JP3355812B2 - 半導体ヨーレートセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体基板を用いた
半導体ヨーレートセンサに係り、特に、自動車の車体制
御やナビゲーション等に用いることができる半導体ヨー
レートセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば自動車の車体に作用するヨーレー
ト等を検出するヨーレートセンサとしては、例えば特開
平２−１１３８１７号公報に示されるような振動ジャイ
ロが知られている。

【０００３】この振動ジャイロは、金属製の角棒の特定
される面に対して圧電素子を接着して振動体を構成し、
これを細い棒によって支持するように構成している。ま
た、特開平４−１４２４２０号公報に示された角速度セ
ンサは、金属製の音又に対して圧電素子を接着して構成
されている。

【０００４】すなわち、これらのヨーレート等の加速度
を検出する装置は、いずれも圧電素子で本体に振動を与
え、測定対象であるヨーレートによって発生されたコリ
オリの力で生じた歪みを、圧電素子で検出される電圧の
変化によって検出しようとしている。

【０００５】このように構成されるセンサ機構における
検出感度等の性能は、振動体の支持方法や加工精度によ
って左右されるようになり、したがって高性能のセンサ
機構を作成するためには、その加工組み立て上の困難度
が高く、必然的に高価となる問題点を有すると共に、セ
ンサ機構の小型化に対しても、加工組み立ての制約上か
ら容易ではない。

【０００６】このような問題を解決するため、本件出願
人は、先にトランジスタ型の変位検出機構を利用するこ
とにより、半導体技術を応用したトランジスタ型のヨー
レートセンサを出願した（特願平５−３１１７６２
号）。

【０００７】このトランジスタ型ヨーレートセンサは、
半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置された梁構
造の可動電極と、その可動電極に対し半導体基板に形成
された梁構造の可動電極と、その可動電極に対し半導体
基板に形成されたソース・ドレイン電極とを備え、前記
梁構造の可動電極を静電気力を用いて振動させたとき
に、ヨーレートの作用により可動電極が垂直方向に変位
し、この変位によるソース・ドレイン電極間の電流変化
によりヨーレートを検出するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなトランジスタ型ヨーレートセンサは、そのトランジ
スタ型変位検出機構は温度依存性を有しているため、基
準位置が温度ドリフトしたりして、角速度ωに対する変
位が温度変化により見かけ上変化してしまうことによ
り、検出精度が低下してしまうという問題点が存在す
る。そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、温度依存性を軽減して検出精度を向上させた半導体
ヨーレートセンサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、請求項１に記載の発明においては、半導体
基板と、この半導体基板の表面から所定の間隔を隔てて
上方に位置する可動電極と、前記半導体基板の上方に位
置して前記半導体基板の表面から所定の間隔を隔て且つ
前記可動電極にギャップを介して配置され、前記可動電
極を静電気を利用して振動させる励振用固定電極によっ
て前記可動電極を前記半導体基板に対して水平方向に振
動させる振動手段と、前記半導体基板の表面に前記可動
電極に対向する位置に不純物拡散領域によって形成され
た下部電極を有し、前記可動電極の垂直方向の変位を前
記可動電極と前記下部電極との間の静電容量により検出
することで、前記可動電極の前記半導体基板に対する垂
直方向の変位を検出する垂直変位検出手段と、前記振動
手段により前記可動電極を水平方向に変位させている時
に、前記垂直変位検出手段にて検出した前記可動電極の
変位に応じ前記可動電極と前記半導体基板の間隔を一定
に保ち、前記可動電極の初期の位置における前記可動電
極と前記下部電極との間の静電容量を基準として、前記
静電容量が前記基準となる静電容量となるように前記可
動電極の垂直方向の変位を制御する垂直変位制御手段と
を備え、前記垂直変位制御手段は、前記可動電極に形成
された変位制御用可動電極と、前記変位制御用可動電極
に対向するように前記半導体基板の上方で、前記変位制
御用可動電極と前記半導体基板に対して同じ高さになる
ように設けられた変位制御用固定電極との間に、前記変
位検出手段にて検出した前記可動電極の変位に応じて前
記変位制御用可動電極と前記変位制御用固定電極間に制
御電圧を印加し、前記変位制御用可動電極と前記変位制
御用固定電極間の静電気力により前記可動電極と前記半
導体基板の間隔を一定にする電圧制御手段とを有するこ
とを特徴とする半導体ヨーレートセンサが提供される。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、可動電極を水
平方向に振動させている時に、ヨーレートが可動電極に
加わるとコリオリの力により可動電極が半導体基板に対
して垂直方向に変位する。

【００１５】この変位を検出する手段として、本発明で
は静電容量を用いているので、原理的に温度依存性の影
響を少なくした高精度の検出を行うことができる。さら
に、本発明ではこの変位を検出してその変位がなくなる
方向に可動電極の垂直方向の変位を制御し、可動電極と
半導体基板の間隔を一定に保つようにすると共に、この
可動電極の垂直方向の変位を制御する制御量にてヨーレ
ートを検出する。

【００１６】このように、可動電極の垂直方向変位に対
し可動電極と半導体基板の間隔を一定に保つフィードバ
ック構成として、その制御量にてヨーレート検出を行う
ようにしているので、可動電極の垂直方向変位そのもの
でなくフィードバックによる制御量を用いることによっ
て、温度依存性の影響を少なくした高精度のヨーレート
検出を行うことができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１にヨーレートセンサの平面的な構成を示
す。すなわち、図１において、Ｐ型のシリコン基板によ
り半導体基板１１が構成される。

【００１８】この半導体基板１１上には、アンカー部１
２１〜１２４が４箇所形成され、このアンカー部１２１
〜１２４にそれぞれ一端が支持される梁１３１〜１３４
によって重り１４が支持される。

【００１９】従って、重り１４は梁構造体によって図１
における紙面に垂直方向及び水平方向（図１の矢印Ｖ方
向）に変位自在に支持されている。この重り１４は、ヨ
ーレートによる変位量を大きくするために設定される。

【００２０】さらに、重り１４には、その変位方向で重
り１４の両側に位置して、一対の細片を櫛の歯状に平行
に設定した励振用可動電極１６１〜１６４が突設形成さ
れている。

【００２１】この励振用可動電極１６１〜１６４は重り
１４に振動を与える作用をする。これらアンカー部１２
１〜１２４、梁１３１〜１３４、重り１４、励振用可動
電極１６１〜１６４は、例えばポリシリコンやタングス
テン等の耐熱性金属によって一体的に形成されるもの
で、この実施例においては、代表的な材料としてポリシ
リコンが使用されている。

【００２２】重り１４及びこれと一体的に形成される励
振用可動電極１６１〜１６４は、半導体基板１１の主表
面上に所定の間隔を隔てて配置され、梁１３１〜１３４
を介してアンカー部１２１〜１２４により保持される。

【００２３】重り１４及びこれと一体的に形成される励
振用可動電極１６１〜１６４、梁１３１〜１３４により
構成される可動電極と、この可動電極のそれぞれに対応
する半導体基板１１の主表面部に、イオン注入等の手段
によりＮ型不純物を導入して形成された拡散層からなる
下部固定電極１５１とで、静電容量を構成している。

【００２４】この下部固定電極１５１は、アルミニウム
配線を介して外部回路に接続されている。また、励振用
可動電極１６１〜１６４のそれぞれに対応して励振用固
定電極１９１〜１９４が配置される。

【００２５】この励振用固定電極１９１〜１９４は、そ
れぞれ半導体基板１１の主面上の励振用可動電極１６１
〜１６４と同じ高さ位置に固定的に設定されるもので、
それぞれ櫛の歯状にした細片を有し、その細片が互いに
他の細片の中央にくるように配置され、各櫛の歯の相互
間に所定の間隔が形成される。

【００２６】これらの励振用固定電極１９１〜１９４の
それぞれは、アルミニウム配線を介して図示しない励振
用電源に接続され、所定の周波数の電圧信号が供給され
るもので、励振電極１６１〜１６４の電位を励振させて
静電気力によって、重り１４及び可動ゲート電極１５１
〜１５４を振動させる。

【００２７】また、励振電極１６１〜１６４が一体的に
設けられる重り１４が、アルミニウム配線を介して外部
回路に接続されている。また、励振用固定電極とは９０
度ずれた方向で重り１４の両側に位置して、垂直変位制
御用固定電極１７１，１７２が形成されている。

【００２８】この垂直変位制御用固定電極１７１，１７
２と重り１４とで静電容量を構成している。これらの変
位制御用固定電極１７１，１７２のそれぞれは、アルミ
ニウム配線を介して外部回路に接続されている。

【００２９】図２（ａ）に、図１のａ−ａ断面を示す。
すなわち、図２（ａ）において、Ｐ型シリコン半導体基
板１１上に形成された絶縁膜２２で支持されて、例えば
ポリシリコンで構成した重り１４が設定され、この重り
１４はアンカー部１２３と１２４との間に梁１３３と梁
１３４を介して保持される。

【００３０】ここで、絶縁膜２２はエアギャップ２４を
設定するためのもので、ＳｉＯ₂ 或いはＳｉ₃ Ｎ₄ 等に
よって構成されている。また、可動部としての重り１
４、梁１３３及び１３４の下側の半導体基板１１にはイ
オン注入等により下部固定電極１５１が形成されてお
り、実質的に可動電極となる重り１４と下部電極１５１
でヨーレート検出用静電容量を構成している。

【００３１】絶縁膜２２は、重り１４や梁１３１〜１３
４と半導体基板１１との間隔を設定する犠牲層で構成さ
れるもので、アンカー部１２１〜１２４に対応する部分
を除いてエッチング除去されてエアギャップ２４が形成
される。

【００３２】このエッチングに際しては、重り１４、梁
１３１〜１３４等を構成するポリシリコンと半導体基板
１１がエッチングされず、犠牲層である絶縁膜２２のみ
がエッチングされるエッチング液が使用される。

【００３３】図２（ｂ）に図１のｂ−ｂ断面を示す。す
なわち、図２（ｂ）において、重り１４と半導体基板１
１の間にエアギャップ２４が設定されており、可動電極
となる重り１４が半導体基板１１に対して垂直方向及び
紙面に対して垂直方向に変位可能とされている。

【００３４】また、可動電極となる重り１４と下部固定
電極１５１とで静電容量を構成している。さらに、励振
用固定電極１９３，１９４と図示されない励振用可動電
極１６３，１６４との間に間隔が設定され、励振用固定
電極１９３，１９４と励振用可動電極１６３，１６４と
は、半導体基板１１に対して同じ高さとなるように設定
されている。

【００３５】図２（ｃ）に図１のｃ−ｃ断面を示す。す
なわち、図２（ｃ）において、重り１４と半導体基板１
１の間にエアギャップ２４が設定されている。

【００３６】また、垂直変位制御用固定電極１７１，１
７２と重り１４との間に間隔が設定され、垂直変位制御
用固定電極１７１，１７２と重り１４とは、半導体基板
１１に対して同じ高さとなるように設定されている。

【００３７】次に、このように構成されるヨーレートセ
ンサの製造方法について、図３（ａ）〜（ｅ）及び図４
（ａ）〜（ｄ）により説明する。これらの図において左
半分にセンサ部分を、右半分にセンサ処理回路としてＭ
ＯＳＦＥＴを想定し、その製造プロセスを併せて示す。

【００３８】まず図３（ａ）に示すようにＰ型シリコン
からなる半導体基板１１にイオン注入等により下部電極
１５を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように半導体
基板１１に表面上に、センサ作成部に対応して犠牲層と
なる絶縁膜２２を形成する。

【００３９】この絶縁膜２２は、まず半導体基板１１の
主表面の全体に形成した後、トランジスタ作成部上の絶
縁膜を除去するように形成しても良い。そして、図３
（ｃ）に示すように、トランジスタ作成部に対応する半
導体基板１１の主表面上に、ゲート酸化によってゲート
絶縁膜２５を形成する。

【００４０】次に、図３（ｄ）に示すように、絶縁膜２
２及び２５上にポリシリコンによる膜を成膜し、フォト
リソ工程を経て重り１４及びトランジスタのゲート２６
を加工する。

【００４１】これと同時に、この図では示されないアン
カー部１２１〜１２４、梁１３１〜１３４等を加工す
る。そして、図３（ｅ）で示すように、トランジスタの
ソース電極３０、ドレイン電極３１を形成するために、
ゲート電極２６に対して自己整合的にイオン注入により
不純物を導入し、Ｎ型拡散層を形成する。

【００４２】次に、図４（ａ）に示すように、可動電極
１４やトランジスタのゲート電極２６等とアルミニウム
配線を電気的に絶縁するために全面に層間絶縁膜３２を
成膜する。

【００４３】そして、図４（ｂ）に示すように、層間絶
縁膜に対して、下部電極１５及びトランジスタのソース
電極３０、ドレイン電極３１に対応してコンタクトホー
ル３１１〜３１３を開口する。

【００４４】この後、図４（ｃ）に示すように各コンタ
クトホール３１１〜３１３にそれぞれ対応して電極材料
であるアルミニウムを成膜して、アルミニウム配線３２
１〜３２３を形成する。

【００４５】そして、図４（ｄ）に示すように、重り
（可動電極）１４の下部の絶縁膜２２を犠牲層としてエ
ッチングし、重り（可動電極）１４の下部にエアギャッ
プ２４を形成してヨーレートセンサが完成される。

【００４６】このヨーレートセンサにおいて、梁１３１
〜１３４を構成する材料として、シリコン基板１１に成
膜した薄膜、例えば高濃度に不純物をドープしたポリシ
リコン或いは耐熱性の金属のような材料が使用される。

【００４７】このため、梁１３１〜１３４の厚さのばら
つきを十分に低減させることが可能となる。一般的に、
片持ち梁や両持ちの梁に対して１点荷重が加わった場
合、その変位は梁の厚さの３乗と幅の１乗に反比例する
ため、梁の幅の加工に比較して厚さの加工に非常に精度
が要求される。

【００４８】また、半導体基板１１上に予め犠牲層を形
成した後に梁形状のポリシリコン層を形成し、犠牲層を
エッチング除去することによって半導体基板１１の面上
に所定の間隔が設定された梁１３１〜１３４を形成して
いる。

【００４９】ここで、犠牲層とは最終的に除去すること
を目的に予め形成される薄膜のことである。本実施例に
おいては、可動電極１４と下部固定電極１５との距離は
犠牲層の厚さによって制御されるものであり、この場
合、犠牲層の膜厚の制御性が良好なものであるため、可
動電極１４と下部固定電極１５間の静電容量の制御性も
向上される。

【００５０】また、このヨーレートセンサを作成する製
造方法においては全てＩＣ作成プロセスそのもの、また
はその流用で対応でき、ＩＣ作成プロセスの中でセンサ
構造体を形成することができるもので、センサ処理回路
との一体化が容易に可能となる。

【００５１】この実施例で説明したヨーレートセンサに
おいては、ヨーレート検出部を両持ちの梁構造によって
構成したが、これはもちろん片持ちの梁構造でも実現す
ることができ、さらに梁の本数も４本である必要はな
い。

【００５２】また、励振電極及び垂直変位制御用電極を
重りに対して両側に設けるようにしたが、これはもちろ
ん片側でも良い。また、励振電極と垂直変位制御用電極
を９０度ずらして設けるようにしたが、これは同一側で
も良い。

【００５３】さらに、励振用電極の本数についても図の
ように可動側２本、固定側３本で示したが、それ以外の
本数の組み合わせで構成しても良い。垂直変位制御用電
極１７１，１７２については、図１に示したように可動
電極１４に対して平行な直線上のものとして示したが、
これは励振用電極のように櫛の歯状に構成しても良い。

【００５４】さらに、基板としてＰ型半導体基板を用い
て説明したが、これはＮ型半導体基板で構成することも
でき、この場合、拡散電極はＰ型で構成される。さら
に、重り１４は４角形である必要はなく、例えば３角形
で構成することもできる。

【００５５】次に、以上のように構成されるヨーレート
センサの作動について説明する。このヨーレートセンサ
は、重り（可動電極）１４に対し、垂直方向に相対する
半導体基板１１に固定下部電極１５を設け、可動電極１
４の垂直方向の変位によって可動電極１４と固定下部電
極１５との間の静電容量が変化する。

【００５６】従って、可動電極１４と固定下部電極１５
間の静電容量変化から可動電極１４の変位を検出してヨ
ーレートを検出することができる。また、励振用固定電
極１９１〜１９４と励振用可動電極１６１〜１６４との
間に、ある周波数の励振用電圧を印加すると、静電気力
によって励振用可動電極１６１〜１６４に水平方向の振
動が発生し、重り（可動電極）１４も振動する。

【００５７】ヨーレートによって発生するコリオリ力
は、この振動の速度に比例するものであり、振動速度を
大きくとるために周波数は振幅の大きくなる共振点付近
に選ぶことが好ましい。

【００５８】このようにして励振用可動電極１６１〜１
６４、励振用固定電極１９１〜１９４間に励振用の周期
電圧を印加することにより、重り（可動電極）１４が図
５（ａ）に示すように振動する。

【００５９】そして、半導体基板１１と水平で且つ振動
に垂直な軸を持ったヨーレートωが発生すると、振動速
度並びに振動体質量に比例したコリオリの力が半導体基
板１１方向に垂直な方向に発生し、重り（可動電極）１
４が半導体基板１１と垂直方向にＺ0 を中心に変位す
る。

【００６０】図５（ｂ）にヨーレートωが加わった場合
のその変位を示す。可動電極の垂直変位Ｚは、振動速度
に比例するため、水平変位より位相がπ／２だけシフト
する。

【００６１】そして、重り（可動電極）１４が半導体基
板１１と垂直方向に変位することにより、可動電極１４
と固定下部電極１５間の静電容量が変化する。本実施例
においては、可動電極が変位しないようにフィードバッ
ク制御を行っている。

【００６２】すなわち、可動電極１４と固定下部電極１
５間の静電容量を一定に保つように、垂直変位制御用電
極１７１と可動電極１４間に電圧を印加して、ある一定
の値Ｚ0 に制御し、その制御電圧によりヨーレートを検
出するようにしている。

【００６３】これは、垂直変位制御用電極１７１と可動
電極１４間に図５（ｃ）のような電圧を印加して、図５
（ｄ）に示すように可動電極の垂直変位を抑え、垂直変
位制御用電極１７１に印加する図５（ｃ）の電圧により
ヨーレートを検出することができる。

【００６４】

【発明の効果】従って、以上詳述したように本発明によ
れば、可動電極の変位を検出する手段として静電容量を
用いており原理的に温度依存性を軽減して検出精度を向
上させた半導体ヨーレートセンサを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るヨーレートセンサの平
面図である。

【図２】図２（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図１のａ−ａ、
ｂ−ｂ、ｃ−ｃ断面を示す図である。

【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は上記ヨーレートセンサの
製造工程を順次説明する断面図である。

【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は同じく上記ヨーレートセ
ンサの製造工程を順次説明する断面図である。

【図５】図５（ａ）は可動電極の水平方向の変位を示す
図、図５（ｂ）はヨーレートが加わったときの可動電極
の変位を示す図、図５（ｃ）は垂直変位制御用電極−可
動電極間の電圧の変化を示す図、図５（ｄ）は閉ループ
制御により可動電極の変位を示す図である。

【符号の説明】

１１…半導体基板、１２１〜１２４…アンカー部、１３
１〜１３４…梁、１４…重り（可動電極）、１５１…下
部固定電極、１６１〜１６４…励振用可動電極、１７
１，１７２…垂直変位制御用固定電極、１９１〜１９４
…励振用固定電極、２２…絶縁膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−61959（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−278464（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−196721（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−196722（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−204502（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−25764（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−114123（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−231102（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開194953（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 この半導体基板の表面から所定の間隔を隔てて上方に位
   置する可動電極と、前記半導体基板の上方に位置して前記半導体基板の表面
   から所定の間隔を隔て且つ前記可動電極にギャップを介
   して配置され、前記可動電極を静電気を利用して振動さ
   せる励振用固定電極によって前記 可動電極を前記半導体
   基板に対して水平方向に振動させる振動手段と、前記半導体基板の表面に前記可動電極に対向する位置に
   不純物拡散領域によって形成された下部電極を有し、前
   記可動電極の垂直方向の変位を前記可動電極と前記下部
   電極との間の静電容量により検出することで、 前記可動
   電極の前記半導体基板に対する垂直方向の変位を検出す
   る垂直変位検出手段と、 前記振動手段により前記可動電極を水平方向に変位させ
   ている時に、前記垂直変位検出手段にて検出した前記可
   動電極の変位に応じ前記可動電極と前記半導体基板の間
   隔を一定に保ち、前記可動電極の初期の位置における前
   記可動電極と前記下部電極との間の静電容量を基準とし
   て、前記静電容量が前記基準となる静電容量となるよう
   に前記可動電極の垂直方向の変位を制御する垂直変位制
   御手段とを備え、前記垂直変位制御手段は、前記可動電極に形成された変
   位制御用可動電極と、前記変位制御用可動電極に対向す
   るように前記半導体基板の上方で、前記変位制御用可動
   電極と前記半導体基板に対して同じ高さになるように設
   けられた変位制御用固定電極との間に、前記変位検出手
   段にて検出した前記可動電極の変位に応じて前記変位制
   御用可動電極と前記変位制御用固定電極間に制御電圧を
   印加し、前記変位制御用可動電極と前記変位制御用固定
   電極間の静電気力により前記可動電極と前記半導体基板
   の間隔を一定にする電圧制御手段とを有する ことを特徴
   とする半導体ヨーレートセンサ。