振動型物理量センサ
【課題】振動型角速度センサの錘部および梁部の振動のＱ値を低減する。
【解決手段】パッケージと、前記パッケージに底面が接合される環状の支持部と、前記支持部の内側に位置する錘部と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを連結する梁部と、前記梁部に形成される駆動用圧電素および検出用圧電素子と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを隔てるスリットが形成され前記支持部の上部と前記錘部の上部と前記梁部の全部とを構成する可撓層と、前記支持部の下部と前記錘部の下部とを隔てるとともに前記スリットに連通している環状の空隙が形成され前記錘部の下部と前記支持部の下部とを構成し前記可撓層より厚い不可撓層とを備え、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記スリットの幅は、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記空隙の幅よりも狭い、振動型角速度センサ。
【解決手段】パッケージと、前記パッケージに底面が接合される環状の支持部と、前記支持部の内側に位置する錘部と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを連結する梁部と、前記梁部に形成される駆動用圧電素および検出用圧電素子と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを隔てるスリットが形成され前記支持部の上部と前記錘部の上部と前記梁部の全部とを構成する可撓層と、前記支持部の下部と前記錘部の下部とを隔てるとともに前記スリットに連通している環状の空隙が形成され前記錘部の下部と前記支持部の下部とを構成し前記可撓層より厚い不可撓層とを備え、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記スリットの幅は、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記空隙の幅よりも狭い、振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型物理量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサなどの物理量センサが知られている。特許文献１に記載された振動型角速度センサでは、錘部を周回運動させることによって、直交する３軸の角速度成分を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９６２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、直交する２軸の固有振動数を揃えて錘部を周回運動させることは困難である。そこで振動型角速度センサの錘部を、直交する２軸の方向に時分割駆動することを考える。錘部を時分割駆動する場合、錘部の振動方向を切り換える間に振動をいったん減衰させるのに必要な時間や起動後に錘部の振動を再起動するのに要する時間は、錘部および梁部の振動のＱ値に依存する。
【０００５】
本発明は、振動型物理量センサの錘部および梁部の振動のＱ値を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための振動型物理量センサは、パッケージと、前記パッケージに底面が接合される環状の支持部と、前記支持部の内側に位置する錘部と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを連結する梁部と、前記梁部に形成される駆動用圧電素および検出用圧電素子と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを隔てるスリットが形成され前記支持部の上部と前記錘部の上部と前記梁部の全部とを構成する可撓層と、前記支持部の下部と前記錘部の下部とを隔てるとともに前記スリットに連通している環状の空隙が形成され前記錘部の下部と前記支持部の下部とを構成し前記可撓層より厚い不可撓層とを備え、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記スリットの幅は、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記空隙の幅よりも狭い。
【０００７】
パッケージによって一方が閉塞された支持部の内部空間が狭く、支持部の内部空間と支持部の外部空間とを連通する開口の面積が狭くなるほど、支持部の内部空間において振動する錘部に作用する空気抵抗が大きくなり、錘部及び梁部の振動のＱ値が低くなる。しかし、可撓層と不可撓層とが構成している錘部と支持部との間の空隙自体を狭めることは、厚い不可撓層を狭く深くエッチングしなければならないため困難である。本発明では、相対的に厚い不可撓層を貫通している空隙よりも幅が狭いスリットを相対的に薄い可撓層に形成する。これにより、錘部と支持部との間の空隙全体を狭めることによって支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口を狭める場合に比べ、支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口を狭めることができる。すなわち、本発明によると、支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口としてのスリットの幅を、不可撓層の厚さと無関係に狭めることができるため、錘部及び梁部のＱ値を低くすることができる。なお、可撓層は、少なくとも、それ自体で梁部を構成した場合には、駆動用圧電素子によって梁部を振動させることができるとともに、検出用圧電素子を用いて検出できる程度に錘部の運動に伴って梁部が変形する可撓性を有する層である。また不可撓層は、少なくとも、それ自体で支持部を構成した場合には、実質的に剛体として支持部がふるまう程度の不可撓性を有する層である。
【０００８】
（２）上記目的を達成するための振動型物理量センサの製造方法は、前記不可撓層になる基層と前記基層よりも薄く前記可撓層になるデバイス層と前記基層と前記デバイス層とに挟まれ前記不可撓層になる絶縁層とからなるＳＯＩウエハの前記デバイス層をエッチングすることによって前記スリットを形成し、前記基層をエッチングすることによって前記スリットの幅よりも広い幅を有する前記空隙を形成し、前記スリットおよび前記空隙から露出した前記絶縁層をエッチングすることによって前記空隙と前記スリットとを連通させることを含む。
【０００９】
このようにして振動型物理量センサを製造することによって、支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口としてのスリットの幅を不可撓層に形成する環状の空隙の幅よりも狭めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは本発明の一実施形態にかかる平面図である。図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ線の断面図である。図１Ｃは図１Ａに示す１Ｃ線の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる断面図である。
【図５】図５Ａは本発明の一実施形態にかかる平面図である。図５Ｂは図５Ａに示す５Ｂ線の断面図である。
【図６】図６Ａは本発明の一実施形態にかかる平面図である。図６Ｂは図６Ａに示す６Ｂ線の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明による振動型物理量センサの第一実施形態を示している。図１Ａは振動型角速度センサ１の上面図、図１Ｂは図１ＡのＢＢ線における断面図、図１Ｃは図１ＡのＣＣ線における断面図である。説明の便宜のために図１に示すように互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸を定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの半導体デバイス材料からなる積層構造体１ａがパッケージに収容されたものである。
【００１２】
振動型角速度センサ１は、支持部１０、錘部１５、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、駆動用圧電素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、検出用圧電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄなどが形成されている積層構造体１ａと駆動用圧電素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄおよび検出用圧電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに接続される図示しない駆動検出回路とを備えている。駆動検出回路は積層構造体１ａに形成しても良いし、積層構造体１ａとともに１つのパッケージに収容される別の積層構造体に形成しても良いし、積層構造体１ａのパッケージとは別のパッケージに収容される１つ以上の積層構造体に形成しても良い。支持部１０は、パッケージの底部１９に接着層２２を介して固定される。錘部１５の底部２０はパッケージの底部１９の上面から離間しているため、錘部１５は支持部１０に対して振動可能である。接着層２２は、環状に形成し、パッケージの底部１９と支持部１０とを気密に結合することが好ましい。これにより、支持部１０の内側に出入りする空気の通路は、後述するデバイス層１０４に形成されるスリット１０４ｓのみになる。
【００１３】
基層１００は例えば厚さ６２５μｍの単結晶珪素からなる。基層１００はデバイス層１０４に比べてもその他の層に比べても突出して厚い層であって不可撓層を構成している。基層１００は支持部１０および錘部１５の大部分を構成している。梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、デバイス層１０４から構成されている。デバイス層１０４は支持部１０および錘部１５の上部をも構成しており、支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５にわたって連続する可撓層を構成している。これにより支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５が一体に連結されている。デバイス層１０４は例えば厚さ１０μｍの単結晶珪素からなる。基層１００とデバイス層１０４との間には製造時にエッチングストッパとして機能する絶縁層１０２が形成されている。絶縁層１０２は例えば厚さ１μｍの酸化珪素からなる。絶縁層１０２は基層１００とともに不可撓層を構成している。駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４は圧電層１１０とこれを両側から挟み込んでいる電極層１０８、１１２とからなる。電極層１０８、１１２は例えば厚さ０．１μｍの白金からなり、図示しない配線要素（導線、ボンディングパッド等）をも構成する。圧電層１１０は例えば厚さ３μｍのＰＺＴからなる。
【００１４】
環状の支持部１０は矩形枠の形態を有する。支持部１０は梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに比べて十分厚くパッケージに固定されるため実質的に剛体として振る舞う。支持部１０は内側に錘部１５が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。
【００１５】
４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、いずれも一端が支持部１０に他端が錘部１５に結合している。すなわち４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは支持部１０の内側に錘部１５を支持している。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、支持部１０の内側に十字形に配置され、ｘｙ平面と平行に整列している。梁部１２ａ、１２ｃの対は、ｙ軸方向に整列し、それぞれｙ軸方向に延びている。梁部１２ｂ、１２ｄの対は、ｘ軸方向に整列し、それぞれｘ軸方向に延びている。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分薄い扁平な板ばね形である。したがって４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ一端が支持部１０に固定され他端が支持部１０を基準にしてｚ方向に変位するばねとして振る舞う。扁平な梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがｚ軸方向に撓むことによって錘部１５は支持部１０に対してｘ、ｙ、ｚ軸のそれぞれの方向に振動可能である。
【００１６】
本実施形態の錘部１５は４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと結合している中央部と、隣り合う梁部１２の間に中央部から突出する４つの周辺部とが結合した形態を有する。錘部１５は支持部１０を構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含むため、支持部１０に対して３次元運動する剛体として振る舞う。支持部１０の内側に錘部１５が収まった状態において支持部１０の下部と錘部１５の下部との間に環状の空隙１００ｓが形成されている。すなわち、支持部１０の下部と錘部１５の下部とを構成している基層１００には、環状の空隙１００ｓが形成されている。空隙１００ｓの一方側（ｚ軸負方向側）はパッケージ１９によって閉塞され、その他方側（ｚ軸正方向側）は図１Ａに示すように大部分が４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって閉塞されるとともにデバイス層１０４に形成されている４つのスリット１０４ｓにおいてわずかに開口している。空隙１００ｓとスリット１０４ｓとは基層１００とほぼ同じパターンの絶縁層１０２を介して連通している。
【００１７】
梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれの表面の支持部１０との境界近傍に励振手段として駆動用圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが設けられる。ｙ軸方向に錘部１５を振動させるための駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃと、ｘ軸方向に錘部１５を振動させるための駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄとは時分割駆動される。すなわち、ｙ軸方向に配列された駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃに励振信号を印加するモードと、ｘ軸方向に配列された駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄに励振信号を印加するモードがあり、そのモードを一定時間経過ごとに切り替えることによって、錘部１５のｙ軸方向の振動とｘ軸方向の振動とを切り替える。錘部１５がｘ軸方向に振動しているモードでは、ｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力がｙ軸方向に作用し、ｙ軸周りの回転に伴うコリオリ力がｚ軸方向に作用する。また、錘部１５がｙ軸方向に振動しているモードでは、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力がｚ軸方向に作用する。
【００１８】
梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれの表面の錘部１５との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが設けられる。錘部１５がｘ軸方向に振動しているモードでは、検出用圧電素子１４ａ、１４ｃの出力の差分をとって錘部１５のｙ軸方向の振動を検出することによってｚ軸周りの角速度を検出でき、検出用圧電素子１４ａ、１４ｃの出力の和分をとって錘部１５のｚ軸方向の振動を検出することによってｙ軸周りの角速度を検出できる。錘部１５がｙ軸方向に振動しているモードでは、検出用圧電素子１４ｂ、１４ｄの出力の和分をとって錘部１５のｚ軸方向の振動を検出することによってｘ軸周りの角速度を検出できる。モードを切り替える際は、切り替え前のモードの振動が減衰してからもう一方のモードの励振を開始する必要があるため、減衰に要する時間は短い方が望ましい。したがって錘部１５のＱ値が小さいことが望ましい。
【００１９】
錘部１５のＱ値は、錘部１５の運動に伴う空気抵抗の大きさに相関する。空隙１００ｓの一方側パッケージの底部１９によって閉塞されているため、スリット１０４ｓは空隙１００ｓの唯一の開口である。このため、スリット１０４ｓを狭く形成すればするほど、錘部１５の運動に伴う空気抵抗は大きくなり、錘部１５のＱ値は下がる。相対的に薄いデバイス層１０４のスリット１０４ｓの幅を狭めることは、相対的に厚い基層１００の空隙１００ｓの幅を狭めることに比較して容易である。このため、本実施形態においては、図１Ｃに示すようにｙ軸方向から見ても、ｘ軸方向から見ても、スリット１０４ｓによって隔てられている支持部１０と錘部１５との距離は、空隙１００ｓによって隔てられている支持部１０と錘部１５との距離よりも短くなっている。換言すれば、支持部１０と錘部１５とを隔てるスリット１０４ｓの幅は、支持部１０と錘部１５とを隔てる空隙１００ｓの幅よりも狭くなっている。
【００２０】
このようにスリット１０４ｓを構成するとき、錘部１５においてデバイス層１０４は基層１００よりも支持部１０に向かって突出することになる。すなわち本実施形態においてデバイス層１０４は、空隙１００ｓの一部に覆い被さることによって空隙１００ｓの開口を狭めている。錘部１５においてデバイス層１０４を基層１００よりも支持部１０に向かって突出させると、錘部１５がｚ軸方向に振動したり、ｘ軸またはｙ軸周りに揺れ動くときに、錘部１５において基層１００よりも支持部１０に向かって突出しているデバイス層１０４の部分がエアブレーキとして機能する。
【００２１】
（製造方法）
図１に示した振動型角速度センサ１は、次のようにして製造することができる。
はじめに駆動用圧電素子１３、検出用圧電素子１４をデバイス層１０４の表面上にスパッタまたは印刷により形成した後、図２に示すように、フォトレジストからなる保護膜Ｒ１をデバイス層１０４の表面上に形成するとともにスリット１０４ｓに対応したパターンに露光・現像する。続いて、保護膜Ｒ１から露出しているデバイス層１０４をエッチングすることによってスリット１０４ａを形成する。このとき絶縁層１０２をエッチングストッパとして用いる。
【００２２】
次に図３に示すように、基層１００の表面上にフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を形成するとともに空隙１００ｓに対応したパターンに露光・現像する。このとき、空隙１００ｓに対応する保護膜Ｒ２の開口部は、スリット１０４ｓの全部に重なり、スリット１０４ｓよりも広く形成される。続いて保護膜Ｒ２から露出している基層１００をＤｅｅｐ−ＲＩＥ（所謂ボッシュプロセス）によりエッチングすることによって空隙１００ｓを形成する。保護膜Ｒ２の開口部はスリット１０４ｓの全部に重なりスリット１０４ｓよりも広いため、スリット１０４ｓの幅は空隙１００ｓの幅よりも狭くなる。このとき、絶縁層１０２をエッチングストッパとして用いる。
【００２３】
次に図４に示すように、空隙１００ｓおよびスリット１０４ｓから露出している絶縁層１０２をエッチングすると、空隙１００ｓとスリット１０４ｓとが連通する。
【００２４】
その後、ダイシング、パッケージング等の後工程を実施すると図１に示した振動型角速度センサ１を製造することができる。このようにして振動型角速度センサ１を製造する場合、デバイス層１０４は基層１００よりも極端に薄いため、空隙１００ｓよりも大幅に狭いスリット１０４ｓをデバイス層１０４に形成することができる。すなわち、デバイス層１０４をエッチングするための保護膜Ｒ１のパターンと、基層１００をエッチングするための保護膜Ｒ２のパターンとを異ならせることによって、空隙１００ｓよりも大幅に狭いスリット１０４ｓをデバイス層１０４に形成することができる。
【００２５】
２．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、図５に示す振動型角速度センサ２のように支持部１０において基層１００よりもデバイス層１０４を錘部１５に向かって突出させることによって、空隙１００より幅が狭いスリット１０４ｓを形成しても良い。また、図６に示す振動型角速度センサ３のように錘部１５において基層１００よりもデバイス層１０４を支持部１０に向かって突出させるとともに、支持部１０においても基層１００よりデバイス層１０４を錘部１５に向かって突出させてもよい。
また例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【符号の説明】
【００２６】
１：振動型角速度センサ、２：振動型角速度センサ、３：振動型角速度センサ、１０：支持部、１２：梁部、１３：駆動用圧電素子、１４：検出用圧電素子、１５：錘部、１８：膜、１９：パッケージの底部、２０：錘部の底面、２２：接着層、１００：基層、１０２：絶縁層、１０４：デバイス層、１０６：絶縁層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１１２：電極層
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型物理量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサなどの物理量センサが知られている。特許文献１に記載された振動型角速度センサでは、錘部を周回運動させることによって、直交する３軸の角速度成分を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９６２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、直交する２軸の固有振動数を揃えて錘部を周回運動させることは困難である。そこで振動型角速度センサの錘部を、直交する２軸の方向に時分割駆動することを考える。錘部を時分割駆動する場合、錘部の振動方向を切り換える間に振動をいったん減衰させるのに必要な時間や起動後に錘部の振動を再起動するのに要する時間は、錘部および梁部の振動のＱ値に依存する。
【０００５】
本発明は、振動型物理量センサの錘部および梁部の振動のＱ値を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための振動型物理量センサは、パッケージと、前記パッケージに底面が接合される環状の支持部と、前記支持部の内側に位置する錘部と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを連結する梁部と、前記梁部に形成される駆動用圧電素および検出用圧電素子と、前記支持部の上部と前記錘部の上部とを隔てるスリットが形成され前記支持部の上部と前記錘部の上部と前記梁部の全部とを構成する可撓層と、前記支持部の下部と前記錘部の下部とを隔てるとともに前記スリットに連通している環状の空隙が形成され前記錘部の下部と前記支持部の下部とを構成し前記可撓層より厚い不可撓層とを備え、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記スリットの幅は、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記空隙の幅よりも狭い。
【０００７】
パッケージによって一方が閉塞された支持部の内部空間が狭く、支持部の内部空間と支持部の外部空間とを連通する開口の面積が狭くなるほど、支持部の内部空間において振動する錘部に作用する空気抵抗が大きくなり、錘部及び梁部の振動のＱ値が低くなる。しかし、可撓層と不可撓層とが構成している錘部と支持部との間の空隙自体を狭めることは、厚い不可撓層を狭く深くエッチングしなければならないため困難である。本発明では、相対的に厚い不可撓層を貫通している空隙よりも幅が狭いスリットを相対的に薄い可撓層に形成する。これにより、錘部と支持部との間の空隙全体を狭めることによって支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口を狭める場合に比べ、支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口を狭めることができる。すなわち、本発明によると、支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口としてのスリットの幅を、不可撓層の厚さと無関係に狭めることができるため、錘部及び梁部のＱ値を低くすることができる。なお、可撓層は、少なくとも、それ自体で梁部を構成した場合には、駆動用圧電素子によって梁部を振動させることができるとともに、検出用圧電素子を用いて検出できる程度に錘部の運動に伴って梁部が変形する可撓性を有する層である。また不可撓層は、少なくとも、それ自体で支持部を構成した場合には、実質的に剛体として支持部がふるまう程度の不可撓性を有する層である。
【０００８】
（２）上記目的を達成するための振動型物理量センサの製造方法は、前記不可撓層になる基層と前記基層よりも薄く前記可撓層になるデバイス層と前記基層と前記デバイス層とに挟まれ前記不可撓層になる絶縁層とからなるＳＯＩウエハの前記デバイス層をエッチングすることによって前記スリットを形成し、前記基層をエッチングすることによって前記スリットの幅よりも広い幅を有する前記空隙を形成し、前記スリットおよび前記空隙から露出した前記絶縁層をエッチングすることによって前記空隙と前記スリットとを連通させることを含む。
【０００９】
このようにして振動型物理量センサを製造することによって、支持部の内部空間と外部空間とを連通する開口としてのスリットの幅を不可撓層に形成する環状の空隙の幅よりも狭めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは本発明の一実施形態にかかる平面図である。図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ線の断面図である。図１Ｃは図１Ａに示す１Ｃ線の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる断面図である。
【図５】図５Ａは本発明の一実施形態にかかる平面図である。図５Ｂは図５Ａに示す５Ｂ線の断面図である。
【図６】図６Ａは本発明の一実施形態にかかる平面図である。図６Ｂは図６Ａに示す６Ｂ線の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明による振動型物理量センサの第一実施形態を示している。図１Ａは振動型角速度センサ１の上面図、図１Ｂは図１ＡのＢＢ線における断面図、図１Ｃは図１ＡのＣＣ線における断面図である。説明の便宜のために図１に示すように互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸を定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの半導体デバイス材料からなる積層構造体１ａがパッケージに収容されたものである。
【００１２】
振動型角速度センサ１は、支持部１０、錘部１５、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、駆動用圧電素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、検出用圧電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄなどが形成されている積層構造体１ａと駆動用圧電素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄおよび検出用圧電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに接続される図示しない駆動検出回路とを備えている。駆動検出回路は積層構造体１ａに形成しても良いし、積層構造体１ａとともに１つのパッケージに収容される別の積層構造体に形成しても良いし、積層構造体１ａのパッケージとは別のパッケージに収容される１つ以上の積層構造体に形成しても良い。支持部１０は、パッケージの底部１９に接着層２２を介して固定される。錘部１５の底部２０はパッケージの底部１９の上面から離間しているため、錘部１５は支持部１０に対して振動可能である。接着層２２は、環状に形成し、パッケージの底部１９と支持部１０とを気密に結合することが好ましい。これにより、支持部１０の内側に出入りする空気の通路は、後述するデバイス層１０４に形成されるスリット１０４ｓのみになる。
【００１３】
基層１００は例えば厚さ６２５μｍの単結晶珪素からなる。基層１００はデバイス層１０４に比べてもその他の層に比べても突出して厚い層であって不可撓層を構成している。基層１００は支持部１０および錘部１５の大部分を構成している。梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、デバイス層１０４から構成されている。デバイス層１０４は支持部１０および錘部１５の上部をも構成しており、支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５にわたって連続する可撓層を構成している。これにより支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５が一体に連結されている。デバイス層１０４は例えば厚さ１０μｍの単結晶珪素からなる。基層１００とデバイス層１０４との間には製造時にエッチングストッパとして機能する絶縁層１０２が形成されている。絶縁層１０２は例えば厚さ１μｍの酸化珪素からなる。絶縁層１０２は基層１００とともに不可撓層を構成している。駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４は圧電層１１０とこれを両側から挟み込んでいる電極層１０８、１１２とからなる。電極層１０８、１１２は例えば厚さ０．１μｍの白金からなり、図示しない配線要素（導線、ボンディングパッド等）をも構成する。圧電層１１０は例えば厚さ３μｍのＰＺＴからなる。
【００１４】
環状の支持部１０は矩形枠の形態を有する。支持部１０は梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに比べて十分厚くパッケージに固定されるため実質的に剛体として振る舞う。支持部１０は内側に錘部１５が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。
【００１５】
４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、いずれも一端が支持部１０に他端が錘部１５に結合している。すなわち４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは支持部１０の内側に錘部１５を支持している。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、支持部１０の内側に十字形に配置され、ｘｙ平面と平行に整列している。梁部１２ａ、１２ｃの対は、ｙ軸方向に整列し、それぞれｙ軸方向に延びている。梁部１２ｂ、１２ｄの対は、ｘ軸方向に整列し、それぞれｘ軸方向に延びている。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分薄い扁平な板ばね形である。したがって４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ一端が支持部１０に固定され他端が支持部１０を基準にしてｚ方向に変位するばねとして振る舞う。扁平な梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがｚ軸方向に撓むことによって錘部１５は支持部１０に対してｘ、ｙ、ｚ軸のそれぞれの方向に振動可能である。
【００１６】
本実施形態の錘部１５は４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと結合している中央部と、隣り合う梁部１２の間に中央部から突出する４つの周辺部とが結合した形態を有する。錘部１５は支持部１０を構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含むため、支持部１０に対して３次元運動する剛体として振る舞う。支持部１０の内側に錘部１５が収まった状態において支持部１０の下部と錘部１５の下部との間に環状の空隙１００ｓが形成されている。すなわち、支持部１０の下部と錘部１５の下部とを構成している基層１００には、環状の空隙１００ｓが形成されている。空隙１００ｓの一方側（ｚ軸負方向側）はパッケージ１９によって閉塞され、その他方側（ｚ軸正方向側）は図１Ａに示すように大部分が４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって閉塞されるとともにデバイス層１０４に形成されている４つのスリット１０４ｓにおいてわずかに開口している。空隙１００ｓとスリット１０４ｓとは基層１００とほぼ同じパターンの絶縁層１０２を介して連通している。
【００１７】
梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれの表面の支持部１０との境界近傍に励振手段として駆動用圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが設けられる。ｙ軸方向に錘部１５を振動させるための駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃと、ｘ軸方向に錘部１５を振動させるための駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄとは時分割駆動される。すなわち、ｙ軸方向に配列された駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃに励振信号を印加するモードと、ｘ軸方向に配列された駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄに励振信号を印加するモードがあり、そのモードを一定時間経過ごとに切り替えることによって、錘部１５のｙ軸方向の振動とｘ軸方向の振動とを切り替える。錘部１５がｘ軸方向に振動しているモードでは、ｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力がｙ軸方向に作用し、ｙ軸周りの回転に伴うコリオリ力がｚ軸方向に作用する。また、錘部１５がｙ軸方向に振動しているモードでは、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力がｚ軸方向に作用する。
【００１８】
梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれの表面の錘部１５との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが設けられる。錘部１５がｘ軸方向に振動しているモードでは、検出用圧電素子１４ａ、１４ｃの出力の差分をとって錘部１５のｙ軸方向の振動を検出することによってｚ軸周りの角速度を検出でき、検出用圧電素子１４ａ、１４ｃの出力の和分をとって錘部１５のｚ軸方向の振動を検出することによってｙ軸周りの角速度を検出できる。錘部１５がｙ軸方向に振動しているモードでは、検出用圧電素子１４ｂ、１４ｄの出力の和分をとって錘部１５のｚ軸方向の振動を検出することによってｘ軸周りの角速度を検出できる。モードを切り替える際は、切り替え前のモードの振動が減衰してからもう一方のモードの励振を開始する必要があるため、減衰に要する時間は短い方が望ましい。したがって錘部１５のＱ値が小さいことが望ましい。
【００１９】
錘部１５のＱ値は、錘部１５の運動に伴う空気抵抗の大きさに相関する。空隙１００ｓの一方側パッケージの底部１９によって閉塞されているため、スリット１０４ｓは空隙１００ｓの唯一の開口である。このため、スリット１０４ｓを狭く形成すればするほど、錘部１５の運動に伴う空気抵抗は大きくなり、錘部１５のＱ値は下がる。相対的に薄いデバイス層１０４のスリット１０４ｓの幅を狭めることは、相対的に厚い基層１００の空隙１００ｓの幅を狭めることに比較して容易である。このため、本実施形態においては、図１Ｃに示すようにｙ軸方向から見ても、ｘ軸方向から見ても、スリット１０４ｓによって隔てられている支持部１０と錘部１５との距離は、空隙１００ｓによって隔てられている支持部１０と錘部１５との距離よりも短くなっている。換言すれば、支持部１０と錘部１５とを隔てるスリット１０４ｓの幅は、支持部１０と錘部１５とを隔てる空隙１００ｓの幅よりも狭くなっている。
【００２０】
このようにスリット１０４ｓを構成するとき、錘部１５においてデバイス層１０４は基層１００よりも支持部１０に向かって突出することになる。すなわち本実施形態においてデバイス層１０４は、空隙１００ｓの一部に覆い被さることによって空隙１００ｓの開口を狭めている。錘部１５においてデバイス層１０４を基層１００よりも支持部１０に向かって突出させると、錘部１５がｚ軸方向に振動したり、ｘ軸またはｙ軸周りに揺れ動くときに、錘部１５において基層１００よりも支持部１０に向かって突出しているデバイス層１０４の部分がエアブレーキとして機能する。
【００２１】
（製造方法）
図１に示した振動型角速度センサ１は、次のようにして製造することができる。
はじめに駆動用圧電素子１３、検出用圧電素子１４をデバイス層１０４の表面上にスパッタまたは印刷により形成した後、図２に示すように、フォトレジストからなる保護膜Ｒ１をデバイス層１０４の表面上に形成するとともにスリット１０４ｓに対応したパターンに露光・現像する。続いて、保護膜Ｒ１から露出しているデバイス層１０４をエッチングすることによってスリット１０４ａを形成する。このとき絶縁層１０２をエッチングストッパとして用いる。
【００２２】
次に図３に示すように、基層１００の表面上にフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を形成するとともに空隙１００ｓに対応したパターンに露光・現像する。このとき、空隙１００ｓに対応する保護膜Ｒ２の開口部は、スリット１０４ｓの全部に重なり、スリット１０４ｓよりも広く形成される。続いて保護膜Ｒ２から露出している基層１００をＤｅｅｐ−ＲＩＥ（所謂ボッシュプロセス）によりエッチングすることによって空隙１００ｓを形成する。保護膜Ｒ２の開口部はスリット１０４ｓの全部に重なりスリット１０４ｓよりも広いため、スリット１０４ｓの幅は空隙１００ｓの幅よりも狭くなる。このとき、絶縁層１０２をエッチングストッパとして用いる。
【００２３】
次に図４に示すように、空隙１００ｓおよびスリット１０４ｓから露出している絶縁層１０２をエッチングすると、空隙１００ｓとスリット１０４ｓとが連通する。
【００２４】
その後、ダイシング、パッケージング等の後工程を実施すると図１に示した振動型角速度センサ１を製造することができる。このようにして振動型角速度センサ１を製造する場合、デバイス層１０４は基層１００よりも極端に薄いため、空隙１００ｓよりも大幅に狭いスリット１０４ｓをデバイス層１０４に形成することができる。すなわち、デバイス層１０４をエッチングするための保護膜Ｒ１のパターンと、基層１００をエッチングするための保護膜Ｒ２のパターンとを異ならせることによって、空隙１００ｓよりも大幅に狭いスリット１０４ｓをデバイス層１０４に形成することができる。
【００２５】
２．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、図５に示す振動型角速度センサ２のように支持部１０において基層１００よりもデバイス層１０４を錘部１５に向かって突出させることによって、空隙１００より幅が狭いスリット１０４ｓを形成しても良い。また、図６に示す振動型角速度センサ３のように錘部１５において基層１００よりもデバイス層１０４を支持部１０に向かって突出させるとともに、支持部１０においても基層１００よりデバイス層１０４を錘部１５に向かって突出させてもよい。
また例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【符号の説明】
【００２６】
１：振動型角速度センサ、２：振動型角速度センサ、３：振動型角速度センサ、１０：支持部、１２：梁部、１３：駆動用圧電素子、１４：検出用圧電素子、１５：錘部、１８：膜、１９：パッケージの底部、２０：錘部の底面、２２：接着層、１００：基層、１０２：絶縁層、１０４：デバイス層、１０６：絶縁層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１１２：電極層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージと、
前記パッケージに底面が接合される環状の支持部と、
前記支持部の内側に位置する錘部と、
前記支持部の上部と前記錘部の上部とを連結する梁部と、
前記梁部に形成される駆動用圧電素および検出用圧電素子と、
前記支持部の上部と前記錘部の上部とを隔てるスリットが形成され前記支持部の上部と前記錘部の上部と前記梁部の全部とを構成する可撓層と、
前記支持部の下部と前記錘部の下部とを隔てるとともに前記スリットに連通している環状の空隙が形成され前記錘部の下部と前記支持部の下部とを構成し前記可撓層より厚い不可撓層とを備え、
前記支持部と前記錘部とを隔てる前記スリットの幅は、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記空隙の幅よりも狭い、
振動型角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動型角速度センサを製造する方法であって、
前記不可撓層になる基層と前記基層よりも薄く前記可撓層になるデバイス層と前記基層と前記デバイス層とに挟まれ前記不可撓層になる絶縁層とからなるＳＯＩウエハの前記デバイス層をエッチングすることによって前記スリットを形成し、
前記基層をエッチングすることによって前記スリットの幅よりも広い幅を有する前記空隙を形成し、
前記スリットおよび前記空隙から露出した前記絶縁層をエッチングすることによって前記空隙と前記スリットとを連通させる、
ことを含む振動型角速度センサの製造方法。
【請求項１】
パッケージと、
前記パッケージに底面が接合される環状の支持部と、
前記支持部の内側に位置する錘部と、
前記支持部の上部と前記錘部の上部とを連結する梁部と、
前記梁部に形成される駆動用圧電素および検出用圧電素子と、
前記支持部の上部と前記錘部の上部とを隔てるスリットが形成され前記支持部の上部と前記錘部の上部と前記梁部の全部とを構成する可撓層と、
前記支持部の下部と前記錘部の下部とを隔てるとともに前記スリットに連通している環状の空隙が形成され前記錘部の下部と前記支持部の下部とを構成し前記可撓層より厚い不可撓層とを備え、
前記支持部と前記錘部とを隔てる前記スリットの幅は、前記支持部と前記錘部とを隔てる前記空隙の幅よりも狭い、
振動型角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動型角速度センサを製造する方法であって、
前記不可撓層になる基層と前記基層よりも薄く前記可撓層になるデバイス層と前記基層と前記デバイス層とに挟まれ前記不可撓層になる絶縁層とからなるＳＯＩウエハの前記デバイス層をエッチングすることによって前記スリットを形成し、
前記基層をエッチングすることによって前記スリットの幅よりも広い幅を有する前記空隙を形成し、
前記スリットおよび前記空隙から露出した前記絶縁層をエッチングすることによって前記空隙と前記スリットとを連通させる、
ことを含む振動型角速度センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−７５４１８（Ｐ２０１１−７５４１８Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２７４８５（Ｐ２００９−２２７４８５）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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