JP4576703B2

JP4576703B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP4576703B2
Application number: JP2000359834A
Authority: JP
Inventors: 祐史樋口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2020-11-27
Also published as: JP2002162228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２枚の半導体基板を酸化膜等を介して貼り合わせてなる貼り合わせ基板を有し、一方の半導体基板に、角速度検出用の錘部を形成し、この錘部の駆動振動をモニタしながら角速度を検出するようにした振動型の角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の角速度センサは、一般に、第１の半導体基板上に酸化膜等を介して第２の半導体基板を貼り合わせてなる貼り合わせ基板を有し、第２の半導体基板に、第１の方向及びこの第１の方向と直交する第２の方向へ振動可能な錘部と、この錘部を第１の方向へ駆動振動させるために錘部に駆動信号を印加する駆動電極と、錘部の第１の方向への駆動振動をモニタしモニタ信号として検出するモニタ電極と、駆動振動のもと第１及び第２の方向と直交する軸回りに角速度が印加されたときに発生する錘部の第２の方向への振動を、検出信号として検出する検出電極とが形成されたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は上記従来の振動型の角速度センサについて、試作検討を行った。図３は、この試作品の概略平面図である。この試作品は、上記貼り合わせ基板として、２枚のシリコン基板が酸化膜を介して貼り合わされたＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を用い、周知の半導体製造技術を用いて作ることができる。
【０００４】
図３には、一方のシリコン基板（第２の半導体基板）Ｊ１の平面形状が示されており、この一方のシリコン基板Ｊ１には、溝を形成することにより、各部が形成されている。錘部Ｊ２は、一方のシリコン基板Ｊ１を支持する酸化膜及び他方のシリコン基板を部分的に除去することにより形成された開口部Ｊ３上に、配置されている。
【０００５】
錘部Ｊ２は、図中のｘ方向へバネ変形可能な駆動梁Ｊ４及びｙ方向へバネ変形可能な検出梁Ｊ５を介して、錘部Ｊ２の外周の基部Ｊ６に支持されている。錘部Ｊ２の外周部と基部Ｊ６とが対向する部位には、次に述べるような櫛歯状の各電極部が形成されている。
【０００６】
即ち、錘部Ｊ２に駆動信号を印加する駆動電極Ｊ７と、錘部Ｊ２のｘ方向への駆動振動をモニタしモニタ信号として検出するモニタ電極Ｊ８と、ｚ軸回りに角速度Ωが印加されたときに発生する錘部Ｊ２のｙ方向への振動を検出信号として検出する検出電極Ｊ９とが形成されている。また、各電極Ｊ７〜Ｊ９には、それぞれ対応したパッドＪ７１、Ｊ８１、Ｊ９１が形成されている。
【０００７】
そして、この図３に示すセンサにおいては、駆動電極Ｊ７に駆動信号（正弦波等）を印加すると、駆動梁Ｊ４によって錘部Ｊ２は、ｘ方向へ駆動振動する。このとき、モニタ電極Ｊ８における櫛歯間の容量変化を調べることにより、錘部Ｊ２の駆動振動の周波数や振幅等をモニタし、駆動信号を調整できるようになっている。
【０００８】
この錘部Ｊ２の駆動振動のもと、角速度Ωが印加されると、錘部Ｊ２にはｙ方向にコリオリ力が発生し、錘部Ｊ２は検出梁Ｊ５によってｙ方向へ振動（検出振動）する。すると、この検出振動によって、検出電極Ｊ９間の容量が変化するため、この変化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。
【０００９】
ところで、図３に示すような角速度センサにおいては、図４に示す様に、基部Ｊ６側の各電極Ｊ７〜Ｊ９は、酸化膜Ｊ１１を介して他方の半導体基板（第１の半導体基板）Ｊ１２に支持された構成となっている。なお、図４は、各電極Ｊ７〜Ｊ９の支持構成を示すための模式的な断面図である。
【００１０】
そのため、図４中、破線で示す様に、駆動電極Ｊ７と他方の半導体基板Ｊ１２との間に形成される寄生容量Ｃｐ１と、モニタ電極Ｊ８と他方の半導体基板Ｊ１２との間及び検出電極Ｊ９と他方の半導体基板Ｊ１２との間に形成される寄生容量Ｃｐ２との間でカップリングが生じる。
【００１１】
このようにカップリングがあると、モニタ電極Ｊ８からのモニタ信号および検出電極Ｊ９からの検出信号には、駆動信号が回り込んだ信号（回り込み駆動信号）がノイズとして乗ってくる。この回り込み信号は、モニタ・検出信号と比して非常に大きいので、正確なモニタ、検出信号を検出できない、という問題が発生する。
【００１２】
この問題に対して、単純には、駆動信号を加工して擬似的に回り込み駆動信号を作り、この擬似的な回り込み信号とモニタ・検出信号との差動を取り、引き算することで見かけ上、ノイズをキャンセルすることが考えられる。しかし、回路側からの複雑な処理が必要となり効率的ではない。
【００１３】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、振動型の角速度センサにおいて、モニタ・検出信号にノイズとして現れる回り込み駆動信号を効率的にキャンセルできるようにすることを目的とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１及び第２の半導体基板（１１、１２）を酸化膜（１３）を介してを貼り合わせてなる貼り合わせ基板（１０）を有し、第２の半導体基板には、互いに直交する第１の方向（ｘ）及び第２の方向（ｙ）へ振動可能な錘部（３０）と、この錘部へ駆動信号を印加するための駆動電極（４０）と、錘部の駆動振動に対するモニタ信号を検出するためのモニタ電極（６０）と、角速度の印加時における検出信号を検出するための検出電極（５０）とが形成されている角速度センサにおいて、第２の半導体基板に、第１の半導体基板との間に容量が形成されるダミー電極（７０）を形成し、モニタ信号及び検出信号へ現れる駆動信号によるノイズ成分を、ダミー電極からの信号によりキャンセルするようにしており、第２の半導体基板（１２）は、第１の半導体基板（１１）および酸化膜（１３）が除去されて形成された開口部（１４）の縁部にて、酸化膜（１３）を介して支持されており、開口部（１４）は矩形状であり、ダミー電極（７０）、モニタ電極（６０）及び検出電極（５０）の各電極において、酸化膜（１３）上に存在している部分を、同一の平面形状にするとともに、開口部（１４）の同一辺に沿って配置することにより、ダミー電極（７０）における酸化膜（１３）を介した第１の半導体基板（１１）への投射面積が、モニタ電極（６０）及び検出電極（５０）における酸化膜（１３）を介した第１の半導体基板（１１）への投射面積と同じになっているようにしたことを特徴としている。
【００１５】
それによれば、ダミー電極と駆動電極との間に容量成分が形成されるため、ダミー電極からの信号（ダミー信号）には、モニタ電極や検出電極に現れる回り込んでくる駆動信号が乗ってくることになる。
【００１６】
そして、ダミー信号をモニタ信号及び検出信号から差し引く等の処理を行えば、モニタ信号及び検出信号へ現れる駆動信号によるノイズ成分をキャンセルすることができる。よって、本発明によれば、モニタ・検出信号にノイズとして現れる回り込み駆動信号を効率的にキャンセルすることができる。
【００１７】
なお、好ましくは、ダミー電極は、駆動電極との間に形成される容量が、モニタ電極及び検出電極と駆動電極との間に形成される寄生容量と同じになっており、その場合、ダミー電極における上記容量は、モニタ電極及び検出電極と駆動電極との間に形成される寄生容量と同じであるため、ダミー信号は、モニタ電極及び検出電極からの各信号に現れる回り込み駆動信号と同等の信号となる。
【００１８】
また、本発明では、ダミー電極（７０）、モニタ電極（６０）及び検出電極（５０）の各電極において、酸化膜（１３）上に存在している部分を、同一の平面形状にするとともに、矩形状の開口部（１４）の同一辺に沿って配置することにより、ダミー電極（７０）における酸化膜（１３）を介した第１の半導体基板（１１）への投射面積が、モニタ電極（６０）及び検出電極（５０）における酸化膜（１３）を介した第１の半導体基板（１１）への投射面積と同じになっているから、ダミー電極と駆動電極との間に形成される容量と、モニタ電極及び検出電極と駆動電極との間に形成される寄生容量とを、適切に同じにすることができる。
【００２１】
また、第２の半導体基板を支持する酸化膜や第１の半導体基板は、錘部を可動とするために開口部（上記図３参照）が形成される。本発明によれば、この開口部が加工ばらつきによって、位置ずれや寸法ずれを起こしたような場合に、ダミー、モニタ、検出の各電極の投射面積のずれも各電極間で揃えやすくなるため、好ましい。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の角速度センサにおいて、ダミー電極（７０）を、モニタ電極（６０）と検出電極（５０）との間に介在して配置したことを特徴としており、これら各電極の外部回路との接続が容易となる。
【００２３】
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。
【００２４】
【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角速度センサＳ１を示す平面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ断面図である。なお、この角速度センサＳ１は図２に示す様に、回路チップＫ１に接着剤等を介して固定されている。
【００２５】
角速度センサＳ１は、半導体基板に周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。センサＳ１を構成する貼り合わせ基板は、図２に示す様に、第１の半導体基板としての第１シリコン基板１１上に絶縁層としての酸化膜１３を介して第２の半導体基板としての第２シリコン基板１２を貼り合わせてなる矩形状のＳＯＩ基板１０である。
【００２６】
第２シリコン基板１２には、エッチング加工を施すことにより溝を形成し、当該基板１２を周辺部側に位置する枠状の基部２０と、この基部２０の内周側に位置して可動する錘部３０とに区画している。
【００２７】
ここで、錘部３０に対応した部分においては、第１シリコン基板１１及び酸化膜１３は除去されており、開口部１４が形成されている。そして、基部２０は、この開口部１４の縁部にて酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１に支持されている。
【００２８】
錘部３０は、第２シリコン基板１２の中央部に位置する略長方形状の第１の可動部３１と、第１の可動部３１におけるｘ方向（第１の方向）の両外側に設けられた柱状の第２の可動部３２とよりなる。そして、錘部３０においては、第２の可動部３２は略コの字形状をなす駆動梁３３を介して基部２０に連結され、第１の可動部３１は、検出梁３４を介して第２の可動部３２に連結されている。
【００２９】
ここで、駆動梁３３は、実質的にｘ方向にのみ自由度を持つものであり、この駆動梁３３によって錘部３０全体がｘ方向へ振動可能となっている。一方、検出梁３４は、実質的にｙ方向（第２の方向）にのみ自由度を持つものであり、この検出梁３４によって錘部３０のうち第１の可動部３１がｙ方向へ振動可能となっている。
【００３０】
また、第２シリコン基板１２のうち、第２の可動部３２におけるｘ方向の両外側には、開口部１４の縁部に支持された櫛歯状の駆動電極４０（図示例では１個ずつ）が形成されている。この駆動電極４０は、錘部３０全体をｘ方向（第１の方向）へ駆動振動させるために錘部３０に駆動信号を印加するためのものである。
【００３１】
そして、駆動電極４０は、第２の可動部３２から突出する櫛歯部３５に対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。ここで、駆動電極４０には、回路チップＫ１とワイヤボンディング等により電気的に接続されるためのパッド（駆動電極用パッド）４１がアルミ等により形成されている。
【００３２】
また、第２シリコン基板１２のうち、第１の可動部３１におけるｙ方向の両外側には、開口部１４の縁部に支持された櫛歯状の検出電極５０（図示例では１個ずつ）が形成されている。この検出電極５０は、錘部３０の駆動振動のもとｘ及びｙ方向と直交するｚ軸回りに角速度Ωが印加されたときに発生する錘部３０（第１の可動部３２）のｙ方向（第２の方向）への振動（検出振動）を検出信号として検出するためのものである。
【００３３】
そして、検出電極５０は、第１の可動部３１から突出する櫛歯部３６に対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。ここで、検出電極５０には、回路チップＫ１とワイヤボンディング等により電気的に接続されるためのパッド（検出電極用パッド）５１がアルミ等により形成されている。
【００３４】
また、第２シリコン基板１２のうち、第２の可動部３２におけるＸ方向の両外側には、開口部１４の縁部に支持された櫛歯状のモニタ電極６０（図示例では２個ずつ）が形成されている。このモニタ電極６０は、錘部３０のｘ方向への駆動振動をモニタし、モニタ信号を検出するためのものである。
【００３５】
そして、モニタ電極６０は、第２の可動部３２から突出する櫛歯部３７に対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。ここで、モニタ電極６０には、回路チップＫ１とワイヤボンディング等により電気的に接続されるためのパッド（モニタ電極用パッド）６１がアルミ等により形成されている。
【００３６】
ここで、第２シリコン基板１２におけるｙ方向にて対向する両辺には、開口部１４の縁部に支持されたダミー電極７０（図示例では２個ずつ）が設けられている。そして、このダミー電極７０にも、回路チップＫ１とワイヤボンディング等により電気的に接続されるためのパッド（ダミー電極用パッド）７１がアルミ等により形成されている。
【００３７】
なお、上記した基部２０、錘部３０、駆動電極４０、検出電極５０、モニタ電極６０及びダミー電極７０といった第２シリコン基板１２に形成された各部は、上記溝により互いに電気的に絶縁されている。
【００３８】
ここで、本実施形態においても、モニタ電極７０及び検出電極６０と駆動電極４０との間には、上記図４に示した寄生容量（Ｃｐ１＋Ｃｐ２）と同様の寄生容量が生じる。また、ダミー電極７０と駆動電極４０との間にも、同様に容量が生じる。
【００３９】
このダミー電極７０と駆動電極４０との間に生じる容量は、酸化膜１３を介してダミー電極７０と第１シリコン基板１１との間形成される容量（ダミー容量）と、駆動電極４０の寄生容量Ｃｐ１（図４参照）との間のカップリング容量である。なお、各電極間の第２シリコン基板１２（つまり基部２０）は、パッド８０を介して接地される等、同電位となっているので、各電極間の第２シリコン基板１２を介した寄生容量の影響は小さい。
【００４０】
ここにおいて、本実施形態では、ダミー電極７０と駆動電極４０との間に形成される容量が、検出電極５０及びモニタ電極６０の各々と駆動電極４０との間に形成される寄生容量と同じものとなっている。これは、言い換えれば、上記ダミー容量が、検出電極５０及びモニタ電極６０の各々と第１シリコン基板１１との間の寄生容量に等しいことである。
【００４１】
このことは、具体的には、図１に示す様に、開口部１４の縁部における検出、モニタ、ダミーの電極の各々の平面形状を同一にする等により、ダミー電極７０における酸化膜１３を介した第１シリコン基板１１への投射面積を、モニタ電極６０及び検出電極５０の個々における酸化膜１３を介した第１シリコン基板１１への投射面積と同じとすることにより、適切に実現されている。
【００４２】
また、図１に示す様に、１個の検出電極５０と２個のモニタ電極６０と２個のダミー電極７０は、矩形状をなす第２シリコン基板１２におけるｙ方向にて対向する両辺に、それぞれ並列に配置されている。そして、当該各辺において、ダミー電極７０は、モニタ電極６０と検出電極５０との間に介在して配置されている。
【００４３】
かかる角速度センサＳ１においては、回路チップＫ１から駆動電極用パッド４１を介して駆動電極４０に駆動信号（正弦波電圧等）を印加して、上記櫛歯部３５と駆動電極４０との間に静電気力を発生させることにより、駆動梁３３によって錘部３０全体がｘ方向へ駆動振動する。
【００４４】
このとき、モニタ電極６０における櫛歯間の容量変化を調べることにより、錘部３０の駆動振動の周波数や振幅等をモニタする。そして、モニタされた容量変化がモニタ信号として、モニタ電極用パッド６１から回路チップＫ１へフィードバックされることにより、駆動信号が調整され、錘部３０は正常な駆動振動が可能となっている。
【００４５】
この錘部３０の駆動振動のもと、ｚ軸回りに角速度Ωが印加されると、錘部３０にはｙ方向にコリオリ力が印加され、錘部３０のうち第１の可動部３１が、検出梁３４によってｙ方向へ検出振動する。すると、この検出振動によって、検出電極５０における櫛歯間の容量が変化するため、この容量変化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。
【００４６】
ところで、本実施形態によれば、第２シリコン基板１２にダミー電極７０を形成し、このダミー電極７０と駆動電極４０との間に形成される容量が、モニタ電極６０及び検出電極５０と駆動電極４０との間に形成される寄生容量（以下、モニタ・検出寄生容量という）と同じになっている。
【００４７】
それによれば、ダミー電極７０と駆動電極４０間の容量と、モニタ・検出寄生容量とが同じであるため、ダミー電極７０からの信号（以下、ダミー信号という）は、モニタ電極６０及び検出電極５０からの各信号に現れる回り込み駆動信号と同等の信号となる。そのため、ダミー信号を用いれば、モニタ信号及び検出信号へ現れる駆動信号によるノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００４８】
例えば、モニタ信号とダミー信号との差動出力を取ったり、検出信号とダミー信号との差動出力を取ったりすることによって、本来のモニタ信号、検出信号を得ることができる。従って、本実施形態によれば、回路側にて複雑な処理を行うことなく、モニタ・検出信号にノイズとして現れる回り込み駆動信号を効率的にキャンセルすることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、ダミー電極７０、モニタ電極６０及び検出電極５０を、矩形板状をなす第２シリコン基板１２における同一辺側に並列に配置したことを特徴としている。この様な電極配置構成としたのは、次の理由による。
【００５０】
開口部１４が加工ばらつきによって、ｘ方向やｙ方向へ位置ずれしたり、開口面積（大きさ）の寸法ずれを起こす可能性がある。しかし、上記電極配置構成によれば、そのようなずれが生じても、同一辺側に位置するダミー、モニタ、検出の各電極５０〜７を支持する開口部１４の縁部のずれが揃うため、各電極における上記投射面積を同等に維持し易い。
【００５１】
また、本実施形態では、上記同一辺側に位置するダミー電極７０を、モニタ電極６０と検出電極５０との間に介在して配置しているため、これら各電極５０〜７０の回路チップ（外部回路）Ｋ１とのワイヤボンディング等による接続が容易となる。つまり、互いのワイヤが交差したりするのを防止できる。また、ダミー電極７０がモニタ及び検出電極５０、６０のそれぞれの隣にあるため、どちらの差動キャンセルにも共通して使える。
【００５２】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、開口部１４は矩形状であったが、開口部１４は矩形状でなくとも他の幾何学的形状であっても良い。また、開口部１４は、酸化膜１３及び第１シリコン基板１１の厚み方向を貫通するものでなくとも良く、例えば、犠牲層エッチング等により酸化膜１３を除去し、第１シリコン基板１１は残すことにより凹部を形成し、当該凹部を開口部として構成しても良い。
【００５３】
また、第１の半導体基板上に酸化膜を介して第２の半導体基板を貼り合わせてなる貼り合わせ基板としては、上記ＳＯＩ基板１０に限定されない。
【００５４】
また、ダミー電極７０によるダミー容量は、必要に応じて、その大きさを設定すれば良く、例えば検出電極５０及びモニタ電極６０の各々と駆動電極４０との間に形成される寄生容量と必ずしも同じである必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサを示す平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明者が試作した角速度センサを示す平面図である。
【図４】角速度センサにおける駆動電極とモニタ電極及び検出電極との間に発生する寄生容量を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０…ＳＯＩ基板、１１…第１シリコン基板、１２…第２シリコン基板、
１３…酸化膜、３０…錘部、４０…駆動電極、５０…検出電極、
６０…モニタ電極、７０…ダミー電極、ｘ…第１の方向、ｙ…第２の方向、
ｚ…角速度軸。

Claims

第１の半導体基板（１１）上に酸化膜（１３）を介して第２の半導体基板（１２）を貼り合わせてなる貼り合わせ基板（１０）を有し、
前記第２の半導体基板には、第１の方向（ｘ）及びこの第１の方向と直交する第２の方向（ｙ）へ振動可能な錘部（３０）と、
この錘部を前記第１の方向へ駆動振動させるために前記錘部に駆動信号を印加するための駆動電極（４０）と、
前記錘部の前記第１の方向への駆動振動をモニタし、モニタ信号を検出するためのモニタ電極（６０）と、
前記駆動振動のもと前記第１及び第２の方向と直交する軸（Ｚ）回りに角速度が印加されたときに発生する前記錘部の前記第２の方向への振動を、検出信号として検出するための検出電極（５０）と、が形成されている角速度センサにおいて、
前記第２の半導体基板には、前記第１の半導体基板との間に容量が形成されるダミー電極（７０）が形成されており、
このダミー電極からの信号によって、前記モニタ信号及び前記検出信号へ現れる前記駆動信号によるノイズ成分をキャンセルするようにしており、
前記第２の半導体基板（１２）は、前記第１の半導体基板（１１）および前記酸化膜（１３）が除去されて形成された開口部（１４）の縁部にて、前記酸化膜（１３）を介して支持されており、
前記開口部（１４）は矩形状であり、
前記ダミー電極（７０）、前記モニタ電極（６０）及び前記検出電極（５０）の各電極において、酸化膜（１３）上に存在している部分を、同一の平面形状にするとともに、前記開口部（１４）の同一辺に沿って配置することにより、前記ダミー電極（７０）における前記酸化膜（１３）を介した前記第１の半導体基板（１１）への投射面積が、前記モニタ電極（６０）及び前記検出電極（５０）における前記酸化膜（１３）を介した前記第１の半導体基板（１１）への投射面積と同じになっているようにしたことを特徴とする角速度センサ。
前記ダミー電極（７０）は、前記モニタ電極（６０）と前記検出電極（５０）との間に介在して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。