JP3627618B2

JP3627618B2 - Angular velocity sensor

Info

Publication number: JP3627618B2
Application number: JP2000118323A
Authority: JP
Inventors: 祐史樋口; 信之大矢; 岳志伊藤
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2020-04-19
Also published as: JP2001304867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に設けられた可動部を基板の水平面内で振動させて基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、可動部に対して基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサ（ジャイロセンサ、ヨーレートセンサ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板に設けられた可動部を該基板の水平面内で駆動振動させるようにした角速度センサにおいては、該基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、該可動部に対して該基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出することができる。一般には、コリオリ力による可動部の変位によって発生する電気的信号（例えば、可動部側の電極と固定部側の電極との容量変化等）に基づいて角速度を検出するようにしている。
【０００３】
このようなセンサにおいては、外部加速度等の外力がセンサに加わった場合、この外力が可動部を変位させ、出力の誤差を発生させる。従来より、一般に、この外力による出力への影響を除去するために、可動部を複数個設け、互いの可動部から得られるコリオリ力による信号を、回路により差動処理する等の演算処理を行うことにより、外力の成分をキャンセルし、センサ出力から外力の影響を除去するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の外力成分の除去方法では、互いの可動部から得られるコリオリ力による信号に含まれる外力成分をキャンセルするために、センサの回路に差動回路等の演算処理機能が必要となるため、複雑な回路構成となってしまう。
【０００５】
この問題に鑑み、本発明は、特別な回路構成とすることなく、簡単に外力の影響を受けないようにすることのできる新規な角速度センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、基板（１０４）に設けられた可動部（１〜４）を基板の水平面内で駆動振動させて基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、可動部に対して基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサにおいて、可動部を、基板の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置された複数個のものより構成し、互いの可動部の全てを、上記所定点を中心とした円の径方向に沿って同一方向に同期して、同一周波数で駆動振動させるようにしたことを特徴としている。
【０００７】
本発明によれば、まず、複数個の可動部を基板の水平面内の所定点を中心に点対称に配置することで、駆動振動において、互いの可動部の振動によって漏れ振動を打ち消し合うことができるため、各可動部の駆動振動を高精度に行うことができる。
【０００８】
そして、複数個の可動部の全てが、上記所定点を中心とした円の径方向に沿って同一方向に同期して駆動振動する。即ち、複数個の可動部の全てが、この円の径方向に沿って上記所定点からみて同時に広がるか、同時に狭まるように駆動振動するため、基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、各可動部に対して作用するコリオリ力も全ての可動部で、この円の周方向に沿って同一方向に作用する。そのため、各可動部は全て、コリオリ力によって上記所定点を中心として同一方向に回転振動し、この回転振動に基づいて角速度を検出することができる。
【０００９】
ここで、センサに加わる外部加速度等の外力は直線的な力であるので、コリオリ力による各可動部の回転振動は、この外力により影響を受けない。回転運動する物体に対し、直線的な力を加えても回転の度合を変えることはできないためである。また、可動部に対して上記円の径方向に作用する遠心力については、そもそも、コリオリ力の方向が上記円の周方向なので、出力には影響しない。
【００１０】
従って、本発明によれば、複数個の可動部全体でみたときのコリオリ力による信号は、外力が加わったときでも、外力が加わっていないときでも、変化することが無いため、外力の影響を考慮した特別な回路構成とすることなく、簡単に外力の影響を受けないようにすることのできる新規な角速度センサを提供することができる。
【００１１】
また、請求項２の発明では、コリオリ力を検出するための検出部（６）を、基板（１０４）の水平面内において所定点（Ｋ）からみて各々の可動部（１〜４）の外側に設けたことを特徴としている。検出部は、コリオリ力による可動部の上記所定点を中心とした円の周方向への変位に基づく電気的信号を検出するが、検出部を各可動部の外側に設けることにより、検出部における電極自体を大面積化でき、出力の高感度化を容易に図れる等の利点がある。
【００１２】
また、請求項３の発明では、請求項２記載の検出部（６）を、基板（１０４）の水平面内において所定点（Ｋ）からみて各可動部（１〜４）の外側に設けられた櫛歯状の第１電極（６ｃ）と、各可動部に形成され第１電極における櫛歯の隙間と噛み合うように設けられた櫛歯状の第２電極（６ｂ）とにより構成し、これら第１の電極と第２の電極との間に形成される検出間隔（６ｄ）の変化によって生じる容量変化に基づいてコリオリ力を検出するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
それによれば、検出部を上記所定点を中心とした円の径方向において可動部の外側に設けることにより、第１電極及び第２電極の各櫛歯の長さをこの円の径方向へ伸ばすことができるため、電極の大面積化が図れる。また、第１及び第２電極の櫛歯の隙間（つまり、検出間隔）は、上記円の径が大きくなる方向へ行くに従い、広がるため、第１電極及び第２電極間の容量変化を大きくできる。このように、本発明によれば、電極面積及び容量変化を大きくすることができるため、センサ出力の感度をさらに向上させることが容易となる。
【００１４】
さらに、請求項４の発明では、各々の可動部（１〜４）に対応する各々の検出部（６）において、検出間隔（６ｄ）が、第１電極を基準としてみたとき、所定点（Ｋ）を中心とした円の周方向に沿って一方向側にある部分（Ｃ１）と、他方向側にある部分（Ｃ２）とが存在していることを特徴としている。
【００１５】
それによれば、各可動部に対応する検出部において、検出間隔が上記一方向側にある部分と上記他方向側にある部分とで、第１電極と第２電極との間に発生する静電気力が逆方向となる。そのため、上記検出間隔が、第１電極を基準としてみたとき上記円の周方向に沿って一方向側のみにある構成を採用した場合に比べて、各可動部が回転しにくい構成を実現することができる。
【００１６】
また、請求項５及び請求項６の発明は、可動部の適切な具体的構成を提供するものである。また、請求項７の発明のように、複数個の可動部（１〜４）を互いに、所定点（Ｋ）を中心とした円の径方向に弾性変形可能な連成梁（１０）にて連結し、駆動振動時に各可動部を連成振動させれば、確実に各可動部を同じ周波数で駆動振動させることができ、好ましい。
【００１７】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、車両に搭載される姿勢制御用として適用され、基板に設けられた可動部を該基板の水平面内で振動させて該基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、該可動部に対して該基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサについて、説明する。
【００１９】
図１は本実施形態に係る角速度センサの平面構成を示し、図２は図１中のＡ−Ａ断面を示し、図３は図１中のセンサ主要部の拡大図、図４は図３の部分拡大図であって１個の可動部の構成を示す説明図である。なお、図４中のハッチングは、識別のためのもので断面を示すものではない。
【００２０】
本角速度センサ１００は、図２に示す様に、共に結晶方位が（１００）である単結晶シリコンからなる第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２との間に酸化膜からなる絶縁層１０３を有する矩形状のＳＯＩ基板（本発明でいう基板）１０４に、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成されたものである。そして、車両へは、図１の紙面垂直方向における紙面表側を上、紙面裏側を下として搭載される。
【００２１】
ＳＯＩ基板１０４における第１の半導体層１０１及び絶縁層１０３は、センサの主要部が形成される領域において、第２の半導体層１０２が露出するように矩形状に除去され、その除去部分は、第１の半導体層１０１の開口部（図１中、破線図示）１０５を構成している。この開口部１０５の領域における第２の半導体層１０２は、開口部１０５の外周部にて絶縁層１０３を介して第１の半導体層１０１に支持され、開口部１０５に臨んだ状態となっている。
【００２２】
本角速度センサ１００においては、この開口部１０５の領域における第２の半導体層１０２を溝で区画することにより、４個の可動部１、２、３、４、各可動部１〜４を駆動振動させるための駆動電極５、及び、各可動部１〜４からコリオリ力を検出するための検出電極６等からなるセンサ主要部が分離形成されている。なお、各半導体層１０１、１０２を構成する単結晶シリコンには、その抵抗率を下げるために不純物が予め拡散されている。
【００２３】
４個の可動部１〜４は互いに同一形状であり、基板１０４の水平面（図１中の紙面に相当）において該水平面の所定点Ｋを中心に点対称に配置されている。個々の可動部１〜４は、略扇状の振動部（図４中、クロスハッチングで図示）１ａ、２ａ、３ａ、４ａと、振動部１ａ〜４ａの外周を取り囲むように配置された検出錘（図４中、片側斜線ハッチングで図示）７とを備えている。こうして、各可動部１〜４は全体として、振動部１ａ〜４ａの円周方向両側を検出錘７で挟んだ１／４円形状をなす。
【００２４】
そして、各可動部１〜４の円周方向両側には、所定点Ｋを中心とした円の径方向に延びるように検出梁（本発明でいう第１の弾性部材）８が設けられており、この検出梁８により、検出錘７はＳＯＩ基板１０４に支持されている。また、各可動部１〜４において、振動部１ａ〜４ａは、その円周方向両側に設けられた略コの字形状を有する駆動梁（本発明でいう第２の弾性部材）９により、検出錘７に支持されている。
【００２５】
また、各振動部１〜４は、上記所定点Ｋを略中心として環状に配置された１個の連成梁１０に懸架され、連成梁１０は、懸架梁１１を介して各可動部１〜４の検出錘７に懸架されている。従って、各可動部１〜４は、連結された各梁８〜１１を介して、絶縁層１０３を介して第１の半導体層１０１に支持されており、開口部１０５に臨んだ状態となっている。
【００２６】
ここで、検出梁８は、所定点Ｋを中心とした円の周方向に弾性変形可能なものであり、振動部１ａ〜４ａに対して検出錘７が、基板１０４の水平面内且つ上記所定点Ｋを中心とした円の周方向（駆動振動の方向と直交する方向）へ振動できるように、弾性を発揮する。また、駆動梁９及び連成梁１０は、所定点Ｋを中心とした円の径方向に弾性変形可能なものであり、各振動部１ａ〜４ａが基板１０４の水平面内且つ所定点Ｋを中心とした円の径方向（駆動振動の方向）へ振動できるように、弾性を発揮する。
【００２７】
また、連成梁１０によって、各可動部１〜４の振動部１ａ〜４ａが互いに連結されているため、駆動振動時に各振動部１ａ〜４ａが連成振動するようになっている。このような、各梁における振動方向への弾性の発揮は、例えば、アスペクト比を上げる等によって、振動方向には柔らかく、その他の方向には固くすることによって実現できる。次に、駆動及び検出電極５、６の詳細について述べる（上記図４参照）。
【００２８】
各可動部１〜４を駆動振動させるための駆動電極（駆動部）５は、各可動部１〜４毎に設けられている。各駆動電極５は、第１の半導体層１０１上に絶縁層１０３を介して片持ち状に支持固定されるとともに、所定点Ｋを中心とした円の径方向外側から振動部１ａ〜４ａに対向して配置された固定部（図４中、点々ハッチングで図示）５ａと、この固定部５ａにおける振動部１ａ〜４ａと対向する面に形成された櫛歯状の固定部側電極５ｂと、この固定部側電極５ｂにおける櫛歯の隙間と噛み合うように振動部１ａ〜４ａ側に設けられた櫛歯状の可動部側電極５ｃとにより構成されている。
【００２９】
また、各可動部１〜４からコリオリ力を検出するための検出電極（本発明でいう検出部）６は、各可動部１〜４毎に設けられている。各検出電極６は、各々、基板４の水平面内において所定点Ｋからみて可動部１〜４の外側（つまり上記所定点Ｋより離れる側）に位置している。
【００３０】
各検出電極６は、第１の半導体層１０１上に絶縁層１０３を介して支持固定されるとともに、検出錘７に対向して配置された固定部６ａと、この固定部６ａにおける検出錘７と対向する面に形成された櫛歯状の固定部側電極（本発明でいう検出部の第２電極）６ｂと、この固定部側電極６ｂにおける櫛歯の隙間と噛み合うように検出錘７側に設けられた櫛歯状の可動部側電極（本発明でいう検出部の第１電極）６ｃとにより構成されている。
【００３１】
ここで、図４に示す様に、検出電極６においては、固定部側電極６ｂと可動部側電極６ｃとの間隔のうち狭い方の間隔が検出間隔６ｄであり、この検出間隔６ｄにて両電極６ｂ、６ｃ間にコンデンサが形成される。そして、コリオリ力により可動部１〜４（検出錘７）が変位すると、検出間隔６ｄの距離が変化する。そのため、両電極６ｂ、６ｃ間の容量の変化に基づいて、コリオリ力を電気信号として検出し、角速度を求めることができるようになっている。
【００３２】
また、開口部１０５以外の部位にて第１の半導体層１０１上に絶縁層１０３を介して支持された第２の半導体層（固定部）１０２には、上記駆動電極５及び検出電極６と後述する回路部２００との信号のやり取りを行うためのパッド２０〜２２が、アルミニウムを蒸着する等により形成されている（図１参照）。駆動用パッド２０は各駆動電極５の固定部５ａに形成され、駆動電極５の固定部側電極５ｂに導通している。
【００３３】
また、検出用可動部側パッド２１は、検出梁８及び検出錘７を介して各検出電極６の可動部側電極６ｃに導通し、検出用固定部側パッド２２は各検出電極６の固定部６ａに形成されて各検出電極６の各固定部側電極６ｂに導通している。これら駆動用及び検出用の各パッド２０〜２２は、ワイヤボンディングや基板１０４に配線を形成する等により、上記回路部２００に電気的に接続されるようになっている。
【００３４】
次に、角速度センサ１００の作動を行うために角速度センサに備えられた回路部（回路手段）２００について、図５に示すブロック図を参照して述べる。回路部２００は、各振動部１ａ〜４ａを駆動させるとともに、基板１０４の水平面方向への各振動部１ａ〜４ａの変位に基づく信号を角速度信号として出力するもので、上記駆動用パッド２０に結線された駆動回路２０１と、上記検出用固定部側パッド２２に結線された検出・処理回路２０２とを備えている。また、検出用可動部側パッド２１は所定の電圧もしくはＧＮＤの状態となっており、可動部１〜４は基準電位となっている。
【００３５】
駆動回路２０１は、駆動電極５の固定部側電極５ｂに駆動信号（交流電圧）を印加し、各振動部１ａ〜４ａを駆動振動させるものである。検出・処理回路２０２は、検出電極６の固定部側電極６ｂと可動部側電極６ｃとの間の静電容量変化を電圧値に変換するスイッチドキャパシタ等の容量−電圧変換回路（図５中、Ｃ／Ｖで図示）２０２ａと、該容量−電圧変換回路２０２ａから送られてきた電圧値を増幅し角速度検出信号Ｓ１として出力する増幅部２０２ｂとを備えている。
【００３６】
かかる構成を有する角速度センサ１００は、図６及び図７に示す製造方法により製造される。図６及び図７は、上記図２に示すＡ−Ａ断面に基づく製造工程を示すものである。なお、図６（ａ）〜図７（ｃ）は図７（ｄ）に示す完成図（上記図２と同様）に対応した途中部分を示す。
【００３７】
まず、共に結晶方位が（１００）である単結晶シリコンからなる第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２との間にシリコン酸化膜（例えば厚さ１μｍ）からなる絶縁層１０３を有するＳＯＩ基板１０４を用意し（図６（ａ）参照）、第２の半導体層１０２の全面に表面抵抗値を下げ、次工程にて形成されるアルミニウムからなる上記パッド電極２０〜２２との接触抵抗を下げるために、例えばリンを高濃度に拡散（Ｎ^＋拡散）する。
【００３８】
続いて、図６（ｂ）に示す様に、基板１０４の表面（第２の半導体層１０２）にアルミニウムを例えば１μｍ蒸着し、ホト、エッチングを行い、信号取り出し用の上記パッド電極２０〜２２を形成する。続いて、図６（ｃ）に示す様に、基板１０４の裏面（第１の半導体層１０１）を切削研磨（バックポリッシュ）することにより所定の厚さ（例えば３００μｍ）とし、且つ鏡面仕上げする。
【００３９】
続いて、図６（ｄ）に示す様に、基板１０４の裏面（第１の半導体層１０１）にプラズマＳｉＮ膜３００を堆積（例えば０．５μｍ）し、ホトパターンを形成し、プラズマＳｉＮ膜３００をエッチングすることにより所定の領域を開口する。
【００４０】
続いて、図７（ａ）に示す様に、第２の半導体層１０２の表面に、上記振動部１ａ〜４ａ、検出錘７、各電極５、６及び各梁８〜１１等を画定するパターンをレジストで形成し、ドライエッチングにより垂直に絶縁層１０３までトレンチ形状を形成する。
【００４１】
続いて、図７（ｂ）に示す様に、第１の半導体層１０１を、プラズマＳｉＮ膜３００に形成したパターンをマスクとして、例えばＫＯＨ水溶液で深くエッチングする。このとき、絶縁層１０３までエッチングを進めると、エッチング液の圧力により絶縁層１０３が破れて基板１０４を破損するため、絶縁層１０３が破れないように、例えば第１の半導体層１０１のシリコンを１０μｍ残してエッチングを終了できるようエッチング時間を管理する。
【００４２】
続いて、図７（ｃ）に示す様に、プラズマドライエッチングにより、図７（ｂ）の工程で残したＳｉをエッチング除去する。このとき、基板１０４の裏面のプラズマＳｉＮ膜３００は同時に除去される。最後に、図７（ｄ）に示す様に、絶縁層１０３をドライエッチングによって除去して、上記振動部１ａ〜４ａ等を形成し、上記回路部２００との配線等を行うことにより、上記図２に示す角速度センサ１００が出来上がる。
【００４３】
次に、上記角速度センサ１００の作動について、図８に示す図２の平面構成に対応したモデルを参照して、説明する。なお、図８は、各可動部１〜４の振動部１ａ〜４ａを所定点Ｋを中心としたバネ系モデル（駆動梁９及び連成梁１０をバネで示す）で示したものである。
【００４４】
角速度センサ１００において、駆動回路２０１によって、全ての駆動電極５において固定部側電極５ｂと可動部側電極５ｃとの間に、同相の矩形波もしくは正弦波の電圧信号（駆動信号）を印加する。すると、両電極５ｂと５ｃとの間に静電気力が発生し、駆動梁（第１の弾性部材）９及び連成梁１０の弾性力によって、全ての可動部１〜４において、振動部１ａ〜４ａが所定点Ｋを中心とした円の径方向に沿って同一方向に駆動振動する。
【００４５】
つまり、４個の振動部１ａ〜４ａの全てが、この円の径方向に沿って所定点Ｋからみて同時に広がるか、同時に狭まるように駆動振動する。図８では、各矢印ｖに示す様に、４個の振動部１ａ〜４ａの全てが、同時に広がる瞬間を示している。このように各振動部１ａ〜４ａを基板１０４の水平面内で駆動振動させ、基板１０４と垂直軸（図１中、符号Ｊで図示）回りに角速度Ωが発生すると、各振動部１ａ〜４ａに対して基板１０４の水平面内において所定点Ｋを中心とした円の周方向にコリオリ力Ｆｃが作用する。
【００４６】
全ての振動部１ａ〜４ａの駆動振動方向が同一であるため、コリオリ力Ｆｃの作用方向は、全ての振動部１ａ〜４ａにおいて該円周方向に沿って同一の方向である。例えば、ある瞬間をみたとき、図８に示す様に、全ての可動部１〜４においてコリオリ力Ｆｃは、該円周方向に沿って左回り（反時計回り）方向に作用している。
【００４７】
各可動部１〜４において、このコリオリ力Ｆｃは、振動部１ａ〜４ａから駆動梁９を介して検出錘７に作用する。すると、検出梁（第２の弾性部材）８の弾性力によって、４個の可動部１〜４全てにおいて、振動部１ａ〜４ａ及び検出錘７（つまり、可動部全体）が、基板１０４の水平面内且つ所定点Ｋを中心とした円の周方向に沿って同一方向へ回転振動（検出振動）する。
【００４８】
そして、この可動部１〜４の検出振動による変位を、検出電極６の固定部側電極６ｂと可動部側電極６ｃ間の容量変化として検出する。この容量変化の検出は、上記検出用パッド２１、２２を介し、上記容量−電圧変換回路２０２によって、電圧値に変換し、該電圧値を増幅し、角速度検出信号Ｓ１として出力する。本実施形態では４個のコリオリ力Ｆｃが全て単純に加算された分（４Ｆｃ）に相当する出力がなされる。以上が角速度センサ１００の基本動作である。
【００４９】
このように、本実施形態によれば、４個の可動部１〜４における振動部１ａ〜４ａの全てを、所定点Ｋを中心とした円の径方向に沿って同一方向に駆動振動させることによって、基板１０４と垂直軸Ｊ回りに角速度Ωが発生したときに、コリオリ力Ｆｃは、全ての可動部１〜４で、この円の周方向に沿って同一方向に作用するため、各可動部１〜４は全て、コリオリ力Ｆｃによって所定点Ｋを中心として同一方向に回転振動（検出振動）し、この回転振動に基づいて角速度Ωを検出することができる。
【００５０】
ここで、もし、可動部が１個であると、駆動振動時において、振動の反作用により振動の漏れ（漏れ振動）が生じるが、本実施形態では、４個の可動部１〜４を基板１０４の水平面内の所定点Ｋを中心に点対称に配置しているので、そのような問題はない。即ち、駆動振動において、互いの振動部１ａ〜４ａの振動によって漏れ振動を打ち消し合うことができるため、各振動部１ａ〜４ａの駆動振動を高精度に行うことができる。
【００５１】
また、可動部１〜４に対して上記円の径方向に作用する遠心力については、そもそも、コリオリ力Ｆｃの方向が上記円の周方向なので、出力には影響しない。また、センサに加わる外部加速度等の外力は直線的な力であるので、コリオリ力Ｆｃによる各可動部１〜４の回転振動は、この外力により影響を受けない。回転運動する物体に対し、直線的な力を加えても回転の度合を変えることはできないためである。
【００５２】
この外部加速度等の外力が影響しないことについて、もう少し具体的に述べる。例えば、図８に示す様に、急停止、急発進等により、センサ１００に対して外部加速度（外力、外部Ｇ）ＦＧが加わったとする。このとき、外部加速度ＦＧは振動部２ａ及び４ａに作用し、部分的に見た場合、振動部２ａの出力は（Ｆｃ＋ＦＧ）、振動部４ａの出力は（Ｆｃ−ＦＧ）であるが、４個の可動部１〜４全体の出力（４Ｆｃ）は変わらない。
【００５３】
従って、本実施形態によれば、４個の可動部全体でみたときのコリオリ力による信号（４Ｆｃ分の出力）は、外力が加わったときでも、外力が加わっていないときでも、変化することが無いため、外力の影響を考慮した特別な回路構成とすることなく、簡単に外力の影響を受けないようにすることのできる新規な角速度センサを提供することができる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、コリオリ力検出用の検出電極（検出部）６を、基板１０４の水平面内において所定点Ｋからみて各々の可動部１〜４の外側に設けたことを特徴としている。それにより、検出電極６における櫛歯状電極５ｂ、５ｃの長さを上記円の径方向へ任意に伸ばすことができ、電極自体を大面積化できるため、出力の高感度化を図れる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、検出電極６における各櫛歯状電極６ｂ、６ｃは、上記円の径方向へ放射状に伸びるため、対向する電極６ｂ、６ｃ間の隙間（つまり、検出間隔）は、上記円の径が大きくなる方向へ行くに従い広がり、第１電極６ｃ及び第２電極６ｂ間の容量変化も大きくなる。そのため、センサ出力の感度を向上させることが容易となる。
【００５６】
また、各々の可動部１〜４は、所定点Ｋを中心とした円の周方向に弾性変形可能な検出梁（第１の弾性部材）８により基板１０４に支持された検出錘７と、所定点Ｋを中心とした円の径方向に弾性変形可能な駆動梁（第２の弾性部材）９により検出錘７の内周側にて検出錘７に支持された振動部１ａ〜４ｄとを備えたものであり、それにより、各可動部１〜４は、上述のような駆動振動及び検出振動を適切に行うことができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、４個の可動部１〜４を互いに、所定点Ｋを中心とした円の径方向に弾性変形可能な連成梁１０にて連結し、駆動振動時に各可動部１〜４を同じ周波数で連成振動させているので、確実に、各可動部１〜４の全てを、所定点Ｋを中心とした円の径方向に沿って同一方向に駆動振動させることができ、好ましい。なお、各可動部１〜４の全てを、該円の径方向に沿って同一方向に駆動振動させることは、連成梁１０にて各可動部を連結しなくとも、各可動部の駆動梁９をトリミング等にて調整することでも可能である。
【００５８】
また、上記図４に示す様に、各可動部１〜４の検出電極６における固定部側電極（第２電極）６ｂと可動部側電極（第１電極）６ｃとの検出間隔６ｄは、第１電極６ｃを基準としてみたとき、全ての検出間隔６ｄが、所定点Ｋを中心とした円の周方向に沿って一方向側（右回り側、時計回り側）にある。この検出間隔６ｄの位置関係については、図９に示す様な変形も可能である。
【００５９】
図９においては、各々の可動部１〜４に対応する各々の検出電極６において、検出間隔６ｄが、第１電極６ｃを基準としてみたとき、所定点Ｋを中心とした円の周方向に沿って一方向側（右回り側）にある部分（図中、括弧で括ったＣ１部）と、他方向側（左回り側）にある部分（図中、括弧で括ったＣ２部）とが存在している。
【００６０】
この変形例によれば、各検出電極６において、検出間隔６ｄが上記一方向側にある部分Ｃ１と上記他方向側にある部分Ｃ２とで、第１電極６ｃと第２電極６ｂとの間に発生する静電気力が逆方向となる。そのため、両部分Ｃ１、Ｃ２からの信号を差動処理する必要はあるけれども、上記図４に示す様に、検出間隔６ｄが、第１電極６ｃを基準としてみたとき上記円の周方向に沿って一方向側のみにある構成を採用した場合に比べて、各可動部１〜４を回転しにくい構成にすることができる。
【００６１】
また、上記角速度センサ１００では、ＳＯＩ基板１０４において支持基板となる第１の半導体層１０１を、開口部１０５の形成によって除去した構成、いわゆる裏面エッチングした構成としているが、本実施形態の角速度センサとしては、図１０に示す様なものも可能である。
【００６２】
図１０に示すセンサ２００は、第２の半導体層１０２側からトレンチを形成し、犠牲層エッチングを行うことにより、上記開口部１０５に相当する位置の絶縁層１０３を除去し、第１の半導体層１０１は残したことが、上記センサ１００とは異なる。他の部分は同一である。このセンサ２００によれば、例えば、所定点Ｋの部分の絶縁層１０３及び第２の半導体層１０２を残して突起部１２を形成し、この突起部１２に連成梁１０や懸架梁１１を支持させるようにすることができるため、強度的により安定したセンサを実現することができる。
【００６３】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、所定点Ｋを中心に点対称に配置された可動部は４個であったが、該可動部は、漏れ振動を打ち消すために少なくとも２個あれば良く、偶数、奇数を問わない。
【００６４】
また、上述のように、検出電極（検出部）は、基板１０４の水平面内において所定点Ｋからみて各可動部１〜４の外側にあることが好ましいが、各可動部１〜４の内側に位置していてもよい。また、検出部としては、容量検出以外でも良く、例えば、検出錘７の変位を電磁力の変化として検出するものであってもよい。また、回路部２００は、角速度センサ１００と同一の基板１０４上に形成しても良いし、他の基板上に形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図２】図１中のＡ−Ａに沿った概略断面図である。
【図３】図１中のセンサ主要部の拡大平面図である。
【図４】図３の部分拡大平面図である。
【図５】上記実施形態に係る角速度センサの回路部のブロック図である。
【図６】上記実施形態に係る角速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図７】図６に続く製造方法を示す工程図である。
【図８】上記実施形態に係る角速度センサの作動説明図である。
【図９】検出間隔の位置関係についての変形例を示す平面図である。
【図１０】上記実施形態に係る角速度センサの他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１〜４…可動部、１ａ〜４ａ…振動部、６…検出電極、
６ｂ…検出部の固定部側電極（検出部の第２電極）、
６ｃ…検出部の可動部側電極（検出部の第１電極）、６ｄ…検出間隔、
７…検出錘、１０…連成梁、
１０４…ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention detects the Coriolis force acting on the movable portion in the horizontal plane of the substrate when the movable portion provided on the substrate is vibrated in the horizontal plane of the substrate and an angular velocity is generated around the vertical axis of the substrate. The present invention relates to the angular velocity sensor (gyro sensor, yaw rate sensor).
[0002]
[Prior art]
In the angular velocity sensor in which the movable portion provided on the substrate is driven and oscillated in the horizontal plane of the substrate, when the angular velocity is generated around the vertical axis with respect to the substrate, the movable portion is within the horizontal plane of the substrate. Coriolis force acting on can be detected. In general, the angular velocity is detected based on an electrical signal generated by displacement of the movable part due to Coriolis force (for example, change in capacitance between the movable part side electrode and the fixed part side electrode).
[0003]
In such a sensor, when an external force such as an external acceleration is applied to the sensor, the external force displaces the movable part and generates an output error. Conventionally, in general, in order to remove the influence of the external force on the output, a plurality of movable parts are provided, and arithmetic processing such as differential processing of signals based on Coriolis force obtained from each movable part is performed by a circuit. Thus, the component of the external force is canceled and the influence of the external force is removed from the sensor output.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional method for removing external force components, in order to cancel the external force component included in the signal due to the Coriolis force obtained from each movable part, the sensor circuit requires an arithmetic processing function such as a differential circuit. For this reason, the circuit configuration becomes complicated.
[0005]
In view of this problem, an object of the present invention is to provide a novel angular velocity sensor that can be easily prevented from being affected by external force without using a special circuit configuration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, when the movable portion (1 to 4) provided on the substrate (104) is driven and oscillated in the horizontal plane of the substrate, an angular velocity is generated around the vertical axis of the substrate. In addition, in the angular velocity sensor configured to detect the Coriolis force acting on the movable portion in the horizontal plane of the substrate, the movable portion is arranged in a plurality of points symmetrically about a predetermined point (K) in the horizontal plane of the substrate. It is composed of a single piece, and all of the movable parts are driven and vibrated at the same frequency in synchronization with the same direction along the radial direction of the circle centered on the predetermined point. .
[0007]
According to the present invention, first, a plurality of movable parts are arranged symmetrically with respect to a predetermined point in the horizontal plane of the substrate, so that in the driving vibration, the leakage vibration can be canceled out by the vibrations of the movable parts. Therefore, the driving vibration of each movable part can be performed with high accuracy.
[0008]
All of the plurality of movable parts vibrate in synchronization with the same direction along the radial direction of the circle centered on the predetermined point. That is, since all of the plurality of movable parts simultaneously drive or vibrate along the radial direction of the circle as seen from the predetermined point or narrow simultaneously, when an angular velocity occurs around the substrate and the vertical axis, The Coriolis force acting on each movable part also acts on all movable parts in the same direction along the circumferential direction of this circle. For this reason, all the movable parts rotate and vibrate in the same direction around the predetermined point by the Coriolis force, and the angular velocity can be detected based on the rotational vibration.
[0009]
Here, since the external force such as external acceleration applied to the sensor is a linear force, the rotational vibration of each movable part due to the Coriolis force is not affected by this external force. This is because the degree of rotation cannot be changed even if a linear force is applied to a rotating object. Further, the centrifugal force acting on the movable portion in the radial direction of the circle does not affect the output since the direction of the Coriolis force is the circumferential direction of the circle.
[0010]
Therefore, according to the present invention, the signal due to the Coriolis force when viewed over the plurality of movable parts does not change even when an external force is applied or when no external force is applied. It is possible to provide a novel angular velocity sensor that can be easily prevented from being affected by an external force without using a special circuit configuration in consideration.
[0011]
Moreover, in invention of Claim 2, the detection part (6) for detecting Coriolis force is outside of each movable part (1-4) seeing from the predetermined point (K) in the horizontal surface of a board | substrate (104). It is characterized by providing. The detection unit detects an electrical signal based on the circumferential displacement of a circle centered on the predetermined point of the movable unit due to the Coriolis force, but by providing the detection unit outside each movable unit, There are advantages such that the area of the electrode itself can be increased and the sensitivity of the output can be easily increased.
[0012]
Further, in the invention of claim 3, the detection part (6) according to claim 2 is provided outside the movable parts (1 to 4) when viewed from the predetermined point (K) in the horizontal plane of the substrate (104). Composed of a comb-shaped first electrode (6c) and a comb-shaped second electrode (6b) formed on each movable portion and provided so as to mesh with a gap between the comb teeth of the first electrode. The Coriolis force is detected based on a change in capacitance caused by a change in the detection interval (6d) formed between the first electrode and the second electrode.
[0013]
According to this, the length of each comb tooth of the first electrode and the second electrode is extended in the radial direction of the circle by providing the detection unit outside the movable portion in the radial direction of the circle centered on the predetermined point. Therefore, the area of the electrode can be increased. Further, the gap between the first and second electrodes (that is, the detection interval) increases as the diameter of the circle increases, so that the capacitance change between the first electrode and the second electrode can be increased. . Thus, according to the present invention, the electrode area and the capacitance change can be increased, so that it is easy to further improve the sensitivity of the sensor output.
[0014]
Furthermore, in the invention of claim 4, in each detection part (6) corresponding to each movable part (1-4), the detection interval (6d) is a predetermined point (K) when viewed from the first electrode. ), A portion (C1) on one side and a portion (C2) on the other side exist along the circumferential direction of the circle.
[0015]
According to this, in the detection part corresponding to each movable part, the electrostatic force generated between the first electrode and the second electrode at the part where the detection interval is on the one direction side and the part on the other direction side. Is in the opposite direction. Therefore, a configuration in which each movable portion is difficult to rotate compared to the case where the detection interval is only in one direction along the circumferential direction of the circle when the first electrode is taken as a reference is realized. Can do.
[0016]
The inventions of claims 5 and 6 provide an appropriate specific configuration of the movable part. Further, as in the seventh aspect of the present invention, a plurality of movable parts (1 to 4) are coupled to each other by a coupled beam (10) that can be elastically deformed in the radial direction of a circle centered on a predetermined point (K). It is preferable to connect and vibrate each movable part at the time of driving vibration because each movable part can be reliably driven to vibrate at the same frequency.
[0017]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. In the present embodiment, it is applied for attitude control mounted on a vehicle, and the movable portion provided on the substrate is vibrated in the horizontal plane of the substrate, and the movable portion is moved when an angular velocity is generated around the vertical axis of the substrate. An angular velocity sensor that detects the Coriolis force acting on the substrate in the horizontal plane of the substrate will be described.
[0019]
1 shows a planar configuration of the angular velocity sensor according to the present embodiment, FIG. 2 shows a cross section taken along the line AA in FIG. 1, FIG. 3 is an enlarged view of the main part of the sensor in FIG. It is a partial enlarged view and is an explanatory view showing a configuration of one movable part. In addition, the hatching in FIG. 4 is for identification, and does not show a cross section.
[0020]
As shown in FIG. 2, the present angular velocity sensor 100 includes an insulating layer made of an oxide film between a first semiconductor layer 101 made of single crystal silicon and a second semiconductor layer 102 both having a crystal orientation of (100). A rectangular SOI substrate (substrate in the present invention) 104 having 103 is formed by performing known micromachining using a semiconductor manufacturing technique. The vehicle is mounted with the front side of the paper surface in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
[0021]
The first semiconductor layer 101 and the insulating layer 103 in the SOI substrate 104 are removed in a rectangular shape so that the second semiconductor layer 102 is exposed in a region where the main part of the sensor is formed. An opening (indicated by a broken line in FIG. 1) 105 of one semiconductor layer 101 is formed. The second semiconductor layer 102 in the region of the opening 105 is supported by the first semiconductor layer 101 via the insulating layer 103 at the outer periphery of the opening 105 and faces the opening 105. .
[0022]
In the angular velocity sensor 100, the second semiconductor layer 102 in the region of the opening 105 is partitioned by a groove to drive and vibrate the four movable parts 1, 2, 3, 4 and the movable parts 1 to 4. The sensor main part which consists of the drive electrode 5 for making it detect, the detection electrode 6 for detecting Coriolis force from each movable part 1-4, etc. is formed separately. Note that impurities are diffused in advance in the single crystal silicon constituting each of the semiconductor layers 101 and 102 in order to reduce the resistivity.
[0023]
The four movable portions 1 to 4 have the same shape, and are arranged symmetrically about a predetermined point K on the horizontal plane of the substrate 104 (corresponding to the paper surface in FIG. 1). The individual movable parts 1 to 4 are substantially fan-shaped vibrating parts (shown by cross-hatching in FIG. 4) 1a, 2a, 3a, 4a and detection weights arranged so as to surround the outer peripheries of the vibrating parts 1a to 4a ( In FIG. 4, a single-sided hatched hatch 7 is provided. In this way, each movable part 1 to 4 has a ¼ circular shape with the detection weights 7 sandwiching both sides in the circumferential direction of the vibration parts 1 a to 4 a as a whole.
[0024]
Detection beams (first elastic members in the present invention) 8 are provided on both sides in the circumferential direction of the movable parts 1 to 4 so as to extend in the radial direction of the circle with the predetermined point K as the center. The detection weight 7 is supported on the SOI substrate 104 by the detection beam 8. Further, in each of the movable parts 1 to 4, the vibration parts 1a to 4a are detected by driving beams (second elastic members referred to in the present invention) 9 having substantially U-shapes provided on both sides in the circumferential direction. It is supported by the weight 7.
[0025]
Further, each of the vibrating portions 1 to 4 is suspended by one coupled beam 10 arranged in an annular shape with the predetermined point K as a substantial center, and the coupled beam 10 is connected to each movable portion 1 via the suspended beam 11. Suspended by the detection weights 7 to 4. Accordingly, the movable parts 1 to 4 are supported by the first semiconductor layer 101 via the insulating layers 103 via the connected beams 8 to 11 and face the opening 105. Yes.
[0026]
Here, the detection beam 8 is elastically deformable in the circumferential direction of a circle centered on the predetermined point K, and the detection weight 7 is located within the horizontal plane of the substrate 104 and the predetermined point with respect to the vibrating portions 1a to 4a. It exhibits elasticity so that it can vibrate in the circumferential direction of the circle centered on K (direction perpendicular to the direction of drive vibration). Further, the drive beam 9 and the coupled beam 10 are elastically deformable in the radial direction of a circle centered on the predetermined point K, and the vibrating portions 1a to 4a are centered on the predetermined point K in the horizontal plane of the substrate 104. It exhibits elasticity so that it can vibrate in the radial direction of the circle (direction of drive vibration).
[0027]
Moreover, since the vibration parts 1a-4a of each movable part 1-4 are mutually connected by the coupled beam 10, each vibration part 1a-4a carries out a coupled vibration at the time of drive vibration. Such exertion of elasticity in the vibration direction in each beam can be realized, for example, by softening in the vibration direction and hardening in other directions by increasing the aspect ratio. Next, details of the drive and detection electrodes 5 and 6 will be described (see FIG. 4).
[0028]
A drive electrode (drive unit) 5 for driving and vibrating the movable units 1 to 4 is provided for each of the movable units 1 to 4. Each drive electrode 5 is supported and fixed in a cantilever manner on the first semiconductor layer 101 via the insulating layer 103, and is opposed to the vibrating portions 1a to 4a from the outer side in the radial direction of the circle centered on the predetermined point K. The fixed portion 5a (shown by dotted hatching in FIG. 4), the comb-shaped fixed portion side electrode 5b formed on the surface of the fixed portion 5a facing the vibrating portions 1a to 4a, It is comprised by the comb-shaped movable part side electrode 5c provided in the vibration part 1a-4a side so that it may mesh with the clearance gap between the comb teeth in the stationary part side electrode 5b.
[0029]
Moreover, the detection electrode (detection part said by this invention) 6 for detecting Coriolis force from each movable part 1-4 is provided for each movable part 1-4. Each detection electrode 6 is located outside the movable parts 1 to 4 (that is, on the side away from the predetermined point K) as viewed from the predetermined point K in the horizontal plane of the substrate 4.
[0030]
Each detection electrode 6 is supported and fixed on the first semiconductor layer 101 via the insulating layer 103, and a fixed portion 6a disposed opposite to the detection weight 7 and the detection weight 7 in the fixed portion 6a. A comb-shaped fixed portion side electrode (second electrode of the detection portion referred to in the present invention) 6b formed on the opposing surface and the detection weight 7 side so as to mesh with a gap of the comb teeth in the fixed portion side electrode 6b. It is comprised by the comb-shaped movable part side electrode (1st electrode of the detection part said by this invention) 6c provided.
[0031]
Here, as shown in FIG. 4, in the detection electrode 6, the smaller one of the intervals between the fixed portion side electrode 6b and the movable portion side electrode 6c is the detection interval 6d. A capacitor is formed between the electrodes 6b and 6c. When the movable parts 1 to 4 (detection weight 7) are displaced by the Coriolis force, the distance of the detection interval 6d changes. Therefore, the Coriolis force can be detected as an electric signal based on the change in capacitance between the electrodes 6b and 6c, and the angular velocity can be obtained.
[0032]
The second semiconductor layer (fixed portion) 102 supported on the first semiconductor layer 101 via the insulating layer 103 at a portion other than the opening 105 includes the drive electrode 5 and the detection electrode 6 as will be described later. Pads 20 to 22 for exchanging signals with the circuit unit 200 are formed by evaporating aluminum or the like (see FIG. 1). The drive pad 20 is formed on the fixed portion 5 a of each drive electrode 5 and is electrically connected to the fixed portion side electrode 5 b of the drive electrode 5.
[0033]
Further, the detection movable part side pad 21 is electrically connected to the movable part side electrode 6c of each detection electrode 6 through the detection beam 8 and the detection weight 7, and the detection fixed part side pad 22 is fixed to the detection part 6. 6a and is electrically connected to each fixed portion side electrode 6b of each detection electrode 6. Each of the driving and detection pads 20 to 22 is electrically connected to the circuit unit 200 by wire bonding or wiring on the substrate 104.
[0034]
Next, a circuit unit (circuit means) 200 provided in the angular velocity sensor for operating the angular velocity sensor 100 will be described with reference to a block diagram shown in FIG. The circuit unit 200 drives the vibrating units 1a to 4a and outputs a signal based on the displacement of the vibrating units 1a to 4a in the horizontal plane direction of the substrate 104 as an angular velocity signal. The circuit unit 200 is connected to the driving pad 20. And a detection / processing circuit 202 connected to the detection fixing portion side pad 22. The detection movable part side pad 21 is in a predetermined voltage or GND state, and the movable parts 1 to 4 are at a reference potential.
[0035]
The drive circuit 201 applies a drive signal (alternating voltage) to the fixed portion side electrode 5b of the drive electrode 5 to drive and vibrate the vibrating portions 1a to 4a. The detection / processing circuit 202 is a capacitance-voltage conversion circuit such as a switched capacitor that converts a capacitance change between the fixed portion side electrode 6b and the movable portion side electrode 6c of the detection electrode 6 into a voltage value (in FIG. 5). 202a and 202a, and an amplification unit 202b that amplifies the voltage value sent from the capacitance-voltage conversion circuit 202a and outputs it as an angular velocity detection signal S1.
[0036]
The angular velocity sensor 100 having such a configuration is manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 6 and 7 show a manufacturing process based on the AA cross section shown in FIG. FIGS. 6A to 7C show intermediate portions corresponding to the completed drawing shown in FIG. 7D (similar to FIG. 2 above).
[0037]
First, an SOI having an insulating layer 103 made of a silicon oxide film (for example, 1 μm in thickness) between a first semiconductor layer 101 made of single crystal silicon having a crystal orientation (100) and a second semiconductor layer 102. A substrate 104 is prepared (see FIG. 6A), the surface resistance value is lowered over the entire surface of the second semiconductor layer 102, and the contact resistance with the pad electrodes 20 to 22 made of aluminum formed in the next process is reduced. For example, phosphorus is diffused at a high concentration (N ⁺ Spread.
[0038]
Subsequently, as shown in FIG. 6B, for example, 1 μm of aluminum is vapor-deposited on the surface (second semiconductor layer 102) of the substrate 104, and is etched and etched, and the pad electrodes 20 to 22 for extracting signals are formed. Form. Subsequently, as shown in FIG. 6C, the back surface (first semiconductor layer 101) of the substrate 104 is cut and polished (back polished) to have a predetermined thickness (for example, 300 μm) and mirror finished.
[0039]
Subsequently, as shown in FIG. 6D, a plasma SiN film 300 is deposited on the back surface (first semiconductor layer 101) of the substrate 104 (for example, 0.5 μm), a photo pattern is formed, and the plasma SiN film 300 is formed. A predetermined region is opened by etching.
[0040]
Subsequently, as shown in FIG. 7A, a pattern for defining the vibrating portions 1 a to 4 a, the detection weight 7, the electrodes 5 and 6, the beams 8 to 11 and the like on the surface of the second semiconductor layer 102. Is formed of a resist, and a trench shape is formed vertically to the insulating layer 103 by dry etching.
[0041]
Subsequently, as shown in FIG. 7B, the first semiconductor layer 101 is deeply etched with, for example, a KOH aqueous solution using a pattern formed on the plasma SiN film 300 as a mask. At this time, if the etching is performed up to the insulating layer 103, the insulating layer 103 is broken by the pressure of the etching solution and the substrate 104 is damaged, so that the silicon of the first semiconductor layer 101 is, for example, 10 μm so that the insulating layer 103 is not broken. Etching time is managed so that the etching can be completed.
[0042]
Subsequently, as shown in FIG. 7C, the Si remaining in the process of FIG. 7B is removed by etching by plasma dry etching. At this time, the plasma SiN film 300 on the back surface of the substrate 104 is simultaneously removed. Finally, as shown in FIG. 7D, the insulating layer 103 is removed by dry etching to form the vibrating portions 1a to 4a and the like, and wiring with the circuit portion 200 is performed. 2 is completed.
[0043]
Next, the operation of the angular velocity sensor 100 will be described with reference to a model corresponding to the planar configuration of FIG. 2 shown in FIG. FIG. 8 shows the vibration parts 1a to 4a of the movable parts 1 to 4 in a spring system model (the drive beam 9 and the coupled beam 10 are shown as springs) with a predetermined point K as the center.
[0044]
In the angular velocity sensor 100, the drive circuit 201 applies an in-phase rectangular wave or sine wave voltage signal (drive signal) between the fixed part side electrode 5b and the movable part side electrode 5c in all the drive electrodes 5. Then, an electrostatic force is generated between the electrodes 5b and 5c, and the vibration parts 1a to 5a in all the movable parts 1 to 4 are generated by the elastic force of the drive beam (first elastic member) 9 and the coupled beam 10. 4a is driven to vibrate in the same direction along the radial direction of the circle centered on the predetermined point K.
[0045]
That is, all of the four vibrating portions 1a to 4a are driven to vibrate so as to simultaneously spread or narrow simultaneously when viewed from the predetermined point K along the radial direction of the circle. In FIG. 8, as indicated by the arrows v, all of the four vibrating parts 1 a to 4 a indicate the moment that spreads simultaneously. As described above, when the vibration parts 1a to 4a are driven and oscillated in the horizontal plane of the substrate 104, and an angular velocity Ω is generated around the substrate 104 and a vertical axis (shown by the symbol J in FIG. 1), the vibration parts 1a to 4a On the other hand, the Coriolis force Fc acts in the circumferential direction of a circle centered on the predetermined point K in the horizontal plane of the substrate 104.
[0046]
Since all the vibration parts 1a to 4a have the same drive vibration direction, the direction of action of the Coriolis force Fc is the same along the circumferential direction in all the vibration parts 1a to 4a. For example, when a certain moment is seen, the Coriolis force Fc acts in the counterclockwise direction along the circumferential direction in all the movable parts 1 to 4 as shown in FIG.
[0047]
In each movable part 1 to 4, the Coriolis force Fc acts on the detection weight 7 from the vibration parts 1 a to 4 a via the drive beam 9. Then, due to the elastic force of the detection beam (second elastic member) 8, the vibration portions 1 a to 4 a and the detection weight 7 (that is, the entire movable portion) are horizontal in the horizontal plane of the substrate 104 in all four movable portions 1 to 4. Rotational vibration (detection vibration) is performed in the same direction along the circumferential direction of the circle centered on the predetermined point K.
[0048]
And the displacement by the detection vibration of this movable part 1-4 is detected as a capacity | capacitance change between the stationary part side electrode 6b of the detection electrode 6, and the movable part side electrode 6c. This change in capacitance is detected by the capacitance-voltage conversion circuit 202 via the detection pads 21 and 22, converted into a voltage value, amplified, and output as an angular velocity detection signal S1. In the present embodiment, an output corresponding to an amount (4Fc) obtained by simply adding all four Coriolis forces Fc is performed. The basic operation of the angular velocity sensor 100 has been described above.
[0049]
As described above, according to the present embodiment, all of the vibration parts 1a to 4a in the four movable parts 1 to 4 are driven to vibrate in the same direction along the radial direction of the circle with the predetermined point K as the center. Thus, when the angular velocity Ω is generated around the substrate 104 and the vertical axis J, the Coriolis force Fc acts in the same direction along the circumferential direction of this circle in all the movable parts 1 to 4. 1 to 4 are all subjected to rotational vibration (detection vibration) in the same direction around the predetermined point K by the Coriolis force Fc, and the angular velocity Ω can be detected based on the rotational vibration.
[0050]
Here, if there is one movable part, vibration leakage (leakage vibration) occurs due to the reaction of vibration during drive vibration. In this embodiment, four movable parts 1 to 4 are formed on the substrate 104. Since there is a point symmetry with respect to a predetermined point K in the horizontal plane, there is no such problem. That is, in the drive vibration, the leakage vibration can be canceled by the vibrations of the vibration parts 1a to 4a, so that the drive vibrations of the vibration parts 1a to 4a can be performed with high accuracy.
[0051]
Further, the centrifugal force acting on the movable parts 1 to 4 in the radial direction of the circle does not affect the output since the direction of the Coriolis force Fc is the circumferential direction of the circle. Further, since the external force such as external acceleration applied to the sensor is a linear force, the rotational vibrations of the movable parts 1 to 4 due to the Coriolis force Fc are not affected by the external force. This is because the degree of rotation cannot be changed even if a linear force is applied to a rotating object.
[0052]
The fact that the external force such as external acceleration is not affected will be described more specifically. For example, as shown in FIG. 8, it is assumed that an external acceleration (external force, external G) FG is applied to the sensor 100 due to a sudden stop, a sudden start, or the like. At this time, the external acceleration FG acts on the vibration parts 2a and 4a, and when viewed partially, the output of the vibration part 2a is (Fc + FG) and the output of the vibration part 4a is (Fc−FG). The output (4Fc) of the entire movable parts 1 to 4 does not change.
[0053]
Therefore, according to the present embodiment, the signal due to the Coriolis force (output of 4Fc) when viewed with the four movable parts as a whole can be changed both when an external force is applied and when no external force is applied. Therefore, it is possible to provide a novel angular velocity sensor that can be easily prevented from being influenced by the external force without using a special circuit configuration in consideration of the influence of the external force.
[0054]
In addition, according to the present embodiment, the detection electrode (detection unit) 6 for detecting Coriolis force is provided outside the movable units 1 to 4 when viewed from the predetermined point K in the horizontal plane of the substrate 104. Yes. Thereby, the length of the comb-like electrodes 5b and 5c in the detection electrode 6 can be arbitrarily extended in the radial direction of the circle, and the area of the electrode itself can be increased, so that the output sensitivity can be increased.
[0055]
In addition, according to the present embodiment, the comb-like electrodes 6b and 6c in the detection electrode 6 extend radially in the radial direction of the circle, so that the gap between the opposing electrodes 6b and 6c (that is, the detection interval) is As the diameter of the circle increases, the capacitance increases between the first electrode 6c and the second electrode 6b. Therefore, it becomes easy to improve the sensitivity of the sensor output.
[0056]
Each of the movable portions 1 to 4 includes a detection weight 7 supported on the substrate 104 by a detection beam (first elastic member) 8 that can be elastically deformed in the circumferential direction of a circle centered on a predetermined point K, and Vibrating portions 1a to 4d supported on the detection weight 7 on the inner peripheral side of the detection weight 7 by a drive beam (second elastic member) 9 that can be elastically deformed in the radial direction of the circle centered on the fixed point K. Thereby, each movable part 1-4 can perform the above drive vibration and detection vibration appropriately.
[0057]
Further, according to the present embodiment, the four movable parts 1 to 4 are connected to each other by the coupled beam 10 that can be elastically deformed in the radial direction of the circle centered on the predetermined point K, and each movable part is movable during driving vibration. Since the parts 1 to 4 are coupled and vibrated at the same frequency, it is ensured that all the movable parts 1 to 4 are driven and vibrated in the same direction along the radial direction of the circle around the predetermined point K. This is preferable. Note that all the movable parts 1 to 4 are driven and vibrated in the same direction along the radial direction of the circle, even if the movable parts are not connected by the coupled beam 10. It is also possible to adjust 9 by trimming or the like.
[0058]
Further, as shown in FIG. 4, the detection interval 6d between the fixed portion side electrode (second electrode) 6b and the movable portion side electrode (first electrode) 6c in the detection electrodes 6 of the movable portions 1 to 4 is set to When one electrode 6c is taken as a reference, all the detection intervals 6d are on one side (clockwise, clockwise) along the circumferential direction of the circle centered on the predetermined point K. The positional relationship of the detection interval 6d can be modified as shown in FIG.
[0059]
In FIG. 9, in each of the detection electrodes 6 corresponding to each of the movable parts 1 to 4, the detection interval 6d is along the circumferential direction of a circle centered on the predetermined point K when viewed from the first electrode 6c. There is a part (C1 part enclosed in parentheses in the figure) on one side (clockwise side) and a part (C2 part enclosed in parentheses in the figure) on the other direction side (counterclockwise side) doing.
[0060]
According to this modification, in each detection electrode 6, the detection interval 6d is between the first electrode 6c and the second electrode 6b between the portion C1 on the one direction side and the portion C2 on the other direction side. The generated electrostatic force is in the opposite direction. Therefore, although it is necessary to differentially process the signals from both the parts C1 and C2, as shown in FIG. 4, the detection interval 6d is along the circumferential direction of the circle when viewed from the first electrode 6c. Each movable part 1-4 can be made into the structure which is hard to rotate compared with the case where the structure which exists only in one direction side is employ | adopted.
[0061]
The angular velocity sensor 100 has a configuration in which the first semiconductor layer 101 serving as a support substrate in the SOI substrate 104 is removed by forming the opening 105, that is, a so-called back-side etched configuration. The one shown in FIG. 10 is also possible.
[0062]
In the sensor 200 shown in FIG. 10, a trench is formed from the second semiconductor layer 102 side and sacrificial layer etching is performed to remove the insulating layer 103 at a position corresponding to the opening 105, and the first semiconductor layer is formed. It is different from the sensor 100 that 101 is left. Other parts are the same. According to this sensor 200, for example, the protruding portion 12 is formed leaving the insulating layer 103 and the second semiconductor layer 102 at a predetermined point K, and the coupled beam 10 and the suspension beam 11 are supported by the protruding portion 12. Therefore, a sensor that is more stable in strength can be realized.
[0063]
(Other embodiments)
In the above embodiment, there are four movable parts arranged symmetrically with respect to the predetermined point K. However, at least two movable parts may be used to cancel the leakage vibration. It doesn't matter.
[0064]
In addition, as described above, the detection electrode (detection unit) is preferably outside the movable units 1 to 4 when viewed from the predetermined point K in the horizontal plane of the substrate 104, but inside the movable units 1 to 4. May be located. Further, the detection unit may be other than the capacitance detection. For example, the detection unit may detect a displacement of the detection weight 7 as a change in electromagnetic force. Further, the circuit unit 200 may be formed on the same substrate 104 as the angular velocity sensor 100 or may be formed on another substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan configuration diagram of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along AA in FIG.
FIG. 3 is an enlarged plan view of the main part of the sensor in FIG. 1;
4 is a partially enlarged plan view of FIG. 3;
FIG. 5 is a block diagram of a circuit unit of the angular velocity sensor according to the embodiment.
6 is a process diagram showing a method of manufacturing the angular velocity sensor according to the embodiment. FIG.
7 is a process diagram illustrating the manufacturing method subsequent to FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is an operation explanatory diagram of the angular velocity sensor according to the embodiment.
FIG. 9 is a plan view showing a modification of the positional relationship of detection intervals.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing another example of the angular velocity sensor according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
1 to 4 ... movable part, 1a to 4a ... vibrating part, 6 ... detection electrode,
6b ... fixed part side electrode of the detection part (second electrode of the detection part),
6c: movable part side electrode of detection part (first electrode of detection part), 6d: detection interval,
7 ... detection weight, 10 ... coupled beam,
104: SOI (silicon on insulator) substrate.

Claims

When the movable portion (1 to 4) provided on the substrate (104) is driven and oscillated in the horizontal plane of the substrate and an angular velocity is generated around the vertical axis of the substrate, the horizontal plane of the substrate with respect to the movable portion is generated. In the angular velocity sensor designed to detect the Coriolis force acting inside,
The movable part is composed of a plurality of points arranged symmetrically about a predetermined point (K) in the horizontal plane of the substrate,
An angular velocity sensor, wherein the plurality of movable parts are all driven and vibrated at the same frequency in synchronism with the same direction along the radial direction of the circle centered on the predetermined point.

A detection unit (6) for detecting the Coriolis force is provided outside each of the plurality of movable units (1 to 4) when viewed from the predetermined point (K) in a horizontal plane of the substrate (104). The angular velocity sensor according to claim 1, wherein:

The detection unit (6) includes a comb-shaped first electrode (6c) provided outside the movable units (1 to 4) when viewed from the predetermined point (K) in a horizontal plane of the substrate (104). And a comb-like second electrode (6b) provided to be engaged with a gap between comb teeth in the first electrode formed in each movable part,
The angular velocity sensor according to claim 2, wherein the Coriolis force is detected based on a change in capacitance caused by a change in a detection interval (6d) formed between the first electrode and the second electrode. .

In each of the detection units (6) corresponding to each of the movable units (1 to 4), when the first electrode (6c) is used as a reference, the detection interval (6d) is equal to the predetermined point (K). The angular velocity sensor according to claim 3, wherein a portion (C1) on one side and a portion (C2) on the other direction exist along a circumferential direction of a circle having a center.

The movable part (1 to 4) is a detection weight (supported by the substrate (104)) by a first elastic member (8) that can be elastically deformed in a circumferential direction of a circle centered on the predetermined point (K). 7) and a vibrating portion (1a to 4a) supported by the detection weight by a second elastic member (9) that is elastically deformable in the radial direction of a circle centered on the predetermined point. The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor is an angular velocity sensor.

The angular velocity sensor according to claim 5, wherein the detection weight (7) is provided on an outer peripheral side of the vibrating portion (1a to 4a).

The plurality of movable parts (1 to 4) are connected to each other by a coupled beam (10) that can be elastically deformed in a radial direction of a circle centered on the predetermined point (K), and each movable part is movable during the driving vibration. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the portion vibrates in combination.