JPH08254428A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】容易且つ安価に構成し、作用する角速度が高精
度で検出でき、例えば自動車等に搭載して車体制御用や
ナヴィゲーションシステムなどに効果的に利用できるよ
うにした角速度センサを提供することを目的とする。 【構成】この角速度センサでは、半導体基板３上には、
可動電極としての振動子１０，１１が上記半導体基板１
から所定の距離を隔てて形成される。上記半導体基板３
上の所定位置には、固定電極部７ａ，７ｂ，８，９がア
ルミニウムにより形成され、当該電極間にはトレンチ部
４ａ乃至４ｃが形成される。そして、振動子１０，１１
と半導体基板１間にそれぞれコンデンサを形成する。こ
の振動子１０と半導体基板１、振動子１１と半導体基板
１の間のギャップの変化による容量変化に基づいて角速
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、例えば自動車等の角速
度を検出するセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば自動車の車体に作用する角
速度を検出する角速度センサには、図５に示されるよう
な圧電振動型の角速度センサがある。この角速度センサ
は、高弾性金属体５１の所定位置に２つの振動用圧電素
子５２を固着した振動板５３の端部に、高弾性金属体５
４の所定位置に応力検知用圧電体５５を固着した検知板
５６が、それぞれ直角を成すように固着され構成されて
いる。この構成の角速度センサでは、上記振動用圧電素
子５２、応力検知用圧電体５５に、例えばリード線５
７，５８が半田付けされ、該振動用圧電素子５２，応力
検知用圧電体５５の出力は当該リード線５７，５８を介
して検出される。

【０００３】一方、特開昭５８−１７４８５４号公報で
は、「角度率センサ装置」に関する技術が開示されてい
る。この技術では、一対の振動センサ素子を物理的振動
または動き用に設け、これら素子を中心軸に対して互い
に正反対方向に振動するように装着し、外部ノイスおよ
び振動源自身からの帰還振動を回避している。

【０００４】この他、特願平５−３１１７６２号公報で
は、「半導体ヨーレートセンサ」に関する技術が開示さ
れている。この技術では、半導体基板の上方に位置して
当該半導体基板面から所定の間隔を隔てて梁構造体によ
って変位自在に支持された可動電極を配置し、さらに上
記半導体基板の上方に位置して上記半導体基板面から所
定の間隔を隔てて且つ上記可動電極にギャップを介して
上記可動電極を静電気を利用して振動させる励振用固定
電極を設け、上記半導体基板の表面部には上記可動電極
に対向する位置に不純物拡散領域によってソース及びド
レイン電極を形成する。そして、上記可動電極さらにソ
ースおよびドレイン電極によってトランジスタを構成
し、ヨーレートにより発生するコリオリ力の作用に伴う
上記可動電極の変位によって上記ソース及びドレイン電
極間に電流変化によりヨーレートを検出する。このよう
に、この技術では、トランジスタ構造によって、ヨーレ
ートにより変化する電流値に基づき高精度にヨーレート
を検出するので、車両制御などに好適であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た角速度センサでは、上記高弾性金属体５１への振動用
圧電素子５２の固着精度や、上記高弾性金属体５４への
応力検知用圧電体５５の固着精度により、出力特性が大
きく変化する。例えば、貼り付け誤差が０．１ｍｍで２
０００°／ｓの出力誤差となる。さらに、上記振動用圧
電素子５２，応力検知用圧電体５５へのリード線５７，
５８の固着精度により出力特性が大きく変化する。例え
ば、１０００°／ｓの出力誤差を生じることとなる。ま
た、検出精度を高めるためには、上記振動板５３と検知
板５６とを正確に直角となるように固着させる必要があ
る為、小型化が困難であり、コスト的にも不利となる。

【０００６】一方、上記特開昭５８−１７４８５４号公
報により開示された技術でも同様に、出力特性の変化、
小型化が困難、コスト的に不利といった問題があった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、容易且つ安価に構成することができる
ようにすると共に、作用する角速度が高精度で検出する
ことができて、例えば自動車等に搭載して車体制御用や
ナヴィゲーションシステムなどに効果的に利用できるよ
うにした角速度センサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の角速度センサは、半導体基板の上方に位置
して該半導体基板面から所定の間隔を隔てて配置され、
変位自在に構成された可動電極と、上記半導体基板の上
方に位置して上記可動電極に電圧を供給する固定電極と
を具備し、上記半導体基板と上記可動電極とによりコン
デンサが形成され、上記固定電極により所定の周期をも
って上記振動子を励振する際に伴う当該コンデンサの容
量の変化により角速度を検出するよう構成される。

【０００８】詳細には、上記可動電極は少なくとも併設
された第１及び第２の可動電極からなり、この第１及び
第２の可動電極と上記半導体基板とによりコンデンサが
形成され、上記固定電極に励振電圧を印加し、上記第１
及び第２の可動電極を当該第１及び第２の可動電極が併
設された方向に互いに逆向きに振動させた状態で、上記
半導体基板面に平行で上記第１の方向と垂直な第２の方
向に角速度が入力されると、上記第１及び第２の可動電
極にコリオリ力が作用し、この第１及び第２の可動電極
が上記第１及び第２の方向と垂直な第３の方向に互いに
逆向きに振動し、この振動により第１及び第２の可動電
極と半導体基板との間のギャップが変化し、この変化に
よる容量変化に基づいて角速度を検出するよう構成され
る。さらに、上記第１及び第２の可動電極と上記半導体
基板との間に電気的絶縁層を配設される。

【０００９】

【作用】このように構成された角速度センサは、固定電
極によって可動電極を振動させるもので、この振動して
いる可動電極に対して角速度が入力されると、コリオリ
の力によって可動電極が変位される。そして、この可動
電極が変位すると、可動電極と半導体基板とで構成され
るコンデンサの容量が変化する。詳細には、この容量は
ガウスの定理等により次式で示さる。

【００１０】Ｃ＝εＳ／ｄ［Ｆ］ …（１） 但し、Ｃ ；コンデンサの容量 ε ；空気の誘電率 Ｓ ；可動電極の面積 ｄ ；可動電極と半導体基板との距離 上記（１）より明らかなように、コンデンサの容量は半
導体基板と可動電極の距離と反比例の関係にあり、該距
離が大きいと容量は小さくなり、小さいと容量は大きく
なる。このような容量変化に基づいて角速度が検出され
る。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る角速度
センサの構成を示す図である。この第１の実施例では、
Ｎ型のシリコン基板からなる半導体基板１上に酸化膜２
が積層され、当該酸化膜２を隔ててＮ型シリコン基板か
らなる半導体基板３が積層され、これらが一体に構成さ
れる。この半導体基板３上には、例えば２箇所の可動電
極としての振動子１０，１１が上記半導体基板１から所
定の距離を隔てて形成される。上記半導体基板３上の所
定位置には、例えば４箇所の固定電極部７ａ，７ｂ，
８，９がアルミニウムにより形成され、当該固定電極７
ａと固定電極９との間の位置にはトレンチ部４ａが、固
定電極９と固定電極８との間の位置にはトレンチ部４ｂ
が、固定電極８と固定電極７ｂの間にはトレンチ部４ｃ
がそれぞれ形成される。このトレンチ部４ａ乃至４ｃ
は、上記半導体基板３との間を酸化膜５ａ乃至５ｃで隔
てて、例えばポリシリコンやタングステン等の耐熱性金
属によって構成されるが、この実施例ではポリシリコン
６ａ乃至６ｃが使用される。上記トレンチ部４ｃは、詳
細には上記可動電極たる振動子１０，１１を隔てる所定
位置に形成される。

【００１２】ここで、図２を参照して図１のＡＡ´部の
製造工程を説明する。先ず表面を酸化したＮ型のシリコ
ン基板による半導体基板１の上に、酸化膜２を隔てて半
導体基板３を積層し密着させて、例えば高温で熱処理を
施し、貼り合わせ基板を作成する（図２（ａ）参照）。

【００１３】続いて、この貼り合わせ基板の所定箇所１
５のシリコンを酸化膜２に至るまでトレンチエッチする
（図２（ｂ）参照）。そして、そのトレンチ部４ａ乃至
４ｃの側壁を酸化膜５ａ乃至５ｃで酸化した後、ポリシ
リコン１６を積層し、トレンチ部４ａ乃至４ｃを形成す
る。次いで、この基板をポリシリコンと共に一定の厚さ
に研磨し、全面酸化する（図２（ｃ），（ｄ）参照）。

【００１４】さらに、必要箇所の酸化膜をエッチングし
て除去し、固定電極を設ける所定位置にコンタクトホー
ルを開口した後、当該コンタクトホールの上方に電極材
料であるアルミニウムを蒸着し、上記コンタクトホール
上のアルミニウムのみを残してエッチングして、電極部
７ａ，７ｂ，８，９を形成した後、熱処理を行う（図２
（ｅ））。

【００１５】続いて、図３を参照して図１のＢＢ´部の
製造工程を説明する。先ず表面を酸化したＮ型のシリコ
ン基板による半導体基板１の上に、酸化膜２を隔てて半
導体基板３を積層し密着させて、例えば高温で熱処理を
施し、貼り合わせ基板を作成する。続いて、半導体基板
３の所定箇所１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂを保護膜
で被覆した後、当該所定箇所を残して、その他の箇所１
３ａ，１３ｂなどについては、酸化膜と半導体基板３を
上記貼り合わせ基板の酸化膜２までエッチングして除去
する（図３（ａ）参照）。

【００１６】そして、枠部に当たる所定箇所１２ａ，１
２ｂの下部の酸化膜２は残して、その他の部分は犠牲層
として、酸化膜２をエッチングして除去し、可動電極た
る振動子１０，１１を半導体基板１から所定間隔を隔て
て、即ち振動子１０，１１の下部にエアギャップを設け
るように形成する（図３（ｂ）参照）。

【００１７】このようにして構成された第１の実施例に
係る角速度センサは、振動子１０と枠部１２、振動子１
１と枠部１２、振動子１０と半導体基板１、振動子１１
と半導体基板１の間にそれぞれコンデンサを形成する。
そして、固定電極７ａ，７ｂと固定電極８，９の間に励
振電圧を印加し、振動子１０，１１を互いに逆向きに共
振振動数ωでｘ方向に振動させた状態で、Ｚ軸方向に角
速度が入力されると、上記振動子１０，１１にコリオリ
力が作用し、当該振動子１０，１１がｙ方向に互いに逆
向きに振動数ωで振動する。そして、この振動により振
動子１０と半導体基板１、振動子１１と半導体基板１の
間のギャップが変化し容量が変わることに着目し、当該
容量変化に基づいて角速度を検出する。

【００１８】尚、第１の実施例では、振動子１０，１１
の可動性をよくして、当該振動子１０，１１と半導体基
板１が形成する上記コンデンサの容量変化を大きくし、
検出精度を高めるために、振動子１０，１１の形状を格
子状としているが、当該形状に限定されないことは勿論
である。

【００１９】次に図４を参照して、第２の実施例に係る
角速度センサについて説明する。図４に示されるよう
に、この第２の実施例では、半導体基板３上には、例え
ば２箇所の可動電極としての振動子２７，２８がここで
は半導体基板１から所定の距離を隔てて形成される。上
記半導体基板３上の所定位置には、例えば６箇所の固定
電極部１９ａ，１９ｂ，２０，２１，２２，２５，２６
がアルミニウムにより形成され、当該固定電極１９ａと
固定電極２１との間の位置にはトレンチ部１８ａが、固
定電極１９ｂと固定電極２０との間の位置にはトレンチ
部１８ｂが、固定電極２５，２６を囲む位置にはトレン
チ部１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成される。このトレン
チ部１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂは、例えばポリシ
リコンやタングステン等の耐熱性金属によって構成され
るが、この実施例ではポリシリコンが使用される。そし
て、上記電極２１と電極２５、及び電極２０と電極２６
は、配線２３，２４により電気的に接続される。

【００２０】このような構成の第２の実施例に係る角速
度センサの製造工程について説明すると、先ず表面を酸
化したＮ型のシリコン基板による半導体基板の上に、酸
化膜を隔てて半導体基板３を積層し密着させて、例えば
高温で熱処理を施し、貼り合わせ基板を作成する。続い
て、この貼り合わせ基板の所定箇所のシリコンを酸化膜
に至るまでトレンチエッチする。そして、そのトレンチ
部１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂの側壁を酸化膜５ａ
乃至５ｃで酸化した後、ポリシリコンを積層し、当該ト
レンチ部１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂを形成する。

【００２１】次いで、この基板をポリシリコンと共に一
定の厚さに研磨し全面酸化する。さらに、必要箇所の酸
化膜をエッチングして除去し、固定電極を設ける所定位
置にコンタクトホールを開口した後、当該コンタクトホ
ールの上方に電極材料であるアルミニウムを蒸着し、上
記コンタクトホール上のアルミニウムのみを残してエッ
チングして、固定電極１９ａ，１９ｂ，２０，２１，２
２，２５，２６、及び配線２３，２４を形成し、熱処理
を施す。そして、枠部の下の酸化膜は残して、その他の
部分は犠牲層として酸化膜をエッチングして除去し、可
動電極たる振動子２７，２８を半導体基板１から所定間
隔を隔てて、即ち振動子２７，２８の下部にエアギャッ
プを設けるように形成する。

【００２２】このような構成からなる第２の実施例に係
る角速度センサでは、上記第１の実施例と同様の作用を
得る。即ち、振動子２７と枠部２９、振動子２８と枠部
２９、振動子２７と半導体基板１、振動子２８と半導体
基板１の間にそれぞれコンデンサを形成する。そして、
固定電極１９ａ，１９ｂと固定電極２２の間に励振電圧
を印加し、振動子２７，２８を互いに逆向きに共振振動
数ωでｘ方向に振動させた状態で、Ｚ軸方向に角速度が
入力されると、上記振動子２７，２８にコリオリ力が作
用し、当該振動子２７，２８がｙ方向に互いに逆向きに
振動数ωで振動する。この振動により振動子２７と半導
体基板１、振動子２８と半導体基板１の間のギャップが
変化し容量が変わることに着目し、当該容量変化に基づ
いて角速度を検出する。尚、上記振動子２７，２８の形
状を格子状としているのは、第１の実施例と同様の理由
による。

【００２３】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれに限定されることなくその主旨を逸脱
しない範囲で種々の改良・変更が可能である。例えば、
上記実施例では、絶縁層はトレンチ酸化膜分離として説
明したが、通常、半導体等で用いられているＰ−Ｎ結合
分離、その他でも同様の効果が得られる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の角速度セ
ンサによれば、容易且つ安価に構成することができるよ
うにすると共に、作用する角速度が高精度で検出するこ
とができ、例えば自動車等に搭載して車体制御用やナヴ
ィゲーションシステムなどに効果的に利用できるように
した角速度センサを提供することができる。特に、本発
明による角速度センサはシリコンのマイクロマシーニン
グを利用しており、加工組み付けが必要でなく、小型化
でき、コスト的にも安価となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る角速度センサの構
成を示す図である。

【図２】（ａ）乃至（ｅ）は、図１におけるＡＡ´面の
製造工程を示す図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、図１におけるＢＢ´面の
製造工程を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る角速度センサの構
成を示す図である。

【図５】従来技術に係る角速度センサの構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１，３…半導体基板、２…酸化膜、４ａ〜４ｃ，１７
ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ…トレンチ部、５ａ〜５ｃ
…酸化膜、６，１６…ポリシリコン、７ａ，７ｂ，８，
９，１９ａ，１９ｂ，２０〜２２，２５，２６…固定電
極、１０，１１，２７，２８…可動電極、１２ａ，１２
ｂ，２９…枠部を構成する箇所、１３ａ，１３ｂ…シリ
コンを除去すべき箇所、１４ａ，１４ｂ…振動子を構成
する箇所、１５…トレンチ部を形成する箇所、２３，２
４…配線。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 この半導体基板の上方に位置して該半導体基板面から所
   定の間隔を隔てて配置され、変位自在に構成された可動
   電極と、 上記半導体基板の上方に位置して上記可動電極に電圧を
   供給する固定電極と、を具備し、 上記半導体基板と上記可動電極とによりコンデンサを形
   成し、上記固定電極により所定の周期をもって上記振動
   子を励振する際に伴う当該コンデンサの容量の変化によ
   り角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 上記可動電極は少なくとも併設された第
   １及び第２の可動電極からなり、この第１及び第２の可
   動電極と上記半導体基板とによりコンデンサを形成し、
   上記固定電極に励振電圧を印加し、上記第１及び第２の
   可動電極を当該第１及び第２の可動電極が併設された方
   向に互いに逆向きに振動させた状態で、上記半導体基板
   面に平行で上記第１の方向と垂直な第２の方向に角速度
   が入力されると、上記第１及び第２の可動電極にコリオ
   リ力が作用し、この第１及び第２の可動電極が上記第１
   及び第２の方向と垂直な第３の方向に互いに逆向きに振
   動し、この振動により第１及び第２の可動電極と半導体
   基板との間のギャップが変化し、この変化による容量変
   化に基づいて角速度を検出することを特徴とする請求項
   １に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 上記第１及び第２の可動電極と上記半導
   体基板との間に電気的絶縁層を設けたことを特徴とする
   請求項２に記載の角速度センサ。