JP4654344B2 - ガスレートセンサの検出部構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスレートセンサの検出部構造に関し、特に、シリコンウェハ又はＳＯＩウェハで形成されたシリコン枠形基板の各突出アームに対して、両端部が自由端である円弧状のワイヤ部を形成し、熱膨張及び熱収縮時の熱応力の発生を防止し、検出精度及び感度を向上させるようにするための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種のガスレートセンサの検出部構造としては、例えば、特許文献１及び非特許文献１等に開示された構造を挙げることができる。
すなわち、図４で示される構成は、従来の１軸型の検出部構造であり、基板１上に４個のピン状の電極２〜４が各々独立して植設され、一対の電極２，３間、及び、一対の電極４，５間には、当業者間ではホットワイヤと呼称されるワイヤ６，７が張設され、溶接等での一体接続されている。

前述の構成において、各ワイヤ６，７に電流が流された状態下で、図示しないガス供給孔から供給されたガスがガス流８として供給され、外部から角速度が付加された場合には、コリオリの力によりこのガス流８が偏向すると、何れかのワイヤ６，７に温度差ができる。
この温度差の状態を、各ワイヤ６，７が二辺に組込まれた図示しないブリッジ回路によって検出され、抵抗差として角速度の検出が行われる。

図５は、図４の１軸型を２軸型に変更した従来構成である。
図６は、図４及び図５に示されるピン状の電極２〜５の代りに板状の電極２〜５を用いて各ワイヤ６，７を張設し、同形状の検出部を互いに異なる検出軸方向に向けて組合わせることにより、２軸型の従来構成が示されている。
図７は、図６の上下２段式に構成された電極部分のみを示している。

また、２００４年札幌で開催された「プロシーディング・オブ・アジアパシフィック・コンフォレンス・オブ・トランスデューサーズ・アンド・マイクロナノ・テクノロジー」の「デザイン・アンド・ファブリケーション・オブ・セミコンダクター・ガス・ジャイロスコープ」のｖｏＬ．３−１，ｐｐ．２５７−２６２で発表されたＳＯＩウェハ（シリコン・オン・インシュレータウェハ）を用い各種エッチング処理（マイクロマシニング加工）によって形成したガスレートセンサの検出部構造を以下に示す。
図９において符号１０で示されるものは、周知のＳＯＩウェハ（シリコン・オン・インシュレータウェハ）であり、このＳＯＩウェハには、多数の区画が形成され、各区画毎に図１０で示される検出部２０が形成されている。

前記検出部２０は、ＳＯＩウェハ１０をＩＣを製造する工程と同様に、各種エッチング処理（マイクロマシニング加工）によって形成され、図１０及び図１１で示されるように構成されている。

すなわち、図１１の断面図において、前記検出部２０は、シリコンからなり、開口１Ａを有する支持基板１と、この支持基板１上の絶縁酸化膜（ＢＯＸ）からなる絶縁層３１と、この絶縁層３１上の導電性の活性層３２と、この活性層３２上に形成されアルミニウムからなる導電性パターン３３とからなり、この活性層３２には、図１０の平面図にも示されるように４個のホットワイヤとしてのワイヤ６，７が形成されている。

前記絶縁層３１及び支持基板１は、平面的にみると、図１０で示されるように、エッチング処理によって開口１Ａが形成（図１０の白抜きの部分に相当）されると共に、４本の突出アーム２，３，４，５が内方へ突出した状態で形成され、この各突出アーム２，３，４，５は、支持基板１、絶縁層３１、活性層３２及び導電性パターン３３の多層構造から構成されている。

従って、各突出アーム２，３，４，５間には前記活性層３２からなるワイヤ６，７が形成されており、各ワイヤ６，７が四角形に配設されることにより、２軸方向の角速度入力を検出することができるように構成されている。
また、前記各ワイヤ６，７に一体に接続した状態で形成された導電性パターン３３は、前記活性層３２と共に２層状に形成されている。

前述の検出部２０は、図８で示される周知のガスレートセンサ２５の内部に着装され、ガス噴出孔２６からのガス流８が各ワイヤ６，７に供給されるように構成されている。
尚、図１０の２軸検出型に対して２本のワイヤ６又は７のみとすることにより、１軸検出型とすることもできる。

特公平１−５６２７５号公報 ジャイロ活用技術（多摩川精機株式会社編、平成１４年工業調査会発行）の５６頁の２，２，４（１）のガスレートセンサ

従来のガスレートセンサの検出部構造は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、図４から図７の従来構成の場合、電極間にワイヤを張設する場合、電気抵抗溶接で固定しているが、この固定時に、ワイヤが極細であるため、ワイヤにダメージが加わりやすく、これは、溶接固定する際に発生する力（応力）、熱によるものである。
このワイヤへのダメージの程度が大きくなると、断線等が発生し、歩留まりの低下、信頼性の低下になっていた。
また、図８から図１１の従来構成の場合、前述の図４から図７の従来構成の場合のようにワイヤを張設する必要はないが、各ワイヤの両端が前記各突出アームに固定されているため、温度変化等でガスレートセンサのケース等からシリコンウェハ又はＳＯＩウェハに圧力が印加された場合、各突出アームを介してワイヤに引張応力、圧縮が発生し、検出誤差等の原因となっていた。
また、ワイヤの温度が変化した時、ワイヤが熱膨張及び熱収縮して熱応力が発し、それによりピエゾ抵抗効果でワイヤの抵抗値が変化する。
このピエゾ抵抗効果による抵抗値変化は、熱抵抗効果による抵抗値変化とは真逆に変化し、ガスレートセンサとしての感度は低下することになっていた。
例えば、ワイヤの温度を上げた場合、熱抵抗効果によって抵抗値が高くなる。しかし、熱膨張によって圧縮応力が発生しピエゾ抵抗効果で抵抗値が低くなる。そのため、全体としては抵抗値の変化が小さくなり、感度が低下する。この現象はワイヤの温度が下がる場合も同様である。

本発明によるガスレートセンサの検出部構造は、全体形状が枠状をなしシリコンウェハ又はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハを加工してなるシリコン枠形基板と、前記シリコン枠形基板の内面に内方へ向けて突出する複数の突出アームと、前記シリコン枠形基板の上面に形成された絶縁層と、前記各突出アーム上の前記絶縁層上に形成され円弧状をなすワイヤ部と、前記各突出アームに対応して前記絶縁層上に形成された一対のランド部と、前記各ランド部に形成され前記ワイヤ部の第１、第２端部に接続して延設された導電性パターンとを備え、前記各ワイヤ部の前記各端部は自由端であると共に互いに離間して配設されている構成であり、また、前記ワイヤ部及びランド部は、前記シリコンウェハの場合には半導体又はシリコン層からなる構成であり、また、前記ワイヤ部及びランド部は、前記ＳＯＩウェハの場合には、前記ＳＯＩウェハの活性層からなる構成である。

本発明によるガスレートセンサの検出部構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、シリコンウェハ又はＳＯＩウェハを用いてワイヤ部を形成し、各突出アームの先端に設けられたワイヤ部の両端部が自由端であると共に、互いに隣接する各ワイヤ部の各両端部同志が互いに離間しているため、各ワイヤ部の温度が変化する時、熱膨張及び熱収縮するが、熱応力は殆んど発生することがない。
また、各ワイヤ部の形状が円弧状であるため、直線状のワイヤ部と比較すると、ワイヤ部を通過するガス流の交流速エリアに位置するワイヤ部の割合が多く、その分だけ感度を上昇させることができる。
また、ワイヤ部が半導体材料で形成されているため、従来の金属材料のワイヤ部に比べると、熱抵抗効果又は検出感度が高くなる。

本発明は、シリコンウェハ又はＳＯＩウェハで形成されたシリコン枠形基板の各突出アームに対して、両端部が自由端である円弧状のワイヤ部を形成し、熱膨張及び熱収縮時の熱応力の発生を防止し、検出精度及び感度を向上させるようにしたガスレートセンサの検出部構造を提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明によるガスレートセンサの検出部構造の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図１において符号１で示されるものは、シリコンウェハよりなり開口１Ａを有する枠形をなすシリコン枠形基板であり、このシリコン枠形基板１の内面には４個の突出アーム２，３，４，５が内方へ突出して形成されている。

前記各突出アーム５の先端には、円弧状をなしその両端をなす第１、第２端部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂが自由端に形成されたワイヤ部６，７が前記シリコン枠形基板１と一体に前述のマイクロマシニング加工によって形成されている。

前記シリコン枠形基板１上には、ＳｉＯ_２層からなる絶縁層３１が形成され、この各突出アーム２，３，４，５の前記絶縁層３１上には、図３で示される導電性パターン４０及びランド部５０が形成され、この各ランド部５０に接続された導電性パターン４０は、前記各ワイヤ部６，７の各端部６ａ，６ｂ及び７ａ，７ｂに接続され、前記各ワイヤ部６，７を図３の一鎖線で示すように各ランド部５０を介して接続することにより、周知のブリッジ回路による検出部２０が構成される。
尚、以上の図１における検出部２０は、シリコンウェハを用いたエッチング処理によるマイクロマシニング加工によって形成されている。

次に、図２で示される他の形態においては、前述の図１の構成が、シリコン枠形基板１として、シリコンウェハを用いているのに大して、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェハを用いた場合について示している。
すなわち、図２のシリコン枠形基板１ＡがＳＯＩウェハで形成されているため、従来例の図１１で示したように、シリコン枠形基板１Ａ上に絶縁層３１、活性層３２及び導電性パターン３３が層状に形成され、図１の構成ではワイヤ部６がシリコン層又は半導体で形成されていたが、図２の構成では前記活性層３２によって前記ワイヤ部６，７及びランド部５０が形成されている。

尚、図１及び図２の構成における各ランド部５０からワイヤ部６，７迄のアルミニウム等からなる導電性パターン４０については、図１及び図２の斜視図には開示していないが、図３の等価回路に示されるように、絶縁層３１上に形成されている。尚、図１と同一部分には同一符号を付しその説明は省略する。

本発明は、ガスレートセンサに限らず、レートセンサ等にも適用可能である。

本発明によるガスレートセンサの検出部構造の第１形態を示す斜視構成図である。 図１の他の形態を示す斜視構成図である。 図１及び図２のワイヤ部等により形成されたブリッジ回路を示す等価回路図である。 従来のガスレートセンサの検出部構造を示す斜視構成図である。 図４の他の従来構成を示す斜視構成図である。 図５の他の従来構成を示す分解斜視図である。 図６の各ワイヤを重ねた状態を示す平面図である。 従来のガスレートセンサを示す一部切欠き斜視図である。 従来及び本発明におけるＳＯＩウェハを用いた検出部の形成状態を示す斜視構成図である。 従来のＳＯＩウェハを用いた検出部の平面図である。 図１０の断面図である。

符号の説明

１ シリコン枠形基板（シリコンウェハ）
１Ａ 開口
１Ｂ シリコン枠形基板（ＳＯＩウェハ）
２，３，４，５ 突出アーム
６，７ ワイヤ部
６ａ，７ａ 第１端部
６ｂ，７ｂ 第２端部
１０ ＳＯＩウェハ
２０ 検出部
３１ 絶縁層
３２ 活性層
４０ 導電性パターン
５０ ランド部

Claims (3)

1. 全体形状が枠状をなしシリコンウェハ又はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハを加工してなるシリコン枠形基板（1,1B）と、前記シリコン枠形基板(1,1B)の内面に内方へ向けて突出する複数の突出アーム(2,3,4,5)と、前記シリコン枠形基板(1,1B)の上面に形成された絶縁層(31)と、前記各突出アーム(2,3,4,5)上の前記絶縁層(31)上に形成され円弧状をなすワイヤ部(6,7)と、前記各突出アーム(2,3,4,5)に対応して前記絶縁層(31)上に形成された一対のランド部(50)と、前記各ランド部(50)に形成され前記ワイヤ部(6,7)の第１、第２端部(6a,6b,7a,7b)に接続して延設された導電性パターン(40)とを備え、
   前記各ワイヤ部(6,7)の前記各端部(6a,6b,7a,7b)は自由端であると共に互いに離間して配設されていることを特徴とするガスレートセンサの検出部構造。
2. 前記ワイヤ部(6,7)及びランド部(50)は、前記シリコンウェハの場合には半導体又はシリコン層からなることを特徴とする請求項１記載のガスレートセンサの検出部構造。
3. 前記ワイヤ部(6,7)及びランド部(50)は、前記ＳＯＩウェハの場合には、前記ＳＯＩウェハの活性層(32)からなることを特徴とする請求項１記載のガスレートセンサの検出部構造。

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