JP2000081338A - 力学量センサ - Google Patents
力学量センサInfo
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- JP2000081338A JP2000081338A JP11284040A JP28404099A JP2000081338A JP 2000081338 A JP2000081338 A JP 2000081338A JP 11284040 A JP11284040 A JP 11284040A JP 28404099 A JP28404099 A JP 28404099A JP 2000081338 A JP2000081338 A JP 2000081338A
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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。
【構成】 基板１の凹部２の側壁から第１の梁３，４，
５，６が延設され、その第１の梁３，４，５，６には連
結点７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにて中間支持体７が連結支
持されている。この中間支持体７は、連結点７ａ，７
ｂ，７ｃ，７ｄによって囲まれ、その内側に配置された
第１質量７ｅと第１質量７ｅから片持ち固定され連結点
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの外側に配置された第２質量７
ｆとを備えている。また、中間支持体７から第１の梁
３，４，５，６にほぼ直交する方向に延びる第２の梁
８，９，１０，１１が延設され、第２の梁８，９，１
０，１１には錘１２が設けられている。そして、対向電
極１７，１９及び対向電極１８，２０を励振用電極とす
るとともに対向電極１３，１５及び対向電極１４，１６
を角速度検出用電極とし、角速度の印加に伴う錘１２の
動きが検出される。
５，６が延設され、その第１の梁３，４，５，６には連
結点７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにて中間支持体７が連結支
持されている。この中間支持体７は、連結点７ａ，７
ｂ，７ｃ，７ｄによって囲まれ、その内側に配置された
第１質量７ｅと第１質量７ｅから片持ち固定され連結点
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの外側に配置された第２質量７
ｆとを備えている。また、中間支持体７から第１の梁
３，４，５，６にほぼ直交する方向に延びる第２の梁
８，９，１０，１１が延設され、第２の梁８，９，１
０，１１には錘１２が設けられている。そして、対向電
極１７，１９及び対向電極１８，２０を励振用電極とす
るとともに対向電極１３，１５及び対向電極１４，１６
を角速度検出用電極とし、角速度の印加に伴う錘１２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】上記目的を達成するため
本発明の半導体力学量センサでは、半導体層から成る固
定部と、前記固定部に形成された第１電極と、前記固定
部から延びる複数の梁によって前記固定部に連結支持さ
れ、前記固定部の表面に水平な方向に可動する第１可動
プレートと、前記第１可動プレート内の前記第１電極と
対向する位置に形成された第２電極とを備え、前記第１
可動プレートは、前記固定部から延びる複数の梁を連結
する複数の連結点と、前記複数の連結点によって囲ま
れ、その内側に配置された第１質量と、前記第１質量か
ら片持ち固定され、前記複数の連結点の外側に配置され
た第２質量とを備え、前記第１電極と第２電極との間の
容量変化を検出することにより、前記第１可動プレート
に作用する力学量を検出するようにしている。
本発明の半導体力学量センサでは、半導体層から成る固
定部と、前記固定部に形成された第１電極と、前記固定
部から延びる複数の梁によって前記固定部に連結支持さ
れ、前記固定部の表面に水平な方向に可動する第１可動
プレートと、前記第１可動プレート内の前記第１電極と
対向する位置に形成された第２電極とを備え、前記第１
可動プレートは、前記固定部から延びる複数の梁を連結
する複数の連結点と、前記複数の連結点によって囲ま
れ、その内側に配置された第１質量と、前記第１質量か
ら片持ち固定され、前記複数の連結点の外側に配置され
た第２質量とを備え、前記第１電極と第２電極との間の
容量変化を検出することにより、前記第１可動プレート
に作用する力学量を検出するようにしている。
【０００６】
【作用】複数の連結点の内側に配置される第１質量と、
第１質量から片持ち固定され複数の連結点の外側に配置
される第２質量とを備え、複数の梁によって固定部に連
結支持された第１可動プレートが固定部の表面と水平方
向に可動し、第１と第２電極間の容量変化を検出するこ
とによって、第１可動プレートに作用する力学量が検出
される。
第１質量から片持ち固定され複数の連結点の外側に配置
される第２質量とを備え、複数の梁によって固定部に連
結支持された第１可動プレートが固定部の表面と水平方
向に可動し、第１と第２電極間の容量変化を検出するこ
とによって、第１可動プレートに作用する力学量が検出
される。
【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には、図１のＡ−Ａ断面を示す。基板１
は単結晶シリコン基板よりなり、数ｍｍ角、厚さ２００
〜５００μｍ程度のものである。この基板１の中央部分
には長方形状の凹部２が形成されている。この凹部２内
の側壁には第１の梁３，４，５，６が図１において上下
方向（Ｙ軸）に延設されている。
図を示し、図２には、図１のＡ−Ａ断面を示す。基板１
は単結晶シリコン基板よりなり、数ｍｍ角、厚さ２００
〜５００μｍ程度のものである。この基板１の中央部分
には長方形状の凹部２が形成されている。この凹部２内
の側壁には第１の梁３，４，５，６が図１において上下
方向（Ｙ軸）に延設されている。
【０００９】又、凹部２内には四角枠状の中間支持体７
が配置され、この中間支持体７は第１の梁３，４，５，
６の他端に連結点７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにて連結支持
されている。中間支持体７は、連結点７ａ，７ｂ，７
ｃ，７ｄによって囲まれ、その内側に配置された第１質
量７ｅと第１質量７ｅから片持ち固定され連結点７ａ，
７ｂ，７ｃ，７ｄの外側に配置された第２質量７ｆとを
備えている。四角枠状の中間支持体７の内壁には第２の
梁８，９，１０，１１が図１において左右方向（Ｘ軸）
に延設されている。中間支持体７の内方には錘１２が配
置され、この錘１２は第２の梁８，９，１０，１１の他
端に連結点１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにて連結支
持されている。錘１２は、連結点１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄによって囲まれ、その内側に配置された第３
質量１２ｅと第３質量１２ｅから片持ち固定され連結点
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの外側に配置された第
４質量１２ｆとを備えている。
が配置され、この中間支持体７は第１の梁３，４，５，
６の他端に連結点７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにて連結支持
されている。中間支持体７は、連結点７ａ，７ｂ，７
ｃ，７ｄによって囲まれ、その内側に配置された第１質
量７ｅと第１質量７ｅから片持ち固定され連結点７ａ，
７ｂ，７ｃ，７ｄの外側に配置された第２質量７ｆとを
備えている。四角枠状の中間支持体７の内壁には第２の
梁８，９，１０，１１が図１において左右方向（Ｘ軸）
に延設されている。中間支持体７の内方には錘１２が配
置され、この錘１２は第２の梁８，９，１０，１１の他
端に連結点１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにて連結支
持されている。錘１２は、連結点１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄによって囲まれ、その内側に配置された第３
質量１２ｅと第３質量１２ｅから片持ち固定され連結点
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの外側に配置された第
４質量１２ｆとを備えている。
【００１０】又、図２に示すように、第１の梁３，４，
５，６と中間支持体７と第２の梁８，９，１０，１１と
錘１２とは、凹部２の底面との間に所定のギャップ（空
間）が形成されている。
５，６と中間支持体７と第２の梁８，９，１０，１１と
錘１２とは、凹部２の底面との間に所定のギャップ（空
間）が形成されている。
【００１１】尚、第１及び第２の梁３〜６，８〜１１
は、幅数μｍ、厚さ１０〜５０μｍとなっている。又、
中間支持体７は幅が数１０μｍにて枠状に形成され、厚
さ１０〜５０μｍとなっている。又、錘１２は、縦・横
の寸法が数１００μｍで厚さ１０〜５０μｍの直方体よ
りなっている。
は、幅数μｍ、厚さ１０〜５０μｍとなっている。又、
中間支持体７は幅が数１０μｍにて枠状に形成され、厚
さ１０〜５０μｍとなっている。又、錘１２は、縦・横
の寸法が数１００μｍで厚さ１０〜５０μｍの直方体よ
りなっている。
【００１２】図１での中間支持体７の第２質量７ｆの外
壁には電極１３，１４が形成され、電極１３，１４と相
対向する凹部２の内壁には電極１５，１６が形成されて
いる。よって、電極１３，１５により対向電極が構成さ
れるとともに、電極１４，１６により対向電極が構成さ
れている。
壁には電極１３，１４が形成され、電極１３，１４と相
対向する凹部２の内壁には電極１５，１６が形成されて
いる。よって、電極１３，１５により対向電極が構成さ
れるとともに、電極１４，１６により対向電極が構成さ
れている。
【００１３】又、図１での中間支持体７における第１質
量７ｅの内壁には電極１７，１８が形成され、電極１
７，１８と相対向する錘１２の第４質量の側壁には電極
１９，２０が形成されている。よって、電極１７，１９
により対向電極が構成されるとともに、電極１８，２０
により対向電極が構成されている。
量７ｅの内壁には電極１７，１８が形成され、電極１
７，１８と相対向する錘１２の第４質量の側壁には電極
１９，２０が形成されている。よって、電極１７，１９
により対向電極が構成されるとともに、電極１８，２０
により対向電極が構成されている。
【００１４】又、第１及び第２の梁３〜６，８〜１１と
中間支持体７と錘１２とは、後述するように、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。
中間支持体７と錘１２とは、後述するように、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。
【００１５】次に、角速度センサの製造工程を図３，
４，５を用いて説明する。図３に示すように、単結晶シ
リコン基板２１を用意し、その基板２１の表面に数μｍ
〜１０μｍのｐ型拡散層を形成する。その後、単結晶シ
リコン基板２１上に１０〜５０μｍのｎ型エピタキシャ
ル層２２を成長させる。このとき、ｐ型埋め込み層２３
が形成される。このｐ型埋め込み層２３の形成領域を図
６にて示す。
４，５を用いて説明する。図３に示すように、単結晶シ
リコン基板２１を用意し、その基板２１の表面に数μｍ
〜１０μｍのｐ型拡散層を形成する。その後、単結晶シ
リコン基板２１上に１０〜５０μｍのｎ型エピタキシャ
ル層２２を成長させる。このとき、ｐ型埋め込み層２３
が形成される。このｐ型埋め込み層２３の形成領域を図
６にて示す。
【００１６】そして、図４に示すように、ＲＩＥにより
ｎ型エピタキシャル層２２に対し図６に示すようなパタ
ーンのトレンチ２４を形成する。さらに、図５に示すよ
うに、電気化学エッチングにより選択的にｐ型埋め込み
層２３を除去する（犠牲層エッチング）。
ｎ型エピタキシャル層２２に対し図６に示すようなパタ
ーンのトレンチ２４を形成する。さらに、図５に示すよ
うに、電気化学エッチングにより選択的にｐ型埋め込み
層２３を除去する（犠牲層エッチング）。
【００１７】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。まず、図１の対向電極１
７，１９及び対向電極１８，２０に交流電圧を印加し
て、静電気力により図１での上下方向（Ｙ軸）に錘１２
を振動（励振）させる。つまり、第２の梁８〜１１の撓
みによりＹ軸方向への変位が可能である。
ては、次のような動作をする。まず、図１の対向電極１
７，１９及び対向電極１８，２０に交流電圧を印加し
て、静電気力により図１での上下方向（Ｙ軸）に錘１２
を振動（励振）させる。つまり、第２の梁８〜１１の撓
みによりＹ軸方向への変位が可能である。
【００１８】そして、図１の紙面に直交する軸に回転角
速度（ヨーレイト；Ω）が加わると、もとの振動（Ｙ
軸）に対し直角方向、即ち、図１の左右方向（Ｘ軸）に
コリオリ力が発生する。このとき、錘１２の質量をｍ、
図１の紙面に直交する軸の回りヨーレイトをΩ、励振に
よる錘１２の速度をｖとすると、錘１２にはＸ方向にＦ
＝２ｍｖΩのコリオリ力が働く。
速度（ヨーレイト；Ω）が加わると、もとの振動（Ｙ
軸）に対し直角方向、即ち、図１の左右方向（Ｘ軸）に
コリオリ力が発生する。このとき、錘１２の質量をｍ、
図１の紙面に直交する軸の回りヨーレイトをΩ、励振に
よる錘１２の速度をｖとすると、錘１２にはＸ方向にＦ
＝２ｍｖΩのコリオリ力が働く。
【００１９】錘１２は中間支持体７に対してはＸ方向に
変位できないが、コリオリ力は第２の梁８〜１１を介し
て中間支持体７に伝わる。そして、中間支持体７は第１
の梁３〜６の撓みによってＸ方向に変位可能である。こ
の中間支持体７の変位量はほぼコリオリ力に比例するも
のである。このコリオリ力による錘１２の変位が対向電
極１３，１５及び対向電極１４，１６により容量変化と
して検出される。この容量変化に基づいて回転角速度
（ヨーレイト；Ω）が検出される。
変位できないが、コリオリ力は第２の梁８〜１１を介し
て中間支持体７に伝わる。そして、中間支持体７は第１
の梁３〜６の撓みによってＸ方向に変位可能である。こ
の中間支持体７の変位量はほぼコリオリ力に比例するも
のである。このコリオリ力による錘１２の変位が対向電
極１３，１５及び対向電極１４，１６により容量変化と
して検出される。この容量変化に基づいて回転角速度
（ヨーレイト；Ω）が検出される。
【００２０】尚、錘１２の変位量の測定方法としては、
他にもコンデンサ（対向電極１３，１５及び対向電極１
４，１６）の容量変化、即ち、中間支持体７のＸ方向変
位が「０」になるようにコンデンサにかける電圧をサー
ボ制御し、その印加電圧によりコリオリ力を求めるよう
にしてもよい。
他にもコンデンサ（対向電極１３，１５及び対向電極１
４，１６）の容量変化、即ち、中間支持体７のＸ方向変
位が「０」になるようにコンデンサにかける電圧をサー
ボ制御し、その印加電圧によりコリオリ力を求めるよう
にしてもよい。
【００２１】このように本実施例では、基板１（固定
部）に対し第１の梁３，４，５，６を延設し、その第１
の梁３，４，５，６に可動する中間支持体７を設け、こ
の中間支持体７に第１の梁３，４，５，６にほぼ直交す
る方向に延びる第２の梁８，９，１０，１１を延設し、
同第２の梁８，９，１０，１１に錘１２を設け、対向電
極１７，１９及び対向電極１８，２０を励振用電極（励
振用コンデンサ）とするとともに対向電極１３，１５及
び対向電極１４，１６を角速度検出用電極（検出用コン
デンサ）とし、角速度の印加に伴う錘１２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１２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。
部）に対し第１の梁３，４，５，６を延設し、その第１
の梁３，４，５，６に可動する中間支持体７を設け、こ
の中間支持体７に第１の梁３，４，５，６にほぼ直交す
る方向に延びる第２の梁８，９，１０，１１を延設し、
同第２の梁８，９，１０，１１に錘１２を設け、対向電
極１７，１９及び対向電極１８，２０を励振用電極（励
振用コンデンサ）とするとともに対向電極１３，１５及
び対向電極１４，１６を角速度検出用電極（検出用コン
デンサ）とし、角速度の印加に伴う錘１２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１２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。
【００２２】さらに、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、図１において、Ｘ軸
の加速度を対向電極１３，１５及び対向電極１４，１６
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１７，１９及び対向電極１８，２０
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。
速度センサとしてもよい。つまり、図１において、Ｘ軸
の加速度を対向電極１３，１５及び対向電極１４，１６
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１７，１９及び対向電極１８，２０
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。
【００２３】
【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優れた効
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優れた効
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Ａ−Ａ断面図である。
【図３】角速度センサの製造工程を示す断面図である。
【図４】角速度センサの製造工程を示す断面図である。
【図５】角速度センサの製造工程を示す断面図である。
【図６】角速度センサの製造工程を示す平面図である。
１ 固定部としての基板 ３，４，５，６ 第１の梁 ７ 中間支持体 ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１
２ｄ 連結部 ７ｅ 第１質量 ７ｆ 第２質量 ８，９，１０，１１ 第２の梁 １２ 錘 １２ｅ 第３質量 １２ｆ 第４質量
２ｄ 連結部 ７ｅ 第１質量 ７ｆ 第２質量 ８，９，１０，１１ 第２の梁 １２ 錘 １２ｅ 第３質量 １２ｆ 第４質量
Claims (9)
- 【請求項１】 半導体層から成る固定部と、 前記固定部に形成された第１電極と、 前記固定部から延びる複数の梁によって前記固定部に連
結支持され、前記固定部の表面に水平な方向に可動する
第１可動プレートと、 前記第１可動プレート内の前記第１電極と対向する位置
に形成された第２電極とを備え、 前記第１可動プレートは、 前記固定部から延びる複数の梁を連結する複数の連結点
と、 前記複数の連結点によって囲まれ、その内側に配置され
た第１質量と、 前記第１質量から片持ち固定され、前記複数の連結点の
外側に配置された第２質量とを備え、 前記第１電極と第２電極との間の容量変化を検出するこ
とにより、前記第１可動プレートに作用する力学量を検
出することを特徴とする半導体力学量センサ。 - 【請求項２】 前記第１電極は第２質量部に形成されて
いることを特徴とする請求項１記載の半導体力学量セン
サ。 - 【請求項３】 前記第１可動プレートは枠体形状である
ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体力学量
センサ。 - 【請求項４】 前記第２質量は２つの連結点によって前
記第１質量から片持ち固定されていることを特徴とする
請求項１乃至３いずれか１つに記載の半導体力学量セン
サ。 - 【請求項５】 前記第１可動プレート内の前記第２電極
とは異なる位置に形成された第３電極と、 前記第１可動プレートから延びる複数の梁によって第１
可動プレートに連結支持され、前記固定部の表面に水平
な方向で、かつ前記第１可動プレートと垂直方向に可動
する第２可動プレートと、 前記第２可動プレート内の前記第３電極と対向する位置
に形成された第４電極と、を備えることを特徴とする請
求項１乃至４いずれか１つに記載の半導体力学量セン
サ。 - 【請求項６】 前記第３電極と第４電極との間には交流
電圧が印加され、静電気力により前記第２可動プレート
が励振されることを特徴とする請求項５記載の半導体力
学量センサ。 - 【請求項７】 前記第３電極と第４電極との間の容量変
化を検出することにより、前記第２可動プレートに作用
する力学量を検出することを特徴とする請求項５記載の
半導体力学量センサ。 - 【請求項８】 前記第２可動プレートは、 前記第１可動プレートから延びる複数の梁を連結する複
数の連結点と、 前記複数の連結点の内側に配置される第３質量と、 前記第３質量から片持ち固定され、前記複数の連結点の
外側に配置される第４質量とを備え、 前記第４質量に前記第４電極が形成されていることを特
徴とする請求項５記載の半導体力学量センサ。 - 【請求項９】 前記第４質量は２つの連結点によって前
記第３質量から片持ち固定されていることを特徴とする
請求項８記載の半導体力学量センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11284040A JP2000081338A (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | 力学量センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11284040A JP2000081338A (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | 力学量センサ |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27452992A Division JP3669713B2 (ja) | 1992-10-13 | 1992-10-13 | 角速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000081338A true JP2000081338A (ja) | 2000-03-21 |
Family
ID=17673526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11284040A Pending JP2000081338A (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | 力学量センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000081338A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002340926A (ja) * | 2001-05-14 | 2002-11-27 | Aisin Seiki Co Ltd | 加速度センサ |
| FR2862761A1 (fr) * | 2003-11-25 | 2005-05-27 | Thales Sa | Accelerometre differentiel micro-usine multiaxes |
| JPWO2010026843A1 (ja) * | 2008-09-08 | 2012-02-02 | 株式会社日立製作所 | 慣性センサ |
| JP2014066725A (ja) * | 2004-06-29 | 2014-04-17 | Honeywell Internatl Inc | 水平に向けられた駆動電極を有するｍｅｍｓジャイロスコープ |
-
1999
- 1999-10-05 JP JP11284040A patent/JP2000081338A/ja active Pending
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