JP3385699B2 - Acceleration sensor - Google Patents
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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１２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１１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１１
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、前記可動部から離れて前記基
板上に設けられるとともに、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、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】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【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】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【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。また、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。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【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】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
【００５４】
【００５５】
【００５６】
【００５７】
【００５８】なお、上記第１実施例から第３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。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor for detecting acceleration by closed loop control. In addition, its applications include, for example, suspension control used in automobiles and body control such as acceleration sensors for operating airbags for automobiles. 2. Description of the Related Art In recent years, ultra-compact semiconductor acceleration sensors formed on a semiconductor substrate have been developed.
One disclosed in Japanese Patent Publication No. 253657 / "Acceleration sensor" is known. This is because the beam 709 and the movable electrode 704 formed by etching as shown in FIG.
Substrate 702 having fixed electrodes 705 and 706 made of a conductive film.
03 are bonded together via an oxide film 708 or the like. The movable electrode 704 having the weight function is supported by the beam portion 709, and the gap between the movable electrode 704 and the fixed electrodes 705 and 706 changes according to the magnitude of the vertical acceleration acting on the movable electrode 704. That is, the capacitance of the gap changes in accordance with the acceleration acting on the detection unit, and the acceleration is detected by extracting the change to an external electronic circuit. In the case of such a three-layered acceleration sensor, there are roughly two types of methods for detecting acceleration. One is to detect the difference in capacitance between the upper electrode 705-movable electrode 704, movable electrode 704-lower electrode 706 by an external circuit and output acceleration, and the other is to detect the upper electrode 705-movable electrode A voltage is applied between the movable electrode 704, the movable electrode 704, and the lower electrode 706 so that the movable portion is not displaced, and a difference in the applied voltage (or force) is detected by an external circuit to output acceleration. The latter control detection method is called closed-loop control detection, and can detect acceleration with high sensitivity and high accuracy. FIG. 11 shows a typical thin-film electrostatic capacitance type acceleration sensor using surface micromachining. This is formed by forming an insulating film 104 made of SiO 2, SiN, or the like on the silicon substrate 101 and then etching it while leaving the end of the film. Then, the movable electrode 102 and the beam 105 made of polysilicon having a double-supported beam structure or other metal-based or oxide-based materials are formed on the insulating film 104 so as to be cross-linked. The lower electrode 103 is formed by ion implantation or a conductive film on a substrate. For the acceleration, the capacitance between the movable electrode 102 and the lower electrode 103 is usually detected by an external circuit. [0005] However, FIG.
In the case of an acceleration sensor having a thin film structure using surface micromachining as shown in (1), it is difficult to form a three-layer structure in which a counter electrode is provided at a very small distance above the movable electrode 102, thereby making it difficult to perform closed-loop control. There is a problem that detection is difficult. The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an acceleration sensor capable of detecting acceleration with high sensitivity and high accuracy by closed-loop control. In particular, it is an object of the present invention to provide an acceleration sensor having a thin film structure and capable of performing closed loop control. [0007] In order to solve the above-mentioned problems, the acceleration sensor according to the first aspect of the present invention comprises a substrate, and a movable portion disposed on the substrate and having a beam structure. A displacement detection unit that detects a displacement when the movable unit receives acceleration by an electrical change, at least one movable electrode for displacement control provided in the movable unit and movable together with the movable unit, Away from the group
Provided on a plate, and
Opposes the displacement control movable electrode in the direction of
Position, applying a holding voltage to the displacement-controlling movable electrode and attracting the movable portion by electrostatic force to keep the movable portion and the substrate at a substantially constant distance. A fixed electrode for displacement control, and holding voltage control means for controlling the increase or decrease of the holding voltage so as to cancel the change in the detection output of the displacement detecting means due to acceleration. It is characterized in that it is detected. According to the first aspect of the present invention, when the movable portion is displaced by acceleration, the displacement detecting means detects the displacement. Output as an electrical change. The holding voltage control means increases or decreases the magnitude of the holding voltage applied between the displacement control movable electrode and the displacement control fixed electrode so as to cancel the electrical change in accordance with the detection output of the displacement detection means. The electrostatic force acting between the displacement control movable electrode and the displacement detection fixed electrode is changed. That is, the holding voltage control means controls the increase or decrease of the holding voltage so as to cancel the displacement of the movable portion, and keeps the distance between the substrate and the movable portion substantially constant. Then, the acceleration applied to the movable portion is detected by detecting the holding voltage applied by the holding voltage control means. According to the first aspect of the present invention, at least one displacement provided in the movable portion and movable together with the movable portion. Displacement that is provided near the movable electrode for control and the movable part for displacement control on the substrate, and that applies a holding voltage between the movable electrode for displacement control and attracts by electrostatic force to keep the movable part at a fixed distance from the substrate A fixed electrode for control is provided, and closed-loop control is enabled by increasing or decreasing the holding voltage so as to cancel the change in the detection output of the displacement detecting means due to acceleration. An acceleration sensor having a thin film structure capable of detection can be obtained. Also, fixed electrodes for displacement control
In the direction intersecting the movable direction of the movable part.
Because it is located at the position facing the movable electrode
Movable electrode for displacement control and displacement control even when the moving part is greatly displaced
Contact with the fixed electrode for
Failure of the holding voltage control circuit can be prevented. Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples. (First Embodiment) FIG. 1 is a perspective view showing a detecting section of a sensor according to a first embodiment of the present invention. Silicon substrate 10
An insulating film 10 made of SiO 2 or SiN or the like
4, a movable electrode 102 for displacement detection (corresponding to a movable electrode for displacement detection, hereinafter referred to as a movable electrode 102), a beam 10
5 is formed. The insulating film 104 is etched leaving the end of the structure as shown in FIG. 1, and the movable electrode 102 and the beam portion 105 having a double-supported beam structure are formed on the insulating film 104 so as to be bridged. This etching is called sacrifice layer etching, and the movable electrode 102 and the beam portion 105 are not etched, and an etchant that selectively etches the insulating film 104 as the sacrifice layer is used. The movable electrode 102 and the beam 105 supporting the movable electrode 102 are made of polysilicon or other metal or oxide material. Also, the lower fixed electrode 10 for displacement detection
3 (corresponding to a fixed electrode for detecting displacement, hereinafter the lower electrode 103)
Is formed by ion implantation or a conductive film on the silicon substrate 101. These movable electrodes 102
And the fixed electrode 103 form a capacitor. The displacement of the movable electrode 102 due to acceleration is
2. It can be obtained from the capacitance of the capacitor between the lower electrodes 103. The movable electrode 102 has a movable electrode 107 for displacement control (corresponding to a movable electrode for displacement control.
07), and on the substrate 101, a displacement control fixed electrode 106 (corresponding to a displacement control fixed electrode, which is opposed to the movable electrode 107 with a certain distance therebetween). An electrode 106) is provided.
The fixed electrode 106 and the movable electrode 107 are the movable electrode 1
02 to the neutral position (state G without acceleration)
= 0) or return to a fixed position. Further, fixed electrode 106 and movable electrode 107
It is not always best to arrange the four pairs as shown in FIG. 1, but an arrangement that is vertically and horizontally symmetrical with respect to the movable electrode 102 is good from a mechanical standpoint. This is for controlling the movable electrode 102 to be displaced as parallel as possible with respect to the lower electrode 103 because of the capacitance type detection as shown in FIG. However, the arrangement of the fixed electrode 106 and the movable electrode 107 pair is not necessarily limited to the above. Further, the displacement detecting movable electrode 102 and the displacement controlling movable electrode 107 may be grounded in common as shown in FIG. 4, but in this case, the displacement detecting voltage and the movable electrode 106 driving , There is a difference of one or two digits, so that the voltage for driving the movable electrode 107 may affect the displacement detection circuit. As one method for avoiding this, a wiring for driving the movable electrode 107 and a wiring for detecting the capacitance are separately provided on the movable electrode 102, and the detection and control of both are performed by separate wirings. Accordingly, the capacitance can be detected with higher accuracy. Further, since the above-described acceleration sensors are all manufactured by the IC process itself and by diversion,
The structure of the sensor can be formed during the manufacturing process, and the integration of the circuit can be extremely easily performed. Next, the operation of the acceleration sensor will be described. FIG. 2 is an enlarged cross section of the fixed electrode 106 and the movable electrode 107 for displacement control in FIG.
FIG. 3 shows a simple detection circuit of the acceleration sensor. When an acceleration G is applied to the acceleration sensor upward as shown in FIG. 2A, that is, on the opposite side of the substrate, the displacement detecting movable electrode 102 and the displacement control movable electrode 107 provided in FIG. Displace to the side. Then, the capacitance C between the movable electrode 102 and the lower electrode 103 in the displacement detection electrode unit 402 changes to C + ΔC. This capacitance C + ΔC is used as the capacitance detection circuit 407 shown in FIG.
(Corresponding to displacement detecting means), and the detected value is input to a displacement control circuit 408 (corresponding to holding voltage control means).
In the displacement control circuit 408, the movable electrode 10
A displacement control voltage 410 is generated in the displacement control electrode portion 401 so that 2 returns to the neutral position. Fig. 2
-2, the movable electrode 107-the fixed electrode 106a,
b, an electrostatic attraction F is generated between the movable electrode 107 and the movable electrode 107 as shown in FIG.
To return to the neutral position. Movable electrode 107
Returns to the neutral position, the displacement control voltage 410 is input from the displacement control circuit 408 to the signal processing circuit 409. Then, the displacement control voltage 410 input in the signal processing circuit 409
Is converted into an acceleration signal and output. As shown in FIG. 4, FIG. 5, and FIG.
Can be divided into two. In a method of controlling in the vicinity d 0 is set between the movable electrode distance at the time of film formation (FIG. 4 in region 1) and one lower as in Fig. 6 - - One bottom as in Figure 5 the movable electrode between the gap d 0 value less than d 1 as the neutral position, a method of controlling in the vicinity d 1 (FIG. 4 in region 2). The latter method is an effective method for improving sensitivity and measuring a small acceleration by adding a weight to the movable electrode 102. FIG. 7 shows a flowchart of the former simple control example. This increases the voltage between displacement controlling fixed electrode 106- movable electrode 107 to the distance d between the lower electrode 103 - movable electrode 102 of FIG. 1 d 0, d = d 0
Then, the voltage between the fixed electrode 106 and the movable electrode 107 at that time is converted into acceleration and output. Here, when the voltage between the fixed electrode 106 and the movable electrode 107, that is, the displacement control voltage 410 shown in FIG. 3 is increased, the electrostatic attractive force F becomes larger than the acceleration G, and the movable electrode 102 is displaced even if it receives the acceleration. In some cases, the displacement control circuit unit 408 needs to lower the displacement control voltage 410 to check whether the movable electrode 102 is displaced. FIG. 8 shows a flowchart of the latter simple control example. This corresponds to the lower electrode 103- in FIG.
The between movable electrode 102 a distance where to increase or decrease the between the movable electrode driving fixed electrode 106- movable electrode 107 voltage to the d 1, became gap d = d1, the fixed electrode 106
-Convert the voltage between the movable electrodes 107 into acceleration and output it. As described above, according to the present embodiment, the fixed electrode for displacement control and the movable electrode are provided on the movable electrode for displacement detection on the substrate, respectively, and are controlled in the transverse direction to the movable direction of the movable portion. Therefore, even if the movable electrode of the displacement detection unit is displaced without applying the three-layer structure, a voltage is applied between the movable electrode for displacement control and the fixed electrode so as to return the movable electrode to the neutral position.
High-sensitivity and high-accuracy acceleration detection by closed-loop control, such as obtaining the acceleration from the voltage value, is also possible in the thin film acceleration sensor. In this embodiment, since the change in the capacitance is detected and output as the displacement of the movable electrode 102, no extra sensor or the like is added for detecting the displacement of the movable electrode 102. In addition, the fixed electrode 106 is
2, the movable electrode 107 is disposed at a position facing the movable electrode 107 in a direction intersecting the movable direction. It is possible to prevent the displacement control circuit 408 from failing due to a short circuit. Then, the capacitance of the capacitor decreases as the displacement of the movable electrode 102 increases, and the displacement control circuit 408 increases the displacement control voltage 410 in accordance with the decrease in the capacitance of the capacitor. The circuit 407 can accurately detect the distance between the movable electrode 102 and the silicon substrate 101.
Since the movable electrode 102 is supported above the silicon substrate 101 by a doubly-supported portion at a predetermined interval, the movable electrode 102 can always be moved in parallel with the silicon substrate 101. Thus, the capacitance detection circuit 407 can accurately detect the distance between the movable electrode 102 and the silicon substrate 101, and can obtain a thin-film acceleration sensor capable of detecting acceleration with high sensitivity and high accuracy. (Second Embodiment) Next, an acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the sensing method of the displacement detection unit is different. FIG. 9 shows a perspective view of the acceleration sensor of the present embodiment. In the embodiment shown in FIG. 1, the displacement of the movable electrode 102 is measured by the capacitance between the movable electrode 102 and the lower electrode 103 to perform the closed loop control. In the second embodiment shown in FIG. A strain gauge 508 (corresponding to a displacement detecting means) is formed on the beam section 105 supporting the movable section 502, and the displacement of the movable electrode 102 is detected based on a change in resistance of the strain gauge 508, as in the first embodiment. By controlling the movable electrode 107 and the fixed electrode 106 at the same time, the same effect can be obtained. (Third Embodiment) Next, a third embodiment will be described. The difference between the present embodiment and the first embodiment lies in that the sensing method of the displacement detector is different. FIG. 10 shows a perspective view of the acceleration sensor of the present embodiment. In the sensing section of the third embodiment shown in FIG. 10, the applicant of the present invention has previously filed Japanese Patent Application No.
No. 305708 describes a gate electrode 608, a source 609a, and a drain 6 of a transistor type detection unit.
09b are provided on the movable portion 602 and the substrate 101, respectively. When acceleration is applied to the movable portion 602 and the movable portion 602 is displaced, the gate electrode 608 is also displaced. This gate electrode 608
Since the current flowing between the source 609a and the drain 609b changes due to the displacement, the displacement of the gate electrode 608 provided on the movable portion 602 can be detected by measuring this current, as in the first embodiment. Movable electrode 10
The same effect can be obtained by performing control using the fixed electrode 6 and the fixed electrode 107. In this embodiment, as in the first and second embodiments, since the fixed electrode 106 is disposed at a position facing the movable electrode 107 in a direction intersecting the movable direction of the movable electrode 102, the movable electrode is Even if the displacement is large, it is possible to prevent the fixed electrode 106 and the movable electrode 107 from coming into contact with each other and being damaged, or the displacement control circuit 408 from being broken due to an electrical short circuit. Further, as a displacement detecting means, an extra sensor or the like is added for detecting the displacement of the movable electrode to detect a change in the amount of current flowing between the source and the drain of the transistor and to output it as the displacement of the movable electrode 102. It is possible to obtain an acceleration sensor having a thin film structure capable of detecting acceleration with high sensitivity and high accuracy by closed-loop control without performing. Since the movable electrode 102 is supported above the silicon substrate 101 by a doubly supported beam at a predetermined interval,
The movable electrode 102 can always be moved in parallel with the silicon substrate 101. As a result, the distance between the movable electrode 102 and the silicon substrate 101 can be accurately detected, and an acceleration sensor having a thin film structure capable of detecting acceleration with high sensitivity and accuracy can be obtained. The following is an example of the structure of the first embodiment of the present invention. In each of the first to third embodiments , the size of each electrode (fixed / movable electrode for detecting displacement and fixed / movable electrode for controlling displacement) and the size of each impurity diffusion layer are described. The position is not limited to the position shown in the embodiment, and the configuration can be arbitrarily changed. Further, in the above-described embodiment, the description has been given using the movable portion semiconductor acceleration sensor in which the beam portion, the mass, the gate electrode, and the like are integrated, but in the present invention, the movable portion is held by the beam portion, and the movable portion is Any structure may be used as long as it has a means for detecting a displacement upon receiving an acceleration based on an electrical change.For example, a movable portion may be formed by electrically separating a movable electrode for detecting displacement and a movable electrode for controlling displacement. May be provided, the beam-shaped portion and the movable portion may have different configurations, or the number of beam-shaped portions may be four or more (three or less). Also, the control methods shown in FIGS. 3 to 8 are not limited to the configuration shown in the drawings, and the holding voltage is controlled so as to cancel the change in the detection output of the displacement detecting means (capacitor, MISFET, etc.) due to the acceleration. Any configuration may be used as long as the circuit can control the increase and decrease of. Further, the present invention is not limited to a semiconductor acceleration sensor using a semiconductor substrate, for example, a conductive plate member provided on an insulating substrate,
The present invention can also be applied to an acceleration sensor other than a semiconductor in which a movable electrode is provided on the upper portion and displacement is detected by capacitance therebetween.
【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】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１２】 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 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view of an acceleration sensor according to a specific embodiment of the present invention. FIG. 2 is an electrode sectional view of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is an acceleration detection circuit of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a feedback control area of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a sectional view of a displacement control electrode according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a sectional view of a displacement control electrode according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a feedback flowchart of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a feedback flow chart of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 9 is a perspective view of an acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a perspective view of an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention. FIG. 11 illustrates a typical surface micromachining technology.
FIG. 3 is a perspective view of a capacitance type acceleration sensor used. FIG. 12 is a sectional view showing a conventional semiconductor acceleration sensor.
FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Substrate 102 Displacement detection movable electrode 103 Lower displacement detection fixed electrode 104 Insulating film 105 Beam 106 Displacement control fixed electrode 107 Displacement control movable electrode
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−253657（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−278464（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−25764（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−14877（ＪＰ，Ｂ１) 欧州特許出願公開194953（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/84 G01P 15/13 G01C 19/56 G01P 9/04 Continuation of the front page (56) References JP-A-1-253657 (JP, A) JP-A-4-27864 (JP, A) JP-A-4-25764 (JP, A) JP-B-48-14877 (JP) , B1) European Patent Application Publication 194953 (EP, A1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/84 G01P 15/13 G01C 19/56 G01P 9/04
Claims (1)
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、前記可動部から離れて前記基板上に設けられるととも
に、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、 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。(57) Claims 1. A substrate, a movable portion disposed on the substrate and having a beam structure, and a displacement when the movable portion receives acceleration is detected by an electrical change. A displacement detection unit, at least one movable electrode for displacement control provided in the movable unit and movable with the movable unit, and provided on the substrate apart from the movable unit.
In the direction intersecting the movable direction of the movable part,
It is disposed at a position facing the displacement control movable electrode, and substantially applies a holding voltage between the displacement control movable electrode and the electrostatic force to attract the movable portion, thereby substantially forming a gap between the movable portion and the substrate. A fixed electrode for displacement control that is intended to be kept at a constant distance; and a holding voltage control means that controls the increase or decrease of the holding voltage so as to cancel a change in the detection output of the displacement detection means due to acceleration. An acceleration sensor, wherein acceleration is detected from a change value of a holding voltage.
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