JP6281421B2 - 振動型角速度センサ - Google Patents
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Description
本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態で説明する振動型角速度センサ(ジャイロセンサ)は、物理量として角速度を検出するためのセンサであり、例えば車両の上下方向に平行な中心線周りの回転角速度の検出に用いられるが、勿論、振動型角速度センサを車両用以外に適用することもできる。
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してz軸振動検出部63の構成などを変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
シリコン基板などで構成される支持基板11を用意したのち、例えば熱酸化によって支持基板11の表面に埋込酸化膜13を形成する。続いて、埋込酸化膜13の上に図示しないレジストを成膜したのち、フォトリソグラフィ・エッチング工程を行うことで、埋込酸化膜13をパターニングする。そして、レジストおよび埋込酸化膜13をマスクとして支持基板11を部分的にエッチングしてキャビティ14を形成する。このとき、固定部20となる部分(図中右側部分)においては埋込酸化膜13を残すようにし、支持基板11が除去されないようにする。
埋込酸化膜13を介して支持基板上に半導体層12を貼り付ける。例えば、SiO2によって構成される埋込酸化膜13の上にシリコン基板を配置し、アニール処理を行うことでSi−Si直接結合により埋込酸化膜13上にシリコン基板を貼り付ける。そして、シリコン基板を研削研磨することで所定厚さの半導体層12を形成することができる。
図中では簡略化して記載してあるが、半導体層12の表面に電極層と圧電膜と電極層を順に成膜したのち、これらをパターニングすることで、駆動部51や制御部52および検出部53を構成する。
駆動部51や制御部52および検出部53を形成した半導体層12の表面に絶縁膜15を形成したのち、これをパターニングする。さらに、絶縁膜15の上を含む半導体層17の上にAl層などの配線材料を成膜したのち、これをパターニングすることで、パターン配線16や各種配線部51d、51e、52d、52e、53d、53eなどを形成する。
半導体層12の上に図示しないマスクを配置したのち、半導体層12をパターニングすることで、センサ構造体のうち固定部20を除く部分、すなわち可動部30および梁部40を支持基板11からリリースする。これにより、センサ構造体が構成される。
キャップ部材17の形成用として、基板10とは別に半導体基板17aを用意する。そして、半導体基板17aの裏面に図示しないマスクを配置したのち、フォトリソグラフィ・エッチング工程を行うことで、半導体基板17aの裏面に凹部17hを形成する。
凹部17hを形成した半導体基板17aの表面全面を覆うように、例えば熱酸化などによって絶縁膜17cを形成する。その後、絶縁膜17cの上に、Alなどの配線材料を成膜したのち、図示しないマスクを用いてパターニングすることで導体層17gを形成する。これにより、貫通孔17bなどが形成される前のキャップ部材17が構成される。
図10(a)〜図10(e)の工程を経てセンサ構造体を形成した基板10と、図11(a)、(b)の工程を経たキャップ部材17を貼り付ける。例えば、基板10の表面に形成されたパターン配線16とキャップ部材17の裏面に形成された導体層17gとを金属接合によって接合することで、キャップ部材17を基板10に対して貼り付けることができる。
キャップ部材17の表面に図示しないマスクを配置したのち、フォトリソグラフィ・エッチング工程を行うことで、半導体基板17aの表裏を貫通する貫通孔17bを形成する。これにより、半導体基板17aの裏面に形成された導体層17が貫通孔17bから露出させられる。また、必要に応じて、貫通孔17b内も絶縁膜17cで覆う。
貫通孔17b内を含めて、半導体基板17aの表面に形成された絶縁膜17cの上に導体層17dを形成し、さらに図示しないマスクを用いて導体層17dをパターニングする。これにより、導体層17dが各貫通孔17bから露出させられた半導体基板17aの裏面側の導体層17gと電気的に接続される。
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して振動型角速度センサの形状を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
20、100 固定部
30、120 可動部
31、32 駆動兼検出用錘
40、110 梁部
41、113 検出梁
42、114 駆動梁
51、131 駆動部
52、132 制御部
53、133 振動検出部
60、140 不要振動検出部
121 検出錘
122 駆動錘
Claims (10)
- 基板(1)に対して固定された固定部(20、100)と、
駆動錘(31、32、122)および検出錘(31、32、121)とを有する可動部(30、120)と、
前記駆動錘を前記基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ前記固定部に対して支持する駆動梁(42、114)、および、前記検出錘を前記基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ前記固定部に対して支持する検出梁(41、113)を有する梁部(40、110)と、を備え、
前記駆動錘を前記基板の平面上における一方向に駆動振動させ、角速度の印加に伴って前記検出錘が前記基板の平面上において前記一方向に対する垂直方向にも振動することに基づき角速度検出を行う振動型角速度センサであって、
前記駆動錘を駆動振動させる駆動部(51、131)と、
前記角速度の印加に伴う前記検出梁の変位を検出する検出素子(53、133)と、
前記振動方向をx軸方向、前記基板の平面と平行な平面上における前記x軸方向に対する垂直方向をy軸方向、前記x軸方向および前記y軸方向に対する垂直方向をz軸方向として、前記駆動錘の前記x軸方向の振動を検出するx軸振動検出部(61、65、141、145)、前記駆動錘の前記y軸方向の振動を検出するy軸振動検出部(62、67、142、147)、および、前記駆動錘の前記z軸方向の振動を検出するz軸振動検出部(63、143)を備えた不要振動検出部(60、140)と、を有していることを特徴とする振動型角速度センサ。 - 前記固定部を中心として、前記駆動振動の方向と同方向の両側において前記駆動錘と前記検出錘を兼ねる駆動兼検出用錘(31、32)が配置され、
前記検出梁(41)は、前記固定部を中心として、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向の両側に延設され、
前記駆動梁(42)は、前記駆動兼検出用錘を中心として、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向の両側に延設され、
前記検出梁のうち前記固定部と反対側および前記駆動梁のうち前記駆動兼検出用錘と反対側が直線状の支持部材(43)に連結されていることを特徴とする請求項1に記載の振動型角速度センサ。 - 前記固定部、前記可動部および前記梁部は、前記基板に備えられる半導体層(12)をパターニングすることにより形成されており、
前記x軸振動検出部は、前記半導体層をパターニングして形成され、前記駆動兼検出用錘から延設された可動櫛歯電極(61)と前記基板に対して固定された固定櫛歯電極(65)とを有し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極との間の容量の変化に基づいて前記x軸方向の振動を検出し、
前記y軸振動検出部は、前記半導体層をパターニングして形成され、前記駆動兼検出用錘から延設された可動櫛歯電極(62)と前記基板に対して固定された固定櫛歯電極(67)とを有し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極との間の容量の変化に基づいて前記y軸方向の振動を検出し、
前記z軸振動検出部は、前記駆動兼検出用錘のうち前記駆動梁との連結部に形成され、前記半導体層の上に下層電極(63a)と圧電膜にて構成される検出用薄膜(63b)および上層電極(63c)が積層された構成とされ、前記下層電極と前記上層電極との間に配置された前記検出用薄膜の変形に基づいて前記z軸方向の振動を検出することを特徴とする請求項2に記載の振動型角速度センサ。 - 前記固定部、前記可動部および前記梁部は、前記基板に備えられる半導体層(12)をパターニングすることにより形成されており、
前記x軸振動検出部は、前記半導体層をパターニングして形成され、前記駆動兼検出用錘から延設された可動櫛歯電極(61)と前記基板に対して固定された固定櫛歯電極(65)とを有し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極との間の容量の変化に基づいて前記x軸方向の振動を検出し、
前記y軸振動検出部は、前記半導体層をパターニングして形成され、前記駆動兼検出用錘から延設された可動櫛歯電極(62)と前記基板に対して固定された固定櫛歯電極(67)とを有し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極との間の容量の変化に基づいて前記y軸方向の振動を検出し、
前記z軸振動検出部は、前記駆動兼検出用錘のうち前記駆動梁との連結部に形成され、前記半導体層の表面に形成された可動表面電極(63d)および前記可動表面電極に対して対向配置された固定表面電極(63e)とを有し、前記可動表面電極と前記固定表面電極との間の容量の変化に基づいて前記z軸方向の振動を検出することを特徴とする請求項2に記載の振動型角速度センサ。 - 前記基板のうち前記半導体層側を覆うキャップ部材(17)を備え、
前記キャップ部材のうち前記半導体層側となる裏面に、前記固定表面電極が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の振動型角速度センサ。 - 前記キャップ部材は、半導体基板(17a)と、前記半導体基板のうち前記基板と反対側となる表面側と前記基板側となる裏面側とを貫通させた貫通孔(17b)と、前記半導体基板の表面側より前記貫通孔内を含めて配置された導体層(17d)と、前記半導体基板の裏面側に設けられると共に前記貫通孔内に配置された前記導体層に接続された導体層(17g)と、を含み、
前記固定表面電極は、前記半導体基板の裏面側に設けられた前記導体層によって構成されていることを特徴とする請求項5に記載の振動型角速度センサ。 - 前記駆動梁に配置され、前記駆動錘が前記基板の平面に対する法線方向に移動する不要振動を抑制する振動を発生させる圧電膜にて構成される制御用薄膜(52b)を含む制御部(52、132)を備え、
前記制御部は、前記z軸振動検出部で検出される前記z軸方向の振動から、前記x軸振動検出部と前記y軸振動検出部で検出される前記x軸方向と前記y軸方向の振動に基づいて発生している前記z軸方向の振動成分を除去した、前記z軸方向の振動に含まれる不要振動成分を抑制する振動を発生させることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の振動型角速度センサ。 - 前記固定部、前記可動部および前記梁部は、前記基板に備えられる半導体層(12)をパターニングすることにより形成されており、
前記駆動部は、前記駆動梁に配置され、前記半導体層の上に下層電極(51a)と前記駆動錘を駆動振動させる圧電膜にて構成される駆動用薄膜(51b)および上層電極(51c)が積層された構成とされ、前記下層電極と前記上層電極との間に駆動用電圧が印加されることで前記駆動用薄膜を変形させて前記駆動錘を駆動振動させ、
前記制御部は、前記半導体層の上に下層電極(52a)と前記制御用薄膜および上層電極(52c)が積層された構成とされ、前記下層電極と前記上層電極との間に制御用電圧が印加されることで前記制御用薄膜を変形させて前記不要振動を抑制する振動を発生させることを特徴とする請求項7に記載の振動型角速度センサ。 - 前記梁部(110)は、前記固定部に固定された支持梁(111)を有し、
前記支持梁を挟んで前記固定部と反対側には前記駆動振動の方向に延設された直線状の支持部材(112)が備えられ、
前記検出梁(113)は、前記支持部材を挟んで前記固定部と反対側に、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向に延設されていると共に、前記支持部材と反対側の端部において前記検出錘(121)が連結されており、
前記駆動梁(42)は、前記支持部材を挟んで前記固定部と反対側に、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向に延設されていると共に、前記支持部材と反対側の端部において前記駆動錘(122)が連結されていることを特徴とする請求項1に記載の振動型角速度センサ。 - 前記固定部、前記可動部および前記梁部は、前記基板に備えられる半導体層(12)をパターニングすることにより形成されており、
前記x軸振動検出部は、前記半導体層をパターニングして形成され、前記駆動錘から延設された可動櫛歯電極(141)と前記基板に対して固定された固定櫛歯電極(145)とを有し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極との間の容量の変化に基づいて前記x軸方向の振動を検出し、
前記y軸振動検出部は、前記半導体層をパターニングして形成され、前記駆動錘から延設された可動櫛歯電極(142)と前記基板に対して固定された固定櫛歯電極(147)とを有し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極との間の容量の変化に基づいて前記y軸方向の振動を検出し、
前記z軸振動検出部は、前記駆動錘のうち前記駆動梁との連結部に形成され、前記半導体層の上に下層電極と圧電膜にて構成される検出用薄膜および上層電極が積層された構成とされ、前記下層電極と前記上層電極との間に配置された前記検出用薄膜の変形に基づいて前記z軸方向の振動を検出することを特徴とする請求項9に記載の振動型角速度センサ。
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