JPH05231870A - Semiconductor vibration gyro - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To eliminate the need of welding a supporting post to a vibrator and, at the same time, to accurately position the vibration gyro and reduce the size of the gyro by integrally constituting the vibrator, its supporting post, and its frame of a semiconductor substrate. CONSTITUTION:A chip 10 is composed of a semiconductor substrate in which an H-shaped vibrator 11, supporting post 13, and frame 15 are integrally formed. The vibrator 11 is composed of four quadrangular beams 12 which can vibrated in both the vertical and horizontal directions around node points and electrodes 161-164 are respectively mounted on the surfaces of the upper end sections of the beams 12. In addition thin film resistance elements R1-R4 are formed near node points on the outer vertical surfaces of the beams 12. A stopper 20 provided with an upper groove 21 on its lower surface is joined to the upper surface of the chip 10 and the electrodes 261-264 are put in the groove 21. When such constitution is used, the need of welding the post 13 to the vibrator 12 is eliminated and, at the same time, this gyro can be accurately positioned and reduced in size.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、角速度を検出する半導
体振動ジャイロに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor vibrating gyro for detecting angular velocity.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来の振動ジャイロは、図７に示すよう
に振動子１１と支持柱１３は異なった材質で、振動子１
１を安定に支持するために支持柱１３を振動子１１のノ
ード点に溶接固定していた。又、振動子１１のＨ字形の
正面から見て各梁１２の外側の側面に２枚の駆動用圧電
素子２と、２枚のフィードバック用圧電素子３を貼り付
け、これと直交する面の表面、裏面の中心部に検出用圧
電素子１を貼り付けている。前記駆動用圧電素子２を駆
動すると、振動子１１の各梁１２が実線矢印Ａ方向に振
動し、これをフィードバック用圧電素子３が検出し増幅
して駆動用圧電素子２に帰還させ自励発振の励振動が行
なわれる。この振動子１１にＺ軸回りの角速度が加わる
と、コリオリ力により各梁１２がそれぞれ矢印Ｂ方向に
振動し、検出用圧電素子１部にねじれ振動が生じ、検出
用圧電素子１は電圧出力を生じ、コリオリの力を検出す
る。2. Description of the Related Art In a conventional vibrating gyroscope, a vibrator 11 and a supporting column 13 are made of different materials as shown in FIG.
In order to support 1 stably, the support pillar 13 was welded and fixed to the node point of the vibrator 11. Also, two driving piezoelectric elements 2 and two feedback piezoelectric elements 3 are attached to the outer side surface of each beam 12 when viewed from the H-shaped front surface of the vibrator 11, and the surface of the surface orthogonal to this is attached. The detection piezoelectric element 1 is attached to the central portion of the back surface. When the driving piezoelectric element 2 is driven, each beam 12 of the vibrator 11 vibrates in the direction of the solid arrow A, and the feedback piezoelectric element 3 detects and amplifies this, which is fed back to the driving piezoelectric element 2 and self-oscillated. Is excited. When an angular velocity around the Z-axis is applied to the vibrator 11, each beam 12 vibrates in the direction of arrow B due to the Coriolis force, and torsional vibration occurs in the piezoelectric element 1 for detection, and the piezoelectric element 1 for detection outputs a voltage output. Occurs and detects the Coriolis force.

【０００３】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の振動ジャイロは、支持柱を振動子に溶接固
定する方法が困難であったり、振動子のノード点に精度
良く位置合わせするのが困難であり、作業も煩雑であっ
た。However, in the conventional vibrating gyroscope as described above, it is difficult to weld and fix the support column to the vibrator, and it is difficult to accurately align the support pillar with the node point of the vibrator. It was difficult and the work was complicated.

【０００４】又、駆動素子や検出素子に圧電素子を用い
る場合、振動子に貼り付ける作業が煩雑であったり、正
確な位置合わせが困難であったり、圧電素子と外部との
信号の受け渡しのためのリード線処理が複雑であり、振
動ジャイロの形状も小型化し難いという問題があった。Further, when a piezoelectric element is used as a driving element or a detection element, the work of attaching the piezoelectric element to the vibrator is complicated, the accurate alignment is difficult, and the signal is passed between the piezoelectric element and the outside. However, there is a problem that the lead wire processing is complicated and it is difficult to reduce the size of the vibration gyro.

【０００５】それ故に、本発明の目的は、振動子と支持
柱の溶接工程を無くし、駆動素子や検出素子に圧電素子
を用いず、正確な位置合わせを可能ならしめ、形状も小
形化できる振動ジャイロを提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to eliminate the welding process of a vibrator and a supporting column, to use a piezoelectric element for a driving element and a detecting element, to enable accurate positioning, and to reduce the size of a vibration. To provide a gyro.

【０００６】[0006]

【課題を解決するための手段】従って、本発明は上述の
目的を達成するために、振動子とその支持柱とフレーム
が半導体基板で一体構造となるように構成したものであ
る。Therefore, in order to achieve the above-mentioned object, the present invention is configured so that the vibrator, its supporting pillars, and the frame are integrated into a semiconductor substrate.

【０００７】又、本発明の第２の発明は前記振動子に薄
膜抵抗素子を角速度検出素子として形成したものであ
る。A second aspect of the present invention is a vibrator in which a thin film resistance element is formed as an angular velocity detecting element.

【０００８】さらに本発明の第３の発明は振動子の上面
に配設された電極と、この電極と対向するストッパーの
下面に配設された上部電極間にクローン力を作用させる
ことにより、振動子を励振させるように構成したもので
ある。Further, according to a third aspect of the present invention, vibration is generated by applying a Cloning force between an electrode provided on the upper surface of the vibrator and an upper electrode provided on the lower surface of the stopper facing the electrode. It is configured to excite the child.

【０００９】[0009]

【実施例】次に本発明の一実施例について、図に従い説
明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【００１０】図１は半導体振動ジャイロの一例を示す構
造断面図である。この半導体振動ジャイロの中枢ユニッ
トとなるのは、チップ１０である。このチップ１０の斜
視図を図２に、平面図を図３に示す。本発明による実施
例を図１〜図４を参照して説明する。チップ１０は振動
し、例えばＨ字形振動子１１と、Ｈ字形振動子１１の左
右のノード点で支持する２本の支持柱１３と、支持柱１
３を固定するフレーム１５とからなり、又Ｈ字形振動子
１１は、ノード点を中心に上下左右に振動できる四角柱
の梁１２が４本からなり、各梁１２の上面端部に電極１
６１〜１６４が配設されており、又、梁１２の外側垂直
面のノード点近傍に薄膜抵抗素子Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4が
形成されている。FIG. 1 is a structural sectional view showing an example of a semiconductor vibrating gyro. The chip 10 is the central unit of this semiconductor vibrating gyro. A perspective view of this chip 10 is shown in FIG. 2, and a plan view thereof is shown in FIG. An embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The chip 10 vibrates, for example, an H-shaped oscillator 11, two support columns 13 supported at the left and right node points of the H-shaped oscillator 11, and the support column 1.
The H-shaped vibrator 11 is composed of four frames 12 each of which is a square pole that can vibrate vertically and horizontally around a node point, and the electrodes 1 are attached to the upper end of each beam 12.
61 to 164 are arranged, and thin film resistance elements R1, R2, R3 and R4 are formed near the node points on the outer vertical surface of the beam 12.

【００１１】尚、振動子１１はＨ字形の他、Ｉ形などの
形状に形成することもできる。The vibrator 11 can be formed in an H shape or an I shape.

【００１２】チップ１０は半導体基板例えば単結晶基板
（例えばシリコン単結晶）からなり、Ｈ字形振動子１１
と支持柱１３、フレーム１５の一体構造は、半導体製造
技術と、異方性エッチング技術により得られ、薄膜抵抗
素子Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4の形成は、半導体製造技術と単
結晶基板の溝振り技術及びＣＶＤ（化学的気相成長法技
術で梁１２の垂直面に形成される。電極１６１〜１６４
及び薄膜抵抗素子Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4は配線層（図示せ
ず）により、フレーム１５上のボンディングパッド１４
に電極的に接続されている。The chip 10 is made of a semiconductor substrate such as a single crystal substrate (eg, silicon single crystal), and has an H-shaped oscillator 11.
The integrated structure of the support pillar 13 and the frame 15 is obtained by the semiconductor manufacturing technology and the anisotropic etching technology. The thin film resistance elements R1, R2, R3 and R4 are formed by the semiconductor manufacturing technology and the groove alignment of the single crystal substrate. And CVD (Chemical Vapor Deposition technique) on the vertical surface of the beam 12. Electrodes 161-164
The thin film resistance elements R1, R2, R3, and R4 are formed by a wiring layer (not shown) on the bonding pad 14 on the frame 15.
Is connected to the electrode.

【００１３】図１に示すように、チップ１０の上面には
上溝２１を介してストッパ２０が接合されている。図４
は、ストッパ２０の斜視図であり、ストッパ２０の下面
には矩形の上溝２１が形成されており、且つ下面に上部
電極２６１〜２６４を配設する。上部電極２６１〜２６
４は、梁１２の上面に配設されている電極１６１〜１６
４と上溝２１を隔てて対向する位置に配設する。又、上
部電極２６１〜２６４は、ストッパ２０をチップ１０に
接合した際にボンディングパッド１４と電気的に接続さ
れるように、配線層を形成しておく。As shown in FIG. 1, a stopper 20 is joined to the upper surface of the chip 10 via an upper groove 21. Figure 4
4 is a perspective view of the stopper 20, in which a rectangular upper groove 21 is formed on the lower surface of the stopper 20, and the upper electrodes 261 to 264 are arranged on the lower surface. Upper electrodes 261 to 26
Reference numeral 4 denotes electrodes 161 to 16 arranged on the upper surface of the beam 12.
4 and the upper groove 21 at a position facing each other. Further, the upper electrodes 261 to 264 are formed with a wiring layer so as to be electrically connected to the bonding pad 14 when the stopper 20 is bonded to the chip 10.

【００１４】チップ１０の下面には、台座３０が接合さ
れており、台座３０の上面には、矩形の下溝３１が形成
されている。又、台座３０の下面はパッケージ５０の内
側底面に接合されており、パッケージ５０の上面には蓋
５２が被せられる。チップ１０に設けられたボンディン
グパッド１４は、ボンディングパッドワイヤ５１を介し
てリードピン５３に接続されている。ここで対向してい
る電極（１６１：２６１、１６２：２６２、１６３：２
６３、１６４：２６４）間に、それぞれ電圧を印加する
と両者間にクーロン力が作用する。即ち、両者間に同じ
極性の電圧を印加すれば斥力が作用し、異なる極性の電
圧を印加すれば引力が作用する。従って、今上部電極２
６１〜２６４に正極の電圧を印加しておき、電極１６１
と１６３に正極の電圧を、電極１６２と１６４に負極の
電圧を印加した場合、電極１６１と１６４が配設されて
いる梁１２は斥力を受け、電極１６２と１６４が配設さ
れている梁１２は引力を受ける。そこで、電極１６１〜
１６４の印加電圧の極性を交互に変える交番電圧を印加
すれば、梁１２を励振させることができる（図２参
照）。A pedestal 30 is joined to the lower surface of the chip 10, and a rectangular lower groove 31 is formed on the upper surface of the pedestal 30. The lower surface of the pedestal 30 is joined to the inner bottom surface of the package 50, and the upper surface of the package 50 is covered with a lid 52. The bonding pad 14 provided on the chip 10 is connected to the lead pin 53 via the bonding pad wire 51. The electrodes facing each other (161: 261, 162: 262, 163: 2)
63, 164: 264), when a voltage is applied to each, a Coulomb force acts between them. That is, if a voltage of the same polarity is applied between them, a repulsive force acts, and if a voltage of a different polarity is applied, an attractive force acts. Therefore, now the upper electrode 2
Electrodes 161 to 264 are applied with a positive voltage.
When a positive voltage is applied to the electrodes 162 and 163 and a negative voltage is applied to the electrodes 162 and 164, the beam 12 on which the electrodes 161 and 164 are disposed receives a repulsive force, and the beam 12 on which the electrodes 162 and 164 are disposed. Receives an attractive force. Therefore, the electrodes 161 to
The beam 12 can be excited by applying an alternating voltage that alternately changes the polarity of the applied voltage of 164 (see FIG. 2).

【００１５】上記の励振状態の半導体振動ジャイロにお
いて、振動子１１にＺ軸回りの角速度が加わると、Ｘ方
向のコリオリの力が発生して、各梁１２は図２に示す矢
印Ｂ方向に振動子、梁１２の垂直面のノード点近傍に圧
縮及び引張り応力が交互に発生する。故に、薄膜抵抗素
子Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4も圧縮及び引張り応力を受ける。
薄膜抵抗素子Ｒ，Ｒ，Ｒ，Ｒはピエゾ抵抗効果を有して
いるので、圧縮応力を受けると抵抗値は減少し、逆に引
張り応力を受けると抵抗値は増加するので、薄膜抵抗素
子Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4をブリッジ回路に接続し、定電圧
１／Ｄを印加しておけば、コリオリ力の大きさを電気信
号の変化として検出できる（図６参照）。In the above-excited semiconductor vibration gyro, when an angular velocity around the Z axis is applied to the vibrator 11, a Coriolis force in the X direction is generated and each beam 12 vibrates in the direction of arrow B shown in FIG. Compressive and tensile stresses are alternately generated in the vicinity of the node points on the vertical planes of the child and the beam 12. Therefore, the thin film resistance elements R1, R2, R3, R4 are also subjected to compressive and tensile stresses.
Since the thin film resistance elements R, R, R, R have a piezoresistive effect, the resistance value decreases when subjected to compressive stress, and conversely the resistance value increases when subjected to tensile stress. Therefore, the thin film resistance element R1 , R2, R3, R4 are connected to a bridge circuit and a constant voltage 1 / D is applied, the magnitude of the Coriolis force can be detected as a change in the electric signal (see FIG. 6).

【００１６】図５は、振動子１１励振時の薄膜抵抗素
子、Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4の抵抗値変化である。振動子１
１が励振している場合も、薄膜抵抗素子Ｒ1，Ｒ2，Ｒ
3，Ｒ4は圧縮応力と引張り応力を受け、抵抗値が変化す
るが、ブリッジの接続により、抵抗値の増減は互いにキ
ャンセルされ、ブリッジ回路の出力は変化しない。FIG. 5 shows changes in resistance values of the thin film resistance elements R1, R2, R3 and R4 when the vibrator 11 is excited. Oscillator 1
Even when 1 is excited, thin film resistance elements R1, R2, R
Although the resistance values of 3 and R4 change due to the compressive stress and the tensile stress, the increase and decrease of the resistance value are canceled by the connection of the bridge, and the output of the bridge circuit does not change.

【００１７】[0017]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、支
持柱を振動子に溶接固定する必要がなくなり、煩雑な作
業が解消され、且つ振動子のノード点に精度良く位置合
わせを行なうことができる。As described above, according to the present invention, it is not necessary to weld and fix the support column to the vibrator, the complicated work is eliminated, and the node point of the vibrator is accurately aligned. You can

【００１８】振動子の励振用駆動素子や角速度検出素子
に圧電素子を用いる必要がなくなり、振動子に貼り付け
る作業が解消され、振動子における例屎尿駆動電極や角
速度検出素子の正確な位置合わせが容易に行なうことが
できる。Since it is not necessary to use a piezoelectric element for the drive element for exciting the vibrator or the angular velocity detecting element, the work for attaching the piezoelectric element to the vibrator is eliminated, and accurate alignment of the excrement driving electrode and the angular velocity detecting element in the vibrator can be achieved. It can be done easily.

【００１９】又、励振用駆動電極及び角速度検出素子と
外部との信号の受け渡しも配線層を用いることにより、
煩雑なリード線処理が解消され、振動ジャイロの形状も
小型化できるようになる。Further, the wiring layer is also used for exchanging signals between the drive electrode for excitation and the angular velocity detecting element and the outside.
The complicated lead wire processing is eliminated, and the shape of the vibration gyro can be downsized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の一実施例を示す側断面図である。FIG. 1 is a side sectional view showing an embodiment of the present invention.

【図２】本発明に係るチップの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a chip according to the present invention.

【図３】図２の平面図である。FIG. 3 is a plan view of FIG.

【図４】本発明に係るストッパの斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a stopper according to the present invention.

【図５】励振時の薄膜抵抗素子の抵抗変化を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a resistance change of a thin film resistance element during excitation.

【図６】コリオリ力発生時の薄膜抵抗素子の抵抗変化を
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a resistance change of a thin film resistance element when a Coriolis force is generated.

【図７】従来の振動ジャイロの斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a conventional vibrating gyro.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 検出用圧電素子 ２ 駆動用圧電素子 ３ フィードバック用圧電素子 １０ チップ １１ 振動子 １２ 梁 １３ 支持柱 １４ ボンディングパッド １５ フレーム １６１〜１６４ 電極 ２０ ストッパ ２１ 上溝 ２６１〜２６４ 上部電極 ３０ 台座 ３１ 下溝 ５０ パッケージ ５１ ボンディングワイヤ ５２ 蓋 ５３ リードピン Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4 薄膜抵抗素子 1 Piezoelectric element for detection 2 Piezoelectric element for driving 3 Piezoelectric element for feedback 10 Chip 11 Transducer 12 Beam 13 Supporting pillar 14 Bonding pad 15 Frame 161-164 Electrode 20 Stopper 21 Upper groove 261-264 Upper electrode 30 Pedestal 31 Lower groove 50 Package 51 Bonding wire 52 Lid 53 Lead pin R1, R2, R3, R4 Thin film resistance element

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 振動子とその支持柱とフレームとを半導
体基板で一体的に構成したことを特徴とする半導体振動
ジャイロ。1. A semiconductor vibrating gyro, wherein a vibrator, its supporting pillars, and a frame are integrally formed of a semiconductor substrate. 【請求項２】 前記振動子に薄膜抵抗素子を角速度検出
素子として形成したことを特徴とする請求項１記載の半
導体振動ジャイロ。2. The semiconductor vibration gyro according to claim 1, wherein a thin film resistance element is formed as an angular velocity detection element on the vibrator. 【請求項３】 前記振動子の上面に配設された電極と、
当該電極と対向するストッパーの下面に配設された上部
電極間にクローン力を作用させ、この作用させたクロー
ン力により振動子を励振させることを特徴とする請求項
１記載の半導体振動ジャイロ。3. An electrode provided on the upper surface of the vibrator,
2. The semiconductor vibrating gyro according to claim 1, wherein a Cloning force is applied between the upper electrodes arranged on the lower surface of the stopper facing the electrode, and the vibrator is excited by the acting Cloning force. 【請求項４】 半導体基板が単結晶基板であることを特
徴とする請求項１記載の半導体振動ジャイロ。4. The semiconductor vibrating gyro according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a single crystal substrate.