JPH1078325A - 振動ジャイロおよびその振動体共振周波数の調整方法 - Google Patents

振動ジャイロおよびその振動体共振周波数の調整方法

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JPH1078325A
JPH1078325A JP8234146A JP23414696A JPH1078325A JP H1078325 A JPH1078325 A JP H1078325A JP 8234146 A JP8234146 A JP 8234146A JP 23414696 A JP23414696 A JP 23414696A JP H1078325 A JPH1078325 A JP H1078325A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサチップを損傷せしめることなしに共振
周波数調整を容易正確に実施する振動ジャイロおよびそ
の振動体共振周波数の調整方法を提供する。 【解決手段】 半導体基板を異方性エッチングにより加
工して振動体2、フレーム部3、振動体2とフレーム部
3とを連結する支持部4より成るセンサチップ1を形成
し、振動体2表面に駆動用圧電素子5を形成すると共
に、振動体2の駆動用圧電素子5が形成される表面とは
異なる表面に検出用圧電素子5aおよび5bを形成した
振動ジャイロについて、振動体2の支持部4を切削し、
或は駆動用圧電素子5表面に残留応力を有する膜7を形
成してその残留応力を調整する振動ジャイロおよびその
振動体共振周波数の調整方法。

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、振動ジャイロお
よびその振動体共振周波数の調整方法に関し、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および
その振動体共振周波数の調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の振動ジャイロの先行例を図3を
参照して説明する。図3は半導体に形成される振動ジャ
イロのセンサチップを説明する図である。図3におい
て、1は半導体基板を加工すること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
3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、(111)面がエッチン
グ面とされる。
【0003】図3(b)は図3(a)のA−A線の断面
を示す図である。図3の振動体2の断面形状は6角形と
されているが、この形状は正4角形或は正5角形とする
こともできる。振動体2の上面には駆動用圧電素子5が
形成されている。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の両側の斜面の中央部には検出用
圧電素子5aおよび5bが形成されている。この検出用
圧電素子5aおよび5b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。駆動用圧電素子5および検出用圧電素子
5aおよび5bが振動体2表面にスパッタリング或は蒸
着形成された後、駆動用圧電素子5の表面全面にはスパ
ッタリング或は蒸着により駆動用圧電素子電極6が形成
されると共に、検出用圧電素子5aおよび5bの表面全
面には検出用圧電素子電極6aおよび6bが形成され
る。なお、センサチップ1を構成する半導体基板自体を
駆動用圧電素子電極6および検出用圧電素子電極6aお
よび6bの対向電極とする。図示説明は省略するが、駆
動用圧電素子電極と半導体基板との間に駆動電圧源が接
続され、検出用圧電素子電極と半導体基板との間に信号
検知器が接続されて振動ジャイロが構成される。
【0004】駆動用圧電素子5の駆動用圧電素子電極6
と半導体基板との間に駆動電圧を印加すると、駆動用圧
電素子5は振動方向であるZ軸方向に屈曲振動する。駆
動用圧電素子5がZ軸方向に屈曲振動すると、振動体2
はZ軸方向に力を受けて支持部4を節としてZ軸方向に
屈曲振動するに到る。駆動電圧源は振動体2の駆動方向
に関する共振周波数を電圧を出力するものとする。駆動
電圧源としては自励発振回路を採用することができる。
振動体2が駆動振動すると、振動体2にはこの駆動振動
に対応する歪みが生じ、検出用圧電素子5aおよび5b
と半導体基板との間に接続される信号検知器にはこの歪
みの大きさおよび周波数に対応する電圧信号が発生す
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軸回りに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5aおよび5b
の出力電圧は変化する。この場合、検出用圧電素子5a
および5b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
出用圧電素子の出力の変化量、或は両者の出力の差働出
力の変化量を測定することにより、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、一般に、検出用圧電素子5aおよび5bの出力電圧
変化が極く小さいところから、この出力電圧変化に基づ
いて振動体に印加される角速度を測定することは困難で
あった。この出力電圧変化が極く小さいのは、センサチ
ップ1の振動体2の振動方向であるZ方向の共振周波数
と信号検出方向であるY方向の共振周波数が相違してい
て振動体2にY軸方向のコリオリ力が作用した時に振動
体2のY軸方向への振幅が大きくとれていないことに起
因する。これを図5を参照して説明する。
【0007】図5は振動体2の振幅倍率の周波数特性を
示す図であり、図5(a)は振動体2の駆動方向である
Z方向の振動の振幅倍率を示し、図5(b)は振動体2
の信号検出方向であるY方向の振動の振幅倍率を示す。
fd は振動体2の駆動方向の共振周波数であり、fs は
振動体2の信号検出方向の共振周波数である。振動体2
の駆動方向の共振周波数fd と振動体2の信号検出方向
の共振周波数fs は互にずれている。このために、周波
数fd において振動体2はその駆動方向については共振
して最大振幅を示すが、その信号検出方向についてはそ
の共振周波数fs から大きくずれているので振幅は小さ
い。振動体2の信号検出方向の共振周波数fs を振動体
2の駆動方向の共振周波数fd に近似することができれ
ば、振動体2の駆動方向の共振振動を大きくとることが
できる。これは図5(b)において、振幅倍率特性曲線
が共振周波数fs を共振周波数fd に接近する平行移動
をさせられたことを意味し、図5の(a)と(b)とを
比較対照することにより振動体2の信号検出方向の共振
振動を大きくとることができることを容易に理解するこ
とができる。
【0008】この様なことから、振動体2の振動方向で
あるZ方向の共振周波数と信号検出方向であるコリオリ
力が作用するY方向の共振周波数とを調整して両者を互
に接近せしめることは従来から行なわれている。この共
振周波数の調整方法として、振動体2そのものをレーザ
加工技術、電子ビーム加工その他の微細加工技術を適用
して切削し或はその形状を変更し、振動体2の振動方向
の共振周波数および振動体2の信号検出方向の共振周波
数を接近せしめることが従来から行なわれている。
【0009】しかし、この様に振動体2自体を切削変形
することにより共振周波数の調整を実施すると、振動体
2の表面に形成される駆動用圧電素子5、検出用圧電素
子5aおよび5b、駆動用圧電素子電極6、検出用圧電
素子電極6aおよび6bをも切削して損傷する恐れが大
きい。この発明は、振動体2表面に形成される圧電素子
および圧電素子電極を損傷せしめることなしに共振周波
数の調整を実施する振動ジャイロおよびその振動体共振
周波数の調整方法を提供するものである。
【0010】
【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を形成したセンサチ
ップを具備する振動ジャイロにおいて、支持部4を切削
除去してその形状を変更した振動ジャイロを構成した。
【0011】そして、支持部4の側部4’を切削除去し
てその形状を変更した振動ジャイロを構成した。また、
振動体に残留応力を有する膜を形成した振動ジャイロを
構成した。更に、残留応力を有する膜は2000A程度
の厚さのSiNx膜より成る振動ジャイロを構成した。
【0012】ここで、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を形成したセンサチップの支
持部4をレーザ加工、電子ビーム加工その他の微細加工
により切削除去する振動ジャイロの振動体共振周波数の
調整方法を構成した。また、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を形成したセンサチッ
プを形成し、振動体表面に駆動用圧電素子を形成すると
共に、振動体の駆動用圧電素子が形成される表面とは異
なる表面に検出用圧電素子を形成し、駆動用圧電素子表
面に残留応力を有する膜を形成し、残留応力を有する膜
を加熱し、アニーリングして残留応力を調整することに
より振動体の振動方向の共振周波数と信号検出方向であ
るコリオリ力が作用する方向の共振周波数とを合わせる
振動ジャイロの振動体共振周波数の調整方法を構成し
た。
【0013】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1の実
施例を参照して説明する。図1は支持部4近傍を拡大し
て示した図である。振動ジャイロのセンサチップ1の基
本的な形状構造は図3により図示される先行例と格別相
違するところはない。即ち、1は半導体基板を加工する
こと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、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(10
0)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。振動体2の断面形状
は6角形とされているが、この形状は正4角形或は正5
角形とすることもできる。振動体2の上面には駆動用圧
電素子5が形成されている。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(Z
nO)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の両側の斜面の中央部
には検出用圧電素子5aおよび5bが形成されている。
この検出用圧電素子5aおよび5b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。駆動用圧電素子5および検
出用圧電素子5aおよび5bが振動体2表面にスパッタ
リング或は蒸着形成された後、スパッタリング或は蒸着
により駆動用圧電素子5の表面全面には駆動用圧電素子
電極6が形成されると共に検出用圧電素子5aおよび5
bの表面全面には検出用圧電素子電極6aおよび6bが
形成される。
【0014】以上の振動ジャイロにおいて、支持部4に
着目してこれを切削除去して支持部4の形状変更を実施
する。図1の実施例においては、特に、支持部4の側部
に着目してここを削除部4’とし、削除部4’を切削し
てその形状を変更する。この切削、形状変更する加工技
術としては、レーザ加工技術、電子ビーム加工その他の
微細加工技術を採用することができる。
【0015】以上の振動ジャイロにおいて、支持部4を
切削しないときの振動体2の振動方向の共振周波数fd
と振動体2の信号検出方向の共振周波数fs を測定す
る。この結果を図4(a)に示す。支持部4の特に側部
を僅かに切削除去したところで再度測定したときの結果
を図4(b)に示す。図4(b)の点線は図4(a)の
ときの共振周波数を示したものであり、共振周波数fd
とfs とが接近してきたことがわかる。
【0016】以上の通りの操作を繰り返すことにより振
動体2の振動方向の共振周波数fdと振動体2の信号検
出方向の共振周波数fs とを最終的に近似させることが
できる。即ち、振動体2の共振周波数の調整をするに際
して、振動体2自体に直接手を加えることなしに、特
に、振動体2の支持部4の一部を切削除去して振動体2
表面に形成される圧電素子および圧電素子電極を損傷せ
しめることなしに共振周波数の調整を容易正確に実施す
ることができる。従って、出来上りの振動ジャイロの振
動体2の信号検出方向の共振振動を大きくとることがで
きる。
【0017】次に、図2を参照して他の実施例を説明す
る。この実施例の場合も先の実施例と同様に、半導体基
板を異方性エッチングにより加工して振動体2、フレー
ム部3、振動体2とフレーム部3とを連結する支持部4
より成るセンサチップ1を形成する。そして、振動体2
表面に駆動用圧電素子5を形成すると共に、振動体2の
駆動用圧電素子5が形成される表面とは異なる表面に検
出用圧電素子5aおよび5bを形成する。
【0018】この実施例は、駆動用圧電素子5表面に残
留応力を有する膜7を形成する。残留応力を有する膜7
を加熱、アニーリングして残留応力を調整することによ
り振動体2の振動方向の共振周波数と信号検出方向であ
るコリオリ力が作用する方向の共振周波数とを合わせ込
む。ここで、駆動用圧電素子5表面に形成される残留応
力を有する膜7は、窒化珪素SiNx膜を化学蒸着装置
CVDを使用して2000A程度の膜厚に蒸着形成され
る。
【0019】駆動用圧電素子5表面に窒化珪素SiNx
膜7が形成されたところで振動体2を駆動し、振動体2
の振動方向の共振周波数fd と信号検出方向の共振周波
数fs とを測定し、両共振周波数のズレ量を測定する。
このズレ量は図4(a)の如くに示される。駆動用圧電
素子5表面に蒸着形成されたままのSiNx膜7の残留
応力は一般に大きく、測定されたこのズレ量に応じてS
iNx膜7の残留応力の緩和量を決定する。SiNx膜
7の残留応力を緩和して応力を調整し、共振周波数を変
化させる。一般に、窒化珪素SiNx膜7のアニーリン
グ温度が高い程ほど緩和は進み、アニーリング時間が長
い程緩和は進む。なお、センサチップ1は、SiNx膜
7の残留応力を緩和することにより振動方向の共振周波
数fd と信号検出方向の共振周波数fs との間のズレが
減少する向きに設計製造されているものとする。
【0020】以上の通り、この発明の他の実施例は、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形成し、振動体表面に駆動用圧
電素子を形成すると共に振動体の駆動用圧電素子が形成
される表面とは異なる表面に検出用圧電素子を形成し、
駆動用圧電素子表面に残留応力を有する膜を形成し、残
留応力を有する膜を加熱、アニーリングして残留応力を
トリミングして振動体の振動方向の共振周波数と信号検
出方向であるコリオリ力が作用する方向の共振周波数と
を合わせ込むことにより、振動体の駆動方向の共振周波
数と検出方向の共振周波数の合わせ込みに際して振動体
自体およびその近傍の部材を極端な高温に曝して熱的に
損傷することなく、そしてこれらに振動を加えることも
ない。従って、振動ジャイロのセンサチップを損傷或は
破損せしめることなしに共振周波数合わせ込みを比較的
容易、正確に実施することができる。従って、出来上り
の振動ジャイロの振動体2の信号検出方向の共振振動を
大きくとることができる。
【0021】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明は、振動
体の駆動方向の共振周波数と検出方向の共振周波数の合
わせ込みに際して振動体自体およびその近傍の部材を極
端な高温に曝して熱的に損傷することなく、そしてこれ
らに振動を加えることもない。従って、振動ジャイロの
センサチップを損傷或は破損せしめることなしに共振周
波数合わせ込みを比較的容易、正確に実施することがで
きる。
【0022】従って、出来上りの振動ジャイロの振動体
2の信号検出方向の共振振動を大きくとることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例を説明する図。
【図2】先行例を説明する図。
【図3】振幅倍率特性を説明する図。
【図4】振動体の振動方向の共振周波数と信号検出方向
の共振周波数を示す図。
【図5】振動体の振幅倍率の周波数特性を示す図。
【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 4’削除部 5 駆動用圧電素子 5a 検出用圧電素子 5b 検出用圧電素子 6 駆動用圧電素子電極 6a 検出用圧電素子電極 6b 検出用圧電素子電極 7 SiNx膜

Claims (6)

    【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を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、 支持部を切削除去してその形状を変更したことを特徴と
    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、 支持部の側部を切削除去してその形状を変更したことを
    特徴とする振動ジャイロ。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載される振動ジャイロにお
    いて、 振動体に残留応力を有する膜を形成したことを特徴とす
    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、 残留応力を有する膜は2000A程度の厚さのSiNx
    膜より成ることを特徴とする振動ジャイロ。
  5. 【請求項5】 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を形成したセンサチップの支持部を
    レーザ加工、電子ビーム加工その他の微細加工により切
    削除去することを特徴とする振動ジャイロの振動体共振
    周波数の調整方法。
  6. 【請求項6】 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を形成したセンサチップを形成し、
    振動体表面に駆動用圧電素子を形成すると共に、振動体
    の駆動用圧電素子が形成される表面とは異なる表面に検
    出用圧電素子を形成し、駆動用圧電素子表面に残留応力
    を有する膜を形成し、残留応力を有する膜を加熱し、ア
    ニーリングして残留応力を調整することにより振動体の
    振動方向の共振周波数と信号検出方向であるコリオリ力
    が作用する方向の共振周波数とを合わせることを特徴と
    する振動ジャイロの振動体共振周波数の調整方法。
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