JP2006119002A - Angular velocity detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高い検出感度で２軸方向の角速度の同時検出が可能なマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構成の角速度検出装置に関するものである。 The present invention relates to an angular velocity detection device having a micro electro mechanical system (MEMS) configuration capable of simultaneously detecting angular velocities in two axial directions with high detection sensitivity.
角速度検出装置のようなアクティブセンサをマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）で構成する場合、振動子を何らかの力で駆動させる必要があり、静電力やローレンツ力を用いた駆動方式の角速度検出装置が一般的には知られている（例えば、特許文献１参照。）。 When an active sensor such as an angular velocity detection device is configured by a micro electro mechanical system (MEMS), it is necessary to drive the vibrator with some force, and a drive type angular velocity detection device using electrostatic force or Lorentz force is common. (For example, refer to Patent Document 1).
特に、ローレンツ力を駆動力に用いた角速度検出装置の振動子においては、プロセスのコンタミネーションなどの理由で、振動子やそれを支えるバネを形成してから、振動子を駆動させるための駆動電極の形成を行うことが多い。そのため、図１４（１）に示すように、駆動電極３０８により発生される駆動力Ｆが振動子３０１上部に作用して、図１４（２）に示すように、本来、振動子３０１を動かしたい並進運動方向（矢印ア方向）とは垂直方向の軸周りの回転運動（矢印イ方向）を誘発し、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅が得られないことがあった。
In particular, in the vibrator of the angular velocity detection device using the Lorentz force as the driving force, the drive electrode for driving the vibrator after forming the vibrator and the spring supporting the vibrator for the purpose of process contamination. Is often formed. Therefore, as shown in FIG. 14 (1), the driving force F generated by the
解決しようとする問題点は、本来動かしたい並進運動方向とは垂直方向の軸周りの回転運動が誘発されるために、設計の駆動振動モード、駆動周波数、駆動振幅等が得られない点である。 The problem to be solved is that the drive vibration mode, the drive frequency, the drive amplitude, etc. of the design cannot be obtained because a rotational motion around the axis perpendicular to the translational motion direction to be originally moved is induced. .
本発明は、基板と、前記基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な振動子と、前記振動子を一定の励振方向に振動させる磁性体と、前記振動子に設けられた電極とを備えた角速度検出装置において、前記電極は、前記磁性体の磁力線と前記電極を流れる電流とにより発生する力の方向と、前記振動子および前記電極からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されていることを最も主要な特徴とする。 The present invention includes a substrate, a support portion provided on the surface of the substrate, a support elastic body having one end connected to the support portion, and a floating state with a certain distance from the substrate surface. A vibrator supported on the other end of the supporting elastic body and displaceable with respect to the substrate, a magnetic body that vibrates the vibrator in a constant excitation direction, and an electrode provided on the vibrator In the angular velocity detection device provided, the electrode is located at a position where a direction of a force generated by a magnetic force line of the magnetic body and a current flowing through the electrode coincides with a center of gravity of the vibrator system including the vibrator and the electrode. The main feature is that it is arranged.
本発明の角速度検出装置は、電極は、磁性体の磁力線と電極を流れる電流とにより発生する力の方向と、振動子および電極からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されているため、振動子系の重心周りに回転方向の振動を発生することなく、並進運動を起こすことができるので、振動子は安定した並進運動をすることができる。このため、振動ノイズを低減することができるので、高感度なセンサ素子、アクチュエータとなる角速度検出装置を提供することができるという利点がある。 In the angular velocity detection device of the present invention, the electrode is disposed at a position where the direction of the force generated by the magnetic force lines of the magnetic material and the current flowing through the electrode coincides with the center of gravity of the vibrator system including the vibrator and the electrode. Therefore, since the translational motion can be caused without generating a vibration in the rotational direction around the center of gravity of the transducer system, the transducer can perform a stable translational motion. For this reason, since vibration noise can be reduced, there exists an advantage that the angular velocity detection apparatus used as a highly sensitive sensor element and actuator can be provided.
角速度検出装置の振動子系に回転方向の振動を発生させることなく並進運動をさせるという目的を、振動子に対する電極の配置位置を工夫することで、新たな部品の付加をすることなく実現した。 The purpose of translating the vibrator system of the angular velocity detection device without causing vibration in the rotational direction was realized without adding new parts by devising the arrangement position of the electrodes with respect to the vibrator.
本発明の角速度検出装置に係る第１実施例を、図１の概略構成断面図によって説明する。 A first embodiment of the angular velocity detection device according to the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
図１に示すように、角速度検出装置１は、基板１０と、基板１０の表面に設けられた支持部１２−１、１２−２と、支持部１２−１、１２−２に一方端が接続された支持弾性体１３−１、１３−２と、上記基板１０の表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で上記支持弾性体１３−１、１３−２の各他方端に支持されたもので、上記基板１１に対して変位可能な振動子１１と、振動子１１を一定の励振方向に振動させる磁性体１４と、上記振動子１１の一方側に絶縁膜１６を介して設けられた電極１５とを備えたものである。上記電極１５は上記振動子１１の一側方に形成された掘り込み部１１Ｓ上に形成されている。そして上記電極１５は、上記磁性体１４の磁力線Ｍと電極１５を流れる電流（電流は図面に対して垂直方向に流れる）とにより発生する力（ローレンツ力）Ｆの方向と、上記振動子１１および上記電極１５からなる振動子系の重心Ｇとが一致する位置に配置されている。したがって、上記条件を満足するように、上記掘り込み部１１Ｓの深さと上記電極１５の厚さ等が決定される。
As shown in FIG. 1, the angular
次に、上記実施例１の構成の角速度検出装置１について、有限要素法を用いて、振動の形態をシミュレーションした。その結果を図２に示す。図２では、縦軸にＺ方向への変位ｄｚに対するＸ方向への変位ｄｘの比＝ｄｚ／ｚｘ（％）を示し、横軸にローレンツ力Ｆの振動子１１への印加位置と振動子系の重心Ｇとを通る直線と水平面Ｈとの角度（ｄｅｇ．）を示す。
Next, the form of vibration was simulated for the angular
図２に示すように、ローレンツ力Ｆの振動子１１への印加位置と振動子系の重心Ｇとを通る直線と水平面Ｈとの角度が１．６度以内であれば、Ｚ方向への変位ｄｚに対するＸ方向への変位ｄｘの比＝ｄｚ／ｚｘが１％以下となり、ほとんど回転方向の振動が起こらないようになる。したがって、磁性体１４より発生する磁力線Ｍと電極１５を流れる電流とによって発生する力Ｆが振動子１１に印加される位置と振動子系の重心Ｇとを結んだ直線が、上記振動子系が並進運動のみを行う際の振動子系の運動面（水平面Ｈ）との交差角θが１．６度以内であることが必要なことがわかる。一方、上記交差角θが１．６度よりも大きい場合には、Ｚ方向への変位ｄｚに対するＸ方向への変位ｄｘの比＝ｄｚ／ｚｘが１％を超えることになり、並進運動をする振動子系の重心Ｇ周りに回転運動が顕著に生じるようになるので、振動ノイズが大きくなり、検出感度が低下するという不具合を生じることになる。
As shown in FIG. 2, if the angle between the horizontal plane H and the straight line passing through the position where the Lorentz force F is applied to the
本発明の角速度検出装置１は、電極１５は、磁性体１４の磁力線Ｍと電極１５を流れる電流とにより発生する力Ｆの方向と、振動子１１および電極１５からなる振動子系の重心Ｇとが一致する位置に配置されているため、振動子系の重心Ｇ周りに回転方向の振動を発生することなく、並進運動を起こすことができるので、振動子１１は安定した並進運動をすることができる。このため、センサ信号に対する振動ノイズを低減することができるので、振動のリニアリティを向上させることができ、高感度なセンサ素子、アクチュエータとなる角速度検出装置１を提供することができるという利点がある。
In the angular
次に、本発明の角速度検出装置に係る第２実施例を、図３の概略構成断面図によって説明する。 Next, a second embodiment of the angular velocity detecting device according to the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
図３に示すように、基本的な構成は、前記実施例１と同様であり、角速度検出装置２は、基板１０と、基板１０の表面に設けられた支持部１２−１、１２−２と、支持部１２−１、１２−２に一方端が接続された支持弾性体１３−１、１３−２と、上記基板１０の表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で上記支持弾性体１３−１、１３−２の各他方端に支持されたもので、上記基板１１に対して変位可能な振動子１１と、振動子１１を一定の励振方向に振動させる磁性体１４と、上記振動子１１の一方側に絶縁膜１６を介して設けられた電極１５とを備えたものである。上記電極１５は、前記磁性体１４の磁力線Ｍと電極１５を流れる電流（電流は図面に対して垂直方向に流れる）とにより発生する力（ローレンツ力）Ｆの方向と、上記振動子１１および上記電極１５からなる振動子系の重心Ｇとが一致する位置に配置されている。この第２実施例では第１実施例と異なり、上記電極１５は上記振動子１１の側壁部分に形成された溝１１Ｔ内に埋め込まれた状態に形成されている。したがって、上記条件を満足するように、上記溝１１Ｔの形成位置と上記電極１５の厚さ等が決定される。
As shown in FIG. 3, the basic configuration is the same as that of the first embodiment, and the angular
本発明の角速度検出装置２は、実施例１で説明した利点があるとともに、上下対称な構造となることによって、振動子１１からの反力も水平方向となり、余計なモーメントを生じないという利点がある。
The angular
次に、本発明の角速度検出装置に係る具体的な一実施例を、図４の平面図および図５の図４におけるＡ−Ａ線断面図によって説明する。なお、図５の断面図は概略構成を示すものであり、図４の平面図の縮尺と一致させていない。 Next, a specific embodiment according to the angular velocity detection device of the present invention will be described with reference to a plan view of FIG. 4 and a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Note that the cross-sectional view of FIG. 5 shows a schematic configuration and does not match the scale of the plan view of FIG.
図４および図５に示すように、角速度検出装置３は、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２を並行に備えている。この第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコン層で形成されている。上記第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−１とは、互いに向かい合う側の角部が支持弾性体１０２−５、１０２−６とによって連結され、第１振動子１０１−１の第２振動子１０１−２とは反対側の角部分には支持弾性体１０２−１、１０２−２の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−１、１０２−２の他端側は、それぞれ支持部１０３−１、１０３−２に支持固定されている。また、第２振動子１０１−２の第１振動子１０１−１とは反対側の角部分には支持弾性体１０２−３、１０２−４の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−３、１０２−４の他端側は、それぞれ支持部１０３−３、１０３−４に支持固定されている。上記支持弾性体１０２−１〜６は、それぞれが例えば板バネで構成され、例えばシリコン層からなり、例えばＵ字形に形成されている。上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４は、それぞれ絶縁体１２２を介して第１基板１００に固定されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４によってのみ支持されていて、第１基板１００に対して完全に浮動状態に配置されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the angular
本発明の角速度検出装置３では、上記支持弾性体１０２−１〜１０２−４の電極形成面は、上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の上面より第１基板１００側に低く形成されている。また上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の電極形成部は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の上面の一部を掘り込んで形成された堀り込み部１１１−１、１１１−２に形成されている。
In the angular
上記第１振動子１０１−１の堀り込み部１１１−１には、支持部１０２−１から支持弾性体１０２−１、第１振動子１０１−１の掘り込み部１１１−１、支持弾性体１０２−２を通り支持部１０３−２に至るものでこの第１振動子１０１−１を電磁駆動させるための電極１０８−１が絶縁膜１０７を介して配設されている。同様に、上記第２振動子１０１−２の堀り込み部１１１−２には、支持部１０２−３から支持弾性体１０２−３、第１振動子１０１−２の掘り込み部１１１−２、支持弾性体１０２−４を通り支持部１０３−４に至るものでこの第２振動子１０１−２を電磁駆動させるための電極１０８−２が絶縁膜１０７を介して配設されている。
The digging portion 111-1 of the first vibrator 101-1 includes the support elastic body 102-1 to the support elastic body 102-1, the digging portion 111-1 of the first vibrator 101-1, and the support elastic body. An electrode 108-1 for electromagnetically driving the first vibrator 101-1 is disposed through an
上記駆動電極１０８−１は、後に説明する磁性体１２４の磁力線と上記駆動電極１０８−１を流れる電流（電流は図面に対して垂直方向に流れる）とにより発生する力（ローレンツ力）の方向と、上記第１振動子１０１−１および上記駆動電極１０８−１からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている。同様に、上記駆動電極１０８−２は、後に説明する磁性体１２４の磁力線と上記駆動電極１０８−２を流れる電流（電流は図面に対して垂直方向に流れる）とにより発生する力（ローレンツ力）の方向と、上記第１振動子１０１−２および上記駆動電極１０８−２からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている。
The drive electrode 108-1 has a direction of a force (Lorentz force) generated by a magnetic force line of the
また、上記第１、第２振動子１０１−１、１０１−２には、空気ダンピングを緩和するための貫通孔１０４が複数設けられている。この貫通孔１０４は、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２上方に設けられる第２基板２００との狭ギャップによるスクイーズ効果を低減させる。したがって、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２のバランスがとれるように均一に分布されるように形成されることが好ましい。この第２基板２００については次に説明する。
The first and second vibrators 101-1 and 101-2 are provided with a plurality of through
上記第１基板１００上には、フレーム部１２１を介して第２基板２００が形成されている。この第２基板２００は、例えばガラス基板で形成されている。また第２基板２００の上記第１基板１００と対向する面の上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２に対向する位置には、対向電極２１０−１、２１０−２が形成されている。
A
また、上記第１基板１００下には電磁駆動を起こすための磁石１２４が配置されている。したがって、この磁石１２４により第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２等の振動子系が電磁的に駆動される。上記磁石１２４は、出力的な相違はあるものの動作として同様の結果が得られるので、例えば、第１基板１００を掘り込んでその内部に磁石１２４を設置したり、第２基板２００の上部に設置したり、また第１基板１００と第２基板２００の両方に磁石を設置することも可能である。
A
次に、振動子、支持弾性体等の振動系の別形態について、図６の概略構成平面図によって説明する。この実施例２は、実施例１において、振動子１０１に接続される支持弾性体１０２−１〜１０２−４および振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６の接続位置が異なるものである。なお、前記実施例１の構成と同様な部品には同一符号を付与した。 Next, another embodiment of a vibration system such as a vibrator and a support elastic body will be described with reference to the schematic configuration plan view of FIG. The second embodiment differs from the first embodiment in the connection positions of the supporting elastic bodies 102-1 to 102-4 connected to the vibrator 101 and the supporting elastic bodies 102-5 and 102-6 between the vibrators. is there. In addition, the same code | symbol was provided to the components similar to the structure of the said Example 1. FIG.
図６に示すように、第１基板（図示せず）に平行に、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２を並行に備えられている。 As shown in FIG. 6, a first vibrator 101-1 and a second vibrator 101-2 are provided in parallel to a first substrate (not shown).
この第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコン層で形成されている。上記第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とは、互いに向かい合う側の辺の両端が振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６とによって連結され、第１振動子１０１−１の第２振動子１０１−２とは反対側の辺の両端には支持弾性体１０２−１、１０２−２の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−１、１０２−２の他端側は、それぞれ支持部１０３−１、１０３−２に支持固定されている。 Both the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 are formed of a rectangular thin film, and are formed of a silicon layer as an example. The first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 are connected at both ends of the sides facing each other by support elastic bodies 102-5 and 102-6 between the vibrators. Both ends of the side opposite to the second vibrator 101-2 of 101-1 are supported by one end side of the supporting elastic bodies 102-1 and 102-2. The other end sides of the supporting elastic bodies 102-1 and 102-2 are supported and fixed to the supporting portions 103-1 and 103-2, respectively.
また、第２振動子１０１−２の第１振動子１０１−１とは反対側の辺の両端には支持弾性体１０２−３、１０２−４の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−３、１０２−４の他端側は、それぞれ支持部１０３−３、１０３−４に支持固定されている。 Further, both ends of the side of the second vibrator 101-2 opposite to the first vibrator 101-1 are supported by one ends of the supporting elastic bodies 102-3 and 102-4. The other ends of the supporting elastic bodies 102-3 and 102-4 are supported and fixed to the supporting portions 103-3 and 103-4, respectively.
上記支持弾性体１０２−１〜４、振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６は、それぞれが例えば板ばねで構成され、例えばシリコン層からなり、平面レイアウト的に見て例えばコ字形状、Ｕ字形状もしくは矩形波形状に形成されている。上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４、１０３−５、１０３−６は、それぞれ絶縁体１３１を介して第１基板（図示せず）に固定されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６によって支持されていて、第１基板（図示せず）に対して完全に浮動状態に配置されている。 Each of the support elastic bodies 102-1 to 102-4 and the support elastic bodies 102-5 and 102-6 between the vibrators is made of, for example, a leaf spring, and is made of, for example, a silicon layer. It is formed in a shape, U-shape or rectangular wave shape. The support portions 103-1, 103-2, 103-3, 103-4, 103-5, and 103-6 are each fixed to a first substrate (not shown) via an insulator 131. Therefore, the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 include support elastic bodies 102-1, 102-2, 102-3, and 102-4, and support elastic bodies 102-5 and 102- between the vibrators. 6 and is completely floating with respect to a first substrate (not shown).
また、上記支持部１０３−１上から支持弾性体１０２−１上、第１振動子１０１−１の端辺部に形成した溝（図示せず）内、支持弾性体１０２−２上を通り支持部１０３−２上に至るもので、上記第１振動子１０１−１を電磁駆動させるための電極１０６−１が絶縁膜１０５−１を介して導電性の配線として形成されている。同様に、上記支持部１０３−３上から支持弾性体１０２−３上、第２振動子１０１−２の端辺部に形成した溝（図示せず）内、支持弾性体１０２−４上を通り支持部１０３−４上に至るもので、上記電磁駆動で第２振動子１０１−２が動作したときに発生する誘導起電力を検出するためのモニタ電極となる電極１０６−２が絶縁膜１０５−２を介して導電性の配線として形成されている。そして、上記支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４の上面は図示していない上記溝の低部と同等の高さに形成されている。さらに、角速度を検出する電極として上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２を用いるために、例えば、第２振動子１０１−２にシリコンからなる支持弾性体１０２−３を介して接続される導電性パッド１０６−３が支持部１０３−３上に形成されている。この導電性パッド１０６−３は同支持部１０３−３上に形成される電極１０６−２とは絶縁膜１０５−２によって電気的に絶縁されている。 Further, the support unit 103-1 is supported on the support elastic body 102-1, in a groove (not shown) formed in the end portion of the first vibrator 101-1, and on the support elastic body 102-2. The electrode 106-1 for electromagnetically driving the first vibrator 101-1 is formed as a conductive wiring through the insulating film 105-1, extending over the portion 103-2. Similarly, it passes from above the support portion 103-3 to the support elastic body 102-3, into a groove (not shown) formed in the end portion of the second vibrator 101-2, and over the support elastic body 102-4. The electrode 106-2 that reaches the support portion 103-4 and serves as a monitor electrode for detecting the induced electromotive force generated when the second vibrator 101-2 is operated by the electromagnetic drive is an insulating film 105-. 2 are formed as conductive wirings. And the upper surface of the said support elastic bodies 102-1, 102-2, 102-3, 102-4 is formed in the height equivalent to the low part of the said groove | channel which is not shown in figure. Further, in order to use the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 as the electrodes for detecting the angular velocity, for example, the second vibrator 101-2 is provided with a support elastic body 102-3 made of silicon. The conductive pad 106-3 to be connected is formed on the support portion 103-3. The conductive pad 106-3 is electrically insulated from the electrode 106-2 formed on the support portion 103-3 by an insulating film 105-2.
また、上記電極１０６−１、１０６−２の両端に連続して、上記電極１０６−１、１０６−２の両端における上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４上のそれぞれには、電極パッド１０７−１、１０７−２、１０７−３、１０７−４が形成されている。 In addition, on the support portions 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4 at both ends of the electrodes 106-1 and 106-2 continuously to both ends of the electrodes 106-1 and 106-2. Electrode pads 107-1, 107-2, 107-3, and 107-4 are formed in each.
また、上記第１、第２振動子１０１−１、１０１−２には、空気ダンピングを緩和するための貫通孔（図示せず）が複数設けられていてもよい。この貫通孔は、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２上方に設けられる第２基板（図示せず）との狭ギャップによるスクイーズ効果を低減させる。したがって、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２のバランスがとれるように均一に分布されるように形成されることが好ましい。 The first and second vibrators 101-1 and 101-2 may be provided with a plurality of through holes (not shown) for relaxing air damping. This through hole reduces a squeeze effect due to a narrow gap with a second substrate (not shown) provided above the first and second vibrators 101-1 and 101-2. Therefore, it is preferable that the first and second vibrators 101-1 and 101-2 are formed so as to be uniformly distributed so as to be balanced.
上記図６によって説明した振動系の構成では、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２の電極配線部分に掘り込み部１１１−１、１１１−２を形成し、電極１０８−１、１０８−２の厚みと絶縁層１０７厚みの合計が堀り込み部１１１−１、１１１−２の深さよりも厚くならないように形成されており、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２が大きな衝撃によって対向電極２１０−１、２１０−２に接触するようなことがあっても、対向電極２１０−１、２１０−２に電極１０８−１、１０８−２が接触しないような構造となっている。また、第１基板１００側からみて、支持弾性体１０２−１〜１０２−４に形成されている電極１０８−１、１０８−２の高さが第１、第２振動子１０１−１、１０１−２の高さよりも低くなるよう支持弾性体１０２−１〜１０２−４が形成されているため、支持弾性体１０２−１〜１０２−４についても、電極１０８−１、１０８−２が対向電極２１０−１、２１０−２〔前記図５参照〕に接触しないようになっている。
In the configuration of the vibration system described with reference to FIG. 6, the dug portions 111-1 and 111-2 are formed in the electrode wiring portions of the first and second vibrators 101-1 and 101-2, and the electrodes 108-1, The sum of the thickness of 108-2 and the thickness of the insulating
次に、一例として、上記図６によって説明した振動系を有する角速度検出装置の動作原理を説明する。なお、第１基板側の構成は前記図６に基づき、第２基板側の構成は前記図５に基づく。 Next, as an example, the operation principle of the angular velocity detection device having the vibration system described with reference to FIG. 6 will be described. The configuration on the first substrate side is based on FIG. 6, and the configuration on the second substrate side is based on FIG.
上記角速度検出装置３は、電極１０６−１にはある周期を持った電流が流れる。例えばある時点で電流Ｉ1が電極１０６−１を電極パッド１０７−１から電極パッド１０７−２に向かって流れているとする。その際、電極１０６−２に位相が１８０°ずれた電流Ｉ2を流す。電流Ｉ1、Ｉ2は周期性を持っているので、別の時点では、流れる方向が逆になることもある。電極１０６−１に電流が流れると、第１基板１００の下部に設けられた磁石１２４からの磁界により、ローレンツ力ＦLがｘ方向に発生する。
In the angular
ローレンツ力ＦLは下記の式で現され、配線に直交する方向にその力が誘起される。 The Lorentz force FL is expressed by the following equation, and the force is induced in a direction orthogonal to the wiring.
ＦL＝ＩＢＬ …（１） F L = IBL ... (1)
上記（１）式中、Ｉは駆動電極となる電極１０６−１に流れる電流、Ｂは磁束密度、Ｌは電極１０６−１の長さである。 In the above formula (1), I is the current flowing through the electrode 106-1 serving as the drive electrode, B is the magnetic flux density, and L is the length of the electrode 106-1.
ロ−レンツ力ＦLは印加される電流Ｉ1、Ｉ2と同じ周期性をもって第１、第２振動子１０１−１、１０１−２に印加され、第１振動子部１０１−１は、支持弾性体１０２−１および支持弾性体１０２−２に接続されている支持部１０３−１および支持部１０３−２を固定点とし、振幅運動を繰り返す。もう一方の第２振動子１０１−２は支持弾性体１０２−３および支持弾性体１０２−４に接続されている支持部１０３−３および支持部１０３−４を固定点とし、位相ずれ（例えば１８０°の位相ずれ）を持ちながら振幅運動を繰り返す。その際、外部からＹ軸まわりに角速度Ωが与えられると、振動方向に直行した方向にコリオリ力ＦCが発生する。このコリオリ力ＦCは（２）式で表される。 B - Lorentz force F L is the current I 1, first with a same periodicity as the I 2 applied, is applied to the second oscillator 101-1 and 101-2, first oscillator 101-1 is supported Amplitude motion is repeated with the support portion 103-1 and the support portion 103-2 connected to the elastic body 102-1 and the support elastic body 102-2 as fixed points. The other second vibrator 101-2 has the supporting portion 103-3 and the supporting portion 103-4 connected to the supporting elastic body 102-3 and the supporting elastic body 102-4 as fixed points, and is out of phase (for example, 180 Repeated amplitude movement with a phase shift of °. At this time, when an angular velocity Ω is applied from the outside around the Y axis, a Coriolis force F C is generated in a direction orthogonal to the vibration direction. This Coriolis force F C is expressed by equation (2).
ＦC＝２ｍｖΩ …（２） F C = 2 mvΩ (2)
上記（２）式中、ｍは振動子の質量、ｖは駆動方向の振動速度、Ωは外部から印加される角速度である。 In the above equation (2), m is the mass of the vibrator, v is the vibration velocity in the driving direction, and Ω is the angular velocity applied from the outside.
コリオリ力ＦCで発生した変位を大きく取るためには、質量ｍ、駆動角振動数ωＸ、駆動変位Ｘｍ（ωＸおよびXmは駆動振動速度vの対応パラメタ-)を大きく取る必要がある。電磁駆動の場合、従来技術のような静電駆動で必要な櫛歯電極を必要としないため、大きな変位を取ることが可能となる。 To a large displacement generated by the Coriolis force F C is the mass m, the driving angular frequency [omega] X, driving displacement Xm ([omega] X and Xm corresponding parameter of the driving vibration velocity v -) need to take large. In the case of electromagnetic driving, since a comb-tooth electrode necessary for electrostatic driving as in the prior art is not required, a large displacement can be taken.
コリオリ力ＦCが発生すると第１、第２振動子１０１−１、１０１−２がＺ軸方向に振動する。その際、第２基板２００側に設置された検出電極２１０−１と第１振動子１０１−１および検出電極２１０−２と第２振動子１０１−２との間に容量の変化が現れる。一方は第２基板２００に近づく方向に振動子が傾き、もう一方は遠ざかる方向に振動子が傾く。その容量差分を検出することで、印加される角速度を算出する。
When the Coriolis force F C is generated, the first and second vibrators 101-1 and 101-2 vibrate in the Z-axis direction. At that time, a change in capacitance appears between the detection electrode 210-1 and the first vibrator 101-1 installed on the
ここで重要なことは、角速度Ωが印加されたときには検出電極２１０−１と第１振動子１０１−１および検出電極２１０−２と第２振動子１０１−２に発生する容量変化量が異なるが、並進加速度が印加された際には、発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、角速度印加の時に発生する加速度成分を除去できる構造となっている。 What is important here is that when the angular velocity Ω is applied, the capacitance change amounts generated in the detection electrode 210-1, the first vibrator 101-1 and the detection electrode 210-2, and the second vibrator 101-2 are different. When the translational acceleration is applied, the generated capacity change amount does not differ, and therefore no difference in capacity occurs even if the difference is taken. Therefore, it has a structure capable of removing the acceleration component generated when the angular velocity is applied.
また、ローレンツ力ＦLを発生させた際、第２振動子１０１−２上に形成された電極２１０６−２には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、ローレンツ力ＦLと同じ周期を持って発生している。容量変化を読み取る際、検出電極２１０−１、２１０−２と第１、第２振動子１０１−１、１０１−２間に搬送波を乗せ、容量変化により発生した電流を増幅することにより実際の信号を取り出す。搬送波は同期検波により除去され、また駆動波に関しても誘導起電力の周期成分で検波することにより、角速度に対応した直流信号を取り出すことができる。 Also, when that caused the Lorentz force F L, induced electromotive force is generated in the electrode 2106-2 formed on the second oscillator 101-2. The induced electromotive force is generated with the same period as the Lorentz force F L. When reading the capacitance change, a carrier wave is placed between the detection electrodes 210-1 and 210-2 and the first and second vibrators 101-1 and 101-2, and an actual signal is amplified by amplifying the current generated by the capacitance change. Take out. The carrier wave is removed by synchronous detection, and a DC signal corresponding to the angular velocity can be extracted by detecting the driving wave with the periodic component of the induced electromotive force.
上記角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を、図７〜図１３の概略構成断面図および平面図によって説明する。 One embodiment according to the method of manufacturing the angular velocity detection device will be described with reference to schematic sectional views and plan views of FIGS.
図７（ａ）に示すように、上部シリコン層１５０−１と下部シリコン層１５０−２との間に絶縁層１２２を挟み込んでなるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１５０を用いる。上記絶縁層１２２は、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ2）で形成されている。ここで、下部シリコン層１５０−２は、上記実施例１における第１基板１００に相当する。以下、第１基板１００として説明する。このＳＯＩ基板１５０で振動子および支持弾性体（例えばバネ）を形成する。さらに、図示はしないが、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とにより、第２基板（図示せず）との位置合わせに用いるアライメントマ−クおよびダイシングラインとなるマーク（図示せず）を形成する。これは、後に説明するシリコン基板からなる第１基板１００と第２基板（図示せず）との陽極接合時のアライメントおよび第１基板１００を切り出す際の目印となるものである。
As shown in FIG. 7A, an SOI (Silicon on Insulator)
次に、上部シリコン層１５０−１を所望の膜厚となるようＳＯＩ基板１５０の上部シリコン層１５０−１側の全面をエッチングする。このエッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたウエットエッチングや化学的もしくは物理的ドライエッチで行うことができる。また、上部シリコン層１５０−１の所望の膜厚が予めわかっているならば、所望の膜厚の上部シリコン層１５０−１を有するＳＯＩ基板を用意しても良い。
Next, the entire surface of the
次に、図７（ｂ）に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって、上部シリコン層１５０−１を加工して陽極接合のフレ−ム部１２１を形成する。このエッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたウエットエッチングや化学的もしくは物理的ドライエッチで行うことができる。このエッチングにおいて、振動子の膜厚および支持弾性体の膜厚が決定される。
Next, as shown in FIG. 7B, the upper silicon layer 150-1 is processed by a normal lithography technique and an etching technique to form a
次に、図８（ｃ）に示すように、上部シリコン層１５０−１に掘り込み部１１１−１、１１１−２の形成、同時に支持弾性体（例えばバネ）および支持部となる部分も掘り込み部１１１−１、１１１−２と同様にエッチングする。 Next, as shown in FIG. 8C, the digging portions 111-1 and 111-2 are formed in the upper silicon layer 150-1, and the supporting elastic body (for example, a spring) and the portion that becomes the supporting portion are digging at the same time. Etching is performed in the same manner as the portions 111-1 and 111-2.
次に、図８（ｄ）示すように、上部シリコン層１５０−１上に絶縁膜１０７を形成した後、リソグラフィー技術、エッチング技術等を用いて上記絶縁膜１０７をパターニングして、振動子の形成予定領域上の一部、バネの形成予定領域上および支持部の形成予定領域上に絶縁膜１０７−１を形成するとともに、振動子のストッパとなる絶縁膜１０７−２を形成する。この絶縁膜１０７は、掘り込み部１１１−１、１１１−２の側壁にも形成されてもよい。上記絶縁膜１０７は、電極と下部シリコン層２０１−２との絶縁性を保持できるものであれば何でも良い。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）や窒化シリコン（ＳｉＮ）などで形成することができる。また、振動子の形成予定領域上にも絶縁膜１０７−２を形成することから、振動子と第２基板側電極の接触時の絶縁性も保持できるようになる。
Next, as shown in FIG. 8D, after the insulating
次に、上記絶縁膜１０７−１上に電極（ローレンツ印加のための配線および誘導起電力検出のための配線）１０８−１、１０８−２を形成する。配線材料は電子線蒸着法により形成した。本実施例においては、配線のパターニングは、リフトオフ法により行うことができ、またはリソグラフィー技術によりマスクを作製した後にそのマスクを用いたウエットエッチングもしくはドライエッチングによって行うこともできる。また本実施例においては、配線材料として、金、白金、クロムの三層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの三層金属材料、金とクロム、金と白金、金とチタンなどの二層金属材料や、チタンの代わりに、窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いることができる。 Next, electrodes (wiring for applying Lorentz and wiring for detecting induced electromotive force) 108-1 and 108-2 are formed on the insulating film 107-1. The wiring material was formed by electron beam evaporation. In this embodiment, the patterning of the wiring can be performed by a lift-off method, or can be performed by wet etching or dry etching using the mask after the mask is manufactured by a lithography technique. In this example, a three-layer metal material of gold, platinum, and chromium was used as the wiring material. However, a three-layer metal material of gold, platinum, and titanium, gold and chromium, gold and platinum, gold and titanium, etc. A double layer metal material or a laminated material of titanium nitride and titanium may be used instead of titanium. Further, copper may be used instead of chromium or titanium. As a formation method, a sputtering method or a CVD method can be used.
次に、図９（ｅ）および図１０に示すように、通常のリソグラフィー技術により、振動子、バネ、陽極接合のためのフレ−ム部を形成するマスクを作製し、そのマスクを用いたエッチング技術により、振動子１０１−１、１０１−２、振動子１０１−１、１０１−２を支持する支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、振動子１０１−１、１０１−２を連結する支持弾性体１０２−５、１０２−６、支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４をそれぞれ支持する支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４を形成する。また陽極接合のためのフレ−ム部１２１を形成する。上記エッチングは、例えば反応性イオンエッチングを用いることができる。この振動子３０１を形成するエッチング加工において、振動子１０１−１、１０１−２に多数の貫通孔１０４を形成することが好ましい。この貫通孔１０４の配置は、振動子１０１−１、１０１−２の面内を小区画に区切った場合、各区画において貫通孔１０４の形成密度が均等な密度分布を持つような配置であれば、ランダムな配置であっても良く、または等間隔に配置されたものであっても良い。なお、図９（ｅ）は図１０中のＤ−Ｄ’線における断面図であるが、図９（ｅ）および図１０の縮尺は必ずしも一致させていない。
Next, as shown in FIG. 9 (e) and FIG. 10, a mask for forming a frame portion for a vibrator, a spring, and an anodic bonding is prepared by an ordinary lithography technique, and etching using the mask is performed. By the technology, the vibrators 101-1, 101-2, the support elastic bodies 102-1, 102-2, 102-3, 102-4 that support the vibrators 101-1, 101-2, the vibrator 101-1, Support elastic bodies 102-5, 102-6 for connecting 101-2 and support elastic bodies 103-1, 103-2, 103 for supporting the elastic support bodies 102-1, 102-2, 102-3, 102-4, respectively. -3, 103-4. Also, a
次に、図９（ｆ）に示すように、絶縁層１２２をエッチングにより除去する。その際、各支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４の下部の絶縁層１２２およびフレ−ム部１２１の下部の絶縁層１２２は残して、第１基板１００と接続させる。他の部分は中空構造となる。これにより振動子１０１−１、１０１−２、支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、１０２−５、１０２−６〔前記図１０参照〕が浮動状態に形成される。
Next, as shown in FIG. 9F, the insulating
次に、第２基板の作製方法を以下に説明する。 Next, a method for manufacturing the second substrate will be described below.
図１１（ａ）に示すように、第２基板２００に電極（配線）材料層２１０を電子ビ−ム蒸着により形成する。上記第２基板２００には、例えばガラス基板を用いることができる。上記電極材料としては、金、白金、クロムの三層金属材料を用いることができ、さらに金、白金、チタンの三層金属材料、金とクロム、金と白金、白金とクロム、金とチタン、白金とチタンなどの二層金属材料を用いることができ、上記チタンの代わりに窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いても良い。
As shown in FIG. 11A, an electrode (wiring)
次に、図１１（ｂ）に示すように、無電解めっき法により、上記電極材料層２０７表面にコンタクト部２２０を形成する。このコンタクト部２２０は、例えば金めっきにより形成されるもので、陽極接合後の第１基板〔前記図９（ｋ）参照〕側の電極とのコンタクトを取るものである。したがって、陽極接合後の第１基板に形成される電極のコンタクト部に対向する位置に形成される。本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。
Next, as shown in FIG. 11B, a
次に、図１１（ｃ）に示すように、リソグラフィー技術によって電極形成のためのマスクを形成した後、そのマスクを用いたエッチング技術によって、上記電極材料層２１０をパターニングして、第２基板２００側の対向電極２１０−１、２１０−２および引き出し電極２１０−３、２１０−４を形成する。
Next, as shown in FIG. 11C, after a mask for electrode formation is formed by a lithography technique, the
次に、第１基板と第２基板の組立方法を説明する。 Next, a method for assembling the first substrate and the second substrate will be described.
次に、図１２（ａ）に示すように、陽極接合法により、ガラス基板からなる第２基板２００とシリコンからなるフレ−ム部１２１を接合させる。その際、支持部１０３−１、１０３−２および支持部１０３−３、１０３−４上に形成されているもので、ロ−レンツ力を発生させる電極１０８−１および電極１０８−２のパッド部に対して上記コンタクト部２２０をコンタクトさせる。その際、例えば金製の支柱（図示せず）を用いる。この金製の支柱は、無電界めっき方によって各電極のパッド毎に複数配置するように形成される。これにより、陽極接合時に金製の支柱がばね状に屈曲し、適度なテンションをもって第２基板２００側と接続することができる。なお、スプリングコンタクトや、金バンプを用いる接続方法もあるが、上記金製の支柱を用いるコンタクト方法の場合、ガラス基板である第２基板２００に過度な応力をかけることも無く、また、作製方法も極めて簡単である。また、本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。
Next, as shown in FIG. 12A, the
次に、図示はしないが、第１基板１００側および第２基板２００をダイシングによりカットし、個別チップを形成する。最後に、図１３（ｂ）に示すように、第１基板１００の下部に磁石１２４を形成し、図示はしないが、例えばワイヤーボンディングにより、引き出し電極２１０−３、２１０−４よりを引き出して、角速度検出装置１のチップが作製される。
Next, although not shown, the
本発明の角速度検出装置の製造方法では、振動子１０１−１、１０１−２に形成する電極１０８−１、１０８−２は、振動子１０１−１、１０１−２に掘り込み部１１１−１、１１１−２を形成した後、その掘り込み部部１１１−１、１１１−２内に形成されるため、振動子１０１−１、１０１−２が振動した際に、電極１０８−１、１０８−２は変位検出手段を構成する対向電極２１０−１、２１０−２と接触することがなくなるように形成でき、振動子１０１−１、１０１−２の変位の検出が確実に行うことができる角速度検出装置３を提供できるという利点がある。また、上記第１実施例で説明したような作用効果を生じる角速度検出装置を形成することができる。 In the method for manufacturing the angular velocity detection device of the present invention, the electrodes 108-1 and 108-2 formed on the vibrators 101-1, 101-2 are dug into the vibrators 101-1, 101-2, 111-1, After forming 111-2, the electrodes 108-1 and 108-2 are formed when the vibrators 101-1 and 101-2 vibrate because they are formed in the dug portions 111-1 and 111-2. Can be formed so as not to come into contact with the counter electrodes 210-1 and 210-2 constituting the displacement detection means, and the angular velocity detection device capable of reliably detecting the displacement of the vibrators 101-1 and 101-2. 3 can be provided. Further, it is possible to form an angular velocity detecting device that produces the operational effects described in the first embodiment.
本発明の角速度検出装置および角速度検出装置の製造方法は、角速度センサ素子に適用することができ、また、その他各種センサ（加速度、圧力、角速度、分子系…）やアクチュエータ、光学素子（ミラーや導波路）などにも同様に適用することができる。 The angular velocity detection device and the manufacturing method of the angular velocity detection device of the present invention can be applied to angular velocity sensor elements, and various other sensors (acceleration, pressure, angular velocity, molecular system,...), Actuators, optical elements (mirrors and waveguides). The same applies to a waveguide).
１…角速度検出装置、１０…基板、１１…振動子、１２−１，１２−２…支持弾性体、１３−１，１３−２…支持部、Ｆ…力、Ｇ…振動子系の重心、Ｍ…磁力線
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記基板の表面に設けられた支持部と、
前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、
前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な振動子と、
前記振動子を一定の励振方向に振動させる磁性体と、
前記振動子に設けられた電極と
を備えた角速度検出装置において、
前記電極は、前記磁性体の磁力線と前記電極を流れる電流とにより発生する力の方向と、前記振動子および前記電極からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている
ことを特徴とする角速度検出装置。 A substrate,
A support provided on the surface of the substrate;
A support elastic body having one end connected to the support;
A vibrator that is supported on the other end of the support elastic body in a floating state with a certain distance from the substrate surface and is displaceable with respect to the substrate;
A magnetic body that vibrates the vibrator in a constant excitation direction;
In an angular velocity detection device comprising: an electrode provided on the vibrator;
The electrode is disposed at a position where a direction of a force generated by a magnetic force line of the magnetic body and a current flowing through the electrode coincides with a center of gravity of the vibrator system including the vibrator and the electrode. An angular velocity detection device.
ことを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
The straight line connecting the position where the force generated by the magnetic lines generated from the magnetic body and the current flowing through the electrode is applied to the vibrator and the center of gravity of the vibrator system, and the vibrator system only performs translational motion. The angular velocity detection device according to claim 1, wherein an intersection angle with a motion plane of the vibrator system when performing is within 1.6 degrees.
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