JP4441729B2 - Electronics - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置における動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに用いられる角速度センサに関し、詳しくは、片持ち梁の振動子を有する小型の振動型ジャイロセンサ素子を備えた電子機器に関する。 The present invention relates to, for example, an angular velocity sensor used for camera shake detection of a video camera, motion detection in a virtual reality device, direction detection in a car navigation system, and the like, and more specifically, a small vibration type having a cantilever vibrator. The present invention relates to an electronic device including a gyro sensor element.
従来より、民生用の角速度センサとしては、片持ち梁の振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出する、いわゆる振動型のジャイロセンサ(以下、振動型ジャイロセンサと呼ぶ。)が、広く使用されている。 Conventionally, as a commercial angular velocity sensor, a cantilever vibrator is vibrated at a predetermined resonance frequency, and the angular velocity is detected by detecting a Coriolis force generated by the influence of the angular velocity with a piezoelectric element or the like. A vibration type gyro sensor (hereinafter referred to as a vibration type gyro sensor) is widely used.
振動型ジャイロセンサは、単純な機構、短い起動時間、安価で製造可能といった利点を有しており、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などをする際のセンサとして活用されている。 The vibration-type gyro sensor has advantages such as a simple mechanism, a short start-up time, and low-cost manufacturing. For example, it is mounted on electronic devices such as a video camera, a virtual reality device, and a car navigation system. It is used as a sensor for motion detection and direction detection.
振動型ジャイロセンサは、搭載される電子機器の小型化、高性能化に伴い、小型化、高性能化が要求されている。例えば、電子機器の多機能化のため、他の用途で用いる各種センサと組み合わせて、振動型ジャイロセンサを一基板上に搭載させ、小型化を図るといった要請がある。 The vibration type gyro sensor is required to be downsized and improved in accordance with downsizing and high performance of electronic devices to be mounted. For example, in order to increase the functionality of electronic devices, there is a demand to reduce the size by mounting a vibration gyro sensor on one substrate in combination with various sensors used for other purposes.
ところが、振動型ジャイロセンサは、圧電材料を機械加工によって切り出し、整形をすることで振動子を作製していたため、上述したような小型化を行うのに加工精度に限界があり、所望の性能を得ることができないといった問題があった。 However, the vibration type gyro sensor has produced a vibrator by cutting and shaping a piezoelectric material by machining, so that there is a limit to the processing accuracy for downsizing as described above, and the desired performance is achieved. There was a problem that I could not get.
そこで、振動子を、単結晶シリコン基板上に圧電材料で薄膜を形成することで作製し、小型化した圧電振動角速度計、つまり振動型ジャイロセンサが考案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。また、シリコン加工プロセスによって形成された片持ち梁の振動子をし、この振動子の長手方向に駆動電極と、駆動電極を挟む形で駆動電極と接触することなく平行に一対の検出電極とが形成された振動型ジャイロセンサが考案されている。(例えば、特許文献3参照。)。
In view of this, a piezoelectric vibration angular velocity meter, that is, a vibration type gyro sensor, in which a vibrator is manufactured by forming a thin film of a piezoelectric material on a single crystal silicon substrate and miniaturized has been devised (for example,
このような振動型ジャイロセンサにおいては、より高い感度で且つ安定した共振特性で角速度を検出することが要求されている。 Such a vibration type gyro sensor is required to detect an angular velocity with higher sensitivity and stable resonance characteristics.
ところで、振動型ジャイロセンサを高感度で且つ安定した共振特性とするためには、振動子の共振状態を定義する機械的品質係数(Mechanical quality factor)、いわゆるQ値を高くする必要がある。 By the way, in order to make the vibration type gyro sensor have high sensitivity and stable resonance characteristics, it is necessary to increase a so-called Q value, which is a mechanical quality factor that defines the resonance state of the vibrator.
Q値は、振動型ジャイロセンサの振動子が固有振動を起こした際の、共振特性の鋭さの度合いを表す定数である。Q値は、電気、電子分野における共振現象や、振動子の振動のような機械振動において共振系の質を表す定数として用いられる。振動型ジャイロセンサにおけるQ値は、振動子を形成する材料や、振動子の固定方法などで決定される。 The Q value is a constant that represents the degree of sharpness of the resonance characteristics when the vibrator of the vibration type gyro sensor causes natural vibration. The Q value is used as a constant representing the quality of the resonance system in resonance phenomena in the electric and electronic fields and mechanical vibrations such as vibrations of vibrators. The Q value in the vibration type gyro sensor is determined by the material forming the vibrator, the fixing method of the vibrator, and the like.
例えば、Q値が大きい場合には、共振周波数に一致する振動を外界から受けた時だけ振幅が成長し、振動が成長するにも減衰するにも時間がかかる。つまり、外界からの影響を受けにくい状態であるといえる。 For example, when the Q value is large, the amplitude grows only when vibration matching the resonance frequency is received from the outside, and it takes time to grow and attenuate the vibration. In other words, it can be said that it is in a state in which it is hardly affected by the outside world.
逆に、Q値が小さい場合には、共振周波数とは若干異なる周波数の振動にも反応し、振動が成長するのも減速するのも早いという特徴がある。つまり、外界からの影響を受けやすい状態であるといえる。 On the other hand, when the Q value is small, it reacts to vibrations having a frequency slightly different from the resonance frequency, and the vibrations grow and decelerate quickly. In other words, it can be said that it is easily affected by the outside world.
したがって、上述したようにQ値を高くすることで、振動型ジャイロセンサの共振特性を安定させ且つ高感度なセンサ素子とすることができる。 Therefore, by increasing the Q value as described above, the resonance characteristics of the vibration type gyro sensor can be stabilized and a highly sensitive sensor element can be obtained.
通常、振動型ジャイロセンサは、振動子を保護する目的や、外部装置への組み込み時の取り扱いを容易にするため、所望のパッケージ内にパッケージングされることになる。このとき、パッケージング後の振動子周りの空間形成状況やパッケージによる影響などによって、空気のダンピングが強くなり、特性が低下してしまうといった問題があった。 Usually, the vibration type gyro sensor is packaged in a desired package for the purpose of protecting the vibrator and facilitating handling when incorporated in an external device. At this time, there is a problem that air damping becomes strong and the characteristics deteriorate due to the space formation state around the vibrator after packaging and the influence of the package.
このような空気のダンピングを防ぐ方法として、振動型ジャイロセンサをパッケージ内に真空パッケージする手法があるが、非常に手間がかかり多大なコストがかかってしまうといった問題があった。 As a method for preventing such air damping, there is a method of vacuum-packaging a vibration type gyro sensor in a package, but there is a problem that it is very time-consuming and requires a lot of cost.
そこで、本発明は、上述したような問題を解決するために案出されたものであり、パッケージングした振動型ジャイロセンサ素子の振動子周囲の空間を適切に規定することで、安定した共振特性を示し、高い感度の振動型ジャイロセンサ素子を備えた小型の電子機器を低コストで提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been devised to solve the above-described problems, and by stably defining the space around the vibrator of the packaged vibration type gyro sensor element, stable resonance characteristics can be obtained. An object of the present invention is to provide a small electronic device including a vibration gyro sensor element with high sensitivity at low cost.
上述の目的を達成するため、本発明に係る電子機器は、下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する単結晶シリコンから形成された四角柱状の片持ち梁の振動子を備え、上記圧電薄膜の圧電効果を利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサ素子をカバー材とIC基板を用いて大気中でパッケージングした電子機器であって、上記上部電極は、上記振動子を振動させる電圧を印加する上記振動子の長手方向に形成された駆動電極と、上記駆動電極を挟む形で、上記駆動電極と接触することなく平行に上記振動子の長手方向に形成された第1の検出電極及び第2の検出電極とからなるように形成されており、上記振動子の振動していない状態での、上記振動子の上面から上記カバー材までの距離及び上記振動子の下面から上記IC基板までの距離を、上記下部電極、上記上部電極間に電圧を印加して上記振動子を厚み方向に自励振動させた際に、上記振動子が最も振動した場合の変位量である最大変位量の2.5倍以上とした空間が設けられており、上記振動子の側壁面から該側壁面の全面にわたり該側壁面と対向するように形成された壁面までの距離を上記振動子の幅の2倍以上とした空間が設けられている。 In order to achieve the above-described object, an electronic apparatus according to the present invention includes a quadrangular columnar cantilever vibrator formed of single crystal silicon having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode, and the piezoelectric thin film piezoelectric An electronic device in which a vibration-type gyro sensor element that detects an angular velocity using an effect is packaged in the air using a cover material and an IC substrate, and the upper electrode applies a voltage that vibrates the vibrator A first detection electrode and a second detection electrode formed in the longitudinal direction of the vibrator in parallel with each other, in contact with the drive electrode, with the drive electrode sandwiched between the drive electrode formed in the longitudinal direction of the vibrator. detection electrodes and being formed from a, distance of a state that is not vibration of the vibrator, from the lower surface of the distance and the transducer from the top surface of the transducer to the cover member to the IC substrate When the vibrator is self-excited and vibrated in the thickness direction by applying a voltage between the lower electrode and the upper electrode, the maximum displacement amount of 2. is the displacement amount when the vibrator is most vibrated. A space of 5 times or more is provided, and the distance from the side wall surface of the vibrator to the wall surface formed to face the side wall surface over the entire side wall surface is twice or more the width of the vibrator. A space is provided .
本発明は、下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する単結晶シリコンから形成された四角柱状の片持ち梁の振動子を備え、上記圧電薄膜の圧電効果を利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサ素子をカバー材とIC基板を用いて大気中でパッケージングした電子機器であって、上記上部電極は、上記振動子を振動させる電圧を印加する上記振動子の長手方向に形成された駆動電極と、上記駆動電極を挟む形で、上記駆動電極と接触することなく平行に上記振動子の長手方向に形成された第1の検出電極及び第2の検出電極とからなるように形成されており、上記振動子の振動していない状態での、上記振動子の上面から上記カバー材までの距離及び上記振動子の下面から上記IC基板までの距離を、上記下部電極、上記上部電極間に電圧を印加して上記振動子を厚み方向に自励振動させた際に、上記振動子が最も振動した場合の変位量である最大変位量の2.5倍以上とした空間が設けられており、上記振動子の側壁面から該側壁面の全面にわたり該側壁面と対向するように形成された壁面までの距離を上記振動子の幅の2倍以上とした空間が設けられていることにより、真空挽きといった多大な労力やコストを要する作業をしなくとも、パッケージングされた振動型ジャイロセンサ素子の機械的品質係数(Mechanical quality factor)、いわゆるQ値を、振動子周りの空間の形状による影響を受けない程度に高くすることができる。したがって、安定した共振特性を示し、高い感度の振動型ジャイロセンサ素子を備えた小型の電子機器を低コストで提供することを可能とする。 The present invention is a vibrating gyroscope including a quadrangular columnar cantilever vibrator formed of single crystal silicon having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode, and detecting angular velocity using the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film. An electronic device in which a sensor element is packaged in the air using a cover material and an IC substrate , wherein the upper electrode is a drive electrode formed in a longitudinal direction of the vibrator for applying a voltage for vibrating the vibrator And a first detection electrode and a second detection electrode formed in parallel with each other in the longitudinal direction of the vibrator without being in contact with the drive electrode. , in a state where no vibration of the vibrator, the distance from the lower surface of the distance and the transducer from the top surface of the transducer to the cover member to the IC substrate, the lower electrode, the voltage between the upper electrode Applied to the time obtained by self-excited vibration in the thickness direction of the above oscillator, the maximum displacement amount of 2.5 times or more and the space is provided which is a displacement amount when the above-described oscillator is the most vibrating, the By providing a space where the distance from the side wall surface of the vibrator to the wall surface formed so as to face the side wall surface over the entire side wall surface is at least twice the width of the vibrator, vacuum grinding is provided. The mechanical quality factor of the packaged vibration type gyro sensor element, the so-called Q value, is affected by the shape of the space around the vibrator, without requiring a lot of labor and cost. Can be as high as possible. Therefore, it is possible to provide a small electronic device that exhibits stable resonance characteristics and includes a highly sensitive vibration type gyro sensor element at low cost.
以下、本発明に係る電子機器を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。 The best mode for carrying out an electronic apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明を適用した角速度センサ50が備える振動型ジャイロセンサ素子10の外観斜視図であり、図2は、角速度センサ50の回路構成の一例を示した図である。なお、説明のため、図1に示す振動型ジャイロセンサ素子10は、一部を透過して示している。
FIG. 1 is an external perspective view of a vibration type
図1に示すように、振動型ジャイロセンサ素子10は、いわゆる片持ち梁の振動子11を備えている。振動子11は、シリコン単結晶基板から切り出される厚みt1、長さt2、幅t3の素子から振動子11の周囲に周囲空間12を設けることで他端が固定された梁として形成される。振動子11は、長手方向と垂直な方向にt7b及びt7cの空間幅、長手方向にt7aの空間幅が確保される。なお、t7bと、t7cとは、同じ長さである。
As shown in FIG. 1, the vibration
このような振動子11は、長手方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状が直角四辺形となる四角柱状に形成されている。
Such a
振動型ジャイロセンサ素子10の大きさは、例えば、上述したように素子の厚みをt1、素子の長さをt2、素子の幅をt3とすると、t1=300μm、t2=3mm、t3=1mmとすることができる。また、この時の振動子11の大きさは、図3に示すように振動子の厚みをt4、振動子の長さをt5、振動子の幅をt6とすると、例えば、t4=100μm、t5=2.5mm、t6=100μmとすることができる。
The size of the vibration-type
図4に、振動型ジャイロセンサ素子10の平面図を示す。図4に示すように、振動子11の上部には、基準電極4a、圧電体5aが順に積層され、さらに圧電体5a上に駆動電極6aと、駆動電極6aを挟む形で一対の検出電極6b,6cとが、振動子11の長手方向に沿って互いに平行に、且つ接触しないように形成されている。駆動電極6a,検出電極6b,6c、基準電極4aには、それぞれ配線接続端子A,B,C,Dが設けられている。
FIG. 4 is a plan view of the vibration type
圧電体5aは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックスや、水晶、LaTaO3などの圧電単結晶などからなる薄膜である。 The piezoelectric body 5a is a thin film made of, for example, piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT), crystal, piezoelectric single crystal such as LaTaO 3, and the like.
このような、振動型ジャイロセンサ素子10は、図2に示すIC回路40に接続されることで動作し、角速度に応じて発生するコリオリ力を検出する角速度センサ50として機能する。
Such a vibration type
IC回路40は、加算回路41と、増幅回路42と、移相回路43と、AGC(Automatic Gain Control)44と、差動増幅回路45と、同期検波回路46と、平滑回路47とを備えている。
The
振動型ジャイロセンサ素子10の1対の検出電極6b,6cは、それぞれ配線接続端子B,Cを介して、加算回路41と、差動増幅回路45に接続される。また、振動型ジャイロセンサ素子10の駆動電極6aは、配線接続端子Aを介して、AGC44の出力端と接続される。
The pair of
角速度センサ50では、加算回路41、増幅回路42、移相回路43、AGC44及び振動型ジャイロセンサ素子10によっていわゆる移相発振回路が構成されており、この移相発振回路によって振動型ジャイロセンサ素子10の基準電極4a、駆動電極6a間に電圧が印加され振動子11を自励振動させる。振動子11の振動方向は、当該振動子11の厚み方向となる。
In the
また、角速度センサ50では、1対の検出電極6b,6cが配線接続端子B,Cを介して接続された加算回路41、差動増幅回路45の出力端が、同期検波回路46に接続され、この同期検波回路46が平滑回路47に接続されており、これらと、圧電体5aとで、振動子11の角速度を検出する検出部として機能する。
Further, in the
すなわち、図2に示す角速度センサ50では、振動型ジャイロセンサ素子10の振動子11を上述した移相発振回路で自励振動させている際に、振動子11の長手方向に角速度が加えられることで振動方向に垂直な方向に発生するコリオリ力を、圧電体5aで検出し、検出電極6b,6cから互いに逆極性の信号として出力し、差動増幅回路45に入力する。差動増幅回路45にて増幅された出力は、同期検波回路46に入力され、同期検波が行われる。このとき、同期検波回路46には、同期検波を行うために、加算器41からの出力が同期信号として供給される。そして、同期検波回路46からの出力が、平滑回路47を介して、振動子11に生じたコリオリ力を検出することにより得られた直流信号である角速度信号として出力される。
That is, in the
以上のように、角速度センサ50では、圧電体5aを用いて振動子11を振動させるとともに、振動子11に生じるコリオリ力を圧電体5aによって検出し、この圧電体5aによって検出されたコリオリ力に基づいて角速度を検出することができる。
As described above, in the
<実施例>
続いて、実施例として、上述した振動型ジャイロセンサ素子10を実際に作製し、その製造方法について説明をする。
<Example>
Subsequently, as an example, the vibration
上述したように、図1に示した振動型ジャイロセンサ素子10は、単結晶シリコン基板を加工することで形成される。
As described above, the vibration type
図5は、振動型ジャイロセンサ素子10を形成する際に用いる単結晶シリコン基板1の平面図であり、図6は、図5に示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した断面図である。上記単結晶シリコン基板1の一方主面1B、他方主面1Aは、熱酸化されて、後述する結晶異方性エッチング時の保護膜とするSiO2膜が形成されている。
FIG. 5 is a plan view of the single
振動型ジャイロセンサ素子10で使用する単結晶シリコン基板1は、図5に示すように、当該単結晶シリコン基板1の一方主面1Bの面方位が{100}、図6に示すように側面1Cの面方位が{110}となるように切り出されている。なお、他方主面1Aは一方主面1Bと平行であるため、他方主面1Aの面方位も{100}となっている。
As shown in FIG. 5, the single
但し、“{ }”は、方向が異なる等価な面方位を総称して表すための記号であり、例えば、{100}は、(100),(010),(001)などを総称しているものとする。 However, “{}” is a symbol for collectively representing equivalent plane orientations having different directions. For example, {100} is a generic name for (100), (010), (001), and the like. Shall.
このように結晶面方位を規定して切り出される単結晶シリコン基板1の大きさは、加工プロセスのラインに設けられた装置に応じて任意に設定される。例えば、本実施例では、縦×横が3cm×3cm角の単結晶シリコン基板1を用いている。
Thus, the size of the single
また、単結晶シリコン基板1の厚みは、作業性や、当該基板の値段により決定されるが、少なくとも振動型ジャイロセンサ素子10に形成する振動子11の厚み以上であればよい。例えば、本実施例では、図3を用いて示したように振動子11の厚みt4を100μmとしているので、単結晶シリコン基板1の厚みを3倍の300μmとしている。
Further, the thickness of the single
図6に示すように、単結晶シリコン基板1の他方主面1A及び一方主面1Bには、熱酸化することでSiO2膜である熱酸化膜2A,2Bを形成する。この熱酸化膜2A,2Bは、後述する結晶異方性エッチングを行う際の保護膜として機能する。熱酸化膜2A,2Bの厚みは、任意であるが、本実施例では、0.1μmとしている。また、本実施例で用いる、単結晶シリコン基板1は、伝導型としてN型を採用しているが、任意に決めることができる。
As shown in FIG. 6,
なお、以下の説明において、単結晶シリコン基板1において、熱酸化膜2Aが形成された他方主面1A側を表面とし、熱酸化膜2Bが形成された一方主面1B側を裏面とする。
In the following description, in the single
このような単結晶シリコン基板1を用いて、まず、当該単結晶シリコン基板1の裏面において、結晶異方性エッチングを行う個所に形成されている熱酸化膜2Bをフォトエッチングにより除去する。
Using such a single
フォトエッチングは、熱酸化膜2B上に、上記除去する個所が開口したレジスト膜パターンを形成する工程(フォトリソグラフィー)と、上記パターンを用いて熱酸化膜2Bを除去する工程(エッチング)とに大別される。
Photoetching is largely divided into a process (photolithography) for forming a resist film pattern with openings to be removed on the
図7は、単結晶シリコン基板1の熱酸化膜2B上にレジスト膜パターン3が形成された様子を示した平面図であり、図8は、図7で示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した際の断面図である。
FIG. 7 is a plan view showing a state in which the resist
図7に示すように、熱酸化膜2B上に形成されたレジスト膜パターン3は、{110}面と垂直な方向の長さをt8とし、{110}面と平行な方向の長さをt9とするt8×t9のサイズ長方形状をした開口部3aが所定の間隔を持って規則的に配列されたパターンとなっている。本実施例では、3×5個の開口部3aが形成されたパターンとしている。開口部3aの、それぞれが1つの振動型ジャイロセンサ素子10となる。
As shown in FIG. 7, in the resist
このレジスト膜パターン3は、半導体加工プロセスで利用されているフォトリソグラフィーと全く同様にして、熱酸化膜2B上をマイクロ波で加熱して水分を除去するプレベーキングを行ってから、感光性樹脂であるフォトレジスト膜を塗布し、上記開口部3aを形成するための上記パターンが形成されたマスクをフォトレジスト膜に露光し、現像をするという工程を経ることで形成される。
This resist
開口部3aの大きさを決めるt8、t9は、振動型ジャイロセンサ素子10の振動子11の形状と、単結晶シリコン基板10の厚みt1、図1で示した振動子の空間幅t7a,t7b,t7cによって決定される。なお、t8,t9の具体的な数値については、後で詳細に説明をする。
T8 and t9 which determine the size of the opening 3a are the shape of the
このようにして、図8に示すように、単結晶シリコン基板1の熱酸化膜2B上には、レジスト膜パターン3が形成されることになる。
In this manner, as shown in FIG. 8, a resist
続いて、レジスト膜パターン3によって形成された開口部3aの熱酸化膜2Bをエッチングにより除去する。図9は、レジスト膜パターン3によって形成された開口部3aの個所の熱酸化膜2Bのみが除去された単結晶シリコン基板1の様子を示した平面図であり、図10は、図9で示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した際の断面図である。
Subsequently, the
熱酸化膜2Bの除去する場合のエッチングは、イオンエッチング等の物理的エッチングでもよいし、湿式エッチングでもよいが、単結晶シリコン基板1の界面の平滑性を考慮すると熱酸化膜2Bのみが除去される湿式エッチングが好適である。
Etching for removing the
本実施例では、湿式エッチングの薬液としてフッ化アンモニウムを用いた。ただし、湿式エッチングの場合、長時間エッチングを行うと開口部分の側面からエッチングが進行する、いわゆるサイドエッチングが大きくなるため、熱酸化膜2Bの開口部分3aのみが除去された時点で終了するようエッチング時間を正確に制御する。
In this example, ammonium fluoride was used as a chemical solution for wet etching. However, in the case of wet etching, when etching is performed for a long time, etching proceeds from the side surface of the opening portion, so-called side etching becomes large. Therefore, the etching is finished so that only the opening portion 3a of the
このようにして、レジスト膜パターン3の開口部3aに位置する熱酸化膜2Bは、図10に示すように除去される。
In this way, the
続いて、上述したエッチングにより、熱酸化膜2Bが除去されることで、レジスト膜パターン3の開口部3aと同じ大きさのt8×t9の開口部2Baで{100}面が露出した単結晶シリコン基板1に対して、湿式エッチングを施し、単結晶シリコン基板1の厚みを振動子11の厚みであるt4まで削り取る。
Subsequently, by removing the
図11は、単結晶シリコン基板1において、熱酸化膜2Bが除去され、{100}面が露出したt8×t9の大きさの開口部2Baのみがエッチングされた様子を示した平面図であり、図12は、図11で示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した際の断面図である。また、図13は、図12に示す領域Aを拡大して示した図である。
FIG. 11 is a plan view showing a state in which the
ここで、単結晶シリコン基板1に対して施される湿式エッチングは、結晶方向にエッチング速度が依存する性質を利用した結晶異方性エッチングである。熱酸化膜2Bが除去され、{100}面が露出した上記開口部2Baに対して、結晶異方性エッチングをすると、図13に示すように{100}面に対して約55度の角度の面方位となる{111}面が現れ、振動子11の厚みであるt4分を確保するようにエッチングを終了することで、いわゆるダイヤフラム形状となる。
Here, the wet etching performed on the single
一般に、単結晶シリコンは、その結晶構造から、{111}面が、{100}面に較べ、非常にエッチングされにくいという結晶方向に対するエッチング速度依存性がある。具体的には、単結晶シリコンの{100}面のエッチング速度は、{111}面のエッチング速度の200倍程度となっている。 In general, single crystal silicon has an etching rate dependency with respect to a crystal direction that a {111} plane is very difficult to be etched compared to a {100} plane because of its crystal structure. Specifically, the etching rate of {100} plane of single crystal silicon is about 200 times the etching rate of {111} plane.
単結晶シリコンに対して結晶異方性エッチングを施す際に使用可能なエッチング液は、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)、KOH(水酸化カリウム)、EDP(エチレンジアミン-ピロカテコール-水)、ヒトラジンなどである。 Etching solutions that can be used when crystal anisotropic etching is performed on single crystal silicon include TMAH (tetramethylammonium hydroxide), KOH (potassium hydroxide), EDP (ethylenediamine-pyrocatechol-water), humanradine, etc. It is.
本実施例では、エッチング液として熱酸化膜2Aと、熱酸化膜2Bとのエッチングレートの選択比がより大きくなるTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)20%溶液を使用した。エッチング時には、エッチング液を攪拌しながら温度を80℃に保ち、6時間かけてダイヤフラムの深さt10が200μm、つまりエッチングすることで残る単結晶シリコン基板1の厚みt11が、振動子11の厚みt4と同じ、100μmとなるまでエッチングした。
In this example, a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) 20% solution in which the selectivity of the etching rate between the
ここで、結晶異方性エッチングを施すために、図7を用いて説明したレジスト膜パターン3によって形成した開口部3aのサイズを規定するt8、t9の数値について具体的に説明をする。
Here, in order to perform crystal anisotropic etching, numerical values of t8 and t9 that define the size of the opening 3a formed by the resist
開口部3aの幅t9、つまりエッチング後のダイヤフラムの幅は、図13に示すようにt9=t9a+t9b+t9cとなっている。 The width t9 of the opening 3a, that is, the width of the diaphragm after etching is t9 = t9a + t9b + t9c as shown in FIG.
t9cは、図3で示した振動子11の幅t6と、図1で示した振動子11の周辺に形成する周囲空間12の空間幅t7b、t7cを用いて、t9c=t6+t7b+t7cと表すことができる。
t9c can be expressed as t9c = t6 + t7b + t7c using the width t6 of the
また、t9a,t9bは、それぞれ同じ長さであり、図13に示すように、結晶異方性エッチングを施した際に現れる{111}面と、単結晶シリコン基板1の裏面である{100}面とが55度の角度をなしていることから、ダイヤフラムの深さt10を用いてt9a=t9b=t10×1/tan55°と表すことができる。 Further, t9a and t9b have the same length, and as shown in FIG. 13, the {111} plane that appears when the crystal anisotropic etching is performed and the back surface of the single crystal silicon substrate 1 {100} Since the surface forms an angle of 55 degrees, it can be expressed as t9a = t9b = t10 × 1 / tan55 ° using the depth t10 of the diaphragm.
したがって、開口部3aの幅t9は、t9={t10×1/tan55°}×2+(t6+t7b+t7c)となる。ここで、t6=100μm、t7b=t7c=200μm、t10=200μmとすると、t9=780μmとなる。 Accordingly, the width t9 of the opening 3a is t9 = {t10 × 1 / tan55 °} × 2 + (t6 + t7b + t7c). Here, when t6 = 100 μm, t7b = t7c = 200 μm, and t10 = 200 μm, t9 = 780 μm.
上述したような結晶性異方エッチングを行うと、レジスト膜パターン3の開口部3aにおけるt8方向にもt9方向と同様に、{100}面と55度の角度をなす{111}面が現れる。したがって、開口部の長さt8、つまりエッチング後のダイヤフラムの長さは、図3で示した振動子11の長さt5、図1で示した振動子11の周辺に形成する周囲空間12の空間幅t7aを用いて、t8={t10×1/tan55°}×2+(t5+t7a)となる。ここで、t5=2.5mm、t7a=200μm、t10=200μmとすると、t8=2980μmとなる。
When the crystalline anisotropic etching as described above is performed, a {111} plane that forms an angle of 55 degrees with the {100} plane appears in the t8 direction in the opening 3a of the resist
上述までの説明では、単結晶シリコン基板1全体を図示しながら説明をしたが、説明の都合上、以下の説明においては、図11に領域Wとして示すダイヤフラムが形成された単結晶シリコン基板1のみを用いて説明をする。また、以下の説明では、熱酸化膜2A側に対する加工工程となるため、表面である熱酸化膜2A側を上面にした平面図、及びこの平面図を所定の位置で切断した断面図を用いて説明をする。
In the above description, the entire single
具体的には、図11に示す領域Wのダイヤフラムが形成された単結晶シリコン基板1を、熱酸化膜2Aを上面とすると、図14のような平面図となり、XX線で切断される断面図は、図15のようになる。
Specifically, when the single
続いて、熱酸化膜2A上に、図1で示した基準電極4a、圧電体5a、駆動電極6a、検出電極6b,6cを形成するために下部電極膜、圧電膜、上部電極膜を成膜する。単結晶シリコン基板1の熱酸化膜2A上に、下部電極膜4、圧電膜5、上部電極膜6を順に成膜すると、その平面図は図16のようになり、図16に示すXX線で切断した断面図は図17に示すようになる。
Subsequently, a lower electrode film, a piezoelectric film, and an upper electrode film are formed on the
本実施例では、下部電極膜4、圧電膜5、上部電極膜6を、全て、マグネトロンスパッタ装置を用いて成膜した。
In this example, the
まず、熱酸化膜2A上に、下部電極膜4を成膜する。本実施例では、まず、マグネトロンスパッタ装置の条件を、ガス圧:0.5Pa、RFパワー:1kWとして、熱酸化膜2A上にチタン(Ti)を膜厚が50nmとなるように成膜した。続いて、成膜したチタン(Ti)の上に、装置の条件をガス圧:0.5Pa、RFパワー:0.5kWとして、プラチナ(Pt)を膜厚が200nmとなるように成膜した。つまり、チタンと、プラチナとを上記膜厚となるように成膜して下部電極膜4を形成している。
First, the
次に、下部電極膜4上に圧電膜5を成膜する。本実施例では、まず、Pb(1+x)(Zr0.53Ti0.47)O3−y酸化物をターゲットとして用い、マグネトロンスパッタ装置の条件を、常温、ガス圧:0.7Pa、RFパワー:0.5kWとして、下層電極4として成膜されたプラチナ(Pt)上にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の圧電体薄膜を膜厚が1μmとなるように成膜した。続いて、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を成膜した単結晶シリコン基板1を電気炉に入れ、酸素雰囲気下、700℃、10分間という条件で結晶化熱処理を行うことで圧電膜5を形成した。
Next, a
最後に、圧電膜5上に上部電極膜6を成膜する。本実施例では、マグネトロンスパッタ装置の条件を、ガス圧0.5Pa、RFパワー:0.5kWとして、圧電膜5上にプラチナ(Pt)を膜圧が200nmとなるように成膜した。
Finally, the
次に、上部電極膜6を加工して駆動電極6a、検出電極6b,6cを形成する。図18は、駆動電極6a、検出電極6b,6cが形成された単結晶シリコン基板1の様子を示した平面図であり、図19は、図18で示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した際の断面図である。
Next, the
駆動電極6aは、上述したように振動子11を駆動するための電圧を印加する電極であり、振動子11の中心となるように形成される。また、検出電極6b,6cは、上述したように振動子11に発生したコリオリ力を検出するための電極であり、駆動電極6aを挟むように駆動電極6aと平行に、且つ接触しないように、振動子11に形成される。
The
また、図18に示すように、駆動電極6a,検出電極6b,6cは、その一方端部が、振動子11の根元である根元ラインRと一致するように形成され、各電極の上記一方端部には、それぞれ端子接合部6a1,6b1,6c1が形成される。
As shown in FIG. 18, the
本実施例では、駆動電極6aの幅t13を50μm、検出電極6b,6cの幅t14を10μm、駆動電極6a及び検出電極6b,6cの長さt12を2mm、検出電極6b,6cの駆動電極6aとの間隔t15をそれぞれ5μmとした。この駆動電極6a、検出電極6b,6cは、振動子11上に形成される範囲であれば、任意の大きさに設計することができる。また、本実施例では、端子接合部6a1,6b1,6c1のそれぞれの長さt16を50μm、幅t17を50μmとした。
In the present embodiment, the width t13 of the
本実施例では、駆動電極6a、検出電極6b,6c及び端子接合部6a1,6b1,6c1を、フォトリソグラフィー技術を用いて、上部電極膜6上にレジスト膜パターンを形成した後、イオンエッチングにより不要な部分の電極膜6を除去することで形成した。
In this embodiment, the
本発明は、この駆動電極6a、検出電極6b,6c及び端子接合部6a1,6b1,6c1を形成する際の手法に限定されるものではなく、上述した手法以外にも様々な手法を適用することができる。
The present invention is not limited to the method for forming the
次に、圧電膜5を加工して振動子11上に圧電体5aを形成する。図20は、圧電膜5を加工して圧電体5aが形成された単結晶シリコン基板1の様子を示した平面図であり、図21は、図20で示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した際の断面図である。
Next, the
圧電体5aは、上部電極膜6を加工して形成した駆動電極6a,検出電極6b,6cを完全に覆うような形状であればどのような形状であってもかまわない。
The piezoelectric body 5a may have any shape as long as it completely covers the
本実施例では、圧電体5aの長さt18を2.2mm、幅t19を90μmとした。このような大きさの圧電体5aは、その中心が振動子11の中心と一致し、一方端部が、振動子11の根元である根元ラインRと一致させるようにする。
In this embodiment, the length t18 of the piezoelectric body 5a is 2.2 mm, and the width t19 is 90 μm. The piezoelectric body 5 a having such a size is arranged such that its center coincides with the center of the
圧電体5aの幅t18は、振動子11の幅t4以下の幅である必要がある。また、本実施例では、上述した端子接合部6a1,6b1、6c1の下に圧電膜5を、端子接合部6a1,6b1、6c1の各外周より5μmの幅を持たせて残してある。この端子接合部6a1,6b1、6c1の下に残される圧電膜5は、振動型ジャイロセンサ素子10全体の形状サイズにより任意に設定されることになる。
The width t18 of the piezoelectric body 5a needs to be equal to or smaller than the width t4 of the
本実施例では、フォトリソグラフィー技術を用いて、圧電体5a及び端子接合部6a1,6b1、6c1の下に残す圧電膜5の形状のレジスト膜パターンを形成した後、フッ硝酸溶液による湿式エッチングにより不要な部分の圧電膜5を除去することで、圧電体5aを形成した。
In this embodiment, a photolithography technique is used to form a resist film pattern in the shape of the
上述したように、本実施例では、圧電体5aを形成するために圧電膜5の不要部分を除去する手法を湿式エッチングとしているが、本発明にはこれに限定されるものではなく、物理的なエッチングであるイオンエッチングによる除去方法や、化学的な作用と物理的な作用でエッチングする反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)による除去方法などを適用することができる。
As described above, in this embodiment, the technique for removing unnecessary portions of the
次に、下部電極膜4を加工して、振動子11上に基準電極4aを形成する。図22は、下部電極膜4を加工して基準電極4aが形成された単結晶シリコン基板1の様子を示した平面図であり、図23は、図22で示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した際の断面図である。
Next, the
基準電極4aは、圧電膜5を加工して形成した圧電体5aを完全に覆うような形状であればどのような形状であってもかまわない。
The reference electrode 4a may have any shape as long as it completely covers the piezoelectric body 5a formed by processing the
本実施例では、基準電極4aの長さt20を2.3mmとし、幅t21を94μmとした。このような基準電極4aは、その中心が振動子11の中心と一致し、一方端部を、振動子11の根元である根元ラインRと一致させるようにする。
In this example, the length t20 of the reference electrode 4a was 2.3 mm, and the width t21 was 94 μm. Such a reference electrode 4 a has its center coincident with the center of the
基準電極4aの幅t20は、振動子11の幅t4以下の幅である必要がある。また、本実施例では、上述したように除去しなかった圧電膜5の下の下部電極膜4を、上記圧電膜5の外周より5μmの幅を持たせて残してある。この幅に関しては振動型ジャイロセンサ素子10全体の形状サイズにより任意に設定されることになる。
The width t20 of the reference electrode 4a needs to be equal to or smaller than the width t4 of the
また、基準電極4aと、外部との電気的接合を図るため、図22に示すように下部電極膜4によって配線接続端子Dが形成されている。上述したように、圧電膜5の下に残された下部電極膜4を介して基準電極4aと、配線接続端子Dとは、電気的に接続されている。
Further, in order to electrically connect the reference electrode 4a and the outside, a wiring connection terminal D is formed by the
本実施例では、振動型ジャイロセンサ素子10と、外部との電気的な接続は、ワイヤーボンディングにより行うことを前提としているため、配線接続端子Dの実際に配線される端子部をワイヤーボンディング時に必要となる面積分だけ確保する。
In this embodiment, since it is assumed that the electrical connection between the vibration type
本実施例では、配線接続端子Dの端子部の長さt22を200μm、幅t23を100μmとした。振動型ジャイロセンサ素子10の外部との接合に関しては、接合方法も含めて任意であり、採用する接合方法に応じて、配線接続端子Dの形状を最適となるように設定する。
In this embodiment, the length t22 of the terminal portion of the wiring connection terminal D is 200 μm, and the width t23 is 100 μm. The bonding of the vibration type
本実施例では、フォトリソグラフィー技術を用いて、図22に示すような形状となるレジスト膜パターンを形成した後、イオンエッチングにより不要な部分の下部電極膜4を除去することで基準電極4a、配線接続端子D、基準電極4aと配線接続端子Dとを電気的に接続する下部電極膜4を形成した。
In this embodiment, a resist film pattern having a shape as shown in FIG. 22 is formed by using a photolithography technique, and then unnecessary portions of the
上述したように、本実施例では、基準電極4aを形成するために下部電極膜4の不要部分を除去する手法を、物理的なエッチングであるイオンエッチングとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、化学的なエッチングである湿式エッチングや、化学的な作用と物理的な作用でエッチングする反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)による除去方法を適用することができる。
As described above, in this embodiment, the technique for removing unnecessary portions of the
次に、駆動電極6a、検出電極6b,6cの一方端部側にそれぞれ形成されている端子接合部6a1,6b1、6c1と、配線接続端子A,B,Cとの電気的接合を円滑にするために平坦化レジスト膜7を形成する。
Next, electrical connection between the
図24は、平坦化レジスト膜7が形成された単結晶シリコン基板1の様子を示した平面図であり、図25は、図24に示す単結晶シリコン基板1をYY線で切断した際の断面図である。
24 is a plan view showing a state of the single
上述した図22に示すように、配線接続端子A,B,Cと、端子接合部6a1,6b1、6c1とをそれぞれ物理的に接合する際には、圧電体5aを形成する際に残された圧電膜5の端部と、基準電極4aを形成する際に残された下部電極膜4の端部とをそれぞれ通過しなくてはならない。
As shown in FIG. 22 described above, when the wiring connection terminals A, B, and C and the terminal
本実施例において、圧電体5aは、圧電膜5を湿式エッチングによってエッチングすることで形成されており、エッチングされた端部は、単結晶シリコン基板1方向へ、逆テーパ形状、あるいは、垂直形状となっている。そのため、平坦化レジスト膜7を形成せずに、端子接合部6a1,6b1、6c1と、配線接続端子A,B,Cとをそれぞれ電気的に接続するように配線膜を形成すると、上記端部の段差により電気的接続が断たれてしまう虞がある。
In this embodiment, the piezoelectric body 5a is formed by etching the
また、基準電極4aと電気的に接続されている下部電極膜4の端部が露出しているため、平坦化レジスト膜7を形成しないと、駆動電極6a,検出電極6b,6cと、基準電極4aとが短絡してしまうことになる。
Further, since the end portion of the
以上の理由により、図24に示すように、端子接合部6a1,6b1、6c1上に、平坦化レジスト膜7を形成し、上記圧電膜5の端部の段差をなくし、上記下部電極膜4の端部が露出しないようにする。
For the reasons described above, as shown in FIG. 24, a planarizing resist
平坦化レジスト膜7の形状は、上述したように上記圧電膜5の端部の段差をなくし、上記下部電極膜4の端部が露出しない形状であれば任意に設定できる。本実施例では、平坦化レジスト膜7の幅t24を200μm、長さt25を50μmとした。
The shape of the flattening resist
平坦化レジスト膜7は、フォトリソグラフィー技術により、図24に示す個所に所望の形状でパターニングしたレジスト膜を、280〜300℃程度の熱処理を加えることで硬化させる。本実施例では、レジスト膜の厚みを2μm程度としたが、この厚みに関しては、圧電膜5、下部電極膜4の厚みに応じて変化させ、両者の合計の厚み以上とすることが望ましい。本実施例では、レジスト膜を用いて平坦化レジスト膜7を形成しているが、上記理由を回避することの可能な、非導電性の材料であれば、その形成方法も含めて任意である。
The planarization resist
次に、駆動電極6a、検出電極6b,6cを外部に接続するための配線処理を施す際に用いる配線接続端子A,B,Cを形成する。図26は、配線接続端子A,B,Cを形成した単結晶シリコン基板1の様子を示す平面図であり、図27は、図26に示した単結晶シリコン基板1をYY線で切断した際の断面図である。
Next, wiring connection terminals A, B, and C used when wiring processing for connecting the
図26に示す配線接続端子A,B,Cは、駆動電極6a、検出電極6b,6cの端子接合部6a1,6b1、6c1とそれぞれ接続されている。本実施例では、振動型ジャイロセンサ素子10と、外部との電気的な接続は、ワイヤーボンディングにより行うことを前提としているため、配線接続端子A,B,Cの実際に配線される端子部を、上述した配線接続端子Dと同様に、ワイヤーボンディング時に必要となる面積分だけ確保する。
The wiring connection terminals A, B, and C shown in FIG. 26 are connected to the
各配線接続端子A,B,Cは、平坦化レジスト膜7の上面を通り、端子接合部6a1,6b1、6c1とそれぞれ接触するように、熱酸化膜2A上に形成される。配線接続端子A,B,Cと、端子接続部6a1,6b1、6c1との接合個所である各電極接合部の形状は、任意であるが電気的な接触抵抗を減少させるために5μm四方以上の大きさが望ましい。
Each wiring connection terminal A, B, C is formed on the
配線接続端子A,B,Cにおいて、実際に配線が接続される端子部は、上述したようにワイヤーボンディング接合を行うのに必要な面積分を確保可能な形状となる。 In the wiring connection terminals A, B, and C, the terminal portion to which the wiring is actually connected has a shape that can secure an area necessary for wire bonding bonding as described above.
本実施例では、配線接続端子A,B,C、それぞれの端子部の長さt26を200μm、幅t27を100μmとした。振動型ジャイロセンサ素子10の外部との接合に関しては、接合方法も含めて任意であり、採用する接合方法に応じて、配線接続端子A,B,Cの形状を最適となるように設定する。
In the present embodiment, the length t26 of each of the wiring connection terminals A, B, and C is 200 μm, and the width t27 is 100 μm. The bonding of the vibration type
本実施例では、フォトリソグラフィー技術を用いて、図26に示すような形状となるレジスト膜パターンを形成した後、配線接続端子A,B,Cをスパッタリングにより形成した。スパッタリングした際に、不要な部分に付着した膜は、レジスト膜パターンを除去する際に、同時に除去する、いわゆるリフトオフの手法にて除去した。 In this example, a resist film pattern having a shape as shown in FIG. 26 was formed by using a photolithography technique, and then wiring connection terminals A, B, and C were formed by sputtering. When sputtering, the film adhering to unnecessary portions was removed by a so-called lift-off technique, which is simultaneously removed when removing the resist film pattern.
具体的には、配線接続端子A,B,Cは、付着力を向上させるためのチタン(Ti)を20nmだけ堆積させ、電気抵抗が低く、低コストである銅(Cu)を300nm堆積させ、さらに、ワイヤーボンディングとの接合を容易にするため、金(Au)を300nm堆積させることで形成した。なお、この配線接続端子A,B,Cを形成する際に用いる材料及び配線接続端子A,B,Cの形成方法は任意であり、本発明は、上記材料及び形成方法に限定されるものではない。 Specifically, for the wiring connection terminals A, B, and C, titanium (Ti) for improving adhesion is deposited by 20 nm, copper (Cu) having low electrical resistance and low cost is deposited by 300 nm, Further, in order to facilitate bonding with wire bonding, gold (Au) was formed by depositing 300 nm. Note that the material used when forming the wiring connection terminals A, B, and C and the formation method of the wiring connection terminals A, B, and C are arbitrary, and the present invention is not limited to the materials and the formation method. Absent.
続いての工程は、図1で示したように振動型ジャイロセンサ10に対して周囲空間12を形成することで片持ち梁の振動子11を作製する工程である。図28は、単結晶シリコン基板1に周囲空間12を形成することで片持ち梁の振動子11が形成された様子を示した平面図であり、図29は、図28で示す単結晶シリコン基板1をYY線で切断した様子を示した断面図であり、図30は、図28で示す単結晶シリコン基板1をXX線で切断した様子を示した断面図である。
The subsequent process is a process of manufacturing the
図28に示すように周囲空間12は、検出電極6b,6cが形成されている側の振動子11の側面から左右の方向にそれぞれt7b及びt7cの幅を有する空間と、振動子11の長手方向で振動子11の根元ラインRと反対の端部側にt7aの幅を有する空間とによって構成された、いわゆる“コ”の字型の形状をした空間となっている。
As shown in FIG. 28, the surrounding
本実施例では、t7b、t7cを、それぞれ200μmとしている。このt7b、t7cは、周囲空間12内の気体の状態や、要求される振動子11の振動の質を示すQ値などによって決定されることになる。
In this embodiment, t7b and t7c are each 200 μm. These t7b and t7c are determined by the state of the gas in the surrounding
本実施例では、まず、フォトリソグラフィー技術を用いて、図28に示すような“コ”の字型の形状のレジスト膜パターンを熱酸化膜2A上に形成した後、熱酸化膜2Aをイオンエッチングで除去する。熱酸化膜2Aを除去するには、湿式エッチングでも可能であるが、サイドエッチングが発生することによる寸法誤差を考慮するとイオンエッチングが好適である。
In this embodiment, first, using a photolithography technique, a “U” -shaped resist film pattern as shown in FIG. 28 is formed on the
続いて、熱酸化膜2Aが除去された“コ”の字型の単結晶シリコン基板1を、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)にてエッチングして貫通させることで周囲空間12を形成する。
Then, the surrounding
本実施例では、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を備えたエッチング装置を用いて、エッチング工程と、エッチングした個所に側壁保護のための側壁保護膜を成膜する工程とを繰り返すBoschプロセス(Bosch社)にて、垂直な側壁面を有する振動子11を形成した。
In this embodiment, using an etching apparatus equipped with inductively coupled plasma (ICP), an etching process and a process of forming a sidewall protective film for protecting the sidewall at the etched portion are repeated. A
このBoschプロセスを用いることで、ICPにより高密度なプラズマを生成し、エッチングのためのSF6と、側壁保護のためのC4F8のガスを交互に導入することで、毎分10μm程の速度でエッチングしながら、垂直な側壁面を有する振動子11を形成することができる。
By using this Bosch process, a high-density plasma is generated by ICP, and SF 6 for etching and C 4 F 8 gas for side wall protection are alternately introduced, and about 10 μm per minute. The
以上のプロセスにより、振動型ジャイロセンサ素子10の形成に関する、圧電素子形成、形状形成、配線形成の主要工程が終了し、例えば、図31に示すように、単結晶シリコン基板1内に、振動型ジャイロセンサ素子10が複数個、ここでは、5×3個、形成されることになる。
With the above process, the main steps of piezoelectric element formation, shape formation, and wiring formation relating to the formation of the vibration type
1枚の単結晶シリコン基板1内に形成される振動型ジャイロセンサ素子10の数は、図31に示すように5×3個に限らず、設計する振動型ジャイロセンサ素子10の大きさ、及び形成する際のそれぞれのピッチにより決定されることになる。
The number of vibration-type
次の工程では、このように単結晶シリコン基板1に形成された複数の振動型ジャイロセンサ素子10を、切断し単一の素子とする。単結晶シリコン基板1から、振動型ジャイロセンサ素子10を分断する際の手法や、寸法は、特に決められたものではなく、分断後の形状も任意である。
In the next step, the plurality of vibration
本実施例においては、図32に示す素子分断線20をなぞるように、ダイヤモンドカッターで分断傷を付けた後、手で直接、単結晶シリコン基板1を折り、振動型ジャイロセンサ素子10を取り出した。なお、単結晶シリコン基板1を分断する手法も任意の手法が適用可能であり、例えば、砥石による研削や単結晶シリコン基板1の面方位を利用して切断する手法などでもよい。
In the present embodiment, the single
続いて、図33に示すように、個々に分断した振動型ジャイロセンサ素子10を、IC基板21に貼り付ける。振動型ジャイロセンサ素子10と、IC基板21との貼り付け手法は任意であるが、本実施例では、嫌気性接着剤を用いて貼り付けた。
Subsequently, as shown in FIG. 33, the vibration-type
IC基板21に、振動型ジャイロセンサ素子10を貼り付けた後、電気的な接続を行う。IC基板21上には、冒頭の図2を用いて説明したIC回路40が搭載されている。また、IC基板21には、図2で示したAGC44の端部と接続された基板端子22a、同期検波回路45に接続された基板端子22b,22c、図示しない基準電極と接続された基板端子22dが形成されている。
After the vibration type
本実施例では、振動型ジャイロセンサ素子10の配線接続端子A,B,C,Dと、IC基板21内の基板端子22a,22b,22c,22dとをそれぞれワイヤーボンディングによる結線方法を用いて電気的接続を行った。この結線方法に関しても任意であり、半導体で用いられる導電性バンプを形成する手法も利用可能である。
In the present embodiment, the wiring connection terminals A, B, C, and D of the vibration type
次に、図34に示すように、振動型ジャイロセンサ素子10及びIC基板21上の回路と、外部との接触をなくすためカバー材30を取り付け、保護をする。カバー材30の材料は、任意であるが外部のノイズの影響を考慮してSUSなど、シールド効果のあるものが望ましい。また、カバー材30は、振動子11の振動を妨げない形状とする必要がある。このようにして、角速度センサ50が形成されることになる。
Next, as shown in FIG. 34, a
このように角速度センサ50を構成する振動型ジャイロセンサ素子10が備える振動子11の駆動電極6aに、電圧を印加して所定の共振周波数で振動させた場合、振動子11は、振動子11の厚み方向である縦方向に縦共振周波数で共振すると共に、振動子11の幅方向である横方向に横共振周波数で共振することになる。
In this way, when a voltage is applied to the
上述したように振動型ジャイロセンサ素子10は、振動子11の保護や、外部装置への組み込み時の取り扱いを容易にするため、図34に示すように、IC基板21上に貼り付けられ、カバー材30で覆われて、パッケージングされることになる。このとき、カバー材30は、振動子11の振動を妨げない形状とするのが前提となっている。
As described above, the vibration-type
具体的には、振動子11が、縦共振周波数で自励振動している際のQ値を測定したときに、所望のQ値が得られるように、当該振動子11の周囲に適切な空間領域を確保する必要がある。このように、振動子11の周囲空間に適切な空間領域が確保されれば、振動子11の振動が妨げられず、且つ、安定した振動状態となるため、振動型ジャイロセンサ素子10は、パッケージングが施されたとしても高い感度を維持することができる。
Specifically, an appropriate space around the
続いて、図35,36を用いて、振動子11の周囲の空間について説明をする。図35は、図28に示す振動型ジャイロセンサ素子10をXX線で切断した際の、振動子11のみを示した断面図であり、図36は、図28に示す振動型ジャイロセンサ素子10の振動子11のみを示した平面図である。
Subsequently, the space around the
振動型ジャイロセンサ素子10が備える振動子11のように片持ち梁形状の振動子の場合、その周囲空間は、図35に示すような駆動電極6a,検出電極6b,6cが形成された振動子11の上面11aを含む平面上に広がる空間である第1の空間S1と、上面11aと対向する面である下面11bを含む平面上に広がる空間である第2の空間S2と、図36に示すように、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)によって形成された、振動子11の側壁面である側壁面11c,11d,11eをそれぞれ含む各平面上に広がる空間からなる第3の空間S3とに大別される。
In the case of a cantilever-shaped vibrator such as the
この振動子11の周囲空間である第1の空間S1、第2の空間S2、第3の空間S3は、上述したように、振動子11を備える振動型ジャイロセンサ10が、例えば、IC基板21上に貼り付けられ、カバー材30で覆われてパッケージングされるため、その空間サイズに制限が設けられることになる。
As described above, in the first space S1, the second space S2, and the third space S3 that are the surrounding spaces of the
図37,38に、図34に示す振動型ジャイロセンサ素子10をXX線で切断した断面図を示す。図37は、振動子11の基準電極4a、駆動電極6a間に電圧を印加して振動子11を自励振動させた際に、振動子11が、上面11a方向に最大変位量dmaxだけ振れた様子を示した断面図であり、図38は、同じく振動子11を自励振動させた際に、振動子11が、下面11b方向に最大変位量dmaxだけ振れた様子を示した断面図である。なお、図37,38において、一点鎖線で示した個所は、振動子11が振動していない状態、もしくは、振動している振動子11の変位量がゼロであるときの状態を示している。
37 and 38 are cross-sectional views of the vibration type
図37に示す振動型ジャイロセンサ素子10において、第1の空間S1は、カバー材30の内壁面30aと、振動子11が振動していない状態での上面11aとの間隔である上部空間幅t7dで空間サイズが規定される。また、図38に示すように、第2の空間S2は、振動型ジャイロセンサ素子10を貼り付けるIC基板21の基板表面21aと、振動子11が振動していない状態での下面11bとの間隔である下部空間幅t7eで空間サイズが規定される。さらに、第3の空間S3は、図39に示すように、上述した反応性エッチングによって形成される周囲空間12、具体的には、空間幅t7a,t7b,t7cによって空間サイズが規定されることになる。
In the vibration type
続いて、図34に示すようにIC基板21上に貼り付け、カバー材30で覆うことでパッケージングした振動型ジャイロセンサ素子10の第1の空間S1、第2の空間S2、第3の空間S3をそれぞれ変化させ、機械的品質係数(Mechanical quality factor)であるQ値を測定し、この測定結果から最適な空間サイズを規定する。
Subsequently, as shown in FIG. 34, the first space S1, the second space S2, and the third space of the vibration-type
まず、図40に、第1の空間S1を変化させた場合の振動型ジャイロセンサ素子10のQ値を示す。第1の空間S1は、上述したように、図37で示した上部空間幅t7dで規定される。
First, FIG. 40 shows a Q value of the vibration type
図40に示す測定結果は、上部空間幅t7dを0から適当な間隔で増加させることで第1の空間S1を変化させ、そのときのQ値を示している。 The measurement result shown in FIG. 40 shows the Q value at that time by changing the first space S1 by increasing the upper space width t7d from 0 at an appropriate interval.
図40の横軸では、上部空間幅t7dを、振動子11を自励振動させた際の最大変位量dmaxを1としたときの相対値で示している。また、図40の縦軸では、上述したようにパッケージングされ、第1の空間S1を変化させた振動型ジャイロセンサ素子10のQ値を、何のパッケージングもされておらず、振動子11の周囲空間が開放された状態の振動型ジャイロセンサ素子10のQ値を1としたときの相対値で示している。
In the horizontal axis of FIG. 40, the upper space width t7d is shown as a relative value when the maximum displacement dmax when the
図40に示すように、横軸に示した相対値がおよそ2、つまり、上部空間幅t7dが、振動子11の最大変位量dmaxの2倍程度となっているとき、Q値が1近傍をとっている。また横軸の相対値がおよそ2.5のとき、つまり、上部空間幅t7dが、振動子11の最大変位量dmaxの2.5倍以上となっているとき、Q値が1に飽和している。
As shown in FIG. 40, when the relative value shown on the horizontal axis is about 2, that is, the upper space width t7d is about twice the maximum displacement dmax of the
この図40に示す測定結果は、第1の空間S1を規定する上部空間幅t7dが、振動子11を自励振動させた際の最大変位量dmaxの2倍以上となるようにカバー材30を取り付けた場合に、振動子11の共振特性の劣化を大幅に抑制することができることを示している。さらに、図40に示す測定結果は、上部空間幅t7dが、最大変位量dmaxの2.5倍以上となるようにカバー材30を取り付けた場合に、振動子11の共振特性を最適にすることができることを示している。
The measurement results shown in FIG. 40 show that the
また、第2の空間S2に関しては測定結果を示さないが、Q値の測定結果は、図40に示す測定結果と同程度となる。したがって、上述した第1の空間S1と同様に、第2の空間S2を規定する図38で示した下部空間幅t7eが、振動子11を自励振動させた際の最大変位量dmaxの2倍以上となるようにIC基板21に貼り付けた場合に、振動子11の共振特性の劣化を大幅に抑制することができる。また、下部空間幅t7eが、最大変位量dmaxの2.5倍以上となるようにIC基板21に貼り付けた場合に、振動子11の共振特性を最適にすることができる。
Although the measurement result is not shown for the second space S2, the measurement result of the Q value is almost the same as the measurement result shown in FIG. Therefore, similarly to the first space S1 described above, the lower space width t7e shown in FIG. 38 that defines the second space S2 is twice the maximum displacement dmax when the
続いて、図41に、第3の空間S3を変化させた場合の振動型ジャイロセンサ素子10のQ値を示す。第3の空間S3は、上述したように、図39で示した空間幅t7a,t7b,t7cで規定される。
Subsequently, FIG. 41 shows the Q value of the vibration type
図41に示す測定結果は、空間幅t7a,t7b,t7cを0から適当な間隔で増加させることで第3の空間S3を変化させ、そのときのQ値を示している。なお、ここでは、空間幅t7a,t7b,t7cは、全て同じ値にしている。 The measurement result shown in FIG. 41 shows the Q value at that time by changing the third space S3 by increasing the space widths t7a, t7b, and t7c from 0 at appropriate intervals. Here, the space widths t7a, t7b, and t7c are all set to the same value.
図41の横軸では、空間幅t7a,t7b,t7cを、振動子11の幅t6を1としたときの相対値で示している。また、図41の縦軸では、上述したようにパッケージングされ、第3の空間S3を変化させた振動型ジャイロセンサ素子10のQ値を、何のパッケージングもされておらず、振動子11の周囲空間が開放された状態の振動型ジャイロセンサ素子10のQ値を1としたときの相対値で示している。
In the horizontal axis of FIG. 41, the space widths t7a, t7b, and t7c are shown as relative values when the width t6 of the
図41に示すように、横軸に示した相対値がおよそ0.5、つまり、空間幅t7a,t7b,t7cが、振動子11の幅t6の1/2倍程度となっているとき、Q値が1近傍をとっている。また横軸の相対値がおよそ2のとき、つまり、空間幅t7a,t7b,t7cが、振動子11の幅t6の2倍以上となっているとき、Q値が1に飽和している。
As shown in FIG. 41, when the relative value shown on the horizontal axis is about 0.5, that is, when the space widths t7a, t7b, and t7c are about ½ times the width t6 of the
この図41に示す測定結果は、第3の空間S3を規定する空間幅t7a,t7b,t7cが、振動子11の幅t6の1/2倍以上となるような周囲空間12を反応性イオンエッチングによって形成することで、振動子11の共振特性の劣化を大幅に抑制することができることを示している。さらに、図41に示す測定結果は、空間幅t7a,t7b,t7cが、振動子11の幅t6の2倍以上となるような周囲空間12を反応性イオンエッチングによって形成することで、振動子11の共振特性を最適にすることができることを示している。
The measurement results shown in FIG. 41 show that reactive ion etching is performed on the surrounding
上述した図40,41に示すQ値の測定結果は、常温にて振動型ジャイロセンサ10をパッケージングした場合の結果であるが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、大気中、80℃の環境下で振動型ジャイロセンサ素子10をパッケージングし、室温に戻した場合でも、図40,41に示したQ値の測定結果と同様の結果となる。したがって、振動子11の周囲の空間に気圧の変動があった場合、例えば、大気中でパッケージングされた振動型ジャイロセンサ素子10の振動子11の周囲の空間が、パッケージング後、大気圧となっていなくても有効となる。
The measurement results of the Q value shown in FIGS. 40 and 41 described above are results when the vibration
なお、実施例においては、上述した手法によって形成した振動型ジャイロセンサ素子10を一例として示し、第1の空間S1を上部空間幅t7d、第2の空間S2を下部空間幅t7e、第3の空間S3を空間幅t7a,t7b,t7cで規定しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、単結晶シリコン基板上に薄膜形成プロセスによって形成された下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する片持ち梁形状の振動子を備え、圧電薄膜の圧電効果を利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサ素子に対して広く適用することができる。
In the embodiment, the vibration type
例えば、本実施例では、図39に示すように、単結晶シリコン基板1に対して、結晶異方性エッチング、反応性イオンエッチングをすることで振動子11を形成しているため、必然的に振動子11の側壁面11c,11d,11eの近傍に単結晶シリコン基板1による外枠が残る形状となる。
For example, in the present embodiment, as shown in FIG. 39, the
しかしながら、本発明は、本実施例のように単結晶シリコン基板1による外枠が形成された振動型ジャイロセンサ素子10以外の振動型ジャイロセンサ素子に対しても、振動子11の側壁面11c,11d,11e、振動子11の上面11a、下面11bからのそれぞれの距離を上述したように確保することで、振動子11の共振特性を良好にする第1の空間S1,第2の空間S2,第3の空間S3を規定することができる。
However, according to the present invention, the
1 単結晶シリコン基板、4a 基準電極、5a 圧電体、6a 駆動電極、6b,6c 検出電極、10 振動型ジャイロセンサ素子、11 振動子、11a,11b,11c 側壁面、11d 上面、11e 下面、12, 周囲空間、21 IC基板、30 カバー材、R 根元ライン、S1 第1の空間、S2 第2の空間、S3 第3の空間
DESCRIPTION OF
Claims (1)
上記上部電極は、上記振動子を振動させる電圧を印加する上記振動子の長手方向に形成された駆動電極と、上記駆動電極を挟む形で、上記駆動電極と接触することなく平行に上記振動子の長手方向に形成された第1の検出電極及び第2の検出電極とからなるように形成されており、
上記振動子の振動していない状態での、上記振動子の上面から上記カバー材までの距離及び上記振動子の下面から上記IC基板までの距離を、上記下部電極、上記上部電極間に電圧を印加して上記振動子を厚み方向に自励振動させた際に、上記振動子が最も振動した場合の変位量である最大変位量の2.5倍以上とした空間が設けられており、
上記振動子の側壁面から該側壁面の全面にわたり該側壁面と対向するように形成された壁面までの距離を上記振動子の幅の2倍以上とした空間が設けられている電子機器。 Covers a vibratory gyro sensor element that has a quadrangular columnar cantilever vibrator made of single crystal silicon with a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode, and detects angular velocity using the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film. Electronic equipment packaged in the atmosphere using a material and an IC substrate ,
The upper electrode has a driving electrode formed in a longitudinal direction of the vibrator for applying a voltage for vibrating the vibrator, and the driving electrode is sandwiched between the upper electrode and the vibrator without being in contact with the driving electrode. Formed of a first detection electrode and a second detection electrode formed in the longitudinal direction of
The distance from the top surface of the vibrator to the cover material and the distance from the bottom surface of the vibrator to the IC substrate when the vibrator is not oscillating, and a voltage between the lower electrode and the upper electrode. When the vibrator is self-excited to vibrate in the thickness direction when applied, a space is provided that is at least 2.5 times the maximum displacement, which is the displacement when the vibrator vibrates most,
An electronic device provided with a space in which the distance from the side wall surface of the vibrator to the wall surface formed so as to face the side wall surface over the entire side wall surface is twice or more the width of the vibrator.
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