(57)【要約】【課題】  コストが低く生産性が高い圧電振動型慣性センサを得る。【解決手段】  可撓性を有する基板５を、４つの支持梁７〜１３により基体３に支持する。基板５の片面６上に、第１及び第２の節部Ｎ１及びＮ２が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層１９，２１と圧電体薄膜層２３，２５と上側電極層２７とが積層された構造を有する圧電素子から構成された振動駆動部１５及び振動検出部１７とを備えている。【選択図】  図１
2006234443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する基板と、
前記基板との間に所定の間隔をあけて前記基板の周囲を囲むように配置された基体と、
前記基板が屈曲振動する際の第１の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第１の一対の支持梁と、
前記基板が屈曲振動する際の第２の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第２の一対の支持梁と、
前記基板の片面上に、前記第１及び第２の節部が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層と圧電体薄膜層と上側電極層とが積層された構造を有する１以上の圧電素子から構成された振動駆動部及び振動検出部とを備えていることを特徴とする圧電振動型慣性センサ。
【請求項２】
可撓性を有する基板と、
前記基板との間に所定の間隔をあけて前記基板の周囲を囲むように配置された基体と、
前記基板が屈曲振動する際の第１の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第１の一対の支持梁と、
前記基板が屈曲振動する際の第２の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第２の一対の支持梁と、
前記基板の片面上に、前記第１及び第２の節部が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層と、第１の圧電体薄膜層と、中間電極層と、第２の圧電体薄膜層と上側電極層とが積層されて構成された１以上の圧電素子から構成されて形成された振動駆動部及び振動検出部を備えており、
前記第１の圧電体薄膜層と前記第２の圧電体薄膜層とは逆方向に分極されていることを特徴とする圧電振動型慣性センサ。
【請求項３】
前記基板がシリコン基板、ガラス基板、金属板、ポリイミド等の可撓性を有する樹脂基板または金属板上に可撓性を有する樹脂基板が積層されてなる複合基板からなることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動型慣性センサ。
【請求項４】
前記基板が絶縁性薄膜またはシートからなる請求項２に記載の圧電振動型慣性センサ。
【請求項５】
前記下側電極層は、アルミニウム、銀、金、銅、白金等のように結晶構造が面心立方格子構想をとる金属薄膜を含んで形成され、
前記圧電体薄膜層が、窒化アルミニウム薄膜、窒化ガリウム薄膜、窒化インジウム薄膜、硫化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜、酸化亜鉛薄膜及びタンタル酸リチウム薄膜のいずれか１つ以上の薄膜から構成され、双極子配向度が５５％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電振動型慣性センサ。
【請求項６】
前記下側電極層は、アルミニウム、銀、金、銅、白金等のように結晶構造が面心立方格子構造をとる金属薄膜を含んで形成され、
前記中間電極層がモリブデン等のように結晶構造が体心立方格子構造になる金属薄膜により形成され、
前記第１及び第２の圧電体薄膜層が、それぞれ窒化アルミニウム薄膜、窒化ガリウム薄膜、窒化インジウム薄膜、硫化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜、酸化亜鉛薄膜及びタンタル酸リチウム薄膜のいずか１つ以上の薄膜から構成され、双極子配向度が５５％以上であることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動型慣性センサ。
【請求項７】
前記振動駆動部の前記下側電極層と前記振動検出部の前記下側電極層とが連続して形成されて一つの共通電極層を形成しており、
前記振動駆動部の前記圧電体薄膜層と前記振動検出部の前記圧電体薄膜層とが連続して形成されて一つの共通圧電体薄膜層を形成している請求項１に記載の圧電振動型慣性センサ。
【請求項８】
前記基体上には前記振動駆動部用の一対の入力電極と前記振動検出部用の一対の出力電極とが形成され、
前記振動駆動部の前記下側電極層及び上側電極層と前記一対の入力電極とは前記第１及び第２の一対の支持梁から選択された２つの前記支持梁上にそれぞれ形成された引出線を介して接続され、
前記振動検出部の前記下側電極層及び上側電極層と前記一対の出力電極とは前記第１及び第２の一対の支持梁から選択された別の２つの前記支持梁上にそれぞれ形成された引出線を介して接続されている請求項１または２に記載の圧電振動型慣性センサ。
【請求項９】
前記基板は、前記第１及び第２の一対の支持梁を越えて長手方向外側に延びる延長部を備えており、
前記延長部の前記片面上には、バランスウエイトとして１層以上の薄膜層が形成されている請求項１または２に記載の圧電振動型慣性センサ。
【請求項１０】
半導体基板の片面上に、振動駆動部及び振動検出部を形成する第１の工程と、
前記半導体基板にエッチングを施して、前記振動駆動部及び振動検出部を備えた可撓性を有する基板と、前記基板との間に所定の間隔あけて前記基板の周囲を囲むように配置された基体と、前記基板が屈曲振動する際の第１の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第１の一対の支持梁と、前記基板が屈曲振動する際の第２の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第２の一対の支持梁とを一体に有するセンサ本体を形成する第２の工程とからなり、
前記第１の工程では、前記基板の片面上の前記第１及び第２の節部間に位置する表面領域上に、前記第１及び第２の節部が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層と圧電体薄膜層と上側電極層とが積層された構造を有する１以上の圧電素子から構成された振動駆動部及び振動検出部を形成することを特徴とする圧電振動型慣性センサの製造方法。
【請求項１１】
半導体基板の片面上に、酸化膜を形成し、前記酸化膜の上に振動駆動部及び振動検出部を形成する第１の工程と、
前記半導体基板にエッチングを施して、前記振動駆動部及び振動検出部を備えた可撓性を有する基板と、前記基板との間に所定の間隔あけて前記基板の周囲を囲むように配置された基体と、前記基板が屈曲振動する際の第１の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第１の一対の支持梁と、前記基板が屈曲振動する際の第２の節部において前記基板を前記基体に対して支持する第２の一対の支持梁とを一体に有するセンサ本体を形成する第２の工程と、
前記第２の工程の後に、前記基板を除去する第３の工程とかなり、
前記第１の工程では、前記基板の片面上に、前記第１及び第２の節部が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層と第１の圧電体薄膜層と中間電極層と第２の圧電薄膜層と上側電極層とが積層された構造をそれぞれ有し、前記第１の圧電体薄膜層と前記第２の圧電体薄膜層とが逆方向に分極されている振動駆動部及び振動検出部を形成することを特徴とする圧電振動型慣性センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いて構成する圧電振動型慣性センサとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平１１−８３４９７公報（特許文献１）の図６〜図１０には、シリコン基板と、シリコン基板との間に所定の間隔あけて基板の周囲を囲むように配置された基体と、シリコン基板が屈曲振動する際の節部において基板を基体に対して支持する４つの支持梁と、シリコン基板の一方の面上形成された圧電素子からなる振動駆動部と、シリコン基板の他方の面上に形成され圧電素子からなる振動検出部とを備えた、従来の圧電振動型慣性センサの構造が示されている。
【特許文献１】特開平１１−８３４９７公報（特許文献１）の図６〜図１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の慣性センサでは、振動駆動部及び振動検出部を構成するための圧電体薄膜層及び金属電極層を基板の裏表２面から成膜しなければならず、工程中に成膜面のセットし直しが必要となり生産性が低下する問題がある。また両面成膜が行える高価な装置が必要となりセンサのコストアップにつながる問題がある。
【０００４】
また裏面側の電極引き出し部を基体のエッチング傾斜面の段差部を跨ぐように形成する必要があるために、製造が難しいという問題が有った。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の圧電振動型慣性センサは、可撓性を有する基板と、この基板との間に所定の間隔をあけて基板の周囲を囲むように配置された基体と、基板が屈曲振動する際の第１の節部において前記基板を基体に対して支持する第１の一対の支持梁と、基板が屈曲振動する際の第２の節部において基板を基体に対して支持する第２の一対の支持梁とを備えている。そして基板の片面上に、第１及び第２の節部が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層と圧電体薄膜層と上側電極層とが積層された構造を有する１以上の圧電素子からなる振動駆動部及び振動検出部を備えている。
【０００６】
本発明の慣性センサによれば、基板片面上に振動駆動部と振動用検出部とを形成するので、生産中における成膜面のセットのし直しが不要であり、生産性が高くなる。また製造装置の価格が安くて済むため、製品のコストを大幅に下げることができる。
【０００７】
なお振動駆動部及び振動検出部を、それぞれ下側電極層と、第１の圧電体薄膜層と、中間電極層と、第２の圧電体薄膜層と上側電極層とが積層されて構成された１以上の圧電素子から構成してもよい。この場合、第１の圧電体薄膜層と第２の圧電体薄膜層とは逆方向に分極されている。このようなバイモルフ構造にすると、検出出力を大きくすることができる。なおこの場合において、基板を絶縁性薄膜またはシートから構成すると、基板が振動の負荷になることを抑制して、出力を更に大きなものとすることができる。
【０００８】
また基板は、シリコン基板、ガラス基板、金属板、ポリイミド等の可撓性を有する樹脂基板または金属板上に可撓性を有する樹脂基板が積層されてなる複合基板からなることが好ましい。これらの基板であれば、所望の可撓性と機械的強度とを簡単に得ることができ、しかも安価に基板を形成することができる。
【０００９】
更に少なくとも下側電極層は、アルミニウム、銀、金、銅、白金等の何れかの金属薄膜により形成することができる。上側電極層も下側電極層と同様の金属薄膜により形成してもよい。またバイモルフ構造にする場合の中間電極層は、モリブデン等のように結晶構造が体心立方格子構造になる金属薄膜により形成する。このような結晶構造が体心立方格子構造になる金属薄膜を用いると、第１の圧電体薄膜層と第２の圧電体薄膜層の分極方向は逆になる即ち反転した関係になる。
【００１０】
また圧電体薄膜層を、窒化アルミニウム薄膜、窒化ガリウム薄膜、窒化インジウム薄膜、硫化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜、酸化亜鉛薄膜及びタンタル酸リチウム薄膜のいずか１つ以上の薄膜から構成することができる。この場合、圧電体薄膜は、双極子配向度が５５％以上であることが望ましい。ここで双極子配向度とは、圧電体薄膜表面の分極方向において、プラスまたはマイナスの占有率が高い方の割合を算出したものである。双極子配向度が５０％の場合は、プラスとマイナスの量が等しくなり、信号が全く出ないこととなるため、プラスまたはマイナスの一方に偏った状態であることが理想的となる。双極子配向度と圧電素子に溜まる電荷量とには相関がある。すなわち、双極子配向度が高いほど、圧電素子は高電圧を蓄積することが可能となり、その結果高性能となる。なお、理論上は、例えば５０．１％等の僅かな差があれば信号は出ることになるものの、双極子配向度の偏りによる信号の有無について測定をした結果、５５％以上の偏りがない場合には測定上困難であるため、双極子配向度が５５％以上の薄膜を圧電体薄膜とした。このような電極層及び圧電体薄膜層を用いると、圧電効果が高くなり、検出出力を高めることができる。特に圧電体薄膜層として、窒化アルミ薄膜を用いると、１２００℃以上でも圧電性を示すなど耐熱性が高いため、製造が容易で耐熱安定性があり、温度特性の良い慣性センサを得ることができる。
【００１１】
面心立方格子の結晶構造をとるアルミニウム、銀、金、銅、白金等の薄膜上に、前述の圧電体薄膜を形成すると、自発分極をするため配向性の低い場合に必要な、電圧印加による分極処理が不要となる利点が得られる。
【００１２】
また振動駆動部の下側電極層と振動検出部の下側電極層とを連続して形成して一つの共通電極層を形成するようにしてもよい。また振動駆動部の圧電体薄膜層と振動検出部の圧電体薄膜層とを連続して形成して一つの共通圧電体薄膜層を形成するようにしてもよい。このようにすると製造工程を少なくすることができるため、慣性センサの製造コストを下げることができる。
【００１３】
具体的には、基体上には、振動駆動部用の一対の入力電極と振動検出部用の一対の出力電極とを形成する。そして振動駆動部の下側電極層及び上側電極層と一対の入力電極とは、第１及び第２の一対の支持梁から選択された２つの前記支持梁上にそれぞれ形成された引出線を介して接続することができる。また振動検出部の下側電極層及び上側電極層と一対の出力電極とは、第１及び第２の一対の支持梁から選択された別の２つの支持梁上にそれぞれ形成された引出線を介して接続することができる。このようにすると、電気的な接続を簡単且つ確実に行える。
【００１４】
基板が、第１及び第２の一対の支持梁を越えて長手方向外側に延びる延長部を備えている場合には、延長部の片面上に、バランスウエイトとして１層以上の薄膜層を形成してもよい。
【００１５】
本発明の慣性センサを製造する場合には、半導体基板の片面上に、振動駆動部及び振動検出部を形成する第１の工程と、半導体基板にエッチングを施して、振動駆動部及び振動検出部を備えた可撓性を有する基板と、この基板との間に所定の間隔あけて基板の周囲を囲むように配置された基体と、基板が屈曲振動する際の第１の節部において基板を基体に対して支持する第１の一対の支持梁と、基板が屈曲振動する際の第２の節部において基板を基体に対して支持する第２の一対の支持梁とを一体に有するセンサ本体を形成する第２の工程とを実施する。そして第１の工程では、基板の片面上の第１及び第２の節部間に位置する表面領域上に、第１及び第２の節部が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層と圧電体薄膜層と上側電極層とが積層された構造を有する１以上の圧電素子から構成された振動駆動部及び振動検出部を形成する。
【００１６】
また半導体基板の片面上に、酸化膜を形成し、前記酸化膜の上に振動駆動部及び振動検出部を形成する第１の工程と、半導体基板にエッチングを施して、振動駆動部及び振動検出部を備えた可撓性を有する基板と、この基板との間に所定の間隔あけて基板の周囲を囲むように配置された基体と、基板が屈曲振動する際の第１の節部において基板を基体に対して支持する第１の一対の支持梁と、基板が屈曲振動する際の第２の節部において基板を基体に対して支持する第２の一対の支持梁とを一体に有するセンサ本体を形成する第２の工程とを実施する。そして第１の工程では、基板の片面上の第１及び第２の節部間に位置する表面領域上に、第１及び第２の節部が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、それぞれ下側電極層と圧電体薄膜層と上側電極層とが積層された構造を有する１以上の圧電素子から構成された振動駆動部及び振動検出部を形成する。最後に、第２の工程の後に、基板を除去する第３の工程を実施する。このようにすれば簡単にバイモルフタイプの圧電素子を形成することができる。また振動部の中立面をバイモルフ構造の中心とほぼ一致させて、効率的に振動駆動させまた効率的に振動を検出できる慣性センサを得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の慣性センサによれば、基板片面上に振動駆動部と振動用検出部とを形成するので、生産中における成膜面のセットのし直しが不要であり、生産性が高くなる。また製造装置の価格が安くて済むため、製品のコストを大幅に下げることができる利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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は半導体基板を用いて基板を形成する本発明の圧電振動型慣性センサの平面図であり、図２は図１のＢ−Ｂ線断面図であり、図３は図１のＣ−Ｃ線断面図である。また図４は、図１の実施の形態の製造工程を示す時系列で示す図である。これらの図において、符号１を付した部材はセンサ本体である。センサ本体１は、半導体基板をエッチングして形成したもので、基体３と、基板５と、４つの支持梁７〜１３とを備えている。基体３は、中央に貫通孔４を有し、上からみた輪郭形状が矩形状をなす枠体形状を有している。基板５は、基体３の貫通孔４内に位置しており、基体３よりも厚みが薄く、長方形形状を有している。基板５は、基板５の周囲を囲む基体３と、第１乃至第４の支持梁７〜１３によって連結されている。これら支持梁７〜１３のうち第１の一対の支持梁７及び９は、基板５が屈曲振動する際の第１の節部Ｎ１において基板５を基体３に対して支持する。また第２の一対の支持梁１１及び１３は、基板５が屈曲振動する際の第２の節部Ｎ２において基板５を基体３に対して支持する。そして基板５の片面６上には、ＳｉＯ２からなる絶縁保護膜としての酸化層１４が形成されている。そして片面６の第１及び第２の節部Ｎ１及びＮ２間に位置する表面領域上には、第１及び第２の節部Ｎ１及びＮ２が並ぶ方向と直交する方向に並ぶように、振動駆動部１５及び振動検出部１７が設けられている。
【００１９】
振動駆動部１５及び振動検出部１７は、それぞれ下側電極層１９，２１と圧電体薄膜層２３，２５と上側電極層２７，２９とが積層された構造を有する１つの圧電素子から構成されている。振動駆動部１５の下側電極層１９は、第３の支持梁１１上を延びる引出線３１を介して基体３の上に形成された第１の入力電極３３に接続されている。また上側電極層２７は、第１の支持梁７上を延びる引出線３５を介して基体３の上に形成された第２の入力電極３７に接続されている。振動検出部１７の下側電極層２１は、第２の支持梁９上を延びる引出線３９を介して基体３の上に形成された第１の出力電極４１に接続されている。また上側電極層２９は、第３の支持梁１３上を延びる引出線４３を介して基体３の上に形成された第２の出力電極４５に接続されている。下側電極層１９及び２１は、それぞれ基板３の長手方向に沿って延びる長方形形状を有している。そしてこの例では、振動駆動部１５と振動検出部１７の圧電体薄膜層２３，２５が、１層の圧電体薄膜層によって構成されている。圧電体薄膜層２３は、引出線３５と下側電極層１９とが電気的に短絡するのを阻止している。また圧電体薄膜層２５は、引出線４３と下側電極層２１とが電気的に短絡するのを阻止している。
【００２０】
本実施の形態においては、センサ本体１を半導体基板（シリコン基板）によって構成している。しかし少なくとも基板５は、ガラス基板、金属板、またはポリイミド等の可撓性を有する樹脂等の可撓性材料基板で形成すればよい。基板５を金属板や半導体基板のように導電性または半導電性を有する材料で形成する場合には、その表面を酸化処理または窒化処理するか、スパッタ等の薄膜層成膜法によりその上に絶縁層を形成すればよい。
【００２１】
下側電極層１９及び２１並びに上側電極層２７及び２９は、ＥＢ蒸着やスパッタ等により、アルミニウム、銀、金、銅、白金およびこれらの合金の１つ以上の積層によって形成されている。なお下側電極層１９及び２１がアース電極を構成する場合には、両電極層を１つの電極層で構成してもよい。
【００２２】
圧電体薄膜２３及び２５は、窒化アルミニウム薄膜、窒化ガリウム薄膜、窒化インジウム薄膜、硫化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜、酸化亜鉛薄膜及びタンタル酸リチウム薄膜のいずか１つ以上の薄膜から構成することができる。特に本実施の形態では、圧電体薄膜を窒化アルミニウム薄膜により形成している。本実施の形態では、圧電体薄膜２３及び２５を一つの圧電体薄膜層で形成しているが、それぞれ別個の圧電体薄膜層により両者を形成してもよいのは勿論である。
【００２３】
本実施の形態の４つの支持梁７〜１３は、基板５が振動した際の基板の長手方向の一次振動モードでの節部（ノード部）に配置されている。本実施の形態では、駆動振動部１５の入力電極間に、例えば、５〜５０ｋＨｚの交流電圧を印加する。これにより基板５を上下方向に屈曲振動させる。このように、片持梁振動体が屈曲振動しているときに、慣性センサが基板５の軸回りに回転したとすると、基板５はコリオリ力により水平方向にも振動するようになる。この水平方向の振動により、振動検出部１７の一対の出力電極間には、それぞれ逆極性の電圧が発生する。この逆極性の電圧を、差動増幅することにより、コリオリ力に基づく回転角速度を検出することができる。
【００２４】
本実施の形態の製造方法を図４を用いて説明する。まず厚みが２００〜３００μｍのシリコン基板１０１を用意する。次にシリコン基板１０１の表面及び裏面にエッチング用のマスク層１０２を形成する。そしてシリコン基板１０１の裏面側から異方性エッチングを施して、シリコン基板１０１に凹部１０３を形成する。次にマスク層１０２を除去した後、メンブレン部を構成する基板全体に酸化処理を施して酸化膜１０４を形成する。次にシリコン基板１０１の表面上にアルミニウムからなる下側電極層１９及び２１を形成する。またこのとき同時に引出線３１及び３９と電極３３及び４１も形成する。下部電極層１９及び２１，引出線３１及び３９並びに電極３３及び４１は、導電体を電極材料として用いることから、所定の金属または合金を物理気相成長法（ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）を用いて蒸着することにより形成する。物理気相成長法としては、抵抗加熱蒸着または電子ビーム加熱蒸着等の真空蒸着法、直流スパッタリング、高周波スパッタリング、ＲＦプラズマ支援スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、ＥＣＲスパッタリングまたはイオンビームスパッタリング等の各種スパッタリング法、高周波イオンプレーティング、活性化蒸着またはアークイオンプレーティング等の各種イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、レーザアプレーション法、イオン化クラスタビーム蒸着法、並びにイオンビーム蒸着法等の製膜方法を用いることができる。このうち、スパッタリング法を用いることがより好ましい。なお具体的には、予め所定の形状にマスキングしたのち蒸着やスパッタ等により成膜してよいが、成膜後にエッチング等によりパターニングしてもよい。
【００２５】
下側電極層等の製膜条件は、例えば、圧力を１．０×１０−１Ｐａ、窒素ガス分圧比を０％、基板温度を無加熱、ターゲット投入電力を２００Ｗとすることができる。また、製膜する膜厚は材料により変化させて行うことができる。ただし、上記条件は適宜変更することができる。そして、上記製膜条件および蒸着方法を用いて、後に形成する窒化アルミニウムの（０００２）面とマッチングのよい下側電極層等を形成する。このような下側電極層等を上記温度範囲にて製膜することにより、双極子配向した窒化アルミニウムの薄膜を形成するのに適した下側電極層等を形成することができる。
【００２６】
その後、下側電極層１９，２１全体に跨るように圧電体薄膜層（２３，２５）を形成する。本実施の形態では、５５％以上の双極子配向度を有する窒化アルミニウムの薄膜からなる圧電体薄膜を形成する。圧電体薄膜の形成は、ＰＶＤ法、中でもスパッタリング法を用いて製膜することがより好ましい。上述のように、下側電極層を形成する金属は、窒化アルミニウムの（０００２）面の原子配列と同一配列であって、窒化アルミニウムの（０００２）面の原子間隔とほぼ同じ原子間隔である結晶面が、基板に対して平行に配向していることがより好ましい。このような金属は、その結晶面がサファイア等の単結晶と同等の下地表面を形成するため、ＰＶＤ法を用いてアルミニウムをターゲットとして下側電極層上に薄膜を形成することにより、双極子配向した窒化アルミニウムからなる圧電体薄膜を得ることができる。
【００２７】
スパッタリングは、例えば高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて行うことができる。この場合、スパッタリングチャンバーにて５×１０−４Ｐａ以下となるように真空引きを行い、高純度アルゴンガス（純度９９．９９９％）と高純度窒素ガス（純度９９．９９９％）または高純度酸素ガス（純度９９．９９９％）とを導入する。蒸着を行う前に、高周波マグネトロンスパッタリング装置のシャッターを閉じたままで、ターゲットとしてのアルミニウムのプレスパッタリングを１０分間行う。そして、例えば、スパッタリング圧力を０．５Ｐａ、基板温度を４００℃、窒素ガス分圧比を５０％、ターゲット投入電力を４００Ｗ、スパッタリング時間を４時間、とした成膜条件にてスパッタリングを行い、窒化アルミニウム薄膜を形成することができる。圧電体薄膜層（２３，２５）は、予め所定の形状にマスキングした後スパッタリングやＣＶＤ法等により成膜し、あるいは成膜後にエッチング等によりパターニングする。このようにして形成した窒化アルミニウム薄膜は、双極子配向度が約８０％で圧電対薄膜層の双極子配向度を示すロッキングカーブの半値幅が３度の窒化アルミニウム薄膜が得られる。
【００２８】
次に上側電極層２７及び２９と、引出線３５及び４３と、電極３７及び４５を同時に形成する。これら上側電極層等の形成は、下側電極層１９，２１等と同じようにして形成する。ＰＶＤ法またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の蒸着方法を用いて、上述した下側電極層の形成に用いられる物質のうちのいずれかからなる上側電極層、接続線及び出力電極を形成する。なお上側電極層に用いられる物質のうちの複数の物質を用いて積層構造を有する上側電極層を形成してもよい。
【００２９】
最後に基板５及び支持梁７〜１３並びにこれらの上に形成されている薄膜を残すようにエッチングを行って、基体３と基板５との間に空隙ｇを形成して慣性センサを完成する。
【００３０】
図５は、本発明の第２の実施の形態の圧電振動型慣性センサの平面図である。この実施の形態は、図１乃至図４に示した実施の形態と比較して、振動検出部（１１７ａ，１１７ｂ）を二つに分割している点と、ウエイトバランス用の薄膜層（１１５´、１１７´）を形成している点で相違する。その他の点は、上記実施の形態と同様であるので、図１に示した部分と同様の部分には、図１に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、図示しない下側電極層として振動駆動部１１５及び振動検出部（１１７ａ，１１７ｂ）の双方に対して共通に使用できる共通下側電極層を基体５の片面上に形成してある。そして振動検出部を二つに分割した分割振動検出部１１７ａ，１１７ｂを形成するために、上側電極層１２９ａ，１２９ｂを二つに分割している。このようにしても図１乃至図４に示した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。なおこの実施の形態の場合には、出力電極１４５ａ，１４５ｂの出力を合成して検出出力を得る。またこの実施の形態では、振動駆動部１１５及び振動検出部（１１７ａ，１１７ｂ）を形成する際に、第１及び第２の一対の支持梁１０７〜１１３を越えて長手方向外側に延びる延長部１０５ａ，１０５ｂの片面上に、バランスウエイトとして１層以上の薄膜層１１５´，１１７´を形成している。これらの薄膜層１１５´，１１７´は、振動駆動部１１５及び振動検出部（１１７ａ，１１７ｂ）とは電気的に接続されていないが、振動駆動部１１５及び振動検出部（１１７ａ，１１７ｂ）の層構造と同じ層構造を有している。このようなバランスウエイトとしての薄膜層１１５´，１１７´を形成することにより、振動部に電極層および圧電体薄膜層を形成することで微妙に生ずる、振動部の設計共振周波数に対する実際のずれを小さくすることが可能になる。
【００３１】
図６及び図７は、本発明の第３の実施の形態の圧電振動型慣性センサの平面図及び図６のＤ−Ｄ線断面図である。この実施の形態は、図１乃至図４に示した実施の形態と比較して、振動駆動部２１５及び振動検出部２１７をいわゆるバイモルフ構造としている点で相違する。その他の点は、上記第１の実施の形態と同様であるので、図１に示した部分と同様の部分には、図１に付した符号の数に２００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、第１の圧電体薄膜層２２３の上に中間電極層２２６を形成し、さらに中間電極層２２６の上に第２の圧電体薄膜層２２４を形成し、第２の圧電体薄膜層２２４の上に上側電極層２２７及び２２９を形成している。中間電極層２２４は、特に電極には接続されておらず、電気的には浮いた状態になっている。そして中間電極層２２６は、モリブデン等のように結晶構造が体心立方格子構造になる金属薄膜により形成されている。中間電極層にこのような金属薄膜を用いると、第１の圧電体薄膜層２２３と第２の圧電体薄膜層とは、自発分極により逆方向に分極される。また第２の圧電体薄膜層２２４も第１の圧電体薄膜層２２３と同じ方法及び材料で形成されている。なお本実施の形態では、基板５の厚みをできるだけ薄くし、基板５の可撓性はできるだけ大きくすることが好ましい。また下側電極層２１９の組成および中間電極層２２６の金属組成は、その上に形成される圧電体薄膜層の結晶配向を制御し、自発分極化させるものであれば、どのようなものでもよい。
【００３２】
図８及び図９は、本発明の第４の実施の形態の圧電振動型慣性センサの平面図及び図８のＥ−Ｅ線断面図である。図１に示した部分と同様の部分には、図１に付した符号の数に３００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。この第３の実施の形態は、図６及び図７に示した第２の実施の形態と同様にバイモルフ構造になっている。第３の実施の形態が、第２の実施の形態と異なるのは、酸化膜からなる絶縁性薄膜３１４が基体と４つの支持梁を構成している点である。そして、絶縁性薄膜３１４及び４つの支持梁３０７〜３４３の片面の上全体に第１及び第２の圧電体薄膜層３２３及び３２４が形成されている点である。この実施の形態で、絶縁性薄膜３１４及び４つの支持梁３０７〜３４３の片面の上全体に第１及び第２の圧電体薄膜層３２３及び３２４を形成しているのは、絶縁性薄膜３１４からなる基体では十分な機械的強度を得ることが難しいためである。その他の点は、図５及び図６の実施の形態の構造と同じである。本実施の形態によれば、基体が最も薄くなるため、基体の存在がバイモルフ構造の慣性センサの特性に実質的に影響を与えることがない。
【００３３】
図１０は、図８及び図９に示した圧電振動型慣性センサの製造工程を時系列で示す図である。なお図１０は、工程を示すためのものであって、各部の形状及び寸法は図８及び図９に示したものとは一致しない。本実施の形態の製造方法を図１０を用いて説明する。まず厚みが２００〜３００μｍのシリコン基板３０１を用意する。次にシリコン基板３０１の表面及び裏面にエッチング用のマスク層１０２を形成する。そしてシリコン基板３０１の裏面側から異方性エッチングを施して、シリコン基板３０１に凹部３０３を形成する。次に酸化処理を施して、酸化層３０４を形成する。次にシリコン基板３０１の表面上にアルミニウムからなる下側電極層３１９，３２１、図示しない引出線３３１及び３１９と電極３３及び４１を形成する。下側電極層の生膜条件は、図４に示した第１の実施の形態と同じである。
【００３４】
その後、下側電極層３１９，３２１を完全に覆って、基体と支持梁の形状を含む所定の形状の第１の圧電体薄膜層３２３を形成する。本実施の形態では、５５％以上の双極子配向度を有する窒化アルミニウムの薄膜からなる圧電体薄膜を形成する。第１の圧電体薄膜も図４と同様に形成する。
【００３５】
次にモリブデンからなる中間電極層３２６を前述の下側電極層３１９，３２１と同様の条件で、下側電極層３１９，３２１に対応する位置に蒸着により形成する。そして中間電極層３２６の上に、第１の圧電体薄膜層３２３と同じ形状の第２の圧電体薄膜層３２４を形成する。第２の圧電体薄膜層３２４も基体と支持梁の部分を含む形状を有している。
【００３６】
次に上側電極層３２７，３２９と、引出線３３５及び３４３と電極３３７及び３４５を同時に形成する。上側電極層等の形成は、下側電極層３１９，３２１等の形成と同じようにＰＶＤ法またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の蒸着方法を用いて形成する。
【００３７】
最後に第１及び第２の圧電体薄膜層３２３及び３２４並びに支持梁３０７〜３１３に対応する部分を残すように、シリコン基板３０１にエッチングを施して第１及び第２の圧電体薄膜層３２３及び３２４並びに支持梁３０７〜３１３の下に位置するシリコン基板の部分とその周囲に位置するシリコン基板の部分を除去する。その後、第１及び第２の圧電体薄膜層３２３及び３２４並びに支持梁３０７〜３１３の周囲に残った酸化膜３０４をエッチングにより除去して基体３０３と基板３０５との間に間隙を形成する。
【００３８】
図１乃至図７に示した実施の形態と比較すると、図８乃至図１０に示した実施の形態では、酸化膜３０４により形成される絶縁性薄膜３１４が基板を構成することになる。なおシリコン基板を用いて基体を形成しない場合には、絶縁性薄膜３１４に対応する部分を厚みが薄いポリイミド等の合成樹脂シートで形成してもよいのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】半導体基板を用いて基板を形成する本発明の圧電振動型慣性センサの平面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ線断面図である。
【図４】図１の実施の形態の製造工程を示す時系列で示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の圧電振動型慣性センサの平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の圧電振動型慣性センサの平面図である。
【図７】図６のＤ−Ｄ線断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態の圧電振動型慣性センサの平面図である。
【図９】図８のＥ−Ｅ線断面図である。
【図１０】図８及び図９に示した圧電振動型慣性センサの製造工程を時系列で示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  センサ本体
３，２０３  基体
５，２０５  基板
６  片面
７，９，１１，１３  支持梁
１５，２１５  振動駆動部
１７，２１７  振動検出部
１９，２１，２１９，２２１  下側電極層
２３，２５  圧電体薄膜層
２７，２９，２２７，２２９  上側電極層
２２３  第１の圧電体薄膜層
２２４  第２の圧電体薄膜層
２２６  中間電極層
【図１】
2006234443.tif 000003
【図２】
2006234443.tif 000004
【図３】
2006234443.tif 000005
【図４】
2006234443.tif 000006
【図５】
2006234443.tif 000007
【図６】
2006234443.tif 000008
【図７】
2006234443.tif 000009
【図８】
2006234443.tif 000010
【図９】
2006234443.tif 000011
【図１０】
2006234443.tif 000012