JP2009294127A - Semiconductor device - Google Patents

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Kazuo Kunigome
和夫 國米
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having few noises and improved detection reproducibility of angular velocity. <P>SOLUTION: This semiconductor device having a vibrator 100 movable in the X-axis direction, in the Y-axis direction, and in the Z-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system, includes casings 201-203 for storing the vibrator 100 so as to be out of contact with the vibrator 100, driving means 401-402 for moving the vibrator 100 reciprocally in the Z-axis direction, control means 501-506 for controlling movement of the vibrator 100 so that the vibrator 100 is out of physical contact with the casings 201-203, and detection means 601-610 for detecting a variation of each relative position between the vibrator 100 and the casings 201-203. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、加速度又は角速度センサに利用される半導体装置に関し、特に、XYZ三次元座標系において、複数の軸方向の加速度と複数の軸回りの角速度とを検出できる加速度又は角速度センサに利用される半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device used for an acceleration or angular velocity sensor, and more particularly, to an acceleration or angular velocity sensor that can detect accelerations in a plurality of axial directions and angular velocities around a plurality of axes in an XYZ three-dimensional coordinate system. The present invention relates to a semiconductor device.

近年、車載用機器や携帯端末などに高性能・小型・低価格の加速度センサや角速度センサの搭載が進んでいる。   In recent years, high-performance, small, and low-priced acceleration sensors and angular velocity sensors have been increasingly installed in in-vehicle devices and portable terminals.

その中では、複数の軸方向の加速度又は複数の軸まわりの角速度を1センサで検出できる多軸加速度センサや多軸角速度センサの要求が高い。   Among them, there is a high demand for multi-axis acceleration sensors and multi-axis angular velocity sensors that can detect accelerations in a plurality of axial directions or angular velocities around a plurality of axes with one sensor.

実用化された例としては、モバイル機器のハードディスクドライブ落下検出用3軸加速度センサや、カメラ・ビデオの手ブレ補正用2軸角速度センサなどがある。   Examples of practical applications include a triaxial acceleration sensor for detecting a hard disk drive drop in a mobile device, a biaxial angular velocity sensor for correcting camera shake in a camera / video, and the like.

さらには、例えば、ヒューマノイドロボットなどのように、より高度かつ複雑な運動を正確に動作・制御する目的で、多軸加速度センサと多軸角速度センサの両方を搭載する要求も高まってきている。   Furthermore, there is an increasing demand for mounting both a multi-axis acceleration sensor and a multi-axis angular velocity sensor for the purpose of accurately operating and controlling more advanced and complex movements such as a humanoid robot.

このため、特許文献1−3に示すような1チップ・1センサで複数の軸方向の加速度と複数の軸回りの角速度とを検出できる加速度・角速度センサが提案されている。
特許第3534251号明細書 特許第3008074号明細書 特開2004−333327号公報
For this reason, there has been proposed an acceleration / angular velocity sensor that can detect accelerations in a plurality of axial directions and angular velocities around a plurality of axes with a single chip / one sensor as shown in Patent Document 1-3.
Japanese Patent No. 3534251 Japanese Patent No. 3008074 JP 2004-333327 A

しかし、特許文献1記載の角速度センサは、振動子が可撓部を通して固定部と連結しているため、固定部に加わった衝撃が振動子に伝わってノイズが増大することがあった。   However, in the angular velocity sensor described in Patent Document 1, since the vibrator is connected to the fixed portion through the flexible portion, an impact applied to the fixed portion is transmitted to the vibrator and noise may increase.

特許文献1記載の角速度センサでは、振動子に作用するコリオリ力から角速度を求めているが、コリオリ力は重力などの外力と比較して微小なため、ノイズの増大は角速度の検出精度低下の原因となる。   In the angular velocity sensor described in Patent Document 1, the angular velocity is obtained from the Coriolis force acting on the vibrator. However, since the Coriolis force is minute compared to an external force such as gravity, an increase in noise causes a decrease in detection accuracy of the angular velocity. It becomes.

また、特許文献1記載の角速度センサは、動作時に振動子と可撓部との連結部を中心とした回転運動が振動子に加わることで振動面が脈動してしまうことがある。そのため、振動子に作用するコリオリ力の大きさがばらついて、再現性よく角速度を求めることが難しかった。   Further, in the angular velocity sensor described in Patent Document 1, the vibration surface may pulsate due to the rotational motion about the connecting portion between the vibrator and the flexible part being applied to the vibrator during operation. Therefore, the magnitude of the Coriolis force acting on the vibrator varies, and it is difficult to obtain the angular velocity with good reproducibility.

一方、特許文献2及び3記載のジャイロ装置は、ジャイロロータが静電気力で浮上して、ジャイロケースと物理的に接触しない構造であるため、外部からの衝撃などによるノイズは比較的小さい。   On the other hand, since the gyro device described in Patent Documents 2 and 3 has a structure in which the gyro rotor is lifted by electrostatic force and does not physically contact the gyro case, noise due to impact from the outside is relatively small.

しかし、ジャイロロータに作用するトルクから角速度を検出する方式をとっているため、高精度で角速度を検出するためにはジャイロロータを高速で回転させる必要がある。そのため、電源投入から所望の回転数に達するまでに長い時間を要することがあった。   However, since the angular velocity is detected from the torque acting on the gyro rotor, it is necessary to rotate the gyro rotor at a high speed in order to detect the angular velocity with high accuracy. Therefore, it may take a long time from turning on the power to reaching the desired number of revolutions.

さらに、特許文献1−3記載の加速度・角速度センサは、以下に示すことが起こることがある。   Furthermore, the acceleration / angular velocity sensor described in Patent Documents 1-3 may sometimes be described below.

特許文献1記載の角速度センサは振動子が可撓部に連結しているため、上記した振動面の脈動などで振動子が固定部に対して傾斜することがある。   In the angular velocity sensor described in Patent Document 1, since the vibrator is connected to the flexible portion, the vibrator may be inclined with respect to the fixed portion due to the pulsation of the vibration surface described above.

また、特許文献2又は3記載の加速度・角速度センサは回転運動のトルクから角速度を検出する原理上、ジャイロロータはジャイロケース内で傾斜することがある。   In addition, the acceleration / angular velocity sensor described in Patent Document 2 or 3 detects the angular velocity from the torque of the rotational motion, so that the gyro rotor may be inclined in the gyro case.

したがって、いずれの加速度・角速度センサにおいても、場合によっては動作中に傾斜した振動子(又はジャイロロータ)が固定部(又はジャイロケース)と接触してしまう可能性がある。   Therefore, in any of the acceleration / angular velocity sensors, there is a possibility that the vibrator (or gyro rotor) inclined during operation may come into contact with the fixed portion (or gyro case).

このため、振動子(ジャイロロータ)に対してそれを取り囲む固定部(ジャイロケース)の寸法を大きくとらなければならなかった。   For this reason, the dimension of the fixed part (gyro case) surrounding the vibrator (gyro rotor) must be increased.

また、振動子(ジャイロロータ)と固定部(ジャイロケース)との間隔を大きくとることで、微小な間隔変化の検出が難しくなり、加速度・角速度の検出精度が低下することがあった。   In addition, by increasing the distance between the vibrator (gyro rotor) and the fixed portion (gyro case), it is difficult to detect minute changes in the distance, and the accuracy of acceleration / angular velocity detection may be reduced.

そこで、本発明は、半導体装置において、上記の課題を解決することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems in a semiconductor device.

本発明は、上記課題を解決するための手段として、XYZ三次元座標系内で、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向へ運動できる振動子を有する半導体装置において、前記振動子と接触しないように前記振動子が格納される筐体と、前記振動子をZ軸方向に往復運動させる駆動手段と、前記振動子と前記筐体とが物理的に接触しないように前記振動子の運動を制御する制御手段と、前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量を検出する検出手段と、を有することを特徴とする。   As a means for solving the above-described problems, the present invention provides a semiconductor device having a vibrator that can move in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system, and does not contact the vibrator The housing in which the vibrator is stored, the driving means for reciprocating the vibrator in the Z-axis direction, and the movement of the vibrator so that the vibrator and the housing are not in physical contact with each other. Control means for controlling, and detection means for detecting a change amount of a relative position between the vibrator and the casing.

本発明によれば、振動子が筐体と連結していないことから、筐体への衝撃など外部からの影響が少なくなるので、低ノイズになる。   According to the present invention, since the vibrator is not connected to the casing, the influence from the outside such as an impact on the casing is reduced, resulting in low noise.

本発明によれば、振動面が脈動せず安定した単振動が得られるので、角速度の検出再現性を向上する。   According to the present invention, since the vibration surface does not pulsate and stable single vibration is obtained, the angular velocity detection reproducibility is improved.

本発明によれば、可撓部の形成が不要となり製造工程を短縮できるので、低コストになる。   According to the present invention, it is not necessary to form the flexible portion, and the manufacturing process can be shortened.

本発明によれば、振動子の運動が単振動のため、運動量が小さく、短時間で安定した運動が得られるようになるので、起動時間が早くなる。   According to the present invention, since the motion of the vibrator is a single vibration, the momentum is small, and a stable motion can be obtained in a short time, so the startup time is shortened.

本発明によれば、振動子の運動が回転運動ではなく単振動のため、電極構造・駆動回路を簡素化できるので、低コストになる。   According to the present invention, since the motion of the vibrator is not a rotational motion but a single vibration, the electrode structure / driving circuit can be simplified, so that the cost is reduced.

本発明によれば、振動子が筐体内で傾斜しないため、振動子との間隔を必要最小限とした大きさの筐体が利用できるので、小型になる。   According to the present invention, since the vibrator is not inclined in the housing, a housing having a size with a minimum necessary distance from the vibrator can be used, and thus the size is reduced.

本発明によれば、振動子と筐体との間隔が小さいため、間隔の微小な変化を検出しやすくなるので、高精度になる。   According to the present invention, since the interval between the vibrator and the housing is small, it is easy to detect a minute change in the interval, so that the accuracy is improved.

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。本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態のみに限られるものではない。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The scope of the present invention is not limited to these forms unless specifically described in the following description to limit the present invention.

[実施形態1]
図1は、本発明の第1の実施形態としての半導体装置を示す図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor device as a first embodiment of the present invention.

図1(a)は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図1(b)は、図1(a)においてB−B線で切断した際の断面図であり、図1(c)は、図1(a)においてC−C線で切断した際の断面図である。   1A is a plan view of the semiconductor device of the present embodiment as viewed from above, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1A. FIG.1 (c) is sectional drawing at the time of cut | disconnecting by CC line in Fig.1 (a).

図1において、100は振動子、201−203は筐体、300は空洞部、401−402は駆動手段としての駆動電極、501−506は制御手段としての制御電極、601−610は検出手段としての検出電極を示す。また、図1における各方向にX・Y・Zの各軸をとる。   In FIG. 1, 100 is a vibrator, 201-203 is a housing, 300 is a cavity, 401-402 is a drive electrode as a drive means, 501-506 is a control electrode as a control means, and 601-610 is a detection means. The detection electrodes are shown. Also, the X, Y, and Z axes are taken in the respective directions in FIG.

図1において、振動子100は、筐体201−203に格納され、筐体201−203と接触しないように、空洞部300内に配置されている。振動子100の周囲には駆動電極401−402、制御電極501−506、検出電極601−610が各々配置されている。振動子100は、XYZ三次元座標系内で、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向へ運動できる。   In FIG. 1, the vibrator 100 is housed in a casing 201-203 and is disposed in the cavity 300 so as not to contact the casing 201-203. Drive electrodes 401-402, control electrodes 501-506, and detection electrodes 601-610 are arranged around the vibrator 100. The vibrator 100 can move in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system.

ここでは振動子100と対向して、X軸方向に制御電極501及び502と検出電極601−604が設けられている。Y軸方向に制御電極503及び504と検出電極605−608が設けられている。Z軸方向に駆動電極401並びに402と制御電極505並びに506及び検出電極609並びに610を設けている。   Here, control electrodes 501 and 502 and detection electrodes 601-604 are provided in the X-axis direction so as to face the vibrator 100. Control electrodes 503 and 504 and detection electrodes 605-608 are provided in the Y-axis direction. Drive electrodes 401 and 402, control electrodes 505 and 506, and detection electrodes 609 and 610 are provided in the Z-axis direction.

このとき振動子100は、図1(a)及び(b)に示すように筐体201−203、駆動電極401−402、制御電極501−506及び検出電極601−610のいずれとも物理的に接触していない。その理由を以下に説明する。   At this time, the vibrator 100 is in physical contact with any of the housing 201-203, the drive electrodes 401-402, the control electrodes 501-506, and the detection electrodes 601-610 as shown in FIGS. Not done. The reason will be described below.

電源投入前の振動子100は接地されているストッパ電極(不図示)と接触している。振動子100は後記するように導電体とみなし得るものとする。   The vibrator 100 before power-on is in contact with a grounded stopper electrode (not shown). The vibrator 100 can be regarded as a conductor as will be described later.

いま、電源を投入して駆動電極401−402に電圧を印加すると、駆動電極401−402と振動子100との間に電位差が生じるため、振動子100に電荷が誘導されて静電気力が発生する。   Now, when a voltage is applied to the drive electrodes 401-402 after turning on the power, a potential difference is generated between the drive electrodes 401-402 and the vibrator 100, so that charges are induced in the vibrator 100 and an electrostatic force is generated. .

このため適当な電位差を定めることで振動子100を浮上させることができる。   Therefore, the vibrator 100 can be floated by determining an appropriate potential difference.

また、X軸・Y軸・Z軸の各方向に設けられた制御電極501−506に電圧を印加すると、同様に制御電極501−506と振動子100との間に静電気力が発生する。このようにすることで、振動子100を空洞部300内に非接触状態で静電浮上させることができる。   Further, when a voltage is applied to the control electrodes 501-506 provided in the X axis, Y axis, and Z axis directions, an electrostatic force is similarly generated between the control electrodes 501-506 and the vibrator 100. By doing so, the vibrator 100 can be electrostatically levitated in the cavity 300 in a non-contact state.

このとき空洞部300内は、振動子100を高速で振動(数十kHz程度)できるよう真空状態にしておくことが望ましい。   At this time, it is desirable that the cavity 300 be in a vacuum state so that the vibrator 100 can vibrate at high speed (about several tens of kHz).

このため、空洞部300内で振動子100、駆動電極401−402、制御電極501−506、検出電極601−610と物理的に接触しない領域に、不純物ガスを吸着するゲッタ材(不図示)を設置している。   For this reason, a getter material (not shown) that adsorbs impurity gas is provided in a region that is not physically in contact with the vibrator 100, the drive electrodes 401-402, the control electrodes 501-506, and the detection electrodes 601-610 in the cavity 300. It is installed.

この非接触静電浮上は特許文献2及び3記載のジャイロ装置と同様の原理に基づいている。   This non-contact electrostatic levitation is based on the same principle as the gyro device described in Patent Documents 2 and 3.

またX軸及びY軸の各方向に設けられた制御電極501−504と検出電極601−608は、図1(a)及び(c)に示すようにXY方向では各々が物理的に分離して、電気的に絶縁されている。検出電極601−610は、振動子100と筐体201−203との相対位置の変化量を検出する。なお、上記したストッパ電極のほか、各電極へ接続されている配線については図示していない。   Further, the control electrodes 501 to 504 and the detection electrodes 601 to 608 provided in the X axis and Y axis directions are physically separated from each other in the XY direction as shown in FIGS. Is electrically insulated. The detection electrodes 601-610 detect the amount of change in the relative position between the vibrator 100 and the housing 201-203. In addition to the above-described stopper electrode, wiring connected to each electrode is not shown.

本実施形態における半導体装置の動作について説明する。   The operation of the semiconductor device in this embodiment will be described.

いま、振動子100は、X軸・Y軸・Z軸の各方向に設けられた検出電極601〜610の各々と等距離の位置で静電浮上している。この位置を原点とする。ここで駆動電極401及び402に交流電圧を印加すると、静電気力によって振動子100がZ軸方向に往復運動をする。このとき振動子100は原点位置から移動するため、振動子100と検出電極601−610の各々との距離が変化する。   Now, the vibrator 100 is electrostatically levitated at a position equidistant from each of the detection electrodes 601 to 610 provided in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. This position is the origin. Here, when an AC voltage is applied to the drive electrodes 401 and 402, the vibrator 100 reciprocates in the Z-axis direction by electrostatic force. At this time, since the vibrator 100 moves from the origin position, the distance between the vibrator 100 and each of the detection electrodes 601-610 changes.

また、振動子100に重力などの外力が作用した場合も、振動子100と検出電極601−610の各々との距離は変化する。検出電極601−610は、この距離変化を静電容量の変化として検出する。   Even when an external force such as gravity is applied to the vibrator 100, the distance between the vibrator 100 and each of the detection electrodes 601-610 changes. The detection electrodes 601-610 detect this change in distance as a change in capacitance.

続いて、振動子100が原点位置に戻るように位置調整を行うが、その内容はXY方向とZ軸方向とで異なる。   Subsequently, position adjustment is performed so that the vibrator 100 returns to the origin position, but the content differs between the XY direction and the Z-axis direction.

XY方向については、X軸方向及びY軸方向に設けられた検出電極601−608と振動子100間の距離が等しくなるよう、制御電極501−504に電圧を印加して静電気力を発生させて、振動子100の位置を調整する。   In the XY direction, a voltage is applied to the control electrodes 501 to 504 to generate an electrostatic force so that the distances between the detection electrodes 601 to 608 provided in the X axis direction and the Y axis direction and the vibrator 100 are equal. Then, the position of the vibrator 100 is adjusted.

Z軸方向については、周期的に振動子100が往復運動している。そのため、検出電極609及び610との距離が往復周期に応じて所望の値をとるよう、制御電極505及び506に電圧を印加して静電気力を発生させて、振動子100の運動を調整する。   In the Z-axis direction, the vibrator 100 periodically reciprocates. Therefore, an electrostatic force is generated by applying a voltage to the control electrodes 505 and 506 so that the distance from the detection electrodes 609 and 610 takes a desired value according to the reciprocation period, thereby adjusting the motion of the vibrator 100.

これらの静電気力は、検出電極601−610の各々で検出した静電容量の変化量から演算して、制御電極501−506に印加される。   These electrostatic forces are calculated from the amount of change in capacitance detected by each of the detection electrodes 601-610 and applied to the control electrodes 501-506.

続いて、本実施形態における半導体装置での加速度・角速度の検出方法について説明する。   Next, a method for detecting acceleration / angular velocity in the semiconductor device according to the present embodiment will be described.

外力によって振動子100が原点から移動した場合、制御電極501−506へ電圧を印加して、振動子100へ静電気力を与えて、その位置を原点へ戻す。このときの静電気力の大きさは振動子100の位置を移動させた外力の大きさと等しい。したがって与えた静電気力F、振動子の質量m、外力による加速度aとの間に、   When the vibrator 100 is moved from the origin by an external force, a voltage is applied to the control electrodes 501 to 506 to apply an electrostatic force to the vibrator 100 and return the position to the origin. The magnitude of the electrostatic force at this time is equal to the magnitude of the external force that has moved the position of the vibrator 100. Therefore, between the applied electrostatic force F, the mass m of the vibrator, and the acceleration a due to the external force,

Figure 2009294127
の関係が成り立つ。
Figure 2009294127
The relationship holds.

この関係はX軸・Y軸・Z軸の各方向に対して成り立つので、数1から外力によるX軸・Y軸・Z軸各方向の加速度の大きさを求めることができる。   Since this relationship holds for each direction of the X-axis, Y-axis, and Z-axis, the magnitude of acceleration in each direction of the X-axis, Y-axis, and Z-axis due to external force can be obtained from Equation 1.

一方、Z軸方向へ往復運動している振動子100に、運動方向と垂直なX軸まわり又はY軸まわりに回転力が作用すると、運動方向と回転軸のそれぞれに垂直な方向に振動子100がずれていく。   On the other hand, when a rotational force is applied to the vibrator 100 reciprocating in the Z-axis direction around the X axis or the Y axis that is perpendicular to the movement direction, the vibrator 100 is moved in a direction perpendicular to the movement direction and the rotation axis. Will shift.

例えば、X軸まわりに回転運動が作用するとY軸方向へ、Y軸まわりに回転運動が作用するとX軸方向へ、運動方向がずれていく。このずれを発生させる力がコリオリ力であり、振動子の質量m、振動子の単位時間あたりのZ軸方向への振動子の変位量dz/dt、回転方向の角速度ωとすると、コリオリ力Fcの大きさは、   For example, the direction of movement shifts in the Y-axis direction when a rotational motion acts around the X axis, and the direction of motion shifts in the X-axis direction when a rotational motion acts around the Y axis. The force that generates this deviation is the Coriolis force, and when the mass m of the vibrator, the displacement dz / dt of the vibrator in the Z-axis direction per unit time of the vibrator, and the angular velocity ω in the rotation direction, the Coriolis force Fc. The size of

Figure 2009294127
で表される。このときdz/dtは往復運動の振幅と周期(又は振動数)から求めることができる。したがって、数2からコリオリ力によるX軸まわり・Y軸まわりに生じた角速度の大きさを求めることができる。
Figure 2009294127
It is represented by At this time, dz / dt can be obtained from the amplitude and period (or frequency) of the reciprocating motion. Therefore, the magnitude of the angular velocity generated around the X axis and the Y axis due to the Coriolis force can be obtained from Equation 2.

以上説明したように、加速度又は角速度の検出は、外力又はコリオリ力から求めるため、振動子の位置変化がそのいずれによるものであるか判別する必要がある。   As described above, since the acceleration or angular velocity is detected from the external force or Coriolis force, it is necessary to determine which is the change in position of the vibrator.

コリオリ力は、数2に示す通り、Z軸方向への振動子の変位量dz/dtに依存する。すなわち振動子の振動周期又は振動数に依存する。一方、外力は数1に示す通り、Z軸方向への振動子の変位量dz/dtとは無関係である。   The Coriolis force depends on the displacement dz / dt of the vibrator in the Z-axis direction as shown in Equation 2. That is, it depends on the vibration period or frequency of the vibrator. On the other hand, the external force is irrelevant to the displacement dz / dt of the vibrator in the Z-axis direction as shown in Equation 1.

したがって、公知の比較演算回路などを用いて振動子の駆動信号と変位量の出力信号とを比較することで、駆動信号と出力信号とが同期している場合をコリオリ力、同期していない場合を外力と判別することができる。   Therefore, by comparing the drive signal of the vibrator and the output signal of the displacement amount using a known comparison operation circuit, etc., when the drive signal and the output signal are synchronized, the Coriolis force is not synchronized. Can be determined as external force.

第1の実施形態に示す構成をとることで、高精度で信頼性の高い加速度・角速度センサを提供することができる。   By adopting the configuration shown in the first embodiment, a highly accurate and reliable acceleration / angular velocity sensor can be provided.

図1に示す半導体装置を具体的に作製した一例を以下に示す。直径150mm、厚さ500μmのパイレックス(登録商標)ガラス基板2枚にレジストパターニングを施し、エッチングを行なって振動子の位置する部分に凹部を形成する。ここでは希フッ酸によって深さ5μmのエッチングを行なった。   An example in which the semiconductor device shown in FIG. 1 is specifically manufactured will be described below. Resist patterning is performed on two Pyrex (registered trademark) glass substrates having a diameter of 150 mm and a thickness of 500 μm, and etching is performed to form a recess in a portion where the vibrator is located. Here, etching with a depth of 5 μm was performed with dilute hydrofluoric acid.

続いて、ガラス基板上の凹部に駆動電極・制御電極・検出電極を形成する。ここでは金・クロム積層膜のリフトオフを採用した。   Subsequently, drive electrodes, control electrodes, and detection electrodes are formed in the recesses on the glass substrate. Here, a lift-off of a gold / chromium laminated film was adopted.

この後、ガラス基板の1枚(以下、第1のガラス基板とする)の凹部・駆動電極・制御電極・検出電極が形成された面をp型シリコン基板と陽極接合によって貼り合わせて第1の貼合基板を作成する。ここで、p型シリコン基板の具体的なサイズは、直径150mm、厚さ50μm、比抵抗0.01〜0.03Ωcm程度である。   Thereafter, the surface of one glass substrate (hereinafter referred to as the first glass substrate) on which the recesses, the drive electrodes, the control electrodes, and the detection electrodes are formed is bonded to the p-type silicon substrate by anodic bonding. Create a bonded substrate. Here, the specific size of the p-type silicon substrate is a diameter of 150 mm, a thickness of 50 μm, and a specific resistance of about 0.01 to 0.03 Ωcm.

続いて、第1の貼合基板のシリコン基板面上にレジストパターニングを施し、エッチングを行ってX軸・Y軸方向の筐体・制御電極・検出電極及び振動子を形成する。   Subsequently, resist patterning is performed on the silicon substrate surface of the first bonded substrate, and etching is performed to form the X-axis / Y-axis direction casing, control electrode, detection electrode, and vibrator.

ここでは代表的なシリコンの異方性ドライエッチングであるボッシュプロセスを採用した。   Here, the Bosch process, which is a typical anisotropic dry etching of silicon, was employed.

第1の貼合基板において、X軸・Y軸方向の筐体と制御電極・検出電極は第1のガラス基板と接合されているが、振動子は第1のガラス基板の凹部上へ形成されるため、上記エッチング後に第1のガラス基板から分離している。   In the first bonded substrate, the X-axis / Y-axis direction housing and the control electrode / detection electrode are bonded to the first glass substrate, but the vibrator is formed on the concave portion of the first glass substrate. Therefore, it is separated from the first glass substrate after the etching.

このため、この工程から、もう1枚のガラス基板(以下、第2のガラス基板とする)と第1の貼合基板とを貼り合わせる工程までは、第1の貼合基板のシリコン基板面を上向きの状態で取り扱う。このようにすることで、振動子が第1の貼合基板に載ったままで落下しないようにした。   For this reason, from this process to the process of bonding another glass substrate (hereinafter referred to as a second glass substrate) and the first bonding substrate, the silicon substrate surface of the first bonding substrate is used. Handle in an upward state. By doing in this way, it was made not to fall with the vibrator still on the 1st bonded substrate.

XY平面に沿った筐体と制御電極・検出電極及び振動子は、比抵抗0.01〜0.03Ωcmのp型シリコンの同一部材で形成されており、導電体とみなすことができる。各電極間には空隙を設けて互いを絶縁した。   The casing, the control electrode / detection electrode, and the vibrator along the XY plane are formed of the same member of p-type silicon having a specific resistance of 0.01 to 0.03 Ωcm, and can be regarded as a conductor. A gap was provided between each electrode to insulate each other.

振動子は1.5mm×1.5mm×0.05mmの立体形状をとり、振動子と制御電極・検出電極との距離は、X軸・Y軸方向各5μmとした。   The vibrator has a solid shape of 1.5 mm × 1.5 mm × 0.05 mm, and the distance between the vibrator and the control electrode / detection electrode is 5 μm in each of the X-axis and Y-axis directions.

続いて、第1のガラス基板とX軸・Y軸方向の筐体とで囲まれた空間内で、振動子・各電極と物理的に接触しない領域に、非蒸発型ゲッタ材を設置する。   Subsequently, a non-evaporable getter material is installed in a region that is not in physical contact with the vibrator and each electrode in a space surrounded by the first glass substrate and the X-axis / Y-axis direction casing.

この後、第2のガラス基板の凹部・駆動電極・制御電極・検出電極が形成された面を、第1の貼合基板のシリコン基板面と貼り合わせて第2の貼合基板を作成する。貼り合わせ処理は温度300℃、圧力0.133Paの減圧条件下で陽極接合によって行なった。これによって第2の貼合基板に第1・第2のガラス基板とシリコン基板とで覆われた空洞部が形成される。   Then, the 2nd bonding board | substrate is created by bonding the surface in which the recessed part, the drive electrode, the control electrode, and the detection electrode of the 2nd glass substrate were formed with the silicon substrate surface of a 1st bonding board | substrate. The bonding process was performed by anodic bonding under reduced pressure conditions of a temperature of 300 ° C. and a pressure of 0.133 Pa. As a result, a cavity covered with the first and second glass substrates and the silicon substrate is formed in the second bonded substrate.

この後、温度450℃の熱処理を行なってゲッタ材を活性化して、陽極接合時に発生した酸素を吸着させることで、空洞部内を上記した減圧状態に確保する。   Thereafter, a heat treatment at a temperature of 450 ° C. is performed to activate the getter material, and the oxygen generated during anodic bonding is adsorbed to secure the inside of the cavity in the above-described reduced pressure state.

なお、振動子100には、金属材料などの導電体、磁性体などを用いることができる。   Note that a conductor such as a metal material, a magnetic body, or the like can be used for the vibrator 100.

この半導体装置において、振動子を周波数20kHz、振幅3μmで単振動させたときの加速度感度は2.0V/G、角速度感度は6.5mV/deg/sec、加速度分解能は0.003μG、角速度分解能は0.024mdeg/secであった。   In this semiconductor device, when the vibrator is vibrated at a frequency of 20 kHz and amplitude of 3 μm, the acceleration sensitivity is 2.0 V / G, the angular velocity sensitivity is 6.5 mV / deg / sec, the acceleration resolution is 0.003 μG, and the angular velocity resolution is It was 0.024 mdeg / sec.

これにより、従来型で同程度のサイズの加速度・角速度センサと比較して、より高分解能での加速度・角速度検出を実現できた。   As a result, acceleration / angular velocity detection with higher resolution can be realized as compared with a conventional acceleration / angular velocity sensor of the same size.

本実施形態では具体例として種々の手法や数値を挙げているが、いずれもここに挙げた手法・数値のみに限定されず、目的に応じて自由に選択することが可能である。一例を挙げれば図1では駆動電極は矩形をしているが、円形・十字形など形状の制限なく適用することが可能である。   In the present embodiment, various methods and numerical values are given as specific examples, but any of them is not limited to the methods and numerical values listed here, and can be freely selected according to the purpose. For example, in FIG. 1, the drive electrode has a rectangular shape. However, the drive electrode can be applied without limitation of a shape such as a circular shape or a cross shape.

[実施形態2]
図2は、本発明の第2の実施形態としての半導体装置を示す図である。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a diagram showing a semiconductor device as a second embodiment of the present invention.

図2(a)は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図2(b)は、図2(a)においてB−B線で切断した際の断面図であり、図2(c)は、図2(a)においてC−C線で切断した際の断面図である。図中の数字・記号などは図1と同一である。   2A is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment as viewed from above, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2A. 2C is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 2A. The numbers and symbols in the figure are the same as those in FIG.

本実施形態と第1の実施形態との相違点は、駆動電極とZ軸方向の制御電極とを共通化した点である。すなわち図1におけるZ軸方向の制御電極505及び506を省略して、駆動電極401及び402にその機能を付加させている。   The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the drive electrode and the control electrode in the Z-axis direction are shared. That is, the control electrodes 505 and 506 in the Z-axis direction in FIG. 1 are omitted, and the function is added to the drive electrodes 401 and 402.

駆動電極・制御電極はいずれも振動子のZ軸方向の運動を規定する機能を有することから、共通化することが可能である。   Since both the drive electrode and the control electrode have a function of defining the movement of the vibrator in the Z-axis direction, they can be shared.

このことで、配線数の削減などの簡素化を図ることができる効果がある。また限られたスペースの中で各々の電極面積を広くすることができる。また、このことで、駆動電極では大きな静電気力を印加することができ、検出電極では検出感度を向上できる効果がある。   Thus, there is an effect that simplification such as reduction in the number of wirings can be achieved. In addition, each electrode area can be widened in a limited space. This also has the effect that a large electrostatic force can be applied to the drive electrode, and the detection sensitivity can be improved on the detection electrode.

[実施形態3]
図3は、本発明の第3の実施形態としての半導体装置を示す図である。
[Embodiment 3]
FIG. 3 is a diagram showing a semiconductor device as a third embodiment of the present invention.

図3(a)は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図3(b)は、図3(a)においてB−B線で切断した際の断面図であり、図3(c)は、図3(a)においてC−C線で切断した際の断面図である。図中の数字・記号などは図1と同一である。   3A is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment as viewed from above, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 3A. FIG. 3C is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. The numbers and symbols in the figure are the same as those in FIG.

本実施形態と他の実施形態との相違点は、検出電極がZ軸方向のみに設けられており、X軸・Y軸方向は制御電極のみ配置され、Z軸方向の制御電極と駆動電極が共通化されている点である。   The difference between this embodiment and the other embodiments is that the detection electrode is provided only in the Z-axis direction, only the control electrode is arranged in the X-axis / Y-axis direction, and the control electrode and the drive electrode in the Z-axis direction are provided. This is a common point.

すなわち、X軸方向に制御電極501並びに502、Y軸方向に制御電極503並びに504、Z軸方向に検出電極601−608及び制御電極の機能を付加した駆動電極401並びに402とを設けている。検出電極は図3に示すように配置することで、Z軸方向のみに設けてもXYZ各方向への振動子の変位量を求めることが可能である。   That is, the control electrodes 501 and 502 are provided in the X-axis direction, the control electrodes 503 and 504 are provided in the Y-axis direction, and the detection electrodes 601-608 and the drive electrodes 401 and 402 having the control electrode functions are provided in the Z-axis direction. By arranging the detection electrodes as shown in FIG. 3, it is possible to determine the displacement amount of the vibrator in each of the XYZ directions even if the detection electrodes are provided only in the Z-axis direction.

このことで、配線数の削減などの簡素化を図ることができる効果がある。また限られたスペースの中で各々の電極面積を広くすることができる。このことで、駆動電極は低電圧でも大きな静電気力を得ることができ、検出電極では検出感度を向上できる効果がある。   Thus, there is an effect that simplification such as reduction in the number of wirings can be achieved. In addition, each electrode area can be widened in a limited space. Thus, the drive electrode can obtain a large electrostatic force even at a low voltage, and the detection electrode has an effect of improving the detection sensitivity.

[実施形態4]
図4は、本発明の第4の実施形態としての半導体装置を示す図である。
[Embodiment 4]
FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor device as a fourth embodiment of the present invention.

図4(a)は、本実施の形態の半導体装置を上面から見た平面図であり、図4(b)は、図4(a)においてB−B線で切断した際の断面図であり、図4(c)は、図4(a)においてC−C線で切断した際の断面図である。図中の数字・記号などは図1と同一である。   4A is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment as viewed from above, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 4A. 4C is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 4A. The numbers and symbols in the figure are the same as those in FIG.

本実施形態と他の実施形態との相違点は、XYZ各方向で、駆動電極・制御電極・検出電極をそれぞれ共通化している点である。すなわち、各方向に設けた検出電極601−606は制御電極の機能が付加されており、さらにZ軸方向の検出電極605及び606には振動子100の駆動機能も付加されている。   The difference between this embodiment and other embodiments is that the drive electrode, the control electrode, and the detection electrode are shared in each of the XYZ directions. In other words, the detection electrodes 601 to 606 provided in each direction have a control electrode function, and the detection electrodes 605 and 606 in the Z-axis direction have a driving function of the vibrator 100.

この場合、電極間の静電容量の測定信号と、電圧を印加して振動子に静電気力を与える信号とを指定したタイミングで印加することで、測定と駆動・制御とを1組の電極から行なうことができる。   In this case, measurement and drive / control can be performed from a set of electrodes by applying a measurement signal of capacitance between the electrodes and a signal for applying a voltage to apply an electrostatic force to the vibrator at a designated timing. Can be done.

このため、センサ上の配線数削減などの簡素化を図ることができる効果がある。またXYZ各方向で電極面積を広くすることが可能なため、低電圧でも大きな静電気力で駆動・制御でき、かつ検出感度を向上できる効果がある。   For this reason, there is an effect that simplification such as reduction in the number of wires on the sensor can be achieved. In addition, since the electrode area can be increased in each direction of XYZ, there is an effect that it can be driven and controlled with a large electrostatic force even at a low voltage and the detection sensitivity can be improved.

本発明はXYZ三次元座標系において、複数の軸方向の加速度と複数の軸回りの角速度とを検出できる加速度・角速度センサに関するものであり、輸送用機器・産業用機器・情報家電などの分野に利用できる。具体的には、自動車・船舶・航空機の姿勢制御・ナビゲーション、産業用・アミューズメント用ロボットの動作・姿勢制御、カメラ・ビデオの手ブレ補正、携帯端末のゲームコントローラ・ナビゲーションなどに対して好適である。   The present invention relates to an acceleration / angular velocity sensor capable of detecting accelerations in a plurality of axial directions and angular velocities around a plurality of axes in an XYZ three-dimensional coordinate system, and is used in the fields of transportation equipment, industrial equipment, information appliances, and the like. Available. Specifically, it is suitable for attitude control / navigation of automobiles / ships / aircrafts, operation / attitude control of industrial / amusement robots, camera / video camera shake correction, game controller / navigation of portable terminals, etc. .

本発明の第1の実施形態としての半導体装置を示す図である。1 is a diagram showing a semiconductor device as a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態としての半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device as the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態としての半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device as the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態としての半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor device as the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 振動子
201−203 筐体
300 空洞部
401−402 駆動電極
501−506 制御電極
601−610 検出電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Vibrator 201-203 Case 300 Cavity 401-402 Drive electrode 501-506 Control electrode 601-610 Detection electrode

Claims (10)

XYZ三次元座標系内で、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向へ運動できる振動子を有する半導体装置において、
前記振動子と接触しないように前記振動子が格納される筐体と、
前記振動子をZ軸方向に往復運動させる駆動手段と、
前記振動子と前記筐体とが物理的に接触しないように前記振動子の運動を制御する制御手段と、
前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量を検出する検出手段と、を有することを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device having a vibrator that can move in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system,
A housing in which the vibrator is stored so as not to contact the vibrator;
Drive means for reciprocating the vibrator in the Z-axis direction;
Control means for controlling movement of the vibrator so that the vibrator and the housing do not come into physical contact with each other;
And a detecting unit configured to detect a change amount of a relative position between the vibrator and the housing.
前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量から、前記振動子に与えられたX軸方向、Y軸方向並びにZ軸方向の加速度及びX軸まわり並びにY軸まわりの角速度を演算することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 Calculate the X-axis direction, Y-axis direction, Z-axis direction acceleration and angular velocity around the X-axis and around the Y-axis given to the vibrator from the amount of change in the relative position between the vibrator and the housing. The semiconductor device according to claim 1. 前記駆動手段が、前記振動子のZ軸方向の運動を制御する制御手段と同じものであることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the driving unit is the same as a control unit that controls movement of the vibrator in the Z-axis direction. 前記検出手段が、Z軸方向のみに設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the detection unit is provided only in the Z-axis direction. 前記制御手段と前記検出手段とが、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の少なくとも一つの方向について同一のものであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の半導体装置。 5. The semiconductor according to claim 1, wherein the control unit and the detection unit are the same in at least one of an X-axis direction, a Y-axis direction, and a Z-axis direction. apparatus. 前記角速度は、前記振動子に印加されたコリオリ力から演算されることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the angular velocity is calculated from a Coriolis force applied to the vibrator. 前記駆動手段及び前記制御手段の少なくとも一つが静電気力で前記振動子を制御することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the driving unit and the control unit controls the vibrator with electrostatic force. 前記検出手段は静電容量を検出することで、前記振動子と前記筐体との相対位置の変化量を検出することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the detection unit detects a change amount of a relative position between the vibrator and the housing by detecting a capacitance. XY平面に沿って前記振動子の周囲に配置された電極を有し、前記電極が前記振動子と同一部材からなることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の半導体装置。 9. The semiconductor device according to claim 1, further comprising an electrode disposed around the vibrator along an XY plane, wherein the electrode is made of the same member as the vibrator. 前記振動子がシリコンからなることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the vibrator is made of silicon.
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