JP2015099072A - 圧電センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな信号が得られる構造でありながら、構成が簡素かつ小型で、製造も容易な圧電センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】 圧電センサ１０は、振動腕部１１ａ，１１ｂ及び検出腕部１２ａ，１２ｂを備え、角速度センサとして動作する。振動腕部１１ａ，１１ｂは、電圧Ｖinによって分極方向であるｘ方向に屈曲振動し、外力Ｆｃによってｘ方向と垂直なｚ方向にも屈曲振動する。検出腕部１２ａ，１２ｂは、振動腕部１１ａ，１１ｂにそれぞれ設けられ、振動腕部１１ａ，１１ｂとともに屈曲振動し、ｚ方向に沿った分極方向を有し、ｚ方向の屈曲振動によって電圧Ｖoutを発生する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器などに用いられる圧電センサ及びその製造方法に関する。

圧電センサの一種として角速度センサ、特に音叉型角速度センサが知られている。この音叉型角速度センサは、例えば全体が水晶Ｚ板から形成され、Ｙ軸方向に延びる二本の振動腕を有している。これらの振動腕に所定の駆動電圧を与えると、ＸＹ平面内で各腕が逆相で振動する。このときＹ軸周りの回転が加わると、ＸＹ面内の振動とＹ軸周りの回転とによるコリオリ力が生じ、Ｚ軸方向の振動が加わる。一般的な音叉型角速度センサは、このＺ軸方向の振動を検知し、所定の信号処理を経て角速度を検出する（例えば特許文献１参照）。しかしながら、水晶Ｚ板から形成された音叉型角速度センサの場合、Ｚ軸方向は、水晶の分極方向ではないため、小さな圧電効果しか生じない。したがって、Ｚ軸方向に振動しても、電気的に得られる信号が非常に小さく、これが問題となっていた。

一方、特許文献２には、複合型ジャイロからなる角速度センサが開示されている。この角速度センサは、上記問題を解決するため、駆動用の音叉振動子と検出用の音叉振動子とを分離し、かつ駆動用にはＺ板水晶を用い、検知用にはＸ板水晶を用いている。駆動用と検知用は結合子で結合され、駆動用で発生したコリオリ力が検知用に伝達され、駆動用のＺ軸方向に検知用が振動をする。検知用は、Ｘ板を用いているため、駆動用のＺ軸方向が分極方向になっており、従来と異なり圧電定数が大きく、大きな電気信号を得ることができる。

特開平１０−１５３４３３号公報（図６等） 特開平７−２６０４８９号公報（図１等） 特開２０１１−２１７０３９号公報（図４等）

しかしながら、特許文献２の角速度センサでは、次のような問題があった。

同じ構造の音叉振動子が二個必要であり、構成が複雑化かつ大型化していた。また、漏れ振動を生じないように、結合子を用いて音叉振動子同士を固定することが難しかった。すなわち、製造が困難であった。

そこで、本発明の目的は、大きな信号が得られる構造でありながら、構成が簡素かつ小型で、製造も容易な圧電センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る圧電センサは、
電圧によって分極方向である第一の方向に屈曲振動し、外力によって前記第一の方向と垂直な第二の方向にも屈曲振動する振動腕部と、
この振動腕部に設けられ、当該振動腕部とともに屈曲振動し、前記第二の方向に沿った分極方向を有し、前記第二の方向の屈曲振動によって電圧を発生する検出腕部と、
を備えたものである。

本発明に係る圧電センサの製造方法は、
前記振動腕部が延設された基部と、
この基部、前記振動腕部及び前記検出腕部を囲むとともに前記基部に設けられた外枠と、
を更に備え、
前記振動腕部及び前記基部は、前記第一の方向にＸ軸を有する第一の水晶片からなり、
前記検出腕部は、前記第二の方向にＸ軸を有する第二の水晶片からなる、
本発明に係る圧電センサを製造する方法であって、
第一のウェハに、前記第一の水晶片と前記外枠とをウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第一工程と、
第二のウェハに、前記第二の水晶片前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第二工程と、
前記耐食膜が形成された前記第一及び第二のウェハをそれぞれの厚み方向に貼り合せる第三工程と、
前記貼り合わされた前記第一及び第二のウェハに対し前記ウェットエッチングを施すことにより、前記第一及び第二の水晶片及び前記外枠を形成する第四工程と、
を含む。

本発明によれば、検出腕部がその分極方向の屈曲振動による電圧を発生することにより大きな信号が得られるとともに、振動腕部に検出腕部が設けられることにより、結合子を用いて音叉振動子同士を固定する場合に比べて、構成が簡素かつ小型で製造も容易である。

実施形態１の圧電センサを示す斜視図である。 図１の圧電センサの表面を示す平面図である。 図１の圧電センサの表面側から透視した裏面を示す平面図である。 図２におけるIV−IV線断面図である。 図２におけるＶ−Ｖ線断面図である。 実施形態１の製造方法における第一工程及び第二工程を示す平面図であり、図６［Ａ］は上側ウェハ、図６［Ｂ］は中間ウェハ、図６［Ｃ］は下側ウェハである。 実施形態１の製造方法における第三工程を示す斜視図である。 実施形態１の製造方法における第四工程を示し、図８［Ａ］は平面図、図８［Ｂ］は底面図である。 実施形態１の製造方法のその後の工程によって得られるパッケージ組立て後の圧電センサを示す斜視図である。 実施形態２の圧電センサを示す斜視図である。 図１０の圧電センサの表面を示す平面図である。 図１０の圧電センサの表面側から透視した裏面を示す平面図である。 図１１におけるXIII−XIII線断面図である。 図１４［Ａ］は実施形態１における検出腕部の動作を示す断面図であり、図１４［Ｂ］は実施形態２における検出腕部の動作を示す断面図である。 実施形態２における第二工程及び第三工程を示す平面図であり、図１５［Ａ１］は第二上側ウェハ、図１５［Ａ２］は第一上側ウェハである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。なお、同一又は類似する構成については、「第一の水晶片２１」、「第二の水晶片２２」のように同一名称に対して互いに異なる番号を付して呼称することがある。この場合において、単に「水晶片２１」といい、これを区別しないことがある。

図１は、実施形態１の圧電センサを示す斜視図である。図２は、図１の圧電センサの表面を示す平面図である。図３は、図１の圧電センサの表面側から透視した裏面を示す平面図である。図４は、図２におけるIV−IV線断面図である。図５は、図２におけるＶ−Ｖ線断面図である。以下、これらの図面に基づき、実施形態１の圧電センサを説明する。

各図において、水晶の結晶軸をＸ，Ｙ，Ｚで示し、三次元座標をｘ，ｙ，ｚで示す。特許請求の範囲に記載の「第一の方向に屈曲振動する」とは、第一の方向への屈曲とその逆方向への屈曲とを交互に繰り返すことをいう。「第二の方向に屈曲振動する」についても同様である。「第一の方向」及び「第二の方向」は、本実施形態１ではそれぞれ「ｘ方向」及び「ｚ方向」に相当する。「分極方向」は圧電性及び逆圧電性が生じる方向（電気軸方向）であり、水晶の分極方向はＸ軸方向である。なお、以下の説明において、「第一」、「第二」などの序数詞は適宜省略する。

まず、図１に基づき、本実施形態１の基本的な構成を説明する。図１では、わかりやすくするために、電極等を省略している。

本実施形態１の圧電センサ１０は、振動腕部１１ａ，１１ｂ及び検出腕部１２ａ，１２ｂを備え、角速度センサとして動作する。振動腕部１１ａ，１１ｂは、電圧Ｖin（図４）によって分極方向であるｘ方向に屈曲振動し、外力Ｆｃによってｘ方向と垂直なｚ方向にも屈曲振動する。検出腕部１２ａ，１２ｂは、振動腕部１１ａ，１１ｂにそれぞれ設けられ、振動腕部１１ａ，１１ｂとともに屈曲振動し、ｚ方向に沿った分極方向を有し、ｚ方向の屈曲振動によって電圧Ｖout（図５）を発生する。

また、圧電センサ１０は、少なくとも水晶片２１，２２からなり、振動腕部１１ａ，１１ｂが延設された基部１３と、基部１３、振動腕部１１ａ，１１ｂ及び検出腕部１２ａ，１２ｂを囲むとともに基部１３に設けられた外枠１５と、を更に備えている。そして、振動腕部１１ａ，１１ｂ及び基部１３は、ｘ方向にＸ軸を有する第一の水晶片２１からなる。検出腕部１２ａ，１２ｂは、ｚ方向にＸ軸を有する第二の水晶片２２からなる。つまり、三次元座標のｘ，ｙ，ｚを、水晶片２１の結晶軸のＸ，Ｙ，Ｚに合せている。

外枠１５は、支持部１６で水晶片２１に接合され、キャビティ１７を介して水晶片２１，２２を囲む。支持部１６は、外枠１５の一部として形成され、四つのビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを有する。

次に、電極等を書き入れた図２乃至図５を加え、図１乃至図５に基づき圧電センサ１０の詳細な構成を説明する。図２及び図３では、わかりやすくするために、図１を部分的に拡大又は縮小して示している。また、図３では、表面の電極等を削除し、水晶片を透視した状態で、裏面の電極等を示している。

振動腕部１１ａ，１１ｂは、それぞれ棒状かつ直方体状であり、平板状の基部１３から延設されている。振動腕部１１ａ，１１ｂの長さ方向には、それぞれ溝部１４ａ，１４ｂが設けられている。溝部１４ａ，１４ｂは、振動腕部１１ａの表裏面に二本ずつ及び振動腕部１１ｂの表裏面に二本ずつ、基部１３との境界部分から振動腕部１１ａ，１１ｂの先端に向って、振動腕部１１ａ，１１ｂの長さ方向と平行に所定の長さで設けられる。なお、溝部１４ａ，１４ｂは、表裏面のどちらか一方にのみ設けてもよく、あるいは一本も設けなくてもよい。

振動腕部１１ａには、水晶片２１を挟んで対向する平面同士が同極となるように、両側面に励振電極３１ａが設けられ、表裏面の溝部１４ａの内側に励振電極３１ｂが設けられる。同様に、振動腕部１１ｂには、水晶片２１を挟んで対向する平面同士が同極となるように、両側面に励振電極３１ｂが設けられ、表裏面の溝部１４ｂの内側に励振電極３１ａが設けられる。したがって、振動腕部１１ａにおいては両側面に設けられた励振電極３１ａと溝部１４ａ内に設けられた励振電極３１ｂとが異極同士となり、振動腕部１１ｂにおいては両側面に設けられた励振電極３１ｂと溝部１４ｂ内に設けられた励振電極３１ａとが異極同士となる。励振電極３１ａと励振電極３１ｂとの間には、交流の電圧Ｖinが印加される。

検出腕部１２ａ，１２ｂは、それぞれ棒状かつ直方体状であり、振動腕部１１ａ，１１ｂの先端に設けられている。ただし、検出腕部１２ａ，１２ｂは、振動腕部１１ａ，１１ｂとともに屈曲振動する位置であれば、振動腕部１１ａ，１１ｂの中央付近や根元付近に設けてもよい。

検出腕部１２ａには、水晶片２２を挟んで対向する平面同士が同極となるように、表裏面に検出電極３１ｃが設けられ、両側面に検出電極３１ｄが設けられる。同様に、検出腕部１２ｂには、水晶片２２を挟んで対向する平面同士が同極となるように、表裏面に検出電極３１ｄが設けられ、両側面に検出電極３１ｃが設けられる。したがって、検出腕部１２ａにおいては表裏面に設けられた検出電極３１ｃと両側面に設けられた検出電極３１ｄとが異極同士となり、検出腕部１２ｂにおいては表裏面に設けられた検出電極３１ｄと両側面に設けられた検出電極３１ｃとが異極同士となる。検出電極３１ｃと検出電極３１ｄとの間からは、交流の電圧Ｖoutが出力される。なお、振動腕部１１ａ，１１ｂと同様に、検出腕部１２ａ，１２ｂの両側面に溝部を設け、それらの溝部の内側にそれぞれ検出電極３１ｃ，３１ｄを設けてもよい。

基部１３は、平面視略四角形の平板となっている。水晶片２１は、基部１３と振動腕部１１ａ，１１ｂとが一体となって音叉形状をなしている。基部１３の振動腕部１１ａ，１１ｂの反対側には、パッド電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが設けられている。パッド電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、ビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄに対応して設けられ、それぞれビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ内の導体を介して外部端子４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ（図９）と電気的に接続される。基部１３の振動腕部１１ａ，１１ｂ側には、電極同士を接続する配線３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ及びビア孔２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇが設けられている。ビア孔２６ａ，…は、内側に金属膜などの導体が形成されており、その導体によってビア孔２６ａ，…の上と下の電極等を電気的に接続する。

ビア孔２６ａ，２６ｂは、パッド電極３２ｂと溝部１４ａ内の励振電極３１ｂとを接続する。ビア孔２６ｃは、パッド電極３２ａと振動腕部１１ａ側面の励振電極３１ａとを接続する。ビア孔２６ｄ，２６ｅは、パッド電極３２ａと溝部１４ｂ内の励振電極３１ａとを接続する。ビア孔２６ｆは、検出腕部１２ａ表裏面の検出電極３１ｃと検出腕部１２ｂ両側面の検出電極３１ｃとを接続する。ビア孔２６ｇは、検出腕部１２ｂ表裏面の検出電極３１ｄと検出腕部１２ａ両側面の検出電極３１ｄとを接続する。

振動腕部１１ａ，１１ｂにも、ビア孔２６ｈ，２６ｉ，２６ｊ，２６ｋ，２６ｌ，２６ｍが設けられている。これらのうちビア孔２６ｈ，２６ｉ，２６ｊ，２６ｋは、それぞれ溝部１４ａ，１４ｂ内に設けられている。ビア孔２６ｈ，２６ｉは、表裏面の溝部１４ａ内の励振電極３１ｂ同士を接続する。ビア孔２６ｊ，２６ｋは、表裏面の溝部１４ｂ内の励振電極３１ａ同士を接続する。ビア孔２６ｌは、検出腕部１２ａ表裏面の検出電極３１ｃ同士を接続する。ビア孔２６ｍは、検出腕部１２ｂ表裏面の検出電極３１ｄ同士を接続する。

励振電極３１ａ，３１ｂ、検出電極３１ｃ，３１ｄ、パッド電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ及び配線３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ、ビア孔２５ａ，…，２６ａ，…内の導体は、全て同じ金属膜から形成される。なお、ビア孔２５ａ，…，２６ａ，…の代わりにボンディングワイヤを用いてもよい。ただし、ビア孔２５ａ，…，２６ａ，…を用いた場合は、製造工程を簡素化できる。なぜなら、ビア孔２５ａ，…，２６ａ，…は他のエッチング工程や電極膜形成工程で同時に形成できるからである。

次に、圧電センサ１０の動作について説明する。

振動腕部１１ａ，１１ｂを振動させる場合、パッド電極３２ａ，３２ｂに交流の電圧Ｖinを印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的に捉えると、振動腕部１１ａの表裏の溝部１４ａに設けられた励振電極３１ｂはプラス電位となり、振動腕部１１ａの両側面に設けられた励振電極３１ａはマイナス電位となり、プラスからマイナスに電界が生じる。このとき、振動腕部１１ｂの表裏の溝部１４ｂに設けられた励振電極３１ａはマイナス電位となり、振動腕部１１ｂの両側面に設けられた励振電極３１ｂはプラス電位となり、振動腕部１１ａに生じた極性とは反対の極性となり、プラスからマイナスに電界が生じる。この交流の電圧Ｖinで生じた電界によって、振動腕部１１ａ，１１ｂに伸縮現象が生じることにより、互いに逆相となる屈曲振動モードが得られる。このとき、振動腕部１１ａ，１１ｂが振動すると、振動腕部１１ａ，１１ｂの先端に設けられた検出腕部１２ａ，１２ｂも振動腕部１１ａ，１１ｂに付勢されて同じように振動する。

ここで、図１に示すように、屈曲振動によってｘ方向へ速度ｖで移動する質量ｍの検出腕部１２ａが、原点からｙ軸方向を見てｙ軸を中心に時計回りに角速度Ωで回転したとする。このとき、検出腕部１２ａはｚ方向のコリオリ力である外力Ｆｃ（Ｆｃ＝−２ｍΩ×ｖ）を受ける。同様に、このとき、屈曲振動によって−ｘ方向へ速度−ｖで移動する検出腕部１２ｂは、−ｚ方向のコリオリ力である外力−Ｆｃを受ける。したがって、検出腕部１２ａ，１２ｂは、±ｚ方向のコリオリ力を受けてｚ方向に互いに逆相で屈曲振動するとともに、ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２からなるので、圧電効果による電圧Ｖoutを出力する。これにより、電圧Ｖoutの値から角速度Ωの値を求めることができる。なお、このときの検出腕１２ａ，１２ｂの先端は、±ｙ方向から見て楕円を描くようにつまり±ｘ方向かつ±ｚ方向に振動する。

次に、圧電センサ１０の効果について説明する。

検出腕部１２ａ，１２ｂがその分極方向の屈曲振動による電圧を発生することにより大きな信号が得られるとともに、振動腕部１１ａ，１１ｂに検出腕部１２ａ，１２ｂが設けられることにより、結合子を用いて音叉振動子同士を固定する場合に比べて、構成が簡素かつ小型で製造も容易である。

次に、図６乃至図８に基づき、圧電センサ１０の製造方法の一例（以下「実施形態１の製造方法」という。）について説明する。

図６は実施形態１の製造方法における第一工程及び第二工程を示す平面図であり、図６［Ａ］は上側ウェハ、図６［Ｂ］は中間ウェハ、図６［Ｃ］は下側ウェハである。図７は、実施形態１の製造方法における第三工程を示す斜視図である。図８は実施形態１の製造方法における第四工程を示し、図８［Ａ］は平面図、図８［Ｂ］は底面図である。なお、圧電センサは、わかりやすくするために全ての図面で一個分のみを示すが、実際には一枚のウェハに多数個が形成され、最終工程で一個ずつに分離される。

本実施形態１の製造方法は、次の第一乃至第四工程を含む。以下の説明における水晶片２１，２２、外枠１５、支持部１６、キャビティ１７及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、図１及び図８に記載されている。

第一工程（図６［Ｂ］）；「第一のウェハ」としての中間ウェハ４１に、水晶片２１をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５１、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５１のパターンを形成する。

第二工程（図６［Ａ］）：「第二のウェハ」としての上側ウェハ４２に、水晶片２２をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５２、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５２のパターンを形成する。

第三工程（図７）：耐食膜５１，５５１が形成された中間ウェハ４１と耐食膜５２，５５２が形成された上側ウェハ４２とを、それぞれの厚み方向に貼り合せる。

第四工程（図８）：貼り合わされた中間ウェハ４１及び上側ウェハ４２に対しウェットエッチングを施すことにより、水晶片２１，２２及び外枠１５を形成する。

本実施形態１では、次の第五工程（図６［Ｃ］）を更に含む。第五工程（図６［Ｃ］）では、下側ウェハ４０に、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５０のパターンを形成する。そして、第三工程（図７）では、中間ウェハ４１の一方の面を上とし他方の面を下としたとき、中間ウェハ４１の上に上側ウェハ４２を貼り合せ、中間ウェハ４１の下に下側ウェハ４０を貼り合せる。第二工程（図６［Ａ］）で形成する耐食膜５５２のパターンには、支持部１６及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄをウェットエッチングで形成するための耐食膜のパターンも含まれる。

耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２は、拡散接合に用いられる接合膜を兼ねている。第三工程では、中間ウェハ４１と上側ウェハ４２とを耐食膜５１，５２，５５１，５５２を介して拡散接合により貼り合せ、中間ウェハ４１と下側ウェハ４０とを耐食膜５５１，５５０を介して拡散接合により貼り合せる。

第一乃至第五工程の順番は、第一、第二及び第五工程→第三工程→第四工程である。ただし、第一、第二及び第五工程は、どのような順番でもよく、同時でもよい。

次に、上記第一乃至第五工程について、更に詳しく説明する。

第一工程（図６［Ｂ］）について説明する。中間ウェハ４１は、Ｚ板と呼ばれる水晶ウェハである。耐食膜５１，５５１のパターンは、中間ウェハ４１の表裏で同じものを形成する。耐食膜５１のパターンと耐食膜５５１のパターンとは、電気的に絶縁するために、分離されている。耐食膜５１のパターンには、図示しないが、溝部１４ａ，１４ｂ（図４）を形成するためのエッチング抑制パターン（例えば特許文献３参照）、及び、ビア孔２６ａ，…を形成するためのパターンが含まれている。なお、水晶は、シリコンと酸素で構成される三方晶系の単結晶からなり、成長軸（光軸）をＺ軸とし、これと垂直に稜線を結ぶ三本の軸をＸ軸(電気軸)とし、これと直交する軸をＹ軸(機械軸)として表現される。それらの軸のウェットエッチング中のエッチング速度は、Ｚ＞Ｘ＞Ｙの順となる。

第二工程（図６［Ａ］）について説明する。上側ウェハ４２は、Ｘ板と呼ばれる水晶ウェハである。耐食膜５２、５５２のパターンは上側ウェハ４２の表裏で同じものを形成する。耐食膜５２のパターンと耐食膜５５２のパターンとは、電気的に絶縁するために、分離されている。

第五工程（図６［Ｃ］）について説明する。下側ウェハ４０も、中間ウェハ４１又は上側ウェハ４２と同じ水晶ウェハである。ただし、中間ウェハ４１でのエッチングの進行を表裏で均等にするために、下側ウェハ４０は上側ウェハ４２と同じＸ板を用いることが望ましい。同じ理由により、下側ウェハ４０は上側ウェハ４２よりも厚いＺ板を用いてもよい。なお、下側ウェハ４０は、圧電性が不要であるので、第三工程でエッチングされる材料であればよく、例えばガラス基板などを用いてもよい。耐食膜５５０のパターンは下側ウェハ４０の表裏で同じものを形成する。

第三工程（図７）について説明する。第三工程では、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０の貼り合せに、原子拡散接合法と呼ばれる拡散接合を用いる。この場合、耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２として例えばクロムを下地とした金を用い、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０に対して、所定のアライメントをした後、加熱しながら加圧することにより接合する。その結果、耐食膜５１と耐食膜５２とが接合され、耐食膜５１，５５１と耐食膜５５２とが接合され、耐食膜５５１と耐食膜５５０とが接合される。耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２のうち接合に用いられた部分の多くは、以後露出することが無いので、ウェットエッチングの耐食膜として用いられない。なお、ウェハの貼り合せ方法としては、拡散接合に代えて、接着剤や陽極酸化などの手法を用いることもできる。

第四工程（図８）について説明する。第四工程では、図７に示す上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０からなる積層体に対して、例えばバッファードフッ酸（ＨＦ＋ＮＨ４Ｆ）を用いてウェットエッチングを施す。これにより、耐食膜５１，５２，５５０，５５２で表裏を覆われていない部分の水晶ウェハが抜け落ち、図８に示すように水晶片２１，２２、外枠１５、支持部１６、キャビティ１７及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが形成される。外枠１５は、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０由来の三層構造からなり、素子搭載部材の枠部となる。中間ウェハ４１由来の水晶片２１は、上側ウェハ４２由来の支持部１６のみによって固定される。

また、第三工程（図７）と第四工程（図８）の間で、貼り合わされた上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０のうち、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０の少なくとも一方を研磨する工程を含めてもよい。更に、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０の少なくとも一方を消滅するまで研磨し、続いて中間ウェハ４１を研磨するようにしてもよい。この場合、その研磨された面に対して、必要に応じ、第四工程（図８）の前に耐食膜を成膜及びパターニングする。

次に、第四工程（図８）の後の工程について説明する。前述の図２乃至図５は、実施形態１の製造方法によって得られる電極形成後の圧電センサを示す。以下、図８及び図２乃至図５に基づき説明する。

第四工程の後に、露出している耐食膜５１，５２，５５０，５５２（図８）の全部又は一部をエッチングにより除去する。耐食膜の一部除去には、金属膜のパターニングを用いる。金属膜のパターニングとは、例えば、金属膜の全体を電着法やスプレー塗布などによりフォトレジスト膜で覆い、ステッパなどによりフォトレジスト膜を露光し、現像することによりフォトレジスト膜を部分的に残し、残ったフォトレジスト膜をマスクにして金属膜をエッチングにより除去することである。このとき、図８に示す平面及び底面以外の、側面のフォトレジスト膜の露光には、斜め露光などの手法を用いる。

例えば、パッド電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ（図２）となる領域の耐食膜５１は、ビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄとの導通を得るために残す必要がある。また、金のエッチングには例えばヨウ素とヨウ化カリウムの混合液を用い、クロムのエッチングには例えば硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸の混合液を用いる。

続いて、耐食膜５１，５２，５５０，５５２の全部又は一部が除去された水晶片２１，２２、外枠１５、支持部１６及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，…の全体に、電極となる金属膜（図示せず）をスパッタリングなどにより成膜する。金属膜は、例えばチタンの上にパラジウム又は金が設けられた二層構造である。その金属膜をパターニングすることにより、電極形成後の圧電センサ１０（図２乃至図５）が得られる。

電極形成後の圧電センサ１０は、その後の工程でパッケージが組み立てられる。図９は、実施形態１の製造方法によって得られるパッケージ組立て後の圧電センサを示す斜視図である。以下、この図面に基づき説明する。

この工程では、電極形成後の圧電センサ１０に対して、真空中又は不活性ガス雰囲気中で、下側ウェハ４０の下に素子搭載部材の基板部となる基板部ウェハ４３を貼り合せ、上側ウェハ４２の上に蓋部材となる蓋部材ウェハ４４を貼り合せる。これにより、圧電センサ１０は、基板部ウェハ４３と蓋部材ウェハ４４とによって挟持され気密化される。

基板部ウェハ４３及び蓋部材ウェハ４４は矩形平板状である。蓋部材ウェハ４４は、その内側にキャビティ用の凹部（図示せず）を有し、その二隅及び一辺に外部端子４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ並びに残りの二隅にダミー端子４５ｅ，４５ｆを有する。ビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄには、例えば銅などからなる埋込み電極（図示せず）が形成される。外部端子４５ａは、ビア孔２５ａの埋込み電極を介して、パッド電極３２ａ（図２）に電気的に接続される。同様に、外部端子４５ｂ，４５ｃ，４５ｄもそれぞれパッド電極３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ（図２）に電気的に接続される。なお、基板部ウェハ４３及び蓋部材ウェハ４４の貼り合せ方法は上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０を貼り合せた方法と異なっていてもよく、基板部ウェハ４３及び蓋部材ウェハ４４の材質もこれらのウェハと同じである必要はない。

最後に、蓋部材ウェハ４４、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１、下側ウェハ４０及び基板部ウェハ４３からなる積層体を、ダイシングなどの手法により一個ずつ分離することで、圧電センサ１０が完成する。

次に、本実施形態１の製造方法の作用及び効果について説明する。

（１）水晶ウェハに水晶片及び外枠を形成した後、この水晶ウェハを他のウェハに貼り合せる場合は、強度が弱くなった水晶ウェハを貼り合せのためにハンドリングするので、水晶ウェハの損傷を招くことになる。これに対し、本実施形態１では、その発想を逆転させ、耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２が形成された中間ウェハ４１、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０を貼り合せた後に、これらの貼り合された中間ウェハ４１、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０にウェットエッチングを施すことにより、水晶片２１，２２及び外枠１５を形成する。そのため、水晶片２１，２２と外枠１５とが一体的に形成された中間ウェハ４１を、貼り合せのためにハンドリングする必要がなくなり、これにより生産性及び歩留まりを向上できる。

（２）換言すると、水晶片２１や外枠１５が形成されて強度が低下した中間ウェハ４１を貼り合せる工程がない。そのため、水晶片２１，２２が形成される中間ウェハ４１を薄くしても、中間ウェハ４１の割れや反りが問題にならず、十分な強度を確保できる。したがって、水晶片２１，２２の厚みの薄い小型の圧電センサ１０を実現できる。

（３）下側ウェハ４０を用いた場合は、中間ウェハ４１を上側ウェハ４２とともに表裏から挟んでエッチングできるので、中間ウェハ４１に形成される水晶片２１のエッチングの進行を表裏で均等化できるとともに、基板部ウェハ４３と水晶片２１との空間を確保できるので、基板部ウェハ４３の形状を平板などに単純化できる。

（４）耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２が拡散接合に用いられる接合膜を兼ねる場合は、拡散接合に用いた接合膜をそのままウェットエッチングのマスクとして用いることができるので、製造工程を簡素化できる。

（５）貼り合せ後の中間ウェハ４１の強度が十分保たれていることから、貼り合せ後に上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０の少なくとも一方、又は更に中間ウェハ４１も研磨することにより、圧電センサ１０の厚みを薄くすることが可能である。

図１０は、実施形態２の圧電センサを示す斜視図である。図１１は、図１０の圧電センサの表面を示す平面図である。図１２は、図１０の圧電センサの表面側から透視した裏面を示す平面図である。図１３は、図１１におけるXIII−XIII線断面図である。以下、これらの図面に基づき、実施形態２の圧電センサを説明する。

本実施形態２の圧電センサ６０は、検出腕部１２ａ，１２ｂの構造が実施形態１と異なる。検出腕部１２ａはｚ方向に積層されるとともに互いに逆となる分極方向を有する第一層１２１ａ及び第二層１２２ｂを含み、検出腕部１２ｂはｚ方向に積層されるとともに互いに逆となる分極方向を有する第一層１２１ｂ及び第二層１２２ｂを含む。第一層１２１ａ，１２１ｂはｚ方向にＸ軸を有する第二の水晶片２２１からなり、第二層１２２ａ，１２２ｂは−ｚ方向にＸ軸を有する第三の水晶片２２２からなる。

図１４［Ａ］は実施形態１における検出腕部の動作を示す断面図であり、図１４［Ｂ］は実施形態２における検出腕部の動作を示す断面図である。以下、この図面に基づき、実施形態１、２における検出腕部の動作を説明する。

図１４［Ａ］に示すように、実施形態１における検出腕部１２ａはｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２からなる。そのため、例えばｚ方向の屈曲に対して、水晶片２２の縮む側ではｚ方向に正電荷かつ−ｚ方向に負電荷が生じ、水晶片２２の伸びる側ではｚ方向に負電荷かつ−ｚ方向に正電荷が生じる。したがって、ｚ方向に対向する一対の検出電極３１ｃが正電位となり、ｙ方向に対向する一対の検出電極３１ｄが負電位となるので、検出電極３１ｃ，３１ｄから電圧Ｖoutが取り出せる。ただし、このような分極は微視的な電気双極子が整列することで引き起こされているので、水晶片２２内で電荷が移動することはない。そのため、検出電極３１ｄでは、水晶片２２表面の線状に分布する負電荷しか利用できない。

これに対し、図１４［Ｂ］に示すように、本実施形態２における検出腕部１２ａは、ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２１と、−ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２２とが、ｚ方向に積層された構造からなる。そのため、例えばｚ方向の屈曲に対して、縮む側である水晶片２２２ではｚ方向に負電荷かつ−ｚ方向に正電荷が生じ、伸びる側である水晶片２２１ではｚ方向に負電荷かつ−ｚ方向に正電荷が生じる。したがって、検出電極３１ｃが負電位となり、検出電極３１ｄが正電位となるので、ｚ方向に互いに対向する検出電極３１ｃ，３１ｄのみから電圧Ｖoutが取り出せる。しかも、検出電極３１ｃでは面状に分布する負電荷を利用でき、検出電極３１ｄでも面状に分布する正電荷を利用できる。

次に、圧電センサ６０の効果について説明する。

検出腕部１２ａを構成する第一層１２１ａと第二層１２２ａとがｚ方向の屈曲振動に対して常に同一方向の電界を発生し、検出腕部１２ｂを構成する第一層１２１ｂと第二層１２２ｂとがｚ方向の屈曲振動に対して常に同一方向の電界を発生することにより、ｚ方向に二枚の検出電極３１ｃ，３１ｄを配置するだけで電圧Ｖoutを取り出せるので、配線を簡素化できる。具体的には、本実施形態２では、実施形態１で必要であった、検出腕部の両側面の検出電極と、検出腕部の表裏面の検出電極を導通させるためのビア孔とが不要となる。

また、検出電極３１ｃ，３１ｄでは面状に分布する電荷を利用できるので、圧電センサ６０の検出感度及び検出精度を向上できる。なぜなら、圧電センサ６０が利用できる電荷量が大きいほど、その検出感度及び検出精度が向上するからである。なお、電圧Ｖoutは入力した電荷量をチャージアンプなどで電圧に変換したものとしてもよい。

次に、図１５及び図６乃至図８に基づき、圧電センサ６０の製造方法の一例（以下「実施形態２の製造方法」という。）について説明する。

本実施形態２の製造方法は、図６乃至図８における上側ウェハ４２の代わりに第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２を用いる点のみが実施形態１と異なる。そこで、図６乃至図８を流用して、本実施形態２の製造方法を説明する。図１５は実施形態２の製造方法における第二工程及び第三工程を示す平面図であり、図１５［Ａ１］は第二上側ウェハ、図１５［Ａ２］は第一上側ウェハである。図６は実施形態２の製造方法における第一工程及び第六工程を示す平面図であり、図６［Ｂ］は中間ウェハ、図６［Ｃ］は下側ウェハである。図７は、実施形態２の製造方法における第四工程を示す斜視図である。図８は実施形態２の製造方法における第五工程を示し、図８［Ａ］は平面図、図８［Ｂ］は底面図である。

本実施形態２の製造方法は、次の第一乃至第五工程を含む。以下の説明における水晶片２１，２２１，２２２及び外枠１５は、図１０に記載されている。

第一工程（図６［Ｂ］）；「第一のウェハ」としての中間ウェハ４１に、水晶片２１をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５１、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５１のパターンを形成する。

第二工程（図１５［Ａ２］）：「第二のウェハ」としての第一上側ウェハ４２１に、水晶片２２１をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５２１、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５２ａのパターンを形成する。

第三工程（図１５［Ａ１］）：「第三のウェハ」としての第二上側ウェハ４２２に、水晶片２２２をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５２２、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５２ｂのパターンを形成する。

第四工程（図７）：耐食膜５１，５５１が形成された中間ウェハ４１と耐食膜５２１，５５２ａが形成された第一上側ウェハ４２１とを、耐食膜５２１，５５２ａが形成された第一上側ウェハ４２１と耐食膜５２２，５５２ｂが形成された第二上側ウェハ４２２とを、それぞれの厚み方向に貼り合せる。

第五工程（図８）：貼り合わされた中間ウェハ４１、第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２に対しウェットエッチングを施すことにより、水晶片２１，２２１，２２２及び外枠１５を形成する。

本実施形態２では、次の第六工程（図６［Ｃ］）を更に含む。第六工程（図６［Ｃ］）では、下側ウェハ４０に、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５０のパターンを形成する。第二工程（図１５［Ａ１］）及び第三工程（図１５［Ａ２］）で使用する第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２は、どちらもＸ板と呼ばれる水晶ウェハである。だだし、第四工程（図７）では、第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２のＸ軸が互いに逆になるように貼り合せる。

本実施形態２の製造方法は、図６乃至図９において上側ウェハ４２が第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２に置き換わり、水晶片２２が水晶片２２１，２２２に置き換わった点を除き、実施形態１の製造方法と同様である。

本実施形態２の製造方法によれば、実施形態１の製造方法における上側ウェハ４２を第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２に置き換えるだけでよいので、実施形態１の製造方法とほぼ同じ工数で圧電センサ６０を製造できる。

本実施形態２のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。

以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合せたものも含まれる。

例えば、各実施形態における検出電極３１ｃ，３１ｄに駆動用の電圧Ｖinを印加すると、検出腕部１２ａ，１２ｂが振動腕部として動作し、振動腕部１１ａ，１１ｂが検出腕部として動作することにより、励振電極３１ａ，３１ｂから検出用の電圧Ｖoutを出力する圧電センサとなる。つまり、検出電極３１ｃ，３１ｄに電圧Ｖinを印加すると、検出腕部１２ａ，１２ｂはｚ方向に互いに逆相で屈曲振動を始める。これに伴い、検出腕部１２ａ，１２ｂに固定されている振動腕部１１ａ，１１ｂも、ｚ方向に互いに逆相で屈曲振動を始める。このとき、振動腕部１１ａ，１１ｂが図１や図１０に示す角速度Ωで回転すると、±ｘ方向の外力Ｆｃが振動腕部１１ａ，１１ｂに加わる。したがって、振動腕部１１ａ，１１ｂは、±ｘ方向のコリオリ力を受けてｘ方向に互いに逆相で屈曲振動するとともに、ｘ方向にＸ軸を有する水晶片２１からなるので、圧電効果による電圧Ｖoutを出力する。これにより、電圧Ｖoutの値から角速度Ωの値を求めることができる。このような圧電センサも本発明に含まれる。

本発明は、水晶やセラミックスなどの圧電材料からなる圧電センサに利用可能である。

１０，６０ 圧電センサ
１１ａ，１１ｂ 振動腕部
１２ａ，１２ｂ 検出腕部
１２１ａ，１２１ｂ 第一層
１２２ａ，１２２ｂ 第二層
１３ 基部
１４ａ，１４ｂ 溝部
１５ 外枠
１６ 支持部
１７ キャビティ
２１ 水晶片（第一の水晶片）
２２ 水晶片（第二の水晶片）
２２１ 水晶片（第二の水晶片）
２２２ 水晶片（第三の水晶片）
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ ビア孔
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉ，２６ｊ，２６ｋ，２６ｌ，２６ｍ ビア孔
３１ａ，３１ｂ 励振電極
３１ｃ，３１ｄ 検出電極
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ パッド電極
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 配線
４０ 下側ウェハ
４１ 中間ウェハ（第一のウェハ）
４２ 上側ウェハ（第二のウェハ）
４２１ 第一上側ウェハ（第二のウェハ）
４２２ 第二上側ウェハ（第三のウェハ）
４３ 基板部ウェハ
４４ 蓋部材ウェハ
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ 外部端子
４５ｅ，４５ｆ ダミー端子
５１，５２，５２１，５２２，５５０，５５１，５５２，５５２ａ，５５２ｂ 耐食膜

Claims (6)

1. 電圧によって分極方向である第一の方向に屈曲振動し、外力によって前記第一の方向と垂直な第二の方向にも屈曲振動する振動腕部と、
   この振動腕部に設けられ、当該振動腕部とともに屈曲振動し、前記第二の方向に沿った分極方向を有し、前記第二の方向の屈曲振動によって電圧を発生する検出腕部と、
   を備えた圧電センサ。
2. 前記振動腕部が延設された基部と、
   この基部、前記振動腕部及び前記検出腕部を囲むとともに前記基部に設けられた外枠と、
   を更に備え、
   前記振動腕部及び前記基部は、前記第一の方向にＸ軸を有する第一の水晶片からなり、
   前記検出腕部は、前記第二の方向にＸ軸を有する第二の水晶片からなる、
   請求項１記載の圧電センサ。
3. 前記検出腕部は、前記第二の方向に積層されるとともに互いに逆となる分極方向を有する第一層及び第二層を含む、
   請求項１記載の圧電センサ。
4. 前記振動腕部が延設された基部と、
   この基部、前記振動腕部及び前記検出腕部を囲むとともに前記基部に設けられた外枠と、
   を更に備え、
   前記振動腕部及び前記基部は、前記第一の方向にＸ軸を有する第一の水晶片からなり、
   前記第一層は、前記第二の方向にＸ軸及び−Ｘ軸のどちらか一方を有する第二の水晶片からなり、
   前記第二層は、前記第二の方向にＸ軸及び−Ｘ軸のどちらか他方を有する第三の水晶片からなる、
   請求項３記載の圧電センサ。
5. 請求項２記載の圧電センサを製造する方法であって、
   第一のウェハに、前記第一の水晶片と前記外枠とをウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第一工程と、
   第二のウェハに、前記第二の水晶片と前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第二工程と、
   前記耐食膜が形成された前記第一及び第二のウェハをそれぞれの厚み方向に貼り合せる第三工程と、
   前記貼り合わされた前記第一及び第二のウェハに対し前記ウェットエッチングを施すことにより、前記第一及び第二の水晶片及び前記外枠を形成する第四工程と、
   を含む圧電センサの製造方法。
6. 請求項４記載の圧電センサを製造する方法であって、
   第一のウェハに、前記第一の水晶片と前記外枠とをウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第一工程と、
   第二のウェハに、前記第二の水晶片と前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第二工程と、
   第三のウェハに、前記第三の水晶片と前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第三工程と、
   前記耐食膜が形成された前記第一、第二及び第三のウェハをそれぞれの厚み方向に貼り合せる第四工程と、
   前記貼り合わされた前記第一、第二及び第三のウェハに対し前記ウェットエッチングを施すことにより、前記第一、第二及び第三の水晶片及び前記外枠を形成する第五工程と、
   を含む圧電センサの製造方法。

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