JP4784671B2 - 振動型角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、振動型角速度センサに関するものである。

従来より、基体ウェハにキャップウェハが結合された構造エレメントが、例えば特許文献１で提案されている。基体ウェハは、該基体ウェハの表面側に物理量を検出するための表面組織を備えたものである。また、キャップウェハは基体ウェハの表面組織と対向する部位に表面組織に接触しないための凹部を備えたものである。そして、キャップウェハが基体ウェハに接合されることで、表面組織が基体ウェハとキャップウェハとの間の空間に封止されている。

特表２００２−５００９６１号公報

上記従来の技術では、基体ウェハとキャップウェハとの間の空間は一つの閉じた空間であるので、表面組織は単一の空間にのみ配置されることとなる。ここで、物理量を検出するための表面組織として振動型角速度センサを形成した場合、振動型角速度センサは、角速度を検出するための検出部と、この検出部を一方向に駆動する駆動部とを備えて構成される。しかしながら、検出部と駆動部とを単一の空間に封止するとなると、以下の問題が生じる。

すなわち、空間に気体を封止した場合、気体のダンピング効果により駆動部による検出部の振動振幅が抑制されてしまうという問題が生じる。これにより、検出部を一方向に駆動しにくくなり、角速度の検出精度に影響を及ぼす。したがって、駆動部による検出部の振動振幅を確保するためには空間を真空にすることが好ましい。しかし、空間を真空にした場合、気体のダンピング効果が効かないために検出部内の検出電極が過大な衝撃により大変位して電極同士が衝突して破損したりスティッキングしたりするという問題が生じる。

このように、振動型角速度センサでは、駆動部に適した環境と検出部に適した環境とが相反するため、駆動部と検出部とを同一の空間に配置することには問題がある。

本発明は上記点に鑑み、振動型角速度センサにおいて、検出部と駆動部とがそれぞれ適する環境に配置されるような構造を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、検出固定電極（３８）、検出可動電極（３６）、検出錘（３５）および検出梁（３４）を含む検出部（３０）と、駆動可動電極（４２）、駆動固定電極（４３）および駆動梁（４１）を含む駆動部（４０）から離間するように基板（１）の一面に固定され、検出部（３０）が配置された第１空間（１１）と駆動部（４０）が配置された第２空間（２１）とを分離した分離部（１０、２０）を備え、第２空間（２１）の気圧は、第１空間（１１）の気圧よりも低くなっていることを特徴とする。

これによると、分離部（１０、２０）により検出部（３０）が配置される第１空間（１１）と駆動部（４０）が配置される第２空間（２１）とが分け離されるので、検出部（３０）が配置される環境と駆動部（４０）が配置される環境とをそれぞれ異ならせることができる。したがって、第１空間（１１）を検出部（３０）に適した環境にすることができると共に、第２空間（２１）を駆動部（４０）に適した環境にすることができる。
また、第１空間（１１）よりも第２空間（２１）におけるダンピングの効果が低減するので、第２空間（２１）に配置された駆動部（４０）による検出部（３０）の駆動振動がダンピングの効果によって抑制されてしまうことはない。一方、第２空間（２１）よりも第１空間（１１）におけるダンピングの効果は高いので、第１空間（１１）に配置された検出可動電極（３６）は過大な衝撃により大変位して検出固定電極（３８）と衝突して破損したりスティッキングしたりすることを抑制できる。以上のように、第１空間（１１）と第２空間（２１）との気圧の関係を規定することにより、各電極（３６、３８）および駆動部（４０）をそれぞれに適した環境に配置することができる。

請求項２に記載の発明では、検出部（３０）は、駆動部（４０）の周囲に位置しており、分離部（２０）は、駆動部（４０）を覆うと共に駆動部（４０）から離間するように基板（１）の一面に固定されていることを特徴とする。

これによると、分離部（２０）のみで第１空間（１１）と第２空間（２１）とを完全に分離することができる。

請求項３に記載の発明では、駆動部（４０）は、検出部（３０）の周囲に位置しており、分離部（１０）は、検出固定電極（３８）および検出可動電極（３６）から離間すると共にこれらを覆うように基板（１）の一面に固定されていることを特徴とする。

これによると、分離部（１０）のみで第１空間（１１）と第２空間（２１）とを完全に分離することができる。

請求項４に記載の発明では、基板（１）の一面のうち検出部（３０）が配置された位置の周囲に固定され、検出部（３０）から離間すると共にこれらを覆うことにより検出部（３０）を第１空間（１１）に封止した第１キャップ部（１０）と、基板（１）の一面のうち駆動部（４０）が配置された位置の周囲に固定され、駆動部（４０）から離間すると共に駆動部（４０）を覆うことにより駆動部（４０）を第１空間（１１）から分離した第２空間（２１）に封止した第２キャップ部（２０）とを備えており、第２空間（２１）の気圧は、第１空間（１１）の気圧よりも低くなっていることを特徴とする。

これによると、第１キャップ部（１０）および第２キャップ部（２０）により検出部（３０）が配置される第１空間（１１）と駆動部（４０）が配置される第２空間（２１）とが分け離されるので、検出部（３０）が配置される環境と駆動部（４０）が配置される環境とをそれぞれ異ならせることができる。したがって、第１空間（１１）を検出部（３０）に適した環境にすることができると共に、第２空間（２１）を駆動部（４０）に適した環境にすることができる。また、第２空間（２１）の気圧が第１空間（１１）の気圧よりも低くなっていることについては、請求項１と同様の効果を得ることができる。

請求項５に記載の発明では、基板（１）の一面のうち検出部（３０）が配置された位置の周囲に固定され、検出部（３０）から離間すると共にこれらを覆うことにより検出部（３０）を第１空間（１１）に封止した第１キャップ部（１０）と、第１キャップ部（１０）を覆うように第１キャップ部（１０）から離間して基板（１）に固定され、第１キャップ部（１０）との間に第１空間（１１）から分離した第２空間（２１）を形成した第２キャップ部（２０）とを備え、第２空間（２１）の気圧は、第１空間（１１）の気圧よりも低くなっており、駆動部（４０）は、第１キャップ部（１０）に設けられた移動方向に平行な配線（１４）と、第２キャップ部（２０）の一部であると共に基板（１）の一面に垂直な磁界を発生させる磁性体とにより構成されており、配線（１４）に電流が流れると共に配線（１４）に磁界が作用することにより配線（１４）に発生するローレンツ力を利用して検出部（３０）を駆動方向に振動するようになっていることを特徴とする。

これによると、第１キャップ部（１０）および第２キャップ部（２０）により第１空間（１１）と第２空間（２１）とが分け離されるので、各空間（１１、１２）の環境をそれぞれ異ならせることができる。したがって、第１空間（１１）を検出部（３０）に適した環境にすることができると共に、第２空間（２１）を駆動部（４０）に適した環境にすることができる。また、第１キャップ部（１０）が第２キャップ部（２０）に覆われた構造を利用して駆動部（４０）を振動させる構成とすることができる。さらに、第２空間（２１）の気圧が第１空間（１１）の気圧よりも低くなっていることについては、請求項１と同様の効果を得ることができる。

請求項６に記載の発明では、基板（１）の一面のうち検出部（３０）が配置された位置の周囲に固定され、検出部（３０）から離間すると共にこれらを覆うことにより検出部（３０）を第１空間（１１）に封止した第１キャップ部（１０）と、第１キャップ部（１０）を覆うように第１キャップ部（１０）から離間して基板（１）に固定され、第１キャップ部（１０）との間に第１空間（１１）から分離した第２空間（２１）を形成した第２キャップ部（２０）とを備え、第２空間（２１）の気圧は、第１空間（１１）の気圧よりも低くなっており、駆動部（４０）は、第１キャップ部（１０）の一部であると共に基板（１）の一面に垂直な磁界を発生させる磁性体と、第２キャップ部（２０）に設けられた移動方向に平行な配線（２３）とにより構成されており、配線（２３）に電流が流れると共に配線（２３）に磁界が作用することにより配線（２３）に発生するローレンツ力を利用して検出部（３０）を駆動方向に振動するようになっていることを特徴とする。

これにより、請求項４と同様に、第１キャップ部（１０）および第２キャップ部（２０）により各空間（１１、１２）の環境をそれぞれ異ならせることができる。また、第１キャップ部（１０）が第２キャップ部（２０）に覆われた構造を利用して駆動部（４０）を振動させる構成とすることができる。さらに、第２空間（２１）の気圧が第１空間（１１）の気圧よりも低くなっていることについては、請求項１と同様の効果を得ることができる。

請求項７に記載の発明では、基板（１）は、第１基板（２）と第２基板（３）とで絶縁層（４）を挟み込んだ構造をなしており、検出部（３０）および駆動部（４０）は、第１基板（２）にそれぞれ形成されており、第１キャップ部（１０）および第２キャップ部（２０）は、第１基板（２）の一面に固定されていることを特徴とする。

このように、基板（１）を３層で構成することができ、このうちの第１基板（２）に検出部（３０）および駆動部（４０）を形成し、第１キャップ部（１０）および第２キャップ部（２０）を固定した構造とすることができる。

請求項８に記載の発明では、第１基板（２）は、支持基板（２ａ）と半導体層（２ｂ）とで犠牲層（２ｃ）を挟み込んだ構造をなしており、検出固定電極（３８）および検出可動電極（３６）は半導体層（２ｂ）に形成されており、第１キャップ部（１０）および第２キャップ部（２０）は、半導体層（２ｂ）において犠牲層（２ｃ）とは反対側の一面に固定されていることを特徴とする。

このように、第１基板（２）を３層構造とすることができ、このうちの半導体層（２ｂ）に検出部（３０）および駆動部（４０）を形成し、第１キャップ部（１０）および第２キャップ部（２０）を固定した構造とすることができる。

請求項９に記載の発明では、第１キャップ部（１０）が半導体層（２ｂ）の一面に固定されたことにより、第１キャップ部（１０）と検出部（３０）とにより振動子（１３）が構成され、駆動部（４０）は振動子（１３）の周囲に配置され、振動子（１３）に接続された駆動梁（４１）を備えており、駆動梁（４１）は第１基板（２）のうちの半導体層（２ｂ）に形成されると共に該半導体層（２ｂ）と第２基板（３）との間の犠牲層（２ｃ）、支持基板（２ａ）、および絶縁層（４）が取り除かれており、さらに、振動子（１３）を第２基板（３）に対して離間して支持しており、第１キャップ部（１０）のうち最も厚い部分の厚さと、支持基板（２ａ）の厚さと犠牲層（２ｃ）の厚さとを合わせた厚さとが同じになっていると共に、振動子（１３）の重心と駆動梁（４１）の重心とが半導体層（２ｂ）の一面に平行な面に位置していることを特徴とする。

これによると、駆動梁（４１）の重心と振動子（１３）の重心とが半導体層（２ｂ）の一面に平行な面に揃うので、重心位置のずれによる振動の偏りを生じさせずに駆動方向に振動子（１３）を振動させることができる。

請求項１０に記載の発明では、半導体層（２ｂ）の一面から第１キャップ部（１０）のうち半導体層（２ｂ）に対向する面までの距離と、支持基板（２ａ）と検出可動電極（３６）との間の距離とが等しいことを特徴とする。

これによると、検出可動電極（３６）において第１キャップ部（１０）までの距離と支持基板（２ａ）までの距離とが等しいので、検出可動電極（３６）が形成された半導体層（２ｂ）における第１キャップ部（１０）側の封止媒体によるダンピング効果と支持基板（２ａ）側の封止媒体によるダンピング効果とを均一にすることができる。このため、検出可動電極（３６）の上下方向の不要振動を低減することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

本発明の第１実施形態に係る振動型角速度センサの平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 振動型角速度センサの製造工程を示した図である。 図３に続く製造工程を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る振動型角速度センサの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る振動子の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る振動型角速度センサの一部の断面斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る振動型角速度センサの一部の断面斜視図である。 他の実施形態に係る振動型角速度センサの一部の断面斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下で示される振動型角速度センサは、物理量として角速度を検出するためのセンサであり、例えば車両の角速度の検出に用いられるものである。

図１は、本実施形態に係る振動型角速度センサの平面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。以下、図１および図２を参照して、振動型角速度センサについて説明する。

振動型角速度センサは、図２に示されるように、板状の基板１の一面に、板状の第１キャップ部１０および第２キャップ部２０が張り合わされて構成されている。

まず、基板１の構造について説明する。基板１は、第１基板２と第２基板３とで絶縁層４を挟み込んだ３層の構造をなしている。第２基板３の材料は例えばシリコン基板であり、絶縁層４の材料は例えばＳｉＯ_２である
また、第１基板２は、角速度を検出するための構造が形成されたものである。具体的に、第１基板２は、支持基板２ａと半導体層２ｂとで犠牲層２ｃを挟み込んだ構造をなしており、いわゆるＳＯＩ基板として構成されている。このような積層構造によると、第１基板２のうち絶縁層４とは反対側の面すなわち半導体層２ｂのうち犠牲層２ｃとは反対側の面が基板１の一面に相当する。

支持基板２ａの材料は例えば単結晶シリコンであり、半導体層２ｂの材料は例えばポリシリコンである。犠牲層２ｃの材料は例えばＳｉＯ_２である。また、支持基板２ａの厚さは例えば４５０μｍ〜６００μｍ、犠牲層２ｃの厚さは例えば数μｍ、半導体層２ｂの厚さは例えば１５〜３０μｍである。

そして、半導体層２ｂには、検出部３０、駆動部４０、および周辺部５０がそれぞれ形成されている。このうちの検出部３０は、角速度に伴うコリオリ力を検出するためのものであり、可動部３１と固定部３２および検出錘配線部３３とを備えている。

可動部３１は、検出梁３４と、検出錘３５と、検出可動電極３６とを備えている。

検出錘配線部３３は、支持基板２ａに対して検出梁３４、検出錘３５、および検出可動電極３６を浮かせて支持するためのものである。この検出錘配線部３３は、犠牲層２ｃの上に固定されている。

検出梁３４は、検出錘配線部３３と検出錘３５とを連結するものであり、バネ性を有するものである。この検出梁３４により、検出錘３５が検出錘配線部３３に一体に連結されて支持されている。したがって、検出梁３４、検出錘３５、および検出可動電極３６は、支持基板２ａの上に一定の間隔で浮遊した状態になっている。

また、検出錘３５は、振動型角速度センサに角速度が印加されたときにコリオリ力を受けて検出錘配線部３３に対して検出可動電極３６を変位させる錘として機能するものであり、四角形状をなしている。検出可動電極３６は、検出錘３５の長手方向（ｙ軸方向）に対して直角方向に延設され、複数本が櫛歯状に配置されている。

固定部３２は、検出固定電極配線部３７と検出固定電極３８とを備えている。検出固定電極配線部３７は、各検出固定電極３８と外部とを電気的に接続する部位である。また、検出固定電極配線部３７は犠牲層２ｃの上に固定されており、各検出固定電極３８を支持基板２ａに対して支持している。

検出固定電極３８は、各検出可動電極３６の隙間にかみ合うように櫛歯状に配列された断面矩形の梁である。そして、検出固定電極３８は、半導体層２ｂの一部である検出固定電極配線部３７に固定されている。したがって、検出可動電極３６が検出固定電極３８に対向配置されると共に検出固定電極３８に対して移動可能とされ、各検出可動電極３６と各検出固定電極３８とが櫛歯状に配置された櫛歯電極、すなわちコンデンサがそれぞれ構成されている。

上記のように、半導体層２ｂには電位が異なる検出錘配線部３３および検出固定電極配線部３７が形成されているが、これらは半導体層２ｂを貫通して犠牲層２ｃに達するトレンチ内にＳｉＯ_２等の絶縁体３９が埋め込まれたことにより電気的に分離されている。

上記構造を有する検出部３０では、支持基板２ａの下部の絶縁層４が取り除かれていることにより、第２基板３に対して浮いた状態になっている。

駆動部４０は、検出可動電極３６の移動方向（ｙ軸方向）に対して直角の駆動方向（ｘ軸方向）に検出部３０を振動させるものであり、検出部３０の周囲に配置されたものである。このような駆動部４０は、駆動梁４１と、駆動可動電極４２と、駆動固定電極４３とを備えている。

駆動梁４１は、第２基板３に対して検出部３０を浮かせて支持すると共に、検出部３０を駆動方向（ｘ軸方向）に振動可能とするための梁として機能するものである。この駆動梁４１は、コの字形状における互いに平行な一対の平行棒部が、その長手方向と直交する方向にたわむようになっている。本実施形態では、該平行棒部がｙ軸方向に平行に配置されているため、検出部３０はｙ軸方向に直交するｘ軸方向つまり駆動方向に振動可能となっている。本実施形態では、４つの駆動梁４１が検出部３０に接続されることにより該検出部３０を支持している。

駆動可動電極４２は、検出部３０を構成する支持基板２ａの外周部に設けられている。具体的には、駆動可動電極４２は、支持基板２ａの外周部のうち検出固定電極配線部３７において検出固定電極３８が突出する方向とは反対側の方向すなわち周辺部５０の内周部に向かって突出する櫛歯状の突起部として複数形成されている。

駆動固定電極４３は、周辺部５０のうち駆動可動電極４２に対向する位置に設けられている。このため、駆動固定電極４３は、半導体層２ｂを貫通して犠牲層２ｃに達するトレンチ内にＳｉＯ_２等の絶縁体４４が埋め込まれたことにより周辺部５０から電気的に分離されている。また、駆動固定電極４３は、駆動可動電極４２とかみ合うように櫛歯状の突起部を備えている。

周辺部５０は、検出部３０に所定の電位を与えるものであり、検出部３０から離間して検出部３０の周囲に配置されている。具体的には、周辺部５０の一部は、駆動梁４１を介して検出部３０の検出錘配線部３３に電気的に接続されている。また、周辺部５０の他の一部は、別の駆動梁４１を介して検出部３０の検出固定電極配線部３７に電気的に接続されている。これにより、検出部３０の検出可動電極３６は、検出錘３５、検出梁３４、検出錘配線部３３、駆動梁４１、および周辺部５０の一部を介して外部と電気的に接続される。また、検出部３０の検出固定電極３８は、検出固定電極配線部３７、駆動梁４１、および周辺部５０の他の一部を介して外部と電気的に接続される。

次に、第１キャップ部１０および第２キャップ部２０について説明する。各キャップ部１０、２０は、基板１に形成された構造への水や異物の混入などを防止するものである。また、各キャップ部１０、２０は、基板１のうち検出部３０が配置された空間と、駆動部４０が配置された空間とを分離する役割も果たす。

第１キャップ部１０は、検出部３０を第１空間１１に気密封止するものである。このため、第１キャップ部１０は、半導体層２ｂのうち検出部３０が形成された領域の一面に固定されている。

第１キャップ部１０は、該第１キャップ部１０のうち可動部３１および検出固定電極３８と対向する位置に凹部１２を有している。この凹部１２は、第１キャップ部１０が半導体層２ｂに張り合わされたときに、可動部３１および検出固定電極３８が第１キャップ部１０に接触しないようにするためのものである。

そして、第１キャップ部１０は、半導体層２ｂの一面のうち検出部３０の周囲に固定されている。「検出部３０の周囲」とは、検出錘配線部３３、検出固定電極配線部３７、および絶縁体３９の領域である。これにより、第１キャップ部１０は、検出部３０から離間すると共にこれらを覆うことにより検出部３０を第１空間１１に気密封止している。

第１空間１１は、検出部３０に適した環境になっている。具体的には、第１空間１１は真空でなく適度に気体が充填した大気圧になっており、検出可動電極３６と検出固定電極３８との間にダンピング効果を持たせている。したがって、センサ全体に不意な衝撃が加わったとしても、検出可動電極３６と検出固定電極３８とが衝突して破損する可能性を大幅に減らすことができる。

ここで、気体の圧力としては、大気圧のような１気圧に限らず、１気圧よりも高い気圧でも構わない。高い気圧の場合、高いダンピング効果を得ることができる。一方、第１空間１１が減圧されて１気圧よりも低い気圧になっていても構わない。この場合、例えば０．５気圧程度の気圧であっても、第１空間１１が真空状態になっていなければダンピングの効果は得られる。また、第１空間１１に封入される媒体としては、空気の他、水やオイル等の液体、不活性ガス等の気体が用いられても良い。

そして、検出部３０と第１キャップ部１０とが一体化されたことにより振動子１３が構成されている。この振動子１３が駆動梁４１により周辺部５０に支えられ、駆動可動電極４２および駆動固定電極４３により駆動振動する。

第２キャップ部２０は、駆動部４０を第１空間１１から分離した第２空間２１に気密封止するものである。本実施形態では、第２キャップ部２０は、半導体層２ｂの一面のうち駆動部４０が配置された位置の周囲に固定され、駆動部４０から離間すると共に駆動部４０を覆っている。ここで、「駆動部４０が配置された位置の周囲」とは周辺部５０、駆動固定電極４３、および絶縁体４４の領域である。

また、第２キャップ部２０は、第１キャップ部１０を覆うように第１キャップ部１０から離間して基板１に固定されている。このため、第２キャップ部２０は、該第２キャップ部２０のうち第１キャップ部１０と駆動部４０と対向する位置に凹部２２を有している。これにより、第２空間２１は、第１キャップ部１０と基板１と第２キャップ部２０により囲まれた空間とされ、駆動部４０はこの第２空間２１内に配置される。

なお、「半導体層２ｂの一面のうち駆動部４０が配置された位置の周囲」とは、周辺部５０および駆動固定電極４３の領域を指す。

第２空間２１は、駆動部４０に適した空間になっている。具体的には、第２空間２１は真空状態になっている。これにより、駆動部４０を構成する駆動可動電極４２および駆動固定電極４３は空気による抵抗（ダンピング）を受けることはない。このため、駆動可動電極４２と駆動固定電極４３とに小さな電位差を与えるだけで駆動可動電極４２の大きな振幅が得られる。

第１キャップ部１０および第２キャップ部２０の材料としては、例えば、シリコン基板、ガラス、金属、セラミック基板等が用いられる。各キャップ部１０、２０は直接接合や金属接合等の方法により基板１の一面に接合される。

このように、検出部３０が配置された第１空間１１と駆動部４０が配置された第２空間２１とが完全に分離されているので、検出部３０および駆動部４０をそれぞれに適した環境に配置することが可能となる。

本実施形態では、第１空間１１には気体が封入され、第２空間２１は真空状態とされ、各空間１１、２１の環境は異なっている。すなわち、各空間１１、２１については、第２空間２１の気圧は第１空間１１の気圧よりも低くなっているという相対的な気圧の関係になっている。このような気圧の関係によると、第１空間１１よりも第２空間２１におけるダンピングの効果が低減する。このため、第２空間２１に配置された駆動部４０による検出部３０の駆動振動が抑制されてしまうことはない。

また、第２空間２１よりも第１空間１１におけるダンピングの効果が高いと言える。このため、第１空間１１に配置された検出固定電極３８および検出可動電極３６は、センサが過大な衝撃を受けても、ダンピングの効果により互いが衝突して破損したりスティッキングしたりすることはない。以上が、本実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成である。

次に、上記振動型角速度センサの製造方法について、図３および図４を参照して説明する。なお、図３および図４は、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。

まず、図３（ａ）に示す工程では、支持基板２ａの上に犠牲層２ｃが形成され、この犠牲層２ｃの上に半導体層２ｂが形成されたＳＯＩ基板を用意する。このＳＯＩ基板が第１基板２に相当する。

図３（ｂ）に示す工程では、フォトリソグラフィ・エッチング工程により半導体層２ｂに検出部３０、駆動部４０、および周辺部５０のパターンを形成する。

また、本工程では、検出錘配線部３３と検出固定電極配線部３７とを絶縁分離し、周辺部５０と駆動固定電極４３とを絶縁分離するため、半導体層２ｂを貫通する図示しないトレンチを形成すると共に、各トレンチに絶縁体３９、４４をそれぞれ埋め込む。

図３（ｃ）に示す工程では、半導体層２ｂに形成されたパターンのうち、可動部３１の検出梁３４、検出錘３５、および検出可動電極３６の下部の犠牲層２ｃをＨＦ（フッ化水素）の気相または液相のエッチング媒体で除去する。これにより、検出梁３４、検出錘３５、および検出可動電極３６を支持基板２ａからリリースする。

図４（ａ）に示す工程では、凹部１２が形成された第１キャップ部１０を用意し、この第１キャップ部１０を大気圧中で半導体層２ｂの一面に直接接合の方法により接合する。本実施形態では、検出錘配線部３３、検出固定電極配線部３７、および絶縁体３９の上に、第１キャップ部１０を接合する。これにより、検出部３０を大気圧の第１空間１１に気密封止する。

図４（ｂ）に示す工程では、フォトリソグラフィ・エッチング工程により支持基板２ａのうち周辺部５０、検出部３０、駆動梁４１、駆動可動電極４２、駆動固定電極４３となる部分を除いた部分を除去する。これは、支持基板２ａのうち犠牲層２ｃとは反対側の面にレジストを形成し、該レジストをマスクとして支持基板２ａをエッチングすることにより行う。これにより、検出部３０と第１キャップ部１０とにより構成された振動子１３は、４本の駆動梁４１によりｘ軸方向にのみ振動可能に支持される。

図４（ｃ）に示す工程では、支持基板２ａにおいて犠牲層２ｃとは反対側の面のうち周辺部５０および駆動固定電極４３に対応した位置に例えばＣＶＤ法により絶縁層４を形成する。そして、この絶縁層４に第２基板３を張り合わせる。

この後、凹部２２が形成された第２キャップ部２０を用意し、真空雰囲気中で第２キャップ部２０を半導体層２ｂのうち駆動部４０の周囲に直接接合の方法により張り合わせる。すなわち、第２キャップ部２０を周辺部５０、駆動固定電極４３、および絶縁体４４に張り合わせることにより、駆動部４０を第２空間２１に気密封止する。こうして、振動型角速度センサが完成する。

なお、上記各工程は１つの振動型角速度センサの製造方法について説明したが、実際には１枚のウェハに多数のセンサを形成し、最終的にウェハをダイシングカットすることにより、個々のセンサに分割する方法が採用される。

上記のようにして製造された振動型角速度センサの角速度検出方法について説明する。振動型角速度センサでは、駆動部４０による検出部３０の駆動振動中に角速度が発生したとき、検出錘３５および検出可動電極３６に対して作用するコリオリ力によって検出固定電極３８と検出可動電極３６との間隔が変化するので、この電極間の容量変化量に基づいて角速度が検出される。

具体的には、駆動固定電極４３と振動子１３との間に電位差を与えると振動子１３はｘ軸方向に変位する。したがって、駆動固定電極４３に振動子１３を振動させたい周波数（通常は振動子１３の固有振動数）の交流電圧を加えるとその周波数で振動子１３は振動を始める。

上述のように、振動子１３には２本の検出梁３４で振動子１３に対してｙ軸方向にのみ可動なように支持された検出錘３５がある。振動子１３が振動しているときに、ｘ軸およびｙ軸に垂直なｚ軸を中心とする角速度が印加された場合、ｙ軸方向へコリオリ力が発生する。その力によって検出錘３５は振動子１３に対して相対的にｙ軸方向へ変位する。

この検出錘３５の変位量は、検出可動電極３６と検出固定電極３８との距離が変化することにより生じる容量の変化を検出することで測定する。このため、検出可動電極３６から検出錘３５、検出梁３４、検出錘配線部３３を通じて出力された電気信号と、検出固定電極３８から検出固定電極配線部３７を通じて出力された電気信号とをＣ／Ｖ変換回路などを用いて電圧信号に変換する。このようにして、角速度を測定する。

以上説明したように、本実施形態では、第１キャップ部１０により検出部３０を第１空間１１に気密封止し、第２キャップ部２０により駆動部４０を第１空間１１とは異なる第２空間２１に気密封止したことが特徴となっている。

これによると、検出部３０が配置された第１空間１１と駆動部４０が配置された第２空間２１とが第１キャップ部１０および第２キャップ部２０により完全に分離されるので、各空間１１、２１の環境を異ならせることができる。すなわち、検出部３０が配置された第１空間１１を真空ではない気圧に設定することでダンピング効果を高め、各検出電極３６、３８が衝突することやスティッキングを起こすことを防止できる。一方、駆動部４０が配置された第２空間２１を真空とすることでダンピング効果を無くし、振動子１３の駆動を容易に行うことができる。このようにして、第１空間１１を各検出電極３６、３８に適した環境にすることができると共に、第２空間２１を駆動部４０に適した環境にすることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上述のように、検出部３０には第１キャップ部１０が接合されて振動子１３が構成されているが、駆動梁４１には何も接合されていない。そして、検出部３０に第１キャップ部１０が接合されたことにより振動子１３は駆動梁４１よりも重くなる。このため、振動子１３の重心は第２キャップ部２０側に位置する一方、駆動梁４１の重心は第２基板３側に位置することになる。これにより、振動子１３の振動が円弧を描くようになってしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では、半導体層２ｂの一面に平行な方向における振動子１３の重心と駆動梁４１との重心の位置を揃えたことが特徴となっている。

図５は、本実施形態に係る振動型角速度センサの断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。この図に示されるように、駆動梁４１は、半導体層２ｂのみにより構成され、振動子１３を第２基板３に対して離間して支持している。すなわち、駆動梁４１を構成する半導体層２ｂの下部の犠牲層２ｃ、支持基板２ａ、および絶縁層４が取り除かれており、駆動梁４１を構成する半導体層２ｂが第２基板３から離間している。これにより、駆動梁４１の重心は半導体層２ｂのみにより決まる。また、振動子１３は駆動梁４１により第２基板３に対して離間して支持されている。

また、第１キャップ部１０のうち最も厚い部分の厚さと支持基板２ａの厚さと犠牲層２ｃの厚さとを合わせた厚さとが同じになっている。すなわち、第１キャップ部１０のうち最も厚い部分の厚さをａとし、支持基板２ａの厚さと犠牲層２ｃの厚さとを合わせた厚さをｂとすると、ａ＝ｂという関係になっている。

以上の構造により、振動子１３の重心と駆動梁４１の重心とが半導体層２ｂの一面に平行な面に揃う。したがって、振動子１３の重心と駆動梁４１の重心との位置のずれによる振動の偏りを生じさせずに振動子１３を振動させることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図６は、本実施形態に係る振動子１３の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。この図に示されるように、半導体層２ｂの一面から第１キャップ部１０のうち半導体層２ｂに対向する面までの距離と、支持基板２ａと半導体層２ｂとの間の距離とが等しくなっている。

すなわち、支持基板２ａから離間している検出梁３４、検出錘３５、および検出可動電極３６を構成する半導体層２ｂの一面から第１キャップ部１０のうち検出梁３４等に対向する面までの距離をｃとし、支持基板２ａと検出梁３４等との間の距離をｄとすると、ｃ＝ｄという関係になっている。

このような構造により、検出梁３４、検出錘３５、および検出可動電極３６を構成する半導体層２ｂにおいて第１キャップ部１０側の封止媒体によるダンピング効果と支持基板２ａ側の封止媒体によるダンピング効果とを揃えることができる。このため、検出錘３５のｚ方向の不要振動を低減することができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記各実施形態では、駆動部４０は、駆動梁４１、駆動可動電極４２、および駆動固定電極４３により構成され、駆動固定電極４３に交流電圧が印加されることにより振動子１３を振動させていた。一方、本実施形態では、第２キャップ部２０が第１キャップ部１０を覆っているという構造を利用して、振動子１３を電磁駆動することが特徴となっている。

図７は、本実施形態に係る振動型角速度センサの一部の断面斜視図である。上述のように、第２キャップ部２０は、第１キャップ部１０を覆うように第１キャップ部１０から離間して基板１に固定されている。

第１キャップ部１０は、該第１キャップ部１０の一部または全部が基板１の一面に垂直な磁界を発生させる磁性体により構成されている。

第２キャップ部２０は、図７に示されるように、検出可動電極３６の移動方向に平行な配線２３を備えている。この配線２３は、第２キャップ部２０において第１キャップ部１０に対向する面とは反対側の面に設けられており、図示しないパッドを介して外部と電気的に接続されている。配線２３の材料としては例えばＡｌが用いられる。

そして、本実施形態では、駆動部４０は、第１キャップ部１０の磁性体と、第２キャップ部２０の配線２３とにより構成されている。

このような駆動部４０の構成によると、配線２３に電流が流れると共に配線２３に磁界が作用することにより、配線２３に駆動方向のローレンツ力が発生する。したがって、配線２３に交流電流を流すことにより所定の周波数で振動子１３にローレンツ力が発生するので、このローレンツ力を利用して検出部３０を駆動方向に振動する。

以上のように、第１キャップ部１０が第２キャップ部２０に覆われた構造を利用することにより振動子１３を駆動方向に振動させることができる。また、上記のように駆動部４０を構成することにより、駆動可動電極４２および駆動固定電極４３の構造を不要とすることもできる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第４実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図８は、本実施形態に係る振動型角速度センサの一部の断面斜視図である。

第１キャップ部１０は、図８に示されるように、検出可動電極３６の移動方向に平行な配線１４を備えている。この配線１４は、第１キャップ部１０のうち第２キャップ部２０と対向する面に設けられており、図示しない経路を介して外部と電気的に接続されている。配線１４の材料としてはＡｌが用いられる。

第２キャップ部２０は、該第２キャップ部２０の一部または全部が基板１の一面に垂直な磁界を発生させる磁性体により構成されている。すなわち、磁界の向きは、第１キャップ部１０と第２キャップ部２０との積層方向に平行な方向である。

そして、本実施形態では、駆動部４０は、第１キャップ部１０の配線１４と、第２キャップ部２０の磁性体とにより構成されている。

以上のように、第１キャップ部１０に配線１４を設け、第２キャップ部２０の一部または全部を磁性体としても、第４実施形態と同様に、配線１４に発生するローレンツ力を利用して振動子１３を駆動方向に振動させることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された振動型角速度センサは一般的に２つを１組として用いられる。また、各センサは逆相で用いられる。この場合、第２キャップ部２０に１つの凹部２２を設け、この１つの凹部２２により形成された第２空間２１に２つの振動子１３を配置する構造を採用することができる。また、１つの第２キャップ部２０に２つの凹部２２を設け、各凹部２２により形成された２つの第２空間２１に２つの振動子１３をそれぞれ配置する構造を採用することもできる。

このように、２つの振動子１３をセットで用いる構造は、例えば、第４実施形態で示されたように駆動部４０を構成した場合にも適用することができる。この場合、図９に示されるように、各振動子１３を構成する各第１キャップ部１０の磁界の向きを互いに逆方向に設定する。これにより、各配線２３に同じ方向に交流を流すことにより、各振動子１３を逆相で駆動することができる。なお、第５実施形態の構造に適用する場合には、各振動子１３の各配線１４に流れる電流の方向を互いに逆方向にすれば良い。

上記各実施形態では、半導体層２ｂに一定の間隔を設けて周辺部５０と検出部３０とに間隔を設けていたが、振動子１３の可動範囲のみの隙間が設けられていれば良い。これにより、第２空間２１の空間領域が小さくなる。これによると、製造上、センサを作りやすいという利点がある。また、第２空間２１の空間領域が小さくなるので、リーク等が起こりにくい構造とすることができ、センサの信頼性も向上する。

上記各実施形態では、検出部３０の周囲に駆動部４０が配置された構造を有する振動型角速度センサについて示されているが、駆動部４０の周囲に検出部３０が配置された構造についても検出部３０が配置された第１空間１１と駆動部４０が配置された第２空間２１とを分離することができる。

この場合、基板１の一面には、検出部３０、および駆動部４０から離間するように、検出部３０が配置された第１空間１１と駆動部４０が配置された第２空間２１とを分離した分離部が固定される。すなわち、分離部は、駆動部４０を覆うと共に駆動部４０から離間するように基板１の一面に固定される。これによると、分離部のみで検出部３０が配置された第１空間１１と駆動部４０が配置された第２空間２１とが完全に分離される。例えば、検出部３０の各検出電極３６、３８にはダンピング効果を持たせるために第１空間１１を大気圧とし、駆動部４０にはダンピング効果を持たせないために分離部により囲まれた第２空間２１を真空とすることができる。この場合、第２キャップ部２０を分離部として用いることができる。

もちろん、検出部３０の周囲に駆動部４０が配置された上記各実施形態の各構造において、検出部３０を分離部で覆う構造とすることもできる。この場合、第１キャップ部１０が分離部として用いられ、第２キャップ部２０は用いられない。そして、第１空間１１は分離部である第１キャップ部１０で封止され、駆動部４０が配置された第２空間２１は大気中に配置されることとなる。このような場合であっても、第１空間１１を１気圧より高い気圧とすれば、第１空間１１でのダンピング効果を向上させることができる。

このように１つの分離部を用いるだけでも、駆動部４０は分離部によって覆われて検出部３０が配置された第１空間１１とは異なる第２空間２１に配置されることになるから、各空間１１、２１の環境をそれぞれ異ならせることができる。以上のように、検出部３０および駆動部４０の配置の状況によっては、１つの分離手段により検出部３０が配置された第１空間１１と駆動部４０が配置された第２空間２１とをそれぞれ異なる環境にすることができる。

上記各実施形態では、先に第１基板２を用意し、この第１基板２に検出部３０や駆動部４０を形成した後、第１基板２に絶縁層４を形成して第２基板３を張り合わせている。しかし、この製造方法は一例を示したものであり、他の方法によってセンサを製造しても良い。例えば、予め基板１を用意し、この基板１に検出部３０等を形成していく方法でも良い。

１ 基板
２ 第１基板
２ａ 支持基板
２ｂ 半導体層
２ｃ 犠牲層
３ 第２基板
４ 絶縁層
１０ 第１キャップ部
１１ 第１空間
１３ 振動子
１４ 配線
２０ 第２キャップ部
２１ 第２空間
２３ 配線
３０ 検出部
３６ 検出可動電極
３８ 検出固定電極
４０ 駆動部
４１ 駆動梁

Claims (10)

1. 基板（１）の一面側に形成され、この基板（１）の一部に支持された検出固定電極（３８）と、前記検出固定電極（３８）に対向配置されると共に前記検出固定電極（３８）に対して変位可能とされた検出可動電極（３６）とそれを支持する検出梁（３４）を有する検出部（３０）と、
   前記基板（１）の一面側に形成され、前記検出可動電極（３６）の移動方向に対して直角の駆動方向に前記検出部（３０）を振動させる駆動可動電極（４２）、駆動固定電極（４３）と駆動梁（４１）を含む駆動部（４０）とを備え、
   前記検出部（３０）の駆動振動中に角速度が発生したとき、前記検出部（３０）に対して作用するコリオリ力で変位する前記検出可動電極（３６）と前記検出固定電極（３８）との間隔の変化に伴う容量変化に基づいて前記角速度を検出するようにした振動型角速度センサであって、
   前記検出部（３０）、および前記駆動部（４０）から離間するように前記基板（１）の一面に固定され、前記検出部（３０）が配置された第１空間（１１）と前記駆動部（４０）が配置された第２空間（２１）とを分離した分離部（１０、２０）を備えており、
   前記第２空間（２１）の気圧は、前記第１空間（１１）の気圧よりも低くなっていることを特徴とする振動型角速度センサ。
2. 前記検出部（３０）は、前記駆動部（４０）の周囲に位置しており、
   前記分離部（２０）は、前記駆動部（４０）を覆うと共に前記駆動部（４０）から離間するように前記基板（１）の一面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
3. 前記駆動部（４０）は、前記検出部（３０）の周囲に位置しており、
   前記分離部（１０）は、前記検出部（３０）から離間すると共にこれらを覆うように前記基板（１）の一面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
4. 基板（１）の一面側に形成され、この基板（１）の一部に支持された検出固定電極（３８）と、前記検出固定電極（３８）に対向配置されると共に前記検出固定電極（３８）に対して変位可能とされた検出可動電極（３６）とそれを支持する検出梁（３４）を有する検出部（３０）と、
   前記基板（１）の一面側に形成され、前記検出可動電極（３６）の移動方向に対して直角の駆動方向に前記検出部（３０）を振動させる駆動可動電極（４２）、駆動固定電極（４３）と駆動梁（４１）を含む駆動部（４０）とを備え、
   前記検出部（３０）の駆動振動中に角速度が発生したとき、前記検出部（３０）に対して作用するコリオリ力で変位する前記検出可動電極（３６）と前記検出固定電極（３８）との間隔の変化に伴う容量変化に基づいて前記角速度を検出するようにした振動型角速度センサであって、
   前記基板（１）の一面のうち前記検出部（３０）が配置された位置の周囲に固定され、前記検出部（３０）から離間すると共にこれらを覆うことにより前記検出部（３０）を第１空間（１１）に封止した第１キャップ部（１０）と、
   前記基板（１）の一面のうち前記駆動部（４０）が配置された位置の周囲に固定され、前記駆動部（４０）から離間すると共に前記駆動部（４０）を覆うことにより前記駆動部（４０）を前記第１空間（１１）から分離した第２空間（２１）に封止した第２キャップ部（２０）とを備えており、
   前記第２空間（２１）の気圧は、前記第１空間（１１）の気圧よりも低くなっていることを特徴とする振動型角速度センサ。
5. 基板（１）の一面側に形成され、この基板（１）の一部に支持された検出固定電極（３８）と、前記検出固定電極（３８）に対向配置されると共に前記検出固定電極（３８）に対して変位可能とされた検出可動電極（３６）とそれを支持する検出梁（３４）を有する検出部（３０）と、
   前記基板（１）の一面側に形成され、前記検出可動電極（３６）の移動方向に対して直角の駆動方向に前記検出部（３０）を振動させる駆動可動電極（４２）、駆動固定電極（４３）と駆動梁（４１）を含む駆動部（４０）とを備え、
   前記検出部（３０）の駆動振動中に角速度が発生したとき、前記検出部（３０）に対して作用するコリオリ力で変位する前記検出可動電極（３６）と前記検出固定電極（３８）との間隔の変化に伴う容量変化に基づいて前記角速度を検出するようにした振動型角速度センサであって、
   前記基板（１）の一面のうち前記検出部（３０）が配置された位置の周囲に固定され、前記検出部（３０）から離間すると共にこれらを覆うことにより前記検出部（３０）を第１空間（１１）に封止した第１キャップ部（１０）と、
   前記第１キャップ部（１０）を覆うように前記第１キャップ部（１０）から離間して前記基板（１）に固定され、前記第１キャップ部（１０）との間に前記第１空間（１１）から分離した第２空間（２１）を形成した第２キャップ部（２０）とを備え、
   前記第２空間（２１）の気圧は、前記第１空間（１１）の気圧よりも低くなっており、
   前記駆動部（４０）は、前記第１キャップ部（１０）に設けられた前記移動方向に平行な配線（１４）と、前記第２キャップ部（２０）の一部であると共に前記基板（１）の一面に垂直な磁界を発生させる磁性体とにより構成されており、前記配線（１４）に電流が流れると共に前記配線（１４）に磁界が作用することにより前記配線（１４）に発生するローレンツ力を利用して前記検出部（３０）を前記駆動方向に振動するようになっていることを特徴とする振動型角速度センサ。
6. 基板（１）の一面側に形成され、この基板（１）の一部に支持された検出固定電極（３８）と、前記検出固定電極（３８）に対向配置されると共に前記検出固定電極（３８）に対して変位可能とされた検出可動電極（３６）とそれを支持する検出梁（３４）を有する検出部（３０）と、
   前記基板（１）の一面側に形成され、前記検出可動電極（３６）の移動方向に対して直角の駆動方向に前記検出部（３０）を振動させる駆動可動電極（４２）、駆動固定電極（４３）と駆動梁（４１）を含む駆動部（４０）とを備え、
   前記検出部（３０）の駆動振動中に角速度が発生したとき、前記検出部（３０）に対して作用するコリオリ力で変位する前記検出可動電極（３６）と前記検出固定電極（３８）との間隔の変化に伴う容量変化に基づいて前記角速度を検出するようにした振動型角速度センサであって、
   前記基板（１）の一面のうち前記検出部（３０）が配置された位置の周囲に固定され、前記検出部（３０）から離間すると共にこれらを覆うことにより前記検出部（３０）を第１空間（１１）に封止した第１キャップ部（１０）と、
   前記第１キャップ部（１０）を覆うように前記第１キャップ部（１０）から離間して前記基板（１）に固定され、前記第１キャップ部（１０）との間に前記第１空間（１１）から分離した第２空間（２１）を形成した第２キャップ部（２０）とを備え、
   前記第２空間（２１）の気圧は、前記第１空間（１１）の気圧よりも低くなっており、
   前記駆動部（４０）は、前記第１キャップ部（１０）の一部であると共に前記基板（１）の一面に垂直な磁界を発生させる磁性体と、前記第２キャップ部（２０）に設けられた前記移動方向に平行な配線（２３）とにより構成されており、前記配線（２３）に電流が流れると共に前記配線（２３）に磁界が作用することにより前記配線（２３）に発生するローレンツ力を利用して前記検出部（３０）を前記駆動方向に振動するようになっていることを特徴とする振動型角速度センサ。
7. 前記基板（１）は、第１基板（２）と第２基板（３）とで絶縁層（４）を挟み込んだ構造をなしており、
   前記検出部（３０）および前記駆動部（４０）は、前記第１基板（２）にそれぞれ形成されており、
   前記第１キャップ部（１０）および前記第２キャップ部（２０）は、前記第１基板（２）の一面に固定されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の振動型角速度センサ。
8. 前記第１基板（２）は、支持基板（２ａ）と半導体層（２ｂ）とで犠牲層（２ｃ）を挟み込んだ構造をなしており、前記検出固定電極（３８）および前記検出可動電極（３６）は前記半導体層（２ｂ）に形成されており、
   前記第１キャップ部（１０）および前記第２キャップ部（２０）は、前記半導体層（２ｂ）において前記犠牲層（２ｃ）とは反対側の一面に固定されていることを特徴とする請求項７に記載の振動型角速度センサ。
9. 前記第１キャップ部（１０）が前記半導体層（２ｂ）の一面に固定されたことにより、前記第１キャップ部（１０）と前記検出部（３０）とにより振動子（１３）が構成され、 前記駆動部（４０）は前記振動子（１３）の周囲に配置され、前記振動子（１３）に接続された駆動梁（４１）を備えており、
   前記駆動梁（４１）は前記第１基板（２）のうちの前記半導体層（２ｂ）に形成されると共に該半導体層（２ｂ）と前記第２基板（３）との間の前記犠牲層（２ｃ）、前記支持基板（２ａ）、および前記絶縁層（４）が取り除かれており、さらに、前記振動子（１３）を前記第２基板（３）に対して離間して支持しており、
   前記第１キャップ部（１０）のうち最も厚い部分の厚さと、前記支持基板（２ａ）の厚さと前記犠牲層（２ｃ）の厚さとを合わせた厚さとが同じになっていると共に、前記振動子（１３）の重心と前記駆動梁（４１）の重心とが前記半導体層（２ｂ）の一面に平行な面に位置していることを特徴とする請求項８に記載の振動型角速度センサ。
10. 前記半導体層（２ｂ）の一面から前記第１キャップ部（１０）のうち前記半導体層（２ｂ）に対向する面までの距離と、前記支持基板（２ａ）と前記検出可動電極（３６）との間の距離とが等しいことを特徴とする請求項８または９に記載の振動型角速度センサ。

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