(57)【要約】  慣性力センサは、基体と、基体に設けられたトランスデューサと、基体に設けられてトランスデューサに接続された配線とを備える。配線は、基体上に形成された下部電極層と、下部電極層上に形成された圧電層と、圧電層上に形成された容量低減層と、容量低減層上に形成された上部電極層とを有する。容量低減層の比誘電率は圧電層の比誘電率よりも小さい。この慣性力センサは、ノイズレベルを改善することができる。
2012066742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体に設けられたトランスデューサと、
前記基体に設けられて、前記トランスデューサに接続された配線と、
を備え、
前記配線は、
前記基体の上面に形成された第１の下部電極層と、
前記第１の下部電極層の上面に形成された第１の圧電層と、
前記第１の圧電層の上面に形成された容量低減層と、
前記容量低減層の上面に形成された第１の上部電極層と、
を有し、
前記容量低減層の比誘電率は前記第１の圧電層の比誘電率よりも小さい、慣性力センサ。
【請求項２】
前記第１の圧電層と前記第１の上部電極層とは前記容量低減層を露出させないように全体的に覆う、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項３】
前記容量低減層は、前記第１の圧電層の前記上面に位置する下面を有し、
前記容量低減層は、前記容量低減層の前記上面と前記下面とに繋がる側面を有し、
前記第１の上部電極層は前記容量低減層の前記上面と前記側面とを覆う、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項４】
前記容量低減層の厚みは前記第１の上部電極層の厚み以下である、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項５】
前記容量低減層の誘電率は前記第１の圧電層の誘電率の５％以下である、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項６】
前記容量低減層は感光性の有機材料からなる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項７】
前記容量低減層は感光性ポリイミドからなる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項８】
前記容量低減層はアルカリ現像型の感光性ポリイミドからなる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項９】
前記容量低減層のキュア温度は前記第１の圧電層のキュリー温度よりも低い、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項１０】
前記トランスデューサは、
前記基体の前記上面に形成された第２の下部電極層と、
前記第２の下部電極層の上面に形成された第２の圧電層と、
前記第２の圧電層の上面に形成された第２の上部電極層と、
を有する、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項１１】
前記第２の下部電極層は前記第１の下部電極層に連続して延びており、
前記第２の圧電層は前記第１の圧電層に連続して延びており、
前記第２の上部電極層は前記第１の上部電極層に連続して延びている、請求項１０に記載の慣性力センサ。
【請求項１２】
前記トランスデューサは、前記基体に印加された応力を検出する、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項１３】
前記トランスデューサは前記基体を駆動して振動させる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯端末や車両等に用いられる加速度や角速度等を検出する慣性力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は従来の慣性力センサ１の断面図である。慣性力センサ１は、基体２と、基体２上に形成された下部電極層３と、下部電極層３上に形成された圧電層４と、圧電層４上に形成された上部電極層５とを備えている。【０００３】
慣性力センサ１では、ノイズレベルが大きくなり、慣性力センサ１に接続される回路部の消費電力を増大させる場合がある。【０００４】
慣性力センサ１に類似の慣性力センサが特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２４６２８号公報
【発明の概要】
【０００６】
慣性力センサは、基体と、基体に設けられたトランスデューサと、基体に設けられてトランスデューサに接続された配線とを備える。配線は、基体上に形成された下部電極層と、下部電極層上に形成された圧電層と、圧電層上に形成された容量低減層と、容量低減層上に形成された上部電極層とを有する。容量低減層の比誘電率は圧電層の比誘電率よりも小さい。
【０００７】
この慣性力センサは、ノイズレベルを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは本発明の実施の形態１における慣性力センサの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは実施の形態１における他の慣性力センサの断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは実施の形態１における慣性力センサの製造プロセスを示すフローチャートである。
【図２Ｂ】図２Ｂは比較例の慣性力センサの製造プロセスを示すフローチャートである。
【図３】図３は実施の形態１におけるさらに他の慣性力センサの上面図である。
【図４Ａ】図４Ａは図３に示す慣性力センサの線４Ａ−４Ａにおける断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは図３に示す慣性力センサの線４Ｂ−４Ｂにおける断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは図３に示す慣性力センサの線５Ａ−５Ａにおける断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは比較例の慣性力センサの断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図６】図６は実施の形態１におけるさらに他の慣性力センサの断面図である。
【図７】図７は実施の形態１におけるさらに他の慣性力センサの上面図である。
【図８Ａ】図８Ａは図７に示す慣性力センサの線８Ａ−８Ａにおける断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは図７に示す慣性力センサの線８Ｂ−８Ｂにおける断面図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態２における慣性力センサの上面図である。
【図１０】図１０は本発明の実施の形態３における慣性力センサの上面図である。
【図１１】図１１は従来の慣性力センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１における慣性力センサ６の断面図である。加速度や角速度等の慣性力を検知する慣性力センサ６は、配線が形成された領域を有する。この領域は、基体７と、基体７の上面に形成された下部電極層８と、下部電極層８の上面に形成された圧電層９と、圧電層９の上面に形成された容量低減層１０と、容量低減層１０の上面に形成された上部電極層１１とを備えている。容量低減層１０の比誘電率は、圧電層９の比誘電率よりも小さい。
【００１０】
この構成により、下部電極層８と上部電極層１１との間の容量を低減させることができる。その結果、慣性力センサ６のノイズレベルを小さくし、感度を改善することができる。また、慣性力センサ６に接続される回路部の消費電力を抑制することができる。
【００１１】
以下、各構成要素について説明する。
【００１２】
基体７は、シリコン（Ｓｉ）などの半導体材料、溶融石英、アルミナ等の非圧電材料を用いて形成されている。好ましくは、シリコンを用いることにより、微細加工技術を用いて小型の慣性力センサ６を作成することができる。なお、基体７の表面には、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなるバリア層や、チタン（Ｔｉ）からなる密着層など、他の層が形成されていても良い。
【００１３】
下部電極層８は、例えば、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、クロム、モリブデンの少なくとも一種からなる単体金属、又はこれらを主成分とする合金又はそれらの金属が積層された構成からなる。好ましくは、ＴｉまたはＴｉＯｘを含む白金（Ｐｔ）とすることにより、電動度が高く高温酸化雰囲気での安定性が優れた下部電極層８が得られる。実施の形態１では、下部電極層８の厚みは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００１４】
圧電層９は、例えば、酸化亜鉛、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、又はニオブ酸カリウム等の圧電材料により形成されている。好ましくは、圧電層９にジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を用いることにより、圧電特性の良い慣性力センサ６を実現することができる。実施の形態１では、圧電層９の厚みは１０００ｎｍ〜４０００ｎｍである。なお、圧電層９の下面に、例えば、チタン酸塩（ＰｂＴｉＯ３）からなる配向制御層など、他の層が形成されていてもよい。その層は下部電極層８の上面上に配置される。
【００１５】
容量低減層１０は絶縁性を有し、低温プロセスでの成膜が可能であり、パターニング時の圧電層９へのダメージを最小限に抑制できる材料よりなり、ポリイミドなどの低誘電率有機材料よりなる。また低誘電率有機材料の中でも、特に、感光性ポリイミドを用いることにより、微細加工が容易であり、耐薬品性に優れた容量低減層１０を得ることができる。
【００１６】
さらに、容量低減層１０にアルカリ性溶液で現像できるアルカリ現像型感光性ポリイミドを用いてもよい。アルカリ現像型感光性ポリイミドは、アルカリ現像でのパターニングが可能であるため、パターン形成時（現像工程）の化学反応で圧電層９に悪影響を与える酸が発生せず、圧電層９へ与えるダメージを抑制することができる。
【００１７】
なお、容量低減層１０として、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３など、圧電層９と比較して比誘電率の低い無機材料を用いてもよい。好ましくは、容量低減層１０をＳｉＯ２もしくはＳｉＮにより形成することで、耐薬品性および耐湿性などの耐久性にすぐれた容量低減層１０を得ることができる。実施の形態１では、容量低減層１０の厚みは１００ｎｍ〜２０００ｎｍである。
【００１８】
上部電極層１１は、例えば、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、クロム、モリブデンの少なくとも一種からなる単体金属、又はこれらを主成分とする合金又はそれらの金属が積層された構成からなる。好ましくは、金（Ａｕ）とすることにより、熱、湿気、酸素など、ほとんどの化学的腐食に対して非常に強い上部電極層１１を形成することができる。なお、実施の形態１では、上部電極層１１の厚みは１００ｎｍ〜２０００ｎｍである。なお、上部電極層１１の下面にチタン（Ｔｉ）からなる密着層などの他の層が形成されていてもよい。その層は容量低減層１０の上面上に配置される。
【００１９】
図１Ｂは実施の形態１における他の慣性力センサ２０６の断面図である。図１Ｂにおいて、図１Ａに示す慣性力センサ６と同じ部分には同じ参照番号を付す。慣性力センサ２０６は、図１Ａに示す慣性力センサ６の容量低減層１０の代わりに、圧電層９の上面に設けられた容量低減層２１０を備える。上部電極層１１は容量低減層２１０の上面に設けられている。容量低減層２１０は、容量低減層１０の上述の低誘電率有機材料よりなる有機材料層２１０Ｃと、有機材料層２１０Ｃの上面に設けられた上述の低誘電率無機材料よりなる無機材料層２１０Ｄよりなる。好ましくは有機材料層２１０Ｃと無機材料層２１０Ｄは、それぞれ感光性ポリイミドとＳｉＮよりなる。これにより、パターニング時の圧電層９へのダメージを最小限に抑制でき、かつ耐薬品性および耐湿性などの耐久性に優れた容量低減層２１０を得ることができる。
【００２０】
図２Ａは、実施の形態１による慣性力センサ６の製造プロセスを示すフローチャートである。以下、図２Ａを参照して、慣性力センサ６の製造方法を説明する。
【００２１】
基体７となるウエハの上面に下部電極層８を形成する（ステップＳ１０１）。次に下部電極層８の上面に圧電層９を形成する（ステップＳ１０２）。次に圧電層９の上面に容量低減層１０を形成する（ステップＳ１０３）。
【００２２】
ステップＳ１０３で容量低減層１０を形成する方法について以下に説明する。圧電層９の上面に、ポリイミド等の材料を塗布する（Ｓ１０３Ａ）。次に、塗布された材料をパターニングする（ステップＳ１０３Ｂ）。次に、パターニングされた材料を硬化するキュア工程を行うことにより（ステップＳ１０３Ｃ）、容量低減層１０が得られる。
【００２３】
次に、容量低減層１０の上面に上部電極層１１を形成し（ステップＳ１０４）、次に、上部電極層１１をパターニングする（ステップＳ１０５）。その後、上部電極層１１と下部電極層８との間に電圧を印加することで圧電層９を分極させる（ステップＳ１０６）。その後、ウエハ（基体７）と下部電極層８と圧電層９とをパターニングし（ステップＳ１０７）、慣性力センサ６の外形を加工する（ステップＳ１０８）。次に、基体７が所定の厚みを有するように、ウエハ（基体７）の下面を研磨し（ステップＳ１０９）、ウエハをダイシングにより個々の基体７に分割して（ステップＳ１１０）、個々の慣性力センサ６を得る。次に、ステップＳ１１０で得られた慣性力センサ６の特性を検査することで（ステップＳ１１１）、慣性力センサ６が得られる。
【００２４】
図２Ｂは、容量低減層を有していない図１１に示す比較例である従来の慣性力センサ１の製造プロセスを示すフローチャートである。図２Ｂにおいて、図２Ａに示す実施の形態１における慣性力センサ６の製造工程と同じ部分には同じ参照番号を付す。従来の慣性力センサ１では、圧電層４の上面に上部電極層５が設けられている。図２Ａと図２Ｂに示すように、実施の形態１における慣性力センサ６の製造プロセスでは、圧電層９の成膜工程（ステップＳ１０２）と上部電極層１１の成膜工程（ステップＳ１０４）との間に容量低減層１０の形成工程（ステップＳ１０３）が行われる。
【００２５】
実施の形態１において、容量低減層１０はジアゾナフトキノン（ＤＮＱ）を感光剤とした感光性ポリイミドを用いて形成される。感光剤であるジアゾナフトキノンは、ポジ型レジストの感光剤に広く用いられ、アルカリ性の現像液で現像できるアルカリ現像を施すことができる。このように、容量低減層１０は好ましくはアルカリ現像型感光性ポリイミドで形成される。アルカリ現像型感光性ポリイミドにパターンが描かれたマスクを通して光を照射して露光すると、露光による光化学反応（光重合反応）により、感光体であるジアゾナフトキノンがインデンケテンを介してインデンカルボン酸に変化する。インデンカルボン酸はアルカリ溶液に対して高い溶解性を持っているので、光が照射した部分が溶解し、ポリマーのうち光が照射されていない未露光部の部分が残存し、アルカリ現像型感光性ポリイミドがパターニングされる。またジアゾナフトキノンは、ポリマーの溶解阻害剤としても作用する。またパターニングされたアルカリ現像型感光性ポリイミドにキュア処理である熱処理を施すことにより、ポリイミド前駆体であるポリアミド酸（ポリアミック酸）のイミド化反応（脱水閉環）が進み、硬化してポリイミドが得られる。ここで、ポリアミド酸は有機溶媒に対して溶解し、ポリイミドになると有機溶媒に対して溶解しなくなる。したがって、パターニングされる前は、ポリアミド酸に感光剤を含む有機溶媒を結合させた溶液状態で塗布し、その溶液をプリベークして乾燥し、露光・現像により所望のパターンを形成した後に、キュア処理である熱処理を施すことによりパターニングされたポリイミド層が得られる。
【００２６】
容量低減層１０として、キュア処理での温度であるキュア温度が低い感光性ポリイミドを用いることにより、圧電層９へのダメージを抑制することができる。例えば、圧電層９としてジルコニウム酸チタン酸鉛を用いる場合、ジルコニウム酸チタン酸鉛のキュリー温度は約３３０℃であるので、キュリー温度以上の熱ストレスを加えると、圧電層９の圧電特性が消失し、常誘電層となる。キュア温度が圧電層９のキュリー温度よりも低い感光性ポリイミドを用いて容量低減層１０を形成することにより、キュア処理時において圧電層９へ与えるダメージを抑制することができる。
【００２７】
実施の形態１では、感光剤にジアゾナフトキノンを用いた感光性ポリイミドにより容量低減層１０を形成するが、容量低減層１０は同じ作用を有する別の感光剤および別の感光性ポリイミドで形成してもよい。
【００２８】
以下、容量低減層１０を有する実施の形態１における実施例の慣性力センサ６と容量低減層１０を有していない比較例の慣性力センサの上部電極層と下部電極層との間の容量の違いを検討する。
【００２９】
圧電層９の比誘電率εｒは９８０であり、膜厚ｄは２．８５（μｍ）であり、誘電率εは８，６８×１０−９（Ｆ／ｍ）である。
【００３０】
実施例における容量低減層１０の材料であるアルカリ現像型感光性ポリイミドの比誘電率εｒは３であり、膜厚ｄは０．５（μｍ）であり、誘電率εは２．６６×１０−１１（Ｆ／ｍ）である。
【００３１】
容量低減層１０を有する実施例の慣性力センサ６では、上部電極層１１と下部電極層８との間の容量ＣＴｏｔａｌは、圧電層９による部分と容量低減層１０による部分との合成容量である。圧電層９による部分の容量ＣＰＥ、容量低減層１０による部分の容量ＣＰＩにより、容量ＣＴｏｔａｌは以下の式で表される。
【００３２】
ＣＴｏｔａｌ＝ＣＰＥ×ＣＰＩ／（ＣＰＥ＋ＣＰＩ）
容量低減層１０の比誘電率は圧電層９の比誘電率の約０．３％しかないので、これら２つの層で合成容量を形成した場合、膜厚の違いが多少あったとしても、容量ＣＴｏｔａｌは容量低減層１０のみによる部分の容量ＣＰＥに近づく。例えば、容量低減層１０の厚みが圧電層９の厚みの１／５である場合には、容量ＣＴｏｔａｌは圧電層９のみによる容量ＣＰＥの１％程度になる。このように、上部電極層１１と圧電層９との間に誘電率の低い材料よりなる容量低減層１０を設けることにより、上部電極層１１と下部電極層８との間の容量を大きく低減させることができる。
【００３３】
次に容量低減層１０の容量低減効果を確認するため、サンプルを作成して評価した。具体的には、厚み２．８５μｍの圧電層９上に容量低減層１０としてアルカリ現像型感光性ポリイミドを厚み１．６μｍで形成し、その上に上部電極層１１を形成して実施例のサンプルを作製した。上部電極層１１は、容量低減層１０上に形成された厚み１０ｎｍのＴｉの層と、Ｔｉの層上に形成された厚み３００ｎｍのＡｕの層よりなる。さらに、容量低減層１０を有していないこと以外は実施例のサンプルと同様の構造を有する比較例のサンプルを作製した。
【００３４】
容量低減層１０が形成されていない比較例のサンプルの容量は１８８７．０ｐＦであり、容量低減層１０が形成されている実施例のサンプルの容量は１６．９ｐＦであった。このように、容量低減層１０が形成されている実施例のサンプルの容量は、容量低減層１０が形成されていない比較例のサンプルの容量の０．９％であり、上記の式で試算した通りの容量低減効果を確認することができた。
【００３５】
図３は実施の形態１におけるさらに他の慣性力センサ１２の上面図である。図３において、図１Ａに示す慣性力センサ６と同じ部分には同じ参照番号を付す。慣性力センサ１２は、基体７と、駆動電極１６と、検出電極１７と、モニタ電極１８と、配線１９と、電極パッド２０を備える。駆動電極１６と検出電極１７とモニタ電極１８と配線１９と電極パッド２０は基体７の上面上に設けられている。基体７はシリコン基板からなり、支持部１３と、支持部１３から中心軸１２Ｃに沿った方向１２Ｄに共に互いに平行に延びる２つのアーム１４、１５とを有する音叉形状を有する。中心軸１２Ｃと直角の軸１２Ｅにおいてアーム１４、１５は中心軸１２Ｃについて互いに反対側に配置されている。アーム１４、１５は固有の共振周波数で振動する。検出電極１７は、２つのアーム１４、１５のそれぞれの軸１２Ｅの方向において略中央部に設けられている。駆動電極１６は軸１２Ｅの方向において検出電極１７の両側に設けられている。支持部１３に接続されるアーム１４、１５のそれぞれの根元にモニタ電極１８が設けられている。また、駆動電極１６、検出電極１７及びモニタ電極１８はそれぞれ、配線１９を介して電極パッド２０に電気的に接続されている。慣性力センサ１２には中心軸１２Ｃを中心とする角速度が印加されるように構成されており、慣性力センサ１２はその角速度を検出する角速度センサとして機能する。
【００３６】
慣性力センサ１２の動作を以下に説明する。図３に示すように、中心軸１２Ｃと軸１２Ｅとそれぞれ平行に延びるＹ軸とＸ軸を定義し、さらに、Ｘ軸とＹ軸に直角に延びるＺ軸を定義する。駆動電極１６及びモニタ電極１８は配線１９を介して電極パッド２０に接続されている。電極パッド２０には駆動回路が接続されるように構成されている。検出電極１７は配線１９を介して電極パッド２０に接続されている。電極パッド２０には検出回路が接続されるように構成されている。駆動電極１６及びモニタ電極１８は駆動回路に接続され、駆動電極１６及びモニタ電極１８と駆動回路は慣性力センサ１２を駆動してアーム１４、１５を振動させる駆動ループを構成する。アーム１４、１５は固有の共振周波数で振動するように構成されている。駆動回路から電極パッド２０及び配線１９を介して駆動電極１６にその共振周波数の交流電圧である駆動信号が与えられることにより、アーム１４、１５がＸ軸方向に振動する。モニタ電極１８はこれらの振動に応じたモニタ信号を駆動回路に送る。駆動回路はモニタ信号に基づいて、アーム１４、１５が共振周波数で一定の振幅でＸ軸方向に振動するように駆動信号を制御する。この状態でＹ軸周りの角速度が印加されると、角速度に応じてアーム１４、１５に発生するコリオリ力によりアーム１４、１５がＺ軸方向に撓み、検出電極１７に電荷が発生する。検出電極１７から発生した電荷による電流である検出信号が配線１９及び電極パッド２０を介して検出回路に送られる。検出回路は検出信号に基づいて角速度を検出することができる。
【００３７】
上述のように、検出電極１７は、コリオリ力によりアーム１４、１５で発生する機械的歪や変形を電気信号に変換するトランスデューサである。駆動電極１６は、入力された交流電圧の電気信号に基づいて機械的に変形し、アーム１４、１５を振動させるトランスデューサである。モニタ電極１８は、アーム１４、１５の機械的な振動に応じて電気信号を出力するトランスデューサである。
【００３８】
慣性力センサ１２は、境界ＡＣで分けられた、少なくとも検出電極１７が形成された領域ＡＤと、少なくとも配線１９が形成された領域ＡＥとを有している。容量低減層１０を設けた部分の容量は低減することが、同時にその部分の圧電特性が低下する。したがって、検出電極１７を有する領域ＡＤには容量低減層１０を設けておらず、配線１９を有する領域ＡＥには容量低減層１０を設けている。この構成により、配線１９が形成された領域ＡＥに生ずるノイズを低減しつつ、検出電極１７が形成された領域ＡＤの圧電特性を確保することができる。
【００３９】
なお、実施の形態１における慣性力センサ１２では、駆動電極１６を領域ＡＤに形成している。これにより、容量低減層１０による駆動効率の低下を抑制することができる。また、モニタ電極１８を領域ＡＤに形成している。これにより、モニタ電極１８から駆動回路に入力されるモニタ信号の振幅を確保することができる。
【００４０】
なお、実施の形態１における慣性力センサ１２では、電極パッド２０を領域ＡＥに形成している。これにより、電極パッド２０で発生するノイズを低減することができる。
【００４１】
なお、アーム１４、１５の先端部分など、駆動電極１６や検出電極１７、モニタ電極１８が形成されない部分に容量低減層１０を設けても良い。これにより、アーム１４、１５の質量を大きくすることができ、慣性力センサ１２の感度を向上させることができる。
【００４２】
図４Ａは、図３に示す慣性力センサ１２の領域ＡＤでの線４Ａ−４Ａにおける断面図である。領域ＡＤにおいて、慣性力センサ１２は、２つのアーム１４、１５のそれぞれである基体７と、基体７の上面に形成された下部電極層８と、下部電極層８の上面に形成された圧電層９と、圧電層９の上面に形成された上部電極層１１とを備えている。検出電極１７は基体７（アーム１４、１５）のＸ軸方向における略中央部に設けられている。駆動電極１６はＸ軸方向において検出電極１７の両側に設けられている。このように、アーム１４、１５における駆動電極１６及び検出電極１７が設けられた領域ＡＤには容量低減層１０が形成されていない。
【００４３】
図４Ｂは図３に示す慣性力センサ１２の領域ＡＥでの線４Ｂ−４Ｂにおける断面図であり、支持部１３の断面を示す。領域ＡＥにおいて、慣性力センサ１２は、支持部１３である基体７と、基体７の上面に形成された下部電極層８と、下部電極層８の上面に形成された圧電層９と、圧電層９の上面に形成された容量低減層１０と、容量低減層１０の上面に形成された上部電極層１１とを備えている。図４Ｂに示す電極パッド２０は検出電極１７と電気的に接続されており、配線１９はそれぞれ駆動電極１６又はモニタ電極１８と接続されている。検出電極１７に接続された配線１９は、駆動電極１６やモニタ電極１８に接続された配線１９と同様の構造を有する。このように、配線１９や電極パッド２０が設けられた領域ＡＥには容量低減層１０が形成されている。
【００４４】
慣性力センサ１２の駆動時に発生する微振動により、特性に寄与しない領域ＡＥでは、圧電層９に微振動が加わることによって発生する電荷によりノイズが発生する場合がある。容量低減層１０によりそのノイズを大幅に抑制することができ、ノイズレベルが改善するとともに、慣性力センサ１２に接続される駆動回路や検出回路の消費電力を抑制することができる。
【００４５】
図５Ａは図３に示す慣性力センサ１２の線５Ａ−５Ａにおける断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影したＳＥＭ写真である。容量低減層１０の厚みＷ１は上部電極層１１の厚みＷ２以下であり、より好ましくは上部電極層１１の厚みＷ２より小さい。この場合は、領域ＡＤにおける容量低減層１０を形成した部分と、領域ＡＥにおける容量低減層１０を形成していない部分との境界ＡＣで形成される上部電極層１１の段差部分１１Ｆは滑らかに連続している。図５Ｂは、厚みＷ１が厚みＷ２よりも大きい場合の図３に示す慣性力センサ１２の線５Ａ−５Ａにおける断面図である。この場合は、上部電極層１１の境界ＡＣの段差部分１１Ｆに亀裂が発生している。このように、容量低減層１０の厚みＷ１を上部電極層１１の厚みＷ２以下とすることにより、境界部分における上部電極層１１の亀裂の発生を抑制することができる。ただし、容量低減層１０の厚みＷ１が薄くなりすぎると、容量低減層１０の容量を小さくできず（ＣＰＩ＝ε・Ｓ／ｄ：Ｓは対向する電極の面積）、容量ＣＴｏｔａｌの低減効果が減少する。容量低減層１０の誘電率ε１を厚みＷ１で割った値ε１／Ｗ１が圧電層９の誘電率ε２を厚みＷ２で割った値ε２／Ｗ２の５％以下となるように、容量低減層１０の厚みＷ１の下限を規定することにより、容量の低減効果を確保することができる。
【００４６】
図６は実施の形態１におけるさらに他の慣性力センサ１０６の断面図である。図６において、図１に示す慣性力センサ６と同じ部分には同じ参照番号を付す。図６に示す慣性力センサ１０６は、図１Ａに示す慣性力センサ６の容量低減層１０の代わりに、容量低減層１０と同様の材料よりなる容量低減層１１０を備える。
【００４７】
図６に示す慣性力センサ１０６の容量低減層１１０は、圧電層９の上面９Ａに位置する下面１１０Ｂと、上部電極層１１の下面１１Ｂに位置する上面１１０Ａと、上面１１０Ａと下面１１０Ｂに繋がり互いに反対側に位置する側面１１０Ｃ、１１０Ｄとを有する。上部電極層１１は、容量低減層１１０の上面１１０Ａだけでなく側面１１０Ｃ、１１０Ｄも覆っている。このように、圧電層９と上部電極層１１は容量低減層１１０を圧電層９と上部電極層１１から露出しないように、容量低減層１１０の全体を覆っている。
【００４８】
図１Ａに示す慣性力センサ６では容量低減層１０の側面は圧電層９と上部電極層１１から露出している。この構成により、図２Ａに示す慣性力センサ６の製造工程のステップＳ１０４以降の工程で容量低減層１０を保護することができる。例えば、ステップＳ１０７において、圧電層９と下部電極層８と基体７をパターニングする際には、これらの層はエッチング液もしくはエッチングガス等のエッチング剤でエッチングされる。容量低減層１０の側面が露出していると、このエッチングの際にエッチング剤でダメージを受け、自身の特性や圧電層９や上部電極層１１との密着性が損なわれる場合がある。
【００４９】
図６に示す慣性力センサ１０６では容量低減層１１０の側面１１０Ｃ、１１０Ｄが上部電極層１１で覆われ、容量低減層１１０が上部電極層１１と圧電層９から露出せずに全体的に覆われているので、図２Ａに示すステップＳ１０７で使用されるエッチング剤でも容量低減層１１０はダメージを受けない。これにより、容量低減層１１０の特性の劣化や、圧電層９や上部電極層１１との密着性の劣化を防ぐことができる。
【００５０】
図７は実施の形態１におけるさらに他の慣性力センサ１１２の上面図である。図８Ａは図７に示す慣性力センサ１１２の線８Ａ−８Ａにおける断面図である。図８Ｂは図７に示す慣性力センサ１１２の線８Ｂ−８Ｂにおける断面図である。図７と図８Ａと図８Ｂにおいて、図３と図４Ａと図４Ｂに示す慣性力センサ１２と同じ部分には同じ参照番号を付す。
【００５１】
図７〜図８Ｂに示す慣性力センサ１１２は、図３〜図４Ｂに示す慣性力センサ１２の容量低減層１０の代わりに、図６に示す容量低減層１１０を備える。すなわち、領域ＡＥにおける配線１９と電極パッド２０は、圧電層９の上面に設けられた容量低減層１１０を有する。容量低減層１１０の上面１１０Ａと側面１１０Ｃ、１１０Ｄは上部電極層１１で覆われている。上部電極層１１と圧電層９は容量低減層１１０が露出しないように全体的に容量低減層１１０を覆う。これにより、図２Ａに示すステップＳ１０７でのパターニングのためのエッチングの際の、容量低減層１１０の特性の劣化や、圧電層９や上部電極層１１との密着性の劣化を防ぐことができる。
【００５２】
以上、実施の形態１で述べたように、慣性力センサ６（１２、１０６、１１２、２０６）は、基体７と、基体７に設けられたトランスデューサ（駆動電極１６、検出電極１７、モニタ電極１８）と、基体７に設けられてトランスデューサに接続された配線１９とを備える。配線１９は、基体７の上面に形成された下部電極層８と、下部電極層８の上面に形成された圧電層９と、圧電層９の上面に形成された絶縁性の容量低減層１０（１１０、２１０）と、容量低減層１０（１１０、２１９）の上面に形成された上部電極層１１とを有する。容量低減層１０（１１０、２１０）の比誘電率は圧電層９の比誘電率よりも小さい。圧電層９と上部電極層１１とは容量低減層１１０を露出させないように全体的に覆う。
【００５３】
容量低減層１１０は、圧電層９の上面９Ａに位置する下面１１０Ｂを有する。容量低減層１１０は、上面１１０Ａと下面１１０Ｂとに繋がる側面１１０Ｃ（１１０Ｄ）を有する。上部電極層１１は容量低減層１１０の上面１１０Ａと側面１１０Ｃ（１１０Ｄ）とを覆う。
【００５４】
トランスデューサ（駆動電極１６、検出電極１７、モニタ電極１８）は、基体７の上面に形成された下部電極層８と、下部電極層８の上面に形成された圧電層９と、圧電層９の上面に形成された上部電極層１１とを有する。トランスデューサの下部電極層８は配線１９の下部電極層８に連続して延びている。トランスデューサの圧電層９は配線１９の圧電層９に連続して延びている。トランスデューサの上部電極層１１は配線１９の上部電極層１１に連続して延びている。
【００５５】
トランスデューサ（検出電極１７）は、基体７に印加された応力を検出する。また別のトランスデューサ（駆動電極１６）は基体７を駆動して振動させる。
【００５６】
（実施の形態２）
図９は本発明の実施の形態２における慣性力センサ２１の上面図である。慣性力センサ２１は図３に示す実施の形態１における慣性力センサ１２と異なる形状を有する。図９に示すように、慣性力センサ２１は、２つの支持部２２と、２つの支持部２２に両端が接続された２つの縦梁２３と、２つの縦梁２３に両端が接続された横梁２４と、横梁２４に一端が接続された略Ｊ字状のアーム２５と、アーム２５の他端に接続された錘５０とを備えている。２つの支持部２２はＸ軸方向に平行に延びている。また、アーム２５の上には駆動電極２６と、検出電極２７と、モニタ電極２８が設けられている。横梁２４の上に検出電極２９が設けられている。縦梁２３の上に検出電極３０が設けられている。また、支持部２２の上に電極パッド３１が設けられており、それぞれ駆動電極２６、検出電極２７、２９、３０及びモニタ電極２８と配線１２１により電気的に接続されている。
【００５７】
慣性力センサ２１の動作を説明する。駆動電極２６及びモニタ電極２８は配線１２１と電極パッド３１を介して駆動回路に接続される。駆動電極２６及びモニタ電極２８、駆動回路は駆動ループを構成する。駆動回路から電極パッド３１及び配線１２１を介して駆動電極２６に駆動信号が与えられることにより、アーム２５がＸＹ面内で振動する。この状態でＺ軸周りの角速度が印加されると、角速度により発生するコリオリ力によりアーム２５がＹ軸方向に撓み、検出電極２７に電荷が発生する。また、アーム２５がＸＹ面内で振動している状態でＸ軸周りの角速度がアーム２５に印加されると、その角速度により発生するコリオリ力によりアーム２５がＺ軸方向に撓み、検出電極２９に電荷が発生する。また、アーム２５がＸＹ面内で振動している状態でＹ軸周りの角速度が印加されると、その角速度によりコリオリ力によりアーム２５がＺ軸方向に撓み、検出電極３０に電荷が発生する。検出電極２７、２９、３０で発生する電荷による電流が配線１２１及び電極パッド３１を介して検出回路に送られる。検出回路は送られた電流に基づき、Ｘ軸周りの角速度とＹ軸周りの角速度、及びＺ軸周りの角速度を検出することができる。
【００５８】
慣性力センサ２１では、駆動電極２６、検出電極２７、２９、３０及びモニタ電極２８は図１Ａに示す容量低減層１０や図６に示す容量低減層１１０を設けていない。配線１２１や電極パッド３１は容量低減層１０または容量低減層１１０を設けている。この構成により、配線１２１や電極パッド３１の容量を低減することができる。すなわち、慣性力センサ２１として特性に寄与しない部分に容量低減層１０または容量低減層１１０を形成することにより、ノイズレベルを改善するとともに、慣性力センサ２１に接続される駆動回路又は検出回路の消費電力を抑制することができる。
【００５９】
（実施の形態３）
図１０は本発明の実施の形態３における慣性力センサ３２の上面図である。慣性力センサ３２は加速度を検出する加速度センサとして機能する。慣性力センサ３２は、支持部３３と、錘部３４と、支持部３３と錘部３４とを連結する中央支持梁３５と、振動梁３６とを備える。振動梁３６には駆動電極３７および検出電極３８が形成されている。駆動電極３７および検出電極３８は配線３９により電気的に電極パッド４０に接続されている。
【００６０】
慣性力センサ３２は、駆動電極３７を介して駆動回路に接続され、駆動電極３７と駆動回路は駆動ループを構成する。駆動回路から電極パッド４０及び配線３９を介して駆動電極３７に駆動信号が与えられることにより、振動梁３６がＺ軸方向に振動する。この状態で、Ｘ軸方向に加速度が印加されると、中央支持梁３５について互いに反対側に配置された振動梁３６に引張り応力と圧縮応力がそれぞれ印加される。印加された応力により振動梁３６の共振周波数が変化し、その変化を振動梁３６に配置されている検出電極３８で検知することにより加速度を検知することが可能となる。慣性力センサ３２では、駆動電極３７及び検出電極３８は容量低減層１０、１１０を有していない。駆動電極３７及び検出電極３８の他の部分、例えば配線３９と電極パッド４０には容量低減層１０または容量低減層１１０が設けてられている。この構成により、配線３９や電極パッド４０の容量を低減することができる。すなわち、慣性力センサ３２として特性に寄与しない部分に容量低減層１０、１１０を形成することにより、ノイズレベルを改善するとともに、慣性力センサ３２に接続される駆動回路又は検出回路の消費電力を抑制することができる。
【００６１】
なお、実施の形態１〜３における慣性力センサは角速度センサおよび加速度センサとして機能する。圧力センサなど他の慣性力センサにおいても容量低減層１０、１１０を設けることにより、電極容量を低減することができるので、ノイズレベルを改善するとともに、慣性力センサに接続される回路部の消費電力を抑制することができる。
【００６２】
実施の形態１〜３において、「上面」「下面」等の方向を示す用語は、基体７、容量低減層１０等の慣性力センサの構成部分の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示すものであり、上下方向等の絶対的な方向を示すものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明における慣性力センサは、ノイズレベルを改善することができるので、携帯端末や車両等において有用である。
【符号の説明】
【００６４】
６    慣性力センサ
７    基体
８    下部電極層（第１の下部電極層、第２の下部電極層）
９    圧電層（第１の圧電層、第２の圧電層）
１０    容量低減層
１１    上部電極層（第１の上部電極層、第２の上部電極層）
１６    駆動電極（トランスデューサ）
１７    検出電極（トランスデューサ）
１８    モニタ電極（トランスデューサ）
１９    配線
１１０    容量低減層
【図１Ａ】
2012066742.tif 000003
【図１Ｂ】
2012066742.tif 000004
【図２Ａ】
2012066742.tif 000005
【図２Ｂ】
2012066742.tif 000006
【図３】
2012066742.tif 000007
【図４Ａ】
2012066742.tif 000008
【図４Ｂ】
2012066742.tif 000009
【図５Ａ】
2012066742.tif 000010
【図５Ｂ】
2012066742.tif 000011
【図６】
2012066742.tif 000012
【図７】
2012066742.tif 000013
【図８Ａ】
2012066742.tif 000014
【図８Ｂ】
2012066742.tif 000015
【図９】
2012066742.tif 000016
【図１０】
2012066742.tif 000017
【図１１】
2012066742.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月1日(2012.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体に設けられたトランスデューサと、
前記基体に設けられて、前記トランスデューサに接続された配線と、
を備え、
前記配線は、
前記基体の上面に形成された第１の下部電極層と、
前記第１の下部電極層の上面に形成された第１の圧電層と、
前記第１の圧電層の上面に形成された容量低減層と、
前記容量低減層の上面に形成された第１の上部電極層と、
を有し、
前記容量低減層の比誘電率は前記第１の圧電層の比誘電率よりも小さく、
前記容量低減層は感光性ポリイミドからなり、
前記容量低減層のキュア温度は前記第１の圧電層のキュリー温度よりも低い慣性力センサ。
【請求項２】
前記第１の圧電層と前記第１の上部電極層とは前記容量低減層を露出させないように全体的に覆う、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項３】
前記容量低減層は、前記第１の圧電層の前記上面に位置する下面を有し、
前記容量低減層は、前記容量低減層の前記上面と前記下面とに繋がる側面を有し、
前記第１の上部電極層は前記容量低減層の前記上面と前記側面とを覆う、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項４】
前記容量低減層の厚みは前記第１の上部電極層の厚み以下である、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項５】
前記容量低減層の誘電率は前記第１の圧電層の誘電率の５％以下である、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項６】
前記容量低減層は感光性の有機材料からなる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
前記容量低減層はアルカリ現像型の感光性ポリイミドからなる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
前記トランスデューサは、
前記基体の前記上面に形成された第２の下部電極層と、
前記第２の下部電極層の上面に形成された第２の圧電層と、
前記第２の圧電層の上面に形成された第２の上部電極層と、
を有する、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項１１】
前記第２の下部電極層は前記第１の下部電極層に連続して延びており、
前記第２の圧電層は前記第１の圧電層に連続して延びており、
前記第２の上部電極層は前記第１の上部電極層に連続して延びている、請求項１０に記載の慣性力センサ。
【請求項１２】
前記トランスデューサは、前記基体に印加された応力を検出する、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項１３】
前記トランスデューサは前記基体を駆動して振動させる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月5日(2013.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
下部電極層８は、例えば、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、クロム、モリブデンの少なくとも一種からなる単体金属、又はこれらを主成分とする合金又はそれらの金属が積層された構成からなる。好ましくは、ＴｉまたはＴｉＯｘを含む白金（Ｐｔ）とすることにより、電導度が高く高温酸化雰囲気での安定性が優れた下部電極層８が得られる。実施の形態１では、下部電極層８の厚みは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
慣性力センサ１２は、境界ＡＣで分けられた、少なくとも検出電極１７が形成された領域ＡＤと、少なくとも配線１９が形成された領域ＡＥとを有している。容量低減層１０を設けた部分の容量は低減するが、同時にその部分の圧電特性が低下する。したがって、検出電極１７を有する領域ＡＤには容量低減層１０を設けておらず、配線１９を有する領域ＡＥには容量低減層１０を設けている。この構成により、配線１９が形成された領域ＡＥに生ずるノイズを低減しつつ、検出電極１７が形成された領域ＡＤの圧電特性を確保することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図６は実施の形態１におけるさらに他の慣性力センサ１０６の断面図である。図６において、図１Ａに示す慣性力センサ６と同じ部分には同じ参照番号を付す。図６に示す慣性力センサ１０６は、図１Ａに示す慣性力センサ６の容量低減層１０の代わりに、容量低減層１０と同様の材料よりなる容量低減層１１０を備える。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
以上、実施の形態１で述べたように、慣性力センサ６（１２、１０６、１１２、２０６）は、基体７と、基体７に設けられたトランスデューサ（駆動電極１６、検出電極１７、モニタ電極１８）と、基体７に設けられてトランスデューサに接続された配線１９とを備える。配線１９は、基体７の上面に形成された下部電極層８と、下部電極層８の上面に形成された圧電層９と、圧電層９の上面に形成された絶縁性の容量低減層１０（１１０、２１０）と、容量低減層１０（１１０、２１０）の上面に形成された上部電極層１１とを有する。容量低減層１０（１１０、２１０）の比誘電率は圧電層９の比誘電率よりも小さい。圧電層９と上部電極層１１とは容量低減層１１０を露出させないように全体的に覆う。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体に設けられたトランスデューサと、
前記基体に設けられて、前記トランスデューサに接続された配線と、
を備え、
前記配線は、
前記基体の上面に形成された第１の下部電極層と、
前記第１の下部電極層の上面に形成された第１の圧電層と、
前記第１の圧電層の上面に形成された容量低減層と、
前記容量低減層の上面に形成された第１の上部電極層と、
を有し、
前記容量低減層の比誘電率は前記第１の圧電層の比誘電率よりも小さく、
前記容量低減層は感光性ポリイミドからなり、
前記容量低減層のキュア温度は前記第１の圧電層のキュリー温度よりも低い慣性力センサ。
【請求項２】
前記第１の圧電層と前記第１の上部電極層とは前記容量低減層を露出させないように全体的に覆う、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項３】
前記容量低減層は、前記第１の圧電層の前記上面に位置する下面を有し、
前記容量低減層は、前記容量低減層の前記上面と前記下面とに繋がる側面を有し、
前記第１の上部電極層は前記容量低減層の前記上面と前記側面とを覆う、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項４】
前記容量低減層の厚みは前記第１の上部電極層の厚み以下である、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項５】
前記容量低減層の誘電率は前記第１の圧電層の誘電率の５％以下である、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項６】
前記容量低減層は感光性の有機材料からなる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項７】
前記容量低減層はアルカリ現像型の感光性ポリイミドからなる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項８】
前記トランスデューサは、
前記基体の前記上面に形成された第２の下部電極層と、
前記第２の下部電極層の上面に形成された第２の圧電層と、
前記第２の圧電層の上面に形成された第２の上部電極層と、
を有する、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項９】
前記第２の下部電極層は前記第１の下部電極層に連続して延びており、
前記第２の圧電層は前記第１の圧電層に連続して延びており、
前記第２の上部電極層は前記第１の上部電極層に連続して延びている、請求項８に記載の慣性力センサ。
【請求項１０】
前記トランスデューサは、前記基体に印加された応力を検出する、請求項１に記載の慣性力センサ。
【請求項１１】
前記トランスデューサは前記基体を駆動して振動させる、請求項１に記載の慣性力センサ。
【国際調査報告】
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2012066742.tif 000021
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2012066742.tif 000024
2012066742.tif 000025
2012066742.tif 000026