JP4320934B2

JP4320934B2 - 半導体角速度センサ

Info

Publication number: JP4320934B2
Application number: JP2000225773A
Authority: JP
Inventors: 卓勝間田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: JP2002039759A

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Ｆ_e1、Ｆ_e2が働く。その大きさは、次の数式１にて表される。
【００２２】
【数１】

【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】

【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】

【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】

【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】

【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Ｆ_e1、Ｆ_e2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

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。
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。