JPH10339638A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】駆動振動部の圧電体の厚みを検出振動部の圧電
体の厚みより薄く形成することにより、駆動振動部の駆
動変位を大きくし、かつ、検出振動部の検出電圧を高く
して、検出感度を向上させる。 【解決手段】基体１から伸びる片持梁振動体の根元側
に、共通電極４ａ、厚手の酸化亜鉛層５ａおよび一対の
検出電極６ａ、７ａよりなる一対の検出振動部６、７を
形成する。また、片持梁振動体２の先端側に、共通電極
４ｂ、薄手の酸化亜鉛層５ｂおよび駆動電極８ａよりな
る駆動振動部８を形成する。そして、駆動振動部８の酸
化亜鉛層５ｂの厚みｔ２を検出振動部６、７の酸化亜鉛
層５ａの厚みｔ１より薄く形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車などの移動
体に搭載して、その回転角速度を検出する圧電型の角速
度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の角速度センサとして、特
開平７−１１３６４３号公報に開示されている片持梁振
動体よりなる構造を図１１に示す。シリコン基板３１か
ら一方に伸びる片持梁振動体３２を形成する。この片持
梁振動体３２の上には酸化シリコン層３３が形成され、
この酸化シリコン層３３の上に３つの細長い分割電極３
６ａ、３７ａ、３８ａが、長手方向に形成されている。
これらの分割電極３６ａ、３７ａ、３８ａなどの上に
は、圧電体３４が形成されている。また、この圧電体３
４の上には共通電極３５が形成されている。そして、圧
電体３４を介在して、共通電極３５と分割電極３６ａ、
３７ａ、３８ａとにより、それぞれ検出振動部３６、駆
動振動部３７、検出振動部３８が構成される。

【０００３】従来の角速度センサは以上のような構造よ
りなり、つぎに動作について説明する。中央の駆動振動
部３７の下部の分割電極３７ａと上部の共通電極３５と
の間に交流電圧を印加して、片持梁振動体３２をＺ軸方
向に振動させる。このように片持梁振動体３２が振動し
ているときに、角速度センサ（片持梁振動体３２）がＸ
軸回りに回転すると、コリオリ力により片持梁振動体３
２はＹ軸方向にも振動するようになる。そして、両側の
検出振動部３６と３８に、圧縮応力と引っ張り応力が交
互に発生して、検出振動部３６と３８には、それぞれ逆
極性の電圧が発生する。この発生電圧を差動増幅するこ
とにより、回転角速度を求めるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示す従来の角速度センサは、片持梁振動体３２の圧電
体３４が全体として薄い場合は、片持梁振動体３２の駆
動振動部３７による駆動変位は大きくなるが、検出振動
部３６、３８の検出電圧は低くなる。一方、片持梁振動
体３２の圧電体３４が全体として厚い場合は、片持梁振
動体３２の駆動振動部３７による駆動変位は小さくなる
が、検出振動部３６、３８の検出電圧は高くなる。

【０００５】いずれの場合も、駆動振動部３７と検出駆
動部３６、３８との出力特性を見てみると、一方がよけ
れば他方が悪く、他方がよければ一方が悪くなって、角
速度センサの検出感度（１゜／ｓに対する出力電圧）を
低下させていた。

【０００６】そこで、本発明は、圧電振動部の圧電体の
厚みを検出振動部の圧電体の厚みより薄く形成すること
により、検出感度を向上させた角速度センサを提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、基体から伸びる片持梁振動体上に、該片持梁振動体
の根元部から中央部にかけて梁幅方向に２分割された一
対の検出電極、圧電体および共通電極の層からなる一対
の検出振動部が形成され、かつ、前記片持梁振動体の中
央部から先端部にかけて、駆動電極、圧電体および共通
電極の層からなる駆動振動部が形成され、前記一対の検
出電極から配線パターンが前記基体の圧電体上に形成し
た一対の検出用パッドにそれぞれ導出され、前記駆動電
極から配線パターンが前記一対の検出電極の間を通して
前記基体の圧電体上に形成した駆動用パッドに導出さ
れ、前記駆動電極と共通電極との間に介在する圧電体の
厚みが、前記一対の検出電極と共通電極との間に介在す
る圧電体の厚みより薄く形成されているものである。

【０００８】この発明は、駆動用パッド（駆動電極）と
共通電極との間に、例えば、５〜５０ｋＨｚの交流電圧
を印加する。そして、圧電体の面積振動により片持梁振
動体を上下方向に屈曲振動させる。このように、片持梁
振動体が屈曲振動しているときに、角速度センサがその
片持梁振動体の軸回りに回転したとすると、片持梁振動
体はコリオリ力により水平方向にも振動するようにな
る。この水平方向の振動により、一対の検出振動部の検
出電極には、それぞれ逆極性の電圧が発生する。この逆
極性の電圧を、差動増幅することにより、コリオリ力に
基づく回転角速度を検出することができる。

【０００９】特に、この発明においては、駆動振動部の
圧電体の厚みを、検出振動部の圧電体の厚みより１／２
以下に薄く形成すると共に、支持梁の厚みの１／１０〜
１／２０の値に選定して、片持梁振動体の駆動振幅を大
きくしている。また、検出振動部の検出電圧は、圧電体
の厚みが厚くなった分だけ高くなる。これにより、角速
度センサの検出感度が向上する。

【００１０】請求項２に記載の発明は、４つの支持梁に
より屈曲振動の２つの節部を支持された両持梁振動体上
の該節間に、梁幅方向に２分割された一対の検出電極、
圧電体および共通電極の層からなる一対の検出振動部が
形成され、かつ、前記両持梁振動体上の２つの節部の外
側に、それぞれ駆動電極、圧電体および共通電極の層か
らなる駆動振動部が形成され、前記一対の検出電極およ
び２つの駆動電極からは、前記支持梁を通して配線パタ
ーンが外部に導出され、前記２つの駆動電極と共通電極
との間に介在する圧電体の厚みが、前記一対の検出電極
と共通電極との間に介在する圧電体の厚みより薄く形成
されているものである。

【００１１】この発明は、２つの駆動電極と共通電極と
の間に、例えば、５〜５０ｋＨｚの交流電圧を印加す
る。そして、両持梁振動体を圧電体の面積振動により２
つの節を支点にして上下方向に屈曲振動させる。このよ
うに、両持梁振動体が屈曲振動しているときに、角速度
センサがその両持梁振動体の軸回りに回転したとする
と、両持梁振動体はコリオリ力により水平方向にも屈曲
振動するようになる。この水平方向の屈曲振動により、
一対の検出振動部の検出電極には、それぞれ逆極性の電
圧が発生する。この逆極性の電圧を、差動増幅すること
により、コリオリ力に基づく回転角速度を検出すること
ができる。

【００１２】また、この発明は、請求項１に記載の発明
と同様に、駆動振動部の圧電体の厚みを検出振動部の圧
電体の厚みより薄く形成しており、その作用についても
請求項１に記載の発明と同様となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、図１を参照して、本発明
の第１実施例として片持梁振動体の構造よりなる圧電型
の角速度センサ１０について説明する。１はシリコンな
どの基体で、この基体１の一部からシリコンの片持梁振
動体２が直角方向に伸びている。そして、基体１の表裏
面と片持梁振動体２の上には、絶縁膜、例えばシリコン
酸化膜３が形成される。

【００１４】基体１および片持梁振動体２の根元から中
央部のシリコン酸化膜３上には、後述する一対の検出振
動部の下部電極となる共通電極４ａが形成される。そし
て、この共通電極４ａと片持梁振動体２の先端側のシリ
コン酸化膜３上には、圧電体、例えば酸化亜鉛層（Ｚｎ
Ｏ）５が形成される。片持梁振動体２の先端側におい
て、圧電体５の底面から１／２以上の上層部には、後述
する駆動振動部の下部電極となる共通電極４ｂが埋設さ
れる。そして、共通電極４ａと４ｂとは、片持梁振動体
２の中央部で、例えばバイアホール４ｃなどで接続され
る。なお、圧電体としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン
酸鉛）系材料も使用可能である。

【００１５】片持梁振動体２の根元部から中央部にかけ
て、圧電体５の上には、梁幅方向に２分割されて梁軸方
向に長い、共通電極４ａに対抗する一対の検出電極６
ａ、７ａが形成される。これらの一対の検出電極６ａ、
７ａは、基体１の上に形成された圧電体５上に設けたパ
ッド６ｂ、７ｂまで配線パターンにより導出される。そ
して、これらの一対の検出電極６ａ、７ａ、圧電体５お
よび下部電極４ａからなる層は、一対の検出振動部６、
７を構成する。

【００１６】また、片持梁振動体２の中央部から先端部
にかけて、圧電体５の上には、共通電極４ｂに対抗する
駆動電極８ａが形成される。この駆動電極８ａは、一対
の検出電極６ａ、７ａの間隙に形成された配線パターン
８ｂを経由して、基体１の圧電体５ｂ上に設けたパッド
８ｃに導出される。そして、駆動電極８ａ、圧電体５お
よび共通電極４ｂからなる層は駆動振動部８を構成す
る。

【００１７】ここに、一対の検出振動部６、７の圧電体
５の厚みｔ１は３〜８μｍに形成され、駆動振動部５の
圧電体５の厚みｔ２は、圧電体５の厚みｔ１に対し、１
〜３μｍと薄く形成される。

【００１８】つぎに、図１に示す角速度センサ１０の動
作について説明する。パッド８ｃ（駆動電極８ａ）と共
通電極４ｂ（４ａ）との間に５〜５０ｋＨｚの交流電圧
を印加する。すると、駆動振動部８は、その薄手の圧電
体５の厚みが伸縮すると同時に面積が縮小拡大して片持
梁振動体２の根元を支点として片持梁振動体２をＺ軸方
向に振動させる。このように、片持梁振動体２が振動し
ているときに、角速度センサ１０がＹ軸回りに回転する
と、支持梁２はコリオリ力により、Ｘ軸方向にも振動す
るようになる。すると、一対の検出振動部６、７は引っ
張り応力と圧縮応力を交互に受けて、検出電極６ａ、７
ａには逆極性の電圧がそれぞれ発生し、これらの逆極性
の電圧を差動増幅することによりコリオリ力に基づく回
転角速度を検出することができる。

【００１９】つぎに、図２を参照して、本発明の第２実
施例として両持梁振動体の構造よりなる圧電型の角速度
センサ２０について説明する。１１はシリコンなどより
なる両持梁振動体で、その屈曲振動の一つの節ｎ１を支
持梁１１ａ、１１ｂにより、もう一つの節ｎ２を支持梁
１１ｃ、１１ｄによりそれぞれ支持される。４つの支持
梁１１ａ〜１１ｄの端面は、図示しない基体の凹部側壁
にそれぞれ結合している。これらの両持梁振動体１１と
４つの支持梁１１ａ〜１１ｄ上には、絶縁膜、例えばシ
リコン酸化膜１２が形成される。

【００２０】両持梁振動体１１の節ｎ１とｎ２間におい
て、シリコン酸化膜１２の上には、共通電極１３が形成
される。この共通電極１３は配線パターン１３ａによ
り、例えば一つの支持梁１１ａに導出される。

【００２１】この共通電極１３を含むシリコン酸化膜１
２の上には、酸化亜鉛層（ＺｎＯ）１４が形成される。
両持梁振動体１１の節ｎ１とｎ２間において、酸化亜鉛
層１４の上には、梁幅方向に２分割され梁軸方向に長い
一対の検出電極１５ａ、１６ａが形成される。そして、
この一対の検出電極１５ａ、１６ａ、酸化亜鉛層１４お
よび共通電極１３とにより、一対の検出振動部１５、１
６が構成される。

【００２２】また、両持梁振動体１１の節ｎ１、ｎ２の
外側において、酸化亜鉛層１４の厚みの１／２以上の上
層部には、それぞれ共通電極１７ａ、７ｂが埋設され
る。この共通電極１７ａ、１７ｂは、図１に示すような
態様で、共通電極１３とバイヤホールなどにより接続さ
れる。また、この共通電極１７ａ、７ｂの上部の酸化亜
鉛層１４の上には、共通電極１７ａ、１７ｂに対抗する
駆動電極１８ａ、１９ａがそれぞれ形成される。そし
て、駆動電極１８ａ、酸化亜鉛層１４および共通電極１
７ａにより、駆動振動部１８が構成される。また、駆動
電極１９ａ、酸化亜鉛層１４および共通電極１７ｂによ
り、駆動振動部１９が構成される。

【００２３】ここに、一対の検出振動部１５、１６の酸
化亜鉛層１４の厚みｔ１は３〜８μｍに形成され、駆動
振動部１８、１９の酸化亜鉛層１４の厚みｔ２は、酸化
亜鉛層１４の厚みｔ１に対し、１〜３μｍと薄く形成さ
れる。

【００２４】また、駆動電極１８ａ、１９ａ、一対の検
出電極１５ａ、１６ａは、最寄りの支持梁１１ａ〜１１
ｄ上に形成した配線パターンを介して外部に導出され
る。

【００２５】つぎに、図２に示す角速度センサ２０の動
作について説明する。共通電極１３（１７ａ、１７ｂ）
と駆動電極１８ａ、１９ａとの間に５〜５０ｋＨｚの交
流電圧を印加する。すると、駆動振動部１８、１９は、
その薄手の圧電体１４の厚みが伸縮すると同時に面積が
縮小拡大して両持梁振動体１１の２つの節ｎ１、ｎ２を
支点にして両持梁振動体１１をＺ軸方向に屈曲振動させ
る。このように、両持梁振動体１１が屈曲振動している
ときに、角速度センサ２０がＹ軸回りに回転すると、両
持梁振動体１１はコリオリ力により、Ｘ軸方向にも屈曲
振動するようになる。すると、一対の検出振動部１５、
１６は引っ張り応力と圧縮応力を交互に受けて、検出電
極１５ａ、１６ａには逆極性の電圧がそれぞれ発生し、
これらの逆極性の電圧を差動増幅することによりコリオ
リ力に基づく回転角速度を検出することができる。

【００２６】つぎに、図１に示す角速度センサの製造方
法について図３〜図１０を参照して説明する。図３にお
いて、シリコン基板１の両面に、熱酸化、スパッタ、Ｃ
ＶＤ（化学気相成長）などにより、シリコン酸化膜３
ａ、３ｂをそれぞれ形成する。

【００２７】図４において、フォトリソグラフィ技術を
用いて、酸化膜３ａ、３ｂの上にフォトレジストを塗布
し、表面の酸化膜３ａの全面にレジストマスクｍ１を形
成し、裏面の酸化膜３ｂの４辺にレジストマスクｍ２を
形成する。

【００２８】そして、レジストマスクｍ１、ｍ２を用
い、ＢＨＦ（バファ・フッ酸）のエッチング液にシリコ
ン基板１を浸漬して、シリコン基板１の裏面中央部の酸
化膜３ｂをエッチングして除去する。

【００２９】図５において、レジストマスクｍ１、ｍ２
を剥離して、シリコン基板１をＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニ
ウム・ハイト゛ロオキサイト゛）のエッチング液に浸漬し、シリコン酸
化膜３ａ、３ｂをマスクとして、シリコン基板１の裏面
中央部をエッチング除去して、厚みが５０〜１００μｍ
のメンブレン２ａを形成する。

【００３０】図６において、フォトリソグラフィ技術を
用い、シリコン基板１をＢＨＦのエッチング液に浸漬し
て、表面のシリコン酸化膜３ａを図１に示す平面形状に
パターニングしてシリコン酸化膜３とする。そして、全
面にアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）／クロム（Ｃ
ｒ）等の金属を蒸着し、共通電極４ａの対応箇所にレジ
ストマスクを形成する。ついで、このレジストマスクを
用いて、Ａｕを王水で、Ｃｒをクロムエッチャントで、
Ａｌを５０℃の温リン酸でそれぞれウエットエッチング
して共通電極４ａを形成する。

【００３１】図７において、共通電極４ａを含むシリコ
ン酸化膜３ａなどの全面に、厚みが２〜５μｍの酸化亜
鉛層５ａをＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて形成す
る。そして、塩酸、硝酸などの酸性水などによるウエッ
トエッチングまたはドライエッチングを用いて酸化亜鉛
層５ａをシリコン酸化膜３の形状にパターニングすると
共に、共通電極４ａの先端部に至るバイアホール用の開
口５ａを酸化亜鉛層５ａに形成する。

【００３２】図８において、酸化亜鉛層５ａなどの上
に、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）／クロム（Ｃ
ｒ）等の金属を蒸着し、レジストマスクを用いて、共通
電極４ａに接続する共通電極４ｂを形成する。そして、
図７と同様な工程により、厚みが１〜３μｍの酸化亜鉛
層５ｂを全体に成膜する。

【００３３】図９において、酸化亜鉛層５ｂ上に、アル
ミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）等の金
属を蒸着し、レジストマスクを用いて、図１に示すよう
に、一対の検出電極６ａ、７ａ、駆動電極８ａ、配線パ
ターン８ｂ、パッド６ｂ、７ｂ、８ｃを形成する。

【００３４】図１０において、電極８ａなどを含む酸化
亜鉛層５ｂの上に、図１に示す平面形状のレジストマス
クを形成し、このマスクを用いて、シリコン基板１のメ
ンブレン２ａをドライエッチングにより垂直加工して、
不要部分を除去し、図１に示す角速度センサ１０を製造
する。

【００３５】

【発明の効果】請求項１に記載の発明は、片持梁振動体
の構造よりなる角速度センサにおいて、駆動振動部の圧
電体の厚みを検出振動部の圧電体の厚みよりも薄く形成
しているので、駆動振動部の駆動変位が大きくなり、か
つ、検出振動部の検出電圧が高くなって、両方あいまっ
て検出感度を向上させることができる。

【００３６】また、発生する応力の大きい片持梁振動体
の根元側に一対の検出振動部を形成するので、微小なコ
リオリ力に基づく変位を検出することができ、検出感度
を向上させることができる。

【００３７】請求項２に記載の発明は、両持梁振動体の
構造よりなる角速度センサにおいて、請求項１に記載の
発明と同様に、駆動振動部の圧電体の厚みを検出振動部
の圧電体の厚みよりも薄く形成しているので、駆動振動
部の駆動変位が大きくなり、かつ、検出振動部の検出電
圧が高くなって、両方あいまって検出感度を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の角速度センサの第１実施例の斜視図

【図２】 本発明の角速度センサの第２実施例の斜視図
図

【図３】 図１に示す本発明の第１実施例に係る角速度
センサの製造方法を示すもので、シリコン基板の両面に
酸化膜を形成する工程図

【図４】 シリコン基板の裏面のシリコン酸化膜をエッ
チング除去する工程図

【図５】 シリコン基板の裏面中央部をエッチングして
メンブレンを形成する工程図

【図６】 シリコン基板の表面のシリコン酸化膜をパタ
ーニングし、かつ、共通電極を形成する工程図

【図７】 酸化亜鉛層をスパッタリングしてパターニン
グする工程図

【図８】 共通電極用の金属を蒸着してパターニんグ
し、かつ、酸化亜鉛層をスパッタリングする工程図

【図９】 金属を蒸着して検出電極、駆動電極などを形
成する工程図

【図１０】 シリコン基板をエッチングして不要部分を
除去する工程図

【図１１】 従来の角速度センサの斜視図

【符号の説明】

１、１１ 基板 ２ 片持梁振動体 ２ａ メンブレン ３、１２ シリコン酸化
膜 ４ａ、４ｂ、１３、１７ａ、１７ｂ 共通電極 ５、１４ 酸化亜鉛層 ５ａ 第一層酸化亜鉛層 ５ｂ 第２層酸化亜鉛層 ６、７、１５、１６ 検出振動部 ６ａ、７ａ、１５ａ、１６ａ 検出電極 ８、１８、１９ 駆動振動部 ８ａ、１８ａ、１９ａ 駆動電極 １０、２０ 角速度センサ １１ａ〜１１ｄ 支持梁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体から伸びる片持梁振動体上に、該片
   持梁振動体の根元部から中央部にかけて梁幅方向に２分
   割された一対の検出電極、圧電体および共通電極の層か
   らなる一対の検出振動部が形成され、かつ、前記片持梁
   振動体の中央部から先端部にかけて、駆動電極、圧電体
   および共通電極の層からなる駆動振動部が形成され、 前記一対の検出電極から配線パターンが前記基体の圧電
   体上に形成した一対の検出用パッドにそれぞれ導出さ
   れ、前記駆動電極から配線パターンが前記一対の検出電
   極の間を通して前記基体の圧電体上に形成した駆動用パ
   ッドに導出され、 前記駆動電極と共通電極との間に介在する圧電体の厚み
   が、前記一対の検出電極と共通電極との間に介在する圧
   電体の厚みより薄く形成されている角速度センサ。
2. 【請求項２】 ４つの支持梁により屈曲振動の２つの節
   部を支持された両持梁振動体上の該節間に、梁幅方向に
   ２分割された一対の検出電極、圧電体および共通電極の
   層からなる一対の検出振動部が形成され、かつ、前記両
   持梁振動体上の２つの節部の外側に、それぞれ駆動電
   極、圧電体および共通電極の層からなる駆動振動部が形
   成され、 前記一対の検出電極および２つの駆動電極からは、前記
   支持梁を通して配線パターンが外部に導出され、 前記２つの駆動電極と共通電極との間に介在する圧電体
   の厚みが、前記一対の検出電極と共通電極との間に介在
   する圧電体の厚みより薄く形成されている角速度セン
   サ。