JP2009047591A - 角速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、可動部分がないため高い歩留まりで製造できる、高信頼性及び低故障率の角速度センサとその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】流体が循環するための閉流路１０２が基板に１０１形成され、流体を循環させる駆動部１０４が閉流路１０２に設けられる角速度センサにおいて、流体を加熱する熱源１０４と、流体の温度を検知する温度検知手段１０５と、を備えることを特徴とする。また、温度検知手段１０５は、少なくとも二つ備わっている。また、温度検知手段１０５は、閉流路１０２の対称の位置に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジャイロ方式の角速度センサに関するものである。

近年、角速度センサは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラの手ぶれ検知及び自動車等の運動検知をはじめとして、その用途は益々拡大してきている。

従来のデジタルスチルカメラ用角速度センサにおいては、１軸の角速度を検知するセンサが複数個設けられている。

しかしながら、小型軽量化が要求されるデジタルスチルカメラにおいては、複数個の角速度センサを一体化することが必要である。

また、特許文献１には、ＥＨＤ流体と同様な電気感応流体であるＥＣＦ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｃｏｎｊｕｒａｔｅ Ｆｌｕｉｄ：電界共役流体）を角速度センサに用いた技術が開示されている。

ここでは閉流路の一部として設けられたダイヤフラムと、ダイヤフラムのひずみを検出するひずみ検出器によって流体にかかるコリオリ力を検出して角速度を測定する。

そのため、リング状の閉流路の中心点を支える梁を設ける角速度センサ及びコリオリ力を利用しない角速度センサとの比較において、小型で、感度が高く、かつ高い耐衝撃性を有する角速度センサを形成することが可能になる。

さらに、特許文献２には、二つの環状流路に一定量のガスを時計廻り及び反時計廻りにそれぞれ流し、二つのガスの環状流路に対する相対流速を、加熱抵抗の変化として測定し、角速度を検出する角速度センサが開示されている。

また、特許文献３にシリコン基板に形成されたガスレートジャイロ型の角速度センサが開示されている。リング形状ではない還流路に、ポンプ駆動でガス流を発生させ、角速度が作用した場合に生じるガス流の偏向を、流路内に設けた一対の発熱抵抗素子（ヒートワイヤ）の各抵抗値変化で角速度を検出するものである。ここでは流路内に流速センサを設け、ガス流速を測定し、ポンプを制御することも開示されている。

特許文献４には、流体の流速や流量を計測する熱式のフローセンサが開示されている。それによれば、流体の流れによって、発熱体（ヒータ）から出た熱による流体の空間的温度分布に偏りを生じさせ、これを温度センサで検出する。又は、発熱体の熱が流体で奪われることによる発熱体の電力の変化や抵抗の変化を検出することで、流速又は流量を計測するものである。
特開２００６−１５３５４２号公報 特開平０７−０７７５３３号公報 特許第２５９９３１９号公報 特開２００３−３２９６９７号公報

特許文献１に開示された方法では、閉流路の一部として設けられたダイヤフラムのひずみを検出するために、長期間の使用においてはダイヤフラムの耐久性、信頼性に限界がある。

また、流路内にＥＨＤ流体を１００％充填することで高い感度が維持されると開示されているが、そのため、流体の充填率が低下すると、ダイヤフラムを押し上げる力しか検出できず、引き下げる力を検出することが困難となる。

しかしながら、実際には、液体であるＥＨＤ流体を、気泡の混入を避けて充填することは限界があり、感度の低下や歩留まりの低下は避けられない。

充填率が低下すると、対称位置２箇所のどちらか一方のみを検出することになるため校正が不正確となり、感度の低下となる。

また、ひずみを検知するためにはひずみ抵抗の変化が用いられているが、ひずみ抵抗の温度特性を考慮する必要があるため、正確な温度測定による温度校正が必要となる。

また、ひずみ抵抗であるために外部の機械的振動の影響を受け、高い安定性を得るのは困難がある。

特許文献２に記載される方法によれば耐久性、信頼性は高いものの、二つの環状流路に一定量のガスを時計廻り及び反時計廻りにそれぞれ流し、二つのガスの環状流路に対する相対流速から角速度を検出する。

そのため、センサを小型化すると相対流速が低下するため、小型化による低コスト化には限界がある。

特許文献３に記載される方法では、ポンプ駆動で流路内に発生させた直進するガス流の速度で感度が決まるため、ポンプを小さくするとガス流の流速が低下するため、センサの小型化には限界がある。

そこで、本発明は、小型化が可能で、可動箇所がないため高い歩留まりで製造できる、高信頼性及び低故障率の角速度センサとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、流体が循環するための閉流路が基板に形成され、前記流体を循環させる駆動部が前記閉流路に設けられる角速度センサにおいて、前記流体を加熱する熱源又は前記流体を冷却する冷却源と、前記流体の温度を検知する温度検知手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、上記の角速度センサの製造方法において、基板上にマスクパターンを形成し、部分的な陽極化成処理により多孔質シリコンパターンを形成した後に、基板表面層で前記閉流路を封止し、エッチング処理又は熱処理により、前記閉流路を空洞化することを特徴とする。

本発明によれば、センサとしてダイヤフラムなどの可動箇所を用いないために、長期間の使用において耐久性や信頼性が高い角速度センサが実現できる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。

[第１の実施形態]
まず、図１から図６を用いて、本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態としての角速度センサの概略を示す断面図である。

シリコン又はガラス基板からなる基板１０１に微小流路１０２を形成する。

微小流路１０２の形成方法は、フォトエッチング工程による溝を形成した基板を２枚用意し、接着剤を用いた接合方法や陽極接合法などで貼り合わせる方法がある。

また、基板上にフォトエッチング工程によって窒化シリコンのマスクパターンを形成し、部分的に陽極化成処理をすることで多孔質シリコンパターンを形成する。この多孔質シリコンを犠牲層として、微小流路１０２の形に形成する。

そして、単結晶シリコン、多結晶シリコン又は窒化シリコンなどの基板表面層１０３で微小流路１０２を封止し、さらにドライエッチング処理、ウェットエッチング処理又は熱処理により多孔質シリコンを除去する。微小流路１０２を空洞化する方法でも微小流路１０２を形成することができる。

多孔質シリコンを利用した場合、基板１０１と基板表面層１０３を貼り合わせることがなく、微小流路１０２の周囲が連続的に原子レベルで結合されている。そのため、微小流路１０２内の流体が外部に漏洩することがなく、歩留りや信頼性が高くなる。

次に、基板表面層１０３の上に駆動部としてのポンプ部１０４と温度検知手段としてのセンサ部１０５とが設けられている。

流体が水や水溶性液体などの場合、ポンプ部１０４としてヒータ構造を有する金属薄膜抵抗を形成し、不図示の電源に接続する。

流体としてアルコールなどのイオン性のある液体や電気感応流体などの場合、正電極及び負電極を構成し、不図示の電源に接続する。

センサ部１０５としては、温度を検知するための熱電対や薄膜抵抗が好適に用いられる。

また、発熱抵抗素子（ヒートワイヤ）をセンサ部に用いることもできるが、消費電力が大きくなり易い。

基板１０１の温度と微小流路１０２を流れる流体との温度差をつける必要があるため、ポンプ部１０４に併設された不図示の熱源又は冷却源によって流体を加熱する、又は冷却する機構を具備する。

本実施形態では、ポンプ部１０４がヒータ構造を有するため、ポンプ部が流体を加熱する熱源を兼ねている。

冷却源はペルチェ素子などが好適に用いられるが、一般的に熱源と比較して大型化し易く、微細な領域の冷却は容易ではない。

図２は、本実施の形態の角速度センサを上面から見た透過平面図である。

図２に示すように、図１で示した微小流路１０２は平面的に見た場合、基板内部に構成された閉流路２０１を構成している。

また、図３は、本実施の形態の角速度センサを上面から見た、ポンプ部１０４及びセンサ部１０５が取り付けられた様子を示す平面図である。

図３に示すように、ポンプ部１０４は、基板と同一の面に流体の回転方向に対して垂直に並んでいる。平面的にはポンプ部３０２のように閉流路３０１の上に並べて配置されている。

また、本実施の形態では、図１のセンサ部１０５は図３のセンサ部３０３のように、Ｘ軸及びＹ軸に対して対称の位置２箇所にそれぞれ配置されている。

ポンプ部３０２が発熱体である場合、閉流路３０１内の流体に気泡を発生させることができる。

ポンプ部３０２が閉流路３０１の上に並べて配置されているために、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄと順次加熱していくことにより、気泡を一定の方向に移動させていくことができる。

その結果、閉流路内の流体が流れることになる。

流体が電気感応流体の場合、ポンプ部３０２が一方の電極となり、少し離れた位置にもう片方の電極を配置し、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄのように順次点灯していくことにより、流体が一定の方向に流れていく。

なお、図２及び図３に示す閉流路内の流体は、不図示の導入管を通じて閉流路内を真空排気した後、流体を充填する方法や、注射器のような注入装置を用いて充填される。流体は気体と液体からなることが望ましい。そして、閉流路内の対称の位置にある少なくとも２箇所で温度を測定し比較するために、閉流路内の液体の充填率が１００％でなくても、流体の位置を検出することが容易となり、高い感度が得られる。精度良く測定するためには、液体の充填率は５０％〜８０％が好適である。流体は気体と液体が混じっていても良い。

製造プロセスにおいて、閉流路内に１００％の充填率で液体を充填するのは困難であるが、流体が液体であった場合も、１００％充填する必要がないため、製造プロセスにおける歩留りが高い。

図４は、本実施形態における角速度センサで角速度を検知する方法を説明するための模式断面図である。

センサ部４０４と４０５は、図３におけるｘ−ｘ’線上にｙ−ｙ’線を中心として対称位置に配置されている。

ポンプ部により微小流路４０２内の流体４０３を回転させておく。このとき、センサ部４０４と４０５における流体４０３の位置はそれぞれ同じ位置になるので、センサ部４０４と４０５で温度の違いは発生しない。

次にｘ−ｘ’軸を中心に角速度センサを含むユニットを回転させた場合、角速度によるコリオリ力が発生する。その結果、図４の（２）及び（３）に示すように、センサ部４０４と４０５とでは微小流路４０２内における流体４０３の流れる位置が異なるようになる。一般にコリオリ力は以下の数１に示す式を用いて算出される。

ここでＦは流体４０３に生じるコリオリ力であり、ｍは流体４０３の単位時間当たりの流動質量であり、ｖは流体４０３の速度であり、ωは基板にかかる角速度を意味する。

流体の速度ｖは設定値であり、既知であるとすると、コリオリ力による流体の位置の変化量Ｆを検出することで角速度ωを算出することができる。

次に、図５と図６を用いて、温度検知による流体の位置検出について詳細に説明する。

図５は、図３のセンサ部の一部を拡大した上面図である。

図５に示すように、閉流路５０１の上に、流体の流れる方向に対して垂直に、温度検知センサ素子が複数個並んで温度検知センサ部５０２を構成している。温度検知センサ素子を複数個並べることにより、温度変化だけでなく、温度分布の変化を検出することができる。

図６は、図５の断面模式図であり、また、図４の（３）におけるセンサ部４０５の位置を示す。

図６において、温度検知センサ２０６は温度検知センサ素子２０６ａ〜２０６ｇの集合体で構成されている。

また、６０３〜６０５は、いずれも流体の位置を模式的に示したもので、流体が液体の場合は液体と気体の境界面を意味し、流体が気体の場合は等温線を意味する。

角速度が入力されていない状態では、閉流路を流れる時に生じる遠心力で、位置６０３のように流体は流れている。

角速度（１）が加わった場合、図６に示す矢印のように、上向きのコリオリの力が流体に作用し、温度検知センサ６０２に向かって流体が押し上げられる。

その結果、位置６０４のように流体は流れ、温度検知センサ６０２の周囲における温度分布が変化する。とくに温度検知センサ素子６０２ｆ及び６０２ｇの温度変化が他と比較して大きい。

さらに大きな角速度（２）が加わった場合、流体はさらに温度検知センサ６０２に近い位置６０５を流れる。温度検知センサ６０２の周囲の温度分布がさらに大きく変化し、温度検知センサ素子６０２ｃ〜６０２ｅの温度も大きく変化する。

温度検知センサ６０２の周囲の温度分布と、入力された角速度を対応させることで、角速度を高精度に検出することができる。

ここで、一つの温度検知センサ素子で温度変化を検出し、流体の位置を検出することも可能であるが、角速度センサ外部の温度変化との区別が困難となる。

また、角速度センサ内で温度検知センサ６０２とは別の位置に、角速度センサ本体の温度変化を検出する温度検知センサを設け、温度補正することも可能である。しかし、流体の位置を検出する場所と位置が異なるため、微小な温度変化に対して精度は低くなる。

上記したように、複数の温度検知センサ素子の温度変化を比較し、温度分布の変化として流体の位置を検出するため、角速度センサ外部の温度変化による影響が少ない。

温度検知センサ素子の数が多いほど、温度分布の検出分解能が上がり、流体の位置の変化をより正確に検知することができる。その結果、角速度センサとしての分解能も向上することになる。

しかしながら、温度検知センサ素子の数を多くし過ぎると各温度検知センサ素子の実効的な面積が小さくなり、信号強度が弱くなる。また、後段の処理回路も複雑となる。そのため、温度検知センサ素子の数は２〜１０個が望ましく、好適には３〜５個が用いられる。

微小流路６０１内に充填された流体と基板材料とは、温度差をつけることが重要であるため、基板は放熱性の高い材料で構成したものが望ましい。少なくとも微小流路６０１の周囲の基板材料は熱伝導率が高いことが必要となる。

熱伝導率の低い基板材料であると蓄熱性が高くなり、流体との温度差がつきにくくなる。

熱伝導率の高い放熱性の優れた材料で基板を構成することで高い感度が実現できる。具体的には低抵抗シリコンウェハが望ましく、抵抗率で１〜１００Ωｃｍが好適に用いられる。

さらに、ウェハの裏面に金属などの熱交換器（ヒートシンク）や表面積の大きい放熱フィンを設けることで、基板と流体の明確な温度差が生まれるため、流体の位置検出の精度が向上し、角速度センサとして高感度化できる。

また、角速度入力がない状態の安定性も高くなる。

[第２の実施形態]
次に、図７を用いて、本発明の第２の実施の形態を説明する。

本実施形態では、温度検知センサを用いて、閉流路を流れる流体の流速を計測するフローセンサを集積化している。温度検知センサを用いたフローセンサは、特許文献４に詳細が記述されている。

図７は、図３のセンサ部の一部を拡大した上面図である。

図７に示すように、閉流路７０１の上に温度検知センサ（下流）７０４及び温度検知センサ（上流）７０５が構成されている。

閉流路７０１内の流体は、ヒータ部分７０２で加熱され、温度検知センサ（下流）７０４で、コリオリ力による流体の位置変化を検出する。

また、ヒータ部分７０２で加熱された流体の速度が速ければ、ヒータ部分７０２より上流である温度検知センサ（上流）７０５は、流体によって冷却されるため、温度検知センサ（下流）７０４と温度差が生じる。

流体の速度が遅ければ、温度検知センサ（上流）７０５と温度検知センサ（下流）７０４の温度差は小さくなる。

このように、温度検知センサ（上流）７０５と温度検知センサ（下流）７０４とで、フローセンサを形成することができる。そして、このフローセンサを用いて流速を測定することで、角速度を正確に算出することが可能となる。

図３で示したヒータ部の順次点灯により、流体の移動速度すなわち循環速度は決定されるが、実際の流体の速度はヒータ部の順次点灯の回転速度に対して、点灯開始時は遅れが生じる。

ヒータ部の順次点灯の回転速度と流体の速度が違い過ぎた場合、流体が循環しない状態も生じてしまう。

とくに点灯開始時は、ヒータ部の順次点灯の回転速度（以後、点灯速度とする）を流体の速度に合わせて徐々に上げていく必要があるが、流体の速度が未知の場合、流体が確実に循環する速度でヒータ部を点灯していかねばならない。

そのため、ヒータ部の点灯速度を速くすることができず、立ち上がり時間は長くなり易い傾向があった。

本実施形態のように、フローセンサを用いて流体の速度を測定し、その結果をヒータ部の点灯速度にフィードバックすることで、立ち上がり時間を短くすることが可能となる。

図７の角速度センサには、ヒータ部分７０２と閉流路７０１の間の熱源の近傍に蓄熱部７０６が設けられている。

蓄熱部７０６を設けることで流体の加熱を効率的に行うことができる。蓄熱部７０６はシリコン窒化膜やシリコン酸化膜などのように熱伝導率が低いものがよく、かつ閉流路内７０１の流体を加熱するためには、十分薄くなくてはならない。

また、閉流路７０１周囲への熱伝導率が十分に低く、閉流路７０１内の流体のみが加熱されることが望ましい。

[第３の実施形態]
図８は、本発明の第３の実施の形態としての角速度センサの概略を示す断面図である。

本実施形態は、ペルチェ素子８０７によって閉流路に流れる流体を冷却した例を示す。

ペルチェ素子８０７は絶縁部材８０８を介して、基板８０１に接着されている。

絶縁部材８０８は、熱抵抗が高いものが望ましく、センサ部８０５や基板８０１を冷却しないことが望ましい。

本実施形態では、ポンプ部をヒータ構造とする代わりに、ペルチェ素子８０７と冷却配線８０６及び冷却部８０４によって、微小流路８０２を流れる流体を冷却できる構造とする。

冷却配線８０６と冷却部８０４は、必要に応じて複数個設けられる。

流体として電気感応流体などが用いられ、ポンプ部（不図示）は正電極及び負電極を１対で構成したものが好適に用いられる。

微小流路８０２を流れる流体が冷却され、基板８０１と温度差が生まれることで、第１の実施の形態と同様に、微小流路８０２における流体の位置を、センサ部８０５で検出することができる。

流体の位置の検出方法の詳細は、第１の実施の形態で図６を用いて説明したものと同様である。

以上のように、本発明によって、温度特性が小さく、外部の温度変化による影響や機械的振動の影響を受けにくい、安定性が高い角速度センサが実現できる。具体的には、ダイヤフラムのひずみ抵抗を検出する従来例と比較して、温度係数が小さく、正確な温度補正の必要がない。また、外部の温度変化による影響も受けにくい。また、ダイヤフラムやひずみ抵抗を用いないため、外部からの機械的振動による影響も小さく、安定性が高い角速度センサが実現できる。また、二つの流体流速の相対速度を利用しないので、高性能を維持して、センサの小型化が可能となる。さらには、リング形状であるために、小型で高性能な角速度センサが実現できる。

また、長期間の使用において耐久性や信頼性が高い角速度センサが実現できる。今回、開示された実施の形態はすべての点で例示であり、制限的なものではないと考えられるべきである。

本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラの手ぶれ検知や、自動車等の運動検知に利用される角速度センサに利用可能である。

本発明の第１の実施の形態としての角速度センサの概略を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の角速度センサを上面から見た透過平面図である。 本発明の第１の実施の形態の角速度センサを上面から見た、ポンプ部１０４及びセンサ部１０５が取り付けられた様子を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態における角速度センサで角速度を検知する方法を説明するための模式断面図である。 図３のセンサ部の一部を拡大した上面図である。 図５の断面模式図である。 本発明の第２の実施形態としての、図３のセンサ部の一部を拡大した上面図であり、フローセンサが組み込まれた例である。 本発明の第３の実施の形態としての角速度センサの概略を示す断面図である。

符号の説明

１０１、４０１、８０１ 基板
１０２、４０２、６０１、８０２ 微小流路
１０３、８０３ 基板表面層
１０４、３０２ ポンプ部
１０５、３０３、４０４、４０５、８０５ センサ部
２０１、３０１、５０１、７０１ 閉流路
４０３ 流体
５０２、６０２ 温度検知センサ
６０３ 角速度ゼロの流体の状態
６０４、６０５ 角速度が加わった流体の状態
７０２ ヒータ部分
７０３ ヒータ配線
７０４ ジャイロセンサ部
７０５ フローセンサ部
７０６ 蓄熱部
８０４ 冷却部
８０６ 冷却配線
８０７ ペルチェ素子
８０８ 絶縁部材

Claims (11)

1. 流体が循環するための閉流路が基板に形成され、
   前記流体を循環させる駆動部が前記閉流路に設けられる角速度センサにおいて、
   前記流体を加熱する熱源又は前記流体を冷却する冷却源と、
   前記流体の温度を検知する温度検知手段と、
   を備えることを特徴とする角速度センサ。
2. 前記温度検知手段は、少なくとも二つ備わっていることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記温度検知手段は、前記閉流路の対称の位置に配置されることを特徴とする請求項２記載の角速度センサ。
4. 前記各温度検知手段によって検知された温度を比較することによって、前記流体の位置を検知することを特徴とする請求項２又は３記載の角速度センサ。
5. 前記温度検知手段は、前記基板と同一の面に、前記流体の回転方向に対して垂直に並んでいることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載の角速度センサ。
6. 前記流体は、液体と気体とからなることを特徴とする請求項５記載の角速度センサ。
7. 前記駆動部が、可動箇所を持たないポンプであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の角速度センサ。
8. 前記閉流路を流れる流体の流速を計測するフローセンサが集積化されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の角速度センサ。
9. 前記基板は、熱伝導率の高い部材であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の角速度センサ。
10. 前記熱源の近傍に蓄熱部が設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の角速度センサ。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載される角速度センサの製造方法において、
    基板上にマスクパターンを形成し、
    部分的な陽極化成処理により多孔質シリコンパターンを形成した後に、
    基板表面層で前記閉流路を封止し、
    エッチング処理又は熱処理により、前記閉流路を空洞化することを特徴とする角速度センサの製造方法。