JP6193599B2 - 角速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は角速度センサ及びその製造方法に係り、特に圧電ダイヤフラムに錘（おもり）が支持された構造を持つ振動ジャイロ式の角速度センサとその製造技術に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた振動ジャイロセンサは、様々な用途で使用されている。これらのセンサは小型・省電力を特徴とし、コリオリ力を利用して角速度を検出している。この原理を利用して、特許文献１に記載のように錘を水平・垂直方向に駆動させ、３軸角速度センサを実現している例もある。

振動ジャイロ式の角速度センサにおける錘の駆動及び検出は共振振動を利用するため、デバイスの共振周波数の設計は非常に重要となる。このため有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）などを用いて共振周波数を計算し、これを元にデバイス設計を行い、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて錘と振動板を構成し、ジャイロデバイスを実現するのが一般的である。

特開２０１０−１６００９５号公報

しかし、ＳＯＩ基板は、標準市販品である通常のＳｉウェハ（ＳＯＩ構造を有しないＳｉ基板）に比べて非常に高価な材料であり、デバイスコストが増加してしまうという問題がある。

また、ＳＯＩ基板の代替材料を用いてデバイスの製造を試みた場合、実際に得られるデバイスの共振周波数が設計値どおりにならず、共振周波数のばらつきが生じるという問題がある。特に、ダイヤフラムのように複数の薄膜を積層した多層薄膜が用いられている場合、それぞれの層に存在する残留応力が共振周波数に大きく影響し、デバイスとして設計値どおりの感度が得られないという問題がある。また、形成された膜の応力のばらつきが大きく、膜の応力が制御できなかった場合、共振周波数のばらつきを発生させてしまうので問題である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、上記の課題を解決し、従来の角速度センサよりも低コストで製作でき、共振周波数のばらつきを抑えることができる角速度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、次の発明態様を提供する。

（第１態様）：第１態様に係る角速度センサは、駆動電極部と検出電極部とがパターン配置された上部電極と、圧電体層と、下部電極と、１層以上の振動板層と、が積層されて成る積層構造を有する可撓性のあるダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の外周を支持する台座部と、ダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部と、を備え、駆動電極部を介して圧電体層に電界を印加することによって圧電体の逆圧電効果を利用して錘部を振動させ、コリオリ力に基づいて錘部に生じた変位を圧電効果によって検出電極部から検出する角速度センサであって、振動板層は、鉄（Ｆｅ）又はＦｅよりも原子量の小さい金属を５０質量％以上含む金属材料で構成された金属薄膜振動板を含む角速度センサである。

第１態様によれば、金属材料で構成された金属薄膜を振動板として用いるため、ＳＯＩ構造の基板を用いる必要がなく、非ＳＯＩ構造の基板を用いて角速度センサを製造することが可能となる、したがって、高価なＳＯＩ基板の代替材料として、市販標準品である安価な非ＳＯＩ構造の基板を用いることが可能になり、コストダウンを実現できる。

従来のＳＯＩ基板において活性層シリコンの代替材料として用いる鉄又は鉄よりも原子量の小さい金属を質量パーセントで５０質量％以上含む金属材料は、主成分である鉄又は鉄よりも原子量の小さい金属の性質が大きく反映され、成膜条件の変動（ガス量など）の影響を受けにくく、形成された膜の内部応力のばらつきが小さいものとなる。すなわち、第１態様で特定した金属材料は膜の応力が安定しやすい材料であり、このような金属材料を用いたデバイスの共振周波数のばらつきは小さいものとなる。

本実施形態によれば、製造されるデバイスの共振周波数のばらつきを抑えることができ、安定した品質のデバイスを提供することができる。

（第２態様）：第１態様に記載の角速度センサにおいて、金属薄膜振動板の厚さは、１μｍ（マイクロメートル）以上である構成とすることができる。

金属薄膜を振動板として有効に機能させる観点からその膜厚が１μｍ以上であることが好ましい。なお、振動板層の厚みは、デバイスの用途、仕様等から要求される共振周波数の設計値や振動板を構成する材料の選択などに応じて適宜設計される。

（第３態様）：第１態様又は第２態様に記載の角速度センサにおいて、金属薄膜振動板は、気相成膜によって形成されたものとすることができる。

スパッタ法に代表される気相成膜法は、所望の膜厚を高精度に成膜できる点で有益である。このため、デバイス動作の設計からの誤差を大幅に低減させることができる。

また、材料が比較的安価で、成膜レートが高く、量産適性があるため、デバイスの低コスト化が可能である。

（第４態様）：第１態様から第３態様のいずれか１項に記載の角速度センサにおいて、金属材料は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅのうち少なくとも１つの金属を５０質量％以上含むものとすることができる。

（第５態様）：第１態様から第４態様のいずれか１項に記載の角速度センサにおいて、金属薄膜振動板の熱膨張係数が、圧電体層の熱膨張係数の±１０％以内であるものとすることが好ましい。

圧電体層の熱膨張係数と金属薄膜振動板の熱膨張係数とが近い値であるほど、膜が剥離しにくく、デバイス製造の歩留まりが良好となる。両者の熱膨張係数の差が、圧電体層の熱膨張係数の１０％以内であることが好ましい。

（第６態様）：第１態様から第５態様のいずれか１項に記載の角速度センサにおいて、金属薄膜振動板は、Ｔｉを５０質量％以上含む金属薄膜で構成されるものとすることができる。

Ｔｉは、膜の応力ばらつき（共振ばらつき）が小さく、素子の歩留まりも非常に良好であり、Ｔｉを主成分とする（５０質量％以上含む）金属薄膜は特に好ましい。

（第７態様）：第１態様から第６態様のいずれか１項に記載の角速度センサにおいて、金属薄膜振動板は、非ＳＯＩ構造のシリコン基板の上に成膜されて得られたものであり、錘部と台座部とは、金属薄膜振動板が形成された非ＳＯＩ構造のシリコン基板の一部を除去加工することによって残るシリコン基板の残部によって構成されたものである構成とすることができる。

（第８態様）：第１態様から第７態様のいずれか１項に記載の角速度センサにおいて、ダイヤフラム部は、平面視で円又は楕円の外周形状を有し、錘部は、ダイヤフラム部と中心軸を共通にする円又は楕円の同心位置に配置されている構成とすることができる。

（第９態様）：第９態様に係る角速度センサの製造方法は、非ＳＯＩ構造のシリコン基板の上に、鉄又は鉄よりも原子量の小さい金属を５０質量％以上含む金属材料から成る金属薄膜振動板を形成する振動板形成工程と、金属薄膜振動板の上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極の上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、圧電体層の上に駆動電極部と検出電極部とがパターン配置された上部電極を形成する上部電極形成工程と、シリコン基板の一部を除去加工することによって上部電極と圧電体層と下部電極と金属薄膜振動板とを含む積層構造を有する可撓性のあるダイヤフラム部を形成するとともに、除去加工によって残るシリコン基板の残部によってダイヤフラム部の外周を支持する台座部と、ダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部とを形成する加工工程と、を含む角速度センサの製造方法である。

第９態様によれば、ＳＯＩ基板を使用しないため、コストダウンを実現できる。また、金属薄膜振動板の応力のばらつきを抑えることができ、共振周波数のばらつきを抑制することができる。

第９態様において、第２態様から第８態様の特定事項を適宜組み合わせることができる。

本発明によれば、従来の角速度センサよりも低コストで角速度センサを製造することが可能になる。また、共振周波数のばらつきを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図 図１の２−２線に沿う断面図 図１の２−２線断面を含む斜視図 ｚ方向（垂直方向）の共振振動駆動時の様子を示す模式図 ｘ方向（水平方向）の共振振動駆動時の様子を示す模式図 本実施形態による角速度センサの製造方法の説明図 本実施形態による角速度センサの製造方法の説明図 ＳＯＩ基板を用いた角速度センサの製造プロセスの説明図 共振周波数の測定方法の説明図 実施例として試作した角速度センサ（実施例１〜４）の振動板の材料、応力ばらつき、共振ばらつきをまとめた図表 実施例として試作した角速度センサ（実施例１〜４）の振動板材料の熱膨張係数と、素子の歩留まり評価をまとめた図表

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜角速度センサの構造例＞
図１から図３に本実施形態に係る角速度センサのデバイスの概要を示す。図１は平面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図１の２−２線断面を含む斜視図である。ここでは薄膜ダイヤフラム型ジャイロセンサを例示する。有限要素法により仕様共振周波数を満たす寸法設計を行った。例えば、この仕様共振周波数は20〜35kHz（キロヘルツ）程度であることが多いが、本発明の適用範囲はこれに限るものではない。

角速度センサ１０は、平面視で円形の外周形状を有するダイヤフラム部１２と、ダイヤフラム部１２の中心部に支持された錘部１４と、ダイヤフラム部１２の外周を支持している台座部１６と、を備える。ダイヤフラム部１２は、錘部１４が接合されている側（図２で下面側）から膜厚方向の錘部１４から離れる方向（図２の上方向）に向かって、振動板層２０、下部電極３０、圧電体層３２、上部電極３４の順に積層されて成る積層構造（多層構造）を有する。このダイヤフラム部１２は可撓性を有し、その外周部の全周が台座部１６に固定されている。台座部１６及び錘部１４はシリコン（Si）基板を加工して形成される。

本例の振動板層２０は、シリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ_２）２１と、金属薄膜振動板２２とを含み、この２層の積層体部分が振動板として機能する。本例では、市販標準品であるシリコン熱酸化膜付きＳｉ基板を用いてデバイスを作製しているため、振動板層２０に熱酸化膜２１が含まれている。ただし、発明の実施に際して熱酸化膜を有していないベアのＳｉ基板を用いて作製することも可能であり、この場合、熱酸化膜２１が省略された形態となる。すなわち、振動板層２０は、金属薄膜振動板２２を含む１層以上の膜で構成することができる。

金属薄膜振動板２２は、スパッタ法に代表される薄膜形成技術を用いて形成されている。金属薄膜振動板２２のみならず、ダイヤフラム部１２の多層構造を構成する他の材料層（３０、３２、３４）についても薄膜形成技術を用いて成膜される。薄膜形成技術には、物理的気相成膜法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）、化学的気相成膜法（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、液相成膜法（めっき、塗布、ゾルゲル法、スピンコート法など）、熱酸化法が含まれる。それぞれの層について適宜の成膜法が選択される。

金属薄膜振動板２２は気相成膜法で形成することが好ましい。気相成膜法は高精度な厚さ寸法制御が可能である。また、材料が安価で、成膜レートが高く、量産適性があるので、デバイスのコストダウンが可能である。

なお、図２その他の図面に示す各層の膜厚やそれらの比率は、説明の都合上、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率を反映したものではない。また、本明細書では、積層構造を表現するにあたり、「Ａの上にＢを積層する」というときの「上」とは、基板から膜の厚み方向に離れる方向を「上」として表現する。Ａを水平に保持した状態でＡの上面にＢを重ねて構成する場合には、重力方向を下方向とするときの上下の方向と一致する。ただし、Ａの姿勢を傾けたり、上下反転させたりすることも可能であり、基板や膜の姿勢に依存する積層構造の積み重ね方向が必ずしも重力の方向を基準とする上下方向と一致しない場合についても、積層構造の上下関係を混乱なく表現するために、ある基準となる部材（例えばＡ）の面を基準にして、その面から厚み方向に離れる方向を「上」と表現する。また、「Ａの上にＢを積層する」という表現は、Ａに接してＢをＡ上に直接積層する場合に限らず、ＡとＢの間に他の１又は複数の層を介在させ、Ａの上に１又は複数の層を介してＢを積層する場合も有りうる。

図２の例においては、台座部１６と錘部１４を構成する熱酸化膜２１付きのシリコン基板の上に金属薄膜振動板２２、下部電極３０、圧電体層３２、上部電極３４の順に成膜が行われる。

圧電体層３２の上に形成された上部電極３４は、検出用の電極として機能する検出電極部３５Ａ〜３５Ｄと、駆動用の電極として機能する駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄと、パターニングされている（図１参照）。検出電極部３５Ａ〜３５Ｄと駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄとがそれぞれ独立した電極として機能するように、各電極部（３５Ａ〜３５Ｄ、３６Ａ〜３６Ｄ）とが個別に分離された形態でパターン配置されている。

また、図１において、符号３８はグランド電極である。グランド電極３８は、図示せぬ導電部材を介して下部電極３０と通じており、上部電極３４（検出電極部３５Ａ〜３５Ｄ、駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄ）から分離されて（絶縁されて）平面視において台座部１６の領域に設けられている。

本実施形態では、平面視で円形の外周形状を持つダイヤフラム部１２の円の中心を通る中心軸ＣＬを対称軸とする回転対称の電極パターンとなっている。錘部１４は、ダイヤフラム部１２と中心軸ＣＬを共通にする同心位置に配置されている。

図１に示した検出電極部３５Ａ〜３５Ｄと駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄのパターン配置は、中心軸ＣＬの周りを９０度回転させると、重なる４回対称のパターンを例示しているが、上部電極３４のパターン配置形態は図１の例に限定されず、様々な配置形態が可能である。また、検出電極部３５Ａ〜３５Ｄと駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄを入れ替えることも可能である。

駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄと下部電極３０との間に圧電体層３２が介在する部分によって駆動用の圧電素子部が構成される。駆動用の圧電素子部の電極間に駆動電圧を印加することにより（圧電体層３２に電界を印加することにより）、圧電体の逆圧電効果によってダイヤフラム部１２と錘部１４を振動させることができる。駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄを含む駆動用の圧電素子部は、図示せぬ駆動用電力の供給源（駆動回路）と接続されることにより、錘部１４を振動させる励振手段として機能する。

また、検出電極部３５Ａ〜３５Ｄと下部電極３０との間に圧電体層３２が介在する部分によって、検出用の圧電素子部が構成される。振動している錘部１４に角速度が加わるとコリオリ力が作用して、錘部１４の振動に変位が生じる。このコリオリ力に基づいて錘部１４に生じた変位を圧電体の圧電効果によって検出し、検出電極部３５Ａ〜３５Ｄから電気信号（検出信号）を得る。検出電極部３５Ａ〜３５Ｄを含む検出用の圧電素子部は、図示せぬ検出信号の処理回路（検出回路）と接続されることにより、錘部１４の変位を検出する変位検出手段として機能する。

なお、以下説明の便宜上、ダイヤフラム部１２の円の中心を原点とし、図１の左右方向をｘ軸方向、これに直交する図１の縦方向をｙ軸方向、図１の紙面垂直方向をｚ軸方向とする直交ｘｙｚ軸を導入する。図２に示した中心軸ＣＬはｚ軸と平行な軸である。

また、検出電極部３５Ａ〜３５Ｄに関して、図３では「検出電極部３５」として記載し、駆動電極部３６Ａ〜３６Ｄについても図３では「駆動電極部３６」として記載した。

図４はｚ方向の共振振動駆動時の様子を示す模式図、図５はｘ方向の共振振動駆動時の様子を示す模式図である。なお、図４、図５においては、台座部１６の図示を省略してダイヤフラム部１２と錘部１４のみを示した。

図４のように錘部１４をダイヤフラム部１２の面と垂直方向（ｚ方向）に共振駆動させると、可撓性を持つダイヤフラム部１２はｚ方向に変位するため、その変位に応じて検出電極部３５Ａ〜３５Ｄから検出信号が得られる。

また、図５のように錘部１４をｘ方向（水平方向）に共振駆動させると、その振動方向に対応したダイヤフラム部１２の変位に応じて、各検出電極部３５Ａ〜３６Ｄから相応の検出信号が得られる。駆動振動の検出信号を元に自励発振回路を動作させることで、共振振動状態を保つことができる。また、コリオリ力の作用によって錘部１４が共振駆動方向と異なる方向に振動すると、その変位に応じた検出信号が得られるため、検出信号から角速度を検知することができる。

なお、角速度の検出原理については、特許文献１に記載されている通りであり、ダイヤフラム部１２の駆動方法については、特許文献１に記載の方法を適用することができる。

＜金属薄膜振動板２２について＞
金属薄膜振動板２２は、形成膜の内部応力のばらつきが小さい材料で構成されることが好ましい。一般的に原子量の小さい金属は成膜時のガス量の影響を受けづらく、形成膜の内部応力はばらつきが小さくなる。一方、原子量の大きい金属は成膜時のガス量の影響を受けやすく、形成膜の内部応力はばらつきが大きくなる。

実験に基づく知見によれば、鉄（Ｆｅ）の原子量を目安にして、それ以下の原子量の金属は成膜時のガス量の影響を受けづらく、形成膜の内部応力のばらつきが小さい。逆に、鉄（Ｆｅ）よりも原子量の大きい金属は成膜時のガス量の影響を受けやすく、形成膜の内部応力のばらつきは大きい。

具体例を示すと、応力が安定しやすい材料として、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）のうちいずれか、若しくは、これらを主成分とする合金を挙げることができる。「主成分とする」とは、質量パーセントで５０％以上であることをいう。

また、応力がばらつきやすい材料として、Ｔｉ質量比が１０％程度のチタンタングステン（ＴｉＷ）やジルコニウム（Ｚｒ）を挙げることができる。

したがって、材料の観点で、応力のばらつきやすさを考慮に入れて材料選定をすることが好ましく、製造される素子の共振周波数（共振値）のばらつきをデバイス仕様の許容範囲（例えば、設計値に対して±５％以内）に収める。

本実施形態では、振動板層２０として、鉄（Ｆｅ）又はＦｅよりも原子量の小さい金属を５０質量％以上含む金属材料から成る金属薄膜振動板２２が用いられる。

＜角速度センサの製造方法の例＞
図６は、本実施形態による角速度センサの製造方法の説明図である。

（手順１）まず、シリコン（Ｓｉ）基板１０２を用意する（図６（ａ）参照）。ここで用いるシリコン基板１０２は、ＳＯＩ基板ではなく、ＳＯＩ構造を有していない非ＳＯＩ構造の基板であり、安価な市販標準品であるシリコンウエハが用いられる。本例では、シリコン基板１０２の表面に熱酸化膜１０４が形成されている熱酸化膜付きＳｉ基板１１０が用いられる。ただし、熱酸化膜１０４のないベアのＳｉ基板を用いることもできる。本実施例では、熱酸化膜１０４の膜厚１μｍ（マイクロメートル）、シリコン基板１０２の厚み400μｍ（マイクロメートル）の熱酸化膜付きシリコン基板を用いた。ただし、熱酸化膜１０４の膜厚や基板の厚みについては、様々な寸法が可能であり、デバイスの用途（仕様）に応じて適切な厚みが選択される。

また、熱酸化膜１０４を省略したシリコン基板（ベアのもの）を用いる態様も可能である。すなわち、コスト削減の観点から採用される安価なＳｉ基板は、市販されている基板の中で、ベアのもの、又は、シリコン酸化膜付きものであり、標準品であって簡単に入手可能なものである。

（手順２）次に、この熱酸化膜付きＳｉ基板１１０（以下、単に「基板１１０」という。）の上に、スパッタ法により金属薄膜振動板１２０を形成する（「振動板形成工程」、図６（ｂ））。金属薄膜振動板１２０の材料については、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）のうちいずれか１種類、若しくは、これらを主成分とする合金が用いられる。金属薄膜振動板１２０の膜厚は、１μｍ（マイクロメートル）以上とすることが好ましい。膜厚１μｍ（マイクロメートル）以上の金属薄膜振動板１２０を形成することにより、振動板としての役割を効果的に果たすことができる。

また、気相成膜法は５μm以下の薄膜を形成するのに適しているため、従来のＳＯＩ基板を用いる構成において製作が困難な５μm以下の薄膜化を実現する上で本発明の態様は特に有益である。

（手順３）次に、金属薄膜振動板１２０の上に下部電極１３０を形成する（「下部電極形成工程」、図６（ｃ））。本例では、下部電極１３０としてイリジウム（Ｉｒ）をスパッタ法により１５０ｎｍの膜厚で形成した。下部電極１３０の材料や膜厚については、本例に限らず、適宜の設計が可能である。

（手順４）次に、下部電極１３０の上に圧電体層１３２を形成する（「圧電体層形成工程」）。図６（ｄ）には、下部電極１３０と圧電体層１３２を成膜した様子を図示した。本例では、圧電体層１３２として、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）をスパッタ法により２μｍ（マイクロメートル）の膜厚で成膜した。本例では、高周波（Ｒｆ；radio frequency）スパッタ装置を用い、成膜ガスに97.5％Ａｒと2.5％Ｏ_２を用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorr（約0.293Ｐａ）、成膜温度は４５０℃とした。得られたＰＺＴ膜は、Ｎｂが原子組成比で１２％添加されたＮｂドープＰＺＴ薄膜であった。

（手順５）次に、圧電体層１３２の上に上部電極１３４を形成する。上部電極１３４として、検出電極部１３５と駆動電極部１３６とがパターニングされる（図６（ｅ）参照、「上部電極形成工程」）。本例では上部電極１３４にチタン（Ｔｉ）とプラチナ（Ｐｔ）の積層膜（Ｔｉ／Ｐｔ）を用いている。スパッタ法により、チタン（Ｔｉ）を膜厚１５ｎｍ（ナノメートル）形成し、その上にプラチナ（Ｐｔ）を膜厚１５０ｎｍ）で成膜した。このような上部電極１３４の膜構成は「Ｔｉ（15nm）／Ｐｔ（150nm）」と表記される。
上部電極１３４の材料や膜厚については、本例に限らず、適宜の設計が可能である。

なお、電極をパターニングする手法として、マスク蒸着やリフトオフを適用できる。

（手順６）その後、Ｓｉ基板１０２を裏面側から深堀り反応性イオンエッチング（DeepRIE）などの深掘加工を行うことにより、Ｓｉ基板１０２の一部を除去加工し、その残部によって錘部１１４と、台座部１１６とを形成する（図７）、「基板加工工程」）。この基板加工工程により、錘部１１４の周りが円環上の溝として除去され、その除去した部分がダイヤフラム部１１２の駆動部及び検出部として機能する領域となる。図７の構成は図１〜３で説明した角速度センサ１０の構成と同等である。

＜ＳＯＩ基板を用いた角速度センサの製造プロセスの説明＞
比較のために、ＳＯＩ基板を用いた角速度センサの製造プロセスについて説明する。図８はＳＯＩ基板を用いた角速度センサの製造プロセスの説明図である。

図８（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板６００は、ハンドル層６０２としてのシリコン基板と、表面のシリコン層（「活性層」という。）６０４の間にＳｉＯ_２層６０６が挿入された多層構造の基板である。活性層６０４は、最終的にダイヤフラム部の振動板として機能させる層であり、その膜厚は研磨によって調整される。

このようなＳＯＩ基板６００を用い、図８（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板６００の活性層６０４の上に、下部電極６３０が形成され、その上に圧電体層６３２が成膜される。

その後、図８（ｃ）に示すように、圧電体層６３２の上に上部電極６３４としての検出電極部６３５と駆動電極部６３６とがパターニングされる。

次いで、図８（ｄ）に示すように、ハンドル層６０２を裏面側から深掘加工することにより、ハンドル層６０２の一部を除去加工し、その残部によって錘部６１４と、台座部６１６とを形成する。深掘エッチングによって除去された部分に残る活性層６０４のＳｉが振動板の役割を果たす。

図８（ａ）〜（ｄ）で説明した製造プロセスは、高価なＳＯＩ基板を用いており、コスト面で課題がある。

この点、図６（ａ）〜（ｅ）、図７で説明した本実施形態の製造プロセスによれば、市販標準品である安価なＳｉ基板を用い、ＳＯＩ基板の活性層Ｓｉに当たる層を金属材料で代替し、振動板として用いる。

金属薄膜振動板の材料や成膜条件（ガス量など）を変えて、様々なデバイスの試作を行行い、共振値（共振周波数）の測定を行った（図９参照）。構造体の寸法と、構造体を構成する材料の弾性パラメータから、有限要素法（ＦＥＭ；finite element method）を用いてジャイロ駆動、検出のいずれかに用いる共振振動モードの共振周波数を計算し、このＦＥＭ計算値と、試作したデバイスから測定された共振値との比較評価を行った。また、それぞれの金属薄膜振動板について応力値を算出し、応力のばらつきを調べた。

なお、本例ではｚ方向の共振駆動の周波数を評価したが、ｚ方向共振駆動の共振周波数の設計値を「fz」、ｘ方向共振駆動の共振周波数の設計値を「fx」とし、ｚ方向の共振振動、ｘ方向の共振振動のそれぞれについて共振周波数を測定することができる。ｚ方向、ｘ方向のいずれか一方の共振振動を利用するデバイスも可能であり、ｚ方向、ｘ方向のいずれか一方の共振モードの共振周波数について評価を行う態様が可能である。

＜共振値の測定方法＞
図９は共振周波数を測定する方法の説明図である。図示のように、試作した角速度センサ１０の駆動電極部３６にファンクションジェネレータ２１２を接続して、電圧を入力し、錘部１４を振動させ、検出電極部３５にオシロスコープ２１４を接続して出力電圧を測定した。

入力電圧の周波数を変化させることで出力電圧の変化を測定し、最大値となった入力電圧周波数が共振周波数となる。

＜膜の内部応力値の測定方法＞
金属薄膜振動板２２の内部応力（残留応力）の測定は、薄膜形成後のサンプルについて基板の反り量（曲率）を測定し、ストーニーの式（式１）を用いることで算出することができる。

ここで、Ｅはシリコン基板のヤング率、ｂは基板の厚さ、νはシリコン基板のポアソン比、ｒは反り量として把握される曲率、ｄは膜の厚み、を示す。

＜実施例１〜４の試作に係るデバイス＞
振動板の材料と成膜条件を変えて様々なデバイスを試作し（実施例１〜４及び比較例）、金属薄膜振動板の応力のばらつきと、デバイスの共振周波数のばらつき（「共振ばらつき」という。）を調べた。図１０にその実施結果の表を示す。

振動板の材料について、実施例１ではＣｒ、実施例２はＴｉ、実施例３はＶ、実施例４はＦｅを用いた。また、比較例としてＴｉＷ（質量比でＴｉ：Ｗ＝１：９のもの）を用いた。振動板の成膜条件については、成膜時のガス圧条件を0.1Pa（パスカル）から2.5Paの範囲で段階的に設定し、各材料についてサンプル数ｎ＝３で実施した。

比較例のＴｉＷは、タングスステンの性質が大きく反映されたものとなっており、応力値が−370MPa（メガパスカル）から400MPa（メガパスカル）と大きくばらついている。なお「−（マイナス）」の値（負の値）は圧縮方向の応力を表し、正の値は引っ張り方向の応力を表している。

図１０の表における「応力ばらつき」の欄に併記したパーセントの値は、応力値のばらつき範囲の中心値からのずれ量の最大値（ばらつき幅の半分の値）を中心値に対する割合（百分率）として表している。

例えば、実施例１の場合、膜の応力が300MPa〜500MPaの範囲でばらつくため、ばらつき範囲の中心値は「400MPa」、中心値からのずれ量の最大値（ばらつき幅の半分の値）は100MPa＝400-300［MPa］＝500-400[MPa]＝（500-300）／2 [MPa]であるため、100MPa/400MPa＝0．25となり、百分率で示すと25.0％である。

一方、共振ばらつきを示す「％」の値は、サンプル（ここではｎ＝３）の測定値のばらつきを示しており、計算方法は、サンプル（ここではｎ＝３）の平均値からのズレ量をばらつきとして、百分率（％）表示している。

実施例１の場合、得られたデバイスの共振周波数を測定したところ、共振ばらつきは2.6%というわずかなばらつきであった。共振ばらつきの評価に際しては、ばらつきが５％以内であるものを「Ａ」、ばらつきが５％を超えて実用に向かないレベルを「Ｃ」と評価した。実施例１〜４については、共振ばらつきが５％以内となっている。これに対し、比較例のものは、共振周波数のばらつきが、20．9％であった。

実施例１〜４に用いた材料は膜の応力ばらつきが比較的小さく、デバイスの共振周波数のばらつきを５％以内に収めることができる。膜の応力ばらつきを一定量（ある規定の値範囲以内）に抑えることで、デバイスの共振周波数のばらつきを所要の範囲内に抑えることが可能である。

振動板を構成する金属薄膜の応力ばらつきは４５％以内であることが好ましく、図１０によれば、応力ばらつきが４０％以内であることが特に好ましい。

実施例１〜４で用いた材料に限らず、これらを主成分とする合金（金属材料）に関しても、主成分の材料の性質が大きく反映されるため、応力ばらつきは、主成分材料に近い値となる。例えば、ＴｉＷ（ただし、Ｔｉが質量パーセントで５０％以上のもの）は、Ｔｉの性質が大きく反映されるので、応力ばらつきがＴｉに近しい値となる。また、他のＴｉ合金に関しても、Ｔｉの質量パーセントが５０％以上のもの（Ｔｉを主成分とする合金）は、Ｔｉの性質が大きく反映されるため、Ｔｉと類似した性質となり、応力ばらつきがＴｉに近しい値になる。

このため、Ｔｉを主成分とする合金についても、Ｔｉの場合（実施例２）と同様に、共振ばらつきを抑制でき、振動板に好適な材料である。Ｔｉの他、Ｃｒ、Ｖ、Ｆｅのいずれか主成分とする（５０質量％以上の）金属材料についても、同様に、振動板として好適な材料である。

＜金属材料の熱膨張係数について＞
金属薄膜によって振動板を形成する際、上述した応力ばらつきの観点に加え、熱膨張係数を考慮することが望ましい。材料の選択によっては、異なる膜材料の境界面で膜が剥離してしまったり、マイクロクラックが発生してしまったりするため、熱膨張係数は製造の歩留まりに関係する要素である。

図１１に、金属材料の熱膨張係数と、素子の歩留まりの関係を表にまとめた。圧電体膜（ＰＺＴ）の線膨張係数は概ね８μｍ／℃であることから、この値を基準にして熱膨張係数の違いの程度を「％」の指標で表した値を併記した。

デバイスを量産した場合の歩留まりの評価については、サンプルにおける膜の剥離性、クラックの発生状況等を調べ、特に良好なものを「ＡＡ」、良好なものを「Ａ」、量産適性に劣るものを「Ｃ」と評価した。なお、「Ｃ」評価となっている実施例１，４であっても量産の生産ラインに適さないという意味であり、デバイスの製造は可能である。

図１１に示したように、金属薄膜振動板の熱膨張係数が圧電体膜の熱膨張係数に対して一定の範囲内であるものを選定することで、膜の剥離を抑制することができ、デバイスの歩留まりが向上する。図１１によれば、振動板に用いる金属材料の熱膨張係数は圧電体膜の熱膨張係数に対して±１０％の範囲内の値であることが好ましい。すなわち、圧電体膜の線膨張係数をＣpzt、金属材料の線膨張係数をαとするとき、αがＣpztの±１０％以内であること（0.9Ｃpzt≦α≦1.1Ｃpzt）が好ましい。

実施例１〜４で用いた材料に限らず、これらを主成分とする合金に関しても、主成分の材料の性質が大きく反映されるため、熱膨張係数の値は、主成分材料に近い値となる。

例えば、ＴｉＷ（ただし、Ｔｉが質量パーセントで５０％以上のもの）は、Ｔｉの性質が大きく反映されるので、熱膨張係数の値がＴｉに近しい値となる。また、他のＴｉ合金に関しても、Ｔｉの質量パーセントが５０％以上のもの（Ｔｉを主成分とする合金）は、Ｔｉの性質が大きく反映されるため、Ｔｉと類似した性質となるので、熱膨張係数がＴｉに近しい値になる。

このため、Ｔｉを主成分とする金属材料についても、Ｔｉの場合（実施例２）と同様に、歩留まりが良好となり、量産適性があり、振動板として好適な材料である。

Ｔｉの他、Ｖを主成分とする金属材料についても、Ｖの場合（実施例３）と同様に、歩留まりが良好となり、量産適性があり、振動板として好適な材料である。

図１０及び図１１の結果を総合すると、ＴｉやＶを主成分とする金属材料を用いて振動板を形成することが好ましい形態であり、特に、Ｔｉを主成分とする金属材料が最も好ましい。

＜圧電材料について＞
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。

一般式ＡＢＯ_３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。

Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい）。

上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。

また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。

一般式Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい）。

ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、真性ＰＺＴ、あるいはＰＺＴのＢサイトの一部がＭで置換されたものである。被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナーイオンを添加したＰＺＴでは、真性ＰＺＴよりも圧電性能等の特性が向上することが知られている。Ｍは、４価のＺｒ，Ｔｉよりも価数の大きい１種又は２種以上のドナーイオンであることが好ましい。かかるドナーイオンとしては、Ｖ^５＋，Ｎｂ^５＋，Ｔａ^５＋，Ｓｂ^５＋，Ｍｏ^６＋，及びＷ^６＋等が挙げられる。

ｂ−ｘ−ｙは、ペロブスカイト構造を取り得る範囲であれば特に制限されない。例えば、ＭがＮｂである場合、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０５以上０．２５以下であることが好ましく、０．０６以上０．２０以下であることがより好ましい。

上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電素子は、変位特性、検出特性の優れたものとなる。

また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備えた圧電素子は、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好なアクチュエータ特性、センサ特性を示すものである。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高くなる。

本実施形態における圧電体層３２の一具体例として、例えば、Ｎｂを原子組成百分率で１２％ドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜を用いることができる。スパッタリング法等によってＮｂを１２％ドープしたＰＺＴを成膜することにより、圧電定数ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できる。気相成膜法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体層としては、１μｍ以上１０μｍ以下の厚さの薄膜であることが好ましい。

＜成膜方法について＞
圧電体の成膜方法としては気相成膜法が好ましい。例えば、スパッタリング法の他、イオンプレーティング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＰＬＤ法（パルスレーザー堆積法）など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長以外の方法（例えば、ゾルゲル法など）を用いることも考えられる。

ＰＺＴ薄膜をスパッタリング法により基板に直接成膜し、圧電体を薄膜化することで製作プロセスを簡便にすることができる。また、このようにして成膜された圧電体薄膜は、エッチング等によって微細加工が容易であり、所望の形状にパターニングが可能である。
これによって、歩留まりが大幅に向上するとともにデバイスのさらなる小型化に対応することができる。

本発明の実施に際しては、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択することができる。

＜変形例＞
図１では、平面視で円形のダイヤフラム部を説明したが、円形に限らず、平面視で楕円形のダイヤフラム部や平面視で多角形のダイヤフラム部とする構成も可能である。

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。

１０…角速度センサ、１２…ダイヤフラム部、１４…錘部、１６…台座部、２０…振動板層、２１…熱酸化膜、２２…金属薄膜振動板、３０…下部電極、３２…圧電体層、３４…上部電極、３５Ａ〜３５Ｄ，３５…検出電極部、３６Ａ〜３６Ｄ，３６…駆動電極部、１１０…シリコン（Ｓｉ）基板、１１２…ダイヤフラム部、１１４…錘部、１１６…台座部、１２０…振動板層、１２１…熱酸化膜、１２２…金属薄膜振動板、１３２…圧電体層、１３４…上部電極、１３５…駆動電極部、１３６…検出電極部

Claims (12)

1. 駆動電極部と検出電極部とがパターン配置された上部電極と、圧電体層と、下部電極と、１層以上の振動板層と、が積層されて成る積層構造を有する可撓性のあるダイヤフラム部と、
   前記ダイヤフラム部の外周を支持する台座部と、
   前記ダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部と、を備え、
   前記駆動電極部を介して前記圧電体層に電界を印加することによって圧電体の逆圧電効果を利用して前記錘部を振動させ、コリオリ力に基づいて前記錘部に生じた変位を圧電効果によって前記検出電極部から検出する角速度センサであって、
   前記振動板層は、鉄（Ｆｅ）又はＦｅよりも原子量の小さい金属を５０質量％以上含む金属材料で構成された金属薄膜振動板を含み、前記金属薄膜振動板は、気相成膜によって形成されたものである角速度センサ。
2. 駆動電極部と検出電極部とがパターン配置された上部電極と、圧電体層と、下部電極と、１層以上の振動板層と、が積層されて成る積層構造を有する可撓性のあるダイヤフラム部と、
   前記ダイヤフラム部の外周を支持する台座部と、
   前記ダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部と、を備え、
   前記駆動電極部を介して前記圧電体層に電界を印加することによって圧電体の逆圧電効果を利用して前記錘部を振動させ、コリオリ力に基づいて前記錘部に生じた変位を圧電効果によって前記検出電極部から検出する角速度センサであって、
   前記台座部及び前記錘部は、シリコン基板を用いて形成され、
   前記振動板層は、Ｆｅよりも原子量の小さい金属を５０質量％以上含む金属材料で構成された金属薄膜振動板を含む角速度センサ。
3. 前記金属薄膜振動板の厚さは、１μｍ（マイクロメートル）以上である請求項１又は２に記載の角速度センサ。
4. 前記金属薄膜振動板は、気相成膜によって形成されたものである請求項２に記載の角速度センサ。
5. 前記金属材料は、チタン（Ｔｉ）を５０質量％以上含むものである請求項１から４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
6. 前記金属材料は、バナジウム（Ｖ）を５０質量％以上含むものである請求項１から４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
7. 前記金属材料は、クロム（Ｃｒ）を５０質量％以上含むものである請求項１から４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
8. 前記金属薄膜振動板の熱膨張係数が、前記圧電体層の熱膨張係数の±１０％以内である請求項１から７のいずれか１項に記載の角速度センサ。
9. 前記金属薄膜振動板は、非ＳＯＩ構造のシリコン基板の上に成膜されて得られたものであり、
   前記錘部と前記台座部とは、前記金属薄膜振動板が形成された前記非ＳＯＩ構造のシリコン基板の一部を除去加工することによって残る前記シリコン基板の残部によって構成されたものである請求項１から８のいずれか１項に記載の角速度センサ。
10. 前記ダイヤフラム部は、平面視で円又は楕円の外周形状を有し、
    前記錘部は、前記ダイヤフラム部と中心軸を共通にする前記円又は前記楕円の同心位置に配置されている請求項１から９のいずれか１項に記載の角速度センサ。
11. 非ＳＯＩ構造のシリコン基板の上に、鉄又は鉄よりも原子量の小さい金属を５０質量％以上含む金属材料から成る金属薄膜振動板を気相成膜によって形成する振動板形成工程と、
    前記金属薄膜振動板の上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、
    前記下部電極の上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
    前記圧電体層の上に駆動電極部と検出電極部とがパターン配置された上部電極を形成する上部電極形成工程と、
    前記シリコン基板の一部を除去加工することによって前記上部電極と前記圧電体層と前記下部電極と前記金属薄膜振動板とを含む積層構造を有する可撓性のあるダイヤフラム部を形成するとともに、前記除去加工によって残る前記シリコン基板の残部によって前記ダイヤフラム部の外周を支持する台座部と、前記ダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部とを形成する加工工程と、
    を含む角速度センサの製造方法。
12. 非ＳＯＩ構造のシリコン基板の上に、鉄よりも原子量の小さい金属を５０質量％以上含む金属材料から成る金属薄膜振動板を形成する振動板形成工程と、
    前記金属薄膜振動板の上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、
    前記下部電極の上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
    前記圧電体層の上に駆動電極部と検出電極部とがパターン配置された上部電極を形成する上部電極形成工程と、
    前記シリコン基板の一部を除去加工することによって前記上部電極と前記圧電体層と前記下部電極と前記金属薄膜振動板とを含む積層構造を有する可撓性のあるダイヤフラム部を形成するとともに、前記除去加工によって残る前記シリコン基板の残部によって前記ダイヤフラム部の外周を支持する台座部と、前記ダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部とを形成する加工工程と、
    を含む角速度センサの製造方法。
    

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