JP2006023186A - 角速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチング屑（下部電極に相当する導体層）に起因した短絡を抑制し、信頼性を向上した角速度センサおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】ドライブ電極部２６およびモニタ電極部２８およびセンシング電極部２７は、音叉形状の基板に形成した下部電極と、この下部電極に形成した圧電材料からなる圧電膜と、この圧電膜に形成した上部電極とを有しており、圧電膜の幅よりも上部電極の幅を小さくして、上部電極の両端面に近接する近接部から圧電膜を露出させるようにした構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器等に用いる角速度センサおよびその製造方法に関するものである。

以下、従来の角速度センサについて図面を参照しながら説明する。

図８は従来の角速度センサに用いる振動子の平面図、図９は同角速度センサに用いる振動子のアーム部のＡ−Ａ断面図、図１０は図９のＡ部の拡大断面図である。

図８、図９において、従来の角速度センサは、角速度検出用の振動子１と、この振動子１と接続された電子回路（図示せず）と、この振動子１および電子回路とを収納するケース（図示せず）とを備えている。

この振動子１は、軸部２に一対のアーム部３を有する音叉形状としたものであって、アーム部３にドライブ電極部４とセンシング電極部５とを設け、軸部２に近接したアーム部３から軸部２までモニタ電極部６を設けている。

ドライブ電極部４は、振動子１を駆動させる駆動信号を入力する電極であり、モニタ電極部６は、振動子１の駆動状態を検知して検知信号を出力する電極であり、センシング電極部５は、振動子１に与えられた角速度に起因して発生する角速度信号を出力する電極である。

これらのドライブ電極部４およびモニタ電極部６およびセンシング電極部５は、図９に示すように、音叉形状の基板に形成した下部電極７と、この下部電極７に形成した圧電材料からなる圧電膜８と、この圧電膜８に形成した上部電極９とを有しており、シリコンの基台上１０に下部電極７となる導体層を形成し、この導体層に圧電膜８を形成し、この圧電膜８に上部電極９となる導体層を形成し、フォトリソ工法を用いて所定形状に加工していた。

フォトリソ工法では、エッチングによって所定形状に加工するが、微細な振動子１を形成する場合、ウェットエッチングでは、エッチング液によって下部電極８や上部電極９となる導体層や圧電膜８が必要以上にエッチングされて特性を劣化させるので、必要な部分のみを精度良くエッチングすることが比較的可能なドライエッチングによって加工していた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００２−２５７５４９号公報

一般的に、ドライエッチングは、半導体の製造に用いられることが多く、角速度センサの振動子１を製造するのに比べて、厚みの薄い導体層を精度良くエッチングするのに適している。

上記従来の構成では、ドライブ電極部４、モニタ電極部６、センシング電極部５は振動子１として用いられるので、各々の電極部を形成するために必要なエッチングの厚みは、一般的な半導体をエッチングする厚みよりも厚く、それ故、図１０に示すように、エッチングした際のエッチング屑１１（下部電極７に相当する導体層の屑）が各々のエッチング面１２に付着する場合があり、矢印方向に電界１３が印加される使用状態において、上部電極９と下部電極７との間でエッチング屑１１を介して短絡するという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するもので、ドライブ電極部、モニタ電極部、センシング電極部を形成する上部電極と下部電極との間において、エッチング屑（下部電極に相当する導体層）に起因した短絡を抑制し、信頼性を向上した角速度センサおよびその製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、特に、ドライブ電極部およびモニタ電極部およびセンシング電極部は、基板に形成した下部電極と、前記下部電極に形成した圧電材料からなる圧電膜と、前記圧電膜に形成した上部電極とを有し、前記圧電膜の幅よりも前記上部電極の幅を小さくして、前記上部電極の両端面に近接する近接部から前記圧電膜を露出させた構成である。

上記構成により、圧電膜の幅よりも上部電極の幅を小さくして、上部電極の両端面に近接する近接部から圧電膜を露出させているので、エッチングした際のエッチング屑が各々のエッチング面に付着した場合があっても、ドライエッチングは、上部電極から下部電極に向かって行われるので、少なくとも、上部電極の両端面に近接する近接部から露出させた圧電膜には、エッチング屑が付着することがない。

よって、使用状態において、上部電極と下部電極とのエッチング屑に起因した短絡を抑制し、信頼性を向上できる。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサに用いる振動子の平面図、図２は同角速度センサに用いる振動子のアーム部のＡ−Ａ断面図、図３は同角速度センサの一部透視斜視図、図４は同角速度センサに用いる振動子の製造工程図、図５は図４のＡ部の拡大断面図である。

図１から図３において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度検出用の振動子２１と、この振動子２１と接続された電子回路２２と、この振動子２１および電子回路２２とを収納するケース２３とを備えている。

この振動子２１は、軸部２４に一対のアーム部２５を有する音叉形状としたものであって、アーム部２５にドライブ電極部２６とセンシング電極部２７とを設け、軸部２４に近接したアーム部２５から軸部２４までモニタ電極部２８を設けている。

ドライブ電極部２６は、振動子２１を駆動させる駆動信号を入力する電極であり、モニタ電極部２８は、振動子２１の駆動状態を検知して検知信号を出力する電極であり、センシング電極部２７は、振動子２１に与えられた角速度に起因して発生する角速度信号を出力する電極である。

これらのドライブ電極部２６およびセンシング電極部２７およびモニタ電極部２８は、音叉形状の基板３３に形成した下部電極２９と、この下部電極２９に形成した圧電材料からなる圧電膜３０と、この圧電膜３０に形成した上部電極３１とを有している。特に、圧電膜３０の幅よりも上部電極３１の幅を小さくしている。

このような振動子２１を有する角速度センサの製造工程は図４に示すように次の通りである。

第１に、シリコンの基板３３に、下部電極２９となる導体層３４を形成し、この導体層３４にＰＺＴの圧電膜３０を形成し、この圧電膜３０に上部電極３１となる導体層３４を形成する（図４（ａ））。

第２に、上部電極３１となる導体層３４の上に、フォトリソ工法により、所定形状のレジスト膜３５を形成する（図４（ｂ））。

第３に、上部電極３１となる導体層３４をドライエッチングにより、所定形状に加工する（図４（ｃ））。

第４に、所定形状に加工された上部電極３１となる導体層３４を被覆するように、フォトリソ工法により、所定形状のレジスト膜３５を形成する（図４（ｄ））。

第５に、圧電膜３０および下部電極２９となる導体層３４をドライエッチングにより所定形状に加工する（図４（ｅ））。

第６に、所定形状に加工された上部電極３１となる導体層３４、下部電極２９となる導体層３４および圧電膜３０を被覆するように、フォトリソ工法により、所定形状のレジスト膜３５を形成する（図４（ｆ））。

第７に、シリコンの基板３３をドライエッチングにより音叉形状に加工する。これにより、振動子２１を駆動させる駆動信号を入力するドライブ電極部２６と、振動子２１に与えられた角速度に起因して発生した角速度信号を出力するセンシング電極部２７と、振動子２１の駆動状態を検知して検知信号を出力するモニタ電極部２８とを設けた振動子２１が製造される（図４（ｇ））。

このように製造された振動子２１は、全長は約３〜６ｍｍ、幅は約０．４〜０．７ｍｍ、厚みは０．１〜０．３ｍｍ、上部電極３１の厚みは０．２〜０．４μｍ、圧電膜３０の厚みは２〜４μｍ、下部電極２９の厚みは０．２〜０．４μｍ程度と、非常に小さな形状となる。

第８に、この振動子２１を電子回路２２と接続し、ケース２３に収納して角速度センサを製造する。

上記構成により、図５に示すように、圧電膜３０の幅よりも上部電極３１の幅を小さくして、上部電極３１の両端面に近接する近接部３２から露出幅が（Ｗ）となるように圧電膜３０を露出させているので、エッチングした際のエッチング屑３６が各々のエッチング面３７に付着した場合があっても、ドライエッチングは、上部電極３１から下部電極２９に向かって行われるので、少なくとも、上部電極３１の両端面に近接する近接部３２から露出させた圧電膜３０には、エッチング屑３６が付着することがない。この近接部３２の露出幅（Ｗ）は、エッチング屑３６がエッチング面３７に付着しても、短絡しない程度に設定しておけばよい。

よって、使用状態において、上部電極３１と下部電極２９とのエッチング屑３６に起因した短絡を抑制し、信頼性を向上できる。

特に、プラズマ等によるドライエッチングでは、エッチング面３７の近傍における圧電膜３０を劣化させ、時間の経過とともに劣化が進行した劣化部３８を生じることがある。この際、圧電膜３０の幅よりも上部電極３１の幅を小さくせず、上部電極３１の両端面に近接する近接部３２から圧電膜３０を露出させない場合は、図６に示すように、エッチング面３７の近傍に生じた劣化部３８にも、電界３９が矢印の向きに印加されて振動子２１の特性を劣化させる。

しかし、上記構成では、図５に示すように、上部電極３１の両端面に近接する近接部３２から圧電膜３０を露出させているので、上部電極３１と下部電極２９との間で実質的に機能する圧電膜３０の幅は上部電極３１の幅と略同一となり、ドライエッチングされたエッチング面３７の近傍部分は電界３９が矢印の向きに印加されず、ドライエッチングに起因した圧電膜３０の特性劣化を考慮する必要がない。近接部３２の露出幅（Ｗ）は、電界３９がほとんど印加されない程度の距離をとって設定すればよく、近接部３２に相当する圧電膜３０に、劣化部３８が形成されるように設定すればよい。

すなわち、圧電膜３０のエッチング面３７の近傍部分に、ドライエッチングに起因した劣化部３８が存在しても、上部電極３１と下部電極２９との間に印加される電界３９は、実質的には、劣化部３８にほとんど印加されることがなく、図７に示すように、時間が経過しても感度変化率に対して本願特性４０の劣化はほとんど起こらない。しかし、従来の構成のように、上部電極３１の両端面に近接する近接部３２から圧電膜３０を露出させず、上部電極３１の幅と圧電膜３０の幅とを略同一にしていると、図７に示すように、時間の経過とともに従来特性４１には感度変化率が悪くなるという劣化が生じる。

また、上部電極３１および圧電膜３０および下部電極２９とはドライエッチングにより所定形状に形成するので、精度良く加工ができ、振動子２１が非常に小さくなっても、電極部の信頼性を損なうことがない。

また、本角速度センサを車両用のような高温な環境下で用いる場合は、圧電膜３０の厚み（ｔ）と近接部３２の露出幅（Ｗ）の関係を下記（数１）のようにするのが好ましい。

また、角速度センサとして、より高感度化が求められる場合は、下記（数２）のようにするのがより好ましい。

さらに、基板３３の主材料はシリコンとし、圧電材料はＰＺＴとしているので、振動子２１の駆動や、振動子２１の駆動状態の検知や、振動子２１に与えられた角速度に起因して発生する角速度信号の出力を精度良く行え、振動子２１の特性を向上できる。

本発明にかかる角速度センサおよびその製造方法は、使用状態において、上部電極と下部電極とのエッチング屑に起因した短絡を抑制し、各種電子機器に有用である。

本発明の一実施の形態における角速度センサに用いる振動子の平面図 同角速度センサに用いる振動子のアーム部のＡ−Ａ断面図 同角速度センサの一部透視斜視図 同角速度センサに用いる振動子の製造工程図 図４のＡ部の拡大断面図 圧電膜を露出させない場合における電界の印加状態を示すＡ部の拡大断面図 従来と本願の時間変化に対する感度変化率の特性を示す特性図 従来の角速度センサに用いる振動子の平面図 同角速度センサに用いる振動子のアーム部のＡ−Ａ断面図 図９のＡ部の拡大断面図

符号の説明

２１ 振動子
２２ 電子回路
２３ ケース
２４ 軸部
２５ アーム部
２６ ドライブ電極部
２７ センシング電極部
２８ モニタ電極部
２９ 下部電極
３０ 圧電膜
３１ 上部電極
３２ 近接部
３３ 基板
３４ 導体層
３５ レジスト膜
３６ エッチング屑
３７ エッチング面
３８ 劣化部
３９ 電界
４０ 本願特性
４１ 従来特性

Claims (5)

1. 角速度検出用の振動子を備え、前記振動子には、前記振動子を駆動させる駆動信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の駆動状態を検知して検知信号を出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して発生する角速度信号を出力するセンシング電極部とを設け、前記ドライブ電極部および前記モニタ電極部および前記センシング電極部は、基板に形成した下部電極と、前記下部電極に形成した圧電材料からなる圧電膜と、前記圧電膜に形成した上部電極とを有し、前記圧電膜の幅よりも前記上部電極の幅を小さくして、前記上部電極の両端面に近接する近接部から前記圧電膜を露出させた角速度センサ。
2. 前記振動子は、軸部に一対のアーム部を有する形状としたものであって、前記アーム部に前記ドライブ電極部と前記センシング電極部とを設け、前記軸部に近接した前記アーム部に前記モニタ電極部を設けた請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記上部電極および前記圧電膜および前記下部電極とをドライエッチングにより所定形状に形成した請求項１記載の角速度センサ。
4. 前記基板の主材料はシリコンとし、前記圧電材料はＰＺＴとした請求項１記載の角速度センサ。
5. 角速度検出用の振動子を備え、前記振動子を駆動させる駆動信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の駆動状態を検知して検知信号を出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して発生した角速度信号を出力するセンシング電極部とを前記振動子に設けた角速度センサを製造する方法であって、前記ドライブ電極部および前記モニタ電極部および前記センシング電極部を形成する工程として、基板に下部電極を形成する工程と、前記下部電極に圧電材料からなる圧電膜を形成する工程と、前記圧電膜に上部電極を形成する工程とを設け、前記圧電膜の幅よりも前記上部電極の幅を小さくして、前記上部電極の両端面に近接する近接部から前記圧電膜を露出させるように、前記上部電極および前記圧電膜および前記下部電極とをドライエッチングにより所定形状に形成した角速度センサの製造方法。

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