JP2006119002A - Angular velocity detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高い検出感度で2軸方向の角速度の同時検出が可能なマイクロ電気機械システム(MEMS)構成の角速度検出装置に関するものである。 The present invention relates to an angular velocity detection device having a micro electro mechanical system (MEMS) configuration capable of simultaneously detecting angular velocities in two axial directions with high detection sensitivity.
角速度検出装置のようなアクティブセンサをマイクロ電気機械システム(MEMS)で構成する場合、振動子を何らかの力で駆動させる必要があり、静電力やローレンツ力を用いた駆動方式の角速度検出装置が一般的には知られている(例えば、特許文献1参照。)。 When an active sensor such as an angular velocity detection device is configured by a micro electro mechanical system (MEMS), it is necessary to drive the vibrator with some force, and a drive type angular velocity detection device using electrostatic force or Lorentz force is common. (For example, refer to Patent Document 1).
特に、ローレンツ力を駆動力に用いた角速度検出装置の振動子においては、プロセスのコンタミネーションなどの理由で、振動子やそれを支えるバネを形成してから、振動子を駆動させるための駆動電極の形成を行うことが多い。そのため、図14(1)に示すように、駆動電極308により発生される駆動力Fが振動子301上部に作用して、図14(2)に示すように、本来、振動子301を動かしたい並進運動方向(矢印ア方向)とは垂直方向の軸周りの回転運動(矢印イ方向)を誘発し、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅が得られないことがあった。
In particular, in the vibrator of the angular velocity detection device using the Lorentz force as the driving force, the drive electrode for driving the vibrator after forming the vibrator and the spring supporting the vibrator for the purpose of process contamination. Is often formed. Therefore, as shown in FIG. 14 (1), the driving force F generated by the
解決しようとする問題点は、本来動かしたい並進運動方向とは垂直方向の軸周りの回転運動が誘発されるために、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅等が得られない点である。 The problem to be solved is that the drive vibration mode, the drive frequency, the drive amplitude, etc. of the design cannot be obtained because a rotational motion around the axis perpendicular to the translational motion direction to be originally moved is induced. .
本発明は、基板と、前記基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な振動子と、前記振動子を一定の励振方向に振動させる磁性体と、前記振動子に設けられた電極とを備えた角速度検出装置において、前記電極は、前記磁性体の磁力線と前記電極を流れる電流とにより発生する力の方向と、前記振動子および前記電極からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されていることを最も主要な特徴とする。 The present invention includes a substrate, a support portion provided on the surface of the substrate, a support elastic body having one end connected to the support portion, and a floating state with a certain distance from the substrate surface. A vibrator supported on the other end of the supporting elastic body and displaceable with respect to the substrate, a magnetic body that vibrates the vibrator in a constant excitation direction, and an electrode provided on the vibrator In the angular velocity detection device provided, the electrode is located at a position where a direction of a force generated by a magnetic force line of the magnetic body and a current flowing through the electrode coincides with a center of gravity of the vibrator system including the vibrator and the electrode. The main feature is that it is arranged.
本発明の角速度検出装置は、電極は、磁性体の磁力線と電極を流れる電流とにより発生する力の方向と、振動子および電極からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されているため、振動子系の重心周りに回転方向の振動を発生することなく、並進運動を起こすことができるので、振動子は安定した並進運動をすることができる。このため、振動ノイズを低減することができるので、高感度なセンサ素子、アクチュエータとなる角速度検出装置を提供することができるという利点がある。 In the angular velocity detection device of the present invention, the electrode is disposed at a position where the direction of the force generated by the magnetic force lines of the magnetic material and the current flowing through the electrode coincides with the center of gravity of the vibrator system including the vibrator and the electrode. Therefore, since the translational motion can be caused without generating a vibration in the rotational direction around the center of gravity of the transducer system, the transducer can perform a stable translational motion. For this reason, since vibration noise can be reduced, there exists an advantage that the angular velocity detection apparatus used as a highly sensitive sensor element and actuator can be provided.
角速度検出装置の振動子系に回転方向の振動を発生させることなく並進運動をさせるという目的を、振動子に対する電極の配置位置を工夫することで、新たな部品の付加をすることなく実現した。 The purpose of translating the vibrator system of the angular velocity detection device without causing vibration in the rotational direction was realized without adding new parts by devising the arrangement position of the electrodes with respect to the vibrator.
本発明の角速度検出装置に係る第1実施例を、図1の概略構成断面図によって説明する。 A first embodiment of the angular velocity detection device according to the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
図1に示すように、角速度検出装置1は、基板10と、基板10の表面に設けられた支持部12−1、12−2と、支持部12−1、12−2に一方端が接続された支持弾性体13−1、13−2と、上記基板10の表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で上記支持弾性体13−1、13−2の各他方端に支持されたもので、上記基板11に対して変位可能な振動子11と、振動子11を一定の励振方向に振動させる磁性体14と、上記振動子11の一方側に絶縁膜16を介して設けられた電極15とを備えたものである。上記電極15は上記振動子11の一側方に形成された掘り込み部11S上に形成されている。そして上記電極15は、上記磁性体14の磁力線Mと電極15を流れる電流(電流は図面に対して垂直方向に流れる)とにより発生する力(ローレンツ力)Fの方向と、上記振動子11および上記電極15からなる振動子系の重心Gとが一致する位置に配置されている。したがって、上記条件を満足するように、上記掘り込み部11Sの深さと上記電極15の厚さ等が決定される。
As shown in FIG. 1, the angular
次に、上記実施例1の構成の角速度検出装置1について、有限要素法を用いて、振動の形態をシミュレーションした。その結果を図2に示す。図2では、縦軸にZ方向への変位dzに対するX方向への変位dxの比=dz/zx(%)を示し、横軸にローレンツ力Fの振動子11への印加位置と振動子系の重心Gとを通る直線と水平面Hとの角度(deg.)を示す。
Next, the form of vibration was simulated for the angular
図2に示すように、ローレンツ力Fの振動子11への印加位置と振動子系の重心Gとを通る直線と水平面Hとの角度が1.6度以内であれば、Z方向への変位dzに対するX方向への変位dxの比=dz/zxが1%以下となり、ほとんど回転方向の振動が起こらないようになる。したがって、磁性体14より発生する磁力線Mと電極15を流れる電流とによって発生する力Fが振動子11に印加される位置と振動子系の重心Gとを結んだ直線が、上記振動子系が並進運動のみを行う際の振動子系の運動面(水平面H)との交差角θが1.6度以内であることが必要なことがわかる。一方、上記交差角θが1.6度よりも大きい場合には、Z方向への変位dzに対するX方向への変位dxの比=dz/zxが1%を超えることになり、並進運動をする振動子系の重心G周りに回転運動が顕著に生じるようになるので、振動ノイズが大きくなり、検出感度が低下するという不具合を生じることになる。
As shown in FIG. 2, if the angle between the horizontal plane H and the straight line passing through the position where the Lorentz force F is applied to the
本発明の角速度検出装置1は、電極15は、磁性体14の磁力線Mと電極15を流れる電流とにより発生する力Fの方向と、振動子11および電極15からなる振動子系の重心Gとが一致する位置に配置されているため、振動子系の重心G周りに回転方向の振動を発生することなく、並進運動を起こすことができるので、振動子11は安定した並進運動をすることができる。このため、センサ信号に対する振動ノイズを低減することができるので、振動のリニアリティを向上させることができ、高感度なセンサ素子、アクチュエータとなる角速度検出装置1を提供することができるという利点がある。
In the angular
次に、本発明の角速度検出装置に係る第2実施例を、図3の概略構成断面図によって説明する。 Next, a second embodiment of the angular velocity detecting device according to the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
図3に示すように、基本的な構成は、前記実施例1と同様であり、角速度検出装置2は、基板10と、基板10の表面に設けられた支持部12−1、12−2と、支持部12−1、12−2に一方端が接続された支持弾性体13−1、13−2と、上記基板10の表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で上記支持弾性体13−1、13−2の各他方端に支持されたもので、上記基板11に対して変位可能な振動子11と、振動子11を一定の励振方向に振動させる磁性体14と、上記振動子11の一方側に絶縁膜16を介して設けられた電極15とを備えたものである。上記電極15は、前記磁性体14の磁力線Mと電極15を流れる電流(電流は図面に対して垂直方向に流れる)とにより発生する力(ローレンツ力)Fの方向と、上記振動子11および上記電極15からなる振動子系の重心Gとが一致する位置に配置されている。この第2実施例では第1実施例と異なり、上記電極15は上記振動子11の側壁部分に形成された溝11T内に埋め込まれた状態に形成されている。したがって、上記条件を満足するように、上記溝11Tの形成位置と上記電極15の厚さ等が決定される。
As shown in FIG. 3, the basic configuration is the same as that of the first embodiment, and the angular
本発明の角速度検出装置2は、実施例1で説明した利点があるとともに、上下対称な構造となることによって、振動子11からの反力も水平方向となり、余計なモーメントを生じないという利点がある。
The angular
次に、本発明の角速度検出装置に係る具体的な一実施例を、図4の平面図および図5の図4におけるA−A線断面図によって説明する。なお、図5の断面図は概略構成を示すものであり、図4の平面図の縮尺と一致させていない。 Next, a specific embodiment according to the angular velocity detection device of the present invention will be described with reference to a plan view of FIG. 4 and a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Note that the cross-sectional view of FIG. 5 shows a schematic configuration and does not match the scale of the plan view of FIG.
図4および図5に示すように、角速度検出装置3は、第1振動子101−1と第2振動子101−2を並行に備えている。この第1振動子101−1、第2振動子101−2はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコン層で形成されている。上記第1振動子101−1と第2振動子101−1とは、互いに向かい合う側の角部が支持弾性体102−5、102−6とによって連結され、第1振動子101−1の第2振動子101−2とは反対側の角部分には支持弾性体102−1、102−2の一端側によって支持されている。また支持弾性体102−1、102−2の他端側は、それぞれ支持部103−1、103−2に支持固定されている。また、第2振動子101−2の第1振動子101−1とは反対側の角部分には支持弾性体102−3、102−4の一端側によって支持されている。また支持弾性体102−3、102−4の他端側は、それぞれ支持部103−3、103−4に支持固定されている。上記支持弾性体102−1〜6は、それぞれが例えば板バネで構成され、例えばシリコン層からなり、例えばU字形に形成されている。上記支持部103−1、103−2、103−3、103−4は、それぞれ絶縁体122を介して第1基板100に固定されている。したがって、第1振動子101−1および第2振動子101−2は支持弾性体102−1、102−2、102−3、102−4によってのみ支持されていて、第1基板100に対して完全に浮動状態に配置されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the angular
本発明の角速度検出装置3では、上記支持弾性体102−1〜102−4の電極形成面は、上記第1振動子101−1、第2振動子101−2の上面より第1基板100側に低く形成されている。また上記第1振動子101−1、第2振動子101−2の電極形成部は、第1振動子101−1、第2振動子101−2の上面の一部を掘り込んで形成された堀り込み部111−1、111−2に形成されている。
In the angular
上記第1振動子101−1の堀り込み部111−1には、支持部102−1から支持弾性体102−1、第1振動子101−1の掘り込み部111−1、支持弾性体102−2を通り支持部103−2に至るものでこの第1振動子101−1を電磁駆動させるための電極108−1が絶縁膜107を介して配設されている。同様に、上記第2振動子101−2の堀り込み部111−2には、支持部102−3から支持弾性体102−3、第1振動子101−2の掘り込み部111−2、支持弾性体102−4を通り支持部103−4に至るものでこの第2振動子101−2を電磁駆動させるための電極108−2が絶縁膜107を介して配設されている。
The digging portion 111-1 of the first vibrator 101-1 includes the support elastic body 102-1 to the support elastic body 102-1, the digging portion 111-1 of the first vibrator 101-1, and the support elastic body. An electrode 108-1 for electromagnetically driving the first vibrator 101-1 is disposed through an
上記駆動電極108−1は、後に説明する磁性体124の磁力線と上記駆動電極108−1を流れる電流(電流は図面に対して垂直方向に流れる)とにより発生する力(ローレンツ力)の方向と、上記第1振動子101−1および上記駆動電極108−1からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている。同様に、上記駆動電極108−2は、後に説明する磁性体124の磁力線と上記駆動電極108−2を流れる電流(電流は図面に対して垂直方向に流れる)とにより発生する力(ローレンツ力)の方向と、上記第1振動子101−2および上記駆動電極108−2からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている。
The drive electrode 108-1 has a direction of a force (Lorentz force) generated by a magnetic force line of the
また、上記第1、第2振動子101−1、101−2には、空気ダンピングを緩和するための貫通孔104が複数設けられている。この貫通孔104は、第1、第2振動子101−1、101−2上方に設けられる第2基板200との狭ギャップによるスクイーズ効果を低減させる。したがって、第1、第2振動子101−1、101−2のバランスがとれるように均一に分布されるように形成されることが好ましい。この第2基板200については次に説明する。
The first and second vibrators 101-1 and 101-2 are provided with a plurality of through
上記第1基板100上には、フレーム部121を介して第2基板200が形成されている。この第2基板200は、例えばガラス基板で形成されている。また第2基板200の上記第1基板100と対向する面の上記第1振動子101−1、第2振動子101−2に対向する位置には、対向電極210−1、210−2が形成されている。
A
また、上記第1基板100下には電磁駆動を起こすための磁石124が配置されている。したがって、この磁石124により第1振動子101−1、第2振動子101−2等の振動子系が電磁的に駆動される。上記磁石124は、出力的な相違はあるものの動作として同様の結果が得られるので、例えば、第1基板100を掘り込んでその内部に磁石124を設置したり、第2基板200の上部に設置したり、また第1基板100と第2基板200の両方に磁石を設置することも可能である。
A
次に、振動子、支持弾性体等の振動系の別形態について、図6の概略構成平面図によって説明する。この実施例2は、実施例1において、振動子101に接続される支持弾性体102−1〜102−4および振動子間の支持弾性体102−5、102−6の接続位置が異なるものである。なお、前記実施例1の構成と同様な部品には同一符号を付与した。 Next, another embodiment of a vibration system such as a vibrator and a support elastic body will be described with reference to the schematic configuration plan view of FIG. The second embodiment differs from the first embodiment in the connection positions of the supporting elastic bodies 102-1 to 102-4 connected to the vibrator 101 and the supporting elastic bodies 102-5 and 102-6 between the vibrators. is there. In addition, the same code | symbol was provided to the components similar to the structure of the said Example 1. FIG.
図6に示すように、第1基板(図示せず)に平行に、第1振動子101−1と第2振動子101−2を並行に備えられている。 As shown in FIG. 6, a first vibrator 101-1 and a second vibrator 101-2 are provided in parallel to a first substrate (not shown).
この第1振動子101−1、第2振動子101−2はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコン層で形成されている。上記第1振動子101−1と第2振動子101−2とは、互いに向かい合う側の辺の両端が振動子間の支持弾性体102−5、102−6とによって連結され、第1振動子101−1の第2振動子101−2とは反対側の辺の両端には支持弾性体102−1、102−2の一端側によって支持されている。また支持弾性体102−1、102−2の他端側は、それぞれ支持部103−1、103−2に支持固定されている。 Both the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 are formed of a rectangular thin film, and are formed of a silicon layer as an example. The first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 are connected at both ends of the sides facing each other by support elastic bodies 102-5 and 102-6 between the vibrators. Both ends of the side opposite to the second vibrator 101-2 of 101-1 are supported by one end side of the supporting elastic bodies 102-1 and 102-2. The other end sides of the supporting elastic bodies 102-1 and 102-2 are supported and fixed to the supporting portions 103-1 and 103-2, respectively.
また、第2振動子101−2の第1振動子101−1とは反対側の辺の両端には支持弾性体102−3、102−4の一端側によって支持されている。また支持弾性体102−3、102−4の他端側は、それぞれ支持部103−3、103−4に支持固定されている。 Further, both ends of the side of the second vibrator 101-2 opposite to the first vibrator 101-1 are supported by one ends of the supporting elastic bodies 102-3 and 102-4. The other ends of the supporting elastic bodies 102-3 and 102-4 are supported and fixed to the supporting portions 103-3 and 103-4, respectively.
上記支持弾性体102−1〜4、振動子間の支持弾性体102−5、102−6は、それぞれが例えば板ばねで構成され、例えばシリコン層からなり、平面レイアウト的に見て例えばコ字形状、U字形状もしくは矩形波形状に形成されている。上記支持部103−1、103−2、103−3、103−4、103−5、103−6は、それぞれ絶縁体131を介して第1基板(図示せず)に固定されている。したがって、第1振動子101−1および第2振動子101−2は支持弾性体102−1、102−2、102−3、102−4、振動子間の支持弾性体102−5、102−6によって支持されていて、第1基板(図示せず)に対して完全に浮動状態に配置されている。 Each of the support elastic bodies 102-1 to 102-4 and the support elastic bodies 102-5 and 102-6 between the vibrators is made of, for example, a leaf spring, and is made of, for example, a silicon layer. It is formed in a shape, U-shape or rectangular wave shape. The support portions 103-1, 103-2, 103-3, 103-4, 103-5, and 103-6 are each fixed to a first substrate (not shown) via an insulator 131. Therefore, the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 include support elastic bodies 102-1, 102-2, 102-3, and 102-4, and support elastic bodies 102-5 and 102- between the vibrators. 6 and is completely floating with respect to a first substrate (not shown).
また、上記支持部103−1上から支持弾性体102−1上、第1振動子101−1の端辺部に形成した溝(図示せず)内、支持弾性体102−2上を通り支持部103−2上に至るもので、上記第1振動子101−1を電磁駆動させるための電極106−1が絶縁膜105−1を介して導電性の配線として形成されている。同様に、上記支持部103−3上から支持弾性体102−3上、第2振動子101−2の端辺部に形成した溝(図示せず)内、支持弾性体102−4上を通り支持部103−4上に至るもので、上記電磁駆動で第2振動子101−2が動作したときに発生する誘導起電力を検出するためのモニタ電極となる電極106−2が絶縁膜105−2を介して導電性の配線として形成されている。そして、上記支持弾性体102−1、102−2、102−3、102−4の上面は図示していない上記溝の低部と同等の高さに形成されている。さらに、角速度を検出する電極として上記第1振動子101−1、第2振動子101−2を用いるために、例えば、第2振動子101−2にシリコンからなる支持弾性体102−3を介して接続される導電性パッド106−3が支持部103−3上に形成されている。この導電性パッド106−3は同支持部103−3上に形成される電極106−2とは絶縁膜105−2によって電気的に絶縁されている。 Further, the support unit 103-1 is supported on the support elastic body 102-1, in a groove (not shown) formed in the end portion of the first vibrator 101-1, and on the support elastic body 102-2. The electrode 106-1 for electromagnetically driving the first vibrator 101-1 is formed as a conductive wiring through the insulating film 105-1, extending over the portion 103-2. Similarly, it passes from above the support portion 103-3 to the support elastic body 102-3, into a groove (not shown) formed in the end portion of the second vibrator 101-2, and over the support elastic body 102-4. The electrode 106-2 that reaches the support portion 103-4 and serves as a monitor electrode for detecting the induced electromotive force generated when the second vibrator 101-2 is operated by the electromagnetic drive is an insulating film 105-. 2 are formed as conductive wirings. And the upper surface of the said support elastic bodies 102-1, 102-2, 102-3, 102-4 is formed in the height equivalent to the low part of the said groove | channel which is not shown in figure. Further, in order to use the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 as the electrodes for detecting the angular velocity, for example, the second vibrator 101-2 is provided with a support elastic body 102-3 made of silicon. The conductive pad 106-3 to be connected is formed on the support portion 103-3. The conductive pad 106-3 is electrically insulated from the electrode 106-2 formed on the support portion 103-3 by an insulating film 105-2.
また、上記電極106−1、106−2の両端に連続して、上記電極106−1、106−2の両端における上記支持部103−1、103−2、103−3、103−4上のそれぞれには、電極パッド107−1、107−2、107−3、107−4が形成されている。 In addition, on the support portions 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4 at both ends of the electrodes 106-1 and 106-2 continuously to both ends of the electrodes 106-1 and 106-2. Electrode pads 107-1, 107-2, 107-3, and 107-4 are formed in each.
また、上記第1、第2振動子101−1、101−2には、空気ダンピングを緩和するための貫通孔(図示せず)が複数設けられていてもよい。この貫通孔は、第1、第2振動子101−1、101−2上方に設けられる第2基板(図示せず)との狭ギャップによるスクイーズ効果を低減させる。したがって、第1、第2振動子101−1、101−2のバランスがとれるように均一に分布されるように形成されることが好ましい。 The first and second vibrators 101-1 and 101-2 may be provided with a plurality of through holes (not shown) for relaxing air damping. This through hole reduces a squeeze effect due to a narrow gap with a second substrate (not shown) provided above the first and second vibrators 101-1 and 101-2. Therefore, it is preferable that the first and second vibrators 101-1 and 101-2 are formed so as to be uniformly distributed so as to be balanced.
上記図6によって説明した振動系の構成では、第1、第2振動子101−1、101−2の電極配線部分に掘り込み部111−1、111−2を形成し、電極108−1、108−2の厚みと絶縁層107厚みの合計が堀り込み部111−1、111−2の深さよりも厚くならないように形成されており、第1、第2振動子101−1、101−2が大きな衝撃によって対向電極210−1、210−2に接触するようなことがあっても、対向電極210−1、210−2に電極108−1、108−2が接触しないような構造となっている。また、第1基板100側からみて、支持弾性体102−1〜102−4に形成されている電極108−1、108−2の高さが第1、第2振動子101−1、101−2の高さよりも低くなるよう支持弾性体102−1〜102−4が形成されているため、支持弾性体102−1〜102−4についても、電極108−1、108−2が対向電極210−1、210−2〔前記図5参照〕に接触しないようになっている。
In the configuration of the vibration system described with reference to FIG. 6, the dug portions 111-1 and 111-2 are formed in the electrode wiring portions of the first and second vibrators 101-1 and 101-2, and the electrodes 108-1, The sum of the thickness of 108-2 and the thickness of the insulating
次に、一例として、上記図6によって説明した振動系を有する角速度検出装置の動作原理を説明する。なお、第1基板側の構成は前記図6に基づき、第2基板側の構成は前記図5に基づく。 Next, as an example, the operation principle of the angular velocity detection device having the vibration system described with reference to FIG. 6 will be described. The configuration on the first substrate side is based on FIG. 6, and the configuration on the second substrate side is based on FIG.
上記角速度検出装置3は、電極106−1にはある周期を持った電流が流れる。例えばある時点で電流I1が電極106−1を電極パッド107−1から電極パッド107−2に向かって流れているとする。その際、電極106−2に位相が180°ずれた電流I2を流す。電流I1、I2は周期性を持っているので、別の時点では、流れる方向が逆になることもある。電極106−1に電流が流れると、第1基板100の下部に設けられた磁石124からの磁界により、ローレンツ力FLがx方向に発生する。
In the angular
ローレンツ力FLは下記の式で現され、配線に直交する方向にその力が誘起される。 The Lorentz force FL is expressed by the following equation, and the force is induced in a direction orthogonal to the wiring.
FL=IBL …(1) F L = IBL ... (1)
上記(1)式中、Iは駆動電極となる電極106−1に流れる電流、Bは磁束密度、Lは電極106−1の長さである。 In the above formula (1), I is the current flowing through the electrode 106-1 serving as the drive electrode, B is the magnetic flux density, and L is the length of the electrode 106-1.
ロ−レンツ力FLは印加される電流I1、I2と同じ周期性をもって第1、第2振動子101−1、101−2に印加され、第1振動子部101−1は、支持弾性体102−1および支持弾性体102−2に接続されている支持部103−1および支持部103−2を固定点とし、振幅運動を繰り返す。もう一方の第2振動子101−2は支持弾性体102−3および支持弾性体102−4に接続されている支持部103−3および支持部103−4を固定点とし、位相ずれ(例えば180°の位相ずれ)を持ちながら振幅運動を繰り返す。その際、外部からY軸まわりに角速度Ωが与えられると、振動方向に直行した方向にコリオリ力FCが発生する。このコリオリ力FCは(2)式で表される。 B - Lorentz force F L is the current I 1, first with a same periodicity as the I 2 applied, is applied to the second oscillator 101-1 and 101-2, first oscillator 101-1 is supported Amplitude motion is repeated with the support portion 103-1 and the support portion 103-2 connected to the elastic body 102-1 and the support elastic body 102-2 as fixed points. The other second vibrator 101-2 has the supporting portion 103-3 and the supporting portion 103-4 connected to the supporting elastic body 102-3 and the supporting elastic body 102-4 as fixed points, and is out of phase (for example, 180 Repeated amplitude movement with a phase shift of °. At this time, when an angular velocity Ω is applied from the outside around the Y axis, a Coriolis force F C is generated in a direction orthogonal to the vibration direction. This Coriolis force F C is expressed by equation (2).
FC=2mvΩ …(2) F C = 2 mvΩ (2)
上記(2)式中、mは振動子の質量、vは駆動方向の振動速度、Ωは外部から印加される角速度である。 In the above equation (2), m is the mass of the vibrator, v is the vibration velocity in the driving direction, and Ω is the angular velocity applied from the outside.
コリオリ力FCで発生した変位を大きく取るためには、質量m、駆動角振動数ωX、駆動変位Xm(ωXおよびXmは駆動振動速度vの対応パラメタ-)を大きく取る必要がある。電磁駆動の場合、従来技術のような静電駆動で必要な櫛歯電極を必要としないため、大きな変位を取ることが可能となる。 To a large displacement generated by the Coriolis force F C is the mass m, the driving angular frequency [omega] X, driving displacement Xm ([omega] X and Xm corresponding parameter of the driving vibration velocity v -) need to take large. In the case of electromagnetic driving, since a comb-tooth electrode necessary for electrostatic driving as in the prior art is not required, a large displacement can be taken.
コリオリ力FCが発生すると第1、第2振動子101−1、101−2がZ軸方向に振動する。その際、第2基板200側に設置された検出電極210−1と第1振動子101−1および検出電極210−2と第2振動子101−2との間に容量の変化が現れる。一方は第2基板200に近づく方向に振動子が傾き、もう一方は遠ざかる方向に振動子が傾く。その容量差分を検出することで、印加される角速度を算出する。
When the Coriolis force F C is generated, the first and second vibrators 101-1 and 101-2 vibrate in the Z-axis direction. At that time, a change in capacitance appears between the detection electrode 210-1 and the first vibrator 101-1 installed on the
ここで重要なことは、角速度Ωが印加されたときには検出電極210−1と第1振動子101−1および検出電極210−2と第2振動子101−2に発生する容量変化量が異なるが、並進加速度が印加された際には、発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、角速度印加の時に発生する加速度成分を除去できる構造となっている。 What is important here is that when the angular velocity Ω is applied, the capacitance change amounts generated in the detection electrode 210-1, the first vibrator 101-1 and the detection electrode 210-2, and the second vibrator 101-2 are different. When the translational acceleration is applied, the generated capacity change amount does not differ, and therefore no difference in capacity occurs even if the difference is taken. Therefore, it has a structure capable of removing the acceleration component generated when the angular velocity is applied.
また、ローレンツ力FLを発生させた際、第2振動子101−2上に形成された電極2106−2には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、ローレンツ力FLと同じ周期を持って発生している。容量変化を読み取る際、検出電極210−1、210−2と第1、第2振動子101−1、101−2間に搬送波を乗せ、容量変化により発生した電流を増幅することにより実際の信号を取り出す。搬送波は同期検波により除去され、また駆動波に関しても誘導起電力の周期成分で検波することにより、角速度に対応した直流信号を取り出すことができる。 Also, when that caused the Lorentz force F L, induced electromotive force is generated in the electrode 2106-2 formed on the second oscillator 101-2. The induced electromotive force is generated with the same period as the Lorentz force F L. When reading the capacitance change, a carrier wave is placed between the detection electrodes 210-1 and 210-2 and the first and second vibrators 101-1 and 101-2, and an actual signal is amplified by amplifying the current generated by the capacitance change. Take out. The carrier wave is removed by synchronous detection, and a DC signal corresponding to the angular velocity can be extracted by detecting the driving wave with the periodic component of the induced electromotive force.
上記角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を、図7〜図13の概略構成断面図および平面図によって説明する。 One embodiment according to the method of manufacturing the angular velocity detection device will be described with reference to schematic sectional views and plan views of FIGS.
図7(a)に示すように、上部シリコン層150−1と下部シリコン層150−2との間に絶縁層122を挟み込んでなるSOI(Silicon on Insulator)基板150を用いる。上記絶縁層122は、例えば酸化シリコン膜(SiO2)で形成されている。ここで、下部シリコン層150−2は、上記実施例1における第1基板100に相当する。以下、第1基板100として説明する。このSOI基板150で振動子および支持弾性体(例えばバネ)を形成する。さらに、図示はしないが、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とにより、第2基板(図示せず)との位置合わせに用いるアライメントマ−クおよびダイシングラインとなるマーク(図示せず)を形成する。これは、後に説明するシリコン基板からなる第1基板100と第2基板(図示せず)との陽極接合時のアライメントおよび第1基板100を切り出す際の目印となるものである。
As shown in FIG. 7A, an SOI (Silicon on Insulator)
次に、上部シリコン層150−1を所望の膜厚となるようSOI基板150の上部シリコン層150−1側の全面をエッチングする。このエッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)や水酸化カリウム(KOH)を用いたウエットエッチングや化学的もしくは物理的ドライエッチで行うことができる。また、上部シリコン層150−1の所望の膜厚が予めわかっているならば、所望の膜厚の上部シリコン層150−1を有するSOI基板を用意しても良い。
Next, the entire surface of the
次に、図7(b)に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって、上部シリコン層150−1を加工して陽極接合のフレ−ム部121を形成する。このエッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)や水酸化カリウム(KOH)を用いたウエットエッチングや化学的もしくは物理的ドライエッチで行うことができる。このエッチングにおいて、振動子の膜厚および支持弾性体の膜厚が決定される。
Next, as shown in FIG. 7B, the upper silicon layer 150-1 is processed by a normal lithography technique and an etching technique to form a
次に、図8(c)に示すように、上部シリコン層150−1に掘り込み部111−1、111−2の形成、同時に支持弾性体(例えばバネ)および支持部となる部分も掘り込み部111−1、111−2と同様にエッチングする。 Next, as shown in FIG. 8C, the digging portions 111-1 and 111-2 are formed in the upper silicon layer 150-1, and the supporting elastic body (for example, a spring) and the portion that becomes the supporting portion are digging at the same time. Etching is performed in the same manner as the portions 111-1 and 111-2.
次に、図8(d)示すように、上部シリコン層150−1上に絶縁膜107を形成した後、リソグラフィー技術、エッチング技術等を用いて上記絶縁膜107をパターニングして、振動子の形成予定領域上の一部、バネの形成予定領域上および支持部の形成予定領域上に絶縁膜107−1を形成するとともに、振動子のストッパとなる絶縁膜107−2を形成する。この絶縁膜107は、掘り込み部111−1、111−2の側壁にも形成されてもよい。上記絶縁膜107は、電極と下部シリコン層201−2との絶縁性を保持できるものであれば何でも良い。例えば、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiN)などで形成することができる。また、振動子の形成予定領域上にも絶縁膜107−2を形成することから、振動子と第2基板側電極の接触時の絶縁性も保持できるようになる。
Next, as shown in FIG. 8D, after the insulating
次に、上記絶縁膜107−1上に電極(ローレンツ印加のための配線および誘導起電力検出のための配線)108−1、108−2を形成する。配線材料は電子線蒸着法により形成した。本実施例においては、配線のパターニングは、リフトオフ法により行うことができ、またはリソグラフィー技術によりマスクを作製した後にそのマスクを用いたウエットエッチングもしくはドライエッチングによって行うこともできる。また本実施例においては、配線材料として、金、白金、クロムの三層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの三層金属材料、金とクロム、金と白金、金とチタンなどの二層金属材料や、チタンの代わりに、窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やCVD法を用いることができる。 Next, electrodes (wiring for applying Lorentz and wiring for detecting induced electromotive force) 108-1 and 108-2 are formed on the insulating film 107-1. The wiring material was formed by electron beam evaporation. In this embodiment, the patterning of the wiring can be performed by a lift-off method, or can be performed by wet etching or dry etching using the mask after the mask is manufactured by a lithography technique. In this example, a three-layer metal material of gold, platinum, and chromium was used as the wiring material. However, a three-layer metal material of gold, platinum, and titanium, gold and chromium, gold and platinum, gold and titanium, etc. A double layer metal material or a laminated material of titanium nitride and titanium may be used instead of titanium. Further, copper may be used instead of chromium or titanium. As a formation method, a sputtering method or a CVD method can be used.
次に、図9(e)および図10に示すように、通常のリソグラフィー技術により、振動子、バネ、陽極接合のためのフレ−ム部を形成するマスクを作製し、そのマスクを用いたエッチング技術により、振動子101−1、101−2、振動子101−1、101−2を支持する支持弾性体102−1、102−2、102−3、102−4、振動子101−1、101−2を連結する支持弾性体102−5、102−6、支持弾性体102−1、102−2、102−3、102−4をそれぞれ支持する支持部103−1、103−2、103−3、103−4を形成する。また陽極接合のためのフレ−ム部121を形成する。上記エッチングは、例えば反応性イオンエッチングを用いることができる。この振動子301を形成するエッチング加工において、振動子101−1、101−2に多数の貫通孔104を形成することが好ましい。この貫通孔104の配置は、振動子101−1、101−2の面内を小区画に区切った場合、各区画において貫通孔104の形成密度が均等な密度分布を持つような配置であれば、ランダムな配置であっても良く、または等間隔に配置されたものであっても良い。なお、図9(e)は図10中のD−D’線における断面図であるが、図9(e)および図10の縮尺は必ずしも一致させていない。
Next, as shown in FIG. 9 (e) and FIG. 10, a mask for forming a frame portion for a vibrator, a spring, and an anodic bonding is prepared by an ordinary lithography technique, and etching using the mask is performed. By the technology, the vibrators 101-1, 101-2, the support elastic bodies 102-1, 102-2, 102-3, 102-4 that support the vibrators 101-1, 101-2, the vibrator 101-1, Support elastic bodies 102-5, 102-6 for connecting 101-2 and support elastic bodies 103-1, 103-2, 103 for supporting the elastic support bodies 102-1, 102-2, 102-3, 102-4, respectively. -3, 103-4. Also, a
次に、図9(f)に示すように、絶縁層122をエッチングにより除去する。その際、各支持部103−1、103−2、103−3、103−4の下部の絶縁層122およびフレ−ム部121の下部の絶縁層122は残して、第1基板100と接続させる。他の部分は中空構造となる。これにより振動子101−1、101−2、支持弾性体102−1、102−2、102−3、102−4、102−5、102−6〔前記図10参照〕が浮動状態に形成される。
Next, as shown in FIG. 9F, the insulating
次に、第2基板の作製方法を以下に説明する。 Next, a method for manufacturing the second substrate will be described below.
図11(a)に示すように、第2基板200に電極(配線)材料層210を電子ビ−ム蒸着により形成する。上記第2基板200には、例えばガラス基板を用いることができる。上記電極材料としては、金、白金、クロムの三層金属材料を用いることができ、さらに金、白金、チタンの三層金属材料、金とクロム、金と白金、白金とクロム、金とチタン、白金とチタンなどの二層金属材料を用いることができ、上記チタンの代わりに窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やCVD法を用いても良い。
As shown in FIG. 11A, an electrode (wiring)
次に、図11(b)に示すように、無電解めっき法により、上記電極材料層207表面にコンタクト部220を形成する。このコンタクト部220は、例えば金めっきにより形成されるもので、陽極接合後の第1基板〔前記図9(k)参照〕側の電極とのコンタクトを取るものである。したがって、陽極接合後の第1基板に形成される電極のコンタクト部に対向する位置に形成される。本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。
Next, as shown in FIG. 11B, a
次に、図11(c)に示すように、リソグラフィー技術によって電極形成のためのマスクを形成した後、そのマスクを用いたエッチング技術によって、上記電極材料層210をパターニングして、第2基板200側の対向電極210−1、210−2および引き出し電極210−3、210−4を形成する。
Next, as shown in FIG. 11C, after a mask for electrode formation is formed by a lithography technique, the
次に、第1基板と第2基板の組立方法を説明する。 Next, a method for assembling the first substrate and the second substrate will be described.
次に、図12(a)に示すように、陽極接合法により、ガラス基板からなる第2基板200とシリコンからなるフレ−ム部121を接合させる。その際、支持部103−1、103−2および支持部103−3、103−4上に形成されているもので、ロ−レンツ力を発生させる電極108−1および電極108−2のパッド部に対して上記コンタクト部220をコンタクトさせる。その際、例えば金製の支柱(図示せず)を用いる。この金製の支柱は、無電界めっき方によって各電極のパッド毎に複数配置するように形成される。これにより、陽極接合時に金製の支柱がばね状に屈曲し、適度なテンションをもって第2基板200側と接続することができる。なお、スプリングコンタクトや、金バンプを用いる接続方法もあるが、上記金製の支柱を用いるコンタクト方法の場合、ガラス基板である第2基板200に過度な応力をかけることも無く、また、作製方法も極めて簡単である。また、本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。
Next, as shown in FIG. 12A, the
次に、図示はしないが、第1基板100側および第2基板200をダイシングによりカットし、個別チップを形成する。最後に、図13(b)に示すように、第1基板100の下部に磁石124を形成し、図示はしないが、例えばワイヤーボンディングにより、引き出し電極210−3、210−4よりを引き出して、角速度検出装置1のチップが作製される。
Next, although not shown, the
本発明の角速度検出装置の製造方法では、振動子101−1、101−2に形成する電極108−1、108−2は、振動子101−1、101−2に掘り込み部111−1、111−2を形成した後、その掘り込み部部111−1、111−2内に形成されるため、振動子101−1、101−2が振動した際に、電極108−1、108−2は変位検出手段を構成する対向電極210−1、210−2と接触することがなくなるように形成でき、振動子101−1、101−2の変位の検出が確実に行うことができる角速度検出装置3を提供できるという利点がある。また、上記第1実施例で説明したような作用効果を生じる角速度検出装置を形成することができる。 In the method for manufacturing the angular velocity detection device of the present invention, the electrodes 108-1 and 108-2 formed on the vibrators 101-1, 101-2 are dug into the vibrators 101-1, 101-2, 111-1, After forming 111-2, the electrodes 108-1 and 108-2 are formed when the vibrators 101-1 and 101-2 vibrate because they are formed in the dug portions 111-1 and 111-2. Can be formed so as not to come into contact with the counter electrodes 210-1 and 210-2 constituting the displacement detection means, and the angular velocity detection device capable of reliably detecting the displacement of the vibrators 101-1 and 101-2. 3 can be provided. Further, it is possible to form an angular velocity detecting device that produces the operational effects described in the first embodiment.
本発明の角速度検出装置および角速度検出装置の製造方法は、角速度センサ素子に適用することができ、また、その他各種センサ(加速度、圧力、角速度、分子系…)やアクチュエータ、光学素子(ミラーや導波路)などにも同様に適用することができる。 The angular velocity detection device and the manufacturing method of the angular velocity detection device of the present invention can be applied to angular velocity sensor elements, and various other sensors (acceleration, pressure, angular velocity, molecular system,...), Actuators, optical elements (mirrors and waveguides). The same applies to a waveguide).
1…角速度検出装置、10…基板、11…振動子、12−1,12−2…支持弾性体、13−1,13−2…支持部、F…力、G…振動子系の重心、M…磁力線
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記基板の表面に設けられた支持部と、
前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、
前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な振動子と、
前記振動子を一定の励振方向に振動させる磁性体と、
前記振動子に設けられた電極と
を備えた角速度検出装置において、
前記電極は、前記磁性体の磁力線と前記電極を流れる電流とにより発生する力の方向と、前記振動子および前記電極からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている
ことを特徴とする角速度検出装置。 A substrate,
A support provided on the surface of the substrate;
A support elastic body having one end connected to the support;
A vibrator that is supported on the other end of the support elastic body in a floating state with a certain distance from the substrate surface and is displaceable with respect to the substrate;
A magnetic body that vibrates the vibrator in a constant excitation direction;
In an angular velocity detection device comprising: an electrode provided on the vibrator;
The electrode is disposed at a position where a direction of a force generated by a magnetic force line of the magnetic body and a current flowing through the electrode coincides with a center of gravity of the vibrator system including the vibrator and the electrode. An angular velocity detection device.
ことを特徴とする請求項1記載の角速度検出装置。
The straight line connecting the position where the force generated by the magnetic lines generated from the magnetic body and the current flowing through the electrode is applied to the vibrator and the center of gravity of the vibrator system, and the vibrator system only performs translational motion. The angular velocity detection device according to claim 1, wherein an intersection angle with a motion plane of the vibrator system when performing is within 1.6 degrees.
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