JP4362877B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、振動型角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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長円状の梁および第１の振動伝達用梁を介した振動伝達にて１次振動子本体と同じ方向に振動する。さらに、第２の振動伝達用梁を介して２次振動子本体に連結された３次振動子本体が前記振動方向に直交する方向に変位可能であり、２次振動子本体が振動しているときにおいて、変位検出手段が、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方向での２次振動子本体の変位を、３次振動子本体の振動方向に直交方向への変位に基づき検出する。
【０００９】
ここで、１次振動子はエアダンピングの影響を受けやすいが、２次振動子は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、１次振動子が通常の静電駆動の振動子と同様に櫛歯構造をとっている場合に、エアダンピングの影響を受けやすいが、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なる。
【００１０】
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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、ＳｉＯ2 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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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）。
【００３４】
ここで、
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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（Ｓilicon on Ｉnsulater）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。
【００４５】
このように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（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。
（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。
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
（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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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）。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
（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。
（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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
（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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図２】図１の要部の平面図。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図。
【図４】製造プロセスを説明するための断面図。
【図５】製造プロセスを説明するための断面図。
【図６】第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。
【図７】第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。
【図８】第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。
【図９】第２の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図１０】図９の要部の平面図。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ断面図。
【図１２】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１３】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１４】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１５】第３の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図１６】図１５のＣ−Ｃ断面図。
【図１７】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１８】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１９】第４の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図２０】第５の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図２１】図２０の要部の平面図。
【図２２】図２０のＤ−Ｄ断面図。
【図２３】図２０のＥ−Ｅ断面図。
【図２４】製造プロセスを説明するための断面図。
【図２５】製造プロセスを説明するための断面図。
【図２６】別例の角速度センサの模式的平面図。
【図２７】従来技術を示す模式図。
【符号の説明】
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、１２，１３…１次振動子、１４…２次振動子、１６…１次梁、１７，１８…１次振動子本体、１９〜２６…１次振動子用可動電極、２７〜３４…１次振動子用固定電極、３５，３６…２次梁、３７…２次振動子本体、６３〜６６…貫通孔、６７…加速度センサエレメント、６８，６９…Ｇセンサ用梁、７０，７１…Ｇセンサ用可動電極、７２，７３…Ｇ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、１０５…Ｇ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、１４０…ＳＯＩ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、１４６，１４７…２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、１９０…ＳＯＩ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、２０２…２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。
【発明の属する技術分野】
この発明は、振動型角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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長円状の梁および第１の振動伝達用梁を介した振動伝達にて１次振動子本体と同じ方向に振動する。さらに、第２の振動伝達用梁を介して２次振動子本体に連結された３次振動子本体が前記振動方向に直交する方向に変位可能であり、２次振動子本体が振動しているときにおいて、変位検出手段が、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方向での２次振動子本体の変位を、３次振動子本体の振動方向に直交方向への変位に基づき検出する。
【０００９】
ここで、１次振動子はエアダンピングの影響を受けやすいが、２次振動子は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、１次振動子が通常の静電駆動の振動子と同様に櫛歯構造をとっている場合に、エアダンピングの影響を受けやすいが、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なる。
【００１０】
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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、ＳｉＯ2 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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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）。
【００３４】
ここで、
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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（Ｓilicon on Ｉnsulater）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。
【００４５】
このように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（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。
（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。
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
（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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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）。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
（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。
（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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
（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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図２】図１の要部の平面図。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図。
【図４】製造プロセスを説明するための断面図。
【図５】製造プロセスを説明するための断面図。
【図６】第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。
【図７】第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。
【図８】第１の実施形態の応用例を示す模式的平面図。
【図９】第２の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図１０】図９の要部の平面図。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ断面図。
【図１２】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１３】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１４】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１５】第３の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図１６】図１５のＣ−Ｃ断面図。
【図１７】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１８】製造プロセスを説明するための断面図。
【図１９】第４の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図２０】第５の実施実施における角速度センサの模式的平面図。
【図２１】図２０の要部の平面図。
【図２２】図２０のＤ−Ｄ断面図。
【図２３】図２０のＥ−Ｅ断面図。
【図２４】製造プロセスを説明するための断面図。
【図２５】製造プロセスを説明するための断面図。
【図２６】別例の角速度センサの模式的平面図。
【図２７】従来技術を示す模式図。
【符号の説明】
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、１２，１３…１次振動子、１４…２次振動子、１６…１次梁、１７，１８…１次振動子本体、１９〜２６…１次振動子用可動電極、２７〜３４…１次振動子用固定電極、３５，３６…２次梁、３７…２次振動子本体、６３〜６６…貫通孔、６７…加速度センサエレメント、６８，６９…Ｇセンサ用梁、７０，７１…Ｇセンサ用可動電極、７２，７３…Ｇ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、１０５…Ｇ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、１４０…ＳＯＩ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、１４６，１４７…２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、１９０…ＳＯＩ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、２０２…２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。
Claims (5)
- 固定部（４）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（１７，１８）と、
前記１次振動子本体（１７，１８）に、前記振動方向に直交する方向（Ｙ）に沿って延びる長円状の梁（３５，３６）を介して連結され、前記振動方向（Ｘ）に延設されて前記長円状の梁（３５，３６）を介して前記１次振動子本体（１７，１８）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（１４６，１４７）と、
前記長円状の梁（３５，３６）および第１の振動伝達用梁（１４６，１４７）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（１７，１８）に連結され、前記長円状の梁（３５，３６）および第１の振動伝達用梁（１４６，１４７）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（１６０，１６１）と、
前記２次振動子本体（１６０，１６１）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（１７１，１７２）と、
前記第２の振動伝達用梁（１７１，１７２）を介して前記２次振動子本体（１６０，１６１）に連結され、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（１８３，１８４）と、
前記２次振動子本体（１６０，１６１）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（１６０，１６１）の変位を、前記３次振動子本体（１８３，１８４）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（１７３〜１８０）と、
を備えたことを特徴とする角速度センサ。 - 前記固定部（４）上に配置され、櫛歯構造を有する１次振動子用固定電極（２７〜３４）と、
１次振動子本体（１，１８）に設けられて前記１次振動子用固定電極（２７〜３４）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（１９〜２６）とを有し、
前記１次振動子用固定電極（２７〜３４）と１次振動子用可動電極（１９〜２６）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（１７，１８）に付与されることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。 - 検出する角速度の軸が固定部（４）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。
- 前記変位検出手段（１７３〜１８０）は、
前記３次振動子本体（１８３，１８４）に設けられた変位検出用電極（１７３〜１７６）と、
前記変位検出用電極（１７３〜１７６）に対向して配置され、前記変位検出用電極（１７３〜１７６）との間で静電容量を形成する固定電極（１７７〜１８０）と、
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の角速度センサ。 - 前記２次振動子本体（１６０，１６１）の両側に前記１次振動子本体（１７，１８）を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
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