(57)【要約】【課題】封止の確実性と小型化の両立を図った角速度センサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】角速度センサが、開口を有する固定部と、この開口内に配置される変位部と、固定部と変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体と、変位部に接合される重量部と、重量部を囲んで配置され、かつ固定部に接合される台座と、を有し、第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、第1の金属層と第1の絶縁層とが積層されてなり、第1の絶縁層側が前記固定部に接続されて第１の構造体に積層配置される第１の基体と、第２の金属層と第２の絶縁層とが積層されてなり、第２の絶縁層側が台座に接続されて前記第２の構造体に積層配置される第２の基体と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ第１の半導体材料からなる第１の構造体と、
前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置され、かつ第２の半導体材料からなる第２の構造体と、
第1の金属層と第1の絶縁層とが積層されてなり、前記第1の絶縁層側が前記固定部に接続されて前記第１の構造体に積層配置される第１の基体と、
第２の金属層と第２の絶縁層とが積層されてなり、前記第２の絶縁層側が前記台座に接続されて前記第２の構造体に積層配置される第２の基体と、
前記変位部に積層方向の振動を付与する振動付与部と、
前記変位部の変位を検出する変位検出部と、
を具備することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記第1、第２の絶縁体が、エッチング可能な材料からなる
ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記第１、第２の基体の少なくともいずれかが、前記第１の絶縁層または前記第２の絶縁層上に積層された第３の金属層を有する
ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記第１，第２の半導体材料がいずれもシリコンである
ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項５】
第1の半導体材料からなる第1の層、酸化物からなる第２の層、および第２の半導体材料からなる第３の層が順に積層されてなる半導体基板の前記第１および第２の層をエッチングして、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ固定部に対して変位する変位部と、固定部と変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ第１の半導体材料からなる第１の構造体と、重量部と、重量部を囲んで配置される台座と、を有し、第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、を作成するステップと、
前記第１、第２の構造体が作成された半導体基板の前記第２の層をエッチングして、開口を有し、かつ前記固定部と前記台座とを接合する第１の接合部と、この開口内に配置され、かつ前記変位部と前記重量部とを接合する第２の接合部とを有する接合体を作成するステップと、
前記第１の構造体の上面および第２の構造体の下面それぞれに、第１の金属層と第１の絶縁層とが積層される第１の積層体および第２の金属層と第２の絶縁層とが積層される第２の積層体を接合するステップと、
を具備することを特徴とする角速度センサの製造方法。
【請求項６】
前記第１、第２の積層体いずれかの底面に粘着性の膜を貼り付けるステップと、
前記第１、第２の構造体が作成された領域に対応して、前記半導体基板および前記第１、第２の積層体を切断して、角速度センサを切り出すステップと、
前記領域に対応するように前記膜の底面を押圧して、前記切り出された角速度センサを押し出すステップと、
前記押し出された角速度センサを吸引するステップと、
をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の角速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度を検出する角速度センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動部を振動させて、角速度に基づくコリオリ力によって角速度を検出する角速度センサの技術が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３５０１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記技術では振動部の封止手段が開示されていない。振動の際に振動部は空気による抵抗を受けることから、振動部を封止して空気抵抗による影響を低減することが好ましい。
しかしながら、この封止の確実性を確保しつつ、角速度センサの小型化を図るのは必ずしも容易ではない。例えば、ガラス基板によって加速度センサを封止すると、強度の関係から厚さが大きくなり易く、角速度センサの厚さ方向の小型化が困難となる。
上記に鑑み、本発明は封止の確実性と小型化の両立を図った角速度センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る角速度センサは、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ第１の半導体材料からなる第１の構造体と、前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置され、かつ第２の半導体材料からなる第２の構造体と、第1の金属層と第1の絶縁層とが積層されてなり、前記第1の絶縁層側が前記固定部に接続されて前記第１の構造体に積層配置される第１の基体と、第２の金属層と第２の絶縁層とが積層されてなり、前記第２の絶縁層側が前記台座に接続されて前記第２の構造体に積層配置される第２の基体と、前記変位部に積層方向の振動を付与する振動付与部と、前記変位部の変位を検出する変位検出部と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、封止の確実性と小型化の両立を図った角速度センサおよびその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は角速度センサ１００を分解した状態を表す分解斜視図である。
角速度センサ１００は、互いに積層して配置される第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０，および第1、第２の基体１４０、１５０を有する。
【０００７】
図２は、角速度センサ１００の一部（第１の構造体１１０，第２の構造体１３０）をさらに分解した状態を表す分解斜視図である。図３、図４はそれぞれ、第１の構造体１１０の上面図および第２の構造体１３０の底面図である。図５、図６はそれぞれ、第1の基体１４０の底面図および第２の基体１５０の上面図である。図７は、角速度センサ１００を図１のＡ１−Ａ２に沿って切断した状態を表す断面図である。図８，図９はそれぞれ、第1、第２の基体１４０、１５０を図５のＢ１−Ｂ２および図６のＣ１−Ｃ２に沿って切断した状態を表す断面図である。
なお、図１、図２では、見やすさのために後述する電極の記載を省略している。
【０００８】
角速度センサ１００は密封され、その内部が減圧されている。これは後述の変位部（振動部）１１２の振動の際の空気抵抗を低減するためである。変位部１１２をＺ軸方向に振動させると、Ｘ軸またはＹ軸方向の角速度ωｘ、ωｙによるＹ軸またはＸ軸方向のコリオリ力Ｆｙ，Ｆｘが変位部１１２に印加される。印加されたコリオリ力Ｆｙ，Ｆｘによる変位部１１２の変位を検出することで角速度ωｘ、ωｙを測定することができる。このように角速度センサ１００は、２軸の角速度ωｘ、ωｙを測定できる。なお、この詳細は後述する。
【０００９】
第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０，第1、第２の基体１４０，１５０は、その外周が例えば、１ｍｍの辺の略正方形状であり、これらの高さはそれぞれ、例えば、３〜１２μｍ、０．５〜３μｍ、６００〜７２５μｍ、３０〜１５０μｍ、３０〜１５０μｍである。
第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０はそれぞれ、シリコン、酸化シリコン、シリコンから構成可能であり、シリコン／酸化シリコン／シリコンの３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。また、第１、第２の基体１４０，１５０はそれぞれ、樹脂材料と金属からなる積層体から構成できる。
【００１０】
第１の構造体１１０は、外径が略正方形であり、固定部１１１，変位部１１２（１１２ａ〜１１２ｅ），接続部１１３（１１３a〜１１３ｄ）から構成される。第１の構造体１１０は、半導体材料の膜をエッチングして開口１１４ａ〜１１４ｄを形成することで、作成できる。
【００１１】
固定部１１１は、外周、内周（開口）が共に略正方形の枠形状の基板である。
変位部１１２は、変位部１１２ａ〜１１２ｅから構成される。変位部１１２ａは、外周が略正方形の基板であり、固定部１１１の開口の中央近傍に配置される。変位部１１２ｂ〜１１２ｅは、外周が略正方形の基板であり、変位部１１２ａを４方向（Ｘ正方向、Ｘ負方向、Ｙ正方向、Ｙ負方向）から囲むように接続、配置される。変位部１１２ａ〜１１２ｅはそれぞれ、接合部１２０によって後述の重量部１３２ａ〜１３２ｅと接合され、固定部１１１に対して一体的に変位する。
【００１２】
変位部１１２a〜１１２ｅ上に、駆動用電極１１５（１１５ａ〜１１５ｅ）、および検出用電極１１６（１１６ｂ〜１１６ｅ）が配置されている。なお、図示していないが、駆動用電極１１５および検出用電極１１６は接続部１１３を経由する配線によって、固定部１１１上に設けられた端子に接続されている。
駆動用電極１１５は、第１の基体１４０の裏面に設置された後述の駆動用電極１４６と容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部１１２をＺ軸方向に振動させる。また検出用電極１１６は、第１の基体１４０の裏面に設置された後述の検出用電極１４７と容量性結合し、この間の容量の変化によって変位部１１２のＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出する。なお、この駆動および検出の詳細は後述する。
【００１３】
接続部１１３a〜１１３ｄは略長方形の基板であり、固定部１１１と変位部１１２とを４方向（Ｘ−Ｙ平面のＸ方向を０°としたとき、４５°、１３５°、２２５°、３１５°方向）で接続する。
接続部１１３a〜１１３ｄは、撓みが可能な梁として機能する。接続部１１３a〜１１３ｄが撓むことで、変位部１１２が固定部１１１に対して変位可能である。具体的には、変位部１１２が固定部１１１に対して、Ｚ正方向、Ｚ負方向に直線的に変位する。また、変位部１１２は、固定部１１１に対してＸ軸およびＹ軸を回転軸とする正負の回転が可能である。即ち、ここでいう「変位」には、移動および回転（Ｚ軸方向での移動、Ｘ，Ｙ軸での回転）の双方を含めることができる。
【００１４】
第２の構造体１３０は、外径が略正方形であり、台座部１３１および重量部１３２（１３２a〜１３２ｅ）から構成される。第２の構造体１３０は、半導体材料の基板をエッチングして開口１３３を形成することで、作成可能である。なお、台座部１３１と，重量部１３２とは、互いに高さがほぼ等しく、また開口１３３によって分離され、相対的に移動可能である。
【００１５】
台座部１３１は、外周、内周（開口１３３）が共に略正方形の枠形状の基板である。台座部１３１は固定部１１１と対応した形状を有し、接合部１２０によって固定部１１１に接続される。
重量部１３２は、質量を有し、角速度に起因するコリオリ力を受ける重錘、あるいは作用体として機能する。即ち、角速度が印加されると、重量部１３２の重心にコリオリ力が作用する。
重量部１３２は、略直方体形状の重量部１３２a〜１３３ｅに区分される。中心に配置された重量部１３２aに４方向から重量部１３２ｂ〜１３３ｅが接続され、全体として一体的に変位（移動、回転）が可能となっている。即ち、重量部１３２aは、重量部１３２ｂ〜１３３ｅを接続する接続部として機能する。
【００１６】
重量部１３２ａ〜１３２ｅはそれぞれ、変位部１１２ａ〜１１２ｅと対応する略正方形の断面形状を有し、接合部１２０によって変位部１１２ａ〜１１２ｅと接合される。重量部１３２に加わったコリオリ力に応じて変位部１１２が変位し、その結果、角速度の測定が可能となる。
【００１７】
重量部１３２ａ〜１３３ｅによって、重量部１３２を構成しているのは、角速度センサ１００の小型化と高感度化の両立を図るためである。角速度センサ１００を小型化（小容量化）すると、重量部１３２の容量も小さくなり、その質量が小さくなることから、角速度に対する感度も低下する。接続部１１３a〜１１３ｄの撓みを阻害しないように重量部１３２ｂ〜１３３ｅを分散配置することで、重量部１３２の質量を確保している。この結果、角速度センサ１００の小型化と高感度化の両立が図られる。
【００１８】
重量部１３２ａの裏面上に、駆動用電極１３５が配置されている。駆動用電極１３５は、第２の基体１５０の上面に設置された後述の駆動用電極１５６と容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部１１２をＺ軸方向に振動させる。なお、この駆動の詳細は後述する。
【００１９】
接合部１２０は、既述のように、第１、第２の構造体１１０，１３０を接続するものである。接合部１２０は、固定部１１１と台座部１３１を接続する接合部１２１と，変位部１１２ａ〜１１２ｅと重量部１３２ａ〜１３３ｅを接続する接合部１２２（１２２ａ〜１２２ｅ）に区分される。接合部１２０は、これ以外の部分では、第１、第２の構造体１１０，１３０を接続していない。接続部１１３a〜１１３ｄの撓み、および重量部１３２の変位を可能とするためである。
なお、接合部１２１，１２２は、シリコン酸化膜をエッチングすることで構成可能である。
【００２０】
第１の基体１４０は、略直方体の外形を有し、基体本体１４１と補強部１４２とを有する。基体本体１４１は、枠部１４３と底板部１４４とを有する。基板に略直方体状（例えば、縦横８００μｍ、深さ１０μｍ）の凹部１４５を形成することで基体本体１４１を作成できる。
【００２１】
枠部１４３は、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板形状である。枠部１４３は固定部１１１と対応した形状を有し、固定部１１１に種々の手段（例えば、接着剤、合金）で接合される。
底板部１４４は、外周が枠部１４３と略同一の略正方形の基板形状である。
基体１４０に凹部１４５が形成されているのは、変位部１１２が変位するための空間を確保するためである。但し、基体１４０に凹部１４５を形成するのに替えて、あるいはこれと共に、固定部１１１および変位部１１２の高さ（厚さ）を異ならせることも可能である。変位部１１２の厚さを固定部１１１の厚さより薄くすることで、変位部１１２が変位する空間を確保できる。
【００２２】
補強部１４２は、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板形状であり、種々の手段（例えば、接着）で基体本体１４１に接合される。補強部１４２は、第１の基体１４０の機械的強度の向上および第１の基体１４０の気体透過性を低減するためのものである。
例えば、基体本体１４１の主要構成要素が樹脂材料（例えば、ポリイミド材料）の場合には、第１の基体１４０の強度を確保するためにその厚さをある程度大きくする必要が生じる。これに加えて、第１の基体１４０が外部からの気体を透過して、角速度センサ１００内部の真空度（減圧の程度）が低下する可能性がある。
補強部１４２の構成材料をその強度および気体非透過性の確保が容易な高強度・気体非透過性材料、例えば、金属とすることができる。このようにすると、第１の基体１４０の厚さの低減（即ち、角速度センサ１００の小型化）および気体透過性の低減（即ち、角速度センサ１００の長寿命化）が容易となる。
【００２３】
底板部１４４上（第１の基体１４０の裏面上）に、駆動用電極１４６（１４６ａ〜１４６ｅ）、および検出用電極１４７（１４７ｂ〜１４７ｅ）が配置されている。駆動用電極１４６および検出用電極１４７には端子１４８，１４９が接続されている。底板部１４４および補強部１４２に貫通孔が設けられ、角速度センサ１００の外部から端子１４８，１４９への電気的接続を可能としている。
駆動用電極１４６ａ〜１４６ｅはそれぞれ、駆動用電極１１５ａ〜１１５ｅと容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部１１２をＺ軸方向に振動させる。また検出用電極１４７ｂ〜１４７ｅはそれぞれ、検出用電極１１６ｂ〜１１６ｅと容量性結合し、この間の容量の変化によって変位部１１２のＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出する。なお、この駆動および検出の詳細は後述する。
【００２４】
基体本体１４１には、樹脂材料、例えば、ポリイミドを用いることができる。ポリイミドの基板をエッチング液（例えば、アルカリ−アミド系エッチング液）でウェットエッチングすることで凹部１４５を形成することができる。その後に駆動用電極１４６および検出用電極１４７を形成すればよい。
また、基体本体１４１に、樹脂基板（例えば、ポリイミド）と金属基板（例えば、銅）の積層体を用いることができる。金属基板をエッチング液（例えば、ＦｅＣｌ３の水溶液）でウェットエッチングすることで凹部１４５を形成することができる。この場合、枠部１４３の下面は金属材料から構成されることになる。
【００２５】
この金属基板は駆動用電極１４６および検出用電極１４７の構成材料としても用いることが可能であり、この場合、金属基板が２段階にエッチングされる。金属基板が浅くエッチングされた箇所が駆動用電極１４６および検出用電極１４７となる。金属基板が深くエッチングされて、樹脂基板が露出した箇所が凹部１４５の底面となる。
既述のように、基体本体１４１に凹部１４５を形成しないことも考えられる（例えば、変位部１１２および接続部１１３の高さを固定部１１１の高さより低くする）。このときには、この金属基板を2段階エッチングすることを要しない。金属基板は、枠部１４３の下面に対応する箇所、および駆動用電極１４６、検出用電極１４７の構成材料として用いることが可能である。
【００２６】
補強部１４２には、金属、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、より具体的には、ステンレス、インバーを用いることができる。
【００２７】
第１の基体１４０の作成に、第１の金属基板と樹脂基板と第２の金属基板の３層積層体を用いることができる。この３層の積層体は、例えば、樹脂基板と金属基板との間に接着層を設けて積層、接着することで形成できる。接着時には適宜、プレス等により加圧、加熱を行うことができる。
第２の金属基板を２段階にエッチングして凹部１４５、および駆動用電極１４６と検出用電極１４７を形成する。このとき、第２の金属基板は補強部１４２を構成する。また、前述のように、凹部１４５を形成しない場合には、第２の金属基板をエッチングして、駆動用電極１４６と検出用電極１４７を形成する（枠部１４３の下面に対応する箇所も第２の金属基板となる）。
【００２８】
なお、3層積層体に替えて、金属基板と樹脂基板との２層積層体を用いることも可能である。このときには、樹脂基板をエッチングして凹部１４５を形成し、その後に駆動用電極１４６および検出用電極１４７を付加する。このとき、金属基板は補強部１４２を構成する。
【００２９】
基体１４０に樹脂材料と金属材料の積層体を用いることで、例えば、ガラス材料のみを用いた場合と比較して、基体１４０の高さの低減、ひいては角速度センサ１００の薄型化を図ることができる。具体的には、基体１４０の高さ（厚さ）をガラス材料の場合での６００μｍ程度に対して、６０〜９０μｍ程度（樹脂材料２０μｍ、金属材料４０〜７０μｍ）とすることができる。ガラス材料よりも金属材料の方が破壊に強いからである。
【００３０】
第１の基体１４０と第１の構造体１１０は、接着材や合金で接続することができる。
例えば、第１の構造体１１０側に金（Ａｕ）の層を第１の基体１４０側に錫（Ｓｎ）の層を形成し、これらを接触した状態で加熱する。この結果、金と錫とが合金化されて合金（金スズ共晶合金）の接合層が形成され、第１の基体１４０と第１の構造体１１０が接合される。
このとき、第１の構造体１１０と金層の間にＮｉ，Ｔｉ，Ｃｒ等からなるバリア層を付加することが好ましい。金が第１構造体１１０内に拡散して、角速度センサ１００の特性が劣化するのを防止できる。また、バリア層は第１構造体１１０上に金の層を形成するに際して、第１構造体１１０とこの膜とを接着させるためのいわば接着剤としても機能する（金は反応性が低いため、例えば、シリコンへの付着強度が小さい）。
【００３１】
第２の基体１５０は、略直方体の外形を有し、基体本体１５１と補強部１５２とを有する。基体本体１５１は、枠部１５３と底板部１５４とを有する。基板に略直方体状（例えば、縦横８００μｍ、深さ１０μｍ）の凹部１５５を形成することで基体本体１５１を作成できる。
【００３２】
枠部１５３は、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板形状である。枠部１５３は台座部１３１と対応した形状を有し、台座部１３１に種々の手段（例えば、接着剤、合金）で接合される。
底板部１５４は、外周が枠部１５３と略同一の略正方形の基板形状である。
基体１５０に凹部１５５が形成されているのは、重量部１３２が変位するための空間を確保するためである。但し、第２の基体１５０に凹部１５５を形成するのに替えて、あるいはこれと共に、台座部１３１および重量部１３２の高さ（厚さ）を異ならせることも可能である。重量部１３２の厚さを台座部１３１の厚さより薄くすることで、重量部１３２が変位する空間を確保できる。
【００３３】
補強部１５２は、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板形状であり、種々の手段（例えば、接着）で基体本体１５１に接合される。補強部１５２は、第２の基体１５０の機械的強度の向上および第２の基体１５０の気体透過性を低減するためのものである。
例えば、基体本体１５１の主要構成要素が樹脂材料（例えば、ポリイミド材料）の場合には、第２の基体１５０の強度を確保するためにその厚さをある程度大きくする必要が生じる。これに加えて、第２の基体１５０が外部からの気体を透過して、角速度センサ１００内部の真空度（減圧の程度）が低下する可能性がある。
補強部１５２の構成材料をその強度および気体非透過性の確保が容易な高強度・気体非透過性材料、例えば、金属とすることができる。このようにすると、第２の基体１５０の厚さの低減（即ち、角速度センサ１００の小型化）および気体透過性の低減（即ち、角速度センサ１００の長寿命化）が容易となる。
【００３４】
底板部１５４上（第２の基体１５０の上面上）に、駆動用電極１５６が配置されている。駆動用電極１５６には端子１５８が接続されている。底板部１５４および補強部１５２に貫通孔が設けられ、角速度センサ１００の外部から端子１５８への電気的接続を可能としている。
駆動用電極１５６はそれぞれ、駆動用電極１３５と容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部１１２をＺ軸方向に振動させる。なお、この駆動の詳細は後述する。
【００３５】
第２の基体１５０は、第１の基体１４０と近似する構造を有することから、第１の基体と同様の構成材料を用いることができる。具体的には、第１の金属基板と樹脂基板と第２の金属基板の３層積層体（あるいは、金属基板と樹脂基板の２層積層体）を用いることができる。この点、第２の基体１５０は、第１の基体１４０と本質的に異なるものではないので詳細な説明を省略する。
【００３６】
第２の基体１５０に樹脂材料と金属材料の積層体を用いることで、例えば、ガラス材料のみを用いた場合と比較して、基体１５０の高さの低減、ひいては角速度センサ１００の薄型化を図ることができる。具体的には、基体１５０の高さ（厚さ）をガラス材料の場合での６００μｍ程度に対して、６０〜９０μｍ程度（樹脂材料２０μｍ、金属材料４０〜７０μｍ）とすることができる。ガラス材料よりも金属材料の方が破壊に強いからである。
また、後述するように、作成された角速度センサ１００を半導体基板からのダイシングにより取り出す際に、基体１５０の底面の任意の箇所を押圧することが可能である。このため、生産時の取り扱いが容易となる。
【００３７】
第１の基体１４０と第１の構造体１１０は、接着材や合金で接続することができる。
この点、第２の基体１５０は、第１の基体１４０と本質的に異なるものではないので詳細な説明を省略する。
【００３８】
（角速度センサ１００の動作）
角速度センサ１００による角速度の検出の原理を説明する。既述のように、第１の構造体１１０と第１の基体１４０間に対をなす駆動用電極１１５，１４６および検出用電極１１６、１４７が配置されている。また、第２の構造体１３０と第２の基体１５０間に対をなす駆動用電極１３５，１５６が配置されている。
【００３９】
（１）変位部１１２の振動
駆動用電極１１５，１４６間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極１１５，１４６が互いに吸引され、変位部１１２（重量部１３２も）はＺ軸正方向に変位する。また、駆動用電極１３５，１５６間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極１３５，１５６が互いに吸引され、変位部１１２（重量部１３２も）はＺ軸負方向に変位する。即ち、駆動用電極１１５，１４６間、駆動用電極１３５，１５６間への電圧印加を交互に行うことで、変位部１１２（重量部１３２も）はＺ軸方向に振動する。この電圧の印加は正又は負の直流波形（非印加時も考慮するとパルス波形）、半波波形等を用いることができる。
【００４０】
変位部１１２の振動の周期は電圧を切り換える周期で決まってくる。この切換の周期は変位部１１２の固有振動数にある程度近接していることが好ましい。変位部１１２の固有振動数は、接続部１１３の弾性力や重量部１３２の質量等で決定される。変位部１１２に加えられる振動の周期が固有振動数に対応しないと、変位部１１２に加えられた振動のエネルギーが発散されてエネルギー効率が低下する。
【００４１】
（２）角速度に起因するコリオリ力の発生
重量部１３２（変位部１１２）がＺ軸方向に速度ｖｚで移動しているときに角速度ωが印加されると重量部１３２にコリオリ力Ｆが作用する。具体的には、Ｘ軸方向の角速度ωｘおよびＹ軸方向の角速度ωｙそれぞれに応じて、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙ（＝２・ｍ・ｖｚ・ωｘ）およびＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘ（＝２・ｍ・ｖｚ・ωｙ）が重量部１３２に作用する（ｍは、重量部１３２の質量）。
【００４２】
図１０は、図７に対応し、Ｘ軸方向の角速度ωｘによるコリオリ力Ｆｙ（Ｆｙ＝２・ｍ・ｖｚ・ωｘ）が印加されたときの角速度センサ１００の状態を表す断面図である。
コリオリ力Ｆｙによって変位部１１２にＹ方向への傾きが生じていることが判る。このように、角速度ωｘ、ωｙに起因するコリオリ力Ｆｙ、Ｆｘによって変位部１１２にＹ方向、Ｙ方向の傾き（変位）が生じる。
【００４３】
（３）変位部１１２の変位の検出
変位部１１２の傾きは検出用電極１１６、１４７によって検出することができる。変位部１１２にＹ正方向のコリオリ力Ｆｙが印加されると、検出用電極１１６ｃ、１４７ｃ間の距離は小さくなり、検出用電極１１６ｅ、１４７ｅ間の距離は大きくなる。この結果、検出用電極１１６ｃ、１４７ｃ間の容量は大きくなり、検出用電極１１６ｅ、１４７ｅ間の容量は小さくなる。即ち、検出用電極１１６ｂ〜１１６ｅ、１４７ｂ〜１４７ｅ間の容量の差に基づいて、変位部１１２のＸ、Ｙ方向の傾きの変化を検出し、検出信号として取り出すことができる。
【００４４】
以上のように、駆動用電極１１５，１４６、駆動用電極１３５，１５６によって変位部１１２をＺ方向に振動させ、検出用電極１１６、１４７によって変位部１１２のＸ方向、Ｙ方向への傾きを検出する（駆動用電極１１５，１４６、駆動用電極１３５，１５６は振動付与部として、検出用電極１１６、１４７は変位検出部として機能する）。この結果、角速度センサ１００によるＹ方向、Ｘ方向（２軸）の角速度ωｙ、ωｘの測定が可能となる。
【００４５】
（４）検出信号からのバイアス成分の除去
検出用電極１１６、１４７から出力される信号は、重量部１３２に印加される角速度ωｙ、ωｘに起因する成分のみではない。この信号には重量部１３２に印加されるＸ軸、Ｙ軸方向の加速度αｘ、αｙに起因する成分も含まれる。加速度αｘ、αｙによっても変位部１１２の変位が生じうるからである。
【００４６】
検出信号から加速度成分を除去し角速度成分を得るには、それらの成分の特性の相違を利用することができる。重量部１３２（質量ｍ）に角速度（ω）が印加されたときの力Ｆω（＝２・ｍ・ｖｚ・ω）は重量部１３２のＺ軸方向の速度ｖｚに依存する。一方、重量部１３２（質量ｍ）に加速度（α）が印加されたときの力Ｆα（＝ｍ・α）は重量部１３２の振動には依存しない。即ち、検出信号の角速度成分は変位部１１２の振動に対応して周期的に変化する一種の振幅成分であり、検出信号の加速度成分は変位部１１２の振動に対応しない一種のバイアス成分である。
検出信号からバイアス成分を除去することで、検出信号から角速度成分の抽出、即ち、角速度の測定を行うことができる。例えば、検出信号の周波数分析によって変位部１１２の振動数と同様の振動成分を抽出する。
【００４７】
（角速度センサ１００の作成）
角速度センサ１００の作成工程につき説明する。
図１１は、角速度センサ１００の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図１２〜図２０は、図７に対応し、図１１の作成手順における角速度センサ１００の状態を表す断面図である（図１に示す角速度センサ１００をＡ１−Ａ２で切断した断面に相当する）。
【００４８】
（１）半導体基板Ｗの用意（ステップＳ１１，および図１２、図２１）
図１２に示すように、第１、第２、第３の層１１、１２、１３の３層を積層してなる半導体基板Ｗを用意する。
図２１は、半導体基板Ｗの模式図である。ここでは第１、第２、第３の層１１、１２、１３の記載を省略している。本図に示すように、半導体基板Ｗは複数の領域Ａに区分され、これらの領域Ａそれぞれに角速度センサ１００を作成する。即ち、角速度センサ１００は、一枚の半導体基板Ｗ上に複数（例えば、数千個、数万個）纏めて作成される。
図１２には、図２１の一つの領域Ａが表されているものとし、他の図１３〜図２０も同様とする。
【００４９】
第１、第２、第３の層１１、１２、１３はそれぞれ、第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０を構成するための層であり、ここでは、シリコン、酸化シリコン、シリコンからなる層とする。
シリコン／酸化シリコン／シリコンという３層の積層構造をもった半導体基板Ｗは、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン膜を順に積層することで作成できる（いわゆるＳＯＩ基板）。
【００５０】
第２の層１２を第１、第３の層１１，１３とは異なる材料から構成しているのは、第１、第３の層１１，１３とエッチング特性を異ならせ、エッチングのストッパ層として利用するためである。第１の層１１に対する上面からのエッチング、および第３の層１３に対する下面からのエッチングの双方で、第２の層１２がエッチングのストッパ層として機能する。
なお、ここでは第１の層１１と第３の層１３とを同一材料（シリコン）によって構成するものとするが、第１、第２、第３の層１１、１２、１３のすべてを異なる材料によって構成しても良い。
【００５１】
（２）第１の構造体１１０の作成（第１の層１０のエッチング、ステップＳ１２，および図１３）
第１の層１１をエッチングすることにより、開口１１４を形成し、第１の構造体１１０を形成する。即ち、第１の層１１に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第１の層１１の所定領域（開口１１４ａ〜１１４ｄ）に対して、第２の層１２の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。
【００５２】
第１の層１１の上面に、第１の構造体１１０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方に浸食する。このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第１の層１１の所定領域（開口１１４ａ〜１１４ｄ）のみが除去される。
図１３は、第１の層１１に対して、上述のようなエッチングを行い、第１の構造体１１０を形成した状態を示す。
【００５３】
（３）第２の構造体１３０の作成（第３の層１３のエッチング、ステップＳ１３，および図１４）
第３の層１３をエッチングすることにより、開口１３３を形成し、第２の構造体１３０を形成する。即ち、第３の層１３に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層１３の所定領域（開口１３３）に対して、第２の層１２の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。
【００５４】
第３の層１３の下面に、第２の構造体１３０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直上方へと浸食させる。このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第３の層１３の所定領域（開口１３３）のみが除去される。
図１４は、第３の層１３に対して、上述のようなエッチングを行い、第２の構造体１３０を形成した状態を示す。
【００５５】
なお、上述した第１の層１１に対するエッチング工程（ステップＳ１２）と、第３の層１３に対するエッチング工程（ステップＳ１３）の順序は入れ替えることができる。いずれのエッチング工程を先に行ってもかまわないし、同時に行っても差し支えない。
【００５６】
（４）第１、第２の構造体１１０，１３０間の接合部１２０の作成（第２の層１２のエッチング、ステップＳ１４，および図１５）
第２の層１２をエッチングすることにより、接合部１２０を形成する。即ち、第２の層１２に対しては浸食性を有し、第１の層１１および第３の層１３に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層１２に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。
【００５７】
このエッチング工程では、別途、レジスト層を形成する必要はない。即ち、第３の層１３の残存部分である第２の構造体１３０が、第２の層１２に対するレジスト層として機能する。エッチングは、第２の層１２の露出部分、すなわち、開口１３３の形成領域に対してなされる。
【００５８】
以上の製造プロセスにおいて、第１の構造体１１０を形成する工程（ステップＳ１２）と、第２の構造体１３０を形成する工程（ステップＳ１３）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。
第１の条件は、各層の厚み方向への方向性を持つことである、第２の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。第１の条件は、所定寸法をもった開口や溝を形成するために必要な条件であり、第２の条件は、酸化シリコンからなる第２の層１２を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。
【００５９】
第１の条件を満たすエッチング方法として、誘導結合型プラズマエッチング法（ＩＣＰエッチング法：Induced Coupling Plasma Etching Method ）を挙げることができる。このエッチング法は、垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法であり、一般に、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）と呼ばれているエッチング方法の一種である。
この方法では、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。
【００６０】
一方、第２の条件を満たすエッチングを行うには、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。例えば、エッチング段階では、ＳＦ６ガス、およびＯ２ガスの混合ガスを、デポジション段階では、Ｃ４Ｆ８ガスを用いることが考えられる。
【００６１】
第２の層１２に対するエッチング工程（ステップＳ１４）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第１の条件は、厚み方向とともに層方向への方向性をもつことであり、第２の条件は、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。
第１の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して重量部１３２の変位の自由度を妨げることがないようにするために必要な条件である。第２の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる第１の構造体１１０や第２の構造体１３０に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
【００６２】
第１、第２の条件を満たすエッチング方法として、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：１０の混合液）をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。また、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングも適用可能である。
【００６３】
（５）電極の形成（ステップＳ１６、および図１６）
変位部１１２上に駆動用電極１１５および検出用電極１１６を、重量部１３２ａの裏面上に駆動用電極１３５を形成する。この形成は、電極材料（例えば、銅）の成膜およびパターニング（マスクを用いたエッチング）によって行える。
【００６４】
（６）第１、第２の基体１４０、１５０を形成した積層体Ｃ１，Ｃ２の接合（ステップＳ１７，および図１７）
１）積層体Ｃ１，Ｃ２への第１、第２の基体１４０，１５０の作成
積層体Ｃ１，Ｃ２として、第１の金属基板と樹脂基板と第２の金属基板の３層積層体を用いることができる。
３層積層体の第２の金属基板を２段階にエッチングして凹部１４５、および駆動用電極１４６と検出用電極１４７を形成することで、第１の基体１４０を形成できる。また、３層積層体の第２の金属基板を２段階にエッチングして凹部１５５、および駆動用電極１５６を形成することで、第２の基体１５０を形成できる。
また、前述のように、凹部１４５を形成せず、第２の金属基板をエッチングして、駆動用電極１４６と検出用電極１４７を形成してもよい。
【００６５】
さらに、積層体Ｃ１，Ｃ２には、これら電極１４６，１４７、１５６の端子１４８，１４９、１５８に外部から電気的接続するための貫通孔を形成する。
この段階では（後述のダイシング前）、第１、第２の基体１４０，１５０は積層体Ｃ１，Ｃ２それぞれ上に多数形成され、個々の基体１４０，１５０には分離されていない。
【００６６】
２）第１の構造体１１０と第１の基体１４０、および第２の構造体１３０と第２の基体１５０の接合
第１の構造体１１０と第１の基体１４０および第２の構造体１３０と第２の基体１５０を接合する。
【００６７】
この接合には接着剤や合金を用いることができる。合金での接合は、例えば、以下のようにしてなされる。なお、第１の構造体１１０と第１の基体１４０の接合、および第２の構造体１３０と第２の基体１５０の接合は、順に行われるのが通例であるが、同様の手法によって接合可能であるので、纏めて説明することとする。
・基体１４０の下面、基体１５０の上面への金属皮膜の形成
基体１４０の下面、基体１５０に第１の金属、例えば、錫の皮膜を形成する。
・第１構造体１１０の上面、第２構造体１３０の下面への金属皮膜の形成（メタライズ）
第１構造体１１０の上面、第２構造体１３０の下面に、第１の金属との間に合金をなす第２の金属、例えば、金の皮膜を形成する。第１構造体１１０の上面、第２構造体１３０の下面に金の膜を形成するに先んじて、バリア層として、例えば、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれかを成膜する。
【００６８】
・第１構造体１１０と第１基体１４０、第２構造体１３０と第２基体１５０の接合
第１構造体１１０の上面の金層と第１基体１４０の下面の錫層、第２構造体１３０の下面の金層と基体１５０の上面の錫層とを接触させた状態で、例えば、２００〜２５０℃に加熱する。この結果、金層と錫層とが合金化して金錫合金層が形成されることで、第１構造体１１０と第１基体１４０、第２構造体１３０と第２基体１５０が接合される。
【００６９】
（７）半導体基板Ｗのダイシング（ステップＳ１７および図１８〜図２０，図２２）
１）ダイシングパッド２１への接続
積層体Ｃ２の底面にダイシングパッド２１を接続する。ダイシングパッド２１は、粘着性を有するフィルムであり、半導体基板Ｗおよび積層体Ｃ１，Ｃ２をダイシングして角速度センサ１００を切り出すときに、角速度センサ１００を固定するためのものである。なお、ダイシングパッド２１の表面には、紫外線を照射することで、粘着性が低減される粘着材が塗布されている。
図２２は、角速度センサ１００が複数形成された半導体基板Ｗおよび積層体Ｃ１，Ｃ２にダイシングパッド２１を接続した状態を表す模式図である。
【００７０】
２）半導体基板Ｗおよび積層体Ｃ１，Ｃ２にダイシングソー等で切れ込みを形成する。このとき冷却液を用い、切断箇所の加熱を制限する（図１８）。
【００７１】
３）角速度センサ１００の取り出し
突き出しピン２２で第２の基体１５０の下面を押して、角速度センサ１００を基板Ｗから持ち上げ、真空チャック２３の吸引口２４で吸引する（図１９，図２０）。このとき、ダイシングパッド２１の粘着剤に紫外線（ＵＶ）を照射して、その粘着性を低減し、角速度センサ１００がダイシングパッド２１から容易に離間されるようにする。
【００７２】
ここで、突き出しピン２２は基体１５０の下面の任意の位置（図１９の幅Ｄ）を押すことが可能である。第２の基体１５０が樹脂と金属の積層体で構成され、十分な強度を有する。このため、突き出しピン２２による押し出しによって角速度センサ１００が破損することがない。
第２の基体１５０が接続されていない状態で角速度センサ１００を取り出そうとすれば、突き出しピン２２が押すことができるのは台座部１３１の部分（図１９の幅Ｄ０）に限られ、突き出しピン２２の精密な制御を要することになる。突き出しピン２２が重量部１３２を押すと、接続部１１３が破損されることになる。
また、基体１４０，１５０がガラス材料から構成されていると、基体１４０，１５０を薄くすることが困難であり、角速度センサ１００の薄型化が困難となる。
【００７３】
以上のように、第１，第２の基体１４０，１５０に樹脂と金属の積層体を用いることで、加速度センサ１００の封止の確実性を確保しつつ、その薄型化、製造性の向上を図ることができる。
【００７４】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態に係る角速度センサを表す分解斜視図である。
【図２】図1の角速度センサの一部を分解した状態を表す分解斜視図である。
【図３】第１の構造体の上面図である。
【図４】第２の構造体の底面図である。
【図５】第1の基体の底面図である。
【図６】第２の基体の上面図である。
【図７】角速度センサの断面図である。
【図８】第1の基体の断面図である。
【図９】第２の基体の断面図である。
【図１０】Ｘ軸方向の角速度ωｘによるコリオリ力Ｆｙが印加されたときの角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１１】角速度センサの作成手順の一例を表すフロー図である。
【図１２】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１３】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１４】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１５】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１６】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１７】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１８】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図１９】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図２０】図１１の作成手順における角速度センサの状態を表す断面図である。
【図２１】半導体基板を表す斜視図である。
【図２２】半導体基板および積層体の底面にダイシングパッドを貼り付けた状態を表す斜視図である。
【符号の説明】
【００７６】
１００ 角速度センサ
１１０ 第１の構造体
１１１ 固定部
１１２（１１２ａ-１１２ｅ） 変位部
１１３（１１３a-１１３ｄ）  接続部
１１４（１１４ａ-１１４ｄ） 開口
１１５（１１５ａ-１１５ｅ） 駆動用電極
１１６（１１６ｂ-１１６ｅ） 検出用電極
１２０，１２１，１２２      接合部
１３０ 第２の構造体
１３１ 台座部
１３２（１３２a-１３３ｄ）  重量部
１３３ 開口
１３５ 駆動用電極
１４０ 第１の基体
１４１ 基体本体
１４２ 補強部
１４３ 枠部
１４４ 底板部
１４５ 凹部
１４６（１４６ａ-１４６ｅ） 駆動用電極
１４７（１４７ｂ-１４７ｅ） 検出用電極
１４８，１４９       端子
１５０ 第２の基体
１５１ 基体本体
１５２ 補強部
１５３ 枠部
１５４ 底板部
１５５ 凹部
１５６ 駆動用電極
１５８ 端子
【図１】
2006329885.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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