JP3462880B2 - Gyro sensor and video camera using the same - Google Patents
Gyro sensor and video camera using the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は角速度を検出するジャイロセンサ及びそれを
用いた機器に関し，特に梁状の振動子を振動させて角速
度に応じたコリオリ力を検出する振動式ジャイロセンサ
及びそれを用いた手ぶれ防止機能付きのビデオカメラ、
カメラ機器に好適である。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gyro sensor for detecting an angular velocity and a device using the same, and more particularly to a vibrating gyro sensor for vibrating a beam-shaped oscillator to detect a Coriolis force according to the angular velocity, and Video camera with anti-shake function using it,
Suitable for camera equipment.
背景技術
マイクロマシニング技術を応用し小型化及び低価格化
した振動式ジャイロセンサとしては、例えば特開平６−
288774号公報に記載のものが知られている。BACKGROUND ART As a vibration type gyro sensor which is miniaturized and reduced in price by applying a micromachining technique, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-
The one described in Japanese Patent No. 288774 is known.
この振動式ジャイロセンサは中央に配置された振動子
のたわみ量を振動子と２つの検出用電極間の静電容量変
化で検出する構成となっている。上記従来技術は、コリ
オリ力の検出方法として振動子と２つの電極間の静電容
量変化を読み取るため、電極部の加工精度、及び電極間
の静電容量が検出感度に大きく影響する。また、センサ
の感度を上げるためには、電極間の狭小ギャップを均一
にし、再現性よく高い加工精度で加工する必要がある。
さらに、配線周りの浮遊容量の影響で静電容量変化の割
合が小さくならないように電極部の面積を大きくし静電
容量を増やさなければならない。This vibrating gyro sensor is configured to detect the amount of deflection of a vibrator arranged in the center by a change in capacitance between the vibrator and two detection electrodes. Since the above-mentioned conventional technique reads the change in the electrostatic capacitance between the vibrator and the two electrodes as a method for detecting the Coriolis force, the processing accuracy of the electrode portion and the electrostatic capacitance between the electrodes greatly affect the detection sensitivity. In addition, in order to increase the sensitivity of the sensor, it is necessary to make the narrow gap between the electrodes uniform and process with high reproducibility and high processing accuracy.
Furthermore, the area of the electrode portion must be increased to increase the capacitance so that the rate of change in capacitance is not reduced due to the influence of stray capacitance around the wiring.
さらに、電極部を形成するにはシリコンを貫通エッチ
ングしなければならないが、シリコンの異方性エッチン
グを用いてもギャップ間隔を５μｍ以下という微小間隔
をウエハ面内で均一、かつ再現性よく形成することは困
難である。Furthermore, silicon must be etched through to form the electrode portion, but even if anisotropic etching of silicon is used, a minute gap of 5 μm or less can be formed uniformly and reproducibly within the wafer surface. Is difficult.
さらに、電極部の面積を大きくするには振動子を長細
い構造にしなければならず、このことは振動子の共振周
波数が低下して検出感度が低下することになる。Furthermore, in order to increase the area of the electrode portion, it is necessary to make the vibrator have a long and thin structure, which lowers the resonance frequency of the vibrator and lowers the detection sensitivity.
本発明の目的は上記従来技術の課題を解決し、小型化
され、検出感度が高く、感度のバラツキが小さいジャイ
ロセンサ及びそれを用いたビデオカメラ並びにジャイロ
センサの製造方法を提供することを目的とする。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, to provide a gyro sensor that is downsized, has high detection sensitivity, and has a small sensitivity variation, a video camera using the gyro sensor, and a method for manufacturing the gyro sensor. To do.
発明の開示
本発明は、一端が支持部に振動自在な状態で支持され
るように支持部と同一の基板に形成された振動子と基板
の裏面に接合された絶縁基板と絶縁基板の下面に接合さ
れ圧電素子とを有し、圧電素子で振動子をその厚さ方向
に振動させるジャイロセンサにおいて、振動子に設けら
れた斜面を有する溝と、溝の斜面に歪検出手段を設けた
ものである。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention relates to a vibrator formed on the same substrate as a supporting portion so that one end is supported by the supporting portion in a vibrating state, an insulating substrate bonded to the back surface of the substrate, and a lower surface of the insulating substrate. A gyro sensor that has a piezoelectric element bonded to each other and that vibrates the vibrator in the thickness direction by the piezoelectric element, in which a groove having an inclined surface provided on the vibrator and a strain detecting means provided on the oblique surface of the groove. is there.
これにより、振動子は基板を異方性エッチングなどに
より容易に形成が可能であり、振動子のたわみ量は振動
子に設けられた溝の斜面に歪検出手段を介して検出でき
るので、それぞれの歪検出手段の差動出力電圧を取るこ
とにより大きな出力電圧が得られる。そして、ジャイロ
センサの厚みを薄くして全体を小型化できる。As a result, the oscillator can be easily formed on the substrate by anisotropic etching, and the amount of deflection of the oscillator can be detected on the slope of the groove provided on the oscillator through the strain detecting means. A large output voltage can be obtained by taking the differential output voltage of the distortion detecting means. Then, the thickness of the gyro sensor can be reduced to reduce the overall size.
また、本発明は、一端が支持部に振動自在な状態で支
持されるように支持部と同一の基板に形成された振動子
と前記基板の裏面に接合された絶縁基板と前記絶縁基板
の下面に接合され圧電素子とを有し、前記圧電素子で前
記振動子をその厚さ方向に振動させるジャイロセンサに
おいて、前記基板をシリコン基板とし、エッチングによ
って前記基板に貫通部が設けられることにより形成され
た前記振動子と、前記シリコン基板の表面に異方性エッ
チングによって斜面が形成された前記振動子に設けられ
た溝と、前記溝の前記斜面に電着レジストを用いて形成
された歪検出手段とを備えたものである。Further, the present invention provides a vibrator formed on the same substrate as the supporting part so that one end is supported by the supporting part in a vibrating state, an insulating substrate bonded to the back surface of the substrate, and a lower surface of the insulating substrate. A gyrosensor having a piezoelectric element bonded to a substrate, wherein the piezoelectric element vibrates the vibrator in its thickness direction, the substrate is a silicon substrate, and the through-hole is formed in the substrate by etching. And a groove provided in the vibrator in which a slope is formed on the surface of the silicon substrate by anisotropic etching, and a strain detecting means formed on the slope of the groove using an electrodeposition resist. It is equipped with and.
さらに、本発明は、圧電素子で振動子をその厚さ方向
に振動させるジャイロセンサが搭載されたビデオカメラ
において、ビデオカメラのレンズ部に固定されたシリコ
ン基板と、シリコン基板をエッチングして貫通部が設け
られることにより形成された振動子と、振動子に異方性
エッチングによって対向斜面が形成された溝と、溝の前
記対向斜面の内側に電着レジストを用いて形成された歪
検出手段と、シリコン基板に設けられ歪検出手段に生じ
る電圧を検出する薄膜電極とを備えたものである。Further, according to the present invention, in a video camera equipped with a gyro sensor for vibrating a vibrator in a thickness direction by a piezoelectric element, a silicon substrate fixed to a lens part of the video camera and a penetrating part by etching the silicon substrate. A vibrator formed by providing a counter, a groove in which a counter slope is formed on the vibrator by anisotropic etching, and a strain detecting means formed using an electrodeposition resist inside the counter slope of the groove. , A thin film electrode provided on the silicon substrate for detecting a voltage generated in the strain detecting means.
これにより、ジャイロセンサの厚みを薄くできるの
で、ビデオカメラ全体として小型化できるとともに、ジ
ャイロセンサのビデオカメラへの布線処理など実装を容
易とすることができる。As a result, the thickness of the gyro sensor can be reduced, so that the overall size of the video camera can be reduced, and mounting of the gyro sensor on the video camera such as wiring processing can be facilitated.
さらに、本発明は振動自在な状態で支持されるように
支持部と同一の基板に形成された振動子と前記基板の裏
面に接合された絶縁基板と前記絶縁基板の下面に接合さ
れ圧電素子とを有し、前記圧電素子で前記振動子をその
厚さ方向に振動させるジャイロセンサの製造方法におい
て、前記基板をエッチングして貫通部を設け前記振動子
を形成する工程と、形成された前記振動子に異方性エッ
チングによって対向斜面を有する溝を形成する工程と、
前記対向斜面の内側に電着レジストを塗布する工程と、
塗布された前記電着レジストを用いて前記対向斜面の内
側に歪検出手段を形成する工程とを備えて歪検出手段を
形成するものである。Further, according to the present invention, there is provided a vibrator formed on the same substrate as the supporting portion so as to be supported in a vibrating state, an insulating substrate joined to the back surface of the substrate, and a piezoelectric element joined to the lower surface of the insulating substrate. A method of manufacturing a gyro sensor, wherein the piezoelectric element vibrates the vibrator in its thickness direction, a step of etching the substrate to form a penetrating portion to form the vibrator, and the formed vibration. A step of forming a groove having an opposite slope by anisotropic etching in the child;
A step of applying an electrodeposition resist on the inside of the facing slope,
And a step of forming a strain detecting means inside the facing slope using the applied electrodeposition resist.
これにより、ジャイロセンサの製造方法を容易にし、
精度が高く量産に適したものとすることができる。This facilitates the manufacturing method of the gyro sensor,
It can be made highly accurate and suitable for mass production.
図面の簡単な説明
第１図は、本願発明の一実施例におけるジャイロセンサ
を示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing a gyro sensor in one embodiment of the present invention.
第２図は、第１図のジャイロセンサを各基板ごとに分離
した時の外観を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing an appearance when the gyro sensor of FIG. 1 is separated for each substrate.
第３図は、第１図のＡ−Ａ′断面を模式的に示す断面図
である。FIG. 3 is a sectional view schematically showing a section taken along the line AA ′ in FIG.
第４図は、第１図のＢ−Ｂ′断面を模式的に示す断面図
である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the BB ′ cross section of FIG. 1.
第５図は、本願発明の一実施例のコリオリ力の検出方法
を説明するための断面図である。FIG. 5 is a sectional view for explaining a Coriolis force detecting method according to an embodiment of the present invention.
第６図は、本願発明の一実施例の回路構成を示すブロッ
ク図である。FIG. 6 is a block diagram showing the circuit configuration of an embodiment of the present invention.
第７図は、本願発明の他の実施例を示す振動子の断面図
である。FIG. 7 is a sectional view of a vibrator showing another embodiment of the present invention.
第８図は、本願発明の一実施例の振動子の形成された基
板を示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing a substrate on which a vibrator according to an embodiment of the present invention is formed.
第９図は、本願発明の他の実施例の振動子の形成された
基板を示す平面図である。FIG. 9 is a plan view showing a substrate on which a vibrator according to another embodiment of the present invention is formed.
第10図は、本願発明の一実施例の製造方法を示す断面図
である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the embodiment of the present invention.
第11図は、本願発明の他の実施例を示すジャイロセンサ
の斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of a gyro sensor showing another embodiment of the present invention.
第12図は、従来のジャイロセンサを示す斜視図である。FIG. 12 is a perspective view showing a conventional gyro sensor.
第13図は、本願発明の一実施例のセンサを実装している
ビデオカメラの外観を示す斜視図である。FIG. 13 is a perspective view showing the external appearance of a video camera in which the sensor of the embodiment of the present invention is mounted.
第14図は、本願発明の一実施例によるレンズ部の外観を
模式的に示す斜視図である。FIG. 14 is a perspective view schematically showing the outer appearance of the lens unit according to the embodiment of the present invention.
第15図は、本願発明の一実施例によるジャイロセンサの
搭載基板を示す平面図である。FIG. 15 is a plan view showing a mounting substrate of a gyro sensor according to an embodiment of the present invention.
発明を実施するための最良の形態
ビデオカメラ等に利用される振動式のジャイロセンサ
は、センサ自身の高さを低く、センサの占有面積を小さ
くする必要がある。また、手ぶれ防止用には２軸の角速
度を検出しなければならずセンサも２個必要となる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A vibrating gyro sensor used in a video camera or the like needs to have a low sensor height and a small sensor occupation area. Further, to prevent camera shake, it is necessary to detect biaxial angular velocities and two sensors are required.
以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明
する。第１図は一実施例におけるジャイロセンサの外観
を示す斜視図、第２図は第１図のジャイロセンサを各基
板ごとに分離した時の外観を示す斜視図、第３図は第１
図のＡ−Ａ′断面を模式的に示す断面図、第４図は第１
図のＢ−Ｂ′断面を模式的に示す断面図、第５図は一実
施例のコリオリ力の検出方法を説明するための断面図、
第６図は一実施例の回路構成を示すブロック図、第７図
は、他の実施例を示す振動子の断面図、第８図は一実施
例の振動子の形成された基板を示す平面図、第９図は他
の実施例の振動子の形成された基板を示す平面図、第10
図は一実施例の製造方法を示す断面図、第11図は他の実
施例を示す斜視図、第12図は従来例を示す斜視図、第13
図は、一実施例のセンサを２個実装しているビデオカメ
ラの一部分をカットしたカットモデルの外観を示す斜視
図、第14図は一実施例によるレンズ部の外観を模式的に
示す斜視図、第15図は一実施例による搭載基板の平面図
である。An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a gyro sensor in one embodiment, FIG. 2 is a perspective view showing the appearance when the gyro sensor of FIG. 1 is separated for each substrate, and FIG.
Sectional drawing which shows typically the AA 'cross section of a figure, FIG.
Sectional drawing which shows typically the BB 'cross section of a figure, FIG. 5 is sectional drawing for demonstrating the Coriolis force detection method of one Example,
FIG. 6 is a block diagram showing a circuit configuration of one embodiment, FIG. 7 is a sectional view of a vibrator showing another embodiment, and FIG. 8 is a plan view showing a substrate on which the vibrator of one embodiment is formed. FIG. 9 and FIG. 9 are plan views showing a substrate on which a vibrator of another embodiment is formed,
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a manufacturing method of one embodiment, FIG. 11 is a perspective view showing another embodiment, FIG. 12 is a perspective view showing a conventional example, and FIG.
FIG. 14 is a perspective view showing the appearance of a cut model obtained by cutting a part of a video camera having two sensors according to the embodiment, and FIG. 14 is a perspective view schematically showing the appearance of a lens unit according to the embodiment. FIG. 15 is a plan view of a mounting board according to an embodiment.
第13図において、131はビデオテープ装着部でその他
カメラ部132、音声入力部133、ファインダー部134から
構成されている。図はカメラ部132を一部カットして示
しており、レンズ部135とジャイロセンサ搭載基板136が
配置されている。In FIG. 13, reference numeral 131 denotes a video tape mounting section, which is composed of a camera section 132, an audio input section 133, and a finder section 134. In the figure, the camera unit 132 is partially cut and shown, and the lens unit 135 and the gyro sensor mounting substrate 136 are arranged.
第14図において、ジャイロセンサ搭載基板136上に、
水平方向手ぶれ検出用のジャイロセンサ141と垂直方向
手ぶれ検出用のジャイロセンサ142が実装されている。
搭載基板136はネジ止め等によりレンズ部135に固定され
一体となっている。In FIG. 14, on the gyro sensor mounting substrate 136,
A gyro sensor 141 for horizontal camera shake detection and a gyro sensor 142 for vertical camera shake detection are mounted.
The mounting board 136 is fixed to the lens portion 135 by screwing or the like to be integrated.
レンズ部135が水平方向及び垂直方向に動いたときに
搭載基板136も同時に動くので、各方向の角加速度はセ
ンサ141、142によって検出される。When the lens unit 135 moves in the horizontal direction and the vertical direction, the mounting substrate 136 also moves at the same time, so that the angular acceleration in each direction is detected by the sensors 141 and 142.
第15図において、センサ141、142はレンズ外径位置15
1のレンズ光軸152にできるだけ近い位置に配置すること
が感度、精度等の点から望ましい。ただし、センサ141
とセンサ142は共に振動式のジャイロセンサなので、そ
の共振周波数を互いに共振しないように500Hz程度ずら
してある。In FIG. 15, the sensors 141 and 142 are located at the lens outer diameter position 15
It is desirable to dispose the lens as close to the first lens optical axis 152 as possible in terms of sensitivity and accuracy. However, the sensor 141
Since the sensor 142 and the sensor 142 are both vibration type gyro sensors, their resonance frequencies are shifted by about 500 Hz so as not to resonate with each other.
第１図でパッケージ部や増幅回路部は省略してある。
ジャイロセンサは、圧電素子であるバルクの圧電基板
１、絶縁基板である絶縁用ガラス基板２、振動子を形成
するシリコン基板３の３種類の基板から構成されてお
り、それぞれが接合されている。ジャイロセンサの大き
さは約４×14mmで厚みは約2mmである。In FIG. 1, the package section and the amplifier circuit section are omitted.
The gyro sensor is composed of three types of substrates, a bulk piezoelectric substrate 1 which is a piezoelectric element, an insulating glass substrate 2 which is an insulating substrate, and a silicon substrate 3 which forms a vibrator, and these are bonded together. The size of the gyro sensor is about 4 x 14 mm and the thickness is about 2 mm.
シリコン基板３の面方位は｛100｝であり、シリコン
の異方性エッチングによりシリコン開口部９つまり貫通
部を形成し、片持ち梁となった振動子４に異方性エッチ
ングによる対向斜面を有する溝５が設けられている。The plane orientation of the silicon substrate 3 is {100}, the silicon opening 9 or penetrating portion is formed by anisotropic etching of silicon, and the oscillator 4 which is a cantilever has an opposite slope by anisotropic etching. A groove 5 is provided.
シリコンの異方性エッチングは、水酸化カリウム水溶
液（KOH）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサ
イト（TMAH）等のアルカリ系エッチング液を用いて行わ
れる。The anisotropic etching of silicon is performed using an alkaline etching solution such as an aqueous potassium hydroxide solution (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH).
また、溝５の溝の対向斜面の内側面及び底面にそれぞ
れ、歪検出手段として検出用ZnOからなる圧電薄膜６、
帰還用の圧電薄膜７が形成されている。これらの圧電薄
膜に生じた電圧を検出するために薄膜電極８と共通の電
極としてGND電極10が両圧電薄膜を挟み込むように積層
パターニングされている。In addition, the piezoelectric thin film 6 made of ZnO for detection is provided as strain detecting means on the inner side surface and the bottom surface of the groove 5 facing each other.
A piezoelectric thin film 7 for feedback is formed. In order to detect the voltage generated in these piezoelectric thin films, a GND electrode 10 as a common electrode with the thin film electrode 8 is laminated and patterned so as to sandwich both piezoelectric thin films.
圧電基板１には、Ｘ方向に伸縮振動させるための圧電
基板ドライブ用薄膜電極12が両面に形成されている。こ
の電極にある周波数の電圧を印加するとその周波数で圧
電基板１が振動し、シリコン基板３に形成された振動子
４がＸ方向に励振される。On the piezoelectric substrate 1, thin film electrodes 12 for driving a piezoelectric substrate for stretching and vibrating in the X direction are formed on both sides. When a voltage of a certain frequency is applied to this electrode, the piezoelectric substrate 1 vibrates at that frequency, and the oscillator 4 formed on the silicon substrate 3 is excited in the X direction.
また、ガラス基板２はシリコン基板３と圧電基板１の
電極12がショートしないようにするためのものであり、
さらにガラス凹部11が形成されている。The glass substrate 2 is for preventing the silicon substrate 3 and the electrode 12 of the piezoelectric substrate 1 from short-circuiting.
Further, a glass recess 11 is formed.
ガラス凹部11は振動子４がガラス基板２と接触するこ
とがないように形成されている。シリコンの異方性エッ
チングを利用して振動子を形成するので、開口部９の断
面形状は逆テーパの形状で、振動子４の断面形状は左右
対称で逆テーパのＵ字型形状となっている。The glass recess 11 is formed so that the vibrator 4 does not come into contact with the glass substrate 2. Since the oscillator is formed by utilizing anisotropic etching of silicon, the cross-sectional shape of the opening 9 is a reverse taper shape, and the cross-sectional shape of the vibrator 4 is bilaterally symmetrical and a reverse taper U-shape. There is.
振動子の断面寸法は、略a:350μｍ、b:200μｍ、c:90
0μｍ、d:1300μｍであり、振動子４の溝５の向かい合
う対向斜面に圧電薄膜６が形成され、溝５の底面に帰還
用の圧電薄膜７が設けられ、圧電薄膜６、７は互いにつ
ながることなくパターニングされている。The cross-sectional dimensions of the vibrator are approximately a: 350 μm, b: 200 μm, c: 90
0 μm, d: 1300 μm, the piezoelectric thin film 6 is formed on the opposing slopes of the groove 5 of the vibrator 4, the piezoelectric thin film 7 for feedback is provided on the bottom surface of the groove 5, and the piezoelectric thin films 6 and 7 should be connected to each other. Not patterned.
次に第５、６図によって、振動式ジャイロセンサの角
速度センシング方法を説明する。圧電基板１によって質
量ｍの振動子４がＸ方向に速度ｖで振動している時にＺ
軸回りに角速度ωが加わった場合、角速度に応じたコリ
オリ力Ｆ（＝2mvω）が発生する。コリオリ力はＹ方向
に加わるので、振動子４はＹ方向にたわみ、Ｘ方向とＹ
方向の合成振動になる。Next, the angular velocity sensing method of the vibration type gyro sensor will be described with reference to FIGS. When the piezoelectric substrate 1 vibrates the vibrator 4 having a mass m in the X direction at a speed v, Z
When the angular velocity ω is applied around the axis, Coriolis force F (= 2 mvω) corresponding to the angular velocity is generated. Since the Coriolis force is applied in the Y direction, the oscillator 4 bends in the Y direction,
It becomes the synthetic vibration of the direction.
このたわみ量は溝５にZnOで形成された圧電薄膜６と
圧電薄膜７の電圧変化として検出できる。This amount of deflection can be detected as a voltage change between the piezoelectric thin film 6 and the piezoelectric thin film 7 formed of ZnO in the groove 5.
第５図は角速度が加わっていない無回転時と角速度が
加わった回転時の動作説明図であり、速度ｖ、力ｆでＸ
方向に振動子４が振動しているとき、振動子４はＸ方向
にたわみ振動する。よって、２つの圧電薄膜６にはｆに
よる歪みが励振方向と同じ方向に生じる。FIG. 5 is an operation explanatory diagram at the time of no rotation where no angular velocity is applied and at the time of rotation when an angular velocity is applied.
When the vibrator 4 vibrates in the direction, the vibrator 4 flexurally vibrates in the X direction. Therefore, distortion due to f is generated in the two piezoelectric thin films 6 in the same direction as the excitation direction.
圧電薄膜６の膜厚方向に力ｆの分解成分が加えられた
とき、圧電薄膜に発生した出力電圧値をA1とする。次に
角速度がＺ軸回りに加わってコリオリ力Ｆが図の方向に
加わえられた時（回転時）、振動子４はｆとＦの合力方
向に振動する。そして、コリオリ力Ｆによって生じた電
圧値をA2とする。よって、圧電薄膜６の膜厚方向に合力
の分解成分が加えられることで、各検出用圧電薄膜６に
発生する出力電圧値は、それぞれA1−A2、A1＋A2とな
る。これらの差動出力電圧値の絶対値は2A2となり、コ
リオリ力Ｆによりそれぞれの圧電薄膜に生じる電圧の２
倍の出力電圧値を得ることができる。An output voltage value generated in the piezoelectric thin film when the decomposition component of the force f is applied in the film thickness direction of the piezoelectric thin film 6 is defined as A1. Next, when the angular velocity is applied around the Z axis and the Coriolis force F is applied in the direction of the figure (when rotating), the oscillator 4 vibrates in the resultant direction of f and F. Then, the voltage value generated by the Coriolis force F is set to A2. Therefore, when the decomposition component of the resultant force is applied in the film thickness direction of the piezoelectric thin film 6, the output voltage values generated in each of the detection piezoelectric thin films 6 become A1-A2 and A1 + A2, respectively. The absolute value of these differential output voltage values is 2A2, which is 2V2 of the voltage generated in each piezoelectric thin film by Coriolis force F
A double output voltage value can be obtained.
力ｆとコリオリ力Ｆとの合成振動によって得られた圧
電薄膜６からの出力は、第６図に示すようにフィルタ内
蔵の差動増幅回路14に入力され、センサの外乱成分をカ
ットしてコリオリ力Ｆによる電圧値を取り出す。そし
て、同時に発振回路13で圧電基板１を振動させると共
に、振動子４に形成された圧電薄膜７によって振動周波
数をモニタし発振回路13へとフィードバックし周波数を
調整する。この周波数を基準として差動増幅回路14を経
て得られた信号を同期検波回路15によって検波する。さ
らに、検波された電圧値を直流増幅回路16によって増幅
しコリオリ力による信号として取り出す。以上によっ
て、角速度の検出が行われる。The output from the piezoelectric thin film 6 obtained by the combined vibration of the force f and the Coriolis force F is input to the differential amplifier circuit 14 with a built-in filter as shown in FIG. The voltage value due to the force F is taken out. At the same time, the oscillation circuit 13 vibrates the piezoelectric substrate 1, and the piezoelectric thin film 7 formed on the oscillator 4 monitors the oscillation frequency and feeds it back to the oscillation circuit 13 to adjust the frequency. A signal obtained through the differential amplifier circuit 14 with this frequency as a reference is detected by the synchronous detection circuit 15. Further, the detected voltage value is amplified by the DC amplification circuit 16 and extracted as a signal by Coriolis force. The angular velocity is detected as described above.
次に振動子４の断面構造の他の実施例について第７図
で説明する。一実施例で説明した（ａ）に対してシリコ
ンの異方性エッチングを用いれば（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）のようにもできる。Next, another embodiment of the sectional structure of the vibrator 4 will be described with reference to FIG. If anisotropic etching of silicon is used for (a) described in the embodiment, (b), (c),
It can also be done like (d).
（ａ）の場合、シリコン基板３の表側から異方性エッ
チングを行い溝５を形成し、その後裏面から異方性エッ
チングを行い開口部９を形成することで振動子４のＵ字
型構造を作る。In the case of (a), anisotropic etching is performed from the front side of the silicon substrate 3 to form the groove 5, and then anisotropic etching is performed from the back surface to form the opening 9 to form the U-shaped structure of the vibrator 4. create.
（ｂ）の場合、表側から異方性エッチングを行い溝５
を形成するときに、予め貫通させる部分をある程度エッ
チングしておき、その後裏面から異方性エッチングを行
い貫通させることで、振動子４を形成することができ
る。このときの裏面からのエッチング量は（ａ）の場合
に比べ少なくできる。In the case of (b), the groove 5 is anisotropically etched from the front side.
When forming the, the vibrator 4 can be formed by etching the part to be penetrated in advance to some extent and then performing anisotropic etching from the back surface to penetrate the part. The amount of etching from the back surface at this time can be made smaller than in the case of (a).
（ａ）、（ｂ）において、圧電薄膜７は必ずしも必要
ではない。しかし、第６図において説明したように圧電
薄膜７を設けたほうが発振回路13に圧電薄膜７による信
号をフィードバックすることができるので、周波数を調
整することが可能となり、より高精度で高感度とするこ
とができる。In (a) and (b), the piezoelectric thin film 7 is not always necessary. However, since the signal from the piezoelectric thin film 7 can be fed back to the oscillation circuit 13 by providing the piezoelectric thin film 7 as described with reference to FIG. 6, it becomes possible to adjust the frequency, and it is possible to achieve higher accuracy and higher sensitivity. can do.
次に（ｃ）の場合は振動子４の断面構造をＶ字型にし
たものであり、圧電薄膜７は形成せず簡略化を図ってい
る。Next, in the case of (c), the cross-sectional structure of the vibrator 4 is V-shaped, and the piezoelectric thin film 7 is not formed for simplification.
（ｄ）は（ａ）のタイプを拡張したもので、溝５を２
つ形成し、（ａ）に比べ検出感度を上げることが可能で
ある。(D) is an extension of the type of (a), and has two grooves 5
It is possible to increase the detection sensitivity compared to (a).
第８図、第９図は振動子４の他の実施例である。振動
子４の断面形状が第７図の（ａ）の場合、シリコン基板
３の表裏面の形状を第８図に示す。第８図の（ａ）はシ
リコン基板３の表面形状を示し、（ｂ）はシリコン基板
３の裏面形状を示している。8 and 9 show another embodiment of the vibrator 4. When the cross-sectional shape of the oscillator 4 is as shown in FIG. 7A, the shapes of the front and back surfaces of the silicon substrate 3 are shown in FIG. 8A shows the surface shape of the silicon substrate 3, and FIG. 8B shows the back surface shape of the silicon substrate 3.
シリコン基板３は面方位が｛100｝であるので、異方
性エッチングを行うと、（ｂ）に示すように｛111｝シ
リコン結晶面17のテーパー斜面が形成される。また、振
動体の質量が大きいほど、振動体の速度が速いほどコリ
オリ力Ｆが大きい。そのためには第９図のように振動子
４の先端に重り部分18を形成しても良い。これにより、
振動子４の先端が重くなるので、励振振幅が大きく取れ
コリオリ力Ｆによる振動子のたわみも増加するので圧電
薄膜６において発生する電圧が大きくなり感度が向上す
る。Since the silicon substrate 3 has a plane orientation of {100}, anisotropic etching forms a taper slope of the {111} silicon crystal plane 17 as shown in (b). Further, the larger the mass of the vibrating body and the faster the speed of the vibrating body, the larger the Coriolis force F. For that purpose, a weight portion 18 may be formed at the tip of the vibrator 4 as shown in FIG. This allows
Since the tip of the oscillator 4 becomes heavy, the excitation amplitude is large and the deflection of the oscillator due to the Coriolis force F is also increased, so that the voltage generated in the piezoelectric thin film 6 is increased and the sensitivity is improved.
次に圧電薄膜６、圧電薄膜７が形成された振動子４の
製造プロセスを第10図で（ａ）〜（ｇ）順に説明する。Next, a manufacturing process of the vibrator 4 on which the piezoelectric thin film 6 and the piezoelectric thin film 7 are formed will be described in the order of (a) to (g) in FIG.
（ａ）：面方位｛100｝のシリコン基板３の表面に異方
性エッチングで溝５を形成する。異方性エッチングは、
アルカリ系エッチャント、例えば水素化カリウム水溶液
（KOH）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイ
ト（TMAH）を用いて行う。次に熱酸化を行いシリコン基
板３にSiO2膜19を形成する。さらに表側のSiO2膜をパタ
ーニングしSiO2パターン20を形成する。(A): Grooves 5 are formed by anisotropic etching on the surface of the silicon substrate 3 having a plane orientation of {100}. Anisotropic etching
It is performed using an alkaline etchant, for example, an aqueous potassium hydride solution (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH). Next, thermal oxidation is performed to form a SiO 2 film 19 on the silicon substrate 3. Further, the front side SiO 2 film is patterned to form a SiO 2 pattern 20.
（ｂ）：蒸着法またはスパッタ法により、クロム、金の
２層薄膜で形成された下層電極21をシリコン基板３の表
側に成膜する。(B): A lower electrode 21 formed of a two-layer thin film of chromium and gold is formed on the front side of the silicon substrate 3 by a vapor deposition method or a sputtering method.
（ｃ）：次に電気泳動によってコーティングされる電着
感光性レジストを用い、基板にレジストを塗布する。さ
らに、ホトリソプロセスを経て下層電極21をパターニン
グし、下層電極パターン22を得る。(C): Next, a resist is applied to the substrate using an electrodeposition photosensitive resist that is coated by electrophoresis. Further, the lower layer electrode 21 is patterned through a photolithography process to obtain a lower layer electrode pattern 22.
（ｄ）：下層電極パターン22を覆うようにスパッタ法に
よりZnOの圧電薄膜23、上層電極24を順次成膜する。こ
こでの上層電極24は下層電極21と同じクロム、金の２層
薄膜で形成される。その他、アルミニウム薄膜等の導電
性の薄膜を使用することもできる。(D): A piezoelectric thin film 23 of ZnO and an upper electrode 24 are sequentially formed by a sputtering method so as to cover the lower electrode pattern 22. The upper layer electrode 24 here is formed of the same two-layer thin film of chromium and gold as the lower layer electrode 21. In addition, a conductive thin film such as an aluminum thin film can also be used.
（ｅ）：電着（感光性）レジストを用い、基板表面にレ
ジストを塗布する。その後同様にホトリソプロセスを経
て上層電極薄膜24、ZnO薄膜23をパターニングし、上層
電極パターン26、ZnO薄膜パターン25を得る。ZnO薄膜パ
ターン25、上層電極パターン26は異方性エッチング溝５
の斜面に形成される。(E): An electrodeposition (photosensitive) resist is used and the resist is applied to the surface of the substrate. Thereafter, similarly, the upper electrode thin film 24 and the ZnO thin film 23 are patterned through the photolithography process to obtain the upper electrode pattern 26 and the ZnO thin film pattern 25. The ZnO thin film pattern 25 and the upper electrode pattern 26 are anisotropic etching grooves 5
Is formed on the slope.
工程（ｃ）、（ｅ）で電着レジストを用いたのは溝５
が100μｍを越える深溝の場合でも溝５の側面及び底面
をレジストでカバーすることができるからである。The groove 5 is formed by using the electrodeposition resist in the steps (c) and (e).
This is because even in the case of a deep groove having a thickness of more than 100 μm, the side surface and the bottom surface of the groove 5 can be covered with the resist.
（ｆ）：裏面のSiO2膜19をパターニングし、裏面Si開口
部27を形成する。(F): The SiO 2 film 19 on the back surface is patterned to form the back surface Si opening 27.
（ｇ）：基板３の表面を治具を用いてエッチャントが染
み込まないようにカバーして、KOHによる異方性エッチ
ングを裏面から行い貫通部を形成する。この際、先に表
面にSiO2薄膜を成膜してエッチングを行っても良い。(G): The surface of the substrate 3 is covered with a jig so that the etchant does not permeate, and anisotropic etching with KOH is performed from the back surface to form a penetrating portion. At this time, a SiO 2 thin film may be first formed on the surface and etching may be performed.
次に、他の実施例として一つの素子で２軸の角速度を
検出することが可能な振動式ジャイロセンサを第11図で
説明する。本実施例では２軸の角速度を検出するため２
個配置したジャイロセンサを一体化することができ、よ
り一層小型化に有利である。Next, as another embodiment, a vibrating gyro sensor capable of detecting biaxial angular velocities with one element will be described with reference to FIG. In this embodiment, since the angular velocities of the two axes are detected, 2
The individually arranged gyro sensors can be integrated, which is advantageous for further miniaturization.
第11図のものは基本構成は第１図と同じであり、圧電
基板１上に絶縁用ガラス基板２を介して振動梁が互いに
直角に交わるように２つ形成されている。そして、一つ
はＺ軸回り角加速度検出用振動子28で他はＹ軸回り角加
速度検出用振動子29である。これらの振動子の共振周波
数は互いに干渉しないように前もってずらすように各部
の寸法、位置などを定める。The structure shown in FIG. 11 is the same as that shown in FIG. 1, and two vibrating beams are formed on the piezoelectric substrate 1 so as to intersect each other at right angles via an insulating glass substrate 2. One is a Z-axis rotational angular acceleration detecting oscillator 28, and the other is a Y-axis rotational angular acceleration detecting oscillator 29. The dimensions, positions, etc. of the respective parts are determined so that the resonance frequencies of these vibrators are shifted in advance so as not to interfere with each other.
また、それぞれに圧電薄膜30、32、検出用のZnO薄膜3
1、33が形成され、Ｙ軸、Ｚ軸の角速度検出は第１図の
場合と同様に行なわれる。In addition, piezoelectric thin films 30, 32 and ZnO thin film 3 for detection respectively
1 and 33 are formed, and the angular velocity of the Y axis and the Z axis is detected in the same manner as in FIG.
上記の実施例は、溝の斜面に歪検出手段として圧電薄
膜を形成しているが、歪検出手段は圧電薄膜に限るもの
ではなく、例えば、溝の斜面にバルク圧電体を貼付けた
ものであっても同様の効果が期待できる。In the above embodiment, the piezoelectric thin film is formed on the slope of the groove as the strain detecting means, but the strain detecting means is not limited to the piezoelectric thin film, and for example, a bulk piezoelectric material is attached to the slope of the groove. However, the same effect can be expected.
本発明によれば、小型化され、検出感度が高く、感度
のバラツキが小さいジャイロセンサ及びそれを用いたビ
デオカメラ並びにジャイロセンサの製造方法を得ること
ができる。さらに、具体的には以下のことが言える。According to the present invention, it is possible to obtain a gyro sensor that is small in size, has high detection sensitivity, and has small variation in sensitivity, a video camera using the gyro sensor, and a method for manufacturing the gyro sensor. More specifically, the following can be said.
（１）マイクロマシニング技術によって製造が可能であ
り構成が簡単で量産性に富んでいる。(1) It can be manufactured by micromachining technology, has a simple structure, and is highly productive.
（２）圧電素子、絶縁基板、振動子の基板の３層による
接合基板で構成されているので、厚みが薄く、センサの
占有面積が小さく、小型化及び複合化が可能であり、ビ
デオカメラに複数個設置してもスペースを大きく取られ
ることがない。(2) Since it is composed of a bonded substrate consisting of three layers of a piezoelectric element, an insulating substrate, and a substrate of a vibrator, the thickness is small, the area occupied by the sensor is small, and it is possible to miniaturize and combine it into a video camera. It does not take up a lot of space even if multiple units are installed.
（３）振動子に溝を設け、その溝の対向する内側面に歪
検出手段である圧電薄膜を設けてあるので、コストを押
さえることができるとともに素子間の形状ばらつきを押
さえることができ、センサの出力感度のばらつきを押さ
えることができる。(3) Since the vibrator is provided with the groove and the piezoelectric thin film as the strain detecting means is provided on the inner side surfaces of the groove facing each other, the cost can be suppressed and the variation in the shape between the elements can be suppressed. It is possible to suppress variations in the output sensitivity of.
（４）センサ間の出力ばらつきを押さえることができる
ので、本センサをビデオカメラ等に実装すれば、実装後
の後工程でセンサ感度を調整するための補正回路や制御
用ソフトウエアの付加が不必要となる。(4) Output variations between sensors can be suppressed. Therefore, if this sensor is mounted on a video camera, it is not necessary to add a correction circuit or control software to adjust the sensor sensitivity in a post process after mounting. Will be needed.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大津 満雄 神奈川県藤沢市遠藤691―４ 羽根沢24 ―103 (72)発明者 角田 莞爾 茨城県那珂郡那珂町菅谷4503―４ (56)参考文献 特開 平８−261766（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Mitsuo Otsu 691-4 Endo, Fujisawa-shi, Kanagawa 24-104 Hanesawa (72) Inventor, Kakuta Kakuda 4503-4 Sugaya, Naka-cho, Naka-gun, Ibaraki Prefecture (56) References Kaihei 8-261766 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01C 19/56 G01P 9/04
Claims (4)
るように支持部と同一の基板に形成された振動子と前記
基板の裏面に接合された絶縁基板と前記絶縁基板の下面
に接合され圧電素子とを有し、前記圧電素子で前記振動
子をその厚さ方向に振動させるジャイロセンサにおい
て、 前記振動子に設けられた斜面を有する溝と、 前記溝の斜面に圧電薄膜を設けたことを特徴とするジャ
イロセンサ。1. A vibrator formed on the same substrate as a supporting part so that one end is supported by the supporting part in a vibrating state, an insulating substrate bonded to the back surface of the substrate, and a lower surface of the insulating substrate. A gyro sensor having a piezoelectric element bonded to the piezoelectric element, wherein the piezoelectric element vibrates the vibrator in a thickness direction thereof. A groove having an inclined surface provided on the vibrator, and a piezoelectric thin film provided on the inclined surface of the groove. A gyro sensor characterized in that
るように支持部と同一の基板に形成された振動子と前記
基板の裏面に接合された絶縁基板と前記絶縁基板の下面
に接合され圧電素子とを有し、前記圧電素子で前記振動
子をその厚さ方向に振動させるジャイロセンサにおい
て、 前記基板をシリコン基板とし、エッチングによって前記
基板に貫通部が設けられることにより形成された前記振
動子と、 前記シリコン基板の表面に異方性エッチングによって斜
面が形成された前記振動子に設けられた溝と、 前記溝の前記斜面に電着レジストを用いて形成された歪
検出手段と を備えたことを特徴とするジャイロセンサ。2. A vibrator formed on the same substrate as the supporting part so that one end is supported by the supporting part in a vibrating state, an insulating substrate bonded to the back surface of the substrate, and a lower surface of the insulating substrate. A gyrosensor having a piezoelectric element bonded to the piezoelectric element, wherein the piezoelectric element vibrates the vibrator in a thickness direction thereof, wherein the substrate is a silicon substrate, and a through portion is provided in the substrate by etching. The oscillator, a groove provided in the oscillator in which a slope is formed on the surface of the silicon substrate by anisotropic etching, and a strain detecting means formed on the slope of the groove using an electrodeposition resist. A gyro sensor characterized by having.
せるジャイロセンサが搭載されたビデオカメラにおい
て、 前記ビデオカメラのレンズ部に固定された基板と、 前記基板をエッチングして貫通部が設けられることによ
り形成された前記振動子と、 前記振動子に異方性エッチングによって対向斜面が形成
された溝と、 前記溝の前記対向斜面の内側に電着レジストを用いて形
成された歪検出手段と、 前記基板に設けられ前記歪検出手段に生じる電圧を検出
する薄膜電極と を備えたことを特徴とするビデオカメラ。3. A video camera equipped with a gyro sensor for vibrating a vibrator in a thickness direction by a piezoelectric element, wherein a substrate fixed to a lens portion of the video camera and a penetrating portion formed by etching the substrate. The vibrator formed by being provided, a groove in which an opposite slope is formed in the vibrator by anisotropic etching, and a strain detection formed using an electrodeposition resist inside the opposite slope of the groove. Means and a thin film electrode provided on the substrate for detecting a voltage generated in the strain detecting means.
と同一の基板に形成された振動子と前記基板の裏面に接
合された絶縁基板と前記絶縁基板の下面に接合され圧電
素子とを有し、前記圧電素子で前記振動子をその厚さ方
向に振動させるジャイロセンサの製造方法において、 前記基板をエッチングして貫通部を設け前記振動子を形
成する工程と、形成された前記振動子に異方性エッチン
グによって対向斜面を有する溝を形成する工程と、 前記対向斜面の内側に電着レジストを塗布する工程と、 塗布された前記電着レジストを用いて前記対向斜面の内
側に歪検出手段を形成する工程と を備えたことを特徴とするジャイロセンサの製造方法。4. A vibrator formed on the same substrate as the supporting portion so as to be supported in a vibrating state, an insulating substrate joined to the back surface of the substrate, and a piezoelectric element joined to the lower surface of the insulating substrate. A method of manufacturing a gyro sensor, comprising: vibrating the vibrator in the thickness direction thereof with the piezoelectric element, the step of etching the substrate to provide a penetrating portion to form the vibrator, and the formed vibration. Forming a groove having an opposite slope by anisotropic etching on the child, applying an electrodeposition resist on the inside of the opposite slope, and using the applied electrodeposition resist to distort the inside of the opposite slope. A method of manufacturing a gyro sensor, comprising the step of forming a detection means.
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1997
- 1997-03-19 JP JP54032698A patent/JP3462880B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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| WO1998041818A1 (en) | 1998-09-24 |
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