JP2010145315A - Vibration gyroscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)として構成された振動ジャイロスコープに関する。 The present invention relates to a vibrating gyroscope configured as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
従来、角速度を検出するための振動ジャイロスコープとして機能するMEMSが知られている。特許文献1には、円形のダイヤフラムの中央領域に錘部を結合し、ダイヤフラムに設けた圧電素子によって錘部を周回運動させ、錘部に作用するコリオリ力をダイヤフラムに設けた別の圧電素子によって検出する振動ジャイロスコープが記載されている。特許文献2には、十字形に結合された2つの梁の中央領域に錘部を結合し、一方の梁に設けられた圧電素子によって錘部をその梁が延びる方向に振動させ、他方の梁に設けられた圧電素子によって錘部に作用するコリオリ力を検出する振動ジャイロスコープが記載されている。ある軸周りの角速度を検出するときには、その回転軸に対して直交する方向に錘部を振動させ、回転軸と錘部の振動方向とに直交する方向に作用するコリオリ力を検出する。したがって特許文献1、2に記載されているように、錘部を駆動する1組の圧電素子が並ぶ方向とコリオリ力を検出する1組の圧電素子が並ぶ方向は互いに直交する。
しかし、錘部を駆動する圧電素子の位置ずれなどがあるため、特許文献1に記載されているようにダイヤフラムと平行な任意の方向における固有振動数が等しい振動ジャイロスコープや、特許文献2に記載されているように同一形状を有する2つの梁の固有振動数が等しい振動ジャイロスコープでは、特定の方向に錘部を振動させようとしても、その方向に直交する方向にも錘部が振動してしまう。このように錘部を励振する方向とは異なる方向にも錘部が振動する現象を励振の漏れという。励振の漏れが生ずると、コリオリ力を検出するための圧電素子はコリオリ力による歪みと励振の漏れによる歪みとを重畳して検出することになる。したがって特許文献1、2に記載されている振動ジャイロスコープではS/Nを高めることが困難である。
However, because there is a positional shift of the piezoelectric element that drives the weight portion, as described in
本発明は振動ジャイロスコープのS/Nを高めることを目的の1つとする。 One object of the present invention is to increase the S / N ratio of a vibrating gyroscope.
(1)上記目的を達成するための振動ジャイロスコープは、支持部と、錘部と、前記支持部と前記錘部とを連結し前記錘部の運動にともなって変形する可撓部と、第一軸と平行な方向に前記錘部を第一振動数において励振する駆動手段と、前記第一軸と直交し前記可撓部を含む平面と平行な第二軸と平行な方向における前記錘部の変位に相関し前記第一軸及び前記第二軸に直交する第三軸周りの角速度に対応する物理量を検出する検出手段と、が形成されたダイを備え、前記第一振動数は前記第一軸と平行な方向における前記錘部の変位の固有振動数であって、前記第二軸と平行な方向における前記錘部の変位の固有振動数である第二振動数と異なる振動数である。 (1) A vibrating gyroscope for achieving the above object includes a support portion, a weight portion, a flexible portion that connects the support portion and the weight portion and deforms as the weight portion moves, Driving means for exciting the weight part at a first frequency in a direction parallel to one axis, and the weight part in a direction parallel to a second axis perpendicular to the first axis and parallel to a plane including the flexible part Detecting means for detecting a physical quantity corresponding to an angular velocity about a third axis that is correlated with the displacement of the first axis and orthogonal to the first axis and the second axis, and the first frequency is the first frequency The natural frequency of the displacement of the weight portion in a direction parallel to one axis, and a frequency different from the second frequency that is the natural frequency of the displacement of the weight portion in a direction parallel to the second axis. .
本発明によると、錘部の変位の固有振動数が第一軸と平行な方向と第一軸に直交する方向とで異なるため、第一軸と平行な方向に錘部を固有振動数において励振しても、第二軸に励振が漏れにくい。したがって本発明によると振動ジャイロスコープのS/Nを高めることができる。 According to the present invention, since the natural frequency of the displacement of the weight part is different between the direction parallel to the first axis and the direction perpendicular to the first axis, the weight part is excited at the natural frequency in the direction parallel to the first axis. Even so, the excitation hardly leaks to the second shaft. Therefore, according to the present invention, the S / N of the vibrating gyroscope can be increased.
(2)上記目的を達成するための振動ジャイロスコープにおいて、前記可撓部は前記第一軸と平行な方向と前記第二軸と平行な方向とにそれぞれ前記支持部に掛け渡されそれぞれの中央領域において互いに結合し互いの長さが異なる2つの梁からなり、前記錘部は、2つの前記梁の中央領域に結合し、前記駆動手段は前記第一軸と平行な方向に掛け渡された前記梁に配列される1組の圧電素子であって、前記検出手段は前記第二軸と平行な方向に掛け渡された前記梁に配列される他の1組の圧電素子であってもよい。
本発明によると、可撓部を構成する2つの梁の長さが互いに異なるため、一方の梁が延びる第一軸と平行な方向に錘部を固有振動数において励振しても、他方の梁が延びる第二軸と平行な方向に励振が漏れにくい。
(2) In the vibrating gyroscope for achieving the above object, the flexible portion is stretched over the support portion in a direction parallel to the first axis and in a direction parallel to the second axis, respectively. It consists of two beams that are mutually connected in the region and have different lengths, the weight part is connected to the central region of the two beams, and the driving means is stretched in a direction parallel to the first axis A set of piezoelectric elements arranged on the beam, wherein the detection means may be another set of piezoelectric elements arranged on the beam spanned in a direction parallel to the second axis. .
According to the present invention, since the lengths of the two beams constituting the flexible portion are different from each other, even if the weight portion is excited at the natural frequency in a direction parallel to the first axis in which one beam extends, It is difficult for the excitation to leak in a direction parallel to the second axis extending from.
(3)上記目的を達成するための振動ジャイロスコープにおいて、前記可撓部は前記支持部に固定されている端が楕円形であって長軸が前記第一軸と平行であり短軸が前記第二軸と平行であるダイヤフラムであって、前記錘部は前記ダイヤフラムの中心領域に結合し、前記駆動手段は前記ダイヤフラムの長軸および短軸の一方に沿って前記ダイヤフラムに配列される1組の圧電素子であって、前記検出手段は前記ダイヤフラムの長軸及び短軸の他方に沿って前記ダイヤフラムに配列される他の1組の圧電素子であってもよい。
本発明によると、可撓部を構成するダイヤフラムの端が楕円形であるため、ダイヤフラムの長軸と平行な第一軸と平行な方向に錘部を固有振動数において励振したとしても、ダイヤフラムの短軸と平行な第二軸と平行な方向に励振が漏れにくい。
(3) In the vibrating gyroscope for achieving the above object, the flexible portion has an elliptical end fixed to the support portion, a major axis is parallel to the first axis, and a minor axis is the minor axis. A pair of diaphragms parallel to a second axis, wherein the weight portion is coupled to a central region of the diaphragm, and the driving means is arranged on the diaphragm along one of a major axis and a minor axis of the diaphragm The detection means may be another set of piezoelectric elements arranged on the diaphragm along the other of the major axis and the minor axis of the diaphragm.
According to the present invention, since the end of the diaphragm constituting the flexible portion is elliptical, even if the weight portion is excited at the natural frequency in a direction parallel to the first axis parallel to the major axis of the diaphragm, Excitation is difficult to leak in the direction parallel to the second axis parallel to the short axis.
(4)上記目的を達成するための振動ジャイロスコープにおいて、前記可撓部は前記支持部に固定されている端が菱形であって対角線の一方は前記第一軸と平行であり前記対角線の他方は前記第二軸と平行であるダイヤフラムであって、前記錘部は前記ダイヤフラムの中央領域に結合し、前記駆動手段は前記ダイヤフラムの対角線の一方に沿って前記ダイヤフラムに配列される1組の圧電素子であって、前記検出手段は前記ダイヤフラムの対角線の他方に沿って前記ダイヤフラムに配列される他の1組の圧電素子であってもよい。
本発明によると、可撓部を構成するダイヤフラムの端が菱形であるため、ダイヤフラムの対角線の一方と平行な第一軸と平行な方向に錘部を固有振動数において励振したとしても、ダイヤフラムの対角線の他方と平行な第二軸と平行な方向に励振が漏れにくい。
(4) In the vibrating gyroscope for achieving the above object, the flexible part has a rhombus at the end fixed to the support part, and one of the diagonal lines is parallel to the first axis and the other of the diagonal lines Is a diaphragm parallel to the second axis, wherein the weight portion is coupled to a central region of the diaphragm, and the driving means is a set of piezoelectric elements arranged on the diaphragm along one of the diagonal lines of the diaphragm. It is an element, Comprising: The said detection means may be another 1 set of piezoelectric elements arranged in the said diaphragm along the other diagonal of the said diaphragm.
According to the present invention, since the end of the diaphragm constituting the flexible portion is a rhombus, even if the weight portion is excited at the natural frequency in a direction parallel to the first axis parallel to one of the diagonal lines of the diaphragm, Excitation is unlikely to leak in a direction parallel to the second axis parallel to the other of the diagonal lines.
(5)上記目的を達成するための振動ジャイロスコープにおいて、前記可撓部は前記支持部に固定されている端が長方形であって長辺および短辺の一方は前記第一軸と平行であり長辺及び短辺の他方は前記第二軸と平行であるダイヤフラムであって、前記錘部は前記ダイヤフラムの中央領域に結合し、前記駆動手段は前記ダイヤフラムの長辺および短辺の一方と平行に前記ダイヤフラムに配列される1組の圧電素子であって、前記検出手段は前記ダイヤフラムの長辺及び短辺の他方と平行に前記ダイヤフラムに配列される他の1組の圧電素子であってもよい。
本発明によると、可撓部を構成するダイヤフラムの端が長方形であるため、ダイヤフラムの長辺と平行な第一軸と平行な方向に錘部を固有振動数において励振したとしても、ダイヤフラムの短辺と平行な第二軸と平行な方向に励振が漏れにくい。
(5) In the vibrating gyroscope for achieving the above object, the flexible portion has a rectangular end fixed to the support portion, and one of the long side and the short side is parallel to the first axis. The other of the long side and the short side is a diaphragm parallel to the second axis, the weight portion is coupled to a central region of the diaphragm, and the driving means is parallel to one of the long side and the short side of the diaphragm. A pair of piezoelectric elements arranged on the diaphragm, wherein the detecting means is another set of piezoelectric elements arranged on the diaphragm in parallel with the other of the long side and the short side of the diaphragm. Good.
According to the present invention, since the end of the diaphragm constituting the flexible portion is rectangular, even if the weight portion is excited at the natural frequency in the direction parallel to the first axis parallel to the long side of the diaphragm, the diaphragm short Excitation is difficult to leak in a direction parallel to the second axis parallel to the side.
(6)上記目的を達成するための振動ジャイロスコープにおいて、前記錘部は前記第一軸の方向の長さと前記第二軸の方向の長さとが異なってもよい。
本発明によると、錘部の長さが第一軸の方向と第二軸の方向とで異なるため、第一軸と平行な方向に錘部を固有振動数において励振したとしても、第二軸と平行な方向に励振が漏れにくい。
(6) In the vibrating gyroscope for achieving the above object, the weight portion may have a length in the direction of the first axis and a length in the direction of the second axis.
According to the present invention, since the length of the weight portion is different between the direction of the first axis and the direction of the second axis, even if the weight portion is excited at the natural frequency in the direction parallel to the first axis, The excitation is difficult to leak in the direction parallel to the.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
1.第一実施形態
(構成)
本発明の第一実施形態である振動ジャイロスコープを図1、図2および図3に示す。図1A、図1Bは振動ジャイロスコープ1のセンサダイ1Aを示す断面図であってそれぞれ図1Cに示すAA線、BB線の断面図である。図1Cはセンサダイ1Aの上面図である。図2はセンサダイ1Aの底面図である。図3は振動ジャイロスコープ1を示す断面図である。図1A、図1Bおよび図3において、センサダイ1Aを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ1Aを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。以下の説明で用いる振動ジャイロスコープ1に固定されたxyz座標軸は図1に示すように定めている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding component in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
1. First embodiment (Configuration)
A vibrating gyroscope according to a first embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1A and 1B are sectional views showing a
振動ジャイロスコープ1はx軸、y軸およびz軸周りの角速度成分を時分割して検出するMEMSセンサである。振動ジャイロスコープ1は、図3に示すパッケージ1Bと、パッケージ1Bに収容されたセンサダイ1Aとを備える。
The
センサダイ1Aは、図1Aに示すように、ベース層11と、ベース層11に接するエッチングストッパ層12と、エッチングストッパ層12に接する半導体層13と、半導体層13に接する第一絶縁層20と、第一絶縁層20に接する電極層31と、電極層31に接する圧電層32と、圧電層32に接する電極層33と、電極層31、33、圧電層32および第一絶縁層20に接する第二絶縁層40と、第二絶縁層40に接する表面導線層50とからなる積層構造体である。ベース層11と半導体層13はいずれも単結晶シリコン(Si)からなる。ベース層11はガラス等のバルク材料で構成しても良い。ベース層11の厚さは625μmである。半導体層13の厚さは10μmである。エッチングストッパ層12および第一絶縁層20はシリコン酸化膜(SiO2)からなる。エッチングストッパ層12の厚さは1μmである。第一絶縁層20の厚さは0.5μmである。電極層31、33は、白金(Pt)からなる。電極層31、33はイリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2)、金(Au)等の導電性材料から構成しても良い。電極層31、33の厚さは0.1μmである。圧電層32はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。圧電層32の厚さは3μmである。第二絶縁層40は感光性ポリイミドからなる。第二絶縁層40はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜(SixNy)、アルミナ(Al2O3)等の無機絶縁材料から構成してもよい。第二絶縁層40の厚さは5μmである。表面導線層50はアルミニウム(Al)からなる。表面導線層50は、アルミシリコン(AlSi)、AlSiCu等の導電性材料から構成しても良い。表面導線層50の厚さは0.5μmである。
As shown in FIG. 1A, the sensor die 1A includes a
振動ジャイロスコープ1のセンサダイ1Aは、枠形の支持部Sと、支持部Sの内側において十文字形に結合している2つの梁Fx、Fyと、2つの梁Fx、Fyが結合している中央領域に結合している錘部Mと、2つの梁Fx、Fyの上にそれぞれに設けられ2つの梁Fx、Fyを撓ませることによって錘部Mを振動させる駆動用圧電素子30cと、2つの梁Fx、Fyの上にそれぞれに設けられ2つの梁Fx、Fyの歪みを検出する検出用圧電素子30aとを備える。
The
支持部Sは図1Cに示すように矩形枠の形態を有する。支持部Sはベース層11、エッチングストッパ層12、半導体層13および第一絶縁層20を含む。支持部Sはバルク材料からなる厚いベース層11を含み、ベース層11を介してパッケージ1Bに固定されるため、振動ジャイロスコープ1に固定された座標系において不動の実質的な剛体として振る舞う。支持部Sの底面はパッケージ1Bの底面に接着層92を介して接合される。
The support portion S has a rectangular frame shape as shown in FIG. 1C. The support part S includes a
可撓部としての2つの梁Fx、Fyはそれぞれ両端が固定端である梁の形態を有する。梁Fx、Fyは半導体層13と第一絶縁層20とを含む。梁Fはバルク材料からなる厚いベース層11を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。梁Fx、Fyのそれぞれの両端は支持部Sの内側の4辺に結合している。支持部Sは不動の剛体として振る舞うため、振動ジャイロスコープ1に固定された座標系において梁Fx、Fyの両端は固定端となる。梁Fx、Fyは支持部Sの内側の4辺に掛け渡されている。梁Fxはx軸と平行な方向(x方向)に支持部Sに掛け渡されている。梁Fyはy軸と平行な方向(y方向)に支持部Sに掛け渡されている。梁Fx、Fyはそれぞれの中央領域において互いに結合している。梁Fx、Fyの中央領域は錘部Mに結合している。すなわち梁Fx、Fyによって構成されている1つの十字形の梁の中央領域が錘部Mに結合している。錘部Mは梁Fx、Fyにのみ結合し、図3に示すようにパッケージ1Bの底面90aから浮いているため、梁Fx、Fyは振動ジャイロスコープ1に固定された座標系において錘部Mの運動にともなって変形する梁として振る舞う。
Each of the two beams F x and F y as the flexible portion has a beam shape in which both ends are fixed ends. The beams F x and F y include the
梁Fx、Fyの長さ(梁Fxについてはx方向の長さXf(図2参照)、梁Fyについてはy方向の長さYfを長さとする。)は互いに異なる。具体的には梁Fxの長さは梁Fyの長さよりも長い。梁Fx、Fyの長さを互いに異ならせるのは、錘部Mのx方向の変位における固有振動数とy方向の変位における固有振動数とを異ならせるためである。同一の層構造を有する梁Fx、Fyの厚さは同一である。また梁Fx、Fyの幅(梁Fxについてはy方向の長さ、梁Fyについてはx方向の長さを幅とする。)は同一である。なお、梁Fx、Fyの厚さまたは幅を互いに異ならせることにより錘部Mのx方向の変位における固有振動数とy方向の変位における固有振動数とを異ならせてもよい。また、梁Fx、Fyの長さ、厚さおよび幅のすべてについて互いに異ならせてもよい。もちろん、梁Fx、Fyのパターンの一部又は全部を変えることによって錘部Mのx方向の変位における固有振動数とy方向の変位における固有振動数とを異ならせてもよい。 Beam F x, F y of length (beam F for x in the x-direction length X f (see FIG. 2), for the beam F y be the length of the y-direction length Y f.) Are different from each other. The length of the concrete to the beam F x is longer than the length of the beam F y. The lengths of the beams F x and F y are made different from each other in order to make the natural frequency in the displacement of the weight M in the x direction different from the natural frequency in the displacement in the y direction. The beams F x and F y having the same layer structure have the same thickness. The beam F x, F y width (beam F x y direction length for, for the beam F y. To width length in the x-direction) of the same. Note that the natural frequency in the displacement in the x direction and the natural frequency in the displacement in the y direction of the weight M may be made different by making the thicknesses or widths of the beams F x and F y different from each other. Further, the lengths, thicknesses and widths of the beams F x and F y may be different from each other. Of course, the natural frequency of the displacement of the weight M in the x direction and the natural frequency of the displacement in the y direction may be made different by changing part or all of the patterns of the beams F x and F y .
錘部Mの底面は、図2に示すように1つの矩形とその4つの角に結合した4つの矩形とが組み合わさったパターン(z方向から見た形状)を有する。錘部Mはベース層11およびエッチングストッパ層12を含む。錘部Mはバルク材料からなる厚いベース層11を含むため実質的に剛体として振る舞う。錘部Mは梁Fにのみ結合し、図2に示すようにパッケージ1Bの底面90aから浮いているため、振動ジャイロスコープ1に固定された座標系において運動する。
As shown in FIG. 2, the bottom surface of the weight portion M has a pattern (a shape viewed from the z direction) in which one rectangle and four rectangles coupled to the four corners are combined. The weight portion M includes a
錘部Mのx方向の長さXmはy方向の長さYmよりも長い。錘部Mのx方向の長さXmとy方向の長さYmとを異ならせるのは、錘部Mのx方向の変位における固有振動数とy方向の変位における固有振動数とを異ならせるためである。錘部Mの形状によって錘部Mのx方向の変位における固有振動数とy方向の変位における固有振動数とを異ならせるには、本質的に、錘部Mを構成する質点の位置の分散をx方向とy方向とで異ならせればよい。ここでいう質点とは錘部Mを単位質量を持つ有限数の点の集合とみたときに、それらの点を意味する。したがって、錘部Mのx方向の長さXmとy方向の長さYmとが等しい場合であっても、錘部Mの形状によって錘部Mのx方向の変位における固有振動数とy方向の変位における固有振動数とを異ならせることは可能である。 Length in the x direction of the weight portion M X m is longer than the length Y m of the y-direction. The length X m in the x direction and the length Y m in the y direction of the weight M are made different from each other in the natural frequency in the displacement in the x direction and the natural frequency in the displacement in the y direction. It is to make it. In order to make the natural frequency in the displacement in the x direction of the weight M different from the natural frequency in the displacement in the y direction depending on the shape of the weight M, the dispersion of the positions of the mass points constituting the weight M is essentially changed. What is necessary is just to make it differ by x direction and y direction. The mass points here mean those points when the weight M is regarded as a set of a finite number of points having a unit mass. Therefore, even when the length X m in the x direction of the weight portion M is equal to the length Y m in the y direction, the natural frequency and y in the displacement of the weight portion M in the x direction depend on the shape of the weight portion M. It is possible to vary the natural frequency in the direction displacement.
駆動用圧電素子30cおよび検出用圧電素子30aはいずれも電極層31、33と圧電層32とからなる。駆動用圧電素子30cおよび検出用圧電素子30aの下部電極を構成する電極層31は圧電素子30a、30cの下部電極とボンディングパッド50aとを接続する内部導線31bも構成している。駆動用圧電素子30cおよび検出用圧電素子30aの上部電極を構成する電極層33は第二絶縁層40に形成されたコンタクトホール40hを介して表面導線50bに接続している。表面導線50bはボンディングパッド50aと電極層33とを接続している。
Each of the driving
梁Fxに配列されている2つの駆動用圧電素子30cはそれぞれが梁Fxと支持部Sとの境界をまたぐ位置にあり、かつ梁Fxの幅方向の中央に位置している。また2つの駆動用圧電素子30cは梁Fxが延びるx方向に整列している。駆動用圧電素子30cは錘部Mをx方向およびz方向に振動させるための駆動手段である。2つの駆動用圧電素子30cには錘部Mをx方向に振動させる正弦波信号とz方向に振動させる正弦波信号とが時分割して印加される。錘部Mをx方向に振動させる場合、2つの駆動用圧電素子30cに印加する正弦波信号の位相は半周期ずらす。錘部Mをz方向に振動させる場合、2つの駆動用圧電素子30cに印加する正弦波信号は同期させる。
Each is two driving
梁Fxに配列されている2つの検出用圧電素子30aは梁Fxと錘部Mとの境界をまたぐ位置にあり、かつ梁Fxの幅方向の中央に位置している。また梁Fxに配列されている2つの検出用圧電素子30aはx方向において整列している。梁Fxに配列されている2つの検出用圧電素子30aはy軸周りの角速度に応じた錘部Mの運動に伴う梁Fxの歪みを検出するための検出手段である。すなわち梁Fxに配列されている2つの検出用圧電素子30aはy軸周りの角速度に対応する物理量として梁Fxの歪みを検出する。
Two detecting
梁Fyに配列されている2つの検出用圧電素子30aは梁Fyと錘部Mとの境界をまたぐ位置にあり、かつ梁Fyの幅方向の中央に位置している。また梁Fyに配列されている2つの検出用圧電素子30aはy方向において整列している。梁Fyに配列されている2つの検出用圧電素子30aはx軸周りの角速度およびz軸周りの角速度に応じた錘部Mの運動に伴う梁Fyの変形を検出するための検出手段である。すなわち梁Fyに配列されている2つの検出用圧電素子30aはx軸周りの角速度とz軸周りの角速度に対応する物理量として梁Fyの歪みを検出する。
Two detecting
実質的に剛体として振る舞う錘部Mと可撓性を有する梁Fとの境界には、梁Fの変形に伴う応力と歪みが集中する。このため、検出用圧電素子30aを錘部Mと梁Fとの境界をまたいで設けることにより、効率よく梁Fの変形にともなう歪みを検出することができる。なお、駆動用圧電素子30cを錘部Mと梁Fとのそれぞれの境界をまたいで設けてもよい。また検出用圧電素子30aを支持部Sと梁Fとのそれぞれの境界をまたいで設けてもよい。いずれにしても、梁Fとそれに結合している実質的な剛体との境界(振動端)近傍に駆動用圧電素子30cと検出用圧電素子30aとを設けることが望ましい。
Stress and strain associated with the deformation of the beam F are concentrated at the boundary between the weight portion M that behaves substantially as a rigid body and the beam F having flexibility. For this reason, by providing the detecting
図2に示すパッケージ1Bは、無蓋箱型のパッケージベース90とパッケージベース90の内部空間を閉塞するカバー94とを備える。パッケージベース90とカバー94とは接着層93を介して接合されている。パッケージベース90には複数の貫通電極91が設けられている。ワイヤ95は一端がセンサダイ1Aのボンディングパッド50aに接合され他端がパッケージ1Bの貫通電極91に接合される。センサダイ1Aの支持部Sの底面はパッケージベース90の内側の底面90aに接着層92によって接着されている。底面90aに形成する凹部の深さや接着層92の厚さによってセンサダイ1Aの錘部Mとパッケージベース90の内側の底面90aとの間の空隙の高さが設定されている。なお、駆動用圧電素子30cに駆動信号を印加し、検出用圧電素子30aから出力される検出信号から3軸の角速度成分に相当する信号を生成するLSIダイをパッケージ1Bの内部に収容してもよい。
The
(作動)
図4から図17に基づいて振動ジャイロスコープ1の作動について説明する。以下、検出用圧電素子30aのうち、図4に示すようにx方向に延びる梁Fxに配置されているものを角速度のy軸成分を検出するために用いるものとして圧電素子Sy1、Sy2と表し、y方向に延びる梁Fyに配置されているものを角速度のx軸成分およびz軸成分を検出するために用いるものとして圧電素子Sxz1、Sxz2と表す。また駆動用圧電素子30cを圧電素子D1、D2と表す。なお、図4はセンサダイ1Aの上面視を簡略化して示した図である。
(Operation)
The operation of the vibrating
角速度のz軸周りの成分を検出するとき、圧電素子D1、D2には図5に示すように互いに位相が半周期ずれた正弦波信号が印加される。すると圧電素子D1、D2は一方が縮むときに他方が延びるため、錘部Mの重心は図6に示すようにx方向に振動する。錘部Mのx方向の変位の固有振動数は梁Fx、Fyおよび錘部Mの形態によって決まる。錘部Mのx方向の変位の固有振動数において錘部Mを励振することにより錘部Mの振幅は大きくなる。そこで錘部Mをx方向に励振するときに圧電素子D1、D2に印加する正弦波信号の振動数である第一振動数は錘部Mのx方向の変位の固有振動数と等しく設定する。 When detecting the component of the angular velocity around the z-axis, sinusoidal signals whose phases are shifted from each other by a half period as shown in FIG. 5 are applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 . Then, since one of the piezoelectric elements D 1 and D 2 extends when one contracts, the center of gravity of the weight portion M vibrates in the x direction as shown in FIG. The natural frequency of displacement of the weight portion M in the x direction is determined by the forms of the beams F x and F y and the weight portion M. By exciting the weight M at the natural frequency of the displacement of the weight M in the x direction, the amplitude of the weight M is increased. Therefore, the first frequency, which is the frequency of the sine wave signal applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 when the weight M is excited in the x direction, is set equal to the natural frequency of the displacement of the weight M in the x direction. To do.
圧電素子D1、D2に互いに位相が半周期ずれた正弦波信号を印加して錘部Mをx方向に励振しているとき、y方向に延びる梁Fyはねじれる。しかし、圧電素子Sxz1、Sxz2が配置されている梁Fyの幅方向の中央においてはねじれによる圧縮応力と伸張応力が相殺され、また図6Bに示すように撓むこともない。したがって、圧電素子D1、D2に互いに位相が半周期ずれた正弦波信号を印加して錘部Mの重心をx方向に振動させるとき、梁Fyに配置された圧電素子Sxz1、Sxz2からは梁Fyの歪みに伴う信号は図7に示すように検出されない。 When sinusoidal signals whose phases are shifted from each other by half a period are applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 to excite the weight M in the x direction, the beam F y extending in the y direction is twisted. However, in the width direction of the center of the beam F y to the piezoelectric element S xz1, S xz2 are arranged offset compression stress due to the tensile stress is twisted, also nor bent as shown in Figure 6B. Therefore, when sine wave signals whose phases are shifted from each other by a half cycle are applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 to vibrate the center of gravity of the weight M in the x direction, the piezoelectric elements S xz1 and S arranged on the beam F y are used . signals due to distortion of the beam F y from xz2 is not detected as shown in FIG.
また梁Fxが梁Fyよりも長く、錘部Mがy方向よりもx方向において長いため、錘部Mのy方向の変位の固有振動数である第二振動数は錘部Mのx方向の変位の固有振動数である第一振動数よりも低くなる。すなわち、錘部Mのy方向の変位の固有振動数は錘部Mのx方向の変位の固有振動数とは異なる。したがって、仮に圧電素子D1、D2が設計からずれた位置に形成されていたとしても、圧電素子D1、D2に第一振動数の正弦波信号を与えていれば、励振がy方向に漏れにくいため、錘部Mのy方向の振幅はx方向の振幅に比べて十分小さくなる。 Further, since the beam F x is longer than the beam F y and the weight portion M is longer in the x direction than the y direction, the second frequency that is the natural frequency of the displacement of the weight portion M in the y direction is x of the weight portion M. It becomes lower than the first frequency which is the natural frequency of the displacement in the direction. That is, the natural frequency of the displacement of the weight M in the y direction is different from the natural frequency of the displacement of the weight M in the x direction. Therefore, even if the piezoelectric elements D 1 and D 2 are formed at positions deviated from the design, if the sine wave signal having the first frequency is applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 , the excitation is in the y direction. Therefore, the amplitude of the weight portion M in the y direction is sufficiently smaller than the amplitude in the x direction.
このようにして錘部Mをx方向に励振しているとき、z軸周りの角速度が生ずると、図8に示すようにy方向にコリオリ力Cが作用する。その結果、y方向に延びる梁Fyがその長さ方向の中心点を対象点として点対称に撓み、梁Fyに配置されている圧電素子Sxz1、Sxz2が歪みを検出する。コリオリ力Cの大きさは錘部Mの速度に比例するため、錘部Mの重心はy方向においても第一振動数において振動する。その結果、図9に示すようにz軸周りの角速度の大きさに対応する正弦波信号が圧電素子Sxz1、Sxz2から出力される。錘部Mがy方向に振動するとき、圧電素子Sxz1、Sxz2が設けられている位置において梁の撓みが逆方向になるため、圧電素子Sxz1、Sxz2から出力される信号の極性は逆転する。したがって圧電素子Sxz1、Sxz2から出力される信号の差を取って同期検波すると、z軸周りの角速度成分を得ることができる。 In this way, when the weight M is excited in the x direction, if an angular velocity around the z axis is generated, a Coriolis force C acts in the y direction as shown in FIG. As a result, the beam F y extending in the y direction bends symmetrically with respect to the center point in the length direction, and the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 arranged on the beam F y detect distortion. Since the magnitude of the Coriolis force C is proportional to the speed of the weight portion M, the center of gravity of the weight portion M vibrates at the first frequency even in the y direction. As a result, as shown in FIG. 9, sine wave signals corresponding to the magnitude of the angular velocity around the z-axis are output from the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 . When the weight part M vibrates in the y direction, the beam deflection is reversed at the position where the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 are provided, so the polarity of the signal output from the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 is Reverse. Therefore, if synchronous detection taking the difference of the piezoelectric element S xz1, signals output from the S xz2, it is possible to obtain an angular velocity component about the z axis.
なお、y方向における錘部Mの変位の固有振動数は第一振動数と異なるため、y方向における錘部Mの変位の固有振動数が第一振動数と等しい場合に比べると、コリオリ力Cに伴うy方向の振動の振幅は小さくなる。しかし、励振の漏れによるノイズを十分小さくでき、また励振の駆動力に比べてコリオリ力は一般に十分小さいため、励振の漏れの抑制効果によってS/Nが向上する。 Since the natural frequency of the displacement of the weight part M in the y direction is different from the first frequency, the Coriolis force C is greater than when the natural frequency of the displacement of the weight part M in the y direction is equal to the first frequency. As a result, the amplitude of vibration in the y direction decreases. However, noise due to excitation leakage can be sufficiently reduced, and since the Coriolis force is generally sufficiently smaller than the driving force for excitation, the S / N is improved due to the suppression effect of excitation leakage.
また、錘部Mの重心をx方向に振動させているとき、y軸周りの角速度が生ずると、図10Aに示すようにz方向にコリオリ力Cが作用する。その結果、y方向に延びる梁Fyがその長さ方向の中心点を対象点として線対称に撓み、梁Fyに配置されている圧電素子Sxz1、Sxz2が歪みを検出する。このとき、圧電素子Sxz1、Sxz2が設けられている位置において梁yが同方向に撓むため、圧電素子Sxz1、Sxz2から出力される信号の極性は図10Bおよび図10Cに示すように一致する。したがって圧電素子Sxz1、Sxz2から出力される信号の差を取ると、y軸周りの角速度成分は相殺される。換言すれば、圧電素子Sxz1、Sxz2から出力される信号の和を取って同期検波すると、y軸周りの角速度成分を得ることもできる。ただし、本実施形態においては次のようにしてy軸周りの角速度成分を得る。 Further, when the center of gravity of the weight M is vibrated in the x direction, if an angular velocity around the y axis occurs, a Coriolis force C acts in the z direction as shown in FIG. 10A. As a result, the beam F y extending in the y direction bends symmetrically with the center point in the length direction as a target point, and the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 arranged on the beam F y detect distortion. At this time, since the beam y bends in the same direction at the position where the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 are provided, the polarities of the signals output from the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 are as shown in FIGS. 10B and 10C. Matches. Therefore, if the difference between the signals output from the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 is taken, the angular velocity component around the y axis is canceled. In other words, if the sum of signals output from the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 is taken and synchronous detection is performed, an angular velocity component around the y axis can be obtained. However, in this embodiment, the angular velocity component around the y-axis is obtained as follows.
角速度のy軸周りの成分を検出するとき、圧電素子D1、D2には図11に示すように同期した正弦波信号が印加される。すると圧電素子D1、D2は一方が延びるときは他方も延び一方が縮む時には他方も縮むため、錘部Mの重心は図12に示すようにz方向に振動する。錘部Mをz方向に励振するために圧電素子D1、D2に印加する正弦波信号の振動数である第三振動数は、梁Fx、Fyおよび錘部Mの形態によって決まる錘部Mのz方向の変位の固有振動数と等しく設定する。 When detecting the component of the angular velocity around the y-axis, a synchronized sine wave signal is applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 as shown in FIG. Then, when one of the piezoelectric elements D 1 and D 2 extends, the other also extends and when the other contracts, the other contracts, and the center of gravity of the weight M vibrates in the z direction as shown in FIG. The third frequency, which is the frequency of the sine wave signal applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 to excite the weight M in the z direction, is determined by the beams F x and F y and the form of the weight M. It is set equal to the natural frequency of the displacement of the part M in the z direction.
錘部Mをz方向に励振しているとき、梁Fyに設けられた圧電素子Sxz1、Sxz2からは、梁Fyの撓みに伴って図13に示すように互いに同期した正弦波信号が検出される。なお、このとき梁Fxに設けられた圧電素子Sy1、Sy2からも互いに同期した正弦波信号が検出される。ところで、錘部Mのz方向の変位の固有振動数は錘部Mのx方向の変位の振動数ともy方向の変位の振動数とも、一般に当然に大きく異なる。したがって、錘部Mをz方向に励振するときにはx方向またはy方向に励振が漏れにくい。そこで、錘部Mをx方向に励振してy軸周りの角速度成分を検出するよりも、錘部Mをz方向に励振してy軸周りの角速度成分を検出するものとする。 While exciting the weight portion M in the z-direction, the beam F provided piezoelectric element S xz1, from S Xz2 for y, sine wave signal synchronized with each other as shown in FIG. 13 with the deflection of the beam F y Is detected. At this time, sine wave signals synchronized with each other are also detected from the piezoelectric elements S y1 and S y2 provided on the beam F x . Incidentally, the natural frequency of the displacement of the weight M in the z direction generally differs greatly from the frequency of the displacement of the weight M in the x direction and the frequency of the displacement in the y direction. Therefore, when the weight M is excited in the z direction, the excitation hardly leaks in the x direction or the y direction. Thus, rather than exciting the weight M in the x direction and detecting the angular velocity component around the y axis, the weight M is excited in the z direction to detect the angular velocity component around the y axis.
このようにして錘部Mをz方向に励振しているとき、y軸周りの角速度が生ずると、図14に示すようにx方向にコリオリ力Cが作用する。コリオリ力Cの大きさは錘部Mの速度に比例するため、錘部Mの重心はx方向においても第三振動数において振動する。その結果、x方向に延びる梁Fxに配列されている圧電素子Sy1、Sy2は図15に示すようにz方向の励振成分とy軸周りの角速度成分とが重畳した検出信号を出力する。錘部Mの重心のx方向の振動に伴う梁Fxの撓みは梁Fxの長さ方向の中心点を対象点として点対称になるため、圧電素子Sy1、Sy2が出力する信号のy軸周りの角速度成分の極性は反転する。また圧電素子Sy1、Sy2が出力するz方向の励振成分の極性は同じである。したがって、圧電素子Sy1、Sy2から出力される信号の差を取って同期検波すると、y軸周りの角速度成分を得ることができる。 When the weight M is excited in the z-direction in this way, if an angular velocity around the y-axis occurs, a Coriolis force C acts in the x-direction as shown in FIG. Since the magnitude of the Coriolis force C is proportional to the speed of the weight portion M, the center of gravity of the weight portion M vibrates at the third frequency even in the x direction. As a result, the piezoelectric elements S y1 and S y2 arranged in the beam F x extending in the x direction output a detection signal in which the excitation component in the z direction and the angular velocity component around the y axis are superimposed as shown in FIG. . To become a point symmetry as the target point the center point of the length direction of the deflection beam F x of the beam F x due to vibration in the x direction of the center of gravity of the weight M, of signals piezoelectric element S y1, S y2 outputs The polarity of the angular velocity component around the y-axis is reversed. The polarities of the excitation components in the z direction output from the piezoelectric elements S y1 and S y2 are the same. Therefore, if synchronous detection is performed by taking a difference between signals output from the piezoelectric elements S y1 and S y2 , an angular velocity component around the y axis can be obtained.
角速度のx軸周りの成分を検出するときには、錘部Mをy方向又はz方向に励振すればよい。錘部Mの励振方向を切り替える場合には、錘部Mの振動が励振しようとする方向において安定するまで角速度の検出を待つ必要がある。そこで本実施形態では角速度のx軸周りの成分を検出するためにも錘部Mをz方向に励振するものとする。 When detecting the component of the angular velocity around the x-axis, the weight M may be excited in the y direction or the z direction. When switching the excitation direction of the weight part M, it is necessary to wait for detection of the angular velocity until the vibration of the weight part M is stabilized in the direction in which the weight part M is to be excited. Therefore, in this embodiment, the weight M is excited in the z direction in order to detect the component of the angular velocity around the x axis.
第三振動数において錘部Mをz方向に励振しているとき、x軸周りの角速度が生ずると、図16に示すようにy方向にコリオリ力Cが作用する。コリオリ力Cの大きさは錘部Mの速度に比例するため、錘部Mの重心はy方向においても第三振動数において振動する。その結果、y方向に延びる梁Fyに配列されている圧電素子Sxz1、Sxz2は図17に示すようにz方向の励振成分とx軸周りの角速度成分とが重畳した検出信号を出力する。錘部Mの重心のy方向の振動に伴う梁Fyの撓みは梁Fyの長さ方向の中心点を対象点として点対称になるため、圧電素子Sxz1、Sxz2が出力する信号のx軸周りの角速度成分の極性は反転する。また圧電素子Sxz1、Sxz2が出力するz方向の励振成分の極性は同じである。したがって、圧電素子Sxz1、Sxz2から出力される信号の差を取って同期検波すると、x軸周りの角速度成分を得ることができる。 When an angular velocity around the x-axis occurs when the weight M is excited in the z direction at the third frequency, a Coriolis force C acts in the y direction as shown in FIG. Since the magnitude of the Coriolis force C is proportional to the speed of the weight part M, the center of gravity of the weight part M vibrates at the third frequency even in the y direction. As a result, the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 arranged in the beam F y extending in the y direction output detection signals in which the excitation component in the z direction and the angular velocity component around the x axis are superimposed as shown in FIG. . To become a point symmetry as the target point the center point of the length direction of the deflection beam F y of the beam F y due to vibration in the y direction of the center of gravity of the weight M, of signals piezoelectric element S xz1, S xz2 outputs The polarity of the angular velocity component around the x axis is reversed. The polarities of the excitation components in the z direction output from the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 are the same. Therefore, the synchronous detection by taking the difference of the signals output from the piezoelectric element S xz1, S xz2, it is possible to obtain an angular velocity component about the x-axis.
以上説明したようにx、y、z軸周りの角速度成分すなわち角速度のxyz軸成分を検出するためには、錘部Mを時分割してx方向とz方向とに励振する。すなわち圧電素子D1、D2に印加する駆動信号を時分割して切り替える。具体的には錘部Mをx方向に励振するために圧電素子D1、D2に印加する駆動信号の振動数とy方向に励振するために圧電素子D1、D2に印加する駆動信号の振動数とを切り替えるとともに圧電素子D1、D2に印加する駆動信号の位相を切り替える。また圧電素子Sxz1、Sxz2から角速度のx軸成分を検出するときにはそれらの出力の差を取って第三振動数において同期検波し、z軸成分を検出するときには、それらの出力の和を取って第一振動数において同期検波する。このようにして錘部Mを時分割駆動し、角速度のxyz軸成分を時分割検出するためにセレクタが必要になる。 As described above, in order to detect the angular velocity component around the x, y, and z axes, that is, the xyz axis component of the angular velocity, the weight portion M is time-divisionally excited in the x direction and the z direction. That is, the drive signals applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 are switched in a time-sharing manner. The piezoelectric elements D 1, the piezoelectric element D 1 to excite the vibration frequency in the y direction of the drive signal applied to the D 2, the drive signal applied to the D 2 for specifically to excite weight portion M in the x-direction And the phase of the drive signal applied to the piezoelectric elements D 1 and D 2 are switched. The piezoelectric element S xz1, when the S Xz2 for detecting the x-axis component of the angular velocity is synchronously detects in a third frequency by taking the difference between their outputs, when detecting a z-axis component, takes the sum of their outputs And synchronous detection at the first frequency. In this way, a selector is required to drive the weight M in a time division manner and detect the xyz axis component of the angular velocity in a time division manner.
(製造方法)
図18から図25に基づいて振動ジャイロスコープ1の製造方法の一例を説明する。図18から図26の断面図は図23Aを除いて全て図1Cに示すAA線に対応する断面図である。図23Aは図1Cに示すBB線に対応する断面図である。
(Production method)
An example of a method for manufacturing the vibrating
はじめに図18に示すように、ベース層11、エッチングストッパ層12および半導体層13となるSOIウエハ10を用意する。SOIウエハ10のベース層11は厚さ625μmの単結晶シリコンからなる。SOIウエハ10のエッチングストッパ層12は厚さ1μmの酸化シリコンからなる。SOIウエハ10の半導体層13は厚さ10μmの単結晶シリコンからなる。なお、ベース層11となる単結晶シリコンウエハの表面に、熱酸化、CVD(Chemical Vapor Deposition)等によって酸化シリコンからなるエッチングストッパ層12を形成し、エッチングストッパ層12の表面にCVD等によって多結晶シリコンからなる半導体層13を形成してもよい。次に半導体層13の表面に第一絶縁層20を形成する。第一絶縁層20として、例えば熱酸化またはCVDにより厚さ0.5μmの酸化シリコンの膜を形成する。
First, as shown in FIG. 18, an
次に、第一絶縁層20の表面全体に圧電素子の下部電極となる電極層31を積層し、電極層31の表面全体に圧電層32を積層し、圧電層32の表面全体に上部電極となる電極層33を積層する。電極層31、33としては、スパッタリング等によって白金からなる膜を形成する。白金と酸化シリコンの密着層として厚さ30nmのチタン(Ti)を成膜してもよい。また電極層31の材料には酸化イリジウム(IrO2)を用いても良い。電極層33の材料にはイリジウム、酸化イリジウム、金(Au)などを用いても良い。圧電層32としては、スパッタリング、ゾルゲル法、水熱合成法等によってPZTからなる膜を形成する。白金とPZTの密着層として厚さ30nmのチタンを成膜しても良い。
Next, an
次に図19に示すように、電極層33と圧電層32とをフォトレジストからなる保護膜R1を用いてエッチングすることにより、電極層33と圧電層32とをパターニングする。具体的には、白金からなる電極層33はアルゴン(Ar)イオンを用いたイオンミリングによってパターニングする。PZTからなる圧電層32は塩素(Cl2)をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングまたはフッ酸によるウェットエッチングによってパターニングする。
Next, as shown in FIG. 19, the
次に図20に示すように、電極層31をフォトレジストからなる保護膜R2を用いてエッチングすることにより、電極層31をパターニングする。その結果、図1に示す内部導線31bと圧電素子30a、30cが形成される。
Next, as shown in FIG. 20, the
次に図21に示すように圧電素子30a、30bおよび第一絶縁層20の表面にコンタクトホール40hを有する所定パターンの第二絶縁層40を形成する。例えば厚さ5μmの感光性ポリイミドを圧電素子30a、30bおよび第一絶縁層20の表面全体に塗布し、露光・現像によって所定形状にパターニングすることによってコンタクトホール40hと後の工程で第一絶縁層20および半導体層13を部分的にエッチングするための開口部40bとを有する第二絶縁層40を形成する。
Next, as shown in FIG. 21, the second insulating
次に図22に示すように第二絶縁層40の表面に表面導線層50を積層し表面導線層50をエッチングすることによって、表面導線50bとボンディングパッド50aとを形成する。表面導線層50として、例えばスパッタリングによって0.5μmの厚さのアルミニウム(Al)の膜を形成する。表面導線層50としてアルミシリコン(AlSi)の膜を形成してもよい。表面導線層50のパターンは、例えば塩素(Cl2)ガスを用いた反応性イオンエッチングにより形成する。アルミニウムの密着層として厚さ30nmのチタン膜を形成しても良い。表面導線層50は、例えばCl2ガスを用いた反応性イオンエッチングや、イオンミリング法、燐酸、硝酸、酢酸の混合液を用いたウエットエッチングによってパターニングしてもよい。
Next, as shown in FIG. 22, the
次に図23に示すように第二絶縁層40を保護膜として用いて第一絶縁層20と半導体層13とを所定形状にパターニングする。その結果、梁Fx、Fyが形成される。第一絶縁層20はCHF3ガスまたはCF4+H2ガスを用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。半導体層13はCF4+O2ガスを用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)や水酸化カリウム(KOH)を用いたウエットエッチングによって梁Fx、Fyのパターンを形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 23, the first insulating
次に上述の工程によって形成された積層構造体Wの圧電素子30a、30cが形成されている面を図24に示すように犠牲基板99に接着する。接着層98として、例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。
Next, the surface on which the
次にフォトレジストからなる保護膜R3を用いてベース層11をエッチングすることによってベース層11を所定形状にパターニングする。具体的には例えば、SF6プラズマガスを用いたパッシベーションとC4F8プラズマガスを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すDeep−RIE(いわゆるボッシュプロセス)によってベース層11を異方的にエッチングする。なお、ベース層11のパターニングを最初に実施しても良いし、半導体層13の表面側を処理する工程の間に実施しても良い。
Next, the
次に、図25に示すようにエッチングストッパ層12の露出部分をエッチングにより除去する。その結果、梁Fと錘部Mとがリリースされる。具体的には緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによってエッチングストッパ層12の露出部分を除去する。その後、ダイシング、パッケージングなどの後工程を実施することによって、図3に示す振動ジャイロスコープ1が完成する。
Next, as shown in FIG. 25, the exposed portion of the
2.他の実施形態
本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、xy軸が膜状の可撓部と平行な平面に平行であるとすれば、可撓部の形態と錘部の形態とはx軸方向における錘部の変位の固有振動数とy軸方向における錘部の変位の固有振動数とが異なる範囲でどのように設計しても良い。図26から図28はセンサダイ1Aの変形例の上面を簡略化して示した図である。
2. Other Embodiments The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, if the xy axis is parallel to a plane parallel to the film-like flexible part, the form of the flexible part and the form of the weight part are the natural frequency of the displacement of the weight part in the x-axis direction and the y axis. Any design may be used as long as the natural frequency of the displacement of the weight portion in the direction is different. FIG. 26 to FIG. 28 are simplified views of the upper surface of a modified example of the
具体的には、図26に示すように可撓部としてのダイヤフラムFの端(すなわち破線によって示している支持部SとダイヤフラムFとの境界線)を楕円形にしてもよい。この場合、ダイヤフラムFの中心領域(中心の近傍領域)に結合している錘部Mが円柱形であったとしても、ダイヤフラムFの長軸Axと平行なx方向に比べ、ダイヤフラムFの短軸Ayと平行なy方向では錘部Mの変位の固有振動数が高くなる。ダイヤフラムFがこのような楕円形である場合、圧電素子D1、D2、Sy1、Sy2はダイヤフラムFの長軸(または短軸)に沿って配列し、圧電素子Sxz1、Sxz2はダイヤフラムFの短軸(または長軸)に沿って配列すればよい。このように構成すれば、第一実施形態と同様にダイヤフラムFの長軸Ax(または短軸)と平行なx方向に錘部を固有振動数において励振することができ、ダイヤフラムFの短軸Ay(または長軸)と平行な方向に励振が漏れにくくなる。 Specifically, as shown in FIG. 26, the end of the diaphragm F as the flexible portion (that is, the boundary line between the support portion S and the diaphragm F indicated by a broken line) may be elliptical. In this case, even if the weight portion M coupled to the central region (region near the center) of the diaphragm F is cylindrical, the short axis of the diaphragm F compared to the x direction parallel to the long axis Ax of the diaphragm F. In the y direction parallel to Ay, the natural frequency of the displacement of the weight portion M increases. When the diaphragm F has such an elliptical shape, the piezoelectric elements D 1 , D 2 , S y1 , S y2 are arranged along the long axis (or short axis) of the diaphragm F, and the piezoelectric elements S xz1 , S xz2 What is necessary is just to arrange along the short axis (or long axis) of the diaphragm F. With this configuration, the weight portion can be excited at the natural frequency in the x direction parallel to the long axis A x (or the short axis) of the diaphragm F as in the first embodiment, and the short axis of the diaphragm F can be excited. The excitation is less likely to leak in a direction parallel to A y (or the long axis).
また図27に示すように可撓部としてのダイヤフラムFの端を菱形にしても良い。またダイヤフラムFの中心領域(重心の近傍領域)に結合している錘部Mを底面が菱形の柱形にしてもよい。ダイヤフラムFおよび錘部Mのパターン(z方向からみた形状)がこのような菱形である場合、ダイヤフラムFの長い方の対角線Axと平行なx方向に比べ、ダイヤフラムFの短い方の対角線Ayと平行なy方向では錘部Mの変位の固有振動数が高くなる。この場合、圧電素子D1、D2はダイヤフラムFの対角線の一方に沿って配列し、圧電素子Sxz1、Sxz2はダイヤフラムFの対角線の他方に沿って配列すればよい。このように構成すれば、第一実施形態と同様にダイヤフラムFの長い方(または長い方)の対角線Axと平行なx方向に錘部を固有振動数において励振することができ、ダイヤフラムFの短い方(または短い方)の対角線Ayと平行な方向に励振が漏れにくくなる。 Further, as shown in FIG. 27, the end of the diaphragm F as the flexible portion may be formed in a diamond shape. Further, the weight part M coupled to the center region (region near the center of gravity) of the diaphragm F may be formed in a columnar shape having a rhombus bottom. When the pattern of the diaphragm F and the weight part M (the shape seen from the z direction) is such a rhombus, the diagonal line A y on the shorter side of the diaphragm F compared to the x direction parallel to the longer diagonal line A x on the diaphragm F , The natural frequency of the displacement of the weight portion M increases. In this case, the piezoelectric elements D 1 and D 2 may be arranged along one of the diagonal lines of the diaphragm F, and the piezoelectric elements S xz1 and S xz2 may be arranged along the other diagonal line of the diaphragm F. According to this structure, the weight portion diagonally A x parallel x-direction of the longer of similarly diaphragm F in the first embodiment (or longer) can be excited at the natural frequency, the diaphragm F The excitation is less likely to leak in a direction parallel to the shorter (or shorter) diagonal Ay .
また図28に示すように可撓部としてのダイヤフラムFの端を長方形にしても良い。この場合、ダイヤフラムFの長辺と平行なx方向に比べ、ダイヤフラムFの短辺と平行なy方向では錘部Mの変位の固有振動数が高くなる。ダイヤフラムFがこのような長方形である場合、圧電素子D1、D2、Sy1、Sy2はダイヤフラムFの長辺と平行に配列し、圧電素子Sxz1、Sxz2はダイヤフラムFの短辺と平行に配列すればよい。このように構成すれば、第一実施形態と同様にダイヤフラムFの長辺(または短辺)と平行なx方向に錘部を固有振動数において励振することができ、ダイヤフラムFの短辺(または長辺)と平行な方向に励振が漏れにくくなる。 Further, as shown in FIG. 28, the end of the diaphragm F as the flexible portion may be rectangular. In this case, compared to the x direction parallel to the long side of the diaphragm F, the natural frequency of the displacement of the weight portion M is higher in the y direction parallel to the short side of the diaphragm F. When the diaphragm F is such a rectangle, the piezoelectric elements D 1 , D 2 , S y1 , S y2 are arranged in parallel with the long side of the diaphragm F, and the piezoelectric elements S xz1 , S xz2 are the short side of the diaphragm F. What is necessary is just to arrange in parallel. With this configuration, the weight portion can be excited at the natural frequency in the x direction parallel to the long side (or short side) of the diaphragm F as in the first embodiment, and the short side (or the short side of the diaphragm F (or The excitation is less likely to leak in the direction parallel to the long side.
以上述べたように可撓部を楕円形、菱形または長方形のダイヤフラムとしたり、錘部Mを円柱形や底面が菱形の柱形にする場合であっても、その他の構成と作用と製造方法は第一実施形態と実質的に同一である。 As described above, even if the flexible part is an elliptical, rhombus or rectangular diaphragm, or the weight M is a columnar shape or a rhombus-shaped columnar shape, other configurations, functions, and manufacturing methods are as follows. This is substantially the same as the first embodiment.
また図29に示すように、図1に示す内部導線31bと表面導線50bとの層間絶縁膜として圧電層32を用いても良い。すなわち圧電層32のパターンを圧電素子30a、30c毎に分断するのではなく、すべての圧電素子30a、30cにわたって連続するパターンにしてもよい。この場合、第二絶縁層40を省略できるため、第二絶縁層40と梁Fとの間に生ずる熱応力によって梁Fが撓むことを防止できる。
Further, as shown in FIG. 29, a
また本発明は振動ジャイロスコープの他、角速度および加速度を検出するモーションセンサ等の他のMEMSセンサに適用することもできる。また例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。 The present invention can also be applied to other MEMS sensors such as a motion sensor that detects angular velocity and acceleration in addition to a vibrating gyroscope. Further, for example, the materials, dimensions, film formation methods, and pattern transfer methods shown in the above embodiment are merely examples, and descriptions of addition and deletion of processes and replacement of process orders that are obvious to those skilled in the art are omitted. Has been. Also, for example, in the above-described manufacturing process, the film composition, film forming method, film contour forming method, process sequence, etc. are appropriately selected according to the combination of film materials, film thickness, required contour shape accuracy, etc. There is no particular limitation.
1:振動ジャイロスコープ、1A:センサダイ、1B:パッケージ、10:ウエハ、11:ベース層、12:エッチングストッパ層、13:半導体層、20:第一絶縁層、30a:検出用圧電素子、30c:駆動用圧電素子、31:電極層、31b:内部導線、32:圧電層、33:電極層、40:第二絶縁層、40b:開口部、40h:コンタクトホール、50:表面導線層、50a:ボンディングパッド、50b:表面導線、90:パッケージベース、90a:底面、91:貫通電極、92:接着層、93:接着層、94:カバー、95:ワイヤ、98:接着層、99:犠牲基板、D1:圧電素子、F:ダイヤフラム、F:梁、M:錘部、R1:保護膜、R2:保護膜、R3:保護膜、S:支持部、Sxz:圧電素子、Sy:圧電素子、W:積層構造体 1: vibrating gyroscope, 1A: sensor die, 1B: package, 10: wafer, 11: base layer, 12: etching stopper layer, 13: semiconductor layer, 20: first insulating layer, 30a: piezoelectric element for detection, 30c: Piezoelectric element for driving, 31: electrode layer, 31b: internal conductor, 32: piezoelectric layer, 33: electrode layer, 40: second insulating layer, 40b: opening, 40h: contact hole, 50: surface conductor layer, 50a: Bonding pad, 50b: surface conducting wire, 90: package base, 90a: bottom surface, 91: through electrode, 92: adhesive layer, 93: adhesive layer, 94: cover, 95: wire, 98: adhesive layer, 99: sacrificial substrate, D 1: the piezoelectric element, F: diaphragm, F: Liang, M: weight part, R1: protective film, R2: protective film, R3: protective film, S: supporting portion, S xz: a piezoelectric element, S y: piezoelectric element , W: laminated structure
Claims (6)
錘部と、
前記支持部と前記錘部とを連結し前記錘部の運動にともなって変形する可撓部と、
第一軸と平行な方向に前記錘部を第一振動数において励振する駆動手段と、
前記第一軸と直交し前記可撓部を含む平面と平行な第二軸と平行な方向における前記錘部の変位に相関し前記第一軸及び前記第二軸に直交する第三軸周りの角速度に対応する物理量を検出する検出手段と、
が形成されたダイを備え、
前記第一振動数は前記第一軸と平行な方向における前記錘部の変位の固有振動数であって、前記第二軸と平行な方向における前記錘部の変位の固有振動数である第二振動数と異なる振動数である、
振動ジャイロスコープ。 A support part;
A weight part;
A flexible part that connects the support part and the weight part and deforms as the weight part moves;
Drive means for exciting the weight at a first frequency in a direction parallel to the first axis;
Around the third axis that is orthogonal to the first axis and the second axis in relation to the displacement of the weight portion in a direction parallel to the second axis that is orthogonal to the first axis and parallel to the plane including the flexible portion Detecting means for detecting a physical quantity corresponding to the angular velocity;
With a formed die,
The first frequency is a natural frequency of displacement of the weight portion in a direction parallel to the first axis, and is a natural frequency of displacement of the weight portion in a direction parallel to the second axis. A frequency different from the frequency,
Vibrating gyroscope.
前記錘部は、2つの前記梁の中央領域に結合し、
前記駆動手段は前記第一軸と平行な方向に掛け渡された前記梁に配列される1組の圧電素子であって、
前記検出手段は前記第二軸と平行な方向に掛け渡された前記梁に配列される他の1組の圧電素子である、
請求項1に記載の振動ジャイロスコープ。 The flexible portion is stretched over the support portion in a direction parallel to the first axis and in a direction parallel to the second axis, and is coupled to each other in each central region, and from two beams having different lengths. Become
The weight portion is coupled to the central region of the two beams,
The drive means is a set of piezoelectric elements arranged on the beam spanned in a direction parallel to the first axis,
The detection means is another set of piezoelectric elements arranged on the beam spanned in a direction parallel to the second axis.
The vibrating gyroscope according to claim 1.
前記錘部は前記ダイヤフラムの中心領域に結合し、
前記駆動手段は前記ダイヤフラムの長軸および短軸の一方に沿って前記ダイヤフラムに配列される1組の圧電素子であって、
前記検出手段は前記ダイヤフラムの長軸及び短軸の他方に沿って前記ダイヤフラムに配列される他の1組の圧電素子である、
請求項1に記載の振動ジャイロスコープ。 The flexible part is a diaphragm whose end fixed to the support part is elliptical, whose major axis is parallel to the first axis, and whose minor axis is parallel to the second axis,
The weight portion is coupled to a central region of the diaphragm,
The driving means is a set of piezoelectric elements arranged on the diaphragm along one of a major axis and a minor axis of the diaphragm,
The detection means is another set of piezoelectric elements arranged in the diaphragm along the other of the major axis and the minor axis of the diaphragm.
The vibrating gyroscope according to claim 1.
前記錘部は前記ダイヤフラムの中央領域に結合し、
前記駆動手段は前記ダイヤフラムの対角線の一方に沿って前記ダイヤフラムに配列される1組の圧電素子であって、
前記検出手段は前記ダイヤフラムの対角線の他方に沿って前記ダイヤフラムに配列される他の1組の圧電素子である、
請求項1に記載の振動ジャイロスコープ。 The flexible part is a diaphragm whose end fixed to the support part is rhombus, one of the diagonal lines is parallel to the first axis, and the other of the diagonal lines is parallel to the second axis,
The weight portion is coupled to the central region of the diaphragm,
The driving means is a set of piezoelectric elements arranged on the diaphragm along one of the diagonal lines of the diaphragm,
The detection means is another set of piezoelectric elements arranged in the diaphragm along the other diagonal of the diaphragm.
The vibrating gyroscope according to claim 1.
前記錘部は前記ダイヤフラムの中央領域に結合し、
前記駆動手段は前記ダイヤフラムの長辺および短辺の一方と平行に前記ダイヤフラムに配列される1組の圧電素子であって、
前記検出手段は前記ダイヤフラムの長辺及び短辺の他方と平行に前記ダイヤフラムに配列される他の1組の圧電素子である、
請求項1に記載の振動ジャイロスコープ。 The flexible part has a rectangular end fixed to the support part, one of the long side and the short side is parallel to the first axis, and the other of the long side and the short side is parallel to the second axis. A diaphragm,
The weight portion is coupled to the central region of the diaphragm,
The driving means is a set of piezoelectric elements arranged in the diaphragm in parallel with one of the long side and the short side of the diaphragm,
The detection means is another set of piezoelectric elements arranged in the diaphragm in parallel with the other of the long side and the short side of the diaphragm.
The vibrating gyroscope according to claim 1.
請求項1から5のいずれか一項に記載の振動ジャイロスコープ。 The weight portion has a different length in the direction of the first axis and a length in the direction of the second axis.
The vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 5.
Priority Applications (1)
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JP2008325070A JP2010145315A (en) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | Vibration gyroscope |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014055946A (en) * | 2012-09-11 | 2014-03-27 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | Angular velocity sensor |
JP2015031689A (en) * | 2013-07-31 | 2015-02-16 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. | Sensing module for sensor and angular velocity sensor including the same |
JPWO2014178172A1 (en) * | 2013-04-30 | 2017-02-23 | 旭化成株式会社 | Angular velocity sensor |
-
2008
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