DE102007034759A1

DE102007034759A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE102007034759A1
Application number: DE102007034759A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Kariya Kano; Akihiko Kariya Teshigahara; Kazuki Kariya Arakawa; Kazushi Kariya Asami
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: US20110041605A1; US7900512B2; US20080028855A1; US20110041604A1; US8256289B2; DE102007034759B4

Abstract

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor weist einen piezoelektrischen Film auf, der erste und zweite Oberflächen aufweist, die eine x-y-Ebene ausbilden, und verwendet eine Störmasse, die elastische akustische Wellen kohärent schwingen lässt, auf welche eine Corioliskraft wirkt, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor einer Drehbewegung um eine x-Richtung unterliegt. Eine erste elastische akustische Welle wird durch einen Ansteuerwandler in dem piezoelektrischen Film erregt und eine zweite elastische akustische Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, die proportional zu einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst ist, wird durch den Erfassungswandler erfasst. Der Winkelgeschwindigkeitssensor weist weiterhin mindestens eine erste Elektrode auf, die auf der ersten Oberfläche des piezoelektrischen Films zum Entladen einer Oberflächenspannung angeordnet ist, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welcher die erste elastische akustische Welle erregt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die japanischen Patentanmeldungen Nr. 2006-202400 , eingereicht am 25. Juli 2006, 2006-202399 , eingereicht am 25. Juli 2006 und 2006-202401 , eingereicht am 25. Juli 2006 und schließt diese durch Verweise ein.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(Das Gebiet der Erfindung)
Die vorliegende Erfindung betrifft Winkelgeschwindigkeitssensoren oder Gyroskope und insbesondere Winkelgeschwindigkeitssensoren, die dazu ausgelegt sind, die Geschwindigkeit einer Winkeldrehung in einem Verfahren zum Erfassen einer Amplitude einer Corioliskraft, die durch Wechselwirkungen zwischen einer Schwingungsbewegung einer Masse auf einem piezoelektrischen Substrat und einer Drehbewegung des piezoelektrischen Substrats erzeugt wird, durch Wandeln der Corioliskraft zu einer Spannung aufgrund eines piezoelektrischen Effekts zu messen.
(Beschreibung des Standes der Technik)
Es gibt einen sich erhöhenden Bedarf zum Anfordern einer Winkelrateninformation, welche manchmal ebenso als eine Winkelgeschwindigkeitsinformation bezeichnet wird, nicht nur auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugerzeugnissen, bei denen zum Beispiel Trägheitsnavigations- und -leitsysteme, Airbag-Systeme und Antiblockiersysteme eine Winkelgeschwindigkeitsinformation zum Laufen verwenden, sondern ebenso auf anderen Gebieten, zum Beispiel auf dem Gebiet von Standbild- oder Videokameras, bei denen ein manuelles Unschärfekorrektursystem ebenso auf dem Gebiet von medizinischen Erzeugnissen, Operationswerkzeugen und einer Körperbewegungs- Überwachungsvorrichtung zu finden ist, wobei alle von diesen eine Winkelgeschwindigkeitsinformation erfordern. Im Allgemeinen wird eine Messvorrichtung zum Erzielen einer Winkelgeschwindigkeitsinformation als ein Gyroskop, ein Gyrosensor, ein Winkelratensensor, ein Winkelgeschwindigkeitssensor usw. genannt. In jüngster Zeit ist ein billiger oszillierender Winkelgeschwindigkeitssensor entwickelt worden, um auf den zuvor erwähnten Gebieten verwendet zu werden.
In den letzten Jahren ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor vorgeschlagen worden, der ein piezoelektrisches Element oder ein Substrat verwendet, das aus Harz oder Lithiumtantalit besteht, das imstande ist, einen kleineren und billigeren Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen.
In einem bekannten Ausführungsbeispiel im Stand der Technik weist ein Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein einkristallines piezoelektrisches Element verwendet, typischerweise ein Paar von Auslegern auf, welche an ihren einzelnen Endabschnitten durch ein Grundelement verbunden und befestigt sind, um einen Abstimmgabeloszillator auszubilden, wie es in 37 gezeigt ist. Ein derartiger Winkelgeschwindigkeitssensor ist in zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 5 719 460 offenbart. Obgleich ein Winkelgeschwindigkeitssensor, der in dem US-Patent Nr. 5 719 460 offenbart ist, komplexere Strukturen aufweist, ist ein grundlegendes Funktionsprinzip wie folgt. Ein Satz von Ansteuerelektroden ist an einem der Ausleger des Abstimmgabeloszillators zum Ansteuern des Abstimmgabeloszillators in eine Richtung einer Hauptebene an einer Resonanzfrequenz aufgrund eines piezoelektrischen Effekts befestigt, welcher elektrische Energie zu einer mechanischen Deformationsenergie und umgekehrt wandelt. Daher werden die Ansteuerelektroden von einer externen Oszillatorschaltung elektrisch angesteuert. Eine Überwachungselektrode und eine Erfassungselektrode sind an dem anderen Ausleger befestigt. Die Überwachungselektrode dient dazu, die Oszillationsamplitude zu erfassen, die von der Oszillatorschaltung erzeugt wird. Die Erfassungselektrode dient dazu, die Spannung zu erfassen, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die Abstimmgabel wirkt, und durch eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors erzeugt wird. Genauer gesagt wird, um die Oszillationsamplitude der Abstimmgabel konstant zu halten, die elektrische Ladung, die auf der Überwachungselektrode aufgrund des piezoelektrischen Effekts in der Richtung der Hauptebene erzeugt wird, durch die externe Schaltung verstärkt und dann mit einem Referenzsignal verglichen, um die Oszillatorschaltung zu steuern. Andererseits erfasst die Erfassungselektrode ein Signal, das von der Corioliskraft erzeugt wird, welches synchron zu dem Signal verstärkt wird, das von der Überwachungselektrode erfasst wird.
Winkelgeschwindigkeitssensoren dieses Typs leiden an einer inhärenten Leistungsvermögensbeschränkung. Zum Beispiel ist Quarz typischerweise ein einkristallines piezoelektrisches Material, das aus gruppierten einzelnen Kristallen aus Siliziumoxid (SiO₂) besteht. Da Silizium (Si) eine positive Polarität aufweist und Oxid (O₂) eine negative Polarität aufweist, führt ein symmetrisches Gruppieren von Silizium (Si) und Oxid (O₂) zu einem Bilden einer elektrischen Neutralität. Wenn jedoch eine Spannung auf das einkristalline piezoelektrische Siliziumoxid-(SiO₂)-Material ausgeübt wird, wird die elektrische Symmetrie gebrochen und eine elektrische Ladung erzeugt.
In 38 sind die einzelnen Achsen eines Quarzkristalls gezeigt. Wie es gezeigt ist, sind X-Achsen oder elektrische Achsen durch die Gratlinien definiert und ist eine Z-Achse oder eine optische Achse durch eine Achse definiert, die senkrecht zu der Ebene ist, die sich durch die X-X-Achsen ausdehnt. Ein einkristallines piezoelektrisches Material, wie zum Beispiel Quarz, bringt eine bestimmte piezoelektrische Charakteristik hervor und weist bestimmte Polaritäten bezüglich den Kristallachsen auf, welche von der Gruppe von Molekülen des kristallinen piezoelektrischen Materials abhängen.
Der oszillatorische Winkelgeschwindigkeitssensor erfasst eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors durch Erfassen der Corioliskraft, die in einem rechten Winkel bezüglich der Richtung der Oszillationen der Abstimmgabeln wirkt. Daher ist es erforderlich, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor piezoelektrische Charakteristiken für orthogonale zwei Achsen und eine Einrichtung zum Ausüben der Schwingungen und eine Einrichtung zum Erfassen der Deformationen in einem rechten Winkel zu den ausgeübten Schwingungen aufgrund der Corioliskraft aufweist. Obgleich ein einkristalliner Abstimmgabeloszillator aus einem piezoelektrischen Material geschnitten ist und im Hinblick auf die Polaritäten optimiert ist, von welchen die Empfindlichkeit des Sensors abhängt, ist es nicht einfach, die hohe Empfindlichkeit von beiden Richtungen zu erzielen, die der Schwingungsrichtung der Abstimmgabel und der Richtung der Deformation aufgrund der Corioliskraft entsprechen. Weiterhin sind das Paar von Auslegern und das Grundelement, die Komponenten der Abstimmgabeln sind, anfällig gegenüber einem externen Stoß und externen Schwingungen, die an Frequenzen in der Nähe der Auslegerschwingungsfrequenz auftreten. Derartige Störungen können die Schwingungsstruktur beeinflussen und fehlerhafte Ergebnisse erzeugen.
Ein weiteres bekanntes Ausführungsbeispiel im Stand der Technik eines Winkelgeschwindigkeitssensors verwendet eine akustische Oberflächenwelle (SAW) auf einem piezoelektrischen Substrat und insbesondere einen mikroelektromechanischen (MEM) Winkelgeschwindigkeitssensor, der einen akustischen Oberflächenwellenresonator (SAWR) und akustische Oberflächenwellensensoren (SAWS) beinhaltet.
Das grundlegende Funktionsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors, der die akustischen Oberflächenwellen (SAWs) verwendet, ist wie folgt. Wenn zwei fortschreitende SAWs, welche sich auf der gleichen Achse, aber in den entgegengesetzten Richtungen zueinander ausbreiten, addiert werden, wird eine Stehwelle auf einer elastischen Materialoberfläche erzeugt, wobei das elastische Material aus den Partikeln, wie zum Beispiel Molekülen, besteht. Wenn die Stehwelle eine Rayleigh-Welle ist, wird die Wellenbewegung der Oberflächenpartikel derart verteilt, dass jeder Partikel einer periodischen Bewegung unterliegt, deren Bahn eine Ellipse in der Ebene ist, welche orthogonal zu der Oberfläche des piezoelektrischen Materials und parallel zu der Ausbreitungsrichtung der SAWs ist. Einige Partikel scheinen feststehend zu sein, da eine elliptische Bahn zu einem Knotenpunkt in der Ebene zusammenbricht, welche orthogonal zu der Oberfläche des piezoelektrischen Materials und parallel zu der Ausbreitungsrichtung der SAWs ist. An dem Knotenpunkt schwingen die Partikel in der Tangentialrichtung. Die Corioliskraft wirkt auf die schwingenden Partikel. Um die Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, muss die Wirkung der Corioliskraft auf die Partikel in der Nähe der Oberfläche des Materials sein. Dies tritt aufgrund der Verteilung der Wellenbewegung auf der elastischen Materialoberfläche auf. Die sekundäre Welle, die von der Corioliskraft bewirkt wird, kann dann erfasst werden und die Winkelgeschwindigkeit wird quantifiziert.
Wenn der Partikel einer Masse m, ein Element, das das elastische Material bildet, einer Schwingungsbewegung μ / ν unterliegt, bewirkt eine Winkeldrehung μ / ω senkrecht zu der Richtung der Schwingungsbewegung μ / ν eine Corioliskraft μ / F senkrecht zu den Richtungen von sowohl der Schwingungsbewegung μ / ν als auch der Winkeldrehung μ / ω. Hierbei weisen die Schwingungsbewegung μ / ν, die Winkeldrehung μ / ω und die Corioliskraft μ / F im Allgemeinen jeweils drei Komponenten auf. Deshalb ist der Effekt der Corioliskraft μF = 2mρν × ρω ein Maß der Geschwindigkeit der Winkeldrehung μ / ω. Hierbei stellt ein Symbol "x" in der vorhergehenden Gleichung ein Vektorprodukt dar.
Wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor, der die akustischen Oberflächenwellen auf einer Oberfläche des elastischen Substrats verwendet, gedreht wird, das heisst das elastische Substrat gedreht wird, wird die Corioliskraft auf Partikel ausgeübt, die in der Stehwelle schwingen. Die Richtung der Corioliskraft ändert sich auch dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit zeitlich konstant ist, da sich die Geschwindigkeit der Partikel zeitlich abhängig von der Phase der Welle ändert, zu welcher der Partikel beiträgt. Die sich ändernde Kraft erzeugt eine sekundäre SAW in der Richtung, die orthogonal zu der primären Stehwelle ist. Da die Corioliskraft proportional zu sowohl der Partikelschwingungsgeschwindigkeit als auch der Winkelgeschwindigkeit des Substrats ist, ist die Amplitude der sekundären Welle ebenso proportional zu der Winkelgeschwindigkeit. Die Amplitude der Corioliskraft kann durch Erfassen der Amplitude der sekundären SAW gemessen werden. Deshalb kann die Winkelgeschwindigkeit aus der Amplitude der Corioliskraft erzielt werden. Wenn jedoch ein Versuch eines Erfassens der Amplitude der Corioliskraft durch Mitteln über eine räumliche Verteilung der Schwingung von jedem Partikel durchgeführt wird, der das elastische Material bildet, würde dies nicht wirksam sein, da die Corioliskraft, die auf jeden Partikel wirkt, einander auslöscht. Deshalb werden sekundäre SAWs aufgrund der Auslöschung niemals erzielt.
Wenn jedoch die Störmassen auf Gittern in Abständen einer Wellenlänge derart angeordnet sind, dass alle Massen an Schleifen (oder Knoten) der primären Stehwelle angeordnet sind, wird die Corioliskraft, die in dem Bereich mit den Störmassen wirkt, größer als die Corioliskraft, die auf dem Bereich ohne die Störmassen wirkt, da das Gesamtgewicht des Partikels und der Störmassen schwerer als die eines Partikels alleine ohne die Störmassen ist. Die kohärenten sich ändernden Kräfte, die an jeder Störmasse erzeugt werden, bilden eine andere SAW, welche sich in der orthogonalen Richtung zu der primären Stehwelle ausbreitet.
Wenn ein elastisches Material aus einem piezoelektrischen Material besteht, welches die elastische Deformation zu einem elektrischen Feld wandelt, und die sekundäre Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, von zwei Erfassungselektroden erfasst wird, ist die Ausgangsspannung proportional zu der Amplitude der sekundären Welle. Es ist bevorzugt, dass jede Störmasse mit einem Metall abgeschieden ist, das eine Elektrode ausbildet, welche eine höhere Massendichte aufweist.
Ein Gyroskop für eine Welle einer elastischen Oberfläche und ein mikroelektromechanisches Gyroskop, die beide das zuvor erwähnte Funktionsprinzip verwenden, sind in der japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-334330 von Kurosawa und Higuchi und dem US-Patent Nr. 6 515 665 von Varadan et al. offenbart, wie es in den 39 bis 40 gezeigt ist. Sowohl das Gyroskop für eine Welle einer elastischen Oberfläche von Kurosawa und Higuchi als auch das mikroelektromechanische Gyroskop von Varadan et al. beinhalten zwei Paare von Wandlern, die auf einem piezoelektrischen Substrat mit einer Mehrzahl von metallischen Punkten angeordnet sind, die in einer Gruppe gruppiert sind, und ein Paar von Reflektoren. Die Mehrzahl von metallischen Punkten dient als eine Nachweismasse. Ein Paar von Wandlern erzeugt die primäre akustische Oberflächenwelle und wird ein akustischer Oberflächenwellenresonator oder ein Ansteuer-Interdigitalwandler (hier im weiteren Verlauf "Ansteuer-IDT") genannt. Ein Paar von Reflektoren ist auf den Aussenseiten des Ansteuer-IDT vorgesehen und angeordnet, um wirksam die primäre akustische Oberflächenwelle durch Reflektieren der sich ausbreitencen Oberflächenwelle zu erzeugen, die von dem Ansteuer-IDT auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats erzeugt wird. Die sekundäre akustische Oberflächenwelle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, wird durch ein anderes Paar von Wandlern erfasst, die ein akustischer Oberflächenwellensensor oder Erfassungs-Interdigitalwandler (hier im weiteren Verlauf "Erfassungs-IDTs") genannt werden. Der Ansteuer-IDT und die Erfassungs-IDTs sind senkrecht zueinander angeordnet. Es ist bevorzugt, dass die Mehrzahl von metallischen Punkten quadratische Elektroden ausbildet, welche durch sowohl den Ansteuer-IDT als auch die Erfassungs-IDTs beidseitig umfasst werden. Vorzugsweise ist ein anderes Paar von Reflektoren auf den Aussenseiten der Erfassungs-IDTs vorgesehen und angeordnet, um wirksam die sekundäre akustische Oberflächenwelle zu erzeugen.
Unter Verwendung von SAWs wird es möglich, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor einen zweidimensionalen Aufbau aufweist, da er lediglich durch Ausbilden von Elektroden, die auf die Oberfläche der piezoelektrischen Materialien abgeschieden sind, in einem Verfahren einer Herstellungstechnologie für Schaltungen mit einem sehr hohem Integrationsgrad (VLSIs) hergestellt werden kann.
39 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels im Stand der Technik eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der in der japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-334330 von Kurosawa und Higuchi offenbart ist, die den Ansteuer-IDT J2, das Paar von Reflektoren J3, J4, J7 und J8, das Paar der Erfassungs-IDTs J5, J6 und metallische Punkte J1 zeigt, wobei jeder metallische Punkt als eine Störmasse dient, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats des Winkelgeschwindigkeitssensors ausgebildet ist. Der Ansteuer-IDT J2 und die Erfassungs-IDTs J5 sind derart ausgebildet, dass der Zahn der jeweiligen kammförmigen Elektroden in vorbestimmten Positionen angeordnet ist, die den Schleifen (Knoten) der elastischen Oberflächenwelle entsprechen.
Die Mehrzahl von metallischen Punkten J1 bildet eine weitestgehend quadratische Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat. Die Elektrodenseiten sind parallel zu einer x-Achse und einer y-Achse, welche zueinander orthogonal sind, wie es in 39 gezeigt ist. Der Ansteuer-IDT J2, welcher aus den kammförmigen Elektroden besteht, ist auf der Seite der quadratischen Elektroden entlang der x-Achse angeordnet. Die Mehrzahl von metallischen Punkten J1 und der Ansteuer-IDT J2 sind durch einen des Paars von Reflektoren J3, J4 beidseitig umfasst. Auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats wird eine erste Stehwelle von elastischen Oberflächenwellen innerhalb eines Bereichs J10 der Oberfläche durch Bewirken erzeugt, dass der Ansteuer-IDT J2 elastische Oberflächenwellen erzeugt, die sich in Aussenrichtungen entlang der x-Achse davon und durch Reflektieren dieser elastischen Oberflächenwellen durch die Reflektoren J3, J4 ausbreiten. Die Mehrzahl von metallischen Punkten J1 ist auf der Oberfläche innerhalb des Bereichs J10 angeordnet. Die Reflektoren J3, J4 sind voneinander durch einen ganzzahligen Abstand getrennt, der gleich einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten Stehwelle ist. Der Ansteuer-IDT weist Elektroden auf, die in einem Abstand beabstandet sind, der gleich einer Hälfte der ersten Stehwelle ist.
Die Erfassungs-IDTs J5, J6 sind auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet, durch den Bereich J8 voneinander getrennt und orthogonal zu dem Paar der Reflektoren J3, J4, das heisst der x-Achse, angeordnet. Anders ausgedrückt sind die Erfassungs-IDTs J5, J6 entlang der y-Achse angeordnet. Der Bereich J10 und die Erfassungs-IDTs J5, J6 werden durch ein anderes Paar von Reflektoren J7, J8 entlang der y-Achse beidseitig umfasst. Die Erfassungs-IDTs J5, J6 sind dazu ausgelegt, eine zweite akustische Oberflächenwelle zu erfassen und ein Ausgangssignal vorzusehen, das die Charakteristiken der zweiten akustischen Oberflächenwelle anzeigt. Um den Effekt der Corioliskraft auf metallische Punkte J1 zu verstärken, ist jeder metallische Punkt vorzugsweise an einer Schleife, das heisst einem Bauch, der ersten Stehwelle angeordnet.
40 zeigt ein vereinfachtes Funktionsprinzip des zuvor erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensors, der den Ansteuer-IDT J2, das Paar von Reflektoren J3, J4, J7 und J8, das Paar der Erfassungs-IDTs J5, J6 und metallische Punkte J1 beinhaltet. In 40 ist eine Beziehung zwischen einer Amplitude der ersten Stehwelle gezeigt, die durch den Ansteuer-IDT J2 bewirkt wird. Metallische Punkte J1 weisen einzelne metallische Punkte J11, J12, J13, J14 und J15 auf, wie es in 40 gezeigt ist.
Wenn die erste akustische Oberflächenwelle (SAW) bewirkt, dass metallische Punkte J1 entlang der x-Achse schwingen, und das piezoelektrische Substrat des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Achse gedreht wird, wird die Corioliskraft, welche sich auf die Drehgeschwindigkeit bezieht, entlang der y-Achse erfasst. Die erste akustische Oberflächenwelle (SAW) auf dem piezoelektrischen Substrat wird durch Ausüben einer Wechsel-(AC)-Spannung auf den Ansteuer-IDT J2 erzeugt. Die Resonanzfrequenz der ersten SAW wird durch den Abstand zwischen den kammförmigen Elektroden bestimmt, welche den Ansteuer-IDT J2 bilden, und reicht zum Beispiel von 10 MHz bis zu mehreren Hundert MHz. Die SAW, die von dem Ansteuer-IDT J2 erzeugt wird, breitet sich zwischen den Reflektoren J3, J4 rückwärts und vorwärts aus und bildet in einem Bereich J10 zwischen den Erfassungs-IDTs J5, J6 aufgrund des kollektiven Reflektierens von den Reflektoren J3, J4 eine erste Stehwelle aus. Das heisst, die Reflektoren J3 und J4 tragen dazu bei, den Wirkungsgrad des Erregens der Stehwelle der SAW entlang der x-Achse durch Begrenzen der SAW zu verbessern, die von dem Ansteuer-IDT J2 in dem Bereich J10 erzeugt wird.
Da ein jeder von metallischen Punkten J11, J12, J13, J14 und J15 dazu ausgelegt ist, auf einer Schleife, das heisst einem Bauch, der ersten Stehwelle innerhalb eines Bereichs J10 angeordnet zu sein, werden Partikel, auf welchen metallische Punkte J1 angeordnet sind, eine größere Schwingungsamplitude in einer z-Richtung erfahren, welche als die Referenz für die Schwingungsbewegung für den Winkelgeschwindigkeitssensor dient. Die z-Achse ist als eine Richtung definiert, die senkrecht zu sowohl der x-Achse als auch der y-Achse ist.
Die metallischen Punkte J1 können aus einem Metallfilm aus irgendeinem Metall, wie zum Beispiel Gold oder Aluminium, bestehen. Die metallischen Punkte J1 werden aufgrund der Stehwelle, die innerhalb des Bereichs J10 zwischen den Reflektoren J3, J4 erregt wird, einer Schwingungsbewegung unterzogen. Wenn die metallischen Punkte J1 zu groß und zu schwer sind, werden sie das Ausbilden der Stehwelle beeinträchtigen. Daher sind, obgleich die Form des einzelnen metallischen Punkts nicht wichtig ist, die Abmessung, Position, Dicke und das Gewicht wichtig und sind ihre relativen Positionen besonders wichtig. Wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor gedreht wird, erzeugt die Corioliskraft, die auf die metallischen Punkte J1 wirkt, eine sekundäre SAW. Daher sind die metallischen Punkte J1 ebenso derart beabstandet, dass die Phasen der zweiten SAW kohärent und überlagert sind, um ein ausreichendes Signal an den Erfassungs-IDTs J5, J6 vorzusehen.
Die metallischen Punkte J1 liegen in einer x-y-Ebene, in welcher die x-Achse von dem Reflektor J3 zu einem anderen Reflektor J4 läuft und eine x-Richtung definiert, und die y-Achse von dem Reflektor J8 zu einem anderen Reflektor J7 läuft und eine y-Richtung definiert. In diesem Fall ist λ₁ die Wellenlänge der ersten SAW in der x-Richtung und ist λ₂ die Wellenlänge der zweiten SAW in der y-Richtung. Da die Wellenlänge λ₁ in der x-Richtung und λ₂ in der y-Richtung aufgrund der Wellengeschwindigkeit, die in den x- und y-Richtungen unterschiedlich ist, zueinander unterschiedlich sind, ist der Abstand zwischen den metallischen Punkten J1 in den x- und y-Richtungen ebenso unterschiedlich. Die metallischen Punkte J1 sind mit einem Abstand von λ₁ in der x-Richtung und λ₂ in der y-Richtung beabstandet.
Weiterhin sind die metallischen Punkte J1 in beiden der x- und y-Richtungen derart verschachtelt, dass die zweiten akustischen Oberflächenwellen, die von der Corioliskraft erzeugt werden, kohärent überlagert sind. Zum Beispiel schwingen, wie es in 40 gezeigt ist, wenn die Corioliskraft auf die metallischen Punkte J1 wirkt, die metallischen Punkte J11, J12, J13, J14 kohärent mit der inversen Phase des metallischen Punkts J15, da der metallische Punkt J15 um λ₁/2 in der x-Richtung und um λ₂/2 in der y-Richtung von allen metallischen Punkten J11, J12, J13, J14 angeordnet ist. Wenn sich der Winkelgeschwindigkeitssensor um die x-Achse mit einer Drehgeschwindigkeit μ / Ω_x dreht, dann erfährt jeder der metallischen Punkte J1 eine Beschleunigung 2 ρ / ν × μ / Ω_x in der y-Richtung, wobei μ / ν der Geschwindigkeitsvektor des Partikels ist, auf welchem der einzelne metallische Punkt angeordnet ist. Die Beschleunigung 2 ρ / ν × μ / Ω_x zeigt eine Vektorgröße, die drei Komponenten, die erste, zweite und dritte Komponente, aufweist, die der skalaren Größe in den x-, y- bzw. z-Richtungen entsprechen.
Wenn die erste SAW in der x-Richtung erregt wird und der Winkelgeschwindigkeitssensor um die x-Achse gedreht wird, führt die Erregungskraft der SAW, die aufgrund der Corioliskraft auf die metallischen Punkte J11, J12, J13, J14, J15 wirkt, zu einem Erregen der zweiten SAW in den y-Richtungen. Die zweite SAW, die von der Corioliskraft erzeugt wird, die auf die metallischen Punkte J11, J12, J13, J14, J15 wirkt, wird von den Erfassungs-IDTs J5, J6 erfasst, da die Erfassungs-IDTs J5, J6 mit dem Abstand einer ganzzahligen Zahl der Wellenlänge λ₂ beabstandet sind und kammförmige Elektroden aufweisen. Die zweite SAW wird durch Rückwärts- und Vorwärtsreflektieren durch die Reflektoren J7 und J8 derart verstärkt, dass die zweite Stehwelle der zweiten SAW wirksam erzeugt wird. Die Reflektoren J7 und J8 sind derart angeordnet, dass die Erfassungs-IDTs J5, J6 und der Bereich J10, in dem die metallische Punkte J1 angeordnet sind, dazwischen beidseitig umfasst sind. Die Stärke der zweiten Stehwelle ist proportional zu der Corioliskraft. Deshalb ist die Stärke der zweiten Stehwelle proportional zu der Drehgeschwindigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors. Dann erzeugt der piezoelektrische Effekt ein elektrisches Feld in dem piezoelektrischen Substrat, das proportional zu der Stärke der zweiten Stehwelle ist, welche von den Erfassungs-IDTs J5, J6 als eine elektrische Spannung erfassbar ist. Folglich ist es möglich, die Drehgeschwindigkeit zum Messen der Spannung zu erzielen, die an den Erfassungs-IDTs J5, J6 erzeugt wird.
Das Gyroskop für eine elastische Oberflächenwelle von Kurosawa und Higuchi und das mikroelektromechanische Gyroskop von Varadan et al. werden mit einer Technologie für akustische Oberflächenvorrichtungen, insbesondere akustischen Oberflächenwellenfiltern realisiert, die ein einkristallines piezoelektrisches Substrat zum Ausbreiten einer Rayleigh-Welle aufweisen. Einkristalline piezoelektrische Materialien, die als das piezoelektrische Substrat des Gyroskops für eine elastische Oberflächenwelle und das mikroelektromechanische Gyroskop verwendet werden, beinhalten Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalit (LiTaO₃), Lithiumtetraborat (Li₂B₄O₇), aber sind nicht darauf beschränkt.
Jedoch ist, obgleich die zuvor erwähnten einkristallinen piezoelektrischen Materialien, wie zum Beispiel Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalit (LiTaO₃), Lithiumtetraborat (Li₂B₄O₇), weithin für mechanische Filter verwendet werden, die eine akustische Oberflächenwelle verwenden, nicht die beste Weise, die Abmessung der Vorrichtung zu verringern. Eine andere Option ist, einen Winkelgeschwindigkeitssensor und eine externe Ansteuerschaltung von diesem in eine integrierte Vorrichtung zu integrieren, wenn die metallischen Punkte J1 auf einem der vorhergehenden einkristallinen piezoelektrischen Materialien für den Winkelgeschwindigkeitssensor angeordnet sind. Jedoch entsteht ein Nachteil der Anordnung aus der Tatsache, dass eine hohe Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors, welcher eine Menge von einzelnen metallischen Punkten J1 erfordert, und die relativen Positionen der metallischen Punkte J1 derart fein abgestimmt sein müssen, dass jeder metallische Punkt an Schleifen der sekundären SAW angeordnet ist, die von der Corioliskraft bewirkt wird. Weiterhin muss, damit der Winkelgeschwindigkeitssensor höchst empfindlich ist, eine erforderliche Fläche des Bereichs J10, an der die metallischen Punkte J1 angeordnet sind, eine größere Anzahl aufweisen. Die mechanische Struktur des Gyroskops für eine elastische Oberflächenwelle von Kurosawa und Higuchi und das mikroelektromechanische Gyroskop von Varadan et al. sind nicht zum Verringern der Abmessung des Winkelgeschwindigkeitssensors und Integrieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors und einer Ansteuerschaltung von diesem in eine integrierte Vorrichtung geeignet.
Weiterhin wird in einer Struktur, die ähnlich zu dem Gyroskop für eine elastische Oberflächenwelle von Kurosawa und Higuchi und dem mikroelektromechanischen Gyroskop von Varadan et al. ist, da es erforderlich ist, dass die Mehrzahl der metallischen Punkte J1 an dem Stehwellenmaximum angeordnet ist, um einen Wandlungsverlust zu verringern, jeder der metallischen Punkte J1 nie zu groß oder zu schwer. Jedoch können kleine und leichte metallische Punkte J1 den Winkelgeschwindigkeitssensor nicht zu einem Aufweisen einer hohen Empfindlichkeit bringen, da die Corioliskraft proportional zu sowohl der Masse als auch der Drehgeschwindigkeit ist.
Um ein Erzielen eines Verkleinerns und den Integrationsgrad eines Winkelgeschwindigkeitssensors zu verbessern, ist ein Versuch unternommen worden, den piezoelektrischen Film, in welchem die elastischen akustischen Wellen unter Verwendung des gleichen Prinzips wie demjenigen des Gyroskops für die elastische Oberflächenwelle von Kurosawa und Higuchi und dem mikroelektromechanischen Gyroskop von Varadan et al. erzeugt werden, auf dem Halbleitersubstrat herzustellen wie es in 41 gezeigt ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor dieses Typs weist ein Halbleitersubstrat J20, einen Isolationsfilm J21 und einen piezoelektrischen Film J22 auf. Der Isolationsfilm J21 ist auf eine obere Oberfläche des Halbleitersubstrats J20 abgeschieden und der piezoelektrische Film J22 ist auf eine obere Oberfläche des Isolationsfilms J21 abgeschieden. Die metallischen Punkte J23 zum Erfassen der Corioliskraft sind auf eine obere Oberfläche der piezoelektrischen Filme abgeschieden.
Jedoch ist der Winkelgeschwindigkeitssensor des Typs, der in 41 gezeigt ist, aus den folgenden Gründen nicht wirksam. In der Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs werden eine elektrische Polarisation in einer Anreicherungsrichtung in einer z-Richtung oder elektrische Oberflächenladungen verursacht, wenn die akustische Oberflächenwelle in dem piezoelektrischen Film erzeugt wird. Dabei ist die z-Richtung als eine Richtung definiert, die senkrecht zur einer Oberfläche des piezoelektrischen Films ist. Wenn die akustische Oberflächenwelle erzeugt wird, schwingen Partikel des piezoelektrischen Films aufgrund des piezoelektrischen Effekts in der z-Richtung. Da der piezoelektrische Effekt eine innere Spannung des piezoelektrischen Films zu einem elektrischen Feld wandelt, wird eine Höhe der elektrischen Polarisation oder eine Höhe einer elektrischen Ladung proportional zu der Amplitude der elastischen akustischen Wellen, dann proportional zu der Spannung, die auf den piezoelektrischen Film ausgeübt wird. Wenn eine piezoelektrische Konstante positiv ist, wird eine positive elektrische Ladung in einem Bereich bewirkt, an welchem eine Druckspannung erzeugt wird, und wird eine negative elektrische Ladung in anderen Bereichen bewirkt, an welchen eine Zugspannung ausgeübt wird. Als Ergebnis der elektrischen Polarisation, die in dem piezoelektrischen Film auftritt, wird eine Verschiebung von Partikeln unterdrückt, welche in beiden Bereichen angeordnet sind, an welchen die Druck- und Zugspannungen ausgeübt werden. Dann wird ein Erzielen einer hohen Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors in der Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors des Typs schwierig, welcher auf eine derartige Weise aufgebaut ist, dass der piezoelektrische Film J22 und die metallischen Punkte J23 auf dem Halbleitersubstrat J20 angesammelt sind.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung der vorhergehenden Situation im Stand der Technik geschaffen worden und weist als ihre Aufgabe auf, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen, der ein Halbleitersubstrat und einen piezoelektrischen Film aufweist, der auf dem Halbleitersubstrat angesammelt ist, und Merkmale, wie zum Beispiel eine Kompaktheit, eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Zuverlässigkeit, eine hohe Stabilität, eine hohe Genauigkeit und eine hohe Massenfertigungsfähigkeit durch Unterdrücken einer elektrischen Polarisation in der senkrechten Richtung zu dem piezoelektrischen Film aufweist.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der ein Halbleitersubstrat, eine erste Elektrode, die auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, einen piezoelektrischen Film, der auf dem gesamten Bereich der ersten Elektrode ausgebildet ist, metallische Punkte, die als Störmassen dienen, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films angeordnet sind, die einer Oberfläche gegenüberliegen, die mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist, wobei jeder metallische Punkt imstande ist, in der senkrechten Richtung zu dem piezoelektrischen Film zu schwingen, ein Ansteuer-IDT zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film als Reaktion auf eine extern angelegte Ansteuerspannung, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, ein Paar von Reflektoren, die den Ansteuer-IDT und die metallischen Punkte beidseitig umfassen, die die elastische akustische Welle, die von dem Ansteuer-IDT bewirkt wird, reflektieren, um eine erste Stehwelle der elastischen akustischen Welle auszubilden, die das Schwingen der metallischen Punkte begleitet, die mit einer Amplitude der elastischen akustischen Welle in Resonanz versetzt sind, und Erfassungs-IDTs zum Erfassen einer zweiten Stehwelle aufweist, die von einer Corioliskraft erzeugt wird, die auf die metallischen Punkte wirkt, welche mit der Amplitude der elastischen akustischen Welle in Resonanz versetzt schwingen.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die erste Elektrode aufweist, die zwischen dem Halbleitersubstrat und dem piezoelektrischen Film beidseitig umfasst ist, kann die Polarisation in der z-Richtung, welche als eine senkrechte Richtung zu der Oberfläche des piezoelektrischen Films definiert ist, auch dann unterdrückt werden, wenn eine innere Spannung in dem piezoelektrischen Film durch die Corioliskraft erzeugt wird, die auf schwingende Partikel in dem piezoelektrischen Substrat wirkt, und dann erzeugt die innere Spannung ein elektrisches Feld in der z-Richtung, welches einen Ursprung einer elektrischen Oberflächenladung, das heisst der elektrischen Polarisation, des piezoelektrischen Films in der z-Richtung ist, aufgrund eines Neutralisationseffekts durch die erste Elektrode. Genauer gesagt entweicht, wenn eine elektrische Oberflächenladung an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films erzeugt wird, der mit der ersten Elektrode verbunden ist, die elektrische Oberflächenladung aus dem piezoelektrischen Film und wird daher über die erste Elektrode neutralisiert. Deshalb wird eine Beschränkung einer Höhe einer Verschiebung des schwingenden Partikels in dem piezoelektrischen Substrat, insbesondere der metallischen Punkte, die aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films schwingen, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Winkelgeschwindigkeit aufweist.
Weiterhin ist eine grundlegende Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung, der den Ansteuer-IDT, Reflektoren und die Erfassungs-IDTs erfordert, ähnlich der, die im Stand der Technik erforderlich ist. Daher wird es möglich, eine Abmessung des Winkelgeschwindigkeitssensors zu verringern, da eine erforderliche Abmessung zum Erzielen einer ausreichenden Empfindlichkeit aufgrund einer höheren Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung kleiner wird. Deshalb kann der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen mit einem sehr großen Integrationsgrad (VLSIs) miniaturisiert werden.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der weiterhin eine zweite Elektrode aufweist, die zwischen dem piezoelektrischen Film und der Mehrzahl von metallischen Punkten beidseitig umfasst ist und einen gesamten Bereich bedeckt, in dem die metallischen Punkte ausgebildet sind.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die zweite Elektrode aufweist, die zwischen dem piezoelektrischen Film und der Mehrzahl von metallischen Punkten beidseitig umfasst ist, kann die Polarisation in der z-Richtung aufgrund eines Neutralisationseffekts durch die erste Elektrode auch dann unterdrückt werden, wenn eine innere Spannung in dem piezoelektrischen Film durch die Corioliskraft erzeugt wird, die auf schwingende Partikel in dem piezoelektrischen Substrat wirkt, und dann erzeugt die innere Spannung ein elektrisches Feld in der z-Richtung, welches eine elektrische Oberflächenspannung an einer oberen und einer unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films oder eine elektrische Polarisation des piezoelektrischen Films in der z-Richtung bewirkt. Genauer gesagt entweicht, wenn eine elektrische Oberflächenspannung an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films erzeugt wird, der mit der zweiten Elektrode verbunden ist, die elektrische Oberflächenspannung über die zweite Elektrode von dem piezoelektrischen Film und wird daher neutralisiert. Deshalb wird eine Begrenzung einer Höhe einer Verschiebung des schwingenden Partikels in dem piezoelektrischen Substrat, insbesondere der vibrierenden metallischen Punkte in der z-Richtung aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr großen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der weiterhin ein Kontaktloch, das in dem piezoelektrischen Film ausgebildet ist, zum elektrischen Verbinden der ersten Elektrode, die zwischen dem Halbleitersubstrat und dem piezoelektrischen Film beidseitig umfasst ist, mit der zweiten Elektrode aufweist, die auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films, aber unter den metallischen Punkten ausgebildet ist, um das gleiche elektrische Potential der ersten Elektrode zu dem der zweiten Elektrode zu halten.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor, in welchem die Kontaktlöcher in dem piezoelektrischen Film auf eine derartige Weise ausgebildet sind, dass das elektrische Potential der ersten und zweiten Elektroden, die mit der unteren bzw. oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films verbunden sind, an dem gleichen Pegel gehalten wird. Dies kann das Erzeugen einer Differenz des elektrischen Potentials zwischen der oberen und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films unterdrücken. Daher wird eine Begrenzung der Verschiebung des schwingenden Partikels in dem piezoelektrischen Substrat, insbesondere der schwingenden metallischen Punkte in der z-Richtung aufgrund des Polarisierens in der z-Richtung des piezoelektrischen Films, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor dieses Typs ist es bevorzugt, dass jedes Kontaktloch mit dem entsprechenden metallischen Punkt verbunden ist. Anders ausgedrückt ist der einzelne metallische Punkt auf der Oberseite des Kontaktlochs ausgebildet. Wenn die Kontaktlöcher an der Position ausgebildet sind, an der die metallischen Punkte angeordnet sind, trägt ein Abschnitt eines Gewichts der Kontaktlöcher zu einer Störmasse ohne Beeinträchtigen der Charakteristiken der elastischen akustischen Welle bei. Deshalb ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der Öffnungen zum Unterbringen eines Störgewichts in dem piezoelektrischen Film aufweist.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die Öffnungen zum Unterbringen eines Störgewichts in dem piezoelektrischen Film aufweist, der auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, ist das piezoelektrische Material aus den Öffnungen ausgeschlossen. Deshalb werden auch dann, wenn die Stehwelle der elastischen akustischen Welle elektrische Oberflächenladungen an den Oberflächen des piezoelektrischen Films durch den piezoelektrischen Effekt an einem Bereich erzeugt, an dem die metallischen Punkte und die Öffnungen angeordnet sind, die elektrischen Oberflächenladungen niemals die Schwingung des Störgewichts in der z-Richtung beeinträchtigen. Als Ergebnis wird eine Begrenzung der Verschiebung der schwingenden Störgewichte, die in den Öffnungen untergebracht sind, in der z-Richtung beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
In der Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs ist es bevorzugt, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor, der die Öffnungen zum Unterbringen des Störgewichts in dem piezoelektrischen Film aufweist, weiterhin die erste Elektrode aufweist, die zwischen dem Halbleitersubstrat und dem piezoelektrischen Film beidseitig umfasst ist.
In allen zuvor erwähnten Aspekten der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Störmassen oder das Störgewicht aus Metall oder aus einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als 13,5 g/cm³ ist. Die Metalle oder Metalllegierungen, die für die Störmassen oder das Störgewicht geeignet sind, beinhalten Platin (Pt), Wolfram (W) und Gold (Au). Bei einem derartigen Aufbau der Störmassen oder des Störgewichts wird die Corioliskraft, die auf die Störmassen oder das Störgewicht wirkt, hervorgehoben, um die Verschiebung der Störmassen oder des Störgewichts in der z-Richtung zu erhöhen. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen wird gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, das die Schritte eines Vorbereitungsschritts zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats, eines Schritts zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode auf das Halbleitersubstrat mindestens über einen Bereich, über welchen ein Störgewicht ausgebildet ist, eines Schritts zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films auf mindestens entweder die erste Elektrode oder das Halbleitersubstrat und eines Herstellungsschritts zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film aufweist, wobei die Mehrzahl von Merkmalen metallische Punkte, die als die Störmassen dienen, einen Ansteuer-IDT zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film, Reflektoren zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungs-IDTs zum Erfassen einer zweiten Stehwelle aufweist, die durch die Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden kann.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors weist der Herstellungsschritt zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film weiterhin einen ersten Herstellungsschritt zum Herstellen des Ansteuer-IDT, der Reflektoren und der Erfassungs-IDTs und einen zweiten Herstellungsschritt zum Herstellen der Störmassen auf.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, das weiterhin einen Schritt zum Ausbilden einer zweiten Elektrode zum Abscheiden der zweiten Elektrode, die zwischen dem piezoelektrischen Film und den metallischen Punkten beidseitig umfasst wird, mindestens über einem Bereich auf, welcher einen Bereich bedeckt, an dem die metallischen Punkte ausgebildet sind. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden kann.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, der das Kontaktloch in dem piezoelektrischen Film aufweist, das weiterhin einen Schritt eines Ausbildens des Kontaktlochs in dem piezoelektrischen Film aufweist, wobei der Schritt eines Ausbildens einer zweiten Elektrode dazu ausgelegt ist, die zweite Elektrode über das Kontaktloch elektrisch mit der ersten Elektrode zu verbinden, welche zwischen dem Halbleitersubstrat und dem piezoelektrischen Film beidseitig umfasst ist. Wenn das Kontaktloch derart angeordnet ist, dass der metallische Punkt zu dem Kontaktloch in der z-Richtung ausgerichtet ist, trägt ein Gewicht eines Abschnitts der zweiten Elektrode, welcher genau unter einem der metallischen Punkte angeordnet ist, zu den Störmassen bei. Deshalb ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden kann.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, das Schritte eines Vorbereitungsschritts zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats, eines Schritts zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films auf das Halbleitersubstrat, eines Schritts zum Ausbilden einer zweiten Elektrode zum Abscheiden der zweiten Elektrode auf den piezoelektrischen Film mindestens über einem Bereich, über welchem ein Störgewicht ausgebildet ist, eines Herstellungsschritts zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film, wobei die Mehrzahl von Merkmalen einen Ansteuer-IDT zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film, Reflektoren zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungs-IDTs zum Erfassen einer zweiten Stehwelle aufweist, die durch die Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, und eines weiteren Herstellungsschritts zum Herstellen der metallischen Punkte, die als das Störgewicht dienen, auf der zweite Elektrode aufweist.
In einer Ausgestaltung der vorhergehenden Verfahren zum Herstellen von Winkelgeschwindigkeitssensoren ist es bevorzugt, dass das Verfahren weiterhin einen Schritt eines Schritts zum Ausbilden eines Isolationsfilms zum Ausbilden des Isolationsfilms auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films aufweist. Deshalb ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) minaturisiert werden kann.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, das die Schritte eines Vorbereitungsschritts zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats, eines Schritts zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films auf den Halbleiter, eines Schritts zum Ausbilden einer Öffnung zum Ausbilden der Öffnung in dem piezoelektrischen Film über einem Bereich, über welchem Störmassen angeordnet sind, einen Herstellungsschritt zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film, wobei die Mehrzahl von Merkmalen einen Ansteuer-IDT zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film, Reflektoren zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungs-IDTs zum Erfassen einer zweiten Stehwelle aufweist, die durch die Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, und eines weiteren Herstellungsschritts zum Herstellen der metallischen Punkte, die als die Störmassen dienen, auf einer Oberfläche der Öffnung aufweist. Daher ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr großen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden kann.
In einer ersten Ausgestaltung dieses Verfahrens zum Herstellen von Winkelgeschwindigkeitssensoren ist es bevorzugt, dass das Verfahren weiterhin einen Schritt eines Schritts eines Ausbildens eines ersten Isolationsfilms zum Ausbilden des ersten Isolationsfilms auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films aufweist. In einer zweiten Ausgestaltung dieses Verfahren zum Herstellen von Winkelgeschwindigkeitssensoren ist es bevorzugt, dass das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Ausbilden der ersten Elektrode entweder auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats oder auf einer oberen Oberfläche des ersten Isolationsfilms aufweist, wobei der Schritt zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films dazu ausgelegt ist, den piezoelektrischen Film auf der Oberfläche der ersten Elektrode auszubilden. In einer dritten Ausgestaltung dieses Verfahrens zum Herstellen von Winkelgeschwindigkeitssensoren ist es bevorzugt, dass das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Ausbilden eines zweiten Isolationsfilms zum Ausbilden des zweiten Isolationsfilms entweder auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films, die aufgrund des Vorhandenseins der Öffnung in dem piezoelektrischen Film freiliegt, oder auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films aufweist. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden kann.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der ein Halbleitersubstrat, eine erste Elektrode, die auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, einen piezoelektrischen Film, der auf dem gesamten Bereich der ersten Elektrode ausgebildet ist, metallische Punkte, die als Störmassen dienen, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films angeordnet sind, die einer Oberfläche gegenüberliegt, die mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist, wobei jeder metallische Punkt imstande ist, in der Richtung senkrecht zu dem piezoelektrischen Film zu schwingen, einen Ansteuer-IDT zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film als Reaktion auf eine extern angelegte Ansteuerspannung, der auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, ein Paar von Reflektoren, die den Ansteuer-IDT und die metallischen Punkte beidseitig umfassen, die die elastische akustische Welle, die von dem Ansteuer-IDT bewirkt wird, reflektieren, um eine die erste Stehwelle der elastischen akustischen Welle begleitende Schwingung der metallischen Punkte ausbilden, die mit einer Amplitude der elastischen akustischen Welle in Resonanz versetzt sind, und Erfassungs-IDTs zum Erfassen einer zweiten Stehwelle aufweist, die von einer Corioliskraft erzeugt wird, die auf die metallischen Punkte wird, die mit der Amplitude der elastischen akustischen Welle in Resonanz versetzt schwingen, wobei eine Massendichte in einem Bereich, in dem die metallischen Punkte angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich ist, in dem der Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs angeordnet sind. Dieser Aufbau führt zu einem Effekt, in dem die Corioliskraft, die auf die metallischen Punkte wirkt, erhöht ist, da eine Amplitude der Corioliskraft proportional zu der Massendichte ist. Dann werden sowohl eine Amplitude einer elastischen akustischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, als auch die Geschwindigkeit der Partikel, die genau unter den metallischen Punkten angeordnet sind, ebenso erhöht, wenn sich die Amplitude der Corioliskraft erhöht. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der hohe Empfindlichkeit aufweist.
In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der die erste Elektrode aufweist, die zwischen dem Halbleitersubstrat und dem piezoelektrischen Film beidseitig umfasst ist. In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die erste Elektrode aufweist, kann eine elektrische Polarisation in der z-Richtung aufgrund eines Neutralisationseffekts durch die erste Elektrode auch dann unterdrückt werden, wenn eine innere Spannung in dem piezoelektrischen Film von der Corioliskraft erzeugt wird, die auf die schwingenden Partikel in dem piezoelektrischen Substrat wirkt, und dann erzeugt die innere Spannung ein elektrisches Feld in der z-Richtung, welches einen Ursprung einer elektrischen Oberflächenladung an einer oberen und einer unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films ist, oder eine elektrische Polarisation des piezoelektrischen Films in der z-Richtung. Genauer gesagt entweicht, wenn die elektrische Oberflächenladung an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films erzeugt wird, der mit der ersten Elektrode verbunden ist, die elektrische Oberflächenladung von dem piezoelektrischen Film über die erste Elektrode und wird daher neutralisiert. Deshalb wird eine Begrenzung einer Höhe einer Verschiebung des schwingenden Partikels in dem piezoelektrischen Substrat, genauer gesagt der metallischen Punkte, die in der z-Richtung aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films schwingen, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, da eine Massendichte in einem Bereich, in dem die metallischen Punkte angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich ist, in dem der Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs angeordnet sind. Dies kann zu dem Realisieren eines höchst empfindlichen Winkelgeschwindigkeitssensors führen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der eine zweite Elektrode aufweist, die zwischen dem piezoelektrischen Film und der Mehrzahl von metallischen Punkten beidseitig umfasst ist. Dies kann es ebenso ermöglichen, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Es ist ebenso vorteilhaft, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor eine Mehrzahl von Gräben in dem Halbleitersubstrat aufweist, in welchem die Störmassen untergebracht sind. Bei diesem Aufbau sind die Störmassen unter dem piezoelektrischen Film angeordnet.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der eine Mehrzahl von Gräben, deren freiliegende Oberfläche von einem Isolationsfilm in dem Halbleitersubstrat bedeckt ist, eine Mehrzahl von Merkmalen, die den Ansteuer-IDT, Reflektoren und die Erfassungs-IDTs beinhalten und in den Gräben hergestellt sind, und einen piezoelektrischen Film aufweist, der angeordnet ist, um die Mehrzahl von Merkmalen, wie zum Beispiel den Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs zu bedecken, wobei eine Massendichte in einem Bereich, in dem die metallischen Punkte angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich ist, in dem der Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs angeordnet sind. Dieser Aufbau führt zu einem Effekt, in dem die Corioliskraft, die auf die metallischen Punkte wirkt, erhöht wird, da eine Amplitude der Corioliskraft proportional zu der Massendichte ist. Dann werden sowohl eine Amplitude einer elastischen akustischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, und Geschwindigkeiten von Partikeln, die genau unter den metallischen Punkten angeordnet sind, ebenso erhöht, wenn sich die Amplitude der Corioliskraft erhöht. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Wie in dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die Mehrzahl von Merkmalen aufweist, die den Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs beinhalten, und auf dem piezoelektrischen Film angeordnet sind, werden die gleichen Vorteile in einem Winkelgeschwindigkeitssensor erzielt, der eine Mehrzahl von Merkmalen aufweist, die unter dem piezoelektrischen Film angeordnet sind, wobei eine Massendichte in einem Bereich, in dem die metallischen Punkte angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich ist, in dem die Mehrzahl von Merkmalen, die den Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs beinhalten, angeordnet ist.
Dieser Aufbau, in welchem die Mehrzahl von Merkmalen, die den Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs beinhalten, unter dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, kann durch das Ausbilden von Ausbildungsgräben, Unterbringen der Störmassen darin und Ausbilden eines piezoelektrischen Films realisiert werden, um die Gräben zu bedecken.
Weiterhin ist als eine Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein leitender Film auf dem piezoelektrischen Film ausgebildet. Es wird möglich, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor, der den leitenden Film aufweist, der auf dem piezoelektrischen Film ausgebildet ist, eine vorbestimmte Spannung zwischen dem Ansteuer-IDT und dem leitenden Film derart erzeugt und aufrecht erhält, dass eine elektrische Leistung wirksam in den piezoelektrischen Film eingegeben wird, da der elektrische Potentialpegel des piezoelektrischen Films imstande ist, konstant gehalten zu werden. Weiterhin wirkt, wenn der leitende Film mit Masse verbunden ist, der leitende Film als eine Abschirmung. Diese Tatsache führt zu einer Erwartung, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor unempfindlich bezüglich externem elektrischem Rauschen ist. Deshalb wird es möglich, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor eine hohe Empfindlichkeit aufweist, da der elektrische Signalpegel aufgrund eines elektronischen Rauschverringerungseffekts des leitenden Films erhöht wird.
In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors, der den leitenden Film aufweist, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor weiterhin die Öffnungen auf, über welchen der leitende Film zum Unterbringen des Störgewichts ausgeschlossen ist.
In den zuvor erwähnten zehnten und elften Aspekten der vorliegenden Erfindung ist eine Massendichte in einem Bereich, in dem die Störmassen angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich, in dem der Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs angeordnet sind. Dieser Aufbau führt zu einem Effekt, in dem die Corioliskraft, die auf die metallischen Punkte wirkt, erhöht wird, da eine Amplitude der Corioliskraft proportional zu der Massendichte ist. Dann werden sowohl eine Amplitude einer elastischen akustischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, als auch Geschwindigkeiten von Partikeln, die genau unter den metallischen Punkten angeordnet sind, ebenso erhöht, wenn sich die Amplitude der Corioliskraft erhöht. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Um den gerade erwähnten Zustand zu erzielen, gibt es ein Verfahren, in welchem die Störmassen oder das Störgewicht aus Metall oder aus einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als 13,5 g/cm³ ist. Die Metalle oder Metalllegierungen, die für die Störmassen oder das Störgewicht geeignet sind, beinhalten Platin (Pt), Wolfram (W) und Gold (Au). Bei einem derartigen Aufbau der Störmassen oder des Störgewichts wird die Corioliskraft, die auf die Störmassen oder das Störgewicht wirkt, hervorgehoben, um die Verschiebung der Störmassen oder des Störgewichts in der z-Richtung zu erhöhen. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Es gibt ein weiteres Verfahren zum Erzielen eines Zustands, das eine Massendichte in einem Bereich, in dem die Störmassen angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich ist, in dem der Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs angeordnet sind, wobei die Dicke der Störmassen größer als die in dem weiteren Bereich sind. Wenn die Störmassen, der Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metalllegierung bestehen, kann der vorhergehende Zustand erfüllt werden.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, das Schritte eines Vorbereitungsschritts zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats, eines Schritts zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode auf das Halbleitersubstrat mindestens über einem Bereich, über welchem ein Störgewicht ausgebildet wird, eines Schritts zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films auf die erste Elektrode oder das Halbleitersubstrat, eines weiteren Vorbereitungsschritts zum Vorbereiten eines ersten und eines zweiten Materials, wobei eine Massendichte des zweiten Materials größer als die des ersten Materials ist, eines Herstellungsschritts zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen, die aus dem ersten Material bestehen, auf dem piezoelektrischen Film, wobei die Mehrzahl von Merkmalen einen Ansteuer-IDT zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film, Reflektoren zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungs-IDTs zum Erfassen einer zweiten Stehwelle beinhalten, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, und eines weiteren Herstellungsschritts zum Herstellen der Störmassen, die aus dem zweiten Material bestehen, das als die Störmassen dient, auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Films aufweist. Deshalb ist eine Massendichte in einem Bereich, in dem die Störmassen angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich, in dem die Mehrzahl von Merkmalen, die den Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs beinhalten, angeordnet ist. Daher ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden kann.
In einem Winkelgeschwindigkeitssensor, der durch ein Verfahren gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, der zuvor erwähnt worden ist, wird die Corioliskraft, die auf die Störmassen wirkt, erhöht, da eine Amplitude der Corioliskraft proportional zu der Massendichte ist. Dann werden sowohl eine Amplitude einer elastischen akustischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, als auch Geschwindigkeiten von Partikeln, die genau unter den metallischen Punkten angeordnet sind, ebenso erhöht, wenn sich die Amplitude der Corioliskraft erhöht. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
In einer Ausgestaltung der Verfahrens zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren weiterhin einen Schritt eines Schritts zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Ausbilden der ersten Elektrode auf dem Halbleitersubstrat und unter dem piezoelektrischen Film über einem Bereich auf, über welchem die Störmassen angeordnet sind.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die erste Elektrode aufweist, kann eine elektrische Polarisation in der z-Richtung aufgrund eines Neutralisationseffekts durch die erste Elektrode unterdrückt werden. Genauer gesagt entweichen, wenn eine elektrische Oberflächenladung an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films erzeugt wird, der mit der ersten Elektrode verbunden ist, elektrische Oberflächenladungen über die erste Elektrode aus dem piezoelektrischen Film und werden daher neutralisiert. Daher wird eine Begrenzung einer Höhe einer Verschiebung des schwingenden Partikels in dem piezoelektrischen Substrat, insbesondere der metallischen Punkte, die aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films in der z-Richtung schwingen, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
In dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Schritt zum Ausbilden einer ersten Elektrode dazu ausgelegt ist, die erste Elektrode aus einem von mit Störstellen dotierten Polysilizium, Aluminium (Al), einer Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), einer Legierung auf Titanbasis, Wolfram, einer Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und einer Legierung auf Molybdänbasis herzustellen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Schritt zum Ausbilden einer ersten Elektrode dazu ausgelegt, die erste Elektrode auf dem piezoelektrischen Film und unter den Störmassen auszubilden. In diesem Fall bedeckt die erste Elektrode einen Bereich, über welchem die Störmassen angeordnet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, das weiterhin Schritte eines Grabenausbildungsschritts zum Ausbilden einer Mehrzahl von Gräben in dem Halbleitersubstrat, eines Isolationsfilm-Ausbildungsschritts zum Anordnen des Isolationsfilms auf einer freiliegenden Oberfläche jedes Grabens, eines Störmassen-Ausbildungsschritts zum Ausbilden der Störmassen in den Gräben, deren Oberflächen mit dem Isolationsfilm bedeckt sind, und eines Schritts zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Ausbilden des piezoelektrischen Films aufweist, um die Mehrzahl der Gräben, die Störmassen und das Halbleitersubstrat zu bedecken. Bei diesem Aufbau sind die Störmassen unter dem piezoelektrischen Substrat angeordnet.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, das Schritte eines Vorbereitungsschritts zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats, eines Grabenausbildungsschritts zum Ausbilden einer Mehrzahl von Gräben in dem Halbleitersubstrat, eines Isolationsfilm-Ausbildungsschritts zum Anordnen des Isolationsfilms über einer freiliegenden Oberfläche von jedem Graben, eines weiteren Vorbereitungsschritts zum Vorbereiten eines ersten und eines zweiten Materials, wobei eine Massendichte des zweiten Materials größer als die des ersten Materials ist, eines Herstellungsschritts zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen, die aus dem ersten Material bestehen, in einigen Gräben, wobei die Mehrzahl von Merkmalen einen Ansteuer-IDT zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film, Reflektoren zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungs-IDTs zum Erfassen einer zweiten Stehwelle beinhaltet, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, und eines weiteren Herstellungsschritts zum Herstellen der Störmassen, die aus dem zweiten Material bestehen, die als die Störmassen dienen, in anderen Gräben, und einen Schritt zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Ausbilden des piezoelektrischen Films aufweist, um die Mehrzahl der Gräben, der Störmassen und des Halbleitersubstrats zu bedecken. Deshalb ist eine Massendichte in einem Bereich, in dem die Störmassen angeordnet sind, größer als die in einem weiteren Bereich, in dem die Mehrzahl von Merkmalen angeordnet sind, die den Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs beinhalten. Daher ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, welcher mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden kann.
In einer Ausgestaltung eines Verfahrens gemäß dem vierzehnten Aspekt weist ein Herstellungsschritt zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen, die aus dem ersten Material bestehen, in einigen Gräben, wobei die Mehrzahl von Merkmalen an einen Ansteuer-IDT, die Reflektoren und die Erfassungs-IDTs beinhaltet, weiterhin einen Isolationsfilm-Ausbildungsschritt zum Ausbilden des Isolationsfilms auf freiliegenden Oberflächen der Gräben, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, auf, wobei der Herstellungsschritt dazu ausgelegt ist, die Störmassen in den Gräben herzustellen, deren freiliegende Oberflächen von dem Isolationsfilm bedeckt sind, um die Mehrzahl der Gräben, der Störmassen und des Halbleitersubstrats zu bedecken.
In einer weiteren Ausgestaltung eines Verfahrens gemäß dem vierzehnten Aspekt weist das Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors weiterhin einen leitenden Film auf dem Halbleitersubstrat auf. Es ist möglich, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor den leitenden Film aufweist, der auf dem piezoelektrischen Film ausgebildet ist, um eine vorbestimmte Spannung zwischen dem Ansteuer-IDT und dem leitenden Film derart zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, dass eine elektrische Energie wirksam in dem piezoelektrischen Film eingegeben wird, da der elektrische Potentialpegel des piezoelektrischen Films imstande ist, konstant gehalten zu werden. Weiterhin wirkt, wenn der leitende Film mit Masse verbunden ist, der leitende Film als eine Abschirmung. Diese Tatsache führt zu einer Erwartung, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor unempfindlich bezüglich externem Rauschen ist. Deshalb ist es nun möglich, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor eine hohe Empfindlichkeit aufweist, da der elektrische Signalpegel aufgrund eines elektromagnetischen Rauschverringerungseffekts des leitenden Films erhöht ist.
In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors, der den leitenden Film beinhaltet, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor weiterhin die Öffnungen auf, über welche der leitende Film zum Unterbringen des Störgewichts ausgeschlossen ist.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen, der ein piezoelektrisches Substrat, das eine obere und eine untere Oberfläche aufweist und zum Beispiel eine elastische Welle als Reaktion auf ein elektrisches Signal aufgrund eines piezoelektrischen Effekts schwingen lässt, durch welchen eine elektrische Energie zu einer mechanischen Deformationsenergie des piezoelektrischen Substrats gewandelt wird und umgekehrt, eine erste Elektrode, die auf der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet ist, eine zweite Elektrode, die in der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats derart ausgebildet ist, dass die zweite Elektrode der ersten Elektrode über das piezoelektrische Substrat gegenüberliegt und dazu ausgelegt ist, als eine Störmasse zu dienen, auf welche eine Corioliskraft wirkt, wenn die Störmasse eine Geschwindigkeit davon bezüglich des piezoelektrischen Substrats aufweist und das piezoelektrische Substrat gedreht wird, und Erfassungseinrichtungen zum Erfassen von elektrischen Signalen aufweist, die von der Corioliskraft erzeugt werden, und dann auf physikalische Größen über eine Dreherscheinung des piezoelektrischen Substrats bezogen werden.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die zweite Elektrode aufweist, die dazu ausgelegt ist, als die Störmasse zu dienen, schwingt die zweite Elektrode in der z-Richtung, die als eine senkrechte Richtung zu der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats definiert ist, auf der Grundlage des piezoelektrischen Effekts, wenn eine Wechsel-(AC)-Spannung zwischen die ersten und zweiten Elektroden angelegt wird. Daher wird es möglich, dass eine Information einer Drehung des piezoelektrischen Substrats über die Schwingung der zweiten Elektrode erzielt wird, die auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet ist. Einer der Vorteile des Winkelgeschwindigkeitssensors des zuvor beschriebenen Typs ist, dass eine erforderliche Fläche für eine Störmasse kleiner als die für metallische Punkte wird, die als Störmassen dienen, auf welche die Corioliskraft wirkt, wenn eine elastische akustische Welle entlang einer parallelen Richtung zu der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats erregt wird, da eine elastische akustische Welle in der z-Richtung, das heisst in der senkrechten Richtung zu der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats, erzeugt wird. Ein weiterer Vorteil des Winkelgeschwindigkeitssensors des zuvor beschriebenen Typs ist, dass ein Ansteuer-IDT und Reflektoren nicht erforderlich sind. Lediglich Erfassungs-IDTs sind erforderlich. Es ist nicht erforderlich, dass der Ansteuer-IDT und die Reflektoren derart angeordnet sind, dass alle des Ansteuer-IDT, der Reflektoren und eines Bereichs, in dem metallische Punkte angeordnet sind, die als Störmassen dienen, auf einer geraden Linie sind. Deshalb werden ein Verkleinern von Winkelgeschwindigkeitssensoren und ein Integrieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors und einer externen Ansteuerschaltung von diesem zu einer integrierten Schaltung einer kleinen Abmessung gleichzeitig erzielt.
In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors des zuvor beschriebenen Typs, der die zweite Elektrode aufweist, die dazu ausgelegt ist, als die Störmasse zu dienen, weisen die Erfassungs-IDTs weiterhin erste Erfassungs-IDTs und zweite Erfassungs-IDTs auf, wobei alle der ersten und der zweiten IDTs aus der Mehrzahl der Elektroden bestehen. Die ersten Erfassungs-IDTs und die zweiten Erfassungs-IDTs sind derart angeordnet, dass der Bereich, in dem die zweite Elektrode angeordnet ist, die als die Störmasse dient, zwischen den ersten und zweiten IDTs beidseitig umfasst ist.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der den zuvor erwähnten Aufbau aufweist, wird die Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage der Differenz zwischen einer gemessenen elektrischen Energie, die von dem ersten Erfassungs-IDT erfasst wird, und der des zweiten Erfassungs-IDT gemessen, so dass Effekte eines externen Rauschens in elastischen akustischen Wellen aus Endergebnissen der Messung beseitigt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors des zuvor erwähnten Typs, der die zweite Elektrode aufweist, die dazu ausgelegt ist, als die Störmasse zu dienen, weisen die Erfassungs-IDTs weiterhin einen dritten Erfassungs-IDT und einen vierten Erfassungs-IDT auf. Jeder der dritten und der vierten IDTs besteht aus einer Mehrzahl von Elektroden. Der dritte und der vierte IDT sind derart angeordnet, dass die zweite Elektrode, die als die Störmasse dient, zwischen diesen beidseitig umfasst ist, und die ersten und die zweiten IDTs sind orthogonal auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet.
Dieser Aufbau der ersten, zweiten, dritten und vierten Erfassungs-IDTs führt zu der Möglichkeit eines Erfassens einer Drehgeschwindigkeit um mehrere rechtwinklige Achsen. Daher ist dieser Aufbau imstande, Effekte von direkten elastischen akustischen Wellen, die durch Anlegen von externen Wechselspannungen erzeugt werden, auf Messspannungen zu verringern, die sich auf elastische akustische Wellen beziehen, die von der Corioliskraft erzeugt werden.
Weiterhin ist der vorhergehende Aufbau der ersten, zweiten, dritten und vierten Erfassungs-IDTs imstande, einen nicht erforderlichen Beitrag von den direkten elastischen akustischen Wellen zu verringern. Die ersten und zweiten Erfassungs-IDTs liefern ein erstes Ausgangssignal, das eine Information über eine Differenz in Ausgangsspannungen beinhaltet, die von den ersten und zweiten IDTs erfasst werden. Ähnlich liefern die dritten und vierten IDTs ein zweites Ausgangssignal, das eine Information über eine Differenz in Ausgangsspannungen beinhaltet, die von den dritten und vierten IDTs erfasst werden. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung der ersten und zweiten Ausgangssignale erzielt wird, wird der Winkelgeschwindigkeitssensor unempfindlich gegenüber den direkten elastischen akustischen Wellen, welche nicht das Streuen durch die Corioliskraft erfahren.
In einer weiteren Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors des zuvor erwähnten Typs, der die zweite Elektrode aufweist, die dazu ausgelegt ist, als die Störmasse zu dienen, wird das piezoelektrische Substrat durch einen dünnen piezoelektrischen Film ersetzt, der obere und untere Oberflächen aufweist. In diesem Fall weist der Winkelgeschwindigkeitssensor weiterhin ein Halteelement auf, dessen obere Oberfläche von der ersten Elektrode bedeckt ist. Die untere Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films bedeckt die obere Oberfläche der ersten Elektrode.
Es ist bevorzugt, dass das Halteelement aus einem Isolationssubstrat oder einem Halbleitersubstrat besteht, das einen hohen spezifischen Widerstand aufweist.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein Durchgangsloch von dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um eine Struktur zu erzielen, in welcher die untere Oberfläche der ersten Elektrode zu Luft freiliegt. Bei diesem Aufbau des Winkelgeschwindigkeitssensors ist die zweite Elektrode, die als die Störmasse dient, imstande, mit einer großen Amplitude in der z-Richtung zu schwingen, um eine hohe Empfindlichkeit bezüglich der Corioliskraft, die auf die Störmasse wirkt, das heisst der Drehgeschwindigkeit, zu erzielen.
Bei diesem Aufbau wird eine nicht erforderliche Schwingung der Störmasse erzeugt, wenn das Durchgangsloch zu groß ist. Daher ist es bevorzugt, dass eine Länge des Durchgangslochs entlang der x-Achse, welche durch eine Richtung definiert ist, in welcher die ersten und zweiten Erfassungs-IDTs zueinander ausgerichtet sind, kürzer als ein Abstand zwischen den ersten und zweiten IDTs ist und die Enden der Störmasse entlang der x-Richtung weg von dem Durchgangsloch liegen, so dass eine nicht erforderliche Schwingung der Störmasse unterdrückt wird.
In einer Situation, in der eine Richtung nicht die x-Richtung ist, ist eine größere Länge des Durchgangslochs, das Kanten der ersten und zweiten IDTs entlang der y-Richtung überlappt, welche durch eine Richtung definiert ist, die orthogonal zu der x-Richtung auf der Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films ist, bevorzugt. Bei einem derartigen Aufbau des Durchgangslochs ist es möglich, dass die ersten und zweiten IDTs einen höheren Pegel von elektrischen Signalen proportional zu der Corioliskraft ausgeben, die auf die Störmasse wirkt, wenn sich der dünne piezoelektrische Film um die x-Achse dreht. Daher ist es bevorzugt, dass die Enden des Durchgangslochs weg von der Störmasse entlang der y-Richtung liegen, so dass die nicht erforderliche Schwingung der Störmasse unterdrückt wird.
Wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor angeordnet ist, um die ersten, zweiten, dritten und vierten Erfassungs-IDTs aufzuweisen, um eine Drehrichtung um mehrere rechtwinklige Achsen zu erfassen, liegen die Enden der Störmasse sowohl entlang der x-Richtung als auch der y-Richtung, vorzugsweise entfernt von dem Durchgangsloch. Bei diesem Aufbau wird die nicht erforderliche Schwingung der Störmasse unterdrückt.
Die zweite Elektrode, die ebenso als die Störmasse dient, besteht vorzugsweise aus einer einzelnen Elektrode, so dass eine Massendichte eines Bereichs, in dem die zweite Elektrode ausgebildet ist, erhöht ist. Deshalb wird noch bevorzugt die zweite Elektrode in einer rechteckigen Form ausgebildet, um die Massendichte des Bereichs zu erhöhen, in dem die zweite Elektrode ausgebildet ist. Die Tatsache, dass die Massendichte des Bereichs, in dem die zweite Elektrode ausgebildet ist, groß ist, bringt die zweite Elektrode dazu, mit einer großen Amplitude in einer z-Richtung zu schwingen, die als eine Richtung einer Dicke eines piezoelektrischen Films definiert ist. Wenn sich der dünne piezoelektrische Film dreht, wird ein elektrischer Strom, der sich auf die Corioliskraft bezieht, die auf die zweite Elektrode wirkt, die entlang der z-Richtung schwingt, deren Amplitude proportional zu einer Schwingungsgeschwindigkeit davon ist, erzeugt. Deshalb wird, je größer die Amplitude der Schwingungsgeschwindigkeit der zweiten Elektrode ist, desto höher die Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors, da die zweite Elektrode in der z-Richtung mit einer größeren Amplitude schwingt.
In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs ist eine erste Elektrode auf der unteren Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films in einem Bereich ausgebildet, über welchem die zweite Elektrode angeordnet ist.
Bei diesem Aufbau ist die erste Elektrode lediglich auf dem anderen Bereich ausgebildet, über welchem die Erfassungs-IDTs angeordnet sind. Deshalb kann ein Bereich unter den Erfassungs-IDTs in dem dünnen piezoelektrischen Film elektrische Felder und elastische akustische Wellen vermeiden, da die erste Elektrode nicht dort unter den Erfassungs-IDTs ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors, der die zweite Elektrode aufweist, die ebenso als die Störmasse dient, ist ein dünner Isolationsfilm ausgebildet, um die obere Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films zu bedecken, auf welchem die zweite Elektrode angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der dünne Isolationsfilm auf der oberen Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films über einem Bereich angeordnet, auf welchem die zweite Elektrode, die ebenso als die Störmasse dient, angeordnet ist. Dieser Aufbau des dünnen Isolationsfilms lässt eine Verringerung eines Leckens eines elektrischen Stroms zwischen den ersten und zweiten Elektroden zu. Es gibt einen weiteren Vorteil des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs, bei dem ein Gewicht eines Teils des dünnen Isolationsfilms, der sich unter der zweiten Elektrode befindet, zu der Störmasse zusätzlich durch ein Gewicht der zweiten Elektrode beiträgt, so dass eine hohe Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors erzielt wird.
Noch weiterhin bestehen in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung das piezoelektrische Substrat und der dünne piezoelektrische Film aus einem von Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT). Wenn der dünne piezoelektrische Film aus AlN besteht, wird es möglich, eine Integration der anderen funktionalen Vorrichtungen, wie zum Beispiel komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) in dem Winkelgeschwindigkeitssensor ohne Berücksichtigung einer Umgebungsmetallverunreinigung zu erzielen.
Weiterhin ist es in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, wenn mindestens eine der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, die ebenso als die Störmasse dient, aus einem von Aluminium (Al), einer Aluminium-(Al)-Silizium-(Si)-Legierung, einer Aluminium-(Al)-Silizium-(Si)-Kupfer(Cu)-Legierung und mit Störstellen dotiertem Polysilizium besteht, die erste Elektrode mit einer Halbleiterherstellungstechnologie mit einem Beitrag zum Verhindern einer Umgebungsmetallverunreinigung auszubilden.
Noch weiterhin besteht in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens eine der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, die ebenso als die Störmasse dient, aus einem von Aluminium (Al), Platin (Pt), Wolfram (W) und Rubidium (Ru), wobei eine Massendichte der ersten und zweiten Elektroden derart erhöht ist, dass ein Gesamtgewicht der ersten und zweiten Elektroden wächst.
Noch weiterhin ist es in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die zweite Elektrode aus einer Mehrzahl von metallischen Inselfilmen besteht, welche elektrisch miteinander verbunden sind und von einer externen elektrischen Versorgung gleichzeitig angesteuert werden.
Bei diesem Aufbau des Winkelgeschwindigkeitssensors werden elastische akustische Wellen, die an einzelnen Elektroden, die die zweite Elektrode bilden, durch die Corioliskraft erzeugt werden, synchron hervorgehoben. Deshalb wird eine hohe Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors erzielt.
Noch weiterhin ist eine Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsvorrichtung durch derartiges Integrieren einer Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeitssensoren zu einer einzigen Vorrichtung vorgesehen, dass ein Endergebnis einer gemessenen Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage von elektrischen Signalen erzielt wird, die aus der Mehrzahl der Winkelgeschwindigkeitssensoren ausgegeben werden.
Deshalb wird eine Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsvorrichtung vorgesehen, die ein genaues Messergebnis erzeugt und eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Noch weiterhin verwendet ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung eine elastische akustische Welle, die in elastischen Materialien erzeugt wird, die einen piezoelektrischen Film beinhalten. In dem Fall, in dem die elastische akustische Welle in dem piezoelektrischen Film bewirkt wird, ist es möglich, eine Schneide- und Ausbreitungsrichtung eines piezoelektrischen Materials während eines Herstellens des Winkelgeschwindigkeitssensors zu vernachlässigen. Diese Tatsache führt zu einem Realisieren der hohen Empfindlichkeit und hohen Herstellbarkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung, ihr Aufbau und ihre Funktionsweise werden im Detail auf der Grundlage der beiliegenden Zeichnung beschrieben, in welcher:
1A und 1B eine Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
2 eine Corioliskraft zeigt, die auf jede der erzeugten Störmassen wirkt, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einer Drehbewegung unterliegt, während eine elastische akustische Welle des piezoelektrischen Films durch die Ansteuerelektroden erzeugt wird;
3 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, die entlang einer Linie A-A in 1A genommen ist;
4 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 1A und 1B gezeigt ist, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5A bis 5C die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
6 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels zeigt, die entlang einer Linie A-A in 1A genommen ist;
7A und 7B einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, wobei 7A eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiels zeigt und 7B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie B-B in 6A genommen ist;
8 eine Querschnittsansicht zeigt, die einen Schnappschuss von schwingenden Komponenten des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;
9 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 7A und 7B gezeigt ist, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
10A bis 10D die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
11 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt, die entlang einer Linie B-B in 7A genommen ist;
12 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;
13 eine Querschnittsansicht zeigt, die einen Schnappschuss von schwingenden Komponenten des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel darstellt;
14 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 12 gezeigt ist, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
15A bis 15E die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
16 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Ausgestaltung des dritten Ausführungsbeispiels zeigt;
17A und 17B einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zeigen, wobei 17A eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt und 17B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie C-C in 17A genommen ist;
18 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 17A und 17B gezeigt ist, gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
19A bis 19D die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
20A und 20B einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel zeigen, wobei 20A eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 zeigt und 20B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie A-A in 20A genommen ist;
21 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 20A und 20B gezeigt ist, gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
22A bis 22D die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
23 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Ausgestaltung des fünften Ausführungsbeispiels zeigt;
24 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt;
25 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 22A und 22B gezeigt ist, gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
26A bis 26E die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
27 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Ausgestaltung des sechsten Ausführungsbeispiels zeigt;
28A und 28B Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß der Ausgestaltung des sechsten Ausführungsbeispiels zeigen;
29A und 29B einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel zeigen, wobei 29A eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt und 29B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie B-B in 29A genommen ist;
30 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 29A und 29B gezeigt ist, gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
31A bis 31G die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
32 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Ausgestaltung des siebten Ausführungsbeispiels zeigt;
33A und 33B einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem achten Ausführungsbeispiel zeigen, wobei 33A eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt und 33B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie C-C in 33A genommen ist;
34 ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 33A und 33B gezeigt ist, gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
35A bis 35G die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem achten Ausführungsbeispiel durchgeführten Schritte darstellen;
36 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der ersten Ausgestaltung des achten Ausführungsbeispiels zeigt;
37 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der zweiten Ausgestaltung des achten Ausführungsbeispiels zeigt;
38 eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der dritten Ausgestaltung des achten Ausführungsbeispiels zeigt;
39A und 39B einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel zeigen, wobei 39A eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt und 39B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie A-A in 39A genommen ist;
40 eine Vogelperspektive der ersten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels zeigt;
41A und 41B einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels zeigen, wobei 41A eine Draufsicht des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt und 41B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie B-B in 41A genommen ist;
42A und 42B einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der zweiten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels zeigen, wobei 42A eine Draufsicht des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt und 42B eine Querschnittsansicht zeigt, die entlang einer Linie C-C in 42A genommen ist;
43 einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der dritten Ausgestaltung des neuen Ausführungsbeispiels zeigt;
44A und 44B einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vierten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels zeigt, wobei 44A eine Vogelsperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, und 44B eine Draufsicht zeigt;
45 ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Standes der Technik eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, der ein einkristallines piezoelektrisches Element verwendet;
46A und 46B die einzelnen Achsen eines Quarzkristalls zeigen;
47 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels im Stand der Technik eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt;
48 ein vereinfachtes Funktionsprinzip des zuvor erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, der in 47 gezeigt ist; und
49 eine Querschnittsansicht zeigt, die einen Schnappschuss von den schwingenden Komponenten des Winkelgeschwindigkeitssensors im Stand der Technik darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Um die vorliegende Erfindung detaillierter zu beschreiben, werden die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nun hier im weiteren Verlauf unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Eine Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 durchgeführt.
1A und 1B zeigen eine Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 1B zeigt eine Querschnittsansicht von diesem, die entlang einer Linie A-A in 1A genommen ist.
Wie es in 1B gezeigt ist, beinhaltet der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 ein Halbleitersubstrat 2, das eine obere Oberfläche aufweist. Das Halbleitersubstrat besteht zum Beispiel aus Silizium. Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Halbleitersubstrats größer als 400 μm ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 weist die Erfassungskomponenten auf, die auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 angeordnet sind.
Ein dünner Isolationsfilm 3 ist auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 ausgebildet, um eine gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 zu bedecken. Der dünne Isolationsfilm besteht zum Beispiel aus Siliziumoxid (SiO₂). Die Dicke des dünnen Isolationsfilms ist dicker als 1 μm. Auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des dünnen Isolationsfilms zu der, die mit dem Halbleitersubstrat 3 verbunden ist, ist eine erste Elektrode 4 von mehreren hundert Nanometern Dicke ausgebildet. Die erste Elektrode 4 besteht aus einem von mit Störstellen dotierten Polysilizium, Aluminium (Al), einer Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), einer Legierung auf Titanbasis, Wolfram, einer Legierung auf Wolfra mbasis, Molybdän und einer Legierung auf Molybdänbasis mit der Halbleiterherstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs), während eine Umgebungsmetallverunreinigung berücksichtigt wird.
Ein piezoelektrischer Film 5 ist auf der ersten Elektrode 4 angeordnet, um die gesamte Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken. Die Dicke des piezoelektrischen Films 5 ist ungefähr mehrere Mikrometer. Zum Beispiel besteht der piezoelektrische Film 5 aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO), aber ebenso aus einem piezoelektrischen und ferroelektrischen Film, wie zum Beispiel PTZ:Pb(ZrTi)O₃, PT:PbTiO₃ und dergleichen. In dem Fall, in dem der piezoelektrische Film aus Aluminiumnitrid (AlN) besteht, ist es möglich, eine andere funktionale Vorrichtung, wie zum Beispiel komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS), in den Winkelgeschwindigkeitssensor zu integrieren, während das Problem einer Umgebungsmetallverunreinigung berücksichtigt wird.
Weiterhin sind Störmassen 6, Ansteuerelektroden 7 bis 10, Reflektoren 11, 12 und Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet. Eine Mehrzahl der Ansteuerelektroden bildet einen Ansteuer-Interdigitalwandler (hier im weiteren Verlauf "Ansteuer-IDT" bezeichnet). Auf eine ähnliche Weise bildet eine Mehrzahl der Erfassungselektroden einen Erfassungs-Interdigitalwandler (hier im weiteren Verlauf "Erfassungs-IDT" bezeichnet).
Die Ansteuerelektroden 7 bis 10 werden verwendet, um eine elastische akustische Welle zu erregen, um eine Stehwelle zu bewirken, auf welche eine Corioliskraft wirkt, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor gedreht wird. Jede der Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist durch eine kammförmige Elektrode gebildet. Die Ansteuerelektroden 7 bis 8 und die Ansteuerelektroden 9 bis 10 sind in einem vorbestimmten Abstand getrennt, der durch eine Frequenz der Stehwelle definiert ist. Jede der Erfassungselektroden 13 bis 16 ist ebenso durch eine kammförmige Elektrode gebildet. Die Reflektoren 11, 12 dienen dazu, die elastischen akustischen Wellen, die von den Ansteuer-IDTs 13 bis 16 bewirkt werden, wiederholt zu reflektieren, um die Stehwelle zwischen den Reflektoren 11, 12 zu erregen.
Die Störmasse 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 bestehen aus einem von mit Störstellen dotierten Polysilizium, Aluminium (Al), einer Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), einer Legierung auf Titanbasis, Wolfram, einer Legierung auf Wolfra mbasis, Molybdän und einer Legierung auf Molybdänbasis. Wenn die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 aus einem von mit Störstellen dotierten Polysilizium, Aluminium (Al) und Al-Si-Cu mit der Halbleiterherstellungstechnologie für VLSIs bestehen, ist es nicht notwendig, die Umgebungsmetallverunreinigung während des Herstellens des Winkelgeschwindigkeitssensors zu berücksichtigen. Wenn die Störmasse 6 aus Metallen oder Metalllegierungen besteht, die Platin (Pt), Wolfram (W) und Gold (Au) beinhalten. Bei einem derartigen Aufbau der Störmassen 6 wird die Corioliskraft, die auf die Störmassen 6 wirkt, hervorgehoben, um die Verschiebung der Störmassen 6 zu erhöhen. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Wie es in 1A gezeigt ist, bestehen die Störmassen 6 aus metallischen Punkten und sind über einem vorbestimmten Bereich 6 auf dem piezoelektrischen Film 5 verstreut. Jede der Störmassen 6 ist in der Form eines Quadrats von der Draufsicht aus gesehen ausgebildet. Die Störmassen 6 sind gruppiert, um ein versetztes Gitter auszubilden, welches von dem vorbestimmten Bereich 60 bedeckt ist.
Genauer gesagt ist zu beachten, dass die Störmassen 6 in einer x-y-Ebene liegen, in welcher die x-Achse von dem Reflektor 11 zu einem anderen 12 verläuft und die y-Achse von den Erfassungselektroden 13, 14 zu den anderen 15, 16 läuft. Die Störmassen 6 sind sowohl in der x-Richtung als auch der y-Richtung derart verschachtelt, dass die elastischen akustischen Wellen, die von der Corioliskraft erzeugt werden, kohärent überlagert sind.
Wenn die Corioliskraft auf die Störmassen 6 wirkt, schwingen die Störmassen, welche entlang der y-Richtung ausgerichtet sind, kohärent und schwingen die Störmassen 6 in der benachbarten Reihe der x-Richtung kohärent mit der entgegengesetzten Phase, da die Störmassen 6 von allen metallischen Punkten um λ₁/2 in der x-Richtung und um λ₂/2 in der y-Richtung angeordnet sind, wobei λ₁ eine Wellenlänge der Stehwelle ist, die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 bewirkt wird, und durch die Reflektoren 11, 12 gegliedert sind, und λ₂ eine Wellenlänge einer elastischen akustischen Welle ist, die von der Corioliskraft erzeugt wird, die auf die Störmassen 6 wirkt. Wenn sich der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 mit einer Drehgeschwindigkeit μ / Ω_x um die x-Achse dreht, dann erfährt jede der Störmassen 6 eine Beschleunigung 2 ρ / ν × μ / Ω_x in der y-Richtung, wobei μ / ν der Geschwindigkeitsvektor eines Partikels ist, auf welchem die einzelne Störmassen 6 angeordnet sind.
Die Ansteuerelektroden 7 bis 10 sind derart auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet, dass der vorbestimmte Bereich 60 zwischen den Ansteuerelektroden 7 bis 8 und den Ansteuerelektroden 9 bis 10 in der x-Richtung beidseitig umfasst ist und zwischen den Erfassungselektroden 13 bis 14 und den Erfassungselektroden 15 bis 16 in der y-Richtung beidseitig umfasst ist. Die Ansteuerelektroden 7 bis 10 sind mit der elektrischen Energieversorgung (nicht gezeigt) über Ansteuerspannungs-Versorgungsleitungen verbunden, die aus den Kontaktierungsdrähten und dergleichen bestehen, und an sie wird eine elektrische Ansteuerspannung aus der elektrischen Energieversorgung angelegt. Die Ansteuerspannung wird zwischen den Ansteuerelektroden 7 bis 10 und der ersten Elektrode 4 angelegt, um eine Schwingung der Ansteuerelektroden 7 bis 10 in der z-Richtung, das heisst in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des piezoelektrischen Films 5, wie es in den 1A und 1B gezeigt ist, aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu erregen, durch welchen die elektrische Energie zu der mechanischen Deformationsenergie gewandelt wird.
Die Ansteuerelektroden 7, 8 sind zum Bilden eines ersten Ansteuer-Interdigitalwandlers (Ansteuer-IDT) gekoppelt. Alle Ansteuerelektroden 7, 8 sind in einer Kammform ausgebildet, das heisst die Ansteuerelektroden 7, 8 beinhalten Zahnkomponenten 7a, 8a, welche parallel zu der y-Achse angeordnet sind, und Verbindungskomponenten 7b, 8b, welche senkrecht zu der y-Richtung angeordnet sind und als Verbinder einer Mehrzahl der Zahnkomponenten 7a, 8a dienen. Der erste Ansteuer-IDT, der aus den Ansteuerelektroden 7, 8 besteht, ist auf einer Seite des vorbestimmten Bereichs 60 angeordnet, auf welchem die Störmassen 6 angeordnet sind. In den Ansteuerelektroden 7, 8 sind die Zahnkomponenten 7a, 8a angeordnet, um miteinander verschachtelt zu sein. Die Verbindungskomponenten 7b, 8b sind über die Zahnkomponenten 7a, 8a gegenüberliegend angeordnet. Ein Abstand von Zahnkomponenten 7a, 8a der Ansteuerelektroden 7, 8 in der x-Richtung bestimmt eine Wellenlänge einer elastischen akustischen Welle, die von den ersten Ansteuer-IDTs 7, 8 selbst erzeugt wird.
Ähnlich zu den Ansteuerelektroden 7, 8 sind die Ansteuerelektroden 9, 10 zum Bilden eines zweiten Ansteuer-Interdigitalwandlers (Ansteuer-IDT) gekoppelt. Der zweite Ansteuer-IDT, der aus den Erfassungselektroden 9, 10 besteht, ist auf einer gegenüberliegenden Seite des vorbestimmten Bereichs 60 zu dem ersten Ansteuer-IDT angeordnet, der aus den Erfassungselektroden 7, 8 besteht. Alle Ansteuerelektroden 9, 10 sind in einer Kammform ausgebildet. Die Ansteuerelektroden 9, 10 beinhalten Zahnkomponenten 9a, 10a, welche parallel zu der y-Achse angeordnet sind, und Verbindungskomponenten 9b, 10b, welche senkrecht zu der y-Richtung sind. Die Verbindungskomponenten 9b, 10b überbrücken dadurch die Zahnkomponenten 9a, 10a. Wie in dem Fall der Ansteuerelektroden 7, 8 sind die Zahnkomponenten 9a, 10a angeordnet, um zueinander verschachtelt zu sein, und angeordnet, um mit einer Periodizität von einer Hälfte der Wellenlänge der elastischen akustischen Welle beabstandet zu sein, die von den Ansteuer-IDTs 7 bis 10 selbst erzeugt wird.
Die Reflektoren 11, 12 sind derart auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet, dass die Störmassen 6 und die Ansteuerelektroden 7 bis 10 zwischen dem Reflektor 11 und 12 entlang der x-Richtung angeordnet sind. Die Reflektoren 11, 12 sind auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet und in einer Stangenform hergestellt. Eine Längsrichtung von beiden Reflektoren 11, 12 läuft entlang der y-Achse, das heisst zu den Zahnkomponenten 7a bis 10a der Ansteuerelektroden 7 bis 10.
Die Erfassungselektroden 13, 14 sind gekoppelt, um zu einem ersten Erfassungs-Interdigitalwandler (Erfassungs-IDT) beizutragen. Die Erfassungselektroden 13, 14 sind auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet. Alle Erfassungselektroden 13, 14 sind in einer Kammform ausgebildet. Die Erfassungselektroden 13, 14 beinhalten Zahnkomponenten 13a, 14a, welche parallel zu der x-Achse angeordnet sind, und beinhalten weiterhin Verbindungskomponenten 13b, 14b, welche senkrecht zu der x-Richtung sind. Die Verbindungskomponenten 13b, 14b überbrücken die Zahnkomponenten 13a, 14a dadurch. Die Zahnkomponenten 13a, 14a sind angeordnet, um zueinander verschachtelt zu sein, und angeordnet, um mit einer Periodizität von einer Hälfte der Wellenlänge der elastischen akustischen Welle beabstandet zu sein, die von der Corioliskraft erzeugt wird.
Ähnlich den Erfassungselektroden 13, 14 sind die Erfassungselektroden 14, 16 gekoppelt, um einen zweiten Erfassungs-Interdigitalwandler (Erfassungs-IDT) zu bilden. Die Erfassungselektroden 15, 16 sind auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet. Alle Erfassungselektroden 15, 16 sind in einer Kammform ausgebildet. Die Erfassungselektroden 15, 16 beinhalten Zahnkomponenten 15a, 16a, welche parallel zu der y-Achse angeordnet sind, und beinhalten weiterhin Verbindungskomponenten 15b, 16b, welche senkrecht zu der y-Richtung sind. Die Verbindungskomponenten 15b, 16b überbrücken die Zahnkomponenten 15a, 16a dadurch. Die Zahnkomponenten 15a, 16a sind angeordnet, um zueinander verschachtelt zu sein, und angeordnet, um mit einer Periodizität von einer Hälfte der Wellenlänge der elastischen akustischen Welle beabstandet zu sein, die von der Corioliskraft erzeugt wird.
Die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12, die Erfassungselektroden 13 bis 16 bilden eine Erfassungseinheit des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden werden die Funktionsweisen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie es in 2 gezeigt ist, erzeugt, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einer Drehbewegung unterliegt, während elastische akustische Wellen, die mindestens in dem piezoelektrischen Film 5 bewirkt werden, von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 erzeugt werden, die Drehung senkrecht zu der Schwingungsgeschwindigkeit von jeder der Störmassen 6 die Corioliskraft in der Richtung, die senkrecht zu beiden Richtungen ist. Die elastische akustische Welle wird manchmal zusätzlich zu dem piezoelektrischen Film 5 in der ersten Elektrode 4 und einer Oberfläche des Halbleitersubstrats bewirkt. Im Allgemeinen durchdringt die elastische akustische Welle ein elastisches Material in der Größenordnung einer Wellenlängentiefe von den Ansteuerelektroden 7 bis 10.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Erfassungseinheit durch Anlegen einer Ansteuerspannung an die Ansteuerelektroden 7 bis 10 angesteuert. Zum Beispiel wird eine Wechsel-(AC)-Spannung +B[V] an die Ansteuerelektroden 7 und 9 angelegt, wohingegen eine Wechsel-(AC)-Spannung-B[V] an die Ansteuerelektroden 8 und 10 angelegt wird. Anders ausgedrückt, ist die Phase der Wechselspannung, die an die Ansteuerelektroden 7 und 9 angelegt wird, um eine Hälfte der Periodizität der Ansteuerwechselspannung zu der unterschiedlich, die an die Ansteuerelektroden 8 und 10 angelegt wird. Wenn es erforderlich ist, ist die erste Elektrode 4 an Masse gelegt, so dass eine Differenz eines elektrischen Potentials zwischen den Ansteuerelektroden 7 bis 10 und der ersten Elektrode 4 erzeugt wird. Dies bedeutet, dass elektrische Felder in dem piezoelektrischen Film vorhanden sind, welcher die untere Oberfläche aufweist, die mit der ersten Elektrode 4 bedeckt ist, und die obere Oberfläche aufweist, auf welcher die Ansteuerelektroden 7 bis 10 angeordnet sind. Durch den piezoelektrischen Effekt werden die Ansteuerelektroden 7 bis 10 in der z-Richtung derart zum Schwingen gebracht, dass elastische akustische Wellen bewirkt werden und sich entlang der x-Richtung ausbreiten.
Die Betriebsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 wird durch das Trennen der Ansteuerelektroden 7 bis 10, physikalische Charakteristiken des piezoelektrischen Films und das Halbleitersubstrat 2, zum Beispile ein Siliziumsubstrat, usw. bestimmt. Die Ansteuerelektroden 7 bis 10 erzeugen eine elastische akustische Welle des piezoelektrischen Films, die eine Frequenz aufweist, die von mehreren MHz bis zu mehreren Hundert MHz reicht.
Im Gegensatz zu einem üblichen Fall, in dem eine Ausbreitungswelle in einem Sendekanal erzeugt wird, reflektieren die Ansteuerelektroden 9, 10 und die Reflektoren 11, 12 die Ausbreitungswelle, die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 erzeugt wird, und beschränken die Ausbreitungswelle in dem Sendekanal, um eine erste Stehwelle in dem piezoelektrischen Film zu bilden. Die Mehrzahl der Störmassen 6 ist angeordnet, um an den Bauchpunkten dieser Stehwelle angeordnet zu sein, um die Amplitude der Corioliskraft zu verstärken, um eine elastische akustische Welle zu erregen, die orthogonal zu beiden Richtungen der ersten Stehwelle und der Corioliskraft ist, um dadurch die Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors zu verbessern.
Wenn jede Störmasse eine Masse m aufweist und eine Geschwindigkeit jeder Störmasse 6 μ / ν ist, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 einer Drehbewegung mit einer Winkeldrehung μ / Ω senkrecht zu der Richtung der Geschwindigkeit jeder der Störmassen 6 unterliegt, bewirkt μ / ν die Corioliskraft μ / F senkrecht zu den Richtungen von sowohl der Schwingungsbewegung μ / ν als auch der Winkeldrehung μ / Ω. Dabei ist die Geschwindigkeit von jeder Störmasse 6 μ / ν und ist die Winkeldrehung μ / Ω. Daher wird der Effekt der Corioliskraft in einer Form μF = 2mρν × μΩ geschrieben.
Dabei stellt ein Symbol "x" in der vorhergehenden Gleichung ein Vektorprodukt dar. Wenn es angenommen wird, dass die Resonanzfrequenz der ersten Stehwelle μ / ω (= 2 π f₀) ist und die Amplitude der ersten Stehwelle durch r geschrieben ist, kann daher die Geschwindigkeit jeder Störmasse 6 durch μ / ν = r μ / ω geschrieben werden.
In diesem Fall wird die elastische akustische Welle, die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 erzeugt wird, durch Rückwärts- und Vorwärtsreflektieren zwischen den Reflektoren 11, 12 gleichgerichtet, um die Frequenz der ersten Stehwelle zu der der extern angelegten AC-Spannung zu synchronisieren.
Da die Störmassen 6 angeordnet sind, um ein versetztes Gitter auszubilden, um die Corioliskraft wirksam wirken zu lassen, erzeugt eine kohärente Wechselkraft, die an jeder Störmasse 6 durch die Corioliskraft erzeugt wird, eine andere Schwingungsbewegung von jeder Störmasse 6 in der y-Richtung. Anders ausgedrückt erzeugt die Corioliskraft eine zweite Ausbreitungswelle in dem piezoelektrischen Film 5 entlang der y-Richtung. In der y-Richtung sind die Erfassungselektroden 13 bis 16 an beiden Seiten des vorbestimmten Bereichs 60 angeordnet, auf welchem die Störmassen 6 angeordnet sind. Die zweite Ausbreitungswelle wird von den Erfassungselektroden 13 bis 16 als ein elektrisches Signal erfasst, das aufgrund des piezoelektrischen Effekts gewandelt ist. Deshalb kann die Winkeldrehung μ / Ω erzielt werden.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 4 ausgebildet, um von dem piezoelektrischen Film 5 bedeckt zu sein. Über einem Bereich, auf welchem die erste Elektrode 4 ausgebildet ist, ist der vorbestimmte Bereich 60 angeordnet, auf welchem die Störmassen 6 angeordnet sind.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die entlang einer Linie A-A in 1A genommen ist, während die erste Stehwelle in dem piezoelektrischen Film 5 derart erregt wird, dass eine Spannungskraft aufgrund des piezoelektrischen Effekts in dem piezoelektrischen Film 5 erzeugt wird. Aufgrund dieser Spannungskraft, die in dem piezoelektrischen Film 5 erzeugt wird, wird eine Polarisation in dem piezoelektrischen Film 5 entlang der z-Richtung derart hervorgebracht, dass positiv oder negativ geladene Bereiche in der Nähe der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auftreten, wobei ein Vorzeichen der elektrischen Ladung von einer piezoelektrischen Konstante des Materials abhängt, die den piezoelektrischen Film 5 bildet. Ein entgegengesetzt geladener Bereich tritt ebenso in der Nähe der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auf.
Jedoch beinhaltet der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die erste Elektrode 4, auf welcher der piezoelektrische Film 5 ausgebildet ist. Daher wird in der Nähe der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 die Polarisation, die aufgrund der ersten Stehwelle in dem piezoelektrischen Film hervorgebracht wird, über die erste Elektrode 4 neutralisiert. Deshalb entweicht auch dann, wenn eine elektrische Oberflächenladung an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 erzeugt wird, der mit der ersten Elektrode 4 verbunden ist, eine elektrische Oberflächenladung von dem piezoelektrischen Film 5 und wird daher über die erste Elektrode 4 neutralisiert. Deshalb werden Beschränkungen einer Höhe einer Verschiebung des schwingenden Partikels in dem piezoelektrischen Film 5 und jeder Störmasse 6, die in der z-Richtung schwingt, aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films 5 beseitigt.
Wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 einer Drehbewegung mit einer Winkeldrehung μ / Ω unterliegt, unter welcher jede Störmasse 6 einen Schwingungsgeschwindigkeitsvektor μ / ν aufweist, wirkt die Corioliskraft, deren Amplitude proportional zu der Schwingungsgeschwindigkeit ^μ ist, auf Partikel in dem piezoelektrischen Film 5 und den Störmassen 6. Daher werden zusätzlich zu den Beschränkungen einer Höhe einer Verschiebung des Schwingungspartikels in dem piezoelektrischen Film 5 und jeder Störmasse 6, die in der z-Richtung schwingt, aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films 5 Beschränkungen von Schwingungsgeschwindigkeiten des Schwingungspartikels in dem piezoelektrischen Film 5 und jeder Störmasse 6 beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors 1 mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) wird beschrieben.
4 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1, das einen Vorbereitungsschritt (S100) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt (S102) zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode 3 auf das Halbleitersubstrat 2 mindestens über einem Bereich, über welchem Störmassen 6 ausgebildet sind, einen Schritt (S104) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films 5 auf mindestens einer der ersten Elektrode 3 und das Halbleitersubstrat 2 und einen Herstellungsschritt (S106) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Störmassen 6, eine Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und die Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle beinhaltet, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) beinhaltet.
Die 5A bis 5C zeigen die Schritte, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 durchgeführt werden.
Zuerst wird Siliziumsubstrat einer (100)-Ausrichtung einer Dicke von 400 μm vorbereitet (S100 in 4). Die Dicke eines Siliziumsubstrats ist nicht so wichtig, weshalb ein Siliziumsubstrat, das dicker als 400 μm ist, nicht verboten ist. Bezüglich des Substrats ist es möglich, nicht nur ein einkristallines Kristallsubstrat, das aus einem einkristallinen Kristall, wie zum Beipsiel Silizium oder Saphir, besteht, sondern ebenso ein anderes Substrat als ein einkristallines Kristall, wie zum Beispiel ein Glassubstrat, ein polykristallines Keramiksubstrat, ein Metallsubstrat oder ein Harzsubstrat, zu verwenden. Ein Verwenden des Halbleitersubstrats, wie zum Beispiel Silizium, weist einen Vorteil auf, dass es möglich ist, den Winkelgeschwindigkeitssensor 1 und eine externe Ansteuerschaltung von diesem in eine einzige Vorrichtung zu integrieren, so dass ein großer Integrationsgrad erzielt werden kann.
Als Nächstes wird, wie es in 4A gezeigt, ein dünner Siliziumdioxidfilm, welcher dünner als 1 μm ist, auf das Siliziumsubstrat aufgewachsen. Der Siliziumdioxidfilm wird zum Beispiel durch Zerstäuben ausgebildet.
Wie es in 4B gezeigt ist, wird ein mehrere hundert Nanometer dicker Film aus mit Störstellen dotierten polykristallinem Silizium durch eine chemische Niederdruck-Dampfphasenabscheidung (LPCVD) zum Ausbilden einer ersten Elektrode 4 abgeschieden (S102 in 4). Zum Beispiel wird mit Phosphor dotiertes polykristallines Silizium für die erste Elektrode 4 verwendet. In diesem Fall wird der mit Phosphor dotierte polykristalline Siliziumfilm unter Verwendung eines reaktiven Ionenätzverfahrens mit einem Gas auf Fluoridbasis gemustert. Wenn die erste Elektrode 4 aus einem von Aluminium (Al), einer Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), einer Legierung auf Titanbasis, Wolfram, einer Legierung auf Wolf rambasis, Molybdän und einer Legierung auf Molybdänbasis besteht, ist ein Zerstäubungsverfahren geeignet zum Abscheiden der ersten Elektrode 4 auf das Halbleitersubstrat 3.
In dem nächsten Schritt wird ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken (S104 in 4). Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Dann wird, wie es in 4C gezeigt ist, ein mehrere hundert dicker Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 aufzubilden (S105 in 4). Weiterhin werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet und mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 durch Drahtkontaktieren verbunden.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der die erste Elektrode 4 aufweist, die zwischen dem Halbleitersubstrat 3 und dem piezoelektrischen Film 5 beidseitig umfasst ist, kann die Polarisation in der z-Richtung aufgrund eines Neutralisationseffekts durch die erste Elektrode 4 auch dann unterdrückt werden, wenn eine innere Spannung in dem piezoelektrischen Film 5 von der Corioliskraft, die auf Schwingungspartikel in dem piezoelektrischen Film 5 wirkt, erzeugt wird, und dann wird die innere Spannung ein elektrisches Feld in der z-Richtung erzeugt, welche einen Ursprung einer elektrischen Oberflächenladung, das heisst der elektrischen Polarisation des piezoelektrischen Films 5 in der z-Richtung, ist. Genauer gesagt entweicht, wenn eine elektrische Oberflächenladung an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 erzeugt wird, der mit der ersten Elektrode 4 verbunden ist, eine elektrische Oberflächenladung von dem piezoelektrischen Film 5 und wird daher über die erste Elektrode 4 neutralisiert. Daher wird ein Beschränken einer Höhe einer Verschiebung des Schwingungspartikels in dem piezoelektrischen Film 5, genauer gesagt, der Störmassen 6, die aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films 5 schwingen, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Weiterhin sind in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die erste Elektrode 4 unter den Ansteuerelektroden 7 bis 10 über den piezoelektrischen Film 5 ausgebildet. Deshalb gibt es elektrische Felder zwischen den Ansteuerelektroden 7 bis 10 und der ersten Elektrode 4, die von der externen Ansteuer-AC-Spannung erzeugt werden, so dass es möglich ist, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 mit einer größeren Amplitude in der z-Richtung schwingen zu lassen. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Weiterhin gleicht eine grundlegende Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, welche die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 annehmen, der, den der Stand der Technik annimmt. Daher wird es möglich, eine Abmessung des Winkelgeschwindigkeitssensors zu verringern, da eine erforderliche Abmessung zum Erzielen einer ausreichenden Empfindlichkeit aufgrund einer höheren Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kleiner wird. Deshalb kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Störmassen 6 aus Metall oder einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als 13,5 g/cm³ ist. Die Metalle oder Metalllegierungen, die für die Störmassen oder das Störgewicht geeignet sind, beinhalten Platin (Pt), Wolfram (W) und Gold (Au). Bei einem derartigen Aufbau der Störmassen 6 wird die Corioliskraft, die auf die Störmassen 6 wirkt, hervorgehoben, um die Verschiebung der Störmassen 6 in der z-Richtung zu erhöhen. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Weiterhin ist er einfach für eine Abmessungsverringerung der Vorrichtung oder eine Integration eines Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und einer externen Ansteuerschaltung von diesem in eine integrierte Vorrichtung empfohlen, da der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel ein Siliziumsubstrat, verwendet.
(Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)
6 zeigt eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß der Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels, die entlang einer Linie A-A in 1A genommen ist.
In dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, in welchem die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 direkt auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet sind, ist, wenn es erforderlich ist, ein dünner Isolationsfilm 20 ausgebildet und zwischen die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 und die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 eingefügt. In diesem Aufbau sind die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 angeordnet. Es ist insbesondere in einem Fall bevorzugt, in dem der piezoelektrische Film 5 aus AlN besteht, dass der dünne Isolationsfilm 20 auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 ausgebildet ist, um einen elektrischen Leckstrom zu verhindern, der entlang der z-Richtung in dem piezoelektrischen Film 5 von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 zu der ersten Elektrode 4 fließt, wenn die Ansteuer-AC-Spannung zwischen den Ansteuerelektroden 7 bis 10 und der ersten Elektrode 4 angelegt ist.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 7A bis 11 wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in dem ersten Ausführungsbeispiel zur Einfachheit die gleichen Bezugszeichen zugewiesen und wird die Beschreibung von diesen Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist eine Struktur auf, die imstande ist, einen Neutralisationseffekt der Oberflächenladung zu verbessern, die an den oberen und unteren Oberflächen des piezoelektrischen Films 5 erzeugt wird, während die elastische akustische Welle in dem piezoelektrischen Film 5 durch Anlegen der Ansteuer-AC-Spannung zwischen den Ansteuerelektroden 7 bis 10 und der ersten Elektrode 4 erregt wird. Daher wird, da das Funktionsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors das gleiche wie das des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, der Unterschied des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Ausführungsbeispiels von dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
7A und 7B zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. 7A zeigt eine Vogelsperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 7B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie B-B in 7A genommen ist.
Wie es weiter in 7A gezeigt ist, weist ein Winkelgeschwindigkeitssensor dieses Ausführungsbeispiels weiterhin eine zweite Elektrode 30 auf, die auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet ist. Dieser Aufbau ist imstande, eine Oberflächenladung zu neutralisieren, die an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 erzeugt wird. Genauer gesagt ist die zweite Elektrode 30 auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet, um einen vorbestimmten Bereich 60 zu bedecken, auf welchem die Störmassen 6 ausgebildet sind.
8 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen Schnappschuss von Schwingungskomponenten des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 darstellt, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 einer Drehbewegung unterliegt, nachdem die erste Stehwelle mindestens in dem piezoelektrischen Film 5 bewirkt worden ist.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der die zweite Elektrode 30 aufweist, die zwischen dem piezoelektrischen Film 5 und den Störmassen 6 beidseitig umfasst ist, kann die Polarisation in der z-Richtung aufgrund eines Neutralisationseffekts durch die zweite Elektrode 30 auch dann unterdrückt werden, wenn eine innere Spannung in dem piezoelektrischen Film 5 von der Corioliskraft erzeugt wird, die auf Schwingungspartikel in dem piezoelektrischen Film 5 wirkt. Die innere Spannung erzeugt ein elektrisches Feld in der z-Richtung, welches eine elektrische Oberflächenladung an einer oberen und einer unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 oder eine elektrische Polarisation des piezoelektrischen Films in der z-Richtung bewirkt. Genauer gesagt entweicht, wenn eine elektrische Oberflächenladung an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 erzeugt wird, der mit der zweiten Elektrode 30 verbunden ist, eine elektrische Oberflächenladung von dem piezoelektrischen Film 5 und wird daher über die zweite Elektrode 30 neutralisiert. Daher wird eine Beschränkung einer Höhe einer Verschiebung des Schwingungspartikels in dem piezoelektrischen Film 5, insbesondere der schwingenden Störmassen 6 in der z-Richtung aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films 5, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Ein Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) wird beschrieben.
9 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen eines Winkelgeschwindigkeitssensors 1, das einen Vorbereitungsschritt (S200) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt (S202) zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode 3 auf das Halbleitersubstrat 2 mindestens über einem Bereich, über welchem Störmassen 6 ausgebildet sind, einen Schritt (S204) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films 5 auf mindestens die erste Elektrode 3 und das Halbleitersubstrat 2, einen Schritt (S206) zum Ausbilden einer zweiten Elektrode zum Abscheiden der zweiten Elektrode 30 auf die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 und einen Herstellungsschritt (S208) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Störmassen 6, eine Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) beinhaltet.
Die 10A bis 10D stellen die Schritte dar, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Zuerst wird wie in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein 400 μm oder dickeres Siliziumsubstrat einer (100)-Ausrichtung vorbereitet (S200 in 9).
Als Nächstes wird, wie es in 10A gezeigt ist, ein dünner Siliziumdioxidfilm, welcher dünner als 1 μm ist, auf die gleiche Weise, die in 4A gezeigt ist, auf das Siliziumsubstrat aufgewachsen.
Wie es in 10B gezeigt ist, wird ein mehrere hundert Nanometer dicker Film aus mit Störstellen dotierten polykristallinem Silizium auf die gleiche Weise, die in 4B gezeigt ist, abgeschieden (S202 in 9). Dieser dicke Film wird eine erste Elektrode 4. Die erste Elektrode 4 weist eine obere Oberfläche auf, welche eine gegenüberliegende Oberfläche ist, die mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist.
In dem nächsten Schritt wird ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken (S204 in 9). Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Dann wird, wie es in 10C gezeigt ist, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers auf den piezoelektrischen Film 5 abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die zweite Elektrode 30 auszubilden. Daher wird die zweite Elektrode 30 ausgebildet (S206 in 9). Die zweite Elektrode 30 weist eine obere Oberfläche auf, welche eine gegenüberliegende Oberfläche ist, die mit dem piezoelektrischen Film 5 verbunden ist.
Als Nächstes wird, wie es in 10D gezeigt ist, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 und die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auf die gleiche Weise, die in 4C gezeigt ist, auszubilden (S208 in 9).
In diesem Schritt ist es bevorzugt, dass ein selektives Ätzverfahren, das das zweckmäßige Ätzverhältnis von einem Material der zweiten Elektrode 30 zu einem anderen Material der Störmassen 6 und der Ansteuerelektroden 7 bis 10 aufweist, verwendet wird. Wenn es nicht möglich ist, das selektive Ätzverfahren zu verwenden, wird eine Ätzzeit eingestellt, um ein Ätzen der zweiten Elektrode 30 zu verhindern, während der dünne Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung gemustert wird, um die Störmassen 6 und die Ansteuerelektroden 7 bis 10 auszubilden.
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 verbunden.
(Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels)
In dem zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 direkt auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet.
Wie es in 11 gezeigt ist, ist, wenn es erforderlich ist, ein dünner Isolationsfilm 20 ausgebildet und zwischen die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 eingefügt. Folglich sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 ausgebildet. Bei diesem Aufbau sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 angeordnet. Bei diesem Aufbau ist es möglich, ein Ätzen des piezoelektrischen Films 5 zu verhindern, während der dünne Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung gemustert wird, um die zweite Elektrode 30, die Störmassen 6 und die Ansteuerelektroden 7 bis 10 auszubilden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 12 bis 16 wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel zur Vereinfachung die gleichen Bezugszeichen zugewiesen und wird die Beschreibung dieser Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beinhaltet das Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel ein Siliziumsubstrat, den Isolationsfilm 3, wie zum Beispiel einen Siliziumdioxidfilm, der auf dem Halbleitersubstrat 2 angeordnet ist, die erste Elektrode 4, die auf dem ersten Isolationsfilm 3 angeordnet ist, den piezoelektrischen Film 5, der auf der ersten Elektrode 4 angeordnet ist, den zweiten Isolationsfilm 20, der auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet ist, die zweite Elektrode 30, die auf dem zweiten Isolationsfilm 20 angeordnet ist, auf welchem die Störmassen 6 angeordnet sind, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 zum Bewirken einer ersten elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, die Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, die durch die Ansteuerelektroden 7 bis 10 bewirkt wird, um eine Stehwelle der elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5 auszubilden, die Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten elastischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, die auf die Störmassen wirkt, wobei die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12, die Erfassungselektroden 13 bis 16 wie für den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auf dem zweiten Isolationsfilm 20 ausgebildet sind.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist weiterhin ein Kontaktloch 5a, das in dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet ist, zum elektrischen Verbinden der ersten Elektrode 4, die zwischen dem ersten Isolationsfilm 3 und dem piezoelektrischen Film 5 beidseitig umfasst ist, mit der zweiten Elektrode 30 auf, die auf dem zweiten Isolationsfilm 20, aber unter den Störmassen 6 ausgebildet ist, um das gleiche elektrische Potential der ersten Elektrode 4 wie das der zweiten Elektrode 30 zu halten.
12 zeigt eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie es in 12 gezeigt ist, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor eine Mehrzahl von Kontaktlöchern 5a auf, die derart in dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet ist, dass die Störmassen 6 auf der einzelnen Oberseite der Kontaktlöcher 5a angeordnet sind. Zum Beispiel weisen alle Kontaktlöcher 5a eine Form eines Schafts auf.
Auch dann, wenn die Kontaktlöcher 5a nicht vorhanden sind, ist die zweite Elektrode 30, die auf dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet ist, dazu ausgelegt, die Oberflächenladung zu neutralisieren, die aufgrund des piezoelektrischen Effekts an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 erzeugt wird. Jedoch sind die erste Elektrode 4 und die zweite 30 nicht direkt verbunden und durch den piezoelektrischen Film 5 getrennt, wobei eine Differenz des elektrischen Potentials zwischen den ersten und zweiten Elektroden 5, 30 auftreten kann, so dass elektrische Felder durch die Oberflächenladungen an den oberen und unteren Oberflächen des piezoelektrischen Films erzeugt werden. Die Kontaktlöcher 5a verbessern eine derartige Situation durch Halten der elektrischen Potentiale der ersten und zweiten Elektroden 5, 30 an dem gleichen Pegel und Verhindern eines Auftretens der Differenz der elektrischen Potentiale der ersten und zweiten Elektroden 5, 30. Deshalb wird eine Beschränkung einer Höhe einer Verschiebung des Schwingungspartikels in dem piezoelektrischen Film 5, insbesondere der schwingenden Störmassen 6 in der z-Richtung aufgrund der Polarisation in der z-Richtung des piezoelektrischen Films 5, beseitigt. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Weiterhin ist es in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 dieses Typs bevorzugt, dass jedes Kontaktloch 5a mit der entsprechenden Störmasse 6 verbunden ist. Anders ausgedrückt werden die einzelnen Störmassen 6 auf der Oberseite des Kontaktlochs 5a ausgebildet, wie es in 13 gezeigt ist. Wenn die Kontaktlöcher 5a an der Position ausgebildet sind, an der die Störmassen 6 angeordnet sind, trägt ein gewisser Abschnitt eines Gewichts der Kontaktlöcher 5a ohne Beeinträchtigen von Charakteristiken der elastischen akustischen Welle zu Störmassen 6 bei. Deshalb ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
14 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1, das einen Vorbereitungsschritt (S300) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt (S302) zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode 3 auf das Halbleitersubstrat 2 mindestens über einem Bereich, über welchem Störmassen 6 ausgebildet sind, einen Schritt (S304) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films 5 auf mindestens eines der ersten Elektrode 3 und des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt (S306) zum Ausbilden von Kontaktlöchern zum Ausbilden der Kontaktlöcher 5a in dem piezoelektrischen Film 5, einen Schritt (S308) zum Ausbilden einer zweiten Elektrode zum Abscheiden der zweiten Elektrode 30 auf die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 und einen Herstellungsschritt (S310) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Störmassen 6, eine Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle beinhaltet, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) beinhaltet.
15 zeigt die Schritte, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Zuerst wird wie in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein 400 μm oder dickeres Siliziumsubstrat einer (100)-Ausrichtung vorbereitet (S300 in 14).
Als Nächstes wird, wie es in 15A gezeigt ist, ein dünner Siliziumdioxidfilm, welcher dünner als 1 μm ist, auf die gleiche Weise, die in 4A gezeigt ist, auf das Siliziumsubstrat aufgewachsen.
Wie es in 15B gezeigt ist, wird ein mehrere hundert Nanometer dicker Film aus mit Störstellen dotiertem polykristallinem Silizium auf die gleiche Weise, die in 4B gezeigt ist, abgeschieden (S302 in 14). Nach diesem Schritt ist ein Ausbilden der ersten Elektrode 4 fertig gestellt.
Im dem nächsten Schritt wird ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken (S304 in 14). Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Dann werden, wie es in 15C gezeigt ist, Kontaktlöcher 5a ausgebildet, die eine Mehrzahl der Öffnungen durch den piezoelektrischen Film 5 aufweisen (S306 in 14). Der piezoelektrische Film 5 wird in Photoresist getaucht und entwickelt, bis die Bereiche, die mit Ultraviolett-(UV)-Licht belichtet worden sind und deshalb lösbar sind, weggeätzt sind.
Als Nächstes wird ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die zweite Elektrode 30 und die Kontaktlöcher 5a auszubilden. Daher werden die zweite Elektrode 30 und die Kontaktlöcher 5a ausgebildet (S308 in 14).
Als Nächstes wird, wie es in 12D gezeigt ist, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 und die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auf die gleiche Weise, die in 4C gezeigt ist, auszubilden (S310 in 14).
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 verbunden.
(Ausgestaltung des dritten Ausführungsbeispiels)
In dem zuvor beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 direkt auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet.
Wie es in 16 gezeigt ist, ist, wenn es erforderlich ist, ein dünner Isolationsfilm 20 ausgebildet und zwischen die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 eingefügt. Folglich sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 ausgebildet. Bei diesem Aufbau sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 angeordnet. Bei diesem Aufbau durchdringen die Kontaktlöcher 5a den dünnen Isolationsfilm 20, um die erste Elektrode 4 elektrisch mit der zweiten Elektrode 30 zu verbinden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 17A bis 19D wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In dem vierten Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in dem ersten Ausführungsbeispiel die gleichen Bezugszeichen zur Vereinfachung zugewiesen und wird die Beschreibung dieser Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor 1 geschaffen, der Öffnungen zum Unterbringen von Störmassen 6 in dem piezoelektrischen Film 5 aufweist, um eine Frage bezüglich dessen zu lösen, wie eine Polarisation, die in der z-Richtung in dem piezoelektrischen Film 5 aufgetreten ist, oder Oberflächenladungen, die an den oberen und unteren Oberflächen des piezoelektrischen Films 5 erzeugt worden sind, beseitigt werden sollten.
17A und 17B zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. 17A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 17B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie C-C in 17A genommen ist.
Wie es in 17A gezeigt ist, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 die Öffnungen über dem vorbestimmten Bereich 60 zum Unterbringen der Störmassen 6 auf, wobei das piezoelektrische Material, das den piezoelektrischen Film 5 bildet, aus den Öffnungen ausgeschlossen ist.
Obgleich der Winkelsensor 1 die Öffnungen über dem vorbestimmten Bereich 60 derart aufweist, dass der piezoelektrische Film 5 nicht über dem vorbestimmten Bereich 60 ausgebildet ist, über welchem die Störmassen 6 angeordnet sind, ist eine Stehwelle, die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 und den Reflektoren 11, 12 erzeugt und gleichgerichtet wird, in dem vorbestimmten Bereich 60 derart vorhanden, dass die Corioliskraft, die auf die Störmassen 6 wirkt, eine zweite elastische akustische Welle in der y-Richtung erzeugt und dann von den Erfassungselektroden 13 bis 16 erfasst wird, die entlang der y-Richtung ausgerichtet sind.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel beinhaltet das Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispilel ein Siliziumsubstrat, den Isolationsfilm 3, wie zum Beispiel einen Siliziumdioxidfilm, der auf dem Halbleitersubstrat 2 angeordnet ist, die erste Elektrode 4, die auf dem ersten Isolationsfilm 3 angeordnet ist, den piezoelektrischen Film 5, der auf der ersten Elektrode 4 angeordnet ist, in welcher die Öffnung durch Ausschließen des piezoelektrischen Films 5 aus dem vorbestimmten Bereich 60 ausgebildet ist, den zweiten Isolationsfilm 20, der auf dem piezoelektrischen Film 5 oder der ersten Elektrode angeordnet ist, die Störmassen 6, die auf dem vorbestimmten Bereich 60 angeordnet sind, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 zum Bewirken einer ersten elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, die Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 bewirkt wird, um eine Stehwelle der elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5 auszubilden, die Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten elastischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, die auf die Störmassen 6 wirkt, wobei die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12, die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem zweiten Isolationsfilm 20 ausgebildet sind.
Bei diesem Aufbau des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 sind die Störmassen 6 in dem vorbestimmten Bereich 60 nicht auf dem piezoelektrischen Film 5, sondern auf dem dünnen Isolationsfilm 4 ausgebildet. Daher trägt auch dann, wenn die Polarisation zwischen den oberen und den unteren Oberflächen des piezoelektrischen Films 5 erzeugt wird, da Partikel in dem piezoelektrischen Film 5, welche der Stehwelle zugehörig sind, von den entsprechenden Nullpositionen verschoben werden, die Polarisationen in dem piezoelektrischen Film 5 nicht zu dem Schwingen der Störmassen 6 in der z-Richtung bei. Als Ergebnis wird ein Beschränken der Verschiebung der schwingenden Störmassen 6, die in den Öffnungen untergebracht sind, in der z-Richtung beseitigt.
In diesem Fall wird die Stehwelle in der ersten Elektrode 4 und dem dünnen Isolationsfilm 3 und an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 erregt. Daher werden die Störmassen 6 an den Bäuchen der Stehwelle einer Oszillation unterzogen, die als ein Referenzschwingen des Winkelgeschwindigkeitssensors verwendet wird. Folglich ist es möglich, eine Winkelgeschwindigkeit mit dem gleichen Funktionsprinzip zu messen, das in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen verwendet wird.
Ein Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel wird beschrieben.
18 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1, das einen Vorbereitungsschritt (S400) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt (S402) zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode 3 auf das Halbleitersubstrat 2 mindestens über einem quadratischen Bereich, über welchem Störmassen 6 ausgebildet sind, einen Schritt (S404) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films 5 auf mindestens eines der ersten Elektrode 3 und des Halbleitersubstrats 2, einen Öffnungsausbildungsschritt (S406) zum Ausbilden der Öffnungen in dem piezoelektrischen Film 5 über dem vorbestimmten Bereich 60, über welchem Störmassen 6 angeordnet sind, einen Schritt (S408) zum Ausbilden eines dünnen Isolationsfilms zum Ausbilden des dünnen Isolationsfilms auf dem piezoelektrischen Film 5 und einer freiliegenden Oberfläche der Öffnung und einen Herstellungsschritt (S410) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Störmassen 6, eine Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) beinhaltet.
Die 19A bis 19D stellen die Schritte dar, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Zuerst wird, wie in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, ein Siliziumsubstrat einer (100)-Ausrichtung einer Dicke von 400 μm vorbereitet (S400 in 18).
Als Nächstes wird, wie es in 19A gezeigt ist, ein dünner Siliziumdioxidfilm, welcher dünner als 1 μm ist, auf die gleiche Weise, die in 4A gezeigt ist, auf das Siliziumsubstrat aufgewachsen.
Wie es in 19B gezeigt ist, wird ein dicker Film, welcher in der Größenordnung von mehreren hundert Nanometern ist, aus mit Störstellen dotiertem polykristallinem Silizium auf die gleiche Weise abgeschieden, die in 4B gezeigt ist. Nach diesem Schritt ist ein Ausbilden der ersten Elektrode 4 fertig gestellt (S402 in 18).
In dem nächsten Schritt wird ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken (S404 in 18). Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Dann wird, wie es in 19C gezeigt ist, die Öffnung in dem vorbestimmten Bereich 60 durch den piezoelektrischen Film 5 ausgebildet (S406 in 18). Der piezoelektrische Film 5 wird in Photoresist getaucht und entwickelt, bis die Bereiche, welche mit Ultraviolett-(UV)-Licht entwickelt worden sind und deshalb lösbar sind, weggeätzt sind.
Als Nächstes wird ein dünner Siliziumdioxidfilm 20 auf dem piezoelektrischen Film 5 oder ersten Elektrode 4 in dem vorbestimmten Bereich 60 ausgebildet, auf welchem die Öffnung ausgebildet ist (S408 in 18).
Als Nächstes wird, wie es in 19D gezeigt ist, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die zweite Elektrode 30 und Störmassen 6 auszubilden (S410 in 18).
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 verbunden.
(Ausgestaltung der ersten bis vierten Ausführungsbeispiele)
In den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen wird die erste Elektrode 4 über der gesamten oberen Oberfläche des dünnen Isolationsfilms ausgebildet, der die Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 bedeckt. Das heisst, die erste Elektrode 4 ist unter den Ansteuerelektroden 7 bis 10 angeordnet. In den Aufbauten gemäß den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen schwingen die Störmassen 6 in der z-Richtung mit einer großen Amplitude, da die Ansteuerelektroden 7 bis 10 die elastische akustische Welle in dem piezoelektrischen Film 5 über einen breiten Bereich erzeugen, der nicht nur den vorbestimmten Bereich 60, auf welchem die Störmassen 6 angeordnet sind, sondern ebenso einen Aussenbereich des vorbestimmten Bereichs 60 beinhaltet, auf welchem die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 angeordnet sind. Jedoch kann die erste Elektrode 4 lediglich unter dem vorbestimmten Bereich 60 ausgebildet sein. In diesem Aufbau werden die gleichen Effekte erzielt, die von den Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen erzielt werden.
Weiterhin bestehen in den Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen die Ansteuer-IDTs und die Erfassungs-IDTs aus den kammförmigen Elektroden 7 bis 10, 13 bis 16. Jedoch sind die Ansteuer-IDTs und die Erfassungs-IDTs nicht auf diese Aufbauten beschränkt, sondern anders geformte Elektroden können für die Komponenten der Ansteuer-IDTs und der Erfassungs-IDTs verwendet werden.
Weiterhin sind in den Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen die Ansteuerelektroden 7 bis 10 derart angeordnet, dass die Ansteuerelektroden 7 bis 8 an einer Seite des vorbestimmten Bereichs 60 angeordnet sind und die Ansteuerelektroden 9 bis 10 an einer anderen Seite des vorbestimmten Bereichs 60 angeordnet sind. Jedoch ist es nicht erforderlich, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 an beiden Seiten des vorbestimmten Bereichs 60 auszubilden. In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen sind mindestens Paare der Ansteuerelektroden 7 bis 8 und der Ansteuerelektroden 9 bis 10 ausgebildet.
Noch weiterhin ist in der Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel die Öffnung mit irgendeinem elastischen Material gefüllt, das Metall, eine Metalllegierung, einen Halbleiter und einen Isolator, ausgenommen des piezoelektrischen Materials, beinhaltet. Die Störmassen 6 sind auf dem zuvor erwähnten elastischen Material ausgebildet. Bei diesem Aufbau wird auch dann, wenn elastische akustische Wellen in dem vorbestimmten Bereich 60 bewirkt werden, eine elektrische Polarisation nicht unter dem vorbestimmten Bereich 60 erzeugt. Deshalb wird ein hoch empfindlicher Winkelgeschwindigkeitssensor erzielt.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 20A bis 22D wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen zur Vereinfachung zugewiesen und wird die Beschreibung dieser Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
20A und 20B zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. 20A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 20B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 20A genommen ist.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel weist Störmassen 6 auf, deren Massendichte größer als die der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ist. Genauer gesagt weist ein Material, aus welchem die Störmassen 6 bestehen, eine höhere Massendichte als die eines anderen Materials auf, aus welchem die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 bestehen. Wenn die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 aus mit Phosphor dotiertem polykristallinem Silizium bestehen, ist es geeignet, dass die Störmasse aus einem von Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W) besteht. Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W) weisen eine Massendichte von 21,4 g/cm³, 19,3 g/cm³ bzw. 19,1 g/cm³ auf. Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Dicke der Störmasse 6 größer als das Zweifache von der der Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist.
In einem derartigen Aufbau der Störmassen 6 wird die Corioliskraft, die auf die Störmassen 6 wirkt, hervorgehoben, um die Verschiebung der Störmassen 6 in der z-Richtung zu erhöhen. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin kann der Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) miniaturisiert werden.
Genauer gesagt bestehen die Störmassen 6 im Allgemeinen aus Aluminium (Al), dessen Massendichte 2,69 g/cm³ ist, das ebenso weit verbreitet für eine Verdrahtung verwendet wird. Jedoch ist die Massendichte von Aluminium (Al) nicht genug, um die große Corioliskraft zu erzeugen, die proportional zu sowohl Geschwindigkeit als auch Massendichte ist. Wenn die Störmassen 6 aus einem von Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W) bestehen, dessen Massendichten fünf mal so groß wie die von Aluminium (Al) sind, und die Dicke der Störmassen 6 zwei mal so groß wie die der Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist, wird die Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 um eine Ziffer verbessert.
In der vorhergehenden Beschreibung werden die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 aus Metall oder Metalllegierungen hergestellt. Jedoch sind andere Materialien anwendbar, deren Massendichte größer ist.
Ein Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf die 16 und 17 beschrieben.
21 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1, das einen Vorbereitungsschritt (S500) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt (S502) zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode 3 auf das Halbleitersubstrat 2 mindestens über einem quadratischen Bereich, über welchem Störmassen 6 ausgebildet sind, einen Schritt (S504) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films 5 auf mindestens eines der ersten Elektrode 3 und des Halbleitersubstrats 2, einen ersten Herstellungsschritt (S506) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5 unter Verwendung eines ersten Materials, wie zum Beispiel eines Metalls und einer Metalllegierung, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Ansteuerelektroden 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle beinhaltet, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, und einen zweiten Herstellungsschritt (S508) zum Herstellen der Störmassen 6 unter Verwendung eines zweiten Materials, dessen Massendichte größer als die des ersten Materials ist, beinhaltet. In allen zuvor erwähnten Schritten ist eine Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) anwendbar.
Die 22A bis 22D zeigen die Schritte, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Zuerst wird, wie in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, ein Siliziumsubstrat einer (100)-Ausrichtung mit einer Dicke von 400 μm vorbereitet (S500 in 21).
Als Nächstes wird, wie es in 22A gezeigt ist, ein dünner Siliziumdioxidfilm, welcher dünner als 1 μm ist, auf die gleiche Weise, die in 4A gezeigt ist, auf das Siliziumsubstrat aufgewachsen.
Wie es in 22B gezeigt ist, wird ein dicker Film, welcher in der Größenordnung von mehreren hundert Nanometern ist, aus mit Störstellen dotiertem polykristallinem Silizium auf die gleiche Weise abgeschieden, die in 4B gezeigt ist. Anders ausgedrückt ist dieser Schritt ein Schritt zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Ausbilden der ersten Elektrode 4 auf dem dünnen Siliziumdioxid (S502 in 21).
In dem nächsten Schritt wird ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken, um einen piezoelektrischen Film 5 auszubilden (S504 in 21). Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Als Nächstes wird, wie es in 12C gezeigt ist, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auf die gleiche Weise, die in 4C gezeigt ist, auszubilden (S506 in 21).
Als Nächstes wird, wie es in 22D gezeigt, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W) beinhaltet, unter Verwendung eines Elektrodenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Störmassen 6 auszubilden (S508 in 21).
In diesem Schritt ist es bevorzugt, dass ein selektives Ätzverfahren, das das geeignete Ätzverhältnis von einem Material der Störmassen 6 zu einem anderen Material der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12 und der Erfassungselektroden 13 bis 16 aufweist, verwendet wird.
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 verbunden.
(Ausgestaltung des fünften Ausführungsbeispiels)
In dem zuvor beschriebenen fünften Ausführungsbeispiel sind die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 direkt auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet.
Wie es in 23 gezeigt ist, ist, wenn es erforderlich ist, ein dünner Isolationsfilm 20 ausgebildet und zwischen die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 eingefügt. Folglich sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 ausgebildet. in diesem Aufbau sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 angeordnet. In diesem Aufbau ist es möglich, ein Ätzen des piezoelektrischen Films zu verhindern, während der dünne Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung gemustert wird, um die zweite Elektrode 30, die Störmassen 6 und die Ansteuerelektroden 7 bis 10 auszubilden.
Weiterhin ist, obgleich der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, in welchem die erste Elektrode 4 unter den Ansteuerelektroden 7 bis 10 ausgebildet ist und die Störmassen 6 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als die von Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist, offenbart ist, die erste Elektrode 4 keine kritische Komponente für einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der eine höhere Empfindlichkeit aufweist, wenn Störmassen 6 des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als die von Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist.
(Sechstes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 24A bis 28B wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen zur Vereinfachung zugewiesen und wird die Beschreibung dieser Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel weist Störmassen 6 auf, welche eine unterschiedliche Form zu der des ersten Ausführungsbeispiels aufweisen, obgleich der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel ein Siliziumsubstrat, den Isolationsfilm 3, wie zum Beispiel Siliziumdioxidfilm, der auf dem Halbleitersubstrat 2 angeordnet ist, die erste Elektrode 4, die auf dem ersten Isolationsfilm 3 angeordnet ist, den piezoelektrischen Film 5, der auf der ersten Elektrode 4 angeordnet ist, die Störmassen 6, welche die Corioliskraft hervorheben, während sich der Winkelgeschwindigkeitssensor dreht, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 zum Bewirken einer ersten elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, die Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 bewirkt wird, um eine Stehwelle der elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5 auszubilden, die Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten elastischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt ist, die auf die Störmassen 6 wirkt, beinhaltet, wobei die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12, die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet sind. Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist eine Mehrzahl von nadelförmigen Störmassen 6 auf.
24 zeigt eine Querschnittsansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie es in 24 gezeigt ist, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel Störmassen 6 auf, welche länger als diejenigen der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12 und der Erfassungselektroden 13 bis 16 sind, um eine größere Amplitude der Corioliskraft aufgrund einer schweren Masse von jeder Störmasse 6 zu erzielen. In 24 ist die Tatsache dargestellt, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Mehrzahl der nadelförmigen Störmassen 6 aufweist.
Die nadelförmigen Störmassen 6 tragen zu einer höheren Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensor 1 bei, da die Corioliskraft in einer Form μ / F = 2m ρ / ν × μ / Ω geschrieben ist, wobei die Geschwindigkeit jeder Störmasse 6 μ / ν ist, jede Störmasse 6 eine Masse m aufweist, und die Winkeldrehung μ / Ω ist.
In diesem Aufbau der Störmasse 6, welche länger als diejenigen der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12 und der Erfassungselektroden 13 bis 16 ist, wird die Amplitude der Corioliskraft derart erhöht, dass die Ausbreitungswelle, die von der Corioliskraft in der y-Richtung erzeugt wird, eine größere Amplitude aufweist.
Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Ein Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 mit einer Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr großen Integrationsgrads (VLSIs) wird beschrieben.
25 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, das einen Vorbereitungsschritt (S600) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt (S602) zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode 4 auf das Halbleitersubstrat 2 mindestens über einem quadratischen Bereich, über welchem Störmassen 6 ausgebildet sind, einen Schritt (S604) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films 5 auf mindestens eines der ersten Elektrode 4 und des Halbleitersubstrats 2, einen ersten Herstellungsschritt (S606) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5 unter Verwendung eines ersten Materials, wie zum Beispiel eines Metalls und einer Metalllegierung, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, beinhaltet, einen zweiten Herstellungsschritt (S608) zum Herstellen der Störmassen 6, welcher länger als diejenigen der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12 und der Erfassungselektroden 13 bis 16 sind, beinhaltet. In allen zuvor erwähnten Schritten ist eine Herstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs) anwendbar.
Die 25A bis 26E stellen die Schritte dar, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Zuerst wird wie in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein Siliziumsubstrat einer (100)-Ausrichtung einer Dicke von 400 μm vorbereitet (S600 in 25).
Als Nächstes wird, wie es in 26A gezeigt ist, ein dünner Siliziumdioxidfilm 3, welcher dünner als 1 μm ist, auf das Siliziumsubstrat auf die gleiche Weise, die in 4A gezeigt ist, aufgewachsen.
Wie es in 26B gezeigt ist, wird ein dicker Film 4, welcher in der Größenordnung von mehreren hundert Nanometern ist, aus mit Störstellen dotierten polykristallinem Silizium auf die gleiche Weise abgeschieden, die in 4B gezeigt ist. Nach diesem Schritt wird eine erste Elektrode 4 ausgebildet (S602 in 25).
In dem nächsten Schritt wird ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken (S604 in 25). Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Als Nächstes wird, wie es in 26C gezeigt ist, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auf die gleiche Weise, die in 4C gezeigt ist, auszubilden (S606 in 25).
Als Nächstes wird, wie es in 26D gezeigt ist, ein Resistdickfilm 70 einer Dicke von 10 μm oder mehr, welcher zu maskieren ist, auf den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 ausgebildet, welche die Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 oder die Oberfläche des piezoelektrischen Films bedecken und werden Öffnungen in der Form eines Musters der Störmassen 6 angeordnet. Als Nächstes wird ein Metall oder eine leitende Metalllegierung abgeschieden, um die nadelförmigen Störmassen 6 in den Öffnungen des Resistdickfilms 70 auszubilden. Daher wird die Mehrzahl der nadelförmigen Störmassen 6 ausgebildet, die ein hohes Seitenverhältnis aufweisen. Das Seitenverhältnis einer zweidimensionalen Form ist als das Verhältnis seiner längeren Abmessung zu seiner kürzeren Abmessung definiert. Deshalb ist ein Seitenverhältnis der Störmassen 6 als das Verhältnis der Höhe zu der Breite der Bodenflächen von diesem definiert. Anstelle eines Abscheidungsverfahrens zum Herstellen der Störmassen 6, das zuvor erwähnt worden ist, ist ebenso ein Elektroplattieren oder ein stromloses Plattieren anwendbar, um die Störmassen 6 auszubilden. In dem Fall des Elektroplattierens, das einen Abschirmfilm verwendet, wird der Abschirmfilm abgeschieden und ein Resistdickfilm ausgebildet. Dann werden die Störmassen 6 gemustert.
Als Nächstes werden, wie es in 20E gezeigt ist, der Resistdickfilm 70 und der Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die auf dem Resistdickfilm 70 ausgebildet ist, beseitigt. Daher wird die Mehrzahl der nadelförmigen Störmassen 6 ausgebildet (S608 in 25).
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet, und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 verbunden.
(Ausgestaltung des sechsten Ausführungsbeispiels)
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel weist jede Störmasse 6 ein hohes Seitenverhältnis, wie zum Beispiel das nadelförmige, auf.
In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel sind die Störmassen 6 derart ausgebildet, dass auf den Oberseiten von allen nadelförmigen Störmassen 6 eine einzelne Platte angeordnet ist. Wenn die nadelförmigen Störmassen 6 als Säulen eines Hauses betrachtet werden, kann die einzelne Platte als ein Dach betrachtet werden.
Dieser Aufbau der Störmassen 6 wird durch Anordnen von Metall oder einer leitenden Metalllegierung realisiert, um die nadelförmigen Störmassen 6 in der Öffnung des Resistdickfilms 70 und dem Dach der Störmassen 6 auszubilden. Das Dach der Störmassen 6 verbessert die Steifheit von diesen derart, dass eine Resonanzfrequenz der Stehwelle erhöht werden kann, um höher zu sein. Dies führt zu einer Erwartung, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor unempfindlich bezüglich eines externen Schwingungsrauschens ist.
In einem Verfahren zum Herstellen der Störmassen 6, die das Dach aufweisen, wird ein Resistdickfilm 70 einer Dicke von 10 μm oder mehr, welcher zu maskieren ist, auf den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 ausgebildet, welcher die Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 oder die Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 bedeckt, und werden Öffnungen in der Form eines Musters von dem der Störmassen 6 und eine Öffnung in der Form des Dachs angeordnet. Als Nächstes wird ein Metall oder eine leitende Metalllegierung abgeschieden, um die nadelförmigen Störmassen 6 mit dem Dach in den Öffnungen und die Öffnung des Resistdickfilm 70 auszubilden. Die Form des Dachs ist nicht nur flach, sondern ebenso gitterförmig. Jedoch ist das Erstere im Hinblick auf die Steifheit bevorzugt.
In dem zuvor beschriebenen sechsten Ausführungsbeispiel sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 direkt auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet, wie es in den 19 und 21 gezeigt ist.
Wie es in den 28A und 28B gezeigt ist, ist, wenn es erforderlich ist, ein dünner Isolationsfilm 20 ausgebildet und zwischen die oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 und den Merkmalen eingefügt, welche die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 beinhalten. Folglich sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 ausgebildet. In diesem Aufbau sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 angeordnet. In diesem Aufbau ist es möglich, ein Ätzen des piezoelektrischen Films 5 zu verhindern, während der dünne Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung gemustert wird, um die zweite Elektrode 30, die Störmassen 6 und die Ansteuerelektroden 7 bis 10 auszubilden.
Weiterhin ist, obgleich der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, in welchem die erste Elektrode 4 unter den Ansteuerelektroden 7 bis 10 ausgebildet ist und die Störmassen 6 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, dessen Massendichte größer als die der Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist, offenbart ist, die erste Elektrode 4 keine kritische Komponente für einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der eine höhere Empfindlichkeit aufweist, wenn Störmassen 6 des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als die von Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist.
(Siebtes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 29A bis 32 wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen zur Vereinfachung zugewiesen und wird die Beschreibung dieser Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
29A und 29B zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem siebten Ausführungsführungsbeispiel. 29A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 29B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie B-B in 29A genommen ist.
Wie es in 29A gezeigt ist, weist ein Winkelgeschwindigkeitssensor 1 in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Gräben 2a in dem Halbleitersubstrat 2 auf, in welchen die Störmassen 6 untergebracht sind. In diesem Aufbau sind die Störmassen 6 unter dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet. Genauer gesagt ist die Mehrzahl der Gräben 2a, deren Anzahl die gleiche wie die der Störmassen 6 ist, in dem Halbleitersubstrat 2 ausgebildet. Jede der Störmassen 6 ist in dem entsprechenden Graben 2a untergebracht. Dann ist der Isolationsfilm 3, wie zum Beispiel ein Siliziumdioxidfilm, ausgebildet, um die Störmassen 6 zu bedecken. Auf dem Isolationsfilm 3 sind die erste Elektrode 4, die auf dem ersten Isolationsfilm 3 angeordnet ist, der piezoelektrische Film 5, der auf der ersten Elektrode 4 angeordnet ist, die Störmassen 6, welche die Corioliskraft hervorheben, während sich der Winkelgeschwindigkeitssensor dreht, die Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer ersten elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, die Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 bewirkt wird, um eine Stehwelle der elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5 auszubilden, die Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten elastischen Welle, die von der Corioliskraft erzeugt wird, die auf die Störmassen 6 wirkt, ausgebildet. In diesem Aufbau bestehen die Störmassen 6 aus einem Material, wie zum Beispiel Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W), welche eine höhere Massendichte als die des Halbleitersubstrats 3 aufweisen.
Wie es in 29B gezeigt ist, erzielt der Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der die Störmassen 6 aufweist, die in das Halbleitersubstrat 3 eingebettet sind und aus einem Material bestehen, das eine höhere Massendichte als die des Halbleitersubstrats 3 aufweist, eine höhere Empfindlichkeit, da die schweren Störmassen 6 erzielt werden. Als Ergebnis wird eine Beschränkung der Verschiebung der Schwingungsstörmassen 6, die in den Öffnungen untergebracht sind, in der z-Richtung beseitigt.
Ein Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel wird beschrieben.
30 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, das einen Vorbereitungsschritt (S700) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Grabenausbildungsschritt (S702) zum Ausbilden einer Mehrzahl von Gräben 2a in dem Halbleitersubstrat 2, einen Schritt (S704) zum Ausbilden eines ersten Isolationsfilms zum Anordnen des Isolationsfilms 3 auf einer freiliegenden Oberfläche von jedem Graben 2a, einen Störmassen-Ausbildungsschritt (S706) zum Ausbilden der Störmassen 6 in den Gräben 2a, deren Oberflächen von dem Isolationsfilm 3 bedeckt sind, einen Schritt (S708) zum Ausbilden eines zweiten Isolationsfilms zum Anordnen des Isolationsfilms 3 auf der Oberseite der Gräben 2a und des Isolationsfilms 3, der in dem Schritt zum Ausbilden des ersten Isolationsfilms ausgebildet wird, einen Schritt (S710) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films 5, um die Mehrzahl der Gräben, die Störmassen und das Halbleitersubstrat zu bedecken, und einen Herstellungsschritt (S712) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5 beinhaltet, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Störmassen 6, eine Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle beinhaltet, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt.
Die 31A bis 31G stellen die Schritte dar, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Zuerst wird, wie es in 31A gezeigt ist, wie in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein Siliziumsubstrat 2 einer (100)-Ausrichtung einer Dicke von 400 μm vorbereitet (S700 in 30).
Als Nächstes werden die Gräben 2a in dem Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel einem Siliziumsubstrat, unter Verwendung eines Photolithographieverfahrens ausgebildet (S702 in 30). Zum Beispiel wird, wenn ein Siliziumsubstrat als das Halbleitersubstrat verwendet wird, eine obere Oberfläche des Siliziumsubstrats unter Verwendung von Azeton, Isopropanol und Trichloroethylen der Reihe nach gereinigt. Die Oberfläche des Siliziumsubstrats wird dann in entionisiertem Wasser gründlich gespült und nachfolgend auf einer heissen Platte erwärmt, um eine Oberflächenfeuchtigkeit zu beseitigen. Nach einem Kühlen des Substrats auf einer Wärmesenkplatte, wird dann ein Photoresist mittels eines Spin-Coat-Verfahrens auf dem Siliziumsubstrat nach einem Aufsaugen des Hexamethyldisilazans, einem Haftmittel, bearbeitet. Dann wird ein Weichbrennverfahren durchgeführt, in welchem das Substrat erwärmt wird. Eine negative Maske wird über dem Photoresist angeordnet. Die negative Maske ist eine Vorlage, die die Muster des Substrats definiert. Das Siliziumsubstrat wird dann Ultraviolett-(UV)-Licht derart ausgesetzt, dass die Bereiche des Resists, welche freiliegen, bezüglich des Entwicklers lösbar werden. Daher wird ein Muster ausgebildet, das eine Mehrzahl von Öffnungen dadurch aufweist. Das Substrat wird in Photoresist eingeweicht und entwickelt, bis die Bereiche, welche UV-Licht ausgesetzt worden sind und deshalb lösbar sind, weggeätzt sind.
Zum Beispiel ist ein Trockenätzen anwendbar, um die Gräben 2a zu ätzen. Ein Gas, das Fluorin, wie zum Beispiel ein Gas eines CF-Typs, das C4F8 beinhaltet, oder ein Gas eines SF-Typs, das SF6 beinhaltet, beinhaltet, wird als Ätzgas für das Trockenätzen verwendet. Das Ätzgas wird zu Plasma geändert, um Fluorinradikale zu erzeugen, und ein Ätzen wird durch Verarbeiten des Siliziumsubstrats mit den Fluorinradikalen durchgeführt.
Als Nächstes wird, wie es in 31B gezeigt ist, ein dünner Siliziumdioxidfilm 3, welcher dünner als 1 μm ist, thermisch auf die freiliegende Oberfläche der Gräben 2a und die obere Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgewachsen (S704 in 30).
Als Nächstes wird, wie es in 31C gezeigt ist, ein Metall oder eine leitende Metalllegierung 40, die Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W) beinhalten, unter Verwendung eines Elektrodenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis auf der freiliegenden Oberfläche der Gräben 2a und der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 gemustert, um die Störmassen 6 auszubilden (S706 in 30).
Als Nächstes wird, wie es in 31D gezeigt ist, die obere Oberfläche des Metalls oder der leitenden Metalllegierung 40 zurückgeätzt, bis die Oberfläche des Siliziumdioxids freiliegt (S708 in 30). In diesem Schritt ist nicht nur ein Trockenätzverfahren, sondern ebenso ein chemisches mechanisches Polier-(CMP)-Verfahren anwendbar.
Als Nächstes wird, wie es in 31E gezeigt ist, ein Siliziumdioxidfilm thermisch aufgewachsen, um die Gräben 2a und von den Störmassen 6 innerhalb des Siliziumdioxids 3 zu bedecken.
Als Nächstes wird, wie es in 31F gezeigt ist, ein mehrere Mikrometer dicker Film aus einem piezoelektrischen Film, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken (S710 in 3). Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Als Nächstes wird, wie es in 31G gezeigt ist, ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, der Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auf die gleiche Weise, die in 4C gezeigt ist, auszubilden (S712 in 30).
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet, und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 verbunden.
(Ausgestaltung des siebten Ausführungsbeispiels)
In dem zuvor beschriebenen siebten Ausführungsbeispiel sind die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 direkt auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 angeordnet.
Wie es in 32 gezeigt ist, ist, wenn es erforderlich ist, ein dünner Isolationsfilm 20 ausgebildet und zwischen die oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 eingefügt. Folglich sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 ausgebildet. In diesem Aufbau sind die zweite Elektrode 30, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 auf dem dünnen Isolationsfilm 20 angeordnet. In diesem Aufbau ist es möglich, ein Ätzen des piezoelektrischen Films 5 zu verhindern, während der dünne Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung gemustert wird, um die zweite Elektrode 30, die Störmassen 6 und die Ansteuerelektroden 7 bis 10 auszubilden.
Weiterhin ist, obgleich der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel, in welchem die erste Elektrode 4 unter den Ansteuerelektroden 7 bis 10 ausgebildet ist und die Störmassen 6 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, dessen Massendichte größer als die der Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist, offenbart ist, die erste Elektrode 4 keine kritische Komponente für einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der eine höhere Empfindlichkeit aufweist, wenn Störmassen 6 des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als die von den Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist.
(Achtes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 33A bis 38 wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen zur Vereinfachung zugewiesen und wird die Beschreibung dieser Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
33A und 33B zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß dem achten Ausführungsführungsbeispiel. 33A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 33B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie C-C in 33A genommen ist.
Wie es in 33A gezeigt ist, ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor 1 in diesem Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass alle der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12 und der Erfassungselektroden 13 bis 16 in das Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel ein Siliziumsubstrat, vertieft sind. Deshalb sind alle der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12 und der Erfassungselektroden 13 bis 16 unter dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet. Ein dünner Isolationsfilm 20 ist auf dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet. In diesem Aufbau ist die erste Elektrode 4 für das Neutralisieren der Polarisation, die in der z-Richtung des piezoelektrischen Films 5 aufgetreten ist, nicht erforderlich. Genauer gesagt weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 eine Mehrzahl von Gräben 2a in dem Halbleitersubstrat 2 auf, in welchem nicht nur die Störmassen 6, sondern ebenso die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 untergebracht sind. Die Oberflächen der Gräben 2a sind von dem dünnen Isolationsfilm 4, wie zum Beispiel einem Siliziumdioxidfilm, bedeckt. Die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 sind derart auf dem dünnen Isolationsfilm 4 ausgebildet, dass alle der Störmassen 6, der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12 und der Erfassungselektroden 13 bis 16 in dem entsprechenden Graben 2a untergebracht sind. Nachdem die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 angeordnet worden sind, wird der Isolationsfilm 3 zusätzlich aufgewachsen, um Merkmale 6 bis 16 darin einzubetten. Auf dem Isolationsfilm 4 sind der piezoelektrische Film 5 und ein weiterer dünner Isolationsfilm 20 in dieser Reihenfolge ausgebildet.
Wie es in 33B gezeigt ist, erzielt der Winkelgeschwindigkeitssensor, der die Störmassen 6, die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 aufweist, die alle in das Halbleitersubstrat 3 eingebettet sind, und die Störmassen 6 aufweist, die aus einem Material bestehen, das eine höhere Massendichte als die des Halbleitersubstrats 3 aufweist, eine höhere Empfindlichkeit, da die schweren Störmassen 6 erzielt werden. Als Ergebnis wird eine Beschränkung der Verschiebung der Schwingungsstörmassen 6, die in den Öffnungen in der z-Richtung untergebracht sind, beseitigt.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs sind die Ansteuerelektroden 7 bis 10 und die Erfassungselektroden 13 bis 16 über Kontaktlöcher (in den Figuren nicht gezeigt), die in dem weiteren Isolationsfilm 20 und dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet sind, elektrisch mit der externen Ansteuer- und Messschaltung verbunden.
Ein Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem achten Ausführungsbeispiel wird beschrieben.
34 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem achten Ausführungsbeispiel, das einen Vorbereitungsschritt (S800) zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Grabenausbildungsschritt (S802) zum Ausbilden einer Mehrzahl von Gräben 2a in dem Halbleitersubstrat 2, einen Schritt (S804) zum Ausbilden eines ersten Isolationsfilms zum Anordnen des Isolationsfilms 3 auf einer freiliegenden Oberfläche von jedem Graben 2a, einen Herstellungsschritt (S806) zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen in dem Isolationsfilm 3, wobei die Mehrzahl von Merkmalen eine Ansteuerelektrode 7 bis 10 zum Bewirken einer elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5, Reflektoren 11, 12 zum Reflektieren der elastischen akustischen Welle, um eine erste und eine zweite Stehwelle auszubilden, und Erfassungselektroden 13 bis 16 zum Erfassen einer zweiten Stehwelle beinhaltet, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste Stehwelle wirkt, einen Störmassen-Ausbildungsschritt (S808) zum Ausbilden der Störmassen 6 in den Gräben 2a, deren Oberflächen von dem Isolationsfilm 3 bedeckt sind, einen Schritt (S810) zum Ausbilden eines zweiten Isolationsfilms zum Anordnen des Isolationsfilms 3 auf der Oberseite der Gräben 2a und dem Isolationsfilm 3, der in dem Schritt zum Ausbilden eines ersten Isolationsfilms ausgebildet worden ist, und einen Schritt (S812) zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Ausbilden des piezoelektrischen Films 5 beinhaltet, um die Mehrzahl der Gräben, der Störmassen und des Halbleitersubstrats zu bedecken.
Die 35A bis 35G stellen die Schritte dar, die in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Zuerst wird, wie es in 35A gezeigt ist, wie in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, ein Siliziumsubstrat 2 einer (100)-Ausrichtung einer Dicke von 400 μm vorbereitet (S800 in 34).
Als Nächstes werden die Gräben 2a zum Ausbilden der Ansteuerelektroden 7 bis 10, der Reflektoren 11, 12, der Erfassungselektroden 13 bis 16 in dem Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel einem Siliziumsubstrat, unter Verwendung eines Photolithographieverfahrens ausgebildet (S802 in 34). Zum Beispiel wird, wenn ein Siliziumsubstrat als das Halbleitersubstrat verwendet wird, eine obere Oberfläche des Siliziumsubstrats unter Verwendung von Azeton, Isopropanol und Trichloroethylen der Reihe nach gereinigt. Die Oberfläche des Siliziumsubstrats wird dann in entionisiertem Wasser gründlich gespült und nachfolgend auf einer heissen Platte erwärmt, um eine Oberflächenfeuchtigkeit zu beseitigen. Nach einem Kühlen des Substrats auf einer Wärmesenkplatte, wird dann ein Photoresist mittels eines Spin-Coat-Verfahrens nach einem Durchnässen des Hexamethyldisilazans, einem Haftmittel, auf das Siliziumsubstrat aufgetragen. Dann wird das Weichbrennverfahren durchgeführt, in welchem das Substrat erwärmt wird. Eine negative Maske wird über dem Photoresist angeordnet. Die negative Maske ist eine Vorlage, die die Muster des Substrats definiert. Das Siliziumsubstrat wird dann Ultraviolett-(UV)-Licht derart ausgesetzt, dass die Bereiche des Resists, welche freiliegen, bezüglich des Entwicklers lösbar werden. Daher wird ein Muster ausgebildet, das eine Mehrzahl von Öffnungen dadurch aufweist. Das Substrat wird in Photoresist eingetaucht und entwickelt, bis die Bereiche, welche UV-Licht ausgesetzt worden sind und deshalb lösbar sind, weggeätzt sind, um die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12, die Erfassungselektroden 13 bis 16 auszubilden.
Zum Beispiel ist ein Trockenätzen anwendbar, um die Gräben 2a zu ätzen. Ein Gas, das Fluorin, wie zum Beispiel ein Gas des CF-Typs, das C4F8 beinhaltet, oder ein Gas des SF-Typs, das SF6 beinhaltet, beinhaltet, wird als Ätzgas für das Trockenätzen verwendet. Das Ätzgas wird zu Plasma geändert, um Fluorinradikale zu erzeugen, und ein Ätzen wird durch Verarbeiten des Siliziumsubstrats mit den Fluorinradikalen durchgeführt.
Als Nächstes wird, wie es in 35B gezeigt ist, ein dünner Siliziumdioxidfilm 3, welcher dünner als 1 μm ist, thermisch auf die freiliegende Oberfläche der Gräben 2a und eine obere Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgewachsen (S804 in 34).
Als Nächstes wird, wie es in 35C gezeigt ist, ein Metall oder eine leitende Metalllegierung 50, die Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W) beinhalten, unter Verwendung eines Elektrodenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis auf der freiliegenden Oberfläche der Gräben 2a und der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 gemustert, um die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12, die Erfassungselektroden 13 bis 16 auszubilden.
Als Nächstes wird, wie es in 35D gezeigt ist, die obere Oberfläche des Metalls oder der leitenden Metalllegierung 50 zurückgeätzt, bis die Oberfläche des Siliziumdioxids 3 freiliegt. In diesem Schritt ist nicht nur ein Trockenätzverfahren, sondern ebenso ein chemisches mechanisches Polier-(CMP)-Verfahren anwendbar.
Als Nächstes wird, wie es in 35E gezeigt ist, ein Siliziumdioxidfilm thermisch aufgewachsen, um die Gräben 2a und von den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12, den Erfassungselektroden 13 bis 16 innerhalb des Siliziumsubstrats 2 zu bedecken. In diesem Schritt werden die Ansteuerelektroden 7 bis 10, die Reflektoren 11, 12, die Erfassungselektroden 13 bis 16 innerhalb des Siliziumsubstrats 2 fertig gestellt, um ausgebildet zu werden (S806 in 34).
Als Nächstes werden die Gräben 2a zum Ausbilden der Störmassen 6 in dem Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel einem Siliziumsubstrat, unter Verwendung eines Photolithographieverfahrens in dem zuvor erwähnten ähnlichen Verfahren ausgebildet. Ein Metall oder eine leitende Metalllegierung wird unter Verwendung eines Elektrodenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor-(H₃PO₄)-Basis auf der freiliegenden Oberfläche der Gräben 2a und der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 gemustert, um die Störmassen 6 auszubilden.
Die Störmassen 6a werden durch Aufwachsen eines Siliziumdioxidfilms auf das Siliziumdioxid 3 ausgebildet, um die Gräben 2a und von den Störmassen 6 zu bedecken (S808 in 34).
Als Nächstes wird, wie es in 35G gezeigt ist, ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken (S812 in 34). Wenn ein Aluminiumnitrid(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Als Nächstes wird ein Siliziumdioxidfilm thermisch aufgewachsen, um den dünnen Isolationsfilm 20 auf dem piezoelektrischen Film 5 auszubilden.
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen und Masseleitungen ausgebildet, und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10, den Reflektoren 11, 12 und den Erfassungselektroden 13 bis 16 verbunden.
(Ausgestaltung des achten Ausführungsbeispiels)
Wie es in 36 gezeigt ist, ist es, um die schweren Störmassen 6 herzustellen, bevorzugt, dass die Tiefe der Störmassen 6 groß ist. In dieser Ausgestaltung des achten Ausführungsbeispiels sind alle der Störmassen 6 ähnlich einer Nadel geformt.
Weiterhin wird, wenn die Störmassen 6 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, deren Massendichte größer als die von Ansteuerelektroden 7 bis 10 ist, ein Winkelgeschwindigkeitssensor 1 realisiert, der eine höhere Empfindlichkeit aufweist.
Weiterhin ist es, wie es in 37 gezeigt ist, bevorzugt, dass ein leitender Film 60 auf dem piezoelektrischen Substrat 5 ausgebildet ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor, der den leitenden Film 60 aufweist, der auf dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet ist, ermöglicht es, eine vorbestimmte Spannung zwischen dem Ansteuer-IDT und dem leitenden Film derart zu erzeugen und zu halten, dass eine elektrische Energie wirksam in den piezoelektrischen Film eingegeben wird, da der elektrische Potentialpegel des piezoelektrischen Films 5 imstande ist, konstant gehalten zu werden. Weiterhin wirkt, wenn der leitende Film 60 mit Masse verbunden ist, der leitende Film als eine Abschirmung. Diese Tatsache führt zu einer Erwartung, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 unempfindlich bezüglich externen elektrischen Rauschen ist. Deshalb wird es möglich, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 eine hohe Empfindlichkeit aufweist, da der elektrische Signalpegel aufgrund eines elektronischen Rauschverringerungseffekts des leitenden Films erhöht wird. Der leitende Film kann aus einem von mit Störstellen dotierten Polysilizium, Aluminium (Al), einer Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), einer Legierung auf Titanbasis, Wolfram, einer Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und einer Legierung auf Molybdänbasis hergestellt werden.
Weiterhin ist, wie es in 38 gezeigt ist, in dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der einen leitenden Film 60, der auf dem piezoelektrischen Substrat 5 ausgebildet ist und eine Öffnung über dem vorbestimmten Bereich 60 aufweist, unter welchem die Störmassen 6 ausgebildet sind, das piezoelektrische Material, das den piezoelektrischen Film 5 bildet, aus den Öffnungen ausgeschlossen. Die Öffnung ist unter Verwendung eines Photolithographieverfahrens ausgebildet.
(Ausgestaltung der fünften bis achten Ausführungsbeispiele) Weiterhin bestehen in den Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß den fünften bis achten Ausführungsbeispielen die Ansteuer-IDTs und die Erfassungs-IDTs aus der kammförmigen Elektrode 7 bis 10, 13 bis 16. Jedoch sind die Ansteuer-IDTs und die Erfassungs-IDTs nicht auf diese Aufbauten beschränkt, sondern anders geformte Elektroden können für die Komponenten der Ansteuer-IDTs und der Erfassungs-IDTs verwendet werden.
Weiterhin sind in den Winkelgeschwindigkeitssensoren gemäß dem fünften bis achten Ausführungsbeispiel die Ansteuerelektroden 7 bis 10 derart angeordnet, dass die Ansteuerelektroden 7 bis 8 an einer Seite des vorbestimmten Bereichs 60 angeordnet sind und die Ansteuerelektroden 9 bis 10 an einer anderen Seite des vorbestimmten Bereichs 60 angeordnet sind. Jedoch ist es nicht erforderlich, die Ansteuerelektroden 7 bis 10 an beiden Seiten des vorbestimmten Bereichs 60 auszubilden. In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel ist mindestens ein Paar der Ansteuerelektroden 7 bis 8 und der Ansteuerelektroden 9 bis 10 ausgebildet.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ein selektives Ätzverfahren verwendet wird, das das geeignete Ätzverhältnis von einem Material der Ansteuerelektrode 7 bis 10 zu einem anderen Material der Störmassen 6 aufweist. Wenn es nicht möglich ist, das selektive Ätzverfahren zu verwenden, ist das Abhebeverfahren zum Ausbilden der Störmassen 6 anwendbar.
(Neuntes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 39A bis 44B wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nun erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen zur Vereinfachung zugewiesen und wird die Beschreibung dieser Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
39A und 39B zeigen eine Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 39A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 39B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 39A genommen ist.
Wie es in 39B gezeigt ist, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel ein Halteelement 2 auf, das aus einem isolierenden Substrat oder einem Halbleitersubstrat besteht, das einen hohen spezifischen Widerstand aufweist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 weist weiterhin Erfassungskomponenten auf, die auf der oberen Oberfläche des Halteelements 2 angeordnet sind.
Ein dünner Isolationsfilm 3 ist auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 ausgebildet, um eine gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 zu bedecken. Der dünne Isolationsfilm besteht zum Beispiel aus Siliziumoxid (SiO₂). Die Dicke des dünnen Isolationsfilms ist in der Größenordnung von 1 μm.
Auf dem dünnen Isolationsfilm 3 ist eine erste Elektrode 4 ausgebildet, welche mehrere hundert Nanometer ist. Die erste Elektrode 4 besteht aus einem von Aluminium (Al), einer Aluminium-(Al)-Silizium-(Si)-Legierung, einer Aluminium-(Al)-Silizium-(Si)-Kupfer-(Cu)-Legierung und einem mit Störstellen dotierten Polysilizium mit der Halbleiterherstellungstechnologie für Schaltungen eines sehr hohen Integrationsgrads (VLSIs), unter Berücksichtigung einer Umgebungsmetallverunreinigung.
Ein piezoelektrischer Film 5 ist auf der ersten Elektrode 4 angeordnet, um die gesamte Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken. Die Dicke des piezoelektrischen Films 5 ist ungefähr mehrere Mikrometer. Zum Beispiel besteht der piezoelektrische Film 5 aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO), aber ebenso aus einem piezoelektrischen und ferroelektrischen Film, wie zum Beispiel PTZ:Pb(ZrTi)O₃, PT:PbTiO₃ und dergleichen. In dem Fall, in dem der piezoelektrische Film aus Aluminiumnitrid (AlN) besteht, ist es möglich, eine Integration der anderen funktionalen Vorrichtung, wie zum Beispiel von komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) in den Winkelgeschwindigkeitssensor, ohne Berücksichtigung einer Umgebungsmetallverunreinigung zu erzielen.
Ein dünner Isolationsfilm 20 ist auf dem piezoelektrischen Film 5 ausgebildet. Es ist insbesondere in dem Fall bevorzugt, in dem der piezoelektrische Film 5 aus AlN besteht, dass der dünne Isolationsfilm 20 auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 ausgebildet ist, um einen elektrischen Leckstrom zu unterdrücken, der entlang der z-Richtung in dem piezoelektrischen Film 5 fließt.
Weiterhin sind Störmassen 6, die ebenso als eine zweite Elektrode dienen und Erfassungselektroden 7 bis 10 auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet. Eine Mehrzahl der Erfassungselektroden baut Erfassungs-Interdigitalwandler (hier im weiteren Verlauf "Erfassungs-IDTs") auf.
Wenn die Störmassen 6 ebenso als die zweite Elektrode dienen und Erfassungselektroden 7 bis 10 aus irgendeinem von mit Störstellen dotiertem Polysilizium, Aluminium (Al) und Al-Si-Cu mit der Halbleiterherstellungstechnologie für VLSIs bestehen, ist es nicht erforderlich, während eines Herstellens des Winkelgeschwindigkeitssensors die Umgebungsmetallverunreinigung zu berücksichtigen.
Weiterhin wird, wenn die Störmassen 6 ebenso als die zweite Elektrode dienen und Erfassungselektroden 7 bis 10 aus einem von Aluminium (Al), Platin (Pt), Wolfram (W) und Rubidium (Ru) bestehen, eine Massendichte der ersten Elektroden derart erhöht, dass ein Gesamtgewicht der ersten Elektroden erhöht ist.
Wie es in 39A gezeigt ist, ist die Störmasse, die ebenso als die zweiten Elektroden 6 dient, in der Form eines Rechtecks ausgebildet. Die Erfassungselektroden 7 bis 10 sind in die erste Gruppe, die die Erfassungselektroden 7 bis 8 beinhalten, aus denen ein erster IDT besteht, und die zweite Gruppe geteilt, die die Erfassungselektroden 9 bis 10 beinhalten, aus denen ein zweiter IDT besteht. Die zweiten Elektroden 7 bis 10 sind in einer Kammform ausgebildet. Der erste IDT und der zweite IDT sind derart angeordnet, dass die Störmasse, die ebenso als die zweiten Elektroden 6 dient, zwischen dem ersten IDT und dem zweiten IDT in einer Richtung beidseitig umfasst ist, die senkrecht zu der längeren Kante der rechteckig geformten Störmasse 6 ist.
Wie es in 39B gezeigt ist, ist in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Energieversorgung 12 über die Versorgungs-Anspannungsleitung 11 und die Masseleitung 13 mit der Störmasse, die ebenso als die zweiten Elektroden 6 dient, bzw. der ersten Elektrode 3 verbunden. Zum Beispiel wird eine Wechsel-(AC)-Spannung +B[V] an die Störmasse angelegt, die ebenso als die zweiten Elektroden 6 dient, wohingegen eine Wechsel-(AC)-Spannung -B[V] an die erste Elektrode 4 angelegt wird. Die Störmasse, die ebenso als die zweiten Elektroden 6 dient, wird erregt, um durch die Wechsel-(AC)-Spannung in der z-Richtung zu schwingen.
Die Ansteuerelektroden 7 bis 8 werden verwendet, um eine erste elastische akustische Welle zu erregen, um eine Stehwelle zu bewirken, auf welche eine Corioliskraft wirkt, wenn sich der Winkelgeschwindigkeitssensor dreht. Die Ansteuerelektroden 7, 8 sind zum Bilden eines ersten Ansteuer-Interdigitalwandlers (Ansteuer-IDT) gekoppelt. Alle Ansteuerelektroden 7, 8 sind in einer Kammform ausgebildet, das heisst die Ansteuerelektroden 7, 8 beinhalten Zahnkomponenten 7a, 8a, welche parallel zu der y-Achse angeordnet sind, und Verbindungskomponenten 7b, 8b, welche senkrecht zu der y-Richtung angeordnet sind und als Verbinder einer Mehrzahl der Zahnkomponenten 7a, 8a dienen. In den Ansteuerelektroden 7, 8 sind die Zahnkomponenten 7a, 8a zueinander verschachtelt angeordnet. Die Verbindungskomponenten 7b, 8b sind einander gegenüberliegend über den Zahnkomponenten 7a, 8a angeordnet. Ein Abstand von Zahnkomponenten 7a, 8a der Ansteuerelektroden 7, 8 in der x-Richtung bestimmt eine Wellenlänge einer elastischen akustischen Welle, die von der Störmasse 6 selbst erzeugt wird.
Ähnlich den Ansteuerelektroden 7, 8 sind die Ansteuerelektroden 9, 10 zum Bilden eines zweiten Ansteuer-Interdigitalwandlers (Ansteuer-IDT) gekoppelt. Der zweite Ansteuer-IDT, der aus den Erfassungselektroden 9, 10 besteht, ist auf einer gegenüberliegenden Seite des vorbestimmten Bereichs 60 zu dem ersten Ansteuer-IDT angeordnet, der aus den Erfassungselektroden 7, 8 besteht. Alle Ansteuerelektroden 9, 10 sind in einer Kammform ausgebildet. Die Ansteuerelektroden 9, 10 beinhalten Zahnkomponenten 9a, 10a, welche parallel zu der y-Achse angeordnet sind, und Verbindungskomponenten 9b, 10b, welche senkrecht zu der y-Richtung angeordnet sind. Die Verbindungskomponenten 9b, 10b überbrücken die Zahnkomponenten 9a, 10a dadurch. Wie in dem Fall der Ansteuerelektroden 7, 8 sind die Zahnkomponenten 9a, 10a zueinander verschachtelt angeordnet und mit einer Periodizität von einer Hälfte der Wellenlänge der elastischen akustischen Welle beabstandet angeordnet, die von den Ansteuer-IDTs 7 bis 10 selbst erzeugt wird.
Die Ansteuerelektroden 7 bis 10 bestehen aus einem von mit Störstellen dotierten Silizium, Aluminium (Al), einer Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), einer Legierung auf Titanbasis, Wolfram, einer Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und einer Legierung auf Molybdänbasis. Wenn die Ansteuerelektroden 7 bis 10 aus irgendeinem von mit Störstellen dotierten Polysilizium, Aluminium (Al) und Al-Si-Cu mit der Halbleiterherstellungstechnologie für VLSIs bestehen, ist es nicht erforderlich, während eines Herstellens des Winkelgeschwindigkeitssensors die Umgebungsmetallverunreinigung zu berücksichtigen. Wenn die Störmasse, die ebenso als die zweiten Elektroden 6 dient, aus Metallen oder Metalllegierungen besteht, die Platin (Pt), Wolfram (W) und Gold (Au) beinhalten. In einem derartigen Aufbau der Störmassen 6 wird die Corioliskraft, die auf die Störmassen 6 wirkt, hervorgehoben, um die Verschiebung der Störmassen 6 zu erhöhen. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Im Folgenden werden die Funktionsweisen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Erfassungseinheit durch Anlegen einer Ansteuerspannung an die Störmassen 6 angesteuert. Zum Beispiel wird eine Wechsel-(AC)-Spannung +B[V] an die Störmassen 6 angelegt, wohingegen eine Wechsel-(AC)-Spannung -B[V] von der elektrischen Energieversorgung 12 über die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitung 11 und die Masseleitung 13 an die ersten Elektroden 3 angelegt wird. Daher wird eine Spannungsdifferenz zwischen der Störmasse 6 und den ersten Elektroden 4 erzeugt. Durch den piezoelektrischen Effekt wird die Störmasse 6 in der z-Richtung zum Schwingen gebracht, so dass elastische akustische Wellen bewirkt und entlang der x-Richtung ausgebreitet werden.
Wenn jede Störmasse 6 eine Masse m aufweist und eine Geschwindigkeit jeder Störmasse 6 μ / ν ist, wird, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 einer Drehbewegung mit einer Winkeldrehung μ / Ω senkrecht zu der Richtung der Geschwindigkeit von jeder Störmasse 6 μ / ν unterliegt, die Corioliskraft μ / F senkrecht zu den Richtungen von sowohl der Schwingungsbewegung μ / ν als auch der Winkeldrehung μ / Ω bewirkt. Dabei ist die Geschwindigkeit von jeder Störmasse 6 μ / ν und ist die Winkeldrehung μ / Ω. Das heisst, wenn sich der Winkelgeschwindigkeitssensor um die y-Richtung in den 31A und 31B dreht, wird die Corioliskraft in der x-Richtung mit einer Amplitude | μ / F| = |2m ρ / ν × μ / Ω| erzeugt. Diese Corioliskraft bewirkt eine sich ausbreitende elastische akustische Welle in der x-Richtung. Die sich ausbreitende elastische akustische Welle kommt an den Erfassungselektroden 7 bis 10 an und erzeugt eine Änderung eines elektrischen Potentials der Erfassungselektroden 7 bis 10. Deshalb kann die Winkeldrehung μ / Ω erzielt werden.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der den zuvor erwähnten Aufbau aufweist, wird eine Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage der Differenz zwischen einer gemessenen elektrischen Energie, die von den kammförmigen Erfassungselektroden 7 bis 8 und der, die durch die kammförmigen Erfassungselektroden 9 bis 10 erfasst wird, gemessen, so dass Effekte eines externen Rauschens in elastischen akustischen Wellen aus Endergebnissen der Messung beseitigt werden. Der Grund dafür ist, dass, wenn eine der Ausgangsspannungen, die von den Erfassungselektroden 7 bis 8 und die von den Erfassungselektroden 9 bis 10 erfasst wird, die gemessene Spannung manchmal externes Rauschen enthält. Jedoch führt ein Verwenden der Differenz zwischen einer gemessenen elektrischen Energie, die von den kammförmigen Erfassungselektroden 7 bis 8 und die von den kammförmigen Erfassungselektroden 9 bis 10 erfasst wird, zu einem Auslöschen des externen Rauschens aufgrund der Messung.
Im Folgenden werden die Funktionsweisen des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet einen Vorbereitungsschritt zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Abscheiden der ersten Elektrode 4 auf das Halbleitersubstrat 2 mindestens über einem Bereich, über welchem die Störmassen 6 ausgebildet sind, einen Schritt zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Abscheiden des piezoelektrischen Films 5 auf mindestens eines der ersten Elektrode 3 und des Halbleitersubstrats 2, einen Schritt zum Ausbilden eines Isolationsfilms zum Anordnen des Isolationsfilms 20 auf dem piezoelektrischen Film 5 und einen Herstellungsschritt zum Herstellen einer Mehrzahl von Merkmalen auf dem piezoelektrischen Film 5, wobei die Mehrzahl von Merkmalen die Störmassen, die ebenso als die Ansteuerelektroden 6 zum Bewirken einer ersten elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film 5 dienen, eine Erfassungselektrode 7 bis 10 zum Erfassen einer zweiten elastischen akustischen Welle beinhaltet, die von der Corioliskraft bewirkt wird, die auf die erste elastische akustische Welle wirkt.
Genauer gesagt wird ein Siliziumsubstrat 2 einer (100)-Ausrichtung einer Dicke von 400 μm vorbereitet. In diesem Aufbau ist es möglich, eine Integration der anderen funktionalen Vorrichtungen, wie zum Beispiel von komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS), in dem Winkelgeschwindigkeitssensor ohne irgendeine zukünftige Technologie zu erzielen.
Dann wird ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Al-Si-Cu, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhalten, unter Verwendung eines Elektrodenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die erste Elektrode 4 auszubilden. Die Dicke der ersten Elektrode 4 ist in der Größenordnung von 1,0 bis 1,5 μm. Ein Zerstäubungsverfahren ist ebenso anwendbar, um diesen Schritt durchzuführen.
Ein piezoelektrischer Film 5 wird auf der ersten Elektrode 4 angeordnet, um die gesamte Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken. Die Dicke des piezoelektrischen Films 5 ist ungefähr mehrere Mikrometer. Zum Beispiel besteht der piezoelektrische Film 5 aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO), aber ebenso aus einem piezoelektrischen und ferroelektrischen Film, wie zum Beispiel PTZ:Pb(ZrTi)O₃, PT:PbTiO₃ und dergleichen. In dem Fall, in dem der piezoelektrische Film aus Aluminiumnitrid (AlN) besteht, ist es möglich, eine Integration der anderen funktionalen Vorrichtung, wie zum Beispiel von komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS), in den Winkelgeschwindigkeitssensor ohne Berücksichtigung einer Umgebungsmetallverunreinigung zu erzielen.
Weiterhin sind Störmassen 6, die ebenso als eine zweite Elektrode dienen, und Erfassungselektroden 7 bis 10 auf dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet. Eine Mehrzahl der Erfassungselektroden baut Erfassungs-Interdigitalwandler (hier im weiteren Verlauf "Erfassungs-IDTs") auf.
Wenn die Störmassen 6, die ebenso als eine zweite Elektrode dienen, und Erfassungselektroden 7 bis 10 aus irgendeinem von mit Störstellen dotierten Polysilizium, Aluminium (Al) und Al-Si-Cu mit der Halbleiterherstellungstechnologie für VLSIs bestehen, ist es nicht erforderlich, während eines Herstellens des Winkelgeschwindigkeitssensors die Umgebungsmetallverunreinigung zu berücksichtigen.
Als Nächstes wird ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhalten, unter Verwendung eines Elektrodenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Ansteuerelektroden 7 bis 10 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films auf die gleiche Weise auszubilden, die in 4C gezeigt ist.
Schließlich werden die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen 11 und Masseleitungen 12 ausgebildet und durch Drahtkontaktieren mit den Ansteuerelektroden 7 bis 10 verbunden.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der die zweite Elektrode 6 aufweist, die dazu ausgelegt ist, als die Störmasse zu dienen, schwingt die zweite Elektrode 6 in einer z-Richtung, die als eine senkrechte Richtung zu der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 5 definiert ist, aufgrund des piezoelektrischen Effekts, wenn eine Wechsel-(AC)-Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden 3, 6 angelegt ist. Daher wird es möglich, dass eine Information einer Drehung des piezoelektrischen Substrats 5 über die Schwingung der zweiten Elektrode 6 erzielt wird, die auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 5 ausgebildet ist.
Einer von Vorteilen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 des zuvor beschriebenen Typs ist, dass eine erforderliche Fläche für eine Störmasse 6 nicht kleiner als die für metallische Punkte gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel wird, die als Störmassen dienen, auf welche die Corioliskraft wirkt, wenn eine elastische akustische Welle entlang einer parallelen Richtung zu der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats erregt wird, da eine elastische akustische Welle in der z-Richtung, das heisst in der senkrechten Richtung zu der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 5, erzeugt wird. Ein anderer Vorteil des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 des zuvor beschriebenen Typs ist, dass keine Ansteuerelektrode und keine Reflektoren erforderlich sind. Lediglich Erfassungselektroden 7 bis 10 sind erforderlich. Es ist nicht erforderlich, die Ansteuerelektroden und die Reflektoren derart anzuordnen, dass alle der Ansteuerelektroden, der Reflektoren und eines Bereichs, in dem metallische Punkte, die als Störmassen dienen, auf einer geraden Linie derart angeordnet sind, dass der Bereich mit den metallischen Punkten und der Ansteuer-IDT zwischen Reflektoren beidseitig umfasst sind. Deshalb werden ein Verkleinern von Winkelgeschwindigkeitssensoren und ein Integrieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors und einer externen Schaltung von diesem in eine kleine integrierte Vorrichtung gleichzeitig erzielt.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Ansteuerwechselspannung direkt an die Störmasse 6 angelegt, welche ebenso als die zweite Elektrode dient, um einen Schwingung der Störmasse 6 in der z-Richtung zu erzeugen. Deshalb wird eine höhere Resonanzfrequenz erzielt, so dass ein höherer Wirkungsgrad eines Bewirkens einer elastischen akustischen Welle erzielt wird. Genauer gesagt wird in dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine Störmasse, Ansteuerelektroden und Reflektoren aufweist, wobei Ansteuerelektroden und Störmassen getrennt hergestellt sind, eine Stehwelle durch die Ansteuerelektroden erzeugt und durch Reflektoren zu einer Stehwelle gleichgerichtet. Daher ist eine Geschwindigkeit der Störmasse, die einer Schwingungsbewegung unterliegt, nicht groß und ist eine Amplitude der Schwingung der Störmasse in der z-Richtung nicht zu groß. Ein Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist, dass, da die zweite Elektrode 6 direkt von einer externen Ansteuerschaltung angesteuert wird, Beschränkungen bezüglich der Geschwindigkeit und der Amplitude der zweiten Elektrode beseitigt werden. Da die Corioliskraft proportional zu der Partikelgeschwindigkeit ist, wird die gemessene Spannung, die von einer elastischen akustischen Welle erzeugt wird, die von der Corioliskraft bewirkt wird, aufgrund des piezoelektrischen Effekts, der von den Erfassungselektroden 7 bis 10 erfasst wird, erhöht. Folglich ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Insbesondere kann in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine größere und schwere Elektrode 6 angeordnet werden. Da die Corioliskraft proportional zu der Partikelmasse ist, ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
(Erste Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels)
Unter Bezugnahme auf 40 wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten Ausgestaltung des neuen Ausführungsbeispiels nun erläutert. In dieser Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels sind den identischen Komponenten in der Struktur zu denjenigen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen zur Vereinfachung zugewiesen und wird die Beschreibung von diesen Komponenten aus den detaillierten Erläuterungen weggelassen.
40 zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß der ersten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 weist die zweite Elektrode 6 auf, die dazu ausgelegt ist, als die Störmasse zu dienen, wobei der Erfassungs-IDT weiterhin einen dritten Erfassungs-IDT und einen vierten Erfassungs-IDT aufweist. Jeder der dritten und der vierten IDTs besteht aus einer Mehrzahl von Elektroden 21 bis 22 bzw. 23 bis 24. Die dritten und vierten IDTs sind derart angeordnet, dass die zweite Elektrode, die als die Störmasse dient, dazwischen beidseitig umfasst ist, und die ersten und die zweiten IDTs sind rechtwinklig auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet.
Dieser Aufbau der ersten, zweiten, dritten und vierten Erfassungs-IDTs führt zu der Möglichkeit eines Erfassens einer Drehgeschwindigkeit um mehrere orthogonale Achsen. Daher ist dieser Aufbau imstande, Effekte von direkten elastischen akustischen Wellen zu verringern, die durch ein Anlegen von externen Wechselspannungen bezüglich einer Messspannung erzeugt werden, die sich auf elastische akustische Wellen bezieht, die von der Corioliskraft erzeugt werden.
Weiterhin ist der vorhergehende Aufbau der ersten, zweiten, dritten und vierten Erfassungs-IDTs imstande, einen nicht erforderlichen Beitrag von den direkten elastischen akustischen Wellen zu verringern, welche nicht durch das Streuen von der Corioliskraft erfahren werden, wenn eine Winkelgeschwindigkeit durch mindestens eines von Differenzen zwischen Ausgangsspannungen zwischen den ersten und zweiten Erfassungs-IDTs und Differenzen zwischen Ausgangsspannungen zwischen den dritten und vierten Erfassungs-IDTs erzielt werden.
(Zweite Ausgestaltung des neuen Ausführungsbeispiels)
Unter Bezugnahme auf die 41A und 41B wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der zweiten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels nun erläutert.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der zweiten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels weist eine unterschiedliche Struktur der ersten Elektrode 4 und des dünnen Isolationsfilms 2 bezüglich denjenigen des neunten Ausführungsbeispiels auf.
41A und 41B zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. 41A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 41B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie B-B in 41A genommen ist.
Wie es in 41A und 41B gezeigt ist, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 die erste Elektrode 4 und den dünnen Isolationsfilm 20 auf, von denen beide lediglich unter einem Bereich 60 ausgebildet sind, auf welchem die Störmasse 6 angeordnet ist.
In diesem Aufbau der ersten Elektrode 4 und des dünnen Isolationsfilms 20 trägt das Gewicht des dünnen Isolationsfilms zu dem der Störmasse 6 bei, so dass die Corioliskraft, die proportional zu der Partikelmasse ist, erhöht ist. Deshalb erzielt der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 eine hohe Empfindlichkeit.
Genauer gesagt werden in dem Fall, in dem der dünne Isolationsfilm 20 über dem gesamten Bereich ausgebildet ist, in dem der piezoelektrische Film 5 ausgebildet ist, die Störmasse 6, welche dazu ausgelegt ist, als die zweite Elektrode zu dienen, und der dünne Isolationsfilm gleichzeitig in der z-Richtung zum Schwingen gebracht, wenn die Ansteuer-AC-Spannung zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode 3 angelegt wird. Während der dünne Isolationsfilm 20 mit der Störmasse 6 schwingt, wird die innere Streckspannung in dem dünnen Isolationsfilm 20 erzeugt. Aus diesem Grund trägt das Gewicht des dünnen Isolationsfilms 20 nicht wirksam zu dem Gewicht der Störmasse 6 bei. Im Gegensatz zu dem ersteren Fall wird, wenn die erste Elektrode 4 und der dünne Isolationsfilm 20, von denen beide lediglich unter einem Bereich 60 ausgebildet sind, auf welchem die Störmasse 6 angeordnet ist, die innere Streckspannung, die in dem dünnen Isolationsfilm 20 erzeugt wird, unterdrückt. Deshalb wird das effektive Gewicht der Störmasse 6 durch das Gewicht des dünnen Isolationsfilms 20 erhöht.
Weiterhin ist, wenn die erste Elektrode 4 nicht nur über dem vorbestimmten Bereich 60 ausgebildet ist, auf welchem die Störmasse 6 ausgebildet ist, die erste Elektrode nicht über einem Bereich angeordnet, über welchem die Ansteuerelektroden 7 bis 10 ausgebildet sind. Dieser Aufbau der ersten Elektrode 4 und des dünnen Isolationsfilms 20 lässt zu, einen elektrischen Leckstrom zwischen den ersten und zweiten Elektroden zu verringern.
Das Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet einen Vorbereitungsschritt zum Vorbereiten des Halbleitersubstrats 2, einen Öffnungsausbildungsschritt zum Ausbilden der Öffnung in dem Halbleitersubstrat 2, einen Schritt zum Ausbilden einer ersten Elektrode zum Anordnen der ersten Elektrode 4 in der Öffnung, einen Schritt zum Ausbilden eines piezoelektrischen Films zum Ausbilden des piezoelektrischen Films 5, um die Öffnungen und das Halbleitersubstrat 2 zu bedecken, und einen Herstellungsschritt zum Herstellen einer Ansteuerelektrode 7 bis 10 auf dem piezoelektrischen Film 5, einen Isolationsfilmausbildungsschritt zum Anordnen des Isolationsfilms 20 auf dem piezoelektrischen Film 5 und einen Störmassen-Ausbildungsschritt zum Ausbilden der Störmassen 6 auf dem dünnen Isolationsfilm 20.
Weiterhin wird in dem Verfahren zum Herstellen des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 ein Siliziumsubstrat 2 einer (100)-Ausrichtung einer Dicke von 400 μm vorbereitet.
Als Nächstes wird die Öffnung, für welche die erste Elektrode 4 untergebracht ist, in dem Halbleitersubstrat 2, wie zum Beispiel einem Siliziumsubstrat, unter Verwendung eines Photolithographieverfahrens ausgebildet. Zum Beispiel wird, wenn ein Siliziumsubstrat als das Halbleitersubstrat verwendet wird, eine obere Oberfläche des Siliziumsubstrats unter Verwendung von Azeton, Isopropanol und Trichloroethylen der Reihe nach gereinigt. Die Oberfläche des Siliziumsubstrats wird dann in entionisiertem Wasser gründlich ausgespült und nachfolgend auf einer heissen Platte erwärmt, um eine Oberflächenfeuchtigkeit zu beseitigen. Nach einem Kühlen des Substrats auf einer Wärmesenkplatte, wird dann ein Photoresist mittels eines Spin-Coat-Verfahrens auf das Halbleitersubstrat nach einem Durchnässen des Hexamethyldisilazans, einem Haftmittel, aufgetragen. Dann wird das Weichbrennverfahren durchgeführt, in welchem das Substrat erwärmt wird. Eine negative Maske wird über dem Photoresist angeordnet. Die negative Maske ist eine Vorlage, die die Muster des Substrats definiert. Das Siliziumsubstrat wird dann Ultraviolett-(UV)-Licht derart ausgesetzt, dass die Bereiche des Resists, welche belichtet werden, bezüglich des Entwicklers lösbar werden. Daher wird ein Muster ausgebildet, das eine Mehrzahl von Öffnungen dadurch aufweist. Das Substrat wird in Photoresist eingeweicht und entwickelt, bis die Bereiche, welche UV-Licht ausgesetzt worden sind und deshalb lösbar sind, weggeätzt werden.
Zum Beispiel ist ein Trockenätzen anwendbar, um die Öffnung zu ätzen. Ein Gas, das Fluorin, wie zum Beispiel ein Gas eines CF-Typs, das C4F8 beinhaltet, oder ein Gas eines SF-Typs, das SF6 beinhaltet, beinhaltet, wird als ein Ätzgas für das Trockenätzen verwendet. Das Ätzgas wird zu Plasma geändert, um Fluorinradikale zu erzeugen, und ein Ätzen wird durch Verarbeiten des Siliziumsubstrats mit den Fluorinradikalen durchgeführt.
Als Nächstes wird ein Metall oder eine leitende Metalllegierung 40, die Platin (Pt), Gold (Au) und Wolfram (W) beinhalten, unter Verwendung eines Elektrodenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor(H₃PO₄)-Basis auf der freiliegenden Oberfläche der Öffnung und der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 gemustert, um die erste Elektrode 4 auszubilden.
Als Nächstes wird ein mehrere Mikrometer dicker Film eines piezoelektrischen Films, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT), angeordnet, um den gesamten Bereich einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode 4 zu bedecken. Wenn ein Aluminiumnitrid-(AlN)-Film als die erste Elektrode 4 verwendet wird, wird der AlN-Film durch ein Lösemittel auf Tetramethylammoniumhydroxidbasis gemustert.
Als Nächstes wird ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Ansteuerelektroden 7 bis 10 auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films 5 auf die gleiche Weise, die in 4C gezeigt ist, auszubilden.
Als Nächstes wird ein dünner Siliziumdioxidfilm, welcher dünner als 1 μm ist, auf den piezoelektrischen Film 5 aufgewachsen. Der Siliziumdioxidfilm wird zum Beispiel durch Zerstäuben ausgebildet.
Als Nächstes wird ein dünner Film aus Metall oder einer leitenden Metalllegierung, die Aluminium (Al), eine Legierung auf Aluminiumbasis, Titan (Ti), eine Legierung auf Titanbasis, Wolfram, eine Legierung auf Wolframbasis, Molybdän und eine Legierung auf Molybdänbasis beinhaltet, unter Verwendung eines Elektronenstrahlzerstäubers abgeschieden und durch eine Säure auf Phosphor(H₃PO₄)-Basis gemustert, um die Störmasse 6 auf einer oberen Oberfläche des dünnen Isolationsfilms 20 auszubilden.
(Dritte Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels)
Unter Bezugnahme auf die 42A und 42B wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der dritten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels nun erläutert.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der dritten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels weist ein Durchgangsloch 2a auf, das von dem Halbleitersubstrat 2 ausgebildet ist, um eine Struktur zu erzielen, in welcher die untere Oberfläche der ersten Elektrode zu Luft freiliegt.
42A und 42B zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. 42A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 42B zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie C-C in 42A genommen ist.
Wie es in den 42A und 42B gezeigt ist, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor das Durchgangsloch auf, das von dem Halbleitersubstrat 2 über einem Bereich unter dem vorbestimmten Bereich 60 ausgebildet ist, auf welchem die Störmasse 6 ausgebildet ist, um eine Struktur zu erzielen, in welcher die untere Oberfläche der ersten Elektrode zu Luft freiliegt.
In diesem Aufbau wird eine nicht erforderliche Schwingung der Störmasse erzeugt, wenn das Durchgangsloch eine übermäßige Abmessung aufweist. Daher ist es bevorzugt, dass eine Länge des Durchgangslochs entlang einer x-Richtung, die durch eine Richtung definiert ist, in welcher die ersten und zweiten Erfassungs-IDTs zueinander ausgerichtet sind, kürzer als ein Abstand zwischen den ersten und zweiten IDTs ist und die Enden der Störmasse vor dem Durchgangsloch entlang der x-Richtung liegen, so dass die nicht erforderliche Schwingung der Störmasse unterdrückt wird.
Im Gegensatz zu dem Fall in der x-Richtung ist eine größere Länge des Durchgangslochs, das Kanten der ersten und zweiten IDTs entlang y-Richtung überlappt, welche durch eine Richtung definiert ist, die orthogonal zu der x-Richtung auf der Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films ist, bevorzugt. In einem derartigen Aufbau des Durchgangslochs wird es möglich, dass die ersten und zweiten IDTs einen höheren Pegel von elektrischen Signalen ausgeben, der proportional zu der Corioliskraft ist, die auf die Störmasse wirkt, wenn sich der dünne piezoelektrische Film um die x-Achse dreht. Daher ist es bevorzugt, dass die Enden des Durchgangslochs entlang der y-Richtung vor der Störmasse liegen, so dass die nicht erforderliche Schwingung der Störmasse unterdrückt wird.
Ein Trockenätzen ist anwendbar, um das Durchgangsloch 2a zu ätzen. Ein Gas, das Fluorin, wie zum Beispiel ein Gas eines CF-Typs, das C4F8 beinhaltet, oder ein Gas eines SF-Typs, das SF6 beinhaltet, beinhaltet, wird als ein Ätzgas für das Trockenätzen verwendet. Das Ätzgas wird zu Plasma geändert, um Fluorinradikale zu erzeugen, und ein Ätzen wird durch Verarbeiten des Siliziumsubstrats mit den Fluorinradikalen durchgeführt.
(Vierte Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels)
Unter Bezugnahme auf 43 wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vierten Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels nun erläutert.
Wie es in 43 gezeigt ist, ist der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 angeordnet, um die ersten, zweiten, dritten und vierten Erfassungs-IDTs aufzuweisen, um eine Drehgeschwindigkeit um mehrere orthogonale Achsen zu erfassen, wobei die Enden der Störmasse beide entlang der x-Richtung und der y-Richtung vorzugsweise vor dem Durchgangsloch liegen. In dieser Anordnung wird die nicht erforderliche Schwingung der Störmasse unterdrückt.
Die zweite Elektrode 6, die ebenso als die Störmasse dient, besteht vorzugsweise aus einer einzelnen Elektrode, so dass eine Massendichte eines Bereichs, in der die zweite Elektrode ausgebildet ist, erhöht ist. Deshalb ist noch bevorzugt, die zweite Elektrode rechteckig geformt ausgebildet, um die Massendichte des Bereichs zu erhöhen, in dem die zweite Elektrode ausgebildet ist. Die Tatsache, dass die Massendichte des Bereichs, in dem die zweite Elektrode ausgebildet ist, groß ist, bringt die zweite Elektrode dazu, mit einer großen Amplitude in eine z-Richtung zu schwingen, die als eine Richtung einer Dicke des piezoelektrischen Films definiert ist. Wenn sich der dünne piezoelektrische Film dreht, wird ein elektrischer Strom, der sich auf die Corioliskraft bezieht, die auf die zweite Elektrode wirkt, die entlang der z-Richtung schwingt, deren Amplitude proportional zu einer Schwingungsgeschwindigkeit davon ist, erzeugt. Deshalb wird, je größer die Amplitude der Schwingungsgeschwindigkeit der zweiten Elektrode ist, desto größer die Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors, da die zweite Elektrode in der z-Richtung mit einer größeren Amplitude schwingt.
In einer Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs ist eine erste Elektrode auf der unteren Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films in einem Bereich ausgebildet, über welchem die zweite Elektrode angeordnet ist.
In diesem Aufbau ist die erste Elektrode lediglich auf dem anderen Bereich ausgebildet, über welchem die Erfassungs-IDTs angeordnet sind. Deshalb ist ein Bereich unter den Erfassungs-IDTs in dem dünnen piezoelektrischen Film von einem Vorhandensein von elektrischen Feldern und elastischen akustischen Wellen aufgrund eines Nichtvorhandenseins der ersten Elektrode unter den Erfassungs-IDTs ausgeschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors, der die zweite Elektrode aufweist, die ebenso als die Störmasse dient, ist ein dünner Isolationsfilm ausgebildet, um die obere Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films zu bedecken, auf welchem die zweite Elektrode angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der dünne Isolationsfilm auf der oberen Oberfläche des dünnen piezoelektrischen Films über einem Bereich angeordnet, auf welchem die zweite Elektrode angeordnet ist, die ebenso als die Störmasse dient. Diese Anordnung des dünnen Isolationsfilms lässt zu, einen elektrischen Leckstrom zwischen den ersten und zweiten Elektroden zu verringern. Es gibt einen weiteren Vorteil des Winkelgeschwindigkeitssensors dieses Typs, in dem ein Gewicht eines Teils des dünnen Isolationsfilms, der unter der zweiten Elektrode angeordnet ist, zusätzlich zu dem Gewicht der zweiten Elektrode zu der Störmasse beiträgt, so dass eine hohe Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors erzielt wird.
Noch weiterhin bestehen in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung das piezoelektrische Substrat und der dünne piezoelektrische Film aus einem von Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Zirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT), Lithiumtantalit (LiTaO₃) und Lithiumtantalit (LT). Wenn der dünne piezoelektrische Film aus AlN besteht, ist es möglich, eine Integration der anderen funktionalen Vorrichtungen, wie zum Beispiel von komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS), in dem Winkelgeschwindigkeitssensor ohne Berücksichtigung einer Umgebungsmetallverunreinigung zu erzielen.
Noch weiterhin ist in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn mindestens eine der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode, die ebenso als die Störmasse dient, aus einem von Aluminium (Al), einer Aluminium-(Al)-Silizium-(Si)-Legierung, einer Aluminium-(Al)-Silizium-(Si)-Kupfer(Cu)-Legierung und aus mit Störstellen dotiertem Polysilizium besteht, möglich, die erste Elektrode durch eine Halbleiterherstellungsverarbeitungstechnologie mit einem Beitragen eines Verhinderns einer Umgebungsmetallverunreinigung auszubilden.
Noch weiterhin besteht in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens eine der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, die ebenso als die Störmasse dient, aus einem von Aluminium (Al), Platin (Pt), Wolfram (W) und Rubidium (Ru), wobei eine Massendichte der ersten und zweiten Elektroden erhöht ist, so dass ein Gesamtgewicht der ersten und zweiten Elektroden erhöht ist.
(Fünfte Ausgestaltung des neunten Ausführungsbeispiels)
Unter Bezugnahme auf 44A und 44B wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der fünften Ausgestaltung des neuen Ausführungsbeispiels nun erläutert.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die zweite Elektrode aus einer Mehrzahl von metallischen Inselfilmen besteht, welche elektrisch miteinander verbunden sind und durch eine externe elektrische Versorgung gleichzeitig angesteuert werden.
44A zeigt eine Vogelperspektive des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und 44B zeigt eine Draufsicht des vorbestimmten Bereichs 60, auf welchem die zweiten Elektroden 6 ausgebildet sind. In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel bestehen die zweiten Elektroden 6 aus einer Mehrzahl von metallischen Inselfilmen, welche an Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sind. Das regelmäßige Gitter ist zum Beispiel ein 3 × 3-Quadratgitter, das neun Gitterpunkte aufweist, die sich auf der x-y-Ebene ausdehnen. An jede zweite Elektrode 6 wird eine Ansteuerspannung über die Versorgungs-Ansteuerspannungsleitungen 11 von der elektrischen Energieversorgung 12 angelegt. Jede zweite Elektrode 6 beginnt aufgrund des piezoelektrischen Effekts kohärent in der z-Richtung zu schwingen, da alle zweiten Elektroden 6 miteinander verbunden sind. Um eine elastische akustische Welle zu verstärken, die an jedem Gitterpunkt bewirkt wird, an dem die zweite Elektrode 6 ausgebildet ist, wird der Abstand zwischen den benachbarten Elektroden 6 auf das ganzzahlig Vielfache der Wellenlänge der elastischen akustischen Welle festgelegt.
In dieser Anordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors werden elastische akustische Wellen, die an einzelnen Elektroden erzeugt werden, die die zweite Elektrode bilden, durch die Corioliskraft synchron hervorgehoben. Deshalb wird eine hohe Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors erzielt.
Noch weiterhin ist eine Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsvorrichtung durch Integrieren einer Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeitssensoren in eine einzige Vorrichtung derart vorgesehen, dass ein Endergebnis einer gemessenen Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage von elektrischen Signalen erzielt wird, die aus der Mehrzahl der Winkelgeschwindigkeitssensoren ausgegeben werden. Deshalb wird eine Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsvorrichtung vorgesehen, die ein genaues Messergebnis erzeugt und eine hohe Empfindlichkeit aufweist.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten sich ausbreitenden elastischen akustischen Welle sind, die sich in einem elastischen Material erzeugt entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreiten, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: ein Halteelement, das eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer x-y-Ebene, die durch die x- bzw. y-Richtungen erzeugt wird, in dem Koordinatensystem ausdehnt, und einen Oberflächenabschnitt aufweist, der mindestens die Oberfläche des Halteelements zum Dienen als das elastische Material beinhaltet; eine Mehrzahl von Störmassen, die auf dem Halteelement in einem vorbestimmten Bereich der Oberfläche des Halteelements angeordnet ist und mit einer Periodizität von einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, um in einer z-Richtung zu schwingen, die senkrecht zu der x-y-Ebene ist; einen Film, der auf der Oberfläche des Halteelements angeordnet ist, um den vorbestimmten Bereich zu umgeben, auf welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, wobei der Film eine obere und eine untere Oberfläche aufweist, welche parallel zu der x-y-Ebene sind und aus einem piezoelektrischen Material bestehen; einen Ansteuerwandler, der auf dem Film angeordnet ist, zum Ansteuern der ersten elastischen akustischen Welle, die entlang der x-Richtung bewirkt wird, wobei die erste elastische akustische Welle eine vorbestimmte Wellenlänge in dem elastischen Material aufweist, das den Film, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, und die Oberfläche des Halteelements beinhaltet, wobei die Mehrzahl der Störmassen in der z-Richtung kohärent zu der ersten elastischen Welle schwingt, der Ansteuerwandler entlang der x-Richtung auf der x-y-Ebene derart zu dem vorbestimmten Bereich ausgerichtet ist, dass die Mehrzahl der Störmassen von der Corioliskraft zum Erzeugen der zweiten elastischen akustischen Welle entlang der y-Richtung in dem elastischen Material verschoben wird; und einen Erfassungswandler, der auf der oberen Oberfläche des Films angeordnet ist und derart angeordnet ist, dass der vorbestimmte Bereich an den Erfassungswandler angrenzt und entlang der y-Richtung auf der x-y-Ebene ausgerichtet ist, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft als eine Funktion einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Störmassen an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene getrennt ist, um den vorbestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, auf welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in einem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, der weiterhin aufweist: eine erste Elektrode, die auf dem Halteelement, aber unter dem Film, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, in der z-Richtung angeordnet ist, zum Entladen einer Oberflächenspannung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welcher die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, der weiterhin aufweist: einen dünnen Isolationsfilm, der in der z-Richtung zwischen dem Halteelement und der ersten Elektrode beidseitig umfasst ist, die aus einem leitenden Material besteht.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, die eine Massendichte von größer als 13,5 g/cm³ aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einem von Platin (Pt), Wolfram (W) und Gold (Au) besteht.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einem Material besteht, dessen Massendichte größer als die ist, die der Ansteuerwandler, der Erfassungswandler aufweist, um die Mehrzahl der Störmassen in der z-Richtung mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 8, wobei die Mehrzahl der Störmassen auf der Oberfläche des Halteelements an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung getrennt ist, um die Mehrzahl der Störmassen beidseitig zu umfassen, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in dem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, wobei die Mehrzahl der Störmassen mit einer Periodizität von einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 11, der weiterhin aufweist: eine erste Elektrode, die auf der Oberfläche des Halteelements angeordnet ist, um mindestens die untere Oberfläche des Films zu bedecken, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, zum Entladen einer Oberflächenspannung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welchem die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, wobei die erste Elektrode auf der gesamten oberen Oberfläche des Halteelements derart angeordnet ist, dass die erste Elektrode unter der Mehrzahl der Störmassen vorhanden ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Störmassen dicker als der Ansteuerwandler ist, um die Mehrzahl der Störmassen in der z-Richtung mit einer größeren Amplitude durch die Corioliskraft schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl der Störmassen an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 15, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene getrennt ist, um den bestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, auf welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in dem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 16, der weiterhin aufweist: eine erste Elektrode, die auf der Oberfläche des Halteelements angeordnet ist, um mindestens die gegenüberliegende Oberfläche zu dem vorbestimmten Bereich zu bedecken, in welchem die Mehrzahl der Störmassen auf der oberen Oberfläche des Films angeordnet ist, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, zum Entladen einer Oberflächenspannung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welchem die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, wobei die erste Elektrode auf der gesamten oberen Oberfläche des Halteelements derart angeordnet ist, dass die erste Elektrode ausgebildet ist, um die gegenüberliegende Oberfläche zu dem vorbestimmten Bereich zu bedecken, innerhalb welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten sich ausbreitenden elastischen akustischen Welle sind, die sich in einem elastischen Material erzeugt entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreitet, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: ein Halbleitersubstrat, das eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer x-y-Ebene auf dem Koordinatensystem ausdehnt; einen piezoelektrischen Film, der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats parallel zu der x-y-Ebene angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film darin eine Öffnung aufweist und eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, wobei die untere Oberfläche mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats und einem Oberflächenabschnitt verbunden ist, der mindestens die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films zum Dienen als das elastische Material beinhaltet; einen Ansteuerwandler, der auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films angeordnet ist, zum Erzeugen einer ersten elastischen akustischen Welle entlang der x-Richtung in dem piezoelektrischen Film und der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats; eine Mehrzahl von Störmassen, die in der Öffnung des piezoelektrischen Films angeordnet ist, um entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene zu dem Ansteuerwandler ausgerichtet zu sein und an diesen anzugrenzen, und mit einer Periodizität von einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet zu sein und an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet zu sein, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird, um in der z-Richtung, die eine senkrechte Richtung zu der x-y-Ebene ist, kohärent zu der ersten elastischen akustischen Welle zu schwingen, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird, und um von der Corioliskraft zum Erzeugen einer zweiten elastischen akustischen Welle verschoben zu werden; ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films parallel zu der x-y-Ebene angeordnet ist, um den vorbestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, in welchem die Mehrzahl der Störmassen in der x-y-Ebene ausgebildet ist, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle in der Öffnung des piezoelektrischen Films auszubilden; und einen Erfassungswandler, der auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films parallel zu der x-y-Ebene angeordnet ist, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle, um entlang einer y-Richtung, die als eine orthogonal zu der x-Richtung in der x-y-Ebene definiert ist, an den Ansteuerwandler angrenzt und zu diesem ausgerichtet ist, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft proportional zu einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 19, wobei die Mehrzahl der Störmassen mit einer Periodizität von einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist und an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten elastischen akustischen Welle sind, die sich entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreiten, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: einen Film, der eine obere und eine untere Oberfläche mit einer x-y-Ebene aufweist, die durch die x- und y-Richtungen in dem Koordinatensystem erzeugt wird, wobei der Film aus einem ersten und einem zweiten Teil davon besteht, wobei das erste Teil des Films aus einem piezoelektrischen Material besteht und das zweite Teil des Films umgibt, wobei das zweite Teil des Films nicht notwendigerweise aus einem piezoelektrischen Material bestehen muss; einen Ansteuerwandler, der auf der oberen Oberfläche des ersten Teils des Films, das aus einem piezoelektrischen Material besteht, angeordnet ist, zum Erzeugen einer ersten elastischen akustischen Welle, die eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, entlang der x-Richtung in der Oberfläche des Films; eine Mehrzahl von Störmassen, die in der Öffnung des piezoelektrischen Films in einem bestimmten Bereich angeordnet ist, um entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene ausgerichtet zu sein und an den Ansteuerwandler anzugrenzen, und mit einer Periodizität von einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist und an einem Bauch der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird, um in einer z-Richtung, die als eine Richtung senkrecht zu der x-y-Ebene definiert ist, kohärent zu der ersten elastischen akustischen Welle zu schwingen, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird, und von der Corioliskraft zum Erzeugen einer zweiten elastischen akustischen Welle verschoben wird; und einen Erfassungswandler, der auf der oberen Oberfläche des ersten Teils des Films, der aus einem piezoelektrischen Material besteht, angeordnet ist, um orthogonal zu dem Ansteuerwandler zu sein, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft als eine Funktion einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 21, wobei das zweite Teil des Films aus einem piezoelektrischen Material besteht, der weiterhin aufweist: ein Halteelement; eine erste Elektrode, die auf der unteren Oberfläche des Films angeordnet ist, um mindestens die untere Oberfläche des zweiten Teils des Films zu bedecken, zum Entladen einer Oberflächenspannung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welcher die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 22, wobei die Mehrzahl der Störmassen an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 23, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene getrennt ist, um die Mehrzahl der Störmassen beidseitig zu umfassen, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in dem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 24, wobei das zweite Teil des Films aus einem piezoelektrischen Material besteht.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 25, der weiterhin aufweist: eine zweite Elektrode, die auf der oberen Oberfläche des Films angeordnet ist, um mindestens die obere Oberfläche des zweiten Teils des Films zu bedecken, zum Entladen einer Oberflächenspannung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der oberen Oberfläche des Films bewirkt wird, in welchem die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 26, wobei die Mehrzahl der Störmassen an einem Bauch der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 27, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung getrennt ist, um die Mehrzahl der Störmassen beidseitig zu umfassen, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in einem geschlossenen Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 28, wobei das zweite Teil des Films aus einem piezoelektrischen Material besteht.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 29, wobei das zweite Teil des Films aus einem piezoelektrischen Material besteht, der weiterhin aufweist: ein Halteelement; eine erste Elektrode, die auf der unteren Oberfläche des Films angeordnet ist, um mindestens die untere Oberfläche des zweiten Teils des Films zu bedecken, zum Entladen einer Oberflächenspannung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welcher die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 33, der weiterhin aufweist: eine Äquipotential-Halteeinrichtung zum Halten eines elektrischen Potentials der ersten Elektrode an dem gleichen Potential wie die zweite Elektrode.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 31, wobei der Film ein Kontaktloch aufweist, durch welches die obere Oberfläche mit der unteren Oberfläche verbunden ist, um von der Äquipotential-Halteeinrichtung verwendet zu werden.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 32, wobei das Kontaktloch aus einer Mehrzahl von Öffnungen besteht, die an den Positionen angeordnet sind, an denen die Mehrzahl der metallischen Punkte ausgebildet ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 30, der weiterhin aufweist: ein Kontaktloch, das in dem Film durchgängig ausgebildet ist und mit einem leitenden Material gefüllt ist, zum derartigen elektrischen Verbinden der ersten Elektrode, die auf der unteren Oberfläche des Films angeordnet ist, mit der zweiten Elektrode, die auf der oberen Oberfläche des Films angeordnet ist, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode das gleiche Potential aufweisen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 34, wobei das Kontaktloch aus einer Mehrzahl von Öffnungen besteht, die an den Positionen angeordnet sind, an denen die Mehrzahl der Punkte ausgebildet ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten elastischen akustischen Welle sind, die sich in einem elastischen Material erzeugt entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreiten, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: ein Halbleitersubstrat, das eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer x-y-Ebene ausdehnt, die von einer x- und einer y-Richtung erzeugt wird, welche die x- bzw. y-Richtungen in dem Koordinatensystem definieren; eine erste Elektrode, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist; einen piezoelektrischen Film, der auf der oberen Oberfläche der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film eine obere und eine untere Oberfläche aufweist, wobei die untere Oberfläche des piezoelektrischen Films mit der ersten Elektrode verbunden ist, zum Entladen einer Oberflächenladung, die an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Films aufgrund eines piezoelektrischen Effekts bewirkt wird, und einen Oberflächenabschnitt aufweist, der mindestens die obere Oberfläche des piezoelektrischen Films zum Dienen als das elastische Material beinhaltet; einen Ansteuerwandler, der auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, zum Erzeugen einer ersten elastischen akustischen Welle in dem piezoelektrischen Film entlang der x-Richtung und der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats; eine Mehrzahl von Störmassen, die auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films in einem vorbestimmten Bereich angeordnet ist, um entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene ausgerichtet zu sein und an den Ansteuerwandler anzugrenzen und dazu ausgelegt ist, in der z-Richtung mit der ersten elastischen akustischen Welle kohärent zu schwingen, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird, und in der z-Richtung von der Corioliskraft zum Erzeugen einer zweiten elastischen akustischen Welle, die sich in der y-Richtung ausbreitet, verschoben zu werden; ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films angeordnet ist, um den vorbestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, in welchem die Mehrzahl der Störmassen in der x-Richtung ausgebildet sind, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, die sich entlang der x-Richtung ausbreitet, um eine elastische akustische Stehwelle in der Öffnung des piezoelektrischen Films auszubilden; und einen Erfassungswandler, der auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films angeordnet ist, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle, um entlang der y-Richtung, die als eine orthogonal zu der x-Richtung in der x-y-Ebene definiert ist, an den Ansteuerwandler anzugrenzen und zu diesem ausgerichtet zu sein, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft als eine Funktion einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 36, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einer Mehrzahl von gewichteten Punkten besteht, die mit einer Periodizität von einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist und an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 37, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einem Material besteht, dessen Massendichte größer als die ist, die der Ansteuerwandler, der Erfassungswandler aufweist, um die Mehrzahl der Störmassen in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Halteelements mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 38, wobei die Mehrzahl der Störmassen an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 39, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung getrennt ist, um den vorbestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, in welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in dem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 40, der weiterhin aufweist: eine erste Elektrode, die auf dem Halteelement angeordnet ist, das aus dem Halteelement besteht, um mindestens die untere Oberfläche des ersten Teils des Films zu bedecken, zum Entladen einer Oberflächenladung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welcher die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 41, wobei die erste Elektrode auf der gesamten oberen Oberfläche des Halteelements derart angeordnet ist, dass die erste Elektrode unter der Mehrzahl der Störmassen vorhanden ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 42, wobei die Mehrzahl der Störmassen dicker als die ist, die der Ansteuerwandler, der Erfassungswandler aufweist, um die Mehrzahl der Störmassen in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Halteelements mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 43, wobei die Mehrzahl der Störmassen an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 44, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene getrennt ist, um den vorbestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, in welchem die Mehrzahl der Störmassen angeordnet ist, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in einem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 45, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einer Mehrzahl von gewichteten Punkten besteht, die mit einer Periodizität von einer Hälfte einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 46, der weiterhin aufweist: eine erste Elektrode, die auf dem Halteelement angeordnet ist, die aus dem Halteelement besteht, um mindestens die untere Oberfläche des Films zu bedecken, der aus einem piezoelektrischen Material besteht, zum Entladen einer Oberflächenladung, die aufgrund eines piezoelektrischen Effekts an der unteren Oberfläche des Films bewirkt wird, in welcher die erste elastische akustische Welle erregt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 47, wobei die erste Elektrode auf der gesamten oberen Oberfläche des Halteelements derart angeordnet ist, dass die erste Elektrode unter der Mehrzahl der Störmassen vorhanden ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten elastischen akustischen Welle sind, die sich in einem elastischen Material erzeugt entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreiten, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: ein Halteelement, das eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer x-y-Ebene ausdehnt, die von einer x- und einer y-Richtung erzeugt wird, welche die x- bzw. y-Richtungen in dem Koordinatensystem definieren; eine Mehrzahl von Störmassen, die an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist und in dem Graben des Halteelements untergebracht ist, um in der z-Richtung kohärent zu der ersten elastischen akustischen Welle zu schwingen und von Corioliskraft zum Erzeugen einer zweiten elastischen akustischen Welle verschoben zu werden; einen Film, der auf dem Halteelement angeordnet ist, um einen vorbestimmten Bereich zu umgeben, unter welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, wobei der Film eine obere und eine untere Oberfläche aufweist und aus einem piezoelektrischen Material besteht und einen Oberflächenabschnitt aufweist, der mindestens die Oberfläche des Halteelements zum Dienen als das elastische Material beinhaltet; einen Ansteuerwandler, der auf dem Film angeordnet ist, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, zum Erzeugen einer ersten elastischen akustischen Welle, die eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, wobei der Ansteuerwandler zu dem vorbestimmten Bereich ausgerichtet ist, auf welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist; und einen Erfassungswandler, der auf der oberen Oberfläche des Films ausgebildet ist, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle, um an dem vorbestimmten Bereich anzugrenzen, unter welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, und um rechtwinklig zu dem Ansteuerwandler zu sein, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft als eine Funktion einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 49, wobei die Mehrzahl der Störmassen an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 50, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene getrennt ist, um einen bestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, unter welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in einem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 51, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einem Material besteht, dessen Massendichte größer als die ist, die der Ansteuerwandler, der Erfassungswandler aufweist, um die Mehrzahl der Störmassen in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Halteelements mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 52, wobei die Mehrzahl der Störmassen mit einer Periodizität von einer Hälfe einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 53, wobei die Mehrzahl der Störmassen dicker als die ist, die der Ansteuerwandler, der Erfassungswandler aufweist, um die Mehrzahl der Störmassen in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Halteelements mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 49, wobei die Mehrzahl der Störmassen mit einer Periodizität von einer Hälfe einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 55, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung in der x-y-Ebene getrennt ist, um einen bestimmten Bereich beidseitig zu umfassen, unter welchem die Mehrzahl der Störmassen ausgebildet ist, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in einem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 56, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einem Material besteht, dessen Massendichte größer als die ist, die der Ansteuerwandler, der Erfassungswandler aufweist, um die Mehrzahl der Störmassen in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Halteelements mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten elastischen akustischen Welle sind, die sich in einem elastischen Material erzeugt entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreiten, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: ein Halteelement, das eine Oberfläche aufweist, die sich auf einer x-y-Ebene ausdehnt, die von einer x- und einer y-Richtung erzeugt wird, welche die x- bzw. y-Richtungen in dem Koordinatensystem definieren, und einen Graben aufweist, durch welchen das Halteelement entlang der z-Richtung geöffnet ist, die senkrecht zu der xy-Ebene ist; eine Mehrzahl von Störmassen, die an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist und in dem Graben des Halteelements untergebracht ist, um in der z-Richtung kohärent zu der ersten elastischen akustischen Welle zu schwingen und von der Corioliskraft zum Erzeugen einer zweiten elastischen akustischen Welle verschoben zu werden; einen Film, der eine obere und eine untere Oberfläche aufweist, wobei der Film aus einem ersten und einem zweiten Teil von diesen besteht, wobei das erste Teil des Films aus einem piezoelektrischen Material besteht und das zweite Teil des Films umgibt, unter welchem die Mehrzahl der Störmassen in der x-y-Ebene angeordnet ist, wobei das zweite Teil des Films nicht aus einem piezoelektrischen Material bestehen muss und einen Oberflächenabschnitt aufweist, der mindestens die obere Oberfläche des Films zum Dienen als das elastische Material beinhaltet; einen Ansteuerwandler, der auf der oberen Oberfläche des ersten Teils des Films angeordnet ist, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, zum Erzeugen einer ersten elastischen akustischen Welle, die eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, entlang der x-Richtung in der Oberfläche des Films; einen Erfassungswandler, der auf der oberen Oberfläche des ersten Teils des Films angeordnet ist, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, um orthogonal zu dem Ansteuerwandler zu sein, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft proportional zu einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 58, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das auf der oberen Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films angeordnet ist und entlang der x-Richtung auf der x-y-Ebene getrennt ist, um die Mehrzahl der Störmassen beidseitig zu umfassen, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in einem bestimmten Bereich auszubilden, der von dem Ansteuerwandler, dem Erfassungswandler und den Reflektoren umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 59, wobei die Mehrzahl der Störmassen mit einer Periodizität von einer Hälfe einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten elastischen akustischen Welle sind, die sich in einem elastischen Material erzeugt entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreiten, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: ein Halteelement, das eine obere Oberfläche mit einer x-y-Ebene aufweist, die von den x- und einer y-Richtungen in dem Koordinatensystem erzeugt wird und einen Graben aufweist, durch welchen das Halteelement entlang einer z-Richtung geöffnet ist, die senkrecht zu der x-y-Ebene ist; eine Mehrzahl von Störmassen, die an Bäuchen der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist und in dem Graben des Halteelements untergebracht ist, um in der z-Richtung kohärent zu der ersten elastischen akustischen Welle zu schwingen und von der Corioliskraft zum Erzeugen einer zweiten elastischen akustischen Welle verschoben zu werden; einen Film, der eine obere und eine untere Oberfläche aufweist, wobei der Film aus einem ersten und einem zweiten Teil von diesem besteht, wobei das erste Teil des Films aus einem piezoelektrischen Material besteht und das zweite Teil des Films umgibt, unter welchem die Mehrzahl der Störmassen angeordnet ist, wobei das zweite Teil des Films nicht notwendigerweise aus einem piezoelektrischen Material bestehen muss und einen Oberflächenabschnitt aufweist, der mindestens die obere Oberfläche des Films zum Dienen als das elastische Material beinhaltet; einen Ansteuerwandler, der in einem anderen Teil der Mehrzahl von Gräben des Halteelements untergebracht ist, zum Erzeugen einer ersten elastischen akustischen Welle, die eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, entlang der x-Richtung in dem elastischen Material, das den Film, der aus dem piezoelektrischen Material besteht, und die Oberfläche des Halteelements beinhaltet; einen Erfassungswandler, der in einem weiteren anderen Teil der Mehrzahl von Gräben des Halteelements untergebracht ist, um orthogonal zu dem Ansteuerwandler zu sein, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft proportional zu einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 61, wobei die Mehrzahl der Störmassen an einem Bauch der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 62, der weiterhin aufweist: ein Paar von Reflektoren, das in einem weiteren anderen Teil der Mehrzahl von Gräben des Halteelements unter der unteren Oberfläche von entweder dem ersten oder zweiten Teil des Films untergebracht ist und entlang der x-Richtung auf der x-y-Ebene getrennt ist, um die Mehrzahl der Störmassen beidseitig zu umfassen, zum Reflektieren und Gleichrichten der ersten elastischen akustischen Welle, um eine elastische akustische Stehwelle mindestens in einem bestimmten Bereich auszubilden, der den Ansteuerwandler, den Erfassungswandler und die Reflektoren umgibt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 63, wobei die Mehrzahl der Störmassen mit einer Periodizität von einer Hälfe einer Wellenlänge der ersten elastischen akustischen Welle angeordnet ist, die von dem Ansteuerwandler erzeugt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 64, wobei die Mehrzahl der Störmassen aus einem Material besteht, dessen Massendichte größer als die ist, die der Ansteuerwandler, der Erfassungswandler aufweist, um die Mehrzahl der Störmassen in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Halteelements mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 65, wobei die Mehrzahl der Störmassen dicker als die des Ansteuerwandlers, des Erfassungswandlers ist, um die Mehrzahl der Störmassen in der senkrechten Richtung zu der Oberfläche des Halteelements mit einer größeren Amplitude schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor, von welchem Betriebsvorgänge in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das aus x-, y- und z-Orthogonalrichtungen besteht, auf der Grundlage einer ersten und einer zweiten elastischen akustischen Welle sind, die sich in einem elastischen Material erzeugt entlang den x- bzw. y-Richtungen ausbreiten, auf welche eine Corioliskraft als Reaktion auf eine Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors um die x-Richtung wirkt, der aufweist: einen piezoelektrischen Film zum Dienen als das elastische Material, das eine erste und eine zweite Oberfläche mit einer x-y-Ebene aufweist, die von den x- und den y-Richtungen in dem Koordinatensystem erzeugt wird, wobei der piezoelektrische Film aus einem piezoelektrischen Material besteht; eine erste Elektrode, die auf der ersten Oberfläche des piezoelektrischen Films angeordnet ist, wobei die erste Elektrode aus einem leitenden Material besteht, das ein Metall und eine Metalllegierung beinhaltet; eine zweite Elektrode, die auf der zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Films angeordnet ist, um mindestens einen vorbestimmten Bereich zu bedecken, der der ersten Elektrode gegenüberliegt und dazu ausgelegt ist, ebenso als die Störmasse dienen, die in der z-Richtung schwingt, die senkrecht zu der x-y-Ebene ist, wobei die zweite Elektrode aus einem leitenden Material besteht, das ein Metall und eine Metalllegierung beinhaltet, um in dem piezoelektrischen Film eine erste elastische akustische Welle anzusteuern, wobei die zweite Elektrode kohärent zu der ersten elastischen Welle schwingt, wobei der Ansteuerwandler zu dem vorbestimmten Bereich ausgerichtet ist, auf welchem die zweite Elektrode entlang der x-Richtung ausgebildet ist, so dass die zweite Elektrode von der Corioliskraft zum Erzeugen einer zweiten elastischen akustischen Welle entlang der y-Richtung verschoben wird; und einen Erfassungswandler, der auf der ersten Oberfläche des piezoelektrischen Films, der aus einem piezoelektrischen Material besteht, derart angeordnet ist, dass der vorbestimmte Bereich, auf welchem die zweite Elektrode ausgebildet ist, an den Erfassungswandler angrenzt und entlang der y-Richtung ausgerichtet ist, zum Erfassen der zweiten elastischen akustischen Welle und zum Vorsehen eines Ausgangssignals, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, die von der Corioliskraft erzeugt wird, die proportional zu einer Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung des Winkelgeschwindigkeitssensors selbst ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 67, wobei der Erfassungswandler aus einem ersten und einem zweiten Erfassungswandler besteht, die derart angeordnet sind, dass die zweite Elektrode zwischen den ersten und zweiten Erfassungswandlern entlang der x-Richtung beidseitig umfasst ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 68, wobei das Ausgangssignal, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, auf der Grundlage einer Differenz von elektrischen Potentialen geschätzt wird, die von den ersten und zweiten Erfassungswandlern auf der Grundlage eines piezoelektrischen Effekts erzeugt werden, durch welchen eine mechanische Deformationsenergie zu einem elektrischen Potential gewandelt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 69, wobei der Erfassungswandler aus einem ersten, zweiten, dritten und vierten Erfassungswandler besteht, die derart angeordnet sind, dass die zweite Elektrode zwischen den ersten und zweiten Erfassungswandlern entlang der x-Richtung und zwischen den dritten und vierten Erfassungswandlern entlang der y-Richtung beidseitig umfasst ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 70, wobei das Ausgangssignal, das die zweite elastische akustische Welle anzeigt, auf der Grundlage einer ersten Differenz von elektrischen Potentialen, die von den ersten und zweiten Erfassungswandlern erzeugt werden, und einer zweiten Differenz von elektrischen Potentialen geschätzt wird, die von den dritten und vierten Erfassungswandlern aufgrund eines piezoelektrischen Effekts erzeugt werden, durch welchen eine mechanische Deformationsenergie zu einem elektrischen Potential gewandelt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 67, der weiterhin aufweist: ein Halteelement, das eine Oberfläche aufweist, auf welcher ein piezoelektrischer Film derart angeordnet ist, dass die erste Oberfläche des piezoelektrischen Films mit der Oberfläche des Halteelements verbunden ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 71, der weiterhin aufweist: ein Halteelement, das eine Oberfläche aufweist, auf welcher der piezoelektrischer Film derart angeordnet ist, dass die erste Oberfläche des piezoelektrischen Films mit der Oberfläche des Halteelements verbunden ist.