JP6594527B2 - Compound sensor - Google Patents

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Description

本発明は、角速度および加速度を検出する複合センサに関する。   The present invention relates to a composite sensor that detects angular velocity and acceleration.

ゲーム機、携帯情報端末、デジタルカメラなどの電子機器、自動車、航空機、船舶などの姿勢制御やナビゲーション等には、角速度センサや加速度センサが用いられている。角速度および加速度などの物理量を検出するセンサとしては、固定電極と可動電極との間の静電容量の変位に基づいて物理量の変化を検出する静電方式、および圧電素子により歪量の変化に基づいて物理量の変化を検出する圧電方式などが知られている。   Angular velocity sensors and acceleration sensors are used for attitude control, navigation, and the like of electronic devices such as game machines, portable information terminals, digital cameras, automobiles, airplanes, and ships. Sensors that detect physical quantities such as angular velocity and acceleration are based on electrostatic systems that detect changes in physical quantities based on the displacement of the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode, and on the basis of changes in strain caused by piezoelectric elements. For example, a piezoelectric method for detecting a change in physical quantity is known.

特許文献1、2および8などには、圧電素子を用いた角速度センサが開示されている。また、特許文献1および非特許文献1には、圧電素子を用いて6軸(加速度3軸、角速度3軸)が測定可能である旨開示されている。しかしながら、圧電方式のセンサでは、応力変化によって生じる電荷を検出するという原理から、重力加速度のような静的加速度は検出することができない。また、動的な加速度であっても、その動き(変化)が非常に遅い場合(例えば、1Hz以下)には検出ができない場合がある。   Patent Documents 1, 2, and 8 disclose angular velocity sensors using piezoelectric elements. Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose that six axes (acceleration three axes, angular velocity three axes) can be measured using a piezoelectric element. However, a piezoelectric sensor cannot detect a static acceleration such as a gravitational acceleration because of the principle of detecting a charge generated by a change in stress. Even if the acceleration is dynamic, it may not be detected if the movement (change) is very slow (for example, 1 Hz or less).

一方、静電方式を用いたセンサでは、静的加速度の検出も可能である(特許文献3、4など)。また、圧電方式の角速度検出にピエゾ抵抗方式による加速度検出を組み合わせることにより、角速度、動的加速度および静的加速度を検出可能とした複合センサ(特許文献5、6)や、圧電方式の角速度検出に静電方式による加速度検出を組み合わせた複合センサ(特許文献7など)が提案されている。   On the other hand, static acceleration can be detected with a sensor using an electrostatic method (Patent Documents 3, 4, etc.). Also, combined with piezoelectric type angular velocity detection and piezoresistive type acceleration detection to detect angular velocity, dynamic acceleration and static acceleration (Patent Documents 5 and 6), and piezoelectric type angular velocity detection. A composite sensor (for example, Patent Document 7) combining acceleration detection by an electrostatic method has been proposed.

特開2006−23320号公報JP 2006-23320 A 特開2014−66708号公報JP 2014-66708 A 特開平11−230760号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-230760 特開2010−181240号公報JP 2010-181240 A 特開2008−190931号公報JP 2008-190931 A 特開2015−92145号公報JP2015-92145A 特開2014−157063号公報JP 2014-157063 A 特開2013−217872公報JP2013-217872A

Kazuaki Okada et.al. "Development of 6-axis Motion Sensors Using Piezoelectric Elements", PROCEEDINGS OF THE 21ST SENSOR SYMPOSIUM,2004.pp.385〜390Kazuaki Okada et.al. "Development of 6-axis Motion Sensors Using Piezoelectric Elements", PROCEEDINGS OF THE 21ST SENSOR SYMPOSIUM, 2004.pp.385-390

特許文献5、6に記載の複合センサは、角速度を測定する圧電センサとピエゾ抵抗式の加速度センサを組み合わせたものであり、サイズを大きくすることなく小型に実現でき、静的加速度も測定可能である。しかしながら、ピエゾ抵抗を形成するため、基板へのイオン注入や不純物拡散などの工程が必要であるため、製造工程が煩雑なものとなる。   The composite sensors described in Patent Documents 5 and 6 are a combination of a piezoelectric sensor for measuring angular velocity and a piezoresistive acceleration sensor, which can be realized in a small size without increasing the size, and can also measure static acceleration. is there. However, in order to form the piezoresistor, processes such as ion implantation into the substrate and impurity diffusion are necessary, and the manufacturing process becomes complicated.

また、特許文献7に記載の複合センサは、圧電方式による角速度センサと静電方式による加速度センサを一体化したものであるが、それぞれのセンサを連結して構成するために、十分な小型化が実現できず、サイズが大きくなる可能性がある。   In addition, the composite sensor described in Patent Document 7 is an integrated angular velocity sensor using a piezoelectric method and an acceleration sensor using an electrostatic method. It cannot be realized, and the size may increase.

本発明は、上記事情に鑑み、製造が容易であり、かつ小型化が実現できる、角速度に加え静的加速度の検出が可能な複合センサを提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a composite sensor capable of detecting static acceleration in addition to angular velocity, which can be easily manufactured and can be downsized.

本発明の複合センサは、錘部と、その錘部に対して所定の振動軸の方向に振動を誘起する振動励起部と、コリオリ力を受けて生じる錘部の変位を検知して角速度を算出する角速度検出部とを備えた角速度センサであって、振動励起部および角速度検出部が、それぞれ板状基材の表面に設けられた下部電極、圧電膜および上部電極の積層体からなる圧電素子を備えてなり、錘部と、錘部との間に空間を挟んで設けられた支持部とが板状基材の一部として構成されてなる角速度センサと、
錘部の一部に設けられた可動電極、板状基材とは別部材であり且つ支持部に接続された副板状基材の表面に設けられた固定電極、および可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備え、
可動電極を構成する電極膜が支持部の表面を覆い、電極膜の前記支持部を覆う部分が、直接または導電性を有するスペーサを介して副板状基材に接続されている。
The composite sensor of the present invention calculates the angular velocity by detecting the weight portion, the vibration excitation portion that induces vibration in the direction of the predetermined vibration axis with respect to the weight portion, and the displacement of the weight portion caused by the Coriolis force. An angular velocity sensor comprising: a vibration excitation portion and an angular velocity detection portion each comprising a piezoelectric element comprising a laminate of a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode provided on the surface of a plate-like substrate. An angular velocity sensor comprising a weight part and a support part provided with a space between the weight parts as a part of the plate-like base material,
A movable electrode provided in a part of the weight part, a fixed electrode provided on the surface of the sub-plate-like base material which is a separate member from the plate-like base material and connected to the support part , and the movable electrode and the fixed electrode An acceleration sensor including an acceleration detection unit that detects the change in capacitance between the two and calculates the acceleration,
The electrode film constituting the movable electrode covers the surface of the support portion, and the portion of the electrode film that covers the support portion is connected to the sub-plate-like substrate directly or via a conductive spacer.

なお、錘部は1つに限らず、2つ以上備えられていてもよい。   Note that the number of weight portions is not limited to one, and two or more weight portions may be provided.

本発明の複合センサは、角速度センサおよび加速度センサを内包する筐体を備え、筐体内の気圧が大気圧未満であることが好ましい。   The composite sensor of the present invention preferably includes a housing that includes an angular velocity sensor and an acceleration sensor, and the atmospheric pressure in the housing is preferably less than atmospheric pressure.

本発明の複合センサは、固定電極が1つの錘部に対して2つ以上の固定電極片からなることが好ましい。   In the composite sensor of the present invention, the fixed electrode is preferably composed of two or more fixed electrode pieces with respect to one weight portion.

本発明の複合センサは、可動電極と固定電極との間隔が、両者間が近接する方向へ錘部が変位することにより圧電膜に与える応力が破壊応力となる距離未満であることが好ましい。   In the composite sensor of the present invention, the distance between the movable electrode and the fixed electrode is preferably less than the distance at which the stress applied to the piezoelectric film due to the displacement of the weight portion in the direction in which the two are close to each other becomes the breaking stress.

本発明の複合センサは、状基材、可動電極と固定電極とが、非駆動時において所定の間隔で対向配置される位置で副板状基材と接合されていることが好ましい。 Composite sensor of the present invention, the plate Jomotozai is, and the movable electrode and the fixed electrode, it is preferably joined with the auxiliary plate-shaped substrates at a position which is opposed at a predetermined interval during non-driving.

なお、上記板状基材と副板状基材がスペーサを介して接合されていることが好ましい。
そして、スペーサを備える場合には、スペーサが導電性を有して、電極配線機能を有することが好ましい。
In addition, it is preferable that the said plate-shaped base material and a sub-plate-shaped base material are joined through the spacer.
When the spacer is provided, it is preferable that the spacer has conductivity and has an electrode wiring function.

本発明の複合センサは、副板状基材が、角速度センサによる角速度検出制御の回路を有していることが好ましい。   In the composite sensor of the present invention, it is preferable that the sub-plate-like substrate has an angular velocity detection control circuit using an angular velocity sensor.

本発明の複合センサにおいては、角速度センサの一部を構成する圧電素子が、動的加速度を検出する動的加速度センサの一部として機能することが好ましい。   In the composite sensor of the present invention, it is preferable that the piezoelectric element that constitutes a part of the angular velocity sensor functions as a part of the dynamic acceleration sensor that detects the dynamic acceleration.

本発明の複合センサは、圧電方式の角速度センサを備え、その角速度センサの構成要素の一つである錘部の一部に設けられた可動電極、その可動電極に対向する固定位置に設けられた固定電極、および可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備えており、この加速度検出部では静的な加速度を検出することが可能である。かかる構成の複合センサは、静電容量の検出用の可動電極を角速度センサの錘部の一部に備えているので、小型化が実現でき、かつ作製も容易である。   The composite sensor of the present invention includes a piezoelectric angular velocity sensor, a movable electrode provided in a part of a weight portion which is one of the components of the angular velocity sensor, and a fixed position facing the movable electrode. A fixed electrode, and an acceleration sensor having an acceleration detection unit that calculates an acceleration by detecting a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode. The acceleration detection unit generates static acceleration. It is possible to detect. The composite sensor having such a configuration includes a movable electrode for detecting capacitance at a part of the weight portion of the angular velocity sensor, and thus can be miniaturized and easily manufactured.

本発明の第1の実施の形態に係る複合センサの切断端面図Cut end view of the composite sensor according to the first embodiment of the present invention 実施形態に係る複合センサの角速度センサの上部電極パターンを示す図The figure which shows the upper electrode pattern of the angular velocity sensor of the composite sensor which concerns on embodiment 固定電極の一例を示す図The figure which shows an example of a fixed electrode 第1の実施形態に係る複合センサの製造工程を示す図(その1)The figure which shows the manufacturing process of the composite sensor which concerns on 1st Embodiment (the 1) 第1の実施形態に係る複合センサの製造工程を示す図(その2)The figure which shows the manufacturing process of the composite sensor which concerns on 1st Embodiment (the 2) 設計変更例1の複合センサの切断端面図Cut end view of compound sensor of design change example 1 設計変更例2の複合センサの切断端面図Cut end view of compound sensor of design change example 2 本発明の第2の実施の形態に係る複合センサの切断端面図Cut end view of the composite sensor according to the second embodiment of the present invention 第2の実施形態に係る複合センサの角速度センサの上部電極パターンを示す図The figure which shows the upper electrode pattern of the angular velocity sensor of the composite sensor which concerns on 2nd Embodiment.

本発明の実施の形態のセンサについて図面を参照して詳細に説明する。以下に示す図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。   A sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings shown below, the scales of the constituent elements are appropriately different from the actual ones for easy visual recognition.

図1は、本発明の実施の形態に係る複合センサ1の切断端面模式図である。
本実施形態の複合センサ1は、錘部15および圧電素子25、26が作り込まれた板状基材10と、錘部15の一部に設けられた可動電極35に対向する固定電極45を備えた副板状基材40と、板状基材10および副板状基材40が内包される筐体50とを備えている。
FIG. 1 is a schematic cut end view of a composite sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
The composite sensor 1 of the present embodiment includes a plate-like base material 10 in which a weight portion 15 and piezoelectric elements 25 and 26 are formed, and a fixed electrode 45 facing a movable electrode 35 provided in a part of the weight portion 15. The sub-plate-like base material 40 provided, and the casing 50 in which the plate-like base material 10 and the sub-plate-like base material 40 are contained are provided.

板状基材10は、一方の面側に周囲が深掘りされて形成された錘部15を備えている。板状基材10の一部が深掘りされて厚みが薄くなった領域(深掘り領域)は、その深掘り領域の周りの板状基材10の本来の厚みを有する部分を支持部とするダイアフラムを構成している。すなわち、板状基材10にダイアフラムが設けられ、そのダイアフラムの略中央に錘部15が設けられた構成となっている。板状基材10の他方の面側には、下部電極21、圧電膜22、および上部電極24A,24Bが順次積層されてなる、複数の圧電素子25、26が備えられている。下部電極21および圧電膜22は、他方の面側に略全域に亘って連続膜状に形成されており、圧電膜22上に設けられている上部電極24A、24Bはパターニング形成されて個々の圧電素子25、26を規定している。なおここで、「下部」および「上部」は天地を意味するものではない。圧電膜を挟んで設けられる一対の電極に関し、板状基材10側に配される一方の電極を下部電極、他方の電極を上部電極と称しているに過ぎない。   The plate-like base material 10 includes a weight portion 15 formed by deeply digging the periphery on one surface side. A region (deep digging region) in which a part of the plate-like base material 10 is deeply dug to reduce the thickness (deep digging region) uses a part having the original thickness of the plate-like base material 10 around the deep digging region as a support portion. It constitutes a diaphragm. That is, the plate-like base material 10 is provided with a diaphragm, and the weight portion 15 is provided in the approximate center of the diaphragm. On the other surface side of the plate-like substrate 10, a plurality of piezoelectric elements 25 and 26 are provided in which a lower electrode 21, a piezoelectric film 22, and upper electrodes 24 </ b> A and 24 </ b> B are sequentially stacked. The lower electrode 21 and the piezoelectric film 22 are formed in a continuous film shape over almost the entire area on the other surface side, and the upper electrodes 24A and 24B provided on the piezoelectric film 22 are patterned to form individual piezoelectric elements. Elements 25 and 26 are defined. Here, “lower” and “upper” do not mean top and bottom. Regarding a pair of electrodes provided with a piezoelectric film interposed therebetween, one electrode disposed on the plate-like substrate 10 side is simply referred to as a lower electrode, and the other electrode is referred to as an upper electrode.

図2は上部電極24A,24Bのパターン例を示す平面模式図である。本例においては、振動励起用の圧電素子25を規定する4つの上部電極24Aおよび角速度検出用の圧電素子26を規定する4つの上部電極24Bを備えている。上部電極24Aはダイアフラムの外周縁と支持部の境界を跨いで形成されており、上部電極24Bは錘部15の外周縁と深掘り領域の境界を跨いで形成されている。すなわち、圧電素子25が振動励起部の一部を構成し、圧電素子26がコリオリ力を受けて生じる錘部15の変位を検知して角速度を算出する角速度検出部の一部を構成する。   FIG. 2 is a schematic plan view showing a pattern example of the upper electrodes 24A and 24B. In this example, four upper electrodes 24A that define the piezoelectric element 25 for vibration excitation and four upper electrodes 24B that define the piezoelectric element 26 for angular velocity detection are provided. The upper electrode 24A is formed across the boundary between the outer peripheral edge of the diaphragm and the support portion, and the upper electrode 24B is formed across the boundary between the outer peripheral edge of the weight portion 15 and the deep digging region. That is, the piezoelectric element 25 constitutes a part of the vibration excitation unit, and the piezoelectric element 26 constitutes a part of the angular velocity detection unit that detects the displacement of the weight 15 caused by the Coriolis force and calculates the angular velocity.

4つの圧電素子25を駆動してダイアフラムに所望の振動が与えることにより錘部15を所定の振動軸の方向の振動を誘起する。この振動している錘部15が受けるコリオリ力により生じる錘部の変位に伴い圧電膜22に歪が生じ、この歪に伴い生じる電荷を圧電素子26により検出して角速度を求める。   By driving the four piezoelectric elements 25 and applying desired vibration to the diaphragm, the weight portion 15 is induced to vibrate in the direction of a predetermined vibration axis. The piezoelectric film 22 is distorted in accordance with the displacement of the weight portion caused by the Coriolis force received by the vibrating weight portion 15, and the electric speed generated by the strain is detected by the piezoelectric element 26 to obtain the angular velocity.

すなわち、板状基材10に形成された錘部15および錘部15を含むダイアフラム上に設けられた下部電極21、圧電膜22および上部電極24Aの積層体からなる圧電素子25が圧電アクチュエータとして機能し、下部電極21、圧電膜22および上部電極24Bの積層体からなる圧電素子26が圧電センサとして機能するものであり、これらの圧電素子25および圧電素子26が角速度センサの一部を構成する。圧電素子25を駆動する駆動制御および圧電素子26で検出された電流値に基づいて加速度を求める演算部は後記の角速度検出制御回路に備えられている。   That is, the piezoelectric element 25 formed of a laminate of the lower electrode 21, the piezoelectric film 22, and the upper electrode 24A provided on the diaphragm including the weight portion 15 and the weight portion 15 formed on the plate-like substrate 10 functions as a piezoelectric actuator. The piezoelectric element 26 composed of a laminate of the lower electrode 21, the piezoelectric film 22 and the upper electrode 24B functions as a piezoelectric sensor, and the piezoelectric element 25 and the piezoelectric element 26 constitute a part of the angular velocity sensor. A driving control for driving the piezoelectric element 25 and a calculation unit for obtaining acceleration based on the current value detected by the piezoelectric element 26 are provided in an angular velocity detection control circuit described later.

本構成の角速度センサでは、ダイアフラムの中心位置に原点Oを持ち、ダイアフラムの表面を含むXY平面とし、それに垂直な方向をZとするXYZの三次元直交座標系を定義する。X軸およびZ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出部を構成する角速度検出用電極からの検出値に基づいてY軸周りの角速度を検出する。X軸周りおよびY軸周りの角速度を検出するためには、錘部をZ軸方向に振動させ、Y軸方向およびX軸方向への変位を検出すればよい。また、Z軸周りの角速度を検出するためには、錘部をX軸方向またはY軸方向に振動させ、Y軸方向またはX軸方向への変位を検出すればよい。   The angular velocity sensor of this configuration defines an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having an origin O at the center position of the diaphragm, an XY plane including the surface of the diaphragm, and Z as a direction perpendicular thereto. One of the X axis and the Z axis is set as a vibration axis, and the other is set as a displacement axis, and an angular velocity around the Y axis is detected based on a detection value from an angular velocity detection electrode constituting the displacement detector. In order to detect the angular velocities around the X-axis and the Y-axis, the weight portion may be vibrated in the Z-axis direction and the displacement in the Y-axis direction and the X-axis direction may be detected. Further, in order to detect the angular velocity around the Z axis, the weight portion may be vibrated in the X axis direction or the Y axis direction, and the displacement in the Y axis direction or the X axis direction may be detected.

なお、上記角速度センサのダイアフラムおよび電極の構成は一例であり、角速度センサとしての精度を向上させるため、例えば、既述の特許文献2(特開2014−66708号公報)記載のものを適用してもよい。さらには、特許文献8(特開2013−217872公報)のような構造のものでもかまわない。   The configuration of the diaphragm and the electrode of the angular velocity sensor is an example, and for example, the one described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2014-66708) is applied in order to improve the accuracy as the angular velocity sensor. Also good. Furthermore, a structure such as that disclosed in Patent Document 8 (Japanese Patent Laid-Open No. 2013-217872) may be used.

板状基材10の、錘部15が設けられた面側には、密着層31を介して電極膜32が一様に形成されている。この電極膜32のうち、錘部15の図中下端面に設けられている部分が可動電極35として機能する。ここでは、電極膜32が板状基材10の錘部15側全面に設けられているが、少なくとも錘部15の下端面に設けられていればよい。なお、本構成においては、可動電極35を接地電位とする。   An electrode film 32 is uniformly formed on the surface side of the plate-like substrate 10 on which the weight portion 15 is provided via the adhesion layer 31. A portion of the electrode film 32 provided on the lower end surface in the drawing of the weight portion 15 functions as the movable electrode 35. Here, the electrode film 32 is provided on the entire surface of the plate-like substrate 10 on the weight portion 15 side, but it is sufficient that it is provided at least on the lower end surface of the weight portion 15. In this configuration, the movable electrode 35 is set to the ground potential.

板状基材10とは別部材として用意された副板状基材40の一面に固定電極45が備えられており、板状基材10は、錘部15の可動電極35と固定電極45とを対向配置させた状態で副板状基材40と接合(接着)されている。また、板状基材10と副板状基材40とは、本センサ1が駆動していない状態(非駆動時)において、可動電極35と固定電極45との間隔dを所定距離となるように規定する間隔維持機構としてスペーサ48を備えている。スペーサ48は接着機能と間隔維持機能とを備えるものが好ましく、例えば、共晶結合のためのAu−Sn金属材料に間隔dを維持するため形状が変化しないガラスビーズなどを混合したものを用いることができる。   A fixed electrode 45 is provided on one surface of the sub-plate-like base material 40 prepared as a separate member from the plate-like base material 10, and the plate-like base material 10 includes the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 of the weight portion 15. Are bonded (adhered) to the sub-plate-like base material 40 in a state of being opposed to each other. Further, the plate-like substrate 10 and the sub-plate-like substrate 40 are set so that the distance d between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 is a predetermined distance when the sensor 1 is not driven (when not driven). A spacer 48 is provided as an interval maintaining mechanism defined in FIG. The spacer 48 preferably has an adhesion function and a spacing maintaining function. For example, a mixture of Au-Sn metal material for eutectic bonding with glass beads whose shape does not change to maintain the spacing d is used. Can do.

この可動電極35と固定電極45との間隔dが変化すると両電極間の静電容量が変化する。固定電極45に対する可動電極35の相対位置の変化を静電容量の変化を検出することにより検出して加速度を求める。すなわち、錘部15に設けられた可動電極35と副板状基材40に設けられた固定電極45とが加速度センサの一部を構成している。可動電極35と固定電極45との間の静電容量の変化から加速度を求める演算部は後記の加速度検出制御回路に備えられている。本構成の加速度センサによれば静的加速度を検出することが可能である。   When the distance d between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 changes, the capacitance between the electrodes changes. A change in the relative position of the movable electrode 35 with respect to the fixed electrode 45 is detected by detecting a change in capacitance, thereby obtaining an acceleration. That is, the movable electrode 35 provided on the weight portion 15 and the fixed electrode 45 provided on the sub-plate base material 40 constitute a part of the acceleration sensor. A calculation unit for obtaining acceleration from a change in capacitance between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 is provided in an acceleration detection control circuit described later. According to the acceleration sensor of this configuration, static acceleration can be detected.

図3は固定電極45の構成の一例を示す模式図である。
図3に示すように、本実施形態においては、可動電極35が備え得られている1つの錘部15に対して設けられる固定電極45は、4つの固定電極片45x,45x,45y,45yから構成されている。固定電極45は2つ以上の固定電極片から構成されていればよいが、4つ以上であることがより好ましい。ここで、可動電極35と固定電極45との間の静電容量の変化を検出するとは、可動電極35と個々の固定電極片45x,45x,45y,45yとの各静電容量Cx,Cx,Cy,Cyの変化、またはそれらの静電容量の比の変化を検出することを意味する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the fixed electrode 45.
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the fixed electrode 45 provided for one weight part 15 which is movable electrode 35 is obtained with the four fixed electrode pieces 45x 1, 45x 2, 45y 1 , 45y 2 . Although the fixed electrode 45 should just be comprised from two or more fixed electrode pieces, it is more preferable that it is four or more. Here, each of the electrostatic capacitance between the detecting a change in capacitance, the 45x movable electrode 35 and the individual fixed electrode pieces 1, 45x 2, 45y 1, 45y 2 between the fixed electrode 45 and movable electrode 35 It means detecting a change in Cx 1 , Cx 2 , Cy 1 , Cy 2 , or a change in their capacitance ratio.

4つの固定電極片45x,45x,45y,45yは、それらの中心が可動電極35の中心と一致するように配置されており、重力加速度の向きがz軸方向と一致しているとき、静電容量の比Cx:Cx:Cy:Cyが1:1:1:1となるようにしておくことが好ましい。図1に示す本構成のセンサ1において、錘部15にかかる重力加速度の向きによって、固定電極片45x,45x,45y,45yと可動電極35との静電容量の比の変化を検出することにより、Z軸方向に静的な重力加速度を観察することができる。Four fixed electrode pieces 45x 1, 45x 2, 45y 1 , 45y 2 are their centers are arranged to coincide with the center of the movable electrode 35, the direction of the gravitational acceleration coincides with the z-axis direction It is preferable that the capacitance ratio Cx 1 : Cx 2 : Cy 1 : Cy 2 is 1: 1: 1: 1. In the sensor 1 of this configuration shown in FIG. 1, the change in the ratio of the capacitance between the fixed electrode pieces 45 x 1 , 45 x 2 , 45 y 1 , 45 y 2 and the movable electrode 35 depends on the direction of gravitational acceleration applied to the weight portion 15. By detecting, static gravity acceleration can be observed in the Z-axis direction.

センサ1の、X方向もしくはY方向への傾きは、図3における固定電極片45x,45xからの出力XとX、あるいは固定電極片45y,45yからの出力YとYから検出することができる。それぞれの絶対値は、予め基準測定することで可能である。例えば、基準測定として、事前にセンサに既知の加速度を加えてその際の静電容量を測定し、加速度と静電容量の関係をグラフ化しておき、それらのデータを元に補正することで絶対値を求めることができる。The sensor 1, the inclination of the X direction or Y direction, the output Y 1 and Y from the output X 1 and X 2 or the fixed electrode pieces 45y 1, 45y 2, from the fixed electrode pieces 45x 1, 45x 2 in FIG. 3 2 can be detected. Each absolute value can be measured in advance by reference measurement. For example, as a reference measurement, absolute acceleration is obtained by applying a known acceleration to the sensor in advance, measuring the capacitance at that time, graphing the relationship between acceleration and capacitance, and correcting based on the data. The value can be determined.

上述のように可動電極35と固定電極45との間の静電容量の変化を検出するが、可動電極35と副板状基材40に設けられた固定電極45との間隔dが大きくなるほど、静電容量が小さくなり、静電容量の変化は微小になってしまうため、可能な限り可動電極35と固定電極45との間隔dは狭い方がよい。一方で、間隔dは角速度のセンシングのため錘部15のZ方向へ振動させることが必要であるため、角速度センシングに必要な振幅よりは大きくする必要がある。錘部15の周囲に空気が存在すると空気のダンピング効果により動きが抑制されてしまう場合があるので、錘部15の周囲の空気を排除して気圧を小さくすることが好ましい。そのため、筐体50内部の気圧は、少なくとも大気圧(1気圧)未満とし、真空度が小さいほど好ましい。   As described above, a change in capacitance between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 is detected. As the distance d between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 provided on the sub-plate-like substrate 40 increases, Since the capacitance becomes smaller and the change in capacitance becomes minute, the distance d between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 should be as narrow as possible. On the other hand, the distance d needs to be made larger than the amplitude necessary for angular velocity sensing because it is necessary to vibrate the weight portion 15 in the Z direction for sensing angular velocity. If air exists around the weight 15, the movement may be suppressed due to the air damping effect. Therefore, it is preferable to reduce the air pressure by removing the air around the weight 15. Therefore, the atmospheric pressure inside the housing 50 is preferably at least less than atmospheric pressure (1 atm), and the smaller the degree of vacuum, the better.

なお、錘部15の周囲が大気圧であってもセンシングは可能であるが、錘部15の動きが空気によって邪魔されるため、位置変化が小さくなり、静電容量の変化が小さくなることから、より高い感度が要求される。測定感度は回路側の工夫である程度高めることができる。回路の工夫としては、ブリッジ回路、各電極間の容量の比較および比を取ることなどが考えられる。   Although sensing is possible even when the circumference of the weight portion 15 is atmospheric pressure, the movement of the weight portion 15 is obstructed by air, so that the position change becomes small and the change in capacitance becomes small. Higher sensitivity is required. The measurement sensitivity can be increased to some extent by a device on the circuit side. As a circuit device, a bridge circuit, a comparison and ratio of capacitance between electrodes, and the like can be considered.

また、複合センサ1に大きな衝撃が加わった時(落下試験時など)、錘部15が大きく変位すると、圧電膜22に破壊応力以上の応力を与えてしまい、圧電膜22が破壊されてしまう。圧電膜22に破壊応力以上の応力が加えられないように構成されていることが好ましい。すなわち、可動電極35と固定電極45との間隔dは、両者間が近接する方向(すなわち、本例ではZ軸方向)に錘部15が変位することにより圧電膜22に与える応力が破壊応力となる距離未満として、固定電極45側を錘部の15の可動量を制限するストッパーとして機能させることが好ましい。   In addition, when a large impact is applied to the composite sensor 1 (during a drop test or the like), if the weight portion 15 is greatly displaced, a stress greater than the destructive stress is applied to the piezoelectric film 22 and the piezoelectric film 22 is destroyed. It is preferable that the piezoelectric film 22 is configured not to be applied with a stress greater than the fracture stress. That is, the distance d between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 is such that the stress applied to the piezoelectric film 22 by the displacement of the weight portion 15 in the direction in which they are close to each other (that is, the Z-axis direction in this example) is the fracture stress. Preferably, the fixed electrode 45 side is made to function as a stopper that limits the amount of movement of the weight portion 15.

複合センサ1を駆動していない静止状態における、可動電極35と固定電極45との間隔dは例えば15μm以下、0.5μm以上程度が好ましく、例えば、1μmとする。但し、好ましい間隔dは錘部15の大きさ、ダイアフラムの大きさ、厚み圧電膜の厚みなどに応じて適宜定める必要がある。例えば、PZT(lead zirconate titanate)からなる2μm厚の圧電膜の場合、略200MPa以上の応力が印加されると、破壊されてしまう。したがって、圧電膜に200MPa以上の応力が印加されないように間隔dを設定するなどである。   In a stationary state where the composite sensor 1 is not driven, the distance d between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 is preferably about 15 μm or less and about 0.5 μm or more, for example, 1 μm. However, the preferable distance d needs to be appropriately determined according to the size of the weight portion 15, the size of the diaphragm, the thickness of the piezoelectric film, and the like. For example, in the case of a 2 μm-thick piezoelectric film made of PZT (lead zirconate titanate), it is destroyed when a stress of about 200 MPa or more is applied. Therefore, the interval d is set so that a stress of 200 MPa or more is not applied to the piezoelectric film.

破壊応力は、圧電膜の材料および厚み等により異なり、例えば、Si基板上に電極を介して形成した圧電膜に上部電極を形成したものを、片持ち梁構造にして測定することができる。すなわち片持ち梁構造の圧電膜の上下電極間に交流の電圧を印加させて、共振駆動させ、駆動電圧を印加することで大きく片持ち梁が変位する。駆動電圧を大きくすることで変位が大きくなり圧電膜が構造的に破壊される。その時の変位量をFEM(Finite Element Method;有限要素法)等で破壊応力を算出することができる。   The fracture stress varies depending on the material and thickness of the piezoelectric film, and can be measured, for example, by forming a top electrode on a piezoelectric film formed on an Si substrate via an electrode with a cantilever structure. That is, an alternating voltage is applied between the upper and lower electrodes of the piezoelectric film having a cantilever structure to drive resonance, and the cantilever is displaced greatly by applying a drive voltage. Increasing the driving voltage increases the displacement and structurally breaks the piezoelectric film. The displacement stress at that time can be calculated by FEM (Finite Element Method) or the like.

上記構成の加速度センサは静的加速度のみならず、動的加速度の検出も可能である。動的加速度と静的加速度の検出とでは、変位量が大きく異なるため、検出回路側において2つのダイナミックレンジを用意しておき、所定の閾値においてダイナミックレンジを切り替えて検出するように構成しておくことが好ましい。   The acceleration sensor configured as described above can detect not only static acceleration but also dynamic acceleration. Since the amount of displacement differs greatly between detection of dynamic acceleration and detection of static acceleration, two dynamic ranges are prepared on the detection circuit side, and the dynamic range is switched and detected at a predetermined threshold. It is preferable.

あるいは、加速度センサにおける検出側のダイナミックレンジは1つとして、上記加速度センサは、静的加速度もしくは非常に遅い動的加速度を検出するために利用するものとし、角速度センサが動的加速度センサを兼ねるように(既述の特許文献1:特開2006−23320号公報参照)構成されていてもよい。   Alternatively, the acceleration sensor has only one dynamic range on the detection side, the acceleration sensor is used to detect static acceleration or very slow dynamic acceleration, and the angular velocity sensor also serves as the dynamic acceleration sensor. (See the above-mentioned Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2006-23320).

なお、副板状基材40に、ASIC(Application specific integrated circuit)が備えられていることが好ましい。ASICには、角速度センサの角速度検出制御回路および加速度センサの加速度検出制御回路が含まれる。   The sub-plate-like base material 40 is preferably provided with an ASIC (Application specific integrated circuit). The ASIC includes an angular velocity detection control circuit for the angular velocity sensor and an acceleration detection control circuit for the acceleration sensor.

可動電極35と電気的に同電位である電極膜32と接触するスペーサ48は、可動電極35の上記副板状基材40の回路に対する電気的な接続のため、あるいは外部への電気的な接続のため導電性を有して、電極配線機能を有していることが好ましい。   The spacer 48 in contact with the electrode film 32 having the same electric potential as that of the movable electrode 35 is used to electrically connect the movable electrode 35 to the circuit of the sub-plate-like substrate 40 or to the outside. Therefore, it is preferable to have conductivity and have an electrode wiring function.

板状基材10および副板状基材40としては、加工が容易である点などからSiウエハやSOI(silicon on insulator)ウエハなどを用いることが好ましい。   As the plate-like substrate 10 and the sub-plate-like substrate 40, it is preferable to use a Si wafer, an SOI (silicon on insulator) wafer, or the like because it is easy to process.

下部電極21の材料は特に限定されず、金属でもよいし、酸化物導電体材料であってもよい。具体的には、Pt(白金)、Al(アルミニウム)、Mo(モリブデン)、TiN(窒化チタン)、Ru(ルテニウム)、Au(金)、銀(Ag)、Ir(イリジウム)、ITO(インジウムスズ酸化物)などの材料を用いることができる。また、Si活性層13との密着性を高めるための密着層としてTiやTiW等をSi活性層13と下部電極21との間に設けてもよい。   The material of the lower electrode 21 is not particularly limited, and may be a metal or an oxide conductor material. Specifically, Pt (platinum), Al (aluminum), Mo (molybdenum), TiN (titanium nitride), Ru (ruthenium), Au (gold), silver (Ag), Ir (iridium), ITO (indium tin) A material such as an oxide) can be used. Further, Ti, TiW, or the like may be provided between the Si active layer 13 and the lower electrode 21 as an adhesion layer for improving the adhesion with the Si active layer 13.

下部電極21の厚みは、適宜の膜厚に設計することが可能であるが、50〜500nmであることが好ましい。下部電極21は厚すぎると剛性が高くなり圧電膜22の変位を制限してしまう恐れがあるため、厚みは50〜300nmがより好ましい。   The thickness of the lower electrode 21 can be designed to an appropriate thickness, but is preferably 50 to 500 nm. If the lower electrode 21 is too thick, the rigidity is increased and the displacement of the piezoelectric film 22 may be restricted. Therefore, the thickness is more preferably 50 to 300 nm.

圧電膜22の材料、厚みに制限はなく、角速度センサとして好適なものを用いることができる。好ましくは、成膜後に分極処理不要なものがよい。
圧電膜22としては、例えば、下記一般式(P)で表される1種または複数種のペロブスカイト型酸化物を用いることができ、スパッタ法に代表される気相成長法により基板温度を上げて(好ましくは400℃以上で)成膜中に結晶化させる方法で形成することができる。
There is no restriction | limiting in the material and thickness of the piezoelectric film 22, A thing suitable as an angular velocity sensor can be used. Preferably, a material that does not require polarization after film formation is preferable.
As the piezoelectric film 22, for example, one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P) can be used, and the substrate temperature is raised by a vapor deposition method typified by sputtering. It can be formed by a method of crystallizing during film formation (preferably at 400 ° C. or higher).

一般式ABO・・・(P)
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、B:Bサイトの元素であり、Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe、Ni、およびランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、O:酸素原子。A:B:Oのモル比は1:1:3が標準であるが、このモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内でずれてもよい。)
General formula ABO 3 (P)
(In the formula, A is an A site element and at least one element including Pb, B is an element of a B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, At least one element selected from the group consisting of Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, and a lanthanide element, O: oxygen atom, and a molar ratio of A: B: O is 1: 1: 3 is the standard, but this molar ratio may deviate within a range where a perovskite structure can be taken.)

特には、Pb(Zr,Ti,Nb1−y−z)O,0<y<1,0<z<1で表される、所謂PZT(lead zirconate titanate)、あるいはNb−PZT(Nb doped lead zirconate titanate)と称される、ペロブスカイト型酸化物であることが好ましく、特には、Nb/(Zr+Ti+Nb)モル比が0.06以上0.20以下であるNb−PZTが好ましい。Nb−PZT膜は成膜直後の状態(asdepo状態,as-deposited)で自発分極を示し、分極処理が不要である。 Particularly, Pb (Zr y, Ti z , Nb 1-y-z) O 3, 0 <y <1,0 <z < represented by 1, so-called PZT (lead zirconate titanate), or Nb-PZT ( A perovskite oxide called Nb doped lead zirconate titanate is preferable, and Nb-PZT having an Nb / (Zr + Ti + Nb) molar ratio of 0.06 to 0.20 is particularly preferable. The Nb-PZT film exhibits spontaneous polarization immediately after the film formation (as-depo state, as-deposited), and does not require polarization treatment.

圧電膜22の膜厚については、0.3μm以上10μm以下とすることが好ましく、より好ましくは、0.5μm以上8μm以下、さらに好ましくは1μm以上7μm以下である。0.3μm以上の厚みがあれば、アクチュエータとして十分な駆動力を発生することができ、センサや発電デバイスとして十分な電圧信号を取り出すことが可能となる。   The thickness of the piezoelectric film 22 is preferably 0.3 μm or more and 10 μm or less, more preferably 0.5 μm or more and 8 μm or less, and further preferably 1 μm or more and 7 μm or less. If the thickness is 0.3 μm or more, a sufficient driving force as an actuator can be generated, and a sufficient voltage signal as a sensor or a power generation device can be extracted.

図4および図5を参照して上記実施形態の複合センサの製造工程について説明する。
まず、板状基材10を用意する。板状基材10としては、Si基材11、SiOからなるBOX(Buried Oxide)層12、およびBOX層12を挟んでSi基材11と対向するSi活性層13からなるSOIウエハ(以下において、「SOIウエハ10」とする。)が好適である。SOIウエハ10のSi活性層13表面に下部電極21を形成し、さらに下部電極21上に圧電膜22を形成する(図4の工程S1)。
With reference to FIG. 4 and FIG. 5, the manufacturing process of the composite sensor of the said embodiment is demonstrated.
First, the plate-like base material 10 is prepared. As the plate-like substrate 10, an SOI wafer (hereinafter referred to as an Si wafer 11) composed of a Si substrate 11, a BOX (Buried Oxide) layer 12 made of SiO 2 , and a Si active layer 13 facing the Si substrate 11 with the BOX layer 12 interposed therebetween. “SOI wafer 10”) is preferable. A lower electrode 21 is formed on the surface of the Si active layer 13 of the SOI wafer 10, and a piezoelectric film 22 is formed on the lower electrode 21 (step S1 in FIG. 4).

SOIウエハ10の仕様は角速度センサに適した仕様とすることが好ましい。例えば、BOX層12の膜厚は0.3〜1.0μm、Si活性層13の厚みは3〜50μmとすることが好ましい。しかしながら、これらの仕様は、センサの構造によって適宜選択することができる。   The specification of the SOI wafer 10 is preferably a specification suitable for an angular velocity sensor. For example, the thickness of the BOX layer 12 is preferably 0.3 to 1.0 μm, and the thickness of the Si active layer 13 is preferably 3 to 50 μm. However, these specifications can be appropriately selected depending on the structure of the sensor.

下部電極および圧電膜は、公知の薄膜形成法によって形成することができる。薄膜形成法には、物理的気相成膜法(PVD:physical vapor deposition)、化学的気相成膜法(CVD:chemical vapor deposition)、液相成膜法(めっき、塗布、ゾルゲル法、スピンコート法など)、熱酸化法が含まれる。それぞれの層について適宜の成膜方法を選択できるが、すべての層を気相成長法で成膜する構成が最も好ましい。気相成長法は高精度な厚さ寸法制御が可能である。また、材料が安価で、成膜レートが高く、量産適性があるので、デバイスのコストダウンが可能である。特には、スパッタ法により成膜することが好ましい。   The lower electrode and the piezoelectric film can be formed by a known thin film forming method. Thin film formation methods include physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and liquid deposition (plating, coating, sol-gel, spin Coating method) and thermal oxidation method. Although an appropriate film formation method can be selected for each layer, a structure in which all layers are formed by vapor deposition is most preferable. The vapor phase growth method can control the thickness dimension with high accuracy. In addition, since the material is inexpensive, the film formation rate is high, and it is suitable for mass production, the cost of the device can be reduced. In particular, it is preferable to form a film by sputtering.

なお、圧電膜の成膜方法としてはスパッタ法に限らず、イオンプレーティング法、MOCVD法(有機金属気相成長法)、PLD法(パルスレーザー堆積法)など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長以外の方法(例えば、ゾルゲル法など)を用いることも考えられる。   The method for forming the piezoelectric film is not limited to the sputtering method, and various methods such as an ion plating method, an MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method), and a PLD method (pulse laser deposition method) can be applied. It is also conceivable to use a method other than vapor phase growth (for example, a sol-gel method).

しかしながら、圧電膜をスパッタ法により基板に直接成膜し、圧電膜を薄膜化することで製造プロセスを簡便にすることができる。   However, the manufacturing process can be simplified by forming the piezoelectric film directly on the substrate by sputtering and reducing the thickness of the piezoelectric film.

次に、圧電膜22上に上部電極層を成膜し、その後、所望の位置に圧電アクチュエータおよび圧電センサとして機能する圧電素子を形成するために上部電極層を個々の上部電極24A,24Bおよび配線にパターニングする(図4の工程S2)。さらに圧電膜22の一部をエッチングすることにより、下部電極21を露出させて制御回路への接続を可能とする。   Next, an upper electrode layer is formed on the piezoelectric film 22, and then the upper electrode layer is formed into individual upper electrodes 24A and 24B and wirings in order to form a piezoelectric element that functions as a piezoelectric actuator and a piezoelectric sensor at a desired position. Is patterned (step S2 in FIG. 4). Further, by etching a part of the piezoelectric film 22, the lower electrode 21 is exposed and can be connected to the control circuit.

その後、SOIウエハ10のSi基材11側の面からBOX層12までSi基材11を深掘り工程にてエッチングし、錘部15を作製する(図4の工程S3)。   Thereafter, the Si base material 11 is etched from the surface of the SOI wafer 10 on the Si base material 11 side to the BOX layer 12 in a deep digging process to produce the weight portion 15 (Step S3 in FIG. 4).

さらに、このSOIウエハのSi基材11側の面の全面に、スパッタ法にてTi密着層を形成し、その上にAu電極を形成する(図4の工程S4)。錘部15の図中下面のAu電極部が静電容量検出のための可動電極35として機能する部分であり、接地電位とする。なお、錘部15側の面は深掘り工程にて大きな凹凸が形成されているため、この面に均一に電極膜を形成するためには、例えば、蒸着法よりもスパッタ法、スパッタ法よりCVD法がカバレッジ性がよく好ましい。   Further, a Ti adhesion layer is formed on the entire surface of the SOI wafer on the Si substrate 11 side by sputtering, and an Au electrode is formed thereon (step S4 in FIG. 4). The Au electrode portion on the lower surface of the weight portion 15 in the drawing is a portion that functions as the movable electrode 35 for detecting capacitance, and is set to the ground potential. Since the surface on the weight portion 15 side has large irregularities formed in the deep digging process, in order to form an electrode film uniformly on this surface, for example, sputtering rather than vapor deposition is used, and CVD using sputtering is used. The method is preferable because of its good coverage.

別途に作製した、一面に加速度センサ用の固定電極45がパターニング形成された副板状基材40を用意する(図5の工程S5)。副板状基材40としては、例えば、Siウエハが好適である。この副板状基材40はセンサを駆動、処理するASIC機能を備えていることが好ましい。   A sub-plate-like base material 40, which is prepared separately and on which a fixed electrode 45 for acceleration sensor is patterned, is prepared (step S5 in FIG. 5). As the sub-plate base material 40, for example, a Si wafer is suitable. The sub-plate-like substrate 40 preferably has an ASIC function for driving and processing the sensor.

その後、錘部15、圧電素子などおよび可動電極が組み込まれたSOIウエハ10と副板状基材40を、錘部15の可動電極35が、副板状基材40上の固定電極45と対向するように位置決めして貼り合わせる(図5の工程S6)。貼り合わせには、共晶結合、Au粒子による結合、あるいはエポキシ系樹脂による接合などを用いることができる。例えば、Au−Sn金属を1μmエッジ部に形成し加熱、加圧状態とすることで接合することができる。貼り合せ時の可動電極35と固定電極45との間のギャップ制御が重要であるので、接合材料中にスペーサ48として機能するガラスビーズのようなものを混合してもよい。   Thereafter, the weight 15, the piezoelectric element, and the SOI wafer 10 in which the movable electrode is incorporated and the sub-plate-like base material 40 are opposed to the movable electrode 35 of the weight portion 15 facing the fixed electrode 45 on the sub-plate-like base material 40. Then, they are positioned and bonded together (step S6 in FIG. 5). For bonding, eutectic bonding, bonding with Au particles, bonding with an epoxy resin, or the like can be used. For example, Au—Sn metal can be formed on a 1 μm edge portion and bonded by heating and pressing. Since it is important to control the gap between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45 at the time of bonding, glass beads that function as the spacers 48 may be mixed in the bonding material.

なお、錘部15と副板状基材40との絶縁が取れるように、SOIウエハ10の錘部15側に成膜形成された電極膜32の副板状基材40と接触しうる部分は予めSiO膜などの絶縁膜(図示していない。)で被覆しておく。The portion of the electrode film 32 formed on the weight 15 side of the SOI wafer 10 that can be in contact with the sub-plate-like base material 40 so that the weight portion 15 and the sub-plate-like base material 40 can be insulated. It is previously covered with an insulating film (not shown) such as a SiO 2 film.

最後に、各種配線の接続後、減圧雰囲気下にて筐体50内に封止することにより図1に示す複合センサ1を作製することができる。   Finally, after connecting various wirings, the composite sensor 1 shown in FIG. 1 can be manufactured by sealing in a housing 50 under a reduced pressure atmosphere.

上記説明いた第1の実施形態の複合センサ1は、角速度センサの構成要素の一つである錘部15の一部に可動電極35を備え、可動電極35と、この可動電極35に対向した設けられた固定電極45との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備えたことにより、小型な構成で、静的な加速度を検出可能となっている。また、上記複合センサ1は簡単な構成であるため、作製も容易である。   The composite sensor 1 according to the first embodiment described above includes the movable electrode 35 on a part of the weight portion 15 which is one of the components of the angular velocity sensor, and the movable electrode 35 is provided to face the movable electrode 35. By providing an acceleration sensor that includes an acceleration detection unit that detects the change in capacitance with the fixed electrode 45 and calculates the acceleration, static acceleration can be detected with a small configuration. It has become. Moreover, since the composite sensor 1 has a simple configuration, it can be easily manufactured.

なお、上記第1の実施形態の複合センサ1においては、可動電極35と固定電極45との間隔を制御する間隔維持機構としてスペーサ48を備えるものとしたが、間隔維持のための機構はこれに限らない。図6および図7に、それぞれ設計変更例1の複合センサ1Aおよび設計変更例2の複合センサ1Bの切断端面図を示す。   In the composite sensor 1 of the first embodiment, the spacer 48 is provided as a gap maintaining mechanism for controlling the gap between the movable electrode 35 and the fixed electrode 45. However, the mechanism for maintaining the gap is provided here. Not exclusively. 6 and 7 show cut end views of the composite sensor 1A of the design change example 1 and the composite sensor 1B of the design change example 2, respectively.

図6に示すように、錘部15Aの長さをダイアフラムの周りの支持部の厚みと比較して短くしておくことにより間隔dを調整することも可能である。あるいは、図7に示すように、副板状基材40の固定電極45を形成する部分に凹部43を設け、この凹部の深さによって間隔dを調整することも可能である。   As shown in FIG. 6, the distance d can be adjusted by shortening the length of the weight portion 15A in comparison with the thickness of the support portion around the diaphragm. Alternatively, as shown in FIG. 7, it is also possible to provide a recess 43 in a portion where the fixed electrode 45 of the sub-plate-like substrate 40 is formed, and to adjust the distance d depending on the depth of this recess.

図6および図7の場合には、板状基材10側の副板状基材40と接続させる部分の密着層31および電極膜32を除去し、Siウエハ直接接合技術を用いて板状基材10と副板状基材40を直接接合することができる。かかる構成によれば、接着剤を用いた場合と比較して、間隔の調整精度を向上させることが可能であり、かつ、接合強度を高めることもできる。   In the case of FIG. 6 and FIG. 7, the adhesion layer 31 and the electrode film 32 to be connected to the sub-plate-like substrate 40 on the plate-like substrate 10 side are removed, and the plate-like substrate is obtained using the Si wafer direct bonding technique. The material 10 and the sub-plate-like substrate 40 can be directly joined. According to such a configuration, it is possible to improve the interval adjustment accuracy as compared with the case where an adhesive is used, and it is possible to increase the bonding strength.

次に、本発明の第2の実施形態の複合センサについて説明する。
図8は第2の実施形態に係る複合センサ2の切断端面図である。本構成においては、第1の実施形態の複合センサ2における板状基材10が天地を反対に配置されている。第1の実施形態の複合センサ2と同一の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
Next, a composite sensor according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a cut end view of the composite sensor 2 according to the second embodiment. In this configuration, the plate-like base material 10 in the composite sensor 2 of the first embodiment is arranged opposite to the top and bottom. The same components as those of the composite sensor 2 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8に示すように、本複合センサ2においては、錘部15のダイアフラム側の一部に可動電極24C(35)が設けられている。図9に板状基材10の一方の面における上部電極パターンを示す。圧電素子25、26の上部電極24A、24Bに加えて可動電極24Cが上部電極24A,24Bの中心部に設けられている。可動電極24Cは、上部電極24A、24Bと同時にパターニング形成することができる。   As shown in FIG. 8, in the composite sensor 2, the movable electrode 24 </ b> C (35) is provided on a part of the weight portion 15 on the diaphragm side. FIG. 9 shows an upper electrode pattern on one surface of the plate-like substrate 10. In addition to the upper electrodes 24A and 24B of the piezoelectric elements 25 and 26, a movable electrode 24C is provided at the center of the upper electrodes 24A and 24B. The movable electrode 24C can be patterned simultaneously with the upper electrodes 24A and 24B.

かかる構成によれば、可動電極35を錘部15の下端側に設ける場合と比較して、製造工程を簡略化することができる。また、本構成においては、可動電極24Cおよび固定電極45のいずれを接地電位としてもよい。   According to this configuration, the manufacturing process can be simplified as compared with the case where the movable electrode 35 is provided on the lower end side of the weight portion 15. Further, in this configuration, either the movable electrode 24C or the fixed electrode 45 may be a ground potential.

本実施形態の複合センサ2における角速度の検出および加速度の検出方法は第1の実施形態の複合センサ1と同様である。本複合センサ2によれば、複合センサ1と同様の小型化という同様の効果を奏し、かつ、さらに製造を容易なものとすることができる。   The detection method of angular velocity and acceleration in the composite sensor 2 of this embodiment is the same as that of the composite sensor 1 of the first embodiment. According to the composite sensor 2, the same effect of downsizing as the composite sensor 1 can be achieved, and the manufacture can be further facilitated.

上記各実施形態においては、ダイアフラムの中央に錘部が設けられてなる1つの錘部(可動部)で3軸の角速度を検出可能な角速度センサを備えるものとしたが、本発明の複合センサにおいて備えられる角速度センサの可動部としては、公知の角速度センサに用いられる音叉型、バタフライ型など他の形状のものであっても構わない。すなわち、可動部は1つのみに限らず複数備えていてもよく、また、可動部の一部に可動電極を設け、それに対向して固定電極が配置されていれば、同様の原理により静的な加速度を検出可能な加速度センサを構成することができる。   In each of the above embodiments, an angular velocity sensor capable of detecting a three-axis angular velocity with a single weight portion (movable portion) having a weight portion provided at the center of the diaphragm is provided. The movable part of the angular velocity sensor provided may be of other shapes such as a tuning fork type and a butterfly type used in known angular velocity sensors. In other words, the number of movable parts is not limited to one, and a plurality of movable parts may be provided. If a movable electrode is provided on a part of the movable part and a fixed electrode is arranged opposite to the movable electrode, It is possible to configure an acceleration sensor that can detect a simple acceleration.

1,1A,1B,2 複合センサ
10 板状基材(SOIウエハ)
11 Si基材
12 BOX層
13 Si活性層
15,15A 錘部
21 下部電極
22 圧電膜
24A,24B 上部電極
24C,35 可動電極
25,26 圧電素子
31 密着層
32 電極膜
40 副板状基材
43 凹部
45 固定電極
45x,45x,45y,45y 固定電極片
48 スペーサ
50 筐体
1, 1A, 1B, 2 Composite sensor 10 Plate base material (SOI wafer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Si base material 12 BOX layer 13 Si active layer 15, 15A Weight part 21 Lower electrode 22 Piezoelectric film 24A, 24B Upper electrode 24C, 35 Movable electrode 25, 26 Piezoelectric element 31 Adhesion layer 32 Electrode film 40 Sub-plate-like base material 43 recess 45 fixed electrode 45x 1, 45x 2, 45y 1 , 45y 2 fixed electrode piece 48 spacer 50 housing

Claims (7)

錘部と、該錘部に対して所定の振動軸の方向に振動を誘起する振動励起部と、コリオリ力を受けて生じる前記錘部の変位を検知して角速度を算出する角速度検出部とを備えた角速度センサであって、前記振動励起部および前記角速度検出部が、それぞれ板状基材の表面に設けられた下部電極、圧電膜および上部電極の積層体からなる圧電素子を備えてなり、前記錘部と、前記錘部との間に空間を挟んで設けられた支持部とが前記板状基材の一部として構成されてなる角速度センサと、
前記錘部の一部に設けられた可動電極、前記板状基材とは別部材であり且つ前記支持部に接続された副板状基材の表面に設けられた固定電極、および前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備え、
前記可動電極を構成する電極膜が前記支持部の表面を覆い、前記電極膜の前記支持部を覆う部分が、直接または導電性を有するスペーサを介して前記副板状基材に接続されている
複合センサ。
A weight portion, a vibration excitation portion that induces vibration in the direction of a predetermined vibration axis with respect to the weight portion, and an angular velocity detection portion that detects a displacement of the weight portion caused by Coriolis force and calculates an angular velocity. An angular velocity sensor provided, wherein the vibration excitation unit and the angular velocity detection unit each include a piezoelectric element composed of a laminate of a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode provided on the surface of a plate-like substrate, An angular velocity sensor in which the weight part and a support part provided with a space between the weight part are configured as a part of the plate-like substrate;
A movable electrode provided in a part of the weight part, a fixed electrode provided on a surface of a sub-plate-like base material that is a separate member from the plate-like base material and connected to the support part , and the movable electrode And an acceleration sensor including an acceleration detection unit that calculates an acceleration by detecting a change in capacitance between the fixed electrode and the fixed electrode,
The electrode film constituting the movable electrode covers the surface of the support part, and the part of the electrode film covering the support part is connected to the sub-plate base material directly or via a conductive spacer. Compound sensor.
前記角速度センサおよび前記加速度センサを内包する筐体を備え、該筐体内の気圧が大気圧未満である
請求項1記載の複合センサ。
The composite sensor according to claim 1, further comprising a housing that includes the angular velocity sensor and the acceleration sensor, wherein an atmospheric pressure in the housing is less than an atmospheric pressure.
前記固定電極が1つの前記錘部に対して2つ以上の固定電極片からなる
請求項1または2記載の複合センサ。
The composite sensor according to claim 1, wherein the fixed electrode is composed of two or more fixed electrode pieces with respect to one weight portion.
前記可動電極と前記固定電極との間隔が、両者間が近接する方向へ前記錘部が変位することにより前記圧電膜に与える応力が破壊応力となる距離未満である
請求項1から3いずれか1項記載の複合センサ。
4. The distance between the movable electrode and the fixed electrode is less than a distance at which stress applied to the piezoelectric film due to displacement of the weight portion in a direction in which the movable electrode and the fixed electrode are close to each other becomes a fracture stress. The composite sensor according to item.
記板状基材は、前記可動電極と前記固定電極とが、非駆動時において所定の間隔で対向配置される位置で前記副板状基材と接合されている
請求項1から4いずれか1項記載の複合センサ。
Prior Symbol plate-shaped substrates, wherein the movable electrode and the fixed electrode, any of the sub-plate according to claim 1, substrate and are joined at the position at the time of non-driving are opposed at a predetermined interval 4 The composite sensor according to item 1.
前記副板状基材が、前記角速度センサによる角速度検出制御の回路を有している
請求項1から5いずれか1項記載の複合センサ。
The sub-plate base has a circuit for angular velocity detection control by the angular velocity sensor.
The composite sensor according to claim 1 .
前記角速度センサの一部を構成する前記圧電素子が、動的加速度を検出する動的加速度センサの一部として機能する請求項1からいずれか1項記載の複合センサ。
Said piezoelectric element, a composite sensor according to claim 1 to 6 any one of claims to act as part of the dynamic acceleration sensor for detecting a dynamic acceleration constituting a part of the angular velocity sensor.
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