JP2014173871A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電極パッド部にワイヤーボンディングを行うことによるクラックや隣接する電極パッドとの短絡を防止し、配線間に発生する静電容量や電極パッド間に発生する静電容量を抑制させることにより、高信頼性であり小型化と高性能化が可能な圧電素子を提供する。
【解決手段】各電極パッド８，１４以外を保護膜で覆うことで側壁を形成し、隣接する電極パッドとの短絡を防止し小型化させる。各電極パッド８，１４は圧電体膜を含まない構造でありクラックを抑制し静電容量を抑制する。各振動腕３，４の上下電極６，７に対応する上下配線９，１６の圧電膜が除去されており上下に重ならないように配置されているため静電容量を抑制し小型化できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両などの移動体姿勢制御に用いられる角速度センサ素子をはじめとする圧電素子に関するものである。

一般に、車両など移動体の姿勢制御に用いられる圧電体膜を有する圧電素子、すなわち、角速度センサ素子には、アルファベットのＨ型形状のもの、さらには柱状の形状のものと音叉形状のものなどがある。ここでは、Ｈ型形状の角速度センサ素子を例にして説明する。

角速度センサ素子は、基部と駆動電極部と検出電極部が同一面上に形成されている。基部の上面には外部への出力取り出し用の電極部が設けられている。各電極部には、圧電体膜が備えられており、上部電極と下部電極にはさまれた圧電体膜は圧電特性を有するものであり、電圧を印加すると歪みを生じ、また機械的に歪みを生じさせると電位を生じるものである。この性質を利用して角速度センサ素子の駆動部を励振させる。角速度が加わると、コリオリの力により駆動部が歪まされ、これにより検出部に接している検出電極部に電位が生じる。この電位を知ることによって、角速度センサ素子に与えられた角速度を検出することができる。

具体的には、駆動電極部の下部電極と上部電極間に交流電圧を印加する。その電圧印加の位相を１８０°ずらすことによって、駆動電極部を有する駆動部を形成している２本の駆動腕を、励振させることができる。このとき、２本の駆動腕を略平行な状態に振動させるのではなく閉じたり開いたりするように振動させる。すなわち、一方の駆動腕が一方に傾いているときには、もう一方の駆動腕を反対方向へ傾けるような振動の状態にする。

このような振動を行っているときに、角速度センサ素子を駆動腕の長手方向に平行な軸周りに角速度運動をさせると、コリオリの力により駆動腕が上下方向に歪まされ、これにより検出電極に接している圧電体中に電位が生じる。この電位を知ることによって、角速度センサ素子に与えられた角速度を検出することができる。

また、出力取り出し用の電極部は、駆動電極、検出電極のそれぞれと同一面上に形成された配線やパッドパターンにより接続されている。角速度センサ素子は台座等に実装された後、ワイヤーボンディング等により外部回路と接続され、処理回路であるＩＣとともにパッケージされて、角速度センサとなる。

角速度センサ素子をはじめとする圧電素子を作製する場合、圧電素子の耐久信頼性向上や、電極間への異物の付着等による短絡防止等のために、圧電素子の表面に保護膜を設ける場合がある。また、圧電体膜を電極で挟みこむ構造は、コンデンサとしても機能することが知られている。

特許文献１には、圧電素子片に、狭い間隔を隔てて２つの電極膜が形成されていて、この電極膜は、圧電素子片上に、下地金属膜と、その上にＡｕ電極膜が形成されており、このＡｕ電極膜の表面にチオール処理膜と、その表面全面を絶縁性の保護膜で覆った圧電素子が開示されている。もともと、２つの電極間隔は狭いので、ウィスカー等に起因する短絡の問題があるために、絶縁性の保護膜で覆うことを試みたが、Ａｕ電極膜と絶縁性の保護膜の密着性が悪いために、その改善として、Ａｕ電極膜の表面にチオール処理膜を適用したものである。なお、ウィスカーとは、結晶表面からその外側に向けて髭状に成長した結晶である。

特許文献２には、配線部の構成を圧電膜を挟んだ上部電極および下部電極から引き出して形成する信号線を上下に対向させずに、すなわち、上部電極線と下部電極線が上下に重ならないように並行して曲げずに真直ぐに引き出すことにより、上下電極の信号線の配線間に静電容量が発生しにくく、静電容量に起因したＳ／Ｎ比の劣化を抑制することができるセンサが開示されている。特に、信号線が長くなったとしても、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑制でき、検出精度を向上できるというものである。

特開平１１−１４５７５８号公報 特開２００８−１９０８８８号公報

特許文献１に開示されているように、圧電素子において、電極パッド部にワイヤーボンディングを行うことにより、ワイヤーボンディングボールの大きさとアライメント次第では、隣接する電極パッドとの短絡不良が起こりやすく歩留りに影響するため、さらに、ワイヤーボンディングの打痕により圧電体膜にマイクロクラックが入りやすくなり信頼性に影響を与える可能性がある。そのため、電極パッドの周囲に絶縁膜からなる保護膜を形成することは必要となっている。

また、圧電体膜を用いた角速度センサ素子をはじめとする圧電素子の小型化と高性能化が求められている。特許文献２に開示されているセンサの構成では、静電容量の発生を抑制するため、上下電極からの各信号配線を上下に対向させず、すなわち、重ならないように配置しているので、圧電素子を平面的に見たとき、すなわち、上部から見たときに、上下電極からの上下信号配線それぞれ１本ずつとして２本分の面積は最低限必要となり、また、フォトリソグラフィー工程でのアライメント精度を加味した面積も必要となってくるため、小型化が困難となってしまう。

一般的に角速度センサ素子が小型化されると、駆動腕に角速度が与えられた場合、検出腕で検出される信号が微弱になる。検出精度を高めるためには、不要な電位を低減し、それによって生じる不要な出力信号を抑えることで誤検出を低減すること、すなわち高性能化が求められている。そのために、上下電極配線間の静電容量、および、上下電極パッド間の静電容量の発生を抑制することが必要となっている。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、電極パッド部にワイヤーボンディングを行うことによるクラックや隣接する電極パッドとの短絡を防止し、配線間に発生する静電容量や電極パッド間に発生する静電容量を抑制させることにより、高信頼性であり小型化と高性能化が可能な圧電素子を提供することを目的とする。

本発明は、基部と、一対の振動腕を２組備えた４本の振動腕を備え、一対の前記振動腕と別の一対の前記振動腕は、前記基部を基点として、互いに、反対向きに長手方向に延伸しており、４本の前記振動腕は、それぞれに電極部を備え、４つの前記電極部は、それぞれに圧電体膜を挟んで、第１の電極と第２の電極から構成されており、前記基部は、５つの電極パッドを備え、５つの前記電極パッドは、４つの第１の電極パッドと、接地された１つの第２の電極パッドから構成されており、４つの前記第１の電極パッドは、４つの前記電極部のそれぞれの前記第１の電極に対応して、第１の配線を介して接続されており、１つの前記第２の電極パッドは、４つの前記電極部のそれぞれの前記第２の電極に対応して、第２の配線を介して接続されており、前記第２の電極パッドと前記第１の電極は同じ層に形成されており、前記第２の電極と前記第１の配線の端部は、スルーホールを介して接続されており、前記第２の電極パッド上の領域を除いて第１の絶縁性保護膜が形成され、前記第１の絶縁性保護膜上に前記第１の配線が形成され、前記第１の電極パッド上の領域と前記第２の電極パッド上の領域を除いて第２の絶縁性保護膜が形成され、前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッド、および、前記第１の配線と前記第２の配線においては、前記圧電体膜が除去されており、前記第１の配線と前記第２の配線は、積層方向に重ならないで形成されていることを特徴とする圧電素子である。

すなわち、各電極パッドの上部の領域を除いて絶縁性保護膜で覆うことで、各電極パッドの周囲には絶縁性保護膜の側壁が形成され、隣接する電極パッドとの短絡を防止し、各電極パッド間の距離を縮小することが可能である。

また、各電極パッドに圧電体膜を含まない構造となっているため、各電極パッドにワイヤーボンディングを行うことによるクラックを抑制することや圧電体膜を挟むことにより各電極パッド自身に発生する静電容量を抑制することが可能である。

また、各振動腕の各電極の圧電体膜を挟む上下電極に対応する上下配線が、上下に重ならないように配置することにより、上下配線間に発生する静電容量を抑制させることが可能である。静電容量の発生を抑制することで、静電容量に起因したＳ／Ｎ比の信号劣化を抑制し、不要な信号を低減させて信号検出精度をより高めることが可能となる。従って、高信頼性であり小型化と高性能化が可能な角速度センサ素子、すなわち、圧電素子を提供することが可能となる。

本発明により、電極パッド部にワイヤーボンディングを行うことによるクラックや隣接する電極パッドとの短絡を防止し、配線間に発生する静電容量や電極パッド間に発生する静電容量を抑制させることにより、高信頼性であり小型化と高性能化が可能な圧電素子を提供することができる。

実施形態の角速度センサ素子の斜視図である。 図１のＡ−Ａ線で切ったときの断面図である。 図１の平面図である。 図３の領域Ｂにおける側面透過イメージ図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

図１は本実施形態の圧電素子である角速度センサ素子１の斜視図である。角速度センサ素子１は、Ｓｉからなる基板２をエッチングにより加工した形状となっており、振動腕である一対の駆動腕３と一対の検出腕４、そして基部５から構成されている。一対の駆動腕３と一対の検出腕４は、基部５を挟んで線対称な形状になっている。言い換えると、基部５を基点として、互いに、反対向きに長手方向に延伸している。

図１に示すように、一対の駆動腕３は、一対の駆動電極部６を備えた振動腕であり、この駆動腕３は直方体形状であって、略平行に２本並んで配置されている。また、一対の検出腕４は、振動を検出可能な一対の検出電極部７を備えた振動腕であり、この検出腕４は直方体形状であって、略平行に２本並んで配置されている。そして、基部５は、内外部との入出力用の５つの電極パッド８、１４、および、配線９、１６（図３）を備えており、図示しないパッケージに角速度センサ素子１を固定するための固着部である。

図３は、本実施形態である図１の平面図であり、配線については透過した様子を示している。図３のように、基部５には、内外部との入出力用の電極パッド８、１４、および、配線９、１６からなっている。角速度センサ素子１の小型化のために、電極パッドは５つ備えられており、４つの第１の電極パッドである上部電極パッド８と、１つの第２の電極パッドである下部電極パッド１４からなっている。

４本の振動腕の各電極部６、７と各電極パッド８、１４を電気的に接続する配線９、１６について説明する。４本の振動腕の上部電極である第２の電極１２と、それぞれ対応する４つの第１の電極パッドである上部電極パッド８が、第１の配線である上部配線９により接続されている。一方、４本の振動腕の下部電極である第１の電極１０と、１つの第２の電極パッドである下部電極パッド１４が、破線で示す第２の配線である下部配線１６により接続されている。平面的に見て、４本の上部配線９と４本の下部配線１６は上下に、すなわち、積層方向に、重ならないように配置されている。

図３より、１つの下部電極パッド１４は、４つの各振動電極の下部電極１０と共通して電気的に接続されており、同電位となり接地されるため、１つだけ設けられている。なお、上部電極パッド８と、下部電極パッド１４の、外部の電気回路との接続方法としては、例えばワイヤーボンディングで接続する方法がある。

図２は、図１や図３において、Ａ−Ａ線で切ったときの２本の駆動用の振動腕の部分の断面図である。図２のように、一対の駆動電極部６は、第１の電極である下部電極１０、圧電体膜１１、第２の電極である上部電極１２から構成されている。下部電極１０と上部電極１２はＰｔなどの導電膜からなっている。圧電体膜１１はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜からなっている。検出電極部７は駆動電極部６の構成と同じである。さらに、下部電極１０、圧電体膜１１、上部電極１２をコーティング樹脂からなる第１の絶縁性保護膜１３で覆っている。絶縁性保護膜１３の材質としては、絶縁性保護膜部材として用いられる材料であれば特に限定されるものではないが、中でもポリイミド樹脂が好ましい。絶縁保護膜材としてポリイミド樹脂は、一般的によく扱われているものであるが、フォトリソグラフィ工程でパターニングが可能であり、必要な箇所にだけ残すことが出来る。

次に、本実施形態の、４本の振動腕の各電極６、７と各電極パッド８、１４を電気的に接続する配線９、１６について詳細に説明する。図４は、本実施形態の角速度センサ素子１を、領域Ｂにおいて、側面から見た透過イメージ図であり、すなわち、図３のＸ軸方向から見た透過イメージ図であり、わかりやすく表現したものなので、詳細部については必ずしも正確ではない。図４においては、領域Ｂにおける、４本の振動腕のうちの検出電極部７と基部５の一部を例として用いて説明する。

図４によると、検出腕４の検出電極部７と、圧電体膜１１を挟んで下部電極１０と上部電極１２があり、延伸している下部電極１０を第１の絶縁性保護膜１３で覆い、第１の配線である上部配線９は第１の絶縁性保護膜１３上に形成されていて、上部電極１２からスルーホール１７で引き出した配線が上部配線９につながっている。

図４に示すように、検出電極部７を形成した後に、第１の絶縁性保護膜１３を形成すると同時にスルーホール１７が形成され、上部配線９を形成し、第１の絶縁性保護膜１３と同じ材料からなる第２の絶縁性保護膜１５を形成する。

図４より、基部５の領域について、検出電極部７の上部電極１２と下部電極１０が、配線９、１６を介して、基部５のパターニングされた電極パッド８、１４に接続されている。下部電極１０は、第２の配線である下部配線１６に接続され下部電極パッド１４に接続される。

図４より、第２の電極パッドである下部電極パッド１４の上部の領域は、外部と電気的に接続されるために絶縁性保護膜１３、１５では覆われない。図４において上部から、すなわち、Ｚ軸上方から見ると、下部電極パッド１４のある領域は穴が開いており、その穴の周囲を絶縁性保護膜１３、１５が側壁として囲っている。

図４より、第１の電極パッドである上部電極パッド８の上部の領域は、外部と電気的に接続されるために第２の絶縁性保護膜１５では覆われない。図４において上部から、すなわち、Ｚ軸上方から見ると、上部電極パッド８のある領域は穴が開いており、その穴の周囲を第２の絶縁性保護膜１５が側壁として囲っている。

なお、絶縁性保護膜１３、１５によって形成された側壁は、絶縁性保護膜１３、１５で電極パッド８、１４を抜いた構造であって、壁の高さは、1μｍから1０μｍ以内が好ましく形状や角度などは、特に限定されない。

このように、各電極パッド８、１４の上部の領域を除いて絶縁性保護膜で覆うことで、各電極パッドの周囲には絶縁性保護膜の側壁が形成され、たとえワイヤーボンディングで、はみ出しがあった場合でも隣接する電極パッドとの電気的な短絡は防止でき、各電極パッド間の距離を縮小することが可能となる。

図４より、各配線９、１６自身と各電極パッド８、１４自身が、圧電体膜１１を含まない構造となっている。これにより、圧電体膜１１を挟むことにより発生する自身の静電容量を抑制することが可能である。また、各電極パッド８、１４に圧電体膜１１を含まない構造となっているため、ワイヤーボンディングでの打痕によるマイクロクラックも発生しない。

本実施形態の具体的な配線は図３に示すようになっており、図４のイメージ図のような側面から見た構成をしている。従って、図３において、本実施形態においては、４本の振動腕の上部電極である第２の電極１２とそれぞれ対応する４つの上部電極パッド８を接続する第１の配線である上部配線９と、４本の振動腕の下部電極である第１の電極１０と１つの下部電極パッド１４を接続する第２の配線である下部配線１６は、図で平面的に見て、すなわち、Ｚ軸上方から見て、上下に、すなわち、積層方向に、重ならないように配置することが可能である。また、効率よく小さく配置させるために、４本の上部配線９は４つの上部電極パッド８に対し最短距離で配置させ、４本の下部配線１６は１つの下部電極パッド１４に対し基部５の内側にそれぞれ上部配線９と重ならないように１本につき２箇所曲げる点を設けて配線させている。

このように、上部配線９と下部配線１６が、上下に重ならないように配置することにより、上下配線が重なることにより発生する静電容量を抑制することが可能である。また、上下配線をコンパクトに配置することにより小型化を可能にしている。

従って、本実施形態のように、各電極パッド８、１４に圧電体膜１１を含まない構造にしたり、上下配線９、１６が、上下に重ならないように配置することにより、静電容量に起因したＳ／Ｎ比の信号劣化を抑制し、不要な信号を低減させて信号検出精度をより高めること、すなわち、高性能化が可能となる。また、各配線９、１６や各電極パッド８、１４において圧電膜を含まない構成としているので上下配線の取り回しに制約がなく、より小型化が可能となる。

また、図４において、上部配線９と下部配線１６の積層方向間に、第１の絶縁性保護膜１３を挟んで形成することにより各配線の取り回しスペースにゆとりが生まれ、自由度が増し、その分面積を小さくすることが可能となる。

本実施形態の角速度センサ素子１の形成工程について説明する。まず、シリコン（Ｓｉ）からなる円盤状のウェハである基板２上に、スパッタまたは蒸着により下部電極１０となる導電膜を約０．２μｍの膜厚となるように成膜し、引き続き圧電体１１となる膜厚約２．１μｍのＰＺＴを成膜する。この上に駆動電極６または検出電極７となる導電膜を約０．２μｍの膜厚となるように成膜する。その後、上記のように積層された薄膜をフォトリソグラフィー、エッチングにより所定のパターニングにより所望の形状にする。基部５上の圧電体膜は除去される。基板２の材料は、Ｓｉが好ましく、基板の膜厚はハンドリングが可能であればよく、特に限定はしない。

その後、スピンコートにより第１の絶縁性保護膜１３であるコーティング樹脂をフォトリソグラフィーにより所定のパターニング形成して乾燥させる。その後、上部配線９と上部電極パッド８をフォトリソグラフィーで所定のパターニング形成し、その面に導電膜をスパッタにて成膜した後リフトオフ工法により形成する。

図４の側面からのイメージ図によれば、下部電極１０と下部配線１６と下部電極パッド１４は同じ膜厚であって同じ層上に形成される。また、上部電極１２は、スルーホール１７を経て第１の絶縁性保護膜１３の上に上部配線９が検出電極部７の階段上の側面に沿って形成され、上部電極パッド８に接続される。図４の側面からのイメージ図によれば、第１の絶縁性保護膜１３を介して下部配線１６上に形成された上部配線９の平らな部分と上部電極パッド８は同じ膜厚であって同じ層上に形成される。

その後、スピンコートにより第２の絶縁性保護膜１５であるコーティング樹脂をフォトリソグラフィーにより所定のパターニング形成をして乾燥させる。外部との電気的接続部である電極パッド以外をコーティング樹脂で覆われることになる。電極パッドには絶縁性保護膜の側壁が形成される。その後、研削とエッチングおよびダイシングにて個片化を行い、角速度センサ素子１を得る。

本実施形態の構成によれば、各電極パッド８、１４の上部の領域を除いて絶縁性保護膜で覆うことで、各電極パッドの周囲には絶縁性保護膜の側壁が形成され、隣接する電極パッドとの短絡を防止し、各電極パッド間の距離を縮小することが可能である。また、各電極パッド８、１４に圧電体膜１１を含まない構造となっているため、各電極パッドにワイヤーボンディングを行うことによるクラックを抑制することや圧電体膜１１を挟むことにより自身に発生する静電容量を抑制することが可能である。また、各振動腕３、４の各電極６、７の圧電体膜１１を挟む上下電極１０、１２に対応する上下配線９、１６が、上下に重ならないように配置することにより、配線間に発生する静電容量を抑制させることが可能であり、上下配線９、１６の圧電膜が除去されているので上下配線の取り回しに制約がなく、より小型化が可能である。静電容量の発生を抑制することで、静電容量に起因したＳ／Ｎ比の信号劣化を抑制し、不要な信号を低減させて信号検出精度をより高めることが可能となる。従って、高信頼性であり小型化と高性能化が可能な角速度センサ素子、すなわち、圧電素子１を提供することが可能となる。

本発明に係わる圧電素子、すなわち、角速度センサは、自動車、カーナビゲーション、手ぶれ防止カメラ、等の物質の回転による角速度を検出する用途に利用できる。

１ 圧電素子（角速度センサ素子）
２ 基板
３ 駆動腕
４ 検出腕
５ 基部
６ 駆動電極部
７ 検出電極部
８ 上部電極パッド（第１の電極パッド）
９ 上部配線（第１の配線）
１０ 下部電極（第１の電極）
１１ 圧電体膜
１２ 上部電極（第２の電極）
１３ 第１の絶縁性保護膜
１４ 下部電極パッド（第２の電極パッド）
１５ 第２の絶縁性保護膜
１６ 下部配線（第２の配線）
１７ スルーホール

Claims (3)

1. 基部と、一対の振動腕を２組備えた４本の振動腕を備え、
   一対の前記振動腕と別の一対の前記振動腕は、前記基部を基点として、互いに、反対向きに長手方向に延伸しており、
   ４本の前記振動腕は、それぞれに電極部を備え、
   ４つの前記電極部は、それぞれに圧電体膜を挟んで、第１の電極と第２の電極から構成されており、
   前記基部は、５つの電極パッドを備え、
   ５つの前記電極パッドは、４つの第１の電極パッドと、接地された１つの第２の電極パッドから構成されており、
   ４つの前記第１の電極パッドは、４つの前記電極部のそれぞれの前記第１の電極に対応して、第１の配線を介して接続されており、
   １つの前記第２の電極パッドは、４つの前記電極部のそれぞれの前記第２の電極に対応して、第２の配線を介して接続されており、
   前記第２の電極パッドと前記第１の電極は同じ層に形成されており、
   前記第２の電極と前記第１の配線の端部は、スルーホールを介して接続されており、
   前記第２の電極パッド上の領域を除いて第１の絶縁性保護膜が形成され、
   前記第１の絶縁性保護膜上に前記第１の配線が形成され、
   前記第１の電極パッド上の領域と前記第２の電極パッド上の領域を除いて第２の絶縁性保護膜が形成され、
   前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッド、および、前記第１の配線と前記第２の配線においては、前記圧電体膜が除去されており、
   前記第１の配線と前記第２の配線は、積層方向に重ならないで形成されていることを特徴とする圧電素子。
2. ４本の前記第１の配線は４つの前記第１の電極パッドに対し最短距離で配置させ、４本の前記第２の配線は１つの前記第２の電極パッドに対しそれぞれ前記第１の配線と重ならないように１本につき２箇所曲げる点を設けて配線させることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. ４本の前記振動腕は、一対である２本の駆動用の振動腕と、一対である２本の検出用の振動腕であって、
   一対の前記駆動用の振動腕と一対の前記検出用の振動腕は、前記基部を基点として、互いに、反対向きに長手方向に延伸していることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の圧電素子。
   
   
   

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