(57)【要約】【課題】ＰＺＴ膜からのＰｂ拡散を抑制し、圧電特性を安定化した圧電薄膜構造および当該圧電薄膜構造を適用し、振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置を提供する。【解決手段】基板４０上に配置された酸化シリコン膜４１と、酸化シリコン膜４１上に配置された第１の酸化アルミニウム膜４８と、第１の酸化アルミニウム膜４８上に配置された下部電極層３０１と、下部電極層３０１上に配置された圧電体膜層３０２と、圧電体膜層３０２上に配置された上部電極層３０３とを備える圧電薄膜構造、および振動アーム及び検出アームに、この圧電薄膜構造を有する角速度検出装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された酸化シリコン膜と、
前記酸化シリコン膜上に配置された第１の酸化アルミニウム膜と、
前記第１の酸化アルミニウム膜上に配置された下部電極層と、
前記下部電極層上に配置された圧電体膜層と、
前記圧電体膜層上に配置された上部電極層と
を備えることを特徴とする圧電薄膜構造。
【請求項２】
前記上部電極層上に配置された第２の酸化アルミニウム膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜構造。
【請求項３】
前記第２の酸化アルミニウム膜は、さらに前記下部電極層と前記圧電体膜層と前記上部電極層からなる積層構造の側壁部に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の圧電薄膜構造。
【請求項４】
前記第２の酸化アルミニウム膜上に保護膜をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載の圧電薄膜構造。
【請求項５】
前記圧電体膜層がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電薄膜構造。
【請求項６】
空洞を有する基板と、
対向する互いの端部を連結されて前記空洞内で並列に配置され、長軸方向に直交する方向であって前記基板の厚さ方向と垂直な駆動振動方向に沿って互いに逆方向に振動する一対の振動アームと、
前記一対の振動アームの連結部分にそれぞれの一方の端部が接続し、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された２本の検出アームと、
長軸方向に沿った前記振動アームの振動によって生じる前記検出アームの形状の歪みを検知して、前記振動アームに加わった角速度を検出する検出回路と
を備え、
前記振動アーム及び前記検出アームが、前記基板上に配置された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置された第１の酸化アルミニウム膜と、前記第１の酸化アルミニウム膜上に配置された下部電極層と、前記下部電極層上に配置された圧電体膜層と、前記圧電体膜層上に配置された上部電極層とを有することを特徴とする角速度検出装置。
【請求項７】
前記上部電極層上に配置された第２の酸化アルミニウム膜を備えることを特徴とする請求項６に記載の角速度検出装置。
【請求項８】
前記第２の酸化アルミニウム膜は、さらに前記下部電極層と前記圧電体膜層と前記上部電極層からなる積層構造の側壁部に配置されたことを特徴とする請求項７に記載の角速度検出装置。
【請求項９】
前記第２の酸化アルミニウム膜上に配置された保護膜をさらに備えることを特徴とする請求項７または８に記載の角速度検出装置。
【請求項１０】
前記圧電体膜層がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の角速度検出装置。
【請求項１１】
前記検出回路が、前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の角速度検出装置。
【請求項１２】
前記検出回路が出力する駆動電圧によって、前記振動アームが前記駆動振動方向に沿って振動することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の角速度検出装置。
【請求項１３】
前記周辺部の前記検出アームのいずれかが固定された部分を固定端として、前記周辺部の他の部分が前記駆動振動方向及び前記振動アームの長軸方向に対して垂直に振動することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載の角速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜構造および角速度検出装置に係り、特に圧電特性を安定化した圧電薄膜構造、および当該圧電薄膜構造を適用し、振動ノイズによる影響を低減した角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度検出装置として、音片型、音叉型等の様々な形状の振動式角速度検出装置が提案され実用化されている。特に、音叉型の振動式角速度検出装置はＱ値が高く、安定した振動と高い感度が得られる。
【０００３】
例えば、アーム（振動子）を振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極と、アームに加えられた角速度に応じた検出信号を出力する検出電極とが、同一のアーム上に形成された音叉型振動式角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
上記のような角速度検出装置では、アームの振動方向が水平方向の場合に検出方向は垂直方向であり、アームに角速度が加わらない状態では、検出電極から検出信号は出力されない。そして、アームが水平方向に振動している状態でアームに角速度が加えられると、コリオリ力によりアームが垂直方向に振動し、この垂直方向の振動に基づき角速度が検出される。
【０００５】
一方、従来の角速度検出装置の振動子に適用される圧電薄膜構造は、酸化膜（ＳｉＯ2層）と、ＳｉＯ2層上に配置される白金（Ｐｔ）層と、Ｐｔ層上に配置されるチタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ:Ｐｂ（ＺｒX，Ｔｉ1-X)Ｏ3: lead zirconate titanate)層からなる３層構造を備え、ＳｉＯ2層が、ＰＺＴ層からのＰｂ拡散防止層としての役目を果たしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３５１８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の角速度検出装置の振動子に適用される圧電薄膜構造では、製膜時の焼成工程において、ＰＺＴ中の鉛（Ｐｂ）成分が基板側へ拡散し、圧電性能が低下し、角速度検出装置のセンサの感度が低下する。
【０００８】
本発明の目的は、ＰＺＴ膜からのＰｂ拡散を抑制し、圧電特性を安定化した圧電薄膜構造、および当該圧電薄膜構造を適用して、Ｓ／Ｎ比が向上した角速度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置された第１酸化アルミニウム膜と、前記第１の酸化アルミニウム膜上に配置された下部電極層と、前記下部電極層上に配置された圧電体膜層と、前記圧電体膜層上に配置された上部電極層とを備える圧電薄膜構造が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、空洞を有する基板と、対向する互いの端部を連結されて前記空洞内で並列に配置され、長軸方向に直交する方向であって前記基板の厚さ方向と垂直な駆動振動方向に沿って互いに逆方向に振動する一対の振動アームと、前記一対の振動アームの連結部分にそれぞれの一方の端部が接続し、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された２本の検出アームと、長軸方向に沿った前記振動アームの振動によって生じる前記検出アームの形状の歪みを検知して、前記振動アームに加わった角速度を検出する検出回路とを備え、前記振動アーム及び前記検出アームが、前記基板上に配置された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置された第１の酸化アルミニウム膜と、前記第１の酸化アルミニウム膜上に配置された下部電極層と、前記下部電極層上に配置された圧電体膜層と、前記圧電体膜層上に配置された上部電極層とを有する角速度検出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＰＺＴ膜からのＰｂ拡散を抑制し、圧電特性を安定化した圧電薄膜構造、および当該圧電薄膜構造を適用して振動ノイズによる影響を低減し、Ｓ／Ｎ比が向上した角速度検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）実施の形態に係る圧電薄膜構造の模式的断面構造図、（ｂ）比較例に係る圧電薄膜構造の模式的断面構造図。
【図２】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の模式的平面パターン構成図。
【図３】図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図４】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図５】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の各部における圧電体膜層中の残留分極値とウェハ番号との関係を示す図。
【図６】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置において、ＰＺＴ／Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2／Ｓｉの積層構造の原子濃度（％）とスパッタ時間（min.）との関係を示すX線光電子分光 (ＸＰＳ)の測定結果を示す図。
【図７】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その１）。
【図８】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その２）。
【図９】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その３）。
【図１０】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その４）。
【図１１】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その５）。
【図１２】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の別の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その１）。
【図１３】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の別の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その２）。
【図１４】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の別の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その３）。
【図１５】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の別の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その４）。
【図１６】実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置の別の製造方法の一工程の説明図であって、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（その５）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１５】
[実施の形態]
（圧電薄膜構造）
実施の形態に係る圧電薄膜構造の模式的断面構造は、図１（ａ）に示すように、基板４０と、基板４０上に配置された酸化シリコン膜４１と、酸化シリコン膜４１上に配置された第１の酸化アルミニウム膜４８と、第１の酸化アルミニウム膜４８上に配置された下部電極層３０１と、下部電極層３０１上に配置された圧電体膜層３０２と、圧電体膜層３０２上に配置された上部電極層３０３と、上部電極層３０３上に配置された第２の酸化アルミニウム膜４６とを備える。
【００１６】
また、実施の形態に係る圧電薄膜構造において、第２の酸化アルミニウム膜４６は、図１（ａ）に示すように、さらに下部電極層３０１と圧電体膜層３０２と上部電極層３０３からなる積層構造の側壁部に配置されていても良い。
【００１７】
また、実施の形態に係る圧電薄膜構造において、第２の酸化アルミニウム膜４６上に配置された保護膜４５をさらに備えていても良い。
【００１８】
また、実施の形態に係る圧電薄膜構造において、圧電体膜層３０２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜で形成可能である。
【００１９】
一方、比較例に係る圧電薄膜構造の模式的断面構造は、図１（ｂ）に示すように、基板４０と、基板４０上に配置された酸化シリコン膜４１と、酸化シリコン膜４１上に配置された下部電極層３０１と、下部電極層３０１上に配置された圧電体膜層３０２と、圧電体膜層３０２上に配置された上部電極層３０３と、上部電極層３０３上に配置された保護膜４５とを備える。
【００２０】
これに対して、実施の形態に係る圧電薄膜構造は、酸化シリコン膜４１と、酸化シリコン膜４１上に配置された第１の酸化アルミニウム膜４８、第１の酸化アルミニウム膜４８上に配置された下部電極層３０１と、下部電極層３０１上に配置された圧電体膜層３０２からなる「４層構造」を備える。実施の形態に係る圧電薄膜構造は、酸化シリコン膜４１と下部電極層３０１との間に第１の酸化アルミニウム膜４８を備えるため、圧電体膜層３０２の成分が酸化シリコン膜４１中へ拡散することを抑制することができる。さらに、実施の形態に係る圧電薄膜構造は、上部電極層３０３上に第２の酸化アルミニウム膜４６を備えるため、圧電体膜層３０２の成分が保護膜４５中へ拡散することを抑制することができる。
【００２１】
実施の形態によれば、ＰＺＴ膜からのＰｂ拡散を抑制し、圧電特性を安定化した圧電薄膜構造を提供することができる。
【００２２】
（角速度検出装置）
実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１は、図２に示すように、空洞５０を有する基板４０と、対向する互いの端部を連結されて空洞５０内で並列に配置され、長軸方向に直交する方向であって基板４０の厚さ方向と垂直な駆動振動方向に沿って互いに逆方向に振動する一対の振動アーム１１・１２と、一対の振動アーム１１・１２の連結部分にそれぞれの一方の端部が接続し、他方の端部が基板４０の空洞５０を囲む周辺部に固定された２本の検出アーム２１・２２と、長軸方向に沿った振動アーム１１・１２の振動によって生じる検出アーム２１・２２の形状の歪みを検知して、振動アーム１１・１２に加わった角速度を検出する検出回路６００とを備える。ここで、振動アーム１１・１２および検出アーム２１・２２は、図１（ａ）と同様に、基板４０上に配置された酸化シリコン膜４１と、酸化シリコン膜４１上に配置された第１の酸化アルミニウム膜４８と、第１の酸化アルミニウム膜４８上に配置された下部電極層３０１と、下部電極層３０１上に配置された圧電体膜層３０２と、圧電体膜層３０２上に配置された上部電極層３０３とを有する。
【００２３】
また、図２に示すように、上部電極層３０３上に配置された第２の酸化アルミニウム膜４６を備えていても良い。ここで、第２の酸化アルミニウム膜４６は、図１（ａ）と同様に、さらに下部電極層３０１・圧電体膜層３０２・上部電極層３０３からなる積層構造の側壁部に配置されていても良い。
【００２４】
また、図１（ａ）と同様に、第２の酸化アルミニウム膜４６上に配置された保護膜４５をさらに備えていても良い。
【００２５】
また、圧電体膜層３０２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜で形成されていても良い。
【００２６】
振動アーム１１・１２は、外部からの駆動信号入力により駆動振動方向に振動（以下において「駆動振動」という。）する。「駆動振動方向」は、図２において紙面に平行で、かつ振動アーム１１・１２の延伸する長軸方向に対して垂直な方向である。図２において、駆動振動方向をｘ軸方向、振動アーム１１・１２の長軸方向をｙ軸方向とする。つまり、駆動振動方向を含む駆動振動面はｘ−ｙ平面である。また、駆動振動面の法線方向をｚ軸方向とする。
【００２７】
図２に示すように、振動アーム１１と振動アーム１２の一方の端部同士は連結部３１で連結され、他方の端部同士は連結部３２で連結されている。検出アーム２１の一方の端部は振動アーム１１と振動アーム１２との連結部３１に接続し、他方の端部は基板４０の空洞５０を囲む枠状の周辺部に接続する固定端である。また、検出アーム２２の一方の端部は振動アーム１１と振動アーム１２との連結部３２に接続し、他方の端部は基板４０の空洞５０を囲む枠状の周辺部に接続する固定端である。
【００２８】
図２に示したように、振動アーム１１の連結部３１と連結部３２に近い領域に、それぞれ駆動電極１１１と駆動電極１１２が配置されている。同様に、振動アーム１２の連結部３１と連結部３２に近い領域に、それぞれ駆動電極１２１と駆動電極１２２が配置されている。駆動電極１１１・１１２・１２１・１２２は、振動アーム１１・１２上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２をそれぞれ有する。図２に示すように、振動アーム１１と振動アーム１２が対面する面側（以下において「内側」という）に第１印加電極１０１が配置され、内側と対向する面側（以下において「外側」という）に第２印加電極１０２が配置される。
【００２９】
また、検出アーム２１上の固定端に近い領域に検出電極２１１が配置され、検出アーム２２上の固定端に近い領域に検出電極２２１が配置されている。検出電極２１１及び検出電極２２１は、互いに対向して配置された検知電極２０１・２０２をそれぞれ有する。図２に示したように、検出アーム２１上の検知電極２０１と検出アーム２２上の検知電極２０２は振動アーム１２に近い領域に配置され、検出アーム２１上の検知電極２０２と検出アーム２２上の検知電極２０１は振動アーム１１に近い領域に配置されている。
【００３０】
更に、振動アーム１１と振動アーム１２の連結部３１付近に振動参照電極７１が配置され、振動アーム１１と振動アーム１２の連結部３２付近に振動参照電極７２が配置されている。
【００３１】
図３に、図２のＩ−Ｉ線方向に沿った振動アーム１１・１２の断面構造を示す。図３に示すように、振動アーム１１・１２上の側面に近い領域に、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２が対向して配置されている。第１印加電極１０１と第２印加電極１０２は、同一の層構造である。
【００３２】
図４に、図２のＩＩ−ＩＩ線方向に沿った検出アーム２１の断面構造を示す。図４に示すように、検出アーム２１上の側面に近い領域に、同一の層構造を有する検知電極２０１・２０２が対向して配置されている。図示を省略するが、検出アーム２２の構造は検出アーム２１と同様であり、かつ、図２に示したように検知電極２０１と検知電極２０２のｘ軸方向の配置は検出アーム２２上と検出アーム２１上で逆である。
【００３３】
図２〜図４に示すように、振動アーム１１・１２、検出アーム２１・２２は、基板４０に形成された空洞５０内に配置された双音叉型の振動子１０を構成する。後述するように、基板４０をエッチングして空洞５０を形成する際に基板４０の一部を残すことにより、振動アーム１１・１２、及び検出アーム２１・２２は形成される。
【００３４】
基板４０には、シリコン基板等が採用可能である。例えば振動アーム１１・１２、検出アーム２１・２２の基板４０の幅ｗは１５０μｍ程度であり、膜厚ｄは１５０μｍ程度である。
【００３５】
図３および図４に示すように、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１・２０２は、それぞれ下部電極層３０１、圧電体膜層３０２、上部電極層３０３の積層体である。下部電極層３０１には、膜厚２００ｎｍ程度の白金（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層膜等が採用可能であり、上部電極層３０３には、膜厚２００ｎｍ程度の酸化イリジウム（ＩｒＯ2）／イリジウム（Ｉｒ）の積層膜や金（Ａｕ）膜等が採用可能である。圧電体膜層３０２には、膜厚１〜３μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜やランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等が採用可能である。ＰＺＴ膜やＰＬＺＴ膜はゾルゲル法等により形成される。
【００３６】
第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１・２０２において、下部電極層３０１は、基板４０上に形成された酸化シリコン膜４１上に第１の酸化アルミニウム膜４８を介して配置され、さらに、下部電極層３０１・圧電体膜層３０２・上部電極層３０３の積層体は、周囲を第２の酸化アルミニウム膜４６を介して保護膜４５で覆われている。酸化シリコン膜４１は、例えば基板４０の表面を熱酸化して形成される。保護膜４５は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜で形成される。
【００３７】
駆動信号として駆動電圧Ｖｄが第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に印加されると、逆圧電効果により第１印加電極１０１と第２印加電極１０２の圧電体膜層３０２の形状が変形する。例えば、圧電体膜層３０２はプラス電圧が印加されるとｙ軸方向に縮み、マイナス電圧が印加されるとｙ軸方向に伸びる。このため、振動アーム１１、１２の側面近くに配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２に極性の異なる電圧を印加することにより、振動アーム１１、１２の外側が伸びる場合に内側が縮み、振動アーム１１、１２の内側が伸びる場合に外側が縮む。つまり、振動アーム１１、１２はｘ軸方向に屈曲する。
【００３８】
一方、検出アーム２１及び検出アーム２２に形状の変化が生じると、検知電極２０１・２０２の圧電体膜層３０２の形状が変形し、圧電効果により検出電極２１１・２２１から電気信号が検出信号として出力される。検出信号は、圧電効果により検知電極２０１・２０２の圧電体膜層３０２に生じる分極を検出して検出電極２１１・２２１が出力する電流信号若しくは電圧信号である。
【００３９】
駆動電圧Ｖｄは、図２に示した検出回路６００の駆動回路６１０から駆動電極１１１・１１２・１２１・１２２に出力される。駆動回路６１０は、駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力する。駆動振動周波数ｆｄは、振動子１０の駆動振動方向の共振周波数に設定される。また、振動アーム１１・１２に角速度が加えられたことによって検知電極２０１・２０２に生じる分極に基づいて、検出電極２１１・２２１から検出回路６００の検知回路６２０にそれぞれ検出信号Ｓｄ１・Ｓｄ２が出力される。
【００４０】
振動参照電極７１・７２は、図２、図３に示した駆動電極１１１・１１２・１２１・１２２、検出電極２１１・２２１と同様に、下部電極層３０１、圧電体膜層３０２及び上部電極層３０３の積層構造を有する。振動参照電極７１・７２において、下部電極層３０１は、基板４０上に形成された酸化シリコン膜４１上に第１の酸化アルミニウム膜４８を介して配置され、さらに、下部電極層３０１・圧電体膜層３０２・上部電極層３０３の積層体は、周囲を第２の酸化アルミニウム膜４６を介して保護膜４５で覆われている。そして、駆動振動に起因して生じる振動アーム１１・１２の形状変化に比例する参照電圧Ｖｒが、振動参照電極７１・７２に発生する。つまり、参照電圧Ｖｒの大きさは、駆動振動の大きさに比例する。参照電圧Ｖｒは、振動参照電極７１・７２から検出回路６００の振動量検出回路６４０に出力される。振動量検出回路６４０は、参照電圧Ｖｒに基づき、駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFを駆動回路６１０に出力する。
【００４１】
以下に、角速度検出装置１の動作を説明する。
【００４２】
駆動回路６１０により、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄが印加されると、既に述べたように第１印加電極１０１及び第２印加電極１０２の圧電体膜層３０２が変形し、振動アーム１１・１２は屈曲する。即ち、振動アーム１１・１２は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動方向に沿って駆動振動する。
【００４３】
駆動振動においては、振動アーム１１・１２のそれぞれの第１印加電極１０１に同一極性の電圧が印加され、かつ第１印加電極１０１に印加される電圧と逆の極性の電圧が第２印加電極１０２に印加される。このため、振動アーム１１と振動アーム１２のいずれか一方が＋ｘ方向に屈曲する場合には、他方が−ｘ方向に屈曲する。つまり、振動アーム１１と振動アーム１２は、互いの両端部が連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである双音叉型の振動子１０の一部を構成する。この振動子１０は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動する。
【００４４】
振動アーム１１と振動アーム１２の駆動方向が逆方向であるため、振動アーム１１と振動アーム１２が駆動振動のみしている状態では、連結部３１・３２の各中心部、つまり連結部３１・３２と検出アーム２１・２２との接続点は振動しない不動点である。このため、振動アーム１１・１２が駆動振動のみしている状態では、検出アーム２１・２２に形状の歪みは発生せず、検出電極２１１・２２１は検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２を出力しない。
【００４５】
振動アーム１１・１２が駆動振動している状態で、駆動振動面に垂直な軸を回転軸として振動子１０が回転すると、振動アーム１１及び振動アーム１２はコリオリ力を受ける。即ち、振動子１０に加えられた回転の回転軸方向（ｚ軸方向）及び駆動振動方向（ｘ軸方向）に垂直な方向（ｙ軸方向）、つまり振動アーム１１・１２の長軸方向に、振動アーム１１・１２はコリオリ力をそれぞれ受ける。
【００４６】
駆動振動において、同一時刻の振動アーム１１と振動アーム１２の駆動方向は互いに逆向きである。このため、振動アーム１１の受けるコリオリ力の向きと、振動アーム１２の受けるコリオリ力の向きとは、同一時刻において互いに逆向きである。
【００４７】
例えば、上面方向からみて時計回りに振動子１０が角速度ωで回転している場合に、振動アーム１１が＋ｘ方向に屈曲し、振動アーム１２が−ｘ方向に屈曲している状態では、振動アーム１１は＋ｙ方向にコリオリ力ｆ１を受け、振動アーム１２は−ｙ方向にコリオリ力ｆ２を受ける。振動アーム１１・１２の駆動方向の変化に対応して、コリオリ力ｆ１、ｆ２の方向が変化する。このため、コリオリ力ｆ１、ｆ２を受ける振動アーム１１・１２にｙ軸方向の振動（以下において、「検出振動」という。）が生じる。コリオリ力ｆ１、ｆ２の働く方向は逆方向である。また、振動アーム１１・１２に生じる検出振動は、振動アーム１１・１２の延伸する長軸方向（ｙ軸方向）に沿った振動であり、駆動振動の振動方向と検出振動の振動方向とは９０°の角をなす。
【００４８】
上記のように、同一時刻において振動アーム１１に生じる検出振動の方向と振動アーム１２に生じる検出振動の方向とは逆方向である。その結果、連結部３１と基板４０間に配置された検出アーム２１、及び連結部３２と基板４０間に配置された検出アーム２２に、検出振動に起因する形状の歪みが生じる。
【００４９】
検出アーム２１及び検出アーム２２に形状の歪みが発生すると、検知電極２０１・２０２の圧電体膜層３０２の形状が変形し、圧電体膜層３０２で分極が生じる。検出電極２１１・２２１は、圧電体膜層３０２で生じた分極により検知電極２０１・２０２間に流れる電流（検出電流）或いは検知電極２０１・２０２間に発生する電圧（検出電圧）を検出する。検出電極２１１・２２１は、検出電流或いは検出電圧を検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２として検出回路６００に出力する。
【００５０】
検出回路６００は、検出電極２１１・２２１が出力する検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に基づき、振動アーム１１・１２に加えられた角速度を検出する。
【００５１】
既に説明したように駆動回路６１０は駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力するが、駆動振動周波数ｆｄは、振動量検出回路６４０から駆動回路６１０に出力される駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFを参照して設定される。振動量検出回路６４０は、電流アンプ、自動利得制御回路（ＡＧＣ）を有する。振動アーム１１・１２の駆動振動により振動参照電極７１・７２に発生する参照電圧Ｖｒは、電流アンプを介してＡＧＣに入力される。ＡＧＣの出力が、駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFとして駆動回路６１０に出力される。
【００５２】
駆動回路６１０は、振動信号ＳFに基づき、駆動振動の大きさが最大になる駆動振動周波数ｆｄを振動子１０の共振周波数として設定し、駆動電圧Ｖｄの駆動振動周波数ｆｄが決定される。つまり、駆動振動の大きさが振動子１０から駆動回路６１０にフィードバックされて、駆動振動周波数ｆｄが設定される。
【００５３】
検知回路６２０は、電流アンプ及び差動アンプを有する。検出電極２１１に接続する電流アンプに検出信号Ｓｄ１が入力され、検出電極２２１に接続する電流アンプに検出信号Ｓｄ１が入力される。電流アンプの出力は差動アンプに入力され、検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ねた信号が検知信号ＳTとして検波回路６３０に送信される。
【００５４】
検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２は振動子１０の振動周波数で振動する。検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ね合わせることによって検知信号ＳTは増幅され、同時に検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に含まれるノイズが除去される。そのため、圧電体膜層３０２の形状変化をより感度良く検知することができる。
【００５５】
検波回路６３０は、同期検波及び平滑回路を有する。検波回路６３０は、検知回路６２０から送信される検知信号ＳTを、振動量検出回路６４０から振動信号ＳFで送信される駆動振動周波数ｆｄを用いた同期検波することにより、角速度ωを算出する。算出された角速度ωは、出力信号Ｄ１で検波回路６３０から出力される。
【００５６】
なお、検出回路６００を基板４０と異なる基板上に形成してもよいし、検出回路６００を基板４０に形成してもよい。振動子１０と検出回路６００を基板４０上に形成して１チップ化することにより、角速度検出装置１を小型化することができる。
【００５７】
以上に説明したように、実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１では、駆動振動する振動アーム１１・１２と、コリオリ力により振動する検出アーム２１・２２が異なり、駆動振動は検出アーム２１・２２に伝わらない。更に、振動アーム１１・１２の駆動振動の振動方向と、振動子１０に角速度が加わったときの検出アーム２１・２２の検出振動の振動方向とが、９０°異なる。このため、振動ノイズと検出振動では共振モードの軸が異なり、振動ノイズが発生した状態で振動子１０に角速度を加えても、振動ノイズは角速度による検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に影響を与えない。また、角速度検出装置１は、振動アーム１１と振動アーム１２が互いに逆方向に振動する。このため、駆動振動の不動点である連結部３１・３２に接続する検出アーム２１・２２に駆動振動が伝達されにくい。そのため、角速度検出装置１では、振動ノイズが大きくてもＳ／Ｎ比は劣化せず、角速度検出感度が低下しない。つまり、図２に示した角速度検出装置１によれば、振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置を提供できる。
【００５８】
更に、角速度検出装置１では、従来の角速度検出装置では検出が困難であった基板４０の主面の法線方向を回転軸とする回転の角速度を検出できる。
【００５９】
（圧電体膜層中の残留分極値）
実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１において、振動参照電極部ＦＢ、駆動電極部ＤＯ、および検出電極部ＳＲの各部における圧電体膜層３０２中の残留分極値とウェハ番号との関係は、図５に示すように表される。
【００６０】
図５において、ウェハ番号１〜３は、酸化シリコン膜４１の厚さが８０００オングストローム、ウェハ番号４〜６は、酸化シリコン膜４１の厚さが１８００オングストロームの試料に相当する。また、ウェハ番号１・３・５は、第１の酸化アルミニウム膜４８の厚さがゼロ、第２の酸化アルミニウム膜４６の厚さが、４０・８０・８０ｎｍの試料に相当する。また、ウェハ番号２・４・６は、第１の酸化アルミニウム膜４８の厚さが４０・４０・４０ｎｍ、第２の酸化アルミニウム膜４６の厚さが、４０・４０・８０ｎｍの試料に相当する。
【００６１】
ウェハ番号１とウェハ番号２を比較すると、第１の酸化アルミニウム膜４８を備えるウェハ番号２の試料において、圧電体膜層３０２中の残留分極値が、振動参照電極部ＦＢ、駆動電極部ＤＯ、および検出電極部ＳＲの各部においていずれも増加している。
【００６２】
ウェハ番号３とウェハ番号４を比較すると、第１の酸化アルミニウム膜４８を備えるウェハ番号４の試料において、圧電体膜層３０２中の残留分極値が、振動参照電極部ＦＢ、駆動電極部ＤＯ、および検出電極部ＳＲの各部においていずれも増加している。
【００６３】
ウェハ番号５とウェハ番号６を比較すると、第１の酸化アルミニウム膜４８を備えるウェハ番号６の試料において、圧電体膜層３０２中の残留分極値が、振動参照電極部ＦＢ、駆動電極部ＤＯ、および検出電極部ＳＲの各部においていずれも増加している。
【００６４】
実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１において、ＰＺＴ／Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2／Ｓｉの積層構造の原子濃度（％）とスパッタ時間（min.）との関係を示すX線光電子分光 (ＸＰＳ：X-ray photoelectron spectroscopy)の測定結果は、図６に示すように表される。図６から明らかなように、ＰＺＴ中のＰｂ成分の拡散は、Ａｌ2Ｏ3膜で抑制され、ＳｉＯ2膜中にはほとんど拡散していない。
【００６５】
実施の形態によれば、ＰＺＴ膜からのＰｂ拡散を抑制し、圧電特性を安定化した圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１を提供することができる。
【００６６】
（製造方法）
図７〜図１１を参照して、実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１の製造方法を説明する。図７〜図１１は、図２のＩ−Ｉ線方向に沿った工程断面図である。なお、以下に述べる角速度検出装置１の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００６７】
（ａ）図７に示すように、厚さ７００μｍ程度のシリコン基板である基板４０の表面上に酸化シリコン膜４１を形成し、裏面上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。
【００６８】
（ｂ）次に、図７に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に第１の酸化アルミニウム膜４８を形成する。
【００６９】
（ｃ）次に、図８に示すように、第１の酸化アルミニウム膜４８上に、下部電極層３０１、圧電体膜層３０２及び上部電極層３０３を順に積層する。例えば、スパッタ法により、膜厚２００ｎｍ程度のＰｔ／Ｔｉ積層膜を下部電極層３０１として形成する。下部電極層３０１上に、圧電体膜層３０２として例えばＰＬＺＴ膜をゾルゲル法等により形成する。圧電体膜層３０２上に、スパッタ法によりＩｒＯ2膜を下層とするＩｒＯ2／Ｉｒの積層膜を上部電極層３０３として形成する。
【００７０】
（ｄ）次に、図９に示すように、フォトリソグラフィ技術やエッチング等により、所望のパターンになるように下部電極層３０１、圧電体膜層３０２及び上部電極層３０３をパターニングして、下部電極層３０１、圧電体膜層３０２及び上部電極層３０３が積層された第１印加電極１０１、第２印加電極１０２を形成する。図示を省略するが、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２と同様にして、検知電極２０１、２０２も同時に形成される。
【００７１】
（ｅ）その後、図９に示すように、第２の酸化アルミニウム膜４６、および保護膜４５を全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５、第１の酸化アルミニウム膜４８および酸化シリコン膜４１を除去する。
【００７２】
（ｆ）次に、図１０に示すように、基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をエッチングして、振動子１０及び空洞５０を形成する領域の基板４０の裏面を露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、振動子１０が配置される領域及び空洞５０を形成する領域に該当する基板４０の裏面の一部を除去する。その結果、振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の裏面が露出される。その後、図１０に示すように、基板４０の裏面にエッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０をプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）法等により形成する。
【００７３】
（ｇ）次に、図１１に示すように、保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜６０をエッチングストッパーとするドライエッチングによって基板４０の表面の一部を除去し、空洞５０を形成して振動アーム１１・１２と検出アーム２１・２２の側面を露出させる。その後、酸化シリコン膜６０を除去する。以上により、図２〜図４に示す角速度検出装置１が完成する。
【００７４】
（別の製造方法）
上記では、エッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０を基板４０の裏面に形成する例を説明した。しかし、図１２〜図１６を参照して以下に説明するように、エッチングストッパーとしての絶縁膜を予め基板４０に形成しておいてもよい。なお、図１２〜図１６は、図２のＩＩ−ＩＩ線方向に沿った工程断面図である。
【００７５】
（ａ）図１２に示すように、シリコン膜４０ａ、酸化シリコン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃが積層されたＳＯＩ基板を、基板４０として用意する。そして、基板４０の表面上、即ちシリコン膜４０ｃ上に酸化シリコン膜４１を形成する。更に、基板４０の裏面上、即ちシリコン膜４０ａ上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。
【００７６】
（ｂ）次に、図１２に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に第１の酸化アルミニウム膜４８を形成する。
【００７７】
（ｃ）次に、図１３に示すように、第１の酸化アルミニウム膜４８上に、下部電極層３０１、圧電体膜層３０２及び上部電極層３０３を順に積層する。例えば、スパッタ法により、膜厚２００ｎｍ程度のＰｔ／Ｔｉ積層膜を下部電極層３０１として形成する。下部電極層３０１上に、圧電体膜層３０２として例えばＰＬＺＴ膜をゾルゲル法等により形成する。圧電体膜層３０２上に、スパッタ法によりＩｒＯ2膜を下層とするＩｒＯ2／Ｉｒの積層膜を上部電極層３０３として形成する。
【００７８】
（ｄ）次に、図１４に示すように、フォトリソグラフィ技術やエッチング等により、所望のパターンになるように下部電極層３０１、圧電体膜層３０２及び上部電極層３０３をパターニングして、下部電極層３０１、圧電体膜層３０２及び上部電極層３０３が積層された第１印加電極１０１、第２印加電極１０２を形成する。図示を省略するが、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２と同様にして、検知電極２０１、２０２も同時に形成される。
【００７９】
（ｅ）その後、図１４に示すように、第２の酸化アルミニウム膜４６、および保護膜４５を全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５、第１の酸化アルミニウム膜４８および酸化シリコン膜４１を除去する。
【００８０】
（ｆ）次に、図１５に示すように、基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をフォトリソグラフィ技術等を用いてエッチングし、振動子１０及び空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ａを露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、露出したシリコン膜４０ａを除去する。その結果、振動子１０が配置される領域及び空洞５０を形成する領域の酸化シリコン膜４０ｂが露出される。
【００８１】
（ｇ）次に、図１６に示すように、保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜４０ｂをエッチングストッパーとするドライエッチングによって空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ｃを除去して、振動アーム１１・１２と検出アーム２１・２２の側面を露出させる。その後、空洞５０の領域の酸化シリコン膜４０ｂを除去する。以上により、実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１が完成する。
【００８２】
上記のような実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１の別の製造方法によれば、駆動振動する振動アーム１１・１２と検出振動する検出アーム２１・２２とが異なり、かつ、振動アーム１１・１２の駆動振動の振動方向と検出アーム２１・２２の検出振動の振動方向とが９０°異なることにより、振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置１を提供することができる。
【００８３】
また、実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置１において、振動子１０は、振動アーム１１・１２、及び検出アーム２１・２２にスリットを備えていても良い。スリットは、振動アーム１１・１２、及び検出アーム２１・２２の上面から下面まで貫通する空洞である。図２に示した振動子１０の振動アーム１１・１２、及び検出アーム２１・２２のようにスリットの無いアームと比較して、スリットのあるアームは変形しやすい。このため、スリットを備えた振動子１０では、図２に示した振動子１０よりも、角速度が加えられた場合の振動アーム１１・１２、及び検出アーム２１・２２の形状変化が大きく、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２が大きくなる。その結果、角速度検出装置１の角速度検出感度が向上する。
【００８４】
１つのアーム上に駆動電極と検出電極が並べて配置される角速度検出装置では、アーム上に電極が配置されていない領域が少ない。このため、スリットＳを形成することは困難である。しかし、実施の形態に係る圧電薄膜構造を適用した角速度検出装置では駆動電極と検出電極が異なるアーム上に配置されるため、振動アーム１１・１２、及び検出アーム２１・２２にスリットを形成することが可能である。
【００８５】
本実施の形態によれば、圧電特性を安定化した圧電薄膜構造、および当該圧電薄膜構造を適用して振動ノイズによる影響を低減し、Ｓ／Ｎ比が向上した角速度検出装置を提供することができる。
【００８６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００８７】
既に述べた実施の形態の説明においては、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間及び検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極層３０１と圧電体膜層３０２が分離している例を示した。しかし、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間や検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極層３０１や圧電体膜層３０２が連続していてもよい。対向する電極層間の難エッチング物質である圧電体膜層３０２を切断しないことにより、角速度検出装置１を微細化できる。
【００８８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の圧電薄膜構造および角速度検出装置は、角速度センサや、スチールカメラ、ビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角度センサ、モーションセンサ、ジャイロセンサや、インクジェットプリンタに利用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１…角速度検出装置
１０…振動子
１１、１２…振動アーム
２１、２２…検出アーム
３１、３２…連結部
４０…基板
４０ａ、４０ｃ…シリコン膜
４０ｂ、４１、４２、６０…酸化シリコン膜
４５…保護膜
４６、４８…酸化アルミニウム膜
５０…空洞
７１、７２…振動参照電極
１０１…第１印加電極
１０２…第２印加電極
１１１、１１２、１２１、１２２…駆動電極
２０１、２０２…検知電極
２１１、２２１…検出電極
３０１…下部電極層
３０２…圧電体膜層
３０３…上部電極層
６００…検出回路
６１０…駆動回路
６２０…検知回路
６３０…検波回路
６４０…振動量検出回路
ω…角速度
ＳF…振動信号
ＳT…検知信号
Ｓｄ１、Ｓｄ２…検出信号
Ｓ…スリット
Ｖｄ…駆動電圧
Ｖｒ…参照電圧
ｆ１、ｆ２…コリオリ力
【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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