JPH09113534A - Acceleration sensor - Google Patents
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- JPH09113534A JPH09113534A JP7299195A JP29919595A JPH09113534A JP H09113534 A JPH09113534 A JP H09113534A JP 7299195 A JP7299195 A JP 7299195A JP 29919595 A JP29919595 A JP 29919595A JP H09113534 A JPH09113534 A JP H09113534A
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- G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
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- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Drying Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は加速度を検出する加
速度センサーに係り、特に、シリコンマイクロマシンで
構成され、一つの加速度センサーで2軸以上の加速度成
分を検出する多軸加速度センサーに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor for detecting acceleration, and more particularly to a multi-axis acceleration sensor which is composed of a silicon micromachine and which detects acceleration components of two or more axes with one acceleration sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年では、1軸方向の加速度しか検出で
きなかった従来の加速度センサーに代わり、2軸、ある
いは3軸方向の加速度を検出できるセンサーが発表され
ている。そのような加速度センサーのうち、3軸方向の
加速度成分を検出できる3軸加速度センサーを、図10
に断面を示して説明する。2. Description of the Related Art In recent years, a sensor capable of detecting acceleration in two or three axes has been announced in place of a conventional acceleration sensor which can detect acceleration in only one axis. Among such acceleration sensors, a three-axis acceleration sensor that can detect acceleration components in three-axis directions is shown in FIG.
A cross section is shown in FIG.
【0003】図10(a)を参照し、102は3軸加速度
センサーであり、該3軸加速度センサー102は、円筒
形形状の台座104と、該台座104上に接着された円
形のシリコン基板105を有している。前記シリコン基
板105の中央底面には、パイレックスガラスから成る
円柱状のマス部107が接着されている。前記シリコン
基板105の厚みのうち、前記マス部107と前記台座
104とが接着されている間の領域は薄くされ、その薄
くされた領域で可撓部108が構成されており、この3
軸加速度センサー102に加速度が加わえられたとき
に、前記マス部107の重量によって前記可撓部108
に応力が加えられ、機械的に変形するように構成されて
いる。Referring to FIG. 10 (a), reference numeral 102 denotes a triaxial acceleration sensor. The triaxial acceleration sensor 102 has a pedestal 104 having a cylindrical shape and a circular silicon substrate 105 adhered onto the pedestal 104. have. A columnar mass portion 107 made of Pyrex glass is bonded to the central bottom surface of the silicon substrate 105. Of the thickness of the silicon substrate 105, a region where the mass portion 107 and the pedestal 104 are bonded is thinned, and the thinned region constitutes a flexible portion 108.
When acceleration is applied to the axial acceleration sensor 102, the weight of the mass portion 107 causes the flexible portion 108 to move.
It is configured to be mechanically deformed by being stressed.
【0004】該3軸加速度センサー102の平面図であ
る図10(b)に示すように、前記可撓部108表面に
は、前記シリコン基板105の中心を原点とするY軸上
の正の部分と負の部分に、ピエゾ抵抗素子Ry1、Ry2、
Ry3、Ry4が2つずつ設けられ、また、X軸上の負の部
分と正の部分ピエゾ抵抗素子Rx1、Rx2、Rx3、Rx4が
2つずつ設けられており、更に、前記X軸上の各ピエゾ
抵抗素子Rx1〜Rx4に近接してピエゾ抵抗素子Rz1、R
z2、Rz3、Rz4が平行配置されている。As shown in FIG. 10 (b), which is a plan view of the triaxial acceleration sensor 102, a positive portion on the Y-axis with the center of the silicon substrate 105 as the origin is formed on the surface of the flexible portion 108. In the negative part, the piezoresistive elements Ry 1 , Ry 2 ,
Two Ry 3 and Ry 4 are provided, and two negative and positive partial piezoresistive elements Rx 1 , Rx 2 , Rx 3 and Rx 4 on the X axis are provided, and further, The piezoresistive elements Rz 1 , Rx 1 and Rx 4 are arranged close to the piezoresistive elements Rx 1 to Rx 4 on the X-axis.
z 2 , Rz 3 and Rz 4 are arranged in parallel.
【0005】前記各ピエゾ抵抗素子Rx1〜Rx4と、前記
各ピエゾ抵抗素子Ry1〜Ry4と、前記各ピエゾ抵抗素子
Rz1〜Rz4によって3つの抵抗ブリッジを形成すると、
その抵抗ブリッジの示す抵抗値の変化状況は、前記3軸
加速度センサー102に加えられた加速度の向きと大き
さによって相違するので、各抵抗ブリッジの抵抗変化を
測定すれば、X、Y、Z軸の3軸方向の加速度成分を測
定することが可能となる。If three piezoresistive elements Rx 1 to Rx 4 , each piezoresistive element Ry 1 to Ry 4, and each piezoresistive element Rz 1 to Rz 4 form three resistance bridges,
The change state of the resistance value indicated by the resistance bridge differs depending on the direction and magnitude of the acceleration applied to the triaxial acceleration sensor 102. Therefore, if the resistance change of each resistance bridge is measured, the X, Y, and Z axes can be measured. It is possible to measure the acceleration components in the three axis directions.
【0006】しかしながら加速度の検出にピエゾ抵抗変
化を利用した場合には、検出値が温度の影響を受けやす
く、信頼性のある測定を行えない。また、用途によって
は、装置内に組み込まれている加速度センサーが正常に
動作しているか否かを試験する必要がある。そのために
は、静電気力等の力でマス部を所定量だけ移動させ、そ
のときの加速度センサーの出力を検出し、正常に動作し
ているか否かを判断したい。この場合、前記加速度セン
サー102では、前記マス部107が大型であって重
く、静電気力等で移動させることはやや困難である。However, when the piezo resistance change is used for detecting the acceleration, the detected value is easily influenced by the temperature, and reliable measurement cannot be performed. Further, depending on the application, it is necessary to test whether or not the acceleration sensor incorporated in the device is operating normally. For that purpose, it is desired to move the mass portion by a predetermined amount by a force such as an electrostatic force, detect the output of the acceleration sensor at that time, and judge whether or not it is operating normally. In this case, in the acceleration sensor 102, the mass portion 107 is large and heavy, and it is somewhat difficult to move it by electrostatic force or the like.
【0007】更にまた、前記シリコン基板105と前記
マス部107とは陽極接合法によって貼り合わされてい
るが、その貼り合わせ工程は複雑で工数が多いため、歩
留まりが低く、コスト高となっている。Furthermore, the silicon substrate 105 and the mass portion 107 are bonded together by the anodic bonding method, but the bonding process is complicated and requires a lot of man-hours, resulting in low yield and high cost.
【0008】そこで近年では、半導体素子製造プロセス
と同様のプロセスで製造できるシリコンマイクロマシン
構造の加速度センサーが提案されており、そのプロセス
によって製造できれば、低コストで製造することが可能
となる。Therefore, in recent years, an acceleration sensor having a silicon micromachine structure that can be manufactured by a process similar to the semiconductor device manufacturing process has been proposed, and if it can be manufactured by this process, it can be manufactured at low cost.
【0009】そしてシリコンマイクロマシン構造とすれ
ばピエゾ抵抗変化に代えて容量値変化で加速度を検出で
きるので、温度変化の影響がなく、また、静電気力等に
よって正常動作を確認できることから、トラクションコ
ントロールをはじめとして、自動車のエアバック制御の
ための衝突検知に用いたい等、高信頼性が要求される用
途に適用できることが期待されている。If the silicon micromachine structure is used, the acceleration can be detected by the change of the capacitance value instead of the change of the piezo resistance, so that there is no influence of the temperature change and the normal operation can be confirmed by the electrostatic force or the like. As such, it is expected to be applicable to applications requiring high reliability, such as being used for collision detection for air bag control of automobiles.
【0010】そのようなシリコンマイクロマシン構造の
加速度センサーの従来技術のものを説明する。平面図で
ある図11(a)を参照し、112は従来技術のシリコン
マイクロマシン構造の加速度センサーであり、該加速度
センサー112は、シリコン基板と、前記シリコン基板
上に固定された固定体と、前記シリコン基板や前記固定
体に対して移動可能な可動体と、前記可動体を前記固定
体に弾性保持させて前記可動体と前記固定体とを機械
的、電気的に接続する可撓体とで構成されている。A conventional acceleration sensor having such a silicon micromachine structure will be described. Referring to FIG. 11A, which is a plan view, 112 is a conventional acceleration sensor having a silicon micromachine structure. The acceleration sensor 112 includes a silicon substrate, a fixing body fixed on the silicon substrate, and A movable body that is movable with respect to the silicon substrate and the fixed body; and a flexible body that elastically holds the movable body on the fixed body to mechanically and electrically connect the movable body and the fixed body. It is configured.
【0011】前記加速度センサー112は、前記固定体
で構成され直線状に成形された固定腕部124a、12
4bを有しており、該固定腕部124a、124bには、
前記可動体で構成され直線状に成形された複数の固定電
極134a、134bがそれぞれ直角に接続され、該固定
電極134a、134bが動かないようにされている。The acceleration sensor 112 comprises fixed arms 124a, 12 formed of the fixed body and formed in a linear shape.
4b, the fixed arm portion 124a, 124b,
A plurality of linearly formed fixed electrodes 134a and 134b formed of the movable body are connected at right angles to each other so that the fixed electrodes 134a and 134b do not move.
【0012】前記各固定電極134aの間と前記各固定
電極134bの間には、前記可動体で構成され直線状に
成形されて成る可動電極135a、135bが、それぞれ
1つずつ平行に挿入さている。Between the fixed electrodes 134a and between the fixed electrodes 134b, movable electrodes 135a and 135b formed of the movable body and formed in a linear shape are inserted in parallel one by one. .
【0013】前記各固定電極134a、134bと前記各
可動電極135a、135bとは、それぞれ近接して対向
配置されており、電気導電性を有しているので、前記各
固定電極134a、134bと、それに対向配置された前
記各可動電極135a、135bで平行平板型コンデンサ
ー123a、123bが構成されている。前記各可動電極
135a、135bは前記可動体で構成される可動腕部1
26で連結されており、前記可動腕部126は、前記可
撓体で構成された可撓部1271、1272に電気的、機
械的に接続されているので、前記各平行平板型コンデン
サー123a、123bは並列接続されている。Since the fixed electrodes 134a, 134b and the movable electrodes 135a, 135b are arranged close to each other and face each other and have electrical conductivity, the fixed electrodes 134a, 134b are Parallel plate capacitors 123a and 123b are formed by the movable electrodes 135a and 135b, which are arranged opposite to the movable electrodes 135a and 135b. The movable electrodes 135a and 135b are movable arms 1 composed of the movable body.
Since the movable arm portion 126 is electrically and mechanically connected to the flexible portions 127 1 and 127 2 formed of the flexible body, the parallel arm capacitors 123a are connected to each other. , 123b are connected in parallel.
【0014】前記可撓部1271、1272は、前記固定
体で構成され矩形形状に成形されて成る保持部12
81、1282に接続され、該保持部1281、1282を
支点として前記可撓部1271、1272が前記可動電極
135a、135bを弾性支持する。そして、前記可撓部
1271、1272は、図11(b)に示すように、前記可
動電極135a、135bの中心軸線方向に変形しやすい
ように成形されいるので、前記可動電極135a、13
5bが前記固定電極134a、134bの間を出入りでき
るようにされている。The flexible portions 127 1 and 127 2 are holding portions 12 formed by the fixed body and formed in a rectangular shape.
8 1 and 128 2 , and the flexible portions 127 1 and 127 2 elastically support the movable electrodes 135a and 135b with the holding portions 128 1 and 128 2 as fulcrums. Since the flexible portions 127 1 and 127 2 are formed so as to be easily deformed in the central axis direction of the movable electrodes 135a and 135b as shown in FIG. 11B, the movable electrodes 135a and 13
5b can be moved in and out between the fixed electrodes 134a and 134b.
【0015】従って、図11(b)に示すように、前記加
速度センサー112に加速度が印加され、前記可動電極
135a、135bがその中心軸線方向にΔxだけ動か
された場合には、前記平行平板型コンデンサー123
a、123bの容量値が前記Δxの大きさに応じて変化す
るので、その変化量を検出すれば、前記中心軸線方向の
加速度成分を求めることが可能となる。Therefore, as shown in FIG. 11B, when acceleration is applied to the acceleration sensor 112 and the movable electrodes 135a and 135b are moved by Δx in the direction of the central axis thereof, the parallel plate type Condenser 123
Since the capacitance values of a and 123b change according to the magnitude of Δx, it is possible to obtain the acceleration component in the central axis direction by detecting the amount of change.
【0016】ところで、このこの加速度センサー112
は、図12(a)〜(f)に示すような製造プロセスで作ら
れており、その工程を説明すると、まず、この加速度セ
ンサー112の製造プロセスは、シリコン基板153上
にシリコン熱酸化膜を成膜することから開始される。By the way, this acceleration sensor 112
Is manufactured by a manufacturing process as shown in FIGS. 12A to 12F. To explain the process, first, in the manufacturing process of the acceleration sensor 112, a silicon thermal oxide film is formed on the silicon substrate 153. It starts with film formation.
【0017】前記シリコン基板153表面にシリコン熱
酸化膜154が成膜された後、その表面に窒化膜155
が成膜され(同図(a))、所定領域の窓開けがされた後、
表面に第1ポリシリコン層156が全面成膜される(同
図(b))。After the silicon thermal oxide film 154 is formed on the surface of the silicon substrate 153, the nitride film 155 is formed on the surface thereof.
Is formed ((a) in the figure), and after opening a window in a predetermined area,
A first polysilicon layer 156 is formed on the entire surface (FIG. 2B).
【0018】次に、前記第1ポリシリコン層の所望領域
に窓開けがされた後、PSG膜から成る絶縁層157が
全面成膜され(同図(c))、前記絶縁層157の所定領域
に窓開けがされた後、その表面に第2ポリシリコン層1
58が全面成膜され(同図(d))、前記第1ポリシリコン
層156上に直接前記第2ポリシリコン層158が形成
される。そして、前記第2ポリシリコン層158の所定
領域が窓開けされた後(同図(e))、選択性のある希フッ
酸液に浸漬されると、その窓開け部分から前記絶縁層1
57のエッチングが開始され、該絶縁層157は前記希
フッ酸液で除去される(同図(f))。Next, after opening a window in a desired region of the first polysilicon layer, an insulating layer 157 made of a PSG film is formed on the entire surface (FIG. 7C), and a predetermined region of the insulating layer 157 is formed. After the window is opened in the second polysilicon layer 1 on its surface
58 is deposited on the entire surface ((d) of the figure), and the second polysilicon layer 158 is directly formed on the first polysilicon layer 156. Then, after a predetermined region of the second polysilicon layer 158 is opened ((e) in the figure), it is immersed in a selective dilute hydrofluoric acid solution, and the insulating layer 1 is exposed through the opening.
The etching of 57 is started, and the insulating layer 157 is removed by the dilute hydrofluoric acid solution (FIG. 6 (f)).
【0019】前記第2ポリシリコン層158のうち、前
記第1ポリシリコン層156上に直接成膜されている部
分はエッチングされず、前記第2ポリシリコン層158
がシリコン基板に固定されている固定体165となり、
底面下の絶縁層157が除去された部分が可動体166
となる。該可動体166の底面下には、前記絶縁層15
7の厚さ分の隙間164が開けられている。A portion of the second polysilicon layer 158 which is directly formed on the first polysilicon layer 156 is not etched, and the second polysilicon layer 158 is not etched.
Becomes a fixed body 165 fixed to the silicon substrate,
The portion where the insulating layer 157 is removed under the bottom is the movable body 166.
Becomes The insulating layer 15 is formed below the bottom surface of the movable body 166.
A gap 164 having a thickness of 7 is opened.
【0020】このように、前記第2ポリシリコン層15
8をシリコンマイクロマシンの構造体として前記可動体
166と前記固定体165とを構成すれば、半導体素子
の製造プロセスと同様のシリコンマイクロマシン製造プ
ロセスが適用でき、加速度センサーを安価に大量生産で
きるようになる。As described above, the second polysilicon layer 15 is formed.
If the movable body 166 and the fixed body 165 are configured by using 8 as a structure of a silicon micromachine, the same silicon micromachine manufacturing process as the semiconductor device manufacturing process can be applied, and the acceleration sensor can be mass-produced at low cost. .
【0021】ところで、前記加速度センサー112の検
出精度を向上させたいときは、検出に用いるコンデンサ
ーの容量値を大きくすることが必要となる。上述の平行
平板型コンデンサー123a、123bでは、その容量
は、前記固定電極134a、134bと前記可動電極13
5a、135bの長さと厚みの積で決まる。By the way, in order to improve the detection accuracy of the acceleration sensor 112, it is necessary to increase the capacitance value of the capacitor used for detection. In the parallel plate capacitors 123a and 123b described above, the capacitance is the same as the fixed electrodes 134a and 134b and the movable electrode 13.
It is determined by the product of the length and the thickness of 5a and 135b.
【0022】しかしながら前記第2ポリシリコン層15
8はLPCVD法(減圧CVD法)で成膜されるため、膜
厚を厚くするのにも限度がある。従って、容量値を大き
くするためには平行平板型コンデンサーの数を増やさな
くてはならず、素子面積が大きくなってしまう。However, the second polysilicon layer 15
Since No. 8 is formed by the LPCVD method (low pressure CVD method), there is a limit in increasing the film thickness. Therefore, in order to increase the capacitance value, it is necessary to increase the number of parallel plate type capacitors, resulting in a large element area.
【0023】また、前記第2ポリシリコン層158に前
記マス部107と同様のマス部を形成し、そのマス部と
前記第1ポリシリコン層156との間の容量変化で加速
度を検出しようとすると、前記第2ポリシリコン層15
8は薄いため重量が少なすぎて、小さな加速度を検出す
ることは困難であり、そのためにはマス部の面積を非常
に大きくしなければならない。If a mass portion similar to the mass portion 107 is formed on the second polysilicon layer 158 and an acceleration is detected by a capacitance change between the mass portion and the first polysilicon layer 156. The second polysilicon layer 15
Since 8 is thin, its weight is too small to detect a small acceleration, and for that purpose, the area of the mass portion must be made very large.
【0024】更に、ポリシリコンは成膜後に残留応力が
生じるため反りが生じるという問題がある。しかも、ポ
リシリコンで構成した電極に電極間距離を縮める方向に
反りが生じた場合には電極同士がくっついてしまうとス
ティッキング現象を引き起こし、センサの信頼性を著し
く低下させてしまう。Further, there is a problem that polysilicon is warped because residual stress is generated after the film formation. Moreover, when the electrodes made of polysilicon warp in the direction of shortening the distance between the electrodes, if the electrodes stick to each other, a sticking phenomenon is caused and the reliability of the sensor is significantly reduced.
【0025】[0025]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたもので、その目的
は、シリコンマイクロマシン構造で構成され、多軸方向
の加速度成分を検出できる加速度センサーを提供するこ
とと、信頼性の高い加速度センサーを提供することにあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention was created in order to solve the disadvantages of the prior art described above, and its object is to form an acceleration sensor having a silicon micromachine structure and capable of detecting acceleration components in multiaxial directions. And to provide a highly reliable acceleration sensor.
【0026】[0026]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項1記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン
基板上に位置する犠牲層と、該犠牲層上に位置する構造
層とを有する加速度センサーであって、前記構造層がパ
ターニングされ、その底面下の犠牲層がエッチングによ
って除去された部分で可動体が形成され、前記可動体が
前記固定体に弾性支持され、底面下の犠牲層が残された
部分で固定体が形成され、前記可動体の側面と前記固定
体の側面とが平行に対向配置されて成るコンデンサーの
容量変化と、前記可動体と前記シリコン基板とで構成さ
れるコンデンサーの容量変化とを検出して加速度の向き
と大きさとを検出するようにされたことを特徴とし、In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 includes a silicon substrate, a sacrificial layer located on the silicon substrate, and a structural layer located on the sacrificial layer. An acceleration sensor having a structure in which a movable body is formed by patterning the structural layer and removing a sacrifice layer under the bottom surface of the sacrifice layer by etching, the movable body is elastically supported by the fixed body, and the sacrifice layer under the bottom surface is sacrificed. A fixed body is formed in a portion where the layer is left, and a capacitance change of a capacitor formed by arranging a side surface of the movable body and a side surface of the fixed body in parallel to each other, and the movable body and the silicon substrate. The change in the capacitance of the condenser is detected to detect the direction and magnitude of the acceleration,
【0027】請求項2記載の発明は、請求項1記載の加
速度センサーであって、前記可動体の側面と前記固定体
の側面とが対向配置されて成るコンデンサーを少なくと
も2個有し、前記2個のコンデンサーの電極面の法線が
互いに所定角度で交わるように配置されたことを特徴と
し、According to a second aspect of the present invention, there is provided the acceleration sensor according to the first aspect, wherein the acceleration sensor has at least two capacitors in which a side surface of the movable body and a side surface of the fixed body are arranged to face each other. Characterized in that the normals of the electrode surfaces of the capacitors are arranged so as to intersect each other at a predetermined angle,
【0028】請求項3記載の発明は、請求項1又は請求
項2のいずれか1項記載の加速度センサーであって、前
記シリコン基板は、2枚のシリコン単結晶基板表面に成
膜された酸化膜同士が密着されて直接接合法により接合
された基板から成り、前記犠牲層は前記酸化膜で構成さ
れ、前記構造層は前記直接接合法で接合された基板の一
方のシリコン単結晶基板表面が研磨されて形成されたこ
とを特徴とし、The invention according to claim 3 is the acceleration sensor according to claim 1 or 2, wherein the silicon substrate is an oxidation film formed on the surface of two silicon single crystal substrates. The sacrificial layer is composed of the oxide film, and the structural layer is formed by bonding the films to each other by a direct bonding method, and the structural layer is a silicon single crystal substrate surface of one of the substrates bonded by the direct bonding method. Characterized by being formed by polishing,
【0029】請求項4記載の発明は、請求項3記載の加
速度センサーであって、前記研磨の際、前記構造層の厚
みが3μm以上残るようにされたことを特徴とする。The invention according to claim 4 is the acceleration sensor according to claim 3, characterized in that the thickness of the structural layer remains at least 3 μm during the polishing.
【0030】このような本発明の構成によると、シリコ
ン基板上に犠牲層と構造層とがこの順で位置するように
されているので、前記構造層のパターニングと前記犠牲
層のエッチングとを行い、前記構造層の底面下の犠牲層
を除去した部分で可動体を構成させ、底面下の犠牲層を
残した部分で固定体を形成させることができる。According to the structure of the present invention, since the sacrificial layer and the structure layer are located in this order on the silicon substrate, the patterning of the structure layer and the etching of the sacrifice layer are performed. It is possible to form the movable body in a portion of the structural layer below the bottom surface where the sacrificial layer is removed, and to form the fixed body in a portion where the sacrifice layer below the bottom surface remains.
【0031】その場合、前記可動体の側面と前記固定体
の側面とが平行になるように対向配置させると平行平板
型のコンデンサーを構成でき、また、前記可動体と前記
シリコン基板とで平行平板型のコンデンサーを構成でき
る。前記コンデンサーを構成する可動体を前記固定体で
構成された支持部に弾性支持させると、前記加速度セン
サーに加速度が加えられた場合に、前記可動体と前記固
定体とで構成されるコンデンサーの容量値は、その可動
体側面に垂直な方向の加速度成分の大きさに応じて変化
し、前記可動体と前記シリコン基板とで構成されるコン
デンサーの容量値は、前記シリコン基板に対して垂直な
方向の加速度成分の大きさに応じて変化し、各コンデン
サーの容量値を測定すれば、加速度の向きと大きさとを
求めることが可能となる。In this case, a parallel plate type capacitor can be constructed by arranging the side surface of the movable body and the side surface of the fixed body so as to be parallel to each other, and the parallel plate is composed of the movable body and the silicon substrate. A type of condenser can be constructed. When the movable body that constitutes the condenser is elastically supported by the support portion that is constituted by the fixed body, the capacitance of the condenser formed by the movable body and the fixed body when acceleration is applied to the acceleration sensor. The value changes according to the magnitude of the acceleration component in the direction perpendicular to the side surface of the movable body, and the capacitance value of the capacitor composed of the movable body and the silicon substrate is the direction perpendicular to the silicon substrate. It is possible to determine the direction and magnitude of acceleration by measuring the capacitance value of each capacitor, which changes depending on the magnitude of the acceleration component of.
【0032】その場合、前記可動体と前記固定体とで構
成されるコンデンサーのうちの少なくとも2個が、その
電極面の法線が互いに所定角度で交わるように配置して
おくと、その2個のコンデンサーで別方向の加速度成分
を検出できるので、前記シリコン基板と前記可動体とで
検出される垂直方向の加速度成分と併せ、3軸加速度セ
ンサーを構成することが可能となる。In this case, if at least two of the capacitors composed of the movable body and the fixed body are arranged such that the normals of their electrode surfaces intersect at a predetermined angle, the two Since the acceleration component in the other direction can be detected by the condenser of 3, the triaxial acceleration sensor can be configured together with the acceleration component in the vertical direction detected by the silicon substrate and the movable body.
【0033】このような加速度センサーを作る際、2枚
のシリコン単結晶基板を用意し、それらの表面に成膜さ
れた酸化膜同士を密着させ、直接接合法によって1枚の
シリコン基板とするとその酸化膜で前記犠牲層を構成で
き、更に、接合された1枚のシリコン基板の表面を研磨
すると、その研磨された前記単結晶シリコン基板で前記
構造層を構成できる。When manufacturing such an acceleration sensor, two silicon single crystal substrates are prepared, and the oxide films formed on the surfaces thereof are brought into close contact with each other, and one silicon substrate is formed by the direct bonding method. The sacrificial layer can be composed of an oxide film, and further, when the surface of one bonded silicon substrate is polished, the structural layer can be composed of the polished single crystal silicon substrate.
【0034】研磨により構成された構造層は単結晶であ
るため、可撓部分の機械的劣化が少なく、また、所望厚
みの構造層が簡単に得られ、特に、LPCVD法では作
ることが困難な3μm以上の厚みにすることができる。
更に、前記構造層の厚みが一定であるため、平面形状を
調節するだけで、個々に感度を設定できるようになる。Since the structural layer formed by polishing is a single crystal, mechanical deterioration of the flexible portion is small, and a structural layer having a desired thickness can be easily obtained. In particular, it is difficult to form the structural layer by the LPCVD method. The thickness can be 3 μm or more.
Further, since the thickness of the structural layer is constant, the sensitivity can be individually set only by adjusting the planar shape.
【0035】[0035]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を用い
て説明する。図1は、本発明の最良の実施の形態である
加速度センサー2の平面図である。該加速度センサー2
は一つのシリコン基板10上に設けられた3つの加速度
検知素子12、22、32を有している。Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view of an acceleration sensor 2 which is the best mode of the present invention. The acceleration sensor 2
Has three acceleration sensing elements 12, 22, 32 provided on one silicon substrate 10.
【0036】前記3つの加速度検知素子12、22、3
2は、半導体素子の製造と同様のプロセスであるシリコ
ンマイクロマシン製造プロセスによって同時に形成され
ており、前記加速度検知素子12、22、32は、前記
シリコン基板10上に固定された固定体と、前記シリコ
ン基板10及び前記固定体に対して移動可能にされた可
動体と、前記可動体を前記固定体に弾性保持させて前記
可動体と前記固定体とを機械的、電気的に接続させる可
撓体とで構成されている。The three acceleration sensing elements 12, 22, 3
2 is formed at the same time by a silicon micromachine manufacturing process, which is a process similar to the manufacturing of a semiconductor element, and the acceleration sensing elements 12, 22, 32 are a fixed body fixed on the silicon substrate 10, and the silicon. A movable body that is movable with respect to the substrate 10 and the fixed body, and a flexible body that elastically holds the movable body on the fixed body to mechanically and electrically connect the movable body and the fixed body. It consists of and.
【0037】前記固定体、前記可動体、及び前記可撓体
が形成される工程を、前記加速度検知素子12、22、
32の製造プロセスに従って説明する。図5(a)〜(c)
に、シリコン単結晶をエッチングするためのマスクに用
いるアルミニウム薄膜が成膜されるまでの工程を示す。
図5(a)〜(c)を参照し、まず、表面にシリコン熱酸化
膜が成膜された2枚のシリコン単結晶基板50a、50b
を用意して、その表面のシリコン熱酸化同士を密着して
熱処理をし、直接接合法によって前記2枚のシリコン単
結晶基板50a、50bを接合して1枚のシリコン基板5
2を作る(図5(a))。The steps of forming the fixed body, the movable body, and the flexible body are performed by the acceleration sensing elements 12, 22,
It will be described according to the manufacturing process of 32. 5 (a)-(c)
The process up to the formation of an aluminum thin film used as a mask for etching a silicon single crystal is shown in FIG.
Referring to FIGS. 5 (a) to 5 (c), first, two silicon single crystal substrates 50a and 50b each having a silicon thermal oxide film formed on its surface are formed.
Of the silicon single crystal substrates 50a and 50b are bonded to each other by a direct bonding method.
Make 2 (Fig. 5 (a)).
【0038】次いで、前記シリコン基板52表面の前記
シリコン単結晶基板50bを、10μm程度の厚みにな
るまで研磨し、その研磨されたシリコン単結晶基板によ
って構造層54を構成する。Next, the silicon single crystal substrate 50b on the surface of the silicon substrate 52 is polished to a thickness of about 10 μm, and the polished silicon single crystal substrate constitutes the structural layer 54.
【0039】一方、裏面のシリコン単結晶基板は研磨せ
ず、もとの厚みのままでサブストレート53を構成す
る。2つのシリコン単結晶層の間にあるシリコン酸化膜
の厚みは約1μmであり、そのシリコン酸化膜により犠
牲層51を構成する(同図(b))。次いで、前記構造層5
4表面にアルミニウム薄膜55を真空蒸着法によって全
面成膜した(同図(c))。On the other hand, the silicon single crystal substrate on the back surface is not polished, and the substrate 53 is constructed with the original thickness. The thickness of the silicon oxide film between the two silicon single crystal layers is approximately 1 μm, and the silicon oxide film forms the sacrificial layer 51 (FIG. 2B). Then, the structural layer 5
An aluminum thin film 55 was formed on the entire surface by vacuum deposition (FIG. 4 (c)).
【0040】次に、前記アルミニウム薄膜55の全面成
膜後、オーミック層を形成するまでの工程を図6(d)〜
(g)に示し、そのオーミック層の形成後、犠牲層をエッ
チング除去するまでの工程を図7(h)〜(k)に示す。そ
の図6(d)〜(g)及び図7(h)〜(k)の左側の図は、図
1の加速度検知素子12のC−C線の断面に相当する部
分が形成される過程の断面を示したものであり、右側の
図は、図1中の加速度検知素子32のD−D線に相当す
る部分が形成される過程の断面を示したものである。Next, steps of forming the ohmic layer after forming the aluminum thin film 55 on the entire surface are shown in FIGS.
7G shows the steps from the formation of the ohmic layer to the removal of the sacrificial layer by etching, as shown in FIGS. 6 (d) to 6 (g) and 7 (h) to 7 (k) are shown on the left side of the process of forming a portion corresponding to the cross section of the acceleration sensing element 12 of FIG. The figure on the right side shows the cross section in the process of forming the portion corresponding to the line D-D of the acceleration sensing element 32 in FIG. 1.
【0041】図6(d)〜(g)を参照し、前記アルミニウ
ム薄膜55を全面成膜した後、フォトリソグラフ工程を
経て、前記アルミニウム薄膜55の所定領域をエッチン
グ除去して窓開け部57を形成する。除去せずに残した
ところでマスク部58を形成させ(同図(d))、CHFガ
スとSFガスとが7:3の割合で混合されたエッチング
ガスを用い、RIE法によって異方性ドライエッチング
を行い、前記窓開け部57から前記構造層54と前記犠
牲層51とを選択的に除去して前記構造層54のパター
ニングを行う(同図(e))。このとき、前記マスク部58
の底面下には前記構造層54と前記犠牲層51とが残さ
れている。Referring to FIGS. 6D to 6G, after the aluminum thin film 55 is formed on the entire surface, a predetermined region of the aluminum thin film 55 is removed by etching through a photolithography process to form a window opening 57. Form. A mask portion 58 is formed where it is left without being removed (FIG. 7D), and anisotropic dry etching is performed by RIE using an etching gas in which CHF gas and SF gas are mixed at a ratio of 7: 3. Then, the structural layer 54 and the sacrificial layer 51 are selectively removed from the window opening 57 to pattern the structural layer 54 (FIG. 8E). At this time, the mask portion 58
The structural layer 54 and the sacrificial layer 51 are left under the bottom surface of the.
【0042】前記サブストレート層53と前記構造層5
4とを構成するシリコン単結晶はp型であり、金属電極
とのオーミックコンタクトをとるため、前記マスク部5
8を除去して前記構造層54を表面に露出させ、p型の
ドーパントであるボロンをイオン注入又は熱拡散する
(同図(f))。そして、熱処理により拡散させて、前記サ
ブストレート層53と前記構造層54の表面に、それぞ
れp+のオーミック層63、64を形成した(図5
(g))。The substrate layer 53 and the structural layer 5
4 is a p-type silicon single crystal and has ohmic contact with the metal electrode.
8 is removed to expose the structure layer 54 on the surface, and boron, which is a p-type dopant, is ion-implanted or thermally diffused.
((F) of the same figure). Then, it is diffused by heat treatment to form p + ohmic layers 63 and 64 on the surfaces of the substrate layer 53 and the structure layer 54, respectively (FIG. 5).
(g)).
【0043】次に図7(h)〜(k)を参照し、前記オーミ
ック層63、64表面にレジスト65を塗布し(図7
(h))、所定部分を窓開けした後、蒸着法によってクロ
ム・白金薄膜66を形成する(同図(i))。そして、リフ
トオフ法によって、前記レジスト65と共に、該レジス
ト65上に形成された前記クロム・白金薄膜66を除去
する。前記レジスト65の窓開け部分に成膜された前記
クロム・白金薄膜66は残されており、前記オーミック
層63、64表面に、それぞれ金属電極73、74を形
成する(同図(j))。Next, referring to FIGS. 7H to 7K, a resist 65 is applied to the surfaces of the ohmic layers 63 and 64 (see FIG. 7).
(h)) After opening a predetermined portion of the window, a chromium / platinum thin film 66 is formed by a vapor deposition method ((i) in the same figure). Then, the chromium-platinum thin film 66 formed on the resist 65 is removed together with the resist 65 by a lift-off method. The chromium / platinum thin film 66 formed in the window opening portion of the resist 65 remains, and metal electrodes 73 and 74 are formed on the surfaces of the ohmic layers 63 and 64, respectively (FIG. 7 (j)).
【0044】前記金属電極73、74が形成されたシリ
コン基板をフッ酸緩衝液(BHF)に浸漬すると、前記構
造層54によって覆われていない前記犠牲層51の側面
のサイドエッチングが開始される。When the silicon substrate on which the metal electrodes 73 and 74 are formed is immersed in a hydrofluoric acid buffer solution (BHF), side etching of the side surface of the sacrificial layer 51 not covered with the structural layer 54 is started.
【0045】前記構造層54のパターニングの際、該構
造層54を幅広に形成したところと幅狭に形成したとこ
ろがあるため、このサイドエッチングの進行に伴い、あ
る範囲のエッチング時間では、前記構造層54を幅狭に
形成した部分の底面下では前記犠牲層51が完全に除去
でき、幅広に形成したところの底面下では前記犠牲層5
1を残すことができる。このため、適切に時間管理しな
がらサイドエッチングさせ、前記犠牲層51を除去した
部分で可動体69を構成し、残した部分で固定体68を
構成する。During the patterning of the structural layer 54, the structural layer 54 has a wide portion and a narrow portion. Therefore, with the progress of the side etching, the structural layer 54 has a certain etching time within a certain range. The sacrificial layer 51 can be completely removed under the bottom surface of the portion where 54 is formed narrow, and the sacrificial layer 5 is formed under the bottom surface of the portion where it is formed wide.
You can leave one. Therefore, the side body is appropriately etched for side etching to remove the sacrificial layer 51 to form the movable body 69, and the remaining portion to form the fixed body 68.
【0046】また、前記可動層69のうち、機械的な変
形を生じやすいような平面形状としたところで可撓体を
構成し、前記可動体69のうち、後述する可動電極とな
る部分やアーム部分は、前記可撓体で前記固定体68に
接続して保持させたので、前記可動体69は移動可能と
されているが、エッチングの際に前記シリコン基板53
から分離することはない。In the movable layer 69, a flexible body is formed when the movable layer 69 has a planar shape that facilitates mechanical deformation, and the movable body 69 has a movable electrode portion and an arm portion, which will be described later. Since the flexible body is connected to the fixed body 68 and held by the flexible body, the movable body 69 is movable, but the silicon substrate 53 is movable during etching.
Never separated from.
【0047】なお、前記構造層54と前記サブストレー
ト53を構成する単結晶のシリコンと、前記金属電極7
3、74を構成するクロム・白金薄膜はフッ酸ではエッ
チングされないので、前記金属電極73、74が剥離す
ることはない。The single crystal silicon forming the structure layer 54 and the substrate 53 and the metal electrode 7 are formed.
Since the chromium-platinum thin films constituting 3, 74 are not etched with hydrofluoric acid, the metal electrodes 73, 74 are not peeled off.
【0048】ところで、前記RIE法でのドライエッチ
ングによって、前記構造層54の側面は前記シリコン基
板53表面と垂直になるように形成されており、前記固
定体68の側面と前記可動体69の側面とを近接して対
向配置させると平行平板型コンデンサーを構成すること
ができる。By the way, by dry etching by the RIE method, the side surface of the structural layer 54 is formed to be perpendicular to the surface of the silicon substrate 53, and the side surface of the fixed body 68 and the side surface of the movable body 69. By arranging and in close proximity to each other, a parallel plate type capacitor can be constructed.
【0049】前記加速度検知素子12、22は、そのよ
うな構成の平行平板型コンデンサー11、21をそれぞ
れ6個ずつ有している。前記平行平板型コンデンサー1
1、21は、前記固定体68で構成され、直線状に成形
された固定電極18、28と前記可動体69で構成さ
れ、直線状に成形された可動電極19、29とを有して
おり、前記各平行平板型コンデンサー11は、前記可動
電極19と前記固定電極18とが近接して平行に配置さ
れて構成され、前記各平行平板型コンデンサー21は、
前記可動電極29と前記固定電極28とが近接して平行
に配置されて構成されている。Each of the acceleration detecting elements 12 and 22 has six parallel plate type capacitors 11 and 21 having such a structure. The parallel plate type condenser 1
Reference numerals 1 and 21 are composed of the fixed body 68, and have fixed electrodes 18 and 28 formed in a linear shape, and movable electrodes 19 and 29 formed of the movable body 69 and formed in a linear shape. The parallel plate type capacitors 11 are configured such that the movable electrode 19 and the fixed electrode 18 are closely arranged in parallel, and the parallel plate type capacitors 21 are
The movable electrode 29 and the fixed electrode 28 are arranged close to each other in parallel.
【0050】前記各固定電極18と前記各可動電極19
とは、互い違いになるように平行に配置されており、ま
た、同様に前記各固定電極28と前記各可動電極29
も、互い違いになるように平行に配置されており、従っ
て、一つの可動電極19、29の両側に2つの固定電極
18、28が配置されているが、加速度成分の符号を検
出できるように、一方の固定電極とだけ近接配置されて
前記平行平板型コンデンサー11、21が構成され、他
方の固定電極とは離間され、平行平板型コンデンサーを
構成しないようにされている。Each fixed electrode 18 and each movable electrode 19
Are arranged in parallel so as to be staggered, and similarly, the fixed electrodes 28 and the movable electrodes 29 are similarly arranged.
Are also arranged in parallel so as to be staggered, and therefore two fixed electrodes 18 and 28 are arranged on both sides of one movable electrode 19 and 29, respectively, so that the sign of the acceleration component can be detected. The parallel plate type capacitors 11 and 21 are arranged close to only one fixed electrode, and are separated from the other fixed electrode so that the parallel plate type capacitors are not formed.
【0051】そして、前記各可動電極19、29は、前
記可動体69で構成され直線状に成形されたアーム1
6、26にそれぞれ垂直に取り付けられて櫛状にされ、
また、前記各固定電極18、28は前記固定体68で構
成された外枠13、23にそれぞれ接続されているの
で、前記各平行平板コンデンサー11、12は並列接続
されており、前記各平行平板型コンデンサー11の電極
面(前記固定電極18の側面と前記可動電極19の側面)
の法線は同じ方向(ここではX軸方向)に向くように配置
され、前記各平行平板型コンデンサー21の電極面の法
線は、前記X軸と垂直なY軸方向を向くように配置され
ている。なお、平行平板コンデンサーの容量を測定する
ために外部端子と接続される金属電極74が、前記外枠
13、23表面上と、前記支持部143表面上に設けら
れている。The movable electrodes 19 and 29 are composed of the movable body 69 and are formed in a linear shape.
6 and 26 are attached vertically to form a comb,
Further, since the fixed electrodes 18 and 28 are connected to the outer frames 13 and 23 formed of the fixed body 68, the parallel plate capacitors 11 and 12 are connected in parallel, and the parallel plate capacitors are connected to each other. Type capacitor 11 electrode surface (side surface of the fixed electrode 18 and side surface of the movable electrode 19)
Are arranged so as to face the same direction (here, the X-axis direction), and the normals of the electrode surfaces of the parallel plate type capacitors 21 are arranged so as to face the Y-axis direction perpendicular to the X-axis. ing. A metal electrode 74 connected to an external terminal for measuring the capacitance of the parallel plate capacitor is provided on the surfaces of the outer frames 13 and 23 and the surface of the supporting portion 14 3 .
【0052】前記加速度検知素子12と加速度検知素子
22の断面の様子は同様であり、前記加速度検知素子1
2のA−A線断面図を図2(a)に、斜視図を図3に示
す。次に、前記加速度検知素子32を説明する。該加速
度検知素子32は、前記構造層54が矩形形状に成形さ
れて成る大面積のマス部33を有しており、その矩形形
状に成形したときに、同時に、該マス部33中に孔37
がアレイ状の配置で形成されており、該マス部33を構
成する前記構造層54に、幅広な部分が生じないように
されている。従って、前記犠牲層51をエッチングする
ときに、前記フッ酸緩衝液が前記孔37から侵入して、
前記マス部33の底面下にあった前記犠牲層51は全部
除去がされ、該マス部33を構成する前記構造層54
は、移動可能な前記可動体69を構成するようにされて
いる。The cross sections of the acceleration detecting element 12 and the acceleration detecting element 22 are similar to each other.
2A is a sectional view taken along line AA of FIG. 2 and FIG. 3 is a perspective view thereof. Next, the acceleration detecting element 32 will be described. The acceleration sensing element 32 has a large-area mass portion 33 formed by molding the structural layer 54 in a rectangular shape, and at the same time when forming the rectangular shape, a hole 37 is formed in the mass portion 33.
Are formed in an array arrangement so that the structural layer 54 forming the mass portion 33 does not have a wide portion. Therefore, when the sacrificial layer 51 is etched, the hydrofluoric acid buffer solution penetrates through the holes 37,
The sacrificial layer 51 under the bottom surface of the mass portion 33 is completely removed, and the structural layer 54 forming the mass portion 33 is removed.
Are configured to form the movable body 69 that is movable.
【0053】前記マス部33の周囲には、前記可動体6
9で構成され、L字形状に成形された可撓体351〜3
54が配置され、その一端が前記マス部33の四隅にそ
れぞれ直角に接続され、全体として、中央に前記マス部
33が位置した卍字形状になるように構成されている。The movable body 6 is provided around the mass portion 33.
Flexible body 35 1 to 3 formed of L-shape
5 4 is arranged, one end thereof respectively connected at right angles to the four corners of the mass portion 33, as a whole, the mass portion 33 in the center is configured to be swastika shape located.
【0054】前記可撓体351〜354の他端には、前記
固定体68から成り矩形形状に成形された支持部341
〜344が接続され、前記可撓体351〜354が、シリ
コン基板表面に対して垂直方向に撓めるようにされてい
る。この加速度検知素子32のB−B線断面図を図2
(b)に、斜視図を図4に示す。[0054] wherein the other end of the flexible member 35 1-35 4, the supporting portion 34 1 formed into a rectangular shape made of the fixing body 68
To 34 4 are connected, the flexible member 35 1-35 4 are as deflect in a direction perpendicular to the silicon substrate surface. 2 is a sectional view of the acceleration detecting element 32 taken along the line BB.
A perspective view is shown in FIG.
【0055】前記マス部33の底面下に位置した前記犠
牲層51は段差なく成膜され、その後全部除去されてい
るので、前記マス部33の底面と前記シリコン基板10
の表面とは平行になっており、該マス部33と前記シリ
コン基板10とを電極とし、除去された前記犠牲層51
の厚みを電極間隔とする平行平板型のコンデンサーが構
成されている。この平行平板型コンデンサーでは、前記
加速度センサー2に加速度が印加されると、前記可撓体
351〜354が撓み、前記マス部33が変位して電極間
隔が変わるので、その容量値は、前記シリコン基板10
に対して垂直方向の加速度成分の大きさに応じて変動す
る。この場合、前記マス部33に設けられた孔37の大
きさを変えることによりダンピングの影響を自由に設定
できる。Since the sacrificial layer 51 located below the bottom surface of the mass portion 33 is formed without any step and is removed thereafter, the bottom surface of the mass portion 33 and the silicon substrate 10 are removed.
Of the sacrificial layer 51 that is removed by using the mass portion 33 and the silicon substrate 10 as electrodes.
A parallel plate type capacitor having the thickness of the electrode as the electrode interval is configured. In this parallel plate capacitor, when acceleration is applied to the acceleration sensor 2, the flexible member 35 1-35 4 is deflected, since the distance between electrodes the mass portion 33 is displaced changes, the capacitance value, The silicon substrate 10
With respect to the vertical direction, it changes according to the magnitude of the acceleration component. In this case, the influence of damping can be freely set by changing the size of the hole 37 provided in the mass portion 33.
【0056】即ち、前記マス部33にあけられた前記孔
37は、前記犠牲層51をエッチングする以外にも、エ
ア・ダンピングをコントロールする目的にも使用され
る。前記孔37の数を変えるか、一つ当たりの面積を変
えることにより、前記マス部33が受けるダンピングの
影響を自由に設定することが可能である。これにより、
センサ自体の応答時間を制御する事が可能となり、ダン
ピングの影響を少なくすればより応答性のよいセンサと
することができる。また、ダンピングの影響を大きくす
る事により落下などの衝撃に対して強いセンサとする事
が可能である。That is, the holes 37 formed in the mass portion 33 are used not only for etching the sacrificial layer 51 but also for controlling air damping. By changing the number of the holes 37 or changing the area of each hole 37, it is possible to freely set the influence of the damping applied to the mass portion 33. This allows
It is possible to control the response time of the sensor itself, and if the influence of damping is reduced, it is possible to obtain a sensor with better response. Further, by increasing the effect of damping, it is possible to make the sensor strong against impact such as dropping.
【0057】前記加速度検知素子12では前記可撓部1
5a、15bが撓み、前記可動電極19がX軸方向に変位
したときに前記平行平板型コンデンサー11の容量値が
変化し、また、前記加速度検知素子22では前記可撓体
25a、25bが撓み、前記可動電極29がY軸方向に変
位したときに前記平行平板型コンデンサー21の容量値
が変化する。In the acceleration sensing element 12, the flexible portion 1
When the movable electrode 19 is displaced in the X-axis direction, the capacitance value of the parallel plate type capacitor 11 changes, and in the acceleration sensing element 22, the flexible members 25a and 25b bend, When the movable electrode 29 is displaced in the Y-axis direction, the capacitance value of the parallel plate type capacitor 21 changes.
【0058】従って、前記各加速度検知素子12、2
2、32の容量変化を検出すれば、X軸、Y軸、Z軸
(垂直方向)の3軸方向の加速度成分が検出でき、それに
よって加速度の向きと大きさを求めることが可能とな
る。Therefore, each of the acceleration sensing elements 12, 2
If the capacitance change of 2 and 32 is detected, X axis, Y axis, Z axis
Acceleration components in the three (vertical) directions can be detected, and thereby the direction and magnitude of acceleration can be obtained.
【0059】但し、本発明の加速度センサーはX、Y、
Z軸の3軸方向を検出することだけに限定されるもので
はない。例えば図8に示す加速度センサー82のよう
に、前記可動体69で可動電極を構成する際、比較的幅
が広い直線状に成形して重い可動電極87を作り、前記
可動電極87よりも幅が狭い直線状に成形して軽い可動
電極88を作り、この重さの違う2つの可動電極87、
88で、検出感度の異なる2種類の平行平板型コンデン
サーを構成することができる。However, the acceleration sensor of the present invention has X, Y,
The detection is not limited to the detection of three Z-axis directions. For example, like the acceleration sensor 82 shown in FIG. 8, when forming the movable electrode with the movable body 69, the movable electrode 69 is formed into a straight line having a relatively wide width to form a heavy movable electrode 87, and the width is wider than that of the movable electrode 87. A light movable electrode 88 is formed by forming a narrow linear shape, and two movable electrodes 87 having different weights are formed.
With 88, two types of parallel plate capacitors having different detection sensitivities can be configured.
【0060】その場合、検出感度の異なる2種類の前記
加速度検知素子83、84が、同じ方向(ここではX軸
方向)の加速度を検知するようにシリコン基板86上に
配置し、垂直方向の加速度成分を検出する加速度検知素
子85も同じ基板86に設けておけば、Z軸方向の加速
度を前記加速度検知素子85で検出すると共に、X軸方
向の微小な加速度を重い可動電極87を有する前記加速
度検知素子83で検出し、X軸方向の大G(衝撃)を前記
軽い可動電極88を有する前記加速度検知素子84で検
出することができる。In this case, the two types of acceleration detecting elements 83 and 84 having different detection sensitivities are arranged on the silicon substrate 86 so as to detect the acceleration in the same direction (here, the X-axis direction), and the acceleration in the vertical direction is set. If the acceleration detecting element 85 for detecting the component is also provided on the same substrate 86, the acceleration in the Z-axis direction is detected by the acceleration detecting element 85 and the minute acceleration in the X-axis direction is provided with the heavy movable electrode 87. A large G (impact) in the X-axis direction can be detected by the detection element 83, and can be detected by the acceleration detection element 84 having the light movable electrode 88.
【0061】更に、前記マス部33の面積を変えたもの
を複数設けておけば、Z軸方向の加速度の検出感度を異
ならせることも可能である。いずれの場合でも、静電気
で動かせる程度の重さであるので、可動電極とマス部は
静電気力で動かすことができ、加速度センサーが正常に
動作できるかどうかを試験することができる。Further, if a plurality of mass sections 33 having different areas are provided, it is possible to make the acceleration detection sensitivity in the Z-axis direction different. In any case, since the weight is such that it can be moved by static electricity, the movable electrode and the mass portion can be moved by electrostatic force, and it is possible to test whether the acceleration sensor can operate normally.
【0062】このように、本発明によれば、一つの基板
上に異なる感度の加速度検知素子を作ることが可能であ
るため、正面からの衝突だけではなく、側面からの衝突
に対しても搭乗者を保護しようとする、いわゆるサイド
・エアバッグシステムにおいて、衝撃吸収体であるボン
ネットの存在する前後方向で50G、衝撃吸収体のない
横方向で300Gという、方向と感度の組合せを要求さ
れる分野にも、一つの加速度センサーで対応することが
可能となる。更に、例えばエアバッグ・システム(正面)
と、ABSシステムと、サスペンション・コントロール
・システムとを搭載しようとした場合には、前後方向で
50Gと2G、上下方向で2Gの検出レベルの設定が求
められるが、本発明の加速度センサーによれば、簡単に
対応が可能である。As described above, according to the present invention, since it is possible to form acceleration detecting elements having different sensitivities on one substrate, it is possible to board not only a frontal collision but also a side collision. In a so-called side airbag system that seeks to protect people, a field that requires a combination of direction and sensitivity of 50 G in the front-rear direction where the hood, which is a shock absorber, exists and 300 G in the lateral direction without a shock absorber. Also, it becomes possible to deal with it with one acceleration sensor. Furthermore, for example, airbag systems (front)
When an ABS system and a suspension control system are mounted, it is required to set detection levels of 50G and 2G in the front-rear direction and 2G in the up-down direction. According to the acceleration sensor of the present invention, It is possible to respond easily.
【0063】また、前記可撓部15a、15bや前記可撓
部25a、25bは前記可動体54を直線状に成形して構
成したが、図9に示す加速度検知素子91のように、前
記可動体54を折り曲げて可撓部95a、95bを構成し
てもよく、その場合には可動電極99の幅を変えなくて
も、水平方向で種々の検出感度を有する加速度検知素子
を形成することができる。これら可撓部15a、15b、
25a、25b、35a。35b、95a、95bは加速度が
ゼロになると変形が止み、元の状態に復帰するが、単結
晶シリコンで構成されているため、繰り返し変形しても
劣化せず、長寿命で信頼性が高い。また、単結晶シリコ
ンは残留応力が少なく、反りが生じないのでスティキン
グ現象を引き起こさず、信頼性も高い。Although the flexible portions 15a and 15b and the flexible portions 25a and 25b are formed by linearly molding the movable body 54, the movable portions 54a and 25b can be moved like the acceleration detecting element 91 shown in FIG. The body 54 may be bent to form the flexible portions 95a and 95b. In that case, even if the width of the movable electrode 99 is not changed, acceleration detecting elements having various detection sensitivities in the horizontal direction can be formed. it can. These flexible portions 15a, 15b,
25a, 25b, 35a. When the acceleration becomes zero, the deformation of 35b, 95a, and 95b stops and returns to the original state. However, since they are made of single crystal silicon, they do not deteriorate even if repeatedly deformed, and have a long life and high reliability. Further, single crystal silicon has little residual stress and does not warp, so that it does not cause the sticking phenomenon and has high reliability.
【0064】なお、シリコン基板に対する水平方向の加
速度成分は、X軸方向とY軸方向を検出する組合せに限
定されるものではなく、加速度センサーが使用される移
動体の性質に応じ、直角以外の種々方向の加速度成分を
検出してもよい。また、上記実施の形態では、平行平板
型のコンデンサーを6個設けて加速度検知素子13、2
3を構成したが、その個数に限定されないことは言うま
でもない。The acceleration component in the horizontal direction with respect to the silicon substrate is not limited to the combination of detecting the X-axis direction and the Y-axis direction, but other than a right angle depending on the nature of the moving body in which the acceleration sensor is used. Acceleration components in various directions may be detected. Further, in the above-described embodiment, six parallel plate type capacitors are provided to provide the acceleration detection elements 13 and 2.
However, it is needless to say that the number is not limited to that.
【0065】[0065]
【発明の効果】基板に垂直な方向の加速度成分と基板に
水平な方向の加速度成分とを一つの加速度センサーで検
出することができる。その検出感度も複数レベルを容易
に設定できる。特にX、Y、Z軸の方向の加速度成分を
検出するように設定すると、3軸加速度センサーを構成
することができる。The acceleration component in the direction perpendicular to the substrate and the acceleration component in the direction horizontal to the substrate can be detected by one acceleration sensor. The detection sensitivity can be easily set to a plurality of levels. In particular, if the setting is made so as to detect the acceleration components in the directions of the X, Y, and Z axes, the triaxial acceleration sensor can be configured.
【0066】可撓体がシリコン単結晶で構成されている
ため、機械的劣化せず、疲労破壊しない。また、反りが
生じないのでスティキング現象を引き起こさず、信頼性
が高い。Since the flexible body is made of silicon single crystal, it does not undergo mechanical deterioration and does not undergo fatigue failure. Further, since no warpage occurs, the sticking phenomenon does not occur and the reliability is high.
【0067】更に、可動体の厚みが厚いので、面積を増
やさなくても検出感度の高い加速度センサーを構成で
き、また、可撓部が変形しやすいので、静電気力等で加
速度センサーの正常動作を確認することができる。Furthermore, since the movable body is thick, an acceleration sensor with high detection sensitivity can be constructed without increasing the area, and since the flexible part is easily deformed, normal operation of the acceleration sensor by electrostatic force or the like can be performed. You can check.
【0068】また、半導体素子の製造プロセスと同様の
シリコンマイクロマシン製造プロセズで量産できるの
で、加速度センサーの製造コストを低下させることが可
能となる。Further, since it can be mass-produced by the silicon micromachine manufacturing process similar to the semiconductor element manufacturing process, the manufacturing cost of the acceleration sensor can be reduced.
【図1】 本発明の最良の実施形態を示す平面図FIG. 1 is a plan view showing a best embodiment of the present invention.
【図2】 (a)図1のA−A線断面図 (b)図1のB−
B線断面図2 (a) is a sectional view taken along line AA of FIG. 1 (b) is B- of FIG.
B line cross section
【図3】 可動体と固定タイトで構成されるコンデンサ
ーの斜視図FIG. 3 is a perspective view of a condenser composed of a movable body and a fixed tight.
【図4】 可動体とシリコン基板とで構成されるコンデ
ンサーの斜視図FIG. 4 is a perspective view of a capacitor composed of a movable body and a silicon substrate.
【図5】 (a)〜(c):本発明の加速度検出センサーの
アルミニウム薄膜を成膜するまでの製造工程を説明する
ための図5 (a) to (c): Diagrams for explaining a manufacturing process up to forming an aluminum thin film of the acceleration detection sensor of the present invention.
【図6】 (d)〜(g):本発明の加速度検出センサーの
オーミック層を形成するまでの製造工程を説明するため
の図6 (d) to (g): Diagrams for explaining a manufacturing process up to formation of an ohmic layer of the acceleration detection sensor of the present invention.
【図7】 (h)〜(k):本発明の加速度検出センサーの
犠牲層をエッチング除去するまでの製造工程を説明する
ための図7 (h) to (k): Diagrams for explaining a manufacturing process until the sacrifice layer of the acceleration detection sensor of the present invention is removed by etching.
【図8】 本発明の他の実施の形態を説明するための図FIG. 8 is a diagram for explaining another embodiment of the present invention.
【図9】 可動体と固定体で構成されるコンデンサーの
他の例を示す平面図FIG. 9 is a plan view showing another example of a condenser composed of a movable body and a fixed body.
【図10】 (a)従来技術の3軸加速度センサーの断面
図 (b)その平面図10A is a sectional view of a conventional triaxial acceleration sensor, and FIG. 10B is a plan view thereof.
【図11】 (a)シリコンマイクロマシンで構成された
従来技術の加速度センサーの一例の平面図 (b)その動
作原理を説明するための図FIG. 11A is a plan view of an example of a conventional acceleration sensor composed of a silicon micromachine, and FIG. 11B is a diagram for explaining its operating principle.
【図12】 (a)〜(f):従来技術のシリコンマイクロ
マシンを製造するための工程を説明するための図12A to 12F are views for explaining steps for manufacturing a conventional silicon micromachine.
2、82……加速度センサー 10、53……シリコ
ン基板 50a、50b……シリコン単結晶基板 51……犠牲層 54……構造層 69、16、2
6……可動体 19、29、33、88、87……コンデンサーを構成
する可動体 15a、15b、25a、25b、351〜354、95a、
95b……可撓体 13、18、23、28、68、141〜144、241
〜244、341〜344……固定体2, 82 ... Acceleration sensor 10, 53 ... Silicon substrate 50a, 50b ... Silicon single crystal substrate 51 ... Sacrificial layer 54 ... Structural layer 69, 16, 2
Movable member 15a constituting the 6 ...... movable member 19,29,33,88,87 ...... condenser, 15b, 25a, 25b, 35 1 ~35 4, 95a,
95b ... Flexible body 13, 18, 23, 28, 68, 14 1 to 14 4 , 24 1
~ 24 4 , 34 1 ~ 34 4 ... Fixed body
フロントページの続き (72)発明者 久保田 智之 静岡県駿東郡小山町棚頭305番地 日本テ キサス・インスツルメンツ株式会社小山工 場内Front Page Continuation (72) Inventor Tomoyuki Kubota No. 305, Tanaga, Oyama-cho, Sunto-gun, Shizuoka Prefecture Japan Texas Instruments Co., Ltd. Koyama Factory
Claims (4)
置する犠牲層と、該犠牲層上に位置する構造層とを有す
る加速度センサーであって、 前記構造層がパターニングされ、その底面下の犠牲層が
エッチング除去された部分で可動体が形成され、底面下
の犠牲層が残された部分で固定体が形成され、 前記可動体が前記固定体に弾性支持され、 前記可動体の側面と前記固定体の側面とが平行に対向配
置されて成るコンデンサーの容量変化と、 前記可動体と前記シリコン基板とで構成されるコンデン
サーの容量変化とを検出して加速度の向きと大きさとを
検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ
ー。1. An acceleration sensor having a silicon substrate, a sacrificial layer located on the silicon substrate, and a structural layer located on the sacrificial layer, wherein the structural layer is patterned and a sacrificial layer under the bottom surface is formed. A movable body is formed in a portion where the layer is removed by etching, a fixed body is formed in a portion where the sacrificial layer under the bottom surface is left, the movable body is elastically supported by the fixed body, and the side surface of the movable body and the To detect the direction and magnitude of acceleration by detecting the capacitance change of a capacitor formed by the side surfaces of a fixed body arranged parallel to each other and the capacitance change of the capacitor composed of the movable body and the silicon substrate. Accelerometer characterized by having been
が対向配置されて成るコンデンサーを少なくとも2個有
し、 前記2個のコンデンサーの電極面の法線が互いに所定角
度で交わるように配置されたことを特徴とする請求項1
記載の加速度センサー。2. There is at least two capacitors in which a side surface of the movable body and a side surface of the fixed body are arranged so as to face each other, and normal lines of electrode surfaces of the two capacitors intersect each other at a predetermined angle. It has been arranged, The claim 1 characterized by the above
Acceleration sensor as described.
結晶基板表面に成膜された酸化膜同士が密着されて直接
接合法により接合された基板から成り、 前記犠牲層は前記酸化膜で構成され、 前記構造層は前記直接接合法で接合された基板の一方の
シリコン単結晶基板表面が研磨されて形成されたことを
特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の
加速度センサー。3. The silicon substrate comprises a substrate in which oxide films formed on the surfaces of two silicon single crystal substrates are in close contact with each other and bonded by a direct bonding method, and the sacrificial layer is composed of the oxide film. 3. The acceleration according to claim 1, wherein the structural layer is formed by polishing a surface of one of the silicon single crystal substrates of the substrates bonded by the direct bonding method. sensor.
m以上残るようにされたことを特徴とする請求項3記載
の加速度センサー。4. The thickness of the structural layer is 3 μm during the polishing.
The acceleration sensor according to claim 3, wherein the acceleration sensor is configured to remain for m or more.
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JP7299195A JPH09113534A (en) | 1995-10-23 | 1995-10-23 | Acceleration sensor |
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