JP3985796B2

JP3985796B2 - 力学量センサ装置

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Publication number: JP3985796B2
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Inventors: 建一青
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Description

本発明は、振動型角速度センサチップと加速度センサチップを１つの被実装部材上に実装した力学量センサ装置に関する。

振動体を有する振動型の角速度センサでは、所定周波数で振動する振動体に角速度が加わった場合に発生するコリオリ力で振動体が変位し、この変位量を検出することで角速度を検出している。このような振動型角速度センサチップを加速度センサチップとともに１つの被実装部材（例えば回路チップ・基板等）上に実装した力学量センサ装置では、振動体の駆動方向への励振に伴って振動が加速度センサに伝わり（漏れ振動）、加速度が印加されないにも関わらず加速度センサチップが揺れるため、加速度センサチップの検出精度が悪化する問題が生じる。

このような加速度センサの検出精度の悪化を低減するため、角速度センサチップと加速度センサチップを同一基板に設けた複合センサ素子において、角速度センサチップを真空封止するとともに加速度センサチップを大気圧封止し、角速度センサチップの漏れ振動に伴う加速度センサチップの揺れを空気のダンピングを利用して低減する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−５９５０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、真空封止構造を採用しているため、センサ構成が複雑になってしまうという問題がある。これは、センサチップの製造コスト上昇につながる。

本発明は上記点に鑑み、振動型角速度センサチップと加速度センサチップを同一の被実装部材上に実装した力学量センサ装置において、簡易な構成で加速度センサチップの検出精度の悪化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、角速度センサチップ（１００）と加速度センサチップ（２００）を同一の被実装部材（３００）上に実装した力学量センサ装置において、前記角速度センサチップ（１００）は、駆動振動されるとともに角速度に起因したコリオリ力により振動変位する振動体（１０３）を有し、前記加速度センサチップ（２００）は、加速度の印加により可動変位する可動体（２０７）を有し、角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向における共振周波数が角速度センサチップ（１００）を被実装部材（３００）に実装するための接着剤（４００）の共振周波数の２ ^1/2 倍以上であり、角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向と加速度センサ（２００）の可動体（２０７）の変位方向とのなす角度が６０°〜１２０°の範囲内であることを特徴としている。

このように、角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向における共振周波数が角速度センサチップ（１００）を被実装部材（３００）に実装するための接着剤（４００）の共振周波数の２^1/2倍以上とすることで、角速度センサチップ（１００）の接着剤（４００）で角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）における駆動方向の振動振幅を減衰させることができ、簡易な構成で加速度センサの検出精度の悪化を抑制することができる。
また、請求項２に記載の発明のように、角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向における共振周波数が加速度センサチップ（２００）を被実装部材（３００）に実装するための接着剤（５００）の共振周波数の２^1/2倍以上とすることで、加速度センサチップ（２００）の接着剤（５００）で角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）における駆動方向の振動振幅を減衰させることができ、簡易な構成で加速度センサの検出精度の悪化を抑制することができる。

また、請求項１または２に記載の発明のように、前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向と前記加速度センサ（２００）の可動体（２０７）の変位方向とのなす角度を６０°〜１２０°の範囲内とすることで、加速度センサチップ（２００）の可動体（２０７）の変位方向における振動体１０３の振動振幅を１／２以下にすることができ、加速度センサの検出精度の悪化を抑制することができる。
また、請求項３に記載の発明のように、角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向における共振周波数が加速度センサチップ（２００）の可動体（２０７）の変位方向の共振周波数の２ ^1/2 倍以上とすることで、加速度センサチップ（２００）の可動体（２０７）で角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）における駆動方向の振動振幅を減衰させることができ、簡易な構成で加速度センサの検出精度の悪化を抑制することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向と前記加速度センサ（２００）の可動体（２０７）の変位方向とのなす角度を９０°とすることで、加速度センサチップ（２００）の可動体（２０７）の変位方向における振動体（１０３）の振動振幅をゼロにすることができ、加速度センサの検出精度の悪化を抑制することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は本第１実施形態の力学量センサ装置の平面図であり、図２は力学量センサ装置の断面図である。

図１、図２に示すように、本第１実施形態の力学量センサ装置は、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００とを有し、これらのセンサチップが同一の被実装部材３００上に実装されて構成されている。被実装部材３００は、回路チップや基板から構成される。角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００は、それぞれ接着剤４００、５００により被実装部材３００上に固定されている。本第１実施形態の角速度センサチップ１００は振動体を有する振動型角速度センサである。図１中の実線矢印は、角速度センサチップ１００の振動子の駆動方向（振動方向）を示している。また、図１中の破線矢印は、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００の検出方向を示している。本実施形態では、角速度センサチップ１００の駆動方向と加速度センサチップ２００の検出方向とが一致しないように、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００が実装されている。

次に、角速度センサチップ１００および加速度センサチップ２００の具体的構成について説明する。

まず、角速度センサチップ１００の具体例について図３に基づいて説明する。図３は、角速度センサチップ１００の構成を示す平面図である。角速度センサチップ１００は、２枚のシリコン基板が酸化膜を介して貼り合わされたＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０１を用い、周知の半導体製造技術を用いて作ることができる。

図３には、一方のシリコン基板（半導体基板）１０２の平面形状が示されており、この一方のシリコン基板１０２には、周知のエッチング加工を施して溝を形成することにより、各部が形成されている。振動体（錘部）１０３は、一方のシリコン基板１０２を支持する酸化膜及び他方のシリコン基板を部分的に除去することにより形成された開口部１０６上に配置されている。振動体１０３は、シリコン基板１０２の中央部に位置する第１の可動部１０４と第１の可動部１０４におけるＹ方向の両外側に設けられた第２の可動部１０５とからなる。

振動体１０３は、図中のＹ方向へバネ変形可能な駆動梁１０７及びＸ方向へバネ変形可能な検出梁１１０を介して、振動体１０３の外周の基部１０８に支持されており、振動体１０３は、Ｙ方向及びＹ方向と直交するＸ方向へ振動可能となっている。振動体１０３の外周部と基部１０８とが対向する部位には、次に述べるような櫛歯状の各電極部が形成されている。

即ち、振動体１０３をＹ方向へ駆動振動させるために振動体１０３に駆動信号を印加する駆動電極１０９と、Ｘ及びＹ方向と直交するＺ軸回りに角速度Ωが印加されたときに発生する振動体１０３のＸ方向への振動を検出信号として検出するための検出電極１１１が形成されている。また、シリコン基板１０２のうち、第２の可動部１０５におけるＹ方向の両外側には、開口部１０６の縁部に支持された櫛歯状のモニタ電極１１２（図示例では２個ずつ）が形成されている。このモニタ電極１１２は、振動体１０３のＹ方向への駆動振動をモニタし、モニタ信号を検出するためのものである。なお、上記各電極１０９、１１１、１１２には、それぞれ対応したワイヤボンディング用のパッド１０９ａ、１１１ａ、１１２ａが形成されている。

振動体１０３の外周部における各電極１０９、１１１、１１２と対向する位置には、櫛歯部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃが形成されており、これらの各電極１０９、１１１、１１２は櫛歯部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。

そして、駆動電極１０９と振動体１０３の駆動用櫛歯部１０３ａとの間に、振動体１０３のＹ方向への共振周波数を持つ交流の電圧差（駆動信号）を印加し、駆動梁１０７によって振動体１０３をＹ方向へ駆動振動させる。この振動体１０３の駆動振動のもと、Ｚ軸周りに角速度Ωが印加されると、振動体１０３にはＸ方向にコリオリ力が発生し、振動体１０３は検出梁１１０によってＸ方向へ振動（検出振動）する。この検出振動によって、検出電極１１１と振動体１０３の検出用櫛歯部１０３ｂとの間の静電容量が変化するため、この容量変化を検出することで、Ｚ軸周りの角速度Ωの大きさを求めることができる。

次に、加速度センサチップ２００の具体例について図４に基づいて説明する。図４は、加速度センサチップ２００の構成を示す平面図である。図４に示すように、加速度センサチップ２００では、半導体基板２０１に対してエッチング等により溝部２０２を形成することにより、可動電極２０３を有する可動体２０７と固定電極２０５とが形成され、可動電極２０３と固定電極２０５はそれぞれ櫛歯状に形成されている。可動電極２０３は加速度の印加に応じて変位するものである。また、各固定電極２０５は可動電極２０３における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されており、可動電極２０３の検出面と固定電極２０５の検出面とが対向するように配置されている。

可動体２０７は、バネ部２０６を介して半導体基板２０１に連結されており、図４中の矢印Ｘ方向に変位可能となっている。そして、当該矢印Ｘ方向への加速度の印加に伴って、可動電極２０３の検出面と固定電極２０５の検出面との間の距離が変化し、この距離変化に伴う可動電極２０３と固定電極２０５との間の静電容量の変化等を検出することによって、印加力学量を検出することができるようになっている。

以上のように、本第１実施形態の角速度センサチップ１００は、振動方向がＹ方向で検出方向がＸ方向となるように被実装部材３００上に実装されている。また、加速度センサチップ２００は可動電極２０３の変位方向（検出方向）がＸ方向となるように被実装部材３００上に実装されている。

このように、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００の可動電極２０３の変位方向とが一致しないように配置することで、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動振動が加速度センサチップ２００の検出精度に与える影響を抑制することができる。すなわち、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００の可動体２０７の変位方向とのなす角度をθとした場合、加速度センサチップ２００の可動体２０７の変位方向における振動体１０３の振動振幅を、振動体１０３の振動方向法における振動振幅にｃｏｓθを乗じた値とすることができる。

また、本第１実施形態のように、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００のは可動電極２０３の変位方向とのなす角度を９０°とした場合には、加速度センサチップ２００の可動電極２０３の変位方向（Ｘ方向）における角速度センサチップ１００の振動体１０３の振動振幅をゼロ（＝ｃｏｓ９０°）にすることができ、加速度センサチップ２００の検出精度に対する角速度センサチップ１００の振動の影響を最小にすることができる。

このように、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００を同一の被実装部材３００に実装する際に、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００の被実装部材３００上での搭載角度を調整するという簡易な構成で、加速度センサチップ２００の検出精度の悪化を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して被実装部材３００に対する角速度センサチップ１００の搭載角度が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、本第２実施形態の力学量センサ装置の平面図であり、上記第１実施形態の図１に対応するものである。図５中の実線矢印は、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向（振動方向）を示している。また、図５中の破線矢印は、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００の検出方向を示している。

図５に示すように、本第２実施形態では、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００を被実装部材３００上に搭載する際に、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００の可動電極２０３の変位方向とのなす角度を６０°となるように搭載している。この場合には、加速度センサチップ２００の可動電極２０３の変位方向（本例ではＸ方向）における振動体１０３の振動振幅を１／２（＝ｃｏｓ６０°）にでき、加速度センサチップ２００の検出精度に対する角速度センサチップ１００の振動の影響を１／２にすることができる。

したがって、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００の可動電極２０３の変位方向とのなす角度を６０°以上、すなわち６０°〜１２０°の範囲とすることで、加速度センサチップ２００の可動電極２０３の変位方向における振動体１０３の振動振幅を１／２以下にすることができる。

このような構成によっても、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００を同一の被実装部材３００に実装する際に、加速度センサチップ２００の検出精度の悪化を抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６、図７に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図６は、本第３実施形態の力学量センサ装置の平面図であり、上記第１実施形態の図１に対応するものである。図６中の実線矢印は、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向（振動方向）を示している。また、図６中の破線矢印は、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００の検出方向を示している。図６に示すように、本第３実施形態では、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００を被実装部材３００上に、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００の可動電極２０３の変位方向とが一致するように搭載している。

図７は、本第３実施形態の、角速度センサチップ１００の駆動方向（図６中のＸ方向）における機械的周波数特性と加速度センサチップ２００の検出方向（図６中のＸ方向）における機械的周波数特性との関係を示す特性図である。図７中、実線が角速度センサチップ１００の駆動方向における機械的周波数特性を示し、一点鎖線が加速度センサチップ２００の検出方向における機械的周波数特性を示している。

一般的に、質量体の機械的周波数特性は、周波数が０の状態から振動の周波数を大きくしていくと、質量体の共振周波数にて振動の変位は最大となり、そこから減衰していく。そして一般に、質量体の振動の周波数が質量体の共振周波数の２^1/2倍にまで大きくなると、周波数が０のときの変位と等しい値まで減衰する。さらに振動の周波数を大きくしていくと、振動の変位は周波数が０のときの変位よりも段々小さくなっていく。これらのことから、質量体において、その振動の変位が周波数が０のときの変位以下となるようにすれば、振動の変位（振動振幅）を減衰させることができる。

そこで本第３実施形態では、角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄと加速度センサチップ２００の可動電極２０３における検出方向の共振周波数ｆｓとが、ｆｄ≧２^1/2×ｆｓの関係を満たすように構成している。この場合、角速度センサチップ１００の駆動方向の共振周波数ｆｄと加速度センサチップ２００の検出方向の共振周波数ｆｓのいずれか一方、あるいは双方を調整すればよい。

共振周波数は、主に振動体の質量とバネ定数によって定まるので、角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄを調整する場合には、振動体１０３の重量、駆動梁１０５の形状等を調整すればよく、加速度センサチップ２００の可動電極２０３における検出方向の共振周波数ｆｓを調整する場合には、可動電極２０３の重量、バネ部２０６の形状等を調整すればよい。

これにより、加速度センサチップ２００の可動電極２０３では角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の振動振幅を減衰させることができ、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００を同一の被実装部材３００上に実装した場合に、簡易な構成で加速度センサの検出精度の悪化を抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図８に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。なお、本第４実施形態においても、上記第３実施形態と同様、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００を被実装部材３００上に、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００の検出方向とが一致するように搭載している。

図８は、本第４実施形態の、角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向（図６中のＸ方向）における機械的周波数特性と角速度センサチップ１００を被実装部材３００に実装するための接着剤４００の機械的周波数特性との関係を示す特性図である。図８中、実線が角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の機械的周波数特性を示し、一点鎖線が角速度センサチップ１００の接着剤４００の機械的周波数特性を示している。

本第４実施形態では、角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄと角速度センサチップ１００を被実装部材１００に実装するための接着剤４００共振周波数ｆｄｃとが、ｆｄ≧２^1/2×ｆｄｃの関係を満たすように構成している。この場合、角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄと角速度センサチップ１００の接着剤４００の共振周波数ｆｄｃのいずれか一方、あるいは双方を調整すればよい。

角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄの調整は上記第３実施形態と同様、振動体１０３の重量、駆動梁１０５の形状等を調整すればよく、接着剤４００の共振周波数ｆｄｃを調整する場合には、接着剤４００の形状や材質を調整すればよい。バネ定数は接着剤４００のヤング率に比例するため、接着剤４００を厚く構成したり、接着剤４００の材質として柔軟性の高いもの（例えばシリコン系接着剤）を用いることで、低ヤング率化することができ、接着剤４００の共振周波数ｆｄｃを小さくすることができる。

このような構成によっても、上記第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図９に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。なお、本第５実施形態においても、上記第３実施形態と同様、角速度センサチップ１００と加速度センサチップ２００を被実装部材３００上に、角速度センサチップ１００の振動体１０３の駆動方向と加速度センサチップ２００の検出方向とが一致するように搭載している。

図９は、本第５実施形態の、角速度センサチップ１００の駆動方向（図６中のＸ方向）における機械的周波数特性と加速度センサチップ２００を被実装部材３００に実装するための接着剤５００の機械的周波数特性との関係を示す特性図である。図９中、実線が角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向における機械的周波数特性を示し、一点鎖線が加速度センサチップ２００の接着剤５００の機械的周波数特性を示している。

本第５実施形態では、角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄと加速度センサチップ２００を被実装部材１００に実装するための接着剤５００共振周波数ｆｓｃとが、ｆｄ≧２^1/2×ｆｓｃの関係を満たすように構成している。この場合、角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄと加速度センサチップ２００の接着剤５００の共振周波数ｆｓｃのいずれか一方、あるいは双方を調整すればよい。

角速度センサチップ１００の振動体１０３における駆動方向の共振周波数ｆｄの調整は上記第３実施形態と同様、振動体１０３の重量、駆動梁１０５の形状等を調整すればよく、接着剤５００の共振周波数ｆｓｃの調整は上記第４実施形態と同様、接着剤４００の形状や材質を調整すればよい。

（他の実施形態）
上記各実施形態はそれぞれ単独で実施してもよく、あるいは任意に組み合わせて実施してもよい。

第１実施形態の力学量センサ装置の平面図である。力学量センサ装置の断面図である。角速度センサチップの構成を示す平面図である。加速度センサチップの構成を示す平面図である。第２実施形態の力学量センサ装置の平面図である。第３実施形態の力学量センサ装置の平面図である。第３実施形態の角速度センサチップの駆動方向における機械的周波数特性と加速度センサチップの検出方向における機械的周波数特性との関係を示す特性図である。第４実施形態の角速度センサチップの駆動方向における機械的周波数特性と角速度センサチップを被実装部材に実装するための接着剤の機械的周波数特性との関係を示す特性図である。第５実施形態の角速度センサチップの駆動方向における機械的周波数特性と加速度センサチップを被実装部材に実装するための接着剤の機械的周波数特性との関係を示す特性図である。

符号の説明

１００…角速度センサチップ、１０３…振動体、２００…加速度センサチップ、２０３…可動電極、２０７…可動体、３００…被実装部材、４００…接着剤、５００…接着剤。

Claims

角速度センサチップ（１００）と加速度センサチップ（２００）とが同一の被実装部材（３００）上に実装されている力学量センサ装置において、
前記角速度センサチップ（１００）は、駆動振動されるとともに角速度に起因したコリオリ力により振動変位する振動体（１０３）を有し、
前記加速度センサチップ（２００）は、加速度の印加により可動変位する可動体（２０７）を有し、
前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向における共振周波数が前記角速度センサチップ（１００）を前記被実装部材（３００）に実装するための接着剤（４００）の共振周波数の２^1/2倍以上であり、
前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向と前記加速度センサ（２００）の可動体（２０７）の変位方向とのなす角度が６０°〜１２０°の範囲内であることを特徴とする力学量センサ装置。
角速度センサチップ（１００）と加速度センサチップ（２００）とが同一の被実装部材（３００）上に実装されている力学量センサ装置において、
前記角速度センサチップ（１００）は、駆動振動されるとともに角速度に起因したコリオリ力により振動変位する振動体（１０３）を有し、
前記加速度センサチップ（２００）は、加速度の印加により可動変位する可動体（２０７）を有し、
前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向における共振周波数が前記加速度センサチップ（２００）を前記被実装部材（３００）に実装するための接着剤（５００）の共振周波数の２^1/2倍以上であり、
前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向と前記加速度センサ（２００）の可動体（２０７）の変位方向とのなす角度が６０°〜１２０°の範囲内であることを特徴とする力学量センサ装置。
前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向における共振周波数が前記加速度センサチップ（２００）の可動体（２０７）の変位方向の共振周波数の２ ^1/2 倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサ装置。
前記角速度センサチップ（１００）の振動体（１０３）の駆動方向と前記加速度センサ（２００）の可動体（２０７）の変位方向とのなす角度が９０°であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の力学量センサ装置。