JP2000081337A - 力学量センサ及びその製造方法 - Google Patents
力学量センサ及びその製造方法Info
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- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
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- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 新規な構造の力学量センサを提供することに
ある。 【構成】 基板１上には固定部２，３，４，５が立設さ
れ、この固定部２，３，４，５からＬ字型の梁６，７，
８，９が延びている。その梁６，７，８，９の他端には
方形の錘１０が連結支持されている。そして、このＬ字
型の梁６，７，８，９で形成される面が錘１０の可動面
となっている。錘１０の４辺には棒状の電極１１，１
２，１３，１４が形成されている。又、基板１上には電
極１１，１２，１３，１４の間に棒状の電極１５，１
６，１７，１８が対向するように配置されている。そし
て、対向電極１３，１７及び１４，１８への電圧印加に
より錘１０が励振するとともに、対向電極１１，１５及
び１２，１６により回転角速度Ωの印加に伴う錘１０の
動きが検出される。
ある。 【構成】 基板１上には固定部２，３，４，５が立設さ
れ、この固定部２，３，４，５からＬ字型の梁６，７，
８，９が延びている。その梁６，７，８，９の他端には
方形の錘１０が連結支持されている。そして、このＬ字
型の梁６，７，８，９で形成される面が錘１０の可動面
となっている。錘１０の４辺には棒状の電極１１，１
２，１３，１４が形成されている。又、基板１上には電
極１１，１２，１３，１４の間に棒状の電極１５，１
６，１７，１８が対向するように配置されている。そし
て、対向電極１３，１７及び１４，１８への電圧印加に
より錘１０が励振するとともに、対向電極１１，１５及
び１２，１６により回転角速度Ωの印加に伴う錘１０の
動きが検出される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、角速度や加速度等の
力学量を検出するための力学量センサ及びその製造方法
に関するものである。
力学量を検出するための力学量センサ及びその製造方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、コリオリの力を利用してヨーレイ
トを検出するものとしては、圧電素子を使用した音叉型
・音片型がある。
トを検出するものとしては、圧電素子を使用した音叉型
・音片型がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、複雑な形状
の機械加工及び圧電素子の貼り付けが必要であり、小型
化・低コスト化・高精度化が難しいという問題点があ
る。
の機械加工及び圧電素子の貼り付けが必要であり、小型
化・低コスト化・高精度化が難しいという問題点があ
る。
【０００４】そこで、この発明は、新規な構造の力学量
センサを提供することにある。
センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
をその厚さ方向に選択的にエッチングすることにより形
成され、力学量の作用に伴い前記半導体基板の表面と平
行な方向に可動する第１の電極と、前記半導体基板をそ
の厚さ方向に選択的にエッチングすることにより形成さ
れ、前記力学量の作用に伴い前記半導体基板の表面に平
行で前記第１の可動電極に垂直な方向に可動する第２の
電極と、前記半導体基板をその厚さ方向に選択的にエッ
チングすることにより前記第１及び第２の電極と対抗す
る位置に形成され、前記第１及び第２の電極の少なくと
も一方の電極の動きを検出する第３の電極とを備えるこ
とを特徴とする力学量センサをその要旨とするものであ
る。
をその厚さ方向に選択的にエッチングすることにより形
成され、力学量の作用に伴い前記半導体基板の表面と平
行な方向に可動する第１の電極と、前記半導体基板をそ
の厚さ方向に選択的にエッチングすることにより形成さ
れ、前記力学量の作用に伴い前記半導体基板の表面に平
行で前記第１の可動電極に垂直な方向に可動する第２の
電極と、前記半導体基板をその厚さ方向に選択的にエッ
チングすることにより前記第１及び第２の電極と対抗す
る位置に形成され、前記第１及び第２の電極の少なくと
も一方の電極の動きを検出する第３の電極とを備えるこ
とを特徴とする力学量センサをその要旨とするものであ
る。
【０００６】
【作用】力学量の作用に伴い、第１または第２の電極が
可動し、その動きを第３の電極が検出する。第１乃至第
３の電極は半導体基板から形成されているので、第３の
電極は第１または第２の電極の動きを第１電極と第３電
極間の容量変化または第２電極と第３電極間の容量変化
として検出する。さらに、第１乃至第３の電極は、半導
体基板をその厚さ方向にエッチングすることにより形成
されているので、第１電極と第３電極間の容量及び第２
電極と第３電極間の容量を大きくとることができる。
可動し、その動きを第３の電極が検出する。第１乃至第
３の電極は半導体基板から形成されているので、第３の
電極は第１または第２の電極の動きを第１電極と第３電
極間の容量変化または第２電極と第３電極間の容量変化
として検出する。さらに、第１乃至第３の電極は、半導
体基板をその厚さ方向にエッチングすることにより形成
されているので、第１電極と第３電極間の容量及び第２
電極と第３電極間の容量を大きくとることができる。
【０００７】
【実施例】以下、この発明を角速度センサに具体化した
一実施例を図面に従って説明する。
一実施例を図面に従って説明する。
【０００８】図１には、本実施例の角速度センサの平面
図を示し、図２は図１のＢ−Ｂ断面図である。図１，２
に示すように、基板の厚さ方向で電極面積をかせぐよう
にしている。つまり、基板２５に対し４つのＬ字型の梁
２６，２７，２８，２９が延設され、その梁２６，２
７，２８，２９の他端には錘３０が支持されている。
又、基板２５の表面において直交するＸ，Ｙ軸方向に
は、錘側電極３１，３２，３３，３４及び固定側電極３
５，３６，３７，３８が形成されている。錘側電極３１
と固定側電極３５、錘側電極３２と固定側電極３６、錘
側電極３３と固定側電極３７、錘側電極３４と固定側電
極３８によりそれぞれ対向電極が形成される。このよう
に、錘側電極３１，３２，３３，３４と固定側電極３
５，３６，３７，３８の空隙が電極ギャップとなる。こ
の図１，２に示すセンサの製造方法を図３，４，５を用
いて説明する。まず、図３に示す単結晶シリコン基板３
９を用意するとともに、図４に示す単結晶シリコン基板
４０を用意し、さらに、単結晶シリコン基板４０の主表
面の所定領域に凹部４１を形成する。そして、図５に示
すように、単結晶シリコン基板４０の主表面と単結晶シ
リコン基板３９とを直接接合する。そして、図４に示す
ように、ドライエッチングにより単結晶シリコン基板３
９に所定のパターンの開孔部を形成する。
図を示し、図２は図１のＢ−Ｂ断面図である。図１，２
に示すように、基板の厚さ方向で電極面積をかせぐよう
にしている。つまり、基板２５に対し４つのＬ字型の梁
２６，２７，２８，２９が延設され、その梁２６，２
７，２８，２９の他端には錘３０が支持されている。
又、基板２５の表面において直交するＸ，Ｙ軸方向に
は、錘側電極３１，３２，３３，３４及び固定側電極３
５，３６，３７，３８が形成されている。錘側電極３１
と固定側電極３５、錘側電極３２と固定側電極３６、錘
側電極３３と固定側電極３７、錘側電極３４と固定側電
極３８によりそれぞれ対向電極が形成される。このよう
に、錘側電極３１，３２，３３，３４と固定側電極３
５，３６，３７，３８の空隙が電極ギャップとなる。こ
の図１，２に示すセンサの製造方法を図３，４，５を用
いて説明する。まず、図３に示す単結晶シリコン基板３
９を用意するとともに、図４に示す単結晶シリコン基板
４０を用意し、さらに、単結晶シリコン基板４０の主表
面の所定領域に凹部４１を形成する。そして、図５に示
すように、単結晶シリコン基板４０の主表面と単結晶シ
リコン基板３９とを直接接合する。そして、図４に示す
ように、ドライエッチングにより単結晶シリコン基板３
９に所定のパターンの開孔部を形成する。
【０００９】このように製造された角速度センサにおい
ては、次のような動作をする。図１の対向電極３１，３
５及び３２，３６は、励振用電極（コンデンサ）であ
り、同電極に交流電圧を印加することにより、静電吸引
力によって錘３０がＸ軸方向に振動（励振）する。この
とき、Ｌ字型の梁２６，２７，２８，２９におけるＹ軸
に平行な直線部（図１での梁２６では２６ａで示す部
分）が撓むことによりＸ軸に振動するものである。
ては、次のような動作をする。図１の対向電極３１，３
５及び３２，３６は、励振用電極（コンデンサ）であ
り、同電極に交流電圧を印加することにより、静電吸引
力によって錘３０がＸ軸方向に振動（励振）する。この
とき、Ｌ字型の梁２６，２７，２８，２９におけるＹ軸
に平行な直線部（図１での梁２６では２６ａで示す部
分）が撓むことによりＸ軸に振動するものである。
【００１０】対向電極３３，３７及び３４，３８はコリ
オリ力検出用電極（コンデンサ）であり、図１において
紙面に直交する軸（Ｚ軸）の回りに角速度Ωが発生する
と、錘３０はＹ軸方向にＦｃ＝２ｍｖΩのコリオリ力を
受ける。ここで、ｍは錘３０の質量、ｖは錘３０の速度
である。そして、このコリオリ力は、励振印加電圧と同
じ周期をもつこととなり、錘３０はＹ軸方向にもＸ軸方
向と同じ周期で振動する。このとき、Ｌ字型の梁２６，
２７，２８，２９におけるＸ軸に平行な直線部（図１で
の梁２６では２６ｂで示す部分）が撓むことによりＹ軸
に振動するものである。
オリ力検出用電極（コンデンサ）であり、図１において
紙面に直交する軸（Ｚ軸）の回りに角速度Ωが発生する
と、錘３０はＹ軸方向にＦｃ＝２ｍｖΩのコリオリ力を
受ける。ここで、ｍは錘３０の質量、ｖは錘３０の速度
である。そして、このコリオリ力は、励振印加電圧と同
じ周期をもつこととなり、錘３０はＹ軸方向にもＸ軸方
向と同じ周期で振動する。このとき、Ｌ字型の梁２６，
２７，２８，２９におけるＸ軸に平行な直線部（図１で
の梁２６では２６ｂで示す部分）が撓むことによりＹ軸
に振動するものである。
【００１１】このようにして、コリオリ力により錘３０
がＹ軸方向に変位し、その変位（振動）が対向電極３
３，３７及び３４，３８により容量変化として測定され
る。この容量変化に基づいて回転角速度Ωが検出され
る。つまり、Ｙ軸方向の振幅はコリオリ力２ｍｖΩに比
例し、ｍ及びｖは既知であるのでＹ軸方向の振幅より回
転角速度Ωを求めることができる。
がＹ軸方向に変位し、その変位（振動）が対向電極３
３，３７及び３４，３８により容量変化として測定され
る。この容量変化に基づいて回転角速度Ωが検出され
る。つまり、Ｙ軸方向の振幅はコリオリ力２ｍｖΩに比
例し、ｍ及びｖは既知であるのでＹ軸方向の振幅より回
転角速度Ωを求めることができる。
【００１２】このように本実施例では、錘３０をＬ字型
の梁２６，２７，２８，２９で支持して、同Ｌ字型の梁
２６，２７，２８，２９で形成される面を錘３０の可動
面とし、回転角速度Ωの印加に伴う錘３０の動きを検出
するようにした。このように、マイクロ加工が可能な平
面状態で２次元的に変位可能な錘３０を有する梁構造と
なり、新規な構造の角速度センサとなる。
の梁２６，２７，２８，２９で支持して、同Ｌ字型の梁
２６，２７，２８，２９で形成される面を錘３０の可動
面とし、回転角速度Ωの印加に伴う錘３０の動きを検出
するようにした。このように、マイクロ加工が可能な平
面状態で２次元的に変位可能な錘３０を有する梁構造と
なり、新規な構造の角速度センサとなる。
【００１３】又、他の応用例としては、図１に示すセン
サの製造方法として、図６，７，８に示すようにしても
よい。まず、図６に示す単結晶シリコン基板４３を用意
し、図７に示すように、単結晶シリコン基板４３の裏面
をウェットエッチングして凹部４４を形成する。そし
て、図８に示すように、単結晶シリコン基板４３の薄肉
部にドライエッチングにより所定のパターンの貫通孔４
５を形成する。このようして図１に示すセンサを製造し
てもよい。
サの製造方法として、図６，７，８に示すようにしても
よい。まず、図６に示す単結晶シリコン基板４３を用意
し、図７に示すように、単結晶シリコン基板４３の裏面
をウェットエッチングして凹部４４を形成する。そし
て、図８に示すように、単結晶シリコン基板４３の薄肉
部にドライエッチングにより所定のパターンの貫通孔４
５を形成する。このようして図１に示すセンサを製造し
てもよい。
【００１４】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、上記実施例では基板の厚さ方向で
電極面積をかせぐようにしていたが、対向電極（コンデ
ンサ）の面積をかせぐために櫛歯状としてもよい。図９
には、別例の角速度センサの平面図を示す。基板１は単
結晶シリコン基板（又はセラミック，ガラス）よりな
り、数ｍｍ角、厚さ５００μｍ程度のものである。
のではなく、例えば、上記実施例では基板の厚さ方向で
電極面積をかせぐようにしていたが、対向電極（コンデ
ンサ）の面積をかせぐために櫛歯状としてもよい。図９
には、別例の角速度センサの平面図を示す。基板１は単
結晶シリコン基板（又はセラミック，ガラス）よりな
り、数ｍｍ角、厚さ５００μｍ程度のものである。
【００１５】基板１の上面には４つの固定部（アンカー
部）２，３，４，５が立設され、この固定部２，３，
４，５からＬ字型の梁６，７，８，９が延設されてい
る。それぞれのＬ字型の梁６，７，８，９の他端には導
電性を有する方形の錘１０が形成されている。この梁
６，７，８，９及び錘１０は、基板１の表面と平行な面
に延設配置されている。
部）２，３，４，５が立設され、この固定部２，３，
４，５からＬ字型の梁６，７，８，９が延設されてい
る。それぞれのＬ字型の梁６，７，８，９の他端には導
電性を有する方形の錘１０が形成されている。この梁
６，７，８，９及び錘１０は、基板１の表面と平行な面
に延設配置されている。
【００１６】図９での錘１０の左側面には５つの棒状の
電極１１が図１において左右方向（Ｘ軸）に延設されて
いる。同様に、図９での錘１０の右側面には５つの棒状
の電極１２が図９において左右方向（Ｘ軸）に延設され
ている。さらに、図９での錘１０の上側面には５つの棒
状の電極１３が図１において上下方向（Ｙ軸）に延設さ
れている。同様に、図９での錘１０の下側面には５つの
棒状の電極１４が図９において上下方向（Ｙ軸）に延設
されている。
電極１１が図１において左右方向（Ｘ軸）に延設されて
いる。同様に、図９での錘１０の右側面には５つの棒状
の電極１２が図９において左右方向（Ｘ軸）に延設され
ている。さらに、図９での錘１０の上側面には５つの棒
状の電極１３が図１において上下方向（Ｙ軸）に延設さ
れている。同様に、図９での錘１０の下側面には５つの
棒状の電極１４が図９において上下方向（Ｙ軸）に延設
されている。
【００１７】一方、各電極１１間には２本ずつの棒状の
電極１５が配置され、その一端が基板１上面に固定され
ており、電極１１と電極１５とにより対向電極が構成さ
れている。又、各電極１２間には２本ずつの棒状の電極
１６が配置され、その一端が基板１上面に固定されてお
り、電極１２と電極１６とにより対向電極が構成されて
いる。同様に、各電極１３間には２本ずつの棒状の電極
１７が配置され、その一端が基板１上面に固定されてお
り、電極１３と電極１７とにより対向電極が構成されて
いる。又、各電極１４間には２本ずつの棒状の電極１８
が配置され、その一端が基板１上面に固定されており、
電極１４と電極１８とにより対向電極が構成されてい
る。このように、固定電極１５〜１８と可動電極１１〜
１４との間の空隙が電極ギャップとなる。
電極１５が配置され、その一端が基板１上面に固定され
ており、電極１１と電極１５とにより対向電極が構成さ
れている。又、各電極１２間には２本ずつの棒状の電極
１６が配置され、その一端が基板１上面に固定されてお
り、電極１２と電極１６とにより対向電極が構成されて
いる。同様に、各電極１３間には２本ずつの棒状の電極
１７が配置され、その一端が基板１上面に固定されてお
り、電極１３と電極１７とにより対向電極が構成されて
いる。又、各電極１４間には２本ずつの棒状の電極１８
が配置され、その一端が基板１上面に固定されており、
電極１４と電極１８とにより対向電極が構成されてい
る。このように、固定電極１５〜１８と可動電極１１〜
１４との間の空隙が電極ギャップとなる。
【００１８】固定部（アンカー部）２，３，４，５が可
動電極取り出し端子となる。又、固定部２，３，４，
５、梁６〜９、電極１１〜１４を含む錘１０、及び電極
１５〜１８は、犠牲層エッチングを用いた基板１の表面
マイクロマシニング技術によって作成される。
動電極取り出し端子となる。又、固定部２，３，４，
５、梁６〜９、電極１１〜１４を含む錘１０、及び電極
１５〜１８は、犠牲層エッチングを用いた基板１の表面
マイクロマシニング技術によって作成される。
【００１９】本発明は、角速度センサの他にも、２次元
加速度センサとしてもよい。つまり、例えば、図１にお
いて、Ｘ軸の加速度を対向電極１３，１７及び対向電極
１４，１８にてコンデンサ容量変化として測定するとと
もに、Ｙ軸の加速度を対向電極１１，１５及び対向電極
１２，１６にてコンデンサ容量変化として測定するよう
にしてもよい。
加速度センサとしてもよい。つまり、例えば、図１にお
いて、Ｘ軸の加速度を対向電極１３，１７及び対向電極
１４，１８にてコンデンサ容量変化として測定するとと
もに、Ｙ軸の加速度を対向電極１１，１５及び対向電極
１２，１６にてコンデンサ容量変化として測定するよう
にしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
新規な構造の力学量センサとすることができる効果を発
揮する。
新規な構造の力学量センサとすることができる効果を発
揮する。
【図１】実施例の角速度センサの平面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】実施例の角速度センサの製造工程を示す断面図
である。
である。
【図４】実施例の角速度センサの製造工程を示す断面図
である。
である。
【図５】実施例の角速度センサの製造工程を示す断面図
である。
である。
【図６】実施例の応用例の角速度センサの製造工程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図７】実施例の応用例の角速度センサの製造工程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図８】実施例の応用例の角速度センサの製造工程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図９】別例の角速度センサの平面図である。
６，７，８，９，２６，２７，２８，２９ 梁 １０、３０ 錘
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体基板をその厚さ方向に選択的にエ
ッチングすることにより形成され、力学量の作用に伴い
前記半導体基板の表面と平行な方向に可動する第１の電
極と、 前記半導体基板をその厚さ方向に選択的にエッチングす
ることにより形成され、前記力学量の作用に伴い前記半
導体基板の表面に平行で前記第１の可動電極に垂直な方
向に可動する第２の電極と、 前記半導体基板をその厚さ方向に選択的にエッチングす
ることにより前記第１及び第２の電極と対抗する位置に
形成され、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方の
電極の動きを検出する第３の電極と、 を備えることを特徴とする力学量センサ。 - 【請求項２】 前記半導体基板下に形成された第１の基
板を備えることを特徴とする請求項１記載の力学量セン
サ。 - 【請求項３】 前記第１の基板はエッチングにより除去
された領域を有することを特徴とする請求項２記載の力
学量センサ。 - 【請求項４】 半導体基板をその厚さ方向に選択的にエ
ッチングすることにより、力学量の作用に伴い前記半導
体基板の表面と平行な方向に可動する第１の電極と、前
記力学量の作用に伴い前記半導体基板の表面に平行で前
記第１の可動電極に垂直な方向に可動する第２の電極
と、前記第１及び第２の電極と対抗する位置に形成さ
れ、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極の
動きを検出する第３の電極とを同時に形成することを特
徴とする力学量センサの製造方法。 - 【請求項５】 前記第１乃至第３の電極が形成される領
域よりも広い領域を前記半導体基板の裏面からエッチン
グする工程を有することを特徴とする請求項４記載の力
学量センサの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28403999A JP3293606B2 (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | 力学量センサ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28403999A JP3293606B2 (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | 力学量センサ及びその製造方法 |
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