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JP2006105698A - Acceleration angular velocity composite sensor - Google Patents

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JP2006105698A
JP2006105698A JP2004290716A JP2004290716A JP2006105698A JP 2006105698 A JP2006105698 A JP 2006105698A JP 2004290716 A JP2004290716 A JP 2004290716A JP 2004290716 A JP2004290716 A JP 2004290716A JP 2006105698 A JP2006105698 A JP 2006105698A
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JP
Japan
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axis direction
detection
angular velocity
displacement
electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004290716A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichi Sasakura
幸一 笹倉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Star Micronics Co Ltd
Original Assignee
Star Micronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Star Micronics Co Ltd filed Critical Star Micronics Co Ltd
Priority to JP2004290716A priority Critical patent/JP2006105698A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce noise caused by driving vibration, while detecting acceleration and angular velocity with a simple sensor constitution, in an acceleration angular velocity composite sensor. <P>SOLUTION: This acceleration angular velocity composite sensor has a base board 1, a pair of vibrators 2 displaceably supported by the base board 1, a driving fixed electrode 3 fixed to the base board 1 and impressing voltage between the electrode and the vibrators 2, and a detecting fixed electrode 4 fixed to the base board 1 and detecting a change in capacitance between the electrode and the vibrators 2 in the detecting shaft direction. The vibrators 2 have a gimbal part 5 supported by restraining displacement in the detecting shaft direction so as to be displaceable in the driving shaft direction; a mass part 6 supported in the gimbal part 5 by restraining displacement in the driving shaft direction so as to be displaceable in the detecting shaft direction to the gimbal part 5; and a detecting movable electrode 7 for detecting a change in capacitance between the electrode and the detecting fixed electrode 4 by restraining displacement in the driving shaft direction so as to be displaceable in the detecting shaft direction. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。   The present invention relates to an acceleration / angular velocity composite sensor capable of simultaneously detecting acceleration and angular velocity with a single sensor device.

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。   For example, an acceleration sensor and an angular velocity sensor (sometimes referred to as a gyro or a rate gyro) are used for an attitude control or a navigation system of an automobile. Conventionally, one acceleration sensor and one gyro are used. It was often implemented separately. Among them, a sensor (acceleration angular velocity detection) that detects acceleration and angular velocity with a sensor in which the acceleration sensor and gyro disclosed in Patent Document 1 are arranged in the same plane or one sensor device disclosed in Patent Document 2. Apparatus) is also disclosed.

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。
In the sensor disclosed in Patent Document 1 described above, the acceleration sensor and the gyro are substantially separate, and are arranged simultaneously on the silicon wafer surface.
The acceleration angular velocity detection device disclosed in Patent Document 2 is a composite sensor having a pair of left and right vibrators. However, since the drive electrodes are arranged and the vibrator has a U-shape, the driving force In addition to displacement and / or vibration in the drive axis direction (X-axis direction) at the time of application (hereinafter referred to simply as displacement, including vibration), in FIG. The part 21a, the protruding part 36a, etc. are likely to be displaced or vibrated in the positive direction of the Y axis, and the arm part 21b, the protruding part 36b, etc. are likely to be displaced in the negative direction of the Y axis. For this reason, the detection electrode is also likely to be displaced or vibrated in the Y-axis direction during driving, and noise output tends to be generated despite no acceleration or angular velocity being applied. Further, since the detection electrode is displaced or vibrated in the X-axis direction during driving, the capacitance always changes. For this reason, it is designed to cancel the noise component by the calculation processing of the detection circuit.

特開平10−239347号公報(特許請求の範囲、図1)JP-A-10-239347 (Claims, FIG. 1) 特開2004−28869号公報(特許請求の範囲、図1)JP 2004-28869 A (Claims, FIG. 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。
The following problems remain in the conventional technology.
In the conventional acceleration and / or angular velocity sensor, the sensor disclosed in Patent Document 1 requires a detection circuit in each of the acceleration sensor unit and the angular velocity sensor unit, and the number of vibrators. As the sensor increases, there is a problem that the sensor tends to be large. In addition, the sensor described in Patent Document 2 has a disadvantage that the detection circuit becomes complicated because the process of removing the noise component is performed, and an output with a poor S / N ratio is likely to occur.

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。   The present invention has been made in view of the above-described problems. An acceleration angular velocity composite sensor that can detect acceleration and angular velocity with one simple sensor configuration and can reduce noise caused by driving vibration is provided. The purpose is to provide.

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。   The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the acceleration angular velocity composite sensor of the present invention includes a substrate having an upper surface that is insulative and a pair of vibrators that are supported on the substrate so as to be displaceable with respect to the substrate and that are arranged symmetrically about the symmetry plane. A driving fixed electrode for applying a voltage between the vibrator fixed to the substrate and vibrating the vibrator in a driving axis direction orthogonal to the plane of symmetry; and a detection axis direction fixed on the substrate and orthogonal to the driving axis direction And a fixed detection electrode that detects a change in capacitance between the vibrator and the vibrator, and the vibrator is supported so that the vibrator can be displaced in the drive axis direction and the displacement in the detection axis direction is suppressed. The outer frame portion can be displaced in the detection axis direction with respect to the outer frame portion, the weight portion supported in the outer frame portion with the displacement in the drive shaft direction being suppressed, and the outer frame portion can be displaced in the detection axis direction. In addition, the displacement in the drive shaft direction is suppressed and the weight part and the base are To a detection movable electrode for detecting a change in capacitance between the support and detected fixed electrode, characterized by having the.

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。   In this acceleration angular velocity composite sensor, the weight part and the detection movable electrode are supported in the closed outer frame part having high rigidity, so that the generation of noise components based on the bending and deformation of the outer frame part due to drive vibration is suppressed. can do. In the present invention, “displacement” includes “vibration”.

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。   Further, in the acceleration angular velocity composite sensor according to the present invention, the detection movable electrode is connected to the weight part via a damper that absorbs the displacement in the drive axis direction in the weight part and transmits the displacement in the detection axis direction. Features. That is, in this acceleration angular velocity composite sensor, the weight part is displaced in the drive axis direction because the weight part and the detection movable electrode are connected by the damper which is an elastic member or a buffer member that absorbs the displacement in the drive axis direction. However, the transmission of the displacement to the detection movable electrode is suppressed, and the displacement of the weight portion in the drive axis direction is prevented from affecting the capacitance between the detection movable electrode and the detection fixed electrode.

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。   Furthermore, the acceleration angular velocity composite sensor according to the present invention is characterized in that the outer frame part, the weight part, the detection movable electrode, and the damper are arranged symmetrically about the center line in the detection axis direction in the weight part. To do. That is, in this acceleration angular velocity composite sensor, since the outer frame portion, the weight portion, the detection movable electrode, and the damper are arranged symmetrically, uniform displacement can be obtained on the left and right of the center line of the weight portion, with higher accuracy. Can be detected.

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。   In the acceleration angular velocity composite sensor according to the present invention, the detection movable electrode is a comb electrode in which comb teeth are arranged in the detection axis direction, and is supported by the substrate and the weight portion at both ends in the detection axis direction. It is characterized by. That is, in this acceleration angular velocity composite sensor, since both ends of the detection movable electrode are supported by the substrate and the weight part, the detection movable electrode is more stably biased than in a cantilever state in which only one end is supported. Less displacement is possible, and noise components can be further reduced.

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。   Moreover, the acceleration angular velocity composite sensor according to the present invention is characterized in that the pair of vibrators are coupled via a synchronous beam that absorbs the displacement in the drive axis direction and transmits the displacement in the detection axis direction. That is, a pair of vibrators that are not connected have a difference in driving speed and frequency due to a slight difference in dimensions, but in this acceleration angular velocity composite sensor, the pair of vibrators are connected by the synchronous beam. The driving speed and the frequency of both vibrators can be transmitted by the synchronization beam to achieve synchronization, and the detection accuracy can be improved by matching the frequency and the amplitude.

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。   The acceleration angular velocity composite sensor according to the present invention is characterized in that the pair of vibrators are formed by patterning a semiconductor thin plate or a semiconductor thin film by photolithography. In other words, this acceleration angular velocity composite sensor is a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) device in which a pair of vibrators are microfabricated by patterning using an exposure technique, so that a very fine and high dimensional accuracy can be obtained. Therefore, high symmetry of both vibrators can be obtained.

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。
The present invention has the following effects.
That is, according to the acceleration angular velocity composite sensor according to the present invention, the weight portion and the detection movable electrode are supported in the closed outer frame portion having high rigidity, so that the outer frame portion is bent or deformed due to drive vibration. Generation of the noise component based on this can be suppressed, and acceleration and angular velocity can be detected with high accuracy with a simple configuration. Therefore, since highly accurate detection can be performed without using a complicated detection circuit that removes noise components, it is suitable as a low-cost and high-performance gyro sensor for posture control, navigation system, and the like.

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。   Hereinafter, an embodiment of an acceleration angular velocity composite sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS.

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。   The acceleration angular velocity composite sensor of the present embodiment is a MEMS inertial composite sensor manufactured by a silicon semiconductor process. As shown in FIG. A voltage is applied between the pair of vibrators 2 that are supported on 1 and arranged symmetrically about the mirror symmetry plane SY, and the vibrator 2 that is fixed on the substrate 1, and the vibrator 2 is A driving fixed electrode 3 that vibrates in the X-axis direction (driving axis direction) orthogonal to the mirror symmetry plane SY and a vibrator 2 in the Y-axis direction (detection axis direction) that is fixed on the substrate 1 and orthogonal to the X-axis direction. And a fixed detection electrode 4 for detecting a change in electrostatic capacity between them.

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。
As the substrate 1, a substrate on which an insulating film such as glass is formed on the upper surface or a substrate that is entirely insulating is used.
The vibrator 2, the drive fixed electrode 3 and the detection fixed electrode 4 are simultaneously manufactured by a silicon semiconductor process which will be described later.

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。   FIG. 2 is a diagram showing only one of the pair of vibrators 2 in FIG. The other vibrator 2 is also symmetrically arranged with respect to the mirror plane SY and has a similar structure. The vibrator 2 is displaceable in the X-axis direction and is supported with a closed frame-like gimbal portion (outer frame portion) 5 supported by suppressing displacement in the Y-axis direction. A mass part (weight part) 6 supported in the gimbal part 5 so as to be displaceable in the Y-axis direction and suppressed in the X-axis direction, and displaceable in the Y-axis direction and in the X-axis direction Displacement is suppressed, and a movable detection electrode 7 that detects a change in capacitance between the gimbal portion 5 and the detection fixed electrode 4 supported by the mass portion 6 and the substrate 1 is provided at both ends of the gimbal portion 5 in the Y-axis direction. A pair of supported frame portions 8 and a pair of drive movable electrodes 9 supported inside the pair of frame portions 8 are provided.

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。
The gimbal portion 5 is fixed on the substrate 1 so as to be displaceable in the X-axis direction via first drive beams 10 provided at both ends in the X-axis direction. One end of each of these first drive beams 10 is fixed to the center in the Y-axis direction of the gimbal portion 5, extends to both ends in the Y-axis direction, and the other end is fixed on the substrate 1.
The mass portion 6 is fixed to the inside of the gimbal portion 5 so as to be displaceable in the Y-axis direction via gimbal beams 11 provided at both ends in the Y-axis direction. One end of each gimbal beam 11 is fixed to the inner side of the gimbal portion 5 and the end portion in the Y-axis direction, extends to the center in the X-axis direction, and the other end is fixed to the end portion in the Y-axis direction of the mass portion 6. Yes.

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。
The pair of detection movable electrodes 7 are coupled to the mass portion 6 via dampers 12 that absorb the displacement in the X-axis direction of the mass portion 6 and transmit the displacement in the Y-axis direction. Two dampers 12 are arranged in the Y-axis direction with respect to one detection movable electrode 7. One end of each of the dampers 12 is fixed to the mass part 6 and the end of the detection movable electrode 7 in the Y-axis direction, and a pair of Y-axis parts 12a extending from the one end to the center of the mass part 6 in the Y-axis direction. And an X-axis part 12b that connects the other end of the Y-axis part 12a. In this way, the damper 12 is formed in a U-shape that is long in the Y-axis direction and opened in the Y-axis direction by the pair of Y-axis part 12a and the X-axis part 12b, so that it is easily elastic in the X-axis direction. And is difficult to deform in the Y-axis direction.
The gimbal part 5, the mass part 6, the movable detection electrode 7, and the damper 12 are arranged symmetrically about the center line of the mass part 6 in the Y-axis direction.

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。
The detection movable electrode 7 and the drive movable electrode 9 are comb-teeth electrodes in which a plurality of comb teeth extending in the X-axis direction are arranged in the Y-axis direction. Of the pair of drive movable electrodes 9, the drive movable electrode 9 on the gimbal portion 5 side has comb teeth arranged on both sides in the X-axis direction, and the drive movable electrode 9 on the opposite side of the gimbal portion 5 has the gimbal portion. The comb teeth are arranged only on the side portion on the 5 side.
On the substrate 1, the driving fixed electrode 3 is fixed and provided facing the comb teeth of the driving movable electrode 9 facing the gimbal portion 5 side. These drive fixed electrodes 3 are comb-shaped electrodes in which a plurality of comb teeth extending in the X-axis direction and arranged between the comb teeth of the drive movable electrode 9 are arranged in the Y-axis direction.

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。
Further, on the substrate 1, a drive amplitude detection fixed electrode 13 is fixedly provided so as to face the comb teeth facing the gimbal portion 5 side of the drive movable electrode 9. The fixed electrode 13 for detecting drive amplitude is a comb-like electrode in which a plurality of comb teeth arranged in the Y-axis direction are arranged in the X-axis direction and arranged between the comb teeth of the drive movable electrode 9.
A detection fixed electrode 4 is fixed on the substrate 1 so as to face the detection movable electrode 7. The detection fixed electrode 4 is a comb-like electrode in which a plurality of comb teeth are arranged in the Y-axis direction, extending in the X-axis direction and arranged between the comb teeth of the detection movable electrode 7.

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。
The detection movable electrode 7 is fixed to the substrate 1 via the detection beams 14 at both ends in the Y-axis direction so as to be displaceable in the Y-axis direction. One end of each of these detection beams 14 is fixed to the end portion in the Y-axis direction of the detection movable electrode 7, is elongated in the X-axis direction, and the other end is fixed on the substrate 1.
The frame portions 8 are fixed to the substrate 1 via the second drive beam 15 so as to be displaceable in the X-axis direction. One end of each of the second drive beams 15 is fixed inside the frame portion 8, is elongated in the Y-axis direction, and the other end is fixed on the substrate 1.

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。   In FIG. 1, the pair of vibrators 2 are connected via a synchronization beam 16 that absorbs displacement in the X-axis direction and transmits displacement in the Y-axis direction. One end of the synchronizing beam 16 is fixed to the frame portion 8 of one vibrator 2, extends from the one end to the center in the Y-axis direction of the drive movable electrode 9, and is folded back near the center in the Y-axis direction. The vibrator 2 is elongated to the frame portion 8 and the other end is fixed to the frame portion 8. As described above, the synchronization beam 16 is formed in a U-shape that is long in the Y-axis direction and opened in the Y-axis direction, and therefore easily deforms with elasticity in the X-axis direction.

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。
The drive amplitude detection fixed electrode 13 and the second drive beam 15 are electrically connected to the capacitance detection circuit 20 by wiring formed on the substrate 1. The detection fixed electrode 4 and the second drive beam 15 are electrically connected to the capacitance detection circuit 23 by wiring formed on the substrate 1. The capacitance detection circuit 20 is electrically connected to the amplitude control circuit 21. In addition, the drive fixed electrode 3 is electrically connected to an AC voltage source 22 that generates an oscillation in a predetermined X-axis direction by applying an AC voltage by wiring formed on the substrate 1. The AC voltage source 22 is electrically connected to the amplitude control circuit 21.
The capacitance detection circuits 20 and 23 detect the change in capacitance between the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4 and the change in capacitance between the drive movable electrode 9 and the drive amplitude detection fixed electrode 13. It is a circuit to detect. The amplitude control circuit 21 is a circuit that adjusts the amplitude of the vibration by controlling the AC voltage source 22 based on the change in capacitance detected by the capacitance detection circuit 20.

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。   Next, before describing a method for detecting acceleration and angular velocity in the acceleration / angular velocity composite sensor of the present invention, the operation principle of the angular velocity sensor (gyro) will be described with reference to FIG.

例えば、質量mのおもりを振幅DでX軸方向に角周波数ωx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。 For example, the position of the weight when the weight m is vibrated with the amplitude D and the angular frequency ωx in the X-axis direction is expressed by the following equation (1).

Figure 2006105698
Figure 2006105698

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。   Here, assuming that the angular velocity Ω around the Z-axis is applied, the Coriolis force F (coriolis) is expressed by equation (2).

Figure 2006105698
Figure 2006105698

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。   When the damping coefficient in the detection (Y) axis direction is c and the spring constant in the detection axis direction is ky, the equation of motion in the Y axis direction is expressed by equation (3).

Figure 2006105698
Figure 2006105698

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。   When this equation of motion is solved, the displacement Y (t) in the Y-axis direction is obtained as shown in equation (4).

Figure 2006105698
Figure 2006105698

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。 A is the detected amplitude in the Y-axis direction caused by the Coriolis force, and ψ is the phase difference between the drive vibration and the detected vibration. The detection amplitude A is the expression (5-1).

Figure 2006105698
Figure 2006105698

ここで、ωyはY軸方向の共振周波数、Qy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、ωx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ωxで振動するが振幅、位相が異なる。ここで、ωx≒ωy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、ωx/ωy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、ωx/ωyは0.618から1.618が好適である。
Here, ω y is the resonance frequency in the Y-axis direction, Q y is the Q factor in the detection axis direction, and represents the sharpness of the resonance peak of vibration.
As described above, when the angular velocity Ω acts on the vibrating body driven by ω x , the vibrating body vibrates at the same angular frequency ω x as that of the driving vibration but has a different amplitude and phase. Here, when ω x ≈ω y , equation (5-1) can be simplified as equation (5-2). In general, if the resonance frequency in the drive axis direction and the resonance frequency in the detection axis direction are completely matched, the energy of drive vibration leaks in the detection axis direction due to mechanical coupling, and no angular velocity is applied. Nevertheless, detection vibration occurs. Conversely, if ω x / ω y is too large or too small, the detected amplitude tends to be too small. Therefore, ω x / ω y is preferably 0.618 to 1.618.

ωx/ωyがこの範囲内にある時には検出振幅AはQy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、Qyに比例し、ωyに逆比例するが、ωx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。
When ω x / ω y is within this range, the detection amplitude A can be multiplied by Q y . The detection amplitude A drive amplitude D, proportional to Q y, omega is inversely proportional to y, it can be seen that little to do the omega x. From this, to obtain greater sensitivity,
(1) Increase the drive amplitude.
(2) Reducing the resonance frequency in the detection axis direction;
(3) Increase the Q factor in the detection axis direction.
Can be considered.

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。   Next, a method of detecting acceleration and angular velocity in the acceleration / angular velocity composite sensor of the present invention will be described with reference to FIGS.

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。
As described above, the frame portion 8, the drive movable electrode 9, and the gimbal portion 5 are integrally formed, and the frame portion 8 and the gimbal portion 5 are supported by the first drive beam 10. By being supported by the first drive beam 10, the frame portion 8, the drive movable electrode 9, and the gimbal portion 5 are easily displaced in the X-axis direction but difficult to be displaced in the Y-axis direction.
Further, the driving fixed electrode 3 and the driving movable electrode 9 have a structure in which the comb teeth face each other. When voltages having opposite polarities are applied to the driving fixed electrode 3 and the driving movable electrode 9, respectively, The driving movable electrode 9 is displaced (vibrated) in the X-axis direction with respect to the driving fixed electrode 3 by electrostatic attraction acting between the electrodes shown in the equation (6).

Figure 2006105698
Figure 2006105698

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。
Here, n is the number of gaps formed between the comb teeth of the drive fixed electrode 3 and the comb teeth of the drive movable electrode 9, ε is the dielectric constant of the atmosphere in which to operate, and t is the thickness of the drive movable electrode 9 ( Width in the Z-axis direction), V is an applied voltage, and d is a distance between the comb teeth of the drive movable electrode 9 and the comb teeth of the drive fixed electrode 3.
Therefore, the frame portion 8 and the gimbal portion 5 formed integrally with the drive movable electrode 9 are also displaced (vibrated) in the X-axis direction in synchronization with the drive movable electrode 9. At this time, the left and right frame parts 8, the gimbal part 5, and the drive movable electrode 9 arranged around the mirror symmetry plane SY in FIG. 1 are displaced (vibrated) in contrast to the mirror symmetry plane SY.

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。   When the drive movable electrode 9 is displaced (vibrated), the overlapping area of the comb electrodes of the drive movable electrode 9 and the drive amplitude detection fixed electrode 13 changes. When the overlapping area changes, the capacitance between the drive movable electrode 9 and the drive amplitude detection fixed electrode 13 changes. The displacement and amplitude of the drive movable electrode 9 can be calculated from this change in capacitance. The voltage applied to at least one of the drive movable electrode 9 and the drive fixed electrode 3 is appropriately adjusted so that a desired drive displacement and drive amplitude can be obtained.

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。
Here, when a voltage is applied to at least one of the driving fixed electrode 3 and the driving movable electrode 9, the mass portion 6 connected to and supported by the gimbal portion 5 by the gimbal beam 11 has a damper 12 as shown in FIG. It is displaced (vibrated) in the X-axis direction in synchronization with the gimbal portion 5 with deformation. That is, in FIG. 4, when a voltage for displacing the mass portion 6 to the right side is applied, the pair of Y-axis portions 12a in the right damper 12 are close to the mass portion 6 and the pair in the left damper 12 is The Y-axis part 12a is deformed so as to be separated from each other, so that the mass part 6 is displaced to the right without displacing the detection movable electrode 7 connected to the damper 12 in the X-axis direction (right side).
The gimbal beam 11 is designed so that the mass portion 6 is not easily displaced in the X-axis direction with respect to the gimbal portion 5 and is easily displaced in the Y-axis direction. Therefore, when the gimbal part 5 is displaced in the X-axis direction, the mass part 6 is displaced by being stretched or pulled by the gimbal beam 11.

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。   If the angular velocity around the Z-axis acts on the acceleration / angular velocity composite sensor in this state, the Coriolis force expressed by the equation (7) acts on all the components vibrating in the X-axis direction.

Figure 2006105698
Figure 2006105698

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。
Here, M is the mass of all the components oscillating in the X-axis direction of the vibrator, v is the velocity, and Ω is the angular velocity around the Z-axis.
Since the Coriolis force is an outer product of the velocity of the vibrating component and the applied angular velocity, plus / minus in the Y-axis direction varies depending on the vibration direction of the component and the direction of the angular velocity. Therefore, in the case of a pair of left and right vibrators 2 oscillating in a direction symmetric with respect to the mirror symmetry plane SY, the Coriolis force acting on the above-described components always has the opposite sign in the Y-axis direction.

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。   When the Coriolis force is applied, the component oscillating in the X-axis direction is excited by the vibration in the Y-axis direction, but the frame portion 8, the drive movable electrode 9, and the gimbal portion 5 are displaced in the Y-axis direction. Since the first drive beam 10 and the second drive beam 15 are supported on the substrate 1 so that vibration is difficult, the frame portion 8, the drive movable electrode 9, and the gimbal portion 5 cannot vibrate in the Y-axis direction. . However, since the mass portion 6 is connected and supported by the gimbal beam 11 so as to be easily displaced and vibrated in the Y-axis direction, the mass portion 6 vibrates in the Y-axis direction by Coriolis force as shown in FIG. Become. That is, when a Coriolis force that displaces the mass portion 6 upward in FIG. 5 is generated, the upper and lower gimbal beams 11 are slightly bent and deformed in a central shape fixed to the mass portion 6, and the mass portion 6 Is displaced upward with respect to the gimbal portion 5. Following the displacement of the mass portion 6, the detection movable electrode 7 connected by the damper 12 is also displaced in the Y-axis direction (upward).

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。   The damper 12 is designed to absorb the displacement (amplitude) when the mass portion 6 is displaced (vibrated) in the X-axis direction. Further, the detection movable electrode 7 is supported by the detection beam 14 so that it is not easily displaced (vibrated) in the X-axis direction and is easily displaced or vibrated in the Y-axis direction. Therefore, even if the mass portion 6 vibrates in the X-axis direction, the detection movable electrode 7 does not vibrate in the X-axis direction. However, when the mass portion 6 vibrates in the Y-axis direction due to the Coriolis force, the detection movable electrode 7 vibrates in the Y-axis direction following the vibration of the mass portion 6. By this vibration, the interval between the comb teeth of the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4 changes, and the capacitance changes. The capacitance is as shown in the following equation (8) in a steady state, but when the angular velocity is applied and the detection movable electrode 7 is displaced, it is as shown in the following equation (9).

Figure 2006105698
Figure 2006105698

Figure 2006105698
Figure 2006105698

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。   Here, n is the number of comb teeth of the detection fixed electrode 4, S is the overlapping area of the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4, ε is the dielectric constant of the operating atmosphere, and g is the detection movable electrode 7 in a steady state. An interval between the comb teeth and the detection fixed electrode 4, Δg is a change amount of an interval between the comb teeth of the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4 by application of acceleration and / or angular velocity.

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。   Using the acceleration angular velocity composite sensor of the present embodiment, the vibrator 2 is driven by a drive circuit (capacitance detection circuit 20, amplitude control circuit 21 and AC voltage source 22 shown in FIG. By reading the capacitance change between the electrode 7 and the detection fixed electrode 4, not only the angular velocity but also the acceleration can be measured.

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。   Specifically, in the sensor device using this composite sensor, when an angular velocity around the Z-axis is applied, the detection movable electrode 7 is moved in the + Y-axis direction together with the mass portion 6 on the left side of the mirror symmetry plane SY in FIG. When it vibrates, the detection movable electrode 7 in the gimbal portion 5 on the right side of the mirror symmetry plane SY in FIG. 1 vibrates in the −Y axis direction (hereinafter, “right” and “left” are described in FIG. 1). Meaning “right side” and “left side” with respect to the mirror symmetry plane SY). Accordingly, the left detection fixed electrode 4 and the right detection fixed electrode 4 appear with opposite signs of the capacitance change, for example, + C1 (F) on the left and -C1 (F) on the right. Therefore, the change in capacitance proportional to the angular velocity can be known by subtracting the change in capacitance of the left and right detection fixed electrodes 4.

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。   When acceleration in the Y-axis direction is applied, the left and right mass portions 6 and the detection movable electrode 7 are both displaced in the same direction. For example, if the left mass portion 6 and the detection movable electrode 7 are displaced in the + Y axis direction, the right mass portion 6 and the detection movable electrode 7 are similarly displaced in the + Y axis direction. Accordingly, the detection fixed electrodes 4 in the left and right gimbals 5 have the same sign of the change in capacitance. Therefore, it is possible to know the change in capacitance proportional to the acceleration by adding the change in capacitance of the left and right detection fixed electrodes 4. In practice, it is preferable to read a change in capacitance as a change in voltage by a C / V conversion circuit.

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。
Thus, in this embodiment, since the mass part 6 and the detection movable electrode 7 are supported in the closed gimbal part 5 having high rigidity, the generation of noise components based on the bending or deformation of the gimbal part 5 is suppressed. be able to.
Further, since the mass portion 6 and the detection movable electrode 7 are connected by the damper 12 that absorbs the displacement in the X-axis direction, even if the mass portion 6 is displaced in the X-axis direction, the displacement is applied to the detection movable electrode 7. Transmission is suppressed, and displacement of the mass portion 6 in the X-axis direction is prevented from affecting the capacitance between the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4.

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。
Further, since the gimbal part 5, the mass part 6, the detection movable electrode 7 and the damper 12 are arranged symmetrically about the center line of the mass part 6 in the Y-axis direction, equal displacement can be obtained on the left and right. Can be detected with higher accuracy.
Furthermore, since both end portions of the detection movable electrode 7 are supported by the substrate 1 and the mass portion 6, it is possible to perform stable displacement with less bias compared to a cantilever state in which the detection movable electrode 7 is supported only at one end portion. Thus, the noise component can be further reduced.
And since a pair of vibrator | oscillator 2 is connected with the synchronous beam 16, the drive speed and frequency of both the vibrator | oscillators 2 are transmitted with the synchronous beam 16, it synchronizes, and a detection precision is made by making a frequency and an amplitude correspond. Can be increased.

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。   Next, suitable dimensional conditions and the like of each component in the acceleration angular velocity composite sensor of the present embodiment will be described.

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。   Since the frame portion 8 and the gimbal portion 5 act as vibrators, if the width is too thin, the frame portion 8 and the gimbal portion 5 themselves are deformed and the characteristics as an inertial sensor are deteriorated. Further, when the frame portion 8 and the gimbal portion 5 are vibrated by the electrostatic attraction shown by the expression (6), if the frame portion 8 and the gimbal portion 5 are too large, it is necessary to increase the voltage for generating the electrostatic attraction. There is. For this reason, it tends to be difficult to realize low power consumption, which is an advantage of the present composite sensor, and it is difficult to reduce the size. On the other hand, if it is too small, the number n of the above-mentioned distance between the drive movable electrodes 9 formed inside the frame portion 8 becomes small, so that the driving force becomes small and the displacement and amplitude of the frame portion 8 and the gimbal portion 5 become small. It tends to be.

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。   Further, the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4 formed inside the gimbal portion 5 are also reduced, and the change in capacitance after application of acceleration and angular velocity is likely to be smaller than in the above formulas (8) and (9). There is a tendency. Therefore, the width of the frame portion 8 and the gimbal portion 5 is preferably 5 μm to 100 μm. The size of the frame portion 8 and the gimbal portion 5 is preferably 100 μm to 3 mm in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively.

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。
If the comb teeth of the driving fixed electrode 3 and the driving movable electrode 9 are thinned, the comb teeth themselves may be deformed, and the comb teeth may come into contact with each other. If the comb teeth come into contact with each other, the potential difference becomes zero, so electrostatic attraction is not generated. On the contrary, if the comb teeth are thickened, the number of comb teeth that can be formed in the frame portion 8 is reduced, and thus the electrostatic attractive force tends to be reduced. Therefore, the width of the comb teeth is preferably 1 μm to 30 μm.
When the length of the comb teeth is increased, the comb teeth themselves are deformed and tend to come into contact with each other. Conversely, when the length of the comb teeth is shortened, the displacement and / or amplitude of the vibrator tends to be reduced. Therefore, the length of the comb teeth is preferably 1 μm to 30 μm.

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。   As shown in the above equation (6), the electrostatic attraction can be increased by reducing the distance d between the comb teeth of the driving fixed electrode 3 and the driving movable electrode 9. However, it is difficult to make it too small from the viewpoint of the manufacturing process, and when it is too small, the comb teeth of the drive movable electrode 9 tend to come into contact with the comb teeth of the drive fixed electrode 3. On the contrary, when the distance d between the comb teeth is increased, the electrostatic attractive force tends to be reduced, and it tends to be difficult to obtain a desired displacement and amplitude. Therefore, the comb spacing d is preferably 0.5 μm to 10 μm.

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。   The frame portion 8 and the gimbal portion 5 are preferably displaced (vibrated) only in the X axis direction (drive shaft direction). Therefore, the first drive beam 10 and the second drive beam 15 are designed to be short in the X axis direction and long in the Y axis direction. If the length in the X-axis direction is shortened, it tends to be difficult to manufacture, and if it is thicker, the displacement and amplitude of the frame portion 8 and the gimbal portion 5 tend to be smaller. It is necessary to lengthen the length. Increasing the length in the Y-axis direction tends to increase the size of the composite sensor. Further, when the length in the Y-axis direction is shortened, the displacement and amplitude of the frame portion 8 and the gimbal portion 5 tend to be small, and in order to obtain a desired displacement and amplitude, it is necessary to shorten the length in the X-axis direction. is there. Thus, there is a correlation between the length in the X-axis direction and the length in the Y-axis direction of the first drive beam 10 and the second drive beam 15, and it is difficult to design alone. Therefore, the length in the X-axis direction (drive beam width) is preferably 1 μm to 30 μm, and the length in the Y-axis direction (drive beam length) is preferably 50 μm to 1 mm.

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。   When the frame portion 8 and the gimbal portion 5 are displaced (vibrated) in the X-axis direction, the first drive beam 10 and the second drive beam 15 are displaced (vibrated) to the same extent. Therefore, in order that the first drive beam 10 and the second drive beam 15 do not contact the drive fixed electrode 3, the drive amplitude detection fixed electrode 13, and the gimbal portion 5, it is necessary to be separated from the displacement amount or the amplitude. Preferably, the distance is 0.5 μm to 10 μm. If it is smaller than 0.5 μm, the amplitude tends to be small and the sensitivity tends to be small, and if it is larger than 10 μm, the composite sensor tends to be large.

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。   The synchronization beam 16 connecting the left and right frame portions 8 is for the right frame portion 8 and the left frame portion 8 to vibrate at the same speed. If the length of the synchronization beam 16 in the X-axis direction is shortened, it tends to be difficult to manufacture, and if the length is increased, the displacement and amplitude tend to decrease. At this time, in order to obtain a desired displacement and amplitude, It is necessary to increase the length. If the length in the Y-axis direction is increased, downsizing, which is an advantage of the present composite sensor, becomes difficult. Further, when the length in the Y-axis direction is shortened, it is difficult to obtain a desired displacement and amplitude. Accordingly, the length in the X-axis direction (the beam width of the synchronizing beam 16) is preferably 1 μm to 30 μm, and the length in the Y-axis direction (the beam length of the synchronizing beam 16) is preferably 50 μm to 1 mm. .

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。
If the drive fixed electrode 3, the drive amplitude detection fixed electrode 13, and the drive movable electrode 9 are made thin, they tend to be deformed themselves when a voltage is applied. Conversely, when the thickness is increased, the composite sensor tends to be larger. Therefore, the driving fixed electrode 3, the driving amplitude detecting fixed electrode 13, and the driving movable electrode 9 are preferably 5 μm to 100 μm.
The frame portion 8 and the gimbal portion 5 vibrate in the X axis direction, but cannot vibrate in the Y axis direction. Therefore, it is the mass portion 6 that causes the detection movable electrode 7 to be displaced or vibrated in the Y-axis direction (detection axis direction). As shown in the above equation (7), the Coriolis force is proportional to the mass of the vibrator 2 vibrating in the X-axis direction (drive axis direction).

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。   Therefore, it is necessary to enlarge the mass portion 6 in order to obtain a highly sensitive composite sensor. However, if it is made large, it tends to be difficult to reduce the size of the sensor, which is an advantage of this composite sensor. On the other hand, sensitivity tends to decrease with decreasing size. Therefore, the length of the mass portion 6 in the X-axis direction is preferably 50 μm to 1 mm, the length in the Y-axis direction depends on the size of the gimbal portion 5, and the mass portion 6 is displaced or vibrated in the Y-axis direction. It is sometimes preferable to keep the gimbal part 5 away from the gimbal part 5. Preferably, the distance is 0.5 μm to 10 μm. If it is smaller than 0.5 μm, it tends to be difficult to manufacture from the viewpoint of manufacturing error, and if it is larger than 10 μm, this composite sensor tends to be large.

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。   The gimbal beam 11 connects and supports the mass portion 6 with respect to the gimbal portion 5 so that it is difficult to displace and vibrate in the X-axis direction and easily displace and vibrate in the Y-axis direction. The length of the gimbal beam 11 in the X-axis direction depends on the size of the gimbal portion 5, and the length of the Y-axis direction is preferably 0 from the viewpoint of the displacement of the mass portion 6 in the Y-axis direction and the magnitude of the amplitude. The thickness is preferably 5 μm to 10 μm. If it is smaller than 0.5 μm, it tends to be difficult to manufacture from the viewpoint of manufacturing error, and if it is larger than 10 μm, the displacement and amplitude of the mass portion 6 tend to be small.

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。   The damper 12 is for causing the detection movable electrode 7 to be displaced or vibrated in synchronization with the displacement or vibration of the mass portion 6 in the Y-axis direction. However, the displacement and vibration of the mass portion 6 in the X-axis direction are absorbed, and the detection movable electrode 7 is connected and supported so that the displacement and vibration are difficult to occur in the X-axis direction. The Y-axis portion 12a of the damper 12 is designed to be short in the X-axis direction and long in the Y-axis direction. The length in the Y-axis direction depends on the length of the mass portion 6 in the Y-axis direction. If the length in the Y-axis direction is shortened, it tends to be difficult to absorb the displacement and vibration of the mass portion 6 in the X-axis direction, and it is necessary to shorten the length in the X-axis direction in order to almost absorb it. . Conversely, when the length in the Y-axis direction is increased, the size of the composite sensor tends to increase. Further, when the length in the X-axis direction is shortened, it tends to be difficult to manufacture. Conversely, if the length in the X-axis direction is increased, it is necessary to increase the length in the Y-axis direction in order to absorb the displacement and vibration of the mass portion 6 in the X-axis direction. Therefore, the length of the damper 12 in the X-axis direction is preferably 0.5 μm to 10 μm, and the length in the Y-axis direction is preferably 50 μm to 1.5 mm.

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。   The X-axis part 12b of the damper 12 tends to come into contact with the pair of Y-axis parts 12a when the length in the X-axis direction is shortened. Even if it is displaced or vibrated, it tends to be difficult to cause the movable movable electrode 7 to be displaced or vibrated in the Y-axis direction in synchronization with the mass portion 6. Therefore, the length in the X-axis direction of the X-axis portion 12b is preferably 1 μm to 30 μm, and the length in the Y-axis direction is preferably 5 μm to 100 μm.

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。   One end of the detection beam 14 is fixed to the substrate 1, and the other end supports the detection movable electrode 7. The detection movable electrode 7 is difficult to be displaced or vibrated in the X-axis direction, and in the Y-axis direction. Designed for easy displacement and vibration. When the length of the detection beam 14 in the X-axis direction is shortened, the displacement and vibration of the detection movable electrode 7 tend to be too small, and when the length is long, the frame portion 8 becomes large and the composite sensor tends to be large. When the length in the Y-axis direction is increased, the detection movable electrode 7 tends to be difficult to be displaced or vibrated in the Y-axis direction. Therefore, the length of the detection beam 14 in the X-axis direction is preferably 10 μm to 1 mm, and the length in the Y-axis direction is preferably 0.5 μm to 20 μm.

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。   Next, the manufacturing method of the acceleration angular velocity composite sensor of this embodiment is demonstrated with reference to FIG.6 and FIG.7.

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。
First, as shown in FIG. 6A, an SOI wafer (semiconductor thin plate) 34 having a three-layer structure of Si (silicon) structure layer (semiconductor thin film) 31 / oxide film layer 32 / Si handle layer 33 is prepared. . When a thin Si structure is manufactured, a Si wafer having a desired thickness cannot be manufactured because of its low mechanical strength. However, by forming the Si handle layer 33 and the oxide film layer 32 into three layers during the manufacturing process. By removing the Si handle layer 33 and the oxide film layer 32, the Si structure having a desired thickness can be manufactured.
In order to reduce power consumption, it is preferable that the Si structure layer 31 to be used has a resistance as low as possible. However, since the SOI wafer 34 having the low-resistance Si structure layer 31 is relatively expensive, the resistivity is preferably 0.001 Ωcm to 1 Ωcm.

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。   The Si structure layer 31 (sometimes referred to as an SOI layer) is preferably 5 μm to 100 μm. If the Si structure layer 31 is thin, the mass of the mass portion 6 tends to be small, and the sensitivity of acceleration and angular velocity tends to be too small. Conversely, if the Si structure layer 31 is thick, the interval between the comb teeth of the drive and detection electrodes cannot be reduced from the viewpoint of the manufacturing process. For this reason, the electrostatic attraction force of driving is reduced, or the capacitance at the steady state due to the increase in the distance between the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4 is increased, and the sensitivity of acceleration and angular velocity is reduced. It tends to be too much.

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。   The thickness of the oxide film layer 32 (sometimes referred to as a BOX layer) is preferably 100 nm to 2 μm. If the oxide film layer 32 is thin, it tends to be difficult to release the Si structure from the Si handle layer 33. Conversely, if the oxide film layer 32 is too thick, the wafer cost tends to be too high. Next, the thickness of the Si handle layer 33 (sometimes referred to as a base wafer) is preferably 300 μm to 1 mm. When the thickness is reduced, a wafer having a large diameter cannot be used, so the yield per wafer is reduced, and the manufacturing cost of the composite sensor tends to increase. On the contrary, if the thickness of the Si handle layer 33 is increased, the wafer price is increased and the manufacturing cost of the composite sensor is increased.

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。 First, the SOI wafer 34 is cleaned to clean the surface. Next, the SOI wafer 34 is thermally oxidized as shown in FIG. 6B to form an oxide film (SiO 2 ) 35 on the surfaces of the Si structure layer 31 and the Si handle layer 33. Further, a photoresist is spin-coated on the surface of the Si structure layer 31 and heated, and then exposed through a desired mask. Thereafter, after developing and rinsing the photoresist, as shown in FIG. 6C, the patterned first photoresist 36 is fixed by heating.

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。   Using the first photoresist 36 as a mask, as shown in FIG. 6D, the oxide film 35 is selectively etched with hydrofluoric acid, and then the first photoresist 36 is removed with a solvent. The photoresist is again spin-coated and heated, and then exposed through another mask. Thereafter, after developing and rinsing the photoresist, as shown in FIG. 6E, the second photoresist 37 patterned by heating is fixed.

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。   Subsequently, anisotropic deep etching of Si is performed by the first ICP-RIE (inductively coupled plasma reactive ion etching) apparatus using the second photoresist 37 as a mask. The etching depth at this time is preferably 5 μm to 50 μm. The etching depth here means the distance between the substrate 1 and the vibrator 2 composed of the Si structure layer 31 in the final composite sensor. Therefore, if this etching depth is shallow, it means that the distance between the substrate 1 and the Si structure layer 31 is small, and if this distance is small, the drive amplitude tends to be small.

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。   The reason is that the influence of the viscous resistance of the gas in the atmosphere in which this composite sensor is used tends to increase. On the contrary, if the etching depth is to be increased, it is necessary to increase the thickness of the Si structure layer 31 of the SOI wafer 34, which is a raw material. The interval between the detection electrode comb teeth cannot be reduced. For this reason, the electrostatic attraction force of driving is reduced, or the capacitance at the steady state due to the increase in the distance between the detection movable electrode 7 and the detection fixed electrode 4 is increased, and the sensitivity of acceleration and angular velocity is reduced. It tends to be too much.

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。   Thereafter, as shown in FIG. 6F, the second photoresist 37 is removed with a solvent and washed. Next, as shown in FIG. 6G, Si anisotropic deep etching is performed by the second ICP-RIE apparatus using the oxide film 35 as a mask. At this time, etching is performed up to the interface between the Si structure layer 31 and the oxide film 35. Then, as shown in FIG. 6H, the oxide film 35 which is a mask for the second Si anisotropic deep etching is removed and washed. The Si structure layer 31 patterned in this manner serves as a pair of vibrators 2.

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。   Next, a wiring for supplying a voltage to the drive fixed electrode 3, the drive amplitude detecting fixed electrode 13 and the detection fixed electrode 4 or reading a change in capacitance is prepared.

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。   As shown in FIG. 7A, a metal film 41 is formed on the surface of the cleaned glass substrate 1 as shown in FIG. 7B. Specifically, a Cr film is formed by a sputtering apparatus, and then an Au film is formed to form the metal film 41. The Cr film thickness is preferably 10 nm to 100 nm. The Cr film is an adhesive layer for increasing the adhesive force of the Au film to the substrate 1 made of glass. For this reason, the thinner the Cr film, the stronger the adhesive force. However, if the Cr film is too thin, it tends to be difficult to form the Cr film on the entire surface of the substrate 1. Conversely, if the Cr film is too thick, the adhesive force tends to be weakened. The Au film only needs to have conductivity, and a thickness of 100 nm to 1 μm is suitable. If the Au film thickness is too small, the resistance tends to increase. On the contrary, if it is increased, the manufacturing cost tends to increase.

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。
A photoresist is spin coated on the surface of the metal film 41 and heated, and then exposed through a desired mask. Then, after developing and rinsing the photoresist, as shown in FIG. 7C, the patterned third photoresist 42 is fixed by heating.
Subsequently, the Au film of the metal film 41 is selectively etched with an Au etchant (iodine 1.2 g + ammonium iodide 8 g + water 40 ml + methanol 60 ml) using the third photoresist 42 as a mask, and then washed with distilled water. The Cr film of the metal film 41 is selectively etched and cleaned with a Cr etchant (diammonium cerium (4) 20 g + perchloric acid 5.2 g + water 88 ml). Thereafter, as shown in FIG. 7D, the photoresist is removed with a solvent. The metal film 41 patterned on the substrate 1 in this way serves as a wiring for supplying a voltage to the drive amplitude detection fixed electrode 13 and the detection fixed electrode 4 and reading a change in capacitance.

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。   As shown in FIG. 7E, the SOI wafer 34 having the patterned Si structure layer 31 and the substrate 1 having the patterned metal film 41 are arranged so that the Si structure layer 31 faces the substrate 1 side. Anodically bonded. Finally, in order to remove the oxide film layer 32 of the SOI wafer 34 and release the Si structure layer 31 as a pair of vibrators 2 from the SOI wafer 34, as shown in FIG. Then, the oxide film layer 32 is removed, washed and dried. That is, the vibrator 2 is partially fixed on the substrate 1, and the unfixed portion is supported in a state of floating from the substrate 1. Thus, this composite sensor is produced as a MEMS device.

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。   As described above, the composite sensor according to the present embodiment is a MEMS device in which the pair of vibrators 2 are finely processed by patterning using an exposure technique. Therefore, a very fine and high dimensional accuracy is obtained, and the high symmetry of both vibrators 2 is obtained. Can be obtained.

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。   The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

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。
For example, in the manufacturing method of the above embodiment, the SOI wafer 34 is used as a raw material, but it can also be manufactured using a Si wafer. Moreover, although ICP-RIE is used for anisotropic deep etching of Si, it can also be manufactured by ordinary RIE. Alternatively, anisotropic deep etching of Si can be performed by alternately performing anisotropic Si wet etching and isotropic Si wet etching. Although the metal film 41 of Au / Cr film is used for the metal wiring, other metal films 41 such as a Pt / Ti film are also possible, such as ITO (indium tin oxide) and ZnO (zinc oxide). A transparent conductive film can also be used as the metal film 41.
Moreover, in the said embodiment, although it is set as the composite sensor which detects an acceleration and an angular velocity simultaneously, it can be used also as a sensor which detects only one of an acceleration and an angular velocity.

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。In the acceleration angular velocity composite sensor of one embodiment concerning the present invention, it is a top view showing a structure with a wiring state. 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。In the acceleration angular velocity composite sensor of this embodiment, it is a principal part top view which shows a vibrator | oscillator. 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。In this embodiment, it is explanatory drawing which shows the operation | movement principle of a gyro. 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。In this embodiment, it is an enlarged schematic diagram of the principal part which shows the displacement state of the mass part and damper by drive vibration. 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。In this embodiment, it is an enlarged schematic diagram of the principal part which shows the displacement state of the mass part and damper by detection vibration. 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。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the acceleration angular velocity composite sensor of the present embodiment in the order of steps in the cross section along line A of FIG. 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。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the acceleration / angular velocity composite sensor of the present embodiment in the order of steps in the cross section along line A of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 2 ... Vibrator, 3 ... Drive fixed electrode, 4 ... Detection fixed electrode, 5 ... Gimbal part (outer frame part), 6 ... Mass part (weight part), 7 ... Detection movable electrode, 8 ... Frame part , 12 ... damper, 13 ... fixed electrode for detecting drive amplitude, 16 ... synchronous beam, 31 ... Si structure layer (semiconductor thin film), 34 ... SOI wafer (semiconductor thin plate), SY ... mirror symmetry plane

Claims (6)

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。
An insulating substrate on the top surface;
A pair of vibrators supported on the substrate so as to be displaceable with respect to the substrate and arranged symmetrically about a symmetry plane;
A driving fixed electrode which is fixed on the substrate and applies a voltage between the vibrator and vibrates the vibrator in a driving axis direction orthogonal to the symmetry plane;
A detection fixed electrode that is fixed on the substrate and detects a change in capacitance between the vibrator in a detection axis direction orthogonal to the drive axis direction, and
A closed outer frame portion supported so that the vibrator is displaceable in the drive axis direction and the displacement in the detection axis direction is suppressed;
A weight part that is displaceable in the detection axis direction with respect to the outer frame part and that is supported in the outer frame part with displacement in the drive axis direction being suppressed,
Displacement in the detection axis direction is suppressed, and displacement in the drive axis direction is suppressed, and the capacitance is changed between the weight portion and the substrate in the outer frame portion and the detection fixed electrode. An acceleration angular velocity composite sensor comprising a detection movable electrode for detection.
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。   2. The detection movable electrode according to claim 1, wherein the detection movable electrode is coupled to the weight part via a damper that absorbs the displacement of the weight part in the drive axis direction and transmits the displacement in the detection axis direction. The described acceleration angular velocity composite sensor. 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。   The said outer frame part, the said weight part, the said detection movable electrode, and the said damper are arrange | positioned left-right symmetrically centering | focusing on the centerline of the said detection-axis direction in the said weight part. Acceleration angular velocity composite sensor. 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。   2. The detection movable electrode is a comb electrode in which comb teeth are arranged in the detection axis direction, and is supported by the substrate and the weight portion at both ends in the detection axis direction. Or the acceleration angular velocity composite sensor of 2. 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。   3. The acceleration angular velocity according to claim 1, wherein the pair of vibrators are coupled via a synchronous beam that absorbs the displacement in the drive axis direction and transmits the displacement in the detection axis direction. Compound sensor. 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。   The acceleration angular velocity composite sensor according to claim 1 or 2, wherein the pair of vibrators are formed by patterning a semiconductor thin plate or a semiconductor thin film by photolithography.
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