JP2008058259A - Inertial sensor and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、角速度や加速度を検出するため振動子を有する慣性センサおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to an inertial sensor having a vibrator for detecting angular velocity and acceleration, and a method for manufacturing the same.
複数のセンサチップを合わせることで多軸方向の角速度や加速度を検出するセンサ構造が提案されている。 A sensor structure that detects angular velocity and acceleration in multi-axis directions by combining a plurality of sensor chips has been proposed.
例えば、3軸回りの角速度を検出するために基板上に第1の素子と第2の素子が設置された構成としたものがある。この構成では、第1の素子の質量部がX方向に加振されているため、Z軸回りの角速度が作用したときにY方向に作用するコリオリ力による振動を検出することでZ軸回りの角速度を検出できる。また第2の素子の質量部は、Z軸方向に加振されているため、X軸回りの角速度が作用したときにY方向に作用するコリオリ力による振動を検出することでX軸回りの角速度を検出できる。同様にY軸回りの角速度が作用したときにX方向に作用するコリオリ力による振動を検出することでY軸回りの角速度を検出できる。また角速度センサは1つの振動子を4本の弾性支持体で支持し、X方向あるいはY方向の駆動あるいは検出には櫛形電極、Z方向の駆動あるいは検出には平板の静電電極を用いているという従来技術がある(例えば、特許文献1参照。)。 For example, there is a configuration in which a first element and a second element are installed on a substrate in order to detect angular velocities around three axes. In this configuration, since the mass portion of the first element is vibrated in the X direction, when the angular velocity around the Z axis acts, the vibration around the Z axis can be detected by detecting the vibration caused by the Coriolis force acting in the Y direction. Angular velocity can be detected. Further, since the mass portion of the second element is vibrated in the Z-axis direction, the angular velocity around the X axis is detected by detecting the vibration caused by the Coriolis force acting in the Y direction when the angular velocity around the X axis acts. Can be detected. Similarly, the angular velocity around the Y axis can be detected by detecting the vibration caused by the Coriolis force acting in the X direction when the angular velocity around the Y axis acts. The angular velocity sensor supports one vibrator with four elastic supports, and uses a comb-shaped electrode for driving or detecting in the X direction or Y direction, and a flat electrostatic electrode for driving or detecting in the Z direction. (For example, refer to Patent Document 1).
上記従来技術では、3軸周りの角速度を検出するために、2つの素子(1軸角速度センサチップと2軸角速度センサチップ)を基板に実装している。角速度センサチップ構造は1つの振動子を4本の弾性支持体で支持し、X軸方向あるいはY軸方向の駆動あるいは検出には櫛形電極、Z軸方向の駆動あるいは検出には平板の静電電極を用いている。この構造では、例えば、第1の素子において、質量部がX軸方向に加振しているためZ軸回りの角速度が作用したときにY軸方向に作用するコリオリ力による振動を検出することでZ軸回りの角速度を検出できる。しかし、Y軸方向もしくはY軸方向に成分を持つ加速度(外部加速度という)が加わった場合、質量部には角速度が印加されていないにも関わらず、質量部がY軸方向に変位して櫛形電極に容量変化が生じ、あたかも角速度が印加されているかのごとく信号を出力してしまう。 In the above prior art, two elements (a uniaxial angular velocity sensor chip and a biaxial angular velocity sensor chip) are mounted on a substrate in order to detect angular velocities around three axes. In the angular velocity sensor chip structure, one vibrator is supported by four elastic supports. A comb-shaped electrode is used for driving or detecting in the X-axis direction or the Y-axis direction, and a flat electrostatic electrode is used for driving or detecting in the Z-axis direction. Is used. In this structure, for example, in the first element, since the mass portion is vibrated in the X-axis direction, when the angular velocity around the Z-axis acts, the vibration due to the Coriolis force acting in the Y-axis direction is detected. The angular velocity around the Z axis can be detected. However, when an acceleration having a component in the Y-axis direction or the Y-axis direction (referred to as external acceleration) is applied, the mass part is displaced in the Y-axis direction even though no angular velocity is applied to the mass part. A capacitance change occurs in the electrode, and a signal is output as if an angular velocity is applied.
このように、外部加速度の影響により角速度センサ出力に誤差が生じるという問題がある。 Thus, there is a problem that an error occurs in the angular velocity sensor output due to the influence of the external acceleration.
なお、第2の素子についても第1の素子と同様に1つの質量部を複数の弾性支持体で支持する構造のため、外部加速度の影響により角速度センサ出力に誤差が生じるという問題がある。 Since the second element has a structure in which one mass part is supported by a plurality of elastic supports like the first element, there is a problem that an error occurs in the angular velocity sensor output due to the influence of external acceleration.
角速度が角速度センサに印加されるとコリオリ力が生じるが、コリオリ力Fcoriolisは下記の式で現される。 When the angular velocity is applied to the angular velocity sensor, a Coriolis force is generated. The Coriolis force F coriolis is expressed by the following equation.
Fcoriolis=2mvΩ F coriolis = 2mvΩ
ここで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。 Here, 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及びxmは駆動振動速度vの対応パラメター)を大きく取る必要がある。しかし、櫛形電極を用いた静電駆動、静電検出の角速度センサの場合、櫛形電極の構造上大きな変位が取れないため、角速度検出感度の向上には限界がある。 In order to increase the displacement generated by the Coriolis force, it is necessary to increase the mass m, the driving angular frequency ωx, and the driving displacement xm ( ωx and xm are corresponding parameters of the driving vibration speed v) . However, in the case of an electrostatic drive and electrostatic detection angular velocity sensor using a comb-shaped electrode, a large displacement cannot be obtained due to the structure of the comb-shaped electrode, and thus there is a limit in improving the angular velocity detection sensitivity.
また、第1の素子のようにZ軸方向の駆動でX軸回り、Y軸回りの2軸周りの角速度を検出する場合、角速度検出感度を高めるためには、櫛形電極のギャップを狭くする、もしくは、質量部を重くすることが考えられるが、櫛形電極のギャップを狭くしつつ質量部を重くすることは、検出電極作製(通常はシリコンの深堀エッチング技術を用いる)上、難しい。したがって、従来技術では、角速度検出の高感度化が難しい。 Further, when detecting angular velocities around two axes around the X axis and the Y axis by driving in the Z-axis direction like the first element, in order to increase the angular velocity detection sensitivity, the gap between the comb electrodes is narrowed. Alternatively, it is conceivable to make the mass part heavy, but it is difficult to make the mass part heavy while narrowing the gap of the comb-shaped electrode in terms of the production of the detection electrode (usually using a deep silicon etching technique). Therefore, it is difficult to increase the sensitivity of angular velocity detection with the prior art.
解決しようとする問題点は、外部加速度の影響により角速度センサ出力に誤差が生じる点であり、静電駆動、静電検出の角速度センサの場合、櫛形電極の構造上大きな変位が取れないため、角速度検出感度の向上には限界がある点である。 The problem to be solved is that an error occurs in the output of the angular velocity sensor due to the influence of external acceleration. In the case of the angular velocity sensor of electrostatic drive and electrostatic detection, the displacement of the comb-shaped electrode cannot take a large displacement. There is a limit in improving detection sensitivity.
本発明は、外部加速度の影響により角速度センサ出力に誤差を除去するとともに、角速度検出の高感度化を可能にすることを課題とする。 It is an object of the present invention to eliminate an error in the angular velocity sensor output due to the influence of external acceleration and to increase the sensitivity of angular velocity detection.
本発明の慣性センサは、電磁駆動方式および静電検出方式を用い、互いに直交する3軸のうち1軸方向の駆動振動で2軸方向の角速度を検出する複数の慣性センサ素子を同一基板上に形成したもので、前記慣性センサ素子の少なくとも一組の慣性センサ素子は前記基板上で互いに直交する向きに配置されていて、前記慣性センサ素子は、複数の弾性支持体に支持されたもので、互いに逆位相で駆動振動する振動モードを有する2対の振動子を備え、前記各振動子のコリオリ力による変位を、前記各振動子と前記各振動子に対向する位置に設けた静電検出電極との容量変化差分で検出することを特徴とする。 The inertial sensor of the present invention uses an electromagnetic drive method and an electrostatic detection method, and a plurality of inertial sensor elements that detect angular velocities in two axial directions by driving vibration in one axial direction among three axes orthogonal to each other on the same substrate. The inertial sensor element is formed such that at least one inertial sensor element of the inertial sensor element is arranged in a direction orthogonal to each other on the substrate, and the inertial sensor element is supported by a plurality of elastic supports, An electrostatic detection electrode provided with two pairs of vibrators having vibration modes that vibrate in opposite phases to each other, and a displacement due to the Coriolis force of each vibrator is provided at a position facing each vibrator and each vibrator. It is characterized by detecting by the difference in capacitance change.
本発明の慣性センサでは、静電検出方式であり、複数の弾性支持体に支持されたもので、互いに逆位相で駆動振動する振動モードを有する2対の振動子を備えたことから、2対の振動子の駆動振動を逆位相にて振動する振動モードとし、コリオリ力による振動子変位を、静電検出方式を成す静電電極と2対の振動子との容量変化差分で検出される。このことから、角速度が印加されたときには、それぞれの電極と振動子間に発生する容量変化量が異なり、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。したがって、角速度印加時に外部加速度が加わっても並進加速度分を除去できるため、角速度の検出感度が向上される。また、電磁駆動方式としたことにより、振動子の駆動方式を櫛形電極による静電駆動方式と比較して、駆動振幅を大きくすることができるため、角速度の検出感度がさらに向上される。 The inertial sensor of the present invention is an electrostatic detection system, and is supported by a plurality of elastic supports, and includes two pairs of vibrators having vibration modes that are driven and oscillated in opposite phases. The vibrator is driven in a vibration mode that vibrates in the opposite phase, and the displacement of the vibrator due to the Coriolis force is detected by the difference in capacitance change between the electrostatic electrode and the two pairs of vibrators forming the electrostatic detection method. From this, when the angular velocity is applied, the capacitance change amount generated between each electrode and the vibrator is different, and when the translational acceleration is applied, the generated capacitance change amount is not different. However, there is no difference in capacity. Therefore, even if external acceleration is applied during application of the angular velocity, the translational acceleration can be removed, so that the sensitivity of detecting the angular velocity is improved. In addition, by adopting the electromagnetic driving method, the driving method of the vibrator can be increased as compared with the electrostatic driving method using the comb-shaped electrode, so that the detection sensitivity of the angular velocity is further improved.
本発明の慣性センサの製造方法は、電磁駆動方式および静電検出方式を用い、互いに直交する3軸のうち1軸方向の駆動振動で2軸方向の角速度を検出する複数の慣性センサ素子を同一基板上に形成する慣性センサの製造方法であって、前記慣性センサ素子の少なくとも一組の慣性センサ素子は前記基板上で互いに直交する向きに配置し、前記各慣性センサ素子を同一工程で同一基板上に形成することを特徴とする。 The inertial sensor manufacturing method of the present invention uses an electromagnetic drive method and an electrostatic detection method, and uses a plurality of inertial sensor elements that detect angular velocities in two axial directions by driving vibration in one axial direction among three orthogonal axes. A method of manufacturing an inertial sensor formed on a substrate, wherein at least one set of inertial sensor elements of the inertial sensor elements is arranged in a direction orthogonal to each other on the substrate, and the inertial sensor elements are formed on the same substrate in the same process. It is formed on the top.
本発明の慣性センサの製造方法では、各慣性センサ素子の同一構成部品は同一マスク内に作り込むことができる。よって、各慣性センサ素子の検出軸を完全に合わせることができる。 In the inertia sensor manufacturing method of the present invention, the same components of each inertial sensor element can be formed in the same mask. Therefore, the detection axes of the inertial sensor elements can be perfectly aligned.
本発明の慣性センサによれば、外部加速度の影響を受けることなく、2軸角速度センサもしくは3軸角速度センサを提供でき、また電磁駆動方式を用いているので、駆動振動振幅が大きく取れるため、角速度の検出感度の向上が図れるという利点がある。 According to the inertial sensor of the present invention, a biaxial angular velocity sensor or a triaxial angular velocity sensor can be provided without being affected by external acceleration, and since an electromagnetic driving method is used, a large driving vibration amplitude can be obtained. There is an advantage that the detection sensitivity can be improved.
本発明の慣性センサの製造方法によれば、各慣性センサ素子の検出軸を完全に合わせることができるため、各慣性センサ素子間の検出軸のずれが解消できるので、高感度な角速度検出が可能になるという利点がある。 According to the inertial sensor manufacturing method of the present invention, since the detection axes of the inertial sensor elements can be perfectly aligned, the shift of the detection axes between the inertial sensor elements can be eliminated, so that highly sensitive angular velocity detection is possible. There is an advantage of becoming.
本発明の慣性センサの一実施の形態(第1実施例)を、図1の慣性センサを示した(1)の平面レイアウト図および(2)の検出電極の構成位置を示した概略断面図、および図2の慣性センサ素子を示した平面レイアウト図、図3の慣性センサ素子の電極を示した平面レイアウト図および図4の慣性センサ素子のA−A’線断面図、図5の慣性センサ素子のB−B’線断面図、図6の慣性センサ素子のC−C’線断面図によって説明する。 FIG. 1 is a plan layout diagram of (1) showing the inertial sensor of FIG. 1 and a schematic cross-sectional view showing the configuration position of the detection electrode of (2); 2 is a plane layout diagram showing the inertial sensor element of FIG. 2, a plane layout diagram showing electrodes of the inertial sensor element of FIG. 3, a sectional view taken along the line AA ′ of the inertial sensor element of FIG. 4, and an inertial sensor element of FIG. BB 'line sectional drawing of FIG. 6, and the CC' line sectional drawing of the inertial sensor element of FIG.
図1に示すように、本発明の慣性センサ1は、互いに直交する3軸のうち1軸方向の駆動振動で2軸方向の角速度を検出するもので、電磁駆動方式および静電検出方式を用いた複数の慣性センサ素子2、3を同一基板10(例えば後述する第1基板100)上に形成したものである。この慣性センサ素子2、3は、複数の弾性支持体102に支持されたもので、互いに逆位相で駆動振動する振動モードを有する2対の振動子101を備えたものである。この慣性センサ素子2、3の詳細については、図2〜図6によって後述する。
As shown in FIG. 1, an
上記慣性センサ1は、3軸回りの角速度を検出するものであり、具体的には、2軸回りの角速度を検出する慣性センサ素子(2軸角速度センサ)2、3が2つ用いられ、例えば慣性センサ素子2のある検出軸に対して、慣性センサ素子3における上記慣性センサ素子2の上記ある検出軸と同一軸に対応する検出軸が基板10上において90度の角度を有して配置されるように、慣性センサ素子2と慣性センサ素子3とが配置されている。
The
つまり、一方の2軸慣性センサ素子(例えば慣性センサ素子2)の駆動振動方向がX軸方向とすると、他方の2軸慣性センサ素子(例えば慣性センサ素子3)の駆動振動方向はY軸方向ということになる。 That is, if the driving vibration direction of one biaxial inertial sensor element (for example, inertial sensor element 2) is the X-axis direction, the driving vibration direction of the other biaxial inertial sensor element (for example, inertial sensor element 3) is referred to as the Y-axis direction. It will be.
これにより、一方の2軸慣性センサ素子(例えば慣性センサ素子2)では、X軸方向の駆動振動に対してY軸回りとZ軸回りの角速度検出が可能でX軸周りの角速度の検出ができなかったが、他方の2軸慣性センサ素子(例えば慣性センサ素子3)はY軸方向の駆動振動であるため、X軸回りとZ軸回りの角速度検出が可能となるため、3軸回りの角速度が検出可能となる。 As a result, one of the two-axis inertial sensor elements (for example, inertial sensor element 2) can detect angular velocities around the Y-axis and Z-axis with respect to drive vibration in the X-axis direction, and can detect angular velocities around the X-axis. Although the other two-axis inertial sensor element (for example, inertial sensor element 3) is driven in the Y-axis direction, angular velocity around the X-axis and Z-axis can be detected. Can be detected.
上記慣性センサ1では、二つの慣性センサ素子2、3を用いたが、第1基板100上に慣性センサ素子を3個以上設けることも可能である。慣性センサ素子を多く設けることにより、同一方向に配置した慣性センサ素子の検出出力を合算することで検出感度の向上を図ることができる。
In the
次に、上記2軸方向の角速度検出が可能な慣性センサ素子の構成について詳述する。 Next, the configuration of the inertial sensor element capable of detecting the angular velocity in the biaxial direction will be described in detail.
図2〜図6に示すように、慣性センサ素子(角速度検出装置)2、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。例えば、第1振動子101−1を駆動側振動子とし、第2振動子101−2を励振側振動子とする。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で形成されている。 As shown in FIGS. 2 to 6, the inertial sensor elements (angular velocity detection devices) 2 and 3 include a first vibrator 101-1 and a second vibrator 101-2 in parallel. For example, the first vibrator 101-1 is a drive-side vibrator, and the second vibrator 101-2 is an excitation-side vibrator. The first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 are both made of a rectangular thin film, and are formed of silicon as an example.
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角部が弾性支持体102−5、102−6とによって接続され、その中間で支持部103−5、103−6によって支持されている。また第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弾性支持体102−1、102−2の一端側によって支持されている。また弾性支持体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弾性支持体102−3、102−4の一端側によって支持されている。また弾性支持体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。上記弾性支持体102−1〜6は、それぞれが例えば板バネで構成され、例えばシリコンからなり、その形状は適宜、種々の形状を採用することができ、例えば図示した形状とすることができる。上記支持部103−1、103−2、103−3、103−4は、それぞれ絶縁膜104を介して第1基板100上に形成されている。この第1基板100は、例えばシリコン基板で形成されている。したがって、第1振動子101−1および第2振動子101−2は弾性支持体102−1、102−2、102−3、102−4、102−5、102−6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。上記第1基板100は、例えばシリコン基板からなる。また、第1基板100上に形成される上記支持部103−1〜6は、絶縁膜104を介して形成されている。なお、第1基板100がガラス基板の場合には絶縁膜104を形成する必要はない。
The first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2 are connected to each other at the corners facing each other by elastic support bodies 102-5 and 102-6. 103-6. Further, the first vibrator 101-1 is supported at one end side of the elastic supports 102-1 and 102-2 at the corner opposite to the second vibrator 101-2. The other ends of the elastic supports 102-1 and 102-2 are supported and fixed to the support portions 103-1 and 103-2, respectively. Further, the second vibrator 101-2 is supported at one end side of the elastic supports 102-3 and 102-4 at a corner portion on the opposite side to the first vibrator 101-1. The other ends of the elastic supports 102-3 and 102-4 are supported and fixed to the support portions 103-3 and 103-4, respectively. Each of the elastic supports 102-1 to 10-6 is configured by, for example, a leaf spring and is made of, for example, silicon, and various shapes can be adopted as appropriate, for example, the illustrated shape. The support portions 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4 are formed on the
また、上記第1基板100の裏面側には、磁性体300が形成されている。この磁性体300は、例えば永久磁石で形成されている。この磁性体300は後述する第2基板200上部に設置することもできる。
A
上記支持部103−1から弾性支持体102−1、第1振動子101−1、弾性支持体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の励振を検出するための電極108−1が絶縁膜107を介して配設されている。同様に、上記支持部103−3から弾性支持体102−3、第2振動子101−2、弾性支持体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 support unit 103-1, the elastic support member 102-1, the first vibrator 101-1, and the elastic support member 102-2 are passed through to the support unit 103-2. An electrode 108-1 for detection is disposed via an insulating
また、第1振動子101−1、第2振動子101−2のY方向においては、2対の振動子がY方向に変位したことを静電容量変化として検出する静電検出電極109−1、2、109−3、4が、第1振動子101−1、第2振動子101−2の各側方に間隔をおいて形成されている。この各静電検出電極109−1〜4は、それぞれ、後述する引き出し電極122−1、122−3、122−4、122−6にコンタクト部123−1〜4を介して接続されている。ここで、図7の(1)平面レイアウト図および検出電極の構成位置を示した概略断面図に示すように、X軸方向の駆動振動Fxdに対して、Y軸回りの角速度が加わるとZ軸方向のコリオリ力Fzcが生じる。そのため、Z軸方向のコリオリ力Fzcを検出すればY軸回りの角速度がわかる。また、X軸方向の駆動振動Fxdに対して、Z軸回りの角速度が加わるとY軸方向のコリオリ力Fycが生じる。そのため、Y軸方向のコリオリ力Fycを検出すればZ軸回りの角速度がわかる。なお、第1、第2振動子101−1、2の振動モードは逆位相となっている。 Further, in the Y direction of the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2, an electrostatic detection electrode 109-1 that detects the displacement of the two pairs of vibrators in the Y direction as a change in capacitance. 2, 109-3, 4 are formed at intervals on each side of the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2. Each of the electrostatic detection electrodes 109-1 to 109-4 is connected to extraction electrodes 122-1, 122-3, 122-4, and 122-6, which will be described later, via contact parts 123-1 to 123-4. Here, as shown in (1) the plane layout diagram of FIG. 7 and the schematic cross-sectional view showing the configuration position of the detection electrode, if the angular velocity around the Y axis is applied to the drive vibration Fxd in the X axis direction, the Z axis A direction Coriolis force Fzc is generated. Therefore, if the Coriolis force Fzc in the Z-axis direction is detected, the angular velocity around the Y-axis can be determined. Further, when an angular velocity around the Z axis is applied to the drive vibration Fxd in the X axis direction, a Coriolis force Fyc in the Y axis direction is generated. Therefore, if the Coriolis force Fyc in the Y-axis direction is detected, the angular velocity around the Z-axis can be determined. Note that the vibration modes of the first and second vibrators 101-1 and 101-2 are opposite in phase.
前記図2〜図6に戻って、上記第1基板100上には、フレーム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。この第2基板200とフレーム121とは、例えば陽極接合により接合されている。なお、第2基板200は、シリコン基板を用いることもできる。この場合、第2基板200に形成される各電極等の導電性部品と第2基板200との間に絶縁膜を形成することが好ましい。第2基板200がシリコン基板で形成される場合には、フレーム121との接合は、Au−Au接合法、Au−Sn接合法、常温接合法等による接合が可能となる。
2 to 6, a
この第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に形成された電極108−1に対向する位置には、Z軸の静電検出電極120−1、XY軸の静電検出電極120−2、Z軸の静電検出電極120−3が形成され、第2振動子101−2に形成された電極108−2に対向する位置には、Z軸の静電検出電極120−4、XY軸の静電検出電極120−5、Z軸の静電検出電極120−6が形成されている。各検出電極120−1〜6にはそれぞれに引き出し電極122−1〜6が接続されている。
On the surface of the
また、上記第2基板200には、上記支持部103−1、103−2上の電極108−1に接続するもので、電極108−1を外部に引き出すための引き出し電極124−1、124−2がコンタクト部125−1、125−2を介して形成され、上記支持部103−3、103−4上の電極108−2に接続するもので、電極108−2を外部に引き出すための引き出し電極124−3、124−4がコンタクト部125−3、125−4を介して形成されている。
The
さらに、第2基板200には、弾性支持体102−1〜4に対向する位置に電極126−1〜4が形成され、各電極126−1〜4には引き出し電極127−1〜4が形成されている。
Further, electrodes 126-1 to 12-4 are formed on the
上記第1基板100には、絶縁膜104を介して、フレーム121の外側にフレーム121と間隔を置いてかつフレーム121を間にして対向する位置に同電位配線128−1、128−2が形成されている。上記フレーム121、同電位配線128−1、128−2は、例えばシリコンで形成される。
On the
次に、上記慣性センサ素子2、3の動作および検出原理を以下に説明する。
Next, the operation and detection principle of the
まず、上記2軸周りの角速度を検出する慣性センサ素子(角速度センサ)2の動作および検出原理について説明する。 First, the operation and detection principle of the inertial sensor element (angular velocity sensor) 2 that detects the angular velocity around the two axes will be described.
上記慣性センサ素子2、3は、第1基板100下に配置された永久磁石からなる磁性体300により電磁的に駆動される。電磁駆動用の電極108−1にある周期を持った電流を流す。電流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108−1に電流が流れると、駆動用の第1振動子101−1の下方(もしくは上方)に設置した磁性体300からの磁界により、ローレンツ力がX軸方向に発生する。ローレンツ力Florentz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
Florentz=IBL F lorentz = IBL
ここで、Iは電極に流れる電流、Bは磁束密度、Lは電極配線の長さである。 Here, I is the current flowing through the electrode, B is the magnetic flux density, and L is the length of the electrode wiring.
ローレンツ力は印加される電流と同じ周期性をもって第1振動子101−1に印加され、駆動側の第1振動子101−1は、弾性支持体102−1、2、5、6が接続されている支持部103−1、2、5、6を固定点とし、周期的に運動を繰り返す。 The Lorentz force is applied to the first vibrator 101-1 with the same periodicity as the applied current, and the elastic vibrators 102-1, 2, 5 and 6 are connected to the first vibrator 101-1 on the driving side. The supporting parts 103-1, 2, 5, 6 are fixed points, and the movement is repeated periodically.
もう一方の第2振動子101−2は弾性支持体102−3〜6が接続されている支持部103−3〜6を固定点とし、ある位相ずれを持ちながら運動を繰り返す。 The other second vibrator 101-2 repeats the movement while having a certain phase shift with the support portions 103-3 to 10-3 to which the elastic supports 103-3 to 6-6 are connected as a fixed point.
その際、外部からY軸回りに角速度が加わると、振動方向に直行した方向(Z軸方向)にコリオリ力が発生する。コリオリ力Fcoriolisは下記の式で現される。 At this time, when an angular velocity is applied from the outside around the Y axis, a Coriolis force is generated in a direction (Z axis direction) perpendicular to the vibration direction. The Coriolis force F coriolis is expressed by the following equation.
Fcoriolis=2mVΩ F coriolis = 2mVΩ
ここで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。 Here, 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ωy、駆動変位ym(ωy及びymは駆動振動速度vの対応パラメター)を大きく取る必要がある。電磁駆動の場合、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。 In order to increase the displacement generated by the Coriolis force, it is necessary to increase the mass m, the drive angular frequency ωy, and the drive displacement ym ( ωy and ym are parameters corresponding to the drive vibration velocity v) . In the case of electromagnetic driving, since a comb electrode necessary for electrostatic driving is not required, a large displacement can be taken.
コリオリ力が発生すると第1、第2振動子101−1、2がZ軸方向に振動する。その際、第1、第2振動子101−1、2の各上部にそれぞれ平板の検出電極120−1〜6を配置しているため電極間に静電容量変化が生じる。 When the Coriolis force is generated, the first and second vibrators 101-1 and 101-2 are vibrated in the Z-axis direction. At that time, since the flat detection electrodes 120-1 to 120-6 are arranged on the upper portions of the first and second vibrators 101-1 and 101-2, the capacitance changes between the electrodes.
ここで電圧印加の周波数をコントロールすることにより、一方の振動子(例えば第1振動子101−1)は第2基板200に形成した電極に近づく方向に移動し、他方の振動子(例えば第2振動子101−2)は遠ざかる方向に移動する。当然のことながら、この逆にも移動する。
Here, by controlling the frequency of voltage application, one vibrator (for example, the first vibrator 101-1) moves in a direction approaching the electrode formed on the
ここで、第1振動子101−1と検出電極120‐1〜3との容量と、第2振動子101−2と検出電極120−4〜6との容量との差分、すなわち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。角速度が印加されたときには、それぞれの電極と振動子間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。 Here, a difference between the capacitance between the first vibrator 101-1 and the detection electrodes 120-1 to 120-3 and the capacitance between the second vibrator 101-2 and the detection electrodes 120-4 to 6, that is, a capacitance difference is detected. Thus, the applied angular velocity is calculated. When angular velocity is applied, the amount of capacitance change generated between each electrode and the vibrator differs. However, when translational acceleration is applied, the amount of capacitance change that occurs does not differ. There is no difference. Therefore, it has a structure capable of removing the acceleration component generated when the angular velocity is applied.
また、容量変化を読み取る際、第2基板200側の電極と振動子間に搬送波を乗せ、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。したがって、Z軸方向に発生したコリオリ力による振動子のZ方向変位は、第2基板200面に形成された平板の静電電極120により静電容量変化として検出される。これにより、Y軸回りの角速度を検出することができる。
Further, when reading the capacitance change, a carrier wave is placed between the electrode on the
また、同様にX軸方向に駆動振動している時に、外部からZ軸回りに角速度が加わると、振動方向に直行した方向(Y軸方向)にコリオリ力が発生する。コリオリ力が発生すると第1、第2振動子101−1、2がY軸方向に振動する。その際、第1、第2振動子101−1、2の側方に、それぞれ平板の静電検出電極109−1〜4を配置しているため、振動子と電極との間に静電容量変化が生じる。 Similarly, when driving vibration is performed in the X-axis direction, if an angular velocity is applied from the outside around the Z-axis, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the vibration direction (Y-axis direction). When the Coriolis force is generated, the first and second vibrators 101-1 and 101-2 are vibrated in the Y-axis direction. At this time, since the electrostatic detection electrodes 109-1 to 4-4 having flat plates are arranged on the sides of the first and second vibrators 101-1 and 101-2, respectively, the capacitance between the vibrator and the electrodes. Change occurs.
ここで前述した電圧印加の周波数をコントロールすることにより、一方の振動子(例えば第1振動子101−1)は第2基板200に形成した電極に近づく方向に移動し、他方の振動子(例えば第2振動子101−2)は遠ざかる方向に移動する。当然のことながら、この逆にも移動する。
By controlling the voltage application frequency described above, one vibrator (for example, the first vibrator 101-1) moves in a direction approaching the electrode formed on the
ここで、第1振動子101−1と検出電極109‐1、2との容量と、第2振動子101−2と静電検出電極109−3、4との容量との差分、すなわち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。角速度が印加されたときにはそれぞれの検出電極109‐1〜4と第1、第2振動子101−1、2間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。 Here, the difference between the capacitance between the first vibrator 101-1 and the detection electrodes 109-1, 2 and the capacitance between the second vibrator 101-2 and the electrostatic detection electrodes 109-3, 4, ie, the capacitance difference. Is detected to calculate the applied angular velocity. When the angular velocity is applied, the capacitance change amount generated between each of the detection electrodes 109-1 to 10-4 and the first and second vibrators 101-1 and 2 is different, but is generated when the translational acceleration is applied. Since the amount of capacitance change to be made is not different, there is no difference in capacitance 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、容量変化を読み取る際、第2基板200側の電極と振動子間に搬送波を乗せ、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。したがって、Y軸方向に発生したコリオリ力による振動子のY方向変位は、第1、第2振動子101−1、2側方に形成された平板の静電電極109‐1〜4により静電容量変化として検出される。これにより、Y軸回りの角速度を検出することができる。
Further, when reading the capacitance change, a carrier wave is placed between the electrode on the
また、角速度が加わった際のコリオリ力を検出する静電検出電極120−1〜6、109−1〜4を平板の静電検出電極としたことにより、従来の櫛形電極を有するセンサよりも、静電検出電極と振動子間の隙間(ギャップ)に制約を受けることなく駆動振動振幅が大きく取れるため、角速度の検出感度が向上する。 Moreover, by using the electrostatic detection electrodes 120-1 to 6 and 109-1 to 4 for detecting Coriolis force when the angular velocity is applied as flat plate electrostatic detection electrodes, than a sensor having a conventional comb electrode, Since the drive vibration amplitude can be increased without being restricted by the gap (gap) between the electrostatic detection electrode and the vibrator, the detection sensitivity of the angular velocity is improved.
上記慣性センサ1では、静電検出方式であり、複数の弾性支持体102−1〜102−6に支持されたもので、互いに逆位相で駆動振動する振動モードを有する2対の振動子(第1振動子101−1、第2振動子101−2)を備えたことから、2対の振動子の駆動振動を逆位相にて振動する振動モードとし、コリオリ力による振動子変位を、静電検出方式を成す静電検出電極120−1〜6、109−1〜4と2対の振動子との容量変化差分で検出される。このことから、角速度が印加されたときには、それぞれの電極と振動子間に発生する容量変化量が異なり、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。したがって、角速度印加時に外部加速度が加わっても並進加速度分を除去できるため、角速度の検出感度が向上される。また、電磁駆動方式としたことにより、振動子の駆動方式を櫛形電極による静電駆動方式と比較して、駆動振幅を大きくすることができるため、角速度の検出感度がさらに向上される。
The
よって、外部加速度の影響を受けることなく、2軸角速度センサもしくは3軸角速度センサを提供でき、また電磁駆動方式を用いているので、駆動振動振幅が大きく取れるため、角速度の検出感度の向上が図れるという利点がある。 Therefore, a biaxial angular velocity sensor or a triaxial angular velocity sensor can be provided without being affected by external acceleration, and since the electromagnetic drive method is used, the drive vibration amplitude can be increased, so that the detection sensitivity of angular velocity can be improved. There is an advantage.
また、角速度が加わった際のコリオリ力を検出する静電検出電極を平板の静電検出電極としたことにより、櫛形電極を有するセンサよりも、静電検出電極120−1〜6と振動子(第1振動子101−1、第2振動子101−2)間のギャップに制約を受けることなく、駆動振動振幅が大きく取れるため、角速度の検出感度が向上する。また、駆動振動周波数とコリオリ力を検出する共振周波数を複数の弾性支持体の剛性を制御して近づけたことにより、櫛形電極を有するセンサよりも、角速度の検出感度が向上する。このように、角速度の検出感度が向上するので、この慣性センサ1は、例えば角速度センサ等に用いると、さらに有効である。
Further, since the electrostatic detection electrode for detecting the Coriolis force when the angular velocity is applied is a flat electrostatic detection electrode, the electrostatic detection electrodes 120-1 to 120-6 and the vibrator ( Since the drive vibration amplitude can be increased without being restricted by the gap between the first vibrator 101-1 and the second vibrator 101-2), the angular velocity detection sensitivity is improved. Further, by making the resonance frequency for detecting the driving vibration frequency and the Coriolis force close to each other by controlling the rigidity of the plurality of elastic supports, the detection sensitivity of the angular velocity is improved as compared with the sensor having the comb-shaped electrode. As described above, since the detection sensitivity of the angular velocity is improved, the
次に、上記慣性センサ1の製造方法について説明する。慣性センサ1は、同一基板、例えば第1基板100上に慣性センサ素子の少なくとも一組の慣性センサ素子、例えば慣性センサ素子2、3を、第1基板100上で互いに直交する向きに配置されるように、同時に形成する。その際、慣性センサ素子2、3の同一構成部品は同一工程で同時に作製される。
Next, a method for manufacturing the
具体的には、例えばSOI基板を用意する。 Specifically, for example, an SOI substrate is prepared.
以下、一方の慣性センサ素子(例えば慣性センサ素子2)についての製法を述べるが、他方の慣性センサ素子(例えば慣性センサ素子3)も慣性センサ素子2と同様に、同時に形成される。
Hereinafter, a manufacturing method for one inertial sensor element (for example, inertial sensor element 2) will be described. Similarly to
このSOI基板のシリコン層を加工して、振動子形成領域とフレーム121と同電位配線128−1、2を形成する。次いで、シリコン層上に絶縁膜107を介して電極108−1、2を形成する。次いで振動子形成領域のシリコン層を加工して、第1振動子101−1、第2振動子101−2、弾性支持部102−1〜102−6、支持部103−1〜6等を形成する。
The silicon layer of the SOI substrate is processed to form the vibrator formation region, the
次に、第2基板200(例えばガラス基板)を用意し、静電検出電極120−1〜6、109−1、2等を形成する。そして各電極間を接続するコンタクト部123−1〜4、125−1〜4等を形成した後、第1基板100に形成されたフレーム121と第2基板200とを接合する。その際、第1基板100側の各電極と第2基板200側の各電極がコンタクト部で接続されるようにする。さらに、第1基板100の裏面に磁性体300として、例えば永久磁石を配置する。
Next, a second substrate 200 (for example, a glass substrate) is prepared, and electrostatic detection electrodes 120-1 to 6, 109-1, 2 and the like are formed. Then, after forming contact portions 123-1 to 12 and 125-1 to 4 to connect the electrodes, the
このようにして、慣性センサ素子2、3が形成される。
In this way,
本発明の慣性センサの製造方法によれば、各慣性センサ素子2、3の検出軸を完全に合わせることができるため、各慣性センサ素子2、3間の検出軸のずれが解消できるので、高感度な角速度検出が可能になるという利点がある。
According to the inertial sensor manufacturing method of the present invention, the detection axes of the
また、本発明は、各慣性センサ素子を同一基板上に同一プロセスで製造することができるので、例えば、特開2005−283428号公報(以下、従来技術1という)に記載されている構成、すなわち、3つの角速度センサチップの検出対象となる3つの軸が1点で交わるとともに、3つの加速度センサチップの検出対象となる3つの軸が1点で交わるように、3つの角速度センサチップと3つの加速度センサチップが同一の被実装部材上に実装されている構成よりも、また、3つの角速度センサチップと3つの加速度センサチップを積層して実装する構成よりも、小型化、薄型化が可能になる。 Further, according to the present invention, each inertial sensor element can be manufactured on the same substrate by the same process. For example, the configuration described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-283428 (hereinafter referred to as Prior Art 1), that is, Three angular velocity sensor chips and three axes that are detected by the three angular velocity sensor chips intersect at one point, and three axes that are detected by the three acceleration sensor chips intersect at one point. Compared to a configuration in which acceleration sensor chips are mounted on the same mounted member, and a configuration in which three angular velocity sensor chips and three acceleration sensor chips are stacked and mounted, the size and thickness can be reduced. Become.
また、例えば、特開2001−183162号公報(以下、従来技術2という)に記載されている構成、すなわち、3つの角速度センサチップと2軸の加速度を検出する1つの加速度センサチップと2軸の地磁気を検出する1つの地磁気センサチップが2枚の基板に実装され、その基板同士が基板間コネクタを介して電気接続されており、筺体内に収納されている構成よりも、より小型化、薄型化が可能になる。 Further, for example, a configuration described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-183162 (hereinafter referred to as Conventional Technology 2), that is, three angular velocity sensor chips, one acceleration sensor chip for detecting biaxial acceleration, and two axes One geomagnetic sensor chip for detecting geomagnetism is mounted on two boards, and the boards are electrically connected via inter-board connectors, making it smaller and thinner than the configuration housed in the housing Can be realized.
さらに、上記従来技術1および2は、3軸回りの角速度を検出するために、3つの1軸角速度センサチップを実装しているので、実装時に検出軸を完全に合わせることが困難であるが、本発明では各慣性センサ素子を同一基板上に同一プロセスで製造することができるので、各慣性センサ素子の同一構成部品は同一マスク内に作り込むことができる。よって、各慣性センサ素子の検出軸を完全に合わせることができる。
Furthermore, since the
1…慣性センサ、2,3…慣性センサ素子、10…基板、101−1…第1振動子、101−2…第2振動子、102−1〜6…弾性支持体
DESCRIPTION OF
Claims (4)
互いに直交する3軸のうち1軸方向の駆動振動で2軸方向の角速度を検出する複数の慣性センサ素子を同一基板上に形成したもので、
前記慣性センサ素子の少なくとも一組の慣性センサ素子は前記基板上で互いに直交する向きに配置されていて、
前記複数の慣性センサ素子は、複数の弾性支持体に支持されたもので、互いに逆位相で駆動振動する振動モードを有する2対の振動子を備えた
ことを特徴とする慣性センサ。 Using electromagnetic drive method and electrostatic detection method,
A plurality of inertial sensor elements that detect angular velocity in two axial directions by driving vibration in one axial direction among three axes orthogonal to each other are formed on the same substrate.
At least one set of inertial sensor elements of the inertial sensor elements are arranged in directions orthogonal to each other on the substrate,
The plurality of inertial sensor elements are supported by a plurality of elastic supports, and include two pairs of vibrators having vibration modes that vibrate in opposite phases to each other.
ことを特徴とする請求項1記載の慣性センサ。 2. The inertia according to claim 1, wherein displacement due to the Coriolis force of each of the vibrators is detected by a capacitance change difference between the vibrator and an electrostatic detection electrode provided at a position facing the vibrator. Sensor.
ことを特徴とする請求項1記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein the electrostatic detection electrode has a flat plate shape.
互いに直交する3軸のうち1軸方向の駆動振動で2軸方向の角速度を検出する複数の慣性センサ素子を同一基板上に形成する慣性センサの製造方法であって、
前記慣性センサ素子の少なくとも一組の慣性センサ素子は前記基板上で互いに直交する向きに配置し、
前記各慣性センサ素子を同一工程で同一基板上に形成する
ことを特徴とする慣性センサの製造方法。
Using electromagnetic drive method and electrostatic detection method,
A method for manufacturing an inertial sensor, wherein a plurality of inertial sensor elements that detect angular velocity in two axial directions by driving vibration in one axial direction among three axes orthogonal to each other are formed on the same substrate,
At least one set of inertial sensor elements of the inertial sensor elements is disposed in a direction orthogonal to each other on the substrate;
Each inertial sensor element is formed on the same substrate in the same process. A method for manufacturing an inertial sensor.
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