JP2741861B2 - Vibrator - Google Patents

Vibrator

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JP2741861B2
JP2741861B2 JP63041985A JP4198588A JP2741861B2 JP 2741861 B2 JP2741861 B2 JP 2741861B2 JP 63041985 A JP63041985 A JP 63041985A JP 4198588 A JP4198588 A JP 4198588A JP 2741861 B2 JP2741861 B2 JP 2741861B2
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佐藤  一雄
重雄 加藤
晃 小出
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微小な振動子に係り、特にμmオーダまた
は、それ以下の変位を利用する物理量センサに好適な振
動子に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microscopic vibrator, and more particularly to a vibrator suitable for a physical quantity sensor using a displacement on the order of μm or less.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の振動子は特許938959号や特開昭61−97572号公
報に記載され、第6図にその断面図を示したように支持
部101,梁部102,質量部103から構成され、その支持部を
固定して用いる片持梁型の構造となつていた。
A conventional vibrator is described in Japanese Patent No. 938959 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-97572, and includes a support portion 101, a beam portion 102, and a mass portion 103 as shown in the sectional view of FIG. It had a cantilever type structure in which the parts were fixed.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来技術は梁のたわみ変形量を大きくすることを
主眼としている。外力によりなわみ振動すると、第7図
に示すように基準位置104に対して質量部103は角度θだ
け傾く。その結果、質量部の長さをaとすると、質量部
の付け根と先端とでは、Δh=a・θだけの振幅差が生
じてしまう。このように従来技術では質量部の傾きによ
る上記振幅差の発生について配慮されておらず、質量部
と対向した壁面との間の静電容量変化による振動検出を
する際に、感度を向上させる上で問題があつた。また、
従来技術の振動子はシリコン単結晶を異方性エツチング
で作るため、第9図に示すように梁の断面106が台形状
を成し、外面108と内面107の寸法に差が生じて、梁部の
上,下に対称に電歪材や抵抗素子を形成することが困難
という問題があつた。さらに第6図においてy方向に外
力が働くと、質量部の重心と梁部のy方向の軸とがずれ
ているためモーメントが加わりたわみ変形するという問
題があつた。
The above prior art focuses on increasing the amount of deflection deformation of the beam. When bending vibration is caused by an external force, the mass portion 103 is inclined by an angle θ with respect to the reference position 104 as shown in FIG. As a result, assuming that the length of the mass part is a, an amplitude difference of Δh = a · θ occurs between the root and the tip of the mass part. As described above, the prior art does not consider the occurrence of the above-described amplitude difference due to the inclination of the mass part, and improves the sensitivity when detecting vibration due to a change in capacitance between the mass part and the opposing wall surface. There was a problem. Also,
In the prior art oscillator, a silicon single crystal is formed by anisotropic etching, so that the cross section 106 of the beam has a trapezoidal shape as shown in FIG. There is a problem that it is difficult to form the electrostrictive material and the resistance element symmetrically above and below the portion. Further, in FIG. 6, when an external force acts in the y direction, the center of gravity of the mass part and the axis in the y direction of the beam part are displaced from each other, so that there is a problem that a bending is applied due to a moment.

本発明の目的は、質量部をz方向のみの外力で平行に
並進することを可能とする振動子を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a vibrator capable of translating a mass part in parallel with an external force only in the z direction.

また、本発明の目的は、静電容量変化による振動検出
を精度よく行うことを可能とする振動子を提供すること
にある。
Another object of the present invention is to provide a vibrator capable of accurately detecting vibration due to a change in capacitance.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的を達成するために、本願発明の振動子は、外
力を受ける質量部と、前記外力に応じてたわみ変形する
2つの梁と、前記質量部を前記2つの梁を介して片持ち
支持する支持部とからなる片持ち梁型の振動子であっ
て、前記質量部の外力を受ける面の一方の面には第1の
電極、他方の面には第2の電極、前記第1の電極と対向
する面には第3の電極、前記第2の電極と対向する面に
は第4の電極がそれぞれ形成されており、前記質量部の
外力を受ける面の面積は、前記外力を受ける面と同一面
上にある前記2つの梁の面の面積よりも大きく構成され
ており、前記2つの梁の各々は、前記外力の方向に対し
て垂直な方向の一対の平行板で構成された平行板ばねで
あってこの一対の平行板の各々には歪ゲージが形成され
ており、前記2つの梁は互いに所望の距離だけ離れて配
設されていることを特徴とする。
MEANS TO SOLVE THE PROBLEM In order to achieve the said objective, the vibrator of this invention is a mass part which receives an external force, two beams which bend and deform according to the said external force, and supports the said mass part cantilever via the two beams. A cantilever-type vibrator comprising a support portion, wherein one surface of the surface receiving the external force of the mass portion has a first electrode, the other surface has a second electrode, and the first electrode A third electrode is formed on a surface facing the second electrode, and a fourth electrode is formed on a surface facing the second electrode. The area of the surface receiving the external force of the mass part is the surface receiving the external force. Are larger than the area of the surface of the two beams on the same plane, and each of the two beams is formed of a pair of parallel plates in a direction perpendicular to the direction of the external force. A plate spring, wherein each of the pair of parallel plates is formed with a strain gauge; Characterized in that it is arranged apart by a desired distance from each other.

〔作用〕[Action]

質量部を一対の平行な板ばねで片持ち支持する構造で
あるため、梁部は、質量部を平行案内する柔軟な梁とす
ることができる。またこの構造をシリコン単結晶から作
ることにより、この一対の梁を振動子の中心軸に対して
対称な構造とすることができるので、振動子の中立軸で
あるy方向の外力によるモーメントでたわみ変形するこ
とがなくなる。
Since the mass portion is cantilevered by a pair of parallel leaf springs, the beam portion can be a flexible beam that guides the mass portion in parallel. Also, by making this structure from silicon single crystal, the pair of beams can be made symmetrical with respect to the central axis of the vibrator, so that the beam is deflected by a moment due to an external force in the y direction, which is the neutral axis of the vibrator. No deformation.

さらに一枚のシリコン単結晶の表裏面に同じパターン
を形成して異方性エツチング処理を行うことにより平行
で対称な一対の梁が形成されるので、互に対称な梁の部
分に抵抗素子や電歪素子を形成することができる。
Furthermore, by forming the same pattern on the front and back surfaces of one silicon single crystal and performing anisotropic etching, a pair of parallel and symmetric beams is formed. An electrostrictive element can be formed.

〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。シ
リコンウエーハの両面に所望の振動子の平面形状を作る
ための表裏面対称なパターンをリソグラフイ技術を用い
てパターンニングする。次にそれを用いて、耐エツチン
グマスクを酸化膜で形成する。最後にKOHの40%水溶液
を用いて異方性エツチング処理を行なうと本発明の振動
子ができる。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. A symmetrical pattern is formed on both sides of the silicon wafer by using a lithography technique to form a symmetrical pattern on the front and back surfaces to form a desired oscillator planar shape. Next, an etching resistant mask is formed of an oxide film by using it. Finally, when the anisotropic etching treatment is performed using a 40% aqueous solution of KOH, the vibrator of the present invention is obtained.

支持部1から梁部2,3を介して質量部4が支持された
構造である。質量部4の法線方向はシリコン単結晶{10
0}軸、また質量部4の中心軸y方向は{110}軸であ
る。質量部4と支持部1の厚さは400μm,質量部の面積
は2×2mm,梁部2,3の厚さは各々20μmで長さ200μmで
ある。第2図は本発明のy軸上の横断面図であり、第1
図と同一部品は同一番号を付した。振動子の支持部1は
外部の固定台5に接着されている。梁部2と3は振動子
のy方向の中心軸に対して対称な形状である。第3図
は、外力Fが加わり質量部4がhだけ移動した状態であ
る。梁部2,3が平行板ばね案内の作用をするため、質量
部4は、平行な並進移動のみが行なえる。
In this structure, the mass part 4 is supported from the support part 1 via the beam parts 2 and 3. The normal direction of mass part 4 is silicon single crystal {10
The 0 ° axis and the central axis y direction of the mass part 4 are {110} axes. The thickness of the mass part 4 and the support part 1 is 400 μm, the area of the mass part is 2 × 2 mm, the thickness of the beam parts 2 and 3 is 20 μm and the length is 200 μm. FIG. 2 is a cross-sectional view on the y-axis of the present invention.
The same parts as those in the drawings are denoted by the same reference numerals. The support portion 1 of the vibrator is bonded to an external fixed base 5. The beams 2 and 3 are symmetrical with respect to the center axis of the vibrator in the y direction. FIG. 3 shows a state in which the external force F is applied and the mass part 4 moves by h. Since the beams 2 and 3 act as parallel leaf spring guides, the mass 4 can only perform parallel translation.

また第2図において、y方向に圧縮の外力が加わつた
場合、梁部2,3に等しく重心Gのモーメントが加わるた
め、第7図の従来例のような、たわみ変形が生じない利
点がある。
In FIG. 2, when an external compressive force is applied in the y direction, the moment of the center of gravity G is equally applied to the beam portions 2 and 3, so that there is an advantage that the bending deformation does not occur as in the conventional example of FIG. .

なお、質量部を平行に移動させる手法として、従来行
なわれている例を第8図に示した。固定部201,202に固
定された支持部203,204から、梁部205,206を介して質量
部207が支持されている。この構造は両端支持構造であ
るため、同一断面の梁を用いる場合には、片持梁構造の
本発明に比べて、同じたわみ量を達成するためには、梁
部のy方向の長さが2部と大きくなる。これは振動子の
小型化の上では不利になる。さらに重心Gに加わるy方
向の力による回転モーメントを防ぐことができないので
質量部207が傾く。
FIG. 8 shows a conventional example of moving the mass part in parallel. The mass part 207 is supported via the beam parts 205 and 206 from the support parts 203 and 204 fixed to the fixing parts 201 and 202. Since this structure is a support structure at both ends, when using beams having the same cross section, in order to achieve the same amount of deflection as compared with the present invention having a cantilever structure, the length of the beam portion in the y direction is required. It becomes two parts and large. This is disadvantageous in reducing the size of the vibrator. Further, since the rotational moment due to the y-direction force applied to the center of gravity G cannot be prevented, the mass 207 is inclined.

第4図に本発明の第2の実施例を示す。支持部31、二
対の梁部32,33,34,35、質量部36とから構成されてい
る。梁部32,33と梁部34,35はx方向に所定の距離だけ隔
てて設けてあるため、y軸回わりの回転α、z軸回わり
の回転βなどの外力に対する剛性が向上し、z方向の並
進移動のみを確実にする。
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. It comprises a support portion 31, two pairs of beam portions 32, 33, 34, 35, and a mass portion 36. Since the beam portions 32 and 33 and the beam portions 34 and 35 are provided at a predetermined distance in the x direction, the rigidity against external forces such as rotation α around the y-axis and rotation β around the z-axis is improved, Ensure only translation in the z-direction.

第5図は、本発明の振動子を用いた加速度センサの一
実施例である。支持部41,梁部42,43、質量部44からなる
振動子を絶縁体であるガラス45,46で挟んで固定した構
造である。一対の梁部42,43上には、シリコン拡散型の
歪ゲージ47,48が形成されている。梁部42,43の形状が振
動子の軸に関して対称であるため、正負両方向の加速度
に対する歪ゲージの出力特性を等しくすることが容易と
なつている。ガラス45,46は、化学エツチングで浅い溝
が形成され、その中に電極49,50が形成されている。こ
れらの電極に対向した質量部44の表面にも電極51,52が
形成されている。本発明の加速度センサの検出系は、z
方向からの加速度入力による歪ゲージ47,48の出力を増
幅し、位相を進めて、電極49と51または50と52との間に
電位を加えることにより振動子の振動を制振する系とな
つている。この制振に要する電力から加速度が特定され
る。振動子の質量部44が並進移動するため、電極49と5
1、50と52の間隔を各々、極わめて小さくすることが可
能となり、本例では2μmに設定した。また質量部44が
平行移動するため、電極どうしが接近した際に薄い空気
層のスクイズ作用によるダンピング効果を利用すること
も可能となつた。
FIG. 5 shows an embodiment of an acceleration sensor using the vibrator of the present invention. This is a structure in which a vibrator made up of a support portion 41, beam portions 42 and 43, and a mass portion 44 is sandwiched and fixed between glass members 45 and 46, which are insulators. On the pair of beams 42 and 43, silicon diffusion type strain gauges 47 and 48 are formed. Since the shapes of the beams 42 and 43 are symmetrical with respect to the axis of the vibrator, it is easy to equalize the output characteristics of the strain gauges with respect to acceleration in both positive and negative directions. Glasses 45 and 46 have shallow grooves formed by chemical etching, and electrodes 49 and 50 are formed therein. Electrodes 51 and 52 are also formed on the surface of the mass section 44 facing these electrodes. The detection system of the acceleration sensor of the present invention has z
It amplifies the output of the strain gauges 47 and 48 due to the acceleration input from the direction, advances the phase, and applies a potential between the electrodes 49 and 51 or 50 and 52 to form a system that suppresses the vibration of the vibrator. ing. The acceleration is specified from the power required for the vibration suppression. Since the vibrator mass 44 translates, the electrodes 49 and 5
The distance between 1, 50 and 52 can be made extremely small, and in this example, it was set to 2 μm. Further, since the mass portion 44 moves in parallel, it is possible to use a damping effect by a squeezing action of a thin air layer when the electrodes approach each other.

なお、本発明で述べた、一対の平行な梁部の製作方法
については、(100)ウエーハの表裏にSiO2膜マスクの
所定の開口を設け、両面から対称的にエツチングするこ
とにより骨組構造体を作る技術の応用であり、文献(19
87.3.11,第16回EMシンポジウム「Siチツプ上のマイクロ
メカニクス技術」佐藤著他、電子回路技術委員会主催,
電子情報通信学会協賛)で報告されている。
In the method of manufacturing a pair of parallel beams described in the present invention, a predetermined opening of a SiO 2 film mask is provided on the front and back of the (100) wafer, and the frame structure is formed by symmetrically etching from both sides. Is an application of the technology for making
87.3.11, 16th EM Symposium "Micromechanics Technology on Si Chips" by Sato et al.
Reported by IEICE).

また、振動子の制振方法として、本発明の梁部の内側
に、粘弾性材料VEMや鉛系の制振金属を充填することが
可能である 〔発明の効果〕 本発明によれば、面積を梁部よりも大きくしたことで
電極を形成した際に静電力による変位が可能な質量部と
することが可能となり、静電的な振動検出や制振さらに
は空気膜によるスクイズ効果によるダンピング作用を有
効に行うことができる。従つて加速度センサに適した小
型で高性能な振動子が製作可能となる。
Further, as a method of damping the vibrator, it is possible to fill the viscoelastic material VEM or a lead-based damping metal inside the beam portion of the present invention. By making the electrode larger than the beam part, it is possible to make the mass part that can be displaced by electrostatic force when the electrode is formed, electrostatic vibration detection and vibration suppression, and damping action by squeeze effect by air film Can be performed effectively. Therefore, a small, high-performance vibrator suitable for an acceleration sensor can be manufactured.

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

第1図は本発明の一実施例の鳥瞰図、第2図は第1図の
y軸を通る断面図、第3図は、外力下でたわみ変形した
本発明の第2図と同様の断面図、第4図は本発明の第2
の実施例の鳥瞰図、第5図は本発明の第3の実施例の断
面図、第6図は従来例の断面図、第7図は従来例の断面
図、第8図は第2の従来例の断面図、第9図は梁部の断
面図である。 1……支持部、2……梁部、3……梁部、4……質量
部。
FIG. 1 is a bird's-eye view of one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view passing through the y-axis of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view similar to FIG. FIG. 4 shows the second embodiment of the invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a third embodiment of the present invention, FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional example, FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional example, and FIG. FIG. 9 is a sectional view of an example, and FIG. 9 is a sectional view of a beam portion. 1 ... support part, 2 ... beam part, 3 ... beam part, 4 ... mass part.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小出 晃 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 上野 定寧 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社日立製作所佐和工場内 (56)参考文献 特開 昭62−118259(JP,A) 特開 昭54−36771(JP,A) 実開 昭57−14811(JP,U) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Akira Koide 1-280 Higashi Koikebo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-62-118259 (JP, A) JP-A-54-36771 (JP, A) Real opening 57-14811 (JP, U)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】外力を受ける質量部と、前記外力に応じて
たわみ変形する2つの梁と、前記質量部を前記2つの梁
を介して片持ち支持する支持部とからなる片持ち梁型の
振動子であって、 前記質量部の外力を受ける面の一方の面には第1の電
極、他方の面には第2の電極、前記第1の電極と対向す
る面には第3の電極、前記第2の電極と対向する面には
第4の電極がそれぞれ形成されており、 前記質量部の外力を受ける面の面積は、前記外力を受け
る面と同一面上にある前記2つの梁の面の面積よりも大
きく構成されており、 前記2つの梁の各々は、前記外力の方向に対して垂直な
方向の一対の平行板で構成された平行板ばねであってこ
の一対の平行板の各々には歪ゲージが形成されており、 前記2つの梁は互いに所望の距離だけ離れて配設されて
いることを特徴とする振動子。
1. A cantilever beam type comprising a mass portion receiving an external force, two beams that bend and deform in accordance with the external force, and a support portion that cantileverly supports the mass portion via the two beams. A vibrator, a first electrode on one surface of the mass portion that receives an external force, a second electrode on the other surface, and a third electrode on a surface facing the first electrode. A fourth electrode is formed on a surface facing the second electrode, and an area of a surface of the mass portion that receives an external force is the two beams that are on the same surface as the surface that receives the external force. Each of the two beams is a parallel leaf spring composed of a pair of parallel plates in a direction perpendicular to the direction of the external force. Are each formed with a strain gauge, and the two beams are arranged at a desired distance from each other. A vibrator characterized by being made.
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