JP4362739B2

JP4362739B2 - Vibration type angular velocity sensor

Info

Publication number: JP4362739B2
Application number: JP2007045530A
Authority: JP
Inventors: 隆雄岩城; 栄嗣川崎; 信之大矢
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: JP2007199077A

Description

この発明は、振動型角速度センサに関するものである。 The present invention relates to a vibration type angular velocity sensor.

振動型角速度センサが、特開平９−２１１０２２号公報に開示されている。この角速度センサの原理を図２７を用いて説明する。櫛歯電極（励振用固定電極）３００，３０１，３０２と励振用可動電極３０３，３０４，３０５，３０６との間に電圧を印加して、梁構造体３０７，３０８の質量部３０９，３１０を基板の表面に平行な方向（Ｙ方向）に振動させる。このとき、基板の表面に平行な方向で、かつ、振動方向（Ｙ方向）に直交する方向にヨーΩが発生すると、梁構造体３０７，３０８の質量部３０９，３１０に対して基板の表面に垂直な方向にコリオリ力が生じる。コリオリ力によって梁構造体３０７，３０８の質量部３０９，３１０が変位したのを、質量部３０９，３１０と裏面電極３１１，３１２の間の静電容量Ｃ。の変化として検出する。 A vibration type angular velocity sensor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-211022. The principle of this angular velocity sensor will be described with reference to FIG. A voltage is applied between the comb-tooth electrodes (excitation fixed electrodes) 300, 301, 302 and the excitation movable electrodes 303, 304, 305, 306, and the mass portions 309, 310 of the beam structures 307, 308 are formed on the substrate. Is oscillated in a direction parallel to the surface (Y direction). At this time, if yaw Ω is generated in a direction parallel to the surface of the substrate and perpendicular to the vibration direction (Y direction), the mass portions 309 and 310 of the beam structures 307 and 308 are placed on the surface of the substrate. Coriolis force is generated in the vertical direction. Capacitance C between the mass portions 309 and 310 and the back electrodes 311 and 312 is that the mass portions 309 and 310 of the beam structures 307 and 308 are displaced by the Coriolis force. Detect as change.

ここで、コリオリ力ｆｃは梁構造体３０７，３０８の質量部３０９，３１０の質量ｍ、振動の速度Ｖ、ヨーΩに依存し、以下の式で表される。 Here, the Coriolis force fc depends on the mass m of the mass portions 309 and 310 of the beam structures 307 and 308, the vibration velocity V, and the yaw Ω, and is expressed by the following equation.

数式１Formula 1

ｆｃ＝２ｍＶΩ・・・（１）
一般に、コリオリ力は微小であるため、共振の効果を利用する。具体的には（１）式に示した振動速度Ｖを大きくするために梁構造体３０７，３０８の質量部３０９，３１０の励振（基板の表面に平行なＹ方向）の周波数を共振周波数として、振幅を大きくとる。共振時の振幅は主にエアダンピングによって決まり、エアダンピングによる減衰係数が大きいほど振幅は小さくなる。一般に櫛歯構造ではエアダンピングによる減衰係数が大きく、大気中で大きな振幅を得ることは難しい。したがって、真空パッケージ中に振動子を置く方式がよく用いられるが、これは加工技術として難しく、コストが高く、耐久性が悪い。
特開平９−２１１０２２号公報 fc = 2mVΩ (1)
In general, since the Coriolis force is very small, the effect of resonance is used. Specifically, in order to increase the vibration velocity V shown in the equation (1), the frequency of excitation of the mass portions 309 and 310 of the beam structures 307 and 308 (Y direction parallel to the surface of the substrate) is used as the resonance frequency. Increase the amplitude. The amplitude at the time of resonance is mainly determined by air damping, and the amplitude decreases as the damping coefficient by air damping increases. In general, a comb-tooth structure has a large damping coefficient due to air damping, and it is difficult to obtain a large amplitude in the atmosphere. Therefore, a method of placing a vibrator in a vacuum package is often used, but this is difficult as a processing technique, is expensive, and has poor durability.
JP 9-2111022 A

そこで、この発明の目的は、エアダンピングの影響を抑え、特に櫛歯構造による大気中での静電駆動でかつ大振幅駆動が可能な角速度センサを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an angular velocity sensor capable of suppressing the influence of air damping and particularly capable of electrostatic driving and large amplitude driving in the atmosphere by a comb tooth structure.

請求項１の記載のような構成を採用すると、１次振動子本体に対し駆動力を付与することにより１次振動子本体が振動し、２次振動子本体が１次振動子本体からの振動伝達にて１次振動子本体と同じ方向に振動する。そして、２次振動子本体が振動しているときにおいて、２次振動子本体に作用するコリオリ力に伴う２次振動子本体の変位を、変位検出用電極と固定電極とで構成される静電容量の変化により検出する。 When the configuration as described in claim 1 is adopted, the primary vibrator main body vibrates by applying a driving force to the primary vibrator main body, and the secondary vibrator main body vibrates from the primary vibrator main body. By transmission, it vibrates in the same direction as the primary vibrator body. When the secondary vibrator main body vibrates, the displacement of the secondary vibrator main body caused by the Coriolis force acting on the secondary vibrator main body is changed to an electrostatic force constituted by the displacement detection electrode and the fixed electrode. Detect by change in capacity.

ここで、１次振動子は駆動力が付与されるためエアダンピングの影響を受けやすいが、２次振動子は２次梁を介して振動がエアダンピングの影響を受けにくい。より詳しくは、共振時の振幅は、エアダンピングの影響を大きく受け、エアダンピング（エアダンピングによる減衰係数）が大きいほど、共振時の振幅は小さくなることが知られており、特に、駆動力が通常の静電駆動の振動子と同様に櫛歯構造により発生される場合、その櫛歯構造を１次振動子を設けることで、２次振動子にそのような駆動力発生用の櫛歯構造を備える場合に比較して、２次振動子はエアダンピングの影響を比較的受けにくくなる。 Here, the primary vibrator is easily affected by air damping because a driving force is applied thereto, but the vibration of the secondary vibrator is not easily affected by air damping via the secondary beam. More specifically, it is known that the amplitude at resonance is greatly affected by air damping, and the larger the air damping (attenuation coefficient by air damping), the smaller the amplitude at resonance. When a comb-like structure is generated in the same manner as a normal electrostatic drive vibrator, the comb-tooth structure for generating such a driving force is provided to the secondary vibrator by providing the comb-tooth structure with a primary vibrator. Compared with the case where it comprises, a secondary vibrator becomes comparatively hard to receive the influence of an air damping.

このようにして、エアダンピングの影響を抑え、特に櫛歯構造による大気中での静電駆動でかつ大振幅駆動が可能となる。 In this way, the influence of air damping is suppressed, and in particular, electrostatic driving in the atmosphere with a comb-tooth structure and large amplitude driving are possible.

さらに、変位検出用の電極が２次振動子本体から振動伝達用梁にて連結されるとともに、この変位検出用電極の根元部を、固定部分に対し、駆動方向に延びる梁にて連結する。すると、２次振動子本体が振動するが、変位検出用電極は駆動方向に延びる梁にて固定部分に連結されているので、２次振動子本体の駆動振動が変位検出用電極に伝わるのが抑制される。その結果、２次振動子本体の変位成分のみを検出して角速度を高精度に検出することができる。 Furthermore, the displacement detection electrode is connected from the secondary vibrator main body by a vibration transmission beam, and the root portion of the displacement detection electrode is connected to the fixed portion by a beam extending in the driving direction. Then, although the secondary vibrator main body vibrates, the displacement detection electrode is connected to the fixed portion by a beam extending in the driving direction, so that the drive vibration of the secondary vibrator main body is transmitted to the displacement detection electrode. It is suppressed. As a result, the angular velocity can be detected with high accuracy by detecting only the displacement component of the secondary vibrator body.

また、請求項５乃至請求項７においても、請求項１同様の効果を奏することができる。 Further, in the fifth to seventh aspects, the same effect as in the first aspect can be obtained.

（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、第１の実施の形態における角速度センサの全体模式的な平面図を示す。図３は図１のＡ−Ａ線における断面図である。図３に示すように、シリコン基板（シリコンチップ）１の上には絶縁膜５および配線（７７ａ等）が配置されるが、この絶縁膜５および配線（７７ａ等）を省略しシリコン基板１のみのセンサ平面図を、図２に示す。また、図１では図を見やすくするために、絶縁膜５を省略している。 (First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall schematic plan view of the angular velocity sensor according to the first embodiment. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 3, an insulating film 5 and wiring (77a, etc.) are arranged on a silicon substrate (silicon chip) 1. However, the insulating film 5 and wiring (77a, etc.) are omitted, and only the silicon substrate 1 is used. FIG. 2 shows a plan view of the sensor. Further, in FIG. 1, the insulating film 5 is omitted for easy understanding of the drawing.

四角形状をなすシリコン基板１の中央部においては、図３に示すように、その裏面（下面）には凹部２が形成されている。凹部２の底面にて薄肉部３が形成され、その周囲にシリコン基板１の四つの辺にて厚肉の四角枠部４が形成されている。また、シリコン基板１の主表面（上面）には絶縁膜５が形成されている。 As shown in FIG. 3, a concave portion 2 is formed on the back surface (lower surface) of the center portion of the silicon substrate 1 having a quadrangular shape. A thin portion 3 is formed on the bottom surface of the recess 2, and a thick rectangular frame portion 4 is formed around the four sides of the silicon substrate 1. An insulating film 5 is formed on the main surface (upper surface) of the silicon substrate 1.

ここで、本例での座標系を規定しておく。図１，２の平面図において長方形のシリコン基板１において長辺に平行な軸をＸ軸とし、短辺に平行な軸をＹ軸とし、これらＸ−Ｙ座標面に直交する軸をＺ軸とする。そして、Ｘ軸が振動子の振動軸（励振方向）となり、Ｚ軸が検出する角速度の軸となり、Ｙ軸がコリオリ力の検出方向となる。 Here, the coordinate system in this example is defined. 1 and 2, in the rectangular silicon substrate 1, the axis parallel to the long side is taken as the X axis, the axis parallel to the short side is taken as the Y axis, and the axis orthogonal to these XY coordinate planes is taken as the Z axis. To do. The X axis becomes the vibration axis (excitation direction) of the vibrator, the Z axis becomes the axis of angular velocity detected, and the Y axis becomes the detection direction of the Coriolis force.

図２に示すように、シリコン基板１の薄肉部３には貫通孔６，７，８，９，１０，１１が形成されている。この貫通孔６〜１１はシリコン基板１の一部を表面からエッチングして貫通させることにより形成したものである。この貫通孔６〜１１により、１次振動子１２，１３と２次振動子１４が区画形成されている。振動子１２，１３，１４に関し、より詳しくは、Ｕ字状の１次梁１５，１６、１次振動子本体（重り部）１７，１８、１次振動子用可動電極１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６、１次振動子用固定電極２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４、Ｕ字状の２次梁３５，３６、２次振動子本体（Ｇセンサ重り）３７が区画形成されている。可動電極１９〜２６および固定電極２７〜３４は櫛歯状をなしている。 As shown in FIG. 2, through holes 6, 7, 8, 9, 10, 11 are formed in the thin portion 3 of the silicon substrate 1. The through holes 6 to 11 are formed by etching a part of the silicon substrate 1 from the surface and penetrating it. The primary vibrators 12 and 13 and the secondary vibrator 14 are partitioned by the through holes 6 to 11. More specifically, the U-shaped primary beams 15 and 16, the primary vibrator main bodies (weight portions) 17 and 18, and the primary vibrator movable electrodes 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, primary vibrator fixed electrodes 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, U-shaped secondary beams 35, 36, secondary vibrator main body ( G sensor weights) 37 are defined. The movable electrodes 19 to 26 and the fixed electrodes 27 to 34 have a comb shape.

四角枠部４が振動子の固定部となり、この四角枠部４に対し１次梁１５，１６にて１次振動子本体１７，１８が連結されている。これにより、１次振動子本体１７，１８は、駆動力を付与することによりＸ方向に振動する。また、１次振動子本体１７，１８に対し２次梁３５，３６にて２次振動子本体３７が連結され、２次振動子本体３７は１次振動子本体１７，１８からの振動伝達にて１次振動子本体１７，１８と同じＸ方向に振動する。つまり、２次振動子本体３７はＵ字状の２次梁３５，３６にて連結されているので、Ｘ方向にのみ変位（振動）しやすく、ＹおよびＺ方向には変位しにくくなっている。 The square frame portion 4 serves as a fixed portion of the vibrator, and the primary vibrator main bodies 17 and 18 are connected to the square frame portion 4 by primary beams 15 and 16. Thus, the primary vibrator bodies 17 and 18 vibrate in the X direction by applying a driving force. Further, a secondary vibrator main body 37 is connected to the primary vibrator main bodies 17 and 18 by secondary beams 35 and 36, and the secondary vibrator main body 37 transmits vibrations from the primary vibrator main bodies 17 and 18. Vibrates in the same X direction as the primary vibrator bodies 17 and 18. That is, since the secondary vibrator main body 37 is connected by the U-shaped secondary beams 35 and 36, it is easy to be displaced (vibrated) only in the X direction and difficult to be displaced in the Y and Z directions. .

１次振動子１２，１３の固定電極２７〜３４と四角枠部（固定部）４は、トレンチ溝３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５によって絶縁されており、その内部には絶縁物（例えば、ＳｉＯ_２等）が埋め込まれている。また、図１に示すように、固定電極２７〜３４は絶縁膜５上の金属配線（例えば、Ａｌ、Ｔｉ等）４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３によって、四角枠部（固定部）４での絶縁膜５上に配置された電極端子４６ａ，４７ａ，４８ａ，４９ａ，５０ａ，５１ａ，５２ａ，５３ａとそれぞれ電気的に接触している。また、固定電極２７〜３４と金属配線４６〜５３はコンタクトホール５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１によって電気的に接触している。つまり、図３に示すように、絶縁膜５の一部に穴６２を開け、金属配線（５０，５１等）で埋めることにより、絶縁膜５の上下を電気的に接触させている。 The fixed electrodes 27 to 34 and the rectangular frame portion (fixed portion) 4 of the primary vibrators 12 and 13 are insulated by trench grooves 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, and 45, Is embedded with an insulator (for example, SiO ₂ or the like). As shown in FIG. 1, the fixed electrodes 27 to 34 are square frame portions by metal wirings (for example, Al, Ti, etc.) 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53 on the insulating film 5. The electrode terminals 46a, 47a, 48a, 49a, 50a, 51a, 52a, and 53a disposed on the insulating film 5 in the (fixed portion) 4 are in electrical contact with each other. Further, the fixed electrodes 27 to 34 and the metal wirings 46 to 53 are in electrical contact by contact holes 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61. That is, as shown in FIG. 3, a hole 62 is formed in a part of the insulating film 5 and filled with metal wiring (50, 51, etc.) so that the upper and lower sides of the insulating film 5 are in electrical contact.

一方、２次振動子本体３７には、加速度センサエレメント６７が設置され、２次振動子本体３７が振動しているときにおいて角速度の印加に伴うコリオリ力を検出することができるようになっている。詳しくは、図２に示すように、２次振動子本体３７において、貫通孔６３，６４，６５，６６が形成され、この貫通孔６３〜６６により加速度センサエレメント６７が区画形成されている。詳しくは、Ｇセンサ用梁６８，６９、Ｇセンサ用可動電極７０，７１、Ｇセンサ用固定電極７２，７３が区画形成されている。可動電極７０，７１および固定電極７２，７３は櫛歯構造を成している。そして、梁６８，６９にて連結された可動電極７０，７１が基板１の表面に平行な方向（Ｙ方向）において固定電極７２，７３と所定の間隔をおいて対向し、静電容量の変化によって角速度を検出するようになっている。 On the other hand, the secondary vibrator main body 37 is provided with an acceleration sensor element 67 so that the Coriolis force accompanying the application of the angular velocity can be detected when the secondary vibrator main body 37 is vibrating. . Specifically, as shown in FIG. 2, in the secondary vibrator main body 37, through holes 63, 64, 65, 66 are formed, and the acceleration sensor element 67 is defined by the through holes 63 to 66. Specifically, G sensor beams 68 and 69, G sensor movable electrodes 70 and 71, and G sensor fixed electrodes 72 and 73 are partitioned. The movable electrodes 70 and 71 and the fixed electrodes 72 and 73 have a comb-tooth structure. The movable electrodes 70 and 71 connected by the beams 68 and 69 are opposed to the fixed electrodes 72 and 73 at a predetermined interval in a direction parallel to the surface of the substrate 1 (Y direction), and the capacitance changes. The angular velocity is detected by.

２次振動子１４の固定電極７２，７３はそれぞれトレンチ溝７４，７５によって電気的に絶縁されており、その内部には絶縁物（例えば、ＳｉＯ₂等）が埋め込まれている。また、この固定電極７２，７３は、図１に示すように、金属配線７６，７７により２次梁３５，３６、１次振動子本体１７，１８、１次梁１５，１６の上を通り、四角枠部（固定部）４での絶縁膜５上に配置された電極端子７６ａ，７７ａとそれぞれ電気的に接触している。但し、図１では中間の金属配線は省略されている。また、固定電極７２，７３と金属配線７６，７７はそれぞれコンタクトホール７８，７９によって電気的に接触している。 The fixed electrodes 72 and 73 of the secondary vibrator 14 are electrically insulated by trench grooves 74 and 75, respectively, and an insulator (for example, SiO ₂ or the like) is embedded therein. Further, as shown in FIG. 1, the fixed electrodes 72 and 73 pass over the secondary beams 35 and 36 and the primary vibrator bodies 17 and 18 and the primary beams 15 and 16 by metal wirings 76 and 77, respectively. The electrode terminals 76a and 77a arranged on the insulating film 5 in the square frame part (fixed part) 4 are in electrical contact with each other. However, the intermediate metal wiring is omitted in FIG. The fixed electrodes 72 and 73 and the metal wirings 76 and 77 are in electrical contact with each other through contact holes 78 and 79, respectively.

図２に示すように、２次振動子１４とそれに対向する四角枠部（固定部分）４には突起８０，８１が設けられ、その間の静電容量をモニタして２次振動子本体３７の振幅を検出することができるようになっている。つまり、振動モニタ用の固定電極８１が可動電極８０とＹ軸において僅かに離間して対向配置している。固定電極８１は、トレンチ溝８２によって電気的に絶縁されており、その内部には絶縁物（例えば、ＳｉＯ₂等）が埋め込まれている。また、この固定電極８１は、図１に示すように、金属配線８３により、四角枠部（固定部）４での絶縁膜５上に配置された電極端子８３ａと電気的に接触している。なお、固定電極８１と金属配線８３はコンタクトホール８４によって電気的に接触している。 As shown in FIG. 2, the secondary vibrator 14 and the rectangular frame portion (fixed portion) 4 facing the secondary vibrator 14 are provided with projections 80 and 81. The amplitude can be detected. That is, the fixed electrode 81 for vibration monitoring is disposed to face the movable electrode 80 with a slight separation in the Y axis. The fixed electrode 81 is electrically insulated by the trench groove 82, and an insulator (for example, SiO ₂ or the like) is embedded therein. In addition, as shown in FIG. 1, the fixed electrode 81 is in electrical contact with an electrode terminal 83 a disposed on the insulating film 5 in the square frame portion (fixed portion) 4 by a metal wiring 83. Note that the fixed electrode 81 and the metal wiring 83 are in electrical contact with each other through the contact hole 84.

１次振動子の可動電極１９〜２６および２次振動子の可動電極７０，７１はトレンチ溝３８〜４５，７４，７５，８２によって他の電極と絶縁されており、電極端子８５とコンタクトホール８６によって接触している。 The movable electrodes 19 to 26 of the primary vibrator and the movable electrodes 70 and 71 of the secondary vibrator are insulated from other electrodes by the trench grooves 38 to 45, 74, 75, and 82, and the electrode terminal 85 and the contact hole 86 are insulated. Is touching by.

次に、このように構成した角速度センサの動作を、図１を用いて説明する。駆動用の櫛歯構造の可動電極１９〜２６をＧＮＤに接続し（接地し）、一方の固定電極２７，２９，３１，３３にオフセットのついた正弦波的な電圧を印加し、反対側の固定電極２８，３０，３２，３４には同じオフセットのついた逆位相の正弦波的な電圧を印加する。これにより、１次振動子１２，１３はＸ軸方向に正弦波的な振動を起こす。このとき、２個の１次振動子１２，１３は同位相で振動する。 Next, the operation of the angular velocity sensor configured as described above will be described with reference to FIG. The driving comb-shaped movable electrodes 19 to 26 are connected to GND (grounded), and one of the fixed electrodes 27, 29, 31, and 33 is applied with an offset sinusoidal voltage, The fixed electrodes 28, 30, 32, and 34 are applied with sine-wave voltages with opposite phases and the same offset. As a result, the primary vibrators 12 and 13 generate sinusoidal vibrations in the X-axis direction. At this time, the two primary vibrators 12 and 13 vibrate in the same phase.

ここで、１次振動子１２，１３、２次振動子１４が作る振動系はそれらが同位相で振動する固有振動モードおよび逆位相で振動する固有振動モードを持つ。駆動の正弦波の周波数をこのどちらかの固有振動数に近づける。その結果、この系は共振し、大きな振幅を得ることができる。なお、固有振動数（共振周波数）は振動子の重さと梁のバネ定数によって決まる。 Here, the vibration system formed by the primary vibrators 12 and 13 and the secondary vibrator 14 has a natural vibration mode in which they vibrate in the same phase and a natural vibration mode in which they vibrate in the opposite phase. The frequency of the driving sine wave is brought close to either natural frequency. As a result, this system resonates and a large amplitude can be obtained. The natural frequency (resonance frequency) is determined by the weight of the vibrator and the spring constant of the beam.

また、図１では、１次振動子１２，１３を２次振動子１４の両側に配置することにより、大きくて安定な駆動を実現している。このように２次振動子本体３７の両側に１次振動子本体１７，１８を配置した構成に代わる他の構成例としては、図６のように、１次振動子１２を１個使用してセンサを構成することも可能であり、この場合はチップサイズを小さくできるというメリットがある。 In FIG. 1, the primary vibrators 12 and 13 are arranged on both sides of the secondary vibrator 14 to realize large and stable driving. As another configuration example instead of the configuration in which the primary vibrator bodies 17 and 18 are arranged on both sides of the secondary vibrator body 37 as described above, one primary vibrator 12 is used as shown in FIG. It is also possible to configure a sensor. In this case, there is an advantage that the chip size can be reduced.

さらに、本例では、振動モニタによる自励発振を用いて駆動周波数を固有振動数に正確に一致させている。つまり、駆動振動モニタ可動電極８０と駆動振動モニタ固定電極８１の間の静電容量の時間変化を測定し、振幅が最大になるように駆動周波数を調整する。固有振動数は温度によって異なるが、駆動振動モニタ用の電極８０，８１による自励発振を用いれば、常に固有振動数で駆動することができる。また、駆動振動モニタ用の電極８０，８１によれば、振幅も測定できるので、常に同一振幅で駆動することが可能で、温度特性のよい角速度センサを構成することが可能である。 Further, in this example, the drive frequency is made to exactly match the natural frequency using self-excited oscillation by a vibration monitor. That is, the time change of the electrostatic capacitance between the drive vibration monitor movable electrode 80 and the drive vibration monitor fixed electrode 81 is measured, and the drive frequency is adjusted so that the amplitude becomes maximum. Although the natural frequency varies depending on the temperature, the self-excited oscillation by the driving vibration monitoring electrodes 80 and 81 can be used to always drive at the natural frequency. Further, according to the driving vibration monitoring electrodes 80 and 81, the amplitude can also be measured, so that it is possible to always drive with the same amplitude and to configure an angular velocity sensor with good temperature characteristics.

ところで、共振時の振幅は、エアダンピングの影響を大きく受ける。エアダンピング（従って、それによる減衰係数）が大きいほど、共振時の振幅は小さくなることが知られている。１次振動子１２，１３は通常の静電駆動の振動子と同様に櫛歯構造１９〜２６，２７〜３４をとっているために、エアダンピングの影響を受けやすいが、２次振動子１４はエアダンピングの影響を比較的受けにくい。そのため、２次振動子１４は、通常の櫛歯構造による静電駆動よりも同じ電圧で大きな振幅が得られることになる。コリオリ力の大きさは駆動振幅に比例するので、高出力化の点で有利である。また、従来よりも低い電圧または小さな櫛歯構造で従来と同程度の駆動振幅を得ることができるので、省電力化または低コスト化が期待できる。 By the way, the amplitude at the time of resonance is greatly influenced by air damping. It is known that the larger the air damping (and hence the attenuation coefficient), the smaller the amplitude at resonance. Since the primary vibrators 12 and 13 have comb-tooth structures 19 to 26 and 27 to 34 as in the case of a normal electrostatic drive vibrator, the secondary vibrators 14 and 13 are easily affected by air damping. Is relatively insensitive to air damping. Therefore, the secondary vibrator 14 can obtain a larger amplitude with the same voltage than that of electrostatic driving with a normal comb-tooth structure. Since the magnitude of the Coriolis force is proportional to the drive amplitude, it is advantageous in terms of increasing the output. In addition, since a drive amplitude comparable to that of the prior art can be obtained with a voltage lower than that of the prior art or a small comb-tooth structure, power saving or cost reduction can be expected.

このように本例では駆動手段として、櫛歯構造による静電駆動を用いているが、駆動方法は櫛歯構造による静電駆動に限定されるものではなく、減衰係数の大きい全ての駆動方法に応用することが可能である。 As described above, in this example, electrostatic driving using a comb-teeth structure is used as the driving means, but the driving method is not limited to electrostatic driving using a comb-teeth structure, and all driving methods having a large attenuation coefficient are used. It is possible to apply.

一方、２次振動子１４がＸ軸方向に正弦波的な振動をしている状態で、このセンサにＺ軸まわりの角速度が加わると、加速度センサエレメントの重り部（２次振動子本体）３７はＹ軸方向に正弦波的に変位するコリオリ力を受ける。その結果、検出電極７０・７２間の静電容量および検出電極７１・７３間の静電容量が正弦波的に変化する。その容量の変化を、例えば同期検波回路を用いて測定する。これにより、角速度の大きさを測定することができる。具体的には、コリオリ力ｆｃによって電極７０・７２間の静電容量がＣｏ＋ΔＣ（初期容量Ｃｏ、コリオリ力による変化分ΔＣ）となったとすると、電極７１・７３間の静電容量はＣｏ−ΔＣとなる（ここで、コリオリ力によるギャップ変化が初期のギャップよりも十分に小さいことを仮定している）。 On the other hand, when an angular velocity around the Z-axis is applied to the sensor while the secondary vibrator 14 is oscillating sinusoidally in the X-axis direction, a weight portion (secondary vibrator main body) 37 of the acceleration sensor element is applied. Receives a Coriolis force displaced sinusoidally in the Y-axis direction. As a result, the capacitance between the detection electrodes 70 and 72 and the capacitance between the detection electrodes 71 and 73 change sinusoidally. The change in the capacitance is measured using, for example, a synchronous detection circuit. Thereby, the magnitude of the angular velocity can be measured. Specifically, if the capacitance between the electrodes 70 and 72 becomes Co + ΔC (initial capacitance Co, a change ΔC due to the Coriolis force) due to the Coriolis force fc, the capacitance between the electrodes 71 and 73 is Co−ΔC. (Here, it is assumed that the gap change due to the Coriolis force is sufficiently smaller than the initial gap).

ここで、 here,

数式２Formula 2

ΔＣ∝ｆｃ∝Ω・・・（２）
となり、ΔＣはヨーΩに比例するので電極７０・７２間の静電容量と電極７１・７３間の静電容量を差動で検出することにより、ヨーΩを検出することができる。 ΔC∝fc∝Ω (2)
Since ΔC is proportional to yaw Ω, yaw Ω can be detected by differentially detecting the capacitance between the electrodes 70 and 72 and the capacitance between the electrodes 71 and 73.

他の構成例としては、図７や図８のように、２次振動子１４，１４’を２個接続し、それらを梁８７，８８により連結して、逆位相で振動させるようにしてもよい。この２つの２次振動子１４，１４’に形成した加速度センサエレメント６７の出力の差をとることにより、外乱加速度をフィルタリング除去することが可能である。この場合、加速度センサエレメント６７の出力の和をとることにより、加速度を測定することも可能であり、信号処理により加速度、角速度を同時に測定するセンサを構成することもできる。このように、２次振動子本体３７を２個以上、梁８７，８８により連結することもできる。 As another configuration example, as shown in FIGS. 7 and 8, two secondary vibrators 14 and 14 ′ are connected and connected by beams 87 and 88 to vibrate in opposite phases. Good. By taking the difference between the outputs of the acceleration sensor elements 67 formed on the two secondary vibrators 14, 14 ', disturbance acceleration can be filtered out. In this case, it is possible to measure acceleration by taking the sum of the outputs of the acceleration sensor element 67, and it is also possible to configure a sensor that simultaneously measures acceleration and angular velocity by signal processing. In this way, two or more secondary vibrator bodies 37 can be connected by the beams 87 and 88.

また、これまで述べてきた梁１５，１６，３５，３６，８７は、１回または複数回、折り曲げた形状としているので、振動子本体の自由度を確保するという観点から好ましいものとなっている。 Further, since the beams 15, 16, 35, 36, and 87 described so far have a bent shape once or a plurality of times, they are preferable from the viewpoint of securing the flexibility of the vibrator body. .

次に、本実施形態の角速度センサの製造プロセスを、図４，５を用いて説明する。図４，５は図１のＡ−Ａ線に対応する断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１として、面方位（１００）のシリコンウエハを用意する。そして、熱酸化により、シリコン基板１の表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）９０を成膜する。さらに、このシリコン酸化膜９０の所定の領域を掘り、開口部９１を形成し、さらに、それをマスクとして異方性エッチングにより所定領域のシリコン基板１にトレンチ溝９２を掘る。なお、シリコン基板１の表面にシリコン酸化膜９０を成膜せず、直接マスクにより同様の位置にトレンチ溝９２を掘ってもよい。このトレンチ溝９２が図２でのトレンチ溝３８〜４５，７４，７５，８２となる。 Next, the manufacturing process of the angular velocity sensor of this embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5 are cross-sectional views corresponding to the line AA in FIG.
First, as shown in FIG. 4A, a silicon wafer having a plane orientation (100) is prepared as the semiconductor substrate 1. Then, a silicon oxide film (SiO ₂ ) 90 is formed on the surface of the silicon substrate 1 by thermal oxidation. Further, a predetermined region of the silicon oxide film 90 is dug to form an opening 91, and a trench groove 92 is dug in the silicon substrate 1 in the predetermined region by anisotropic etching using the opening 91 as a mask. Note that, instead of forming the silicon oxide film 90 on the surface of the silicon substrate 1, a trench groove 92 may be dug in a similar position by a direct mask. The trench groove 92 becomes the trench grooves 38 to 45, 74, 75, 82 in FIG.

さらに、成膜したシリコン酸化膜９０を除去した後に、図４（ｂ）に示すように、新たにシリコン基板１の表面にシリコン酸化膜（絶縁膜）５を成膜し、トレンチ溝９２を酸化膜５で埋める。なお、表面の凹凸が問題になる場合は、酸化膜５を必要とする膜厚以上に形成しておいて、表面を研磨する。 Further, after removing the formed silicon oxide film 90, as shown in FIG. 4B, a silicon oxide film (insulating film) 5 is newly formed on the surface of the silicon substrate 1, and the trench groove 92 is oxidized. Fill with film 5. In the case where unevenness on the surface becomes a problem, the oxide film 5 is formed to have a thickness greater than that required, and the surface is polished.

その後、図４（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜５の所定領域（不要領域）９３を除去するとともに、トレンチ溝６２を形成する。引き続き、図５（ａ）に示すように、スパッタや電子ビーム蒸着等によりシリコン基板１の表面にＡｌ，Ｔｉ等の金属配線を成膜しパターニングする。これにより酸化膜５の上に所望の金属配線９４が配置されるとともに、トレンチ溝６２が埋められてシリコン基板１とのコンタクトがとられる。 Thereafter, as shown in FIG. 4C, a predetermined region (unnecessary region) 93 of the silicon oxide film 5 is removed and a trench groove 62 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 5A, metal wiring such as Al and Ti is formed and patterned on the surface of the silicon substrate 1 by sputtering or electron beam evaporation. As a result, a desired metal wiring 94 is arranged on the oxide film 5 and the trench groove 62 is filled to make contact with the silicon substrate 1.

さらに、図５（ｂ）に示すように、シリコン基板１の裏面全面にＳｉＯ２等の絶縁膜９５を成膜しパターニングした後、基板１に対し裏面から異方性エッチングにより裏面の所定の領域９６を掘り、トレンチ溝９２に達する凹部２を形成する。その結果、この凹部２の底面に薄肉部３が形成される。なお、この際、シリコン基板１の表面はダメージを避けるためにワックスや樹脂等で保護することが肝要である。 Further, as shown in FIG. 5B, after an insulating film 95 such as SiO 2 is formed on the entire back surface of the silicon substrate 1 and patterned, a predetermined region 96 on the back surface is etched from the back surface by anisotropic etching. The recess 2 reaching the trench groove 92 is formed. As a result, a thin portion 3 is formed on the bottom surface of the recess 2. At this time, it is important to protect the surface of the silicon substrate 1 with wax, resin or the like in order to avoid damage.

その後、表面を保護したものを除去した後、図３に示すように、シリコン基板１の薄肉部３に対し表面より異方性エッチングを行い所定の位置に貫通孔６〜１１（図２参照）を形成する。その結果、１次および２次振動子（振動子本体１７，１８，３７等）が区画形成される。このようにして、本センサが完成する。 Then, after removing what protected the surface, as shown in FIG. 3, the thin part 3 of the silicon substrate 1 is anisotropically etched from the surface, and through holes 6 to 11 are formed at predetermined positions (see FIG. 2). Form. As a result, the primary and secondary vibrators (vibrator bodies 17, 18, 37, etc.) are partitioned. In this way, this sensor is completed.

その結果、シリコン基板１に形成した貫通孔により１次および２次振動子を区画する場合に、好ましいものとなる。また、シリコン基板１を用いた半導体プロセスで形成することによって小型化、軽量化、高出力化ならびに低コスト化を図ることができる。 As a result, it is preferable when the primary and secondary vibrators are partitioned by the through holes formed in the silicon substrate 1. Further, by forming the semiconductor substrate 1 using a semiconductor process, it is possible to reduce the size, weight, output, and cost.

なお、半導体基板としてシリコン基板１を用いたが、半導体基板としてＳＯＩ基板（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）を用いてもよい。この場合には、ＳＯＩ基板を貫通する孔は埋込絶縁膜とその上の薄膜シリコン層を貫通させることになる。 Although the silicon substrate 1 is used as the semiconductor substrate, an SOI substrate (Silicon on Insulator) may be used as the semiconductor substrate. In this case, the hole penetrating the SOI substrate penetrates the buried insulating film and the thin film silicon layer thereon.

このように本実施形態は、下記の特徴を有する。 Thus, this embodiment has the following features.

（イ）１次振動子本体１７，１８に対し２次振動子本体３７を２次梁３５，３６にて連結し、１次振動子本体１７，１８からの振動伝達にて１次振動子本体１７，１８と同じＸ方向に振動させるとともに、加速度センサエレメント６７により、２次振動子本体３７が振動しているときにおいて角速度の印加に伴うコリオリ力を検出するようにした。よって、共振時の振幅は、エアダンピングの影響を大きく受け、エアダンピング（エアダンピングによる減衰係数）が大きいほど、共振時の振幅は小さくなるが、２次振動子はエアダンピングの影響を比較的受けにくく、エアダンピングの影響を抑え、櫛歯構造による大気中での静電駆動でかつ大振幅駆動ができる。 (A) The secondary vibrator main body 37 is connected to the primary vibrator main bodies 17 and 18 by the secondary beams 35 and 36, and the primary vibrator main body is transmitted by vibration transmission from the primary vibrator main bodies 17 and 18. In addition to vibrating in the same X direction as 17 and 18, the acceleration sensor element 67 detects the Coriolis force accompanying the application of the angular velocity when the secondary vibrator body 37 is vibrating. Therefore, the amplitude at resonance is greatly affected by air damping. The larger the air damping (attenuation coefficient due to air damping), the smaller the amplitude at resonance, but the secondary vibrator is relatively less affected by air damping. It is difficult to receive, suppresses the influence of air damping, and can be driven electrostatically and in large amplitude in the atmosphere by a comb-tooth structure.

（ロ）１次および２次振動子本体１７，１８，３７が作る振動系において、少なくとも一つ存在する固有振動モードの固有振動数に駆動周波数を近づければ、この系の共振倍率は増加し、大きな振幅を得ることができる。 (B) In the vibration system formed by the primary and secondary vibrator bodies 17, 18, and 37, if the drive frequency is brought close to the natural frequency of at least one natural vibration mode, the resonance magnification of this system increases. , Large amplitude can be obtained.

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。 (Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.

図９は、第２の実施の形態における角速度センサの模式的平面図を示す。図１１は図９のＢ−Ｂ線での断面図である。図１１に示すように、シリコン基板１００の上には絶縁膜１０１を介して配線１０２およびポリシリコン層１０３が配置されるが、この絶縁膜１０１、配線１０２およびポリシリコン層１０３を省略しシリコン基板１００のみのセンサ平面図を、図１０に示す。また、図９では図を見やすくするために、図１１の絶縁膜（窒化膜）１０１を省略している。 FIG. 9 is a schematic plan view of the angular velocity sensor according to the second embodiment. 11 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. As shown in FIG. 11, a wiring 102 and a polysilicon layer 103 are arranged on a silicon substrate 100 via an insulating film 101. The insulating film 101, the wiring 102 and the polysilicon layer 103 are omitted, and a silicon substrate is provided. A plan view of only 100 sensors is shown in FIG. Further, in FIG. 9, the insulating film (nitride film) 101 of FIG. 11 is omitted for easy understanding of the drawing.

本例においては、シリコン基板１００の表面にて形成されるＸ−Ｙ座標面（２軸直交座標面）におけるＸ軸を振動子の駆動振動方向（励振方向）とし、Ｙ軸を、検出する角速度の軸とし、Ｚ軸をコリオリ力の検出方向としている。 In this example, the X axis on the XY coordinate plane (biaxial orthogonal coordinate plane) formed on the surface of the silicon substrate 100 is the driving vibration direction (excitation direction) of the vibrator, and the angular velocity at which the Y axis is detected. And the Z axis is the direction of Coriolis force detection.

また、本例の加速度センサエレメント６７は、可動電極１０５を有する。この電極１０５は、基板１００の表面に垂直なＺ方向において２次振動子本体３７に対向し、かつ所定の間隔をおいて変位可能に配置されている。そして、本例の加速度センサエレメントは、この可動電極１０５を用いた静電容量の変化によって角速度を検出するようになっている。 The acceleration sensor element 67 of this example has a movable electrode 105. The electrode 105 faces the secondary vibrator main body 37 in the Z direction perpendicular to the surface of the substrate 100, and is disposed so as to be displaceable at a predetermined interval. The acceleration sensor element of this example detects the angular velocity based on a change in capacitance using the movable electrode 105.

以下、詳しく説明していく。図１１に示すように、シリコン基板１００の裏面には凹部２が形成され、その底面にて薄肉部３が形成されている。そして、薄肉部３において、基板１００の一部を表面からエッチングすることにより貫通孔１０４が形成され、図１０に示すように、１次振動子１２，１３および２次振動子１４を区画形成している。詳しくは、１次梁１５，１６、１次振動子本体１７，１８、１次振動子用可動電極１９〜２６、１次振動子用固定電極２７〜３４、２次振動子本体３７を形成している。また、図９，１１に示すように、２次振動子本体３７の上には、ポリシリコン層１０３よりなるＧセンサ重り１０５およびＧセンサ梁１０６，１０７が形成されている。つまり、Ｇセンサ重り１０５およびＧセンサ梁１０６，１０７が絶縁膜１０１の上方に所定の間隔をおいて支持されている。このＧセンサ重り１０５およびＧセンサ梁１０６，１０７は、犠牲層エッチングにより形成したものである。なお、Ｇセンサ梁１０６，１０７はアンカー部Ａｎ（図９，１１に示す）にて絶縁膜１０１に固定されている。 The details will be described below. As shown in FIG. 11, the recess 2 is formed on the back surface of the silicon substrate 100, and the thin portion 3 is formed on the bottom surface. And in the thin part 3, the through-hole 104 is formed by etching a part of the board | substrate 100 from the surface, and as shown in FIG. 10, the primary vibrators 12 and 13 and the secondary vibrator 14 are dividedly formed. ing. Specifically, primary beams 15 and 16, primary vibrator bodies 17 and 18, primary vibrator movable electrodes 19 to 26, primary vibrator fixed electrodes 27 to 34, and secondary vibrator body 37 are formed. ing. As shown in FIGS. 9 and 11, the G sensor weight 105 and the G sensor beams 106 and 107 made of the polysilicon layer 103 are formed on the secondary vibrator body 37. That is, the G sensor weight 105 and the G sensor beams 106 and 107 are supported above the insulating film 101 at a predetermined interval. The G sensor weight 105 and the G sensor beams 106 and 107 are formed by sacrificial layer etching. The G sensor beams 106 and 107 are fixed to the insulating film 101 by anchor portions An (shown in FIGS. 9 and 11).

そして、２次振動子本体３７とＧセンサ重り１０５によりコンデンサが構成され、２次振動子本体３７が加速度センサエレメントの下部電極として機能する。また、Ｇセンサ重り１０５には多数のエッチング孔１２９が形成され、犠牲層エッチングの際にエッチング液が孔１２９を通して進入していく。 The secondary vibrator main body 37 and the G sensor weight 105 constitute a capacitor, and the secondary vibrator main body 37 functions as a lower electrode of the acceleration sensor element. In addition, a large number of etching holes 129 are formed in the G sensor weight 105, and an etching solution enters through the holes 129 during the sacrifice layer etching.

図１０に示すように、１次振動子１２，１３の固定電極２７〜３４と四角枠部（固定部分）４はトレンチ溝（窒化膜）３８〜４５によって絶縁されており、図９に示すように、固定電極２７〜３４は窒化膜１０１上の金属配線４６〜５３（例えば、Ａｌ，Ｔｉ等）によって、四角枠部（固定部分）４での窒化膜１０１上に配置された電極端子４６ａ〜５３ａと電気的に接触している。固定電極２７〜３４と金属配線４６〜５３はコンタクトホール５４〜６１によって電気的に接触している。つまり、絶縁膜１０１の一部に穴を開け、金属で埋めることにより、絶縁膜１０１の上下を電気的に接触させている。２次振動子１４の上のＧセンサ重り１０５は、図１０に示すように、トレンチ溝１０８，１０９によって電気的に絶縁されており、図９の金属配線１１０により２次梁３６、１次振動子本体１８、１次梁１６の上部を通り、四角枠部（固定部）４での窒化膜１０１上に配置された電極端子１１０ａと電気的に接触している（但し、図９では中間の金属配線は省略されている）。また、Ｇセンサ重り１０５と金属配線１１０はコンタクトホール１１１によって電気的に接触している。 As shown in FIG. 10, the fixed electrodes 27 to 34 and the rectangular frame portion (fixed portion) 4 of the primary vibrators 12 and 13 are insulated by trench grooves (nitride films) 38 to 45, as shown in FIG. In addition, the fixed electrodes 27 to 34 are formed of metal wirings 46 to 53 (for example, Al, Ti, etc.) on the nitride film 101 and electrode terminals 46 a to 46 a disposed on the nitride film 101 in the square frame portion (fixed portion) 4. It is in electrical contact with 53a. The fixed electrodes 27 to 34 and the metal wirings 46 to 53 are in electrical contact via contact holes 54 to 61. In other words, a hole is formed in a part of the insulating film 101 and filled with metal so that the upper and lower sides of the insulating film 101 are in electrical contact with each other. The G sensor weight 105 on the secondary vibrator 14 is electrically insulated by the trench grooves 108 and 109 as shown in FIG. 10, and the secondary beam 36 and the primary vibration are formed by the metal wiring 110 in FIG. It passes through the upper part of the main body 18 and the primary beam 16, and is in electrical contact with the electrode terminal 110a disposed on the nitride film 101 in the square frame portion (fixed portion) 4 (however, in FIG. Metal wiring is omitted). Further, the G sensor weight 105 and the metal wiring 110 are in electrical contact with each other through a contact hole 111.

図１０に示すように、振動モニタの固定電極８１はトレンチ溝８２によって電気的に絶縁されており、図９に示すように、金属配線８３により、四角枠部（固定部）４での窒化膜１０１上に配置された電極端子８３ａと電気的に接触している。振動モニタの固定電極８１と金属配線８３はコンタクトホール８４によって電気的に接触している。 As shown in FIG. 10, the fixed electrode 81 of the vibration monitor is electrically insulated by the trench groove 82, and as shown in FIG. 9, the nitride film in the square frame portion (fixed portion) 4 is formed by the metal wiring 83. It is in electrical contact with the electrode terminal 83 a disposed on the terminal 101. The fixed electrode 81 of the vibration monitor and the metal wiring 83 are in electrical contact with each other through a contact hole 84.

図１０に示すように、１次振動子の可動電極１９〜２６、２次振動子本体３７および振動モニタの可動電極８０は、トレンチ溝３８〜４５，８２，１０８，１０９によって他の電極と絶縁されており、図９に示すように、金属配線１１３により、四角枠部（固定部）４での窒化膜１０１上に配置された電極端子１１３ａと電気的に接触している（但し、図９では中間の金属配線は省略されている）。なお、１次振動子の可動電極１９〜２６、２次振動子本体３７および振動モニタの可動電極８０は金属配線１１３とコンタクトホール１１４によって電気的に接触している。 As shown in FIG. 10, the movable electrodes 19 to 26 of the primary vibrator, the secondary vibrator main body 37, and the movable electrode 80 of the vibration monitor are insulated from other electrodes by trench grooves 38 to 45, 82, 108, and 109. As shown in FIG. 9, the metal wiring 113 is in electrical contact with the electrode terminal 113a disposed on the nitride film 101 in the square frame portion (fixed portion) 4 (however, FIG. 9). In the middle metal wiring is omitted). The movable electrodes 19 to 26 of the primary vibrator, the secondary vibrator main body 37, and the movable electrode 80 of the vibration monitor are in electrical contact with the metal wiring 113 and the contact hole 114.

次に、第２の実施形態の角速度センサの動作について説明する。駆動方法に関しては第１の実施形態と全く同じであるので説明は省略する。２次振動子本体３７がＸ軸方向に正弦波的な振動をしている状態で、このセンサにＹ軸まわりの角速度が加わると、Ｇセンサエレメントの重り（可動電極）１０５はＺ軸方向に正弦波的に変位するコリオリ力を受け、Ｚ軸方向に正弦波的に変位する。その結果、Ｇセンサ重り（可動電極）１０５と２次振動子本体３７の作る静電容量が正弦波的に変化するので、その変化を例えば同期検波回路を用いて測定することにより、角速度の大きさを測定することができる。なお、静電容量方式の他にも、電磁検出、圧電検出等の方法が可能である。 Next, the operation of the angular velocity sensor of the second embodiment will be described. Since the driving method is exactly the same as in the first embodiment, a description thereof will be omitted. When the angular velocity around the Y axis is applied to the sensor while the secondary vibrator body 37 is vibrating in a sinusoidal manner in the X axis direction, the weight (movable electrode) 105 of the G sensor element is moved in the Z axis direction. The Coriolis force that is displaced sinusoidally is received and displaced sinusoidally in the Z-axis direction. As a result, the capacitance formed by the G sensor weight (movable electrode) 105 and the secondary vibrator main body 37 changes sinusoidally, and the change is measured by using, for example, a synchronous detection circuit, thereby increasing the angular velocity. Can be measured. In addition to the capacitance method, methods such as electromagnetic detection and piezoelectric detection are possible.

なお、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、図６を用いて説明したように１次振動子１２を１個でこのセンサを構成することも可能である。また、図７，８を用いて説明したように、２次振動子を２個接続し、それらを逆位相で振動させることも可能である。さらに、第１の実施形態と同様に、２つの２次振動子の加速度センサエレメントの出力の差をとることにより、外乱加速度をフィルタリング除去すること、および出力の和をとることにより、加速度を測定することが可能である。 As in the first embodiment, in the present embodiment, as described with reference to FIG. 6, it is possible to configure this sensor with one primary vibrator 12. Also, as described with reference to FIGS. 7 and 8, it is possible to connect two secondary vibrators and vibrate them in opposite phases. Further, as in the first embodiment, the acceleration is measured by filtering out the disturbance acceleration by taking the difference between the outputs of the acceleration sensor elements of the two secondary vibrators and taking the sum of the outputs. Is possible.

次に、製造方法を、図１２，１３，１４を用いて説明する。図１２，１３，１４は図９のＢ−Ｂ線に対応する断面図である。まず、図１２（ａ）に示すように、半導体基板として、面方位（１００）のシリコンウエハ１００を用意し、異方性エッチングにより所定領域に第１のトレンチ溝１２０を掘る。このトレンチ溝１２０が図１０でのトレンチ溝３８〜４５，８２，１０８，１０９となる。 Next, the manufacturing method will be described with reference to FIGS. 12, 13, and 14 are cross-sectional views corresponding to the line BB in FIG. First, as shown in FIG. 12A, a silicon wafer 100 having a plane orientation (100) is prepared as a semiconductor substrate, and a first trench groove 120 is dug in a predetermined region by anisotropic etching. The trench groove 120 becomes the trench grooves 38 to 45, 82, 108, 109 in FIG.

そして、図１２（ｂ）に示すように、シリコン基板１００の表面に、第１の絶縁膜としてのシリコン窒化膜１０１を堆積（成膜）してトレンチ溝１２０を窒化膜１０１で埋める。なお、表面の凹凸が問題になる場合は、窒化膜１０１を必要とする膜厚以上に形成しておいて、表面を研磨する。 Then, as shown in FIG. 12B, a silicon nitride film 101 as a first insulating film is deposited (film formation) on the surface of the silicon substrate 100 and the trench groove 120 is filled with the nitride film 101. Note that in the case where unevenness on the surface becomes a problem, the nitride film 101 is formed to have a thickness greater than that required, and the surface is polished.

さらに、図１２（ｃ）に示すように、シリコン基板１００の表面に、第２の絶縁膜としてのシリコン酸化膜１２１を成膜する。このシリコン酸化膜１２１が後の工程において犠牲層として使用される。 Further, as shown in FIG. 12C, a silicon oxide film 121 as a second insulating film is formed on the surface of the silicon substrate 100. This silicon oxide film 121 is used as a sacrificial layer in a later process.

引き続き、図１２（ｄ）に示すように、酸化膜１２１および窒化膜１０１の所定領域に基板１００に達する第２のトレンチ溝１２２を掘る。詳しくは、酸化膜１２１の所定の位置を除去し、次にそれをマスクとして窒化膜１０１の所定の位置を除去してトレンチ溝１２２を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 12D, a second trench groove 122 reaching the substrate 100 is dug in a predetermined region of the oxide film 121 and the nitride film 101. Specifically, a predetermined position of the oxide film 121 is removed, and then the predetermined position of the nitride film 101 is removed using the oxide film 121 as a mask to form a trench groove 122.

そして、図１３（ａ）に示すように、シリコン酸化膜１２１の表面に、半導体層としてのポリシリコン層１２３を堆積（成膜）してトレンチ溝１２２をポリシリコン層１２３で埋める。このトレンチ溝１２２に埋められたポリシリコン層１２３が図９，１０での可動電極１０５のアンカー部Ａｎとなる。その後、図１３（ｂ）に示すように、ポリシリコン層１２３の不要領域（所定の位置）１２４をエッチングにより除去する。 Then, as shown in FIG. 13A, a polysilicon layer 123 as a semiconductor layer is deposited (film formation) on the surface of the silicon oxide film 121 and the trench groove 122 is filled with the polysilicon layer 123. The polysilicon layer 123 buried in the trench 122 serves as the anchor portion An of the movable electrode 105 in FIGS. Thereafter, as shown in FIG. 13B, an unnecessary region (predetermined position) 124 of the polysilicon layer 123 is removed by etching.

引き続き、図１３（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜１２１の不要領域（所定の位置）１２５をエッチングにより除去する。そして、図１３（ｄ）に示すように、窒化膜１０１の所定の位置をエッチングにより除去してシリコン基板１００に達する第３のトレンチ溝１２６を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 13C, an unnecessary region (predetermined position) 125 of the silicon oxide film 121 is removed by etching. Then, as shown in FIG. 13D, a predetermined position of the nitride film 101 is removed by etching to form a third trench groove 126 reaching the silicon substrate 100.

さらに、図１４（ａ）に示すように、シリコン窒化膜１０１の上に、スパッタや電子ビーム蒸着等によりＡｌ，Ｔｉ等の金属配線１２７を形成してトレンチ溝１２６を埋める。その後、図１４（ｂ）に示すように、シリコン基板１００の裏面全面に窒化膜１２８を成膜するとともにパターニングする。そして、シリコン基板１００の裏面からの異方性エッチングにより裏面の所定の位置を掘り、トレンチ溝１２０に達する凹部２を形成する。その結果、凹部２の底面に薄肉部３が形成される。なお、この際、表面はダメージを避けるためにワックスや樹脂等で保護する。 Further, as shown in FIG. 14A, a metal wiring 127 made of Al, Ti or the like is formed on the silicon nitride film 101 by sputtering, electron beam vapor deposition or the like to fill the trench groove 126. Thereafter, as shown in FIG. 14B, a nitride film 128 is formed on the entire back surface of the silicon substrate 100 and patterned. Then, a predetermined position on the back surface is dug by anisotropic etching from the back surface of the silicon substrate 100 to form the recess 2 reaching the trench groove 120. As a result, a thin portion 3 is formed on the bottom surface of the recess 2. At this time, the surface is protected with wax, resin or the like in order to avoid damage.

その後、表面を保護したものを除去後、図１４（ｃ）に示すように、シリコン基板１００の薄肉部３に対し表面から異方性エッチングにより所定の位置に貫通孔１０４を形成する。これにより、１次および２次振動子１２，１３，１４（振動子本体１７，１８，３７等）が区画形成される。さらに、図１４（ｄ）に示すように、ポリシリコン層１２３の所定の位置を除去してシリコン酸化膜１２１に達する第４のトレンチ溝（エッチング孔）１２９を形成する。そして、エッチングによりポリシリコン層１２３の下のシリコン酸化膜１２１を除去して（犠牲層エッチングを行い）、図１１に示すように、上部電極となるポリシリコン層１２３を可動にする。このようにして、本センサが完成する。 Then, after removing the surface-protected material, as shown in FIG. 14C, a through-hole 104 is formed at a predetermined position by anisotropic etching from the surface of the thin portion 3 of the silicon substrate 100. Thereby, the primary and secondary vibrators 12, 13, and 14 (vibrator bodies 17, 18, 37, and the like) are partitioned. Further, as shown in FIG. 14D, a predetermined position of the polysilicon layer 123 is removed, and a fourth trench groove (etching hole) 129 reaching the silicon oxide film 121 is formed. Then, the silicon oxide film 121 under the polysilicon layer 123 is removed by etching (sacrificial layer etching is performed), and the polysilicon layer 123 serving as the upper electrode is made movable as shown in FIG. In this way, this sensor is completed.

その結果、シリコン基板１００に形成した貫通孔により１次および２次振動子１２，１３，１４を区画し、かつ、２次振動子本体３７と可動電極１０５とで対向電極を構成する場合に、好ましいものとなる。また、シリコン基板１００を用いた半導体プロセスで形成することによって小型化、軽量化、高出力化ならびに低コスト化を図ることができる。 As a result, when the primary and secondary vibrators 12, 13, and 14 are partitioned by the through holes formed in the silicon substrate 100, and the counter vibrator is configured by the secondary vibrator main body 37 and the movable electrode 105, This is preferable. Further, by forming the semiconductor substrate 100 using a semiconductor process, it is possible to reduce the size, the weight, the output, and the cost.

なお、半導体基板としてシリコン基板１００を用いたが、ＳＯＩ基板を用いてもよい。 Although the silicon substrate 100 is used as the semiconductor substrate, an SOI substrate may be used.

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。 (Third embodiment)
Next, the third embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.

図１５は、第３の実施の形態における角速度センサの模式的平面図を示す。図１６は図１５のＣ−Ｃ線での断面図である。本例では、図１６に示すように、ＳＯＩ基板１４０、つまり、シリコン基板１４１の上に絶縁膜（酸化膜）１４２を介してシリコン層１４３を配置したＳＯＩ基板１４０を用いている。 FIG. 15 is a schematic plan view of an angular velocity sensor according to the third embodiment. 16 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. In this example, as shown in FIG. 16, an SOI substrate 140, that is, an SOI substrate 140 in which a silicon layer 143 is disposed on a silicon substrate 141 via an insulating film (oxide film) 142 is used.

検出する角速度の軸はＳＯＩ基板１４０の表面に垂直な方向（Ｚ軸）である。また、駆動手段としては、第１および第２の実施形態と同様に櫛歯構造による静電駆動を用いている。 An axis of angular velocity to be detected is a direction (Z axis) perpendicular to the surface of the SOI substrate 140. Further, as the driving means, electrostatic driving by a comb tooth structure is used as in the first and second embodiments.

本実施形態においては、第１および第２の実施形態における加速度センサエレメント６７の代わりに、変位検出手段としての静電容量変化検出用電極１５６，１５７を用いており、電極１５６，１５７は四角枠部（固定部）４に設置される。この電極１５６，１５７を用いて、２次振動子本体１６０，１６１が振動しているときにおいて角速度の印加に伴うコリオリ力による振動方向に直交するＹ方向での２次振動子本体１６０，１６１の変位を検出するようにしている。詳しくは、変静電容量変化検出用電極１５６，１５７は、基板１４０の表面に平行なＸ方向において２次振動子本体１６０に所定の間隔をおいて対向して配置され、２次振動子本体１６０とでコンデンサの対向電極板を形成する。 In the present embodiment, instead of the acceleration sensor element 67 in the first and second embodiments, capacitance change detection electrodes 156 and 157 as displacement detection means are used, and the electrodes 156 and 157 are square frames. The unit (fixed part) 4 is installed. Using the electrodes 156 and 157, when the secondary vibrator main bodies 160 and 161 vibrate, the secondary vibrator main bodies 160 and 161 in the Y direction perpendicular to the vibration direction due to the Coriolis force accompanying the application of the angular velocity are used. The displacement is detected. Specifically, the variable capacitance change detection electrodes 156 and 157 are arranged to face the secondary vibrator main body 160 at a predetermined interval in the X direction parallel to the surface of the substrate 140, and the secondary vibrator main body. 160 forms a counter electrode plate of the capacitor.

以下、詳しく説明していく。図１６において、ＳＯＩ基板１４０の裏面には凹部１４４が形成され、その外周部には厚肉の四角枠部４が形成されている。凹部１４４の底面部には、シリコン層１４３よりなる薄肉部が配置されている。シリコン層１４３には貫通孔１４５が形成され、図１５に示すように、１次振動子１２，１３および２次振動子１４が区画されている。詳しくは、貫通孔１４５の形成および酸化膜１４２上でのシリコン層１４３の不要領域を除去することにより、１次梁１５，１６、１次振動子本体１７，１８、１次振動子用可動電極１９〜２６、１次振動子用固定電極２７〜３４、２次梁３５，３６，１４６，１４７、２次振動子本体（検出用可動電極）１６０，１６１、検出用固定電極１５６，１５７が、おのおの分離した状態で配置されている。 The details will be described below. In FIG. 16, a recess 144 is formed on the back surface of the SOI substrate 140, and a thick rectangular frame 4 is formed on the outer periphery thereof. A thin portion made of the silicon layer 143 is disposed on the bottom surface of the recess 144. A through hole 145 is formed in the silicon layer 143, and the primary vibrators 12, 13 and the secondary vibrator 14 are partitioned as shown in FIG. Specifically, by forming the through hole 145 and removing the unnecessary region of the silicon layer 143 on the oxide film 142, the primary beams 15, 16, the primary vibrator bodies 17, 18, and the primary vibrator movable electrode 19-26, primary vibrator fixed electrodes 27-34, secondary beams 35, 36, 146, 147, secondary vibrator main bodies (movable electrodes for detection) 160, 161, detection fixed electrodes 156, 157, Each is arranged in a separated state.

四角枠部４に１次梁１５，１６を介して１次振動子本体１７，１８が連結されている。また、１次振動子本体１７，１８に対し２次梁３５，３６および２次梁１４６，１４７を通して２次振動子本体１６０，１６１が連結されている。ここで、２次梁３５，３６はＵ字状をなし、Ｘ方向に変位可能な梁である。また、２次梁１４６，１４７はＸ方向に直線的に延びており、Ｙ方向にのみ変位可能な梁である。よって、２次振動子本体１６０，１６１は２次梁３５，３６によりＸ方向に振動することができるとともに２次梁１４６，１４７によりＹ方向に変位することができるようになっている。 Primary vibrator bodies 17 and 18 are connected to the rectangular frame portion 4 via primary beams 15 and 16. The secondary vibrator bodies 160 and 161 are connected to the primary vibrator bodies 17 and 18 through the secondary beams 35 and 36 and the secondary beams 146 and 147. Here, the secondary beams 35 and 36 are U-shaped and can be displaced in the X direction. The secondary beams 146 and 147 extend linearly in the X direction and can be displaced only in the Y direction. Accordingly, the secondary vibrator main bodies 160 and 161 can be vibrated in the X direction by the secondary beams 35 and 36 and can be displaced in the Y direction by the secondary beams 146 and 147.

また、１次振動子１２，１３の固定電極２７〜３４は図１６の酸化膜１４２によって他の電極と絶縁されている。これらは金属の電極端子１４８〜１５５によって外部と電気的に接続される。 The fixed electrodes 27 to 34 of the primary vibrators 12 and 13 are insulated from other electrodes by the oxide film 142 of FIG. These are electrically connected to the outside by metal electrode terminals 148 to 155.

検出用固定電極１５６，１５７は図１６の酸化膜１４２によって他の電極と絶縁されている。検出用固定電極１５６，１５７は、金属の電極端子１５８，１５９によって外部と電気的に接続される。 The detection fixed electrodes 156 and 157 are insulated from other electrodes by the oxide film 142 of FIG. The detection fixed electrodes 156 and 157 are electrically connected to the outside by metal electrode terminals 158 and 159.

駆動用可動電極１９〜２６、２次振動子本体（検出用可動電極）１６０，１６１は図１６の酸化膜１４２によって他の電極と絶縁されている。駆動用可動電極１９〜２６、２次振動子本体（検出用可動電極）１６０，１６１は全て同電位で、金属の電極端子１６２または１６３によって外部と電気的に接続される。 The drive movable electrodes 19 to 26 and the secondary vibrator main bodies (movable electrodes for detection) 160 and 161 are insulated from other electrodes by the oxide film 142 of FIG. The driving movable electrodes 19 to 26 and the secondary vibrator main bodies (moving electrodes for detection) 160 and 161 are all at the same potential and are electrically connected to the outside by metal electrode terminals 162 or 163.

このように、１次振動子本体１７，１８は、四角枠部（固定部）４に対し１次梁１５，１６にて連結され、駆動力を付与することにより振動でき、また、２次振動子本体１６０，１６１は、１次振動子本体１７，１８に対し２次梁３５，３６，１４６，１４７にて１次振動子本体１７，１８の振動方向および振動方向に直交するＹ方向に変位可能に連結され、１次振動子本体１７，１８からの振動伝達にて１次振動子本体１７，１８と同じＸ方向に振動することができるようになっている。 As described above, the primary vibrator bodies 17 and 18 are coupled to the square frame portion (fixed portion) 4 by the primary beams 15 and 16 and can vibrate by applying a driving force. The child main bodies 160 and 161 are displaced with respect to the primary vibrator main bodies 17 and 18 by the secondary beams 35, 36, 146, and 147 in the Y direction perpendicular to the vibration direction of the primary vibrator main bodies 17 and 18 and the vibration direction. It is connected so that it can vibrate in the same X direction as the primary vibrator bodies 17 and 18 by transmitting vibrations from the primary vibrator bodies 17 and 18.

また、本例においては、２次振動子本体１６０，１６１の両側に１次振動子本体１７，１８を配置している。さらに、少なくとも１本の梁１５，１６，３５，３６は１回または複数回、折り曲げられている（図１５では１回だけ折り曲げられている）。 In this example, the primary vibrator bodies 17 and 18 are disposed on both sides of the secondary vibrator bodies 160 and 161. Furthermore, at least one beam 15, 16, 35, 36 is bent once or a plurality of times (in FIG. 15, it is bent only once).

また、１次および２次振動子本体１７，１８，１６０，１６１が作る振動系において、少なくとも一つ存在する固有振動モードの固有振動数に駆動振動数を近づければ、この系の共振倍率は増加し、大きな振幅を得ることができる。 Further, in the vibration system made by the primary and secondary vibrator bodies 17, 18, 160, 161, if the drive frequency is brought close to the natural frequency of at least one natural vibration mode, the resonance magnification of this system can be obtained. It can be increased and a large amplitude can be obtained.

次に、第３の実施形態の角速度センサの動作について説明する。駆動方法に関しては第１の実施形態と全く同じであるので説明は省略する。そして、２次振動子本体１６０，１６１がＸ軸方向に正弦波的な振動をしている状態で、このセンサにＺ軸まわりの角速度が加わると、２次振動子本体１６０，１６１はＹ軸方向に正弦波的に変位するコリオリ力を受け、Ｙ軸方向に正弦波的に変位する。その結果、検出用電極１５６・１６０間の静電容量および検出用電極１５９・１６１間の静電容量が正弦波的に変化するので、その変化を例えば同期検波回路を用いて測定することにより、角速度の大きさを測定することができる。この時、第１の実施形態と同様に検出用電極１５６・１６０間の静電容量および検出用電極１５９・１６１間の静電容量を差動で検出する。 Next, the operation of the angular velocity sensor of the third embodiment will be described. Since the driving method is exactly the same as in the first embodiment, a description thereof will be omitted. When the angular velocity around the Z axis is applied to the sensor in a state where the secondary vibrator main bodies 160 and 161 vibrate sinusoidally in the X axis direction, the secondary vibrator main bodies 160 and 161 It receives a Coriolis force that is displaced sinusoidally in the direction, and is displaced sinusoidally in the Y-axis direction. As a result, the capacitance between the detection electrodes 156 and 160 and the capacitance between the detection electrodes 159 and 161 change sinusoidally, so that by measuring the change using, for example, a synchronous detection circuit, The magnitude of the angular velocity can be measured. At this time, as in the first embodiment, the capacitance between the detection electrodes 156 and 160 and the capacitance between the detection electrodes 159 and 161 are detected differentially.

なお、静電容量方式の他にも、電磁検出、圧電検出等の方法を用いることも可能であり、この場合、２次振動子本体の変位検出素子を基板ではなく基板を収納するケースに設置することも可能である。さらに、第１の実施形態と同様に、図６のように、１次振動子を１個でこのセンサを構成することも可能である。また、図７，８のように、２次振動子を２個接続し、それらを逆位相で振動させることも可能である。さらに、第１の実施形態と同様に、２次振動子本体を２個以上、梁により連結し、２つの２次振動子の検出部の出力の差をとることにより、外乱加速度をフィルタリング除去すること、および出力の和をとることにより、加速度を測定することが可能である。 In addition to the capacitance method, it is also possible to use a method such as electromagnetic detection or piezoelectric detection. In this case, the displacement detection element of the secondary vibrator main body is installed not in the substrate but in the case that houses the substrate. It is also possible to do. Furthermore, as in the first embodiment, as shown in FIG. 6, it is possible to configure this sensor with one primary vibrator. Further, as shown in FIGS. 7 and 8, it is possible to connect two secondary vibrators and vibrate them in opposite phases. Further, similarly to the first embodiment, two or more secondary vibrator bodies are connected by a beam, and the disturbance acceleration is filtered out by taking the difference between the outputs of the detection units of the two secondary vibrators. And taking the sum of the outputs, it is possible to measure acceleration.

次に、第３の実施形態の製造プロセスを、図１７，１８を用いて説明する。図１７，１８は図１５のＣ−Ｃ線に対応する断面図である。まず、図１７（ａ）に示すように、半導体基板として、面方位（１００）のＳＯＩウエハ（ＳＯＩ基板）１４０を用意する。つまり、第１の半導体層としてのシリコン基板１４１の上に絶縁膜としてのシリコン酸化膜１４２を介して第２の半導体層としてのシリコン層１４３を形成したＳＯＩ基板１４０を用意する。そして、図１７（ｂ）に示すように、スパッタや電子ビーム蒸着等によりＳＯＩ基板１４０におけるシリコン層１４３の表面の所定の位置にＡｌ，Ｔｉ等の金属配線１６５を形成する。
そして、図１７（ｃ）に示すように、裏面全面に窒化膜１６６を成膜し、所定の位置が残るように、エッチングを行う。さらに、図１８（ａ）に示すように、表面のシリコン層１４３の不要領域１６７をエッチング除去する。 Next, the manufacturing process of 3rd Embodiment is demonstrated using FIG. 17 and 18 are cross-sectional views corresponding to the line CC in FIG. First, as shown in FIG. 17A, an SOI wafer (SOI substrate) 140 having a plane orientation (100) is prepared as a semiconductor substrate. That is, an SOI substrate 140 is prepared in which a silicon layer 143 as a second semiconductor layer is formed on a silicon substrate 141 as a first semiconductor layer via a silicon oxide film 142 as an insulating film. Then, as shown in FIG. 17B, a metal wiring 165 made of Al, Ti or the like is formed at a predetermined position on the surface of the silicon layer 143 in the SOI substrate 140 by sputtering or electron beam evaporation.
Then, as shown in FIG. 17C, a nitride film 166 is formed on the entire back surface, and etching is performed so that a predetermined position remains. Further, as shown in FIG. 18A, the unnecessary region 167 of the silicon layer 143 on the surface is removed by etching.

その後、図１８（ｂ）に示すように、シリコン基板１４１に対し異方性エッチングにより裏面の所定の位置を掘り、凹部１４４を形成する。その結果、凹部１４４の底面に薄肉部１６８が形成される。なお、この際、表面はダメージを避けるためにワックスや樹脂等で保護する。 Thereafter, as shown in FIG. 18B, a predetermined position on the back surface is dug into the silicon substrate 141 by anisotropic etching to form a recess 144. As a result, a thin portion 168 is formed on the bottom surface of the recess 144. At this time, the surface is protected with wax, resin or the like in order to avoid damage.

そして、ＳＯＩ基板１４０の薄肉部１６８に対し図１６に示すように貫通孔１４５を形成、つまり、酸化膜１４２の所定の位置をエッチング除去することにより、１次および２次振動子１２，１３，１４（振動子本体１７，１８，１６０，１６１等）を区画形成する。このようにして、本センサが完成する。 Then, a through hole 145 is formed in the thin portion 168 of the SOI substrate 140 as shown in FIG. 16, that is, a predetermined position of the oxide film 142 is removed by etching, whereby the primary and secondary vibrators 12, 13, 14 (vibrator bodies 17, 18, 160, 161, etc.) are partitioned. In this way, this sensor is completed.

その結果、ＳＯＩ基板１４０に形成した貫通孔により１次および２次振動子本体等を区画する場合に、好ましいものとなる。また、ＳＯＩ基板１４０を用いた半導体プロセスで形成することによって小型化、軽量化、高出力化ならびに低コスト化を図ることができる。 As a result, it is preferable when the primary and secondary vibrator bodies are partitioned by the through holes formed in the SOI substrate 140. Further, by forming the semiconductor substrate using the SOI substrate 140, the size, weight, output, and cost can be reduced.

第３の実施形態については、他に第１の実施形態と同様の製造プロセスによっても作製可能である。このように本実施形態は、下記の特徴を有する。 The third embodiment can be manufactured by a manufacturing process similar to that of the first embodiment. Thus, this embodiment has the following features.

（イ）第１および第２の実施の形態と同様に、共振時の振幅は、エアダンピングの影響を大きく受け、エアダンピング（エアダンピングによる減衰係数）が大きいほど、共振時の振幅は小さくなるが、２次振動子はエアダンピングの影響を比較的受けにくく、エアダンピングの影響を抑え、櫛歯構造による大気中での静電駆動でかつ大振幅駆動が可能となる。 (A) Similar to the first and second embodiments, the amplitude at the time of resonance is greatly affected by air damping, and the larger the air damping (attenuation coefficient due to air damping), the smaller the amplitude at resonance. However, the secondary vibrator is relatively unaffected by air damping, suppresses the effect of air damping, and enables electrostatic drive and large amplitude drive in the atmosphere by a comb tooth structure.

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態を、第３の実施の形態との相違点を中心に説明する。 (Fourth embodiment)
Next, the fourth embodiment will be described focusing on the differences from the third embodiment.

図１９は、第４の実施形態のセンサの平面図である。駆動方法に関しては、第３の実施形態と全く同じである。第３の実施形態に対して、検出部分が主に異なっている。検出する角速度の軸はＺ軸である。また、第３の実施形態と同様な方法で、電極を必要に応じて電気的に分離している。 FIG. 19 is a plan view of a sensor according to the fourth embodiment. The driving method is exactly the same as in the third embodiment. The detection part is mainly different from the third embodiment. The axis of angular velocity to be detected is the Z axis. Further, the electrodes are electrically separated as necessary by the same method as in the third embodiment.

２次振動子本体１６０，１６１からは変位検出用の電極１７３〜１７６が、Ｙ軸方向に直線的に延びる振動伝達用梁１７１，１７２にて連結されている。また、この変位検出用電極１７３〜１７６の根元部１８３，１８４は、固定部分４に対し、Ｘ軸方向（振動方向）に直線的に延びる梁１８１，１８２にて連結されている。 Displacement detection electrodes 173 to 176 are connected from the secondary vibrator main bodies 160 and 161 by vibration transmission beams 171 and 172 extending linearly in the Y-axis direction. The base portions 183 and 184 of the displacement detection electrodes 173 to 176 are connected to the fixed portion 4 by beams 181 and 182 extending linearly in the X-axis direction (vibration direction).

以下、詳しく説明する。２次振動子の櫛歯電極１７３に対向して櫛歯の固定電極１７７が、同様に、櫛歯電極１７４に対向して櫛歯の固定電極１７８が、櫛歯電極１７５に対向して櫛歯の固定電極１７９が、櫛歯電極１７６に対向して櫛歯の固定電極１８０が、それぞれ配置されている。 This will be described in detail below. A comb-shaped fixed electrode 177 is opposed to the comb-shaped electrode 173 of the secondary vibrator, and similarly, a comb-shaped fixed electrode 178 is opposed to the comb-shaped electrode 174 and is opposed to the comb-shaped electrode 175. The fixed electrodes 179 are arranged so as to face the comb-shaped electrodes 176, and the fixed electrodes 180 having the comb teeth are arranged.

そして、２次振動子本体１６０，１６１がＸ軸方向に正弦波的な振動をしている状態で、このセンサにＺ軸まわりの角速度が加わると、２次振動子本体１６０，１６１はＹ軸方向に正弦波的に変位するコリオリ力を受け、Ｙ軸方向に正弦波的に変位する。このとき、梁１７１，１７２の存在により検出用可動電極１７３〜１７６も同様にＹ軸方向に正弦波的に変位する。その結果、検出用電極１７３・１７７間の静電容量、検出用電極１７４・１７８間の静電容量、検出用電極１７５・１７９間の静電容量および検出用電極１７６・１８０間の静電容量が正弦波的に変化するので、その変化を例えば同期検波回路を用いて測定することにより、角速度の大きさを測定することができる。 When the angular velocity around the Z axis is applied to the sensor in a state where the secondary vibrator main bodies 160 and 161 vibrate sinusoidally in the X axis direction, the secondary vibrator main bodies 160 and 161 It receives a Coriolis force that is displaced sinusoidally in the direction, and is displaced sinusoidally in the Y-axis direction. At this time, due to the presence of the beams 171 and 172, the detection movable electrodes 173 to 176 are similarly displaced sinusoidally in the Y-axis direction. As a result, the capacitance between the detection electrodes 173 and 177, the capacitance between the detection electrodes 174 and 178, the capacitance between the detection electrodes 175 and 179, and the capacitance between the detection electrodes 176 and 180 Changes sinusoidally, and the magnitude of the angular velocity can be measured by measuring the change using, for example, a synchronous detection circuit.

この時、第１の実施形態と同様に検出用電極１７３・１７７間の静電容量と検出用電極１７４・１７８間の静電容量を差動で検出する。同様に、検出用電極１７５・１７９間の静電容量と検出用電極１７６・１８０間の静電容量を差動で検出する。なお、静電容量方式の他にも、電磁検出、圧電検出等の方法が可能である。 At this time, the capacitance between the detection electrodes 173 and 177 and the capacitance between the detection electrodes 174 and 178 are detected differentially as in the first embodiment. Similarly, the electrostatic capacitance between the detection electrodes 175 and 179 and the electrostatic capacitance between the detection electrodes 176 and 180 are detected differentially. In addition to the capacitance method, methods such as electromagnetic detection and piezoelectric detection are possible.

一方、検出用可動電極１７３〜１７６は２次振動子本体１６０，１６１が振動しても梁１８１，１８２の剛性によりＸ軸方向には変位しない。このことにより、コリオリ力のない状態で検出用電極の静電容量が全く変化しないので、ノイズを抑えることが可能である。 On the other hand, the movable detection electrodes 173 to 176 are not displaced in the X-axis direction due to the rigidity of the beams 181 and 182 even when the secondary vibrator bodies 160 and 161 vibrate. As a result, the capacitance of the detection electrode does not change at all in the absence of Coriolis force, so that noise can be suppressed.

なお、第３の実施形態の構造において単に検出用電極を櫛歯構造にすることも可能である。しかし、この場合は検出用電極自身がエアダンピングの影響を受けやすいため、本発明のメリットである大振幅の駆動が得にくくなる。したがって、このような方法よりも本実施形態の方がより大きな信号を取ることができ有利である。 In the structure of the third embodiment, the detection electrode can be simply a comb-tooth structure. However, in this case, since the detection electrode itself is easily affected by air damping, it is difficult to obtain large-amplitude driving, which is an advantage of the present invention. Therefore, the present embodiment is advantageous in that it can take a larger signal than such a method.

また、本実施形態においても、図６のように、第１の実施形態と同様に、１次振動子を１個でこのセンサを構成することも可能である。また、図７，８のように、２次振動子を２個接続し、それらを逆位相で振動させることも可能である。あるいは、第１の実施形態と同様に、２つの２次振動子の検出部の出力の差をとることにより、外乱加速度をフィルタリング除去すること、および出力の和をとることにより、加速度を測定することが可能である。 Also in this embodiment, as shown in FIG. 6, this sensor can be configured with a single primary vibrator as in the first embodiment. Further, as shown in FIGS. 7 and 8, it is possible to connect two secondary vibrators and vibrate them in opposite phases. Alternatively, as in the first embodiment, the acceleration is measured by filtering out disturbance acceleration by taking the difference between the outputs of the detection units of the two secondary vibrators and taking the sum of the outputs. It is possible.

第４の実施形態については、第１および第３の実施形態と同様の製造プロセスにより適当に電極を分離して作製することが可能である。以上のように、Ｘ−Ｙ座標面におけるＸ軸方向に２次振動子本体１６０，１６１が振動するが、変位検出用電極１７３〜１７６の根元部１８３，１８４が、駆動方向に延びる梁１８１，１８２にて固定部分４に連結されているので、２次振動子本体１６０，１６１の駆動振動が変位検出用電極１７３〜１７６に伝わるのが抑制される。その結果、２次振動子本体１６０，１６１の変位成分のみを検出して角速度を高精度に検出することができる。 About a 4th embodiment, it is possible to isolate | separate and produce an electrode suitably by the manufacturing process similar to the 1st and 3rd embodiment. As described above, the secondary vibrator main bodies 160 and 161 vibrate in the X-axis direction on the XY coordinate plane, but the base portions 183 and 184 of the displacement detection electrodes 173 to 176 are beams 181 and 181 extending in the driving direction. Since it is connected to the fixed portion 4 at 182, it is suppressed that the drive vibration of the secondary vibrator main bodies 160 and 161 is transmitted to the displacement detection electrodes 173 to 176. As a result, it is possible to detect the angular velocity with high accuracy by detecting only the displacement components of the secondary vibrator bodies 160 and 161.

（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態を、第３の実施の形態との相違点を中心に説明する。 (Fifth embodiment)
Next, the fifth embodiment will be described with a focus on differences from the third embodiment.

図２０は、第５の実施形態のセンサの平面図である。図２２は図２０のＤ−Ｄ線での断面図である。図２３は図２０のＥ−Ｅ線での断面図である。本例では、図２２に示すように、ＳＯＩ基板１９０、つまり、シリコン基板１９１の上に絶縁膜１９２を介してシリコン層１９３を配置したＳＯＩ基板１９０を用いている。シリコン基板１９１のみの平面図を図２１に示す。 FIG. 20 is a plan view of the sensor of the fifth embodiment. 22 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. In this example, as shown in FIG. 22, an SOI substrate 190, that is, an SOI substrate 190 in which a silicon layer 193 is disposed on a silicon substrate 191 with an insulating film 192 interposed therebetween is used. A plan view of only the silicon substrate 191 is shown in FIG.

検出する角速度の軸は、基板１９０の表面に平行で、かつ、駆動振動方向に直交するＹ軸方向である。また、変位検出手段が第３の実施形態とは異なり静電容量変化検出用電極１９７を用いており、この電極１９７は、図２３に示すように基板１９０の表面に垂直なＺ軸方向において２次振動子本体２０２に所定の間隔をおいて対向して配置されている。 The axis of angular velocity to be detected is the Y-axis direction that is parallel to the surface of the substrate 190 and orthogonal to the driving vibration direction. Further, unlike the third embodiment, the displacement detecting means uses an electrostatic capacitance change detecting electrode 197, and this electrode 197 is 2 in the Z-axis direction perpendicular to the surface of the substrate 190 as shown in FIG. The next vibrator body 202 is arranged to face the second vibrator body 202 at a predetermined interval.

以下、詳しく説明していく。図２２，２３に示すように、ＳＯＩ基板１９０の上には絶縁膜（シリコン窒化膜）１９４が形成されている。また、図２１，２３に示すように、シリコン基板１９１の一部を表面からエッチングすることにより凹部１９５が形成され、シリコン基板１９１の４つの辺にて構成される四角枠部１９６と下部電極１９７が区画されている。つまり、図２１に示すように、四角枠部１９６の内方に下部電極１９７が架設された構成となっている。また、図２３に示すように、凹部１９５の底部におけるシリコン層１９３には貫通孔１９８が形成され、この貫通孔１９８により、図２０に示すように、１次振動子１２，１３および２次振動子１９９が形成されている。詳しくは、１次梁１５，１６、１次振動子本体１７，１８、１次振動子用可動電極１９〜２６、１次振動子用固定電極２７〜３４、２次梁３５，３６、２次振動子本体２０２が区画形成されている。 The details will be described below. As shown in FIGS. 22 and 23, an insulating film (silicon nitride film) 194 is formed on the SOI substrate 190. Further, as shown in FIGS. 21 and 23, a recess 195 is formed by etching a part of the silicon substrate 191 from the surface, and a square frame portion 196 and a lower electrode 197 constituted by four sides of the silicon substrate 191 are formed. Is partitioned. That is, as shown in FIG. 21, the lower electrode 197 is constructed inside the square frame portion 196. Further, as shown in FIG. 23, a through hole 198 is formed in the silicon layer 193 at the bottom of the recess 195, and the primary vibrators 12 and 13 and the secondary vibration are formed by the through hole 198 as shown in FIG. A child 199 is formed. Specifically, the primary beams 15 and 16, the primary vibrator bodies 17 and 18, the primary vibrator movable electrodes 19 to 26, the primary vibrator fixed electrodes 27 to 34, the secondary beams 35 and 36, and the secondary The vibrator body 202 is partitioned.

１次振動子本体１７，１８に対し２次梁３５，３６を通して２次振動子本体２０２が連結されている。ここで、２次梁３５，３６はＵ字状をなし、かつ、肉厚が薄くなっており、２次振動子本体２０２はＸおよびＺ方向に変位（振動）することができるようになっている。 A secondary vibrator main body 202 is connected to the primary vibrator main bodies 17 and 18 through secondary beams 35 and 36. Here, the secondary beams 35 and 36 are U-shaped and have a small thickness, so that the secondary vibrator main body 202 can be displaced (vibrated) in the X and Z directions. Yes.

また、図２２に示すように、ＳＯＩ基板１９０の絶縁膜１９２に対する犠牲層エッチングの工程により、振動子１２，１２，１９９が分離され、下部電極１９７も２次振動子本体２０２と分離している。 Further, as shown in FIG. 22, the vibrators 12, 12, and 199 are separated from each other by the sacrificial layer etching process for the insulating film 192 of the SOI substrate 190, and the lower electrode 197 is also separated from the secondary vibrator main body 202. .

なお、２次振動子本体２０２には多数のエッチング孔２０２ａが形成され、犠牲層エッチングの際にエッチング液がエッチング孔２０２ａを通して進入していく。 Note that a large number of etching holes 202a are formed in the secondary vibrator main body 202, and an etchant enters through the etching holes 202a during the sacrifice layer etching.

図２０に示すように、１次振動子１２，１３の固定電極２７〜３４と四角枠部（固定部）１９６はトレンチ溝（例えば、窒化膜等）３８〜４５によって絶縁されており、固定電極２７〜３４は窒化膜１９４上の金属配線４６〜５３（例えば、Ａｌ，Ｔｉ等）によって、四角枠部（固定部）１９６での窒化膜１９４上に配置された電極端子４６ａ〜５３ａと電気的に接触している。固定電極２７〜３４と金属配線４６〜５３はコンタクトホール５４〜６１によって適当に電気的に接触している。つまり、コンタクトホール５４〜６１は、絶縁膜１９４の一部に穴を開け、金属で埋めたものであり、絶縁膜１９４の上下を電気的に接触させる役割を果たす。 As shown in FIG. 20, the fixed electrodes 27 to 34 and the rectangular frame portion (fixed portion) 196 of the primary vibrators 12 and 13 are insulated by trench grooves (for example, nitride films) 38 to 45, and the fixed electrodes 27 to 34 are electrically connected to electrode terminals 46 a to 53 a arranged on the nitride film 194 in the square frame portion (fixed portion) 196 by metal wirings 46 to 53 (for example, Al, Ti, etc.) on the nitride film 194. Touching. The fixed electrodes 27 to 34 and the metal wirings 46 to 53 are appropriately in electrical contact with each other through the contact holes 54 to 61. In other words, the contact holes 54 to 61 are holes formed in a part of the insulating film 194 and filled with metal, and play a role of electrically contacting the upper and lower sides of the insulating film 194.

１次振動子の可動電極１９〜２６および２次振動子本体２０２はトレンチ溝３８〜４５によって他の電極と絶縁されており、電極端子２００とコンタクトホール２０１によって接触している。 The movable electrodes 19 to 26 of the primary vibrator and the secondary vibrator main body 202 are insulated from other electrodes by the trench grooves 38 to 45, and are in contact with the electrode terminal 200 by the contact hole 201.

また、２次振動子本体２０２とそれに対向する固定部分１９６に突起８０，８１をそれぞれ設け、その間の静電容量をモニタして２次振動子本体２０２の振幅を検出するようにしている。 Further, the projections 80 and 81 are provided on the secondary vibrator main body 202 and the fixed portion 196 opposite to the secondary vibrator main body 202, respectively, and the capacitance between them is monitored to detect the amplitude of the secondary vibrator main body 202.

次に、第５の実施形態の角速度センサの動作について説明する。駆動方法に関しては第１の実施形態と全く同じであるので説明は省略する。２次振動子本体２０２がＸ軸方向に正弦波的な振動をしている状態で、このセンサにＹ軸まわりの角速度が加わると、２次振動子本体２０２はＺ軸方向に正弦波的に変位するコリオリ力を受け、Ｚ軸方向に正弦波的に変位する。その結果、２次振動子本体２０２と下部電極１９７の作る静電容量が正弦波的に変化するので、その変化を例えば同期検波回路を用いて測定することにより、角速度の大きさを測定することができる。なお、静電容量の他にも、電磁検出、圧電検出等の方法が可能である。 Next, the operation of the angular velocity sensor of the fifth embodiment will be described. Since the driving method is exactly the same as in the first embodiment, a description thereof will be omitted. When the secondary vibrator main body 202 vibrates sinusoidally in the X axis direction and an angular velocity around the Y axis is applied to the sensor, the secondary vibrator main body 202 sinusoidally extends in the Z axis direction. In response to the displaced Coriolis force, it is displaced sinusoidally in the Z-axis direction. As a result, the capacitance formed by the secondary vibrator main body 202 and the lower electrode 197 changes sinusoidally, and the magnitude of the angular velocity is measured by measuring the change using, for example, a synchronous detection circuit. Can do. In addition to the capacitance, methods such as electromagnetic detection and piezoelectric detection are possible.

応用例としては、第１の実施形態と同様に、図６のように、１次振動子を１個でこのセンサを構成することも可能である。また、図７，８のように、２次振動子を２個接続し、それらを逆位相で振動させることも可能である。第１の実施形態と同様に、２つの２次振動子の検出部の出力の差をとることにより、外乱加速度をフィルタリング除去すること、および出力の和をとることにより、加速度を測定することが可能である。 As an application example, as in the first embodiment, as shown in FIG. 6, it is possible to configure this sensor with one primary vibrator. Further, as shown in FIGS. 7 and 8, it is possible to connect two secondary vibrators and vibrate them in opposite phases. As in the first embodiment, the acceleration can be measured by filtering out disturbance acceleration by taking the difference between the outputs of the detection units of the two secondary vibrators and taking the sum of the outputs. Is possible.

次に、第５の実施形態の製造プロセスを、図２４，２５を用いて説明する。図２４，２５は図２０のＤ−Ｄ線に対応する断面図である。まず、図２４（ａ）に示すように、半導体基板として、面方位（１００）のＳＯＩウエハを用意する。つまり、第１の半導体層としてのシリコン基板１９１の上に第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜１９２を介して第２の半導体層としてのシリコン層１９３を形成したＳＯＩ基板１９０を用意する。そして、ＳＯＩ基板１９０におけるシリコン層１９３に対し、異方性エッチングにより第１のトレンチ溝２１０を形成する。この時、シリコン酸化膜１９２が露出したところでエッチングを終了する。このトレンチ溝２１０が図２０のトレンチ溝３８〜４５となる。 Next, the manufacturing process of 5th Embodiment is demonstrated using FIG. 24 and 25 are cross-sectional views corresponding to the line DD in FIG. First, as shown in FIG. 24A, an SOI wafer having a plane orientation (100) is prepared as a semiconductor substrate. That is, an SOI substrate 190 is prepared in which a silicon layer 193 as a second semiconductor layer is formed on a silicon substrate 191 as a first semiconductor layer via a silicon oxide film 192 as a first insulating film. Then, a first trench groove 210 is formed on the silicon layer 193 in the SOI substrate 190 by anisotropic etching. At this time, the etching is terminated when the silicon oxide film 192 is exposed. The trench groove 210 becomes the trench grooves 38 to 45 in FIG.

そして、図２４（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板１９０のシリコン層１９３の表面に、第２の絶縁膜としてのシリコン窒化膜１９４を堆積（成膜）してトレンチ溝２１０を窒化膜１９４で埋める。なお、表面の凹凸が問題になる場合は、窒化膜１９４を必要とする膜厚以上に形成しておいて、表面を研磨する。 Then, as shown in FIG. 24B, a silicon nitride film 194 as a second insulating film is deposited (film formation) on the surface of the silicon layer 193 of the SOI substrate 190, and the trench groove 210 is formed by the nitride film 194. fill in. Note that in the case where unevenness of the surface becomes a problem, the nitride film 194 is formed to have a thickness greater than that required, and the surface is polished.

さらに、図２５（ａ）に示すように、窒化膜１９４の所定の位置を除去してシリコン層１９３に達するトレンチ溝２１１を形成する。そして、図２５（ｂ）に示すように、スパッタや電子ビーム蒸着等により窒化膜１９４上にＡｌ，Ｔｉ等の金属配線２１２を形成してトレンチ溝２１１を埋める。 Further, as shown in FIG. 25A, a predetermined position of the nitride film 194 is removed, and a trench groove 211 reaching the silicon layer 193 is formed. Then, as shown in FIG. 25B, a metal wiring 212 made of Al, Ti or the like is formed on the nitride film 194 by sputtering, electron beam evaporation, or the like, thereby filling the trench groove 211.

引き続き、図２６（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板１９０の裏面全面に窒化膜２１３を成膜およびパターニングし、裏面からの異方性エッチングにより所定の位置を掘り、シリコン酸化膜１９２に達する凹部１９５を形成する。その結果、凹部１９５の底面に薄肉部２１５が形成される。この時、シリコン酸化膜１９２が露出したところでエッチングを終了する。なお、この際、表面はダメージを避けるためにワックスや樹脂等で保護する。 Subsequently, as shown in FIG. 26C, a nitride film 213 is formed and patterned on the entire back surface of the SOI substrate 190, a predetermined position is dug by anisotropic etching from the back surface, and the recess reaching the silicon oxide film 192 is formed. 195 is formed. As a result, a thin portion 215 is formed on the bottom surface of the recess 195. At this time, the etching is terminated when the silicon oxide film 192 is exposed. At this time, the surface is protected with wax, resin or the like in order to avoid damage.

そして、表面を保護したものを除去後、図２５（ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板１９０の薄肉部２１５に対し表面より異方性エッチングにより窒化膜１９４の所定の位置を除去するとともに、シリコン層１９３の所定の位置を除去して貫通孔２１４を形成する。その結果、１次および２次振動子（振動子本体１７，１８，２０２等）が区画形成される。 Then, after removing the surface protection, a predetermined position of the nitride film 194 is removed from the thin portion 215 of the SOI substrate 190 by anisotropic etching from the surface as shown in FIG. A predetermined position of the layer 193 is removed to form a through hole 214. As a result, primary and secondary vibrators (vibrator bodies 17, 18, 202, etc.) are partitioned.

最後に、図２２に示すように、ＳＯＩ基板１９０におけるシリコン酸化膜１９２の所定位置（一部）を除去することにより（犠牲層エッチングを行い）、１次および２次振動子（振動子本体１７，１８，２０２等）をシリコン基板１９１から分離する。これにより、本センサが完成する。 Finally, as shown in FIG. 22, a predetermined position (a part) of the silicon oxide film 192 in the SOI substrate 190 is removed (sacrificial layer etching is performed), and the primary and secondary vibrators (the vibrator body 17). , 18, 202, etc.) are separated from the silicon substrate 191. Thereby, this sensor is completed.

その結果、ＳＯＩ基板１９０に形成した貫通孔により１次および２次振動子本体を区画し、かつ、固定電極１９７と２次振動子本体２０２で対向電極を構成する場合に、好ましいものとなる。また、ＳＯＩ基板１９０を用いた半導体プロセスで形成することによって小型化、軽量化、高出力化ならびに低コスト化を図ることができる。 As a result, it is preferable when the primary and secondary vibrator main bodies are partitioned by the through holes formed in the SOI substrate 190 and the counter electrode is configured by the fixed electrode 197 and the secondary vibrator main body 202. In addition, formation by a semiconductor process using the SOI substrate 190 can reduce the size, weight, output, and cost.

なお、これまでの説明においては図２に示すように固定部に対し梁１５（１６）により１次振動子本体１７（１８）を連結し、１次振動子本体１７（１８）に対し梁３５（３６）により２次振動子本体３７を連結したが、図２６に示すように、固定部４に対し１次梁１５’（１６’）を介して１次振動子本体１７’（１８’）を連結し、さらに１次振動子本体１７’（１８’）に対し１次梁１５’’（１６’’）を介して１次振動子本体１７’’（１８’’）を連結し、この１次振動子本体１７’’（１８’’）に対し梁３５（３６）により２次振動子本体３７を連結してもよい。 In the above description, as shown in FIG. 2, the primary vibrator body 17 (18) is connected to the fixed portion by the beam 15 (16), and the beam 35 is connected to the primary vibrator body 17 (18). Although the secondary vibrator main body 37 is connected by (36), as shown in FIG. 26, the primary vibrator main body 17 ′ (18 ′) is connected to the fixed portion 4 via the primary beam 15 ′ (16 ′). And the primary vibrator body 17 ″ (18 ″) is connected to the primary vibrator body 17 ′ (18 ′) via the primary beam 15 ″ (16 ″). A secondary vibrator main body 37 may be connected to the primary vibrator main body 17 ″ (18 ″) by a beam 35 (36).

第１の実施実施における角速度センサの模式的平面図。The typical top view of the angular velocity sensor in the 1st implementation. 図１の要部の平面図。The top view of the principal part of FIG. 図１のＡ−Ａ断面図。AA sectional drawing of FIG. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。FIG. 3 is a schematic plan view showing an application example of the first embodiment. 第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。FIG. 3 is a schematic plan view showing an application example of the first embodiment. 第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。FIG. 3 is a schematic plan view showing an application example of the first embodiment. 第２の実施実施における角速度センサの模式的平面図。The typical top view of the angular velocity sensor in the 2nd implementation. 図９の要部の平面図。The top view of the principal part of FIG. 図１０のＢ−Ｂ断面図。BB sectional drawing of FIG. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 第３の実施実施における角速度センサの模式的平面図。The typical top view of the angular velocity sensor in the 3rd implementation. 図１５のＣ−Ｃ断面図。CC sectional drawing of FIG. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 第４の実施実施における角速度センサの模式的平面図。The typical top view of the angular velocity sensor in the 4th implementation. 第５の実施実施における角速度センサの模式的平面図。The typical top view of the angular velocity sensor in the 5th implementation. 図２０の要部の平面図。The top view of the principal part of FIG. 図２０のＤ−Ｄ断面図。DD sectional drawing of FIG. 図２０のＥ−Ｅ断面図。EE sectional drawing of FIG. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 製造プロセスを説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating a manufacturing process. 別例の角速度センサの模式的平面図。The typical top view of the angular velocity sensor of another example. 従来技術を示す模式図。The schematic diagram which shows a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

１シリコン基板
２凹部
３薄肉部
４四角枠部
５絶縁膜
６〜１１貫通孔
１２，１３１次振動子
１４２次振動子
１６１次梁
１７，１８１次振動子本体
１９〜２６１次振動子用可動電極
２７〜３４１次振動子用固定電極
３５，３６２次梁
３７２次振動子本体
６３〜６６貫通孔
６７加速度センサエレメント
６８，６９Ｇセンサ用梁
７０，７１Ｇセンサ用可動電極
７２，７３Ｇセンサ用固定電極
８０可動電極
８１固定電極
８７，８８梁
９２トレンチ溝
９３不要領域
９４金属配線
１００シリコン基板
１０１シリコン窒化膜
１０４貫通孔
１０５Ｇセンサ重り
１２０トレンチ溝
１２１第２の絶縁膜
１２２トレンチ溝
１２３ポリシリコン層
１２４，１２５不要領域
１２６トレンチ溝
１２７金属配線
１２９溝
１４０ＳＯＩ基板
１４１シリコン基板
１４２絶縁膜
１４３シリコン層
１４４凹部
１４５貫通孔
１４６，１４７２次梁
１５６，１５７検出用固定電極
１６０，１６１検出用固定電極
１６５金属配線
１６７トレンチ溝
１７１，１７２梁
１７３〜１７６検出用可動電極
１８１，１８２梁
１９０ＳＯＩ基板
１９１シリコン基板
１９２絶縁膜
１９３シリコン層
１９４第２の絶縁膜
１９５凹部
１９６四角枠部
１９７下部電極
１９８貫通孔
２０２２次振動子本体
２１０第１のトレンチ溝
２１１第２のトレンチ溝
２１２金属配線
２１５薄肉部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Recessed part 3 Thin part 4 Square frame part 5 Insulating film 6-11 Through-hole 12, 13 Primary vibrator 14 Secondary vibrator 16 Primary beam 17, 18 Primary vibrator main body 19-26 Primary vibration Child movable electrode 27-34 Primary vibrator fixed electrode 35, 36 Secondary beam 37 Secondary vibrator main body 63-66 Through hole 67 Acceleration sensor element 68, 69 G sensor beam 70, 71 G sensor movable electrode 72, 73 G sensor fixed electrode 80 Movable electrode 81 Fixed electrode 87, 88 Beam 92 Trench groove 93 Unnecessary region 94 Metal wiring 100 Silicon substrate 101 Silicon nitride film 104 Through hole 105 G sensor weight 120 Trench groove 121 Second insulating film 122 trench groove 123 polysilicon layer 124, 125 unnecessary region 126 trench groove 127 metal wiring 129 groove 1 0 SOI substrate 141 Silicon substrate 142 Insulating film 143 Silicon layer 144 Recessed portion 145 Through hole 146,147 Secondary beam 156,157 Fixed electrode for detection 160,161 Fixed electrode for detection 165 Metal wiring 167 Trench groove 171,172 Beam 173-176 Detecting movable electrode 181, 182 Beam 190 SOI substrate 191 Silicon substrate 192 Insulating film 193 Silicon layer 194 Second insulating film 195 Recessed part 196 Square frame part 197 Lower electrode 198 Through hole 202 Secondary vibrator main body 210 First trench groove 211 Second trench groove 212 Metal wiring 215 Thin portion

Claims

１次梁を介して固定部基板に接続され、駆動力が付与されることにより所定の振動方向（Ｘ）に沿って振動する１次振動子本体と、
２次梁を介して前記１次振動子本体に接続され、前記振動方向（Ｘ）および当該振動方向に直交する方向（Ｙ）に変位可能に保持され、前記１次振動子本体からの振動伝達にて前記振動方向（Ｘ）に振動する２次振動子本体と、
前記振動方向に直交する方向（Ｙ）に延びる振動伝達用梁を介して前記２次振動子本体に接続され、さらに前記固定部基板に対し、前記振動方向に延びる梁にて連結された変位検出用電極と、
前記変位検出用電極に対向して配置され、前記変位検出用電極との間で静電容量を形成する固定電極と、
を備え、前記２次振動子本体が振動しているときにおいて、角速度の印加に伴うコリオリ力による前記振動方向に直交する方向（Ｙ）に沿う前記２次振動子本体の変位を、前記静電容量の変化に基づき検出するものであって、
前記２次振動子本体とそれに対向する固定部に突起をそれぞれ設け、その間の静電容量をモニタして前記２次振動子本体の振幅を検出するようにしたことを特徴とする角速度センサ。 A primary vibrator main body which is connected to the fixed portion substrate via the primary beam and vibrates along a predetermined vibration direction (X) by applying a driving force;
It is connected to the primary vibrator main body via a secondary beam, is held so as to be displaceable in the vibration direction (X) and a direction (Y) orthogonal to the vibration direction, and transmits vibration from the primary vibrator main body. A secondary vibrator main body that vibrates in the vibration direction (X) at
Through said vibration transmitting beam extending in a direction (Y) perpendicular to the vibration direction is connected to the secondary vibrator unit further against the fixed part substrate, coupled displacement detected by a beam extending in the vibration direction Electrodes for
Wherein disposed opposite to the displacement detection electrode, a fixed electrode that forms a capacitance between the displacement detection electrode,
When the secondary vibrator main body vibrates , the displacement of the secondary vibrator main body along the direction (Y) perpendicular to the vibration direction due to the Coriolis force accompanying the application of the angular velocity is It detects based on the change of capacity ,
An angular velocity sensor characterized in that a protrusion is provided on each of the secondary vibrator main body and a fixed portion facing the secondary vibrator main body, and the capacitance between the protrusions is monitored to detect the amplitude of the secondary vibrator main body .

前記変位検出用電極は根元部を有し、当該根元部を前記固定部基板に対し、前記振動方向に延びる梁にて連結したことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。 The displacement detection electrode has a root portion, an angular velocity sensor according to claim 1, against the base portion to the fixed portion substrate, characterized by being connected by beams extending in the vibration direction.

検出する角速度の軸が前記固定部基板の表面に垂直な方向である請求項１または２に記載の角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1 or 2, wherein an axis of angular velocity to be detected is a direction perpendicular to a surface of the fixed portion substrate .

前記２次振動子本体の両側に前記１次振動子本体を配置したことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の角速度センサ。 The angular velocity sensor according to any of claims 1 to 3, characterized in that a said primary vibrator unit on both sides of the secondary vibrator unit.

第１の方向（Ｘ）に延びる梁を介して固定部基板に接続された変位検出用電極と、
前記第１の方向に直交する第２の方向（Ｙ）に延びる振動伝達用梁を介して前記変位検出用電極に接続され、前記第１の方向（Ｘ）及び前記第２の方向に変位可能な２次振動子本体と、
駆動力が付与されることにより前記第１の方向（Ｘ）に沿って振動する１次振動子本体と、
２次振動子本体及び前記１次振動子本体との間に接続され、前記第１の方向（Ｘ）に延びるとともに、前記１次振動子本体の前記第１の方向（Ｘ）に沿う振動を前記第２振動子本体へ伝達する２次梁と、
前記変位検出用電極に対向して配置され、前記変位検出用電極との間で静電容量を形成する固定電極と、
を備えるものであって、
前記２次振動子本体とそれに対向する固定部に突起をそれぞれ設け、その間の静電容量をモニタして前記２次振動子本体の振幅を検出するようにしたことを特徴とする角速度センサ。 A displacement detection electrode connected to the fixed part substrate via a beam extending in the first direction (X);
Connected to the displacement detection electrode via a vibration transmission beam extending in a second direction (Y) orthogonal to the first direction, and can be displaced in the first direction (X) and the second direction. Secondary oscillator body ,
A primary vibrator main body that vibrates along the first direction (X) when a driving force is applied ;
It is connected between the secondary vibrator main body and the primary vibrator main body , extends in the first direction (X), and vibrates along the first direction (X) of the primary vibrator main body. A secondary beam transmitted to the second vibrator body ;
Wherein disposed opposite to the displacement detection electrode, a fixed electrode that forms a capacitance between the displacement detection electrode,
Comprising :
An angular velocity sensor characterized in that a protrusion is provided on each of the secondary vibrator main body and a fixed portion facing the secondary vibrator main body, and the capacitance between the protrusions is monitored to detect the amplitude of the secondary vibrator main body .

固定部上に配置され、駆動力を付与することにより所定の振動方向（Ｘ）に振動する１次振動子本体と、
前記１次振動子本体に連結され、前記振動方向（Ｘ）に延設されて前記１次振動子本体の振動方向（Ｘ）に沿う振動を伝達する第１の振動伝達用梁と、
前記第１の振動伝達用梁を介して前記振動方向（Ｘ）および当該振動方向に直交する方向（Ｙ）に変位可能に前記１次振動子本体に連結され、前記第１の振動伝達用梁を介して伝達される前記振動方向（Ｘ）に沿う振動に基づき前記振動方向（Ｘ）に振動可能な２次振動子本体と、
前記２次振動子本体に連結され、前記振動方向に直交する方向（Ｙ）に延びる第２の振動伝達用梁と、
前記第２の振動伝達用梁を介して前記２次振動子本体に連結されるとともに、前記固定部基板に対し、前記振動方向に延びる梁にて連結され、前記振動方向に直交する方向（Ｙ）に変位可能な３次振動子本体と、
前記２次振動子本体が振動しているときにおいて、コリオリ力による前記振動方向に直交する方向（Ｙ）での前記２次振動子本体の変位を、前記３次振動子本体の前記振動方向に直交する方向（Ｙ）への変位に基づき検出する変位検出手段と、を備えたものであって、
前記２次振動子本体とそれに対向する前記固定部に突起をそれぞれ設け、その間の静電容量をモニタして前記２次振動子本体の振幅を検出するようにしたことを特徴とする角速度センサ。 A primary vibrator body which is arranged on the fixed portion and vibrates in a predetermined vibration direction (X) by applying a driving force;
A first vibration transmission beam connected to the primary vibrator body and extending in the vibration direction (X) to transmit vibration along the vibration direction (X) of the primary vibrator body ;
The first vibration transmission beam is coupled to the primary vibrator main body so as to be displaceable in the vibration direction (X) and a direction (Y) perpendicular to the vibration direction via the first vibration transmission beam. A secondary vibrator main body capable of vibrating in the vibration direction (X) based on the vibration along the vibration direction (X) transmitted through
A second vibration transmission beam coupled to the secondary vibrator body and extending in a direction (Y) perpendicular to the vibration direction;
The second with is connected to the secondary vibrator unit via the vibration transmitting beams, against the said fixed part substrate, the coupled in a beam extending in the vibration direction, the direction orthogonal to the vibration direction (Y ) Displaceable tertiary vibrator main body ,
When the secondary vibrator main body vibrates, the displacement of the secondary vibrator main body in the direction (Y) perpendicular to the vibration direction due to the Coriolis force is changed to the vibration direction of the tertiary vibrator main body. Displacement detecting means for detecting based on the displacement in the orthogonal direction (Y) ,
An angular velocity sensor characterized in that a protrusion is provided on each of the secondary vibrator main body and the fixed portion opposite to the main body, and the capacitance between the protrusions is monitored to detect the amplitude of the secondary vibrator main body .

前記固定部上に配置され、櫛歯構造を有する１次振動子用固定電極と、
１次振動子本体に設けられて前記１次振動子用固定電極と対向配置された櫛歯構造を有する１次振動子用可動電極とを有し、
前記１次振動子用固定電極と１次振動子用可動電極との間で発生される静電気力により前記駆動力が前記１次振動子本体に付与されることを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。 A primary vibrator fixed electrode disposed on the fixed portion and having a comb-tooth structure;
A primary vibrator movable electrode provided in a primary vibrator main body and having a comb-tooth structure disposed opposite to the primary vibrator fixed electrode ;
The driving force is applied to the primary vibrator body by an electrostatic force generated between the fixed electrode for the primary vibrator and the movable electrode for the primary vibrator. Angular velocity sensor.