JP2007333641A - 慣性センサおよび慣性センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動のＱ値を上げつつ、検出のＱ値を上げるのを抑えて、駆動電圧、消費電力を抑えつつ、角速度印加時のオーバーシュートを防ぐことを可能とする。
【解決手段】第１基板１００に設けられた支持部１２に一端側が支持された弾性支持体１３と、前記基板１００から離間した状態で前記弾性支持体１３の他端側に支持された振動子１１と、前記振動子１１の変位を検出して信号を出力する変位検出部１４とを備えた慣性センサ１において、前記振動子１１は前記振動子１１の駆動方向と平行方向に溝および貫通孔１５の一方もしくは両方が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、慣性センサおよび慣性センサの製造方法に関する。

従来技術として、シリコン（Ｓｉ）などの材料を用い、半導体加工技術を使って加工された振動型ジャイロスコープが知られている。この種のジャイロスコープは慣性質量を一定方向に振動させ、角速度が入力された際に発生するコリオリ力による変位により、角速度の大きさを検出するものである。この角速度センサは、入力インターフェース、ビデオカメラやスチルカメラの手ブレ補正などに適用することができる。

このような角速度センサは一般的に、素子の周囲の空気の粘性抵抗により、振動動作を妨げられ、振動振幅が小さくなりセンサの感度を著しく落としてしまう。もしくは所望の振動振幅を得るために、駆動電圧を高くする必要があり、消費電力が大きくなったり、電圧変換回路のコストがかかったりする。

そのため、一般的にはセラミックパッケージなどを用いて減圧封止されることが多い。しかしながら、通常のセラミックパッケージなどによる減圧封止も、あまり真空度を上げすぎると、外部からパッケージ内部への気体のリークや、パッケージ内部で発生するガスなどの影響が大きく、センサ特性に重大な支障をきたす。また、真空度が高ければ高いほど堅牢な気密構造が必要となり、パッケージのコストアップの要因となる。

減圧せずに粘性抵抗の影響を軽減する技術（例えば、特許文献１参照。）としては、空気よりも有効粘性係数が小さいガスを封入する技術がある。しかしながら、この技術では、大気圧に限って言えばＱ値は空気比で精々２倍程度であり、一般的に数百〜数千程度のＱ値を必要とする振動型ジャイロにおいて効果は微々たるものである。

また、真空封止をすることで駆動側のＱ値Ｑｄを上げることができ、駆動電圧、それに伴う消費電力を下げることができるが、検出側のＱ値Ｑｓも同時に上がることを考えると、角速度印加時の過渡応答におけるオーバーシュートの発生により、安定状態までに要する時間が伸び、応答性、ＳＮが低下する問題が同時に発生していた。

また、非線形特性を持つセンサを用いて駆動振幅を上げることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法を用いれば駆動側の電圧を下げ、同時に検出側の応答には影響を与えずに制御できる。しかしながら、この技術では、非線形振動を用いているために、機械的、電気的に衝撃が加わった時にジャンプ現象などで振幅が著しく低下する恐れがあり、安定性に欠ける。

特開２００６-９８１６８号公報 特開２０００-１８９５１号公報

解決しようとする問題点は、減圧封止では気密性の高める必要があり、堅牢な気密構造のパッケージが必要となり、パッケージコストが高くなる。また減圧せずに粘性抵抗の影響を軽減する技術として、空気よりも有効粘性係数が小さいガスを封入する技術では、十分に高いＱ値を得ることができない。また真空度を高めて駆動Ｑ値を上げると、角速度印加時の過渡応答におけるオーバーシュートの発生により、安定時間が伸び、応答性が低下する問題が発生する。さらに非線形特性を持つセンサを用いて駆動振幅を上げたのでは、機械的、電気的に衝撃が加わった時にジャンプ現象などで振幅が著しく低下する恐れがあり、安定性に欠けるという点である。

本発明は、駆動のＱ値を上げつつ、検出のＱ値を上げるのを抑えて、駆動電圧、消費電力を抑えつつ、角速度印加時のオーバーシュートを防ぐことを可能にすることを課題とする。

本発明の慣性センサは、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、前記振動子は前記振動子の駆動方向と平行方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方が形成されていることを特徴とする。

本発明の慣性センサでは、振動子の駆動方向と平行方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方が形成されていることから、構造的に駆動モード、検出モード等の各モードにおける粘性減衰係数の差を設けることができる。すなわち、慣性質量である振動子に対して、駆動モードと平行な方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方が形成されていることで、駆動のＱ値を上げることができる。また、検出モードは基板面に平行なＸ軸、Ｙ軸それぞれを中心とした回転方向であるために、溝や貫通孔が形成されていることによるＱ値の恩恵を受けず、逆に溝や貫通孔の存在により、運動が阻害され検出のＱ値は低下する。したがって、駆動電圧、消費電力を抑えつつ、角速度印加時のオーバーシュートを防ぐことができる。よって、駆動のＱ値を上げつつ、検出のＱ値を上げるのを抑えることができる。

本発明の慣性センサの製造方法は、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の製造方法において、前記振動子を形成する工程で、前記振動子の駆動方向と平行方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方を形成することを特徴とする。

本発明の慣性センサの製造方法では、振動子を形成する工程で、振動子の駆動方向と平行方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方を形成することから、構造的に駆動モード、検出モード等の各モードにおける粘性減衰係数の差を設けることができる。すなわち、慣性質量である振動子に対して、駆動モードと平行な方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方を形成することで、駆動のＱ値を上げることができる。また、検出モードはＸ軸、Ｙ軸それぞれを中心とした回転方向であるために、溝および貫通孔の一方もしくは両方を形成することによるＱ値の恩恵を受けず、逆に溝や貫通孔の存在により、運動が阻害され検出のＱ値は低下する。したがって、駆動電圧、消費電力を抑えつつ、角速度印加時のオーバーシュートを防ぐことができる。よって、駆動のＱ値を上げつつ、検出のＱ値を上げるのを抑えることができる。

本発明の慣性センサによれば、真空度を大気圧に近い状態にしてもＱ値を高めることができるため、外部からパッケージ内部への気体のリークや、パッケージ内部で発生するガスなどの影響を防ぐことができるので、パッケージの気密構造を簡素化でき、パッケージコストの低減ができるという利点がある。また、真空度を高めてＱ値を高めた構成と比較して、検出側のＱ値の上昇を抑えることができるので、角速度印加時の減衰振動の安定時間を短くすることができ、慣性センサのＳＮ比や応答性の向上を図ることができるという利点がある。

本発明の慣性センサの製造方法によれば、真空度を大気圧に近い状態にしてもＱ値を高めることができるようになるため、外部からパッケージ内部への気体のリークや、パッケージ内部で発生するガスなどの影響を防ぐことができるので、パッケージの気密構造を簡素化でき、パッケージコストの低減ができるという利点がある。また、真空度を高めてＱ値を高めるのと比較して、検出側のＱ値の上昇を抑えることができるので、角速度印加時の減衰振動の安定時間を短くすることができ、慣性センサのＳＮ比や応答性の向上を図ることができるという利点がある。

本発明の慣性センサに係わる一実施の形態（第１実施例）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、一例として、角速度センサを含む多軸複合センサからなる慣性センサを示す。図１の（１）は慣性センサを示す概略構成断面図であり、（２）は振動子および上部に配置された電極の構成例の概略を示す斜視図である。図２の（１）は振動子、弾性支持体および電極の位置関係を示す正面図であり、（２）は平面図である。

図１および図２に示すように、第１基板１００に支持部１２が形成されていて、この支持部１２に弾性支持体１３−１〜１３−４の一端側が支持されている。各弾性支持体１３−１〜１３−４の他端側には、上記第１基板１００および後に説明する第２基板２００から離間した状態で振動子１１が支持されている。また、この振動子１１の変位を検出して信号を出力する変位検出部１４が、例えば第２基板２００の上記振動子１１に対向する側に備えられている。ここでは、振動子１１上方に設けた電極２１１−１〜２１１−４と振動子１１との容量変化によって、振動子１１の変位を検出する構成となっている。また、振動子１１上方に設けた駆動用の電極２１２によって、振動子１１が例えば３次元座標系における第３軸（例えばＺ軸）方向に駆動されるようになっている。また、振動子１１の下方の第１基板１００には、例えば振動子１１の駆動をモニタする電極１１１が形成されている。さらに上記振動子１１には、この振動子１１の駆動方向と平行方向に貫通孔１５が形成されている。この貫通孔１５を形成する代わりに、駆動方向に深さを有する溝を形成してもよく、また両方を形成してもよい。また、溝には、貫通させない孔も含むものとする。また、振動子１１の側面に振動子１１の駆動方向と平行な方向に溝（図示せず）を形成してもよい。

上記本発明の慣性センサ１は、３次元座標系における第１軸（例えばＸ軸）方向の加速度および第２軸（例えばＹ軸）周りの角速度を検出する際に、振動子１１と、この振動子１１を３次元座標系における第３軸（例えばＺ軸）方向に加速度、角速度の必要応答性に対して充分に高い周波数で振動させる励振手段（駆動電極２１２）と、この変位を検出する変位検出部１４（加速度、角速度検出用の電極２１１−１〜２１１−４）と、この変位検出部１４で得た信号において、低周波成分と励振周波数周りの成分を分離する信号分離手段（図示せず）と、低周波成分において、第１軸（例えばＸ軸）方向の加速度を求める演算手段（図示せず）と、第２軸（例えばＹ軸）周りの角速度を求める角速度演算手段（図示せず）とを有することで、角速度と加速度の双方を検出できる。この慣性センサ１は、振動子の第３軸方向に貫通孔１５を設け、駆動方向の粘性抵抗を低減し、検出方向の粘性抵抗を上げている。

以下に、上記慣性センサ１の動作原理を説明する。

最初に、角速度の検出方法について説明する。

振動子１１と駆動電極２１２の間に、振動子１１をその共振周波数で駆動するような交流電圧を前述した第３軸（例えば３次元座標系におけるＺ軸）方向に印加し、振動子１１と駆動電極２１２間に静電力を発生させて、振動子１１を周期的に駆動させる。

ここで、第１軸（例えば３次元座標系におけるＸ軸）周りに角速度を印加すると、第２軸（例えば３次元座標系におけるＹ軸）方向にコリオリ力Ｆ_coriolisが発生する。このコリオリ力Ｆ_coriolisは下記式によって表される。

Ｆ_coriolis＝２ｍｖΩ

ここでｍは振動子１１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。

コリオリ力が第２軸（例えば３次元座標系におけるＹ軸）方向に発生すると、振動子１１に力が印加され、第２軸方向に変位する。図３に示すように、振動子１１は重心位置と弾性支持体１３−１〜４の支持位置の高さが異なるために、コリオリ力によりモーメントが発生し、捻り方向（矢印ア、イ方向）に振動する。なお、駆動電極２１２による駆動方向はＺ方向（矢印ウ）方向である。この捻り方向の変位を図４（１）に示すように、４つの電極２１１−１〜２１１−４の静電容量変化により検出する。

例えば図４（２）に示すように、４つの電極２１１−１〜２１１−４のうち、傾いて隙間が広がった側の２電極２１１−１、２１１−４は静電容量Ｃ１、Ｃ４が減少し、傾いて隙間が狭まった側の２電極２１１−２、２１１−３は静電容量Ｃ２、Ｃ３が増加する。広がった側同士で容量Ｃ１＋Ｃ４の和を取り、狭まった同士で容量Ｃ２＋Ｃ３の和を取った後に、それぞれの電極の容量の和同士の差分（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）を取ることにより、効率よく捻りによる変位、つまり角速度を検出することができる。

また、第２軸（例えば３次元座標系におけるＹ軸）周りに角速度を印加すると、第１軸（例えば３次元座標系におけるＸ軸）方向にコリオリ力が発生する。同様に４つの電極２１１−１〜２１１−４の静電容量変化により第２軸周りに発生する角速度を検出できるため、２軸分の角速度を検出可能である。

次に加速度の検出方法について示す。

振動子１１の質量をｍとし、この振動子１１に所定方向の加速度αが作用すると、この加速度αと同じ方向にＦ＝ｍαとなる力が作用する。また、力が加わった際の弾性支持体１３の変位ｘはＦ＝ｋｘで表されるため、ｘ∝αとなり、変位を検出することで加速度を知ることができる。

第１軸（例えば３次元座標系におけるＸ軸）周りに加速度が発生すると、角速度の場合と同様に、慣性力によるモーメントが発生し、捻り方向に変位が発生する。この捻り方向への変位を電極２１１−１〜２１１−４の静電容量変化として検出する。第１軸周りの加速度と、第２軸周りの角速度による変位の方向が同一であるが、一般的に加速度は精々２００Ｈｚまでを検出すればよく、角速度に関しては振動子１１の振動周波数（一般的に数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）近辺に現れるために、フィルタなどによって容易に分離可能である。

また、第２軸（例えば３次元座標系におけるＹ軸）周りの加速度に関しても同様である。

一般的に、慣性センサの検出側のＱ値はある程度高く保つ必要があるが、メカニカルカップリングを用いた利得の値よりも大きければ問題ない。例えば図５に示した式と図６に示した利得と離調度（駆動周波数と検出周波数の比）との関係図に示すように、例えば利得を１０倍得たい時は離調度を０．９５もしくは１．０５に設定する必要がある。このときに検出側のＱ値を１０よりも大きくしても利得はほとんど変わらず、仮に１００や１０００などの想定される利得よりも大きな値に検出のＱ値を設定していた場合、図５に示した角速度ωが印加されたときの過渡項ｅｘｐ（−ωzｔ／２Ｑ）の分母に検出側のＱ値が含まれるために、Ｑが大きいと粘性減衰系の減衰比が小さいことになり、収束に時間がかかる。参考として、図７に、粘性減衰系のステップ応答を示す。

次に、図８（１）に、多軸の角速度と加速度を同時に検出できる慣性センサにおける駆動のモードの一例を示し、図８（２）、（３）に、この慣性センサにおける検出のモードの一例を示す。

本発明の慣性センサ１は、駆動のＱ値だけを大きく上げて、検出のＱ値をそれほど変化させないという構造的な工夫をしたものである。すなわち、慣性質量（振動子１１）に対して、駆動モードと平行な方向に溝もしくは貫通孔１５〔前記図１（１）参照〕を形成することで、駆動のＱ値を上げることができる。また、検出モードはＸ軸、Ｙ軸それぞれを中心とした回転方向であるために、溝もしくは貫通孔１５によるＱ値の恩恵を受けず、逆に溝もしくは貫通孔１５の存在により、運動が阻害され検出のＱ値は低下する。したがって、駆動電圧、消費電力を抑えつつ、角速度印加時のオーバーシュートを防ぐことができる。よって、駆動のＱ値を上げつつ、検出のＱ値を上げるのを抑えることができる。

上記慣性センサ１は、半導体プロセスにより形成された後、セラミックパッケージなどを用いて大気圧よりも低い雰囲気に減圧封止される。慣性センサ１のような数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの共振を用いる場合、内部損失などの構造減衰よりも、雰囲気による減衰のほうが遥かに大きいことが知られている。このため、減圧封止することで、駆動、検出のＱ値を向上させることが可能である。このとき、例えば１Ｐａ以下の高真空にすると、脱ガスの処理やパッケージの堅牢性の確保などが必要となり、製造プロセスの負荷が大きくなり、また製造コストもかかる。一方、１００Ｐａ〜程度の真空度であれば、熱処理などによる脱ガスの影響をほとんど無視でき、パッケージも簡素化できる。

真空度を上げないと、駆動のＱ値が上がらずに、駆動電圧が上がってしまう問題があるが、振動子に駆動方向とほぼ同一方向となる溝または貫通孔１５〔前記図１（１）参照〕を形成している本発明の慣性センサ１は、空気の粘性抵抗の影響を小さくし、駆動のＱ値を上げることができる。ここで、振動子１１に貫通孔１５を設けず平面のまま駆動した場合と、振動子１１に駆動方向と平行な方向に貫通孔１５を形成した場合とにおけるシミュレーション結果を図９に示す。図９では、縦軸に粘性減衰係数を示し、横軸に周波数を示す。

このシミュレーション結果は、図１０に示すように、振動子１１とその上部に配置した電極１３との間隔を３μｍとしてときのシミュレーションである。なお、貫通孔１５は、製造プロセスの利便性を考慮して、貫通孔ではなく、２２μｍの深さの孔とした。また孔間のライン部の幅ｗは、１０μｍの場合と１００μｍの場合とした。また、比較例として孔を設けない場合を示した。

図９に示すように、孔を設けない場合と孔を設けた場合とを比較すると、孔を設けた場合の方が、粘性減衰係数が３分の１程度に低減されるので、Ｑ値は３倍程度、高くなる。また、ライン部の幅を１０μｍとした方が１００μｍの場合よりも粘性減衰係数が低減される。すなわち、この孔を多く設けることにより、粘性減衰係数の低減効果が大きくなり、Ｑ値が大きくなることがわかる。また、この効果は孔を貫通孔にすることで数倍〜数十倍の効果が得られる。

ここでは、具体的に駆動の定常項と、オーバーシュートなどの要因となる過渡項の割合を検証する。前記図５に示した過渡項と定常項の比は、位相情報を無視すれば、ｅｘｐ（−ωｓ・ｔ／（２・Ｑｓ））となる。この割合が大きければ、その時間でのオーバーシュートの割合が印加角速度の大きさに対して大きいことになる。一般的な角速度センサの応答性は１００Ｈｚ程度が多いため、０．０１秒における応答を考えると、ｅｘｐ（-ωｓ／（２００・Ｑｓ））となる。振幅の割合が定常項に対して１０％以下であれば影響が少ないと考えれば、ｅｘｐ（−ωｓ／（２００・Ｑｓ））＜０．１が条件となる。具体的には検出周波数ωｓが２ｋＨｚであれば、Ｑｓの上限は２７となり、検出周波数が１０ｋＨｚであれば、Ｑｓの上限は１４３となる。

次に、本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（製造方法の第１実施例）を、図１１〜図１５によって説明する。図１１〜図１５では、一例として、前記第１実施例で説明した角速度センサを含む多軸複合センサからなる慣性センサ１の製造工程を示す。

図１１（１）に示すように、第１層３１、第２層３２、第３層３３が順に積層された三層構造を持つ基板３０を用いる。このような基板３０としては、ＳＯＩ基板がある。ここでは、下層の第１層３１にシリコン層、第２層３２に絶縁層、上層の第３層３３にシリコン層を形成したものを用いた。上記絶縁層には酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁体を用いることができる。ここで、両側の第１、第２層３１、３２には導電性を持たせている。例えばｎ型不純物もしくはｐ型不純物をドーピングすることにより導電性を持たせている。また、上層の第３層３３のほうが、下層の第１層３１よりも薄く形成されている。これは上層のシリコン層で弾性支持体を形成するためで、所定の厚さになったときに可撓性を持たせるために薄く形成されている。下層の第１層３１は質量部（振動子）を形成するために厚く形成されている。

上記基板（ＳＯＩ基板）３０を加工することで多軸センサを作製する。まず、図１１（２）に示すように、基板３０の下面を、反応性イオンエッチングなどを用いて第１層３１を除去加工して所定ブロックに分割する。この工程で、駆動方向つまり第三の軸に平行に貫通孔１５を形成する。このエッチング工程では酸化シリコン層とシリコン層の間に充分なエッチング選択比があるために、第２層（酸化シリコン層）３２をエッチングストッパとして用いることができる。

次に、図１１（３）に示すように、第２層（酸化シリコン層）３２に対してエッチングを行い、酸化シリコン層を除去する。このときは上部の第３層（シリコン層）３３がエッチングストッパとして機能する。

次に、図１２（１）に示すように、下部基板となる第１基板１００を用意する。この第１基板１００には、溝１１０が形成され、この溝１１０に電極１１１が形成されている。

次に、図１２（２）に示すように、上記第１基板１００を基板３０の第１層３１の下面に接合する。この接合には例えば陽極接合を用いる。シリコン・シリコン酸化膜接合、シリコン・シリコン接合、金属・金属接合などの手法を用いてもよい。

続いて、上部の第３層３３の上面から弾性支持体、質量部となる振動子の一部を覆うマスクを用いて第３層３３を選択的にエッチングする。この際に、駆動方向つまり第三の軸に平行に孔（図示せず）を形成する。その結果、図１３（１）の平面図および（２）の概略構成断面図に示すような、振動子１１とこの振動子１１を支持する弾性支持体１３とこの弾性支持体１３を支持する支持部１２が第１基板１００上に形成され、振動子１１に複数の貫通孔１５が形成された構造体が得られる。

次に、図１４に示すような、第２基板２００を用意し、その下面側に配線用の溝２１０を加工する。この加工には、通常のシリコンエッチングなどの方法を用いることができる。さらに溝２１０内に電極（検出電極）２１１および電極（駆動電極）２１２を形成する。

次に、図１５に示すように、上記第２基板２００を陽極接合などの接合方法を用いて、上記振動子１１、弾性支持体１３等を構成した上記基板３０に接合する。ここで、第２基板２００には複数の錘状貫通孔（図示せず）が形成されており、下部のシリコン導電層を観察可能である。ここで第２基板２００の上面に金などの金属を蒸着することで、錘状貫通孔の壁面に金属層を堆積させることで各配線用端子を形成し、不要な金属膜をエッチングなどで除去すれば、図示したような慣性センサ１が得られる。その後、上記慣性センサ１は図示はしないが、パッケージに実装される。

上記慣性センサ１の製造方法によれば、真空度を大気圧に近い状態にしてもＱ値を高めることができるようになるため、外部からパッケージ内部への気体のリークや、パッケージ内部で発生するガスなどの影響を防ぐことができるので、パッケージの気密構造を簡素化でき、パッケージコストの低減ができるという利点がある。また、真空度を高めてＱ値を高めるのと比較して、検出側のＱ値の上昇を抑えることができるので、角速度印加時の減衰振動の安定時間を短くすることができ、慣性センサのＳＮ比や応答性の向上を図ることができるという利点がある。

次に、本発明の慣性センサに係わる一実施の形態（第２実施例）を、図１６および図１７によって説明する。図１６および図１７では、一例として、単軸の角速度センサからなる慣性センサを示す。図１６は慣性センサを示す平面レイアウト図であり、図１７は上記図１６に示したＡ−Ａ’線における概略構成断面図である。

図１６および図１７に示すように、慣性センサ２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。例えば、第１振動子３０１−１を駆動側振動子とし、第２振動子３０１−２を励振側振動子とする。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。そして、上記第１振動子３０１−１の上面と第２振動子３０１−２の上面には、駆動方向と平行な方向に溝３５０−１、３５０−２が形成されている。この溝３５０−１、３５０−２は、第１、第２振動子３０１−１、２の下面側に形成してもよく、また、両面に形成してもよい。また、振動子に溝を形成できる厚みがある場合には、側面に形成してもよい。

上記第１振動子３０１−１と第２振動子３０１−２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、１０３−４は、それぞれ第１基板３００（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３００に対して完全に浮動状態に配置されている。

上記支持部３０２−１から弾性支持体３０２−１、第１振動子３０１−１、弾性支持体３０２−２を通り支持部３０３−２に至るものでこの第１振動子３０１−１を電磁駆動させるための電極３０８−１が絶縁膜３０７を介して配設されている。同様に、上記支持部３０２−３から弾性支持体３０２−３、第１振動子３０１−２、弾性支持体３０２−４を通り支持部３０３−４に至るものでこの第２振動子３０１−２の励振を検出するための電極３０８−２が絶縁膜３０７を介して配設されている。

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３００の裏面には磁石５００が設けられている。

上記第１基板３００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３００と対向する面の上記第１振動子３０１−１に形成された電極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。

さらに、上記第２基板４００には、上記支持部３０３−１、３０３−２上の電極３０８−１に接続するもので、電極３０８−１を外部に引き出すための引き出し電極３２４−１、３２４−２（図示せず）がコンタクト部３２５−１、３２５−２を介して形成され、上記支持部３０３−３、３０３−４上の電極３０８−２に接続するもので、電極３０８−２を外部に引き出すための引き出し電極３２４−３、３２４−４（図示せず）がコンタクト部３２５−３、３２５−４を介して形成されている。

上記慣性センサ２は、第１基板３００の下部に配置された磁石５００により電磁的に駆動される。上記第１実施例では、磁石５００を第１基板３００の下部に設置したが、第１基板３００を掘り込んで、その内部に磁石５００を設置する、または第２基板４００の上部に設置することも可能である。また、第１基板３００および第２基板４００の両方に磁石５００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３０１上の電極３０８に電流を流す。

以下に、上記慣性センサ２の動作原理を説明する。

駆動側の振動子（第１振動子３０１−１）上の電極３０８−１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３００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。

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１振動子３０１−１は、弾性支持体３０２−１、３０２−２に接続されている支持部３０３−１、３０３−２を固定点とし、周期的に運動を繰り返す。

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３０１−２は弾性支持体３０２−３、３０２−４に接続されている支持部３０３−３、３０３−４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、駆動変位ｘ_m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。

コリオリ力が発生すると振動子３０１がＺ軸方向に振動する。その際、第１、第２振動子３０１−１，３０１−２の上部にそれぞれ検出電極３２０−１、３２０−２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３０１−１，３０１−２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３０１−１）は検出電極３２０−１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３０１−２）は検出電極３２０−２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３０１−１，３０１−２は逆位相で振動するので、上記の逆の場合もある。

角速度が印加されたときにはそれぞれの検出電極３２０と振動子３０１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。

上記加速度成分を除去できることについて説明する。初期容量をＣとして、検出電極３２０−１と第１振動子３０１−１との間に生じる容量をＣ１、検出電極３２０−２と第２振動子３０１−２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。

次に、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。

次に、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。

また、容量変化を読み取る際、第２基板４００側の電極３２０と振動子３０１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。

上記慣性センサ２は、半導体プロセスにより形成された後、セラミックパッケージなどを用いて大気圧よりも低い雰囲気に減圧封止される。慣性センサ２のような数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの共振を用いる場合、内部損失などの構造減衰よりも、雰囲気による減衰のほうが遥かに大きいことが知られている。このため、減圧封止することで、駆動、検出のＱ値を向上させることが可能である。このとき、例えば１Ｐａ以下の高真空にすると、脱ガスの処理やパッケージの堅牢性の確保などが必要となり、製造プロセスの負荷が大きくなり、また製造コストもかかる。一方、１００Ｐａ〜程度の真空度であれば、熱処理などによる脱ガスの影響をほとんど無視でき、パッケージも簡素化できる。

真空度を上げないと、駆動のＱ値が上がらずに、駆動電圧が上がってしまう問題があるが、本発明の慣性センサ１では、振動子３０１に駆動方向と平行な方向となる溝３５０を形成していることから、構造的に駆動モード、検出モード等の各モードにおける粘性減衰係数の差を設けることができる。すなわち、慣性質量である振動子に対して、駆動モードと平行な方向に溝３５０が形成されていることで、空気の粘性抵抗の影響を小さくし、駆動のＱ値を上げることができる。また、検出モードは基板面に平行なＸ軸、Ｙ軸それぞれを中心とした回転方向であるために、溝３５０が形成されていることによるＱ値の恩恵を受けず、逆に溝３５０の存在により、運動が阻害され検出のＱ値は低下する。したがって、駆動電圧、消費電力を抑えつつ、角速度印加時のオーバーシュートを防ぐことができる。よって、駆動のＱ値を上げつつ、検出のＱ値を上げるのを抑えることができる。

次に、本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（製造方法の第２実施例）を、図１８〜図２４によって説明する。図１８〜図２４では、一例として、前記第２実施例で説明した慣性センサ２の製造工程を示す。図１８〜図２４は前記図１６のＡ−Ａ’線にそって表記している。

図１８（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３００を用意する。この基板３００は、シリコン層３３１とシリコン層３３３との間に酸化シリコン層３３２を挟み込んだＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いる。また、基板３００の下面に、次ぎの工程でアライメントマークを形成する際のマスクとなるマスク層３４１を形成する。

まず、図１８（２）に示すように、上記マスク層３４１をエッチングマスクに用いて、シリコン層３３１に、後に説明する第１、第２基板とのアライメントを行うためのアライメントマークおよびダイシングライン３３４を形成する。これは、後に説明する第１基板と第２基板との陽極接合時のアライメントおよび慣性センサ２を切り出す際のマークとなるものである。

次に、図１８（３）に示すように、上部のシリコン層３３３を所望の膜厚となるよう基板全面にエッチングを施す。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）水溶液を用いたウエットエッチでよく、または化学的、物理的ドライエッチでも良い。また、所望の膜厚が予めわかっているならば、そのようなＳＯＩ基板を用意しても良い。

次に、図１９（４）に示すように、陽極接合のフレーム形成のため、シリコン層３３３のエッチングを行い、凹部３３５を形成する。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）水溶液を用いたウエットエッチや化学的、物理的ドライエッチでも良い。このエッチングにおいて、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１９（５）に示すように、振動子を形成する領域上の一部および弾性支持体を形成する領域上に絶縁層３０７を形成する。絶縁層３０７は、次に形成する電極とシリコン層３３３との絶縁性を保持できるものであれば何でも良い酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や窒化シリコン（ＳｉＮ）など後で形成する。

次に、図１９（６）に示すように、絶縁層３０７上にローレンツ印加のための配線３０８−１および誘導起電力検出のための配線３０８−２を形成する。配線材料は電子ビーム蒸着により形成した。本実施例においては、リフトオフ法により配線を形成したが、配線のエッチングをウェ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。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３層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの３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２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法を用いても良い。

次に図２０（７）に示すように、エッチング技術として、例えば反応性イオンエッチングを用いてシリコン層３３３を加工して、振動子３０１、弾性支持体３０２、陽極接合のためのフレーム部３２１を形成する。

次に、図２１（８）に示すように、例えば反応性イオンエッチングによって、振動子３０１の上面に、駆動方向に平行な溝３５０を形成する。この溝３５０の形成工程は、振動子３０１に駆動方向と平行な方向に、溝３５０が形成できる工程であれば、どの工程で行っても構わない。この溝３５０が駆動方向に平行であるため、対向面積が減少し、駆動方向のＱ値を上げることができる。

上記溝３５０は、一例として、図２１（９）の振動子の３面図に示すように、振動子３０１の駆動方向に平行な方向に、例えば複数本の溝３５０を形成する。

最後に、図２０（１０）に示すように、不必要な部分、例えば振動子３０１や弾性支持体（図示せず）の下部の絶縁層３３２部をエッチングにより除去する。その際、支持部３０３となるシリコン層３３３下部の絶縁層３３２およびフレーム３２１となるシリコン層３３３の下部の絶縁層３３２は一部残して、シリコン層３３１と接続させる。ほかの部分は中空構造となる。これにより溝３５０が形成された振動子３０１、弾性支持体（図示せず）、支持部３０３等が形成される。

次に第２基板側の作製方法を以下に説明する。

図２２（１）に示すように、第２基板４００には例えばガラス基板を用い、この第２基板４００に電極３２０を電子ビーム蒸着により形成する。配線電極３２０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、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法を用いても良い。

次に図２２（２）に示すように、コンタクト部３２５を、例えば無電解めっき法により金の支柱で形成する。この金の支柱は陽極接合後の第１基板３００側のパッドとのコンタクトをとるために形成する。本実施例においては、金の支柱は直下に配置される配線パッド上およびシリコンに直接接続させる配線パッドに対してパッド毎に複数本形成する。これにより、陽極接合時に支柱がバネ状に屈曲し、適度なテンションをもって第１基板３００側と接続することができる。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、本方法の場合、ガラス基板に過度な応力をかけることも無く、また、作成方法もきわめて簡単である。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。

次に、図２２（３）に示すように、検出電極３２０−１、検出電極３２０−２、引き出し電極３２４等をエッチングによって形成する。

上記工程において、電極（駆動電極）３０８−１および電極（検出電極）３０８−２〔前記図２０参照〕のガラス側への引き出しのコンタクト部３２５−１、３２５−２、およびシリコン層３３３〔前記図２０参照〕に直接接続するコンタクト（図示せず）を形成し、さらにフレーム３２１〔前記図２０参照〕に接続するための引き出し電極（図示せず）を形成する。

次に第１基板３００と第２基板４００との組立方法を説明する。

図２３（１）に示すように、陽極接合法により第２基板４００とフレーム３２１を接合させる。その際、ローレンツ力を発生させる電極３０８−１のパッド部（支持部３０３−１上に形成されている部分）および電磁駆動で振動子３０１が動作したときに発生する誘導起電力を検出する電極３０８−２のパッド部（支持部３０３−３上に形成されている）をコンタクト部１２５−１、コンタクト部１２５−２を接続させる。同様に、シリコン層３３〔前記図２０参照〕に直接接続するための電極パッド（図示せず）にコンタクト部（図示せず）を接続させる。

次に、図２３（２）に示すように、第１基板３００および第２基板４００を、例えばダイシングにより切断し、個別チップを形成する。

最後に、図２４（３）に示すように、第１基板３００側下部に磁石５００を形成し、角速度検出の慣性センサ２が作製される。その後、図示はしないが、上記慣性センサ２はパッケージに実装される。

上記慣性センサ２の製造方法によれば、真空度を大気圧に近い状態にしてもＱ値を高めることができるようになるため、外部からパッケージ内部への気体のリークや、パッケージ内部で発生するガスなどの影響を防ぐことができるので、パッケージの気密構造を簡素化でき、パッケージコストの低減ができるという利点がある。また、真空度を高めてＱ値を高めるのと比較して、検出側のＱ値の上昇を抑えることができるので、角速度印加時の減衰振動の安定時間を短くすることができ、慣性センサのＳＮ比や応答性の向上を図ることができるという利点がある。

本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第１実施例）を示した図面である。 本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第１実施例）を示した図面である。 第１実施例の慣性センサの振動モードを説明する斜視模式図である。 第１実施例の慣性センサの静電変化容量検出を説明する模式図である。 第１実施例の振動の厳密解を説明する数式図である。 利得と離調度との関係図である。 粘性減衰系のステップ応答を示す図である。 第１実施例の慣性センサの検出モードを説明する斜視模式図である。 図である。 粘性減衰係数と振動周波数の関係を求めたシミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション条件を示す図面である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第２実施例）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（第２実施例）を示した概略構成断面図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係る一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。

符号の説明

１…慣性センサ、１１…振動子、１２…支持部、１３…弾性支持体、１４…変位検出部、１５…貫通孔、１００…基板

Claims (4)

1. 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、
   前記振動子は前記振動子の駆動方向と平行方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方が形成されている
   ことを特徴とする慣性センサ。
2. 駆動モードのＱ値がＱ値＞１００なる関係を満たし、
   かつ、検出モードのＱ値のＱｓと、検出モードの各周波数ωsがｅｘｐ（−ωｓ／２００Ｑｓ）＜０．１ある関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
3. 前記振動子の駆動雰囲気が前記慣性センサの使用環境の雰囲気よりも減圧された雰囲気に封止されている
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
4. 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の製造方法において、
   前記振動子を形成する工程で、前記振動子の駆動方向と平行方向に溝および貫通孔の一方もしくは両方を形成する
   ことを特徴とする慣性センサの製造方法。
   

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