JPH07159179A

JPH07159179A - 振動型角速度センサ

Info

Publication number: JPH07159179A
Application number: JP5310722A
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】生産性に優れ、安価で、性能の安定したセン
サを提供する。【構成】センサには半導体基板（シリコンウェハ）３
０を異方性エッチングして形成した複数の振動子２２が
用いられる。振動子２２にはエッチング面〔（１１１）
面〕に対する不純物拡散によりｐ層が形成され、基板本
来のｎ型と合わせてｐｎ接合部が形成される。そのｐｎ
接合部に逆電圧を印加してオフ状態に制御し、振動子の
各エッチング面２８のｐ層とｎ層（本来の基板）とをそ
れぞれ電気的に分離して使用する。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振動を検出するため
に圧電膜２３が振動子に形成される。駆動用電極２５と
基板用電極２７（ｎ層）との間に駆動用電源を接続し、
検出用電極２６（ｐ層上に形成され、そのｐ層と電気的
に接続されている）と振動子の両テーパー面にまたがっ
て形成されたコモン電極２９との間に発生した電気的出
力が取り出される。

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こと
に適した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４に
示すようなビーム型のものと、図５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４のように、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６
ｃ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（５
ａ，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。このときの振動子２のＹ軸に垂直な面
の歪（応力）を検出することによってコリオリ力、即ち
入力角速度Ωに比例した出力が得られる。

【０００４】なお、振動子用のビーム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６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ときに、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。

【０００５】音叉型の場合代表的なものとして図５のように音叉型の振動子２とそ
の各振動片上に駆動用圧電素子６ａ及びモニタ用圧電素
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。

【０００６】図７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、そのときの支持部材９上の
歪（応力）を圧電素子６ｃで検出することによって入力
角速度Ωに比例した出力が得られる。

【０００７】音叉８が駆動されてＸ軸方向に振動してい
るときに、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７に示してある。

【０００８】

【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。

【０００９】音叉型の場合にも、圧電素子の張り付けな
どの組立てや音叉の加工が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
立てることなく、複数個を同時に精度よく作製できる、
つまり生産性に優れ、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。

【００１０】

【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
グして形成され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する不純物拡散により振動子内部に
ｐｎ接合部が形成され、そのｐｎ接合部に外部より逆電
圧を印加して電気的にオフ状態にすることにより、前記
振動子のｐｎ接合部の上側のエッチング面と下側の半導
体基板部分とを電気的に分離できる構造を有するもので
ある。

【００１１】（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、前記振動子が複数個
設けられているものである。（３）請求項３の発明は、前記（１）または（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。

【００１２】（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。

【００１３】

【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て構成され
る。振動子のエッチングによって形成される面に対して
不純物を拡散することにより、振動子内部にｐｎ接合部
を形成し、そのｐｎ接合部に外部より逆電圧を印加して
電気的にオフ状態に制御することによって、振動子を電
気的に中央の基板の部分とエッチング面とを分離できる
構造とすることによって、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できる。ま
た、半導体基板に対する異方性エッチングは精度よく加
工できるため、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。

【００１４】

【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は製造工程の概
略を示す。図３は振動子の支持方法の異なる場合の実施
例である。使用する半導体基板は（１００）ｎ型シリコ
ンウェハである。エッチングによって形成される面２８
は、（１１１）面であり基板表面〔（１００）面〕に対
し５4.７deg の角度を有する。振動子２２のエッチング
面（１１１）２８に不純物を拡散することによって、振
動子２２の側面〔エッチング面（１１１）〕にｐ層を形
成し、半導体基板自身のｎ層とによりｐｎ接合部を形成
し、そのｐｎ接合部に外部より逆電圧を印加してオフ状
態に制御し、エッチング面２８とｐｎ接合部の下の基板
３０（振動子内部）との間を電気的に分離する。

【００１５】振動子２２の側面と少なくとも一方の基板
面６〔（１００）面〕に圧電膜（酸化亜鉛）２３をスパ
ッタにより形成することによって圧電素子とし、駆動及
び検知に使用する。図２に製造工程の一例を挙げる。
（１）シリコンウェハ３０を熱酸化し、酸化膜２４を形
成後、パターニングし異方性エッチング用のマスクとす
る。（２）シリコンがダイアフラム状態になるまで異方
性エッチングを行う。（３）エッチング面に不純物（ボ
ロン）を拡散し、ｐ層（拡散層）３４を形成する。
（４）メカマスクを使って振動子側面のｐ層３４からの
引き出し用電極膜３３を設ける。（５）裏側より基板電
極を設けるために、酸化膜２４をパターニングする。
（６）裏面に金属膜（クロム等）３１を作製し、（７）
パターニングを施す。（８）裏面にスパッタ等によって
保護膜（ Si0₂膜）３２を形成し、（９）パターニング
を施す。（１０）裏側よりシリコンの異方性エッチング
を行う。（１１）ＲＩＥ(Reactive Ion Etching ; 反応
性イオンエッチング）等によって裏面の保護膜３２及び
金属膜３１で保護されていない箇所の保護膜３２をエッ
チング除去する。（１２）金属膜３１を除去する。（１
３），（１４）圧電膜（酸化亜鉛など）２３をスパッタ
によって振動子２２の表面及び裏面に形成する。（１
５），（１６）コモン電極膜２９及び駆動用電極膜２５
をメカマスクを使って振動子２２の表面及び裏面にそれ
ぞれ形成する。

【００１６】図１において、検出用電極２６はテーパー
面（エッチング面）に形成された拡散層（ｐ層）の上に
形成されるので、ｐ層と電気的に接続される。基板用電
極２７はシリコンウェハ上に酸化膜２４を介さず直接形
成され、ｎ型のシリコンと電気的に接続される。センサ
を使用中は、検出用電極２６（ｐ層）と基板用電極２７
（ｎ層）との間は逆電圧に保持され、ｐｎ接合部はオフ
に制御されている。駆動用電極２５と基板用電極２７と
の間に駆動用電源が接続され、検出用電極２６（ｐ層）
とコモン電極２９との間に生じた出力電圧が取り出され
る。

【００１７】これ迄の説明では、ｎ型の半導体基板にｐ
型の拡散層を設けるものとしたが、ｐ型の半導体基板に
ｎ型の拡散層を設けてもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体基
板３０を異方性エッチングして形成した振動子２２を用
い、その振動子２２のエッチングにより形成される面２
８に対して不純物を拡散することにより、振動子内部に
ｐｎ層を形成し、そのｐｎ層間に外部より逆電圧を印加
して、電気的にオフ状態に制御することによって、振動
子２２を電気的に基板３０の部分（振動子内部）とエッ
チング面２８とを分離できる構造とすることによって、
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できる。また、半導体基板３０に対
する異方性エッチングは精度よく加工できるため、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。

【００１９】従来の振動子では、ビーム本体を共通電位
とし各側面に圧電膜を挟んだ形で駆動用電極５ａ，モニ
タ用電極５ｂ，検出用電極５ｃを各側面に別々に作製し
なければならなかった。そのため、各面に別々にメカマ
スクを介して電極を作製し、他の面の電極とつながらな
いようにするため、手間がかかり、また、性能に直接影
響する電極の位置や面積を精度よく作製しづらいという
問題があった。

【００２０】本発明では、振動子の基板（ｎ層）と各テ
ーパー面の拡散層（ｐ層）とを電気的に分離するため、
圧電膜を介したコモン電極２９を共通電位とすることが
できる。そのためメカマスクを介して作製する電極は各
テーパー面の内部に形成されたｎ，ｐの各層と電気的に
接続する必要があるが、従来例に較べその位置精度によ
る性能への影響をほとんど無くすことができる。

【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−ａ断面図、Ｃは底面図。

【図２】図１の実施例の製造工程の前半を示す図。

【図３】図１の実施例の製造工程の後半を示す図。

【図４】この発明の他の実施例を示す図で、Ａは平面
図、Ｂはａ−ａ断面図、Ｃは底面図。

【図５】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６】従来の音叉型角速度センサを示す図で、Ａは斜
視図、Ｂは平面図。

【図７】図５のビーム型角速度センサがＸ軸方向に屈曲
振動しているときに、入力角速度ΩがＺ軸方向に印加さ
れた場合の振動モードを示す原理図。

【図８】図６の音叉型角速度センサがＸ軸方向に振動し
ているときに、入力角速度ΩがＺ軸方向に印加された場
合の振動モードを示す原理図。

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
され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
する不純物拡散により振動子内部にｐｎ接合部が形成さ
れ、そのｐｎ接合部に外部より逆電圧を印加して電気的にオ
フ状態にすることにより、前記振動子のｐｎ接合部の上
側のエッチング面と下側の半導体基板部分とを電気的に
分離できる構造を有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、前記振動子が複数個設けられていることを特徴と
する。
【請求項３】請求項１または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。