(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘部と、該錘部に対して所定の振動軸の方向に振動を誘起する振動励起部と、コリオリ力を受けて生じる前記錘部の変位を検知して角速度を算出する角速度検出部とを備えた角速度センサであって、前記振動励起部および前記角速度検出部が、それぞれ板状基材の表面に設けられた下部電極、圧電膜および上部電極の積層体からなる圧電素子を備えてなり、前記錘部と、前記錘部との間に空間を挟んで設けられた支持部とが前記板状基材の一部として構成されてなる角速度センサと、
前記錘部の一部に設けられた可動電極、前記板状基材とは別部材であり且つ前記支持部に接続された副板状基材の表面に設けられた固定電極、および前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備え、
前記可動電極を構成する電極膜が前記支持部の表面を覆い、前記電極膜の前記支持部を覆う部分が、直接または導電性を有するスペーサを介して前記副板状基材に接続されている
複合センサ。
【請求項２】
前記角速度センサおよび前記加速度センサを内包する筐体を備え、該筐体内の気圧が大気圧未満である
請求項１記載の複合センサ。
【請求項３】
前記固定電極が１つの前記錘部に対して２つ以上の固定電極片からなる
請求項１または２記載の複合センサ。
【請求項４】
前記可動電極と前記固定電極との間隔が、両者間が近接する方向へ前記錘部が変位することにより前記圧電膜に与える応力が破壊応力となる距離未満である
請求項１から３いずれか１項記載の複合センサ。
【請求項５】
前記板状基材は、前記可動電極と前記固定電極とが、非駆動時において所定の間隔で対向配置される位置で前記副板状基材と接合されている
請求項１から４いずれか１項記載の複合センサ。
【請求項６】
前記副板状基材が、前記角速度センサによる角速度検出制御の回路を有している
請求項１から５いずれか１項記載の複合センサ。
【請求項７】
前記角速度センサの一部を構成する前記圧電素子が、動的加速度を検出する動的加速度センサの一部として機能する請求項１から６いずれか１項記載の複合センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度および加速度を検出する複合センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲーム機、携帯情報端末、デジタルカメラなどの電子機器、自動車、航空機、船舶などの姿勢制御やナビゲーション等には、角速度センサや加速度センサが用いられている。角速度および加速度などの物理量を検出するセンサとしては、固定電極と可動電極との間の静電容量の変位に基づいて物理量の変化を検出する静電方式、および圧電素子により歪量の変化に基づいて物理量の変化を検出する圧電方式などが知られている。【０００３】
特許文献１、２および８などには、圧電素子を用いた角速度センサが開示されている。また、特許文献１および非特許文献１には、圧電素子を用いて６軸（加速度３軸、角速度３軸）が測定可能である旨開示されている。しかしながら、圧電方式のセンサでは、応力変化によって生じる電荷を検出するという原理から、重力加速度のような静的加速度は検出することができない。また、動的な加速度であっても、その動き（変化）が非常に遅い場合（例えば、１Ｈｚ以下）には検出ができない場合がある。【０００４】
一方、静電方式を用いたセンサでは、静的加速度の検出も可能である（特許文献３、４など）。また、圧電方式の角速度検出にピエゾ抵抗方式による加速度検出を組み合わせることにより、角速度、動的加速度および静的加速度を検出可能とした複合センサ（特許文献５、６）や、圧電方式の角速度検出に静電方式による加速度検出を組み合わせた複合センサ（特許文献７など）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２３３２０号公報
【特許文献２】特開２０１４−６６７０８号公報
【特許文献３】特開平１１−２３０７６０号公報
【特許文献４】特開２０１０−１８１２４０号公報
【特許文献５】特開２００８−１９０９３１号公報
【特許文献６】特開２０１５−９２１４５号公報
【特許文献７】特開２０１４−１５７０６３号公報
【特許文献８】特開２０１３−２１７８７２公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kazuaki Okada et.al. "Development of 6-axis Motion Sensors Using Piezoelectric Elements", PROCEEDINGS OF THE 21ST SENSOR SYMPOSIUM,2004.pp.385〜390
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献５、６に記載の複合センサは、角速度を測定する圧電センサとピエゾ抵抗式の加速度センサを組み合わせたものであり、サイズを大きくすることなく小型に実現でき、静的加速度も測定可能である。しかしながら、ピエゾ抵抗を形成するため、基板へのイオン注入や不純物拡散などの工程が必要であるため、製造工程が煩雑なものとなる。【０００８】
また、特許文献７に記載の複合センサは、圧電方式による角速度センサと静電方式による加速度センサを一体化したものであるが、それぞれのセンサを連結して構成するために、十分な小型化が実現できず、サイズが大きくなる可能性がある。【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、製造が容易であり、かつ小型化が実現できる、角速度に加え静的加速度の検出が可能な複合センサ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】
【００１０】
本発明の複合センサは、錘部と、その錘部に対して所定の振動軸の方向に振動を誘起する振動励起部と、コリオリ力を受けて生じる錘部の変位を検知して角速度を算出する角速度検出部とを備えた角速度センサであって、振動励起部および角速度検出部が、それぞれ板状基材の表面に設けられた下部電極、圧電膜および上部電極の積層体からなる圧電素子を備えてなり、錘部と、錘部との間に空間を挟んで設けられた支持部とが板状基材の一部として構成されてなる角速度センサと、
錘部の一部に設けられた可動電極、板状基材とは別部材であり且つ支持部に接続された副板状基材の表面に設けられた固定電極、および可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備え、
可動電極を構成する電極膜が支持部の表面を覆い、電極膜の前記支持部を覆う部分が、直接または導電性を有するスペーサを介して副板状基材に接続されている。

【００１１】
なお、錘部は１つに限らず、２つ以上備えられていてもよい。【００１２】
本発明の複合センサは、角速度センサおよび加速度センサを内包する筐体を備え、筐体内の気圧が大気圧未満であることが好ましい。【００１３】
本発明の複合センサは、固定電極が１つの錘部に対して２つ以上の固定電極片からなることが好ましい。【００１４】
本発明の複合センサは、可動電極と固定電極との間隔が、両者間が近接する方向へ錘部が変位することにより圧電膜に与える応力が破壊応力となる距離未満であることが好ましい。【００１５】
本発明の複合センサは、板状基材が、可動電極と固定電極とが、非駆動時において所定の間隔で対向配置される位置で副板状基材と接合されていることが好ましい。
【００１６】
なお、上記板状基材と副板状基材がスペーサを介して接合されていることが好ましい。
そして、スペーサを備える場合には、スペーサが導電性を有して、電極配線機能を有することが好ましい。【００１７】
本発明の複合センサは、副板状基材が、角速度センサによる角速度検出制御の回路を有していることが好ましい。【００１８】
本発明の複合センサにおいては、角速度センサの一部を構成する圧電素子が、動的加速度を検出する動的加速度センサの一部として機能することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の複合センサは、圧電方式の角速度センサを備え、その角速度センサの構成要素の一つである錘部の一部に設けられた可動電極、その可動電極に対向する固定位置に設けられた固定電極、および可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備えており、この加速度検出部では静的な加速度を検出することが可能である。かかる構成の複合センサは、静電容量の検出用の可動電極を角速度センサの錘部の一部に備えているので、小型化が実現でき、かつ作製も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る複合センサの切断端面図
【図２】実施形態に係る複合センサの角速度センサの上部電極パターンを示す図
【図３】固定電極の一例を示す図
【図４】第１の実施形態に係る複合センサの製造工程を示す図（その１）
【図５】第１の実施形態に係る複合センサの製造工程を示す図（その２）
【図６】設計変更例１の複合センサの切断端面図
【図７】設計変更例２の複合センサの切断端面図
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る複合センサの切断端面図
【図９】第２の実施形態に係る複合センサの角速度センサの上部電極パターンを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態のセンサについて図面を参照して詳細に説明する。以下に示す図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る複合センサ１の切断端面模式図である。
本実施形態の複合センサ１は、錘部１５および圧電素子２５、２６が作り込まれた板状基材１０と、錘部１５の一部に設けられた可動電極３５に対向する固定電極４５を備えた副板状基材４０と、板状基材１０および副板状基材４０が内包される筐体５０とを備えている。
【００２３】
板状基材１０は、一方の面側に周囲が深掘りされて形成された錘部１５を備えている。板状基材１０の一部が深掘りされて厚みが薄くなった領域（深掘り領域）は、その深掘り領域の周りの板状基材１０の本来の厚みを有する部分を支持部とするダイアフラムを構成している。すなわち、板状基材１０にダイアフラムが設けられ、そのダイアフラムの略中央に錘部１５が設けられた構成となっている。板状基材１０の他方の面側には、下部電極２１、圧電膜２２、および上部電極２４Ａ，２４Ｂが順次積層されてなる、複数の圧電素子２５、２６が備えられている。下部電極２１および圧電膜２２は、他方の面側に略全域に亘って連続膜状に形成されており、圧電膜２２上に設けられている上部電極２４Ａ、２４Ｂはパターニング形成されて個々の圧電素子２５、２６を規定している。なおここで、「下部」および「上部」は天地を意味するものではない。圧電膜を挟んで設けられる一対の電極に関し、板状基材１０側に配される一方の電極を下部電極、他方の電極を上部電極と称しているに過ぎない。
【００２４】
図２は上部電極２４Ａ，２４Ｂのパターン例を示す平面模式図である。本例においては、振動励起用の圧電素子２５を規定する４つの上部電極２４Ａおよび角速度検出用の圧電素子２６を規定する４つの上部電極２４Ｂを備えている。上部電極２４Ａはダイアフラムの外周縁と支持部の境界を跨いで形成されており、上部電極２４Ｂは錘部１５の外周縁と深掘り領域の境界を跨いで形成されている。すなわち、圧電素子２５が振動励起部の一部を構成し、圧電素子２６がコリオリ力を受けて生じる錘部１５の変位を検知して角速度を算出する角速度検出部の一部を構成する。
【００２５】
４つの圧電素子２５を駆動してダイアフラムに所望の振動が与えることにより錘部１５を所定の振動軸の方向の振動を誘起する。この振動している錘部１５が受けるコリオリ力により生じる錘部の変位に伴い圧電膜２２に歪が生じ、この歪に伴い生じる電荷を圧電素子２６により検出して角速度を求める。
【００２６】
すなわち、板状基材１０に形成された錘部１５および錘部１５を含むダイアフラム上に設けられた下部電極２１、圧電膜２２および上部電極２４Ａの積層体からなる圧電素子２５が圧電アクチュエータとして機能し、下部電極２１、圧電膜２２および上部電極２４Ｂの積層体からなる圧電素子２６が圧電センサとして機能するものであり、これらの圧電素子２５および圧電素子２６が角速度センサの一部を構成する。圧電素子２５を駆動する駆動制御および圧電素子２６で検出された電流値に基づいて加速度を求める演算部は後記の角速度検出制御回路に備えられている。
【００２７】
本構成の角速度センサでは、ダイアフラムの中心位置に原点Ｏを持ち、ダイアフラムの表面を含むＸＹ平面とし、それに垂直な方向をＺとするＸＹＺの三次元直交座標系を定義する。Ｘ軸およびＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出部を構成する角速度検出用電極からの検出値に基づいてＹ軸周りの角速度を検出する。Ｘ軸周りおよびＹ軸周りの角速度を検出するためには、錘部をＺ軸方向に振動させ、Ｙ軸方向およびＸ軸方向への変位を検出すればよい。また、Ｚ軸周りの角速度を検出するためには、錘部をＸ軸方向またはＹ軸方向に振動させ、Ｙ軸方向またはＸ軸方向への変位を検出すればよい。
【００２８】
なお、上記角速度センサのダイアフラムおよび電極の構成は一例であり、角速度センサとしての精度を向上させるため、例えば、既述の特許文献２（特開２０１４−６６７０８号公報）記載のものを適用してもよい。さらには、特許文献８（特開２０１３−２１７８７２公報）のような構造のものでもかまわない。
【００２９】
板状基材１０の、錘部１５が設けられた面側には、密着層３１を介して電極膜３２が一様に形成されている。この電極膜３２のうち、錘部１５の図中下端面に設けられている部分が可動電極３５として機能する。ここでは、電極膜３２が板状基材１０の錘部１５側全面に設けられているが、少なくとも錘部１５の下端面に設けられていればよい。なお、本構成においては、可動電極３５を接地電位とする。
【００３０】
板状基材１０とは別部材として用意された副板状基材４０の一面に固定電極４５が備えられており、板状基材１０は、錘部１５の可動電極３５と固定電極４５とを対向配置させた状態で副板状基材４０と接合（接着）されている。また、板状基材１０と副板状基材４０とは、本センサ１が駆動していない状態（非駆動時）において、可動電極３５と固定電極４５との間隔ｄを所定距離となるように規定する間隔維持機構としてスペーサ４８を備えている。スペーサ４８は接着機能と間隔維持機能とを備えるものが好ましく、例えば、共晶結合のためのＡｕ−Ｓｎ金属材料に間隔ｄを維持するため形状が変化しないガラスビーズなどを混合したものを用いることができる。
【００３１】
この可動電極３５と固定電極４５との間隔ｄが変化すると両電極間の静電容量が変化する。固定電極４５に対する可動電極３５の相対位置の変化を静電容量の変化を検出することにより検出して加速度を求める。すなわち、錘部１５に設けられた可動電極３５と副板状基材４０に設けられた固定電極４５とが加速度センサの一部を構成している。可動電極３５と固定電極４５との間の静電容量の変化から加速度を求める演算部は後記の加速度検出制御回路に備えられている。本構成の加速度センサによれば静的加速度を検出することが可能である。
【００３２】
図３は固定電極４５の構成の一例を示す模式図である。
図３に示すように、本実施形態においては、可動電極３５が備え得られている１つの錘部１５に対して設けられる固定電極４５は、４つの固定電極片４５ｘ１，４５ｘ２，４５ｙ１，４５ｙ２から構成されている。固定電極４５は２つ以上の固定電極片から構成されていればよいが、４つ以上であることがより好ましい。ここで、可動電極３５と固定電極４５との間の静電容量の変化を検出するとは、可動電極３５と個々の固定電極片４５ｘ１，４５ｘ２，４５ｙ１，４５ｙ２との各静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２，Ｃｙ１，Ｃｙ２の変化、またはそれらの静電容量の比の変化を検出することを意味する。
【００３３】
４つの固定電極片４５ｘ１，４５ｘ２，４５ｙ１，４５ｙ２は、それらの中心が可動電極３５の中心と一致するように配置されており、重力加速度の向きがｚ軸方向と一致しているとき、静電容量の比Ｃｘ１：Ｃｘ２：Ｃｙ１：Ｃｙ２が１：１：１：１となるようにしておくことが好ましい。図１に示す本構成のセンサ１において、錘部１５にかかる重力加速度の向きによって、固定電極片４５ｘ１，４５ｘ２，４５ｙ１，４５ｙ２と可動電極３５との静電容量の比の変化を検出することにより、Ｚ軸方向に静的な重力加速度を観察することができる。
【００３４】
センサ１の、Ｘ方向もしくはＹ方向への傾きは、図３における固定電極片４５ｘ１，４５ｘ２からの出力Ｘ１とＸ２、あるいは固定電極片４５ｙ１，４５ｙ２からの出力Ｙ１とＹ２から検出することができる。それぞれの絶対値は、予め基準測定することで可能である。例えば、基準測定として、事前にセンサに既知の加速度を加えてその際の静電容量を測定し、加速度と静電容量の関係をグラフ化しておき、それらのデータを元に補正することで絶対値を求めることができる。
【００３５】
上述のように可動電極３５と固定電極４５との間の静電容量の変化を検出するが、可動電極３５と副板状基材４０に設けられた固定電極４５との間隔ｄが大きくなるほど、静電容量が小さくなり、静電容量の変化は微小になってしまうため、可能な限り可動電極３５と固定電極４５との間隔ｄは狭い方がよい。一方で、間隔ｄは角速度のセンシングのため錘部１５のＺ方向へ振動させることが必要であるため、角速度センシングに必要な振幅よりは大きくする必要がある。錘部１５の周囲に空気が存在すると空気のダンピング効果により動きが抑制されてしまう場合があるので、錘部１５の周囲の空気を排除して気圧を小さくすることが好ましい。そのため、筐体５０内部の気圧は、少なくとも大気圧（１気圧）未満とし、真空度が小さいほど好ましい。
【００３６】
なお、錘部１５の周囲が大気圧であってもセンシングは可能であるが、錘部１５の動きが空気によって邪魔されるため、位置変化が小さくなり、静電容量の変化が小さくなることから、より高い感度が要求される。測定感度は回路側の工夫である程度高めることができる。回路の工夫としては、ブリッジ回路、各電極間の容量の比較および比を取ることなどが考えられる。
【００３７】
また、複合センサ１に大きな衝撃が加わった時（落下試験時など）、錘部１５が大きく変位すると、圧電膜２２に破壊応力以上の応力を与えてしまい、圧電膜２２が破壊されてしまう。圧電膜２２に破壊応力以上の応力が加えられないように構成されていることが好ましい。すなわち、可動電極３５と固定電極４５との間隔ｄは、両者間が近接する方向（すなわち、本例ではＺ軸方向）に錘部１５が変位することにより圧電膜２２に与える応力が破壊応力となる距離未満として、固定電極４５側を錘部の１５の可動量を制限するストッパーとして機能させることが好ましい。
【００３８】
複合センサ１を駆動していない静止状態における、可動電極３５と固定電極４５との間隔ｄは例えば１５μｍ以下、０．５μｍ以上程度が好ましく、例えば、１μｍとする。但し、好ましい間隔ｄは錘部１５の大きさ、ダイアフラムの大きさ、厚み圧電膜の厚みなどに応じて適宜定める必要がある。例えば、ＰＺＴ（lead zirconate titanate）からなる２μｍ厚の圧電膜の場合、略２００ＭＰａ以上の応力が印加されると、破壊されてしまう。したがって、圧電膜に２００ＭＰａ以上の応力が印加されないように間隔ｄを設定するなどである。
【００３９】
破壊応力は、圧電膜の材料および厚み等により異なり、例えば、Ｓｉ基板上に電極を介して形成した圧電膜に上部電極を形成したものを、片持ち梁構造にして測定することができる。すなわち片持ち梁構造の圧電膜の上下電極間に交流の電圧を印加させて、共振駆動させ、駆動電圧を印加することで大きく片持ち梁が変位する。駆動電圧を大きくすることで変位が大きくなり圧電膜が構造的に破壊される。その時の変位量をＦＥＭ（Finite Element Method；有限要素法）等で破壊応力を算出することができる。
【００４０】
上記構成の加速度センサは静的加速度のみならず、動的加速度の検出も可能である。動的加速度と静的加速度の検出とでは、変位量が大きく異なるため、検出回路側において２つのダイナミックレンジを用意しておき、所定の閾値においてダイナミックレンジを切り替えて検出するように構成しておくことが好ましい。
【００４１】
あるいは、加速度センサにおける検出側のダイナミックレンジは１つとして、上記加速度センサは、静的加速度もしくは非常に遅い動的加速度を検出するために利用するものとし、角速度センサが動的加速度センサを兼ねるように（既述の特許文献１：特開２００６−２３３２０号公報参照）構成されていてもよい。
【００４２】
なお、副板状基材４０に、ＡＳＩＣ（Application specific integrated circuit）が備えられていることが好ましい。ＡＳＩＣには、角速度センサの角速度検出制御回路および加速度センサの加速度検出制御回路が含まれる。
【００４３】
可動電極３５と電気的に同電位である電極膜３２と接触するスペーサ４８は、可動電極３５の上記副板状基材４０の回路に対する電気的な接続のため、あるいは外部への電気的な接続のため導電性を有して、電極配線機能を有していることが好ましい。
【００４４】
板状基材１０および副板状基材４０としては、加工が容易である点などからＳｉウエハやＳＯＩ（silicon on insulator）ウエハなどを用いることが好ましい。
【００４５】
下部電極２１の材料は特に限定されず、金属でもよいし、酸化物導電体材料であってもよい。具体的には、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ａｕ（金）、銀（Ａｇ）、Ｉｒ（イリジウム）、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）などの材料を用いることができる。また、Ｓｉ活性層１３との密着性を高めるための密着層としてＴｉやＴｉＷ等をＳｉ活性層１３と下部電極２１との間に設けてもよい。
【００４６】
下部電極２１の厚みは、適宜の膜厚に設計することが可能であるが、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。下部電極２１は厚すぎると剛性が高くなり圧電膜２２の変位を制限してしまう恐れがあるため、厚みは５０〜３００ｎｍがより好ましい。
【００４７】
圧電膜２２の材料、厚みに制限はなく、角速度センサとして好適なものを用いることができる。好ましくは、成膜後に分極処理不要なものがよい。
圧電膜２２としては、例えば、下記一般式（Ｐ）で表される１種または複数種のペロブスカイト型酸化物を用いることができ、スパッタ法に代表される気相成長法により基板温度を上げて（好ましくは４００℃以上で）成膜中に結晶化させる方法で形成することができる。
【００４８】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイト元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｏ：酸素原子。Ａ：Ｂ：Ｏのモル比は１：１：３が標準であるが、このモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内でずれてもよい。）
【００４９】
特には、Ｐｂ（Ｚｒｙ，Ｔｉｚ，Ｎｂ1−ｙ−ｚ）Ｏ３，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１で表される、所謂ＰＺＴ（lead zirconate titanate）、あるいはＮｂ−ＰＺＴ(Nb doped lead zirconate titanate)と称される、ペロブスカイト型酸化物であることが好ましく、特には、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０６以上０．２０以下であるＮｂ−ＰＺＴが好ましい。Ｎｂ−ＰＺＴ膜は成膜直後の状態（asdepo状態，as-deposited）で自発分極を示し、分極処理が不要である。
【００５０】
圧電膜２２の膜厚については、０．３μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは、０．５μｍ以上８μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上７μｍ以下である。０．３μｍ以上の厚みがあれば、アクチュエータとして十分な駆動力を発生することができ、センサや発電デバイスとして十分な電圧信号を取り出すことが可能となる。
【００５１】
図４および図５を参照して上記実施形態の複合センサの製造工程について説明する。
まず、板状基材１０を用意する。板状基材１０としては、Ｓｉ基材１１、ＳｉＯ２からなるＢＯＸ（Buried Oxide）層１２、およびＢＯＸ層１２を挟んでＳｉ基材１１と対向するＳｉ活性層１３からなるＳＯＩウエハ（以下において、「ＳＯＩウエハ１０」とする。）が好適である。ＳＯＩウエハ１０のＳｉ活性層１３表面に下部電極２１を形成し、さらに下部電極２１上に圧電膜２２を形成する（図４の工程Ｓ１）。
【００５２】
ＳＯＩウエハ１０の仕様は角速度センサに適した仕様とすることが好ましい。例えば、ＢＯＸ層１２の膜厚は０．３〜１．０μｍ、Ｓｉ活性層１３の厚みは３〜５０μｍとすることが好ましい。しかしながら、これらの仕様は、センサの構造によって適宜選択することができる。
【００５３】
下部電極および圧電膜は、公知の薄膜形成法によって形成することができる。薄膜形成法には、物理的気相成膜法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）、化学的気相成膜法（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、液相成膜法（めっき、塗布、ゾルゲル法、スピンコート法など）、熱酸化法が含まれる。それぞれの層について適宜の成膜方法を選択できるが、すべての層を気相成長法で成膜する構成が最も好ましい。気相成長法は高精度な厚さ寸法制御が可能である。また、材料が安価で、成膜レートが高く、量産適性があるので、デバイスのコストダウンが可能である。特には、スパッタ法により成膜することが好ましい。
【００５４】
なお、圧電膜の成膜方法としてはスパッタ法に限らず、イオンプレーティング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＰＬＤ法（パルスレーザー堆積法）など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長以外の方法（例えば、ゾルゲル法など）を用いることも考えられる。
【００５５】
しかしながら、圧電膜をスパッタ法により基板に直接成膜し、圧電膜を薄膜化することで製造プロセスを簡便にすることができる。
【００５６】
次に、圧電膜２２上に上部電極層を成膜し、その後、所望の位置に圧電アクチュエータおよび圧電センサとして機能する圧電素子を形成するために上部電極層を個々の上部電極２４Ａ，２４Ｂおよび配線にパターニングする（図４の工程Ｓ２）。さらに圧電膜２２の一部をエッチングすることにより、下部電極２１を露出させて制御回路への接続を可能とする。
【００５７】
その後、ＳＯＩウエハ１０のＳｉ基材１１側の面からＢＯＸ層１２までＳｉ基材１１を深掘り工程にてエッチングし、錘部１５を作製する（図４の工程Ｓ３）。
【００５８】
さらに、このＳＯＩウエハのＳｉ基材１１側の面の全面に、スパッタ法にてＴｉ密着層を形成し、その上にＡｕ電極を形成する（図４の工程Ｓ４）。錘部１５の図中下面のＡｕ電極部が静電容量検出のための可動電極３５として機能する部分であり、接地電位とする。なお、錘部１５側の面は深掘り工程にて大きな凹凸が形成されているため、この面に均一に電極膜を形成するためには、例えば、蒸着法よりもスパッタ法、スパッタ法よりＣＶＤ法がカバレッジ性がよく好ましい。
【００５９】
別途に作製した、一面に加速度センサ用の固定電極４５がパターニング形成された副板状基材４０を用意する（図５の工程Ｓ５）。副板状基材４０としては、例えば、Ｓｉウエハが好適である。この副板状基材４０はセンサを駆動、処理するＡＳＩＣ機能を備えていることが好ましい。
【００６０】
その後、錘部１５、圧電素子などおよび可動電極が組み込まれたＳＯＩウエハ１０と副板状基材４０を、錘部１５の可動電極３５が、副板状基材４０上の固定電極４５と対向するように位置決めして貼り合わせる（図５の工程Ｓ６）。貼り合わせには、共晶結合、Ａｕ粒子による結合、あるいはエポキシ系樹脂による接合などを用いることができる。例えば、Ａｕ−Ｓｎ金属を１μｍエッジ部に形成し加熱、加圧状態とすることで接合することができる。貼り合せ時の可動電極３５と固定電極４５との間のギャップ制御が重要であるので、接合材料中にスペーサ４８として機能するガラスビーズのようなものを混合してもよい。
【００６１】
なお、錘部１５と副板状基材４０との絶縁が取れるように、ＳＯＩウエハ１０の錘部１５側に成膜形成された電極膜３２の副板状基材４０と接触しうる部分は予めＳｉＯ２膜などの絶縁膜（図示していない。）で被覆しておく。
【００６２】
最後に、各種配線の接続後、減圧雰囲気下にて筐体５０内に封止することにより図１に示す複合センサ１を作製することができる。
【００６３】
上記説明いた第１の実施形態の複合センサ１は、角速度センサの構成要素の一つである錘部１５の一部に可動電極３５を備え、可動電極３５と、この可動電極３５に対向した設けられた固定電極４５との間の静電容量の変化を検出して加速度を算出する加速度検出部を備えた加速度センサとを備えたことにより、小型な構成で、静的な加速度を検出可能となっている。また、上記複合センサ１は簡単な構成であるため、作製も容易である。
【００６４】
なお、上記第１の実施形態の複合センサ１においては、可動電極３５と固定電極４５との間隔を制御する間隔維持機構としてスペーサ４８を備えるものとしたが、間隔維持のための機構はこれに限らない。図６および図７に、それぞれ設計変更例１の複合センサ１Ａおよび設計変更例２の複合センサ１Ｂの切断端面図を示す。
【００６５】
図６に示すように、錘部１５Ａの長さをダイアフラムの周りの支持部の厚みと比較して短くしておくことにより間隔ｄを調整することも可能である。あるいは、図７に示すように、副板状基材４０の固定電極４５を形成する部分に凹部４３を設け、この凹部の深さによって間隔ｄを調整することも可能である。
【００６６】
図６および図７の場合には、板状基材１０側の副板状基材４０と接続させる部分の密着層３１および電極膜３２を除去し、Ｓｉウエハ直接接合技術を用いて板状基材１０と副板状基材４０を直接接合することができる。かかる構成によれば、接着剤を用いた場合と比較して、間隔の調整精度を向上させることが可能であり、かつ、接合強度を高めることもできる。
【００６７】
次に、本発明の第２の実施形態の複合センサについて説明する。
図８は第２の実施形態に係る複合センサ２の切断端面図である。本構成においては、第１の実施形態の複合センサ２における板状基材１０が天地を反対に配置されている。第１の実施形態の複合センサ２と同一の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６８】
図８に示すように、本複合センサ２においては、錘部１５のダイアフラム側の一部に可動電極２４Ｃ（３５）が設けられている。図９に板状基材１０の一方の面における上部電極パターンを示す。圧電素子２５、２６の上部電極２４Ａ、２４Ｂに加えて可動電極２４Ｃが上部電極２４Ａ，２４Ｂの中心部に設けられている。可動電極２４Ｃは、上部電極２４Ａ、２４Ｂと同時にパターニング形成することができる。
【００６９】
かかる構成によれば、可動電極３５を錘部１５の下端側に設ける場合と比較して、製造工程を簡略化することができる。また、本構成においては、可動電極２４Ｃおよび固定電極４５のいずれを接地電位としてもよい。
【００７０】
本実施形態の複合センサ２における角速度の検出および加速度の検出方法は第１の実施形態の複合センサ１と同様である。本複合センサ２によれば、複合センサ１と同様の小型化という同様の効果を奏し、かつ、さらに製造を容易なものとすることができる。
【００７１】
上記各実施形態においては、ダイアフラムの中央に錘部が設けられてなる１つの錘部（可動部）で３軸の角速度を検出可能な角速度センサを備えるものとしたが、本発明の複合センサにおいて備えられる角速度センサの可動部としては、公知の角速度センサに用いられる音叉型、バタフライ型など他の形状のものであっても構わない。すなわち、可動部は１つのみに限らず複数備えていてもよく、また、可動部の一部に可動電極を設け、それに対向して固定電極が配置されていれば、同様の原理により静的な加速度を検出可能な加速度センサを構成することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１，１Ａ，１Ｂ，２  複合センサ
１０  板状基材（ＳＯＩウエハ）
１１  Ｓｉ基材
１２  ＢＯＸ層
１３  Ｓｉ活性層
１５，１５Ａ  錘部
２１  下部電極
２２  圧電膜
２４Ａ，２４Ｂ  上部電極
２４Ｃ，３５  可動電極
２５，２６  圧電素子
３１  密着層
３２  電極膜
４０  副板状基材
４３  凹部
４５  固定電極
４５ｘ１，４５ｘ２，４５ｙ１，４５ｙ２      固定電極片
４８  スペーサ
５０  筐体
【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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