JP2006030062A - Tuning fork piezoelectric oscillating gyroscope - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized tuning fork oscillating gyroscope superior in processing precision, mass productivity, and having less irregularity of characteristics. <P>SOLUTION: The tuning fork piezoelectric oscillating gyroscope is composed of: a tuning fork piezoelectric oscillator 15 comprising an SOI substrate providing an embedded oxide film layer 5 on a silicon support layer 6 and a silicon activated layer 13 in order, and a piezoelectric monocrystal 14 joined on the silicon activated layer 13, having two leg parts 2 and 3 formed by removing a part of the piezoelectric monocrystal 14, the silicon activated layer 13 and the embedded oxide film layer 5, supported on the silicon support layer 6 through the embedded oxide film layer 5 and comprising the piezoelectric monocrystal 14 and the silicon activated layer 13; drive electrodes 8 and 10, detection electrodes 7 and 11 and a reference potential electrode 9 formed on the piezoelectric monocrystal 14; and a signal processing circuit 12 formed on a part not joining the piezoelectric monocrystal 14 on the silicon activated layer 13. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、主として携帯機器に搭載可能な超小型ナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型VTRの手振れ防止装置などに組み込まれるジャイロ装置に関し、特にコリオリ力を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置に関するものである。   The present invention relates to a gyro device mainly incorporated in a micro navigation system, an attitude control device, a camera-integrated VTR camera shake prevention device, etc. that can be mounted on a portable device, and more particularly to a tuning fork type piezoelectric vibration gyro device using Coriolis force. It is.

従来から、音叉型振動子を用いた振動ジャイロ装置が知られている。この種の振動ジャイロ装置の原理は、以下の通りである。振動子が一定方向にある速度で振動(駆動モード)が印加されている状態で、被検出対象である角速度が与えられると、駆動モードの印加速度と角速度がともに直交する方向に、コリオリ力が発生し振動(検出モード)が励起される。その検出モードの励起速度は、駆動モードの印加速度と角速度に比例するので、駆動モードの印加速度の大きさを一定にした状態では、検出モードの励起速度の大きさより振動子に与えられた角速度を算出することが可能となる。このとき、振動子を駆動する手段、及び角速度に比例する検出モードの励起速度を検出する手段として、圧電体を利用したものが、圧電振動ジャイロ装置である。   Conventionally, a vibration gyro apparatus using a tuning fork vibrator is known. The principle of this type of vibrating gyroscope is as follows. When the vibrator is applied with vibration (drive mode) at a certain speed, if an angular velocity is detected, the Coriolis force is applied in the direction in which the applied speed and angular velocity of the drive mode are both orthogonal. The generated vibration (detection mode) is excited. Since the excitation speed in the detection mode is proportional to the application speed and the angular velocity in the drive mode, the angular velocity given to the transducer is determined by the magnitude of the excitation speed in the detection mode when the magnitude of the drive mode application speed is constant. Can be calculated. At this time, the piezoelectric vibration gyro apparatus uses a piezoelectric body as means for driving the vibrator and means for detecting the excitation speed in the detection mode proportional to the angular velocity.

従来の圧電振動ジャイロ装置としては、1)圧電薄膜を利用する場合と、2)圧電単結晶あるいは圧電セラミックを利用する場合が挙げられる。   As a conventional piezoelectric vibration gyro device, there are a case where 1) a piezoelectric thin film is used and a case where 2) a piezoelectric single crystal or a piezoelectric ceramic is used.

例えば、特許文献1には、圧電薄膜を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置が開示されている。図4に、特許文献1に記載の圧電薄膜を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置に用いられる音叉型圧電振動子を示す。図4に示すように、特許文献1に開示された音叉型圧電振動子41は、略厚さ0.2mmのシリコン(110)を基材とする第1、第2の脚部42、43の主面45に、下部電極50、51、52、53である略厚さ4000ÅのTi/Ptと上部電極58、59、60、61である略厚さ3000ÅのTi/Au層間に、圧電薄膜54、55、56、57である略厚さ2〜3μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜がスパッタリング法により形成されている。所定の電極間に駆動電圧を印加すると、PZT薄膜の圧電効果より、駆動モードの印加速度が振動子に与えられる。この状態の下、被検出対象である角速度が加わると、コリオリ力が駆動モードに対して直角方向に発生し検出モードの振動が励起される。検出モードの振動は、PZT薄膜に発生する出力電圧より検出される。圧電薄膜としては、PZTの他にも、酸化亜鉛(ZnO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等も適用される。 For example, Patent Document 1 discloses a tuning fork type piezoelectric vibration gyro device using a piezoelectric thin film. FIG. 4 shows a tuning fork type piezoelectric vibrator used in a tuning fork type piezoelectric vibration gyro device using a piezoelectric thin film described in Patent Document 1. As shown in FIG. 4, the tuning fork type piezoelectric vibrator 41 disclosed in Patent Document 1 includes first and second leg portions 42 and 43 that are made of silicon (110) having a thickness of about 0.2 mm. On the main surface 45, a piezoelectric thin film 54 is formed between a Ti / Pt layer having a thickness of approximately 4000 mm as the lower electrodes 50, 51, 52 and 53 and a Ti / Au layer having a thickness of approximately 3000 mm which is the upper electrodes 58, 59, 60 and 61. 55, 56, and 57, a lead zirconate titanate (PZT) thin film having a thickness of approximately 2 to 3 μm is formed by a sputtering method. When a driving voltage is applied between the predetermined electrodes, a driving mode application speed is given to the vibrator by the piezoelectric effect of the PZT thin film. Under this state, when an angular velocity as a detection target is applied, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the drive mode, and vibration in the detection mode is excited. The vibration in the detection mode is detected from the output voltage generated in the PZT thin film. As the piezoelectric thin film, besides PZT, zinc oxide (ZnO), lithium niobate (LiNbO 3 ), or the like is also applied.

圧電薄膜の形成方法としては、前述のスパッタリング法以外にも、真空蒸着法、化学的気相堆積(CVD)法、ゾルゲル法等がある。然しながら、一般に、そのような方法により形成された圧電薄膜は、酸素等の欠損による組成ずれが発生し易く、結晶配向性薄膜を得るのは容易ではなく、酸素等の反応性ガス雰囲気で500℃以上の高温加熱あるいは熱処理が必要とされている。   As a method for forming the piezoelectric thin film, there are a vacuum vapor deposition method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a sol-gel method and the like in addition to the above-described sputtering method. However, in general, a piezoelectric thin film formed by such a method is likely to cause a composition shift due to deficiency of oxygen or the like, and it is not easy to obtain a crystal orientation thin film, and is 500 ° C. in a reactive gas atmosphere such as oxygen. The above high temperature heating or heat treatment is required.

それに対して、特許文献2に、他例の圧電薄膜形成方法としてレーザアブレーション法が開示されている。これは反応室内に雰囲気ガスを一定圧力で導入し、所望のターゲット材にレーザ光を照射して、ターゲット材からの脱離・射出物質を対向基板に堆積させて薄膜を形成する方法である。この成膜方法の特徴としては、酸素等の反応性ガスの導入や基板の高温加熱を必要とすることなく、容易にターゲット材と同一組成の結晶配向性薄膜を得ることが可能となり、基板材料が限定されることなく、半導体プロセスとの整合性をとることが可能である。   On the other hand, Patent Document 2 discloses a laser ablation method as another example of a method for forming a piezoelectric thin film. This is a method of forming a thin film by introducing atmospheric gas into a reaction chamber at a constant pressure, irradiating a desired target material with laser light, and depositing a desorbed / injected substance from the target material on a counter substrate. As a feature of this film forming method, it is possible to easily obtain a crystal orientation thin film having the same composition as the target material without introducing a reactive gas such as oxygen or heating the substrate at a high temperature. However, it is possible to achieve consistency with a semiconductor process.

一方、特許文献3には、他例の音叉型圧電振動子として、圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動子が記載されている。図5に、特許文献3に記載の圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動子を示す。図5に示すように、この音叉型圧電振動子70の材質は、圧電材料単体からなっており、特に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムもしくはランガサイトの回転Y板からなっている。回転Y板とは、タンタル酸リチウム等の単結晶において、電気軸をX軸、機械軸をY軸、光軸をZ軸とした直交座標系において、Y軸回りにXZ平面を主面として形成したものである。第1駆動電極72a,72c、第2駆動電極72b,72dからなる駆動電極72は、例えばCr/Ni薄膜、Ti/Au薄膜、あるいはAl薄膜等が、スパッタリング法、あるいは真空蒸着法等により形成されている。また、一般に振動子の加工は、電極形成を行った後に、所望の振動子形状に切断するためにダイシングソー、或いはウェットエッチング法、ドライエッチング法が用いられている。更に、振動子と支持体の接合には、セラミックスの場合は主に可とう性のある接着剤が利用され、単結晶材の場合には直接接合等が利用されている。圧電振動ジャイロ装置としての基本的動作は、前述の特許文献1に記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置と同様であり、PZT薄膜の代わりに所望の圧電単結晶を利用している。また、圧電セラミックスを利用した場合にも、圧電単結晶を利用した圧電振動型ジャイロ装置と同様の効果が得られる。   On the other hand, Patent Document 3 describes a tuning fork type piezoelectric vibrator using a piezoelectric single crystal as another example of a tuning fork type piezoelectric vibrator. FIG. 5 shows a tuning fork type piezoelectric vibrator using the piezoelectric single crystal described in Patent Document 3. As shown in FIG. 5, the tuning fork type piezoelectric vibrator 70 is made of a single piezoelectric material, and in particular, a rotating Y plate of lithium tantalate, lithium niobate, or langasite. Rotating Y plate is a single crystal of lithium tantalate, etc. In an orthogonal coordinate system in which the electrical axis is the X axis, the mechanical axis is the Y axis, and the optical axis is the Z axis, the XZ plane is formed around the Y axis as the main surface It is a thing. The drive electrode 72 including the first drive electrodes 72a and 72c and the second drive electrodes 72b and 72d is formed of, for example, a Cr / Ni thin film, a Ti / Au thin film, or an Al thin film by a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like. ing. In general, a vibrator is processed by using a dicing saw, a wet etching method, or a dry etching method in order to cut a desired vibrator shape after forming an electrode. Further, for bonding the vibrator and the support, a flexible adhesive is mainly used in the case of ceramics, and direct bonding or the like is used in the case of a single crystal material. The basic operation of the piezoelectric vibration gyro device is the same as that of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro device described in Patent Document 1, and uses a desired piezoelectric single crystal instead of the PZT thin film. Also, in the case of using piezoelectric ceramics, the same effect as that of a piezoelectric vibration gyro apparatus using a piezoelectric single crystal can be obtained.

特開2003−227719号公報JP 2003-227719 A 特開2002−324926号公報JP 2002-324926 A 特開2001−185987号公報JP 2001-185987 A

特許文献1に記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置のように、圧電薄膜の機能としては、振動子を駆動する手段と角速度に比例する検出モードの励起速度を検出する手段とを有し、具体的には、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)等が代表的である。これらの圧電薄膜は、一般的には、スパッタリング法、真空蒸着法、ゾルゲル法等により形成される。 Like the tuning fork type piezoelectric vibration gyro device described in Patent Document 1, the piezoelectric thin film has a function of driving a vibrator and a means of detecting an excitation speed in a detection mode proportional to the angular velocity. Typical examples include lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO), and lithium niobate (LiNbO 3 ). These piezoelectric thin films are generally formed by a sputtering method, a vacuum deposition method, a sol-gel method, or the like.

然しながら、前述のように、成膜中に基板の高温加熱を行う必要があり、成膜材料と基板材料、あるいは成膜材料と基板表面の下部電極との間の反応が問題となる。更には、酸素等の反応ガスの導入は、半導体プロセスにおいて整合性を取ることは非常に困難である。また、一般に、成膜速度は、スパッタ法の場合、最大速度1μm/時間程度であり、更に、ゾルゲル法の場合は、1〜2μm程度の膜厚を得るために10回程度のスピンコートと、各々層毎に焼成するプロセスが必要となり、数十時間以上を要するため、生産効率が非常に悪い。   However, as described above, it is necessary to heat the substrate at a high temperature during the film formation, and the reaction between the film formation material and the substrate material or between the film formation material and the lower electrode on the substrate surface becomes a problem. Furthermore, it is very difficult to introduce a reaction gas such as oxygen in the semiconductor process. In general, the film forming speed is about 1 μm / hour at the maximum in the case of sputtering, and about 10 spin coats in order to obtain a film thickness of about 1 to 2 μm in the case of the sol-gel method, Each layer requires a baking process, and it takes several tens of hours or more, so the production efficiency is very poor.

以上のように、圧電薄膜の形成には、成膜速度が低いことや、配向処理あるいは結晶方位処理、分極処理などの煩雑な手続きが必要とされており、その対策として、特許文献2に記載のレーザアブレーション法なども提案されている。   As described above, formation of a piezoelectric thin film requires a low deposition rate and complicated procedures such as orientation treatment, crystal orientation treatment, and polarization treatment. A laser ablation method has also been proposed.

レーザアブレーション法によれば、酸素等の欠損による組成ずれが少なく、結晶配向性薄膜が容易に得られ、酸素等の反応性ガス雰囲気中での500℃以上の高温加熱あるいは熱処理が不要とされているが、特許文献2にも記載されているように、結晶性向上のためには、酸素雰囲気、あるいは窒素雰囲気中で基板加熱(500℃以下)を行うことが有効である。また、形成直後の薄膜は、結晶性が悪く、欠陥が存在する等の問題が生じることも指摘されており、温度特性、耐熱性等の観点より単結晶材料には及ばないのが現状である。   According to the laser ablation method, there is little composition shift due to defects such as oxygen, a crystal orientation thin film can be easily obtained, and high temperature heating or heat treatment at 500 ° C. or higher in a reactive gas atmosphere such as oxygen is not required. However, as described in Patent Document 2, it is effective to perform substrate heating (500 ° C. or lower) in an oxygen atmosphere or a nitrogen atmosphere in order to improve crystallinity. In addition, it has been pointed out that the thin film immediately after formation has problems such as poor crystallinity and the presence of defects, and it is currently inferior to single crystal materials in terms of temperature characteristics, heat resistance, etc. .

また、圧電単結晶あるいは圧電セラミックを利用する場合、圧電材料としては、一般に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムもしくはランガサイトがある。これらの材料を用いた振動子の加工には、電極形成を行った後に、所望の振動子形状に切断するためにダイシングソー、或いはウェットエッチング法、ドライエッチング法が用いられている。更に、振動子と支持体の接合には、セラミックスの場合は主に可とう性のある接着剤が利用され、単結晶材料の場合には直接接合等が利用されている。   When a piezoelectric single crystal or piezoelectric ceramic is used, the piezoelectric material generally includes lithium tantalate, lithium niobate, or langasite. In the processing of the vibrator using these materials, a dicing saw, a wet etching method, or a dry etching method is used in order to cut into a desired vibrator shape after forming an electrode. Further, for bonding the vibrator and the support, a flexible adhesive is mainly used in the case of ceramics, and direct bonding or the like is used in the case of a single crystal material.

具体的には、ダイシングソーによる圧電振動子の最小切断寸法は、一般に約30μm〜300μmであり、切断精度は、±0.3μm〜±5μm程度である。実際には、切断加工時のチッピングにより、加工精度はさらに悪く振動子の製造上の大きな課題となっている。例えば、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶の場合、切断面外周に約10μmのチッピングが存在しており、PZT等のセラミックス材の場合は、チッピングの度合いはより顕著である。   Specifically, the minimum cutting dimension of the piezoelectric vibrator by the dicing saw is generally about 30 μm to 300 μm, and the cutting accuracy is about ± 0.3 μm to ± 5 μm. Actually, due to chipping at the time of cutting processing, the processing accuracy is further deteriorated, which is a big problem in manufacturing the vibrator. For example, in the case of a piezoelectric single crystal such as lithium niobate, chipping of about 10 μm exists on the outer periphery of the cut surface, and in the case of a ceramic material such as PZT, the degree of chipping is more remarkable.

これに対して、加工精度がよいとされるウェットエッチング、あるいはドライエッチングを適用する場合、エッチングレートが低く200〜400μm程度の圧電単結晶板を貫通させるために長時間を要し、量産に不向きであることが課題とされている。   In contrast, when wet etching or dry etching, which is considered to have good processing accuracy, is applied, it takes a long time to penetrate a piezoelectric single crystal plate having a low etching rate of about 200 to 400 μm and is not suitable for mass production. It is an issue to be.

例えば、フッ酸(HF)と硝酸(HNO)の混合液によるウェットエッチングの他、イオンミリング、反応性イオンエッチング等のドライエッチングが用いられており、HF系の混合液によるウェットエッチングでは、エッチングレートは1250Å/分程度であり、また、ドライエッチングの場合では、イオンミリングで400Å/分、反応性イオンエッチング(RIE)で600Å/分(最大で2000Å/分程度)である。従って、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶自体を振動子として加工するような場合、200〜400μm程度の深堀加工が必要となり、30時間以上を要することになる。 For example, in addition to wet etching using a mixed solution of hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO 3 ), dry etching such as ion milling and reactive ion etching is used. In wet etching using a HF-based mixed solution, etching is performed. The rate is about 1250 Å / min. In the case of dry etching, ion milling is 400 Å / min, and reactive ion etching (RIE) is 600 Å / min (up to about 2000 Å / min). Therefore, when processing a piezoelectric single crystal such as lithium niobate itself as a vibrator, deep processing of about 200 to 400 μm is required, which requires 30 hours or more.

然しながら、圧電単結晶を利用した圧電振動子は、圧電薄膜を利用する場合に必要とされる反応性ガス雰囲気中での高温熱処理等が必要なく、生産性に優れているために携帯機器に搭載可能な超小型ナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型VTRの手振れ防止装置などに組み込まれるジャイロ装置によく利用されている。ところが、圧電単結晶は、前述のダイシングソーによる切断加工では、加工精度が悪く小型化に向かないこと、加工精度がよいウェットエッチング、ドライエッチングには、エッチングレートが低く、量産に不向きであることが課題となっている。   However, piezoelectric vibrators using piezoelectric single crystals are mounted on portable devices because they do not require high-temperature heat treatment in a reactive gas atmosphere, which is required when using piezoelectric thin films, and are highly productive. It is often used for a gyro device incorporated in a possible miniature navigation system, attitude control device, camera shake prevention device of a camera-integrated VTR, and the like. However, the piezoelectric single crystal has low processing accuracy and is not suitable for downsizing by the above-described dicing saw cutting, and the etching rate is low for wet etching and dry etching with high processing accuracy, and is not suitable for mass production. Has become an issue.

従って、本発明の目的は、上記の課題を解決し、加工精度がよく、量産性に優れ、且つ特性のばらつきが少なく、その上、小型の音叉型圧電振動ジャイロ装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, to provide a small tuning fork type piezoelectric vibration gyro device which has high processing accuracy, is excellent in mass productivity and has little variation in characteristics.

本発明によれば、上記課題を解決するための手段として、SOI(Silicon-on-Insulator)基板のシリコン活性層と、該シリコン活性層上に接合された圧電単結晶からなる少なくとも2つ以上の脚部と、これらを一体に接続する支持部とを有する圧電振動子と、該支持部直下の埋め込み酸化膜層とシリコン支持基板からなる支持体と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、同一SOI基板上に形成された信号処理回路から構成され、該信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有する音叉型圧電振動ジャイロ装置が得られる。更に、前述の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子の駆動モードと検出モードの各周波数がほぼ一致するように、前記圧電単結晶と前記シリコン活性層の幅と厚みを調整できる音叉型圧電振動ジャイロ装置が得られる。また、前述の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子が圧電単結晶のみからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置が得られる。尚、前記圧電単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、ランガサイト、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムカリウム、ニオブ酸カリウムのいずれかであることが望ましい。   According to the present invention, as means for solving the above-described problem, at least two or more of a silicon active layer of an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate and a piezoelectric single crystal bonded on the silicon active layer are provided. A piezoelectric vibrator having a leg portion and a support portion for integrally connecting them, a support made of a buried oxide film layer and a silicon support substrate immediately below the support portion, and a drive electrode formed on the piezoelectric single crystal , A detection electrode and a reference potential electrode, and a signal processing circuit formed on the same SOI substrate, and the signal processing circuit has a function of supplying a driving signal for exciting the piezoelectric vibrator to the piezoelectric vibrator. And a tuning fork type piezoelectric vibration gyro device having a function of processing an output signal corresponding to the detected vibration of the piezoelectric vibrator caused by the Coriolis force generated when the angular velocity is given. Furthermore, in the above tuning fork type piezoelectric vibration gyro device, the tuning fork type can adjust the width and thickness of the piezoelectric single crystal and the silicon active layer so that the frequencies of the driving mode and the detection mode of the piezoelectric vibrator substantially coincide with each other. A piezoelectric vibration gyro device is obtained. Further, in the above-described tuning fork type piezoelectric vibration gyro device, a tuning fork type piezoelectric vibration gyro device in which the piezoelectric vibrator is made of only a piezoelectric single crystal is obtained. The piezoelectric single crystal is preferably one of quartz, lithium niobate, zinc oxide, langasite, lithium tantalate, lithium potassium niobate, and potassium niobate.

即ち、本発明は、シリコン支持層上に埋め込み酸化膜層、シリコン活性層を順に設けたSOI基板と、前記シリコン活性層上に接合された圧電単結晶とからなり、前記圧電単結晶、前記シリコン活性層及び前記埋め込み酸化膜層の一部を除去して形成され、前記埋め込み酸化膜層を介して前記シリコン支持層に支持された、少なくとも2つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶と前記シリコン活性層とからなる音叉型圧電振動子と、該圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン活性層上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。   That is, the present invention comprises an SOI substrate in which a buried oxide film layer and a silicon active layer are provided in this order on a silicon support layer, and a piezoelectric single crystal bonded on the silicon active layer, the piezoelectric single crystal and the silicon The piezoelectric single crystal has at least two or more legs formed by removing a part of the active layer and the buried oxide film layer and supported by the silicon support layer via the buried oxide film layer. And the tuning fork type piezoelectric vibrator comprising the silicon active layer, the drive electrode, the detection electrode and the reference potential electrode formed on the piezoelectric single crystal, and the piezoelectric single crystal on the silicon active layer are not joined A signal processing circuit formed in a portion, and the signal processing circuit is provided with a function of supplying a drive signal for exciting the piezoelectric vibrator to the piezoelectric vibrator and an angular velocity. Is a tuning fork type piezoelectric vibrating gyro apparatus characterized by and a function of signal processing an output signal responsive to detecting the vibration of the piezoelectric vibrator caused by the Coriolis force generated.

また、本発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に接合された圧電単結晶とからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置であって、前記圧電単結晶、前記シリコン基板の一部を除去して形成され、前記シリコン基板に支持された、少なくとも2つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶からなる音叉型圧電振動子と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン基板上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。   The present invention is also a tuning fork-type piezoelectric vibration gyroscope comprising a silicon substrate and a piezoelectric single crystal bonded on the silicon substrate, wherein the piezoelectric single crystal and a part of the silicon substrate are removed. A tuning fork type piezoelectric vibrator having at least two legs supported by the silicon substrate and made of the piezoelectric single crystal, a drive electrode, a detection electrode, and a reference formed on the piezoelectric single crystal. A potential electrode, and a signal processing circuit formed on a portion of the silicon substrate where the piezoelectric single crystal is not bonded. The signal processing circuit outputs a drive signal for exciting the piezoelectric vibrator. It has a function of supplying to a piezoelectric vibrator and a function of signal processing an output signal corresponding to the detected vibration of the piezoelectric vibrator caused by a Coriolis force generated when an angular velocity is given. That is a tuning fork type piezoelectric vibrating gyro device.

また、本発明は、上記の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子の駆動モードと検出モードの共振周波数がほぼ一致することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。   In addition, the present invention is the tuning fork type piezoelectric vibration gyro device according to the above tuning fork type piezoelectric vibration gyro device, characterized in that the resonance frequency of the drive mode and the detection mode of the piezoelectric vibrator substantially coincide.

また、本発明は、上記の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、ランガサイト、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムカリウム、ニオブ酸カリウムのいずれかであることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。   Further, the present invention provides the above tuning fork type piezoelectric vibration gyro apparatus, wherein the piezoelectric single crystal is any one of quartz crystal, lithium niobate, zinc oxide, langasite, lithium tantalate, lithium potassium niobate, and potassium niobate. There is a tuning fork type piezoelectric vibration gyro device.

上記の構成を採用することにより、本発明によれば、主として携帯機器に搭載する超小型ナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型VTRの手振れ防止装置などに組み込むことが可能な程度の良好な感度を有し、小型且つ、特性ばらつきが少なく、大量生産性に優れた音叉型圧電振動ジャイロ装置を提供できる。   By adopting the above configuration, according to the present invention, the sensitivity is good enough to be incorporated in an ultra-compact navigation system, attitude control device, camera shake prevention device of a camera-integrated VTR, etc. mainly mounted on a portable device. Thus, a tuning fork type piezoelectric vibration gyro device having a small size, little variation in characteristics, and excellent in mass productivity can be provided.

以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の斜視図である。図1に示すように、本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置1は、第1の脚部2及び第2の脚部3と、各脚部2、3を一体で接続する支持部4とからなる音叉型圧電振動子15と、支持部4の直下の埋め込み酸化膜層5と、シリコン支持層6とからなる支持体16、第1の脚部2の主面上に形成された駆動電極8、検出電極7、基準電位電極9と、第2の脚部3の主面上に形成された駆動電極10、検出電極11、基準電位電極9と、同一SOI基板上に形成された信号処理回路12から構成されている。尚、脚部2、3は、SOI基板のシリコン活性層13と、圧電単結晶14から形成されている。   FIG. 1 is a perspective view of a tuning-fork type piezoelectric vibration gyro device according to the present invention. As shown in FIG. 1, a tuning-fork type piezoelectric vibration gyro device 1 according to the present invention includes a first leg 2 and a second leg 3, and a support 4 that connects the legs 2 and 3 together. A tuning fork-type piezoelectric vibrator 15, a buried oxide film layer 5 immediately below the support 4, a support 16 comprising a silicon support layer 6, and a drive electrode 8 formed on the main surface of the first leg 2. , Detection electrode 7, reference potential electrode 9, drive electrode 10, detection electrode 11, reference potential electrode 9 formed on the main surface of second leg 3, and signal processing circuit formed on the same SOI substrate 12 is comprised. The legs 2 and 3 are formed of a silicon active layer 13 and a piezoelectric single crystal 14 of an SOI substrate.

本実施の形態においては、圧電単結晶として、ニオブ酸リチウムを用いた圧電振動ジャイロ装置について説明する。ニオブ酸リチウムは、特に、電気機械結合係数k(以下、結合係数)が、例えば140°Yカット板の場合で結合係数kが60%程度と優れた値を有するため、圧電振動ジャイロには好適である。   In this embodiment, a piezoelectric vibration gyro apparatus using lithium niobate as a piezoelectric single crystal will be described. Lithium niobate is particularly suitable for piezoelectric vibratory gyros because the electromechanical coupling coefficient k (hereinafter referred to as coupling coefficient) has an excellent value of, for example, a coupling coefficient k of about 60% in the case of a 140 ° Y-cut plate. It is.

具体的には、圧電振動子の長手方向を結晶のY軸がX軸に関して50°回転した軸と平行にしたニオブ酸リチウム結晶X板を用いる。また、他例として、振動子の長手方向を結晶のY軸がX軸に関して40°回転した軸と平行したタンタル酸リチウム結晶X板を適用することもできる。このようなカット面を利用することで、振動子の幅方向の電界による圧電横効果が大きく、次に説明するように電極を圧電振動子の1側面でだけで構成することが可能となる。   Specifically, a lithium niobate crystal X plate is used in which the longitudinal direction of the piezoelectric vibrator is parallel to an axis obtained by rotating the Y axis of the crystal by 50 ° with respect to the X axis. As another example, a lithium tantalate crystal X plate in which the longitudinal direction of the vibrator is parallel to an axis obtained by rotating the crystal Y axis by 40 ° with respect to the X axis can be applied. By using such a cut surface, the piezoelectric lateral effect due to the electric field in the width direction of the vibrator is large, and as described below, the electrode can be configured with only one side surface of the piezoelectric vibrator.

次に、本実施の形態における音叉型圧電振動ジャイロ装置の動作原理について説明する。図1に示すように、前述の通り音叉型圧電振動子15に、駆動モードである音叉振動モードおよび検出モードである面外振動モードに結合した各駆動電極8,10、検出電極7,11、基準電位電極9が配置され、駆動信号による圧電振動子の励振および角速度に比例する出力信号の検出が可能な音叉型圧電振動ジャイロ装置が構成される。   Next, the operation principle of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro device in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, as described above, the tuning fork type piezoelectric vibrator 15 is connected to the driving electrodes 8, 10 coupled to the tuning fork vibration mode as the drive mode and the out-of-plane vibration mode as the detection mode, the detection electrodes 7, 11, A tuning-fork type piezoelectric vibration gyro device is provided in which the reference potential electrode 9 is arranged and capable of detecting the output signal proportional to the excitation and the angular velocity of the piezoelectric vibrator by the drive signal.

音叉型圧電振動子15の音叉振動モードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を第1の脚部2の駆動電極8、検出電極7、基準電位電極9、及び第2の脚部3の駆動電極10、検出電極11、基準電位電極9に印加することで音叉振動モードを励振する。その状態の下、音叉型圧電振動子15の長手方向の軸に関して角速度が印加されると、角速度に比例したコリオリ力が第1の脚部2及び第2の脚部3に働き、面外振動モードを生じる。この面外振動モードによって生じる出力信号を、第1の脚部2の検出電極7及び第2の脚部3の検出電極11から検出すれば、角速度に比例した出力信号が得られ、音叉型圧電振動ジャイロ装置として機能させることができる。本発明の実施の形態では、駆動モードに音叉振動モード、検出モードに面外振動モードを利用しているが、これらを相互に入れ替え、駆動モードに面外振動モード、検出モードに音叉振動モードを利用することも可能である。   A drive signal having a frequency close to the resonance frequency of the tuning fork vibration mode of the tuning fork type piezoelectric vibrator 15 is applied to the drive electrode 8, the detection electrode 7, the reference potential electrode 9, and the drive electrode of the second leg 3. 10, the tuning fork vibration mode is excited by being applied to the detection electrode 11 and the reference potential electrode 9. Under this state, when an angular velocity is applied with respect to the longitudinal axis of the tuning fork type piezoelectric vibrator 15, a Coriolis force proportional to the angular velocity acts on the first leg 2 and the second leg 3 to cause out-of-plane vibration. Create a mode. If the output signal generated by this out-of-plane vibration mode is detected from the detection electrode 7 of the first leg 2 and the detection electrode 11 of the second leg 3, an output signal proportional to the angular velocity is obtained, and a tuning fork type piezoelectric device is obtained. It can function as a vibration gyro device. In the embodiment of the present invention, the tuning fork vibration mode is used as the drive mode and the out-of-plane vibration mode is used as the detection mode. It can also be used.

尚、この信号処理回路12は、音叉型圧電振動子15を励振させるための駆動信号を脚部2,3に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する脚部2,3の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有している。   The signal processing circuit 12 has a function of supplying a drive signal for exciting the tuning fork type piezoelectric vibrator 15 to the legs 2 and 3, and a leg caused by Coriolis force generated when an angular velocity is given. It has a function of processing an output signal corresponding to a few detected vibrations.

以下に、本実施の形態における信号処理回路の詳細について説明する。図2は、本実施の形態における音叉型圧電振動ジャイロ装置の信号処理回路12の構成を示すブロック図である。自励発振回路102から出力される信号を第1の脚部2の駆動電極8に印加し、同時に自励発振回路102から出力される信号を移相回路100によって位相を反転した信号を第2の脚部3の駆動電極10に印加し、音叉振動モードを励振する。第1の脚部2上の検出電極7および第2の脚部3上の検出電極11には、オペアンプ111と抵抗113およびオペアンプ112と抵抗114で構成される電流検出回路が接続されている。これにより、検出電極7,11の電位は、オペアンプの仮想接地によって基準電位に固定されている。その結果、検出電極7,11は、面外振動モードの検出と同時に、駆動電圧を印加するための基準電位を作ることができる。2つの電流検出回路の出力は、加算回路101と自励発振回路102に入力される。加算回路101に入力される2つの信号の音叉振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相である。従って、加算回路101から同期検波回路103に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力によって生じる面外振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ104から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となる。また、自励発振回路102から出力される信号は、駆動電極8、10と移相回路100に帰還されると同時に、同期検波回路103の参照信号として利用される。   Details of the signal processing circuit in this embodiment will be described below. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the signal processing circuit 12 of the tuning-fork type piezoelectric vibration gyro apparatus according to the present embodiment. A signal output from the self-excited oscillation circuit 102 is applied to the drive electrode 8 of the first leg 2, and a signal obtained by inverting the phase of the signal output from the self-excited oscillation circuit 102 by the phase shift circuit 100 at the same time is used as the second signal. Is applied to the drive electrode 10 of the leg 3 of the fork to excite the tuning fork vibration mode. The detection electrode 7 on the first leg 2 and the detection electrode 11 on the second leg 3 are connected to a current detection circuit including an operational amplifier 111 and a resistor 113, and an operational amplifier 112 and a resistor 114. Thereby, the potentials of the detection electrodes 7 and 11 are fixed to the reference potential by the virtual ground of the operational amplifier. As a result, the detection electrodes 7 and 11 can create a reference potential for applying a drive voltage simultaneously with the detection of the out-of-plane vibration mode. The outputs of the two current detection circuits are input to the addition circuit 101 and the self-excited oscillation circuit 102. The tuning fork vibration mode components of the two signals input to the adder circuit 101 are in opposite phases, and the out-of-plane vibration mode components are in phase. Therefore, the signal input from the addition circuit 101 to the synchronous detection circuit 103 is only an out-of-plane vibration mode component generated by Coriolis force proportional to the angular velocity, and the DC voltage output from the low-pass filter 104 is a voltage proportional to the angular velocity. Become. Further, the signal output from the self-excited oscillation circuit 102 is fed back to the drive electrodes 8 and 10 and the phase shift circuit 100, and at the same time, used as a reference signal for the synchronous detection circuit 103.

次に、本実施の形態における圧電ジャイロ振動子の製造方法について、図3を用いて具体的に説明する。先ず、シリコン活性層37の厚みが5μm程度、埋め込み酸化膜38の厚さが2μm程度、基板全体の厚さが350μm程度のSOI基板31をスタート基板として[図3(a)]、厚さが200μm程度のニオブ酸リチウム基板33を直接接合によりウェハーレベルで貼り合わせ[図3(b)]、機械的研磨及びCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械研磨加工)を併用し、ニオブ酸リチウム基板を10μm程度まで研磨加工する[図3(c)]。尚、SOI基板31の裏面には、公知のCVD(化学的気相成長法)により、厚さ2000Å程度の窒化シリコン膜32が堆積されている。次に、公知の半導体プロセスで用いられているスパッタリング法や、真空蒸着法により、Cr/Au電極34を堆積し、フォトレジスト技術及びエッチング技術により所望のパターン化を行う[図3(d)]。更に、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチング技術あるいはドライエッチング技術により、ニオブ酸リチウム、SOI基板のシリコン活性層、及び埋め込み酸化膜層をエッチング除去し、空隙部35を形成する[図3(e)]。ニオブ酸リチウムのエッチングについて、ウェットエッチングの場合にはフッ酸および硝酸の混合液をエッチャントとして適用でき、またドライエッチングの場合には反応イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)装置を用い、フッ素およびアルゴン系の反応ガスを適用できる。シリコン活性層、及び埋め込み酸化膜は、公知のRIEあるいは誘導結合プラズマ反応イオンエッチング(ICP−RIE:Inductively-Coupled Plasma Reactive Ion Etching)装置より、CFガス、あるいはSFガス等によりエッチングされる。ここで、ニオブ酸リチウムの所望のエッチングは、既に図3(c)の工程により研磨加工され10μm程度まで薄膜化されているため、公知のエッチング技術によっても数十分〜1時間程度で終了する。最後に、48%HFにより図1の第1の脚部2及び第2の脚部3直下の埋め込み酸化膜36を除去する[図3(f)]。以上、ウェハーレベルでの圧電単結晶とSOI基板の貼り合わせ技術及びフォトリソグラフィ技術による一括転写技術を適用することにより、小型、且つ形状、特性ばらつきが少なく、大量生産性に優れた音叉型圧電振動ジャイロ装置を提供できる。 Next, a method for manufacturing the piezoelectric gyro vibrator according to the present embodiment will be specifically described with reference to FIG. First, an SOI substrate 31 in which the thickness of the silicon active layer 37 is about 5 μm, the thickness of the buried oxide film 38 is about 2 μm, and the total thickness of the substrate is about 350 μm is used as a start substrate [FIG. A lithium niobate substrate 33 of about 200 μm is bonded at the wafer level by direct bonding [FIG. 3B], and mechanical polishing and CMP (Chemical Mechanical Polishing) are used together to form a lithium niobate substrate. Polishing is performed to about 10 μm [FIG. 3 (c)]. A silicon nitride film 32 having a thickness of about 2000 mm is deposited on the back surface of the SOI substrate 31 by a known CVD (chemical vapor deposition method). Next, a Cr / Au electrode 34 is deposited by a sputtering method or a vacuum deposition method used in a known semiconductor process, and a desired patterning is performed by a photoresist technique and an etching technique [FIG. 3 (d)]. . Further, the lithium niobate, the silicon active layer of the SOI substrate, and the buried oxide film layer are removed by etching using a photolithography technique and a wet etching technique or a dry etching technique to form a void 35 [FIG. 3 (e)]. Regarding the etching of lithium niobate, a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid can be used as an etchant in the case of wet etching, and in the case of dry etching, a reactive ion etching (RIE) apparatus is used for fluorine and argon. The reaction gas of the system can be applied. The silicon active layer and the buried oxide film are etched with CF 4 gas, SF 6 gas, or the like from a known RIE or Inductively-Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP-RIE) apparatus. Here, the desired etching of lithium niobate has already been polished by the process of FIG. 3C and has been thinned to about 10 μm, and therefore can be completed in a few tens of minutes to about 1 hour even by a known etching technique. . Finally, the buried oxide film 36 immediately below the first leg 2 and the second leg 3 in FIG. 1 is removed by 48% HF [FIG. 3 (f)]. As described above, the tuning fork type piezoelectric vibration that is small in size, has little variation in shape and characteristics, and has excellent mass productivity by applying the wafer-level bonding technique of piezoelectric single crystal and SOI substrate and batch transfer technology by photolithography technology. A gyro device can be provided.

本実施の形態では、示される音叉型圧電振動ジャイロ装置のサイズは、以下の通りである。圧電振動子の第1の脚部2および第2の脚部3の長さは約150μm、幅は約15μmである。また、圧電振動子の第1の脚部2及び第2の脚部3のシリコン活性層の厚さは約5μm、圧電単結晶であるニオブ酸リチウムの厚さは約10μmである。ここで、駆動モードである音叉振動モードと検出モードである面外振動モードの共振周波数を略一致するように、圧電振動子の幅とシリコン活性層及び圧電単結晶の厚みを略等しくすることが、検出感度を向上させる上では重要である。この場合の音叉型圧電振動子15の共振周波数は、音叉振動モード及び面外振動モードともに略等しく660kHz程度である。   In the present embodiment, the size of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro device shown is as follows. The first leg 2 and the second leg 3 of the piezoelectric vibrator have a length of about 150 μm and a width of about 15 μm. The thickness of the silicon active layer of the first leg 2 and the second leg 3 of the piezoelectric vibrator is about 5 μm, and the thickness of the lithium niobate that is a piezoelectric single crystal is about 10 μm. Here, the width of the piezoelectric vibrator and the thickness of the silicon active layer and the piezoelectric single crystal may be made substantially equal so that the resonance frequencies of the tuning fork vibration mode as the driving mode and the out-of-plane vibration mode as the detection mode substantially coincide. It is important in improving detection sensitivity. The resonance frequency of the tuning fork type piezoelectric vibrator 15 in this case is approximately equal to about 660 kHz in both the tuning fork vibration mode and the out-of-plane vibration mode.

また、シリコン活性層を完全にエッチング除去することで、ニオブ酸リチウム単体の圧電振動子を形成することが可能であり、この場合の共振周波数においても、音叉振動モード及び面外振動モードともに略等しく590kHz程度ある。尚、この場合のニオブ酸リチウム単体による圧電振動子の幅は15μm程度、厚みは15μm程度である。ここで、前述のシリコン活性層とニオブ酸リチウムの貼り合わせ構造からなる圧電振動子の場合に比べ、ニオブ酸リチウム単体から成る圧電振動子の共振周波数は70kHz程度低下しているが、これはニオブ酸リチウムとシリコンの比重差に基づく、略、圧電振動子の質量効果によるためである。   Further, by completely etching away the silicon active layer, it is possible to form a piezoelectric vibrator made of lithium niobate alone. In this case, the tuning fork vibration mode and the out-of-plane vibration mode are approximately equal. It is about 590 kHz. In this case, the width of the piezoelectric vibrator made of lithium niobate alone is about 15 μm and the thickness is about 15 μm. Here, the resonance frequency of the piezoelectric vibrator made of lithium niobate alone is reduced by about 70 kHz as compared with the piezoelectric vibrator made of the bonded structure of the silicon active layer and lithium niobate. This is because the mass effect of the piezoelectric vibrator is substantially based on the specific gravity difference between lithium acid and silicon.

シリコン活性層とニオブ酸リチウムの貼り合わせ構造、ニオブ酸リチウム単体の構造の何れにしても、圧電振動子の幅と厚みを調整することで、音叉振動モードと面外振動モードの共振周波数をともに制御することができる。更には、本実施の形態で示す音叉型圧電振動ジャイ口装置のように、駆動電極及び検出電極が圧電振動子の一主面のみに形成されている場合、圧電横効果に寄与する電界が界面近傍に集中するために、圧電単結晶の厚みを薄くした場合においても、圧電単結晶のみに比べて著しい圧電振動ジャイロ装置としての特性の劣化は見られない。そのため、一般にエッチング加工が困難な圧電単結晶をウェハーレベルから加工する必要もなく、本実施の形態で示されるように、加工性が良好なSOI基板のシリコン活性層を音叉振動モードと面外振動モードの周波数調整として利用することができる。尚、本実施の形態では、圧電単結晶とSOI基板のシリコン活性層との貼り合わせ構造について説明しているが、SOI基板の代わりに通常のシリコン基板を用いても同様の効果が期待できることは言うまでもない。   Regardless of the bonded structure of the silicon active layer and lithium niobate, or the structure of lithium niobate alone, the tuning fork vibration mode and the out-of-plane vibration mode resonance frequency can be adjusted by adjusting the width and thickness of the piezoelectric vibrator. Can be controlled. Furthermore, when the drive electrode and the detection electrode are formed only on one main surface of the piezoelectric vibrator as in the tuning fork type piezoelectric vibration gai device shown in the present embodiment, the electric field contributing to the piezoelectric lateral effect is generated at the interface. Even when the thickness of the piezoelectric single crystal is reduced in order to concentrate in the vicinity, there is no significant deterioration in characteristics as a piezoelectric vibration gyro device compared to the piezoelectric single crystal alone. Therefore, it is not necessary to process a piezoelectric single crystal, which is generally difficult to etch, from the wafer level. As shown in this embodiment, the silicon active layer of an SOI substrate with good workability is made to have a tuning fork vibration mode and an out-of-plane vibration. It can be used as frequency adjustment of the mode. In this embodiment, the bonding structure of the piezoelectric single crystal and the silicon active layer of the SOI substrate is described. However, the same effect can be expected even when a normal silicon substrate is used instead of the SOI substrate. Needless to say.

本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の斜視図。The perspective view of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro apparatus in this invention. 本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の信号処理回路のブロック図。The block diagram of the signal processing circuit of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro apparatus in this invention. 本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の工程図。The process drawing of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro device in the present invention. 従来の圧電薄膜を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置に用いられる音叉型圧電振動子の斜視図。The perspective view of the tuning fork type piezoelectric vibrator used for the tuning fork type piezoelectric vibration gyro apparatus using the conventional piezoelectric thin film. 従来の圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動子の説明図。図5(a)は、平面図。図5(b)は、底面図。Explanatory drawing of the tuning fork type piezoelectric vibrator using the conventional piezoelectric single crystal. FIG. 5A is a plan view. FIG. 5B is a bottom view.

符号の説明Explanation of symbols

1 音叉型圧電振動ジャイロ装置
2 (第1の)脚部
3 (第2の)脚部
4 支持部
5 埋め込み酸化膜層
6 シリコン支持層
7,11 検出電極
8,10 駆動電極
9 基準電位電極
12 信号処理回路
13 シリコン活性層
14 圧電単結晶
15 音叉型圧電振動子
16 支持体
31 SOI基板
32 窒化シリコン膜
33 ニオブ酸リチウム基板
34 Cr/Au電極
35 空隙部
36,38 埋め込み酸化膜
37 シリコン活性層
41 音叉型圧電振動子
42,43 脚部
44 支持部
45 主面
50,51,52,53 下部電極
54,55,56,57 圧電薄膜
58,59,60,61 上部電極
70 音叉型圧電振動子
71 支持部
72 駆動電極
72a,72c 第1駆動電極
72b,72d 第2駆動電極
73A,73B 脚部
73a 一面側
73b 他面側
74 溝
100 移相回路
101 加算回路
102 自励発振回路
103 同期検波回路
104 ローパスフィルタ
111,112 オペアンプ
113,114 抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Tuning fork type piezoelectric vibration gyro apparatus 2 (1st) leg part 3 (2nd) leg part 4 Support part 5 Embedded oxide film layer 6 Silicon support layer 7, 11 Detection electrode 8, 10 Drive electrode 9 Reference potential electrode 12 Signal Processing Circuit 13 Silicon Active Layer 14 Piezoelectric Single Crystal 15 Tuning Fork Type Piezoelectric Vibrator 16 Support 31 SOI Substrate 32 Silicon Nitride Film 33 Lithium Niobate Substrate 34 Cr / Au Electrode 35 Gaps 36 and 38 Embedded Oxide Film 37 Silicon Active Layer 41 tuning fork type piezoelectric vibrator 42, 43 leg 44 support part 45 main surface 50, 51, 52, 53 lower electrode 54, 55, 56, 57 piezoelectric thin film 58, 59, 60, 61 upper electrode 70 tuning fork type piezoelectric vibrator 71 Support part 72 Drive electrode 72a, 72c 1st drive electrode 72b, 72d 2nd drive electrode 73A, 73B Leg part 73a One surface side 73b Other surface side 74 Groove 100 Phase shift circuit 101 Addition circuit 102 Self-excited oscillation circuit 103 Synchronous detection circuit 104 Low-pass filter 111, 112 Operational amplifier 113, 114 Resistance

Claims (4)

シリコン支持層上に埋め込み酸化膜層、シリコン活性層を順に設けたSOI基板と、前記シリコン活性層上に接合された圧電単結晶とからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置であって、前記圧電単結晶、前記シリコン活性層及び前記埋め込み酸化膜層の一部を除去して形成され、前記埋め込み酸化膜層を介して前記シリコン支持層に支持された、少なくとも2つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶と前記シリコン活性層とからなる音叉型圧電振動子と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン活性層上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。   A tuning fork type piezoelectric vibration gyro apparatus comprising an SOI substrate in which a buried oxide film layer and a silicon active layer are sequentially provided on a silicon support layer, and a piezoelectric single crystal bonded on the silicon active layer, wherein the piezoelectric single crystal A part of the silicon active layer and the buried oxide film layer is removed, and has at least two legs supported by the silicon support layer through the buried oxide film layer, A tuning fork type piezoelectric vibrator composed of a piezoelectric single crystal and the silicon active layer, a drive electrode, a detection electrode and a reference potential electrode formed on the piezoelectric single crystal, and the piezoelectric single crystal on the silicon active layer are joined. A signal processing circuit formed in a portion not formed, the signal processing circuit having a function of supplying a driving signal for exciting the piezoelectric vibrator to the piezoelectric vibrator, and an angular velocity Tuning fork type piezoelectric vibrating gyro apparatus characterized by and a function of the signal processing output signals responsive to the detection vibration of the piezoelectric vibrator caused by the Coriolis force generated when a given. シリコン基板と、該シリコン基板上に接合された圧電単結晶とからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置であって、前記圧電単結晶、前記シリコン基板の一部を除去して形成され、前記シリコン基板に支持された、少なくとも2つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶からなる音叉型圧電振動子と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン基板上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。   A tuning fork-type piezoelectric vibration gyro apparatus comprising a silicon substrate and a piezoelectric single crystal bonded on the silicon substrate, wherein the piezoelectric single crystal and a part of the silicon substrate are removed and formed on the silicon substrate. A tuning fork-type piezoelectric vibrator having at least two or more legs supported and made of the piezoelectric single crystal, a drive electrode, a detection electrode and a reference potential electrode formed on the piezoelectric single crystal, and the silicon A signal processing circuit formed on a portion of the substrate where the piezoelectric single crystal is not bonded, and the signal processing circuit supplies a driving signal for exciting the piezoelectric vibrator to the piezoelectric vibrator. A tuning fork-type piezoelectric vibration having a function and a signal processing of an output signal corresponding to the detected vibration of the piezoelectric vibrator caused by a Coriolis force generated when an angular velocity is given Gyro apparatus. 請求項1又は2記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子の駆動モードと検出モードの周波数がほぼ一致することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。   3. The tuning fork type piezoelectric vibration gyro device according to claim 1, wherein the frequency of the drive mode and the detection mode of the piezoelectric vibrator is substantially the same. 請求項1〜3のいずれかに記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、ランガサイト、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムカリウム、ニオブ酸カリウムのいずれかであることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。   4. The tuning fork type piezoelectric vibration gyro device according to claim 1, wherein the piezoelectric single crystal is made of quartz, lithium niobate, zinc oxide, langasite, lithium tantalate, lithium potassium niobate, or potassium niobate. A tuning fork-type piezoelectric vibration gyro apparatus characterized by being either.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007208890A (en) * 2006-02-06 2007-08-16 Hitachi Ltd Thin-film tuning fork type bending oscillator, and electrical signal processing element
JP2007266889A (en) * 2006-03-28 2007-10-11 Nec Tokin Corp Piezoelectric vibrator, and piezoelectric vibrator gyroscope
JP2008118264A (en) * 2006-11-01 2008-05-22 Seiko Epson Corp Tuning-fork vibrator and its manufacturing method
JP2008116243A (en) * 2006-11-01 2008-05-22 Seiko Epson Corp Angular velocity sensor and its manufacturing method
JP2008205888A (en) * 2007-02-21 2008-09-04 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric vibation chip and piezoelectric vibration element
JP2009081836A (en) * 2007-09-05 2009-04-16 Seiko Epson Corp Piezoelectric thin film tuning fork oscillating piece, piezoelectric thin film tuning fork oscillator, and acceleration sensor
JP2010014575A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Sony Corp Angular velocity sensor and method for manufacturing same
JP2010060398A (en) * 2008-09-03 2010-03-18 Alps Electric Co Ltd Gyroscope sensor and method for manufacturing the same
US7913560B2 (en) 2007-03-19 2011-03-29 Seiko Epson Corporation Angular rate sensor and electronic device
WO2011074329A1 (en) * 2009-12-18 2011-06-23 株式会社村田製作所 Method for manufacturing piezoelectric device
US8120178B2 (en) 2006-03-29 2012-02-21 Seiko Epson Corporation Tuning fork vibration device and method for manufacturing the same

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08159776A (en) * 1994-12-08 1996-06-21 Nissan Motor Co Ltd Angular velocity sensor
JPH09126783A (en) * 1995-10-27 1997-05-16 Tokin Corp Piezoelectric vibration gyroscope
JPH09330892A (en) * 1996-04-11 1997-12-22 Nippon Soken Inc Manufacture of semiconductor device
JPH11257965A (en) * 1998-03-09 1999-09-24 Hitachi Ltd Angular velocity detecting sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08159776A (en) * 1994-12-08 1996-06-21 Nissan Motor Co Ltd Angular velocity sensor
JPH09126783A (en) * 1995-10-27 1997-05-16 Tokin Corp Piezoelectric vibration gyroscope
JPH09330892A (en) * 1996-04-11 1997-12-22 Nippon Soken Inc Manufacture of semiconductor device
JPH11257965A (en) * 1998-03-09 1999-09-24 Hitachi Ltd Angular velocity detecting sensor

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007208890A (en) * 2006-02-06 2007-08-16 Hitachi Ltd Thin-film tuning fork type bending oscillator, and electrical signal processing element
JP4694380B2 (en) * 2006-02-06 2011-06-08 株式会社日立製作所 Thin film tuning fork type bending vibrator and electric signal processing element
JP2007266889A (en) * 2006-03-28 2007-10-11 Nec Tokin Corp Piezoelectric vibrator, and piezoelectric vibrator gyroscope
JP4726133B2 (en) * 2006-03-28 2011-07-20 Necトーキン株式会社 Piezoelectric vibrator and piezoelectric vibration gyro
US8120178B2 (en) 2006-03-29 2012-02-21 Seiko Epson Corporation Tuning fork vibration device and method for manufacturing the same
JP4562004B2 (en) * 2006-11-01 2010-10-13 セイコーエプソン株式会社 Manufacturing method of angular velocity sensor
JP2008118264A (en) * 2006-11-01 2008-05-22 Seiko Epson Corp Tuning-fork vibrator and its manufacturing method
JP2008116243A (en) * 2006-11-01 2008-05-22 Seiko Epson Corp Angular velocity sensor and its manufacturing method
JP2008205888A (en) * 2007-02-21 2008-09-04 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric vibation chip and piezoelectric vibration element
US7913560B2 (en) 2007-03-19 2011-03-29 Seiko Epson Corporation Angular rate sensor and electronic device
JP2009081836A (en) * 2007-09-05 2009-04-16 Seiko Epson Corp Piezoelectric thin film tuning fork oscillating piece, piezoelectric thin film tuning fork oscillator, and acceleration sensor
JP4640459B2 (en) * 2008-07-04 2011-03-02 ソニー株式会社 Angular velocity sensor
JP2010014575A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Sony Corp Angular velocity sensor and method for manufacturing same
US8516888B2 (en) 2008-07-04 2013-08-27 Sony Corporation Angular velocity sensor and method of manufacturing the same
JP2010060398A (en) * 2008-09-03 2010-03-18 Alps Electric Co Ltd Gyroscope sensor and method for manufacturing the same
WO2011074329A1 (en) * 2009-12-18 2011-06-23 株式会社村田製作所 Method for manufacturing piezoelectric device

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