JP2006153481A - Dynamic quantity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可撓性を有する部材に支持された可動部を備え、この可動部の姿勢変化に基づいて作用する力学量を検出する力学量センサに関する。 The present invention relates to a mechanical quantity sensor that includes a movable part supported by a flexible member and detects a mechanical quantity that acts based on a change in posture of the movable part.
加速度センサや角速度センサなどの力学量センサは、ビデオカメラの手ぶれ補正装置や車載用のエアバッグ装置、ロボットの姿勢制御装置など広い分野で用いられている。
これらの力学量センサの１つに、半導体基板を加工して形成される半導体容量式加速度センサがある。
この半導体容量式加速度センサには、シリコン基板をエッチングして中央部分に質量体である錘部が形成されている。この錘部は、可撓性を有する梁（ビーム）部によって、フレーム（固定部）に弾性支持される構造となっている。
そして、半導体加速度センサが衝撃等の外力を受けると、可動体である錘部に応力が作用する。すると、錘部は応力の作用により状態が傾く。即ち、姿勢が変化する。
この錘部の姿勢の変化を解析することによって、作用する外力の向きや大きさを検出することができる。
Mechanical quantity sensors such as an acceleration sensor and an angular velocity sensor are used in a wide range of fields such as a camera shake correction device for a video camera, an in-vehicle airbag device, and a robot posture control device.
One of these mechanical quantity sensors is a semiconductor capacitive acceleration sensor formed by processing a semiconductor substrate.
In this semiconductor capacitance type acceleration sensor, a silicon substrate is etched, and a weight portion which is a mass body is formed at a central portion. The weight portion is structured to be elastically supported by the frame (fixed portion) by a flexible beam portion.
When the semiconductor acceleration sensor receives an external force such as an impact, a stress acts on the weight portion that is a movable body. Then, the weight part is inclined by the action of stress. That is, the posture changes.
By analyzing the change in the posture of the weight part, the direction and magnitude of the acting external force can be detected.
錘部の姿勢の変化は、錘部に設けられた可動電極と、この可動電極と対になるように固定側に設けられた固定電極との間の距離の変化を測定することにより検出することができる。電極間の距離の変化は、電極間の静電容量の変化を検出することにより電気的に検出する。電極間の静電容量は、静電容量／電圧変換（Ｃ／Ｖ変換）回路を用いて電気的に検出することができる。
また、このような半導体容量式加速度センサにおけるセンサ感度を向上させる技術が、下記の特許文献をはじめ種々提案されている。
The change in the posture of the weight part is detected by measuring the change in the distance between the movable electrode provided on the weight part and the fixed electrode provided on the fixed side so as to be paired with the movable electrode. Can do. The change in the distance between the electrodes is electrically detected by detecting the change in the capacitance between the electrodes. The capacitance between the electrodes can be electrically detected using a capacitance / voltage conversion (C / V conversion) circuit.
Various techniques for improving the sensor sensitivity of such a semiconductor capacitive acceleration sensor have been proposed, including the following patent documents.
特許文献１には、錘部を対称に配置した長手の梁部で弾性支持する技術が提案されている。
梁部の長さを長くすることにより、微小な加速度であっても錘部の変位量が大きくなり、錘部の姿勢変化の検出が容易となる。従って、センサの感度が高くなる。
また、錘部に設けられた可動電極が固定電極に接するまで変位した場合であっても、梁部の撓み量は少なくなり、それだけ耐衝に対して強くなる。
Increasing the length of the beam portion increases the amount of displacement of the weight portion even with a small acceleration, and facilitates detection of the posture change of the weight portion. Therefore, the sensitivity of the sensor is increased.
Further, even when the movable electrode provided on the weight part is displaced until it comes into contact with the fixed electrode, the amount of bending of the beam part is reduced, and the resistance to impact is increased accordingly.
上述した特許文献１に記載されている技術の他にも、半導体容量式加速度センサにおけるセンサ感度を向上させる技術が提案されている。
例えば、電極の面積を大きくして静電容量の検出感度を向上させる技術や、錘部の体積を大きくしてセンサの感度を高める技術が提案されている。
In addition to the technique described in
For example, a technique for increasing the area of the electrode to improve the detection sensitivity of the capacitance and a technique for increasing the volume of the weight portion to increase the sensitivity of the sensor have been proposed.
ところで、力学量センサにおけるセンサ感度のばらつきは、センサを構成する部材寸法の誤差（ばらつき）率の増大にも起因している。例えば、錘部は、この錘部を弾性支持する梁部の撓み加減によって、傾きの度合いが変化するようになっている。
そのため、梁部の寸法の誤差率が増大してしまうと、梁部の寸法精度に依存している梁部のばね定数の誤差も増大してしまい、結果としてセンサ感度のばらつきをもたらしてしまう。
半導体基板を加工して形成されるセンサにおいては、梁部の厚みは１０μｍ程度であるため、寸法誤差が１μｍ程度であっても、厚み方向の寸法の誤差率は１０％となってしまう。
そこで、本発明は、梁部寸法の誤差率を低減させることによってセンサ感度のばらつきを減少させることができる力学量センサを提供することを目的とする。
Incidentally, variations in sensor sensitivity in the mechanical quantity sensor are also caused by an increase in the error (variation) rate of the dimensions of the members constituting the sensor. For example, the degree of inclination of the weight portion changes depending on the bending of the beam portion that elastically supports the weight portion.
Therefore, if the error rate of the beam portion dimension increases, the error of the spring constant of the beam portion that depends on the dimensional accuracy of the beam portion also increases, resulting in variations in sensor sensitivity.
In a sensor formed by processing a semiconductor substrate, since the thickness of the beam portion is about 10 μm, even if the dimensional error is about 1 μm, the dimensional error rate in the thickness direction is 10%.
Therefore, an object of the present invention is to provide a mechanical quantity sensor that can reduce variations in sensor sensitivity by reducing an error rate of a beam portion dimension.
請求項１記載の発明では、フレームと、前記フレームに固定され、シリコンより低いヤング率を有する部材で形成された梁部と、前記梁部で支持され、外力の作用により姿勢が変化する錘部と、前記錘部の姿勢変化を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記錘部の姿勢の変化量を力学量に変換する変換手段と、を備えることにより前記目的を達成する。
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記梁部は、酸化膜で形成されている。
請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２記載の発明において、前記錘部は、絶縁膜上にシリコン層が形成されたＳＯＩ基板の前記シリコン層で形成され、前記梁部は、前記絶縁膜で形成されている。
請求項４記載の発明では、請求項１、請求項２または請求項３記載の発明において、補足部材を前記梁部に積層する。
なお、請求項４記載の発明における補足部材は、例えば、前記梁部を形成する部材より低いヤング率を有する部材であることが好ましい。
請求項５記載の発明では、請求項４記載の発明において、前記補足部材は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）による酸化膜、ポリイミド、アルミニウム薄膜、または厚膜レジストである。
請求項６記載の発明では、請求項３、請求項４または請求項５記載の発明において、前記錘部の可動隙間は、前記錘部の周部の前記シリコン層をエッチングして形成されている。
請求項７記載の発明では、請求項１乃至請求項６のうちのいずれか１の請求項に記載の発明において、前記錘部に設けられた可動電極と、前記可動電極と隙間を介して配置された固定電極と、を備え、前記検出手段は、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、前記錘部の姿勢変化を検出する。
請求項８記載の発明では、請求項１乃至請求項７のうちのいずれか１の請求項に記載の発明において、前記錘部を所定の周期で振動させる駆動手段を備え、前記検出手段は、前記錘部の振動方向と直交する面に対する前記錘部の傾きを検出し、前記変換手段は、前記錘部の傾き量を角速度に変換する。
In the first aspect of the present invention, a frame, a beam portion fixed to the frame and formed of a member having a Young's modulus lower than that of silicon, and a weight portion that is supported by the beam portion and changes its posture by the action of an external force. And the detecting means for detecting the posture change of the weight portion and the converting means for converting the amount of change in the posture of the weight portion detected by the detecting means into a mechanical quantity.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the beam portion is formed of an oxide film.
In the invention of
According to a fourth aspect of the present invention, in the first, second, or third aspect, a supplementary member is laminated on the beam portion.
In addition, it is preferable that the supplementary member in invention of
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the supplementary member is an oxide film, polyimide, aluminum thin film, or thick film resist made of TEOS (tetraethoxysilane).
According to a sixth aspect of the present invention, in the third, fourth or fifth aspect of the present invention, the movable gap of the weight portion is formed by etching the silicon layer around the weight portion. .
The invention according to
The invention according to
本発明によれば、梁部をシリコンより低いヤング率の部材で形成することにより、所定のばね定数となるように梁部の厚みを設定する際に、シリコンで梁部を形成した場合と比較してその厚みを増大させることができる。これにより、梁部の厚みにおける設計値に対する誤差（ばらつき）率を小さくすることができる。そして、梁部の誤差率が小さくなることにより力学量センサの感度のばらつきを低減させることができる。 According to the present invention, when the beam portion is formed of a member having a Young's modulus lower than that of silicon, and the thickness of the beam portion is set so as to have a predetermined spring constant, it is compared with the case where the beam portion is formed of silicon. Thus, the thickness can be increased. Thereby, the error (variation) rate with respect to the design value in the thickness of a beam part can be made small. And the dispersion | variation in the sensitivity of a mechanical quantity sensor can be reduced because the error rate of a beam part becomes small.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図１〜図９を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、力学量センサの一例として静電容量検出型角速度センサ（以下、角速度センサとする）を用いて説明する。
本実施の形態に係る角速度センサは、半導体基板を加工して形成された半導体センサである。
なお、本実施の形態では、静電容量検出型角速度センサを例にとり説明を行うが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、加速度センサや圧力センサ等の容量変化検出型の力学量センサ全般に当てはまる。
図１は、本実施の形態に係る角速度センサの概略構造を示した斜視図である。
なお、図１では、角速度センサの構造をわかりやすく表現するために、各層の構造を離して表現しているが、実際は、各層が積層した状態で構成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the present embodiment, a capacitance detection type angular velocity sensor (hereinafter referred to as an angular velocity sensor) will be described as an example of a mechanical quantity sensor.
The angular velocity sensor according to the present embodiment is a semiconductor sensor formed by processing a semiconductor substrate.
In the present embodiment, a capacitance detection type angular velocity sensor will be described as an example, but the present embodiment is not limited to this. For example, this applies to general mechanical quantity sensors of a capacitance change detection type such as an acceleration sensor and a pressure sensor.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of an angular velocity sensor according to the present embodiment.
In FIG. 1, in order to express the structure of the angular velocity sensor in an easy-to-understand manner, the structure of each layer is shown separately, but in actuality, each layer is configured in a stacked state.
図１に示すように、角速度センサは、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）構造体１が上部硝子基板２および下部硝子基板３よって上下方向から挟み込まれた３層構造となっている。
ＳＯＩ構造体１は、ＳＯＩ基板を加工することによって形成されている。なお、ＳＯＩ基板とは、酸化膜絶縁層（ＳｉＯ２）上にシリコン結晶層（Ｓｉ）を形成した基板である。ＳＯＩ構造体１は、最上層から順に、接合層４、梁部形成層５、可動錘形成層６から構成されている。
接合層４および可動錘形成層６はシリコン結晶層からなり、梁部形成層５は、酸化膜絶縁層からなる。
このＳＯＩ構造体１の詳細構造については後述する。
As shown in FIG. 1, the angular velocity sensor has a three-layer structure in which an SOI (silicon-on-insulator)
The
The
The detailed structure of the
上部硝子基板２および下部硝子基板３は、ＳＯＩ構造体１を封止するように接合された硝子基板である。上部硝子基板２および下部硝子基板３は、それぞれ、ＳＯＩ構造体１の接合層４および可動錘形成層６と陽極接合によって接合されている。
陽極接合とは、硝子基板（上部硝子基板２、下部硝子基板３）側に陰極電圧を与え、硝子−シリコン間の静電引力を利用して接合する接合方法である。
なお、硝子基板とＳＯＩ構造体１との接合方法は、陽極接合に限定されるものではない。例えば、接合面に金属を積層させて接合する共晶接合等を用いるようにしてもよい。
このような共晶接合を用いた場合には、上部硝子基板２と梁部形成層５を直に接合することができる。そのため、陽極接合を利用する場合に必要であったシリコン結晶からなる接合層４が不要となる。
上部硝子基板２および下部硝子基板３の詳細構造については後述する。
The
The anodic bonding is a bonding method in which a cathode voltage is applied to the glass substrate (
Note that the method for bonding the glass substrate and the
When such eutectic bonding is used, the
The detailed structure of the
次にＳＯＩ構造体１の詳細構造について説明する。
図１に示すように、ＳＯＩ構造体１を構成する可動錘形成層６には、錘部６１ａ〜ｅからなる錘体６１およびフレーム（枠）部６２が形成されている。
錘体６１およびフレーム部６２は、ＳＯＩ基板の酸化膜絶縁層（梁部形成層５）に到達するまで、シリコン結晶からなる可動錘形成層６を垂直にエッチングすることによって形成する。
可動錘形成層６（シリコン結晶層）を垂直にエッチングする際には、プラズマによる深いトレンチエッチングを施すＤ−ＲＩＥ（ディープ−リアクティブ・イオン・エッチング）技術を利用して行う。
Next, the detailed structure of the
As shown in FIG. 1, the movable
The
When the movable weight forming layer 6 (silicon crystal layer) is etched vertically, a D-RIE (Deep-Reactive Ion Etching) technique for performing deep trench etching with plasma is used.
錘体６１は、中央部に位置する角柱状の錘部６１ａ、この錘部６１ａの４隅にそれぞれバランスを保って配設された角柱状の錘部６１ｂ〜ｅから構成されている。なお、錘部６１ａ〜ｅは、連続した固体として一体に形成されている。
フレーム部６２は、錘体６１を囲むように配置され、ＳＯＩ構造体１の枠組みを構成する。フレーム部６２は、ＳＯＩ構造体１において、可動体である錘体６１に対して固定された固定部（固定側）として機能する。
フレーム部６２と下部硝子基板３とを接合することにより、ＳＯＩ構造体１が下部硝子基板３に固定される。
なお、本実施の形態に係る角速度センサにおいては、上部硝子基板２および下部硝子基板３も可動体である錘体６１に対して固定された固定部（固定側）として機能する。
The
The
The
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the
可動錘形成層６の上層に、酸化膜絶縁層からなる梁部形成層５が積層されている。この梁部形成層５における酸化膜絶縁層によって、錘体６１をフレーム部６２に弾性支持するための梁部５１が形成されている。
梁部５１は、錘部６１ａの中心から放射方向に（フレーム部６２の方向に）十字方向に延びる４つの帯状の薄膜部材であり、可撓性を有している。
このフレーム部６２に固定された４本の十字形状の梁部５１で錘体６１が支えられている。
また、酸化膜絶縁層は、錘体６１およびフレーム部６２の上面にも積層されている。このように、梁部５１だけでなく、錘体６１やフレーム部６２に積層することにより、即ち、エッチングせずに残しておくことにより、梁部５１の耐剥離性などの強度を保持することができる。
A beam
The
The
The oxide film insulating layer is also laminated on the upper surfaces of the
梁部形成層５（酸化膜絶縁層）の上層には、シリコン結晶からなる接合層４が積層されている。接合層４は、ＳＯＩ構造体１を上部硝子基板２と陽極接合する際に静電引力を作用させるために必要となる層である。この接合層４では、フレーム部６２と重複する領域にシリコン結晶が積層されている。なお、梁部５１および錘体６１と重複する領域のシリコン結晶はエッチング処理されており、積層されていない。
On the beam forming layer 5 (oxide film insulating layer), a
図２は、ＳＯＩ構造体１を上部硝子基板２側から見た図である。
錘部６１ａ〜ｅおよび梁部５１の上層には酸化膜絶縁層が積層されている。さらに、錘部６１ａ〜ｅおよび梁部５１上層の酸化膜絶縁層の上層には、アルミニウム薄膜が積層されている。このアルミニウム薄膜が積層されている領域を図中に斜線領域で示す。
このアルミニウム薄膜は、梁部５１とフレーム領域との接合部（図中Ｂに示す）において、ＳＯＩ構造体１の接合層４とコンタクト（電気的に接合）している。
なお、このアルミニウム薄膜は、梁部形成層５（酸化膜絶縁層）上の電極８を構成している。この電極８は、後述する検出電極２１と対になって静電容量素子（静電素子）Ｃ１を構成している。
FIG. 2 is a view of the
An oxide film insulating layer is laminated on the
This aluminum thin film is in contact (electrically bonded) with the
This aluminum thin film constitutes an
図１０は、図２における破線部Ｂ（接合部）の拡大断面を示した図である。
ここで、アルミニウム薄膜からなる電極８とＳＯＩ構造体１の接合層４とのコンタクト（接合）方法について説明する。
シリコン結晶層（Ｓｉ）からなる接合層４におけるコンタクト（接合）部位には、中心方向からフレーム領域方向に一部が凹んだ段差部が形成されている。この段差部の上部硝子基板２側の領域に拡散層（例えばｎ＋層）４１が埋込形成されている。なお、拡散層４１は、ヒ素イオンを注入することによって形成されている。
そして、アルミニウム薄膜（電極８）は、その端部を拡散層４１と接合させることによって接合層４と電気的に結合される。
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of broken line portion B (joint portion) in FIG.
Here, a contact (bonding) method between the
At the contact (bonding) portion of the
The aluminum thin film (electrode 8) is electrically coupled to the
また、電極８は、後述する駆動電極２２と対になり、両電極間に交流電圧（信号）を印加することによって静電引力を作用させ、錘体６１を上下方向に振動させる駆動手段を構成している。
さらに、ＳＯＩ構造体１には、電気接点であるコンタクト７が設けられている。コンタクト７は、ＳＯＩ構造体１の中心に設けられた導通用のピンまたはスルーホールによって形成されている。
このコンタクト７は、梁部形成層５（酸化膜絶縁層）の上層に積層されているアルミニウム薄膜（電極８）と、梁部形成層５（酸化膜絶縁層）の下層に形成されている錘体６１とを電気的に接続し、同電位状態とするためのものである。
The
Further, the
The
図３は、上部硝子基板２をＳＯＩ構造体１側から見た図である。
上部硝子基板２におけるＳＯＩ構造体１との対向面には、錘体６１の可動用のギャップ（可動隙間）が凹み形成されている。そのため、上部硝子基板２は断面コの字型の形状をしている。
上部硝子基板２の凹み領域の底面部には、図３に示すように複数の電極が設けられている。
詳しくは、錘体６１における錘部６１ｂ〜ｅと対向する位置にそれぞれ設けられた検出電極２１、錘部６１ａを中心として十字方向に延びる駆動電極２２が設けられている。
検出電極２１および駆動電極２２には、それぞれ電極を上部硝子基板２の外側へ引き出すための電極パッド２３、２４が設けられている。この電極パッド２３、２４を介して、検出電極２１および駆動電極２２が外部配線と接続されるようになっている。
また、上部硝子基板２には、ＳＯＩ構造体１におけるグランドレベル（接地レベル）の電位を保持するための電極パッド２５が設けられている。
FIG. 3 is a view of the
On the surface of the
A plurality of electrodes are provided on the bottom surface of the recessed area of the
Specifically, the
The
The
図４は、上部硝子基板２を外側から見た図である。
図４に示すように、上部硝子基板２の外側面には、内側面、即ちＳＯＩ構造体１との対向面の各電極から引き出された電極パッド２３〜２５が設けられている。
なお、下部硝子基板３は、上述した上部硝子基板２と対称構造となっているための詳細な説明は省略する。下部硝子基板３においても、上部硝子基板２と同様に、検出電極３１、駆動電極３２、電極パッド３３〜３５が設けられている。これらの部位は、上部硝子基板２に設けられている検出電極２１、駆動電極２２、電極パッド２３〜２５と対向する位置に配置されている。
上部硝子基板２に配置されている検出電極２１および駆動電極２２、下部硝子基板３に配置されている検出電極３１および駆動電極３２は、固定側電極（固定電極）として機能する。
また、アルミニウム薄膜により形成された電極８および錘体６１の底面（検出電極３１、駆動電極３２との対向面）は、固定側電極（固定電極）に対して可動側電極（可動電極）として機能する。
FIG. 4 is a view of the
As shown in FIG. 4,
The
The
Further, the
次に、このような構成を有する角速度センサにおける角速度の検出動作について説明する。
図５は、角速度センサの概略断面を示した図である。
なお、図５は、図２に示す線分Ａ−Ａの位置における角速度センサの断面を示した図である。
また、本実施の形態に係る角速度センサには、図示しないセンサの制御を行う制御回路（制御装置）を備えている。そして、上部硝子基板２および下部硝子基板３の外側面に設けられた電極パッド２３〜２５、３３〜３５と、制御回路とが外部配線によって接続されている。これらの電極パッド２３〜２５、３３〜３５を介して、内部の電極への電圧（信号）を印加、内部の電極からの電圧（信号）の引出を行っている。
Next, the angular velocity detection operation in the angular velocity sensor having such a configuration will be described.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the angular velocity sensor.
5 is a diagram showing a cross section of the angular velocity sensor at the position of the line segment AA shown in FIG.
Further, the angular velocity sensor according to the present embodiment includes a control circuit (control device) that controls a sensor (not shown). And the electrode pads 23-25, 33-35 provided in the outer surface of the
角速度センサは、駆動電極２２と電極８との間、および駆動電極３２と錘体６１との間に交流電圧を印加する。但し、電極８と錘体６１とは、コンタクト７により同電位、詳しくは、グランド電位（接地電位）に保持されている。
そして、駆動電極２２と電極８との間、および駆動電極３２と錘体６１との間に働く静電力により錘体６１を上下振動させる。
上下方向とは、角速度センサを構成する基板の積層方向と同一方向であり、この方向をｚ方向と定義する。
The angular velocity sensor applies an AC voltage between the
Then, the
The vertical direction is the same direction as the stacking direction of the substrates constituting the angular velocity sensor, and this direction is defined as the z direction.
錘体６１を上下振動させるために印加する交流電圧の周波数、即ち、錘体６１の振動周波数は、錘体６１が共振振動する３ｋＨｚ程度の共振周波数ｆに設定されている。このように、錘体６１を共振周波数ｆで振動させることにより錘体６１の大きな変位量を得ることができる。
この速度ｖで振動している質量ｍの錘体６１の周りに角速度Ωが加わると、錘体６１の中心には、“Ｆ＝２ｍｖΩ”のコリオリ力が錘体６１の運動方向に対し直交する方向に発生する。
The frequency of the alternating voltage applied to vibrate the
When an angular velocity Ω is applied around the
このコリオリ力Ｆが発生すると、錘体６１にねじれが加わり錘体６１の姿勢が変化する。即ち、錘体６１の振動の運動方向と直交する面に対して、錘体６１が傾く。この錘体６１の姿勢の変化（傾き、ねじれ量）を検出することによって、作用する角速度の向きや大きさを検出するようになっている。
錘体６１の姿勢の変化は、検出電極２１と電極８とで構成される静電素子Ｃ１、および検出電極３１と錘体６１の底面とで構成される静電素子Ｃ２、これらの静電素子における静電容量の変化を検出することによって行う。
つまり、固定電極と可動電極との距離の変化を検出することによって錘体６１の姿勢の変化を検出している。
なお、電極間の静電容量は、静電容量／電圧変換（Ｃ／Ｖ変換）回路を用いて電気的に検出することができる。
検出された錘体６１の姿勢の変化（傾斜方向、傾斜度合い等）に基づいて発生したコリオリ力Ｆを検出する。そして、検出されたコリオリ力Ｆに基づいて、角速度Ωを算出（導出）する。つまり、錘体６１の姿勢の変化量を角速度に変換する。
錘体６１の姿勢の変化量は、予め制御装置に記憶されている角速度算出プログラムを起動し、所定の演算処理を行うことによって角速度に変換される。
When this Coriolis force F is generated, the
The change in the posture of the
That is, a change in the posture of the
The capacitance between the electrodes can be electrically detected using a capacitance / voltage conversion (C / V conversion) circuit.
Coriolis force F generated based on the detected change in the posture of the weight body 61 (inclination direction, inclination degree, etc.) is detected. Then, the angular velocity Ω is calculated (derived) based on the detected Coriolis force F. That is, the amount of change in the posture of the
The amount of change in the posture of the
ところで、錘体６１の振動周波数、即ち共振周波数ｆは、錘体６１の質量ｍおよび錘体６１を支持する梁部５１のばね定数ｋによって決まる値である。
ここで、この梁部５１のばね定数ｋについて図６を参照して説明する。
なお、図６は、梁部５１および錘体６１のみを示している。
錘体６１の変位と梁部５１のばね定数ｋの関係は、次式で表される。
（式１）Ｆ＝ｋｘ
但し、Ｆは錘体６１に作用する外力を示し、ｘは錘体６１の変位量を示す。
（式１）に示されるように、錘体６１に作用する外力Ｆは、梁部５１のばね定数ｋに比例する。
Incidentally, the vibration frequency of the
Here, the spring constant k of the
FIG. 6 shows only the
The relationship between the displacement of the
(Formula 1) F = kx
However, F shows the external force which acts on the
As shown in (Formula 1), the external force F acting on the
また、梁部５１のばね定数ｋと梁部５１の寸法の関係は、次式で表される。
（式２）ｋ＝ＡＥｂｔ３／ｌ３
但し、Ａは梁部５１の形状によって決定する定数を示し、Ｅは梁部５１を形成する部材のヤング率（縦弾性係数）を示し、ｂは梁部５１の幅寸法を示し、ｔは梁部５１の厚み寸法を示し、ｌは梁部５１の長さ寸法を示す。
（式２）に示すように、梁部５１のばね定数ｋは、梁部５１の厚みｔの３乗に比例する。
ここで、ヤング率（縦弾性係数）について簡単に説明する。
部材（材料）に引張力または圧縮力を与えた場合、弾性限度内において、応力σはひずみεに比例する。このときの比例定数がヤング率（縦弾性係数）である。つまり、ヤング率が小さくなるほど柔らかい部材となる。
Moreover, the relationship between the spring constant k of the
(Formula 2) k = AEbt3 / l3
However, A shows the constant determined by the shape of the
As shown in (Formula 2), the spring constant k of the
Here, the Young's modulus (longitudinal elastic modulus) will be briefly described.
When a tensile force or a compressive force is applied to the member (material), the stress σ is proportional to the strain ε within the elastic limit. The proportionality constant at this time is Young's modulus (longitudinal elastic modulus). That is, the smaller the Young's modulus, the softer the member.
さらに、錘体６１の共振周波数ｆと梁部５１のばね定数ｋの関係は次式で表される。
上記（式２）からもわかるように、ばね定数ｋは、梁部５１の厚みｔと梁部５１の長さｌに大きく影響される。
しかしながら、通常梁部５１の長さｌは、梁部５１の厚みｔと比べると長く設定されている。そのため、ＳＯＩ基板の製造過程に生じる両者のばらつき量（誤差量）が同等であると仮定した場合、梁部５１の厚みｔのばらつき量は、ばね定数ｋに大きく影響する。
これは、梁部５１の厚みｔのばらつき量の率、即ち、誤差率の方が、梁部５１の長さｌの誤差率よりも大きくなるためである。
なお、ＳＯＩ基板は、ＳＯＩ構造体１を製造する前の時点において、１μｍ程度のばらつきを有している。
例えば、梁部５１の長さｌの設計値は５００μｍ程度であるため、梁部５１の長さｌにおける誤差率は、０．２％程度になる。
一方、梁部５１の厚みｔの設計値は１０μｍ程度であるため、梁部５１の厚みｔにおける誤差率は、１０％程度となってしまう。
As can be seen from the above (Equation 2), the spring constant k is greatly influenced by the thickness t of the
However, the length l of the
This is because the rate of variation in the thickness t of the
Note that the SOI substrate has a variation of about 1 μm before the
For example, since the design value of the length l of the
On the other hand, since the design value of the thickness t of the
そこで、本実施の形態に係る角速度センサでは、このような梁部５１の厚みｔにおける誤差率を低下させるために梁部５１を酸化膜絶縁層により形成する。
図７は、従来の角速度センサの概略構造を示した図である。
従来の角速度センサは、上から順に梁部形成層９１、絶縁層９２、可動錘体形成層９３から構成されるＳＯＩ構造体９を備えている。このＳＯＩ構造体９は、本実施形態に係る角速度センサと同様に上部硝子基板２および下部硝子基板３によって上下方向から挟み込まれている。
梁部形成層９１および可動錘体形成層９３はシリコン結晶からなり、絶縁層９２は酸化膜絶縁層からなる。
図７に示すように、従来の角速度センサでは、図５に示す本実施の形態に係る角速度センサと異なり、錘体９４を支持する梁部９５（梁部形成層９１）がシリコン結晶によって形成されている。
一方、図５に示す本実施の形態に係る角速度センサでは、梁部５１が酸化膜絶縁層から構成されている。
Therefore, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, the
FIG. 7 is a diagram showing a schematic structure of a conventional angular velocity sensor.
The conventional angular velocity sensor includes an
The beam
As shown in FIG. 7, in the conventional angular velocity sensor, unlike the angular velocity sensor according to the present embodiment shown in FIG. 5, the beam portion 95 (beam portion forming layer 91) that supports the
On the other hand, in the angular velocity sensor according to the present embodiment shown in FIG. 5, the
ところで、シリコン結晶のヤング率は１８０ＧＰａ程度であり、酸化膜のヤング率は７０ＧＰａ程度である。
上述した（式２）からわかるように、ヤング率の小さい部材を使用して梁部を形成すると、同等のばね定数となるように設定した場合、梁部の厚みｔをより厚く、即ち大きな値に設定することができる。
つまり、梁部をシリコン結晶によって形成した場合よりも、酸化膜によって形成した場合の方が、梁部の厚みｔを厚く設定することができる。
詳しくは、梁部を酸化膜で形成した場合の厚みｔを、シリコン結晶によって形成した場合の１．３７倍とすることができる。即ち、ＳＯＩ基板のばらつき量による影響を１．３７倍吸収することができる。
By the way, the Young's modulus of the silicon crystal is about 180 GPa, and the Young's modulus of the oxide film is about 70 GPa.
As can be seen from (Equation 2) described above, when the beam portion is formed using a member having a low Young's modulus, the beam portion thickness t is set to be larger, that is, a larger value when the beam portion is set to have an equivalent spring constant. Can be set to
That is, the thickness t of the beam portion can be set thicker when the beam portion is formed of the oxide film than when the beam portion is formed of silicon crystal.
Specifically, the thickness t when the beam portion is formed of an oxide film can be 1.37 times that when the beam portion is formed of silicon crystal. That is, the influence of the variation amount of the SOI substrate can be absorbed 1.37 times.
このように、本実施の形態に係る角速度センサによれば、梁部５１を酸化膜絶縁層によって形成することにより、従来品よりも梁部５１の厚みｔを厚く形成することができる。 これにより、梁部５１の厚みｔのばらつき率（誤差率）を低減することができる。そして、梁部５１の厚みｔのばらつき量（誤差量）に起因するばね定数ｋのばらつき量を低減することができる。
その結果、錘体６１の振動周波数、つまり共振周波数ｆのばらつき量（誤差量）を低減させることができるため、角速度センサの感度ばらつきを減少させることができる。
Thus, according to the angular velocity sensor according to the present embodiment, the
As a result, since the variation amount (error amount) of the vibration frequency of the
また、角速度センサではなく、錘体６１の振動駆動を必要としない加速度センサの場合であっても同様である。このように、質量体（錘体６１に相当）を弾性支持するための可撓性の支持部材（梁部５１に相当）を酸化膜絶縁層のようなシリコンよりヤング率の低い部材で形成することにより支持部材の厚みを増大させることができる。
これにより、支持部材の厚みｔのばらつき率（誤差率）を低減することができる。そして、支持部材の厚み寸法のばらつき量（誤差量）に起因するばね定数ｋのばらつき量を低減することができる。
従って、作用する単位外力に対する質量体の変位量のばらつき量（誤差）を低減することができる。即ち、加速度の検出感度ばらつきを減少させることができる。
The same applies to an acceleration sensor that does not require vibration drive of the
Thereby, the variation rate (error rate) of the thickness t of the support member can be reduced. And the variation amount of the spring constant k resulting from the variation amount (error amount) of the thickness dimension of a support member can be reduced.
Therefore, the variation amount (error) of the displacement amount of the mass body with respect to the acting unit external force can be reduced. That is, variation in acceleration detection sensitivity can be reduced.
また、ＳＯＩ基板における酸化膜絶縁層の厚みｔが所望する梁部５１の厚みｔに満たない場合や、梁部５１の厚みｔの微調整が必要な場合には、図８に示すように補足部材５２を梁部５１に積層するようにしてもよい。
梁部５１に積層する補足部材としては、梁部５１と同等のヤング率を有する部材を用いるようにしてもよい。
しかし、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）による酸化膜、ポリイミド、アルミニウム薄膜、または厚膜レジストなど梁部５１を形成する部材より低いヤング率を有する部材が好ましい。
Further, when the thickness t of the oxide film insulating layer in the SOI substrate is less than the desired thickness t of the
As a supplementary member laminated on the
However, for example, a member having a lower Young's modulus than a member forming the
例えば、アルミニウム薄膜を用いた場合には、ヤング率を７０〜８０ＧＰａ程度にすることができる。このアルミニウム薄膜は、スパッタ、蒸着、メッキ等の技術を用いて梁部５１に積層（上乗せ）する。
また、厚膜レジストを用いた場合にも、ヤング率を数十ＧＰａオーダーにすることができる。この厚膜レジストは、スピンコート、スプレーコート等の技術を用いて梁部５１に積層（上乗せ）する。
なお、補足部材５２を積層（上乗せ）する場合には、積層する補足部材５２の膜はがれなど強度の点を十分に考慮した値とする。
For example, when an aluminum thin film is used, the Young's modulus can be set to about 70 to 80 GPa. This aluminum thin film is laminated (overlaid) on the
Even when a thick film resist is used, the Young's modulus can be set to several tens of GPa order. This thick film resist is laminated (overlaid) on the
In addition, when the
上述したように梁部５１を形成する部材より低いヤング率を有する部材を補足部材５２として用いることにより、梁部５１の厚みｔの微調整を容易に行うことができる。
なお、図８に示す補足部材５２は、梁部５１における下部硝子基板３側の面に積層するようにしているが、補足部材５２の積層部位はこれに限られるものではない。例えば、反対側の上部硝子基板２側の面に積層するようにしてもよい。
但し、補足部材５２を上部硝子基板２側の面に積層する場合には、補足部材５２を積層した後に、アルミニウム薄膜を積層して電極８を形成するようにする。
As described above, by using a member having a Young's modulus lower than the member forming the
The
However, when the
次に、本実施形態に係る角速度センサの変形例について説明する。
容量検出型の角速度センサでは、固定電極と可動電極との距離が直接容量の大きさに係わる。そのため、その距離にばらつきがあると錘体６１を振動させる際に作用させる静電力が変化し、上下振動の速度がばらついてしまう。また、検出感度へも大きく影響する。
このような、センサの検出感度の低下を抑制するために、固定電極と可動電極との間の隙間、つまり、錘体６１の可動隙間を形成する際には高い加工精度が要求される。
なお、このような感度のばらつきは、例にあげた角速度センサに限らず、加速度センサや圧力センサ等の容量変化検出型の力学量センサ全般に当てはまる。
Next, a modification of the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described.
In the capacitance detection type angular velocity sensor, the distance between the fixed electrode and the movable electrode is directly related to the size of the capacitance. For this reason, if the distance varies, the electrostatic force applied when the
In order to suppress such a decrease in detection sensitivity of the sensor, high machining accuracy is required when forming a gap between the fixed electrode and the movable electrode, that is, a movable gap of the
Such variation in sensitivity applies not only to the angular velocity sensor given as an example but also to a general mechanical quantity sensor of a capacitance change detection type such as an acceleration sensor or a pressure sensor.
そこで、図９に示す本実施の形態に係る角速度センサの変形例では、錘体６１’の可動隙間をＳＯＩ構造体１’内に形成する。
詳しくは、シリコン結晶によって形成されている接合層４’および梁部形成層５’に錘体６１’の可動隙間を形成する。
錘体６１’の上面側の可動隙間は、接合層４’をエッチングすることによって形成する。なお、上部硝子基板２に配置された検出電極２１および駆動電極２２と、梁部形成層５（酸化膜絶縁層）上の電極８との間隔は、接合層４’の厚み方向（積層方向）の寸法を調整することによって行う。
同様に、錘体６１’の下面側の可動隙間は、可動錘形成層６をエッチングすることによって形成する。なお、下部硝子基板３に配置された検出電極３１および駆動電極３２と、錘体６１’の底面との間隔は、フレーム部６２’の厚み方向（高さ方向）の寸法を調整することによって行う。
Therefore, in the modified example of the angular velocity sensor according to the present embodiment shown in FIG. 9, the movable gap of the
Specifically, the movable gap of the
The movable gap on the upper surface side of the
Similarly, the movable gap on the lower surface side of the
このように本実施の形態（変形例）に係る角速度センサでは、硝子に比べ加工性の良いシリコン結晶をエッチングすることにより錘体６１’の可動隙間を形成する。例えば、シリコンの面方位に対し、異方性のエッチングレートを示すエッチャントを使用した場合には、高精度な加工を実現することができる。これは、特定の面方位に対し一定のエッチングレートを有し、表面粗れの小さい加工面が得られるためである。
特に、（１００）面を選択した場合、鏡面な加工面を得ることができる。面方位（１００）のシリコンウェハを使用した場合、４つの（１１１）面で囲まれた溝が形成される。そして、任意の深さでエッチングを止めることにより、高精度に可動隙間を形成することができる。
なお、シリコン結晶のエッチングにおいて、ドライ加工法やエッチング量のコントロールが容易で表面粗れの小さい等方性のエッチャントを使用してもよい。
このように、本実施形態（変形例）によれば、上部硝子基板２や下部硝子基板３等の硝子基板側でなく、加工性の優れたＳＯＩ構造体１側のシリコン基板をエッチングすることにより、精度の高い加工を実現させることができる。これにより、センサの感度ばらつきを低減することができる。
As described above, in the angular velocity sensor according to the present embodiment (modification), the movable gap of the
In particular, when the (100) plane is selected, a mirror-finished processed surface can be obtained. When a silicon wafer having a plane orientation (100) is used, grooves surrounded by four (111) planes are formed. Then, by stopping the etching at an arbitrary depth, the movable gap can be formed with high accuracy.
In the etching of silicon crystals, an isotropic etchant that is easy to control the dry processing method and etching amount and has a small surface roughness may be used.
Thus, according to this embodiment (modification), by etching the silicon substrate on the
なお、本実施の形態に係る角速度センサにおいては、固定電極と可動電極との距離の変化を検出することによって錘体６１の姿勢の変化を検出している。しかし、錘体６１の姿勢の変化の検出方法は、これに限られるものではない。例えば、梁部５１に歪みゲージとして働くピエゾ抵抗素子を設け、梁部５１の捩れを検出することによって錘体６１に作用する外力を検出するようにしてもよい。
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the change in the posture of the
１ ＳＯＩ構造体
２ 上部硝子基板
３ 下部硝子基板
４ 接合層
５ 梁部形成層
６ 可動錘形成層
７ コンタクト
８ 電極
９ ＳＯＩ構造体
２１ 検出電極
２２ 駆動電極
２３〜２５ 電極パッド
３１ 検出電極
３２ 駆動電極
３３〜３５ 電極パッド
４１ 拡散層
５１ 梁部
５２ 補足部材
６１ 錘体
６１ａ〜ｅ 錘部
６２ フレーム部
９１ 梁部形成層
９２ 絶縁層
９３ 可動錘体形成層
９４ 錘体
９５ 梁部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記フレームに固定され、シリコンより低いヤング率を有する部材で形成された梁部と、
前記梁部で支持され、外力の作用により姿勢が変化する錘部と、
前記錘部の姿勢変化を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された前記錘部の姿勢の変化量を力学量に変換する変換手段と、
を備えたことを特徴とする力学量センサ。 Frame,
A beam portion fixed to the frame and formed of a member having a Young's modulus lower than that of silicon;
A weight part that is supported by the beam part and whose posture changes due to the action of an external force;
Detecting means for detecting a posture change of the weight part;
Conversion means for converting the amount of change in the posture of the weight portion detected by the detection means into a mechanical quantity;
A mechanical quantity sensor characterized by comprising:
前記梁部は、前記絶縁膜で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力学量センサ。 The weight portion is formed of the silicon layer of an SOI substrate in which a silicon layer is formed on an insulating film,
The mechanical quantity sensor according to claim 1, wherein the beam portion is formed of the insulating film.
前記可動電極と隙間を介して配置された固定電極と、
を備え、
前記検出手段は、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、前記錘部の姿勢変化を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれか１の請求項に記載の力学量センサ。 A movable electrode provided on the weight portion;
A fixed electrode disposed via a gap with the movable electrode;
With
The detection unit detects a change in posture of the weight portion based on a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode. A mechanical quantity sensor according to claim 1.
前記検出手段は、前記錘部の振動方向と直交する面に対する前記錘部の傾きを検出し、
前記変換手段は、前記錘部の傾き量を角速度に変換することを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれか１の請求項に記載の力学量センサ。 Drive means for vibrating the weight portion at a predetermined period;
The detection means detects the inclination of the weight part with respect to a plane orthogonal to the vibration direction of the weight part,
The mechanical quantity sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the conversion means converts an inclination amount of the weight portion into an angular velocity.
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