JPH08178667A - 半導体角速度センサ - Google Patents

半導体角速度センサ

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JPH08178667A
JPH08178667A JP6320336A JP32033694A JPH08178667A JP H08178667 A JPH08178667 A JP H08178667A JP 6320336 A JP6320336 A JP 6320336A JP 32033694 A JP32033694 A JP 32033694A JP H08178667 A JPH08178667 A JP H08178667A
Authority
JP
Japan
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substrate
vibrating
angular velocity
flexure
detecting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP6320336A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomishige Tai
富茂 田井
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.)
Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Original Assignee
Japan Aviation Electronics Industry Ltd
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Publication date
Application filed by Japan Aviation Electronics Industry Ltd filed Critical Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority to JP6320336A priority Critical patent/JPH08178667A/ja
Publication of JPH08178667A publication Critical patent/JPH08178667A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性、経済性及び温度変化、経時に対する
安定性を向上させる。 【構成】 検出用基板20とモニタ用基板30とスペー
サ40と駆動用圧電セラミック基板50とが接着剤層で
接合される。検出用基板20及びモニタ用基板30には
それぞれシリコンのような半導体基板の異方性エッチン
グによって、第1、第2枠部、第1、第2フレクチャ、
第1、第2振動部がそれぞれ形成される。第1フレクチ
ャ上に、入力角速度により第1振動部が受けるコリオリ
力を歪として検出する圧電素子のような歪検出素子25
が形成される。第2フレクチャ上に第2振動部の振動状
態を検出するピエゾ抵抗ブリッジのような振動検出素子
が形成される。第1枠部及び第1振動部が第2枠部及び
第2振動部とそれぞれ接合され、第2枠部の底面がスペ
ーサ40を介してセラミック基板50に接合される。

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、特に小型、安価で特性の安定した
半導体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及びその対面の駆動状態のモニタ用の圧電素子6b
と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,
5c)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
時(理想的には、直線振動)、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=−2mV
Ω;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
の各振動片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
有する構造により形成される。
【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の各振動片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、検出用の素子6cを振動面に対し
て垂直な方向へ配置する必要があり、作製が煩雑となる
欠点があった。
【0008】加えて、振動のモニタとして圧電素子を使
用し、その圧電素子は温度特性及び経時変化特性が劣っ
ており、このモニタ出力に応じてセンサを駆動している
ため、駆動振動状態を一定に保つのが困難であった。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、温度や経時に対して性能の安定した角
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の半導体角速度センサは、検出用基板と
モニタ用基板とを有し、その検出用基板は、半導体基板
の異方性エッチングによりそれぞれ形成され、第1枠部
と、その第1枠部内に空隙を介して島状に配された第1
振動部と、その第1振動部を第1枠部に橋絡して支持す
る薄肉の第1フレクチャとを有し、その第1フレクチャ
上に、入力角速度により第1振動部が受けるコリオリ力
を歪として検出する歪検出素子が形成されている。
【0010】また、モニタ用基板は、半導体基板の異方
性エッチングによりそれぞれ形成された、第2枠部と、
その第2枠部内に空隙を介して島状に配された第2振動
部と、その第2振動部を第2枠部に橋絡して支持する薄
肉の第2フレクチャとを有し、その第2フレクチャ上
に、第2振動部の振動状態を検出する振動検出素子が形
成されている。検出用基板の第1枠部及び第1振動部
は、モニタ用基板の第2枠部及び第2振動部とそれぞれ
接着剤層により張り合わされている。
【0011】(2)請求項2の発明では、前記(1)に
おいて、検出用基板とモニタ用基板の接合体に、更に駆
動用圧電セラミック基板がスペーサを介して接合されて
いる。 (3)請求項3の発明では、前記(1)または(2)に
おいて、検出用基板の歪検出素子が圧電素子とされる。
【0012】(4)請求項4の発明では、前記(1)ま
たは(2)において、モニタ用基板の振動検出素子がピ
エゾ抵抗素子により形成される。 (5)請求項5の発明では、前記(2)において、スペ
ーサが半導体基板の異方性エッチングにより形成された
枠部で構成される。 (6)請求項6の発明では、前記(1)または(2)に
おいて、検出用基板の第1フレクチャとモニタ用基板の
第2フレクチャとは互いに重ならないようにずらされて
いる。
【0013】(7)請求項7の発明では、前記(1)ま
たは(2)において、検出用基板及びモニタ用基板がシ
リコン単結晶基板により構成される。
【0014】
【実施例】この発明の実施例を図1〜図3を参照して説
明する。この発明の角速度センサは検出用基板20とモ
ニタ用基板30とを張り合せた構造をもっている。検出
用基板20はシリコン単結晶基板のような半導体基板の
異方性エッチングによりそれぞれ形成された、第1枠部
21と、その第1枠部21内に空隙を介して島状に配さ
れた第1振動部22と、その第1振動部22を第1枠部
21に橋絡して支持する薄肉の第1フレクチャ24とを
有し、その第1フレクチャ24上に、第1振動部22が
入力角速度により受けるコリオリ力を歪(応力)として
検出する歪検出素子25が形成されている。
【0015】モニタ用基板30は、シリコン単結晶基板
のような半導体基板の異方性エッチングによりそれぞれ
形成された、第2枠部31と、その第2枠部31内に空
隙を介して島状に配された第2振動部32と、その第2
振動部32を第2枠部31に橋絡して支持する薄肉の第
2フレクチャ34とを有し、その第2フレクチャ34上
に、第2振動部32の振動状態を検出する振動検出素子
36が形成されている。検出用基板20の第1枠部21
及び第1振動部22はモニタ用基板30の第2枠部31
及び第2振動部32とそれぞれ接着剤層61により張り
合されている。
【0016】この例では、モニタ用基板30の第2枠部
31の底面に、枠状のスペーサ40が接着剤層62によ
り張り合され、更にそのスペーサ40の底面に駆動用圧
電セラミック基板50が接着剤層63により張り合され
る。モニタ用基板30は、両端支持型の加速度センサと
して知られており、ピエゾ抵抗素子をブリッジ接続して
成る振動検出素子35により振動部(加速度センサでは
質量部)の変位状態を検出する事ができる。シリコン単
結晶基板のような半導体基板は導電性があるので、モニ
タ用基板30の表面には絶縁性の酸化膜(SiO2 )3
3が形成され、その上に電極、配線パターン、外部接続
用の第2ボンディングパッド37が形成される。ただ
し、第2基板用電極36は、半導体基板をアースするた
めに直接その上に形成されている。
【0017】検出用基板20はシリコン基板上に酸化亜
鉛などの圧電膜23をスパッタ等により形成し、第1フ
レクチャ24の圧電膜23上に電極25aを形成する事
によって、第1フレクチャ24の受ける歪(応力)を検
出する歪検出素子25が形成される。第1フレクチャ2
4上で電極25aを配置する位置と、それをブリッジ結
線する仕方により、第1振動部22の傾き成分や変位成
分を検出する事ができる。このように検出用基板20
は、圧電型の多軸加速度センサの構造をとっている。な
お本実施例においては、第1振動部(加速度センサでは
質量部)22の傾きを検出するように結線を施してあ
る。圧電膜23上には、電極25a以外に配線パター
ン、第1ボンディングパッド27が形成される。ただし
第1基板用電極26は半導体基板上に直接形成され、外
部で共通電位点に接続される。
【0018】以上の検出用基板とモニタ用基板とを接合
したものに、更に圧電セラミック基板50を張り合わせ
ることにより、圧電セラミック基板50の振動により、
第1,第2振動部22,32が一体となった振動部が図
中で上下方向に共振する周波数で圧電セラミック基板5
0の両電極50a,50b間に電圧を印加する。この
時、振動部の共振の状態はモニタ用基板上の振動検出素
子(ピエゾ抵抗ブリッジ)35によりモニタされ、圧電
セラミック基板50に加える電圧を制御し、一定の振動
状態を維持する。このとき、振動方向に対し垂直に角速
度が入力すると、振動部22,23はコリオリ力によっ
て傾き、その傾きは、検出用基板上の第1フレクチャ2
4の歪を介して発生する電荷と対応するピエゾ抵抗ブリ
ッジの出力電圧により検出される。
【0019】なお、スペーサ40は例えばシリコン単結
晶基板のような半導体基板の異方性エッチングにより枠
状に形成すれば、検出用基板20、モニタ用基板30と
同じ製造設備を利用できるので望ましい。検出用基板の
第1フレクチャ24とモニタ用基板の第2フレクチャ3
4とを図1Bに示すように、互いに重ならないようにず
らして形成すると、第2フレクチャ34を上より顕微鏡
等を用いて検査することができて望ましい。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、振動の
モニタをピエゾ抵抗ブリッジのような温度変化、経時に
対して安定した振動検出素子により構成する事によって
安定した振動のモニタを実現し、そのモニタ出力に応じ
てセンサを駆動するようにしたので角速度センサの安定
性を向上させる事ができる。また、モニタ用基板と検出
用基板を別々に、バッチにて作製後、接着/接合する
為、複雑な製造工程を必要とせず、安価で量産に適する
センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示す図で、Aは断面模式
図、Bは平面模式図。
【図2】図1の検出用基板20を示す図で、Aは断面模
式図、Bは平面模式図。
【図3】図1のモニタ用基板30を示す図で、Aは断面
模式図、Bは平面模式図。
【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 (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の異方性エッチングによりそ
    れぞれ形成され、第1枠部と、その第1枠部内に空隙を
    介して島状に配された第1振動部と、その第1振動部を
    第1枠部に橋絡して支持する薄肉の第1フレクチャとを
    有し、その第1フレクチャ上に、入力角速度により第1
    振動部が受けるコリオリ力を歪として検出する歪検出素
    子が形成されて成る検出用基板と、 半導体基板の異方性エッチングによりそれぞれ形成され
    た、第2枠部と、その第2枠部内に空隙を介して島状に
    配された第2振動部と、その第2振動部を第2枠部に橋
    絡して支持する薄肉の第2フレクチャとを有し、その第
    2フレクチャ上に、第2振動部の振動状態を検出する振
    動検出素子が形成されて成るモニタ用基板とを有し、 前記検出用基板の第1枠部及び第1振動部は、前記モニ
    タ用基板の第2枠部及び第2振動部とそれぞれ接着剤層
    により張り合されてい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、前記検出用基板とモ
    ニタ用基板との接合体に、更に駆動用圧電セラミック基
    板がスペーサを介して接合されてい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または2において、前記検出用
    基板の歪検出素子が圧電素子であ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または2において、前記モニタ
    用基板の振動検出素子がピエゾ抵抗素子より成ることを
    特徴とする半導体角速度センサ。
  5. 【請求項5】 請求項2において、前記スペーサが半導
    体基板の異方性エッチングにより形成された枠部より成
    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または2において、前記検出用
    基板の第1フレクチャと前記モニタ用基板の第2フレク
    チャとは互いに重ならないようにずらされていることを
    特徴とする半導体角速度センサ。
  7. 【請求項7】 請求項1または2において、前記検出用
    基板及びモニタ用基板がシリコン単結晶基板により構成
    されていることを特徴とする半導体角速度センサ。
JP6320336A 1994-12-22 1994-12-22 半導体角速度センサ Withdrawn JPH08178667A (ja)

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Cited By (3)

* 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
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Effective date: 20020305