WO2006006597A1 - 角速度センサ - Google Patents

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WO2006006597A1
WO2006006597A1 PCT/JP2005/012845 JP2005012845W WO2006006597A1 WO 2006006597 A1 WO2006006597 A1 WO 2006006597A1 JP 2005012845 W JP2005012845 W JP 2005012845W WO 2006006597 A1 WO2006006597 A1 WO 2006006597A1
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electrode
angular velocity
velocity sensor
vibrator
electrodes
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PCT/JP2005/012845
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English (en)
French (fr)
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Ryuta Araki
Osamu Torayashiki
Tohru Kitamura
Hiroshi Kawasaki
Tsuyoshi Takemoto
Kouji Nakamura
P. Christopher FELL
Kevin Townsend
Ian Sturland
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Sumitomo Precision Products
Bae Systems Plc
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Publication date
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Priority to EP05765671A priority patent/EP1775551B1/en
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/483—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by variable capacitance detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5677—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators
    • G01C19/5684—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators the devices involving a micromechanical structure
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity sensor that is used in a camera shake prevention camera, a car navigation device, and the like and detects an angular velocity of an object.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • An angular velocity sensor has been developed in which a vibrator is formed on a silicon wafer using technology, and the vibrator is sealed by sandwiching the silicon wafer between two glass substrates (for example, see Patent Document 1). .
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional angular velocity sensor disclosed in Patent Document 1.
  • the angular velocity sensor 60 includes a silicon frame in which a vibrator 74 having a pair of glass substrates 61 and 62, a weight 71 formed between the glass substrates 61 and 62, a base 73, and a T-shaped support beam 72 is processed. 70 and force are also configured, and it has a three-layer structure of glass Z silicon Z glass.
  • a contact hole 63 is formed in the upper glass substrate 61, and a pillar 64 that is fitted in the contact hole 63 and seals the vibrator 74 is formed in the silicon frame 70.
  • the contact hole 63 is sputtered with metal, and is wire-bonded to the contact hole 63 and is electrically connected to an electrode provided on the glass substrate 61.
  • a comb-like electrostatic drive electrode 6 la extending in the radial direction, a pair of capacitance detection electrodes 61b, and two pairs of vibrations on both sides of the capacitance detection electrode 61b
  • An attitude control electrode 61c is provided.
  • a comb-like electrostatic drive electrode 62a facing the electrostatic drive electrode 61a, a pair of capacitance detection electrodes 6lb and a vibration posture control electrode 61c facing each other The capacitance detection electrode 62b is provided.
  • Radial grooves 76 are formed in areas corresponding to the electrostatic driving electrodes 6 la and 62a on the upper and lower surfaces of the weight 74 forming the annular shape of the vibrator 74, and electrodes are formed in the convex and concave portions of the grooves 76.
  • the Both ends of the support beam 72 are connected to the weight 71, and the support beam 72 supports the weight 71 in a hollow state.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 11-264729
  • US Pat. No. 5616864 discloses an angular velocity sensor having a planar ring structure in which an electrostatic drive electrode and a capacitance detection electrode are formed outside a ring portion as a resonator supported at the center portion. Is disclosed.
  • the angular velocity is detected by utilizing the vibration of cosn ⁇ mode (n: mode order).
  • the vibration type angular velocity sensor (gyro) using the cosn 0 mode, the detection accuracy is closer to the natural frequency of the driven primary vibration and the natural frequency of the secondary vibration excited by Coriolica generated at the angular velocity. Is good.
  • the electrode for electrostatic driving is used together as the electrode for adjusting the vibration frequency, there is a problem that the control circuit becomes complicated.
  • Capacitance detection electrodes cannot be used. Therefore, the number of electrodes that can be used for adjusting the vibration frequency is reduced, the use of electrodes is limited to only a limited angular position, and the total area is also reduced, so that the mode frequency matching function is limited. There is a problem.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can improve the sealing performance of a vibrator and can easily mass-produce products having uniform characteristics. .
  • Another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor capable of accurately adjusting a mode frequency with a complicated circuit configuration.
  • An angular velocity sensor is an angular velocity sensor including a semiconductor substrate on which a vibrator having a ring portion whose vibration state changes according to an angular velocity of a detection target, and for electrostatic driving of the vibrator.
  • An electrode and an electrode for capacitance detection of the vibrator are formed inside or outside the ring portion of the semiconductor substrate, and an electrode for adjusting the vibration frequency of the vibrator is used as the electrode for electrostatic driving and It is formed outside or inside the ring portion on the opposite side to the capacitance detection electrode.
  • the angular velocity sensor of the present invention is an angular velocity sensor including a semiconductor substrate on which a vibrator having a ring portion whose vibration state changes according to an angular velocity of a detection target is formed, outside the ring portion of the semiconductor substrate.
  • An electrode for electrostatic drive of the vibrator and an electrode for capacitance detection of the vibrator are formed, and an electrode for adjusting the vibration frequency of the vibrator is formed inside the ring portion of the semiconductor substrate.
  • the angular velocity sensor according to the present invention is an angular velocity sensor including a semiconductor substrate on which a vibrator having a ring portion whose vibration state changes according to an angular velocity of a detection target is formed, on the inner side of the ring portion of the semiconductor substrate.
  • An electrode for electrostatic driving of the vibrator and an electrode for capacitance detection of the vibrator are formed, and an electrode for adjusting the vibration frequency of the vibrator is formed outside the ring portion of the semiconductor substrate.
  • the vibrator, the semiconductor substrate, the electrode for electrostatic driving, the electrode for capacitance detection, and the electrode for vibration frequency adjustment are made of the same material. It is characterized by being!
  • the angular velocity sensor according to the present invention is characterized in that the same material is silicon.
  • the electrostatic drive electrode, the capacitance detection electrode, the vibration frequency adjustment electrode, and the semiconductor substrate are on substantially the same plane.
  • the angular velocity sensor of the present invention satisfies the installation angle difference ⁇ force ⁇ ⁇ 90 ° ⁇ ( ⁇ : mode order of the vibration mode of the vibrator) between the electrodes for adjusting the vibration frequency. It is characterized by playing.
  • the angular velocity sensor of the present invention is characterized in that the number of electrodes for adjusting the vibration frequency is 3 32 ⁇ , 4 ⁇ 2 ⁇ , or 5X2 ⁇ ( ⁇ : mode order of the vibration mode of the vibrator).
  • the angular velocity sensor according to the present invention includes a plurality of sets of vibration frequency adjustment electrodes composed of three, four, or five vibration frequency adjustment electrodes, and 360 ° ⁇ 2 ⁇ ( ⁇ : the vibration It is formed inside or outside the ring part at intervals of the mode order of the vibration mode of the child.
  • the angular velocity sensor of the present invention there are corresponding vibration frequency adjusting electrodes among the plurality of sets, and the same voltage is applied to the corresponding vibration frequency adjusting electrodes of each set. It is characterized by.
  • the vibrator has a plurality of beam portions that are supported at one end at a central portion of the semiconductor substrate and are connected at the other end to the ring portion.
  • the angular velocity sensor according to the present invention is characterized in that the vibrator has a plurality of beam portions whose one end is supported outside the ring portion of the semiconductor substrate and whose other end is connected to the ring portion. .
  • the angular velocity sensor according to the present invention is characterized in that a portion having the same potential as the ring portion is formed between the vibration frequency adjusting electrode and the beam portion.
  • the angular velocity sensor of the present invention is characterized in that a protrusion is formed at the same potential portion.
  • the angular velocity sensor of the present invention is characterized in that an amplification circuit for amplifying a detection signal from the capacitance detection electrode is formed on the semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate is sandwiched between two support substrates, and the vibrator, the electrostatic drive electrode, the capacitance detection electrode, and the vibration frequency adjustment It is characterized in that a cavity for accommodating the electrode for use is formed.
  • the angular velocity sensor of the present invention includes at least one of the electrostatic drive electrode, the capacitance detection electrode, the vibration frequency adjustment electrode, and the central portion supporting the vibrator, It is formed by bonding to one of the two support substrates.
  • the angular velocity sensor of the present invention is characterized in that a getter is provided in the cavity, and an atmosphere in the cavity is equal to or less than lOOmTorr.
  • the angular velocity sensor of the present invention is characterized in that the cavity is filled with an inert gas or a getter that is not adsorbed by a getter.
  • a first wiring connected to the electrostatic driving electrode and a second wiring in the vicinity of the first wiring are provided on one of the two support substrates. Further, the present invention is characterized in that voltages having opposite phases are applied to the first wiring and the second wiring, respectively.
  • the angular velocity sensor of the present invention is characterized in that a wiring pattern for applying a voltage to the vibration frequency adjusting electrode is formed on one of the two support substrates.
  • the number of the wiring patterns is used for adjusting the vibration frequency.
  • the number of electrodes is Z2n (n: mode order of the vibration mode of the vibrator), and a plurality of the electrodes for adjusting the vibration frequency installed every 360 ° Z2n are connected to each wiring pattern. It is characterized by reluctantly.
  • the angular velocity sensor according to the present invention is characterized in that a ratio of a thickness of the semiconductor substrate to a distance between the electrostatic drive electrode and the capacitance detection electrode and the ring portion is 8 or more. .
  • an electrode for electrostatic driving and an electrode for capacitance detection are formed in a semiconductor substrate. Therefore, the sealing characteristics of the vibrator are better than those of the angular velocity sensor disclosed in Patent Document 1.
  • the capacitor gap is defined by the gap between the vibrator, the electrode for electrostatic drive, and the electrode for capacitance detection. The vibrator and these electrodes are formed on the same plane of the semiconductor substrate. Therefore, this gap depends on the etching width that is easy to accurately control, and mass production of angular velocity sensors having uniform characteristics is easy.
  • the electrostatic drive electrode, the capacitance detection electrode, and the vibration frequency adjustment electrode are separately formed inside or outside the ring portion of the semiconductor substrate. is doing.
  • An electrode for electrostatic drive and an electrode for capacitance detection are formed inside the ring part of the substrate, and an electrode for adjusting the vibration frequency is formed outside the ring part. Therefore, unlike the US Pat. No. 5616864, the control circuit has a simple and simplified configuration because there is no need to use an electrode for electrostatic driving for adjusting the vibration frequency.
  • the vibration frequency adjusting electrodes can be arranged uniformly along the ring portion, frequency matching can be performed with high accuracy.
  • the vibrator, the semiconductor substrate, the electrode for electrostatic drive, the electrode for capacitance detection, and the electrode for vibration frequency adjustment are substantially on the same plane, For example, it is made of the same material such as silicon. Therefore, it is easy to apply MEMS processing technology.
  • the vibration frequency can be adjusted reliably.
  • the number of electrodes for adjusting the vibration frequency may be any of 3 ⁇ 2 ⁇ , 4 X 2 ⁇ , or 5 X 2 ⁇ ( ⁇ : mode order).
  • each set including three, four, or five vibration frequency adjusting electrode forces is divided into ring portions at intervals of 360 ° ⁇ 2 ⁇ ( ⁇ : mode order). It is formed inside or outside.
  • this electrode arrangement increases the total area of the electrode and the frequency adjustment range.
  • the same voltage may be applied to the corresponding electrodes between the sets, in other words, the electrodes arranged with an interval of 360 ° ⁇ 2 ⁇ , or these A different voltage may be applied to each corresponding electrode.
  • the wiring pattern can be simplified and the number of voltage sources can be reduced, and in the latter configuration, the frequency can be adjusted with high accuracy.
  • the angular velocity sensor uses a vibrator having a ring portion connected to a plurality of beam portions supported by the center portion of the semiconductor substrate. It is not affected by temperature changes where stress changes are small.
  • a portion (plate) having the same potential as the ring portion is provided between the vibration frequency adjusting electrode and the beam portion. Therefore, the electrostatic attractive force is prevented from acting between the vibration frequency adjusting electrode and the beam portion.
  • a protrusion is formed on a portion (plate) having the same potential as the ring portion.
  • an amplification circuit for amplifying a detection signal at the capacitance detection electrode is formed on the semiconductor substrate. Reduce the input of disturbance components (noise) other than.
  • the semiconductor substrate is sandwiched between two support substrates made of glass or silicon, and an electrostatic drive electrode, a capacitance detection electrode, and Z or vibration frequency adjustment Since the electrode for bonding is bonded only to the upper support substrate, that is, suspended and fixed to the upper support substrate, a large cavity can be provided on the lower support substrate, and the getter's Large installation area.
  • a getter is provided on the lower support substrate to keep the atmosphere of the vibrator at a low pressure.
  • the upper support substrate is provided with the first wiring connected to the electrode for electrostatic driving and the second wiring in the vicinity of the first wiring, and the second wiring is provided with the second wiring.
  • a voltage with a phase opposite to that of one wiring is applied.
  • the first wiring for electrostatic drive passes above the capacitance detection electrode, crosstalk occurs. Therefore, a voltage with an opposite phase is applied to the second wiring placed near the first wiring. Cancel the talk component. Therefore, the capacitance detection electrode is not affected by crosstalk! /.
  • the number Z2n (n: mode order) of wiring patterns for adjusting the vibration frequency is formed on the upper support substrate. ° Multiple vibration frequency adjustment electrodes installed for each Z2n are connected. Therefore, since a plurality of electrodes for adjusting the vibration frequency having the same function are connected to one wiring pattern, the wiring pattern can be simplified.
  • the ratio (aspect ratio) between the distance between the electrode for electrostatic drive Z, the electrode for capacitance detection and the ring portion and the thickness of the semiconductor substrate, specifically, is adjusted.
  • the Q value can be easily controlled even if the atmosphere of the vibrator is less than lOOmTorr.
  • the electrostatic drive electrode, the capacitance detection electrode, and the vibration frequency adjustment electrode are formed in the semiconductor substrate, so that the sealing characteristics of the vibrator can be improved.
  • the control circuit is not complicated, and an angular velocity sensor having uniform characteristics can be easily mass-produced.
  • the vibrator has a ring shape, it is possible to accurately detect angular velocities that are not affected by changes in temperature, even with different materials such as glass, silicon, and Z glass.
  • the electrode for adjusting the vibration frequency is provided on the inner side of the ring part of the vibrator, the inner area of the ring part can be used effectively, and the electrode for electrostatic drive and the electrode for capacitance detection can be used. A sufficiently large capacity can be obtained with a large area, and a high-accuracy adjustment of the vibration frequency can be performed with a large area of the vibration frequency adjusting electrode.
  • the vibrator, the semiconductor substrate, the electrode for electrostatic drive, the electrode for capacitance detection, and the electrode for vibration frequency adjustment are made of the same material (silicon). These fine structures can be manufactured with high precision using MS processing technology.
  • the installation angle ⁇ between adjacent electrodes satisfies ⁇ ⁇ 90 ° Zn (n: mode order), so that the vibration frequency can be adjusted reliably.
  • each set is formed inside or outside the ring portion at intervals of 360 ° Z2n (n: mode order).
  • n mode order
  • the plate having the same potential as that of the beam portion and the ring portion is provided between the vibration frequency adjusting electrode and the beam portion, and therefore, between the vibration frequency adjusting electrode and the beam portion. It can prevent the electrostatic attraction from acting.
  • the vibrator since the projections are formed on the plate that has the same potential as the beam and ring, even if the position of the vibrator changes due to an external impact, the vibrator is used for electrostatic drive electrodes and capacitance detection. It is possible to prevent adhesion to the electrode.
  • the amplifier circuit for amplifying the detection signal at the capacitance detection electrode is formed on the semiconductor substrate, the circuit configuration can be reduced in size, and the disturbance input of the detection signal can be reduced to achieve accuracy. Detection results can be obtained.
  • the electrode for electrostatic driving, the electrode for capacitance detection, and the electrode for adjusting Z or vibration frequency are joined to the upper support substrate.
  • a wide cavity can be formed on a lower support substrate, and a getter installation area can be secured.
  • a getter is provided in the cavity of the lower support substrate, and the atmosphere of the vibrator is kept at a low pressure (lOOmTorr or less), so that the Q value can be made a predetermined value or more.
  • an inert gas or a gas that is not adsorbed by the getter is sealed in the cavity, and the ratio of the thickness of the semiconductor substrate to the distance between the electrode for electrostatic driving and the electrode for capacitance detection and the ring portion (aspect ratio) is 8 As described above, even if the atmosphere of the vibrator is less than lOOmTorr, the Q value can be easily controlled to a desired value without making it very high.
  • the second wiring for applying a voltage having a phase opposite to that of the first wiring is provided in the vicinity of the first wiring for electrostatic driving on the support substrate. The effects of crosstalk can be suppressed.
  • each of the (n: mode order) wiring patterns is connected to a plurality of electrodes for vibration frequency adjustment installed every 360 ° Z2n, the wiring pattern can be simplified.
  • FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of an angular velocity sensor according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a silicon wafer of the angular velocity sensor according to the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a plate in the angular velocity sensor according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state of primary vibration and secondary vibration in the angular velocity sensor according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an arrangement example of electrodes for adjusting the vibration frequency.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an arrangement example of electrodes for adjusting the vibration frequency.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of metal wiring on a glass substrate connected to an electrode for electrostatic driving.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a wiring pattern on a glass substrate connected to an electrode for vibration frequency adjustment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the angular velocity sensor according to the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional angular velocity sensor.
  • FIG. 1 is a sectional view of an angular velocity sensor according to the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of a silicon wafer of the angular velocity sensor according to the present invention.
  • the angular velocity sensor of the present invention uses a silicon wafer 1 (for example, a thickness of 100 to 300 m) as a semiconductor substrate on which a vibrator, various electrodes, and the like to be described later are formed using MEMS technology. (Registered trademark) It is configured to be sandwiched between two glass substrates 2 and 3 as supporting substrates that also have glass power, and has a three-layer structure of glass Z silicon Z glass.
  • the glass substrates 2 and 3 seal the vibrator 10 formed on the silicon wafer 1 at a low pressure.
  • the vibrator 10 is supported by a central portion 11 and has eight beam portions (beams) 12 extending in a circumferential direction and equally spaced from each other, and an annular ring connected to the eight beam portions 12. Part 13. One end of the beam portion 12 is supported by the central portion 11, and the other end is connected to the ring portion 13, and the beam portion 12 supports the ring portion 13.
  • Electrodes 21 are formed on the outer side of the ring portion 13 with an appropriate gap 22 (for example, about 10 ⁇ m) from the ring portion 13 being equally spaced.
  • the opposing electrodes have the same function, and the electrodes 21a and 21b are electrodes for electrostatic driving (hereinafter also simply referred to as driving electrodes) for causing the vibrator 10 to generate primary vibration.
  • 21c and 21d are electrodes for detecting the primary vibration generated in the vibrator 10
  • the electrodes 21e and 21f are capacitance detection electrodes for detecting the secondary vibration generated in the vibrator 10 (
  • the electrodes 21g and 21h are electrodes for canceling the secondary vibration generated in the vibrator 10 below.
  • the amplitude and frequency are controlled between the drive electrodes 21a and 21b and the primary vibration detection electrodes 21c and 21d so that the frequency of the primary vibration matches the natural frequency of the vibrator 10. .
  • the effect of Coriolica generated by secondary vibration should be eliminated to improve detection accuracy.
  • a voltage for nulling the secondary vibration is applied to electrodes 21g and 21h. By monitoring this voltage, the magnitude of the angular velocity is detected. Since two electrodes having the same function are provided in this way, the detection sensitivity can be doubled.
  • electrodes with the same function are placed at opposite positions (point-symmetric positions), output changes due to external impact application When moving, we can expect mutual cancellation effect.
  • an appropriate gap 24 from the ring portion 13 (for example, about 10 ⁇ m) is provided, and 16 vibration frequency adjusting electrodes (hereinafter also simply referred to as adjusting electrodes) 23 are provided. It is formed in a distributed manner. These adjusting electrodes 23 are electrodes for controlling the natural frequency by electrostatic attraction, and a voltage for adjusting (matching) the natural frequencies of the primary vibration and the secondary vibration is applied. In this example, 16 adjustment electrodes 23 are formed, and both natural frequencies can be satisfactorily matched.
  • the vibrator 10 (ring portion 13 and beam portion 12), electrode 21, and adjustment electrode 23 formed on substantially the same plane are made of the same material (silicon), the manufacturing cost It is easy to use MEMS technology that can accurately produce a fine structure with low height. It is common to use conductive silicon as the material suitable for MEMS processing technology, but it is also possible to use metal laminated by sputtering or plating.
  • the eight electrodes 21 (21a to 21h) such as drive electrodes and detection electrodes are arranged outside the ring portion 13, and sixteen adjustment electrodes 23 are arranged inside the ring portion 13. Yes. Therefore, the eight electrodes 21 arranged outside the ring portion 13 can have a sufficiently large capacity without being affected by the area reduction caused by the installation of the adjustment electrode 23. That is, compared with the configuration in which all of these 24 electrodes are arranged outside the ring portion 13, the area of the 8 electrodes 21 can be increased, and sufficient capacity can be obtained. The area of the adjustment electrode 23 can be increased, and the vibration frequency can be adjusted with high accuracy. Further, since the adjustment electrode 23 is formed by effectively using the inner region of the ring portion 13, a small configuration can be realized.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the plate 25, and projections 25 a and 25 b are formed on the surface of the plate 25 facing the ring portion 13 and the surface facing the beam portion 12.
  • an amplification circuit that amplifies detection signals at the electrodes 21c, 21d, 21e, and 21f for detecting primary vibration or secondary vibration generated in the vibrator 10 is provided at the corner of the silicon wafer 1. 29 is A pre-amplifier is inserted into the sensor chip. RU
  • through holes 31 are formed at positions corresponding to the electrodes 21 (21 a to 21 h) and 23.
  • Wires 36 that connect the nodes 27 of the electrodes 21 (21 a to 21 h) and 23 and the pads 32 formed on the surface of the glass substrate 2 pass through the through holes 31.
  • a region corresponding to the vibrator 10 (the beam portion 12 and the ring portion 13) below the glass substrate 2 is partially cut away to form a cavity 33.
  • the lower surface of the glass substrate 2 is bonded to the silicon wafer 1.
  • a large cavity 34 is provided on the upper surface side of the lower glass substrate 3, and a getter 35 is provided on the bottom surface of the cavity 34.
  • the upper surface of the glass substrate 3 is bonded to the silicon wafer 1.
  • the getter 35 adsorbs hydrogen gas generated during anodic bonding between the glass substrate 3 and the silicon wafer 1.
  • the two glass substrates 2 and 3 support the vibrator 10 and the various electrodes 21 and 23, and seal the vibrator 10 at a low pressure.
  • the adjustment electrode 23 provided inside the ring portion 13 is bonded only to the upper glass substrate 2, in other words, is suspended and fixed to the upper glass substrate 2, so that the lower glass substrate A large cavity 34 can be provided in 3 and the installation area of the getter 35 can be increased.
  • the driving or detecting electrodes are formed on the silicon wafer 1, the sealing characteristics are better than when these electrodes are provided on the glass substrate.
  • the vibrator 10 (the beam portion 12 and the ring portion 13) vibrates in the cavities 33 and 34.
  • the vibrator 10 is driven using electrostatic attraction (primary vibration), and a change in capacitance due to a new vibration (secondary vibration) corresponding to the applied angular velocity is detected.
  • the applied angular velocity is detected by monitoring the voltage to be applied to the electrodes 21g and 21h in order to nullify the secondary vibration.
  • a voltage is applied to the drive electrodes 21a and 21b to cause the vibrator 10 to generate cos2 ⁇ mode primary vibration.
  • the state of this primary vibration is shown in Fig. 4 (a).
  • Fig. 4 (a) When an angular velocity ( ⁇ in Fig.
  • the force F applied to is expressed by the following equation (1).
  • the amount of electricity Q accumulated between the vibrator 10 and the electrodes 21c and 21d during vibration is expressed by the following formula (2), and the current shown by the following formula (3) is detected.
  • the primary vibration is detected.
  • the secondary vibration excited by the Coriolis force generated at the applied angular velocity is detected by the electrodes 21e and 21f, and the voltage to be applied to the electrodes 21g and 21h in order to nullify the excited secondary vibration is monitored. Detect the applied angular velocity.
  • V voltage between ring part and electrode
  • d initial distance between ring part and electrode
  • the vibration type angular velocity sensor using cosn ⁇ mode it is necessary to accurately match the natural frequency of the driven primary vibration and the natural frequency of the secondary vibration excited by the angular velocity. Adjustments are made to match these natural frequencies.
  • the magnitude of the frequency change in the cos2 ⁇ mode depends on the angular position of the adjustment electrode 23 with respect to the vibration axis of the mode.
  • the mode has two modes with a vibration axis shift of 45 °, but when a voltage is applied in the vibration axis direction (radial antinode) of one mode, the maximum shift at that mode frequency is achieved. Will be. This position coincides with the radial node of the other mode, and there is no radial movement at this position, so this mode results in minimal frequency change. Therefore, it is possible to differentially adjust the mode frequency to minimize the frequency difference between the two modes in the imperfect ring (ie, the non-zero mode frequency split) that occurs during the manufacturing process.
  • the magnitude of the voltage applied to the adjustment electrode 23 is calculated to induce a frequency shift that accurately compensates for the initially measured frequency split.
  • both modes have radial movements at this position, so both frequencies are applied when voltage is applied. Changes. In this case, it takes a fairly high voltage to match both mode frequencies, and the calculation of the required voltage is more complicated. If the required voltage can be calculated easily, in order to efficiently achieve the frequency balance, the balance force is applied to the electrodes along the vibration axis of the mode with the higher frequency of the two vibration modes. It is necessary to disassemble correctly.
  • the effect as described above can be obtained only by arranging four adjustment electrodes 23 only between 0 ° and 90 °.
  • adjustment electrodes that apply the same voltage are provided.
  • the total area of the adjustment electrode 23 is increased, so that a frequency adjustment range of 4 times can be obtained. This is because the vibration shape of the cos2 ⁇ mode has symmetry every 90 °. In general, in the case of the nth order vibration mode, it has symmetry for every 360 ° Z2n. Can be spread.
  • the arrangement condition of the adjustment electrode 23 is that the equilibrium force can be resolved with sufficient angular resolution along the vibration axis (angle ⁇ m) of the high frequency mode, and the cos2 ⁇ mode frequency can be shifted differentially. .
  • the installation angle difference ⁇ is lower when n is the mode order. It is necessary to satisfy the condition expressed by the equation (6).
  • the installation angle difference ⁇ is less than 45 ° in the cos2 ⁇ mode and less than 30 ° in the cos3 ⁇ mode.
  • the total area of the adjustment electrode 23 is maximized to maximize the adjustment range.
  • Ma since it is desirable to arrange the same number of adjustment electrodes 23 in each circular arc region of 180 ° Zn, the configuration of the adjustment electrodes 23 can be increased to 2n sets.
  • adjustment electrodes 23 are provided in each arc of 90 °, and a total of 16 adjustment electrodes 23 are provided.
  • 5 and 6 show another example of the arrangement of the adjustment electrode 23 in the cos 2 ⁇ mode. In the example shown in FIG. 5, three adjustment electrodes 23 are provided in each arc of 90 °, and a total of 12 adjustment electrodes 23 are provided. In the example shown in FIG. 6, five adjustment electrodes 23 are provided in each arc of 90 °, and a total of 20 adjustment electrodes 23 are provided.
  • the total number of adjustment electrodes 23 to be installed is 3 X 2n, 4
  • the vibrator 10 is composed of the eight beam parts 12 supported by the central part 11 and the ring parts 13 connected to these beam parts 12, the mass is smaller than that of other vibrators. It is possible to reduce the influence of inertial force. Further, even if the vibrator 10 vibrates, the position of the center of gravity does not fluctuate, so that the influence on the fixed system of the vibrator 10 with a small reaction force is small. Since it is supported by the central part 11, it has excellent temperature characteristics that are not affected by the internal stress that is caused by the difference in expansion coefficient between glass and silicon.
  • the reliability of the sealing function of the vibrator 10 can be increased.
  • the vibrator 10 (ring part 13) and various electrodes are formed on the same plane, the vibrator 10 (ring part 13) and various electrodes can be adjusted by adjusting the width of the mask pattern. The distance between the two is controlled, the control is simple, and the desired distance can be easily realized. As a result, mass production of angular velocity sensors with desired and uniform characteristics is possible. It becomes ability.
  • the control of the Q value in the angular velocity sensor of the present invention will be described.
  • the Q value generally required for resonator 10 is 1000 or more. Since the Q value decreases when the pressure in the atmosphere of the vibrator 10 is high, a getter 35 for adsorbing gas (particularly hydrogen gas generated during anodic bonding) is attached to the glass substrate 3 in order to reduce the pressure. Provided. However, if the Q value is too high, the control system of the circuit that drives the vibrator 10 (particularly the PLL (Phase Lock Loop) circuit that controls the vibration element of the drive voltage) requires high resolution. There is an upper limit to the Q value because there is a problem that the temperature characteristics deteriorate due to the damper effect due to internal friction with a large coefficient.
  • the structure of the vibrator 10 has a great influence on the damping effect even under the same pressure, and in particular, the influence of the squeeze damping effect on the gap is high.
  • the thickness of the silicon wafer 1 with respect to the distance between the ring portion 13 and the electrode 21 (21 & 2111) (1, that is, the width d of the gap 22 (see FIG. 1)).
  • Ratio (aspect ratio) of T (see Fig. 1) T Zd is increased, specifically, the value of TZd is set to 8 or more to control the Q value of the vibrator 10. Therefore, in the present invention, Even if it is less than lOOmTorr, it is possible to control the Q value so that it does not become very high.
  • the plate 25 has the same potential as that of the resonator 10 (the beam portion 12 and the ring portion 13), and such a plate 25 is provided between the beam portion 12 and the adjustment electrode 23.
  • the electrostatic attractive force can be prevented from acting between the electrode 23 and the natural frequency is not changed.
  • the same effect can be obtained by forming the protrusion 25a on the beam 12 or the ring part 13, but when the protrusion 25a is formed on the beam 12 or the ring part 13 which is a movable member,
  • the projection 25a is formed on the plate 25 that is a fixing member because it is considered that the change in mass, abnormal occurrence of stress, etc. may adversely affect the vibration.
  • the level of the detection signal output from the electrodes 21c, 21d, 21e, 21f for detecting the primary vibration or the secondary vibration generated in the vibrator 10 is quite small. Therefore, it can be considered that the performance deteriorates as a result of generating a false signal incorporated in the detection channel in response to the stray capacitance. In order to minimize the error, it is preferable to amplify the detection signal as close to the electrode as possible. Therefore, in the present embodiment, an amplification circuit 29 is formed on the silicon wafer 1 to amplify detection signals from the electrodes 21c, 21d, 21e, 21f. Therefore, it is possible to obtain an accurate detection signal even if the level is small.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of metal wiring connected to the drive electrode 2 la (or 21b).
  • a metal wiring 41 for driving voltage is formed on the glass substrate 2 as a first wiring having one end connected to the pad 32 of the glass substrate 2 connected to the pad 27 of the driving electrode 21a via the wire 36. Being! The other end of the metal wiring 41 is connected to the voltage source 42.
  • a metal wiring 43 for a cancel cell as a second wiring is patterned on the glass substrate 2. One end of the metal wiring 43 is opened and the other end is connected to the voltage source 42.
  • the voltage source 42 applies a driving voltage to the metal wiring 41, and applies a voltage having a phase opposite to that of the driving voltage to the metal wiring 43.
  • a voltage having an opposite phase to the drive voltage is applied to the metal wiring 43 in the vicinity of the metal wiring 41 to cancel this crosstalk component.
  • a detection signal that is not affected by crosstalk is obtained at the detection electrode 21e (or 21f), and an accurate angular velocity is obtained. Can be detected.
  • the voltage for driving the primary vibration is larger than the drive voltage for nulling the secondary vibration, so only the metal wiring connected to the primary vibration drive electrodes 21a and 21b is used.
  • the configuration as described above may be applied. In this way, the metal wiring can be prevented from becoming more complicated than necessary.
  • the crosstalk due to the driving voltage for nulling the secondary vibration becomes significant, so the secondary vibration is nullified. It is preferable to apply the same configuration to the driving electrodes 21g and 21h.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of this metal wiring.
  • 16 (number of adjustment electrodes 23) Z 2 X 2 (mode order) 4 wiring patterns 51 are formed on the upper glass substrate 2.
  • Z 2 X 2 (mode order) 4 wiring patterns 51 are formed on the upper glass substrate 2.
  • Z 2 X 2 mode order
  • One end of each wiring pattern 51 extends to one peripheral edge of the glass substrate 2.
  • one end of these wiring patterns 51 is connected to a voltage source 52 that applies a voltage to at least one adjustment electrode 23.
  • Reference numeral 53 denotes an electrode for applying a constant DC voltage to the ring portion 13.
  • FIG. 9 is a sectional view showing the manufacturing process.
  • Pads 27 are formed on the silicon wafer 1 (FIG. 9 (a)). Specifically, after depositing a metal film to be the pad 27 on the surface of the silicon wafer 1, the pad 27 is patterned by wet etching using a resist pattern created by photolithography as a mask.
  • the upper glass substrate 2 provided with a through hole is bonded to the silicon wafer 1 by anodic bonding (FIG. 9 (b)).
  • the glass substrate 2 to be bonded has a cavity 33 prepared in advance by sandblasting, and a pad 32 and a metal wiring (on the surface of the glass substrate 2 by a series of metal film deposition, photolithography, and wet etching processes. (Not shown) is created in advance.
  • MEMS technology including DeepRIE (Reactive Ion Etching) processing, etc., from the side opposite to the bonding surface of the silicon wafer 1 to the glass substrate 2, the vibrator, the electrodes 21, 23, and the groove having the ring portion 13 are used. 22 and 24 are formed on the silicon wafer 1 (Fig. 9 (c)).
  • the lower glass substrate 3 is bonded to the silicon wafer 1 by anodic bonding (FIG. 9 (d)).
  • the glass substrate 3 to be joined is provided with a getter 35 in advance on the bottom surface of the cavity 34 created by sandblasting. Ar gas is sealed at the time of joining, and after joining, the getter 35 is heated and activated to adsorb hydrogen gas or the like.
  • the pads 27 on the electrodes 21 and 23 of the silicon wafer 1 and the pads 32 on the glass substrate 2 are bonded with wires 36 (FIG. 9 (e)).
  • the glass substrate 2Z silicon wafer 1Z glass substrate 3 is composed of glass Z silicon Z glass, but it is also possible to use a silicon substrate instead of the glass substrate.
  • the present invention can be applied to a three-layer structure of Z silicon Z silicon or a three-layer structure of silicon Z silicon Z glass, and further to a three-layer structure of silicon Z silicon Z silicon.
  • insulating film such as SiO
  • silicon and silicon bonding are not anodic bonding, but bonded It is a fusion joint that heats together.
  • the present invention can be similarly applied to the case of oscillating in the force cos3 ⁇ mode described for the case of oscillating in the cos2 ⁇ mode.
  • the configuration of the present invention can be used for all of the cosn ⁇ modes.
  • the electrode for electrostatic driving and the electrode for capacitive driving are formed outside the ring part, and the electrode for adjusting the vibration frequency is formed inside the ring part. Contrary to this, even if the structure is such that the electrode for electrostatic driving and the electrode for capacitive driving are formed inside the ring part and the electrode for adjusting the vibration frequency is formed outside the ring part, Can be applied in the same way. Furthermore, the electrode for electrostatic driving, the electrode for capacitive driving, and the electrode for adjusting the vibration frequency may be mixed and formed outside or inside the ring portion.
  • the ring portion is supported by the plurality of beam portions, one end of which is supported by the center portion of the silicon wafer.
  • the ring portion is also configured to support its outer force. Even so, the present invention can be similarly applied.
  • the vibration frequency adjusting electrode is joined (suspended) to the upper glass substrate.
  • the electrostatic driving electrode and the capacitive driving electrode are used.
  • the electrode and the center that supports the Z or ring are also bonded to the upper glass substrate.
  • the plate 25 having the same potential as that of the ring portion 13 is provided.
  • the plate 25 is not necessarily an essential member.

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Abstract

　シリコンウェハ１にＭＥＭＳ技術により形成される振動子１０は、中心部１１で支持されて周方向に８等配して延在する８本の梁部（ビーム）１２と、これらの８本の梁部１２に連結された環状のリング部１３とを有する。リング部１３の外側には、リング部１３からギャップ２２を空けて、静電駆動用または容量検出用などの８個の電極２１ａ～２１ｈが等配されている。リング部１３の内側には、リング部１３からギャップ２４を空けて、１６個の周波数調整用の電極２３が等配されている。                                                                                                 

Description

明 細 書
角速度センサ
技術分野
[0001] 本発明は、手振れ防止カメラ、カーナビゲーシヨン装置などに使用され、物体の角 速度を検出する角速度センサに関するものである。
背景技術
[0002] 近年、低コストィ匕及び小型化を図ることを目的とした角速度センサとして、半導体製 造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現する MEMS (Micro Electro Mechanical System)技術を用いてシリコンウェハに振動子を形成し、 このシリコンウェハを 2枚のガラス基板で挟み込んで振動子を封止した構成をなす角 速度センサが開発されている (例えば、特許文献 1参照)。
[0003] 図 10は、特許文献 1に開示された従来の角速度センサの構成図である。角速度セ ンサ 60は、一対のガラス基板 61, 62と、両ガラス基板 61 , 62の間に形成された重り 71 ,ベース 73及び T字形の支持ビーム 72を有する振動子 74が加工されたシリコン フレーム 70と力も構成されており、ガラス Zシリコン Zガラスの三層構造になっている 。上側のガラス基板 61にはコンタクトホール 63が空けられており、シリコンフレーム 70 には、コンタクトホール 63に嵌められて振動子 74を封止する柱 64が形成されている 。コンタクトホール 63には金属がスパッタリングされており、このコンタクトホール 63に ワイヤボンディングされて、ガラス基板 61に設けられて ヽる電極と電気的に接続され ている。
[0004] ガラス基板 61の下面には、放射方向に延びる櫛歯状の静電駆動用電極 6 laと、一 対の容量検出用電極 61bと、容量検出用電極 61bの両側の二対の振動姿勢制御用 電極 61cとが設けられている。下側のガラス基板 62の上面には、静電駆動用電極 61 aに対向する櫛歯状の静電駆動用電極 62aと、容量検出用電極 6 lb及び振動姿勢 制御用電極 61cに対向する一対の容量検出用電極 62bとが設けられている。振動子 74の円環状をなす重り 71の上下面の静電駆動用電極 6 la, 62aに対応する領域に 放射状の溝 76が形成されており、この溝 76の凸部及び凹部に電極が形成されてい る。支持ビーム 72の両端が重り 71に連結され、支持ビーム 72は重り 71を中空に支 持している。
[0005] 静電駆動用電極 61a, 62aと振動子 74の重り 71の電極との間に駆動電圧が印加さ れると、静電駆動用電極 61a, 62aにはその接離方向に静電力が作用し、振動子 74 力 軸回りに回転振動される。ここで、 X軸回りの角速度が加えられた場合、振動子 74 は、コリオリカが作用することによって、 y軸回りに振動する。この振動によって、容量 検出用電極 61b, 62bと振動子 74の重り 71の表面との距離が変動することなり、これ らの間の容量が変動するので、この容量変化を検出することにより、加えられた角速 度を検出できる。
特許文献 1：特開平 11― 264729号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 特許文献 1に記載された角速度センサにあっては、ガラス基板上に電極を設けて、 それから配線取り出し用のスルーホールまで配線を施すため、金属の配線が封止部 を横切り、振動子の封止の信頼性が低いという問題がある。また、シリコンユニットの エッチング深さとガラス基板上の電極の厚さとでキャパシタンスのギャップが規定され る力 エッチング深さの加工ばらつきを小さくすることは、エッチング幅の加工ばらつ きを小さくすることに比べて困難である。これは、マスクパターンを利用すればエッチ ング幅の正確な力卩ェは容易に行えるのに対して、エッチング深さはエッチング時間で 制御されるがエッチング時間はエッチング条件に大いに影響されるためその制御が 難しいからである。よって、均一な特性を有する角速度センサを量産できないという問 題がある。
[0007] また、米国特許第 5616864号には、中心部で支持された共振子としてのリング部 の外側に静電駆動用の電極及び容量検出用の電極を形成した平面リング構造の角 速度センサが開示されている。このような平面リング構造の角速度センサでは、 cosn Θモード (n :モード次数)の振動を利用して角速度を検出する。 cosn 0モードを用い る振動型の角速度センサ (ジャイロ）では、駆動する 1次振動の固有振動数と角速度 で発生するコリオリカにより励起される 2次振動の固有振動数とが近い方が検出精度 は良好である。し力しながら、リング部の加工誤差などによって両固有振動数はずれ るため、 2つの振動モードでの共振周波数を正確に整合させる必要がある。そこで、 米国特許第 5616864号では、静電駆動用の電極を利用して、リング部とこの静電駆 動用の電極との間に固定直流オフセット電圧を印加することにより、 2つの振動モード での共振周波数を差分的に調整している。
[0008] 静電駆動用の電極を振動周波数調整用の電極として併用させているので、制御回 路が複雑になるという問題がある。また、静電駆動用の電極に直流オフセット電圧を 印加することは容易である力 容量検出用の電極に直流オフセット電圧を印加するこ とは回路構成上困難であるため、振動周波数の調整用に容量検出用の電極は使用 できない。よって、振動周波数の調整用に使用できる電極の数が少なくなり、限定さ れた角度位置のみでの電極の使用に限定され、総面積も小さくなるので、モード周 波数の整合機能が制限されるという問題がある。
[0009] 本発明は斯力る事情に鑑みてなされたものであり、振動子の封止性を向上でき、均 一な特性の製品を容易に量産できる角速度センサを提供することを目的とする。
[0010] 本発明の他の目的は、回路構成が複雑でなぐモード周波数の調整を精度良く行 える角速度センサを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明の角速度センサは、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング 部を有する振動子を形成した半導体基板を備えた角速度センサにおいて、前記振 動子の静電駆動用の電極と前記振動子の容量検出用の電極とを、前記半導体基板 の前記リング部内側または外側に形成してあり、前記振動子の振動周波数調整用の 電極を、前記静電駆動用の電極及び前記容量検出用の電極とは反対側の前記リン グ部外側または内側に形成してあることを特徴とする。
[0012] 本発明の角速度センサは、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング 部を有する振動子を形成した半導体基板を備えた角速度センサにおいて、前記半 導体基板の前記リング部外側に前記振動子の静電駆動用の電極及び前記振動子 の容量検出用の電極を形成し、前記半導体基板の前記リング部内側に前記振動子 の振動周波数調整用の電極を形成してあることを特徴とする。 [0013] 本発明の角速度センサは、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング 部を有する振動子を形成した半導体基板を備えた角速度センサにおいて、前記半 導体基板の前記リング部内側に前記振動子の静電駆動用の電極及び前記振動子 の容量検出用の電極を形成し、前記半導体基板の前記リング部外側に前記振動子 の振動周波数調整用の電極を形成してあることを特徴とする。
[0014] 本発明の角速度センサは、前記振動子、前記半導体基板、前記静電駆動用の電 極、前記容量検出用の電極、及び前記振動周波数調整用の電極は、同一材料で作 成されて!/ヽることを特徴とする。
[0015] 本発明の角速度センサは、前記同一材料はシリコンであることを特徴とする。
[0016] 本発明の角速度センサは、前記静電駆動用の電極、前記容量検出用の電極、前 記振動周波数調整用の電極及び前記半導体基板は、実質的に同じ平面上にあるこ とを特徴とする。
[0017] 本発明の角速度センサは、前記振動周波数調整用の電極の隣り合う電極間の設 置角度差 Δ φ力 Δ < 90° Ζη (η :前記振動子の振動モードのモード次数)を満 たすことを特徴とする。
[0018] 本発明の角速度センサは、前記振動周波数調整用の電極の個数は、 3 Χ 2η、 4 Χ 2ηまたは 5 X 2ηである（η:前記振動子の振動モードのモード次数)ことを特徴とする
[0019] 本発明の角速度センサは、一糸且が 3個、 4個または 5個の振動周波数調整用の電 極からなる複数組の振動周波数調整用の電極を、 360° Ζ2η (η:前記振動子の振 動モードのモード次数)の間隔で前記リング部の内側または外側に形成してあること を特徴とする。
[0020] 本発明の角速度センサは、前記複数組の間で対応する振動周波数調整用の電極 が存在しており、各組の対応する振動周波数調整用の電極には同じ電圧が印加さ れることを特徴とする。
[0021] 本発明の角速度センサは、前記複数組の間で対応する振動周波数調整用の電極 が存在しており、各組の対応する振動周波数調整用の電極に独立的に電圧が印加 されることを特徴とする。 [0022] 本発明の角速度センサは、前記振動子は、前記半導体基板の中心部でその一端 が支持され、その他端が前記リング部に連なる複数の梁部を有することを特徴とする
[0023] 本発明の角速度センサは、前記振動子は、前記半導体基板の前記リング部外側で その一端が支持され、その他端が前記リング部に連なる複数の梁部を有することを特 徴とする。
[0024] 本発明の角速度センサは、前記振動周波数調整用の電極と前記梁部との間に、前 記リング部と同電位の部分を形成してあることを特徴とする。
[0025] 本発明の角速度センサは、前記同電位の部分に突起部を形成してあることを特徴 とする。
[0026] 本発明の角速度センサは、前記容量検出用の電極からの検出信号を増幅する増 幅回路を前記半導体基板に形成してあることを特徴とする。
[0027] 本発明の角速度センサは、前記半導体基板は 2枚の支持基板で挟まれており、前 記振動子、前記静電駆動用の電極、前記容量検出用の電極、及び前記振動周波数 調整用の電極を収容するキヤビティを形成してあることを特徴とする。
[0028] 本発明の角速度センサは、前記静電駆動用の電極、前記容量検出用の電極、及 び前記振動周波数調整用の電極、及び前記振動子を支える中心部の少なくとも 1つ を、前記 2枚の支持基板の一方に接合させて形成してあることを特徴とする。
[0029] 本発明の角速度センサは、前記キヤビティにゲッターを設けてあり、前記キヤビティ 内の雰囲気が lOOmTorr以下であることを特徴とする。
[0030] 本発明の角速度センサは、前記キヤビティに不活性ガスまたはゲッターに吸着され な 、ガスが封入されて 、ることを特徴とする。
[0031] 本発明の角速度センサは、前記 2枚の支持基板の一方に、前記静電駆動用の電 極に接続する第 1配線と該第 1配線近傍の第 2配線とが設けられており、前記第 1配 線及び第 2配線夫々に逆位相の電圧を印加するように構成したことを特徴とする。
[0032] 本発明の角速度センサは、前記 2枚の支持基板の一方に、前記振動周波数調整 用の電極に電圧を印加するための配線パターンが形成されていることを特徴とする。
[0033] 本発明の角速度センサは、前記配線パターンの本数は、前記振動周波数調整用 の電極の個数 Z2n (n：前記振動子の振動モードのモード次数)本であり、前記各配 線パターンには、 360° Z2n毎に設置された複数の前記振動周波数調整用の電極 が接続されて ヽることを特徴とする。
[0034] 本発明の角速度センサは、前記静電駆動用の電極及び前記容量検出用の電極と 前記リング部との距離に対する前記半導体基板の厚さの比を 8以上としてあることを 特徴とする。
[0035] 本発明の角速度センサにあっては、半導体基板内に静電駆動用の電極及び容量 検出用の電極を形成している。よって、特許文献 1の角速度センサに比べて、振動子 の封止特性が良好となる。また、キャパシタのギャップは振動子と静電駆動用の電極 及び容量検出用の電極とのギャップで規定されるが、振動子とこれらの電極とを半導 体基板の同一平面に形成しているため、このギャップは正確な制御が容易であるェ ツチング幅に依存することになり、均一な特性を有する角速度センサの量産が容易で ある。
[0036] 本発明の角速度センサにあっては、静電駆動用の電極と、容量検出用の電極と、 振動周波数調整用の電極とを各別に、半導体基板のリング部内側または外側に形 成している。例えば、半導体基板のリング部外側に静電駆動用の電極及び容量検出 用の電極を形成して、そのリング部内側に振動周波数調整用の電極を形成した構成 、またはこれとは逆に、半導体基板のリング部内側に静電駆動用の電極及び容量検 出用の電極を形成して、そのリング部外側に振動周波数調整用の電極を形成した構 成とする。よって、米国特許第 5616864号のように、振動周波数の調整に静電駆動 用の電極を併用することがないので、制御回路は単純で簡略化された構成となる。ま た、リング部に沿って、振動周波数調整用の電極を均等配置できるので、周波数の 整合を精度良く行える。
[0037] 本発明の角速度センサにあっては、振動子、半導体基板、静電駆動用の電極、容 量検出用の電極、及び振動周波数調整用の電極が、実質的に同一平面上で、例え ばシリコンなどの同一材料で構成されている。よって、 MEMSの加工技術の適用が 容易である。
[0038] 振動周波数調整用の電極をリング部に沿って配置する場合に、隣り合う電極間の 設置角度 Δ φが Δ φく 90° Ζη(η:モード次数)の条件を満たすようにする。振動 周波数調整用の電極間の角度分離がモード角分離よりも小さくなる要求を満たすこ とにより、振動周波数の調整を確実に行える。なお、振動周波数調整用の電極の個 数は、 3 Χ 2η、 4 X 2ηまたは 5 X 2η (η:モード次数）の何れであっても良い。
[0039] 本発明の角速度センサにあっては、 3個、 4個または 5個の振動周波数調整用の電 極力も構成される各セットを 360° Ζ2η(η:モード次数)の間隔でリング部の内側ま たは外側に形成している。 η次の振動モードでは、 360° /2η毎に対称性があるた め、このような電極配置により、電極の総面積が大きくなつて、周波数調整範囲が広 がる。このような電極配置とする場合、各セット間において対応する電極、言い換える と 360° Ζ2ηの間隔を隔てて配置されている電極に同じ電圧を印加するように構成 しても良いし、または、これらの対応する各電極に異なる電圧を印加するように構成し ても良い。前者の構成の場合には、配線パターンの簡素化、及び電圧源の個数の減 少化を図れ、後者の構成の場合には、高い精度の周波数調整を図れる。
[0040] 一般的な角型の振動子の場合には、周囲力 延びるビーム (梁）によって固定され ることが多ぐこの場合、ガラス Ζシリコン Ζガラスの異種材料の構成では、温度変化 時に膨張係数の差異に基づいて生じる内部応力の影響を強く受けるため、温度特性 が悪くなることがある。これに対して、本発明の角速度センサでは、半導体基板の中 心部で支持された複数の梁部に連なるリング部を有する振動子を使用しているため 、温度変化時でも振動子に働く内部応力の変化が小さぐ温度変化の影響を受ける ことがない。
[0041] 本発明の角速度センサにあっては、振動周波数調整用の電極と梁部との間にリン グ部と同電位の部分 (プレート）を設けている。よって、これらの振動周波数調整用の 電極と梁部との間に静電引力が作用することを防止する。また、リング部と同電位で ある部分 (プレート）に突起部を形成している。外部衝撃によって振動子が位置変動 した場合に、この突起部により振動子は、プレートに先に衝突し、静電駆動用の電極 及び容量検出用の電極に接着することがない。
[0042] 本発明の角速度センサにあっては、容量検出用の電極での検出信号を増幅する 増幅回路を半導体基板に形成しており、回路構成を小型化するとともに、検出信号 以外の外乱成分 (ノイズ)の入力を少なくする。
[0043] 本発明の角速度センサにあっては、半導体基板がガラスまたはシリコン製の 2枚の 支持基板で挟まれ、静電駆動用の電極、容量検出用の電極、及び Zまたは振動周 波数調整用の電極が、上側の支持基板にのみ接合させている、すなわち、上側の支 持基板につり下げて固定しているため、下側の支持基板に大きなキヤビティを設ける ことができるとともに、ゲッターの設置面積を広くとれる。
[0044] 本発明の角速度センサにあっては、 Q値を所定以上にするために、下側の支持基 板にゲッターを設けて振動子の雰囲気を低圧に保って 、る。一方で Q値の温度係数 が高くならないように、振動子の雰囲気を所定の圧力に保つ必要があるため、不活 性ガスまたはゲッターに吸着されな 、ガスをキヤビティに封入して！/、る。
[0045] 本発明の角速度センサにあっては、上側の支持基板に、静電駆動用の電極に接 続する第 1配線と第 1配線近傍の第 2配線とを設け、第 2配線に第 1配線とは逆位相 の電圧を印加するようにしている。静電駆動用の第 1配線が、容量検出用の電極の 上方を通った場合、クロストークが生じるため、第 1配線の近傍に配した第 2配線に逆 位相の電圧を印加してこのクロストーク成分をキャンセルする。よって、容量検出用の 電極はクロストークの影響を受けな!/、。
[0046] 本発明の角速度センサにあっては、上側の支持基板に、振動周波数調整用の電 極の個数 Z2n (n：モード次数)本の配線パターンが形成され、各配線パターンには 、 360° Z2n毎に設置された複数の振動周波数調整用の電極が接続されている。 よって、同じ機能を有する複数の振動周波数調整用の電極をまとめて 1つの配線パ ターンに接続させるため、配線パターンの簡略ィ匕を図れる。
[0047] 本発明の角速度センサにあっては、静電駆動用の電極 Z容量検出用の電極及び リング部の距離と半導体基板の厚さとの比 (アスペクト比）を調整する、具体的にはそ の比を 8以上とすることにより、振動子の雰囲気が lOOmTorr以下であっても Q値の 制御を容易とする。
発明の効果
[0048] 本発明では、半導体基板内に静電駆動用の電極と容量検出用の電極と振動周波 数調整用の電極とを形成するようにしたので、振動子の封止特性を向上できるととも に、制御回路が複雑でなくなり、均一な特性を有する角速度センサを容易に量産す ることができる。また、振動子をリング形状としているので、ガラス Zシリコン Zガラスな どの異種材料の構成であっても、温度変化の影響を受けることなぐ角速度を正確に 検出することができる。例えば、振動周波数調整用の電極を振動子のリング部の内 側に設けるようにしたので、リング部の内側領域を有効に利用でき、また、静電駆動 用の電極及び容量検出用の電極の面積を大きく取れて十分に大きい容量を得ること ができると共に、振動周波数調整用の電極の面積を大きく取れて振動周波数の高精 度の調整を行うことができる。
[0049] 本発明では、振動子、半導体基板、静電駆動用の電極、容量検出用の電極、及び 振動周波数調整用の電極を、同一材料 (シリコン）にて構成するようにしたので、 ME MSの加工技術を用いて、これらの微細な構造物を高精度に作製することができる。
[0050] 本発明では、隣り合う電極間の設置角度 Δ φが Δ φ < 90° Zn(n:モード次数）を 満たすようにしたので、振動周波数の調整を確実に行うことができる。
[0051] 本発明では、 3個、 4個または 5個の振動周波数調整用の電極を 1セットとして、各 セットを 360° Z2n(n:モード次数)の間隔でリング部の内側または外側に形成する ようにしたので、振動周波数調整用の電極の総面積を大きくできて、周波数調整範 囲を広げることができる。
[0052] 本発明では、梁部及びリング部と同電位のプレートを振動周波数調整用の電極と 梁部との間に設けるようにしたので、振動周波数調整用の電極と梁部との間に静電 引力が作用することを防止できる。また、梁部及びリング部と同電位であるプレートに 突起部を形成するようにしたので、外部衝撃によって振動子が位置変動した場合で も、振動子が静電駆動用の電極及び容量検出用の電極に接着することを防止するこ とがでさる。
[0053] 本発明では、容量検出用の電極での検出信号を増幅する増幅回路を半導体基板 に形成するようにしたので、回路構成を小型化できるとともに、検出信号の外乱入力 を少なくして正確な検出結果を得ることができる。
[0054] 本発明では、静電駆動用の電極、容量検出用の電極、及び Zまたは振動周波数 調整用の電極を上側の支持基板に接合させるようにしたので、これらの電極下方に ある下側の支持基板に広いキヤビティを形成できるとともに、ゲッタの設置面積を確 保することができる。
[0055] 本発明では、下側の支持基板のキヤビティ内にゲッターを設け、振動子の雰囲気を 低圧（lOOmTorr以下）に保つようにしたので、 Q値を所定以上にすることができる。 また、不活性ガスまたはゲッターに吸着されないガスをキヤビティに封入して、静電駆 動用の電極及び容量検出用の電極とリング部との距離に対する半導体基板の厚さ の比（アスペクト比）を 8以上とするようにしたので、振動子の雰囲気が lOOmTorr以 下であっても、 Q値を非常に高くさせずに所望の値に容易に制御することができる。
[0056] 本発明では、支持基板上の静電駆動用の第 1配線の近傍に、第 1配線と逆位相の 電圧を印加する第 2配線を設けるようにしたので、容量検出用の電極に及ぼされるク ロストークの影響を抑制することができる。
[0057] 本発明では、上側の支持基板に形成された振動周波数調整用の電極の個数 Z2n
(n:モード次数)本の配線パターンそれぞれに、 360° Z2n毎に設置された複数の 振動周波数調整用の電極を接続するようにしたので、配線パターンの簡素化を実現 することができる。
図面の簡単な説明
[0058] [図 1]本発明に係る角速度センサの断面構成図である。
[図 2]本発明に係る角速度センサのシリコンウェハの平面図である。
[図 3]本発明に係る角速度センサにおけるプレートの拡大図である。
[図 4]本発明に係る角速度センサでの 1次振動及び 2次振動の状態を示す図である。
[図 5]振動周波数調整用の電極の配置例を示す模式図である。
[図 6]振動周波数調整用の電極の配置例を示す模式図である。
[図 7]静電駆動用の電極に接続されるガラス基板上の金属配線の模式図である。
[図 8]振動周波数調整用の電極に接続されるガラス基板上の配線パターンを示す模 式図である。
[図 9]本発明に係る角速度センサの製造工程を示す断面図である。
[図 10]従来の角速度センサの構成図である。
符号の説明 1 シリコンウェハ (半導体基板）
2, 3 ガラス基板
10 振動子
11 中心部
12 梁部 (ビーム）
13 リング音
21a, 21b 静電駆動用の電極 (駆動電極)
21e, 21f 容量検出用の電極 (検出電極）
22, 24, 26, 28 ギャップ
23 振動周波数調整用の電極 (調整電極)
25 プレート
25a, 25b 突起部
27 ノ ッド、
29 増幅回路
31 スノレーホ一ノレ
32 ノ ッド、
33, 34 キヤビティ
35 ゲッター
36 ワイヤ
41 金属配線 (第 1配線)
42 電圧源
43 金属配線 (第 2配線)
51 配線パターン
発明を実施するための最良の形態
[0060] 以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。図 1は 本発明に係る角速度センサの断面構成図、図 2は本発明に係る角速度センサのシリ コンウェハの平面図である。
[0061] 平面リング共振器構造を用いた角速度センサでは、振動のモード次数を nとした場 合に、任意の nによる cosn Θモードの対を用いても動作が可能である。し力しながら、 高次モードでは、モード結合係数が低下し、またモードの形が複雑になるため、実用 的には低次モード (η= 2, η= 3)が広く用いられている。以下の実施の形態では、 η = 2である例、つまり cos2 Θモードを用いた例について説明する。
[0062] 本発明の角速度センサは、 MEMS技術を用いて後述する振動子、各種の電極な どを形成している半導体基板としてのシリコンウェハ 1 (例えば、厚さ 100〜300 m) を、パイレックス (登録商標)ガラス力もなる支持基板としての 2枚のガラス基板 2, 3で 挟み込んだ構成をなしており、ガラス Zシリコン Zガラスの 3層構造を採っている。そ して、ガラス基板 2, 3は、シリコンウェハ 1に形成された振動子 10を低圧に封止して いる。振動子 10は、中心部 1 1で支持されて周方向に 8等配して延在する 8本の梁部 (ビーム） 12と、これらの 8本の梁部 12に連結された環状のリング部 13とを有する。梁 部 12の一端は中心部 1 1に支持され、その他端はリング部 13に接続されており、梁 部 12がリング部 13を支持している。
[0063] リング部 13の外側には、リング部 13から適宜 (例えば 10 μ m程度）のギャップ 22を 空けて、 8個の電極 21 (21a〜21h)が等配的に形成されている。対向する電極同士 は、同じ機能を有しており、電極 21a及び 21bは、振動子 10に 1次振動を起こさせる ための静電駆動用の電極（以下単に駆動電極とも言う）であり、電極 21c及び 21dは 、振動子 10に生じた 1次振動を検出するための電極であり、電極 21e及び 21fは、振 動子 10に生じた 2次振動を検出するための容量検出用の電極 (以下単に検出電極 とも言う）であり、電極 21g及び 21hは、振動子 10に生じた 2次振動を打ち消すため の電極である。
[0064] 1次振動の振動数が振動子 10の固有振動数に合うように、駆動電極 21a, 21bと 1 次振動検出用の電極 21c, 21dとの間で振幅及び周波数を制御している。 2次振動 によって発生するコリオリカの影響を無くして検出精度の向上を図るベぐ 2次振動を ヌルにするための電圧を電極 21g及び 21hに印加する。この電圧をモニタすることに より、角速度の大きさを検出する。このように同じ機能を有する電極を 2個ずつ設ける ようにしているため、検出感度を 2倍とすることができる。また、対向する位置 (点対称 の位置）に同じ機能を有する電極を配置しているため、外部衝撃印加による出力変 動の際に互いのキャンセル効果を期待できる。
[0065] リング部 13の内側には、リング部 13から適宜 (例えば 10 μ m程度）のギャップ 24を 空けて、 16個の振動周波数調整用の電極 (以下単に調整電極とも言う） 23が等配的 に形成されている。これらの調整電極 23は、静電引力によって固有振動数を制御す る電極であり、 1次振動及び 2次振動での固有振動数を合わせ込む（一致させる）た めの電圧が印加される。本例では、 16個の調整電極 23を形成しており、両固有振動 数の整合を良好に行える。
[0066] 実質的に同一平面上に形成された振動子 10 (リング部 13及び梁部 12)と電極 21と 調整電極 23とを、同一材料 (シリコン）にて作製しているので、作製コストが低ぐ微細 な構造物を精度良く作製することが可能な MEMS技術を使い易い。なお、 MEMS の加工技術に適して導電性を有するシリコンを材料に用いることが一般的であるが、 スパッタ法またはメツキ法で積層した金属を材料として用いても良 ヽ。
[0067] 本発明では、駆動電極，検出電極などの 8個の電極 21 (21a〜21h)をリング部 13 の外側に配置し、 16個の調整電極 23をリング部 13の内側に配置している。よって、 リング部 13の外側に配置した 8個の電極 21は、調整電極 23の設置に伴う面積減少 の影響を受けることがなぐ十分に大きい容量が得られる。すなわち、これらの 24個 の電極全てをリング部 13の外側に配置する構成に比べて、 8個の電極 21の面積を 大きくすることができて十分な容量を得ることができると共に、 16個の調整電極 23の 面積を大きくすることができて振動周波数を高精度に調整することができる。また、リ ング部 13の内側領域を有効に利用して調整電極 23を形成して 、るため、小型の構 成を実現できている。
[0068] 隣り合う梁部 12, 12の間、及び、梁部 12と電極 23との間には、梁部 12及びリング 部 13と同電位である 8枚のプレート 25が、梁部 12,電極 23の間にぞれぞれギャップ 26, 28を介して形成されている。図 3は、このプレート 25の拡大図であり、プレート 2 5のリング部 13との対向面及び梁部 12との対向面には、突起部 25a, 25bが形成さ れている。
[0069] また、シリコンウェハ 1の隅角部には、振動子 10に生じた 1次振動または 2次振動を 検出するための電極 21c, 21d, 21e, 21fでの検出信号を増幅する増幅回路 29が 形成されており、プリアンプをセンサチップに糸且み込んだ構成として！、る。
[0070] 上側のガラス基板 2には、上記電極 21 (21a〜21h) , 23に対応する位置にスルー ホール 31が形成されている。各電極 21 (21a〜21h) , 23のノ ッド 27と、ガラス基板 2の表面に形成したパッド 32とを接続するワイヤ 36が、各スルーホール 31内を揷通 している。ガラス基板 2下部の振動子 10 (梁部 12及びリング部 13)に対応する領域は 、部分的に欠削されてキヤビティ 33となっている。このスルーホール 31及びキヤビテ ィ 33を設けた部分以外の領域では、ガラス基板 2の下面がシリコンウェハ 1に接合さ れている。
[0071] 下側のガラス基板 3の上面側には、大きなキヤビティ 34が設けられており、キヤビテ ィ 34の底面にゲッター 35が設けられている。キヤビティ 34を設けた部分以外の領域 では、ガラス基板 3の上面がシリコンウェハ 1に接合されている。ゲッター 35は、ガラス 基板 3とシリコンウェハ 1との陽極接合時に発生する水素ガスを吸着する。
[0072] 2枚のガラス基板 2, 3で、振動子 10、各種の電極 21, 23を支持するとともに、振動 子 10を低圧に封止している。リング部 13の内側に設けた調整電極 23は、上側のガ ラス基板 2にのみ接合されている、言い換えると、上側のガラス基板 2につり下げられ て固定されているため、下側のガラス基板 3に大きなキヤビティ 34を設けることができ るとともに、ゲッター 35の設置面積を広くとることが可能である。本発明では、シリコン ウェハ 1に駆動用または検出用の電極を形成して!/、るため、ガラス基板にこれらの電 極を設ける場合に比べて、封止特性が良好である。振動子 10 (梁部 12及びリング部 13)は、キヤビティ 33, 34内で振動する。
[0073] 次に、動作について説明する。本発明の角速度センサでは、静電引力を利用して 振動子 10を駆動させ（1次振動）、加えられた角速度に応じた新たな振動（2次振動） による静電容量の変化を検知し、その 2次振動をヌルにするために電極 21g及び 21 hに印加すべき電圧をモニタすることにより、加えられた角速度を検出する。まず、駆 動電極 21a, 21bに電圧を印加して、振動子 10に cos2 Θモードの 1次振動を起こさ せる。この 1次振動の状態を図 4 (a)に示す。ここで、リング部 13に垂直な軸を中心に 角速度（図 4 (a)の Ω )が生じた場合、コリオリカ（図 4 (a)の fc )が発生し、 sin2 Θモー ドの 2次振動を起こさせる。この 2次振動の状態を図 4 (b)に示す。 1次振動と 2次振 動との共振周波数は、完全な構成であれば理論的には一致する。
[0074] 振動子 10の静電駆動用に直流電圧 V と交流電圧 V とが印加された場合、電極
DC AC
に加えられる力 Fは下記（1)式で示される。
F= ε S (V +V ) 2 /2d2
DC AC
但し、 ε：誘電率、 S :電極の面積、 d :リング部，電極間の距離
[0075] 振動時の振動子 10と電極 21c及び 21dとの間に蓄積する電気量 Qは下記（2)式で 表され、下記（3)式で示される電流を検出することになるため、この電流の変化をモ ニタすることによって、 1次振動を検出する。そして、加えられる角速度で発生するコリ オリ力で励起する 2次振動を電極 21e及び 21fで検出し、励起した 2次振動をヌルに するために電極 21g及び 21hに印加すべき電圧をモニタして、加えられた角速度を 検出する。
[0076] [数 1]
—V
+ ae
Figure imgf000017_0001
j^Vame]COt , x
… )
d0 + ae
[0077] 但し、 V:リング部，電極間の電圧、 d ：リング部，電極間の初期距離、
0
a : l次振動の振幅、 ω :共振周波数
[0078] 次に、本発明の特徴部分をなす調整電極 23の構成、作用、効果などについて説 明する。 cosn Θモードを用いる振動型の角速度センサでは、駆動する 1次振動の固 有振動数と角速度によって励起される 2次振動の固有振動数とを正確に整合させる 必要があり、調整電極 23は、これらの固有振動数を整合させるための調整を行う。あ る調整電極 23に電圧が印加された場合に、 cos2 Θモードでの周波数変化の大きさ は、そのモードの振動軸に対する調整電極 23の角度位置に依存する。 cos2 Θモー ドは 45° の振動軸のずれを持つ 2つのモードを有するが、その一方のモードの振動 軸方向（径方向の腹）に電圧が印加された場合、そのモード周波数での最大シフトが 達成されることになる。この位置は他方のモードの径方向の節と一致し、この位置で は径方向の動きはないので、このモードにぉ 、て結果として周波数変化は最小とな る。従って、製作過程で発生する不完全なリングにおける 2つのモードの周波数差（ つまり、非ゼロモードの周波数スプリット）を最小にするために、モード周波数を差分 的に調整することが可能である。調整電極 23に印加される電圧の大きさは、最初に 測定された周波数スプリットを正確に補償するような周波数シフトを誘起するように計 算される。
[0079] 一方のモードの振動軸方向が 1つの調整電極 23に対して完全に一致しない場合、 この位置で両方のモードが径方向の動きを持っため、電圧が印加されると両方の周 波数が変化する。この場合、両方のモード周波数を一致させるためには、かなりの高 電圧を要し、必要な電圧の計算はより複雑になる。要求される電圧を容易に計算でき る場合、効率的に周波数の平衡を実現するためには、 2つの振動モードのうち高い 周波数を持つモードの振動軸に沿って、複数の電極に平衡力を正確に分解すること が必要である。
[0080] そこで本実施の形態では、 0° と 90° との間、 90° と 180° との間、 180° と 270 ° との間、 270° と 360° ( = 0° )との間に、 22. 5° の間をあけてそれぞれ 4個ず つの調整電極 23を配置した構成としている。この構成では、高い周波数を持つモー ドの振動軸の両側の最も近い調整電極 23に、下記 (4)式， （5)式で示される電圧 Δ VI , AV2 が印加されて、振動軸 (角度 φ πι )に沿って分解力が与えられる。
[0081] [数 2]
Figure imgf000018_0001
[0082] 但し、 ΐ , 2 ：振動軸（角度 φ πι )の両側の最も近い 2個の調整電極
23の角度位置
η：モード次数 (本実施の形態では η= 2)
Δ F：平衡すべきモード周波数スプリット
k：周波数調整係数を定義する定数
[0083] なお、高周波数モードの振動軸が 1つの調整電極 23の中心と一致する場合には、 その 1つの調整電極 23のみに電圧を印加するだけで良い。例えば、 φ πι = φ 1 であれば A V2 =0となり、 φ πι = 2 であれば Δνΐ =0となる。
[0084] 以上のような効果は、 0° と 90° との間のみに 4個の調整電極 23を配置するだけで も得られるが、本実施の形態では、同一の電圧を印加する調整電極 23を他の角度 領域にも設置することにより、調整電極 23の総面積を増加させて、 4倍の周波数調整 範囲が得られるようにしている。これは、 cos2 Θモードの振動形状が、 90° 毎に対称 性を有するからである。一般的に n次の振動モードの場合では、 360° Z2n毎に対 称性を有するため、 360° Z2n毎に振動周波数調整用の電極を配置すれば、 cos2 Θモードと同様に周波数調整範囲を広げることができる。
[0085] 調整電極 23の配置条件は、高周波数モードの振動軸 (角度 φ m )に沿って十分 な角解像で平衡力を分解でき、 cos2 Θモード周波数を差分的にシフトできることであ る。これには、隣り合う調整電極 23, 23間の設置角度差がモード離角度より小さいこ とが要求され、具体的に、その設置角度差 Δ φは、 nをモード次数とした場合に、下 記（6)式で示される条件を満たす必要がある。具体的に、設置角度差 Δ φは、 cos2 Θモードの場合に 45° 未満、 cos3 Θモードの場合に 30° 未満となる。
Δ < 90° Zn - - - (6)
[0086] 調整電極 23, 23の設置角度差が上記 (6)式の限界に近ぐしかも振動軸が 2個の 調整電極 23, 23の間に位置する場合には、調整電極 23に印加される電圧が両方 のモードに対して似通った効果をもつことになり、周波数整合には高電圧が必要であ る。し力しながら、個々の調整電極 23が大きくなるため表面積が増加することにより、 この効果は一部オフセットとなり得る。
[0087] 調整電極 23の総面積を最大限にして調整範囲を最大限にすることが好ましい。ま た、 180° Znの各円弧の領域に調整電極 23を同じ個数ずつ配置することが望まし ぐこのような構成により、調整電極 23の構成を 2n組まで増やすことができる。
[0088] 本実施の形態では、 90° の各円弧内で 4個の調整電極 23を設け、総数 16個の調 整電極 23を設置している。図 5,図 6は、 cos2 Θモードにおける調整電極 23の配置 の他の例を示している。図 5に示す例では、 90° の各円弧内で 3個の調整電極 23を 設け、総数 12個の調整電極 23を設置している。図 6に示す例では、 90° の各円弧 内で 5個の調整電極 23を設け、総数 20個の調整電極 23を設置して 、る。
[0089] 90° の各円弧内で 2個の調整電極 23を設置した場合には、上記（6)式の条件を 満たさなくなって、周波数整合を行えなくなる。一方、調整電極 23を設置個数を図 6 に示す例より多くすることもできるが、必要な電気的接続が増加し、差分電圧が印加 される電極面積が小さくなつてしまうので、実用的とは言えない。
[0090] よって、 nをモード次数とした場合に、設置される調整電極 23の総数は、 3 X 2n、 4
X 2nまたは 5 X 2nとすることが実用的である。これに基づくと、 cos3 Θモードの場合 には、 60° (180° Znで n= 3)の各円弧の中に、 3個、 4個または 5個の調整電極 2 3をそれぞれ設け、総数で 18個、 24個または 30個の調整電極 23を設ける構成が好 ましい。
[0091] 以下、本発明の角速度センサの更なる特徴及びその特徴に基づく効果について説 明する。中心部 11で支持された 8本の梁部 12と、これらの梁部 12に連結されたリン グ部 13とから振動子 10を構成しているため、他の振動子に比べて質量を小さくでき て、慣性力の影響が少なくなる。また、振動子 10が振動しても、その重心位置は変動 しないため、反力が少なぐ振動子 10の固定系への影響が小さい。中心部 11で支持 されているため、ガラスとシリコンとにおける膨張係数の差力 生じる内部応力の影響 を受けることがなぐ温度特性に優れている。
[0092] シリコンウェハ 1に各種の電極を形成しているため、振動子 10の封止機能の信頼性 を高くできる。また、振動子 10 (リング部 13)と各種の電極とを同一平面上に形成して いるため、マスクパターンの幅を調整することにより、振動子 10 (リング部 13)と各種 の電極との間の距離を制御することになり、その制御は簡単であって、所望の距離を 容易に実現できる。この結果、所望で均一な特性を有する角速度センサの量産が可 能となる。
[0093] 本発明の角速度センサにおける Q値の制御について説明する。振動子 10に一般 的に求められる Q値は 1000以上である。振動子 10の雰囲気の圧力が高い場合に は Q値が低くなるため、圧力を低くするために、気体 (特に陽極接合時に発生する水 素ガス）を吸着するためのゲッター 35をガラス基板 3に設けている。但し、 Q値が高す ぎる場合には、振動子 10を駆動する回路の制御系（特に駆動電圧の振動素を制御 する PLL (Phase Lock Loop)回路など）に高い分解能が必要となる、温度係数が大き い内部摩擦によるダンパー効果が支配して温度特性が悪くなるなどの問題があるの で、 Q値には上限が存在する。
[0094] 任意の Q値を得るために、陽極接合時にゲッター 35が吸収しない希ガス (Ar, Ne など）を封入してガスによるダンパー効果を制御する方法が考えられる。しかしながら 、陽極接合時には高電圧が印加されるので、希ガスの圧力が所定範囲である場合に は放電が問題となる。例えば、 Arを封入ガスに用い、陽極接合時に 350V以上の電 圧を印加した場合、 lOOmTorr以上で放電が発生する。 Q値は振動子 10の雰囲気 の圧力に影響され、 lOOmTorr以下では、 Q値が非常に高くなつて上記上限を超え ることになる。
[0095] 同じ圧力下でも振動子 10の構造がダンピング効果に大きな影響を与え、特に、ギ ヤップ部でのスクイーズダンピング効果の影響力が高い。この点を考慮して、本実施 の形態では、リング部 13と電極 21 (21&〜2111)との間の距離(1、つまりギャップ 22の 幅 d (図 1参照）に対するシリコンウェハ 1の厚さ T (図 1参照）の割合 (アスペクト比) T Zdを高くする。具体的には、 TZdの値を 8以上として、振動子 10の Q値を制御する 。よって、本発明にあっては、 lOOmTorr以下であっても、非常に高くならないように Q値を制御することが可能である。
[0096] 次に、梁部 12, 12の間、及び、梁部 12,調整電極 23の間に設けたプレート 25と、 プレート 25に形成した突起部 25aとの効果について説明する。プレート 25は、振動 子 10 (梁部 12及びリング部 13)と同電位であり、このようなプレート 25を梁部 12と調 整電極 23との間に設けているので、梁部 12と調整電極 23との間に静電引力が作用 することを防止でき、固有振動数を変動させることがない。 [0097] 外部衝撃による慣性力が生じた場合、プレート 25の突起部 25aの存在により、梁部 12またはリング部 13は、これと同電位であるプレート 25に先に衝突するため、梁部 1 2またはリング部 13の変移量を抑制することができる。なお、突起部 25aを梁部 12ま たはリング部 13に形成しても同様の効果を奏することはできるが、可動部材である梁 部 12またはリング部 13に突起部 25aを形成した場合、その質量変化、応力の異常発 生など、振動に悪影響を及ぼすことが考えられるため、本発明では、固定部材である プレート 25に突起部 25aを形成している。
[0098] また、振動子 10に生じた 1次振動または 2次振動を検出するための電極 21c, 21d , 21e, 21fから出力される検出信号のレベルはかなり小さい。よって、浮遊容量に反 応し、検出チャンネルに組み込まれる偽信号を生じさせる結果となり、性能が劣化す ることが考えられる。誤差を最小限にするためには、出来る限り電極の近傍で検出信 号を増幅することが好ましい。そこで、本実施の形態では、シリコンウェハ 1に増幅回 路 29を形成して、各電極 21c, 21d, 21e, 21fからの検出信号を増幅する。よって、 レベルが小さくても、正確な検出信号を取得することが可能である。
[0099] 次に、上側のガラス基板 2上での金属配線について説明する。図 7は、駆動電極 2 la (または 21b)に接続される金属配線の模式図であり、図 7において、図 1,図 2と同 一部分には同一符号を付している。駆動電極 21aのパッド 27にワイヤ 36を介して接 続されるガラス基板 2のパッド 32に、その一端を接続させた第 1配線としての駆動電 圧用の金属配線 41がガラス基板 2上にパターン形成されて!、る。金属配線 41の他 端は、電圧源 42に接続されている。この金属配線 41に並設して、第 2配線としてのキ ヤンセル用の金属配線 43がガラス基板 2上にパターン形成されている。この金属配 線 43の一端は開放され、他端は電圧源 42に接続されて ヽる。
[0100] 電圧源 42は、金属配線 41に駆動電圧を印加し、この駆動電圧と逆位相の電圧を 金属配線 43に印加する。駆動電圧用の金属配線 41が検出電極 21e (または 21f)の 上方を通った場合に、容量性結合による信号伝播 (クロストーク）が発生する。そこで 、本実施の形態では、金属配線 41の近傍にある金属配線 43に駆動電圧と逆位相の 電圧を印加して、このクロストーク成分をキャンセルする。この結果、検出電極 21e (ま たは 21f)ではクロストークの影響を受けない検出信号が得られて、正確な角速度を 検出することができる。
[0101] 一般に 1次振動を駆動するための電圧は、 2次振動をヌルにするための駆動電圧よ りも大きいため、 1次振動の駆動用電極 21a, 21bに接続される金属配線にのみ上述 したような構成を適用すれば良い。このようにすれば、金属配線の必要以上の複雑 化を防止できる。し力しながら、検出対象の角速度が非常に大きい場合には、 2次振 動をヌルにするための駆動電圧によるクロストークが有意の大きさとなるので、 2次振 動をヌルにするための駆動用電極 21g, 21hにも、同様の構成を適用することが好ま しい。
[0102] 次に、上側のガラス基板 2上での 16個の調整電極 23における金属配線について 説明する。図 8は、この金属配線の模式図であり、図 8において、図 1,図 2と同一部 分には同一符号を付している。上側のガラス基板 2には、 16 (調整電極 23の個数) Z 2 X 2 (モード次数） =4本の配線パターン 51が形成されている。各配線パターン 51 には、 360° Z2 X 2 = 90° 毎に設置された 4個の調整電極 23が、ガラス基板 2に 形成されたスルーホールを介してワイヤボンディング接続されて 、る。各配線パター ン 51の一端は、ガラス基板 2の一つの周縁部まで延長されている。そして、少なくとも 1つの調整電極 23へ電圧を印加する電圧源 52に、これらの配線パターン 51の一端 が接続される。なお、 53はリング部 13に一定の DC電圧を与えるための電極である。
[0103] 本実施の形態では、同一の調整用電圧が印加される 4個ずつの調整電極 23をそ れぞれ各 1本の配線パターン 51にて接続するようにしたので、 16個の調整電極 23そ れぞれに対して配線を施す場合に比べて、配線構造の簡略ィ匕を図ることができる。
[0104] 図 8に示すような配線パターンにて、 90° 毎に設置された 4個の調整電極 23それ ぞれに同一の電圧を印加すれば、調整電極 23用に準備する電圧源の個数を最少 にできる。しかしながら、電圧源の分解能が充分でない場合に、高精度の周波数調 整を実現するためには、 90° 毎に設置された 4個の調整電極 23に独立して異なる 電圧を印加した方が良い。例えば、電圧源の分解能が 3段階である場合には、 90° 毎に設置された各調整電極 23に同一の電圧を印加したときに、 3段階の平衡力しか 与えられない。これに対して独立的に異なる電圧を印加できれば、 12段階の平衡力 を与えることができる。 [0105] 振動周波数調整用の電極はセンサの内側に点在しているので、ガラス基板の上に 配線パターンを配置してそれらの電極に電気的接続を施すことは、外部との配線を 容易にするために有用である。
[0106] 次に、本発明の角速度センサの製造方法について説明する。図 9は、その製造ェ 程を示す断面図である。シリコンウェハ 1上にパッド 27を形成する（図 9 (a) )。具体的 には、シリコンウェハ 1の表面にパッド 27となる金属膜を蒸着した後、フォトリソグラフィ で作成したレジストパターンをマスクとしたウエットエッチングにより、パッド 27をパター ン形成する。
[0107] 次いで、スルーホールが設けられた上側のガラス基板 2を、陽極接合によってシリコ ンウェハ 1に接合する（図 9 (b) )。なお、接合されるガラス基板 2には、サンドブラスト 加工によってキヤビティ 33が予め作成されているとともに、金属膜の蒸着，フォトリソ グラフィ，ウエットエッチングの一連の処理によって、その表面にパッド 32及び金属配 線（図示せず）が予め作成されている。次いで、シリコンウェハ 1のガラス基板 2との接 合面とは反対側から、 DeepRIE (Reactive Ion Etching)処理などを含む MEMS技術 を用いて、リング部 13を有する振動子、電極 21, 23、溝 22, 24などをシリコンウェハ 1に形成する（図 9 (c) )。
[0108] 次いで、陽極接合により、シリコンウェハ 1に下側のガラス基板 3を接合する（図 9 (d ) )。なお、接合されるガラス基板 3には、サンドブラスト加工にて作成されたキヤビティ 34の底面にゲッター 35が予め設けられている。この接合時に Arガスを封入し、接合 後、ゲッター 35を加熱して活性ィ匕させて水素ガスなどを吸着させる。最後に、シリコン ウェハ 1の電極 21, 23のパッド 27とガラス基板 2のパッド 32とをワイヤ 36にてボンディ ングする（図 9 (e) )。
[0109] なお、上述した例ではガラス基板 2Zシリコンウェハ 1Zガラス基板 3からなるガラス Zシリコン Zガラスの 3層構成としたが、ガラス基板に代えてシリコン基板を使用する ことも可能であり、ガラス Zシリコン Zシリコンの 3層構成またはシリコン Zシリコン Zガ ラスの 3層構成、更に、シリコン Zシリコン Zシリコンの 3層構成であっても、本発明は 適用可能である。但し、シリコン，シリコン間には絶縁を図るために SiOなどの絶縁膜
2
を介装する必要がある。また、シリコン，シリコンの接合は、陽極接合ではなくて、貼り 合わせて加熱するフュージョン接合である。
[0110] なお、上述した実施の形態では、 cos2 Θモードにて振動する場合について説明し た力 cos3 Θモードにて振動する場合についても本発明を同様に適用することがで き、一般的な cosn Θモードの全てに対して、本発明の構成を用いることができる。
[0111] また、上述した実施の形態では、静電駆動用の電極及び容量駆動用の電極をリン グ部の外側に形成し、振動周波数調整用の電極をリング部の内側に形成したが、こ れとは逆に、静電駆動用の電極及び容量駆動用の電極をリング部の内側に形成し、 振動周波数調整用の電極をリング部の外側に形成する構成であっても、本発明を同 様に適用できる。更に、静電駆動用の電極と、容量駆動用の電極と、振動周波数調 整用の電極とを、リング部の外側または内側に混在させて形成するようにしても良い
[0112] また、上述した実施の形態では、シリコンウェハの中心部で一端が支持された複数 の梁部にてリング部を支持するようにしたが、リング部をその外側力も支持するような 構成であっても、本発明を同様に適用できる。
[0113] また、上述した実施の形態では、振動周波数調整用の電極のみが上側のガラス基 板に接合される（つり下げられる）ようにしたが、静電駆動用の電極、容量駆動用の電 極、及び Zまたはリング部を支える中心部も同様に、上側のガラス基板に接合される
(つり下げられる）ようにしても良い。このようにすると、キヤビティが大きくなり、ゲッター が占める面積も大きくなるので、信頼性の高いパッケージが可能となる。
[0114] また、上述した実施の形態では、リング部 13と同電位のプレート 25を設けるようにし ているが、プレート 25は必ずしも必須の部材ではない。梁部 12、調整電極 23のサイ ズ、または梁部 12,調整電極 23間の距離を調整することにより、弱い静電引力しか かからな!/、ようにできれば、プレート 25を設ける必要はな!/、。

Claims

請求の範囲
[1] 検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子を形成し た半導体基板を備えた角速度センサにおいて、
前記振動子の静電駆動用の電極と前記振動子の容量検出用の電極とを、前記半 導体基板の前記リング部内側または外側に形成してあり、前記振動子の振動周波数 調整用の電極を、前記静電駆動用の電極及び前記容量検出用の電極とは反対側 の前記リング部外側または内側に形成してあることを特徴とする角速度センサ。
[2] 検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子を形成し た半導体基板を備えた角速度センサにおいて、
前記半導体基板の前記リング部外側に前記振動子の静電駆動用の電極及び前記 振動子の容量検出用の電極を形成し、前記半導体基板の前記リング部内側に前記 振動子の振動周波数調整用の電極を形成してあることを特徴とする角速度センサ。
[3] 検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子を形成し た半導体基板を備えた角速度センサにおいて、
前記半導体基板の前記リング部内側に前記振動子の静電駆動用の電極及び前記 振動子の容量検出用の電極を形成し、前記半導体基板の前記リング部外側に前記 振動子の振動周波数調整用の電極を形成してあることを特徴とする角速度センサ。
[4] 前記振動子、前記半導体基板、前記静電駆動用の電極、前記容量検出用の電極
、及び前記振動周波数調整用の電極は、同一材料で作成されていることを特徴とす る請求項 1乃至 3のいずれかに記載の角速度センサ。
[5] 前記同一材料はシリコンであることを特徴とする請求項 4記載の角速度センサ。
[6] 前記静電駆動用の電極、前記容量検出用の電極、前記振動周波数調整用の電極 及び前記半導体基板は、実質的に同じ平面上にあることを特徴とする請求項 1乃至
5のいずれかに記載の角速度センサ。
[7] 前記振動周波数調整用の電極の隣り合う電極間の設置角度差 Δ φが、 φく 90
° Zn (n：前記振動子の振動モードのモード次数)を満たすことを特徴とする請求項
1乃至 6のいずれかに記載の角速度センサ。
[8] 前記振動周波数調整用の電極の個数は、 3 X 2n、 4 X 2nまたは 5 X 2nである（n: 前記振動子の振動モードのモード次数)ことを特徴とする請求項 1乃至 7のいずれか に記載の角速度センサ。
[9] 一組が 3個、 4個または 5個の振動周波数調整用の電極力もなる複数組の振動周 波数調整用の電極を、 360° /2n (n:前記振動子の振動モードのモード次数）の間 隔で前記リング部の内側または外側に形成してあることを特徴とする請求項 1乃至 8 のいずれかに記載の角速度センサ。
[10] 前記複数組の間で対応する振動周波数調整用の電極が存在しており、各組の対 応する振動周波数調整用の電極には同じ電圧が印加されることを特徴とする請求項
9記載の角速度センサ。
[11] 前記複数組の間で対応する振動周波数調整用の電極が存在しており、各組の対 応する振動周波数調整用の電極に独立的に電圧が印加されることを特徴とする請求 項 9記載の角速度センサ。
[12] 前記振動子は、前記半導体基板の中心部でその一端が支持され、その他端が前 記リング部に連なる複数の梁部を有することを特徴とする請求項 1乃至 11のいずれ かに記載の角速度センサ。
[13] 前記振動子は、前記半導体基板の前記リング部外側でその一端が支持され、その 他端が前記リング部に連なる複数の梁部を有することを特徴とする請求項 1乃至 11 のいずれかに記載の角速度センサ。
[14] 前記振動周波数調整用の電極と前記梁部との間に、前記リング部と同電位の部分 を形成してあることを特徴とする請求項 12または 13記載の角速度センサ。
[15] 前記同電位の部分に突起部を形成してあることを特徴とする請求項 14記載の角速 度センサ。
[16] 前記容量検出用の電極からの検出信号を増幅する増幅回路を前記半導体基板に 形成してあることを特徴とする請求項 1乃至 15のいずれかに記載の角速度センサ。
[17] 前記半導体基板は 2枚の支持基板で挟まれており、前記振動子、前記静電駆動用 の電極、前記容量検出用の電極、及び前記振動周波数調整用の電極を収容するキ ャビティを形成してあることを特徴とする請求項 1乃至 16のいずれかに記載の角速度 センサ。
[18] 前記静電駆動用の電極、前記容量検出用の電極、及び前記振動周波数調整用の 電極、及び前記振動子を支える中心部の少なくとも 1つを、前記 2枚の支持基板の一 方に接合させて形成してあることを特徴とする請求項 17記載の角速度センサ。
[19] 前記キヤビティにゲッターを設けてあり、前記キヤビティ内の雰囲気が lOOmTorr以 下であることを特徴とする請求項 17または 18記載の角速度センサ。
[20] 前記キヤビティに不活性ガスまたはゲッターに吸着されな！、ガスが封入されて!、る ことを特徴とする請求項 19記載の角速度センサ。
[21] 前記 2枚の支持基板の一方に、前記静電駆動用の電極に接続する第 1配線と該第 1配線近傍の第 2配線とが設けられており、前記第 1配線及び第 2配線夫々に逆位相 の電圧を印加するように構成したことを特徴とする請求項 17乃至 20のいずれかに記 載の角速度センサ。
[22] 前記 2枚の支持基板の一方に、前記振動周波数調整用の電極に電圧を印加する ための配線パターンが形成されていることを特徴とする請求項 17乃至 21のいずれか に記載の角速度センサ。
[23] 前記配線パターンの本数は、前記振動周波数調整用の電極の個数 Z2n(n:前記 振動子の振動モードのモード次数)本であり、前記各配線パターンには、 360° /2 n毎に設置された複数の前記振動周波数調整用の電極が接続されていることを特徴 とする請求項 22記載の角速度センサ。
[24] 前記静電駆動用の電極及び前記容量検出用の電極と前記リング部との距離に対 する前記半導体基板の厚さの比を 8以上としてあることを特徴とする請求項 1乃至 23 のいずれかに記載の角速度センサ。
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