JPH09166443A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサチップの振動体に対して直接に駆動用
圧電素子および検出用圧電素子を被着形成し、半導体基
板より成る振動体そのものを駆動用圧電素子および検出
用圧電素子の下側電極とし、半導体基板を高い不純物濃
度のものとすることにより低製造コスト、高検出精度の
振動ジャイロを提供する。 【解決手段】 高い不純物濃度の半導体基板を異方性エ
ッチング加工して振動体２、フレーム部３、および振動
体２とフレーム部３とを連結する支持部４を一体形成し
たセンサチップ１を具備する振動ジャイロにおいて、駆
動用圧電素子５および検出用圧電素子６ａおよび６ｂを
振動体２表面に直接に被着形成した振動ジャイロ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、振動ジャイロに
関し、特に、半導体基板を異方性エッチングにより加工
して振動体、フレーム部、および振動体とフレーム部と
を連結する支持部より成るセンサチップを具備する振動
ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例を図１、図５および図６を参照し
て説明する。図１において、１は半導体基板により構成
された振動ジャイロのセンサチップを示す。このセンサ
チップ１は、振動体２、フレーム部３、および振動体２
とフレーム部３とを連結する支持部４より成る。振動体
２は、図１においては、その中間部の２箇所において支
持部４により支持されている。支持部４が形成される位
置は振動体２の節点近傍とされる。このセンサチップ１
は、半導体基板を異方性エッチング加工することにより
振動体２、フレーム部３、および支持部４を一体に構成
されている。半導体基板としては、例えば、面方位（１
００）のシリコンウエハが使用され、そのエッチング面
としては（１１１）面が使用される。

【０００３】図５は図１のＡ−Ａ線の断面を示す図であ
る。図５における振動体２の断面形状は６角形とされて
いるが、この形状は５角形とすることもできる。振動体
２の表面には、先ず、下側共通電極１２が形成される。
次いで、振動体２の上面の中央部の下側共通電極１２表
面には駆動用圧電素子５が形成される。この駆動用圧電
素子５は、例えば、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）その他の圧電材料をスパッタリング或
は蒸着することにより形成される。振動体２の下側の斜
面の中央部の下側共通電極１２表面には検出用圧電素子
６ａおよび６ｂが形成される。この検出用圧電素子６ａ
および６ｂも、駆動用圧電素子５と同様にジルコンチタ
ン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）その他の圧電材
料をスパッタリング或は蒸着することにより形成され
る。７は駆動用圧電素子５の表面に形成された駆動用圧
電素子電極、８ａは検出用圧電素子６ａの表面に形成さ
れた検出用圧電素子電極であり、８ｂは検出用圧電素子
６ｂの表面に形成された検出用圧電素子電極である。

【０００４】図６は振動ジャイロの回路構成を示す。駆
動用圧電素子電極７および下側共通電極１２は発振回路
１０に接続せしめられる。この発振回路１０の発振振動
数或は周波数は振動体２の駆動方向の固有振動数と同一
の振動数の駆動信号を発生する。駆動用圧電素子５には
この発振回路１０により振動体２の駆動方向の固有振動
数と同一の振動数の駆動信号が印加され、これに起因し
て振動体２は支持部４を節としてＺ軸方向に屈曲振動せ
しめられる。検出用圧電素子６ａおよび検出用圧電素子
６ｂは、振動体２のＺ軸方向の歪みの大きさおよび振動
数に対応する電圧出力を発生する。

【０００５】ここで、振動体２がＺ軸方向に振動してい
る時に入力軸であるＸ軸回りの角速度が入力されると、
Ｙ軸方向にコリオリ力が生じて振動体２にはＹ軸方向の
力が作用する。このコリオリ力により振動体２の振動方
向がずれるところから、検出用圧電素子６の出力電圧は
変化する。この場合、検出用圧電素子６ａおよび６ｂの
内の一方の出力は増加するのに対して、他方の検出用圧
電素子の出力は減少する。何れか一方の検出用圧電素子
６の出力の変化量、或は両者の出力の差動出力の変化量
を検出回路１１により測定して入力軸であるＸ軸回りの
入力角速度を検出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の振動ジャイロ
は、図５および図６に示される如く、駆動用圧電素子５
および検出用圧電素子６を形成するに先だって、振動体
２の表面に下側共通電極１２を形成している。この下側
共通電極１２を形成する工程は種々の理由により一般に
歩留まりの良くない工程とされており、これが振動ジャ
イロの製造コスト上昇の一因とされている。

【０００７】この発明は、この下側共通電極を省略して
歩留まりの良好な低製造コストを確保すると共に、角速
度の検出を精度良く実施することができる振動ジャイロ
を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】半導体基板を異方性エッ
チング加工して振動体２、フレーム部３、および振動体
２とフレーム部３とを連結する支持部４を一体形成した
センサチップ１を具備する振動ジャイロにおいて、駆動
用圧電素子５および検出用圧電素子６ａおよび６ｂを振
動体２表面に直接に被着形成した振動ジャイロを構成し
た。

【０００９】そして、振動体２を駆動用圧電素子５およ
び検出用圧電素子６ａおよび６ｂの下側電極とした振動
ジャイロを構成した。また、センサチップ１は高不純物
濃度の半導体基板より形成されたものである振動ジャイ
ロを構成した。更に、センサチップ１は抵抗率が０. ０
１Ω・ｃｍ程度の高不純物濃度の半導体基板より形成さ
れたものである振動ジャイロを構成した。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明による振動ジャイロは半
導体基板を異方性エッチング加工することにより振動
体、フレーム部および振動体とフレーム部とを連結する
支持部より成るセンサチップを一体形成する。振動体に
対して圧電材料を直接にスパッタリング或は蒸着するこ
とにより駆動用圧電素子および検出用圧電素子を被着形
成する。そして、半導体基板より成る振動体そのものを
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下側電極とす
る。下側共通電極を省略することにより歩留まりの良好
な低製造コストの振動ジャイロを構成することができ
る。

【００１１】ここで、半導体基板として抵抗率の充分に
小さい高不純物濃度の半導体基板を採用し、これを異方
性エッチング加工することにより振動体、フレーム部お
よび振動体とフレーム部とを連結する支持部より成るセ
ンサチップを一体形成する。振動体には駆動用圧電素子
および検出用圧電素子が圧電材料をスパッタリング或は
蒸着することにより形成される。この振動ジャイロは、
高不純物濃度の半導体基板を使用することによりセンサ
チップの内部抵抗が低下し、これにより駆動信号を効率
よく駆動用圧電素子に印加させることができる。そし
て、検出用圧電素子の出力に重畳されるセンサチップの
内部抵抗と駆動用圧電素子の内部抵抗の分圧による駆動
信号の漏れを減少し、振動体にコリオリ力が作用した時
に検出用圧電素子の出力信号にけるコリオリ力により発
生する圧電信号の割合を極めて大きくすることができ
る。従って、振動ジャイロの感度は良くなり、入力角速
度の検出を精度良く実施することができるに到る。

【００１２】

【実施例】この発明の実施例を図１、図２および図３を
参照して説明する。図１において、１は半導体基板によ
り構成された振動ジャイロのセンサチップを示す。この
センサチップ１は、振動体２、フレーム部３、および振
動体２とフレーム部３とを連結する支持部４より成る。
振動体２は、図１においては、その中間部の２箇所にお
いて支持部４により支持されている。支持部４が形成さ
れる位置は振動体２の節点近傍とされる。このセンサチ
ップ１は、半導体基板を異方性エッチング加工すること
により振動体２、フレーム部３、および支持部４を一体
に構成されている。半導体基板としては、例えば、面方
位（１００）のシリコンウエハが使用され、そのエッチ
ング面としては（１１１）面が使用される。

【００１３】図２は図１のＡ−Ａ線の断面を示す図であ
る。図２における振動体２の断面形状は６角形とされて
いるが、この形状は５角形とすることもできる。振動体
２の上面の中央部には駆動用圧電素子５が形成される。
この駆動用圧電素子５は、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）その他の圧電材料を、振動体
２の上面の中央部に直接にスパッタリング或は蒸着する
ことにより被着形成される。振動体２の下側の斜面の中
央部には検出用圧電素子６ａおよび６ｂが形成される。
この検出用圧電素子６ａおよび６ｂも、駆動用圧電素子
５と同様に、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛
（ＺｎＯ）その他の圧電材料を、振動体２の下側の斜面
の中央部に直接にスパッタリング或は蒸着することによ
り形成される。７は駆動用圧電素子５の表面に形成され
た駆動用圧電素子電極、８ａは検出用圧電素子６ａの表
面に形成された検出用圧電素子電極であり、８ｂは検出
用圧電素子６ｂの表面に形成された検出用圧電素子電極
である。

【００１４】図３は振動ジャイロの回路構成を示す。こ
こで、駆動用圧電素子５、検出用圧電素子６ａおよび検
出用圧電素子６ｂは、それぞれ、半導体基板より成る振
動体２に被着形成せしめられて電気的機械的に結合して
おり、これら結合面を各圧電素子の下側電極としてい
る。センサチップ１は一体形成されているので、フレー
ム部３に１個の電極を形成してこれを下側電極を電気回
路に接続する共通電極９としている。駆動用圧電素子電
極７および共通電極９は発振回路１０に接続せしめられ
る。この発振回路１０の発振振動数或は周波数は振動体
２の駆動方向の固有振動数と同一の振動数の駆動信号を
発生する。駆動用圧電素子５にはこの発振回路１０によ
り振動体２の駆動方向の固有振動数と同一の振動数の駆
動信号が印加され、これに起因して振動体２は支持部４
を節としてＺ軸方向に屈曲振動せしめらる。検出用圧電
素子６ａおよび検出用圧電素子６ｂは、振動体２のＺ軸
方向の歪みの大きさおよび振動数に対応する電圧出力を
発生する。

【００１５】ここで、振動体２がＺ軸方向に振動してい
る時に入力軸であるＸ軸回りの角速度が入力されると、
Ｙ軸方向にコリオリ力が生じて振動体２にはＹ軸方向の
力が作用する。このコリオリ力により振動体２の振動方
向がずれるところから、検出用圧電素子６の出力電圧は
変化する。この場合、検出用圧電素子６ａおよび６ｂの
内の一方の出力は増加するのに対して、他方の検出用圧
電素子の出力は減少する。何れか一方の検出用圧電素子
６の出力の変化量、或は両者の出力の差動出力の変化量
を検出回路１１により測定して入力軸であるＸ軸回りの
入力角速度を検出することができる。

【００１６】次に、図４を参照して駆動用圧電素子５、
検出用圧電素子６ａ、検出用圧電素子６ｂおよびセンサ
チップ１の電気的等価回路を説明する。駆動用圧電素子
５は内部容量１２および内部抵抗１３を有しており、同
様に、検出用圧電素子６ａは内部容量１４ａおよび内部
抵抗１５ａを有すると共に検出用圧電素子６ｂは内部容
量１４ｂおよび内部抵抗１５ｂを有している。これら圧
電素子の内部容量は圧電素子に使用される圧電材料の誘
電率に比例すると共に、内部抵抗は圧電素子に使用され
る圧電材料の抵抗率に比例している。

【００１７】センサチップ１についてみると、各圧電素
子の電極を構成している振動体２との間の結合境界面か
らフレーム部３に形成した共通電極９に到る経路に内部
抵抗が存在する。図４においては、駆動用圧電素子５と
振動体２との間の境界面から電極９に到る経路の抵抗１
６、駆動用圧電素子５と振動体２との間の境界面から検
出用圧電素子６ａと振動体２との間の境界面に到る経路
の抵抗１７ａ、駆動用圧電素子５と振動体２との間の境
界面から検出用圧電素子６ｂと振動体２との間の境界面
に到る経路の抵抗１７ｂの３個の抵抗により、センサチ
ップ１の内部抵抗を表わしている。これらセンサチップ
１の内部抵抗は半導体基板の抵抗率に比例する。以上の
振動ジャイロは、抵抗率が１〜１０Ω・ｃｍ程度の半導
体基板を異方性エッチングにより加工して一体形成した
センサチップの振動体に圧電材料を蒸着或はスパッタリ
ングにより被着形成している。この場合、振動体を圧電
素子の電極として使用すると、半導体基板の抵抗率に比
例して得られるセンサチップ全体の内部抵抗が検出回路
に接続されることとなる。

【００１８】振動体を含むセンサチップに内部抵抗が存
在すると、駆動用圧電素子に駆動信号を印加した時にこ
の内部抵抗において駆動信号の電圧降下が発生し、駆動
用圧電素子に印加される駆動信号が低下して駆動効率が
低下する。そして、駆動用圧電素子に印加された駆動信
号が、センサチップの内部抵抗と駆動用圧電素子のイン
ピーダンスの分圧による漏れが生じて検出用圧電素子に
現われる。従って、振動体にコリオリ力が作用したと
き、コリオリ力により発生する検出用圧電素子の圧電信
号には上述の分圧による駆動信号の漏れが重畳して出力
されるに到る。これは振動体に印加される角速度の測定
に多少の影響を及ぼす。

【００１９】ここで、センサチップ１を構成する半導体
基板として抵抗率が０. ０１Ω・ｃｍ程度の高不純物濃
度の半導体基板を使用する。この高不純物濃度の半導体
基板を異方性エッチング加工することにより振動体２、
フレーム部３、および支持部４が一体のセンサチップ１
を構成する。高不純物濃度の半導体基板を加工してセン
サチップ１を形成することにより、図４におけるセンサ
チップ１の内部抵抗１６、１７ａおよび１７ｂを極めて
小さくすることができる。従って、センサチップ１にお
ける駆動信号の電圧降下は極めて少なく、駆動用圧電素
子５に効率よく駆動信号が印加されることとなる。これ
により振動体２は支持部４を節としてＺ軸方向に良好に
屈曲振動することができる。

【００２０】振動体２がＺ軸方向に振動している時にＸ
軸回りに角速度が入力されると、コリオリ力の作用によ
り振動体２に対してＹ軸方向に力が働く。このコリオリ
力により振動体２の振動方向がずれるところから、検出
用圧電素子６の出力電圧は変化する。この場合、検出用
圧電素子６ａおよび６ｂの内の一方の出力は増加するの
に対して、他方の検出用圧電素子の出力は減少する。何
れか一方の検出用圧電素子６の出力の変化量、或は両者
の出力の差動出力の変化量を検出回路１１により測定し
て入力軸であるＸ軸回りの入力角速度を検出することが
できる。

【００２１】そして、上述した通り、センサチップ１の
内部抵抗１６、１７ａおよび１７ｂは極めて小さいとこ
ろから、駆動用圧電素子に印加される駆動信号の検出用
圧電素子への漏れは減少し、振動体にコリオリ力が作用
した時の検出用圧電素子の出力信号におけるコリオリ力
により発生する圧電信号の割合が大きくなり、Ｘ軸回り
に入力される角速度の検出を精度良く実施することがで
きる。

【００２２】

【発明の効果】以上の通りであって、この発明は、セン
サチップの振動体に対して圧電材料を直接にスパッタリ
ング或は蒸着することにより駆動用圧電素子および検出
用圧電素子を被着形成し、半導体基板より成る振動体そ
のものを駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下側電
極とすることにより、格別に下側共通電極を形成する工
程を省略して歩留まりの良好な低製造コストの振動ジャ
イロを構成することができる。

【００２３】そして、半導体基板として高不純物濃度の
半導体基板を使用してこれを異方性エッチング加工し、
振動体、フレーム部、および振動体とフレーム部とを連
結する支持部より成るセンサチップを一体形成すること
により、センサチップの内部抵抗が減少して、駆動用圧
電素子に効率よく駆動信号が印加されると共に、駆動用
圧電素子に印加した駆動信号の検出用圧電素子への漏れ
が減少するに到り、振動体にコリオリ力が作用した時の
検出用圧電素子の出力におけるコリオリ力により発生す
る圧電信号の割合が大きくなり、入力される角速度の検
出を精度良く実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】振動ジャイロの斜視図。

【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図。

【図３】この発明の振動ジャイロの電気回路。

【図４】センサチップおよび圧電素子の電気的等価回
路。

【図５】図１のＡ−Ａ線における断面図。

【図６】振動ジャイロの電気回路。

【符号の説明】 １ センサチップ ２ 振動体 ３ フレーム部 ４ 支持部 ５ 駆動用圧電素子 ６ａ 検出用圧電素子 ６ｂ 検出用圧電素子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板を異方性エッチング加工して
   振動体、フレーム部、および振動体とフレーム部とを連
   結する支持部を一体形成したセンサチップを具備する振
   動ジャイロにおいて、 駆動用圧電素子および検出用圧電素子を振動体表面に直
   接に被着形成したことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される振動ジャイロにお
   いて、 振動体を駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下側電
   極としたことを特徴とする振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 請求項１および請求項２の内の何れかに
   記載される振動ジャイロにおいて、 センサチップは高不純物濃度の半導体基板より形成され
   たものであることを特徴とする振動ジャイロ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載される振動ジャイロにお
   いて、 センサチップは抵抗率が０. ０１Ω・ｃｍ程度の高不純
   物濃度の半導体基板より形成されたものであることを特
   徴とする振動ジャイロ。