JPH06235733A - 加速度センサ及び角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コストアップを伴わずにしかも複雑な演算過
程を不要にした簡単な構造の加速度センサ及び超小型化
を図るようにした角速度センサを提供する。 【構成】 基板１上の絶縁体１５上に片持ち梁構造の上
部電極３を設けると共に、基板１上に下部電極２を設
け、各電極２，３間に電源Ｅを接続する。電源Ｅによっ
て常に電界放射が生じる程度の一定電圧を加えた状態
で、力が加わったとき上部電極３をたわませてこのたわ
み量に対応した電流を検出することによって、直ちに加
速度を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微小真空素子を利用し
た加速度センサ及び片持ち梁構造を利用した角速度セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、車両の安全対策を目的としたエア
バックシステムが普及してきているが、このエアバック
システムなどの用途に加速度センサが多く用いられてい
る。この加速度センサは、センサ素子に衝撃などが加わ
って機械的なたわみが生じると、このたわみ量に対応し
た変化を電気的信号として検出するように動作する。

【０００３】図９は従来の加速度センサの一例を示すも
ので、例えばシリコン基板４１上に下部電極４２を設け
ると共に、この下部電極４２に接近して対向するように
上部電極４３を支持体４４によって片持ち梁構造に設け
たものであり、機械的な力が基板１に作用すると各電極
４２，４３間の距離ｄが次式のように変化する。 ｄ＝ε／Ｃ Ｃ＝ε・１／ｄ 但し、Ｃ：電極間の静電容量 ε：電極間の絶縁体の誘電率 Ｃは各電極４２，４３間に電圧を印加することによって
測定できるので、前記ｄを基に加速度を求めることがで
きる。

【０００４】図１０は従来の加速度センサの例を示すも
ので、シリコン基板５１におもり部分５５を設けると共
に、基板５１に拡散ブリッジ補償抵抗５６を設けるよう
にしたダイアフラム構造を示すもので、矢印方向Ｘに加
速度を検出するように構成したものである。また、図１
１は従来のその他の加速度センサの例を示すもので、シ
リコン基板６１にＺｎＯ圧電素子６８を設けた圧電型加
速度センサを示すものである。６９はＰチャンネルＭＯ
ＳＦＥＴ、７０はＰ型拡散抵抗、７１は電源部、７２は
接地部、７３はＺｎＯ温度補償部である。

【０００５】さらに、近年、角速度センサとして圧電型
振動ジャイロスコープ（以下、「圧電ジャイロ」と称す
る）の開発が盛んに行われている。この圧電ジャイロは
振動している物体に回転角速度が与えられると、その振
動方向と直角方向にコリオリ力が発生することを利用し
たもので、最近ではナビゲーションシステムやＶＴＲカ
メラの手触れ防止等に使用されてきている。これらに利
用されている小型圧電ジャイロはエリンバー材を振動
子、駆動源としてＰＺＴ系セラミックの小片を接着剤で
張り合わせたもの、または振動子としてＰＺＴ系セラミ
ック自体を利用したものがある。また、コリオリ力を効
率よく検出するため、検出子は一の振動子に対して二つ
設置し、相互の検出電圧の差を利用することで回転角速
度に対する感度向上を図っている。

【０００６】図１２は従来の圧電ジャイロの基本原理の
一例を示すもので、ワトソン・タイプと称される構造を
示しており、８１は音叉型振動子、８２はその音叉型振
動子８１に取り付けられた駆動用圧電体素子、８３は検
出用圧電体素子である。駆動用圧電体素子８３によって
音叉型振動子８１をｘ軸方向に振動させると、音叉型振
動子８１の中心軸（ｚ軸）に角速度ωが加わると、もと
の振動軸（ｘ軸）に対して直角方向であるｙ軸方向にコ
リオリ力が生じる。このコリオリ力をｙ軸方向の検出用
圧電体素子８３によって検出すると、角速度ωを求める
ことができる。これら、圧電ジャイロには駆動電源部及
び信号処理部を設ける必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の加速度
センサ及び角速度センサである圧電ジャイロには各々次
のような問題がある。 （１）まず、図９の片持ち梁構造の加速度センサでは、
静電容量の変化に基づいて電極間距離ｄを計算してか
ら、加速度を求めなければならないので、演算過程が複
雑になる。 （２）図１０のダイアフラム構造や図１１の圧電型の加
速度センサでは、加工するのに特殊な工程を必要とする
ので、コストアップとなる。 （３）次に、図１２の圧電ジャイロでは、製造上の制約
から振動子自体、数十mmの長さとなり、これにさらに、
駆動電源部及び信号処理部を設ける必要があるので、超
小型化を図るのが困難になる。

【０００８】本発明は以上のような問題に対処してなさ
れたもので、コストアップを伴わずにしかも複雑な演算
過程を不要にした簡単な構造の加速度センサ及び超小型
化を図るようにした角速度センサを提供することを目的
とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の本発明は、基板上の絶縁体上に一方の
電極が片持ち梁構造に支持されると共に他方の電極が基
板上に設けられた一対の電極と、一対の電極間に電界放
射が生じるように接続された電源と、電源によって一対
の電極間に流れる電流を検出する検出回路とを含み、前
記電流は一方の電極のたわみ量に対応して流れるように
構成したことを特徴とするものである。

【００１０】請求項２記載の本発明は、片持ち梁振動子
を振動させるための駆動用圧電体素子とその片持ち梁振
動子に働く外力を検出する検出用圧電体素子とが形成さ
れた片持ち梁振動子を、同一チップ内に複数個設置した
ことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】請求項１記載の本発明の構成によれば、一対の
電極間に電源を接続して流れる電流を検出回路によって
検出することにより、一方の電極がたわむとこのたわみ
量に対応した電流が検出回路によって検出する。これに
よって電流の変化を観察することで直ちに加速度を求め
ることができる。

【００１２】請求項２記載の本発明の構成によれば、片
持ち梁振動子を振動させるための駆動用圧電体素子とそ
の片持ち梁振動子に働く外力を検出する検出用圧電体素
子とが形成された片持ち梁振動子を、同一チップ内に複
数個設置して、駆動用圧電体素子によって振動させて生
じたコリオリ力に対応した角速度を検出用圧電体素子に
より検出する。

【００１３】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の加速度センサの実施例を示す断面図
で、１はシリコン基板でこの基板１上にはＰＳＧ（Phos
pho-Silicate-Glass）やＳｉＯ₂（二酸化シリコン）な
どがＣＶＤ（Chemical-Vapor-Deposition）法やスパッ
タ法などで形成されてなる絶縁体１５が設けられてい
る。３はリンがドープされた多結晶シリコンなどからな
る上部電極で、絶縁体１５上に片持ち梁構造に支持さ
れ、この上部電極３は機械的な力を受けたときこの力の
大きさに対応して容易にたわむ性質を有している。

【００１４】２はＭｏ、Ｗなどからなる下部電極で、上
部電極３とを組合わされて一対の電極を構成し、この一
対の電極２，３間には抵抗Ｒを介して電源Ｅが接続され
る。基板１、絶縁体１５、上部電極３、下部電極２から
構成される本実施例の加速度センサは微小真空素子の面
からみると、陰極に相当する上部電極３と陽極に相当す
る下部電極２とからなる２極管としてみることができ
る。

【００１５】一対の電極２，３間に接続した電源Ｅによ
って、多結晶シリコンからなる上部電極３（陰極）の先
端の電界強度がある程度以上になると、電界放射が生じ
てこれに基づいた電流Ｉが次式のように流れる。 Ｉ＝（Ｅ−Ｖ）／Ｒ 但し、Ｖ：抵抗Ｒの端子電圧 この電界放射電流特性は上部電極３の電界強度によって
変化する。一方、電界強度は電源Ｅによる電圧以外にも
各電極２，３間の距離に応じても変化するので、機械的
な力を受けて上部電極３がたわむとこれと下部電極２と
の電極間距離が変化することによって、電界強度が変化
するため電界放射電流特性は変化する。

【００１６】この結果、各電極２，３間に電源Ｅによっ
て常に電界放射が生じる温度の一定電圧を加えておき、
その電界放射電流特性を測定することにより、外部から
加わった機械的な力、すなわち加速度の検出が可能とな
る。

【００１７】次に本実施例の加速度センサの製造方法を
工程順に説明する。まず、図２に示すように、シリコン
基板１を用いてこの上に前記したようなＰＳＧやＳｉＯ
₂などからなる絶縁体１５を、ＣＶＤ法やスパッタ法な
どによって形成する。次に、絶縁体１５上に上部電極と
なるリンをドープした多結晶シリコン層１６をＣＶＤ法
によって形成し、さらにこの上にフォトレジスト１７を
塗布する。続いて、このフォトレジスト１７をマスクと
して不要な多結晶シリコン層１６（破線部）をフォトエ
ッチングして除去することにより、上部電極３を形成す
る。

【００１８】次に、図３に示すように、フォトレジスト
１７をマスクとしてフッ酸溶液で上部電極３下の絶縁体
１５をフォトエッチングする。このとき過度のエッチン
グを行うことにより、絶縁体１５はアンダーカットさ
れ、上部電極３の片持ち梁構造が形成される。続いて、
図４に示すように、フォトレジスト１７をマスクとして
上方からＭｏ、Ｗなどの金属層１８を蒸着法によって形
成する。このとき上部電極３はフォトレジスト１７によ
り覆われているので、金属層１８は付着しない。次に、
図５に示すように、フォトレジスト１７を不要な金属層
１８と共に除去することにより、基板１上のみに金属層
を残すことによって下部電極２が形成されて、本実施例
の加速度センサが得られる。

【００１９】このような本実施例によれば、次のような
効果が得られる。 （１）一対の電極２，３に電源Ｅによって常に電界放射
が生じる程度の一定電圧を加えた状態で、機械的な力が
加わったとき上部電極３をたわませてこのたわみ量に対
応した電流を検出することによって直ちに加速度を求め
ることができるので、従来のような複雑な演算過程を不
要にすることができる。 （２）片持ち梁構造を通常の半導体工業で用いられてい
るフォトリソグラフィ技術や薄膜形成技術によって形成
でき、従来のような特殊な工程は不要なので、コストア
ップを伴うことがない。

【００２０】図６は本発明の角速度センサの実施例を示
す斜視図で、圧電ジャイロに適用した例を示している。
２１はチップを構成するシリコン基板、２２はこのシリ
コン基板２１上に形成された駆動電源部、２３はそのシ
リコン基板２１上に形成された信号処理部である。Ａ、
Ａ１はシリコン基板２１上に形成された片持ち梁構造の
圧電センサで、回転軸（ｚ軸）を中心軸とする回転に対
してコリオリ力を受けてねじり振動する。Ｂ、Ｂ１は各
圧電センサＡ、Ａ１に直交するようにシリコン基板２１
上に形成された片持ち梁構造の圧電センサで、回転軸
（ｚ軸）を中心軸とする回転に対してねじり振動となら
ず、振幅だけが変化する。各圧電センサＡ１、Ｂ１は各
圧電センサＡ、Ｂと位相差をもって振動する。ｘ，ｙ，
ｚ，ωは図１２と同一の意味を表わしている。

【００２１】図７は図６の圧電ジャイロにおける一つの
片持ち梁構造の圧電センサの概略を示す斜視図で、Ｃ
１，Ｃ２，Ｃ３は後述のようなＰｔ／ＰＺＴ／Ｐｔキャ
パシタを示し、Ｐは駆動，信号検出用パッドを示してい
る。図８は片持ち梁構造の製造工程を示している。この
片持ち梁構造は周知のリフトオフ法を利用して形成す
る。

【００２２】まず、工程Ａで、シリコン基板２１上にＳ
ｉＯ₂２５を形成した後、犠牲層となるポリシリコン１
・２５を形成する。この方法は例えば予め全面にポリシ
リコン１を周知のスパッタ法等で形成した後、フォトエ
ッチング法で不要部分を除去して形成する。次に、工程
Ｂで、このポリシリコン１・２５の上にポリシリコン２
・２６を形成し、この周囲をＳｉＯ₂２７で覆う。この
形成方法は周知の技術を利用することにより、容易に形
成することができる。続いて、工程Ｃで、ポリシリコン
２・２７の上にＰｔ／ＰＺＴ／ＰｔキャパシタＣ１、Ｃ
２、Ｃ３を形成する。これは、順次Ｐｔ２９、ＰＺＴ３
０、Ｐｔ３１を周知の技術で形成した後、全体をＰＳＧ
３２で覆うことによって形成する。圧電体としてのＰＺ
Ｔはゾル−ゲル法によって形成する。次に、ポリシリコ
ン１・２６をエチレンジアミンピロカテコール水溶液で
エッチングして除去することにより、リフトオフ法によ
って片持ち梁構造が完成する。Ｃ１は駆動源圧電体キャ
パシタとして動作し、Ｃ２、Ｃ３は外力（コリオリ力）
検出用圧電体キャパシタとして動作する。このような製
造方法によれば、図６の圧電ジャイロをＩＣ技術によっ
て、一つのシリコン基板２１上に形成することができ
る。

【００２３】図６及び図７において、回転軸（ｚ軸）ま
わりに角速度ωで回転した場合を考える。駆動電圧によ
りｘ軸方向に振動させている片持ち梁構造の圧電センサ
Ａでは、ｚ軸まわりの角速度ωの回転によってコリオリ
力Ｆがｙ軸方向に働き、片持ち梁はねじれ振動になる。
ここで、コリオリ力Ｆは次式のように示される。 Ｆ＝２ｍｖω このため、圧電体キャパシタＣ１あるいはＣ２に発生す
る電圧ｖは無回転時より大きくなる。このとき、圧電セ
ンサＡと直角に位置する圧電センサＢ（ｘ軸方向に振動
させている）には、圧電センサＡのようなコリオリ力は
働かない（ねじれ振動にならない）。しかし、圧電セン
サＢの圧電体キャパシタＣ２あるいはＣ３に発生する電
圧は無回転時と比べて変化する。

【００２４】ここで、圧電センサＢとＢ１を互いに位相
の異なる駆動電圧で振動させた場合、ｚ軸まわりに回転
の左、右に対応して、同一時間におけるＢ、Ｂ１の振動
振幅が異なってくる。このため、圧電センサＢ、Ｂ１の
検出用圧電体キャパシタＣ２あるいはＣ３の出力電圧の
差分をとることにより、ｚ軸まわりの回転方向が検出で
きるようになる。このように、ｚ軸まわりの回転を考え
た場合、圧電センサＡによって角速度が検出でき、圧電
センサＢ、Ｂ１によって回転方向が検出できる。

【００２５】このように本実施例によれば、ＩＣ技術を
利用することにより一つのシリコン基板２１内に、コリ
オリ力検出用圧電体キャパシタＣ２、Ｃ３、駆動源圧電
体キャパシタＣ１と共に、駆動電源部２２及び信号処理
部２３を形成するようにしたので、角速度センサとして
動作する圧電ジャイロの超小型化を図ることができる。
しかも、ＩＣ化により量産化が可能になるので、コスト
ダウンも図ることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１記載の本発
明によれば、特殊な工程によることなく力が加わったと
き電極をたわませて、このたわみ量に対応した電流を検
出して直ちに加速度を求めるようにしたので、簡単な構
造の加速度センサを提供できるため、コストアップを伴
わずにかつ複雑な演算過程を不要にすることができる。
請求項２記載の本発明によれば、駆動電源部及び信号処
理部を一の基板内に形成できるので、超小型化を図った
角速度センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加速度センサの実施例を示す断面図で
ある。

【図２】本実施例の加速度センサの製造工程を示す断面
図である。

【図３】本実施例の加速度センサの他の製造工程を示す
断面図である。

【図４】本実施例の加速度センサのその他の製造工程を
示す断面図である。

【図５】本実施例の加速度センサのその他の製造工程を
示す断面図である。

【図６】本発明の角速度センサの実施例を示す斜視図で
ある。

【図７】本実施例の角速度センサの一つの片持ち梁構造
の圧電センサの概略を示す斜視図である。

【図８】本実施例の角度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図９】従来の加速度センサを示す断面図である。

【図１０】従来の他の加速度センサを示す斜視図であ
る。

【図１１】従来のその他の加速度センサを示す斜視図で
ある。

【図１２】従来の角速度センサの基本原理を示す概略図
である。

【符号の説明】

１，２１ 基板 ２ 下部電極 ３ 上部電極 １５ 絶縁体 １７ フォトレジスト ２２ 駆動電源部 ２３ 信号処理部 ２５ ポリシリコン１ ２６ ポリシリコン２ ２９，３１ Ｐｔ ３０ ＰＺＴ Ａ，Ａ１，Ｂ，Ｂ１ 片持ち梁構造の圧電体センサ Ｃ１ 駆動源圧電体キャパシタ Ｃ２，Ｃ３ 検出用圧電体キャパシタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の絶縁体上に一方の電極が片持ち
   梁構造に支持されると共に他方の電極が基板上に設けら
   れた一対の電極と、一対の電極間に電界放射が生じるよ
   うに接続された電源と、電源によって一対の電極間に流
   れる電流を検出する検出回路とを含み、前記電流は一方
   の電極のたわみ量に対応して流れるように構成したこと
   を特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 片持ち梁振動子を振動させるための駆動
   用圧電体素子とその片持ち梁振動子に働く外力を検出す
   る検出用圧電体素子とが形成された片持ち梁振動子を、
   同一チップ内に複数個設置したことを特徴とする角速度
   センサ。