JPH1047971A

JPH1047971A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH1047971A
Application number: JP8221734A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuhiro; 泰松広; Takashi Ito; 岳志伊藤; Muneo Yorinaga; 宗男頼永; Kazushi Asaumi; 一志浅海; Yoshi Yoshino; 好吉野; Kazuhiko Miura; 和彦三浦
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 1998-02-20
Also published as: US6119518A

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板上に振動子や配線等を形成した小
型の角速度センサにおいて、駆動部と検知部の間の信号
の回り込みによるノイズの発生を完全に防止して駆動信
号を安定させること、検知の精度を向上させることを目
的とする。【解決手段】半導体基板１をエッチングして該基板１
面内に半導体振動子２を形成し、その表面に、駆動用素
子３１、３２、３３、３４とフィードバック素子５、検
知用素子６１、６２を形成する。フィードバック素子５
と検知用素子６１、６２の電極配線８５、８６、８７の
表面をシールド膜９で覆うことで、駆動用素子３１、３
２、３３、３４の電極配線８１、８２、８３、８４に対
してシールドすることができ、信号の回り込みを確実に
防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動型ジャイロを用
いて角速度を測定する角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる角速度センサは、車両、船舶、飛
行機、ロボット等の運動体の運動状態を測定する際に用
いられ、例えば、車両の姿勢制御のための車両旋回角速
度を測定するために用いられる。

【０００３】このような振動型ジャイロとして、従来よ
り、金属製の振動板上に駆動用の圧電素子と振動検知用
の圧電素子を接着したものが用いられている。しかしな
がら、この構成では、振動板上に各圧電素子を接着する
工程を要する等、製造工程が複雑であり、体格も大きな
ものしか得られない。このため、例えば、特開平６−１
４７９０３号公報には、シリコン基板を両面からエッチ
ングして該基板面内にこれと一体の振動子を形成し、こ
の振動子表面に駆動用または検知用の圧電性薄膜を積層
形成した角速度センサが提案されている。この構成によ
れば、接着工程が不要となり、微細加工が可能である
上、基板上に振動子、駆動部、検知部、周辺回路等が集
約されているために、小型かつ高精度な角速度センサが
得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これら角速
度センサは、その動作に際して、駆動部に印加する信号
が、誘導もしくは静電容量結合により、フィードバック
素子や検知素子の配線に回り込んでノイズが発生し、駆
動信号が安定しない、検知の精度が悪化するといった問
題がある。特に、シリコン基板をエッチングして振動子
を形成した角速度センサは、小型化されているために各
部が近接しており、その影響が大きい。

【０００５】信号の回り込みを低減するための方法とし
て、例えば、特開平３−１３１７１３号公報に記載の角
速度センサでは、駆動部と検知部それぞれの配線間の容
量結合を遮断するために、駆動用ターミナルと検知用タ
ーミナルが埋設されるターミナル絶縁部内に、これらを
分離するようにアース板を配設するとともに、アース板
の一部をターミナル絶縁部から露出させて各ターミナル
の結線相互間に配置し、アース板が及ばない部分につい
ては両ターミナル間に配した金属製振動板をアースして
静電シールドしている。

【０００６】しかしながら、この方法によっても、シー
ルドが完全ではなく、信号の回り込みを完全に防止し
て、ノイズを除去することは困難であった。

【０００７】しかして、本発明の目的は、半導体基板上
に振動子や配線等を形成した小型の角速度センサにおい
て、駆動部と検知部の間の信号の回り込みによるノイズ
の発生を完全に防止して駆動信号を安定させるととも
に、検知の精度を向上させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
として、本発明の角速度センサは、図１（ａ）（ｂ）に
示すように、半導体基板１をエッチングして該基板１面
内に半導体振動子２を形成するとともに、該半導体振動
子２表面に、上記半導体振動子２を振動励振する振動励
振部３１、３２、３３、３４と、上記半導体振動子２の
振動を検知する振動検知部５、６１、６２とを形成して
いる。そして、上記振動励振部３１、３２、３３、３４
に接続される電極配線８１、８２、８３、８４または上
記振動検知部５、６１、６２に接続される電極配線８
５、８６、８７の少なくともいずれか一方、図では後者
の電極配線８５、８６、８７の表面を覆うシールド膜９
を設けている（請求項１）。

【０００９】上記構成によれば、上記振動検知部５、６
１、６２に接続される電極配線８５、８６、８７の表面
全面をシールド膜９で覆っているので、これらを他方の
電極配線からシールドすることができ、比較的簡単な構
成で信号の回り込みを確実に防止し、大きなシールド効
果を得ることができる。上記振動励振部３１、３２、３
３、３４用の電極配線８１、８２、８３、８４側をシー
ルド膜９で覆った場合も同様の効果が得られる。

【００１０】より具体的には、シールドされる電極配線
８５、８６、８７の表面を絶縁膜９２を介して導電性膜
９１で覆い、該導電性膜９１を上記半導体基板１と電気
的に接続して上記シールド膜９とする（請求項２）。上
記振動励振部３１、３２、３３、３４または上記振動検
知部５、６１、６２は、圧電体薄膜で構成するのがよ
く、薄膜形成技術を用いて基板１上に圧電体薄膜を積層
することで、容易に形成できる（請求項３）。また、上
記半導体基板１としてはシリコン基板が好適に用いられ
る（請求項４）。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、図面に基づいて本発明の一
実施の形態を詳細に説明する。図１（ｂ）において、所
定の厚みを有するシリコン基板等の半導体基板１には、
所定領域をフォトリソグラフィ技術等を用いてエッチン
グ除去することにより、基板１中央部に音叉型の半導体
振動子２が形成してある。

【００１２】上記半導体振動子２は、その周囲のフレー
ム状の基板１本体部に連結する支持部２１と、該支持部
２１に続く凹字状の連結部２２を有し、上記連結部２２
の左右上端面からはそれぞれ細長い柱状の梁部２３、２
４が図の上方に延びている。これら梁部２３、２４の先
端には幅広の質量部２５、２６が設けてある。

【００１３】上記連結部２２には、その下部表面に左右
一対の駆動用圧電素子３１、３２、が形成してある。ま
た、上記駆動用圧電素子３１、３２の下方にも、同様に
左右一対の駆動用圧電素子３３、３４が形成されてい
る。これら圧電素子３１、３２、３３、３４は上記振動
子２を振動励振する振動励振部として機能し、ＺｎＯ、
ＰＺＴ等の薄膜圧電材料を、スパッタリング、蒸着等に
より成膜し、所望形状にパターニングにて形成される。
その上面には、薄膜電極材料よりなる上部電極４１、４
２、４３、４４がそれぞれ形成されている。

【００１４】一方、振動子２の上記支持部２１表面に
は、ＺｎＯ、ＰＺＴ等の薄膜圧電材料よりなるフィード
バック素子５とその上部電極５１が、順次積層形成され
ている。また、上記連結部２２の上部表面には、Ｚｎ
Ｏ、ＰＺＴ等の薄膜圧電材料よりなる検知用圧電素子６
１、６２と、これら素子の上部電極７１、７２が、順次
積層形成されており、これらフィードバック素子５と検
知用圧電素子６１、６２は振動検知部として機能する。

【００１５】上記各素子の上部電極４１、４２、４３、
４４、５１、７１、７２には、それぞれアルミニウム等
の薄膜導電性材料よりなる配線８１、８２、８３、８
４、８５、８６、８７が接続され、各電極に信号を印加
したり、あるいは信号を取り出すことができるようにし
てある。

【００１６】これら上部電極４１、４２、４３、４４、
５１、７１、７２および配線８１、８２、８３、８４、
８５、８６、８７はいずれも上記した薄膜形成技術によ
って形成することができる。また、上記各素子の下部電
極は、上記振動子２を接地して兼用している。

【００１７】本発明では、上記フィードバック素子５と
その配線８５、および上記検知用圧電素子６１、６２と
その配線８６、８７を、上記薄膜形成技術を用いて形成
されるシールド膜９にて覆い（図１（ａ））、上記駆動
用圧電素子３１、３２、３３、３４とその配線８１、８
２、８３、８４からシールドしている。

【００１８】該シールド膜９は、図２に示すように、上
記各素子および配線の上面および側面を、絶縁膜９２を
介して導電性膜９１で覆ってなり、該導電性膜９１の下
端縁は上記基板１表面に達している。ここで、電気配線
が形成される上記基板１表面には、図の如く振動子２と
各配線間を絶縁するための絶縁膜１１が形成されてお
り、上記導電性膜９２の下端縁はこの絶縁膜１１を貫通
してその下方の上記基板１表面に接続している。

【００１９】上記構成において、上記配線８１、８２に
より一対の駆動用圧電素子３１、３２に同位相の信号Ｖ
+ を加え、一方、上記配線８３、８４により一対の駆動
用圧電素子３３、３４にＶ+ と１８０°位相の異なる信
号Ｖ- を加える。すると上記駆動用圧電素子３１、３２
が延びる時には、他方の駆動用圧電素子３３、３４が縮
むことになり、上記連結部２２が屈曲する。Ｖ+ 、Ｖ-
を交流信号とすることにより、振動子２の梁部２３、２
４と質量部２５、２６は矢印ａで示す方向に屈曲振動す
る。この屈曲振動による応力がフィードバック素子５に
伝わって信号を発生し、この信号を帰還させることによ
り矢印ａの方向に共振させて大きな振幅を得ることがで
きる。

【００２０】この時、矢印ｂの方向に回転が加えられる
と、質量部２５、２６には矢印ｃの方向にコリオリ力が
発生する。そして、これに応じた屈曲応力が上記検知用
圧電素子６１、６２に加えられて電圧を発生し、この信
号を検知することで回転を検出することができる。

【００２１】ここで、図１（ｂ）の、シールド膜９を設
けない状態では、支持部２１において、配線８１〜８６
が近接しているため、駆動素子用の配線８１、８２、８
３、８４に加えた駆動信号が、誘導もしくは静電容量結
合により、フィードバック素子５または検知素子６１、
６２の配線８５、８６、８７に回り込むおそれがある。
これを防ぐため、本発明では図１（ａ）のようにフィー
ドバック素子と検知素子およびその配線８５、８６、８
７の表面をシールド膜９で覆っており、シールド膜９は
図２の如く、半導体であるシリコン製の基板１に電気的
に接続されているので、駆動素子用の配線８１、８２、
８３、８４からの信号に対してシールドすることができ
る。

【００２２】次に、上記構成の角速度センサを実際に試
作し、本発明の効果を確認するための試験を行った。そ
の結果、図１（ｂ）のようにシールド膜を設けない状態
では、駆動電圧１Ｖｒｍｓを加えた時に、信号の回り込
みが１０ｍＶ以上あったのに対し、図１（ａ）のように
シールド膜を設けた構成では５μＶ以下となり、信号の
回り込みが大幅に低減された。

【００２３】さらに、比較のため、上述した特開平３−
１３１７１３号公報に記載の方法と同程度のシールドを
シリコン基板をエッチングして振動子を形成した小型の
角速度センサに適用し、そのシールド効果を調べた。図
３（ａ）（ｂ）の如く、上記図１と同様の基本構成を有
する角速度センサにおいて、駆動用圧電素子３１、３
２、３３、３４およびその配線８１、８２、８３、８４
と、検知用圧電素子６１、６２、フィードバック素子５
およびそれらの配線８５、８６、８７との間を、導電膜
よりなるシールド配線１０で分離し、該シールド配線１
０の下端を基板１表面に接続した。振動子２はアースさ
れているため、駆動用配線８１、８２、８３、８４に対
して検知用およびフィードバック用配線８５、８６、８
７をシールドする構造となっている。

【００２４】しかしながら、上記構成では、電界の最も
強い部分にはシールドがなされているものの、配線の周
囲を完全には覆っていないため、図３において配線の上
部空間を回り込んでくる電界を遮断できず、完全にはノ
イズを除去できない。実際に上記構造の角速度センサを
試作して、上記と同様の試験を行ったところ、信号の回
り込みは１ｍＶ程度までしか低減されなかった。このよ
うに、本発明の構造とすることで、従来に比べはるかに
優れたシールド効果が得られることがわかる。

【００２５】なお、上記実施の形態では、配線だけでな
く検知用圧電素子、フィードバック素子の表面もシール
ド膜で覆っているが、配線が近接する支持部上の配線の
みをシールド膜で覆っても十分効果がある。また、検知
用圧電素子、フィードバック素子側の配線でなく、駆動
用圧電素子側の配線をシールド膜で覆っても、同様の効
果が得られる。また、振動子の形状は片持ち音叉型に限
らず、両持ち音叉型等、他の形状としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の角速度センサの正面図で
あり、図１（ｂ）は図１（ａ）の構成からシールド膜を
除いた構成を示す図である。

【図２】図２は図１（ａ）のII−II線断面図である。

【図３】図３（ａ）は従来の角速度センサの正面図であ
り、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIb−IIIb線断面図であ
る。

【符号の説明】

１シリコン基板（半導体基板）２半導体振動子２１支持部２２連結部２３、２４梁部２５、２６質量部３１〜３４駆動用圧電素子４１〜４４上部電極５フィードバック素子５１上部電極６１、６２検知用圧電素子７１、７２上部電極８１〜８７配線９シールド膜９１導電性膜９２絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者頼永宗男愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者浅海一志愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者吉野好愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者三浦和彦愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板をエッチングして該基板面内
に半導体振動子を形成するとともに、該半導体振動子表
面に、上記半導体振動子を振動励振する振動励振部と、
上記半導体振動子の振動を検知する振動検知部とを形成
した角速度センサにおいて、上記振動励振部に接続され
る電極配線または上記振動検知部に接続される電極配線
の少なくともいずれか一方の表面をシールド膜で覆っ
て、他の一方の電極配線からシールドしたことを特徴と
する角速度センサ。
【請求項２】シールドされる電極配線の表面を絶縁膜
を介して導電性膜で覆い、該導電性膜を上記半導体基板
と電気的に接続して上記シールド膜となした請求項１記
載の角速度センサ。
【請求項３】上記振動励振部または上記振動検知部が
圧電体薄膜よりなる請求項１または２記載の角速度セン
サ。
【請求項４】上記半導体基板がシリコン基板である請
求項１ないし３記載の角速度センサ。