(57)【要約】音叉型形状を有する基板（１）と、音叉を構成する腕部に設けられ腕部を振動させる駆動部（１１０）と、駆動部（１１０）により発生した振動を検知するモニター部（１５０）と、角速度が加わったときの振動の変位を検知する検出部（１２０）とを備え、駆動部（１１０）、モニター部（１５０）および検出部（１２０）は、腕部上に形成された下部電極層、圧電薄膜および上部電極層からなり、圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状からなり、外周端部の平坦部には上部電極層が設けられていない構成とすることで、下部電極層と上部電極層間の短絡を防止する。
2004015370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉を構成する一対の腕部と前記腕部を一体的に保持する一体領域部とからなる音叉型形状を有する基板と、前記腕部に設けられ前記腕部を振動させる駆動部と、前記駆動部により発生した振動を検知するモニター部と、角速度が加わったときの振動の変位を検知する検出部とを備え、前記駆動部、前記モニター部および前記検出部は、前記腕部上に形成された下部電極層と、前記下部電極層上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極層とからなり、前記圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状で、かつ前記外周端部の前記平坦部には前記上部電極層が設けられていないことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記一体領域部は、前記駆動部、前記モニター部および前記検出部からの引出し配線が形成された配線形成領域と、前記引出し配線に接続する電極パッドが形成されたパッド形成領域とを有し、少なくとも前記パッド形成領域においては前記引出し配線の一部である前記下部電極層のすべてが共通して一つの前記電極パッドに接続されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記パッド形成領域の前記引出し配線間の前記圧電薄膜の厚さが前記駆動部、前記モニター部および前記検出部の前記圧電薄膜より薄いことを特徴とする請求の範囲２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記基板は、単結晶シリコンであることを特徴とする請求の範囲１から３までのいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記圧電薄膜の外周端部は、前記平坦部を基準として前記上部電極層側の厚みが前記下部電極層側の厚みより厚いことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記下部電極層は、前記基板上に形成したチタン（Ｔｉ）膜と前記チタン（Ｔｉ）膜上の白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜の二層構成からなることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記基板の前記駆動部、前記モニター部、前記検出部およびこれらの前記引出し配線と前記電極パッドが形成された面上には、さらに前記基板の他方の面を加工するために前記基板を保持する保持領域部を設けたことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、圧電体薄膜を用いた角速度センサに関する。
【背景技術】  角速度センサはナビゲーションシステム等に多く用いられており、小型化が要望されている。そこで近年、水晶等のバルク圧電体材料を用いた構成から、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電薄膜を用いる構成が提案されている。これは、ＰＺＴ等の圧電薄膜においては、その圧電定数が水晶等のバルク圧電体に比べて極めて大きいため、小型化が図りやすくなることによる。
圧電薄膜を用いることで角速度センサの小型化が実現できるが、一方バルク圧電体では生じないような製造面での解決すべき課題がある。すなわち、圧電薄膜はバルク圧電体に比べて非常に薄いため、圧電薄膜の両面を挟む電極間の短絡が生じやすい。特に、圧電薄膜の外周領域部において、両面の電極間の短絡が生じやすく、このような領域部の短絡を確実に防止することが要求されている。
特開平９−３３１０８７号公報には、圧電薄膜を基板上に直接形成するときの密着性を改善することを目的として、下部電極層を覆うように圧電薄膜を形成する構成が示されている。この開示例においては、下部電極層と上部電極層との短絡を防止するということについては記載がないが、この構成の場合には短絡を防止することも可能である。
また、特開２００１−１１３７１０号公報には、圧電体素子の変位のばらつきを低減させるために均一な形状を実現することを目的として、ドライエッチングあるいはウエットエッチング時の条件を適切に設定することにより、圧電薄膜の端部形状をテーパ状にエッチング加工することが示されている。
【発明の開示】
上記の第１の開示例によれば、下部電極層と上部電極層との短絡を防止できるが、圧電薄膜を形成する前に下部電極層を所定の形状に加工しておく必要がある。このために、下部電極層と圧電薄膜とを連続的に成膜することはできない。また、圧電薄膜は下部電極層上と基板上との両面に形成されるが、これらの面の性質が異なるために、下部電極層上および基板上に形成される圧電薄膜の結晶配向性や特性は同じにはならない。このため、下部電極層上のみに圧電薄膜を形成する場合に比べて圧電薄膜の特性のばらつきが大きくなるという課題がある。
また、第２の開示例では、テーパ形状にエッチングすることでパターン形状を均一にすることは示されているが、このような形状とすることにより下部電極層と上部電極層間の短絡を防止できることは記載されていない。
そこで、本発明は、圧電薄膜を用いる角速度センサを実現する上で大きな課題となっている下部電極層と上部電極層間の短絡を防止することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の角速度センサは、以下の構成からなる。
音叉を構成する一対の腕部と、これらの腕部を一体的に保持する一体領域部とからなる音叉型形状を有する基板と、
これらの腕部に設けられ腕部を振動させる駆動部と、
前記駆動部により発生した振動を検知するモニター部と、
角速度が加わったときの振動の変位を検知する検出部とを備え、
駆動部、モニター部および検出部は、腕部上に形成された下部電極層と、この下部電極層上に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成された上部電極層とからなり、圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状で、かつこの外周端部の平坦部には上部電極層が設けられていない構成からなる。
このような構成とすることにより、圧電定数の大きな圧電薄膜を用いても、上部電極層と下部電極層との短絡を防止でき、信頼性に優れ、かつ特性の安定した角速度センサを得ることができる。
また、本発明の角速度センサは、以下の構成とすることもできる。
基板の一体領域部は、駆動部、モニター部および検出部からの引出し配線が形成された配線形成領域と、引出し配線に接続する電極パッドが形成されたパッド形成領域とを有し、少なくともパッド形成領域においては引出し配線の一部である下部電極層のすべてが共通して一つの電極パッドに接続された構成からなる。
この構成により、ワイヤボンディングやハンダ付け等で外部回路と接続する電極パッドが形成されたパッド形成領域には下部電極層が露出していないので、接続作業工程中においても短絡が生じることがなくなり、歩留まりが高く、かつ信頼性のよい角速度センサが実現できる。
また、本発明の角速度センサは、パッド形成領域の引出し配線間の圧電薄膜の厚さが駆動部、モニター部および検出部の圧電薄膜より薄く形成された構成としてもよい。この構成とすることにより、上部電極層をドライエッチングして引出し配線を形成するときに、上部電極層を確実にエッチングすることができるので引出し配線間での短絡を防止でき、製造歩留まりを向上することが可能となる。
また、本発明の角速度センサは、基板が単結晶シリコンである構成としてもよい。この構成とすることにより、音叉型形状の加工が容易にできるだけでなく、薄膜形成面の平滑性がよいので、結晶配向性の良好な圧電薄膜を容易に得ることができる。
また、本発明の角速度センサは、圧電薄膜の外周端部が平坦部を基準として、上部電極層側の厚みが下部電極層側の厚みより厚い構成からなる。この構成とすることにより、フォトリソプロセスとドライエッチングプロセスにより確実に、かつ再現性のよい圧電薄膜のエッチング加工を実現できる。すなわち、平坦部までのエッチングを厚く行っておけば、それ以降のエッチング量は最初のエッチングより少なくてすむ。このため、２回目のフォトレジストは１回目のフォトレジストの膜厚より薄く形成してもよい。２回目のフォトレジストの塗布は、圧電薄膜に階段状の段差を有する領域に塗布する必要があるので、一部が薄くなる可能性が生じる。しかし、エッチング時間も短くできるので、フォトレジストがドライエッチング中に消失して上部電極層や圧電薄膜が露出し、これらがエッチングされることを防止できる。
また、本発明の角速度センサは、下部電極層が基板上に形成したチタン（Ｔｉ）膜とチタン（Ｔｉ）膜上の白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜の二層構成からなる。Ｔｉ膜は単結晶シリコン基板や酸化物基板に対して密着性が良好であるので、下部電極層の密着性を向上することができる。しかも、チタン（Ｔｉ）は拡散しにくい性質を有し、白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜や圧電薄膜の劣化を生じさせにくく、高信頼性の角速度センサを実現できる。
また、本発明の角速度センサは、基板の駆動部、モニター部、検出部およびこれらの引出し配線と電極パッドが形成された面上には、さらに基板の他方の面を加工するために基板を保持する保持領域部を設けた構成からなる。
この構成とすることにより、例えば基板の下面側からフォトリソプロセスとエッチング加工等を行う場合に、駆動部やモニター部等の圧電薄膜が形成された面は基台等に直接接触することがなくなるので、圧電薄膜が損傷を受けたりすることを防止できる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の一実施形態にかかる角速度センサの平面図
図２は、同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ１−Ｘ１線に沿った断面の拡大図
図３は、同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ２−Ｘ２線に沿った断面の拡大図
図４は、同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ３−Ｘ３線に沿った断面の拡大図
図５は、同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ４−Ｘ４線に沿った断面の拡大図
図６Ａは、同実施の形態にかかる角速度センサのフォトリソプロセスとエッチングプロセスの一例を説明するための図で、基板上に下部電極層、圧電薄膜および上部電極層を積層し、レジストパターンを形成した状態を示す断面図
図６Ｂは、同プロセスを説明するための図で、圧電薄膜の途中までエッチングした状態を示す断面図
図６Ｃは、同プロセスを説明するための図で、平坦部が形成されるようにレジストパターンを作製した状態を示す断面図
図６Ｄは、同プロセスを説明するための図で、エッチングを行い圧電薄膜の外周端部を階段状にして平坦部を形成した状態を示す断面図
図７は、本発明の実施の形態の角速度センサの変形例を説明する断面図
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の一実施の形態の角速度センサについて、図面を用いて説明する。図１は、本発明の角速度センサの平面図である。また、図２から図５は、図１に示す角速度センサの拡大断面図である。図２はＸ１−Ｘ１線に沿った断面図、図３はＸ２−Ｘ２線に沿った断面図、図４はＸ３−Ｘ３線に沿った断面図、および図５はＸ４−Ｘ４線に沿った断面図である。以下、本発明の角速度センサの構成を図１から図５を用いて、さらに詳細に説明する。
基板１は、単結晶シリコン板を加工して音叉型の形状とした構成からなる。この基板１上に下部電極層、圧電薄膜および上部電極層を積層し、これらの薄膜を所定の形状に加工することで、本発明の角速度センサ１００が構成されている。
下部電極層としては、白金（Ｐｔ）膜、白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜、金（Ａｕ）膜、銅（Ｃｕ）膜、ニッケル（Ｎｉ）膜やアルミニウム（Ａｌ）膜等の金属薄膜、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）膜や酸化イリジウム（ＩｒＯ２）膜等の酸化物導電体を用いることができる。成膜方法としては、蒸着、スパッタリング、気相成膜法（ＣＶＤ）、プラズマアシスト気相成膜法（ＰＣＶＤ）等を用いることができる。
また、圧電薄膜としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜が結晶配向性のよい薄膜を作製しやすいことから望ましい材料であるが、チタン酸鉛（ＰＴ）膜、ジルコン酸鉛（ＰＺ）膜、ランタン（Ｌａ）添加チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等、圧電薄膜で、エッチング可能な材料であれば、特に制約はない。成膜法としてはスパッタリング法が望ましいが、蒸着法、ＣＶＤ法あるいはＰＣＶＤ法でも作製は可能である。
さらに、上部電極層としては、上記の下部電極層と同じ材料を用いることができるが、外部機器との電気的な接続のためにワイヤリード等により実装する必要があるため、金属薄膜を用いることが望ましい。
本発明の角速度センサ１００は、それぞれの機能を有する複数の領域から構成されている。すなわち、基板１において、音叉を構成する一対の腕部には、その先端近傍から順に、すべての圧電薄膜に分極処理を施すため下部電極層を上層まで引出すための引出し部１１０、角速度を検出するための検出部１２０、一対の腕部を振動させるための駆動部１３５、一対の腕部に生じる振動の振幅を検出するモニター部１５０が形成されている。
また、基板１において、一対の腕部を一体に接続する一体領域部には、引出し部１１０、検出部１２０、駆動部１３５およびモニター部１５０のそれぞれから引出された検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１、モニター部引出し配線１５０１が形成されている。さらに、これらの引出し配線１２０１、１３０１、１４０１、１５０１は外部機器へ接続するための電極パッド５、６、８、７１、７２に接続されている。これについては、さらに詳細に後述する。
図２は、図１のＸ１−Ｘ１線に沿った断面図で、引出し部１１０の断面形状を示す図である。この図からわかるように下部電極層である引出し部下部電極層２１が引出し部圧電薄膜３１に形成されたビアホール６０を介して上部電極層である分極用電極層４１に接続されている。引出し部下部電極層２１は、図２から図５までのそれぞれの断面図からもわかるように、それぞれの下部電極層とは電気的に接続されている。
図１に示す角速度を検出するための検出部１２０は、基板１の腕部面上に引出し部１２０とほぼ同じ幅で、かつ同じ積層構成で形成されている。すなわち、基板１面側から検出部下部電極層（図示せず）、検出部圧電薄膜（図示せず）および検出部上部電極層が、ほぼ同じ幅で、かつこの順番に積層されて構成されている。
図３は、図１に示すＸ２−Ｘ２線に沿った断面図で、駆動部１３５が形成された領域の断面形状を示す図である。基板１の腕部上にそれぞれ内側駆動部１３０と外側駆動部１４０とが一対設けられ、駆動部１３５が構成されている。この内側駆動部１３０と外側駆動部１４０とは同じ形状からなり、基板１の腕部面上にそれぞれ駆動部下部電極層２３、２４、駆動部圧電薄膜３３、３４および駆動部上部電極層４３、４４が、この順番に形成されて構成されている。なお、駆動部下部電極層２３、２４、駆動部圧電薄膜３３、３４および駆動部上部電極層４３、４４はほぼ同じ幅に形成されている。また、検出部引出し配線１２０１が内側駆動部１３０と外側駆動部１４０との間に形成されている。
図１に示すように、モニター部１５０は基板１の腕部面上にそれぞれ一つ設けられている。モニター部１５０は、モニター部下部電極層（図示せず）、モニター部圧電薄膜（図示せず）およびモニター部上部電極層が、この順番に形成され構成されている。
図４は、図１のＸ３−Ｘ３に沿った配線形成領域の断面形状を示す図である。基板１の配線形成領域には、検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１およびモニター部引出し配線１５０１が形成されている。これらの引出し配線１２０１、１３０１、１４０１、１５０１は、それぞれ基板１側から下部電極層引出し配線２２１、２３１、２４１、２５１、圧電薄膜引出し配線３２１、３３１，３４１、１５１および上部電極層引出し配線４２１、４３１、４４１、４５１で構成されている。なお、モニター部１５０は、基板１の配線形成領域面上で一つに接続され、モニター部引出し配線１５０１として配線されている。
検出部引出し配線１２０１のうちの上部電極層引出し配線４２１は、検出電極パッド５に接続されている。また、それぞれの内側駆動部引出し配線１３０１のうちの上部電極層引出し配線４３１が、駆動電極パッド７２に接続されている。同様に、それぞれの外側駆動部引出し配線１４０１のうちの上部電極層引出し配線４４１が、駆動電極パッド７１に接続されている。また、モニター部引出し配線１５０１のうちの上部電極層引出し配線４５１は、モニター電極パッド６に接続されている。
さらに、検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１およびモニター部引出し配線１５０１のうちのそれぞれの下部電極層引出し配線２２１、２３１、２４１、２５１は、グラウンド電極パッド８に共通して接続されている。このグラウンド電極パッド８は、図５に示すように構成されている。すなわち、一体領域部のうちの電極パッドが形成されたパッド形成領域部では、下部電極層引出し配線２２１、２３１、２４１、２５１はエッチングされず、全面に形成された状態である。同時に、圧電薄膜はエッチングされて薄くなっているが、全面に形成された状態で残存している。この領域にある下部電極層引出し配線をまとめて一体領域部下部電極層２００とよび、圧電薄膜を一体領域部圧電薄膜３００とよぶ。この一体領域部下部電極層２００は一体領域部圧電薄膜３００に開口されたビアホール６５を介して引出し電極層４６に接続しており、これらによりグラウンド電極パッド８が構成されている。
なお、これらの電極パッドが形成された領域部では、一体領域部下部電極層２００が全面に形成されているだけでなく、一体領域部圧電薄膜３００も厚さ方向の途中までエッチングされているのみで、その一部が全面に残存した状態で一体領域部下部電極層２００を保護している。これにより、検出電極パッド５、駆動電極パッド７１、７２およびモニター電極パッド６が、一体領域部下部電極層２００と短絡することを防止している。
検出部１２０、駆動部１３５およびモニター部１５０に対しては、それぞれ検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１およびモニター部引出し配線１５０１と、グラウンド電極パッド８とを介して電圧が印加される。例えば、検出部１２０についてみると、検出電極パッド５とグラウンド電極パッド８との間に外部回路（図示せず）から電圧が印加される。検出電極パッド５は検出部引出し配線１２０１の上部電極層引出し配線４２１に接続されており、さらにこの上部電極層引出し配線４２１は検出部上部電極層４２に接続されている。一方、グラウンド電極パッド８は、検出部引出し配線１２０１の下部電極層引出し配線２２１に接続され、さらにこの下部電極層引出し配線２２１は検出部下部電極層（図示せず）に接続されている。
なお、上部電極層引出し配線４２１と下部電極層引出し配線２２１との間には圧電薄膜引出し配線３２１が形成されており、配線間の短絡を防止している。また、検出部上部電極層（図示せず）と検出部下部電極層（図示せず）との間には検出部圧電薄膜（図示せず）が形成されており、同様に配線間の短絡を防止している。
本実施の形態においては、この短絡を防止するために図６Ｄに示すような圧電薄膜３の形状としている。このような形状を作製するための製造方法の一例を、図６Ａから図６Ｄを用いて説明する。なお、図６Ａから図６Ｄまでは、図１に示す角速度センサ１００の任意の一部の断面を拡大して示す図である。したがって、以下の説明では、下部電極層２、圧電薄膜３および上部電極層４と表現して説明する。
図６Ａに示すように、基板１上に下部電極層２、圧電薄膜３および上部電極層４をこの順に積層成膜した後、フォトレジストを塗布して露光し、所定の形状のレジストパターン７０を作製する。この後、上部電極層４と圧電体薄膜３とを含めて同時にドライエッチングを行う。このとき、圧電薄膜３を途中までエッチングした状態でエッチングを終了する。これを図６Ｂに示す。このとき、レジストの厚さとドライエッチング条件を適当に設定すれば、圧電薄膜３の外周端部にテーパ部３Ｂを形成することができる。
その後、図６Ｃに示すように、再びフォトレジストを塗布し露光して、所定形状のレジストパターン７５を形成する。つぎに、ドライエッチングを行い、残りの圧電薄膜３と下部電極層２とをエッチングする。このときのレジストパターン７５の幅を、１回目のレジストパターン７０の幅より広く形成することで、平坦部３Ａが容易に形成できる。この平坦部３Ａの幅は、１回目のレジストパターン７０と２回目のレジストパターン７５との設計により任意に設定できる。
このようなフォトリソおよびエッチングプロセスにより、圧電薄膜３の外周端部を階段状とし、厚み方向の途中に平坦部３Ａを作製した状態を図６Ｄに示す。
以上のような製造方法により、圧電薄膜３の外周端部を階段状で、かつ平坦部３Ａを有するように形成することができ、しかも平坦部３Ａの面上には上部電極層４がないので圧電薄膜３を薄くしても、上部電極層４と下部電極層２との短絡発生を防止できる。
このような２回に分けて圧電薄膜３をエッチングする方法により、平坦部３Ａを容易に形成できるだけでなく、圧電薄膜３のエッチング中にフォトレジスト膜がエッチングされてなくなってしまい、エッチング作業ができなくなることも防止できる。このような階段状に形成する工程を３回以上行って平坦部を複数作製してもよい。
なお、一体領域部のうち、パッドパッド形成領域では、１回目のフォトリソプロセスとエッチング加工のみ行い、２回目の圧電薄膜３と下部電極層２とのエッチングを行わないようにする。これにより、図５に示したように、この領域部では下部電極層２が共通に接続され、かつ圧電薄膜３も途中までエッチングされた状態で残すことができる。このように加工することにより、ドライエッチングで上部電極層４を確実にエッチング可能となり、エッチング不足等により上部電極層４間での短絡発生を防止できる。また、圧電薄膜が全面に残存しているため、下部電極層２と上部電極層４とが短絡することも確実に防止できる。さらに、このようなパターン加工を一体領域部全体に行ってもよい。
以下、この構成の角速度センサの動作について説明する。駆動電極パッド７１、７２に外部回路（図示せず）から交互にプラス、マイナスの信号を印加する。それにより、外側駆動部１３０が伸張するときには、内側駆動部１４０は収縮するので、音叉を構成する基板１のそれぞれの腕は、図１の平面図においてそれぞれ左右方向に振動する。この左右振動の振幅の大きさをモニター部１５０に接続されているモニター電極パッド６を介して外部回路（図示せず）で検出する。外部回路では、検出した振幅値を基準値と比較して駆動部１３０、１４０に印加する信号の大きさを制御する。これにより、それぞれの腕の左右振動の振幅を一定値に制御する。
このように制御された状態で角速度が加わると、周知のコリオリ力の作用により音叉を構成するそれぞれの腕は、図１の平面図において左右の腕がそれぞれ逆方向に前後に振動する。それぞれの腕の前後振動の振幅の大きさを検出部１２０で検出する。外部回路（図示せず）は、検出電極パッド５を介して検出部１２０からの信号を検出し、その信号の大きさに基づき角速度の値を出力する。
なお、引出し部１１０は、圧電薄膜を分極処理するときに使用し、角速度センサとしては特別の機能を有しない。
本発明の角速度センサ１００では、広い面積にわたって上部電極層と下部電極層とが圧電薄膜で挟まれた領域がある。これらの領域において、圧電薄膜の外周端部は階段状で、厚み方向の途中に平坦部３Ａが設けられている。角速度センサとして使用する場合には、上部電極層と下部電極層との間に電圧が印加される。しかし、圧電薄膜の外周端部の形状が階段状で、その厚み方向の途中に平坦部３Ａを有するので、上部電極層と下部電極層との短絡を確実に防止できる。このため、歩留まりが高く、かつ安定な特性を有し、高信頼性の角速度センサ１００を実現することができる。この結果、自動車用等の信頼性と小型化が要求される分野において、特に有用である。
なお、本実施の形態の角速度センサ１００では、単結晶シリコン基板を基板１として用いた。単結晶シリコン基板は、加工が容易であるだけでなく、表面が平滑で、しかも平面度を得やすいので、下部電極層、圧電薄膜および上部電極層の成膜やこれらのパターン加工も容易であることから好ましい。しかしながら、本発明はこれに必ずしも限定されることはない。例えば、水晶や酸化マグネシウム単結晶基板などの単結晶基板、ガラス基板や石英基板等の非晶質基板、またはアルミナやジルコニウム等のセラミック基板等を用いてもよい。ガラス基板等を用いる場合には、音叉型形状を作製する方法としては、例えばサンドブラスト法を用いることもできる。
また、本発明の角速度センサでは図７に示すように、基板に接する側にチタン（Ｔｉ）膜２Ａ、このＴｉ膜２Ａ上に白金とチタン合金（Ｐｔ−Ｔｉ）膜２Ｂとの二層構成からなる下部電極層２としてもよい。Ｔｉ膜２Ａはシリコン基板やガラス基板等の基板１に対して密着性がよいので、下部電極層２の基板１への密着性を大きく改善できる。さらに、チタン（Ｔｉ）はＰｔ−Ｔｉ膜２Ｂや圧電薄膜３に対する拡散が生じにくいので圧電薄膜３の劣化が起こりにくくなり、信頼性が改善される。
さらに、図７に示すように上部電極層４を、Ｔｉ膜１０と、このＴｉ膜１０上に低抵抗導体膜１２とからなる二層構成膜としてもよい。これにより、上部電極層４の密着性の改善と拡散防止が可能となるので、上部電極層４の選択の自由度が広がり、外部回路と接続するための電極パッドの電極構成の設計がやりやすくなる。低抵抗導体層１２としては、例えば上述のＰｔ−Ｔｉ膜、金（Ａｕ）膜、銅（Ｃｕ）膜、ニッケル（Ｎｉ）膜あるいはアルミニウム（Ａｌ）膜等を用いることができる。
また、圧電薄膜３は平坦部３Ａを基準として、その上方部分の厚さを下方部分の厚さより厚くしてもよい。このような形状とする加工は、上述したフォトリソプロセスとドライエッチングプロセスにより行うことができる。なお、このような加工を行うときに、圧電薄膜３にテーパ部３Ｂ、３Ｃを設けることもできる。このテーパ部３Ｂ、３Ｃは、基板１の表面に対して９０度より小さな角度とすることが望ましい。このようなテーパ形状はフォトレジストの膜厚、断面形状とドライエッチング条件とにより設定することができる。テーパ部３Ｂ、３Ｃを設けることにより、上部電極層４から下部電極層２までの間隔を長くできるので、短絡が生じることをより確実に防止できる。
また、図７に示すように、下部電極層２と圧電薄膜３との間にマグネシウム（Ｍｇ）添加チタン酸ランタン酸鉛（ＰＬＭＴ）膜９を形成してもよい。このような膜を形成した後にＰＺＴ膜を形成すると、ＰＺＴ膜の結晶性、配向性が向上して圧電特性をより良好にできる。
また、本発明の角速度センサ１００では、図１からもわかるように、引出し部１１０、検出部１２０、駆動部１３５、モニター部１５０、およびこれらの引出し配線１２０１、１３０１、１４０１、１５０１等については、基板１の外周端部より内側に所定のスペースをおいて配置している。例えば、引出し部１１０よりも先端の腕部、一体領域部の配線形成領域部、さらには検出部や駆動部と基板外周部とのスペースが、保持領域部である。このような配置構成とすることにより、基板１の下面部を加工する場合に、このスペース部分で保持することができるので、上部電極層、圧電薄膜および下部電極層を損傷することがなくなる。
なお、本実施の形態では、パッド形成領域の圧電薄膜は厚み方向に一部がエッチングされた状態で残存するようにしたが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、上部電極層と圧電薄膜とのエッチング選択比が非常に大きなエッチング条件を選択すれば、圧電薄膜をエッチングせずに全面に残すことができるが、このような構造としてもよい。
【産業上の利用可能性】  本発明は、圧電薄膜を用いる角速度センサを実現する上で大きな課題となっている下部電極層と上部電極層間の短絡を防止することを目的としており、基板上に形成された駆動部、モニター部および検出部は、下部電極層と、下部電極層上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜上に形成された上部電極層とからなり、圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状で、かつその外周端部の平坦部には上部電極層が設けられていない構成からなる。これにより、上部電極層と下部電極層との短絡を確実に防止できるので、自動車用等の角速度センサ分野に有用である。
図面の参照符号の一覧表
１  基板
２  下部電極層
２Ａ，１０  チタン（Ｔｉ）膜
２Ｂ  白金とチタン合金（Ｐｔ−Ｔｉ）膜
３  圧電薄膜
３Ａ，３Ｂ  テーパ部
４  上部電極層
５  検出電極パッド
６  モニター電極パッド
８  グラウンド電極パッド
９  マグネシウム添加チタン酸ランタン酸鉛（ＰＬＭＴ）
１２  低抵抗膜
２１  引出し部下部電極層
２３，２４  駆動部下部電極層
３１  引出し部圧電薄膜
３３，３４  駆動部圧電薄膜
４１  分極用電極層
４３，４４  駆動部上部電極層
４６  引出し電極層
６０，６５  ビアホール
７０，７５  レジストパターン
７１，７２  駆動電極パッド
１００  角速度センサ
１１０  引出し部
１２０  検出部
１３０  内側駆動部
１３５  駆動部
１４０  外側駆動部
１５０  モニター部
２００  一体領域部下部電極層
２２１，２３１，２４１，２５１  下部電極層引出し配線
３００  一体領域部圧電薄膜
３２１，３３１，３４１，３５１  圧電薄膜引出し配線
４２１，４３１，４４１，４５１  上部電極層引出し配線
１２０１  検出部引出し配線
１３０１  内側駆動部引出し配線
１４０１  外側駆動部引出し配線
１５０１  モニター部引出し配線
【図１】
2004015370.tif 000003
【図２】
2004015370.tif 000004
【図３】
2004015370.tif 000005
【図４】
2004015370.tif 000006
【図５】
2004015370.tif 000007
2004015370.tif 000008
【図７】
2004015370.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月3日(2003.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉を構成する一対の腕部と前記腕部を一体的に保持する一体領域部とからなる音叉型形状を有する基板と、前記腕部に設けられ前記腕部を振動させる駆動部と、前記駆動部により発生した振動を検知するモニター部と、角速度が加わったときの振動の変位を検知する検出部とを備え、前記駆動部、前記モニター部および前記検出部は、前記腕部上に形成された下部電極層と、前記下部電極層上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極層とからなり、前記圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状で、かつ前記外周端部の前記平坦部には前記上部電極層が設けられていないことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記一体領域部は、前記駆動部、前記モニター部および前記検出部からの引出し配線が形成された配線形成領域と、前記引出し配線に接続する電極パッドが形成されたパッド形成領域とを有し、少なくとも前記パッド形成領域においては前記引出し配線の一部である前記下部電極層のすべてが共通して一つの前記電極パッドに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記パッド形成領域の前記引出し配線間の前記圧電薄膜の厚さが前記駆動部、前記モニター部および前記検出部の前記圧電薄膜より薄いことを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記基板は、単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記圧電薄膜の外周端部は、前記平坦部を基準として前記上部電極層側の厚みが前記下部電極層側の厚みより厚いことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記下部電極層は、前記基板上に形成したチタン（Ｔｉ）膜と前記チタン（Ｔｉ）膜上の白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜の二層構成からなることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記基板の前記駆動部、前記モニター部、前記検出部およびこれらの前記引出し配線と前記電極パッドが形成された面上には、さらに前記基板の他方の面を加工するために前記基板を保持する保持領域部を設けたことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の角速度センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜を用いた角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度センサはナビゲーションシステム等に多く用いられており、小型化が要望されている。そこで近年、水晶等のバルク圧電体材料を用いた構成から、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電薄膜を用いる構成が提案されている。これは、ＰＺＴ等の圧電薄膜においては、その圧電定数が水晶等のバルク圧電体に比べて極めて大きいため、小型化が図りやすくなることによる。
【０００３】
圧電薄膜を用いることで角速度センサの小型化が実現できるが、一方バルク圧電体では生じないような製造面での解決すべき課題がある。すなわち、圧電薄膜はバルク圧電体に比べて非常に薄いため、圧電薄膜の両面を挟む電極間の短絡が生じやすい。特に、圧電薄膜の外周領域部において、両面の電極間の短絡が生じやすく、このような領域部の短絡を確実に防止することが要求されている。
【０００４】
特許文献１には、圧電薄膜を基板上に直接形成するときの密着性を改善することを目的として、下部電極層を覆うように圧電薄膜を形成する構成が示されている。この開示例においては、下部電極層と上部電極層との短絡を防止するということについては記載がないが、この構成の場合には短絡を防止することも可能である。
【０００５】
また、特許文献２には、圧電体素子の変位のばらつきを低減させるために均一な形状を実現することを目的として、ドライエッチングあるいはウエットエッチング時の条件を適切に設定することにより、圧電薄膜の端部形状をテーパ状にエッチング加工することが示されている。
【特許文献１】特開平９−３３１０８７号公報
【特許文献２】特開２００１−１１３７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の第１の開示例によれば、下部電極層と上部電極層との短絡を防止できるが、圧電薄膜を形成する前に下部電極層を所定の形状に加工しておく必要がある。このために、下部電極層と圧電薄膜とを連続的に成膜することはできない。また、圧電薄膜は下部電極層上と基板上との両面に形成されるが、これらの面の性質が異なるために、下部電極層上および基板上に形成される圧電薄膜の結晶配向性や特性は同じにはならない。このため、下部電極層上のみに圧電薄膜を形成する場合に比べて圧電薄膜の特性のばらつきが大きくなるという課題がある。
【０００７】
また、第２の開示例では、テーパ形状にエッチングすることでパターン形状を均一にすることは示されているが、このような形状とすることにより下部電極層と上部電極層間の短絡を防止できることは記載されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、圧電薄膜を用いる角速度センサを実現する上で大きな課題となっている下部電極層と上部電極層間の短絡を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の角速度センサは、以下の構成からなる。
【００１０】
音叉を構成する一対の腕部と、これらの腕部を一体的に保持する一体領域部とからなる音叉型形状を有する基板と、これらの腕部に設けられ腕部を振動させる駆動部と、前記駆動部により発生した振動を検知するモニター部と、角速度が加わったときの振動の変位を検知する検出部とを備え、駆動部、モニター部および検出部は、腕部上に形成された下部電極層と、この下部電極層上に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成された上部電極層とからなり、圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状で、かつこの外周端部の平坦部には上部電極層が設けられていない構成からなる。
【００１１】
このような構成とすることにより、圧電定数の大きな圧電薄膜を用いても、上部電極層と下部電極層との短絡を防止でき、信頼性に優れ、かつ特性の安定した角速度センサを得ることができる。
【００１２】
また、本発明の角速度センサは、以下の構成とすることもできる。
【００１３】
基板の一体領域部は、駆動部、モニター部および検出部からの引出し配線が形成された配線形成領域と、引出し配線に接続する電極パッドが形成されたパッド形成領域とを有し、少なくともパッド形成領域においては引出し配線の一部である下部電極層のすべてが共通して一つの電極パッドに接続された構成からなる。
【００１４】
この構成により、ワイヤボンディングやハンダ付け等で外部回路と接続する電極パッドが形成されたパッド形成領域には下部電極層が露出していないので、接続作業工程中においても短絡が生じることがなくなり、歩留まりが高く、かつ信頼性のよい角速度センサが実現できる。
【００１５】
また、本発明の角速度センサは、パッド形成領域の引出し配線間の圧電薄膜の厚さが駆動部、モニター部および検出部の圧電薄膜より薄く形成された構成としてもよい。この構成とすることにより、上部電極層をドライエッチングして引出し配線を形成するときに、上部電極層を確実にエッチングすることができるので引出し配線間での短絡を防止でき、製造歩留まりを向上することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の角速度センサは、基板が単結晶シリコンである構成としてもよい。この構成とすることにより、音叉型形状の加工が容易にできるだけでなく、薄膜形成面の平滑性がよいので、結晶配向性の良好な圧電薄膜を容易に得ることができる。
【００１７】
また、本発明の角速度センサは、圧電薄膜の外周端部が平坦部を基準として、上部電極層側の厚みが下部電極層側の厚みより厚い構成からなる。この構成とすることにより、フォトリソプロセスとドライエッチングプロセスにより確実に、かつ再現性のよい圧電薄膜のエッチング加工を実現できる。すなわち、平坦部までのエッチングを厚く行っておけば、それ以降のエッチング量は最初のエッチングより少なくてすむ。このため、２回目のフォトレジストは１回目のフォトレジストの膜厚より薄く形成してもよい。２回目のフォトレジストの塗布は、圧電薄膜に階段状の段差を有する領域に塗布する必要があるので、一部が薄くなる可能性が生じる。しかし、エッチング時間も短くできるので、フォトレジストがドライエッチング中に消失して上部電極層や圧電薄膜が露出し、これらがエッチングされることを防止できる。
【００１８】
また、本発明の角速度センサは、下部電極層が基板上に形成したチタン（Ｔｉ）膜とチタン（Ｔｉ）膜上の白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜の二層構成からなる。Ｔｉ膜は単結晶シリコン基板や酸化物基板に対して密着性が良好であるので、下部電極層の密着性を向上することができる。しかも、チタン（Ｔｉ）は拡散しにくい性質を有し、白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜や圧電薄膜の劣化を生じさせにくく、高信頼性の角速度センサを実現できる。
【００１９】
また、本発明の角速度センサは、基板の駆動部、モニター部、検出部およびこれらの引出し配線と電極パッドが形成された面上には、さらに基板の他方の面を加工するために基板を保持する保持領域部を設けた構成からなる。
【００２０】
この構成とすることにより、例えば基板の下面側からフォトリソプロセスとエッチング加工等を行う場合に、駆動部やモニター部等の圧電薄膜が形成された面は基台等に直接接触することがなくなるので、圧電薄膜が損傷を受けたりすることを防止できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、圧電薄膜を用いる角速度センサを実現する上で大きな課題となっている下部電極層と上部電極層間の短絡を防止することを目的としており、基板上に形成された駆動部、モニター部および検出部は、下部電極層と、下部電極層上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜上に形成された上部電極層とからなり、圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状で、かつその外周端部の平坦部には上部電極層が設けられていない構成からなる。これにより、上部電極層と下部電極層との短絡を確実に防止できるので、自動車用等の角速度センサ分野に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態の角速度センサについて、図面を用いて説明する。図１は、本発明の角速度センサの平面図である。また、図２から図５は、図１に示す角速度センサの拡大断面図である。図２はＸ１−Ｘ１線に沿った断面図、図３はＸ２−Ｘ２線に沿った断面図、図４はＸ３−Ｘ３線に沿った断面図、および図５はＸ４−Ｘ４線に沿った断面図である。以下、本発明の角速度センサの構成を図１から図５を用いて、さらに詳細に説明する。
【００２３】
基板１は、単結晶シリコン板を加工して音叉型の形状とした構成からなる。この基板１上に下部電極層、圧電薄膜および上部電極層を積層し、これらの薄膜を所定の形状に加工することで、本発明の角速度センサ１００が構成されている。
【００２４】
下部電極層としては、白金（Ｐｔ）膜、白金とチタン（Ｐｔ−Ｔｉ）合金膜、金（Ａｕ）膜、銅（Ｃｕ）膜、ニッケル（Ｎｉ）膜やアルミニウム（Ａｌ）膜等の金属薄膜、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）膜や酸化イリジウム（ＩｒＯ2）膜等の酸化物導電体を用いることができる。成膜方法としては、蒸着、スパッタリング、気相成膜法（ＣＶＤ）、プラズマアシスト気相成膜法（ＰＣＶＤ）等を用いることができる。
【００２５】
また、圧電薄膜としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜が結晶配向性のよい薄膜を作製しやすいことから望ましい材料であるが、チタン酸鉛（ＰＴ）膜、ジルコン酸鉛（ＰＺ）膜、ランタン（Ｌａ）添加チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等、圧電薄膜で、エッチング可能な材料であれば、特に制約はない。成膜法としてはスパッタリング法が望ましいが、蒸着法、ＣＶＤ法あるいはＰＣＶＤ法でも作製は可能である。
【００２６】
さらに、上部電極層としては、上記の下部電極層と同じ材料を用いることができるが、外部機器との電気的な接続のためにワイヤリード等により実装する必要があるため、金属薄膜を用いることが望ましい。
【００２７】
本発明の角速度センサ１００は、それぞれの機能を有する複数の領域から構成されている。すなわち、基板１において、音叉を構成する一対の腕部には、その先端近傍から順に、すべての圧電薄膜に分極処理を施すため下部電極層を上層まで引出すための引出し部１１０、角速度を検出するための検出部１２０、一対の腕部を振動させるための駆動部１３５、一対の腕部に生じる振動の振幅を検出するモニター部１５０が形成されている。
【００２８】
また、基板１において、一対の腕部を一体に接続する一体領域部には、引出し部１１０、検出部１２０、駆動部１３５およびモニター部１５０のそれぞれから引出された検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１、モニター部引出し配線１５０１が形成されている。さらに、これらの引出し配線１２０１、１３０１、１４０１、１５０１は外部機器へ接続するための電極パッド５、６、８、７１、７２に接続されている。これについては、さらに詳細に後述する。
【００２９】
図２は、図１のＸ１−Ｘ１線に沿った断面図で、引出し部１１０の断面形状を示す図である。この図からわかるように下部電極層である引出し部下部電極層２１が引出し部圧電薄膜３１に形成されたビアホール６０を介して上部電極層である分極用電極層４１に接続されている。引出し部下部電極層２１は、図２から図５までのそれぞれの断面図からもわかるように、それぞれの下部電極層とは電気的に接続されている。
【００３０】
図１に示す角速度を検出するための検出部１２０は、基板１の腕部面上に引出し部１２０とほぼ同じ幅で、かつ同じ積層構成で形成されている。すなわち、基板１面側から検出部下部電極層（図示せず）、検出部圧電薄膜（図示せず）および検出部上部電極層が、ほぼ同じ幅で、かつこの順番に積層されて構成されている。
【００３１】
図３は、図１に示すＸ２−Ｘ２線に沿った断面図で、駆動部１３５が形成された領域の断面形状を示す図である。基板１の腕部上にそれぞれ内側駆動部１３０と外側駆動部１４０とが一対設けられ、駆動部１３５が構成されている。この内側駆動部１３０と外側駆動部１４０とは同じ形状からなり、基板１の腕部面上にそれぞれ駆動部下部電極層２３、２４、駆動部圧電薄膜３３、３４および駆動部上部電極層４３、４４が、この順番に形成されて構成されている。なお、駆動部下部電極層２３、２４、駆動部圧電薄膜３３、３４および駆動部上部電極層４３、４４はほぼ同じ幅に形成されている。また、検出部引出し配線１２０１が内側駆動部１３０と外側駆動部１４０との間に形成されている。
【００３２】
図１に示すように、モニター部１５０は基板１の腕部面上にそれぞれ一つ設けられている。モニター部１５０は、モニター部下部電極層（図示せず）、モニター部圧電薄膜（図示せず）およびモニター部上部電極層が、この順番に形成され構成されている。
【００３３】
図４は、図１のＸ３−Ｘ３に沿った配線形成領域の断面形状を示す図である。基板１の配線形成領域には、検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１およびモニター部引出し配線１５０１が形成されている。これらの引出し配線１２０１、１３０１、１４０１、１５０１は、それぞれ基板１側から下部電極層引出し配線２２１、２３１、２４１、２５１、圧電薄膜引出し配線３２１、３３１，３４１、１５１および上部電極層引出し配線４２１、４３１、４４１、４５１で構成されている。なお、モニター部１５０は、基板１の配線形成領域面上で一つに接続され、モニター部引出し配線１５０１として配線されている。
【００３４】
検出部引出し配線１２０１のうちの上部電極層引出し配線４２１は、検出電極パッド５に接続されている。また、それぞれの内側駆動部引出し配線１３０１のうちの上部電極層引出し配線４３１が、駆動電極パッド７２に接続されている。同様に、それぞれの外側駆動部引出し配線１４０１のうちの上部電極層引出し配線４４１が、駆動電極パッド７１に接続されている。また、モニター部引出し配線１５０１のうちの上部電極層引出し配線４５１は、モニター電極パッド６に接続されている。
【００３５】
さらに、検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１およびモニター部引出し配線１５０１のうちのそれぞれの下部電極層引出し配線２２１、２３１、２４１、２５１は、グラウンド電極パッド８に共通して接続されている。このグラウンド電極パッド８は、図５に示すように構成されている。すなわち、一体領域部のうちの電極パッドが形成されたパッド形成領域部では、下部電極層引出し配線２２１、２３１、２４１、２５１はエッチングされず、全面に形成された状態である。同時に、圧電薄膜はエッチングされて薄くなっているが、全面に形成された状態で残存している。この領域にある下部電極層引出し配線をまとめて一体領域部下部電極層２００とよび、圧電薄膜を一体領域部圧電薄膜３００とよぶ。この一体領域部下部電極層２００は一体領域部圧電薄膜３００に開口されたビアホール６５を介して引出し電極層４６に接続しており、これらによりグラウンド電極パッド８が構成されている。
【００３６】
なお、これらの電極パッドが形成された領域部では、一体領域部下部電極層２００が全面に形成されているだけでなく、一体領域部圧電薄膜３００も厚さ方向の途中までエッチングされているのみで、その一部が全面に残存した状態で一体領域部下部電極層２００を保護している。これにより、検出電極パッド５、駆動電極パッド７１、７２およびモニター電極パッド６が、一体領域部下部電極層２００と短絡することを防止している。
【００３７】
検出部１２０、駆動部１３５およびモニター部１５０に対しては、それぞれ検出部引出し配線１２０１、内側駆動部引出し配線１３０１、外側駆動部引出し配線１４０１およびモニター部引出し配線１５０１と、グラウンド電極パッド８とを介して電圧が印加される。例えば、検出部１２０についてみると、検出電極パッド５とグラウンド電極パッド８との間に外部回路（図示せず）から電圧が印加される。検出電極パッド５は検出部引出し配線１２０１の上部電極層引出し配線４２１に接続されており、さらにこの上部電極層引出し配線４２１は検出部上部電極層４２に接続されている。一方、グラウンド電極パッド８は、検出部引出し配線１２０１の下部電極層引出し配線２２１に接続され、さらにこの下部電極層引出し配線２２１は検出部下部電極層（図示せず）に接続されている。
【００３８】
なお、上部電極層引出し配線４２１と下部電極層引出し配線２２１との間には圧電薄膜引出し配線３２１が形成されており、配線間の短絡を防止している。また、検出部上部電極層（図示せず）と検出部下部電極層（図示せず）との間には検出部圧電薄膜（図示せず）が形成されており、同様に配線間の短絡を防止している。
【００３９】
本実施の形態においては、この短絡を防止するために図６Ｄに示すような圧電薄膜３の形状としている。このような形状を作製するための製造方法の一例を、図６Ａから図６Ｄを用いて説明する。なお、図６Ａから図６Ｄまでは、図１に示す角速度センサ１００の任意の一部の断面を拡大して示す図である。したがって、以下の説明では、下部電極層２、圧電薄膜３および上部電極層４と表現して説明する。
【００４０】
図６Ａに示すように、基板１上に下部電極層２、圧電薄膜３および上部電極層４をこの順に積層成膜した後、フォトレジストを塗布して露光し、所定の形状のレジストパターン７０を作製する。この後、上部電極層４と圧電体薄膜３とを含めて同時にドライエッチングを行う。このとき、圧電薄膜３を途中までエッチングした状態でエッチングを終了する。これを図６Ｂに示す。このとき、レジストの厚さとドライエッチング条件を適当に設定すれば、圧電薄膜３の外周端部にテーパ部３Ｂを形成することができる。
【００４１】
その後、図６Ｃに示すように、再びフォトレジストを塗布し露光して、所定形状のレジストパターン７５を形成する。つぎに、ドライエッチングを行い、残りの圧電薄膜３と下部電極層２とをエッチングする。このときのレジストパターン７５の幅を、１回目のレジストパターン７０の幅より広く形成することで、平坦部３Ａが容易に形成できる。この平坦部３Ａの幅は、１回目のレジストパターン７０と２回目のレジストパターン７５との設計により任意に設定できる。
【００４２】
このようなフォトリソおよびエッチングプロセスにより、圧電薄膜３の外周端部を階段状とし、厚み方向の途中に平坦部３Ａを作製した状態を図６Ｄに示す。
【００４３】
以上のような製造方法により、圧電薄膜３の外周端部を階段状で、かつ平坦部３Ａを有するように形成することができ、しかも平坦部３Ａの面上には上部電極層４がないので圧電薄膜３を薄くしても、上部電極層４と下部電極層２との短絡発生を防止できる。
【００４４】
このような２回に分けて圧電薄膜３をエッチングする方法により、平坦部３Ａを容易に形成できるだけでなく、圧電薄膜３のエッチング中にフォトレジスト膜がエッチングされてなくなってしまい、エッチング作業ができなくなることも防止できる。このような階段状に形成する工程を３回以上行って平坦部を複数作製してもよい。
【００４５】
なお、一体領域部のうち、パッドパッド形成領域では、１回目のフォトリソプロセスとエッチング加工のみ行い、２回目の圧電薄膜３と下部電極層２とのエッチングを行わないようにする。これにより、図５に示したように、この領域部では下部電極層２が共通に接続され、かつ圧電薄膜３も途中までエッチングされた状態で残すことができる。このように加工することにより、ドライエッチングで上部電極層４を確実にエッチング可能となり、エッチング不足等により上部電極層４間での短絡発生を防止できる。また、圧電薄膜が全面に残存しているため、下部電極層２と上部電極層４とが短絡することも確実に防止できる。さらに、このようなパターン加工を一体領域部全体に行ってもよい。
【００４６】
以下、この構成の角速度センサの動作について説明する。駆動電極パッド７１、７２に外部回路（図示せず）から交互にプラス、マイナスの信号を印加する。それにより、外側駆動部１３０が伸張するときには、内側駆動部１４０は収縮するので、音叉を構成する基板１のそれぞれの腕は、図１の平面図においてそれぞれ左右方向に振動する。この左右振動の振幅の大きさをモニター部１５０に接続されているモニター電極パッド６を介して外部回路（図示せず）で検出する。外部回路では、検出した振幅値を基準値と比較して駆動部１３０、１４０に印加する信号の大きさを制御する。これにより、それぞれの腕の左右振動の振幅を一定値に制御する。
【００４７】
このように制御された状態で角速度が加わると、周知のコリオリ力の作用により音叉を構成するそれぞれの腕は、図１の平面図において左右の腕がそれぞれ逆方向に前後に振動する。それぞれの腕の前後振動の振幅の大きさを検出部１２０で検出する。外部回路（図示せず）は、検出電極パッド５を介して検出部１２０からの信号を検出し、その信号の大きさに基づき角速度の値を出力する。
【００４８】
なお、引出し部１１０は、圧電薄膜を分極処理するときに使用し、角速度センサとしては特別の機能を有しない。
【００４９】
本発明の角速度センサ１００では、広い面積にわたって上部電極層と下部電極層とが圧電薄膜で挟まれた領域がある。これらの領域において、圧電薄膜の外周端部は階段状で、厚み方向の途中に平坦部３Ａが設けられている。角速度センサとして使用する場合には、上部電極層と下部電極層との間に電圧が印加される。しかし、圧電薄膜の外周端部の形状が階段状で、その厚み方向の途中に平坦部３Ａを有するので、上部電極層と下部電極層との短絡を確実に防止できる。このため、歩留まりが高く、かつ安定な特性を有し、高信頼性の角速度センサ１００を実現することができる。この結果、自動車用等の信頼性と小型化が要求される分野において、特に有用である。
【００５０】
なお、本実施の形態の角速度センサ１００では、単結晶シリコン基板を基板１として用いた。単結晶シリコン基板は、加工が容易であるだけでなく、表面が平滑で、しかも平面度を得やすいので、下部電極層、圧電薄膜および上部電極層の成膜やこれらのパターン加工も容易であることから好ましい。しかしながら、本発明はこれに必ずしも限定されることはない。例えば、水晶や酸化マグネシウム単結晶基板などの単結晶基板、ガラス基板や石英基板等の非晶質基板、またはアルミナやジルコニウム等のセラミック基板等を用いてもよい。ガラス基板等を用いる場合には、音叉型形状を作製する方法としては、例えばサンドブラスト法を用いることもできる。
【００５１】
また、本発明の角速度センサでは図７に示すように、基板に接する側にチタン（Ｔｉ）膜２Ａ、このＴｉ膜２Ａ上に白金とチタン合金（Ｐｔ−Ｔｉ）膜２Ｂとの二層構成からなる下部電極層２としてもよい。Ｔｉ膜２Ａはシリコン基板やガラス基板等の基板１に対して密着性がよいので、下部電極層２の基板１への密着性を大きく改善できる。さらに、チタン（Ｔｉ）はＰｔ−Ｔｉ膜２Ｂや圧電薄膜３に対する拡散が生じにくいので圧電薄膜３の劣化が起こりにくくなり、信頼性が改善される。
【００５２】
さらに、図７に示すように上部電極層４を、Ｔｉ膜１０と、このＴｉ膜１０上に低抵抗導体膜１２とからなる二層構成膜としてもよい。これにより、上部電極層４の密着性の改善と拡散防止が可能となるので、上部電極層４の選択の自由度が広がり、外部回路と接続するための電極パッドの電極構成の設計がやりやすくなる。低抵抗導体層１２としては、例えば上述のＰｔ−Ｔｉ膜、金（Ａｕ）膜、銅（Ｃｕ）膜、ニッケル（Ｎｉ）膜あるいはアルミニウム（Ａｌ）膜等を用いることができる。
【００５３】
また、圧電薄膜３は平坦部３Ａを基準として、その上方部分の厚さを下方部分の厚さより厚くしてもよい。このような形状とする加工は、上述したフォトリソプロセスとドライエッチングプロセスにより行うことができる。なお、このような加工を行うときに、圧電薄膜３にテーパ部３Ｂ、３Ｃを設けることもできる。このテーパ部３Ｂ、３Ｃは、基板１の表面に対して９０度より小さな角度とすることが望ましい。このようなテーパ形状はフォトレジストの膜厚、断面形状とドライエッチング条件とにより設定することができる。テーパ部３Ｂ、３Ｃを設けることにより、上部電極層４から下部電極層２までの間隔を長くできるので、短絡が生じることをより確実に防止できる。
【００５４】
また、図７に示すように、下部電極層２と圧電薄膜３との間にマグネシウム（Ｍｇ）添加チタン酸ランタン酸鉛（ＰＬＭＴ）膜９を形成してもよい。このような膜を形成した後にＰＺＴ膜を形成すると、ＰＺＴ膜の結晶性、配向性が向上して圧電特性をより良好にできる。
【００５５】
また、本発明の角速度センサ１００では、図１からもわかるように、引出し部１１０、検出部１２０、駆動部１３５、モニター部１５０、およびこれらの引出し配線１２０１、１３０１、１４０１、１５０１等については、基板１の外周端部より内側に所定のスペースをおいて配置している。例えば、引出し部１１０よりも先端の腕部、一体領域部の配線形成領域部、さらには検出部や駆動部と基板外周部とのスペースが、保持領域部である。このような配置構成とすることにより、基板１の下面部を加工する場合に、このスペース部分で保持することができるので、上部電極層、圧電薄膜および下部電極層を損傷することがなくなる。
【００５６】
なお、本実施の形態では、パッド形成領域の圧電薄膜は厚み方向に一部がエッチングされた状態で残存するようにしたが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、上部電極層と圧電薄膜とのエッチング選択比が非常に大きなエッチング条件を選択すれば、圧電薄膜をエッチングせずに全面に残すことができるが、このような構造としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、圧電薄膜を用いる角速度センサを実現する上で大きな課題となっている下部電極層と上部電極層間の短絡を防止することを目的としており、基板上に形成された駆動部、モニター部および検出部は、下部電極層と、下部電極層上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜上に形成された上部電極層とからなり、圧電薄膜の外周端部は少なくとも一つの平坦部を有する階段形状で、かつその外周端部の平坦部には上部電極層が設けられていない構成からなる。これにより、上部電極層と下部電極層との短絡を確実に防止できるので、自動車用等の角速度センサ分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる角速度センサの平面図
【図２】同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ１−Ｘ１線に沿った断面の拡大図
【図３】同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ２−Ｘ２線に沿った断面の拡大図
【図４】同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ３−Ｘ３線に沿った断面の拡大図
【図５】同実施の形態にかかる角速度センサで、図１のＸ４−Ｘ４線に沿った断面の拡大図
【図６】Ａは、同実施の形態にかかる角速度センサのフォトリソプロセスとエッチングプロセスの一例を説明するための図で、基板上に下部電極層、圧電薄膜および上部電極層を積層し、レジストパターンを形成した状態を示す断面図、Ｂは、同プロセスを説明するための図で、圧電薄膜の途中までエッチングした状態を示す断面図、Ｃは、同プロセスを説明するための図で、平坦部が形成されるようにレジストパターンを作製した状態を示す断面図、Ｄは、同プロセスを説明するための図で、エッチングを行い圧電薄膜の外周端部を階段状にして平坦部を形成した状態を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態の角速度センサの変形例を説明する断面図
【符号の説明】
【００５９】
１  基板
２  下部電極層
２Ａ，１０  チタン（Ｔｉ）膜
２Ｂ  白金とチタン合金（Ｐｔ−Ｔｉ）膜
３  圧電薄膜
３Ａ，３Ｂ  テーパ部
４  上部電極層
５  検出電極パッド
６  モニター電極パッド
８  グラウンド電極パッド
９  マグネシウム添加チタン酸ランタン酸鉛（ＰＬＭＴ）
１２  低抵抗膜
２１  引出し部下部電極層
２３，２４  駆動部下部電極層
３１  引出し部圧電薄膜
３３，３４  駆動部圧電薄膜
４１  分極用電極層
４３，４４  駆動部上部電極層
４６  引出し電極層
６０，６５  ビアホール
７０，７５  レジストパターン
７１，７２  駆動電極パッド
１００  角速度センサ
１１０  引出し部
１２０  検出部
１３０  内側駆動部
１３５  駆動部
１４０  外側駆動部
１５０  モニター部
２００  一体領域部下部電極層
２２１，２３１，２４１，２５１  下部電極層引出し配線
３００  一体領域部圧電薄膜
３２１，３３１，３４１，３５１  圧電薄膜引出し配線
４２１，４３１，４４１，４５１  上部電極層引出し配線
１２０１  検出部引出し配線
１３０１  内側駆動部引出し配線
１４０１  外側駆動部引出し配線
１５０１  モニター部引出し配線
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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2004015370.tif 000018
2004015370.tif 000019
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