JP2007205739A - Dynamic quantity sensor and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dynamic quantity sensor in which the separation etc. of a weight made of a thick plating hardly occurs. <P>SOLUTION: An angular velocity sensor has a three-layer structure in which a structure of a movable part is held between an upper glass substrate and a lower glass substrate from upper and lower directions. The structure of the movable part is provided with a flexible substrate; a frame; and the weight. The frame and the weight are made of a thick plating made of metal electrodeposited through the use of an electroforming electrode provided for the flexible substrate formed along the direction of an x-y plane. The weight does not have uniform area in cut surfaces in x-y planes and is constituted in such a way that its composition surface with the flexible substrate supporting the weight may be as small as possible. It is therefore possible to constitute the weight in such a way as to have heavier weight while securing a sufficient beam length and further improve detection sensitivity. Since it is possible to increase the weight of the weight without having to enlarge the electroformed area of the weight, it is possible to prevent separation etc. of platings and secure appropriate adhesion strength between the beams and the weight. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば加速度や角速度などの力学量を検出する力学量センサおよび力学量センサの製造方法に関する。   The present invention relates to a mechanical quantity sensor that detects a mechanical quantity such as acceleration or angular velocity, and a method of manufacturing the mechanical quantity sensor.

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の広い分野において、物体に作用する力学量を検出するための力学量センサが用いられている。
力学量センサの1つに半導体型加速度センサがある。これは、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術等のシリコン微細加工技術によって、可撓性を有する梁(バネ)と錘体(マス)を作製し、加速度が加わる錘体の慣性力による梁の変位を検出して加速度を検出するセンサである。
なお、梁の変位を電気的に検出する方法としては、例えば、一方の電極を梁に設定した静電容量素子の静電容量の変化を検出する方法や、梁に固定した圧電体の抵抗値の変化を検出する方法がある。
In a wide range of fields such as a camera shake correction device for a video camera, an in-vehicle airbag device, and a posture control device for a robot, a mechanical amount sensor for detecting a mechanical amount acting on an object is used.
One type of mechanical quantity sensor is a semiconductor acceleration sensor. This is due to the inertial force of the weight to which acceleration is applied by producing flexible beams (springs) and weights (mass) by silicon micromachining technology such as MEMS (micro electro mechanical system) technology. It is a sensor that detects the acceleration by detecting the displacement of the beam.
In addition, as a method of electrically detecting the displacement of the beam, for example, a method of detecting a change in capacitance of a capacitive element in which one electrode is set to the beam, or a resistance value of a piezoelectric body fixed to the beam. There is a method to detect the change of.

従来、このような加速度センサにおける感度を向上させ、個体間の精度や形状のばらつきを抑制する技術が下記の特許文献に提案されている。
特開平11−211748号公報
Conventionally, a technique for improving the sensitivity in such an acceleration sensor and suppressing variations in accuracy and shape between individuals has been proposed in the following patent documents.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-2111748

特許文献1には、梁を構成する圧電体上にメッキにより金属層を形成し、この金属層上に電鋳法を用いて錘体やフレーム(支持体)を形成する技術が提案されている。   Patent Document 1 proposes a technique in which a metal layer is formed by plating on a piezoelectric body constituting a beam, and a weight body and a frame (support body) are formed on the metal layer using an electroforming method. .

上述したような力学量センサは、錘体を厚メッキ(電鋳)により形成する際に、錘体と梁との接合部に応力が作用する。
そのため、特許文献1に示すような、錘体を厚メッキによって形成したセンサにおいては、応力の作用により、梁に変形(反りや撓みなど)が生じるおそれがあった。また、過度の応力が作用した場合には、錘体と梁との接合面における密着強度が確保できず、錘体の剥離が生じるおそれがあった。
また、外力により錘体の姿勢が変化し、梁に撓みや歪みが生じる際には、さらに錘が剥離するおそれがあった。
このような梁の変形や錘の剥離等は、検出誤差の要因となり、センサの検出感度(検出精度)の低下を招くおそれがあった。
In the mechanical quantity sensor as described above, when the weight body is formed by thick plating (electroforming), stress acts on the joint portion between the weight body and the beam.
Therefore, in a sensor in which the weight body is formed by thick plating as shown in Patent Document 1, there is a possibility that deformation (warping, bending, etc.) may occur in the beam due to the action of stress. In addition, when excessive stress is applied, the adhesion strength at the joint surface between the weight body and the beam cannot be secured, and the weight body may be peeled off.
Further, when the posture of the weight body is changed by an external force and the beam is bent or distorted, the weight may be further peeled off.
Such deformation of the beam, peeling of the weight, and the like may cause a detection error and may cause a decrease in detection sensitivity (detection accuracy) of the sensor.

そこで本発明は、梁の変形や錘の剥離等が生じにくい力学量センサおよび力学量センサの製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a mechanical quantity sensor that hardly causes deformation of a beam, peeling of a weight, and the like, and a method for manufacturing the mechanical quantity sensor.

請求項1記載の発明では、フレームと、少なくとも一部が前記フレームに固定された可撓性を有する梁と、前記梁と接合し、電着された金属により形成され、前記梁との接合面と平行するいずれかの箇所の断面積が前記接合面の面積より大きい錘と、前記錘の姿勢変化を検出する姿勢検出手段と、前記姿勢検出手段により検出された前記錘の姿勢変化に基づいて力学量の変化を出力する出力手段と、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記載の力学量センサにおいて、前記梁は、電鋳用電極を備え、前記錘は、前記電鋳用電極を介して前記梁と接合されていることを特徴とする。
請求項3記載の発明では、請求項1または請求項2記載の力学量センサにおいて、前記錘は、フォトリソグラフィ技術を用いて形成された母型内に電着された金属により形成されていることを特徴とする。
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記載の力学量センサにおいて、前記錘と対向して配設された固定電極を備え、前記姿勢検出手段は、前記錘と前記固定電極間の静電容量の変化に基づいて前記錘の姿勢変化を検出することを特徴とする。
請求項5記載の発明では、請求項1から請求項4のいずれか一の請求項に記載の力学量センサにおいて、前記梁に配設された圧電素子を備え、前記姿勢検出手段は、前記圧電素子の回路定数の変化に基づいて前記錘の姿勢変化を検出することを特徴とする。
請求項6記載の発明では、請求項1から請求項5のいずれか一の請求項に記載の力学量センサにおいて、前記フレームは、前記錘と同様の電着された金属により形成されていることを特徴とする。
請求項7記載の発明では、梁との接合面を有する第1の錘部と、前記梁との接合面と平行する断面が前記梁との接合面より大きい第2の錘部とからなる錘を備えた力学量センサの製造方法であって、前記梁の表面に第1の感光性部材を塗布する第1のステップと、前記第1の錘部を形成するための領域を露光する第1のマスクを前記第1の感光性部材に重ね、第1の露光処理を行う第2のステップと、少なくとも前記錘の母型となる領域に第1の電極層を形成する第3のステップと、前記第1の電極層を含む前記第1の感光性部材の上面に、第2の感光性部材を塗布する第4のステップと、前記第2の錘部を形成するための領域を露光する第2のマスクを前記第2の感光性部材に重ね、第2の露光処理を行う第5のステップと、前記第1の感光性部材および第2の感光性部材における、前記錘を形成する領域を溶かし、露光領域を現像する第6のステップと、前記第6のステップで残された領域を母型として電鋳処理を行う第7のステップと、前記第7のステップにより形成される前記錘の姿勢変化を検出する姿勢検出手段、および、前記姿勢検出手段により検出された前記錘の姿勢変化から力学量の変化を検出する力学量検出手段を形成する第8のステップと、を備えることにより前記目的を達成する。
請求項8記載の発明では、請求項7記載の力学量センサの製造方法において、前記梁の表面に第2の電極層を形成する第9のステップを備え、前記第1のステップは、前記第2の電極層の表面に第1の感光性部材を塗布することを特徴とする。
In the first aspect of the present invention, a frame, a flexible beam at least part of which is fixed to the frame, and an electrodeposited metal joined to the beam and joined to the beam. A weight having a cross-sectional area larger than the area of the joint surface, posture detecting means for detecting the posture change of the weight, and based on the posture change of the weight detected by the posture detecting means The object is achieved by providing output means for outputting a change in the mechanical quantity.
According to a second aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor according to the first aspect, the beam includes an electrode for electroforming, and the weight is joined to the beam via the electrode for electroforming. Features.
According to a third aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor according to the first or second aspect, the weight is formed of a metal electrodeposited in a matrix formed by using a photolithography technique. It is characterized by.
According to a fourth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor according to the first, second, or third aspect, the mechanical quantity sensor includes a fixed electrode disposed to face the weight, and the posture detection means includes the weight and A change in posture of the weight is detected based on a change in capacitance between the fixed electrodes.
According to a fifth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, the mechanical quantity sensor includes a piezoelectric element disposed on the beam, and the posture detection means includes the piezoelectric sensor. A change in posture of the weight is detected based on a change in circuit constant of the element.
According to a sixth aspect of the present invention, in the mechanical quantity sensor according to any one of the first to fifth aspects, the frame is formed of an electrodeposited metal similar to the weight. It is characterized by.
According to a seventh aspect of the present invention, a weight comprising a first weight portion having a joint surface with a beam and a second weight portion having a cross section parallel to the joint surface with the beam that is larger than the joint surface with the beam. A first step of applying a first photosensitive member to the surface of the beam, and a first step of exposing a region for forming the first weight portion. A second step of superimposing the mask on the first photosensitive member and performing a first exposure process, and a third step of forming a first electrode layer at least in a region serving as a matrix of the weight, A fourth step of applying a second photosensitive member on the upper surface of the first photosensitive member including the first electrode layer, and a region for exposing a region for forming the second weight portion. A second step of superimposing the second mask on the second photosensitive member and performing a second exposure process; and A sixth step of melting the region for forming the weight in the photosensitive member and the second photosensitive member and developing the exposed region, and an electroforming process using the region remaining in the sixth step as a mother die A seventh step; posture detecting means for detecting the posture change of the weight formed by the seventh step; and detecting a change in mechanical quantity from the posture change of the weight detected by the posture detecting means. And the eighth step of forming a mechanical quantity detection means.
According to an eighth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a mechanical quantity sensor according to the seventh aspect, the method includes a ninth step of forming a second electrode layer on a surface of the beam, wherein the first step includes the first step. A first photosensitive member is applied to the surface of the second electrode layer.

本発明によれば、錘を、梁との接合面と平行するいずれかの箇所の断面積が接合面の面積より大きい形状の厚メッキで形成することにより、梁と錘との接合面積が小さくなるため、梁と錘との接合部に作用する応力を低減させることができる。これにより、梁の変形や錘の剥離等が生じにくい力学量センサを構成することができる。   According to the present invention, the junction area between the beam and the weight is reduced by forming the weight by thick plating in which the cross-sectional area of any part parallel to the junction surface with the beam is larger than the area of the junction surface. Therefore, the stress acting on the joint between the beam and the weight can be reduced. As a result, it is possible to configure a mechanical quantity sensor that is unlikely to cause beam deformation or weight separation.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図1〜図8を参照して詳細に説明する。
(1)実施形態の概要
本実施の形態では、可撓性を有する梁よってフレームに支持された錘の姿勢状態の変位量に基づいて錘に作用する角速度を測定する角速度センサについて説明する。
角速度センサは、可動部構造体が上部ガラス基板および下部ガラス基板に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。
可動部構造体は、可撓基板、フレームおよび錘を備えている。
フレームおよび錘は、x−y平面方向に沿って形成される可撓基板に設けられた電鋳用電極を用いて(介して)電着された金属製の厚メッキ(電鋳)からなる。
錘は、x−y平面における切断面の面積が一様ではなく、錘を支持する可撓基板(梁)との接合面が極力小さくなるように構成されている。
本実施の形態によれば、錘との接合面を小さくすることにより、梁の長さを十分に長く確保できるため、即ち、錘の可動範囲を広く確保できるため、また、錘の重量をより大きく構成することができるため、角速度センサの検出感度(精度)をより向上させることができる。
また、錘の電鋳面積、即ち、錘と梁(可撓基板)との接合面積を拡大させることなく錘の重量を大きくすることができるため、錘と梁との接合部に作用する応力により生じるメッキの剥離等を低減(抑制)することができる。これにより、梁と錘との密着強度(接合強度)を適切に保つことができる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
(1) Outline of Embodiment In this embodiment, an angular velocity sensor that measures an angular velocity acting on a weight based on a displacement amount of the posture state of the weight supported by the frame by a flexible beam will be described.
The angular velocity sensor has a three-layer structure in which a movable part structure is sandwiched from above and below by an upper glass substrate and a lower glass substrate.
The movable part structure includes a flexible substrate, a frame, and a weight.
The frame and the weight are made of metal thick plating (electroforming) electrodeposited (via) an electroforming electrode provided on a flexible substrate formed along the xy plane direction.
The weight is configured such that the area of the cut surface in the xy plane is not uniform, and the joint surface with the flexible substrate (beam) supporting the weight is as small as possible.
According to the present embodiment, the length of the beam can be secured sufficiently long by reducing the joint surface with the weight, that is, the movable range of the weight can be secured widely, and the weight of the weight can be further increased. Since it can be made large, the detection sensitivity (accuracy) of the angular velocity sensor can be further improved.
Further, since the weight of the weight can be increased without increasing the electroforming area of the weight, that is, the joint area between the weight and the beam (flexible substrate), the stress acting on the joint between the weight and the beam It is possible to reduce (suppress) plating peeling and the like. Thereby, the adhesion strength (bonding strength) between the beam and the weight can be appropriately maintained.

(2)実施形態の詳細
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素子である。なお、半導体基板の加工は、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いて行うことができる。
角速度センサを構成する基板における各層の積層方向と同一方向を上下方向、即ちz軸(方向)と定義する。そして、このz軸と直交し、かつ互いの軸と直交する軸をx軸(方向)及びy軸(方向)と定義する。つまり、x軸、y軸、z軸は、それぞれ互いに直交する3軸となる。
また、本実施の形態に係る角速度センサは、錘の姿勢変化を電気信号として検出するセンサ部と、検出された電気信号を処理する信号処理部(制御部)を備えている。
(2) Details of Embodiment An angular velocity sensor according to the present embodiment is a semiconductor sensor element formed by processing a semiconductor substrate. The processing of the semiconductor substrate can be performed using MEMS (micro electro mechanical system) technology.
The same direction as the stacking direction of the layers in the substrate constituting the angular velocity sensor is defined as the vertical direction, that is, the z-axis (direction). The axes orthogonal to the z-axis and orthogonal to each other are defined as an x-axis (direction) and a y-axis (direction). That is, the x axis, the y axis, and the z axis are three axes that are orthogonal to each other.
In addition, the angular velocity sensor according to the present embodiment includes a sensor unit that detects a change in the posture of the weight as an electric signal, and a signal processing unit (control unit) that processes the detected electric signal.

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。
図1に示すように、角速度センサは、可動部構造体1が上部ガラス基板2および下部ガラス基板3に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。
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.
As shown in FIG. 1, the angular velocity sensor has a three-layer structure in which a movable part structure 1 is sandwiched from above and below by an upper glass substrate 2 and a lower glass substrate 3.

可動部構造体1は、可撓基板10、フレーム11および錘12を備えている。
可撓基板10は、可撓性を有する板状の部材であり、この可撓基板10をエッチングすることによって、梁13および錘形成部14が形成されている。
可撓基板10は、例えば、Si(シリコン)、SUS(ステンレス鋼)材、燐青銅などの弾性(バネ性)を有する部材を用いて形成されている。
錘形成部14は、角速度センサの中央部に設けられた正方形の部位であり、梁13は、錘形成部14から放射方向に(フレーム11の方向に)十字方向に延びる4つの帯状の部材である。
可撓基板10の下面(下部ガラス基板3との対向面)には、フレーム11および錘12を電鋳形成(電着形成)するための電鋳用電極15が設けられている。
なお、電鋳用電極15は、例えば、Cr/Au(クロム/金)を用いて形成されている。
後述する錘12やフレーム11を形成する際の電圧の印加は、電鋳用電極15の外縁部(周縁部)から行う。
なお、可撓基板10が金属などの導体であり、かつ電鋳形成した際の接合強度が十分に確保できる場合には、電鋳用電極15を設けずに構成するようにしてもよい。
The movable part structure 1 includes a flexible substrate 10, a frame 11, and a weight 12.
The flexible substrate 10 is a plate-like member having flexibility, and the flexible substrate 10 is etched to form the beam 13 and the weight forming portion 14.
The flexible substrate 10 is formed by using a member having elasticity (spring property) such as Si (silicon), SUS (stainless steel) material, phosphor bronze, for example.
The weight forming portion 14 is a square portion provided in the central portion of the angular velocity sensor, and the beam 13 is a four band-like member extending from the weight forming portion 14 in the radial direction (in the direction of the frame 11) in the cross direction. is there.
On the lower surface of the flexible substrate 10 (the surface facing the lower glass substrate 3), an electrode 15 for electroforming for electroforming (electrodepositing) the frame 11 and the weight 12 is provided.
The electroforming electrode 15 is formed using, for example, Cr / Au (chromium / gold).
Application of a voltage when forming the weight 12 and the frame 11 described later is performed from the outer edge (periphery) of the electrode 15 for electroforming.
In addition, when the flexible substrate 10 is a conductor such as metal and the joining strength when the electroforming is formed can be sufficiently ensured, the electroforming electrode 15 may not be provided.

フレーム11は、錘12を囲むように可動部構造体1の周縁部に設けられた中空状の固定部であり、可動部構造体1の枠組みを構成する。このフレーム11、上部ガラス基板2および下部ガラス基板3によって、角速度センサのハウジング(外装体)が構成されている。
錘12は、大小の直方体からなる錘部120aおよび錘部120bを重ね合わせた、z軸方向の断面が凸字(逆T字)状の部材である。
錘部120bは、錘部120aより大きい端面を有し、その端面の中央部に錘部120aが連続形成されている。
錘12の上端面(小さい方の端面)は、電鋳用電極15を介して錘形成部14に接合されている。
The frame 11 is a hollow fixed portion provided at the peripheral edge of the movable part structure 1 so as to surround the weight 12, and constitutes the framework of the movable part structure 1. The frame 11, the upper glass substrate 2, and the lower glass substrate 3 constitute an angular velocity sensor housing (exterior body).
The weight 12 is a member having a convex section (reverse T-shape) in the z-axis direction, in which a weight section 120a and a weight section 120b made of large and small rectangular parallelepipeds are overlapped.
The weight part 120b has an end face larger than the weight part 120a, and the weight part 120a is continuously formed at the center of the end face.
The upper end surface (smaller end surface) of the weight 12 is joined to the weight forming portion 14 via the electrode 15 for electroforming.

図2(a)は、可動部構造体1におけるフレーム11および錘12を上部ガラス基板2側から見た平面図を示す。
錘12の底端面、即ち錘部120bの底面の面積は、少なくとも錘12の上端面、即ち、錘部120aにおける梁13との接合面の面積より大きくなるように構成されている。
このように錘12は、4つの梁13によってフレーム11の中空部に固定(支持)された質量体であり、梁13の作用により、外部より加わる力により振動させたり、捩れる動きが可能となっている。錘12は、導電性を有し、その底面は可動電極として機能する。
FIG. 2A shows a plan view of the frame 11 and the weight 12 in the movable part structure 1 as viewed from the upper glass substrate 2 side.
The area of the bottom end surface of the weight 12, that is, the bottom surface of the weight portion 120 b is configured to be larger than at least the upper end surface of the weight 12, that is, the area of the joint surface with the beam 13 in the weight portion 120 a.
Thus, the weight 12 is a mass body fixed (supported) to the hollow portion of the frame 11 by the four beams 13, and can be vibrated or twisted by the force applied from the outside by the action of the beams 13. It has become. The weight 12 has conductivity, and its bottom surface functions as a movable electrode.

下部ガラス基板3には、錘12を振動駆動させるための駆動電極30が中央部に配設されている。
また、下部ガラス基板3には、錘12の姿勢を検出するための固定電極31〜34が駆動電極30を取り囲むように配設されている。
固定電極31〜34は、台形形状をしており、平行をなす辺の短い方が、駆動電極30の中心方向に向くように配設されている。
これらの固定電極31〜34における、対向する固定電極同士、即ち中央を挟んで反対側に位置する電極同士が対となり、錘12の姿勢状態の各軸方向成分を検出し、検出結果に基づいてx軸およびy軸回りに作用する角速度が検出される。
詳しくは、固定電極32および固定電極34を用いることにより第1検出軸(x軸)回りの角速度が検出され、固定電極31および固定電極33を用いることにより第2検出軸(y軸)回りの角速度が検出される。
The lower glass substrate 3 is provided with a drive electrode 30 for vibrating the weight 12 at the center.
In addition, fixed electrodes 31 to 34 for detecting the posture of the weight 12 are disposed on the lower glass substrate 3 so as to surround the drive electrode 30.
The fixed electrodes 31 to 34 have a trapezoidal shape, and are arranged so that the shorter one of the parallel sides is directed toward the center of the drive electrode 30.
In these fixed electrodes 31 to 34, opposing fixed electrodes, that is, electrodes located on the opposite side across the center are paired to detect each axial component of the posture state of the weight 12, and based on the detection result Angular velocities acting about the x and y axes are detected.
Specifically, the angular velocity around the first detection axis (x axis) is detected by using the fixed electrode 32 and the fixed electrode 34, and the angular velocity around the second detection axis (y axis) is detected by using the fixed electrode 31 and the fixed electrode 33. Angular velocity is detected.

図2(b)は、角速度センサにおける中心を通るx軸に沿った断面を示した図である。
図に示すように、可撓基板10の上面(上部ガラス基板2との対向面)と上部ガラス基板2との間には、錘12を可動にするための可動隙間16が形成されている。上部ガラス基板2は、この可動隙間16を封止するように接合されている。
なお、上部ガラス基板2と可動部構造体1、下部ガラス基板3と可動部構造体1の接合は、例えば、接合面にCr(クロム)などのアンカーメタル(下地金属)とAu(金)を積層させて接合する共晶接合等を用いて行う。
可撓基板10の下面(下部ガラス基板3との対向面)および錘12の底面即ち下面(下部ガラス基板3との対向面)と下部ガラス基板3との間、さらに錘12の周部においても、錘12を可動にするための可動隙間17が形成されている。下部ガラス基板3は、この可動隙間17を封止するように接合されている。なお、可動隙間16、17は、真空状態とすることで、錘12が動作する際の空気抵抗を低減することが可能である。
FIG. 2B is a diagram showing a cross section along the x-axis passing through the center of the angular velocity sensor.
As shown in the figure, a movable gap 16 for moving the weight 12 is formed between the upper surface of the flexible substrate 10 (the surface facing the upper glass substrate 2) and the upper glass substrate 2. The upper glass substrate 2 is bonded so as to seal the movable gap 16.
The upper glass substrate 2 and the movable part structure 1 and the lower glass substrate 3 and the movable part structure 1 are joined by, for example, anchor metal (underlying metal) such as Cr (chrome) and Au (gold) on the joint surface. It is performed using eutectic bonding or the like that is laminated and bonded.
Between the lower surface of the flexible substrate 10 (the surface facing the lower glass substrate 3) and the bottom surface of the weight 12, that is, the lower surface (the surface facing the lower glass substrate 3) and the lower glass substrate 3. A movable gap 17 for making the weight 12 movable is formed. The lower glass substrate 3 is bonded so as to seal the movable gap 17. In addition, the movable clearances 16 and 17 can reduce the air resistance when the weight 12 operates by making a vacuum state.

なお、下部ガラス基板3には、図示されていないが、駆動電極30および固定電極31〜3の電位、即ち角速度センサのセンサ部(検出部)で検出される信号をセンサ部の外部へ引き出すための電極パッドが設けられている。
電極パッドは、下部ガラス基板3の厚み方向に貫通するスルーホールの内周壁に設けられた引き出し線を介して各電極と接続されている。
また、可撓基板10の外縁部には、可動電極として機能する錘12の電位(検出信号)をセンサの外部へ引き出すための電極パッドが設けられている。
そして、これらの電極パッドは、図示しない信号処理部(制御部)内のC/V変換回路へ接続されている。
Although not shown on the lower glass substrate 3, the potential of the drive electrode 30 and the fixed electrodes 31 to 3, that is, the signal detected by the sensor unit (detection unit) of the angular velocity sensor is extracted to the outside of the sensor unit. Electrode pads are provided.
The electrode pad is connected to each electrode via a lead wire provided on the inner peripheral wall of the through hole that penetrates in the thickness direction of the lower glass substrate 3.
Further, an electrode pad for drawing out the potential (detection signal) of the weight 12 functioning as a movable electrode to the outside of the sensor is provided on the outer edge portion of the flexible substrate 10.
These electrode pads are connected to a C / V conversion circuit in a signal processing unit (control unit) (not shown).

次に、このように構成される角速度センサのセンサ部における動作を説明する。
本実施の形態に係る角速度センサは、図1に示すように、錘12を上下方向(z軸方向)に一次振動させ、この振動運動をしている錘12にコリオリ力を生じさせることによって、第1検出軸(x軸)および第2検出軸(y軸)回りに加わる角速度を検出する方式を用いている。
詳しくは、駆動電極30と可動電極(錘12)との間に交流電圧を印加し、これらの電極間に働く静電力の作用を用いて錘12を上下方向(z軸方向)に振動させる。
Next, the operation of the sensor unit of the angular velocity sensor configured as described above will be described.
As shown in FIG. 1, the angular velocity sensor according to the present embodiment primarily vibrates the weight 12 in the vertical direction (z-axis direction), and generates a Coriolis force on the weight 12 that performs this vibration motion. A method of detecting an angular velocity applied around the first detection axis (x axis) and the second detection axis (y axis) is used.
Specifically, an AC voltage is applied between the drive electrode 30 and the movable electrode (weight 12), and the weight 12 is vibrated in the vertical direction (z-axis direction) using the action of electrostatic force acting between these electrodes.

錘12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12の振動周波数は、例えば、錘12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12を共振周波数fで振動させることにより錘12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12の周りに角速度Ωが加わると、錘12の中心には、“F=2mvΩ”のコリオリ力が錘12の運動方向に対し直交する方向に発生する。
このコリオリ力Fが発生すると、錘12にねじれが加わり錘12の姿勢が変化する。即ち、錘12の振動の運動方向と直交する面に対して、錘12が傾く。この錘12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。
The frequency of the alternating voltage applied to cause the weight 12 to vibrate up and down, that is, the vibration frequency of the weight 12 is set to a resonance frequency f of about 3 kHz at which the weight 12 resonates and vibrates, for example. Thus, a large displacement amount of the weight 12 can be obtained by vibrating the weight 12 at the resonance frequency f.
When an angular velocity Ω is applied around the mass 12 oscillating at this velocity v, a Coriolis force of “F = 2 mvΩ” is generated at the center of the mass 12 in a direction perpendicular to the movement direction of the mass 12. To do.
When this Coriolis force F is generated, the weight 12 is twisted and the posture of the weight 12 changes. That is, the weight 12 is inclined with respect to a plane perpendicular to the vibration direction of the weight 12. By detecting the change in the posture of the weight 12 (inclination and torsion amount), the direction and magnitude of the acting angular velocity are detected.

図2(c)は、錘12の姿勢が変化した状態を示した図である。
例えば、錘12の第2検出軸(y軸)回りに角速度が作用してコリオリ力が発生し、図2(c)に示すように、錘12の姿勢がx軸に対して傾くと、固定電極31、33と可動電極(錘12)との距離が変化する。
詳しくは、固定電極33と可動電極との間の距離が小さくなり、一方、固定電極31と可動電極との間の距離が大きくなる。
このような、電極間の距離の変化は、電極間の静電容量の変化として現れるため、固定電極31、33と可動電極との間の静電容量の変化に基づいて、錘12の姿勢変化を電気的に検出することができる。
FIG. 2C is a diagram showing a state in which the posture of the weight 12 has changed.
For example, when the angular velocity acts around the second detection axis (y-axis) of the weight 12 to generate Coriolis force, and the posture of the weight 12 is tilted with respect to the x-axis as shown in FIG. The distance between the electrodes 31 and 33 and the movable electrode (weight 12) changes.
Specifically, the distance between the fixed electrode 33 and the movable electrode is reduced, while the distance between the fixed electrode 31 and the movable electrode is increased.
Since such a change in the distance between the electrodes appears as a change in the capacitance between the electrodes, the posture change of the weight 12 is based on the change in the capacitance between the fixed electrodes 31 and 33 and the movable electrode. Can be detected electrically.

電極間の距離の変化、即ち電極間の静電容量の変化は、図示しない信号処理部(制御部)におけるC/V変換回路を用いて電気的に検出することができる。
信号処理部では、検出された錘12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、この信号処理部において、錘12の姿勢の変化量が角速度に変換される。
ここでは、錘12の第2検出軸(y軸)回りに角速度が作用した場合について説明したが、錘12の第1検出軸(x軸)回りに角速度が作用した場合についても同様に、固定電極32、34と可動電極間の距離の変化に基づいて錘12の姿勢変化を検出することにより、作用する角速度を測定することができる。
A change in the distance between the electrodes, that is, a change in the capacitance between the electrodes can be electrically detected using a C / V conversion circuit in a signal processing unit (control unit) (not shown).
The signal processing unit detects the generated Coriolis force F based on the detected change in the posture of the weight 12 (inclination direction, degree of inclination, etc.). Then, the angular velocity Ω is calculated (derived) based on the detected Coriolis force F. That is, in this signal processing unit, the amount of change in the posture of the weight 12 is converted into an angular velocity.
Here, the case where the angular velocity acts around the second detection axis (y axis) of the weight 12 has been described, but the case where the angular velocity acts around the first detection axis (x axis) of the weight 12 is similarly fixed. By detecting the posture change of the weight 12 based on the change in the distance between the electrodes 32 and 34 and the movable electrode, the acting angular velocity can be measured.

次に、本実施の形態に係る角速度センサにおける可動部構造体1の製造方法について説明する。
図3〜5は、本実施の形態に係る角速度センサにおける可動部構造体1の製造工程を示した図である。なお、図3〜5では、各工程における正面図、および正面図のA−A部における断面図を示す。
はじめに、図3(a)に示すように、可撓基板10に補強基板20を固着させ、可動部構造体1製造時における可撓基板10の強度を確保する。
Next, a method for manufacturing the movable part structure 1 in the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described.
3-5 is the figure which showed the manufacturing process of the movable part structure 1 in the angular velocity sensor which concerns on this Embodiment. In addition, in FIGS. 3-5, the front view in each process and sectional drawing in the AA part of a front view are shown.
First, as shown in FIG. 3A, the reinforcing substrate 20 is fixed to the flexible substrate 10 to ensure the strength of the flexible substrate 10 when the movable part structure 1 is manufactured.

補強基板20は、形成する可動部構造体1と同等または大きいサイズの、例えば、シリコン基板、ガラス基板、SUS基板など表面が平滑で剛性の高い部材によって構成されている。
ここでは、補強基板20を接合することによって可撓基板10に強度を持たせるようにしているが、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板を用いて可撓基板10と補強基板20を構成するようにしてもよい。詳しくは、SOI基板における活性層を可撓基板10として用い、支持層を補強基板20として用いる。
なお、このようにSOI基板を用いた場合には、可撓基板1と補強基板20との間(境界)に接着層(BOX酸化膜層)が配設される。
The reinforcing substrate 20 is configured by a member having a smooth surface and high rigidity, such as a silicon substrate, a glass substrate, or a SUS substrate, which has the same or larger size as the movable part structure 1 to be formed.
Here, the flexible substrate 10 is made strong by bonding the reinforcing substrate 20, but the flexible substrate 10 and the reinforcing substrate 20 are configured using an SOI (silicon-on-insulator) substrate. It may be. Specifically, the active layer in the SOI substrate is used as the flexible substrate 10 and the support layer is used as the reinforcing substrate 20.
When the SOI substrate is used in this way, an adhesive layer (BOX oxide film layer) is disposed between the flexible substrate 1 and the reinforcing substrate 20 (boundary).

次に、図3(b)に示すように、可撓基板10にエッチング等で抜き加工を施すことによって、梁13および錘形成部14を形成する。
なお、可撓基板10に接合する補強基板20は、可撓基板10に梁13および錘形成部14を形成した後に接合するようにしてもよい。
続いて、図3(c)に示すように、可撓基板10の片面に1層目の電極、即ち、電鋳用電極15を形成する。
この電鋳用電極15は、可動部構造体1におけるフレーム11および錘12を電鋳法により形成する際の導電層として機能する部位であり、例えば、表面活性化後に無電解メッキ膜を形成したり、CrとAuを真空蒸着(積層)やスパッタリングなどの手法を用いることによって形成することができる。なお、Auの蒸着前に成膜されるCrは、密着性を向上するための下地として機能する。
Next, as shown in FIG. 3B, the beam 13 and the weight forming portion 14 are formed by punching the flexible substrate 10 by etching or the like.
The reinforcing substrate 20 to be joined to the flexible substrate 10 may be joined after the beam 13 and the weight forming portion 14 are formed on the flexible substrate 10.
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a first electrode, that is, an electroforming electrode 15 is formed on one surface of the flexible substrate 10.
The electrode 15 for electroforming is a part that functions as a conductive layer when the frame 11 and the weight 12 in the movable part structure 1 are formed by electroforming. For example, an electroless plating film is formed after surface activation. Alternatively, Cr and Au can be formed by using a technique such as vacuum deposition (lamination) or sputtering. Note that Cr formed before the deposition of Au functions as a base for improving adhesion.

次に、図3(d)に示すように、電鋳用電極15の表面にフォトレジスト(感光性樹脂)を均一の厚さに塗布して1層目レジスト22を形成する。
なお、フォトレジスト材(レジスト材)としては、ここでは、ネガ型レジストを用いた例を示している。また、実際には、このレジスト塗布後にレジストを効果させるための加熱処理(ベーク処理)などを実施するが、ここではその説明を省略する。
液体のレジスト材を用いて1層目レジスト22を形成する場合、可撓基板10の抜き部分においてレジスト表面に段差か生じる可能性がある。このようにレジスト表面に段差が生じる場合には、ドライフィルム型のレジスト材を貼り付けて1層目レジスト22を形成するようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 3D, a photoresist (photosensitive resin) is applied to the surface of the electrode 15 for electroforming with a uniform thickness to form a first layer resist 22.
Here, as a photoresist material (resist material), here, an example using a negative resist is shown. In practice, a heat treatment (bake treatment) or the like for effecting the resist is performed after the resist coating, but the description thereof is omitted here.
When the first-layer resist 22 is formed using a liquid resist material, a step may be generated on the resist surface in a portion where the flexible substrate 10 is removed. Thus, when a level | step difference arises on a resist surface, you may make it form the 1st layer resist 22 by affixing a dry film type resist material.

1層目レジスト22を形成した後、図3(e)に示すように、1層目マスク23を合わせた状態で紫外線を照射して1層目の露光処理を施し、1層目マスク23のパターンを転写する。
なお、1層目マスク23のパターンは、フレーム11の形成領域に配置されたパターンと錘部120aの形成領域に配置されたパターンからなる。
1層目マスク23のパターンの転写が終了した後、図4(a)に示すように、前工程において紫外線に感光した領域(露光領域)に2層目電極24を形成する。
2層目電極24も電鋳用電極15と同様に、例えば、表面活性化後の無電解メッキ膜を形成したり、CrとAuを真空蒸着(積層)やスパッタリングなどの手法を用いることによって形成することができる。
After the first-layer resist 22 is formed, as shown in FIG. 3E, the first-layer mask 23 is irradiated with ultraviolet rays in a state where the first-layer mask 23 is put together, and the first-layer mask 23 is exposed. Transfer the pattern.
The pattern of the first layer mask 23 includes a pattern disposed in the formation region of the frame 11 and a pattern disposed in the formation region of the weight portion 120a.
After the transfer of the pattern of the first layer mask 23 is completed, as shown in FIG. 4A, the second layer electrode 24 is formed in the region (exposure region) exposed to ultraviolet rays in the previous step.
Similarly to the electrode 15 for electroforming, the second-layer electrode 24 is formed by, for example, forming an electroless plating film after surface activation, or using a technique such as vacuum deposition (lamination) or sputtering of Cr and Au. can do.

次に、図4(b)に示すように、2層目電極24および1層目レジスト22の表面にフォトレジストを塗布して2層目レジスト25を形成する。
なお、2層目レジスト25は、フォトレジスト塗布後の表面の高さが均一(平坦)になるように形成する。
2層目レジスト25を形成した後、図4(c)に示すように、2層目マスク26を合わせた状態で紫外線を照射して2層目の露光処理を施し、2層目マスク26のパターンを転写する。
なお、2層目マスク26のパターンは、フレーム11の形成領域に配置されたパターンと錘部120bの形成領域に配置されたパターンからなる。
Next, as shown in FIG. 4B, a photoresist is applied to the surfaces of the second layer electrode 24 and the first layer resist 22 to form a second layer resist 25.
The second-layer resist 25 is formed so that the surface height after the photoresist application is uniform (flat).
After the second-layer resist 25 is formed, as shown in FIG. 4C, the second-layer mask 26 is irradiated with ultraviolet rays in a state where the second-layer mask 26 is put together, and the second-layer mask 26 is exposed. Transfer the pattern.
The pattern of the second layer mask 26 includes a pattern disposed in the formation region of the frame 11 and a pattern disposed in the formation region of the weight portion 120b.

2層目マスク26のパターンの転写が終了した後、図4(d)に示すように、1層目マスク23および2層目マスク26により感光しなかった部位(未露光部)のレジストを溶剤で溶かし、現像処理を施す。
現像処理が終了した後、図5(a)に示すように、露光部の残ったレジスト領域を母型として電鋳処理を施す。
ここでは、母型の内部に電鋳用電極15および2層目電極24を陰極として、金属を厚く電着させる。即ち、母型の内部に厚メッキ27を形成する。
After the transfer of the pattern of the second layer mask 26 is completed, as shown in FIG. 4 (d), the resist of the portion (unexposed portion) not exposed to light by the first layer mask 23 and the second layer mask 26 is removed as a solvent. Dissolve in and apply development.
After the development process is completed, as shown in FIG. 5A, an electroforming process is performed using the remaining resist area of the exposed portion as a matrix.
Here, a thick metal is electrodeposited using the electroforming electrode 15 and the second layer electrode 24 as a cathode inside the matrix. That is, the thick plating 27 is formed inside the mother die.

詳しくは、電着開始時には、電鋳用電極15の表面から、母型内に金属が電着される。なお、この時点では2層目電極24は通電されていないため、その表面には電着されない。
その後、電鋳用電極15の領域のみ電着が進み、2層目電極24の高さまで達すると、電着された金属を介して、電鋳用電極15と2層目電極24が導通される。すると、2層目電極24の表面からも電着される。
その結果、電鋳用電極15と2層目電極24部分での金属の厚み(高さ)がほぼ揃った状態で電着が進められる。
なお、電着させる金属(電鋳材)は、例えば、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Fe(鉄)、Au(金)やこれらの合金などを用いる。
Specifically, at the start of electrodeposition, metal is electrodeposited from the surface of the electroforming electrode 15 into the mother die. At this time, since the second layer electrode 24 is not energized, it is not electrodeposited on the surface.
Thereafter, electrodeposition proceeds only in the region of the electrode 15 for electroforming, and when it reaches the height of the second layer electrode 24, the electrode 15 for electroforming and the second layer electrode 24 are electrically connected through the electrodeposited metal. . Then, electrodeposition is also performed from the surface of the second layer electrode 24.
As a result, electrodeposition is performed in a state where the thickness (height) of the metal at the electroforming electrode 15 and the second layer electrode 24 is substantially uniform.
For example, Ni (nickel), Cu (copper), Fe (iron), Au (gold), and alloys thereof are used as the electrodeposited metal (electroformed material).

次に、図5(b)に示すように、厚メッキ27の母型からはみ出した部位を削り、表面の凹凸を平坦化する研磨処理を行う。この厚メッキ27の研磨処理には、例えば、CMP(化学的機械的研磨)法を用いて行う。
CMP法とは、シリカ粒子を含む液状のスラリ(研磨液)を流しながら、スピンドルに張り付けた基板の表面を、回転テーブルに表面の研磨パッドを接触させて研磨する研磨方法である。
そして、厚メッキ27の研磨処理が終了した後、図5(c)に示すように、母型、即ち露光部の残ったレジスト領域を溶剤で溶かし除去する。
Next, as shown in FIG. 5B, a portion of the thick plating 27 that protrudes from the base die is shaved, and a polishing process is performed to flatten the surface unevenness. The polishing treatment of the thick plating 27 is performed using, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.
The CMP method is a polishing method in which the surface of a substrate attached to a spindle is polished by contacting a polishing pad on the surface with a rotary table while flowing a liquid slurry (polishing liquid) containing silica particles.
Then, after the polishing process of the thick plating 27 is completed, as shown in FIG. 5 (c), the matrix, that is, the remaining resist region of the exposed portion is dissolved and removed with a solvent.

最後に図5(d)に示すように、補強基板20を可撓基板10から除去する。
補強基板20がWAX等で可撓基板10に固定(接合)されている場合には、加熱処理や有機溶剤等を用いて除去する。
また、補強基板20がSOI基板の支持層で形成されている場合には、支持層をエッチング処理により除去する。
なお、補強基板20を除去する際に、厚メッキ27(構造体)に対して応力などによるダメージが懸念される場合には、母型を除去処理の前に補強基板20の除去処理を行うようにしてもよい。
本実施の形態では、レジストは全てネガ型のものを使用したが、ポジ型のものを使用するようにしてもよい。この場合は、マスクは全て、図示したものと反転したパターンとなる。ネガ型、あるいはポジ型レジストのどちらかを使用するかは、レジストの成膜条件や転写の精度などに起因するが、それぞれ最適なものを選択することが可能である。
Finally, the reinforcing substrate 20 is removed from the flexible substrate 10 as shown in FIG.
When the reinforcing substrate 20 is fixed (bonded) to the flexible substrate 10 with WAX or the like, it is removed using heat treatment, an organic solvent, or the like.
Further, when the reinforcing substrate 20 is formed of a support layer of an SOI substrate, the support layer is removed by an etching process.
When removing the reinforcing substrate 20, if there is a concern about damage to the thick plating 27 (structure) due to stress or the like, the removing process of the reinforcing substrate 20 is performed before the removing process of the mother die. It may be.
In the present embodiment, all the resists are negative, but positive resists may be used. In this case, all the masks have a pattern reverse to that shown in the figure. Whether to use a negative type resist or a positive type resist depends on the film forming conditions of the resist and the accuracy of transfer, but it is possible to select an optimum one.

また、実際の角速度センサの製造時には、1枚の大きな基板を用いて多数個取り(バッチ処理)を施すため、個々のセンサを切り出すダイシング処理の工程が必要となる。
なお、個々のチップに分割するためのダイシング処理は、最初の可撓基板10のパターニング時に行うようにしても、また、母型の内部に厚メッキ27を形成した後や、母型(レジスト領域)を除去した後に行うようにしてもよい。
本実施の形態に係る角速度センサでは、はじめに可撓基板10に梁13を形成するように構成されているが、梁13を形成するタイミング(時期)は、これに限定されるものではない。
例えば、梁13の形成(可撓基板10の抜き加工)は、補強基板20を除去した後に、電鋳構造体、即ち、錘12およびフレーム11の形成面の裏面から行うようにしてもよい。この場合には、梁13を形成した後に、母型(レジスト領域)を除去することが好ましい。
Further, when an actual angular velocity sensor is manufactured, since a large number of pieces are taken (batch processing) using a single large substrate, a dicing process step for cutting out each sensor is required.
It should be noted that the dicing process for dividing into individual chips may be performed at the time of patterning of the first flexible substrate 10, or after the thick plating 27 is formed inside the mother die or after the mother die (resist region). ) May be removed.
In the angular velocity sensor according to the present embodiment, the beam 13 is first formed on the flexible substrate 10, but the timing (time) for forming the beam 13 is not limited to this.
For example, the formation of the beam 13 (the punching process of the flexible substrate 10) may be performed from the back surface of the formation surface of the electroformed structure, that is, the weight 12 and the frame 11, after the reinforcing substrate 20 is removed. In this case, it is preferable to remove the matrix (resist region) after forming the beam 13.

このように、本実施の形態によれば、梁13の長さを十分に確保しつつ、錘12の重量をより大きく構成することができるため、角速度センサの検出感度(精度)をより向上させることができる。
錘12と梁13との接合部に作用する応力は、接合面積、即ち、電鋳面積が広いほど大きくなる傾向にある。これは、可撓性を有する梁13との接触面積が大きいほど、接触(接合)領域における梁13の変形量も大きくなるためである。その結果、梁13全体が大きく変形し、梁13の剛性や、各電極間の静電容量値(あるいは圧電抵抗値)が、本来必要とされる設計値に対する差となって現れ、角速度センサ出力に対する検出誤差やばらつきの要因となってしまう。また、過度の応力が作用する場合、錘12が梁13から剥離する可能性もある。
As described above, according to the present embodiment, the weight of the weight 12 can be configured to be larger while the length of the beam 13 is sufficiently secured, so that the detection sensitivity (accuracy) of the angular velocity sensor is further improved. be able to.
The stress acting on the joint between the weight 12 and the beam 13 tends to increase as the joint area, that is, the electroforming area increases. This is because the deformation amount of the beam 13 in the contact (bonding) region increases as the contact area with the flexible beam 13 increases. As a result, the entire beam 13 is greatly deformed, and the rigidity of the beam 13 and the capacitance value (or piezoelectric resistance value) between the electrodes appear as a difference from the originally required design value, and the angular velocity sensor output Detection error and variation. Moreover, when excessive stress acts, the weight 12 may peel from the beam 13.

しかしながら、本実施の形態によれば、錘12の電鋳面積、即ち、錘12と梁13(可撓基板10)との接合面積を拡大させることなく錘12の重量を大きくすることができるため、錘12と梁13との接合部に作用する応力により生じる梁13の変形や錘12(メッキ)の剥離が生じる可能性を低減(抑制)することができる。
即ち、錘12と梁13(可撓基板10)との接合部を小さく構成することにより、従来のセンサより、錘12と梁13との接合部に作用する応力の影響を抑えることができるため、梁13の変形や錘12(メッキ)の剥離を低減(抑制)することができる。
さらに、検出用の可動電極として機能する錘12の底面(錘部120bの底部)の面積を大きくすることができるため、角速度センサの検出感度(精度)をより向上させることができる。
However, according to the present embodiment, the weight of the weight 12 can be increased without increasing the electroforming area of the weight 12, that is, the bonding area between the weight 12 and the beam 13 (flexible substrate 10). The possibility of deformation of the beam 13 caused by the stress acting on the joint between the weight 12 and the beam 13 and the separation of the weight 12 (plating) can be reduced (suppressed).
That is, since the joint portion between the weight 12 and the beam 13 (flexible substrate 10) is made small, the influence of the stress acting on the joint portion between the weight 12 and the beam 13 can be suppressed as compared with the conventional sensor. The deformation of the beam 13 and the peeling of the weight 12 (plating) can be reduced (suppressed).
Furthermore, since the area of the bottom surface of the weight 12 (the bottom portion of the weight portion 120b) that functions as a movable electrode for detection can be increased, the detection sensitivity (accuracy) of the angular velocity sensor can be further improved.

(変形例)
変形例では、錘12の姿勢変化の検出を圧電抵抗素子を用いて行う角速度センサについて説明する。
図6は、変形例に係る角速度センサの概略構成を示した断面図である。
なお、ここでは、上述した実施形態に示す角速度センサと同様の構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。
図7は、変形例に係る角速度センサにおける可撓基板10の平面図を示す。
図7(a)に示すように、可撓基板10における梁13の形成部位の表面(下部ガラス基板3との対向面)には、梁13自身の変形を検出する検出素子である圧電抵抗Rx1、Rx2、Ry1、Ry2、Rz1、Rz2が所定の向きに形成されている。
なお、可撓基板10をシリコン基板で構成した場合、これらの圧電抵抗Rx1、Rx2、Ry1、Ry2、Rz1、Rz2は、可撓基板10にイオン注入等の処理を施すことにより直接作り込むことができる。
(Modification)
In the modification, an angular velocity sensor that uses a piezoresistive element to detect a change in posture of the weight 12 will be described.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an angular velocity sensor according to a modification.
Here, parts having the same configuration as the angular velocity sensor shown in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different configurations will be described.
FIG. 7 is a plan view of the flexible substrate 10 in the angular velocity sensor according to the modification.
As shown in FIG. 7A, on the surface of the flexible substrate 10 where the beam 13 is formed (the surface facing the lower glass substrate 3), a piezoelectric resistor Rx1 that is a detection element that detects deformation of the beam 13 itself. , Rx2, Ry1, Ry2, Rz1, and Rz2 are formed in a predetermined direction.
When the flexible substrate 10 is formed of a silicon substrate, the piezoelectric resistors Rx1, Rx2, Ry1, Ry2, Rz1, and Rz2 can be directly formed by performing a process such as ion implantation on the flexible substrate 10. it can.

また、図7(a)に示すように、圧電抵抗Rx1とRx2、Ry1とRy2、Rz1とRz2は、それぞれ対になるように、対置する梁13上に設けられている。
上述した角速度センサと同様に、速度vで振動している質量mの錘12の周りに角速度Ωが加わると、錘12の中心には、“F=2mvΩ”のコリオリ力が錘12の運動方向に対し直交する方向に発生する。
このコリオリ力Fが発生すると、錘12にねじれが加わり錘12の姿勢が変化する。即ち、錘12の振動の運動方向と直交する面に対して、錘12が傾く。
Further, as shown in FIG. 7A, the piezoelectric resistors Rx1 and Rx2, Ry1 and Ry2, and Rz1 and Rz2 are provided on the beam 13 to be opposed to each other.
Similar to the angular velocity sensor described above, when an angular velocity Ω is applied around the mass 12 having a mass m vibrating at a velocity v, a Coriolis force of “F = 2 mvΩ” is applied to the center of the mass 12 in the direction of movement of the mass 12. It occurs in the direction orthogonal to.
When this Coriolis force F is generated, the weight 12 is twisted and the posture of the weight 12 changes. That is, the weight 12 is inclined with respect to a plane perpendicular to the vibration direction of the weight 12.

この錘12の姿勢に伴い、錘12を支持する梁13に機械的変形が生じる。梁13に変形が生じると、圧電抵抗Rx1、Rx2、Ry1、Ry2、Rz1、Rz2の抵抗値に変化が生じる。
そして、各軸方向における圧電抵抗の抵抗値の変化に基づいて、錘12の姿勢の変化(傾き、ねじれ量)を検出し、これらの検出結果に基づいて、作用する角速度の向きや大きさを出力する。
なお、図6に示す変形例では、上述したセンサと異なり、z軸方向の錘12の変位(梁13の撓み)を検出するためのRz1およびRz2が設けられている。これは、錘12のz軸方向に対する振動状態(振幅)を一定に保つ制御を行う際に用いられる。上述したセンサにおいても、錘12のz軸方向の変位を検出するための電極を設けることにより、同様の機能を付加することができる。
With the posture of the weight 12, mechanical deformation occurs in the beam 13 that supports the weight 12. When the beam 13 is deformed, the resistance values of the piezoelectric resistors Rx1, Rx2, Ry1, Ry2, Rz1, and Rz2 are changed.
Then, based on the change in the resistance value of the piezoresistor in each axial direction, the change in the posture of the weight 12 (inclination, twist amount) is detected, and the direction and magnitude of the acting angular velocity are determined based on these detection results. Output.
In the modification shown in FIG. 6, unlike the sensor described above, Rz1 and Rz2 are provided for detecting displacement of the weight 12 in the z-axis direction (deflection of the beam 13). This is used when performing control to keep the vibration state (amplitude) of the weight 12 in the z-axis direction constant. In the sensor described above, a similar function can be added by providing an electrode for detecting the displacement of the weight 12 in the z-axis direction.

錘12に作用する外力のx軸方向成分は、圧電抵抗Rx1、Rx2の抵抗値の変化に基づいて算出される。同様に、錘12に作用する外力のy軸方向成分は、圧電抵抗Ry1、Ry2の抵抗値の変化に基づいて算出され、z軸方向成分は、圧電抵抗Rz1、Rz2の抵抗値の変化に基づいて算出される。
また、図7(a)に示すように、可撓基板10の外縁部には、圧電抵抗Rx1、Rx2、Ry1、Ry2、Rz1、Rz2をセンサの外部に設けられた信号処理部(制御部)に接続するための、即ち、検出信号をセンサの外部へ引き出すための電極パッド41が設けられている。
なお、電極パッド41は、Al(アルミニウム)等の金属からなる。
The x-axis direction component of the external force acting on the weight 12 is calculated based on changes in the resistance values of the piezoelectric resistors Rx1 and Rx2. Similarly, the y-axis direction component of the external force acting on the weight 12 is calculated based on the change in the resistance value of the piezoelectric resistors Ry1 and Ry2, and the z-axis direction component is based on the change in the resistance value of the piezoelectric resistors Rz1 and Rz2. Is calculated.
Further, as shown in FIG. 7A, the signal processing unit (control unit) in which the piezoelectric resistors Rx1, Rx2, Ry1, Ry2, Rz1, and Rz2 are provided outside the sensor at the outer edge portion of the flexible substrate 10. An electrode pad 41 is provided for connection to the sensor, that is, for extracting a detection signal to the outside of the sensor.
The electrode pad 41 is made of a metal such as Al (aluminum).

そして、図7(b)に示すように、圧電抵抗Rx1、Rx2、Ry1、Ry2、Rz1、Rz2、配線パターンおよび電極パッド41が形成された可撓基板10の表面(下部ガラス基板3との対向面)には、圧電抵抗Rx1、Rx2、Ry1、Ry2、Rz1、Rz2を絶縁保護するための絶縁層40が形成されている。
絶縁層40は、電極パッド41の形成領域を避けた部分に、表面が平坦に成るように形成されている。
なお、絶縁層40は、例えば、SiO2(酸化シリコン)等の絶縁物からなる。
さらに、図7(c)に示すように、絶縁層40の表面(下部ガラス基板3との対向面)には、フレーム11および錘12を電鋳形成(電着形成)するための電鋳用電極15’が設けられている。
なお、電鋳用電極15を介してフレーム11および錘12を電鋳形成(電着形成)する方法は、上述した角速度センサと同様であるため説明を省略する。
7B, the surface of the flexible substrate 10 on which the piezoelectric resistors Rx1, Rx2, Ry1, Ry2, Rz1, Rz2, the wiring pattern and the electrode pads 41 are formed (opposite to the lower glass substrate 3). The insulating layer 40 for insulating and protecting the piezoelectric resistors Rx1, Rx2, Ry1, Ry2, Rz1, and Rz2 is formed on the surface).
The insulating layer 40 is formed in a portion where the formation area of the electrode pad 41 is avoided so that the surface is flat.
The insulating layer 40 is made of an insulator such as SiO 2 (silicon oxide).
Further, as shown in FIG. 7 (c), the frame 11 and the weight 12 are formed on the surface of the insulating layer 40 (the surface facing the lower glass substrate 3) for electroforming (electrodeposition formation). An electrode 15 'is provided.
Note that the method for forming the electrode 11 and the weight 12 through the electrode 15 for electroforming (electrodeposition formation) is the same as the above-described angular velocity sensor, and thus the description thereof is omitted.

また、上述した角速度センサ(変形例を含む)では、4つの梁13を介して錘12を支持するように構成されているが、錘12の支持方法はこれに限定されるものではない。
例えば、錘12を可動な状態に支持することができる程度に十分な可撓性を有する部材によって可撓基板10が構成されている場合には、梁13を設けないダイアフラム構造を用いるようにしてもよい。
さらに、本実施の形態では、力学量センサの一例として2軸検出型の角速度センサを用いて説明したが、力学量センサは、これに限定されるものではない。例えば、x軸、y軸、z軸方向に働く加速度を検出することができる加速度センサや、x軸方向に働く加速度のみを検出する1軸型センサやx軸およびy軸方向に働く加速度を検出する2軸型センサであってもよい。
なお、加速度センサを構成する場合、錘の一次振動のための駆動手段が不要となる。
Moreover, although the angular velocity sensor (including the modification) described above is configured to support the weight 12 via the four beams 13, the method of supporting the weight 12 is not limited to this.
For example, when the flexible substrate 10 is configured by a member having sufficient flexibility to support the weight 12 in a movable state, a diaphragm structure without the beam 13 is used. Also good.
Furthermore, in the present embodiment, a two-axis detection type angular velocity sensor has been described as an example of a mechanical quantity sensor. However, the mechanical quantity sensor is not limited to this. For example, an acceleration sensor that can detect acceleration acting in the x-axis, y-axis, and z-axis directions, a single-axis sensor that detects only acceleration acting in the x-axis direction, and an acceleration that acts in the x-axis and y-axis directions are detected. It may be a biaxial sensor.
In the case of configuring the acceleration sensor, a driving unit for primary vibration of the weight is not necessary.

また、上述した角速度センサ(変形例を含む)では、図3(c)や図7(c)に示すように、梁13の領域にも電鋳用電極15が形成されている。
電鋳用電極15による可撓基板10(梁13)に作用する応力が十分に小さい場合には、このように可撓基板10の全面に渡って電鋳用電極15を形成するようにしてもよい。 しかしながら、電鋳用電極15’の応力が大きい場合には、可撓基板10(梁13)の撓みを抑制(防止)するために、図8(a)および(b)に示すようにパターニング処理(マスキング処理)を施すことが好ましい。
詳しくは、図8(a)および(b)に示すように錘12の形成領域(電鋳領域)、およびフレーム11の形成領域(電鋳領域)にのみ電鋳用電極15’を形成する。
なお、電鋳用電極15は、錘12を電鋳形成するための母型を形成する際のマスク(1層目マスク23)のズレ量を考慮して、電鋳面積よりも若干大きめに形成することが好ましい。
Further, in the above-described angular velocity sensor (including modifications), the electroforming electrode 15 is also formed in the region of the beam 13 as shown in FIGS.
When the stress acting on the flexible substrate 10 (beam 13) by the electrode 15 for electroforming is sufficiently small, the electrode 15 for electroforming may be formed over the entire surface of the flexible substrate 10 in this way. Good. However, when the stress of the electroforming electrode 15 ′ is large, a patterning process is performed as shown in FIGS. 8A and 8B in order to suppress (prevent) the bending of the flexible substrate 10 (beam 13). It is preferable to perform (masking treatment).
Specifically, as shown in FIGS. 8A and 8B, the electrode 15 ′ for electroforming is formed only in the formation region (electroforming region) of the weight 12 and the formation region (electroforming region) of the frame 11.
The electroforming electrode 15 is formed slightly larger than the electroforming area in consideration of the displacement of the mask (first layer mask 23) when forming the mother die for forming the weight 12 by electroforming. It is preferable to do.

また、可撓基板10が半導体または不導体により構成されている場合には、図8(a)および(b)に示すように、電鋳用電極15’における錘12の形成領域とフレーム11の形成領域とを配線パターン18を介して電気的に接続するようにする。
なお、図8(a)および(b)では、4つの梁13の一部にのみ配線パターン18を設けるように示してあるが、梁13の可撓性バランスを考慮して、全ての梁13に均等に配線パターン18を設けるようにしてもよい。配線パターン18の形成領域(配設面積)は、極力小さくすることが望ましい。
When the flexible substrate 10 is composed of a semiconductor or a nonconductor, as shown in FIGS. 8A and 8B, the formation area of the weight 12 and the frame 11 in the electrode 15 ′ for electroforming The formation region is electrically connected via the wiring pattern 18.
8A and 8B show that the wiring pattern 18 is provided only on a part of the four beams 13, all the beams 13 are considered in consideration of the flexibility balance of the beams 13. Alternatively, the wiring pattern 18 may be provided equally. It is desirable to make the formation area (arrangement area) of the wiring pattern 18 as small as possible.

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。It is the perspective view which showed schematic structure of the angular velocity sensor which concerns on this Embodiment. (a)は可動部構造体におけるフレームおよび錘を上部ガラス基板側から見た平面図を示し、(b)は角速度センサにおける中心を通るx軸に沿った断面を示し、(c)は錘の姿勢が変化した状態を示した図である。(A) shows the top view which looked at the flame | frame and weight in the movable part structure from the upper glass substrate side, (b) shows the cross section along the x-axis which passes along the center in an angular velocity sensor, (c) shows weight of the weight It is the figure which showed the state which the attitude | position changed. 本実施の形態に係る角速度センサにおける可動部構造体の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the movable part structure in the angular velocity sensor which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る角速度センサにおける可動部構造体の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the movable part structure in the angular velocity sensor which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る角速度センサにおける可動部構造体の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the movable part structure in the angular velocity sensor which concerns on this Embodiment. 変形例に係る角速度センサの概略構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed schematic structure of the angular velocity sensor which concerns on a modification. 変形例に係る角速度センサにおける可撓基板の平面図である。It is a top view of the flexible substrate in the angular velocity sensor concerning a modification. 電鋳用電極の形成例を示した図である。It is the figure which showed the example of formation of the electrode for electroforming.

符号の説明Explanation of symbols

1 可動部構造体
2 上部ガラス基板
3 下部ガラス基板
10 可撓基板
11 フレーム
12 錘
13 梁
14 錘形成部
15 電鋳用電極
16 可動隙間
17 可動隙間
18 配線パターン
20 補強基板
22 1層目レジスト
23 1層目マスク
24 2層目電極
25 2層目レジスト
26 2層目マスク
27 厚メッキ
30 駆動電極
31〜34 固定電極
40 絶縁層
41 電極パッド
120a 錘部
120b 錘部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Movable part structure 2 Upper glass substrate 3 Lower glass substrate 10 Flexible substrate 11 Frame 12 Weight 13 Beam 14 Weight forming part 15 Electroforming electrode 16 Movable gap 17 Movable gap 18 Wiring pattern 20 Reinforcement substrate 22 First layer resist 23 1st layer mask 24 2nd layer electrode 25 2nd layer resist 26 2nd layer mask 27 Thick plating 30 Drive electrode 31-34 Fixed electrode 40 Insulating layer 41 Electrode pad 120a Weight part 120b Weight part

Claims (8)

フレームと、
少なくとも一部が前記フレームに固定された可撓性を有する梁と、
前記梁と接合し、電着された金属により形成され、前記梁との接合面と平行するいずれかの箇所の断面積が前記接合面の面積より大きい錘と、
前記錘の姿勢変化を検出する姿勢検出手段と、
前記姿勢検出手段により検出された前記錘の姿勢変化に基づいて力学量の変化を出力する出力手段と、
を備えたことを特徴とする力学量センサ。
Frame,
A flexible beam at least partially secured to the frame;
A weight bonded to the beam, formed of electrodeposited metal, and having a cross-sectional area at any location parallel to the bonding surface with the beam larger than the area of the bonding surface;
Posture detection means for detecting posture change of the weight;
Output means for outputting a change in mechanical quantity based on the posture change of the weight detected by the posture detection means;
A mechanical quantity sensor characterized by comprising:
前記梁は、電鋳用電極を備え、
前記錘は、前記電鋳用電極を介して前記梁と接合されていることを特徴とする請求項1記載の力学量センサ。
The beam includes an electrode for electroforming,
The mechanical quantity sensor according to claim 1, wherein the weight is joined to the beam via the electroforming electrode.
前記錘は、フォトリソグラフィ技術を用いて形成された母型内に電着された金属により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。   3. The mechanical quantity sensor according to claim 1, wherein the weight is made of a metal electrodeposited in a mother die formed using a photolithography technique. 前記錘と対向して配設された固定電極を備え、
前記姿勢検出手段は、前記錘と前記固定電極間の静電容量の変化に基づいて前記錘の姿勢変化を検出することを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の力学量センサ。
A fixed electrode disposed opposite to the weight,
4. The mechanical quantity according to claim 1, wherein the posture detection unit detects a change in posture of the weight based on a change in capacitance between the weight and the fixed electrode. 5. Sensor.
前記梁に配設された圧電素子を備え、
前記姿勢検出手段は、前記圧電素子の回路定数の変化に基づいて前記錘の姿勢変化を検出することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一の請求項に記載の力学量センサ。
Comprising a piezoelectric element disposed on the beam;
5. The mechanical quantity sensor according to claim 1, wherein the posture detection unit detects a posture change of the weight based on a change in a circuit constant of the piezoelectric element. .
前記フレームは、前記錘と同様の電着された金属により形成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一の請求項に記載の力学量センサ。   The mechanical quantity sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the frame is formed of an electrodeposited metal similar to the weight. 梁との接合面を有する第1の錘部と、前記梁との接合面と平行する断面が前記梁との接合面より大きい第2の錘部とからなる錘を備えた力学量センサの製造方法であって、
前記梁の表面に第1の感光性部材を塗布する第1のステップと、
前記第1の錘部を形成するための領域を露光する第1のマスクを前記第1の感光性部材に重ね、第1の露光処理を行う第2のステップと、
少なくとも前記錘の母型となる領域に第1の電極層を形成する第3のステップと、
前記第1の電極層を含む前記第1の感光性部材の上面に、第2の感光性部材を塗布する第4のステップと、
前記第2の錘部を形成するための領域を露光する第2のマスクを前記第2の感光性部材に重ね、第2の露光処理を行う第5のステップと、
前記第1の感光性部材および第2の感光性部材における、前記錘を形成する領域を溶かし、露光領域を現像する第6のステップと、
前記第6のステップで残された領域を母型として電鋳処理を行う第7のステップと、
前記第7のステップにより形成される前記錘の姿勢変化を検出する姿勢検出手段、および、前記姿勢検出手段により検出された前記錘の姿勢変化から力学量の変化を検出する力学量検出手段を形成する第8のステップと、
を備えることを特徴とする力学量センサの製造方法。
Manufacture of a mechanical quantity sensor having a weight comprising a first weight portion having a joint surface with a beam and a second weight portion having a cross section parallel to the joint surface with the beam larger than the joint surface with the beam A method,
Applying a first photosensitive member to the surface of the beam;
A second step of overlaying a first mask for exposing a region for forming the first weight portion on the first photosensitive member and performing a first exposure process;
A third step of forming a first electrode layer at least in a region serving as a matrix of the weight;
A fourth step of applying a second photosensitive member to the upper surface of the first photosensitive member including the first electrode layer;
A fifth step of overlaying a second mask for exposing a region for forming the second weight portion on the second photosensitive member and performing a second exposure process;
A sixth step of melting an area for forming the weight in the first photosensitive member and the second photosensitive member, and developing an exposed area;
A seventh step of performing an electroforming process using the region remaining in the sixth step as a matrix;
Forming a posture detecting means for detecting the posture change of the weight formed by the seventh step, and a mechanical quantity detecting means for detecting a change in the mechanical amount from the posture change of the weight detected by the posture detecting means. An eighth step to:
A method of manufacturing a mechanical quantity sensor, comprising:
前記梁の表面に第2の電極層を形成する第9のステップを備え、
前記第1のステップは、前記第2の電極層の表面に第1の感光性部材を塗布することを特徴とする請求項7記載の力学量センサの製造方法。
Comprising a ninth step of forming a second electrode layer on the surface of the beam;
8. The method of manufacturing a mechanical quantity sensor according to claim 7, wherein in the first step, a first photosensitive member is applied to a surface of the second electrode layer.
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