JP3346379B2 - Angular velocity sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

Angular velocity sensor and manufacturing method thereof

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JP3346379B2
JP3346379B2 JP2000286516A JP2000286516A JP3346379B2 JP 3346379 B2 JP3346379 B2 JP 3346379B2 JP 2000286516 A JP2000286516 A JP 2000286516A JP 2000286516 A JP2000286516 A JP 2000286516A JP 3346379 B2 JP3346379 B2 JP 3346379B2
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政広 番
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
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    • G01P2015/0808Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、振動計測や車両制
御や運動制御などに利用される角速度センサ並びにその
製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor used for vibration measurement, vehicle control, motion control, and the like, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】運動する物体にかかる加速度または角速
度などを検出する慣性力センサには、圧電式、歪ゲージ
式、差動トランスを利用した磁気方式、およびコンデン
サの容量変化を検出する容量式など各種のものがある。
近年、特に半導体のマイクロマシニング技術を応用した
慣性力センサとして、機械的外力により電気抵抗が変化
するピエゾ抵抗効果を利用した加速度センサ、並びにコ
ンデンサの容量の変化を検出することで加速度を算出す
る加速度センサ、および角速度センサが注目を集めてい
る。これらは、装置の小型化、量産性、高精度化および
高信頼性などの長所をもつ。特に、コンデンサの容量の
変化から加速度を電気的に検出する加速度センサについ
ては、CAPASITIVE ACCELEROMET
ER WITH HIGHLY SYMMETRICA
L DESIGN,SENSORS & ACTUAT
ORS,A21−A23(1990)312−315に
記載の技術であり、この技術について以下に図19を用
いて説明する。また、回転運動する物体の角速度をコン
デンサの容量の変化から電気的に検出する角速度センサ
として特開昭62−93668号公報、米国特許475
0364などがある。
2. Description of the Related Art Inertial force sensors for detecting acceleration or angular velocity applied to a moving object include a piezoelectric type, a strain gauge type, a magnetic type using a differential transformer, and a capacitance type for detecting a change in capacitance of a capacitor. There are various types.
In recent years, in particular, as an inertial force sensor that applies semiconductor micromachining technology, an acceleration sensor that uses the piezoresistance effect that changes the electrical resistance due to mechanical external force, and an acceleration that calculates the acceleration by detecting a change in the capacitance of the capacitor Sensors, and angular velocity sensors are receiving attention. These have advantages such as miniaturization, mass productivity, high precision and high reliability of the device. In particular, for an acceleration sensor that electrically detects acceleration from a change in the capacitance of a capacitor, a CAPASITIVE ACCELLEROMET
ER WITH HIGH SYMMETRICA
L DESIGN, SENSORS & ACTUAT
This technique is described in ORS, A21-A23 (1990) 312-315, and this technique will be described below with reference to FIG. Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-93668 and U.S. Pat. No. 475 disclose an angular velocity sensor for electrically detecting the angular velocity of a rotating object from a change in the capacitance of a capacitor.
0364 and the like.

【0003】従来の技術を説明する。図19は、CAP
ASITIVE ACCELEROMETER WIT
H HIGHLY SYMMETRICAL DESI
GN,SENSORS & ACTUATORS,A2
1−A23(1990)312−315に記載された加
速度センサの平面図(図19(a))とG−Gでの断面
図(図19(b))である。図19において、3は梁、
4は質量体、6および7は固定電極、55は梁3と質量
体4とを有するシリコン基板、56および57はガラス
基板である。この加速度センサの構成および動作を説明
する。この加速度センサは、エッチングにより空洞部を
形成することによりできた梁3および質量体4からなる
シリコン基板55、エッチングにより形成した溝の表面
に固定電極6を取り付けたガラス基板56、並びにエッ
チングにより形成した溝の表面に固定電極7を取り付け
たガラス基板57からなる。シリコン基板55の質量体
4に電極を形成することにより固定電極6と質量体4、
および固定電極7と質量体4とによりコンデンサを2つ
形成している。シリコン基板55の梁3の厚さをその幅
に対し適当に薄くすることにより、本加速度センサのシ
リコン基板55の質量体4はz軸方向の加速度を受ける
と上下方向に振動する。このとき、質量体4の変位によ
るコンデンサの静電容量の変化から加速度を算出する。
[0003] A conventional technique will be described. FIG.
ASITIVE ACCELEMETER WIT
H HIGHLY SYMMETRICAL DESI
GN, SENSORS & ACTUATORS, A2
FIG. 19 is a plan view (FIG. 19A) and a cross-sectional view taken along GG (FIG. 19B) of the acceleration sensor described in 1-A23 (1990) 312-315. In FIG. 19, 3 is a beam,
4 is a mass, 6 and 7 are fixed electrodes, 55 is a silicon substrate having the beam 3 and the mass 4, and 56 and 57 are glass substrates. The configuration and operation of this acceleration sensor will be described. This acceleration sensor includes a silicon substrate 55 including a beam 3 and a mass body 4 formed by forming a cavity by etching, a glass substrate 56 having a fixed electrode 6 attached to the surface of a groove formed by etching, and a silicon substrate 55 formed by etching. A glass substrate 57 having a fixed electrode 7 attached to the surface of the groove formed. By forming an electrode on the mass body 4 of the silicon substrate 55, the fixed electrode 6 and the mass body 4,
The fixed electrode 7 and the mass body 4 form two capacitors. By appropriately reducing the thickness of the beam 3 of the silicon substrate 55 with respect to its width, the mass body 4 of the silicon substrate 55 of the present acceleration sensor vibrates in the vertical direction when receiving acceleration in the z-axis direction. At this time, the acceleration is calculated from the change in the capacitance of the capacitor due to the displacement of the mass body 4.

【0004】また、この加速度センサは、エッチングに
より空洞部を形成することによりできた梁3と、質量体
4とを有するシリコン基板55と、エッチングにより形
成した溝の表面に固定電極を取り付けたガラス基板56
およびガラス基板57とをそれぞれ独立に製造した後、
これら3つを接合するという製造工程をとっている。ま
たシリコン基板55に梁3を形成する際、梁3を形成す
る部分にp型不純物による非常に高濃度なドーピングを
行う。これにより、p型不純物によるドーピングを行っ
た部分はエッチングレートが低下する。よって、梁3を
形成する部分にp型不純物による非常に高濃度なドーピ
ングを行った後エッチング処理を行うと梁3を形成する
部分以外の部分にエッチングが進行することにより梁3
が形成される。
Further, this acceleration sensor has a silicon substrate 55 having a beam 3 formed by forming a cavity by etching, a mass body 4, and a glass having a fixed electrode attached to the surface of a groove formed by etching. Substrate 56
And the glass substrate 57 are manufactured independently of each other,
A manufacturing process of joining these three is employed. When the beam 3 is formed on the silicon substrate 55, a very high concentration doping with a p-type impurity is performed on a portion where the beam 3 is formed. As a result, the etching rate of the portion doped with the p-type impurity is reduced. Therefore, if a very high concentration doping with a p-type impurity is performed on a portion where the beam 3 is to be formed and then the etching process is performed, the etching proceeds to a portion other than the portion where the beam 3 is formed.
Is formed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記の加速度センサ
は、加速度に起因した質量体4の変位により質量体4と
固定電極6、および質量体4と固定電極7とがなすコン
デンサの静電容量の変化を検出する方式をとっている。
このため、ガラス基板56とガラス基板57とシリコン
基板55とを張り合わせ接合する際に残留ひずみが生じ
るために電極間隔が設計値と異なることが問題である。
また電極間隔が温度変化に応じて変動することにより加
速度センサの特性が変化することが問題である。
In the acceleration sensor described above, the capacitance of the capacitor formed by the mass 4 and the fixed electrode 6 and the capacitance formed by the mass 4 and the fixed electrode 7 due to the displacement of the mass 4 caused by the acceleration. The system detects changes.
For this reason, when the glass substrate 56, the glass substrate 57, and the silicon substrate 55 are bonded and bonded to each other, there is a problem that a residual strain is generated, and the electrode interval is different from a design value.
Another problem is that the characteristics of the acceleration sensor change due to the electrode spacing fluctuating according to the temperature change.

【0006】またシリコン基板55の梁3を製造する工
程で梁3を形成する部分にp型不純物の非常に高濃度な
ドーピングを行うため完成されたシリコン基板55の梁
3には、p型不純物による残留ひずみを生じる。このた
め梁3の剛性が高くなり、感度(1Gあたりの変位量:
ただし、Gは重力加速度)が低下するといった問題があ
る。また、この残留ひずみの変動によりセンサの特性が
変動し、長期信頼性の面で問題があった。
In the step of manufacturing the beam 3 of the silicon substrate 55, the beam 3 of the completed silicon substrate 55 is subjected to very high concentration doping of the p-type impurity in the portion where the beam 3 is formed. Causes residual strain. For this reason, the rigidity of the beam 3 is increased, and the sensitivity (displacement per 1 G:
However, G has a problem that the gravitational acceleration decreases. Also, the characteristics of the sensor fluctuate due to the fluctuation of the residual strain, and there is a problem in terms of long-term reliability.

【0007】この発明は上記のような種々の問題点を解
消するためになされたものであり、信頼性の高い角速度
センサおよびその製造方法を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned various problems, and has a highly reliable angular velocity.
It is an object to provide a sensor and a method for manufacturing the sensor .

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明は、あらかじめ
基板とウエハとを接合したものから角速度センサを構成
する素子をエッチングを用いて作る技術(バルクマイク
ロマシニンング技術)を利用して製造した角速度センサ
に関するものである。本発明の第1の構成による角速度
センサは、基板と、該基板に接合し、かつ単結晶シリコ
ンからなるウエハをエッチングすることにより作られた
構造体とを備え、該構造体は、前記基板に対し空隙を有
して位置する2つの質量体と、該質量体のそれぞれを支
持し、かつ前記基板に対し空隙を有して位置する梁と、
該梁を支持し、かつ前記基板に接合するアンカーとを備
えた振動体、前記各質量体の外側に位置する振動モニタ
用固定電極、前記各質量体の間に位置する固定電極、
よび前記質量体の下面に位置する下部固定電極を備
え、前記質量体を可動電極とし、該可動電極の変位を
電気的に検出することを特徴とする角速度センサにおい
て、前記構造体の周囲に補助支持部と、該補助支持部の
上に前記構造体を密閉するための保護基板とを備え、前
記保護基板には、前記構造体が密閉されたままで、前記
質量体と前記梁とが振動自在となる溝と、前記アンカ
ー及び前記固定電極に各々設けた金属電極と向かい合
う部分のみに穴とを設け、上記質量体の回りの空洞部を
減圧雰囲気としたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a device (bulk micromachining technology) in which an element constituting an angular velocity sensor is formed from a pre-bonded substrate and wafer by etching is used. It relates to an angular velocity sensor . Angular velocity according to the first configuration of the present invention
Sensor includes a substrate, and bonded to the substrate, and a wafer made of monocrystalline silicon and a made structure by etching, the structure is located a gap relative to the substrate 2 Two masses, and a beam that supports each of the masses and is positioned with an air gap with respect to the substrate;
A vibrating body including an anchor supporting the beam and joining to the substrate, a vibration monitor located outside each of the mass bodies
Use fixed electrode, the fixed electrode located between said respective mass, and includes a lower fixed electrode positioned above the lower surface of the mass, wherein each mass and the movable electrode, electrically displacement of the movable electrode The angular velocity sensor according to claim 1, further comprising: an auxiliary support around the structure, and a protective substrate for sealing the structure on the auxiliary support. On the substrate, while the structure is sealed,
A groove in which each mass and the beam can freely vibrate, and a hole provided only in a portion facing the metal electrode provided in each of the anchor and each fixed electrode, and a cavity around the mass is depressurized. It was done.

【0009】本発明の第2の構成による角速度センサ
は、第1の構成において、前記補助支持部が前記構造体
と分離しており、前記補助支持部に電極を設け、補助支
持部を接地したものである。
According to the second configuration of the present invention,Angular velocity sensor
In the first configuration, the auxiliary support portion may be the structure body
And an electrode is provided on the auxiliary support, and an auxiliary support is provided.
The holding part is grounded.

【0010】本発明の角速度センサの製造方法は下記の
(1)から(4)の工程を含むものである。 (1) 2つの下部固定電極が形成された基板と、表面
の結晶面が(110)面であり、かつ2つのエッチング
溝を有する単結晶シリコンからなるウエハとを、前記エ
ッチング溝と前記下部固定電極とが対向するように接合
する工程、 (2) 前記ウエハの前記エッチング溝を有する面の背
面に絶縁膜を堆積し、該絶縁膜に希望するパターンを得
るためにエッチングを用いて不要な絶縁膜を除去した
後、異方性エッチングを用いて前記ウエハの(111)
面に沿ってエッチングすることにより、前記基板に対し
空隙を有して位置する2つの質量体と、該質量体のそれ
ぞれを支持し、かつ前記基板に対し空隙を有して位置す
る梁と、該梁を支持し、かつ前記基板に接合するアンカ
ーとを備えた振動体、前記各質量体の外側に位置する振
動モニタ用固定電極、前記質量体のに位置する固定
電極、及び前記振動体と前記固定電極とからなる構造
体の周囲に位置する補助支持部を形成する工程 (3) 前記アンカーと前記固定電極との上に金属電
極を選択メタライズする工程 (4) 前記質量体と前記梁とが振動自在となる溝
と、前記アンカー及び前記固定電極に各々設けた金属
電極と向かい合う部分のみに穴とを設けた保護基板を、
前記ウエハ上に設置し、前記保護基板と前記ウエハとを
減圧雰囲気で陽極接合する工程
The method for manufacturing an angular velocity sensor according to the present invention includes the following steps (1) to (4). (1) A substrate on which two lower fixed electrodes are formed and a wafer made of single-crystal silicon having a surface with a (110) crystal plane and two etching grooves are fixed to the etching grooves and the lower part. process and the electrode are joined to face, (2) is deposited back on the insulating film on the side having the etch groove of the wafer, unnecessary insulating using an etching to obtain the desired pattern on the insulating film After removing the film, the (111) of the wafer is anisotropically etched.
By etching along a plane, two mass body located with a gap with respect to the substrate, it the mass body
Supports, respectively, and a beam positioned having a gap with respect to the substrate, to support the the beams and vibrating body and a anchors bonded to the substrate, located on the outside of the respective mass Shake
Dynamic monitor fixed electrode, the fixed electrode located between said respective mass, and step (3) to form the auxiliary support section located around the structure composed of said vibrating body and the respective fixed electrodes and the anchor A step of selectively metallizing a metal electrode on each of the fixed electrodes (4) a groove in which each of the mass bodies and the beam can vibrate, and a portion facing the metal electrode provided on each of the anchor and each of the fixed electrodes; A protective board with holes only
Placed on the wafer, the protection substrate and the wafer
Anodic bonding process under reduced pressure atmosphere

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】参考例1. 図1は、この発明に係わる加速度センサの構成を示すも
のである。図1(a)は、この加速度センサの平面図、
図1(b)は、A−Aで切断したときの断面図、図1
(b)は、図1(a)をB−Bで切断したときの断面図
を表す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference Example 1 FIG. 1 shows a configuration of an acceleration sensor according to the present invention. FIG. 1A is a plan view of the acceleration sensor,
FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA.
FIG. 1B is a cross-sectional view when FIG. 1A is cut along the line BB.

【0012】図1において、3は梁、4は質量体、5は
アンカー、6は固定電極、7は固定電極、8は金属電
極、9はシリコンからなる基板である。梁3、質量体4
およびアンカー5は一体化形成され振動体を構成する。
さらに振動体と、固定電極6と、固定電極7とで構造体
を構成する。構造体は、基板9に絶縁膜を介して接合さ
れた表面の結晶面が(110)である単結晶シリコンか
らなるウエハを異方性エッチングすることにより作る。
振動体には電極が形成されている。これにより質量体4
は固定電極6と、固定電極7との間を変位することが可
能な可動電極を構成する。構造体の側面の結晶面は、ウ
エハの表面の結晶面(110)面に対して垂直となる
(111)面で構成されている。振動体、固定電極6お
よび固定電極7の表面には金属電極8が形成されてい
る。振動体の梁3と質量体4とは、基板9に対し、例え
ば約2μmから3μmの空隙を有しており、アンカー5
が基板9に接合している。
In FIG. 1, 3 is a beam, 4 is a mass, 5 is an anchor, 6 is a fixed electrode, 7 is a fixed electrode, 8 is a metal electrode, and 9 is a substrate made of silicon. Beam 3, mass 4
And the anchor 5 are integrally formed to form a vibrating body.
Further, a structure is constituted by the vibrating body, the fixed electrode 6 and the fixed electrode 7. The structure is formed by anisotropically etching a wafer made of single-crystal silicon whose surface has a crystal face of (110) joined to the substrate 9 via an insulating film.
An electrode is formed on the vibrating body. Thereby, the mass 4
Constitutes a movable electrode that can be displaced between the fixed electrode 6 and the fixed electrode 7. The crystal plane on the side surface of the structure is composed of a (111) plane perpendicular to the crystal plane (110) plane of the wafer surface. Metal electrodes 8 are formed on the surfaces of the vibrating body, the fixed electrodes 6 and the fixed electrodes 7. The beam 3 and the mass body 4 of the vibrating body have a gap of, for example, about 2 μm to 3 μm with respect to the substrate 9, and the anchor 5
Are bonded to the substrate 9.

【0013】加速度センサは、その感度を上げるため特
定の方向(参考例1ではy方向)の感度のみ大きくする
ことが望ましい。これを実現するためには、前記特定の
方向の感度を他の方向の感度よりも十分高くなるように
設計すればよい。このため梁3は、厚さtに比べ幅wが
極めて小さくなるようなハイアスペクト(例えば、w/
t<0.1)な構造を有している。梁3をハイアスペク
トな構造にすることによりx軸、y軸およびz軸にそれ
ぞれ等しい慣性力を加えたとき、質量体4のz軸方向の
変位は、y軸方向の変位に対して数十倍小さく設計する
こと(例えば、1/50以下)が可能となり、z軸方向
の感度を非常に低く設計することが可能となる。また、
x軸方向の変位は、梁3の圧縮モードまたは引張りモー
ドにより規定され、z軸方向の曲げモードに比較して小
さくできるので、z軸方向の変位よりもさらに小さく設
計することが可能となる。
In order to increase the sensitivity of the acceleration sensor, it is desirable to increase only the sensitivity in a specific direction (the y direction in Reference Example 1). In order to realize this, the sensitivity in the specific direction may be designed to be sufficiently higher than the sensitivity in other directions. For this reason, the beam 3 has a high aspect (for example, w /
t <0.1). When the beam 3 has a high aspect structure, when the inertia force equal to each of the x-axis, the y-axis, and the z-axis is applied, the displacement of the mass body 4 in the z-axis direction is several tens of the displacement in the y-axis direction. It can be designed to be twice as small (for example, 1/50 or less), and the sensitivity in the z-axis direction can be designed to be very low. Also,
The displacement in the x-axis direction is defined by the compression mode or the tension mode of the beam 3, and can be made smaller than the bending mode in the z-axis direction. Therefore, it is possible to design the beam 3 to be smaller than the displacement in the z-axis direction.

【0014】質量体4は、その形状は、平行四辺形であ
り、その鋭角は、70.53度、鈍角は109.47度
である。このような角度になるのは、ウエハに作り込ま
れる構造体の側面の結晶面が(110)面に垂直となる
ような(111)面で形成されるように異方性エッチン
グを行ったためである。
The mass 4 has a parallelogram shape with an acute angle of 70.53 degrees and an obtuse angle of 109.47 degrees. The reason for such an angle is that the anisotropic etching was performed so that the crystal plane on the side surface of the structure to be formed on the wafer was formed in the (111) plane perpendicular to the (110) plane. is there.

【0015】次に、図1に示す加速度センサの動作につ
いて図2を用いて説明する。図2において、10および
11は、質量体4と固定電極7、および質量体4と固定
電極6とが形成するコンデンサ、12はAC信号源、1
3は反転増幅器、14はコンデンサ10とコンデンサ1
1とを有する加速度センサ素子、15はチャージアン
プ、16は同期検波器などの復調器、17はLPFから
なるフィルタである。今、y軸正の方向に外力を加えた
とする。この時、加速度センサにはy軸負の方向に慣性
力をうけるので質量体4はy軸負の方向に変位する。質
量体4には、電極が形成されているので質量体4は、可
動電極とみることができる。この質量体4の変位によ
り、質量体4と、固定電極6と固定電極7とがなすコン
デンサの静電容量が慣性力を受ける前に比べ変化をおこ
す。この様子を図2(a)に、また図2(a)をコンデ
ンサ10、および11に置き換えたものを図2(b)に
示す。また、加速度センサ素子14を用いて加速度を検
出するための検出回路の一例を図2(c)で図示する。
検出回路の一例としては、発振周波数の変化を調べる回
路、コンデンサの容量変化に伴うインピーダンス変化を
取り出す回路、電化蓄積の差動量を電圧に変換する回路
などがある。ここでは、質量体4の変位によるコンデン
サの容量変化に伴うインピーダンス変化を計測しその値
から加速度を算出するような回路の構成について説明す
る。
Next, the operation of the acceleration sensor shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, 10 and 11 are capacitors formed by the mass body 4 and the fixed electrode 7 and between the mass body 4 and the fixed electrode 6, 12 is an AC signal source, 1
3 is an inverting amplifier, 14 is a capacitor 10 and a capacitor 1
1, 15 is a charge amplifier, 16 is a demodulator such as a synchronous detector, and 17 is a filter composed of an LPF. Now, assume that an external force is applied in the positive direction of the y-axis. At this time, since the inertial force is applied to the acceleration sensor in the negative y-axis direction, the mass body 4 is displaced in the negative y-axis direction. Since an electrode is formed on the mass body 4, the mass body 4 can be regarded as a movable electrode. Due to the displacement of the mass body 4, the capacitance of the capacitor formed by the mass body 4, the fixed electrode 6 and the fixed electrode 7 changes as compared to before the capacitor receives an inertial force. FIG. 2A shows this state, and FIG. 2B shows a state in which FIG. 2A is replaced with capacitors 10 and 11. An example of a detection circuit for detecting acceleration using the acceleration sensor element 14 is shown in FIG.
Examples of the detection circuit include a circuit for examining a change in oscillation frequency, a circuit for extracting a change in impedance due to a change in the capacitance of a capacitor, and a circuit for converting a differential amount of electrified charge into a voltage. Here, a description will be given of a configuration of a circuit that measures a change in impedance due to a change in capacitance of a capacitor due to displacement of the mass body 4 and calculates acceleration from the value.

【0016】図2(c)に上記検出回路の一例を示す。
AC信号源12と反転増幅器13により固定電極6と、
固定電極7とにそれぞれ位相の反転した電圧を加える。
固定電極6と質量体4との電極間距離と、固定電極7と
質量体4との電極間距離との和を2d、質量体4の平衡
状態(外力が加わらない状態)からの変位をΔdとする
と差動容量ΔCおよび質量体4に流れる電流Iは次式で
表される。 ΔC ≒ 2C0×Δd/d ( Δd《d のとき )・・・・(1) I = jω×ΔC×V ・・・・(2) ここで、 C0: 平衡状態における固定電極6または固定電極7と質量体4と がなすコンデンサの静電容量 I : 質量体4に流れる電流 V : AC信号源12の電圧 ω : AC信号源12の角周波数 t : 時間 質量体4に流れる電流をチャージアンプ15により検出
し、これを電圧に変換する。これに後段の同期検波器な
どからなる復調器16により復調される。この後、LP
Fなどのフィルタ17を通して質量体4の変位による2
つのコンデンサの差動容量変化に比例した電圧信号を出
力する。本発明に係わる加速度センサは、このように加
速度に応じて差動容量が変化するので、その差動容量の
変化にともない出力される電圧信号により加速度を検出
する構成となっている。さらに、梁3と質量体4とがウ
エハ面内で180度の回転対称となるような形状をもつ
ことより、質量体4は、y軸方向の慣性力に対して平行
に変位することができ、質量体4が平行に変位すること
により、質量体4の変位する量を大きくすることができ
るため、質量体4と、固定電極6および7とがなすコン
デンサの静電容量の変化を大きくすることができる。
FIG. 2C shows an example of the detection circuit.
The fixed electrode 6 is formed by the AC signal source 12 and the inverting amplifier 13,
A voltage whose phase is inverted is applied to the fixed electrode 7.
The sum of the inter-electrode distance between the fixed electrode 6 and the mass body 4 and the inter-electrode distance between the fixed electrode 7 and the mass body 4 is 2d, and the displacement of the mass body 4 from the equilibrium state (state in which no external force is applied) is Δd. Then, the differential capacitance ΔC and the current I flowing through the mass body 4 are expressed by the following equations. ΔC ≒ 2C0 × Δd / d (when Δd << d) (1) I = jω × ΔC × V (2) where C0: fixed electrode 6 or fixed electrode 7 in an equilibrium state The capacitance of a capacitor formed by the mass 4 and the current I: the current flowing through the mass 4 V: the voltage of the AC signal source 12 ω: the angular frequency of the AC signal source 12 t: time The current flowing through the mass 4 is charged by the charge amplifier 15 And converts this to a voltage. The signal is demodulated by a demodulator 16 including a synchronous detector at the subsequent stage. After this, LP
F due to displacement of the mass body 4 through a filter 17 such as F
It outputs a voltage signal proportional to the change in the differential capacitance of the two capacitors. An acceleration sensor according to the present invention, since such differential capacitance changes according to acceleration as has a configuration for detecting acceleration by the voltage signal output with the change in the differential capacitance. Furthermore, since the beam 3 and the mass body 4 have a shape having a rotational symmetry of 180 degrees in the wafer plane, the mass body 4 can be displaced in parallel to the inertial force in the y-axis direction. The displacement of the mass body 4 can be increased by displacing the mass body 4 in parallel, so that the change in the capacitance of the capacitor formed by the mass body 4 and the fixed electrodes 6 and 7 is increased. be able to.

【0017】図3に前記構成の加速度センサの製造方法
について説明する。図3において、18および19は酸
化膜、20は単結晶シリコンからなり結晶面が(11
0)面を有するデバイスウエハ、21はエッチング溝、
22および23は酸化膜または窒化膜などからなるパッ
シベーション膜、24はp型またはn型の不純物拡散
層、25は加速度を検出するための検出回路IC、26
は検出回路IC25を組み込むためのシリコンIC基
板、27はボンディングワイヤーである。まず、デバイ
スウエハ20上に厚さ3μm程度の酸化膜18を堆積し
た後、半導体リソグラフィー技術を用いて酸化膜18上
にパターンを形成する。その後ドライエッチングまたは
ウエットエッチングにより酸化膜18表面から2μmか
ら3μm程度の深さをもつエッチング溝21を形成す
る。また、エッチング溝21は完成後の質量体4および
梁3を自由に振動させるためのものであるから、基板9
上の酸化膜19の上にエッチング溝21を設けてもよ
い。その後、このデバイスウエハ20と酸化膜19を堆
積した基板9を融合接合(ヒュージョンボンディング)
技術を用いて両者を接合する(図3(a))。
FIG. 3 illustrates a method of manufacturing the acceleration sensor having the above-described configuration . In FIG. 3, 18 and 19 are oxide films, 20 is single crystal silicon, and the crystal plane is (11).
0) a device wafer having a surface, 21 an etching groove,
22 and 23 are passivation films made of an oxide film or a nitride film, 24 is a p-type or n-type impurity diffusion layer, 25 is a detection circuit IC for detecting acceleration, 26
Is a silicon IC substrate for incorporating the detection circuit IC 25, and 27 is a bonding wire. First, after an oxide film 18 having a thickness of about 3 μm is deposited on the device wafer 20, a pattern is formed on the oxide film 18 using a semiconductor lithography technique. Thereafter, an etching groove 21 having a depth of about 2 μm to 3 μm from the surface of oxide film 18 is formed by dry etching or wet etching. Further, since the etching groove 21 is for freely vibrating the completed mass body 4 and the beam 3, the substrate 9
An etching groove 21 may be provided on the upper oxide film 19. Thereafter, the device wafer 20 and the substrate 9 on which the oxide film 19 is deposited are fused and bonded (fusion bonding).
The two are joined using a technique (FIG. 3A).

【0018】次に、デバイスウエハ20の表面を研磨し
デバイスウエハ20の厚さを所望する厚さに調節する
(図3(b))。この後、デバイスウエハ20の表面を
保護するためにパッシベーション膜22、および基板9
の表面を保護するためにパッシベーション膜23をCV
D法(LPCVD、PECVDなど)やスパッタ法によ
りデバイスウエハ20、および基板9の表面に形成す
る。その後、パッシベーション膜22の表面に加速度セ
ンサを構成する構造体の平面図パターンをドライエッチ
ング(例えば、反応性イオンエッチング(RIE)な
ど)で形成する。
Next, the surface of the device wafer 20 is polished to adjust the thickness of the device wafer 20 to a desired thickness (FIG. 3B). Thereafter, the passivation film 22 and the substrate 9 are protected to protect the surface of the device wafer 20.
Passivation film 23 to protect the surface of
It is formed on the surfaces of the device wafer 20 and the substrate 9 by the D method (LPCVD, PECVD, etc.) or the sputtering method. Thereafter, a plan view pattern of the structure constituting the acceleration sensor is formed on the surface of the passivation film 22 by dry etching (for example, reactive ion etching (RIE)).

【0019】但し、パッシベーション膜22の表面に加
速度センサのパターンを形成する際、デバイスウエハ2
0の結晶面方位を考慮にいれておく必要がある。これ
は、デバイスウエハ20にエッチング処理を施す際に垂
直方向のエッチングの進行が横方向のエッチングのエッ
チングの進行よりも速く、エッチング処理終了後には、
垂直または垂直に近い断面形状が得られれば、デバイス
ウエハ20により形成される固定電極6と質量体4とが
なす電極面間のギャップ、および固定電極7と質量体4
とがなす電極面間のギャップの広がりを抑えることがで
き、かつエッチングにより形成される電極面がデバイス
ウエハ20の表面に対してともに垂直となるような構造
となるためである。
However, when forming the pattern of the acceleration sensor on the surface of the passivation film 22, the device wafer 2
It is necessary to take into account the crystal plane orientation of 0. This is because when the etching process is performed on the device wafer 20, the progress of the vertical etching is faster than the progress of the horizontal etching, and after the etching process is completed,
If a vertical or nearly vertical cross-sectional shape is obtained, the gap between the electrode surfaces formed by the fixed electrode 6 and the mass body 4 formed by the device wafer 20, and the fixed electrode 7 and the mass body 4
This makes it possible to suppress the expansion of the gap between the electrode surfaces, and to form a structure in which the electrode surfaces formed by etching are both perpendicular to the surface of the device wafer 20.

【0020】このような垂直方向のエッチングの進行が
横方向のエッチングのエッチングの進行よりも速く、エ
ッチング処理終了後には、デバイスウエハ20の表面に
対し、垂直となる断面形状が得られるようなエッチング
方法を異方性エッチングという。表面の結晶面が(11
0)である単結晶シリコンをエッチングする際、エッチ
ング液の浸透により形成される側面の結晶面が(11
0)面に対して垂直となる(111)面となるようにエ
ッチングを行ったときエッチング液の横方向の進行をか
なり抑えることが可能となることが知られている。この
ため、結晶の表面が(110)であるデバイスウエハ2
0において異方性エッチングを行うためには、エッチン
グ液の浸透により形成される側面の結晶面がデバイスウ
エハ20の表面の結晶面である(110)面に対して垂
直となるような(111)面となる結晶面の面方位を調
べておく必要がある。
The progress of the etching in the vertical direction is faster than the progress of the etching in the lateral direction, and after the etching process is completed, the etching is performed such that a cross-sectional shape perpendicular to the surface of the device wafer 20 is obtained. The method is called anisotropic etching. The crystal plane of the surface is (11
When the single crystal silicon (0) is etched, the crystal plane on the side surface formed by permeation of the etching solution is (11).
It is known that when etching is performed so that the (111) plane is perpendicular to the (0) plane, it is possible to considerably suppress the lateral progress of the etchant. Therefore, the device wafer 2 whose crystal surface is (110)
In order to perform anisotropic etching at 0, the (111) crystal plane on the side surface formed by the infiltration of the etchant is perpendicular to the (110) plane, which is the crystal plane of the surface of the device wafer 20. It is necessary to check the plane orientation of the crystal plane to be a plane.

【0021】結晶面(111)の面方位を調べる方法と
して、デバイスウエハ20の結晶方向を確認するために
デバイスウエハ20に付けられたメジャーフラット(方
位マーク)をもとにして(111)面を調べる方法があ
る。または、結晶面が(110)であるデバイスウエハ
20のパッシベーション膜22の上にあらかじめ面方位
を調べるための例えば角度を0.1度づつずらせたいく
つかの矩形状のパターンを形成し、これらのパターンに
エッチングを行い、横方向のエッチングの進行速度が最
小となる面を採用するようにしてもよい(図示せず)。
As a method of examining the plane orientation of the crystal plane (111), the (111) plane is determined based on a major flat (orientation mark) attached to the device wafer 20 in order to confirm the crystal orientation of the device wafer 20. There is a way to find out. Alternatively, on the passivation film 22 of the device wafer 20 having a crystal plane of (110), several rectangular patterns for examining the plane orientation are formed by shifting the angles by, for example, 0.1 degrees in advance. Etching may be performed on the pattern to adopt a surface that minimizes the speed of the lateral etching (not shown).

【0022】このように、異方性エッチングにより形成
される側面の結晶面が(110)面に対し垂直となるよ
うな(111)面となるようにデバイスウエハ20のパ
ッシベーション膜22上に加速度センサを構成する構造
体および固定電極のパターンを形成した後、異方性エッ
チング液(例えば、KOH、TMAH、ヒドラジン、C
sOHなど)を用いてパッシベーション膜22のパター
ン面からデバイスウエハ20と酸化膜18の境界に到達
するまで異方性エッチングを行う。この工程により加速
度センサの基本的構成要素である振動体と、固定電極6
と、固定電極7とを有する構造体が、同一のデバイスウ
エハ20から形成される(図3(c))。異方性エッチ
ングの深さは、製造する加速度センサの電極間のギャッ
プと、エッチングレートの選択比(シリコンの(11
0)面のエッチングレートとシリコンの(111)面の
エッチングレートとの比)と、加速度センサの構造と、
要求性能とにより適切な値が選ばれる。静電容量の変化
から加速度を検出する加速度センサにおいては、電極間
ギャップを小さくすることにより電極間容量を大きくす
ることが、感度を高めるために重要である。形成される
電極間のギャップは、パターニング精度と、エッチング
レートの選択比と、エッチングの深さとに依存する。こ
のためパターニング精度と、エッチングレートの選択比
とを一定値とすると、形成される電極間のギャップの最
小値は、エッチングの深さにより決めることができる。
よって、同じ厚みをもつウエハの異方性エッチングで
も、一方向からの異方性エッチングを行うのと両面から
異方性エッチングを行うのとでは、後者の方が横方向の
エッチングの進行をより抑えることができる。よって、
図3(a)工程において、酸化膜18上にエッチング溝
21を形成した後、エッチング溝21をもつ表面に構造
体のパターンをもつ窒化膜をマスクとしてウエハの厚み
の半分程度の厚みを異方性エッチングを用いてあらかじ
めエッチングしておくのもよい(図示せず)。
As described above, the acceleration sensor is formed on the passivation film 22 of the device wafer 20 so that the crystal plane of the side surface formed by the anisotropic etching becomes the (111) plane perpendicular to the (110) plane. After forming the structure and the pattern of the fixed electrode, the anisotropic etching solution (for example, KOH, TMAH, hydrazine, C
Anisotropic etching is performed using sOH or the like until the pattern surface of the passivation film 22 reaches the boundary between the device wafer 20 and the oxide film 18. By this step, the vibrating body, which is a basic component of the acceleration sensor, and the fixed electrode 6
And a structure having the fixed electrode 7 are formed from the same device wafer 20 (FIG. 3C). The depth of the anisotropic etching depends on the gap between the electrodes of the acceleration sensor to be manufactured and the selectivity of the etching rate ((11
Ratio between the 0) plane etching rate and the silicon (111) plane etching rate), the structure of the acceleration sensor,
An appropriate value is selected depending on the required performance. In an acceleration sensor that detects acceleration from a change in capacitance, it is important to increase the inter-electrode capacitance by reducing the inter-electrode gap to increase the sensitivity. The gap between the formed electrodes depends on the patterning accuracy, the selectivity of the etching rate, and the etching depth. Therefore, assuming that the patterning accuracy and the selection ratio of the etching rate are constant values, the minimum value of the gap between the formed electrodes can be determined by the etching depth.
Therefore, even when anisotropic etching of a wafer having the same thickness is performed, anisotropic etching is performed from one direction and anisotropic etching is performed from both surfaces. Can be suppressed. Therefore,
In the step shown in FIG. 3A, after forming an etching groove 21 on the oxide film 18, a half of the thickness of the wafer is anisotropically formed using a nitride film having a pattern of a structure on the surface having the etching groove 21 as a mask. It may be preliminarily etched using a reactive etching (not shown).

【0023】次に、デバイスウエハ20からエッチング
により形成された構造体において、その表面のパッシベ
ーション膜22をエッチングにより除去し、p型または
n型の不純物を構造体の表面及び側面に拡散しp型また
はn型の不純物拡散層24を形成する。構造体の表面お
よび側面に不純物拡散層24を形成することにより、固
定電極6、固定電極7および振動体の導電率を高くする
ことができる。ただし、不純物拡散層24を形成する工
程は、デバイスウエハ20の材質である単結晶シリコン
の導電率が高い場合は省略してもよい。その後、振動体
の梁3と質量体4とを支持している酸化膜18をエッチ
ングにより除去し梁3と質量体4とを解放する(図3
(d))。そしてデバイスウエハ20から形成される構
造体の振動体、固定電極6および固定電極7の上に金属
電極8をスパッタ装置などにより選択メタライズする
(図3(e))。
Next, in the structure formed by etching from the device wafer 20, the passivation film 22 on the surface is removed by etching, and p-type or n-type impurities are diffused to the surface and side surfaces of the structure to form p-type impurities. Alternatively, an n-type impurity diffusion layer 24 is formed. By forming the impurity diffusion layer 24 on the surface and side surface of the structure, the conductivity of the fixed electrode 6, the fixed electrode 7, and the vibrator can be increased. However, the step of forming the impurity diffusion layer 24 may be omitted when the conductivity of the single crystal silicon as the material of the device wafer 20 is high. Thereafter, the oxide film 18 supporting the beam 3 and the mass body 4 of the vibrating body is removed by etching to release the beam 3 and the mass body 4 (FIG. 3).
(D)). Then, the metal electrode 8 is selectively metallized on the vibrating body of the structure formed from the device wafer 20, the fixed electrode 6 and the fixed electrode 7 by a sputtering device or the like (FIG. 3E).

【0024】次に、別に用意された、加速度を検出する
ための検出回路をIC化した検出回路IC25を組み込
んだシリコンIC基板26をダイボンディング剤を用い
て上述の工程により作成された加速度センサ素子14の
上に接合する。または、シリコンの低温融合接合技術を
用いて加速度センサ素子14と接合してもよい。ここで
シリコンの低温融合接合技術を用いるのは検出回路IC
25が熱破壊をおこさないようにするためである(図3
(g))。その後、ボンディングワイヤー27を用いて
構造体、および検出回路IC25の上の金属電極8を配
線する。そしてダイシングにより個々の加速度センサに
分離する。このダイシングの工程は、検出回路IC25
を組み込んだシリコンIC基板26と加速度センサ素子
14とを接合する前に行ってもよい。
Next, a silicon IC substrate 26 incorporating a separately prepared detection circuit IC25 in which a detection circuit for detecting acceleration is integrated is mounted on an acceleration sensor element formed by the above-described process using a die bonding agent. 14 on. Alternatively, it may be joined to the acceleration sensor element 14 by using a low-temperature fusion joining technique of silicon. Here, the detection circuit IC uses the low-temperature fusion bonding technology of silicon.
25 is to prevent thermal destruction (see FIG. 3).
(G)). After that, the structure and the metal electrode 8 on the detection circuit IC 25 are wired using the bonding wire 27. Then, they are separated into individual acceleration sensors by dicing. This dicing step is performed by the detection circuit IC25.
It may be performed before the silicon IC substrate 26 incorporating the semiconductor device and the acceleration sensor element 14 are joined.

【0025】または、上述のように加速度を検出するた
めの検出回路をIC化した検出回路IC25を組み込ん
だシリコンIC基板26を別に用意するのではなく、デ
バイスウエハ20にあらかじめ検出回路IC25を組み
込んでおくのでもよい。組み込みの方法として、図3
(b)工程の終了後デバイスウエハ20の上に検出回路
IC25を鏡面化された面に作り込めばよい。または、
初めからデバイスウエハ20にIC化された検出回路I
C25を組込んでおくのでもよい。上述のように図3
(b)工程、つまりデバイスウエハ20の表面を研磨
し、デバイスウエハ20の厚さを所望する厚さに調節し
た後、デバイスウエハ20の上に検出回路IC25を鏡
面化された面に組み込み、パッシベーション膜22を堆
積し、加速度センサのパターンを形成し、異方性エッチ
ングにより振動体、固定電極6、固定電極7、およびシ
リコンIC基板26を形成する。その後、パッシベーシ
ョン膜22を除去し、異方性エッチングにより外気にさ
らされた酸化膜18をエッチングにより除去することに
より梁3と質量体4とを解放する。その後、金属電極8
を形成し、ボンディングワイヤー27を用いて構造体お
よび検出回路IC25の上の金属電極8を配線する(図
3(f))。このような方法を用いると検出回路IC2
5を組み込んだシリコンIC基板26を基板9に接合す
る工程を省略することができる。
Alternatively, instead of separately preparing a silicon IC substrate 26 on which a detection circuit IC25 in which a detection circuit for detecting acceleration is integrated as described above is mounted, the detection circuit IC25 is mounted on the device wafer 20 in advance. You may put it. Fig. 3
(B) After the process is completed, the detection circuit IC 25 may be formed on the device wafer 20 on a mirror-finished surface. Or
Detection circuit I integrated from device wafer 20 from the beginning
C25 may be incorporated. As described above, FIG.
Step (b), that is, after polishing the surface of the device wafer 20 and adjusting the thickness of the device wafer 20 to a desired thickness, the detecting circuit IC 25 is mounted on the mirrored surface on the device wafer 20 and passivation is performed. The film 22 is deposited, an acceleration sensor pattern is formed, and the vibrator, the fixed electrode 6, the fixed electrode 7, and the silicon IC substrate 26 are formed by anisotropic etching. Thereafter, the beam 3 and the mass body 4 are released by removing the passivation film 22 and removing the oxide film 18 exposed to the outside air by anisotropic etching. Then, the metal electrode 8
Is formed, and the metal electrodes 8 on the structure and the detection circuit IC 25 are wired using the bonding wires 27 (FIG. 3F). When such a method is used, the detection circuit IC2
The step of bonding the silicon IC substrate 26 incorporating the substrate 5 to the substrate 9 can be omitted.

【0026】また次のような方法を用いても加速度セン
サは、製造することができる。これを図4を用いて説明
する。これは、デバイスウエハ20の上に酸化膜18を
堆積しパターン化しエッチングにより酸化膜18上にエ
ッチング溝21を形成するかわりに、デバイスウエハ2
0自体をエッチングすることによりデバイスウエハ20
にエッチング溝21を形成し、その後に酸化膜18を熱
酸化やスパッタ法CVD法を用いてデバイスウエハ20
の上に堆積させる(図4(a))。その後、シリコンの
融合接合を用いて基板9と接合する(図4(b))。そ
の後は、図3(c)工程以降の工程をとることによって
も加速度センサを製造することが可能となる。この方法
のようにデバイスウエハ20自体に適当な深さをもつエ
ッチング溝21をエッチング技術により形成し、その深
さを調整(例えば、数百μm)することにより、図3
(b)の工程、つまりデバイスウエハ20の表面を研磨
しその厚さを調節する工程を省略することができる。
The acceleration sensor can be manufactured by using the following method. This will be described with reference to FIG. That is, instead of depositing and patterning the oxide film 18 on the device wafer 20 and forming an etching groove 21 on the oxide film 18 by etching, the device wafer 2
The device wafer 20 by etching itself.
An etching groove 21 is formed in the device wafer 20. Thereafter, the oxide film 18 is formed on the device wafer 20 by thermal oxidation or sputtering.
(FIG. 4A). Then, it is bonded to the substrate 9 using silicon fusion bonding (FIG. 4B). Thereafter, the acceleration sensor can be manufactured also by taking steps after the step of FIG. By forming an etching groove 21 having an appropriate depth in the device wafer 20 by an etching technique and adjusting the depth (for example, several hundred μm) as shown in FIG.
The step (b), that is, the step of polishing the surface of the device wafer 20 and adjusting its thickness can be omitted.

【0027】基板9の材質はシリコンとしたが、ガラス
(例えば、アルミノ珪酸塩、ホウ珪酸系のガラスなどの
ようなシリコンの線膨張係数に近い材質)などを基板9
の材料に用いてもよい。このガラスからなる基板9を用
いて加速度センサを製造する工程の一例を図5を用いて
説明する。図5において、28は酸化膜または窒化膜な
どからなるパッシベーション膜である。
Although the material of the substrate 9 is silicon, glass (for example, a material close to the linear expansion coefficient of silicon such as aluminosilicate or borosilicate glass) may be used.
Material may be used. An example of a process for manufacturing an acceleration sensor using the glass substrate 9 will be described with reference to FIG. In FIG. 5, reference numeral 28 denotes a passivation film made of an oxide film or a nitride film.

【0028】検出回路IC25をあらかじめ組み込んだ
デバイスウエハ20にパッシベーション膜28を堆積
し、エッチングを用いてエッチング溝21を形成する
(図5(a))。次にパッシベーション膜28を除去し
た後、陽極接合を用いてデバイスウエハ20と基板9と
を接合する(図5(b))。または、基板9とデバイス
ウエハ20とを直接陽極接合するのではなく、酸化膜ま
たは窒化膜などからなる絶縁膜を介して基板9とデバイ
スウエハ20とを陽極接合するのでもよい。その後、異
方性エッチングによりデバイスウエハ20から構造体
と、シリコンIC基板26とを作る(図5(c))。パ
ッシベーション膜22を除去し、構造体に金属電極8を
選択メタライズする(図5(d))。あるいは異方性エ
ッチングをするためにパッシベーション膜22に構造体
とシリコンIC基板26のパターンを形成する前に金属
電極8のパターンを形成し、リフトオフによりCr、A
uなどからなる金属電極8を形成してもよい。
A passivation film 28 is deposited on the device wafer 20 in which the detection circuit IC 25 has been incorporated in advance, and an etching groove 21 is formed by etching (FIG. 5A). Next, after removing the passivation film 28, the device wafer 20 and the substrate 9 are bonded using anodic bonding (FIG. 5B). Alternatively, instead of directly anodically bonding the substrate 9 and the device wafer 20, the substrate 9 and the device wafer 20 may be anodically bonded via an insulating film such as an oxide film or a nitride film. Thereafter, a structure and a silicon IC substrate 26 are formed from the device wafer 20 by anisotropic etching (FIG. 5C). The passivation film 22 is removed, and the metal electrode 8 is selectively metallized on the structure (FIG. 5D). Alternatively, in order to perform anisotropic etching, a pattern of the metal electrode 8 is formed on the passivation film 22 before the pattern of the structure and the silicon IC substrate 26 is formed.
A metal electrode 8 made of u or the like may be formed.

【0029】次に上述したいずれかの方法により製造さ
れた加速度センサをパッケージ収納した状態の平面図と
側面図(図6及び図7)を示す。図6および図7におい
て、29はリードピン、30はステム、31はキャッ
プ、32は接着剤である。図示したものは、検出回路I
C25を組み込んだシリコンIC基板26が加速度セン
サ素子14の上に接合された加速度センサをパッケージ
したもの(図6)、および検出回路IC25をデバイス
ウエハ20に組み込んで製造した加速度センサをパッケ
ージ(図7)したものである。検出回路をIC化してい
ない場合は、ハイブリッドIC用のセラミック基板上に
検出回路IC25を除いた加速度センサの構成部分と、
検出回路を構成するディスクリート電子部品からなる検
出回路とをマウントしこれをパッケージしてもよい(図
示せず)。キャップ31内には、センサの周波数特性を
調整する場合、必要に応じて圧力媒体(例えば、ある特
定圧力の空気、窒素またはAr等の不活性ガス)や液体
(例えば、シリコンオイルなど)を封入すればよい。
Next, a plan view and a side view (FIGS. 6 and 7) of a state in which the acceleration sensor manufactured by any of the above-described methods is packaged are shown. 6 and 7, 29 is a lead pin, 30 is a stem, 31 is a cap, and 32 is an adhesive. The one shown is the detection circuit I
A package in which an acceleration sensor in which a silicon IC substrate 26 in which C25 is incorporated is bonded on the acceleration sensor element 14 is packaged (FIG. 6), and an acceleration sensor in which the detection circuit IC 25 is incorporated in a device wafer 20 is packaged (FIG. 7). ). When the detection circuit is not integrated, the components of the acceleration sensor except for the detection circuit IC25 on the ceramic substrate for the hybrid IC;
A detection circuit composed of discrete electronic components constituting the detection circuit may be mounted and packaged (not shown). When adjusting the frequency characteristics of the sensor, a pressure medium (for example, an inert gas such as air, nitrogen or Ar at a certain pressure) or a liquid (for example, silicon oil) is sealed in the cap 31 as necessary. do it.

【0030】加速度センサをパッケージする工程は、微
細なごみや埃が加速度センサの電極間に入り込むことに
より加速度センサに悪影響を与えることがあるので、こ
の工程を行う際には、クリーンな環境で行う必要があ
る。またダイシングの工程で発生する切り屑による汚染
から加速度センサを守る必要もある。
In the step of packaging the acceleration sensor, fine dust and dust may enter between the electrodes of the acceleration sensor and adversely affect the acceleration sensor. Therefore, it is necessary to perform this step in a clean environment. There is. It is also necessary to protect the acceleration sensor from contamination by chips generated in the dicing process.

【0031】また、図8に示すような構成にしてもよ
い。図8において、33は補助支持部、34は保護基
板、35はエッチング溝である。また保護基板34に
は、エッチング溝35、および金属電極8と向い合う部
分に穴が形成されている。図8のように補助支持部33
を加速度センサ素子14の側面を取り囲むように(検出
回路IC25が同基板上に作られている場合これを含
む)形成し、ガラスなどからなる保護基板34を補助支
持部33と陽極接合することにより加速度センサは汚染
防止される。陽極接合する際、補助支持部33を陽極と
し、保護基板34を陰極として陽極接合をする。また
は、基板9の材質がガラスである場合、基板9を陽極と
し、保護基板34を陰極として陽極接合をするのでもよ
い。または基板9および補助支持部33を陽極とし、保
護基板34を陰極として陽極接合するのでもよい。保護
基板34には、酸化膜または窒化膜などの絶縁膜を有す
るシリコンを用いてもよい。絶縁膜を有するシリコンか
らなる保護基板34を用いる場合は、補助支持部33と
の接合にシリコンの低温融合接合を用いて接合してもよ
い。陽極接合の際には、加速度センサの周波数特性の最
適化を行うために不活性ガスを導入したり、内部圧力を
調整することがある。また補助支持部33に電気的に接
地するための電極を設けて接地することにより、浮遊容
量を安定化することができ、静電シールドとして利用す
ることもできる(図示せず)。
Further, a configuration as shown in FIG. 8 may be adopted. In FIG. 8, reference numeral 33 denotes an auxiliary support portion, reference numeral 34 denotes a protective substrate, and reference numeral 35 denotes an etching groove. Further, holes are formed in the protection substrate 34 at portions facing the etching grooves 35 and the metal electrodes 8. As shown in FIG.
Is formed so as to surround the side surface of the acceleration sensor element 14 (including the detection circuit IC 25 if the detection circuit IC 25 is formed on the same substrate), and the protection substrate 34 made of glass or the like is anodically bonded to the auxiliary support portion 33. The acceleration sensor is prevented from being contaminated. When performing anodic bonding, anodic bonding is performed using the auxiliary support portion 33 as an anode and the protective substrate 34 as a cathode. Alternatively, when the material of the substrate 9 is glass, anodic bonding may be performed using the substrate 9 as an anode and the protective substrate 34 as a cathode. Alternatively, anodic bonding may be performed using the substrate 9 and the auxiliary support portion 33 as anodes and the protective substrate 34 as cathodes. As the protective substrate 34, silicon having an insulating film such as an oxide film or a nitride film may be used. When the protection substrate 34 made of silicon having an insulating film is used, the low-temperature fusion bonding of silicon may be used for bonding with the auxiliary support portion 33. During anodic bonding, an inert gas may be introduced or the internal pressure may be adjusted to optimize the frequency characteristics of the acceleration sensor. In addition, by providing an electrode for electrically grounding the auxiliary support portion 33 and grounding it, stray capacitance can be stabilized and can be used as an electrostatic shield (not shown).

【0032】こうして作られた補助支持部33と保護基
板34を有する加速度センサの構造体は検出回路IC2
5またはディスクリート部品からなる検出回路とともに
セラミックスなどからなる基板上にマウントされ、簡易
なプラスチックパッケージに収納することが可能となる
(図示せず)。これにより、加速度センサのパッケージ
のコストを下げることが可能となり、より低コストの加
速度センサを提供することが可能となる。
The structure of the acceleration sensor having the auxiliary support portion 33 and the protection substrate 34 thus formed is a detection circuit IC2.
5 and a detection circuit comprising discrete components are mounted on a substrate made of ceramics or the like, and can be housed in a simple plastic package (not shown). Thereby, the cost of the package of the acceleration sensor can be reduced, and a lower-cost acceleration sensor can be provided.

【0033】図8にみられるように、保護基板34の質
量体4の鉛直上方付近に位置する部分には、あらかじめ
ウエットエッチングなどによりエッチング溝35が設け
られており質量体4の上下方向の過大な変位を防ぐスト
ッパの機能をもつ。エッチング溝35は質量体4と梁3
とを自由に振動させるためのものであるからデバイスウ
エハ20にエッチング溝35を設けてもよい。
As shown in FIG. 8, an etching groove 35 is provided in advance in a portion of the protective substrate 34 in the vicinity of the vertically above the mass 4 by wet etching or the like, so that the mass 4 is excessively large in the vertical direction. It has the function of a stopper that prevents a large displacement. The etching groove 35 includes the mass 4 and the beam 3
Therefore, an etching groove 35 may be provided in the device wafer 20.

【0034】参考例2. 図9の加速度センサにおいて、36は加速度センサの周
波数特性を調節するためのダンピング調節機構である。
慣性力により質量体4が変位する際、変位方向に直角な
全ての質量体4の側面は、周囲の媒体(周波数特性を調
整するために封入した圧力媒体や液体など)により抵抗
力をうける。この抵抗力は、質量体4の振動方向に垂直
な側面の面積が大きいほど、大きくなる。図1の加速度
センサにおいて、固定電極6および固定電極7は質量体
4に対向するように配置しているので、これらの構成自
体ダンピング調節機能を有しているといえる。しかし、
図1で構成される加速度センサにおける質量体4の振動
方向に垂直な側面の面積だけでは、希望する抵抗力がえ
られない場合がある。
Reference Example 2 In the acceleration sensor of FIG. 9, reference numeral 36 denotes a damping adjustment mechanism for adjusting the frequency characteristics of the acceleration sensor.
When the mass body 4 is displaced by the inertial force, the side surfaces of all the mass bodies 4 perpendicular to the direction of displacement are subjected to a resistive force by a surrounding medium (a pressure medium or a liquid sealed to adjust the frequency characteristics). This resistance increases as the area of the side surface perpendicular to the vibration direction of the mass body 4 increases. In the acceleration sensor of FIG. 1, since the fixed electrode 6 and the fixed electrode 7 are arranged so as to face the mass body 4, it can be said that these components themselves have a damping adjustment function. But,
The desired resistance may not be obtained only by the area of the side surface of the acceleration sensor shown in FIG. 1 that is perpendicular to the vibration direction of the mass body 4.

【0035】図9の加速度センサは、質量体4の振動方
向に垂直な側面の面積を増やすために、質量体4の相向
かう2辺を櫛形の形状にし、かつこの櫛形の形状に向か
い合う櫛形形状のダンピング調整機構36を設けたもの
である。これにより構造体の表面の結晶面(110)面
に対し35.26度の角度をなす新たな(111)面の
結晶面を生じる。これは、構造体の表面の結晶面である
(110)面と垂直になる2つの(111)面のなす角
度が70.53度をとなる部分に異方性エッチングを行
うことにより形成される。参考例1では(110)面と
35.26度の角度をなす(111)面が生じないよう
に設計している。異方性エッチングを行うことにより
(110)面と35.26度の角度をなす(111)面
が形成される場合、この面が質量体4の運動を妨げない
ように設計しなければならない。
In the acceleration sensor shown in FIG. 9, in order to increase the area of the side surface perpendicular to the vibration direction of the mass body 4, two opposing sides of the mass body 4 are formed in a comb shape, and the comb shape is opposed to the comb shape. Is provided with the damping adjustment mechanism 36 of FIG. As a result, a new (111) crystal plane is formed at an angle of 35.26 degrees with respect to the crystal plane (110) of the surface of the structure. This is formed by performing anisotropic etching on a portion where the angle between two (111) planes perpendicular to the (110) plane, which is the crystal plane of the surface of the structure, is 70.53 degrees. . In Reference Example 1 , the design is made so that the (111) plane that forms an angle of 35.26 degrees with the (110) plane does not occur. When the (111) plane which forms an angle of 35.26 degrees with the (110) plane is formed by performing anisotropic etching, it must be designed such that this plane does not hinder the movement of the mass body 4.

【0036】加速度センサの質量体4が慣性力により変
位する際に受ける抵抗力は、質量体4の振動方向に垂直
な側面の面積に比例する。よって、櫛形形状のダンピン
グ調節機構36と質量体4の櫛の本数と長さを調節する
ことにより質量体4の受ける抵抗力を調節することが可
能となり、これより図10のように加速度センサの周波
数特性を任意に調節してやること(例えば、臨界減衰状
態:ζ=0.707、ζ:減衰係数)が可能となる。ま
た、この周波数特性はパッケージ内の気体圧力を変えた
り、粘性がある液体を封入することにより調整すること
も可能である。
The resistive force received when the mass body 4 of the acceleration sensor is displaced by inertial force is proportional to the area of the side surface of the mass body 4 perpendicular to the vibration direction. Therefore, by adjusting the comb-shaped damping adjusting mechanism 36 and the number and length of the combs of the mass body 4, it is possible to adjust the resistance force received by the mass body 4. It is possible to arbitrarily adjust the frequency characteristic (for example, critical attenuation state: ζ = 0.707, ζ: attenuation coefficient). This frequency characteristic can also be adjusted by changing the gas pressure in the package or by filling a viscous liquid.

【0037】このように櫛形構造のダンピング調節機構
36と質量体4のなす櫛形のペアのうち少なくとも1つ
のペアのギャップをある一定値に設計することにより、
過大な衝撃加速度により質量体4が大変位することによ
る梁3の破壊、または質量体4と固定電極の静電引力に
よる吸着を防止するストッパの機能も備えることが可能
となる。以上のように櫛形構造をもつダンピング調節機
構36および質量体4を設けることにより周波数特性、
耐衝撃性、信頼性に優れた加速度センサを提供すること
が可能となる。
By designing the gap of at least one pair of the comb-shaped pair formed by the comb-shaped damping adjusting mechanism 36 and the mass body 4 to a certain value,
It is also possible to provide a stopper function for preventing the beam 3 from breaking due to the large displacement of the mass body 4 due to excessive impact acceleration, or preventing the mass body 4 and the fixed electrode from being attracted by electrostatic attraction. As described above, by providing the damping adjusting mechanism 36 having the comb-shaped structure and the mass body 4, the frequency characteristics,
It is possible to provide an acceleration sensor excellent in impact resistance and reliability.

【0038】参考例3. 参考例 3の加速度センサの一例を図11に示す。図11
において、38および39は櫛形の固定電極、40はア
クチュエート用電極である。質量体4の櫛は、質量体4
の櫛と隣り合う固定電極39の櫛とのギャップを、一方
が他方よりも小さくなるような非対称な配置をしてい
る。これは、慣性力により質量体4が変位する際、質量
体4の櫛と隣合う固定電極39とのギャップが小さい部
分で形成されるコンデンサが、質量体4の櫛と隣合う固
定電極39の櫛とのギャップが大きい部分で形成される
コンデンサよりも、その静電容量を十分大きく変化させ
ることができるようにギャップの値を設計しているから
である。これより、質量体4の櫛と、隣り合う固定電極
39の櫛とのギャップが、一方が他方よりも小さくなる
部分で櫛形電極ペア37を形成しており、1組の櫛形電
極ペアでコンデンサを形成している。また、質量体4の
櫛と隣り合う固定電極38の櫛とにも同じ関係がある。
また、質量体4と固定電極38とがなす櫛形電極ペア3
7のギャップを質量体4と固定電極6との電極間のギャ
ップに等しくし、かつ質量体4と固定電極39とがなす
櫛形電極ペア37のギャップを質量体4と固定電極7と
の電極間のギャップに等しくしている。さらに、固定電
極6と固定電極38とを外部で電気的に接続し、かつ固
定電極7と固定電極39とを外部で電気的に接続してい
る。または、はじめから固定電極6と固定電極38とを
共通にし、かつ固定電極7と固定電極39とを共通にし
てもよい。
Reference Example 3 FIG. 11 shows an example of the acceleration sensor of Reference Example 3. FIG.
In the figures, 38 and 39 are comb-shaped fixed electrodes, and 40 is an actuating electrode. The comb of the mass 4 is
And the gap between the adjacent comb of the fixed electrode 39 and the comb of the adjacent fixed electrode 39 are arranged asymmetrically such that one is smaller than the other. This is because, when the mass body 4 is displaced by the inertial force, the capacitor formed in a portion where the gap between the comb of the mass body 4 and the adjacent fixed electrode 39 is small is smaller than the capacitor of the fixed electrode 39 adjacent to the comb of the mass body 4. This is because the value of the gap is designed so that the capacitance can be changed sufficiently larger than that of a capacitor formed in a portion having a large gap with the comb. Thus, the gap between the comb of the mass body 4 and the comb of the adjacent fixed electrode 39 forms a comb-shaped electrode pair 37 in a portion where one is smaller than the other, and the capacitor is formed by one comb-shaped electrode pair. Has formed. The same relationship exists between the comb of the mass body 4 and the comb of the adjacent fixed electrode 38.
Further, the comb-shaped electrode pair 3 formed by the mass body 4 and the fixed electrode 38
7 is equal to the gap between the mass body 4 and the fixed electrode 6, and the gap between the comb-shaped electrode pair 37 formed by the mass body 4 and the fixed electrode 39 is set between the mass body 4 and the fixed electrode 7. Is equal to the gap. Further, the fixed electrode 6 and the fixed electrode 38 are electrically connected externally, and the fixed electrode 7 and the fixed electrode 39 are electrically connected externally. Alternatively, the fixed electrode 6 and the fixed electrode 38 may be made common from the beginning, and the fixed electrode 7 and the fixed electrode 39 may be made common.

【0039】コンデンサの容量の変化から加速度を検出
する場合、質量体4と固定電極とが形成するコンデンサ
の静電容量が大きい程、加速度をより高感度に検出する
ことが可能である。またコンデンサの静電容量は、電極
面積に比例する。よって固定電極38および固定電極3
9と、質量体4とを櫛形にし、かつ質量体4と、固定電
極38とで形成される櫛形電極ペア37のギャップを質
量体4と固定電極6とのギャップに等しく設定し、かつ
質量体4と固定電極39とで形成される櫛形電極ペア3
7のギャップを質量体4と固定電極7とのギャップに等
しく設定し、かつ櫛形電極ペア37の数を増やすことに
より限られた面積内(素子のサイズが同じであったとし
ても)でコンデンサの静電容量を増加させることが可能
となる。固定電極38および固定電極39を櫛形電極で
構成することにより、固定電極38および固定電極39
は、ダンピング調節機能と、コンデンサの静電容量を増
加させる機能とを合わせもつことになる。よって、櫛形
電極ペア37のペア数の設計においては、両者を考慮に
入れて設計する必要がある。
When the acceleration is detected from the change in the capacitance of the capacitor, the acceleration can be detected with higher sensitivity as the capacitance of the capacitor formed by the mass body 4 and the fixed electrode is larger. The capacitance of the capacitor is proportional to the electrode area. Therefore, the fixed electrode 38 and the fixed electrode 3
9, the mass body 4 is comb-shaped, and the gap between the comb-shaped electrode pair 37 formed by the mass body 4 and the fixed electrode 38 is set to be equal to the gap between the mass body 4 and the fixed electrode 6; Comb-shaped electrode pair 3 formed by 4 and fixed electrode 39
7 is set to be equal to the gap between the mass body 4 and the fixed electrode 7 and the number of comb-shaped electrode pairs 37 is increased so that the capacitance of the capacitor is limited within a limited area (even if the element size is the same). It is possible to increase the capacitance. By composing the fixed electrode 38 and the fixed electrode 39 with a comb-shaped electrode, the fixed electrode 38 and the fixed electrode 39 are formed.
Has a function of adjusting the damping and a function of increasing the capacitance of the capacitor. Therefore, in designing the number of pairs of the comb-shaped electrode pairs 37, it is necessary to take the both into consideration.

【0040】また図11では、質量体4に空洞を設け、
その中にアクチュエート用電極40を設けている。これ
により加速度センサに自己診断機能をもたせることが可
能である。つまり、アクチュエート用電極40と質量体
4との間に電位差を生じさせると静電引力により質量体
は変位をする。この静電引力は加速度センサに外力を与
えたのに見かけ上等しく、加速度センサの質量体4がこ
れにより確実に変位するかどうかをコンデンサの容量変
化にともない出力された値から診断することができる。
この意味で加速度センサにはアクチュエート用電極40
を設けることにより自己診断機能をもたせることが可能
となる。または、固定電極38の一部を電気的に切り離
すことによりアクチュエート用電極とすることができ
る。このアクチュエート用電極40は、図1、図8、図
9および後述する図12、図13、図16に対しても適
用することが可能となる。また、固定電極6と固定電極
38、または固定電極7と固定電極39のいずれかのペ
アを他方のペアに対して若干質量体4寄りに配置するこ
とにより質量体4の変位を制限するストッパとすること
も可能である。
In FIG. 11, a cavity is provided in the mass body 4,
An actuating electrode 40 is provided therein. This allows the acceleration sensor to have a self-diagnosis function. That is, when a potential difference is generated between the actuating electrode 40 and the mass body 4, the mass body is displaced by electrostatic attraction. This electrostatic attraction is apparently the same as when an external force is applied to the acceleration sensor, and it can be diagnosed from the value output with the change in the capacitance of the capacitor whether or not the mass body 4 of the acceleration sensor is reliably displaced by this. .
In this sense, the acceleration electrode 40 is provided in the acceleration sensor.
It is possible to provide a self-diagnosis function by providing the function. Alternatively, a part of the fixed electrode 38 can be electrically disconnected to form an actuating electrode. The actuating electrode 40 can be applied to FIGS. 1, 8, and 9 and FIGS. 12, 13, and 16 described later. Further, a stopper that limits displacement of the mass body 4 by disposing any pair of the fixed electrode 6 and the fixed electrode 38 or the pair of the fixed electrode 7 and the fixed electrode 39 slightly closer to the mass body 4 with respect to the other pair. It is also possible.

【0041】参考例4. 参考例 4の加速度センサの一例を図12に示す。図12
において41は質量体突き出し部である。図12のよう
に梁3を質量体4から突き出さず、質量体4の一辺にそ
った形にすることで加速度センサをより小型に製造する
ことが可能となる。また、振動体に質量体突き出し部4
1を設けることで、梁3とおよびアンカー5とこの質量
体突き出し部41との間隔を梁3と固定電極との間隔よ
りも小さい値に設計することによりセルフストッパとす
ることが可能である。
Reference Example 4 FIG. 12 shows an example of the acceleration sensor of Reference Example 4. FIG.
Is a mass projecting portion. By making the beam 3 not protrude from the mass body 4 as shown in FIG. 12 but along one side of the mass body 4, the acceleration sensor can be manufactured more compactly. The vibrating body has a mass projecting portion 4.
By providing 1, the self-stopper can be achieved by designing the distance between the beam 3 and the anchor 5 and the mass projecting portion 41 to be smaller than the distance between the beam 3 and the fixed electrode.

【0042】図13は、図12に改良を加えたものであ
る。図13において、42は質量体4の質量を調整する
ための質量体質量調整ホールである。図13は、櫛形の
固定電極6および固定電極7と、ダンピング調節機構3
6と、アクチュエート用電極40と、質量体質量調整ホ
ール42とを設けたものである。この質量体質量調整ホ
ール42の大きさにより質量体4の質量を調節すること
ができる。これより、梁3の長さを変えずに加速度セン
サの周波数特性と、感度の調節とを質量体質量調整ホー
ル42の大きさを変化させることで実行することができ
る。
FIG. 13 is an improvement of FIG. In FIG. 13, reference numeral 42 denotes a mass body mass adjustment hole for adjusting the mass of the mass body 4. FIG. 13 shows a comb-shaped fixed electrode 6 and a fixed electrode 7 and a damping adjustment mechanism 3.
6, an actuating electrode 40, and a mass body mass adjusting hole 42. The mass of the mass body 4 can be adjusted by the size of the mass body mass adjustment hole 42. Thus, the frequency characteristics and the sensitivity of the acceleration sensor can be adjusted by changing the size of the mass adjusting hole 42 without changing the length of the beam 3.

【0043】参考例5. 図14は、質量体4の内側に梁3とアンカー5とを作っ
たものである。これまでの参考例のように構造体がアン
カーを2つ有する場合、基板9と構造体との材質が異な
る場合、線膨張係数が異なるため温度変化により基板9
と振動体の2つのアンカー4に生じるひずみから梁3に
応力を生じるといった問題がある。振動体をこのような
構造にすると、基板9と線膨張係数が異なっても基板9
とアンカーに生じるひずみにより梁3が応力を受けると
いうことはない。
Reference Example 5 FIG. 14 shows a structure in which the beam 3 and the anchor 5 are formed inside the mass body 4. In the case where the structure has two anchors as in the previous reference examples , when the material of the substrate 9 is different from that of the structure, the coefficient of linear expansion is different, and thus the substrate 9 is changed by temperature change.
In addition, there is a problem that a stress is generated in the beam 3 due to strain generated in the two anchors 4 of the vibrating body. When the vibrating body has such a structure, even if the substrate 9 has a different linear expansion coefficient,
The beam 3 is not stressed by the strain generated in the anchor.

【0044】参考例6. 図15は変位可能な方向が互いに直交する2つの加速度
センサを同一の基板上に製造したものである。図15に
おいて、43はx軸方向の加速度を検出するためのx軸
方向加速度センサ、44はy軸方向の加速度を検出する
ためのy軸方向加速度センサである。これによりx軸お
よびy軸の2軸の加速度を測定することが可能となる。
Reference Example 6 FIG. 15 shows two acceleration sensors whose displaceable directions are orthogonal to each other manufactured on the same substrate. In FIG. 15, reference numeral 43 denotes an x-axis direction acceleration sensor for detecting acceleration in the x-axis direction, and reference numeral 44 denotes a y-axis direction acceleration sensor for detecting acceleration in the y-axis direction. This makes it possible to measure accelerations in two axes, x-axis and y-axis.

【0045】実施の形態1. 実施の形態は、回転運動をする物体の角速度を検知す
ることが可能な角速度センサであり、本発明による角速
度センサを示すものである。図16は、回転運動をする
物体の角速度を検知する角速度センサの構成を示す平面
図(a)とそのF−Fでの断面図(b)である。図16
において、45は駆動電極、46および47は振動モニ
タ用電極、並びに48および49は下部固定電極であ
る。この角速度センサの振動体は、4つの梁3、2つの
質量体4、および3つのアンカー5を備えている。ま
た、この角速度センサの構造体は、振動体と駆動電極4
5、振動モニタ用固定電極46および振動モニタ用電極
47を備えている。このセンサの具体的な構造は、振動
体において電気的に電位が等しい2つの質量体4の間に
固定電極である駆動電極45を配置し、各質量体4の外
側には振動モニタ用固定電極46、および振動モニタ用
固定電極47を配置したものである。この角速度センサ
は、振動体と、駆動電極45と、振動モニタ用固定電極
46と、振動モニタ用固定電極47とを有する構造体を
同一ウエハから異方性エッチングにより作っている。さ
らに各質量体4の下面に位置する基板9上には、質量体
4の振動を検出するための下部固定電極48と、下部固
定電極49とを設けたものである。また加速度センサと
同様に補助支持部33に電気的に接地するための電極を
設けて接地することにより、浮遊容量を安定化すること
ができ、静電シールドとして利用することもできる(図
示せず)。
Embodiment 1 Embodiment 1 is an angular velocity sensor capable of detecting an angular velocity of an object the rotational movement, angular velocity according to the present invention
9 shows a degree sensor . FIG. 16 is a plan view (a) showing a configuration of an angular velocity sensor for detecting an angular velocity of a rotating object, and a sectional view (b) of FIG. FIG.
In the figure, 45 is a drive electrode, 46 and 47 are vibration monitoring electrodes, and 48 and 49 are lower fixed electrodes. The vibrating body of this angular velocity sensor includes four beams 3, two masses 4, and three anchors 5. The structure of the angular velocity sensor is composed of a vibrating body and a driving electrode 4.
5, a vibration monitoring fixed electrode 46 and a vibration monitoring electrode 47 are provided. The specific structure of this sensor is such that a driving electrode 45 as a fixed electrode is arranged between two masses 4 having the same electric potential in the vibrating body, and a vibration monitoring fixed electrode is provided outside each mass 4. 46 and a fixed electrode 47 for vibration monitoring. In this angular velocity sensor, a structure having a vibrating body, a drive electrode 45, a vibration monitoring fixed electrode 46, and a vibration monitoring fixed electrode 47 is formed from the same wafer by anisotropic etching. Further, a lower fixed electrode 48 for detecting vibration of the mass body 4 and a lower fixed electrode 49 are provided on the substrate 9 located on the lower surface of each mass body 4. Further, by providing an electrode for electrically grounding the auxiliary support portion 33 and grounding the same as the acceleration sensor, the stray capacitance can be stabilized and can be used as an electrostatic shield (not shown). ).

【0046】次に、この角速度センサの動作を図17を
用いて説明する。図17において、50および51は質
量体4と、下部固定電極48および49とで構成される
コンデンサ、52はDCバイアス電圧源、53はAGC
(オートゲインコントロール)回路、54はC−V(容
量ー電圧)変換器、58はAC電圧源である。駆動電極
45に接続されたAC電圧源58とバイアスのためのD
Cバイアス電圧源52とにより、2つの質量体4は駆動
電極45との間に生じる静電引力により互いに180度
の位相差をもってAC電圧源58の周波数に応じて励起
振動する。このとき図の平面図に示す水平軸方向の角速
度ベクトルΩxがある場合、すなわち角速度センサが、
水平軸のまわりに回転運動することにより生じる角速度
Ωxがある場合、質量体4には図16(b)F−F断面
図に示す方向に慣性力としてのコリオリ力が発生する。
よって、回転運動をする場合、このセンサの質量体4
は、AC電圧源58による励起振動と、回転運動により
生じたコリオリ力による振動とを重畳した振動をする。
また、AC電圧源58により生じた静電引力による励起
振動の方向と、回転運動により生じたコリオリ力による
振動の方向とは互いに直交する。
Next, the operation of the angular velocity sensor will be described with reference to FIG. In FIG. 17, reference numerals 50 and 51 denote capacitors constituted by the mass body 4 and lower fixed electrodes 48 and 49; 52, a DC bias voltage source;
(Auto gain control) circuit, 54 is a CV (capacitance-voltage) converter, and 58 is an AC voltage source. AC voltage source 58 connected to drive electrode 45 and D for bias
With the C bias voltage source 52, the two mass bodies 4 are excited and oscillated according to the frequency of the AC voltage source 58 with a phase difference of 180 degrees due to an electrostatic attraction generated between the two mass bodies 4 and the drive electrode 45. At this time, when there is an angular velocity vector Ωx in the horizontal axis direction shown in the plan view of FIG.
In the case where there is an angular velocity Ωx caused by the rotational movement about the horizontal axis, Coriolis force as inertia force is generated in the mass body 4 in the direction shown in FIG.
Therefore, when rotating, the mass 4 of this sensor is used.
Vibrates in such a manner that the vibration excited by the AC voltage source 58 and the vibration caused by the Coriolis force generated by the rotational motion are superimposed.
The direction of the excitation vibration caused by the electrostatic attraction generated by the AC voltage source 58 and the direction of the vibration caused by the Coriolis force generated by the rotational motion are orthogonal to each other.

【0047】質量体4の励起振動によるy方向の変位u
y、y方向の速度uy’に以下の関係があるとする。 uy = A×sin(ωrT) ・・・・・・・・・(3) uy’= A×ωr×cos(ωrT) ・・・・・・・・・(4) A : 質量体4のy方向の最大変位 ωr: 質量体4のy方向振動の角周波数 回転運動をするとき、質量体4は、uy’に比例するコ
リオリ力Fcを生じ、その方向は図16に図示した通り
である。コリオリ力Fcは、測定対象の角速度をΩx、
各質量体4の質量をmとすると Fc = 2Ωx×m×uy’ ・・・・・・・・・(5) なる関係がある。また、コリオリ力Fcとz方向の変位
uzとの関係は、z方向の剛性率をkzとすると Fc = kz×uz ・・・・・・・・・(6) なる関係がある。これら(6)、(7)の2式より uz = (2Ωx×m×uy’)/kz ・・・・・・・・・(7) となる。これより質量体4と下部固定電極48との間の
静電容量、並びに質量体4と下部固定電極49との間の
静電容量の変化が励起振動で変調された形で変化するこ
とが分かる。この様子を図17(a)に、またこの等価
回路を図17(b)に図示する。また角速度を検出する
ための検出回路構成の一例を図17(c)に示す。
The displacement u in the y direction due to the excitation vibration of the mass body 4
It is assumed that the speed uy ′ in the y and y directions has the following relationship. uy = A × sin (ωrT) (3) uy ′ = A × ωr × cos (ωrT) (4) A: y of the mass body 4 Maximum displacement in direction ωr: angular frequency of y-direction vibration of mass body 4 When rotating, the mass body 4 generates a Coriolis force Fc proportional to uy ′, the direction of which is as shown in FIG. The Coriolis force Fc is expressed as follows:
Assuming that the mass of each mass body 4 is m, there is the following relationship: Fc = 2Ωx × mxuy ′ (5) Further, the relationship between the Coriolis force Fc and the displacement uz in the z direction is as follows, where the rigidity in the z direction is kz: Fc = kz × uz (6) From these two equations (6) and (7), uz = (2Ωx × mxuy ′) / kz (7) From this, it can be seen that the change in the capacitance between the mass body 4 and the lower fixed electrode 48 and the change in the capacitance between the mass body 4 and the lower fixed electrode 49 change in a form modulated by the excitation vibration. . FIG. 17A shows this state, and FIG. 17B shows this equivalent circuit. FIG. 17C shows an example of a detection circuit configuration for detecting the angular velocity.

【0048】2つの質量体4のy方向の励起振動変位u
yは、お互いに位相が180度ずれているため、2つの
質量体に働くコリオリ力Fcの位相もお互いに180度
ずれる。よって、質量体4と下部固定電極48とがなす
コンデンサの容量、並びに質量体4と下部固定電極49
とがなすコンデンサの容量は一方が増加すれば他方は減
少する。この差動容量変化に比例した電圧を図17
(c)で示す回路でとりだす。この検出回路は、図2
(c)と基本的な構成は同じである。異なる点は、質量
体を一定振幅で励起振動させるため、DCバイアス電圧
源52、AC電圧源58とAGC(オートゲインコント
ロール)回路53、振動モニター用電極46および振動
モニタ用電極47を有する点である。またC−V(容量
ー電圧)変換器54は、図2(c)の12、13、1
5、16、17で形成される回路で表される。
The excitation vibration displacement u in the y direction of the two mass bodies 4
Since y is 180 degrees out of phase with each other, the phases of the Coriolis forces Fc acting on the two mass bodies are also 180 degrees out of phase with each other. Therefore, the capacitance of the capacitor formed by the mass body 4 and the lower fixed electrode 48, and the mass body 4 and the lower fixed electrode 49
The capacitance of the capacitor formed by one increases when the other increases and the other decreases. The voltage proportional to the change in the differential capacitance is shown in FIG.
The circuit is taken out as shown in FIG. This detection circuit is shown in FIG.
The basic configuration is the same as (c). The difference is that a DC bias voltage source 52, an AC voltage source 58, an AGC (auto gain control) circuit 53, a vibration monitor electrode 46, and a vibration monitor electrode 47 are provided to excite and vibrate the mass body at a constant amplitude. is there. Further, the CV (capacitance-voltage) converter 54 is provided with the components 12, 13, 1 in FIG.
It is represented by a circuit formed by 5, 16, and 17.

【0049】次に、この回転運動をする物体の角速度を
検出する角速度センサの製造工程の一例を図18により
説明する。図18は基板9の材質がガラス(例えば、ア
ルミノ珪酸塩、ホウ珪酸系のガラスなどのようなシリコ
ンの線膨張係数に近い材質)である場合の角速度センサ
の製造工程を示す図である。このセンサの製造工程は、
直線運動する物体の加速度を検出する加速度センサの製
造工程と共通している点が多い。ここで、梁3は、その
幅と、厚さとを等しくする必要がある。なぜなら、y軸
方向の振動の駆動周波数は、検出感度を上げるため、そ
の振動方向の構造上の共振点またはその付近を利用する
ため、この周波数で変調されるz軸方向の構造上の共振
点と共通にしておくのが望ましいからである。
Next, an example of a manufacturing process of an angular velocity sensor for detecting the angular velocity of the rotating object will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a view showing a manufacturing process of the angular velocity sensor when the material of the substrate 9 is glass (for example, a material close to the linear expansion coefficient of silicon such as aluminosilicate or borosilicate glass). The manufacturing process of this sensor is
There are many points in common with the manufacturing process of an acceleration sensor for detecting the acceleration of a linearly moving object. Here, the beam 3 needs to have the same width and thickness. This is because the driving frequency of the vibration in the y-axis direction uses the structural resonance point in the vibration direction or its vicinity in order to increase the detection sensitivity. This is because it is desirable to keep them common.

【0050】まず、デバイスウエハ20上にフォトリソ
グラフィーおよびエッチングによりエッチング溝21を
設け、その後エッチング溝21を設けた表面に酸化膜1
8を形成する。この場合、角速度検出の感度は、質量体
4と下部固定電極48および49とが形成するコンデン
サ容量に依存する。エッチング溝21は質量体4の変位
できる量を規定する。つまり検出感度はエッチング溝2
1の深さに依存するため、数μm(例えば、2μmから
3μm)程度とする。一方、基板9に下部固定電極48
および下部固定電極49を蒸着またはスパッタなどによ
り選択メタライズする(図18(a))。またはリフト
オフにより金属電極8を形成するのでもよい。この後、
デバイスウエハ20と基板9をアライメントし、陽極接
合をする。次に、デバイスウエハ20の厚みを調整す
る。y軸方向の振動の駆動周波数は、検出感度を上げる
ため、その振動方向の構造上の共振点またはその付近を
利用するため、この周波数で変調されるz軸方向の構造
上の共振点と共通にしておくのが望ましい。よって、デ
バイスウエハ20の厚みは、デバイスウエハ20から形
成される梁3の幅と同じになるように調整してやるとよ
い(図18(b))。または、質量体4の質量を調整す
るために質量体4に質量体質量調整ホール42(図示せ
ず)を設けることにより、角速度センサの周波数特性と
感度とを調節することも可能である。
First, an etching groove 21 is formed on a device wafer 20 by photolithography and etching, and then an oxide film 1 is formed on the surface where the etching groove 21 is formed.
8 is formed. In this case, the sensitivity of the angular velocity detection depends on the capacitance of the capacitor formed by the mass body 4 and the lower fixed electrodes 48 and 49. The etching groove 21 defines an amount by which the mass body 4 can be displaced. That is, the detection sensitivity is the etching groove 2
Since it depends on the depth of 1, the thickness is about several μm (for example, 2 μm to 3 μm). On the other hand, the lower fixed electrode 48
Then, the lower fixed electrode 49 is selectively metallized by vapor deposition or sputtering (FIG. 18A). Alternatively, the metal electrode 8 may be formed by lift-off. After this,
The device wafer 20 and the substrate 9 are aligned, and anodic bonding is performed. Next, the thickness of the device wafer 20 is adjusted. The drive frequency of the vibration in the y-axis direction is common to the resonance point in the z-axis direction which is modulated by this frequency in order to utilize the resonance point in or near the structure in the vibration direction in order to increase the detection sensitivity. It is desirable to keep. Therefore, the thickness of the device wafer 20 may be adjusted to be the same as the width of the beam 3 formed from the device wafer 20 (FIG. 18B). Alternatively, it is also possible to adjust the frequency characteristics and sensitivity of the angular velocity sensor by providing a mass body mass adjustment hole 42 (not shown) in the mass body 4 for adjusting the mass of the mass body 4.

【0051】また、基板9がシリコンからなる場合、基
板9と下部固定電極48および下部固定電極49との間
を絶縁する必要があるため、基板9の表面に酸化膜また
は窒化膜からなる絶縁膜を堆積し、下部固定電極48お
よび下部固定電極49のパターンを形成後、蒸着または
スパッタなどにより下部固定電極48および下部固定電
極49を選択メタライズする。または、下部固定電極4
8および下部固定電極49のレジストパターンを形成後
蒸着またはスパッタを行いリフトオフにより下部固定電
極48および下部固定電極49を形成するのでもよい。
または、酸化膜または窒化膜などからなる絶縁膜をマス
クとして基板9自体にp型またはn型の不純物を拡散さ
せることにより形成される不純物拡散層を下部固定電極
48および49としてもよい(図示せず)。この後、デ
バイスウエハ20と基板9をアライメントし、低温融合
接合により両者を接合する。
When the substrate 9 is made of silicon, it is necessary to insulate the substrate 9 from the lower fixed electrode 48 and the lower fixed electrode 49. Therefore, an insulating film made of an oxide film or a nitride film is formed on the surface of the substrate 9. After the pattern of the lower fixed electrode 48 and the lower fixed electrode 49 is formed, the lower fixed electrode 48 and the lower fixed electrode 49 are selectively metallized by vapor deposition or sputtering. Or lower fixed electrode 4
After forming the resist pattern of the lower fixed electrode 8 and the lower fixed electrode 49, the lower fixed electrode 48 and the lower fixed electrode 49 may be formed by vapor deposition or sputtering and lift-off.
Alternatively, impurity diffusion layers formed by diffusing p-type or n-type impurities into the substrate 9 itself using an insulating film made of an oxide film or a nitride film as a mask may be used as the lower fixed electrodes 48 and 49 (not shown). Zu). Thereafter, the device wafer 20 and the substrate 9 are aligned, and both are joined by low-temperature fusion joining.

【0052】次に、デバイスウエハ20の表面にPEC
VDまたはスパッタなどにより窒化膜または酸化膜など
からなるパッシベーション膜22を堆積させた後、パタ
ーニングする(図18(c))。この際、次の工程でデ
バイスウエハ20をエッチングする際に異方性エッチン
グを利用する場合、デバイスウエハ20の結晶方向を考
慮して行わなければならない。結晶方向を調べる方法、
および異方性エッチングについては、既に述べたので、
ここでは省略する。
Next, PEC is applied to the surface of the device wafer 20.
After depositing a passivation film 22 made of a nitride film or an oxide film by VD or sputtering or the like, patterning is performed (FIG. 18C). In this case, when anisotropic etching is used when etching the device wafer 20 in the next step, the etching must be performed in consideration of the crystal direction of the device wafer 20. How to find the crystal direction,
Since the anisotropic etching has already been described,
Here, it is omitted.

【0053】次に、異方性エッチング液によるウエット
エッチング、またはドライエッチング(例えば、反応性
イオンエッチング(RIE)法など)を用いてデバイス
ウエハ20を異方性エッチングすることにより振動体、
駆動電極45、振動モニタ用固定電極46、および振動
モニタ用固定電極47を有する構造体、並びに補助支持
部54を作り、パッシベ−ション膜22を除去し、蒸着
またはスパッタなどにより金属電極8を選択メタライズ
する(図18(d))。あるいは異方性エッチングをす
るためにパッシベーション膜22に構造体とシリコンI
C基板26のパターンを形成する前に金属電極8のパタ
ーンを形成し、リフトオフによりCr、Auなどからな
る金属電極8を形成してもよい。
Next, the vibrating body is formed by anisotropically etching the device wafer 20 using wet etching with an anisotropic etching solution or dry etching (for example, reactive ion etching (RIE)).
A structure having a driving electrode 45, a vibration monitoring fixed electrode 46, and a vibration monitoring fixed electrode 47, and an auxiliary support portion 54 are formed, the passivation film 22 is removed, and the metal electrode 8 is selected by vapor deposition or sputtering. Metallize (FIG. 18D). Alternatively, the structure and the silicon I are formed on the passivation film 22 to perform anisotropic etching.
The pattern of the metal electrode 8 may be formed before the pattern of the C substrate 26 is formed, and the metal electrode 8 made of Cr, Au, or the like may be formed by lift-off.

【0054】次に、減圧雰囲気(例えば真空または真空
に近い状態)で、エッチング溝35および金属電極8と
向い合う部分に穴を設けた保護基板34(この例では材
質はガラス)と、デバイスウエハ20とを陽極接合す
る。陽極接合する際、補助支持部33を陽極とし、保護
基板34を陰極として陽極接合をする。または、基板9
の材質がガラスである場合、基板9を陽極とし、保護基
板34を陰極として陽極接合をするのでもよい。また
は、基板9および補助支持部33を陽極とし、保護基板
34を陰極として陽極接合するのでもよい。保護基板3
4がシリコンである場合、低温融合接合する。回転運動
する物体の角速度を検出する角速度センサにおいては、
質量体の共振現象を利用するため質量体とその他の電極
との間に生じるダンピング(例えば、空気粘性によるダ
ンピングまたはスクイーズダンピングなど)を極力抑え
る必要がある。よって保護基板34のエッチング溝35
とデバイスウエハ20のエッチング溝21によりできた
質量体4の周りの空洞部は、真空または真空に近い状態
であることが望ましい(図18(e))。
Next, in a reduced pressure atmosphere (for example, in a vacuum or a state close to a vacuum), a protection substrate 34 (in this example, the material is glass) having a hole at a portion facing the etching groove 35 and the metal electrode 8, and a device wafer And 20 are anodically bonded. When performing anodic bonding, anodic bonding is performed using the auxiliary support portion 33 as an anode and the protective substrate 34 as a cathode. Or, the substrate 9
When the material is glass, anodic bonding may be performed using the substrate 9 as an anode and the protective substrate 34 as a cathode. Alternatively, anodic bonding may be performed using the substrate 9 and the auxiliary support portion 33 as anodes and the protective substrate 34 as cathodes. Protection substrate 3
When 4 is silicon, low temperature fusion bonding is performed. In an angular velocity sensor that detects the angular velocity of a rotating object,
In order to utilize the resonance phenomenon of the mass body, it is necessary to minimize damping (for example, damping due to air viscosity or squeeze damping) generated between the mass body and other electrodes. Therefore, the etching groove 35 of the protection substrate 34
The cavity around the mass body 4 formed by the etching grooves 21 of the device wafer 20 is desirably in a vacuum or in a state close to a vacuum (FIG. 18E).

【0055】以上の工程により回転運動をする物体の角
速度を検出する角速度センサの構造体が完成する。この
工程は、前述の直線運動する物体の加速度を検出する加
速度センサの製造工程と共通部分が多いので、直線運動
する物体の加速度を検出する加速度センサの製造工程を
用いて回転運動をする物体の角速度を検出する角速度セ
ンサを製造することが可能である。また角速度を検出す
るための検出回路IC25を基板9に作り込むことも可
能である。
Through the above steps, the structure of the angular velocity sensor for detecting the angular velocity of the rotating object is completed. This step has many parts in common with the aforementioned manufacturing process of the acceleration sensor for detecting the acceleration of the linearly-moving object, and therefore, the manufacturing process of the acceleration sensor for detecting the acceleration of the linearly-moving object is used. It is possible to manufacture an angular velocity sensor for detecting an angular velocity. Further, a detection circuit IC 25 for detecting the angular velocity can be formed on the substrate 9.

【0056】また、回転運動をする物体の角速度を検出
する2つの角速度センサにおいて、AC電圧源58によ
る振動励起方向が互いに直交するように同一基板上に配
置することにより回転方向が異なる2軸に対して角速度
を検出することができる角速度センサができる(図示せ
ず)。
In two angular velocity sensors for detecting the angular velocity of a rotating object, two vibration axes having different rotation directions are arranged on the same substrate so that the vibration excitation directions by the AC voltage source 58 are orthogonal to each other. On the other hand, an angular velocity sensor capable of detecting the angular velocity is provided (not shown).

【0057】また、実施の形態の角速度センサと参考
1から参考例5に述べた少なくともいずれか1つの
速度センサを同一基板上に作り込むことにより回転運動
による角速度と直線運動による加速度とを検出すること
が可能な角速度センサができる。(図示せず)
The angular velocity sensor according to the first embodiment and the reference
Angular velocity sensor capable of detecting the acceleration due to angular velocity and the linear motion by the rotary motion by at least one of the pressurized <br/> speed sensor as described in Reference Example 5 from Example 1 fabricated on the same substrate it can. (Not shown)

【0058】[0058]

【発明の効果】この発明の第1の構成による角速度セン
は、基板と、該基板に接合し、かつ単結晶シリコンか
らなるウエハをエッチングすることにより作られた構造
体とを備え、該構造体は、前記基板に対し空隙を有して
位置する2つの質量体と、該質量体のそれぞれを支持
し、かつ前記基板に対し空隙を有して位置する梁と、該
梁を支持し、かつ前記基板に接合するアンカーとを備え
た振動体、前記各質量体の外側に位置する振動モニタ用
固定電極、前記各質量体の間に位置する固定電極、およ
び前記質量体の下面に位置する下部固定電極を備え、
前記質量体を可動電極とし、該可動電極の変位を電気
的に検出することを特徴とする角速度センサにおいて、
前記構造体の周囲に補助支持部と、該補助支持部の上に
前記構造体を密閉するための保護基板とを備え、前記保
護基板には、前記構造体が密閉されたままで、前記
量体と前記梁とが振動自在となる溝と、前記アンカー及
び前記固定電極に各々設けた金属電極と向かい合う部
分のみに穴とを設け、上記質量体の回りの空洞部を減圧
雰囲気としたので、信頼性の高い角速度センサが得られ
ると共に、パッケージのコストを下げることが可能とな
る。
The angular velocity sensor according to the first configuration of the present invention.
Sa includes a substrate, and bonded to the substrate, and a wafer made of monocrystalline silicon and a made structure by etching, the structure is located a gap with respect to the substrate 2 One of the mass body, and supporting a respective said mass body, and a beam positioned with a gap with respect to the substrate, the vibrating body having a anchor supports the beams, and is bonded to the substrate, the For vibration monitor located outside each mass
A fixed electrode, a fixed electrode located between the masses, and a lower fixed electrode located on the lower surface of each mass,
An angular velocity sensor , wherein each of the mass bodies is a movable electrode, and the displacement of the movable electrode is electrically detected.
An auxiliary supporting portion around the structure, and a protective substrate for sealing said structure over said auxiliary supporting unit, the protective substrate, while the structure is closed, each quality A groove in which the mass body and the beam can freely vibrate, and a hole provided only in a portion facing the metal electrode provided in each of the anchor and each of the fixed electrodes, and a cavity around the mass body is provided. Since the reduced pressure atmosphere is used, a highly reliable angular velocity sensor can be obtained, and the cost of the package can be reduced.

【0059】この発明の第2の構成による角速度センサ
は、第1の構成において、前記補助支持部が前記構造体
と分離しており、前記補助支持部に電極を設け、補助支
持部を接地したので、浮遊容量を安定化することができ
る効果がある。
In the angular velocity sensor according to the second configuration of the present invention, in the first configuration, the auxiliary support portion is separated from the structure, and the auxiliary support portion is provided with an electrode, Since the section is grounded, there is an effect that stray capacitance can be stabilized.

【0060】この発明の角速度センサの製造方法は下記
の(1)から(4)の工程を含むもので、高感度、高信
頼性の角速度センサを提供することが可能となる。
た、質量体とその他の電極との間に生じるダンピングを
抑制できる効果がある。 (1) 2つの下部固定電極が形成された基板と、表面
の結晶面が(110)面であり、かつ2つのエッチング
溝を有する単結晶シリコンからなるウエハとを、前記エ
ッチング溝と前記下部固定電極とが対向するように接合
する工程、 (2) 前記ウエハの前記エッチング溝を有する面の背
面に絶縁膜を堆積し、該絶縁膜に希望するパターンを得
るためにエッチングを用いて不要な絶縁膜を除去した
後、異方性エッチングを用いて前記ウエハの(111)
面に沿ってエッチングすることにより、前記基板に対し
空隙を有して位置する2つの質量体と、該質量体のそれ
ぞれを支持し、かつ前記基板に対し空隙を有して位置す
る梁と、該梁を支持し、かつ前記基板に接合するアンカ
ーとを備えた振動体、前記各質量体の外側に位置する振
動モニタ用固定電極、前記質量体のに位置する固定
電極、及び前記振動体と前記固定電極とからなる構造
体の周囲に位置する補助支持部を形成する工程 (3) 前記アンカーと前記固定電極との上に金属電
極を選択メタライズする工程 (4) 前記質量体と前記梁とが振動自在となる溝
と、前記アンカー及び前記固定電極に各々設けた金属
電極と向かい合う部分のみに穴とを設けた保護基板を、
前記ウエハ上に設置し、前記保護基板と前記ウエハとを
減圧雰囲気で陽極接合する工程
The method of manufacturing an angular velocity sensor according to the present invention includes the following steps (1) to (4), and it is possible to provide an angular velocity sensor with high sensitivity and high reliability. Ma
Also, the damping that occurs between the mass and other electrodes
There is an effect that can be suppressed. (1) A substrate on which two lower fixed electrodes are formed and a wafer made of single-crystal silicon having a surface with a (110) crystal plane and two etching grooves are fixed to the etching grooves and the lower part. process and the electrode are joined to face, (2) is deposited back on the insulating film on the side having the etch groove of the wafer, unnecessary insulating using an etching to obtain the desired pattern on the insulating film After removing the film, the (111) of the wafer is anisotropically etched.
By etching along a plane, two mass body located with a gap with respect to the substrate, it the mass body
Supports, respectively, and a beam positioned with a gap with respect to the substrate, to support the the beams, and the vibrating body and a anchor joined to the substrate, located on the outside of the respective mass Shake
Dynamic monitor fixed electrode, the fixed electrode located between said respective mass, and step (3) to form the auxiliary support section located around the structure composed of said vibrating body and the respective fixed electrodes and the anchor A step of selectively metallizing a metal electrode on each of the fixed electrodes (4) a groove in which each of the mass bodies and the beam can vibrate, and a portion facing the metal electrode provided on each of the anchor and each of the fixed electrodes; A protective board with holes only
Placed on the wafer, the protection substrate and the wafer
Anodic bonding process under reduced pressure atmosphere

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係わる参考例1の加速度センサの平
面図と断面図である。
FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view of an acceleration sensor according to a reference example 1 of the present invention.

【図2】 本発明に係わる参考例1の加速度センサの検
出原理を示す図、その等価回路を示す図、加速度を検出
するための検出回路の一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a detection principle of an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention , a diagram illustrating an equivalent circuit thereof, and a diagram illustrating an example of a detection circuit for detecting acceleration.

【図3】 本発明に係わる参考例1の加速度センサの製
造工程の一例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of the acceleration sensor of Reference Example 1 according to the present invention.

【図4】 本発明に係わる参考例1の加速度センサの製
造工程の一例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of the acceleration sensor of Reference Example 1 according to the present invention.

【図5】 本発明に係わる参考例1の加速度センサの製
造工程の一例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of the acceleration sensor of Reference Example 1 according to the present invention.

【図6】 本発明に係わる参考例1の加速度センサのパ
ッケージングの一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the packaging of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図7】 本発明に係わる参考例1の加速度センサのパ
ッケージングの一例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the packaging of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図8】 本発明に係わる参考例1の加速度センサをガ
ラス基板でパッケージングしたときの平面図(a)と断
面図(b)を示す図である。
FIGS. 8A and 8B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, when the acceleration sensor of Reference Example 1 according to the present invention is packaged on a glass substrate.

【図9】 本発明に係わる参考例2の加速度センサの平
面図と断面図を示す図である。
FIG. 9 is a plan view and a sectional view of an acceleration sensor according to a reference example 2 according to the present invention.

【図10】 本発明に係わる参考例2の加速度センサ
ダンピング調節を行ったときと行わないときの周波数に
対するゲインの変化を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a change in gain with respect to a frequency when damping adjustment is performed and not performed on the acceleration sensor of Reference Example 2 according to the present invention.

【図11】 本発明に係わる参考例3の加速度センサの
平面図と断面図を示す図である。
FIG. 11 is a plan view and a sectional view of an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図12】 本発明に係わる参考例4の加速度センサの
一例を示す図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an acceleration sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図13】 本発明に係わる参考例4の加速度センサの
一例を示す図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of an acceleration sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図14】 本発明に係わる参考例5の加速度センサの
一例を示す平面図と断面図である。
FIGS. 14A and 14B are a plan view and a cross-sectional view illustrating an example of an acceleration sensor of Reference Example 5 according to the present invention.

【図15】 本発明に係わる参考例6の加速度センサの
一例を示す図である。
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of an acceleration sensor according to a sixth embodiment of the invention.

【図16】 本発明の実施の形態1による角速度センサ
の平面図と断面図を示す図である。
FIG. 16 is a plan view and a sectional view of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図17】 本発明の実施の形態1による角速度センサ
の検出原理を示す図、その等価回路を示す図(b)、角
速度を検出するための検出回路の一例を示す図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating a detection principle of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention, a diagram (b) illustrating an equivalent circuit thereof, and a diagram illustrating an example of a detection circuit for detecting the angular speed.

【図18】 本発明の実施の形態1による角速度センサ
の製造工程の一例を示す図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図19】 従来の加速度センサを示す図である。FIG. 19 is a diagram showing a conventional acceleration sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3:梁 4:質量体 5:
アンカー 6:固定電極 7:固定電極 8:
金属電極 9:基板 10:コンデンサ 1
1:コンデンサ 12:AC信号源 13:反転増幅器 1
4:加速度センサ素子 15:チャージアンプ 16:復調器 1
7:フィルタ 18:酸化膜 19:酸化膜 2
0:デバイスウエハ 21:エッチング溝 22:パッシベーション膜 23:パッシベーション膜 2
4:不純物拡散層 25:検出回路IC 26:シリコンIC基板 2
7:ボンディングワイヤー 28:パッシベーション膜 2
9:リードピン 30:ステム 31:キャップ 3
2:接着剤 33:補助支持部 34:保護基板 3
5:エッチング溝 36:ダンピング調節機構 37
櫛形電極ペア 38:固定電極 39:固定電極 4
0:アクチュエート用電極 41:質量体突き出し部 4
2:質量体質量調整ホール 43:x軸方向加速度センサ 4
4:y軸方向加速度センサ 45:駆動電極 46:振動モニタ用電極 4
7:振動モニタ用電極 48:下部固定電極 49:下部固定電極 5
0:コンデンサ 51:コンデンサ 52:DCバイアス電圧源 53:AGC(オートゲインコントロール)回路 54:C−V(容量ー電圧)変換器 5
5:シリコン基板 56:ガラス基板 57:ガラス基板 5
8:AC電圧源
3: Beam 4: Mass body 5:
Anchor 6: Fixed electrode 7: Fixed electrode 8:
Metal electrode 9: Substrate 10: Capacitor 1
1: Capacitor 12: AC signal source 13: Inverting amplifier 1
4: acceleration sensor element 15: charge amplifier 16: demodulator 1
7: Filter 18: Oxide film 19: Oxide film 2
0: Device wafer 21: Etching groove 22: Passivation film 23: Passivation film 2
4: impurity diffusion layer 25: detection circuit IC 26: silicon IC substrate 2
7: bonding wire 28: passivation film 2
9: Lead pin 30: Stem 31: Cap 3
2: adhesive 33: auxiliary support part 34: protective substrate 3
5: Etching groove 36: Damping adjustment mechanism 37
Comb electrode pair 38: Fixed electrode 39: Fixed electrode 4
0: Actuating electrode 41: Mass projecting part 4
2: Mass body mass adjustment hall 43: x-axis direction acceleration sensor 4
4: Y-axis direction acceleration sensor 45: Drive electrode 46: Vibration monitor electrode 4
7: Vibration monitoring electrode 48: Lower fixed electrode 49: Lower fixed electrode 5
0: Capacitor 51: Capacitor 52: DC bias voltage source 53: AGC (auto gain control) circuit 54: CV (capacitance-voltage) converter 5
5: Silicon substrate 56: Glass substrate 57: Glass substrate 5
8: AC voltage source

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−123628(JP,A) 特開 昭62−174978(JP,A) 特開 平5−340959(JP,A) 特開 平6−163934(JP,A) 特開 平8−32090(JP,A) 特開 昭57−169645(JP,A) 特開 昭58−731(JP,A) 特表 平5−503994(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/84 G01P 15/125 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-6-123628 (JP, A) JP-A-62-14978 (JP, A) JP-A-5-340959 (JP, A) 163934 (JP, A) JP-A-8-32090 (JP, A) JP-A-57-169645 (JP, A) JP-A-58-731 (JP, A) JP-A-5-503994 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/84 G01P 15/125

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板と、該基板に接合し、かつ単結晶シ
リコンからなるウエハをエッチングすることにより作ら
れた構造体とを備え、該構造体は、前記基板に対し空隙
を有して位置する2つの質量体と、該質量体のそれぞれ
を支持し、かつ前記基板に対し空隙を有して位置する梁
と、該梁を支持し、かつ前記基板に接合するアンカーと
を備えた振動体、前記各質量体の外側に位置する振動モ
ニタ用固定電極、前記各質量体の間に位置する固定電
極、および前記質量体の下面に位置する下部固定電極
を備え、前記質量体を可動電極とし、該可動電極の変
位を電気的に検出することを特徴とする角速度センサ
おいて、前記構造体の周囲に補助支持部と、該補助支持
部の上に前記構造体を密閉するための保護基板とを備
え、前記保護基板には、前記構造体が密閉されたまま
で、前記質量体と前記梁とが振動自在となる溝と、前
記アンカー及び前記固定電極に各々設けた金属電極と
向かい合う部分のみに穴とを設け、上記質量体の回りの
空洞部を減圧雰囲気としたことを特徴とする角速度セン
1. A semiconductor device comprising: a substrate; and a structure bonded to the substrate and formed by etching a wafer made of single crystal silicon, wherein the structure has a gap with respect to the substrate. Two masses, a beam that supports each of the masses, and is positioned with a gap to the substrate, and an anchor that supports the beam and joins the substrate. vibrator having a vibration mode which is located outside of the respective mass
The fixed electrode for the brush and the fixed electrode
Poles, and the comprises a lower fixed electrode located on the lower surface of each mass, <br/> the respective mass and the movable electrode, the angular velocity sensor characterized by electrically detecting the displacement of the movable electrode In addition, an auxiliary support portion around the structure, and a protective substrate for sealing the structure on the auxiliary support portion, the protection substrate, the structure, while the structure is sealed, A groove in which each of the mass bodies and the beam can freely vibrate, and a hole provided only in a portion facing the metal electrode provided in each of the anchor and each of the fixed electrodes, and a cavity around the mass body is subjected to a reduced pressure atmosphere. Angular velocity sensor
Sa.
【請求項2】 前記補助支持部は前記構造体と分離して
おり、前記補助支持部に電極を設け、前記補助支持部を
接地したことを特徴とする請求項1記載の角速度セン
2. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the auxiliary support is separated from the structure, an electrode is provided on the auxiliary support, and the auxiliary support is grounded.
Sa.
【請求項3】 下記の(1)から(4)の工程を含むこ
とを特徴とする角速度センサの製造方法。 (1) 2つの下部固定電極が形成された基板と、表面
の結晶面が(110)面であり、かつ2つのエッチング
溝を有する単結晶シリコンからなるウエハとを、前記エ
ッチング溝と前記下部固定電極とが対向するように接合
する工程、 (2) 前記ウエハの前記エッチング溝を有する面の背
面に絶縁膜を堆積し、該絶縁膜に希望するパターンを得
るためにエッチングを用いて不要な絶縁膜を除去した
後、異方性エッチングを用いて前記ウエハの(111)
面に沿ってエッチングすることにより、前記基板に対し
空隙を有して位置する2つの質量体と、該質量体のそれ
ぞれを支持し、かつ前記基板に対し空隙を有して位置す
る梁と、該梁を支持し、かつ前記基板に接合するアンカ
ーとを備えた振動体、前記各質量体の外側に位置する振
動モニタ用固定電極、前記質量体のに位置する固定
電極、及び前記振動体と前記固定電極とからなる構造
体の周囲に位置する補助支持部を形成する工程 (3) 前記アンカーと前記固定電極との上に金属電
極を選択メタライズする工程 (4) 前記質量体と前記梁とが振動自在となる溝
と、前記アンカー及び前記固定電極に各々設けた金属
電極と向かい合う部分のみに穴とを設けた保護基板を、
前記ウエハ上に設置し、前記保護基板と前記ウエハとを
減圧雰囲気で陽極接合する工程
3. A method for manufacturing an angular velocity sensor , comprising the following steps (1) to (4). (1) A substrate on which two lower fixed electrodes are formed and a wafer made of single-crystal silicon having a surface with a (110) crystal plane and two etching grooves are fixed to the etching grooves and the lower part. process and the electrode are joined to face, (2) is deposited back on the insulating film on the side having the etch groove of the wafer, unnecessary insulating using an etching to obtain the desired pattern on the insulating film After removing the film, the (111) of the wafer is anisotropically etched.
By etching along a plane, two mass body located with a gap with respect to the substrate, it the mass body
Supports, respectively, and a beam positioned with a gap with respect to the substrate, to support the the beams, and the vibrating body and a anchor joined to the substrate, located on the outside of the respective mass Shake
Dynamic monitor fixed electrode, the fixed electrode located between said respective mass, and step (3) to form the auxiliary support section located around the structure composed of said vibrating body and the respective fixed electrodes and the anchor A step of selectively metallizing a metal electrode on each of the fixed electrodes (4) a groove in which each of the mass bodies and the beam can vibrate, and a portion facing the metal electrode provided on each of the anchor and each of the fixed electrodes; A protective board with holes only
Placed on the wafer, the protection substrate and the wafer
Anodic bonding process under reduced pressure atmosphere
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