサを構成しているので、加速度を受けた場合に、振
動子が振動する。梁はおもりを支えているので、加速度
によって、梁は撓んでせん断応力が生じる。梁に配置さ
れたピエゾ抵抗の抵抗値は、撓みによって変化する。こ
こで、供給電圧が梁の例えば長手方向のu軸からピエゾ
抵抗に与えられ、出力電圧がそのu軸と直交する幅方向
のv軸方向から取り出される。これら、供給電圧と出力
電圧から、ピエゾ抵抗における抵抗値の変化が求められ
る。結果として、梁のせん断応力が求められて加速度が
検出される。従って、前記課題を解決できるのである。
In the first to fourth aspects of the invention, since the acceleration sensor is configured as described above, the vibrator vibrates when receiving acceleration. Since the beam supports the weight, acceleration causes the beam to bend and generate shear stress. The resistance value of the piezoresistor arranged on the beam changes due to bending. Here, the supply voltage is applied to the piezoresistor from, for example, the u-axis in the longitudinal direction of the beam, and the output voltage is taken out from the v-axis direction in the width direction orthogonal to the u-axis. From these supply voltage and output voltage, the change in resistance value of the piezoresistor can be obtained. As a result, the shear stress of the beam is determined and the acceleration is detected. Therefore, the above problem can be solved.

【0008】[0008]

【実施例】第1の実施例 図1(I),(II),(III)は、本発明の第1の実施例
を示す加速度センサの構造を示す図であり、同図(I)
は上面図、同図(II)はその側面図、同図(III)は部分
拡大図である。この加速度センサは、基板11に形成さ
れた振動子20を有している。振動子は、基板11であ
るn型シリコンウエハを貫通してエッチングすることに
より製作され、梁21とおもり22で構成されている。
振動子20の上下には、ガラスカバー31,32が施さ
れている。ガラスカバー31,32の形状は、振動子2
0の振動を妨げないようになっている。図1の(III)
は、図1(I)中のA部を示している。梁21にはp型
ピエゾ抵抗23が形成され、このピエゾ抵抗23には4
本のアルミ電極24a,24b,24c,24dが接続
されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment FIGS. 1 (I), (II), and (III) are views showing the structure of an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention.
Is a top view, (II) is a side view thereof, and (III) is a partially enlarged view. This acceleration sensor has a vibrator 20 formed on a substrate 11. The oscillator is manufactured by penetrating an n-type silicon wafer which is the substrate 11 and etching, and is composed of a beam 21 and a weight 22.
Glass covers 31 and 32 are provided above and below the vibrator 20. The shape of the glass covers 31 and 32 is the vibrator 2
It does not interfere with 0 vibration. Figure 1 (III)
Shows the portion A in FIG. 1 (I). A p-type piezoresistor 23 is formed on the beam 21.
The aluminum electrodes 24a, 24b, 24c, 24d of the book are connected.

【0009】梁21の幅aは20μm、厚さbは50μ
m、長さlは2000μmと細長く、この梁21は±Z
方向(基板11に垂直な方向)と±Y方向(基板11に
平行で梁20に垂直な方向)の両方向に振動する構造と
なっている。加速度センサの感度を増すためには、おも
り22に数mgの付加質量を加えればよい。但し、その
おもり22の全体の重心は、梁21の延長線上に来るよ
うに設定する必要がある。付加質量を適用しない場合、
例えばおもり22の質量は0.1mgであり、図1の設
計において、振動子20の±Y方向の固有振動数は76
0Hz、±Z方向の固有振動数は1900Hzである。
基板11は(001)面方位のn型シリコンであり、ピ
エゾ抵抗の各辺は、図1の(I)のように、面方位に対
して<1,0,0>,<0,1,0>方向である。ピエ
ゾ抵抗23は、n型シリコンウエハに対して拡散法で形
成され、12×12μm2 の面積を有するp型領域であ
る。ピエゾ抵抗23に各電極24a,24bで電圧を供
給し、電極24c,24dを介して出力電圧を取り出
す。即ち、供給電圧の入力方向と出力電圧の出力方向が
直角になっている。
The beam 21 has a width a of 20 μm and a thickness b of 50 μm.
m and length l are as long as 2000 μm, and this beam 21 is ± Z
The structure vibrates in both directions (directions perpendicular to the substrate 11) and ± Y directions (directions parallel to the substrate 11 and perpendicular to the beams 20). In order to increase the sensitivity of the acceleration sensor, the weight 22 may be added with an additional mass of several mg. However, the center of gravity of the entire weight 22 needs to be set so as to be on the extension line of the beam 21. If no additional mass is applied,
For example, the weight 22 has a mass of 0.1 mg, and in the design of FIG. 1, the natural frequency of the vibrator 20 in the ± Y direction is 76.
The natural frequency in the 0 Hz and ± Z directions is 1900 Hz.
The substrate 11 is n-type silicon with a (001) plane orientation, and each side of the piezoresistor is <1, 0, 0>, <0, 1, with respect to the plane orientation, as shown in (I) of FIG. 0> direction. The piezoresistor 23 is a p-type region having an area of 12 × 12 μm 2 which is formed by a diffusion method on an n-type silicon wafer. A voltage is supplied to the piezoresistor 23 by the electrodes 24a and 24b, and an output voltage is taken out via the electrodes 24c and 24d. That is, the input direction of the supply voltage and the output direction of the output voltage are at right angles.

【0010】図4は、図1の加速度センサの製造工程を
示すフローチャートである。本実施例の加速度センサ
は、図4のプロセスP1〜P7を経て製作される。 (プロセスP1)基盤11として(001)面方位のn
型シリコンを用意する。シリコン基板は50μmの薄い
基板か、または厚い基板を用意する。 (プロセスP2)用意されたn型シリコンが厚い場合、
KOH水溶液中で振動子20に対応する部分を、選択的
に基板の裏側からエッチングする。このエッチングで、
振動子20の周辺部の厚さが薄くされ、50μmとな
る。 (プロセスP3)基板の上に酸化膜を形成した後、フォ
トリソグラフィによって、ピエゾ抵抗23に対応する部
分をエッチングして酸化膜のマスクを構成する。そし
て、酸化膜をマスクとしてボロン(B)等の拡散を行
い、ピエゾ抵抗23を形成する。 (プロセスP4)ピエゾ抵抗23及び酸化膜上全面にア
ルミニウムを蒸着した後、パターニングして電極24a
〜24dを形成する。
FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing process of the acceleration sensor of FIG. The acceleration sensor of this embodiment is manufactured through processes P1 to P7 shown in FIG. (Process P1) n of (001) plane orientation as the substrate 11
Prepare mold silicon. As the silicon substrate, a thin substrate of 50 μm or a thick substrate is prepared. (Process P2) When the prepared n-type silicon is thick,
A portion corresponding to the vibrator 20 is selectively etched from the back side of the substrate in a KOH aqueous solution. With this etching,
The thickness of the peripheral portion of the vibrator 20 is reduced to 50 μm. (Process P3) After forming an oxide film on the substrate, a portion corresponding to the piezoresistor 23 is etched by photolithography to form a mask of the oxide film. Then, boron (B) or the like is diffused using the oxide film as a mask to form the piezoresistor 23. (Process P4) After depositing aluminum on the entire surface of the piezoresistive film 23 and the oxide film, patterning is performed to form the electrode 24a
~ 24d are formed.

【0011】(プロセスP5)プロセスP4の処理を終
了した基板に対してCVD法を用い、酸化シリコン膜を
5μm、さらに、タングステンシリサイド膜を0.5μ
m蒸着する。タングステンシリサイドをマスクとして酸
化シリコン膜をエッチングすることによって、シリコン
ウエハを貫通エッチングするためのマスクを形成する。 (プロセスP6)プロセスP5の処理で形成されたマス
クを用い、反応性イオンエッチング法で、選択的な垂直
エッチングを行うことにより、梁21及びおもり22の
周辺のシリコンウエハが貫通する。なお、垂直エッチン
グの際の反応ガスには、SF3 とCCl2 2 の混合ガ
スが用いられる。 (プロセスP7)残ったマスクが除去され、図1の加速
度センサの振動子20の製造が完了する。
(Process P5) A silicon oxide film having a thickness of 5 μm and a tungsten silicide film having a thickness of 0.5 μm are formed on the substrate which has been subjected to the process P4 by the CVD method.
m vapor deposition. By etching the silicon oxide film using tungsten silicide as a mask, a mask for penetrating etching of the silicon wafer is formed. (Process P6) By using the mask formed in the process P5 and performing selective vertical etching by the reactive ion etching method, the silicon wafer around the beam 21 and the weight 22 penetrates. A mixed gas of SF 3 and CCl 2 F 2 is used as a reaction gas in the vertical etching. (Process P7) The remaining mask is removed, and the manufacturing of the vibrator 20 of the acceleration sensor in FIG. 1 is completed.

【0012】本実施例の加速度センサでは、ピエゾ抵抗
23に対する供給電圧Vi の入力方向と出力電圧Vo
出力方向が直角になっているので、基板11の面に平行
なY方向の加速度を検出することが可能となっている。
加速度センサの振動子20に加速度α(αx ,αy ,α
z )が印加された場合、撓みによって梁21にはせん断
応力が発生する。各せん断応力τzx,τxyは梁21上で
一様となっており、次の(3)式のように表される。τ
xyを測定することによって、αy が検出される。 τxy=−Mαy /ab ,τxy=−Mαz /ab ・・・(3) 一般に、ピエゾ抵抗効果は次の(4)式のように表され
る。
In the acceleration sensor of this embodiment, since the input direction of the supply voltage V i and the output direction of the output voltage V o to the piezoresistor 23 are perpendicular to each other, the acceleration in the Y direction parallel to the surface of the substrate 11 is obtained. It is possible to detect.
Acceleration α (α x , α y , α) is applied to the oscillator 20 of the acceleration sensor.
When z ) is applied, shear stress is generated in the beam 21 due to the bending. The shear stresses τ zx and τ xy are uniform on the beam 21, and are expressed by the following equation (3). τ
By measuring xy , α y is detected. [tau] xy = -M [alpha] y / ab, [tau] xy = -M [alpha] z / ab (3) Generally, the piezoresistive effect is expressed by the following formula (4).

【数1】 これにより、供給電圧の電界方向1(u軸とする)と出
力電流の電流方向2(v軸とする)が直交する条件で
は、その1方向の電界E1 は(5)式となる。
[Equation 1] As a result, under the condition that the electric field direction 1 of the supply voltage (the u-axis) and the current direction 2 of the output current (the v-axis) are orthogonal to each other, the electric field E1 in the one direction is given by the equation (5).

【0013】[0013]

【数2】 ここで、π61=π62=π63=π64=π65=0
となるように、ピエゾ抵抗の結晶方位を選べば、(6)
式となる。 E1 =ρJ2 π66τ(即ち、Ex =ρJy π66τxy) ・・・(6) (6)式となるような方位のうちでπ66が大きくなる
ものは、<1,0,0>、<0,1,−1>方向の組み
合わせ、または<0,1,−1>、<1,1,0>方向
の組み合わせである。前者の組み合わせの場合は(00
1)面方位、後者の場合は(011)面方位のシリコン
ウエハを用いれば、u軸及びv軸を面内に取れる。供給
電圧Vi と出力電圧Vは次の(7)式で表され、さら
に、(3)式と(7)式により、出力電圧V0 は(8)
式となる。 V=π66τxyi ・・・(7) V=−π66Mαy i /(ab) ・・・(8) 図5は、図1の加速度センサにおける加速度に対する出
力電圧特性を示す図であり、同図にはピエゾ抵抗の比抵
抗を10Ωcmとした場合の出力電圧特性が示されてい
る。図5のように、本実施例の加速度センサでは加速度
αのY方向成分αy に比例した出力電圧Vを得ること
ができる。
[Equation 2] Here, π 61 = π 62 = π 63 = π 64 = π 65 = 0
If the crystal orientation of the piezoresistor is selected so that (6)
It becomes an expression. E 1 = ρJ 2 π 66 τ 6 (that is, E x = ρJ y π 66 τ xy ) ... (6) Among the orientations that satisfy the formula (6), the one in which π 66 is large is <1, A combination of 0,0> and <0,1, -1> directions or a combination of <0,1, -1> and <1,1,0> directions. In the case of the former combination, (00
If a silicon wafer having a 1) plane orientation, and in the latter case a (011) plane orientation, is used, the u axis and v axis can be taken in the plane. The supply voltage V i and the output voltage V o are represented by the following equation (7), and the output voltage V 0 is (8) according to the equations (3) and (7).
It becomes an expression. V o = π 66 τ xy V i (7) V o = −π 66y V i / (ab) (8) FIG. 5 shows output voltage characteristics with respect to acceleration in the acceleration sensor of FIG. 1. FIG. 4 is a diagram showing the output voltage characteristics when the specific resistance of the piezoresistor is 10 Ωcm. As shown in FIG. 5, the acceleration sensor of this embodiment can obtain the output voltage V o proportional to the Y-direction component α y of the acceleration α.

【0014】以上のように、本実施例では、Z方向及び
Y方向に振動する片持ち梁21にピエゾ抵抗23を形成
し、供給電圧Vi に対して出力電圧Vを直角に取り出
している。そのため、基板11に平行な加速度の成分α
y を、基板11に垂直な成分の混入なしに検出すること
ができる。また、ピエゾ抵抗による検出であるので、線
形性の高い検出が可能となっている。さらに、極端に高
いアスペクト比の梁21を形成する必要がなく、LIG
Aプロセスを用いずに通常の半導体プロセスで単純な構
造を作成すればよいので、安価で量産性に優れた加速度
センサを実現できる。
[0014] As described above, in the present embodiment, the piezoresistive 23 formed in the cantilever 21 vibrates in the Z direction and the Y direction, and a right angle taking out the output voltage V o with respect to the supply voltage V i . Therefore, the acceleration component α parallel to the substrate 11
It is possible to detect y without mixing a component perpendicular to the substrate 11. Further, since the detection is by piezo resistance, it is possible to perform detection with high linearity. Furthermore, it is not necessary to form the beam 21 having an extremely high aspect ratio,
Since a simple structure may be formed by a normal semiconductor process without using the A process, an acceleration sensor that is inexpensive and excellent in mass productivity can be realized.

【0015】第2の実施例 本実施例の加速度センサの構造は、第1の実施例と同様
の構造である。ただし、基板に(001)面方位のp型
シリコンを用い、ピエゾ抵抗を基板上に形成されたn型
拡散領域とする点が第1の実施例とことなる。そして、
供給電圧Vi を<1,1,0>方向から与え、出力電圧
を<1,−1,0>方向から取り出すようにしてい
る。この加速度センサも、ピエゾ抵抗係数が異なるだけ
で、第1の実施例と同様に動作し、基板に平行な加速度
成分を検出することができる。n型シリコンでの方位の
うちで、π61=π62=π63=π64=π65=0
となり、かつπ66が大きくなるものは、各u,v軸の
方向が<1,1,0><1,−1,0>の組み合わせで
ある。このように各u,v軸を取ることによって、せん
断応力τ6 のみを選択的に感度よく測定することができ
る。なお、本発明は、上記実施例に限定されず種々の変
形が可能である。図6は、図1の応用例を示す加速度セ
ンサの図である。図6のように、例えば第1の実施例の
加速度センサを基板50に、2か所形成すると、各加速
度センサは基板に平行な2つの方向の加速度を検出す
る。即ち、2次元の加速度センサが実現される。
Second Embodiment The structure of the acceleration sensor of this embodiment is similar to that of the first embodiment. However, the first embodiment is different from the first embodiment in that (001) plane oriented p-type silicon is used for the substrate and the piezoresistor is used as the n-type diffusion region formed on the substrate. And
The supply voltage V i is given from the <1,1,0> direction, and the output voltage V o is taken out from the <1, -1,0> direction. This acceleration sensor also operates similarly to the first embodiment except that the piezoresistive coefficient is different, and can detect the acceleration component parallel to the substrate. Of the orientations in n-type silicon, π 61 = π 62 = π 63 = π 64 = π 65 = 0
And the value of π 66 becomes large is a combination of <1,1,0><1,-1,0> in the directions of the u and v axes. By taking the u and v axes in this way, it is possible to selectively measure only the shear stress τ 6 with high sensitivity. The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. FIG. 6 is a diagram of an acceleration sensor showing an application example of FIG. As shown in FIG. 6, for example, when the acceleration sensor of the first embodiment is formed on the substrate 50 at two places, each acceleration sensor detects acceleration in two directions parallel to the substrate. That is, a two-dimensional acceleration sensor is realized.

【0016】[0016]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1から第
3の本発明によれば、おもりを支える梁に拡散領域で形
成されたピエゾ抵抗に対し、梁の一方向から電圧を供給
し、その方向とは直交する方向から出力電圧を取り出す
構成としている。よって、基板の結晶構造に対して梁の
方向を適切にとると、基板に平行な加速度成分を基板に
垂直な成分の混入無く検出することができ、基板に平行
な加速度に対応する加速度センサが実現される。また、
梁におけるアスペクトを極端に大きくする必要がなく、
例えばLIGAプロセスを用いる必要がない。そのた
め、通常の半導体プロセスで加速度センサを形成するこ
とが可能となり、安価で量産性に優れた加速度センサを
実現できる。
As described in detail above, according to the first to third aspects of the present invention, a voltage is supplied from one direction of the beam to the piezoresistor formed in the diffusion region in the beam supporting the weight. The output voltage is taken out from the direction orthogonal to the direction. Therefore, if the direction of the beam is appropriately set with respect to the crystal structure of the substrate, the acceleration component parallel to the substrate can be detected without mixing the component perpendicular to the substrate, and the acceleration sensor corresponding to the acceleration parallel to the substrate can be detected. Will be realized. Also,
There is no need to make the aspect of the beam extremely large,
For example, it is not necessary to use the LIGA process. Therefore, the acceleration sensor can be formed by a normal semiconductor process, and an inexpensive and mass-producible acceleration sensor can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示す加速度センサの構
造図である。
FIG. 1 is a structural diagram of an acceleration sensor showing a first embodiment of the present invention.

【図2】従来の加速度センサを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a conventional acceleration sensor.

【図3】従来の加速センサの問題点を説明するための斜
視図である。
FIG. 3 is a perspective view illustrating a problem of a conventional acceleration sensor.

【図4】図1の加速度センサの製造工程を示すフローチ
ャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing process of the acceleration sensor of FIG.

【図5】図1の加速度に対する出力電圧特性を示す図で
ある。
5 is a diagram showing an output voltage characteristic with respect to the acceleration of FIG.

【図6】図1の応用例を示す加速度センサの図である。FIG. 6 is a diagram of an acceleration sensor showing an application example of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 基板 20 振動子 21 梁 22 おもり 23 ピエゾ抵抗 24a〜24d 電極 31,32 ガラスカバー Vi 供給電圧 Vo 出力電圧11 substrate 20 vibrator 21 beams 22 weight 23 piezoresistive 24a~24d electrodes 31 glass cover V i supply voltage V o output voltage

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板の貫通エッチングで形成されたおも
り及び該おもりを支える梁を有し該基板面に垂直方向と
平行方向に振動する振動子と、前記梁に配置されたp型
拡散領域またはn型拡散領域で構成され、前記振動によ
る前記梁の撓みで抵抗値の変化するピエゾ抵抗とを備
え、前記ピエゾ抵抗の抵抗値の変化から加速度を検出す
る加速度センサにおいて、 前記ピエゾ抵抗に対して前記梁上の一方向のu軸に電圧
を供給しそのu軸方向とは直交する該梁上のv軸方向か
ら出力電圧を取り出し、該供給電圧と該出力電圧によっ
て求まる前記ピエゾ抵抗の抵抗値から前記梁におけるせ
ん断応力を測定して加速度を検出する構造としたことを
特徴とする加速度センサ。
1. A vibrator having a weight formed by through-etching a substrate and a beam supporting the weight and vibrating in a direction parallel to a direction perpendicular to the substrate surface, and a p-type diffusion region arranged on the beam. A piezoresistor configured of an n-type diffusion region, the piezoresistor having a resistance value that changes due to the bending of the beam due to the vibration, wherein the acceleration sensor detects acceleration from a change in the resistance value of the piezoresistor. A voltage is supplied to the u-axis in one direction on the beam, an output voltage is taken out from a v-axis direction on the beam orthogonal to the u-axis direction, and the resistance value of the piezoresistor is obtained by the supply voltage and the output voltage. An acceleration sensor having a structure for measuring shear stress in the beam to detect acceleration.
【請求項2】 前記基板は(001)面方位のn型シリ
コン基板であり、前記ピエゾ抵抗はp型拡散領域で形成
し、前記各u,v軸方向は<1,0,0>,<0,1,
0>方向の組み合わせ、または<0,1,0>,<1,
0,0>方向の組み合わせに設定したことを特徴とする
請求項1記載の加速度センサ。
2. The substrate is an n-type silicon substrate having a (001) plane orientation, the piezoresistor is formed by a p-type diffusion region, and each of the u and v axis directions is <1, 0, 0>, < 0, 1,
0> direction combination, or <0, 1, 0>, <1,
The acceleration sensor according to claim 1, wherein a combination of 0,0> directions is set.
【請求項3】 前記基板は(001)面方位のp型シリ
コン基板であり、前記ピエゾ抵抗はn型拡散領域で形成
し、前記各u,v軸方向は<1,1,0>,<1,−
1,0>方向の組み合わせ、または<1,−1,0>,
<1,1,0>方向の組み合わせに設定したことを特徴
とする請求項1記載の加速度センサ。
3. The substrate is a p-type silicon substrate having a (001) plane orientation, the piezoresistor is formed by an n-type diffusion region, and each of the u and v axis directions is <1, 1, 0>, < 1,-
1,0> direction combinations or <1, -1,0>,
The acceleration sensor according to claim 1, wherein a combination of <1,1,0> directions is set.
【請求項4】 前記基板は(011)面方位のn型シリ
コン基板であり、前記ピエゾ抵抗はp型拡散領域で形成
し、前記各u,v軸方向は<1,0,0>,<0,1,
−1>方向の組み合わせ、または<0,1,−1>,<
1,1,0>方向の組み合わせに設定したことを特徴と
する請求項1記載の加速度センサ。
4. The substrate is an n-type silicon substrate having a (011) plane orientation, the piezoresistor is formed by a p-type diffusion region, and each of the u and v axis directions is <1, 0, 0>, < 0, 1,
-1> direction combination, or <0, 1, -1>, <
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration sensor is set to a combination of 1,1,0> directions.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009004721A1 (en) * 2007-07-03 2009-01-08 Advantest Corporation Probe, probe card and process for manufacturing probe
JP2011251404A (en) * 2010-06-01 2011-12-15 Robert Bosch Gmbh Micromechanical component and method for manufacturing micromechanical component

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009004721A1 (en) * 2007-07-03 2009-01-08 Advantest Corporation Probe, probe card and process for manufacturing probe
JP5100750B2 (en) * 2007-07-03 2012-12-19 株式会社アドバンテスト Probe, probe card, and probe manufacturing method
JP2011251404A (en) * 2010-06-01 2011-12-15 Robert Bosch Gmbh Micromechanical component and method for manufacturing micromechanical component

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