JP2006105698A - 加速度角速度複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 加速度角速度複合センサにおいて、簡単なセンサ構成で加速度や角速度の検出を可能にすると共に、駆動振動に起因するノイズの低減を可能にする。
【解決手段】 基板１と、基板１に変位可能に支持されている一対の振動子２と、基板１に固定され振動子２との間に電圧を印加する駆動固定電極３と、基板１に固定され検出軸方向における振動子２との間の静電容量の変化を検出する検出固定電極４と、を備え、振動子２が、駆動軸方向に変位可能に、かつ、検出軸方向の変位が抑制されて支持されたジンバル部５と、ジンバル部５に対して、検出軸方向に変位可能に、かつ、駆動軸方向の変位が抑制されてジンバル部５内に支持されたマス部６と、検出軸方向に変位可能に、かつ、駆動軸方向の変位が抑制されて検出固定電極４との間で静電容量の変化を検出する検出可動電極７と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度および角速度を同時に１つのセンサデバイスで検出可能とする加速度角速度複合センサに関する。

例えば、自動車の姿勢制御やナビゲーションシステム等には、加速度センサと角速度センサ（ジャイロ、レートジャイロと呼ばれることもある）とが利用されているが、従来、加速度センサ１個とジャイロ１個というように別々に実装されることが多かった。中には、特許文献１で開示されている加速度センサとジャイロを同一平面内に配置したセンサや特許文献２で開示されている１つのセンサデバイスで加速度と角速度とを検出するセンサ（加速度角速度検出装置）も開示されている。

前述の特許文献１で開示されているセンサは、実質的には加速度センサとジャイロとは別々であり、それをシリコンウエハ面内に同時に配置したものである。
また、特許文献２に開示の加速度角速度検出装置においては、左右１対の振動子を有する複合センサであるが、駆動電極の配置および振動子がコの字形状をしていることから、駆動力印加時において駆動軸方向（X軸方向）に変位および／または振動（以下、単に変位と記載した場合、振動を含む）するだけでなく、特許文献２の図１において、はさみ振動のようにアーム部２１ａ、突出部３６ａなどはＹ軸のプラス方向に、アーム部２１ｂ、突出部３６ｂなどはＹ軸のマイナス方向に変位や振動が発生しやすい。このため、検出電極も駆動時にＹ軸方向に変位や振動が発生し易くなり、加速度又は角速度が印加していないにもかかわらずノイズ出力が発生し易い傾向にある。また、駆動時に検出電極もＸ軸方向に変位や振動することから、常に静電容量の変化が発生していることとなる。このため、検出回路の演算処理でノイズ成分をキャンセルするように設計されている。

特開平１０−２３９３４７号公報（特許請求の範囲、図１） 特開２００４−２８８６９号公報（特許請求の範囲、図１）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来技術の加速度および／または角速度センサにあっては、上述の特許文献１で開示されているセンサは、加速度センサ部および角速度センサ部において検出回路がそれぞれ必要となること、および振動子の数量が増加することからセンサが大きくなりやすい傾向にあるという問題がある。また、特許文献２に記載のセンサにおいては、ノイズ成分を除去する処理を行うために検出回路が複雑なものとなったりＳＮ比の悪い出力となりやすいという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、１つの簡単なセンサ構成で加速度や角速度の検出が可能になると共に、駆動振動に起因するノイズの低減が可能になる加速度角速度複合センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の加速度角速度複合センサは、上面が絶縁性の基板と、基板に対して変位可能に基板上に支持されていると共に対称面を中心に左右対称に配置された一対の振動子と、基板上に固定され振動子との間に電圧を印加して振動子を対称面に直交する駆動軸方向に振動させる駆動固定電極と、基板上に固定され駆動軸方向に直交する検出軸方向における振動子との間の静電容量の変化を検出する検出固定電極と、を備え、振動子が、駆動軸方向に変位可能に、かつ、検出軸方向の変位が抑制されて支持された閉じた外枠部と、外枠部に対して、検出軸方向に変位可能に、かつ、駆動軸方向の変位が抑制されて外枠部内に支持された重量部と、検出軸方向に変位可能に、かつ、駆動軸方向の変位が抑制されて外枠部内で重量部及び基板に支持され検出固定電極との間で静電容量の変化を検出する検出可動電極と、を有することを特徴とする。

この加速度角速度複合センサでは、重量部及び検出可動電極が高い剛性を有する閉じられた外枠部内に支持されるため、駆動振動に起因する外枠部の撓みや変形に基づくノイズ成分の発生を抑制することができる。なお、本発明において「変位」には、「振動」も含むものとする。

また、本発明に係る加速度角速度複合センサは、検出可動電極が、重量部における駆動軸方向の変位を吸収すると共に検出軸方向の変位を伝達するダンパーを介して重量部に連結されていることを特徴とする。すなわち、この加速度角速度複合センサでは、駆動軸方向の変位を吸収する弾性部材又は緩衝部材である上記ダンパーで重量部と検出可動電極とが連結されているので、重量部が駆動軸方向に変位しても該変位の検出可動電極への伝達が抑制され、重量部の駆動軸方向の変位が検出可動電極と検出固定電極との間の静電容量に影響を与えることを防ぐ。

さらに、本発明に係る加速度角速度複合センサは、外枠部、重量部、検出可動電極及びダンパーが、重量部における検出軸方向の中心線を中心にした左右対称に配置されていることを特徴とする。すなわち、この加速度角速度複合センサでは、外枠部、重量部、検出可動電極及びダンパーが左右対称に配置されているので、重量部の中心線の左右で均等な変位が得られ、より高い精度で検出することができる。

また、本発明に係る加速度角速度複合センサは、検出可動電極が、検出軸方向に櫛歯が配列された櫛歯電極とされ、検出軸方向の両端部で基板及び重量部に支持されていることを特徴とする。すなわち、この加速度角速度複合センサでは、検出可動電極の両端部が基板及び重量部に支持されているので、検出可動電極が一端部のみ支持された片持ち状態の場合に比べて安定して偏りの少ない変位が可能になり、ノイズ成分をさらに低減させることができる。

また、本発明に係る加速度角速度複合センサは、一対の振動子が、駆動軸方向の変位を吸収すると共に検出軸方向の変位を伝達する同期梁を介して連結されていることを特徴とする。すなわち、連結されていない一対の振動子は、互いに僅かな寸法の違いによって駆動速度及び周波数に差異が生じるが、この加速度角速度複合センサでは、一対の振動子が上記同期梁で連結されているので、両振動子の駆動速度及び周波数を、同期梁で伝達して同期を図り、周波数及び振幅を一致させて検出精度を高めることができる。

また、本発明に係る加速度角速度複合センサは、一対の振動子が、半導体薄板又は半導体薄膜にフォトリソグラフィによるパターニングを施して形成されたものであることを特徴とする。すなわち、この加速度角速度複合センサでは、一対の振動子が露光技術によるパターニングで微細加工されたＭＥＭＳ（微小電子機械システム：Micro Electro-Mechanical Systems）デバイスであるので、非常に微細で高い寸法精度が得られ両振動子の高い対称性を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る加速度角速度複合センサによれば、重量部及び検出可動電極が高い剛性を有する閉じられた外枠部内に支持されるため、駆動振動に起因する外枠部の撓みや変形に基づくノイズ成分の発生を抑制することができ、簡易な構成で高精度に加速度や角速度を検出することができる。したがって、ノイズ成分を除去する複雑な検出回路を用いずに高精度な検出ができるため、低コストで高性能なジャイロセンサとして、姿勢制御用やナビゲーションシステム用等に好適である。

以下、本発明に係る加速度角速度複合センサの一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。

本実施形態の加速度角速度複合センサは、シリコン半導体プロセスで作製されたＭＥＭＳ慣性複合センサであって、図１に示すように、上面が絶縁性の基板１と、基板１に対して変位可能に基板１上に支持されていると共に鏡面対称面ＳＹを中心に左右対称に配置された一対の振動子２と、基板１上に固定され振動子２との間に電圧を印加して振動子２を鏡面対称面ＳＹに直交するＸ軸方向（駆動軸方向）に振動させる駆動固定電極３と、基板１上に固定されＸ軸方向に直交するＹ軸方向（検出軸方向）における振動子２との間の静電容量の変化を検出する検出固定電極４と、を備えている。

上記基板１には、ガラス等の絶縁膜を上面に形成した基板又は全体が絶縁体の基板が用いられる。
上記振動子２、駆動固定電極３及び検出固定電極４は、後述するシリコン半導体プロセスにより同時に作製される。

図２は、図１における一対の振動子２のうち、一方の振動子２のみを示した図である。他方の振動子２も鏡面対称面ＳＹを中心に対称配置され、同様の構造を有している。この振動子２は、Ｘ軸方向に変位可能に、かつ、Ｙ軸方向の変位が抑制されて支持された閉じた枠状のジンバル部（外枠部）５と、ジンバル部５に対して、Ｙ軸方向に変位可能に、かつ、Ｘ軸方向の変位が抑制されてジンバル部５内に支持されたマス部（重量部）６と、Ｙ軸方向に変位可能に、かつ、Ｘ軸方向の変位が抑制されてジンバル部５内でマス部６及び基板１に支持され検出固定電極４との間で静電容量の変化を検出する検出可動電極７と、ジンバル部５のＹ軸方向両端に支持された一対のフレーム部８と、一対のフレーム部８の内側に支持された一対の駆動可動電極９と、を有している。

上記ジンバル部５は、Ｘ軸方向両端にそれぞれ設けられた第１駆動ビーム１０を介して基板１上にＸ軸方向に変位可能に固定されている。これらの第１駆動ビーム１０は、一端がジンバル部５のＹ軸方向中央に固定され、Ｙ軸方向両端部へ細長く延在して他端が基板１上に固定されている。
上記マス部６は、Ｙ軸方向両端にそれぞれ設けられたジンバルビーム１１を介してジンバル部５内側にＹ軸方向に変位可能に固定されている。これらのジンバルビーム１１は、一端がジンバル部５の内側かつＹ軸方向端部に固定され、Ｘ軸方向中央へ細長く延在して他端がマス部６のＹ軸方向端部に固定されている。

また、一対の検出可動電極７は、マス部６におけるＸ軸方向の変位を吸収すると共にＹ軸方向の変位を伝達するダンパー１２を介してマス部６にそれぞれ連結されている。このダンパー１２は、一つの検出可動電極７に対し、Ｙ軸方向に２つ配列されている。これらのダンパー１２は、一端がマス部６及び検出可動電極７のＹ軸方向端部にそれぞれ固定され、該一端からマス部６のＹ軸方向中心へと細長く延在する一対のＹ軸部１２ａと、Ｙ軸部１２ａの他端を連結するＸ軸部１２ｂと、で構成されている。このように、ダンパー１２は、一対のＹ軸部１２ａとＸ軸部１２ｂとでＹ軸方向に長くＹ軸方向に開口したコ字状に形成されているので、Ｘ軸方向には容易に弾性をもって変形し、Ｙ軸方向には変形し難くなっている。
なお、ジンバル部５、マス部６、検出可動電極７及びダンパー１２は、マス部６におけるＹ軸方向の中心線を中心にした左右対称に配置されている。

上記検出可動電極７及び上記駆動可動電極９は、Ｘ軸方向に延びる櫛歯がＹ軸方向に複数配列された櫛歯電極となっている。なお、一対の駆動可動電極９のうちジンバル部５側の駆動可動電極９は、Ｘ軸方向の両側に櫛歯が配列されており、ジンバル部５の反対側の駆動可動電極９は、ジンバル部５側の側部にのみ櫛歯が配列されている。
また、基板１上には、駆動可動電極９のうちジンバル部５側に向いた櫛歯に対向して駆動固定電極３が固定されて設けられている。これらの駆動固定電極３は、Ｘ軸方向に延びて駆動可動電極９の櫛歯間に配された櫛歯が、Ｙ軸方向に複数配列された櫛歯電極となっている。

さらに、基板１上には、駆動可動電極９のうちジンバル部５側と反対側に向いた櫛歯に対向して駆動振幅検出用固定電極１３が固定されて設けられている。この駆動振幅検出用固定電極１３は、Ｘ軸方向に延びて駆動可動電極９の櫛歯間に配された櫛歯が、Ｙ軸方向に複数配列された櫛歯電極となっている。
また、上記基板１上には、検出可動電極７に対向して検出固定電極４が固定されて設けられている。該検出固定電極４は、Ｘ軸方向に延びて検出可動電極７の櫛歯間に配された櫛歯が、Ｙ軸方向に複数配列された櫛歯電極となっている。

上記検出可動電極７は、Ｙ軸方向の両端部でそれぞれ検出ビーム１４を介して基板１にＹ軸方向に変位可能に固定されている。これらの検出ビーム１４は、一端が検出可動電極７のＹ軸方向端部に固定され、Ｘ軸方向に細長く延在して他端が基板１上に固定されている。
また、上記フレーム部８は、それぞれ第２駆動ビーム１５を介して基板１にＸ軸方向に変位可能に固定されている。これらの第２駆動ビーム１５は、一端がフレーム部８の内側に固定され、Ｙ軸方向に細長く延在して他端が基板１上に固定されている。

図１において、一対の振動子２は、Ｘ軸方向の変位を吸収すると共にＹ軸方向の変位を伝達する同期梁１６を介して連結されている。同期梁１６は、一端が一方の振動子２におけるフレーム部８に固定され、該一端から駆動可動電極９のＹ軸方向中心へと細長く延在して該Ｙ軸方向中心近傍で折り返し、さらに他方の振動子２におけるフレーム部８まで細長く延在して他端が該フレーム部８に固定されている。このように、同期梁１６は、Ｙ軸方向に長くＹ軸方向に開口したコ字状に形成されているので、Ｘ軸方向へ容易に弾性をもって変形する。

上記駆動振幅検出用固定電極１３及び第２駆動ビーム１５は、基板１上に形成された配線により、容量検出回路２０に電気的に接続されている。検出固定電極４及び第２駆動ビーム１５は、基板１上に形成された配線により容量検出回路２３に電気的に接続されている。また、容量検出回路２０は、振幅制御回路２１に電気的に接続されている。また、駆動固定電極３は、基板１上に形成された配線により、交流電圧を印加して所定のＸ軸方向への振動を発生させる交流電圧源２２に電気的に接続されている。また、交流電圧源２２は、振幅制御回路２１に電気的に接続されている。
上記容量検出回路２０、２３は、検出可動電極７と検出固定電極４との間の静電容量の変化及び駆動可動電極９と駆動振幅検出用固定電極１３との間の静電容量の変化を検出する回路である。そして、上記振幅制御回路２１は、容量検出回路２０にて検出された静電容量の変化に基づいて、交流電圧源２２を制御することで、上記振動の振幅を調整する回路である。

次に、本発明の加速度角速度複合センサにおける加速度及び角速度の検出方法を説明する前に、まず角速度センサ（ジャイロ）の動作原理について、図３を参照して説明する。

例えば、質量ｍのおもりを振幅ＤでＸ軸方向に角周波数ω_xで振動させている時のおもりの位置は次（１）式で表される。

ここで、Ｚ軸周りの角速度Ωが作用したとするとコリオリ力Ｆ(coriolis)は（２）式となる。

検出（Ｙ）軸方向のダンピング係数をｃ、検出軸方向のバネ定数をｋyとすると、Ｙ軸方向の運動方程式は（３）式となる。

この運動方程式を解くとＹ軸方向の変位Ｙ(t)が（４）式のように求まる。

Ａはコリオリ力により生じたＹ軸方向の検出振幅、ψは駆動振動と検出振動の位相差である。検出振幅Ａは（５−１）式である。

ここで、ω_yはＹ軸方向の共振周波数、Ｑ_yは検出軸方向のＱファクタであり、振動の共振ピークの鋭さを表している。
上述したように、ω_xで駆動している振動体に角速度Ωが作用した場合、振動体は駆動振動と同じ角周波数ω_xで振動するが振幅、位相が異なる。ここで、ω_x≒ω_yの時、（５−１）式は（５−２）式の様に簡略化できる。一般的には、駆動軸方向の共振周波数と検出軸方向の共振周波数とは完全に一致させると、メカニカルカップリングにより駆動振動のエネルギーが検出軸方向にも漏れてしまい、角速度が印加していないにもかかわらず検出振動が発生してしまう。逆に、ω_x／ω_yを大きくしすぎたり、小さくしすぎたりすると、検出振幅が小さくなりすぎる傾向にある。従って、ω_x／ω_yは０．６１８から１．６１８が好適である。

ω_x／ω_yがこの範囲内にある時には検出振幅ＡはＱ_yによる増倍効果が得られる。その検出振幅Ａは駆動振幅Ｄ、Ｑ_yに比例し、ω_yに逆比例するが、ω_xにはほとんど関係ないことがわかる。このことから、より大きな感度を得るためには、
（１）駆動振幅を大きくする、
（２）検出軸方向の共振周波数を小さくする、
（３）検出軸方向のＱファクタを大きくする、
が考えられる。

次に、本発明の加速度角速度複合センサにおける加速度及び角速度の検出方法を、図１及び図４、５を参照して説明する。

上述したように、フレーム部８、駆動可動電極９及びジンバル部５は一体に形成されており、フレーム部８及びジンバル部５は第１駆動ビーム１０で支持されている。第１駆動ビーム１０で支持されていることにより、フレーム部８、駆動可動電極９およびジンバル部５はＸ軸方向には変位しやすいが、Ｙ軸方向には変位し難くなっている。
また、駆動固定電極３と駆動可動電極９とが櫛歯を向かい合わせた形の構造となっているが、駆動固定電極３及び駆動可動電極９にそれぞれ逆極の電圧を印加した場合、以下の(６)式に示す電極間に作用する静電引力により駆動固定電極３に対して駆動可動電極９がＸ軸方向に変位（振動）する。

ここで、ｎは駆動固定電極３の櫛歯と駆動可動電極９の櫛歯との間で形成される間隔の数量、εは動作させる雰囲気の誘電率、ｔは駆動可動電極９の厚さ（Ｚ軸方向の幅）、Ｖは印加電圧、ｄは駆動可動電極９の櫛歯及び駆動固定電極３の櫛歯の間隔である。
そのため、駆動可動電極９と一体に形成されているフレーム部８及びジンバル部５も駆動可動電極９と同期してＸ軸方向に変位（振動）する。このとき、図１において鏡面対称面ＳＹを中心に配置された左右のフレーム部８、ジンバル部５及び駆動可動電極９は、鏡面対称面ＳＹに対して対照的に変位（振動）する。

駆動可動電極９が変位（振動）した場合、駆動可動電極９と駆動振幅検出用固定電極１３との櫛歯電極の重なり面積が変化する。この重なり面積が変化すると駆動可動電極９と駆動振幅検出用固定電極１３との静電容量が変化する。この静電容量の変化から駆動可動電極９の変位や振幅を算出することができる。所望の駆動変位や駆動振幅が得られるように駆動可動電極９及び駆動固定電極３の少なくとも一方に印加する電圧を適宜調整する。

ここで、駆動固定電極３及び駆動可動電極９の少なくとも一方に電圧を印加した場合、ジンバルビーム１１によりジンバル部５と連結支持されているマス部６は、図４に示すように、ダンパー１２の変形を伴ってジンバル部５に同期してＸ軸方向に変位（振動）する。すなわち、図４において、マス部６を右側に変位させる電圧が印加されると、マス部６に対して右側のダンパー１２における一対のＹ軸部１２ａが互い近接すると共に、左側のダンパー１２における一対のＹ軸部１２ａが互いに離間するように変形することで、ダンパー１２に連結された検出可動電極７をＸ軸方向（右側）に変位させることなくマス部６が右側に変位する。
ジンバルビーム１１はマス部６をジンバル部５に対してＸ軸方向には変位し難く、かつＹ軸方向には変位し易いように設計されている。そのため、マス部６は、ジンバル部５がＸ軸方向に変位した場合、ジンバルビーム１１に突っ張られる又は引っ張られることにより変位することになる。

この状態でＺ軸周りの角速度が当該加速度角速度複合センサに作用したとすると、Ｘ軸方向に振動している構成要素すべてに(７)式に示すコリオリ力が作用する。

ここで、Ｍは振動子のＸ軸方向に振動している構成要素すべての質量、ｖはその速度、ΩはＺ軸周りの角速度である。
コリオリ力は振動している構成要素の速度と印加した角速度との外積であるため、構成要素の振動の向きと角速度の向きとによってＹ軸方向のプラス／マイナスが変化する。従って、鏡面対称面ＳＹに対して対称な方向に振動している左右１対の振動子２の場合、上記構成要素に対して作用するコリオリ力は必ずＹ軸方向の符号が逆となる。

コリオリ力が作用すると、Ｘ軸方向に振動している構成要素はＹ軸方向の振動が励起されることとなるが、フレーム部８、駆動可動電極９及びジンバル部５はＹ軸方向には変位や振動がし難いように第１駆動ビーム１０及び第２駆動ビーム１５で基板１上に支持されていることから、フレーム部８、駆動可動電極９及びジンバル部５はＹ軸方向には振動できない。しかし、マス部６は、ジンバルビーム１１によりＹ軸方向には変位や振動がし易いように連結支持されていることから、図５に示すように、コリオリ力によりＹ軸方向に振動することとなる。すなわち、図５において上方へマス部６を変位させるコリオリ力が発生すると、上下のジンバルビーム１１がマス部６に固定された中央部分で僅かにくの字状に屈曲変形して、マス部６がジンバル部５に対して上方に変位することになる。このマス部６の変位に追従してダンパー１２によって連結された検出可動電極７もＹ軸方向（上方）に変位する。

ダンパー１２は、マス部６がＸ軸方向に変位（振動）した場合には、その変位（振幅）を吸収するように設計されている。また、検出可動電極７は、検出ビーム１４によりＸ軸方向には変位（振動）し難く、かつＹ軸方向には変位や振動がし易く支持されている。そのため、マス部６がＸ軸方向に振動していたとしても、検出可動電極７はＸ軸方向には振動しない。しかし、コリオリ力によりマス部６がＹ軸方向に振動した場合、マス部６の振動に追従して、検出可動電極７はＹ軸方向に振動する。この振動により、検出可動電極７と検出固定電極４との櫛歯の間隔が変化し、静電容量が変化する。静電容量は、定常状態では以下の（８）式に示す通りであるが、角速度が印加して検出可動電極７が変位した時は以下の（９）式に示す通りである。

ここで、ｎは検出固定電極４の櫛歯の数量、Ｓは検出可動電極７と検出固定電極４との重なり面積、εは動作雰囲気の誘電率、ｇは定常状態での検出可動電極７の櫛歯と検出固定電極４との間隔、Δｇは加速度および／または角速度印加によって検出可動電極７の櫛歯と検出固定電極４との間隔の変化量である。

本実施形態の加速度角速度複合センサを用い、駆動回路（図１に示す容量検出回路２０、振幅制御回路２１及び交流電圧源２２）にて振動子２を駆動し、容量検出回路２３にて検出可動電極７と検出固定電極４との静電容量の変化を読み取ることにより、角速度だけでなく加速度も測定できるようになる。

具体的には、本複合センサを利用したセンサデバイスにおいて、Ｚ軸周りの角速度が作用した場合には、図１において鏡面対称面ＳＹより左のマス部６と共に検出可動電極７が＋Ｙ軸方向に振動すると、図１において鏡面対称面ＳＹより右のジンバル部５内の検出可動電極７は−Ｙ軸方向に振動することとなる（以下、「右」及び「左」の記載は、図１における鏡面対称面ＳＹを中心にした「右側」及び「左側」を意味する。）。従って、左の検出固定電極４と右の検出固定電極４とでは静電容量の変化の符号が逆符号、例えば、左が＋Ｃ１（Ｆ）、右が−Ｃ１（Ｆ）となって現れる。そのため、左右の検出固定電極４の静電容量の変化を引き算することにより、角速度に比例した静電容量の変化を知ることができる。

また、Ｙ軸方向の加速度が作用した場合には、左右のマス部６及び検出可動電極７は、共に同じ方向に変位する。例えば、左のマス部６及び検出可動電極７が＋Ｙ軸方向に変位したとすると、同様に右のマス部６及び検出可動電極７が＋Ｙ軸方向に変位することになる。従って、左右のジンバル部５内にある検出固定電極４では静電容量の変化の符号が同じとなる。そのため、左右の検出固定電極４の静電容量の変化を足し算することにより、加速度に比例した静電容量の変化を知ることができる。これらは、実際にはＣ／Ｖ変換回路により静電容量の変化を電圧の変化として読み取ることが好ましい。

このように本実施形態では、マス部６及び検出可動電極７が高い剛性を有する閉じられたジンバル部５内に支持されるため、ジンバル部５の撓みや変形に基づくノイズ成分の発生を抑制することができる。
また、Ｘ軸方向の変位を吸収するダンパー１２でマス部６と検出可動電極７とが連結されているので、マス部６がＸ軸方向に変位しても該変位の検出可動電極７への伝達が抑制され、マス部６のＸ軸方向の変位が検出可動電極７と検出固定電極４との間の静電容量に影響を与えることを防ぐ。

また、ジンバル部５、マス部６、検出可動電極７及びダンパー１２が、マス部６のＹ軸方向の中心線を中心にして左右対称に配置されているので、左右で均等な変位が得られ、より高い精度で検出することができる。
さらに、検出可動電極７の両端部が基板１及びマス部６に支持されているので、検出可動電極７が一端部のみ支持された片持ち状態に比べて安定して偏りの少ない変位が可能になり、ノイズ成分をさらに低減させることができる。
そして、一対の振動子２が同期梁１６で連結されているので、両振動子２の駆動速度及び周波数を、同期梁１６で伝達して同期を図り、周波数及び振幅を一致させて検出精度を高めることができる。

次に、本実施形態の加速度角速度複合センサにおける各構成要素の好適な寸法条件等について説明する。

フレーム部８及びジンバル部５は振動子として作用するため、幅が細すぎるとそれ自体が変形してしまい慣性センサとしての特性が悪化する。また、(６)式で示した静電引力にてフレーム部８及びジンバル部５を振動させる場合、フレーム部８及びジンバル部５が大きすぎると静電引力を発生させるための電圧を大きくする必要がある。そのため、本複合センサの利点である低消費電力を実現することが難しくなる傾向にあり、かつ、小型化が困難になる傾向にある。逆に小さくしすぎると、フレーム部８内部に形成している駆動可動電極９の前述した間隔の数量ｎが小さくなるため駆動力が小さくなり、フレーム部８及びジンバル部５の変位や振幅が小さくなりやすい傾向にある。

また、ジンバル部５内部に形成している検出可動電極７及び検出固定電極４も少なくなり、上記（８）式及び（９）式より加速度や角速度印加後の静電容量の変化が小さくなりやすい傾向にある。従って、フレーム部８及びジンバル部５の幅は５μｍから１００μｍが好適である。また、フレーム部８及びジンバル部５を合わせた大きさは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の大きさがそれぞれ１００μｍから３ｍｍが好適である。

駆動固定電極３及び駆動可動電極９の櫛歯は細くすると櫛歯自体が変形してしまい、櫛歯同士が接触してしまう可能性がある。櫛歯が接触してしまうと電位差がゼロとなるので静電引力が発生しない。逆に、櫛歯を太くするとフレーム部８内に形成できる櫛歯の数量が減少するため静電引力が小さくなる傾向にある。そのため、櫛歯の幅は１μｍから３０μｍが好適である。
櫛歯の長さを長くすると櫛歯自体が変形して櫛歯同士が接触しやすい傾向にある。逆に、櫛歯の長さを短くすると振動子の変位および／または振幅が小さくなる傾向にある。従って、櫛歯の長さは１μｍから３０μｍが好適である。

上記（６）式に示したように、駆動固定電極３と駆動可動電極９との櫛歯の間隔ｄを小さくすると静電引力を大きくすることができる。しかし、製造工程の観点からあまり小さくすることは難しく、また、小さくしすぎると駆動可動電極９の櫛歯が駆動固定電極３の櫛歯に接触しやすい傾向にある。逆に、櫛歯の間隔ｄを大きくすると静電引力が小さくなりやすく、所望の変位や振幅を得ることが難しい傾向にある。そのため、櫛歯の間隔ｄは０．５μｍから１０μｍが好適である。

フレーム部８及びジンバル部５は、Ｘ軸方向（駆動軸方向）へのみ変位（振動）されることが好ましい。そのため、第１駆動ビーム１０及び第２駆動ビーム１５はＸ軸方向に短く、Ｙ軸方向に長いように設計している。Ｘ軸方向の長さは短くすると製造し難くなる傾向にあり、太くするとフレーム部８及びジンバル部５の変位や振幅が小さくなる傾向にあり、所望の変位や振幅を得るためにはＹ軸方向の長さを長くする必要がある。Ｙ軸方向の長さを長くすると本複合センサの大きさが大きくなる傾向にある。また、Ｙ軸方向の長さを短くするとフレーム部８及びジンバル部５の変位や振幅が小さくなる傾向にあり、所望の変位や振幅を得るためにはＸ軸方向の長さを短くする必要がある。このように、第１駆動ビーム１０及び第２駆動ビーム１５のＸ軸方向の長さとＹ軸方向の長さとには相関関係があり、単独では設計することは難しい。したがって、Ｘ軸方向の長さ（駆動ビームの幅）は１μｍから３０μｍが好適であり、Ｙ軸方向の長さ（駆動ビームの長さ）は５０μｍから１ｍｍが好適である。

フレーム部８及びジンバル部５がＸ軸方向に変位（振動）した時には、第１駆動ビーム１０及び第２駆動ビーム１５も同程度変位（振動）する。そのため、第１駆動ビーム１０及び第２駆動ビーム１５が駆動固定電極３及び駆動振幅検出用固定電極１３並びにジンバル部５に接触しないためには、変位量または振幅よりも離れている必要がある。好適には、０．５μｍから１０μｍ離れていることが好ましい。０．５μｍよりも小さいと振幅が小さくなり感度が小さくなる傾向にあり、１０μｍよりも大きいと本複合センサが大きくなる傾向にある。

左右のフレーム部８を連結している同期梁１６は、右のフレーム部８と左のフレーム部８とが同じ速さで振動するためのものである。同期梁１６のＸ軸方向の長さを短くすると製造し難くなる傾向にあり、長くすると変位や振幅が小さくなる傾向にあり、この時に所望の変位や振幅を得るためには、Ｙ軸方向の長さを長くする必要がある。Ｙ軸方向の長さを長くすると本複合センサの利点である小型化が困難になる。また、Ｙ軸方向の長さを短くすると、所望の変位や振幅を得ることが難しくなる傾向にある。従って、Ｘ軸方向の長さ（同期梁１６のビームの幅）は１μｍから３０μｍが好適であり、Ｙ軸方向の長さ（同期梁１６のビームの長さ）は５０μｍから１ｍｍが好適である。

駆動固定電極３、駆動振幅検出用固定電極１３及び駆動可動電極９は細くすると、電圧を印加した時にそれ自体が変形しやすい傾向にある。逆に、太くすると本複合センサが大きくなる傾向にある。従って、駆動固定電極３、駆動振幅検出用固定電極１３および駆動可動電極９は５μｍから１００μｍが好適である。
フレーム部８及びジンバル部５はＸ軸方向には振動しているが、Ｙ軸方向には振動できない。そのため、検出可動電極７をＹ軸方向（検出軸方向）に変位や振動をさせるのはマス部６である。上記（７）式に示すように、コリオリ力はＸ軸方向（駆動軸方向）に振動している振動子２の質量に比例する。

従って、高感度な複合センサを得るためにはマス部６を大きくする必要があるが、大きくすると本複合センサの利点であるセンサの小型化が難しくなる傾向にある。逆に、小さくすると感度が小さくなる傾向にある。そのため、マス部６のＸ軸方向の長さは５０μｍから１ｍｍが好適であり、Ｙ軸方向の長さはジンバル部５の大きさに依存し、マス部６がＹ軸方向に変位や振動した時にジンバル部５に接触しない程度離しておくことが好ましい。好適には、０．５μｍから１０μｍ離れていることが好ましい。０．５μｍよりも小さいと製造誤差の観点から製造し難くなりすぎる傾向にあり、１０μｍよりも大きいと本複合センサが大きくなる傾向にある。

ジンバルビーム１１は、マス部６をジンバル部５に対してＸ軸方向には変位や振動がし難く、Ｙ軸方向には変位や振動がし易く連結支持している。ジンバルビーム１１のＸ軸方向の長さはジンバル部５の大きさに依存し、Ｙ軸方向長さはマス部６のＹ軸方向への変位や振幅の大きさの観点から、好適には０．５μｍから１０μｍが好適である。０．５μｍよりも小さいと製造誤差の観点から製造し難くなる傾向にあり、１０μｍよりも大きいとマス部６の変位および振幅が小さくなる傾向ある。

ダンパー１２は、マス部６のＹ軸方向への変位や振動に同期させて検出可動電極７を変位や振動をさせるためのものである。しかし、マス部６のＸ軸方向への変位や振動は吸収され、検出可動電極７はＸ軸方向には変位や振動がし難く連結支持している。ダンパー１２のＹ軸部１２ａはＸ軸方向に短く、Ｙ軸方向に長く設計されている。Ｙ軸方向の長さはマス部６のＹ軸方向の長さに依存する。Ｙ軸方向の長さを短くするとマス部６のＸ軸方向への変位や振動を吸収し難く傾向にあり、ほぼ吸収するようにするためにはＸ軸方向の長さを短くする必要がある。逆に、Ｙ軸方向の長さを長くすると、本複合センサの大きさが大きくなる傾向にある。また、Ｘ軸方向の長さを短くすると製造し難くなる傾向にある。逆に、Ｘ軸方向の長さを長くするとマス部６のＸ軸方向への変位や振動を吸収するためにはＹ軸方向の長さを長くする必要がある。したがって、ダンパー１２のＸ軸方向の長さは０．５μｍから１０μｍが好適であり、Ｙ軸方向の長さは５０μｍから１．５ｍｍが好適である。

ダンパー１２のＸ軸部１２ｂは、Ｘ軸方向の長さを短くすると一対のＹ軸部１２ａが接触してしまう傾向にあり、長くすると本複合センサが大きくなると共に、マス部６がＹ軸方向に変位や振動をしても検出可動電極７をマス部６に同期してＹ軸方向に変位や振動をさせることが難しくなる傾向にある。従って、Ｘ軸部１２ｂのＸ軸方向の長さは１μｍから３０μｍが好適であり、Ｙ軸方向の長さは５μｍから１００μｍが好適である。

検出ビーム１４はその一端を基板１に固定され、他端にて検出可動電極７を支持しており、検出可動電極７がＸ軸方向には変位や振動をし難く、かつＹ軸方向には変位や振動がし易く設計されている。この検出ビーム１４のＸ軸方向の長さは短くすると検出可動電極７の変位や振動が小さくなりすぎる傾向にあり、長くするとフレーム部８が大きくなり本複合センサが大きくなる傾向にある。Ｙ軸方向の長さを長くすると検出可動電極７がＹ軸方向に変位や振動がし難くなる傾向にあり、短くすると製造することが困難になり易い。そのため、検出ビーム１４のＸ軸方向の長さは１０μｍから１ｍｍが好適であり、Ｙ軸方向の長さは０．５μｍから２０μｍが好適である。

次に、本実施形態の加速度角速度複合センサの製造方法について、図６及び図７を参照して説明する。

まず、図６の（ａ）に示すように、Ｓｉ（シリコン）構造体層（半導体薄膜）３１／酸化膜層３２／Ｓｉハンドル層３３の３層構造のＳＯＩウエハ（半導体薄板）３４を用意する。薄いＳｉの構造体を製作する場合、作りたい厚さのＳｉウエハでは機械的強度が小さいために製作できないが、Ｓｉハンドル層３３と酸化膜層３２との３層とすることにより製作工程中は充分な厚さをもち、最終的にはＳｉハンドル層３３と酸化膜層３２とを除去することにより所望の厚さのＳｉ構造体を製作することができる。
なお、消費電力低減のために、使用するＳｉ構造体層３１は、できるだけ低抵抗なものが好ましい。しかしながら、低抵抗なＳｉ構造体層３１を有するＳＯＩウエハ３４は、比較的高価であるため、抵抗率としては、０．００１Ωｃｍ〜１Ωｃｍが好適である。

上記Ｓｉ構造体層３１（ＳＯＩ層と呼ばれることもある）には、５μｍから１００μｍが好適である。Ｓｉ構造体層３１が薄いとマス部６の質量が小さくなり加速度や角速度の感度が小さくなりすぎる傾向にある。逆に、Ｓｉ構造体層３１が厚いと製造工程の観点から駆動や検出の電極の櫛歯の間隔を小さくできない。そのため、駆動の静電引力が小さくなったり、検出可動電極７と検出固定電極４との間隔が大きくなったことによる定常時の静電容量が大きくなったりして、加速度や角速度の感度が小さくなりすぎる傾向にある。

酸化膜層３２（ＢＯＸ層と呼ばれることもある）の厚さは１００ｎｍから２μｍが好適である。酸化膜層３２が薄いとＳｉハンドル層３３からＳｉ構造体をリリースすることが難しくなる傾向にある。逆に、酸化膜層３２が厚すぎるとウエハコストが高くなりすぎる傾向にある。次に、Ｓｉハンドル層３３（ベースウエハと呼ばれることもある）の厚さは３００μｍから１ｍｍが好適である。薄くなると大きな直径のウエハが使用できないため、１ウエハあたりの収量が小さくなり、本複合センサの製造コストが高くなる傾向にある。逆に、Ｓｉハンドル層３３の厚さを厚くするとウエハ価格が高くなり、本複合センサの製造コストが高くなる。

最初に、ＳＯＩウエハ３４を洗浄し、表面を清浄にする。次に、ＳＯＩウエハ３４を、図６の（ｂ）に示すように、熱酸化し、Ｓｉ構造体層３１及びＳｉハンドル層３３表面に酸化膜（ＳｉＯ₂）３５を形成する。さらに、Ｓｉ構造体層３１表面にフォトレジストをスピンコートして加熱した後、所望のマスクを通して露光する。その後、フォトレジストの現像、リンスを行った後、図６の（ｃ）に示すように、加熱してパターニングされた第１のフォトレジスト３６を固定する。

この第１のフォトレジスト３６をマスクとして、図６の（ｄ）に示すように、酸化膜３５をフッ酸により選択的にエッチングした後、第１のフォトレジスト３６を溶剤により除去する。再度、フォトレジストをスピンコートして加熱した後、別のマスクを通して露光する。その後、フォトレジストの現像、リンスを行った後、図６の（ｅ）に示すように、加熱してパターニングされた第２のフォトレジスト３７を固定する。

続いて、第２のフォトレジスト３７をマスクとして、１回目のＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング）装置によりＳｉの異方性深堀エッチングを行う。この時のエッチング深さは５μｍから５０μｍが好適である。ここでのエッチング深さは最終的な複合センサでの基板１とＳｉ構造体層３１で構成される振動子２との間隔を意味している。そのため、このエッチング深さが浅いと基板１とＳｉ構造体層３１との間隔が小さいことを意味しており、この間隔が小さいと駆動振幅が小さくなる傾向にある。

その理由は、本複合センサを使用する雰囲気の気体の粘性抵抗の影響が大きくなる傾向にあるからである。逆に、前記エッチング深さを深くしようとすると原材料であるＳＯＩウエハ３４のＳｉ構造体層３１を厚くする必要があり、前述の通り、Ｓｉ構造体層３１が厚いと製造工程の観点から駆動や検出の電極の櫛歯の間隔を小さくできない。そのため、駆動の静電引力が小さくなったり、検出可動電極７と検出固定電極４との間隔が大きくなったことによる定常時の静電容量が大きくなったりして、加速度や角速度の感度が小さくなりすぎる傾向にある。

その後、図６の（ｆ）に示すように、第２のフォトレジスト３７を溶剤にて除去し、洗浄する。今度は、図６の（ｇ）に示すように、酸化膜３５をマスクとして２回目のＩＣＰ−ＲＩＥ装置によりＳｉ異方性深堀エッチングを行う。この時のエッチング深さはＳｉ構造体層３１と酸化膜３５との界面までエッチングする。そして、図６の（ｈ）に示すように、２回目のＳｉ異方性深堀エッチング用マスクである酸化膜３５を除去し、洗浄する。このようにしてパターニングされたＳｉ構造体層３１は、一対の振動子２とされる。

次に、駆動固定電極３、駆動振幅検出用固定電極１３及び検出固定電極４に電圧を供給したり、静電容量の変化を読み取ったりするための配線を作製する。

図７の（ａ）に示すように、洗浄したガラスの基板１表面に、図７の（ｂ）に示すように、金属膜４１を製膜する。具体的には、スパッタリング装置によりＣｒ膜を製膜した後Ａｕ膜を製膜して金属膜４１を形成する。Ｃｒ膜厚は１０ｎｍから１００ｎｍが好適である。Ｃｒ膜はガラスである基板１へのＡｕ膜の接着力を高めるための接着層である。そのため、Ｃｒ膜が薄ければ薄いほど接着力は強くなるが、薄くしすぎると基板１全面にＣｒ膜を製膜することが困難になる傾向にある。逆に、Ｃｒ膜を厚くしすぎると接着力が弱くなる傾向にある。Ａｕ膜は導電性を有していればよく、厚さ１００ｎｍから１μｍが好適である。Ａｕ膜厚を小さくしすぎると、抵抗が高くなる傾向にある。逆に、大きくすると製造コストが高くなる傾向にある。

金属膜４１表面にフォトレジストをスピンコートして加熱した後、所望のマスクを通して露光する。その後、フォトレジストの現像、リンスを行った後、図７の（ｃ）に示すように、加熱してパターニングされた第３のフォトレジスト４２を固定する。
続いて、第３のフォトレジスト４２をマスクとして、Ａｕエッチャント（ヨウ素１．２ｇ＋ヨウ化アンモニウム８ｇ＋水４０ｍｌ＋メタノール６０ｍｌ）により金属膜４１のＡｕ膜を選択エッチングした後、蒸留水で洗浄する。Ｃｒエッチャント（硝酸ニアンモニウムセリウム（４）２０ｇ＋過塩素酸５．２ｇ＋水８８ｍｌ）により金属膜４１のＣｒ膜を選択エッチングし、洗浄する。その後、図７の（ｄ）に示すように、フォトレジストを溶剤により除去する。このようにして基板１上にパターニングされた金属膜４１は、駆動振幅検出用固定電極１３及び検出固定電極４に電圧を供給したり、静電容量の変化を読み取ったりするための配線となる。

パターニングされたＳｉ構造体層３１を有するＳＯＩウエハ３４とパターニングされた金属膜４１を有する基板１とを、図７の（ｅ）に示すように、Ｓｉ構造体層３１が基板１側に向くように陽極接合する。最後に、ＳＯＩウエハ３４の酸化膜層３２を除去してＳＯＩウエハ３４からＳｉ構造体層３１を一対の振動子２としてリリースするために、図７の（ｆ）に示すように、フッ酸にて酸化膜層３２を除去し、洗浄し乾燥する。すなわち、振動子２が基板１上に部分的に固定されて、固定されていない部分は基板１から浮いた状態で支持される。このようにして、ＭＥＭＳデバイスとして本複合センサが作製される。

このように本実施形態の複合センサは、一対の振動子２が露光技術によるパターニングで微細加工されたＭＥＭＳデバイスであるので、非常に微細で高い寸法精度が得られ両振動子２の高い対称性を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態の製造方法では、ＳＯＩウエハ３４を原材料に使用したが、Ｓｉウエハを利用しても製作可能である。また、Ｓｉの異方性深堀エッチングにはＩＣＰ−ＲＩＥを利用したが、通常のＲＩＥにて製作することも可能である。他には、異方性Ｓｉウェットエッチングと等方性Ｓｉウェットエッチングとを交互に行うことにより、Ｓｉの異方性深堀エッチングを行うことも可能である。金属配線にはＡｕ／Ｃｒ膜の金属膜４１を利用したが、Ｐｔ／Ｔｉ膜のような他の金属膜４１でも可能であるし、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）やＺｎＯ（酸化亜鉛）のような透明導電膜を金属膜４１としても利用可能である。
また、上記実施形態では、加速度と角速度とを同時検出する複合センサとしているが、加速度及び角速度の一方のみを検出するセンサとしても使用することができる。

本発明に係る一実施形態の加速度角速度複合センサにおいて、構造を配線状態と併せて示す平面図である。 本実施形態の加速度角速度複合センサにおいて、振動子を示す要部平面図である。 本実施形態において、ジャイロの動作原理を示す説明図である。 本実施形態において、駆動振動によるマス部及びダンパーの変位状態を示す要部の拡大模式図である。 本実施形態において、検出振動によるマス部及びダンパーの変位状態を示す要部の拡大模式図である。 本実施形態の加速度角速度複合センサの製造方法について、振動子作製までを図１のＡ線断面において工程順に示す断面図である。 本実施形態の加速度角速度複合センサの製造方法について、振動子作製以降を図１のＡ線断面において工程順に示す断面図である。

符号の説明

１…基板、２…振動子、３…駆動固定電極、４…検出固定電極、５…ジンバル部（外枠部）、６…マス部（重量部）、７…検出可動電極、８…フレーム部、１２…ダンパー、１３…駆動振幅検出用固定電極、１６…同期梁、３１…Ｓｉ構造体層（半導体薄膜）、３４…ＳＯＩウエハ（半導体薄板）、ＳＹ…鏡面対称面

Claims (6)

1. 上面が絶縁性の基板と、
   前記基板に対して変位可能に前記基板上に支持されていると共に対称面を中心に左右対称に配置された一対の振動子と、
   前記基板上に固定され前記振動子との間に電圧を印加して前記振動子を前記対称面に直交する駆動軸方向に振動させる駆動固定電極と、
   前記基板上に固定され前記駆動軸方向に直交する検出軸方向における前記振動子との間の静電容量の変化を検出する検出固定電極と、を備え、
   前記振動子が、前記駆動軸方向に変位可能に、かつ、前記検出軸方向の変位が抑制されて支持された閉じた外枠部と、
   前記外枠部に対して、前記検出軸方向に変位可能に、かつ、前記駆動軸方向の変位が抑制されて前記外枠部内に支持された重量部と、
   前記検出軸方向に変位可能に、かつ、前記駆動軸方向の変位が抑制されて前記外枠部内で前記重量部及び前記基板に支持され前記検出固定電極との間で前記静電容量の変化を検出する検出可動電極と、を有することを特徴とする加速度角速度複合センサ。
2. 前記検出可動電極が、前記重量部における前記駆動軸方向の変位を吸収すると共に前記検出軸方向の変位を伝達するダンパーを介して前記重量部に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度角速度複合センサ。
3. 前記外枠部、前記重量部、前記検出可動電極及び前記ダンパーが、前記重量部における前記検出軸方向の中心線を中心にした左右対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の加速度角速度複合センサ。
4. 前記検出可動電極が、前記検出軸方向に櫛歯が配列された櫛歯電極とされ、前記検出軸方向の両端部で前記基板及び前記重量部に支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度角速度複合センサ。
5. 前記一対の振動子が、前記駆動軸方向の変位を吸収すると共に前記検出軸方向の変位を伝達する同期梁を介して連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度角速度複合センサ。
6. 前記一対の振動子が、半導体薄板又は半導体薄膜にフォトリソグラフィによるパターニングを施して形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度角速度複合センサ。

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