JP2009002834A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能の角速度検出装置を提供する。
【解決手段】励振素子１３、コリオリ素子１４を含む駆動部を、固定端を共有している少なくとも２本の振動方向と直交する方向に延びる固定梁１２ａによって浮揚し、振動させている。実装または、熱の変動によって基板が変形したとしても、固定梁と支持梁に発生する内部応力は小さく、共振周波数や振動振幅などの振動状態を一定に保つことができる。そのため、実装環境の変化にロバストな高性能角速度検出装置を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体微細加工技術により形成され、振動する物体に生起されるコリオリ力に関連される物理量を検出することで角速度を測定する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems））に関するものである。

従来の技術として、特許第３２６２０８２号（特許文献１）と特許第３３２７１５０号（特許文献２）の明細書に基づき既に公知である角速度検出装置は、励振素子を挟んで励振素子の外側に向け、励振方向と直交する検出方向に延びた複数本の支持梁と固定梁を用いて励振素子を支持している。この支持梁と固定梁は、励振方向には柔らかく、検出方向には硬く形成されているため、励振素子を励振方向には動き易く、検出方向には動き難くすることを可能とする。そして、コリオリ素子は、検出方向には柔らかく、励振方向には硬い梁によって励振素子と連結されている。従って、コリオリ素子は、励振素子の励振方向の動きに追従して励振素子と一緒に振動する。

この状態で、励振方向と検出方向に直交する軸回りに角速度が印加されると、振動している励振素子と、コリオリ素子には、励振方向と直交する検出方向に印加された角速度に比例したコリオリ力が働く。ただし、励振素子は、検出軸には動き難く形成されているため、コリオリ素子のみが、検出方向に変位する。このコリオリ素子の変位または、コリオリ力を検出することで、印加された角速度を検出することができる。

しかし、励振素子を挟んで振動体を支持する場合には、支持点間の距離が長くなりがちであり、実装による歪や、振動体を支持する基板の熱などによる歪が発生した場合には、固定梁と支持梁に伸縮応力が発生し、梁のバネ定数が大きく変化するため、角速度検出性能を悪化させる。

特開２０００−１８０１７４号公報（特許文献３）の明細書に基づき既に公知である角速度検出装置は、４つの励振素子兼コリオリ素子が放射線状に配置され、点対称の中心点で支持基板に固定されている。そのため、実装歪や、熱などによる基板変形が発生しても支持梁、固定梁に伸縮応力が発生することはなく、本来の性能を維持することができる。

しかし、放射線状という形状の制約があり、中心点に近いところは電極を設けるスペースが狭く、設けられる電極の規模が遠方となることや、スペースの利用効率が悪く、小型化には不向きである。さらに、中心点のみでの支持・固定であるため、構造の自重による撓みが発生し易く、基板面外に容易に振動するため、外乱に弱い。活性層の厚さが薄い場合（例えば４μｍ）には、製造の段階で支持基板と活性層に形成されている懸架構造物がスティッキングする虞があり、歩留まり低下の原因となる。
特許第３２６２０８２号 特許第３３２７１５０号 特開２０００−１８０１７４号公報

前記特許文献１と前記特許文献２の角速度検出装置では、前述したとおり、励振素子を挟んで振動体を支持しているため、支持点間の距離が長く、この状態で実装による歪や、熱などの周辺環境の変動による歪が支持基板に発生した場合、固定梁の固定点間の距離が変動し、固定梁と支持梁の内部に応力が発生する。この内部応力によって、梁のバネ定数が変化し、支持している振動体の共振周波数が変わる。共振周波数の径時変化は、角速度検出装置の検出感度の安定性を低下させる重要な要因である。

前記特許文献３の角速度検出装置では、全ての構造が点対称の中心となる一点で支持基板と固定されているため、前記特許文献１、前記特許文献２のような問題は存在しない。しかし、検出装置の構造が放射線状に配置されているため、中心点の近傍と遠方で電極の規模が異なる。そのため、近傍と遠方の検出電極で差動検出を行い、例えば、角速度信号から加速度信号を分離するためには、複雑な検出回路が必要となる。また、放射線状のスペースでは、中心点付近は狭く、中心点から離れる程広くなるため、梁とか振動体、駆動電極、検出電極の配置に制約が多い。この制約を解消するためには、角速度検出装置のサイズを大きくすることが必要となり、無駄なスペースが多く、スペースの利用効率が悪いため、小型化に不利という問題がある。さらに、一点固定のため、構造体の自重による撓みも懸念される。

本発明の目的は、高性能の角速度検出装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明に係る角速度検出装置は、厚さ方向に支持基板と、その上に中間絶縁層を介して導体層（活性層）が形成された基板に、前記活性層面上ある方向にｘ軸、前記活性層の面内でｘ軸に垂直にｙ軸をとり、前記活性層面に垂直にｚ軸をとるとき、前記活性層に対してｘ軸に振動可能に配設された励振素子と、前記励振素子の振動に追従しながら、ｙ軸にも振動可能に配設されたコリオリ素子とで構成され、前記励振素子をｘ軸に振動させ、ｚ軸の回りの角速度が印加されたとき、前記コリオリ素子に発生するコリオリ力に関する物理量を検出する角速度検出装置において、前記振動方向に直交するｙ軸方向に互いに反対方向に延設され、固定端を共有する少なくとも２本の固定梁（第１梁）と、この固定梁の自由端に連結され、ｘ軸方向に延設される自由梁（第２梁）と、前記自由梁に前記固定梁と所定の間隔を隔てｙ軸方向に延設され、その自由他端が前記固定端の付近で前記励振素子と連結された少なくとも２本の支持梁（第３梁）と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る角速度検出装置は、更に、前記励振素子が前記コリオリ素子の内側に設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る角速度検出装置は、更に、前記固定梁、自由梁、支持梁の組を固定梁又は支持梁と平行に、所定の間隔を隔て少なくとも２組以上並べたことを特徴とする。

また、本発明に係る角速度検出装置は、更に、外乱の影響を低減させ、さらなる検出性能向上を図るため、一つのセンサユニットとして、少なくとも２個のセンサユニットを前記活性層に配設し、夫々のセンサユニットが連動（音叉振動）するようリンク梁によって連結することを特徴とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明に係る角速度検出装置は、各固定梁は前記励振方向（ｘ軸方向）に直交する検出方向（ｙ軸方向）に互いに反対方向に延設され、固定端を共有している。固定端の他方は、ｘ軸方向に延設される前記自由梁に連結される。この自由梁は、前記固定梁と後述する支持梁に比べて短く、幅が広く形成されている。支持梁は、前記固定梁と所定の間隔を隔てｙ軸方向に延設され、前記自由梁と前記励振素子を連結しているので、励振方向であるｘ軸方向には容易に屈曲できるが、検出方向であるｙ軸方向には屈曲し難い。従って、前記励振素子は、ｘ軸方向には容易に振動するが、ｙ軸方向には殆ど動かない。

前記コリオリ素子は、ｘ軸方向には硬く、ｙ軸方向には柔らかい検出梁（第４梁）によって励振素子と繋がっているので、前記励振素子の振動に追従しながらも励振方向と検出方向に直交するｚ軸回りの角速度が印加された場合には、検出方向であるｙ軸方向にコリオリ力によって振動する。従って、このコリオリ力に関連した物理量を測ることで、印加された角速度を測定することができる。

本発明で、前記励振素子は、固定端を共有している少なくとも２本の固定梁によって浮揚され、振動しているため、実装または、熱の変動によって基板が変形したとしても、固定梁と支持梁に発生する内部応力は小さく、検出性能への影響は少ない。

また、本発明に係る角速度検出装置では、前記励振素子が前記コリオリ素子の内側に設けられている。そのため、前記励振素子と前記コリオリ素子を支えている複数組の駆動梁（固定梁、自由梁、支持梁の組）の固定端間の距離を短くでき、実装または、熱の変動によって支持基板が変形したとしても検出性能への影響は少ない。

また、本発明に係る角速度検出装置は、前記駆動梁の組を固定梁又は支持梁と平行に、所定の間隔を隔て少なくとも２組以上配設している。これによって、角速度検出装置の自重によるたわみを防ぐことができ、より高性能な検出が可能となる。しかし、複数組の固定梁を持つことは、場所的に離れた固定端を持つことになる。前述したように離れている固定端を持つことは、実装または、熱の変動によって支持基板が変形した場合、梁に内部応力が発生し、角速度検出装置の性能が変化するため、安定性の低下につながる。

前記梁の内部応力は実装又は熱による基板の歪が力として梁に印加されることが原因として発生する。図１２に簡単な振動体のモデルを示し、支持基板がｘ、ｙ軸方向に夫々同じく変形したときの梁に印加される力を表している。固定端間の距離をＬ、支持基板の変形によって発生する固定端間の距離変動分をΔＬとすれば、ｘ軸方向（励振方向）に発生する力は式１となる。また、ｙ軸方向（検出方向）に発生する力は式２となる。

Ｆｘ＝（１／２）・Ｋｘ・ΔＬ＝Ｆｙ・（ｂ／Ｌ１）＾２ （式１）
但し、Ｋｘ＝Ｅ・ｈ・ｂ＾３／Ｌ１＾３＝Ｋｙ・（ｂ／Ｌ１）＾２である。

Ｆｙ＝（１／２）・Ｋｙ・ΔＬ （式２）
但し、Ｋｙ＝Ｅ・ｈ・ｂ／Ｌ１である。

ここで、Ｆｘ：ｘ軸方向に発生する力、Ｆｙ：ｙ軸方向に発生する力、Ｅ：縦弾性係数、ｈ：梁の高さ、ｂ：梁の幅、Ｌ：固定端間の距離、ΔＬ：固定端間の距離の変化量、Ｌ１：梁の長さ、Ｋｘ：梁のｘ軸方向バネ定数、Ｋｙ：梁のｙ軸方向バネ定数、である。

上記式１と式２から、梁の幅ｂが梁の長さＬ１より十分小さいときには、Ｆｘ<<Ｆｙになる。従って、複数個の固定端を配設する場合には、梁が伸びる方向より、梁が屈曲する方向に配設した方が発生する力が小さく、角速度検出装置の性能への影響が少ない。

本発明では、前記固定梁、自由梁、支持梁の組（駆動梁）を固定梁又は支持梁と平行に、所定の間隔を隔て少なくとも２組以上配設しているため、複数個の固定端があるにも拘らず高性能を維持することができる。

更に、本発明に係る角速度検出装置は、最小単位の角速度検出装置を一つのセンサユニットとして、少なくとも２個のセンサユニットを前記活性層に配設し、夫々のセンサユニットが連動（音叉振動）するようリンク梁によって連結している。このような構成にすることで、二つのセンサユニットは互いに逆相で振動する所謂音叉振動が可能となる。音叉振動させることで、夫々の検出手段を差動検出することによって角速度を検出することができ、外乱成分は差動検出によってキャンセルされ、外乱にロバストな高性能角速度検出装置が実現できる。また、音叉振動と差動検出を用いることで、角速度成分と加速度成分が分離できるため、角速度のみならず、同時に加速度の検出も可能となる。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における角速度検出装置１Ａについて図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態１における角速度検出装置１Ａの主要な構成要素を平面的に示す模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ’切断した断面を示しており、図３は、図１のＢ−Ｂ’切断した断面を示している。

まず、本実施の形態１における角速度検出装置１Ａの構成について説明する。角速度検出装置１Ａには、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が使用されている。すなわち、ＳＯＩ基板は、支持基板２ａ上に中間絶縁層２ｂが形成されており、この中間絶縁層２ｂ上に導体層（活性層）２ｃが形成されている。支持基板２ａは、例えば、シリコン（Ｓｉ）より形成され、中間絶縁層２ｂは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）より形成されている。さらに、中間絶縁層２ｂ上に形成されている導体層２ｃは、例えば、導電性シリコンより形成されている。

支持基板２ａと中間絶縁層２ｂとの総厚は、例えば、数十〜数百μｍ、導体層２ｃの厚さは、例えば、数〜数十μｍである。本実施の形態１では、ＳＯＩ基板を使用しているが、半導体基板としてＳＯＩ基板に限定されるものでなく種々変更可能である。例えば、表面ＭＥＭＳ技術を用いた導電性ポリシリコン、または、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などのめっき金属を導体層として使用してもよい。

支持基板２ａ上には、中間絶縁層２ｂが形成されており、この中間絶縁層２ｂ上に導体層２ｃが形成されている。この導体層２ｃを加工して素子形成領域ＤＡを囲むように台座部１０が形成され、この台座部１０の内側に後述する構成要素が形成されている。

台座部１０で囲まれた素子形成領域ＤＡ内には、活性層２ｃをパターニングすることで固定部１１が形成されている。この固定部１１は中間絶縁層２ｂを介して支持基板２ａに固定されている。また、固定部１１には、後述する励振素子１３を支持する駆動梁１２が接続されている。

この駆動梁１２は、励振方向に直交するｙ軸方向に互いに反対方向に延設され、固定部１１を共通の固定端とし、励振方向であるｘ方向には柔らかく、検出方向であるｙ軸方向には硬い少なくとも２本の固定梁（第１梁）１２ａと、この固定梁１２ａの他端にｘ軸方向に延設されｘ軸方向にも、ｙ軸方向にも変形し難い自由梁（第２梁）１２ｂと、この自由梁１２ｂに固定梁１２ａと並行で所定の間隔を隔て、励振方向には柔らかく、検出方向には硬い少なくとも２本の支持梁（第３梁）１２ｃとで構成されている。

固定梁１２ａは、固定部１１を対称にｙ軸方向に対をなして延設されており、固定梁１２ａの一端が固定部１１と、その他端が自由梁１２ｂと連結されている。また、支持梁１２ｃは、接続部（固定部１１と同一のｘ軸上で、励振素子１３と連結されている）を対称にｙ軸方向に対をなして延設されており、支持梁１２ｃの一端が自由梁１２ｂと、その他端が接続部と連結されている。また、固定部１１と駆動梁１２の組が励振方向であるｘ軸方向に所定の間隔を隔てｘ軸上に２組形成されている。

励振素子１３は、活性層２ｃをパターニングすることにより形成され、平面形状は口の字状となっている。この励振素子１３は、励振方向には柔らかく、検出方向には硬い駆動梁１２に支持され、その下にある中間絶縁層２ｂを除去することで、支持基板２ａから離れて固定部１１に懸架されている。

励振手段１６、１７は、励振素子１３に設けられている可動駆動電極１６ａ、１７ａと、支持基板２ａに中間絶縁層２ｂを介して固定されている固定駆動電極１６ｂ、１７ｂ、パッド１６ｃ、１７ｃとで構成されている。この励振手段１６、１７を用いて、励振素子１３を励振方向に振動させる。励振の仕組みや、励振回路については図４に示されており、後述する。

コリオリ素子１４は、活性層２ｃをパターニングすることにより形成され、平面形状は口の字状となっている。コリオリ素子１４は、励振方向であるｘ軸方向には硬く、検出方向であるｙ軸方向には柔らかい少なくとも４本の検出梁１５によって励振素子１３に接続されている。そのため、コリオリ素子１４は、励振素子１３のｘ軸方向の振動に追従して励振素子１３と同じ振幅、同じ位相で励振方向に振動する。

検出手段１８、１９は、コリオリ素子１４に接続されている可動検出電極１８ａ、１９ａと支持基板２ａに中間絶縁層２ｂを介して固定されている固定検出電極１８ｂ、１９ｂ、パッド１８ｃ、１９ｃとで構成されている。また、検出回路については図５に示しており、後述する。

すなわち、導体層（活性層）２ｃに形成される台座部１０、固定部１１、励振手段１６、１７の固定駆動電極１６ｂ、１７ｂ、検出手段１８、１９の固定検出電極１８ｂ、１９ｂ、及びパッド１６ｃ、１７ｃ、１８ｃ、１９ｃなど固定要素は、下層に形成されている中間絶縁層２ｂを介して支持基板２ａに固定されている。

一方、励振素子１３、コリオリ素子１４、および梁１２、１５など可動要素は、下層に形成されている中間絶縁層２ｂが除去され、固定部１１に懸架された状態となっている。このため、前記可動要素は、ＳＯＩ基板（支持基板２ａ）の主面に平行な導体層（活性層）２ｃの平面内で移動できるように構成されている。

図２、図３で示しているように台座部１０上には、キャップ５が接合されており、キャップ５が角速度検出装置１Ａの素子形成領域ＤＡを覆うように配置されている。このキャップ５は、例えば、ガラス基板から形成されており、シリコンよりなる台座部１０と陽極接合によって接合されている。さらに、このキャップ５には、前記パッド１６ｃ、１７ｃ、１８ｃ、１９ｃが接合される部分に貫通電極６、７、８が形成されており、素子外部との電気的信号のやり取りが可能となっている。

次に、本実施の形態１における角速度検出装置１Ａは上記のように構成されており、続いて、本発明の特徴について説明する。

図１に示すように、振動方向に直交する検出方向（ｙ軸方向）に互いに反対方向に延設され、固定部１１を共通の固定端とし、励振方向であるｘ軸方向には柔らかく、検出方向であるｙ軸方向には硬い少なくとも２本の固定梁１２ａと、この固定梁１２ａの他端にｘ軸方向に延設されｘ軸方向にも、ｙ軸方向にも変形し難い自由梁１２ｂと、この自由梁１２ｂに固定梁１２ａと並行で所定の間隔を隔て、励振方向には柔らかく、検出方向には硬い少なくとも２本の支持梁１２ｃを設け、それを固定部１１の付近で励振素子１３と連結している点である。

このような構成にすることにより、励振素子１３及びコリオリ素子１４を含む可動要素すべてが固定部１１の１点（本実施の形態１ではｘ軸線状に並ぶ２点）により支持基板２ａに中間絶縁層２ｂを介して固定されるため、従来の角速度検出装置の課題である実装歪もしくは、周辺環境（熱）の変化による、駆動梁１２、検出梁１５の内部応力発生と、それによる角速度検出装置性能低下の問題が解決できる。

前述したように、１点支持が理想的ではあるが、１点支持の場合、角速度検出装置の大きさや、活性層２ｃの厚みや活性層２ｃに働く重力などの影響により、励振素子１３、もしくはコリオリ素子１４が活性層２ｃの厚み方向（ｚ軸方向）に撓む恐れがある。この撓みは、検出手段１８、１９の可動検出電極１８ａ、１９ａと固定検出電極１８ｂ、１９ｂのずれを意味し、角速度の入力が無くても出力が発生するオフセットなど、角速度検出装置の性能悪化の一つの要因となる。

従って、複数個の駆動梁１２を配置し、励振素子１３、コリオリ素子１４の撓みを防ぐ必要がある。しかし、上述した式１、式２で分かるように、検出方向であるｙ軸方向に所定の間隔を隔て固定部１１を複数個配置することは、励振方向であるｘ軸方向に所定の間隔を隔て固定部１１を複数個配置することより、支持基板２ａが変形した場合、駆動梁１２に発生する内部応力は大きく、角速度検出性能に及ぶ影響は大きい。

そのため、本実施の形態１では、励振方向であるｘ軸の線状に２個の固定部１１を配置している。この結果、可動部や、基板の変形などによる性能への影響の少ない、高性能・高安定の角速度検出装置を形成することができるのである。

次に、本実施の形態１における角速度検出装置１Ａの動作について説明する。図１において、励振素子１３は、励振手段１６、１７によって、励振方向であるｘ軸方向に一定振幅、一定周波数で振動する。

図４は、このような励振手段１６、１７を駆動させる駆動回路を示している。なお、図４では、励振手段１６、１７をコンデンサで示し、励振素子１３、駆動梁１２を配線で示し、本図における等価回路として同一の符号を付す。また、符号Ｖ_biasは、励振手段１６、１７に印加する直流のバイアス電圧であり、符号Ｖ_driveは、励振手段１６、１７に印加する交流の励振信号である。この交流の励振信号を適切に印加することにより、角速度検出装置１Ａの前記励振素子１３を励振方向であるｘ軸方向に振動させることが可能となっている。ここでは、図示していないが、励振素子１３の振幅を監視する電極を設け、その結果によって前記交流の励振信号の大きさを調整し、励振振幅を一定にする方法や、自励発振回路を用いて周辺の環境変化による共振周波数の変動に駆動周波数を追従させる駆動方法は既知である。

励振手段１６、１７によって、励振素子１３が一定周波数、一定振幅で振動している状態で、紙面の垂直方向であるｚ軸回りの角速度が印加されると、振動している励振素子１３と励振素子１３に接続されているコリオリ素子１４には励振方向（ｘ軸方向）と直交する検出方向（ｙ軸方向）に式３で表すコリオリ力Ｆｃが発生する。

Ｆｃ＝２・ｍｙ・Ω・Ｘ・ω・ｃｏｓ（ω・ｔ） （式３）
ここで、Ｆｃ：コリオリ力、ｍｙ：コリオリ素子の重さ、Ω：印加された角速度、Ｘ：励振方向最大振幅、ω：駆動周波数、ｔ：時間、である。

励振素子１３は、励振方向には柔らかく、検出方向には硬い梁１２ａ、１２ｃによって支持されているため、検出方向には殆ど動かない。その反面、コリオリ素子１４は、励振方向には硬く、検出方向には柔らかい検出梁１５によって支持されているため、コリオリ力Ｆｃによって検出方向に容易に変位する。この変位により、可動検出電極１８ａ、１９ａと、固定検出電極１８ｂ、１９ｂ間の距離が変動し、静電容量が変化する。印加された角速度に比例して変化する検出電極１８、１９の静電容量の変化を検出することで、印加された角速度が測定できる。

図５は、検出手段１８、１９から角速度信号を取り出すための検出回路を示している。互いに１８０度位相が異なる搬送波１０１を夫々の検出手段１８、１９に印加し、その差分をアンプ１０２で増幅し、同期検波回路１０３で同期検波することで印加された角速度に比例した電圧信号として出力する。例えば、図示していないが、励振素子１３の振幅を測定するための手段などが使われる場合には、搬送波１０１とは周波数の異なる搬送波を印加し、印加した周波数で同期検波することで信号を区別できることは既知である。また、発生するコリオリ力を静電力によるリバランス力で打ち消す電極をコリオリ素子１４に設け、この電極に印加する電圧をモニタすることで、印加された角速度を検出することも可能である。なお、図５では、検出手段１８、１９をコンデンサで示し、固定部１１を配線として示している。本図における等価回路として同一の符号を付す。

次に、本実施の形態１における角速度検出装置１Ａの製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、図６に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してＳＯＩ基板の導体層２ｃに台座部１０、固定部１１、駆動梁１２、励振素子１３、コリオリ素子１４、検出梁１５、励振手段１６、１７、検出手段１８、１９、およびエッチホール２０（以上、機能部）を形成する。

この機能部の形成には、まず、図７に示すように、支持基板２ａ上に中間絶縁層２ｂを形成し、この中間絶縁層２ｂ上に導体層２ｃを形成したＳＯＩ基板を用意する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、形成したい前記機能部以外の導体層２ｃを除去することで、機能部を形成する。これにより機能部を構成する固定部１１、駆動梁１２、励振素子１３、コリオリ素子１４、検出梁１５などは同層に設けられることとなる。

続いて、図８に示すように、可動部（駆動梁１２、励振素子１３、コリオリ素子１４、検出梁１５）の下層に形成されている中間絶縁層２ｂをエッチングにより除去することによって可動部を固定部１１に懸架する。この工程により移動できる可動部を形成することができる。

エッチホール２０は、図６と図７に示しているように導体層２ｃを貫くように励振素子１３、コリオリ素子１４に形成している。そのため、導体層２ｃを除去するときにエッチングガス又はエッチング液がこのエッチホール２０を通って中間絶縁層２ｂに到達し、励振素子１３、コリオリ素子１４を支持基板２ａから分離する。

従って、中間絶縁層２ｂの最大エッチング幅は、ｘ軸もしくはｙ軸方向から４５度方向に形成されている二つのエッチホール２０間の導体層２ｃの長さになるため、固定部１１は、この長さより大きくする必要がある。プロセスのバラツキを考え２〜数倍程度の大きさが望ましい。また、図２と図８に示しているようにキャップ５を介して電極６を形成する場合にはそれに見合った大きさ（数百μｍ）にする必要がある。

しかし、式１と式２で述べたように固定部１１の大きさが検出軸であるｙ軸方向に大きくなることはセンサの性能との兼ね合いで制限がある。そのときには図１１（駆動梁１２と励振素子１３の一部を図示）に提示しているような固定の仕方をしてもよい。このとき固定梁１２ａが連結されている固定部１１の検出方向の幅は電極６を形成されるために必要な大きさには影響されない。

なお、図８では図示していないが、励振手段１６、１７の可動駆動電極１６ａ、１７ａ、検出手段１８、１９の可動検出電極１８ａ、１９ａの下層に形成されている中間絶縁層２ｂも除去され、駆動電極も空間に懸架される。その他の構造体の下層に形成されている中間絶縁層２ｂは除去しない。これにより、前記可動部および可動電極以外の構造体を、中間絶縁層２ｂを介して支持基板２ａに固定（連結）することができる。

続いて、図２、３、８に示すように、所定の電極６、７、８（図示していない複数個）を有するキャップ５を角速度検出装置構造体上に搭載する。このとき、電極６、７、８は、固定部１１、複数のパッド１６ｃ、１７ｃ、１８ｃ、１９ｃ上に重なるように位置合わせされる。すなわち、キャップ５に形成された所定の電極と、固定部１１、複数のパッド１６ｃ、１７ｃ、１８ｃ、１９ｃは電気的に接続される。これにより、キャップ５を形成した後でも、外部の集積回路とワイヤなどを用いて電気的に接続することができる。

また、図２、図３、図８に示すように、台座部１０上に接合するようにキャップ５が形成されている。このキャップ５は、素子形成領域ＤＡを覆うように形成され、角速度検出装置の構造体が形成されている素子形成領域ＤＡは、キャップ５によって気密封止される。

本実施の形態１では、キャップ５としてガラス基板を用いているが、シリコン基板など他の材質による基板を用いてもよい。さらに、接合方法として、キャップ５と台座部１０とを陽極接合によって接合する例を示しているが、プラズマやイオンによる表面活性化を用いる常温接合や、ガラスフリット、半田などの接着剤を用いてキャップ５と台座部１０とを接合するようにしてもよい。

例えば、キャップ５としてシリコン基板を用いることで、キャップ５と前記台座部１０とを常温接合により接合することができる。このとき、キャップ５と台座部１０が同じ材料であるので、封止材料同士の温度膨張係数の違いによる封止ひずみをなくすことができるため、高性能の角速度検出装置を得ることができる。

続いて、図８に示すように、ダイシングライン２１に沿って、キャップ５と接合された支持基板２ａをダイシングすることにより、角速度検出装置１Ａを個片化する。これにより本実施の形態１における角速度検出装置１Ａを形成することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、前記実施の形態１と同様に本実施の形態２における角速度検出装置１Ｂについて図面を参照しながら説明する。図９は、本実施の形態２における角速度検出装置１Ｂの主要な構成要素を平面的に示す模式図である。

本実施の形態２における角速度検出装置１Ｂの製造方法は、前記実施の形態１における角速度検出装置１Ａと同様である。前記実施の形態１と異なる点は、角速度検出装置１Ｂの構成であり、本実施の形態２では、前記実施の形態１で説明した角速度検出装置１Ａを励振方向に二つ配置し、励振素子１３同士をリンク部２２で繋いでいることである。そのため、二つの角速度検出装置は互いに連動し、音叉振動する。

まず、図９を用いて本実施の形態２における角速度検出装置１Ｂの構成について説明するが、本実施の形態２は、上述の通り、前記実施の形態１が励振方向に二つ配置されている。そのため、前記実施の形態１で説明した内容と重複する部分は省いて、新しく追加された部分を重点的に説明する。

図９において、角速度検出装置１Ｂには、前記実施の形態１同様、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が使用されている。図２、図３で示しているように導体層２ｃを加工して素子形成領域ＤＡを囲むように台座部１０が形成され、この台座部１０の内側に構成要素が形成されている。

まず、台座部１０で囲まれた素子形成領域ＤＡ内には、固定部１１が形成されている。そして、この固定部１１には、前記実施の形態１同様の駆動梁１２が接続され励振素子１３を懸架している。

励振素子１３は、駆動梁１２により懸架され、励振手段１６、１７を備えている。また、二つの励振素子１３は、励振方向であるｘ軸方向には柔らかく、検出方向であるｙ軸方向には硬いリンク部２２により互いに連結されている。このリンク部２２は、励振素子１３から励振方向に伸びる連結部２２ａ、と連結部から励振方向には柔らかく検出方向には硬い少なくとも４本のリンク梁２２ｂと、このリンク部２２同士を繋ぐリンク２２ｃとで構成されている。このリンク２２ｃは、なるべく変形しなくするため、リンク梁２２ｂより幅が広く形成されている。

励振手段１６、１７は、励振素子１３を励振方向に音叉振動させる。すなわち、図４に示している励振回路を用いて、夫々の励振素子１３が互いに近づいたり、遠ざかったりするよう逆相で振動させる。

コリオリ素子１４は、励振方向であるｘ軸方向には硬く、検出方向であるｙ軸方向には柔らかい少なくとも４本の検出梁１５によって励振素子１３に接続されている。そのため、コリオリ素子１４は、励振素子１３のｘ軸方向の振動に追従して励振素子１３と同じ振幅、同じ位相で振動する。従って、ｚ軸回りに角速度が印加された場合、このコリオリ素子１４も互いに逆相で、励振素子１３の振動周波数で振動する。

検出手段１８、１９、２３、２４は、コリオリ素子１４の動きを図１０で示す検出回路を用いて検出する。前述のように、コリオリ素子１４は印加された角速度により互いに逆相で振動する。しかし、加速度が印加された場合には、互いに同じ方向、即ち同相で変位する。そのため、図１０で説明する既知の検出方法で角速度と加速度を分離して夫々同時に検出することができる。

図１０は、このような検出手段１８、１９、２３、２４で得られた静電容量の変化から、加速度と角速度の値を検出する方法を概略的に示している。符号のＯＰはオペアンプである。すなわち、検出手段１８と検出手段２４の容量を足した値と検出手段１９と検出手段２３を足した値の差分をとることで、印加された角速度が検出できるようになっている。また、検出手段１８と検出手段２３を足した値と検出手段１９と検出手段２４を足した値の差分をとることで、検出方向に印加された加速度がとれるようになっている。

本実施の形態２の特徴は、駆動梁１２を、加速度と角速度が同時に検出できる音叉型角速度検出装置１Ｂに適用したことである。これにより、前記実施の形態１同様、支持基板が実装歪、もしくは熱など外部環境の変動により変形しても、検出性能には影響の少ない角速度検出装置を得られることができる。

続いて、前記実施の形態１と同じく、所定の電極を有するキャップ５を角速度検出装置１Ｂの構造体上に搭載する。このとき、前記電極は、固定部１１、と励振手段１６、１７、検出手段１８、１９のパッド上に重なるように位置合わせされる。すなわち、キャップ５に形成された所定の電極と、固定部１１、前記複数のパッドは電気的に接続される。これにより、キャップ５を形成した後でも、外部の集積回路とワイヤなどを用いて電気的に接続することができる。また、キャップ５は、台座部１０上に接合され、素子形成領域ＤＡを覆うように形成されているため、角速度検出装置の構造体が形成されている素子形成領域ＤＡは、キャップ５によって気密封止される。

続いて、前記実施の形態１同様、キャップ５が接合された支持基板２ａをダイシングすることにより、角速度検出装置１Ｂを個片化する。これにより本実施の形態２における角速度検出装置１Ｂを形成することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態では、励振素子がコリオリ素子の内側に設けられている場合について説明したが、コリオリ素子の外側に励振素子を設ける場合にも適用することができる。

本発明は、加速度センサ、角速度センサなどの慣性力検出装置や、振動子、メカニカルフィルターなど振動する微細電気機械素子を製造する製造業に幅広く利用することができる。

本発明の実施の形態１における角速度検出装置の構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’線で切断した断面を示す断面図である。 図１のＢ−Ｂ’線で切断した断面を示す断面図である。 本実施の形態１における駆動回路の概念図である。 本実施の形態１における検出回路の概念図である。 本実施の形態１における角速度検出装置の製造工程を示す平面図である。 図６のＣ−Ｃ’線で切断した断面を示す断面図である。 図７に続く角速度検出装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における角速度検出装置の構成を示す平面図である。 本実施の形態２における検出回路の概念図である。 駆動梁と固定部の概念図である。 振動体とそれを支えている梁のモデル図である。

符号の説明

１Ａ 角速度検出装置
１Ｂ 角速度検出装置
２ａ 支持基板
２ｂ 中間絶縁層
２ｃ 導体層（活性層）
５ キャップ
６ 電極
１０ 台座部
１１ 固定部
１２ 駆動梁
１２ａ 固定梁
１２ｂ 自由梁
１２ｃ 支持梁
１３ 励振素子
１４ コリオリ素子
１５ 検出梁
１６ 励振手段
１６ａ 可動駆動電極
１６ｂ 固定駆動電極
１６ｃ パッド
１７ 励振手段
１７ａ 可動駆動電極
１７ｂ 固定駆動電極
１７ｃ パッド
１８ 検出手段
１８ａ 可動検出電極
１８ｂ 固定検出電極
１８ｃ パッド
１９ 検出手段
１９ａ 可動検出電極
１９ｂ 固定検出電極
１９ｃ パッド
２０ エッチホール
２１ ダイシングライン
２２ リンク部
２２ａ 連結部
２２ｂ リンク梁
２２ｃ リンク
２３ 検出手段
２３ａ 可動検出電極
２３ｂ 固定検出電極
２３ｃ パッド
２４ 検出手段
２４ａ 可動検出電極
２４ｂ 固定検出電極
２４ｃ パッド
１０１ 搬送波
１０２ アンプ
１０３ 同期検波回路
ＤＡ 素子形成領域

Claims (9)

1. 厚さ方向に支持基板と、前記支持基板上に中間絶縁層を介して活性層が形成された基板に、前記活性層面上のある方向にｘ軸、前記活性層の面内で前記ｘ軸に垂直にｙ軸をとり、前記活性層面に垂直にｚ軸をとるとき、前記活性層に対して前記ｘ軸に振動可能に配設された励振素子と、
   前記励振素子の振動に追従しながら、前記ｙ軸にも振動可能に配設されたコリオリ素子と、
   から構成され、前記励振素子を前記ｘ軸に振動させ、前記ｚ軸の回りの角速度が印加されたとき、前記コリオリ素子に発生するコリオリ力に関する物理量を検出する角速度検出装置において、
   前記振動方向に直交する前記ｙ軸方向に互いに反対方向に延設され、固定端を共有する少なくとも２本の固定梁と、
   前記固定梁の自由端に連結され、前記ｘ軸方向に延設される自由梁と、
   前記自由梁に前記固定梁と所定の間隔を隔て前記ｙ軸方向に延設され、その自由他端が前記固定端の付近で前記励振素子と連結された少なくとも２本の支持梁と、
   を備えることを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記励振素子が前記コリオリ素子の内側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
3. 前記固定梁、前記自由梁、前記支持梁の組を、前記ｘ軸に所定の間隔を隔て少なくとも２組以上並べたことを特徴とする請求項１または２記載の角速度検出装置。
4. 請求項１、２または３記載の角速度検出装置を一単位のセンサユニットとして、少なくとも２個の前記センサユニットを前記活性層に配設し、夫々の前記センサユニットが連動するようリンク梁によって連結していることを特徴とする角速度検出装置。
5. 支持基板と、
   前記支持基板上に設けられた中間層と、
   中間層上に設けられた固定部と、
   前記固定部と同層に設けられ、前記固定部と、第１梁、第２梁、第３梁および接続部を介して前記固定部に懸架された励振素子と、
   前記固定部と同層に設けられ、前記励振素子と、第４梁を介して前記固定部に懸架されたコリオリ素子と、
   を有し、
   前記支持基板の面内のある方向をｘ軸とし、前記支持基板の面内の前記ｘ軸に垂直な方向をｙ軸としたとき、
   前記第１梁は、前記ｙ軸方向に延設されており、
   前記第２梁は、前記ｘ軸方向に延設されており、
   前記第３梁は、前記第１梁と所定の間隔を隔てて前記ｙ軸方向に延設されており、
   前記第１梁の一端が前記固定部と、その他端が前記第２梁と連結され、
   前記第３梁の一端が前記第２梁と、その他端が前記接続部と連結されており、
   前記接続部が前記固定部と同一の前記ｘ軸上で、前記励振素子と連結されていることを特徴とする角速度検出装置。
6. 前記第１梁は、前記固定部を対称に前記ｙ軸方向に対をなして延設されており、
   前記第３梁は、前記接続部を対称に前記ｙ軸方向に対をなして延設されていることを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置。
7. 前記励振素子の平面形状が口の字状であって、その内側に前記固定部、前記第１梁、前記第２梁、前記第３梁および前記接続部が設けられていることを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置。
8. 前記コリオリ素子の平面形状が口の字状であって、その内側に前記励振素子が設けられていることを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置。
9. 前記第２梁の長さは、前記第１梁より短く、
   前記第２梁の幅は、前記第１梁より広いことを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置。

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