JPH07103768A - Angular velocity sensor - Google Patents

Angular velocity sensor

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JPH07103768A
JPH07103768A JP5249056A JP24905693A JPH07103768A JP H07103768 A JPH07103768 A JP H07103768A JP 5249056 A JP5249056 A JP 5249056A JP 24905693 A JP24905693 A JP 24905693A JP H07103768 A JPH07103768 A JP H07103768A
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JP
Japan
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substrate
side electrode
angular velocity
velocity sensor
vibrator
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Pending
Application number
JP5249056A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshihisa Sano
義久 左納
Masahiro Fushimi
正弘 伏見
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型であっても検出能力が高い角速度センサ
を提供する。 【構成】 x軸回りに回転される基板1の表面には振動
子11が固定されている。振動子11の中央部は、振動
手段(不図示)により矢印A方向に振動される質量部1
1bとなっている。基板1の表面の、質量部11bと対
向する部位は、x軸方向にほぼ一様な山形状の凹凸形状
となっており、その表面に基板側電極2が形成されてい
る。質量部11bの形状についても、基板側電極2に対
応した、x軸方向にほぼ一様な凹凸形状となっており、
その基板側電極2と対向する部位に振動子側電極12が
形成されている。これにより、基板側電極2と振動子側
電極12との対向面積が大きくなり、各電極2、12間
の距離が変化したときの各電極2、12間の静電容量の
変化が大きくなり、検出能力が向上する。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide an angular velocity sensor that is small but has high detection capability. [Structure] A vibrator 11 is fixed to the surface of a substrate 1 which is rotated around the x-axis. The central portion of the vibrator 11 has a mass portion 1 vibrated in the direction of arrow A by vibrating means (not shown).
It is 1b. A portion of the surface of the substrate 1 facing the mass portion 11b has a concavo-convex shape that is substantially uniform in the x-axis direction, and the substrate-side electrode 2 is formed on the surface. The shape of the mass part 11b is also a uniform uneven shape in the x-axis direction corresponding to the substrate-side electrode 2,
The vibrator-side electrode 12 is formed at a portion facing the substrate-side electrode 2. As a result, the facing area between the substrate-side electrode 2 and the oscillator-side electrode 12 increases, and the change in the capacitance between the electrodes 2 and 12 when the distance between the electrodes 2 and 12 changes increases. Detectability is improved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量検知型振動ジ
ャイロ方式の角速度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration gyro type angular velocity sensor of capacitance detection type.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体の姿勢、動き、速度等の情報を得る
ために物体の方位を検出するものとして、振動ジャイロ
が知られている。振動ジャイロは、こまの原理を利用し
た機械的機構からなるジャイロに比べて小型で、かつ低
コストで作製することができ、しかも高精度の検出が可
能であることから、各種機器の振動検出装置や方位検出
装置として利用されることが期待されている。
2. Description of the Related Art A vibration gyro is known as a device for detecting the orientation of an object in order to obtain information such as the attitude, movement, and speed of the object. A vibration gyro is smaller than a gyro consisting of a mechanical mechanism that uses the principle of spinning tops, can be manufactured at low cost, and is capable of highly accurate detection. It is expected to be used as a direction detector.

【0003】図9は、従来の振動ジャイロ方式の角速度
センサの概略斜視図である。図9に示すように、この角
速度センサは、基板101と、一端部が固定部111a
により基板101に支持された振動子111とを有す
る。振動子111の他端部である自由端部には、振動手
段(不図示)により矢印a方向に振動される質量部11
1bが一体的に設けられており、質量部111bと基板
101との間には空隙が形成される。また、質量部11
1bの基板101との対向面には振動子側電極112が
設けられる一方、基板101の振動子側電極112と対
向する部位には基板側電極102が設けられている。
FIG. 9 is a schematic perspective view of a conventional vibration gyro type angular velocity sensor. As shown in FIG. 9, this angular velocity sensor includes a substrate 101 and a fixed portion 111a at one end.
And a vibrator 111 supported by the substrate 101. At the free end, which is the other end of the vibrator 111, the mass portion 11 vibrated in the direction of arrow a by vibrating means (not shown).
1b is integrally provided, and a gap is formed between the mass portion 111b and the substrate 101. Also, the mass part 11
An oscillator-side electrode 112 is provided on the surface of the substrate 1b facing the oscillator 101, while a substrate-side electrode 102 is provided on a portion of the substrate 101 opposed to the oscillator-side electrode 112.

【0004】上記構成に基づき、振動子111の質量部
111bを、振動手段により一定の振動数で矢印a方向
に振動させ、この状態で、基板101をx軸回りに角速
度ωで回転させると、質量部111bにコリオリ力が生
じ質量部111bが矢印b方向に振動する。これによ
り、振動子側電極112と基板側電極102との間隔が
変化し、それに伴って振動子側電極112と基板側電極
102との間の静電容量が変化する。そして、このとき
に各電極102、112間に流れる電流を測定すること
により角速度ωが求められる。
Based on the above configuration, the mass portion 111b of the vibrator 111 is vibrated at a constant frequency in the direction of arrow a by vibrating means, and in this state, the substrate 101 is rotated about the x axis at an angular velocity ω, Coriolis force is generated in the mass portion 111b, and the mass portion 111b vibrates in the direction of arrow b. As a result, the distance between the vibrator-side electrode 112 and the substrate-side electrode 102 changes, and the capacitance between the vibrator-side electrode 112 and the substrate-side electrode 102 changes accordingly. Then, at this time, the angular velocity ω is obtained by measuring the current flowing between the electrodes 102 and 112.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の振動ジャイロ方式の角速度センサは、半導体プ
ロセス技術を応用して作製することができるので、小型
化が達成されるという利点があるものの、小型化に伴っ
て検出能力が低下してしまうという問題点があった。こ
れは、静電容量検知型の角速度センサの検出能力は各電
極の対向面積に依存しており、小型化により各電極の対
向面積が小さくなることで、質量部の振動に伴う静電容
量の変化量、すなわち各電極間に流れる電流の変化量が
小さくなるためである。
However, since the above-mentioned conventional vibration gyro type angular velocity sensor can be manufactured by applying the semiconductor process technology, it has an advantage that miniaturization is achieved, but it is small. However, there is a problem that the detection capability is deteriorated with the progress of the development. This is because the detection capacity of the capacitance-sensing angular velocity sensor depends on the facing area of each electrode, and the facing area of each electrode becomes smaller due to the miniaturization, so that the capacitance due to the vibration of the mass part is reduced. This is because the amount of change, that is, the amount of change in the current flowing between the electrodes is small.

【0006】そこで本発明は、小型であっても検出能力
が高い角速度センサを提供することを目的とする。
[0006] Therefore, an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor having a high detection ability even if it is small.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の角速度センサは、基板に所定の空隙を介し、か
つ、前記基板と平行な1軸方向および前記基板と垂直方
向に変位可能に支持された質量部と、前記質量部を前記
1軸方向に振動させるための振動手段と、前記基板およ
び前記質量部のそれぞれに互いに対向して設けられた一
対の面状の電極とを有し、前記基板と平行で、しかも前
記1軸に垂直な軸回りに回転される角速度センサにおい
て、前記一対の電極は、それぞれ前記質量部の振動方向
に垂直な方向に凹凸に形成されていることを特徴とす
る。
In order to achieve the above object, an angular velocity sensor of the present invention is capable of being displaced through a predetermined gap in a substrate and in one axial direction parallel to the substrate and in a direction perpendicular to the substrate. A supported mass part, a vibrating means for vibrating the mass part in the uniaxial direction, and a pair of planar electrodes provided to face each of the substrate and the mass part. In the angular velocity sensor which is parallel to the substrate and is rotated about an axis perpendicular to the one axis, the pair of electrodes are formed in a concavo-convex shape in a direction perpendicular to the vibration direction of the mass part. Characterize.

【0008】また、前記一対の電極は、低抵抗化したシ
リコンにより構成されたものであってもよい。
The pair of electrodes may be made of silicon having a low resistance.

【0009】[0009]

【作用】上記のとおり構成された本発明の角速度センサ
では、基板に所定の空隙を介して支持された質量部を、
振動手段により基板と平行な1軸方向に振動させ、この
状態で、角速度センサを基板と平行でしかも前記1軸に
垂直な軸回りに回転させる。すると、質量部にコリオリ
力が働き、このコリオリ力によって質量部は基板と垂直
な方向に振動する。基板および質量部には、それぞれ面
状の電極が互いに対向して設けられているので、質量部
の変位により各電極間の静電容量が変化し、この変化か
ら角速度が求められる。
In the angular velocity sensor of the present invention configured as described above, the mass portion supported on the substrate through the predetermined gap is
The vibrating means vibrates in the direction of one axis parallel to the substrate, and in this state, the angular velocity sensor is rotated about an axis parallel to the substrate and perpendicular to the one axis. Then, Coriolis force acts on the mass portion, and the Coriolis force causes the mass portion to vibrate in a direction perpendicular to the substrate. Since the planar electrodes are provided on the substrate and the mass portion so as to face each other, the capacitance between the electrodes changes due to the displacement of the mass portion, and the angular velocity is obtained from this change.

【0010】ここで、各電極はそれぞれ質量部の振動方
向に垂直な方向に凹凸に形成されているので、質量部が
小さくても各電極の対向面積は大きいものとなる。その
ため、質量部の振動に伴う各電極間の静電容量の変化は
大きく、角速度センサの検出能力が向上する。
Here, since each electrode is formed in a concavo-convex shape in a direction perpendicular to the vibration direction of the mass part, the facing area of each electrode is large even if the mass part is small. Therefore, the change in the electrostatic capacitance between the electrodes due to the vibration of the mass portion is large, and the detection capability of the angular velocity sensor is improved.

【0011】[0011]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.

【0012】(第1実施例)図1は、本発明の角速度セ
ンサの第1実施例の一部を破断した要部斜視図であり、
図2は、図1に示した角速度センサの平面図である。図
1および図2に示すように、x軸回りに回転される基板
1の表面には振動子11が固定されている。振動子11
は、x軸方向に沿った両端部にそれぞれ固定部11aを
有し、各固定部11aにおいて基板1に固定されてい
る。また、振動子11の中央は振動子側電極12と櫛歯
電極11dとからなる質量部11bとなっており、質量
部11bは両端部において、各固定部11aから一体的
に延設された支持梁11cにより、基板1の表面から所
定の空隙を介して、かつ、x軸と垂直な方向である矢印
A方向に変位可能に支持されている。
(First Embodiment) FIG. 1 is a perspective view of an essential part of a first embodiment of an angular velocity sensor of the present invention, with a part broken away,
FIG. 2 is a plan view of the angular velocity sensor shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the vibrator 11 is fixed to the surface of the substrate 1 rotated about the x-axis. Oscillator 11
Has fixing portions 11a at both ends along the x-axis direction, and is fixed to the substrate 1 at each fixing portion 11a. Further, the center of the vibrator 11 is a mass part 11b composed of the vibrator side electrode 12 and the comb-teeth electrode 11d, and the mass part 11b is provided at both ends with a support integrally extended from each fixing part 11a. It is supported by the beam 11c so as to be displaceable from the surface of the substrate 1 through a predetermined space and in the direction of arrow A which is a direction perpendicular to the x axis.

【0013】基板1の表面の、質量部11bと対向する
部位は、x軸方向にほぼ一様な山形状の凹凸形状となっ
ており、その表面に基板側電極2が形成されている。ま
た、質量部11bの形状についても、基板側電極2に対
応した、x軸方向にほぼ一様な凹凸形状となっており、
その基板側電極2と対向する部位に振動子側電極12が
形成されている。
A portion of the surface of the substrate 1 facing the mass portion 11b has a concavo-convex shape that is substantially uniform in the x-axis direction, and the substrate-side electrode 2 is formed on the surface. Also, the shape of the mass portion 11b is an uneven shape that is substantially uniform in the x-axis direction, corresponding to the substrate-side electrode 2,
The vibrator-side electrode 12 is formed at a portion facing the substrate-side electrode 2.

【0014】なお、本実施例の角速度センサは、後述す
るように半導体プロセス技術を利用して作製されてお
り、質量部11bには、基板1と質量部11bとの間に
空隙を形成する際に必要となる貫通孔14が形成されて
いる。
The angular velocity sensor of this embodiment is manufactured by using a semiconductor process technique as described later, and when a space is formed between the substrate 1 and the mass part 11b in the mass part 11b. The through hole 14 necessary for the above is formed.

【0015】さらに、図2に示すように質量部11bの
両側端には、それぞれ櫛歯状の櫛歯電極11dが形成さ
れており、それに対向して基板1には、質量部11bに
矢印A方向への変位を与えるための櫛歯状の駆動電極1
3が形成されている。そして、櫛歯電極11dおよび基
板1の駆動電極13は、後述する製作工程で製作した場
合に振動子側電極12の幅を基板側電極2の幅よりも短
くするために、それぞれ図3に示すように、質量部11
bよりも高い位置に形成されている。振動子側電極12
の幅を基板側電極2の幅よりも短くするのは、質量部1
1bが矢印A方向に振動したときに質量部11bが基板
1と衝突するのを避けるためである。
Further, as shown in FIG. 2, comb-teeth-shaped electrodes 11d having comb-teeth are formed on both ends of the mass portion 11b, respectively. Drive electrode 1 in the shape of a comb tooth for giving a displacement in the direction
3 is formed. The comb-teeth electrode 11d and the drive electrode 13 of the substrate 1 are shown in FIG. 3 in order to make the width of the vibrator-side electrode 12 shorter than the width of the substrate-side electrode 2 when manufactured in a manufacturing process described later. So that the mass part 11
It is formed at a position higher than b. Transducer side electrode 12
The width of the mass is smaller than that of the substrate-side electrode 2 because
This is to prevent the mass portion 11b from colliding with the substrate 1 when 1b vibrates in the direction of arrow A.

【0016】上記構成に基づいて、駆動電極13に電圧
を印加すると、駆動電極13と櫛歯電極11dとの間に
静電力が働き、この電圧を周期的に切り換えることによ
り、質量部11bは矢印A方向に振動する。この状態で
角速度センサを角速度ωでx軸回りに回転させると、質
量部11bの振動方向に応じて質量部11bにはコリオ
リ力が作用し、質量部11bは基板1の表面に対して垂
直方向(矢印B方向)に振動する。これにより、振動子
側電極12と基板側電極2との間の静電容量が変化し、
この静電容量の変化から角速度ωを求める。このとき、
基板側電極2および振動子側電極12はそれぞれ凹凸形
状となっているので、両者の対向面積は平板状の場合と
比較して大きくなっており、質量部11bの振動に伴う
静電容量の変化量も大きいものとなる。その結果、検出
能力が向上する。
When a voltage is applied to the drive electrode 13 based on the above structure, an electrostatic force is exerted between the drive electrode 13 and the comb-teeth electrode 11d, and this voltage is periodically switched, so that the mass portion 11b has an arrow. It vibrates in the A direction. When the angular velocity sensor is rotated about the x-axis at the angular velocity ω in this state, Coriolis force acts on the mass portion 11b according to the vibration direction of the mass portion 11b, and the mass portion 11b moves in the direction perpendicular to the surface of the substrate 1. It vibrates in the direction of arrow B. As a result, the capacitance between the vibrator-side electrode 12 and the substrate-side electrode 2 changes,
The angular velocity ω is obtained from this change in capacitance. At this time,
Since the substrate-side electrode 2 and the oscillator-side electrode 12 are each in a concavo-convex shape, the opposing area between them is larger than that in the case of a flat plate shape, and the change in electrostatic capacitance due to the vibration of the mass portion 11b. The amount will be large. As a result, the detection capability is improved.

【0017】次に、本実施例の角速度センサの作製工程
について、基板側電極2および振動子側電極12の凹凸
形状の形成工程を中心に、図4を参照して説明する。
Next, the manufacturing process of the angular velocity sensor of this embodiment will be described with reference to FIG. 4, focusing on the process of forming the uneven shape of the substrate side electrode 2 and the vibrator side electrode 12.

【0018】まず、図4の(A)に示すように、Si製
の基板1の表面に、減圧CVD(LPCVD)法により
シリコン窒化膜15を成膜した後、フォトリソグラフィ
法および反応性イオンエッチング法を用いて、形成すべ
き凹凸のピッチと等しいピッチでシリコン窒化膜15を
除去し、エッチング用のマスクとする。ここでは、シリ
コン窒化膜15のピッチを約4μmとした。
First, as shown in FIG. 4A, a silicon nitride film 15 is formed on the surface of a Si substrate 1 by a low pressure CVD (LPCVD) method, and then photolithography and reactive ion etching are performed. Method is used to remove the silicon nitride film 15 at a pitch equal to the pitch of the irregularities to be formed, and use it as an etching mask. Here, the pitch of the silicon nitride film 15 is set to about 4 μm.

【0019】次に、図4の(B)に示すように、基板1
の表面を110℃のKOH溶液を用いてエッチングす
る。これにより、基板1はシリコン窒化膜15が残って
いない部位のみがエッチングされ、基板1の表面には凹
凸が形成される。このときのエッチング深さは、最大部
で約2μmとした。
Next, as shown in FIG. 4B, the substrate 1
The surface is etched using a KOH solution at 110 ° C. As a result, the substrate 1 is etched only in the portion where the silicon nitride film 15 does not remain, and the surface of the substrate 1 is formed with irregularities. At this time, the etching depth was about 2 μm at the maximum.

【0020】その後、図4の(C)に示すように、シリ
コン窒化膜15を含む基板1のエッチング面に、LPC
VD法によりポリシリコン膜を成膜しパターニングした
後、さらにリンをイオン注入法により注入して基板側電
極形成部を低抵抗化し、基板1の凹凸と同形状の基板側
電極2を形成する。このときの基板側電極2の厚みは、
約2μmとした。
Then, as shown in FIG. 4C, LPC is formed on the etching surface of the substrate 1 including the silicon nitride film 15.
After forming a polysilicon film by the VD method and patterning it, phosphorus is further injected by the ion implantation method to reduce the resistance of the substrate-side electrode forming portion, and the substrate-side electrode 2 having the same shape as the unevenness of the substrate 1 is formed. At this time, the thickness of the substrate-side electrode 2 is
It was set to about 2 μm.

【0021】基板側電極2を形成したら、図4の(D)
に示すように、基板側電極2上を含む基板1上に、真空
スパッタリング法によりSiO2 からなる犠牲層16を
成膜する。そして、図3に示したように、櫛歯電極11
dおよび駆動電極13の位置を高くして振動子側電極1
2の幅を基板側電極2の幅よりも短くするために、上記
成膜した犠牲層16のうち、駆動電極13および櫛歯電
極11dとなる部位を除く部位をエッチングし、その厚
さを薄くする。犠牲層16の厚みは、初期は約6μmの
厚みで、それをエッチングして3μmとした。
After the substrate side electrode 2 is formed, FIG.
As shown in, the sacrificial layer 16 made of SiO 2 is formed on the substrate 1 including the substrate side electrode 2 by the vacuum sputtering method. Then, as shown in FIG.
The positions of d and the drive electrode 13 are raised to make the vibrator side electrode 1
In order to make the width of 2 smaller than the width of the substrate-side electrode 2, the sacrifice layer 16 formed above is etched except for the portions to be the drive electrodes 13 and the comb-teeth electrodes 11d, and the thickness thereof is reduced. To do. The thickness of the sacrificial layer 16 was initially about 6 μm, and was etched to 3 μm.

【0022】次いで、図4の(E)に示すように、犠牲
層16上にLPCVD法によりポリシリコン膜を2.5
μmの厚みで成膜しパターニングした後、リンをイオン
注入法により注入し、振動子側電極12を形成する。こ
れにより、基板側電極2と同様の凹凸を有する振動子側
電極12が得られる。このように、低抵抗化したシリコ
ンを用いて基板側電極2および振動子側電極12を形成
することで、AuやAl等の金属電極に比べ、熱的、構
造的安定性が優れ、作製プロセスの自由度が飛躍的に向
上する。
Next, as shown in FIG. 4E, a polysilicon film of 2.5 is formed on the sacrificial layer 16 by LPCVD.
After forming a film with a thickness of μm and patterning it, phosphorus is implanted by an ion implantation method to form the vibrator-side electrode 12. As a result, the vibrator-side electrode 12 having the same unevenness as the substrate-side electrode 2 is obtained. As described above, by forming the substrate-side electrode 2 and the oscillator-side electrode 12 using low-resistance silicon, thermal and structural stability are superior to metal electrodes such as Au and Al, and the manufacturing process The degree of freedom of is dramatically improved.

【0023】さらに、反応性エッチングにより駆動電極
13、櫛歯電極11dを形成するとともに、後工程で犠
牲層16を除去するための貫通孔14を、振動子側電極
12に形成する。
Further, the drive electrode 13 and the comb-teeth electrode 11d are formed by reactive etching, and the through-hole 14 for removing the sacrifice layer 16 in a later step is formed in the vibrator-side electrode 12.

【0024】そして、貫通孔14を介して、フッ酸水溶
液にて犠牲層16をエッチング除去することで、図4の
(F)に示すように基板側電極2と振動子側電極12と
の間に空隙が形成される。
Then, the sacrifice layer 16 is removed by etching through the through hole 14 with an aqueous solution of hydrofluoric acid, so that the space between the substrate-side electrode 2 and the oscillator-side electrode 12 is increased as shown in FIG. A void is formed in the.

【0025】このようにして作製された角速度センサ
は、4mm×4mm程度の大きさとすることができ、小
型かつ軽量であるとともに高い感度を示す。例えば、駆
動電極13に50V、100kHzの電圧を印加するこ
とにより、5°/secの分解能が得られた。
The angular velocity sensor thus manufactured can have a size of about 4 mm × 4 mm, is small and lightweight, and exhibits high sensitivity. For example, by applying a voltage of 50 V and 100 kHz to the drive electrode 13, a resolution of 5 ° / sec was obtained.

【0026】ここでは、基板1に凹凸を形成する際にK
OH溶液を用いたが、それに限らず、四塩化炭素や六フ
ッ化硫黄等の反応性イオンエッチングを利用してもよ
い。また、基板1の表面を部分的にを除去することで基
板1に凹凸を形成する他に、蒸着や電着等により基板1
の表面に部分的に物質を堆積させることで基板1に凹凸
を形成してもよい。さらに、基板1の材料としても、凹
凸が形成可能な水晶等の他の材料を用いることができ
る。
Here, when the unevenness is formed on the substrate 1, K
Although the OH solution is used, the present invention is not limited to this, and reactive ion etching of carbon tetrachloride or sulfur hexafluoride may be used. In addition to forming irregularities on the substrate 1 by partially removing the surface of the substrate 1, the substrate 1 may be formed by vapor deposition, electrodeposition, or the like.
The unevenness may be formed on the substrate 1 by partially depositing a substance on the surface of the substrate. Further, as the material of the substrate 1, another material such as crystal capable of forming irregularities can be used.

【0027】(第2実施例)図5は、本発明の角速度セ
ンサの第2実施例の平面図である。図5に示すように本
実施例の角速度センサでは、振動子61は基板51の中
央部で固定部61aにより固定されている。また、振動
子61は、x軸を中心線として線対称に配置された2つ
の質量部61bを有し、各質量部61bは、固定部61
aから一体的に延設された支持梁61cにより、それぞ
れ基板51の表面から所定の空隙を介して、かつ、x軸
と垂直な矢印C方向に変位可能に支持されている。
(Second Embodiment) FIG. 5 is a plan view of a second embodiment of the angular velocity sensor of the present invention. As shown in FIG. 5, in the angular velocity sensor of this embodiment, the vibrator 61 is fixed by the fixing portion 61a at the central portion of the substrate 51. Further, the vibrator 61 has two mass parts 61b arranged symmetrically with respect to the x-axis as a center line, and each mass part 61b has a fixed part 61b.
The support beams 61c integrally extended from a support the front surface of the substrate 51 via a predetermined space and displaceably in the direction of arrow C perpendicular to the x-axis.

【0028】ここで、図5および図6を参照して本実施
例の角速度センサの振動手段の構成について説明する。
基板51の表面の、各質量部61bと対向する部位は、
それぞれx軸方向にほぼ一様な凹凸形状となっており、
その表面に基板側電極が形成されている。また、各質量
部61bの形状についても、それぞれ基板側電極に対応
した、x軸方向にほぼ一様な凹凸形状となっており、そ
の基板側電極と対向する部位には振動子側電極が形成さ
れている。さらに、各質量部61bの両側端には、それ
ぞれ櫛歯状の櫛歯電極61dが形成されており、それに
対向して基板51には、質量部61bに矢印C方向への
変位を与えるための櫛歯状の駆動電極63が形成されて
いる。振動子側電極は基板側電極よりも幅が短く形成さ
れているが、これは、振動子側電極が矢印C方向へ振動
したとき、振動子側電極が基板側電極の端部に衝突しな
いようにするためである。
Here, the construction of the vibrating means of the angular velocity sensor of this embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
The portion of the surface of the substrate 51 that faces each of the mass portions 61b is
Each has an uneven shape that is almost uniform in the x-axis direction,
A substrate-side electrode is formed on the surface. Further, the shape of each mass portion 61b is also a substantially uniform concave-convex shape in the x-axis direction corresponding to the substrate-side electrode, and the vibrator-side electrode is formed at the portion facing the substrate-side electrode. Has been done. Furthermore, comb-teeth-shaped comb-teeth electrodes 61d are formed on both ends of each mass portion 61b, and the substrate 51 is provided with a comb-teeth electrode 61d facing each other so as to displace the mass portion 61b in the direction of arrow C. The comb-teeth-shaped drive electrode 63 is formed. The vibrator-side electrode is formed to have a width smaller than that of the substrate-side electrode. This is to prevent the vibrator-side electrode from colliding with the end of the substrate-side electrode when the vibrator-side electrode vibrates in the direction of arrow C. This is because

【0029】上記構成に基づいて、各質量部61bが互
いに逆位相で振動するように各駆動電極63に電圧を印
加し、その状態で角速度センサを角速度ωでx軸回りに
回転させると、質量部61bの振動方向に応じて各質量
部61bにはコリオリ力が作用し、それぞれ基板51の
表面に対して垂直方向(矢印D方向)に振動する。この
とき、各質量部61bは互いに逆位相で振動しているの
で、各質量部61bにはそれぞれ逆向きのコリオリ力が
作用し、一方の質量部61bが基板51から離れる向き
に変位するときには他方の質量部61bは基板51に接
近する向きに変位する。そして、各質量部61bの振動
により、それぞれ振動子側電極と基板側電極との間の静
電容量が変化し、両者の静電容量の差分をとって角速度
ωを求める。本実施例でも、振動子側電極および基板側
電極をそれぞれ凹凸形状とすることで両者の対向面積は
大きくなり、静電容量の変化量も大きくなるので、検出
能力が向上する。
Based on the above construction, when a voltage is applied to each drive electrode 63 so that each mass portion 61b vibrates in an opposite phase, and the angular velocity sensor is rotated about the x-axis at the angular velocity ω in that state, the mass Coriolis force acts on each mass portion 61b according to the vibration direction of the portion 61b, and vibrates in the direction perpendicular to the surface of the substrate 51 (direction of arrow D). At this time, since the respective mass portions 61b vibrate in opposite phases to each other, the opposite Coriolis forces act on the respective mass portions 61b, and when one mass portion 61b is displaced away from the substrate 51, the other The mass portion 61b of the above is displaced toward the substrate 51. Then, the capacitance between the vibrator-side electrode and the substrate-side electrode changes due to the vibration of each mass portion 61b, and the angular velocity ω is obtained by taking the difference between the capacitances of the two. Also in this embodiment, since the vibrator-side electrode and the substrate-side electrode are each formed in a concavo-convex shape, the opposing area between them becomes large and the amount of change in capacitance also becomes large, so the detection capability is improved.

【0030】次に、本実施例の角速度センサの作製工程
について、基板側電極および振動子側電極の凹凸形状の
形成工程を中心に、図7を参照して説明する。
Next, the manufacturing process of the angular velocity sensor of this embodiment will be described with reference to FIG. 7 focusing on the process of forming the concavo-convex shape of the substrate side electrode and the vibrator side electrode.

【0031】まず、第1実施例と同様に、図7の(A)
に示すように、Si製の基板51の表面に、減圧CVD
(LPCVD)法によりシリコン窒化膜65を成膜した
後、フォトリソグラフィ法および反応性イオンエッチン
グ法を用いて、形成すべき凹凸のピッチと等しいピッチ
でシリコン窒化膜65を除去し、エッチング用のマスク
とする。
First, as in the first embodiment, FIG.
As shown in, a low pressure CVD is performed on the surface of the Si substrate 51.
After the silicon nitride film 65 is formed by the (LPCVD) method, the silicon nitride film 65 is removed by a photolithography method and a reactive ion etching method at a pitch equal to the pitch of the unevenness to be formed, and a mask for etching is used. And

【0032】次に、図7の(B)に示すように、基板5
1の表面をフッ酸:硝酸:水=1:3:8の比率のエッ
チャントを用いて等方性エッチングによりエッチングす
る。これにより、基板51はシリコン窒化膜65が残っ
ていない部位のみがエッチングされ、基板1の表面には
凹凸が形成される。このときのエッチング深さは、最大
部で約10μmとした。
Next, as shown in FIG. 7B, the substrate 5
The surface of 1 is etched by isotropic etching using an etchant having a ratio of hydrofluoric acid: nitric acid: water = 1: 3: 8. As a result, the substrate 51 is etched only in the portion where the silicon nitride film 65 does not remain, and the surface of the substrate 1 is formed with irregularities. The etching depth at this time was about 10 μm at the maximum.

【0033】その後、四塩化炭素を用いた反応性イオン
エッチングによりシリコン窒化膜65を除去し、図7の
(C)に示すように、基板51のエッチング面の基板側
電極形成部に、リンをイオン注入法により注入して基板
側電極形成部を低抵抗化し、基板51の凹凸と同形状の
基板側電極52を形成する。
After that, the silicon nitride film 65 is removed by reactive ion etching using carbon tetrachloride, and as shown in FIG. 7C, phosphorus is applied to the substrate side electrode forming portion of the etched surface of the substrate 51. Ion implantation is performed to reduce the resistance of the substrate-side electrode forming portion, and the substrate-side electrode 52 having the same shape as the unevenness of the substrate 51 is formed.

【0034】基板側電極52を形成したら、図7の
(D)に示すように、基板側電極52を含む基板51上
に、真空スパッタリング法によりSiO2 からなる犠牲
層66を成膜する。犠牲層66の厚みは5μmとした。
After forming the substrate-side electrode 52, as shown in FIG. 7D, a sacrificial layer 66 made of SiO 2 is formed on the substrate 51 including the substrate-side electrode 52 by a vacuum sputtering method. The thickness of the sacrificial layer 66 was 5 μm.

【0035】次いで、図7の(E)に示すように、犠牲
層66上にLPCVD法によりポリシリコン膜を2.5
μmの厚みで成膜しパターニングした後、リンをイオン
注入法により注入し、振動子側電極62を形成する。こ
れにより、基板側電極52と同様の凹凸を有する振動子
側電極62が得られる。
Next, as shown in FIG. 7E, a polysilicon film of 2.5 is formed on the sacrificial layer 66 by the LPCVD method.
After forming a film with a thickness of μm and patterning it, phosphorus is implanted by an ion implantation method to form a vibrator-side electrode 62. As a result, the transducer-side electrode 62 having the same unevenness as the substrate-side electrode 52 is obtained.

【0036】さらに、反応性エッチングにより駆動電極
63(図6参照)および櫛歯電極61d(図6参照)を
形成する。このとき、図8の(a)に示すように、櫛歯
電極61dの位置が振動子側電極62の溝62aの位置
と互い違いに並ぶように斜線で示した部位をエッチング
することにより、図8の(b)に示すように振動子側電
極62の幅を基板側電極52の幅よりも短くできる。
Further, the drive electrode 63 (see FIG. 6) and the comb-teeth electrode 61d (see FIG. 6) are formed by reactive etching. At this time, as shown in FIG. 8A, by etching the portion shown by the diagonal lines so that the position of the comb-teeth electrode 61d and the position of the groove 62a of the transducer-side electrode 62 are arranged alternately, The width of the vibrator-side electrode 62 can be made shorter than the width of the substrate-side electrode 52 as shown in FIG.

【0037】そして、フッ酸水溶液にて犠牲層66をエ
ッチング除去することで、図7の(F)に示すように基
板側電極52と振動子側電極62との間に空隙が形成さ
れる。
Then, the sacrifice layer 66 is removed by etching with an aqueous solution of hydrofluoric acid, so that a space is formed between the substrate-side electrode 52 and the oscillator-side electrode 62, as shown in FIG.

【0038】このようにして作製された角速度センサ
は、5mm×5mm程度の大きさとすることができ、小
型かつ軽量であるとともに高い感度を示す。例えば、駆
動電極63に30V、100kHzの電圧を印加するこ
とにより、1°/secの分解能が得られた。
The angular velocity sensor thus manufactured can have a size of about 5 mm × 5 mm, is small and lightweight, and exhibits high sensitivity. For example, by applying a voltage of 30 V and 100 kHz to the drive electrode 63, a resolution of 1 ° / sec was obtained.

【0039】[0039]

【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、質量部および基板にそれぞれ対向して設けられた
各電極は、質量部の振動方向に垂直な方向に凹凸に形成
されているので、質量部が小さくても各電極の対向面積
を大きくすることができ、検出能力を向上させることが
できる。
As described above, in the angular velocity sensor of the present invention, the electrodes provided so as to face the mass portion and the substrate are formed in a concavo-convex pattern in a direction perpendicular to the vibration direction of the mass portion. Even if the mass part is small, the facing area of each electrode can be increased, and the detection capability can be improved.

【0040】また、一対の電極を低抵抗化したシリコン
で構成することにより、熱的、構造的安定性が優れたも
のとなり、作製プロセスの自由度を飛躍的に向上させる
ことができる。
Further, by forming the pair of electrodes with silicon having a low resistance, the thermal and structural stability becomes excellent, and the degree of freedom in the manufacturing process can be dramatically improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の角速度センサの第1実施例の一部を破
断した要部斜視図である。
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a first embodiment of an angular velocity sensor of the present invention.

【図2】図1に示した角速度センサの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the angular velocity sensor shown in FIG.

【図3】図2に示した角速度センサの櫛歯電極および駆
動電極付近の斜視図である。
3 is a perspective view of the angular velocity sensor shown in FIG. 2 in the vicinity of comb electrodes and drive electrodes.

【図4】図1に示した角速度センサの、基板および質量
部の凹凸形状の形成工程を説明するための断面図であ
る。
4A and 4B are cross-sectional views for explaining a step of forming a concavo-convex shape of a substrate and a mass portion of the angular velocity sensor shown in FIG.

【図5】本発明の角速度センサの第2実施例の平面図で
ある。
FIG. 5 is a plan view of a second embodiment of the angular velocity sensor of the present invention.

【図6】図5に示した角速度センサの櫛歯電極および駆
動電極付近の斜視図である。
6 is a perspective view of the angular velocity sensor shown in FIG. 5 in the vicinity of a comb-shaped electrode and a drive electrode.

【図7】図5に示した角速度センサの、基板および質量
部の凹凸形状の形成工程を説明するための断面図であ
る。
7A and 7B are cross-sectional views for explaining a step of forming a concavo-convex shape of a substrate and a mass portion of the angular velocity sensor shown in FIG.

【図8】図5に示した角速度センサにおいて、振動子側
電極の凹凸と櫛歯電極との位置関係を説明するための図
である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the positional relationship between the concavities and convexities of the transducer-side electrode and the comb-teeth electrode in the angular velocity sensor shown in FIG.

【図9】従来の角速度センサの概略斜視図である。FIG. 9 is a schematic perspective view of a conventional angular velocity sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、51 基板 2、52 基板側電極 11、61 振動子 11a、61a 固定部 11b、61b 質量部 11c、61c 支持梁 11d、61d 櫛歯電極 12、62 振動子側電極 13、63 駆動電極 14 貫通孔 15、65 シリコン窒化膜 16、66 犠牲層 1, 51 Substrate 2, 52 Substrate side electrode 11, 61 Transducer 11a, 61a Fixed part 11b, 61b Mass part 11c, 61c Support beam 11d, 61d Comb tooth electrode 12, 62 Transducer side electrode 13, 63 Drive electrode 14 Penetration Hole 15,65 Silicon nitride film 16,66 Sacrificial layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23F 4/00 E 8417−4K ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location C23F 4/00 E 8417-4K

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板に所定の空隙を介し、かつ、前記基
板と平行な1軸方向および前記基板と垂直方向に変位可
能に支持された質量部と、前記質量部を前記1軸方向に
振動させるための振動手段と、前記基板および前記質量
部のそれぞれに互いに対向して設けられた一対の面状の
電極とを有し、前記基板と平行で、しかも前記1軸に垂
直な軸回りに回転される角速度センサにおいて、 前記一対の電極は、それぞれ前記質量部の振動方向に垂
直な方向に凹凸に形成されていることを特徴とする角速
度センサ。
1. A mass part supported on a substrate so as to be displaceable in a uniaxial direction parallel to the substrate and in a direction perpendicular to the substrate, and a oscillating the mass part in the uniaxial direction. And a pair of planar electrodes provided on the substrate and the mass portion so as to be opposed to each other, respectively, about an axis parallel to the substrate and perpendicular to the one axis. In the rotated angular velocity sensor, the pair of electrodes are formed in a concavo-convex shape in a direction perpendicular to a vibration direction of the mass part.
【請求項2】 前記一対の電極は、低抵抗化したシリコ
ンにより構成される請求項1に記載の角速度センサ。
2. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the pair of electrodes is made of silicon having a low resistance.
JP5249056A 1993-10-05 1993-10-05 Angular velocity sensor Pending JPH07103768A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001147236A (en) * 1999-09-10 2001-05-29 Stmicroelectronics Srl Micro-electromechanical structures insensitive to mechanical stress

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