JPH10318758A

JPH10318758A - 圧電マイクロ角速度センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH10318758A
Application number: JP9147312A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Konaka; 義宏小中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】高感度な圧電マイクロ角速度センサを提供す
る。【解決手段】複数の梁２の基端側を支持部１の異なる
位置に固定し、各梁２の先端側を共通に連接し、この連
接部に重り３を形成する。梁２には下部電極４と圧電膜
５と上部電極６を順に積層形成する。シリコンで構成さ
れた支持層１２に酸化膜１３とシリコンで構成された活
性層１４が順に積層され一体化したＳＯＩ基板１５によ
り支持部１と重り３を形成し、ＳＯＩ基板１５の活性層
１４により梁２を形成する。梁２を加工形成する場合、
ＳＯＩ基板１５の支持層１２側から活性層１４に達する
まで梁２の形成領域をエッチング除去する。酸化膜１３
をエッチングするエッチング材は活性層１４をエッチン
グしないので、酸化膜１３のエッチングは活性層１４に
達するとストップし、梁２を活性層１４の厚みに精度良
く形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造技術を用
いて形成される圧電マイクロ角速度センサおよびその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７には本出願人らが提案している角速
度センサの一例（特開平６−１７４７３９号公報参照）
が示され、図７の（ａ）にはその平面図が、図７の
（ｂ）には上記図７の（ａ）に示すＡ−Ａ部分の断面構
成がそれぞれ示されている。

【０００３】図７の（ａ）と（ｂ）に示すように、この
角速度センサは梁２の形成領域を囲むように形成された
支持部１を有し、この支持部１から互いに間隙を介して
梁２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）が伸長形成され、各梁
２の先端側は共通に連接されており、各梁２の先端側の
連接部には重り３が図７の（ｂ）に示す下側に向けて突
設形成されている。上記各梁２は隣り合う梁２の伸長方
向と直交するように伸長形成され、また、各梁２は支持
部１よりも薄く形成されて図７の（ｂ）に示す上下方向
に撓み変形可能な構成になっている。

【０００４】また、上記各梁２には下部電極４と圧電膜
５と上部電極６が順に積層形成されており、上記梁２
ａ，２ｃの各下部電極４と圧電膜５と上部電極６の積層
体はそれぞれ振動励振器８（８ａ，８ｃ）を構成し、上
記梁２ｂ，２ｄの各下部電極４と圧電膜５と上部電極６
の積層体はそれぞれ振動検出器１０（１０ｂ，１０ｄ）
を構成している。

【０００５】例えば、上記梁２ａ，２ｃの各振動励振器
８ａ，８ｃをそれぞれ電圧印加手段（図示せず）に接続
し、上記電圧印加手段から振動励振器８ａ，８ｃの各下
部電極４と上部電極６間に交流電圧を印加すると、振動
励振器８ａ，８ｃの各圧電膜５が伸縮して梁２ａ，２ｃ
を撓み変形させる。この交流電圧印加時に上記振動励振
器８ａに印加する交流電圧と１８０度位相がずれた交流
電圧を振動励振器８ｃに印加すると、梁２ａ，２ｃは、
図８の（ａ）に示す点線αaや鎖線αbのように、二次モ
ードで励振振動し、重り３は固定部Ｓを支点にして振り
子のように図８の（ａ）に示す励振方向（梁２ａ，２ｃ
の伸長方向）に振動する。

【０００６】このように、励振振動している状態で、角
速度センサが図８の（ｂ）に示すｚ軸回りに回転する
と、重り３の振動方向と回転軸方向の両方向に直交する
方向（図８の（ｂ）に示すｙ方向）のコリオリ力が重り
３に作用し、重り３がコリオリ力の作用方向（ｙ方向）
に振動する。

【０００７】上記コリオリ力による重り３の振動によ
り、梁２ｂ，２ｄが撓み変形して図８の（ｂ）に示す点
線βaや鎖線βbのように二次モードで検出振動し、この
梁２ｂ，２ｄの検出振動により梁２ｂ，２ｄの各振動検
出器１０ｂ，１０ｄの圧電膜５が伸縮し圧電膜５の応力
が変化する。この圧電膜５の応力に応じた電圧が各振動
検出器１０ｂ，１０ｄから検出され、該検出電圧に基づ
きｚ軸回りの角速度の大きさωを検出することが可能で
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記梁２は
次のようにして加工形成される。例えば、図９の（ａ）
に示すように、シリコン基板１１の表面の各梁２の形成
領域に下部電極４と圧電膜５と上部電極６を積層形成し
た後に、支持部１と梁２と重り３の各パターンとなる領
域以外の図７の（ａ）に示す領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを、図
９の（ｂ）の点線に示すように、シリコン基板１１の表
面側から予め定めた梁２の底面の深さまでエッチング除
去し、その後、図９の（ｃ）に示すように、シリコン基
板１１の裏面側から梁２の形成領域と上記領域Ｃ，Ｄ，
Ｅ，Ｆを水酸化カリウム等のエッチング液を用いた異方
性エッチングにより除去していき、梁２が予め定めた厚
みｈになったときにエッチングを終了することにより、
上記領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆがシリコン基板１１を貫通し、
梁２が加工形成される。

【０００９】しかしながら、梁２を予め定めた厚さｈに
精度良く加工形成するのは非常に困難である。それとい
うのは、水酸化カリウム等のエッチング液によるシリコ
ン基板１１の深さ方向のエッチング速度はエッチング液
の温度により可変し、そのエッチング液の温度制御は難
しく、エッチング液を予め定めた温度に一定に維持する
のが非常に困難であり、このことにより、上記エッチン
グ速度が一定にならずに次のような問題が生じるからで
ある。

【００１０】例えば、予め定めた設定温度のエッチング
液がシリコン基板１１の裏面側からエッチングを行って
梁２の底面の深さに達するまでに要するエッチング時間
ｔを予め求めておき、上記図９の（ｃ）に示すように、
シリコン基板１１の裏面側からエッチングを開始して上
記エッチング時間ｔが経過したときにエッチングを終了
するようにした場合、上記エッチング液の温度制御の問
題からエッチング液が設定の温度からずれてエッチング
速度が早くなり、シリコン基板１１が深くエッチングさ
れて梁２が薄くなってしまったり、反対に、エッチング
速度が遅くなり、シリコン基板１１のエッチングが浅く
なり梁２が厚くなってしまい、梁２を予め定めた厚みｈ
に形成することができず、梁２の厚みが角速度センサ毎
に大きく異なってしまう。

【００１１】上記のように、梁２を精度良く加工形成で
きないので、梁２（２ａ，２ｃ）の励振振動の共振周波
数と梁２（２ｂ，２ｄ）の検出振動の共振周波数が大き
く異なって梁２（２ｂ，２ｄ）の検出振動が梁２（２
ａ，２ｃ）の励振振動に共振せず、検出振動の振幅が小
さくなる。このことにより、振動検出器１０ｂ，１０ｄ
から検出される検出電圧のレベルが低くなり、検出電圧
のＳＮ比が悪化して正確な角速度の大きさを得ることが
できず、角速度センサの感度が大幅に低下してしまう。
そこで、上記梁２ａ，２ｃの励振振動の共振周波数と梁
２ｂ，２ｄの検出振動の共振周波数をほぼ一致させる共
振周波数の調整が行われる。

【００１２】しかし、上記の如く、梁２の厚みは角速度
センサ毎に異なるので、上記共振周波数の調整を角速度
センサ毎に個々に行わなくてはならず、共振周波数の調
整に手間がかかり非常に面倒である上に、梁２が設定の
厚みから大きくずれている場合には上記励振振動の共振
周波数と検出振動の共振周波数を一致させるのは非常に
困難であり、上記共振周波数の調整を行っても励振振動
の共振周波数と検出振動の共振周波数を一致させること
ができず、このことに起因して角速度センサの感度を向
上させることが難しいという問題がある。しかも、励振
振動の共振周波数と検出振動の共振周波数のずれは角速
度センサ毎に異なるので、角速度センサ毎に感度がばら
つくという問題がある。

【００１３】また、前記の如く、梁２が設定の厚みｈか
ら大きくずれると、上記共振周波数の調整が不可能とな
り、そのような角速度センサは不良品となって、角速度
センサの歩留まりを低下させ、角速度センサの価格が高
価になるという問題がある。

【００１４】この発明は上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、梁を精度良く加工形成す
ることを可能にし、高感度で角速度を検出することがで
き、しかも、安価な価格で提供することが容易な圧電マ
イクロ角速度センサおよびその製造方法を提供すること
にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明は次のような構成をもって前記課題を解決す
る手段としている。すなわち、圧電マイクロ角速度セン
サの第１の発明は、複数の梁の先端側が共通に連接さ
れ、各梁の基端側は異なる位置の支持部に固定され、上
記各梁の先端側の連接部には重りが形成され、上記各梁
には下部電極と圧電膜と上部電極が順に積層形成されて
おり、上記支持部と重りは、シリコン層である支持層の
上に酸化膜とシリコン層である活性層とが順に積層して
一体化したＳＯＩ基板により構成され、上記梁は上記Ｓ
ＯＩ基板の活性層により形成されている構成をもって前
記課題を解決する手段としている。

【００１６】圧電マイクロ角速度センサの第２の発明
は、支持部に片持ち梁形状の梁を介して支持される重り
と、上記梁に設けられる下部電極と、この下部電極の上
に積層形成される圧電膜と、該圧電膜の上に積層形成さ
れる上部電極とを有し、上記支持部と重りは、シリコン
層である支持層の上に酸化膜とシリコン層である活性層
とが順に積層して一体化したＳＯＩ基板により構成さ
れ、上記梁は上記ＳＯＩ基板の活性層により形成されて
いる構成をもって前記課題を解決する手段としている。

【００１７】圧電マイクロ角速度センサの第３の発明
は、卍形状の梁の４端部を支持する支持部と、上記卍形
状の梁の中央交差部に形成される重りと、上記卍形状の
梁の中央交差部と支持端の間に設けられる下部電極と、
該下部電極の上に積層形成される圧電膜と、該圧電膜の
上に積層形成される上部電極とを有し、上記支持部と重
りは、シリコン層である支持層の上に酸化膜とシリコン
層である活性層とが順に積層して一体化したＳＯＩ基板
により構成され、上記梁は上記ＳＯＩ基板の活性層によ
り形成されている構成をもって前記課題を解決する手段
としている。

【００１８】圧電マイクロ角速度センサの製造方法の発
明は、シリコン層である支持層に酸化膜とシリコン層で
ある活性層が順に積層して一体化したＳＯＩ基板を用意
しておき、上記ＳＯＩ基板の活性層の予め定められた梁
形成領域に下部電極と圧電膜と上部電極を順に積層形成
し、その後、梁と支持部と重りの各パターンとなる領域
以外の領域を上記活性層の上側から酸化膜に達するまで
除去し、然る後、梁の形成領域を上記ＳＯＩ基板の支持
層の下側から活性層に達するまで除去すると共に、梁と
支持部と重りの各パターンとなる領域以外の領域をＳＯ
Ｉ基板の支持層の下側から酸化膜の上に貫通するまで除
去して支持部と重りと梁を加工形成する構成をもって前
記課題を解決する手段としている。

【００１９】上記構成の発明において、圧電マイクロ角
速度センサの支持部と重りはＳＯＩ基板により構成さ
れ、梁はＳＯＩ基板の活性層により構成される。この発
明の圧電マイクロ角速度センサの製造方法では、ＳＯＩ
基板の下側から活性層に達するまで梁の形成領域をエッ
チング除去して梁の厚み方向の加工形成が行われる。

【００２０】上記ＳＯＩ基板の酸化膜をエッチング除去
するエッチング材は活性層をエッチングしないので、上
記酸化膜のエッチング材によるエッチングは活性層に達
するとストップし、活性層がエッチングされることはな
い。このことから、酸化膜のエッチング速度の変動の影
響を受けずに梁を活性層の厚みに精度良く形成すること
ができる。上記ＳＯＩ基板の活性層の厚みは予め定めた
厚みに精度良く形成されているので、梁の厚みが圧電マ
イクロ角速度センサ毎に異なるという問題が回避され
る。

【００２１】上記のように、梁を設定の厚みに形成でき
るので、圧電マイクロ角速度センサの歩留まりを向上さ
せることが容易となり、圧電マイクロ角速度センサの価
格の低下が図れる。

【００２２】また、上記の如く、梁を設定の厚みに加工
形成できるので、励振振動と検出振動の共振周波数がほ
ぼ一致し、励振振動と検出振動の共振周波数の調整を行
わなくてもよくなり、共振周波数の調整の手間が省け
る。さらに、上記のように、励振振動と検出振動の共振
周波数がほぼ一致するので、検出振動が励振振動に共振
して圧電マイクロ角速度センサの感度を向上させること
が容易である上に、圧電マイクロ角速度センサ毎の感度
ばらつきがなくなり、高感度な圧電マイクロ角速度セン
サを提供することが可能である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、この発明に係る実施形態
例を図面に基づき説明する。

【００２４】図１には第１の実施形態例の圧電マイクロ
角速度センサが示され、図１の（ａ）にはその平面図が
図１の（ｂ）には図１の（ａ）に示すＡ−Ａ部分の断面
構成がそれぞれ示されている。この第１の実施形態例の
圧電マイクロ角速度センサが前記図７の角速度センサと
異なる特徴的なことは、圧電マイクロ角速度センサをＳ
ＯＩ（Silicon on insulator）基板により形成し、梁２
を設定の厚みに形成することが容易な構成としたことで
ある。それ以外の構成は前記図７の角速度センサの構成
と同様であり、図７の角速度センサの構成部分と同一名
称部分には同一符号を付し、図７の角速度センサの構成
と共通する部分の重複説明は省略する。

【００２５】上記ＳＯＩ基板は、図２の（ａ）に示すよ
うに、シリコンで形成された支持層１２の上に酸化膜１
３（例えば、ＳｉＯ₂膜）と、シリコンで形成された活
性層１４とが順に積層形成され一体化した基板１５であ
る。このＳＯＩ基板１５の支持層１２は厚みを５００μ
mに、酸化膜１３は厚みを２μmに、活性層１４は厚みを
５μmにそれぞれ形成されるという如く、ＳＯＩ基板１
５の支持層１２は酸化膜１３や活性層１４の層の厚みよ
りも格段に厚く形成される。この実施形態例では、図１
の（ｂ）に示すように、支持部１と重り３はＳＯＩ基板
１５により構成され、梁２はＳＯＩ基板１５の活性層１
４により構成されている。

【００２６】また、上記支持層１２と活性層１４の表面
には酸化膜１６（例えば、膜厚が３００nmのＳｉＯ
₂膜）が形成されており、酸化膜１６は各梁２ａ，２
ｂ，２ｃ，２ｄに形成される下部電極４と活性層１４を
絶縁している。さらに、上記各下部電極４は支持部１に
向かって伸長形成され、各下部電極４の先端側には電極
パット１８が形成されている。

【００２７】この実施形態例では、下部電極４はＣｒ
（クロム）膜にＡｕ（金）膜を積層形成した積層膜によ
り構成され、圧電膜５はＺｎＯ（酸化亜鉛）膜により構
成され、上部電極６は、上記下部電極４と同様に、Ｃｒ
膜にＡｕ膜を積層形成した積層膜により構成されてい
る。

【００２８】この実施形態例の圧電マイクロ角速度セン
サは上記のように構成されており、前述したように、各
振動励振器８ａ，８ｃを電極パット１８を介して電圧印
加手段（図示せず）に接続し、電圧印加手段から上記各
振動励振器８ａ，８ｃの下部電極４と上部電極６間に交
流電圧を印加すると、圧電膜５が伸縮し、この圧電膜５
の伸縮により梁２ａ，２ｃが撓み変形して梁２ａ，２ｃ
が励振振動し、重り３が図１の（ａ）に示すｘ方向に振
り子振動する。この状態で、圧電マイクロ角速度センサ
がｚ軸回りに回転すると、重り３にｙ方向のコリオリ力
が作用し、重り３がｙ方向に振動し、梁２ｂ，２ｄが撓
み変形して検出振動し、この梁２ｂ，２ｄの振動検出器
１０ｂ，１０ｄの圧電膜５が伸縮して圧電膜５の応力が
変化し、この圧電膜５の応力に応じた電圧が振動検出器
１０ｂ，１０ｄから検出され、この検出電圧に基づいて
ｚ軸回りの角速度の大きさωを検出することができる。

【００２９】以下に、図１に示す圧電マイクロ角速度セ
ンサの製造方法の一例を説明する。まず、支持層１２
（例えば、厚みが５００μmの層）の上に酸化膜（例え
ば、膜厚が２μmの膜）と活性層１２（例えば、厚みが
５μmの層）を積層して一体化したＳＯＩ基板１５を用
意しておき、図２の（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１
５を加熱し、ＳＯＩ基板１５の表裏両面を熱酸化させ、
ＳＯＩ基板１５の表裏両面にＳｉＯ₂膜である酸化膜１
６（例えば、膜厚が３００nmの膜）を形成し、その後、
ＳＯＩ基板１５の表面の各梁２の形成領域にそれぞれ下
部電極４を形成する。

【００３０】この下部電極４は、前記の如く、Ｃｒ膜の
上にＡｕ膜を積層形成した積層膜で形成されているの
で、Ｃｒ膜を蒸着等の成膜形成技術によりＳＯＩ基板１
５の表面に形成した後に、Ａｕ膜を蒸着等の成膜形成技
術により上記Ｃｒ膜の上に積層形成し、その後、下部電
極４以外のＣｒ膜とＡｕ膜を除去して下部電極４が形成
される。

【００３１】次に、圧電膜１５を構成するＺｎＯ膜をス
パッタ等の成膜形成技術によりＳＯＩ基板１５の表面に
形成し、その後、圧電膜５以外のＺｎＯ膜を除去して下
部電極４の上に、図２の（ｂ）に示すように、圧電膜５
が形成される。そして、圧電膜５の上に上部電極６を積
層形成する。この上部電極６は上記下部電極４と同様に
Ｃｒ膜にＡｕ膜を積層形成した積層膜で形成されている
ので、前記下部電極４と同様にして圧電膜５の上に上部
電極６を形成する。

【００３２】然る後、図２の（ｃ）に示すように、支持
部１と梁２と重り３を形成する領域を規定するフォトレ
ジスト２０をＳＯＩ基板１５の表面に形成し、支持部１
と梁２と重り３の各パターンとなる領域以外の図１の
（ａ）に示す領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，ＦをＳＯＩ基板１５の表
面側から支持層１２に達するまでＲＩＥ（リアクティブ
イオンエッチング）やプラズマエッチング等のドライエ
ッチングによる異方性エッチングにより除去する。

【００３３】そして、図２の（ｄ）に示すように、ＳＯ
Ｉ基板１５の裏面に支持部１と重り３を形成する領域を
規定するフォトレジスト２０を形成し、梁２の形成領域
と上記領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，ＦをＳＯＩ基板１５の裏面側か
らＲＩＥやプラズマエッチング等により異方性エッチン
グを行い、梁２の形成領域および上記領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，
Ｆの酸化膜１６と支持層１２と酸化膜１３を順にエッチ
ング除去していく。ＳＯＩ基板１５の酸化膜１３をエッ
チングするエッチング材は活性層１４をエッチングしな
いので、酸化膜１３のエッチング材によるエッチングは
梁２の形成領域の活性層１４に達するとストップし、活
性層１４はエッチングされない。このため、酸化膜１３
のエッチング速度の変動により梁２の形成領域の活性層
１４がエッチングされてしまい梁２が細くなるという問
題が回避でき、梁２は活性層１４の厚みに精度良く加工
形成できる。

【００３４】また、前記図２の（ｃ）に示す工程で、上
記領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，ＦはＳＯＩ基板１５の活性層１４ま
でエッチング除去されているので、この工程で、ＳＯＩ
基板１５の裏面側から領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの酸化膜１３
までエッチング除去することにより、領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，
ＦはＳＯＩ基板１５を貫通する。

【００３５】然る後、図２の（ｅ）に示すように、上記
ＳＯＩ基板１５の表裏両面のフォトレジスト２０をアッ
シャーを用いて除去し、圧電マイクロ角速度センサが完
成する。

【００３６】この実施形態例によれば、梁２をＳＯＩ基
板１５の活性層１４により構成したので、この実施形態
例に示した圧電マイクロ角速度センサの製造方法により
梁２を加工形成することで、梁２を設定の厚みに加工形
成することができる。つまり、ＳＯＩ基板１５の裏面側
から梁２の形成領域をエッチングしていく場合に、ＳＯ
Ｉ基板１５の酸化膜１３をエッチングするエッチング材
は活性層１４をエッチングしないので、酸化膜１３のエ
ッチング材によるエッチングは活性層１４に達するとス
トップし、梁２の形成領域の活性層１４がエッチングさ
れて梁２が細くなるという問題を確実に回避することが
できる。このことから、梁２を活性層１４の厚みに精度
良く形成することができる。上記活性層１４は厚み精度
良く形成できるので、梁２の設定の厚みに形成された活
性層１４を用いることにより梁２を設定の厚みに形成す
ることができる。

【００３７】このように、梁２を設定の厚みに加工形成
できるので、励振振動と検出振動の共振周波数がほぼ一
致し、励振振動と検出振動の共振周波数の調整を行わな
くてもよくなり、上記共振周波数の調整の手間を省くこ
とができる。

【００３８】また、励振振動と検出振動の共振周波数が
ずれていても、そのずれは非常に僅かであるので、励振
振動と検出振動の共振周波数の調整を容易に行うことが
可能で、励振振動と検出振動の共振周波数を一致させる
ことができる。上記のように、励振振動と検出振動の共
振周波数が一致するので、検出振動が励振振動に共振
し、このことに起因して圧電マイクロ角速度センサの感
度を大幅に向上させることができる。しかも、圧電マイ
クロ角速度センサの感度ばらつきが殆どなくなり、圧電
マイクロ角速度センサの性能の信頼性を高めることがで
きる。

【００３９】さらに、上記の如く、梁２を設定の厚みに
形成できるので、従来の歩留まり低下の問題、つまり、
梁２が設定の厚みから大きくずれて励振振動と検出振動
の共振周波数の調整が不可能であり圧電マイクロ角速度
センサの不良品が多いという問題が回避され、圧電マイ
クロ角速度センサの歩留まりを向上させることができ
る。

【００４０】さらに、ＳＯＩ基板１５の裏面側からドラ
イエッチングにより梁２の形成領域と領域Ｃ，Ｄ，Ｅ，
Ｆをエッチング除去するので、重り３のサイズを大きく
することが可能である。それというのは、ドライエッチ
ングは異方性エッチングを完璧に行うことができるの
で、重り３の側面をエッチングしてしまうことがなく、
図１の（ｂ）に示すように、重り３の太さを基端側から
先端側にかけてほぼ同じ太さにすることができる。

【００４１】これに対して、ウェットエッチングによる
異方性エッチングでも完璧にできる。しかしながら、ド
ライエッチングのように形状を任意の形にすることが難
しく、エッチング液により重り３の側面となる部分がエ
ッチングされてしまう。このため、図７の（ｂ）に示す
ように、エッチング液に長い時間晒される重り３の先端
側はエッチング除去されてしまい、重り３の長さが短く
なる上に、重り３の基端側から先端側に向かうに従って
エッチング液に晒されている時間が長くなるので、重り
３の基端側から先端側に向かうに従ってエッチング液に
より重り３の側面がエッチングされる量が多くなり、重
り３は基端側から先端側に向かうに従って細くなる。こ
のようにウェットエッチングを用いることにより重り３
のサイズが小さくなる。

【００４２】この実施形態例では、上記の如く、ドライ
エッチングを用いているので、上記のような問題を確実
に回避することができ、重り３のサイズを大きくするこ
とができる。このように、重り３のサイズを大きくする
ことができるので、前記コリオリ力による重り３の振動
が大きくなり、梁２の検出振動の振幅を大きくすること
ができることから、圧電マイクロ角速度センサの感度を
より高めることができる。

【００４３】以下に、第２の実施形態例を説明する。こ
の第２の実施形態例において特徴的なことは、図３に示
すように、梁２が卍形状に形成されていることである。
それ以外の構成は前記第１の実施形態例と同様であり、
第１の実施形態例の構成部分と同一名称部分には同一符
号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。なお、
図３では、前記図１に示す電極パット１８の図示が省略
されている。

【００４４】図３に示すように、梁２の形成領域を囲む
ように形成された支持部１の異なる位置に各梁２ａ，２
ｂ，２ｃ，２ｄの基端側が接続されている。上記各梁２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは折曲形成され、各梁２ａ，２
ｂ，２ｃ，２ｄの先端側は共通に連接され、上記梁２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは卍形状の梁２を構成している。
上記卍形状の梁２の中央交差部である梁２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄの先端側の連接部には重り３が突設形成されて
いる。

【００４５】上記卍形状の梁２の中央交差部と支持端の
間には、つまり、各梁２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄには、前
記第１の実施形態例と同様に、下部電極４と圧電膜５と
上部電極６が順に積層形成され、梁２ａ，２ｃの各下部
電極４と圧電膜５と上部電極６の積層体により振動励振
器８ａ，８ｃがそれぞれ構成され、梁２ｂ，２ｄの各下
部電極４と圧電膜５と上部電極６の積層体により振動検
出器１０ｂ，１０ｄがそれぞれ構成されている。また、
上記支持部１と重り３は前記ＳＯＩ基板１５により構成
され、梁２はＳＯＩ基板１５の活性層１４により構成さ
れている。

【００４６】図３に示す圧電マイクロ角速度センサは、
前記第１の実施形態例同様に、振動励振器８ａ，８ｃに
交流電圧を印加して梁２ａ，２ｃに励振振動を発生させ
重り３を振動させ、この状態で、ｚ軸方向を中心にして
圧電マイクロ角速度センサが回転すると、ｙ方向のコリ
オリ力が重り３に作用して重り３がｙ方向に振動し、こ
の重り３の振動によって梁２ｂ，２ｄが撓み変形して検
出振動し、梁２ｂ，２ｄの圧電膜５が伸縮して圧電膜５
の応力が変化し、この圧電膜５の応力に応じた電圧が振
動検出器１０ｂ，１０ｄから検出され、この検出電圧に
基づき、ｚ軸回りの角速度の大きさωを検出することが
可能である。

【００４７】この実施形態例によれば、前記第１の実施
形態例と同様に、梁２をＳＯＩ基板の活性層１４により
構成したので、前述したように、梁２を設定の厚みに精
度良く加工形成することができ、このことにより、圧電
マイクロ角速度センサの歩留まりを向上させることがで
き、圧電マイクロ角速度センサの価格の低下を図ること
ができる。

【００４８】また、上記の如く、梁２を精度良く加工形
成できるので、励振振動と検出振動の共振周波数を精度
良く一致させることが可能となり、検出振動を励振振動
に共振させることができ、圧電マイクロ角速度センサの
感度を向上させることが容易となるし、圧電マイクロ角
速度センサ毎に感度がばらつくという問題を防止するこ
とができ、圧電マイクロ角速度センサの性能の信頼性を
向上させることが可能である。

【００４９】さらに、この実施形態例では、梁２が卍形
状に形成されているので、梁２の周りの環境温度の上下
変動に応じて梁２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが伸縮しても、
上記各梁２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄはｘ方向やｙ方向に伸
縮自在であるので、上記環境温度の変動に起因して各梁
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが撓まず、以下に述べる温度ド
リフトの問題を回避することができる。

【００５０】温度ドリフトとは、上記環境温度の変動に
より梁２が伸縮し、梁２が両端固定である場合には、各
梁２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが撓み振動検出器１０ｂ，１
０ｄの圧電膜５が伸縮して振動検出器１０ｂ，１０ｄか
ら検出される検出電圧がドリフトすることであり、この
温度ドリフトが起こると正確な角速度の大きさを検出で
きないという問題が生じるが、この実施形態例に示すよ
うに、梁２を卍形状にすることにより、上記の如く、上
記環境温度の変動に起因して各梁２ａ，２ｂ，２ｃ，２
ｄが撓まず温度ドリフトが回避でき、環境温度の変動の
悪影響を受けずに正確な角速度を検出することができ、
圧電マイクロ角速度センサの性能の信頼性をより高める
ことができる。

【００５１】以下に、第３の実施形態例を説明する。こ
の実施形態例において特徴的なことは、図４に示すよう
に、圧電マイクロ角速度センサを構成する梁２が３本で
構成されていることである。それ以外の構成は前記各実
施形態例と同様であり、前記各実施形態例の圧電マイク
ロ角速度センサを構成する構成部分と同一名称部分には
同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
なお、図４では、図１に示す電極パット１８の図示が省
略されている。

【００５２】図４に示すように、支持部１の異なる位置
にそれぞれ梁２ａ，２ｂ，２ｃの基端側が接続され、各
梁２ａ，２ｂ，２ｃの先端側は共通に連接され、この梁
２の先端側の連接部に重り３が突設形成されている。こ
の実施形態例では、梁２ａと２ｂ間の角度θと、梁２ｂ
と２ｃ間の角度θと、梁２ｃと２ａ間の角度θとが全て
等しくなるように、つまり、１２０度となるように、梁
２ａ，２ｂ，２ｃが配置形成されている。

【００５３】また、上記各梁２ａ，２ｂ，２ｃには、前
記各実施形態例と同様に、下部電極４と圧電膜５と上部
電極６が積層形成され、梁２ａに形成された下部電極４
と圧電膜５と上部電極６の積層体は振動励振器８ａを構
成し、梁２ｂ，２ｃに形成された各下部電極４と圧電膜
５と上部電極６の積層体はそれぞれ振動検出器１０ｂ，
１０ｃを構成している。

【００５４】この実施形態例においても、前記各実施形
態例同様に、支持部１と重り３はＳＯＩ基板１５により
構成され、梁２はＳＯＩ基板１５の活性層１４により構
成されている。

【００５５】図４に示す圧電マイクロ角速度センサは上
記のように構成されており、上記振動励振器８ａを電圧
印加手段（図示せず）に接続し、この電圧印加手段から
振動励振器８ａに交流電圧を印加すると、圧電膜５が伸
縮して梁２ａが撓み変形し励振振動し、この梁２ａの励
振振動により重り３がｙ方向に振り子振動する。この励
振振動状態で、圧電マイクロ角速度センサがｚ軸回りに
回転すると、ｘ方向のコリオリ力が重り３に作用し、重
り３がｘ方向に振動する。この重り３の振動により梁２
ｂ，２ｃが撓み変形し検出振動し、振動検出器１０ｂ，
１０ｃの圧電膜５が伸縮して圧電膜５の応力が変化し、
圧電膜５の応力に応じた電圧が振動検出器１０ｂ，１０
ｃから検出され、該検出電圧に基づいてｚ軸回りの角速
度の大きさが検出される。

【００５６】この実施形態例によれば、梁２をＳＯＩ基
板の活性層１４により構成したので、前記各実施形態例
同様に、梁２を設定の厚みに精度良く形成することがで
き、このことにより、圧電マイクロ角速度センサの歩留
まりを向上させることが容易となり、圧電マイクロ角速
度センサの価格の低下を図ることができる。

【００５７】また、上記の如く、梁２を設定の厚みに精
度良く形成できるので、励振振動と検出振動の共振周波
数がほぼ一致し、このことにより、共振周波数の調整を
省くことができる。さらに、励振振動と検出振動の共振
周波数がずれていたとしても、そのずれは非常に小さ
く、励振振動と検出振動の共振周波数の調整を簡単に行
うことができる。上記のように、励振振動と検出振動の
共振周波数が一致することから、検出振動は励振振動に
共振し、このことに起因して圧電マイクロ角速度センサ
の感度を格段に向上させることができる。さらに、励振
振動と検出振動の共振周波数が一致することから、圧電
マイクロ角速度センサ毎に感度がばらつくという問題を
防止することができる。

【００５８】さらに、この実施形態例では、梁２を３本
で構成したので、励振振動と検出振動の共振周波数の調
整がより簡単となり、より完璧に励振振動と検出振動の
共振周波数を一致させることができる。

【００５９】以下に、第４の実施形態例を説明する。こ
の実施形態例において特徴的なことは、図５に示すよう
に、圧電マイクロ角速度センサを構成する梁２が両持ち
梁形状に形成されていることであり、それ以外の構成は
前記各実施形態例と同様であり、前記各実施形態例の構
成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部
分の重複説明は省略する。なお、図５では図１に示す電
極パット１８の図示が省略されている。

【００６０】図５に示すように、互いに対向する支持部
１の位置から梁２ａ，２ｂがそれぞれ伸長形成され、梁
２ａの先端側と梁２ｂの先端側が連接され、梁２ａ，２
ｂは両持ち梁を構成している。上記梁２ａ，２ｂの先端
側の連接部、つまり、両持ち梁の中央領域には重り３が
突設形成されている。

【００６１】また、上記各梁２ａ，２ｂには互いに間隙
を介して下部電極４と圧電膜５と上部電極６の積層体８
（１０）が形成されている。この実施形態例では、上記
下部電極４と圧電膜５と上部電極６の積層体８（１０）
は４個形成され、これら積層体のうちの２個が振動励振
器８として機能し、残りの２個が振動検出器１０として
機能するように構成されている。

【００６２】この実施形態例においても、支持部１と重
り３は、前記各実施形態例同様に、ＳＯＩ基板１５によ
り構成され、梁２はＳＯＩ基板１５の活性層１４により
構成されている。

【００６３】この実施形態例の圧電マイクロ角速度セン
サは上記のように構成されており、上記振動励振器８を
電圧印加手段（図示せず）に接続し、電圧印加手段から
振動励振器８に交流電圧を印加すると、圧電膜５が伸縮
して梁２ａ，２ｂが捻れ変形して励振振動し、重り３が
ｙ方向に振動する。この状態で、ｚ軸回りに圧電マイク
ロ角速度センサが回転すると、ｘ方向のコリオリ力が重
り３に作用して重り３がｘ方向に振動し、この重り３の
振動により梁２ａ，２ｂが撓み変形して検出振動し、振
動検出器１０の圧電膜５が伸縮して圧電膜５の応力が変
化し、圧電膜５の応力に応じた電圧が振動検出器１０か
ら検出され、この検出電圧に基づきｚ軸回りの角速度の
大きさを検出することができる。

【００６４】この実施形態例によれば、前記各実施形態
例と同様に、梁２をＳＯＩ基板１５の活性層１４により
構成したので、前記各実施形態例同様に、梁２を設定の
厚みに精度良く加工形成でき、このことに起因して圧電
マイクロ角速度センサの歩留まりを向上させることがで
き、圧電マイクロ角速度センサの価格の低下を図ること
が可能であったり、梁２の励振振動の共振周波数と梁２
の検出振動の共振周波数を一致させることができて圧電
マイクロ角速度センサの感度を高めることができ、高感
度な圧電マイクロ角速度センサを提供できたり、圧電マ
イクロ角速度センサの感度ばらつきをなくすことがで
き、圧電マイクロ角速度センサの感度の信頼性をより向
上させることができる等の優れた効果を奏することがで
きる。

【００６５】また、この実施形態例では、梁２が両持ち
梁形状であるので、梁２の形状が簡単で、梁２の製造を
容易に行うことができる。その上、上記の如く、梁２の
形状が簡単であることから、励振振動と検出振動の共振
周波数をより簡単に調整でき、励振振動と検出振動の共
振周波数をより一層正確に一致させることができる。

【００６６】以下に、第５の実施形態例を説明する。こ
の実施形態例において特徴的なことは、図６の（ａ）や
（ｂ）に示すように、梁２を片持ち梁形状で構成したこ
とである。それ以外の構成は前記各実施形態例と同様で
あり、前記各実施形態例を構成する構成部分と同一名称
部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省
略する。なお、図６では図１に示す電極パット１８の図
示が省略されている。

【００６７】図６の（ａ）や（ｂ）に示すように、支持
部１に固定形成される片持ち梁２が形成され、この片持
ち梁２の先端側には重り３が突設形成されている。上記
片持ち梁２には間隙を介して下部電極４と圧電膜５と上
部電極６の積層体８（１０）が形成されている。図６の
（ａ）や（ｂ）に示す例では、上記下部電極４と圧電膜
５と上部電極６の積層体８（１０）は、片持ち梁２に４
個設けられており、上記４個の積層体のうち、２個が振
動励振器８として機能し、残りの２個の積層体が振動検
出器１０として機能するように構成されている。

【００６８】上記支持部１と重り３は、前記各実施形態
例同様に、ＳＯＩ基板１５により構成され、梁２はＳＯ
Ｉ基板１５の活性層１４により構成されている。

【００６９】図６の（ａ）や（ｂ）に示す圧電マイクロ
角速度センサは上記のように構成されている。上記振動
励振器８に交流電圧を印加すると、振動励振器８の圧電
膜５が伸縮し、この圧電膜５の伸縮により片持ち梁２が
撓み変形してｚ方向に検出振動し、この片持ち梁２の検
出振動に伴って重り３がｚ方向に振動する。この状態
で、ｙ軸を中心にして圧電マイクロ角速度センサが回転
すると、ｘ方向のコリオリ力が重り３に作用して重り３
がｘ方向に振動する。この重り３の振動により片持ち梁
２が捻れ検出振動し振動検出器１０の圧電膜５が伸縮し
て応力が変化し、この圧電膜５の応力に応じた電圧が振
動検出器１０から検出され、この検出した電圧に基づき
ｙ軸回りの角速度の大きさωが検出できる。

【００７０】この実施形態例によれば、前記各実施形態
例同様に、梁２を厚み精度良く形成できるので、前記各
実施形態例で述べたように、圧電マイクロ角速度センサ
の歩留まりを向上させることができ、圧電マイクロ角速
度センサの価格の低下を図ることができたり、励振振動
と検出振動の共振周波数が一致するので、検出振動が励
振振動に共振し圧電マイクロ角速度センサの感度を高め
ることができたり、圧電マイクロ角速度センサの感度ば
らつきを回避でき、圧電マイクロ角速度センサの性能の
信頼性を向上させることができる等の優れた効果を奏す
ることができる。

【００７１】さらに、この実施形態例では、梁２を片持
ち梁で形成したので、梁２を製造するのが容易である
し、梁２の励振振動の共振周波数と検出振動の共振周波
数の調整が容易となり、励振振動と検出振動の共振周波
数をより正確に一致させることができる。

【００７２】なお、この発明は上記各実施形態例に限定
されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例
えば、梁２の形状および梁２の数は上記各実施形態例に
示した数に限定されるものではない。例えば、梁２の形
成領域を囲むように形成された支持部１の異なる位置か
ら５本以上の梁２を伸長形成し、上記複数の梁２の先端
側が共通に連接され、該梁２の連接部に重り３を形成す
るようにしてもよい。

【００７３】また、図５や図６の（ｂ）に示す例では、
各梁２ａ，２ｂに下部電極４と圧電膜５と上部電極６の
積層体が２個ずつ形成されていたが、第４と第５の実施
形態例に示すように、梁２が片持ち梁形状や両持ち梁形
状である場合には、上記積層体は振動励振器８と振動検
出器１０の機能を兼用することができるので、上記各梁
２ａ，２ｂに形成された２個の積層体のうちの１個を削
減してもよい。さらに、図６の（ａ）に示すように、１
本の片持ち梁２により構成されている場合には、上記の
如く、上記積層体は振動励振器８と振動検出器１０の機
能を兼用することができるので、上記積層体を１個だけ
梁２に形成するようにしてもよし、２個形成するように
してもよい。

【００７４】さらに、上記各実施形態例では、圧電膜５
はＺｎＯにより構成されていたが、圧電性を有する材料
であれば、ＺｎＯ以外のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）等の材料により圧電膜５を構成してもよい。さら
に、上記各実施形態例では、下部電極４と上部電極６は
Ｃｒ膜にＡｕ膜を積層した積層膜で形成されていたが、
下部電極４や上部電極６は導体の単層の膜により構成し
てもよいし、導体膜を３層以上積層した積層膜により構
成してもよい。また、下部電極４や上部電極６を構成す
る材料は上記ＣｒやＡｕ以外の材料でもよい。

【００７５】さらに、上記第１の実施形態例では、梁２
ａと２ｂ間の角度と、梁２ｂと２ｃ間の角度と、梁２ｃ
と２ｄ間の角度と、梁２ｄと２ａ間の角度とが全て９０
度になるように各梁２が配置形成されていたが、上記各
角度は全て等しくなくてもよく、様々な角度を採り得
る。さらに、上記第３の実施形態例では、梁２ａと２ｂ
間の角度と、梁２ｂと２ｃ間の角度と、梁２ｃと２ａ間
の角度とが全て等しくなるように配置形成されていた
が、上記各角度は全て等しくなくてもよく、様々な角度
を採り得る。

【００７６】

【発明の効果】この発明によれば、支持部と重りをＳＯ
Ｉ基板により構成し、梁をＳＯＩ基板の活性層により構
成したので、この発明の圧電マイクロ角速度センサの製
造方法を用いて、簡単に、梁を設定の厚みに加工形成す
ることができる。それというのは、上記ＳＯＩ基板の酸
化膜をエッチング除去するエッチング材は活性層をエッ
チング除去しないので、酸化膜のエッチングは活性層に
達するとストップし、活性層をエッチングすることはな
い。このことから、酸化膜のエッチング速度の変動の影
響を受けずに、梁を活性層の厚みに精度良く加工形成す
ることができる。

【００７７】このことから、梁が設定の厚みからずれて
加工形成されるという問題が回避され、圧電マイクロ角
速度センサの歩留まりを向上させることができ、圧電マ
イクロ角速度センサの価格の低下が図れ、安価な圧電マ
イクロ角速度センサを提供することができる。

【００７８】また、上記の如く、梁を設定の厚みに加工
形成できるので、励振振動の共振周波数と検出振動の共
振周波数が一致し、励振振動の共振周波数と検出振動の
共振周波数を一致させるための共振周波数の調整を省く
ことができ、その共振周波数の調整の手間を省くことが
できる分、圧電マイクロ角速度センサを効率良く製造す
ることができる。

【００７９】さらに、励振振動の共振周波数と検出振動
の共振周波数がずれていても、上記の如く、梁は設定の
厚みに加工形成できるので、上記励振振動と検出振動の
共振周波数のずれは非常に小さく、励振振動と検出振動
の共振周波数を一致させるのは容易であり、簡単に励振
振動と検出振動の共振周波数を一致させることができ
る。

【００８０】上記のように、励振振動の共振周波数と検
出振動の共振周波数を一致させることができるので、検
出振動は励振振動に共振して検出振動の振幅が大きくな
り、このことに起因して圧電マイクロ角速度センサの感
度を向上させることが容易で、高感度な圧電マイクロ角
速度センサを提供できる。

【００８１】さらに、上記の如く、励振振動の共振周波
数と検出振動の共振周波数を一致させることができるの
で、圧電マイクロ角速度センサの感度ばらつきがなくな
り、圧電マイクロ角速度センサの感度の信頼性を高める
ことができる。

【００８２】梁が片持ち梁形状であるものにあっては、
梁の形状が簡単であるので、梁の製造が容易である上
に、励振振動と検出振動の共振周波数を一致させること
がより簡単で、このことにより、圧電マイクロ角速度セ
ンサをさらに効率良く製造することができ、圧電マイク
ロ角速度センサの価格をさらに低下させることが可能で
ある。

【００８３】梁が卍形状であるものにあっては、梁の周
りの環境温度の上下変動に応じて梁が伸縮した場合に、
梁が折曲形成されているので、梁が撓むことなく伸縮す
ることができ、上記環境温度の変動に起因した梁の伸縮
によるストレスが梁に加わらず、つまり、上記環境温度
の変動に起因して圧電膜の応力が増大せず、このことに
より、上記圧電膜の応力に応じた検出電圧に上記ストレ
スに起因した電圧が加えられて検出電圧がドリフトして
しまうという温度ドリフトの問題を回避することがで
き、環境温度の上下変動の悪影響を受けずに正確な角速
度の大きさを検出することができ、角速度検出の性能の
信頼性をより向上させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態例を示す説明図である。

【図２】図１の圧電マイクロ角速度センサの製造方法の
一例を示す説明図である。

【図３】第２の実施形態例を示す説明図である。

【図４】第３の実施形態例を示す説明図である。

【図５】第４の実施形態例を示す説明図である。

【図６】第５の実施形態例を示す説明図である。

【図７】角速度センサの一例を示す説明図である。

【図８】角速度センサの動作例を示す説明図である。

【図９】図７の角速度センサの梁の製造手法の一例を示
す説明図である。

【符号の説明】

１支持部２梁３重り４下部電極５圧電膜６上部電極１２支持層１３酸化膜１４活性層１５ＳＯＩ基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の梁の先端側が共通に連接され、各
梁の基端側は異なる位置の支持部に固定され、上記各梁
の先端側の連接部には重りが形成され、上記各梁には下
部電極と圧電膜と上部電極が順に積層形成されており、
上記支持部と重りは、シリコン層である支持層の上に酸
化膜とシリコン層である活性層とが順に積層して一体化
したＳＯＩ基板により構成され、上記梁は上記ＳＯＩ基
板の活性層により構成されていることを特徴とする圧電
マイクロ角速度センサ。
【請求項２】支持部に片持ち梁形状の梁を介して支持
される重りと、上記梁に設けられる下部電極と、この下
部電極の上に積層形成される圧電膜と、該圧電膜の上に
積層形成される上部電極とを有し、上記支持部と重り
は、シリコン層である支持層の上に酸化膜とシリコン層
である活性層とが順に積層して一体化したＳＯＩ基板に
より構成され、上記梁は上記ＳＯＩ基板の活性層により
構成されていることを特徴とする圧電マイクロ角速度セ
ンサ。
【請求項３】卍形状の梁の４端部を支持する支持部
と、上記卍形状の梁の中央交差部に形成される重りと、
上記卍形状の梁の中央交差部と支持端の間に設けられる
下部電極と、該下部電極の上に積層形成される圧電膜
と、該圧電膜の上に積層形成される上部電極とを有し、
上記支持部と重りは、シリコン層である支持層の上に酸
化膜とシリコン層である活性層とが順に積層して一体化
したＳＯＩ基板により構成され、上記梁は上記ＳＯＩ基
板の活性層により構成されていることを特徴とする圧電
マイクロ角速度センサ。
【請求項４】シリコン層である支持層に酸化膜とシリ
コン層である活性層が順に積層して一体化したＳＯＩ基
板を用意しておき、上記ＳＯＩ基板の活性層の予め定め
られた梁形成領域に下部電極と圧電膜と上部電極を順に
積層形成し、その後、梁と支持部と重りの各パターンと
なる領域以外の領域を上記活性層の上側から酸化膜に達
するまで除去し、然る後、梁の形成領域を上記ＳＯＩ基
板の支持層の下側から活性層に達するまで除去すると共
に、梁と支持部と重りの各パターンとなる領域以外の領
域をＳＯＩ基板の支持層の下側から酸化膜の上に貫通す
るまで除去して支持部と重りと梁を加工形成する圧電マ
イクロ角速度センサの製造方法。