JPH06123632A

JPH06123632A - 力学量センサ

Info

Publication number: JPH06123632A
Application number: JP4274530A
Authority: JP
Inventors: Masato Mizukoshi; 正人水越
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1992-10-13
Filing date: 1992-10-13
Publication date: 1994-05-06
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JP3293194B2

Abstract

(57)【要約】【目的】新規な構造の力学量センサを提供することに
ある。【構成】基板１上には固定部２，３，４，５が立設さ
れ、この固定部２，３，４，５からＬ字型の梁６，７，
８，９が延びている。その梁６，７，８，９の他端には
方形の錘１０が連結支持されている。そして、このＬ字
型の梁６，７，８，９で形成される面が錘１０の可動面
となっている。錘１０の４辺には棒状の電極１１，１
２，１３，１４が形成されている。又、基板１上には電
極１１，１２，１３，１４の間に棒状の電極１５，１
６，１７，１８が対向するように配置されている。そし
て、対向電極１３，１７及び１４，１８への電圧印加に
より錘１０が励振するとともに、対向電極１１，１５及
び１２，１６により回転角速度Ωの印加に伴う錘１０の
動きが検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、角速度や加速度等の
力学量を検出するための力学量センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、コリオリの力を利用してヨーレイ
トを検出するものとしては、圧電素子を使用した音叉型
・音片型がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、複雑な形状
の機械加工及び圧電素子の貼り付けが必要であり、小型
化・低コスト化・高精度化が難しいという問題点があ
る。

【０００４】そこで、この発明は、新規な構造の力学量
センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、錘をＬ字型
の梁で支持して、同Ｌ字型の梁で形成される面を錘の可
動面とし、力学量の作用に伴う錘の動きを検出するよう
にした力学量センサをその要旨とするものである。

【０００６】

【作用】Ｌ字型の梁が変形することにより錘が可動状態
となっている。そして、力学量の作用に伴う錘の動きが
検出されて力学量が検出される。

【０００７】

【実施例】以下、この発明を角速度センサに具体化した
一実施例を図面に従って説明する。

【０００８】図１には、本実施例の角速度センサの平面
図を示し、図２は図１のＡ矢視図である。基板１は単結
晶シリコン基板（又はセラミック，ガラス）よりなり、
数ｍｍ角、厚さ５００μｍ程度のものである。

【０００９】基板１の上面には４つの固定部（アンカー
部）２，３，４，５が立設され、この固定部２，３，
４，５からＬ字型の梁６，７，８，９が延設されてい
る。それぞれのＬ字型の梁６，７，８，９の他端には導
電性を有する方形の錘１０が形成されている。この梁
６，７，８，９及び錘１０は、基板１の表面と平行な面
に延設配置されている。

【００１０】図１での錘１０の左側面には５つの棒状の
電極１１が図１において左右方向（Ｘ軸）に延設されて
いる。同様に、図１での錘１０の右側面には５つの棒状
の電極１２が図１において左右方向（Ｘ軸）に延設され
ている。さらに、図１での錘１０の上側面には５つの棒
状の電極１３が図１において上下方向（Ｙ軸）に延設さ
れている。同様に、図１での錘１０の下側面には５つの
棒状の電極１４が図１において上下方向（Ｙ軸）に延設
されている。

【００１１】一方、各電極１１間には２本ずつの棒状の
電極１５が配置され、その一端が基板１上面に固定され
ており、電極１１と電極１５とにより対向電極が構成さ
れている。又、各電極１２間には２本ずつの棒状の電極
１６が配置され、その一端が基板１上面に固定されてお
り、電極１２と電極１６とにより対向電極が構成されて
いる。同様に、各電極１３間には２本ずつの棒状の電極
１７が配置され、その一端が基板１上面に固定されてお
り、電極１３と電極１７とにより対向電極が構成されて
いる。又、各電極１４間には２本ずつの棒状の電極１８
が配置され、その一端が基板１上面に固定されており、
電極１４と電極１８とにより対向電極が構成されてい
る。このように、固定電極１５〜１８と可動電極１１〜
１４との間の空隙が電極ギャップとなる。

【００１２】ここで、図２に示すように、梁６，７，
８，９と、電極１１〜１４を含む錘１０と、電極１５〜
１８とは、基板１の上面との間に１〜２μｍのギャップ
（空間）が形成されている。つまり、固定部（アンカー
部）２，３，４，５により梁６〜９及び錘１０が浮いた
状態で支持されている。又、この固定部（アンカー部）
２，３，４，５が可動電極取り出し端子となる。

【００１３】又、固定部２，３，４，５、梁６〜９、電
極１１〜１４を含む錘１０、及び電極１５〜１８は、後
述するように、犠牲層エッチングを用いた基板１の表面
マイクロマシニング技術によって作成される。

【００１４】尚、錘１０は、直方体（１００μｍ角、厚
さ２μｍ程度）であり、Ｘ軸（励振方向軸）とＹ軸（コ
リオリ力による振動軸）に関して対称となっている。
又、Ｌ字型の梁６，７，８，９は、厚さ２μｍ，幅１μ
ｍ，長さ１００μｍ程度であり、厚さより幅を小さくし
て錘１０が基板表面方向（水平方向）に動きやすく、基
板１の深さ方向（垂直方向）に動きにくくなっている。
さらに、電極１１〜１８の形状は厚さ２μｍ，幅１μ
ｍ，長さ１００μｍ程度である。

【００１５】次に、角速度センサの製造工程を図３，
４，５，６，７を用いて説明する。まず、図３に示すよ
うに、単結晶シリコン基板１９の表面にプラズマＣＶＤ
又は熱ＣＶＤによりＳｉＮ（窒化シリコン）膜２０を１
μｍ程度の厚さで形成する。そして、固定部２，３，
４，５（可動電極取り出し端子）及び固定電極１５，１
６，１７，１８をシリコン基板内の信号処理回路（図で
は省略してある）と配線する拡散リード２１を、イオン
注入法または熱拡散法にて形成する。その表面に犠牲層
であるＳｉＯ₂膜（酸化シリコン膜）２２を熱ＣＶＤに
より約１μｍの厚さで形成する。

【００１６】引き続き、図４に示すように、レジストを
マスクとしてＲＩＥによるドライエッチング法により固
定部（アンカー部）２，３，４，５及び固定電極１５〜
１８の取付部（根元部）となる領域のＳｉＯ₂膜２２と
ＳｉＮ膜２０に対し開孔部２３を形成する（コンタクト
ホールの開孔工程）。

【００１７】さらに、図５に示すように、開孔部２３内
を含むＳｉＯ₂膜２２上に、熱ＣＶＤによりポリシリコ
ン膜２４を約２μｍ形成する。尚、ポリシリコン膜２４
の代わりに、真空蒸着法によるアモルファスシリコンを
用いてもよい。

【００１８】そして、図６に示すように、レジストをマ
スクとしてＲＩＥによるドライエッチング法で梁６〜
９、電極１５〜１８、及び電極１１〜１４を含む錘１０
の形状となるようにポリシリコン膜２４をエッチングす
る。

【００１９】さらに、図７に示すように、希フッ酸（又
はバッファドフッ酸）にディップしてＳｉＯ₂膜２２
（犠牲層）をエッチング除去する。このとき、エッチン
グ液が錘１０の下に入り込むことによって錘１０、梁６
〜９、電極１１〜１４が基板１９の上面から離間した状
態となる。

【００２０】このように製造された角速度センサにおい
ては、次のような動作をする。図１の対向電極１３，１
７及び１４，１８は、励振用電極（コンデンサ）であ
り、同電極に交流電圧を印加することにより、静電吸引
力によって錘１０がＸ軸方向に振動（励振）する。この
とき、Ｌ字型の梁６，７，８，９におけるＹ軸に平行な
直線部（図１での梁６では６ａで示す部分）が撓むこと
によりＸ軸に振動するものである。

【００２１】対向電極１１，１５及び１２，１６はコリ
オリ力検出用電極（コンデンサ）であり、図１において
紙面に直交する軸（Ｚ軸）の回りに角速度Ωが発生する
と、錘１０はＹ軸方向にＦc ＝２ｍｖΩのコリオリ力を
受ける。ここで、ｍは錘１０の質量、ｖは錘１０の速度
である。そして、このコリオリ力は、励振印加電圧と同
じ周期をもつこととなり、錘１０はＹ軸方向にもＸ軸方
向と同じ周期で振動する。このとき、Ｌ字型の梁６，
７，８，９におけるＸ軸に平行な直線部（図１での梁６
では６ｂで示す部分）が撓むことによりＹ軸に振動する
ものである。

【００２２】このようにして、コリオリ力により錘１０
がＹ軸方向に変位し、その変位（振動）が対向電極１
１，１５及び１２，１６により容量変化として測定され
る。この容量変化に基づいて回転角速度Ωが検出され
る。つまり、Ｙ軸方向の振幅はコリオリ力２ｍｖΩに比
例し、ｍ及びｖは既知であるのでＹ軸方向の振幅より回
転角速度Ωを求めることができる。

【００２３】このように本実施例では、錘１０をＬ字型
の梁６，７，８，９で支持して、同Ｌ字型の梁６，７，
８，９で形成される面を錘１０の可動面とし、回転角速
度Ωの印加に伴う錘１０の動きを検出するようにした。
このように、マイクロ加工が可能な平面状態で２次元的
に変位可能な錘１０を有する梁構造となり、新規な構造
の角速度センサとなる。

【００２４】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、上記実施例では対向電極（コンデ
ンサ）の面積をかせぐために櫛歯状としていたが、図
８，９に示すように、基板の厚さ方向で電極面積をかせ
ぐようにしてもよい。

【００２５】つまり、基板２５に対し４つのＬ字型の梁
２６，２７，２８，２９が延設され、その梁２６，２
７，２８，２９の他端には錘３０が支持されている。
又、基板２５の表面において直交するＸ，Ｙ軸方向に
は、錘側電極３１，３２，３３，３４及び固定側電極３
５，３６，３７，３８が形成されている。この図８，９
に示すセンサの製造方法を図１０，１１，１２を用いて
説明する。まず、図１０に示す単結晶シリコン基板３９
を用意するとともに、図１１に示す単結晶シリコン基板
４０を用意し、さらに、単結晶シリコン基板４０の主表
面の所定領域に凹部４１を形成する。そして、図１２に
示すように、単結晶シリコン基板４０の主表面と単結晶
シリコン基板３９とを直接接合する。そして、図９に示
すように、ドライエッチングにより単結晶シリコン基板
３９に所定のパターンの開孔部を形成する。

【００２６】又、他の応用例としては、図８に示すセン
サの製造方法として、図１３，１４，１５に示すように
してもよい。まず、図１３に示す単結晶シリコン基板４
３を用意し、図１４に示すように、単結晶シリコン基板
４３の裏面をウェットエッチングして凹部４４を形成す
る。そして、図１４に示すように、単結晶シリコン基板
４３の薄肉部にドライエッチングにより所定のパターン
の貫通孔４５を形成する。このようして図８に示すセン
サを製造してもよい。

【００２７】さらに、角速度センサの他にも、２次元加
速度センサとしてもよい。つまり、例えば、図１におい
て、Ｘ軸の加速度を対向電極１３，１７及び対向電極１
４，１８にてコンデンサ容量変化として測定するととも
に、Ｙ軸の加速度を対向電極１１，１５及び対向電極１
２，１６にてコンデンサ容量変化として測定するように
してもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
新規な構造の力学量センサとすることができる効果を発
揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の角速度センサの平面図である。

【図２】図１のＡ矢視図である。

【図３】角速度センサの製造工程を示す断面図である。

【図４】角速度センサの製造工程を示す断面図である。

【図５】角速度センサの製造工程を示す断面図である。

【図６】角速度センサの製造工程を示す断面図である。

【図７】角速度センサの製造工程を示す断面図である。

【図８】別例の角速度センサの平面図である。

【図９】図８のＢ−Ｂ断面図である。

【図１０】別例の角速度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図１１】別例の角速度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図１２】別例の角速度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図１３】別例の応用例の角速度センサの製造工程を示
す断面図である。

【図１４】別例の応用例の角速度センサの製造工程を示
す断面図である。

【図１５】別例の応用例の角速度センサの製造工程を示
す断面図である。

【符号の説明】

６，７，８，９梁１０錘

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】錘をＬ字型の梁で支持して、同Ｌ字型の
梁で形成される面を錘の可動面とし、力学量の作用に伴
う錘の動きを検出するようにしたことを特徴とする力学
量センサ。