JP2001194153A - Angular velocity sensor, acceleration sensor and method of manufacture - Google Patents

Angular velocity sensor, acceleration sensor and method of manufacture

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JP2001194153A
JP2001194153A JP2000002817A JP2000002817A JP2001194153A JP 2001194153 A JP2001194153 A JP 2001194153A JP 2000002817 A JP2000002817 A JP 2000002817A JP 2000002817 A JP2000002817 A JP 2000002817A JP 2001194153 A JP2001194153 A JP 2001194153A
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angular velocity
weight portion
acceleration
beams
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Toru Okauchi
亨 岡内
Mitsuhiro Yamashita
光洋 山下
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate the need for a step etching process and the influence of driving voltage. SOLUTION: This angular velocity sensor includes: a frame 106; a vibrating frame 104 disposed within the frame 106 and vibrated by a predetermined driving force; a weight part 101 disposed within the vibrating frame 104 for detecting angular velocity displaced in the direction of the Coriolis force, by Coriolis force perpendicular to the direction of the vibration, a composite beam 102 connecting the vibrating frame 104 and the weight part 101; and a vibrating beam 105 connecting the frame 106 to the vibrating frame 104.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両の姿勢
制御、進行方向の算出、ハンドカメラの手ぶれ防止など
に用いられる角速度センサ及び加速度センサに関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor and an acceleration sensor used for, for example, controlling the attitude of a vehicle, calculating the direction of travel, and preventing hand shake of a hand camera.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、角速度を検出するセンサとして様
々なジャイロスコープ(以下、ジャイロと称す)が開発
されている。その種類を大別すると、機械式のコマジャ
イロ、光学式の光ファイバージャイロ、流体式のガスレ
ートジャイロ、音叉等の振動ジャイロがある。
2. Description of the Related Art Various gyroscopes (hereinafter, referred to as gyroscopes) have been developed as sensors for detecting angular velocity. The types can be roughly classified into mechanical gyroscopes, optical fiber gyros, fluid gas rate gyros, and vibration gyros such as tuning forks.

【0003】近年は、製品の小型化・省電力化・低コス
ト化の要求に対し、単結晶シリコンや水晶などの素材に
マイクロマシニング微細加工技術を適用して形成した超
小型な角速度センサの開発も進められている。
In recent years, in response to demands for downsizing, power saving, and cost reduction of products, development of ultra-small angular velocity sensors formed by applying micromachining micromachining technology to materials such as single crystal silicon and quartz. Is also underway.

【0004】マイクロマシンによる角速度センサの大半
は振動ジャイロに属する。検出原理は以下の通りであ
る。振動している錘が振動方向と垂直な軸周りに錘を回
転すると、振動方向と回転の軸の互いに垂直な方向の力
が錘に働く。この力による錘の力方向の変位を検出し、
そこから角速度を算出するのである。
[0004] Most of angular velocity sensors using micromachines belong to vibrating gyroscopes. The principle of detection is as follows. When the vibrating weight rotates the weight about an axis perpendicular to the vibration direction, forces in the vibration direction and the rotation axis perpendicular to each other act on the weight. Detects the displacement of the weight in the force direction due to this force,
From that, the angular velocity is calculated.

【0005】このセンサには振動を励起する駆動力と、
錘の変位を検出する機構が必要である。センサの材料が
圧電体もしくは一部に圧電体部分を設けたものでは、圧
電体への電圧印加による歪みを駆動に利用したり、圧電
体に加わる歪みにより発生する電荷を検出したりする。
別の方法では、磁気を用いたり、静電気力を用いたりす
る。
This sensor has a driving force for exciting vibration,
A mechanism for detecting the displacement of the weight is required. When the material of the sensor is a piezoelectric body or a part provided with a piezoelectric body, a distortion generated by applying a voltage to the piezoelectric body is used for driving, and an electric charge generated by the distortion applied to the piezoelectric body is detected.
Other methods use magnetism or electrostatic force.

【0006】これらの中で圧電体を用いるものは、バル
クの圧電体を用いると微細加工が困難なことや、例えば
シリコン上に圧電体を形成する場合、形成自体に多大な
労力を必要とする。磁気の利用では、マグネットの使用
による周辺回路への影響や高効率な微細コイルの形成が
困難なことなど、実用に向けて越えなければならないハ
ードルは高い。
[0006] Among them, those using a piezoelectric body are difficult to perform fine processing when a bulk piezoelectric body is used. For example, when a piezoelectric body is formed on silicon, the formation itself requires a great deal of labor. . In the use of magnetism, the hurdles that must be overcome for practical use are high, such as the effect on peripheral circuits due to the use of magnets and the difficulty in forming highly efficient fine coils.

【0007】これらの意味から、振動型マイクロマシン
ジャイロとしては、材料にはシリコンウエハを用い、駆
動・検出両方に静電気力を用いるタイプのものの開発
が、実用段階にまできている。静電気力を利用した駆動
とは、異なる電荷を蓄えた平行平板電極が互いに引き合
う力を応用することを意味するものである。従って、電
極の総面積が大きいほど有利である。
For these reasons, development of a vibrating micromachine gyro using a silicon wafer as a material and using electrostatic force for both driving and detection has reached a practical stage. Driving using an electrostatic force means applying a force of attracting parallel plate electrodes storing different charges to each other. Therefore, it is advantageous that the total area of the electrodes is larger.

【0008】一方、検出は一定の電荷を蓄えた平行平板
コンデンサにおいて、その電極間距離の変化による電極
間電圧の変化を検出することにより、変位量を求める。
やはり検出側でも電極の総面積が大きいほど有利であ
る。特に、検出側の変位量は、駆動振動の変位量に比し
て、遙かに小さい(二桁〜三桁小さい)ため、より高精
度加工と検出効率向上が必要である。この種のマイクロ
マシン角速度センサでは、例えば、P.Greiff他により発
表された論文(Silicon monolithic micromechanical g
yroscope, Transducers'99, P966-969)や、近年では村
田製作所から発表された論文(MEMS'99)が一例であ
る。また。特開平5−312576号公報「角速度セン
サ」にも例が記載されている。
On the other hand, in a parallel plate capacitor storing a fixed charge, a displacement is obtained by detecting a change in inter-electrode voltage due to a change in the inter-electrode distance.
Again, the larger the total area of the electrodes on the detection side, the more advantageous. In particular, since the displacement on the detection side is much smaller (two or three digits smaller) than the displacement of the drive vibration, higher precision processing and improved detection efficiency are required. In this type of micromachine angular velocity sensor, for example, a paper published by P. Greiff et al. (Silicon monolithic micromechanical g
yroscope, Transducers'99, P966-969) and a paper (MEMS'99) published by Murata Manufacturing in recent years. Also. An example is also described in Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 5-321576 “Angular velocity sensor”.

【0009】上記のように、振動型マイクロマシンジャ
イロでは、駆動効率・検出効率を高めるには、駆動用の
駆動電極および検出用の検出電極について、それぞれ電
極面積を増やす必要がある。そこで、錘の表面全体を電
極として用いたり、空間効率を高めるため、櫛形や梯子
型、フィッシュボーンなどの構造が採用されている。効
率を向上するためには、電極面積増加と共に電極間距離
を小さく構成精度加工することも重要である。
As described above, in the vibrating micromachine gyro, in order to increase the driving efficiency and the detection efficiency, it is necessary to increase the electrode area of each of the drive electrode for detection and the detection electrode for detection. Therefore, in order to use the entire surface of the weight as an electrode or to enhance space efficiency, a structure such as a comb shape, a ladder shape, or a fishbone is employed. In order to improve the efficiency, it is also important to reduce the distance between the electrodes as well as to increase the area of the electrodes and to carry out the processing of the configuration accuracy.

【0010】これらの要求に対応するため、最近では半
導体プロセスであり、プラズマエッチングの一種であ
る、反応性イオンエッチング(以下RIEと称す)を用
いる。この技術による超微細加工により、数ミクロンピ
ッチのシリコンによる構造物の作製が可能になり、本体
が数mm角の角速度センサが実現されている。
In order to meet these demands, reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE), which is a semiconductor process and is a kind of plasma etching, is used recently. Ultra-fine processing by this technology makes it possible to produce a structure made of silicon with a pitch of several microns, and an angular velocity sensor having a main body of several mm square has been realized.

【0011】一方、加速度センサでは角速度センサより
一足先にマイクロマシン技術が導入されている。従来の
加速度センサでは片持ち梁や両端支持梁などが多い。こ
れらは錘に加速度が印加されることにより、梁のバネ性
にによる錘の変位量を、静電容量式(コンデンサ電極間
距離の変化)により検出する。加速度センサは角速度セ
ンサと比べて構造が単純であるため、RIEを用いた角
速度センサの例は、あまり見られない。
On the other hand, micromachine technology has been introduced in the acceleration sensor one step ahead of the angular velocity sensor. In conventional acceleration sensors, there are many cantilever beams, both-end supporting beams, and the like. In these methods, when an acceleration is applied to the weight, the amount of displacement of the weight due to the spring property of the beam is detected by a capacitance type (change in the distance between the capacitor electrodes). Since an acceleration sensor has a simpler structure than an angular velocity sensor, an example of an angular velocity sensor using RIE is rarely seen.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】小型センサにおいて、
高効率の駆動・検出を実現するためにはRIE加工が必
要である。この技術は数ミクロンの精度で微細なエッチ
ングが可能である。しかし、検出側の変位量は非常に小
さく、櫛形電極等を検出電極に採用した場合、構造物寸
法自体が2〜3μmの部分ができ、RIEでも相当の困
難を伴う。
SUMMARY OF THE INVENTION In a small sensor,
RIE processing is required to realize high-efficiency driving and detection. This technique enables fine etching with an accuracy of several microns. However, the amount of displacement on the detection side is very small, and when a comb-shaped electrode or the like is used as the detection electrode, a portion having a structure size of 2 to 3 μm is formed, and RIE involves considerable difficulty.

【0013】また、検出電極を錘方面とした場合、櫛形
電極等の超精密な加工精度からは解放されるが、錘の動
く方向は厚み方向になる。検出変位を少しでも大きくと
るため、錘を支持する梁の厚み方向のバネ定数の小さく
(すなわち弱く)する必要がある。バネ性を小さくする
には梁の断面を薄く幅広くする必要がある。
When the detection electrode is in the weight direction, it is free from the super-precision machining accuracy of a comb-shaped electrode or the like, but the weight moves in the thickness direction. In order to make the detected displacement as large as possible, it is necessary to reduce (ie, weaken) the spring constant in the thickness direction of the beam supporting the weight. In order to reduce the spring property, it is necessary to make the cross section of the beam thin and wide.

【0014】従って、RIEによりウェハの厚みとは異
なる厚みの梁を形成し、しかも厚み精度を高精度に管理
する必要がある。RIEは基本的に被加工物に対し厚み
方向のエッチングしかできない。
Therefore, it is necessary to form a beam having a thickness different from the thickness of the wafer by RIE, and to control the thickness accuracy with high accuracy. RIE can basically only etch the workpiece in the thickness direction.

【0015】また、加工制度面から考えると、ウェハ面
内の加工精度はマスク精度によるため高精度を実現でき
るが、深さ方向の精度は温度やプラズマの不均一性など
から、面内精度と比較すると相対的に悪い。
Further, from the viewpoint of processing accuracy, the processing accuracy in the wafer surface depends on the mask accuracy, so that high accuracy can be realized. However, the accuracy in the depth direction is inferior to the in-plane accuracy due to temperature and plasma non-uniformity. It is relatively bad when compared.

【0016】従って、上記のような梁をRIEで構成す
るには、梁の平面形状の加工とは別に、厚み方向の加工
を行う必要があり付随する加工工数が、大きく増加す
る。しかも、RIEによる厚み方向の制御は比較的誤差
が大きく、バネ性の不均一により高精度検出の実現が困
難であり、それ故コスト低減と高精度確保の両立が困難
であるという課題を有していた。
Therefore, in order to form the above-mentioned beam by RIE, it is necessary to perform the processing in the thickness direction separately from the processing of the planar shape of the beam, and the number of processing steps involved is greatly increased. In addition, the control in the thickness direction by RIE has a relatively large error, and it is difficult to realize high-accuracy detection due to unevenness of the spring property. Therefore, it is difficult to achieve both cost reduction and high accuracy. I was

【0017】本発明は、このような問題点を鑑みて、R
IEによる安価で高精度の角速度センサおよびその製造
方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and
It is an object of the present invention to provide an inexpensive and high-precision angular velocity sensor by IE and a method of manufacturing the same.

【0018】また、角速度センサの精度確保には、駆動
信号が検出電極に与える影響の問題もある。検出系はコ
ンデンサの微小な容量変化を検出しなければならない
が、駆動電極と検出電極は同一のウェハ上にあるため、
駆動電極からの漏れ電流の一部が検出電極に流れ込み、
検出部に構成されているコンデンサの電荷量が変動し、
角速度の検出精度低下するという課題を有していた。
In order to ensure the accuracy of the angular velocity sensor, there is a problem that the drive signal affects the detection electrode. The detection system must detect a small change in capacitance of the capacitor, but since the drive electrode and the detection electrode are on the same wafer,
Part of the leakage current from the drive electrode flows into the detection electrode,
The charge amount of the capacitor configured in the detection unit fluctuates,
There is a problem that the detection accuracy of the angular velocity decreases.

【0019】本発明は、このような問題点を鑑みて、駆
動信号の影響を受けにくい高精度の角速度センサを提供
することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a high-precision angular velocity sensor which is hardly affected by a drive signal.

【0020】また、マイクロマシン加速度センサでは、
片持ち梁、もしくは両端支持梁により構成される。片持
ち梁の場合、錘の変位により錘自体も傾くため、検出部
が平行平板コンデンサでなくなり、検出誤差の要因にな
る。また、両端支持梁でも、梁中心を軸とする回転方向
の傾きの発生により、検出誤差が発生する。
In the micromachine acceleration sensor,
It is composed of a cantilever beam or a support beam at both ends. In the case of a cantilever, the weight itself is also tilted due to the displacement of the weight, so that the detection unit is not a parallel plate capacitor, which causes a detection error. In addition, a detection error also occurs in the beam supported at both ends due to the occurrence of a tilt in the rotation direction about the beam center.

【0021】これらの傾きを押さえるため、梁数を3個
以上にすると、平面ウェハに段差エッチングを施すこと
になり、エッチングとそれに付随するマスク生成工程が
付随する。また、RIEのみでなくとも、厚み方向のエ
ッチング精度は面内精度に比して悪くなるため、梁数が
増すと梁のバネ性を均一に保つことは非常に困難にな
る。それ故コスト低減と高精度確保の両立が困難である
という課題を有する。
If the number of beams is increased to three or more to suppress these inclinations, step etching is performed on the flat wafer, and etching and an accompanying mask generation step are accompanied. Even if it is not only RIE, the etching accuracy in the thickness direction is worse than the in-plane accuracy. Therefore, when the number of beams increases, it becomes very difficult to keep the spring characteristics of the beams uniform. Therefore, there is a problem that it is difficult to achieve both cost reduction and high accuracy.

【0022】本発明は、このような問題点を鑑みて、R
IEによる安価で高精度の加速度センサおよびその製造
方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in consideration of such a problem, and
It is an object of the present invention to provide an inexpensive and high-accuracy acceleration sensor by IE and a method of manufacturing the same.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第1の本発明(請求項1に対応)は、固定フレー
ムと、前記固定フレーム内に配置された、所定の駆動力
によって振動する振動フレームと、前記振動フレーム内
に配置された、前記振動の方向と直交するコリオリ力に
より、該コリオリ力の方向に変位する、角速度を検出す
るための錘部と、前記振動フレームと前記錘部とを接続
する、前記錘部に対し、前記コリオリ力に起因する変位
を検出できる程度の弾性を有するとともに、前記駆動力
に起因する振動の影響が及ぶのを防ぐ程度の剛性を有す
る第1の梁構造と、前記固定フレームと前記振動フレー
ムとを接続する、前記振動フレームに対し、これを効率
よく振動させることができる程度の弾性を有するととも
に、前記コリオリ力に起因する変位の影響が及ぶのを防
ぐ程度の剛性を有する第2の梁構造とを備えたことを特
徴とする角速度センサである。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention (corresponding to claim 1) is to use a fixed frame and a predetermined driving force arranged in the fixed frame. A vibrating frame that vibrates, disposed in the vibrating frame, is displaced in the direction of the Coriolis force by a Coriolis force orthogonal to the direction of the vibration, a weight portion for detecting an angular velocity, the vibrating frame, and the vibrating frame, The weight portion is connected to the weight portion, the weight portion has elasticity enough to detect the displacement caused by the Coriolis force, and has rigidity enough to prevent the influence of the vibration caused by the driving force. 1 that connects the fixed frame and the vibrating frame to each other. The vibrating frame has elasticity enough to efficiently vibrate the vibrating frame, and the Coriolis An angular velocity sensor being characterized in that a second beam structure having a rigidity enough to prevent the affect of due displaced.

【0024】また、第2の本発明(請求項2に対応)
は、前記固定フレームと前記振動フレームと前記錘部と
前記第1の梁構造と前記第2の梁構造とは、前記コリオ
リ力の方向に対して、実質同一の厚みを有することを特
徴とする上記本発明である。
The second invention (corresponding to claim 2)
Is characterized in that the fixed frame, the vibrating frame, the weight, the first beam structure, and the second beam structure have substantially the same thickness in the direction of the Coriolis force. This is the present invention.

【0025】また、第3の本発明(請求項3に対応)
は、前記第1の梁構造は、前記振動フレームと接続した
第1の副梁と、前記錘部と接続した第2の副梁と、前記
第1の副梁と前記第2の副梁とを接続する第3の副梁と
を備え、前記第1および第2の副梁は、前記コリオリ力
に関し弾性を有し、前記第3の副梁は、前記駆動力に対
して剛性を有することを特徴とする上記本発明である。
The third invention (corresponding to claim 3)
The first beam structure includes a first sub beam connected to the vibration frame, a second sub beam connected to the weight portion, the first sub beam, and the second sub beam. And a third sub-beam that connects the first and second sub-beams, wherein the first and second sub-beams have elasticity with respect to the Coriolis force, and the third sub-beam has rigidity with respect to the driving force. The present invention is characterized in that:

【0026】また、第4の本発明(請求項4に対応)
は、前記第1および第2の副梁は、両端支持梁であるこ
とを特徴とする上記本発明である。
The fourth invention (corresponding to claim 4)
The present invention is characterized in that the first and second sub-beams are support beams at both ends.

【0027】また、第5の本発明(請求項6に対応)
は、前記第1の梁構造は、一対の片持ち梁である副梁に
より構成され、前記一対の副梁の、同一側に固定された
2つの中央部位の間の距離は、前記振動フレームと前記
錘部との間における2つの中央部位の距離よりも大きい
ことを特徴とする上記本発明である。
The fifth invention (corresponding to claim 6)
The first beam structure is constituted by a pair of cantilevered sub beams, and a distance between two central portions of the pair of sub beams fixed to the same side is equal to the vibration frame. The present invention is characterized in that the distance is larger than the distance between the two central portions with the weight portion.

【0028】また、第6の本発明(請求項8に対応)
は、前記第1ないし第5の副梁の剛性および弾性は、前
記副梁の有する、前記角速度センサの面方向における幅
によって設定されることを特徴とする上記本発明であ
る。
The sixth invention (corresponding to claim 8)
According to the present invention, the rigidity and elasticity of the first to fifth sub beams are set by the width of the angular velocity sensor in the surface direction of the sub beam.

【0029】また、第7の本発明(請求項9に対応)
は、少なくとも前記振動フレームおよび前記錘部と対向
する、第1の駆動電極、第1の検出電極および、接地電
極を有する基板をさらに備え、前記振動フレームはその
一部に第2の駆動電極をさらに備え、前記第1の駆動電
極および前記第2の駆動電極より前記駆動力を静電気力
として得るものであり、前記錘部は第2の検出電極をさ
らに備え、前記第1の検出電極および第2の検出電極間
の静電容量の変化により前記コリオリ力を検出するもの
であり、前記接地電極は、前記第1の駆動電極と前記第
1の検出電極との間に、前記第1の検出電極の周囲を取
り囲むように配置されていることを特徴とする上記本発
明である。
A seventh aspect of the present invention (corresponding to claim 9)
Further includes a substrate having a first drive electrode, a first detection electrode, and a ground electrode facing at least the vibration frame and the weight portion, and the vibration frame partially includes a second drive electrode. And the driving force is obtained from the first driving electrode and the second driving electrode as an electrostatic force. The weight portion further includes a second detection electrode, and the weight portion further includes a second detection electrode. The Coriolis force is detected by a change in capacitance between two detection electrodes, and the ground electrode is provided between the first drive electrode and the first detection electrode. The present invention is characterized in that it is arranged so as to surround the periphery of the electrode.

【0030】また、第8の本発明(請求項10に対応)
は、固定フレームと、前記固定フレーム内に配置され
た、所定の加速度により該加速度の方向に変位する、加
速度を検出するための錘部と、前記固定フレームと前記
錘部とを接続する、前記錘部に対し、前記加速度により
与えられる力に起因する変位を検出できる程度の弾性を
有する第3の梁構造とを備え、前記第3の梁構造は、前
記振動フレームと接続した第6の副梁と、前記錘部と接
続した第7の副梁と、前記第6の副梁と前記第7の副梁
とを接続する第8の副梁とを備え、前記固定フレームと
前記錘部と前記第3の梁構造とは、前記加速度の方向に
対して、実質同一の厚みを有することを特徴とする加速
度センサである。
An eighth aspect of the present invention (corresponding to claim 10)
A fixed frame, disposed in the fixed frame, displaced in the direction of the acceleration by a predetermined acceleration, a weight portion for detecting acceleration, and connecting the fixed frame and the weight portion, A third beam structure having an elasticity enough to detect a displacement caused by the force given by the acceleration with respect to the weight portion, wherein the third beam structure has a sixth sub-structure connected to the vibration frame; A beam, a seventh sub-beam connected to the weight portion, and an eighth sub-beam connecting the sixth sub-beam and the seventh sub-beam, wherein the fixed frame, the weight portion, The third beam structure is an acceleration sensor having substantially the same thickness in the direction of the acceleration.

【0031】また、第9の本発明(請求項11に対応)
は、前記第6および第7の副梁は、両端支持梁であるこ
とを特徴とする上記本発明である。
The ninth invention (corresponding to claim 11)
The present invention is characterized in that the sixth and seventh sub-beams are support beams at both ends.

【0032】また、第10の本発明(請求項13に対
応)は、固定フレームと、前記固定フレーム内に配置さ
れた、所定の加速度により該加速度の方向に変位する、
加速度を検出するための錘部と、前記固定フレームと前
記錘部とを接続する、前記錘部に対し、前記加速度によ
り与えられる力に起因する変位を検出できる程度の弾性
を有する第4の梁構造とを備えたことを特徴とする加速
度センサであって、前記第4の梁構造は、一対の片持ち
梁である副梁により構成され、前記一対の副梁の、同一
側に固定された2つの中央部位の間の距離は、前記振動
フレームと前記錘部との間における2つの中央部位の距
離よりも大きいものであり、前記固定フレームと前記錘
部と前記第4の梁構造とは、前記加速度の方向に対し
て、実質同一の厚みを有することを特徴とする加速度セ
ンサである。
According to a tenth aspect of the present invention (corresponding to claim 13), a fixed frame and a predetermined acceleration disposed in the fixed frame displace in the direction of the acceleration.
A weight for detecting acceleration, a fourth beam connecting the fixed frame and the weight, and having a degree of elasticity with respect to the weight that can detect a displacement caused by a force given by the acceleration; And wherein the fourth beam structure comprises a pair of cantilevered sub-beams, and is fixed to the same side of the pair of sub-beams. The distance between the two central portions is greater than the distance between the two central portions between the vibration frame and the weight portion, and the fixed frame, the weight portion, and the fourth beam structure And an acceleration sensor having substantially the same thickness in the direction of the acceleration.

【0033】また、第11の本発明(請求項16に対
応)は、本発明の角速度センサの製造方法であって、シ
リコン基板に、一度の反応性イオンエッチング(RI
E)によって、前記固定フレーム、前記振動フレーム、
前記錘部、前記第1の梁構造および前記第2の梁構造を
成形する工程を含むことを特徴とした角速度センサの製
造方法である。
An eleventh aspect of the present invention (corresponding to claim 16) is the method of manufacturing an angular velocity sensor according to the present invention, wherein the silicon substrate is subjected to reactive ion etching (RI) once.
E), the fixed frame, the vibration frame,
A method of manufacturing an angular velocity sensor, comprising a step of forming the weight portion, the first beam structure, and the second beam structure.

【0034】また、第12の本発明(請求項17に対
応)は、本発明の加速度センサの製造方法であって、シ
リコン基板に、一度の反応性イオンエッチング(RI
E)によって、前記固定フレーム、前記振動フレーム、
前記錘部、前記第3の梁構造または前記第4の梁構造を
成形する工程を含むことを特徴とした加速度センサの製
造方法である。
A twelfth aspect of the present invention (corresponding to claim 17) is the method of manufacturing an acceleration sensor according to the present invention, wherein the silicon substrate is subjected to one-time reactive ion etching (RI).
E), the fixed frame, the vibration frame,
A method of manufacturing an acceleration sensor, comprising a step of forming the weight portion, the third beam structure, or the fourth beam structure.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0036】(実施の形態1)本発明の実施の形態1で
ある単結晶シリコンとガラスからなる角速度センサにつ
いて、図1を用いて説明する。図1において、シリコン
ウェハのエッチングにより加工されたセンサ本体100
の中央には、回転運動によって発生するコリオリ力を受
け変位する錘部101がある。錘部101は振動フレー
ム104に4組の複合梁102により取り付けられてい
る。
(Embodiment 1) An angular velocity sensor composed of single crystal silicon and glass according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a sensor body 100 processed by etching a silicon wafer
At the center is a weight portion 101 that is displaced by Coriolis force generated by rotational motion. The weight 101 is attached to the vibration frame 104 by four sets of composite beams 102.

【0037】複合梁102の構造は図2に示すとおり、
連結梁201の両端に直角方向の梁202,203がそ
れぞれ取り付けられている。
The structure of the composite beam 102 is as shown in FIG.
Right-angle beams 202 and 203 are attached to both ends of the connecting beam 201, respectively.

【0038】図1の振動フレーム104内側には、振動
フレーム全体を矢印の方向に振動させるため、駆動電極
103が取り付けてある。錘部101と駆動電極103
の間には、溝107が錘部101の外周全体に掘られて
いる。振動フレーム104の外側には固定フレーム10
6があり、振動フレーム104は駆動梁105を介して
固定フレーム106により支持されている。
A drive electrode 103 is mounted inside the vibration frame 104 of FIG. 1 to vibrate the entire vibration frame in the direction of the arrow. Weight part 101 and drive electrode 103
Between them, a groove 107 is dug all over the outer periphery of the weight portion 101. The fixed frame 10 is provided outside the vibration frame 104.
6, the vibration frame 104 is supported by a fixed frame 106 via a driving beam 105.

【0039】センサ本体100に対向してガラス基板1
20が置かれている。ガラス基板120には弗酸による
エッチングが施され、センサ本体100に対して、一定
の間隔を持ったエッチング面121が設けられている。
エッチング面121には、導電体薄膜による駆動電極1
23,124,125、検出電極122、接地電極12
8が形成されている。センサ本体100の固定フレーム
106とガラス基板の接合面129は、陽極接合により
固定されている。
The glass substrate 1 faces the sensor body 100.
20 are placed. The glass substrate 120 is etched with hydrofluoric acid, and the sensor body 100 is provided with an etching surface 121 at a constant interval.
The drive electrode 1 made of a conductive thin film is provided on the etching surface 121.
23, 124, 125, detection electrode 122, ground electrode 12
8 are formed. The joint surface 129 between the fixed frame 106 of the sensor body 100 and the glass substrate is fixed by anodic bonding.

【0040】次に、本発明の実施の形態1による角速度
センサの動作について説明する。センサ本体100のシ
リコンウェハには、例えば臭素等の不純物を拡散させて
あるため導電体となっていて、その電位はGNDになっ
ている。一方、ガラス基板120に形成されている駆動
電極123,124,125には、外部電源回路(図示
せず)よりボンディングパッド135を介して、バイア
ス電圧を与えて常にプラスの電位を持った交流電圧を印
加する。
Next, the operation of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention will be described. The silicon wafer of the sensor body 100 is a conductor since impurities such as bromine are diffused in the silicon wafer, and its potential is GND. On the other hand, a bias voltage is applied to the drive electrodes 123, 124, and 125 formed on the glass substrate 120 from the external power supply circuit (not shown) via the bonding pads 135, so that an AC voltage having a positive potential is always provided. Is applied.

【0041】センサ本体100側の駆動電極103と、
ガラス基板側の駆動電極124,125の位置関係は、
図3の断面A(図1におけるA−A断面)に示すよう
に、互いに一定ピッチに並んでおり、センサ本体側の駆
動電極103とガラス基板側の駆動電極124,125
は1/4ピッチずれて対向している。
A drive electrode 103 on the sensor body 100 side;
The positional relationship between the drive electrodes 124 and 125 on the glass substrate side is as follows.
As shown in section A (section AA in FIG. 1) of FIG. 3, they are arranged at a constant pitch from each other, and the drive electrode 103 on the sensor body side and the drive electrodes 124 and 125 on the glass substrate side.
Are opposed by a 1 / pitch.

【0042】ここで、駆動電極123,125(図3に
は図示せず)には同じ電圧信号を与え、駆動電極124
には駆動電極123,125とは位相が180度異なる
電圧信号を印加する。従って、電位0のセンサ側駆動電
極103との間に静電気力による引力130,131が
交互に発生し、錘部101を含めた振動フレーム104
全体が座標軸110のD方向に振動する。
Here, the same voltage signal is applied to the drive electrodes 123 and 125 (not shown in FIG. 3),
, A voltage signal whose phase is different from that of the drive electrodes 123 and 125 by 180 degrees is applied. Therefore, attractive forces 130 and 131 due to the electrostatic force are generated alternately between the sensor drive electrode 103 having the potential 0 and the vibration frame 104 including the weight portion 101.
The whole vibrates in the direction D of the coordinate axis 110.

【0043】この時、座標軸110のΩ方向にセンサ全
体が回転した場合、コリオリの力がS方向に働く。振動
フレーム106を支持している駆動梁105は、座標軸
110のD方向には自由度があるが、S方向には剛性が
高いため、コリオリの力によるS方向への変位は実質上
無視できる。
At this time, if the entire sensor rotates in the Ω direction of the coordinate axis 110, Coriolis force acts in the S direction. The drive beam 105 supporting the vibration frame 106 has a degree of freedom in the direction D of the coordinate axis 110, but has high rigidity in the direction S, so that displacement in the direction S due to Coriolis force can be substantially ignored.

【0044】次に、錘部101の動きについて説明す
る。錘部101は図2に示す、連絡梁201にて梁20
2、203を組み合わせた構造の複合梁102で4方向
から支持されている。4組の複合梁102全体としては
錘部101上面と平行方向には剛性が高く、D方向の振
動印加による振動フレーム104へのD方向の相対変位
は実質上無視できる程度である。また、錘部101及び
複合梁102による構造体の共振周波数に関し、D方向
の共振周波数はS方向の2倍以上と高いため、D方向の
振動によりS方向の振動が誘引されることはない。
Next, the movement of the weight 101 will be described. The weight portion 101 is connected to the connecting beam 201 shown in FIG.
It is supported from four directions by a composite beam 102 having a structure in which 2, 203 are combined. As a whole, the four composite beams 102 have high rigidity in the direction parallel to the upper surface of the weight portion 101, and the relative displacement in the D direction to the vibration frame 104 due to the application of the vibration in the D direction is substantially negligible. Further, regarding the resonance frequency of the structure formed by the weight portion 101 and the composite beam 102, the resonance frequency in the D direction is higher than twice the S direction, so that the vibration in the S direction is not induced by the vibration in the D direction.

【0045】ここで、錘部101にS方向のコリオリの
力が働く時を考える。複合梁102はS方向には剛性が
が低く、コリオリの力が働くと図4に示すように変形す
る。この時、4組の複合梁102は同方向に同じ量だけ
変形するので、錘部101はコリオリの力が働く方向に
平行移動する。センサ本体101は導電性のシリコンウ
ェハでGNDに接続されているので、図3の断面B(図
1のBB断面)に示すように、錘部101と検出電極1
22は平板コンデンサを形成する。
Here, consider the case where Coriolis force in the S direction acts on the weight portion 101. The composite beam 102 has low rigidity in the S direction, and deforms as shown in FIG. 4 when Coriolis force acts. At this time, since the four sets of composite beams 102 are deformed by the same amount in the same direction, the weight portion 101 moves in parallel in the direction in which Coriolis force acts. Since the sensor main body 101 is connected to GND by a conductive silicon wafer, as shown in a cross section B (BB cross section in FIG. 1) of the weight portion 101 and the detection electrode 1
22 forms a plate capacitor.

【0046】コリオリの力により錘部101が平行移動
すると、検出電極122と錘部101の間隔が変化しコ
ンデンサ容量が変化する。このコンデンサの容量をC−
V変換回路(図示せず)で電圧に変換し、コリオリの力
を検出する。コンデンサ容量の検出する原理は、V=Q
/Cのコンデンサの電圧・電荷量・容量の関係を用い
る。即ち、コンデンサに蓄えられている電荷量が一定と
見なされる場合、コンデンサの両端電圧は容量に反比例
する。
When the weight 101 moves in parallel due to Coriolis force, the distance between the detection electrode 122 and the weight 101 changes, and the capacitance of the capacitor changes. The capacitance of this capacitor is C-
The voltage is converted into a voltage by a V conversion circuit (not shown), and the Coriolis force is detected. The principle of detecting the capacitance of a capacitor is V = Q
The relationship between the voltage / charge amount / capacity of the capacitor of / C is used. That is, when the amount of charge stored in the capacitor is considered to be constant, the voltage across the capacitor is inversely proportional to the capacitance.

【0047】従って、コンデンサに蓄えられている電荷
量が一定であることは非常に重要であり、近接している
駆動電極123・124・125からのノイズ混入等は
極力排除しなければならない。そのための構成として、
基盤側の検出電極123及び検出電極取り出しパッド1
27,両者を繋ぐリード部126の周囲は接地電極12
8が配置されている。この接地電極128で囲むことに
より、駆動電極123・124・125からの漏れ電流
は、インピーダンスの低い接地電極128に吸収され、
検出電極122への直接混入を防止できる。
Therefore, it is very important that the amount of charge stored in the capacitor is constant, and it is necessary to eliminate as much as possible noise from the adjacent drive electrodes 123, 124, and 125. As a configuration for that,
Detection electrode 123 and detection electrode extraction pad 1 on substrate side
27, the periphery of the lead portion 126 connecting them is the ground electrode 12
8 are arranged. By being surrounded by the ground electrode 128, the leakage current from the drive electrodes 123, 124, and 125 is absorbed by the low impedance ground electrode 128,
Direct mixing into the detection electrode 122 can be prevented.

【0048】次に大きい漏れ電流の経路は、センサ本体
100を介しての混入である。センサ本体100は導電
性のシリコンウェハで出来ているためが、金属ほどには
入力インピーダンスは低くない。そこで、センサ本体側
の検出電極101の周囲に溝部107を設け、駆動電極
102と検出電極101を隔離した。更に、振動フレー
ム104と検出電極101の接触も複合梁部102の断
面積のみとした。本実施例の複合梁102断面寸法は、
幅10μm・厚み50μmと非常に小さいため、複合梁
部102の電気抵抗は非常に高くなる。故に、ガラス基
板側駆動電極123・124・125からセンサ本体側
駆動電極103に流入した信号は、インピーダンスの低
い接地源に流入し、検出電極101への流入量は殆どな
く、検出振動への影響は実質上無視できる。
The path of the next largest leakage current is mixing through the sensor body 100. Since the sensor body 100 is made of a conductive silicon wafer, the input impedance is not as low as metal. Therefore, a groove 107 is provided around the detection electrode 101 on the sensor body side to isolate the drive electrode 102 from the detection electrode 101. Further, the contact between the vibration frame 104 and the detection electrode 101 was limited to only the cross-sectional area of the composite beam portion 102. The cross-sectional dimensions of the composite beam 102 of this embodiment are as follows:
Since the width is as small as 10 μm and the thickness is 50 μm, the electric resistance of the composite beam portion 102 is extremely high. Therefore, the signal flowing from the glass substrate-side drive electrodes 123, 124, and 125 to the sensor body-side drive electrode 103 flows to the ground source having low impedance, and hardly flows into the detection electrode 101, thus affecting the detection vibration. Is virtually negligible.

【0049】この様に、基板側検出電極122及びそこ
に繋がるリード線部126・端子取り出しパット127
の周囲を接地電極128で取り囲み、更にセンサ本体側
検出電極101の周囲に溝部107を設け駆動電極10
3と隔離し、振動フレーム104との接続を断面積極少
の複合梁102のみとすることにより、駆動電圧の影響
を実質上皆無な高精度の角速度センサを構成できる。
As described above, the substrate-side detection electrode 122, the lead wire portion 126 connected to the detection electrode 122, and the terminal extraction pad 127
Is surrounded by a ground electrode 128, and a groove 107 is further provided around the detection electrode 101 on the sensor body side to form a drive electrode 10.
3 and the connection with the vibration frame 104 is made only by the composite beam 102 having a small active section, it is possible to configure a high-precision angular velocity sensor having substantially no influence of the driving voltage.

【0050】次に、本実施の形態による角速度センサの
製造プロセスを述べる。ガラス基板120の片面を弗化
水素でエッチングし、エッチング面121を構成する。
エッチング面121上には金属薄膜を成膜する。本実施
例ではCr/Auを用いた。金属薄膜上にレジストを塗
布し、フォトリソグラフィを行い、金属薄膜による電極
パターン(駆動電極123・124・125や検出電極
122,リード線部126など)を構成する。次に、セ
ンサ本体100の加工を行う。センサ本体にはSOI
(Silicon On Insulator)を用いる。本実施例では活性
層50μm・絶縁層2μm・支持層400μmのものを
用いた。
Next, a manufacturing process of the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described. One side of the glass substrate 120 is etched with hydrogen fluoride to form an etched surface 121.
A metal thin film is formed on the etching surface 121. In this embodiment, Cr / Au is used. A resist is applied on the metal thin film, and photolithography is performed to form electrode patterns (drive electrodes 123, 124, 125, detection electrodes 122, lead wires 126, etc.) using the metal thin film. Next, processing of the sensor main body 100 is performed. SOI on the sensor body
(Silicon On Insulator) is used. In this embodiment, an active layer having a thickness of 50 μm, an insulating layer having a thickness of 2 μm, and a supporting layer having a thickness of 400 μm was used.

【0051】第1に活性層とガラス基板120の接合面
129と陽極接合する。これは、高温下(350〜40
0℃)でシリコンとガラスに高電圧(500〜1000
V)を印加し、シリコン面とガラス面を強固に接続する
技術である。第2に、SOIの支持層を全面剥離し、絶
縁層であるSiO2面を露出させる。支持層剥離には強ア
ルカリによるウェットエッチングやRIE(反応性イオ
ンエッチング)を用いる。
First, anodic bonding is performed on the bonding surface 129 between the active layer and the glass substrate 120. This is at high temperatures (350-40
0 ° C) and high voltage (500-1000) on silicon and glass.
V) is applied to connect the silicon surface and the glass surface firmly. Second, the support layer of the SOI is entirely peeled off to expose the SiO2 surface as an insulating layer. For the support layer peeling, wet etching with a strong alkali or RIE (reactive ion etching) is used.

【0052】第3に、露出させたSiO2面を弗化水素に
よるエッチングにより除去する。第4に、レジストを塗
布・フォトリソグラフィを施し、レジストによる駆動電
極103,複合梁102,錘部101などのパターンニ
ングを行う。
Third, the exposed SiO 2 surface is removed by etching with hydrogen fluoride. Fourth, a resist is applied and photolithography is performed, and patterning of the drive electrode 103, the composite beam 102, the weight 101, and the like is performed with the resist.

【0053】第5に、レジストのパターンニングに沿っ
てRIEによりSiをエッチングする。RIEとはSi
をエッチングするプラズマとSi上に堆積層を形成する
プラズマを交互に発生させ、加工面に垂直に電圧を印加
する事により、露出したSi部分を垂直に掘り進む技術
である。RIEは基本的に垂直方向に全面均一に掘り進
むので、斜め方向や部分的にエッチング深さを変えるこ
とは出来ない。部分的にエッチング深さを変える(段差
エッチング)場合は、エッチングの浅い部分をレジスト
で保護し、先ず深い部分を浅い部分の厚み分だけエッチ
ングする。そこで一旦ウェハーを取り出して浅い部分の
レジストを除去し、深い部分と浅い部分の両方を所定の
深さまでエッチングする。
Fifth, Si is etched by RIE along the patterning of the resist. What is RIE?
This is a technique in which a plasma for etching a silicon is alternately generated with a plasma for forming a deposition layer on Si, and a voltage is applied perpendicularly to a processing surface, so that an exposed Si portion is dug vertically. Since the RIE basically digs uniformly all over in the vertical direction, the etching depth cannot be changed obliquely or partially. When the etching depth is partially changed (step etching), the shallowly etched portion is protected by a resist, and the deep portion is first etched by the thickness of the shallow portion. Therefore, the wafer is once taken out, the resist in the shallow portion is removed, and both the deep portion and the shallow portion are etched to a predetermined depth.

【0054】この様に、段差エッチングを行うと、2回
のRIEとその間のレジスト剥離・再塗布・フォトリソ
グラフィが必要になり、非常に工程数が増す。しかし、
通常ウェハー面と垂直方向に柔らかく、ウェハー面と平
行には堅いバネを形成するには、ウェハー厚方向に薄く
・面方向に幅広い板バネが必要である。
As described above, when the step etching is performed, two RIE steps and the removal of the resist, recoating, and photolithography between the two steps are required, which greatly increases the number of steps. But,
Normally, to form a soft spring that is soft in the direction perpendicular to the wafer surface and hard in parallel to the wafer surface, a leaf spring that is thin in the wafer thickness direction and wide in the surface direction is required.

【0055】しかし、本実施の形態の複合バネの厚みは
ウェハー厚みと同様であり、多段エッチングを必要とせ
ず、一回のRIEで構成できる。即ち、本実施の形態の
ような複合梁を3組以上(本実施例では4組)用いるこ
とにより、ウェハー面と垂直方向に柔らかく、ウェハー
面と平行には堅いバネを、一回のRIEで形成すること
ができ、高精度なセンサを安価に提供できる。
However, the thickness of the composite spring of this embodiment is the same as the thickness of the wafer, does not require multi-stage etching, and can be formed by one RIE. That is, by using three or more sets of composite beams as in the present embodiment (four sets in this example), a spring that is soft in the direction perpendicular to the wafer surface and hard in parallel with the wafer surface can be formed by one RIE. And a highly accurate sensor can be provided at low cost.

【0056】(実施の形態2)本発明の実施の形態2で
ある、単結晶シリコンとガラスからなる加速度センサに
ついて、図7を用いて説明する。図7において、センサ
本体300は電導性を有する単結晶シリコンウェハーか
らでき、中央にはS方向の加速度と検出する錘部301
がある。錘部301は、実施の形態1にて述べたと同様
の4組の複合梁102を介して、フレーム302で支持
されている。
(Embodiment 2) An acceleration sensor made of single-crystal silicon and glass, which is Embodiment 2 of the present invention, will be described with reference to FIG. In FIG. 7, a sensor body 300 is made of a conductive single crystal silicon wafer, and has a weight 301 for detecting acceleration in the S direction in the center.
There is. The weight 301 is supported by the frame 302 via the four sets of composite beams 102 similar to those described in the first embodiment.

【0057】センサ本体300に対向してガラス基板3
06が設けられ、フレーム302と接合面303で陽極
接合されている。ガラス基板306にはエッチング面3
04が構成され、その面上の錘部301に対向する位置
に検出電極305が取り付けられ、リード線308を介
して端子取り出しパット307から信号が取り出され
る。
The glass substrate 3 facing the sensor body 300
06 is provided, and anodically bonded to the frame 302 and the bonding surface 303. Etched surface 3 on glass substrate 306
A detection electrode 305 is attached to a position of the surface facing the weight portion 301, and a signal is extracted from a terminal extraction pad 307 via a lead wire 308.

【0058】次に、本実施の形態による加速度センサの
動きについて説明する。本実施の形態における加速度セ
ンサの基本構成は、実施の形態1における角速度センサ
の振動フレーム内側の検出系構造と同様である。
Next, the operation of the acceleration sensor according to the present embodiment will be described. The basic configuration of the acceleration sensor according to the present embodiment is the same as the detection system structure inside the vibration frame of the angular velocity sensor according to the first embodiment.

【0059】図7のS方向に加速度が印加されると、加
速度方向に錘部301が変位する。このとき、錘部30
1と検出電極305で構成される平板コンデンサの電極
間距離が変化するため、コンデンサの容量が変化する。
実施の形態1でも述べたと同様に、電荷を一定に保ち、
V=Q/Cの関係から錘部301の変位量は電圧に変換
される。
When an acceleration is applied in the S direction in FIG. 7, the weight 301 is displaced in the acceleration direction. At this time, the weight 30
1 and the detection electrode 305, the distance between the electrodes of the flat plate capacitor changes, so that the capacitance of the capacitor changes.
As described in Embodiment 1, the charge is kept constant,
From the relationship of V = Q / C, the displacement amount of the weight portion 301 is converted into a voltage.

【0060】本実施の形態の加速度センサは、従来の通
常の片持ち梁や2つの両端支持梁を用いた構成に比べ、
錘部の変位に伴うから傾きが実質上無視できるため、錘
部301の変位量と出力電圧との直線性に優れている。
The acceleration sensor according to the present embodiment is different from a conventional configuration using a normal cantilever beam or two ends supporting beams.
Since the inclination is substantially negligible because of the displacement of the weight, the linearity between the displacement of the weight 301 and the output voltage is excellent.

【0061】また、片持ち梁や両端支持梁で錘部301
の変位方向に梁を柔らかくするには多段エッチングが必
要になり、実施の形態1で述べたように多大な工数を必
要とする。しかし、本実施の形態における複合梁102
の梁厚みはウェハー厚みに等しいため、一回のRIE等
のエッチングで成形できる。従って、高精度の角速度セ
ンサを安価に提供できる。
Further, the weight 301 is provided by a cantilever beam or a support beam at both ends.
In order to soften the beam in the displacement direction, multi-stage etching is required, and a large number of steps are required as described in the first embodiment. However, the composite beam 102 in the present embodiment
Since the beam thickness is equal to the wafer thickness, it can be formed by one etching such as RIE. Therefore, a high-precision angular velocity sensor can be provided at low cost.

【0062】(実施の形態3)本発明の実施の形態3に
おける複合梁形状を図5を参照して説明する。実施の形
態1,2では図2に示すような複合梁を用いた。
(Embodiment 3) A composite beam shape according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. In Embodiments 1 and 2, a composite beam as shown in FIG. 2 is used.

【0063】これに対し、本実施の形態では、図5に示
すように、錘部101とフレーム104を連結梁201
で結び、連結梁201の両端に梁205,206を設
け、隣にスリット207,208を設けた。このような
複合梁でも、図4の梁202,203と同様な変形が生
じるため、実施の形態1,2の角速度センサ及び加速度
センサの複合梁の代わりに用いても、全く同様に作用す
る。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG.
The beams 205 and 206 are provided at both ends of the connecting beam 201, and the slits 207 and 208 are provided next to each other. Even in such a composite beam, deformation similar to that of the beams 202 and 203 in FIG. 4 occurs, so that the same effect can be obtained even if the composite beam of the angular velocity sensor and the acceleration sensor of the first and second embodiments is used instead.

【0064】(実施の形態4)本発明の実施の形態4に
おける複合梁形状を図6を参照して説明する。実施の形
態1,2では図2に示すような複合梁を用いた。
(Embodiment 4) A composite beam shape according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. In Embodiments 1 and 2, a composite beam as shown in FIG. 2 is used.

【0065】これに対し、本実施の形態では、図6に示
すように、錘部101とフレーム104を連結梁40
1、402で結び、連結梁401、402の両端に梁4
03,405,404,406を設けた。これはちょう
ど、図2の複合梁を連結梁201の中央で左右に分けた
構造である。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG.
1 and 402, beams 4 at both ends of the connecting beams 401 and 402.
03,405,404,406. This is exactly the structure in which the composite beam of FIG.

【0066】このような複合梁でも、図4の梁202,
203と同様な変形が生じる。更に、左右2つの梁の間
隔を自由に設定できるため、錘部101の傾きに対する
安定性を向上できる。従って、実施の形態1,2の角速
度センサ及び加速度センサの複合梁の代わりに用いて
も、全く同様以上に作用し、より出力信号の安定した角
速度センサ及び加速度センサを実現できる。
Even with such a composite beam, the beam 202, FIG.
A deformation similar to 203 occurs. Furthermore, since the interval between the two beams on the left and right can be freely set, the stability with respect to the inclination of the weight portion 101 can be improved. Therefore, even if it is used in place of the composite beam of the angular velocity sensor and the acceleration sensor of the first and second embodiments, it works in exactly the same way, and an angular velocity sensor and an acceleration sensor with more stable output signals can be realized.

【0067】なお、本発明の第1および第3の梁構造
は、実施の形態の複合梁に対応するものであり、本発明
の第2の梁構造は、実施の形態の振動梁などに対応する
ものであり、本発明の第1、第2、第6および第7の副
梁は、実施の形態の梁に対応するものであり、本発明の
第3および第8の副梁は、実施の形態の連結梁に対応す
るものである。
Note that the first and third beam structures of the present invention correspond to the composite beam of the embodiment, and the second beam structure of the present invention corresponds to the vibrating beam and the like of the embodiment. The first, second, sixth and seventh sub beams of the present invention correspond to the beams of the embodiment, and the third and eighth sub beams of the present invention It corresponds to the connecting beam of the form.

【0068】[0068]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、耐ノイズ
性が高く高精度な角速度センサや、出力直線性に優れた
加速度センサを、段差エッチングを用いることなく形成
でき、高性能の角速度センサや加速度センサを安価に提
供できる効果がある。
As described above, according to the present invention, it is possible to form an angular velocity sensor having high noise resistance and high accuracy and an acceleration sensor having excellent output linearity without using step etching. There is an effect that sensors and acceleration sensors can be provided at low cost.

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

【図1】実施の形態1における角速度センサの斜視図FIG. 1 is a perspective view of an angular velocity sensor according to a first embodiment.

【図2】実施の形態1における角速度センサの複合梁拡
大図
FIG. 2 is an enlarged view of a composite beam of the angular velocity sensor according to the first embodiment.

【図3】実施の形態1における角速度センサの断面図FIG. 3 is a cross-sectional view of the angular velocity sensor according to the first embodiment.

【図4】実施の形態1における角速度センサの複合梁拡
大図(変形時)
FIG. 4 is an enlarged view of a composite beam of the angular velocity sensor according to the first embodiment (when deformed).

【図5】実施の形態3における角速度センサの複合梁拡
大図
FIG. 5 is an enlarged view of a composite beam of the angular velocity sensor according to the third embodiment.

【図6】実施の形態4における角速度センサの複合梁拡
大図
FIG. 6 is an enlarged view of a composite beam of the angular velocity sensor according to the fourth embodiment.

【図7】実施の形態2における加速度センサの斜視図FIG. 7 is a perspective view of an acceleration sensor according to a second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100、300 センサ本体 101、301 錘部 102 複合梁 103 駆動電極(センサ本体側) 104 振動フレーム 105 駆動梁 106、302 フレーム 107 溝部 110 座標軸 120,306 ガラス基板 121,304 エッチング面 122、205 検出電極 123、124、125 駆動電極(ガラス基板側) 126,308 リード線部 127,307 端子取り出しパット 128 接地電極 129、303 接合面 201、401、402 連結梁 202、203、205、206、403、304、4
05、406 梁
100, 300 Sensor body 101, 301 Weight section 102 Composite beam 103 Drive electrode (sensor body side) 104 Vibration frame 105 Drive beam 106, 302 Frame 107 Groove section 110 Coordinate axis 120, 306 Glass substrate 121, 304 Etched surface 122, 205 Detection electrode 123, 124, 125 Drive electrode (glass substrate side) 126, 308 Lead wire part 127, 307 Terminal extraction pad 128 Ground electrode 129, 303 Joining surface 201, 401, 402 Connecting beam 202, 203, 205, 206, 403, 304 , 4
05, 406 beams

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F105 AA01 AA08 BB01 BB03 BB14 BB15 CC04 CD03 CD05 CD13 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 CA36 DA03 DA18 EA03 EA13  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F105 AA01 AA08 BB01 BB03 BB14 BB15 CC04 CD03 CD05 CD13 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 CA36 DA03 DA18 EA03 EA13

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固定フレームと、 前記固定フレーム内に配置された、所定の駆動力によっ
て振動する振動フレームと、 前記振動フレーム内に配置された、前記振動の方向と直
交するコリオリ力により、該コリオリ力の方向に変位す
る、角速度を検出するための錘部と、 前記振動フレームと前記錘部とを接続する、前記錘部に
対し、前記コリオリ力に起因する変位を検出できる程度
の弾性を有するとともに、前記駆動力に起因する振動の
影響が及ぶのを防ぐ程度の剛性を有する第1の梁構造
と、 前記固定フレームと前記振動フレームとを接続する、前
記振動フレームにたいし、これを効率よく振動させるこ
とができる程度の弾性を有するとともに、前記コリオリ
力に起因する変位の影響が及ぶのを防ぐ程度の剛性を有
する第2の梁構造とを備えたことを特徴とする角速度セ
ンサ。
A fixed frame, a vibration frame disposed in the fixed frame, which vibrates with a predetermined driving force, and a Coriolis force disposed in the vibration frame, the Coriolis force being orthogonal to a direction of the vibration. Displaced in the direction of the Coriolis force, a weight for detecting angular velocity, and connecting the vibrating frame and the weight, the elasticity of the weight is such that the displacement caused by the Coriolis force can be detected. A first beam structure having such a rigidity as to prevent the influence of vibration caused by the driving force from being exerted, and connecting the fixed frame and the vibration frame to the vibration frame. A second beam structure having an elasticity enough to efficiently vibrate and a rigidity enough to prevent the influence of the displacement caused by the Coriolis force. An angular velocity sensor, characterized in that the.
【請求項2】 前記固定フレームと前記振動フレームと
前記錘部と前記第1の梁構造と前記第2の梁構造とは、
前記コリオリ力の方向に対して、実質同一の厚みを有す
ることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ。
2. The fixed frame, the vibration frame, the weight portion, the first beam structure, and the second beam structure,
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the sensor has substantially the same thickness in the direction of the Coriolis force.
【請求項3】 前記第1の梁構造は、 前記振動フレームと接続した第1の副梁と、 前記錘部と接続した第2の副梁と、 前記第1の副梁と前記第2の副梁とを接続する第3の副
梁とを備え、 前記第1および第2の副梁は、前記コリオリ力に関し弾
性を有し、 前記第3の副梁は、前記駆動力に対して剛性を有するこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の角速度セン
サ。
3. The first beam structure includes: a first sub beam connected to the vibration frame; a second sub beam connected to the weight portion; a first sub beam connected to the weight portion; A third sub-beam for connecting to the sub-beam, wherein the first and second sub-beams have elasticity with respect to the Coriolis force, and the third sub-beam is rigid with respect to the driving force. The angular velocity sensor according to claim 1, further comprising:
【請求項4】 前記第1および第2の副梁は、両端支持
梁であることを特徴とする請求項3に記載の角速度セン
サ。
4. The angular velocity sensor according to claim 3, wherein the first and second sub beams are both-end supporting beams.
【請求項5】 前記第3の副梁は、前記第1および第2
の副梁のそれぞれ中央同士を連結していることを特徴と
する請求項4に記載の角速度センサ。
5. The third sub beam includes the first and second beams.
The angular velocity sensor according to claim 4, wherein the centers of the sub beams are connected to each other.
【請求項6】 前記第1の梁構造は、 一対の片持ち梁である副梁により構成され、 前記一対の副梁の、同一側に固定された2つの中央部位
の間の距離は、前記振動フレームと前記錘部との間にお
ける2つの中央部位の距離よりも大きいことを特徴とす
る請求項1または2に記載の角速度センサ。
6. The first beam structure is constituted by a pair of cantilevered sub-beams, and a distance between two central portions of the pair of sub-beams fixed to the same side is the same. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the distance is larger than a distance between two central portions between the vibration frame and the weight portion.
【請求項7】 前記第2の梁構造は、前記駆動力方向と
直交する方向に延伸した構成を有する第4の副梁と、 前記第4の副梁の中央部とを接続した第5の副梁とから
構成されたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれ
かに記載の角速度センサ。
7. The second beam structure, wherein a fourth sub-beam having a configuration extending in a direction perpendicular to the driving force direction, and a fifth sub-beam connected to a central portion of the fourth sub-beam. The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 6, comprising a sub beam.
【請求項8】 前記第1ないし第5の副梁の剛性および
弾性は、前記副梁の有する、前記角速度センサの面方向
における幅によって設定されることを特徴とする請求項
3ないし5のいずれかに記載の角速度センサ。
8. The method according to claim 3, wherein the rigidity and elasticity of the first to fifth sub-beams are set by the width of the angular velocity sensor in the surface direction of the sub-beams. An angular velocity sensor according to any one of the above.
【請求項9】 少なくとも前記振動フレームおよび前記
錘部と対向する、第1の駆動電極、第1の検出電極およ
び、接地電極を有する基板をさらに備え、 前記振動フレームはその一部に第2の駆動電極をさらに
備え、前記第1の駆動電極および前記第2の駆動電極よ
り前記駆動力を静電気力として得るものであり、 前記錘部は第2の検出電極をさらに備え、前記第1の検
出電極および第2の検出電極間の静電容量の変化により
前記コリオリ力を検出するものであり、 前記接地電極は、前記第1の駆動電極と前記第1の検出
電極との間に、前記第1の検出電極の周囲を取り囲むよ
うに配置されていることを特徴とする請求項1ないし8
のいずれかに記載の角速度センサ。
9. A substrate having a first drive electrode, a first detection electrode, and a ground electrode facing at least the vibrating frame and the weight portion, wherein the vibrating frame has a second part on a part thereof. A driving electrode, wherein the driving force is obtained as an electrostatic force from the first driving electrode and the second driving electrode, the weight portion further includes a second detection electrode, and the first detection Detecting the Coriolis force by a change in capacitance between an electrode and a second detection electrode, wherein the ground electrode is disposed between the first drive electrode and the first detection electrode. 9. The device according to claim 1, wherein said first detection electrode is arranged so as to surround said first detection electrode.
The angular velocity sensor according to any one of the above.
【請求項10】 固定フレームと、 前記固定フレーム内に配置された、所定の加速度により
該加速度の方向に変位する、加速度を検出するための錘
部と、 前記固定フレームと前記錘部とを接続する、前記錘部に
対し、前記加速度により与えられる力に起因する変位を
検出できる程度の弾性を有する第3の梁構造とを備え、 前記第3の梁構造は、 前記振動フレームと接続した第6の副梁と、 前記錘部と接続した第7の副梁と、 前記第6の副梁と前記第7の副梁とを接続する第8の副
梁とを備え、 前記固定フレームと前記錘部と前記第3の梁構造とは、
前記加速度の方向に対して、実質同一の厚みを有するこ
とを特徴とする加速度センサ。
10. A fixed frame, a weight portion arranged in the fixed frame, which is displaced in a direction of the acceleration by a predetermined acceleration, for detecting an acceleration, and the fixed frame and the weight portion are connected to each other. A third beam structure having an elasticity enough to detect a displacement caused by the force given by the acceleration with respect to the weight portion, wherein the third beam structure is connected to the vibration frame. 6; a seventh sub-beam connected to the weight portion; and an eighth sub-beam connecting the sixth sub-beam and the seventh sub-beam. The weight portion and the third beam structure,
An acceleration sensor having substantially the same thickness in the direction of the acceleration.
【請求項11】 前記第6および第7の副梁は、両端支
持梁であることを特徴とする請求項10に記載の加速度
センサ。
11. The acceleration sensor according to claim 10, wherein the sixth and seventh sub beams are both-end supporting beams.
【請求項12】 前記第8の副梁は、前記第6および第
7の副梁のそれぞれ中央同士を連結していることを特徴
とする請求項11に記載の加速度センサ。
12. The acceleration sensor according to claim 11, wherein the eighth sub-beam connects the centers of the sixth and seventh sub-beams, respectively.
【請求項13】 固定フレームと、 前記固定フレーム内に配置された、所定の加速度により
該加速度の方向に変位する、加速度を検出するための錘
部と、 前記固定フレームと前記錘部とを接続する、前記錘部に
対し、前記加速度により与えられる力に起因する変位を
検出できる程度の弾性を有する第4の梁構造とを備えた
ことを特徴とする加速度センサであって、 前記第4の梁構造は、 一対の片持ち梁である副梁により構成され、 前記一対の副梁の、同一側に固定された2つの中央部位
の間の距離は、前記振動フレームと前記錘部との間にお
ける2つの中央部位の距離よりも大きいものであり、 前記固定フレームと前記錘部と前記第4の梁構造とは、
前記加速度の方向に対して、実質同一の厚みを有するこ
とを特徴とする加速度センサ。
13. A fixed frame, a weight portion arranged in the fixed frame, which is displaced in a direction of the acceleration by a predetermined acceleration, for detecting an acceleration, and connects the fixed frame and the weight portion. And a fourth beam structure having an elasticity enough to detect a displacement caused by the force given by the acceleration with respect to the weight portion, wherein the fourth The beam structure is constituted by a pair of cantilevered sub beams, and a distance between two central portions of the pair of sub beams fixed to the same side is a distance between the vibration frame and the weight portion. The fixed frame, the weight portion, and the fourth beam structure,
An acceleration sensor having substantially the same thickness in the direction of the acceleration.
【請求項14】 材料がシリコンであることを特徴とす
る請求項1ないし9のいずれかに記載の記載の角速度セ
ンサ。
14. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the material is silicon.
【請求項15】 材料がシリコンであることを特徴とす
る請求項10ないし13のいずれかに記載の加速度セン
サ。
15. The acceleration sensor according to claim 10, wherein the material is silicon.
【請求項16】 請求項1〜9、14のいずれかに記載
の角速度センサの製造方法であって、 シリコン基板に、一度の反応性イオンエッチング(RI
E)によって、前記固定フレーム、前記振動フレーム、
前記錘部、前記第1の梁構造および前記第2の梁構造を
成形する工程を含むことを特徴とした角速度センサの製
造方法。
16. The method of manufacturing an angular velocity sensor according to claim 1, wherein the silicon substrate is subjected to a single reactive ion etching (RI).
E), the fixed frame, the vibration frame,
A method of manufacturing an angular velocity sensor, comprising a step of forming the weight portion, the first beam structure, and the second beam structure.
【請求項17】 請求項10〜13、15のいずれかに
記載の加速度センサの製造方法であって、 シリコン基板に、一度の反応性イオンエッチング(RI
E)によって、前記固定フレーム、前記振動フレーム、
前記錘部、前記第3の梁構造または前記第4の梁構造を
成形する工程を含むことを特徴とした加速度センサの製
造方法。
17. The method for manufacturing an acceleration sensor according to claim 10, wherein the silicon substrate is subjected to one-time reactive ion etching (RI).
E), the fixed frame, the vibration frame,
A method of manufacturing an acceleration sensor, comprising a step of forming the weight portion, the third beam structure, or the fourth beam structure.
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