(57)【要約】【課題】  ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。【解決手段】  一の軸上に設けられるトーションバーと、前記トーションバーの一の軸周りに設けられる円板状のメンブレンバネと、前記メンブレンバネの外周部と連続する円筒状の円筒マスと、前記円筒マスの各端面に空間（ギャップ）を介して各々設けられる複数の電極板とを備え、前記円筒マスと前記電極板の間のギャップの変化を静電容量の差動変化として計測し、前記静電容量の差動変化から角速度を検出する角速度センサであって、前記トーションバーの一の軸方向において、前記円筒マスの長さが、前記トーションバーの長さより短いことを特徴とする角速度センサ。【選択図】図１
2005049209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一の軸上に設けられるトーションバーと、前記トーションバーの一の軸周りに周設される円板状のメンブレンバネと、前記メンブレンバネの外周部に連設される円筒状の円筒マスと、前記円筒マスの各端面に空間を介して各々設けられる複数の電極板とを備え、前記円筒マスと前記電極板との離隔距離の変化を静電容量の差動変化として計測し、前記静電容量の差動変化から角速度を検出する角速度センサであって、前記トーションバーの一の軸方向において、前記円筒マスの長さが、前記トーションバーの長さより短いことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
一の軸上に設けられるトーションバーと、前記トーションバーの一の軸周りに周設される円板状のメンブレンバネと、前記メンブレンバネの外周部に連設される円筒状の円筒マスと、前記円筒マスの各端面に空間を介して各々設けられる複数の電極板とを備え、前記円筒マスと前記電極板との離隔距離の変化を静電容量の差動変化として計測し、前記静電容量の差動変化から角速度を検出する角速度センサを、円柱状の半導体基板を含む部材から作製する角速度センサの製造方法であって、前記円柱状の半導体基板の各端面における前記一の軸近傍を除く一部をウェットエッチングし、残部の外域部をドライエッチングして、前記トーションバー及び前記メンブレンバネを形成するとともに、前記円柱状の半導体基板の外域部に前記円筒マスを形成することを特徴とする角速度センサの製造方法。
【請求項３】
一の軸上に設けられるトーションバーと、前記トーションバーの一の軸周りに周設される円板状のメンブレンバネと、前記メンブレンバネの外周部に連設される円筒状の円筒マスと、前記円筒マスの各端面に空間を介して各々設けられる複数の電極板とを備え、前記円筒マスと前記電極板との離隔距離の変化を静電容量の差動変化として計測し、前記静電容量の差動変化から角速度を検出する角速度センサを、円柱状の半導体基板を含む部材から作製する角速度センサの製造方法であって、前記円柱状の半導体基板の各端面における前記一の軸近傍を除く一部をドライエッチングし、更に、残部の外域部をドライエッチングして、前記トーションバー及び前記メンブレンバネを形成するとともに、前記円柱状の半導体基板の外域部に前記円筒マスを形成することを特徴とする角速度センサの製造方法。
【請求項４】
一の軸上に設けられるトーションバーと、前記トーションバーの一の軸周りに周設される円板状のメンブレンバネと、前記メンブレンバネの外周部に連設される円筒状の円筒マスと、前記円筒マスの各端面に空間を介して各々設けられる複数の電極板とを備え、前記円筒マスと前記電極板との離隔距離の変化を静電容量の差動変化として計測し、前記静電容量の差動変化から角速度を検出する角速度センサを、円柱状の半導体基板を含む部材から作製する角速度センサの製造方法であって、前記円柱状の半導体基板の各端面における前記一の軸近傍を除く一部に酸化膜を形成し、前記酸化膜をエッチングし、残部の外域部をドライエッチングして、前記トーションバー及び前記メンブレンバネを形成するとともに、前記円柱状の半導体基板の外域部に前記円筒マスを形成することを特徴とする角速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車、航空機及び家電製品などに用いられる角速度センサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の角速度センサは、種々提案されまた市販されている。例えば、非特許文献１には、バルクシリコンを両面からドーナツ状にエッチングすることにより、円筒マス、トーションバー及びメンブレンバネを形成する円筒型形状の角速度センサが記載されている。この角速度センサは、トーションバーの中央で円板状メンブレンバネを支え、このメンブレンバネが周囲のドーナツ状円筒マスを支えた構造をとる。更に円筒マスの各端面に空間（ギャップ）を介して、一方には回転振動励起用のスリット電極、他方には角速度による変位を検出するための電極が形成されている。
【０００３】
上記構成の角速度センサは、回転振動励起用のスリット電極に交流電圧を印加し、トーションバーの軸周りに回転参照振動を与えているとき、トーションバーの軸と９０度をなす軸周りに角速度が印加されると、回転参照振動に同期したコリオリ力による検出振動が、トーションバーの軸及び印加された角速度の軸の両方と９０度をなす軸周りに生じる。この検出振動による円筒マスと下部検出電極とのギャップの変化を静電容量の差動変化として計測し、その静電容量の差動変化により角速度を検出する。
【非特許文献１】井奥淳、外６名、「シリコン円筒振動型ジャイロ」、電気学会  センサマイクロマシン準部門、マイクロマシン・センサシステム研究会、２０００年１１月２７日、ＰＨＳ−０２−１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の角速度センサなどのように、バルクシリコン等の円柱型の半導体基板の両面からメンブレンバネの形成のためのエッチングのみを行った構造及び製造方法は、トーションバーの軸方向において、トーションバーと円筒マスの長さが等しく、トーションバーの端面に電極板を設けたガラス基板を貼り合わせたときに、円筒マスと電極板間に静電引力発生及び検出電極形成のためのギャップを形成するために、電極板を設ける個所を事前にガラスエッチングを行う必要がある。しかし、ウェットエッチングによるガラスエッチングは加工精度が悪く、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチングによるガラスエッチングは加工時間が長いという問題があった。また、ガラス上にはガラス表面配線が形成されているが、ガラス表面に段差があるとガラス表面配線の段切れが起こりやすく、歩留まりが低下するという問題もあった。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる角速度センサ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、一の軸上に設けられるトーションバーと、前記トーションバーの一の軸周りに周設される円板状のメンブレンバネと、前記メンブレンバネの外周部に連設される円筒状の円筒マスと、前記円筒マスの各端面に空間を介して各々設けられる複数の電極板とを備え、前記円筒マスと前記電極板との離隔距離の変化を静電容量の差動変化として計測し、前記静電容量の差動変化から角速度を検出する角速度センサであって、前記トーションバーの一の軸方向において、前記円筒マスの長さが、前記トーションバーの長さより短いことを特徴とする。この構造では、トーションバーが円筒マスよりも一の軸方向に突出することになるので、円筒マスと各電極板との間にギャップを設けることができ、これにより、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【０００７】
請求項２から４に記載の発明は、一の軸上に設けられるトーションバーと、前記トーションバーの一の軸周りに周設される円板状のメンブレンバネと、前記メンブレンバネの外周部に連設される円筒状の円筒マスと、前記円筒マスの各端面に空間を介して各々設けられる複数の電極板とを備え、前記円筒マスと前記電極板との離隔距離の変化を静電容量の差動変化として計測し、前記静電容量の差動変化から角速度を検出する角速度センサを、円柱状の半導体基板を含む部材から作製する角速度センサの製造方法である。
【０００８】
そして、請求項２に記載の発明は、前記円柱状の半導体基板の各端面における前記一の軸近傍を除く一部をウェットエッチングし、残部の外域部をドライエッチングして、前記トーションバー及び前記メンブレンバネを形成するとともに、前記円柱状の半導体基板の外域部に前記円筒マスを形成することを特徴とする。この製造方法では、トーションバー、メンブレンバネ、円筒マスを形成するのにドライエッチングを用いることにより加工時間を短縮することができ、更に開口部のサイズを小さく設計できるため、小型の角速度センサを提供することができる。そして、円筒マスと各電極板との間にギャップを設けることができるので、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記円柱状の半導体基板の各端面における前記一の軸近傍を除く一部をドライエッチングし、更に、残部の外域部をドライエッチングして、前記トーションバー及び前記メンブレンバネを形成するとともに、前記円柱状の半導体基板の外域部に前記円筒マスを形成することを特徴とする。この製造方法では、円柱状の半導体基板の各端面における一の軸近傍を除く一部、及び、トーションバー、メンブレンバネ、円筒マスを形成するのにドライエッチングを用いることにより更に加工時間を短縮することができる。そして、円筒マスと各電極板との間にギャップを設けることができるので、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記円柱状の半導体基板の各端面における前記一の軸近傍を除く一部に酸化膜を形成し、前記酸化膜をエッチングし、残部の外域部をドライエッチングして、前記トーションバー及び前記メンブレンバネを形成するとともに、前記円柱状の半導体基板の外域部に前記円筒マスを形成することを特徴とする。この製造方法では、円柱状の半導体基板の各端面における一の軸近傍を除く一部に酸化膜を形成し、これらの酸化膜の部分をエッチングすることにより、円柱状の半導体基板のウェットエッチングもしくはドライエッチングと比較して加工精度を高めることができる。また、トーションバー、メンブレンバネ、円筒マスを形成するのにドライエッチングを用いることにより加工時間を短縮することができる。そして、円筒マスと各電極板との間にギャップを設けることができるので、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施形態１）
図１は本発明による実施形態１の角速度センサの断面図、図２は角速度センサの上面図である。
【００１３】
まず、実施形態１の基本的な構成について説明する。
【００１４】
実施形態１の角速度センサは、例えば、自動車、航空機及び家電製品などに用いられるものであり、図１に示すように、トーションバー１、メンブレンバネ２、円筒マス３、上部駆動電極４、下部検出電極５、ガラス基板６、７、及び、図２に示すように、ガラス面取り出し電極８により構成されている。
【００１５】
トーションバー１は、図１に示すように、一の軸に沿って円柱状に形成される。メンブレンバネ２は、円板状であり、略中央で略鉛直方向にトーションバー１を設けた構造である。トーションバー１とメンブレンバネ２には、例えばｎ型シリコン等の半導体を用いる。
【００１６】
円筒マス３は、円筒状（断面角型のドーナツ状）の構造であり、図１に示すように、内周面の略中央でメンブレンバネ２の外周部と連続する。また一の軸方向において、トーションバー１より短い長さの円筒マス３を設けている。この構造では、トーションバー１が円筒マス３よりも一の軸方向に突出することになるので、円筒マス３と上部駆動電極４の間及び円筒マス３と下部検出電極５の間にギャップ９を設けることができるので、円筒マス３はギャップ９内の範囲で自由に振動することができる。円筒マス３には、例えばトーションバー１と同様にｎ型シリコン等の半導体を用いる。
【００１７】
上部駆動電極４は、図１に示すように、ガラス基板６上に形成される。また上部駆動電極４は、４つの電極に分かれ、１８０度回転対称位置にある電極同士で一対となり、２対の電極構造を持つ。このうち一方が駆動用電極、他方が参照振動振幅検出用電極である。上部駆動電極４には、例えばアルミニウム等の導電体を用いる。
【００１８】
下部検出電極５は、図１に示すように、ガラス基板７上に形成され、円筒マス３とのギャップ９の変化から静電容量の差動変化を測定する。下部検出電極５には、例えば上部駆動電極４と同様にアルミニウム等の導電体を用いる。
【００１９】
ガラス基板６、７は、図１に示すように、上部駆動電極４及び下部検出電極５が円筒マス３とギャップ９を設けるように、所望の位置でトーションバー１の両端に互いに平行となるように設けられる。
【００２０】
ガラス面取り出し電極８は、図２に示すように、ガラス基板６、７において円筒マス３の外周部より更に外側に上部駆動電極４及び下部検出電極５と導通するように設けられる。
【００２１】
次に、実施形態１の特徴部分について説明すると、図１に示すように、一の軸方向において、トーションバー１より短い長さの円筒マス３を設けている。この構造では、トーションバー１が円筒マス３よりも一の軸方向に突出することになるので、ガラス基板６、７をトーションバー１の両端に互いに平行となるように設けることにより、円筒マス３と上部駆動電極４の間及び円筒マス３と下部検出電極５の間にギャップ９を設けることができる。
【００２２】
上記構成の実施形態１では、ガラス基板６、７上の上部駆動電極４及び下部検出電極５を形成する部分にエッチングなどで段差を形成する必要がなく、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
（実施形態２）
図３は本発明による実施形態２の角速度センサの製造方法の工程図である。
【００２４】
実施形態２は、図３（ｃ）において、円柱状の半導体基板１０の駆動もしくは検出電極部となる所望の個所である第１エッチング領域１３をウェットエッチングにより円筒状に所望の位置まで除去し、更に、図３（ｅ）において、トーションバーの片側１６、メンブレンバネの片側１７及び円筒状（断面角型のドーナツ状）の円筒マスの片側１８を形成するために、ドライエッチングにより円柱状の半導体基板１０の第２エッチング領域１５を円筒状に所望の位置まで除去し、もう一方の片側も同様に処理することを特徴とする。
【００２５】
実施形態２において、ウェットエッチングとは、化学薬品を使用してエッチングする方法である。これに対して、ドライエッチングは、気体を使用してエッチングを行う方法である。例えば、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング、スパッタエッチング等がある。
【００２６】
図３（ａ）は、シリコン等の円柱状の半導体基板１０を示す。まず図３（ｂ）のように、円柱状の半導体基板１０の各端面に、例えば熱酸化法により酸化膜１１、１２を形成する。次に、図３（ｃ）のように、円柱状の半導体基板１０に、例えばフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、駆動もしくは検出電極部となる所望の個所への窓開けを行う。次に円柱状の半導体基板１０の駆動もしくは検出電極部となる所望の個所である第１エッチング領域１３をウェットエッチングにより円筒状（ドーナツ状）に所望の位置まで除去する。その後、酸化膜１１を全面除去し、図３（ｄ）のように、酸化膜もしくはレジストを用いてマスク１４を形成する。次に、図３（ｅ）のように、ドライエッチングにより円柱状の半導体基板１０の第２エッチング領域１５を円筒状（ドーナツ状）に所望の位置まで除去する。これにより、円柱状の半導体基板１０にトーションバーの片側１６、メンブレンバネの片側１７、及び、円筒状（断面角型のドーナツ状）の円筒マスの片側１８を形成する。
【００２７】
次に、図３（ｆ）のように、ガラス基板６、７に、例えばアルミニウムのスパッタリングもしくは蒸着工程、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により上部駆動電極４及び下部検出電極５を形成する。更に、上部駆動電極４及び下部検出電極５よりも外側に、ガラス面取り出し電極８を形成する。
【００２８】
図３（ｇ）のように、円柱状の半導体基板１０の他の端面においても同様に図３（ｃ）〜（ｅ）を行い、トーションバー１、メンブレンバネ２、円筒マス３を形成する。次に、ガラス基板６をトーションバー１の一端と貼り合わせる。例えば、シリコンの半導体基板１０では、４００℃下でシリコン側を＋、ガラス基板６側を−としてシリコン−ガラス間に６００Ｖを印加するとシリコンとガラスの陽極接合によって貼り合わせることができる。最後に、図３（ｈ）のように、トーションバー１の他の一端にガラス基板６と同様の方法を用いてガラス基板７を貼り合わせることにより、角速度センサを完成させる。
【００２９】
実施形態２において、酸化膜１１、１２の形成方法には熱酸化法等がある。熱酸化法とは、円柱状の半導体基板１０表面を高温で酸素と反応させて円柱状の半導体基板１０上に酸化膜１１、１２を形成する方法である。
【００３０】
上記の実施形態２では、トーションバー１、メンブレンバネ２、円筒マス３を形成するのにドライエッチングを用いることにより加工時間を短縮することができ、更に開口部のサイズを小さく設計できるため、小型の角速度センサを提供することができる。そして、円筒マス３と上部駆動電極４及び下部検出電極５の間にギャップ９を設けることができるので、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【００３１】
（実施形態３）
本発明による実施形態３は、実施形態２といくつか共通する部分がある。図３を用いて実施形態２との共通部分を示すと、図３（ａ）、（ｂ）、（ｄ）及び（ｆ）〜（ｈ）である。
【００３２】
実施形態３は、図３（ｃ）において、円柱状の半導体基板１０の駆動もしくは検出電極部となる所望の個所である第１エッチング領域１３をドライエッチングにより円筒状（ドーナツ状）に所望の位置まで除去し、更に、図３（ｅ）において、トーションバーの片側１６、メンブレンバネの片側１７、及び、円筒状（断面角型のドーナツ状）の円筒マスの片側１８を形成するために、ドライエッチングにより円柱状の半導体基板１０の第２エッチング領域１５を円筒状（ドーナツ状）に所望の位置まで除去し、もう一方の片側も同様に処理することを特徴とする。
【００３３】
上記の実施形態３では、円柱状の半導体基板１０の駆動もしくは検出電極部となる所望の個所である第１エッチング領域１３、及び、トーションバー１、メンブレンバネ２、円筒マス３を形成するのにドライエッチングを用いることにより更に加工時間を短縮することができる。そして、円筒マス３と上部駆動電極４及び下部検出電極５との間にギャップ９を設けることができるので、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【００３４】
（実施形態４）
本発明による実施形態４は、実施形態２といくつか共通する工程がある。図３を用いて実施形態２との共通部分を示すと、図３（ａ）、（ｄ）及び（ｆ）〜（ｈ）である。
【００３５】
実施形態４は、図３（ｂ）において、円柱状の半導体基板１０の駆動もしくは検出電極部となる所望の個所であり、図３（ｃ）で第１エッチング領域１３に示される領域に酸化膜１１、１２を形成し、図３（ｃ）において、第１エッチング領域１３をエッチングし、図３（ｅ）において、トーションバーの片側１６、メンブレンバネの片側１７、及び、円筒状（断面角型のドーナツ状）の円筒マスの片側１８を形成するために、ドライエッチングにより円柱状の半導体基板１０において第２エッチング領域１５を円筒状（ドーナツ状）に所望の位置まで除去し、もう一方の片側も同様に処理することを特徴とする。
【００３６】
上記の実施形態４では、円柱状の半導体基板１０の駆動もしくは検出電極部となる所望の個所である第１エッチング領域１３に酸化膜１１、１２を形成し、これらの酸化膜１１、１２の部分をエッチングすることにより、円柱状の半導体基板１０のウェットエッチングもしくはドライエッチングと比較して加工精度を高めることができる。また、トーションバー１、メンブレンバネ２、円筒マス３を形成するのにドライエッチングを用いることにより加工時間を短縮することができる。そして、円筒マス３と上部駆動電極４及び下部検出電極５との間にギャップ９を設けることができるので、ガラスエッチングを不要とし、ガラス表面配線の段切れを防止し、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による実施形態１の角速度センサの断面図である。
【図２】本発明による実施形態１の角速度センサの上面図である。
【図３】本発明による実施形態２から４の角速度センサの製造方法の工程図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  トーションバー
２  メンブレンバネ
３  円筒マス
４  上部駆動電極
５  下部検出電極
６、７  ガラス基板
８  ガラス面取り出し電極
９  ギャップ
１０  円柱状の半導体基板
１１、１２  酸化膜
１３  第１エッチング領域
１４  マスク
１５  第２エッチング領域
１６  トーションバーの片側
１７  メンブレンバネの片側
１８  円筒マスの片側
【図１】
2005049209.tif 000003
【図２】
2005049209.tif 000004
【図３】
2005049209.tif 000005