CN1985149A - 角速度传感器 - Google Patents

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Abstract

利用MEMS技术在硅晶片(1)上形成的振子(10)具有支承在中心部(11)并且在圆周方向八等分配置延伸的八个梁部(12)，以及与该八个梁部(12)连接的环状的环部(13)。在环部(13)的外侧，从环部(13)空出间隙(22)相等地配置有静电驱动用或电容检测用等的八个电极(21a～21h)。在环部(13)的内侧，从环部(13)空出间隙(24)相等地配置有16个频率调整用电极(23)。

Description

角速度传感器
技术领域
本发明涉及在防抖照相机、汽车导航装置(car navigation)等中使用的、用于检测物体角速度的角速度传感器。
背景技术
近年来，作为以实现低成本和小型化为目的的角速传感器，开发出下述角速度传感器，即，使用应用半导体制造过程等中的技术而实现各种机械元件小型化的MEMS(微型电气机械系统：Micro ElectroMechanical System)技术在硅晶片上形成振子，并利用两块玻璃基板夹住该硅晶片，以形成密封振子的结构(参照专利文献1)。
图10是在专利文献1中所述的现有角速度传感器的结构图。角速度传感器60包括一对玻璃基板61、62以及硅框架70，其中，所述硅框架70在两块玻璃基板61、62之间形成，并在其中形成具有砝码(weight)71、基座73和T字形支承梁部(beam)72的振子74，从而，形成为玻璃/硅/玻璃的三层结构。在上侧玻璃基板61上空出接触孔(contact hole)63，在硅框架70上形成嵌入接触孔63中以密封振子74的柱64。在接触孔63中喷镀(sputter)金属，与该接触孔63导线连接，与设置在玻璃基板61上的电极电气连接。
在玻璃基板61的下面设置有在放射方向延伸的梳齿状的静电驱动电极61a，、一对电容检测用电极61b、和电容检测用电极61b两侧的两对振动姿势控制用电极61c。在下侧玻璃基板62的上面设置有与静电驱动用电极61a相对的梳齿状的静电驱动用电极62a、以及与电容检测用电极61b和振动姿势控制用电极61c相对的一对电容检测用电极62b。在与形成振子74的环状砝码71的上下面的静电驱动电极61a、62a对应的区域上，形成有放射状的槽76，在该槽76的凸部和凹部形成有电极。支承梁部72的两端与砝码71连接，支承梁部72在中空部分支承砝码71。
当将驱动电压施加在静电驱动用电极61a、62a和振子74的砝码71的电极之间时，静电力在连接和离开方向作用在静电驱动用电极61a、62a上，振子74围绕z轴回转振动。此处，在施加有围绕x轴的角速度的情况下，振子74利用科里奥利力(Coriolis force)的作用，围绕y轴振动。通过这种振动使检测用电极61b、62b和振子74的砝码71的表面的距离变动，由于它们之间的电容发生变动，所以通过检测这种电容变化而能够检测出所施加的角速度。
专利文献1：日本特开平11-264729号公极
对于在专利文献1中所述的角速度传感器而言，由于在玻璃基板上设置有电极，并从此处将电路铺设至取出配线用通孔，所以存在金属配线横切密封部分，从而导致振子的密封可靠性低的问题。另外，利用硅部件的蚀剂深度和玻璃基板上的电极厚度规定电容器的间隙，减小蚀剂深度的加工偏差，比减小蚀刻宽度的加偏差困难。这样，如果利用掩模图形，则容易进行蚀刻宽度的正确加工，与其相对，利用蚀刻时间控制蚀刻深度，则由于蚀刻时间对蚀刻条件的影响较大，因此控制困难。所以，存在不能大量生产具有均匀特性角速度传感器的问题。
另外，在美国专利第5616864号中揭示有下述结构的角速度传感器，即，具有在作为由中心部支承的共振子的环部的外侧上形成有静电驱动用电极和电容检测用电极的平面环结构。在这种平面环结构的角速度传感器中，检测cosnθ模态(n为模态次数)的振动以检测角速度。在利用cosnθ模态的振动型角速度传感器(陀螺仪：gyro)中，驱动一次振动的固有振动数与利用由角速度产生的科里奥利力激励的二次振动的固有振动数接近，检测精度良好。然而，由于环部的加工误差造成两个固有振动数偏离，必需正确地使两种振动模态下的共振频率匹配。在美国专利第5616864号中，利用静电驱动用电极，通过将固定直流偏置电压施加在环部和该静电驱动用电极之间，而能够利用差分方法调整两个振动模态下的共振频率。
由于将静电驱动用电极合并用作振动频率调整用电极，所以存在控制回路复杂的问题。另外，由于易于将直流偏置电压施加在静电驱动用电极上，而难以将直流偏置电压施加在电容检测用电极上，所以在回路结构上困难，因此不能在振动频率调整用中使用电容检测用电极。因此，可在振动频率调整用时使用的电极数少，只限于在限定的角度位置使用电极，总面积减小，因此存在模态频率的匹配功能受到限制的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够提高振子的密封性，容易大量生产均匀特性制品的角速度传感器。本发明的另一个目的在于提供一种回路结构不复杂，且可以高精度地进行模态频率调整的角速度传感器。
本发明的一种角速度传感器，具有形成有振子的半导体基板，其中，该振子具有振动状态根据检测对象的角速度而变化的环部，其特征在于：在所述半导体基板的所述环部的内侧或外侧形成有所述振子的静电驱动用电极和所述振子的电容检测用电极，在与所述静电驱动用电极和所述电容检测用电极相反一侧的所述环部外侧或内侧形成有所述振子的振动频率调整用电极。
本发明的一种角速度传感器，具有形成有振子的半导体基板，其中，该振子具有振动状态根据检测对象的角速度而变化的环部，其特征在于：在所述半导体基板的所述环部的外侧形成有所述振子的静电驱动用电极和所述振子的电容检测用电极，在所述半导体的所述环部内侧形成有所述振子的振动频率调整用电极。
本发明的一种角速度传感器，具有形成有振子的半导体基板，其中，该振子具有振动状态根据检测对象的角速度变化的环部，其特征在于：在所述半导体基板的所述环部的内侧形成有所述振子的静电驱动用电极和所述振子的电容检测用电极，在所述半导体的所述环部外侧形成有所述振子的振动频率调整用电极。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述振子、所述半导体基板、所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极和所述振动频率调整用电极由相同的材料制成。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述相同材料为硅。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极、所述振动频率调整用电极和所述半导体基板实质上在相同平面上。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述振动频率调整刚电极相邻的电极间的设置角度差Δφ满足Δφ＜90°/n(n为所述振子的振动模态的模态次数)。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述振动频率调整用电极的个数为3×2n、4×2n或5×2n(n为所述振子的振动模态的模态次数)。
本发明的角速度传感器，其特征在于：以360°/2n(n为所述振子的振动模态的模态次数)的间隔，在所述环部的内侧或外侧上形成一组由3个、4个或5个振动频率调整用电极构成的多组的振动频率调整用电极。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述多组间存在有对应的振动频率调整用电极，将相同的电压施加在各组对应的振动频率调整用电极上。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述多组存在有间对应的振动频率调整用电极，独立地将电压施加在各组对应的振动频率调整用电极上。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述振子的一端由所述半导体基板的中心部支承，另一端具有与所述环部连接的多个梁部。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述振子的一端由所述半导体基板的所述环部的外侧支承，另一端具有与所述环部连接的多个梁部。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述振动频率调整用电极和所述梁部之间形成有与所述环部同电位的部分。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述同电位部分上形成有突起部。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述半导体基板上形成有放大从所述电容检测用电极输出的检测信号的放大回路。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述半导体基板由两块支承基板夹持，形成有收容所述振子、所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极和所述振动频率调整用电极的空腔。
本发明的角速度传感器，其特征在于：使所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极、所述振动频率调整用电极和支承所述振子的中心部中的至少一个与所述两块支承基板中的一块接合形成。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述空腔设置有吸气剂，所述空腔内的气氛为100mTorr以下。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述空腔中封入惰性气体或不被吸气剂吸附的气体。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述两块支承基板的一块上设置有与所述静电驱动用电极连接的第一配线以及在该第一配线附近的第二配线，将反相位的电压分别施加在所述第一配线和第二配线上。
本发明的角速度传感器，其特征在于：在所述两块支承基板的一块上，形成将电压施加在所述振动频率调整用电极上的配线图形。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述配线图形的个数为所述振动频率调整用电极的个数/2n(n为所述振子的振动模态的模态次数)个，每隔360°/2n设置的多个所述振动频率调整用电极与所述各配线图形连接。
本发明的角速度传感器，其特征在于：所述半导体基板的厚度相对于所述静电驱动用电极和所述电容检测用电极与所述环部的距离的比为8以上。
在本发明的角速度传感器中，在半导体基板内形成静电驱动用电极和电容检测用电极。因此，与专利文献1的角速度传感器比较，振子的密封特性优秀。另外，电容器的间隙由振子和静电驱动用电极与电容检测用电极的间隙规定，振子和这些电极在半导体基板的同一平面上形成，因此，该间隙与容易正确控制的蚀刻宽度有关，容易大量生产具有均匀特性的角速度传感器。
在本发明的角速度传感器中，分别在半导体基板的环部的内侧或外侧形成静电驱动用电极、电容检测用电极和振动频率调整用电极。例如，在半导体基板的环部的外侧形成电驱动用电极和电容检测用电极，在环部的内侧形成振动频率调整用电极。或者与此相反，在半导体基板的环部的内侧形成静电驱动用电极和电容检测用电极，在环部的外侧形成振动频率调整用电极。因此，由于如美国专利第5616864号那样，将静电驱动用电极与振动频率调整并用，因此，控制回路可单纯而简单地构成。另外，由于能够沿环部均等地配置振动频率调整用电极，因此能够高精度地进行频率匹配。
在本发明的角速度传感器中，振子、半导体基板、静电驱动用电极、电容检测用电极和频率调整用电极实质上在同一平面上，例如，由硅等相同材料构成。因此，容易采用MEMS加工技术。
在将振动频率调整用电极沿环部配置的情况下，相邻的电极间的设置角度差Δφ满足Δφ＜90°/n(n为所述振子的振动模态的模态次数)。通过满足振动频率调整用电极间的角度分离比模态用分离小的要求，而能够可靠地进行振动频率的调整。另外，振动频率调整用电极的个数也可以为3×2n、4×2n或者5×2n(n为模态次数)中的任何一个。
在本发明的角速度传感器中，由3个、4个或5个振动频率调整用电极构成各组，以360°/2n(n为模态次数)的间隔，在环部的内侧或外侧形成。在n次振动模态中，由于每360°/2n对称性，利用这种电极配置，电极总面积变大，频率调整范围变广。在这种电极配置情况下，也可以将相同电压施加在各组间对应的电极，即，隔开360°/2n的间隔配置的电极上，或者，也可以将不同的电压施加在这些对应的各电极上。在前者的情况下，能够实现配线图形简单化以及减少电压源个数化，在后者的情况下，能够实现高精度的频率调整。
在一般的四方形振子的情况下，多数利用从周围延伸的梁部固定。在这种情况下，利用玻璃/硅/玻璃不同种材料的结构，由于强烈地受到因温度变化时膨胀系数的差异产生的内部应力的影响，温度特性恶化。与此相对，在本发明的角速度传感器中，由于使用具有与由半导体基板的中心部支承的多个梁部连接的环部的振子，所以温度变化时作用在振子上的内部应力变化小，不受温度变化的影响。
在本发明的角速度传感器中，在振动频率调整用电极和梁部之间设置有与环部同电位的部分(板)。因此，能够防止静电引力作用在振动频率调整用电极和梁部之间。另外，在作为与环部同电位的部分(板)上形成突起部。在外部冲击使振子位置变动的情况下，通过该突起部使振子先与板冲突，而不与静电驱动用电极和电容检测用电极紧贴。
在本发明的角速度传感器中，在半导体基板上形成放大由电容检测用电极发出的检测信号用的放大回路，可使回路结构小型化，同时，减少检测信号以外的外部扰动成分(噪声)的输入。
在本发明的角速度传感器中，半导体基板由玻璃或硅制的两块支承基板夹持，静电驱动用电极、电容检测用电极和/或振动频率调整用电极只与上侧支承基板接合，即，由于在上侧支撑基板悬挂固定，所以，能够在下侧支承基板上设置较大的空腔，同时，使吸气剂的设置面积变大。
在本发明的角速度传感器中，为了使Q值在规定以上，而在下侧支承基板上设置吸气剂(getter)并将振子气氛保持为低压。另一方面，由于为了将振子气氛保持为规定的压力而必需使Q值的温度系数不变高，所以，在空腔中封入惰性气体或不被吸气剂吸附的气体。
在本发明的角速度传感器中，在上侧支承基板上设置与静电驱动用电极连接的第一配线和在第一配线附近的第二配线，将与第一配线反相位用的电压施加在第二配线上。在静电驱动用第一配线通过电容检测用电极上方的情况下，由于产生交扰(crosstalk)，而在配置于第一配线附近的第二配线上施加反相位的电压，以抵消交扰成分。因此，电容检测用电极不受交扰的影响。
在本发明的角速度传感器中，在上侧支承基板上形成振动频率调整用电极个数/2n(n为模态次数)个配线图形，每隔360°/2n设置的多个振动频率调整用电极与各配线图形连接。因此，由于将具有相同功能的多个振动频率调整用电极集中并与一个配线图形连接，所以能够使配线图形简单。
在本发明的角速度传感器中，调整静电驱动用电极/电容检测用电极以及环部的距离与半导体基板厚度的比(纵横尺寸比)。具体地说，通过使该比为8以上，使得即使振子气氛为100mTorr以下，也容易进行Q值的控制。
在本发明中，由于在半导体基板内形成静电驱动用电极和电容检测用电极与振动频率调整用电极，因此，能够提高振子的密封特性，同时，使控制回路不复杂，可以容易大量生产具有均匀特性的角速度传感器。另外，由于振子形成为环状，所以，即使为玻璃/硅/玻璃等不同种材料的结构，也能够不受温度变化的影响，可以正确地检测角速度。例如，由于在振子的环部的内侧设置振动频率调整用电极，所以，能够有效地利用环部的内侧区域，此外，可以使静电驱动用电极和电容检测用电极的面积增大，能够得到充分大的电容，同时，增大振动频率调整用电极的面积，能够高精度地调整振动频率。
在本发明中，由于使用相同材料(硅)制成振子、半导体基板、静电驱动用电极、电容检测用电极和振动频率调整用电极，所以，可以利用MEMS加工技术，高精度地制造微细的构造物。
在本发明中，由于相邻电极间的设置角度Δφ满足Δφ＜90°/n(n为模态次数)，因此，能够可靠地进行振动频率调整。
在本发明中，由于将3个、4个或5个振动频率调整用电极作为1组，以360°/2n(n为模态次数)的间隔，在环部的内侧或外侧形成各组，因此，能够增大振动频率调整用电极的总面积，并扩大频率调整范围。
在本发明中，由于在振动频率调整用电极和梁部之间设置有与梁部和环部同电位的板，因此，能够防止静电引力作用在振动频率调整用电极和梁部之间。此外，由于在梁部和与环部同电位的板上形成有突起部，所以，在因外部冲击而引起振子位置变动的情况下，能够防止振子与静电驱动用电极和电容检测用电极紧贴。
在本发明中，由于在半导体基板上形成放大电容检测用电极的检测信号的放大回路，所以，能够使回路结构尺寸小，并减少检测信号的外扰输入，以得到正确的检测结果。
在本发明中，由于静电驱动用电极、电容检测用电极和/或振动频率调整用电极与上侧的支承基板接合，所以，能够在位于这些电极下方的下侧支承基板上形成较大空腔，同时，可以确保吸气剂的设置面积。
在本发明中，由于在下侧支承基板的空腔内设置吸气剂，可将振子的气氛保持为低压(100mTorr以下)，所以，能够使Q值在规定以上。另外，由于在空腔中封入惰性气体或不被吸气剂吸附的气体，将半导体基板的厚度相对于静电驱动用电极以及电容检测用电极与环部的距离的比(纵横尺寸比)形成为8以上，所以，即使振子的气氛在100mTorr以下，Q值也不会非常高，成为容易控制的值。
在本发明中，由于在支承基板上的静电驱动用第一配线附近没置有施加与第一配线反相位的电压的第二配线，所以，能够抑制交扰对电容检测用电极的影响。
在本发明中，由于在上侧支承基板上形成的振动频率调整用电极的个数/2n(n为模态次数)个配线图形，连接每隔360°/2n设置的多个振动频率调整用电极，因此，可以实现配线图形的简单化。
附图说明
图1为本发明的角速度传感器的截面结构图。
图2为本发明的角速度传感器的硅晶片的平面图。
图3为本发明的角速度传感器的板的放大图。
图4为表示在本发明的角速度传感器中的一次振动和二次振动的状态的图。
图5为表示振动频率调整用电极的配置例子的示意图。
图6为表示振动频率调整用电极的配置例子的示意图。
图7为与静电驱动用电极连接的玻璃基板上的金属配线的示意图。
图8为表示与振动频率调整用电极连接的玻璃基板上的配线图形的示意图。
图9为表示本发明的角速度传感器的制造工序的截面图。
图10为现有的角速度传感器的结构图。
符号说明
1-硅晶片(半导体基板)；2、3-玻璃基板；10-振子；11-中心部；12-梁部(beam)；13-环部；21a、21b-静电驱动用电极(驱动电极)；21e、21f-电容检测用电极(检测电极)；22、24、26、28-间隙；23-振动频率调整用电极(调整电极)；25-板；25a，25b-突起部；27-衬垫；29-放大回路；31-通孔；32-衬垫；33，34-空腔；35-吸气剂；36-电线；41-金属配线(第一配线)；42-电压源；43-金属配线(第二配线)；51-配线图形。
具体实施方式
以下，根据表示实施方式的附图，对本发明进行具体说明。图1为本发明的角速度传感器的截而结构图，图2为本发明的角速度传感器的硅晶片的平面图。
在使用平面环共振器结构的角速度传感器中，在振动模态次数为n的情况下，即使使用任意的n次cosnθ模态对，也可以动作。然而，在高次模态下，模态结合系数减小，另外，由于模态形状复杂，实用上广泛使用低次模态(n＝2、n＝3)。在以下的实施例中，说明n＝2的例子，即使用cos2θ模态的例子。
本发明的角速度传感器形成为通过由派拉克斯(Pyrex(パイレツクス)：注册商标)玻璃制成的作为支承基板的两块玻璃基板2、3夹住作为使用MEMS技术形成后述振子、各种电极等的半导体基板的硅晶片1(例如厚度为100～300μm)的结构，为玻璃/硅/玻璃的三层结构。玻璃基板2、3以低压密封在硅晶片1上形成的振子10。振子10具有由中心部11支承并且在圆周方向8等分配置而延伸的8根梁部12和与这8根梁部12连接的环状的环部13。梁部12的一端支承在中心部11上，另一端与环部13连接，梁部12支承环部13。
在环部13的外侧，从环部13开始空出适当(例如10μm左右)的间隙22，8个电极21(21a～21h)均等地配置而形成。相对的电极彼此具有相同的功能。电极21a和21b是在振子10上引起1次振动用的静电驱动用电极(以下简称为驱动电极)，电极21c和21d是检测在振子10上产生的一次振动用的电极，电极21e和21f是检测在振子10上产生的二次振动用的电容检测用电极(以下简称为检测电极)，电极21g和21h是克服在振子10上产生的二次振动用的电极。
控制驱动电极21a、21b和一次振动检测用电极21c、21d之间的振幅和频率，使一次振动的振动数与振子10的固有振动数保持一致。为了消除因二次振动所产生的科里奥利力的影响，以提高检测精度，而将没有二次振动用的电压施加在电极21g和21h上。通过监视该电压，来检测角速度的大小。这样，由于每两个设置具有相同功能的电极，所以，能够使检测灵敏度为二倍。另外，由于在相对的位置上(点对称的位置)配置具有相同功能的电极，所以，在施加外部冲击而引起输出变动时，具有能够相互抵消的效果。
在环部13的内侧，从环部13开始空出适当(例如10μm左右)的间隙24而均等地配置16个振动频率调整用电极(以下简称为调整电极)23。这些调整电极23是利用静电引力控制固有振动数的电极，可以施加使一次振动和二次振动的固有振动数相互一致的电压。在本例子中，形成有16个调整电极23，可以良好地进行两个固有振动数的匹配。
实质上，由于在同一平面上形成的振子10(环部13和梁部12)、电极21和调整电极23是使用相同材料(硅)制造的，因此制造成本低，容易使用能够高精度制造微细构造物的MEMS技术。另外，一般使用MEMS加工技术所适用的具有导电性的硅作为材料，此外，也可以使用喷镀法或电镀法层叠的金属作为材料。
在本发明中，将驱动电极、检测电极等8个电极(21a～21h)配置在环部13的外侧，将16个调整电极23配置在环部13的内侧。因此，配置在环部13外侧的8个电极21不受伴随着设置调整电极23面积减小的影响，可得到充分的电容。即，与将全部24个电极配置在环部13外侧的结构相比，可以增在8个电极21的面积，得到充分的电容，同时，可以增大16个调整电极23的面积，能够高精度地调整振动频率。另外，由于有效地利用环部13的内侧区域形成调整电极23，所以，可以实现小型的结构。
在相邻的梁部12、12之间和梁部12与电极23之间，与梁部12和环部13同电位的8块板25，分别通过间隙26、28，在梁部12和电极23之间形成。图3是该板25的放大图，在与板25的环部13相对的面和与梁部12相对的面上形成突起部25a、25b。
另外，在硅晶片1的拐角处形成有放大回路29，该放大回路29放大用于检测由振子10产生的一次振动或二次振动的电极21c、21d、21e、21f所发出的检测信号，在传感器芯片中，安装有预放大器。
在上侧的玻璃基板2上，在与所述电极21(21a～21h)、23对应的位置上作出通孔31。将连接各个电极21(21a～21h)、23的衬垫27和在玻璃基板2的表面上形成的衬垫32的电线36插入各个通孔31内。与玻璃基板2下部的振子10(梁部12和环部13)对应的区域被部分地削去，成为空腔33。在设置有该通孔31和空腔33的部分以外的区域中，玻璃基板2的下表面与硅晶片1接合。
在下侧的玻璃基板3的上面，设置有较大的空腔34，在空腔34的底面上设置有吸气剂35。在设置有空腔34的部分以外的区域上，玻璃基板3的上表面与硅晶片1接合。吸气剂35吸附在玻璃基板3和硅晶片1的阳极接合时产生的氧气。
利用两块玻璃基板2、3支承振子10和各种电极21、23，同时，在低压下密封振子10。设置在环部13内侧的调整电极23只与上侧的玻璃基板2接合。换句话说，由于在上侧的玻璃基板2上悬挂固定，所以，可以在下侧的玻璃基板3上设置较大的空腔34，同时，可以扩大吸气剂35的设置面积。在本发明中，由于在硅晶片1上形成有驱动用或检测用的电极，所以，与将这些电极设置在玻璃基板上的情况相比，密封特性良好。振子10(梁部12和环部13)，在空腔33、34内振动。
其次，对动作进行说明。在本发明的角速度传感器中，利用静电引力来驱动振子10(一次振动)，检测与所加的角速度相应的新的振动(二次振动)引起的静电电容的变化，为了没有该二次振动，通过监视施加在电极21g和21h上的电压，检测所施加的角速度。首先，将电压施加在驱动电极21a、21b上，在振子10上引起cos2θ模态的一次振动。在图4(a)中表示这种一次振动的状态。此处，在以垂直轴为中心，在环部13上产生角速度(图4(a)的Ω)的情况下，产生科里奥利力(图4(a)的fc)，引起Sin2θ模态的二次振动。图4(b)中表示这种二次振动的状态。如果为完全的结构，则一次振动和二次振动的共振频率理论上一致。
在将直流电压VDC和交流电压VAC施加在振子10的静电驱动用电极上的情况下，施加在电极上的力F用下述(1)式表示
F＝εS(VDC+VAC)2/2d2    ……(1)
式中，ε：介电系数；
S：电极面积；
d：环部、电极间的距离。
在振动时，积蓄在振子10和电极21c与21d之间的电气量Q通过下式(2)表示。为了检测通过下式(3)表示的电流，可通过监视该电流的变化，来检测一次振动。另外，利用电极21e和21f检测由所施加的角速度产生的科里奥利力所激励的二次振动，为了没有激励的二次振动，监视应该施加在电极21g和21h上的电压，检测所施加的角速度。
(数1)
Q = ϵS d 0 + ae jωt V · · · · · · ( 2 )
I = dQ dt
= jϵSVaωe jωt ( d 0 + ae jωt ) 2 · · · · · · ( 3 )
式中，V：环部、电极间的距离；
d0：环部、电极间的初期距离；
a：一次振动的振幅；
ω：共振频率。
其次，说明构成本发明的特征部分的调整电极23的结构、作用以及效果等。在利用cosθ模态的振动型角速度传感器中，必需正确地匹配驱动的一次振动的固有振动数和由角速度激励的二次振动的固有振动数，调整电极23进行匹配这些固有振动数用的调整。在将电压施加在某个调整电极23上的情况下，在cos2θ模态下的频率变化大小与调整电极23相对于该模态的振动轴的角度位置有关。cos2θ模态具有带有45°的振动轴偏移的两个模态。在将电压施加在一个模态的振动轴方向(径向的腹部)上的情况下，可达到在该模态频率下的最大偏移。该位置与另一模态的径向的节一致，由于在该位置没有径向的运动，所以，在该模态下，作为结果，频率的变化最小，因此，为了使制造过程中产生的不完全的圆环的两个模态的频率差(即，非零模态的频率分离)最小，可以用差分方法调整模态频率。测量施加在调整电极23上的电压大小，使得能够激起正确地补偿最初测定的频率分离的频率偏移。
在一个模态的振动轴方向与一个调整电极23完全一致的情况下，由于在该位置上两个模态具有径向运动，所以，当施加电压时，两个频率发生变化，在这种情况下，为了使两个模态的频率一致，需要相当高的电压，必要的电压的计算变得更复杂。在容易计算要求的电压的情况下，为了有效地实现频率的平衡，可沿着具有两个模态中的高频率的模态的振动轴，将平衡力正确地分解在多个电极上。
因此，在本实施方式中，在0°和90°之间、90°和180°之间、180°和270°之间、270°和360°(＝0°)之间，每隔22.5°配置4个调整电极23。在该结构中，将用下述式(4)、(5)式表示的电压ΔV1、ΔV2施加在与具有高频模态的振动轴的两侧最接近的调整电极23上，可给出沿着振动轴(角度φm)的分解力。
(数2)
ΔV 1 = k sin 2 n ( φ 2 - φ m ) sin 2 n ( φ 1 - φ 2 ) · ΔF · · · · · · ( 4 )
ΔV 2 = k sin 2 n ( φ 1 - φ m ) sin 2 n ( φ 2 - φ 1 ) · Δ F · · · · · · ( 5 )
式中，φ1、φ2：与振动轴(角度φm)两侧最接近的两个调整电极23的角度位置；
n：模态次数(在本实施方式中n＝2)；
ΔF：应该平衡的模态频率分离(split)；
k：定义频率调整系数的常数。
其中，在高频模态的振动轴与一个调整轴23的中心一致的情况下，也可以将电压只施加在一个调整电极23上。例如，如果φm＝φ1，则ΔV2＝0，如果φm＝φ2，则 ΔV1＝0。
以上的效果可通过将4个调整电极23只配置在0°和90°之间而得到。在本实施方式中，通过将施加相同电压的调整电极23设置在另一角度区域中，可以增加调整电极23的总面积，得到4倍频率调整范围。这是因为cos2θ模态的振动形状为每隔90°有对称性的缘故。一般，在n次的振动模态的情况下，由于每隔360°/2n有对称性，因此，如果每隔360°/2n配置频率调整用电极，则可以与cos2θ模态相同，扩大频率调整范围。
调整电极23的配置条件为沿着高频模态的振动轴(角度φm)，能够以充分的角分辨(angular resolution)分解平衡力，能够利用差分方法偏移cos2θ模态频率。其中，要求相邻的调整电极23、23之间的设置角度差比模态延伸角度(elongation degree of the mode)小，具体地说，在以n作为模态次数的情况下，设置该角度差Δφ必需满足下述(6)式所示的条件。具体而言，在cos2θ模态的情况下，Δφ不足45°，在cos3θ模态的情况下，Δφ不足30°。
Δφ＜90°/n  ……(6)
调整电极23、23的设置角度差接近所述式(6)的界限，但在振动轴位于两个调整电极23、23之间的情况下，施加在调整电极23上的电压具有对两个模态相似的效果，在频率匹配时必需高电压。然而，为了使各个调整电极23变大，通过增加表面积，这个效果的一部分可以得到抵消。
优选使调整电极23的总面积为最大限度，使调整范围为最大界限。另外，优选在每一个180°/n的各圆弧区域上配置相同个数的调整电极23，利用这种结构，能够将调整电极23的结构增加至2n组。
在本实施方式中，在90°的各圆弧内，设置4个调整电极23，设置总数为16个的调整电极23。图5、图6表示cos2θ模态的调整电极23的配置的另一个例子。在图5所示的例子中，在90°的各圆弧内，设置3个调整电极23，设置总数为12个调整电极23。在图6所示的例子中，在90°的各圆弧内，设置5个调整电极23，设置总数为20个的调整电极23。
在90°的各圆弧内设置两个调整电极23的情况下，不满足所述(6)式的条件，不进行频率匹配。另一方面，可以使设置调整电极23的个数比图6所示的例子多，但是，由于必要的电气连接增加，施加差分电压的电极面积减少，因此谈不上实用。
因此，在以n为模态次数的情况下，设置的调整电极23的总数为3×2n、4×2n或5×2n时比较实用，根据这点，在cos3θ模态的情况下，优选为在60°(180°/n中n＝3)的各圆弧中，分别设置3个、4个或者5个调整电极23，设置总数为18个、24个或者30个调整电极23的结构。
以下，说明本发明的角速度传感器的另外的特征和基于该特征的效果。因为构成由支承在中心部11上的8根梁部12和与这些梁部12连接的环部13构成的振子10，所以，与其他振子相比，能够减小质量，使惯性力的影响减少。另外，即使振子10振动，由于具重心位置不变动，因此反力变小，对振子10的固定系统的影响小。由于支承在中心、部11上，不受由玻璃和硅膨胀系数的差产生的内部应力的影响，因此，温度特性优秀。
由于在硅晶片1上形成各种电极，振子10的密封功能的可靠性提高。另外，由于在同一平面上形成振子10(环部13)和各种电极，通过调整掩模图形的宽度，可以控制振子10(环部13)和各种电极之间的距离，其控制简单，能够容易地实现所希望的距离。其结果，可以大量生产具有所希望均匀特性的角速度传感器。
对本发明的角速度传感器的Q值控制进行说明。一般，振子10要求的Q值为1000以上。在振子10的气氛压力高的情况下，由于Q值低，为了降低压力，在玻璃基板3上设置吸附气体(特别是阳极接合时产生的氢气)用的吸气剂(吸气器)35。但是，在Q值高的情况下，存在下述问题，即，在驱动振子10的回路的控制系统(特别是控制驱动电压的振动元素的PLL(锁相：Phase Lock Loop)回路等)中，必需高分解能，因温度系数大的内部摩擦引起的阻尼效果占支配地位而使温度特性产生不良，因此，Q值存在上限。
为了得到任意的Q值，考虑封入阳极接合时吸气剂35不吸收的稀有气体(Ar、Ne等)控制由气体产生阻尼效果的方法。然而，由于阳极接合时施加高电压，在稀有气体压力在规定范围的情况下，放电成为问题。例如，在封入气体中使用Ar而阳极接合时，施加350V以上的电压的情况下，在100mTorr以上发生放电，Q值对振子10的气氛的压力存在影响，在100mTorr以下，Q值非常高，超过所述上限。
在相同压力下，振子10的结构对阻尼效果有较大影响，特别是，在间隙部分的挤压阻尼效果的影响力高。考虑到这点，在本实施方式中，增高环部13和电极21(21a～21h)之间的距离d，即硅晶片1的厚度T(参照图1)相对于间隙22的宽度d(参照图1)的比例(纵横尺寸比)T/d。具体地说，取T/d的值为8以上，控制振子10的Q值。因此，在本发明中，即使100mTorr以下，也可以控制Q值而使具不非常高。
其次，说明在梁部12、12之间和梁部12与调整电极23之间设置的板25和在板25上形成的突起部25a的效果。板25的电位与振子10(梁部12和环部13)的电位相同，由于将这种板25设置在梁部12和调整电极23之间，可以防止静电引力作用在梁部12和调整电极23之间，不改变固有振动数。
在产生由外部冲击引起的惯性力的情况下，利用板25的突起部25a的存在，由于梁部12或者环部13先与和其同电位的板25冲突，所以能够抑制梁部12或者环部13的位移量。另外，即使在梁部12或环部13上形成突起部25a，也能够得到同样的效果，但是，作为在可动部件的梁部12或环部13上形成突起部25a的情况下，由于考虑其质量变化、应力的异常发生等对振动有不利影响，因此在本发明中，在作为固定部件的板25上形成突起部25a。
另外，从用于检测在振子10上产生的一次振动或二次振动的电极21c、21d、21e、21f输出的检测信号的电平相当小。因此，受寄生电容(stray capacitance)影响，产生进入检测通道的假信号(false signal)的结果，使性能变差。为了使误差为最小限度，优选尽可能在电极附近放大检测信号。因此，在本实施方式中，在硅晶片1上形成放大回路29，放大从各电极21c、21d、21e、21f输出的检测信号。因此，即使电平小，也能够取得正确的检测信号。
其次，对在上侧的玻璃基板2上的金属配线进行说明。图7是与驱动电极21a(或21b)连接的金属配线的示意图。在图7中，与图1、图2相同的部分用相同符号表示。在通过电线36与驱动电极21a的衬垫27连接的玻璃基板2的衬垫32上，作为连接其一端的第一配线的驱动电压用的金属配线41在玻璃基板2上形成图形。金属配线41的另一端与电压源42连接。与金属配线41并列设置，作为第二配线的抵消用的金属配线43在玻璃基板2上形成图形。该金属配线43的一端开放，另一端与电压源42连接。
电压源42将驱动电压施加在金属配线41上，将与该驱动电压反相位的电压施加在金属配线43上。在驱动电压用的金属配线41通过检测电极21e(或21f)的上方的情况下，产生由电容结合性引起的信号传播(交扰)。因此，在本实施方式中，将与驱动电压反相位的电压施加在位于金属配线41附近的金属配线43上，抵消该交扰成分。结果，得到在检测电极21e(或21f)上不受交扰影响的检测信号，可以检测正确的角速度。
一般，由于驱动一次振动的电压比没有二次振动用的驱动电压大，因此，也可以只在与一次振动的驱动用电极21a、21b连接的金属配线上采用所述的结构。这样，能够防止超过需要地使金属配线的复杂化。然而，在检测对象的角速度非常大的情况下，由于没有二次振动用的驱动电压引起的交扰成为有意的大小，最好在没有二次振动用的驱动用电极21g，21h上采用同样的结构。
其次，说明上侧的玻璃基板2上的16个调整电极23的金属配线。图8为该金属配线的示意图。在图8中，在图1、图2相同的部分，用相同的符号表示。在上侧的玻璃基板2上形成16(调整电极23的个数)/2×2(模态次数)＝4根配线图形51。在各配线图形51上，每隔360°/2×2＝90°设置的4个调整电极23，通过在玻璃基板2上形成的通孔进行导线连接。各配线图形51的一端延长至玻璃基板2的一个周边部。另外，将这些配线图形51的一端与将电压施加在至少一个调整电极23上的电体源52连接。其中，53为将一定的DC电压施加给环部13的电极。
在本实施方式中，由于将施加相同的调整用电压的4个调整电极23中的每个分别与各一根的配线图形51连接，因此，与分别在16个调整电极23上进行配线的情况相比，配线结构可以简单。
在图8所示配线图形，如果分别将相同的电压施加在每隔90°设置4个调整电极23上，则能够使调整电极23用的准备电压源个数最少。然而，在电压源的分解能不充分的情况下，为了实现高精度的频率调整，可以将不同的电压独立地施加在每隔90°设置的4个调整电极23上。例如，在电压源的分解能为三阶段的情况下，当每隔90°设置的各个调整电极23上施加相同电压时，只给出三阶段的平衡力。与此相对，如果独立地施加不同的电压，可以给出12阶段的平衡力。
由于振动频率调整用电极设置在传感器的内侧，在将配线图形配置在玻璃基板上，与这些电极进行电气连接，使与外部的配线容易方面有用。
其次，说明本明的角速度传感器的制造方法。图9为表示制造工序的截面图。在硅晶片1上形成衬垫27(图9(a))。具体地说，在硅晶片1的表面上蒸镀成为衬垫27的金属膜后，通过以用光刻法制成的抗蚀剂图形作为掩模的湿蚀刻，在衬垫27上形成图形。
其次，通过阳极接合，将形成有通孔的上侧玻璃基板2与硅晶片1接合(图9(b))。另外，利用喷砂加工(sandblast)预先在接合的玻璃基板2上形成空腔33，同时，利用金属膜蒸镀、光刻、湿蚀刻的一连串处理，预先在其表面上形成衬垫32和金属配线(图中没有示出)。其次，从硅晶片1与玻璃基板2的接合而相反一侧，利用包含深RIE(反应离子蚀刻)处理等的MEMS技术，在硅晶处1上形成具有环部13的振子、电极21、23、槽22、34等。(图9(c))。
其次，利用阳极接合，将下侧的玻璃基板3与硅晶片1接合(图9(d))。在接合的玻璃基板3上，在利用喷砂加工形成的空腔34的底而上，预先设置吸气剂35。在接合时封入Ar气，接合后，加热吸气剂35并使其活性化，吸附氢气等。最后，用电线36连接硅晶片1的电极21、23的衬垫27和玻璃基板2的衬垫32(图9(e))。
其中，在所述例子中，形成由玻璃基板2/硅晶片1/玻璃基板3构成的玻璃/硅/玻璃的三层结构，但可以使用硅基板代替玻璃基板，构成玻璃/硅/玻璃的三层结构或者硅/硅/玻璃的三层结构。另外，即使为硅/硅/硅的三层结构，也可以使用本发明。但是，为了在硅和硅之间达到绝缘，必需安装SiO2等的绝缘膜。另外，硅和硅的接合，不是阳极接合，而是贴合加热的熔融接合。
另外，在所述实施方式中，说明了按cos2θ模态振动的情况。在按cos3θ模态振动的情况下，同样可以使用本发明，对一般的全部cosnθ模态，可以使用本发明的结构。
另外，在所述实施方式中，在环部的外侧形成静电驱动用电极和电容驱动用电极。与此相反，在环部的内侧形成静电驱动用电极和电容驱动用电极，在环部的外侧形成振动频率调整用电极的结构中，同样也可以使用本发明。另外，也可以在环部的外侧或内侧混在地形成静电驱动用电极、电容驱动用电极和振动频率调整用电极。
此外，在上述实施方式中，由硅晶片的中心部支承的多个梁部支撑环部，但是，对于从其外侧支承环部的结构，也同样适用于本发明。
此外，在所述实施方式中，只有振动频率调整用电极与上侧的玻璃基板接合(悬挂)，但是支承静电驱动用电极、电容驱动用电极和/或环部的中心部也同样，与上侧的玻璃基板接合(悬挂)也可以。这样，由于空腔大，吸气剂占的面积也大，所以可以实现可靠性较高的包装。
另外，在所述实施方式中，设置有与环部13同电位的板25，但是板25不是必需的零件。通过调整梁部12、调整电极23的尺寸、或梁部12与调整电极23之间的距离，如果可以得到弱的静电引力，则不需要设置板25。

Claims (24)

1.一利角速度传感器，具有形成有振子的半导体基板，其中，该振子具有振动状态根据检测对象的角速度而变化的环部，具特征在于：
在所述半导体基板的所述环部内侧或外侧形成有所述振子的静电驱动用电极和所述振子的电容检测用电极，在与所述静电驱动用电极以及所述电容检测用电极相反一侧的所述环部外侧或内侧形成有所述振子的振动频率调整用电极。
2.一种角速度传感器，具有形成有振子的半导体基板，其中，该振子具有振动状态根据检测对象的角速度而变化的环部，其特征在于：
在所述半导体基板的所述环部外侧形成有所述振子的静电驱动用电极和所述振子的电容检测用电极，在所述半导体基板的所述环部内侧形成有所述振子的振动频率调整用电极。
3.一种角速度传感器，具有形成有振子的半导体基板，其中，该振子具有振动状态根据检测对象的角速度而变化的环部，其特征在于：
在所述半导体基板的所述环部内侧形成有所述振子的静电驱动用电极和所述振子的电容检测用电极，在所述半导体基板的所述环部外侧形成有所述振子的振动频率调整用电极。
4.如权利要求1～3中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述振子、所述半导体基板、所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极和所述振动频率调整用电极由相同材料制成。
5.如权利要求4所述的角速度传感器，其特征在于：
所述相同材料为硅。
6.如权利要求1～5中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极、所述振动频率调整用电极和所述半导体基板实质上在相同平面上。
7.如权利要求1～6中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述振动频率调整用电极的相邻的电极间的设置角度差Δφ满足Δφ＜90°/n，其中n为所述振子的振动模态的模态次数。
8.如权利要求1～7中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述振动频率调整用电极的个数为3×2n、4×2n或5×2n，其中，n为所述振子的振动模态的模态次数。
9.如权利要求1～8中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
以360°/2n的间隔，在所述环部的内侧或外侧形成有一组由3个、4个或者5个振动频率调整用电极构成的多组振动频率调整用电极，其中，n为所述振子的振动模态的模态次数。
10.如权利要求9所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述多组间存在有对应的振动频率调整用电极，将相同的电压施加在各组的对应的振动频率调整用电极上。
11.如权利要求9所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述多组间存在有对应的振动频率调整用电极，独立地将电压施加在各组的对应的振动频率调整用电极上。
12.如权利要求1～11中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述振子的一端由所述半导体基板的中心部支承，另一端具有与所述环部连接的多个梁部。
13.如权利要求1～11中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述振子的一端由所述半导体基板的所述环部外侧支承，另一端具有与所述环部连接的多个梁部。
14.如权利要求12或13所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述振动频率调整用电极和所述梁部之间形成有与所述环部同电位的部分。
15.如权利要求1 4所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述同电位部分上形成行突起部。
16.如权利要求1～15中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述半导体基板上形成有放大从所述电容检测用电极输出的检测信号的放大回路。
17.如权利要求1～16中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述半导体基板由两块支承基板夹持，形成有收容所述振子、所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极和所述振动频率调整用电极的空腔。
18.如权利要求17所述的角速度传感器，其特征在于：
使所述静电驱动用电极、所述电容检测用电极、所述振动频率调整用电极和支承所述振子的中心部中的至少一个与所述两块支承基板中的一块接合而形成。
19.如权利要求17或18所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述空腔内设置有吸气剂，所述空腔内的气氛为100mTorr以下。
20.如权利要求19所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述空腔中封入有惰性气体或不会被吸气剂吸附的气体。
21.如权利要求17～20中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述两块支承基板的一块上设置有与所述静电驱动用电极连接的第一配线和在该第一配线附近的第二配线，将反相位的电压分别施加在所述第一配线和第二配线上。
22.如权利要求17～21中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
在所述两块支承基板的一块上形成有用于将电压施加在所述振动频率调整用电极上的配线图形。
23.如权利要求22所述的角速度传感器，其特征在于：
所述配线图形的个数为所述振动频率调整用电极的个数/2n个，每隔360°/2n设置的多个所述振动频率调整用电极与所述各配线图形连接，其中，n为所述振子的振动模态的模态次数。
24.如权利要求1～23中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：
所述半导体基板的厚度相对于所述静电驱动用电极和所述电容检测用电极与所述环部的距离的比为8以上。
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