(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のランドを有する配線パターンが形成された支持基板と、この支持基板の表面に実装された振動素子と、前記振動素子を駆動する駆動検出回路とを備え、
前記振動素子は、前記ランドに接続される複数の端子部が形成された第１の面を有する基部と、この基部の側周部から片持ち梁状に一体に突設され前記基部の前記第１の面と同一面を構成する第２の面を有する振動子部とを有し、
前記振動子部の前記第２の面には、第１電極層と、この第１電極層の上に積層された圧電層と、この圧電層の上に積層された駆動電極と一対の検出電極とを含む第２電極層とがそれぞれ形成され、
前記振動子部の上面は、前記基部の上面から傾斜部を介して段落ち形成されており、
前記駆動検出回路は、前記駆動電極に所定周波数の発振出力を印加して前記振動子部を振動させ、コリオリ力による前記一対の検出電極の出力から角速度を検出し、
前記振動子部の基端部位には、前記基部に向かって当該振動子部の断面積が次第に大きくなる補強部が形成され、
前記補強部は、前記振動子部の基端部位上面側に前記傾斜部に沿って形成された縦補強部である
振動型ジャイロセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記第１の面は実装面であり、前記第２の面は基板対向面である
振動型ジャイロセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記振動子部の基板対向面とは反対側の面と両側面との間の稜線部に面取り部が形成されている
振動型ジャイロセンサ。
【請求項４】
請求項２に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記振動子部の基板対向面以外の領域は、当該振動子部の振動特性調整用のレーザが照射される被加工領域とされる
振動型ジャイロセンサ。
【請求項５】
請求項２に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記振動子部には、その基板対向面を除く面の少なくとも一部が溶融されて平滑面とされている
振動型ジャイロセンサ。
【請求項６】
請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記支持基板の表面は、遮光性のカバー部材で被覆されている
振動型ジャイロセンサ。
【請求項７】
請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記振動子部に、前記第１電極層、前記圧電層及び前記第２電極層を封止する絶縁保護層がさらに形成された
振動型ジャイロセンサ。
【請求項８】
請求項７に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記絶縁保護層は、少なくとも酸化シリコン層を含んでなる
振動型ジャイロセンサ。
【請求項９】
請求項７に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記絶縁保護層は、前記第２電極層の少なくとも２倍の厚みを有する
振動型ジャイロセンサ。
【請求項１０】
請求項７に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記振動子部の上面側には、当該振動子部の反り量を制御する反り制御膜が形成されている
振動型ジャイロセンサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
前記振動素子は、非ドープ単結晶シリコン基板を基材として形成されている
振動型ジャイロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知やバーチャルリアリティ装置における動作検知、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに用いられる角速度センサに関し、更に詳しくは、片持ち梁の振動子を有する小型の振動型ジャイロセンサ及び振動素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、民生用の角速度センサとしては、片持ち梁の振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出する、いわゆる振動型のジャイロセンサが広く用いられている。
【０００３】
振動型ジャイロセンサは、単純な機構、短い起動時間、安価で製造可能といった利点を有しており、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などをする際のセンサとして活用されている。
【０００４】
従来の振動型ジャイロセンサは、振動素子が適宜の圧電材料を機械加工によって切り出し所定の形状に整形して製作されていた。振動型ジャイロセンサとしては、搭載される本体機器の小型軽量化、多機能高性能化に伴って、更なる小型化や高性能化が要求されているが、機械加工による加工精度の限界によって小型で高精度の振動素子を作製することが困難であった。
【０００５】
そこで、近年、半導体プロセスに適用される薄膜技術を用いて、シリコン基板上に圧電薄膜層を挟んで一対の電極層を積層形成することによって、片持ち梁形状の振動素子を備えたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。かかる振動型ジャイロセンサは、小型薄型化が図られることによって、他用途のセンサ等と組み合わせて複合化や高機能化が図られる。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１１３６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、振動型ジャイロセンサにおいては、例えば制御基板等の実装基板に実装されて本体機器に搭載される。本体機器の小型軽量化や多機能高性能化に伴って、振動型ジャイロセンサは更なる小型化や高性能化が要求されている。従来の振動型ジャイロセンサにおいては、振動素子の各電極と支持基板側のランドとをワイヤボンディング法により接続しているため、振動素子の周囲にワイヤを引き回すためのスペースが必要となり小型化の限界があった。
【０００８】
このため、半導体チップ等の実装法として採用されているフリップチップ実装法等により振動素子を支持基板に対して表面実装することにより実装スペースや実装効率の向上化を図ることも検討されている。振動型ジャイロセンサにおいては、同様にして支持基板が実装基板に対して表面実装されることで、スペースや実装工程の効率化が図られている。
【０００９】
一方、振動素子の小型化や表面実装法等の採用によって、振動型ジャイロセンサは外部から加えられる振動や衝撃等の外部負荷の影響を強く受ける。振動型ジャイロセンサにおいては、振動素子も従来のものに比較して体積比で約１／１００程度まで小型化されており、機械的な外部負荷に対する耐久性を保持することが困難となっている。このため、例えば誤って機器を落下させた場合の大きな衝撃力により振動素子の破損、特に振動素子にクラックが発生したり破損が生じたりして信頼性が低下するといった問題があった。
【００１０】
また、振動型ジャイロセンサにおいては、複合化や高機能化の要請に伴って小型・薄型化が図られるに従って、各電極層間や配線パターンのスペースを十分に確保することが困難となる。そして、各電極層に付着した例えば水分や塵芥等のコンタミネーションの影響により各電極層間でリーク現象が生じてノイズが発生することがあった。このため、ノイズが出力信号に重畳して出力されることで高精度の振動検出が行い得なくなるといった問題があった。
【００１１】
更に、振動型ジャイロセンサにおいては、他のセンサ部品や電子部品等とともに同一の支持基板に実装されて複合化や高機能化が図られるようになった場合に、相互の絶縁を保持することも必要となる。そして、シリコン基板を用いて微細な厚みで形成した各電極層や圧電薄膜層を機械的に保護することも必要になるとともに、各電極層の酸化も防止する必要がある。
【００１２】
一方、半導体技術においては、一般に適宜のドープ処理が施されたＮタイプ或いはＰタイプ単結晶シリコン基板が用いられ、その主面上に薄膜技術によって素子や微細パターンが形成される。かかる単結晶シリコン基板は、数十Ω・ｃｍ程度と低体積抵抗率の特性を有している。従来の振動型ジャイロセンサは、単結晶シリコン基板を基材として圧電薄膜層とともに電極層を形成される振動素子が、外部光や熱負荷によって特性が大きく変動して安定かつ高精度の検出動作を行い得ないといった問題があった。
【００１３】
未だ詳細なメカニズムは解明されていないが、振動型ジャイロセンサは、光や熱によって層内に存在するホールやキャリアが励起して微細電流が発生し、振動素子の特性に影響を及ぼすと考えられる。また、振動素子は、工程途中で単結晶シリコン基板の表面に成膜された酸化層を介して電極層とシリコン層中に生じたピンホールや不注意な取り扱いによる酸化膜の欠損、或いは工程中で施される酸化膜のエッチング処理に際してのパターニング精度ずれやレジスト中の不純物による酸化膜の欠損等によって、電極層とシリコン層とが短絡してしまうことがある。つまり、従来の振動型ジャイロセンサにおいては、低体積抵抗率のシリコン層を介して電極層間の短絡不良が生じ、歩留まりの向上が図れないといった問題があった。
【００１４】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、小型化の特性を保持しながら耐久性の向上や低コストを図った振動型ジャイロセンサ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【００１５】
また、本発明は、各電極層を封止することによって水分や塵埃等の影響を排除して高精度かつ安定した振動検出を可能とする小型の振動型ジャイロセンサ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【００１６】
さらに、本発明は、外部光や熱等の外乱に対する耐性向上を図るとともに歩留まりの向上を図る振動型ジャイロセンサ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以上の課題を解決するに当たり、本発明は、複数個のランドを有する配線パターンが形成された支持基板と、この支持基板の表面に実装された振動素子とを備えた振動型ジャイロセンサにおいて、
上記振動素子は、上記ランドに接続される複数の端子部が形成された実装面を有する基部と、この基部の側周部から片持ち梁状に一体に突設され上記基部の実装面と同一面を構成する基板対向面を有する振動子部とを有し、
上記振動子部の基板対向面には、第１電極層と、この第１電極層の上に積層された圧電層と、この圧電層の上に積層された第２電極層とがそれぞれ形成され、
上記振動子部の基端部位には、上記基部に向かって当該振動子部の断面積が次第に大きくなる補強部が形成されている。
【００１８】
また、本発明は、複数の端子部が形成された実装面を有する基部と、この基部の側周部から片持ち梁状に一体に突設され上記基部の実装面と同一面を構成する基板対向面を有する振動子部とを有し、上記振動子部の基板対向面には、第１電極層と、この第１電極層の上に積層された圧電層と、この圧電層の上に積層された第２電極層とがそれぞれ形成された振動素子の製造方法であって、
シリコン基板の第１主面側にエッチング処理を施して、所定の傾斜角で傾斜するエッチング傾斜面を有するとともに上記第１主面からの厚みが当該振動素子の振動子部の厚みに対応する深さのエッチング凹部を形成するエッチング凹部形成工程と、
上記シリコン基板の前記エッチング凹部と対向する第２主面上に、前記圧電膜層及び第１，第２電極層を形成する電極形成工程と、
上記エッチング凹部内において前記振動子部の外形を形成する貫通溝からなるコ字状の外形溝をパターン形成する外形溝形成工程と、
上記外形溝の両端部にそれぞれ達するように上記シリコン基板を切断して当該振動素子の基部を切り分ける切断工程とを有し、
上記外形溝形成工程では、上記外形溝の両端部を上記エッチング凹部の途中箇所に形成することによって、上記振動子部の基端部位に、上記基部に向かって当該振動子部の断面積が次第に大きくなる補強部を形成する。
【００１９】
振動子部の基端部位に上記補強部を形成することにより、振動素子に大きな外部負荷が加えられた場合でも振動子部の破損発生が抑制され、小型化の特性を保持しながら耐久性の向上を図ることが可能となる。また、振動素子の製造工程上で上記補強部を同時に形成することができるので、補強部形成のための特別な工程を別途必要することはなく、補強部を備えた振動素子を低コストかつ生産性高く製造することができる。
【００２０】
また、振動子部の基板対向面に、第１電極層、圧電層及び第２電極層を封止する絶縁保護層を形成することで、空気中の水分や塵埃等を遮断してこれらの各電極層等への付着を防止するとともに、各電極層の酸化抑制、電気的絶縁、或いは各電極層及び圧電膜層の機械的保護を図ることができ、高精度かつ安定した振動検出を行うことが可能となる。
【００２１】
更に、振動素子の構成基材として非ドープ単結晶シリコン基板を用い、基材の低導電性化を図ることで、外部からの光や熱からの耐久性を高めるとともに、製造プロセス上での層間短絡等の不良率低減に寄与して歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
以上述べたように、本発明によれば、振動子部の基端部位に機械的強度を向上させる補強部が形成されているとともに当該補強部を簡易な工程によって形成することができるので、衝撃等の外部負荷に対する耐久性の向上を図って角速度変化を高精度に検出することが可能となる。
【００２３】
また、振動子部表面の各電極層及び圧電膜層を封止する絶縁保護層が形成されているので、小型、薄型、狭スペース化されて形成した各電極層等への水分や塵埃の付着を防止して、高精度の振動検出を行うことが可能となる。
【００２４】
更に、振動素子の基材として非ドープ単結晶シリコン基板を用いているので、外部からの光や熱からの耐久性を高めるとともに、製造プロセス上での層間短絡等の不良率低減に寄与して歩留まりの向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態として図面に示した振動型ジャイロセンサについて、詳細に説明する。
なお、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。また、本明細書においては、以下に説明するように構成部材の各部位について具体的な寸法値を挙げて説明しているが、各寸法値は中心基準値である。各部位は、この中心基準値に限定された寸法値で形成されることに限定されず、一般的な公差範囲の寸法値をもって形成されることは勿論である。また、振動型ジャイロセンサは、かかる寸法値の形状に限定されず、特性仕様に応じて各部が適宜形成される。
【００２６】
（第１の実施の形態）
［振動型ジャイロセンサの概略構成］
振動型ジャイロセンサ１は、図１に示すように支持基板２と、この支持基板２の第１主面２−１上に組み付けられて部品実装空間部３を構成するカバー部材１５とにより外観部材を構成し、例えばビデオカメラに搭載されて手振れ補正機構を構成する。また、振動型ジャイロセンサ１は、例えばバーチャルリアリティ装置に用いられて動作検知器を構成し、或いはカーナビゲーション装置に用いられて方向検知器を構成する。
【００２７】
振動型ジャイロセンサ１は、支持基板２に例えばセラミック基板やガラス基板等が用いられている。支持基板２の第１主面２−１上には複数個のランド４等を有する所定の配線パターン５が形成されて部品実装領域６が構成されている。部品実装領域６には、詳細を後述する互いに異なる軸方向の振動を検出するように搭載される第１，第２の一対の振動素子２０Ｘ，２０Ｙ（以下、個別に説明する場合を除いて振動素子２０と総称する。）、ＩＣ回路素子７、更には外付け用の多数個のセラミックコンデンサや適宜の電子部品８が混載されている。
【００２８】
支持基板２の部品実装領域６には、ＩＣ回路素子７や電子部品８とともに振動素子２０が適宜の実装機を用いてそれぞれフリップチップ法等の表面実装法によって実装されている。同一形状に形成された一対の振動素子２０Ｘ，２０Ｙは、支持基板２の第１主面２−１の相対するコーナ部位２Ｃ−１、２Ｃ−２に位置して互いに軸線を異にして実装されている。振動素子２０は、図２に示すように、金バンプ２６を介してランド４に接続される複数の端子部２５が形成された実装面を有する基部２２と、この基部２２の一側周部から片持ち梁状に一体に突設された振動子部２３とを有する。なお、振動素子２０の構成の詳細は後述する。
【００２９】
図１に示すように、一方の第１振動素子２０Ｘは、支持基板２のコーナ部位２Ｃ−１において部品実装領域６に構成した浮島状の第１振動素子実装領域１３Ａに基部２２が固定され、この基部２２から一体に突設された振動子部２３が支持基板２の側縁に沿って隣り合うコーナ部位２Ｃ−３に向けられる。他方の第２振動素子２０Ｙは、支持基板２のコーナ部位２Ｃ−２において部品実装領域６に構成した浮島状の第２振動素子実装領域１３Ｂに基部２２が固定され、この基部２２から一体に突設された振動子部２３が支持基板２の側縁に沿って隣り合うコーナ部位２Ｃ−３に向けられる。
【００３０】
すなわち、第１振動素子２０Ｘ及び第２振動素子２０Ｙは、各々の振動子部２３をコーナ部位２Ｃ−３に向けて互いに９０°の角度を付されて支持基板２にそれぞれ実装されている。なお、振動型ジャイロセンサ１は、一対の振動素子２０Ｘ，２０Ｙにより直交する２軸の振動検出を行うようにするが、本体機器の仕様に応じて適宜の角度差をもって振動素子２０Ｘ，２０Ｙを支持基板２に実装するようにしてもよいことは勿論である。
【００３１】
振動型ジャイロセンサ１は、振動素子２０の振動子部２３を共振させた状態において、振動子部２３に加えられた長手方向の周りの角速度を検出する。振動型ジャイロセンサ１においては、第１振動素子２０Ｘと第２振動素子２０Ｙとを支持基板２に角度を異にして搭載することによって、Ｘ軸方向とＹ軸方向の角速度を同時に検出し、例えばビデオカメラの手振れによる振動状態に基づく制御信号を出力して手振れ補正機構を構成する。
【００３２】
次に、支持基板２の構成の詳細について説明する。
【００３３】
［負荷緩衝構造］
振動型ジャイロセンサ１は、支持基板２を薄厚とすることによって小型、薄型化が図られていることから、外部から加えられる振動や衝撃等の外部負荷によって支持基板２に歪みや応力が発生することがある。そこで、本実施の形態では、支持基板２に外部負荷の緩衝構造が設けられることによって、歪みや応力が生じた場合でも支持基板２に搭載した振動素子２０への影響が低減されるように構成されている。
【００３４】
支持基板２には、図１から図３に示すように第１主面２−１の各コーナ部位２Ｃ−１，２Ｃ−２に第１負荷緩衝溝部１２Ａ，１２Ｂ（以下、個別に説明する場合を除いて第１負荷緩衝溝部１２と総称する。）が形成されている。上述の振動素子実装領域１３Ａ，１３Ｂ（以下、個別に説明する場合を除いて振動素子実装領域１３と総称する。）は第１負荷緩衝溝部１２によって囲まれた領域に構成されており、各振動素子実装領域１３に振動素子２０が実装される。
【００３５】
また、支持基板２には、図３に示すように、本体機器等の外部の制御基板１００に実装される第２主面２−２側に第２負荷緩衝溝部１４が形成されている。この第２負荷緩衝溝部１４は、図５に示すように第２負荷緩衝溝部１４Ａと第２負荷緩衝溝部１４Ｂとからなり、以下個別に説明する場合を除いて第２負荷緩衝溝部１４と総称する。第２負荷緩衝溝部１４によって囲まれた領域は、図５に示すように端子形成領域１１５Ａ，１１５Ｂ（以下、個別に説明する場合を除いて端子形成領域１１５と総称する。）として構成されている。
【００３６】
第１負荷緩衝溝部１２は、図４に示すように振動素子２０の基部２２の外形寸法よりも大きな振動素子実装領域１３を構成する全体枠状の有底溝によって構成されている。第１負荷緩衝溝部１２は、例えばダイサー等による機械的溝加工やウェットエッチング法による化学的溝加工或いはレーザ等によるドライエッチング法により形成される。第１負荷緩衝溝部１２は、支持基板２の機械的強度を損なわない範囲で溝の深さを１００μｍ以上にして形成される。
【００３７】
第２負荷緩衝溝部１４Ａ，１４Ｂは、図５に示すように、それぞれ支持基板２の外周側縁部に沿って平行に形成されている。これら第２負荷緩衝溝部１４Ａ，１４Ｂと外周側縁部との間の領域には、端子形成領域１１５Ａ，１１５Ｂとしてそれぞれに外部接続用端子部として複数個の実装端子部１１６Ａ，１１６Ｂ（以下、個別に説明する場合を除いて実装端子部１１６と総称する。）が適宜に配列して形成されている。支持基板２は、各実装端子部１１６にそれぞれ設けたバンプ１１７を介して実装端子部（外部接続端子部）１１６が相対する制御基板１００側のランドと接続されることによって、制御基板１００に実装される。
【００３８】
第２負荷緩衝溝部１４も、第１負荷緩衝溝部１２と同様に、例えばダイサー等による機械的溝加工やウェットエッチング法による化学的溝加工或いはレーザ等によるドライエッチング法等によって支持基板２の第２主面２−２に所定の深さをもって形成される。第２負荷緩衝溝部１４は、支持基板２の第２主面２−２において浮島状の端子形成領域１１５を構成し、この端子形成領域１１５に外周側縁部に沿って複数個の実装端子部１１６が配列して形成されるようにする。なお、第２負荷緩衝溝部１４は、外周側縁部に沿った直線溝に限定されず、例えば実装端子部１１６を囲む枠状や両端を外周側縁部に開放された略コ字状に形成するようにしてもよい。
【００３９】
なお、支持基板２には、第１主面２−１と第２主面２−２とを貫通して多数個のビアが形成されており、これらビアを介して第１主面２−１側の配線パターン５と第２主面２−２側の実装端子部１１６とが適宜接続される。
【００４０】
振動型ジャイロセンサ１は、本体機器に衝撃等が加えられると、制御基板１００を介して支持基板２に歪みや応力が発生する。本実施の形態では、上述したように第１負荷緩衝溝部１２によって囲まれて浮島状態とされた振動素子実装領域１３上に振動素子２０を実装したことで、外部負荷により支持基板２に生じた歪みや応力が第１負荷緩衝溝部１２によって吸収される。したがって、第１負荷緩衝溝部１２は一種のダンパー作用を奏することで振動素子実装領域１３上に実装した振動素子２０に対する外部負荷の影響を低減し、振動素子２０が安定した状態で検出動作を行うようにする。
【００４１】
一方、振動型ジャイロセンサ１においては、上述したように第２負荷緩衝溝部１４を設けて浮島状態とした端子形成領域１１５に設けられた実装端子部１１６が制御基板１００との固定部を構成する。本実施の形態では、制御基板１００を介して伝達される外部負荷が第２負荷緩衝溝部１４によって吸収される。したがって、第２負荷緩衝溝部１４は一種のダンパー作用を奏することで振動素子実装領域１３上に実装した振動素子２０に対する外部負荷の影響を低減し、振動素子２０が安定した状態で検出動作を行うようにする。
【００４２】
なお、第１負荷緩衝溝部１２は、全周に亘って連続した断面コ字状の溝部によって構成されるが、これに限定されない。第１負荷緩衝溝部１２は、所定の特性を満たすことを条件に、例えば多数個の溝部を全体として枠状に配列して構成するようにしてもよい。また、第２負荷緩衝溝部１４も、連続した溝部によって構成される必要はなく、例えば多数個の溝部を配列して構成するようにしてもよい。更に、支持基板２の第１主面２−１に第１負荷緩衝溝部１２を形成するとともに第２主面２−２に第２負荷緩衝溝部１４を形成して表裏主面の負荷緩衝構造を構成するようにしたが、所定の特性を有することを条件に第１負荷緩衝溝部１２のみ又は第２負荷緩衝溝部１４のみによって負荷緩衝構造を構成するようにしてもよい。
【００４３】
［間隔構成凹部］
次に、支持基板２には、振動素子２０Ｘ，２０Ｙに対応して部品実装領域６に、振動子部２３をその厚さ方向に自由振動させる空間部を構成する凹部１１Ａ，１１Ｂ（以下、個別に説明する場合を除いて間隔構成凹部１１と総称する。）が形成されている。間隔構成凹部１１は、支持基板２の第１主面２−１に対して例えばエッチング加工や溝切り加工を施すことで所定の深さと開口寸法を有する矩形の有底溝状に形成される。
【００４４】
振動型ジャイロセンサ１は、基部２２と片持ち梁状の振動子部２３とが一体に形成された振動素子２０が、金バンプ２６を介して支持基板２の第１主面２−１上に実装される。振動素子２０は、金バンプ２６の厚みにより振動子部２３と支持基板２の第１主面２−１との対向間隔が規定されて全体の薄型化が図られているが、金バンプ２６の加工限界によって充分な間隔を保持し得ない場合がある。
【００４５】
振動素子２０は、振動子部２３の振動動作に伴って支持基板２の第１主面２−１との間に空気流を生じさせる。この空気流は、支持基板２の第１主面２−１に当たって振動子部２３を押し上げるダンピング効果を発生させる。本実施の形態では、支持基板２の第１主面２−１に間隔構成凹部１１を形成することにより、図２に示すように第１主面２−１と振動子部２３との間に充分な間隔を保持して振動素子２０に作用するダンピング効果の影響を低減する。
【００４６】
振動型ジャイロセンサ１は、支持基板２の第１主面２−１上に振動素子２０を実装した状態において振動子部２３が間隔構成凹部１１と対向して延在されることで、薄型化を保持しながら図２に示すように振動子部２３と支持基板２との間に充分な間隔が保持されるようになる。これにより、振動子部２３が厚み方向に振動動作した際にダンピング効果の作用が低減され、振動素子２０の安定した検出動作が確保される。
【００４７】
間隔構成凹部１１は、振動素子２０の振動子部２３の寸法に合わせて最適化されて支持基板２に形成される。本実施の形態では、振動素子２０が後述する寸法値で形成されるとともに振動子部２３の最大振幅量をｐとした場合、間隔構成凹部１１の開口寸法は２．１ｍｍ×０．３２ｍｍとされ、深さ寸法ｋ（図２参照）は、ｋ≧ｐ／２＋０．０５（ｍｍ）に形成される。支持基板２にかかる構成の間隔構成凹部１１が形成されることによって、高さ寸法が抑制されて薄型化が図られるとともに、振動素子２０に対するダンピング効果の影響が低減されて高Ｑ値化が保持され高感度で安定した手振れ等の検出動作が行えるようになる。
【００４８】
続いて、振動素子２０の構成の詳細について説明する。
【００４９】
［金バンプ］
振動素子２０は、後述するようにシリコン基板２１の第２主面２１−２によって構成される基部２２の第２主面（２２−２）が支持基板２に対する固定面（実装面）を構成して上述した振動素子実装領域１３上に実装される。図４に示すように基部２２の実装面２２−２には、第１端子部２５Ａ〜第４端子部２５Ｄ（以下、個別に説明する場合を除いて端子部２５と総称する。）が形成されるとともに、これら端子部２５上にそれぞれ金属凸部として第１金バンプ２６Ａ〜第４金バンプ２６Ｄ（以下、個別に説明する場合を除いて金バンプ２６と総称する。）が形成されている。
【００５０】
振動素子２０の各端子部２５は、それぞれ支持基板２側の配線パターン５に形成した各ランド４に対応して形成されている。各端子部２５は、対応するランド４と位置合わせされて支持基板２に組み合わされる。そして、この状態で振動素子２０を支持基板２に押し当てながら超音波を印加し、金バンプ２６を介して各端子部２５とランド４とを溶着接合させる。これにより振動素子２０は支持基板２上に実装される。このように振動素子２０を所定高さの金バンプ２６を介して実装することにより、振動子部２３がその第２主面（基板対向面）２３−２を支持基板２の第１主面２−１に対して所定の高さ位置に保持された状態で所定の振動動作を行えるようにする。
【００５１】
本実施の形態においては、表面実装法で振動素子２０を支持基板２へ実装することによって実装工程の効率化を図っている。表面実装法における接続子としては、上述した金バンプ２６に限定されることはなく、半導体プロセスにおいて一般に採用される半田ボールや銅バンプ等の各種の他の金属凸部を用いることもできる。本実施の形態では、本体機器の製造工程においてリフロー半田処理等が施されて、支持基板２の実装端子部１１６がバンプ１１７を介して制御基板１００の各ランドと接続固定されることから、耐熱性が大きくかつ作業性の高い金バンプ２６が接続子として採用している。
【００５２】
振動型ジャイロセンサにおいては、支持基板に対する振動素子の固定構造によって機械品質係数Ｑ（Q factor）が決定される。本実施の形態では、振動素子２０が基部２２を金バンプ２６を介して支持基板２の第１主面２−１から浮かした状態で実装されることによって、例えば接着層を介して基部全面を支持基板に接合した場合と比較して振動子部２３の先端部の減衰割合が大きくなり良好なＱ値が得られる。また、基部２２を支持基板２の第１主面２−１に対して１箇所で固定するよりも複数箇所で固定する構造の方が良好なＱ値特性が得られることから、基部２２を支持基板２に対して四隅の位置を固定することによって良好なＱ値特性を得るようにしている。
【００５３】
なお、各金バンプ２６は振動子部２３の長手方向の中心軸線に対して幅寸法ｔ６（図７参照）の範囲内の領域において全体の重心を位置させるようにして設けることができる。このように金バンプ２６を配置することによって、厚み方向に振動動作する振動子部２３は左右のバランスを崩すことなく安定した状態で振動動作することが可能となる。
また、各金バンプ２６を基部２２から突出される振動子部２３の基端部（根元部位４３（図３５参照））から振動子部２３の幅寸法ｔ６の２倍を半径とする領域の外側領域に位置して形成することにより、金バンプ２６による振動子部２３の振動動作を吸収する作用を低減して高Ｑ値を保持することが可能となる。
さらに、少なくとも１個の金バンプ２６が、振動子部２３の基端部から基部２２の厚み寸法ｔ１（図７参照）の２倍の範囲の領域内に形成されることで、振動子部２３の振動動作が基部２２に伝達されて共振周波数のズレを生じさせることが防止されるようになる。
【００５４】
なおまた、金バンプ２６はいわゆる２段バンプによって形成されるようにしてもよい。更に、基部２２の第２主面上に電気的接続を行わない、いわゆるダミーの第５の金バンプを形成するようにしてもよい。この場合は勿論、支持基板２側には、この第５金バンプが溶着固定されるダミー端子部が形成される。
【００５５】
［素子形状］
さて、本実施の形態の振動素子２０は、図７に示すように、振動子部２３が、基部２２の第２主面（実装面）２２−２と同一面を構成する第２主面（基板対向面）２３−２を有し、一端部を基部２２に一体化されて片持ち梁状に突設されている。振動子部２３は、その上面２３−１が図８に示すように基部２２の第１主面（上面）２２−１から段落ちされることによって所定の厚みとされる。振動子部２３は、所定の長さと断面積を有して基部２２の一側周部２２−３と一体に形成された断面矩形の片持ち梁によって構成される。
【００５６】
また、図７及び図８に示すように基部２２の側周部２２−３から突設される基端部位に詳細を後述する補強部１２９が一体に形成されている。振動子部２３には、その第１主面（上面）２３−１側の稜線部の全域と補強部１２９の稜線部とに面取り部１３０が形成されている。
【００５７】
振動素子２０の基部２２は、図７に示すように、厚み寸法ｔ１を３００μｍ、振動子部２３の先端部までの長さ寸法ｔ２を３ｍｍ、幅寸法ｔ３を１ｍｍの大きさをもって形成される。振動素子２０の振動子部２３は、厚み寸法ｔ４を１００μｍ、長さ寸法ｔ５を２．５ｍｍ、幅寸法ｔ６を１００μｍに形成される。また、振動子部２３は、基部２２の側周部２２−３から５０μｍの長さ寸法ｔ２９の範囲において補強部１２９が形成される。振動素子２０は、詳細を後述するように駆動検出回路部５０から印加される所定周波数の駆動電圧により振動動作するが、上述した形状から４０ｋＨｚの共振周波数で振動する。なお、振動素子２０は、かかる構成に限定されるものではなく、使用する周波数や目標とする全体形状に応じて種々設定される。
【００５８】
なお、基部２２と振動子部２３の各部が次の条件を満足して振動素子２０を形成することができる。すなわち、基部２２は、その幅寸法ｔ３を振動子部２３の幅寸法ｔ６の２倍よりも大きな幅寸法とされるとともに、重心位置を振動子部２３の長手方向の中心軸線に対して振動子部２３の幅寸法ｔ６の２倍の領域内に位置して形成される。かかる構成によって振動子部２３が左右のバランスを崩すことなく良好な状態で振動動作が行われるようになる。また、基部２２の厚み寸法ｔ１を振動子部２３の厚み寸法ｔ４の１．５倍で形成することによって、基部２２の機械的強度が保持されて振動子部２３の振動動作による振動動作の発生を抑制でき、共振周波数のズレが生じないようになる。
【００５９】
［補強部］
本実施の形態の振動素子２０は、振動子部２３に補強部１２９を形成することで基端部位或いはその近傍部位の機械的強度を向上させている。これにより、大きな外部負荷が加えられた場合でも振動子部２３の破損発生を抑制できる。補強部１２９は、図８に示すように、振動子部２３が突設される基部２２の側周部２２−３の部位において断面寸法を最大とするとともに、上述した長さ寸法ｔ２９の領域で厚みと幅が次第に小さくなる断面形状に形成される。
【００６０】
補強部１２９は、振動子部２３の基端部位の長さ寸法ｔ２９の範囲において、基部２２に向かって次第に厚み寸法を増加させた縦補強部１２９Ｖと、基部２２の側周部２２−３に向かって次第に幅寸法を増加させた横補強部１２９Ｈとによって構成されている。なお、補強部１２９が形成される振動子部２３の基端部位の長さ寸法ｔ２９は、後述するように振動子部２３の基端部位に基部２２の側周部２２−３から長さ方向に対して６０μｍを上限として形成される。
【００６１】
振動素子２０は、後述するようにシリコン基板２１にエッチング処理を施してダイヤフラム部３８を構成するエッチング凹部３７（図１９）を形成した後、ダイヤフラム部３８を所定の形状に切り抜いて振動子部２３の外形が形成される。補強部１２９は、後述するようにエッチング処理によって形成されるエッチング凹部３７のエッチング傾斜面１３３の途中箇所で基部２２の外形を切り分けることで形成される。
【００６２】
すなわち、振動素子２０は、主面の方位面が（１００）面、側方の方位面が（１１０）面となるように切り出すことにより主面に対して側面の対エッチング性が小さい特性を有するシリコン基板２１を素材として詳細を後述する振動素子製造工程を経て製造される。シリコン基板２１には、振動素子製造工程において第１主面２１−１側からエッチング処理が施されて、底部と第２主面２１−２の厚みを振動子部２３の厚み寸法としたダイヤフラム部３８を構成するエッチング凹部３７が形成される。シリコン基板２１には、上述した特性によってエッチングの進行が厚み方向に対して側面方向が小さいことから、第１主面２１−１から底部に向かって次第に開口寸法が小さくなるエッチング凹部３７が形成される。エッチング凹部３７には、内周壁に、第１主面２１−１から底部に向かって５５°の傾斜角度が付されたエッチング傾斜面１３３が形成される。
【００６３】
振動素子２０は、シリコン基板２１に対して、エッチング凹部３７内においてダイヤフラム部３８に振動子部２３の外形を切り抜く外形溝形成処理を施すとともに基部２２を切り分ける切断処理が行われて形成される。振動素子２０は、振動子部２３の外形切り抜き加工をエッチング傾斜面１３３の途中箇所から行った後に基部２２の外形切断加工を行うことによって、振動子部２３の基端部位が側周部２２−３に向かって５５°をもって次第に厚みが大きくなるように形成される。これにより、図８に示すように基端部位に上述した補強部１２９が構成される。
【００６４】
振動素子２０は、振動子部２３の基端部位に上述した補強部１２９を形成したことにより機械的強度の向上が図られる。したがって、本実施の形態の振動型ジャイロセンサ１を搭載した本体機器が誤って落下されて大きな衝撃等が負荷された場合でも、振動子部２３に破損や亀裂等が発生することが防止されるようになる。
【００６５】
また、振動素子２０は、詳細を後述する振動素子製造工程においてシリコン基板に対して施されるエッチング技術を巧みに利用して微小な振動子部２３の基端部位に補強部１２９を形成することから、精密な研磨処理等の機械加工を施すことなく補強部１２９を簡易に形成することが可能である。
【００６６】
［面取り部・溶融部］
一方、シリコン基板２１には、その表面に極めて微細な凹凸やマイクロクラック等が存在している。また、シリコン基板２１には、第２主面２１−２側からダイヤフラム部３８に反応性イオンエッチング処理を施して上述した振動子部２３の外形を切り抜く外形溝形成処理が施される。その際に、振動子部２３の側面と第１主面２３−１に跨る稜線部位にプラズマの流れにより微細な筋状の凹凸も生じる。これらの微細な凹凸やクラックについては、図９Ａに示すように微細凹凸部１２７と総称する。なお、図では凹凸部１２７をやや誇張して示している。
【００６７】
振動素子２０においては、例えば振動動作時に大きな衝撃等が負荷されると表面や稜線部位に存在する微細凹凸部１２７に応力が集中し、振動子部２３に上述した基端部位（根元部位）ばかりでなく途中箇所からも大きなクラックが生じたり破損等が発生する虞がある。そこで本実施の形態では、振動子部２３の稜線部位や第１主面２３−１或いは側面に対してレーザ照射を行ってシリコン基板２１の表面を溶融させ、面取り部１３０及び溶融面１３４Ａ，１３４Ｂ（以下、溶融面１３４と総称する。）とを形成することによって、微細凹凸部１２７を除去するようにしている。
【００６８】
ところで、振動素子２０においては、後述するように振動子部２３の形状のバラツキによる縦横の共振周波数の周波数差と共振時の左右検出信号の波形の振幅と位相を一致させるために、振動子部２３の所定箇所にレーザ加工を施して振動状態を矯正する調整処理が施される。上述した面取り部１３０や溶融面１３４は、この調整処理を行うレーザ加工工程の前工程でレーザ装置を共用して形成される。レーザ装置を共用することで、精密な研磨処理等の機械加工を施すことなく面取り部１３０や溶融面１３４を簡易に形成することが可能である。
【００６９】
面取り部１３０は、レーザ装置から出射される波長が例えば５３２ｎｍのレーザを適宜のスポット径に調整して振動子部２３の稜線部位に照射し照射部位を溶融させることによって形成される。溶融面１３４は、同様にしてレーザを適宜のスポット径に調整して図８に交線を付した領域で示すように振動子部２３の第１主面２３−１と側面にそれぞれ照射し、表面を溶融させることによって形成される。
【００７０】
面取り部１３０や溶融面１３４は、シリコン基板２１の表面を溶融させることによって図９（Ｂ）に示すように表面に存在していた微細凹凸部１２７を除去する平滑面として構成される。したがって、振動素子２０に対して大きな外部負荷が加えられた場合にも、微細凹凸部１２７における応力集中が抑制されるようになり、振動子部２３の機械的強度の向上が図られる。なお、振動素子２０は、上述した面取り部１３０や溶融面１３４を全て備える必要はないことは勿論である。
【００７１】
［圧電膜・各種電極層］
振動素子２０には、後述する振動素子製造工程により、図４に示すように振動子部２３の第２主面（基板対向面）２３−２上に長さ方向の略全長に亘って、基準電極層（第１電極層）２７と、圧電薄膜層２８と、駆動電極層（第２電極層）２９とが積層形成されている。振動子部２３の第２主面（基板対向面）２３−２上には、駆動電極層２９を挟んで一対の検出電極３０Ｒ、３０Ｌ（以下、個別に説明する場合を除いて検出電極３０と総称する。）が形成されており、これら駆動電極層２９と検出電極３０とにより第２電極層が構成されている。
【００７２】
振動子部２３の第２主面（基板対向面）２３−２には、第１層として基準電極層２７が形成され、この基準電極層２７上にほぼ同長の圧電薄膜層２８が積層形成される。圧電薄膜層２８上には、これとほぼ同長でかつ幅狭の駆動電極層２９が幅方向の中央部に位置して積層形成されるとともに、この駆動電極層２９を挟んで圧電薄膜層２８上に一対の検出電極３０Ｒ，３０Ｌが積層形成される。
【００７３】
［リード・端子部］
振動素子２０には、図４に示すように基部２２の第２主面（実装面）２２−２上に、基準電極層２７と第１端子部２５Ａとを接続する第１リード３１Ａが形成されるとともに、駆動電極層２９と第３端子部２５Ｃとを接続する第３リード３１Ｃが形成されている。同様に、基部２２の実装面２２−２上には、第１検出電極３０Ｒと第２端子部２５Ｂとを接続する第２リード３１Ｂが形成されるとともに、第２検出電極３０Ｌと第４端子部２５Ｄとを接続する第４リード３１Ｄが形成されている。なお、各リード３１Ａ〜３１Ｄについては、以下、個別に説明する場合を除いてリード３１と総称する。
【００７４】
第１リード３１Ａは、振動子部２３に形成した基準電極層２７の基端部から基部２２側に一体に延長され、図４に示すように基部２２の第２主面（実装面）２２−２上に振動子部２３を一体に形成した側の一方コーナ部に位置して形成された第１端子部２５Ａと一体化される。駆動電極層２９と検出電極３０は、それぞれの基端部が振動子部２３から基部２２までやや幅広の部位で一体に延長され、これら幅広部位が平坦化層２４によって被覆される。
【００７５】
第２リード３１Ｂは、一端部が平坦化層２４を乗り越えるようにして形成され、基部２２の一側部に沿って第１端子部２５Ａと対向する後方側のコーナ部へと導かれることにより、このコーナ部に形成された第２端子部２５Ｂと接続される。第３リード３１Ｃは、一端部が平坦化層２４を乗り越えるようにして形成され、基部２２の略中央部を横切って後方側へと導かれるとともに後端側に沿って第２端子部２５Ｂと対向するコーナ部へと導かれることにより、このコーナ部に形成された第３端子部２５Ｃと接続される。第４リード３１Ｄも、一端部が平坦化層２４を乗り越えるようにして形成され、基部２２の他側部に沿って第３端子部２５Ｃと対向する前方側の他方コーナ部へと導かれることにより、このコーナ部に形成された第４端子部２５Ｄと接続される。
【００７６】
なお、振動素子２０には、上述した構成にかかわらず、端子部２５が基部２２の第２主面（実装面）２２−２上に最適化される適宜の位置でかつ適宜の個数をもって形成される。また、振動素子２０は、各電極層のリード３１と端子部２５との接続パターンが上述した構成に限定されるものではないことは勿論であり、端子部２５の位置や個数に応じて基部２２の第２主面上に適宜に形成される。
【００７７】
［絶縁保護層］
振動素子２０には、図２及び図４に示すように、第２主面２１−２側において基部２２と振動子部２３を被覆する絶縁保護層４５が形成されている。絶縁保護層４５は、第１層の第１アルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ2Ｏ3）層４６と、第２層の酸化シリコン（ＳｉＯ2）層４７と、第３層の第２アルミナ層４８とからなる３層構造によって構成される。
【００７８】
絶縁保護層４５には、図２に示すように、基部２２の第２主面（実装面）２２−２側に形成した各端子部２５の形成領域に対応して端子開口部４９が形成されており、これらの端子開口部４９を介して各端子部２５が外方に臨んでいる。振動素子２０は、図２に示すように端子開口部４９から突出されるようにして各端子部２５に金バンプ２６が形成される。
【００７９】
絶縁保護層４５は、基部２２と振動子部２３の外周縁と、基準電極層２７や端子部２５の最外周部位との間においてシリコン基板２１の第２主面２１−２が枠状に露出されるようにして形成される。絶縁保護層４５は、外周部位に第２主面２１−２の露出部位を残すことによって、後述する振動素子２０の切り出し工程に際して外周部位から剥離が生じることが防止されている。なお、絶縁保護層４５は、幅寸法ｔ６が１００μｍとされた振動子部２３において、例えば９８μｍの幅寸法をもって形成される。
【００８０】
絶縁保護層４５は、第１アルミナ層４６が例えば５０ｎｍの厚み寸法をもって形成される。第１アルミナ層４６は、基部２２や振動子部２３の主面との密着性を向上させる下地密着層として作用し、振動動作する振動子部２３上に絶縁保護層４５が強固に成膜形成されるようにして剥離等の発生が防止されるようにする。
【００８１】
酸化シリコン層４７は、空気中の水分等を遮断して各電極層等への付着を防止するとともに、各電極層の酸化抑制、各電極層の電気的絶縁或いは薄膜の各電極層や圧電薄膜層２８の機械的保護を図る機能を奏する。最上層の第２アルミナ層４８は、シリコン基板２１に後述する外形溝形成工程を施して振動子部２３を形成する際に形成されるレジスト層との密着性を向上させる作用を奏し、エッチング剤による酸化シリコン層４７の損傷を防止する。
【００８２】
酸化シリコン層４７は、第２電極層４２の少なくとも２倍の厚みで、１μｍ以下の厚みで形成されている。また、酸化シリコン層４７は、０．４Ｐａ以下のアルゴンガス雰囲気中でスパッタ法によって第１アルミナ層４６上に成膜される。絶縁保護層４５は、酸化シリコン層４７を上述した膜厚とすることによって、十分な絶縁保護機能を奏するとともに成膜時のバリ発生が防止される。また、酸化シリコン層４７は、上述したスパッタ条件で成膜することによって、高膜密度で形成される。
【００８３】
［位置合わせ用マーク］
振動型ジャイロセンサ１においては、同一形状の第１振動素子２０Ｘと第２振動素子２０Ｙとを支持基板２に対して精密に位置決めして実装するために、支持基板２が各ランド４の位置を実装機側に認識される。振動素子２０には、実装機によって認識された各ランド４に対して位置決めされて実装されるようにするために、基部２２の第１主面（上面）２２−１に位置合わせ用マーク３２Ａ，３２Ｂ（以下、位置合わせ用マーク３２と総称する。）が設けられている。
【００８４】
位置合わせ用マーク３２は、図１及び図４に示すように、基部２２の第１主面（上面）２２−１上に幅方向に離間して形成された金属箔等からなる一対の矩形部によって構成される。振動素子２０は、実装機によって位置合わせ用マーク３２が読み取られ、支持基板２に対する位置や姿勢の実装データが生成された後、この実装データと上述したランド４のデータとに基づいて、支持基板２に対して精密に位置決めされて実装される。
【００８５】
振動素子２０は、位置合わせ用マーク３２を基部２２の第１主面上に形成したが、かかる構成に限定されるものではない。位置合わせ用マーク３２は、基部２２の第２主面（実装面）２２−２に、例えば配線工程と同一工程で導体部からなる位置合わせ用マークを端子部２５やリード３１を避けた適宜の位置に形成するようにしてもよい。位置合わせ用マーク３２は、詳細を後述するように振動素子２０の電極層や振動子部２３を形成する外形溝形成工程において用いられる誘導結合型プラズマ装置による反応性イオンエッチング処理に際して用いられる基準マーカに合わせて、位置決めされて形成されることが好ましい。位置合わせ用マーク３２は、ステッパー露光装置を用いることによって、振動子部２３に対して０．１μｍ以下の精度で形成することが可能である。
【００８６】
位置合わせ用マーク３２は、適宜の方法によって形成される。例えば基部２２の第２主面（実装面）２２−２に後述するようにチタン層と白金層とからなる第１電極層４０のパターニングによって形成した場合に、実装工程に際して読み取りが行われて画像処理を施す際に良好なコントラストが得られて実装精度の向上が図られるようになる。
【００８７】
［カバー］
続いて、支持基板２の第１主面２−１を外部から遮蔽するカバー１５の詳細について説明する。
【００８８】
振動型ジャイロセンサ１は、手振れ等により生じるコリオリ力による振動素子２０の変位を、詳細を後述するようにこの振動素子２０に形成した圧電薄膜層２８と検出電極３０とにより検出して検出信号を出力する。そして、圧電薄膜層２８に光が照射されると焦電効果により電圧が発生し、この焦電圧が検出動作に影響を及ぼして検出特性が低下する。
【００８９】
振動型ジャイロセンサ１においては、支持基板２とカバー部材１５とによる部品実装空間部３の遮光対応が図られ、外部光の影響による特性低下の防止が図られている。支持基板２には、図１に示すように部品実装領域６を縁ち取るようにして外周部位が全周に亘って第１主面２−１から段落ちされて垂直壁からなる遮光段部９を構成することで、カバー固定部１０が形成されている。そして、支持基板２に対して金属薄板によって形成したカバー部材１５を、カバー固定部１０上に樹脂接着によって全周に亘って接合することによって、部品実装空間部３を密閉して防塵、防湿するとともに遮光空間部として構成する。
【００９０】
カバー部材１５は、図１に示すように支持基板２の部品実装領域６を被覆するに足る外形寸法を有する主面部１６と、この主面部１６の外周部に全周に亘って一体に折曲形成された外周壁部１７とからなる全体箱状に形成されている。カバー部材１５は、外周壁部１７が、支持基板２に組み付けられた状態において振動素子２０の振動子部２３が振動動作を可能とする部品実装空間部３を構成する高さ寸法をもって形成されている。カバー部材１５には、外周壁部１７の開口縁に全周に亘って、支持基板２に形成したカバー固定部１０よりもやや小幅とされた外周フランジ部１８が一体に折曲形成されている。なお、図示せずとも外周フランジ部１８はアース凸部を形成し、振動型ジャイロセンサ１が制御基板１００に実装された際に制御基板１００上のグランド端子に接続される。
【００９１】
カバー部材１５は、金属薄板によって形成されることで振動型ジャイロセンサ１の小型軽量化を保持しているが、赤外波長の外部光に対する遮光性が低下して充分な遮光機能を奏し得ないこともある。そこで本実施の形態では、主面部１６と外周壁部１７の表面全体に例えば赤外波長の光を吸収する赤外線吸収塗料を塗布して遮光層１９を形成し、部品実装空間部３内への赤外波長の外部光の放射を遮蔽して振動素子２０が安定した動作を行うようにする。なお、遮光層１９は、赤外線吸収塗料溶液中にディップして表裏主面に形成したり、黒色クロムめっき処理や黒染め処理或いは黒色陽極酸化処理を施して形成してもよい。
【００９２】
上述のように、振動型ジャイロセンサ１においては、支持基板２に対してカバー部材１５が、外周フランジ部１８をカバー固定部１０上に重ね合わせて接着剤によって接合されることによって組み付けられ、密閉かつ遮光された部品実装空間部３を構成する。ところが、重ね合わされたカバー固定部１０と外周フランジ部１８との間の隙間に介在する接着剤層を透過して外部光が部品実装空間部３内に進入する場合がある。そこで本実施の形態においては、上述したように支持基板２が主面２−１に対して遮光段部９を介してカバー固定部１０を段落ち形成したことにより、接着剤層を透過した外部光が遮光段部９によって遮光されるようにしている。
【００９３】
本実施の形態においては、支持基板２に対してカバー部材１５も他の構成部材と同様に表面実装法によって組み付けるようにすることで、組立工程の合理化が図られている。振動型ジャイロセンサ１においては、カバー部材１５を支持基板２の段落ちされたカバー固定部１０上に固定することから薄型化が図られるとともに、接着剤の部品実装領域６への流れ込みも防止される。また、部品実装空間部３が防塵、防湿空間部として構成されるとともに遮光空間部として構成されることで、振動素子２０における焦電効果の発生を抑制して安定した手振れ等の検出動作を行うことを可能とする。
【００９４】
［回路構成］
次に、振動型ジャイロセンサ１を駆動する回路構成について図６を参照して説明する。
【００９５】
振動型ジャイロセンサ１は、第１振動素子２０Ｘと第２振動素子２０Ｙとにそれぞれ接続されＩＣ回路素子７や電子部品８等によって構成された第１駆動検出回路部５０Ｘと第２駆動検出回路部５０Ｙとを備えている。これら第１駆動検出回路部５０Ｘと第２駆動検出回路部５０Ｙとは互いに同一の回路構成とされることから、以下、駆動検出回路部５０と総称して説明する。駆動検出回路部５０は、インピーダンス変換回路５１と、加算回路５２と、発振回路５３と、差動増幅回路５４と、同期検波回路５５と、直流増幅回路５６等を備えている。
【００９６】
駆動検出回路部５０は、図６に示すように振動素子２０の第１検出電極３０Ｒと第２検出電極３０Ｌに対してインピーダンス変換回路５１と差動増幅回路５４とが接続される。インピーダンス変換回路５１には加算回路５２が接続され、この加算回路５２に接続された発振回路５３が駆動電極層２９と接続される。差動増幅回路５４と発振回路５３とには同期検波回路５５が接続され、この同期検波回路５５に直流増幅回路５６が接続される。なお、振動素子２０の基準電極層２７は、支持基板２側の基準電位５７と接続される。
【００９７】
駆動検出回路部５０は、振動素子２０とインピーダンス変換回路５１と加算回路５２と発振回路５３とによって自励発振回路を構成する。そして、発振回路５３から駆動電極層２９に対して所定周波数の発振出力Ｖｇｏを印加することによって振動素子２０の振動子部２３に固有振動を生じさせる。振動素子２０の第１検出電極３０Ｒからの出力Ｖｇｒと第２検出電極３０Ｌからの出力Ｖｇｌとはインピーダンス変換回路５１に供給され、これらの入力に基づいてインピーダンス変換回路５１から加算回路５２に対してそれぞれ出力ＶｚｒとＶｚｌとを出力する。加算回路５２は、これらの入力に基づいて発振回路５３に対して加算出力Ｖｓａを出力する。
【００９８】
振動素子２０の第１検出電極３０Ｒからの出力Ｖｇｒと第２検出電極３０Ｌからの出力Ｖｇｌとは差動増幅回路５４に供給される。駆動検出回路部５０は、後述するように振動素子２０が手振れを検出するとこれら出力Ｖｇｒと出力Ｖｇｌとに差異が生じることから、差動増幅回路５４によって所定の出力Ｖｄａが得られる。差動増幅回路５４からの出力Ｖｄａは、同期検波回路５５に供給される。同期検波回路５５は出力Ｖｄａを同期検波することで直流信号Ｖｓｄに変換して直流増幅回路５６に供給し、所定の直流増幅を行った直流信号Ｖｓｄを出力する。
【００９９】
同期検波回路５５は、差動増幅回路５４の出力Ｖｄａを、発振回路５３から駆動信号に同期して出力されるクロック信号Ｖｃｋのタイミングで全波整流した後で積分して直流信号Ｖｓｄを得る。駆動検出回路部５０は、上述したようにこの直流信号Ｖｓｄを直流増幅回路５６において増幅して出力することにより、手振れにより生じる角速度信号の検出が行われる。
【０１００】
駆動検出回路部５０は、インピーダンス変換回路５１がハイ・インピーダンス入力Ｚ２の状態でロー・インピーダンス出力Ｚ３を得るようになっており、第１検出電極３０Ｒと第２検出電極３０Ｌ間のインピーダンスＺ１と加算回路５２の入力間のインピーダンスＺ４とを分離する作用を奏する。インピーダンス変換回路５１を設けることによって、これら第１検出電極３０Ｒと第２検出電極３０Ｌとから大きな出力差異を得ることが可能となる。
【０１０１】
駆動検出回路部５０においては、上述したインピーダンス変換回路５１が入力と出力とのインピーダンス変換機能を奏するだけで信号の大きさに影響を与えることはない。したがって、第１検出電極３０Ｒからの出力Ｖｇｒとインピーダンス変換回路５１の一方側の出力Ｖｚｒ、及び第２検出電極３０Ｌからの出力Ｖｇｌとインピーダンス変換回路５１の他方側の出力Ｖｚｌとはそれぞれ同一の大きさである。駆動検出回路部５０においては、振動素子２０によって手振れ検出が行われて第１検出電極３０Ｒからの出力Ｖｇｒと第２検出電極３０Ｌからの出力Ｖｇｌとに差があっても、加算回路５２からの出力Ｖｓａに保持される。
【０１０２】
駆動検出回路部５０においては、例えばスイッチング動作等によってノイズが重畳されることがあっても、発振回路５３の出力Ｖｇｏに重畳されたノイズ成分が振動素子２０におけるバンドフィルタと同等の働きによって共振周波数以外の成分が除去されることで、差動増幅回路５４からノイズ成分が除去された高精度の出力Ｖｄａを得ることが可能となる。なお、振動型ジャイロセンサ１は、上述した駆動検出回路部５０に限定されるものではなく、固有振動する振動子部２３の手振れ動作による変位を圧電薄膜層２８と一対の検出電極３０とによって検出し、適宜の処理を行って検出出力を得るように構成されればよい。
【０１０３】
振動型ジャイロセンサ１においては、上述したようにＸ軸方向の角速度を検出する第１振動素子２０ＸとＹ軸方向の角速度を検出する第２振動素子２０Ｙとを備えている。第１振動素子２０Ｘに接続された第１駆動検出回路部５０ＸからはＸ軸方向の検出出力ＶｓｄＸが得られるとともに、第２振動素子２０Ｙに接続された第２駆動検出回路部５０ＹからはＹ軸方向の検出出力ＶｓｄＹが得られる。振動型ジャイロセンサ１においては、第１振動素子２０Ｘと第２振動素子２０Ｙとが、それぞれ数ｋＨｚから数百ｋＨｚの範囲で動作周波数の設定が可能である。そして、第１振動素子２０Ｘの動作周波数ｆｘと第２振動素子２０Ｙの動作周波数ｆｙとの周波数差（ｆｘ−ｆｙ）を１ｋＨｚ以上、例えば２ｋＨｚ〜３ｋＨｚとすることで、クロストークが低減されて精密な振動検出が行われるようになる。
【０１０４】
［振動型ジャイロセンサの製造方法］
以下、本実施の形態の振動型ジャイロセンサ１の製造方法について説明する。図１０は振動型ジャイロセンサ１の製造方法を説明する主要工程フローである。
【０１０５】
振動型ジャイロセンサ１においては、上述した振動素子２０が、例えば図１１及び図１２に示すように、主面２１−１の方位面が（１００）面、側面２１−３の方位面が（１１０）面となるように切り出されたシリコン基板２１を基材にして多数個が一括して形成された後に、切断工程を経て１個ずつに切り分けられる。
【０１０６】
本実施の形態において、シリコン基板２１は、後述するようにドープ処理が施されない略純単結晶シリコン基板或いは体積抵抗率が１００Ω・ｃｍである単結晶シリコン基板が用いられる。シリコン基板２１は、かかる単結晶シリコン基板を用いることによって、シリコン層が高抵抗値特性を有することになる。
【０１０７】
［基板準備工程］
シリコン基板２１は、外形寸法が、工程に用いられる設備仕様に応じて切り出し寸法が適宜決定され、例えば３００×３００（ｍｍ）とされる。シリコン基板２１は図１１に示すように平面視矩形状の基板に限らず、平面視円形のウェーハ形状でもよい。シリコン基板２１は、作業性やコスト等によって厚み寸法を決定されるが、少なくとも振動素子２０の基部２２の厚み寸法よりも大きな厚みであればよい。シリコン基板２１は、上述したように基部２２の厚みが３００μｍであるとともに振動子部２３の厚みが１００μｍであることから、３００μｍ以上の基板が用いられる。
【０１０８】
シリコン基板２１には、熱酸化処理が施されて、図１２に示すように第１主面２１−１上及び第２主面２１−２上にそれぞれシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）３３Ａ，３３Ｂ（以下、個別に説明する場合を除いてシリコン酸化膜３３と総称する。）が全面に亘って形成されている。シリコン酸化膜３３は、後述するようにシリコン基板２１に結晶異方性エッチング処理を施す際に保護膜として機能する。シリコン酸化膜３３は、保護膜機能を奏すればよく適宜の厚みをもって形成されるが、例えば０．３μｍ程度の厚み寸法で形成される。
【０１０９】
［エッチング凹部形成工程］
振動素子製造工程は、半導体プロセスの薄膜工程と同様の工程からなり、シリコン基板２１の第１主面２１−１側から各振動素子２０の振動子部２３を形成する部位を所定の厚み寸法とする上述したエッチング凹部３７を形成するエッチング凹部形成工程を有する。
【０１１０】
エッチング凹部形成工程は、図１３〜図１９に示すように、シリコン基板２１の第１主面２１−１に、フォトレジスト層３４を形成するフォトレジスト層形成工程と、エッチング凹部３７の形成部位に対応してフォトレジスト層３４にフォトレジスト層開口部３５を形成するフォトレジストパターニング工程と、フォトレジスト層開口部３５に臨むシリコン酸化膜３３Ａを除去してシリコン酸化膜開口部３６を形成する第１エッチング処理工程と、シリコン酸化膜開口部３６内にエッチング凹部３７を形成する第２エッチング処理工程等を有する。
【０１１１】
フォトレジスト層形成工程は、シリコン基板２１の第１主面２１−１に形成したシリコン酸化膜３３Ａ上に全面に亘ってフォトレジスト材を塗布してフォトレジスト層３４を形成する。フォトレジスト層形成工程は、フォトレジスト材として例えば東京応化社製の感光性フォトレジスト材「ＯＦＰＲ−８６００」が用いられ、このフォトレジスト材を塗布した後にマイクロ波で加熱して水分を除去するプレベーキング処理を施してシリコン酸化膜３３Ａ上にフォトレジスト層３４を形成する。
【０１１２】
フォトレジストパターニング工程は、フォトレジスト層３４上に各シリコン酸化膜開口部３６を形成する部位を開口部としたマスキング処理を施し、フォトレジスト層３４に対して露光、現像処理を施す。フォトレジストパターニング工程は、各シリコン酸化膜開口部３６の対応部位のフォトレジスト層３４を除去して、図１３及び図１４に示すようにシリコン酸化膜３３Ａを外方に臨ませる多数個のフォトレジスト層開口部３５を一括して形成する。なお、シリコン基板２１には、図１３に示すように３×５個のフォトレジスト層開口部３５が形成されることで、後述する各工程を経て１５個の振動素子２０が一括して製造されるようにする。
【０１１３】
第１エッチング処理工程は、フォトレジスト層開口部３５を介して外部に臨むシリコン酸化膜３３Ａを除去する工程である。第１エッチング処理は、シリコン基板２１の界面の平滑性を保持するために、シリコン酸化膜３３Ａのみを除去する湿式エッチング法を採用するが、この方法に限定されるものではなく例えばイオンエッチング法等の適宜のエッチング処理であってもよい。
【０１１４】
第１エッチング処理には、エッチング液として例えばフッ化アンモニウム溶液を用い、シリコン酸化膜３３Ａを除去してシリコン酸化膜開口部３６を形成する。これにより、図１５及び図１６に示すように、シリコン基板２１の第１主面２１−１を外部に臨ませる。なお、第１エッチング処理は、長時間に亘ってエッチングを行った場合にシリコン酸化膜開口部３６の側面からエッチングが進行するいわゆるサイドエッチング現象が生じることから、シリコン酸化膜３３Ａがエッチングされた時点で終了するようにエッチング時間を正確に管理することが好ましい。
【０１１５】
第２エッチング処理は、シリコン酸化膜開口部３６を介して外部に臨むシリコン基板２１の第１主面２１−１にエッチング凹部３７を形成する工程である。第２エッチング処理工程は、シリコン基板２１の結晶方向にエッチング速度が依存する性質を利用した結晶異方性の湿式エッチング処理によって、シリコン基板２１を振動子部２３の厚みまでエッチングする。
【０１１６】
第２エッチング処理工程には、エッチング液として例えばＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やＫＯＨ（水酸化カリウム）或いはＥＤＰ（エチレンジアミン−ピロカテコール−水）溶液が用いられる。第２エッチング処理は、具体的にはエッチング液として表裏面のシリコン酸化膜３３Ａ，３３Ｂのエッチングレートの選択比がより大きくなるＴＭＡＨ２０％溶液を用い、このエッチング液を攪拌しながら温度を８０℃に保ち、６時間のエッチングを行って図１７及び図１８に示すエッチング凹部３７を形成する。
【０１１７】
第２エッチング処理工程においては、基材として用いるシリコン基板２１の第１主面２１−１や第２主面２１−２に対して側面２１−３の対エッチング性が小さい特性を利用して、（１００）面に対して約５５°の角度の面方位となる（１１０）面が出現するエッチングが行われる。これにより、開口部から底面に向かって約５５°の傾斜角度をもって次第に開口寸法が小さくなり、内周壁に約５５°の傾斜角度のエッチング斜面１３３を有するエッチング凹部３７が形成される。
【０１１８】
エッチング凹部３７は、後述する外形切り抜き工程が施されて振動子部２３を形成するダイヤフラム部３８を構成する。エッチング凹部３７は、図１７に示すように長さ寸法ｔ８、幅寸法ｔ９の開口寸法を有し、図１９に示すように深さ寸法ｔ１０をもって形成される。エッチング凹部３７は、図１９に示すように、第１主面２１−１から第２主面２１−２側に向かって次第に開口寸法が小さくなる断面が台形の空間部によって構成される。
【０１１９】
エッチング凹部３７は、内周壁が上述したように内方下がりに５５°の傾斜角度θを付されて形成される。ダイヤフラム部３８は、後述するように、振動子部２３の幅寸法ｔ６と長さ寸法ｔ５及びその外周部を切り抜くようにしてシリコン基板２１に形成する外形溝３９の幅寸法ｔ７（図３６及び図３７参照）とによって規定する。外形溝３９の幅寸法ｔ７は、（深さ寸法ｔ１０×１／ｔａｎ５５°）で求められる。
【０１２０】
したがって、エッチング凹部３７は、ダイヤフラム部３８の幅を規定する開口幅寸法ｔ９が、（深さ寸法ｔ１０×１／ｔａｎ５５°）×２＋ｔ６（振動子部２３の幅寸法）＋２×ｔ７（外形溝３９の幅寸法）から求められる。エッチング凹部３７は、開口部位の幅寸法ｔ９が、ｔ１０＝２００μｍ、ｔ６＝１００μｍ、ｔ７＝２００μｍとすると、ｔ９＝７８０μｍとなる。
【０１２１】
また、エッチング凹部３７は、上述した第２エッチング処理を施すことによって長さ方向についても幅方向と同様にその内周壁がそれぞれ傾斜角度が５５°の傾斜面として構成される。したがって、エッチング凹部３７は、ダイヤフラム部３８の長さを規定する長さ寸法ｔ８が、（深さ寸法ｔ１０×１／ｔａｎ５５°）×２＋ｔ５（振動子部２３の長さ寸法）＋ｔ７（外形溝３９の幅寸法）から求められる。エッチング凹部３７は、長さ寸法ｔ８が、ｔ１０＝２００μｍ、ｔ５＝２．５ｍｍ、ｔ７＝２００μｍとすると、ｔ８＝２９８０μｍとなる。
【０１２２】
［電極形成工程（成膜）］
上述したエッチング凹部形成工程により、シリコン基板２１にエッチング凹部３７の底面と第２主面２１−２との間に、所定の厚みを有する矩形のダイヤフラム部３８が構成される。ダイヤフラム部３８は、振動素子２０の振動子部２３を構成する。エッチング凹部形成工程の後、ダイヤフラム部３８の第２主面２１−２側を加工面として電極形成工程が施される。
【０１２３】
電極形成工程は、例えばマグネトロンスパッタ装置によって、エッチング凹部３７の形成部位と対向する第２主面２１−２上に、シリコン酸化膜３３Ｂを介して各電極層を形成する。電極形成工程は、図２０に示すようにシリコン酸化膜３３Ｂを介して基準電極層２７を構成する第１電極層４０を形成する第１電極層形成工程と、圧電薄膜層２８を構成する圧電膜層４１を形成する圧電膜層形成工程と、駆動電極層２９及び検出電極３０を構成する第２電極層４２を形成する第２電極層形成工程とを有する。
【０１２４】
なお、振動素子製造工程においては、振動子部２３に対する上述した第１電極層４０の形成工程と第２電極層４２の形成工程に合わせて、基部２２の形成部位に各リード３１や端子部２５を形成するための導体層の形成工程も同時に行われるようにする。
【０１２５】
第１電極層形成工程は、図２０に示すように、振動子部２３の構成部位に対応するシリコン酸化膜３３Ｂ上に全面に亘ってチタンをスパッタリングしてチタン薄膜層を形成する工程と、このチタン薄膜層上にプラチナ（白金）をスパッタリングしてプラチナ層を形成して２層構成の第１電極層４０を積層形成する工程とからなる。チタン薄膜層形成工程は、例えばガス圧０．５Ｐａ、ＲＦ（高周波）パワー１ｋＷのスパッタ条件でシリコン酸化膜３３Ｂ上に膜厚が５０ｎｍ以下（例えば５ｎｍ〜２０ｎｍ）程度のチタン薄膜層を成膜する。プラチナ層形成工程は、例えばガス厚０．５Ｐａ、ＲＦパワー０．５ｋＷのスパッタ条件でチタン薄膜層上に膜厚が２００ｎｍ程度のプラチナ薄膜層を成膜する。
【０１２６】
第１電極層４０は、チタン薄膜層がシリコン酸化膜３３Ｂとの密着性を向上させる作用を奏するとともに、プラチナ層が良好な電極として作用する。第１電極層形成工程は、上述した第１電極層４０の形成と同時にダイヤフラム部３８から基部２２の形成領域へと延長して第１リード３１Ａと第１端子部２５Ａとを構成する導体層も形成する。
【０１２７】
圧電膜層形成工程は、上述した第１電極層４０上に全面に亘って、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をスパッタリングして所定の厚みの圧電膜層４１を積層形成する。圧電膜層形成工程は、Ｐｂ（１＋ｘ）（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３−ｙ酸化物をターゲットとして用いて、例えばガス圧０．７Ｐａ、ＲＦパワー０．５ｋＷのスパッタ条件で第１電極層４０上に膜厚が１μｍ程度のＰＺＴ層からなる圧電膜層４１を積層形成する。圧電膜層形成工程は、電気炉により圧電膜層４１をベーキングすることによって、結晶化熱処理を施す。ベーキング処理は、例えば酸素雰囲気下で、７００℃、１０分間の条件で行う。なお、圧電膜層４１は、上述した第１電極層４０から延長された基部２２の形成領域に形成された電極層の一部を被覆して形成される。
【０１２８】
第２電極層形成工程は、上述した圧電膜層４１上に全面に亘って、プラチナをスパッタリングしてプラチナ層を形成することによって第２電極層４２を積層形成する。第２電極層形成工程は、ガス圧０．５Ｐａ、ＲＦパワー０．５ｋＷのスパッタ条件で圧電膜層４１上に膜厚が２００ｎｍ程度のプラチナ薄膜層を成膜する。
【０１２９】
［電極形成工程（パターニング）］
次に、最上層に形成された第２電極層４２に対してパターニング処理を施す第２電極層パターニング工程が行われる。第２電極層パターニング工程では図２１及び図２２に示すように所定形状の駆動電極層２９と一対の検出電極３０Ｒ，３０Ｌとを形成する。
【０１３０】
駆動電極層２９は、上述したように振動子部２３を駆動させる所定の駆動電圧が印加される電極であり、振動子部２３の幅方向の中央領域に所定の幅をもって長さ方向のほぼ全域に亘って形成される。検出電極３０は、振動子部２３に発生したコリオリ力を検出する電極であり、駆動電極層２９の両側に位置して長さ方向のほぼ全域に亘って互いに絶縁を保持されて平行に形成される。
【０１３１】
第２電極層パターニング工程は、第２電極層４２に対してフォトリソグラフ処理を施して図２１に示すように圧電膜層４１上に駆動電極層２９と検出電極３０とを形成する。第２電極層パターニング工程は、駆動電極層２９と検出電極３０との対応部位にレジスト層を形成し、不要な部位の第２電極層４２を例えばイオンエッチング法等によって除去した後にレジスト層を除去する等の工程を経て、駆動電極層２９と検出電極３０とをパターン形成する。第２電極層パターニング工程は、かかる工程に限定されず、半導体プロセスにおいて採用されている適宜の導電層形成工程を利用して駆動電極層２９や検出電極３０を形成するようにしてもよいことは勿論である。
【０１３２】
駆動電極層２９と検出電極３０とは、図２１に示すように先端部とともに振動子部２３の根元となる根元部位４３においても同一となるようにして形成される。この第２電極層パターニング工程においては、根元部位４３において一致された駆動電極層２９と検出電極３０との基端部に、それぞれ幅広とされたリード接続部２９−１、３０Ｒ−１、３０Ｌ−１が一体にパターン形成される。
【０１３３】
第２電極層パターニング工程においては、第２電極層４２をパターニングして例えば長さ寸法ｔ１２が２ｍｍ、幅寸法ｔ１３が５０μｍの駆動電極層２９を形成する。そして、この駆動電極層２９を挟んで、図２１に示すようにそれぞれ幅寸法ｔ１４が１０μｍの第１検出電極３０Ｒと第２検出電極３０Ｌとを、５μｍの間隔寸法ｔ１５をもってパターン形成する。また、第２電極層パターニング工程は、長さ寸法がそれぞれ５０μｍ、幅寸法もそれぞれ５０μｍとしたリード接続部２９−１，３０Ｒ−１，３０Ｌ−１をパターン形成する。なお、駆動電極層２９と検出電極３０とは上述した寸法値に限定されるものではなく、振動子部２３の第２主面上に形成することが可能な範囲で適宜形成される。
【０１３４】
続いて、上述した圧電膜層４１に対してパターニング処理を施す圧電膜層パターニング工程によって、図２３及び図２４に示す所定形状の圧電薄膜層２８を形成する。圧電薄膜層２８は、圧電膜層４１に対して上述した駆動電極層２９と検出電極３０よりも大きな面積の部位を残すようにパターニング処理を施して形成される。圧電薄膜層２８は、振動子部２３に対して、その幅よりもやや小幅であり基端部から先端部の近傍位置に亘って形成される。
【０１３５】
圧電膜層パターニング工程は、圧電膜層４１に対してフォトリソグラフ処理を施して圧電薄膜層２８の対応部位にレジスト層を形成し、不要な部位の圧電膜層４１を例えばフッ硝酸溶液を用いた湿式エッチング法等によって除去した後に、レジスト層を除去する等の工程を経て、図２３及び図２４に示す圧電薄膜層２８を形成する。なお、上記の例では圧電膜層４１を湿式エッチング法によってエッチング処理を施すようにしたが、かかる方法に限定されるものではなく、例えばイオンエッチング法や反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等の適宜の方法を施すことにより圧電薄膜層２８を形成するようにしてもよいことは勿論である。
【０１３６】
圧電膜層パターニング工程においては、圧電薄膜層２８の基端部が図２３に示すように振動子部２３の根元となる根元部位４３において駆動電極層２９と検出電極３０とほぼ同形となるようにして形成される。そして、圧電薄膜層２８は、基端部から駆動電極層２９や検出電極３０のリード接続部２９−１，３０Ｒ−１，３０Ｌ−１よりもやや大きな面積を有して端子受け部２８−１が一体にパターン形成される。
【０１３７】
圧電膜層パターニング工程は、長さ寸法ｔ１８が駆動電極層２９や検出電極３０よりもやや長い２．２ｍｍ、幅寸法ｔ１９が９０μｍの圧電薄膜層２８をパターン形成する。圧電薄膜層２８の基端部に形成される端子受け部２８−１は、駆動電極層２９や検出電極３０のリード接続部２９−１，３０Ｒ−１，３０Ｌ−１の周囲に５μｍの幅寸法を有してパターニングされる。なお、圧電薄膜層２８は上述した寸法値に限定されるものでなく、駆動電極層２９や検出電極３０よりも大きな面積をもって振動子部２３の第２主面２３−２上に形成することが可能な範囲で適宜形成される。
【０１３８】
そして、第１電極層４０に対して、上述した第２電極層パターニング工程と同様のパターニング処理を施す第１電極層パターニング工程によって、図２５及び図２６に示すように基準電極層２７をパターン形成する。第１電極層パターニング工程は、基準電極層２７の対応部位にレジスト層を形成し、不要な部位の第１電極層４０を例えばイオンエッチング法等によって除去した後にレジスト層を除去する等の工程を経て、基準電極層２７をパターン形成する。なお、第１電極層パターニング工程は、かかる工程に限定されず、半導体プロセスにおいて採用されている適宜の導電層形成工程を利用して基準電極層２７を形成するようにしてもよいことは勿論である。
【０１３９】
第１電極層パターニング工程においては、振動子部２３の第２主面上においてその幅よりもやや小幅で圧電薄膜層２８よりも大きな幅を有する基準電極層２７を形成する。基準電極層２７の基端部は、図２５に示すように振動子部２３の根元となる根元部位４３において駆動電極層２９と検出電極３０及び圧電薄膜層２８とほぼ同形となるようにして形成される。この第１電極層パターニング工程においては、基端部から側方へと一体に引き出されて基部２２の形成部位上に第１リード３１Ａとその先端部の第１端子部２５Ａとが同時にパターン形成される。
【０１４０】
第１電極層パターニング工程においては、長さ寸法ｔ２０が２．３ｍｍ、幅寸法ｔ２１が９４μｍとされ、圧電薄膜層２８の周囲に５μｍの幅寸法をもって基準電極層２７を形成する。なお、第１電極層パターニング工程は、基準電極層２７が上述した寸法値に限定されるものでなく、振動子部２３の第２主面上に形成することが可能な範囲で適宜形成される。
【０１４１】
［平坦化層形成工程］
振動素子製造工程においては、上述した各工程を経て基部２２の形成部位に対応して、駆動電極層２９と検出電極３０のリード接続部２９−１，３０Ｒ−１，３０Ｌ−１及び端子部２５Ｂ〜２５Ｄを形成するとともに、これら各端子部２５と一体化されるリード３１Ｂ〜３１Ｄを形成する。この際、リード３１Ｂ〜３１Ｄをリード接続部２９−１，３０Ｒ−１，３０Ｌ−１と円滑に接続するために、図２７及び図２８に示す平坦化層２４を形成する。
【０１４２】
リード接続部２９−１，３０Ｒ−１，３０Ｌ−１と端子部２５Ｂ〜２５Ｄとを接続するリード３１Ｂ〜３１Ｄは、図２９及び図３０に示すように、圧電薄膜層２８の端子受け部２８−１や基準電極層２７の端部を通過して基部２２の形成部位を引き回すようにして形成される。上述したように圧電薄膜層２８は圧電膜層４１に湿式エッチング処理を施してパターニングされることから、エッチング箇所の端部がシリコン基板２１の第２主面２１−２側に向かって逆テーパ或いは垂直な段部となっている。従って、基部２２の形成部位にリード３１Ｂ〜３１Ｄを直接形成した場合に、上記段部において断線を生じさせることがある。また、基部２２の形成部位に引き回されている第１リード３１Ａとリード３１Ｂ〜３１Ｄとの絶縁を保持する必要もある。
【０１４３】
平坦化層形成工程は、基部２２の形成部位に形成したレジスト層にフォトリソグラフ処理を施して、リード接続部２９−１，３０Ｒ−１，３０Ｌ−１と第１リード３１Ａとを被覆するレジスト層をパターン形成する。パターン形成されたレジスト層は、例えば１６０℃〜３００℃程度の加熱処理が施されることで硬化し平坦化層２４を構成する。平坦化層形成工程は、幅寸法ｔ２４が２００μｍ、長さ寸法ｔ２５が５０μｍ、厚み寸法が２μｍ（図２８では強調して示している。）の平坦化層２４を形成する。なお、平坦化層形成工程は、かかる工程に限定されるものではなく、半導体プロセス等に実施される適宜のレジスト層形成工程や適宜の絶縁性材料を用いて平坦化層２４を形成するようにしてもよい。
【０１４４】
［配線層形成工程］
次に、基部２２の形成部位に上述した第２端子部２５Ｂ〜第４端子部２５Ｄ及び第２リード３１Ｂ〜第４リード３１Ｄを形成する配線層形成工程が施される。配線層形成工程は、基部２２の形成部位に全面に亘って感光性のフォトレジスト層を形成するとともに、このフォトレジスト層に対してフォトリソグラフ処理を施して第２端子部２５Ｂ〜第４端子部２５Ｄや第２リード３１Ｂ〜第４リード３１Ｄに対応する開口パターンを形成し、さらにスパッタリングによって各開口部内に導体層を形成して配線層を形成する。配線層形成工程は、所定の導体部を形成した後に、フォトレジスト層を除去して図２９及び図３０に示す第２端子部２５Ｂ〜第４端子部２５Ｄ及び第２リード３１Ｂ〜第４リード３１Ｄをパターン形成する。
【０１４５】
この配線層形成工程においては、シリコン酸化膜３３Ｂに対する密着性の向上を図るチタン層やアルミナ層が下地層として形成された後に、このチタン層上に電気抵抗が低く低コストの銅層が形成される。この例では、例えばチタン層が２０ｎｍの厚みで形成され、銅層が３００ｎｍの厚みで形成される。なお、配線層形成工程は、かかる工程に限定されず、例えば半導体プロセスで汎用される各種の配線パターン形成技術によって配線層を形成するようにしてもよい。
【０１４６】
［絶縁保護層形成工程］
続いて、上述した工程を経て主面上に端子部２５とリード３１とを形成した基部２２と、各電極層と圧電薄膜層２８とを形成した振動子部２３の主面上に３層構成の絶縁保護層４５を形成する絶縁保護層形成工程が施される。絶縁保護層形成工程は、レジスト層形成工程と、レジスト層パターニング形成工程と、第１アルミナ層形成工程と、酸化シリコン層形成工程と、第２アルミナ層形成工程と、レジスト層除去工程とを有する。
【０１４７】
絶縁保護層形成工程は、レジスト層形成工程とレジスト層パターニング形成工程とを経て、図３１に示すようにシリコン基板２１の第２主面上に絶縁保護層４５の形成部位を開口したレジスト層４４を形成する。レジスト層形成工程は、シリコン基板２１上に全面に亘って感光性レジスト剤を塗布してレジスト層４４を形成する。レジスト層パターニング形成工程は、レジスト層４４に対してフォトリソグラフ処理を施して絶縁保護層４５の形成領域に対応する部位を開口して絶縁保護層形成開口部４４Ａを形成する。なお、レジスト層４４は、図示を省略するが端子部２５の対応部位がそれぞれ円形に残される。
【０１４８】
絶縁保護層形成工程は、スパッタ法によって第１アルミナ層４６と酸化シリコン層４７と第２アルミナ層４８とを積層形成するとともに、不要なスパッタ形成膜をレジスト層４４とともに除去してレジスト層４４の絶縁保護層形成開口部４４Ａ内に３層構造のスパッタ形成層を残すいわゆるリフトオフ法によって所望の絶縁保護層４５を形成する。なお、図３２〜図３４においては、絶縁保護層形成開口部４４Ａに形成される各スパッタ膜のみを図示しているが、この絶縁保護層形成開口部４４Ａを構成するレジスト層４４上にも同様にしてスパッタ膜が形成されることは勿論であり、これらスパッタ膜はレジスト層除去工程によってレジスト層４４とともに一括して除去される。
【０１４９】
第１アルミナ層形成工程は、アルミナのスパッタリングを施して、図３２に示すように上述した絶縁保護層形成開口部４４Ａの内部に第１アルミナ層４６を形成する。第１アルミナ層４６は、５０ｎｍ程度の厚み寸法ｔ２６をもって形成され、絶縁保護層形成開口部４４Ａ内において上述したようにシリコン基板２１や駆動電極層２９或いは検出電極３０との密着性を向上させる下地金属層として機能する。
【０１５０】
酸化シリコン層形成工程は、酸化シリコンのスパッタリングを施して、図３３に示すように上述した第１アルミナ層４６上に酸化シリコン層４７を形成する。酸化シリコン層形成工程は、スパッタ槽内におけるアルゴン圧が０．３５Ｐａを放電限界の下限とすることから、アルゴン圧を下限値よりもやや高圧とした０．４Ｐａに設定して酸化シリコンのスパッタリングを行って、高密度の酸化シリコン膜４７を形成する。酸化シリコン膜形成工程は、駆動電極層２９や検出電極３０の少なくとも２倍の厚みを有することで充分な絶縁保護機能を奏し、かつリフトオフ法においてバリ発生率が小さい範囲の厚みである１μｍ以下の厚み寸法ｔ２７を有する酸化シリコン層４７を形成する。酸化シリコン層４７は、具体的には７５０ｎｍの厚み寸法ｔ２７に形成される。
【０１５１】
第２アルミナ層形成工程は、アルミナのスパッタリングを施して、図３４に示すように上述した酸化シリコン層４７上に第２アルミナ層４８を全面に亘って形成する。第２アルミナ層４８は、５０ｎｍ程度の厚み寸法ｔ２８をもって形成され、後述する外形溝形成工程に際して形成されるレジスト層との密着性を向上させることで、エッチング剤による酸化シリコン層４７の損傷を防止する。
【０１５２】
［外形溝形成工程］
次に、シリコン基板２１の第１主面２１−１上に、図３４に示すようにエッチングストップ層７０を形成する工程が施される。エッチングストップ層７０は、後述する外形溝形成工程をシリコン基板２１に対して施す際に、第１主面２１−１側にプラズマ集中が生じて所定のエッジ形状が形成されない形状不良の発生を抑制する機能を奏する。エッチングストップ層形成工程は、例えばシリコン基板２１の第１主面２１−１上に、スパッタ法によって全面に亘って厚みが５００ｎｍ程度の酸化シリコンを形成する。
【０１５３】
外形溝形成工程は、ダイヤフラム部３８を貫通して振動子部２３の外周部を構成する外形溝３９を形成する。外形溝形成工程においては、図３５〜図３７に示すように、ダイヤフラム部３８と対向するシリコン基板２１の第２主面２１−２側から、上述した各電極層を積層形成したシリコン基板２１の振動子部２３の一方側の根元部位４３を始端３９Ａとし、振動子部２３を囲むように他方側の根元部位４３を終端３９Ｂとする略コ字状の貫通溝からなる外形溝３９が形成される。外形溝３９は、上述したように２００μｍの幅寸法ｔ７をもって形成される。
【０１５４】
外形溝形成工程は、具体的にはシリコン酸化膜３３Ｂを所定形状のコ字状に除去してシリコン基板２１の第２主面２１−２を露出させる第１エッチング処理工程と、露出されたシリコン基板２１に対して外形溝３９を形成する第２エッチング処理工程とからなる。
【０１５５】
第１エッチング工程においては、シリコン酸化膜３３Ｂ上に全面に亘って感光性のフォトレジスト層を形成するとともに、このフォトレジスト層に対してフォトリソグラフ処理を施して上述した各電極層の形成領域を囲み振動子部２３の外形寸法と等しい開口寸法を有するコ字状の開口パターンを形成する。第１エッチング処理工程は、開口パターンを介して露出されたシリコン酸化膜３３Ｂをイオンエッチングによって除去する。なお、第１エッチング処理工程は、例えば湿式エッチングによってシリコン酸化膜３３Ｂをコ字状に除去することも可能であるが、サイドエッチングによる寸法誤差の発生を考慮すると、イオンエッチングが好適に実施される。
【０１５６】
第２エッチング工程においては、残されたシリコン酸化膜３３Ｂがレジスト膜（エッチング保護膜）として利用される。第２エッチング処理工程は、レジスト膜（シリコン酸化膜３３Ｂ）との選択比が得られ、かつ振動子部２３の外周部が高精度の垂直面によって構成されるようにするために、シリコン基板２１に対して例えば反応性イオンエッチングが施される。
【０１５７】
第２エッチング処理工程には、高密度なプラズマを生成する誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を生成する機能を有する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置が用いられる。第２エッチング処理工程は、エッチング箇所にＳＦ６ガスを導入するエッチング処理と、Ｃ４Ｆ８ガスを導入してエッチングした箇所に外周壁を保護するための保護膜形成工程とを繰り返すBosch（Bosch社）プロセスが用いられ、毎分１０μｍ程度の速度で垂直な内壁を有する外形溝３９をシリコン基板２１に形成する。
【０１５８】
第２エッチング処理工程の後、シリコン基板２１の第１主面２１−１に形成されたエッチングストップ層７０を除去する工程が施される。エッチングストップ層の除去工程は、例えばフッ化アンモニウムを用いた湿式エッチング処理によって酸化シリコンからなるエッチングストップ層７０を除去する。なお、エッチングストップ層除去工程は、上述した外形溝形成工程で形成したフォトレジスト層を除去してしまうと絶縁保護層４５も除去されてしまうから、エッチングストップ層７０を除去した後に当該フォトレジスト層の除去が行われるようにする。
【０１５９】
［分極処理工程］
続いて、シリコン基板２１上に形成される各振動素子２０の圧電薄膜層２８を一括して分極処理する分極処理工程が行われる。分極処理ための分極用配線にはＣｕ配線が用いられる。Ｃｕ配線は、後述する分極処理を行った後に湿式エッチング処理によって容易に溶解することで、各振動素子２０にダメージを与えることなく除去することが可能である。なお、分極用配線については、Ｃｕ配線に限定されず、上述した機能を奏する適宜の導電体によって形成してもよいことは勿論である。
【０１６０】
Ｃｕ配線の形成には、例えばフォトリソグラフ処理によって所望の形状を開口部とするレジスト層をシリコン基板２１の第２主面２１−２上にパターン形成した後に、Ｃｕ層をスパッタ法により成膜するとともに不要な部位に付着したＣｕ層をレジスト層とともに除去するリフトオフ法が用いられる。Ｃｕ配線は、分極処理時の導通を確保するために、例えば幅寸法が３０μｍ以上、厚みが４００ｎｍ程度とする。
【０１６１】
分極処理工程は、Ｃｕ配線に形成された印加側パッドとグランド側パッドとを介して各振動素子２０を外部電源に一括して接続することによって、効率よく行うことが可能である。なお、分極処理工程は、例えばワイヤボンディング法によって各パッドと外部電源との接続を行うとともに、２０Ｖ−２０ｍｉｎの条件で通電を行って分極処理を施す。分極処理工程は、かかる条件に限定されず、適宜の接続方法や分極条件によって分極処理を施すようにしてもよいことは勿論である。
【０１６２】
［金バンプ形成工程］
次に、金バンプ形成工程が行われる。振動素子２０は、上述したように支持基板２に表面実装されることから、各端子部２５上に金バンプ２６が形成される。金バンプ形成工程は、各端子部２５に金ワイヤのボンディングツールを押し当てて所定形状のスタッドバンプを形成する。金バンプ形成工程においては、必要に応じて基部２２上にいわゆるダミーバンプも形成される。なお、金バンプ２６の他の形成方法としては、後述するめっきバンプ法がある。
【０１６３】
めっきバンプ法は、端子部２５上に所定の開口部を有するめっきレジスト層を形成する工程と、金めっき処理により各開口部内に金めっき層を所定の高さまで成長させる金めっき工程と、めっきレジスト層を除去する工程とを有する。なお、金バンプ形成工程においては、めっき処理の条件によって形成される金バンプ２６の厚み（高さ）に限界があり、所望の高さを有する金バンプ２６が形成し得ないこともある。金バンプ形成工程においては、１回のめっき処理によって所望の金バンプ２６を得られない場合に、第１層の金めっき層を電極とする２回めっき処理を施していわゆる段付き金バンプ２６を形成するようにしてもよい。
【０１６４】
なお、バンプ形成工程について、上述した方法に限定されず、半導体プロセスで実施されている例えば蒸着法や転写法等によってバンプ形成を行うようにしてもよい。また、振動素子製造工程においては、詳細を省略するが、金バンプ２６と端子部２５との密着性を向上させるために、ＴｉＷ、ＴｉＮ等のいわゆるバンプ下地金属層が形成される。
【０１６５】
［切断工程］
続いて、シリコン基板２１から各振動素子２０を切り分ける切断工程が実施される。切断工程においては、例えばダイヤモンドカッタ等によって基部２２の対応部位を切り分けることによって、各振動素子２０の切り分けが行われる。切断工程では、ダイヤモンドカッタによって切断溝を形成した後に、シリコン基板２１を折って切り分けが行われる。なお、切断工程は、砥石や研削によりシリコン基板２１の面方位を利用して切断を行うようにしてもよい。
【０１６６】
上述した振動素子製造工程においては、例えば基部２２を共通とし、この基部２２の隣り合う側面に振動子部をそれぞれ一体に形成することによって２軸の検出信号を得る２軸一体型振動素子との比較において、シリコン基板（ウェーハ）２１からの取り数を大幅に向上させることを可能とする。
【０１６７】
［補強部形成工程］
ここで、振動子部２３の基端部位に構成される補強部１２９は、上述した振動素子製造工程を経て形成される。補強部１２９の形成に際しては、外形溝形成工程において、振動子部２３の外形を切り抜く外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂ（図３５）をエッチング凹部３７の内周壁に形成されたエッチング傾斜面１３３の途中位置に形成される。そして、切断工程では、上述したように基部２２の外形寸法に対応してシリコン基板２１が切断されるが、基部２２の側周部２２−３の対応部位を外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂと接続するようにエッチング傾斜面１３３の途中で切断する。以上のようにして、図８に示したように振動子部２３の基端部位がエッチング傾斜面１３３の傾斜によって外側面２２−３に向かって次第に厚みを大きくする形状となる。これにより補強部１２９の縦補強部１２９Ｖが構成されるようにする。
【０１６８】
一方、上述した外形溝形成工程において、振動子部２３の基端部位（根元部位４３）に相当する外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂをエッチングで切り抜いた際、特別な操作を必要とすることなく、この外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂが湾曲した形状を呈することになる。そこで、本実施の形態では、補強部１２９の横補強部１２９Ｈをこれら外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂの湾曲形状を利用して形成されるようにする。
【０１６９】
［実装工程］
以上の工程を経て製造された振動素子２０は、シリコン基板２１の第２主面２１−２側を実装面として、支持基板２の第１主面２−１上に表面実装法によって実装される。振動素子２０は、各端子部２５に設けられた金バンプ２６を支持基板２側の相対するランド４に位置合わせされる。この際、振動素子２０は、上述したように位置合わせ用マーク３２が読み取られて、実装機により位置と向きを高精度に位置決めされる。
【０１７０】
振動素子２０は、支持基板２に押圧された状態で超音波が印加され、各金バンプ２６が相対するランド４に溶着されることで支持基板２の第１主面２−１上に実装される。支持基板２には、第１主面２−１上にＩＣ回路素子７や電子部品８が実装され、振動素子２０に対して後述する調整工程が行われた後、カバー部材１５が取り付けられることで、振動型ジャイロセンサ１が完成する。
【０１７１】
以上のように、本実施の形態においては、基部２２に振動子部２３を一体に形成してなる多数個の振動素子２０をシリコン基板２１に一括して製作し、それぞれを個々に切り分けるようにしている。そして、支持基板２の第１主面２−１上に、同一形状の第１振動素子２０Ｘと第２振動素子２０Ｙとを９０°異なる２軸上に実装することで、当該２軸の検出信号を得る振動型ジャイロセンサ１が作製される。
【０１７２】
［面取り部・溶融面形成工程］
振動素子製造工程においては、後述する調整工程に用いるレーザ装置を利用して、振動子部２３に面取り部１３０或いは溶融面１３４が形成される。面取り部１３０或いは溶融面１３４の形成工程は、調整工程を行った後に振動子部２３にレーザ加工を施すとバランスが崩れてしまうことがあることから、その前工程で行われる。
【０１７３】
第２エッチング処理工程においては、プラズマの流れによって、振動子部２３の厚み方向となる側面と第１主面（上面）２３−１及びこれらの面に跨る振動子部２３の稜線部位に微細な筋状の凹凸部１２７（図９Ａ参照）を生じさせる。面取り部１３０或いは溶融面１３４の形成工程は、図９Ｂに示したように、振動子部２３の所定箇所にレーザを照射してシリコン基板２１の表面を溶融することによって微細凹凸部１２７を除去し、機械的強度が向上された振動素子２０を形成する。面取り部１３０或いは溶融面１３４の形成工程は、この後に実施される調整工程で用いられるレーザ装置を共用することで一連の工程中で連続して行うことが可能である。
【０１７４】
［調整工程］
振動素子製造工程においては、上述したように誘導結合型プラズマを用いたエッチング処理を施してシリコン基板２１から各振動素子２０の振動子部２３をそれぞれ高精度に切り抜くようにするが、材料取りの歩留まり等の条件によって各振動子部２３がプラズマの出射中心線上に対して全て左右対称に位置して形成されることが困難である。このため、各振動素子２０の位置ずれやその他種々の工程条件等によって各振動子部２３の形状にバラツキが生じることがある。振動素子２０は、例えば振動子部２３の断面形状が台形状又は平行四辺形状に形成された場合に、正規の矩形形状の振動子部２３との比較で垂直な上下振動からずれて中心軸線に対して質量が小さな側に傾いた状態で振動動作を行うようになる（図４８参照）。
【０１７５】
そこで、振動子部２３の所定箇所にレーザ加工を施して質量の大きな側を研削することによって振動状態を矯正する調整工程が施される。調整工程は、微細な大きさで形成される振動子部２３の断面形状を直接視認することが困難であることから、切断した個々の振動素子２０について所定の縦共振周波数で振動子部２３を振動動作させて左右の検出信号の大きさを比較する方法によって、振動子部２３の断面形状のバラツキを確認する。調整工程は、左右の検出信号に差異が生じている場合に、レーザ加工によって小さな検出信号を出力する側の振動子部２３の一部を研削する。
【０１７６】
調整工程は、例えば対象とする振動素子２０について、調整前に図３８Ａに示すように、発振回路７１の発振出力Ｇ０を駆動電極層２９に印加することによって振動素子２０を縦共振状態で駆動させる。調整工程は、一対の検出電極層３０Ｌ，３０Ｒから得る検出信号Ｇｌ０，Ｇｒ０を加算回路７２によって加算し、その加算信号を発振回路７１に帰還させる。そして、検出電極３０Ｌ，３０Ｒから得る検出信号Ｇｌ０，Ｇｒ０に基づいて、発振回路７１の発振周波数を縦共振周波数ｆ０として測定するとともに検出信号Ｇｌ０，Ｇｒ０の差を差分信号として測定する。
【０１７７】
また、調整工程は、図３８Ｂに示すように、発振回路７１の発振出力Ｇ１を検出電極３０Ｌに印加することによって振動素子２０を横共振状態で駆動させる。調整工程は、検出電極３０Ｒから得る検出信号Ｇｒ−１を発振回路７１に帰還させるとともに、検出信号Ｇｒ−１に基づいて、発振回路７１の発振周波数を横共振周波数ｆ１として測定する。なお、横共振周波数は、検出信号Ｇｒ−１から得る横共振周波数ｆ１と検出信号Ｇｌ−１から得る横共振周波数ｆ２とは等しいことから、検出電極３０Ｌ，３０Ｒのいずれか一方の接続状態で行うようにすればよい。
【０１７８】
さらに、調整工程は、図３８Ｃに示すように、発振回路７１の発振出力Ｇ２を検出電極３０Ｒに印加することによって振動素子２０を横共振状態で駆動させる。調整工程は、検出電極３０Ｌから得る検出信号Ｇｌ−２を発振回路７１に帰還させるとともに、検出信号Ｇｌ−２に基づいて、発振回路７１の発振周波数を横共振周波数ｆ２として測定する。調整工程は、上述した各測定によって得た縦共振周波数ｆ０と横共振周波数ｆ１，ｆ２の周波数差を離調度とし、離調度が所定の範囲であるか否かを判定する。また、調整工程は、検出電極３０Ｌ，３０Ｒから検出される差分信号が所定の範囲であるか否かを判定する。
【０１７９】
調整工程は、上述した離調度や差分信号の判定結果に基づいて、その大きさから振動子部２３に対する調整加工位置を決定してレーザ照射を行って一部を研削して調整を行う。調整工程は、以下同様の測定・レーザ加工を、離調度と差分信号とが目標値に達成するまで施す。
【０１８０】
調整工程には、スポット径を調整可能な波長５３２ｎｍのレーザを出射するレーザ装置が用いられる。調整工程は、振動素子２０の振動子部２３に対して、例えば側面と第１主面２３−１に跨る稜線部位に対して長さ方向の適宜の場所にレーザを照射することにより調整を行う。振動素子２０は、振動子部２３の基端部から先端部に向かうほどレーザ照射による調整の変化量が、周波数差、検出信号バランスともに小さいことから、基端部側において粗調整を行い、先端部側で微調整を行うことが可能である。
【０１８１】
そして、この調整工程は振動素子２０が支持基板２に実装された状態で行われるので、実装前に当該調整を行った際の実装後における再調整が不要となり、振動型ジャイロセンサ１の生産性を高められる。この場合、調整用レーザが照射される領域は振動子部２３の上面２３−２側であるため、実装後の調整作業性に優れている。また、この振動子部２３の上面２３−２は圧電層や電極層が形成されていない面であるため、レーザ加工時に発生する熱により圧電薄膜層２８の特性が変化したり、分極状態が変化する等の影響を最大限防ぐことが可能である。
【０１８２】
ところで、振動型ジャイロセンサ１は、振動素子２０が、駆動電極層２９に対して駆動検出回路部５０から所定周波数の交流電圧が印加されることによって、振動子部２３が固有の振動数をもって振動する。振動子部２３は、厚み方向である縦方向に縦共振周波数で共振するとともに幅方向である横方向にも横共振周波数で共振する。振動素子２０は、縦共振周波数と横共振周波数との差である離調度が小さいほど高感度特性を有する。振動型ジャイロセンサ１は、上述したように結晶異方性エッチング処理や反応性イオンエッチング処理を施して振動子部２３の外周部を精度よく形成することで高離調度化が図られている。
【０１８３】
振動素子２０は、振動子部２３の長さ寸法ｔ５の精度によって縦共振周波数特性に大きな影響が生じる。振動素子２０は、上述したように振動子部２３の長さ寸法ｔ５を規定する根元部位４３が、結晶異方性エッチング処理を施すことによって形成されるダイヤフラム部３８の（１００）面及び５５°の角度をなすエッチング傾斜面１３３である（１１１）面と、平坦面である境界線とに「ずれ」が生じた場合に、この「ずれ」量に応じて離調度が大きくなってしまう。
【０１８４】
すなわち、振動素子２０は、かかる「ずれ」量が、結晶異方性エッチング処理時のシリコン酸化膜３３Ｂ上に形成するレジスト膜パターンと、反応性イオンエッチング処理時のレジスト膜パターンの位置ずれが原因となる。したがって、振動素子２０は、例えば工程中でシリコン基板２１の第１，第２主面２１−１，２１−２を同時に観察可能な両面アライナー装置により位置決めする対応を図るようにしてもよい。また、振動素子２０は、シリコン基板２１の第１主面２１−１上や第２主面２１−２上に適宜の位置決め用パターンやマークを形成し、これらを基準として他方主面の位置規制を行うアライメント装置によって位置決めする対応を図るようにしてもよい。振動素子２０は、かかる位置決めの対応が支持基板２への実装工程に際しても適用可能である。
【０１８５】
なお、振動素子２０は、上述した「ずれ」量が約３０μｍ程度よりも小さな範囲であれば、縦共振周波数と横共振周波数とがほぼ一致する。したがって、振動素子２０は、やや精度の高いエッチング工程を施すことによって実質的な「ずれ」量による離調度特性の低下を抑制することが可能であり、上述したアライメント装置を用いた対応を不要として製造される。
【０１８６】
［補強部の効果］
以上説明したように本実施の形態の振動型ジャイロセンサ１においては、振動素子２０が、振動子部２３の基端部位に基部２２側に向かって次第に断面形状を大きくする補強部１２９（１２９Ｖ，１２９Ｈ）を形成することで、誤って本体機器を落下させる等によって大きな負荷が加えられた場合でも振動子部２３の破損が防止される。補強部１２９は、以下の解析実験によって振動子部２３の機械的強度を向上させることが確認される。
【０１８７】
すなわち、解析実験は、それぞれ長さ寸法ｔ２９を異にする補強部１２９を有する振動素子２０を用意し、それぞれの駆動電極層２９に次第に大きな駆動電圧を印加して振動子部２３を強制的に大きな振幅で振動させた。この解析実験によれば、各振動素子２０について、振動子部２３に破損が発生した際の振幅と補強部１２９の長さ寸法との関係で、図３９に示す実験結果が得られた。なお、振動素子２０には、計算機シミュレーションの結果によれば、振動子部２３に対して振幅１００μｍで基端部位に約０．５ＧＰａの応力が生じる。
【０１８８】
図３９は、縦軸が振動子部２３に破損が発生した際の振幅（μｍｐ−ｐ）、横軸が補強部１２９の長さ寸法ｔ２９（μ同一形状の第１振動素子２０Ｘと第２振動素子２０Ｙｍ）である。補強部１２９の長さ寸法ｔ２９は、０値がエッチング凹部３７のエッチング傾斜面１３３を利用せずに振動子部２３を基部２２の外側面２２−３から形成した場合であり、断面形状が大きな補強部１２９が特に形成されていない振動素子である。補強部１２９の長さ寸法ｔ２９は、この位置から外形溝３９の基端部をエッチング傾斜面１３３に沿って開口部側へと移動させることによって次第に大きくなる。
【０１８９】
同図から明らかなように、振動素子２０は、補強部１２９の長さ寸法ｔ２９が大きくなるにしたがって、大きな振動（振幅）に対して振動子部２３の破損が発生されて機械的強度の向上が図られることが確認される。振動素子２０は、補強部１２９の長さ寸法ｔ２９が６０μｍを超える範囲となると機械的強度の向上が緩やかとなる。振動素子２０は、上述したようにエッチング処理を施してシリコン基板２１を貫通する外形溝３９を形成して振動子部２３を切り抜くことから、大きな長さ寸法ｔ２９の補強部１２９を形成する場合にエッチング処理の効率が低下する。したがって、振動素子２０は、所定の機械的強度が保持されるとともにエッチング効率とから、上述したように補強部１２９が長さ寸法ｔ２９を５０μｍ程度として形成される。
【０１９０】
次に、上述した振動素子２０を搭載した振動型ジャイロセンサ１と、補強部１２９を有しない振動素子を搭載した振動型ジャイロセンサとについて、落下試験を実施して図４０に示す結果を得た。落下試験は、振動型ジャイロセンサ１が搭載される本体機器として、ソニー社製ビデオカメラ「ハンディカム」を想定して２００ｇの剛体を基板として振動型ジャイロセンサ１を取り付け、一定の姿勢で落下させる適宜のガイド機構を介して異なる高さ位置から落下させる方法により行った。この落下試験によって、振動子部２３に破損が生じた状態を確認した。
【０１９１】
図４０Ａは、補強部１２９を有していない振動型ジャイロセンサの結果であり、縦軸が数量、横軸が落下の高さ（ｃｍ）である。また、同図Ｂは、長さ寸法ｔ２９が５０μｍの補強部１２９を有する振動型ジャイロセンサ１の結果である。これらの図から明らかなように、振動型ジャイロセンサ１は、約５０ｃｍ程度まで耐落下高さ強度の向上が図られている。
【０１９２】
図４１は、振動素子２０における補強部１２９の長さ寸法ｔ２９と縦共振周波数の関係を示した図である。振動素子２０は、補強部１２９が長さ寸法ｔ２９を大きくするにしたがって振動子部２３全体の長さ寸法ｔ５も大きくなることで比例的に縦共振周波数も減少する特性となる。振動素子２０は、同図から明らかなように補強部１２９の長さ寸法ｔ２９が約６０μｍを超える範囲となると縦共振周波数の変化が小さくなる。振動素子２０は、補強部１２９が長さ寸法ｔ２９を大きくするにしたがって厚み寸法も大きくなり、剛性が高まって実質的な振動起点の変化が小さくなって固定化されることから、縦共振周波数の変化が小さくなる。したがって、振動素子２０は、縦共振周波数の特性からも補強部１２９の長さ寸法ｔ２９を最大でも６０μｍ以下とすることが好ましい。
【０１９３】
なお、上述した振動素子２０は、振動子部２３に補強部１２９のみを形成し、面取り部１３０或いは溶融面１３４が形成されたものではない。振動素子２０は、面取り部１３０或いは溶融面１３４を形成することによって、振動子部２３の機械的強度がさらに向上される。振動素子２０は、振動子部２３に面取り部１３０或いは溶融面１３４を形成することによって、上述した補強部１２９による基端部位の機械的強度の向上ばかりでなく、振動子部２３の全長に亘っても微細凹凸部１２７に起因する破損等の発生が低減されて機械的強度の向上が図られるようになる。なお、振動素子２０は、補強部１２９に対して稜線部位に面取り部１３０を形成したり、溶融面１３４を形成する対応を図ることも効果的である。
【０１９４】
［絶縁保護層の効果］
振動型ジャイロセンサ１においては、上述したように各電極層等を封止する絶縁保護層４５を形成した振動素子２０が備えられる。振動型ジャイロセンサ１においては、上述した絶縁保護層４５の酸化シリコン層４７の形成工程において、スパッタ槽のアルゴンガス圧仕様によって特性を異にした振動素子２０を得る。図４２は、アルゴンガス圧を０．４Ｐａ〜０．６Ｐａに変化させ、厚み寸法ｔ２７が５００ｎｍと固定した酸化シリコン層４７をそれぞれ形成して絶縁保護層４５を構成した各振動素子２０を備えた振動型ジャイロセンサ１の出力電圧におけるノイズの発生率の特性図である。
【０１９５】
振動型ジャイロセンサ１においては、同図から明らかなようにアルゴンガス圧が高くなるにしたがってノイズ発生率が大きくなる。振動型ジャイロセンサ１においては、アルゴンガス圧が高くなるにしたがって酸化シリコン層４７の密度が粗くなるために、この酸化シリコン層４７による上述した絶縁保護作用が充分に奏し得なくなる。したがって、振動型ジャイロセンサ１においては、上述したようにスパッタ槽のアルゴンガス圧を０．４Ｐａ以下でかつ放電限界値である０．３５Ｐａ以上の条件で酸化シリコン層４７を形成した絶縁保護層４５を有する振動素子２０が用いられるようにする。
【０１９６】
また、振動型ジャイロセンサ１においては、酸化シリコン層４７の厚み寸法によっても出力電圧におけるノイズの発生率が変化する。図４３は、スパッタ槽のアルゴンガス圧を０．４Ｐａで一定とし、厚み３００ｎｍの第２電極層４２上に形成する絶縁保護層４５の酸化シリコン層４７について、層厚変化による振動型ジャイロセンサ１の出力電圧におけるノイズの発生率の特性図である。
【０１９７】
振動型ジャイロセンサ１においては、図４３から明らかなように、酸化シリコン層４７が第２電極層４２の厚みよりも２倍の６００ｎｍ未満である場合に上述した保護絶縁作用が充分に奏し得なくなり、次第にノイズ発生率が高くなる。したがって、振動型ジャイロセンサ１においては、上述したようにバリ発生が抑制される１μｍ以下でかつ第２電極層４２の厚みよりも２倍以上の厚みで形成した酸化シリコン層４７を有する振動素子２０が用いられるようにする。
【０１９８】
［非ドープ単結晶シリコン基板の効果］
また、上述した振動素子製造工程においては、半導体プロセスによって、単結晶シリコン基板２１の第２主面２１−２上に第１電極層４０と圧電膜層４１と第２電極層４２とを薄膜形成した後に、これら各層に対して所定のパターニング処理を施して振動素子２０を製造する。ところで、一般的な半導体プロセスにおいては、ボロンやリン等の不純物添加元素のドープ処理を施したＮタイプ或いはＰタイプのシリコン基板が用いられている。一般的なシリコン基板は、このために体積抵抗率が数十Ω・ｃｍであり、ある程度の導電性を有し、グランド機能や薄膜形成時等に際しての下電極機能等を奏するようにしている。
【０１９９】
一方、本実施の形態では、振動素子製造工程において、上述したようにシリコン基板２１として、ドープ処理を施さない純粋シリコン状態の単結晶シリコン基板や体積抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上の単結晶シリコン基板が用いられる。シリコン基板２１は、極めて高抵抗値特性を有することで、導電特性が低い。
【０２００】
シリコン基板２１は、上述したように第１，第２主面２１−１，２１−２上にシリコン酸化膜３３が形成され、このシリコン酸化膜３３がエッチング処理等に際して保護膜として機能する。振動素子製造工程においては、所定の厚みの振動子部２３を形成するために、シリコン酸化膜３３を除去してシリコン基板２１にエッチング凹部３７を形成する。シリコン基板２１は、エッチング処理等に際して塗布されるフォトレジスト材に異物等が混入していた場合に、シリコン酸化膜３３が傷付けられる場合がある。シリコン基板２１には、外観検査で検出することが困難なシリコン酸化膜３３に生じる「す」や微細な傷、或いは工程中での傷等がある。
【０２０１】
一般的なシリコン基板を用いた場合に、上述したようにシリコン酸化膜３３Ｂ上に薄膜形成される第１電極層４０が上述した傷等を介してシリコン基板と導通し、さらに導電性が良好なシリコン基板を介して第２電極層４２と導通状態となる。振動素子製造工程においては、一般的な導電性シリコン基板を用いた場合に、歩留まり率が図４４Ｂに示す通り約２０％程度の短絡不良が発生していた。振動素子製造工程においては、一般的なシリコン基板を用いる場合に、充分な膜厚のシリコン酸化膜３３を形成し、高精度の検査や充分な工程管理が必要とされて効率も低下する。
【０２０２】
これに対して、上述したように低導電性のシリコン基板２１を用いて振動素子２０を製造した場合、図４４Ａに示すように短絡不良率が４％程度にまで低減されるようになった。また、振動素子製造工程においては、各工程での温度管理やガス管理も効率的に行うことが可能とされるとともに高精度の薄膜形成も可能となり、工程の大幅な効率化が図られるようになる。
【０２０３】
振動型ジャイロセンサ１においては、低導電性のシリコン基板２１を基材として製造した振動素子２０を備えることで、外部光や熱負荷等の外乱に対しても安定した動作が行われるようになる。図４５は、上述した低導電性のシリコン基板２１を用いた振動素子２０と一般的なＮタイプ又はＰタイプのシリコン基板を用いた比較邸の振動素子に対して、それぞれ蛍光灯、白熱灯及びレーザポインタ（赤色）を照射した場合の圧電薄膜層２８の容量変化を示した図である。
【０２０４】
振動素子２０は、図４５から明らかなように、全ての光源に対して圧電薄膜層２８の容量変化がほとんど生じることはなく、安定した検出動作を可能とさせる。これに対して比較邸の振動素子は、特に白熱灯に対して大きな容量変化が生じる結果となった。比較例の振動素子においては、外部光の影響を受けやすく、安定かつ高精度の検出動作が困難である。
【０２０５】
また、図４６は、同様に振動素子２０と比較例の振動素子に対して外部光の照射を行った場合の出力信号のオフセット値の変化を示した図である。なお、振動型ジャイロセンサ１においては、回転方向で変化する出力値によって角速度を検知するためにオフセット電圧を印加して予め出力をオフセットして用いる。振動素子２０は、同図から明らかなように、全ての光源に対してオフセット電圧値の変化がほとんど生じることはなく、安定した動作を可能とさせる。これに対して比較例の振動素子は、全ての光源に対してオフセット電圧値が変化し、特に白熱灯に対する変化が大きい。比較例の振動素子は、外乱の影響によって動作が不安定となる。
【０２０６】
振動素子２０は、上述したように低導電性の単結晶シリコン基板２１を基材として製造されることによって、外部光や熱負荷により微小電流が発生しても低導電特性によってこの微小電流の流れが抑制されることで圧電薄膜層２８や各電極層への影響が抑制されるようになると思われる。
【０２０７】
図４７は、白熱灯下での体積抵抗率を異にするシリコン基板を用いて製作した振動素子を備える振動型ジャイロセンサのオフセット電圧値の変化を示した図である。同図から明らかなように、体積抵抗率が数十Ω・ｃｍである一般的なＮタイプやＰタイプのシリコン基板を基材とした振動素子の場合、大きなオフセット電圧値の変化がある。一方、振動型ジャイロセンサは、体積抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上のシリコン基板を基材として製造された振動素子を備えることによって、白熱灯下でもオフセット電圧値の変化がほとんど生じない安定した動作が行われる。
【０２０８】
（第２の実施の形態）
上述の第１の実施の形態において、シリコン基板２１に対して振動子部２３の外形を切り抜く外形溝３９の形成工程では、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング）法が用いられている。この方法は、シリコン基板２１に対して垂直かつ高アスペクト比で溝加工を行える点で非常に優れている。
【０２０９】
ところが、シリコン基板２１の大きさ（ウェーハ径）が大きくなると、図４８Ａに模式的に示すように、基板上の全ての振動子部２３の両側面を理想的な垂直壁で対称に形成することが困難となり、プラズマ処理室内のガス流分布やプラズマ分布等により、特に基板外周部において図４８Ｂに模式的に示すように、振動子部２３が左右非対称な形状になる場合がある。
【０２１０】
振動子部２３の振動方向は、左右対称な形状であれば理想的な垂直方向の振動モードとなり（図４８Ａ）、振動子部２３の表面に形成された左右の検出電極３０Ｌ，３０Ｒから出力される検出信号も差がなくバランスがとれた状態となる。しかしながら、振動子部２３が左右非対称な形状の場合、左右の検出電極３０Ｌ，３０Ｒから出力される検出信号が各々異なりバランスが取れない状態となる（図４８Ｂ）。左右の検出信号が異なると、振動子部２３に作用する回転方向の角速度の検知量が異なってしまったり、右方向の回転角速度の感度と左方向の回転角速度の感度とが互いに異なる等の不具合が生じてしまう。
【０２１１】
一方、上述したように、左右検出信号のバランスを調整するため、振動素子の形成後に振動子部２３の所定領域をレーザ照射にて研削することが行われている。しかしながら、この方法のみで検出信号のバランスをとるようにすると調整時間が長くなってしまう。また、レーザ照射で調整できる左右信号の差はおよそ３０％程度であるため、調整前の検出信号差がこれよりも大きいと製品として利用できなくなり生産性の向上が図れなくなる。
【０２１２】
そこで、本実施の形態では、上述の調整工程による作業時間を短くでき良品率を高めることを目的として、後述するように、振動子部２３の外形形状を形成するエッチング工程の際、外形溝３９の底部に臨む振動子部２３の稜線部が湾曲形状に加工されるまでエッチング加工を過剰に行うようにしている。
【０２１３】
図４９Ａに示すように、振動子部２３の外形を切り抜くようにして形成されるコ字状の外形溝３９は、シリコン基板２１の第２主面２１−２側に形成されたシリコン酸化膜３３Ｂをマスクとするシリコン基板２１へのエッチング加工により形成される。このエッチング処理は、通常、シリコン基板２１の第１主面２１−１側に形成されたエッチング凹部３７内において加工深さがダイヤフラム部３８の形成厚に相当する深さに達した時点で終了される。このとき、エッチング凹部３７上に形成されたエッチングストップ層７０が加工量を制限する。
【０２１４】
ところで、この外形溝３９の形成工程において、加工される溝の底部がエッチングストップ層７０に達した後も更にエッチング処理を継続させる（以下、オーバーエッチングともいう。）と、図４９Ｂに模式的に示すように、エッチングストップ層７０上の電荷あるいはエッチャントの溜まり（図４９Ｂにおいて「Ｅ」で符示）の影響により、エッチング方向が外形溝３９の底部側方に向けられる。これにより、図４９Ｂに示すように、ダイヤフラム部３８（振動子部２３）の下端稜線部が研削されてテーパー状あるいは湾曲状に形成される。
【０２１５】
なお、この現象は「ノッチ」とも呼ばれ、通常のプロセスではなるべく生じないようにエッチング条件が管理される。ノッチ現象は、外形溝３９の傾きが大きいほど、エッチングストップ層７０とのなす角が鋭角となる稜線部側に顕著に現れる。ここで、図４９Ａは振動子部２３の長手方向から見た断面図、図４９Ｂは振動子部２３の長手方向に対して垂直な方向から見た要部断面図である。
【０２１６】
本実施の形態では、外形溝３９の形成時のオーバーエッチングに起因するノッチ現象を利用して、振動子部２３の形状の左右非対称性に起因する振動モードの傾きを緩和するようにしている。
【０２１７】
図４８Ｂに示したように、左右非対称な形状を有する振動子部２３において、通常のエッチング加工（非オーバーエッチング）で形成された振動子部２３の振動モードに比べて、図５０Ｂに示すように上述したオーバーエッチングで形成された振動子部２３の振動モードの方が、より垂直方向の振動モードに近くなる。これは、ノッチ現象により湾曲状にエッチングされた振動子部２３の左右の稜線部２３ＶＬ，２３ＶＲのうち鋭角な方の稜線部２３ＶＬの被加工量が多くなる結果、左右の非対称性が緩和されて振動子部２３の左右重量バランスが改善されることで、振動モードがより垂直方向に矯正されたことに依る。
【０２１８】
一方、図４８Ａに示したように、左右対称な形状を有する振動子部２３においても同様に、オーバーエッチングで外形溝３９が形成された場合、図５０Ａに示すように当該振動子部２３の左右の稜線部２３ＶＬ，２３ＶＲはともにノッチ現象により湾曲状に形成されることになる。しかし、この場合は稜線部２３ＶＬ，２３ＶＲの被加工量がほぼ同一であるため、形状の左右対称性が損なわれることはなく、非オーバーエッチング時の振動モードと同様に垂直モードが維持される。
【０２１９】
なお、説明の理解容易のため図４８及び図５０では振動子部２３の上下を逆に描いており、実際の振動素子は、検出電極３０や駆動電極２９が形成される振動子部２３の基板対向面２３−２側を下に向けて振動する。
【０２２０】
オーバーエッチング処理は、例えばエッチング時間で管理することができ、処理時間を非オーバーエッチング時よりも長く設定すればよい。ノッチ現象を利用した振動子部２３の稜線部２３ＶＬ，２３ＶＲの端部からの被加工量は、振動子部の大きさや形状、駆動周波数等の仕様に応じて適宜設定可能である。なお上述の第１実施形態で説明した素子形状例においては、５μｍ以上である。但し、被加工量が大き過ぎると振動子自体の強度が減少するため、好適には２０μｍ以下とする。
【０２２１】
以上のように、本実施の形態によれば、元々左右対称形状に形成され振動モードも理想的な振動素子においては、振動子部２３の下端稜線部にテーパー状あるいは湾曲状のノッチが現れても理想的な振動モードが保たれる。また、当初形状が左右非対称に形成されていたがために振動モードも斜めに振動していた振動素子も、振動子部２３の下端稜線部に現れるノッチで非対称性が緩和され振動モードが垂直方向に近くなる。このため、従来調整不良となっていたアンバランスな振動モードで振動する振動素子も、レーザ照射による調整工程での調整が可能な領域に入ることにより、生産歩留まりの向上を図ることができる。
【０２２２】
なお、本発明者らが確認したところによれば、１枚のシリコン基板から作製された複数の振動素子において、調整工程前における左右の検出信号差が３０％未満となる振動素子の良品率（歩留まり）は、従来では約４３％であったのに対し、本実施の形態によれば約８７％と倍増させることができた。
【０２２３】
（第３の実施の形態）
上述の第１の実施の形態において、シリコン基板２１に対して振動子部２３の外形を切り抜く外形溝３９の形成工程では、ＩＣＰ−ＲＩＥ法が用いられている。この方法は、シリコン基板２１に対して垂直かつ高アスペクト比で溝加工を行える点で非常に優れている。
【０２２４】
一般にエッチング法で直線的な溝を加工する場合、溝の端部が精度良く直角（溝幅方向の側面と溝長さ方向の側面との間が直角）に形成されずに、湾曲した形状となることが多い。したがって、外形溝３９の形成工程の際、図５１に示すように、振動子部２３の両側面と基部２２の側周部２２−３間の境界部に相当する振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２がともに平面的に見て湾曲した形状となる。なお、このエッチング加工特性を利用して上述の第１実施形態で説明した振動子部基端部位の横補強部１２９Ｈを形成するようにしている。
【０２２５】
ところが、このような振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２は左右で非対称な形状になり易い。図５２Ａに示すように、振動子部２３の振動方向は左右が対称な形状であれば理想的な垂直方向の振動モードとなり、振動子部２３の表面に形成された検出電極３０Ｌ，３０Ｒからの検出信号も左右で差がなくバランスがとれている。これに対して、上述したように振動子根元形状２３Ｒ１，２３Ｒ２が左右非対称な形となった場合、図５２Ｂに示すように振動子部２３の振動方向が斜めの振動モードとなってしまう。
【０２２６】
このような斜めの振動モードをもつ振動子の場合、その左右の検出電極３０Ｌ，３０Ｒからの検出信号のバランスがとれない状態となる。左右の検出信号が異なると、振動子部２３に作用する回転方向の角速度の検知量が異なってしまったり、右方向の回転角速度の感度と左方向の回転角速度の感度とが互いに異なる等の不具合が生じてしまう。
【０２２７】
一方、上述したように、左右検出信号のバランスを調整するため、振動素子の形成後に振動子部２３の所定領域をレーザ照射にて研削することが行われている。しかしながら、この方法のみで検出信号のバランスをとるようにすると調整時間が長くなってしまう。また、レーザ照射で調整できる左右信号の差はおよそ３０％程度であるため、調整前の検出信号差がこれよりも大きいと製品として利用できなくなり生産性の向上が図れなくなる。
【０２２８】
そこで、本実施の形態では、上述の調整工程による作業時間を短くでき良品率を高めることを目的として、後述するように、振動子部２３の外形形状を形成するエッチング工程の際、外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂ（図５３参照）を外側に向けてテーパ状あるいは湾曲状に形成するようにしている。
【０２２９】
図５３は、外形溝形成工程におけるシリコン基板２１の概略平面図であり、外形溝３９は振動子部２３の外形を囲むコ字状に形成され、外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂは振動子部２３の外側に向けて湾曲状に形成されている。外形溝３９の形成は、シリコン基板２１上のシリコン酸化膜３３Ｂをマスクとするエッチング加工で形成される（このとき圧電薄膜層２８や電極層２７，２９、端子２５やリード３１等の配線パターンは保護膜で覆われている）。そこで、このシリコン酸化膜３３Ｂのパターニングの際に、外形溝３９の形成領域に対応するコ字状開口の両端部を図５３に示すように湾曲して形成する。
【０２３０】
その結果、外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂはシリコン酸化膜３３Ｂの開口形状に対応して湾曲形状に形成されることになる。そして、図５４に示すように、振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２の形状の左右対称性が良くなり、ほぼ同一形状とすることができる。これにより、振動子部２３の垂直な振動モードを確保でき、検出信号のバランスを高めることが可能となる。
【０２３１】
図５５Ａ〜図５５Ｃは、振動子根元部２３Ｒ２（２３Ｒ１）の平面視形状例を示している。図５５Ａは一定曲率の円形状又は楕円形状に振動子根元部２３Ｒ２を形成した例を示しており、図５５Ｂは傾斜角の異なるテーパ状に振動子根元部２３Ｒ２を形成した例を示している。また、図５５Ｃは基部２２の側周部２２−３に対する傾斜角が順次小さくなる複数の傾斜面で振動子根元部２３Ｒ２を形成した例を示している。
【０２３２】
なお、振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２の形状は上記の例に限定されず、振動子部２３の外側に向かって漸次形成幅が大となるように振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２がテーパ状あるいは湾曲状に形成されていればよい。また、振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２の曲率半径は任意に設定可能であり、例えば５μｍとされる。また、振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２の形状によって、横補強部１２９Ｈの形状を任意に形成することができる。
【０２３３】
以上のように、本実施の形態によれば、外形溝３９の両端部３９Ａ，３９Ｂを当初から湾曲状にパターン形成し、振動子根元部２３Ｒ１，２３Ｒ２を湾曲形成させるようにしているので、振動子２３の形状を左右ほぼ対称に形成して振動モードを理想的な垂直モードに保つことができる。このため、従来調整不良となっていたアンバランスな振動モードで振動する振動素子も、レーザ照射による調整工程での調整が可能な領域に入ることにより、生産歩留まりの向上を図ることができる。
【０２３４】
なお、本発明者らが確認したところによれば、１枚のシリコン基板から作製された複数の振動素子において、調整工程前における左右の検出信号差が３０％未満となる振動素子の良品率（歩留まり）は、従来では３８％であったのに対し、本実施の形態によれば約８２％と著しく向上させることができた。なお、このときの振動子根元部の形成曲率半径は２０μｍとした。
【０２３５】
（第４の実施の形態）
上述の第１の実施の形態において説明したように、振動素子２０の振動子部２３の表面（基板対向面２３−２）には、基準電極層２７、圧電薄膜層２８および駆動電極層２９が積層形成され、更にこれらの圧電層及び電極層は、外気中の水分や塵埃の付着から保護するための絶縁保護層４５で被覆されている。これら圧電薄膜層２８、電極層および保護層は、１００μｍ程度の薄い振動子部２３の表面に形成されるため、これらの形成膜の材料選択によっては材料のもつ応力により振動子部２３自体が反ってしまう可能性が高い。
【０２３６】
図５６に示すように、スパッタで得られる圧電薄膜層２８は、成膜後に高温でのアニール処理を行い、酸化処理を行っているため、図示するような圧縮方向の応力が加わる。更に圧電薄膜層２８には特性を安定化させるための分極処理を行う必要があるが、この分極処理の方向が上部電極側から下層電極側に行われた場合、圧電膜自体が図示するような圧縮側の内部応力が発生する。
【０２３７】
一方、下部電極膜として形成される基準電極層２７は、膜の特性を向上させるためＴｉ／Ｐｔを採用しているが、結晶構造を良好にするため低ガス圧でスパッタされる。このため、下部電極膜にも図で示すように圧縮方向の応力が加わっている。さらに、上部電極膜として形成される駆動電極層２９（検出電極３０Ｒ，３０Ｌ）も、プロセス中の熱処理や酸化されない金属膜が必要とされ、下部電極膜と同じくＰｔを採用している。このため、上部電極膜にも図示するような圧縮応力が加わることになる。そして、絶縁保護層４５も同様に、酸化シリコン層とその上下のアルミナ層を低圧でスパッタ成膜しているため、形成された膜には圧縮応力が加わる。
【０２３８】
以上のことから、これらの膜が形成される振動子部２３の表面（基板対向面）２３−２は図５６において下方側を凸とする方向に反りが生じ易い。振動子２３に反りが生じた状態で振動させると、反っている方向には振動子部２３を構成するシリコンの耐性から振動量が小さく、反りと反対側の振動量が大きくなる。このため、図５６に示すように、振動子部２３の延長方向ａに対して振動子部２３の振動中心ｂが一致しなくなり、大きな共振振幅が得られず検出感度が低下する。なお、図５６においては説明を分かり易くするために振動素子２０の上下を反対とし、振動子部２３の基板対向面２３−２側を上方側に向けて示している。
【０２３９】
そこで、本実施の形態では、振動子部２３の反りを抑制して高い出力を安定して得ることを目的として、図５７に示すように、振動子部２３の電極形成面とは反対側の主面（振動子部２３の上面２３−１）側に反り制御膜５８を形成し、この反り制御膜５８が有する圧縮応力で振動子部２３の各面に生じる圧縮応力を相殺して、反りを抑制するようにしている。
【０２４０】
反り制御膜５８は、成膜時に振動子部２３に対して圧縮応力を付与できる材料であれば特に制限されず、例えば上部電極膜あるいは下部電極膜に用いられる電極材料と同じＰｔ膜や、絶縁保護膜４５と同種材料を用いることができる。そして、圧縮応力の大きさは膜厚や成膜条件に依存するから、振動子部２３の反り量調整は、例えば当該反り電極膜５８の膜厚によって適宜調整することができる。
【０２４１】
反り制御膜５８を形成する工程は、振動素子２０を形成した後にスパッタにより形成したり、振動素子２０の形成プロセスの途中で導入することができる。また、用いる材料も特に限定されるものではなく、材料、形成方法ともに任意である。
【０２４２】
図５８は、振動子部２３の反り量と、このときの共振点での振動振幅との関係を測定した図である。ここで、振動子部２３の反り量は、基部２２から振動子部２３の先端までの高さの差としている。図５８から、振動子部２３の反り量が水平状態より±５μｍ以内であれば振幅が大きく保たれているのに対し、反り量が±１０μｍを超えると振幅が減少していることが確認できる。以上により、振動子部２３の反り量を水平より±５μｍ以下に抑えることで、大きな共振振幅が得られるとともに、高い検出信号及び高い検出感度が得られるようになる。
【０２４３】
以上のように本明細書に開示した振動型ジャイロセンサは、その他に以下の構成を備えている。
１．複数個のランドを有する配線パターンが形成された支持基板と、この支持基板の表面に実装された振動素子とを備えた振動型ジャイロセンサにおいて、
上記振動素子は、上記ランドに接続される複数の端子部が形成された実装面を有する基部と、この基部の側周部から片持ち梁状に一体に突設され上記基部の実装面と同一面を構成する基板対向面を有する振動子部とを有し、
上記振動子部の基板対向面には、第１電極層と、この第１電極層の上に積層された圧電層と、この圧電層の上に積層された第２電極層と、これら第１電極層、圧電層及び第２電極層を封止する絶縁保護層とがそれぞれ形成されていることを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
２．上記絶縁保護層は、少なくとも酸化シリコン層を含んでなる上記１に記載の振動型ジャイロセンサ。
３．上記酸化シリコン層の上層及び下層のうち少なくとも下層側に密着層が形成されている上記２に記載の振動型ジャイロセンサ。
４．上記密着層はアルミナ層である上記３に記載の振動型ジャイロセンサ。
５．上記絶縁保護層は、上記第２電極層の少なくとも２倍の厚みを有する上記１に記載の振動型ジャイロセンサ。
６．上記絶縁保護層は、上記第１電極層よりも幅広で、かつ上記振動子部の外周縁に沿って前記振動子部の基板対向面を露出させて形成されている上記１に記載の振動型ジャイロセンサ。
７．上記振動子部の上面側には、当該振動子部の反り量を制御する反り制御膜が形成されている上記１に記載の振動型ジャイロセンサ。
８．上記振動子部の反り量が±５μｍ以内である上記７に記載の振動型ジャイロセンサ。
９．上記振動素子は、非ドープ単結晶シリコン基板を基材として形成されている上記１に記載の振動型ジャイロセンサ。
１０．上記非ドープ単結晶シリコン基板の体積抵抗率は、１００Ω・ｃｍ以上である上記９に記載の振動型ジャイロセンサ。
１１．上記支持基板の表面は、遮光性のカバー部材で被覆されている上記１に記載の振動型ジャイロセンサ。
１２．複数の端子部が形成された実装面を有する基部と、この基部の側周部から片持ち梁状に一体に突設され上記基部の実装面と同一面を構成する基板対向面を有する振動子部とを備えた振動型ジャイロセンサの製造方法において、
上記振動子部の基板対向面に第１電極層を形成する工程と、この第１電極層の上に圧電層を形成する工程と、この圧電層の上に第２電極層を形成する工程と、上記圧電層及び第１，第２電極層を被覆する絶縁保護層を形成する工程とを有することを特徴とする振動型ジャイロセンサの製造方法。
１３．上記絶縁保護層は、上記振動子部の基板対向面上に密着層を形成する工程と、この密着層の上に酸化シリコン層を形成する工程とを有する上記１２に記載の振動型ジャイロセンサの製造方法。
１４．上記酸化シリコン層は、０．４Ｐａ以下でかつ放電限界の下限値以上のアルゴンガス雰囲気中でスパッタ法により成膜される上記１３に記載の振動型ジャイロセンサの製造方法。
１５．上記絶縁保護層を形成する工程では、上記酸化シリコン層の上にレジスト密着層を形成する工程を更に有する上記１３に記載の振動型ジャイロセンサの製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０２４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による振動型ジャイロセンサ１のカバー部材１５を取り外して見たときの全体斜視図である。
【図２】振動型ジャイロセンサ１の振動素子２０の要部断面図である。
【図３】振動型ジャイロセンサ１を制御基板１００へ実装したときの状態を示す振動素子２０の要部断面図である。
【図４】振動素子２０の底面図である。
【図５】振動型ジャイロセンサ１の底面図である。
【図６】振動型ジャイロセンサの回路構成図である。
【図７】振動素子２０の底面側から見た全体斜視図である。
【図８】振動素子２０の上面側から見た全体斜視図である。
【図９】振動素子２０の振動子部２３に形成される面取り部１３０及び溶融面１３４の形成工程の説明図である。
【図１０】振動型ジャイロセンサ１の製造方法を説明する主要工程フロー図である。
【図１１】振動素子の製造工程に用いるシリコン基板２１の平面図である。
【図１２】同シリコン基板２１の断面図である。
【図１３】フォトレジスト層３４に振動素子形成部位をパターニングしたシリコン基板２１の平面図である。
【図１４】同シリコン基板２１の断面図である。
【図１５】シリコン酸化膜３３Ａに振動素子形成部位をパターニングしたシリコン基板２１の平面図である。
【図１６】同シリコン基板２１の断面図である。
【図１７】振動子部の厚みを規定するダイヤフラム部３８を構成するエッチング凹部３７を形成したシリコン基板２１の平面図である。
【図１８】同シリコン基板２１の断面図である。
【図１９】エッチング凹部３７の拡大断面図である。
【図２０】ダイヤフラム部３８に第１電極層４０と圧電膜層４１と第２電極層４２とを積層形成した状態の要部断面図である。
【図２１】第２電極層４２に駆動電極層２９と検出電極３０とをパターニングした状状態の要部平面図である。
【図２２】同要部断面図である。
【図２３】圧電膜層４１に圧電薄膜層２８をパターニングした状態の要部平面図である。
【図２４】同要部断面図である。
【図２５】第１電極層４０に基準電極層２７をパターニングした状態の要部平面図である。
【図２６】同要部断面図である。
【図２７】平坦化層２４を形成した状態の要部平面図である。
【図２８】同要部断面図である。
【図２９】基部形成領域にリード３１を形成した状態の要部平面図である。
【図３０】同要部断面図である。
【図３１】絶縁保護層形成用のフォトレジスト層４４を形成した状態の要部平面図である。
【図３２】絶縁保護層の第１アルミナ層４６を形成した状態の要部断面図である。
【図３３】絶縁保護層の酸化シリコン層４７を形成した状態の要部断面図である。
【図３４】絶縁保護層の第２アルミナ層４８及びエッチングストップ層７０を形成した状態の要部断面図である。
【図３５】振動子部の外形を形成する外形溝３９を形成した状態の要部平面図である。
【図３６】同振動子部の長手方向と垂直な方向から見た要部断面図である。
【図３７】同振動子部の長手方向から見た要部断面図である。
【図３８】振動素子２０の調整工程の説明図である。
【図３９】補強部１２９の長さ寸法と振動子部２３の振幅との関係を示す特性図である。
【図４０】落下試験の結果を示す特性図である。
【図４１】補強部１２９の長さ寸法と縦共振周波数との関係を示す特性図である。
【図４２】絶縁保護層４５の酸化シリコン層４７を形成するスパッタ槽内のガス圧条件とノイズ発生率との関係を示す特性図である。
【図４３】酸化シリコン層４７の層厚とノイズ発生率との関係を示す特性図である。
【図４４】振動型ジャイロセンサの不良率特性図であり、Ａは実施の形態による振動素子２０を備えた振動型ジャイロセンサの不良率特性図であり、Ｂは一般的なシリコン基板により製造した振動素子を備えた比較例振動型ジャイロセンサの不良率特性図である。
【図４５】外乱による容量変化の特性図である。
【図４６】外乱によるオフセット電圧値変化の特性図である。
【図４７】シリコン基板の体積抵抗率とオフセット電圧値変化の特性図である。
【図４８】振動子部２３の左右形状対称性と振動モードとの関係を説明する図であり、Ａは振動子部２３の形状が左右対称な状態での振動モードを示し、Ｂは振動子部２３の形状が左右非対称な状態での振動モードを示している。
【図４９】振動子部２３の外形を切り抜く外形溝３９の形成工程を説明する図であり、Ａは振動子部長手方向から見た要部断面図、Ｂは振動子部長手方向と直交する方向から見た外形溝３９の要部断面図である。
【図５０】本発明の第２の実施の形態の作用を説明する図であり、Ａは振動子部２３の形状が左右対称な状態での振動モードを示し、Ｂは振動子部２３の形状が左右非対称な状態での振動モードを示している。
【図５１】振動子部２３の基端部位（根元部）の形状を模式的に示す振動素子の要部平面図である。
【図５２】振動子部２３の根元部の形状の左右対称性と振動モードとの関係を説明する図であり、Ａは振動子部２３の根元部の形状が左右対称な状態での振動モードを示し、Ｂは振動子部２３の根元部の形状が左右非対称な状態での振動モードを示している。
【図５３】本発明の第３の実施の形態を説明する外形溝３９の形成工程を示す要部平面図である。
【図５４】本発明の第３の実施の形態の作用を説明する振動素子の要部平面図である。
【図５５】振動子部の根元部の形状の形成例を説明する図である。
【図５６】電極層等が表面に形成された振動子部２３の反り状態を模式的に説明する側断面図である。
【図５７】本発明の第４の実施の形態を説明する振動素子の側断面図である。
【図５８】振動子部の反り量と検出信号出力との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【０２４５】
１…振動型ジャイロセンサ、２…支持基板、４…ランド、５…配線パターン、７…ＩＣ回路素子、８…電子部品、１１…間隔構成凹部、１２，１４…負荷緩衝溝部、１５…カバー部材、２０…振動素子、２１…シリコン基板、２２…基部、２２−２…実装面、２２−３…側周部、２３…振動子部、２３−２…基板対向面、２５…端子部、２６…金バンプ、２７…基準電極層、２８…圧電薄膜層、２９…駆動電極層、３０…検出電極、３１…リード、３２…位置合わせ用マーク、３３…シリコン酸化膜、３７…エッチング凹部、３８…ダイやフラム部、３９…外形溝、４５…絶縁保護層、４６，４８…アルミナ層、４７…酸化シリコン層、５０…駆動検出回路部、５８…反り制御膜、１００…制御基板、１２９…補強部、１２９Ｈ…横補強部、１２９Ｖ…縦補強部、１３０…面取り部、１３３…エッチング傾斜面、１３４…溶融面
【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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【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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