JP3771100B2 - 静電容量検出型センサおよびジャイロスコープならびに入力装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量検出型センサおよびジャイロスコープならびに入力装置に関し、特に静電容量検出型センサにおける外部取り出し電極周りの構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
片持ち梁やダイヤフラムなどの構造体を有し、加速度や圧力等の所望の力学量を検出するセンサが従来から知られている。この種のセンサでは、外力が働いた際に生じる片持ち梁やダイヤフラムの変形量を静電容量の変化量として検出する方式が従来から採用されている。この種のセンサの一例として、静電容量式加速度センサの例を図10に示す。
【0003】
図10に示すセンサは、シリコン基板101とこれを挟持する2枚のガラス基板102,103から構成されている。シリコン基板101によって弾性部104(片持ち梁)、重錘105、導電柱106などが形成されており、弾性部104の先端に重錘105が加速度による慣性力を受けて変位可能に支持されている。また、各ガラス基板102,103上に重錘105と微小な間隙を介して対向する電極107,108がそれぞれ設けられており、重錘105が変位した際の重錘105−電極107,108間の静電容量の変化を検出信号として取り出すようになっている。両ガラス基板102,103とシリコン基板101とは陽極接合により気密状態に接合されているが、センサ内部の重錘105や電極107,108との電気的導通を取る必要があるため、上側ガラス基板102に孔109が形成され、各孔109の表面には外部回路に接続するためのアルミニウムからなる導電層110,111が形成されている。導電層110は不純物層112を介して重錘105と電気的に接続され、導電層111は不純物層113を介して導電柱106と電気的に接続されている。さらに、導電柱106は電極107,108と電気的に接続されている。
【0004】
この種のセンサは、マイクロマシニング技術を用いたマイクロセンサとして実現される。その場合、片持ち梁やダイヤフラム等の構造体にシリコン基板が用いられ、これを挟持する支持体にはガラス基板が用いられることが多い。シリコン基板は半導体製造技術を用いて微細加工が可能な材料であるし、ガラス基板は陽極接合法を用いてシリコン基板と容易に接合可能な材料だからである。また、シリコン基板の両面をガラス基板で封止することによって、センサのパッケージを構成することにもなる。この構成を採用した場合、上述したように、パッケージ内に封入されたシリコンからなる構造体や電極との導通を取るために、ガラス基板に開けた孔に形成した導電体、シリコン基板で形成した導電柱、いわゆるフィードスルーと呼ばれる電気信号の取り出し部などが必要になる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の静電容量検出型センサには、検出信号として電気信号を外部に取り出す際に電気的ノイズが発生し、S/N比が劣化して検出感度が低下する、という問題があった。
【0006】
これは、外力が働く前に片持ち梁やダイヤフラムを予め運動(振動)させておくタイプのセンサの場合、特に顕著な問題となる。なぜならば、この種のセンサは、検出用電極に加えて、片持ち梁やダイヤフラムを駆動するための駆動用電極を有している。ところが、マイクロセンサの場合、微小寸法の中に検出用電極と駆動用電極が近接して形成されることが多く、検出用電極と駆動用電極が容量結合された状態となっている。そのため、駆動用電極に駆動信号を供給した際に、その信号の影響を受けて検出用電極に不要の電圧が誘導され、電気的ノイズが発生するからである。さらに、上記の例のように、フィードスルーにより検出信号を取り出す場合には、駆動用、検出用各々のフィードスルー間の寄生容量という形でも電気的ノイズが発生する。
【0007】
このように駆動用電極と検出用電極を兼備したセンサの例として、導電性を有するシリコン等の材料からなる音叉を用いたジャイロスコープが知られている。このジャイロスコープは、音叉の脚を一方向に振動(駆動)させ、振動中に脚の長手方向を中心軸とする角速度が入力された際にコリオリ力によって生じる前記振動方向と垂直な方向の振動を検出するものである。コリオリ力により生じる振動の大きさは角速度の大きさに対応するので、このジャイロスコープを角速度センサとして用いることができ、例えばパソコンの座標入力装置等に適用することができる。
【0008】
このジャイロスコープにおいては、検出感度向上のために様々な工夫がなされてきたが、検出感度のより一層の向上が望まれている。検出感度のさらなる向上を実現するには、ジャイロスコープにおいても上記電気的ノイズの問題を避けて通ることはできない。また、各種センサの微細化がますます進んでいる現状を考えると、センサの駆動や検出の方式によっては、前述の駆動用電極−検出用電極間のみならず、駆動用電極−駆動用電極間、あるいは検出用電極−検出用電極間の容量結合による電気的ノイズの発生も無視できなくなると考えられる。
【0009】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、センサ内の電極周りで発生する電気的ノイズを極力抑制し、S/N比の向上によって検出感度の向上を図ることのできる静電容量検出型センサおよびジャイロスコープ、ならびにこのジャイロスコープを利用した入力装置の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の静電容量検出型センサは、枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との3層構造とされ、前記枠部と、前記振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第1の遮蔽部材が設けられるとともに、前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第1の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第1の遮蔽部材が設けられ、前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第1の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第1の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とする。
【0012】
本発明において、「駆動用線路部」、「検出用線路部」という際の「線路部」とは、駆動用電極、検出用電極等の電極と電気的に接続され、これら電極との間で信号をやり取りする伝送路となる部分全体を示している。よって、従来の技術の項で述べた「シリコンで形成したフィードスルー」などは、本発明の「線路部」に含まれる。
【0013】
ここで、フィードスルーを有するジャイロスコープを例に挙げて、本発明の作用・効果を説明する。
図6(a)は従来のジャイロスコープの構成を示す模式図である。振動片60(音叉の脚に相当)と微小な間隙を介して駆動用電極61、検出用電極62が配置されており、駆動用電極61に駆動信号を供給するための駆動用フィードスルー63と、検出用電極62から検出信号を取り出すための検出用フィードスルー64とが各電極61,62にそれぞれ接続されている。駆動用フィードスルー63と検出用フィードスルー64とは容量結合しており、その容量値をC1とする。また、振動片60と検出用電極62との間でも容量が形成され、その容量値をC2とする。
【0014】
このジャイロスコープにおいて、駆動用フィードスルー63に駆動電圧(Vdrive)としてVdrive=Vdを印加すると、振動片60が変位していない状態での検出用フィードスルー64からの検出電圧(Vdetect)は本来、Vdetect=0であるにもかかわらず、
Vdetect={C1/(C1+C2)}・Vd …(1)
なる電圧が誘導され、これが検出信号を検出する際のノイズとなってしまう。
【0015】
そこで、このノイズの発生を抑制するには、駆動用フィードスルーと検出用フィードスルーとの間に遮蔽部材を挿入すればよい。図6(b)は本発明のジャイロスコープの構成を示す模式図である。この構成の場合、駆動用フィードスルー63と検出用フィードスルー64との間に遮蔽部材65が設けられ、遮蔽部材65が接地されたことにより、駆動用フィードスルー63と検出用フィードスルー64が電気的に隔離された状態となる。その結果、駆動用フィードスルー63にVdrive=Vdを印加しても、検出用フィードスルー64側ではVdetect=0が実現され、ノイズの発生を抑制することができる。
【0016】
このように、本発明の静電容量検出型センサにおいては、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する遮蔽部材を設けたことにより、静電誘導による電気的ノイズの発生が防止されるので、S/N比が向上することによって検出感度の向上を図ることができる。同様に、本発明のジャイロスコープにおいては、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第1の遮蔽部材を設けたことにより、電気的ノイズの発生が防止されるので、S/N比が向上することによって角速度の検出感度の向上を図ることができる。
【0017】
本発明のジャイロスコープの具体的な構成としては、前記複数の遮蔽部材間または前記遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなるもので良い。
より具体的には、半導体製造技術を用いて微細加工が容易なシリコン等の半導体基板に導電性を付与したものを材料とし、これをフォトリソグラフィー、エッチング技術により加工することにより、振動片、駆動用線路部、検出用線路部および第1の遮蔽部材を1枚の半導体基板から作り込むことができる。この構成とすれば、特に製造プロセスを複雑にすることなく、本発明の構成を実現することができる。
【0018】
本発明は更に、前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも1枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなる構成でも良い。
【0019】
また、本発明の他のジャイロスコープは、枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との3層構造とされ、前記枠部と、振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極または前記検出用電極の少なくとも一方が互いに分離された複数の電極からなり、これら複数の電極の隣接する電極間、もしくは該隣接する電極にそれぞれ接続される線路部間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第2の遮蔽部材が設けられるとともに、前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第2の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第2の遮蔽部材が設けられ、前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第2の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第2の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とする。
【0020】
上述したように、電気的ノイズの抑制に関しては、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間を遮蔽するのが最も効果的である。しかしながら、ジャイロスコープの構成、駆動や検出の方式によっては、駆動−駆動間、検出−検出間を遮蔽すると、ノイズの発生をさらに抑制できる場合もある。例えば、検出用電極が唯一つの電極で構成されるのではなく、互いに分離された複数の電極から構成され、しかもこれら複数の電極が、振動片が一方向に変位した際に容量変化が正になる電極と負になる電極に割り振られ、これら電極間で差動検出を行うタイプのジャイロスコープの場合、上記容量変化が正になる電極と負になる電極が隣接していると、一方の電極の検出電圧が他方の電極の検出電圧の影響を受けて変動することなども考えられる。このような場合、隣接する検出用電極間もしくは検出用線路部間を静電的に遮蔽する第2の遮蔽部材を設けることにより、隣接する電極や線路部からの影響をなくし、検出精度の向上を図ることができる。
【0021】
駆動−駆動間、検出−検出間を遮蔽する第2の遮蔽部材に関しても、上述した第1の遮蔽部材と同様、振動片、複数の電極にそれぞれ接続される線路部および第2の遮蔽部材をともに同一平面上に形成することができる。また、これら部材を同じ導電性材料で形成することができる。この構成によっても、上述した第1の遮蔽部材の場合と同様の作用・効果を得ることができる。
また、本発明は、前記振動片、前記複数の電極にそれぞれ接続される線路部および前記第2の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記第2の遮蔽部材が一体的に延出成形されてなることを特徴とするものでも良い。
本発明は、前記振動片が枠部の内側に該枠部と一体に延出形成され、該振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第2の遮蔽部材が複数設けられ、前記複数の第2の遮蔽部材間または前記第2の遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部の一部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなるものでも良い。
【0022】
また、前記導電性材料がシリコンであることが好ましい。
本発明は、前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも1枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることを特徴とするものでも良い。
【0023】
本発明の入力装置は、上記本発明のジャイロスコープを用いたことを特徴とするものである。
本発明によれば、検出感度の高い本発明のジャイロスコープを用いたことにより、応答性に優れた入力装置を実現することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態を図1ないし図4を参照して説明する。
図1は本実施の形態のジャイロスコープの全体構成を示す分解斜視図、図2は各部材を組み合わせた状態を示す斜視図、図3は図2のIII−III線に沿う断面図、図4は図2のIV−IV線に沿う断面図、である。
図中符号2は上側ガラス基板(基材)、3は下側ガラス基板(基材)、4は駆動用電極、5は検出用電極、6は音叉、7は駆動用フィードスルー(駆動用線路部)、8は検出用フィードスルー(検出用線路部)、である。
なお、図面を見やすくするため、図面によって構成要素を適宜省略してある。
【0025】
本実施の形態のジャイロスコープ1は、図1および図2に示すように、3本の脚9(振動片)とこれらの基端側を連結する支持部10とを有する3脚型の音叉6が用いられている。また、音叉6の周囲を囲むように枠部11が設けられており、これら音叉6と枠部11とは、元々は厚さ200μm程度の導電性を有する1枚のシリコン基板から形成されている。図3に示すように、枠部11は上側ガラス基板2と下側ガラス基板3との間に挟持されて固定されるとともに、2枚のガラス基板2,3の内面のうち、音叉6の上方および下方に位置する領域は10μm程度の深さの凹部2a,3aとなっており、各ガラス基板2,3と音叉6との間に10μm程度の間隙が形成されることで音叉6の各脚9が宙に浮いた状態となり、振動可能となっている。
【0026】
両ガラス基板2,3と枠部11とは、ガラスとシリコンの陽極接合により接合されている。したがって、両ガラス基板2,3と枠部11とによって気密状態に保持された空間内に音叉6が配置されることになる。さらに、両ガラス基板2,3は、本ジャイロスコープ1のパッケージの役目も果たしている。
【0027】
図1および図2に示すように、上側ガラス基板2下面の凹部2a内の脚9の基端側と対向する位置には、各脚9に2個ずつ、計6個の駆動用電極4が脚9の長手方向に延在して設けられている。駆動用電極4は膜厚300nm程度のアルミニウム膜またはクロム膜、もしくは膜厚30nm程度のチタン膜上に膜厚70nm程度の白金膜を積層した膜(以下、白金/チタン膜と記す)等から形成されており、駆動用電極4に駆動信号を供給するための駆動用配線12が電極と同じレイヤーのアルミニウム膜またはクロム膜、もしくは白金/チタン膜等により一体的に形成されている。また、上記駆動用電極4よりも脚9の先端側に対向する位置には、各脚9に2個ずつ、計6個の検出用電極5が脚9の長手方向に延在して設けられている。この検出用電極5も駆動用電極4と同じ材料で形成され、各検出用電極5に連続して検出用配線13がそれぞれ形成されている。さらに、上側ガラス基板2下面の凹部2aの外側に位置する部分において、駆動用配線12および検出用配線13の先端に同一の金属薄膜からなる中間パッド部14,15が設けられている。
【0028】
また、駆動用電極4、検出用電極5、およびこれら電極4,5に接続された駆動用配線12、検出用配線13の構成は、上で説明した上側ガラス基板2と下側ガラス基板3とで全く同様である。
【0029】
図1および図2に示すように、音叉6と枠部11は一体に形成されているが、音叉6の両側方には、音叉6と枠部11から孤立したアイランド状のシリコン片からなる駆動用フィードスルー7、検出用フィードスルー8が音叉6の長手方向に沿って6個ずつ、計12個設けられている。1列6個のフィードスルーのうち、脚9の先端側に位置する3個のフィードスルーが検出用フィードスルー8、脚9の基端側に位置する3個のフィードスルーが駆動用フィードスルー7に対応している。
【0030】
そして、図1および図2におけるジャイロスコープ1を正面から見たとき、左列の3個の検出用フィードスルー8は左側3個の検出用電極5の信号取り出し用に割り当てられており、手前側から奥側に向けての各検出用フィードスルー8が中央側から左端に向けての各検出用電極5に対応している。一方、左列の3個の駆動用フィードスルー7も左側3個の駆動用電極4への信号供給用に割り当てられているが、手前側から奥側に向けての各駆動用フィードスルー7が左端から中央側に向けての駆動用電極4に対応している。同様に、右列の検出用フィードスルー8および駆動用フィードスルー7は右側の検出用電極5および駆動用電極4にそれぞれ割り当てられている。これらフィードスルー7,8は、音叉6や枠部11から孤立してはいるが、同一のシリコン基板から形成されており、音叉6や枠部11と同様、導電性を有している。
【0031】
両ガラス基板2,3上の検出用配線13、駆動用配線12と検出用フィードスルー8、駆動用フィードスルー7の接続関係を図4を用いて説明する。なお、ここでは検出側を例に挙げて説明するが、駆動側も全く同様の構成である。
図4に示すように、下側ガラス基板3の上面および上側ガラス基板2の下面に検出用配線13に繋がる中間パッド部15がそれぞれ形成され、中間パッド部15の形成位置に検出用フィードスルー8が接合されている。そして、上側ガラス基板2の検出用フィードスルー8に対応する位置にテーパ状のスルーホール16が形成され、スルーホール16の内面に沿って形成された導電膜が上側ガラス基板2の上面に延在し、外部接続用パッド部17となっている。この導電膜は、例えば下層側に膜厚50nm程度のクロム、上層側に膜厚1000nm程度の金を積層した2層構造の膜である。よって、ジャイロスコープ1を平面視した際に同一位置にある検出用電極5から延びる2つの中間パッド部15と検出用フィードスルー8とが電気的に接続され、検出用フィードスルー8と外部接続用パッド部17とがスルーホール16内で接触することにより電気的に接続されている。また、外部接続用パッド部17はワイヤボンディング等の手段により外部回路(図示せず)と接続され、検出信号は、検出用電極5、検出用フィードスルー8、外部接続用パッド部17の経路を経て外部回路に取り出される。なお、図1および図2中の符号18は、駆動用電極4と電気的に接続された外部接続用パッド部である。
【0032】
図4に示すように、各脚9に対して、各ガラス基板2,3で2個ずつ、計4個の検出用電極5が対向配置されているが、1枚のガラス基板上の2個の検出用電極5の各々の外端と脚9の変位検出方向(図におけるX方向)の端部同士が完全に揃うように対向配置されているわけではなく、各検出用電極5の外端と脚9の端部が、脚9の変位検出方向の最大振幅以上の距離だけずれた状態に配置されている。また、各検出用電極5の幅は、脚9の最大振幅以上の寸法に設定されている。この構成によれば、脚9が紙面右方向(矢印Rの方向)に変位した際には、脚9の右側にはみ出した検出用電極5側では対向面積が増えるために容量変化が正となり、脚9の左側にはみ出した検出用電極5側では対向面積が減るために容量変化が負となる。したがって、これらの容量変化量を別々に検出して差動検出を行うことができる。この場合、2つの容量値における初期容量値が互いに等しいため、差分をとると初期容量値分が消去され、容量変化量のみが残る。したがって、初期容量値の中に含まれるノイズ成分をキャンセルすることができ、検出精度を向上させることができる。
【0033】
図1および図2に示すように、駆動用フィードスルー7、検出用フィードスルー8が配列された部分には、隣接するフィードスルー7,8間に位置する壁部がそれぞれ形成されている。これら壁部は枠部11と一体に形成されている。片側の列で6個のフィードスルーの間に5個の壁部が設けられているが、5個の壁部のうち、中央の壁部は、隣接する検出用フィードスルー8と駆動用フィードスルー7との間を静電的に遮蔽する役目を果たしており、検出−駆動間遮蔽部19(第1の遮蔽部材)を構成している。手前側2個の壁部は、隣接する検出用フィードスルー8間を静電的に遮蔽する役目を果たしており、検出−検出間遮蔽部20(第2の遮蔽部材)を構成している。奥側2個の壁部は、隣接する駆動用フィードスルー7間を静電的に遮蔽する役目を果たしており、駆動−駆動間遮蔽部21(第2の遮蔽部材)を構成している。
【0034】
さらに、ジャイロスコープ1の機能上は特に必要ではなく、後述する製造上の都合により必要なものであるため、図示を省略するが、実際には、検出用電極5および検出用配線13、駆動用電極4および駆動用配線12の形成領域以外の上側ガラス基板2の下面側、および下側ガラス基板3の上面側に、これら電極および配線と同一のアルミニウム膜またはクロム膜、もしくは白金/チタン膜等からなる同電位パターンが設けられている。
【0035】
上記構成のジャイロスコープ1を製造する際には、まずガラス基板を用意し、マスク材を用いてガラス基板のフッ酸エッチングを行い、ガラス基板上の音叉6の位置に対応する領域に凹部2a,3aを形成する。その後、凹部2a,3aを形成した面に金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィー、エッチング技術を用いてパターニングすることにより、検出用電極5、検出用配線13、駆動用電極4、駆動用配線12および同電位パターンを形成する。以上の工程により、下側ガラス基板3が完成する。上側ガラス基板2に関しては、さらにスルーホール16も形成し、金属膜の成膜、パターニングにより外部接続用パッド部17,18を形成する。
【0036】
次にシリコン基板を用意し、シリコン基板の下面と下側ガラス基板3とを陽極接合法を用いて接合する。この際、シリコン基板のうち、後で枠部11となる部分が接合されるようにする。陽極接合法ではシリコン基板に正、ガラス基板に負の電位を印加してシリコンとガラスを容易に接合することができるが、シリコン基板が音叉6となる部分では下側ガラス基板3表面との間隙が10μm程度しかないため、陽極接合時の静電引力によりシリコン基板が撓んで下側ガラス基板3と接触すると、その部分も接合されてしまい、振動可能な音叉を形成できなくなる。したがって、下側ガラス基板3に接合すべきでない部分が接合されてしまうのを防止する目的で下側ガラス基板3のその部分をシリコン基板と同電位とするために、下側ガラス基板3表面に同電位パターンを形成しておく。この点は上側ガラス基板2についても同様である。
【0037】
次に、シリコン基板表面に、音叉6、枠部11、検出用フィードスルー8、駆動用フィードスルー7等、シリコンを残す部分の形状を有するレジストパターンを形成し、反応性イオンエッチング等の異方性エッチングを用いてシリコン基板を貫通するエッチングを行う。これにより、音叉6、枠部11、検出用フィードスルー8、駆動用フィードスルー7等が形成され、音叉6の部分は下側ガラス基板3の上方で宙に浮いた状態となる。その後、レジストパターンを剥離する。
【0038】
次に、下側ガラス基板3に接合されたシリコン基板の上面と上側ガラス基板2とを陽極接合法を用いて接合する。この際も、枠部11が上側ガラス基板2に接合されることになる。以上の工程により、本実施の形態のジャイロスコープ1が完成する。
【0039】
本実施の形態のジャイロスコープ1を使用する際には、枠部11を接地するとともに、駆動用電極4側の外部接続用パッド部18に接続された外部配線に駆動源としての発振器を接続する。この際、枠部11、音叉6、検出−駆動間遮蔽部19、検出−検出間遮蔽部20、駆動−駆動間遮蔽部21は全て一体であるから同電位となり、枠部11を接地すれば、音叉6、検出−駆動間遮蔽部19、検出−検出間遮蔽部20、駆動−駆動間遮蔽部21は全て接地された状態となる。また、図4において各脚9の右側にはみ出した検出用電極5の外部接続用パッド部17に接続された外部配線と音叉6との間に第1の容量検出器を接続するとともに、各脚9の左側にはみ出した検出用電極5の外部接続用パッド部17に接続された外部配線と音叉6との間に第2の容量検出器を接続する。
【0040】
そこで、発振器を駆動して音叉6−駆動用電極4間に数kHz程度の周波数の駆動信号を印加すると、音叉6の各脚9が鉛直方向に振動する。その状態で、脚9の長手方向を回転軸とする角速度が入力されると、入力された角速度の大きさに応じた水平方向の振動が生じる。この時、音叉6の各脚9と検出用電極5とが対向した状態にあり、脚9の水平振動に伴って各脚9と各検出用電極5の対向面積が変化するため、容量変化が生じる。この時の容量変化量を第1の容量検出器および第2の容量検出器で差動検出することにより角速度の大きさを検出することができる。
【0041】
本実施の形態のジャイロスコープ1においては、駆動用フィードスルー7と検出用フィードスルー8との間に検出−駆動間遮蔽部19を設けたことにより、これらフィードスルー7,8間が静電的に遮蔽されるので、駆動信号の印加により検出用フィードスルー8に誘導される電気的ノイズが抑制されるので、S/N比が向上することによって角速度の検出感度の向上を図ることができる。
【0042】
さらに、本実施の形態のジャイロスコープ1の場合、差動検出を行っており、隣接する検出用フィードスルー8から異なる検出信号が取り出されるため、隣接するフィードスルーの信号の影響を受けて検出信号が変動する恐れがある。その点、隣接する検出用フィードスルー8にも検出−検出間遮蔽部20を設けたことによって、隣接する検出用フィードスルー8からの影響が排除され、検出精度の向上を図ることができる。
【0043】
また、音叉6、枠部11、駆動用フィードスルー7、検出用フィードスルー8、検出−駆動間遮蔽部19、検出−検出間遮蔽部20、駆動−駆動間遮蔽部21が全て1枚のシリコン基板から形成されているため、特に製造プロセスを複雑にすることなく、一般のシリコン加工技術を用いて本実施の形態の構成を実現することができる。
【0044】
また、本実施の形態のジャイロスコープ1は、音叉6が2枚のガラス基板2,3の間に挟持されているため、ガラス基板2,3によって音叉6の部分が保護され、取り扱いやすいものとなっている。さらに、音叉6の部分に塵埃が入りにくい構造であるから、外乱が抑制され、センサ精度を向上することができる。また、真空封止も行える構造であり、これによればQ値(共振の大きさを表す性能指数)の向上を図ることができ、デバイスに供給する電気エネルギーから振動エネルギーへの変換効率が向上するため、駆動電圧の低減を図ることができる。
【0045】
[第2の実施の形態]
以下、本発明の第2の実施の形態を図5を参照して説明する。
図7は本実施の形態のジャイロスコープの全体構成を示す平面図である。
本実施の形態のジャイロスコープの基本構成は第1の実施の形態と同様であるが、本実施の形態のジャイロスコープが第1の実施の形態と異なる点は、シリコンで形成したフィードスルー間に遮蔽部材を設けることに加えて、ガラス基板上にも遮蔽部材を形成した点である。
図5では、図1ないし図4と共通の構成要素に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、図面を見やすくするため、構成要素を適宜省略してある。
【0046】
本実施の形態のジャイロスコープ25の場合、図5に示すように、上側ガラス基板2の下面の検出用電極5と駆動用電極4との間、および検出用配線13と駆動用配線12との間に、これら電極5,4間および配線13,12間を静電的に遮蔽するための検出−駆動間遮蔽配線26(第1の遮蔽部材)が設けられている。この検出−駆動間遮蔽配線26は上側ガラス基板2を横断する方向に延在し、両端部は検出用フィードスルー8−駆動用フィードスルー7間に位置する検出−駆動間遮蔽部19と接触し、電気的に接続されている。また、検出−駆動間遮蔽配線26は、検出用電極5、駆動用電極4、検出用配線13、駆動用配線12と同様、アルミニウム膜またはクロム膜、もしくは白金/チタン膜等により形成されている。
【0047】
本実施の形態の構成によれば、使用時に枠部11を接地した際に検出−駆動間遮蔽部19を通じて検出−駆動間遮蔽配線26も同時に接地される。したがって、第1の実施の形態のように、検出用フィードスルー8−駆動用フィードスルー7間が静電的に遮蔽されるのみならず、金属薄膜で形成した検出用電極5−駆動用電極4間、および検出用配線13−駆動用配線12間も静電的に遮蔽されることになる。これにより、電気的ノイズが全体としてさらに抑制され、検出感度のより一層の向上を図ることができる。
【0048】
[第3の実施の形態]
以下、本発明の第3の実施の形態を図7ないし図9を参照して説明する。
本実施の形態は第1または第2の実施の形態のジャイロスコープを用いた入力装置の例であり、具体的にはパソコンの座標入力装置であるペン型マウスに適用した例である。
【0049】
本実施の形態のペン型マウス30は、図7に示すように、ペン型のケース31の内部に第1または第2の実施の形態で示したようなジャイロスコープ32a、32bが2個収容されている。2個のジャイロスコープ32a、32bは、図8に示すように、ペン型マウス30を上から見たとき(図7の矢印A方向から見たとき)に各ジャイロスコープ32a、32bの音叉の脚の延在方向が直交するように配置されている。また、各ジャイロスコープ32a、32bを駆動し、回転角を検出するための駆動検出回路33が設けられている。その他、ケース31内に電池34が収容されるとともに、一般のマウスのスイッチに相当する2つのスイッチ35a、35b、マウス本体のスイッチ36等が備えられている。
【0050】
使用者は、このペン型マウス30を持ち、所望の方向にペン先を移動させることによって、パソコン画面上のカーソル等をペン先の移動方向に応じて動かすことができる。すなわち、ペン先を図7中の紙面37のX軸方向に沿って移動させると、ジャイロスコープ32bが回転角θ1を検出し、紙面37のY軸方向に沿って移動させると、ジャイロスコープ32aが回転角θ2を検出する。それ以外の方向に移動させた場合には回転角θ1と回転角θ2の組み合わせとなる。したがって、パソコン側では回転角θ1および回転角θ2に対応した信号をペン型マウス30から受け取って、図9に示すように、画面38上のカーソル39等の移動前の点から画面38上でのX’軸、Y’軸に対応させて回転角θ1、θ2の大きさに対応する距離だけカーソル39を移動させる。このようにして、このペン型マウス30は、光学式エンコーダ等を用いた一般のマウスと同様の動作を実現することができる。
【0051】
ここで用いた本発明のジャイロスコープ32a、32bは、小型、低駆動電圧、高感度という特徴を持っているため、本実施の形態のペン型マウス30のような小型の座標入力機器に好適に使用することができる。また、ナビゲーションやヘッドマウントディスプレイなど、角速度を検知する一般の入力装置に応用が可能である。
【0052】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記の実施の形態のジャイロスコープにおける電極の数は任意に設定してかまわない。しかしながら、感度向上の面からは、加工が可能である限り、多くすることが望ましい。また、電極間またはフィードスルー間を遮蔽する遮蔽部材の形状や数も任意でよい。上記実施の形態では、製造プロセスが複雑化しないようにフィードスルー間を遮蔽する遮蔽部材をフィードスルーと同じシリコンで、電極間を遮蔽する遮蔽部材を電極材料と同じ金属薄膜で形成したが、製造プロセスの複雑化が許容できるのであれば、異なる材料を用いても良い。また、上記実施の形態では3脚型の音叉を用いた例を示したが、脚の数も変更が可能であり、1本でも良い。
【0053】
また、シリコンからなる音叉を2枚のガラス基板で挟持するのではなく、片側のガラス基板がない構成としてもよい。この場合、より簡易な構造のジャイロスコープとなる。また、陽極接合法による張り合わせを考慮すると、シリコンとガラスの相性がよいが、ガラス基板に関しては任意の基材の表面にガラスを融着したものでも代用できる。また、音叉の材料としてシリコンに代えて、カーボンを用いることも可能である。その他、各種構成部材の材料、形状等の具体的な記載は上記実施の形態に限ることなく、適宜変更が可能である。
【0054】
さらに、上記実施の形態ではジャイロスコープの例を挙げたが、本発明は、例えば加速度センサ、圧力センサ等、ジャイロスコープ以外の任意の静電容量検出型センサに適用が可能である。特に片持ち梁やダイヤフラム等の構造体を予め運動(振動)させておくタイプのセンサにおいて、駆動用電極−検出用電極間、もしくはこれら電極にそれぞれ接続された駆動用線路部−検出用線路部間に、本発明特有の遮蔽部材を設けることにより、静電誘導による電気的ノイズの発生が抑制され、S/N比の向上、ひいては検出感度の向上を実現することができる。
【0055】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の静電容量検出型センサおよびジャイロスコープによれば、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間にこれら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する遮蔽部材を設けたことによって、静電誘導による電気的ノイズの発生が防止されるので、S/N比の向上、ひいては検出感度の向上を図ることができる。そして、本発明のジャイロスコープの使用により、応答性に優れた、例えばパソコンの座標入力装置等の小型の入力装置を実現することができる。
次に、振動片とそれを挟持する基材との3層構造として振動片と線路部の一部と遮蔽部材の一部を同一平面上に形成することで1枚の基板から振動片と線路部の一部と遮蔽部材の一部を作り込むことが可能となり、製造プロセスを複雑にすることなく上述の構成を実現できる。
また、振動片、駆動用線路部の一部、検出用線路部の一部および第1の遮蔽部材の一部をともに同一平面上に、これらをシリコンから構成すると、半導体製造技術を用いて微細加工が容易なシリコン基板に導電性を付与したものを材料とし、これをフォトリソグラフィー、エッチング技術により加工することにより、振動片、駆動用線路部の一部、検出用線路部の一部および第1の遮蔽部材の一部を1枚のシリコン基板から作り込むことができる。この構成とすれば、特に製造プロセスを複雑にすることなく、本発明の構成を実現することができる。
特に、前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材の一部と前記線路部の一部がいずれも1枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材の一部と前記線路部の一部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることにより、特に製造プロセスを複雑にすることなく、基材により振動片を保護できるパッケージ性を具備する構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態のジャイロスコープを示す分解斜視図である。
【図2】 同、組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図3】 図2のIII−III線に沿う側断面図である。
【図4】 図2のIV−IV線に沿う正断面図である。
【図5】 本発明の第2の実施の形態のジャイロスコープを示す平面図である。
【図6】 (a)従来のジャイロスコープの電極取り出し部の構成を示す模式図、(b)本発明のジャイロスコープの電極取り出し部の構成を示す模式図、である。
【図7】 本発明の第3の実施の形態であるペン型マウスを示す斜視図である。
【図8】 同、ペン型マウスに用いた2個のジャイロスコープの配置を示す平面図である。
【図9】 同、ペン型マウスを用いて操作を行うパソコン画面を示す正面図である。
【図10】 従来の静電容量式加速度センサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1,25 ジャイロスコープ
2 上側ガラス基板(基材)
3 下側ガラス基板(基材)
4 駆動用電極
5 検出用電極
6 音叉
7 駆動用フィードスルー(駆動用線路部)
8 検出用フィードスルー(検出用線路部)
9 脚(振動片)
10 支持部
11 枠部
12 駆動用配線(駆動用線路部)
13 検出用配線(検出用線路部)
19 検出−駆動間遮蔽部(第1の遮蔽部材)
20 検出−検出間遮蔽部(第2の遮蔽部材)
21 駆動−駆動間遮蔽部(第2の遮蔽部材)
26 検出−駆動間遮蔽配線(第1の遮蔽部材)
30 ペン型マウス(入力装置)
Claims (9)
- 枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との3層構造とされ、
前記枠部と、前記振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第1の遮蔽部材が設けられるとともに、
前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第1の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、
前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第1の遮蔽部材が設けられ、
前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、
前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第1の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第1の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とするジャイロスコープ。 - 前記複数の遮蔽部材間または前記遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなることを特徴とする請求項1記載のジャイロスコープ。
- 前記導電性材料がシリコンであることを特徴とする請求項1または2記載のジャイロスコープ。
- 前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも1枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることを特徴とする請求項3記載のジャイロスコープ。
- 枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との3層構造とされ、
前記枠部と、振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極または前記検出用電極の少なくとも一方が互いに分離された複数の電極からなり、これら複数の電極の隣接する電極間、もしくは該隣接する電極にそれぞれ接続される線路部間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第2の遮蔽部材が設けられるとともに、
前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第2の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、
前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第2の遮蔽部材が設けられ、
前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、
前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第2の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第2の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とするジャイロスコープ。 - 前記複数の遮蔽部材間または前記遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなることを特徴とする請求項5記載のジャイロスコープ。
- 前記導電性材料がシリコンであることを特徴とする請求項5または6記載のジャイロスコープ。
- 前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも1枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることを特徴とする請求項7記載のジャイロスコープ。
- 請求項1ないし8のいずれか一項に記載のジャイロスコープを用いたことを特徴とする入力装置。
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