JP2000321073A - ジャイロスコープとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、音叉と基板の接合部分を削減する
ことができ、製造歩留まりを向上させることができ、音
叉と基板との位置合わせ精度を高くすることができるジ
ャイロスコープとその製造方法を提供することにある。 【解決手段】 本発明は、振動片５ｄと支持部からなる
音叉５と、音叉の表側または裏側に設けられた一対の基
材２を具備し、基材に形成された中間膜をエッチングに
より一部除去して形成された接続膜６が形成され、接続
膜上に音叉が支持部を接続膜に接合し振動片を基材との
間に微小間隙をあけて片持支持させて設けられ、前記振
動片に容量結合されて振動片を駆動するための駆動用電
極７と、振動片の少なくとも一面側に振動片の先端部と
対向して設けられた検出用電極８とが具備されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロスコープ
とその製造方法に関し、特にジャイロスコープを製造す
る場合のプロセス数の削減によるプロセスの簡単化及び
歩留まり向上を図ることができる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、導電性を有するシリコン等の
材料で形成された音叉を用いたジャイロスコープが知ら
れている。この種のジャイロスコープは、音叉の脚を一
方向に振動させ、振動中に脚の長手方向を中心軸とする
角速度が入力された際にコリオリ力によって生じる前記
振動方向と垂直な方向の振動を検出するものである。前
記コリオリ力によって生じる振動の大きさは角速度の大
きさに対応するので、このジャイロスコープを角速度セ
ンサとして用いることができ、例えばパソコンの座標入
力装置等に適用することができる。

【０００３】図２１は、従来のジャイロスコープの主要
部である音叉の一構成例を示す図である。この図に示す
通り、この例の音叉１００は、３本の脚部１０１と各脚
部１０１の基端側を連結する支持部１０２とから構成さ
れており、導電性を付与したＳｉで形成されている。音
叉１００は、基板１０３の端部に音叉１００の支持部１
０２を接合することで基板１０３によって支持されると
ともに、基板１０３の上面に脚部１０１に対応して凹部
１０３ａが形成されていて、各脚部１０１が振動自在に
方持状態で支持され、各脚部１０１の下方にあたる箇所
には駆動用電極（図示略）がそれぞれ配置されている。
従って、駆動用電極に電圧を印加した際に生じる静電引
力によって各脚部１０１が鉛直方向に振動自在とされた
構成とされている。また、各脚部１０１の先端側の左右
両側には検出用電極１０４が配置されている。

【０００４】図２１に示すジャイロスコープにおいて、
図２１の鉛直方向に振動中に脚部１０１の長手方向を回
転軸とする角速度が入力されると水平方向の振動が生じ
るが、この水平方向の振動は各脚部１０１の両側の検出
用電極１０４が検出する。即ち、脚部１０１が水平方向
に変位した際、脚部１０１の一方向側に配置された検出
用電極１０４と脚部１０１との間隔が狭まると、他方側
に配置された検出用電極１０４と脚部１０１との間隔が
広がり、各検出用電極１０４と脚部１０１とで構成され
る２組の静電容量が変化する。この静電容量の変化か
ら、入力された角速度の大きさを検出することができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図２１に示
す構成のジャイロスコープは、各脚部１０１の両側に検
出用電極１０４が配置されているために、脚部１０１と
脚部１０１との間隔（ギャップ）を検出用電極１０４、
１０４の幅以上に狭くすることができない欠点があり、
小型化軽量化に限界を有する問題を有していた。例え
ば、検出用電極１０４を一般的な半導体デバイス製造技
術を用いてでき得る限り微細化したとしても、検出用電
極１０４、１０４の幅の分だけギャップは必要になるの
で、ギャップをこれ以上狭くすることはできない問題を
有していた。

【０００６】また、音叉１００をＳｉから構成し、基板
をガラス基板とする場合、両者を接着剤を用いて接合し
ているが、接着作業にあっては、音叉と基板との正確な
位置合わせ精度の確保が困難であり、極めて歩留まりの
悪い繁雑な工程であるので、図２１に示す構成のジャイ
ロスコープを製造する工程における歩留まり向上が望ま
れていた。

【０００７】更に、この種のジャイロスコープにおい
て、前述の如くコリオリ力を利用して角速度を正確に測
定するためには、音叉１００と基板１０３との間隔を数
１０μｍ程度の微細間隔とする必要があるが、前述の接
合時に作用するガラスとＳｉ基板の静電引力などの影響
により、接合部分以外の部分が接合されてしまうおそれ
があり、接合時の接合不良によって製品歩留まりが低下
する問題を有していた。特にジャイロスコープが小型化
されたものにあっては、脚部１０１と基板１０３の凹部
１０３ａとの間隙が１０μｍ程度となるので、本来接合
するべき支持部１０２と基板１０３の端部側以外の部
分、即ち、凹部１０３ａの底面と脚部１０１の部分とが
接合してしまう問題を有していた。

【０００８】本発明は、前記の課題を解決するためにな
されたものであって、音叉の両側に基板を配置する構造
を採用しても音叉と基板の接合部分を削減することがで
き、製造歩留まりを向上させることができ、プロセス数
削減ができるとともに、音叉と基板との接合部分を正確
に形成することができ、更に音叉と基板との位置合わせ
精度を高くすることができるジャイロスコープとその製
造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決するために、導電材料からなる振動片と該振動片の
基端部を連結した支持部とを具備する音叉と、この音叉
の表側又は裏側の少なくとも一方に設けられた基材とを
具備してなり、前記基材にこの基材上に形成された中間
膜をエッチングにより一部除去して形成された接続膜が
形成され、この接続膜上に前記音叉が前記支持部を接続
膜に接合し前記振動片を前記基材との間に微小間隙をあ
けて片持支持させて設けられ、前記振動片に容量結合さ
れて前記振動片を駆動するための駆動用電極と、前記振
動片の少なくとも一面側に前記振動片の先端部と対向し
て設けられた検出用電極とが具備されてなることを特徴
とする。

【００１０】中間膜をエッチングにより一部除去してな
る接続膜によって音叉が片持支持された構造であると、
音叉を片持支持する構造を実現する場合に音叉とその下
の基材との間の微小間隙を中間膜の膜厚を利用して規定
の値に均一かつ確実に設定することができる。よって、
音叉と基材との間隙を例えば１０μｍ以下の、数μｍオ
ーダーの微細間隙としても、音叉と基材が不要な部分で
接合することのない、音叉と基材との間隙が規定の値に
均一かつ確実に設定されたジャイロスコープが得られ
る。

【００１１】本発明は、前記音叉の表側と裏側に音叉を
挟むように一対の基材が設けられ、前記基材のうち、少
なくとも一方が前記接続膜を介して音叉に接合されてな
ることを特徴とする。音叉の両側に基材が配置された構
造であると、音叉が基材で保護された構造となり、取り
扱いに優れる。その上、音叉の両側に基材を配してそれ
らを接着する場合よりも接合工程が簡単化される。ま
た、音叉の両側に基材を配する構造とするならば、基材
どうしを接合して音叉を真空封止する構造とすることも
可能となる。

【００１２】本発明は、前記基材がＳｉからなり、前記
接続膜がＳｉＯ₂膜とＳｉ-Ｂ-Ｏ膜の少なくとも一方か
らなることを特徴とする。Ｓｉの基材の間に設けられる
接続膜がＳｉＯ₂膜とＳｉ-Ｂ-Ｏ膜の積層体であるウェ
ハは各層の密着性も良好であり、Ｓｉの基材をエッチン
グ加工して音叉を形成可能であるとともに、Ｓｉの基材
にガラスを陽極接合することができる。

【００１３】本発明は、導電性材料からなる振動片およ
び該振動片の基端側を連結する支持部を有してなる音叉
と、前記各振動片と互いに容量結合されて前記複数の振
動片を駆動する複数の駆動用電極と、前記音叉の少なく
とも一面側に前記各振動片の先端部と対向して設けられ
た検出用電極であって前記各振動片と対応した少なくと
も１個の検出用電極との間に形成される容量を検出する
検出用電極とを有するジャイロスコープの製造方法であ
って、２層の基材層間に中間膜を介在させてなるウェハ
を用い、前記一方の基材層を所望のパターンを有するマ
スクを用いてエッチングすることで前記一方の基材層か
ら音叉を形成し、次に中間膜のエッチングを行なって前
記音叉の下部側に位置する前記中間膜の一部を除去して
前記中間膜の残余部分で前記音叉を片持支持させて音叉
の少なくとも振動片部分を振動自在に加工することを特
徴とする。

【００１４】２層の基材層間に中間膜を介在させてなる
ウェハを用い、このウェハの一方の基材層をエッチング
により加工して音叉を形成し、この音叉をマスクとして
中間膜をエッチングするならば、他方の基材上に中間膜
を加工した接続膜により片持支持された音叉を得ること
ができる。そして、音叉と基材との間隙を中間膜の厚さ
に相当する間隙だけ確実に設定することができ、不要な
部分で基材と接していない片持支持させた音叉が得られ
る。このため、音叉と基材との間隙が１０μｍ以下、例
えば、数μｍ程度の間隙の構成においても確実に振動可
能な音叉が得られる。

【００１５】本発明は、前記中間膜のエッチング後に駆
動用電極と検出用電極を備えた基材を前記音叉の支持部
に陽極接合することを特徴とする。中間膜をエッチング
して音叉を片持支持した後に、駆動用電極と検出用電極
とを備えた基材を音叉に陽極接合するならば、駆動用電
極で音叉を振動加振できるとともに、この振動中の音叉
に付加される角速度に応じた振動を検出できる構造のジ
ャイロスコープを得ることができる。この構成のジャイ
ロスコープは音叉と基材との間隙が例えば１０μｍ以下
のような微細構造に適用できるので、小型化軽量化した
ジャイロスコープが得られる。

【００１６】本発明は、前記ウェハとして、２層のＳｉ
の基材層間にシリコン酸化膜とシリコンホウ素酸素系の
絶縁膜の少なくとも１つが介在されたものを用いること
を特徴とする。前述のジャイロスコープを製造する場合
に用いるウェハとして、２層のＳｉ基材層間にシリコン
酸化膜とシリコンホウ素酸素系の絶縁膜が介在されたも
のを適用することができる。２層のＳｉ基材層のうち、
一方はエッチングにより加工して音叉を形成することが
でき、シリコン酸化膜とシリコンホウ素酸素系の絶縁膜
の少なくとも１つが介在された中間膜はエッチングによ
って容易に加工されて接続膜が形成され、この中間膜の
厚さに相当する間隙により音叉が振動自在とされる。

【００１７】

【発明の実施の形態】先に記載の背景に基づき、本願発
明者らは、先の問題点の一部を解決することができるジ
ャイロスコープの構造と製造方法について研究した結
果、以下に説明するジャイロスコープの構造と製造方法
を検討している。図１１と図１２は本発明者らが検討し
ているジャイロスコープの一例を示すもので、この例の
ジャイロスコープ１２０は、上下のガラス基板１２１、
１２２の間に音叉１３０を挟み込んだ構成とされてい
る。

【００１８】この例のジャイロスコープ１２０には、３
本の脚部１２７（振動片）とこれらの基端側を連結する
支持部１２８とを有する音叉１３０が組み込まれてい
る。また、音叉１３０の周囲には枠部１２９が設けられ
ており、これら音叉１３０と枠部１２９は、元々は厚さ
２００μｍ程度の導電性を有する１枚のＳｉ基板から形
成されている。枠部１２９は上側ガラス基板１２１と下
側ガラス基板１２２との間に挟持されて固定され、２枚
のガラス基板１２１、１２２の内面のうち、音叉１３０
の上方および下方に位置する領域は１０μｍ程度の深さ
の凹部１２１ａ、１２２ａとされており、各ガラス基板
１２１、１２２と音叉１３０との間に１０μｍ程度の間
隙が形成されることで音叉１３０の各脚部１２７が図１
１の上下方向に振動可能となっている。

【００１９】図１１に示すように、上側ガラス基板１２
１の下面の各脚部１２７の基端側に対応する位置には、
各脚部１２７に１個ずつの駆動用電極１２３が脚部１２
７の長手方向に延在するように設けられている。また、
上側ガラス基板１２１の下面において、駆動用電極１２
３の形成位置よりも脚部１２７の先端部寄りの位置には
検出用電極１２４が設けられている。同様に、図１１に
示すように、下側ガラス基板１２２の上面において、脚
部１２７の先端部寄りの位置にも、各脚部１２７に対し
て検出用電極１２４が設けられている。これらの駆動用
電極１２３および検出用電極１２４は、上側ガラス基板
１２１の凹部１２１ａの下面および下側ガラス基板１２
２の凹部１２２ａの上面上に形成されたＡｌ（アルミニ
ウム）膜あるいはＣｒ（クロム）膜などの導電膜で構成
されている。そして、駆動用電極１２３、検出用電極１
２４には電圧印加用または取り出し用の端子（図示略）
がそれぞれ設けられている。

【００２０】さらに、ジャイロスコープの機能上は特に
必要ではなく、後述する製造上の都合により必要なもの
として、駆動用電極１２３および検出用電極１２４が設
けられた領域以外の両ガラス基板１２１、１２２の凹部
１２１ａ内と凹部１２２ａ内には、駆動用電極１２３お
よび検出用電極１２４と同一のＡｌ膜あるいはＣｒ膜な
どの導電膜からなる同電位パターン１２５ａ、１２５ｂ
が設けられている。

【００２１】次に、上記構成のジャイロスコープ１２０
を製造する方法について本願発明者らが検討している内
容の一例について説明する。まず、図１３に示すよう
に、ガラス基板１２２を用意し、表面にクロム膜をスパ
ッタした後、レジストパターンを形成し、このレジスト
パターンをマスクとしてクロム膜をエッチングする。次
に、このレジストパターンおよびクロム膜をマスクとし
てガラス基板１２２の表面のフッ酸エッチングを行い、
ガラス基板１２２上において先の音叉１３０の位置に対
応する領域に、深さ１０μｍ程度の凹部１２２ａを形成
する。

【００２２】その後、レジストパターンおよびクロムパ
ターンを除去する。次に、膜厚３００ｎｍ程度のＡｌ膜
あるいはＣｒ膜などの導電膜を全面にスパッタした後、
周知のフォトリソグラフィー技術を用い、これをパター
ニングして検出用電極１２４および同電位パターン１２
５ａを形成し、下側ガラス基板１２２とする。同様の方
法により、上側ガラス基板１２５も作製しておく。上側
ガラス基板１２５の場合、膜厚３００ｎｍ程度のアルミ
ニウム膜から、駆動用電極１２３、検出用電極１２４、
同電位パターン１２５ｂを形成する。

【００２３】図１４に示すように、Ｓｉ基板１３１を用
意し、このＳｉ基板１３１の下面と下側ガラス基板１２
２とを陽極接合法を用いて接合する。この際、Ｓｉ基板
１３１のうち、後で支持部１２８および枠部１２９とな
る部分が接合されることになる。陽極接合法ではＳｉ基
板１３１に正、ガラス基板１２２に負の電位を印加して
Ｓｉとガラスを接合することができるが、Ｓｉ基板１３
１を加工して音叉１３０を形成する部分にあっては、ガ
ラス基板１２２との間隙が１０μｍ程度しかないため、
陽極接合時の静電引力によりＳｉ基板１３１が撓んでガ
ラス基板１２２と接触すると、この部分も接合されてし
まい、振動可能な音叉１３０を形成できなくなる。した
がって、ガラス基板１２２に接合すべきではない部分が
ガラス基板１２２に接合されてしまうことを防止する目
的でガラス基板１２２の表面をＳｉ基板１３１と同電位
とするために、ガラス基板１２２表面の同電位パターン
１２５ａを用いる。

【００２４】次に、図１５に示すように、Ｓｉ基板１３
１の表面にレジストパターン１３２を形成する。この
際、レジストパターン１３２の平面形状は、図１６に示
すように、音叉、枠部等のＳｉ部分を残す部分の形状と
なる。このレジストパターン１３２をマスクとして、反
応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを用いて
Ｓｉ基板１３１を貫通するエッチングを行う。これによ
り、音叉１３０、枠部１２９をそれぞれ形成し、音叉１
３０の部分を下側ガラス基板１２２の上方で宙に浮いた
片持状態とする。その後、図１７に示すようにレジスト
パターン１３２を除去する。

【００２５】次に、図１１に示すように、音叉１３０の
支持部１２８および枠部１２９、１２９の上面と上側ガ
ラス基板１２１とを陽極接合法を用いて接合する。この
際、Ｓｉ基板１３１の枠部１２９および支持部１２８が
上側ガラス基板１２１に接合されることになる。以上の
工程により、図１１に示すジャイロスコープ１２０を得
ることができる。以上のように得られたジャイロスコー
プ１２０にあっては、振動片１２７の左右両側に検出用
電極を配するのではなく、振動片１２７の上下に位置す
る基板１２１あるいは基板１２２に検出用電極１２４を
設けているので、振動片１２７の間隔を小さくすること
ができ、図２１に示す従来のジャイロスコープよりも小
型化を実現できる構成と考えられる。

【００２６】以上の如くジャイロスコープ１２０を製造
することを目標として本願発明者が更に研究を重ねた結
果、図１１と図１２に示すジャイロスコープ１２０を図
１３〜図１８を基に先に説明した方法で製造する場合、
更に解決するべき課題があることを知見した。まず、図
１３〜図１８を基に先に説明した方法では、ガラス基板
と音叉１３０を陽極接合するための工程を２回行なわな
くてはならないが、この陽極接合工程は極めて歩留まり
の悪い工程であり、歩留まりの悪い工程を２回行なう必
要があるので、不良品を生じやすい問題を有していた。
また、ジャイロスコープ１２０が小型化されている背景
から、振動片１２７と基板１２２とのギャップ、振動片
１２７と基板１２２とのギャップが１０μｍ程度になっ
てくることが考えられるので、陽極接合時に不要な部分
で接合が起こり易く、ジャイロスコープ１２０の作製を
困難とする可能性を有する問題があった。

【００２７】また、前記ジャイロスコープ１２０にあっ
ては、ガラス基板１２１、１２２と音叉１３０を陽極接
合する場合に、振動片１２７と検出用電極１２４、１２
４との位置合わせを正確に行なう必要があるので、ガラ
ス基板１２２を音叉１３０に陽極接合する場合の位置合
わせ作業を厳格に行なう必要が生じる問題を有してい
た。特に振動片１２７の振動検出をその上下に位置する
検出用電極１２４、１２４によって検出する構成とする
と、検出用電極１２４と振動片１２７との位置合わせ精
度が低下すると、振動の検出精度の低下に結び付くおそ
れがある。

【００２８】以上のような背景に鑑み、更に本発明者が
研究した結果を基に、先の図１１と図１２に示す構造の
ジャイロスコープ１２０を更に発展させることで本発明
のジャイロスコープとその製造方法に到達した。以下に
本発明の第１実施形態のジャイロスコープを説明する。

【００２９】「第１実施形態」図１〜図３は本発明に係
る第１実施形態のジャイロスコープを示すもので、この
実施形態のジャイロスコープ１は、下側の基板（基材）
２と上側の基板（基材）３との間に音叉５を挟み込んで
なる構成とされている。前記基板２は、好ましくはＳｉ
基板あるいはＳｉ層から、あるいは、ガラス基板あるい
はガラス層から構成される。

【００３０】基板２の上面には基板２の上面全部に一旦
形成した中間膜の一部を加工して除去した接続膜６が形
成されている。この接続膜６は、図３に示すように基板
２の一端部側に被着された矩形状の基部６ａと、この基
部６ａの両側に基板２の縁部に沿って延出形成された短
冊状の延出部６ｂ、６ｂと、延出部６ｂ、６ｂ間に形成
された凹部６ｃとからなり、この凹部６ｃの部分に後述
する音叉の振動片を対向配置できるように構成されてい
る。この接続膜６の凹部６ｃは後述する製造方法におい
て詳述するように中間膜の一部分を等方性のエッチング
により除去することで形成された部分であり、凹部６ｃ
の縁部において最奥側の縁部分は傾斜面６ｄとされてい
る。ここで接続膜６は、一例としてＳｉ（シリコン）酸
化膜（例えばＳｉＯ₂）とシリコンホウ素酸素系の絶縁
膜（Ｓｉ-Ｂ-Ｏ系絶縁膜）との積層体から構成される。
接続膜６は前記Ｓｉ酸化膜の単層構造でも良いし、シリ
コンホウ素酸素系の絶縁膜の単層構造でも差し支えな
い。

【００３１】前記接続膜６の上には音叉５が積層されて
いる。この音叉５は、Ｐ型あるいはＮ型などのように導
電性を付与したＳｉ基板などの導電材料とからなり、先
の接続膜６の基部６ａに一体に積層された支持部５ａ
と、この支持部５ａの両側から延出形成されて先の接続
膜６の延出部６ｂ、６ｂ上に一体に積層された支持枠５
ｂ、５ｂと、支持枠５ｂ、５ｂの間においてこれらと同
じ方向に延出された基端部５ｃと、基端部５ｃの先端側
にこの実施形態では３本延出形成された振動片５ｄとか
ら構成されている。そして、これらの３本の振動片５ｄ
は接続膜６の凹部６ｃに臨ませて配置され、各振動片５
ｄは支持部５ａにより片持支持されて凹部６ｃ側に振動
自在にされるとともに、振動片５ｄ、５ｄ、５ｄ間に間
隙５ｆが形成され、振動片５ｄと支持枠５ｂとの間にも
間隙５ｇが形成されているので、各振動片５ｄは左右方
向にも振動自在とされている。前記音叉５において、基
端部５ｃの幅をｌ₁と設定し、支持枠５ｂの幅をｌ₃とし
た場合、後述する製造工程において説明するエッチング
の関係からｌ₃＞（ｌ₁／２）の関係とする必要がある。

【００３２】次に、音叉５の上には上側の基板３が接合
されている。この基板３は下側の基板２とほぼ同じ平面
形状をなし、その底面側に先の振動片５ｄを上下方向に
振動自在とするための凹部３ａが形成され、この凹部３
ａの奥側に駆動用の電極７が前記振動片５ｄの支持部側
と位置合わせさせて３個設けられ、駆動用の電極７、
７、７の近傍に先の振動片５ｄの先端部５ｅと位置合わ
せされて検出用の電極８が６個相互に離間して設けられ
ている。

【００３３】前記駆動用の電極７は振動片５ｄよりも若
干幅広に形成され、互いに離間して凹部３ａの奥側に並
設されている。なお、駆動用の電極７を振動片５ｄより
も若干幅狭に形成するならば、隣どうしの振動片５ｄの
静電引力の干渉を少なくすることができる。前記検出用
の電極８は、この実施形態では１本の振動片５ｄの先端
部５ｅに対して２個ずつ設けられている。ここで、１本
の振動片５ｄの先端側の２つの電極８がそれぞれ静止状
態の振動片５ｄの先端部と平面視において同じ面積だけ
オーバーラップするように配置されていることが好まし
い。これらの検出用の電極８はそれに対向する振動片５
ｄの対向面積の変化に起因して生じる静電力の変化を読
み取るためのものである。

【００３４】次に、上記構成のジャイロスコープ１を製
造する方法の一例について以下に説明する。図１〜図３
に示すジャイロスコープ１を製造するには、図４に示す
構造のウェハ１０を使用する。このウェハ１０は、上下
２層のＳｉからなる基材層１１、１２とそれらの間に介
在された中間膜１３から構成された３層構造のものであ
る。中間膜１３としては、ＳｉＯ₂膜とＳｉ-Ｂ-Ｏ膜の
積層体、あるいはこれらの内、少なくとも一方からなる
ものが好適に用いられる。ここで中間膜１３の厚さとし
て、１０〜２０μｍ程度の厚さのものを好適に用いるこ
とができる。よって積層体構造とする場合は、例えば、
厚さ１〜２μｍのＳｉＯ₂膜と厚さ１０〜２０μｍのＳ
ｉ-Ｂ-Ｏ膜の積層体を用いることができる。このような
厚さ割合とするのは、厚いＳｉＯ₂膜を得ることが一般
的には難しく、Ｓｉ-Ｂ-Ｏ膜であるならば１０〜２０μ
ｍのものが容易に得られることに起因している。

【００３５】このウェハ１０の好ましい一例として、日
本セラミックス株式会社製ＳＯＩ（Sillicon On Insula
tor）基板を用いることができる。この基板は、例え
ば、ＳｉＯ₂層を表面に形成したＳｉ基板を用いてその
表面上にＳｉ-Ｂ-Ｏガラス（別名：Flame Hydrolysis D
eposited Grass）層を形成し、その上に更にＳｉＯ₂層
を表面に形成したＳｉ基板を貼り合わせた構造とされて
いる。前記Ｓｉ-Ｂ-Ｏガラスは例えばスート堆積法（火
炎加水分解堆積法）で形成されるので、１０〜１００μ
ｍのものが容易に得られるので、先の目的に供すること
ができる。

【００３６】このウェハ１０の上側の基材層１２の上面
に図５と図６に示すようにレジストパターン１５を形成
する。この際、レジストパターン１５の平面形状は、図
２と図３に示すような平面形状の音叉５と同じ形状とす
る。このレジストパターン１５をマスクとして、異方性
エッチングを用いてＳｉの基材層１２を貫通するエッチ
ングを行い、図７と図８に示すように音叉５を形成す
る。

【００３７】次に、中間膜１３を等方性エッチングする
ために、中間膜１３を構成する材料のエッチングが可能
な、フッ酸を用いたウエットエッチング、あるいはＣＨ
Ｆ₃ガス、Ｃ₄Ｆ₈ガス等を用いたドライエッチングなど
の等方性エッチングにより中間膜１３をエッチングす
る。ここで、等方性エッチングを行なうと、音叉５によ
って覆われていない部分は速やかにエッチング除去され
るとともに、音叉５によって覆われてる部分において
も、音叉５を構成する振動片５ｄと支持枠５ｂとの間の
間隙部分からエッチング液またはエッチングガスが中間
膜１３に到達してこれをエッチングするので、音叉５の
下側に位置する中間膜１３が徐々にエッチングされて除
去される。そして、エッチングの進行により、音叉５の
振動片５ｄと基端部５ｃとが基材層１１上において宙に
浮いた図９と図１０に示す状態となったならばエッチン
グを停止する。

【００３８】この状態では、音叉５の基端部５ｃの下側
の中間膜１３が除去されるが音叉５の支持枠５ｂの下側
の中間膜１３の一部はエッチングされずに残留し、支持
部５ａの下側の中間膜１３の大部分もエッチングされず
に残留するので、振動片５ｄと基端部５ｃを支持部５ａ
で片持ち支持した状態とすることができる。

【００３９】以上のようにエッチング加工できるのは、
基端部５ｃの幅をｌ₁と設定し、支持枠５ｂの幅をｌ₃と
した場合、先に説明の如くｌ₃＞（ｌ₁／２）の関係と設
定したことによる。この関係とすることで、振動片５ｄ
と基端部５ｃの下側の幅の狭い中間膜１３をエッチング
により除去しても幅の大きな支持部５ａと支持枠５ｂの
下側の中間膜１３を残留させることができる。この処理
によって、中間膜１３の一部を除去してなる接続膜６に
接続された音叉５が得られるとともに、基材層１１から
構成された基板（基材）２によって片持支持された音叉
５が得られる。図１０に中間膜１３においてエッチング
により除去された部分と残った部分の境界位置の一例を
鎖線で示す。

【００４０】なお、エッチングにより中間膜１３の一部
を除去して音叉５を片持支持状態に加工する場合、マス
クとして使用するＳｉの音叉５において基端部５ｃによ
って覆われた中間膜部分と音叉５の振動片５ｄによって
覆われた中間膜部分ではエッチングの進行状況により、
振動片５ｄの下の中間膜が全部除去されても基端部５ｃ
の下の中間膜が一部残留するおそれもある。このような
場合は、図１０の鎖線に示すように基端部５ｃに必要個
数の孔５ｈをあけておき、これらの孔５ｈを介してエッ
チングが進行するようにエッチング状況を制御し、基端
部５ｃの下の中間膜が確実に除去されるようにしても良
い。

【００４１】この後、上側の基板３を音叉５に陽極接合
により接合する。上側の基板３は、先に図１３を基に説
明した方法で製造することができる。即ち、ガラス基板
３を用意し、表面にクロム膜をスパッタした後、レジス
トパターンを形成し、このレジストパターンをマスクと
してクロム膜をエッチングする。次に、このレジストパ
ターンおよびクロム膜をマスクとしてガラス基板３の表
面のフッ酸エッチングを行い、ガラス基板３上において
先の音叉５の位置に対応する領域に、深さ１０μｍ程度
の凹部３ａを形成する。その後、レジストパターンおよ
びクロムパターンを除去する。次に、膜厚３００ｎｍ程
度のＡｌ膜あるいはＣｒ膜などの導電膜を全面にスパッ
タした後、周知のフォトリソグラフィー技術を用い、こ
れをパターニングして検出用電極７および同電位パター
ン７を形成し、上側のガラスの基板３とする。

【００４２】このように形成した基板３を裏返しにして
音叉５に重ね合わせ凹部３ａの周囲部分を音叉５の支持
部５ａと枠部５ｂに重ねるとともに、検出用電極８・・・
と音叉５の振動片５ｄ・・・との位置合わせをした上でＳ
ｉの音叉５に正、ガラスの基板３に負の電位を印加して
両者の当接部分を陽極接合する。この陽極接合において
は、３００℃ないし４００℃の高温に加熱した状態で正
負の電圧を印加する。よって用いる基材と中間膜１３と
の耐熱温度は３００℃以上であることが必要であり、加
熱後においても基材膜と中間膜との密着性が損なわれな
いものである必要がある。先に説明したＳｉＯ₂膜とＳ
ｉ-Ｂ-Ｏ膜の積層体であるならば、あるいは後述する例
としてのポリイミドであるならば、このような条件を満
足し、基材層１１との密着性に優れ、音叉５に対する密
着性にも優れる。

【００４３】陽極接合工程においては、音叉５の振動片
５ｄと検出用電極８との位置合わせを数μｍオーダーで
正確に行なう必要があり、陽極接合工程において不要部
分の接合を生じ易いということもあって、陽極接合工程
は極めて歩留まりの悪い工程であるが、この製造方法に
よれば先に説明の従来方法とは異なり、陽極接合工程が
１回で済むので歩留まり向上に寄与する。また、図２１
に示す従来構造において仮に音叉１００の両側に基板を
設ける場合、音叉１００の接合時にそれぞれ位置合わせ
を行なう必要があって極めて繁雑な位置合わせ作業とな
るが、本実施形態の方法ではこの位置合わせ作業が１回
で済むので位置合わせ時の不良の発生も削減できる特徴
を有する。また、陽極接合する場合の基板３の凹部３ａ
の最奥部の位置ａ（図１参照）と接続膜６の傾斜面６ｄ
との位置合わせは特に不要であり、最奥部の位置ａより
も図１において左側に傾斜面６ｄが存在するようにエッ
チングすれば音叉５の振動に悪影響はない。

【００４４】なお、ここでは音叉５と基板３の凹部３ａ
内面との間隙が１０μｍ程度しかないために、陽極接合
時の静電引力により音叉５または基板３が撓んで両者が
部分的に接触すると、この接触部分も接合されてしま
い、振動可能な音叉５を形成できなくなるおそれがあ
る。従って、基板３に接合すべきではない部分が接合さ
れてしまうのを防止する目的で基板３の表面をＳｉの音
叉５と同電位とするために、基板３の駆動用電極７を同
電位パターンとして用いても良い。以上の工程により、
本実施の形態のジャイロスコープ１が完成する。

【００４５】本実施の形態のジャイロスコープ１を使用
する際には、駆動用の電極７にオシレータを接続すると
ともに、検出用の電極８・・・に容量検出器を接続し、音
叉５は接地しておく。オシレータを駆動して駆動用の電
極７に数ｋＨｚ程度の周波数の電圧を印加すると、音叉
５の脚部５ｄが鉛直方向に振動する。その状態で、脚部
５ｄの長手方向を回転軸とする角速度が入力されると、
入力された角速度の大きさに応じた水平方向の振動が生
じる。この時、音叉５の各脚部５ｄの上面と各検出用電
極８・・・が対向した状態にあり、脚部５ｄの振動に伴っ
て脚部５ｄの上面と各検出用電極８・・・との対向面積が
変化するため、容量変化が生じる。この容量変化を容量
検出器で検出することにより角速度を検出することがで
きる。

【００４６】したがって、本実施の形態のジャイロスコ
ープ１では、図２１に示した従来のジャイロスコープよ
うに脚部と脚部の間に検出用電極を設ける必要がなくな
る。その結果、脚部間ギャップをＳｉ基板の加工限界近
く、例えば数１０μｍ程度にまで小さくすることがで
き、Ｑ値を大きくすることができる。例えば脚部幅が２
００μｍのジャイロスコープにおいて、脚間ギャップが
３００μｍ〜４００μｍ程度であるとＱ値は１０００前
後であるが、脚間ギャップを数十μｍ程度にまで狭める
とＱ値は２０００前後と、約２倍に増大することができ
る。このＱ値の増大により、角速度センサとしての検出
感度の向上、駆動電圧の低減を図ることができる。さら
に、デバイスの小型化を図ることもできる。

【００４７】特に本実施形態の場合、音叉５の各脚部５
ｄに対応して２個の検出用の電極８が設けられ、各脚部
５ｄ毎に２個のキャパシタが構成されている。そして、
各脚部５ｄが水平方向に振動した際に２個のキャパシタ
のうちの一方のキャパシタの容量が増加すると、その容
量増加分だけ他方のキャパシタの容量が減少することに
なる。したがって、２つの容量変化の差分を検出すれ
ば、同じ振動であっても２倍の容量変化が得られ、検出
感度をより向上することができる。さらに、検出用の電
極８が脚部５ｄの先端側に設けられているので、振動時
の変位が最大の最も感度が高い状態で容量変化を検出す
ることができる。

【００４８】また、本実施の形態のジャイロスコープ１
は、音叉５が基材層２と基板３の間に挟持されているた
め、基材層２と基板３とによって音叉５の振動片５ｄ部
分が保護され、取り扱いやすいものとなっている。さら
に、音叉５の部分に塵埃が入りにくい構造であるから、
外乱が抑制され、センサとしての感度低下を防止するこ
とができる。

【００４９】また、基材層２と基板３とで音叉５を挟み
込んでなる構成を採用し、更に基材層２と基板３の周辺
部分どうしを音叉５の周囲を囲むように構成し、基板３
の外周部を音叉５の枠部１９に重なるように形成すると
同時に音叉５の振動片５ｄの先方側において基材層２に
接触するように基板３の端部に突部を設けて真空中にお
いて陽極接合するならば、振動片５ｄを真空封止したジ
ャイロスコープ構造とすることもできる。

【００５０】「第２実施形態」以下、本発明の第２実施
形態について図１９と図２０を参照して説明する。図１
９は、先の第１実施形態のジャイロスコープ１と同等の
構造のジャイロスコープを用いた入力装置の一例であ
り、具体的にはパソコンの座標入力装置であるペン型マ
ウスに本発明を適用した例である。

【００５１】本実施形態のペン型マウス３０は、図１９
に示すように、ペン型のケース３１の内部に第１実施形
態で示したようなジャイロスコープ１と同一構造のジャ
イロスコープ３２ａ、３２ｂが２個収容されて構成され
ている。２個のジャイロスコープ３２ａ、３２ｂは、図
２０に示すように、ペン型マウス３０を上から見たとき
（図１９の矢印Ａ方向）に各ジャイロスコープ３２ａ、
３２ｂの音叉の脚部の延在方向が直交するように配置さ
れている。また、ケース３１の内部に各ジャイロスコー
プ３２ａ、３２ｂを駆動し、回転角を検出するための駆
動検出回路３３が設けられている。その他、ケース３１
内に電池３４が収容されるとともに、一般のマウスのク
リックスイッチに相当する２つのスイッチ３５ａ、３５
ｂ、マウス本体の起動スイッチ３６が備えられている。

【００５２】マウスの使用者は、このペン型マウス３０
を持ち、所望の方向にペン先を移動させることによっ
て、パソコン画面上のカーソル等をペン先の移動方向に
応じて動かすことができる。即ち、ペン先を図１９中の
紙面３７のＸ軸方向に沿って移動させると、ジャイロス
コープ３２ｂが回転角θ₁を検出し、紙面３７のＹ軸方
向に沿って移動させると、ジャイロスコープ３２ａが回
転角θ₂を検出する。それ以外の方向に移動させた場合
には回転角θ₁と回転角θ₂の組み合わせとなる。したが
って、パソコン側では回転角θ₁および回転角θ₂に対応
した信号をペン型マウス３０から受け取って、パソコン
画面上のカーソルの移動前の点から画面上において先の
回転角θ₁、θ₂の大きさに対応する距離だけカーソルを
移動させる。このようにして、このペン型マウス３０
は、光学式エンコーダ等を用いた一般のマウスと同様の
動作を実現することができる。

【００５３】ここで用いた本発明のジャイロスコープ３
２ａ、３２ｂは、小型、低駆動電圧、高感度という特徴
を持っているため、本実施形態で説明したようなペン型
のマウス３０のような小型の座標入力機器に好適に使用
することができる。

【００５４】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば第１実施形態のジャイロスコープ１では、検出用の
電極８を上側のガラスの基板３に設けた例を示したが、
下側の基材２側に設けてもよい。また、片側の基材のみ
に設けるのみならず、両方の基材に設ける構成としても
良い。更に検出用の電極８に関し、第１実施形態のジャ
イロスコープ１では、各脚部５ｄの上側に２個ずつ、計
６個設けたが、少なくとも１個設ければ良い。その場
合、各脚部５ｄの上側、下側のいずれでもよいし、３本
の脚部５ｄに対して、例えば、上側と下側と上側という
ように交互になるように異なる側に配置しても良い。

【００５５】次に、陽極接合法による張り合わせを考慮
すると、Ｓｉとガラスの相性がよいが、ガラス基材に関
しては任意の材料からなる基材の表面にガラスを融着し
たものでも代用できる。また、音叉の材料としてＳｉに
代えて、カーボンを用いることも可能である。その他、
各種構成部材の材料、寸法等の具体的な記載は上記実施
の形態に限ることなく、適宜変更が可能である。

【００５６】また、ガラスの基板３とＳｉの音叉５とＳ
ｉの基材層２の組み合わせのジャイロスコープを製造す
る場合に用いるウェハの他の例として、下側の基板とし
てガラス基板を用い、この上にポリイミド層を介してＳ
ｉの基材層を配置した３層構造のウェハを採用すること
ができる。

【００５７】ガラスの基板の上にはスピンコート法によ
りポリイミドを塗布してポリイミド層を形成することが
できる。そして、シリコン基板をこの上に圧着して３層
構造のウェハを得ることができる。このウェハ上にレジ
ストを塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてＳｉの
基材層をエッチング加工して音叉を形成し、この音叉を
マスクとしてポリイミド層をＯ₂プラズマによりエッチ
ングして音叉を片持支持させるように加工し、駆動用の
電極と検出用の電極を備えたガラス基板を陽極接合する
ことで、両面ガラス基板型の接続膜がポリイミドのジャ
イロスコープを１回の陽極接合作業で製造することがで
きる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明のジャイロス
コープにあっては、従来構造のジャイロスコープのよう
に音叉の脚部と脚部の間に検出用電極を設ける必要がな
くなるため、脚部と脚部の間隔を小さくすることができ
るとともにＱ値を大きくすることができ、検出感度の向
上、駆動電圧の低減、デバイスの小型化を図ることがで
きる。このジャイロスコープの使用により、例えばペン
型のパソコンの座標入力装置等の小型であっても検出感
度の優れた入力機器を実現することができる。

【００５９】また、中間膜をエッチングにより一部除去
してなる接続膜によって音叉が片持支持された構造であ
ると、音叉を片持支持する構造を実現する場合に音叉と
その下の基材との間の微小間隙を中間膜の膜厚を利用し
て規定の値に均一かつ確実に設定することができる。よ
って、音叉と基材との間隙を例えば１０μｍ以下の、数
μｍオーダーの微細間隙としても、音叉と基材が不要な
部分で接合することのない、音叉と基材との間隙が規定
の値に均一かつ確実に設定されたジャイロスコープを得
ることができる。

【００６０】本発明において、Ｓｉの基材の間に設けら
れる接続膜がＳｉＯ₂膜とＳｉ-Ｂ-Ｏ膜の積層体である
ものは、Ｓｉの基材をエッチング加工して音叉を形成可
能であるとともに、Ｓｉの基材にガラスを陽極接合する
ことができる。

【００６１】本発明の製造方法は、２層の基材層間に中
間膜を介在させてなるウェハを用いこのウェハの一方の
基材層をエッチングにより加工して音叉を形成し、この
音叉をマスクとして中間膜をエッチングするので、他方
の基材上に中間膜を加工した接続膜により片持支持され
た音叉を得ることができる。そして、音叉と基材との間
隙を中間膜の厚さに相当する間隙だけ確実に設定するこ
とができ、不要な部分で基材と接していない片持支持さ
せた音叉が得られる。このため、音叉と基材との間隙が
１０μｍ以下、例えば、数μｍ程度の間隙の構成におい
ても音叉の不要な部分接合を生じていない確実に振動可
能な音叉が得られる。

【００６２】本発明の製造方法において、中間膜をエッ
チングして音叉を片持支持した後に、駆動用電極と検出
用電極とを備えた基材を音叉に陽極接合するならば、駆
動用電極で音叉を振動加振できるとともに、この振動中
の音叉に付加される加速度に応じた振動を検出できる構
造のジャイロスコープを得ることができる。この構成の
ジャイロスコープは音叉と基材との間隙が例えば１０μ
ｍ以下のような微細構造に適用できるので、小型化軽量
化したジャイロスコープが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明に係るジャイロスコープの第１
実施形態の断面図。

【図２】 図２は図１に示すジャイロスコープの一部を
断面とした平面図。

【図３】 図３は図１に示すジャイロスコープの分解斜
視図。

【図４】 図４は本発明に係るジャイロスコープの製造
工程を説明するためのもので、ジャイロスコープの製造
のために用いる３層構造のウェハの断面図。

【図５】 図５は前記ウェハの上にレジストを形成した
状態を示す断面図。

【図６】 図６は前記ウェハの上に形成したレジストを
示す平面図。

【図７】 図７は前記レジストを用いてウェハの一部を
エッチングすることで形成した音叉を示す断面図。

【図８】 図８は前記エッチングにより形成された音叉
の平面図。

【図９】 図９は音叉の下に位置する中間膜の一部を等
方性エッチングにより除去した状態を示す断面図。

【図１０】 図１０は図９に示す状態の平面図。

【図１１】 図１１は従来のジャイロスコープに対して
本発明者らが想定しているジャイロスコープの一例を示
す断面図。

【図１２】 図１２は図１１に示す同ジャイロスコープ
を示す平面図。

【図１３】 図１１に示すジャイロスコープを製造する
ための工程を示すもので、基板に同電位パターンと検出
用の電極を形成した状態を示す断面図。

【図１４】 図１３に示す基板上にＳｉの基板を陽極接
合した状態を示す断面図。

【図１５】 図１４に示すＳｉの基板の上にレジストを
形成した状態を示す断面図。

【図１６】 図１６は図１５に示すレジストの平面図。

【図１７】 図１５に示すレジストをマスクとしてＳｉ
の基板のエッチングを行なって音叉を形成した状態を示
す断面図。

【図１８】 図１７に示す状態の平面図。

【図１９】 図１９は本発明に係るジャイロスコープの
一実施形態を組み込んでなるペン型の入力装置の一例を
示す図。

【図２０】 図２０は図１９に示す入力装置に組み込ま
れた音叉の配置方向を示す図。

【図２１】 図２１は従来のジャイロスコープの一例を
示す斜視図。

【符号の説明】

１・・・ジャイロスコープ、２・・・基板（基材）、３・・・基
板（基材）、５・・・音叉、５ａ・・・支持部、５ｄ・・・振動
片、６・・・接続膜、６ｄ・・・傾斜面、７・・・駆動用電極、
８・・・検出用電極、１０・・・ウェハ、１１、１２・・・基材
層、１３・・・中間膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江刺 正喜 宮城県仙台市太白区八木山南一丁目11−９ Ｆターム(参考） 2F105 AA10 BB13 BB14 BB15 CC01 CC04 CC11 CD03 CD05 CD13

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電材料からなる振動片と該振動片の基
   端部を連結した支持部とを具備する音叉と、この音叉の
   表側又は裏側の少なくとも一方に設けられた基材とを具
   備してなり、前記基材にこの基材上に形成された中間膜
   をエッチングにより一部除去して形成された接続膜が形
   成され、この接続膜上に前記音叉が前記支持部を接続膜
   に接合し前記振動片を前記基材との間に微小間隙をあけ
   て片持支持させて設けられ、前記振動片に容量結合され
   て前記振動片を駆動するための駆動用電極と、前記振動
   片の少なくとも一面側に前記振動片の先端部と対向して
   設けられた検出用電極とが具備されてなることを特徴と
   するジャイロスコープ。
2. 【請求項２】 前記音叉の表側と裏側に音叉を挟むよう
   に一対の基材が設けられ、前記基材のうち、少なくとも
   一方が前記接続膜を介して音叉に接合されてなることを
   特徴とする請求項１記載のジャイロスコープ。
3. 【請求項３】 前記基材がＳｉからなり、前記接続膜が
   ＳｉＯ₂膜とＳｉ-Ｂ-Ｏ膜の少なくとも一方からなるこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２記載のジャイロ
   スコープ。
4. 【請求項４】 導電性材料からなる振動片および該振動
   片の基端側を連結する支持部を有してなる音叉と、前記
   各振動片と互いに容量結合されて前記複数の振動片を駆
   動する複数の駆動用電極と、前記音叉の少なくとも一面
   側に前記各振動片の先端部と対向して設けられた検出用
   電極であって前記各振動片と対応した少なくとも１個の
   検出用電極との間に形成される容量を検出する検出用電
   極とを有するジャイロスコープの製造方法であって、 ２層の基材層間に中間膜を介在させてなるウェハを用
   い、前記一方の基材層を所望のパターンを有するマスク
   を用いてエッチングすることで前記一方の基材層から音
   叉を形成し、次に中間膜のエッチングを行なって前記音
   叉の下部側に位置する前記中間膜の一部を除去して前記
   中間膜の残余部分で前記音叉を片持支持させて音叉の少
   なくとも振動片部分を振動自在に加工することを特徴と
   するジャイロスコープの製造方法。
5. 【請求項５】 前記中間膜のエッチング後に駆動用電極
   と検出用電極を備えた基材を前記音叉の支持部に陽極接
   合することを特徴とする請求項４記載のジャイロスコー
   プの製造方法。
6. 【請求項６】 前記ウェハとして、２層のＳｉの基材層
   間にシリコン酸化膜とシリコンホウ素酸素系の絶縁膜の
   少なくとも１つが介在されたものを用いることを特徴と
   する請求項４または請求項５記載のジャイロスコープの
   製造方法。