JP2009294127A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低ノイズであり、角速度の検出再現性が向上された半導体装置を提供する。
【解決手段】ＸＹＺ三次元座標系内で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向へ運動できる振動子１００を有する半導体装置において、振動子１００と接触しないように振動子１００が格納される筐体２０１−２０３と、振動子１００をＺ軸方向に往復運動させる駆動手段４０１−４０２と、振動子１００と筐体２０１−２０３とが物理的に接触しないように振動子１００の運動を制御する制御手段５０１−５０６と、振動子１００と筐体２０１−２０３との相対位置の変化量を検出する検出手段６０１−６１０と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度又は角速度センサに利用される半導体装置に関し、特に、ＸＹＺ三次元座標系において、複数の軸方向の加速度と複数の軸回りの角速度とを検出できる加速度又は角速度センサに利用される半導体装置に関する。

近年、車載用機器や携帯端末などに高性能・小型・低価格の加速度センサや角速度センサの搭載が進んでいる。

その中では、複数の軸方向の加速度又は複数の軸まわりの角速度を１センサで検出できる多軸加速度センサや多軸角速度センサの要求が高い。

実用化された例としては、モバイル機器のハードディスクドライブ落下検出用３軸加速度センサや、カメラ・ビデオの手ブレ補正用２軸角速度センサなどがある。

さらには、例えば、ヒューマノイドロボットなどのように、より高度かつ複雑な運動を正確に動作・制御する目的で、多軸加速度センサと多軸角速度センサの両方を搭載する要求も高まってきている。

このため、特許文献１−３に示すような１チップ・１センサで複数の軸方向の加速度と複数の軸回りの角速度とを検出できる加速度・角速度センサが提案されている。
特許第３５３４２５１号明細書 特許第３００８０７４号明細書 特開２００４−３３３３２７号公報

しかし、特許文献１記載の角速度センサは、振動子が可撓部を通して固定部と連結しているため、固定部に加わった衝撃が振動子に伝わってノイズが増大することがあった。

特許文献１記載の角速度センサでは、振動子に作用するコリオリ力から角速度を求めているが、コリオリ力は重力などの外力と比較して微小なため、ノイズの増大は角速度の検出精度低下の原因となる。

また、特許文献１記載の角速度センサは、動作時に振動子と可撓部との連結部を中心とした回転運動が振動子に加わることで振動面が脈動してしまうことがある。そのため、振動子に作用するコリオリ力の大きさがばらついて、再現性よく角速度を求めることが難しかった。

一方、特許文献２及び３記載のジャイロ装置は、ジャイロロータが静電気力で浮上して、ジャイロケースと物理的に接触しない構造であるため、外部からの衝撃などによるノイズは比較的小さい。

しかし、ジャイロロータに作用するトルクから角速度を検出する方式をとっているため、高精度で角速度を検出するためにはジャイロロータを高速で回転させる必要がある。そのため、電源投入から所望の回転数に達するまでに長い時間を要することがあった。

さらに、特許文献１−３記載の加速度・角速度センサは、以下に示すことが起こることがある。

特許文献１記載の角速度センサは振動子が可撓部に連結しているため、上記した振動面の脈動などで振動子が固定部に対して傾斜することがある。

また、特許文献２又は３記載の加速度・角速度センサは回転運動のトルクから角速度を検出する原理上、ジャイロロータはジャイロケース内で傾斜することがある。

したがって、いずれの加速度・角速度センサにおいても、場合によっては動作中に傾斜した振動子（又はジャイロロータ）が固定部（又はジャイロケース）と接触してしまう可能性がある。

このため、振動子（ジャイロロータ）に対してそれを取り囲む固定部（ジャイロケース）の寸法を大きくとらなければならなかった。

また、振動子（ジャイロロータ）と固定部（ジャイロケース）との間隔を大きくとることで、微小な間隔変化の検出が難しくなり、加速度・角速度の検出精度が低下することがあった。

そこで、本発明は、半導体装置において、上記の課題を解決することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、ＸＹＺ三次元座標系内で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向へ運動できる振動子を有する半導体装置において、前記振動子と接触しないように前記振動子が格納される筐体と、前記振動子をＺ軸方向に往復運動させる駆動手段と、前記振動子と前記筐体とが物理的に接触しないように前記振動子の運動を制御する制御手段と、前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量を検出する検出手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、振動子が筐体と連結していないことから、筐体への衝撃など外部からの影響が少なくなるので、低ノイズになる。

本発明によれば、振動面が脈動せず安定した単振動が得られるので、角速度の検出再現性を向上する。

本発明によれば、可撓部の形成が不要となり製造工程を短縮できるので、低コストになる。

本発明によれば、振動子の運動が単振動のため、運動量が小さく、短時間で安定した運動が得られるようになるので、起動時間が早くなる。

本発明によれば、振動子の運動が回転運動ではなく単振動のため、電極構造・駆動回路を簡素化できるので、低コストになる。

本発明によれば、振動子が筐体内で傾斜しないため、振動子との間隔を必要最小限とした大きさの筐体が利用できるので、小型になる。

本発明によれば、振動子と筐体との間隔が小さいため、間隔の微小な変化を検出しやすくなるので、高精度になる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態のみに限られるものではない。

［実施形態１］
図１は、本発明の第１の実施形態としての半導体装置を示す図である。

図１（ａ）は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）においてＢ−Ｂ線で切断した際の断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）においてＣ−Ｃ線で切断した際の断面図である。

図１において、１００は振動子、２０１−２０３は筐体、３００は空洞部、４０１−４０２は駆動手段としての駆動電極、５０１−５０６は制御手段としての制御電極、６０１−６１０は検出手段としての検出電極を示す。また、図１における各方向にＸ・Ｙ・Ｚの各軸をとる。

図１において、振動子１００は、筐体２０１−２０３に格納され、筐体２０１−２０３と接触しないように、空洞部３００内に配置されている。振動子１００の周囲には駆動電極４０１−４０２、制御電極５０１−５０６、検出電極６０１−６１０が各々配置されている。振動子１００は、ＸＹＺ三次元座標系内で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向へ運動できる。

ここでは振動子１００と対向して、Ｘ軸方向に制御電極５０１及び５０２と検出電極６０１−６０４が設けられている。Ｙ軸方向に制御電極５０３及び５０４と検出電極６０５−６０８が設けられている。Ｚ軸方向に駆動電極４０１並びに４０２と制御電極５０５並びに５０６及び検出電極６０９並びに６１０を設けている。

このとき振動子１００は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように筐体２０１−２０３、駆動電極４０１−４０２、制御電極５０１−５０６及び検出電極６０１−６１０のいずれとも物理的に接触していない。その理由を以下に説明する。

電源投入前の振動子１００は接地されているストッパ電極（不図示）と接触している。振動子１００は後記するように導電体とみなし得るものとする。

いま、電源を投入して駆動電極４０１−４０２に電圧を印加すると、駆動電極４０１−４０２と振動子１００との間に電位差が生じるため、振動子１００に電荷が誘導されて静電気力が発生する。

このため適当な電位差を定めることで振動子１００を浮上させることができる。

また、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の各方向に設けられた制御電極５０１−５０６に電圧を印加すると、同様に制御電極５０１−５０６と振動子１００との間に静電気力が発生する。このようにすることで、振動子１００を空洞部３００内に非接触状態で静電浮上させることができる。

このとき空洞部３００内は、振動子１００を高速で振動（数十ｋＨｚ程度）できるよう真空状態にしておくことが望ましい。

このため、空洞部３００内で振動子１００、駆動電極４０１−４０２、制御電極５０１−５０６、検出電極６０１−６１０と物理的に接触しない領域に、不純物ガスを吸着するゲッタ材（不図示）を設置している。

この非接触静電浮上は特許文献２及び３記載のジャイロ装置と同様の原理に基づいている。

またＸ軸及びＹ軸の各方向に設けられた制御電極５０１−５０４と検出電極６０１−６０８は、図１（ａ）及び（ｃ）に示すようにＸＹ方向では各々が物理的に分離して、電気的に絶縁されている。検出電極６０１−６１０は、振動子１００と筐体２０１−２０３との相対位置の変化量を検出する。なお、上記したストッパ電極のほか、各電極へ接続されている配線については図示していない。

本実施形態における半導体装置の動作について説明する。

いま、振動子１００は、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の各方向に設けられた検出電極６０１〜６１０の各々と等距離の位置で静電浮上している。この位置を原点とする。ここで駆動電極４０１及び４０２に交流電圧を印加すると、静電気力によって振動子１００がＺ軸方向に往復運動をする。このとき振動子１００は原点位置から移動するため、振動子１００と検出電極６０１−６１０の各々との距離が変化する。

また、振動子１００に重力などの外力が作用した場合も、振動子１００と検出電極６０１−６１０の各々との距離は変化する。検出電極６０１−６１０は、この距離変化を静電容量の変化として検出する。

続いて、振動子１００が原点位置に戻るように位置調整を行うが、その内容はＸＹ方向とＺ軸方向とで異なる。

ＸＹ方向については、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に設けられた検出電極６０１−６０８と振動子１００間の距離が等しくなるよう、制御電極５０１−５０４に電圧を印加して静電気力を発生させて、振動子１００の位置を調整する。

Ｚ軸方向については、周期的に振動子１００が往復運動している。そのため、検出電極６０９及び６１０との距離が往復周期に応じて所望の値をとるよう、制御電極５０５及び５０６に電圧を印加して静電気力を発生させて、振動子１００の運動を調整する。

これらの静電気力は、検出電極６０１−６１０の各々で検出した静電容量の変化量から演算して、制御電極５０１−５０６に印加される。

続いて、本実施形態における半導体装置での加速度・角速度の検出方法について説明する。

外力によって振動子１００が原点から移動した場合、制御電極５０１−５０６へ電圧を印加して、振動子１００へ静電気力を与えて、その位置を原点へ戻す。このときの静電気力の大きさは振動子１００の位置を移動させた外力の大きさと等しい。したがって与えた静電気力Ｆ、振動子の質量ｍ、外力による加速度ａとの間に、

の関係が成り立つ。

この関係はＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の各方向に対して成り立つので、数１から外力によるＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸各方向の加速度の大きさを求めることができる。

一方、Ｚ軸方向へ往復運動している振動子１００に、運動方向と垂直なＸ軸まわり又はＹ軸まわりに回転力が作用すると、運動方向と回転軸のそれぞれに垂直な方向に振動子１００がずれていく。

例えば、Ｘ軸まわりに回転運動が作用するとＹ軸方向へ、Ｙ軸まわりに回転運動が作用するとＸ軸方向へ、運動方向がずれていく。このずれを発生させる力がコリオリ力であり、振動子の質量ｍ、振動子の単位時間あたりのＺ軸方向への振動子の変位量ｄｚ／ｄｔ、回転方向の角速度ωとすると、コリオリ力Ｆｃの大きさは、

で表される。このときｄｚ／ｄｔは往復運動の振幅と周期（又は振動数）から求めることができる。したがって、数２からコリオリ力によるＸ軸まわり・Ｙ軸まわりに生じた角速度の大きさを求めることができる。

以上説明したように、加速度又は角速度の検出は、外力又はコリオリ力から求めるため、振動子の位置変化がそのいずれによるものであるか判別する必要がある。

コリオリ力は、数２に示す通り、Ｚ軸方向への振動子の変位量ｄｚ／ｄｔに依存する。すなわち振動子の振動周期又は振動数に依存する。一方、外力は数１に示す通り、Ｚ軸方向への振動子の変位量ｄｚ／ｄｔとは無関係である。

したがって、公知の比較演算回路などを用いて振動子の駆動信号と変位量の出力信号とを比較することで、駆動信号と出力信号とが同期している場合をコリオリ力、同期していない場合を外力と判別することができる。

第１の実施形態に示す構成をとることで、高精度で信頼性の高い加速度・角速度センサを提供することができる。

図１に示す半導体装置を具体的に作製した一例を以下に示す。直径１５０ｍｍ、厚さ５００μｍのパイレックス（登録商標）ガラス基板２枚にレジストパターニングを施し、エッチングを行なって振動子の位置する部分に凹部を形成する。ここでは希フッ酸によって深さ５μｍのエッチングを行なった。

続いて、ガラス基板上の凹部に駆動電極・制御電極・検出電極を形成する。ここでは金・クロム積層膜のリフトオフを採用した。

この後、ガラス基板の１枚（以下、第１のガラス基板とする）の凹部・駆動電極・制御電極・検出電極が形成された面をｐ型シリコン基板と陽極接合によって貼り合わせて第１の貼合基板を作成する。ここで、ｐ型シリコン基板の具体的なサイズは、直径１５０ｍｍ、厚さ５０μｍ、比抵抗０.０１〜０.０３Ωｃｍ程度である。

続いて、第１の貼合基板のシリコン基板面上にレジストパターニングを施し、エッチングを行ってＸ軸・Ｙ軸方向の筐体・制御電極・検出電極及び振動子を形成する。

ここでは代表的なシリコンの異方性ドライエッチングであるボッシュプロセスを採用した。

第１の貼合基板において、Ｘ軸・Ｙ軸方向の筐体と制御電極・検出電極は第１のガラス基板と接合されているが、振動子は第１のガラス基板の凹部上へ形成されるため、上記エッチング後に第１のガラス基板から分離している。

このため、この工程から、もう１枚のガラス基板（以下、第２のガラス基板とする）と第１の貼合基板とを貼り合わせる工程までは、第１の貼合基板のシリコン基板面を上向きの状態で取り扱う。このようにすることで、振動子が第１の貼合基板に載ったままで落下しないようにした。

ＸＹ平面に沿った筐体と制御電極・検出電極及び振動子は、比抵抗０.０１〜０.０３Ωｃｍのｐ型シリコンの同一部材で形成されており、導電体とみなすことができる。各電極間には空隙を設けて互いを絶縁した。

振動子は１.５ｍｍ×１.５ｍｍ×０.０５ｍｍの立体形状をとり、振動子と制御電極・検出電極との距離は、Ｘ軸・Ｙ軸方向各５μｍとした。

続いて、第１のガラス基板とＸ軸・Ｙ軸方向の筐体とで囲まれた空間内で、振動子・各電極と物理的に接触しない領域に、非蒸発型ゲッタ材を設置する。

この後、第２のガラス基板の凹部・駆動電極・制御電極・検出電極が形成された面を、第１の貼合基板のシリコン基板面と貼り合わせて第２の貼合基板を作成する。貼り合わせ処理は温度３００℃、圧力０.１３３Ｐａの減圧条件下で陽極接合によって行なった。これによって第２の貼合基板に第１・第２のガラス基板とシリコン基板とで覆われた空洞部が形成される。

この後、温度４５０℃の熱処理を行なってゲッタ材を活性化して、陽極接合時に発生した酸素を吸着させることで、空洞部内を上記した減圧状態に確保する。

なお、振動子１００には、金属材料などの導電体、磁性体などを用いることができる。

この半導体装置において、振動子を周波数２０ｋＨｚ、振幅３μｍで単振動させたときの加速度感度は２.０Ｖ／Ｇ、角速度感度は６.５ｍＶ／ｄｅｇ／ｓｅｃ、加速度分解能は０.００３μＧ、角速度分解能は０.０２４ｍｄｅｇ／ｓｅｃであった。

これにより、従来型で同程度のサイズの加速度・角速度センサと比較して、より高分解能での加速度・角速度検出を実現できた。

本実施形態では具体例として種々の手法や数値を挙げているが、いずれもここに挙げた手法・数値のみに限定されず、目的に応じて自由に選択することが可能である。一例を挙げれば図１では駆動電極は矩形をしているが、円形・十字形など形状の制限なく適用することが可能である。

［実施形態２］
図２は、本発明の第２の実施形態としての半導体装置を示す図である。

図２（ａ）は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）においてＢ−Ｂ線で切断した際の断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）においてＣ−Ｃ線で切断した際の断面図である。図中の数字・記号などは図１と同一である。

本実施形態と第１の実施形態との相違点は、駆動電極とＺ軸方向の制御電極とを共通化した点である。すなわち図１におけるＺ軸方向の制御電極５０５及び５０６を省略して、駆動電極４０１及び４０２にその機能を付加させている。

駆動電極・制御電極はいずれも振動子のＺ軸方向の運動を規定する機能を有することから、共通化することが可能である。

このことで、配線数の削減などの簡素化を図ることができる効果がある。また限られたスペースの中で各々の電極面積を広くすることができる。また、このことで、駆動電極では大きな静電気力を印加することができ、検出電極では検出感度を向上できる効果がある。

［実施形態３］
図３は、本発明の第３の実施形態としての半導体装置を示す図である。

図３（ａ）は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）においてＢ−Ｂ線で切断した際の断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）においてＣ−Ｃ線で切断した際の断面図である。図中の数字・記号などは図１と同一である。

本実施形態と他の実施形態との相違点は、検出電極がＺ軸方向のみに設けられており、Ｘ軸・Ｙ軸方向は制御電極のみ配置され、Ｚ軸方向の制御電極と駆動電極が共通化されている点である。

すなわち、Ｘ軸方向に制御電極５０１並びに５０２、Ｙ軸方向に制御電極５０３並びに５０４、Ｚ軸方向に検出電極６０１−６０８及び制御電極の機能を付加した駆動電極４０１並びに４０２とを設けている。検出電極は図３に示すように配置することで、Ｚ軸方向のみに設けてもＸＹＺ各方向への振動子の変位量を求めることが可能である。

このことで、配線数の削減などの簡素化を図ることができる効果がある。また限られたスペースの中で各々の電極面積を広くすることができる。このことで、駆動電極は低電圧でも大きな静電気力を得ることができ、検出電極では検出感度を向上できる効果がある。

［実施形態４］
図４は、本発明の第４の実施形態としての半導体装置を示す図である。

図４（ａ）は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）においてＢ−Ｂ線で切断した際の断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）においてＣ−Ｃ線で切断した際の断面図である。図中の数字・記号などは図１と同一である。

本実施形態と他の実施形態との相違点は、ＸＹＺ各方向で、駆動電極・制御電極・検出電極をそれぞれ共通化している点である。すなわち、各方向に設けた検出電極６０１−６０６は制御電極の機能が付加されており、さらにＺ軸方向の検出電極６０５及び６０６には振動子１００の駆動機能も付加されている。

この場合、電極間の静電容量の測定信号と、電圧を印加して振動子に静電気力を与える信号とを指定したタイミングで印加することで、測定と駆動・制御とを１組の電極から行なうことができる。

このため、センサ上の配線数削減などの簡素化を図ることができる効果がある。またＸＹＺ各方向で電極面積を広くすることが可能なため、低電圧でも大きな静電気力で駆動・制御でき、かつ検出感度を向上できる効果がある。

本発明はＸＹＺ三次元座標系において、複数の軸方向の加速度と複数の軸回りの角速度とを検出できる加速度・角速度センサに関するものであり、輸送用機器・産業用機器・情報家電などの分野に利用できる。具体的には、自動車・船舶・航空機の姿勢制御・ナビゲーション、産業用・アミューズメント用ロボットの動作・姿勢制御、カメラ・ビデオの手ブレ補正、携帯端末のゲームコントローラ・ナビゲーションなどに対して好適である。

本発明の第１の実施形態としての半導体装置を示す図である。 本発明の第２の実施形態としての半導体装置を示す図である。 本発明の第３の実施形態としての半導体装置を示す図である。 本発明の第４の実施形態としての半導体装置を示す図である。

符号の説明

１００ 振動子
２０１−２０３ 筐体
３００ 空洞部
４０１−４０２ 駆動電極
５０１−５０６ 制御電極
６０１−６１０ 検出電極

Claims (10)

1. ＸＹＺ三次元座標系内で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向へ運動できる振動子を有する半導体装置において、
   前記振動子と接触しないように前記振動子が格納される筐体と、
   前記振動子をＺ軸方向に往復運動させる駆動手段と、
   前記振動子と前記筐体とが物理的に接触しないように前記振動子の運動を制御する制御手段と、
   前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量を検出する検出手段と、を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量から、前記振動子に与えられたＸ軸方向、Ｙ軸方向並びにＺ軸方向の加速度及びＸ軸まわり並びにＹ軸まわりの角速度を演算することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記駆動手段が、前記振動子のＺ軸方向の運動を制御する制御手段と同じものであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記検出手段が、Ｚ軸方向のみに設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体装置。
5. 前記制御手段と前記検出手段とが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の少なくとも一つの方向について同一のものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の半導体装置。
6. 前記角速度は、前記振動子に印加されたコリオリ力から演算されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の半導体装置。
7. 前記駆動手段及び前記制御手段の少なくとも一つが静電気力で前記振動子を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の半導体装置。
8. 前記検出手段は静電容量を検出することで、前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量を検出することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の半導体装置。
9. ＸＹ平面に沿って前記振動子の周囲に配置された電極を有し、前記電極が前記振動子と同一部材からなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の半導体装置。
10. 前記振動子がシリコンからなることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の半導体装置。

Images