JPH06235733A - Acceleration sensor and angular speed sensor - Google Patents

Acceleration sensor and angular speed sensor

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JPH06235733A
JPH06235733A JP5255019A JP25501993A JPH06235733A JP H06235733 A JPH06235733 A JP H06235733A JP 5255019 A JP5255019 A JP 5255019A JP 25501993 A JP25501993 A JP 25501993A JP H06235733 A JPH06235733 A JP H06235733A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
sensor
acceleration sensor
electrodes
power supply
Prior art date
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Pending
Application number
JP5255019A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Takakuni
浩 高国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Original Assignee
Clarion Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Clarion Co Ltd filed Critical Clarion Co Ltd
Priority to JP5255019A priority Critical patent/JPH06235733A/en
Publication of JPH06235733A publication Critical patent/JPH06235733A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide an acceleration sensor having simple structure where complicated operating process is eliminated without increasing any cost and to provide an extremely downsized angular speed sensor. CONSTITUTION:A cantilever upper electrode 3 is disposed on an insulator 15 provided on a substrate 1 having a lower electrode 2 and a power supply E is connected between the electrodes 2 and 3. Under a state where a constant voltage for generating field radiation continuously is applied from the power supply E, the upper electrode 3 is flexed upon application of force and a current corresponding to the flexure is detected thus determining acceleration immediately.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、微小真空素子を利用し
た加速度センサ及び片持ち梁構造を利用した角速度セン
サに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor using a micro vacuum element and an angular velocity sensor using a cantilever structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、車両の安全対策を目的としたエア
バックシステムが普及してきているが、このエアバック
システムなどの用途に加速度センサが多く用いられてい
る。この加速度センサは、センサ素子に衝撃などが加わ
って機械的なたわみが生じると、このたわみ量に対応し
た変化を電気的信号として検出するように動作する。
2. Description of the Related Art In recent years, an air bag system for the purpose of safety measures for vehicles has become widespread, and an acceleration sensor is often used for such an air bag system. This acceleration sensor operates to detect a change corresponding to the amount of deflection as an electrical signal when mechanical deflection occurs due to a shock or the like applied to the sensor element.

【0003】図9は従来の加速度センサの一例を示すも
ので、例えばシリコン基板41上に下部電極42を設け
ると共に、この下部電極42に接近して対向するように
上部電極43を支持体44によって片持ち梁構造に設け
たものであり、機械的な力が基板1に作用すると各電極
42,43間の距離dが次式のように変化する。 d=ε/C C=ε・1/d 但し、C:電極間の静電容量 ε:電極間の絶縁体の誘電率 Cは各電極42,43間に電圧を印加することによって
測定できるので、前記dを基に加速度を求めることがで
きる。
FIG. 9 shows an example of a conventional acceleration sensor. For example, a lower electrode 42 is provided on a silicon substrate 41, and an upper electrode 43 is supported by a support 44 so as to approach and face the lower electrode 42. It is provided in a cantilever structure, and when a mechanical force acts on the substrate 1, the distance d between the electrodes 42 and 43 changes as in the following equation. d = ε / C C = ε · 1 / d where C: capacitance between electrodes ε: permittivity of insulator between electrodes C can be measured by applying a voltage between the electrodes 42 and 43. , Acceleration can be obtained based on the d.

【0004】図10は従来の加速度センサの例を示すも
ので、シリコン基板51におもり部分55を設けると共
に、基板51に拡散ブリッジ補償抵抗56を設けるよう
にしたダイアフラム構造を示すもので、矢印方向Xに加
速度を検出するように構成したものである。また、図1
1は従来のその他の加速度センサの例を示すもので、シ
リコン基板61にZnO圧電素子68を設けた圧電型加
速度センサを示すものである。69はPチャンネルMO
SFET、70はP型拡散抵抗、71は電源部、72は
接地部、73はZnO温度補償部である。
FIG. 10 shows an example of a conventional acceleration sensor, which shows a diaphragm structure in which a weight portion 55 is provided on a silicon substrate 51 and a diffusion bridge compensation resistor 56 is provided on the substrate 51. The acceleration is detected at X. Also, FIG.
1 shows an example of another conventional acceleration sensor, which is a piezoelectric acceleration sensor in which a ZnO piezoelectric element 68 is provided on a silicon substrate 61. 69 is P channel MO
SFET, 70 is a P-type diffusion resistance, 71 is a power supply section, 72 is a ground section, and 73 is a ZnO temperature compensation section.

【0005】さらに、近年、角速度センサとして圧電型
振動ジャイロスコープ(以下、「圧電ジャイロ」と称す
る)の開発が盛んに行われている。この圧電ジャイロは
振動している物体に回転角速度が与えられると、その振
動方向と直角方向にコリオリ力が発生することを利用し
たもので、最近ではナビゲーションシステムやVTRカ
メラの手触れ防止等に使用されてきている。これらに利
用されている小型圧電ジャイロはエリンバー材を振動
子、駆動源としてPZT系セラミックの小片を接着剤で
張り合わせたもの、または振動子としてPZT系セラミ
ック自体を利用したものがある。また、コリオリ力を効
率よく検出するため、検出子は一の振動子に対して二つ
設置し、相互の検出電圧の差を利用することで回転角速
度に対する感度向上を図っている。
Further, in recent years, a piezoelectric vibrating gyroscope (hereinafter referred to as "piezoelectric gyro") has been actively developed as an angular velocity sensor. This piezoelectric gyro utilizes the fact that when a rotating angular velocity is applied to a vibrating object, Coriolis force is generated in the direction perpendicular to the vibrating direction. Recently, it has been used to prevent the touch of navigation systems and VTR cameras. Has been done. Some of the small piezoelectric gyros used for these are vibrators made of Elinvar material, a small piece of PZT ceramics bonded as a drive source with an adhesive, or a piezoelectric vibrator itself using PZT ceramics. Further, in order to detect the Coriolis force efficiently, two detectors are installed for one oscillator, and the difference in the detection voltage between them is used to improve the sensitivity to the rotational angular velocity.

【0006】図12は従来の圧電ジャイロの基本原理の
一例を示すもので、ワトソン・タイプと称される構造を
示しており、81は音叉型振動子、82はその音叉型振
動子81に取り付けられた駆動用圧電体素子、83は検
出用圧電体素子である。駆動用圧電体素子83によって
音叉型振動子81をx軸方向に振動させると、音叉型振
動子81の中心軸(z軸)に角速度ωが加わると、もと
の振動軸(x軸)に対して直角方向であるy軸方向にコ
リオリ力が生じる。このコリオリ力をy軸方向の検出用
圧電体素子83によって検出すると、角速度ωを求める
ことができる。これら、圧電ジャイロには駆動電源部及
び信号処理部を設ける必要がある。
FIG. 12 shows an example of the basic principle of a conventional piezoelectric gyro, and shows a structure called a Watson type, where 81 is a tuning fork type oscillator and 82 is a tuning fork type oscillator 81. The piezoelectric element for driving is provided, and the reference numeral 83 is a piezoelectric element for detecting. When the tuning fork vibrator 81 is vibrated in the x-axis direction by the driving piezoelectric element 83, when the angular velocity ω is applied to the central axis (z axis) of the tuning fork vibrator 81, the original vibration axis (x axis) is returned. On the other hand, Coriolis force is generated in the y-axis direction which is the direction orthogonal to the y-axis. When the Coriolis force is detected by the detecting piezoelectric element 83 in the y-axis direction, the angular velocity ω can be obtained. It is necessary to provide a driving power supply unit and a signal processing unit in these piezoelectric gyros.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の加速度
センサ及び角速度センサである圧電ジャイロには各々次
のような問題がある。 (1)まず、図9の片持ち梁構造の加速度センサでは、
静電容量の変化に基づいて電極間距離dを計算してか
ら、加速度を求めなければならないので、演算過程が複
雑になる。 (2)図10のダイアフラム構造や図11の圧電型の加
速度センサでは、加工するのに特殊な工程を必要とする
ので、コストアップとなる。 (3)次に、図12の圧電ジャイロでは、製造上の制約
から振動子自体、数十mmの長さとなり、これにさらに、
駆動電源部及び信号処理部を設ける必要があるので、超
小型化を図るのが困難になる。
The piezoelectric acceleration gyro which is the conventional acceleration sensor and angular velocity sensor has the following problems, respectively. (1) First, in the acceleration sensor having a cantilever structure shown in FIG.
Since the inter-electrode distance d must be calculated based on the change in capacitance, the acceleration must be obtained, which complicates the calculation process. (2) The diaphragm structure of FIG. 10 and the piezoelectric type acceleration sensor of FIG. 11 require a special process for processing, which increases the cost. (3) Next, in the piezoelectric gyro of FIG. 12, the vibrator itself has a length of several tens of mm due to manufacturing restrictions.
Since it is necessary to provide the driving power supply unit and the signal processing unit, it is difficult to achieve miniaturization.

【0008】本発明は以上のような問題に対処してなさ
れたもので、コストアップを伴わずにしかも複雑な演算
過程を不要にした簡単な構造の加速度センサ及び超小型
化を図るようにした角速度センサを提供することを目的
とするものである。
The present invention has been made to solve the above problems, and an acceleration sensor having a simple structure and a microminiaturization which does not require a complicated calculation process without increasing the cost is intended. It is an object to provide an angular velocity sensor.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項1記載の本発明は、基板上の絶縁体上に一方の
電極が片持ち梁構造に支持されると共に他方の電極が基
板上に設けられた一対の電極と、一対の電極間に電界放
射が生じるように接続された電源と、電源によって一対
の電極間に流れる電流を検出する検出回路とを含み、前
記電流は一方の電極のたわみ量に対応して流れるように
構成したことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention according to claim 1 is such that one electrode is supported by a cantilever structure on an insulator on a substrate and the other electrode is a substrate. It includes a pair of electrodes provided above, a power supply connected to generate electric field emission between the pair of electrodes, and a detection circuit for detecting a current flowing between the pair of electrodes by the power supply, the current being one of It is characterized in that it is configured to flow in accordance with the amount of deflection of the electrode.

【0010】請求項2記載の本発明は、片持ち梁振動子
を振動させるための駆動用圧電体素子とその片持ち梁振
動子に働く外力を検出する検出用圧電体素子とが形成さ
れた片持ち梁振動子を、同一チップ内に複数個設置した
ことを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, a driving piezoelectric element for vibrating the cantilever vibrator and a detecting piezoelectric element for detecting an external force acting on the cantilever vibrator are formed. It is characterized in that a plurality of cantilever oscillators are installed in the same chip.

【0011】[0011]

【作用】請求項1記載の本発明の構成によれば、一対の
電極間に電源を接続して流れる電流を検出回路によって
検出することにより、一方の電極がたわむとこのたわみ
量に対応した電流が検出回路によって検出する。これに
よって電流の変化を観察することで直ちに加速度を求め
ることができる。
According to the structure of the present invention as set forth in claim 1, when a detecting circuit detects a current flowing by connecting a power source between a pair of electrodes, when one electrode bends, a current corresponding to the amount of deflection is obtained. Is detected by the detection circuit. Thus, the acceleration can be immediately obtained by observing the change in the current.

【0012】請求項2記載の本発明の構成によれば、片
持ち梁振動子を振動させるための駆動用圧電体素子とそ
の片持ち梁振動子に働く外力を検出する検出用圧電体素
子とが形成された片持ち梁振動子を、同一チップ内に複
数個設置して、駆動用圧電体素子によって振動させて生
じたコリオリ力に対応した角速度を検出用圧電体素子に
より検出する。
According to the second aspect of the present invention, there is provided a driving piezoelectric element for vibrating the cantilever vibrator and a detecting piezoelectric element for detecting an external force acting on the cantilever vibrator. A plurality of cantilever vibrators having the above are formed in the same chip, and the detecting piezoelectric element detects the angular velocity corresponding to the Coriolis force generated by vibrating the driving piezoelectric element.

【0013】[0013]

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図1は本発明の加速度センサの実施例を示す断面図
で、1はシリコン基板でこの基板1上にはPSG(Phos
pho-Silicate-Glass)やSiO2(二酸化シリコン)な
どがCVD(Chemical-Vapor-Deposition)法やスパッ
タ法などで形成されてなる絶縁体15が設けられてい
る。3はリンがドープされた多結晶シリコンなどからな
る上部電極で、絶縁体15上に片持ち梁構造に支持さ
れ、この上部電極3は機械的な力を受けたときこの力の
大きさに対応して容易にたわむ性質を有している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the acceleration sensor of the present invention, in which 1 is a silicon substrate and PSG (Phos
An insulator 15 made of pho-Silicate-Glass), SiO 2 (silicon dioxide), or the like is formed by a CVD (Chemical-Vapor-Deposition) method, a sputtering method, or the like. An upper electrode 3 made of polycrystalline silicon doped with phosphorus is supported on the insulator 15 in a cantilever structure, and the upper electrode 3 corresponds to the magnitude of this force when it receives a mechanical force. It has the property of flexing easily.

【0014】2はMo、Wなどからなる下部電極で、上
部電極3とを組合わされて一対の電極を構成し、この一
対の電極2,3間には抵抗Rを介して電源Eが接続され
る。基板1、絶縁体15、上部電極3、下部電極2から
構成される本実施例の加速度センサは微小真空素子の面
からみると、陰極に相当する上部電極3と陽極に相当す
る下部電極2とからなる2極管としてみることができ
る。
Reference numeral 2 is a lower electrode made of Mo, W or the like, which is combined with the upper electrode 3 to form a pair of electrodes. A power source E is connected between the pair of electrodes 2 and 3 via a resistor R. It The acceleration sensor of this embodiment, which is composed of the substrate 1, the insulator 15, the upper electrode 3, and the lower electrode 2, has an upper electrode 3 corresponding to the cathode and a lower electrode 2 corresponding to the anode when viewed from the surface of the micro vacuum element. It can be seen as a bipolar tube consisting of.

【0015】一対の電極2,3間に接続した電源Eによ
って、多結晶シリコンからなる上部電極3(陰極)の先
端の電界強度がある程度以上になると、電界放射が生じ
てこれに基づいた電流Iが次式のように流れる。 I=(E−V)/R 但し、V:抵抗Rの端子電圧 この電界放射電流特性は上部電極3の電界強度によって
変化する。一方、電界強度は電源Eによる電圧以外にも
各電極2,3間の距離に応じても変化するので、機械的
な力を受けて上部電極3がたわむとこれと下部電極2と
の電極間距離が変化することによって、電界強度が変化
するため電界放射電流特性は変化する。
When the electric field strength at the tip of the upper electrode 3 (cathode) made of polycrystalline silicon exceeds a certain level by the power source E connected between the pair of electrodes 2 and 3, electric field emission occurs and a current I based on the electric field emission occurs. Flows like the following equation. I = (EV) / R where V is the terminal voltage of the resistor R. This field emission current characteristic changes depending on the electric field strength of the upper electrode 3. On the other hand, since the electric field strength changes depending on the distance between the electrodes 2 and 3 as well as the voltage from the power source E, when the upper electrode 3 is bent by a mechanical force, the electric field strength between the upper electrode 3 and the lower electrode 2 is increased. As the distance changes, the electric field strength changes, so that the field emission current characteristics change.

【0016】この結果、各電極2,3間に電源Eによっ
て常に電界放射が生じる温度の一定電圧を加えておき、
その電界放射電流特性を測定することにより、外部から
加わった機械的な力、すなわち加速度の検出が可能とな
る。
As a result, a constant voltage having a temperature at which field emission is always generated by the power source E is applied between the electrodes 2 and 3,
By measuring the field emission current characteristic, it is possible to detect the mechanical force applied from the outside, that is, the acceleration.

【0017】次に本実施例の加速度センサの製造方法を
工程順に説明する。まず、図2に示すように、シリコン
基板1を用いてこの上に前記したようなPSGやSiO
2などからなる絶縁体15を、CVD法やスパッタ法な
どによって形成する。次に、絶縁体15上に上部電極と
なるリンをドープした多結晶シリコン層16をCVD法
によって形成し、さらにこの上にフォトレジスト17を
塗布する。続いて、このフォトレジスト17をマスクと
して不要な多結晶シリコン層16(破線部)をフォトエ
ッチングして除去することにより、上部電極3を形成す
る。
Next, a method of manufacturing the acceleration sensor of this embodiment will be described in the order of steps. First, as shown in FIG. 2, using a silicon substrate 1, PSG and SiO as described above are formed on the silicon substrate 1.
The insulator 15 made of 2 or the like is formed by a CVD method, a sputtering method, or the like. Next, a phosphorus-doped polycrystalline silicon layer 16 to be an upper electrode is formed on the insulator 15 by a CVD method, and a photoresist 17 is further applied thereon. Subsequently, by using the photoresist 17 as a mask, the unnecessary polycrystalline silicon layer 16 (broken line portion) is photoetched and removed to form the upper electrode 3.

【0018】次に、図3に示すように、フォトレジスト
17をマスクとしてフッ酸溶液で上部電極3下の絶縁体
15をフォトエッチングする。このとき過度のエッチン
グを行うことにより、絶縁体15はアンダーカットさ
れ、上部電極3の片持ち梁構造が形成される。続いて、
図4に示すように、フォトレジスト17をマスクとして
上方からMo、Wなどの金属層18を蒸着法によって形
成する。このとき上部電極3はフォトレジスト17によ
り覆われているので、金属層18は付着しない。次に、
図5に示すように、フォトレジスト17を不要な金属層
18と共に除去することにより、基板1上のみに金属層
を残すことによって下部電極2が形成されて、本実施例
の加速度センサが得られる。
Next, as shown in FIG. 3, the insulator 15 under the upper electrode 3 is photoetched with a hydrofluoric acid solution using the photoresist 17 as a mask. At this time, by performing excessive etching, the insulator 15 is undercut, and the cantilever structure of the upper electrode 3 is formed. continue,
As shown in FIG. 4, using the photoresist 17 as a mask, a metal layer 18 of Mo, W, or the like is formed from above by evaporation. At this time, since the upper electrode 3 is covered with the photoresist 17, the metal layer 18 does not adhere. next,
As shown in FIG. 5, by removing the photoresist 17 together with the unnecessary metal layer 18, the lower electrode 2 is formed by leaving the metal layer only on the substrate 1, and the acceleration sensor of this embodiment is obtained. .

【0019】このような本実施例によれば、次のような
効果が得られる。 (1)一対の電極2,3に電源Eによって常に電界放射
が生じる程度の一定電圧を加えた状態で、機械的な力が
加わったとき上部電極3をたわませてこのたわみ量に対
応した電流を検出することによって直ちに加速度を求め
ることができるので、従来のような複雑な演算過程を不
要にすることができる。 (2)片持ち梁構造を通常の半導体工業で用いられてい
るフォトリソグラフィ技術や薄膜形成技術によって形成
でき、従来のような特殊な工程は不要なので、コストア
ップを伴うことがない。
According to this embodiment, the following effects can be obtained. (1) The upper electrode 3 is bent when a mechanical force is applied to the pair of electrodes 2 and 3 with a constant voltage applied by the power source E to the extent that field emission is always generated, to cope with this deflection amount. Since the acceleration can be immediately obtained by detecting the current, it is possible to eliminate the conventional complicated calculation process. (2) The cantilever structure can be formed by a photolithography technique or a thin film forming technique used in a usual semiconductor industry, and a special process as in the past is not required, so that the cost does not increase.

【0020】図6は本発明の角速度センサの実施例を示
す斜視図で、圧電ジャイロに適用した例を示している。
21はチップを構成するシリコン基板、22はこのシリ
コン基板21上に形成された駆動電源部、23はそのシ
リコン基板21上に形成された信号処理部である。A、
A1はシリコン基板21上に形成された片持ち梁構造の
圧電センサで、回転軸(z軸)を中心軸とする回転に対
してコリオリ力を受けてねじり振動する。B、B1は各
圧電センサA、A1に直交するようにシリコン基板21
上に形成された片持ち梁構造の圧電センサで、回転軸
(z軸)を中心軸とする回転に対してねじり振動となら
ず、振幅だけが変化する。各圧電センサA1、B1は各
圧電センサA、Bと位相差をもって振動する。x,y,
z,ωは図12と同一の意味を表わしている。
FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of the angular velocity sensor of the present invention, showing an example applied to a piezoelectric gyro.
Reference numeral 21 is a silicon substrate that constitutes a chip, 22 is a drive power source portion formed on the silicon substrate 21, and 23 is a signal processing portion formed on the silicon substrate 21. A,
A1 is a piezoelectric sensor having a cantilever structure formed on the silicon substrate 21. The piezoelectric sensor A1 receives a Coriolis force with respect to the rotation about the rotation axis (z axis) and torsionally vibrates. B and B1 are silicon substrates 21 so as to be orthogonal to the piezoelectric sensors A and A1.
With the cantilever structure piezoelectric sensor formed above, torsional vibration does not occur with respect to rotation about the rotation axis (z axis), and only the amplitude changes. The piezoelectric sensors A1 and B1 vibrate with a phase difference from the piezoelectric sensors A and B. x, y,
z and ω have the same meaning as in FIG.

【0021】図7は図6の圧電ジャイロにおける一つの
片持ち梁構造の圧電センサの概略を示す斜視図で、C
1,C2,C3は後述のようなPt/PZT/Ptキャ
パシタを示し、Pは駆動,信号検出用パッドを示してい
る。図8は片持ち梁構造の製造工程を示している。この
片持ち梁構造は周知のリフトオフ法を利用して形成す
る。
FIG. 7 is a perspective view schematically showing a piezoelectric sensor having a cantilever structure in the piezoelectric gyro of FIG.
1, C2 and C3 indicate Pt / PZT / Pt capacitors as described later, and P indicates a drive / signal detection pad. FIG. 8 shows a manufacturing process of the cantilever structure. This cantilever structure is formed using the well-known lift-off method.

【0022】まず、工程Aで、シリコン基板21上にS
iO225を形成した後、犠牲層となるポリシリコン1
・25を形成する。この方法は例えば予め全面にポリシ
リコン1を周知のスパッタ法等で形成した後、フォトエ
ッチング法で不要部分を除去して形成する。次に、工程
Bで、このポリシリコン1・25の上にポリシリコン2
・26を形成し、この周囲をSiO227で覆う。この
形成方法は周知の技術を利用することにより、容易に形
成することができる。続いて、工程Cで、ポリシリコン
2・27の上にPt/PZT/PtキャパシタC1、C
2、C3を形成する。これは、順次Pt29、PZT3
0、Pt31を周知の技術で形成した後、全体をPSG
32で覆うことによって形成する。圧電体としてのPZ
Tはゾル−ゲル法によって形成する。次に、ポリシリコ
ン1・26をエチレンジアミンピロカテコール水溶液で
エッチングして除去することにより、リフトオフ法によ
って片持ち梁構造が完成する。C1は駆動源圧電体キャ
パシタとして動作し、C2、C3は外力(コリオリ力)
検出用圧電体キャパシタとして動作する。このような製
造方法によれば、図6の圧電ジャイロをIC技術によっ
て、一つのシリコン基板21上に形成することができ
る。
First, in step A, S is formed on the silicon substrate 21.
After forming iO 2 25, polysilicon 1 to be a sacrifice layer
-Form 25. In this method, for example, polysilicon 1 is previously formed on the entire surface by a known sputtering method or the like, and then an unnecessary portion is removed by photoetching. Next, in step B, a polysilicon 2 is formed on the polysilicon 1/25.
-26 is formed and the circumference thereof is covered with SiO 2 27. This forming method can be easily formed by utilizing a well-known technique. Then, in step C, Pt / PZT / Pt capacitors C1 and C are formed on the polysilicon 2.27.
2 and C3 are formed. This is Pt29, PZT3
After forming 0 and Pt31 by a well-known technique, the whole is PSG
It is formed by covering with 32. PZ as a piezoelectric body
T is formed by the sol-gel method. Next, the polysilicon 1.26 is removed by etching with an aqueous solution of ethylenediaminepyrocatechol, whereby the cantilever structure is completed by the lift-off method. C1 operates as a driving source piezoelectric capacitor, and C2 and C3 are external forces (Coriolis force)
It operates as a piezoelectric capacitor for detection. According to such a manufacturing method, the piezoelectric gyro of FIG. 6 can be formed on one silicon substrate 21 by the IC technique.

【0023】図6及び図7において、回転軸(z軸)ま
わりに角速度ωで回転した場合を考える。駆動電圧によ
りx軸方向に振動させている片持ち梁構造の圧電センサ
Aでは、z軸まわりの角速度ωの回転によってコリオリ
力Fがy軸方向に働き、片持ち梁はねじれ振動になる。
ここで、コリオリ力Fは次式のように示される。 F=2mvω このため、圧電体キャパシタC1あるいはC2に発生す
る電圧vは無回転時より大きくなる。このとき、圧電セ
ンサAと直角に位置する圧電センサB(x軸方向に振動
させている)には、圧電センサAのようなコリオリ力は
働かない(ねじれ振動にならない)。しかし、圧電セン
サBの圧電体キャパシタC2あるいはC3に発生する電
圧は無回転時と比べて変化する。
In FIG. 6 and FIG. 7, let us consider a case of rotation at an angular velocity ω around the rotation axis (z axis). In the piezoelectric sensor A having a cantilever structure which is vibrated in the x-axis direction by the drive voltage, the Coriolis force F acts in the y-axis direction due to the rotation of the angular velocity ω about the z-axis, and the cantilever beam is torsionally vibrated.
Here, the Coriolis force F is expressed by the following equation. F = 2 mvω For this reason, the voltage v generated in the piezoelectric capacitor C1 or C2 becomes larger than that when it is not rotating. At this time, the Coriolis force unlike the piezoelectric sensor A does not act on the piezoelectric sensor B (which vibrates in the x-axis direction) positioned at right angles to the piezoelectric sensor A (does not cause torsional vibration). However, the voltage generated in the piezoelectric capacitor C2 or C3 of the piezoelectric sensor B changes as compared to when it is not rotating.

【0024】ここで、圧電センサBとB1を互いに位相
の異なる駆動電圧で振動させた場合、z軸まわりに回転
の左、右に対応して、同一時間におけるB、B1の振動
振幅が異なってくる。このため、圧電センサB、B1の
検出用圧電体キャパシタC2あるいはC3の出力電圧の
差分をとることにより、z軸まわりの回転方向が検出で
きるようになる。このように、z軸まわりの回転を考え
た場合、圧電センサAによって角速度が検出でき、圧電
センサB、B1によって回転方向が検出できる。
Here, when the piezoelectric sensors B and B1 are vibrated with drive voltages having different phases, the vibration amplitudes of B and B1 at the same time are different corresponding to the left and right rotations about the z axis. come. Therefore, the rotation direction around the z axis can be detected by taking the difference between the output voltages of the detecting piezoelectric capacitors C2 or C3 of the piezoelectric sensors B and B1. As described above, when the rotation around the z-axis is considered, the angular velocity can be detected by the piezoelectric sensor A, and the rotation direction can be detected by the piezoelectric sensors B and B1.

【0025】このように本実施例によれば、IC技術を
利用することにより一つのシリコン基板21内に、コリ
オリ力検出用圧電体キャパシタC2、C3、駆動源圧電
体キャパシタC1と共に、駆動電源部22及び信号処理
部23を形成するようにしたので、角速度センサとして
動作する圧電ジャイロの超小型化を図ることができる。
しかも、IC化により量産化が可能になるので、コスト
ダウンも図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, by using the IC technology, the drive power source unit is provided in one silicon substrate 21 together with the Coriolis force detecting piezoelectric capacitors C2 and C3 and the drive source piezoelectric capacitor C1. Since 22 and the signal processing unit 23 are formed, the piezoelectric gyro that operates as an angular velocity sensor can be miniaturized.
In addition, since it becomes possible to mass-produce the IC, cost reduction can be achieved.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上述べたように、請求項1記載の本発
明によれば、特殊な工程によることなく力が加わったと
き電極をたわませて、このたわみ量に対応した電流を検
出して直ちに加速度を求めるようにしたので、簡単な構
造の加速度センサを提供できるため、コストアップを伴
わずにかつ複雑な演算過程を不要にすることができる。
請求項2記載の本発明によれば、駆動電源部及び信号処
理部を一の基板内に形成できるので、超小型化を図った
角速度センサを提供することができる。
As described above, according to the present invention as set forth in claim 1, the electrode is deflected when a force is applied without a special process, and the current corresponding to the amount of deflection is detected. Since the acceleration is immediately obtained by using the acceleration sensor, it is possible to provide an acceleration sensor having a simple structure. Therefore, a complicated calculation process can be eliminated without increasing the cost.
According to the second aspect of the present invention, since the drive power supply section and the signal processing section can be formed in one substrate, it is possible to provide an angular velocity sensor that is miniaturized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の加速度センサの実施例を示す断面図で
ある。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an acceleration sensor of the present invention.

【図2】本実施例の加速度センサの製造工程を示す断面
図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the acceleration sensor of this embodiment.

【図3】本実施例の加速度センサの他の製造工程を示す
断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another manufacturing process of the acceleration sensor of this embodiment.

【図4】本実施例の加速度センサのその他の製造工程を
示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another manufacturing process of the acceleration sensor of this embodiment.

【図5】本実施例の加速度センサのその他の製造工程を
示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another manufacturing process of the acceleration sensor of this embodiment.

【図6】本発明の角速度センサの実施例を示す斜視図で
ある。
FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of an angular velocity sensor of the present invention.

【図7】本実施例の角速度センサの一つの片持ち梁構造
の圧電センサの概略を示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing an outline of a piezoelectric sensor having a cantilever structure, which is one of the angular velocity sensors of this embodiment.

【図8】本実施例の角度センサの製造工程を示す断面図
である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the angle sensor of the present embodiment.

【図9】従来の加速度センサを示す断面図である。FIG. 9 is a sectional view showing a conventional acceleration sensor.

【図10】従来の他の加速度センサを示す斜視図であ
る。
FIG. 10 is a perspective view showing another conventional acceleration sensor.

【図11】従来のその他の加速度センサを示す斜視図で
ある。
FIG. 11 is a perspective view showing another conventional acceleration sensor.

【図12】従来の角速度センサの基本原理を示す概略図
である。
FIG. 12 is a schematic diagram showing the basic principle of a conventional angular velocity sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,21 基板 2 下部電極 3 上部電極 15 絶縁体 17 フォトレジスト 22 駆動電源部 23 信号処理部 25 ポリシリコン1 26 ポリシリコン2 29,31 Pt 30 PZT A,A1,B,B1 片持ち梁構造の圧電体センサ C1 駆動源圧電体キャパシタ C2,C3 検出用圧電体キャパシタ 1, 21 Substrate 2 Lower electrode 3 Upper electrode 15 Insulator 17 Photoresist 22 Drive power supply section 23 Signal processing section 25 Polysilicon 1 26 Polysilicon 2 29, 31 Pt 30 PZT A, A1, B, B1 Cantilever structure Piezoelectric sensor C1 Drive source piezoelectric capacitor C2, C3 Detection piezoelectric capacitor

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上の絶縁体上に一方の電極が片持ち
梁構造に支持されると共に他方の電極が基板上に設けら
れた一対の電極と、一対の電極間に電界放射が生じるよ
うに接続された電源と、電源によって一対の電極間に流
れる電流を検出する検出回路とを含み、前記電流は一方
の電極のたわみ量に対応して流れるように構成したこと
を特徴とする加速度センサ。
1. A pair of electrodes in which one electrode is supported by a cantilever structure on an insulator on a substrate and the other electrode is provided on the substrate, and field emission is generated between the pair of electrodes. An acceleration sensor including a power supply connected to the power supply and a detection circuit for detecting a current flowing between a pair of electrodes by the power supply, wherein the current flows according to a deflection amount of one electrode. .
【請求項2】 片持ち梁振動子を振動させるための駆動
用圧電体素子とその片持ち梁振動子に働く外力を検出す
る検出用圧電体素子とが形成された片持ち梁振動子を、
同一チップ内に複数個設置したことを特徴とする角速度
センサ。
2. A cantilever vibrator having a driving piezoelectric element for vibrating the cantilever vibrator and a detecting piezoelectric element for detecting an external force acting on the cantilever vibrator.
An angular velocity sensor characterized in that a plurality of them are installed in the same chip.
JP5255019A 1992-12-14 1993-09-17 Acceleration sensor and angular speed sensor Pending JPH06235733A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002022445A (en) * 2000-07-03 2002-01-23 Yoshiro Tomikawa Motion sensor
JP2012212134A (en) * 2011-03-24 2012-11-01 Yamaha Corp Vibration sensor for musical instrument, pickup saddle, and musical instrument

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