JP5030135B2

JP5030135B2 - 圧電単結晶振動子および圧電振動ジャイロ

Info

Publication number: JP5030135B2
Application number: JP2006195548A
Authority: JP
Inventors: 幸一岡本; 浩一習田; 亜希子大島; 豪水野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: JP2008026018A

Description

本発明は、圧電単結晶材料を用いた圧電単結晶振動子およびそれを用いて構成された圧電振動ジャイロに関するもので、特に圧電単結晶振動子の構造および実装方法に関するものである。

圧電振動子は、センサ、発振器、表面弾性波フィルタ、超音波モータ、音響素子、トランスなど、幅広い分野に用いられている。圧電振動子に用いられる圧電材料の中でも、特に圧電単結晶材料は、一般に機械的品質係数（以下、Ｑｍと表す）が高く、温度変化に対する特性変化が小さく、材料が均一で信頼性が高く、材料の量産性が優れている等の特徴があり、特にセンサ、発振器、表面弾性波フィルタなど、電子部品向けの振動子としてよく用いられている。

これらの圧電単結晶材料を用いた圧電振動子を大量生産する場合の一例として、以下のような製法が用いられる。まず、圧電単結晶のウエハーに電極となる金属薄膜をスパッタや真空蒸着等で成膜し、いわゆるフォトリソグラフでレジストをパターニングした後、金属薄膜をエッチングして電極パターンを形成する。その後、再びフォトリソグラフでレジストをパターニングして、圧電単結晶をエッチング処理したり、またはサンドブラストで研削したりして所望の振動子形状に加工し、最後にダイシングソーで振動子を個片に切り分けることで、１枚のウエハーから多数の圧電単結晶振動子を得ている。

携帯電話、携帯オーディオ、デジタルカメラなどの携帯機器の市場が益々大きくなっていく中で、それに使用される電子部品の小型化、高機能化、低コスト化が強く要求されている。圧電単結晶振動子を用いた電子部品の場合、圧電単結晶振動子の振動を阻害することなく圧電単結晶振動子を回路基板上に固定し、かつ所望の機能を働かせるために圧電単結晶振動子と回路基板を電気的に接続する実装手段が必要となる。これらの圧電単結晶振動子を信号処理回路が配線された回路基板に実装する方法として、ワイヤーボンディング法、ＧＧＩ法（Gold to Gold Interconnection）、あるいは導電接着剤を用いた方法があり、これらの方法で実装配線し、最後に封止して製品としている。

特許文献１には、ワイヤーボンディング法により接続された圧電デバイスの例が開示されている。

また、特許文献２には、電極とＩＣチップとをＧＧＩ法により電気的に接続した磁気センサの例が開示されている。

また、特許文献３には、電極と圧電基板とを導電接着剤を用いて接着した表面弾性波フィルタの例が開示されている。

特開２００５−０９４４６１号公報特開２００５−００３４７７号公報特開平１１−２５１８６７号公報

特許文献１に開示されているワイヤーボンディング法を使用する場合、圧電単結晶振動子を回路基板に接着剤で固定し、圧電単結晶振動子の電極と回路基板の電極とにワイヤーを引き回して電気的な接続を取る際、ワイヤーを引き回すための空間が必要となり、また圧電単結晶振動子の電極と回路基板の電極との距離がある程度必要といった問題があり、小型化に不利であった。また、実装が接着固定、配線と２段階の工程となるので製造コストが高くなってしまうという問題もあった。

特許文献２に開示しているＧＧＩ法を使用する場合、固定と電気的接続を同時にできるが、金（Ａｕ）を使用するために材料コストの高騰、さらにＧＧＩ法だけでは接続強度が不足するため、一般的に補強のためのシリコーン等によるアンダーフィル材が必要となり、そのために材料コスト、製造コストが高くなってしまうという問題もあった。

また、特許文献３に開示している導電接着剤を用いた場合、固定と電気的接続が同時にできるので製造コストを抑えることができ、また金（Ａｕ）よりも価格的に安い銀（Ａｇ）を一般的に用いるので、材料コストも抑えることができ、接着強度を確保しながら接着剤塗布面積を小さくすれば製品の小型化にも対応が可能となる。このように、ワイヤボンディング法やＧＧＩ法と比較して、導電接着剤を使用する方法は、あらゆる面で有利な実装方法といえる。

圧電単結晶振動子の場合、前述の通りエッチングやサンドブラストにより、複雑な形状の振動子を製造することができるので、より高機能な振動子を得ることが可能となる。しかしながら、小型で、かつ複雑な形状の圧電単結晶振動子に電極を形成する場合、配線上の制約が生じてしまい、駆動効率の良い電極配置や圧電効果を検出する為の電極配置が、必ずしもできないという問題があった。また、複雑な構造がゆえに、電極端子の数が増えてしまい、そのために組立工数が増え、製造コストがかかるといった問題もあった。

本発明は、従来の課題を解決すべくなされたもので、圧電単結晶振動子の実装信頼性を確保しつつ、小型、低コストな圧電単結晶振動子およびこの圧電単結晶振動子を用いて構成された圧電振動ジャイロを提供することにある。

本発明は、前記課題の解決のため、圧電単結晶材料から成る矩形状板に、枠体と前記枠体に両端が支持されてなる第１のアーム部と前記第１のアーム部と交差し形成される第２のアーム部と前記第２のアーム部に保持される振動部である４つの付加質量部を設け、前記矩形状板の表面または裏面に一方向に振動させる駆動電極と角速度を検出する検出電極を形成し、導電接着剤によって、回路基板と電気的に導通するとともに機械的に固定し、２軸の角速度を検出する圧電単結晶振動子であって、前記矩形状板の中央部に駆動電極または検出電極を直接形成し、前記矩形状板に直接形成された駆動電極または検出電極の部分に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上に新たに駆動電極または検出電極を形成し、前記絶縁膜を介して、前記第１のアーム部から一方の側に延びる前記第２のアーム部に形成された駆動電極または検出電極と、前記第１のアーム部から他方の側に延びる前記第２のアーム部に形成された駆動電極または検出電極の少なくとも２本を接続して、１本の電極配線と成したことを特徴とする圧電単結晶振動子である。

また、絶縁膜は、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ポリイミド、フォトレジストから選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする圧電単結晶振動子である。

さらに、圧電単結晶振動子を用いて構成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロである。

従って、本発明によれば、圧電単結晶振動子の実装信頼性を確保しつつ、小型、低コストな圧電単結晶振動子およびこの圧電単結晶振動子を用いて構成された圧電振動ジャイロを得ることができる。

図１は本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の絶縁膜が形成されている中央部近傍の拡大図である。図１（ａ）は絶縁膜形成前の電極の配線図、図１（ｂ）は絶縁膜および絶縁膜形成後に新たに形成した電極の配線図を示し、また図１０は、従来の絶縁膜がない場合の電極の配線図である。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。４つのアーム部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがつながっている中央部に、検出電極１５、１６、１７、１８および基準電位電極１９を覆い隠すように絶縁膜２０が形成されている。その絶縁膜２０上に駆動電極１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂが形成されており、各々の電極は電気的に絶縁されている。

また、絶縁膜２０の材質は、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ポリイミド、フォトレジストのいずれかであることが好適であるが、これらに限らず、絶縁性のある材質であれば使用可能である。

図２は、本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の外形を示した上面図である。図３は、本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の上面の電極配置図および絶縁膜の配置を示した図である。この圧電単結晶振動子は、２軸の角速度が検出可能な圧電振動ジャイロとなっている。以下、説明の便宜上、図２、図３に示したように、圧電単結晶振動子の厚み方向をＸ軸、図面上の縦方向をＹ軸、図面上の横方向をＺ軸とする。

圧電単結晶振動子１は、矩形状板に貫通加工をして、矩形状板の一部を打ち抜くことにより、内部に振動部である４つの付加質量部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを保持する構造体が一体物として形成されている。また、圧電単結晶振動子１は、圧電振動ジャイロとして機能させるための電極、および振動効率および検出効率を向上させるための電極が形成されている。図３の上面の電極配置図より、駆動電極１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、検出電極１５、１６、１７、１８、基準電位電極１９が形成されている。さらに、図２に示した４つのアーム部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがつながっている中央部に、検出電極１５、１６、１７、１８および基準電位電極１９を覆い隠すように絶縁膜２０が形成されている。その絶縁膜２０上に駆動電極１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂが形成されており、各々の電極は電気的に絶縁されている。

この圧電単結晶振動子の製造プロセスの一例を説明する。圧電単結晶材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト、酸化亜鉛のいずれかが用いられる。これらのウエハーに電極としてＣｒを下地としてＡｕをスパッタもしくは真空蒸着で成膜する。次に、フォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成し、エッチングによりＡｕおよびＣｒを除去し、さらにレジストを除去して、検出電極１５、１６、１７、１８、基準電位電極１９を形成する。

次に、絶縁膜形成においては、直接印刷するか、もしくはスパッタ、真空蒸着、ＣＶＤ（化学的気相成長法）によって成膜後、フォトリソグラフとエッチングによって形成される。その後再びＣｒを下地としてＡｕをスパッタもしくは真空蒸着で成膜し、フォトリソグラフによりレジストパターンを形成して、エッチングによりＡｕおよびＣｒを除去し、さらにレジストを除去して駆動電極１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを形成する。その次に、フォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成し、エッチンドもしくはサンドブラストによって貫通加工を行い、レジストを除去して圧電単結晶振動子１が得られる。こうして得られた圧電単結晶振動子１は、回路基板（図示せず）に導電接着剤で固定かつ電気的接続をとって実装される。

この状態で、駆動電極１３ａと１４ａとの間に交流電圧を印加すると、付加質量部１１ａおよび１１ｃがＸ軸方向に振動し、それとは逆位相に付加質量部１１ｂおよび１１ｄがＸ軸方向に振動する。この振動状態でＺ軸まわりに回転角速度が印加されるとコリオリ力により、Ｙ軸方向の振動が励振されるので、検出電極１５、１６から電気的に検出することができる。Ｙ軸まわりに回転角速度が印加されるとＺ軸方向の振動が励振されるので、検出電極１７、１８から電気的に検出することができる。これらの検出信号を信号処理して出力することで、２軸の角速度が検出できる圧電振動ジャイロを得ることができる。

図３より、駆動電極１３ａと１３ｂは絶縁膜２０を介して１本に導通しているので、外部電気回路との接続は１カ所で済ませることができる。同様に駆動電極１４ａと１４ｂも絶縁膜２０を介して１本に導通しているので、外部電気回路との接続は１カ所で済ませることができる。もし絶縁膜２０がない場合、駆動電極１３ａ、１３ｂと電位の異なる検出電極１５、１８および基準電位電極１９が間に配線されているために、図１０に示すように、駆動電極１３ａと１３ｂは各々独立に配線および外部電気回路との接続しなければならなくなり、組立コストが増えることになる。

同様の理由で、駆動電極１４ａと１４ｂについても外部電気回路との接続は１ヶ所で済ませることができるが、絶縁膜２０がない場合、電位の異なる検出電極１６、１７および基準電位電極１９が間に配線されているために、図１０に示すように、駆動電極１４ａと１４ｂは各々独立に配線および外部電気回路との接続しなければならなく、組立コストが増えることになる。

本発明の場合、絶縁膜２０を形成するコストが新たに発生するが、絶縁膜２０はウエハー単位で形成することができるので、圧電単結晶振動子１個あたりのコストは低く抑えることができる。一方、接続のための組立は、圧電単結晶振動子１個ずつしか処理できない為、接続数分だけコストが増えることになる。本発明の場合、絶縁膜を形成するコスト増加分より接続数を減らすことによるコスト削減分の方が大きいので、トータルコストを下げつつ、２軸の角速度が検出できる圧電振動ジャイロを得ることができる。

次に、実施例を挙げ、本発明の圧電単結晶振動子および圧電振動ジャイロについて、さらに詳しく説明する。

図４は、本発明の実施例に係わる圧電単結晶振動子の外形を示した上面図であり、図５は、本発明の実施例に係わる表面の電極および絶縁膜の配置完成図であり、図６、図７、図８は、順に電極および絶縁膜を形成していく過程を示した図である。図６は、下層の電極および絶縁膜の分解図であり、図６（ａ）は下層の電極の配置図、図６（ｂ）は絶縁膜の配置図である。図７は下層の電極および絶縁膜の配置図、図８は上層の電極の配置図である。図９は、本発明の実施例に係わる裏面の電極の配置図である。この圧電単結晶振動子は、２軸の角速度が検出可能な圧電振動ジャイロとなっている。以下、説明の便宜上、図示したように圧電単結晶振動子の厚み方向をＸ軸、図面上の縦方向をＹ軸、図面上の横方向をＺ軸とする。

この圧電単結晶振動子の製造プロセスを簡単に説明する。圧電単結晶材料としてニオブ酸リチウムを用い、外形寸法が２．７ｍｍ×４．７ｍｍ×厚み０．２５ｍｍ、各付加質量部大きさが０．８ｍｍ×０．８ｍｍとなる図４の形状の圧電単結晶振動子２を作製した。圧電単結晶振動子２は、矩形状板に貫通加工をして、矩形状板の一部を打ち抜くことにより、内部に振動部である４つの付加質量部３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを保持する構造体が一体物として形成されている。

これらのウエハーに、電極としてＣｒを、下地としてＡｕをスパッタにより成膜した。次に、フォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成し、エッチングによりＡｕおよびＣｒを除去し、さらにレジストを除去して、図６（ａ）に示した検出電極３６および検出電極３７ａを形成した。次に、４つのアーム部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ上には絶縁膜３８をスパッタによって成膜後、フォトリソグラフとエッチングによって、図６（ｂ）に示した絶縁膜パターンを形成した。このパターンには、絶縁膜の開口部３９ａ、３９ｂが設けてある。この結果、図７に示したように、絶縁膜の開口部３９ａ、３９ｂから検出電極３７ａが露出し、その露出部は接続部４０ａ、４０ｂとなる。検出電極３６および検出電極３７ａと同様のプロセスで、図８に示した検出電極３５ａ、３５ｂ、検出電極３７ｂ、３７ｃを含む上層の電極パターンを絶縁膜３８上に形成して、最終的に図５のような電極および絶縁膜が完成した。絶縁膜には厚み４μｍのポリイミド膜を用いた。

この時、検出電極３７ｂ上の接続部４０ｃと検出電極３７ａ上の接続部４０ａとが、また検出電極３７ｃ上の接続部４０ｄと検出電極３７ａ上の接続部４０ｂとが各々電気的に接続され、その結果、検出電極３５ａ、３５ｂと検出電極３７ａは同電位となる。

次に、裏面に表面の電極形成と同様のプロセスで図９に示した駆動電極３３、３４を形成する。こうして表裏両面の電極および絶縁層が形成された後、フォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成し、エッチングもしくはサンドブラストによって貫通加工を行い、レジストを除去して圧電単結晶振動子２が得られた。

この圧電単結晶振動子２の圧電振動ジャイロとして機能させるための電極として、駆動電極３３、３４、検出電極３５ａ、３５ｂ、３６、３７ａが形成されている。４つのアーム部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ上には、絶縁膜３８が形成されており、アーム部上の検出電極３５ａ、３５ｂと検出電極３６および検出電極３７ａは絶縁膜３８によって絶縁されている。

こうして得られた圧電単結晶振動子２は、パッケージに導電接着剤で固定かつ電気的接続をとって実装される。この状態で、図９の駆動電極３３と３４に交流電圧を印加すると、付加質量部３１ａおよび３１ｃがＸ軸方向に振動し、それとは逆位相に、３１ｂおよび３１ｄがＸ軸方向に振動する。この振動状態でＺ軸まわりに回転角速度が印加されるとコリオリ力により、Ｙ軸方向の振動が励振されるので、アーム部３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈに電荷が発生し検出電極３５ａ、３５ｂと検出電極３７ｂ、３７ｃに電位差が生じるので、電気的に検出することができる。また、Ｙ軸まわりに回転角速度が印加されるとＺ軸方向の振動が励振されるので、アーム部３２ｂおよび３２ｄに電荷が発生し検出電極３６と検出電極３７ａに電位差が生じるので、電気的に検出することができる。これらの検出信号を信号処理して出力することで、２軸の角速度が検出できる圧電振動ジャイロを得ることができる。

この圧電単結晶振動子に１．５Ｖｐｐ（ピークトゥーピーク）で駆動した場合、Ｘ軸方向の振動の共振周波数はおよそ２０ｋＨｚとなり、圧電振動ジャイロとしての感度は、信号処理回路の増幅率が２００倍の時でＹ軸回りの回転角速度およびＺ軸回りの回転角速度共におよそ０．５ｍＶ／゜／秒が得られ、１つの圧電単結晶振動子で、２軸の角速度が検出可能となった。

本発明の場合、絶縁膜３８を介して、同電位である検出電極３７ａと検出電極３７ｂが接続部４０ｃ（４０ａ）と接続され、また同電位である検出電極３７ａと検出電極３７ｃが接続部４０ｄ（４０ｂ）と接続され、各々１本に導通されている。このように、絶縁膜３８があるために、検出電極３５ａ、３５ｂ、３６、３７ａがアーム部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ上を電気的に独立に配線することができ、かつ角速度を検出ための必要な電極を形成することができた。もし絶縁膜３８がない場合、図５に示すような配線構造は不可能であり、もし２軸の角速度を検出したい場合は、左側半分をＹ軸検出用の電極、右側半分をＺ軸検出用の電極と分けて形成するしかない。その結果、検出効率が悪く、ジャイロの感度は前述と同じ回路条件で、Ｙ軸回りの回転角速度およびＺ軸回りの回転角速度共におよそ０．２５ｍＶ／゜／秒となり、前述の半分と低くなってしまう。本発明の場合は、Ｙ軸検出用電極、Ｚ軸検出用電極各々全てのアーム部上に配線しているので、前述の絶縁膜３８がない場合と比較して２倍の効率で検出することができ、ジャイロの感度も２倍の０．５ｍＶ／゜／秒の感度となり、高感度なジャイロを得ることができた。

外部電気回路との接続数は、検出電極が３５ａと３５ｂと分かれて増えているが、検出電極３７ａはＹ軸角速度検出用とＺ軸角速度検出用と兼用しており、またこの電極形成の場合は基準電位電極を設ける必要がないので、トータルの接続数は減らすことができた。絶縁膜３８を新たに形成するコストが発生するが、接続数を減らしたことによるコスト削減の方が大きいので、トータルコストも下げることができた。

本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の絶縁膜が形成されている中央部近傍の拡大図。図１（ａ）は絶縁膜形成前の電極の配線図。図１（ｂ）は絶縁膜および絶縁膜形成後に新たに形成した電極の配線図。本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の外形を示した上面図。本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の上面の電極配置図および絶縁膜の配置を示した図。本発明の実施例に係わる圧電単結晶振動子の外形を示した上面図。本発明の実施例に係わる表面の電極および絶縁膜の配置完成図。下層の電極および絶縁膜の分解図。図６（ａ）は下層の電極の配置図、図６（ｂ）は絶縁膜の配置図。下層の電極および絶縁膜の配置図。上層の電極の配置図。本発明の実施例に係わる裏面の電極の配置図。従来の絶縁膜がない場合の電極の配線図

符号の説明

１、２圧電単結晶振動子
１１ａ〜１１ｄ付加質量部
１２ａ〜１２ｄアーム部
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ駆動電極
１５、１６、１７、１８検出電極
１９基準電位電極
２０、３８絶縁膜
３１ａ〜３１ｄ付加質量部
３２ａ〜３２ｈアーム部
３３、３４駆動電極
３５ａ、３５ｂ、３６、３７ａ〜３７ｃ検出電極
３９ａ、３９ｂ絶縁膜の開口部
４０ａ〜４０ｄ接続部

Claims

圧電単結晶材料から成る矩形状板に、枠体と前記枠体に両端が支持されてなる第１のアーム部と前記第１のアーム部と交差し形成される第２のアーム部と前記第２のアーム部に保持される振動部である４つの付加質量部を設け、前記矩形状板の表面または裏面に一方向に振動させる駆動電極と角速度を検出する検出電極を形成し、導電接着剤によって、回路基板と電気的に導通するとともに機械的に固定し、２軸の角速度を検出する圧電単結晶振動子であって、前記矩形状板の中央部に駆動電極または検出電極を直接形成し、前記矩形状板に直接形成された駆動電極または検出電極の部分に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上に新たに駆動電極または検出電極を形成し、前記絶縁膜を介して、前記第１のアーム部から一方の側に延びる前記第２のアーム部に形成された駆動電極または検出電極と、前記第１のアーム部から他方の側に延びる前記第２のアーム部に形成された駆動電極または検出電極の少なくとも２本を接続して、１本の電極配線と成したことを特徴とする圧電単結晶振動子。
前記絶縁膜は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ポリイミド、フォトレジストから選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電単結晶振動子。
前記請求項１または２に記載の圧電単結晶振動子を用いて構成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。