JPH08160064A - 半導体角速度センサとその製造方法 - Google Patents

半導体角速度センサとその製造方法

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JPH08160064A
JPH08160064A JP6306463A JP30646394A JPH08160064A JP H08160064 A JPH08160064 A JP H08160064A JP 6306463 A JP6306463 A JP 6306463A JP 30646394 A JP30646394 A JP 30646394A JP H08160064 A JPH08160064 A JP H08160064A
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JP
Japan
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flexure
angular velocity
vibrator
electrode
piezoelectric element
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Withdrawn
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JP6306463A
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English (en)
Inventor
Tomishige Tai
富茂 田井
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Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Original Assignee
Japan Aviation Electronics Industry Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性がよく、安価で性能の安定したセンサ
を得る。 【構成】 シリコン基板により枠部1と振動子2と薄肉
のフレクチャー9とが形成される。各振動子2は板面と
直角な方向の屈曲振動の共振周波数が相等しい片持梁状
に形成されている。各振動子2,フレクチャー9及び枠
部の一辺1a上に一面に圧電膜3が形成される。振動子
2上に駆動用圧電素子5の電極5d及びモニタ用圧電素
子6の電極6dが、フレクチャー9上に検出用圧電素子
7の電極7dがそれぞれ形成される。枠部1に基板用電
極8が形成される。両端の振動子2と中央の振動子2と
では屈曲振動の方向が逆となるように、基板用電極8と
各駆動用電極5dとの間に駆動電圧が印加される。その
ときのフレクチャー9a,9b上の検出用圧電素子7の
出力Va,Vbの差値から、振動子2の長手方向に印加
された入力角速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、飛行体、車両、ロボッ
ト、人体などの位置、姿勢観測/制御などに利用できる
角速度センサに関し、特に生産性よく安価に作製するこ
とに適した角速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の振動型角速度センサ1は、図4に
示すようなビーム型のものと、図5に示すような音叉型
のものがある。 ビーム型の場合 代表的なものとして図4のように振動子2とそれを支持
する支持部材3とX軸に垂直に設けた駆動用の圧電素子
6a,その対面の駆動状態のモニタ用の圧電素子6b,
Y軸に垂直な面に設けた検出用の圧電素子6cにより構
成される。圧電素子6(6a,6b,6c)は圧電体4
(4a,4b,4c)の表面に電極5(5a,5b,5
c)を形成したものである。
【0003】振動子2をX軸方向に屈曲振動させている
とき、Z軸方向にΩの入力角速度があった場合、Y軸方
向にコリオリ力(F=−2mVΩ;mは振動子の質量、
Vは振動速度)を受け、屈曲振動はX軸及びY軸方向の
合成振動となり、楕円状にビーム変位を起こす。このと
きの振動子2のY軸に垂直な面の歪(応力)を検出する
ことによってコリオリ力、従って入力角速度Ωに比例し
た出力が得られる。なお、振動子用のビーム7の材質
は、エリンバーや石英などの高弾性材を用い、支持部材
3にピアノ線などのワイヤーを用い、圧電体4として圧
電セラミックを使用する。図6に、ビーム7が駆動され
てX軸方向に屈曲振動をしているときに、入力角速度Ω
がZ軸方向に加えられた場合の変位(振動)状態を示し
てある。
【0004】 音叉型の場合 代表的なものとして図5のように音叉型の振動子2とそ
の各振動子2上に駆動用圧電素子6a及びモニタ用圧電
素子6bを有し、音叉8の振動方向と同一方向に屈曲可
能な板状の支持部材9とその上の検出用の圧電素子6c
を有する構造をもつ。
【0005】図7に示すように音叉8の振動に対して垂
直方向(Z軸方向)に入力角速度Ωが入った場合、音叉
8の各振動子2の振動方向が互いに逆向きであるため、
音叉8を支持する前記支持部材9に曲げモーメントが発
生し、支持部材9を屈曲させ、そのときの支持部材9上
の歪(応力)を圧電素子6cで検出することによって入
力角速度Ωに比例した出力が得られる。音叉8が駆動さ
れてX軸方向に振動しているときに、入力角速度ΩがZ
軸方向に加えられた場合の変位(振動)状態を図7に示
してある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の角速度センサ1は、ビーム型/音叉型と大きく2つ
のタイプがある。ビーム型の場合には支持部材3と振動
子2とを各々別々に作製し、スポット溶接あるいは接着
などによって組み立てる必要があった。また、圧電素子
6もビーム作製後接着等により張り付けるなどの工程が
必要であり、複数個同時に作製しづらいという欠点があ
った。
【0007】音叉型の場合にも、圧電素子6の張り付け
などの組立てや音叉8の加工が3次元であるため複数個
を同時に作製しづらく、個別に調整が必要であるなどの
欠点があった。またいずれの場合も、検出用の素子6c
を駆動用圧電素子6aの形成面と直角な別の面または別
の部材に配置する必要があり、作製が煩雑となる欠点が
あった。
【0008】本発明は、従来の欠点を除去し、個別に組
み立てることなく、複数個を同時に精度よく作製でき
る、つまり生産性に優れ、安価で性能の安定した角速度
センサを提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
(1)請求項1の発明の角速度センサは、半導体基板に
より形成され、枠部と、その枠部の一辺より一体に、対
辺の近傍まで突出され、板面と直角方向の屈曲振動の共
振周波数が相等しい片持梁状の複数(3またはそれ以
上)の振動子と、それら隣接する各振動子間を橋絡する
薄肉の複数のフレクチャーとを有する。各振動子上に駆
動用圧電素子(圧電膜とその上に形成された電極とより
成る、他も同じ)が、枠部上に基板用電極が、フレクチ
ャー上に検出用圧電素子がそれぞれ形成される。振動子
の少なくとも1つとその他とは互いに逆方向に屈曲振動
するように、基板用電極と駆動用圧電素子の電極との間
に駆動電圧が印加され、そのときの所定のフレクチャー
上の検出用圧電素子の出力と他の所定のフレクチャー上
の検出用圧電素子の出力との差値から、振動子の長手方
向に印加された入力角速度を検出する。
【0010】(2)請求項2の発明では、前記(1)に
おいて、半導体基板がシリコン単結晶基板より成る。 (3)請求項3の発明では、前記(1)において、検出
用圧電素子の電極が各フレクチャー上のほゞ全面に形成
されている。 (4)請求項4の発明では、前記(1)において、枠部
がロ字状に形成される。
【0011】(5)請求項5の発明では、前記(1)に
おいて、振動子の総数が3とされる。 (6)請求項6の発明では、前記(1)において、各振
動子上にモニタ用圧電素子が形成されている。 (7)請求項7の発明では、前記(1)において、振動
子及びフレクチャー上に一面に圧電膜(各圧電素子の圧
電膜として用いられる)が形成されている。
【0012】(8)請求項8の発明では、前記(7)に
おいて、圧電膜が、振動子及びフレクチャーのみなら
ず、振動子が突設されている枠部の一辺に亘って形成さ
れ、その圧電膜の形成された枠部の一辺に、各種圧電素
子の電極より導出された外部接続用電極が形成されてい
る。 (9)請求項9の発明の半導体角速度センサの製造方法
では、以下の工程順に製造される。シリコンウエハの両
面に酸化膜を形成し、そのシリコンウエハの枠状の周辺
部(角速度センサの枠部を形成する部分)と、その周辺
部の一辺から突設された複数の片持梁状の振動子を形成
する部分と、隣接する振動子間を橋絡するフレクチャー
を形成する部分とを除いた、シリコンウエハ両面の酸化
膜及びフレクチャーとなる部分の裏面の酸化膜を除去す
る。
【0013】そのシリコンウエハを両面の酸化膜をマス
クとして化学的エッチングを行い、枠部と振動子とフレ
クチャーとを作製し、それら枠部、振動子及びフレクチ
ャーの酸化膜を除去し、枠部上に基板用電極を形成す
る。振動子及びフレクチャーに一面に圧電膜を形成し、
各振動子上に駆動用電極及びモニタ用電極を、各フレク
チャー上に検出用電極をそれぞれ形成する。
【0014】
【実施例】次に本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。図1は本発明の実施例であり全体の構成を示す。
本実施例では、3つの片持梁型の振動子をもち各々板面
と直角な方向の屈曲振動の共振周波数が一致するように
設計され、駆動用圧電素子5の電極5dと基板用電極8
との間に電圧を印加する事によって、応力を発生させ振
動させる。このとき、中央の振動子と両端の振動子は互
いに逆方向に屈曲するように電圧を与える。その振動状
態はモニタ用圧電素子6の電極6dの電圧出力によって
モニタし、駆動用電極5dに加える電圧を制御すること
により一定の共振状態を維持する。このとき、振動子2
をつなぐ左右のフレクチャー9a,9b上に配置された
検出用圧電素子7の電極7dに出力される電圧の差を取
り出す。
【0015】図2は、図1の構成の出力の原理を説明す
るための図であり、振動子2の1/4周期毎の変位状態
を表している。ではフレクチャー9aに引っ張り、9
bに圧縮のコリオリ力Fが作用する。において中央の
振動子2bは図中下方に変位し、両端の振動子2a,2
cは上方に変位する。このとき、フレクチャー上に発生
する歪(応力)は、フレクチャー9aの左側が引っ張
り、右側が圧縮となり、またフレクチャー9bの左側が
圧縮右側が引っ張りとなるが、各フレクチャーでの歪
(応力)の総和は引っ張りの状態となる。検出用電極7
dをフレクチャーのほぼ全面に構成すれば各フレクチャ
ー内での歪分布の影響を取り除くことができ、フレクチ
ャーの受ける歪の総和にのみ比例した出力を得ることが
できる。
【0016】にてΩの角速度が働いた場合に、各振動
子に発生するコリオリ力は、中央の振動子2bと両端の
振動子2a,2cでは逆方向に働き、フレクチャー9
a,9bでは互いに逆の圧縮と引っ張りの歪を受けるこ
とになる。左右の検出用圧電素子7の出力をVa,Vb
とすれば、 Va=Va1 +Va2 ; Vb=Vb1 +Vb2 Va2 ,Vb2 は振動子が駆動されていることにより発
生する出力で、同振幅、同位相となるが、コリオリ力に
よる出力Va1 ,Vb1 は逆位相となるため、Va,V
bの差を取り出せば、駆動による成分は相殺され、コリ
オリ力によるものだけが検出されるようになる(図2
B)。
【0017】図3は、本実施例の製造方法を工程順に図
示したものであり、のシリコンウエハをで熱酸化し
て両面に酸化膜22,23を形成し、にて酸化膜にパ
ターニングを施し、での酸化膜をマスクにしてシリ
コンウエハ21を水酸化カリウムなどのアルカリ性溶液
にてエッチングし、枠部1,振動子2及びフレクチャー
9を構成し、で酸化膜のマスクを取り除き、で枠部
1上に基板用電極8をメカマスクを用い蒸着、シンタリ
ングして形成する。で振動子2,枠部1の振動子が突
出されている一辺1a(基板用電極8の周辺を除く)及
びフレクチャー9上に一面に酸化亜鉛等の圧電膜3をス
パッタにより作製し、にて検出用電極7a,駆動用電
極5a,モニタ用電極6aをメカマスクを用いて作製す
る。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体基板に化学的エッチングを行って枠部、振動子、フ
レクチャーを形成し、続いて圧電膜及び各種電極を形成
することによってセンサを実現できる。従って、量産が
可能であり、加工精度がよく、性能の安定したバラツキ
の小さな製品を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示す図で、Aは平面図、B
はAのa−a′断面図。
【図2】Aは図1の実施例の振動モードを1/4周期毎
に示した断面図、BはAの検出出力Va,Vbの波形
図。
【図3】図1の実施例の製造工程図。
【図4】従来のビーム型角速度センサを示す図で、Aは
斜視図、Bは断面図。
【図5】従来の音叉型角速度センサを示す図で、Aは斜
視図、Bは平面図。
【図6】図4のビーム型角速度センサの振動モードを示
す原理図。
【図7】図5の音叉型角速度センサの振動モードを示す
原理図。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板により形成され、枠部と、そ
    の枠部の一辺より一体に、対辺の近傍まで突出され、板
    面と直角方向の屈曲振動の共振周波数が相等しい片持梁
    状の複数(3またはそれ以上)の振動子と、それら隣接
    する各振動子間を橋絡する薄肉の複数のフレクチャーと
    を有し、 前記各振動子上に駆動用圧電素子(圧電膜とその上に形
    成された電極とより成る、他も同じ)が、前記枠部上に
    基板用電極が、前記フレクチャー上に検出用圧電素子が
    それぞれ形成され、 前記振動子の少なくとも1つとその他とは互いに逆方向
    に屈曲振動するように、前記基板用電極と前記駆動用圧
    電素子の電極との間に駆動電圧が印加され、 そのときの、所定のフレクチャー上の検出用圧電素子の
    出力と他の所定のフレクチャー上の検出用圧電素子の出
    力との差値から、前記振動子の長手方向に印加された入
    力角速度を検出することを特徴とする半導体角速度セン
    サ。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記半導体基板がシ
    リコン単結晶基板より成ることを特徴とする半導体角速
    度センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1において、前記検出用圧電素子
    の電極が前記各フレクチャー上のほゞ全面に形成されて
    いることを特徴とする半導体角速度センサ。
  4. 【請求項4】 請求項1において、前記枠部がロ字状に
    形成されていることを特徴とする半導体角速度センサ。
  5. 【請求項5】 請求項1において、前記振動子の総数が
    3であることを特徴とする半導体角速度センサ。
  6. 【請求項6】 請求項1において、前記各振動子上にモ
    ニタ用圧電素子が形成されていることを特徴とする半導
    体角速度センサ。
  7. 【請求項7】 請求項1において、前記振動子及びフレ
    クチャー上に一面に圧電膜(前記各圧電素子の圧電膜と
    して用いられる)が形成されていることを特徴とする半
    導体角速度センサ。
  8. 【請求項8】 請求項7において、前記圧電膜が、前記
    振動子及びフレクチャーのみならず、振動子が突設され
    ている前記枠部の一辺に亘って形成され、その圧電膜の
    形成された前記枠部の一辺に、前記各種圧電素子の電極
    より導出された外部接続用電極が形成されていることを
    特徴とする半導体角速度センサ。
  9. 【請求項9】 シリコンウエハの両面に酸化膜を形成
    し、 そのシリコンウエハの枠状の周辺部(角速度センサの枠
    部を形成する部分)と、その周辺部の一辺から突設され
    た複数の片持梁状の振動子を形成する部分と、隣接する
    振動子を橋絡するフレクチャーを形成する部分とを除い
    た前記シリコンウエハ両面の前記酸化膜及び前記フレク
    チャーとなる部分の裏面の前記酸化膜を除去し、 そのシリコンウエハを両面の酸化膜をマスクとして化学
    的エッチングを行い、前記枠部と振動子とフレクチャー
    とを作製し、 それら枠部、振動子及びフレクチャーの前記酸化膜を除
    去し、 前記枠部上に基板用電極を形成し、 前記振動子及びフレクチャーに一面に圧電膜を形成し、 前記各振動子上に駆動用電極及びモニタ用電極を、前記
    各フレクチャー上に検出用電極をそれぞれ形成する半導
    体角速度センサの製造方法。
JP6306463A 1994-12-09 1994-12-09 半導体角速度センサとその製造方法 Withdrawn JPH08160064A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997037195A1 (fr) * 1996-03-29 1997-10-09 Ngk Insulators, Ltd. Capteur gyroscopique d'oscillations, capteur composite et procede de production d'un capteur gyroscopique
WO1998041818A1 (fr) * 1997-03-19 1998-09-24 Hitachi, Ltd. Detecteur avec gyroscope et camera video l'utilisant

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