KR20070015010A - 각속도 센서 - Google Patents

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KR20070015010A
KR20070015010A KR1020060070533A KR20060070533A KR20070015010A KR 20070015010 A KR20070015010 A KR 20070015010A KR 1020060070533 A KR1020060070533 A KR 1020060070533A KR 20060070533 A KR20060070533 A KR 20060070533A KR 20070015010 A KR20070015010 A KR 20070015010A
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gimbal
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angular velocity
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히로시 이시까와
사또시 사노
다까시 가쯔끼
유우지 다까하시
후미히꼬 나까자와
다까유끼 야마지
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후지쓰 메디아 데바이스 가부시키가이샤
후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 검출 감도를 향상시키는 것이 가능한 각속도 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은 제1 짐벌부(10)와, 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 토션 바아(12)에 의해 제1 짐벌부와 접속하는 제2 짐벌부(20)와, 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 토션 바아(22)에 의해 제2 짐벌부와 접속하는 프레임부(30)와, 제1 짐벌부와 제2 짐벌부를 정전 결합한 제1 정전 결합부(14)와, 제2 짐벌부와 상기 프레임부를 정전 결합한 제2 정전 결합부(24)를 갖고, 제1 또는 제2 짐벌부의 제1 또는 제2의 토션 바아의 방향의 최대폭이 제1 또는 제2 토션 바아가 설치된 제1 또는 제2 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 각속도 센서이다.
짐벌부, 토션 바아, 정전 결합부, 프레임부, 반도체층

Description

각속도 센서 {ANGULAR VELOCITY SENSOR}
도1은 종래예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면.
도2는 2중 짐벌형 각속도 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도3는 제1 실시예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면.
도4는 제2 실시예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면.
도5는 제3 실시예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면.
도6은 평행 평판 전극 및 빗살무늬 전극의 구동, 검출의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 도6의 (a)는 평행 평판 전극의 모식도, 도6의 (b) 및 도6의 (c)는 빗살형 전극의 모식도.
도7은 제2 실시예에 관한 각속도 센서의 단면 모식도로, 도7의 (a)는 구동 짐벌부의 단면 모식도, 도7의 (b)는 검출 짐벌부의 단면 모식도.
도8의 (a) 내지 도8의 (e)는 제3 실시예에 관한 각속도 센서의 제조 공정을 도시하는 제1 단면도.
도9의 (a) 내지 도9의 (d)는 제3 실시예에 관한 각속도 센서의 제조 공정을 도시하는 제2 단면도.
도10의 (a) 내지 도10의 (d)는 제3 실시예에 관한 각속도 센서의 제조 공정을 도시하는 제3 단면도.
도11의 (a)는 제4 실시예에 관한 각속도 센서도이고, 도11의 (b)는 홈(40)의 단면도.
도12는 제4 실시예에 관한 각속도 센서의 각 단자의 접속을 도시하는 도면.
도13은 제5 실시예에 관한 각속도 센서의 단면 모식도로, 도13의 (a)는 구동 짐벌부의 단면 모식도이고, 도13의 (b)는 검출 짐벌부의 단면 모식도.
도14는 제6 실시예에 관한 각속도 센서의 단면 모식도로, 도14의 (a)는 구동 짐벌부의 단면 모식도이고, 도14의 (b)는 검출 짐벌부의 단면 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제1 짐벌부
12 : 제1 토션 바아
14 : 빗살무늬 전극(제1 정전 결합부)
14a : 검출 전극
14b, 24b : 보정 전극
16 : 평행 평판 전극(제1 정전 결합부)
20 : 제2 짐벌부
22 : 제2 토션 바아
24 : 빗살무늬 전극(제2 정전 결합부)
24a : 구동 전극
26 : 평행 평판 전극
40 : 홈
50 : 상부 반도체층
52 : 절연층
54 : 베이스 반도체층
[문헌 1] 일본 특허 공고 평7-3337호 공보
본 발명은 각속도 센서에 관한 것으로, 특히 2중 짐벌(gimbal) 구조를 갖는 각속도 센서에 관한 것이다.
물체에 가해지는 회전각 속도를 검출하기 위해 이용되는 각속도 센서는, 비디오 카메라의 손 떨림 검지, 카 네비게이션, 사이드 에어백 개방 타이밍용 롤각 검지, 차나 로봇의 자세 제어용으로서 사용되고 있다. 특허 문헌 1에는, 코리올리힘을 이용한 진동형으로 2중 짐벌 구조를 가진 각속도 센서가 개시되어 있다.
도1은 이 종래예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면이다. 도1을 참조로, 4방형의 제1 짐벌부(10)는 서로 마주보는 1세트의 측면에 제1 토션 바아(12)에 의해 제2 짐벌부(20)에 기계적으로 접속하고 있다. 또한, 다른 1세트의 서로 마주보는 측면에 각각 1쌍의 평행 평판 전극(16)을 갖는다. 각 1쌍의 평행 평판 전극(16)은 한쪽이 제1 짐벌부(10), 다른 한쪽이 제2 짐벌부(20)에 고정된다. 제2 짐벌부(20)는 서로 마주보는 1세트의 외측의 측면에 제2 토션 바아(22)에 의해 프레임부(30)에 기계적으로 접속하고 있다. 또한, 다른 1세트의 서로 마주보는 외측의 측면에 각각 1쌍의 평행 평판 전극(26)을 갖는다. 각 1쌍의 평행 평판 전극(26)은 한쪽이 제2 짐벌부(20), 다른 한쪽이 프레임부(30)에 고정된다. 이와 같이, 토션 바아는 짐벌부를 보유 지지하는 부재이다.
도2를 이용하여 이 각속도 센서의 동작 원리를 설명한다. 도2는 제1 짐벌부(10), 제2 짐벌부(20), 제1 토션 바아(12), 제2 토션 바아(22)만 기재하고 있다. 제1 토션 바아(12)의 방향을 x축, 제2 토션 바아(22)의 방향을 y축, 짐벌 구조에 수직 방향을 z축으로 하고 있다. 또한, 도1에서는 토션 바아는 1개였지만 도2에서는 2개로 기재하고 있다. 평행 평판형 전극(26)에 번갈아 전압을 인가함으로써, 제1 짐벌부(10) 및 제2 짐벌부(20)를 y축을 중심으로 요동(진동)시킨다. 이 때, 제2 짐벌부(20)를 구동 짐벌부라 한다. 이 때의 구동 변위 각도는 θy이다. 이 상태에서, z축을 중심으로 회전각 속도(Ωz)가 가해지면 y축에 직교 방향으로 코리올리힘이 발생하여, y축과 직교하는 x축을 중심으로 요동하려고 한다. 그러나, 제2 짐벌부(20)는 요동할 수 없으므로 제1 짐벌부(10)만이 x축을 중심으로 요동한다. 이 때, 제1 짐벌부(10)를 검출 짐벌부라 한다. 그리고, 검출 변위각(θx)을 평행 평판 전극(16)의 전위 변화에 의해 검출한다. 이와 같이 하여, 각속도의 검출을 행한다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공고 평7-3337호 공보
각속도 센서에 있어서는, 검출 감도를 향상시키는 것이 요구되고 있다. 본 발명은 검출 감도를 향상시키는 것이 가능한 각속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 제1 짐벌부와, 상기 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 토션 바아에 의해 상기 제1 짐벌부와 접속하는 제2 짐벌부와, 상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 토션 바아에 의해 상기 제2 짐벌부와 접속하는 프레임부와, 상기 제1 짐벌부와 상기 제2 짐벌부를 정전(靜電) 결합하고, 상기 제1 짐벌부의 서로 대향하는 측면에 설치된 제1 정전 결합부와, 상기 제2 짐벌부와 상기 프레임부를 정전 결합하고, 상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 정전 결합부를 구비하고, 상기 제1 짐벌부의 제1 토션 바아의 방향의 최대폭이 상기 제1 토션 바아가 설치된 상기 제1 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 각속도 센서이다. 본 발명에 따르면, 제1 짐벌부의 질량을 증가시켜 각속도의 검지 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 제1 짐벌부와, 상기 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 토션 바아에 의해 상기 제1 짐벌부와 접속하는 제2 짐벌부와, 상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 토션 바아에 의해 상기 제2 짐벌부와 접속하는 프레임부와, 상기 제1 짐벌부와 상기 제2 짐벌부를 정전 결합하고, 상기 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 정전 결합부와, 상기 제2 짐벌부와 상기 프레임부를 정전 결합하고, 상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 정전 결합부를 구비하고, 상기 제2 짐벌부의 제2 토션 바아의 방향의 최대폭이 상기 제2 토션 바아가 설치된 상기 제2 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 각속도 센서이다. 본 발명에 따르면, 제2 짐벌부의 질량을 증가시켜 각속도의 검지 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 제1 정전 결합부의 상기 제1 토션 바아의 방향의 폭이, 상기 제1 토션 바아가 설치된 상기 제1 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 각속도 센서로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 소비 전력 삭감 또는 각속도의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 제2 정전 결합부의 상기 제2 토션 바아의 방향의 폭이, 상기 제2 토션 바아가 설치된 상기 제2 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 청구항 2에 기재된 각속도 센서로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 소비 전력 삭감 또는 각속도의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 제1 정전 결합부 및 상기 제2 정전 결합부 중 대응한 상기 제1 짐벌부 또는 상기 제2 짐벌부를 구동시키는 한쪽은 빗살무늬 전극인 것을 특징으로 하는 각속도 센서로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 보다 각속도의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은, 상기 제1 정전 결합부 및 상기 제2 정전 결합부는 빗살무늬 전극 및 평행 평판 전극 중 어느 한쪽인 것을 특징으로 하는 각속도 센서로 할 수 있다.
본 발명은 상기 제1 정전 결합부 및 상기 제2 정전 결합부 중 적어도 한쪽에 보정 전극을 갖고, 상기 보정 전극은 대응하는 상기 제1 짐벌부 또는 상기 제2 짐 벌부의 정전 용량의 변화 모니터 및 대응하는 상기 제1 짐벌부 또는 상기 제2 짐벌부의 구동 언밸런스의 보정 중 적어도 한쪽을 행하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 짐벌부가 밸런스 좋게 요동하고 있는지 모니터할 수 있다. 또는, 짐벌부의 요동의 언밸런스를 보정할 수 있다.
본 발명은, 상기 보정 전극은 빗살무늬 구조를 갖는 전극 및 평행 평판 구조를 갖는 전극 중 어느 한쪽인 것을 특징으로 하는 각속도 센서로 할 수 있다.
본 발명은 상기 제1 짐벌부, 상기 제2 짐벌부 및 상기 프레임부는 베이스 반도체층, 절연층 및 상부 반도체층을 갖고, 상기 제1 토션 바아 및 상기 제2 토션 바아의 적어도 한쪽의 두께는 상기 상부 반도체층의 두께와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 각속도 센서로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 짐벌부의 구동 주파수의 계산치로부터의 오차를 작게 할 수 있다.
본 발명은 상기 제1 짐벌부, 상기 제2 짐벌부 및 상기 프레임부는 베이스 반도체층, 절연층 및 상부 반도체층을 갖고, 상기 빗살무늬 전극은 상기 상부 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 각속도 센서로 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 각속도의 감도를 보다 향상시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
<제1 실시예>
도3은 제1 실시예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면이다. 도3을 참조로, H자 형상의 제1 짐벌부(10)는 서로 마주보는 1세트의 측면의 오목부에 제1 토션 바아(12)에 의해 제2 짐벌부(20)에 기계적으로 접속되어 있다. 즉, 제2 짐벌 부(20)는 제1 짐벌부(10)의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 토션 바아(12)에 의해 제1 짐벌부(10)와 기계적으로 접속되어, 제1 짐벌부(10)를 둘러싸고 있다. 또한, 다른 한쪽의 1세트의 서로 마주보는 측면에 빗살무늬 전극(14)을 갖는다. 각 빗살무늬 전극(14)은 한쪽의 전극군이 제1 짐벌부(10)에, 다른 한쪽의 전극군이 제2 짐벌부(20)에 고정된다. 빗살무늬 전극(14)(제1 정전 결합부)은 제1 짐벌부(10)와 제2 짐벌부(20)를 정전 결합하고, 제1 짐벌부(10)의 서로 마주보는 측면에 설치되어 있다.
H자 형상의 제2 짐벌부(20)는 서로 마주보는 1세트의 측면의 오목부에 제2 토션 바아(22)에 의해 프레임부(30)에 기계적으로 접속되어 있다. 즉, 프레임부(30)는 제2 짐벌부(20)의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 토션 바아(22)에 의해 제2 짐벌부(20)와 기계적으로 접속되어, 제2 짐벌부(20)를 둘러싸고 있다. 또한, 다른 1세트의 서로 마주보는 측면에 빗살무늬 전극(24)을 갖는다. 각 빗살무늬 전극(24)은 한쪽의 전극군이 제2 짐벌부(20)에, 다른 한쪽의 전극군이 프레임부(30)에 고정된다. 즉, 빗살무늬 전극(24)(제2 정전 결합부)은 제2 짐벌부(20)와 프레임부(30)를 정전 결합하고, 제2 짐벌부(20)의 서로 마주보는 측면에 설치되어 있다. 또한, 1세트의 제1 토션 바아(12)의 방향과 제2 토션 바아(22)의 방향은 대략 직교하고 있다.
<제2 실시예>
도4는 제2 실시예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면이다. 제1 실시예의 빗살무늬 전극(14)이 평행 평판 전극(16)으로 치환되어 있다. 그 밖의 구 성은 제1 실시예와 동일한 구성이며 설명을 생략한다.
<제3 실시예>
도5는 제3 실시예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면이다. 제1 실시예의 빗살무늬 전극(24)이 평행 평판 전극(26)으로 치환되어 있다. 그 밖의 구성은 제1 실시예와 동일한 구성이며 설명을 생략한다.
도6의 (a) 및 도7의 (b)를 이용하여, 제1 실시예 내지 제3 실시예의 평행 평판 전극, 빗살무늬 전극을 이용하여 짐벌부를 요동시키는 원리, 또한 짐벌부의 요동을 검출하는 원리를 설명한다. 도6의 (a)는 평행 평판 전극(32, 34)의 모식도이다. 전극(34)은 고정되고(즉, 고정 전극), 전극(32)은 요동하는 전극(즉, 가동 전극)이다. 전극(32)과 전극(34) 사이에 각각 플러스와 마이너스 전압을 인가하면, 전극(32)과 전극(34)은 도면의 2점 쇄선과 같이 근접한다. 전극(32)과 전극(34) 사이에 같은 극의 전압을 인가하면 전극(32)과 전극(34)은 이격된다.
도7의 (b)는 제2 실시예의 평행 평판 전극(16)을 이용하여, 예를 들어 제1 짐벌부(10)를 구동 짐벌부로 한 경우를 설명하는 단면 모식도이다. 실제로는 제2 짐벌부(20)에 비해 제1 짐벌부(10)는 작지만, 도7의 (a)와 도7의 (b)에서는 횡방향의 축척을 바꾸어, 대략 동일한 크기로서 기재하고 있다. 평행 평판 전극(16)의 상부 전극(15a)은 이후에 설명하는 상부 반도체층(50)으로 이루어지고, 하부 전극(15b)은 베이스 반도체층(54)으로 이루어진다. 제1 짐벌부(10)는 상부 반도체층(50), 절연막층(52) 및 베이스 반도체층(54)으로 이루어진다. 상부 전극(15a)은 제1 짐벌부(10)에 고정되고, 하부 전극(15b)은 제2 짐벌부(20)에 고정된다. 제1 짐벌부(10)는 토션 바아(12)에 의해 제2 짐벌부(20)에 접속되어 보유 지지되어 있다. 예를 들어, 제1 짐벌부(10)의 양측의 평행 평판 전극(16)에 번갈아 전압을 인가함으로써, 제1 짐벌부(10)를 도면 중 2점 쇄선과 같이 요동시킬 수 있다. 인가하는 전압은 극이 바뀌지 않아도 전압을 번갈아 변동시키면 제1 짐벌부(10)를 요동시킬 수 있다.
다음에, 도6의 (a)의 전극(32)이 요동하면, 전극(32)과 전극(34)은 이격되거나 근접하거나 한다. 이에 의해, 전극(32)과 전극(34) 사이의 정전 용량이 변화된다. 이것을 검지함으로써, 요동의 크기를 검출할 수 있다. 예를 들어, 도7의 (b)를 이용하여 제2 실시예의 평행 평판 전극(16)을 이용하여, 제1 짐벌부(10)의 요동을 검출하는 경우를 설명한다. 제1 짐벌부(10)가 요동하면 평행 평판 전극(16)의 상부 전극(15a)과 하부 전극(15b)의 거리가 도면 중 좌측의 전극쌍과 우측의 전극쌍에 의해 번갈아 바뀐다. 이로 인해, 평행 평판 전극(16)의 정전 용량이 번갈아 변화된다. 이것을 차동 검출함으로써, 제1 짐벌부(10)를 요동[변위 각도(θx)]을 검출할 수 있다.
도6의 (b)는 빗살무늬 전극(36, 38)을 측면으로부터 본 모식도이고, 도6의 (c)는 비스듬히 본 모식도이다. 전극(38)은 고정 전극, 전극(36)은 가동 전극이다. 전극(36)과 전극(38) 사이에 각각 플러스와 마이너스 전압을 인가하면, 전극(36)과 전극(38)은 도6의 (b)의 2점 쇄선, 도6의 (c)의 화살표와 같이 전극끼리 근접한다. 전극(36)과 전극(38) 사이에 같은 극의 전압을 인가하면, 전극(36)과 전극(34)은 이격된다. 도7의 (a)는 제1 실시예 또는 제2 실시예의 빗살형 전 극(24)을 이용하여, 예를 들어 제2 짐벌부(20)를 요동시키는 경우를 설명하는 단면 모식도이다. 빗살무늬 전극(24)은 제2 짐벌부(20)에 고정된 전극(25a)과 프레임부(30)에 고정된 전극(25b)으로 이루어진다. 전극(25a)은 상부 반도체층(50)으로 이루어지고, 전극(25b)은 베이스 반도체층(54)으로 이루어진다. 제2 짐벌부(20)는 상부 반도체층(50), 절연막층(52) 및 베이스 반도체층(54)으로 이루어지지만, 여기서는 상부 반도체층(50)만 기재하고 있다. 제2 짐벌부(20)는 제2 토션 바아(22)에 의해 프레임부(30)에 접속하고 보유 지지되어 있다. 예를 들어, 제2 짐벌부(20)의 양측의 빗살무늬 전극(24)에 번갈아 전압을 인가함으로써, 제2 짐벌부(20)를 도면 중 2점 쇄선과 같이 요동시킬 수 있다. 인가하는 전압은 극이 바뀌지 않아도, 전압을 번갈아 변동시키면 제2 짐벌부(20)를 요동시킬 수 있다.
다음에, 도6의 (b) 및 도6의 (c)의 전극(36)이 요동하면, 전극(36)과 전극(38)은 이격되거나 근접하거나 한다. 이에 의해 전극(36)과 전극(38) 사이의 정전 용량이 변화된다. 이것을 검지함으로써, 요동의 크기를 검출할 수 있다. 예를 들어, 도7의 (a)를 이용하여 제1 실시예 또는 제2 실시예의 빗살무늬 전극(24)을 이용하여, 제2 짐벌부(20)의 요동을 검출하는 경우를 설명한다. 제2 짐벌부(20)가 요동하면, 빗살무늬 전극(24)의 전극(25a)과 전극(25b)이 포개지거나 이격되거나 하여, 도면 중 좌측의 전극쌍과 우측의 전극쌍에 의해 번갈아 바뀐다. 이로 인해, 빗살무늬 전극(24)의 정전 용량이 번갈아 변화된다. 이것을 차동 검출함으로써, 제2 짐벌부(20)를 요동[변위 각도(θx)]을 검출할 수 있다.
이상과 같이, 평행 평판 전극 또는 빗살무늬 전극을 이용함으로써 짐벌 부(10, 20)의 요동을 행할 수 있고, 요동을 검출할 수 있다.
제1 실시예 내지 제3 실시예에 관한 각속도 센서는, 제1 짐벌부(10)가 H자 형상을 하고 있고, 제1 짐벌부(10)의 1세트의 제1 토션 바아(12)의 방향의 최대폭이 1세트의 제1 토션 바아(12)가 설치된 제1 짐벌부(10)의 측면 사이의 폭보다 넓다. 또한, 제2 짐벌부(20)가 H자 형상을 하고 있고, 제2 짐벌부(20)의 1세트의 제2 토션 바아(22)의 방향의 최대폭이 1세트의 제2 토션 바아(22)가 설치된 제2 짐벌부(20)의 측면 사이의 폭보다 넓다. 이에 의해, 각속도의 검지 감도를 향상시킬 수 있다.
이하 그 원리에 대해 설명한다. 도2를 참조로, 검출 변위 각도(θx)는 수 (1)로 나타낸다. 여기서, Ix, Iy, Iz는 코리올리힘에 의해 요동하는 검출 짐벌부의 관성 모멘트, Q는 검출 짐벌부의 공진 첨예도이다. ω는 검출 짐벌부의 공진 주파수, Ωz는 각속도이다. 각속도(Ωz)가 일정한 경우, 감도를 높이기 위해서는 관성 모멘트(Iy)를 크게 하거나, 공진 주파수를 작게 하는 것이 바람직하다. 제1 실시예 내지 제3 실시예에서는, 짐벌부를 H자 형상으로 함으로써 짐벌부의 폭이 층화된 만큼 질량이 증가한다. 그러면, 관성 모멘트(Iy)를 크게 할 수 있다. 또한, 공진 주파수를 작게 할 수 있다. 따라서, 검출 변위각(θx)이 커져 각속도의 검지 감도를 향상시킬 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112006053994134-PAT00001
제2 짐벌부(20)를 구동 짐벌부, 제1 짐벌부(10)를 검출 짐벌부로 한 경우, 제1 짐벌부(10)를 H자 형상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 제1 짐벌부(10)를 구동 짐벌부, 제2 짐벌부(20)를 검출 짐벌부로 한 경우, 제2 짐벌부(20)를 H자 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 각속도의 검출 감도의 관점으로부터는 제2 짐벌부(20)를 구동 짐벌부, 제1 짐벌부(10)를 검출 짐벌부로 한 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, H자 형상을 갖는 짐벌부는 제1 짐벌부(10) 및 제2 짐벌부(20) 중 어느 한쪽이라도 좋다.
제1 실시예 내지 제3 실시예와 같이, 정전 결합부는 평행 평판 전극 또는 빗살무늬 전극으로 할 수 있다. 코리올리힘(Fc)과 각속도(Ωz)의 관계는 Fc = - 2 mVΩz가 된다. 여기서, m은 질점 질량, V는 요동하는 구동 짐벌부의 요동 속도이다. 이로부터, 질량이 동일하면 구동 짐벌부의 요동 속도가 큰 쪽이 같은 각속도에 대해 큰 코리올리힘이 발생되어, 검출 짐벌부가 크게 요동한다. 따라서, 검출 감도가 상승한다. 구동 짐벌부의 요동 속도를 크게 하기 위해서는, 요동 각도를 크게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 평행 평판 전극에 있어서는 요동 진폭은 평행 평판 전극간 거리의 1/3로 제약된다. 요동 진폭이 평행 평판 전극간 거리의 1/3보다 커지면, 가동 전극이 고정 전극에 부착되어 버리기 때문이다. 이것을 회피하기 위해, 구동 짐벌부를 구동시키는 제1 정전 결합부 또는 제2 정전 결합부는 빗살무늬 전극인 것이 바람직하다. 이에 의해, 보다 각속도의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
이로부터, 제2 실시예에서는 제1 짐벌부(10)는 검출 짐벌부, 제2 짐벌부(20) 는 구동 짐벌부인 것이 바람직하고, 제3 실시예에서는 제1 짐벌부(10)가 구동 짐벌부, 제2 짐벌부(20)가 검출 짐벌부인 것이 바람직하다. 즉, 제1 정전 결합부 및 제2 정전 결합부 중 대응한 제1 짐벌부(10) 또는 제2 짐벌부(20)를 구동시키는 한쪽은 빗살무늬 전극인 것이 바람직하다.
제1 실시예 내지 제3 실시예에 있어서는, 제1 정전 결합부(14 또는 16)의 1세트의 제1 토션 바아(12)의 방향의 폭이 1세트의 제1 토션 바아(12)가 설치된 제1 짐벌부(10)의 측면 사이의 폭보다 넓다. 또한, 제2 정전 결합부(24 또는 26)의 1세트의 제2 토션 바아(22)의 방향의 폭이 1세트의 제2 토션 바아(22)가 설치된 제2 짐벌부(20)의 면 사이의 폭보다 넓다. 이에 의해, 구동 짐벌부를 구동시키는 경우에는 보다 작은 전압으로 구동시킬 수 있고, 검출 짐벌부의 요동을 검출하는 경우에는 같은 요동이라도 보다 큰 용량으로 검출할 수 있다. 따라서, 소비 전력 삭감 또는 각속도의 검출 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 보정 전극을 설치할 수 있다.
또한, 제1 실시예 내지 제3 실시예에 있어서 도4 내지 도6에서는 토션 바아를 각 1개로 기재하였지만, 도7에서 기재한 바와 같이 토션 바아를 복수로 할 수도 있다. 또한, 도2에서 기재한 바와 같이 2개로 V자의 토션 바아로 할 수도 있다.
다음에, 제3 실시예를 예로 각속도 센서의 제조 방법에 대해 설명한다. 제1 및 제2 실시예의 제조 방법도 마찬가지이다. 도8의 (a) 내지 도10의 (d)는 제3 실시예에 관한 각속도 센서의 단면도이다. 도5의 A 내지 K의 단면을 도시하고 있다. A-B은 프레임부(30), B-C는 제2 토션 바아(22), C-D는 제2 짐벌부(20), D-E 및 E-F 는 빗살무늬 전극(14), F-G는 제1 짐벌부(10), G-H는 제1 토션 바아(12), H-I는 제2 짐벌부의 일부, I-J는 평행 평판 전극(26) 그리고 J-K는 프레임부(30)이다.
도8의 (a)를 참조로, 0.01 내지 0.1 Ωcm 정도의 저항율이 되도록 비소 등을 도핑한 실리콘 기판(50, 54)의 표면을 열산화법에 의해 500 nm의 산화 실리콘막(52, 56)을 형성한다. 도8의 (b)를 참조하여, 산화 실리콘막(52, 56)을 맞추어, 1100 ℃ 정도의 열처리를 행한다. 이에 의해, 산화 실리콘막(52와 56)이 밀착하여, 일체의 산화 실리콘막(52)[이하, 절연막층(52)이라 함]이 된다. 실리콘 기판(50, 54)을 연마하고, 각각 100 ㎛ 정도의 막 두께로 한다. 이에 의해, 각 막 두께 100 ㎛/1 ㎛/100 ㎛를 갖는 실리콘 기판(54)[이하, 베이스 반도체층(54)이라 함], 절연막층(52) 및 실리콘 기판(50)[이하, 상부 반도체층(50)이라 함] 구조의 SOI 기판을 얻을 수 있다.
도8의 (c)를 참조로, 베이스 반도체층(54) 상에 에칭 마스크층(58)으로서 막 두께 100 내지 1000 nm 정도의 산화 실리콘막을 형성한다. 도8의 (d)를 참조로, 마스크층(58)의 베이스 반도체층(54)을 에칭해야 할 영역(토션 바아, 빗살무늬 전극, 평행 평판 전극이 되어야 할 영역)에 개구부(70a, 70b)를 형성한다. 도8의 (e)를 참조로, 개구부(70a)(토션 바아가 되어야 할 영역)에 포토레지스트(62)를 형성한다.
도9의 (a)를 참조로, 마스크층(58) 및 포토레지스트(62)를 마스크로 베이스 반도체층(54)을 약 30 내지 40 ㎛ 에칭한다. 에칭은 불산(HF)계 용액을 이용한 습 윤 에칭 또는 SF6 및 C4F8을 이용한 RIE 에칭에 의해 행한다. 도9의 (b)를 참조로, 포토레지스트(62)를 제거한다. 도9의 (c)를 참조로, 마스크층(58)을 마스크로 베이스 반도체층(54)을 에칭한다. 에칭은 SF6 및 C4F8을 이용한 RIE 에칭에 의해 행한다. 이에 의해, 베이스 반도체층(54)에 절연막층(52)에 도달하는 홈(70e)이 형성된다. 또한, 토션 바아가 되어야 할 영역에는 베이스 반도체층(54)을 약 30 ㎛ 남긴 홈(70d)이 형성된다. 도9의 (d)를 참조로, 베이스 반도체층(54)에 형성된 홈(70d, 70e)에 포토레지스트(64)를 매립하고, 핸들링용 기판(66)에 부착한다.
도10의 (a)를 참조로, 도8의 (c) 내지 도8의 (e)와 마찬가지로 상부 반도체층(50) 상에 마스크층(60)으로서 산화 실리콘막을 형성한다. 마스크층(60)의 소정 영역에 개구부(72b)를 형성한다. 토션 바아가 되어야 할 영역에 포토레지스트(68)를 형성한다. 도9의 (b) 및 도9의 (c)와 마찬가지로, 마스크층(60) 및 포토레지스트(68)를 마스크로 상부 반도체층(50)을 30 내지 40 ㎛ 정도 에칭한다. 포토레지스트(68)를 제거하고, 마스크층(60)을 마스크로 상부 반도체층(50)을 에칭한다. 이에 의해, 상부 반도체층(50)에 절연막층(52)에 도달하는 홈(72e)이 형성된다. 또한, 토션 바아가 되어야 할 영역에는 상부 반도체층(50)을 약 30 ㎛ 남긴 홈(72d)이 형성된다.
도10의 (c)를 참조로, 소정의 절연막층(52) 및 마스크층(60)을 예를 들어 불산(HF)계 수용액으로 제거한다. 도10의 (d)를 참조로, 핸드링용 기판(66)으로부터 박리하고, 포토레지스트(64) 및 마스크층(58)을 제거한다. 이상에 의해, 제3 실시 예에 관한 각속도 센서가 완성된다.
<제4 실시예>
제4 실시예는 제1 실시예에 관한 각속도 센서에 보정 전극을 설치한 예이다. 도11의 (a)는 제4 실시예에 관한 각속도 센서를 상면으로부터 본 도면이다. 제1 짐벌부(10), 제2 짐벌부(20), 프레임부(30)의 형상은 제1 실시예와 동일하다. 빗살무늬 전극(24)으로서 구동 전극(24a)과 그 양측에 보정 전극(24b)을 갖고 있다.
또한, 빗살무늬 전극(14)으로서 검출 전극(14a)과 그 양측에 보정 전극(14b)을 갖고 있다. 상부 반도체층(50)에는 홈(40)이 마련되어 있다. 도11의 (b)는 홈(40)의 단면도이다. 홈(40)은 상부 반도체층(50) 및 절연막층(52)을 분리하고 있고, 홈(40)의 양측의 상부 반도체층(50)은 전기적으로 절연되어 있다. 토션 바아(12, 22)를 복수 설치하고, 각각의 토션 바아는 다른 신호가 통과하는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성에 의해, 각 전극으로부터의 신호가 단자(T1 내지 T16)에 접속하는 구성으로 되어 있다. 제1 짐벌부(10)가 검출 짐벌부이고, 제2 짐벌부(20)가 구동 짐벌부이다. 즉, 빗살무늬 전극(14)은 검출용 전극이고, 빗살무늬 전극(24)은 구동용 전극이다.
도12는 제4 실시예의 각 전극과 단자의 회로를 도시한 도면이다. 단자 T1은 도11 중 좌측 상부의 빗살무늬 전극(14)의 보정 전극 1(14b)의 단자이고, T2는 상부의 빗살무늬 전극(14)의 검출 전극 1(14a), 보정 전극 1, 2(14b)의 공통 전극이다. T3은 상부의 검출 전극 1(14a)의 단자이고, T4는 우측 상부의 보정 전극 2(14b)의 단자이다. T5는 하부의 검출 전극 2(14a)의 단자이고, T6은 우측 하부의 보정 전극 3(14b)의 단자이다. T7은 검출 전극 2(14a), 보정 전극 3, 4(14b)의 공통 단자이고, T8은 좌측 하부의 보정 전극 4(14b)의 단자이다.
T9는 도11의 (a)의 좌측 하부의 빗살무늬 전극(24)의 보정 전극 5(24b)의 단자이고, T10은 좌측의 빗살무늬 전극(24)의 구동 전극 1(24a), 보정 전극 1, 2(24b)의 공통 단자이다. T11은 좌측 상부의 보정 전극 6(24b)의 단자이고, T12는 좌측의 구동 전극 1(24a)의 단자이다. T13은 우측의 구동 전극 2(24a)의 단자이고, T14는 우측 상부의 보정 전극 7(24b)의 단자이다. T15는 우측의 빗살무늬 전극(24)의 구동 전극 2(24a), 보정 전극 7, 8(24b)의 공통 단자이고, T16은 우측 하부의 보정 전극 8(24b)의 단자이다.
보정 전극(14b, 24b)은 이하와 같이 기능할 수 있다. 우선, 초기 상태를 체크할 때 보정 전극(14b, 24b)의 도통(導通)을 측정함으로써 대응하는 빗살무늬 전극(14, 24)이 접촉되어 있지 않은지를 검출할 수 있다. 빗살무늬 전극이 구동용 또는 검출용 전극으로서 기능하고 있을 때에는, 대응하는 보정 전극(14b, 24b)의 정전 용량의 변화를 모니터함으로써 짐벌부(10, 20)가 밸런스 좋게 요동하고 있는지 모니터할 수 있다. 그리고, 요동이 언밸런스하면 보정 전극(14b, 24b)에 전압을 가함으로써 밸런스가 좋은 요동으로 되돌릴 수 있다. 즉, 구동의 언밸런스를 보정할 수 있다. 또한, 보정 전극(14b, 24b)에 직류 전압을 인가함으로써 요동의 주파수를 조정할 수도 있다. 평행 평판 전극을 이용하는 경우라도 보정 전극(14b, 24b)을 설치할 수 있어, 빗살무늬 전극의 경우와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 보정 전극(14b, 24b)은 구동용 전극, 검출용 전극 중 어느 한쪽이라도 좋다.
<제5 실시예>
제5 실시예는 구동 짐벌부를 보유 지지하는 토션 바아를 상부 반도체층(50)과 동일한 두께로 한 예이다. 제1 정전 결합부는 평행 평판 전극(16)이고, 제2 정전 결합부는 빗살무늬 전극(24)으로 구성된다. 제2 짐벌부(20)가 구동 짐벌부이고, 제1 짐벌부(10)가 검출 짐벌부이다. 도13은 제5 실시예에 관한 각속도 센서의 단면 모식도이다. 도13의 (a)는 구동 짐벌부인 제2 짐벌부(20), 빗살무늬 전극(24) 및 프레임부(30)의 단면 구성도이고, 도13의 (b)는 제1 짐벌부(10) 및 평행 평판 전극(16)의 단면 구성도이다. 상부 반도체층의 두께가 제2 토션 바아(22)의 두께와 동일한 것 이외에는, 도7의 (a) 및 도7의 (b)와 동일한 구성이며, 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
이상과 같이, 제1 짐벌부(10), 제2 짐벌부(20) 및 프레임부(30)는 베이스 반도체층(54), 절연막층(52) 및 상부 반도체층(50)을 갖고, 제1 토션 바아(12) 및 제2 토션 바아(22) 중 적어도 한쪽의 두께는 상부 반도체층(50)의 두께와 실질적으로 동일하다고 할 수 있다. 예를 들어, 도8의 (b)에 있어서 상부 반도체층(50)의 두께를 30 ㎛로 한다. 이에 의해, 제3 실시예에 관한 각속도 센서를 제조할 때, 도10의 (b)를 이용하여 설명한 바와 같이, 상부 반도체층(50)을 2회로 나누어 에칭할 필요가 없어 제조 공정을 삭감할 수 있다. 또한, 에칭에 의해 제2 토션 바아(22)의 두께가 정해지는 일이 없으므로 제2 토션 바아(22)의 두께를 균일하게 할 수 있다. 이로 인해, 구동 짐벌부[제2 짐벌부(20)]가 요동하는 주파수인 구동 주파수의 계산치로부터의 오차를 작게 할 수 있다. 제2 실시예에서는 구동 주파수의 계산치 로부터의 오차는 ±10 ％였지만, 제5 실시예에서는 ±2 ％로 할 수 있었다.
<제6 실시예>
제6 실시예는 빗살무늬 전극을 상부 반도체층(50)으로 구성한 예이다. 제1 정전 결합부는 평행 평판 전극(16)이고, 제2 정전 결합부는 빗살무늬 전극(24)으로 구성된다. 제2 짐벌부(20)는 구동 짐벌부이고, 제1 짐벌부(10)는 검출 짐벌부이다. 도14는 제6 실시예(6)에 관한 각속도 센서의 단면 모식도이다. 도14의 (a)는 구동 짐벌부인 제2 짐벌부(20), 빗살무늬 전극(24) 및 프레임부(30)의 단면 구성도이고, 도14의 (b)는 제1 짐벌부(10) 및 평행 평판 전극(16)의 단면 구성도이다. 빗살무늬 전극(24)이 상부 반도체층(50)으로 구성되는 것 이외에는, 도7의 (a) 및 도7의 (b)와 동일한 구성이며, 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 도14의 (a)와 같이, 빗살무늬 전극(24)에 대한 전극은 양쪽 모두 상부 반도체층(50)으로 이루어진다.
제6 실시예에 따르면, 제3 실시예의 제조 방법인 도9의 (c) 및 도10의 (b)와 같이 빗살무늬 전극(14, 24)을 SOI 기판의 양면으로 형성하는 일이 없다. 따라서, 도8의 (d)의 마스크층(58)의 패턴과 도10의 (a)의 마스크층(60)의 패턴의 맞춤이 어긋나 변동이 커지는 일이 없다. 따라서, 각속도 센서의 검출 감도를 보다 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 서술하였지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
본 발명에 따르면, 검출 감도를 향상시키는 것이 가능한 각속도 센서를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 제1 짐벌부와,
    상기 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 토션 바아에 의해 상기 제1 짐벌부와 접속하는 제2 짐벌부와,
    상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 토션 바아에 의해 상기 제2 짐벌부와 접속하는 프레임부와,
    상기 제1 짐벌부와 상기 제2 짐벌부를 정전 결합하고, 상기 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 정전 결합부와,
    상기 제2 짐벌부와 상기 프레임부를 정전 결합하고, 상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 정전 결합부를 구비하고,
    상기 제1 짐벌부의 제1 토션 바아의 방향의 최대폭이 상기 제1 토션 바아가 설치된 상기 제1 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  2. 제1 짐벌부와,
    상기 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 토션 바아에 의해 상기 제1 짐벌부와 접속하는 제2 짐벌부와,
    상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 토션 바아에 의해 상기 제2 짐벌부와 접속하는 프레임부와,
    상기 제1 짐벌부와 상기 제2 짐벌부를 정전 결합하고, 상기 제1 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제1 정전 결합부와,
    상기 제2 짐벌부와 상기 프레임부를 정전 결합하고, 상기 제2 짐벌부의 서로 마주보는 측면에 설치된 제2 정전 결합부를 구비하고,
    상기 제2 짐벌부의 제2 토션 바아의 방향의 최대폭이 상기 제2 토션 바아가 설치된 상기 제2 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 정전 결합부의 상기 제1 토션 바아의 방향의 폭이 상기 제1 토션 바아가 설치된 상기 제1 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 정전 결합부의 상기 제2 토션 바아의 방향의 폭이 상기 제2 토션 바아가 설치된 상기 제2 짐벌부의 측면 사이의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 정전 결합부 및 상기 제2 정전 결합부 중 대응한 상기 제1 짐벌부 또는 상기 제2 짐벌부를 구동시키는 한쪽은 빗살무늬 전극인 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 정전 결합부 및 상기 제2 정전 결합부는 빗살무늬 전극 및 평행 평판 전극 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 정전 결합부 및 상기 제2 정전 결합부 중 적어도 한쪽에 보정 전극을 갖고,
    상기 보정 전극은 대응하는 상기 제1 짐벌부 또는 상기 제2 짐벌부의 정전 용량의 변화 모니터 및 대응하는 상기 제1 짐벌부 또는 상기 제2 짐벌부의 구동 언밸런스의 보정 중 적어도 한쪽을 행하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보정 전극은 빗살무늬 구조를 갖는 전극 및 평행 평판 구조를 갖는 전극 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 짐벌부, 상기 제2 짐벌부 및 상기 프레임부는 베이스 반도체층, 절연층 및 상부 반도체층을 갖고, 상기 제1 토션 바아 및 상기 제2 토션 바아 중 적어도 한쪽의 두께는 상기 상부 반도체층의 두께와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  10. 제6항에 있어서, 상기 제1 짐벌부, 상기 제2 짐벌부 및 상기 프레임부는 베이스 반도체층, 절연층 및 상부 반도체층을 갖고, 상기 빗살무늬 전극은 상기 상부 반도체층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
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