JPH07159180A

JPH07159180A - 振動型角速度センサ

Info

Publication number: JPH07159180A
Application number: JP5310723A
Authority: JP
Inventors: Tomishige Tai; 富茂田井
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】【目的】生産性がよく、安価で、性能の安定したセン
サを提供する。【構成】角速度センサは、半導体基板（シリコンウェ
ハ）３０を異方性エッチングして形成した振動子２２を
用いて構成される。振動子２２はエッチングによって形
成される面〔（１１１）面〕２９に対して垂直に屈曲振
動できるように構成され、入力角速度に応じた屈曲振動
成分が検出される。振動子２２は一般にｎ対（ｎは自然
数）設けられる。振動子２２を電気的に駆動したり、振
動子の入力角速度に応じた振動を検出するために圧電膜
２３が振動子に形成されている。駆動用電極２８と基板
用電極２８との間に駆動用電源が接続され、検出用電極
２７と基板用電極２７との間に生じる出力電圧が取り出
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、飛行体、車両、ロボッ
ト、人体などの位置、姿勢観測／制御などに利用できる
角速度センサに関し、特に小型かつ安価に作製する事に
適した振動型角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動型角速度センサ１は、図８に
示すようなビーム型のものと、図９に示すような音叉型
のものがある。ビーム型の場合代表的なものとして図８の様に、振動子２とそれを支持
する支持部材３と、Ｘ軸に垂直に設けた駆動用の圧電素
子６ａ及びその対面の駆動状態のモニター用の圧電素子
６ｂと、Ｙ軸に垂直な面に設けた検出用の圧電素子６ｃ
により構成される。圧電素子６（６ａ，６ｂ，６ｃ）は
圧電体４（４ａ，４ｂ，４ｃ）の表面に電極５（５ａ，
５ｂ，５ｃ）を形成したものである。

【０００３】振動子２をＸ軸方向に屈曲振動させている
時（理想的には、直線振動）、Ｚ軸方向にΩの入力角速
度があった場合、Ｙ軸方向にコリオリ力（Ｆ＝−２ｍＶ
Ω；ｍは振動子の質量、Ｖは振動速度）を受け、屈曲振
動はＸ軸及びＹ軸方向の合成振動となり、楕円状にビー
ム変位を起こす。この時の振動子２のＹ軸に垂直な面の
歪（応力）を検出する事によってコリオリ即ち入力角速
度Ωに比例した出力が得られる。

【０００４】尚、振動子用ビーム７の材質は、エリンバ
ーや石英などの高弾性材を用い、支持部材３にピアノ線
などのワイヤーを用い、圧電体４として圧電セラミック
を使用する。図１０に、ビーム７が駆動されてＸ軸方向
に屈曲振動をしている時に、入力角速度ΩがＺ軸方向に
加えられた場合の変位（振動）状態を示してある。音叉型の場合代表的なものとして図９の様に音叉型の振動子２とその
各振動片上に駆動用圧電素子６ａおよびモニタ用圧電素
子６ｂを有し、音叉８の振動方向と同一方向に屈曲可能
な板状の支持部材９とその上の検出用の圧電素子６ｃを
有する構造により形成される。

【０００５】図１１に示すように音叉８の振動に対して
垂直方向（Ｚ軸方向）に入力角速度Ωが入った場合、音
叉８の各振動片の振動方向が互いに逆向きであるため、
音叉８を支持する前記支持部材９に曲げモーメントが発
生し、支持部材９を屈曲させ、その時の支持部材９上の
歪（応力）を圧電素子６ｃで検出する事によって入力角
速度Ωに比例した出力が得られる。

【０００６】音叉８が駆動されてＸ軸方向に振動してい
る時に、入力角速度ΩがＺ軸方向に加えられた場合の変
位（振動）状態を図１０に示してある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の角速度センサは、ビーム型／音叉型と大きく２つの
タイプがある。ビーム型の場合には支持部材と振動子と
を各々別々に作製し、スポット溶接あるいは、接着など
によって組立てる必要があった。また、圧電素子もビー
ム作製後接着等により張り付けるなどの工程が必要であ
り複数個同時に作製しづらいという欠点があった。

【０００８】音叉型の場合にも、圧電素子の張り付けな
どの組立や音叉の加工が３次元であるため複数個を同時
に作製しづらく、個別に調整が必要であるなどの欠点が
あった。本発明は、従来の欠点を除去し、個別に組み立
てること無く、複数個を同時に精度良く作製できる、つ
まり生産性がよく、安価で、性能の安定した角速度セン
サを提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）請求項１の発明は、半導体基板を異方性エッチン
グして形成した振動子を用いて構成される振動型角速度
センサであって、前記振動子は、前記エッチングにより
形成される面に対して垂直に屈曲振動し得るように構成
され、入力角速度に応じた前記屈曲振動成分を検出する
ものである。（２）請求項２の発明は、前記（１）項記載の振動型角
速度センサにおいて、前記振動子がｎ対（ｎは自然数）
設けられているものである。（３）請求項３の発明は、前記（１）又は（２）項記載
の振動型角速度センサにおいて、前記振動子を電気的に
駆動するため及び入力角速度に応じた前記振動子の振動
を検出するために、圧電膜が前記振動子に形成されてい
るものである。（４）請求項４の発明は、前記（１）乃至（３）項のい
ずれかに記載の振動型角速度センサにおいて、前記半導
体基板として面方位（１００）のシリコンウェハが用い
られ、そのエッチング面として（１１１）面が用いられ
るものである。

【００１０】

【作用】この発明の角速度センサは、半導体基板を異方
性エッチングによって形成した振動子を用いる。振動子
はエッチングにより形成される面に対して垂直に屈曲振
動し得る構造を有し、その屈曲振動を振動子の駆動及び
入力角速度の検出に用いる事によって、半導体基板（ウ
ェハ）上に同時に複数の角速度センサを作製することが
出来る。また、半導体基板に対する異方性エッチングは
精度良く加工出来るため、それぞれのセンサのばらつき
を抑えることができ、量産に適する。

【００１１】

【実施例】次に本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１は本発明の実施例である。図２〜図４は製造工
程の概略を示す。図５〜図７は、他の実施例である。使
用する半導体基板３０は（１００）面のシリコンウェハ
である。エッチングによって形成される面２９は（１１
１）面であり、基板表面〔（１００）面〕に対し５４．
７ｄｅｇの角度を成す面と−５４．７ｄｅｇの角度を成
す面とを利用する事が出来る。１つの振動子２２に対し
固定端付近と自由端付近を異なった（１１１）面２９に
よって形成した２つの板が交差した状態で連結した形で
ビーム形状を作る。ビーム形状が形成された後シリコン
ウェハ３０上に圧電膜（酸化亜鉛）２３をスパッタにて
成膜、また、圧電膜２３に対しての電極は、メカマスク
により希望する形状にて蒸着またはスパッタにて形成す
る事によって、角速度センサを作製できる。

【００１２】この構造のものの検出原理を述べる。ビー
ムの付け根（固定端）付近の圧電膜２３によって、ビー
ムを固定端付近の板の屈曲方向に沿って振動させると、
ビームの長手方向に入力角速度Ωが入った場合、ビーム
の自由端付近の板に対してその屈曲方向に対しておよそ
２０ｄｅｇの傾きを有するコリオリ力が働き、このコリ
オリ力成分の内、板の屈曲方向の成分で自由端付近の板
に振動を発生させられる。この時の自由端付近の板に発
生した振動による応力を検知する事によってコリオリ
力、即ち入力角速度を知る事が出来る。

【００１３】図２〜図４に、製造工程の１例を挙げる。
（１）シリコンウェハ３０を熱酸化し、酸化膜２４を形
成後、片側の酸化膜２４をエッチングし、シリコンの異
方性エッチング用のマスクとする。（２）シリコン基板
３６に対してエッチングの底面部分がダイアフラム状に
なるまで異方性エッチングを施す。（３）酸化膜２４を
除去する。（４）熱酸化によってシリコン基板の両面に
酸化膜２４を作製する。（５）表面にクロムなどの金属
膜３１をスパッタ等によって形成する。（６）金属膜３
１のパターニングを行う。（７）スパッタやプラズマＣ
ＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ；化学的気相成長）などにより表面に保護膜３２
を堆積する。（８）保護膜３２にパターニングを施す。
（９）シリコンを異方性エッチングする。（１０）図中
上の方向からＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔ
ｃｈｉｎｇ；反応性イオンエッチング）等によって酸化
膜２４をエッチングする。（１１）金属膜３１を除去す
る。（１２）振動子２２の表面側に圧電膜（酸化亜鉛
等）２３をスパッタにより形成する。（１３）振動子の
裏面に圧電膜２３を形成する。（１４）表面にメカマス
クを使って駆動用電極膜２５を蒸着等により形成する。
（１５）同様に裏面に検出用電極膜２７を形成する。

【００１４】図５〜図７に、他の実施例を挙げる。図５
は２組の振動子対を用いて形成した例で、振動のエネル
ギー損失を抑える事によって感度や安定性の向上を図る
ことができる。図６は図３の工程の内（１３），（１
５）の裏面への圧電膜２３及び検出用電極２７の作製を
省き、片側にまとめたものである。図７は（１１１）面
のほか、（１００）面の屈曲子を用いた場合の実施例で
ある。

【００１５】なお図１において駆動用電極２５と基板用
電極２８との間に駆動電源が接続され、検出用電極２７
と基板用電極２８との間に発生した出力電圧がとり出さ
れる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の角速度セ
ンサは、半導体基板３０を異方性エッチングによって形
成した振動子２２を用いている。振動子２２は、エッチ
ングにより形成される面２９に対して垂直に屈曲振動し
得る構造を有し、その屈曲振動を振動子の駆動及び入力
角速度の検出に用いる事によって、半導体基板（ウェ
ハ）３０上に同時に複数の角速度センサを作製すること
が出来る。また、半導体基板３０に対する異方性エッチ
ングは精度良く加工出来るため、それぞれのセンサのば
らつきを抑えることができ、量産に適するという効果が
得られる。

【００１７】この発明では振動子が音叉と類似した構造
を有するため、振動子のＱ値を容易に上げることができ
る。従って感度のよいセンサを構成できるメリットもあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す図で、Ａは平面図、Ｂ
はＡのａ−ａ断面図、Ｃは底面図、ＤはＢの（イ）部拡
大図、ＥはＢの（ロ）部拡大図。

【図２】図１の実施例の製造工程の前半を示す断面図。

【図３】図１の実施例の製造工程の後半を示す断面図。

【図４】図２及び図３の要部の平面図又は底面図。

【図５】この発明の他の実施例を示す図で、Ａは平面
図、Ｂは底面図。

【図６】この発明の更に他の実施例を示す平面図。

【図７】この発明の更に他の実施例を示す図で、Ａは平
面図、ＢはＡのａ−ａ断面図、Ｃは底面図。

【図８】従来のビーム型角速度センサを示す図で、Ａは
斜視図、Ｂは断面図。

【図９】従来の音叉型角速度センサを示す図、Ａは斜視
図、Ｂは平面図。

【図１０】図８のビーム型角速度センサが屈曲振動中
に、入力角速度が印加された場合の振動モードを示す
図。

【図１１】図９の音叉型角速度センサが振動中に、入力
角速度が印加された場合の振動モードを示す図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板を異方性エッチングして形成
した振動子を用いて構成される振動型角速度センサであ
って、前記振動子は、前記エッチングにより形成される面に対
して垂直に屈曲振動し得るように構成され、入力角速度に応じた前記屈曲振動成分を検出することを
特徴とする振動型角速度センサ。
【請求項２】請求項１記載の振動型角速度センサにお
いて、前記振動子がｎ対（ｎは自然数）設けられている
ことを特徴とする。
【請求項３】請求項１又は２記載の振動型角速度セン
サにおいて、前記振動子を電気的に駆動するため及び入
力角速度に応じた前記振動子の振動を検出するために、
圧電膜が前記振動子に形成されていることを特徴とす
る。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の振動
型角速度センサにおいて、前記半導体基板として面方位
（１００）のシリコンウェハが用いられ、そのエッチン
グ面として（１１１）面が用いられることを特徴とす
る。