JP2006058021A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 支持基板とは離間した状態で支持基板上に支持された可動部を有する角速度センサにおいて、作動時における可動部と支持基板とのスティッキングを極力抑制する。
【解決手段】 支持基板１ａと、支持基板１ａ上において支持基板１ａから離れて配置された状態で支持基板１ａに支持され、角速度Ωが印加されたときに支持基板１ａの基板面と水平方向Ｘ、Ｙに変位可能になっている可動部２０、３０と、支持基板１ａ上において可動部２０、３０の周囲に配置され、支持基板１ａに固定されて支持された周辺固定部１０と、を備え、角速度が印加されたときの可動部２０、３０の変位状態に基づいて印加角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、作動時には、周辺固定部１０の電位がセンサの各部の中で最高電位となるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、支持基板とは離間した状態で支持基板上に支持され力学量が印加されたときに基板面と水平方向に変位可能になっている可動部を有する力学量センサに関する。

従来のこの種の力学量センサは、支持基板と、該支持基板上において該支持基板から離れて配置された状態で該支持基板に支持された可動部と、該支持基板上において該可動部の周囲に配置され該支持基板に固定されて支持された周辺固定部と、を有して構成されている。

ここで、可動部は、力学量が印加されたときに支持基板の基板面と水平方向に変位可能になっている。そして、このものにおいては、力学量が印加されたときの可動部の変位状態に基づいて印加された力学量を検出するようにしている。

このような力学量センサとしては、たとえば、半導体基板を加工することにより形成された角速度センサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００１−１３３２６８号公報

このような力学量センサにおいては、具体的には、作動時に可動部には一定電位を印加し、可動部に対向して設けられた駆動電極に交流電圧を印加することにより、可動部を変位させていた。つまり、静電引力を利用して、可動部を駆動させていた。

ここにおいて、従来では、可動部の下に離間配置された支持基板は、作動時にはＧＮＤ状態にしていた。そのため、作動時には、可動部と支持基板との間に、大きな電位差が生じ、可動部と支持基板とが静電引力により付着する、いわゆるスティッキングが発生する可能性が大きかった。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、支持基板とは離間した状態で支持基板上に支持された可動部を有する力学量センサにおいて、作動時における可動部と支持基板とのスティッキングを極力抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、支持基板（１ａ）と、支持基板（１ａ）上において支持基板（１ａ）から離れて配置された状態で支持基板（１ａ）に支持され、力学量が印加されたときに基板面と水平方向に変位可能になっている可動部（２０、３０）と、支持基板（１ａ）上において可動部（２０、３０）の周囲に配置され、支持基板（１ａ）に固定されて支持された周辺固定部（１０）と、を備え、力学量が印加されたときの可動部（２０、３０）の変位状態に基づいて印加された力学量を検出するようにした力学量センサにおいて、作動時には、周辺固定部（１０）の電位がセンサの各部の中で最高電位となるものであることを特徴としている。

それによれば、作動時に、周辺固定部（１０）の電位をセンサの各部の中で最高電位としているため、その大きな電位が、周辺固定部（１０）から支持基板（１ａ）へ印加される。そのため、支持基板（１ａ）の電位を、従来のＧＮＤ状態よりも大きくすることができ、結果として、可動部（２０、３０）と支持基板（１ａ）との電位差を小さくすることができる。

よって、本発明によれば、支持基板（１ａ）とは離間した状態で支持基板（１ａ）上に支持された可動部（２０、３０）を有する力学量センサにおいて、作動時における可動部（２０、３０）と支持基板（１ａ）とのスティッキングを極力抑制することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の力学量センサにおいては、周辺固定部（１０）は、絶縁層（１ｃ）を介して支持基板（１ａ）に固定されて支持されているものにできる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の力学量センサにおいて、支持基板（１ａ）に支持された半導体層（１ｂ）をエッチングすることにより、可動部（２０、３０）は支持基板（１ａ）からリリースされたものとなっており、周辺固定部（１０）に電位を印加するためのパッド（１０ａ）は、半導体層（１ｂ）上に設けられていることを特徴としている。

それによれば、周辺固定部（１０）に電位を印加するためのパッド（１０ａ）の形成を容易に行うことができ、好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る力学量センサとしての角速度センサ１００の概略平面構成を示す図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ一点鎖線に沿った概略断面図である。

この角速度センサ１００は、シリコン基板等からなる半導体基板１を加工することにより形成されたものである。

具体的には、この半導体基板１に、エッチング等の周知の半導体製造技術を用いて溝を形成することにより、図１に示されるように、固定された部分としての枠状の周辺固定部１０、この周辺固定部１０の内周部に位置し固定された部分としてのアンカー部１１、１２および検出電極用固定部１３、さらに、周辺固定部１０の内周部に位置し可動となっている可動部２０、３０等からなる構造体が区画され形成されている。

より具体的に言うならば、図２に示されるように、本角速度センサ１００は、たとえば半導体基板１として両シリコン基板１ａ、１ｂを酸化膜１ｃを介して貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１を用いて形成されている。

そして、このＳＯＩ基板１における両シリコン基板１ａ、１ｂのうち一方のシリコン基板１ａ（図２中の下側）を支持基板として構成しており、半導体層としての他方のシリコン基板１ｂ（図２中の上側）および絶縁層としての酸化膜１ｃに対して、他方のシリコン基板１ｂの表面側からトレンチエッチングや犠牲層エッチング等の周知のマイクロマシン加工技術を施す。

それによって、当該他方のシリコン基板１ｂに上記溝を形成するとともに、当該溝によって区画された上記各部１０〜３０等の構造体を、当該他方のシリコン基板１ｂに形成するものである。

ここで、図１では、上記構造体が形成されている他方のシリコン基板１ｂの表面側、すなわち支持基板１ａ上に支持された半導体層１ｂの表面側が示されている。また、図１および図２に示されるように、周辺固定部１０、アンカー部１１、１２および検出電極用固定部１３の内周部においては、犠牲層エッチングなどによって酸化膜１ｃが除去されている。

それによって、この周辺固定部１０、アンカー部１１、１２および検出電極用固定部１３の内周部では、上記構造体が形成されている半導体層としての他方のシリコン基板１ｂは、一方のシリコン基板１ａすなわち支持基板１ａから離間している。

こうして、本例においては、当該他方のシリコン基板１ｂのうち周辺固定部１０、アンカー部１１、１２および検出電極用固定部１３は、酸化膜１ｃを介して一方のシリコン基板１ａ上に支持されて固定されており、可動部２０、３０は、一方のシリコン基板１ａからリリースされて可動となっている。

図１に示されるように、可動部２０、３０は、略矩形状の駆動用振動部２０と、駆動用振動子部２０を取り囲む矩形枠状の検出用振動部３０と、駆動用振動部２０および検出用振動部３０を連結する複数個（図示例では４個）の駆動用梁部２１と、検出用振動部３０およびその外周の基部１０を連結する複数個（図示例では２個）の検出用梁部３１と、を備えている。

駆動用振動部２０は、駆動用梁部２１を介して検出用振動部３０と一体化されており、さらに言うならば、駆動用振動部２０は検出用振動部３０および検出用梁部３１を介在させてはいるが、検出用振動部３０、アンカー部１１、１２を介して、支持基板としての一方のシリコン基板１ａに連結されている。

各々の駆動用梁部２１は、コの字型の折り返し形状をなしており、その一端部側が駆動用振動部２０に接続され、他端部側が検出用振動部３０における枠内周面に接続されている。

また、駆動用梁部２１においては、上記コの字形状における互いに平行な一対の平行棒部２２および２３が、その長手方向と直交する方向にたわむようになっている。そのため、駆動用振動部２０は図１中の矢印Ｘ方向に振動可能となっている。以下、この矢印Ｘ方向を、駆動用振動部２０が振動する第１の方向Ｘと言うことにする。

一方、各々の検出用梁部３１は、一対の梁３２、３３が平行に離間して配置されるとともにこれら両梁３２、３３の両端部が連結された長方形枠形状をなしている。

そして、一方の梁３２の中間部が、アンカー部１１、１２における内周面から突出した突出部に接続されて、アンカー部１１、１２に固定支持されており、他方の梁３３の中間部が、検出用振動部３０に接続されている。

こうして、検出用振動部３０は、検出用梁部３１を介してアンカー部１１、１２、さらには支持基板としての一方のシリコン基板１ａに連結されている。つまり、可動部としての両振動部２０、３０は、アンカー部１１、１２によって酸化膜１ｃを介して一方のシリコン基板１ａに連結され支持されている。

また、検出用梁部３１においては、上記した互いに平行な一対の梁３２、３３が、その長手方向と直交する方向にたわむようになっている。

そのため、検出用振動部３０は、上記基板１の平面内にて駆動用振動部２０の振動方向である第１の方向Ｘと直交する方向、すなわち図１中の矢印Ｙ方向に振動可能となっている。以下、この矢印Ｙ方向を、検出用振動部３０が振動する第２の方向Ｙと言うことにする。

また、検出用振動部３０の外周部には、この外周部と対向する検出電極用固定部１３の内周部に向かって突出する櫛歯状の突起部３５が形成されており、この突起部３５とかみ合うように当該検出電極用固定部１３の内周部からも櫛歯状の突起部１５が形成されている。そして、これら両方の突起部１５、３５により、本センサ１００の検出電極部１５、３５が構成されている。

このように、本角速度センサ１００においては、支持基板としての一方のシリコン基板１ａと、一方のシリコン基板１ａ上において一方のシリコン基板１ａから離れて配置された状態で一方のシリコン基板１ａに支持された可動部２０、３０と、一方のシリコン基板１ａ上において可動部２０、３０の周囲に配置され、一方のシリコン基板１ａに固定されて支持された周辺固定部１０と、を備えた基本構成となっている。

そして、駆動用振動部２０と検出用振動部３０とからなる可動部２０、３０は、力学量である角速度Ωが印加されたときに一方のシリコン基板１ａの基板面と水平方向Ｘ、Ｙに変位可能になっている。

ここで、図１に示されるように、一方のアンカー部１２には、可動部２０、３０に対して図示しない外部回路から電位を印加するための可動部用パッド１２ａが形成されている。また、検出電極用固定部１３には、検出電極部１５、３５からの信号を上記外部回路へ取り出すための検出電極用パッド１３ａが形成されている。

さらに、図１に示されるように、周辺固定部１０の所定位置には、上記外部回路から周辺固定部１０へ電位を印加するための周辺固定部用パッド１０ａが形成されている。これら各パッド１０ａ、１２ａ、１３ａは、アルミニウムなどを成膜してなるもので、上記外部回路に対してボンディングワイヤなどにより接続されるようになっている。

かかる構成を有する角速度センサ１００の作動について述べる。まず、図示しないが容量駆動により、駆動用振動部２０を図１中の第１の方向Ｘに振動（駆動振動）させる。本実施形態では、駆動用振動部２０の近傍には、駆動用振動部２０に対向して図示しない駆動電極が設けられている。

そして、駆動用振動部２０および検出用振動部３０すなわち可動部２０、３０には、上記外部回路から可動部用パッド１２ａを介して一定の電位（たとえば１６Ｖ）を印加する。また、上記駆動電極には、交流電圧（たとえば、８±５Ｖ）を印加する。それにより発生する静電引力を利用し、駆動用振動部２０は、駆動用梁部２１の作用によって第１の方向へ振動し、変位する。

この駆動振動のもと、図１に示されるように、紙面垂直方向の軸周りすなわち第１の方向Ｘおよび第２の方向Ｙと直交する軸周りに、角速度Ωが角速度センサ１００に印加されると、駆動用振動部２０に対して、第２の方向Ｙにコリオリ力が発生する。

このコリオリ力は、駆動用梁部２１から検出用振動部３０に伝わり、検出用振動部３０と駆動用振動部２０とが、図１中の第２の方向Ｙに一体に振動（検出振動）する。そして、この検出振動により、上記両突起部１１、３５間の距離が変化する。この距離変化を基部１０に形成された図示しない配線部等を介して、当該両突起部１５、３５間の容量変化として検出する。

具体的には、検出電極部１１、３５のうち検出電極用固定部１３側の櫛歯部１５には、上記外部回路から検出電極用パッド１３ａを介して、可動部２０、３０に印加される電圧よりも小さい電圧（たとえば２．５Ｖ）が印加されている。

そして、上記外部回路によって、図１中の左側の検出電極部１５、３５と右側の検出電極部１５、３５との間で、差動容量変化を検出するようにしている。こうして、本実施形態において、上記角速度Ωが検出されるのである。

さらに、このような角速度検出を行う作動時において、本実施形態では、上記外部回路から周辺固定部用パッド１０ａを介して、周辺固定部１０には電位が印加されており、その電位は、センサの各部の中で最高電位となるものである。たとえば、可動部２０、３０の電位が１６Ｖであるとき、周辺固定部１０の電位は２０Ｖ程度である。

このように、本実施形態によれば、支持基板としての一方のシリコン基板１ａと、一方のシリコン基板１ａ上において一方のシリコン基板１ａから離れて配置された状態で一方のシリコン基板１ａに支持され、角速度が印加されたときに一方のシリコン基板１ａの基板面と水平方向Ｘ、Ｙに変位可能になっている可動部２０、３０と、一方のシリコン基板１ａ上において可動部２０、３０の周囲に配置され、一方のシリコン基板１ａに固定されて支持された周辺固定部１０と、を備え、角速度が印加されたときの可動部２０、３０の変位状態に基づいて印加された角速度を検出するようにした角速度センサ１００において、作動時には、周辺固定部１０の電位がセンサ１００の各部の中で最高電位となるものであることを特徴とする角速度センサ１００が提供される。

それによれば、作動時に、周辺固定部１０の電位をセンサ１００の各部の中で最高電位としているため、その大きな電位が、周辺固定部１０から一方のシリコン基板１ａへ印加される。

そのため、一方のシリコン基板１ａの電位を、従来のＧＮＤ状態よりも大きくすることができ、結果として、可動部２０、３０と一方のシリコン基板１ａとの電位差を小さくすることができる。

具体的には、従来では、作動時において可動部２０、３０の電位が、たとえば１６Ｖである場合、ＧＮＤ状態にある一方のシリコン基板１ａと可動部２０、３０との電位差は、実質的に１６Ｖである。

それに対して、本実施形態では、上記した例のように、作動時において可動部２０、３０の電位は１６Ｖであり、周辺固定部１０の電位は２０Ｖである。

ここで、本実施形態では、周辺固定部１０は、絶縁層である酸化膜１ｃを介して一方のシリコン基板１ａに固定され支持されているが、センサ１００の各部の中で最高電位という大きな電位が周辺固定部１０に印加されるため、周辺固定部１０から酸化膜１ｃを介した一方のシリコン基板１ａへのリークが発生し、一方のシリコン基板１ａの電位は、周辺固定部１０の電位よりも低い電位、たとえば１０Ｖ程度になる。

そのため、本実施形態において、作動時における可動部２０、３０と支持基板である一方のシリコン基板１ａとの電位差は、たとえば６Ｖ程度になり、従来に比べて小さな電位差とすることができる。その結果、作動時における可動部２０、３０と支持基板１ａとの間の静電引力を小さくすることができる。

よって、本実施形態によれば、支持基板１ａとは離間した状態で支持基板１ａ上に支持された可動部２０、３０を有する角速度センサ１００において、作動時における可動部２０、３０と支持基板１ａとのスティッキングを極力抑制することができる。

ちなみに、作動時における可動部２０、３０と支持基板１ａとのスティッキングを極力抑制するためには、単純には、上記角速度センサ１００において、可動部２０、３０に印加する一定電圧を小さくすることが考えられる。

しかし、この場合、可動部２０、３０の駆動力自体も小さくなり、駆動振動の振幅が小さくなり、センサの感度低下を招いてしまう。その点、本実施形態では、そのような問題は回避することができる。

また、本実施形態では、一方のシリコン基板１ａに支持された半導体層としての他方のシリコン基板１ｂをエッチングすることにより、可動部２０、３０は一方のシリコン基板１ａからリリースされたものとなっており、周辺固定部１０に電位を印加するための周辺固定部用パッド１０ａは、他方のシリコン基板１ｂ上に設けられたものとしている。

それによれば、周辺固定部１０に電位を印加するための周辺固定部用パッド１０ａの形成を、その他の上記各パッド１２ａ、１３ａの形成と同時に容易に行うことができるため、好ましい。

なお、本実施形態において上記した例では、可動部２０、３０には一定の電位（たとえば１６Ｖ）を印加し、上記駆動電極には交流電圧（たとえば、８±５Ｖ）を印加していたが、それとは反対に、可動部２０、３０には交流電圧を印加し、上記駆動電極には一定の電位を印加するようにしてもよい。

この場合でも、作動時に周辺固定部１０に最高電位を印加すれば、上記した酸化膜１ｃを介したリークによって、一方のシリコン基板１ａの電位は、周辺固定部１０の電位よりも低い電位になる。そのため、実効的には、従来に比べて、可動部２０、３０と一方のシリコン基板１ａとの電位差を小さくすることができ、上記と同様、スティッキング抑制の効果が発揮される。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、支持基板上の各部は半導体からなるものであったが、導体から構成されていてもよい。

また、本発明は、上記した角速度センサ以外にも、力学量として加速度を検出する加速度センサなどの力学量センサに対しても適用可能である。

要するに、本発明は、支持基板と、支持基板上において支持基板から離れて配置された状態で支持基板に支持され力学量が印加されたときに支持基板の基板面と水平方向に変位可能になっている可動部と、支持基板上において可動部の周囲に配置され支持基板に固定されて支持された周辺固定部と、を備え、力学量が印加されたときの可動部の変位状態に基づいて印加された力学量を検出するようにした力学量センサにおいて、作動時に、周辺固定部の電位をセンサの各部の中で最高電位となるようにしたことを主たる特徴としたものであり、その他の部分については適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態に係る力学量センサとしての角速度センサの概略平面構成を示す図である。 図１中のＡ−Ａ概略断面図である。

符号の説明

１ａ…支持基板としての一方のシリコン基板、
１ｂ…半導体層としての他方のシリコン基板、１ｃ…絶縁層としての酸化膜、
１０…周辺固定部、１０ａ…周辺固定部用パッド、
２０…可動部としての駆動用振動部、３０…可動部としての検出用振動部。

Claims (3)

1. 支持基板（１ａ）と、
   前記支持基板（１ａ）上において前記支持基板（１ａ）から離れて配置された状態で前記支持基板（１ａ）に支持され、力学量が印加されたときに基板面と水平方向に変位可能になっている可動部（２０、３０）と、
   前記支持基板（１ａ）上において前記可動部（２０、３０）の周囲に配置され、前記支持基板（１ａ）に固定されて支持された周辺固定部（１０）と、を備え、
   力学量が印加されたときの前記可動部（２０、３０）の変位状態に基づいて印加された力学量を検出するようにした力学量センサにおいて、
   作動時には、前記周辺固定部（１０）の電位がセンサの各部の中で最高電位となるものであることを特徴とする力学量センサ。
2. 前記周辺固定部（１０）は、絶縁層（１ｃ）を介して前記支持基板（１ａ）に固定されて支持されていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記支持基板（１ａ）に支持された半導体層（１ｂ）をエッチングすることにより、前記可動部（２０、３０）は前記支持基板（１ａ）からリリースされたものとなっており、
   前記周辺固定部（１０）に電位を印加するためのパッド（１０ａ）は、前記半導体層（１ｂ）上に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサ。
   

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