WO2014162940A1 - 角速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2014162940A1
WO2014162940A1 PCT/JP2014/058472 JP2014058472W WO2014162940A1 WO 2014162940 A1 WO2014162940 A1 WO 2014162940A1 JP 2014058472 W JP2014058472 W JP 2014058472W WO 2014162940 A1 WO2014162940 A1 WO 2014162940A1
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WO
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diaphragm
angular velocity
thin film
velocity sensor
metal thin
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PCT/JP2014/058472
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English (en)
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Inventor
琢磨 中野
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly to a vibrating gyroscopic angular velocity sensor having a structure in which a weight is supported on a piezoelectric diaphragm and a manufacturing technique thereof.
  • Vibration gyro sensors using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology are used in various applications. These sensors are characterized by small size and power saving, and detect angular velocity using Coriolis force. Using this principle, there is an example in which a triaxial angular velocity sensor is realized by driving a weight horizontally and vertically as described in Patent Document 1.
  • the design and design of the resonance frequency of the device is very important because the weight drive and detection in the vibration gyro-type angular velocity sensor uses resonance vibration.
  • the resonance frequency is calculated using the Finite Element Method (FEM), and the device is designed based on this, and the weight and diaphragm are constructed using the SOI (Silicon On On Insulator) substrate. It is common to implement a device.
  • FEM Finite Element Method
  • the SOI substrate is a very expensive material as compared with a normal Si wafer (Si substrate having no SOI structure) which is a standard commercial product, and there is a problem that the device cost increases.
  • the resonance frequency of the device actually obtained does not match the design value, resulting in variations in the resonance frequency.
  • the residual stress existing in each layer greatly affects the resonance frequency, and the sensitivity as designed as a device cannot be obtained.
  • the resonance frequency varies.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and can solve the above-described problems, and can be manufactured at a lower cost than a conventional angular velocity sensor, and an angular velocity sensor that can suppress variations in resonance frequency and a method for manufacturing the same.
  • the purpose is to provide.
  • An angular velocity sensor includes an upper electrode in which a drive electrode portion and a detection electrode portion are arranged in a pattern, a piezoelectric layer, a lower electrode, one or more diaphragm layers, Have a laminated structure that is laminated in this order, and has a flexible diaphragm part, a pedestal part that supports the outer periphery of the diaphragm part, and a weight part joined to the center part of the diaphragm part.
  • An angular velocity sensor for detecting from an electrode portion wherein the diaphragm layer is an angular velocity sensor including a metal thin film diaphragm made of a metal material containing 50 mass% or more of iron (Fe) or a metal having an atomic weight smaller than Fe. .
  • a metal thin film made of a metal material is used as a diaphragm, it is not necessary to use an SOI structure substrate, and an angular velocity sensor can be manufactured using a non-SOI structure substrate. Therefore, it is possible to use an inexpensive non-SOI structure substrate, which is a commercially available standard, as an alternative material to an expensive SOI substrate, thereby realizing cost reduction.
  • a metal material containing 50% by mass or more of iron or a metal having a smaller atomic weight than iron used as an alternative material for active layer silicon in a conventional SOI substrate is a property of a metal having a smaller atomic weight than iron or iron as a main component. Is largely reflected, and is less susceptible to fluctuations in film formation conditions (gas amount, etc.), and variation in internal stress of the formed film is small. That is, the metal material specified in the first aspect is a material in which the stress of the film is easily stabilized, and the variation in the resonance frequency of a device using such a metal material is small.
  • the present embodiment it is possible to suppress variation in the resonance frequency of the manufactured device, and to provide a device with stable quality.
  • the thickness of the metal thin film diaphragm may be 1 ⁇ m (micrometers) or more.
  • the film thickness is preferably 1 ⁇ m or more.
  • the thickness of the diaphragm layer is appropriately designed according to the design value of the resonance frequency required from the device application, specifications, etc., the selection of the material constituting the diaphragm, and the like.
  • the metal thin film diaphragm may be formed by vapor deposition.
  • a vapor deposition method represented by a sputtering method is advantageous in that a desired film thickness can be formed with high accuracy. For this reason, the error from the design of the device operation can be greatly reduced.
  • the material is relatively inexpensive, the film formation rate is high, and it is suitable for mass production, the cost of the device can be reduced.
  • the metal material includes at least one metal of Ti, V, Cr, and Fe in an amount of 50% by mass or more. Can do.
  • the difference in thermal expansion coefficient between the two is preferably within 10% of the thermal expansion coefficient of the piezoelectric layer.
  • the metal thin film diaphragm may be composed of a metal thin film containing 50 mass% or more of Ti. .
  • Ti has a small film stress variation (resonance variation) and has a very good element yield, and a metal thin film containing Ti as a main component (including 50% by mass or more) is particularly preferable.
  • the metal thin film diaphragm is formed on a non-SOI silicon substrate. it can.
  • the diaphragm portion has a circular or elliptical outer peripheral shape when seen in a plan view from the stacking direction of the stacked structure.
  • the weight part can be set as the structure arrange
  • a method of manufacturing an angular velocity sensor according to the ninth aspect includes a metal thin film vibration made of a metal material containing 50 mass% or more of iron or a metal having an atomic weight smaller than iron on a non-SOI silicon substrate.
  • a flexible diaphragm portion having a laminated structure including a diaphragm, a pedestal portion that supports the outer periphery of the diaphragm portion, and a weight portion joined to the center portion of the diaphragm portion.
  • the step of forming the metal thin film diaphragm can be configured to use a vapor phase film forming method.
  • an angular velocity sensor can be manufactured at a lower cost than a conventional angular velocity sensor.
  • variations in resonance frequency can be suppressed.
  • Sectional view along line 2-2 in FIG. 1 is a perspective view including a cross section taken along line 2-2 in FIG.
  • Schematic diagram showing the state of resonance vibration driving in the x direction (horizontal direction) 6 (a) to 6 (e) are explanatory views of the method of manufacturing the angular velocity sensor according to the present embodiment. It is explanatory drawing of the manufacturing method of the angular velocity sensor by this embodiment.
  • 8 (a) to 8 (d) are explanatory views of the manufacturing process of the angular velocity sensor using the SOI substrate.
  • ⁇ Structural example of angular velocity sensor> 1 to 3 show an outline of a device of the angular velocity sensor 10 according to the present embodiment.
  • 1 is a plan view
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG. 1
  • FIG. 3 is a perspective view including a section taken along line 2-2 of FIG.
  • a thin film diaphragm type gyro sensor is exemplified as the angular velocity sensor 10.
  • the dimensional design satisfying the specified resonance frequency was performed by the finite element method.
  • the specified resonance frequency is often about 20 to 35 kHz (kilohertz), but the scope of application of the present invention is not limited to this.
  • the angular velocity sensor 10 includes a diaphragm portion 12 having a circular outer peripheral shape in plan view, a weight portion 14 supported at the center portion of the diaphragm portion 12, and a pedestal portion 16 that supports the outer periphery of the diaphragm portion 12.
  • Diaphragm portion 12 includes diaphragm layer 20, lower electrode 30, piezoelectric layer 32, and piezoelectric layer layer 20 from the side to which weight portion 14 is joined (the lower surface side in FIG. 2) in the film thickness direction (upward direction in FIG. 2). It has a laminated structure (multilayer structure) in which the upper electrode 34 is laminated in this order.
  • the diaphragm portion 12 is flexible, and the entire outer periphery thereof is fixed to the pedestal portion 16.
  • the pedestal portion 16 and the weight portion 14 are formed by processing a silicon (Si) substrate.
  • the diaphragm portion 12 has a circular outer peripheral shape when viewed in plan from the direction in which the laminated structure of the diaphragm 12 portion is laminated.
  • the vibration plate layer 20 of the present embodiment includes a silicon thermal oxide film (SiO 2 ) 21 and a metal thin film vibration plate 22, and the laminated body portion of these two layers functions as a vibration plate.
  • a device is manufactured using a commercially available standard Si substrate with a silicon thermal oxide film.
  • the diaphragm layer 20 includes the thermal oxide film 21.
  • a bare Si substrate that does not have the thermal oxide film 21 may be used.
  • the thermal oxide film 21 is omitted. That is, the diaphragm layer 20 may be composed of one or more layers including the metal thin film diaphragm 22.
  • the metal thin film diaphragm 22 is formed using a thin film forming technique represented by a sputtering method. Not only the metal thin film diaphragm 22 but also other material layers (30, 32, 34) constituting the multilayer structure of the diaphragm portion 12 are formed by using a thin film forming technique. Thin film formation techniques include physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), liquid deposition (plating, coating, sol-gel, spin Coating method) and thermal oxidation method. An appropriate film forming method is selected for each layer.
  • the metal thin film diaphragm 22 is preferably formed by a vapor deposition method.
  • the vapor deposition method can control the thickness dimension with high accuracy.
  • the material is inexpensive, the film formation rate is high, and it is suitable for mass production, the cost of the device can be reduced.
  • the film thicknesses and ratios of the layers shown in FIG. 2 and other drawings are appropriately changed for convenience of explanation, and do not necessarily reflect actual film thicknesses and ratios.
  • “up” when “stacking B on A” means a direction away from the substrate in the thickness direction of the film.
  • the upper and lower directions coincide with the direction of gravity as the downward direction.
  • the posture of A can be tilted or inverted upside down, and the stacking direction of the laminated structure depending on the posture of the substrate or film may not necessarily coincide with the vertical direction based on the direction of gravity. .
  • the direction away from the surface in the thickness direction is expressed as “up” with respect to the surface of a certain reference member (for example, A).
  • the expression “stacking B on A” is not limited to the case where B is stacked directly on A in contact with A, and one or more other layers are interposed between A and B. , Including the case where B is laminated above A.
  • the metal thin film diaphragm 22, the lower electrode 30, the piezoelectric layer 32, and the upper electrode 34 are sequentially formed on the Si substrate with the thermal oxide film 21 provided with the pedestal portion 16 and the weight portion 14. Film formation is performed.
  • the upper electrode 34 has detection electrode portions 35A to 35D that function as detection electrodes, and drive electrode portions 36A to 36D that function as drive electrodes.
  • the detection electrode portions 35A to 35D and the drive electrode portions 36A to 36D are patterned on the piezoelectric layer 32 (see FIG. 1).
  • the electrode portions (35A to 35D, 36A to 36D) are arranged in a pattern that is individually separated so that the detection electrode portions 35A to 35D and the drive electrode portions 36A to 36D function as independent electrodes. .
  • the ground electrode 38 is connected to the lower electrode 30 through a conductive member (not shown).
  • the ground electrode 38 is separated (insulated) from the upper electrode 34 (detection electrode portions 35A to 35D, drive electrode portions 36A to 36D), and is provided in the region of the pedestal portion 16 in plan view.
  • the electrode pattern of the upper electrode 34 is rotationally symmetric with a central axis CL passing through the center of the circle of the diaphragm portion 12 as an axis of symmetry.
  • the weight portion 14 is disposed at a concentric position where the diaphragm portion 12 and the central axis CL are common.
  • the pattern arrangement of the detection electrode portions 35A to 35D and the drive electrode portions 36A to 36D shown in FIG. 1 exemplifies a four-fold symmetrical pattern that overlaps when rotated around the central axis CL by 90 degrees.
  • the pattern arrangement form is not limited to the example of FIG. 1, and various arrangement forms are possible. Further, the arrangement of the detection electrode portions 35A to 35D and the drive electrode portions 36A to 36D can be switched. In the present embodiment, the detection electrode portions 35A to 35D are disposed inside the drive electrode portions 36A to 36D. However, the present invention is not limited to this, and the detection electrode portions 35A to 35D are disposed outside the drive electrode portions 36A to 36D. You may be made to do.
  • the portion where the piezoelectric layer 32 is interposed between the drive electrode portions 36A to 36D and the lower electrode 30 constitutes a “drive piezoelectric element portion”.
  • the driving piezoelectric element portion by applying a driving voltage between the electrodes (by applying an electric field to the piezoelectric layer 32), the diaphragm portion 12 and the weight portion 14 are vibrated by the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric layer 32. Can be made.
  • the drive piezoelectric element portion including the drive electrode portions 36A to 36D functions as an excitation unit that vibrates the weight portion 14 by being connected to a drive power supply source (drive circuit) (not shown).
  • a “piezoelectric element portion for detection” is configured by a portion where the piezoelectric layer 32 is interposed between the detection electrode portions 35A to 35D and the lower electrode 30.
  • Coriolis force acts, and displacement occurs in the vibration of the weight 14.
  • the displacement generated in the weight portion 14 is detected by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 32, and electrical signals (detection signals) are obtained from the detection electrode portions 35A to 35D.
  • the detection piezoelectric element portion including the detection electrode portions 35A to 35D functions as a displacement detection means for detecting the displacement of the weight portion 14 by being connected to a detection signal processing circuit (detection circuit) (not shown).
  • the center of the circle of the diaphragm portion 12 is set as the origin
  • the left-right direction in FIG. 1 is the x-axis direction
  • the vertical direction in FIG. 1 orthogonal to this is the y-axis direction
  • the vertical direction in FIG. An orthogonal xyz axis as a direction is introduced.
  • the central axis CL shown in FIG. 2 is an axis parallel to the z axis.
  • the laminated structure of the diaphragm portion 12 is laminated in a direction parallel to the z axis.
  • the detection electrode portions 35A to 35D are described as “detection electrode portion 35”, and the drive electrode portions 36A to 36D are described as “drive electrode portion 36”.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a state at the time of resonance vibration driving in the z direction
  • FIG. 5 is a schematic view showing a state at the time of resonance vibration driving in the x direction. 4 and 5, the illustration of the pedestal portion 16 is omitted, and the diaphragm portion 12 and the weight portion 14 are shown.
  • the diaphragm portion 12 is displaced corresponding to the vibration direction.
  • Detection signals are obtained from the detection electrode portions 35A to 36D according to the displacement.
  • the resonance vibration state can be maintained by operating the self-excited oscillation circuit based on the detection signal of the drive vibration.
  • a detection signal corresponding to the displacement is obtained, so that the angular velocity can be detected from the detection signal.
  • the metal thin film diaphragm 22 is preferably made of a material having a small variation in internal stress of the formed film (formed film).
  • a metal having a small atomic weight is not easily affected by the amount of gas at the time of film formation, and the internal stress of the formed film varies less.
  • a metal having a large atomic weight is easily affected by the amount of gas during film formation, and the internal stress of the formed film varies greatly.
  • examples of materials that can stabilize stress include titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), and iron (Fe), or alloys containing these as main components. Can do. “Main component” means that the ratio to the material is 50% by mass or more.
  • Examples of materials that tend to vary stress include titanium tungsten (TiW) and zirconium (Zr) having a Ti mass ratio of about 10%.
  • the variation of the resonance frequency (resonance value) of the manufactured element is within the allowable range of the device specification (for example, within ⁇ 5% of the design value) ).
  • the diaphragm layer 20 includes a metal thin film diaphragm 22 made of a metal material containing 50 mass% or more of Fe or a metal having an atomic weight smaller than that of Fe.
  • the Si substrate 102 is prepared (see FIG. 6A).
  • the Si substrate 102 used here is a non-SOI substrate having no SOI structure.
  • the Si substrate 102 is not an SOI substrate but a silicon wafer which is an inexpensive commercial standard product.
  • the “SOI substrate” is a substrate having a structure in which SiO 2 is inserted between the Si substrate and the surface Si layer.
  • a Si substrate 110 with a thermal oxide film in which a thermal oxide film 104 is formed on the surface of the Si substrate 102 is used.
  • a bare Si substrate without the thermal oxide film 104 may be used instead of the Si substrate 110 with the thermal oxide film.
  • the Si substrate 110 with a thermal oxide film having a thickness of 1 ⁇ m (micrometer) for the thermal oxide film 104 and a thickness of 400 ⁇ m for the Si substrate 102 is used.
  • the thickness of the thermal oxide film 104 and the thickness of the substrate those having various dimensions can be used, and an appropriate thickness is selected according to the application (specification) of the device.
  • an embodiment using a Si substrate (bare material) from which the thermal oxide film 104 is omitted is also possible. That is, an inexpensive Si substrate employed from the viewpoint of cost reduction is a bare substrate or a substrate with a Si oxide film, and is a standard product that can be easily obtained. It is.
  • a metal thin film diaphragm 120 is formed by sputtering on this Si substrate 110 with a thermal oxide film ("diaphragm formation process", FIG. 6B).
  • a thermal oxide film As for the material of the metal thin film diaphragm 120, any one of titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), and iron (Fe), or an alloy containing these as a main component is used.
  • the film thickness of the metal thin film diaphragm 120 is preferably 1 ⁇ m or more.
  • the vapor deposition method is suitable for forming a thin film of 5 ⁇ m or less. For this reason, this embodiment is particularly useful for forming a thin film of 5 ⁇ m or less.
  • the lower electrode 130 is formed on the metal thin film diaphragm 120 (“lower electrode forming step”, FIG. 6C).
  • iridium (Ir) is formed as the lower electrode 130 with a film thickness of 150 nm by sputtering.
  • the material and film thickness of the lower electrode 130 are not limited to this aspect, and can be appropriately designed.
  • FIG. 6D shows a state in which the lower electrode 130 and the piezoelectric layer 132 are formed.
  • PZT lead zirconate titanate
  • FIG. 6D shows a state in which the lower electrode 130 and the piezoelectric layer 132 are formed.
  • PZT lead zirconate titanate
  • a radio frequency (Rf) sputtering apparatus is used, 97.5% Ar and 2.5% O 2 are used as a film forming gas, and Pb 1.3 ((Zr 0.52) is used as a target material.
  • the composition of Ti 0.48 ) 0.88 Nb 0.12 ) O 3 was used.
  • the film forming pressure was 2.2 mTorr (about 0.293 Pa), and the film forming temperature was 450 ° C.
  • the obtained PZT film was an Nb-doped PZT thin film to which Nb was added in an atomic composition ratio of 12%.
  • the upper electrode 134 is formed on the piezoelectric layer 132.
  • the detection electrode portion 135 and the drive electrode portion 136 are patterned (see FIG. 6E, “upper electrode forming step”).
  • a laminated film (Ti / Pt) of titanium (Ti) and platinum (Pt) is used for the upper electrode 134.
  • Titanium (Ti) was formed with a film thickness of 15 nm (nanometer) by sputtering, and platinum (Pt) was formed thereon with a film thickness of 150 nm.
  • Such a film configuration of the upper electrode 134 is expressed as “Ti (15 nm) / Pt (150 nm)”.
  • the material and film thickness of the upper electrode 134 are not limited to this aspect, and can be appropriately designed.
  • mask deposition or lift-off can be applied as a method for patterning the electrode.
  • the Si substrate 102 is deep-digged from the back side to remove a part of the Si substrate 102, and the remaining part forms the weight part 114 and the pedestal part 116 ((FIG. 7) “Substrate processing step”).
  • Examples of deep processing include deep reactive ion etching (DeepRIE).
  • DeepRIE deep reactive ion etching
  • the periphery of the weight portion 114 is removed as a groove on the ring, and the removed portion becomes a region that functions as a drive portion and a detection portion of the diaphragm portion 112.
  • the configuration in FIG. 7 is equivalent to the configuration of the angular velocity sensor 10 described in FIGS.
  • FIG. 8A to FIG. 8D are explanatory views of the manufacturing process of the angular velocity sensor using the SOI substrate.
  • the SiO 2 layer 606 is inserted between the Si substrate as the handle layer 602 and the Si layer (referred to as “active layer”) 604 on the surface.
  • the active layer 604 is a layer that finally functions as a diaphragm diaphragm, and its film thickness is adjusted by polishing.
  • the lower electrode 630 is formed on the active layer 604 of the SOI substrate 600, and the piezoelectric layer 632 is formed thereon.
  • the detection electrode portion 635 and the drive electrode portion 636 as the upper electrode 634 are patterned on the piezoelectric layer 632.
  • the handle layer 602 is deep-digged (deep-etched) from the back surface side to remove a part of the handle layer 602, and the remainder serves as a weight portion 614.
  • the pedestal portion 616 is formed. Si of the active layer 604 remaining in the portion removed by the deep etching functions as a diaphragm.
  • FIGS. 8A to 8D uses an expensive SOI substrate and has a problem in cost.
  • an inexpensive Si substrate that is a commercially available standard product is used, and a layer corresponding to the active layer Si of the SOI substrate is made of metal.
  • a layer corresponding to the active layer Si of the SOI substrate is made of metal.
  • even when a metal material is used instead of the active layer Si variations in resonance values (resonance frequencies) are suppressed.
  • Various devices were fabricated by changing the metal thin film diaphragm material and film formation conditions (gas amount, etc.), and the resonance value (resonance frequency) was measured (see Fig. 9). From the dimensions of the structure and the elastic parameters of the material constituting the structure, the resonance frequency of the resonance vibration mode used for either gyro drive or detection is calculated using a finite element method (FEM). The FEN calculated value was calculated. And comparative evaluation of this FEM calculation value and the resonance value measured from the prototype device was performed. Moreover, the stress value was calculated about each metal thin film diaphragm, and the dispersion
  • FEM finite element method
  • the frequency of the resonance drive in the z direction is evaluated.
  • the design value is not limited to this, and the design value of the resonance frequency of the z direction resonance drive is “fz”, and the design value of the resonance frequency of the x direction resonance drive is As “fx”, the resonance frequency may be measured for each of the resonance vibration in the z direction and the resonance vibration in the x direction.
  • a device that uses either one of the resonance vibrations in the z direction and the x direction is possible, and an aspect in which the resonance frequency of one resonance mode in the z direction and the x direction is evaluated is possible.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of a method for measuring the resonance frequency.
  • a function generator 212 is connected to the drive electrode portion 36 of the prototyped angular velocity sensor 10 to input a voltage
  • the weight portion 14 is vibrated
  • an oscilloscope 214 is connected to the detection electrode portion 35 to output an output voltage. It was measured.
  • the internal stress (residual stress) of the metal thin film diaphragm 22 is measured by measuring the amount of curvature (curvature) of the substrate for the sample after the metal thin film is formed, and using the Stoney formula (Formula 1). Can do.
  • E is the Young's modulus of the Si substrate
  • b is the thickness of the substrate
  • ⁇ is the Poisson's ratio of the Si substrate
  • r is the curvature grasped as the amount of warpage
  • d is the thickness of the film.
  • FIG. 10 shows a table of the implementation results.
  • Example 2 Cr was used in Example 1
  • Ti was used in Example 2
  • V was used in Example 3
  • Fe was used in Example 4.
  • the TiW of the comparative example largely reflects the properties of tungsten, and the stress value varies widely from ⁇ 370 MPa (megapascal) to 400 MPa. Note that a value of “ ⁇ (minus)” (negative value) represents stress in the compression direction, and a positive value represents stress in the tensile direction.
  • the percentage value written in the column of “stress variation” indicates the ratio of the maximum deviation amount (half the variation width) of the “stress value variation range” to the center value. It is expressed as (percentage).
  • the stress of the film varies in the range of 300 to 500 MPa.
  • the central value of the variation range is “400 MPa”
  • the case where the variation was within 5% was evaluated as “A”, and the level where the variation exceeded 5% was not suitable for practical use was evaluated as “C”.
  • the resonance variation was a slight variation of 2.6%.
  • the resonance variation is within 5%.
  • the variation of the resonance frequency was 20.9%.
  • the materials used in Examples 1 to 4 have a relatively small variation in the stress of the film, and the variation in the resonance frequency of the device can be kept within 5%. By suppressing the stress variation of the film to a certain amount (within a predetermined value range), the variation of the resonance frequency of the device can be suppressed within a required range.
  • the stress variation of the metal thin film constituting the diaphragm is preferably within 45%, and according to FIG. 10, the stress variation is particularly preferably within 40%.
  • An alloy containing Ti as a main component is also a material suitable for the diaphragm because resonance variation can be suppressed similarly to the case of using Ti (Example 2).
  • a metal material (50% by mass or more) mainly containing any one of Cr, V, and Fe is also a suitable material for the diaphragm.
  • FIG. 11 summarizes the relationship between the thermal expansion coefficient of the metal material and the element yield. Since the linear expansion coefficient of the piezoelectric film (PZT) is approximately 8 ⁇ m / ° C., a value indicating the degree of difference in thermal expansion coefficient as an index of “%” is also shown based on this value.
  • PZT piezoelectric film
  • the thermal expansion coefficient of the metal material used for the metal thin film diaphragm is preferably a value within a range of ⁇ 10% with respect to the thermal expansion coefficient of the piezoelectric film.
  • TiW (where Ti is 50% or more in terms of mass percent) largely reflects the properties of Ti, so the value of the thermal expansion coefficient is close to Ti.
  • Ti alloys those having a Ti mass percentage of 50% or more (alloys containing Ti as a main component) have properties similar to Ti because the properties of Ti are greatly reflected, and the thermal expansion coefficient. Becomes a value close to Ti.
  • the metal material mainly composed of Ti is a material suitable for a diaphragm because of good yield and suitability for mass production as in the case of using Ti (Example 2).
  • a metal material containing V as a main component is a material suitable for a diaphragm because of good yield and suitability for mass production as in the case of using V (Example 3).
  • FIG. 10 and FIG. 11 is a comprehensive form in which the diaphragm is formed using a metal material mainly composed of Ti or V, and a metal material mainly composed of Ti is most preferable.
  • piezoelectric layer 32 piezoelectric material suitable for the present embodiment include those containing one or more perovskite oxides (P) represented by the following general formula.
  • ABO 3 (P) (Where A: An element at the A site and at least one element including Pb.
  • O Oxygen element.
  • the molar ratio of A-site element, B-site element and oxygen element is 1: 1: 3 as a standard, but these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken.
  • perovskite oxide represented by the general formula (P) Lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lead zirconium niobate titanate titanate, lead niobium zirconium titanate titanate, titanium titanate zinc niobate
  • Lead-containing compounds such as lead acid, and mixed crystal systems thereof
  • Non-lead-containing compounds such as barium titanate, barium strontium titanate, bismuth sodium titanate, bismuth potassium titanate, sodium niobate, potassium niobate, lithium niobate, bismuth ferrite, and mixed crystal systems thereof .
  • the piezoelectric layer 32 (piezoelectric film) of the present embodiment preferably includes one or more perovskite oxides (PX) represented by the following formula.
  • the perovskite oxide (PX) is an intrinsic PZT or a part of the B site of PZT substituted with M. It is known that PZT to which various donor ions having a valence higher than that of the substituted ion are added has improved characteristics such as piezoelectric performance as compared with intrinsic PZT.
  • M is preferably one or more donor ions having a valence higher than that of tetravalent Zr or Ti. Examples of this donor ion include V 5+ , Nb 5+ , Ta 5+ , Sb 5 +, Mo 6+ , and W 6+ .
  • Bxy is not particularly limited as long as it has a perovskite structure.
  • M is Nb
  • the Nb / (Zr + Ti + Nb) molar ratio is preferably 0.05 or more and 0.25 or less, and more preferably 0.06 or more and 0.20 or less.
  • the piezoelectric film made of the perovskite oxide represented by the above general formulas (P) and (PX) has a high piezoelectric strain constant (d31 constant). For this reason, the piezoelectric element provided with this piezoelectric film has excellent displacement characteristics and detection characteristics.
  • a piezoelectric element including a piezoelectric film made of a perovskite oxide represented by the general formulas (P) and (PX) has voltage-displacement characteristics with excellent linearity. These piezoelectric materials exhibit good actuator characteristics and sensor characteristics in practicing the present invention. Note that the perovskite oxide represented by the general formula (PX) has a higher piezoelectric constant than that represented by the general formula (P).
  • the piezoelectric layer 32 of the present embodiment is preferably a thin film having a thickness of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • a vapor phase film forming method is preferable.
  • various methods such as an ion plating method, an MOCVD method (metal organic vapor phase growth method), and a PLD method (pulse laser deposition method) can be applied in addition to the sputtering method. It is also conceivable to use a method other than vapor phase growth (for example, a sol-gel method).
  • the production process can be simplified by forming a PZT thin film directly on the substrate by sputtering and thinning the piezoelectric body.
  • the piezoelectric thin film thus formed can be easily finely processed by etching or the like, and can be patterned into a desired shape. As a result, the yield can be greatly improved and the device can be made smaller.
  • the substrate material, electrode material, piezoelectric material, film thickness, film forming conditions, and the like can be appropriately selected according to the purpose.
  • FIG. 1 the circular diaphragm portion in the plan view has been described.
  • the configuration is not limited to the circular shape, and an elliptical diaphragm portion in the plan view or a polygon diaphragm portion in the plan view is also possible.

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Abstract

　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。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２２を形成し、その上に下部電極３０、圧電体層３２、上部電極３４を積層形成する。シリコン基板の一部を除去加工して可撓性のあるダイヤフラム部１２を形成するとともに、除去加工によって残る基板の残部によってダイヤフラム部１２の外周を支持する台座部１６と、ダイヤフラム部１２の中心部に錘部１４とを形成する。市販標準品の安価な基板をＳＯＩ基板の代替材料として用いることができる。

Description

角速度センサ及びその製造方法
　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 Systems）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及び省電力を特徴とし、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及び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ウエハ（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。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。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。
　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、がこの順に積層された積層構造を有し、かつ、可撓性を有す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層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及び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い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、積層構造の積層する方向から平面視した場合に、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、ダイヤフラム部の外周を支持する台座部、及びダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部、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。
　（第１０態様）第９態様に記載の角速度センサの製造方法において、金属薄膜振動板を形成する工程は、気相成膜法を用いる構成とすることができる。
　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 図６（ａ）～図６（ｅ）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 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 図８（ａ）～図８（ｄ）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 共振周波数の測定方法の説明図 試作した角速度センサ（実施例１～４及び比較例）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 試作した角速度センサ（実施例１～４及び比較例）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１０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。本実施形態では、角速度センサ１０として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。一般的に、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の外周を支持する台座部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（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及び上部電極３４の順に積層された積層構造（多層構造）を有する。このダイヤフラム部１２は可撓性があり、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。ダイヤフラム部１２は、このダイヤフラム１２部の積層構造の積層する方向から平面視した場合に、円形の外周形状となっている。
　本実施形態の振動板層２０は、シリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ２）２１と、金属薄膜振動板２２とを含み、これら二層の積層体部分が振動板として機能する。本実施形態では、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。このため、振動板層２０に熱酸化膜２１が含まれている。なお、熱酸化膜２１を有していないベアのＳｉ基板を用いて作製するようにしてもよい。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ようにしてもよい。
　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及び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表現する。Ａを水平に保持した状態でこの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もある。このような場合も、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をこの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の上方にＢを積層する場合も含む。
　図２の例においては、台座部１６と錘部１４とが設けられた熱酸化膜２１付きのＳｉ基板の上に金属薄膜振動板２２、下部電極３０、圧電体層３２及び上部電極３４の順に成膜が行われる。
　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とを有する。検出電極部３５Ａ～３５Ｄと駆動電極部３６Ａ～３６Ｄとは、圧電体層３２の上に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とは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）は個別に分離された形態でパターン配置されている。
　図１において、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と接続している。グランド電極３８は、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、上部電極３４の電極パターンは、ダイヤフラム部１２の円の中心を通る中心軸ＣＬを対称軸として回転対称となっている。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との配置を入れ替えることも可能である。本実施形態においては、検出電極部３５Ａ～３５Ｄが駆動電極部３６Ａ～３６Ｄの内側に配置されているが、これに限らず、検出電極部３５Ａ～３５Ｄが駆動電極部３６Ａ～３６Ｄの外側に配置されるようにしてもよい。
　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において、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）、圧電体層３２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。
　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層３２の圧電効果によって検出して、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。
　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。ダイヤフラム部１２の積層構造は、ｚ軸と平行な方向に積層している。
　図３では、検出電極部３５Ａ～３５Ｄについては「検出電極部３５」として記載し、駆動電極部３６Ａ～３６Ｄについては「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。図４及び図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。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。
　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てダイヤフラム部１２が変位する。その変位に応じて検出電極部３５Ａ～３６Ｄから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、形成された膜（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が大きい。
　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）及び鉄（Ｆｅ）のうちいずれか、又は、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、材料に対する割合が質量パーセントで５０％以上であることをいう。
　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。
　応力のばらつきやすさを考慮に入れて材料を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）に収めるようにする。
　本実施形態では、振動板層２０として、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が含まれる。
　＜角速度センサの製造方法の例＞
　図６（ａ）～図６（ｅ）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、Ｓｉ基板１０２を用意する（図６（ａ）参照）。ここで用いるＳｉ基板１０２は、ＳＯＩ構造を有していない非ＳＯＩ構造の基板である。具体的には、Ｓｉ基板１０２は、ＳＯＩ基板ではなく、安価な市販標準品であるシリコンウエハである。「ＳＯＩ基板」とは、Ｓｉ基板と表面のＳｉ層との間にＳｉＯ２が挿入された構造を有する基板である。本実施形態では、Ｓｉ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、熱酸化膜付きＳｉ基板１１０に代えて、熱酸化膜１０４のないベアのＳｉ基板を用いることもできる。本実施形態では、熱酸化膜１０４の膜厚１μｍ（マイクロメートル）、Ｓｉ基板１０２の厚み４００μｍの熱酸化膜付きＳｉ基板１１０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、様々な寸法のものを用いることが可能であり、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Ｓｉ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、Ｓｉ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）及び鉄（Ｆｅ）のうちいずれか１種類、又は、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以上とすることが好ましい。膜厚１μｍ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。
　従来のＳＯＩ基板を用いる構成においては、５μｍ以下の薄膜を形成することは困難である。これに対して、気相成膜法は、５μｍ以下の薄膜を形成するのに適している。このため、本実施形態は５μｍ以下の薄膜を形成することについて特に有益である。
　（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））。本実施形態では、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、この態様に限らず、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とを成膜した様子を図示した。本実施形態では、圧電体層１３２として、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ、チタン酸ジルコン酸鉛）をスパッタ法により２μｍの膜厚で成膜した。本実施形態では、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％Ｏ２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」）。本実施形態では、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１５ｎｍ（ナノメートル）の膜厚で形成し、その上にプラチナ（Ｐｔ）を１５０ｎｍの膜厚で形成した。このような上部電極１３４の膜構成を、「Ｔｉ（１５ｎｍ）／Ｐｔ（１５０ｎｍ）」と表記する。上部電極１３４の材料や膜厚については、この態様に限らず、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」）。深堀加工としては、例えば、深堀り反応性イオンエッチング（DeepRIE）などが挙げられる。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（ａ）～図８（ｄ）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Ｓｉ基板と、表面のＳｉ層（「活性層」という。）６０４との間に、ＳｉＯ２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する層であり、その膜厚は研磨によって調整される。
　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（深掘エッチング）することにより、ハンドル層６０２の一部を除去加工して、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。また、本実施形態によれば、活性層Ｓｉに代えて金属材料を用いた場合であっても、共振値（共振周波数）のばらつきが抑制される。
　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とから、有限要素法（ＦＥＭ；finite element method）を用いてジャイロ駆動及び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、ＦＥＮ計算値を算出した。そして、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、本実施形態ではｚ方向の共振駆動の周波数を評価したが、これに限らず、ｚ方向共振駆動の共振周波数の設計値を「fz」とし、ｘ方向共振駆動の共振周波数の設計値を「fx」として、ｚ方向の共振振動及び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ようにしてもよい。また、ｚ方向及び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方向及び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。
　＜共振周波数の測定方法＞
　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、出力電圧が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、金属薄膜を形成した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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ＥはＳｉ基板のヤング率、ｂは基板の厚さ、νはＳｉ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及び比較例の試作に係るデバイス＞
　金属薄膜振動板２２の材料と成膜条件と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２２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。）とを調べた。図１０にその実施結果の表を示す。
　金属薄膜振動板２２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。金属薄膜振動板２２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３００～５００ＭＰａの範囲でばらつく。このため、ばらつき範囲の中心値は「４００ＭＰａ」であり、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。したがって、「中心値からのずれ量の最大値（ばらつき幅の半分の値）」の中心値に対する割合は、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いる。測定値のばらつきの計算方法は、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。
　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。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、比較例では、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られる。
　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に近い値になる。
　Ｔｉを主成分とする合金も、Ｔｉを用いた場合（実施例２）と同様に共振ばらつきを抑制できるため、振動板に好適な材料である。Ｔｉのほか、Ｃｒ、Ｖ及びＦｅのいずれかを主成分とする（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及び４は、「ＡＡ」評価及び「Ａ」評価のものと比較して量産の生産ラインへの適性が劣るものの、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、金属薄膜振動板と圧電体膜と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、金属薄膜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、熱膨張係数がＴｉに近い値になる。
　このため、Ｔｉを主成分とする金属材料も、Ｔｉを用いた場合（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のほか、Ｖを主成分とする金属材料も、Ｖを用いた場合（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層３２（圧電体）としては、下記一般式で表される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：ＡＢＯ３・・・（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、Ｂサイト元素及び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（Ｐ）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層３２（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：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。
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。このドナーイオンとしては、Ｖ５＋，Ｎｂ５＋，Ｔａ５＋，Ｓｂ５＋，Ｍｏ６＋，及びＷ６＋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。このため、この圧電体膜を備えた圧電素子は、変位特性及び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及び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、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３２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＞
　圧電体層３２の成膜方法としては気相成膜法が好ましい。気相成膜法としては、例えば、スパッタリング法のほか、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 (10)

  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、がこの順に積層された積層構造を有し、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前記圧電体層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、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。
  2. 　前記金属薄膜振動板の厚さは、１μｍ以上である請求項１に記載の角速度センサ。
  3. 　前記金属薄膜振動板の厚さは、５μｍ以下である請求項１又は２に記載の角速度センサ。
  4. 　前記金属材料は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ及びＦｅのうち少なくとも１つの金属を５０質量％以上含む請求項１から３のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  5. 　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４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  6. 　前記金属薄膜振動板は、Ｔｉを５０質量％以上含む金属薄膜で構成される請求項１から５のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  7. 　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いる請求項１から６のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  8. 　前記ダイヤフラム部は、前記積層構造の積層する方向から平面視した場合に、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７のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  9. 　非ＳＯＩ構造のシリコン基板の上に、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を形成する工程と、
    　前記金属薄膜振動板の上に下部電極を形成する工程と、
    　前記下部電極の上に圧電体層を形成する工程と、
    　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、前記ダイヤフラム部の外周を支持する台座部、及び前記ダイヤフラム部の中心部に接合されている錘部、を形成する工程と、
    　を含む角速度センサの製造方法。
  10. 　前記金属薄膜振動板を形成する工程は、気相成膜法を用いる請求項９記載の角速度センサの製造方法。
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