(57)【要約】      （修正有）【課題】角速度の直交する３成分を高い周波数で検出でき、製造が容易な角速度センサを提供する。【解決手段】角速度センサは、基準平面２１ａを有する支持部２１と、基準平面２１ａに対して非平行である第一傾斜平面１１ａを有し、支持部２１から延伸している第一梁部１１と、基準平面２１ａおよび第一傾斜平面１１ａに対して非平行である第二傾斜平面１２ａを有し、支持部２１から延伸している第二梁部１２を備え、第一傾斜平面１１ａに対して垂直な第一振動方向に前記第一梁部１１を励振する第一励振手段と、第二傾斜平面１２ａに対して垂直な第二振動方向に第二梁部１２を励振する第二励振手段と、第一検出方向において第一梁部１１の変形を検出する第一検出手段と、第二検出方向において第一梁部１１の変形を検出する第二検出手段と、第三検出方向において第二梁部１２の変形を検出する第三検出手段と、が形成されている積層構造体を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対して固定され、基準平面を有する支持部と、
前記基準平面に対して非平行である第一傾斜平面を有し、前記支持部から延伸している第一梁部と、
前記基準平面および前記第一傾斜平面に対して非平行である第二傾斜平面を有し、前記支持部から延伸している第二梁部と、
前記第一傾斜平面に対して垂直な第一振動方向に前記第一梁部を励振する第一励振手段と、
前記第二傾斜平面に対して垂直な第二振動方向に前記第二梁部を励振する第二励振手段と、
前記第一梁部の延伸方向に対して垂直で前記第一傾斜平面に対して平行な第一検出方向において前記第一梁部の変形を検出する第一検出手段と、
前記第一梁部の延伸方向に対して平行な第二検出方向において前記第一梁部の変形を検出する第二検出手段と、
前記第二梁部の延伸方向に対して平行な第三検出方向において前記第二梁部の変形を検出する第三検出手段と、
が形成されている積層構造体を備える角速度センサ。
【請求項２】
前記支持部、前記第一梁部および前記第二梁部は、単結晶珪素ウエハからなり、
前記基準平面は、前記単結晶珪素ウエハの（１００）面からなり、
前記第一傾斜平面および前記第二傾斜平面は、前記単結晶珪素ウエハの（１１０）面からなる、
請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記第一梁部および前記第二梁部は互いに平行な方向に前記支持部から延伸し、
前記第一梁部および前記第二梁部の間において前記支持部の振動を吸収する振動吸収手段を備える、
請求項１または２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記第一傾斜平面と前記第二傾斜平面とは直交関係を有する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項５】
請求項２に記載の角速度センサを製造する方法であって、
前記単結晶珪素ウエハの第一の（１００）面に前記第一梁部および前記第二梁部に対応する第一保護膜を形成し、
前記第一保護膜から露出している前記単結晶珪素ウエハの前記第一の（１００）面に対する結晶異方性エッチングを用いて前記第一傾斜平面および前記第二傾斜平面を同時に形成し、
前記第一の（１００）面の裏面に相当する前記単結晶珪素ウエハの第二の（１００）面に前記第一梁部および前記第二梁部に対応する第二保護膜を形成し、
前記第二保護膜から露出している前記単結晶珪素ウエハの前記第二の（１００）面に対する結晶異方性エッチングを用いて、前記第一傾斜平面の裏面に相当し前記第一傾斜平面と平行な第三傾斜平面と、前記第二傾斜平面の裏面に相当し前記第二傾斜平面と平行な第三傾斜平面とを同時に形成する、
ことを含む角速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は角速度センサおよびその製造方法に関し、特に直交する３軸の角速度成分を検出する角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直交する３軸の角速度成分を検出する角速度センサが知られている。３軸の角速度成分を検出するためには、少なくとも直交する２方向において振動する参照振動が必要となる。特許文献１に記載の角速度センサでは、錘を周回運動させることによって、このような参照振動を実現している。特許文献２に記載の角速度センサでは、三角形に結合された３つの梁を同時に撓ませることによって、このような参照振動を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４-２９４４５０号公報
【特許文献２】特開２００６−０１７５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載された角速度センサにおいては、１つの錘について同時に２方向の振動を制御しなければならないため、錘を狙い通りに周回運動する寸法精度を実現することは非常に困難である。また特許文献２に記載された角速度センサにおいても、三角形に結合されて連動する３つの梁の振動を制御しなければならないため、３つの梁を狙い通りに振動させることは非常に困難である。また、直交する２方向において振動する参照振動を時分割駆動によって実現する場合には、振動方向を切り換える時間が必要になるため、角速度を検出できる周波数が低くなる。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するために創作されたものであって、角速度の直交する３成分を高い周波数で検出でき、製造が容易な角速度センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための角速度センサは、対象物に対して固定され、基準平面を有する支持部と、前記基準平面に対して非平行である第一傾斜平面を有し、前記支持部から延伸している第一梁部と、前記基準平面および前記第一傾斜平面に対して非平行である第二傾斜平面を有し、前記支持部から延伸している第二梁部と、前記第一傾斜平面に対して垂直な第一振動方向に前記第一梁部を励振する第一励振手段と、前記第二傾斜平面に対して垂直な第二振動方向に前記第二梁部を励振する前記第二梁部を励振する第二励振手段と、前記第一梁部の延伸方向に対して垂直で前記第一傾斜平面に対して平行な第一検出方向において前記第一梁部の変形を検出する第一検出手段と、前記第一梁部の延伸方向に対して平行な第二検出方向において前記第一梁部の変形を検出する第二検出手段と、前記第二梁部の延伸方向に対して平行な第三検出方向において前記第二梁部の変形を検出する第三検出手段と、が形成されている積層構造体を備える。
本発明によると、２つの梁部を直交する２方向において同時に振動させることができるため、角速度の直交する３成分を高い周波数で検出できる。また２つの梁部をそれぞれ異なる方向に個別に振動させるため、直交する２方向において振動する参照振動を実現することが製造上容易である。
【０００７】
（２）上記目的を達成するための角速度センサは、前記支持部、前記第一梁部および前記第二梁部は、単結晶珪素ウエハからなり、前記基準平面は、前記単結晶珪素ウエハの（１００）面からなり、前記第一傾斜平面および前記第二傾斜平面は、前記単結晶珪素ウエハの（１１０）面からなってもよい。
本発明によると、第一傾斜平面を有する第一梁部および第二傾斜平面を有する第二梁部を単結晶珪素の結晶異方性エッチングを用いた簡素な方法で形成することができる。
【０００８】
（３）上記目的を達成するための角速度センサは、前記第一梁部および前記第二梁部は互いに平行な方向に前記支持部から延伸し、前記第一梁部および前記第二梁部の間において前記支持部の振動を吸収する振動吸収手段を備えてもよい。
本発明によると、角速度センサを小型化することができるとともに、第一梁部から第二梁部へ支持部を介して振動が漏れたり、第二梁部から第一梁部へ支持部を介して振動が漏れることによる感度の低下を抑制できる。
【０００９】
（４）上記目的を達成するための角速度センサは、前記第一傾斜平面と前記第二傾斜平面とは直交関係を有してもよい。
本発明によると直交する３軸の角速度成分をさらに高い感度で検出できる。
【００１０】
（５）上記目的を達成するための角速度センサの製造方法は、前記単結晶珪素ウエハの第一の（１００）面に前記第一梁部および前記第二梁部に対応する第一保護膜を形成し、前記第一保護膜から露出している前記単結晶珪素ウエハの前記第一の（１００）面に対する結晶異方性エッチングを用いて前記第一傾斜平面および前記第二傾斜平面を同時に形成し、前記第一の（１００）面の裏面に相当する前記単結晶珪素ウエハの第二の（１００）面に前記第一梁部および前記第二梁部に対応する第二保護膜を形成し、前記第二保護膜から露出している前記単結晶珪素ウエハの前記第二の（１００）面に対する結晶異方性エッチングを用いて、前記第一傾斜平面の裏面に相当し前記第一傾斜平面と平行な第三傾斜平面と、前記第二傾斜平面の裏面に相当し前記第二傾斜平面と平行な第三傾斜平面とを同時に形成する、ことを含む。
本発明によると、角速度センサの製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａは本発明の実施形態にかかる平面図。図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ線の断面図。
【図２】本発明の実施形態にかかる模式図。
【図３】本発明の実施形態にかかる模式図。
【図４】本発明の実施形態にかかるベクトル図。
【図５】図５Ａは本発明の実施形態にかかる断面図。図５Ｂは本発明の実施形態にかかる平面図。
【図６】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図７】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図８】図８Ａは本発明の実施形態にかかる断面図。図８Ｂは本発明の実施形態にかかる平面図。
【図９】本発明の実施形態にかかる平面図。
【図１０】図１０Ａは本発明の実施形態にかかる平面図。図１０Ｂは図１０Ａに示す１０Ｂ線の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。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
（概要）
本発明の第一実施形態としての角速度センサは、車両、携帯型電子端末などに固定され、車両や携帯型電子端末などの対象物の角速度を検出するために用いられる。図１に示すように、角速度センサ１は、互いに非平行な傾斜平面１１ａ、１２ａを有する板ばね形態の２つの梁部１１，１２を備えている。梁部１１，１２を同時に励振し、梁部１１，１２の変形を同時に検出することによって、直交する３軸の角速度成分を高い周波数で検出することが可能になる。そして梁部１１，１２は互いに独立に励振される振動体であるため、梁部１１，１２の製造公差の管理は容易である。さらに、単結晶珪素の結晶異方性エッチングによって梁部１１，１２を同時に形成することができるため、角速度センサ１は簡素なプロセスによって製造することができる。
【００１３】
（構成）
角速度センサ１は、単結晶珪素層１０などからなる微小な積層構造体と積層構造体を収容しているパッケージ５１とを備えている。積層構造体には、支持部２１、梁部１１，１２、圧電素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃなどが形成されている。
【００１４】
支持部２１は、矩形枠の形態を有し、接着層５０によってパッケージ５１に固定されている。支持部２１は、単結晶珪素層１０からなり、ウエハの主面に対応する基準平面２１ａを有する。基準平面２１ａと平行で互いに平行な２方向に梁部１１，１２が支持部２１から延伸している。
【００１５】
梁部１１，１２は厚さ方向が異なる点を除いて実質的に同一の構成である。梁部１１，１２は支持部２１よりも薄い板ばねの形態を有し、単結晶珪素層１０からなる。梁部１１，１２の厚さ方向は支持部２１の厚さ方向と異なる。本実施形態において梁部１１，１２の厚さ方向と支持部２１の厚さ方向とは２５°から７５°の角度をなす。すなわち梁部１１，１２は、それぞれ、基準平面２１ａに対して２５°から７５°傾いた傾斜平面１１ａ、１２ａと、これらの裏面に相当する傾斜平面１１ｂ、１２ｂとを有する。傾斜平面１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは単結晶珪素の（１１０）面からなる。傾斜平面１１ａと傾斜平面１１ｂは平行であり、傾斜平面１２ａと傾斜平面１２ｂは平行である。傾斜平面１１ａ、１２ａは基準平面２１ａに垂直な平面を基準として対称な関係を有し、互いに直交していることが望ましい。
【００１６】
梁部１１，１２にはそれぞれ複数の圧電素子が設けられ、それぞれに設けられた圧電素子によって梁部１１，１２が励振されるとともに梁部１１，１２の変形が検出される。具体的には例えば傾斜平面１１ａに圧電素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃが、傾斜平面１２ａに圧電素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃが設けられる。そして図２に示すように梁部１１の基端（梁部１１と支持部２１との境界）近傍において梁部１１の中心線上に圧電素子３１ａを配置し、圧電素子３１ａに特定の周波数で電圧を印加することにより、梁部１１の厚さ方向に梁部１１の先端が振動するように梁部１１を励振できる。また例えば梁部１１の基端近傍において梁部１１の縁近傍に圧電素子３１ｂ、３１ｃを配置し、それらの出力の差分をとると、梁部１１の延伸方向に対して垂直で傾斜平面１１ａに対して平行な方向に梁部１１の先端を変位させる外力Ｆｘを検出できる。またそのように配置した圧電素子３１ｂ、３１ｃの出力の和分をとると、梁部１１の延伸方向に梁部１１の先端を変位させる外力Ｆｙを検出できる。なお、参照振動の位相とコリオリ力の位相との間にはπ／２のずれがあるため、圧電素子３１ｂ、３１ｃの出力の和分から参照振動の歪み成分を除外してコリオリ力に相当する外力による歪み成分を抽出することが可能である。
【００１７】
（作動）
直交する３軸のコリオリ力成分を検出するためには、梁部１１，１２をそれぞれの厚さ方向に励振し、それら２つの梁部の延伸方向においてそれら２つの梁部の歪みを検出し、それら２つのうち１つの梁部の傾斜平面と平行でその１つの梁部の延伸方向と垂直な方向においてその１つの梁部の歪みを検出すればよい。梁部１１，１２の厚さ方向は互いに異なるため、互いに独立した梁部１１、１２を同時に励振することによって、２方向の参照振動を併存させることができる。ここで説明の便宜上、傾斜平面１１ａ、１２ａが互いに直交しているものとし、梁部１１の延伸方向と平行にｘ軸を定め、梁部１１の厚さ方向と平行にｚ軸を定め、ｘ軸及びｚ軸に対して垂直にｙ軸を定める。本実施形態においては、圧電素子３１ａを用いて梁部１１をその厚さ方向であるｚ軸方向に励振すると同時に、圧電素子３２ａを用いて梁部１２をその厚さ方向であるｙ軸方向に励振する。
【００１８】
梁部１１がその厚さ方向であるｚ軸方向に振動しているときに角速度センサ１が梁部１１の延伸方向と平行なｘ軸を回転軸として回転すると、図２および図４に示すように、梁部１１にはその延伸方向と垂直で傾斜平面１１ａと平行な方向であるｙ軸方向にコリオリ力Ｆｘが作用する。このコリオリ力Ｆｘは圧電素子３１ｂ、３１ｃの出力の差分をとることによって検出される。また梁部１１がｚ軸方向に振動しているときに角速度センサ１がｙ軸を回転軸として回転すると、梁部１１には梁部１１の延伸するｘ軸方向にコリオリ力Ｆｙが作用する。このコリオリ力Ｆｙは圧電素子３１ｂ、３１ｃの出力の和分をとることによって検出される。そして、梁部１２がその厚さ方向であるｙ軸方向に振動しているときに角速度センサ１がｚ軸を回転軸として回転すると、図３および図４に示すように、梁部１２には梁部１２の延伸方向であるｘ軸方向にコリオリ力Ｆｚが作用する。このコリオリ力Ｆｚは圧電素子３２ｂ、３２ｃの出力の和分をとることによって検出される。すなわち、本実施形態では、圧電素子３１ｂ、３１ｃの出力の差分からｘ軸周りの角速度成分ωｘが検出され、圧電素子３１ｂ、３１ｃの出力の和分からｙ軸周りの角速度成分ωｙが検出され、圧電素子３２ｂ、３２ｃの出力の和分からｚ軸周りの角速度成分ωｚが検出される。そして、梁部１１、１２の参照振動は同時に併存しているため、ｘ軸周りの角速度成分ωｘ、ｙ軸周りの角速度成分ωｙおよびｚ軸周りの角速度成分ωｚを同時に検出することができる。
【００１９】
（製造方法）
次に角速度センサ１の製造方法を図５から図９を参照しながら説明する。図５Ａ、図６、図７、図８Ａは図１に示す１Ｂ−１Ｂ線に対応する断面図である。
【００２０】
はじめに図５に示すように単結晶珪素層１０を構成するウエハの基準平面２１ａに相当する（１００）面に二酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる保護膜Ｒ１を形成する。保護膜Ｒ１には、１チップあたり１つの開口がフォトリソグラフィ技術によって形成される。続いて保護膜Ｒ１の開口から露出している単結晶珪素層１０の領域に、四角錐の側面に対応する傾斜平面１１ａ、１２ａを結晶異方性エッチングによって同時に形成する。エッチング液には水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）などを用いる。基準平面２１ａに対する傾斜平面１１ａ、１２ａの角度は、エッチング条件の調整によって２５°〜７５°に設定することが望ましく、特に４５°に設定することが望ましい。
【００２１】
次に図６に示すように、傾斜平面１１ａの表面上に白金（Ｐｔ）からなる下層電極膜３０ａ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電膜３０ｂ、白金からなる上層電極膜３０ｃを順に積層する。続いてフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を用いて上層電極膜３０ｃ、圧電膜３０ｂ、下層電極膜３０ａをエッチングし、さらに、図示しないフォトレジストからなる別の保護膜を用いて上層電極膜３０ｃおよび圧電膜３０ｂをエッチングすることによって、圧電素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃを形成する。このとき、単結晶珪素層１０を構成するウエハの基準平面２１ａは、ターゲットに対して傾けて設置する。
【００２２】
次に図７に示すように、傾斜平面１１ａの表面上に白金（Ｐｔ）からなる下層電極膜３０ｄ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電膜３０ｅ、白金からなる上層電極膜３０ｆを順に積層する。続いてフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を用いて上層電極膜３０ｆ、圧電膜３０ｅ、下層電極膜３０ｄをエッチングし、さらに、図示しないフォトレジストからなる別の保護膜を用いて上層電極膜３０ｆおよび圧電膜３０ｅをエッチングすることによって、圧電素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃを形成する。このとき、単結晶珪素層１０を構成するウエハの基準平面２１ａは、ターゲットに対して傾けて設置する。
【００２３】
次に図８に示すように、ウエハの基準平面２１ａの裏面に二酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる保護膜Ｒ４を形成する。保護膜Ｒ４には、１チップあたり３つの開口がフォトリソグラフィ技術によって形成される。続いて保護膜Ｒ４の開口から露出している単結晶珪素層１０の領域に、四角錐の側面に対応する傾斜平面１１ｂ、１２ｂを結晶異方性エッチングによって形成する。このとき、エッチング条件を傾斜平面１１ａ、１２ａを形成した工程と一致させることによって、傾斜平面１１ａと平行な傾斜平面１１ｂと、傾斜平面１２ａと平行な傾斜平面１２ｂとを同時に形成することができる。
【００２４】
次に図９に示す破線で囲んだ領域をミリング等によって除去すると、図１Ａに示すように梁部１１、１２の一端を支持部２１から分離できる。
【００２５】
その後、ダイシングやパッケージングなどの後工程を実施すると、角速度センサ１を完成させることができる。
【００２６】
（効果）
上述した実施形態によると、ｘ軸周りの角速度成分ωｘ、ｙ軸周りの角速度成分ωｙおよびｚ軸周りの角速度成分ωｚを同時に検出することができるため、時分割駆動方式によって１つの振動子を２方向に励振する場合に比べて高い周波数で３軸の角速度成分を検出することができる。また、梁部１１、１２の振動が互いに独立しているため、１つの振動子を２方向に励振する場合に比べて梁部１１，１２の製造公差を管理することが容易である。また、参照振動の方向が異なる梁部１１、１２を同時に形成することができるため、製造コストを抑制することができる。
【００２７】
２．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。
【００２８】
例えば、支持部を介して一方の梁部から他方の梁部に振動が漏れることを防止するため、図１０に示すように制振材４０を梁部１１，１２の基端の間に埋め込んでも良い。このような制振材４０は、梁部１１および梁部１２の間において支持部２１の振動を吸収する振動吸収手段として機能する。制振材４０としては、例えばフォトレジストなどの樹脂を用いることができる。
【００２９】
また例えば、１つの角速度センサに備える梁部は２つ以上あればよく、梁部を３つまたは４つ備えても良い。また、それぞれの梁部は両端が支持部に結合した形態であっても良い。また、複数の梁部が支持部から延伸する方向は任意であって、２つの梁部を互いに反対向きに支持部から延伸しても良い。２つの梁部を互いに反対向きに支持部から延伸することによって２つの梁部の基端間の距離が離れるため、支持部を介して一方の梁部から他方の梁部に振動が漏れることを防止することができる。
【００３０】
また例えば、梁部に錘部を結合して感度を増大させても良い。このような錘部は、梁部を形成するために用いる保護膜のパターンを上記実施形態から変更することによって梁部と同時に形成しても良いし、さらにドライエッチング行程を併用して形成しても良い。
【００３１】
また例えば、互いに平行でない複数の傾斜平面毎に別の行程で圧電素子を形成する代わりに、単結晶珪素層１０を構成するウエハの基準平面２１ａは、ターゲットに対して垂直に設置し、互いに平行でない複数の傾斜平面のそれぞれに複数の圧電素子を同時に形成しても良い。これにより、製造工程をさらに簡素化することができる。
また例えば、Ｐ型単結晶珪素からなるウエハに対して図５に示した行程を実施した後にＮ型珪素層をエピタキシャル成長させ、さらに図６および図７に示した行程を実施した後に、Ｎ型珪素層をエッチングストッパとして用いてＰ型珪素層を部分的に電気化学的にエッチングしてもよい（特開平６−２９４８１４号公報等参照）。
【符号の説明】
【００３２】
１：角速度センサ、１０：単結晶珪素層、１１：梁部、１１ａ：傾斜平面、１１ｂ：傾斜平面、１２：梁部、１２ａ：傾斜平面、１２ｂ：傾斜平面、２１：支持部、２１ａ：基準平面、３０ａ：下層電極膜、３０ｂ：圧電膜、３０ｃ：下層電極膜、３０ｄ：下層電極膜、３０ｅ：圧電膜、３０ｆ：上層電極膜、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ：圧電素子、４０：制振材、５０：接着層、５１：パッケージ、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：保護膜、Ｒ４：保護膜
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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