JP2007322295A - Angular velocity detector and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、角速度検出装置および角速度検出装置の製造方法に関する。 The present invention relates to an angular velocity detection device and a method for manufacturing the angular velocity detection device.
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により形成された角速度検出装置を用いて、ロール、ピッチ方向の手ブレの補正を行う場合、ロボットや車体などの制御を行う場合には、２軸以上の角速度検出装置を用いる必要がある。その一例として、単独の質量・バネ系の構造を用いて多軸の角速度を測定するセンサ（例えば、特許文献１参照。）がある。 When correcting camera shake in the roll and pitch directions using an angular velocity detection device formed by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, or when controlling a robot or vehicle body, detection of angular velocity of two or more axes It is necessary to use a device. As an example, there is a sensor (for example, refer to Patent Document 1) that measures a multiaxial angular velocity using a single mass / spring structure.
上記多軸の角速度検出装置では、軸間の機械的なクロストークが大きいという問題があり、たとえ、信号処理をしたとしても、ＳＮ比を確保することが難しいので、実用化が非常に難しい。実用化されているものとして、単軸の角速度センサを実装段階で９０度ずつずらして配置をすることで複数軸の角速度を得る構成（例えば、特許文献２、３参照。）がある。この構成では、図１２に示すように、実装時に９０度ずらして配置しているために、実装律速となり角速度センサ９１、９２同士の相対的な角度ズレが生じ、他の軸に対する感度が発生し、２軸角速度検出装置としての性能を劣化させることが避けられない。また、その劣化を補正するには、補正機構が複雑となるという問題があった。
The multi-axis angular velocity detection device has a problem that the mechanical crosstalk between the axes is large, and even if signal processing is performed, it is difficult to ensure the SN ratio, so that practical application is very difficult. As a practical application, there is a configuration that obtains a multi-axis angular velocity by shifting a single-axis angular velocity sensor by 90 degrees at the mounting stage (see, for example,
解決しようとする問題点は、単軸の角速度センサを実装段階で９０度ずつずらして配置をすることで複数軸の角速度検出装置とした構成では、角速度センサ同士の相対的な実装ずれが生じるという問題があり、そのずれを補正することが複雑であるという問題がある。 The problem to be solved is that in a configuration in which a single-axis angular velocity sensor is shifted by 90 degrees at the mounting stage and arranged as a multi-axis angular velocity detection device, relative mounting displacement between angular velocity sensors occurs. There is a problem, and there is a problem that it is complicated to correct the deviation.
本発明は、基板上に同一工程で形成されたものからなる複数の角速度センサを用いることで、角速度センサ同士の相対的な実装ずれを抑え、検出感度を向上させることを課題とする。 It is an object of the present invention to suppress a relative mounting deviation between angular velocity sensors and improve detection sensitivity by using a plurality of angular velocity sensors formed on the substrate in the same process.
本発明の角速度検出装置は、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、前記弾性支持体の他端側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を有し、振動を検出する方向が単軸方向の単軸の角速度センサを複数備えたもので、前記複数の角速度センサは、第１軸に感度を持つ第１角速度センサと、前記第１軸に直交する第２軸に感度を持つ第２角速度センサと、前記第１軸および前記第２軸の両方に直交する第３軸に感度を持つ第３角速度センサとからなり、前記第１角速度センサおよび前記第２角速度センサおよび前記第３角速度センサが前記基板上に同一工程で形成されたものからなることを特徴とする。 An angular velocity detection device according to the present invention includes an elastic support having one end supported by a support provided on a substrate, and a vibrator that is supported on the other end of the elastic support and can be displaced with respect to the substrate. And having a plurality of single-axis angular velocity sensors whose vibration detection direction is a single-axis direction. The plurality of angular velocity sensors include a first angular velocity sensor having sensitivity to a first axis, and the first axis. A second angular velocity sensor having sensitivity on a second axis orthogonal to the first angular velocity sensor, and a third angular velocity sensor having sensitivity on a third axis orthogonal to both the first axis and the second axis. The second angular velocity sensor and the third angular velocity sensor are formed on the substrate in the same process.
本発明の角速度検出装置では、複数の角速度センサが同一工程で形成されたものからなるので、例えばパターニング工程では同一マスクにより形成されるため、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで第１角速度センサと第２角速度センサと第３角速度センサとの相互間の相対精度を高めることが可能になる。 In the angular velocity detection device of the present invention, since a plurality of angular velocity sensors are formed in the same process, for example, in the patterning process, the same mask is used. Therefore, the accuracy of the semiconductor process such as mask accuracy, exposure accuracy, etching accuracy, and the like. It is possible to increase the relative accuracy among the first angular velocity sensor, the second angular velocity sensor, and the third angular velocity sensor.
本発明の角速度検出装置の製造方法は、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、前記弾性支持体の他端側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を有し、振動を検出する方向が単軸方向の角速度センサを複数備えた角速度検出装置の製造方法であって、前記複数の角速度センサの製造工程は、前記基板上に、第１軸に感度を持つ第１角速度センサと、前記第１軸に直交する第２軸に感度を持つ第２角速度センサと、前記第１軸および前記第２軸の両方に直交する第３軸に感度を持つ第３角速度センサとを同一工程で形成することを特徴とする。 The manufacturing method of the angular velocity detection device of the present invention includes an elastic support whose one end is supported by a support portion provided on the substrate, and is supported on the other end of the elastic support and can be displaced with respect to the substrate. A method of manufacturing an angular velocity detection device including a plurality of angular velocity sensors having a single axis direction in which vibration is detected, and the manufacturing process of the plurality of angular velocity sensors is performed on a substrate. A first angular velocity sensor having sensitivity in one axis, a second angular velocity sensor having sensitivity in a second axis orthogonal to the first axis, and a third axis orthogonal to both the first axis and the second axis. The third angular velocity sensor having sensitivity is formed in the same process.
本発明の角速度検出装置の製造方法では、複数の角速度センサが同一工程で形成されたものからなるので、例えばパターニング工程では同一マスクにより形成されるため、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで第１角速度センサと第２角速度センサと第３角速度センサとの相互間の相対精度を高めることが可能になる。 In the manufacturing method of the angular velocity detecting device according to the present invention, since a plurality of angular velocity sensors are formed in the same process, for example, in the patterning process, the semiconductor is formed with the same mask. It becomes possible to increase the relative accuracy among the first angular velocity sensor, the second angular velocity sensor, and the third angular velocity sensor to the accuracy of the process.
本発明の角速度検出装置によれば、複数の角速度センサが同一工程で形成されたものからなるため、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで第１角速度センサと第２角速度センサと第３角速度センサとの相互間の相対精度を高めることが可能になるので、各軸に対する感度の低下を防ぐことができ、これによって信号低下を防ぐことができるという利点がある。この結果、例えば、本発明の角速度センサがロボットや車などの精密機器に用いられる場合には、各角速度センサ間の設置角度の相対的な補正を行う必要がなくなり、各角速度センサの絶対的な補正のみを行えばよいため、検査コストを下げることができる。 According to the angular velocity detection device of the present invention, since the plurality of angular velocity sensors are formed in the same process, the first angular velocity sensor and the second angular velocity sensor up to the accuracy of the semiconductor process such as mask accuracy, exposure accuracy, and etching accuracy. Since it is possible to increase the relative accuracy between the third angular velocity sensor and the third angular velocity sensor, it is possible to prevent a decrease in sensitivity with respect to each axis, thereby preventing a decrease in signal. As a result, for example, when the angular velocity sensor of the present invention is used in a precision device such as a robot or a car, it is not necessary to perform relative correction of the installation angle between the angular velocity sensors, and the absolute velocity of each angular velocity sensor is eliminated. Since only correction is required, the inspection cost can be reduced.
本発明の角速度検出装置の製造方法によれば、複数の角速度センサを同一工程で形成するため、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで第１角速度センサと第２角速度センサと第３角速度センサとの相互間の相対精度を高めることが可能になるので、各軸に対する感度の低下を防ぐことができ、これによって信号低下を防ぐことができるという利点がある。この結果、例えば、本発明の角速度検出装置がロボットや車などの精密機器に用いられる場合には、各角速度センサ間の設置角度の相対的な補正を行う必要がなくなり、各角速度センサの絶対的な補正のみを行えばよいため、検査コストを下げることができる。 According to the manufacturing method of the angular velocity detection device of the present invention, since the plurality of angular velocity sensors are formed in the same process, the first angular velocity sensor and the second angular velocity sensor are used up to the accuracy of the semiconductor process such as mask accuracy, exposure accuracy, and etching accuracy. Since the relative accuracy between the third angular velocity sensor and the third angular velocity sensor can be increased, it is possible to prevent a decrease in sensitivity with respect to each axis, thereby preventing a decrease in signal. As a result, for example, when the angular velocity detection device of the present invention is used in precision equipment such as a robot or a car, it is not necessary to perform relative correction of the installation angle between the angular velocity sensors, and the absolute velocity of each angular velocity sensor is not required. The inspection cost can be reduced because only the correction is required.
本発明の角速度検出装置に係わる一実施の形態（第１実施例）を、図１に示した平面レイアウト図および図２に示した角速度センサの平面レイアウト図および図３に示した図２中のＡ−Ａ’線断面図、図６および図７の平面レイアウト図等によって説明する。 1 is a plan layout diagram shown in FIG. 1 and a plan layout diagram of the angular velocity sensor shown in FIG. 2 and FIG. 3 shown in FIG. This will be described with reference to a cross-sectional view taken along the line AA ′ and plan layout diagrams of FIGS. 6 and 7.
図１に示すように、角速度検出装置１は、基板１０上に、第１軸（例えばＸ軸）に感度を持つ第１角速度センサ１１と、上記第１軸（Ｘ軸）に直交する第２軸（例えばＹ軸）に感度を持つ第２角速度センサ１２と、上記第１軸（Ｘ軸）および上記第２軸（Ｙ軸）の両方に直交する第３軸（例えばＺ軸）に感度を持つ第３角速度センサ１３とが設置されている。上記基板１０は、例えばシリコン基板からなり、上記第１〜第３角速度センサ１１〜１３が形成された基板１０は、角速度センサ基板５０上に設置され、例えばモールドもしくはセラミックス等のパッケージ６０（図面では２点鎖線で示す）により覆われている。上記第１角速度センサ１１および上記第２角速度センサ１２および上記第３角速度センサ１３は、上記基板１０上に同一工程で形成されたものからなっている。
As shown in FIG. 1, the angular
上記第１角速度センサ１１および第２角速度センサ１２の詳細な構成の一例を図２および図３によって説明する。また、第３角速度センサ１３は、Ｚ軸方向の検出が原理上とれないために、Ｙ方向のコリオリ力による変位の検出手段を設ける必要があり、その詳細な構成の一例を図６および図７によって説明する。
An example of a detailed configuration of the first
まず、第１角速度センサ１１を図２および図３によって説明する。第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２の相違は形成方向のみであるので、第２角速度センサ１２も第１角速度センサ１１と同様な構成を成す。図２および図３では代表して、第１角速度センサ１１を示す。
First, the first
図２および図３に示すように、第１角速度センサ１１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を駆動側振動子とし、第２振動子１０１−２を励振側振動子とする。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１０１−１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（基板１０に相当）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. 2 and 3, the first
上記支持部１０２−１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、上記支持部１０２−３から弾性支持体１０２−３、第１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の励振を検出するための電極１０８−２が絶縁膜１０７を介して配設されている。
The first vibrator 101-1 is electromagnetically driven from the support section 102-1 through the elastic support body 102-1, the first vibrator 101-1 and the elastic support body 102-2 to the support section 103-2. An electrode 108-1 is provided with an
上記振動子１０１が形成されている側とは反対側の上記第１基板１００の裏面には磁石３００が設けられている。
A
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。
A
さらに、上記第２基板２００には、上記支持部１０３−１、１０３−２上の電極１０８−１に接続するもので、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（図示せず）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上の電極１０８−２に接続するもので、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（図示せず）がコンタクト部１２５−３、１２５−４を介して形成されている。
Further, the
上記第１角速度センサ１１は、第１基板１００の下部に配置された磁石３００により電磁的に駆動される。上記第１実施例では、磁石３００を第１基板１００の下部に設置したが、第１基板１００を掘り込んで、その内部に磁石３００を設置する、または第２基板２００の上部に設置することも可能である。また、第１基板１００および第２基板２００の両方に磁石３００を設置することも可能である。いずれの構成も磁束密度の多少による出力の違いはあるが、動作として同様の結果が得られる。電磁駆動用の電極として、振動子１０１上の電極１０８に電流を流す。
The first
上記構成の第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２の相違は形成方向のみであるので、各構成部品は同様なものとなる。したがって、同一工程で、各構成部品を形成することが可能になる。したがって、第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２は、同一工程での製造が可能になり、第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２間の位置ずれは、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで高めることが可能になる。よって、各軸に対する感度の低下を防ぐことができ、これによって信号低下を防ぐことができるという利点がある。
Since the difference between the first
以下に、各角速度センサの動作原理を説明する。代表して、第１角速度センサ１１について説明する。
Hereinafter, the operating principle of each angular velocity sensor will be described. As a representative, the first
駆動側の振動子（第１振動子１０１−１）上の電極１０８−１に対してある周期を持った交流電流が流れる。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。電極に電流が流れると、第１基板１００の下部に配された磁石３００からの磁界により、ローレンツ力がＸ方向に発生する。
An alternating current having a certain period flows to the electrode 108-1 on the drive-side vibrator (first vibrator 101-1). Since the current has a periodicity, the flow direction may be reversed at another time. When a current flows through the electrode, a Lorentz force is generated in the X direction by a magnetic field from the
ローレンツ力Ｆlorentz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、Ｆlorentz＝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、周期的に運動を繰り返す。 Lorentz force F Lorentz is a current flowing between the electrodes I, the magnetic flux density B, and the length of the electrode lines is L, is represented by F Lorentz = IBL made wherein the force is induced in a direction perpendicular to the wiring . The Lorentz force is applied to the vibrator with the same periodicity as the applied current, and the first vibrator 101-1 on the driving side is connected to the elastic support bodies 102-1 and 102-2. 1 and 103-2 are fixed points, and the motion is repeated periodically.
振動モード周波数を適切に選択することにより、もう一方の第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、ある位相ずれを持ちながら運動を繰り返す。その際、外部からＹ軸まわりに角速度が与えられると、振動方向に直交した方向にコリオリ力が発生する。コリオリ力Ｆlorentz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、Ｆlorentz＝２ｍｖΩなる式で表される。 By appropriately selecting the vibration mode frequency, the other second vibrator 101-2 has the support portions 103-3 and 103-4 connected to the elastic supports 102-3 and 102-4 as fixed points. , Repeat the motion with a certain phase shift. At that time, when an angular velocity is applied from the outside around the Y axis, a Coriolis force is generated in a direction orthogonal to the vibration direction. The Coriolis force F lorentz is represented by the following formula: F lorentz = 2 mvΩ, where 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.
コリオリ力で発生した変位を大きく取るためには、駆動変位ｘm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。 To a large displacement generated by the Coriolis force, it is necessary to increase the driving displacement x m. In the case of electromagnetic driving, since a comb-tooth electrode necessary for electrostatic driving is not required, a large displacement can be taken.
コリオリ力が発生すると振動子１０１がＺ軸方向に振動する。その際、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２の上部にそれぞれ検出電極１２０−１、１２０−２が配置されていることで電極間に容量の変化が現れる。ここで、電圧印加の周波数はコントロールされており、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２は逆位相でＸ方向に駆動している。このため、Ｚ方向に対しては、一方の振動子（例えば第１振動子１０１−１）は検出電極１２０−１に近づく方向に変位し、もう一方の振動子（例えば第２振動子１０１−２）は検出電極１２０−２に遠ざかる方向に振動子が変位する。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。すなわち、上記第１角速度センサ１は、Ｘ軸に駆動し、Ｙ軸周りの角速度をＺ軸方向の容量変化として検出する。なお、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２は逆位相で振動するので、上記の逆の場合もある。
When the Coriolis force is generated, the vibrator 101 vibrates in the Z-axis direction. At this time, since the detection electrodes 120-1 and 120-2 are arranged above the first and second vibrators 101-1 and 101-2, a change in capacitance appears between the electrodes. Here, the frequency of voltage application is controlled, and the first and second vibrators 101-1 and 101-2 are driven in the X direction with opposite phases. For this reason, with respect to the Z direction, one vibrator (for example, the first vibrator 101-1) is displaced in a direction approaching the detection electrode 120-1, and the other vibrator (for example, the second vibrator 101-1). In 2), the vibrator is displaced in a direction away from the detection electrode 120-2. By detecting the capacitance difference, the applied angular velocity is calculated. That is, the first
角速度が印加されたときにはそれぞれの検出電極１２０と振動子１０１間に発生する容量変化量が異なるが、加速度が印加された際には、理想的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、加速度成分を除去できる構造となっている。 When the angular velocity is applied, the capacitance change amount generated between each detection electrode 120 and the vibrator 101 is different. However, when the acceleration is applied, the capacitance change amount that is ideally generated is not different. There is no difference in capacity even when taking Therefore, it has a structure capable of removing the acceleration component.
上記加速度成分を除去できることについて図４により説明する。図４（１）に示すように、初期容量をＣとして、検出電極１２０−１と第１振動子１０１−１との間に生じる容量をＣ１、検出電極１２０−２と第２振動子１０１−２との間に生じる容量をＣ２として、定常状態では、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃとなるので、容量差分Ｃ１−Ｃ２＝０となり、容量差は生じていない。 The fact that the acceleration component can be removed will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4A, the initial capacitance is C, the capacitance generated between the detection electrode 120-1 and the first transducer 101-1 is C1, and the detection electrode 120-2 and the second transducer 101-. The capacity generated between 2 and C2 is C2, and in a steady state, C1 = C2 = C, so that the capacity difference C1-C2 = 0, and no capacity difference occurs.
次に、図４（２）に示すように、角速度が印加された場合には、Ｃ１＞Ｃ、Ｃ２＜Ｃ（もしくは駆動方向によってはＣ１＜Ｃ、Ｃ２＞Ｃ）となるので、容量差分｜Ｃ１−Ｃ２｜＞０となり、容量差が生じる。 Next, as shown in FIG. 4 (2), when an angular velocity is applied, C1> C and C2 <C (or C1 <C, C2> C depending on the driving direction). C1-C2 |> 0, and a capacitance difference occurs.
次に、図４（３）に示すように、加速度が印加された場合には、Ｃ１＞Ｃ、Ｃ２＞Ｃ（もしくは加速度の印加方向によってはＣ１＜Ｃ、Ｃ２＜Ｃ）となり、かつＣ１＝Ｃ２であるので、容量差分｜Ｃ１−Ｃ２｜＝０となり、容量差が生じない。したがって、加速度成分は除去されることになる。 Next, as shown in FIG. 4C, when acceleration is applied, C1> C, C2> C (or C1 <C, C2 <C depending on the direction of application of acceleration), and C1 = Since it is C2, the capacity difference | C1−C2 | = 0, and there is no capacity difference. Therefore, the acceleration component is removed.
また、図５の容量検出ブロック図に示すように、容量変化を読み取る際、第２基板２００側の電極１２０と振動子１０１間に搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）を乗せ、容量変化（Ｃ１−Ｃ２）により発生した電荷を増幅器により増幅することにより実際の信号を取り出す。搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）は搬送波同期検波により除去され、また駆動波に関しては、駆動同期検波によって、駆動信号そのもの、もしくは誘導起電圧などの駆動モニタ手段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。
Further, as shown in the capacitance detection block diagram of FIG. 5, when reading the capacitance change, a carrier wave (+ Vsinωt, −Vsinωt) is placed between the electrode 120 on the
次に、Ｚ軸廻りの角速度を検出する上記第３角速度センサ１３の第１例を図６によって説明する。 Next, a first example of the third angular velocity sensor 13 for detecting the angular velocity around the Z axis will be described with reference to FIG.
図６に示すように、第３角速度センサ１３（１３−１）は、第１基板１００に対して浮遊するように振動子５０１が、その４角を弾性支持体５０２−１〜５０２−４の一端側によって支持されている。各弾性支持体５０２−１〜５０２−４の他端側は、それぞれ支持部５０３−１〜５０３−４に支持固定されている。上記振動子５０１はシリコンの薄膜からなり、上記弾性支持体５０２−１〜４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５０３−１、５０３−２、５０３−３、５０３−４は、それぞれ第１基板１００（基板１０に相当）上に形成されている。したがって、振動子５０１は弾性支持体５０２−１、５０２−２、５０２−３、５０２−４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 FIG. 6, in the third angular velocity sensor 13 (13-1), the
上記支持部５０２−１から弾性支持体５０２−１、弾性支持体５０２−１，５０２−２側の振動子５０１の端辺、弾性支持体５０２−２を通り支持部５０３−２に至るものでこの振動子５０１を電磁駆動させるための検出電極５０８−１が絶縁膜５０７を介して配設されている。同様に、上記支持部５０２−３から弾性支持体５０２−３、弾性支持体５０２−３，５０２−４側の振動子５０１の端辺、弾性支持体５０２−４を通り支持部５０３−４に至るものでこの振動子５０１の励振を検出するための検出電極５０８−２が絶縁膜５０７を介して配設されている。
From the support 502-1 to the elastic support 502-1, the end of the
上記振動子５０１の両側には、振動子５０１を挟んで検出電極５２０−１および検出電極５２０−２が形成されている。
A detection electrode 520-1 and a detection electrode 520-2 are formed on both sides of the
上記構成の第３角速度センサ１３（１３−１）は、前記第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２と同一工程で形成することが可能である。
The third angular velocity sensor 13 (13-1) having the above-described configuration can be formed in the same process as the first
すなわち、振動子５０１は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２と同一工程で形成することが可能であり、弾性支持体５０２−１〜５０２−４は、弾性支持体１０２−１〜１０２−６と同一工程で形成することが可能であり、支持部５０３−１〜５０３−４は、支持部１０３−１〜１０３−４と同一工程で形成することが可能ある。
That is, the
また検出電極５０８−１、検出電極５０８−２は、電極１０８−１、電極１０８−２と同一工程で形成することが可能であり、絶縁膜５０７は、絶縁膜１０７と同一工程で形成することが可能である。さらに、検出電極５２０−１および検出電極５２０−２は、振動子５０１と同一工程で形成することが可能である。
The detection electrode 508-1 and the detection electrode 508-2 can be formed in the same process as the electrode 108-1 and the electrode 108-2, and the insulating
したがって、したがって、第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２と第３角速度センサ１３は、同一工程での製造が可能になり、第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２と第３角速度センサ１３との相互間の位置ずれは、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで高めることが可能になる。よって、各軸に対する感度の低下を防ぐことができ、これによって信号低下を防ぐことができるという利点がある。この結果、例えば、本発明の角速度検出装置がロボットや車などの精密機器に用いられる場合には、各角速度センサ間の設置角度の相対的な補正を行う必要がなくなり、各角速度センサの絶対的な補正のみを行えばよいため、検査コストを下げることができる。
Therefore, the first
上記第３角速度センサ１３−１では、角速度が与えられると、コリオリ力が発生し、振動子５０１がＺ軸廻りに振動する。その際、検出電極５２０−１、５２０−２が配置されていることから、振動子５０１側の電極５０８−１、５０８−２との間に容量の変化が現れる。ここで、電圧印加の周波数は制御されており、振動子５０１はＺ軸廻りに回転振動し、検出電極５０８が一方の検出電極５２０−１に近づき、もう一方の検出電極５２０−２に対して遠ざかる。これによって、検出電極間に容量変化が生じ、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。
In the third angular velocity sensor 13-1, when an angular velocity is given, a Coriolis force is generated, and the
上記第３角速度センサ１３−１は、Ｘ、Ｙ軸に比べて検出電極５２０と振動子５０１の対向する面積が小さいために、検出容量が小さいのでＳＮ比が大きくない。それを改善した一例として、第３角速度センサ１３の第２例を図７によって説明する。
The third angular velocity sensor 13-1 has a small detection capacity because the area where the detection electrode 520 and the
図７に示すように、第３角速度センサ１３（１３−２）は、第１基板１００に対して浮遊するように振動子７０１が、その４角を弾性支持体７０２−１〜７０２−４の一端側によって支持されている。各弾性支持体７０２−１〜７０２−４の他端側は、それぞれ支持部７０３−１〜７０３−４に支持固定されている。上記振動子７０１はシリコンの薄膜からなり、上記弾性支持体７０２−１〜４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７０３−１、７０３−２、７０３−３、７０３−４は、それぞれ第１基板１００（基板１０に相当）上に形成されている。したがって、振動子７０１は弾性支持体７０２−１、７０２−２、７０２−３、７０２−４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 FIG. 7, in the third angular velocity sensor 13 (13-2), the vibrator 701 floats with respect to the
上記支持部７０２−１から弾性支持体７０２−１、弾性支持体７０２−１，７０２−２側の振動子７０１の端辺、弾性支持体７０２−２を通り支持部７０３−２に至るものでこの振動子７０１を電磁駆動させるための検出電極７０８−１が絶縁膜７０７を介して配設されている。同様に、上記支持部７０２−３から弾性支持体７０２−３、弾性支持体７０２−３，７０２−４側の振動子７０１の端辺、弾性支持体７０２−４を通り支持部７０３−４に至るものでこの振動子７０１の励振を検出するための検出電極７０８−２が絶縁膜７０７を介して配設されている。 From the support part 702-1 to the elastic support body 702-1, the end of the vibrator 701 on the elastic support bodies 702-1 and 702-2 side, the elastic support body 702-2, and the support part 703-2. A detection electrode 708-1 for electromagnetically driving the vibrator 701 is provided via an insulating film 707. Similarly, from the support portion 702-3 to the elastic support member 702-3, the end of the vibrator 701 on the elastic support members 702-3 and 702-4 side, the elastic support member 702-4, and the support portion 703-4. In other words, a detection electrode 708-2 for detecting excitation of the vibrator 701 is disposed via an insulating film 707.
上記振動子７０１の両側には、いわゆる櫛歯状の電極７１０−１および電極７１０−２が形成されている。さらに、振動子７０１を挟んで、上記電極７１０−１および電極７１０−２の櫛歯の間に入り込むように、いわゆる櫛歯状の検出電極７２０−１および検出電極７２０−２が配置されている。 On both sides of the vibrator 701, so-called comb-like electrodes 710-1 and 710-2 are formed. Furthermore, so-called comb-like detection electrodes 720-1 and 720-2 are arranged so as to enter between the comb teeth of the electrodes 710-1 and 710-2 with the vibrator 701 interposed therebetween. .
上記構成の第３角速度センサ１３（１３−２）は、前記第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２と同一工程で形成することが可能である。
The third angular velocity sensor 13 (13-2) having the above-described configuration can be formed in the same process as the first
すなわち、振動子７０１は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２と同一工程で形成することが可能であり、弾性支持体７０２−１〜７０２−４は、弾性支持体１０２−１〜１０２−６と同一工程で形成することが可能であり、支持部７０３−１〜７０３−４は、支持部１０３−１〜１０３−４と同一工程で形成することが可能ある。
That is, the vibrator 701 can be formed in the same process as the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2, and the elastic supports 702-1 to 702-4 are
また検出電極７０８−１、検出電極７０８−２は、電極１０８−１、電極１０８−２と同一工程で形成することが可能であり、絶縁膜７０７は、絶縁膜１０７と同一工程で形成することが可能である。さらに、電極７１０−１、電極７１および検出電極７２０−１、検出電極７２０−２は、振動子５０１と同一工程で形成することが可能である。
The detection electrode 708-1 and the detection electrode 708-2 can be formed in the same step as the electrodes 108-1 and 108-2, and the insulating film 707 is formed in the same step as the insulating
したがって、したがって、第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２と第３角速度センサ１３は、同一工程での製造が可能になり、第１角速度センサ１１と第２角速度センサ１２と第３角速度センサ１３との相互間の位置ずれは、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで高めることが可能になる。よって、各軸に対する感度の低下を防ぐことができ、これによって信号低下を防ぐことができるという利点がある。この結果、例えば、本発明の角速度検出装置がロボットや車などの精密機器に用いられる場合には、各角速度センサ間の設置角度の相対的な補正を行う必要がなくなり、各角速度センサの絶対的な補正のみを行えばよいため、検査コストを下げることができる。
Therefore, the first
また、上記第３角速度センサ１３−２では、角速度が与えられると、コリオリ力が発生し、振動子７０１がＹ軸方向に振動する。その際、検出電極７２０−１、７２０−２が配置されていることから、振動子７０１側の電極７１０−１、７１０−２との間に容量の変化が現れる。この容量変化から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。また、この第３角速度検出装置１３（１３−２）では、いわゆる櫛歯電極を用いることにより、電極間の対向面積、つまりは容量を増やし、ＳＮ比の劣化を防ぐことができる。櫛歯電極を用いることで容量を数倍〜十数倍稼ぐことができる。 In the third angular velocity sensor 13-2, when an angular velocity is given, a Coriolis force is generated, and the vibrator 701 vibrates in the Y-axis direction. At this time, since the detection electrodes 720-1 and 720-2 are arranged, a change in capacitance appears between the electrodes 710-1 and 710-2 on the vibrator 701 side. By detecting the capacitance difference from this capacitance change, the applied angular velocity is calculated. Further, in the third angular velocity detection device 13 (13-2), by using so-called comb electrodes, the facing area between the electrodes, that is, the capacity can be increased, and deterioration of the SN ratio can be prevented. By using a comb electrode, the capacity can be increased several times to several tens of times.
上記第１〜第３角速度センサ１１〜１３では、振動子を浮遊状態に支持する弾性支持体の長さ、幅、および振動子の質量で調整をし、共振周波数はＸＹ軸から共振周波数を離すことによって、基板１０を通じて他軸に影響を及ぼすメカニカルカップリングを抑制している。一般的にはそれぞれ１０％程度離すことが多い。また、素子としての応答性、時間分解能を軸毎に合わせるために、低周波側の下限は必要応答周波数の２０倍以上に設定するのが一般的である。
In the first to third
次に、本発明の角速度検出装置に係わる一実施の形態（第２実施例）を、図８に示した平面レイアウト図および図９に示した角速度検出装置の平面レイアウト図および図１０に示した図９中のＡ−Ａ’線断面図によって説明する。 Next, an embodiment (second example) relating to the angular velocity detection device of the present invention is shown in the plan layout diagram shown in FIG. 8, the plan layout diagram of the angular velocity detection device shown in FIG. 9, and FIG. This will be described with reference to a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
図８に示すように、角速度検出装置２は、基板１０上に、第１軸（例えばＸ軸）に感度を持つ第１角速度センサ１１と、上記第１軸（Ｘ軸）に直交する第２軸（例えばＹ軸）に感度を持つ第２角速度センサ１２と、上記第１軸（Ｘ軸）および上記第２軸（Ｙ軸）の両方に直交する第３軸（例えばＺ軸）に感度を持つ第３角速度センサ１３とが形成されている。さらに、基板１０上に加速度センサ３０が形成されている。上記第１〜第３角速度センサ１１〜１３は、前記説明した第１実施例と同様な構成を有している。上記基板１０は、例えばシリコン基板からなり、上記第１〜第３角速度センサ１１〜１３および加速度センサ３０が形成された基板１０は、角速度センサ基板５０上に設置され、例えばモールドもしくはセラミックス等のパッケージ６０（図面では２点鎖線で示す）により覆われている。上記第１角速度センサ１１、上記第２角速度センサ１２、上記第３角速度センサ１３および加速度センサ３０は、上記基板１０上に同一工程で形成されたものからなっている。
As illustrated in FIG. 8, the angular
次に、図９および図１０によって、上記加速度センサ３０の詳細の一例を説明する。図９および図１０に示すように、加速度センサ３０は、第１振動子３０１−１と第２振動子３０１−２を並行に備えている。この第１振動子３０１−１、第２振動子３０１−２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３０１−１と第２振動子３０１−１とは、互いに向かい合う側の角部が弾性支持体３０２−５、３０２−６とによって接続され、第１振動子３０１−１の第２振動子３０１−２とは反対側の角部分には弾性支持体３０２−１、３０２−２の一端側によって支持されている。また弾性支持体３０２−１、３０２−２の他端側は、それぞれ支持部３０３−１、３０３−２に支持固定されている。また、第２振動子３０１−２の第１振動子３０１−１とは反対側の角部分には弾性支持体３０２−３、３０２−４の一端側によって支持されている。また弾性支持体３０２−３、３０２−４の他端側は、それぞれ支持部３０３−３、３０３−４に支持固定されている。上記弾性支持体３０２−１〜６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３０３−１、３０３−２、３０３−３、３０３−４は、それぞれ第１基板１００（基板１０に相当）上に形成されている。したがって、第１振動子３０１−１および第２振動子３０１−２は弾性支持体３０２−１、３０２−２、３０２−３、３０２−４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。 Next, an example of details of the acceleration sensor 30 will be described with reference to FIGS. 9 and 10. As shown in FIGS. 9 and 10, the acceleration sensor 30 includes a first vibrator 301-1 and a second vibrator 301-2 in parallel. Both the first vibrator 301-1 and the second vibrator 301-2 are formed of a rectangular thin film, and are formed of silicon as an example. The first vibrator 301-1 and the second vibrator 301-1 are connected to each other at the corners facing each other by elastic supports 302-5 and 302-6. The elastic support bodies 302-1 and 302-2 are supported by one end side of the corner portion opposite to the two vibrators 301-2. The other ends of the elastic supports 302-1 and 302-2 are supported and fixed to the support portions 303-1 and 303-2, respectively. Further, the second vibrator 301-2 is supported at one end side of the elastic supports 302-3 and 302-4 at a corner portion on the opposite side to the first vibrator 301-1. The other ends of the elastic supports 302-3 and 302-4 are supported and fixed to the support portions 303-3 and 303-4, respectively. Each of the elastic supports 302-1 to 30-6 is made of, for example, a leaf spring, made of, for example, silicon, and formed in, for example, a U shape. The support portions 303-1, 303-2, 303-3, and 303-4 are respectively formed on the first substrate 100 (corresponding to the substrate 10). Therefore, the first vibrator 301-1 and the second vibrator 301-2 are supported only by the elastic supports 302-1, 302-2, 302-3, 302-4, and are Arranged completely floating.
上記振動子３０１が形成されている側とは反対側の上記第１基板１００の裏面には磁石３００が設けられている。
A
上記第１基板１００上には、フレーム部３２１を介して第２基板４００が形成されている。この第２基板４００は、例えばガラス基板で形成されている。この第２基板４００の上記第１基板１００と対向する面の上記第１振動子３０１−１に形成された検出電極３０８−１に対向する位置には、検出電極３２０−１が形成され、第２振動子３０１−２に形成された検出電極３０８−２に対向する位置には、検出電極３２０−２が形成されている。
A
上記構成の加速度センサ３０は、受動センサでよいため、上記第１、第２角速度センサ１１、１２では形成されていた弾性支持体１０２上、振動子１０１上等に形成された絶縁層１０７、電極１０８を形成せず、ローレンツ力による駆動を無くしている。
Since the acceleration sensor 30 configured as described above may be a passive sensor, the insulating
上記角速度検出装置２では、角速度を検出する際には、図１１（１）に示すように、電極１０８−１、１０８−２に逆位相のキャリアを印加する。また、加速度センサ３０は、印加するキャリアの位相を左右振動子で揃えることにより、第１、第２角速度センサ１１、１２上でキャンセルされていた加速度が検出できるようになる。よって、加速度を検出する際には、図１１（２）に示すように、電極３０８−１、３０８−２に同位相のキャリアを印加する。
In the angular
したがって、加速度センサ３０を付加しても、第１、第２角速度センサ１１、１２の製造プロセスと同一工程で形成することが可能になる。すなわち、第１、第２角速度センサ１１、１２に電極１０８、絶縁層１０７を形成する際に、そのパターニング工程で、加速度センサ３０上の電極１０８を形成するための電極層、絶縁層１０７を除去すればよい。これによって、加速度センサ３０を第１、第２角速度センサ１１、１２と同時に、同一基板上に作製することが可能となる。
Therefore, even if the acceleration sensor 30 is added, it can be formed in the same process as the manufacturing process of the first and second
一般的に、ロボットなどの制御は、３軸の並進（位置、速度、加速度など）情報と３軸の回転（角度、角速度など）情報の６自由度が必要となる。したがって、角速度検出装置２に加速度センサ３０が形成されていることによって、例えば、ロボットなどの制御を高精度に行えるようになる。すなわち、同一基板（ダイ）に同一工程で角速度センサと加速度センサとを形成することができるので、６自由度同士の相対的な角度ズレ誤差を極めて小さくすることができる。
In general, control of a robot or the like requires six degrees of freedom of three-axis translation (position, velocity, acceleration, etc.) information and three-axis rotation (angle, angular velocity, etc.) information. Therefore, since the acceleration sensor 30 is formed in the angular
１…角速度検出装置、１１…第１角速度センサ、１２…第２角速度センサ、１３…第３角速度センサ、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
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記弾性支持体の他端側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を有し、
振動を検出する方向が単軸方向の角速度センサを複数備えたもので、
前記複数の角速度センサは、第１軸に感度を持つ第１角速度センサと、前記第１軸に直交する第２軸に感度を持つ第２角速度センサと、前記第１軸および前記第２軸の両方に直交する第３軸に感度を持つ第３角速度センサとからなり、
前記第１角速度センサおよび前記第２角速度センサおよび前記第３角速度センサが前記基板上に同一工程で形成されたものからなる
ことを特徴とする角速度検出装置。 An elastic support having one end supported by a support provided on the substrate;
A vibrator supported on the other end of the elastic support and displaceable with respect to the substrate;
It is equipped with multiple angular velocity sensors whose vibration detection direction is uniaxial.
The plurality of angular velocity sensors include a first angular velocity sensor having a sensitivity on a first axis, a second angular velocity sensor having a sensitivity on a second axis orthogonal to the first axis, and the first axis and the second axis. A third angular velocity sensor having sensitivity in a third axis orthogonal to both,
The angular velocity detection device, wherein the first angular velocity sensor, the second angular velocity sensor, and the third angular velocity sensor are formed on the substrate in the same process.
ことを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。 The angular velocity detection device according to claim 1, further comprising an acceleration sensor on the substrate.
前記弾性支持体の他端側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を有し、
振動を検出する方向が単軸方向の角速度センサを複数備えた角速度検出装置の製造方法であって、
前記複数の角速度センサの製造工程は、前記基板上に、第１軸に感度を持つ第１角速度センサと、前記第１軸に直交する第２軸に感度を持つ第２角速度センサと、前記第１軸および前記第２軸の両方に直交する第３軸に感度を持つ第３角速度センサとを同一工程で形成する
ことを特徴とする角速度検出装置の製造方法。
An elastic support having one end supported by a support provided on the substrate;
A vibrator supported on the other end of the elastic support and displaceable with respect to the substrate;
A method for manufacturing an angular velocity detection device including a plurality of angular velocity sensors whose unidirectional vibration detection directions are provided,
The manufacturing process of the plurality of angular velocity sensors includes: a first angular velocity sensor having sensitivity on a first axis; a second angular velocity sensor having sensitivity on a second axis perpendicular to the first axis; A method of manufacturing an angular velocity detecting device, wherein a third angular velocity sensor having sensitivity in a third axis orthogonal to both the first axis and the second axis is formed in the same step.
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