(57)【要約】【課題】  振動型ＭＥＭＳセンサのＱ値を調整する。【解決手段】  可撓性を有する可撓部と、前記可撓部を支持する支持部と、前記可撓部に連結し前記可撓部とともに運動する錘部と、前記可撓部を振動させる励振手段と、前記錘部に作用するコリオリ力を検出する検出手段と、を備え、前記支持部を固定する固定部と対向する前記錘部の底面に複数の凹部が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する可撓部と、
前記可撓部を支持する支持部と、
前記可撓部に連結し前記可撓部とともに運動する錘部と、
前記可撓部を振動させる励振手段と、
前記錘部に作用するコリオリ力を検出する検出手段と、
を備え、
前記支持部を固定する固定部と対向する前記錘部の底面に複数の凹部が形成されている、
振動型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
前記錘部は、バルク材料からなる基層と、前記基層に接合され前記凹部が形成されている非基層とを含んで構成されている、
請求項１に記載の振動型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
前記固定部に、前記凹部が形成されている前記錘部の底面が接触している、
請求項１または請求項２に記載の振動型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
前記錘部の底面に形成されている前記凹部は前記錘部の側面を開口している、
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の振動型ＭＥＭＳセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサに関し、特に振動型ジャイロスコープ、振動型圧力センサ、振動型マイクロフォン、振動型加速度センサとして機能する振動型ＭＥＭＳセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、振動型ジャイロの構造体の寸法を特定の値に限定することで駆動振動モードのＱ値（以下、単にＱ値という）を一定にする技術が記載されている。特許文献２には、音叉型のジャイロセンサにおいて、音叉の幅を調整することで高いＱ値を得る構成が記載されている。特許文献３には、角速度センサにおいて、錘部に突起部を設け、当該突起部をトリミングして錘部の質量を変化させ共振周波数を調整する構成が記載されている。特許文献４には、半導体加速度センサにおいて、錘部が対向面に衝突することを防止するための突起部を設ける構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−７９８５６号公報
【特許文献２】特開２００１−３４３２４１号公報
【特許文献３】特開平８−３２７３７０号公報
【特許文献４】特開２００４−０８５２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や特許文献２に記載された構成では、Ｑ値を制御するためには、高い製造精度を要する。また、特許文献３や特許文献４に記載されている、錘部に突起が形成されている構成は、Ｑ値の制御を目的とした構成ではない。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、振動型ＭＥＭＳセンサのＱ値を調整することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するための振動型ＭＥＭＳセンサは、可撓性を有する可撓部と、前記可撓部を支持する支持部と、前記可撓部に連結し前記可撓部とともに運動する錘部と、前記可撓部を振動させる励振手段と、前記錘部に作用するコリオリ力を検出する検出手段と、を備え、前記支持部を固定する固定部と対向する前記錘部の底面に複数の凹部が形成されている。
【０００６】
錘部の底面に形成された凹部により、錘部が運動する際に、錘部の底面と固定部との間の流体による、錘部の運動を妨げる抵抗力を調整することができる。そのため可撓部と共に振動する錘部のＱ値を調整することができる。Ｑ値を調整することは、Ｑ値を上げることと、Ｑ値を下げることの両方を含む。また、凹部を形成することにより錘部の質量を変化させ、共振周波数を調整することができる。さらに、凹部が形成されていることにより、錘部の底面と固定部とスティクションを防止することもできる。
【０００７】
（２）上記目的を達成するための振動型ＭＥＭＳセンサにおいて、前記錘部は、バルク材料からなる基層と、前記基層に接合され前記凹部が形成されている非基層とを含んで構成されていてもよい。
【０００８】
（３）上記目的を達成するための振動型ＭＥＭＳセンサにおいて、前記固定部に、前記凹部が形成されている前記錘部の底面が接触していてもよい。
凹部が形成されている錘部の底面が固定部に接触していることにより、錘部の底面と固定部との間に摩擦力が作用する。可撓部を時分割駆動方式で励振させる場合、励振方向を切り替える際に、切り替え前の方向の振動を速く減衰させることができる。
【０００９】
（４）上記目的を達成するための振動型ＭＥＭＳセンサにおいて、前記錘部の底面に形成されている前記凹部は前記錘部の側面に開口していてもよい。
錘部の底面に形成されている凹部が側面に開口していない構成と比較すると、Ｑ値を調整しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（１Ａ）は第一実施形態にかかる振動型角速度センサの上面図、（１Ｂ）および（１Ｃ）はその断面図。
【図２】第一実施形態にかかる振動型角速度センサの錘部の底面図。
【図３】（３Ａ）および（３Ｂ）は第一実施形態にかかる振動型角速度センサの製造方法を説明するための断面図。
【図４】（４Ａ）は第二実施形態にかかる振動型角速度センサの上面図、（４Ｂ）および（４Ｃ）はその断面図、（４Ｄ）は錘部の底面図。
【図５】（５Ａ）および（５Ｂ）は第二実施形態にかかる振動型角速度センサの製造方法を説明するための断面図。
【図６】他の実施形態にかかる振動型角速度センサを示す断面図。
【図７】（７Ａ）および（７Ｂ）は他の実施形態にかかる振動型角速度センサの錘部の底面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施形態
（構成）
図１および図２は本発明による振動型角速度センサの第一実施形態を示している。図１Ａは振動型角速度センサ１の上面図、図１Ｂは図１ＡのＢＢ線における断面図、図１Ｃは図１ＡのＣＣ線における断面図、図２は振動型角速度センサ１の錘部１５の底面図である。説明の便宜のために図１に示すように直交するｘｙｚ軸を定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの半導体デバイス材料からなる積層構造体である。振動型角速度センサ１はパッケージに収容される。
【００１２】
振動型角速度センサ１は、支持部１０、錘部１５、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、駆動用圧電素子１３、検出用圧電素子１４などが形成されているダイと駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４に接続される駆動検出回路とを備えている。駆動検出回路はダイに形成しても良いし、ダイとともに１つのパッケージに収容される別のダイに形成しても良いし、ダイのパッケージとは別のパッケージに収容される１つ以上のダイに形成しても良い。支持部１０は、パッケージの底部１９（固定部）にスペーサ２２を介して接着剤などにより固定される。梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ１，１２ｄは可撓部に相当する。駆動用圧電素子１３は励振手段に相当し、検出用圧電素子１４は検出手段に相当する。
【００１３】
ダイを構成する各層の界面は図１Ｂおよび図１Ｃにおいて破線によって示されている。基層１００は例えば厚さ６２５μｍの単結晶珪素からなる。基層１００は他の層に比べて突出して厚い層である。基層１００は支持部１０および錘部１５の大部分を構成している。梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、ばね層１０４と絶縁層１０６から構成されている。ばね層１０４と絶縁層１０６とは支持部１０および錘部１５の上層部をも構成しており、支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５にわたって連続している。これにより支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５が一体に連結されている。ばね層１０４は例えば厚さ１０μｍの単結晶珪素からなる。絶縁層１０６は例えば厚さ０．５μｍの酸化珪素からなる。基層１００とばね層１０４との間には製造時にエッチングストッパとして機能するストッパ層１０２が形成されている。ストッパ層１０２は例えば厚さ１μｍの酸化珪素からなる。駆動用圧電素子１３、検出用圧電素子１４および図示しない配線要素（導線、ボンディングパッド等）は圧電層１１０とこれを両側から挟み込んでいる電極層１０８、１１２とからなる。電極層１０８、１１２は例えば厚さ０．１μｍの白金からなる。圧電層１１０は例えば厚さ３μｍのＰＺＴからなる。
【００１４】
支持部１０は矩形枠の形態を有する。支持部１０は梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに比べて十分厚くパッケージに固定されるため実質的に剛体として振る舞う。支持部１０は内側に梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。
【００１５】
可撓部としての４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、いずれも一端が支持部１０に他端が錘部１５に結合している。すなわち４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは支持部１０の内側に錘部１５を支持している。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、支持部１０の内側に十字形に配置され、ｘｙ平面と平行に整列している。梁部１２ａ、１２ｃの対は、ｙ軸方向に整列し、それぞれｙ軸方向に延びている。梁部１２ｂ、１２ｄの対は、ｘ軸方向に整列し、それぞれｘ軸方向に延びている。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分ｚ方向に薄い扁平な板形である。したがって４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ一端が支持部１０に固定され他端が支持部１０に対して変位する可撓部として振る舞う。扁平な梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがｚ軸方向に撓むことによって錘部１５は支持部１０に対してｘ、ｙ、ｚ軸のそれぞれの方向に振動可能である。
【００１６】
本実施形態の錘部１５は４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと結合している中央部と、隣り合う梁部１２の間に中央部から突出する４つの周辺部とが結合した形態を有する。錘部１５は支持部１０を構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含むため、支持部１０に対して３次元運動する剛体として振る舞う。
【００１７】
梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれの表面の支持部１０との境界近傍に励振手段として駆動用圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが設けられる。駆動用圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、時分割駆動される。時分割駆動方式では、ｙ軸方向に配列された駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃに励振信号を印加するモードと、ｘ軸方向に配列された駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄに励振信号を印加するモードがあり、そのモードを一定時間経過ごとに切り替えることによって、錘部１５のｙ軸方向の振動とｘ軸方向の振動とを切り替える。モードを切り替える際は、切り替え前のモードの振動が減衰してからもう一方のモードの励振を開始する必要があるため、減衰に要する時間は短い方が望ましい。したがって錘部１５のＱ値が小さいことが望ましい。それぞれの梁部１２の表面の錘部１５との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが設けられる。
【００１８】
錘部１５の底面２０には複数の凹部１７が形成されている。本実施形態において凹部１７は、錘部１５の底面においてｙ軸方向に伸び、錘部１５のｙ軸方向の側面を開口している。凹部１７が錘部１５の底面２０に形成されていることによって、錘部１５の底面２０とパッケージの底部１９との間の流体の通路が広がり、パッケージの底部１９との対向領域において錘部１５の表面積が拡大する。そのため、錘部１５の底面２０とパッケージの底部１９との間の流体による、錘部１５の運動を妨げる抵抗力を調整することができ、したがって可撓部１２と共に振動する錘部１５のＱ値を調整することができる。また、凹部１７によって錘部１５の質量を変化させ、共振周波数を調整することもできる。
【００１９】
さらに、錘部１５の底面２０に複数の凹部１７が形成されていることにより、錘部１５の底面２０とパッケージの底部１９とのスティクションを防止することができる。また、本実施形態において凹部１７は錘部１５のｙ軸方向の側面を開口しているため、凹部１７が側面を開口していない構成と比較すると、Ｑ値を調整しやすい。また、凹部１７が伸びる方向（本実施形態ではｙ軸方向）によって、特定の軸方向の振動時のＱ値を個別に調整することができる。凹部１７の伸びる方向によって特定の軸方向振動時のＱ値を調整できるため、振動型角速度センサの設計自由度を上げることができる。
【００２０】
（製造方法）
図１に示した振動型角速度センサ１は、次のようにして製造することができる。駆動用圧電素子１３、検出用圧電素子１４を形成した後、図３Ａに示すように、基層１００の裏面に、凹部１７を形成する位置が開口した、フォトレジストからなる保護層Ｒ１を形成し、基層１００をＤｅｅｐ−ＲＩＥにより所定の深さエッチングする。次に、保護層Ｒ１を除去する。続いて図３Ｂに示すように、錘部１５と支持部１０を形成する位置以外が開口したフォトレジストからなる保護層Ｒ２を形成し、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにより基層１００をエッチングしてストッパ層１０２を露出させる。その後、露出しているストッパ層１０２をウェットエッチングにより除去し、保護層Ｒ２を除去することにより、図１に示した振動型角速度センサ１を製造することができる。
【００２１】
２．第二実施形態
（構成）
図４は本発明による振動型角速度センサの第二実施形態を示している。図４Ａは第二実施形態にかかる振動型角速度センサ２の上面図、図４Ｂは図４ＡにおけるＢＢ線の断面図、図４Ｃは図４ＡにおけるＣＣ線の断面図、図４Ｄは錘部１５の底面図である。振動型角速度センサ２は、ｘｙ平面に平行な膜１８を可撓部として備えている。膜１８は、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分ｚ方向に薄い扁平な形状である。したがって膜１８は、外周が支持部１０に固定され支持部１０に対して変位する可撓膜として振る舞う。
【００２２】
本実施形態の錘部１５は膜１８と結合している円柱の形態を有する。錘部１５は支持部１０を構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含むため、支持部１０に対して３次元運動する剛体として振る舞う。本実施形態の錘部１５は、梁部１２を構成している層を含む支持部１０と同一の積層構造と、複数の凹部１７が形成された彫り込み加工層１２０（非基層）とを有している。彫り込み加工層１２０は、基層１００の底面に形成されている。彫り込み加工層１２０は例えば、樹脂材料（絶縁）からなる。彫り込み加工層１２０には無機材料を用いてもよい。なお、本実施形態では錘部１５の底部２０に形成された凹部１７は、図４Ｄに示すように、側面に開口しない形状で複数形成されている。
【００２３】
（製造方法）
図４に示した振動型角速度センサ２は次のようにして製造することができる。まず、基層１００の底面に彫り込み加工層１２０を形成し、保護層Ｒ３を用いてパターニングすることによって、図５Ａに示すように、彫り込み加工層１２０に凹部１７を形成した後、保護層Ｒ３を除去する。続いて保護層Ｒ４を用いて、基層１００をＤｅｅｐ−ＲＩＥによりエッチングし、ストッパ層１０２を露出させる。続いて露出している部分のストッパ層１０２を除去し、錘部１５，支持部１０，膜１８を形成する。その後、保護層Ｒ４を除去する。尚、ナノインプリント法を用いて、彫り込み加工層１２０に凹部１７を形成してもよい。
【００２４】
３．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【００２５】
また例えば、図６に示すように、錘部１５が静止状態のとき、凹部１７が形成されている彫り込み加工層１２０の底面が、パッケージの底部１９に接触するように、支持部１０をパッケージに固定してもよい。彫り込み加工層１２０の底面がパッケージの底部１９に接触していることにより、錘部１５が運動するとき、錘部１５の底面２０とパッケージの底部１９との間に摩擦力が作用する。そのため、梁部１２を時分割駆動方式で励振させる場合、励振方向を切り替える際に切り替え前の方向の振動を速く減衰させることができる。
【００２６】
なお、錘部１５の形状は上記実施形態で示したような形状に限定されず、様々な形状を採用可能である。例えば、錘部１５は四角柱の形状を有していてもよい。図７は錘部１５が四角柱の形状をしている場合の錘部１５の底面図を示している。図７Ａに示すように、凹部１７は、錘部１５の底面２０に格子状に形成されていてもよい。また例えば、図７Ｂに示すように、一つの凹部１７が隣り合う側面を開口していてもよい。
なお、上記実施形態では時分割駆動方式を採用する構成を説明したが、その他の方式、例えば錘部を周回運動させる駆動方式を採用する場合にも、本発明の錘部の底面に凹部を形成する構成を適用可能である。Ｑ値を調整することは、Ｑ値を上げることおよび下げることの両方の意味を含む。
【符号の説明】
【００２７】
１：振動型角速度センサ、２：振動型角速度センサ、１０：支持部、１２：梁部、１３：駆動用圧電素子、１４：検出用圧電素子、１５：錘部、１７：凹部、１８：膜、１９：パッケージ底部、２０：錘部の底面、２２：スペーサ、１００：基層、１０２：ストッパ層、１０４：ばね層、１０６：絶縁層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１２０：彫り込み加工層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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