JP2008241547A - 加速度センサおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化および所望の共振周波数での駆動が可能な圧電振動子を有する加速度センサを提供すること。
【解決手段】本発明にかかる加速度センサ１０００は、圧電振動子１００と、発振回路２００と、検出回路３００と、を含み、圧電振動子１００は、基板１と、基板１の上方に形成された絶縁体層２と、絶縁体層２の上方に形成された振動部形成層３と、振動部形成層３を貫通する第１開口部内Ｈ１に片持ち梁状に形成された１本の振動部１０と、絶縁体層２を貫通し、第１開口部Ｈ１と振動部１０の下に形成された第２開口部Ｈ２と、振動部１０の上方に形成された圧電素子部２０と、を有し、発振回路２００は、圧電振動子１００を発振させ、検出回路３００は、圧電振動子１００の振動を検出し、振動部１０の梁の延びる方向の加速度に対応する信号を出力する。
【選択図】図３

Description

本発明は、加速度センサおよび電子機器に関する。

加速度センサは、デジタルカメラ、ハードディスクなどの情報機器やアンチロックブレーキ、エアバッグシステムなどの車載機器に搭載されはじめた。加速度センサは、搭載された機器の振動や動作によって発生する加速度を検出する。加速度センサは、歪み抵抗型（たとえば特開２００６−０２９９９２号公報）、静電容量型（たとえば特開平０５−０２６９０２号公報）などが提案されている。なかでも振動子を用いた振動型の加速度センサは、その他の方式に比べて感度が高いため開発が盛んである。

しかし、従来の振動型の加速度センサには、水晶振動子が用いられてきた。音叉型の水晶振動子の場合、３２ｋＨｚの共振周波数を得る場合は、腕の長さが数ｍｍにもなり、パッケージを含めた全体の長さが１０ｍｍ近くの大きさとなる場合があった。また、水晶ではなくシリコン基板を用いた圧電振動子も開発され（たとえば特開２００５−２９１８５８号公報）小型化が試みられているが、この振動子を用いてもシリコン基板の厚さをせいぜい１００μｍ程度にしかできないため、数十ｋＨｚの共振周波数を得る場合、ビームの腕の長さが数ｍｍ以上となる場合がある。したがって加速度センサの小型化のためには、さらなる技術開発が必要である。
特開２００６−０２９９９２号公報 特開平０５−０２６９０２号公報 特開２００５−２９１８５８号公報

本発明の目的は、小型化および所望の共振周波数での駆動が可能な圧電振動子を有する加速度センサを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記加速度センサを有する電子機器を提供することにある。

本発明にかかる加速度センサは、
圧電振動子と、
発振回路と、
検出回路と、
を含み、
前記圧電振動子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された絶縁体層と、
前記絶縁体層の上方に形成された振動部形成層と、
前記振動部形成層を貫通する第１開口部内に片持ち梁状に形成された１本の振動部と、
前記絶縁体層を貫通し、前記第１開口部と前記振動部の下に形成された第２開口部と、
前記振動部の上方に形成された圧電素子部と、
を有し、
前記発振回路は、前記圧電振動子を共振周波数で振動させ、
前記検出回路は、前記振動部の延びる方向の加速度が加わることによって生じる前記圧電振動子の振動の周波数の変化を検出し、当該周波数の変化に基づき、当該加速度に対応した信号を出力する。

本発明にかかる加速度センサが有する前記圧電振動子では、共振周波数は、前記振動部の厚さに依存する。従って、この圧電振動子によれば、共振周波数を前記振動部の長さを長くすることなく厚さによって調整することができる。前記圧電振動子は、共振周波数を低くするために、前記振動部の厚さを薄くして対応することができる。従って、加工技術の限界によらずに、所望の共振周波数を得ることができる。即ち、この圧電振動子を有する本発明の加速度センサによれば、従来の加速度センサなどよりも小型化することができ、かつ、所望の共振周波数（例えば数十ｋＨｚ）で駆動されることができる。また、本発明の加速度センサは、振動部が１本の片持ち梁状に形成されるため、複数の振動部分を有するものよりも更に小型化が可能である。

なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。

本発明にかかる加速度センサにおいて、
前記圧電素子部は、圧電素子を少なくとも１つ有することができる。

本発明にかかる加速度センサにおいて、
前記圧電素子は、下部電極と、前記下部電極の上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の上に形成された上部電極から構成されることができる。

本発明にかかる加速度センサにおいて、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、およびこれらのそれぞれの固溶体から選ばれる少なくとも１種で構成されることができる。

本発明にかかる加速度センサにおいて、
前記絶縁体層は、酸化シリコンで構成され、
前記振動部形成層は、シリコンで構成されることができる。

本発明に係る電子機器は、上述の加速度センサを有する。

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。

１．加速度センサ１０００
図１は、本実施形態の加速度センサ１０００を概略的に示す回路図である。図２は、本実施形態の加速度センサ１０００の圧電振動子１００を概略的に示す平面図であり、図３は、本実施形態の加速度センサ１０００の圧電振動子１００を概略的に示す断面図である。なお、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。

本実施形態の加速度センサ１０００は、図１に示すように、圧電振動子１００と、発振回路２００と、検出回路３００を含む。

圧電振動子１００は、基板１と、絶縁体層２と、振動部形成層３と、第１開口部Ｈ１と、振動部１０と、第２開口部Ｈ２と、圧電素子部２０と、を有する。

基板１は、図３に示すように、圧電振動子１００の基体となる。基板１は、上方に形成される第２開口部Ｈ２を形成する際のエッチングのストッパ層としての機能を有する。基板１は、たとえばシリコン基板などを用いることができる。基板１には、各種の半導体回路を作り込んでもよい。基板１の厚みは、１０μｍないし２ｍｍとすることができる。

絶縁体層２は、基板１の上方に形成される。絶縁体層２は、基板１の間に他の層を介して形成されてもよい。絶縁体層２には、第２開口部Ｈ２が形成される。絶縁体層２の第２開口部Ｈ２以外の部分は、少なくとも振動部形成層３を下から支持する機能を有する。第２開口部Ｈ２の詳細な説明は後述する。絶縁体層２の厚みは、たとえば１００ｎｍないし２０μｍとすることができる。絶縁体層２は、酸化物、窒化物などの材料で構成される。絶縁体層２は、たとえば酸化シリコンで構成することができる。また、絶縁体層２は、基板１をシリコン基板とした場合に熱酸化等でその表面に得られる酸化シリコンで構成してもよい。

振動部形成層３は、絶縁体層３の上方に形成される。振動部形成層３には、振動部１０と第１開口部Ｈ１とが形成される（図２および図３参照）。振動部形成層３は、単層構造であっても多層構造であってもよい。振動部形成層３の一部が振動部１０となる。振動部形成層３の厚みは、１μｍないし２０μｍとすることができる。振動部形成層３は、絶縁体層２とエッチングレートの異なる物質で形成される。振動部形成層３は、目的とする振動数や強度に応じて、たとえば、シリコン、ジルコニウム、酸化アルミニウムなどで構成される。

上述の基板１、絶縁層２および振動部形成層３は、それぞれ個別に形成してもよいが、たとえばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）基板を用いることもできる。この場合の基板１、絶縁層２および振動部形成層３は、それぞれＳＯＩ基板の基板、ボックス（絶縁）層、単結晶シリコン層に相当する。

第１開口部Ｈ１は、振動部形成層３を貫通している。第１開口部Ｈ１の形状は、振動部１０の形状と相補的である。すなわち、第１開口部Ｈ１および振動部１０は、図２に示すように、振動部１０の形状が第１開口部Ｈ１の形状によって形成される関係にある。第１開口部Ｈ１は、第２開口部Ｈ２と連続している。そのため、振動部１０の片持ち梁の先端側は自由に運動できるようになっている。

振動部１０は、振動部形成層３の一部からなる。振動部１０は、振動部形成層３に一体的に連続している。振動部１０は、第１開口部Ｈ１によって、１本の片持ち梁状に形成される。振動部１０の厚みは、振動部形成層３の厚みと同じである。振動部１０と振動部形成層３との境界から、振動部１０の先端までの距離は、たとえば１００μｍないし４００μｍである。平面的に見た振動部１０の幅は、たとえば３０μｍである。なお、以下、説明のために振動部１０の付け根付近の振動部形成層３の領域を基部３ａと称し符号を付す。振動部１０は、振動する部分であり、目的に応じて種々の方向に振動することができる。たとえば、振動部１０は、振動部形成層３の面内すなわち横方向の振動をすることも、振動部形成層３の面に面外方向すなわち縦方向に振動することもできる。

振動部１０の振動方向および形状は、圧電振動子１００の目的に応じて自由に設計することができる。振動部１０の平面形状は、例えば、矩形、三角形、台形などであり、図２の例では長方形である。

第２開口部Ｈ２は、絶縁体層２を貫通して設けられる。第２開口部Ｈ２は、第１開口部Ｈ１と連続している。第２開口部Ｈ２は、第１開口部Ｈ１と振動部１０の下に形成される。第２開口部Ｈ２の下面は、基板１である。第２開口部Ｈ２は、振動部１０が動作できるようにする空間である。平面視において、第２開口部Ｈ２の輪郭線は、振動部１０の輪郭より外側であれば、第１開口部Ｈ１の輪郭よりも内側でもよい。第２開口部Ｈ２は、振動部形成層３の基部３ａの下まで入り込んで設けられてもよい。第２開口部Ｈ２の平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形である。

圧電素子部２０は、振動部１０の上方に形成される。圧電素子部２０が形成される位置は、振動部１０を振動させることができれば任意である。圧電素子部２０は、圧電素子２２を備える。圧電素子部２０には複数の圧電素子２２が備えられてもよい。圧電素子部２０は、圧電素子２２の動作によって振動部１０を振動させる機能を有する。図２および図３の例では、振動部１０に１つの圧電素子２２が設けられている。この例の圧電素子２２は、振動部１０の長手方向に伸縮することにより、振動部１０が振動部形成層３の面外すなわち厚み方向に振動することができる。また圧電素子部２０に複数の圧電素子２２が備えられる場合には、圧電素子２２は、振動部１０を振動させるためのものと、振動部１０の振動方向のずれや振動数を検出するためのものとに機能を分担させることもできる。圧電素子２２は図示せぬ配線によって各電極と外部の回路とが電気的に接続されている。

圧電素子２２の平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形である。圧電素子２２の長手方向は、振動部１０の長手方向と同じ方向（Ｘ方向）である。圧電素子２２は、例えば、図２および図３に示すように、振動部１０の根元側の上に形成されている。圧電素子２２は、平面視において、例えば、長さ方向（Ｘ方向）の一端が振動部１０と基部３ａとの境界に揃うように設けられてもよい。なお、図示しないが、圧電素子２２の一部が、例えば基部３ａの上に形成されていても良い。圧電素子２２の長さは、例えば５０μｍであり、圧電素子２２の幅は、例えば１０μｍである。

圧電素子２２は、下部電極２４、圧電体層２６、上部電極２８の積層構造を有する。

下部電極２４は、振動部１０の上方に形成される。下部電極２４は、振動部１０との間に下地となる層などを有して形成されてもよい。下部電極２４は、一部が圧電体層２６の下面よりもはみ出して形成されていてもよい。下部電極２４は、たとえば白金などの金属材料やリチウムとニッケルの複合酸化物（ＬＮＯ）などの導電性酸化物からなることができ単層でも多層構造でもよい。下部電極２４の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、たとえば１０ｎｍないし５μｍとすることができる。

圧電体層２６は、圧電性を有し、下部電極２４および上部電極２８によって電圧が印加されると伸縮することができ、下方の振動部１０を動作させることができる。また逆に圧電体層２６は、伸縮されると下部電極２４および上部電極２８の間に電圧を発生することができ、下方の振動部１０の動作を検知するための電圧を発生することができる。圧電体層２６の伸縮方向は、振動部１０の振動方向に応じて適切に配置することができる。その方法としては、たとえば、圧電体層２６を構成する材料の結晶の方位を目的に応じて設置して行うことができる。圧電体層２６は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ_３：ＰＺＴ）、窒化アルミニウム、およびこれらのそれぞれの固溶体から選ばれる少なくとも１種で構成されることができる。たとえば、圧電体層２６は、チタン酸ジルコン酸鉛固溶体である、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３：ＰＺＴＮ）などで構成されてもよい。圧電体層２６の厚さは、たとえば０．１μｍないし２０μｍとすることができる。

上部電極２８は、たとえば白金などの金属材料やリチウムとニッケルの複合酸化物（ＬＮＯ）などの導電性酸化物からなることができ単層でも多層構造でもよい。上部電極２８の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、たとえば１０ｎｍないし５μｍとすることができる。この範囲の厚さであることにより、ビーム部１４を十分に振動させる駆動力が確保されることができる。例えば、振動部１０の厚さを１μｍ〜４μｍとした場合、圧電体層２６の厚さは０．１μｍ〜４μｍとすることができる。圧電体層２６の膜厚は、共振条件に応じて適宜変更されることができる。

本実施形態にかかる加速度センサ１００では、振動部１０の長手方向に加わる加速度によって、振動部１０の振動の振動数が変化する。

本実施形態に係る圧電振動子１００の共振周波数は、１００ｋＨｚ以下であることが好ましい。これは、駆動用発振回路の電力が少なくて済むこと、および、３２ｋＨｚ帯の共振周波数が汎用的な発振周波数であることによる。１００ｋＨｚ以下の共振周波数は、例えば、３２ｋＨｚ用駆動回路の設計を変更することで得られる。なお、３２ｋＨｚ帯の共振周波数とは、例えば１６．３８４ｋＨｚ〜６５．５３６ｋＨｚの範囲のものである。３２．７６８ｋＨｚ（２の１５乗Ｈｚ：単に「３２ｋＨｚ」ともいう）用発振回路に分周回路を付加すると１６．３８４ｋＨｚ（２の１４乗Ｈｚ）で圧電振動子１００を駆動でき、３２ｋＨｚ用発振回路にフェイズロックループを付加すると６５．５３６ｋＨｚ（２の１６乗Ｈｚ）で圧電振動子１００を駆動できる。

次に、本実施形態にかかる加速度センサ１０００について説明する。

本実施形態の加速度センサ１０００は、図１に示すように、上述した圧電振動子１００と、圧電振動子１００を発振させるため発振回路２００と、圧電振動子１００の振動を検出するための検出回路３００とを含む。また、加速度センサ１０００は、たとえば周辺回路（図示せず）を有することができる。周辺回路は、たとえば振動部形成層３（図２参照）内に作り込まれることができる。

発振回路２００は、たとえば、図１に示すように、検出回路３００を介して圧電振動子１００の圧電素子２２に接続される。発振回路２００は、圧電素子２２を動作させ、圧電振動子１００の共振周波数で発振させることができる。発振回路２００により発振された状態では、ビーム部１４は、共振周波数で振動することになる。

検出回路３００は、たとえば、図１に示すように、インピーダンスアナライザ３１０と、コンパレータ３２０と、を含み、圧電振動子１００および発振回路２００に接続される。検出回路３００は、インピーダンスアナライザ３１０によって圧電振動子１００の振動周波数を検出することができる。また検出回路３００は、コンパレータ３２０によって圧電素子１００の振動周波数と、基準信号発生回路４００の基準信号とを比較することができる。インピーダンスアナライザ３１０は、たとえば時間測定回路などを含んで構成することができる。基準信号発生回路４００の基準信号は、たとえば、発振回路の共振周波数にと同じ振動数を有する信号が選ばれる。

共振周波数で振動しているビーム部１４に、加速度が加わることによってビーム部１４が共振周波数と異なる周波数で振動した場合、当該周波数が検出回路３００によって検出され、基準信号発生回路４００の基準信号と比較されることによって、加えられた加速度に対応した信号が出力される。このように、加速度センサ１０００は加えられた加速度に応じた信号を出力することができる。

２．加速度センサ１０００の製造方法
まず、圧電振動子１００の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。図４および図５は、圧電振動子１００の一製造工程を概略的に示す断面図であり、それぞれ図３に示す断面図に対応している。

まず、図４に示すように、基板１上に絶縁体層２および振動部形成層３をこの順に形成する。この工程を行う代わりに、たとえばシリコン基板上に酸化シリコン層とシリコン層がこの順に積層されたＳＯＩ基板を準備してもよい。本工程において、絶縁体層２は、熱酸化法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法などにより形成でき、振動部形成層３は、ＣＶＤ法、スパッタ法などにより形成できる。

次に、図４に示すように振動部形成層３の上方に圧電素子部２０を形成する。振動部形成層３の上方に下部電極２４、圧電体層２６、上部電極２８となる層をそれぞれ積層し、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、圧電素子２２をパターニングする。振動部形成層３と下部電極２４との間には下地層などを形成してもよい。下部電極２４となる層は、蒸着法、スパッタ法などにより成膜される。圧電体層２６となる層は、溶液法（ゾルゲル法）、レーザアブレーション法、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより成膜される。上部電極２８となる層は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより成膜される。

以上の工程により、下部電極２４、圧電体層２６、および上部電極２８を有する圧電素子２２を有する圧電素子部２０が形成される。下地層等を設けた場合は、さらにパターニングして、下地層等を所望の形状にすることができる。パターニングには、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。なお、下部電極２４、圧電体層２６および上部電極２８は、各層の成膜ごとにパターニングされることもできるし、複数層の形成ごとに一括してパターニングされることもできる。

次に、振動部形成層３を所望の形状にパターニングして、図５に示すように、振動部１０、および第１開口部Ｈ１を形成する。振動部１０は、振動部形成層３を貫通して絶縁層２を露出させる第１開口部Ｈ１を形成することにより得られる。振動部形成層３は、例えば、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされる。エッチング技術としては、例えば、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。このエッチング工程においては、絶縁層２をエッチングストッパ層として用いることができる。即ち、振動部形成層３をエッチングする際には、絶縁層２のエッチング速度は、振動部形成層３のエッチング速度よりも遅い。

次に、第１開口部Ｈ１により露出した部分から絶縁層２の一部を除去して、図２および図３に示すように、振動部１０および第１開口部Ｈ１の下に第２開口部Ｈ２を形成する。第２開口部Ｈ２は、振動部１０の自由端に対する機械的拘束力が無くなった状態で振動部１０が振動できるような位置に形成される。第２開口部Ｈ２は、例えば、振動部形成層３の端部の下に形成されてもよい。絶縁層２が酸化シリコンからなる場合には、例えばフッ化水素酸を用いたウェットエッチング法などにより絶縁層２を除去することができる。このエッチング工程においては、振動部１０および振動部形成層３をマスクとして、基板１をエッチングストッパ層として用いることができる。即ち、絶縁層２をエッチングする際には、振動部１０、振動部形成層３、および基板２のエッチング速度は、絶縁層２のエッチング速度よりも遅い。

上述した工程により、第１開口部Ｈ１および第２開口部Ｈ２が設けられることで、振動部１０の自由端に対する機械的拘束力が無くなり、振動部１０が十分に振動できるようになる。以上の工程により、図２および図３に示すように、本実施形態の加速度センサ１０００の圧電振動子１００が形成される。

本実施形態の加速度センサ１０００は、上述のように作成した圧電振動子１００に図１に示すような発振回路２００、検出回路３００を配線して製造される。このような発振回路２００や検出回路３００が作り込まれたＩＣ（集積回路）チップを別個に設けてもよいし、圧電振動子１００の基板１や振動部形成層３にこれらの回路を形成して配線してもよい。

以上のようにして加速度センサ１０００が製造される。

本実施形態の加速度センサ１０００において、圧電振動子１００の共振周波数は、振動部１０の厚さに依存する。従って、この圧電振動子１０によれば、共振周波数を振動部１０の長さを長くすることなく厚さによって調整することができる。また、本実施形態の加速度センサ１０００が有する圧電振動子１００は、振動部１０が１本の片持ち梁状に形成される。これらの理由により、加速度センサ１０００は、小型化することができ、かつ、所望の共振周波数（例えば数十ｋＨｚ）で駆動されることができる。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、上述した本発明の実施形態にかかる加速度センサ１０００は、デジタルカメラ、ハードディスクなどの情報機器やアンチロックブレーキ、エアバッグシステムなどの車載機器にに適用されることができる。

本発明の加速度センサ１０００を概略的に示す回路図。 本発明の加速度センサ１０００の圧電振動子１００を概略的に示す平面図。 本発明の加速度センサ１０００の圧電振動子１００を概略的に示す断面図。 本実施形態の加速度センサの一製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の加速度センサの一製造工程を概略的に示す断面図。

符号の説明

１ 基板、２ 絶縁体層、３ 振動部形成層、３ａ 基部、１０ 振動部、
２０ 圧電素子部、２２ 圧電素子、２４ 下部電極、２６ 圧電体層、
２８ 上部電極、Ｈ１ 第１開口部、Ｈ２ 第２開口部、１００ 圧電振動子、
２００ 発振回路、３００ 検出回路、３１０ インピーダンスアナライザ、
３２０ コンパレータ、４００ 基準信号発生回路、１０００ 加速度センサ

Claims (6)

1. 圧電振動子と、
   発振回路と、
   検出回路と、
   を含み、
   前記圧電振動子は、
   基板と、
   前記基板の上方に形成された絶縁体層と、
   前記絶縁体層の上方に形成された振動部形成層と、
   前記振動部形成層を貫通する第１開口部内に片持ち梁状に形成された１本の振動部と、
   前記絶縁体層を貫通し、前記第１開口部と前記振動部の下に形成された第２開口部と、
   前記振動部の上方に形成された圧電素子部と、
   を有し、
   前記発振回路は、前記圧電振動子を共振周波数で振動させ、
   前記検出回路は、前記振動部の延びる方向の加速度が加わることによって生じる前記圧電振動子の振動の周波数の変化を検出し、当該周波数の変化に基づき、当該加速度に対応した信号を出力する、加速度センサ。
2. 請求項１において、
   前記圧電素子部は、圧電素子を少なくとも１つ有する、加速度センサ。
3. 請求項２において、
   前記圧電素子は、
   下部電極と、
   前記下部電極の上に形成された圧電体層と、
   前記圧電体層の上に形成された上部電極とから構成される、加速度センサ。
4. 請求項３において、
   前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、およびこれらのそれぞれの固溶体から選ばれる少なくとも１種で構成される、加速度センサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
   前記絶縁体層は、酸化シリコンで構成され、
   前記振動部形成層は、シリコンで構成される、加速度センサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の加速度センサを有する、電子機器。

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