(57)【要約】 【課題】  加工精度がよく、量産性に優れ、且つ、特性のばらつきが少なく、その上、小型の音叉型圧電振動ジャイロ装置を提供する。【解決手段】  シリコン支持層６上に埋め込み酸化膜層５、シリコン活性層１３を順に設けたＳＯＩ基板と、シリコン活性層１３上に接合された圧電単結晶１４とからなり、圧電単結晶１４、シリコン活性層１３及び埋め込み酸化膜層５の一部を除去して形成され、埋め込み酸化膜層５を介してシリコン支持層６に支持された、２つの脚部２，３を有し、圧電単結晶１４とシリコン活性層１３とからなる音叉型圧電振動子１５と、この圧電単結晶１４上に形成された駆動電極８，１０、検出電極７，１１及び基準電位電極９と、シリコン活性層１３上の圧電単結晶１４が接合されていない部分に形成された信号処理回路１２とで構成する。【選択図】  図１
2006030062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン支持層上に埋め込み酸化膜層、シリコン活性層を順に設けたＳＯＩ基板と、前記シリコン活性層上に接合された圧電単結晶とからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置であって、前記圧電単結晶、前記シリコン活性層及び前記埋め込み酸化膜層の一部を除去して形成され、前記埋め込み酸化膜層を介して前記シリコン支持層に支持された、少なくとも２つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶と前記シリコン活性層とからなる音叉型圧電振動子と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン活性層上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。
【請求項２】
シリコン基板と、該シリコン基板上に接合された圧電単結晶とからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置であって、前記圧電単結晶、前記シリコン基板の一部を除去して形成され、前記シリコン基板に支持された、少なくとも２つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶からなる音叉型圧電振動子と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン基板上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子の駆動モードと検出モードの周波数がほぼ一致することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、ランガサイト、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムカリウム、ニオブ酸カリウムのいずれかであることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として携帯機器に搭載可能な超小型ナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置などに組み込まれるジャイロ装置に関し、特にコリオリ力を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、音叉型振動子を用いた振動ジャイロ装置が知られている。この種の振動ジャイロ装置の原理は、以下の通りである。振動子が一定方向にある速度で振動（駆動モード）が印加されている状態で、被検出対象である角速度が与えられると、駆動モードの印加速度と角速度がともに直交する方向に、コリオリ力が発生し振動（検出モード）が励起される。その検出モードの励起速度は、駆動モードの印加速度と角速度に比例するので、駆動モードの印加速度の大きさを一定にした状態では、検出モードの励起速度の大きさより振動子に与えられた角速度を算出することが可能となる。このとき、振動子を駆動する手段、及び角速度に比例する検出モードの励起速度を検出する手段として、圧電体を利用したものが、圧電振動ジャイロ装置である。
【０００３】
従来の圧電振動ジャイロ装置としては、１）圧電薄膜を利用する場合と、２）圧電単結晶あるいは圧電セラミックを利用する場合が挙げられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、圧電薄膜を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置が開示されている。図４に、特許文献１に記載の圧電薄膜を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置に用いられる音叉型圧電振動子を示す。図４に示すように、特許文献１に開示された音叉型圧電振動子４１は、略厚さ０．２ｍｍのシリコン（１１０）を基材とする第１、第２の脚部４２、４３の主面４５に、下部電極５０、５１、５２、５３である略厚さ４０００ÅのＴｉ／Ｐｔと上部電極５８、５９、６０、６１である略厚さ３０００ÅのＴｉ／Ａｕ層間に、圧電薄膜５４、５５、５６、５７である略厚さ２〜３μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜がスパッタリング法により形成されている。所定の電極間に駆動電圧を印加すると、ＰＺＴ薄膜の圧電効果より、駆動モードの印加速度が振動子に与えられる。この状態の下、被検出対象である角速度が加わると、コリオリ力が駆動モードに対して直角方向に発生し検出モードの振動が励起される。検出モードの振動は、ＰＺＴ薄膜に発生する出力電圧より検出される。圧電薄膜としては、ＰＺＴの他にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）等も適用される。
【０００５】
圧電薄膜の形成方法としては、前述のスパッタリング法以外にも、真空蒸着法、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法、ゾルゲル法等がある。然しながら、一般に、そのような方法により形成された圧電薄膜は、酸素等の欠損による組成ずれが発生し易く、結晶配向性薄膜を得るのは容易ではなく、酸素等の反応性ガス雰囲気で５００℃以上の高温加熱あるいは熱処理が必要とされている。
【０００６】
それに対して、特許文献２に、他例の圧電薄膜形成方法としてレーザアブレーション法が開示されている。これは反応室内に雰囲気ガスを一定圧力で導入し、所望のターゲット材にレーザ光を照射して、ターゲット材からの脱離・射出物質を対向基板に堆積させて薄膜を形成する方法である。この成膜方法の特徴としては、酸素等の反応性ガスの導入や基板の高温加熱を必要とすることなく、容易にターゲット材と同一組成の結晶配向性薄膜を得ることが可能となり、基板材料が限定されることなく、半導体プロセスとの整合性をとることが可能である。
【０００７】
一方、特許文献３には、他例の音叉型圧電振動子として、圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動子が記載されている。図５に、特許文献３に記載の圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動子を示す。図５に示すように、この音叉型圧電振動子７０の材質は、圧電材料単体からなっており、特に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムもしくはランガサイトの回転Ｙ板からなっている。回転Ｙ板とは、タンタル酸リチウム等の単結晶において、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした直交座標系において、Ｙ軸回りにＸＺ平面を主面として形成したものである。第１駆動電極７２ａ，７２ｃ、第２駆動電極７２ｂ，７２ｄからなる駆動電極７２は、例えばＣｒ／Ｎｉ薄膜、Ｔｉ／Ａｕ薄膜、あるいはＡｌ薄膜等が、スパッタリング法、あるいは真空蒸着法等により形成されている。また、一般に振動子の加工は、電極形成を行った後に、所望の振動子形状に切断するためにダイシングソー、或いはウェットエッチング法、ドライエッチング法が用いられている。更に、振動子と支持体の接合には、セラミックスの場合は主に可とう性のある接着剤が利用され、単結晶材の場合には直接接合等が利用されている。圧電振動ジャイロ装置としての基本的動作は、前述の特許文献１に記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置と同様であり、ＰＺＴ薄膜の代わりに所望の圧電単結晶を利用している。また、圧電セラミックスを利用した場合にも、圧電単結晶を利用した圧電振動型ジャイロ装置と同様の効果が得られる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２２７７１９号公報
【特許文献２】特開２００２−３２４９２６号公報
【特許文献３】特開２００１−１８５９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の音叉型圧電振動ジャイロ装置のように、圧電薄膜の機能としては、振動子を駆動する手段と角速度に比例する検出モードの励起速度を検出する手段とを有し、具体的には、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等が代表的である。これらの圧電薄膜は、一般的には、スパッタリング法、真空蒸着法、ゾルゲル法等により形成される。
【００１０】
然しながら、前述のように、成膜中に基板の高温加熱を行う必要があり、成膜材料と基板材料、あるいは成膜材料と基板表面の下部電極との間の反応が問題となる。更には、酸素等の反応ガスの導入は、半導体プロセスにおいて整合性を取ることは非常に困難である。また、一般に、成膜速度は、スパッタ法の場合、最大速度１μｍ／時間程度であり、更に、ゾルゲル法の場合は、１〜２μｍ程度の膜厚を得るために１０回程度のスピンコートと、各々層毎に焼成するプロセスが必要となり、数十時間以上を要するため、生産効率が非常に悪い。
【００１１】
以上のように、圧電薄膜の形成には、成膜速度が低いことや、配向処理あるいは結晶方位処理、分極処理などの煩雑な手続きが必要とされており、その対策として、特許文献２に記載のレーザアブレーション法なども提案されている。
【００１２】
レーザアブレーション法によれば、酸素等の欠損による組成ずれが少なく、結晶配向性薄膜が容易に得られ、酸素等の反応性ガス雰囲気中での５００℃以上の高温加熱あるいは熱処理が不要とされているが、特許文献２にも記載されているように、結晶性向上のためには、酸素雰囲気、あるいは窒素雰囲気中で基板加熱（５００℃以下）を行うことが有効である。また、形成直後の薄膜は、結晶性が悪く、欠陥が存在する等の問題が生じることも指摘されており、温度特性、耐熱性等の観点より単結晶材料には及ばないのが現状である。
【００１３】
また、圧電単結晶あるいは圧電セラミックを利用する場合、圧電材料としては、一般に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムもしくはランガサイトがある。これらの材料を用いた振動子の加工には、電極形成を行った後に、所望の振動子形状に切断するためにダイシングソー、或いはウェットエッチング法、ドライエッチング法が用いられている。更に、振動子と支持体の接合には、セラミックスの場合は主に可とう性のある接着剤が利用され、単結晶材料の場合には直接接合等が利用されている。
【００１４】
具体的には、ダイシングソーによる圧電振動子の最小切断寸法は、一般に約３０μｍ〜３００μｍであり、切断精度は、±０．３μｍ〜±５μｍ程度である。実際には、切断加工時のチッピングにより、加工精度はさらに悪く振動子の製造上の大きな課題となっている。例えば、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶の場合、切断面外周に約１０μｍのチッピングが存在しており、ＰＺＴ等のセラミックス材の場合は、チッピングの度合いはより顕著である。
【００１５】
これに対して、加工精度がよいとされるウェットエッチング、あるいはドライエッチングを適用する場合、エッチングレートが低く２００〜４００μｍ程度の圧電単結晶板を貫通させるために長時間を要し、量産に不向きであることが課題とされている。
【００１６】
例えば、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）の混合液によるウェットエッチングの他、イオンミリング、反応性イオンエッチング等のドライエッチングが用いられており、ＨＦ系の混合液によるウェットエッチングでは、エッチングレートは１２５０Å／分程度であり、また、ドライエッチングの場合では、イオンミリングで４００Å／分、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で６００Å／分（最大で２０００Å／分程度）である。従って、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶自体を振動子として加工するような場合、２００〜４００μｍ程度の深堀加工が必要となり、３０時間以上を要することになる。
【００１７】
然しながら、圧電単結晶を利用した圧電振動子は、圧電薄膜を利用する場合に必要とされる反応性ガス雰囲気中での高温熱処理等が必要なく、生産性に優れているために携帯機器に搭載可能な超小型ナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置などに組み込まれるジャイロ装置によく利用されている。ところが、圧電単結晶は、前述のダイシングソーによる切断加工では、加工精度が悪く小型化に向かないこと、加工精度がよいウェットエッチング、ドライエッチングには、エッチングレートが低く、量産に不向きであることが課題となっている。
【００１８】
従って、本発明の目的は、上記の課題を解決し、加工精度がよく、量産性に優れ、且つ特性のばらつきが少なく、その上、小型の音叉型圧電振動ジャイロ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、上記課題を解決するための手段として、ＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）基板のシリコン活性層と、該シリコン活性層上に接合された圧電単結晶からなる少なくとも２つ以上の脚部と、これらを一体に接続する支持部とを有する圧電振動子と、該支持部直下の埋め込み酸化膜層とシリコン支持基板からなる支持体と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、同一ＳＯＩ基板上に形成された信号処理回路から構成され、該信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有する音叉型圧電振動ジャイロ装置が得られる。更に、前述の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子の駆動モードと検出モードの各周波数がほぼ一致するように、前記圧電単結晶と前記シリコン活性層の幅と厚みを調整できる音叉型圧電振動ジャイロ装置が得られる。また、前述の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子が圧電単結晶のみからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置が得られる。尚、前記圧電単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、ランガサイト、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムカリウム、ニオブ酸カリウムのいずれかであることが望ましい。
【００２０】
即ち、本発明は、シリコン支持層上に埋め込み酸化膜層、シリコン活性層を順に設けたＳＯＩ基板と、前記シリコン活性層上に接合された圧電単結晶とからなり、前記圧電単結晶、前記シリコン活性層及び前記埋め込み酸化膜層の一部を除去して形成され、前記埋め込み酸化膜層を介して前記シリコン支持層に支持された、少なくとも２つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶と前記シリコン活性層とからなる音叉型圧電振動子と、該圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン活性層上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。
【００２１】
また、本発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に接合された圧電単結晶とからなる音叉型圧電振動ジャイロ装置であって、前記圧電単結晶、前記シリコン基板の一部を除去して形成され、前記シリコン基板に支持された、少なくとも２つ以上の脚部を有し、前記圧電単結晶からなる音叉型圧電振動子と、前記圧電単結晶上に形成された駆動電極、検出電極及び基準電位電極と、前記シリコン基板上の前記圧電単結晶が接合されていない部分に形成された信号処理回路とから構成され、前記信号処理回路は、前記圧電振動子を励振させるための駆動信号を前記圧電振動子に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する前記圧電振動子の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。
【００２２】
また、本発明は、上記の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電振動子の駆動モードと検出モードの共振周波数がほぼ一致することを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。
【００２３】
また、本発明は、上記の音叉型圧電振動ジャイロ装置において、前記圧電単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、ランガサイト、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムカリウム、ニオブ酸カリウムのいずれかであることを特徴とする音叉型圧電振動ジャイロ装置である。
【発明の効果】
【００２４】
上記の構成を採用することにより、本発明によれば、主として携帯機器に搭載する超小型ナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置などに組み込むことが可能な程度の良好な感度を有し、小型且つ、特性ばらつきが少なく、大量生産性に優れた音叉型圧電振動ジャイロ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の斜視図である。図１に示すように、本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置１は、第１の脚部２及び第２の脚部３と、各脚部２、３を一体で接続する支持部４とからなる音叉型圧電振動子１５と、支持部４の直下の埋め込み酸化膜層５と、シリコン支持層６とからなる支持体１６、第１の脚部２の主面上に形成された駆動電極８、検出電極７、基準電位電極９と、第２の脚部３の主面上に形成された駆動電極１０、検出電極１１、基準電位電極９と、同一ＳＯＩ基板上に形成された信号処理回路１２から構成されている。尚、脚部２、３は、ＳＯＩ基板のシリコン活性層１３と、圧電単結晶１４から形成されている。
【００２７】
本実施の形態においては、圧電単結晶として、ニオブ酸リチウムを用いた圧電振動ジャイロ装置について説明する。ニオブ酸リチウムは、特に、電気機械結合係数ｋ（以下、結合係数）が、例えば１４０°Ｙカット板の場合で結合係数ｋが６０％程度と優れた値を有するため、圧電振動ジャイロには好適である。
【００２８】
具体的には、圧電振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたニオブ酸リチウム結晶Ｘ板を用いる。また、他例として、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行したタンタル酸リチウム結晶Ｘ板を適用することもできる。このようなカット面を利用することで、振動子の幅方向の電界による圧電横効果が大きく、次に説明するように電極を圧電振動子の１側面でだけで構成することが可能となる。
【００２９】
次に、本実施の形態における音叉型圧電振動ジャイロ装置の動作原理について説明する。図１に示すように、前述の通り音叉型圧電振動子１５に、駆動モードである音叉振動モードおよび検出モードである面外振動モードに結合した各駆動電極８，１０、検出電極７，１１、基準電位電極９が配置され、駆動信号による圧電振動子の励振および角速度に比例する出力信号の検出が可能な音叉型圧電振動ジャイロ装置が構成される。
【００３０】
音叉型圧電振動子１５の音叉振動モードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を第１の脚部２の駆動電極８、検出電極７、基準電位電極９、及び第２の脚部３の駆動電極１０、検出電極１１、基準電位電極９に印加することで音叉振動モードを励振する。その状態の下、音叉型圧電振動子１５の長手方向の軸に関して角速度が印加されると、角速度に比例したコリオリ力が第１の脚部２及び第２の脚部３に働き、面外振動モードを生じる。この面外振動モードによって生じる出力信号を、第１の脚部２の検出電極７及び第２の脚部３の検出電極１１から検出すれば、角速度に比例した出力信号が得られ、音叉型圧電振動ジャイロ装置として機能させることができる。本発明の実施の形態では、駆動モードに音叉振動モード、検出モードに面外振動モードを利用しているが、これらを相互に入れ替え、駆動モードに面外振動モード、検出モードに音叉振動モードを利用することも可能である。
【００３１】
尚、この信号処理回路１２は、音叉型圧電振動子１５を励振させるための駆動信号を脚部２，３に供給する機能と、角速度が与えられた場合に発生するコリオリ力に起因する脚部２，３の検出振動に応じる出力信号を信号処理する機能とを有している。
【００３２】
以下に、本実施の形態における信号処理回路の詳細について説明する。図２は、本実施の形態における音叉型圧電振動ジャイロ装置の信号処理回路１２の構成を示すブロック図である。自励発振回路１０２から出力される信号を第１の脚部２の駆動電極８に印加し、同時に自励発振回路１０２から出力される信号を移相回路１００によって位相を反転した信号を第２の脚部３の駆動電極１０に印加し、音叉振動モードを励振する。第１の脚部２上の検出電極７および第２の脚部３上の検出電極１１には、オペアンプ１１１と抵抗１１３およびオペアンプ１１２と抵抗１１４で構成される電流検出回路が接続されている。これにより、検出電極７，１１の電位は、オペアンプの仮想接地によって基準電位に固定されている。その結果、検出電極７，１１は、面外振動モードの検出と同時に、駆動電圧を印加するための基準電位を作ることができる。２つの電流検出回路の出力は、加算回路１０１と自励発振回路１０２に入力される。加算回路１０１に入力される２つの信号の音叉振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相である。従って、加算回路１０１から同期検波回路１０３に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力によって生じる面外振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ１０４から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となる。また、自励発振回路１０２から出力される信号は、駆動電極８、１０と移相回路１００に帰還されると同時に、同期検波回路１０３の参照信号として利用される。
【００３３】
次に、本実施の形態における圧電ジャイロ振動子の製造方法について、図３を用いて具体的に説明する。先ず、シリコン活性層３７の厚みが５μｍ程度、埋め込み酸化膜３８の厚さが２μｍ程度、基板全体の厚さが３５０μｍ程度のＳＯＩ基板３１をスタート基板として［図３（ａ）］、厚さが２００μｍ程度のニオブ酸リチウム基板３３を直接接合によりウェハーレベルで貼り合わせ［図３（ｂ）］、機械的研磨及びＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨加工）を併用し、ニオブ酸リチウム基板を１０μｍ程度まで研磨加工する［図３（ｃ）］。尚、ＳＯＩ基板３１の裏面には、公知のＣＶＤ（化学的気相成長法）により、厚さ２０００Å程度の窒化シリコン膜３２が堆積されている。次に、公知の半導体プロセスで用いられているスパッタリング法や、真空蒸着法により、Ｃｒ／Ａｕ電極３４を堆積し、フォトレジスト技術及びエッチング技術により所望のパターン化を行う［図３（ｄ）］。更に、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチング技術あるいはドライエッチング技術により、ニオブ酸リチウム、ＳＯＩ基板のシリコン活性層、及び埋め込み酸化膜層をエッチング除去し、空隙部３５を形成する［図３（ｅ）］。ニオブ酸リチウムのエッチングについて、ウェットエッチングの場合にはフッ酸および硝酸の混合液をエッチャントとして適用でき、またドライエッチングの場合には反応イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion  Etching）装置を用い、フッ素およびアルゴン系の反応ガスを適用できる。シリコン活性層、及び埋め込み酸化膜は、公知のＲＩＥあるいは誘導結合プラズマ反応イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductively-Coupled Plasma Reactive Ion Etching）装置より、ＣＦ４ガス、あるいはＳＦ６ガス等によりエッチングされる。ここで、ニオブ酸リチウムの所望のエッチングは、既に図３（ｃ）の工程により研磨加工され１０μｍ程度まで薄膜化されているため、公知のエッチング技術によっても数十分〜１時間程度で終了する。最後に、４８％ＨＦにより図１の第１の脚部２及び第２の脚部３直下の埋め込み酸化膜３６を除去する［図３（ｆ）］。以上、ウェハーレベルでの圧電単結晶とＳＯＩ基板の貼り合わせ技術及びフォトリソグラフィ技術による一括転写技術を適用することにより、小型、且つ形状、特性ばらつきが少なく、大量生産性に優れた音叉型圧電振動ジャイロ装置を提供できる。
【００３４】
本実施の形態では、示される音叉型圧電振動ジャイロ装置のサイズは、以下の通りである。圧電振動子の第１の脚部２および第２の脚部３の長さは約１５０μｍ、幅は約１５μｍである。また、圧電振動子の第１の脚部２及び第２の脚部３のシリコン活性層の厚さは約５μｍ、圧電単結晶であるニオブ酸リチウムの厚さは約１０μｍである。ここで、駆動モードである音叉振動モードと検出モードである面外振動モードの共振周波数を略一致するように、圧電振動子の幅とシリコン活性層及び圧電単結晶の厚みを略等しくすることが、検出感度を向上させる上では重要である。この場合の音叉型圧電振動子１５の共振周波数は、音叉振動モード及び面外振動モードともに略等しく６６０ｋＨｚ程度である。
【００３５】
また、シリコン活性層を完全にエッチング除去することで、ニオブ酸リチウム単体の圧電振動子を形成することが可能であり、この場合の共振周波数においても、音叉振動モード及び面外振動モードともに略等しく５９０ｋＨｚ程度ある。尚、この場合のニオブ酸リチウム単体による圧電振動子の幅は１５μｍ程度、厚みは１５μｍ程度である。ここで、前述のシリコン活性層とニオブ酸リチウムの貼り合わせ構造からなる圧電振動子の場合に比べ、ニオブ酸リチウム単体から成る圧電振動子の共振周波数は７０ｋＨｚ程度低下しているが、これはニオブ酸リチウムとシリコンの比重差に基づく、略、圧電振動子の質量効果によるためである。
【００３６】
シリコン活性層とニオブ酸リチウムの貼り合わせ構造、ニオブ酸リチウム単体の構造の何れにしても、圧電振動子の幅と厚みを調整することで、音叉振動モードと面外振動モードの共振周波数をともに制御することができる。更には、本実施の形態で示す音叉型圧電振動ジャイ口装置のように、駆動電極及び検出電極が圧電振動子の一主面のみに形成されている場合、圧電横効果に寄与する電界が界面近傍に集中するために、圧電単結晶の厚みを薄くした場合においても、圧電単結晶のみに比べて著しい圧電振動ジャイロ装置としての特性の劣化は見られない。そのため、一般にエッチング加工が困難な圧電単結晶をウェハーレベルから加工する必要もなく、本実施の形態で示されるように、加工性が良好なＳＯＩ基板のシリコン活性層を音叉振動モードと面外振動モードの周波数調整として利用することができる。尚、本実施の形態では、圧電単結晶とＳＯＩ基板のシリコン活性層との貼り合わせ構造について説明しているが、ＳＯＩ基板の代わりに通常のシリコン基板を用いても同様の効果が期待できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の斜視図。
【図２】本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の信号処理回路のブロック図。
【図３】本発明における音叉型圧電振動ジャイロ装置の工程図。
【図４】従来の圧電薄膜を利用した音叉型圧電振動ジャイロ装置に用いられる音叉型圧電振動子の斜視図。
【図５】従来の圧電単結晶を利用した音叉型圧電振動子の説明図。図５（ａ）は、平面図。図５（ｂ）は、底面図。
【符号の説明】
【００３８】
１    音叉型圧電振動ジャイロ装置
２    （第１の）脚部
３    （第２の）脚部
４    支持部
５    埋め込み酸化膜層
６    シリコン支持層
７，１１    検出電極
８，１０    駆動電極
９    基準電位電極
１２    信号処理回路
１３    シリコン活性層
１４    圧電単結晶
１５    音叉型圧電振動子
１６    支持体
３１    ＳＯＩ基板
３２    窒化シリコン膜
３３    ニオブ酸リチウム基板
３４    Ｃｒ／Ａｕ電極
３５    空隙部
３６，３８    埋め込み酸化膜
３７    シリコン活性層
４１    音叉型圧電振動子
４２，４３    脚部
４４    支持部
４５    主面
５０，５１，５２，５３    下部電極
５４，５５，５６，５７    圧電薄膜
５８，５９，６０，６１    上部電極
７０    音叉型圧電振動子
７１    支持部
７２    駆動電極
７２ａ，７２ｃ    第１駆動電極
７２ｂ，７２ｄ    第２駆動電極
７３Ａ，７３Ｂ    脚部
７３ａ    一面側
７３ｂ    他面側
７４    溝
１００    移相回路
１０１    加算回路
１０２    自励発振回路
１０３    同期検波回路
１０４    ローパスフィルタ
１１１，１１２    オペアンプ
１１３，１１４    抵抗
【図１】
2006030062.tif 000003
【図２】
2006030062.tif 000004
【図３】
2006030062.tif 000005
【図４】
2006030062.tif 000006
【図５】
2006030062.tif 000007