JP2007309653A - 慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】振動子が駆動する際の不要な回転方向の運動を低く抑えることで、検出精度と検出感度を高めることを可能とする。
【解決手段】第１基板１００上の支持部１０３に一端側が支持された弾性支持体１０２と、第１基板１００から離間して弾性支持体１０２の他端側に支持された振動子１０１と、振動子１０１の変位を検出して信号を出力する変位検出部（検出電極１０８、１２０）とを備えた慣性センサ１において、振動子１０１上部に発生するローレンツ力をＦｕ、振動子１０１下部に発生するローレンツ力をＦｄとし、振動子１０１の重心から、振動子１０１の支持点までの距離をＬｊ、振動子１０１上部の駆動点までの距離をＬｕ、振動子１０１下部の駆動点までの距離をＬｄとして、（Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる関係式を満たすとともに、振動子１０１に薄膜磁性体１１０が形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度や加速度を検出するための振動子を有する慣性センサに関する。

ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械装置）技術を用いたアクティブセンサを形成する場合、振動子を何らかの力で駆動させる必要があり、その駆動源に静電力を用いたものやローレンツ力を用いたもの（例えば、特許文献１、２参照。）が知られている。

特に、ローレンツ力を駆動力に用いた振動子においては、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、配線を行うことが多く、図１９（１）、（２）に示すように、駆動力が振動子上部に作用して、本来動かしたい並進運動方向（矢印方向）と異なる垂直の軸周りの回転運動を誘発し、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。

また、振動子の中央部分を押している場合であっても、重心周りに質量が集中していたり、重心周りに質量が等分布であったりすると、想定しない軸周りの慣性モーメントが小さく、外乱に対して弱い構造となっていた。

特許文献１、２に開示されている構成のいずれも、振動子を駆動するための電流配線が振動子上部に形成されているため、駆動力が振動子上部の重心からずれた場所に作用して、本来動かしたい並進振動運動方向と異なる垂直の軸周りの回転運動を誘発し、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅が得られなく、それがノイズの原因となるという問題がある。また、ローレンツ力を駆動力に用いた電磁駆動方式の場合は、バルクの永久磁石を必要とするため、バルクの永久磁石の厚みにより角速度センサの小型化が妨げられるという問題がある。

特開平７−３０１５３６号公報 特開２０００−１４６５９５号公報

解決しようとする問題点は、振動子上部に形成されている電流配線によって、駆動力が振動子上部の重心からずれた場所に作用し、本来動かしたい並進振動運動方向と異なる垂直の軸周りの回転運動が誘発され、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅が得られなくなる点である。また、ローレンツ力を駆動力に用いた電磁駆動方式の場合は、バルクの永久磁石を必要とするため、バルクの永久磁石の厚みにより角速度センサの小型化が妨げられるという点である。

本発明は、振動子が駆動する際の不要な回転方向の運動を低く抑えることで、並進振動を安定化させて検出精度と検出感度を高めるとともに、センサの小型化を図ることを課題とする。

請求項１に係る本発明は、基板と、前記基板に設けられた固定部に一端側が支持された弾性支持体と、前記基板から離間した状態で前記弾性支持体の他端側に支持された振動子と、前記振動子の変位を検出して信号を出力する変位検出部とを備えた慣性センサにおいて、前記振動子を駆動させるための振動子上部に発生するローレンツ力をＦｕ、前記振動子を駆動させるための振動子下部に発生するローレンツ力をＦｄ、前記振動子の重心から前記振動子の支持点までの距離をＬｊ、前記振動子の重心から前記振動子上部の駆動点までの距離をＬｕ、前記振動子の重心から前記振動子下部の駆動点までの距離をＬｄとして、（Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる関係式を満たすとともに、前記振動子に薄膜磁性体が形成されていることを特徴とする。

本発明では、慣性センサが（Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる関係式を満たすことから、本来動かしたい並進振動運動方向と異なる垂直の軸周りの回転運動が抑制され、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅が得られるようになるので、ノイズの低減ができる。また、振動子に薄膜磁性体を設けたことから、バルクの永久磁石よりも薄い厚みで、所望の磁束が得られるようになる。

本発明によれば、慣性センサが（Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる振動子を駆動させるために振動発生部で発生するローレンツ力と振動子と弾性支持体の重心と弾性支持体の支持点との関係を表した関係式を満たすため、振動子に加わる不要な回転方向の運動を低く抑えることができるので、検出精度と検出感度を高めることができるという利点がある。また振動子に薄膜磁性体を設けたことから、慣性センサの小型化が図れる。

本発明の慣性センサに係る一実施の形態を、図１および図２によって説明する。図１および図２では、慣性センサの一例として角速度検出装置を示す。図１は平面レイアウト図であり、図２は図１中におけるＡ−Ａ’線断面図である。なお、図２の断面図は概略構成を示すものであり、図１の平面図の縮尺と一致させていない。

図１および図２に示すように、慣性センサ（角速度検出装置）１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。例えば、第１振動子１０１−１を励振側振動子とし、第２振動子１０１−２を駆動側振動子とする。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角部が弾性支持体１０２−５、１０２−６とによって接続され、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弾性支持体１０２−１、１０２−２の一端側によって支持されている。また弾性支持体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弾性支持体１０２−３、１０２−４の一端側によって支持されている。また弾性支持体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。上記弾性支持体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、それぞれ第１基板１００上に形成されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は弾性支持体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、１０２−５、１０２−６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。上記第１基板１００は、例えばガラス基板からなる。

上記支持部１０３−１から弾性支持体１０２−１、第１振動子１０１−１、弾性支持体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の励振を検出する検出電極１０８−１が絶縁膜１０７を介して配設されている。同様に、上記支持部１０３−３から弾性支持体１０２−３、第２振動子１０１−２、弾性支持体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検出電極１０８−２が絶縁膜１０７を介して配設されている。

上記第１振動子１０１−１の上記検出電極１０８−１が形成されている側の面には、絶縁膜１０７を介して薄膜磁性体１１０−１が形成され、その反対側の面には絶縁膜１１１を介して薄膜磁性体１１０−２が形成されている。また、上記第２振動子１０１−２の上記検出電極１０８−２が形成されている側の面には、絶縁膜１０７を介して薄膜磁性体１１０−３が形成され、その反対側の面には絶縁膜１１１を介して薄膜磁性体１１０−４が形成されている。上記薄膜磁性体１０１−１は振動子側をＮ極とし、上記薄膜磁性体１０１−２は振動子側をＳ極とする。また上記薄膜磁性体１０１−３は振動子側をＮ極とし、上記薄膜磁性体１０１−４は振動子側をＳ極とする。なお、極性は逆であってもよい。

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。この第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に形成された検出電極１０８−１に対向する位置には、検出電極１２０−１が形成され、第２振動子１０１−２に形成された検出電極１０８−２に対向する位置には、検出電極１２０−２が形成されている。

また、上記第２基板２００の薄膜磁性体１１０−１に対向する位置には、配線（モニタ用配線）１２２−１が配設され、薄膜磁性体１１０−３に対向する位置には、配線（駆動用配線）１２２−３が配設されている。上記第１基板１００の薄膜磁性体１１０−２に対向する位置には、配線（モニタ用配線）１２２−２が配設され、薄膜磁性体１１０−４に対向する位置には、配線（駆動用配線）１２２−４が配設されている。

さらに、上記第２基板２００には、上記支持部１０３−１、１０３−２上の検出電極１０８−１に接続するもので、検出電極１０８−１を外部に引き出すための引き出し電極１２４−１、１２４−２がコンタクト部１２５−１、１２５−２を介して形成され、上記支持部１０３−３、１０３−４上の検出電極１０８−２に接続するもので、検出電極１０８−２を外部に引き出すための引き出し電極１２４−３、１２４−４がコンタクト部１２５−３、１２５−４を介して形成されている。

上記第１振動子１０１（１０１−１）、第２振動子１０１（１０１−２）は、図３に示すように、振動子１０１を駆動させるための振動子１０１上部に発生するローレンツ力をＦｕ、振動子１０１を駆動させるための振動子１０１下部に発生するローレンツ力をＦｄ、振動子１０１の重心Ｇから振動子１０１の支持点Ｈまでの距離をＬｊ、振動子１０１の重心Ｇから振動子１０１上部の駆動点Ｍｕまでの距離をＬｕ、振動子１０１の重心Ｇから振動子１０１下部の駆動点Ｍｄまでの距離をＬｄとすると、（Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる関係式（１）を満たす。

上記実施の形態の一例では、薄膜磁性体１１０を第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２の両面に形成したが、ローレンツ力と重心と支持点の関係が上記関係式（１）を満たすのであれば、振動子の片面のみに形成しても動作として同様の結果が得られる。

次に、弾性支持体と振動子の厚みの関係を、図４に示す上記図１のＢ−Ｂ’線断面における断面図をよって説明する。図４（１）に示すように、弾性支持体１０２（１０２−４、１０２−６）と振動子１０１（１０１−２）とを同様な厚みに形成することができる。または図４（２）に示すように、弾性支持体１０２（１０２−４、１０２−６）と振動子１０１（１０１−２）とを異なる厚みに形成することができる。ここでは、一例として、第２振動子１０１−２と弾性支持体１０２−４、１０２−６の断面を示したが、第１振動子１０１−１と弾性支持体１０２−１、１０２−５の断面、第１振動子１０１−１と弾性支持体１０２−２、１０２−６の断面、第２振動子１０１−２と弾性支持体１０２−３、１０２−５の断面も、上記説明したのと同様な構成をとることができる。

また、引き出し電極１２４とフレーム１２１との位置関係を、図５に示す上記図１のＣ−Ｃ’線断面における断面図をよって説明する。図５に示すように、第２基板２００に形成される引き出し電極１２４（１２４−２）がフレーム１２１に接触しないように、フレーム１２１上部に溝１３１が形成されている。引き出し電極１２４−１についても、引き出し電極１２４−２と同様に、引き出し電極１２４−１がフレーム１２１に接触しないように、フレーム１２１には溝が形成されている。

上記慣性センサ１では、（Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる振動子を駆動させるために振動発生部で発生するローレンツ力と振動子と弾性支持体の重心と弾性支持体の支持点との関係を表した関係式を満たすため、本来動かしたい並進振動運動方向と異なる垂直の軸周りの振動子に加わる不要な回転運動を抑制できるので、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅が得られるようになる。よって、ノイズの低減ができ、検出精度と検出感度を高めることができる。また、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２に薄膜磁性体１１０−１〜１１０−４を設けたことから、バルク磁石よりも薄い厚みで、所望の磁束が得られるようになるので、慣性センサ１の小型化が図れる。

以下に、角速度センサの動作原理を説明する。

ガラス基板の第２基板２００に形成した配線１２２−３、および、ガラス基板の第１基板１００に形成した配線１２２−４に対してある周期を持った電流が流れる。電流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。配線１２２−３、１２２−４に電流が流れると、駆動用の第２振動子１０１−２の両面（もしくは片面）に形成した薄膜磁性体１１０−３、１１０−４からの磁界により、ローレンツ力がＸ方向に発生する。

ローレンツ力Ｆ_lorentzは、電極に流れる電流をＩ、磁束密度をＢ、電極配線の長さをＬとすると、Ｆ_lorentz＝ＩＢＬなる式で表され、配線に直交する方向にその力が誘起される。このローレンツ力は印加される電流と同じ周期性をもって振動子に印加され、駆動側の第２振動子１０１−２は、弾性支持体１０２−３、１０２−４に接続されている支持部１０３−３、１０３−４を固定点とし、周期的に運動を繰り返す。

もう一方の第１振動子１０１−１は弾性支持体１０２−１、１０２−２に接続されている支持部１０３−１、１０３−２を固定点とし、第２振動子と逆位相にてＸ方向に振動する。これは、第１振動子への電圧印加の周波数を制御することで可能である。その際、外部からＹ軸まわりに角速度が与えられると、振動方向に直行した方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、一方は検出電極（例えば第１振動子１０１−１が検出電極１２０−１）に近づく方向（＋方向）に振動子（第１振動子１０１−１）が移動し、もう一方の振動子（第２振動子１０１−２）は検出電極（例えば第２振動子１０１−２が検出電極１２０−２）から遠ざかる方向（−方向）に振動子（第２振動子１０１−２）が移動し、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２とそれに対向する検出電極１２０−１、１２０−２との間の容量変化を検出する。コリオリ力Ｆ_lorentzは、振動子の質量をｍ、駆動方向の振動速度をｖ、外部から印加される角速度をΩとすると、Ｆ_lorentz＝２ｍｖΩなる式で表される。コリオリ力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ω_x、駆動変位ｘ_m(ω_xおよびｘ_{mは駆動振動速度vの対応パラメター)}を大きく取る必要がある。また電磁駆動の場合、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。

ロ−レンツ力は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２に設置された薄膜磁性体１１０−１〜４から発生する磁界に対して、検出電極１０８−２に、ある周波数の電流を流すことで、電流の印加方向に対して直行方向に発生する。したがって、上記薄膜磁性体１１０−１〜４は、磁界がＺ軸方向にＮ極またはＳ極が向くように設置されている。本実施例では、薄膜磁性体を振動子の両面に設置したが、片面のみに設定することもできる。この場合、上記式を満足することが必要となる。

また、ロ−レンツ力を発生させた際、第１振動子１０１−１に対向する基板１００、２００に形成した配線１２２−１、１２２−２には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、ロ−レンツ力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、第２基板２００側の検出電極１２０−１、１２０−２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。

次に、上記慣性センサ１を角速度検出装置として用いる場合について、以下に説明する。

図６に示すように、コリオリ力が発生すると第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２がＺ軸方向に移動する。第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２との間は弾性支持体１０２−５、１０２−６で接続されている。そして、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の各上方にそれぞれ検出電極１２０−１、１２０−２が配置されていることから、第１振動子１０１−１と検出電極１２０−１との間、第２振動子１０１−２と検出電極１２０−２との間に容量の変化が現れる。図６には図示していないが、前述したように、ロ−レンツ力は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２に設置された薄膜磁性体１１０−１〜４から発生する磁界に対して、検出電極１０８−１、１０８−２に、ある周波数の電流を流すことで、電流の印加方向に対して直行方向に発生する。このローレンツ力は印加される電流と同じ周期性をもって振動子に印加され、駆動側の第２振動子１０１−２は、弾性支持体１０２−３、１０２−４に接続されている支持部１０３−３、１０３−４を固定点とし、周期的に運動を繰り返す。もう一方の第１振動子１０１−１は弾性支持体１０２−１、１０２−２に接続されている支持部１０３−１、１０３−２を固定点とし、第２振動子と逆位相にてＸ方向に振動する。これは、第１振動子への電圧印加の周波数を制御することで可能である。その際、外部からＹ軸まわりに角速度が与えられると、振動方向に直行した方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、一方は検出電極（例えば第１振動子１０１−１が検出電極１２０−１）に近づく方向（＋方向）に振動子（第１振動子１０１−１）が移動し、もう一方の振動子（第２振動子１０１−２）は検出電極（例えば第２振動子１０１−２が検出電極１２０−２）から遠ざかる方向（−方向）に振動子（第２振動子１０１−２）が移動し、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２とそれに対向する検出電極１２０−１、１２０−２との間の容量変化を検出する。

そこで、２つの振動子（第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２）の容量変化の差を、図７に示す信号処理回路で検出し、電圧値に変換することで印加される角速度を算出することができる。

図７に示すように、第１振動子１０１−１に形成されている検出電極１０８−１と第２基板２００に形成されている検出電極１２０−１との間の固有容量Ｃ₁、その変位容量をΔＣ₁、第２振動子１０１−２に形成されている検出電極１０８−２と第２基板２００に形成されている検出電極１２０−２との間の固有容量Ｃ₂、その変位容量をΔＣ₂とし、印加電圧をＶ、回路の容量をＣ_Refとすると、Ｖ＝Δｑ／Ｃ_Refであり、第１振動子１０１−１の変位電荷量Δｑ₁＝Ｖ（Ｃ₁＋ΔＣ₁）となり、第２振動子１０１−２の変位電荷量Δｑ₂＝−Ｖ（Ｃ₂＋ΔＣ₂）となる。この差分をとると、Δｑ＝Ｖ（ΔＣ₁−ΔＣ₂）となる。ここで、ΔＣ₁＝ΔＣ、ΔＣ₂＝−ΔＣより、Δｑ＝２ＶΔＣとなる。このようにして、２つの振動子の変位容量を計算することで、角速度を検出することができる。

慣性センサ１に角速度が印加されたときには、それぞれの検出電極と振動子間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。また、容量変化を読み取る際、第２基板２００側の検出電極と振動子間に搬送波を乗せ、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。

次に、上記慣性センサ１を加速度検出装置として用いる場合について、以下に説明する。

図８に示すように、薄膜磁性体１１０を形成した第１、第２振動子１０１−１、１０１−２が逆位相にて振動している振動方向と第２基板２００側の検出電極１２０−１、１２０−２面に互いに直交する向きから並進加速度が印加すると、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２がＺ軸方向に移動する。第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２との間は弾性支持体１０２−５、１０２−６で接続されている。そして、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の各上方にそれぞれ検出電極１２０−１、１２０−２に近づく方向（＋方向）もしくは遠ざかる方向（−方向）の一方の方向に並進加速度の大きさに比例して移動する。図面では一例として近づく場合を示した。

そこで、２つの振動子（第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２）の容量変化の和を、図９に示す信号処理回路で検出し、電圧値に変換することで印加される加速度を算出することができる。

図９に示すように、第１振動子１０１−１に形成されている検出電極１０８−１と第２基板２００に形成されている検出電極１２０−１との間の固有容量Ｃ₁、その変位容量をΔＣ₁、第２振動子１０１−２に形成されている検出電極１０８−２と第２基板２００に形成されている検出電極１２０−２との間の固有容量Ｃ₂、その変位容量をΔＣ₂とし、印加電圧をＶ、回路の容量をＣ_Refとすると、Ｖ＝Δｑ／Ｃ_Refであり、第１振動子１０１−１の変位電荷量Δｑ₁＝Ｖ（Ｃ₁＋ΔＣ₁）となり、第２振動子１０１−２の変位電荷量Δｑ₂＝Ｖ（Ｃ₂＋ΔＣ₂）となる。この和をとると、Δｑ＝Ｖ（ΔＣ₁＋ΔＣ₂）となる。ここで、ΔＣ₁＝ΔＣ、ΔＣ₂＝ΔＣより、Δｑ＝２ＶΔＣとなる。このようにして、２つの振動子の変位容量の和を計算することで、加速度を検出することができる。

次に、上記慣性センサ１の製造方法の一例を、図１０〜図１８の製造工程断面図によって説明する。各製造工程断面図は、前記図１のＡ−Ａ’線断面に相当する位置の断面図である。

図１０（１）に示すように、振動子、弾性支持体等を形成するための基板５１を用意する。この基板５１には、例えばバルクのシリコン基板を用いる。

まず、基板５１が所望の膜厚となるよう全面にエッチングを施す。このエッチング方法は、例えばウエットエッチングにより行い、このエッチング液には、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロキシド（ＴＭＡＨ：tetramethylammonium hydroxide）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いる。このエッチングには、例えば化学的ドライエッチング、物理的ドライエッチングを用いることもできる。また、予め、所望の膜厚がわかっているならば、そのような厚さを有するシリコン基板を用意しても良い。

次に、図１０（２）に示すように、上記基板５１上部を除去加工して、フレーム１２１を形成する。工程の除去加工は、例えば、フレーム１２１が形成される領域上にエッチングマスクを形成し、エッチングにより行う。このエッチング方法は、例えばウエットエッチングにより行い、このエッチング液には、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロキシド（ＴＭＡＨ：tetramethylammonium hydroxide）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いる。このエッチングには、例えば化学的ドライエッチング、物理的ドライエッチングを用いることもできる。

次に、図１１（３）に示すように、振動子が形成される領域上の一部、弾性支持体が形成される領域上、支持部が形成される領域上に絶縁膜１０７を形成する。絶縁膜１０７は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成される。この絶縁膜１０７は、後に形成される電極と下地となる基板５１との絶縁性が確保できるものであれば良い。

次に、図１１（４）に示すように、振動子が形成される領域上の一部に形成された絶縁膜１０７上に磁束を発生させる薄膜磁性体１１０−１、１１０−３を形成する。この薄膜磁性体１１０−１、１１０−３は、力を印可したい導線部分（後に形成される配線１２２）に対向する領域およびその周辺領域に限定して配置する。これは薄膜磁性体を成膜後、マスクを形成し、そのマスクを用いたエッチングによって作製される。薄膜磁性体には硬磁性材料を用いる。硬磁性材料の一例としては、ネオジウム鉄ホウ素（ＮｄＦｅＢ）、コバルトニッケルリン（ＣｏＮｉＰ）、コバルトニッケルクロム（ＣｏＮｉＣｒ）、コバルトクロムタンタル（ＣｏＣｒＴａ）、コバルトクロム白金（ＣｏＣｒＰｔ）等がある。この薄膜磁性体の作製方法には、例えばメッキ法や物理的蒸着法がある、例えば物理的蒸着法の一種であるスパッタリング法を用いて作製することができる。なお、作製方法は、プロセスの特徴と形成される膜の厚み等により選択が可能であり、メッキ法では数ミクロンから数百ミクロンの膜厚形成に適し、スパッタリング法では数ミクロン以下の膜厚形成に適している。尚、交流電流方向と振動子を駆動させる方向のそれぞれに垂直な位置に、垂直に磁化された薄膜磁性体を配置することにより、交流電流の流れる部分にローレンツ力を発生することができる。また、一般的に、焼結等で作製されたバルクの永久磁石は、０．５ｍｍより薄い厚みになると、磁気特性が劣化してくるが、上記薄膜磁性体１１０を用いるとバルクの永久磁石よりも薄い厚みで、所望の磁束を発生することができる。

本実施例では、マグネトロンスパッタ装置を使用したスパッタリング法での成膜方法について説明する。まず、マグネトロンスパッタ装置の真空槽内を真空引き（例えば０．５３Ｐａ以下に排気）した後、アルゴン（Ａｒ）ガスを供給し、スパッタリング雰囲気の圧力（例えば０．８０Ｐａ）に調整する。次に薄膜磁性体を形成する基板と対向させた状態に、真空槽内に設置されているターゲット（例えばＮｄＦｅＢターゲット）を配置し、ターゲットに負の直流電圧、例えば２５０Ｖ以上３５０Ｖ以下を印加する。本例では、５時間印加することで基板上にＮｄＦｅＢの薄膜磁性体を５μｍの厚さに成膜した。なお、この成膜では、基板加熱もしくは冷却は行っていないが、成膜を制御する手段として基板加熱もしくは冷却を行っても良い。

次に、スパッタ装置から基板５１を取り出し、炉内で熱処理を行った。この熱処理条件は、例えば、炉内雰囲気の圧力を１．３３Ｐａ以上６．６７Ｐａ以下とし、１５０℃／ｍｉｎの加熱速度で７００℃まで加熱し７００℃で１時間保持した。これにより、膜厚方向に異方性を有し、保持力×エネルギーの最大エネルギー積が１０ＭＧＯｅ（メガガウス・エルステッド）を超える薄膜磁性体が成膜された。

なお、材料と組成をコントロールすることにより、膜面に垂直にも、面内にも磁化させることが可能である。また、特性を安定させるために、成膜後に、所望の方向に磁場を印可する着磁処理を行うこともよい。この着磁処理の磁場は、例えば膜の保持力のおよそ３倍程度とする。

次に、図１２（５）に示すように、絶縁膜１０７上に振動子の変位容量を検出するための検出電極１０８−１、１０８−２を形成する。電極材料は電子ビーム蒸着により形成する。本実施例では、リフトオフ法により電極を形成したが、電極のエッチングをウエットエッチングやドライエッチングによって行っても良い。

次に、図１２（６）に示すように、基板５１の上記検出電極１０８等を形成した側とは反対側の面（以下、基板５１の裏面という）をエッチングし、フレーム１２１を形成する。このフレーム１２１は、後の工程で、ガラス基板からなる第２基板と陽極接合される。このエッチングは、例えばウエットエッチングにより行う。このウエットエッチングのエッチング液には、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロキシド（ＴＭＡＨ：tetramethylammonium hydroxide）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いる。このエッチングには、例えば化学的ドライエッチング、物理的ドライエッチを用いることもできる。このエッチングによって、振動子の膜厚および弾性支持体の膜厚が決定される。このとき、前記説明した、（Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる関係式が満たされるよう、後に振動子上に形成される絶縁膜、薄膜磁性体、検出電荷等も考慮して、振動子の膜厚および弾性支持体の膜厚が決定される。

次に、図１３（７）に示すように、上記基板５１の裏面側の振動子が形成される領域上の一部に絶縁膜１１１を形成する。絶縁膜１１１は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成される。この絶縁膜１１１は、後に形成される電極と下地となる基板５１との絶縁性が確保できるものであれば良い。

次に、図１３（８）に示すように、上記基板５１の裏面側の振動子が形成される領域上の一部に形成された絶縁膜１１１上に薄膜磁性体１１０−２、１１０−４を形成する。この薄膜磁性体１１０−２、１１０−４は、力を印可したい導線部分（後に形成される配線１２２）に対向する領域およびその周辺領域に限定して配置する。これは薄膜磁性体を成膜後、マスクを形成し、そのマスクを用いたエッチングによって作製される。薄膜磁性体には硬磁性材料を用いる。硬磁性材料の一例としては、ネオジウム鉄ホウ素（ＮｄＦｅＢ）、コバルトニッケルリン（ＣｏＮｉＰ）、コバルトニッケルクロム（ＣｏＮｉＣｒ）、コバルトクロムタンタル（ＣｏＣｒＴａ）、コバルトクロム白金（ＣｏＣｒＰｔ）等がある。この薄膜磁性体の作製方法には、例えばメッキ法や物理的蒸着法がある、例えば物理的蒸着法の一種であるスパッタリング法を用いて作製することができる。なお、作製方法は、プロセスの特徴と形成される膜の厚み等により選択が可能であり、メッキ法では数ミクロンから数百ミクロンの膜厚形成に適し、スパッタリング法では数ミクロン以下の膜厚形成に適している。

次に、図１４（９）に示すように、上記基板５１を加工して、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２、弾性支持体（図示せず）、支持部１０３−１〜４（図面では支持部１０３−１、１０３−３を図示）、陽極接合のためのフレーム１２１を形成する。この加工には、通常のエッチングマスクの作製、このエッチングマスクを用いたエッチングにより行う。このエッチングには、例えば反応性イオンエッチングを用いる。

次に、図１５（１０）に示すように、ガラス基板からなる第１基板１００および第２基板２００を用意し、第１基板１００および第２基板２００にアライメントマークおよびダイシングライン１５１、２５１を、後に第１基板１００のフレーム１２１〔前記図１４（９）参照〕が接合される側とは反対側の面に形成する。これは、後に説明する第１基板１００とフレーム１２１〔前記図１４（９）参照〕、第２基板２００とフレーム１２１〔前記図１４（９）参照〕との陽極接合時のアライメントおよび基板を切り出す際のマークとなるものである。

次に、図１５（１１）に示すように、第１基板１００に電極形成膜１５２を成膜し、第２基板２００に電極形成膜２５２を成膜する。この成膜には、例えば電子ビーム蒸着を用いる。電極形成膜１５２、２５２には、例えば、金、白金、クロムの三層金属材料、金、白金、チタンの三層金属材料、金、クロムや白金、クロムまたは、金、チタンや白金、チタンなどの二層金属材料等を用いることができ、また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。

次に、図１５（１２）に示すように、上記第２基板２００の電極形成膜２５２表面に、上記支持部１０３上の検出電極１０８（１０８−１、１０８−２）〔前記図１２（５）、図１４（９）等参照〕に接続させるコンタクト部１２５（図面では１２５−１、１２５−３を示す）を形成する。なお、図示はしないが、コンタクト部１２５−２、１２５−４も同時に形成される。このコンタクト部１２５は、例えば、無電解めっき法により、金の支柱で形成する。本実施の形態では、金の支柱は、電極のパッド毎に複数本形成する。これにより、陽極接合時に金の支柱がバネ状に屈曲し、適度なテンションをもって基板５１側と接続することができる。また、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、上記方法の場合、ガラス基板の第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となる利点がある。本実施の形態では、無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成することができる。

次に、図１６（１３）に示すように、第１基板１００の上記電極形成膜１５２を加工して、配線（モニタ用配線）１２２−２、配線（駆動用配線）１２２−４をエッチングによって形成する。また、第２基板２００の上記電極形成膜２５２を加工して、検出電極１２０−１、１２０−２、配線（モニタ用配線）１２２−１、配線（駆動用配線）１２２−３、引き出し電極１２４−１、１２４−３をエッチングによって形成する。なお、図示はしていないが、引き出し電極１２４−２、１２４−４も同時に形成される。

次に第１基板１００と第２基板２００との組立方法を以下に説明する。図１６（１４）に示すように、陽極接合法により第１基板１００とシリコン基板で形成されたフレーム１２１とを接合させる。

次に、図１７（１５）に示すように、陽極接合法により第２基板２００とシリコン基板で形成されたフレーム１２１とを接合させる。その際、コリオリ力により振動子が変位した時の容量変化を検出するための第２基板２００側の引き出し電極１２４のパッドと基板５１側の検出電極１０８のパッドを金の支柱からなるコンタクト部１２５で接合させる。

次に、図１８（１６）に示すように、基板５１および第２基板２００をダイシングにより切断し、個別チップを形成する。このようにして、一つの慣性センサ１が完成する。

上記製造方法によって、振動子に加わる不要な回転方向の運動を低く抑えることで、検出精度と検出感度を高めた、小型化された本発明の慣性センサ１を形成することができる。

本発明の慣性センサに係る一実施の形態を示した平面レイアウト図である。 本発明の慣性センサに係る一実施の形態を示した図１中におけるＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の関係式を説明した概略構成断面図である。 振動子と弾性支持体の一例を示した図１中におけるＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の慣性センサに係る一実施の形態を示した図１中におけるＣ−Ｃ’線断面図である。 角速度を印加したときの振動子の動きを示した概略構成図である。 角速度を検出する信号処理回路の回路図である。 加速度を印加したときの振動子の動きを示した概略構成図である。 加速度を検出する信号処理回路の回路図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサを製造する製造方法の一実施の形態を示した製造工程断面図である。 従来の慣性センサの振動子の駆動状態を示した概略構成図である。

符号の説明

１…慣性センサ、１００…第１基板、１０１−１…第１振動子、１０１−２…第２振動子、１０２−１〜６…弾性支持体、１０３−１〜４…支持部、１０８−１，２…検出電極、１１０−１〜４…薄膜磁性体、１２０−１，２…検出電極

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた支持部に一端側が支持された弾性支持体と、
   前記基板から離間した状態で前記弾性支持体の他端側に支持された振動子と、
   前記振動子の変位を検出して信号を出力する変位検出部とを備えた慣性センサにおいて、
   前記振動子を駆動させるための振動子上部に発生するローレンツ力をＦｕ、
   前記振動子を駆動させるための振動子下部に発生するローレンツ力をＦｄ、
   前記振動子の重心から前記振動子の支持点までの距離をＬｊ、
   前記振動子の重心から前記振動子上部の駆動点までの距離をＬｕ、
   前記振動子の重心から前記振動子下部の駆動点までの距離をＬｄとして、
   （Ｌｕ−Ｌｊ）×Ｆｕ＝（Ｌｄ＋Ｌｊ）×Ｆｄなる関係式を満たすとともに、
   前記振動子に薄膜磁性体が形成されている
   ことを特徴とする慣性センサ。
2. 前記振動子を電磁駆動させる振動発生部
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
3. 前記振動子が単一の振動子である
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
4. 前記振動子が複数の振動子である
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
5. 前記慣性センサは角速度を検出する角速度センサである
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
6. 前記変位検出部から出力される信号に基づいて角速度を求める信号処理部
   を備えたことを特徴とする請求項５記載の慣性センサ。
7. 前記慣性センサは加速度を検出する加速度センサである
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
8. 前記変位検出部から出力される信号に基づいて加速度を求める信号処理部
   を備えたことを特徴とする請求項７記載の慣性センサ。
   

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