CN100585330C - 角速度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
基板由单晶硅制成且具有音叉形状。所述基板包括多个彼此平行延伸的音叉臂和用于彼此连接所述音叉臂的相应端的连接部分。角速度传感器包括：在所述基板的所述音叉臂中的各音叉臂上提供的含有氧化硅的阻挡层；在所述阻挡层上提供的含有钛的第一粘附层；在所述第一粘附层上提供的含有钛和氧化钛中至少一者的第一电极层；在所述第一电极层上提供的取向控制层；在所述取向控制层上提供的压电层；在所述压电层上提供的第二粘附层；和在所述第二粘附层上提供的第二电极层。这种角速度传感器具有小尺寸和稳定的特性。
Description
技术领域
本发明涉及具有薄膜积层结构的角速度传感器，且涉及制造所述传感器的方法。
背景技术
图3是日本专利第3481235号中揭示的现有角速度传感器101的透视图。图4是图3中所示的角速度传感器101在线4-4处截得的截面图。基板4为音叉形状，其具有图3中所示的在y方向上彼此平行延伸的一对音叉臂2a和2b，以及将音叉臂2a与音叉臂2b连接的连接部3。如图4中所示，角速度传感器101包括在基板4的音叉臂2a(2b)上提供的粘附层5、在粘附层5上提供的下部电极层6、在下部电极层6上提供的取向控制层7、在取向控制层7上提供的压电层8、在压电层8上提供的粘附层9和在粘附层9上提供的上部电极层10。粘附层5、下部电极层6、取向控制层7、压电层8、粘附层9和上部电极层10构成积层体111。具有彼此相反相位的交流电压被施加到音叉臂2a与2b各自的上部电极层10，使得音叉臂2a与2b在排列音叉臂的x方向上振动。
基板4由单晶硅(Si)制成。粘附层5含有钛。下部电极层6含有包括Ti或TiOx的铂(Pt)。取向控制层7含有添加有镧-镁的钛酸铅(PLMT)。压电层8由锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3:PZT)制成。
在Si的基板4与Ti的粘附层5的组合中，当形成积层体111时Si与Ti在高温下反应。这个反应使得Si原子向下部电极层6的Pt、取向控制层7和压电层8的PZT中扩散，从而改变这些层。如果Si原子向下部电极层6的Pt、取向控制层7和压电层8的PZT中扩散，则压电层8的PZT晶体不能够经取向为具有优先取向(001)，从而使压电层8的特性退化。这妨碍角速度传感器101具有较小的尺寸且会使其特性不稳定。
发明内容
基板由单晶硅制成且具有音叉形状。所述基板包括多个彼此平行延伸的音叉臂，和用于使所述音叉臂的各自的一端彼此相连接的连接部分。角速度传感器包括：在所述基板的所述各音叉臂上提供的含有氧化硅的阻挡层；在所述阻挡层上提供的含有钛的第一粘附层；在所述第一粘附层上提供的含有钛和氧化钛中至少一者的第一电极层；在所述第一电极层上提供的取向控制层；在所述取向控制层上提供的压电层；在所述压电层上提供的第二粘附层；和在所述第二粘附层上提供的第二电极层。
这种角速度传感器具有较小的尺寸和稳定的传感特性。
附图说明
图1是根据本发明示范性实施例的角速度传感器的透视图。
图2是图1中所示的角速度传感器在线2-2处截得的截面图。
图3是现有角速度传感器的透视图。
图4是图3中所示的角速度传感器在线4-4处截得的截面图。
附图标记
1角速度传感器
2a音叉臂
2b音叉臂
3连接部
4基板
5粘附层(第一粘附层)
6下部电极层(第一电极层)
7取向控制层
8压电层
9粘附层(第二粘附层)
10上部电极层(第二电极层)
11积层体
12阻挡层
具体实施方式
图1是根据本发明示范性实施例的角速度传感器的透视图。图2是所述实施例的角速度传感器1的薄膜积层结构的示意图。基板4为音叉形状，其具有在y方向上彼此平行延伸的一对音叉臂2a和2b，以及将音叉臂2a与音叉臂2b连接的连接部3。角速度传感器1包括提供在基板4的音叉臂2a(2b)上的阻挡层12、在阻挡层12上提供的粘附层5、在粘附层5上提供的下部电极层6、在下部电极层6上提供的取向控制层7、在取向控制层7上提供的压电层8、在压电层8上提供的粘附层9和在粘附层9上提供的上部电极层10。阻挡层12、粘附层5、下部电极层6、取向控制层7、压电层8、粘附层9和上部电极层10构成积层体11。具有彼此相反相位的交流(AC)电压被施加到音叉臂2a与2b各自的上部电极层10的驱动电极10A，并使音叉臂2a与2b在排列音叉臂的x方向上振动。
基板4由单晶硅(Si)制成。阻挡层12由二氧化硅(SiO2)制成，其易于通过在氧或水蒸汽中在高于700℃的温度下热氧化基板4而产生。阻挡层12的厚度范围是从20nm到300nm。
阻挡层12上的粘附层5由钛(Ti)制成。下部电极层6由含有钛(Ti)或氧化钛(TiOx)的铂(Pt)制成。Pt具有高传导率且在高温氧化气氛下展现极好的稳定性。粘附层5具有不大于50nm的厚度。下部电极层6具有不大于500nm的厚度。
取向控制层7由主要含有钛酸铅(PbTiO3)且添加镧(La)和镁(Mg)的添加有镧-镁的钛酸铅(PLMT)制成。取向控制层7的厚度不大于200nm。由锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3:PZT)制成的压电层8具有钙钛矿结构。层8的厚度范围是从1000nm到4000nm。取向控制层7减少了下部电极层6的Pt-晶体与压电层8的PZT晶体之间的各自的晶格常数的差异的影响。
在驱动电极10A与下部电极层6之间施加AC电压以在积层体11中产生压电位移，从而音叉臂2a与2b在x方向上振动。当在振动期间施加角速度时，压电层8由科里奥利(Coriolis)力扭曲。这个扭曲使检测电极10B带有电荷以允许检测扭曲程度。
由PZT制成的压电层8增加了积层体11中产生的压电位移。由Si制成的基板4提供了具有小振动衰减、即尖锐谐振(高Q值)的理想弹性体的音叉臂2a与2b，其响应压电层8中的压电位移而振动。这种结构向角速度传感器1提供小尺寸和稳定的传感特性，例如高灵敏度。
阻挡层12由在基板4与粘附层5之间提供的二氧化硅(SiO2)膜形成，其防止了基板4的Si原子向下部电极层6的Pt、取向控制层7和压电层8的PZT中扩散，从而防止这些层退化。因此，压电层8优先取向为具有优选取向(001)，所以可增加结晶度，相应地以排列一致的取向改善了结晶状态。结果，压电层8的压电常数增加，且压电常数相对于施加于压电层8的电压的变化减小。这样，压电体层8即使具有小尺寸也可具有高性能，从而提供了具有小尺寸和稳定传感特性的角速度传感器1。
在根据所述实施例的角速度传感器1中，积层体11的各层彼此紧紧键合。在含有Si的基板4、含有SiO2的阻挡层12和含有Ti的粘附层5中，SiO2和Ti在其之间的界面处提供强力键合，因为Ti对氧具有大的亲和力。角速度传感器1的基板4上提供的积层体11因此强力粘附到基板4。粘附层5(由Ti制成)和下部电极层6(由Ti与Pt的合金或TiOx与Pt的合金制成)通过金属键合而彼此键合。因此防止从基板4到下部电极层6的层在层间界面处被剥离，从而增加了角速度传感器1的成品率和可靠性。压电层8与上部电极层10之间提供的粘附层9强力键合到压电层8和上部电极层10。
粘附层9由导电金属性的氧化物基材料或此如与粘附层5的材料一致的钛或者铬的对氧有大亲和力的金属的制成。所述材料强力键合到上部电极层10和压电层8，而且不在压电层8和上部电极层10中扩散，从而不改变这些层的材料。粘附层9的厚度范围是从5nm到50nm。粘附层9的材料和厚度不限于以上提到的那些材料和厚度，只要允许粘附层9与上部电极层10和压电层8键合，且不在这些层中扩散从而不改变这些层即可。
根据实施例的角速度传感器1具有压电层8的PZT晶体的一致的取向，从而展现大的压电位移。在PZT的四方晶体中，极化轴的方向即为(001)方向上，被作为极化的PZT薄压电结构被驱动时的特性(压电特性)为，在驱动所述层的电场的方向与极化方向平行时变为最大。即，重要的是驱动电场的方向与结晶方向即(001)取向的方向一致。为在取向(001)的方向上施加驱动电场，压电层8经取向成具有优先取向，使得PZT的晶体取向(001)与垂直于基板4的轴线平行。即，压电层8有必要在层8的表面具有带有(001)表面的PZT层。
下部电极层6由含有Ti或TiOx的Pt制成。通过下部电极层6和在下部电极层6与压电层8之间的取向控制层7，可将压电层8的表面形成于(001)面。下部电极层6可通过采用高温处理的溅射(sputtering)而形成。当仅使用氩气执行这种溅射时，下部电极层6的表面处的Ti不被氧化。当使用氩与氧的混合气体执行溅射时，Ti经氧化变为TiOx。在高温处理期间，Pt在Ti的晶界中扩散，同时Ti在Pt的晶界中扩散(相互扩散)。此外，Ti(TiOx)沿着Pt的晶界向外扩散(外部扩散)。外部扩散有助于具有钙铁矿结构的PZT薄膜的形成，且压电层8的表面(PZT薄膜)经取向成具有优先取向(001)面。
下面将描述在下部电极层6与压电层8之间提供的取向控制层7。通常，在每一层的晶体生长期间，当薄膜形成于基板4上时，一层优选具有与形成于所述层上的薄膜的晶格常数相同的晶格常数(晶格匹配)。晶格常数代表形成单晶结构的原子之间的距离。晶格常数是物质特有的值，即Pt晶体的晶格常数不同于PZT晶体的晶格常数，例如，Pt的晶格常数是0.392nm，而PZT的晶格常数是0.401nm。为防止下部电极层6的Pt晶体与压电层8的PZT晶体之间的晶格失配，在下部电极层6与压电层8之间提供含有PLMT的取向控制层7。
在接近粘附层5的表面的区域中，Ti或TiOx出现在彼此相隔一定距离的位置处且各具有岛状。取向控制层7在作为核心的岛状Ti或TiOx上和上方晶体生长。因此，即使粘附层5经取向成具有(111)表面，取向控制层7也易于经取向成具有(001)面。在立方晶体中，(100)面等同于(001)表面。因此，取向控制层7易于经取向成具有在Ti或TiOx上的(100)表面或(001)表面。
Ti或TiOx包含在粘附层5中，因而实质上没有从粘附层5的表面突出。即使Ti或TiOx突出，那么突出的尺寸也小于2nm。由于这个原因，取向控制层7易于经取向成具有(100)表面或(001)表面。
由Si制成基板4允许粘附层5通常被取向成具有(111)表面。在不含有Ti或TiOx的粘附层5的表面区域上方的取向控制层7的区域没有变为(100)表面或(001)表面，而是具有不同于(100)表面和(001)表面的(111)表面，或具有非晶态。在取向控制层7中，上述未经取向的区域，即，不具有(100)表面和(001)表面的区域仅在距离表面不大于20nm的深度中存在。即，具有Ti或TiOx上的(100)表面或(001)表面的区域随着晶体生长而扩展。因此，经取向成在垂直于层的厚度方向的横截面处具有(100)表面或(001)表面的区域的面积，从粘附层5朝着与层5相对即朝着压电层8的方向增加。因而，具有除(100)表面和(001)表面以外的晶体取向的区域减少。以这种方式，当取向控制层7具有约20nm的厚度时，取向控制层7的大部分区域经取向成具有(100)表面或(001)表面。
压电层8形成于上文中所产生的取向控制层7上，且取向控制层7导致压电层8取向成具有(001)表面。由于在菱形晶体中(100)表面等同于(001)表面，所以层8的晶体取向包括(100)表面的取向。取向控制层7允许压电层8由具有优良压电特性(例如高灵敏度)的压电材料制成，同时取向控制层7可由使晶体取向方向一致的材料制成。这允许压电层8的区域80％以上取向成具有(001)表面。
取向控制层7的未取向成具有(100)表面或(001)表面的区域可不仅存在于粘附层5侧的表面区域中，而且可存在于压电层8侧的表面区域中。即使在这种情况下，只要取向控制层7具有不小于0.01μm的厚度，在压电层8侧的层7的表面区域的大部分取向成具有(100)表面或(001)表面。这允许压电层8的区域的90％以上取向成具有(001)表面。
根据本实施例，提供取向控制层7来使晶体取向成具有(001)表面。因此，取向控制层7可由含有至少Pb和Ti的氧化物介电材料制成，例如含有化学计量上过量的Pb的添加有镧(La)的锆钛酸铅(PLT)。为与压电层8的晶体取向一致，取向控制层7的材料(PLT)含有大于零且不大于25mol％的La。在取向控制层7的PLT中的Pb量在化学计量上过量，且大于零并不大于30mol％。根据本实施例，取向控制层7由PLMT制成，但可由含有镧和锆的锆钛酸铅(PLT)、PLZT或包括镁和锰中至少一者的基于PLT或基于PLZT的材料制成。取向控制层7的PLZT的锆的浓度应小于20mol％。如果取向控制层7由包括镁和锰中至少一者的基于PLT或基于PLZT的材料制成，那么镁和锰的总量大于零且不大于10mol％。
因此，下部电极层6由含有Pt的Ti或TiOx制成，通过在下部电极层6与压电层8之间的取向控制层7，可形成表面为(001)面的压电层8(PZT膜)。这样可将压电层8的取向一致，并提供大的压电位移。
PZT的压电层8具有取向成具有(001)表面的表面，且使压电层8的取向方一致，从而在即使具有小面积的情况下也提供高灵敏度。这允许角速度传感器1具有小尺寸和稳定的传感特性，例如高灵敏度。此外，防止来自基板4到粘附层5的层在其之间的界面处剥落，尤其是基板4与粘附层5之间的键合增加，因此为角速度传感器1提供高可靠性。
包括除角速度传感器以外的压电设备的电子设备(例如打印头)可包括在Si基板(打印头中的压力室基板)上由SiO2制成的振动层。振动层与根据所述实施例的SiO2阻挡层12在其应用与效果上完全不同。打印头的振动层通过振动来将压力室中容纳的墨水排放到压力室外。振动层具有从0.5到10μm的厚度范围。本实施例的阻挡层12用来增加层间的粘附，并使压电层8的晶体取向一致。如果阻挡层12的厚度类似于打印头的振动层的厚度，则会对角速度传感器1的特性造成不良影响。由于Si和SiO2具有彼此不同的杨氏模量，所以厚度过大的SiO2阻挡层12使音叉臂2a与2b的杨氏模量不一致，因此在音叉臂2a与2b的振动中产生扭曲。
下面将描述制造角速度传感器1的方法。
氧化由单晶硅制成的基板4的表面，从而形成阻挡层12。接着，通过溅射在阻挡层12上形成含有至少钛的粘附层5。接着，通过溅射在粘附层5上形成由包括钛和氧化钛中至少一者的铂制成的下部电极层6。接着，通过溅射在下部电极层6上形成取向控制层7。接着，通过溅射在取向控制层7上形成压电层8。接着，通过溅射或真空沉积在压电层8上形成粘附层9。接着，通过溅射或真空沉积在粘附层9上形成上部电极层10。取向控制层7由例如PLMT的含有至少Pb和Ti的介电氧化物材料制成。压电层8由具有钙铁矿结构的PZT制成。
这种方法此化学气相沉积法更容易提供积层体11。优选通过热氧化单晶硅的基板来形成氧化硅阻挡层12。阻挡层12不仅可通过热氧化形成，而且可通过溅射、热CVD法和等离子CVD法和溶胶-凝胶工艺来形成。
可在具有音叉形状的基板4上提供积层体11。在单晶硅晶片上提供积层体11，且接着将晶片形成为具有音叉形状，从而获得基板4。
工业适用性
根据本发明的角速度传感器具有小尺寸且具有出色的压电特性，例如高灵敏度。
Claims (9)
1.一种角速度传感器，包括：
由单晶硅制成且具有音叉形状的基板，所述基板包括
多个彼此平行延伸的音叉臂，和
用于彼此连接所述音叉臂的相应端的连接部分；
设置于所述基板的所述多个音叉臂上的阻挡层，所述阻挡层含有氧化硅；
设置于所述阻挡层上的第一粘附层，所述第一粘附层含有钛；
设置于所述第一粘附层上的第一电极层，所述第一电极层含有钛和氧化钛中至少一者以及铂；
设置于所述第一电极层上的取向控制层；
设置于所述取向控制层上的压电层；
设置于所述压电层上具有5nm-50nm厚度的第二粘附层；和
设置于所述第二粘附层上的第二电极层。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中所述取向控制层包含含有Pb和Ti的介电氧化物材料。
3.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中所述取向控制层包含含有La和Mg中至少一者的钛酸铅。
4.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中所述压电层包含锆钛酸铅。
5.一种制造角速度传感器的方法，包括：
提供由单晶硅制成且具有音叉形状的基板，所述基板具有多个音叉臂和用于使所述音叉臂的各自的一端彼此相连接的连接部分，所述多个音叉臂彼此平行延伸；
通过氧化所述基板的所述多个音叉臂的表面而形成含有氧化硅的阻挡层；
通过溅射在所述阻挡层上形成含有钛的第一粘附层；
通过溅射在所述第一粘附层上形成含有钛和氧化钛中至少一者以及铂的第一电极层；
通过溅射在所述第一电极层上形成取向控制层；
通过溅射在所述取向控制层上形成压电层；
通过溅射或真空沉积在所述压电层上具有5nm-50nm厚度的第二粘附层；和
通过溅射或真空沉积在所述第二粘附层上形成第二电极层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述形成所述阻挡层包含热氧化所述基板的表面。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述取向控制层包含含有Pb和Ti的介电氧化物材料。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述取向控制层包含含有La和Mg中至少一者的钛酸铅。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述压电层包含锆钛酸铅。
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