JPS6386576A - 半導体式加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板上あるいは該基板内に半導体歪ゲ
ージを形成し、弾性変化時に発生する半導体歪ゲージの
抵抗値変化を電気信号として出力する半導体式加速度セ
ンサに関する。

〔従来の技術〕

従来、振動や加速度等を検知するのに一般的に用いられ
ている構造としては、半導体基板に半導体歪ゲージの形
成される薄肉状のダイヤフラム部を形成し、一方の厚肉
部である支持体を固定し、他方の厚肉部を自由端として
、半導体歪ゲージの抵抗値変化に応じて被測定力を検知
するカンチレバー型の半導体式加速度センサが知られて
いる。

第４図（ａｌにそのような装置の部分的」二面図、同図
ｆｂ）にその部分的側面図を示す。図において、５００
はシリコン単結晶基板であり、厚肉状である自由端５０
０ａ、Ｆｌｌ状状あるダイヤフラム部５００ｂ及び厚肉
状で半田等により台座４００に接続し固定する支持体５
００Ｃよりなる。そして、ダイヤフラム部５００ｂには
４つの半導体歪ゲージ１００が形成されており、不純物
を高濃度に導入して形成した配線Ｎ２００、及びＡｆｆ
蒸着膜等から成る配線部材３００により各々の半導体歪
ゲージ１００は互いに電気的接続されておりフルブリッ
ジを構成している。尚、３００ａは配線層２００と配線
部材３００とのコンタクト部であり、３００ｂはパッド
部である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ここで、ダイヤフラム部５００ｂは薄肉状であるので、
厚内状の支持体５００Ｃ１自由端５００ａと比較してそ
の機械的強度は当然小さくなっている。そして、何らか
の原因で上記のような半導体式加速度センサに強い衝撃
が加わってダイヤフラム５００ｂが折れた場合を想定す
ると、通常は支持体５００Ｃに近い側のダイヤフラム部
５００ｂ、例えば第４図中に示すＣ−Ｃ線に沿って折れ
、その場合には出力信号に異常信号が現れるので半導体
式加速度センサの異常状態はｌＩＩ！認できるが、本発
明者達の実験によると、自由端５００ａに近い側のダイ
ヤフラム５００ｂ、例えば第４図中に示すｌ３−Ｂ線に
沿って折れる事もあり、その場合半導体歪ゲージ１００
や配線層２００は何ら破損していないので、その出力信
号は測定感度が落ちるだけであり異常信号として現れな
いので、半導体式加速度センサの異常を確認するのは困
難であった。

そこで本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、ダイ
ヤフラム部の破損が容易に検出可能な半導体式加速度セ
ンサを提供する事を目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為に本発明は、半導体基板に、半
導体歪ゲージを有する薄肉状のダイヤフラム部及び厚肉
部と、前記半導体歪ゲージに電気接続する配線手段とを
形成し、一方の前記厚肉部を固定し、他方の前記厚肉部
を自由端とした半導体式加速度センサにおいて、 前記配線手段の少なくとも一部が前記自由端に延在して
いる事を特徴とする半導体式加速度センサを採用してい
る。

〔作用〕

そして本発明によると、ダイヤフラム部が破損した場合
には配線手段あるいは半導体歪ゲージが必ず切断される
ので、半導体式加速度センサの出力信号は異常信号を示
す。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す図であり、同図（ａ）
にその上面図、同図（ｂ）に同図ｆａ）におけるＡ−Ａ
線断面図を示す。図において、４ａは例えばＮ型シリコ
ン単結晶基板から成るカンチレバーであり、薄肉状のダ
イヤフラム部７、自由端１、自由端ｌを保護する為に自
由端１の周りに配置するガード部４ａ１、支持体８とか
ら成る。尚、自由端１とガード部４ａｌとの間隙４ａ２
を形成する為のスクライブはカンチレバー４ａを両面エ
ツチングする事により行われ、例えば、カンチレバー４
３のスクライブする箇所の表面（第１図（ｂｌにおける
上面）を予め溝堀りエツチングしておき、その後のダイ
ヤフラム部７の形成時に裏面よりエツチングを行なう事
でダイヤフラム部７の形成とスクライブとを同時に行な
う。

支持体８及びガード部４ａｌの所定領域の表面にはＮｉ
層等をめっき又は蒸着した下地１３ｂが形成されており
、同じく下地層３ｂの形成されている台座６と半田層５
ｂを介して接着している。

尚、台座６にはカンチレバー４ａが被測定加速度に応じ
て変位できるように、第２図に示すようにカンチレバー
４ａと相対する面６ａに所定の深さの凹部６ａｌが一方
の端面６ｂから他方の端面６Ｃにわたって形成されてい
る。この凹部６ａｌの深さは自由端１の変位の最大値を
決定するものであり、強い衝撃が加わった場合に、自由
端１の第１図ｆｂｌ中下方向への変位における機械的ス
トッパーとして働きカンチレバー４ａの破損を防止して
いる。

又、台座６の材質としてはカンチレバー４３との熱膨張
係数をあわせる為にシリコンが望ましし１゜自由端１の
一主面（接着面）２には複数箇所（図では７箇所）に下
地層３ａが形成されており、その下地層３ａを介して負
荷としての半田層５ａを接着している。ここで、本例の
ように半田層５ａを複数箇所に形成する事により半田の
垂れ、片寄りを極力抑える事ができる。尚、下地層３ａ
及び半田層５ａは、支持体８又はガード部４ａｌの表面
上に形成される下地層３ｂ及び半田層５ｂとそれぞれ同
時に同じ工程で形成可能である。

又、ダイヤフラム部７内あるいはダイヤプラム部７上（
図は前者）に公知の半導体加工技術、例えばボロン等の
Ｐ型不純物を熱拡散又はイオン注入する事によりダイヤ
フラム部７内に導入し、形成した４個の半導体歪ゲージ
９が存在しており、Ｐ型不純物を高濃度で導入して形成
した配線Ｎ１１ａ、及びＡＩ！、蒸着膜等から成る配線
部材１１ｂにより各々の半導体歪ゲージは互いに電気的
接続されておりフルブリッジを構成している。尚、１０
はシリコン酸化膜等の保護膜であり、又、１１ｂ１は配
線層１１ａと配線部材１１ｂとのコンタクト部、１１ｂ
２はパッド部である。

そして、上記の半導体式加速度センサは、自由端ｌに加
速度を加えるとダイヤプラム部７に歪を生じ、加速度の
大きさに応じて半導体歪ゲージ９の抵抗値が変化し、ブ
リッジ回路に予め電圧を印加しておくことによりブリッ
ジ出力として不平衡電圧を生じ、その電圧値に応じて被
検出加速度を検知するものである。

そこで本実施例によると、第１図ｔａ＋におけるダイヤ
フラム部を中心とした要部の拡大上面図である第３図に
示すように、配線Ｊｉｌｌａの引き回し部１１ａｌ、１
１ａ２が自由端１に延在しているので、支持体８から自
由端１にわたって配線層１１ａが連続的に、あるいは半
導体歪ゲージ９を介して形成される。従って、例えば第
１図（ｂ）中上方向に大きな加速度が加わって第３図中
Ｘ方向にダイヤフラム部７が破損した場合には、必ず配
線層１１ａが半導体歪ゲージ９を切断する事になるので
、ブリ、ジ出力は異常な値となり、ダイヤフラム部７の
破損が検出できる。尚、図中Ｙ方向へのダイヤフラム部
７の破損はほとんど起きないので問題はない。

次に、ダイヤフラム部の破損時における異常信号を検出
する具体的な電気回路を第５図を用いて説明する。図に
おいて、Ａ、　　Ｂ、　Ｃ，Ｄ点は第３図におけるパッ
ド部１１ｂ２のＡ、　Ｂ、　Ｃ，Ｄに対応する点であり
、抵抗ＲＡＲＩ　　ＲＡＣＩ　　ＲＢＤＩ　　ＲＣＤも
第３図における半導体歪ゲージ９に対応している。２１
．２２は演算増幅器（オペアンプ）であり、抵抗Ｒ１，
Ｒ２と抵抗Ｒ３，Ｒ４によりそれぞれ非反転増幅回路Ｂ
、Ｆを構成している。そして、Ａ点には定電流が流れて
おり、Ｂ点には抵抗Ｒ，を介して電源電圧Ｖｃｃが印加
されている。尚、抵抗値Ｒ１とＲ４、ＲＺとＲ３はそれ
ぞれ同し値であり、又、Ｒｅ　）　ＲＡＢ、　ＲＡｃ、
　ＲＩＩＤ、　ＰＣＩ＋である。

そこで、上記の電気回路によろくと、ダイヤフラム部が
破損していない時には出力電圧Ｖ。８．はに２ Ｂ点の電位Ｖ、と０点の電位■。との差分に応じた値が
出力される。そして、ダイヤプラム部が破損した場合、
例えば第３図における引き回し部１１ａｌ、１１ａ２が
切断したとすると、第５図においてラインＢＢとライン
ＣＣが断線され、電流が流れないのでＢ点の電位■、は
電源電圧Ｖｃｃと等しくなり、０点の電位Ｖ、は接地電
圧となる。

従って、出力電圧Ｖ。ＬＩＴは電源電圧Ｖ　ｃｃに等し
くなる。ここで、電圧Ｖｃｃは電圧 バ２ 値であり、半導体式加速度センサの検出可能な加速度の
範囲を考えた場合、とうてい出力される値ではない。そ
こでこの値を検出した際にダイヤフラム部の破損が検知
される事になる。

尚、本発明は上記実施例に限定される事なく、その主旨
を逸脱しない限り例えば以下に示す如く口変形可能であ
る。

ｆｉ＋配線層１１ａの引き回し部１１ａｌ、ｌ１ａ２は
第６図の要部の拡大上面図に示すように、ダイヤフラム
部７が破損した場合にＡ−Ｄ点間に電流が流れないよう
にするために、その抵抗ＲＡＩＩ）ＲＢｌｌｌ及びＲＡ
ＣｌＲＣＤとの電気接続を自由端１に形成されている引
き回し部１１ａ１．１１ａ２から２本の配線に分けて行
ってもよい。

（２）配線層１１ａは／ｌ蒸着膜等から成る配線部材で
あってもよい。

（３）半導体歪ゲージ９の数は限定される事なく、フル
ブリッジを構成する必要もない。

（４）半導体歪ゲージ９はダイヤフラム部７上に多結晶
シリコン等によって形成してもよい。

（５）ガード部４ａｌのない構成のカンチレバー型半導
体式加速度センサとしてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べた様に本発明によると、配線手段が自由端に達
しているので、ダイヤフラム部が破損した場合に、配線
手段あるいは半導体歪ゲージが必ず切断され、半導体式
加速度センサの出力信号は異常な値となり、ダイヤプラ
ム部が破損している事を容易にしかも確実に検知できる
という効果がある。

本発明の適用例として、自動車の加速度を検出し、アン
チスキッド制御に用いる事が考えられる。

もし、ダイヤフラム部の破損が検出できないとすると、
自動車が急制動しているにもかかわらず、半導体式加速
度センサの測定感度が低下する為にその状態に応じた信
号を出力できない。従って、自動車は非常に危険な状態
になる可能性がある。

しかし、本発明によると確実にダイヤフラム部の破損が
検出できるので、その際にはアンチスキッド制御を行わ
ずに通常のブレーキシステムに戻す事ができ、危険な状
態になる事はない。本発明はそういった意味から考えで
も非常に優れたものと言えよう。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の上面図、第１図（ｂ
］は同図＋ａ）におけるＡ−Ａ線断面図、第２図は第１
図における台座の斜視図、第３図は第１図におけるダイ
ヤフラム部を中心とした要部の拡大上面図、第４図ｔａ
＋は従来の半導体式加速度センサの部分的上面図、第４
図（ｂ）は同図（ａｌの側面図、第５図は異常信号を検
出する具体的な電気回路図、第６図は本発明の他の実施
例の要部の拡大上面図である。 １・・・自由端、４ａ・・・カンチレバー、６・・・台
座。 ７・・・ダイヤフラム部、８・・・支持体、９・・・半
導体歪ゲージ、１１ａ・・・配線層、１１ｂ・・・配線
部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　半導体基板に、半導体歪ゲージを有する薄肉状のダイ
   ヤフラム部及び厚肉部と、前記半導体歪ゲージに電気接
   続する配線手段とを形成し、一方の前記厚肉部を固定し
   、他方の前記厚肉部を自由端とした半導体式加速度セン
   サにおいて、 前記配線手段の少なくとも一部が前記自由端に延在して
   いる事を特徴とする半導体式加速度センサ。