JP4320934B2 - 半導体角速度センサ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板を加工することにより形成されてなり、角速度の印加に応じて振動部が所定方向へ振動したときの静電容量の変化に基づいて印加角速度を検出するようにした半導体角速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の半導体角速度センサは、シリコン基板等の半導体基板をエッチング等の半導体製造技術を用いて加工することにより形成される。そして、加工された半導体基板には、角速度の印加に応じて所定方向へ振動する振動部と、この振動部に設けられ振動部とともに所定方向へ振動する第1の電極と、第1の電極と対向して配置された第2の電極とが形成される。
【0003】
そして、振動部を角速度印加時の振動(検出振動)方向とは直交する方向に振動(駆動振動)させ、この駆動振動のもとで角速度が印加されると、発生するコリオリ力によって振動部が所定方向へ検出振動する。この検出振動によって第1の電極と第2の電極との間の静電容量も変化するため、この静電容量の変化に基づいて印加角速度が検出される。このような半導体角速度センサは、静電検出型の半導体角速度センサといわれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の静電検出型の半導体角速度センサにおいては、半導体基板の加工ばらつきにより、角速度印加時の振動部の駆動振動及び検出振動の共振周波数が、設計値からずれる場合がある。このような場合、駆動振動の共振周波数と検出振動の共振周波数との比がずれるため、検出振動の振幅が設計値に対し、大きくなったり小さくなったりし、感度が低下する等の不具合が発生する。
【0005】
このような問題に対して、従来では、角速度センサに別途、検出振動の共振周波数を調整するための調整用電極を設け、振動部に静電力を作用させることで検出振動の共振周波数を調節する手法が採られている。しかし、この手法の場合、調整用電極を設けるスペースが必要となり、センサの小型化の障害となる。
【0006】
本発明は上記問題に鑑み、静電検出型の半導体角速度センサにおいて、調整用電極を別途設けることなく、検出振動の共振周波数を調節可能とすることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明では、半導体基板を加工することにより形成されてなり、角速度の印加に応じて所定方向へ振動する振動部(2)と、この振動部に設けられ振動部とともに所定方向へ振動する第1の電極(3)と、第1の電極と対向して配置された第2の電極(4)とを備え、振動部が振動したときに、第1の電極と第2の電極との間の静電容量の変化に基づいて印加角速度を検出するようにした半導体角速度センサにおいて、第1の電極と第2の電極との間で、振動部の振動の共振周波数を調整するために調整用の電圧信号を印加するようにしたことを特徴としている。
【0008】
本発明によれば、角速度検出を行う検出用電極である第1の電極及び第2の電極を用いて、検出振動の共振周波数を調整するための調整用の電圧信号を印加することができるため、調整用電極を別途設けることなく、検出振動の共振周波数を調節可能とすることができる。従って、センサの小型化が図れる。
【0009】
ここで、請求項2の発明のように、電圧信号が直流電圧であれば、簡単且つ適切に検出振動の共振周波数を調整することができる。
【0010】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る半導体角速度センサ(以下、単にセンサという)における検出振動に着目した構成を示す模式図である。このセンサは、シリコン基板やSOI(シリコン−オン−インシュレータ)基板等の半導体基板に、フォトリソグラフやエッチング等の半導体製造技術を用いて溝を形成し、この溝を介して各部を区画することにより形成される。
【0012】
そして、加工された半導体基板には、基板周辺部であり固定部である基部1と、角速度の印加に応じて所定方向(図中の矢印X方向)へ振動するように基部1に支持された振動部(可動部)2と、この振動部2に設けられ振動部2とともに所定方向へ振動する可動電極(本発明でいう第1の電極)3と、第1の電極3と対向して配置された固定電極(本発明でいう第2の電極)4とが形成される。
【0013】
振動部2は、矩形状の錘部20と、この錘部20の両端を基部1に連結する矩形枠状の支持梁21とを備える。この支持梁21は、図中の矢印X方向へバネ変形可能なものであり、それによって、錘部20は、角速度が印加されたときに発生するコリオリ力により矢印X方向へ検出振動できるようになっている。なお、振動部2は、図示しない駆動手段により、矢印X方向と直交する矢印Y方向へ駆動振動可能となっている。
【0014】
可動電極3は、矢印Y方向における錘部20の両側に突出する梁形状をなしており、図示例では左右両側に2本ずつ合計4本設けられている。この可動電極3は、可動部2の検出振動によって錘部20と一体に変位するものであり、可動部2の一部として構成されている。
【0015】
固定電極4は、その長手方向の側面が可動電極3の長手方向の側面と対向するように基部1側から突出した梁形状をなしている。本例では、1個の可動電極3につき、その両側の側面と対向するように2個ずつ合計8個の固定電極4が設けられている。ここで、1個の可動電極3に対する2個の固定電極4との対向間隔d1、d2は互いに異なっており、本例ではd1<d2となっている。なお、d1=d2であっても良い。
【0016】
このように構成されたセンサの角速度検出の基本動作は次のようである。振動部2を上記駆動手段(例えば、よく知られている櫛歯状電極を用いたもの)により、図中の矢印Y方向へ駆動振動させる。
【0017】
この駆動振動のもと、図1中の矢印X(X軸)及び矢印Y(Y軸)と直交するZ軸回りに角速度が印加されると、発生するコリオリ力によって振動部2は、X軸方向へ検出振動する。すると、可動電極3と固定電極4との間の対向間隔d1、d2が変化するため、これら両電極3、4間の静電容量が変化する。
【0018】
この静電容量変化を検出し、電圧値に変換して出力する等により印加角速度を検出することができる。このとき、2種類の間隔d1、d2を異ならせることにより、異なる2種類の出力が得られ、これらの差動出力をとることで、ノイズの抑制に効果がある。
【0019】
このようなセンサにおいては、駆動振動及び検出振動の共振周波数が一致しているか若しくは近いほど、検出振動の共振状態が大きくなるため、感度が向上し、好ましい。しかし、実際には、半導体基板の加工ばらつきにより検出振動の共振周波数が狙いの値よりもずれる場合がある。
【0020】
しかし、本実施形態では、振動部2の検出振動の共振周波数のずれを調整すべく、可動電極3と固定電極4との間で調整用の電圧信号を印加するようにしているため、感度を確保することが可能である。具体的には、次のような理由により当該共振周波数の調節が可能である。
【0021】
図1において、可動電極3と固定電極4との間に調整用の電圧信号として、直流電圧Vが与えられている場合を考える。この場合、上記2種類の対向間隔d1、d2に応じて、それぞれの可動電極3と固定電極4との間には、X軸方向において互いに逆向きの静電引力Fe1、Fe2が働く。その大きさは、次の数式1にて表される。
【0022】
【数1】
Figure 0004320934
【0023】
ここで、ε0は誘電率、tは構造体の厚さ(可動及び固定電極の基板厚み方向の厚さ)、L(は可動電極3と固定電極4とのオーバーラップ長さである。
【0024】
また、コリオリ力によって振動部2が矢印X方向にΔxだけの変位を持つときに振動部2に働く復元力Fは、支持梁21のバネ定数をkとすると、次の数式2にて表される。
【0025】
【数2】
Figure 0004320934
【0026】
ここで、コリオリ力の大きさは非常に小さいため、Δxは対向間隔d1、d2よりも非常に小さく、無視できる。つまり、d1、d2≫Δxとすると、上記復元力Fは、次の数式3にて表される。
【0027】
【数3】
Figure 0004320934
【0028】
また、振動部2をマス部としたときのバネ−マス系の見かけのバネ定数k’は次の数式4にて表される。
【0029】
【数4】
Figure 0004320934
【0030】
ここで、このバネ−マス系の共振周波数fは、マス部(振動部)の質量をmとすると、次の数式5にて表される。
【0031】
【数5】
Figure 0004320934
【0032】
従って、上記数式5の関係から、固定電極4と可動電極3との間に与える直流電圧(電位差)Vを変え、両電極3、4の間に働く静電引力を調整することにより、共振周波数fを調節することができる。
【0033】
なお、上記数式1の各静電引力Fe1、Fe2は、1本ずつの可動電極3と固定電極4との間の静電引力を示すものであり、可動電極3と固定電極4が複数本、つまりn本になると、当該静電引力もn倍となる。そのため、可動電極3と固定電極4が複数本の場合には、本実施形態における調整効果は大きくなる。
【0034】
以上のように、本実施形態によれば、角速度検出用電極である可動及び固定電極3、4を用いて、調整用の電圧信号Vを印加することができるため、調整用電極を別途設けることなく、振動部2の検出振動の共振周波数を調節可能とすることができる。そして、調整用電極を別途設ける必要がないため、センサの小型化が図れる。
【0035】
なお、本発明は、半導体基板を加工することにより、角速度の印加に応じて所定方向へ振動する振動部2と、この振動部2に設けられ振動部2とともに該所定方向へ振動する第1の電極3と、第1の電極3と対向して配置された第2の電極4とが形成されており、振動部2が振動したときに、第1の電極3と第2の電極4との間の静電容量の変化に基づいて印加角速度を検出するようにした半導体角速度センサにおいて、第1の電極3と第2の電極4との間で、振動部2の振動の共振周波数を調整するために調整用の電圧信号Vを印加するようにしたことを主たる特徴とするものであり、上記実施形態において他の部分は適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る半導体角速度センサの模式図である。
【符号の説明】
2…振動部、3…可動電極(第1の電極)、4…固定電極(第2の電極)。

Claims (2)

  1. 半導体基板を加工することにより形成されてなり、
    角速度の印加に応じて所定方向へ振動する振動部(2)と、
    この振動部に設けられ前記振動部とともに前記所定方向へ振動する第1の電極(3)と、
    前記第1の電極と対向して配置された第2の電極(4)とを備え、
    前記振動部が振動したときに、前記第1の電極と前記第2の電極との間の静電容量の変化に基づいて印加角速度を検出するようにした半導体角速度センサにおいて、
    前記第1の電極は、前記所定方向における前記振動部の両側に突出する梁形状をなして、前記振動部の両側に複数本ずつ設けられており、
    前記第2の電極は、その長手方向の側面が前記第1の電極の長手方向の側面と対向するように突出した梁形状をなして、前記振動部の両側に複数本ずつ設けられた前記第1の電極のそれぞれについてその両側の側面と対向するように2個ずつ設けられており、
    前記第1の電極のそれぞれについて前記第1の電極とその両側の側面と対向するように設けられた2個の前記第2の電極との対向間隔(d1、d2)は互いに異なっており、
    前記第1の電極のそれぞれその両側の側面と対向するように設けられた2個の前記第2の電極との間で、前記振動部の振動の共振周波数を調整するために調整用の電圧信号を印加するようにしたことを特徴とする半導体角速度センサ。
  2. 前記電圧信号は、直流電圧であることを特徴とする請求項1に記載の半導体角速度センサ。
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