JP2007285879A - 角速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、数十ｋＨｚ帯の共振周波数を得ることができる角速度センサを提供する。
【解決手段】角速度センサ１００は、基板２とその上に形成された酸化物層３と半導体層４とを有するＳＯＩ基板１と、半導体層４と酸化物層５を加工して形成された音叉型の振動部１０と、屈曲振動を生成する駆動部２０と、角速度を検出する検出部３０と、を含む。振動部１０は、支持部１２から片持ち梁状に形成された二本のビーム部１４ａ，１５ｂとを有し、駆動部２０は二本のビーム部の上方に１対づつ形成され、第１電極層２２、圧電体層２４、第２電極層２６とを有し、検出部３０は、二本のビーム部の上方にそれぞれ１つづつ形成され、各検出部は、前記１対の駆動部の間に配置され、かつ、第１電極層３２、圧電体層３４、第２電極層３６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＯＩ基板に形成された音叉型振動部を圧電体層の振動で駆動する角速度センサに関する。

デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、カーナビゲーションシステムなどの情報機器においては、画像の手ぶれ防止、車体の位置検知の目的で加速度センサ、角速度センサが、搭載されている。この中で、角速度センサについては、コリオリ力を圧電効果で検出する方式が広く用いられているが、モジュールの複雑化、機器の小型化に伴って、センサモジュールの小型化や省電力化が要求されるようになってきている。この中で、角速度センサモジュールに用いられる振動子としては、従来の設計資産や省電力性を生かすために３２ｋＨｚ音叉振動子が今なお用いられている。この音叉振動子は、音叉形状に加工された水晶などの圧電体を電極で挟んで駆動できる構造にしたものであり、温度特性が良好、省電力性に優れる、などの利点を備えている。ただし、３２ｋＨｚ帯の場合には、音叉腕長さが数ｍｍになり、パッケージングを含めた全体の長さは１０ｍｍ近くになってしまう。

最近になって、水晶ではなく、シリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子を利用した各速度センサが開発されるようになってきた。かかる振動子は、シリコン基板上に、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ積層構造を有し、面内の伸縮運動によって屈曲振動を駆動するものである。このような振動子の構造としては、ビーム状構造のもの（特許文献１の図１）と、ビーム二本から音叉振動子を形成したもの（特許文献２の図１）と、が知られている。

ところで、このようなシリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子においても、シリコン基板の厚みをせいぜい１００μｍ程度にしかできないため、屈曲振動の音速を数１００ｍ／ｓ程度までしか下げることができず、数１０ｋＨｚ帯での共振周波数を得るためには、ビームの腕長を数ｍｍ以上にする必要があり、角速度センサモジュールの小型化が困難である、という問題があった。
特開２００５−２９１８５８号公報 特開２００５−２４９３９５号公報

本発明は、上記問題点を解決するものであり、その課題は、極めて小型でありながら、例えば数十ｋＨｚ帯の周波数で駆動できる音叉振動子を有する、角速度センサを提供することにある。

本発明にかかる角速度センサは、
基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有するＳＯＩ基板と、
前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
前記振動部に加わる角速度を検出するための検出部と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１対づつ形成され、各駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、
前記検出部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１つづつ形成され、各検出部は、前記１対の駆動部の間に配置され、かつ、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有する。

本発明の角速度センサによれば、振動部がＳＯＩ基板の半導体層によって構成されるため、該振動部の厚さおよびビーム部の長さを小さくすることができる。その結果、本発明の角速度センサは、小型であっても、所望の共振周波数、例えば数十μｍの低い共振周波数で振動部を駆動させて角速度を測定できる。例えば、本発明において、前記振動部の厚みは２０μｍ以下、前記振動部の長さは２ｍｍ以下であることができる。

本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。

本発明において、前記振動部の共振周波数は、３２ｋＨｚ帯であることができる。これは、角速度センサは駆動周波数が低いほど感度が増大すること、および３２ｋＨｚ帯が汎用的な発振周波数であることによる。３２ｋＨｚ帯の共振周波数は、例えば１６ｋＨｚないし６６ｋＨｚの範囲をとることができる。これは、３２．７６８ｋＨｚ用発振回路に分周回路を付加して１６．３８４ｋＨｚで駆動できること、３２．７６８ｋＨｚ用発振回路にフェイズロックループを付加して６５．５３６ｋＨｚで駆動できるためである。

本発明において、前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなることができる。

本発明にかかる角速度センサの製造方法は、
基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する工程と、
前記ＳＯＩ基板の上方に、所定のパターンを有する、第１電極層、圧電体層および第２電極層を順次形成して、駆動部および検出部を形成する工程と、
前記半導体層をパターニングして振動部を形成する工程と、
前記酸化物層をパターニングして前記振動部の下方に開口部を形成する工程と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有するように形成され、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１対づつ形成され、各駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有するように形成され、
前記検出部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１つづつ形成され、各検出部は、前記１対の駆動部の間に配置され、かつ、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有するように形成される。

本発明の製造方法によれば、公知のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて容易に角速度センサを製造することができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。

１．角速度センサ
図１は、本実施形態の角速度センサ１００の構造を模式的に示す平面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った構造を模式的に示す断面図であり、図３は、図１におけるＢ−Ｂ線に沿った構造を模式的に示す断面図である。

図１ないし図３に示すように、角速度センサ１００は、ＳＯＩ基板１と、該ＳＯＩ基板１に形成された音叉型の振動部１０と、該振動部１０の屈曲振動を生成するための駆動部２０（２０ａないし２０ｄ）と、振動部１０に加わる角速度を検出するための検出部３０（３０ａ，３０ｂ）と、を含む。

図２および図３に示すように、ＳＯＩ基板１は、シリコン基板２上に、酸化物層（酸化シリコン層）３およびシリコン層４が順次積層されている。シリコン層４の厚みは、角速度センサ１００の小型化のためには、２０μｍ以下であることが望ましい。ＳＯＩ基板１は半導体基板として用いることもでき、ＳＯＩ基板１内に各種の半導体回路を作り込むことができるため、角速度センサ１００と半導体集積回路とを一体化することができる。この中でも、シリコン基板を用いることが一般的な半導体製造技術を利用できる点で有利である。

振動部１０は、図１に示すように、平面形状が音叉型を有し、図２および図３に示すように、ＳＯＩ基板１の酸化物層３を除去して形成された開口部３ａ上に形成されている。また、振動部１０の周りには、該振動部１０の振動を許容する空隙部４ａが形成されている。そして、振動部１０は、支持部１２と、該支持部１２を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部１４ａ，１４ｂと、を有する。二本の第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂは、その長手方向にそれぞれ平行に所定間隔をおいて配置されている。

また、支持部１２は、シリコン層４に連続する第１支持部１２ａと、該第１支持部１２ａより幅の大きい第２支持部１２ｂとを有する。第２支持部１２ｂは、第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂを支持する機能と、これらのビーム部１４ａ，１４ｂの振動を第１支持部１２ａに伝搬させない機能とを有する。第２支持部１２ｂは、かかる機能を有するために、例えば図１に示すように、その側部に凹凸形状を有することができる。

駆動部２０は、図１に示すように、第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂの上にそれぞれ１対づつ形成されている。すなわち、第１ビーム部１４ａ上には、第１駆動部２０ａと第２駆動部２０ｂとが、第１ビーム部１４ａの長手方向に沿って平行に形成されている。同様に、第２ビーム部１４ｂ上には、第３駆動部２０ｃと第４駆動部２０ｄとが、第２ビーム部１４ｂの長手方向に沿って平行に形成されている。そして、第１ビーム部１４ａの外側に配置された第１駆動部２０ａと、第２ビーム部１４ｂの外側に配置されている第３駆動部２０ｃとは、配線（図示せず）によって電気的に接続されている。また、第１ビーム部１４ａの内側に配置された第２駆動部２０ｂと、第２ビーム部１４ｂの内側に配置されている第４駆動部２０ｄとは、配線（図示せず）によって電気的に接続されている。

駆動部２０（２０ａないし２０ｄ）は、図２に示すように、下地層５上に形成された第１電極層２２と、該第１電極層２２の上方に形成された圧電体層２４と、該圧電体層２４の上方に形成された第２電極層２６とを有する。

検出部３０は、図１に示すように、第１ビーム部１４ａと第２ビーム部１４ｂの上方にそれぞれ１つづつ形成されている。すなわち、第１ビーム部１４ａ上には、第１検出部３０ａが、第１ビーム部１４ａの長手方向に沿って第１，第２駆動部２０ａ，２０ｂと平行に形成されている。同様に、第２ビーム部１４ｂ上には、第２検出部３０ｂが、第２ビーム部１４ｂの長手方向に沿って第３，第４駆動部２０Ｃ，２０ｄと平行に形成されている。第１検出部３０ａは、第１駆動部２０ａと第２駆動部２０ｂとの間に配置されている。同様に、第２検出部３０ｂは、第３駆動部２０ｃと第４駆動部２０ｄとの間に配置されている。そして、第１検出部３０ａと第２検出部３０ｂとは、角速度信号を検出するための検知回路（図示せず）に接続されている。

検出部３０（３０ａ，３０ｂ）は、図３に示すように、下地層５上に形成された第１電極層３２と、該第１電極層３２の上方に形成された圧電体層３４と、該圧電体層３４の上方に形成された第２電極層３６とを有する。

下地層５は、酸化シリコン層（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン層（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の絶縁膜であり、２層以上の複合層で構成されていてもよい。第１電極層２２，３２は、任意の電極材料を用いることができ、例えばＰｔなどを例示することができる。第１電極層２２，３２の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。

圧電体層２４，３４は、任意の圧電材料を用いることができ、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を例示することができる。圧電体層２４，３４の膜厚は、シリコン層４の厚みの１／１０倍ないし等倍程度であることが望ましい。これは、ビーム部１４ａ、１４ｂを構成するシリコン層を十分に振動させるだけの駆動力を確保するためである。従って、シリコン層４の厚みを１μｍないし２０μｍとした場合、圧電体層２４，３４の厚さは１００ｎｍ以上２０μｍ以下とすることができる。

第２電極層２６，３６は、任意の電極材料を用いることができ、Ｐｔなどを例示できる。第２電極層２６，３６の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。

本実施形態では、駆動部２０において、第１電極層２２と第２電極層２６の間には圧電体層２６のみが存在するが、両電極層２２，２６間に上記の圧電体層２４以外の層を有していてもよい。また、検出部３０において、第１電極層３２と第２電極層３６の間には圧電体層３４のみが存在するが、両電極層３２，３６間に圧電体層３４以外の層を有していてもよい。この場合、共振条件に応じて圧電体層２４，３４の膜厚を適宜に変更すればよい。

本実施形態では、第１駆動部２０ａないし第４駆動部２０ｄに交流電界を印加すると、第１ビーム１４ａおよび第２ビーム部１４ｂは、それぞれ鏡映対称に屈曲振動（第１屈曲振動）し、音叉振動を実現することができる。また、第１，第２ビーム部１４ａ、１４ｂの中心線に平行な軸回りに働く角速度によって発生するコリオリ力によって、振動部１０の第１屈曲振動と垂直な方向に屈曲振動（第２屈曲振動）を生成させる。したがって、第２屈曲振動によって生じる検出部３０ａ，３０ｂの電圧を検知回路によって検出することにより、角速度を求めることができる。

次ぎに、本実施形態の角速度センサ１００の構成例について述べる。

（Ａ）第１の例においては、角速度センサ１００は、第１電極層２２，３２の厚みが０．１μｍ、圧電体層２４，３４の厚みが２μｍ、第２電極層２６，３６の厚みが０．１μｍで、駆動部２０の厚みが２．２μｍ、シリコン層４の厚みが２０μｍ、ビーム部１４ａ、１４ｂのビーム長さが１２８０μｍ、ビーム幅が４０μｍである。また、振動部１０は、長辺２０００μｍ、短辺１００μｍの空隙部４ａの中に収まっている。このような構造の角速度センサ１００について、有限要素法によって運動方程式を解いてシミュレーションすると、屈曲振動の共振周波数は３２ｋＨｚとなる。感度をシミュレーションした結果、１００ｍＶ／ｄｅｇ／ｓｅｃであった。

（Ｂ）第２の例においては、角速度センサ１００は、第１電極層２２，３２の厚みが０．１μｍ、圧電体層２４，３４の厚みが１μｍ、第２電極層２６，３６の厚みが０．１μｍ、駆動部２０の厚みが１．２μｍ、シリコン層４の厚みが２μｍ、ビーム部１４ａ、１４ｂのビーム長さが８００μｍ、ビーム幅が４μｍである。また、振動部１０は、長辺１０００μｍ、短辺１０μｍの空隙部４ａ中に収まっている。このような構成の角速度センサ１００について、有限要素法によって運動方程式を解いてシミュレーションすると、屈曲振動の共振周波数は３２ｋＨｚとなる。感度をシミュレーションした結果、０．１ｍＶ／ｄｅｇ／ｓｅｃであった。

本実施形態の角速度センサ１００によれば、振動部１０がＳＯＩ基板１の半導体層４によって構成されるため、振動部１０の厚さおよびビーム部１４ａ，１４ｂの長さを小さくすることができる。その結果、本実施形態の角速度センサ１００は、小型であっても、所望の共振周波数、例えば数十μｍの低い共振周波数で振動部１０を駆動させて角速度を測定できる。例えば、本実施形態において、振動部１０の厚みを２０μｍ以下、振動部１０の長さを２ｍｍ以下とすることができる。そして、本実施形態の角速度センサ１００は、３２ｋＨｚ帯の周波数を用いる場合には、３ｍｍ以下の長さのパッケージとすることができる。

また、本実施形態の角速度センサ１００を角速度センサモジュールに用いた場合には、半導体回路が集積化されたＳＯＩ基板を有する電子デバイスに角速度センサ１００を搭載することができるので、パッケージを格段に小型化することができる。

さらに、本実施形態によれば、ＳＯＩ基板１に角速度センサ１００を形成することができるので、ＳＯＩ基板１に発振回路と角速度センサとを一体化して形成することができる。その結果、ＳＯＩ基板１を用いたデバイスの低動作電圧の特徴を生かして、超低消費電力のワンチップ角速度センサモジュールを実現することができる。

２．角速度センサの製造方法
次ぎに、図４から図６を参照して、本実施形態にかかる角速度センサ１００の製造方法の一例について述べる。図４から図６は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

（１）図４に示すように、ＳＯＩ基板１上に、駆動部２０および検出部３０を形成する。具体的には、駆動部２０および検出部３０をそれぞれ構成する下地層５、第１電極層２２，３２、圧電体層２４，３４および第２電極層２６，３６を順次形成する。ＳＯＩ基板１は、シリコン基板２上に、酸化物層（酸化シリコン層）３およびシリコン層４が順次形成されたものである。

下地層５は熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などで形成することができる。下地層５は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。

第１電極層２２，３２は、下地層５上に、蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。第１電極層２２，３２は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。

圧電体層２４，３４は、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法などの種々の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛層を形成する場合には、レーザー光をチタン酸ジルコン酸鉛用ターゲット、例えば、Ｐｂ_１．０５Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８ＮｂＯ_３のターゲットに照射する。そして、このターゲットから鉛原子、ジルコニウム原子、チタン原子、および酸素原子をアブレーションによって放出させ、レーザーエネルギーによってプルームを発生させ、このプルームをＳＯＩ基板１に向けて照射する。このようにすると、第１電極層２２，３２上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層２４，３４が形成される。圧電体層２４，３４は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。

第２電極層２６，３６は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等によって形成することができる。第２電極層２６，３６は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。

（２）図５に示すように、ＳＯＩ基板１のシリコン層４を所望の形状にパターニングする。具体的には、シリコン層４は、図１に示すように、空隙部４ａ内に、所望の平面形状の振動部１０が形成される。シリコン層４のパターニングは、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。エッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングを用いることができる。このパターニング工程においては、ＳＯＩ基板１の酸化物層３をエッチングストッパ層として用いることができる。

（３）図６に示すように、ＳＯＩ基板１の酸化物層３をエッチングして振動部１０の下に、開口部３ａを形成する。エッチングとしては、酸化シリコンのエッチャントとして、例えばフッ化水素を用いたウェットエッチングを用いることができる。この開口部３ａは、シリコン基板２およびシリコン層４をエッチングストッパ層として用いることができる。上述した空隙部２ａと開口部３ａとを設けることで、音叉型の振動子１０の機械的拘束力が低減され、音叉振動子１０が自由に振動できるようになる。

以上の工程を経て、図１ないし図３に示す角速度センサ１００を形成することができる。本実施形態の製造方法によれば、公知のＭＥＭＳ技術を用いて容易に角速度センサを製造することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

第１実施形態の角速度センサの構造を模式的に示す平面図。 図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。 図１のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図。 第１実施形態の角速度センサの製造方法を模式的に示す断面図。 第１実施形態の角速度センサの製造方法を模式的に示す断面図。 第１実施形態の角速度センサの製造方法を模式的に示す断面図。

符号の説明

１…ＳＯＩ基板、２…シリコン基板、３…酸化物層、３ａ…開口部、４…シリコン層、５…下地層、１０…振動部、１２…支持部、１４ａ…第１ビーム部、１４ｂ…第２ビーム部、２０…駆動部、２２…第１電極層、２４…圧電体層、２６…第２電極層、３０…検出部、３２…第１電極層、３４…圧電体層、３６…第２電極層、１００…角速度センサ

Claims (6)

1. 基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有するＳＯＩ基板と、
   前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
   前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
   前記振動部に加わる角速度を検出するための検出部と、
   を含み、
   前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
   前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１対づつ形成され、各駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、
   前記検出部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１つづつ形成され、各検出部は、前記１対の駆動部の間に配置され、かつ、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有する、角速度センサ。
2. 請求項１において、
   前記振動部の厚みは、２０μｍ以下である、角速度センサ。
3. 請求項１または２において、
   前記振動部の長さは、２ｍｍ以下である、角速度センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記振動部の共振周波数は、３２ｋＨｚ帯である、角速度センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなる、角速度センサ。
6. 基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有するＳＯＩ基板を用意する工程と、
   前記ＳＯＩ基板の上方に、所定のパターンを有する、第１電極層、圧電体層および第２電極層を順次形成して、駆動部および検出部を形成する工程と、
   前記半導体層をパターニングして振動部を形成する工程と、
   前記酸化物層をパターニングして前記振動部の下方に開口部を形成する工程と、
   を含み、
   前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有するように形成され、
   前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１対づつ形成され、各駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有するように形成され、
   前記検出部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ１つづつ形成され、各検出部は、前記１対の駆動部の間に配置され、かつ、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有するように形成される、角速度センサの製造方法。

Images