專(zhuān)利名稱(chēng)：角速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在防抖照相機(jī)、汽車(chē)導(dǎo)航裝置(car navigation)等中使用的、用于檢測(cè)物體角速度的角速度傳感器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，作為以實(shí)現(xiàn)低成本和小型化為目的的角速傳感器，開(kāi)發(fā)出下述角速度傳感器，即，使用應(yīng)用半導(dǎo)體制造過(guò)程等中的技術(shù)而實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械元件小型化的MEMS(微型電氣機(jī)械系統(tǒng)Micro ElectroMechanical System)技術(shù)在硅晶片上形成振子，并利用兩塊玻璃基板夾住該硅晶片，以形成密封振子的結(jié)構(gòu)(參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。
圖10是在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中所述的現(xiàn)有角速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。角速度傳感器60包括一對(duì)玻璃基板61、62以及硅框架70，其中，所述硅框架70在兩塊玻璃基板61、62之間形成，并在其中形成具有砝碼(weight)71、基座73和T字形支承梁部(beam)72的振子74，從而，形成為玻璃/硅/玻璃的三層結(jié)構(gòu)。在上側(cè)玻璃基板61上空出接觸孔(contact hole)63，在硅框架70上形成嵌入接觸孔63中以密封振子74的柱64。在接觸孔63中噴鍍(sputter)金屬，與該接觸孔63導(dǎo)線(xiàn)連接，與設(shè)置在玻璃基板61上的電極電氣連接。
在玻璃基板61的下面設(shè)置有在放射方向延伸的梳齒狀的靜電驅(qū)動(dòng)電極61a，、一對(duì)電容檢測(cè)用電極61b、和電容檢測(cè)用電極61b兩側(cè)的兩對(duì)振動(dòng)姿勢(shì)控制用電極61c。在下側(cè)玻璃基板62的上面設(shè)置有與靜電驅(qū)動(dòng)用電極61a相對(duì)的梳齒狀的靜電驅(qū)動(dòng)用電極62a、以及與電容檢測(cè)用電極61b和振動(dòng)姿勢(shì)控制用電極61c相對(duì)的一對(duì)電容檢測(cè)用電極62b。在與形成振子74的環(huán)狀砝碼71的上下面的靜電驅(qū)動(dòng)電極61a、62a對(duì)應(yīng)的區(qū)域上，形成有放射狀的槽76，在該槽76的凸部和凹部形成有電極。支承梁部72的兩端與砝碼71連接，支承梁部72在中空部分支承砝碼71。
當(dāng)將驅(qū)動(dòng)電壓施加在靜電驅(qū)動(dòng)用電極61a、62a和振子74的砝碼71的電極之間時(shí)，靜電力在連接和離開(kāi)方向作用在靜電驅(qū)動(dòng)用電極61a、62a上，振子74圍繞z軸回轉(zhuǎn)振動(dòng)。此處，在施加有圍繞x軸的角速度的情況下，振子74利用科里奧利力(Coriolis force)的作用，圍繞y軸振動(dòng)。通過(guò)這種振動(dòng)使檢測(cè)用電極61b、62b和振子74的砝碼71的表面的距離變動(dòng)，由于它們之間的電容發(fā)生變動(dòng)，所以通過(guò)檢測(cè)這種電容變化而能夠檢測(cè)出所施加的角速度。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本特開(kāi)平11-264729號(hào)公極對(duì)于在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中所述的角速度傳感器而言，由于在玻璃基板上設(shè)置有電極，并從此處將電路鋪設(shè)至取出配線(xiàn)用通孔，所以存在金屬配線(xiàn)橫切密封部分，從而導(dǎo)致振子的密封可靠性低的問(wèn)題。另外，利用硅部件的蝕劑深度和玻璃基板上的電極厚度規(guī)定電容器的間隙，減小蝕劑深度的加工偏差，比減小蝕刻寬度的加偏差困難。這樣，如果利用掩模圖形，則容易進(jìn)行蝕刻寬度的正確加工，與其相對(duì)，利用蝕刻時(shí)間控制蝕刻深度，則由于蝕刻時(shí)間對(duì)蝕刻條件的影響較大，因此控制困難。所以，存在不能大量生產(chǎn)具有均勻特性角速度傳感器的問(wèn)題。
另外，在美國(guó)專(zhuān)利第5616864號(hào)中揭示有下述結(jié)構(gòu)的角速度傳感器，即，具有在作為由中心部支承的共振子的環(huán)部的外側(cè)上形成有靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極的平面環(huán)結(jié)構(gòu)。在這種平面環(huán)結(jié)構(gòu)的角速度傳感器中，檢測(cè)cosnθ模態(tài)(n為模態(tài)次數(shù))的振動(dòng)以檢測(cè)角速度。在利用cosnθ模態(tài)的振動(dòng)型角速度傳感器(陀螺儀gyro)中，驅(qū)動(dòng)一次振動(dòng)的固有振動(dòng)數(shù)與利用由角速度產(chǎn)生的科里奧利力激勵(lì)的二次振動(dòng)的固有振動(dòng)數(shù)接近，檢測(cè)精度良好。然而，由于環(huán)部的加工誤差造成兩個(gè)固有振動(dòng)數(shù)偏離，必需正確地使兩種振動(dòng)模態(tài)下的共振頻率匹配。在美國(guó)專(zhuān)利第5616864號(hào)中，利用靜電驅(qū)動(dòng)用電極，通過(guò)將固定直流偏置電壓施加在環(huán)部和該靜電驅(qū)動(dòng)用電極之間，而能夠利用差分方法調(diào)整兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)下的共振頻率。
由于將靜電驅(qū)動(dòng)用電極合并用作振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，所以存在控制回路復(fù)雜的問(wèn)題。另外，由于易于將直流偏置電壓施加在靜電驅(qū)動(dòng)用電極上，而難以將直流偏置電壓施加在電容檢測(cè)用電極上，所以在回路結(jié)構(gòu)上困難，因此不能在振動(dòng)頻率調(diào)整用中使用電容檢測(cè)用電極。因此，可在振動(dòng)頻率調(diào)整用時(shí)使用的電極數(shù)少，只限于在限定的角度位置使用電極，總面積減小，因此存在模態(tài)頻率的匹配功能受到限制的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題而提出的，其目的在于提供一種能夠提高振子的密封性，容易大量生產(chǎn)均勻特性制品的角速度傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種回路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，且可以高精度地進(jìn)行模態(tài)頻率調(diào)整的角速度傳感器。
本發(fā)明的一種角速度傳感器，具有形成有振子的半導(dǎo)體基板，其中，該振子具有振動(dòng)狀態(tài)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的角速度而變化的環(huán)部，其特征在于在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部的內(nèi)側(cè)或外側(cè)形成有所述振子的靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述振子的電容檢測(cè)用電極，在與所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述電容檢測(cè)用電極相反一側(cè)的所述環(huán)部外側(cè)或內(nèi)側(cè)形成有所述振子的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
本發(fā)明的一種角速度傳感器，具有形成有振子的半導(dǎo)體基板，其中，該振子具有振動(dòng)狀態(tài)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的角速度而變化的環(huán)部，其特征在于在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部的外側(cè)形成有所述振子的靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述振子的電容檢測(cè)用電極，在所述半導(dǎo)體的所述環(huán)部?jī)?nèi)側(cè)形成有所述振子的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
本發(fā)明的一種角速度傳感器，具有形成有振子的半導(dǎo)體基板，其中，該振子具有振動(dòng)狀態(tài)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的角速度變化的環(huán)部，其特征在于在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部的內(nèi)側(cè)形成有所述振子的靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述振子的電容檢測(cè)用電極，在所述半導(dǎo)體的所述環(huán)部外側(cè)形成有所述振子的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述振子、所述半導(dǎo)體基板、所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極和所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極由相同的材料制成。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述相同材料為硅。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極、所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和所述半導(dǎo)體基板實(shí)質(zhì)上在相同平面上。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述振動(dòng)頻率調(diào)整剛電極相鄰的電極間的設(shè)置角度差Δφ滿(mǎn)足Δφ＜90°/n(n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù))。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的個(gè)數(shù)為3×2n、4×2n或5×2n(n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù))。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于以360°/2n(n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù))的間隔，在所述環(huán)部的內(nèi)側(cè)或外側(cè)上形成一組由3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極構(gòu)成的多組的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述多組間存在有對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，將相同的電壓施加在各組對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極上。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述多組存在有間對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，獨(dú)立地將電壓施加在各組對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極上。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述振子的一端由所述半導(dǎo)體基板的中心部支承，另一端具有與所述環(huán)部連接的多個(gè)梁部。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述振子的一端由所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部的外側(cè)支承，另一端具有與所述環(huán)部連接的多個(gè)梁部。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和所述梁部之間形成有與所述環(huán)部同電位的部分。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述同電位部分上形成有突起部。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述半導(dǎo)體基板上形成有放大從所述電容檢測(cè)用電極輸出的檢測(cè)信號(hào)的放大回路。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體基板由兩塊支承基板夾持，形成有收容所述振子、所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極和所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的空腔。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于使所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極、所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和支承所述振子的中心部中的至少一個(gè)與所述兩塊支承基板中的一塊接合形成。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述空腔設(shè)置有吸氣劑，所述空腔內(nèi)的氣氛為100mTorr以下。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述空腔中封入惰性氣體或不被吸氣劑吸附的氣體。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述兩塊支承基板的一塊上設(shè)置有與所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極連接的第一配線(xiàn)以及在該第一配線(xiàn)附近的第二配線(xiàn)，將反相位的電壓分別施加在所述第一配線(xiàn)和第二配線(xiàn)上。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于在所述兩塊支承基板的一塊上，形成將電壓施加在所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極上的配線(xiàn)圖形。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述配線(xiàn)圖形的個(gè)數(shù)為所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的個(gè)數(shù)/2n(n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù))個(gè)，每隔360°/2n設(shè)置的多個(gè)所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極與所述各配線(xiàn)圖形連接。
本發(fā)明的角速度傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體基板的厚度相對(duì)于所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述電容檢測(cè)用電極與所述環(huán)部的距離的比為8以上。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，在半導(dǎo)體基板內(nèi)形成靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極。因此，與專(zhuān)利文獻(xiàn)1的角速度傳感器比較，振子的密封特性?xún)?yōu)秀。另外，電容器的間隙由振子和靜電驅(qū)動(dòng)用電極與電容檢測(cè)用電極的間隙規(guī)定，振子和這些電極在半導(dǎo)體基板的同一平面上形成，因此，該間隙與容易正確控制的蝕刻寬度有關(guān)，容易大量生產(chǎn)具有均勻特性的角速度傳感器。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，分別在半導(dǎo)體基板的環(huán)部的內(nèi)側(cè)或外側(cè)形成靜電驅(qū)動(dòng)用電極、電容檢測(cè)用電極和振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。例如，在半導(dǎo)體基板的環(huán)部的外側(cè)形成電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極，在環(huán)部的內(nèi)側(cè)形成振動(dòng)頻率調(diào)整用電極?；蛘吲c此相反，在半導(dǎo)體基板的環(huán)部的內(nèi)側(cè)形成靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極，在環(huán)部的外側(cè)形成振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。因此，由于如美國(guó)專(zhuān)利第5616864號(hào)那樣，將靜電驅(qū)動(dòng)用電極與振動(dòng)頻率調(diào)整并用，因此，控制回路可單純而簡(jiǎn)單地構(gòu)成。另外，由于能夠沿環(huán)部均等地配置振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，因此能夠高精度地進(jìn)行頻率匹配。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，振子、半導(dǎo)體基板、靜電驅(qū)動(dòng)用電極、電容檢測(cè)用電極和頻率調(diào)整用電極實(shí)質(zhì)上在同一平面上，例如，由硅等相同材料構(gòu)成。因此，容易采用MEMS加工技術(shù)。
在將振動(dòng)頻率調(diào)整用電極沿環(huán)部配置的情況下，相鄰的電極間的設(shè)置角度差Δφ滿(mǎn)足Δφ＜90°/n(n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù))。通過(guò)滿(mǎn)足振動(dòng)頻率調(diào)整用電極間的角度分離比模態(tài)用分離小的要求，而能夠可靠地進(jìn)行振動(dòng)頻率的調(diào)整。另外，振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的個(gè)數(shù)也可以為3×2n、4×2n或者5×2n(n為模態(tài)次數(shù))中的任何一個(gè)。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，由3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極構(gòu)成各組，以360°/2n(n為模態(tài)次數(shù))的間隔，在環(huán)部的內(nèi)側(cè)或外側(cè)形成。在n次振動(dòng)模態(tài)中，由于每360°/2n對(duì)稱(chēng)性，利用這種電極配置，電極總面積變大，頻率調(diào)整范圍變廣。在這種電極配置情況下，也可以將相同電壓施加在各組間對(duì)應(yīng)的電極，即，隔開(kāi)360°/2n的間隔配置的電極上，或者，也可以將不同的電壓施加在這些對(duì)應(yīng)的各電極上。在前者的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)配線(xiàn)圖形簡(jiǎn)單化以及減少電壓源個(gè)數(shù)化，在后者的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的頻率調(diào)整。
在一般的四方形振子的情況下，多數(shù)利用從周?chē)由斓牧翰抗潭?。在這種情況下，利用玻璃/硅/玻璃不同種材料的結(jié)構(gòu)，由于強(qiáng)烈地受到因溫度變化時(shí)膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力的影響，溫度特性惡化。與此相對(duì)，在本發(fā)明的角速度傳感器中，由于使用具有與由半導(dǎo)體基板的中心部支承的多個(gè)梁部連接的環(huán)部的振子，所以溫度變化時(shí)作用在振子上的內(nèi)部應(yīng)力變化小，不受溫度變化的影響。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，在振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和梁部之間設(shè)置有與環(huán)部同電位的部分(板)。因此，能夠防止靜電引力作用在振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和梁部之間。另外，在作為與環(huán)部同電位的部分(板)上形成突起部。在外部沖擊使振子位置變動(dòng)的情況下，通過(guò)該突起部使振子先與板沖突，而不與靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極緊貼。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，在半導(dǎo)體基板上形成放大由電容檢測(cè)用電極發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)用的放大回路，可使回路結(jié)構(gòu)小型化，同時(shí)，減少檢測(cè)信號(hào)以外的外部擾動(dòng)成分(噪聲)的輸入。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，半導(dǎo)體基板由玻璃或硅制的兩塊支承基板夾持，靜電驅(qū)動(dòng)用電極、電容檢測(cè)用電極和/或振動(dòng)頻率調(diào)整用電極只與上側(cè)支承基板接合，即，由于在上側(cè)支撐基板懸掛固定，所以，能夠在下側(cè)支承基板上設(shè)置較大的空腔，同時(shí)，使吸氣劑的設(shè)置面積變大。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，為了使Q值在規(guī)定以上，而在下側(cè)支承基板上設(shè)置吸氣劑(getter)并將振子氣氛保持為低壓。另一方面，由于為了將振子氣氛保持為規(guī)定的壓力而必需使Q值的溫度系數(shù)不變高，所以，在空腔中封入惰性氣體或不被吸氣劑吸附的氣體。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，在上側(cè)支承基板上設(shè)置與靜電驅(qū)動(dòng)用電極連接的第一配線(xiàn)和在第一配線(xiàn)附近的第二配線(xiàn)，將與第一配線(xiàn)反相位用的電壓施加在第二配線(xiàn)上。在靜電驅(qū)動(dòng)用第一配線(xiàn)通過(guò)電容檢測(cè)用電極上方的情況下，由于產(chǎn)生交擾(crosstalk)，而在配置于第一配線(xiàn)附近的第二配線(xiàn)上施加反相位的電壓，以抵消交擾成分。因此，電容檢測(cè)用電極不受交擾的影響。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，在上側(cè)支承基板上形成振動(dòng)頻率調(diào)整用電極個(gè)數(shù)/2n(n為模態(tài)次數(shù))個(gè)配線(xiàn)圖形，每隔360°/2n設(shè)置的多個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極與各配線(xiàn)圖形連接。因此，由于將具有相同功能的多個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極集中并與一個(gè)配線(xiàn)圖形連接，所以能夠使配線(xiàn)圖形簡(jiǎn)單。
在本發(fā)明的角速度傳感器中，調(diào)整靜電驅(qū)動(dòng)用電極/電容檢測(cè)用電極以及環(huán)部的距離與半導(dǎo)體基板厚度的比(縱橫尺寸比)。具體地說(shuō)，通過(guò)使該比為8以上，使得即使振子氣氛為100mTorr以下，也容易進(jìn)行Q值的控制。
在本發(fā)明中，由于在半導(dǎo)體基板內(nèi)形成靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極與振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，因此，能夠提高振子的密封特性，同時(shí)，使控制回路不復(fù)雜，可以容易大量生產(chǎn)具有均勻特性的角速度傳感器。另外，由于振子形成為環(huán)狀，所以，即使為玻璃/硅/玻璃等不同種材料的結(jié)構(gòu)，也能夠不受溫度變化的影響，可以正確地檢測(cè)角速度。例如，由于在振子的環(huán)部的內(nèi)側(cè)設(shè)置振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，所以，能夠有效地利用環(huán)部的內(nèi)側(cè)區(qū)域，此外，可以使靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極的面積增大，能夠得到充分大的電容，同時(shí)，增大振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的面積，能夠高精度地調(diào)整振動(dòng)頻率。
在本發(fā)明中，由于使用相同材料(硅)制成振子、半導(dǎo)體基板、靜電驅(qū)動(dòng)用電極、電容檢測(cè)用電極和振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，所以，可以利用MEMS加工技術(shù)，高精度地制造微細(xì)的構(gòu)造物。
在本發(fā)明中，由于相鄰電極間的設(shè)置角度Δφ滿(mǎn)足Δφ＜90°/n(n為模態(tài)次數(shù))，因此，能夠可靠地進(jìn)行振動(dòng)頻率調(diào)整。
在本發(fā)明中，由于將3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極作為1組，以360°/2n(n為模態(tài)次數(shù))的間隔，在環(huán)部的內(nèi)側(cè)或外側(cè)形成各組，因此，能夠增大振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的總面積，并擴(kuò)大頻率調(diào)整范圍。
在本發(fā)明中，由于在振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和梁部之間設(shè)置有與梁部和環(huán)部同電位的板，因此，能夠防止靜電引力作用在振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和梁部之間。此外，由于在梁部和與環(huán)部同電位的板上形成有突起部，所以，在因外部沖擊而引起振子位置變動(dòng)的情況下，能夠防止振子與靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容檢測(cè)用電極緊貼。
在本發(fā)明中，由于在半導(dǎo)體基板上形成放大電容檢測(cè)用電極的檢測(cè)信號(hào)的放大回路，所以，能夠使回路結(jié)構(gòu)尺寸小，并減少檢測(cè)信號(hào)的外擾輸入，以得到正確的檢測(cè)結(jié)果。
在本發(fā)明中，由于靜電驅(qū)動(dòng)用電極、電容檢測(cè)用電極和/或振動(dòng)頻率調(diào)整用電極與上側(cè)的支承基板接合，所以，能夠在位于這些電極下方的下側(cè)支承基板上形成較大空腔，同時(shí)，可以確保吸氣劑的設(shè)置面積。
在本發(fā)明中，由于在下側(cè)支承基板的空腔內(nèi)設(shè)置吸氣劑，可將振子的氣氛保持為低壓(100mTorr以下)，所以，能夠使Q值在規(guī)定以上。另外，由于在空腔中封入惰性氣體或不被吸氣劑吸附的氣體，將半導(dǎo)體基板的厚度相對(duì)于靜電驅(qū)動(dòng)用電極以及電容檢測(cè)用電極與環(huán)部的距離的比(縱橫尺寸比)形成為8以上，所以，即使振子的氣氛在100mTorr以下，Q值也不會(huì)非常高，成為容易控制的值。
在本發(fā)明中，由于在支承基板上的靜電驅(qū)動(dòng)用第一配線(xiàn)附近沒(méi)置有施加與第一配線(xiàn)反相位的電壓的第二配線(xiàn)，所以，能夠抑制交擾對(duì)電容檢測(cè)用電極的影響。
在本發(fā)明中，由于在上側(cè)支承基板上形成的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的個(gè)數(shù)/2n(n為模態(tài)次數(shù))個(gè)配線(xiàn)圖形，連接每隔360°/2n設(shè)置的多個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，因此，可以實(shí)現(xiàn)配線(xiàn)圖形的簡(jiǎn)單化。


圖1為本發(fā)明的角速度傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明的角速度傳感器的硅晶片的平面圖。
圖3為本發(fā)明的角速度傳感器的板的放大圖。
圖4為表示在本發(fā)明的角速度傳感器中的一次振動(dòng)和二次振動(dòng)的狀態(tài)的圖。
圖5為表示振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的配置例子的示意圖。
圖6為表示振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的配置例子的示意圖。
圖7為與靜電驅(qū)動(dòng)用電極連接的玻璃基板上的金屬配線(xiàn)的示意圖。
圖8為表示與振動(dòng)頻率調(diào)整用電極連接的玻璃基板上的配線(xiàn)圖形的示意圖。
圖9為表示本發(fā)明的角速度傳感器的制造工序的截面圖。
圖10為現(xiàn)有的角速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
符號(hào)說(shuō)明1-硅晶片(半導(dǎo)體基板)；2、3-玻璃基板；10-振子；11-中心部；12-梁部(beam)；13-環(huán)部；21a、21b-靜電驅(qū)動(dòng)用電極(驅(qū)動(dòng)電極)；21e、21f-電容檢測(cè)用電極(檢測(cè)電極)；22、24、26、28-間隙；23-振動(dòng)頻率調(diào)整用電極(調(diào)整電極)；25-板；25a，25b-突起部；27-襯墊；29-放大回路；31-通孔；32-襯墊；33，34-空腔；35-吸氣劑；36-電線(xiàn)；41-金屬配線(xiàn)(第一配線(xiàn))；42-電壓源；43-金屬配線(xiàn)(第二配線(xiàn))；51-配線(xiàn)圖形。
具體實(shí)施例方式
以下，根據(jù)表示實(shí)施方式的附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說(shuō)明。圖1為本發(fā)明的角速度傳感器的截而結(jié)構(gòu)圖，圖2為本發(fā)明的角速度傳感器的硅晶片的平面圖。
在使用平面環(huán)共振器結(jié)構(gòu)的角速度傳感器中，在振動(dòng)模態(tài)次數(shù)為n的情況下，即使使用任意的n次cosnθ模態(tài)對(duì)，也可以動(dòng)作。然而，在高次模態(tài)下，模態(tài)結(jié)合系數(shù)減小，另外，由于模態(tài)形狀復(fù)雜，實(shí)用上廣泛使用低次模態(tài)(n＝2、n＝3)。在以下的實(shí)施例中，說(shuō)明n＝2的例子，即使用cos2θ模態(tài)的例子。
本發(fā)明的角速度傳感器形成為通過(guò)由派拉克斯(Pyrex(パイレツクス)注冊(cè)商標(biāo))玻璃制成的作為支承基板的兩塊玻璃基板2、3夾住作為使用MEMS技術(shù)形成后述振子、各種電極等的半導(dǎo)體基板的硅晶片1(例如厚度為100～300μm)的結(jié)構(gòu)，為玻璃/硅/玻璃的三層結(jié)構(gòu)。玻璃基板2、3以低壓密封在硅晶片1上形成的振子10。振子10具有由中心部11支承并且在圓周方向8等分配置而延伸的8根梁部12和與這8根梁部12連接的環(huán)狀的環(huán)部13。梁部12的一端支承在中心部11上，另一端與環(huán)部13連接，梁部12支承環(huán)部13。
在環(huán)部13的外側(cè)，從環(huán)部13開(kāi)始空出適當(dāng)(例如10μm左右)的間隙22，8個(gè)電極21(21a～21h)均等地配置而形成。相對(duì)的電極彼此具有相同的功能。電極21a和21b是在振子10上引起1次振動(dòng)用的靜電驅(qū)動(dòng)用電極(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)電極)，電極21c和21d是檢測(cè)在振子10上產(chǎn)生的一次振動(dòng)用的電極，電極21e和21f是檢測(cè)在振子10上產(chǎn)生的二次振動(dòng)用的電容檢測(cè)用電極(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為檢測(cè)電極)，電極21g和21h是克服在振子10上產(chǎn)生的二次振動(dòng)用的電極。
控制驅(qū)動(dòng)電極21a、21b和一次振動(dòng)檢測(cè)用電極21c、21d之間的振幅和頻率，使一次振動(dòng)的振動(dòng)數(shù)與振子10的固有振動(dòng)數(shù)保持一致。為了消除因二次振動(dòng)所產(chǎn)生的科里奧利力的影響，以提高檢測(cè)精度，而將沒(méi)有二次振動(dòng)用的電壓施加在電極21g和21h上。通過(guò)監(jiān)視該電壓，來(lái)檢測(cè)角速度的大小。這樣，由于每?jī)蓚€(gè)設(shè)置具有相同功能的電極，所以，能夠使檢測(cè)靈敏度為二倍。另外，由于在相對(duì)的位置上(點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的位置)配置具有相同功能的電極，所以，在施加外部沖擊而引起輸出變動(dòng)時(shí)，具有能夠相互抵消的效果。
在環(huán)部13的內(nèi)側(cè)，從環(huán)部13開(kāi)始空出適當(dāng)(例如10μm左右)的間隙24而均等地配置16個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為調(diào)整電極)23。這些調(diào)整電極23是利用靜電引力控制固有振動(dòng)數(shù)的電極，可以施加使一次振動(dòng)和二次振動(dòng)的固有振動(dòng)數(shù)相互一致的電壓。在本例子中，形成有16個(gè)調(diào)整電極23，可以良好地進(jìn)行兩個(gè)固有振動(dòng)數(shù)的匹配。
實(shí)質(zhì)上，由于在同一平面上形成的振子10(環(huán)部13和梁部12)、電極21和調(diào)整電極23是使用相同材料(硅)制造的，因此制造成本低，容易使用能夠高精度制造微細(xì)構(gòu)造物的MEMS技術(shù)。另外，一般使用MEMS加工技術(shù)所適用的具有導(dǎo)電性的硅作為材料，此外，也可以使用噴鍍法或電鍍法層疊的金屬作為材料。
在本發(fā)明中，將驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極等8個(gè)電極(21a～21h)配置在環(huán)部13的外側(cè)，將16個(gè)調(diào)整電極23配置在環(huán)部13的內(nèi)側(cè)。因此，配置在環(huán)部13外側(cè)的8個(gè)電極21不受伴隨著設(shè)置調(diào)整電極23面積減小的影響，可得到充分的電容。即，與將全部24個(gè)電極配置在環(huán)部13外側(cè)的結(jié)構(gòu)相比，可以增在8個(gè)電極21的面積，得到充分的電容，同時(shí)，可以增大16個(gè)調(diào)整電極23的面積，能夠高精度地調(diào)整振動(dòng)頻率。另外，由于有效地利用環(huán)部13的內(nèi)側(cè)區(qū)域形成調(diào)整電極23，所以，可以實(shí)現(xiàn)小型的結(jié)構(gòu)。
在相鄰的梁部12、12之間和梁部12與電極23之間，與梁部12和環(huán)部13同電位的8塊板25，分別通過(guò)間隙26、28，在梁部12和電極23之間形成。圖3是該板25的放大圖，在與板25的環(huán)部13相對(duì)的面和與梁部12相對(duì)的面上形成突起部25a、25b。
另外，在硅晶片1的拐角處形成有放大回路29，該放大回路29放大用于檢測(cè)由振子10產(chǎn)生的一次振動(dòng)或二次振動(dòng)的電極21c、21d、21e、21f所發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)，在傳感器芯片中，安裝有預(yù)放大器。
在上側(cè)的玻璃基板2上，在與所述電極21(21a～21h)、23對(duì)應(yīng)的位置上作出通孔31。將連接各個(gè)電極21(21a～21h)、23的襯墊27和在玻璃基板2的表面上形成的襯墊32的電線(xiàn)36插入各個(gè)通孔31內(nèi)。與玻璃基板2下部的振子10(梁部12和環(huán)部13)對(duì)應(yīng)的區(qū)域被部分地削去，成為空腔33。在設(shè)置有該通孔31和空腔33的部分以外的區(qū)域中，玻璃基板2的下表面與硅晶片1接合。
在下側(cè)的玻璃基板3的上面，設(shè)置有較大的空腔34，在空腔34的底面上設(shè)置有吸氣劑35。在設(shè)置有空腔34的部分以外的區(qū)域上，玻璃基板3的上表面與硅晶片1接合。吸氣劑35吸附在玻璃基板3和硅晶片1的陽(yáng)極接合時(shí)產(chǎn)生的氧氣。
利用兩塊玻璃基板2、3支承振子10和各種電極21、23，同時(shí)，在低壓下密封振子10。設(shè)置在環(huán)部13內(nèi)側(cè)的調(diào)整電極23只與上側(cè)的玻璃基板2接合。換句話(huà)說(shuō)，由于在上側(cè)的玻璃基板2上懸掛固定，所以，可以在下側(cè)的玻璃基板3上設(shè)置較大的空腔34，同時(shí)，可以擴(kuò)大吸氣劑35的設(shè)置面積。在本發(fā)明中，由于在硅晶片1上形成有驅(qū)動(dòng)用或檢測(cè)用的電極，所以，與將這些電極設(shè)置在玻璃基板上的情況相比，密封特性良好。振子10(梁部12和環(huán)部13)，在空腔33、34內(nèi)振動(dòng)。
其次，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。在本發(fā)明的角速度傳感器中，利用靜電引力來(lái)驅(qū)動(dòng)振子10(一次振動(dòng))，檢測(cè)與所加的角速度相應(yīng)的新的振動(dòng)(二次振動(dòng))引起的靜電電容的變化，為了沒(méi)有該二次振動(dòng)，通過(guò)監(jiān)視施加在電極21g和21h上的電壓，檢測(cè)所施加的角速度。首先，將電壓施加在驅(qū)動(dòng)電極21a、21b上，在振子10上引起cos2θ模態(tài)的一次振動(dòng)。在圖4(a)中表示這種一次振動(dòng)的狀態(tài)。此處，在以垂直軸為中心，在環(huán)部13上產(chǎn)生角速度(圖4(a)的Ω)的情況下，產(chǎn)生科里奧利力(圖4(a)的fc)，引起Sin2θ模態(tài)的二次振動(dòng)。圖4(b)中表示這種二次振動(dòng)的狀態(tài)。如果為完全的結(jié)構(gòu)，則一次振動(dòng)和二次振動(dòng)的共振頻率理論上一致。
在將直流電壓VDC和交流電壓VAC施加在振子10的靜電驅(qū)動(dòng)用電極上的情況下，施加在電極上的力F用下述(1)式表示F＝εS(VDC+VAC)2/2d2……(1)式中，ε介電系數(shù)；S電極面積；
d環(huán)部、電極間的距離。
在振動(dòng)時(shí)，積蓄在振子10和電極21c與21d之間的電氣量Q通過(guò)下式(2)表示。為了檢測(cè)通過(guò)下式(3)表示的電流，可通過(guò)監(jiān)視該電流的變化，來(lái)檢測(cè)一次振動(dòng)。另外，利用電極21e和21f檢測(cè)由所施加的角速度產(chǎn)生的科里奧利力所激勵(lì)的二次振動(dòng)，為了沒(méi)有激勵(lì)的二次振動(dòng)，監(jiān)視應(yīng)該施加在電極21g和21h上的電壓，檢測(cè)所施加的角速度。
(數(shù)1)Q=ϵSd0+aejωtV······(2)]]>I=dQdt]]>=jϵSVaωejωt(d0+aejωt)2······(3)]]>式中，V環(huán)部、電極間的距離；d0環(huán)部、電極間的初期距離；a一次振動(dòng)的振幅；ω共振頻率。
其次，說(shuō)明構(gòu)成本發(fā)明的特征部分的調(diào)整電極23的結(jié)構(gòu)、作用以及效果等。在利用cosθ模態(tài)的振動(dòng)型角速度傳感器中，必需正確地匹配驅(qū)動(dòng)的一次振動(dòng)的固有振動(dòng)數(shù)和由角速度激勵(lì)的二次振動(dòng)的固有振動(dòng)數(shù)，調(diào)整電極23進(jìn)行匹配這些固有振動(dòng)數(shù)用的調(diào)整。在將電壓施加在某個(gè)調(diào)整電極23上的情況下，在cos2θ模態(tài)下的頻率變化大小與調(diào)整電極23相對(duì)于該模態(tài)的振動(dòng)軸的角度位置有關(guān)。cos2θ模態(tài)具有帶有45°的振動(dòng)軸偏移的兩個(gè)模態(tài)。在將電壓施加在一個(gè)模態(tài)的振動(dòng)軸方向(徑向的腹部)上的情況下，可達(dá)到在該模態(tài)頻率下的最大偏移。該位置與另一模態(tài)的徑向的節(jié)一致，由于在該位置沒(méi)有徑向的運(yùn)動(dòng)，所以，在該模態(tài)下，作為結(jié)果，頻率的變化最小，因此，為了使制造過(guò)程中產(chǎn)生的不完全的圓環(huán)的兩個(gè)模態(tài)的頻率差(即，非零模態(tài)的頻率分離)最小，可以用差分方法調(diào)整模態(tài)頻率。測(cè)量施加在調(diào)整電極23上的電壓大小，使得能夠激起正確地補(bǔ)償最初測(cè)定的頻率分離的頻率偏移。
在一個(gè)模態(tài)的振動(dòng)軸方向與一個(gè)調(diào)整電極23完全一致的情況下，由于在該位置上兩個(gè)模態(tài)具有徑向運(yùn)動(dòng)，所以，當(dāng)施加電壓時(shí)，兩個(gè)頻率發(fā)生變化，在這種情況下，為了使兩個(gè)模態(tài)的頻率一致，需要相當(dāng)高的電壓，必要的電壓的計(jì)算變得更復(fù)雜。在容易計(jì)算要求的電壓的情況下，為了有效地實(shí)現(xiàn)頻率的平衡，可沿著具有兩個(gè)模態(tài)中的高頻率的模態(tài)的振動(dòng)軸，將平衡力正確地分解在多個(gè)電極上。
因此，在本實(shí)施方式中，在0°和90°之間、90°和180°之間、180°和270°之間、270°和360°(＝0°)之間，每隔22.5°配置4個(gè)調(diào)整電極23。在該結(jié)構(gòu)中，將用下述式(4)、(5)式表示的電壓ΔV1、ΔV2施加在與具有高頻模態(tài)的振動(dòng)軸的兩側(cè)最接近的調(diào)整電極23上，可給出沿著振動(dòng)軸(角度φm)的分解力。
(數(shù)2)ΔV1=ksin2n(φ2-φm)sin2n(φ1-φ2)·ΔF······(4)]]>ΔV2=ksin2n(φ1-φm)sin2n(φ2-φ1)·ΔF······(5)]]>式中，φ1、φ2與振動(dòng)軸(角度φm)兩側(cè)最接近的兩個(gè)調(diào)整電極23的角度位置；n模態(tài)次數(shù)(在本實(shí)施方式中n＝2)；ΔF應(yīng)該平衡的模態(tài)頻率分離(split)；k定義頻率調(diào)整系數(shù)的常數(shù)。
其中，在高頻模態(tài)的振動(dòng)軸與一個(gè)調(diào)整軸23的中心一致的情況下，也可以將電壓只施加在一個(gè)調(diào)整電極23上。例如，如果φm＝φ1，則ΔV2＝0，如果φm＝φ2，則 ΔV1＝0。
以上的效果可通過(guò)將4個(gè)調(diào)整電極23只配置在0°和90°之間而得到。在本實(shí)施方式中，通過(guò)將施加相同電壓的調(diào)整電極23設(shè)置在另一角度區(qū)域中，可以增加調(diào)整電極23的總面積，得到4倍頻率調(diào)整范圍。這是因?yàn)閏os2θ模態(tài)的振動(dòng)形狀為每隔90°有對(duì)稱(chēng)性的緣故。一般，在n次的振動(dòng)模態(tài)的情況下，由于每隔360°/2n有對(duì)稱(chēng)性，因此，如果每隔360°/2n配置頻率調(diào)整用電極，則可以與cos2θ模態(tài)相同，擴(kuò)大頻率調(diào)整范圍。
調(diào)整電極23的配置條件為沿著高頻模態(tài)的振動(dòng)軸(角度φm)，能夠以充分的角分辨(angular resolution)分解平衡力，能夠利用差分方法偏移cos2θ模態(tài)頻率。其中，要求相鄰的調(diào)整電極23、23之間的設(shè)置角度差比模態(tài)延伸角度(elongation degree of the mode)小，具體地說(shuō)，在以n作為模態(tài)次數(shù)的情況下，設(shè)置該角度差Δφ必需滿(mǎn)足下述(6)式所示的條件。具體而言，在cos2θ模態(tài)的情況下，Δφ不足45°，在cos3θ模態(tài)的情況下，Δφ不足30°。
Δφ＜90°/n ……(6)調(diào)整電極23、23的設(shè)置角度差接近所述式(6)的界限，但在振動(dòng)軸位于兩個(gè)調(diào)整電極23、23之間的情況下，施加在調(diào)整電極23上的電壓具有對(duì)兩個(gè)模態(tài)相似的效果，在頻率匹配時(shí)必需高電壓。然而，為了使各個(gè)調(diào)整電極23變大，通過(guò)增加表面積，這個(gè)效果的一部分可以得到抵消。
優(yōu)選使調(diào)整電極23的總面積為最大限度，使調(diào)整范圍為最大界限。另外，優(yōu)選在每一個(gè)180°/n的各圓弧區(qū)域上配置相同個(gè)數(shù)的調(diào)整電極23，利用這種結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒄{(diào)整電極23的結(jié)構(gòu)增加至2n組。
在本實(shí)施方式中，在90°的各圓弧內(nèi)，設(shè)置4個(gè)調(diào)整電極23，設(shè)置總數(shù)為16個(gè)的調(diào)整電極23。圖5、圖6表示cos2θ模態(tài)的調(diào)整電極23的配置的另一個(gè)例子。在圖5所示的例子中，在90°的各圓弧內(nèi)，設(shè)置3個(gè)調(diào)整電極23，設(shè)置總數(shù)為12個(gè)調(diào)整電極23。在圖6所示的例子中，在90°的各圓弧內(nèi)，設(shè)置5個(gè)調(diào)整電極23，設(shè)置總數(shù)為20個(gè)的調(diào)整電極23。
在90°的各圓弧內(nèi)設(shè)置兩個(gè)調(diào)整電極23的情況下，不滿(mǎn)足所述(6)式的條件，不進(jìn)行頻率匹配。另一方面，可以使設(shè)置調(diào)整電極23的個(gè)數(shù)比圖6所示的例子多，但是，由于必要的電氣連接增加，施加差分電壓的電極面積減少，因此談不上實(shí)用。
因此，在以n為模態(tài)次數(shù)的情況下，設(shè)置的調(diào)整電極23的總數(shù)為3×2n、4×2n或5×2n時(shí)比較實(shí)用，根據(jù)這點(diǎn)，在cos3θ模態(tài)的情況下，優(yōu)選為在60°(180°/n中n＝3)的各圓弧中，分別設(shè)置3個(gè)、4個(gè)或者5個(gè)調(diào)整電極23，設(shè)置總數(shù)為18個(gè)、24個(gè)或者30個(gè)調(diào)整電極23的結(jié)構(gòu)。
以下，說(shuō)明本發(fā)明的角速度傳感器的另外的特征和基于該特征的效果。因?yàn)闃?gòu)成由支承在中心部11上的8根梁部12和與這些梁部12連接的環(huán)部13構(gòu)成的振子10，所以，與其他振子相比，能夠減小質(zhì)量，使慣性力的影響減少。另外，即使振子10振動(dòng)，由于具重心位置不變動(dòng)，因此反力變小，對(duì)振子10的固定系統(tǒng)的影響小。由于支承在中心、部11上，不受由玻璃和硅膨脹系數(shù)的差產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力的影響，因此，溫度特性?xún)?yōu)秀。
由于在硅晶片1上形成各種電極，振子10的密封功能的可靠性提高。另外，由于在同一平面上形成振子10(環(huán)部13)和各種電極，通過(guò)調(diào)整掩模圖形的寬度，可以控制振子10(環(huán)部13)和各種電極之間的距離，其控制簡(jiǎn)單，能夠容易地實(shí)現(xiàn)所希望的距離。其結(jié)果，可以大量生產(chǎn)具有所希望均勻特性的角速度傳感器。
對(duì)本發(fā)明的角速度傳感器的Q值控制進(jìn)行說(shuō)明。一般，振子10要求的Q值為1000以上。在振子10的氣氛壓力高的情況下，由于Q值低，為了降低壓力，在玻璃基板3上設(shè)置吸附氣體(特別是陽(yáng)極接合時(shí)產(chǎn)生的氫氣)用的吸氣劑(吸氣器)35。但是，在Q值高的情況下，存在下述問(wèn)題，即，在驅(qū)動(dòng)振子10的回路的控制系統(tǒng)(特別是控制驅(qū)動(dòng)電壓的振動(dòng)元素的PLL(鎖相Phase Lock Loop)回路等)中，必需高分解能，因溫度系數(shù)大的內(nèi)部摩擦引起的阻尼效果占支配地位而使溫度特性產(chǎn)生不良，因此，Q值存在上限。
為了得到任意的Q值，考慮封入陽(yáng)極接合時(shí)吸氣劑35不吸收的稀有氣體(Ar、Ne等)控制由氣體產(chǎn)生阻尼效果的方法。然而，由于陽(yáng)極接合時(shí)施加高電壓，在稀有氣體壓力在規(guī)定范圍的情況下，放電成為問(wèn)題。例如，在封入氣體中使用Ar而陽(yáng)極接合時(shí)，施加350V以上的電壓的情況下，在100mTorr以上發(fā)生放電，Q值對(duì)振子10的氣氛的壓力存在影響，在100mTorr以下，Q值非常高，超過(guò)所述上限。
在相同壓力下，振子10的結(jié)構(gòu)對(duì)阻尼效果有較大影響，特別是，在間隙部分的擠壓阻尼效果的影響力高?？紤]到這點(diǎn)，在本實(shí)施方式中，增高環(huán)部13和電極21(21a～21h)之間的距離d，即硅晶片1的厚度T(參照?qǐng)D1)相對(duì)于間隙22的寬度d(參照?qǐng)D1)的比例(縱橫尺寸比)T/d。具體地說(shuō)，取T/d的值為8以上，控制振子10的Q值。因此，在本發(fā)明中，即使100mTorr以下，也可以控制Q值而使具不非常高。
其次，說(shuō)明在梁部12、12之間和梁部12與調(diào)整電極23之間設(shè)置的板25和在板25上形成的突起部25a的效果。板25的電位與振子10(梁部12和環(huán)部13)的電位相同，由于將這種板25設(shè)置在梁部12和調(diào)整電極23之間，可以防止靜電引力作用在梁部12和調(diào)整電極23之間，不改變固有振動(dòng)數(shù)。
在產(chǎn)生由外部沖擊引起的慣性力的情況下，利用板25的突起部25a的存在，由于梁部12或者環(huán)部13先與和其同電位的板25沖突，所以能夠抑制梁部12或者環(huán)部13的位移量。另外，即使在梁部12或環(huán)部13上形成突起部25a，也能夠得到同樣的效果，但是，作為在可動(dòng)部件的梁部12或環(huán)部13上形成突起部25a的情況下，由于考慮其質(zhì)量變化、應(yīng)力的異常發(fā)生等對(duì)振動(dòng)有不利影響，因此在本發(fā)明中，在作為固定部件的板25上形成突起部25a。
另外，從用于檢測(cè)在振子10上產(chǎn)生的一次振動(dòng)或二次振動(dòng)的電極21c、21d、21e、21f輸出的檢測(cè)信號(hào)的電平相當(dāng)小。因此，受寄生電容(stray capacitance)影響，產(chǎn)生進(jìn)入檢測(cè)通道的假信號(hào)(false signal)的結(jié)果，使性能變差。為了使誤差為最小限度，優(yōu)選盡可能在電極附近放大檢測(cè)信號(hào)。因此，在本實(shí)施方式中，在硅晶片1上形成放大回路29，放大從各電極21c、21d、21e、21f輸出的檢測(cè)信號(hào)。因此，即使電平小，也能夠取得正確的檢測(cè)信號(hào)。
其次，對(duì)在上側(cè)的玻璃基板2上的金屬配線(xiàn)進(jìn)行說(shuō)明。圖7是與驅(qū)動(dòng)電極21a(或21b)連接的金屬配線(xiàn)的示意圖。在圖7中，與圖1、圖2相同的部分用相同符號(hào)表示。在通過(guò)電線(xiàn)36與驅(qū)動(dòng)電極21a的襯墊27連接的玻璃基板2的襯墊32上，作為連接其一端的第一配線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電壓用的金屬配線(xiàn)41在玻璃基板2上形成圖形。金屬配線(xiàn)41的另一端與電壓源42連接。與金屬配線(xiàn)41并列設(shè)置，作為第二配線(xiàn)的抵消用的金屬配線(xiàn)43在玻璃基板2上形成圖形。該金屬配線(xiàn)43的一端開(kāi)放，另一端與電壓源42連接。
電壓源42將驅(qū)動(dòng)電壓施加在金屬配線(xiàn)41上，將與該驅(qū)動(dòng)電壓反相位的電壓施加在金屬配線(xiàn)43上。在驅(qū)動(dòng)電壓用的金屬配線(xiàn)41通過(guò)檢測(cè)電極21e(或21f)的上方的情況下，產(chǎn)生由電容結(jié)合性引起的信號(hào)傳播(交擾)。因此，在本實(shí)施方式中，將與驅(qū)動(dòng)電壓反相位的電壓施加在位于金屬配線(xiàn)41附近的金屬配線(xiàn)43上，抵消該交擾成分。結(jié)果，得到在檢測(cè)電極21e(或21f)上不受交擾影響的檢測(cè)信號(hào)，可以檢測(cè)正確的角速度。
一般，由于驅(qū)動(dòng)一次振動(dòng)的電壓比沒(méi)有二次振動(dòng)用的驅(qū)動(dòng)電壓大，因此，也可以只在與一次振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)用電極21a、21b連接的金屬配線(xiàn)上采用所述的結(jié)構(gòu)。這樣，能夠防止超過(guò)需要地使金屬配線(xiàn)的復(fù)雜化。然而，在檢測(cè)對(duì)象的角速度非常大的情況下，由于沒(méi)有二次振動(dòng)用的驅(qū)動(dòng)電壓引起的交擾成為有意的大小，最好在沒(méi)有二次振動(dòng)用的驅(qū)動(dòng)用電極21g，21h上采用同樣的結(jié)構(gòu)。
其次，說(shuō)明上側(cè)的玻璃基板2上的16個(gè)調(diào)整電極23的金屬配線(xiàn)。圖8為該金屬配線(xiàn)的示意圖。在圖8中，在圖1、圖2相同的部分，用相同的符號(hào)表示。在上側(cè)的玻璃基板2上形成16(調(diào)整電極23的個(gè)數(shù))/2×2(模態(tài)次數(shù))＝4根配線(xiàn)圖形51。在各配線(xiàn)圖形51上，每隔360°/2×2＝90°設(shè)置的4個(gè)調(diào)整電極23，通過(guò)在玻璃基板2上形成的通孔進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)連接。各配線(xiàn)圖形51的一端延長(zhǎng)至玻璃基板2的一個(gè)周邊部。另外，將這些配線(xiàn)圖形51的一端與將電壓施加在至少一個(gè)調(diào)整電極23上的電體源52連接。其中，53為將一定的DC電壓施加給環(huán)部13的電極。
在本實(shí)施方式中，由于將施加相同的調(diào)整用電壓的4個(gè)調(diào)整電極23中的每個(gè)分別與各一根的配線(xiàn)圖形51連接，因此，與分別在16個(gè)調(diào)整電極23上進(jìn)行配線(xiàn)的情況相比，配線(xiàn)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單。
在圖8所示配線(xiàn)圖形，如果分別將相同的電壓施加在每隔90°設(shè)置4個(gè)調(diào)整電極23上，則能夠使調(diào)整電極23用的準(zhǔn)備電壓源個(gè)數(shù)最少。然而，在電壓源的分解能不充分的情況下，為了實(shí)現(xiàn)高精度的頻率調(diào)整，可以將不同的電壓獨(dú)立地施加在每隔90°設(shè)置的4個(gè)調(diào)整電極23上。例如，在電壓源的分解能為三階段的情況下，當(dāng)每隔90°設(shè)置的各個(gè)調(diào)整電極23上施加相同電壓時(shí)，只給出三階段的平衡力。與此相對(duì)，如果獨(dú)立地施加不同的電壓，可以給出12階段的平衡力。
由于振動(dòng)頻率調(diào)整用電極設(shè)置在傳感器的內(nèi)側(cè)，在將配線(xiàn)圖形配置在玻璃基板上，與這些電極進(jìn)行電氣連接，使與外部的配線(xiàn)容易方面有用。
其次，說(shuō)明本明的角速度傳感器的制造方法。圖9為表示制造工序的截面圖。在硅晶片1上形成襯墊27(圖9(a))。具體地說(shuō)，在硅晶片1的表面上蒸鍍成為襯墊27的金屬膜后，通過(guò)以用光刻法制成的抗蝕劑圖形作為掩模的濕蝕刻，在襯墊27上形成圖形。
其次，通過(guò)陽(yáng)極接合，將形成有通孔的上側(cè)玻璃基板2與硅晶片1接合(圖9(b))。另外，利用噴砂加工(sandblast)預(yù)先在接合的玻璃基板2上形成空腔33，同時(shí)，利用金屬膜蒸鍍、光刻、濕蝕刻的一連串處理，預(yù)先在其表面上形成襯墊32和金屬配線(xiàn)(圖中沒(méi)有示出)。其次，從硅晶片1與玻璃基板2的接合而相反一側(cè)，利用包含深RIE(反應(yīng)離子蝕刻)處理等的MEMS技術(shù)，在硅晶處1上形成具有環(huán)部13的振子、電極21、23、槽22、34等。(圖9(c))。
其次，利用陽(yáng)極接合，將下側(cè)的玻璃基板3與硅晶片1接合(圖9(d))。在接合的玻璃基板3上，在利用噴砂加工形成的空腔34的底而上，預(yù)先設(shè)置吸氣劑35。在接合時(shí)封入Ar氣，接合后，加熱吸氣劑35并使其活性化，吸附氫氣等。最后，用電線(xiàn)36連接硅晶片1的電極21、23的襯墊27和玻璃基板2的襯墊32(圖9(e))。
其中，在所述例子中，形成由玻璃基板2/硅晶片1/玻璃基板3構(gòu)成的玻璃/硅/玻璃的三層結(jié)構(gòu)，但可以使用硅基板代替玻璃基板，構(gòu)成玻璃/硅/玻璃的三層結(jié)構(gòu)或者硅/硅/玻璃的三層結(jié)構(gòu)。另外，即使為硅/硅/硅的三層結(jié)構(gòu)，也可以使用本發(fā)明。但是，為了在硅和硅之間達(dá)到絕緣，必需安裝SiO2等的絕緣膜。另外，硅和硅的接合，不是陽(yáng)極接合，而是貼合加熱的熔融接合。
另外，在所述實(shí)施方式中，說(shuō)明了按cos2θ模態(tài)振動(dòng)的情況。在按cos3θ模態(tài)振動(dòng)的情況下，同樣可以使用本發(fā)明，對(duì)一般的全部cosnθ模態(tài)，可以使用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
另外，在所述實(shí)施方式中，在環(huán)部的外側(cè)形成靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容驅(qū)動(dòng)用電極。與此相反，在環(huán)部的內(nèi)側(cè)形成靜電驅(qū)動(dòng)用電極和電容驅(qū)動(dòng)用電極，在環(huán)部的外側(cè)形成振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的結(jié)構(gòu)中，同樣也可以使用本發(fā)明。另外，也可以在環(huán)部的外側(cè)或內(nèi)側(cè)混在地形成靜電驅(qū)動(dòng)用電極、電容驅(qū)動(dòng)用電極和振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
此外，在上述實(shí)施方式中，由硅晶片的中心部支承的多個(gè)梁部支撐環(huán)部，但是，對(duì)于從其外側(cè)支承環(huán)部的結(jié)構(gòu)，也同樣適用于本發(fā)明。
此外，在所述實(shí)施方式中，只有振動(dòng)頻率調(diào)整用電極與上側(cè)的玻璃基板接合(懸掛)，但是支承靜電驅(qū)動(dòng)用電極、電容驅(qū)動(dòng)用電極和/或環(huán)部的中心部也同樣，與上側(cè)的玻璃基板接合(懸掛)也可以。這樣，由于空腔大，吸氣劑占的面積也大，所以可以實(shí)現(xiàn)可靠性較高的包裝。
另外，在所述實(shí)施方式中，設(shè)置有與環(huán)部13同電位的板25，但是板25不是必需的零件。通過(guò)調(diào)整梁部12、調(diào)整電極23的尺寸、或梁部12與調(diào)整電極23之間的距離，如果可以得到弱的靜電引力，則不需要設(shè)置板25。
權(quán)利要求
1.一利角速度傳感器，具有形成有振子的半導(dǎo)體基板，其中，該振子具有振動(dòng)狀態(tài)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的角速度而變化的環(huán)部，具特征在于在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部?jī)?nèi)側(cè)或外側(cè)形成有所述振子的靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述振子的電容檢測(cè)用電極，在與所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極以及所述電容檢測(cè)用電極相反一側(cè)的所述環(huán)部外側(cè)或內(nèi)側(cè)形成有所述振子的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
2.一種角速度傳感器，具有形成有振子的半導(dǎo)體基板，其中，該振子具有振動(dòng)狀態(tài)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的角速度而變化的環(huán)部，其特征在于在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部外側(cè)形成有所述振子的靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述振子的電容檢測(cè)用電極，在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部?jī)?nèi)側(cè)形成有所述振子的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
3.一種角速度傳感器，具有形成有振子的半導(dǎo)體基板，其中，該振子具有振動(dòng)狀態(tài)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的角速度而變化的環(huán)部，其特征在于在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部?jī)?nèi)側(cè)形成有所述振子的靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述振子的電容檢測(cè)用電極，在所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部外側(cè)形成有所述振子的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述振子、所述半導(dǎo)體基板、所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極和所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極由相同材料制成。
5.如權(quán)利要求4所述的角速度傳感器，其特征在于所述相同材料為硅。
6.如權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極、所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和所述半導(dǎo)體基板實(shí)質(zhì)上在相同平面上。
7.如權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的相鄰的電極間的設(shè)置角度差Δφ滿(mǎn)足Δφ＜90°/n，其中n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù)。
8.如權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的個(gè)數(shù)為3×2n、4×2n或5×2n，其中，n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù)。
9.如權(quán)利要求1～8中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于以360°/2n的間隔，在所述環(huán)部的內(nèi)側(cè)或外側(cè)形成有一組由3個(gè)、4個(gè)或者5個(gè)振動(dòng)頻率調(diào)整用電極構(gòu)成的多組振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，其中，n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的角速度傳感器，其特征在于在所述多組間存在有對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，將相同的電壓施加在各組的對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極上。
11.如權(quán)利要求9所述的角速度傳感器，其特征在于在所述多組間存在有對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極，獨(dú)立地將電壓施加在各組的對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率調(diào)整用電極上。
12.如權(quán)利要求1～11中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述振子的一端由所述半導(dǎo)體基板的中心部支承，另一端具有與所述環(huán)部連接的多個(gè)梁部。
13.如權(quán)利要求1～11中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述振子的一端由所述半導(dǎo)體基板的所述環(huán)部外側(cè)支承，另一端具有與所述環(huán)部連接的多個(gè)梁部。
14.如權(quán)利要求12或13所述的角速度傳感器，其特征在于在所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和所述梁部之間形成有與所述環(huán)部同電位的部分。
15.如權(quán)利要求1 4所述的角速度傳感器，其特征在于在所述同電位部分上形成行突起部。
16.如權(quán)利要求1～15中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于在所述半導(dǎo)體基板上形成有放大從所述電容檢測(cè)用電極輸出的檢測(cè)信號(hào)的放大回路。
17.如權(quán)利要求1～16中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體基板由兩塊支承基板夾持，形成有收容所述振子、所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極和所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的空腔。
18.如權(quán)利要求17所述的角速度傳感器，其特征在于使所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極、所述電容檢測(cè)用電極、所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極和支承所述振子的中心部中的至少一個(gè)與所述兩塊支承基板中的一塊接合而形成。
19.如權(quán)利要求17或18所述的角速度傳感器，其特征在于在所述空腔內(nèi)設(shè)置有吸氣劑，所述空腔內(nèi)的氣氛為100mTorr以下。
20.如權(quán)利要求19所述的角速度傳感器，其特征在于在所述空腔中封入有惰性氣體或不會(huì)被吸氣劑吸附的氣體。
21.如權(quán)利要求17～20中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于在所述兩塊支承基板的一塊上設(shè)置有與所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極連接的第一配線(xiàn)和在該第一配線(xiàn)附近的第二配線(xiàn)，將反相位的電壓分別施加在所述第一配線(xiàn)和第二配線(xiàn)上。
22.如權(quán)利要求17～21中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于在所述兩塊支承基板的一塊上形成有用于將電壓施加在所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極上的配線(xiàn)圖形。
23.如權(quán)利要求22所述的角速度傳感器，其特征在于所述配線(xiàn)圖形的個(gè)數(shù)為所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極的個(gè)數(shù)/2n個(gè)，每隔360°/2n設(shè)置的多個(gè)所述振動(dòng)頻率調(diào)整用電極與所述各配線(xiàn)圖形連接，其中，n為所述振子的振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)次數(shù)。
24.如權(quán)利要求1～23中任一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體基板的厚度相對(duì)于所述靜電驅(qū)動(dòng)用電極和所述電容檢測(cè)用電極與所述環(huán)部的距離的比為8以上。
全文摘要
利用MEMS技術(shù)在硅晶片(1)上形成的振子(10)具有支承在中心部(11)并且在圓周方向八等分配置延伸的八個(gè)梁部(12)，以及與該八個(gè)梁部(12)連接的環(huán)狀的環(huán)部(13)。在環(huán)部(13)的外側(cè)，從環(huán)部(13)空出間隙(22)相等地配置有靜電驅(qū)動(dòng)用或電容檢測(cè)用等的八個(gè)電極(21a～21h)。在環(huán)部(13)的內(nèi)側(cè)，從環(huán)部(13)空出間隙(24)相等地配置有16個(gè)頻率調(diào)整用電極(23)。
文檔編號(hào)G01P9/04GK1985149SQ20058002358
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2005年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月12日
發(fā)明者荒木隆太, 寅屋敷治, 北村透, 川崎博司, 竹本剛士, 中村康治, P·C·費(fèi)爾, K·湯森, I·斯圖蘭德 申請(qǐng)人:住友精密工業(yè)株式會(huì)社, Bae系統(tǒng)公共有限公司