JPH09196682A - 角速度センサと加速度センサ - Google Patents

角速度センサと加速度センサ

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JPH09196682A
JPH09196682A JP8007211A JP721196A JPH09196682A JP H09196682 A JPH09196682 A JP H09196682A JP 8007211 A JP8007211 A JP 8007211A JP 721196 A JP721196 A JP 721196A JP H09196682 A JPH09196682 A JP H09196682A
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angular velocity
acceleration
sensor
vibrating body
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Mitsuhiro Yamashita
光洋 山下
Masaki Esashi
正喜 江刺
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小型の振動式角速度センサを提供することを目
的とする。 【解決手段】単結晶シリコン基板の異方性エッチング特
性を利用し、４本の先端荷重（錘１０２）形片持梁１０
３を十字に配置し、その重心（結合部１０４）を両持梁
１０５で支持する振動体を形成する。励振は錘１０２端
部の上下に形成した電極１１０、１１５を用い静電気力
で行い、角速度は容量変化から検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両の姿勢
制御、進行方位算出などに用いられる角速度センサ及び
加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、角速度を検出するセンサとして様
々なジャイロスコープ（以下、ジャイロと略称する）が
開発されている。その種類は大まかに機械式のコマジャ
イロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の振動
を用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイロと
リングレーザージャイロに分類される。光学式のジャイ
ロはサニャック効果、それ以外のものは回転体の角運動
量保存則の表れであるコリオリ力を用いて角速度の検出
を行っており、使用用途により精度と価格、寸法等が勘
案され使用センサが選択されている。
【０００３】上記振動ジャイロ式の角速度センサとして
は、例えば特開昭６１ー７７７１２号公報に示されてい
る。図２０は、この従来の振動式角速度センサの基本原
理の説明図であり、１４０１、１４０２が検出用素子、
１４０３、１４０４が励振用素子を示す。各々の素子は
例えば圧電バイモルフにより構成されており、励振用素
子と検出用素子が二組で音叉を形成する。角速度は、音
叉の根元に近い励振用素子に交流電圧を加えて検出用素
子を屈曲振動させ、検出用素子の面に垂直に加わるコリ
オリ力を圧電効果を用いて検出する方式となっている。
【０００４】自動車用途ではシャシー系の制御とかナビ
ゲーションシステムの方位算出等に用いられるが、検出
されるのはヨー、ロール、ピッチと三種類ある車体の回
転運動の中で、特にヨー方向（鉛直線を中心とする大地
に水平な面内での回転）の角速度（すなわちヨーレー
ト）であることが多い。検出目的は、例えば四輪操舵
（４ＷＳ）の様なシャシー制御の場合にはヨーレートを
制御システム側に車両の姿勢情報の一つとしてフィード
バックし姿勢制御性能を向上させることであり、またナ
ビゲーションシステム用の場合にはヨーレートを時間積
分することによって車両の旋回角度を算出することにあ
る。なお、通常車載用として使用される角速度センサは
圧電型の振動ジャイロと光ファイバジャイロで、光ジャ
イロは高精度用途に、また振動ジャイロは廉価版ジャイ
ロとして既に車載用として実用化されている。
【０００５】また、加速度センサの従来例として、例え
ば浅野他により論文（Developmentof Acceleration Sen
sor and Acceleration Evaluation System for Super L
owRange Frequency,SAE'91,p.37〜p.49）に報告される
圧電式の他、機械式等様々な方式が検討されている。自
動車用途ではエアバッグの衝突検知とかシャシー系の制
御に用いられるが、検出すべき加速度の大きさはエアバ
ッグ用で最大±５０Ｇ程度、シャシー制御用で最大±２
Ｇ程度となる。現在、車載用としては両用途とも種々の
手法で実用化がなされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、車載用
途を始めとする各種機器に適用するには電子部品の小型
化が必須となるが、例えば小型と言われる圧電振動式の
ジャイロでも他の電子部品と比較すれば十分小さいとは
言えず、角速度センサ、加速度センサともより一層の小
型化という課題を有していた。
【０００７】本発明は、上記の様な課題を考慮し、小型
な振動式角速度センサ及び小型な加速度センサを提供す
ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、たとえば、少なくとも平行な二つの平坦面を
有する二つもしくは四つの錘と、錘を各々その一端で支
持し錘の平坦面と垂直に形成された第一の梁と、全ての
第一の梁を結合する結合部と、錘及び第一の梁を結合部
で固定端より支持する第二の梁を有する振動体と、錘の
平坦面に平行で所定の間隔だけ離れて錘の上下に対をな
し形成された第一の電極群と、錘の平坦面に所定の間隔
だけ離れて形成された第二の電極群を備えた角速度セン
サである。
【０００９】また第二の手段として、たとえば、シリコ
ン単結晶から形成され、表面近傍に拡散抵抗層を有する
梁と、梁に支持された錘を有する振動体と、抵抗体に電
流を注入しジュール熱を発生させる加熱手段を備えた角
速度センサである。
【００１０】さらに第三の手段として、たとえば、少な
くとも平行な二つの平坦面を有する四つの錘と、錘を各
々その一端で支持し錘の平坦面に垂直かつ直線的に形成
された第一の梁と、全ての第一の梁を結合する結合部
と、錘及び第一の梁を結合部で固定端より支持する第二
の梁を有する振動体と、錘の平坦面に所定の間隔だけ離
れて形成された第二の電極群を備えた加速度センサであ
る。
【００１１】
【作用】前記第一の手段によれば、振動体は結合部で一
点支持されるが結合部自体は固定端から支持される構造
のため、エネルギー損失の少ない振動体が形成できる。
また、前記第二の手段によれば、表面に薄膜等不要な応
力の発生要因を付加することなく内部損失の少ない単結
晶材料だけで振動体が形成できる。よって、何れの手段
でも比較的簡単に振動体のＱ値を高くし角速度検出感度
を向上させることができる。そのため、小型な角速度セ
ンサを構成することが可能になる。
【００１２】また、前記第三の手段によれば、アスペク
ト比の大きな断面を持つ梁が形成可能で基板と平行な面
内で大きな可動性を有する構造体が形成できるため、高
感度化が可能になる。さらに、方位の異なる梁で各々の
錘を支える構造のため、各々の錘の挙動から少なくとも
二軸以上の加速度を検出することができる。そのため、
小型な加速度センサを構成することが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。
【００１４】本発明の第一の実施の形態の角速度センサ
の概略構成を示す主要部の斜視図を、図１に示す。この
第一の実施の形態により、静電気力を用いて振動体を駆
動励振する小型の振動式角速度センサを実現できる。す
なわち、図１において、１０１は面方位（１１０）の単
結晶シリコン基板であり、本例ではｎ形不純物の濃度が
高く抵抗率が低いｎ+基板とする。角速度センサの主要
部となる振動体は、先端荷重形の四本のカンチレバーを
十字形に配置しその重心を両持梁で二つの固定端から支
持する構成となっている。この振動体は、シリコン基板
１０１をＫＯＨ（水酸化カリウム）・ＴＭＡＨ（水酸化
テトラメチルアンモニウム，（ＣＨ3）4ＮＯＨ）等のエ
ッチング溶液中で結晶異方性エッチングすることにより
形成される。ここで１０２ａ〜ｄは錘であり、基板面に
平行な（１１０）面と垂直な（１１１）面からなる側面
で構成されている。また１０３ａ〜ｄは錘を支える片持
梁であり、側面が基板面に垂直な（１１１）面からなる
板バネとなっている。四本の片持梁１０３ａ〜ｄの中
で、添字ａとｄ、ｂとｃが付くものは形状が同等であ
り、ａとｂ、ｃとｄは各々鏡面対称な関係にある。１０
４は片持梁の結合部であり、中心が錘全体の重心に位置
している。この四本の片持梁１０３ａ〜ｄに支えられた
錘は、結合部１０４でシリコン基板１０１から伸びた両
持梁１０５で支持されている。なお、本形態では両持梁
１０５は主にシリコン基板１０１と平行な（１１０）面
で＜１００＞方向に形成された板バネとする。また、１
０６〜１０８は電極から配線を取り出すための浮島であ
り、１０６が駆動用、１０７がモニター用、１０８が検
出／制御用として用いられる。なお、浮島は犠牲梁によ
りシリコン基板１０１から支えられた状態でエッチング
されるが、犠牲梁は最終的に切断されるためここでは簡
単化のため図示していない。
【００１５】次に、１０９、１１４はシリコンと熱膨張
率が非常に近いガラス（例えばコーニング社のホウケイ
酸ガラス、パイレックス＃７７４０）であり、各々シリ
コン基板１０１と陽極接合されて角速度センサを構成す
る。１１０〜１１２、１１５〜１１７は、上部ガラス１
０９の下面、また下部ガラス１１４の上面に、例えば真
空蒸着法またはスパッタ法等ＰＶＤ（physical vapor d
eposition,物理気相堆積）の手法で形成したＰｔ／Ｔｉ
等からなる電極であり、各々シリコン振動体の錘１０２
と対をなしコンデンサを形成する。なお本形態では、１
１０、１１５が駆動用、１１１、１１６がモニター用、
１１２、１１７が検出／制御用の電極となる。最後に、
１１３ａ〜ｉは上部ガラス１０９に形成した配線のため
の貫通穴であり、各々シリコン基板１０１上に形成され
た浮島１０６〜１０８上に形成される。なお、貫通穴１
０３ｉは浮島ではなく基板１０１上に形成されるが、こ
れは電気的な接地のために用いられる。
【００１６】以上の様に構成された本実施の形態の角速
度センサの製造プロセスについて、図２に示すＡ-Ａ’
線に沿ってながめた断面の形状を示す、プロセスチャー
トに従い以下で詳細に説明する。
【００１７】まず、シリコンプロセスを図３，図４に示
す。図３，図４では、（ａ）工程から（ｋ）工程まで逐
次処理が進行する。（ａ）工程で図示したシリコン基板
３０１は、面方位（１１０）、ｎ+の単結晶基板であ
り、両面研磨タイプで厚さは例えば２００μｍとする。
（ｂ）工程では、基板３０１を洗浄した後ウェットＯ2
酸化により熱酸化膜３０２を形成する。次の（ｃ）工程
ではフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングを行
い、緩衝弗酸（ＢＨＦ，５０％ＨＦ：４０％ＮＨ 4Ｆ＝
９：１００）で最終的に振動体を形成する部分（図３で
は３０３）のみ酸化膜（ＳｉＯ2）をエッチング除去す
る。残されたＳｉＯ2は、Ｓｉをエッチングするための
マスクとなる。なお本形態では、Ｓｉのエッチングには
ドライエッチングではなくウェットエッチングを採用す
るものとし、エッチング溶液には水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡ
Ｈ）を用いるものとする。また、ガラス上の電極とシリ
コン振動体からなるコンデンサのギャップ形成にはガラ
ス側をエッチングする手法もあるが、本形態ではシリコ
ン基板側をエッチングする手法を採用するものとする。
エッチング深さは、例えば両面とも５μｍとすれば良
い。（ｃ）工程で所定の深さまでエッチングが終了すれ
ば、（ｄ）工程で一度酸化膜を全面除去し、次の（ｅ）
工程で再度熱酸化を行う。なお酸化膜の全面除去には、
例えば弗酸溶液（５０％ＨＦ：Ｈ2Ｏ＝１：１）を用い
れば良い。この酸化膜３０４は、シリコン振動体をウェ
ットエッチングで形成するためのマスクであるため、酸
化膜を厚めに形成する。本形態では、（ｆ）、（ｇ）工
程の二回に分けて酸化膜のエッチングを行う。（ｆ）工
程では、Ｓｉ基板を薄くし段差をつけて残す部分のみ酸
化膜を一部エッチングしている。図３において、３０
５、３０６は振動体を支える両持梁部、３０７はＳｉエ
ッチング時に浮島を支える犠牲梁部である。次の（ｇ）
工程は、Ｓｉ基板上で貫通エッチングを行う部分（３０
８〜３１１）の酸化膜を完全に除去する工程である。
（ｈ）工程では、Ｓｉ貫通部のみ所定の深さまでエッチ
ングする。本形態では、ここでのエッチング深さにより
両持梁及び犠牲梁の厚みが決定される。なお、（ｆ）工
程でエッチングされた部分３０５〜３０７の酸化膜の厚
みは、この（ｈ）工程でＳｉをエッチングするときＳｉ
エッチング溶液によって完全に除去されないだけの十分
な厚みを持っているものとする。（ｉ）工程では、Ｓｉ
基板を薄くし段差をつけて残す部分の酸化膜のみ完全に
除去する。これには、（ｆ）工程で酸化膜に段差をつけ
ていることから、３１２〜３１４部分の酸化膜が除去さ
れるまで一様に酸化膜をエッチングすればよい。次の
（ｊ）工程では、両持梁部が所望の厚さになるまでＳｉ
のエッチングを行う。そして最後に、（ｋ）工程で酸化
膜を全面除去する。最終的には、３１５が周辺フレー
ム、３１６が振動体の錘と片持梁と結合部、３１７が錘
を支える片持梁、３１８が振動体全体を支える両持梁、
３１９が電極の配線を行うための浮島、３２０が浮島３
１９を支持する犠牲梁となる。
【００１８】なお、この段階では浮島３１９は犠牲梁３
２０によってフレーム３１５とつながっている。なお、
本形態ではシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）の段差エッチン
グ技術を用いて振動体を構成したが、Ｓｉエッチング時
のマスクとして酸化膜と窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）を併用しさ
らに細かな段差をつけた振動体を形成することも可能で
ある。この場合、窒化膜のエッチングにはリン酸（Ｈ3
ＰＯ4）を用いれば良い。 次に、図５、図６にガラス
製造プロセスを示す。図５が上部ガラス４０１、図６が
下部ガラス５０１を示しており、上部ガラス４０１では
電気的な配線のための貫通穴が形成される点が下部ガラ
ス５０１と異なる。図５（ａ）工程において、上部ガラ
ス４０１はシリコンと熱膨張率が非常に近いガラス（例
えばパイレックス＃７７４０）であり、本形態では１．
２ｍｍの厚さとする。（ｂ）工程ではガラスに貫通穴４
０２を形成する。これは、例えば水酸化ナトリウム水溶
液（３５％ＮａＯＨ）中で電解放電加工を行い形成して
も良いし、またレーザー（例えば高出力のエキシマレー
ザー）を用いて形成しても良い。なお、電解放電加工に
ついては庄司他により論文（Photoetching and electro
chemical discharge drilling of pyrex glass,Technic
al digest of 9th sensor symposium,1990,p.27〜p.3
0）に報告されている。貫通穴４０２を形成した後、
（ｃ）工程では下面に電極４０３を形成する。電極とし
ては、例えばＰｔ／Ｔｉを電子ビーム蒸着しても良い
し、ＩＴＯの様な透明電極をスパッタで形成しても良
い。また、二種類以上の組成の金属材料を場所により使
い分けてもかまわない。以上が上部ガラス４０１の加工
工程である。
【００１９】下部ガラス５０１は上部ガラス４０１と同
様な素材を用いており、図６（ｂ）工程で図５（ｃ）工
程と同様に、上面に電極５０２を形成すれば加工は終了
する。
【００２０】以上のプロセスにより、図１に示したシリ
コン基板１０１（３０１）、上部ガラス１０９（４０
１）、下部ガラス１１４（５０１）の加工は終了する。
最後に、これらを図７の組立工程の様にして、陽極接合
して振動体を完成させる。すなわち、まず、（ａ）工程
で上部ガラス６０１（１０９、４０１）とシリコン基板
６０２（１０１、３０１）を陽極接合する。陽極接合
は、真空中でシリコン・ガラスとも加熱（例えば３００
〜４００℃）し、ガラス側にシリコン基板を基準電位と
して１，０００Ｖ程度の負電圧を印加することで行う。
次の（ｂ）工程では、犠牲梁の切断を行う。これは、例
えばＮＦ3ガス中でＹＡＧレーザーを犠牲梁６０３（３
２０）に照射し局所的に加熱してエッチングガスと反応
させシリコンをドライエッチングすれば良い。この手法
は一般にＹＡＧレーザーアシストエッチングと呼ばれて
おり、南他により論文（YAG laser assisted etching f
or releasing silicon micro structure,MEMS'93,p.53
〜p.58）に示されている。（ｃ）工程では、上部ガラス
６０１と接合されたシリコン基板６０２と下部ガラス６
０４の陽極接合を（ａ）工程と同様に行う。なお、本工
程では所望の真空度で陽極接合を行うことが可能であ
り、例えば所望の圧力のアルゴン雰囲気中で接合を行い
かつＺｒ−Ｖ−Ｆｅ／Ｔｉ等の非蒸発形ゲッタ材を封止
すれば内部圧力はアルゴンの分圧に等しくすることがで
きる。これは、逸見他により論文（Vacuum packaging f
or microsensors by glass-silicon anodic bonding,Tr
ansducers'93,p.584〜p.587）に示されている。最後に
（ｄ）工程では配線を行う。まず、上部ガラス６０１の
貫通穴に外側からＡｌ６０５をスパッタしシンタリング
を行った後、導電性エポキシ６０６を用いてリード線６
０７を配線する。以上が、組立プロセスである。なお、
Ａｌに代えてＣｒ−Ａｕを蒸着してもかまわない。
【００２１】以上の様に構成された本実施の形態の角速
度センサについて、以下にその動作原理を説明する。図
８は振動体の駆動／検出の概念図である。（ａ）は振動
体を構成する一つの錘の平面図、（ｂ）はその付近の断
面図である。図８において、７０１はシリコンで形成さ
れた先端荷重形カンチレバーの錘、７０２は錘７０１を
支える片持梁であり、各々図１の１０２、１０３に相当
する。また、７０６は図１の１０９、１１４に相当する
ガラスであり、シリコン側の面に電極７０３〜７０５を
形成している。本形態では７０３が駆動用、７０５がモ
ニター用、７０４が検出／制御用の電極であって、各々
図１の１１０、１１５、１１１、１１６、１１２、１１
７に相当し、上記錘７０１と対をなしコンデンサを形成
している。
【００２２】まず、二枚の駆動電極７０３に絶対値の等
しい電圧を印加すれば、ｚ軸方向の力は相殺され零にな
るが、電極面に平行なｘ軸方向の力が発生する（ただ
し、二枚の電極面積が等しくかつコンデンサの電極間
隔、すなわち錘７０１と電極７０３間の距離が等しいと
仮定）。このときシリコン、ガラスと平行なｘ軸方向に
発生する力をＦｄ、二枚の電極７０３と錘７０１が形成
するコンデンサのエネルギーをＵｄ、総容量をＣｄとす
れば、Ｆｄは
【００２３】
【数１】
【００２４】で表される（ただし、コンデンサの電極間
隔ｄ0がガラス間隔、すなわち二枚のガラス上に形成さ
れた電極相互の間隔よりも十分小さいという近似を適
用）。（数１）より二枚の駆動電極７０３で発生できる
ｘ軸方向の静電気力Ｆｄの大きさは、駆動方向に垂直な
電極幅に比例かつコンデンサの電極間隔に反比例し、印
加電圧の二乗に比例することがわかる。例えば、電極間
隔ｄ0を５μｍ、電極幅をｌｗ＝２ｍｍ、印加電圧をＶ
ｄ＝１０Ｖとすれば、（数１）より駆動力はＦｄ＝０．
３５４μＮとなる。なお、電極面積及び電極間隔に若干
のばらつきが生じている場合には、ｚ軸方向のバネ定数
によって決まる復元力と両電極７０３によって発生され
る静電気力の釣り合い位置まで錘７０１が変位してｚ軸
方向の位置が決定されｚ軸方向の力は零になる。
【００２５】錘７０１のｘ軸方向の駆動には上記のＦｄ
を用いる。静的な錘７０１の変位量は、梁７０２のｘ軸
方向のバネ定数ｋｄが決まればフックの法則によりＦｄ
／ｋｄで求められる。例えば、ｋｄ＝１００Ｎ／ｍとす
れば変位量はＦｄ／ｋｄ＝３．５４×１０-3μｍとな
る。以上の様に静的な変位量は非常に小さな値となる
が、ｘ軸方向の振動周波数を振動体の共振周波数に一致
させることで動的にはＱファクター倍した変位量を得る
ことができる。特に、本形態の様に単結晶シリコンで振
動体を形成した場合には、内部損失が非常に小さいため
例えば１０，０００を越える様な大きなＱファクターを
得ることが可能であり、結果として大きな振動振幅（例
えば１０μｍ程度）を得ることができる。
【００２６】所望の振動周波数で駆動するには、例えば
電極７０３に所望の共振周波数ωの交流電圧Ｖａｃと直
流電圧Ｖｄｃを重畳して印加すれば良い。この場合、
（数１）よりＦｄ∝Ｖｄ2の関係が成立するが、
【００２７】
【数２】
【００２８】となることから、Ｖｄｃ≫Ｖａｃの関係式
が成立する様各値を設定することにより印加電圧と同じ
周波数の駆動力を得ることができる。以上の様に、駆動
電極７０３に交流電圧Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃを重畳し
て印加することで電極面に平行な方向の振動を励起する
ことが可能になる。
【００２９】この様な振動体を角速度センサに用いる場
合には、最終的な角速度検出感度を一定とするため駆動
振幅を一定に保つ必要が生じる。モニタ用電極７０５
は、そのための駆動振幅検出用の電極である。駆動電極
７０３に駆動電圧が印加され錘７０１がｘ軸方向に駆動
されれば、駆動電極７０３と錘７０１の重なり部分の面
積（即ちモニター用コンデンサの面積）が振動に同期し
て変動する。この駆動振動に同期したコンデンサ容量の
変化を検出し、容量変化のＡＣ成分が一定になる様駆動
電圧にフィードバックをかけることで駆動振幅を一定に
保つ。
【００３０】以上は他励発振させる場合であるが、交流
電圧Ｖａｃを印加する代わりに一巡ループを形成し、自
励発振を行わせることも可能である。一般に、バルクハ
ウゼンの発振条件（ループ利得が１かつループ一巡の位
相変化が３６０゜の整数倍）を満足したとき発振するか
ら、直流電圧Ｖｄｃだけを印加しループの利得と位相変
化を調整すれば、それだけで所望の振動モードで共振を
励起することができる。この場合も、例えば非線形抵抗
としての機能を乗算器等を用いて実現すれば駆動振幅を
一定に保つことができる。
【００３１】次に、図８でモデル化した錘７０１が、ｘ
軸方向に速度ｖで振動している場合を考える。この錘７
０１がｘｙ平面内に含まれる軸回りに角速度Ωで回転す
れば、錘７０１には以下の式で示されるコリオリ力が作
用する。
【００３２】
【数３】
【００３３】コリオリ力は回転体の角運動量保存則の表
れと考えられるが、その大きさは（数３）にも示された
通り錘の運動速度ｖと角速度Ωの外積に比例したものと
なる。即ち、回転軸がｘｙ平面内に含まれる場合、コリ
オリ力Ｆｃはｚ軸方向に発生する。よって、錘７０１の
振動方向と回転軸が平行にならなければ錘７０１はｚ軸
方向に変位し、錘７０１と電極７０４で形成するコンデ
ンサの容量は変化することになる。基本的には角速度入
力時のｚ軸方向への錘の変位によるコンデンサの容量変
化によって、角速度の値を求めることになる。
【００３４】ところで、図１に示す様に本実施の形態で
は四本のカンチレバーにより振動体が形成される。錘１
０２を支える梁はシリコン基板１０１に垂直な（１１
１）面で形成されていることから、梁１０３ａ、１０３
ｄと１０３ｂ、１０３ｃは各々一直線上にあり、かつ梁
１０３ａ（１０３ｂ）と梁１０３ｃ（１０３ｄ）は結晶
構造によって定まる７０．５３゜の角度で交差する位置
関係にある。また、振動体全体を支える両持梁１０５
は、梁１０３ａ（１０３ｂ）と梁１０３ｃ（１０３ｄ）
の真ん中の＜１００＞方向に位置する。
【００３５】一方、本センサにおける入力角速度の回転
軸は、図１に示した様に振動体の重心を通り両持梁１０
５に平行（＜１００＞方向）に設定するから、結局回転
軸と錘１０２の振動方向は全て５４．７４゜の角度をな
して構成されることになる。
【００３６】片持梁１０３が四本あるため屈曲一次の振
動モードは四種類考えられるが、実際には駆動電極の配
置により錘１０２には各々同時に両持梁１０５方向（内
側）に駆動される振動モードだけが励起される。よっ
て、コリオリ力は錘１０２ａ、１０２ｂの場合は上部ガ
ラス１０９方向、錘１０２ｃ、１０２ｄの場合には下部
ガラス１１４方向に発生し、振動体全体として両持梁１
０５を軸とするねじり回転をする方向にコリオリ力は働
く。結局、シリコン振動体と検出／制御用電極で形成す
るコンデンサのコリオリ力による容量変化を検出するこ
とで入力角速度Ωは求められる。
【００３７】なお、振動体の実効質量ｍは比較的小さい
ため（数３）で示されるコリオリ力Ｆｃも静的には小さ
い値となるが、駆動振動と検出振動（両持梁を中心とす
るねじり回転）の共振周波数を一致させその周波数で用
いれば動的にはＱファクター倍された検出振幅を得るこ
とができ十分な感度を保持することが可能になる。な
お、共振周波数を一致させるには、有限要素法を用いて
振動体の共振周波数の計算機シミュレーション（モーダ
ル解析）を行い各寸法を調整すれば良い。
【００３８】ところで、容量変化はＣ−Ｖ変換器で電圧
変化（交流電圧）に変換して検出する。Ｃ−Ｖ変換器と
しては、例えば前中他により論文（Silicon rate senso
r using anisotropic etching technology,Transducer
s'93,p.642〜p.645）にも示されている様に、入力イン
ピーダンスの高いＪーＦＥＴをソースフォロワとしてセ
ルフバイアス方式で用いれば良い。また、図１の電極１
１２ａ、１１７ｂが形成するコンデンサと、電極１１２
ｂ、１１７ａが形成するコンデンサの容量変化は位相が
反転している。よって、Ｃ−Ｖ変換した後で差動増幅す
ることで全コンデンサの容量変化を電圧変化として検出
することができる。さらに、加速度による影響を除去し
角速度情報だけを取り出すには、駆動信号を用いて同期
検波を行えば良い。結局、これらの手法を用いることで
振動体に働くコリオリ力により発生する錘の変位から角
速度を検出することが可能になる。
【００３９】なお、以上の説明では錘の動的変位量から
角速度を算出したが、サーボ技術を用いることで、さら
に高感度に角速度を検出することも可能である。サーボ
を適用する場合には、錘に働くコリオリ力Ｆｃを打ち消
す方向に一部の検出／制御電極を用いて力Ｆｓを加えれ
ば良い。なお、錘７０１の電位を基準とし一枚の検出／
制御用電極７０４に電圧を印加して発生できる静電気力
Ｆｓは、検出／制御用電極７０４と錘７０１が形成する
コンデンサのエネルギーをＵｓ、容量をＣｓとすれば、
（数１）と同様に考えて
【００４０】
【数４】
【００４１】と表される（ただし、Ｓｓは検出／制御用
電極の面積）。（数４）より一枚の電極により発生でき
る静電気力の大きさは、電極の面積に比例かつコンデン
サの電極間隔の二乗に反比例し、印加電圧の二乗に比例
することがわかる。結局、数４に従いコリオリ力を打ち
消す方向に力を印加すれば良い。制御方式としては、例
えばＰＷＭ方式を用いても良いし、またその他の方式を
用いてもかまわない。
【００４２】以上の様に、第一の実施の形態では面方位
（１１０）の単結晶シリコン基板を異方性エッチングす
ることによって主に基板面に垂直な（１１１）面からな
る＜１１２＞方向の片持梁で支持された錘を形成し、そ
の四個の錘からなる振動体を重心に位置する結合部にお
いて、主に（１１０）面からなる＜１００＞方向の両持
梁で支持することで回転軸に対する対称性の非常に良い
振動体を形成する。このため、駆動／検出のどちらの振
動モードでも重心は変化せずエネルギー損失を少なくす
ることができる。また、振動体の駆動及び角速度の検出
には圧電体等を用いずコンデンサ（静電気力）のみを用
いるため、振動体上に薄膜を形成したり薄板を張り付け
たりする必要がなく振動体に不要な応力を発生させるこ
とがない。このため、元々内部損失が少ない単結晶材料
から振動体が形成されていることと相まって高いＱ値を
得ることが可能になる。さらに、梁を板バネで形成しか
つその側面をシリコン単結晶の結晶面に合致させたた
め、容易に対称性及び再現性良く振動体を形成すること
ができ、作り易さとＱ値の高さ（すなわち感度の高さ）
を両立することができる。また、ポリシリコンの様な薄
膜で振動体を形成する場合と比べ同じ面積でより質量の
大きな振動体を形成できるため、比較的振動体に働くコ
リオリ力を大きくとることができ、結果として小型なセ
ンサで角速度検出感度を向上させることが可能となる。
【００４３】なお、第一の実施の形態では振動体は四個
の錘（及び梁）から構成したが、これは対称性が保たれ
れば良く二個であってもかまわない。この場合、図１で
は１０２ｂ、１０２ｄまたは１０２ａ、１０２ｃの錘の
組み合わせで振動体を構成することになる。また、両持
梁も二本ではなく一本とし片側からのみ振動体結合部を
支持してもよいし、片持梁も一個の錘につき複数の平行
な梁を一組として各々の錘を支持する構成としてもよ
い。
【００４４】さらに、第一の実施の形態では面方位（１
１０）の単結晶シリコン基板を用いたが、これは面方位
（１００）の単結晶シリコン基板でも良い。この場合、
振動体は例えば図９（ａ）に図示する様に構成され、片
持梁は基板面に垂直な（１００）面で＜１００＞方向
に、両持梁は主に基板面に平行な（１００）面で＜１１
０＞方向に配置される。すなわち、片持梁は各々９０゜
で交差し、両持梁と片持梁の交差角度は４５゜となる。
エッチング溶液としては本実施の形態で述べたＫＯＨ・
ＴＭＡＨ等を使用すれば良い。なお、両持梁は基板面に
垂直な板バネで形成することも可能であり、（１００）
基板の場合には両面からエッチングを行ったとき＜１１
０＞方向に沿って基板面と５４．７４゜の角度をなして
表れる二つの（１１１）面の頂点から進むオーバーエッ
チング特性を利用する。また、（１１０）基板の場合に
は＜１００＞方向に沿って基板面と４５゜の角度をなし
て表れる二つの（１００）面の頂点から進むオーバーエ
ッチング特性を利用すれば良い。
【００４５】さらに、本実施の形態では四つの片持梁を
十字形に配置して振動体を形成し、その重心を両持梁で
支持したが、図９（ｂ）に図示する様に振動体の外側に
もう一つ振動体を形成する二重構造とし、検出用の振動
モードとして用いるねじり回転振動の場合には外側の振
動体が反対方向にねじれ回転をおこし最終的には梁を通
してフレームには力がかからない様に振動モードを設定
することもできる。これにより、振動体のエネルギー損
失をさらに低減することができ、検出モードでのＱ値を
さらに大きくし検出感度を向上させることが可能にな
る。
【００４６】また、本実施の形態では駆動方向に垂直な
錘の端部上下に電極を配置し、その電極に電圧を印加す
ることで基板面に平行な方向の駆動力を得たが、これを
より効率的に行うため、図１０，図１１，図１２に示す
様に駆動方向に垂直な溝を錘上に形成し、その溝端部を
用いて駆動力を得ても良い。図１０は、振動体の概略構
成を示している。本形態では面方位（１００）の単結晶
シリコン基板を用いており、片持梁９０２は基板面に垂
直な（１００）面で＜１００＞方向に、また両持梁は基
板面に垂直に＜１１０＞方向に形成する。よって、片持
梁９０２は各々９０゜で、また両持梁と片持梁９０２は
各々４５゜で交差する。錘９０１は図示した様に直方体
に近い形状で構成されるが、各錘９０１を支える片持梁
と平行な方向の溝が錘両面に形成されている点が図９と
異なる。溝は、（１１０）面のエッチング速度が（１０
０）面のエッチング速度より早いというＫＯＨまたはＴ
ＭＡＨのエッチング溶液としての特性を利用して、側面
が基板と垂直な（１００）面、底面が基板と平行な（１
００）面として形成する。錘９０１と各電極９０３，９
０４，９０５の位置関係を図１１と図１２に示す。な
お、図１０，図１１，図１２において、９０１は上述の
様にシリコンで形成された先端荷重形カンチレバーの
錘、９０２は上述の様に錘９０１を支える片持梁であ
り、各々図８の７０１、７０２に相当する。また、９０
６は図８の７０６に相当するガラスであり、シリコン側
の面に電極９０３〜９０５を形成している。本形態では
９０３が駆動用、９０５がモニター用、９０４が検出／
制御用の電極であり、各々錘９０１と対をなしコンデン
サを形成する。（数１）より二枚の平行平板電極でシリ
コン振動体を基板と平行に駆動する場合には、駆動力は
駆動方向に垂直な電極幅に比例し電極面積には相関しな
い。よって、図１１，図１２の様に駆動電極９０３を配
置すれば、錘９０１の一辺よりも十分に長くできる溝の
長さ分の駆動力を実効的に得ることができる。このた
め、駆動力は図９の場合の様に錘の端部で駆動する場合
と比べ十分大きくとることができ、小さな入力電圧で大
きな駆動振幅を得ることが可能になる。さらに、錘の外
形設計に対する制約が減少するため錘の質量を比較的大
きくとることができ感度の向上に寄与する。なお、（１
１０）基板を用いる場合は、側面が基板と垂直な（１１
１）面からなる＜１１２＞方向の溝を形成すれば良い。
【００４７】また、駆動用電極と錘のギャップ間隔を他
の電極と錘のギャップ間隔よりも広くとり、相対的に駆
動用電極に大きな電圧を印加できる様にして駆動力を大
きくすることも可能である。
【００４８】さらに、本実施の形態ではシリコンの異方
性エッチング特性を用いて角速度センサの振動体を構成
したが、これは例えばめっきで形成したＮｉ膜をマスク
としたＳＦ6ガス中での反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）を用いて形成してもかまわない。バルクシリコンの
ＲＩＥについては、例えば江刺他の発表論文（High-rat
e directional deep dry etching for bulk silicon mi
cromachining,J.Micromech.Microeng.5(1995),p.5〜p.1
0）に詳しく記載されている。
【００４９】また、駆動／検出モードでの振動体の共振
周波数が一致しその周波数で振動体を駆動する場合、最
大の感度を得ることができるが、両者を完全に一致させ
ることはＱ値が高くなる程難しくなる。しかし、電極
（例えば一部の検出／制御用電極）に直流電圧を印加し
両持梁のバネ定数を見かけ上低下させ、検出に用いるね
じり回転振動モードの共振周波数を下げることはでき
る。これは、この場合フックの法則より見かけ上のバネ
定数が錘のｚ方向への変位の一次項への比例定数で表さ
れるのに対し、静電気力の印加により変位の一次項に静
電気力に影響される項が付加されることによる。なお、
静電気力とバネによる復元力は逆向きであるため、電圧
を印加すれば共振周波数は低下する方向に変化する。よ
って、検出モードの共振周波数を高めに設定し、動作時
に静電気力で検出モードの共振周波数を下げ駆動モード
の周波数と一致させることも可能であり、これにより検
出感度を著しく向上させることが可能となる。
【００５０】さらに、本実施の形態ではシリコン単結晶
とガラスの陽極接合で角速度センサを構成したが、絶縁
膜を適宜使用してシリコンとシリコンの接合でセンサを
形成しても良い。
【００５１】次に、本発明の第二の実施の形態について
説明する。なお第二の実施の形態の目的は、熱応力で振
動体を駆動励振する小型の振動式角速度センサを提供す
ることにある。
【００５２】図１３に、熱応力による振動体の駆動原理
を簡単に示す。図１３（ａ）、（ｂ）は本形態による両
持梁を用いた振動体構成要素の典型的な例を示してお
り、１００１はｎ形（ｐ形）半導体からなる錘、１００
２は同じくｎ形（ｐ形）半導体からなる梁、１００３は
錘１００１と梁１００２の両側面に形成されたｐ形（ｎ
形）の拡散抵抗層を示している。この拡散抵抗層１００
３は、例えば錘１００１と梁１００２をエッチングで形
成した後、酸化膜等からなるエッチング用マスクを残し
たままｎ形半導体の場合にはｐ形のホウ素を、またｐ形
半導体の場合にはｎ形のリンを熱拡散して形成すればよ
い。駆動励振時には、拡散抵抗層１００３に、梁内部の
電位を基準とし拡散抵抗層１００３と梁１００２が形成
するｐｎ接合が逆バイアスになる様極性を選択して、電
圧を印加する。その上で、振動体の共振周波数に合わせ
て周期的に片側の拡散抵抗層１００３にのみ電流を注入
する。このとき、拡散抵抗層１００３ではジュール熱が
発生し、熱応力のため梁１００２はバイメタルの様に変
形する。この梁１００２の変形が錘１００１を梁側面に
垂直な方向に駆動することになる。なお、このとき一方
の拡散抵抗層１００３はピエゾ抵抗と見なせるから、抵
抗値の変化を例えばブリッジを用いて計測することで駆
動振幅をモニターすることも可能になる。この様に、両
端支持の錘１００１を支える梁１００２の側面に拡散抵
抗層１００３を形成し、錘１００１の共振周波数で周期
的に電流を注入して、熱膨張に起因するたわみを梁１０
０２に誘起し錘１００１を駆動するのが本形態の基本原
理である。合わせて、同時に形成される梁１００２の反
対側面の拡散抵抗層１００３をピエゾ抵抗として用いる
ことで、駆動振幅のモニターも可能になる。
【００５３】次の図１３（ｃ）、（ｄ）は片持梁を用い
た例であり、１００４はｎ形（ｐ形）半導体からなる
錘、１００５は同じくｎ形（ｐ形）半導体からなる梁、
１００６は錘１００４と梁１００５の両面に形成された
ｐ形（ｎ形）の拡散抵抗層、１００７はｐ形（ｎ形）拡
散抵抗層１００６のコンタクト用貫通穴を示している。
図示した様に、片持梁１００５を用いる場合には若干の
構成変更が必要となる。それは、錘１００４と梁１００
５をエッチングで形成した後拡散抵抗層１００６を作成
すれば梁１００５の両側面が抵抗層で接続され、バイメ
タル的な効果が打ち消されて熱応力で梁１００５を駆動
できなくなることによる。そのため、本形態では錘１０
０４と梁１００５をエッチングで形成する前に、事前に
錘部に（コンタクト用）貫通穴１００７を形成し、梁側
面の上下にのみ拡散層を作成して貫通穴１００７で両者
を接続する手法を採用する。これにより、梁１００５の
一方の側面にのみ電流を注入してバイメタル的に錘を駆
動することが可能になる。
【００５４】以上が熱応力による振動体駆動の基本原理
であるが、上記二種類の基本的な錘の組み合わせで構成
される振動体でも同様に振動を励起することができる。
以下では図１４に示す振動体を例にとり、Ａ−Ａ’に沿
った断面を示しながら作成したプロセスチャートに従い
詳細に説明する。なお、本形態では片持梁、両持梁とも
基板面に垂直な板バネとして形成しているが、振動体の
基本的な形状は第一の実施の形態の場合とあまり変わら
ない。図１４において、１１０１は面方位（１００）の
単結晶シリコン基板であり、本形態ではｎ形基板とす
る。１１０２ａ、ｂは熱拡散で形成されたｐ形の拡散抵
抗層、１１０３ａ〜ｆは基板両面から形成された拡散抵
抗層を接続するための貫通穴である。本形態では、シリ
コン基板１１０１の両面に形成された拡散抵抗層１１０
２ａ、ｂは貫通穴１１０３ａ〜ｆを経由して接続されて
おり、片持梁では両持梁に近い方の基板に垂直な側面の
上下にのみ、そして両持梁では基板の上下両面に形成さ
れている。１１０４ａ〜ｆは配線用の浮島であり、基板
表面には金属配線との接続性を良くするためリン等のｎ
形不純物が拡散されｎ+層が形成されている。１１０５
は振動体の電気的な接地をとるために形成されたｎ+層
である。
【００５５】図１５〜図１８は、シリコンプロセスの詳
細である。図１５〜図１８では、（ａ）工程から（ｔ）
工程まで逐次処理が進行する。（ａ）工程で図示したシ
リコン基板１２０１は、面方位（１００）のｎ形単結晶
基板であり、両面研磨タイプで厚さは例えば２００μｍ
とする。（ｂ）工程では熱酸化を行い酸化膜１２０２を
形成し、次の（ｃ）工程ではフォトリソグラフィ技術を
用いてパターニングを行い緩衝弗酸で一部酸化膜を除去
し、リン等ｎ形不純物を熱拡散してｎ+層１２０３を形
成する。このｎ+層は、電極及び配線との接続用に用い
る。（ｄ）工程では弗酸溶液を用いて酸化膜を全面除去
し、新たに（ｅ）工程で熱酸化を行い酸化膜１２０４形
成する。（ｆ）工程では最終的に振動体を形成する部分
のみ酸化膜をエッチング除去し、（ｇ）工程で所望の深
さ（例えば３μｍ）まで基板両面からシリコンをエッチ
ングする（図１５〜図１８では１２０５）。なお本形態
では、エッチング溶液としてＫＯＨまたはＴＭＡＨを用
いるものとする。エッチングが終了すれば再度酸化膜を
全面除去し、（ｉ）工程で熱酸化を行う。この酸化膜１
２０６はｐ形不純物であるホウ素を熱拡散するためのマ
スクとして用いる。（ｊ）工程では二段階に分けて酸化
膜をエッチングする。完全に酸化膜を除去するのは貫通
穴を形成する部分のみであり、それ以外の拡散部位は酸
化膜の厚さを薄くするのに止める。（ｋ）工程では貫通
穴１２０７（図１４の１１０３に相当）を両面エッチン
グで形成する。穴１２０７が貫通すれば（ｌ）工程で酸
化膜を均一にエッチングし、（ｉ）工程で酸化膜を薄く
した拡散部位の酸化膜を除去する。その上でホウ素の拡
散を行い（１２０８）、（ｍ）工程で酸化膜を全面除去
する。次の（ｎ）工程では最後の熱酸化処理を行い酸化
膜１２０９を形成する。この酸化膜１２０９はシリコン
基板をエッチングして振動体を形成するためのマスクと
なる。（ｏ）工程では、三段階に分けて酸化膜のエッチ
ングを行う。最も厚い部分は、最終的にシリコン基板上
に残る保護膜となる。次に厚い部分はシリコンの貫通エ
ッチング及び犠牲梁の形成のためのマスクとなる。最も
薄い部分は 、貫通部と犠牲梁部分のエッチング深さに
差をつけるためのマスクとして用いる。この工程で酸化
膜を除去された部分は、貫通エッチングされる部位とな
る。まず、（ｐ）工程では貫通部のみ所定の深さまでシ
リコン基板をエッチングする。所定量エッチングが終了
すれば、（ｑ）工程で酸化膜を均一にエッチングし犠牲
梁部分の酸化膜を除去してシリコンのエッチングを再開
する。（ｒ）工程は、シリコン基板が貫通された直後の
断面図である。この段階では、＜１００＞方向に形成さ
れた片持梁の側面は基板に垂直な（１００）面で構成さ
れるが、＜１１０＞方向に形成された両持梁の側面には
基板面と５４．７４゜の角度をなす（１１１）面が表れ
る。最終的には、（ｓ）工程で図示する様に両持梁の側
面がオーバーエッチングにより基板面に垂直に平坦化さ
れるまでシリコンのエッチングを継続する。なお、両持
梁側面が平坦化される段階でエッチングを停止すること
から、側面のエッチングレートも考慮しながら最終的な
振動体の寸法が所望の値となる様に（ｏ）工程の酸化膜
エッチングを行う。また、（ｐ）工程でのシリコンのエ
ッチング量は（ｓ）工程で犠牲梁の厚みが所望の厚さに
なる様に調整する。最後に、（ｔ）工程で酸化膜を均一
にエッチングし、所望の箇所（１２１９）のみ酸化膜を
残す。最終的には、１２１０がフレーム、１２１１が両
持梁、１２１２が片持梁、１２１３が錘、１２１４がｐ
形の拡散抵抗層、１２１５がコンタクト用貫通穴、１２
１６が浮島、１２１７が犠牲梁、１２１８がｎ+層、１
２１９がｐｎ接合部に残した酸化膜となる。結局、図１
３（ｃ）、（ｄ）で図示した様に片持梁には両持梁に近
い片側の側面にのみ拡散抵抗層が形成されるが、両持梁
には基板に平行な上下面全面に拡散抵抗層が形成される
ことになる。以上が、シリコンプロセスの概要である。
なお、本形態ではシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）の段差エ
ッチング技術を用いて振動体を構成したが、Ｓｉエッチ
ング時のマスクとして酸化膜と窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）を併
用し振動体を形成することも可能である。
【００５６】ガラスのプロセスは、基本的に第一の実施
の形態と同様であるため本実施の形態での説明は省略す
る。ただし、上部ガラスに形成する貫通穴は六カ所の浮
島１１０４の他、二カ所のｐ形拡散抵抗層１１０２、一
カ所のｎ形拡散層１１０５の合計九カ所に対応する位置
に形成される。
【００５７】最後に、これらを陽極接合して振動体を完
成させる。これも第一の実施の形態と同様であるので説
明は省略する。ただし、本形態では駆動のみ熱応力で行
っており、駆動振動のモニター及び角速度の検出／共振
周波数の制御には第一の実施の形態と同様に電極と振動
体が形成するコンデンサを用いている。よって、電極は
概念的には図１で駆動用のみ除去した構成と考えれば良
い。最終的には、図１９の様な断面を持つことになる。
【００５８】以上の様に構成された本実施の形態の角速
度センサについて、以下にその動作原理を簡単に説明す
る。ただし、駆動振幅のモニター及び角速度の検出につ
いては基本的に第一の実施の形態と同様であるため、駆
動励振方法についてのみ述べる。
【００５９】まず、ｐ形の拡散抵抗層１２１４（図１８
参照）とｎ形のフレーム１２１０からなるｐｎ接合を逆
バイアスになる様直流電圧を印加する。その上で駆動共
振周波数に合わせてｐ形拡散抵抗層１２１４に電流を注
入する。ここで拡散抵抗層１２１４の抵抗値をＲ、拡散
抵抗の両端に発生する電圧Ｖｄの直流成分をＶｄｃ、同
じく交流成分をＶａｃとすれば、拡散抵抗での消費電力
ＰはＶｄ2／Ｒで表されることからＰ∝Ｖｄ2の関係が成
立する。一方、Ｖｄｃ≫Ｖａｃが成立すれば（数２）よ
り拡散抵抗層１２１４で駆動周波数と等しい振動数を持
つ熱消費を発生させることができる。このとき、両持梁
１２１１では梁の上下両面で同量のジュール熱が発生す
るため振動は励起されないが、片持梁１２１２では両持
梁１２１１に近い基板に垂直な側面の上下面でのみジュ
ール熱が発生するため、梁の断面では熱分布が発生す
る。温度分布は熱流束、熱伝導率、熱拡散率等の関数に
なるが、近似的には拡散抵抗が形成された側面から反対
側の側面にかけて指数関数的に減少することになる。こ
の温度分布による熱応力により振動が励起されることに
なる。なお、シリコンの熱伝導率の高さから発生可能な
温度差はあまり大きくなく静的な錘の変位量は比較的小
さい。しかし、動的にはＱファクター倍した変位量を得
ることができＱファクターとしては例えば１０，０００
を越える様な大きな値も可能であるため、結果として大
きな駆動振幅を得ることは可能である。なお、本形態の
場合でも片持梁が四本あるため屈曲一次の振動モードは
四種類考えられるが、拡散抵抗層の形成場所が限定され
ているため各々の片持梁が両持梁と反対の方向（外側）
に駆動されることになり駆動振動モードは一つに特定さ
れる。また、駆動力は拡散抵抗で発生できる熱量に依存
するが、ジュール熱に直接関連する拡散抵抗のシート抵
抗は拡散条件により任意に選択する事ができる。
【００６０】以上の様に、第二の実施の形態では面方位
（１００）の単結晶シリコン基板を異方性エッチングす
ることによって主に基板面に垂直な（１００）面からな
る＜１００＞方向の片持梁で支持された錘を形成し、そ
の四個の錘からなる振動体を重心に位置する結合部にお
いて基板面に垂直な＜１１０＞方向の両持梁で支持する
ことで回転軸に対する対称性の非常に良い振動体を形成
する。このため、駆動／検出のどちらの振動モードでも
重心は変化せずエネルギー損失を少なくすることができ
る。また、振動体の駆動には梁の側面に形成した拡散抵
抗層で発生させる熱応力を用い、角速度の検出にはコン
デンサの容量変化で行うため、振動体上に薄膜を形成し
たり薄板を張り付けたりする必要がなく振動体に不要な
応力を発生させることがない。このため、元々内部損失
が少ない単結晶材料から振動体が形成されていることと
相まって高いＱ値を得ることが可能になる。さらに、ポ
リシリコンの様な薄膜で振動体を形成する場合と比べ同
じ面積で質量の大きな振動体を形成できるため、比較的
振動体に働くコリオリ力を大きくとることができ、結果
として小型なセンサで角速度検出感度を向上させること
が可能となる。また、梁を板バネで形成しかつその側面
をシリコン単結晶の結晶面に合致させたため、容易に対
称性及び再現性良く振動体を形成することができ、作り
易さとＱ値の高さ（すなわち感度の高さ）を両立するこ
とが可能になる。
【００６１】なお、第二の実施の形態では振動体は四個
の錘（及び梁）から構成したが、これは対称性が保たれ
れば良く二個であってもかまわない。また、両持梁も二
本ではなく一本とし片側からのみ振動体結合部を支持し
てもよい。さらに、振動体を片持梁ではなく図１３
（ａ）、（ｂ）に図示した様な両持梁で形成してもかま
わない。この場合、例えば二つの両持梁を両端で接続
し、二つの接続点は各々二本のトーションバーで両側か
ら固定し支持する様な構成をとれば良い。この構成は、
両端支持音叉の変形構造となる。そして、例えば外側の
拡散抵抗層を駆動用に用い内側の拡散抵抗層を検出用の
ピエゾ抵抗層として用いれば、熱応力駆動方式の角速度
センサとして用いることが可能となる。
【００６２】さらに、第二の実施の形態では面方位（１
００）の単結晶シリコン基板を用いたが、これは面方位
（１１０）の単結晶シリコン基板でも良い。この場合、
振動体は例えば図１に図示する様に構成され、図１４の
様に梁及び錘上に拡散抵抗が形成される。
【００６３】また、駆動／検出モードでの振動体の共振
周波数が一致しその周波数で振動体を駆動する場合最大
の感度を得ることができるが、両者を完全に一致させる
ことはＱ値が高くなる程難しい。よって、検出モードの
共振周波数を高めに設定し、動作時に静電気力で検出モ
ードの共振周波数を下げ駆動モードの共振周波数と一致
させることも可能であり、これにより検出感度を著しく
向上させることが可能となるのは第一の実施の形態と同
等である。
【００６４】さらに、本実施の形態では拡散抵抗加熱で
振動体を駆動したが、これは駆動用の梁の断面内に温度
分布を生じさせることのみ重要であるから、例えばレー
ザー光をレンズ系で所望の大きさに拡大し片持梁側面に
照射し、梁の一方の側面のみ温度を上昇させ励振するこ
とも可能である。
【００６５】次に、本発明の第三の実施の形態について
説明する。なお、第三の実施の形態の目的は高感度で二
軸以上の加速度を同時検出可能な小型の加速度センサを
提供することにある。半導体式の加速度センサでは、一
般に加速度による錘の変位をピエゾ抵抗、容量変化等か
ら検出して加速度に換算している。本実施の形態では、
第一の実施の形態で、図２、図９、図１０に示した様な
振動体を錘として採用し、錘の変位は容量変化で検出す
るものとする。なお、容量検出用の電極構成のみ第一の
実施の形態と異なっており、図１で言えば検出／制御用
の電極がなく、片持梁で支えられた各錘につき駆動、モ
ニター用に相当する上下４個合計１６個の電極が各々切
り放され独立して存在するものとする。
【００６６】センサの基板面を大地に平行に設置した場
合、例えばトーションバー方向に加速度が加わる場合
と、同じ水平面内でそれと直角な方向に加速度が加わる
場合では四つの錘の変位方向が異なる。このことから、
各電極で求められる容量変化を検出軸に合うよう加減算
することで水平面内での所望の軸方向の錘の変位量を求
めることができ、最終的に慣性力とバネの力の釣り合い
（Ｆ＝ｍａ＝ｋｘ）から加速度の所望の軸方向の成分を
求めることが可能になる（ａ＝ｋｘ／ｍ）。なお、容量
検出の手法としては電圧への変換、パルス幅への変換、
周波数への変換等様々な手法があるが、例えばダイオー
ドブリッジ回路を採用すれば良い。この手法については
Harrisonらにより論文(A diode-quad bridge for use w
ith capacitive transducers, Rev.Sci.Instrum.,44,19
73,p.1468〜p.1472）に詳しく記載されている。水平面
内の二軸の加速度については以上の手法で求められる。
【００６７】大地に水平な面内の加速度は、錘を支える
片持梁の屈曲により検出するが、大地に垂直な方向の加
速度は両持梁の屈曲により検出する。例えば上向きに加
速度が加わった場合、錘は全て下向きに変位するため、
下部ガラス側の電極で形成される容量が全て増加する。
このことから水平成分を求める場合と同様にして加速度
の上下方向の成分を算出することができ、結局三軸の加
速度成分を全て求めることが可能になる。
【００６８】以上の様に、第三の実施の形態では、Ｓｉ
基板に垂直な片持梁の側面に結晶方位で定まる面を採用
（すなわち（１１０）基板では（１１１）面、また（１
００）基板では（１００）面）して各錘を支え、水平面
内の加速度はこの片持梁の屈曲で検出する。そのため、
ウェットエッチング等の手法で簡単にアスペクト比の大
きな断面を持つ薄く柔らかな梁を作ることができ、かつ
水平面内の動きのため可動範囲を大きくとれる。よっ
て、検出感度を上げることが可能になる。また、片持梁
の方位として異なる二種のものが選べるため、異なる方
位の梁に支えられた錘の挙動から多軸の加速度を分離検
出することができる。ゆえに、結果として小型な加速度
センサを構成することが可能になる。
【００６９】なお、本実施の形態では第一の実施の形態
の角速度センサの振動体と同じ構造体を錘として使用し
たが、加速度センサでは共振を積極的に利用しないた
め、第一の実施の形態と異なり所望の帯域で共振が問題
とならない様各部のサイズ調整及び真空度の調整による
適度なダンピング追加を行うことが必要となる。また、
各錘は一本の直線的な片持梁で支持したが、これは複数
本の梁で支持しても良いし、また方位の異なる片持梁を
組み合わせ屈曲した梁として錘を支持させてもかまわな
い。
【００７０】
【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、元々
内部損失が少ない単結晶材料を用い薄膜等不要な応力の
発生要因を付加することなくエネルギー損失の少ない振
動体を形成する。よって、高いＱ値を得ることが可能に
なる。また、バルクシリコン材を用いるため、比較的大
きな質量の振動体を形成できる。ゆえに、振動体に働く
コリオリ力を大きくとることができ、結果として小型な
センサで角速度検出感度を向上させることが可能にな
る。また，基板に垂直な側面を持ちアスペクト比の大き
な断面形状の梁で錘を支持するため、錘の可動範囲を大
きくとれ加速度感度を向上できる。さらに、異なる方位
の梁で支持された各錘の挙動から多軸の加速度感度を検
出することもでき、結果として小型な加速度センサを構
成することが可能になる。よって、その実用的効果は大
きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの概
略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態の角速度センサのシ
リコン基板の平面図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態の角速度センサのシ
リコン加工のプロセスチャートの一部である。
【図４】本発明の第一の実施の形態の角速度センサのシ
リコン加工のプロセスチャートの残部である。
【図５】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの上
部ガラス加工のプロセスチャートである。
【図６】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの下
部ガラス加工のプロセスチャートである。
【図７】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの組
立工程のプロセスチャートである。
【図８】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの動
作原理を示す説明図である。
【図９】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの他
の概略構成を示すシリコン基板の平面図である。
【図１０】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの
他の概略構成を示すシリコン基板の平面図及び動作原理
の説明図の一部である。
【図１１】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの
他の概略構成を示すシリコン基板の平面図及び動作原理
の説明図の他の一部である。
【図１２】本発明の第一の実施の形態の角速度センサの
他の概略構成を示すシリコン基板の平面図及び動作原理
の説明図の残部である。
【図１３】本発明の第二の実施の形態の角速度センサの
駆動原理の説明図である。
【図１４】本発明の第二の実施の形態の角速度センサの
シリコン基板の平面図である。
【図１５】本発明の第二の実施の形態の角速度センサの
シリコン加工のプロセスチャートの一部である。
【図１６】本発明の第二の実施の形態の角速度センサの
シリコン加工のプロセスチャートの他の一部である。
【図１７】本発明の第二の実施の形態の角速度センサの
シリコン加工のプロセスチャートの他の一部である。
【図１８】本発明の第二の実施の形態の角速度センサの
シリコン加工のプロセスチャートの残部である。
【図１９】本発明の第二実施の形態の角速度センサの組
立後の断面図である。
【図２０】従来例の音叉形振動ジャイロの振動体の概略
構成図である。
【符号の説明】
１０１、３０１、６０２、１１０１、１２０１
シリコン基板 １０９、４０１、６０１
上部ガラス １１４、５０１、６０４
下部ガラス １０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、３１６、７
０１、９０１、１００１、１００４、１２１３
錘 １０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、３１７、７
０２、９０２、１００５、１２１２
片持梁 １０４
結合部 １０５ａ、１０５ｂ、３１８ｂ、１００２、１２１１
両持梁 １０６ａ、１０６ｂ、１０７ａ、１０７ｂ、１０８ａ、
１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１１０４ａ、１１０４
ｂ、１１０４ｃ、１１０４ｄ、１１０４ｅ、１１０４ｆ
浮島 １１０ａ、１１０ｂ、１１５ａ、１１５ｂ、７０３、９
０３
駆動電極 １１１ａ、１１１ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、７０５、９
０５
モニター電極 １１２ａ、１１２ｂ、１１７ａ、１１７ｂ、７０４、９
０４
検出／制御電極 １１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅ、
１１３ｆ、１１３ｇ、１１３ｈ、１１３ｉ、４０２
ガラス貫通穴 １００７、１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃ、１１
０３ｄ、１１０３ｅ、１１０３ｆ
シリコン貫通穴 １００３、１００６、１１０２ａ、１１０２ｂ、１２１
４ 拡散抵抗層 ６０７
配線 １４０１、１４０２
検出用素子 １４０３、１４０４
励振用素子

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも二つの錘と前記錘を各々支持す
    る梁を有する振動体を備え 、前記振動体は面方位（１
    １０）のシリコン単結晶基板により形成され、かつ前記
    二組の梁は、前記シリコン基板に垂直で各々平行でない
    二種類の （１１１）面を用いるものであり、前記シリ
    コン基板と平行かつ各（１１１）面に垂直な方向に可動
    性を有することを特徴とする角速度または加速度を検出
    するセンサ。
  2. 【請求項２】振動体は面方位（１１０）のシリコン単結
    晶基板の基板面に垂直な（１１１）面を用いた前記二組
    の梁（第一の梁）に加え、前記基板面に平行な（１１
    ０）面を用いた第二の梁を有することを特徴とする請求
    項１記載の角速度または加速度を検出するセンサ。
  3. 【請求項３】少なくとも二つの錘と前記錘を各々支持す
    る梁を有する振動体を備え 、前記振動体は面方位（１
    ００）のシリコン単結晶基板により形成され、かつ前記
    二組の梁は、前記シリコン基板に垂直で各々平行でない
    二種類の（１００）面を用いるものであり、前記シリコ
    ン基板と平行かつ各（１００）面に垂直な方向に可動性
    を有することを特徴とする角速度または加速度を検出す
    るセンサ。
  4. 【請求項４】振動体は面方位（１００）のシリコン単結
    晶基板の基板面に垂直な（１００）面を用いた前記二組
    の梁（第一の梁）に加え、前記基板面に平行な（１０
    ０）面を用いた第二の梁を有することを特徴とする請求
    項３記載の角速度または加速度を検出するセンサ。
  5. 【請求項５】振動体は、シリコン単結晶基板であって、
    結晶異方性エッチング又は反応性イオンエッチングによ
    り形成されることを特徴とする請求項１〜４記載のいず
    れかの角速度または加速度を検出するセンサ。
  6. 【請求項６】少なくとも平行な二つの平坦面を有する四
    つの錘、前記錘を各々その一端で支持し前記錘の平坦面
    に垂直かつ直線的に形成された第一の梁、全ての前記第
    一の梁を結合する結合部、及び前記錘と前記第一の梁と
    を前記結合部で固定端より支持する第二の梁を有する振
    動体と、 前記錘の平坦面に平行で所定の間隔だけ離れて前記錘の
    上下に対をなし形成された第一の電極群と、 前記錘の平坦面に所定の間隔だけ離れて形成された第二
    の電極群とを備え、 前記第一の梁は、前記結合部を中心にＸ形に配置され、
    前記全ての錘の重心が前記結合部に位置するものであ
    り、 前記錘と前記第一の電極群の間の静電気力により前記第
    一の電極群と平行に前記錘を駆動することを特徴とする
    角速度または加速度を検出するセンサ。
  7. 【請求項７】少なくとも平行な二つの平坦面を有する二
    つの錘、前記錘を各々その一端で支持し前記錘の平坦面
    に垂直かつ直線的に形成された第一の梁、全ての前記第
    一の梁を結合する結合部、及び前記錘と前記第一の梁と
    を前記結合部で固定端より支持する第二の梁を有する振
    動体と、 前記錘の平坦面に平行で所定の間隔だけ離れて前記錘の
    上下に対をなし形成された第一の電極群と、 前記錘の平坦面に所定の間隔だけ離れて形成された第二
    の電極群とを備え、 前記二つの第一の梁は平行でなくかつ前記第二の梁に関
    して線対称に配置されるものであり、 前記錘と前記第一の電極群の間の静電気力により前記第
    一の電極群と平行に前記錘を駆動することを特徴とする
    角速度または加速度を検出するセンサ。
  8. 【請求項８】第二の電極群と前記錘の間の容量変化で角
    速度を検出することを特徴とする請求項６、または７記
    載の角速度センサ。
  9. 【請求項９】第一の梁は、錘と同じ組数であり、且つ一
    組が一本以上の梁から構成されることを特徴とする請求
    項６、または７記載の角速度または加速度を検出するセ
    ンサ。
  10. 【請求項１０】第二の梁は前記結合部を二端で支持する
    ものであり、かつ前記基板に平行な面を用いることを特
    徴とする請求項６、または７記載の角速度または加速度
    を検出するセンサ。
  11. 【請求項１１】振動体はシリコン単結晶基板の結晶異方
    性エッチング又は反応性イオンエッチングにより形成さ
    れることを特徴とする請求項６、または７記載の角速度
    または加速度を検出するセンサ。
  12. 【請求項１２】第二の電極群と錘の間に電圧を印加して
    静電気力を発生させ、前記錘の基板に垂直な方向への動
    きを抑制し、前記第二の電極群への印加電圧から角速度
    を検出することを特徴とする請求項６、または７記載の
    角速度センサ。
  13. 【請求項１３】錘は駆動方向と平行でない溝を有し、か
    つ前記第一の電極群は少なくとも前記錘の溝端部上に配
    置されたことを特徴とする請求項６、または７記載の角
    速度または加速度を検出するセンサ。
  14. 【請求項１４】第一の電極群と前記錘の間隔が、前記第
    二の電極群と前記錘の間隔と等しいか、それより広いこ
    とを特徴とする請求項６、または７記載の角速度または
    加速度を検出するセンサ。
  15. 【請求項１５】振動体の外側に第二の錘と第三の梁とを
    備え、前記第二の梁は前記結合部と前記第二の錘を結合
    し、かつ前記第三の梁は、前記第二の錘と固定端とを結
    合するものであり、前記第二の錘は前記第三の梁を軸と
    する回転可動性を有することを特徴とする請求項６、ま
    たは７記載の角速度または加速度を検出するセンサ。
  16. 【請求項１６】第一の電極群もしくは第二の電極群への
    印加電圧により振動体の共振周波数を調整することを特
    徴とする請求項６、または７記載の角速度または加速度
    を検出するセンサ。
  17. 【請求項１７】少なくとも平行な二つの平坦面を有する
    四つの錘、前記錘を各々その一端で支持し前記錘の平坦
    面に垂直かつ直線的に形成された第一の梁、全ての前記
    第一の梁を結合する結合部、及び前記錘と前記第一の梁
    とを前記結合部で固定端より支持する第二の梁を有する
    振動体と、 前記錘の平坦面に所定の間隔だけ離れて形成された第二
    の電極群とを備え、 前記第一の梁は、前記結合部を中心にＸ形に配置され、
    前記全ての錘の重心が前記結合部に位置するものであ
    り、 前記第二の電極群と錘の間の容量変化で加速度を検出す
    ることを特徴とする加速度センサ。
  18. 【請求項１８】少なくとも平行な二つの平坦面を有する
    二つの錘、前記錘を各々その一端で支持し前記錘の平坦
    面に垂直かつ直線的に形成された第一の梁、全ての前記
    第一の梁を結合する結合部、及び前記錘と前記第一の梁
    とを前記結合部で固定端より支持する第二の梁を有する
    振動体と、 前記錘の平坦面に所定の間隔だけ離れて形成された第二
    の電極群とを備え、 前記二組の第一の梁は平行でなくかつ前記第二の梁に関
    して線対称に配置されるものであり、 前記第二の電極群と錘の間の容量変化で加速度を検出す
    ることを特徴とする加速度センサ。
  19. 【請求項１９】第一の梁は、錘と同じ組数であり、且つ
    一組が一本以上の梁から構成されることを特徴とする請
    求項１７、または１８記載の加速度センサ。
  20. 【請求項２０】第二の電極群は、各々錘の可動方向の端
    部上に前後二つに分かれて配置されるものであり、前記
    第二の電極群と錘の間の容量変化から少なくとも基板面
    内の二軸方向の加速度を検出することを特徴とする請求
    項１７、または１８記載の加速度センサ。
  21. 【請求項２１】シリコン単結晶から形成され、表面近傍
    に拡散抵抗層を有する梁、及び前記梁に支持された錘を
    有する振動体と、 前記抵抗層に電流を注入しジュール熱を発生させる加熱
    手段とを備え、 前記加熱手段より前記梁の拡散抵抗層に電流を注入し、
    熱応力により前記梁を変形せしめ前記錘を駆動すること
    を特徴とする角速度または加速度を検出するセンサ。
  22. 【請求項２２】梁の形状は平板であり、少なくとも前記
    梁の片面に前記拡散抵抗層を有することを特徴とする請
    求項２１記載の角速度または加速度を検出するセンサ。
  23. 【請求項２３】梁の形状は平板であり、少なくとも前記
    梁の両面に各々独立した前記拡散抵抗層を有し、前記梁
    の一方の前記拡散抵抗層の熱応力により前記錘を駆動
    し、もう一方の前記拡散抵抗層の抵抗変化により前記錘
    の駆動振幅を検出することを特徴とする請求項２１記載
    の角速度または加速度を検出するセンサ。
  24. 【請求項２４】加熱手段はレーザー光を照射するもので
    あり、前記加熱手段で前記梁側面にレーザー光を照射し
    熱応力により前記梁を変形せしめ、前記錘を駆動するこ
    とを特徴とする請求項２１記載の角速度または加速度を
    検出するセンサ。
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