JP2010122141A

JP2010122141A - Ｍｅｍｓセンサ

Info

Publication number: JP2010122141A
Application number: JP2008297805A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Hattori; 敦夫服部
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-06-03

Abstract

【課題】可撓部の固有振動数を調整できる簡素な構造のＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】可撓性を有する可撓部と、前記可撓部に設けられ調整電圧に応じて撓むことによって前記可撓部の固有振動数を設定する設定手段と、前記可撓部の固有振動数を目標周波数に調整するための直流の前記調整電圧を前記設定手段に印加する制御回路と、前記可撓部を前記目標周波数において振動させる励振手段と、前記可撓部の歪みを検出する検出手段と、を備え、前記設定手段、前記励振手段および前記検出手段は前記可撓部の表面上に積層された共通の膜からなる圧電素子である、ＭＳＭＳセンサ。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサに関し、特に振動ジャイロスコープ、振動型圧力センサ、振動型マイクロフォン、振動型加速度センサ等として機能するＭＥＭＳセンサに関する。

従来、振動ジャイロスコープ、振動型圧力センサ、振動型マイクロフォン、振動型加速度センサ等として機能するＭＥＭＳセンサにおける励振対象である可撓部の固有振動数を調整する技術が知られている。
例えば特許文献１〜６には、可撓部あるいはその周辺をトリミングすることによって可撓部の固有振動数を調整する方法が記載されている。
また特許文献７には、可撓部を支持している枠の一部をアクチュエータによって伸張または収縮させることによって可撓部の張力を変化させる方法が記載されている。可撓部の張力が変化すると可撓部の固有振動数が変化する。

特開２００６−１７４６９号公報特開２００７-７１７０６号公報特開２００５−３４５４０４号公報特開２００１−１９４１５０号公報特開２０００−５５６６６号公報特開平１１−３５１８７４号公報特開平７−１９０７８４号公報

しかし、特許文献１〜６に記載されているようにトリミングによって固有振動数を調整すると製造コストが増大するという問題がある。
一方、特許文献７に記載されている方法では、トリミングによる固有振動数の調整は不要であるが、励振手段とも検出手段とも異なる構造を有するアクチュエータを枠の一部として形成する必要があるため、製造プロセスが複雑化し、その結果、製造コストが増大するという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するために創作されたものであって、可撓部の固有振動数を調整できる簡素な構造のＭＥＭＳセンサを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサは、可撓性を有する可撓部と、前記可撓部に設けられ調整電圧に応じて撓むことによって前記可撓部の固有振動数を設定する設定手段と、前記可撓部の固有振動数を目標周波数に調整するための直流の前記調整電圧を前記設定手段に印加する制御回路と、前記可撓部を前記目標周波数において振動させる励振手段と、前記可撓部の歪みを検出する検出手段と、を備え、前記設定手段、前記励振手段および前記検出手段は前記可撓部の表面上に積層された共通の膜からなる圧電素子である。
本発明によると、設定手段としての圧電素子と励振手段としての圧電素子と検出手段としての圧電素子とが可撓部に積層された共通の膜からなるため、可撓部の固有振動数を調整できるＭＥＭＳセンサの構造が簡素になる。したがって本発明によると可撓部の固有振動数を調整できるＭＥＭＳセンサの製造コストを低減できる。

（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記設定手段の長手方向が前記可撓部としての梁の撓み方向または前記可撓部としてのダイヤフラムの径方向に一致してもよい。
本発明によると、可撓部としての梁またはダイヤフラムの主に張力が調整されることによって可撓部の固有振動数が調整される。設定手段の長手方向を梁の撓み方向またはダイヤフラムの径方向に一致させることにより、張力を効率よく調整することができる。

（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記撓み方向に直交する方向に近接して配列された複数の前記設定手段が前記梁に設けられていてもよい。
本発明によると、張力を梁の撓み方向と直交する方向においても調整することができる。

（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記設定手段の長手方向は前記可撓部としての梁の前記撓み方向に直交する方向または前記可撓部としてのダイヤフラムの周方向に一致し、前記設定手段は前記撓み方向に直交する方向または前記ダイヤフラムの周方向に前記可撓部を曲げてもよい。
本発明によると、可撓部としての梁またはダイヤフラムの主に撓み剛性が調整されることによって可撓部の固有振動数が調整される。設定手段の長手方向を梁の撓み方向に直交する方向またはダイヤフラムの周方向に一致させることにより、撓み剛性を効率よく調整することができる。

（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記励振手段から前記可撓部の振動端までの距離および前記検出手段から前記可撓部の振動端までの距離はいずれも前記設定手段から前記可撓部の振動端までの距離より短くてもよい。
本発明によると、励振手段よりも設定手段を可撓部の振動端に近い位置に設ける場合に比べて可撓部を振動させる効率を高めることができ、検出手段よりも設定手段を可撓部の振動端に近い位置に設ける場合に比べて可撓部の歪みを感度良く検出できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態としての振動ジャイロスコープを図１から図３に示す。振動ジャイロスコープ１は互いに直交する２軸または３軸の角速度成分を検出するためのＭＥＭＳセンサである。図１Ａ、図１Ｂおよび図２Ｂにおいて、センサダイ１Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ１Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。また図３Ａにおいては可撓部Ｆの振動端を破線で示している。

振動ジャイロスコープ１は、図２Ｂに示すパッケージ１Ｂと、パッケージ１Ｂに収容されたセンサダイ１Ａと、図３Ｂに示す制御回路１Ｃとを備える。センサダイ１Ａは、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、厚いシリコン（Ｓｉ）層１１と、エッチストッパ層１２と、薄いシリコン層１３と、絶縁層２０と、電極層３１、３３と、圧電層３２と、表面絶縁層４０と、表面配線層５０とからなる積層構造体である。厚いシリコン層１１の厚さは６２５μｍである。エッチストッパ層１２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる。エッチストッパ層１２の厚さは１μｍである。薄いシリコン層１３の厚さは１０μｍである。絶縁層２０はシリコン酸化膜からなる。絶縁層２０の厚さは０．５μｍである。電極層３１、３３はいずれも白金（Ｐｔ）からなる。電極層３１、３３の厚さはいずれも０．１μｍである。圧電層３２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電層３２の厚さは３μｍである。表面絶縁層４０は感光性ポリイミドからなる。表面絶縁層４０の厚さは１０μｍである。表面配線層５０はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面配線層５０の厚さは０．５μｍである。

振動ジャイロスコープ１は、枠形の支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に十文字形に配置された４つの可撓部Ｆと、４つの可撓部Ｆのそれぞれの自由端に結合している錘部Ｍと、４つの可撓部Ｆのそれぞれに設けられた励振用圧電素子３０ｃと検出用圧電素子３０ａと設定用圧電素子３０ｂとを備える。

支持部Ｓは矩形枠の形態を有する。支持部Ｓは厚いシリコン層１１、エッチストッパ層１２、薄いシリコン層１３および絶縁層２０を含む。支持部Ｓは厚いシリコン層１１を含み、パッケージ１Ｂに固定されるため、実質的に剛体として振る舞う。

４つの可撓部Ｆはそれぞれ片持ち梁の形態を有する。可撓部Ｆは薄いシリコン層１３と絶縁層２０とを含む。可撓部Ｆは厚いシリコン層１１を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。可撓部Ｆの固有振動数は、可撓部Ｆの形状と張力とに相関する。４つの可撓部Ｆのそれぞれの一端は支持部Ｓの内側の４辺に結合している。支持部Ｓは剛体として振る舞うため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において可撓部Ｆの一端は固定端となる。４つの可撓部Ｆは支持部Ｓの内側の４辺から支持部Ｓの内側の空間の中央に向かって延びている。４つの可撓部Ｆのそれぞれの突端は錘部Ｍの中央部に結合している。錘部Ｍは可撓部Ｆにのみ結合し、図２Ｂに示すようにパッケージ１Ｂの底面９０ａから浮いているため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において可撓部Ｆの他端は自由端として振る舞う。４つの可撓部Ｆは錘部Ｍの運動にともなってそれぞれ変形する。

錘部Ｍは、図２Ａに示すように可撓部Ｆの厚さ方向から見て中央の矩形の４つの角のそれぞれに矩形が接続された形態を有する。錘部Ｍの中央部以外は、可撓部Ｆにも支持部Ｓにも重なっていない。錘部Ｍの中央部以外はＣ字形の４つのスリットによって可撓部Ｆおよび支持部Ｓから切り離されている。錘部Ｍは厚いシリコン層１１とエッチストッパ層１２と薄いシリコン層１３とを含む。錘部Ｍは厚いシリコン層１１を含むため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍの重心は４つの可撓部Ｆが含まれる平面から離れた位置にある。したがってコリオリ力が作用すると、錘部Ｍはその重心の変位にともなって回転し、錘部Ｍの回転に伴って４つの可撓部Ｆがそれぞれ変形する。

励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂはいずれも、支持部Ｓ、可撓部Ｆおよび錘部Ｍの表層を構成している絶縁層２０の表面に接合されている。可撓部Ｆの変形にともなう応力と歪みは可撓部Ｆの表面において絶対値が最大となり可撓部Ｆの内部にある特定の面で絶対値がゼロになる。すなわち励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂを支持部Ｓ、可撓部Ｆおよび錘部Ｍの表層を構成している絶縁層２０の表面に接合するのは、効率よく可撓部Ｆを変形させるとともに、効率よく可撓部Ｆの変形を検出するためである。励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂはいずれも電極層３１、３３と電極層３１、３３に挟まれた圧電層３２とからなる。すなわち励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂは可撓部Ｆの表面上に積層された共通の膜からなり、同時に形成することが可能である。絶縁層２０に接合されている電極層３１の一部は配線３１ｂを構成し、ボンディングパッド５０ａに接続されている。電極層３３は表面配線５０ｂに接続されている。表面配線５０ｂとボンディングパッド５０ａとは表面配線層５０によって構成されている。電極層３１、３３に電圧を印加すると圧電層３２が４つの可撓部Ｆを含む平面と平行な方向に伸縮する。圧電層３２が４つの可撓部Ｆを含む平面と平行な方向に伸縮すると、圧電層３２に接合されている電極層３１が撓む。

励振手段としての励振用圧電素子３０ｃは可撓部Ｆを振動させるための圧電素子である。図３Ａに示すように励振用圧電素子３０ｃは支持部Ｓと４つの可撓部Ｆとのそれぞれの境界上に設けられている。なお、図３Ａは絶縁層２０の表面と圧電素子とだけを示した平面図である。励振用圧電素子３０ｃを支持部Ｓと可撓部Ｆとの境界上に設けることにより、効率よく可撓部Ｆを振動させることができる。すなわち励振用圧電素子３０ｃを支持部Ｓと可撓部Ｆとの境界上に設けることにより、効率よく錘部Ｍを駆動することができる。

検出手段としての検出用圧電素子３０ａは錘部Ｍの運動に応じた可撓部Ｆの歪みを検出するための圧電素子である。検出用圧電素子３０ａは錘部Ｍと４つの可撓部Ｆとのそれぞれの境界上に設けられている。実質的に剛体として振る舞う錘部Ｍと可撓性を有する可撓部Ｆとの境界には、可撓部Ｆの変形に伴う応力と歪みが集中する。このため、検出用圧電素子３０ａを錘部Ｍと可撓部Ｆとの境界上に設けることにより、効率よく可撓部Ｆの変形にともなう歪みを検出することができる。また検出手段として圧電素子を用いると、検出手段としてピエゾ抵抗素子を用いる場合に比べ、高い周波数の歪みを検出することができる。

なお、励振用圧電素子３０ｃを錘部Ｍと４つの可撓部Ｆとのそれぞれの境界上に設けてもよい。また検出用圧電素子３０ａを支持部Ｓと４つの可撓部Ｆとのそれぞれの境界上に設けてもよい。いずれにしても、可撓部Ｆとそれに結合している実質的な剛体との境界（振動端）近傍に励振用圧電素子３０ｃと検出用圧電素子３０ａとを設けることが望ましい。

設定用圧電素子３０ｂは可撓部Ｆの固有振動数を設定するための圧電素子である。設定用圧電素子３０ｂは４つの可撓部Ｆのそれぞれの撓み方向（固定端と自由端とを結ぶ方向）において励振用圧電素子３０ｃと検出用圧電素子３０ａとの間に設けられている。設定用圧電素子３０ｂの圧電層３２が可撓部Ｆを含む平面と平行な方向に伸縮すると、設定用圧電素子３０ｂに接合されている可撓部Ｆの部分が湾曲するため、可撓部Ｆの張力が増大するとともに、湾曲した部分の撓み剛性が高まる。その結果、可撓部Ｆの固有振動数が高くなる。設定用圧電素子３０ｂに電圧を印加することによってこのように可撓部Ｆの固有振動数を調整するにあたり、設定用圧電素子３０ｂの位置が可撓部Ｆの振動端近傍であるか中央近傍であるかによる電力効率の違いは小さい。したがって、可撓部Ｆと錘部Ｍとの境界近傍あるいは可撓部Ｆと支持部Ｓとの境界近傍に設けることによって錘部Ｍの駆動効率あるいは可撓部Ｆの変形の検出効率が増大する励振用圧電素子３０ｃおよび検出用圧電素子３０ａから可撓部Ｆの振動端までの距離が、設定用圧電素子３０ｂから可撓部Ｆの振動端までの距離よりも短くなるように各圧電素子を配列することが望ましい。

図１Ａに示すように励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂは表面絶縁層４０によって覆われている。表面絶縁層４０には電極層３１、３３と表面配線層５０とを接合するためのコンタクトホールが形成されている。

図２Ｂに示すパッケージ１Ｂは、無蓋箱型のベース９０とベース９０の内部空間を閉塞するカバー９４とを備える。ベース９０とカバー９４とは接着層９３を介して接合されている。ベース９０には複数の貫通電極９１が設けられている。ワイヤ９５は一端がセンサダイ１Ａのボンディングパッド５０ａに接合され他端がパッケージ１Ｂの貫通電極９１に接合される。センサダイ１Ａの支持部Ｓはベース９０の内側の底面９０ａに接着層９２を介して接合される。底面９０ａの凹部や接着層９２の厚さによってセンサダイ１Ａの錘部Ｍとベース９０の内側の底面９０ａとの間に空隙が形成されている。

次に図３Ｂを参照しながら制御回路１Ｃの構成とモーションセンサ１の作動について説明する。制御回路１Ｃはパッケージ１Ｂとは別のパッケージに収容されるダイに形成しても良いし、センサダイ１Ａとともにパッケージ１Ｂに収容されるダイに形成しても良いし、センサダイ１Ａに形成しても良い。図３Ｂには、十字形に配置されている４つの可撓部Ｆのうち同一直線上に並ぶ２つの可撓部Ｆが示されている。ここで、図３Ｂに示されている２つの可撓部Ｆが並ぶ方向にｘ軸を定義し、図３Ｂに示されていない２つの可撓部Ｆが並ぶ方向にｙ軸を定義し、ｘ軸およびｙ軸に直交するｚ軸を定義する。これらのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸はセンサダイ１Ａに固定された座標系を定義する。モーションセンサ１によって検出される角速度はこの座標系において表現される。

制御回路１Ｃは、駆動部６０、検出部７０および応力設定部８０を含む。
駆動部６０は、加算回路６４と増幅回路６３と位相回路６２とＡＧＣ（Auto Gain Controller）６１とを含む。加算回路６４は、４つの可撓部Ｆに設けられている４つの検出用圧電素子３０ａに接続されている。増幅回路６３は、加算回路６４の出力端に接続されている。位相回路６２は、増幅回路６３の出力端に接続されている。ＡＧＣ６１は位相回路６２の出力端に接続されている。ＡＧＣ６１の出力端は、４つの可撓部Ｆに設けられている４つの励振用圧電素子３０ｃに接続されている。励振用圧電素子３０ｃと可撓部Ｆと検出用圧電素子３０ａと駆動部６０とによって発振回路が構成されている。この発振回路の発振周波数は後述する目標周波数と等しくなる。

検出部７０は、差動増幅回路７１と同期検波回路７２と平滑化回路７３とを含む。差動増幅回路７１はｘ軸方向に並ぶ２つの可撓部Ｆに設けられている１対の検出用圧電素子３０ａに接続されている。同期検波回路７２は、差動増幅回路７１の出力端と加算回路６４の出力端とに接続されている。平滑化回路７３は同期検波回路７２の出力端に接続されている。差動増幅回路７１、同期検波回路７２および平滑化回路７３は角速度のｙ軸周り成分を検出するための回路要素である。検出部７０は、角速度のｘ軸周り成分を検出するための図示しない回路要素をも含んでいる。すなわち検出部７０には、ｙ軸方向に２つの可撓部Ｆに設けられている１対の検出用圧電素子３０ａに接続されている図示しない他の差動増幅回路と、この差動増幅回路の出力端と加算回路６４の出力端とに接続された図示しない他の同期検波回路と、この同期検波回路の出力端に接続された図示しない他の平滑化回路とが含まれている。

４つの可撓部Ｆに設けられている励振用圧電素子３０ｃに目標周波数において振動する駆動電圧が駆動部６０によって印加されると、錘部Ｍの重心のｚ軸方向の位置は可撓部Ｆの目標周波数において振動する。可撓部Ｆの固有振動数が目標周波数に一致するとき錘部Ｍの重心のｚ軸方向の振幅は極大となる。センサダイ１Ａがｙ軸周りに回転すると、錘部Ｍの重心にはｘ軸方向のコリオリ力が作用する。するとｘ軸方向に直線的に並ぶ２つの可撓部Ｆに設けられている２つの検出用圧電素子３０ａの一方にはコリオリ力に応じた圧縮方向の歪みが生じ、その他方にはコリオリ力に応じた伸張方向の歪みが生ずる。したがってｘ軸方向に直線的に並ぶ２つの可撓部Ｆに設けられている２つの検出用圧電素子３０ａに接続された差動増幅回路７１からは、その２つの検出用圧電素子３０ａの歪みに応じた電圧の絶対値の和に比例する信号が出力される。この信号の極性はコリオリ力がｘ軸の正方向に作用している場合と負方向に作用している場合とで逆転する。従って、この信号を同期検波回路７２に入力し、同期検波回路７２の出力を平滑化回路７３によって平滑化すると、センサダイ１Ａの角速度のｙ軸周りの成分に相当する出力が得られる。またセンサダイ１Ａがｘ軸周りに回転する場合には、ｙ軸方向に直線的に並ぶ２つの可撓部Ｆに設けられている２つの検出用圧電素子３０ａに接続された図示しない他の差動増幅回路と他の同期検波回路と他の平滑回路とを通じてセンサダイ１Ａの角速度のｘ軸周りの成分に相当する出力が得られる。

なお、角速度の３軸の成分を検出する場合、例えばｘ軸方向とｙ軸方向とに錘部Ｍの重心が振動するように励振用圧電素子３０ｃに電圧を印加すればよい。この場合、ｘ軸方向に直線的に並ぶ２つの可撓部Ｆに設けられている２つの励振用圧電素子３０ｃに印加すれる電圧の位相はずらす。

応力設定部８０は、可撓部Ｆの振幅が予め決められた目標周波数において極大となる直流の電圧である調整電圧を設定用圧電素子３０ｂに印加する回路である。補正電圧発生回路８１には平滑化回路７３の出力端と補正テーブル８２が接続される。補正電圧発生回路８１の出力端は４つの可撓部Ｆに設けられた設定用圧電素子３０ｂに接続される。補正テーブル８２は調整電圧の大きさが書き込まれた不揮発性メモリによって構成されている。補正電圧発生回路８１は、補正テーブル８２に書き込まれた大きさの直流電圧である調整電圧をそれぞれの設定用圧電素子３０ｂに印加する。調整電圧の電圧の大きさに応じて設定用圧電素子３０ｂが撓み、その結果、可撓部Ｆの張力と撓み剛性が変わる。可撓部Ｆの張力または撓み剛性が変わると、可撓部Ｆの固有振動数が変わる。可撓部Ｆの固有振動数が目標周波数になる調整電圧の電圧の大きさが補正テーブル８２に書き込まれていれば、調整電圧が印加された設定用圧電素子３０ｂの撓み量は、可撓部Ｆの固有振動数が目標周波数になる撓み量になる。すなわち、適当な調整電圧の大きさを補正テーブル８２に書き込むことにより、可撓部Ｆの固有振動数は予め決められた目標周波数に設定される。

補正テーブル８２には、工場出荷前に調整電圧の電圧の大きさを書き込むこともできるし、工場出荷後の使用状態において調整電圧の大きさを書き込むこともできる。調整電圧の大きさを補正テーブル８２に書き込む場合、予め決められた一定の角速度でセンサダイ１Ａを回転させる。そして、その状態において制御回路１Ｃの平滑化回路７３から出力される信号が極大になるように設定用圧電素子３０ｂに印加する直流電圧を調整する。そして制御回路１Ｃの平滑化回路７３から出力される信号が極大になる直流電圧の大きさを調整電圧の大きさとして補正テーブル８２に書き込めば良い。またこのとき、複数の温度条件において、制御回路１Ｃの平滑化回路７３から出力される信号が極大になるように設定用圧電素子３０ｂに印加する直流電圧を調整し、温度に応じた複数の直流電圧の大きさをそれぞれが異なる温度に対応する調整電圧の大きさとして補正テーブル８２に書き込んでもよい。そして補正電圧発生回路８１に温度センサを接続する。この場合、補正電圧発生回路８１は、温度センサから取得する温度に応じた調整電圧の大きさを補正テーブル８２から取得し、取得した大きさの調整電圧を設定用圧電素子３０ｂに印加することができる。工場出荷後の使用状態において調整電圧の大きさを書き込む場合、補正電圧発生回路８１はマイクロコンピュータとして構成される。

（製造方法）
以下、図４から図１１に基づいて振動ジャイロスコープ１の製造方法の一例を説明する。図４から図６、図７Ａ、図８、図１０および図１１は図１に示すＡＡ線に対応する断面図である。図９Ａは図１に示すＢＢ線に対応する断面図である。

はじめに図４に示すように、厚いシリコン層１１、エッチストッパ層１２、薄いシリコン層１３、絶縁層２０、電極層３１、圧電層３２および電極層３３がこの順で積層された積層構造体を形成する。具体的にはまず厚いシリコン層１１、エッチストッパ層１２および薄いシリコン層１３となるＳＯＩウエハ１０を用意する。なお、厚いシリコン層１１となる単結晶シリコンウエハの表面に、熱酸化、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等によって酸化シリコンからなるエッチストッパ層１２を形成し、エッチストッパ層１２の表面にＣＶＤ等によって多結晶シリコンからなる薄いシリコン層１３を形成してもよい。次に薄いシリコン層１３の表面を熱酸化することにより酸化シリコンからなる絶縁層２０を形成する。次に絶縁層２０の表面にスパッタリング等によって白金からなる電極層３１を形成する。白金と多結晶シリコンの密着層として３０ｎｍのチタン（Ｔｉ）を成膜してもよい。また電極層３１の材料には酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）を用いても良い。次に電極層３１の表面にスパッタリング、ゾルゲル法等によってＰＺＴからなる圧電層３２を形成する。次に圧電層３２の表面にスパッタリング等によって白金からなる電極層３３を形成する。白金とＰＺＴの密着層として３０ｎｍのチタンを成膜しても良い。電極層３３の材料にはイリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム、金（Ａｕ）などを用いても良い。

次に図５に示すように電極層３３と圧電層３２とをフォトレジストマスクＲ１を用いてエッチングすることにより、電極層３３と圧電層３２とを所定形状にパターニングする。具体的には、白金からなる電極層３３はアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたイオンミリングによってパターニングする。次にＰＺＴからなる圧電層３２は塩素（Ｃｌ_２）ガスをエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。なお、フッ酸と硝酸の混合液にてＰＺＴからなる圧電層３２をエッチングしても良い。次にフォトレジストマスクＲ１を除去する。

次に図６に示すように電極層３１をフォトレジストマスクＲ２を用いてエッチングすることにより、電極層３１を所定形状にパターニングする。具体的には、白金からなる電極層３３はアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたイオンミリングによってパターニングする。反応性イオンエッチングにより電極層３１をパターニングしても良い。次にフォトレジストマスクＲ２を除去する。

次に図７Ａおよび図７Ｂに示すように絶縁層２０、電極層３１および電極層３３の表面に表面絶縁層４０を形成する。具体的には感光性ポリイミドを塗布し、露光と現像とによってコンタクトホール４０ａとエッチング開口部４０ｂを形成することによって所定パターンの表面絶縁層４０を形成する。なお、表面絶縁層４０の材料としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アルミナ等の無機材料を用いても良い。

次に図８に示すように表面絶縁層４０の表面に表面配線層５０を形成する。具体的にはスパッタリング等を用いてアルミニウムからなる表面配線層５０を形成し、図示しないフォトレジストマスクを用いて表面配線層５０をエッチングすることにより、表面配線５０ｂおよびボンディングパッド５０ａをパターニングする。表面絶縁層４０とアルミニウムの密着層として厚さ３０ｎｍのチタンを成膜しても良い。また表面配線層５０の材料としてＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ等を用いても良い。アルミニウムからなる表面配線層５０は、塩素ガスをエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング、アルゴンイオンを用いたイオンミリング、燐酸・硝酸・酢酸の混合液を用いたウェットエッチング等によってパターニングしても良い。
次に図示しないフォトレジストマスクを用いて図９Ａおよび図９Ｂに示すように絶縁層２０および薄いシリコン層１３をエッチングすることによって可撓部Ｆをパターニングする。シリコン酸化膜からなる絶縁層２０はＣＦ_４ガスを用いた反応性イオンエッチング、フッ酸（ＨＦ）や緩衝フッ酸を用いたウェットエッチング等によってパターニングする。

次に図１０に示すようにフォトレジストマスクＲ３を用いたエッチングにより厚いシリコン層１１を所定形状にパターニングする。具体的には、図９Ａおよび図９Ｂに示す積層構造体の表面絶縁層４０側の面を犠牲基板９９に接着層Ｂを介して仮接着する。接着層Ｂとしてはワックス、フォトレジスト、両面粘着テープ等を用いる。次に厚いシリコン層１１の表面に所定形状のフォトレジストマスクＲ３を形成する。次にフォトレジストマスクＲ３から露出している厚いシリコン層１１をＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によってパターニングする。ここでいうＤｅｅｐ−ＲＩＥは、Ｃ_４Ｆ_８プラズマによるパッシベーションのステップとＳＦ_６プラズマによるエッチングのステップとを短い時間間隔で交互に繰り返す所謂ボッシュプロセスである。
次に図１１に示すようにエッチストッパ層１２をエッチングし、犠牲基板９９の除去、ダイシング等の後工程を実施するとセンサダイ１Ａが完成する。シリコン酸化膜からなるエッチストッパ層１２は緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによりパターニングする。

２．第二実施形態
図１２は本発明のＭＥＭＳセンサの第二実施形態としての振動ジャイロスコープのセンサダイ２Ａにおいて絶縁層２０の表面に形成される励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂの配置の他の形態を示す平面図である。図１２において可撓部Ｆの振動端は破線によって示されている。図１２に示すように設定用圧電素子３０ｂを配置しても良い。すなわち、設定用圧電素子３０ｂを各可撓部Ｆの撓み方向と直交する方向に近接して複数配置する。そして設定用圧電素子３０ｂを可撓部Ｆの撓み方向に長く形成する。これにより設定用圧電素子３０ｂの撓み量が可撓部Ｆの撓み方向において大きく、可撓部Ｆの撓み方向と直交する方向に小さくなる。なお、可撓部Ｆの撓み方向とは、可撓部Ｆと支持部Ｓとの境界から可撓部Ｆと錘部Ｆとの境界に向かう方向である。このように撓み量に異方性がある設定用圧電素子３０ｂを可撓部Ｆに複数配置すると、設定用圧電素子３０ｂによって可撓部Ｆの張力を効率よく制御できるようになる。また可撓部Ｆの撓み方向と直交する方向に並ぶ複数の設定用圧電素子３０ｂに印加する調整電圧の大きさを異ならせることによって、撓み方向と直交する方向において可撓部Ｆの張力を調整し、錘部Ｍの振動方向を調整することも可能である。また本実施形態のように設定用圧電素子３０ｂを配置する場合には、可撓部Ｆの張力が増しても可撓部Ｆが撓み方向と直交する方向に撓みにくくなる。

３．第三実施形態
図１３は本発明のＭＥＭＳセンサの第三実施形態としての振動ジャイロスコープのセンサダイ３Ａにおいて絶縁層２０の表面に形成される励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂの配置の他の形態を示す平面図である。図１３において可撓部Ｆの振動端は破線によって示されている。図１３に示すように設定用圧電素子３０ｂを配置しても良い。すなわち、設定用圧電素子３０ｂを各可撓部Ｆの撓み方向に近接して複数配置する。そして設定用圧電素子３０ｂを可撓部Ｆの撓み方向と直交する方向に長く形成する。これにより設定用圧電素子３０ｂの撓み量が可撓部Ｆの撓み方向と直交する方向において大きく、可撓部Ｆの撓み方向に小さくなる。このように撓み量に異方性がある設定用圧電素子３０ｂを可撓部Ｆに配置すると、設定用圧電素子３０ｂによって可撓部Ｆの撓み剛性を効率よく制御できるようになる。また本実施形態のように設定用圧電素子３０ｂを配置する場合には、可撓部Ｆの撓み剛性が増しても可撓部Ｆの張力が増しにくくなる。

４．第四実施形態
本発明のＭＥＭＳセンサの第四実施形態としての振動ジャイロスコープのセンサダイ４Ａを図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１５に示す。図１４Ａにおいてセンサダイ１Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ４Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。また図１４Ｂにおいては可撓部Ｆの振動端を破線で示している。
可撓部Ｆは円環状のダイヤフラムとして構成してもよい。
錘部Ｍは可撓部Ｆの内周に外周が結合した略円柱形である。

励振用圧電素子３０ｃは円環状の可撓部Ｆと支持部Ｓとの境界上に複数設けられる。励振用圧電素子３０ｃのそれぞれは可撓部Ｆと支持部Ｓとの境界に沿って円弧状に形成される。励振用圧電素子３０ｃは可撓部Ｆの周方向に長く、可撓部Ｆの径方向に短い。
検出用圧電素子３０ａは可撓部Ｆと錘部Ｍとの境界上に複数設けられる。検出用圧電素子３０ａのそれぞれは可撓部Ｆと錘部Ｍとの境界に沿って円弧状に形成される。検出用圧電素子３０ａは可撓部Ｆの周方向に長く、可撓部Ｆの径方向に短い。

複数の設定用圧電素子３０ｂは円環状に複数設けられる。設定用圧電素子３０ｂは励振用圧電素子３０ｃと検出用圧電素子３０ａとの間において円弧状に形成される。設定用圧電素子３０ｂは可撓部Ｆの周方向に長く、可撓部Ｆの径方向に短く形成されている。このため設定用圧電素子３０ｂに直流電圧である調整電圧が印加されると、可撓部Ｆにはその径方向にのびる襞状のうねりが形成される。その結果、可撓部Ｆの撓み剛性が高まり、可撓部Ｆの固有振動数が高くなる。また本実施形態のように設定用圧電素子３０ｂを配置すると、可撓部Ｆの撓み剛性を効率よく調整することができる。
表面絶縁層と表面配線層は本実施形態のように省略することもできる。この場合、電極層３１、電極層３３のそれぞれが表面配線とボンディングパッドを構成する。

５．第五実施形態
図１６は本発明のＭＥＭＳセンサの第五実施形態としての振動ジャイロスコープのセンサダイ５Ａにおいて絶縁層２０の表面に形成される励振用圧電素子３０ｃ、検出用圧電素子３０ａおよび設定用圧電素子３０ｂの配置を示す平面図である。図１６において可撓部Ｆの端は破線によって示されている。

円環形のダイヤフラムとして構成されている可撓部Ｆに対し、設定用圧電素子３０ｂを可撓部Ｆの径方向に長く可撓部Ｆの周方向に短く形成し、可撓部Ｆの周方向に複数配列しても良い。このような設定用圧電素子３０ｂに直流電圧である調整用信号を印加すると、図１７および図１８に示すように、可撓部Ｆには可撓部Ｆの周方向に伸びる襞状のうねりが形成される。その結果、可撓部Ｆの張力が高まり、可撓部Ｆの固有振動数が高くなる。またこのように設定用圧電素子３０ｂを配列することにより、可撓部Ｆの張力を効率よく調整できる。なお、図１７は図１６に示すＡＡ線に対応する模式的な断面図である。図１８は可撓部Ｆに襞状のうねりが形成される領域をハッチングによって示した模式図である。

６．効果
上述した本発明の複数の実施形態では、圧力設定手段としての圧電素子と励振手段としての圧電素子と検出手段としての圧電素子とが可撓部に積層された共通の膜からなるため、可撓部の固有振動数を調整できる振動ジャイロスコープの構造が簡素になる。したがって上述した本発明の複数の実施形態では、可撓部の固有振動数を調整できる振動ジャイロスコープの製造コストを低減できる。

７．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明は振動型圧力センサ、振動型マイクロホン、振動型加速度センサなど固有振動数において振動させる可撓部を備える様々なＭＥＭＳに適用できる。また上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。

図１Ａ、図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｃは本発明の第一実施形態に係る上面図。図２Ａは本発明の第一実施形態にかかる底面図。図２Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図３Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図。図３Ｂは本発明の第一実施形態にかかるブロック図。本発明の第一実施形態にかかる断面図。本発明の第一実施形態にかかる断面図。本発明の第一実施形態にかかる断面図。図７Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図７Ｂは本発明の第一実施形態に係る平面図。本発明の第一実施形態にかかる断面図。図９Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図９Ｂは本発明の第一実施形態に係る平面図。本発明の第一実施形態にかかる断面図。本発明の第一実施形態にかかる断面図。本発明の第二実施形態にかかる平面図。本発明の第三実施形態にかかる平面図。図１４Ａは本発明の第四実施形態にかかる断面図。図１４Ｂは本発明の第四実施形態にかかる上面図。本発明の第四実施形態にかかる底面図。本発明の第五実施形態にかかる平面図。本発明の第五実施形態にかかる模式的な断面図。本発明の第五実施形態にかかる模式図。

符号の説明

１：振動ジャイロスコープ、１Ａ：センサダイ、１Ｂ：パッケージ、１Ｃ：制御回路、２Ａ：センサダイ、３Ａ：センサダイ、４Ａ：センサダイ、５Ａ：センサダイ、１１：厚いシリコン層、１２：エッチストッパ層、１３：薄いシリコン層、２０：絶縁層、３０ａ：検出用圧電素子、３０ｂ：設定用圧電素子、３０ｃ：励振用圧電素子、３１：電極層、３１ｂ：配線、３２：圧電層、３３：電極層、４０：表面絶縁層、４０ａ：コンタクトホール、４０ｂ：エッチング開口部、５０：表面配線層、５０ａ：ボンディングパッド、５０ｂ：表面配線、６０：駆動部、６２：位相回路、６３：増幅回路、６４：加算回路、７０：検出部、７１：差動増幅回路、７２：同期検波回路、７３：平滑化回路、８０：応力設定部、８１：補正電圧発生回路、８２：補正テーブル、９０：ベース、９０ａ：底面、９１：貫通電極、９２：接着層、９３：接着層、９４：カバー、９５：ワイヤ、９９：犠牲基板、Ｂ：接着層、Ｆ：可撓部、Ｍ：錘部、Ｒ１：フォトレジストマスク、Ｒ２：フォトレジストマスク、Ｒ３：フォトレジストマスク、Ｓ：支持部

Claims

可撓性を有する可撓部と、
前記可撓部に設けられ調整電圧に応じて撓むことによって前記可撓部の固有振動数を設定する設定手段と、
前記可撓部の固有振動数を目標周波数に調整するための直流の前記調整電圧を前記設定手段に印加する制御回路と、
前記可撓部を前記目標周波数において振動させる励振手段と、
前記可撓部の歪みを検出する検出手段と、
を備え、
前記設定手段、前記励振手段および前記検出手段は前記可撓部の表面上に積層された共通の膜からなる圧電素子である、
ＭＳＭＳセンサ。
前記設定手段の長手方向が前記可撓部としての梁の撓み方向または前記可撓部としてのダイヤフラムの径方向に一致する、
請求項１に記載のＭＳＭＳセンサ。
前記撓み方向に直交する方向に近接して配列された複数の前記設定手段が前記梁に設けられている、
請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記設定手段の長手方向は前記可撓部としての梁の撓み方向に直交する方向または前記可撓部としてのダイヤフラムの周方向に一致し、
前記設定手段は前記撓み方向に直交する方向または前記ダイヤフラムの周方向に前記可撓部を曲げる、
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記励振手段から前記可撓部の振動端までの距離および前記検出手段から前記可撓部の振動端までの距離はいずれも前記設定手段から前記可撓部の振動端までの距離より短い、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＳＭＳセンサ。