JP2008157701A - 圧電素子、振動型ジャイロセンサ、電子機器及び圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電素子100は、第1の検出電極6bに接続された第1のリード電極55と、第2の検出電極6cに接続された第2のリード電極65と、駆動電極6aに接続された第3のリード電極75と、基準電極104a(図3参照)に接続された基準リード電極85とを備える。第1のリード電極55の面積(第1のリード線51及び第1のパッド52を合わせた面積)、第2のリード電極65の面積(第2のリード線61及び第2のパッド62を合わせた面積)とが、実質的に同じに形成されている。
【選択図】図46
Description
前記第1の検出電極を外部接続する第1のリード電極を、第1の面積で、前記第1の検出電極に接続されるように基板上に形成し、前記第2の検出電極を外部接続するための第2のリード電極を、前記アーム部の長手方向の軸に対して前記第1のリード電極とは非対称形状に、前記第1の面積と実質的に同じ第2の面積で、前記第2の検出電極に接続されるように前記基板上に形成し、前記駆動電極を外部接続する第3のリード電極を形成する。
まず、図5A,Bに示すようなSi基板1を用意する。基板1の大きさは、所有する薄膜プロセスのラインに応じて任意に設定され、本実施の形態では直径が4インチのウェーハを用いた。基板1の厚みは、作業性やコストにより決定されるが、最終的に振動子の厚み以上であればよく、本実施の形態では300μmの厚みとした。
次に、図6A,Bに示すように、基板1の裏面の熱酸化膜2Bの一部を除去するために、除去する部分を開口部とするレジストパターン膜3を形成する。このレジストパターン膜3の形成方法は、通常の半導体薄膜形成プロセスで用いられるフォトリソグラフィー技術を用いている。レジスト材は、例えば東京応化社製OFPR−8600を用いたが、種類はこれに限られない。フォトリソグラフィーの工程は、レジスト材塗布・プレベーキング・露光・現像という一般的に薄膜工程で用いられる技術であり、ここでは詳細は省略する。また、この後のプロセスにおいてもフォトリソグラフィー技術を用いているが、特殊な使用方法を除き一般的な工程に関しては省略する。
次に、図10A,Bに示すように下層電極膜4、圧電膜5、上部電極膜6を形成する。下層電極膜4は、圧電膜の特性を向上させるために、下地膜としてTi(チタン)膜(膜厚20nm)と、このTi膜の上に形成したPt(白金)膜(膜厚100nm)とからなる積層膜とした。なお、Pt以外にAuやRh(ロジウム)、Re(レニウム)等の他の金属膜が適用可能であり、Ti以外にTa(タンタル)等も適用可能である。
本実施の形態では、圧電膜5の形成方法として、圧電膜5の形成厚よりも小さい層厚のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体薄膜を成膜する成膜工程と当該圧電体薄膜を熱処理して結晶化させる結晶化熱処理(アニール)工程とを複数回繰り返し行うことで、所定厚の圧電膜5を形成する。これにより層厚方向に均一な結晶性を有する圧電膜5を作製するようにしている。
次に、図15A,Bに示すように、成膜した上部電極膜6を所定形状に加工する。上部電極膜6は図15Aで示すように3つの部分に分かれる。その中の中心が振動梁を駆動させる動力を発生させるための駆動電極6aであり、その左右にコリオリ力を検出するための検出電極6b,6cが設置される。駆動電極6aの幅方向中心が振動梁の中心と一致し、左右の検出電極は対称に形成される。上部電極膜6の直線部分の端部には配線接続部106a、106b、106cが設けられている。後の工程で、上部電極膜6の下部に形成される基板1の部分がアーム部1aとなる(図37参照)。
次に、図20及び図21に示すように、配線下地膜7を形成する。この目的は、後述する配線膜9の密着性を確保するためである。配線下地膜7は絶縁材料が前提となる。配線下地膜7は振動子上、各電極接続部106a,106b,106c、振動子周辺のエッチング領域以外に成膜されていれば、その形状は任意である。本実施の形態では電極膜の密着性向上も兼ねて、上部電極膜6、下層電極膜4のそれぞれと配線下地膜7を5μmの重なりを持たせることとした。
次に、図27及び図28に示すように、振動梁上および配線上に絶縁保護膜10を形成する。この目的は、湿度などの外的要因による電極間リークを防止すること、また、電極膜の酸化を防止することである。振動子上保護膜幅t27は下層電極幅t20よりも広く、振動梁幅t6より狭いことが条件であり、本実施の形態ではt27を98μmとした。振動子上保護膜長t28は下層電極長t19よりも広く、振動子長さt5より狭いことが条件であり、本実施の形態ではt28を1.95mmとした。配線膜9上の保護膜10は、全体を覆うパターンであるが、Auバンプを行う電極パッド4箇所、及びCu配線11との接続部4箇所においては、選択的に保護膜が付かないようにする必要がある。
次に、図33、図34及び図35に示すように梁空間を除去して振動梁を形成する。図34は図33のYY’の断面図、図35は図33のXX’の断面図である。
次に、図39A,Bに示す素子に、圧電特性を安定にさせるための分極処理を施す。同列の素子をまとめて分極するため、印加側パッド、GND側パッドを介して外部電源に接続する。接続の方法、分極方法は任意であるが、本実施の形態ではワイヤボンディングで外部電源に接続して、分極処理を施した。
次に、図41A,Bに示すように、フリップチップを行うためのAuバンプ14を形成する。Auバンプ14は4箇所の電極パッド上に形成する。
次に、図42A,Bに示すように、基板1上に圧電薄膜センサとして形成された15個の圧電素子100を個々に分断する。図42Bのように素子サイズに従って切断線L1〜L3に沿って切断する。これにより貫通部13と切断面で分断された図43に示す圧電薄膜センサとして圧電素子100が完成し、図42Bに示すC部が不要部分となる。
そして、個々に分断した圧電素子100は、例えば図44に示すように、フリップチップの手法でIC基板等の支持基板に実装される。IC基板は素子の配置に合わせて電気的結線が完了するようにあらかじめ設計されている。図44の例では、圧電素子100をX方向及びY方向に1つずつ実装することにより、2個の圧電素子100A,100Bを備える二軸の振動型ジャイロセンサ150としている。
5、105a…圧電膜
6a…駆動電極
6b、306b、406b…第1の検出電極
6c、306c、406c…第2の検出電極
40…IC回路
51、151、251、351、451…第1のリード線
52、152、252、352、452…第1のパッド
55、155、255、355、455…第1のリード電極
61、161、261、361、461…第2のリード線
62、162、262、362、462…第2のパッド
65、165、265、365、465…第2のリード電極
71、171…第3のリード線
72、172…第3のパッド
75、175、265、365、465…第3のリード電極
495…第5のリード電極
100、200、300…圧電素子
260…電子機器(デジタルカメラ)
Claims (8)
- アーム部を有する基板と、
前記基板上に設けられた圧電材と、
前記圧電材の圧電作用により前記アーム部を振動させる駆動電極と、
第1の検出電極と第2の検出電極とを有し、振動する前記アーム部に発生するコリオリ力を検出する検出電極と、
第1の面積を有し、前記基板上に設けられて前記第1の検出電極に接続され、前記第1の検出電極を外部接続する第1のリード電極と、
前記第1の面積と実質的に同じ第2の面積を有し、前記アーム部の長手方向の軸に対して前記第1のリード電極とは非対称形状に前記基板上に設けられて前記第2の検出電極に接続され、前記第2の検出電極を外部接続する第2のリード電極と、
前記駆動電極を外部接続する第3のリード電極と
を具備することを特徴とする圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子であって、
前記第1のリード電極は、
前記第1の検出電極に接続され、第1の長さで設けられた第1のリード線と、
前記第1のリード線に接続された第1のパッドとを有し、
前記第2のリード電極は、
前記第2の検出電極に接続され、前記第1の長さより長い第2の長さで設けられた第2のリード線と、
前記第2のリード線に接続された第2のパッドと
を有することを特徴とする圧電素子。 - 請求項2に記載の圧電素子であって、
前記駆動電極は、前記第1の検出電極と前記第2の検出電極との間に配置され、
前記第3のリード電極は、
前記駆動電極に接続され、前記第1の長さより長い第3の長さで設けられた第3のリード線と、
前記第3のリード線に接続された第3のパッドと
を有することを特徴とする圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子であって、
前記第1の面積と前記第2の面積との比が、8%以下であることを特徴とする圧電素子。 - アーム部を有する基板と、
前記基板上に設けられた圧電材と、
前記圧電材の圧電作用により前記アーム部を振動させる駆動電極と、
第1の検出電極と第2の検出電極とを有し、振動する前記アーム部に発生するコリオリ力を検出する検出電極と、
第1の面積を有し、前記基板上に設けられて前記第1の検出電極に接続され、前記第1の検出電極を外部接続する第1のリード電極と、
前記第1の面積と実質的に同じ第2の面積を有し、前記アーム部の長手方向の軸に対して前記第1のリード電極とは非対称形状に前記基板上に設けられて前記第2の検出電極に接続され、前記第2の検出電極を外部接続する第2のリード電極と、
前記駆動電極を外部接続する第3のリード電極と、
前記第3のリード電極を介して前記駆動電極に駆動信号を出力し、前記第1及び第2のリード電極を介して前記検出電極で検出された検出信号を取得することが可能な制御回路と
を具備することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。 - アーム部を有する基板と、前記基板上に設けられた圧電材と、前記圧電材の圧電作用により前記アーム部を振動させる駆動電極と、第1の検出電極と第2の検出電極とを有し、振動する前記アーム部に発生するコリオリ力を検出する検出電極と、第1の面積を有し、前記基板上に設けられて前記第1の検出電極に接続され、前記第1の検出電極を外部接続する第1のリード電極と、前記第1の面積と実質的に同じ第2の面積を有し、前記アーム部の長手方向の軸に対して前記第1のリード電極とは非対称形状に前記基板上に設けられて前記第2の検出電極に接続され、前記第2の検出電極を外部接続する第2のリード電極と、前記駆動電極を外部接続する第3のリード電極と、前記第3のリード電極を介して前記駆動電極に駆動信号を出力し、前記第1及び第2のリード電極を介して前記検出電極で検出された検出信号を取得することが可能な制御回路とを有する振動型ジャイロセンサと、
前記振動型ジャイロセンサを搭載する機器本体と
を具備することを特徴とする電子機器。 - 基板上に圧電材を作製し、
アーム部を振動させる駆動電極を前記圧電材上に形成し、
振動する前記アーム部に発生するコリオリ力を検出する、第1の検出電極と第2の検出電極とを有する検出電極を前記圧電材上に形成し、
前記第1の検出電極を外部接続する第1のリード電極を、第1の面積で、前記第1の検出電極に接続されるように基板上に形成し、
前記第2の検出電極を外部接続するための第2のリード電極を、前記アーム部の長手方向の軸に対して前記第1のリード電極とは非対称形状に、前記第1の面積と実質的に同じ第2の面積で、前記第2の検出電極に接続されるように前記基板上に形成し、
前記駆動電極を外部接続する第3のリード電極を形成する
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項7に記載の圧電素子の製造方法であって、
さらに、
前記基板上に圧電素子を複数作製する場合に、前記複数の圧電素子の前記圧電材に一括して分極処理を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法。
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