JP6455751B2 - Ｍｅｍｓ圧電センサ - Google Patents

Description

この発明は、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)圧電センサに関する。ＭＥＭＳ圧電センサには、角速度センサ、圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、加速度センサ、温度センサなどが含まれる。

ＭＥＭＳ圧電センサの一つの先行技術は、特許文献１に記載されている。特許文献１は、振動ジャイロスコープを開示している。振動ジャイロスコープは、枠形の支持部と、支持部の内側に十文字形に配置された４つの可撓部と、４つの可撓部のそれぞれの自由端に結合している錘部と、４つの可撓部のそれぞれに設けられた励振用圧電素子および検出用圧電素子とを含む。錘部は可撓部の自由端にのみ結合している。励振用圧電素子は、可撓部を振動させることにより、錘部を駆動する。検出用圧電素子は、錘部の運動に応じた可撓部の歪みを検出する。

直線的に並ぶ２つの可撓部に沿ってｘ軸が定義され、これに直交するように直線的に並ぶ２つの可撓部に沿ってｙ軸が定義され、ｘ軸およびｙ軸に直交するｚ軸が定義される。励振用圧電素子には、可撓部の固有振動数で振動する駆動電圧が印加される。それにより、錘部がｚ軸方向に振動する。センサダイがｙ軸まわりに回転すると、錘部にはｘ軸方向のコリオリ力が作用する。このコリオリ力がｘ軸方向に並ぶ２つの検出用圧電素子により検出される。センサダイがｘ軸まわりに回転すると錘部にはｙ軸方向のコリオリ力が作用する。このコリオリ力がｙ軸方向に並ぶ２つの検出用圧電素子によって検出される。コリオリ力は角速度に比例するので、検出されたコリオリ力に基づいて、角速度を求めることができる。角速度の３軸の成分を検出する場合には、たとえば、ｘ軸方向とｙ軸方向とに錘部が振動するように励振用圧電素子に電圧が印加される。

特開２０１０−１２２１４１号公報

この発明の一実施形態は、高感度化に有利な構造のＭＥＭＳ圧電センサを提供する。
また、この発明の一実施形態は、多軸化に有利な構造のＭＥＭＳ圧電センサを提供する。

この発明の一実施形態は、中心軸線を有するカップ形状のセンサボディと、前記中心軸線を含む所定の結合領域で前記センサボディに結合され、前記センサボディを支持する支持構造と、前記センサボディの表面に形成された圧電体膜と、前記カップ形状の前記中心軸線を中心とした放射状に配置され、前記圧電体膜の表面に接合された複数個の電極とを含む、ＭＥＭＳ圧電センサを提供する。

この実施形態の構成によれば、センサボディは、カップ形状を有しており、その中心軸線を含む所定の結合領域で支持構造に結合されて支持されている。したがって、センサボディは中心軸線を含む領域で支持された状態でほぼ全体が振動可能である。センサボディの表面に形成された圧電体膜に複数個の電極が接合されている。これらの複数個の電極は、カップ形状の中心軸線を中心とした放射状に配置されている。これらの複数個の電極を用いて、センサボディのほぼ全体に渡る振動を生じさせたり、外力その他の影響で圧電体膜に生じる起電力を検出したりすることができる。センサボディのほぼ全体が振動するので、感度の高い検出が可能である。また、外力、温度、湿度、加速度、角速度、角加速度等の種々の物理量に応じてカップ状のセンサボディには３次元的な変形が生じるので、複数の座標軸方向に関する物理量を検出することができ、いわゆる多軸化を実現できる。物理量には、前述のとおり、温度、湿度等の環境パラメータや、力、加速度、角速度、角加速度等の力学量が含まれる。

前記結合領域は、中心軸線の近傍の領域であり、中心軸線に沿って見たときに、外縁がセンサボディの外縁よりも内側にあり、かつ中心軸線を包囲している領域であることが好ましい。典型的には、支持構造は、中心軸線上でセンサボディに結合されるが、中心軸線を取り囲むように、センサボディと支持構造との結合部が配置されてもよい。
前記結合領域は、具体的には、前記中心軸線に沿ってみたときに、センサボディの外縁を通る円の直径の１／２以下の直径の円内に設定された領域であることが好ましい。
この発明の一実施形態では、前記センサボディの表面に下部電極が形成されており、前記下部電極に接するように前記圧電体膜が形成されている。前記複数個の電極は、前記圧電体膜の前記下部電極とは反対側の表面に接合されている。
また、この発明の一実施形態では、前記支持構造が、表面に回路配線が形成された支持基板を含み、前記下部電極および前記複数個の電極が、前記圧電体膜の表面の側に配置されたボンディングワイヤまたはバンプを介して前記回路配線に接続されている。

この発明の一実施形態では、前記複数個の電極が、少なくとも一つの励振電極と、少なくとも一つの検出電極とを含む。
この構成によれば、励振電極に駆動電圧を印加することにより、逆圧電効果によって、圧電体膜を伸縮させ、それによって、センサボディを振動させることができる。一方、検出電極は、圧電効果によって圧電体膜に生じる電圧を導出することができる。これにより、センサボディを振動させ、かつセンサボディの変形を検出することができるから、高感度な振動型センサを提供できる。また、カップ状のセンサボディに生じる３次元的な変形を検出電極によって検出でき、それによって、いわゆる多軸化を実現できる。

この発明の一実施形態では、励振電極が配置された場所には、励振用圧電素子が構成される。検出電極が配置された場所には検出用圧電素子が構成される。励振電極は、励振用圧電素子の上部電極である。検出電極は検出用圧電素子の上部電極である。下部電極は、センサボディの表面に形成される。下部電極に接するように圧電体膜が形成される。下部電極は、励振用圧電素子および検出用圧電素子の共通電極であってもよい。

この発明の一実施形態では、前記複数個の電極が、少なくとも一対の励振電極と、少なくとも一対の検出電極とを含む。
この構成によれば、一対の励振電極に駆動電圧を印加することにより、逆圧電効果によって、圧電体膜を伸縮させ、それによって、センサボディを振動させることができる。一方、一対の検出電極は、圧電効果によって圧電体膜に生じる電圧を導出することができる。これにより、センサボディに安定な振動を確実に生じさせ、かつセンサボディの変形を精度よく検出することができるから、一層高感度な振動型センサを提供できる。

この発明の一実施形態では、前記複数個の電極が、前記中心軸線まわりに２ｎ回対称（ただしｎは自然数）の位置に設けられている。
この構成によれば、中心軸線まわりに２ｎ回対称の位置に複数個の電極が設けられているので、中心軸線を挟んで対称な位置に一対の電極を配置できる。これにより、センサボディを効果的に励振でき、かつセンサボディの振動を高感度に検出でき、多軸化に有利な電極配置をとることができる。

なお、２ｎ回対称の位置の全てに電極が設けられる必要はなく、２ｎ回対称の位置の少なくとも一つに電極が配置されていなくてもよい。たとえば、６回対称の６個の位置のうちの一つまたは２つに励振電極を配置し、他の一つまたは２つの位置に検出電極を配置し、残る位置は空位としてもよい。また、６回対称の６個の位置のうちの２つの位置に励振電極を配置し、残る４個の位置に検出電極を配置してもよい。その他、様々な電極配置が可能である。

この発明の一実施形態では、２ｎ個の前記電極（ただしｎは自然数）が、前記中心軸線まわりに２ｎ回対称の位置に設けられている。
この構成によれば、２ｎ回対称の全ての位置に電極が配置されている。これにより、センサボディを効果的に励振でき、かつセンサボディの振動を高感度に検出でき、多軸化に有利な電極配置をとることができる。

たとえば、８回対称の８個の位置のうちの４個の位置に励振電極を配置し、残る４個の位置に検出電極を配置してもよい。
この発明の一実施形態では、前記２ｎ個の電極が、前記中心軸線まわりに交互に配置されたｎ個の励振電極とｎ個の検出電極とを含む。
この構成によれば、励振電極と検出電極とが２ｎ回対称の位置に交互に配置されているので、センサボディを効果的に励振でき、かつセンサボディの振動を高感度に検出でき、多軸化に有利な構造を提供できる。

たとえば、８回対称の８個の位置のうちの一つおきに励振電極を配置し、他の一つおきの位置に検出電極が配置されてもよい。また、６回対称の６個の位置のうちの４個の位置を用いて、それらの４個の位置に第１の励振電極、第２の検出電極、第２の励振電極および第２の検出電極の順に４個の電極を配置してもよい。この場合、２個の位置は空位となる。

この発明の一実施形態では、前記複数個の電極が、前記カップ形状の前記中心軸線に対して対称に配置され前記圧電体膜の表面に接合された一対の励振電極と、前記カップ形状の中心軸線に対して対称に配置され前記圧電体膜の表面に接合された一対の検出電極とを含む。
この構成によれば、一対の励振電極がカップ形状の中心軸線に対して対称に配置されているので、センサボディを効果的に励振でき、大きな振幅で振動させることができる。また、一対の検出電極がカップ形状の中心軸線に対して対称に配置されているので、センサボディの形状変化を精度良く検出することができる。それにより、高感度な検出が可能になり、多軸化に有利な構造を提供できる。

この発明の一実施形態では、前記励振電極によって圧電体膜を駆動することにより、前記センサボディに定常振動が生じ、前記定常振動の腹に前記励振電極が配置され、前記定常振動の節に前記検出電極が配置されている。
この構成によれば、励振電極によってセンサボディに定常振動を生じさせた状態で、検出電極によって物理量を検出することができる。検出電極は、定常振動の節に配置されているので、励振電極により生じた振動の影響が抑制された状態で、センサボディに生じる変化を検出できる。

たとえば、センサボディに定常振動が生じた状態で、ＭＥＭＳ圧電センサに角速度が働くと、コリオリ力によって定常振動が変化し、この変化を表す信号が検出電極から取り出される。それによって、角速度を検出できる。センサボディには３次元的な振動が生じるので、検出電極から取り出される信号に対して適切な処理を行うことによって、３軸に関する角速度の検出が可能である。

この発明の一実施形態では、前記励振電極によって圧電体膜を駆動することにより前記センサボディに生じる振動がワイングラスモードである。ワイングラスモードでは、振動損失が少ないのでＱ値が高く、かつ、外部からの加速度等の影響を受けにくい。これにより、感度の高い検出が可能になり、かつ多軸化に有利な構造を提供できる。
この発明の一実施形態では、前記センサボディが、底部および胴部を含み、前記支持構造が前記底部において前記センサボディに結合されている。この構成により、センサボディがその底部で支持されているので、センサボディの全体に振動を生じさせることができるから、振動損失の少ない振動、たとえばワイングラスモードでの振動が可能になる。それによって、高感度の検出が可能になり、多軸化に有利な構造を提供できる。

この発明の一実施形態では、前記支持構造が、前記底部に結合され、前記中心軸線に沿って延びる柱状部を含む。この構成によれば、底部に結合された柱状部によってセンサボディが支持されている。これにより、センサボディの全体に振動を生じさせることができるから、振動損失の少ない振動、たとえばワイングラスモードでの振動が可能になり、多軸化に有利な構造を提供できる。

この発明の一実施形態では、前記柱状部が前記カップ形状の内側において前記センサボディの底部に結合されており、前記支持構造が、前記センサボディの開口縁側で前記柱状部に結合された支持基板を含む。この構成によれば、カップ形状の内側に柱状部を配置できるので、小型かつ高感度で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。
支持基板は、シリコン、アルミナ等の任意の基板材料で作製できる。

この発明の一実施形態では、前記支持基板の表面と前記開口縁とが離隔している。この構成によれば、支持基板とセンサボディとが離隔しているので、センサボディの振動が支持基板によって阻害されることがない。それにより、センサボディを効率的に振動させることができるので、高感度で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。
この発明の一実施形態では、前記支持基板の表面において前記柱状部に対応する位置に支持部が設けられており、前記支持基板の表面において前記センサボディの開口縁に対向する位置に、前記支持部よりも掘り下げた凹所が形成されている。

この構成によれば、支持基板の表面の支持部で柱状部を支持する一方で、センサボディの開口縁に対向する位置には支持基板の表面に凹所が形成されている。これにより、センサボディの効率的な振動を確保した状態でセンサボディを支持できる。
また、柱状部は、中心軸線に沿う方向に関して、センサボディの開口縁よりもセンサボディの外方（底部とは離れる方向）に突出していなくてもよい。より具体的には、柱状部の支持基板に対向する端部が、中心軸線に沿う方向に関して、センサボディの開口縁と同じ位置にあってもよい。このような構造は、たとえば、シリコン基板等の基板をエッチングしてセンサボディと、それと一体化した柱状部とを同時に形成して得られる。したがって、ＭＥＭＳ工程でセンサボディおよび柱状部を同時に形成した構造においても、支持基板に形成した凹所によって、センサボディの効率的な振動を確保できる。

この発明の一実施形態では、前記支持基板の表面において前記柱状部に対応する位置に支持部が設けられており、前記支持部において交差する異なる方向に沿って前記センサボディの内部および外部に跨がってそれぞれ延びた複数の梁部を含み、前記センサボディの開口縁には、前記複数の梁部に対応する位置に凹部が形成されている。
この構成によれば、支持部において交差する方向に沿ってそれぞれ延びる複数の梁部がセンサボディの内部および外部に跨がって延びているので、組立時には、複数の梁部を目印にして、センサボディを支持部に対して位置合わせできる。また、梁部との接触を凹部で回避できるので、センサボディの開口縁を梁部の表面よりも基板表面に近い位置に配置することができる。それによって、センサボディを大きくすることができるので、より感度の高い検出が可能になる。梁部は、支持部に結合されていてもよいし、支持部から離間していてもよい。

この発明の一実施形態では、前記柱状部と前記支持基板とが、樹脂（具体的には樹脂接着剤）、金属（たとえば半田）またはシリコンの直接接合により接続されている。これにより、柱状部と支持基板とを確実に結合できる。
この発明の一実施形態では、前記支持基板の表面に回路配線が形成されており、前記回路配線と前記電極とがボンディングワイヤで接続されている。この構成によれば、支持基板が回路基板であり、その回路基板上の回路配線にボンディングワイヤによってセンサボディ上の電極が接続されている。すなわち、ワイヤボンディングによって、電極と回路配線との接続が確保されている。これにより、センサボディの振動に対する影響を抑制しながら、センサボディと回路基板との間の安定な入出力のための電気的接続を達成できる。

この発明の一実施形態では、前記支持構造が、前記カップ形状の外側において前記センサボディの底部に結合されている。この構成では、カップ形状の外部においてセンサボディの底部に支持構造が結合されているので、支持構造とセンサボディとの結合が容易である。したがって、簡単な構造で、感度が高く、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。

この発明の一実施形態では、前記支持構造が、前記センサボディの底部の外表面に対向する支持基板を含む。この構成により、センサボディの底部外表面を支持基板に対向させた状態でセンサボディを支持できるので、支持構造を簡単にしながら、感度が高く、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。
この発明の一実施形態では、前記支持基板の表面に回路配線が形成されており、前記回路配線と前記電極とがワイヤレスボンディングで接続されている。この構成によれば、電極と回路配線とをワイヤレスボンディングで接続できるので、接続構造を簡単にしながら、感度の高く、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。また、電気的接続のための構造をセンサボディの支持構造の一部に利用できるので、全体の構造を簡単にすることができる。

この発明の一実施形態では、前記センサボディが、平板状の底部と、前記底部に結合された筒状の胴部とを含み、前記底部（外表面もしくは内表面）または前記胴部（外表面もしくは内表面）に前記圧電体膜が配置されている。
このように、センサボディが平板状の底部と筒状の胴部とを有する構造は、シリコン基板等の基板をエッチングする工程で製造できる。カップ状のセンサボディの全体が振動および変形するので、圧電体膜は底部および胴部のいずれに配置してもよく、その圧電体膜の配置に応じて電極を配置すればよい。つまり、圧電体膜は、底部および胴部の一方または両方に配置することができる。圧電体膜が底部に配置される場合に、圧電体膜は、底部の外表面および内表面の一方に配置してもよいし、それらの両方に配置してもよい。同様に、圧電体膜が胴部に配置される場合に、圧電体膜は、胴部の外表面および内表面の一方に配置してもよいし、それらの両方に配置してもよい。

電極は、圧電体膜の配置に応じて、前記平板状の底部および前記筒状の胴部の一方または両方に配置することができる。たとえば、励振電極を底部および胴部のうちの一方に配置し、検出電極をそれらのうちの他方に配置してもよい。
この発明の一実施形態では、前記センサボディの外表面に前記圧電体膜が配置されている。この構成によれば、圧電体膜の配置に対応するように、電極がセンサボディの外側に配置されるので、電極の外部接続が容易になる。

この発明の一実施形態では、前記センサボディの内表面に前記圧電体膜が配置されている。この構成によれば、圧電体膜の配置に対応するように、電極がセンサボディの内側に配置されるので、電極の外部接続をセンサボディの内側で行うことができる。それにより、構造を小型にできる。
この発明の一実施形態では、前記センサボディが、シリコンを主成分とする材料からなる。この構成によれば、ＭＥＭＳプロセスによるシリコンの加工によってセンサボディを作製できる。
この発明の一実施形態では、前記センサボディが、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)基板に対して半導体プロセスによる加工を施して作製されており、前記ＳＯＩ基板のシリコン層上に前記下部電極が形成されている。
また、この発明の一実施形態では、前記圧電体膜、前記下部電極および前記ＳＯＩ基板の前記シリコン層が除去されて前記ＳＯＩ基板の絶縁膜を露出させる凹部が形成されており、前記凹部内に前記下部電極への接続のための前記ボンディングワイヤのボールが配置されている。

この発明の一実施形態では、前記センサボディは直径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下、かつ肉厚が前記直径の１／２０以下の円筒形状の胴部を含み、前記円筒形状の中心軸線方向の長さが１００μｍ以上１ｍｍ以下である。この構成により、センサボディを効率的に励振でき、かつ感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。

センサボディの直径を０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることにより、加工および配線が容易で、かつ共振周波数を高感度検出が可能な高周波数域にできる。すなわち、センサボディの直径が０．２ｍｍ未満では、円筒形状の加工および配線が困難になる。また、センサボディの直径が５ｍｍを超えると、共振周波数が低くなり、感度低下の懸念がある。
胴部の肉厚は、薄いほど感度が向上するので、円筒形状の直径の１／２０以下とすることが好ましい。ただし、肉厚が薄すぎると加工形状が不安定になって、センサ特性のバラツキの原因となるので、肉厚は１０μｍ以上が好ましい。

胴部の長さは、短すぎるとＱ値が下がり、感度が低下する懸念があるので、１００μｍ以上とすることが好ましい。一方、胴部の長さが長すぎると、加工時間がかかりすぎて実用的でないので、１ｍｍ以下が好ましい。
この発明の一実施形態では、前記センサボディは、前記胴部に結合された底部を含み、前記支持構造は、前記底部に結合され、前記胴部の円筒形状の直径の１／２０以上１／２以下の直径を有する円形断面を有する柱状部を含む。この構成により、センサボディを効率的に励振でき、かつ感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。とくに、円筒形状の胴部を円形断面の柱状部により支持する構造は、センサボディ全体を効率良く振動させることができる。なお、柱状部の円形断面は、中心軸線に垂直な切断面の形状である。

柱状部の直径を胴部の円筒形状の直径の１／２０以上としておくことにより、柱状部と底部との結合が充分な強度を有する。また、柱状部と底部との結合領域に電極の接続部を設けることができ、柱状部によって確実に支持された状態で、電極の接続部に対する配線接続を安定に行うことができる。また、柱状部の直径を胴部の円筒形状の直径の１／２以下としておくことにより、柱状部による振動の拘束を抑制できるから、センサボディ全体を効率的に振動させることができる。

この発明の一実施形態では、前記圧電体膜の膜厚が０．２μｍ以上５μｍ以下である。この構成により、圧電体膜は、センサボディの振動および変形をほとんど拘束することなく、かつ必要な逆圧電効果および圧電効果を生じるので、感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。膜厚が０．２μｍ未満では、リーク発生の懸念があり、励振できないおそれがある。また、膜厚が５μｍを超えると、微細加工が困難になるおそれがある。

この発明の一実施形態では、前記圧電体膜が、Ｐｂ，ＺｒおよびＴｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，ＮｂおよびＴｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｋ，ＮａおよびＮｂを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，ＣａおよびＴｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物からなる。この構成により、高い圧電特性を有する圧電薄膜材料からなる圧電体膜が、大きな逆圧電効果および圧電効果を生じるので、感度の高い検出が可能となる。

この発明の一実施形態では、前記圧電体膜が、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成された圧電材料膜である。この構成により、必要な膜厚の圧電体膜を形成できるので、感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサを提供できる。

図１は、この発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサの斜視図である。 図２は、前記ＭＥＭＳ圧電センサの主要部の縦断面図である。 図３は、前記ＭＥＭＳ圧電センサのセンサボディの構造を一部切り欠いて示す斜視図である。 図４は、前記センサボディを支持する支持基板の斜視図である。 図５は、前記センサボディ上の電極の配置を説明するための平面図である。 図６は、前記センサボディの底部の中央付近の拡大断面図である 図７Ａは前記センサボディの平面図であり、図７Ｂは図７ＡのＢ−Ｂ線断面図であり、図７Ｃは図７ＡのＣ−Ｃ線断面図である。 図８は、前記センサボディに生じる三次元的な変形を示す図解的な斜視図である。 図９は、前記センサボディが中心軸線まわりに角速度を伴って運動する運動系に置かれたときにセンサボディの底部に生じる力および変位を表す図である。 図１０Ａは前記センサボディの平面図であり、図１０Ｂは図１０ＡのＢ−Ｂ線断面図であり、図１０Ｃは図１０ＡのＣ−Ｃ線断面図であって、角速度が生じているときの状態を示す。 図１１Ａ〜図１１Ｃは、前記センサボディの製造工程を説明するための断面図である。 図１１Ｄ〜図１１Ｆは、前記センサボディの製造工程を説明するための断面図である。 図１１Ｇ〜図１１Ｉは、前記センサボディの製造工程を説明するための断面図である。 図１１Ｊ〜図１１Ｌは、前記センサボディの製造工程を説明するための断面図である。 図１２Ａ〜図１２Ｄは、前記支持基板の製造工程を説明するための断面図である。 図１２Ｅ〜図１２Ｇは、前記支持基板の製造工程を説明するための断面図である。 図１３は、前記センサボディの振動を確認した実験結果を示す。 図１４は、前記センサボディのワイングラスモードによる定常振動を確認した実験結果を示す。 図１５は、検出動作を確認するための実験結果を示す。 図１６Ａは、Ｑ値を一定とし、共振状態の振幅が静荷重印加時の変位に比例すると仮定して、センサボディの胴部の厚みに対するスケールファクタの関係を求めた結果を示す図である。 図１６Ｂは、センサボディの胴部の厚みと振動状態でのスケールファクタとの関係を示す図である。 図１７は、この発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサの構成を説明するための図解的な断面図である。 図１８は、この発明のさらに他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサの構成を説明するための図解的な断面図である 図１９Ａは、この発明のさらに他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサの構成を説明するための斜視図である 図１９Ｂは、この発明のさらに他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサの構成を説明するための斜視図である 図２０は、この発明のさらに他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサの構成を説明するための図解的な断面図である。 図２１Ａは、センサボディの形状に関する変形例を示す。 図２１Ｂは、センサボディの形状に関する変形例を示す。 図２１Ｃは、センサボディの形状に関する変形例を示す。 図２２は、センサボディの形状に関する変形例を示す。 図２３は、ワイングラス形のセンサボディの内側に圧電素子を配置した構成例を示す。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサ１の斜視図である。図２は、中心軸線２０を含む切断面におけるＭＥＭＳ圧電センサ１の断面図である。図３は、ＭＥＭＳ圧電センサ１のセンサボディ２の構造を一部切り欠いて示す斜視図である。図４は、センサボディ２を支持する支持基板３１の斜視図である。

ＭＥＭＳ圧電センサ１は、センサボディ２と、センサボディ２を支持する支持構造３とを含む。支持構造３は、支持基板３１を含む。
センサボディ２は、この実施形態では、シリコンからなる。より具体的には、センサボディ２は、シリコン基板（より具体的にはＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)基板）に対して半導体プロセスによる加工を施して作製されている。

センサボディ２は、カップ形状を有している。具体的には、センサボディ２は、底部２１および胴部２２を有している。底部２１は、この実施形態では、平板状である。より具体的には、底部２１は、一様な厚みの円板形状（ディスク形状）を有するディスク部である。胴部２２は、この実施形態では、筒状である。より具体的には、胴部２２は、底部２１の周縁に連なり、一様な厚みの円筒形状を有するシリンダ部（サイドウォール部）である。したがって、センサボディ２は、この実施形態では、中心軸線２０まわりに回転対称な形状を有しており、より具体的には、中心軸線２０まわりの回転体である。センサボディ２は、底部２１を支持基板３１とは反対側に配置した状態で、支持基板３１に支持されている。

センサボディ２の底部２１の外表面２１ａには、下部電極５および圧電体膜６が積層されて形成されている。圧電体膜６上に、複数の電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４が配置されている。複数の電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４は、中心軸線２０を中心とした放射状に配置されている。この実施形態では、８個の電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４が設けられている。それらの８個の電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４が、中心軸線２０を中心とした８回対称の位置にそれぞれ配置されている。

８個の電極は、この実施形態では、４個の励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４（総称する場合には「励振電極Ｅｄ」という場合がある。）と、４個の検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４（以下総称するときには「検出電極Ｅｓ」という場合がある。）とを含む。各電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４は、底部２１の半径に沿って直線状に配置され、幅が一定の帯状電極である。底部２１の中心に、下部電極５への接続部８が配置されている。各電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４の中心軸線２０に近い側の内側端部は、ワイヤボンディングのためのボンディングパッド９である。

支持基板３１は、この実施形態では、シリコンからなる。支持基板３１は、より具体的には、シリコン基板に対して半導体プロセスによる加工を施して作製されている。支持基板３１の表面３１ａには、堀込み部１５が形成されている。堀込み部１５は、支持基板３１の表面３１ａから掘り下げられた凹所であり、支持基板３１の表面３１ａよりも低い底面１５ａを有している。堀込み部１５の周縁１５ｂは、この実施形態では、円形をなしている。堀込み部１５内にセンサボディ２が配置されている。センサボディ２は、堀込み部１５内で支持基板３１に支持されている。センサボディ２は、開口縁２３を堀込み部１５の底面１５ａに対向させた姿勢で支持されている。開口縁２３と堀込み部１５の底面１５ａとの間には、隙間１６が形成されている。

支持基板３１の表面には、配線が形成されている。配線は、励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４に対応した励振配線Ｗｄ１〜Ｗｄ４（総称するときには「励振配線Ｗｄ」という。）と、検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４に対応した検出配線Ｗｓ１〜Ｗｓ４（総称するときには「検出配線Ｗｓ」という。）と、下部電極５に対応した共通配線Ｗｃとを含む。この実施形態では、４個の励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４にそれぞれ対応した４本の励振配線Ｗｄ１〜Ｗｄ４と、４個の検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４にそれぞれ対応した４本の検出配線Ｗｓ１〜Ｗｓ４が設けられている。共通配線は、堀込み部１５の周縁１５ｂに沿って、その外側に環状（この実施形態では円環状）に形成された環状部３２と、その環状部３２から引き出された複数の引き出し部３３とを有している。複数の引き出し部３３は、隣り合う励振配線Ｗｄ１〜Ｗｄ４および検出配線Ｗｓ１〜Ｗｓ４の間を分けるように支持基板３１の表面３１ａで引き回されている。

一つの引き出し部３３の途中部にボンディングパッド３４が配置され、その引き出し部３３の端部に外部接続パッド３５が配置されている。ボンディングパッド３４とセンサボディ２の下部電極接続部８との間はボンディングワイヤＢｃで接続されている。各励振配線Ｗｄ１〜Ｗｄ４には、センサボディ２に近い端部にボンディングパッド３６が設けられ、反対の端部に外部接続パッド３７が設けられている。励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４のボンディングパッド９と対応する励振配線Ｗｄ１〜Ｗｄ４のボンディングパッド３６との間はボンディングワイヤＢｄ１〜Ｂｄ４（総称するときには「ボンディングワイヤＢｄ」という。）で接続されている。同様に、各検出配線Ｗｓ１〜Ｗｓ４には、センサボディ２に近い端部にボンディングパッド３８が配置され、反対の端部に外部接続パッド３９が設けられている。検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４のボンディングパッド９と対応する検出配線Ｗｓ１〜Ｗｓ４のボンディングパッド３８との間はボンディングワイヤＢｓ１〜Ｂｓ４（総称するときには「ボンディングワイヤＢｓ」という。）で接続されている。

励振配線Ｗｄ１〜Ｗｄ４の外部接続パッド３７には、駆動回路５１が接続されている。駆動回路５１は、共通配線Ｗｃと励振配線Ｗｄ１〜Ｗｄ４との間に駆動信号を印加する。これにより、下部電極５と励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４との間に駆動電圧が印加される。駆動信号は、正弦波信号であってもよい。駆動信号の周波数は、センサボディ２を共振させることができる固有周波数であることが好ましい。検出配線Ｗｓ１〜Ｗｓ４の外部接続パッド３９には、検出回路５２が接続されている。検出回路５２は、共通配線Ｗｃと検出配線Ｗｓ１〜Ｗｓ４との間の電圧を検出信号として検出し、増幅して出力する。これにより、下部電極５と検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４との間に生じた検出信号が取り出される。

堀込み部１５の中央には、支持部１４が設けられている。支持部１４はこの実施形態では、円柱状である。したがって、堀込み部１５は、この実施形態では、支持部１４を中心とした円環状に形成されている。支持基板３１に円環状の堀込み部１５を形成することにより、支持基板３１に一体化した支持部１４を堀込み部１５の中央に設けることができる。

一方、センサボディ２の内部には、底部２１に結合され、中心軸線２０に沿って延びた柱状部２５が設けられている。柱状部２５は、この実施形態では、円柱状であり、その一端が底部２１と一体化している。より具体的には、センサボディ２を作製するためのＳＯＩ基板１０から有底円筒カップ状のセンサボディ２がエッチングによって切り出される。このエッチングの際に、センサボディ２の内側に断面円環状の凹部２６を同時に形成することによって、底部２１と一体化した柱状部２５を設けることができる。したがって、柱状部２５の先端面２５ａは、中心軸線２０の方向に関して、センサボディ２の開口縁２３と同じ位置にある。柱状部２５の先端面２５ａは、支持基板３１の支持部１４の表面１４ａに接着されている。接着には、たとえば、樹脂材料からなる接着剤１７が用いられてもよい。その他、金属のロウ材（たとえば半田）を用いて柱状部２５を支持基板３１に接合したり、シリコン同士の直接接合によって柱状部２５と支持基板３１とを接合したりしてもよい。

センサボディ２の開口縁２３は、堀込み部１５に対向している。堀込み部１５の底面１５ａが支持基板３１の表面３１ａよりも低い位置（センサボディ２から離れる方向に後退した位置）に後退しており、センサボディ２の開口縁２３が柱状部２５の先端面２５ａと同じ高さ（中心軸線２０方向に関して同じ位置）にあるので、開口縁２３と堀込み部１５の底面１５ａとの間に隙間１６が形成されている。こうして、支持基板３１および柱状部２５によって、センサボディ２をその中心軸線２０上の位置で支持する支持構造３が構成されている。

柱状部２５は、中心軸線２０に沿って見た平面視において、中心軸線２０を内包する結合領域１８で底部２１に一体的に結合されている。結合領域１８は、中心軸線２０を中心とした円形の領域であり、中心軸線２０の近傍の領域である。結合領域１８は、中心軸線２０に沿って見た平面視において、センサボディ２の外縁よりも内側にある。より具体的には、結合領域１８の直径は、平面視におけるセンサボディ２の直径（この実施形態では底部２１および胴部２２の直径に等しい）の１／２以下である。結合領域１８の直径は、平面視におけるセンサボディ２の直径の１／２０以上であることが好ましい。この結合領域１８の全域において、柱状部２５と底部２１とが結合されている。したがって、柱状部２５は、中心軸線２０上でセンサボディ２の底部２１に結合されている。電極Ｅｄ，Ｅｓの内側端部に配置されたボンディングパッド９は、平面視において、結合領域１８内に位置している。すなわち、平面視において、ボンディングパッド９は、柱状部２５と重なりあっている。

センサボディ２は、たとえば、ＳＯＩ基板１０を用いて作製されている。ＳＯＩ基板１０は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の表面に形成された絶縁膜１２（典型的には酸化膜）と、その絶縁膜１２の表面に形成されたシリコン層１３とを含む。柱状部２５と胴部２２との間の環状凹所は、シリコン基板１１の裏面（絶縁膜１２とは反対側）の表面からのエッチングによって形成される。このエッチングは、胴部２２をシリコンから切り離すための胴部２２外側のエッチングと同じ工程で行われてもよい。

図２に最もよく表れているように、底部２１の外表面には、下部電極５が形成されている。この実施形態では、下部電極５は、底部２１の外表面の全域に形成されている。その下部電極５の表面に圧電体膜６が形成されている。この実施形態では、圧電体膜６は、下部電極５の表面全域に形成されている。すなわち、圧電体膜６は、底部２１の外表面の全域に渡って連続している。圧電体膜６の表面に励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４および検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４が形成されている。

励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４は、圧電体膜６を挟んで下部電極５に対向している。したがって、励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４が圧電体膜６に接している領域には、励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４および下部電極５の間に圧電体膜６を挟持した励振用圧電素子Ｐｄ１〜Ｐｄ４（圧電アクチュエータ：以下総称するときには「励振用圧電素子Ｐｄ」という。）が構成されている。検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４は、圧電体膜６を挟んで下部電極５に対向している。したがって、検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４が圧電体膜６に接している領域には、検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４および下部電極５の間に圧電体膜６を挟持した検出用圧電素子Ｐｓ１〜Ｐｓ４（圧電センサ：以下総称するときには「検出用圧電素子Ｐｓ」という。）が構成されている。

図５は、電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４の配置を説明するための平面図である。圧電体膜６の表面に配置された２ｎ個（ｎは自然数。この実施形態ではｎ＝４）個の電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４は、中心軸線２０まわりに、２ｎ回対称の位置に配置されている。換言すれば、２ｎ個の電極は、３６０／２ｎ度（ｎ＝４のときには４５度）の角度間隔で等角度間隔に配置されている。ｎ_ｄ個（ｎ_ｄは自然数。この実施形態では、ｎ_ｄ＝４）の励振電極Ｅｄ（明瞭化のために図５において斜線を付して示す。）は、中心軸線２０まわりにｎ_ｄ回対称の位置に配置されている。換言すれば、ｎ_ｄ個の励振電極Ｅｄは、中心軸線２０まわりに３６０／ｎ_ｄ度（ｎ_ｄ＝４のときには９０度）の角度間隔で等角度間隔に配置されている。同様に、ｎ_ｓ個（ｎ_ｓは自然数。この実施形態では、ｎ_ｓ＝４）の検出電極Ｅｓは、中心軸線２０まわりにｎ_ｓ回対称の位置に配置されている。換言すれば、ｎ_ｓ個の検出電極Ｅｓは、中心軸線２０まわりに３６０／ｎ_ｓ度（ｎ_ｓ＝４のときには９０度）の角度間隔で等角度間隔に配置されている。そして、励振電極Ｅｄと検出電極Ｅｓとが、中心軸線２０まわりの周方向に交互に配置されており、隣り合う励振電極Ｅｄと検出電極Ｅｓとの角度間隔は３６０／２ｎ度（ｎ＝４のときには４５度）である。この実施形態では、ｎ＝ｎ_ｄ＝ｎ_ｓである。

中心軸線２０を挟んで対称に配置された一対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３と、中心軸線２０を挟んで対称に配置された別の一対の励振電極Ｅｄ２，Ｅｄ４とは、中心軸線２０のまわりに９０度回転移動した位置関係を有している。これらの２対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３；Ｅｄ２，Ｅｄ４には、たとえば、位相が１８０度異なる駆動電圧が印加される。具体的には、第１対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３に下部電極５の電位を基準として＋５Ｖが印加されているとき、第２対の励振電極Ｅｄ２，Ｅｄ４には下部電極５の電位を基準として−５Ｖの電圧が印加される。

図６は、底部２１の中央付近の拡大断面図である。中心軸線２０付近において、圧電体膜６およびシリコン層１３が除去されて凹部２７が形成されている。この凹部２７は、絶縁膜１２まで達している。下部電極５への接続のためのボンディングワイヤＢｃのボール２８は、凹部２７内に配置されている。ボール２８は、凹部２７の周壁面２７ａにおいて、シリコン層１３の露出端面および下部電極５の露出端面に接している。ボール２８は、圧電体膜６に接していてもよいが、上部電極としての励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓのいずれにも接してはならない。

ボンディングワイヤＢｃは下部電極５に直接接して電気的に接続されているほか、シリコン層１３を介して下部電極５に至る通電経路も形成されている。シリコン層１３は、不純物を添加して低抵抗化してあり、ボンディングワイヤＢｃと下部電極５との間の通電経路を提供している。
シリコン層１３の電気抵抗を充分に低くしておいて、シリコン層１３を圧電素子Ｐｄ１〜Ｐｄ４，Ｐｓ１〜Ｐｓ４の下部電極として用い、下部電極５を省いてもよい。

図７Ａはセンサボディ２の平面図であり、図７Ｂは図７ＡのＢ−Ｂ線断面図であり、図７Ｃは図７ＡのＣ−Ｃ線断面図である。励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４にセンサボディ２の固有周波数の駆動電圧を印加すると、センサボディ２にはワイングラスモードの定常波ＳＷが生じる。具体的には、中心軸線２０を挟んで対向する一対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３と、他の一対の励振電極Ｅｄ２，Ｅｄ４とに沿って、交互に、底部２１の伸張および収縮が生じる。それに応じて、底部２１が反り変形し、その反り変形に応じて胴部２２にも変形が生じる。その結果、図８に示すように、センサボディ２には三次元的な変形が生じる。

ワイングラスモードで定常振動しているとき、中心軸線２０を挟んで対向する一対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３の方向と、これと直交するように配置された他の一対の励振電極Ｅｄ２，Ｅｄ４の方向とが、定常振動の腹ＡＮとなる。そして、中心軸線２０から見て各検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４の方向は、定常振動の節Ｎとなる。よって、外力が生じていないときには、検出用圧電素子Ｐｓ１〜Ｐｓ４はセンサボディ２の変形を検出しない。

図９は、センサボディ２が中心軸線２０まわりに角速度ωを伴って運動する運動系に置かれたときにセンサボディ２の底部２１に生じる力および変位を表す。ワイングラスモードでの定常振動が生じているとき、センサボディ２の底部２１では、励振電極Ｅｄの位置が振動の腹ＡＮとなり、この振動の腹ＡＮでは、中心軸線２０に沿う方向の振動が生じている。任意の瞬間において、隣り合う励振電極Ｅｄの一方において、中心軸線２０の一方側に向かう変位が生じており、それらの励振電極Ｅｄのうちの他方において、中心軸線２０の他方側に向かう変位が生じている。したがって、中心軸線２０を挟んで対向する２対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３；Ｅｄ２，Ｅｄ４のうちの一方の対に対して、中心軸線２０まわりの周方向に沿って一方の向きのコリオリ力ＦＣ１が生じ、他方の対に対して、中心軸線２０まわりの周方向に沿って他方の向きのコリオリ力ＦＣ２が生じる。コリオリ力ＦＣ１，ＦＣ２のために、中心軸線２０を挟んで対向する２対の検出電極Ｅｓのうちの一方の対Ｅｓ１，Ｅｓ３の位置では、底部２１の周縁部が中心軸線２０の一方に向かう変位ＤＳ１が生じ、他方の対Ｅｓ２，Ｅｓ４の位置では、底部２１の周縁部が中心軸線２０の他方に向かう変位ＤＳ２が生じる。これらの変位ＤＳ１，ＤＳ２が、各検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４に対応した検出用圧電素子Ｐｓ１〜Ｐｓ４によって検出される。

図１０Ａはセンサボディ２の平面図であり、図１０Ｂは図１０ＡのＢ−Ｂ線断面図であり、図１０Ｃは図１０ＡのＣ−Ｃ線断面図である。角速度ωが生じているときには、コリオリ力に起因して検出電極Ｅｓの位置でも振動ＯＳが生じる。具体的には、中心軸線２０を挟んで対向する一対の検出電極Ｅｓ１，Ｅｓ３と、他の一対の検出電極Ｅｓ２，Ｅｓ４とに沿って、交互に、底部２１の伸張および収縮が生じる。それに応じて、底部２１が反り変形し、その反り変形に応じて胴部２２にも変形が生じる。その結果、図８に示す変形に対して、さらにコリオリ力による振動を加えた複雑な三次元変形がセンサボディ２に生じる。

角速度ωが生じているときには、したがって、コリオリ力に起因する振動ＯＳが、中心軸線２０を挟んで対向する一対の検出用圧電素子Ｐｓ１，Ｐｓ３と、これに直交する方向に配置された他の一対の検出用圧電素子Ｐｓ２，Ｐｓ４とによって検出される。
図１１Ａ〜図１１Ｌは、センサボディ２の製造工程を説明するための断面図である。
図１１Ａに示すように、ＳＯＩ基板１０が準備される。ＳＯＩ基板１０は、シリコン基板１１と、その表面に形成された絶縁膜１２（いわゆる埋め込み酸化膜）と、その表面に形成されたシリコン層１３（活性層）とを含む。シリコン基板１１は、たとえば、厚さ５２５nmであってもよい。絶縁膜１２は、たとえば、厚さ１０００ｎｍのシリコン酸化膜であってもよい。シリコン層１３は、不純物を添加して低抵抗化することにより、導電性を持たせた半導体層であり、たとえば厚さ２０μｍ、比抵抗が１〜１０Ω・ｃｍであってもよい。

図１１Ｂに示すように、ＳＯＩ基板１０のシリコン層１３の表面の全域に下部電極５が形成され、さらに下部電極５上に圧電体膜６が積層される。下部電極５は、たとえば、シリコン層１３の表面に、Ｔｉ層（密着層）およびＰｔ層を順に積層した積層電極膜からなっていてもよい。下部電極５上に、圧電体膜６を形成するためのシード層がさらに形成されてもよい。シード層としては、(Pa,La)TiO₃（ＰＬＴ）膜が用いられてもよい。Ｔｉ層、Ｐｔ層、ＰＬＴ層は、多元スパッタ装置を用いて連続して成膜することができる。各層の成膜条件の例は、次のとおりである。

圧電体膜６は、たとえばＰＺＴからなる。一般に、圧電体膜６は、Ｐｂ，ＺｒおよびＴｉ（ＰＺＴ）を主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，ＮｂおよびＴｉ（ＰＭＮＴ）を主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｋ，ＮａおよびＮｂ（ＫＮＮ）を主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，ＣａおよびＴｉ（ＢＣＴ）を主成分とするペロブスカイト構造の酸化物からなっていればよい。このような圧電体膜６は、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成できる。たとえば、スパッタ法によってＰＺＴ膜を形成する場合の条件の例は次のとおりである。

次に、図１１Ｃに示すように、圧電体膜６上にフォトレジストパターン６１が形成される。フォトレジストパターン６１は、励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓの形成位置に対応した開口６２を有している。
図１１Ｄに示すように、フォトレジストパターン６１上に上部電極膜６３が堆積させられる。上部電極膜６３は、フォトレジストパターン６１の開口６２内において圧電体膜６に接し、その開口６２外においてフォトレジストパターン６１の表面に接する。上部電極膜６３は、たとえばＰｔ膜であってもよい。また、後のワイヤボンディングを考慮して、ワイヤとの接合性に優れたＡｕ（金）を用いてもよい。ただし、金自体をＰＺＴの表面に直接成膜すると密着性が悪いので、ＰＺＴの表面に密着層としてＣｒ膜（たとえば膜厚約５０ｎｍ）を成膜し、その後にＡｕ膜（たとえば膜厚約１００ｎｍ）を成膜することが好ましい。これらの膜は、スパッタ装置を用いて行うことができる。

次いで、図１１Ｅに示すように、フォトレジストパターン６１が除去される。このとき、フォトレジストパターン６１の表面の上部電極膜６３がリフトオフされ、フォトレジストパターン６１の開口６２内の上部電極膜６３のみが圧電体膜６上に残されて、励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓを構成する。
次に、図１１Ｆに示すように、シリコン層１３を選択エッチングするためのエッチングマスク層６５がシリコン層１３側の全表面に形成され、かつシリコン基板１１を裏面から選択エッチングするためのエッチングマスク層６６がシリコン基板１１の裏面の全面に形成される。エッチングマスク層６５，６６は、たとえば、Ｃｒ（クロム）膜からなっていてもよい。活性層であるシリコン層１３のエッチングはシリコン基板１１のエッチングに比較してＣｒに対する選択比がよくないので、シリコン層１３側のＣｒ層の膜厚（たとえば８００ｎｍ）を、シリコン基板１１裏面のＣｒ層の膜厚（たとえば５００ｎｍ）よりも大きくしておくことが好ましい。

次いで、図１１Ｇに示すように、それらのエッチングマスク層６５，６６の表面に、それぞれレジストパターン６７，６８が形成される。表面側のレジストパターン６７は、センサボディ２の底部２１の外周縁を規定する環状の開口６９と、底部２１中央の凹部２７に対応した円形の開口７０とを有している。裏面側のレジストパターン６８は、センサボディ２の胴部２２の外周を規定する環状の開口７１と、センサボディ２の胴部２２の内周および柱状部２５の周面を規定する環状の開口７２とを有している。

図１１Ｈに示すように、これらのレジストパターン６７，６８をマスクにエッチングマスク層６５，６６がエッチング（たとえばクロム用エッチング液を用いたウェットエッチング）され、エッチングマスク層６５，６６が、レジストパターン６７，６８と同様のパターンにパターニングされる。パターニング後のエッチングマスク層６５は、電極Ｅｄ，Ｅｓの上面および端面を覆っている。

図１１Ｉに示すように、エッチングマスク層６５，６６をマスクとして、圧電体膜６、下部電極５およびシリコン層１３がエッチングされる。圧電体膜６（たとえばＰＺＴ膜）のエッチングは、ＮＬＤ−ＲＩＥ（magnetic Neutral Loop Discharge Reactive Ion Etching：磁気中性線放電反応性イオンエッチング）装置を用いて行ってもよい。ＮＬＤ−ＲＩＥは、反応室内に磁場を発生させることによって低気圧下でプラズマを発生させ、プラズマの高密度化および面内均一性向上を図ることができる方法である。ＰＬＴからなるシード層および下部電極５（Ｐｔ／Ｔｉ）も同装置で同様の条件でエッチングできる。その後、シリコン層１３のエッチングが行われる。シリコン層１３のエッチングも同装置を用いて行うことができる。圧電体膜６（ＰＺＴ）とシリコン層１３とのエッチング加工条件例を以下に示す。

この後は、図１１Ｊに示すように、表面側のパターンをレジスト７４で覆った状態で、エッチングマスク層６６をマスクとして、裏面側から、シリコン基板１１がエッチングされる。このエッチングは、たとえば、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Couple Plasma Reactive Ion Etching）装置を用いたドライエッチングであってもよい。より具体的には、反応性の高いガスを用いたエッチングプロセスと、Ｓｉ表面にポリマーによる保護膜を堆積するプロセスとを繰り返すことによって、側面のエッチングを抑えつつ高いアスペクト比を実現するBoschプロセスを使用してもよい。たとえば、シリコンのエッチングにはＳＦ_６を用いることができ、保護膜生成にはＣ_４Ｆ_８を用いてもよい。加工条件の一例を以下に示す。

その後、図１１Ｋに示すように、底部２１の外側の絶縁膜１２をエッチング除去することにより、センサボディ２がＳＯＩ基板１０から切り離される。エッチングは、たとえばＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングであってもよい。エッチング条件の一例を次に示す。

そして、図１１Ｌに示すように、エッチングマスク層６５，６６（Ｃｒ層）をクロム用エッチング液で除去することによって、センサボディ２が得られる。
図１２Ａ〜図１２Ｇは、支持基板３１の製造工程を説明するための断面図である。
図１２Ａに示すように、表面に絶縁膜８１（たとえば熱酸化により形成された酸化シリコン膜）が形成されたシリコン基板８０が準備される。シリコン基板８０の厚さはたとえば３００μｍ程度、絶縁膜８１の膜厚は１００ｎｍ程度であってもよい。

図１２Ｂに示すように、絶縁膜８１の表面に、配線Ｗｄ，Ｗｓ，Ｗｃのパターンに対応した開口８２を有するレジストパターン８３が形成される。その上に、図１２Ｃに示すように、全面に配線膜８５が堆積させられる。配線膜８５は、絶縁膜８１に接する密着層としてのＣｒ膜（たとえば膜厚約５０ｎｍ）と、その上に積層されたＡｕ膜たとえば膜厚約１００ｎｍ）との積層膜であってもよい。これらの膜は、スパッタ装置を用いて行うことができる。配線膜８５は、レジストパターン８３の開口８２内に入り込んで絶縁膜８１上に形成され、開口８２外ではレジストパターン８３上に形成される。

次いで、図１２Ｄに示すように、レジストパターン８３を除去すると、レジストパターン８３上の配線膜８５がリフトオフされ、それによって、レジストパターン８３の開口８２に対応した配線Ｗｄ，Ｗｓ，Ｗｃが絶縁膜８１上に残される。
次に、図１２Ｅに示すように、堀込み部１５に対応した環状の開口８７を有するレジストパターン８８が形成される。このレジストパターン８８をマスクとして、図１２Ｆに示すように、絶縁膜８１がエッチングされ、さらにシリコン基板８０がエッチングされる。これにより、環状の堀込み部１５が形成され、その内側に円柱状の支持部１４が形成される。その後、図１２Ｇに示すように、レジストパターン８８を除去することによって、支持基板３１が得られる。

絶縁膜８１のエッチングは、たとえば、バッファドフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングで行ってもよい。また、シリコン基板８０のエッチングは、センサボディ２のシリコン基板１１の場合と同様に、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングで行ってもよい。加工条件は、センサボディ２のシリコン基板１１の場合と同様とすればよい。エッチングの深さは、プロセスサイクル数を調整することによって設定でき、たとえば、１５０μｍ程度としてもよい。

その後は、支持部１４に柱状部２５を接着することによって、センサボディ２と支持基板３１とが柱状部２５を介して結合される。そして、センサボディ２の電極Ｅｄ，Ｅｓ，５を支持基板３１上の配線Ｗｄ，Ｗｓ，Ｗｃにワイヤボンディングすることにより、ＭＥＭＳ圧電センサ１が得られる。
図１３は、センサボディ２の振動を確認した実験結果を示す。実験に用いたセンサボディ２の各部の寸法（図２参照）は、次のとおりである。すなわち、柱状部２５の直径Ｄ１＝１ｍｍ、底部２１の直径Ｄ２＝３ｍｍ、胴部２２の高さＨ＝５２５μｍ、底部２１の厚さＴ_Ｄ＝２０μｍ、胴部２２の厚さＴ_Ｓ＝３０μｍである。各電極Ｅｄ，Ｅｓは、幅１００μｍ、長さ１１００μｍの長方形である。

励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４に正弦波を印加し、その周波数を掃引する一方で、レーザドップラー振動計（Laser Doppler Vibrometer）で励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４の近傍の振動を計測した。その結果、周波数３４ｋＨｚ付近で、振動の位相が反転し、かつ振幅が極大となり、共振が確認された。
図１４は、ワイングラスモードによる定常振動を確認した実験結果を示す。実験に用いたセンサボディ２は図１３の場合と同じである。励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４に周波数３４ｋＨｚ付近の正弦波を印加し、底部２１の周縁部における振幅をレーザドップラー振動計で計測した。横軸は、中心軸線２０を挟んで対向する一対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３に沿って定義したｘ軸方向の位置であり、縦軸は中心軸線２０を挟んで対向する他の一対の励振電極Ｅｄ２，Ｅｄ４に沿って定義したｙ軸方向の位置であり、ｘ軸およびｙ軸の交点である原点は、底部２１の中心軸線２０に相当している。原点からの距離が、中心軸線２０まわりの各方向の周縁部での振幅を表している。

図１４から、励振電極Ｅｄの位置が振動の腹となり、それらの間の中間位置、すなわち検出電極Ｅｓの位置が振動の節となっていることが分かる。すなわち、ワイングラスモードの定常振動（共振）が生じていることが分かる。
図１５は、検出動作を確認するための実験結果を示す。実験に用いたセンサボディ２は図１３の場合と同じである。周波数応答分析装置（Frequency Response Analyzer）を用いて、一対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３に正弦波を印加し、その周波数を掃引する一方で、別の励振電極Ｅｄ２，Ｅｄ４の出力信号を検出した。その結果、周波数３４ｋＨｚ付近で、検出信号の位相が反転し、かつ振幅（任意単位）が極大となり、共振が確認された。これにより、センサボディ２上の圧電素子により振幅の検出が可能であることが確認できた。

表６は、胴部２２の厚みＴ_Ｓを２０μｍ、３０μｍおよび４０μｍとした試料を準備して、ワイングラスモードでの固有振動数を測定し、さらにワイングラスモードでのＱ値を求めた実験結果を示す。

図１６Ａは、Ｑ値を一定とし、共振状態の振幅が静荷重印加時の変位に比例すると仮定して、胴部２２の厚みＴ_Ｓに対する正規化されたスケールファクタ（任意単位）の関係を求めた結果を示す図である。図１６Ｂは、胴部２２の厚みＴ_Ｓと振動状態での正規化されたスケールファクタ（任意単位）との関係を示す。スケールファクタは、１度／秒当たりの電圧変化量を表し、角速度検出感度に相当する。振動状態では、駆動および検出の振動振幅がそれぞれＱ値倍となる。そこで、図１６Ａのスケールファクタに対して、表６の各厚みＴ_Ｓに対応したＱ値の２乗を乗じ、最大値で正規化することによって、図１６Ｂのスケールファクタが得られる。

胴部２２の厚みＴ_Ｓが小さいほどスケールファクタが大きく、したがって、感度の高いＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。すなわち、胴部２２の厚みＴ_Ｓが小さいほど、コリオリ力による変位が大きくなるので、それに応じて、高感度なセンサを実現できる。ただし、厚みＴ_Ｓは１０μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上の範囲において胴部２２の厚みＴ_Ｓを薄くするほど、高感度なセンサを実現できる。

以上のように、この実施形態のＭＥＭＳ圧電センサ１によれば、センサボディ２は、カップ形状を有しており、その中心軸線２０上で支持構造３に結合されて支持されている。したがって、センサボディ２は中心軸線２０上で支持された状態でほぼ全体が振動可能である。
センサボディ２の表面に形成された圧電体膜６には、複数個の電極が接合されている。複数個の電極は、この実施形態では、４個の励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４および４個の検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４を含み、これらは、カップ形状の中心軸線２０を中心とした放射状に配置されている。これらの電極Ｅｄ，Ｅｓを用いて、センサボディ２のほぼ全体に渡る振動を生じさせたり、外力その他の影響で圧電体膜６に生じる起電力を検出したりすることができる。センサボディ２のほぼ全体が振動するので、感度の高い検出が可能である。

また、外力、温度、湿度、加速度、角速度、角加速度等の種々の物理量に応じてカップ状のセンサボディ２には３次元的な変形が生じるので、複数の座標軸方向に関する物理量を同時に検出することができ、いわゆる多軸化を実現できる。
この実施形態の構成では、２対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３；Ｅｄ２，Ｅｄ４に駆動電圧を印加することにより、逆圧電効果によって、圧電体膜６を伸縮させ、それによって、センサボディ２を振動させることができる。一方、２対の検出電極Ｅｓ１，Ｅｓ３；Ｅｓ２，Ｅｓ４は、圧電効果によって圧電体膜６に生じる電圧を導出することができる。これにより、センサボディ２を振動させ、かつセンサボディ２の変形を検出することができるから、高感度な振動型センサを提供できる。また、カップ状のセンサボディ２に生じる３次元的な変形を検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４によって検出でき、それによって、いわゆる多軸化を実現できる。

また、この実施形態では、励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓは、中心軸線２０まわりに２ｎ回対称（ただしｎは自然数。この実施形態では、ｎ＝４）の位置に設けられている。そして、中心軸線２０を挟んでそれぞれ対称な位置に２対の励振電極Ｅｄ１，Ｅｄ３；Ｅｄ２，Ｅｄ４が配置され、中心軸線２０を挟んでそれぞれ対称な位置に２対の検出電極Ｅｓ１，Ｅｓ３；Ｅｓ２，Ｅｓ４が配置されている。そして、励振電極Ｅｄと検出電極Ｅｓとが２ｎ回対称の位置に交互に配置されている。これにより、センサボディ２を効果的に励振でき、大きな振幅で振動させることができる。また、センサボディ２の形状変化を精度良く検出することができ、それにより、センサボディ２の振動を高感度に検出でき、かつ多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を実現できる。

さらに、この実施形態では、励振電極Ｅｄによってセンサボディ２に定常振動（ワイングラスモード）を生じさせた状態で、検出電極Ｅｓによって物理量を検出することができる。検出電極Ｅｓは、定常振動の節Ｎに配置されているので、励振電極Ｅｄにより生じた振動の影響が抑制された状態で、センサボディ２に生じる変化を検出できる。
より具体的には、この実施形態では、センサボディ２に定常振動が生じた状態で、ＭＥＭＳ圧電センサ１に角速度が働くと、コリオリ力によって定常振動が変化し、この変化を表す信号が検出電極Ｅｓから取り出される。それによって、角速度を検出できる。センサボディ２には３次元的な振動が生じるので、検出電極Ｅｓから取り出される信号に対して適切な処理を行うことによって、同時に３軸に関する角速度の検出が可能である。

また、この実施形態では、センサボディ２に生じる定常振動がワイングラスモードである。ワイングラスモードでは、振動損失が少ないのでＱ値が高く、かつ、外部からの加速度等の影響を受けにくい。これにより、感度の高い検出が可能であり、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。
また、この実施形態では、センサボディ２が、底部２１および胴部２２を含み、支持構造３が底部２１においてセンサボディ２に結合されている。したがって、センサボディ２がその底部２１で支持されているので、センサボディ２の全体に振動を生じさせることができるから、振動損失の少ない振動、たとえばワイングラスモードでの振動が可能になる。それによって、高感度の検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。

具体的には、この実施形態では、底部２１に結合された柱状部２５によってセンサボディ２が支持されている。これにより、センサボディ２の全体に振動を生じさせることができるから、振動損失の少ない振動、たとえばワイングラスモードでの振動が可能になる。
また、この実施形態では、柱状部２５がカップ形状の内側においてセンサボディ２の底部２１に結合されている。そして、支持構造３は、センサボディ２の開口縁２３側で柱状部２５に結合された支持基板３１を含む。この構成では、カップ形状の内側に柱状部２５を配置できるので、小型かつ高感度で、しかも多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。

また、この実施形態では、支持基板３１の表面とセンサボディ２の開口縁２３とが離隔しているので、センサボディ２の振動が支持基板３１によって阻害されることがない。それにより、センサボディ２を効率的に振動させることができるので、高感度で多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。
さらに、この実施形態では、支持基板３１の表面において柱状部２５に対応する位置に支持部１４が設けられており、支持基板３１の表面においてセンサボディ２の開口縁２３に対向する位置に、支持部１４よりも掘り下げた堀込み部１５が形成されている。この構成によれば、支持基板３１の表面の支持部１４で柱状部２５を支持する一方で、センサボディ２の開口縁２３に対向する位置には支持基板３１の表面に凹所（堀込み部１５）が形成されている。これにより、センサボディ２の効率的な振動を確保した状態でセンサボディ２を支持できる。

また、柱状部２５は、中心軸線２０に沿う方向に関して、センサボディ２の開口縁２３よりもセンサボディ２の外方（底部２１とは離れる方向）に突出していなくてもよい。より具体的には、柱状部２５の支持基板３１に対向する端部が、中心軸線２０に沿う方向に関して、センサボディ２の開口縁２３と同じ位置にあってもよい。このような構造は、ＳＯＩ基板１０をエッチングしてセンサボディ２と、それと一体化した柱状部２５とを同時に形成して得られる。したがって、ＭＥＭＳ工程でセンサボディ２および柱状部２５を同時に形成した構造により、支持基板３１に形成した堀込み部１５によって、センサボディ２の効率的な振動を確保できる。

さらに、この実施形態では、支持基板３１は回路配線Ｗｄ，Ｗｓ，Ｗｃが形成された回路基板であり、その回路配線Ｗｄ，Ｗｓ，ＷｃにボンディングワイヤＢｄ１〜Ｂｄ４，Ｂｓ１〜Ｂｓ４によって電極５，Ｅｄ〜１Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４が接続されている。すなわち、ワイヤボンディングによって、電極と回路配線との接続が確保されている。励振電極Ｅｄ１〜Ｅｄ４および検出電極Ｅｓ１〜Ｅｓ４が形成されている底部２１は平坦な外表面２１ａを有しているので、それらの電極５，Ｅｄ〜１Ｅｄ４，Ｅｓ１〜Ｅｓ４と支持基板３１上の配線とのワイヤボンディングは容易に達成できる。

また、この実施形態では、センサボディ２が、平板状の底部２１と、底部２１に結合された筒状の胴部２２とを含む。そして、平板状の底部２１の外表面２１ａに圧電体膜６が配置されている。このように、センサボディ２が平板状の底部２１と筒状の胴部２２とを有する構造は、ＳＯＩ基板１０をエッチングする工程で製造できる。また、電極Ｅｄ，Ｅｓは、センサボディ２の外側に配置されるので、電極Ｅｄ，Ｅｓの外部接続が容易である。

また、この実施形態では、センサボディ２が、シリコンを主成分とする材料からなっているので、シリコンの加工によってセンサボディ２を作製できる。
センサボディ２の胴部２２は、直径Ｄ２が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下、かつ肉厚Ｔ_Ｓが前記直径Ｄ２の１／２０以下の円筒形状であることが好ましい。そして、その円筒形状の中心軸線２０方向の長さＨが１００μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、センサボディ２を効率的に励振でき、かつ感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。

センサボディ２の直径Ｄ２を０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることにより、加工および配線が容易で、かつ共振周波数を高感度検出が可能な高周波数域にできる。すなわち、センサボディ２の直径Ｄ２が０．２ｍｍ未満では、円筒形状の加工および配線が困難になる。また、センサボディ２の直径Ｄ２が５ｍｍを超えると、共振周波数が低くなり、感度低下の懸念がある。

胴部２２の肉厚Ｔ_Ｓは、薄いほど感度が向上するので、円筒形状の直径Ｄ２の１／２０以下とすることが好ましい。ただし、肉厚Ｔ_Ｓが薄すぎると加工形状が不安定になって、センサ特性のバラツキの原因となるので、肉厚Ｔ_Ｓは１０μｍ以上が好ましい。
胴部２２の長さＨは、短すぎるとＱ値が下がり、感度が低下する懸念があるので、１００μｍ以上とすることが好ましい。一方、胴部２２の長さＨが長すぎると、加工時間がかかりすぎて実用的でないので、１ｍｍ以下が好ましい。

また、支持構造３を構成する柱状部２５は、胴部２２の円筒形状の直径Ｄ２の１／２０以上１／２以下の直径Ｄ１を有する円形断面を有する円柱状であることが好ましい。これにより、センサボディ２を効率的に励振でき、かつ感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。とくに、円筒形状の胴部２２を円形断面の柱状部２５により支持する構造は、センサボディ２全体を効率良く振動させることができる。なお、柱状部２５の円形断面は、中心軸線２０に垂直な切断面の形状である。

柱状部２５の直径Ｄ１を胴部２２の円筒形状の直径Ｄ２の１／２０以上としておくことにより、柱状部２５と底部２１との結合が充分な強度を有する。また、柱状部２５と底部２１との結合領域１８に電極Ｅｄ，Ｅｓの接続部であるボンディングパッド９を設けることができ、柱状部２５によって確実に支持された状態で、電極Ｅｄ，Ｅｓのボンディングパッド９に対する配線接続（ワイヤボンディング）を安定に行うことができる。また、柱状部２５の直径Ｄ１を胴部２２の円筒形状の直径Ｄ２の１／２以下としておくことにより、柱状部２５による振動の拘束を抑制できるから、センサボディ２全体を効率的に振動させることができる。

また、圧電体膜６の膜厚は、０．２μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。これにより、圧電体膜６がセンサボディ２の振動および変形を拘束することを回避でき、かつ圧電体膜６が必要な逆圧電効果および圧電効果を生じるので、感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。膜厚が０．２μｍ未満では、リーク発生の懸念があり、励振できないおそれがある。また、膜厚が５μｍを超えると、微細加工が困難になるおそれがある。

圧電体膜６は、前述のとおり、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物（ＰＺＴ）、Ｐｂ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物（ＰＭＮＴ）、Ｋ，Ｎａ，Ｎｂを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物（ＫＮＮ）、またはＢａ，Ｃａ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物（ＢＣＴ）からなることが好ましい。これらは、高い圧電特性を有する圧電薄膜材料であるので、圧電体膜６は、大きな逆圧電効果および圧電効果を生じるから、感度の高い検出が可能となる。

このような圧電体膜６は、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成することができ、それにより、必要な膜厚の圧電体膜６を形成できる。したがって、感度の高い検出が可能で、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１を提供できる。
図１７は、この発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサ１Ａの構成を説明するための図解的な断面図である。図１７において、前述の実施形態の各部に対応する部分には同一参照符号を付して示す。

この実施形態では、カップ形状のセンサボディ２は、底部２１を支持基板３１に対向させ、開口縁２３を支持基板３１とは反対側に向けた姿勢で、支持基板３１上に支持されている。支持基板３１は、平坦な表面３１ａを有しており、その表面に配線Ｗｃ，Ｗｄ，Ｗｓが形成されている。配線Ｗｃ，Ｗｄ，Ｗｓの一端にバンプ９０が配置されている。センサボディ２の底部２１には、支持基板３１に対向する外表面２１ａに下部電極５が形成されており、下部電極５上に圧電体膜６が積層されており、さらに圧電体膜６上に励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓが積層されている。電極Ｅｓ，Ｅｄの一端部（たとえば内方側の端部）にバンプ９１が配置されている。このバンプ９１が配線Ｗｄ，Ｗｓ側のバンプ９０に接合されている。一方、下部電極５の一部が圧電体膜６から露出している。この実施形態では、下部電極５は、中心軸線２０を含む領域で露出している。この下部電極５の露出部から圧電体膜６の表面に引き出し配線９３が引き出されており、この引き出し配線９３にバンプ９２が設けられている。このバンプ９２は、支持基板３１上の配線Ｗｃ上に設けられたバンプ９０に接合されている。

このように、この実施形態では、センサボディ２の内部に柱状部２５を設けることなく、センサボディ２がその中心軸線２０の近傍の結合領域１８で支持基板３１に支持されている。この実施形態では、支持構造３は、支持基板３１と、バンプ９０〜９２とを含む。
この実施形態では、支持構造３が、カップ形状の外側においてセンサボディ２の底部２１に結合されている。したがって、支持構造３とセンサボディ２との結合が容易であるので、簡単な構造で、感度が高く、多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１Ａを提供できる。

また、センサボディ２の底部２１の外表面２１ａを支持基板３１に対向させた状態でセンサボディ２を支持できるので、支持構造３を簡単にしながら、感度が高く、かつ多軸化に有利な構造のＭＥＭＳ圧電センサ１Ａを提供できる。
そして、支持基板３１の表面３１ａに回路配線Ｗｃ，Ｗｄ，Ｗｓが形成されており、その回路配線Ｗｃ，Ｗｄ，Ｗｓと電極５，Ｅｄ，Ｅｓとがワイヤレスボンディングで接続されている。それにより、接続構造を簡単にしながら、感度が高く、かつ多軸化に有利なＭＥＭＳ圧電センサ１Ａを提供できる。また、電気的接続のための構造をセンサボディ２の支持構造３の一部に利用できるので、全体の構造を簡単にすることができる。

図１８は、この発明のさらに他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサ１Ｂの構成を説明するための図解的な断面図である。図１８において、前述の各実施形態に示された各部の対応部分は同一参照符号で示してある。
この実施形態では、センサボディ２の底部２１の外表面２１ａに、柱状部９５が結合されている。柱状部９５は、センサボディ２の中心軸線２０に沿って、底部２１の外表面２１ａから、当該底部２１から離れる方向に延びている。柱状部９５の先端は、支持基板３１の表面３１ａに支持されている。柱状部９５は、たとえば、ＳＯＩ基板１０のシリコン層１３を加工して作製することができる。

この実施形態では、カップ形状のセンサボディ２は、底部２１を支持基板３１に対向させ、開口縁２３を支持基板３１とは反対側に向けた姿勢で、支持基板３１上に支持されている。支持基板３１は、平坦な表面３１ａを有しており、その表面に配線Ｗｃ，Ｗｄ，Ｗｓが形成されている。配線Ｗｃ，Ｗｄ，Ｗｓの一端にバンプ９０が配置されている。センサボディ２の底部２１には、支持基板３１に対向する外表面２１ａに下部電極５が形成されており、下部電極５上に圧電体膜６が積層されており、さらに圧電体膜６上に励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓが積層されている。

電極Ｅｓ，Ｅｄの一端部（たとえば内方側の端部）は、柱状部９５の側面に沿って引き出され、柱状部９５の先端面９５ａに至る引き出し部９６を有している。この引き出し部９６上には、柱状部９５の先端面９５ａ上において、バンプ９１が配置されている。このバンプ９１が配線Ｗｄ，Ｗｓ側のバンプ９０に接合されている。一方、下部電極５の一端部（たとえば内方側の端部）は、柱状部９５の側面に沿って引き出され、柱状部９５の先端面９５ａに至る引き出し部９７を有している。この引き出し部９７上には、柱状部９５の先端面上において、バンプ９２が設けられている。このバンプ９２は、支持基板３１上の配線Ｗｃ上に設けられたバンプ９０に接合されている。

このように、この実施形態では、センサボディ２の外側に設けた柱状部９５を介して、センサボディ２が、その中心軸線２０の近傍の結合領域１８で支持基板３１に支持されている。すなわち、この構成によっても、センサボディ２の外側に設けた支持構造３で、センサボディ２をその中心軸線２０上で支持できる。
この実施形態では、支持構造３は、支持基板３１と、柱状部９５と、バンプ９０〜９２とを含む。柱状部９５を設けることによって、支持基板３１とセンサボディ２とを確実に離隔させることができる。

図１９Ａおよび図１９Ｂは、この発明のさらに他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサ１Ｃ，１Ｄの構成を説明するための斜視図である。この実施形態では、支持基板３１上に十字状に配置された一対の直線状の梁部１０１が形成されており、その一対の梁部１０１の交差部に支持部１４が配置されている。支持部１４上に、センサボディ２と一体に形成された柱状部２５が接着されている。梁部１０１は、平面視において、センサボディ２の内側および外側に跨がって直線状に延びている。梁部１０１が十字状になっていて、その交差部に支持部１４が配置されているため、センサボディ２を支持部１４に配置して組み立てるときに、梁部１０１を参照することによって、センサボディ２を容易にかつ正確に位置合わせすることができる。それによって、センサボディ２の組立性が向上し、かつ正確な組立が可能になる。

梁部１０１は、支持基板３１の表面３１ａから掘り込んだ凹所である堀込み部１５内に形成されている。
図１９Ａの構成では、堀込み部１５の底面１５ａからの梁部１０１の高さは、支持基板３１の表面３１ａよりも低く、底面１５ａからの支持部１４の高さは、支持基板３１の表面３１ａと同じである。そして、センサボディ２の柱状部２５の下端と開口縁２３とが同一平面内に位置している。したがって、開口縁２３と梁部１０１との間には、梁部１０１と支持部１４との高さの差に応じた隙間が確保されている。

一方、図１９Ｂの構成では、堀込み部１５の底面１５ａからの梁部１０１の高さは、支持基板の表面３１ａと同じであり、支持部１４の高さも表面３１ａと同じである。そして、センサボディ２の柱状部２５の下端よりも下方（支持基板３１に近づく方向）にまで開口縁２３が延びている。開口縁２３には、梁部１０１を挿通させるための凹部である切り欠き部２４が、梁部１０１に対応する箇所（この実施形態では４箇所）に配置されている。梁部１０１は、切り欠き部２４を通って、センサボディ２の内側と外側とに跨がって延びている。切り欠き部２４により、センサボディ２と梁部１０１との接触を回避する隙間が確保されている。

なお、梁部１０１は十字状に交差している必要はなく、互いに交差する少なくとも２つの梁部１０１が支持基板３１の表面に設けられていれば、センサボディ２の位置合わせの際に目印として用いることができる。
このように、この構成では、支持基板３１の表面３１ａに設けられた支持部１４から異なる方向（１８０度以外）に延びた複数の梁部１０１が設けられており、その複数の梁部１０１が、センサボディ２の内側と外側とに跨がって延びている。したがって、組立時には、複数の梁部１０１を目印にして、センサボディ２を支持部１４に対して位置合わせできる。

また、図１９Ｂの構成では、センサボディ２の開口縁２３には、複数の梁部１０１に対応する位置に切り欠き部２４が形成されているので、梁部１０１との接触を切り欠き部２４で回避できる。したがって、センサボディ２の開口縁２３を梁部１０１の表面よりも支持基板３１の表面３１ａに近い位置に配置することができる。それによって、センサボディ２を大きくすることができるので、より感度の高い検出が可能になる。

図２０は、この発明のさらに他の実施形態に係るＭＥＭＳ圧電センサ１Ｅの構成を説明するための図解的な断面図である。図２０において、前述の実施形態に示した各部の対応部分は同一参照符号で示す。
この実施形態では、センサボディ２の胴部２２に圧電素子Ｐｄ，Ｐｓが形成されている。具体的には、センサボディ２の胴部２２の外表面２２ａに下部電極５が形成されており、その下部電極５に圧電体膜６が積層されており、その圧電体膜６上に励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓが設けられている。これにより、励振電極Ｅｄの位置に励振用圧電素子Ｐｄが形成されており、検出電極Ｅｓの位置に検出用圧電素子Ｐｓが形成されている。

たとえば、合計８個の励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓは、中心軸線２０まわりに８回対称の位置に配置されている。具体的には、４個の励振電極Ｅｄが、中心軸線２０まわりに４回対称の位置に配置されている。また、４個の検出電極Ｅｓは、中心軸線２０まわりに４回対称の位置に配置されている。励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓは、中心軸線２０まわりの８回対称の位置に周方向に沿って交互に配置されている。励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓは、たとえば、ボンディングワイヤＢｄ，Ｂｓによって、支持基板３１上の配線Ｗｄ，Ｗｓに接続されている。

下部電極５は、圧電体膜６から一部が露出している。その露出部と支持基板３１上の配線ＷｃとがボンディングワイヤＢｃによって接続されている。
なお、センサボディ２の底部２１と胴部２２との両方に圧電素子を形成することもできる。
図２１Ａ〜図２１Ｃは、センサボディ２の形状に関する変形例を示す。これらの図において、前述の実施形態の各部の対応部分には、同一参照符号を付して示す。

図２１Ａの例では、センサボディ２の胴部２２が中心軸線２０に対して傾斜していて、円錐台筒形状（コーン形状）に構成されている。より具体的には、底部２１から開口縁２３に向かって拡がる円錐台筒形状（コーン形状）である。電極Ｅｄ，Ｅｓは、底部２１に配置されてもよいし、胴部２２に配置されてもよい。
図２１Ｂの例では、センサボディ２の胴部２２は、中心軸線２０に対して第１の傾斜角で傾斜した第１部分２２１と、第２の傾斜角で傾斜した第２部分２２２とを含む。第１部分２２１は、底部２１に結合され、底部２１から離れるに従って中心軸線２０から離れるように外側に向かって傾斜した側面を有する円錐台筒形状（コーン形状）である。第２部分２２２は、第１部分２２１の外側縁部に連続する外側縁部を有し、その外側縁部から中心軸線２０に向かって内方に傾斜して延びた側面を有する円錐台筒形状（コーン形状）である。すなわち、第１部分２２１は底部２１から離れるに従って外側に拡がる形状であり、第２部分２２２は底部２１から離れるに従って内側に窄まる形状であり、それらの外側縁部同士が結合されている。電極Ｅｄ，Ｅｓは、底部２１に配置されてもよいし、胴部２２（たとえば第１部分２２１）に配置されてもよい。

図２１Ｃの例では、胴部２２は円筒形状であり、底部２１とは反対側の縁部には、中心軸線２０に垂直な平面に沿って内方に延びた環状のフランジ部２２３が結合されている。電極Ｅｄ，Ｅｓは、底部２１に配置されてもよいし、胴部２２に配置されてもよい。
図２２は、センサボディ２の形状に関する変形例を示す。この例では、センサボディ２は、ワイングラス形に形成されている。より具体的には、センサボディ２は、中心軸線２０まわりの回転体であって、中心軸線２０を含む切断面において、底部２１および胴部２２が区切りなく連続した湾曲線に沿っている。たとえば、底部２１および胴部２２が切断面において従う湾曲線は、部分楕円（具体的には半楕円）の周形状であってもよい。図２２の例では、底部２１の中心軸線２０に沿って柱状部９５がセンサボディ２と一体的に設けられている。この例では、柱状部９５は、センサボディ２の外側に配置されているが、同様の柱状部９５をセンサボディ２の内側に設けることもできる。また、柱状部９５を設けずに、図１７と同様な支持構造３によって、センサボディ２を支持基板３１上に支持することもできる。電極Ｅｄ，Ｅｓは、底部２１に配置されてもよいし、胴部２２に配置されてもよい。

図２３は、ワイングラス形のセンサボディ２の内側に圧電素子Ｐｄ，Ｐｓを配置した構成例を示す。センサボディ２の内表面に下部電極５が形成され、その下部電極５に圧電体膜６が積層されている。そして、圧電体膜６の表面に励振電極Ｅｄおよび検出電極Ｅｓが配置されている。センサボディ２の内側に圧電素子Ｐｄ，Ｐｓを配置することによって、センサボディ２の内方で支持基板３１との電気的接続を行うことができる。それによって、ＭＥＭＳ圧電センサの小型化を図ることができる。

以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、次に例示的に列記するとおり、さらに他の形態で実施することもできる。
(1) センサボディは、必ずしも回転体である必要はない。たとえば、多角筒状体、多角錘台筒状体などでセンサボディを構成してもよい。
(2) センサボディの内側への圧電素子の配置は、図２３の形状のセンサボディに限らず、他の形態のセンサボディであっても、その内側に圧電素子を配置することができる。

(3) 圧電体膜を挟んで下部電極に対向する上部電極（励振電極および検出電極）は、少なくとも２個あればよい。少なくとも２個の上部電極は、少なくとも一つの励振電極と、少なくとも一つの検出電極とを含むことが好ましい。励振電極と検出電極とは同数である必要はない。したがって、上部電極の総数は奇数であっても偶数であってもよい。たとえば、一つの励振電極と、２つの検出電極とを設けて、合計３つの上部電極を設けてもよい。さらに、複数個の上部電極は、少なくとも一対の励振電極と、少なくとも一対の検出電極を有することが好ましい。この場合には、少なくとも４個の上部電極が設けられることになる。

(4) 励振電極と検出電極とは、センサボディ上の等価な位置に必ずしも配置する必要はない。たとえば、励振電極をセンサボディの底部に配置し、検出電極をセンサボディの胴部に配置してもよく、その反対の配置としてもよい。
(5) センサボディと支持構造との結合領域は、図１等の実施形態では柱状部２５と底部２１とが結合された円形の領域であり、その全域で柱状部２５が底部２１に結合されている。それに対して、図１７、図１８等の実施形態では、バンプ９０等を包含する領域であって、その内部では複数のバンプ９０の位置においてセンサボディ２と支持構造３とが結合されている。そして、複数のバンプ９０が中心軸線２０を取り囲むように配置されているので、センサボディ２は、実質的には、中心軸線２０上で支持構造３に結合されていると言える。同様な結合は、結合部分が円弧形状をなす場合や、環状をなす場合にも達成され得る。

(6) 圧電体膜６は、センサボディ２の底部２１および胴部２２の一方のみに配置してもよいし、両方に配置してもよい。また、センサボディ２の底部２１の内表面および外表面のいずれに圧電体膜６を配置してもよいし、それらの両方に圧電体膜６を配置してもよい。同様に、センサボディ２の胴部２２の内表面および外表面のいずれに圧電体膜６を配置してもよいし、それらの両方に圧電体膜６を配置してもよい。カップ状のセンサボディ２の全体が振動および変形するので、圧電体膜６は底部２１および胴部２２のいずれに配置してもよく、その圧電体膜の配置に応じて電極を配置すればよい。

(6) 中心軸線２０まわりの２ｎ回対称の位置に電極Ｅｄ，Ｅｓを配置する場合に、すべての位置に電極を配置せずに、いずれか少なくとも一つの位置を空位としてもよい。たとえば、８回対称の位置のうちの６箇所のみに電極を配置してもよい。具体的には、８回対称の位置のうちの２箇所に励振電極Ｅｄをそれぞれ配置し、それらの位置のうちの４箇所に検出電極Ｅｓをそれぞれ配置してもよい。ただし、すべての位置に電極Ｅｄ，Ｅｓを配置する方が、より高感度な検出が可能になる。

(7) 励振電極Ｅｄと検出電極Ｅｓとの数は同数でなくてもよい。たとえば、中心軸線２０まわりの６回対称の位置のうちの２箇所に励振電極Ｅｄをそれぞれ配置し、それらのうちの４箇所に検出電極Ｅｓをそれぞれ配置してもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ ＭＥＭＳ圧電センサ
２ センサボディ
３ 支持構造
５ 下部電極
６ 圧電体膜
８ 下部電極接続部
９ ボンディングパッド（上部電極の接続部）
１０ ＳＯＩ基板
１１ シリコン基板
１２ 絶縁膜
１３ シリコン層
１４ 支持部
１５ 堀込み部（凹所）
１６ 隙間
１７ 接着剤
１８ 結合領域
２０ 中心軸線
２１ 底部
２２ 胴部
２３ 開口縁
２４ 切り欠き部（凹部）
２５ 柱状部
２８ ボンディングワイヤのボール
３１ 支持基板
５１ 駆動回路
５２ 検出回路
９０〜９２ バンプ
９５ 柱状部
１０１ 梁部
２２１ 第１部分
２２２ 第２部分
２２３ フランジ部
Ｅｄ，Ｅｄ１〜Ｅｄ４ 励振電極
Ｅｓ，Ｅｓ１〜Ｅｓ４ 検出電極
Ｐｄ１〜Ｐｄ４ 励振用圧電素子
Ｐｓ１〜Ｐｓ４ 検出用圧電素子
Ｗｄ，Ｗｄ１〜Ｗｄ４ 励振配線
Ｗｓ，Ｗｓ１〜Ｗｓ４ 検出配線
Ｗｃ 共通配線
Ｂｄ，Ｂｄ１〜Ｂｄ４ ボンディングワイヤ
Ｂｓ，Ｂｓ１〜Ｂｓ４ ボンディングワイヤ
Ｂｃ ボンディングワイヤ
ＳＷ 定常波
ＯＳ 振動
ＡＮ 定常振動の腹
Ｎ 定常振動の節
ω 角速度

Claims (29)

1. 中心軸線を有するカップ形状のセンサボディと、
   前記中心軸線を含む所定の結合領域で前記センサボディに結合され、前記センサボディを支持する支持構造と、
   前記センサボディの表面に形成された下部電極と、
   前記下部電極に接するように形成された圧電体膜と、
   前記カップ形状の前記中心軸線を中心とした放射状に配置され、前記圧電体膜の前記下部電極とは反対側の表面に接合された複数個の電極と
   を含み、
   前記支持構造が、表面に回路配線が形成された支持基板を含み、
   前記下部電極および前記複数個の電極が、前記圧電体膜の表面の側に配置されたボンディングワイヤまたはバンプを介して前記回路配線に接続されている、ＭＥＭＳ圧電センサ。
2. 前記複数個の電極が、少なくとも一つの励振電極と、少なくとも一つの検出電極とを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
3. 前記複数個の電極が、少なくとも一対の励振電極と、少なくとも一対の検出電極とを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
4. 前記複数個の電極が、前記中心軸線まわりに２ｎ回対称（ただしｎは自然数）の位置に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
5. ２ｎ個の前記電極（ただしｎは自然数）が、前記中心軸線まわりに２ｎ回対称の位置に設けられている、請求項１に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
6. 前記２ｎ個の電極が、前記中心軸線まわりに交互に配置されたｎ個の励振電極とｎ個の検出電極とを含む、請求項５に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
7. 前記複数個の電極が、
   前記カップ形状の前記中心軸線に対して対称に配置され前記圧電体膜の表面に接合された一対の励振電極と、
   前記カップ形状の中心軸線に対して対称に配置され前記圧電体膜の表面に接合された一対の検出電極と
   を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
8. 前記励振電極によって圧電体膜を駆動することにより、前記センサボディに定常振動が生じ、前記定常振動の腹に前記励振電極が配置され、前記定常振動の節に前記検出電極が配置されている、請求項２、３、６または７に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
9. 前記励振電極によって圧電体膜を駆動することにより前記センサボディに生じる振動がワイングラスモードである、請求項２、３、６、７または８に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
10. 前記センサボディが、底部および胴部を含み、前記支持構造が前記底部において前記センサボディに結合されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
11. 前記支持構造が、前記底部に結合され、前記中心軸線に沿って延びる柱状部を含む、請求項１０に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
12. 前記柱状部が前記カップ形状の内側において前記センサボディの底部に結合されており、
    前記支持基板が、前記センサボディの開口縁側で前記柱状部に結合されている、請求項１１に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
13. 前記支持基板の表面と前記開口縁とが離隔している、請求項１２に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
14. 前記支持基板の表面において前記柱状部に対応する位置に支持部が設けられており、
    前記支持基板の表面において前記センサボディの開口縁に対向する位置に、前記支持部よりも掘り下げた凹所が形成されている、請求項１３に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
15. 前記支持基板の表面において前記柱状部に対応する位置に支持部が設けられており、
    前記支持部において交差する異なる方向に沿って前記センサボディの内部および外部に跨がってそれぞれ延びた複数の梁部を含み、
    前記センサボディの開口縁には、前記複数の梁部に対応する位置に凹部が形成されている、請求項１３に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
16. 前記柱状部と前記支持基板とが、樹脂、金属またはシリコンの直接接合により接続されている、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
17. 前記支持構造が、前記カップ形状の外側において前記センサボディの底部に結合されている、請求項１０または１１に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
18. 前記支持基板が、前記センサボディの底部の外表面に対向しており、
    前記回路配線と前記電極とが前記バンプを介するワイヤレスボンディングで接続されている、請求項１７に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
19. 前記センサボディが、平板状の底部と、前記底部に結合された筒状の胴部とを含み、
    前記底部または前記胴部に前記圧電体膜が配置されている、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
20. 前記センサボディの外表面に前記圧電体膜が配置されている、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
21. 前記センサボディの内表面に前記圧電体膜が配置されている、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
22. 前記センサボディが、シリコンを主成分とする材料からなる、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
23. 前記センサボディが、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)基板に対して半導体プロセスによる加工を施して作製されており、前記ＳＯＩ基板のシリコン層上に前記下部電極が形成されている、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
24. 前記センサボディが、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)基板に対して半導体プロセスによる加工を施して作製されており、前記ＳＯＩ基板のシリコン層上に前記下部電極が形成されており、
    前記圧電体膜、前記下部電極および前記ＳＯＩ基板の前記シリコン層が除去されて前記ＳＯＩ基板の絶縁膜を露出させる凹部が形成されており、前記凹部内に前記下部電極への接続のための前記ボンディングワイヤのボールが配置されている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
25. 前記センサボディは直径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下、かつ肉厚が前記直径の１／２０以下の円筒形状の胴部を含み、前記円筒形状の中心軸線方向の長さが１００μｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１〜２４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
26. 前記センサボディは、前記胴部に結合された底部を含み、
    前記支持構造は、前記底部に結合され、前記胴部の円筒形状の直径の１／２０以上１／２以下の直径を有する円形断面を有する柱状部を含む、請求項２５に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
27. 前記圧電体膜の膜厚が０．２μｍ以上５μｍ以下である、請求項１〜２６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
28. 前記圧電体膜が、Ｐｂ，ＺｒおよびＴｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，ＮｂおよびＴｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｋ，ＮａおよびＮｂを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，ＣａおよびＴｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物からなる、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。
29. 前記圧電体膜が、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成された圧電材料膜である、請求項１〜２８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ圧電センサ。

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