JP2004205523A - 水平振動の垂直型memsジャイロスコープ及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板300と、基板の一面に固定されている支持台310と、支持台に固定され基板に平行して浮いており、一方の領域が基板に平行する所定の方向に振動可能な駆動構造物320と、駆動構造物に固定され駆動構造物と同一の平面上に配され、基板に対し垂直方向に振動可能な検出構造物330と、駆動構造物及び検出構造物の上部に配され基板に接合されているキャップウェハ350と、キャップウェハの下端の所定の領域に形成され、検出構造物の垂直方向への変位を測定する垂直変位検出固定電極334aと、を含む。
【選択図】 図2
Description
この種のジャイロスコープは、第1軸方向に一定に振動する質量体に垂直な第2軸方向に一定の角速度の回転力を受ける時、前記2つの軸に直交する第3軸方向にコリオリの力(Coriolis force)が発生する原理を用いる機器であって、コリオリの力による検出質量体の変位を静電容量の変化に変更して回転角速度を検出する。
駆動方向と入力方向及び検出方向は、空間上で相互に直交する方向に設定される。通常、MEMS技術を用いたジャイロスコープでは、基板の板面に平行し、相互に直交する2つの方向(以下、これを‘水平方向’と称する)と基板の板面に垂直な一方向(以下、‘垂直方向’と称する)から構成された3つの方向に座標軸を設定する。
SOI(sillicon on insulator)構造を用いる従来の水平型ジャイロスコープは、基板に垂直なZ軸方向を中心にして入力される角速度しか測定できないため、一平面上における2軸の角速度が測定できないという不具合がある。従って、多軸角速度が検出できるジャイロスコープを作製しようとする場合、垂直に素子を配する組立工程が更に必要となる。これは、莫大な組立費用をもたらすことはもとより、性能、信頼性を阻害するという不具合がある。
垂直方向の駆動電極または検出電極を作製する従来の方法は、基板上に固定された固定電極と固定電極の上方に固定電極と隔てられている可動電極を形成する方法である。かかる電極が駆動電極として使用される場合には、可動電極と固定電極との間に可変する電圧を印加して可動電極を駆動し、検出電極として使用される場合には、固定電極と可動電極との間の距離に応じて変化する静電力を検出して角速度を測定する。
また、可動電極の垂直方向への変位を精度よく測定するためには、可動電極と固定電極との間隔を狭くする必要があり、この結果、可動電極と固定電極との粘着現象が発生するおそれがあるという不具合も抱えている。
しかし、垂直振動の垂直型MEMSジャイロスコープの場合は、駆動質量体を基板に垂直な方向に駆動するための駆動電極及び駆動質量体の変位の検出のための検出電極の構成が、検出質量体の検出電極のそれとは異なる。駆動質量体の側面に形成されたくし状構造の駆動電極及び検出電極においては、垂直方向に振動する可動電極は、固定電極より垂直方向への長さが短くなければならない。この結果、製造工程が複雑化せざるを得なく、水平型MEMSジャイロスコープの作製工程とは両立できないという短所がある。また、駆動質量体の側面に形成される駆動電極で駆動質量体を垂直方向に駆動するが、この際、駆動質量体の変位は、上下において非線形的であるという問題がある。
好ましくは、前記駆動電極は、くし状構造を有し、前記支持台の上面に固定されている固定駆動電極と駆動質量体の側面に形成された可動駆動電極とから構成される。
好ましくは、前記検出構造物は、前記基板に対し垂直方向に振動可能な検出質量体と、一方の面は前記検出質量体の一方の面に固定され、他方の面は前記駆動質量体の一方の面に固定され、前記検出質量体が前記基板に対し垂直方向に移動可能にする複数の支持ビーム、及び前記検出質量体の垂直方向への変位を測定する垂直変位可動検出電極と、を含む。
好ましくは、前記キャップウェハは、前記基板と前記ウェハ内部の真空度の保持のために前記垂直変位固定検出電極部分を除く他の部分が垂直変位固定検出電極部分より広い真空空間を形成することを特徴とする。
また、本発明の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープは、前記支持台の上面に配され、前記垂直変位固定検出電極に電気的に接続される検出電極アンカーを更に含む。
前記目的を達成するための本発明の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープの作製方法は、基板と、支持台と、検出電極アンカーと、一方の領域が前記基板に対し平行方向に振動可能な駆動構造物、及び一方の領域が前記基板に対し垂直方向に振動可能な検出構造物と、を含む構造物ウェハの形成ステップと、キャップウェハの形成ステップと、前記キャップウェハの下端の一方の領域に前記検出構造物の垂直方向への変位を測定するための垂直変位固定検出電極を形成するステップと、前記構造物ウェハ及び前記キャップウェハをアノード接合するステップ、及び前記垂直変位固定検出電極に電気的に接続される外部電極を形成するステップと、を含む。
好ましくは、前記キャップウェハの形成ステップは、前記検出構造物の垂直変位を測定する電極に対応する電極キャップパターンを形成するステップと、前記基板及び前記キャップウェハの内部の真空空間に対応するパターンを形成するステップ、及び前記キャップ検出電極アンカーと外部電極とを接続するためのビアホールを形成するステップと、を含む。
図2は、本発明に係る水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープの断面を概略的に示す図である。本発明の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープは、基板300と、支持台310と、駆動構造物320と、検出構造物330と、垂直変位固定検出電極334aと、キャップウェハ350、及び外部電極380と、から構成される。
約525μmのシリコン基板300の一方の領域上にMEMS構造物を支持する約3μmのシリコン酸化膜(SiO2)で形成された支持台310が配される。
図3は、水平振動のX軸MEMSジャイロスコープの駆動構造物320及び検出構造物330の構成を示す平面図である。駆動構造物320は、駆動質量体321と、複数の支持ビーム322と、複数の駆動電極323、及び複数の水平変位検出電極324と、から構成される。
前記におけるZ軸方向に働くコリオリの力は、駆動質量体321のY軸方向への移動速度と外力によるX軸回転角速度の外積に比例する。従って、前記両検出電極324、334で測定した静電容量からコリオリの力及び質量体の移動速度の算出が可能であるため、外部入力回転角速度が分かる。
基板と、支持台と、MEMS構造物を形成するための構造物ウェハの形成ステップは、基板400、絶縁膜410、及び導電膜415がラミネートされた多層膜を形成するステップ(図5a)と、導電膜415に構造物マスクによってエッチングホールを形成するステップ、及び支持台の領域を除く前記絶縁膜410をエッチングして取り除くステップ(図5b)と、を含む。
次いで、MEMS構造物のパターンを画いたマスクを作製し、マスクの形状通りに導電膜にエッチングホールを形成する。駆動構造物420と、検出構造物430、及び検出電極アンカー440とから構成されるMEMS構造物を形成するために、化学物質或いは反応性ガスを使用して支持台を除く他の部分を選択的にエッチングして取り除く。
ガラス基板450をエッチングしてMEMS構造物の垂直変位固定検出電極434aが形成されるパターンを形成(図5(c))した後、内部の真空度を保持するに足りる空間の確保のためにこれに対応するパターン455を形成(図5(e))する。MEMS構造物の検出電極アンカーに対応する位置にビアホール470を形成(図5(f))し、検出電極アンカーと外部電極480とを接続する。
MEMS構造物の安定的作動のために、両ウェハの内部空間460を所定の真空度に保持する必要がある。従って、構造物ウェハとキャップウェハとをアノード接合する際には、真空チャンバ内で行う。
以上では、本発明の好適な実施例について図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施例に限定されるものではなく、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも各種の変形実施が可能であることはもとより、そのような変更は請求の範囲の記載内にある。
110、210、310 支持台
120、220、320 駆動構造物
321 駆動質量体
322、332 支持ビーム
323 駆動電極
324 水平変位検出電極
130、230、330 検出構造物
331 検出質量体
334 垂直変位検出電極
140、240、340 検出電極アンカー
150、250、350 キャップウェハ
Claims (13)
- 基板と、
前記基板の一方の面に固定されている支持台と、
前記支持台に固定され前記基板に平行して浮いており、前記基板に平行する所定の方向に振動可能な駆動構造物と、
前記駆動構造物に固定され前記駆動構造物と同一の平面上に配され、前記基板に対し垂直方向に振動可能な検出構造物と、
前記駆動構造物及び前記検出構造物の上部に配され前記基板に接合されているキャップウェハ、及び
前記キャップウェハの所定の領域に形成され、前記検出構造物の垂直方向への変位を測定する垂直変位検出固定電極と、
を含むことを特徴とする水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。 - 前記駆動構造物は、
前記基板に平行する所定の方向に振動可能な駆動質量体と、
一方の面は前記支持台の上面に固定され、他方の面は前記駆動質量体の一方の面に固定され、前記駆動質量体を前記所定の水平方向に移動可能にする複数の支持ビームと、
前記駆動質量体を前記所定の水平方向に振動させる駆動電極、及び
前記駆動質量体の水平方向への変位を測定する水平変位検出電極と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。 - 前記駆動電極は、くし状構造を有し、前記支持台の上面に固定されている固定駆動電極と駆動質量体の側面に形成された可動駆動電極とから構成されることを特徴とする請求項2に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。
- 前記水平変位検出電極は、くし状構造を有し、前記支持台の上面に固定されている水平変位固定検出電極と駆動質量体の側面に形成された水平変位可動検出電極とから構成されることを特徴とする請求項2に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。
- 前記検出構造物は、
前記基板に対し垂直方向に振動可能な検出質量体と、
一方の面は前記検出質量体の一方の面に固定され、他方の面は前記駆動質量体の一方の面に固定され、前記検出質量体が前記基板に対し垂直方向に移動可能にする複数の支持ビーム、及び
前記検出質量体の垂直方向への変位を測定する垂直変位可動検出電極と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。 - 前記垂直変位可動検出電極は、前記検出質量体の側面に形成されたくし状構造の電極から構成されることを特徴とする請求項5に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。
- 前記キャップウェハは、前記基板と前記ウェハ内部の真空度の保持のために、前記垂直変位固定検出電極が形成されている領域を除く他の領域が、垂直変位固定検出電極領域より広い真空空間を形成することを特徴とする請求項1に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。
- 前記支持台の上面に配され、前記垂直変位固定検出電極に電気的に接続される検出電極アンカーを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。
- 前記キャップウェハは、ビアホールを有し、前記検出電極アンカーは、前記ビアホールから外部電極に電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープ。
- 基板と、支持台と、検出電極アンカーと、一方の領域が前記基板に対し平行方向に振動可能な駆動構造物、及び一方の領域が前記基板に対し垂直方向に振動可能な検出構造物と、を含む構造物ウェハの形成ステップと、
キャップウェハの形成ステップと、
前記キャップウェハの一部の領域に前記検出構造物の垂直方向への変位を測定するための垂直変位固定検出電極を形成するステップと、
前記構造物ウェハ及び前記キャップウェハをアノード接合するステップ、及び
前記垂直変位固定検出電極に電気的に接続される外部電極を形成するステップと、
を含むことを特徴とする水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープの作製方法。 - 前記構造物ウェハの形成ステップは、
基板、絶縁膜、及び導電膜がラミネートされた多層膜を形成するステップと、
前記導電膜に構造物マスクによってエッチングホールを形成するステップ、及び
前記支持台の領域を除く前記絶縁膜をエッチングして取り除くステップと、
を含むことを特徴とする請求項10に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープの作製方法。 - 前記キャップウェハの形成ステップは、
前記検出構造物の垂直変位を測定する電極に対応する電極キャップパターンを形成するステップと、
前記基板及び前記キャップウェハの内部の真空空間に対応するパターンを形成するステップ、及び
前記キャップ検出電極アンカーと外部電極とを接続するためのビアホールを形成するステップと、
を含むことを特徴とする請求項10に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープの作製方法。 - 前記アノード接合するステップは、
前記基板と前記ウェハ内部を真空化するために真空チャンバで行うことを特徴とする請求項10に記載の水平振動の垂直型MEMSジャイロスコープの作製方法。
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