JP2003097950A - 回転角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 第１及び第２の層１０，２１を備えた多層式
センサを有する回転角速度センサを改良して、第１の振
動方向で大きな変向を行なうと同時に横変向を著しく排
除する。 【解決手段】 第１の層が、主平面を有する単結晶シリ
コンの平らな支持体１０であり、第２の層２１が、ポリ
シリコンより成り、構造体部材３０を有し、該構造体部
材が、振動体として作動し、前記平らな支持体１０の主
平面に対して平行に配向された第１の方向１で振動運動
し、前記構造体部材３０が、複数の支持ストリップ３１
によって、前記平らな支持体１０の前記主平面上で支持
され、前記構造体部材が前記支持体１０の前記主平面に
対して垂直な方向２で変位可能で、前記支持体１０の主
平面に対して垂直な、前記構造部材３０のコリオリ力の
変位２を検出する、第２の層から形成された容量式又は
圧電式の検出手段１７，１８１；２１，１８２が設けら
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、層状に形成されたセン
サエレメントを有する回転角速度センサであって、１つ
の層内に形成された少なくとも１つの振動体を有してお
り、さらに層が円板状の支持体によって形成されてお
り、さらに支持体の主表面に対して平行に整合されてい
る第１の振動方向で、少なくとも１つの振動体を励振す
るための手段を有している形式のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、主に鉛直軸線を中心にした車両
の回転速度を検出するために、走行動力学の調整のため
に、あるいは操縦のために、秒単位毎の数角度の範囲に
おける僅かな回転角速度（rotation rate)をセンサによ
って検出することは公知であり、このセンサにおいて
は、回転軸線に対して平行に整合されている音叉構造体
が回転軸線に対して垂直な平面内で励振せしめられる。
回転軸線を中心にして回転する際に、コリオリ力が、回
転軸線に対して垂直に、振動する音叉に作用し、回転運
動が存在しない場合に、コリオリ力は、励振方向即ち音
叉の変向方向に対して垂直に作用する。回転角速度は、
コリオリ力によって生じる、励振方向に対して垂直な音
叉の変向によって検出及び評価される。

【０００３】同一出願人によって特許出願されたドイツ
連邦共和国特許出願第４０２２４９５３号明細書によれ
ば、センサエレメントを有する回転角速度センサの種々
異なる構成が記載されており、前記センサエレメント
は、単結晶シリコンウェーハから構成されていてかつ少
なくとも１つの振動体、有利には１対の振動体を有して
おり、これらの振動体は単数又は複数のウエブを介して
不動のフレームと結合されている。振動対は互いに垂直
に位置する２方向で振動可能である。ウェーハ平面内に
位置する第１の振動方向での振動体の、例えば電磁式の
励振、熱力学的な励振のような種々の励振可能性が記載
されており、さらに静電気的な励振の種々の可能性が記
載されている。さらに、このような回転角速度センサ
は、第２の振動方向での振動体の変向を検出する手段を
備えている。

【０００４】Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏ
ｒｓ，２０（１９８９）２５−３２におけるＷｉｌｌｉ
ａｍ Ｃ．Ｔａｎｇ，Ｔｕ−Ｃｕｏｎｇ Ｈ．Ｎｇｕｙ
ｅｎ，Ｒｏｇｅｒ Ｔ．Ｈｏｗｅによる論文「Ｌａｔｅ
ｒａｌｌｙ ＤｒｉｖｅｎＰｌｏｙｓｉｌｉｃｏｎ Ｒ
ｅｓｏｎａｎｔ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」に
は、支持体に析出された振動可能な多結晶シリコン構造
体及びその製造法が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に述べたセンサにおいて、第１の振動方向で大きな変向
を行なうことができ、同時に妨害信号を惹起する横変向
を著しく排除することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決した本
発明の構成によれば、第１の層が、主平面を有する単結
晶シリコンのほぼ平らな支持体であって、第２の層が、
ポリシリコンより成っていて、少なくとも１つの構造体
部材を有していて、該構造体部材が、振動体として作動
し、前記平らな支持体の主平面に対して平行に配向され
た少なくとも第１の方向で振動運動するようになってお
り、前記構造体部材が、複数の支持ストリップによっ
て、前記平らな支持体の前記主平面上で支持されてお
り、前記構造体部材が前記支持体の前記主平面に対して
垂直に方向で変位可能であって、また、前記支持体の主
平面に対して垂直な、前記構造部材のコリオリ力の変位
を検出するための、第２の層から形成された容量式又は
圧電式の検出手段が設けられている。

【０００７】

【発明の効果】本発明のセンサの利点は、振動体を、支
持体の厚さに応じて幅に対する高さの比が高いウエブと
して形成することができ、このことによって第１の振動
方向で大きな変向を行なうことができ、同時に妨害信号
を惹起する横変向を著しく排除することができることで
ある。振動体のこのような構成は、第１の振動方向での
剛性的な、精密なかつ妨害のない案内を可能にする。同
時に、第１の振動方向に対して垂直に変向可能であり、
振動体に取り付けられていてかつ第１の振動方向に対し
て垂直なコリオリ加速度のための加速度センサとして役
立つ構造体エレメントが、大きな感度を有するように形
成されることができる。特に有利には、加速度に敏感な
構造体エレメントが、第１の振動方向に対して平行に整
合されている振動体と懸架ウエブを介して結合されてい
る。このことにより、振動体の運動によって惹起される
構造体エレメントの横変向を著しく排除することができ
る。別の構成要件に記載された特徴を有する本発明のセ
ンサの利点は、極めて小さい寸法になることである。本
発明によるセンサの測定効果は、振動体を高い振動数で
励振することによってプラスになり、さらに第１の振動
方向に対して垂直な構造体エレメントのできるだけ大き
な変向によって増加される。

【０００８】さらに本発明により、支持体として（１１
０）−（１００）−結晶方位の単結晶シリコンウェーハ
を使用すると有利であり、これはこのウェーハが、マイ
クロ工学から公知の方法によって簡単に乾式化学的又は
湿式化学的なエッチングによって構成されるからであ
る。ウェーハ表面に対して垂直に形成された壁を有する
ウエブは、特に有利に振動体として適している。このウ
エブは、ＫＯＨによって（１１０）−結晶方位のシリコ
ンウェーハから異方性電気化学的なエッチングによって
簡単に構成される。乾式化学的エッチング（Ｔｒｅｎｃ
ｈｅｎ）によって、結晶方位とは無関係な構成も実現さ
れる。多結晶シリコン構造体又は単結晶シリコン構造体
が振動可能な構造体エレメントとして形成されると特に
有利であり、これは公知の方法による薄膜技術で、この
構造体エレメントが高い感度を有するように製造されて
いるからである。本発明による回転角速度センサがシリ
コン内で実現されることは、所属の評価回路をセンサエ
レメントに集積することを許容するので特に有利であ
る。

【０００９】

【実施例】図１にはセンサエレメントの部分が示されて
おり、該センサエレメントは、二重の音叉形状の円板形
支持体１０から構成されている。音叉構造体の片側は振
動体１３から成っており、この振動体は両側で４つのウ
エブ１４を介して支持体１０と結合されている。振動体
１３もウエブ１４も、支持体１０の完全な厚さで形成さ
れている。同様に、振動体１３を片側でのみウエブ１４
を介して支持体と結合することもでき、従って開放する
音叉構造体が形成される。振動体は、図面では詳しく示
さない手段によって、矢印１で示され支持体平面内に位
置する第１の振動方向で励振されることができる。この
ことは、例えば静電気的に、電気力学的に、あるいは熱
電的に行なわれ、このことはまだ公開されていない同一
出願人により特許出願された前記ドイツ連邦共和国特許
第出願第４０２２４９５３号明細書に記載されている。
振動体１３に、舌片として形成された構造体エレメント
２１が懸架ウエブ２３を介して取り付けられている。舌
片２１が支持体表面に対して平行に整合されており、か
つ支持体表面に対して垂直に変向可能であり、従って支
持体表面に対して垂直な加速度は、舌片２１によって検
出される。振動体１３が第１の振動方向で振動し、かつ
センサエレメントが、第１の振動方向１に対して垂直に
かつ舌片２１の変向方向２に対して垂直に整合されてい
る回転軸線３を中心にして回転運動すると、舌片２１
に、変向方向２において支持体表面に対して垂直なコリ
オリ加速度が作用する。舌片２１の変向を導くコリオリ
加速度は、舌片２１に配置された圧電抵抗によって圧電
式に検出されるか、又は、図１に示されたように容量式
に検出されることができる。このため、振動体１３の、
舌片２１側の面の領域が平板コンデンサの一方の電極側
１７として準備されており、該電極側は導線１８１を介
して接続部１９１と接続されている。平板コンデンサの
他方の電極側は舌片２１自体によって形成され、この電
極側は導線１８２を介して接続部１９２と接続されてい
る。舌片２１の方向２での変向が、この平板コンデンサ
の容量変化を導き、かつここでは示さない評価回路によ
って評価されることができる。

【００１０】特に有利には、センサエレメントの図１に
示された構造体は、単結晶のシリコン支持体１０及び該
支持体上で析出された多結晶シリコン構造体又は単結晶
のシリコン支持体において実現される。振動体１３及び
ウエブ１４は、乾式化学的又は湿式化学的なエッチング
によってシリコン支持体から簡単に構成され、このこと
は例えば、薄膜及びこの薄膜に接続される構造体の電気
化学的なエッチングによって行なうことができる。支持
体表面に対して垂直な側壁を有する構造体を生ぜしめる
ために、特に（１１０）−結晶方位のシリコンウェーハ
が適し、これはこの場合構造体が、ＫＯＨによる湿式化
学エッチングによって生ぜしめられるからである。乾式
化学エッチングを使用する際に、このようなウエブは結
晶方位に無関係に製造されることができる。振動体に配
置された振動可能な構造体エレメント並びに該構造体エ
レメントの、支持体基板のための結合ウエブは、有利に
は多結晶シリコン又は単結晶シリコンにおいて実現され
る。何故ならば、「犠牲層」として役立ちかつ続いてシ
リコン構造体のサイドエッチングによって再び除去され
る補助層、例えば酸化物層におけるシリコンからの分離
によって薄い構造体エレメントを形成することができる
からである。この構造エレメントは回転角速度センサの
高い感度に役立つ。構造体エレメントとして、支持体表
面に対して平行に整合された舌片の他に、振動体にブリ
ッジ状に配置された、両側で固定されたプレートも適す
る。

【００１１】シリコンによる本発明によるセンサエレメ
ントの実現によって、評価回路の部分をセンサエレメン
トに集積することができる。これに関して、振動体１３
の表面において実現されている例えば平板コンデンサの
剛性な電極側が、支持体基板における簡単な拡散によっ
て生じることができることが特に有利である。これと同
じことは、導線１８１，１８２のためにあてはまる。

【００１２】図２のＡからＤには、懸架ウエブ２３を有
する構造体エレメント２１の種々の構成が示されてい
る。使用に応じて、図２のＢに示すように片側の懸架
を、図２のＡ及びＤに示すように両側の懸架を、図２の
Ｃに示すように４方の懸架を選ぶことができる。構造体
エレメント２１がコリオリ加速度のための加速度センサ
としてのみ使用される場合、即ち構造体エレメントが支
持体１０から構成された振動体１３上に取り付けられる
場合は、懸架ウエブ２３は、矢印１で示すように第１の
振動方向に対して平行に整合するのに適している。この
ことによって、構造体エレメント２１の第１の振動方向
での妨害された横変向が著しく排除される。構造体エレ
メント２１の図２のＣに示された、４つの星状に配置さ
れた懸架ウエブ２３による４方向の懸架は、全ての横変
向が均一に阻止されるので有利である。振動体１３の表
面に対して垂直な加速度の感度は、有利には、図２のＤ
に示した構造体エレメント２１の構成によって高められ
る。ここでは、構造体エレメント２１は懸架ウエブ２３
を介して両側で振動体１３と結合されている。加速度に
敏感な舌片２１と懸架ウエブ２３との結合は、直接的で
はなく、フレキシブルな薄い２つのバー２３１によって
形成されている。

【００１３】図３には、破断された支持体１０を有する
本発明によるセンサエレメントの断面図が示されてい
る。この実施例では、支持体１０は示されていない。こ
こでは同様に、単結晶シリコンウェーハが、あるいは適
当な形式で信号検出のための手段及び構造体エレメント
を施すことのできる別の基板が対象となっている。支持
体１０上には、ブリッジ状の構造体が施されている。セ
ンサエレメントは主に、プレート状のサイズモ質量体(s
eismic mass)３０によって形成されており、該サイズモ
質量体は４つの懸架ウエブ３１を介して両側で支持体基
板と結合されている。このような構造体は、矢印１で示
されている第１の振動方向で励振され、これは例えば静
電気的に行なわれる。ここでは、励振部材は図示されて
いない。支持体平面内及び第１の振動方向に対して垂直
に位置する回転軸線３を中心にしたセンサエレメントの
回転運動において、コリオリ加速度は、振動するサイズ
モ質量体３０に、支持体表面に対して垂直に作用する。
これによって生じるサイズモ質量体３０の、支持体表面
に対して垂直な変向は、圧電的に又は容量的に検出され
ることができ、さらに回転の角速度のための寸法が検出
される。図３に示されたセンサエレメントはシリコンに
よって実現されている。符号１１は支持体１０内のチャ
ージキャリヤ拡散(charge carrier diffusion)を示して
おり、このチャージキャリヤ拡散は、支持体のプレート
状のサイズモ質量体３０の下側に設けられた表面の一部
分を、プレート状のサイズモ質量体３０から電気的に絶
縁するために用いられ、従って表面のこの部分はサイズ
モ質量体３０と一緒にコンデンサを形成し、このコンデ
ンサの容量変化を介して、支持体表面に対して垂直な第
２の振動方向でのサイズモ質量体３０の変向が検出され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】センサエレメントを破断して示す斜視図であ
る。

【図２】構造体エレメントの種々の実施例を示す図であ
る。

【図３】本発明によるセンサエレメントの断面を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１ 振動方向、 ２ 変向方向、 ３ 回転軸線、 １
０ 支持体、 １１チャージキャリヤ拡散、 １３ 振
動体、 １４ ウエブ、 １７ 電極側、２１ 舌片、
２３ 懸架ウエブ、 ３０ サイズモ質量体、 ３１
懸架ウエブ、 １８１，１８２ 導線、 １９１，１
９２ 接続部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イーリ マレク ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン 22 ライプルシュトラーセ 10−１ Ｆターム(参考） 2F105 AA02 BB01 CC04 CD02 CD03 CD05 CD13 4M112 AA02 BA01 BA07 CA21 CA22 CA24 CA25 DA03 DA04 DA12 EA03 EA04 EA06 FA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１及び第２の層（１０，２１）を備え
   た多層式センサを有する回転角速度センサであって、 第１の層が、主平面を有する単結晶シリコンのほぼ平ら
   な支持体（１０）であり、 第２の層（２１）が、ポリシリコンより成っていて、少
   なくとも１つの構造体部材（３０）を有していて、該構
   造体部材（３０）が、振動体として作動し、前記平らな
   支持体（１０）の主平面に対して平行に配向された少な
   くとも第１の方向（１）で振動運動するようになってお
   り、 前記構造体部材（３０）が、複数の支持ストリップ（３
   １）によって、前記平らな支持体（１０）の前記主平面
   上で支持されており、 前記構造体部材（３０）が前記支持体（１０）の前記主
   平面に対して垂直な方向（２）で変位可能であって、 また、前記支持体（１０）の主平面に対して垂直な、前
   記構造部材（３０）のコリオリ力の変位（２）を検出す
   るための、第２の層から形成された容量式又は圧電式の
   検出手段（１７，１８１；２１，１８２）が設けられて
   いることを特徴とする、回転角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記支持体（１０）が、（１１０）−結
   晶方位の単結晶シリコンと（１００）−結晶方位の単結
   晶シリコンとから成るグループより選択された材料から
   ほぼ構成されている、請求項１記載の回転角速度セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記構造体部材（２１，３０）が、前記
   支持体の表面の一部上にポリシリコン層を析出させて補
   助層を形成し、こうして析出された補助層にアンダーエ
   ッチングを施すことによって製造される、請求項１記載
   の回転角速度センサ。