JP2017146181A - センサー素子、センサー素子の製造方法、センサー、電子機器、および移動体 - Google Patents
センサー素子、センサー素子の製造方法、センサー、電子機器、および移動体 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】小型化しても低消費電力で感度の高いセンサー素子を提供する。
【解決手段】ジャイロセンサー素子1は、基部10と、基部10から延出し、第1面と第1面の反対側にある第2面とを有し、駆動振動する駆動用振動腕40,50と、基部10から延出し、第1面と同じ側にある第3面と第3面の反対側にある第4面とを有し、駆動用振動腕40,50に加えられた物理量に応じて振動する検出用振動腕20,30と、を有するジャイロセンサー素子1であって、駆動用振動腕40,50は、第1面および第2面の少なくとも一方の面側に有底の溝80,81,90,91と、有底の溝80,81,90,91の内面に配置された駆動用電極と、を有し、検出用振動腕20,30は、第3面および第4面と交差する方向に貫通する貫通孔21,31と、貫通孔21,31の内壁面の少なくとも一部に配置された検出用電極と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】ジャイロセンサー素子1は、基部10と、基部10から延出し、第1面と第1面の反対側にある第2面とを有し、駆動振動する駆動用振動腕40,50と、基部10から延出し、第1面と同じ側にある第3面と第3面の反対側にある第4面とを有し、駆動用振動腕40,50に加えられた物理量に応じて振動する検出用振動腕20,30と、を有するジャイロセンサー素子1であって、駆動用振動腕40,50は、第1面および第2面の少なくとも一方の面側に有底の溝80,81,90,91と、有底の溝80,81,90,91の内面に配置された駆動用電極と、を有し、検出用振動腕20,30は、第3面および第4面と交差する方向に貫通する貫通孔21,31と、貫通孔21,31の内壁面の少なくとも一部に配置された検出用電極と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、センサー素子、センサー素子の製造方法、センサー、電子機器、および移動体に関するものである。
従来、振動素子やジャイロセンサー素子は、携帯電話やデジタルカメラなどの電子機器、および自動車などの移動体に使用されている。これらの電子機器や移動体の高性能化の要求に伴い、振動素子やジャイロセンサー素子にも、低インピーダンス化や検出感度の向上が求められている。
例えば、特許文献1には、基部と、基部から両側に延びる検出腕と、基部から両側に延びる連結腕と、連結腕から垂直方向に延びる駆動腕と、を備え、駆動腕および検出腕に表裏から有底の溝を形成することによって電界効率を高め、ジャイロ素子のインピーダンス(CI値、直列等価抵抗)の低減、および感度の向上を図ることが開示されている。
また、特許文献2には、基部と、基部から一方に延びる一対の駆動腕と、基部から駆動腕と反対側に延びる一対の検出腕と、を備え、駆動腕および検出腕に貫通溝を形成することによって電界効率を高め、ジャイロ素子のインピーダンス(CI値、直列等価抵抗)の低減、および感度の向上を図ることが開示されている。
例えば、特許文献1には、基部と、基部から両側に延びる検出腕と、基部から両側に延びる連結腕と、連結腕から垂直方向に延びる駆動腕と、を備え、駆動腕および検出腕に表裏から有底の溝を形成することによって電界効率を高め、ジャイロ素子のインピーダンス(CI値、直列等価抵抗)の低減、および感度の向上を図ることが開示されている。
また、特許文献2には、基部と、基部から一方に延びる一対の駆動腕と、基部から駆動腕と反対側に延びる一対の検出腕と、を備え、駆動腕および検出腕に貫通溝を形成することによって電界効率を高め、ジャイロ素子のインピーダンス(CI値、直列等価抵抗)の低減、および感度の向上を図ることが開示されている。
しかしながら、上述の特許文献1のような検出腕部に有底の溝が設けられたジャイロ素子では、例えば、ウエットエッチングにより有底の溝を形成した場合、エッチング速度異方性が存在する材料において、溝底部の面がセンサー素子の表面に対して角度を有する形状となってしまう。
こういった形状では、電極形成のフォトリソ工程において、検出腕の溝底部を露光する際に、角度を有した部分で光の乱反射が起こり、本来露光されてはいけない壁部にも光が当たってしまう。
その結果、現像後に溝内壁部のレジストが失われてしまい、溝内の電極を所望の形状に形成できず、感度の低下を招く恐れがあった。
また、上述の特許文献2のような検出腕部に貫通溝が設けられたジャイロ素子では、駆動腕に形成した貫通溝の側壁部が薄くなることにより、振動の際に発生する熱弾性損失が大きくなることにより、駆動インピーダンスが増加してしまい、消費電力を増大する恐れがあった。
こういった形状では、電極形成のフォトリソ工程において、検出腕の溝底部を露光する際に、角度を有した部分で光の乱反射が起こり、本来露光されてはいけない壁部にも光が当たってしまう。
その結果、現像後に溝内壁部のレジストが失われてしまい、溝内の電極を所望の形状に形成できず、感度の低下を招く恐れがあった。
また、上述の特許文献2のような検出腕部に貫通溝が設けられたジャイロ素子では、駆動腕に形成した貫通溝の側壁部が薄くなることにより、振動の際に発生する熱弾性損失が大きくなることにより、駆動インピーダンスが増加してしまい、消費電力を増大する恐れがあった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例に係るセンサー素子は、基部と、前記基部から延出し、第1面と前記第1面の反対側にある第2面とを有し、駆動振動する駆動用振動腕と、前記基部から延出し、前記第1面と同じ側にある第3面と前記第3面の反対側にある第4面とを有し、前記駆動用振動腕に加えられた物理量に応じて振動する検出用振動腕と、を有するセンサー素子であって、前記駆動用振動腕は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方の面側に有底の溝と、前記有底の溝の内面に配置された駆動用電極と、を有し、前記検出用振動腕は、前記第3面および前記第4面と交差する方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔の内壁面の少なくとも一部に配置された検出用電極と、を有することを特徴とする。
本適用例によれば、駆動用振動腕に有底の溝を形成することにより、熱弾性損失の増大を招くことなく電界効率を向上し、駆動インピーダンスを低減することができる。また、検出用振動腕に貫通孔を形成することにより、電極形成におけるフォトリソ工程において、溝内での光の乱反射を抑制し、所望の形状に電極を形成することができ、感度の低下を抑えることができる。
従って、消費電力を抑えた感度の高いセンサー素子を提供することができる。
従って、消費電力を抑えた感度の高いセンサー素子を提供することができる。
[適用例2]上記適用例に記載のセンサー素子において、前記貫通孔は、前記検出用振動腕が延出する方向に沿って複数有することが好ましい。
本適用例によれば、検出用振動腕に形成された貫通孔の寸法(貫通孔における最も長い径)を小さくすることができるため、センサー素子に衝撃が加わった際に検出用振動腕に発生する歪を小さくすることができる。従って、上述の効果に加えて、耐衝撃性を向上する効果を得ることもできる。
[適用例3]上記適用例に記載のセンサー素子において、平面視で、前記基部の一方の端から延出し、並んで配置されている複数の前記駆動用振動腕と、平面視で、前記基部の一方の端とは反対側にある他方の端から延出し、並んで配置されている複数の前記検出用振動腕と、を有することが好ましい。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子が得られる。
[適用例4]上記適用例に記載のセンサー素子において、平面視で、前記基部の一方の端から延出し、並んで配置されている複数の前記駆動用振動腕と、平面視で、前記基部の一方の端から延出し、複数の前記駆動用振動腕と並んで配置されている少なくとも1つの前記検出用振動腕と、を有することが好ましい。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子が得られる。
[適用例5]上記適用例に記載のセンサー素子において、前記検出用振動腕の振動方向は、前記駆動振動の方向に対して交差する方向であることが好ましい。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子が得られる。
[適用例6]上記適用例に記載のセンサー素子において、前記検出用振動腕は、第1検出用振動腕、第2検出用振動腕、第3検出用振動腕、および第4検出用振動腕の4つを有し、前記駆動用振動腕は、第1駆動用振動腕および第2駆動用振動腕の2つを有し、互いに直交する2つの方向を第1方向および第2方向とするとき、前記基部は、支持部と、前記第2方向に沿って前記支持部の両側から延出する第1連結部および第2連結部と、を有し、前記第1方向に沿って前記支持部の両側から延出する前記第1検出用振動腕および前記第2検出用振動腕と、前記第1方向に沿って前記第1連結部の両側から延出する前記第1駆動用振動腕および前記第2駆動用振動腕と、前記第1方向に沿って前記第2連結部の両側から延出する第3駆動用振動腕および第4駆動用振動腕と、を有することが好ましい。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子が得られる。
[適用例7]上記適用例に記載のセンサー素子において、前記駆動振動する方向および前記検出用振動腕の振動する方向は、前記第2方向に沿った方向であることが好ましい。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子が得られる。
[適用例8]本適用例に係るセンサー素子の製造方法は、基部と、前記基部から延出し、第1面と前記第1面の反対側にある第2面とを有する駆動用振動腕と、前記基部から延出し、前記駆動用振動腕に加えられた物理量に応じて振動し、前記第1面と同じ側にある第3面と前記第3面の反対側にある第4面とを有する検出用振動腕と、を含み、前記駆動用振動腕は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方の面側に有底の溝を有し、前記検出用検出腕は、前記第3面および前記第4面と交差する方向に貫通する貫通孔を有するセンサー素子の製造方法であって、表裏面を有する基板を準備し、前記基板をエッチングにより加工して前記基部、前記駆動用振動腕、前記検出用振動腕、および前記貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記基板をエッチングにより加工して前記有底の溝を形成する有底の溝形成工程と、前記貫通孔の内壁面および前記有底の溝の内面の少なくとも一方に電極パターンを形成する電極パターン形成工程と、を有し、前記貫通孔形成工程におけるエッチングをドライエッチングにより行うことを特徴とする。
本適用例によれば、基板を貫通するような加工はドライエッチングで行うため、外形や貫通孔の加工精度がよく、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子を製造することができる。
[適用例9]上記適用例に記載のセンサー素子の製造方法において、前記貫通孔形成工程の後に前記有底の溝形成工程を行うとともに、前記有底の溝形成工程におけるエッチングをウエットエッチングにより行うことが好ましい。
本適用例によれば、非貫通の溝はウエットエッチングで行うため、振動腕の表裏面に溝を形成したい場合には表裏面を同時に加工することもできるので、製造が容易になる。
[適用例10]上記適用例に記載のセンサー素子の製造方法において、前記有底の溝形成工程の後に前記貫通孔形成工程を行うとともに、前記有底の溝形成工程におけるエッチングをドライエッチングにより行うことが好ましい。
本適用例によれば、外形、貫通孔、および有底の溝の形成をドライエッチングで行うため、センサー素子の全体を精度よく加工することができるので、特性のバラツキの小さなセンサー素子を製造することができる。
[適用例11]本適用例に係るセンサーは、上記適用例に記載のセンサー素子と、前記センサー素子を駆動する回路および信号を検出する回路を含む電子部品と、前記センサー素子と前記電子部品とを収容するパッケージと、を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子を備えたセンサー、例えばジャイロセンサー等の物理量センサーが得られる。
[適用例12]本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載のセンサー素子を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子を備えた電子機器が得られる。
[適用例13]本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載のセンサー素子を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、消費電力の増大や感度の低下を抑制したセンサー素子を備えた移動体が得られる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。また、図1〜図3、図6、図7、および図10〜図13では、説明の便宜上、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示しており、その図示した矢印の先端側を「+側」、基端側を「−側」としている。また、以下の説明では、X軸に平行な方向を「X軸方向」と言い、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」と言い、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」と言う。更に、説明の便宜上、+Z軸側から見たときの平面視において、+Z軸側の面を第1主面60、−Z軸側の面を第2主面70として説明する。
(第1実施形態)
まず、第1実施形態に係るセンサー素子について、ジャイロセンサー素子1を一例として挙げ、その概略構成について、図1〜図3を用いて説明する。図1は、第1実施形態に係るセンサー素子の概略構成を模式的に示す平面図である。図2は、図1におけるA−A線での断面図である。また図3は、図1におけるB−B線での断面図である。
まず、第1実施形態に係るセンサー素子について、ジャイロセンサー素子1を一例として挙げ、その概略構成について、図1〜図3を用いて説明する。図1は、第1実施形態に係るセンサー素子の概略構成を模式的に示す平面図である。図2は、図1におけるA−A線での断面図である。また図3は、図1におけるB−B線での断面図である。
図1に示すように、センサー素子としてのジャイロセンサー素子1は、基部10、+Z軸側から見た平面視で、基部10の他方の端から+Y軸方向に延出している一対の検出用振動腕20,30、および+Z軸側から見た平面視で、検出用振動腕20,30が延出している基部10の他方の端とは反対側にある基部10の一方の端から−Y軸方向に延出している一対の駆動用振動腕40,50などから構成されている。本実施形態では、上記一対の検出用振動腕20,30の先端部には、基部10側の端部よりも幅(X軸方向の長さ)が大きい錘部(ハンマーヘッド)94、95を有している。同様に、上記一対の駆動用振動腕40、50の先端部には、錘部96、97を有している。このような錘部を有することにより、ジャイロセンサー素子1の小型化を図ることができる。なお、検出用振動腕20,30および駆動用振動腕40,50は、先端部に錘部94,95、錘部96,97を有していなくてもよいし、錘部94,95、錘部96,97のそれぞれが幅の異なる2つ以上の領域を有していてもよい。
本実施形態における駆動用振動腕50および検出用振動腕30の断面形状をそれぞれ図2および図3に示す。
図2に示すように、駆動用振動腕50は、第1主面60(第1面)から第1主面60に対し反対側である第2主面70(第2面)に向かって有底の溝80を備えている。また、第2主面70から第2主面70に対し反対側である第1主面60に向かって有底の溝90を備えている。また同様に、駆動用振動腕40は、第1主面60から第1主面60に対し反対側である第2主面70に向かって有底の溝81を備えている。また、第2主面70から第2主面70に対し反対側である第1主面60に向かって有底の溝91を備えている。
駆動用振動腕50には、図2に示すように、駆動振動させるための駆動用電極52,53,54,55が配置されている。駆動用電極52,53は、それぞれ有底の溝80,90の内面に配置されており、同電位となるように基部10等に形成された引き廻し電極(図示せず)により電気的に接続されている。また、駆動用電極54,55は、それぞれ第1主面60と第2主面70とを接続する側面に配置されており、同電位となるように基部10等に配置された引き廻し電極(図示せず)により電気的に接続されている。駆動用振動腕50は、これらの駆動用電極52,53と、駆動用電極54,55と、の間に駆動用振動腕40,50の共振周波数と同じ周波数の交流電圧を印加することにより、駆動振動させることができる。なお、駆動用振動腕40にも駆動用振動腕50と同様の駆動用電極が配置されており、駆動用振動腕40の第1主面60側および第2主面70側にある有底の溝の内面に配置された駆動用電極は、駆動用振動腕50の側面に配置された駆動用電極54,55と同電位となるように電気的に接続されている。また、駆動用振動腕40の第1主面60と第2主面70とを接続するそれぞれの側面に形成された駆動用電極は、駆動用振動腕50の有底の溝の内面に配置された駆動用電極52,53と同電位となるように電気的に接続されている。なお、駆動用振動腕50は、Y軸方向に沿って有底の溝80,90と並ぶ1つ以上の貫通孔を有していてもよい。また、同様に、駆動用振動腕40は、Y軸方向に沿って有底の溝81,91と並ぶ1つ以上の貫通孔を有していてもよい。また、駆動用振動腕50の貫通孔を有する領域には、駆動用電極52,53,54,55にあたる駆動用電極が配置されていてもよい。また、同様に、駆動用振動腕40の貫通孔を有する領域には、駆動用振動腕の有底の溝81,91に配置された駆動用電極にあたる駆動用電極が配置されていてもよい。
図3に示すように、検出用振動腕30は、第3主面(第3面)と第4主面(第4面)とをZ軸方向に貫通している貫通孔31を有している。また、同様に、検出用振動腕20は、第3主面(第3面)と第4主面(第4面)とをZ軸方向に貫通している貫通孔21を有している。
検出用振動腕30には、図3に示すように、検出用電極32,33,34,35,36,37,38,39が形成されている。検出用電極34,35,36,37は、それぞれ貫通孔31の内壁面に配置されており、検出用電極34は、貫通孔31の内壁面の−X軸側かつ+Z軸側に配置されており、検出用電極35は、貫通孔31の内壁面の−X軸側かつ−Z軸側に配置されており、検出用電極36は、貫通孔31の内壁面の+X軸側かつ+Z軸側に配置されており、検出用電極37は、貫通孔31の内壁面の+X軸側かつ−Z軸側に配置されている。検出用電極32,33,38,39は、第3主面と第4主面とを接続する側面に配置されており、検出用電極32は、−X軸側にある側面の+Z軸側に検出用電極34と向かい合うように配置されており、検出用電極33は、−X軸側にある側面の−Z軸側に検出用電極35と向かい合うように配置されている。検出用電極38は、+X軸側にある側面の+Z軸側に検出用電極36と向かい合うように配置されており、検出用電極39は、+X軸側にある側面の−Z軸側に検出用電極37と向かい合うように配置されている。
検出用電極32,35,36,39は、基部10等に配置された引き廻し電極(図示せず)により同電位となるように電気的に接続されている。また、検出用電極33,34,37,38は、基部10等に配置された引き廻し電極(図示せず)により同電位となるように電気的に接続されている。なお、検出用振動腕20にも検出用振動腕30と同様の検出用電極が配置されており、検出用振動腕30における検出用電極32,35,36,39の位置にあたる検出用振動腕20の検出用電極は、検出用振動腕30の検出用電極33,34,37,38と電気的に接続されている。検出用振動腕30における検出用電極33,34,37,38の位置にあたる検出用振動腕20の検出用電極は、検出用振動腕30の検出用電極32,35,36,39と電気的に接続されている。
上述の駆動用電極52,53,54,55および検出用電極32,33,34,35,36,37,38,39は、例えば、フォトリソグラフィーと呼ばれるフォトレジスト塗布、露光、現像、エッチング、フォトレジスト除去などの工程により形成することができる。このフォトリソグラフィー工程における露光の際、乱反射した光が本来露光されてはいけない面に照射されてしまうと、所望の形状に電極を形成できない可能性がある。
例えば、図4に示すように、検出用振動腕20,30に本実施形態のような貫通孔21,31の代わりに有底の溝を有する場合には、検出用電極34,35,36,37は有底の溝の内側面に配置される。この有底の溝を、例えばウエットエッチングにより形成した場合、基板の結晶における異方性の影響により、有底の溝の底部において、基板の表裏面とは平行でない結晶面を有した形状となる。
この有底の溝に、フォトリソグラフィー工程を用いて検出用電極を形成する場合には、有底の溝内面に電極膜を形成し、フォトレジストを塗布した後、有底の溝の−X側側面に形成された電極と有底の溝の+X側側面に形成された電極とを分断するために、有底の溝の底部に対してパターン露光を行う。この際、図5に示すように、露光した光が有底の溝の底部の結晶面で乱反射することにより、本来露光されてはならない有底の溝の側面部まで露光される可能性があり、フォトレジストパターンが所望の形状にならない可能性がある。所望の形状となっていないフォトレジストパターンを用いて電極膜をエッチングすると、検出用電極34,35,36,37が所望の形状にならない、例えば、検出用電極34,35,36,37が形成できなかったり、他の電極と電気的に接続されてしまったりするため、ジャイロセンサー素子1の性能が低下する可能性がある。
例えば、図4に示すように、検出用振動腕20,30に本実施形態のような貫通孔21,31の代わりに有底の溝を有する場合には、検出用電極34,35,36,37は有底の溝の内側面に配置される。この有底の溝を、例えばウエットエッチングにより形成した場合、基板の結晶における異方性の影響により、有底の溝の底部において、基板の表裏面とは平行でない結晶面を有した形状となる。
この有底の溝に、フォトリソグラフィー工程を用いて検出用電極を形成する場合には、有底の溝内面に電極膜を形成し、フォトレジストを塗布した後、有底の溝の−X側側面に形成された電極と有底の溝の+X側側面に形成された電極とを分断するために、有底の溝の底部に対してパターン露光を行う。この際、図5に示すように、露光した光が有底の溝の底部の結晶面で乱反射することにより、本来露光されてはならない有底の溝の側面部まで露光される可能性があり、フォトレジストパターンが所望の形状にならない可能性がある。所望の形状となっていないフォトレジストパターンを用いて電極膜をエッチングすると、検出用電極34,35,36,37が所望の形状にならない、例えば、検出用電極34,35,36,37が形成できなかったり、他の電極と電気的に接続されてしまったりするため、ジャイロセンサー素子1の性能が低下する可能性がある。
本実施形態のジャイロセンサー素子1は、検出用振動腕20,30に貫通孔21,31を有するため、貫通孔21,31の内部に底部を有さないので、上述のフォトリソグラフィー工程における露光時に光が乱反射する可能性が低減する。また、本実施形態においては、フォトリソグラフィー工程における露光は、例えば、貫通孔21,31の内壁面の中央付近に斜めから照射すればよいため、光が乱反射する可能性が低減しフォトレジストパターンを所望の形状に形成しやすい。従って、検出用電極34,35,36,37が形成できなかったり、他の電極と電気的に接続されてしまったりすることで、ジャイロセンサー素子1の性能が低下する可能性が低減する。また、貫通孔21,31を有することで、検出用振動腕20,30の貫通孔21,31の内壁面と、検出用振動腕20,30の側面と、の間の長さを小さく、すなわち検出用振動腕20,30の貫通孔21,31の内壁面と、検出用振動腕20,30の側面と、の間の壁厚さを薄くすることができるため、電界効率を高め、高感度のジャイロセンサー素子1を得ることもできる。なお、検出用振動腕30は、検出用電極32,33,34,35,36,37,38,39を配置しない、Y軸方向に沿って貫通孔31と並ぶ有底の溝を1つ以上有していてもよい。また、同様に、検出用振動腕20は、検出用振動腕30における検出用電極32,33,34,35,36,37,38,39にあたる検出用電極を配置しない、Y軸方向に沿って貫通孔21と並ぶ有底の溝を1つ以上有していてもよい。
次に、本実施形態におけるジャイロセンサー素子1の駆動振動状態について、図6を用いて説明する。腕部としての駆動用振動腕40,50は、X軸およびY軸で規定される平面の面内方向の内、X軸方向に沿って反対方向に屈曲振動する。すなわち、駆動用振動腕40が−X方向に変位する際、駆動用振動腕50は+X方向に変位し、駆動用振動腕40が+X方向に変位する際、駆動用振動腕50は−X方向に変位する。このような面内方向に屈曲振動する振動体において、有底の溝80,81,90,91を有することにより、電界効率を向上して等価回路定数における等価直列容量(C1)を大きくする効果が得られる。また同時に、振動により発生する熱が有底の溝80,81,90,91を介して振動方向と同方向に移動することによる熱弾性損失を低減してQ値を向上させる効果が得られる。そのため、駆動インピーダンスを低減することができ、低消費電流のジャイロセンサー素子1を得ることができる。
本実施形態におけるジャイロセンサー素子1の動作原理について、図6および図7を用いて説明する。
図6に示す駆動モードにおいて、駆動用電極に所定の交流電圧を印加すると、図6に示すように、駆動用振動腕40,50は、XY面内方向で逆向きに即ち互いに接近離反する向きに屈曲振動(面内モード振動)する。
図6に示す駆動モードにおいて、駆動用電極に所定の交流電圧を印加すると、図6に示すように、駆動用振動腕40,50は、XY面内方向で逆向きに即ち互いに接近離反する向きに屈曲振動(面内モード振動)する。
この状態で、ジャイロセンサー素子1に各振動腕の延出方向であるY軸回りに回転する角速度ωが加わると、その角速度ωに応じて発生するコリオリ力の作用により、図7に示すように、駆動用振動腕40,50は主面に垂直な面外方向即ちZ軸方向に沿って互いに逆向きに屈曲振動(面外モード振動)する。このZ軸方向の振動に共振して、検出用振動腕20,30が、Z軸方向に沿って互いに逆向きに屈曲振動(面外モード振動)する。このとき、検出用振動腕20,30の振動方向は、駆動用振動腕40,50の振動方向とは逆相になる。すなわち、駆動用振動腕40の面外振動モードの振動方向は、検出用振動腕20の面外振動モードの振動方向とは逆相になり、駆動用振動腕50の面外振動モードの振動方向は、検出用振動腕30の面外振動モードの振動方向とは逆相になる。
駆動用振動腕40が+Z軸方向に変位すると、駆動用振動腕50は−Z軸方向に変位する面外モード振動の屈曲振動となる。この駆動用振動腕40,50の面外モードの屈曲振動が基部10を介して検出用振動腕20,30に伝わることで、検出用振動腕20,30を共振させ、検出用振動腕20が−Z軸方向に変位すると、検出用振動腕30は+Z軸方向に変位する面外モードの屈曲振動となる。
この検出用振動腕20,30のZ軸方向の屈曲振動によって検出用振動腕20,30の検出用電極間に発生する電荷量に基づいて、ジャイロセンサー素子1に加えられた角速度ωが求められる。
このようなジャイロセンサー素子1の構成材料としては、所望の振動特性を発揮することができるものであれば、特に限定されず、各種圧電体材料および各種非圧電体材料を用いることができる。
例えば、ジャイロセンサー素子1を構成する圧電体材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。特に、ジャイロセンサー素子1を構成する圧電体材料としては水晶(Xカット板、ATカット板、Zカット板等)が好ましい。水晶でジャイロセンサー素子1を構成すると、ジャイロセンサー素子1の振動特性(特に周波数温度特性)を優れたものとすることができる。
また、ジャイロセンサー素子1を構成する非圧電体材料としては、例えば、シリコン、石英等が挙げられる。特に、ジャイロセンサー素子1を構成する非圧電体材料としてはシリコンが好ましい。シリコンでジャイロセンサー素子1を構成すると、優れた振動特性を有するジャイロセンサー素子1を比較的安価に実現することができる。また、公知の微細加工技術を用いてエッチングにより高い寸法精度でジャイロセンサー素子1を形成することができる。なお、ジャイロセンサー素子1を構成する材料として非圧電体をもちいる場合には、ジャイロセンサー素子1の駆動手段として、クーロン力による静電駆動を用いてもよいし、ジャイロセンサー素子1上に前述の圧電体材料および圧電体材料を励振するための電極を配置して圧電効果を用いてもよい。また、センサー素子としては、本実施形態のジャイロセンサー素子1以外にも、物理量を検出する素子、例えば、慣性センサー(加速度センサー等)、力センサー(傾斜センサー等)用の素子であってもよい。
例えば、ジャイロセンサー素子1を構成する圧電体材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。特に、ジャイロセンサー素子1を構成する圧電体材料としては水晶(Xカット板、ATカット板、Zカット板等)が好ましい。水晶でジャイロセンサー素子1を構成すると、ジャイロセンサー素子1の振動特性(特に周波数温度特性)を優れたものとすることができる。
また、ジャイロセンサー素子1を構成する非圧電体材料としては、例えば、シリコン、石英等が挙げられる。特に、ジャイロセンサー素子1を構成する非圧電体材料としてはシリコンが好ましい。シリコンでジャイロセンサー素子1を構成すると、優れた振動特性を有するジャイロセンサー素子1を比較的安価に実現することができる。また、公知の微細加工技術を用いてエッチングにより高い寸法精度でジャイロセンサー素子1を形成することができる。なお、ジャイロセンサー素子1を構成する材料として非圧電体をもちいる場合には、ジャイロセンサー素子1の駆動手段として、クーロン力による静電駆動を用いてもよいし、ジャイロセンサー素子1上に前述の圧電体材料および圧電体材料を励振するための電極を配置して圧電効果を用いてもよい。また、センサー素子としては、本実施形態のジャイロセンサー素子1以外にも、物理量を検出する素子、例えば、慣性センサー(加速度センサー等)、力センサー(傾斜センサー等)用の素子であってもよい。
次に、本実施形態におけるジャイロセンサー素子1の製造方法の一例を図8のフローチャートに示す。
図8に示すように、ジャイロセンサー素子1の製造方法は、表裏面を有する水晶ウエハーを準備する水晶ウエハー準備工程(Step1)と、水晶ウエハー上にジャイロセンサー素子1の外形形状および貫通孔を形成するための第1のマスクを形成する第1マスク形成工程(Step2)と、第1のマスクを介して水晶ウエハーをエッチングして外形形状および貫通孔を形成する貫通孔形成工程(Step3)と、第1のマスクを除去する第1マスク除去工程(Step4)と、水晶ウエハー上に有底の溝を形成するための第2のマスクを形成する第2マスク形成工程(Step5)と、第2のマスクを介して水晶ウエハーをエッチングして有底の溝を形成する有底の溝形成工程(Step6)と、第2のマスクを除去する第2マスク除去工程(Step7)と、水晶ウエハー上に金属膜を形成する金属膜形成工程(Step8)と、金属膜をエッチングするための第3のマスクを形成する第3マスク形成工程(Step9)と、第3のマスクを介して金属膜をエッチングして電極パターンを形成する電極パターン形成工程(Step10)と、第3のマスクを除去する第3マスク除去工程(Step11)と、を含んでいる。
図8に示すように、ジャイロセンサー素子1の製造方法は、表裏面を有する水晶ウエハーを準備する水晶ウエハー準備工程(Step1)と、水晶ウエハー上にジャイロセンサー素子1の外形形状および貫通孔を形成するための第1のマスクを形成する第1マスク形成工程(Step2)と、第1のマスクを介して水晶ウエハーをエッチングして外形形状および貫通孔を形成する貫通孔形成工程(Step3)と、第1のマスクを除去する第1マスク除去工程(Step4)と、水晶ウエハー上に有底の溝を形成するための第2のマスクを形成する第2マスク形成工程(Step5)と、第2のマスクを介して水晶ウエハーをエッチングして有底の溝を形成する有底の溝形成工程(Step6)と、第2のマスクを除去する第2マスク除去工程(Step7)と、水晶ウエハー上に金属膜を形成する金属膜形成工程(Step8)と、金属膜をエッチングするための第3のマスクを形成する第3マスク形成工程(Step9)と、第3のマスクを介して金属膜をエッチングして電極パターンを形成する電極パターン形成工程(Step10)と、第3のマスクを除去する第3マスク除去工程(Step11)と、を含んでいる。
この方法により、ジャイロセンサー素子1の外形部の形成と、有底の溝80,81,90,91を駆動用振動腕40,50に、貫通孔21,31を検出用振動腕20,30に、それぞれ形成することができる。
なお、有底の溝80,81,90,91は、混酸等の液体を用いたウエットエッチングや、CF4、C2F6、C3F6、C4F8、CClF3、SF6等のフッ素原子含有化合物ガスやCl2、BCl3、CCl4等の塩素原子含有化合物ガスなどの各種ハロゲン系ガス等を用いたドライエッチング等を使用して形成することができる。有底の溝80,81,90,91をウエットエッチングにより形成すれば、表裏からのエッチングを同時に行うことができるため、製造工程を簡素化することが可能となり、製造コストの低減を図ることができる。また、有底の溝80,81,90,91をドライエッチングにより形成すれば、ウエットエッチングを用いた場合と比較して、エッチングされる部材の結晶構造等の影響によってエッチング後の形状が所望の形状と異なってしまう可能性を低減することができるため、所望の振動特性からのずれが小さいジャイロセンサー素子1を得ることができる。
また、外形形状および貫通孔は、混酸等の液体を用いたウエットエッチングや、CF4、C2F6、C3F6、C4F8、CClF3、SF6等のフッ素原子含有化合物ガスやCl2、BCl3、CCl4等の塩素原子含有化合物ガスなどの各種ハロゲン系ガス等を用いたドライエッチング等を使用して形成することができるが、ドライエッチングを用いることが好ましい。ウエットエッチングは、エッチングされる部材の結晶構造等の影響によって、エッチング後の形状が所望の形状と異なってしまう可能性がある。ドライエッチングは、エッチングされる部材の結晶構造等の影響を受けにくいため、エッチング後の形状が所望の形状と異なってしまう可能性を低減することができ、所望の振動特性からのずれが小さいジャイロセンサー素子1を得ることができる。
次に、本実施形態におけるジャイロセンサー素子1の製造方法の別の一例を図9のフローチャートに示す。
図9に示すように、ジャイロセンサー素子1の製造方法は、表裏面を有する水晶ウエハーを準備する水晶ウエハー準備工程(Step1)と、水晶ウエハー上に有底の溝を形成するための第1のドライエッチング用の第1のマスクを形成する第1マスク形成工程(Step2)と、第1のドライエッチングにより有底の溝を形成する有底の溝形成工程(Step3)と、第1のドライエッチング用の第1のマスクを除去する第1マスク除去工程(Step4)と、ジャイロセンサー素子1の外形形状および貫通孔を形成する第2のドライエッチング用の第2のマスクを形成する第2マスク形成工程(Step5)と、第2のドライエッチングにより外形形状および貫通孔を形成する貫通孔形成工程(Step6)と、第2のドライエッチング用の第2のマスクを除去する第2マスク除去工程(Step7)と、水晶ウエハー上に金属膜を形成する金属膜形成工程(Step8)と、金属膜をエッチングするための第3のマスクを形成する第3マスク形成工程(Step9)と、第3のマスクを介して金属膜をエッチングして電極パターンを形成する電極パターン形成工程(Step10)と、第3のマスクを除去する第3マスク除去工程(Step11)と、を含んでいる。
図9に示すように、ジャイロセンサー素子1の製造方法は、表裏面を有する水晶ウエハーを準備する水晶ウエハー準備工程(Step1)と、水晶ウエハー上に有底の溝を形成するための第1のドライエッチング用の第1のマスクを形成する第1マスク形成工程(Step2)と、第1のドライエッチングにより有底の溝を形成する有底の溝形成工程(Step3)と、第1のドライエッチング用の第1のマスクを除去する第1マスク除去工程(Step4)と、ジャイロセンサー素子1の外形形状および貫通孔を形成する第2のドライエッチング用の第2のマスクを形成する第2マスク形成工程(Step5)と、第2のドライエッチングにより外形形状および貫通孔を形成する貫通孔形成工程(Step6)と、第2のドライエッチング用の第2のマスクを除去する第2マスク除去工程(Step7)と、水晶ウエハー上に金属膜を形成する金属膜形成工程(Step8)と、金属膜をエッチングするための第3のマスクを形成する第3マスク形成工程(Step9)と、第3のマスクを介して金属膜をエッチングして電極パターンを形成する電極パターン形成工程(Step10)と、第3のマスクを除去する第3マスク除去工程(Step11)と、を含んでいる。
上述の方法では、ジャイロセンサー素子1の外形部と、駆動用振動腕40,50にある有底の溝80,81,90,91と、検出用振動腕20,30にある貫通孔21,31と、を、ドライエッチングで形成する。CF4、C2F6、C3F6、C4F8、CClF3、SF6等のフッ素原子含有化合物ガスやCl2、BCl3、CCl4等の塩素原子含有化合物ガスなどの各種ハロゲン系ガス等を用いたドライエッチングは、混酸等の液体を用いたウエットエッチングと比較して、エッチングされる部材の結晶構造等の影響を受け難い。そのため、エッチング後の形状が所望の形状と異なってしまう可能性を低減することができ、所望の振動特性からのずれが小さいジャイロセンサー素子1を得ることができる。また、有底の溝80,81,90,91を第1のドライエッチングにより形成するため、結晶異方性の影響を低減することができる。従って、Y軸方向における溝の内面と駆動用振動腕の側面との間の厚さ、すなわち壁部の厚さのばらつきを低減することができ、駆動用振動腕40,50の電界効率を向上して等価回路定数における等価直列容量(C1)をより大きくすることもできる。
以上述べたように、第1実施形態に係るジャイロセンサー素子1は、駆動用振動腕40,50において電界効率を高め、且つ熱弾性損失を低く抑えることができ、低インピーダンス、低消費電流のジャイロセンサー素子1とすることができる。また、検出用振動腕20,30において、貫通孔21,31を有することにより電極形成時における露光時の乱反射を低減できるため、貫通孔21,31の内壁面に所望の形状の電極を形成しやすくなり、ジャイロセンサー素子1の性能が低下する可能性を低減することができる。また、壁部に電極を形成することにより電界効果を高め、容易に高感度のジャイロセンサー素子1を得ることもできる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係るセンサー素子としてのジャイロセンサー素子2について図10を用いて説明する。図10は、第2実施形態に係るジャイロセンサー素子2の概略構成を模式的に示す平面図である。以下、第2実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。第2実施形態に係るジャイロセンサー素子2は、一対の検出用振動腕220,230に形成された貫通孔の構成が異なる以外、第1実施形態に係るジャイロセンサー素子1と同様である。
次に、本発明の第2実施形態に係るセンサー素子としてのジャイロセンサー素子2について図10を用いて説明する。図10は、第2実施形態に係るジャイロセンサー素子2の概略構成を模式的に示す平面図である。以下、第2実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。第2実施形態に係るジャイロセンサー素子2は、一対の検出用振動腕220,230に形成された貫通孔の構成が異なる以外、第1実施形態に係るジャイロセンサー素子1と同様である。
図10に示すように、ジャイロセンサー素子2の検出用振動腕220は、検出用振動腕220の延出するY軸方向に沿って2つの貫通孔221,222を有している。同様に、検出用振動腕230は、検出用振動腕230の延出するY軸方向に沿って2つの貫通孔231,232を有している。上記のように、貫通孔221,222,231,232を配置することで、+Z軸側から見た平面視で、貫通孔221,222,231,241における最も長い径は、第1実施形態の貫通孔21,31における最も長い径よりも小さくなる。一般に、貫通孔を有する構造体において、貫通孔における最も長い径が小さい(換言して、平面視したときの面積が小さい)方が、構造体に応力がかかった場合に発生する歪が小さくなる。このため、ジャイロセンサー素子2に衝撃等の応力が加わった際に検出用振動腕220,230に発生する歪を、第1実施形態のジャイロセンサー素子1に同様の衝撃等の応力が加わった場合と比較して、小さくすることができる。従って、本実施形態のジャイロセンサー素子2は、第1実施形態のジャイロセンサー素子1と同様な効果を有するとともに、第1実施形態のジャイロセンサー素子1と比較して、耐衝撃性を向上する効果を得ることができる。なお、検出用振動腕220,230に形成する貫通孔221,222,231,232は1本の検出用振動腕20,30に2個に限定されるものではなく、3個以上の貫通孔がY軸方向に沿って形成されていても良い。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係るセンサー素子としてのジャイロセンサー素子3について図11を用いて説明する。図11は、第3実施形態に係るジャイロセンサー素子3の概略構成を模式的に示す平面図である。以下、第3実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態に係るセンサー素子としてのジャイロセンサー素子3について図11を用いて説明する。図11は、第3実施形態に係るジャイロセンサー素子3の概略構成を模式的に示す平面図である。以下、第3実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図11に示すように、ジャイロセンサー素子3は、基部310と、+Z軸側から見た平面視で、基部310の一方の端から+Y軸方向に延出している一対の駆動用振動腕320,330、駆動用振動腕320,330が延出している基部310の一方の端から+Y軸方向に延出している検出用振動腕340などから構成されている。すなわち、+Z軸側から見た平面視で、駆動用振動腕320,330は、X軸方向に並んで配置されており、検出用振動腕340は、X軸方向の+X軸側に駆動用振動腕320,330と並んで配置されている。駆動用振動腕320,330は第1実施形態の駆動用振動腕40,50と同様に有底の溝および駆動用電極を有しており、検出用振動腕340は第1実施形態の検出用振動腕20,30と同様に貫通孔および検出用電極を有している。本実施形態のジャイロセンサー素子3においても、第1実施形態のジャイロセンサー素子1と同様な効果を有することができる。なお、本実施形態では、検出用振動腕340は、+X軸側に一対の駆動用振動腕320,330と並んで配置されているが、これに限らず、検出用振動腕340は、+Z軸側から見た平面視で、X軸方向の−X軸側に駆動用振動腕320,330と並んで配置されていても良い。また、検出用振動腕の数は1本に限定されるものではなく、2本以上の検出用振動腕を有しても良い。また、2本以上の検出用振動腕を有する場合には、2本以上の検出用振動腕は、一対の駆動用振動腕320,330を挟んで配置されていてもよいし、+Z軸側から見た平面視で、X軸方向の+X軸側または−X軸側に一対の駆動用振動腕320,330と並んで配置されていてもよい。また、駆動用振動腕は、一対(2本)より多くても、すなわち3本以上有していてもよい。なお、検出用振動腕340は、第2実施形態のジャイロセンサー素子2の検出用振動腕220,230と同様に、検出用振動腕340の延出するY軸方向に沿って2つ以上の貫通孔を有していてもよい。
本実施形態において、駆動用振動腕320,330に形成した駆動用電極に所定の交流電圧を印加すると、駆動用振動腕320,330は、XY面内方向で逆向きに即ち互いに接近離反する向きに屈曲振動(面内モード振動)する。この状態でジャイロセンサー素子3に各振動腕の延出方向であるY軸回りに回転する角速度ωが加わると、その角速度ωに応じて発生するコリオリ力の作用により、駆動用振動腕320,330は主面に垂直な面外方向即ちZ軸方向に沿って互いに逆向きに屈曲振動(面外モード振動)する。このZ軸方向の振動に共振して、検出用振動腕340が、Z軸方向に屈曲振動(面外モード振動)する。この検出用振動腕340のZ軸方向の屈曲振動によって検出用振動腕340の検出用電極間に発生する電荷量に基づいて、ジャイロセンサー素子3に加えられた角速度ωが求められる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係るセンサー素子としてのジャイロセンサー素子4について図12を用いて説明する。図12は、第4実施形態に係るジャイロセンサー素子4の概略構成を模式的に示す平面図である。以下、第4実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、互いに直交する2つの方向を第1方向および第2方向とするとき、第1方向をY軸方向とし、第2方向をX軸方向として説明する。
次に、本発明の第4実施形態に係るセンサー素子としてのジャイロセンサー素子4について図12を用いて説明する。図12は、第4実施形態に係るジャイロセンサー素子4の概略構成を模式的に示す平面図である。以下、第4実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、互いに直交する2つの方向を第1方向および第2方向とするとき、第1方向をY軸方向とし、第2方向をX軸方向として説明する。
図12に示すように、ジャイロセンサー素子4は、支持部1000とX軸方向に沿って支持部1000の両側から延出する第1連結部1001および第2連結部1002とを有する基部410と、基部410の+Y軸側の端部から+Y軸方向に延出する第1検出用振動腕420と、基部410の−Y軸側の端部から−Y軸方向に延出する第2検出用振動腕430と、第1連結部1001の+Y軸側の端部から+Y軸方向に延出する第1駆動用振動腕440と、第1連結部1001の−Y軸側の端部から−Y軸方向に延出する第2駆動用振動腕441と、第2連結部1002の+Y軸側の端部から+Y軸方向に延出する第3駆動用振動腕450と、第2連結部1002の−Y軸側の端部から−Y軸方向に延出する第4駆動用振動腕451などから構成されている。第1〜第4駆動用振動腕440,441,450,451には、第1実施形態と同様に有底の溝および駆動用電極を有している。また,第1および第2検出用振動腕420,430には、第1実施形態と同様に貫通孔および検出用電極を有している。
次に、図13を用いて、第1検出用振動腕420に配置されている電極について説明する。
図13は、図12におけるC−C断面図である。図13に示すように、第1検出用振動腕420は、検出用電極410,411,412,413が配置されている、検出用電極411、412は、基部410等に配置されている引き廻し電極(図示せず)により同電位となるように電気的に接続されている。また、検出用電極410、413は、基部410等に配置されている引き廻し電極(図示せず)により同電位となるように電気的に接続されている。なお、第2検出用振動腕430にも第1検出用振動腕420と同様の検出用電極が配置されている。第2検出用振動腕430の貫通孔の内壁面に配置された検出用電極は、第1検出用振動腕420の+Z軸側の面と−Z軸側の面とを接続する側面に配置された検出用電極410,413と同電位となるように電気的に接続されている。第2検出用振動腕430の+Z軸側の面と−Z軸側の面とを接続する側面に配置された検出用電極は、第1検出用振動腕420の貫通孔内壁面に配置された検出用電極411,412と同電位となるように電気的に接続されている。本実施形態のジャイロセンサー素子4においても、第1実施形態のジャイロセンサー素子1と同様な効果を有することができる。
図13は、図12におけるC−C断面図である。図13に示すように、第1検出用振動腕420は、検出用電極410,411,412,413が配置されている、検出用電極411、412は、基部410等に配置されている引き廻し電極(図示せず)により同電位となるように電気的に接続されている。また、検出用電極410、413は、基部410等に配置されている引き廻し電極(図示せず)により同電位となるように電気的に接続されている。なお、第2検出用振動腕430にも第1検出用振動腕420と同様の検出用電極が配置されている。第2検出用振動腕430の貫通孔の内壁面に配置された検出用電極は、第1検出用振動腕420の+Z軸側の面と−Z軸側の面とを接続する側面に配置された検出用電極410,413と同電位となるように電気的に接続されている。第2検出用振動腕430の+Z軸側の面と−Z軸側の面とを接続する側面に配置された検出用電極は、第1検出用振動腕420の貫通孔内壁面に配置された検出用電極411,412と同電位となるように電気的に接続されている。本実施形態のジャイロセンサー素子4においても、第1実施形態のジャイロセンサー素子1と同様な効果を有することができる。
本実施形態において、第1〜第4駆動用振動腕440,441,450,451に配置した駆動用電極に所定の交流電圧を印加すると、第1および第2駆動用振動腕440,441と第3および第4駆動用振動腕450,451とは、XY面内方向で逆向きに即ち互いに接近離反する向きに屈曲振動(面内モード振動)する。すなわち、第1および第2駆動用振動腕440,441が−X軸方向に変位すると、第3および第4駆動用振動腕450,451は+X軸方向に変位し、第1および第2駆動用振動腕440,441が+X軸方向に変位すると、第3および第4駆動用振動腕450,451は−X軸方向に変位する。
この状態でジャイロセンサー素子4に主面に垂直なZ軸回りに回転する角速度ωが加わると、その角速度ωに応じて発生するコリオリ力の作用により、第1〜第4駆動用振動腕440,441,450,451は各振動腕の延出方向であるY軸方向に振動する。このY軸方向の振動に共振して、第1および第2検出用振動腕420,430が、X軸方向に屈曲振動する。この第1および第2検出用振動腕420,430のX軸方向の屈曲振動によって第1および第2検出用振動腕420,430の検出用電極間に発生する電荷量に基づいて、ジャイロセンサー素子4に加えられた角速度ωが求められる。なお、第1および第2検出用振動腕420,430は、第2実施形態のジャイロセンサー素子2の検出用振動腕220,230と同様に、第1および第2検出用振動腕420,430の延出するY軸方向に沿って2つ以上の貫通孔を有していてもよい。
(ジャイロセンサー)
次に、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備えたセンサーとしてジャイロセンサーを例に挙げて、図14を用いて説明する。
図14は、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備えたジャイロセンサー600の断面図である。なお、本実施形態においては、センサー素子としてジャイロセンサー素子1を有するジャイロセンサーを例示して説明する。
図14に示すように、ジャイロセンサー600は、パッケージ7の凹部に、ジャイロセンサー素子1およびジャイロセンサー素子1を駆動する回路および信号を検出する回路を含む電子部品5を収容し、パッケージ7の開口部をキャップ6により塞ぐことで、内部を気密に保持している。
パッケージ7は、絶縁性を有する材料で構成されている。このような材料としては、特に限定されず、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス等の各種セラミックス、樹脂、またはガラス等を用いることができる。キャップ6は、例えばコバール合金などの金属材料で構成されていてもよいし、セラミック、樹脂、またはガラス等で構成されていてもよい。
パッケージ7内に収納されたジャイロセンサー素子1は、接合部材8によりパッケージ7に機械的、電気的に接続されている。接合部材8は、例えば、導電性接着剤や、金属バンプなどの導電性の接合部材を用いることにより、電気的な接続を図るとともに機械的な接続を行うことができる。なお、ジャイロセンサー素子1は、接合部材8によりパッケージ7に機械的に接続され、ボンディング線等によりパッケージ7に電気的に接続されていてもよい。また、同様に、電子部品5は、例えば、導電性接着剤や、金属バンプなどの導電性の接合部材を用いて、パッケージ7に機械的および電気的に接続されていてもよいし、接合部材によりパッケージ7に機械的に接続され、ボンディング線等によりパッケージ7に電気的に接続されていてもよい。また、ジャイロセンサー素子1および電子部品5は、図示しないパッケージ7の凹部表面や内部に配置された配線により、電気的に接続されている。また、ジャイロセンサー素子1および電子部品5の少なくとも一方は、図示しないパッケージ7の外表面に配置された外部接続端子と図示しないパッケージ7の凹部表面や内部に配置された配線を介して電気的に接続されている。ジャイロセンサー600は、加えられた角速度ωに応じた信号を、前述の外部接続端子を介して出力する。
次に、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備えたセンサーとしてジャイロセンサーを例に挙げて、図14を用いて説明する。
図14は、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備えたジャイロセンサー600の断面図である。なお、本実施形態においては、センサー素子としてジャイロセンサー素子1を有するジャイロセンサーを例示して説明する。
図14に示すように、ジャイロセンサー600は、パッケージ7の凹部に、ジャイロセンサー素子1およびジャイロセンサー素子1を駆動する回路および信号を検出する回路を含む電子部品5を収容し、パッケージ7の開口部をキャップ6により塞ぐことで、内部を気密に保持している。
パッケージ7は、絶縁性を有する材料で構成されている。このような材料としては、特に限定されず、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス等の各種セラミックス、樹脂、またはガラス等を用いることができる。キャップ6は、例えばコバール合金などの金属材料で構成されていてもよいし、セラミック、樹脂、またはガラス等で構成されていてもよい。
パッケージ7内に収納されたジャイロセンサー素子1は、接合部材8によりパッケージ7に機械的、電気的に接続されている。接合部材8は、例えば、導電性接着剤や、金属バンプなどの導電性の接合部材を用いることにより、電気的な接続を図るとともに機械的な接続を行うことができる。なお、ジャイロセンサー素子1は、接合部材8によりパッケージ7に機械的に接続され、ボンディング線等によりパッケージ7に電気的に接続されていてもよい。また、同様に、電子部品5は、例えば、導電性接着剤や、金属バンプなどの導電性の接合部材を用いて、パッケージ7に機械的および電気的に接続されていてもよいし、接合部材によりパッケージ7に機械的に接続され、ボンディング線等によりパッケージ7に電気的に接続されていてもよい。また、ジャイロセンサー素子1および電子部品5は、図示しないパッケージ7の凹部表面や内部に配置された配線により、電気的に接続されている。また、ジャイロセンサー素子1および電子部品5の少なくとも一方は、図示しないパッケージ7の外表面に配置された外部接続端子と図示しないパッケージ7の凹部表面や内部に配置された配線を介して電気的に接続されている。ジャイロセンサー600は、加えられた角速度ωに応じた信号を、前述の外部接続端子を介して出力する。
上述したジャイロセンサー600によれば、ジャイロセンサー素子1がパッケージ7内に収納されているため、外乱などの影響を受け難くなり、角速度の検出特性などを安定化することが可能となる。
(電子機器)
次に、図15を用いて、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備えた電子機器について説明する。
図15は、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備える電子機器としての携帯電話機を示す斜視図である。なお、本実施形態においては、ジャイロセンサー素子1を有する携帯電話機を例示して説明する。
携帯電話機700は、複数の操作ボタン710並びに表示ユニット720を備える。操作ボタン710を押すことによって、表示ユニット720に表示される画面を操作することができる。このような携帯電話機700に、上述の実施形態のジャイロセンサー素子1を搭載することにより、様々な機能を付与することができる。例えば、図15の携帯電話機700に搭載されたカメラ(図示せず)に、手振れ補正機能を付与することができる。
次に、図15を用いて、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備えた電子機器について説明する。
図15は、上述の各実施形態に係るセンサー素子を備える電子機器としての携帯電話機を示す斜視図である。なお、本実施形態においては、ジャイロセンサー素子1を有する携帯電話機を例示して説明する。
携帯電話機700は、複数の操作ボタン710並びに表示ユニット720を備える。操作ボタン710を押すことによって、表示ユニット720に表示される画面を操作することができる。このような携帯電話機700に、上述の実施形態のジャイロセンサー素子1を搭載することにより、様々な機能を付与することができる。例えば、図15の携帯電話機700に搭載されたカメラ(図示せず)に、手振れ補正機能を付与することができる。
なお、本発明のセンサー素子を備える電子機器は、図15の携帯電話機700の他にも、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計(スマートウォッチを含む)、パーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、リアルタイムクロック装置、テレビ、ディジタルカメラ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、有線又は無線の通信機能を有し各種のデータを送信可能なガスメーターや水道メーターや電力量計(スマートメーター)等の各種計測機器、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレーター、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブル端末、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、PDR(歩行者位置方位計測)等に適用することができる。
(移動体)
次に、図16を用いて、上述の各実施形態に係るジャイロセンサー素子を備えた移動体について説明する。
図16は、上述の各実施形態に係るジャイロセンサー素子を備える移動体としての自動車を示す斜視図である。なお、本実施形態においては、ジャイロセンサー素子1を有する自動車を例示して説明する。
自動車800には、ジャイロセンサー素子1を内蔵したカーナビゲーションシステムが搭載されている。また、ジャイロセンサー素子1は、他にもキーレスエントリー、タイヤなどを制御する電子制御ユニット、車体姿勢制御システム、イモビライザー、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、等の電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)に広く適用できる。
次に、図16を用いて、上述の各実施形態に係るジャイロセンサー素子を備えた移動体について説明する。
図16は、上述の各実施形態に係るジャイロセンサー素子を備える移動体としての自動車を示す斜視図である。なお、本実施形態においては、ジャイロセンサー素子1を有する自動車を例示して説明する。
自動車800には、ジャイロセンサー素子1を内蔵したカーナビゲーションシステムが搭載されている。また、ジャイロセンサー素子1は、他にもキーレスエントリー、タイヤなどを制御する電子制御ユニット、車体姿勢制御システム、イモビライザー、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、等の電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)に広く適用できる。
なお、本発明のセンサー素子を備える移動体は、自動車に限定されず、例えば、自転車、オートバイ、鉄道等の他の車両、航空機、ヘリコプター、船舶、宇宙船、二足歩行ロボット、ラジオコントロールヘリコプターやラジオコントロール自動車等、ドローン、等にも適用可能である。
1,2,3,4…ジャイロセンサー素子、5…電子部品、6…キャップ、7…パッケージ、8…接合部材、10…基部、20…検出用振動腕、21…貫通孔、30…検出用振動腕、31…貫通孔、32,33,34,35,36,37,38,39…検出用電極、40,50…駆動用振動腕、52,53,54,55…駆動用電極、60…第1主面、70…第2主面、80,81,90,91…有底の溝、94,95,96,97…錘、600…ジャイロセンサー、700…携帯電話機、800…自動車。
Claims (13)
- 基部と、
前記基部から延出し、第1面と前記第1面の反対側にある第2面とを有し、駆動振動する駆動用振動腕と、
前記基部から延出し、前記第1面と同じ側にある第3面と前記第3面の反対側にある第4面とを有し、前記駆動用振動腕に加えられた物理量に応じて振動する検出用振動腕と、
を有するセンサー素子であって、
前記駆動用振動腕は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方の面側に有底の溝と、前記有底の溝の内面に配置された駆動用電極と、を有し、
前記検出用振動腕は、前記第3面および前記第4面と交差する方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔の内壁面の少なくとも一部に配置された検出用電極と、を有することを特徴とするセンサー素子。 - 請求項1に記載のセンサー素子において、
前記貫通孔は、前記検出用振動腕が延出する方向に沿って複数有することを特徴とするセンサー素子。 - 請求項1又は請求項2に記載のセンサー素子において、
平面視で、前記基部の一方の端から延出し、並んで配置されている複数の前記駆動用振動腕と、
平面視で、前記基部の一方の端とは反対側にある他方の端から延出し、並んで配置されている複数の前記検出用振動腕と、
を有することを特徴とするセンサー素子。 - 請求項1又は請求項2に記載のセンサー素子において、
平面視で、前記基部の一方の端から延出し、並んで配置されている複数の前記駆動用振動腕と、
平面視で、前記基部の一方の端から延出し、複数の前記駆動用振動腕と並んで配置されている少なくとも1つの前記検出用振動腕と、
を有することを特徴とするセンサー素子。 - 請求項3又は請求項4に記載のセンサー素子において、
前記検出用振動腕の振動方向は、前記駆動振動の方向に対して交差する方向であることを特徴とするセンサー素子。 - 請求項1又は請求項2に記載のセンサー素子において、
前記検出用振動腕は、第1検出用振動腕、第2検出用振動腕、第3検出用振動腕、および第4検出用振動腕の4つを有し、
前記駆動用振動腕は、第1駆動用振動腕および第2駆動用振動腕の2つを有し、
互いに直交する2つの方向を第1方向および第2方向とするとき、
前記基部は、支持部と、前記第2方向に沿って前記支持部の両側から延出する第1連結部および第2連結部と、を有し、
前記第1方向に沿って前記支持部の両側から延出する前記第1検出用振動腕および前記第2検出用振動腕と、
前記第1方向に沿って前記第1連結部の両側から延出する前記第1駆動用振動腕および前記第2駆動用振動腕と、
前記第1方向に沿って前記第2連結部の両側から延出する第3駆動用振動腕および第4駆動用振動腕と、
を有することを特徴とするセンサー素子。 - 請求項6に記載のセンサー素子において、
前記駆動振動する方向および前記検出用振動腕の振動する方向は、前記第2方向に沿った方向であることを特徴とするセンサー素子。 - 基部と、
前記基部から延出し、第1面と前記第1面の反対側にある第2面とを有する駆動用振動腕と、
前記基部から延出し、前記駆動用振動腕に加えられた物理量に応じて振動し、前記第1面と同じ側にある第3面と前記第3面の反対側にある第4面とを有する検出用振動腕と、
を含み、
前記駆動用振動腕は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方の面側に有底の溝を有し、
前記検出用検出腕は、前記第3面および前記第4面と交差する方向に貫通する貫通孔を有するセンサー素子の製造方法であって、
表裏面を有する基板を準備し、前記基板をエッチングにより加工して前記基部、前記駆動用振動腕、前記検出用振動腕、および前記貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記基板をエッチングにより加工して前記有底の溝を形成する有底の溝形成工程と、
前記貫通孔の内壁面および前記有底の溝の内面の少なくとも一方に電極パターンを形成する電極パターン形成工程と、を有し、
前記貫通孔形成工程におけるエッチングをドライエッチングにより行うことを特徴とするセンサー素子の製造方法。 - 請求項8に記載のセンサー素子の製造方法において、
前記貫通孔形成工程の後に前記有底の溝形成工程を行うとともに、前記有底の溝形成工程におけるエッチングをウエットエッチングにより行うことを特徴とするセンサー素子の製造方法。 - 請求項8に記載のセンサー素子の製造方法において、
前記有底の溝形成工程の後に前記貫通孔形成工程を行うとともに、前記有底の溝形成工程におけるエッチングをドライエッチングにより行うことを特徴とするセンサー素子の製造方法。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のセンサー素子と、
前記センサー素子を駆動する回路および信号を検出する回路を含む電子部品と、
前記センサー素子と前記電子部品とを収容するパッケージと、
を備えていることを特徴とするセンサー。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のセンサー素子を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のセンサー素子を備えていることを特徴とする移動体。
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