JP2008232736A

JP2008232736A - ガスレートセンサの検出部構造

Info

Publication number: JP2008232736A
Application number: JP2007070880A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Shiozawa; 龍雄塩沢; Susumu Sugiyama; 進杉山; Viet Dzung Dao; ベトズンダオ
Original assignee: Ritsumeikan Trust; Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Ritsumeikan Trust; Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】本発明は、ホットワイヤをヒータで加熱した予熱状態で用いることにより、出力のアップ、ノイズの低減を達成することを目的とする。
【解決手段】本発明によるガスレートセンサの検出部構造は、シリコン枠形基板(1)の各突出アーム(5)間のセンサ部(200)を、絶縁層(31)上のホットワイヤ(6,7)とヒータ(6A,7A)で形成し、ヒータ(6A,7A)によりホットワイヤ(6,7)を加熱して予熱状態として角速度入力の検出を行う構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスレートセンサの検出部構造に関し、特に、ホットワイヤの近傍にヒータを設け、このヒータでホットワイヤを予熱することにより、出力のアップ、ノイズの低減等を達成するための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種のガスレートセンサの検出部構造としては、例えば、特許文献１及び非特許文献１等に開示された構造を挙げることができる。
すなわち、図６で示される構成は、従来の１軸型の検出部構造であり、基板１上に４個のピン状の電極２〜４が各々独立して植設され、一対の電極２，３間、及び、一対の電極４，５間には、当業者間ではホットワイヤと呼称されるワイヤ６，７が張設され、溶接等での一体接続された検出部１０である。

前述の検出部１０の構成において、各ワイヤ６，７に電流が流された状態下で、図示しないガス供給孔から供給されたガスがガス流８として供給され、外部から角速度が付加された場合には、コリオリの力によりこのガス流８が偏向すると、何れかのワイヤ６，７に温度差ができる。
この温度差の状態を、各ワイヤ６，７が二辺に組込まれた図示しないブリッジ回路によって検出され、抵抗差として角速度の検出が行われる。
図７は、図６の１軸型を２軸型に変更した従来構成である。
図８は、前述の検出部１０を用いたガスレートセンサ２０を示している。

また、２００４年札幌で開催された「プロシーディング・オブ・アジアパシフィック・コンフォレンス・オブ・トランスデューサーズ・アンド・マイクロナノ・テクノロジー」の「デザイン・アンド・ファブリケーション・オブ・セミコンダクター・ガス・ジャイロスコープ」のｖｏＬ．３−１，ｐｐ．２５７−２６２で発表されたＳＯＩウェハ（シリコン・オン・インシュレータウェハ）を用い各種エッチング処理（マイクロマシニング加工）によって形成したガスレートセンサの検出部構造を以下に示す。
図９において符号２１で示されるものは、周知のＳＯＩウェハ（シリコン・オン・インシュレータウェハ）であり、このＳＯＩウェハ２１には、多数の区画が形成され、各区画毎に図１０で示される検出部１０が形成されている。

前記検出部１０は、ＳＯＩウェハ２１をＩＣを製造する工程と同様に、各種エッチング処理（周知のマイクロマシニング加工（ＭＥＭＳ））によって形成され、図１０及び図１１で示されるように構成されている。

すなわち、図１１の断面図において、前記検出部１０は、シリコンからなり、開口１Ａを有するシリコン枠形基板１と、この支持基板１上の絶縁酸化膜（ＢＯＸ）からなる絶縁層３１と、この絶縁層３１上の導電性の活性層３２と、この活性層３２上に形成されアルミニウムからなる導電性パターン３３とからなり、この活性層３２には、図１０の平面図にも示されるように４個のホットワイヤとしてのワイヤ６，７が形成されている。

前記絶縁層３１及び支持基板１は、平面的にみると、図１０で示されるように、エッチング処理によって開口１Ａが形成（図１０の白抜きの部分に相当）されると共に、４本の突出アーム２，３，４，５が内方へ突出した状態で形成され、この各突出アーム２，３，４，５は、支持基板１、絶縁層３１、活性層３２及び導電性パターン３３の多層構造から構成されている。

従って、各突出アーム２，３，４，５間には前記活性層３２からなるワイヤ６，７が形成されており、各ワイヤ６，７が四角形に配設されることにより、２軸方向の角速度入力を検出することができるように構成されている。
また、前記各ワイヤ６，７に一体に接続した状態で形成された導電性パターン３３は、前記活性層３２と共に２層状に形成されている。

前述の検出部１０は、図８で示される周知のガスレートセンサ２０の内部に装着され、ガス噴出孔２６からのガス流８が各ワイヤ６，７に供給されるように構成されている。
尚、図７の２軸検出型に対して２本のワイヤ６又は７のみとすることにより、１軸検出型とすることもできる。

特公平１−５６２７５号公報ジャイロ活用技術（多摩川精機株式会社編、平成１４年工業調査会発行）の５６頁の２，２，４（１）のガスレートセンサ

従来のガスレートセンサの検出部構造は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、図６から図８の従来構成の場合、電極間にワイヤを張設する場合、電気抵抗溶接で固定しているが、この固定時に、ワイヤが極細であるため、ワイヤにダメージが加わりやすく、これは、溶接固定する際に発生する力（応力）、熱によるものである。
このワイヤへのダメージの程度が大きくなると、断線等が発生し、歩留まりの低下、信頼性の低下になっていた。
また、図９から図１１の従来構成の場合、前述の図６から図８の従来構成の場合のようにワイヤを張設する必要はないが、各ワイヤの両端が前記各突出アームに固定されているため、温度変化等でガスレートセンサのケース等からシリコンウェハ又はＳＯＩウェハに圧力が印加された場合、各突出アームを介してワイヤに引張応力、圧縮が発生し、検出誤差等の原因となっていた。

本発明によるガスレートセンサの検出部構造は、全体形状が枠状をなしシリコンウェハ又はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハを加工してなるシリコン枠形基板と、前記シリコン枠形基板の内面に内方へ向けて突出する複数の突出アームと、前記シリコン枠形基板の上面に形成された絶縁層と、前記各突出アーム上の前記絶縁層上に互いに並設された細長状のホットワイヤ及びヒータと、前記各突出アームのアーム先端部間に形成され前記ホットワイヤとヒータと絶縁層のみからなるセンサ部と、前記絶縁層上に形成され前記ホットワイヤに接続されたホットワイヤ用パッド電極と、前記絶縁層上に形成され前記ヒータに接続されたヒータ用パッド電極とを備え、前記センサ部における前記ホットワイヤ及びヒータは、中央又は側部に前記ホットワイヤが位置し、前記ホットワイヤと各ヒータとの間には細長状の隙間が形成されている構成であり、また、前記センサ部の両端は前記突出アーム側に支持されている構成であり、また、前記センサ部の中央部のみは前記突出アームに支持され、その両端は自由端である構成であり、また、前記ホットワイヤとヒータは、合計で３本よりなり、前記ホットワイヤが中央に位置し、前記ホットワイヤの両側に前記各ヒータが配設されている構成であり、また、前記ホットワイヤとヒータは、合計で３本よりなり、前記ヒータが中央に位置し、前記ヒータの両側に前記ヒータとホットワイヤが配設されている構成であり、また、前記ホットワイヤとヒータは、前記シリコンウェハの場合には半導体又はシリコン層からなる構成であり、また、前記ホットワイヤとヒータは、前記ＳＯＩウェハの場合には、前記ＳＯＩウェハの活性層からなる構成である。

本発明によるガスレートセンサの検出部構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、各突出アーム間に設けられるホットワイヤには、その近傍にヒータが設けられ、このヒータの加熱によってホットワイヤが予熱状態であるため、ホットワイヤの温度が安定し、ホットワイヤへの印加電圧の低下によるホットワイヤ中の熱応力の低下時の特性の向上を得ることができる。
また、ノイズの減少（Ｓ／Ｎ比の向上）、検出信号の出力向上を得ることができる。

本発明は、ホットワイヤの近傍にヒータを設け、このヒータでホットワイヤを予熱することにより、出力のアップ、ノイズの低減等を達成するようにしたガスレートセンサの検出部構造を提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明によるガスレートセンサの検出部構造の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図１において符号１で示されるものは、全体形状が枠状をなし周知のシリコンウェハ又はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ２１を周知のマイクロマシニング加工（ＭＥＭＳ）によって形成されたシリコン枠形基板であり、このシリコン枠形基板１の中央位置にはほぼ円形の開口１Ａが形成されている。

前記シリコン枠形基板１は、ここでは、図２に示すように、前述のＳＯＩウェハ２１を用いて形成した場合について述べる。
前記シリコン枠形基板１の前記開口１Ａ内には、このシリコン枠形基板１から一体に内方へ突出して４本の突出アーム２，３，４，５が９０度間隔で形成されている。

前記各突出アーム２，３，４，５の表面には、図２で示されるように絶縁層３１を介して細長状のパターンで活性層３２からなるホットワイヤ６，７及びヒータ６Ａ，７Ａが形成されている。
前記シリコン枠形基板１上には、ホットワイヤ用パッド電極１００及びヒータ用パッド電極１０１が形成されており、前記各ホットワイヤ６，７はホットワイヤ用パッド電極１００に接続され、前記各ヒータ６Ａ，７Ａはヒータ用パッド電極１０１に接続されている。

前記各ホットワイヤ６，７は４個で周知のようにブリッジ回路（図示せず）を構成し、各ホットワイヤ用パッド電極１００を介して電源が供給されて加熱されると共に、各ホットワイヤ６，７の抵抗が検出できるように構成され、図１では２軸方向の角速度入力が検出できる構成である。

また、前記各ヒータ６Ａ，７Ａは、前記各ヒータ用パッド電極１０１を介して電源が供給され、各ヒータ６Ａ，７Ａの加熱が行われるように構成されている。

前記突出アーム５の各アーム先端部５ａ間に延長して形成された絶縁層３１、ホットワイヤ６，７、ヒータ６Ａ，７Ａのみからなるセンサ部２００は、拡大して示すと図３で示されるように構成されている。
すなわち、前記センサ部２００は、中央に１本のホットワイヤ６又は７が形成され、このホットワイヤ６又は７の両側に一対のヒータ６Ａ，７Ａが並設して形成され、ホットワイヤ６又は７とヒータ６Ａ，７Ａとの間には、約数ミクロンの隙間２０１が形成され、互いに電気的に独立した状態で配設されている。

尚、前述の構成では、１本のホットワイヤ６又は７の両側に一対のヒータ６Ａ，７Ａを形成した場合について説明したが、中央にヒータ６Ａが位置し、その両側にヒータ７Ａとホットワイヤ６又は７が位置するように配設することもできる。尚、前述のホットワイヤ６，７とヒータ６Ａ，７Ａは、シリコン枠形基板１がシリコンウェハの場合は、半導体またはシリコン層で形成される。

前述の構成において、図１の検出部１０を図８で示されるガスレートセンサ２０の所定位置に配設し、各ヒータ６Ａ，７Ａを加熱することにより、ホットワイヤ６，７の加熱による予熱が行われ、この状態で、ガス噴出孔２６からのガス流８が各ホットワイヤ６，７に供給される。

前述の状態で、外部から角速度の入力が発生すると、各ホットワイヤ６，７のうち、何れか一方側にガス流８が多く当たることになり、各ホットワイヤ６，７の何れかの抵抗が大きく変化し、前述の図示しないブリッジ回路によって入力した角速度の方向と大きさが検出される。

従って、前述のようにヒータ６Ａ，７Ａの加熱によってホットワイヤ６，７が予熱状態であるため、ホットワイヤ６，７の温度が安定し、ホットワイヤ６，７への印加電圧の低下によりホットワイヤ６，７中の熱応力が低下し、特性の向上を得ることができる。
また、各ホットワイヤ６，７の温度が安定しているため、検出信号のノズルの減少（Ｓ／Ｎ比の向上）及び検出信号の出力向上を得ることができる。

また、図４は図１〜図３の他の形態を示すもので、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略し、図１と異なる部分についてのみ説明する。すなわち、全体が弧状に曲折した前記センサ部２００の中央部のみが前記各突出アーム５に設けられ、その両端２００ａ、２００ｂは支持されることなく自由端で構成されている。従って、各センサ部２００は両端が支持されている構成と比べると、外部からの機械的影響による検出特性の悪影響を受けにくく、安定した検出特性を得ることができる。また、図５は図４のセンサ部２００を拡大して示すもので、ホットワイヤ６（７）の内側にヒータ６Ａ（７Ａ）が形成され、突出アーム５と一体に形成されている。尚、前記ホットワイヤ６（７）とヒータ６Ａ（７Ａ）とは、図５において逆となるように、ホットワイヤ６（７）をヒータとし、ヒータ６Ａ（７Ａ）をホットワイヤとすることができる。

本発明によるガスレートセンサの検出部構造を示す平面図である。図１の拡大断面図である。図１のセンサ部の拡大平面図である。図１の他の形態を示す傾視図である。図４のセンサ部の拡大斜視図である。従来の検出部を示す斜視図である。図６の他の従来構成図である。従来のガスレートセンサの構成図である。従来のＳＯＩ基板を示す斜視図である。従来の他の検出部を示す平面図である。図１０の断面図である。

符号の説明

１シリコン枠形基板
１Ａ開口
２１ＳＯＩウェア
５突出アーム
６，７ホットワイヤ
６Ａ，７Ａヒータ
１０検出部
３１絶縁層
３２活性層
１００ホットワイヤ用パッド電極
１０１ヒータ用パッド電極
２００センサ部
２０１隙間

Claims

全体形状が枠状をなしシリコンウェハ又はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ(21)を加工してなるシリコン枠形基板(1)と、前記シリコン枠形基板(1)の内面に内方へ向けて突出する複数の突出アーム(5)と、前記シリコン枠形基板(1)の上面に形成された絶縁層(31)と、前記各突出アーム(5)上の前記絶縁層(31)上に互いに並設された細長状のホットワイヤ (6,7)及びヒータ(6A,7A)と、前記各突出アーム(5)のアーム先端部(5a)間に形成され前記ホットワイヤ(6,7)とヒータ(6A,7A)と絶縁層(31)のみからなるセンサ部(200)と、前記絶縁層(31)上に形成され前記ホットワイヤ(6,7)に接続されたホットワイヤ用パッド電極(100)と、前記絶縁層(31)上に形成され前記ヒータ(6A,7A)に接続されたヒータ用パッド電極(101)とを備え、
前記センサ部(200)における前記ホットワイヤ(6,7)及びヒータ(6A,7A)は、中央又は側部に前記ホットワイヤ(6,7)が位置し、前記ホットワイヤ(6,7)と各ヒータ(6A,7A)との間には細長状の隙間(201)が形成されていることを特徴とするガスレートセンサの検出部構造。
前記センサ部(200)の両端は前記突出アーム(5)側に支持されていることを特徴とする請求項１記載のガスレートセンサの検出部構造。
前記センサ部(200)の中央部のみは前記突出アーム(5)に支持され、その両端は自由端であることを特徴とする請求項１記載のガスレートセンサの検出部構造。
前記ホットワイヤ (6,7)とヒータ(6A,7A)は、合計で３本よりなり、前記ホットワイヤ(6,7)が中央に位置し、前記ホットワイヤ(6,7)の両側に前記各ヒータ(6A,7A)が配設されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のガスレートセンサの検出部構造。
前記ホットワイヤ (6,7)とヒータ(6A,7A)は、合計で３本よりなり、前記ヒータ(6A,7A)が中央に位置し、前記ヒータ(6A,7A)の両側に前記ヒータ(6A,7A)とホットワイヤ(6,7)が配設されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のガスレートセンサの検出部構造。
前記ホットワイヤ (6,7)とヒータ(6A,7A)は、前記シリコンウェハの場合には半導体又はシリコン層からなることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のガスレートセンサの検出部構造。
前記ホットワイヤ (6,7)とヒータ(6A,7A)は、前記ＳＯＩウェハ(21)の場合には、前記ＳＯＩウェハ(21)の活性層(32)からなることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のガスレートセンサの検出部構造。