JPH11237247A - 角速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】小型の振動式角速度センサを提供する。 【解決手段】単結晶シリコン基板の異方性エッチング特
性を利用し、矩形断面を有し各々直交する主面を有する
２種類の検出用梁１０３、駆動用梁１０４を形成して、
その複合体で錘１０２を支持する振動体を構成する。錘
の中央とその端面部分に電極を有するガラス１１１，１
２１で振動体を挟み込み、錘１０２を変動させる。セン
サが回転したときに生じるコリオリ力による錘１０２の
変位を、静電容量によって検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両の姿勢
制御、進行方位算出などに用いられる角速度センサ及び
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、角速度を検出するセンサとして様
々なジャイロスコープ（以下、ジャイロと略称する）が
開発されている。その種類は大まかに機械式のコマジャ
イロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の振動
を用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイロと
リングレーザージャイロに分類される。光学式のジャイ
ロはサニャック効果、それ以外のものは回転体の角運動
量保存則の表れであるコリオリ力を用いて角速度の検出
を行っており、使用用途により精度と価格、寸法等が勘
案され使用センサが選択されている。

【０００３】上記振動ジャイロ式の角速度センサとして
は、例えば特開昭６１−７７７１２号公報に示されてい
る。図１６はこの従来の振動式角速度センサの基本原理
の説明図であり、４０１，４０２が検出用素子、４０
３，４０４が励振用素子を示す。各々の素子は例えば圧
電バイモルフにより構成されており、励振用素子と検出
用素子が二組で音叉を形成する。角速度は、音叉の根元
に近い励振用素子４０３，４０４に交流電圧を加えて検
出用素子４０１，４０２を屈曲振動させ、検出用素子４
０１，４０２の面に垂直に加わるコリオリ力を圧電効果
を用いて検出する方式となっている。

【０００４】自動車用途ではシャシー系の制御とかナビ
ゲーションシステムの方位算出等に用いられるが、検出
されるのはヨー，ロール，ピッチと三種類ある車体の回
転運動の中で、特に鉛直線を中心とする大地に水平な面
内での回転（ヨー方向）の角速度、即ちヨーレートであ
ることが多い。検出目的は、例えば四輪操舵（４ＷＳ）
の様なシャシー制御の場合にはヨーレートを制御システ
ム側に車両の姿勢情報の一つとしてフィードバックし姿
勢制御性能を向上させることであり、又ナビゲーション
システム用の場合にはヨーレートを時間積分することに
よって車両の旋回角度を算出することにある。尚、通常
車載用として使用される角速度センサは圧電型の振動ジ
ャイロと光ファイバジャイロで、光ジャイロは高精度用
途に、又振動ジャイロは廉価版ジャイロとして既に車載
用として実用化されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら車載用途
を始めとする各種機器に適用するには電子部品の小型化
が必須となるが、例えば小型と言われる圧電振動式のジ
ャイロでも他の電子部品と比較すれば十分小さいとは言
えず、センサ精度を保った上でより一層の小型化を図る
という課題を有していた。

【０００６】本発明は、上記の様な課題を考慮し、小型
の振動式角速度センサを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、面方位（１００）のシリコン単結晶基板より形成さ
れた振動体と、前記振動体を上下面より挟み込んで保持
する一対の保持板とを有し、前記振動体は振動部である
錘と前記錘を弾性的に支持する梁を有するものであり、
前記梁は前記錘よりも薄く断面形状が矩形で且つ側面が
（１００）面で構成され＜１００＞方向に平行に形成さ
れた領域を有し、結晶異方性エッチングを用いて形成さ
れることを特徴とするものである。

【０００８】本願の請求項２の発明は、請求項１記載の
角速度センサの製造方法であって、前記梁は、前記シリ
コン単結晶基板の表面に平行な主面である（１００）面
の結晶異方性エッチングによりその上下面を形成し、前
記主面に垂直且つ＜１００＞方向に平行な（１００）面
からなる側壁のエッチングにより前記梁の側面を形成す
ることを特徴とするものである。

【０００９】本願の請求項３の発明は、面方位（１０
０）のシリコン単結晶基板より形成された振動体と、前
記振動体を上下面より挟み込んで保持する一対の保持板
とを有し、前記振動体は振動部である錘と、少なくとも
二本の梁の組み合わせて前記錘を弾性的に支持する梁を
有するものであり、前記二本の梁は各々直交する主面を
有し、結晶異方性エッチングにより形成されることを特
徴とするものである。

【００１０】本願の請求項４の発明は、請求項３の角速
度センサにおいて、振動体は、面方位（１００）のシリ
コン単結晶基板であって、梁は＜１００＞方向に平行に
形成され且つ主面が直交する（１００）面からなること
を特徴とするものである。

【００１１】本願の請求項５の発明は、請求項３又は４
の角速度センサにおいて、前記振動体は導電性材料で構
成されたものであり、前記一対の保持板は、前記振動体
の錘の中央部に対向する位置に検出用電極が形成され、
前記錘のエッジ部に駆動用電極及びモニタ電極が夫々形
成され、各電極を前記錘から所定微小間隔隔てて挟み込
んで前記振動体を保持することを特徴とするものであ
る。

【００１２】本願の請求項６の発明は、請求項５の角速
度センサにおいて、前記振動体は、第１の単結晶シリコ
ン基板から形成されたものであり、前記一対の保持板
は、第２の真性半導体もしくは不純物濃度の低い半導体
からなる単結晶シリコン基板から構成され、その基板上
に前記検出用電極、駆動用電極及びモニタ用電極が形成
され、各電極は前記振動体の錘に対向するように前記振
動体と一対の保持板とが接合されていることを特徴とす
るものである。

【００１３】本願の請求項７の発明は、請求項６の角速
度センサにおいて、前記一対の保持板は、前記振動体と
直接接合されていることを特徴とするものである。

【００１４】本願の請求項８の発明は、面方位（１０
０）のシリコン単結晶基板より形成された振動体と、前
記振動体を上下面より挟み込んで保持する一対の保持板
とを有し、前記振動体は振動部である錘と前記錘を弾性
的に支持する梁を有するものであり、前記梁は＜１００
＞方向に形成され且つ前記振動体に垂直な面内で屈曲部
を有することを特徴とするものである。

【００１５】本願の請求項９の発明は、請求項８の角速
度センサにおいて、前記梁は、主面が前記振動体に平行
な（１００）面からなる平板状の第１の部位と、主面が
前記シリコン単結晶基板に垂直な（１００）面からなる
平板状の第２の部位と、の組合せで構成されることを特
徴とするものである。

【００１６】このように本発明によれば、シリコン基板
に垂直且つ水平で断面形状が矩形の梁を形成できるた
め、角速度センサで重要となるバネ定数等の梁の機械的
特性を正確に制御した上で小型の角速度センサを形成す
ることが可能になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。本発明の第１の実施の
形態の角速度センサの構成を示す主要部の概略図を図１
に示す。この第１の実施の形態はシリコン基板とその上
下のガラス板を接合することにより、小型の振動式角速
度センサを実現したものである。シリコン基板には駆動
用及び検出用の梁によって振動できるように保持した錘
１０２が設けられる。

【００１８】図１において１００は面方位（１００）の
導電性のある単結晶シリコン基板であり、本例ではｎ形
不純物の濃度が高く抵抗率が低いｎ⁺ 基板とする。角速
度センサの主要部となる振動体は、１個の錘とこれを支
持する一対（二本）の複合梁とで構成されている。ここ
で図１において、単結晶シリコン基板１００は上下にフ
レーム１０１を持ち、中央部にはこれよりやや薄い錘１
０２が基板面に平行な（１００）面を主面として構成さ
れている。又錘１０２を支える検出用梁１０３ａ，１０
３ｂは主面・側面とも（１００）面で主面がシリコン基
板１００と平行な面からなる矩形の板バネとなってい
る。この検出用梁１０３ａ，１０３ｂは、各々２本、合
計四本の駆動用梁１０４ａ〜１０４ｄで固定端から支持
されている。尚、駆動用梁１０４も主面・側面とも（１
００）面で構成された矩形の板バネ構造であるが、主面
がシリコン基板１００と垂直な面で＜１００＞方向に構
成されている点が検出用梁１０３と異なる。尚、梁１０
４ａ〜１０４ｄの周囲の空白は貫通孔である。

【００１９】シリコン基板１００の上下面は上部ガラス
１１１，下部ガラス１２１と陽極接合されて角速度セン
サを構成する。図２（ａ）〜（ｃ）はシリコン基板１０
０と上下のガラス１１１，１２１とを横軸を揃えて示し
たものである。上部ガラス１１１，下部ガラス１２１は
シリコンと熱膨張率が非常に近いガラス（例えばコーニ
ング社のホウケイ酸ガラス、商品名パイレックス＃７７
４０）である。１１２〜１１４，１２２〜１２４は、上
部ガラス１１１の下面と下部ガラス１２１の上面に、例
えば真空蒸着法又はスパッタ法等ＰＶＤ（physical vap
or deposition,物理気相堆積）の手法で形成したチタン
Ｔｉと白金Ｐｔの二層等からなる電極であり、各々シリ
コン振動体の錘１０２と対をなしコンデンサを形成す
る。本実施の形態による角速度センサでは、図３に断面
図を示すように、検出及び制御用電極１１３，１２３が
錘１０２の中央部を挟み込むように形成され、その左右
に駆動用電極１１２，１２２及びモニタ用電極１１４，
１２４が形成されている。

【００２０】以上のように構成された本実施の形態の角
速度センサの製造プロセスについて説明する。図４，図
５は単結晶シリコン基板１００の製造過程において図１
のＡ−Ａ’線に沿ってながめた断面の形状を示すプロセ
スチャートであり、これに従い以下で詳細に説明する。

【００２１】シリコンプロセスでは図４，図５に示す
（ａ）工程から（ｋ）工程まで逐次処理が進行する。
（ａ）工程で図示したシリコン基板１００は、面方位
（１００）、ｎ⁺ の単結晶基板であり、両面研磨タイプ
で厚さは例えば４３０μｍとする。（ｂ）工程では、シ
リコン基板１００を洗浄した後ウェットＯ₂ 酸化により
上下面に熱酸化膜３０１を形成する。次の（ｃ）工程で
はフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングを行
い、緩衝弗酸（ＢＨＦ，５０％ＨＦ：４０％ＮＨ₄ Ｆ＝
９：１００）で最終的にギャップを形成する部分のみ酸
化膜（ＳｉＯ₂ ）をエッチング除去する。この部分は図
１，図２（ｂ）の上下の帯状のフレームを除くハッチン
グ部分、図４（ｃ）では３０２である。残されたＳｉＯ
₂ は、Ｓｉをエッチングするためのマスクとなる。尚本
実施の形態では、Ｓｉのエッチングにはドライエッチン
グではなくウェットエッチングを採用するものとし、水
酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニ
ウム（ＴＭＡＨ，（ＣＨ₃ ）₄ ＮＯＨ）等のエッチング
溶液中で結晶異方性エッチングすることにより形成され
る。又ガラス上の電極とシリコン振動体とのギャップ形
成にはガラス側をエッチングする手法もあるが、本実施
の形態ではシリコン基板１００をエッチングする手法を
採用するものとする。エッチング深さは、例えば両面と
も同一とし、例えば５μｍとする。

【００２２】（ｃ）工程で所定の深さまでエッチングが
終了すれば、（ｄ）工程で一旦酸化膜３０１を全面除去
する。尚、酸化膜の全面除去には、例えば弗酸溶液（５
０％ＨＦ：Ｈ₂ Ｏ＝１：１）を用いれば良い。次の
（ｅ）工程では再度熱酸化によって上下の全面に酸化膜
３０３を形成する。この酸化膜３０３はシリコン振動体
をウェットエッチングで形成するためのマスクであるた
め、膜厚を厚めに形成する。本実施の形態では、
（ｆ），（ｇ）工程の２回に分けて酸化膜３０３のエッ
チングを行う。まず（ｆ）工程では、Ｓｉ基板を薄くし
段差をつけて残す部分（３０４）のみ酸化膜を一部エッ
チングしている。次の図５に示す（ｇ）工程では、Ｓｉ
基板上で貫通エッチングを行う部分３０５の酸化膜を完
全に除去する。（ｈ）工程では、Ｓｉ貫通部のみ所定の
深さまでエッチングする。本実施の形態では、ここでの
エッチング深さとシリコン基板の厚み、ギャップ間隔、
エッチング総量から検出用梁の厚みが決定される。尚、
（ｆ）工程でエッチングされた部分３０４の酸化膜の厚
みは、この（ｈ）工程でＳｉをエッチングするときＳｉ
エッチング溶液によって完全に除去されないだけの十分
な厚みを持っているものとする。（ｉ）工程では、Ｓｉ
基板を薄くし段差をつけて残す部分３０４の酸化膜のみ
完全に除去する。これには（ｆ）工程で酸化膜に段差を
つけていることから、３０４部分の酸化膜が除去される
まで一様に酸化膜をエッチングすればよい。次の（ｊ）
工程では、検出用梁１０３が所望の厚さになるまでＳｉ
のエッチングを行う。そして最後に、（ｋ）工程で酸化
膜を全面除去する。こうして最終的にフレーム１０１，
振動体の錘１０２，錘を支える検出用梁１０３，振動体
全体を支える駆動用梁１０４が形成される。尚、本実施
の形態においては、錘の側面、検出用梁の側面、及び駆
動用梁の主面はＳｉ（１００）面上の＜１００＞方向に
形成され、且つＳｉのエッチング溶液としてＫＯＨ又は
ＴＭＡＨが選択されている。そのため、Ｓｉのエッチン
グ時にはシリコン基板のエッチング深さと同等量だけ側
面となる（１００）面がエッチングされることになる。
よってあらかじめ最終的なシリコンのエッチング量とシ
リコン基板の厚さ、所望の駆動用梁の厚さを勘案して酸
化膜のマスク形状を決定している。

【００２３】尚、本形態ではシリコン酸化膜（Ｓｉ
Ｏ₂ ）の段差エッチング技術を用いて振動体を構成した
が、Ｓｉエッチング時のマスクとして酸化膜と窒化膜
（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）を併用し更に細かな段差をつけた振動体
を形成することも可能である。この場合、窒化膜のエッ
チングにはリン酸（Ｈ₃ ＰＯ₄ ）を用いれば良い。

【００２４】次に、ガラスプロセスを説明する。上部ガ
ラス１１１，下部ガラス１２１はシリコンと熱膨張率が
非常に近いガラス（例えばパイレックス＃７７４０）で
あり、少なくともシリコン基板に接する面は鏡面研磨さ
れているものとし、本実施の形態では１ｍｍの厚さとす
る。ガラス基板上の電極としては、例えばＰｔ，Ｔｉの
二層を電子ビーム蒸着しても良いし、ＩＴＯの様な透明
電極をスパッタで形成しても良い。又、二種類以上の組
成の金属材料を場所により使い分けても何ら問題ない。

【００２５】ガラス基板上には各々三種類の電極を形成
する。本形態では、電極１１２，１２２が駆動用、１１
３，１２３が検出及び制御用、１１４，１２４がモニタ
用の電極となる。尚、駆動用電極とモニタ電極は、駆動
用梁と平行な錘１０２の端部上下のガラス面に各々対を
なして形成するが、検出及び制御用電極は錘の主面上に
独立して形成する。

【００２６】以上のプロセスにより、図２に示したシリ
コン基板１００と上部ガラス１１１，下部ガラス１２１
の各部品加工は終了する。次に、組立プロセスに移行す
る。

【００２７】まず、初めに上部ガラス１１１とシリコン
基板１００とを陽極接合し、その後上部ガラス１１１と
接合されたシリコン基板１００と下部ガラス１２１を陽
極接合し、振動体を形成する。陽極接合は、真空中でシ
リコンとガラスとも加熱（例えば３００〜４００℃）
し、ガラス側にシリコン基板を基準電位として３００〜
１，０００Ｖ程度の負電圧を印加することで行う。最後
に、接地基準となるシリコン基板とガラス電極上の電極
端子と外部信号処理回路を金線等で接続して配線を完了
する。こうして図１〜３に示すように錘１０２を駆動用
梁１０４，検出用梁１０３で保持した角速度センサを構
成する。以上が、組立プロセスである。

【００２８】以上のように構成された本実施の形態の角
速度センサについて、以下にその動作原理を簡単に説明
する。尚、説明の都合上、シリコン基板１００がｘｙ平
面内にあり、駆動用梁１０４がｙ軸方向に平行になるよ
う設置されているものとする。

【００２９】まず、各電極１１２，１１３，１１４，１
２２，１２３，１２４と錘１０２の両面との間は、二枚
の駆動電極１１２，１２２にシリコン基板を接地基準と
して絶対値の等しい電圧を印加する。二枚の電極面積が
等しく且つ図３に示すように錘１０２と電極１１２、１
２２間ので形成されるコンデンサの電極間隔、即ち距離
ｄ_o が等しいと仮定すれば、シリコン基板面に垂直なｚ
軸方向の力は相殺され零になるが、電極面に平行で検出
用梁１０３の接続された錘１０２の側面に垂直なｘ軸方
向の力が発生する。このときシリコン、ガラスと平行な
ｘ軸方向に発生する力をＦｄ、二枚の電極と錘が形成す
るコンデンサのエネルギーをＵｄ、総容量をＣｄ、電極
幅をｌｗ、印加電圧をＶｄとすれば、Ｆｄは次式

【数１】 と表される。但し、コンデンサの電極間隔ｄ₀ がガラス
間隔、すなわち二枚のガラス上に形成された電極相互の
間隔よりも十分小さいという近似を適用している。ここ
で式（１）より二枚の駆動電極で発生できるｘ軸方向の
静電気力Ｆｄの大きさは、駆動方向に垂直な電極幅ｌｗ
に比例し、且つコンデンサの電極間隔ｄ_oに反比例し、
印加電圧Ｖｄの二乗に比例することがわかる。

【００３０】錘の（ｘ軸方向の）駆動には上記のＦｄを
用いる。静的な錘１０２の変位量は、駆動用梁１０４の
ｘ軸方向のバネ定数ｋｄが決まればフックの法則により
Ｆｄ／ｋｄで求められる。この値は非常に小さな値とな
るが、駆動方向の振動周波数を振動体の共振周波数に一
致させることで動的にはＱファクター倍した変位量を得
ることができる。特に、本実施の形態のように単結晶シ
リコンで振動体を形成した場合には、内部損失が非常に
小さいため例えば１０，０００を越える様な大きなＱフ
ァクターを得ることが可能であり、結果として大きな振
動振幅（例えば１０μｍ程度）を得ることができる。

【００３１】次にこの角速度センサを他励発振回路で駆
動した場合の構成例について図６に示すブロック図を参
照しつつ説明する。本図において、モニタ用電極１１
４，１２４と錘１０２との間の静電容量をＣ−Ｖ変換部
１３１によって検出し、Ｃ−Ｖ変換出力を整流回路１３
２及び位相比較器１３３に与える。位相比較器１３３の
出力はフィルタ１３４，ＶＣＯ１３５を介して位相比較
器１３３に帰還する。ＶＣＯ１３５の出力は増幅器１３
６によって増幅され、増幅出力Ｖａｃが加算器１３７に
入力される。加算器１３７は直流電源１３８の電圧Ｖｄ
ｃと加算する。そして直流電源を重畳した脈流を駆動用
電極電力１１２，１２２の間に印加することによって角
速度センサの錘１０２を駆動する。検出及び制御用電極
１１３，１２３は容量検出部１３９に接続される。容量
検出部１３９は後述するように、錘１０２と電極１１３
との間及び錘１０２と電極１２３との間の静電容量の差
分値に基づいて全体の錘１０２のＺ方向への移動量を算
出するものである。

【００３２】ＶＣＯ１３５を用いて所望の振動周波数で
駆動するため、例えば駆動用電極１１２、１２２に所望
の共振周波数ωの交流電圧Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃを重
畳して印加することができる。この場合、（数１）より
Ｆｄ∝Ｖｄ² の関係が成立するが、

【数２】 となることから、Ｖｄｃ≫Ｖａｃの関係式が成立するよ
うに各値を設定することにより、印加電圧と同じ周波数
の駆動力を得ることができる。以上のように、駆動用電
極１１２、１２２に交流電圧Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃを
重畳して印加することで電極面に平行な方向の振動を励
起することが可能になる。

【００３３】このような振動体を角速度センサに用いる
場合には、最終的な角速度検出感度を一定とするため駆
動振幅を一定に保つ必要がある。モニタ用電極１１４、
１２４は、その駆動振幅検出用の電極である。駆動用電
極１１２、１２２に駆動電圧が印加され錘１０２がｘ軸
方向に駆動されれば、駆動用電極１１２、１２２と錘１
０２の重なり部分の面積（即ちモニタ用コンデンサの面
積）が振動に同期して変動する。この駆動振動に同期し
たコンデンサ容量の変化を検出し、容量変化のＡＣ成分
が一定になるように駆動電圧にフィードバックをかける
ことで、駆動振幅を一定に保つ。

【００３４】最終的な角速度の検出は、以下のように行
う。ｘ軸方向に励振された錘１０２がｙ軸回りに角速度
Ωで回転すれば、質量ｍの錘１０２には以下の式で示さ
れるコリオリ力（ベクトルＦｃ）が作用する。

【数３】 コリオリ力は回転体の角運動量保存則の表れと考えられ
るが、その大きさは式（３）にも示された通り錘の運動
速度ベクトルｖと角速度ベクトルΩの外積に比例したも
のとなる。即ち、回転軸がｙ軸の場合、コリオリ力Ｆｃ
はｚ軸方向に発生する。よって、シリコン振動体の錘１
０２と検出及び制御用電極１１３（又は１２３）で形成
するコンデンサのコリオリ力による容量変化を容量検出
部１３９により検出することで、角速度Ωは求められ
る。

【００３５】尚、振動体の実効質量ｍは比較的小さいた
め式（３）で示されるコリオリ力Ｆｃも静的には小さい
値となる。しかし、駆動振動（錘１０２のｘ軸方向の屈
曲振動）と検出振動（錘１０２のｚ軸方向の屈曲振動）
の共振周波数を十分近づければ、駆動振動における動的
Ｑファクターに加え検出振動においても動的効果を得ら
れるため十分な感度を保持することが可能になる。尚、
共振周波数を十分近づけるためには、有限要素法を用い
て振動体の共振周波数の計算機シミュレーション（モー
ダル解析）を行い各寸法を調整すれば良い。

【００３６】ところで、容量変化はＣ−Ｖ変換器１３１
で電圧変化（交流電圧）に変換して検出する。Ｃ−Ｖ変
換器としては、例えば前中他により論文（Silicon rate
sensor using anisotropic etching technology, Tran
sducers'93, p.642 〜p.645）にも示されている様に入
力インピーダンスの高いＪ−ＦＥＴをソースフォロワと
してセルフバイアス方式で用いれば良い。図７はこのＣ
−Ｖ変換器を構成する回路図である。又、電極１１３が
形成するコンデンサと電極１２３が形成するコンデンサ
の容量変化は位相が反転している。よって、Ｃ−Ｖ変換
した後で差動増幅することで全コンデンサの容量変化を
電圧変化として検出することができる。結局これらの手
法を用いることで、振動体に働くコリオリ力により発生
する錘の変位から角速度を検出することが可能になる。

【００３７】次にこの実施の形態による角速度センサの
駆動回路の他の例について説明する。図６に示した駆動
回路は他励発振による場合であるが、交流電圧Ｖａｃを
印加する代わりに一巡ループを形成し、自励発振を行わ
せることも可能である。一般に、バルクハウゼンの発振
条件（ループ利得が１且つループ一巡の位相変化が３６
０゜の整数倍）を満足したとき発振するから、直流電圧
Ｖｄｃだけを印加しループの利得と位相変化を調整すれ
ば、それだけで所望の振動モードで共振を励起すること
ができる。この場合も、例えば非線形抵抗としての機能
を乗算器等を用いて実現すれば駆動振幅を一定に保つこ
とができる。

【００３８】図８は自励発振回路による構成を示すブロ
ック図であり、前述した他励発振回路と同一部分は同一
符号を付して詳細な説明を省略する。図８においてはモ
ニタ電極１１４，１２４によって検出される静電容量は
Ｃ−Ｖ変換部１４１により電圧に変換し、増幅器１４２
で増幅する。そして増幅出力をローパスフィルタ等のフ
ィルタ回路を介して位相器１４４に与え、位相をシフト
した信号を加算器１３７に与える。その他の構成は前述
したものと同様である。この場合フィルタ及び位相器の
位相変化量を適宜設定しておくことによって、一定の周
波数で発振させることができ、同様の効果が得られる。

【００３９】尚、以上の説明では錘の動的変位量から角
速度を算出したが、サーボ技術を用いることで更に高感
度に角速度を検出することも可能である。サーボを適用
する場合には、錘に働くコリオリ力Ｆｃを打ち消す方向
に一部の検出及び制御電極１１３，１２３を用いて力Ｆ
ｓを加えれば良い。制御方式としては、例えばＰＷＭ方
式を用いても良いし、又その他の方式を用いてもかまわ
ない。こうしてコリオリカを打ち消すことができる駆動
レベルから、角速度を検出することができる。

【００４０】以上のように第１の実施の形態では、面方
位（１００）の単結晶シリコン基板を異方性エッチング
することによって、主面が基板面に垂直で断面形状が矩
形の板バネ状の駆動用梁１０４と、主面が基板面に平行
で断面形状が矩形の板バネ状の検出用梁１０３を同時に
形成でき、その二種類の梁を組み合わせた複合梁で錘を
支持する。駆動振動と入力回転軸、及び検出振動が全て
直交関係にある振動型角速度センサにおいて、駆動と検
出の両方に断面形状が矩形の板バネを適用できるため、
バネ定数等梁の機械的特性を正確に制御することがで
き、振動体の共振周波数の制御を精密に行うことが可能
になる。更に、結晶方位により正確に規定された面だけ
で構成された梁を用いるため機械的強度にも優れ、元々
内部損失が少ない単結晶材料から振動体が形成されるこ
とから高いＱ値（高い感度）をとることが可能である。
このようにアルカリエッチャントによる異方性エッチン
グという簡易な手法で感度の高さと精密な共振周波数の
制御が両立できるだけでなく、結果として小型で高精度
な角速度センサを形成することができる。

【００４１】尚、第１の実施の形態では、駆動用梁を
（１００）面の＜１００＞方向に形成したが、（１０
０）面の＜１１０＞方向に形成することも可能である。
図９はこのオーバーエッチングによる梁の過程を示す図
である。この場合ＳｉＯ₂ をマスクとしてシリコン基板
の両面からエッチングを行ったとき、図９（ａ）〜
（ｄ）に示すようにエッチングが進行するにつれて＜１
１０＞方向に沿って基板面と５４．７４゜の角度をなし
て２つの（１１１）面が表れる。そしてエッチングを進
めることにより、その頂点からオーバーエッチングが進
むため、これを利用して梁を形成することができる。

【００４２】更に本実施の形態では、シリコンの異方性
エッチング特性を用いて角速度センサの振動体を構成し
たが、これは例えばＳＦ₆ ガス中での反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）とアルカリエッチャントを用いた異方
性エッチングとを併用して形成してもかまわない。これ
により、異方性エッチング特有の不要面の発生量を抑え
ることができ、より小型のセンサを形成することが可能
になる。

【００４３】次に本発明の第２の実施の形態について説
明する。前述した第１の実施の形態では駆動方向に垂直
な錘の端部上下に電極１１２，１２２を配置し、その電
極に電圧を印加することで基板面に平行な方向の駆動力
を得た。しかし、（数１）より二枚の平行平板電極でシ
リコン振動体を基板と平行に駆動する場合には、駆動力
は駆動方向に垂直な電極幅に比例し電極面積には相関し
ない。よって、実効的な駆動力を増強するため、図１０
に示すように錘１０２に駆動方向に垂直に複数の凹型の
溝１５１を形成し、その溝端部を用いて駆動力を得ても
良い。この場合には図１１に電極との関係を示すよう
に、駆動用電極は凹形溝１５１のエッジを夫々の長手方
向の中心線と一致させたくし状の電極１１２ａ，１２２
ａとする。又モニタ用電極についても凹形溝１５１のエ
ッジを夫々の長手方向の中心線と一致させたくし状の電
極１１４ａ，１２４ａとする。こうすれば実効的な駆動
力Ｆｄを大きくすることができる。

【００４４】次に本発明の第３の実施の形態について説
明する。第２の実施の形態と同じく実効的な駆動力を大
きくするために、図１２に示すように錘１０２に駆動方
向と４５°傾いたＶ字形の溝１６１を多数形成するよう
にしてもよい。この場合にも図１３に電極との関係を示
すように、駆動用電極は夫々の長手方向の中心線をＶ字
形溝１６１の端部に一致させるように、多数の枝部を有
するように形成した電極１１２ｂ，１２２ｂとする。又
モニタ用電極についても夫々の長手方向の中心線をＶ字
形溝１６１の端部とを一致させた枝部を有する電極１１
４ｂ，１２４ｂとする。こうすれば実効的な駆動力を増
強することができる。

【００４５】次に本発明の第４の実施の形態について説
明する。前述した実施の形態において用いているよう
に、ＫＯＨ・ＴＭＡＨをエッチャントとした場合には、
縦方向の（１００）面のエッチング量と同量だけ横方向
の（１００）面がエッチングされるという（１００）面
の異方性エッチング特性がある。この特性を用いること
により、シリコン基板に水平な主面を有する検出用梁
は、シリコン単結晶基板に垂直な面内で屈曲部として形
成することが可能である。図１４はこの検出用梁、図１
５はのＢ−Ｂ′線断面図を示すものであり、振動体に平
行な（１００）面から成る平板状の第１の部位１０３
ｃ、振動体に垂直な（１００）面から成る平板状の第２
の部位１０３ｄによって屈曲部を構成する。この屈曲部
による梁は、シリコン基板に水平な面内での屈曲構造と
は異なり、屈曲部に（１１１）面等の不要な面を発生し
ないため、シリコン基板の厚み程度の繰り返し周期で純
粋な屈曲構造を形成できる。このため、より柔らかな梁
を形成しやすくなり、同じ共振周波数のセンサを形成す
るにも相対的に厚い梁で形成できることになり、より共
振周波数を正確に制御しながら小型の角速度センサを形
成することが可能になる。

【００４６】次に、本発明の第５の実施の形態について
説明する。尚、第５の実施の形態の目的は、歪みの少な
い振動体を形成することにより単結晶が本来有する優れ
た機械的特性を減じることなく小型高精度な振動式角速
度センサを提供することにある。

【００４７】センサの基本的構成は、図１に示す第１の
実施の形態とほぼ同じであり、シリコン基板の構成は全
く同一である。しかしガラスを電極形成基板材料として
選択した場合、熱膨張率が近いとはいえ、室温から接合
温度全域にわたって一致しているわけではない。更に、
陽極接合を用いる場合には、接合時に高電圧印加による
振動体への静電気力の影響という問題があり、特に比較
的柔らかいバネ定数の梁で振動体を支えることが多い半
導体式角速度センサでは錘が歪んだ状態で接合が進捗す
る。このため、接合完了後にも歪みの影響が残り、本来
シリコン基板が内包している優れた機械的特性を十分に
は発揮できない場合もあった。本実施の形態では、電極
が形成されシリコン振動体を保持する保持部材として、
シリコンと熱膨張率が非常に近いガラスに代えて不純物
の殆ど含まれない真性半導体又は不純物濃度の低い半導
体を採用する。真性半導体の導電率は非常に低く、絶縁
体と考えても問題はない。又熱膨張率はガラスと比べれ
ば振動体を構成するｎ⁺ シリコン基板と格段に近く、殆
ど一致していると考えて問題ない。尚、電極の形成方法
は、第一の実施の形態と同様である。

【００４８】組立プロセスでは、第１〜第４の実施の形
態では陽極接合を用いたが、本実施の形態に於いてはシ
リコン基板同士の直接接合で形成する。直接接合とは、
鏡面に研磨したシリコン面を十分に洗浄し、乾燥させた
上で面同士を接着させ、数１００から１，０００℃中に
放置して接合する技術である。その他の組立プロセス、
動作原理も全て第一の実施の形態と同様である。

【００４９】以上のように第５の実施の形態では、電極
形成基板材料に真性半導体を採用し、且つ陽極接合では
なく直接接合を用いて振動体を形成する。保持部材とし
て真性半導体を採用することで、材料の差による微小な
歪みの影響を考える必要性はなくなる。しかし静電気力
の心配のない直接接合を用いることで、接合に起因する
歪みの問題を完全に回避できる。結果として、シリコン
振動体が有する内部損失の少なさを十分に活かすことが
できるため、温度変化特性の良い小型の角速度センサを
形成することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、元々内部損失が少ない単結晶材料を用いて振動体を
形成するため、高いＱ値を得ることができる。又、駆動
及び検出振動の共振周波数を決定する梁の形状を簡便な
手法で正確に制御することができるため、共振周波数の
制御性が向上する。従って２つの共振周波数を十分近づ
けることにより、動的効果が得易くなる。

【００５１】又、請求項７の角速度センサによれば、直
接接合を用いているため、一般的な陽極接合を用いる場
合とは異なり、柔らかな梁で支持されている錘に力を印
加することなく接合できる。更に、熱膨張係数の異なる
シリコン−ガラスではなく同じシリコン−シリコンでセ
ンサ構造を形成するため、微小な歪みなしにセンサを形
成することができ、センサ精度確保に重要な温度変化に
対する特性を向上させた小型の角速度センサを形成する
ことが可能になる。

【００５２】又、真性半導体や直接接合を用いることで
歪みの少ない振動体を形成することができ、本来半導体
単結晶が有する高いＱ値を損なうことなくセンサを構成
することができ、結果としてセンサの小型化が図れる。
よって、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による角速度センサ
のシリコン基板の平面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態による角速度センサ
の概略構成を示す平面図である。

【図３】この実施の形態の角速度センサの主要部の断面
図である。

【図４】この実施の形態による角速度センサのシリコン
加工のプロセスチャート（その１）の一部である。

【図５】この実施の形態による角速度センサのシリコン
加工のプロセスチャート（その２）の一部である。

【図６】この実施の形態による角速度センサを他励発振
回路で駆動した場合のブロック図である。

【図７】Ｃ−Ｖ変換器の一例を示す回路図である。

【図８】この実施の形態による角速度センサを自励発振
回路で駆動したときのブロック図である。

【図９】駆動用梁をオーバーエッチングにより形成する
場合のシリコン加工のプロセスチャートである。

【図１０】本発明の第２の実施の形態による角速度セン
サのシリコン基板の平面図である。

【図１１】本発明の第２の実施の形態による角速度セン
サの振動体と電極との関係を示す図である。

【図１２】本発明の第３の実施の形態による角速度セン
サのシリコン基板の平面図である。

【図１３】本発明の第３の実施の形態による角速度セン
サの振動体と電極との関係を示す図である。

【図１４】本発明の第４の実施の形態による角速度セン
サのシリコン基板の平面図である。

【図１５】本発明の第４の実施の形態による角速度セン
サのシリコン基板の断面図である。

【図１６】従来の音叉形振動ジャイロの振動体の概略構
成図である。

【符号の説明】

１００ シリコン基板 １０１ フレーム １０２ 錘 １０３ａ，１０３ｂ 検出用梁 １０３ｃ 第１の部位 １０３ｄ 第２の部位 １０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ 駆動用梁 １１１ 上部ガラス １２１ 下部ガラス １１２，１１２ａ，１１２ｂ，１２２，１２２ａ，１２
２ｂ 駆動電極 １１３，１２３ 検出及び制御用電極 １１４，１１４ａ，１１４ｂ，１２４，１２４ａ，１２
４ｂ モニタ用電極 １５１ 凹形溝 １６１ Ｖ字形溝 ４０１，４０２ 検出用素子 ４０３，４０４ 励振用素子

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面方位（１００）のシリコン単結晶基板
   より形成された振動体と、前記振動体を上下面より挟み
   込んで保持する一対の保持板とを有し、 前記振動体は振動部である錘と前記錘を弾性的に支持す
   る梁を有するものであり、 前記梁は前記錘よりも薄く断面形状が矩形で且つ側面が
   （１００）面で構成され＜１００＞方向に平行に形成さ
   れた領域を有し、結晶異方性エッチングを用いて形成さ
   れることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の角速度センサの製造方法
   であって、 前記梁は、 前記シリコン単結晶基板の表面に平行な主面である（１
   ００）面の結晶異方性エッチングによりその上下面を形
   成し、 前記主面に垂直且つ＜１００＞方向に平行な（１００）
   面からなる側壁のエッチングにより前記梁の側面を形成
   することを特徴とする角速度センサの製造方法。
3. 【請求項３】 面方位（１００）のシリコン単結晶基板
   より形成された振動体と、前記振動体を上下面より挟み
   込んで保持する一対の保持板とを有し、 前記振動体は振動部である錘と、少なくとも二本の梁の
   組み合わせて前記錘を弾性的に支持する梁を有するもの
   であり、 前記二本の梁は各々直交する主面を有し、結晶異方性エ
   ッチングにより形成されることを特徴とする角速度セン
   サ。
4. 【請求項４】 振動体は、面方位（１００）のシリコン
   単結晶基板であって、梁は＜１００＞方向に平行に形成
   され且つ主面が直交する（１００）面からなることを特
   徴とする請求項３記載の角速度センサ。
5. 【請求項５】 前記振動体は導電性材料で構成されたも
   のであり、 前記一対の保持板は、前記振動体の錘の中央部に対向す
   る位置に検出用電極が形成され、 前記錘のエッジ部に駆動用電極及びモニタ電極が夫々形
   成され、 各電極を前記錘から所定微小間隔隔てて挟み込んで前記
   振動体を保持するものであることを特徴とする請求項３
   又は４記載の角速度センサ。
6. 【請求項６】 前記振動体は、第１の単結晶シリコン基
   板から形成されたものであり、 前記一対の保持板は、 第２の真性半導体もしくは不純物濃度の低い半導体から
   なる単結晶シリコン基板から構成され、その基板上に前
   記検出用電極、駆動用電極及びモニタ用電極が形成さ
   れ、各電極は前記振動体の錘に対向するように前記振動
   体と一対の保持板とが接合されていることを特徴とする
   請求項５記載の角速度センサ。
7. 【請求項７】 前記一対の保持板は、前記振動体と直接
   接合されていることを特徴とする請求項６記載の角速度
   センサ。
8. 【請求項８】 面方位（１００）のシリコン単結晶基板
   より形成された振動体と、前記振動体を上下面より挟み
   込んで保持する一対の保持板とを有し、 前記振動体は振動部である錘と前記錘を弾性的に支持す
   る梁を有するものであり、 前記梁は＜１００＞方向に形成され且つ前記振動体に垂
   直な面内で屈曲部を有することを特徴とする角速度セン
   サ。
9. 【請求項９】 前記梁は、主面が前記振動体に平行な
   （１００）面からなる平板状の第１の部位と、 主面が前記シリコン単結晶基板に垂直な（１００）面か
   らなる平板状の第２の部位と、の組合せで構成されるこ
   とを特徴とする請求項８記載の角速度センサ。