CN101059527A - 角速度传感器及其制作方法 - Google Patents

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CN101059527A CNA2007100969087A CN200710096908A CN101059527A CN 101059527 A CN101059527 A CN 101059527A CN A2007100969087 A CNA2007100969087 A CN A2007100969087A CN 200710096908 A CN200710096908 A CN 200710096908A CN 101059527 A CN101059527 A CN 101059527A
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樋口天光
江口诚
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Abstract

本发明提供以极小型、可获得如数十kHz频段的共振频率的角速度传感器，包括：SOI基板，具有基板、形成于该基板上方的氧化物层、形成于该氧化物层上方的半导体层；音叉式振动部，通过加工半导体层和氧化物层而形成，包括半导体层；生成振动部的弯曲振动的驱动部；及检测施加在振动部的角速度的检测部。振动部具有支撑部、及将支撑部作为基端而形成为悬臂梁状的两根梁部；驱动部分别形成于两个梁部的上方、且各为一对，各驱动部具有第一电极层、形成于该第一电极层上方的压电体层、形成于该压电体层上方的第二电极层；检测部分别形成于两个梁部的上方、且各为一个，各检测部被配置在上述一对驱动部、一对驱动部之间，并具有第一电极层、形成于该第一电极层上方的压电体层、形成于该压电体层上方的第二电极层。

Description

角速度传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种通过压电体层的振动而驱动形成于SOI基板的音叉式驱动部的角速度传感器。
背景技术
在数码相机、数码摄像机、便携式电话、汽车导航系统等信息设备中，搭载有加速度传感器、角速度传感器，其目的在于防止由于手抖动而导致的图像模糊、检测车辆的位置。其中，对于角速度传感器，以压电效应检测科里奥利力的方法已经被广泛普及。但是随着模块的复杂化、设备的小型化，迫切需要传感器模块的小型化和节能。其中，作为角速度传感器模块所使用的振子，为了有效利用现有的技术资源和节能性，至今仍然使用32kHz的音叉振子，该音叉振子具有可以通过电极夹持的方式驱动加工成音叉形的晶体等压电体，其具有温度特性良好、节能性卓越等优点。但是，当为32kHz频段时，音叉梁长为数mm，从而导致包括组件的整体长度接近10mm。
最近，不仅是晶体，还在开发一种利用使用形成于硅基板上的压电薄膜的振子的角速度传感器。上述振子在硅基板上具有通过上下电极夹持压电薄膜的层压结构，并通过平面内的伸缩运动驱动弯曲振动。作为这样的振子的结构，公知有一种梁(beam)状的结构(日本特开2005-291858号公报的图1)、和由两根梁形成的音叉振子的结构(日本特开2005-249395号公报的图1)。
因此，即使在使用形成在这样的硅基板上的压电薄膜的振子中，由于硅基板的厚度充其量仅能做到100μm左右，所以只能将弯曲振动的音速降至数100m/s左右，为了获得数10kHz频段的共振频率，需要使梁的梁长为数mm以上，从而存在角速度传感器模块难以小型化的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种角速度传感器，其具有形状极小、同时可以用例如数十kHz频段的频率进行驱动的音叉振子。
本发明涉及的角速度传感器包括：SOI基板，具有基板、形成于上述基板上方的氧化物层、形成于上述氧化物层的上方的半导体层；音叉式振动部，通过加工上述半导体层和上述氧化物层而形成，包括半导体层；驱动部，用于生成上述驱动部的弯曲振动；以及检测部，用于检测施加于上述振动部的角速度，其中，上述振动部具有支撑部、将上述支撑部作为基端而形成为悬臂梁状的两根梁部，上述驱动部在上述两根梁部的上方分别被形成为一对；各驱动部具有第一电极层、形成于上述第一电极层上方的压电体层、形成于上述压电体层上方的第二电极层；上述检测部在上述两根梁部的上方被分别形成为一个，各检测部被配置在上述一对驱动部之间，并具有第一电极层、形成于上述第一电极层上方的压电体层、形成于上述压电体层上方的第二电极层。
根据本发明的角速度传感器，由于振动部是由SOI基板的半导体层构成，所以，可以减小该振动部的厚度及梁部的长度。其结果是，本发明的角速度传感器即使为小型，也可以用想要的共振频率、例如数十kHz的低共振频率驱动振动部测定角速度。例如，在本发明中，上述振动部的厚度可以小于等于20μm，上述振动部的长度可以小于等于2mm。
在本发明中，在特定的A部件(下面称为“A部件”)的上方设置特定的B部件(下面称为“B部件”)的情况是指包括在A部件上直接设置B部件的情况、和在A部件上隔着其他部件设置B部件的情况。
在本发明中，上述振动部的共振频率可以为32kHz频段。这是因为角度速传感器的驱动频率越低灵敏度越大、以及32kHz频段是通用的振荡频率。32kHz频段的共振频率可以取例如16kHz至66kHz的范围。这是因为，在32.768kHz用振荡电路中附加分频电路而可以用16.384kHz进行驱动、以及在32.768kHz用振荡电路中附加锁相环(phase lock loop)而可以用65.536kHz进行驱动。
在本发明中，上述压电体层包括钛酸锆酸铅或者钛酸锆酸铅固溶体。
本发明涉及的角速度传感器的制作方法，包括：准备SOI(Silicon On Insulator，绝缘硅)基板的步骤，SOI基板具有基板、形成于上述基板上方的氧化物层、形成于上述氧化物层上方的半导体层；在上述SOI基板的上方依次形成具有规定图案的第一电极层、压电体层及第二电极层、并形成驱动部及检测部的步骤；将上述半导体层刻印成图形并形成振动部的步骤；以及将上述氧化物层刻印成图形并在上述振动部的下方形成开口部的步骤。其中，上述振动部形成为具有支撑部、将上述支撑部作为基端而形成为悬臂梁状的两根梁部；上述驱动部分别形成于上述两根梁部的上方、且各为一对，各驱动部具有第一电极层、形成于上述第一电极层上方的压电体层、形成于上述压电体层上方的第二电极层；上述检测部分别形成于上述两根梁部的上方、且各为一个，各检测部被配置在上述一对驱动部之间，并具有第一电极层、形成于上述第一电极层上方的压电体层、形成于上述压电体层上方的第二电极层。
根据本发明的制作方法，可以使用公知的MEMS(Micro ElectorMechanical Systems)技术简单地制造角速度传感器。
附图说明
图1是示出本发明一实施例的角速度传感器结构的示意平面图；
图2是沿图1的A-A线切开后的截面图；
图3是沿图1的B-B线切开后的截面图；
图4是示出本发明的一实施例的角速度传感器制造方法的示意截面图；
图5是示出本发明的一实施例的角速度传感器制造方法的示意截面图；以及
图6是示出本发明的一实施例的角速度传感器制造方法的示意截面图。
具体实施方式
下面，将参照附图对本发明实施例的一例进行详细的说明。
1.角速度传感器
图1是示出本实施例的角速度传感器100的结构的示意平面图，图2是示意地示出沿图1中的A-A线的结构的截面图，图3是示意地示出沿图1中的B-B线的结构的截面图。
如图1至图3所示，角速度传感器100包括SOI基板1、形成于该SOI基板1上的音叉式振动部10、用于生成该振动部10的弯曲振动的驱动部20(20a至20d)、用于检测施加在振动部10上的角速度的检测部30(30a、30b)。
如图2及图3所示，SOI基板1在硅基板2上依次层压有氧化物层(氧化硅层)3及硅层4。为了使角速度传感器100小型化，硅层4的厚度优选为小于等于20μm。SOI基板1可作为半导体基板使用，并可在SOI基板1内加入各种的半导体电路，所以可将角速度传感器100和半导体集成电路形成为一体。其中，在可以使用一般的半导体制造技术这一点上，使用硅基板是非常有利的。
如图1所示，振动部10的平面形状具有音叉型，并如图2及图3所示，振动部10形成于除去SOI基板1的氧化物层3后形成的开口部3a上。而且，在振动部10的周围，形成有允许该振动部10振动的空隙部4a。而且，振动部10包括：支撑部12；两根梁部部14a、14b，将该支撑部12作为基端，形成为悬臂梁状。两根第一梁部14a及第二梁部14b沿其长度方向保持规定的间隔被分别平行地配置。
而且，支撑部12包括在硅层4的上连续的第一支撑部12a、宽度大于该第一支撑部12a的第二支撑部12b。第二支撑部12b具有支撑第一梁部14a及第二梁部14b的功能、以及不使这些梁部14a、14b的振动传送至第一支撑部12a的功能。例如如图1所示，第二支撑部12b在其侧部可以具有凹凸形状，以便实现上述的功能。
如图1所示，在第一梁部14a及第二梁部14b上分别形成一对振动部20。即，在第一梁部14a上，沿第一梁部14a的长度方向平行地形成第一驱动部20a和第二驱动部20b。同样地，在第二梁部14b上，沿第二梁部14b的长度方向平行地形成第三驱动部20c和第四驱动部20d。而且，被配置在第一梁部14a外侧的第一驱动部20a和被配置在第二梁部14b外侧的第三驱动部20c通过配线(未图示)进行电连接。而且，被配置在第一梁部14a内侧的第二驱动部20b和被配置在第二梁部14b内侧的第四驱动部20d通过配线(未图示)进行电连接。
如图2所示，驱动部20(20a至20d)具有形成于底层5上的第一电极层22、形成于该第一电极层22上方的压电体层24、和形成于该压电体层24上方的第二电极层26。
如图1所示，在第一梁部14a和第二梁部14b的上方分别形成有一个检测部30。即，在第一梁部14a上，沿第一梁部14a的长度方向与第一、第二驱动部20a、20b平行地形成第一检测部30a。同样地，在第二梁部14b上，沿第二梁部14b的长度方向与第三、第四驱动部20c、20d平行地形成第二检测部30b。第一检测部30a被配置在第一驱动部20a和第二驱动部20b之间。同样地，第二检测部30b被配置在第三驱动部20c和第四驱动部20d之间。而且，第一检测部30a和第二检测部30d被连接于用于检测角速度信号的检测电路(未图示)。
如图3所示，检测部30(30a、30d)具有形成于底层5上的第一电极层32、形成于该第一电极层32上方的压电体层34、和形成于该压电体层34上方的第二电极层36。
底层5可以是氧化硅层(SiO2)、氮化硅层(Si3N4)等绝缘层，也可以由两层以上的复合层构成。第一电极层22、32可以使用任何的电极材料，例如，可以是例示的Pt等。第一电极层22、32的厚度只要是获得可以足够低的电阻值的厚度即可，可以为大于等于10nm、小于等于5μm。
压电体层24、34可以使用任意的压电材料，例如可以为例示的钛酸锆酸铅。优选方式是，压电体层24、34的膜厚为硅层4厚度的1/10倍至等倍左右。这是为了确保仅使构成梁部14a、14b的硅层充分振动的驱动力。因此，当使硅层4的厚度为1μm至20μm时，压电体层24、34的厚度可以为大于等于100nm、小于等于20μm。
第二电极层26、36可以使用任何的电极材料，例如，可以是例示的Pt等。第二电极层26、36的厚度只要是可以获得足够低的电阻值即可，可以为大于等于10nm、小于等于5μm。
在本实施例中，在驱动部20中，压电体层24仅存在于第一电极层22和第二电极层26之间，但是在两个电极层22、26之间还可以具有上述压电体层24以外的层。而且，在检测部30中，压电体层34仅存在于第一电极层32和第二电极层36之间，但是在两个电极层32、36之间还可以具有上述压电体层34以外的层。在这种情况下，也可以根据共振条件适当地改变压电体层24、34的膜厚。
在本实施例中，若向第一驱动部20a至第四驱动部20d施加交变电场，则第一梁部14a和第二梁部14b可分别镜对称地进行弯曲振动(第一弯曲振动)，实现音叉振动。而且，通过沿着与第一、第二梁部14a、14b的中心线相平行的轴系进行转动的角速度而产生的科里奥利力，在与振动部10的第一弯曲振动相垂直的方向上产生弯曲振动(第二弯曲振动)。因此，通过由检测电路检测由第二弯曲振动所产生的检测部30a、30b的电压，从而可以求得角速度。
下面，将对本实施例的角速度传感器100的结构例进行描述。
(A)在第一例中，在角度速传感器100中，第一电极层22、32的厚度为0.1μm，压电体层24、34的厚度为2μm，第二电极层26、36的厚度为0.1μm，驱动部20的厚度为2.2μm，硅层4的厚度为20μm，梁部14a、14b的梁长度为1280μm，梁宽度为40μm。而且，振动部10被收容于长为2000μm、宽为100μm的空隙部4a中。对于这样结构的角速度传感器100，若根据有限元法求解运动方程式并进行模拟，则弯曲振动的共振频率数为32kHz。模拟灵敏度的结果为100mV/deg/sec。
(B)在第二例中，在角度速传感器100中，第一电极层22、32的厚度为0.1μm，压电体层24、34的厚度为1μm，第二电极层26、36的厚度为0.1μm，驱动部20的厚度为1.2μm，硅层4的厚度为2μm，梁部14a、14b的梁长度为800μm，梁宽度为4μm。而且，振动部10被收容于长为1000μm、宽为10μm的空隙部4a中。对于这样结构的角速度传感器100，若根据有限元法求解运动方程式并进行模拟，则弯曲振动的共振频率数为32kHz。模拟灵敏度的结果为0.1mV/deg/sec。
根据本实施例的角速度传感器100，由于振动部10是由SOI基板1的半导体层4构成的，所以可以减小振动部10的厚度及梁部14a、14b的长度。其结果是，即使本实施例的角速度传感器100即使是小型的，也可以用需要的共振频率、例如数十kHz的低共振频率数驱动振动部10，从而测定角速度。例如，在本实施例中，可以将振动部10的厚度设为小于等于20μm，将振动部10的长度设为小于等于2mm。然后，当使用32kHz频段的频率时，本实施例的角速度传感器100可以做成长度小于等于3mm的组件。
而且，当将本实施例的角速度传感器100用于角速度传感器模块时，可以在具有集成有半导体电路的SOI基板的电子设备上搭载角速度传感器100，所以，可以使组件更加小型化。
进而，根据本实施例，由于可将角速度传感器100形成于SOI基板1上，所以，在SOI基板1上可整体形成振荡电路和角速度传感器。其结果是，可以发挥使用SOI基板1的设备的低动作电压的特点，从而可以实现超低功耗的单芯片角速度传感器模块。
2.角速度传感器的制造方法
下面，将参照图4至图6，对本实施例涉及的角速度传感器100的制造方法的一例进行描述。图4至图6是沿图1的A-A线的截面图。
(1)如图4所示，在SOI基板1上形成驱动部20及检测部30。具体而言，依次形成分别构成驱动部20及检测部30的底层5、第一电极层22和32、压电体层24和34、第二电极层26和36。SOI基板1是在硅基板2上依次形成氧化物层(氧化硅层)3及硅层4的基板。
底层5可以通过热氧化法、CVD法、溅射法等形成。底层5通过刻印图形而形成为具有想要的形状。该图形可以通过通常的光刻及蚀刻技术进行。
第一电极层22、32可以使用蒸镀法、溅射法等在底层5上形成。第一电极层22、32通过刻印图形而具有想要的形状。该图形通过通常的光刻及蚀刻技术进行。
压电体层24、34可以通过蒸镀法、溅射法、激光烧蚀法、CVD法等各种方法形成。例如当使用激光烧蚀法形成钛酸锆酸铅层时，将激光照射在钛酸锆酸铅靶上，例如照射在Pb1.05Zr0.52Ti0.48NbO3的靶上。而且，通过烧蚀使铅原子、锆原子、钛原子、及氧原子从该靶中释放出来，并通过激光能产生羽状物(plume)，面向SOI基板照射该羽状物。如此，在第一电极层22、32上形成由钛酸锆酸铅构成的压电体层24、34。压电体层24、34通过刻印图形而形成为具有想要的形状。该图形根据通常的光刻及蚀刻技术进行。
第二电极层26、36可以通过蒸镀法、溅射法、CVD法等形成。第二电极层26、36通过刻印图形而形成为具有想要的形状。该图形通过通常的光刻及蚀刻技术进行。
(2)如图5所示，SOI基板1的硅层4被制作成想要的形状。具体而言，如图1所示，在硅层4的空隙部4a内形成有想要的平面形状的振动部10。硅层4的图形可以通过公知的光刻及蚀刻技术而进行。蚀刻可以使用干蚀刻或者湿蚀刻。在该制作图案的步骤中，SOI基板1的氧化物层3可以作为蚀刻阻挡层使用。
(3)如图6所示，对SOI基板1的氧化物层3进行蚀刻，并在振动部10的下面形成开口部3a。作为蚀刻，可以使用将例如氟化氢用作氧化硅的蚀刻剂的湿蚀刻。该开口部3a可以将硅基板2及硅层4作为蚀刻阻挡层使用。通过设置上述空隙部4a和开口部3a，可以降低音叉式的振子10的机械约束力，且音叉振子10可以自由振动。
通过以上的步骤，可以形成如图1至图3所示的角速度传感器100。根据本实施例的制作方法，可以使用公知的MEMS技术轻而易举地制造角速度传感器。
本发明并不只限于上述的实施例，可以有各种变形。例如，本发明包括与在实施例中说明的构成实质相同的构成(例如，功能、方法以及结果相同的构成，或者目的以及效果相同的构成)。并且，本发明还包括置换实施例中说明的构成中的非本质部分的构成。并且，本发明还包括取得与实施例中说明的构成相同作用效果的构成、或者可达到相同目的的构成。此外，本发明还包括在实施例中说明的构成中附加公知技术的构成。
附图标记
1      SOI基板                2     硅基板
3      氧化物层               3a    开口部
4      硅层                   5     底层
10     振动部                 12    支撑部
14a    第一梁部               14b   第二梁部
20     驱动部                 22    第一电极层
24     压电体层               26    第二电极层
30     检测部                 32    第一电极层
34     压电体层               36    第二电极层
100    角速度传感器

Claims (6)

1.一种角速度传感器，包括：
SOI基板，具有基板、形成于该基板上方的氧化物层、形成于该氧化物层上方的半导体层；
音叉式振动部，通过加工所述半导体层和所述氧化物层而形成，包括半导体层；
驱动部，用于生成所述振动部的弯曲振动；以及
检测部，用于检测施加于所述振动部的角速度，
其中，
所述振动部具有支撑部、以及将该支撑部作为基端而形成为悬臂梁状的两根梁部，
所述驱动部分别形成于所述两根梁部的上方、且各为一对，各驱动部具有第一电极层、形成于该第一电极层上方的压电体层、形成于该压电体层上方的第二电极层，
所述检测部分别形成于所述两根梁部的上方、且各为一个，各检测部被配置在所述一对驱动部之间，并具有第一电极层、形成于该第一电极层上方的压电体层、形成于该压电体层上方的第二电极层。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，
所述振动部的厚度小于等于20μm。
3.根据权利要求1或2所述的角速度传感器，其中，
所述振动部的长度小于等于2mm。
4.根据权利要求1或2所述的角速度传感器，其中，
所述振动部的共振频率为32kHz频段。
5.根据权利要求1或2所述的角速度传感器，其中，
所述压电体层包括钛酸锆酸铅或者钛酸锆酸铅固溶体。
6.一种角速度传感器的制作方法，其中，包括：
准备SOI基板的步骤，所述SOI基板具有基板、形成于该基板上方的氧化物层、形成于该氧化物层上方的半导体层；
在所述SOI基板的上方依次形成具有规定图形的、(连在一起，可能会只理解为第一电极层具有规定图形，)第一电极层、压电体层及第二电极层并形成驱动部及检测部的步骤；
对所述半导体层制作图形并形成振动部的步骤；以及
对所述氧化物层制作图形并在所述振动部的下方形成开口部的步骤，
其中，
形成所述振动部，使其具有支撑部、以及将所述支撑部作为基端而形成为悬臂梁状的两根梁部，
所述驱动部分别形成于所述两根梁部的上方、且各为一对，形成各驱动部，使其具有第一电极层、形成于该第一电极层上方的压电体层、形成于该压电体层上方的第二电极层，
所述检测部分别形成于所述两根梁部的上方、且各为一个，形成各检测部，使其被配置在所述一对驱动部之间，并具有第一电极层、形成于该第一电极层上方的压电体层、形成于该压电体层上方的第二电极层。
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