JP4415997B2 - 角速度センサおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、角速度センサおよび電子機器に関する。

近年、デジタルカメラやカーナビゲーションシステムなどの情報機器には、画像の手ぶれ防止や車体の位置検知などのために角速度センサが搭載されてきている。角速度センサには、例えば、従来の設計資産や省電力性を生かすために、音叉型の３２ｋＨｚ水晶振動子が用いられる。しかしながら、音叉型の３２ｋＨｚ水晶振動子の場合、音叉の腕長さが数ｍｍになり、パッケージを含めた全体の長さは１０ｍｍ近くになる場合がある。

最近では、水晶ではなく、シリコン基板上に、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ駆動部を設けた圧電振動子が開発されるようになってきた。このような圧電振動子としては、ビーム状構造のもの（特許文献１の図１参照）や、ビーム２本を備える音叉型のもの（特許文献２の図１参照）が知られている。このような圧電振動子においても、シリコン基板の厚さをせいぜい１００μｍ程度にしかできないため、数十ｋＨｚの共振周波数を得る場合、ビームの腕長さが数ｍｍ以上になる場合がある。このため、このような圧電振動子を有する角速度センサの小型化は困難な場合がある。
特開２００５−２９１８５８号公報 特開２００５−２４９３９５号公報

本発明の目的は、小型化することができ、所望の共振周波数で駆動されることができ、かつ、高いＱ値を得ることができる圧電振動子を有する角速度センサを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記角速度センサを有する電子機器を提供することにある。

本発明に係る角速度センサは、
圧電振動子と、
検出部と、を含み、
前記圧電振動子は、
基体と、
前記基体に固定された固定端、および、該基体に接しない自由端を有する振動部と、
前記振動部の上方に形成され、該振動部の屈曲振動を生成する駆動部と、を有し、
前記振動部は、
第１支持部と、
前記第１支持部に支持された４本の片持梁状部と、
前記第１支持部を支持し、前記固定端を備える第２支持部と、を有し、
前記第１支持部は、直交する２本の中心線を有し、
第１の前記片持梁状部および第２の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の一方の前記中心線に関して対称を成しており、
第３の前記片持梁状部および第４の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記一方の中心線に関して対称を成しており、
前記第１の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の他方の前記中心線に関して対称を成しており、
前記第２の片持梁状部および前記第３の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記他方の中心線に関して対称を成しており、
前記駆動部は、
前記駆動部の下部電極と、
前記駆動部の下部電極の上方に形成された前記駆動部の圧電体層と、
前記駆動部の圧電体層の上方に形成された前記駆動部の上部電極と、を有し、
前記検出部は、前記振動部の上方に形成され、該振動部に加わる回転の角速度を検出し、
前記検出部の下部電極と、
前記検出部の下部電極の上方に形成された前記検出部の圧電体層と、
前記検出部の圧電体層の上方に形成された前記検出部の上部電極と、を有する。

本発明に係る角速度センサが有する前記圧電振動子では、共振周波数は、前記振動部の厚さに依存する。従って、この圧電振動子によれば、共振周波数を前記振動部の厚さによって調整することができる。例えば、振動部が音叉形状を有するような場合には、共振周波数は、振動部の幅に依存する。従って、音叉型の圧電振動子では、共振周波数を低くするためには、振動部の幅を小さくして対応することができるが、加工技術の限界がある場合がある。これに対し、本発明に係る圧電振動子では、共振周波数を低くするためには、前記振動部の厚さを薄くして対応することができる。従って、加工技術の限界によらずに、所望の共振周波数を得ることができる。即ち、この圧電振動子を有する本発明の角速度センサによれば、例えば音叉型の角速度センサなどよりも小型化することができ、かつ、所望の共振周波数（例えば数十ｋＨｚ）で駆動されることができる。また、本発明に係る角速度センサが有する前記圧電振動子によれば、前記振動部と前記基体との接続部分（即ち前記振動部の前記固定端）に応力が集中しないため、高いＱ値を得ることができる。

なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記第１支持部および前記４本の片持梁状部は、平面視において、ローマ字のＨ型を構成し、
前記第１支持部および前記第２支持部は、平面視において、ローマ字のＴ型を構成することができる。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記第１の片持梁状部および前記第２の片持梁状部は、前記第１支持部の一方の端部に接続されており、
前記第３の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、前記第１支持部の他方の端部に接続されていることができる。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記第２支持部は、平面視において、前記第１支持部の中心点から最短距離の端点に接続されていることができる。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記第１支持部、前記片持梁状部、および前記第２支持部は、直方体形状を有することができる。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記検出部は、各前記片持梁状部の上方に１対ずつ形成され、
前記駆動部は、各前記片持梁状部の上方であって、１対の前記検出部の間に１つずつ形成されることができる。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記基体は、
基板と、
前記基板の上方に形成された絶縁部と、
前記絶縁部の上方に形成された半導体部と、を有し、
前記振動部は、前記半導体部を構成する半導体と同じ半導体からなることができる。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記基体は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であることができる。

本発明に係る角速度センサにおいて、
前記基体は、半導体基板であり、
前記振動部は、前記半導体基板を構成する半導体と同じ半導体からなることができる。

本発明に係る電子機器は、上述の角速度センサを有する。

以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１． まず、本実施形態に係る角速度センサ１００について説明する。図１は、本実施形態に係る角速度センサ１００を概略的に示す平面図であり、図２および図３は、角速度センサ１００を概略的に示す断面図である。なお、図２は、図１のII−II線断面図であり、図３は、図１のIII−III線断面図である。

角速度センサ１００は、図１〜図３に示すように、圧電振動子９０と、検出部３０（３０ａ〜３０ｈ）と、を含む。圧電振動子９０は、基体１と、振動部１０と、駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）と、を含む。

基体１は、図２および図３に示すように、例えば、基板２と、基板２上に形成された絶縁部３と、絶縁部３上に形成された半導体部４と、を有する。基体１としては、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板などを用いることができる。ＳＯＩ基板としては、例えばＳＩＭＯＸ（silicon implanted oxide）基板や貼り合わせＳＯＩ基板などが挙げられる。例えば、基板２としてシリコン基板、絶縁部３として酸化シリコン層、半導体部４としてシリコン層を用いることができる。半導体部４内には各種の半導体回路を作り込むことができる。半導体部４としてシリコン層を用いることが、一般的な半導体製造技術を利用できる点で有利である。絶縁部３の厚さは、例えば０．１μｍ〜４μｍであり、半導体部４の厚さは、例えば１μｍ〜４μｍである。

半導体部４は、振動部１０を支持することができる。半導体部４は、例えば図示のような矩形の枠状に形成される。

振動部１０は、基体１（より具体的には半導体部４）に固定された固定端１０ａ、および、基体１（より具体的には半導体部４）に接しない自由端１４１を有する。振動部１０は、半導体からなることができる。振動部１０を構成する半導体は、例えば、半導体部４を構成する半導体と同じものである。

振動部１０は、第１支持部１２と、第１支持部１２に支持された４本の片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）と、第１支持部１２を支持し、振動部１０の固定端１０ａを備える第２支持部１６と、を有する。

片持梁状部１４は、第１支持部１２に固定された固定端１４２、および、基体１（より具体的には半導体部４）に接しない自由端１４１を有する。なお、片持梁状部１４の自由端１４１は、振動部１０の自由端１４１でもある。

第１支持部１２は、直交する２本の中心線１２ａ，１２ｂを有する。第１支持部１２の一方の中心線１２ａは、第１支持部１２の長さ方向（図１のＹ方向）に沿っている。第１支持部１２の他方の中心線１２ｂは、第１支持部１２の幅方向（Ｘ方向）に沿っている。

第１の片持梁状部１４ａおよび第２の片持梁状部１４ｂは、平面視（図１）において、第１支持部１２の一方の中心線１２ａに関して対称を成している。同様に、第３の片持梁状部１４ｃおよび第４の片持梁状部１４ｄは、平面視において、第１支持部１２の一方の中心線１２ａに関して対称を成している。また、第１の片持梁状部１４ａおよび第４の片持梁状部１４ｄは、平面視において、第１支持部１２の他方の中心線１２ｂに関して対称を成している。同様に、第２の片持梁状部１４ｂおよび第３の片持梁状部１４ｃは、平面視において、第１支持部１２の他方の中心線１２ｂに関して対称を成している。

第１支持部１２および４本の片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）は、平面視（図１）において、例えば、ローマ字のＨ型を構成することができる。第１の片持梁状部１４ａおよび第２の片持梁状部１４ｂは、例えば、第１支持部１２の一方の端部１２Ａに接続されている。また、第３の片持梁状部１４ｃおよび第４の片持梁状部１４ｄは、例えば、第１支持部１２の他方の端部１２Ｂに接続されている。なお、片持梁状部１４ａ〜１４ｄは、第１支持部１２の端部１２Ａ，１２Ｂ以外の部分に接続されていても良い。

片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）は、例えば、第１支持部１２の長さ方向（Ｙ方向）に直交する。第１支持部１２および各片持梁状部１４ａ〜１４ｄのそれぞれは、例えば、直方体形状を有する。第１支持部１２の平面形状は、例えば、矩形（長方形および正方形）であり、図示の例では長方形である。各片持梁状部１４ａ〜１４ｄの平面形状は、例えば、矩形、三角形、台形などであり、図示の例では長方形である。

第１の片持梁状部１４ａおよび第４の片持梁状部１４ｄは、例えば、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）に平行に所定間隔をおいて配置されている。同様に、第２の片持梁状部１４ｂおよび第３の片持梁状部１４ｃは、例えば、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）に平行に所定間隔をおいて配置されている。第１の片持梁状部１４ａと第４の片持梁状部１４ｄとの間隔は、第２の片持梁状部１４ｂと第３の片持梁状部１４ｃとの間隔に等しい。

片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）のそれぞれの長さは、例えば２００μｍ〜４００μｍである。片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）のそれぞれの幅は、例えば５０μｍである。なお、片持梁状部１４の長さとは、平面視における片持梁状部１４の固定端１４２から自由端１４１までの距離をいう。また、本発明において、特定の部材（例えば片持梁状部１４）の幅とは、該部材の長さ方向に直交する方向の該部材の両端の距離をいう。

第１支持部１２の長さは、例えば２５０μｍであり、第１支持部１２の幅は、例えば５０μｍである。なお、第１支持部１２の長さとは、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）の第１支持部１２の両端の距離をいう。

第１支持部１２および第２支持部１６は、片持梁状部１４ａ〜１４ｄを支持する機能と、片持梁状部１４ａ〜１４ｄの振動を基体１に伝搬させない機能と、を有する。第１支持部１２および第２支持部１６は、平面視において、例えば、ローマ字のＴ型を構成することができる。第２支持部１６は、平面視において、例えば、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の第１支持部１２の端点１２ｄに少なくとも接続されている。なお、第１支持部１２の中心点１２ｃは、例えば、第１支持部１２の一方の中心線１２ａと他方の中心線１２ｂとの交点である。第２支持部１６は、例えば、第１支持部１２の中央部１２Ｃに接続されている。第２支持部１６の長さ方向（Ｘ方向）は、例えば、第１支持部１２の長さ方向（Ｙ方向）に直交する。第２支持部１６、第１の片持梁状部１４ａ、および第４の片持梁状部１４ｄは、例えば、それぞれの長さ方向（Ｘ方向）に平行に所定間隔をおいて配置されている。第２支持部１６は、例えば、直方体形状を有する。第２支持部１６の平面形状は、例えば、矩形であり、図示の例では長方形である。第２支持部１６の平面形状は、例えば、第１支持部１２の他方の中心線１２ｂに関して対称を成している。

第２支持部１６の長さは、例えば２５０μｍ〜４５０μｍである。第２支持部１６の幅は、例えば５０μｍである。なお、第２支持部１６の長さとは、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の第２支持部１６の両端の距離をいう。

第２支持部１６の長さは、例えば、片持梁状部１４の長さよりも長い。また、第２支持部１６の幅、第１の片持梁状部１４ａの幅、および第４の片持梁状部１４ｄの幅の総和は、例えば、第１支持部１２の長さよりも短い。また、第１支持部１２の幅、片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）のそれぞれの幅、および第２支持部１６の幅は、例えば、同じである。

振動部１０は、図１〜図３に示すように、絶縁部３の一部を除去して形成された空隙部８０上に形成されている。空隙部８０の平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形である。空隙部８０は、例えば、半導体部４の端部の下まで入り込んで設けられている。振動部１０と半導体部４との間であって、振動部１０と半導体部４との接続部分（即ち振動部１０の固定端１０ａ）以外の領域には、振動部１０の振動を許容する開口部（第１開口部）４２が形成されている。振動部１０は、半導体部４により構成される矩形の枠の内側に収まっている。

振動部１０の厚さは、半導体部４の厚さと同じであり、例えば１μｍ〜４μｍである。振動部１０の厚さは、角速度センサ１００の小型化のためには、４μｍ以下であることが望ましい。

振動部１０と駆動部２０との間（より具体的には片持梁状部１４と駆動部の下部電極２２との間）、および、振動部１０と検出部３０との間（より具体的には片持梁状部１４と検出部の下部電極３２との間）には、例えば、下地層５が形成されている。下地層５は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）層等の絶縁層である。下地層５は、例えば２層以上の複合層で構成されていても良い。下地層５の厚さは、例えば１μｍである。

駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）は、振動部１０の上方に形成されている。駆動部２０は、例えば、各片持梁状部（ビーム）１４ａ〜１４ｄの上方に形成されている。駆動部２０は、例えば、下地層５上に形成されている。駆動部２０は、振動部１０の屈曲振動を生成する。駆動部２０は、例えば、図１に示すように、各片持梁状部１４ａ〜１４ｄに対して１つずつ設けられている。駆動部２０は、例えば、１対の検出部３０の間に１つずつ設けられている。即ち、第１片持梁状部１４ａの上方には、第１駆動部２０ａが第１検出部３０ａと第２検出部３０ｂとの間に配置されている。同様に、第２片持梁状部１４ｂの上方には、第２駆動部２０ｂが第３検出部３０ｃと第４検出部３０ｄとの間に配置されている。同様に、第３片持梁状部１４ｃの上方には、第３駆動部２０ｃが第５検出部３０ｅと第６検出部３０ｆとの間に配置されている。同様に、第４片持梁状部１４ｄの上方には、第４駆動部２０ｄが第７検出部３０ｇと第８検出部３０ｈとの間に配置されている。

検出部３０（３０ａ〜３０ｈ）は、振動部１０の上方に形成されている。検出部３０は、例えば、各片持梁状部（ビーム）１４ａ〜１４ｄの上方に形成されている。検出部３０は、例えば、下地層５上に形成されている。検出部３０は、振動部１０に加わる回転の角速度を検出する。検出部３０は、例えば、図１に示すように、各片持梁状部１４ａ〜１４ｄに対して１対ずつ設けられている。即ち、第１片持梁状部１４ａの上方には、第１検出部３０ａと第２検出部３０ｂとが、第１片持梁状部１４ａの長さ方向に沿って、互いに平行に形成されている。同様に、第２片持梁状部１４ｂの上方には、第３検出部３０ｃと第４検出部３０ｄとが、第２片持梁状部１４ｂの長さ方向に沿って、互いに平行に形成されている。同様に、第３片持梁状部１４ｃの上方には、第５検出部３０ｅと第６検出部３０ｆとが、第３片持梁状部１４ｃの長さ方向に沿って、互いに平行に形成されている。同様に、第４片持梁状部１４ｄの上方には、第７検出部３０ｇと第８検出部３０ｈとが、第４片持梁状部１４ｄの長さ方向に沿って、互いに平行に形成されている。第１〜第８検出部３０ａ〜３０ｈは、角速度信号を検出する検知回路（図示せず）に接続されている。

駆動部２０および検出部３０の平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形であり、その長手方向は、振動部１０の長さ方向と同じ方向（Ｘ方向）である。駆動部２０および検出部３０は、例えば、図１〜図３に示すように、片持梁状部１４の根元側（固定端側）の上に形成されている。駆動部２０および検出部３０は、平面視において、例えば、駆動部２０および検出部３０の長さ方向（Ｘ方向）の一端が片持梁状部１４の固定端１４２の位置に揃うように設けられている。なお、図示しないが、駆動部２０の一部および検出部３０の一部が、例えば第１支持部１２の上に形成されていても良い。駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）および検出部３０（３０ａ〜３０ｈ）のそれぞれの長さは、例えば２００μｍであり、駆動部２０および検出部３０のそれぞれの幅は、例えば５０μｍである。なお、駆動部２０（または検出部３０）の長さとは、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の駆動部２０（または検出部３０）の両端の距離をいう。

駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）は、図２に示すように、振動部１０（より具体的には片持梁状部１４）の上方に形成された駆動部の下部電極２２と、駆動部の下部電極２２上に形成された駆動部の圧電体層２４と、駆動部の圧電体層２４上に形成された駆動部の上部電極２６と、を有する。検出部３０（３０ａ〜３０ｈ）は、図３に示すように、振動部１０（より具体的には片持梁状部１４）の上方に形成された検出部の下部電極３２と、検出部の下部電極３２上に形成された検出部の圧電体層３４と、検出部の圧電体層３４上に形成された検出部の上部電極３６と、を有する。

駆動部の下部電極２２および検出部の下部電極３２としては、例えば白金（Ｐｔ）層などを用いることができる。下部電極２２，３２の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。

駆動部の圧電体層２４および検出部の圧電体層３４は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ_３：ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛固溶体などの圧電材料からなることができる。チタン酸ジルコン酸鉛固溶体としては、例えばニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３：ＰＺＴＮ）などが挙げられる。圧電体層２４，３４の厚さは、振動部１０の厚さの１／１０倍以上、等倍以下程度であることが望ましい。この範囲の厚さであることにより、ビームを十分に振動させる駆動力が確保されることができる。例えば、振動部１０の厚さを１μｍ〜４μｍとした場合、圧電体層２４，３４の厚さは０．１μｍ〜４μｍとすることができる。圧電体層２４，３４の膜厚は、共振条件に応じて適宜変更されることができる。

駆動部の上部電極２６および検出部の上部電極３６としては、例えば白金（Ｐｔ）層などを用いることができる。上部電極２６，３６の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。

なお、図示の例では、駆動部２０において、下部電極２２と上部電極２６の間には圧電体層２４のみが存在するが、両電極２２，２６間に圧電体層２４以外の層を有していても良い。同様に、検出部３０において、下部電極３２と上部電極３６の間には圧電体層３４のみが存在するが、両電極３２，３６間に圧電体層３４以外の層を有していても良い。

第１駆動部２０ａの上部電極２６と駆動電源（図示せず）の一方の端子とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第１駆動部２０ａの下部電極２２と第２駆動部２０ｂの下部電極２２とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第２駆動部２０ｂの上部電極２６と第３駆動部２０ｃの上部電極２６とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第３駆動部２０ｃの下部電極２２と第４駆動部２０ｄの下部電極２２とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第４駆動部２０ｄの上部電極２６と前記駆動電源の他方の端子とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第１駆動部２０ａ、第２駆動部２０ｂ、第３駆動部２０ｃ、および第４駆動部２０ｄは、この順番で直列に接続されている。また、第１〜第４駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの圧電体層２４に対して、例えば配線形成工程前の上部電極２６が独立した状態において分極処理を行うことにより、全ての圧電体層２４において上下方向の分極方向を揃えることが容易に可能である。従って、この接続状態で駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）に直流電界を印加した場合、第１駆動部２０ａの圧電体層２４と第２駆動部２０ｂの圧電体層２４の片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の伸縮の極性は、逆向きになる。また、第２駆動部２０ｂの圧電体層２４と第３駆動部２０ｃの圧電体層２４の片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の伸縮の極性は、逆向きになる。また、第３駆動部２０ｃの圧電体層２４と第４駆動部２０ｄの圧電体層２４の片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の伸縮の極性は、逆向きになる。

本実施形態に係る角速度センサ１００では、第１駆動部２０ａの上部電極２６と第４駆動部２０ｄの上部電極２６との間に、交番電界を印加することにより、第１の片持梁状部１４ａと第２の片持梁状部１４ｂとをそれぞれ逆位相で上下方向（Ｚ方向）に屈曲振動（第１屈曲振動）させることができる。また、第２の片持梁状部１４ｂと第３の片持梁状部１４ｃとをそれぞれ逆位相で上下方向に屈曲振動（第１屈曲振動）させることができる。また、第３の片持梁状部１４ｃと第４の片持梁状部１４ｄとをそれぞれ逆位相で上下方向に屈曲振動（第１屈曲振動）させることができる。なお、この場合には、第１の片持梁状部１４ａと第３の片持梁状部１４ｃの屈曲振動は同位相であり、第２の片持梁状部１４ｂと第４の片持梁状部１４ｄの屈曲振動は同位相である。

そして、第１片持梁状部１４ａおよび第４片持梁状部１４ｄの間の中心線（第２片持梁状部１４ｂおよび第３片持梁状部１４ｃの間の中心線でもある）を軸とした回転の角速度によって発生するコリオリ力により、第１〜第４片持梁状部１４ａ〜１４ｄを第１屈曲振動と垂直な方向（Ｙ方向）に屈曲振動（第２屈曲振動）させることができる。従って、第２屈曲振動により生じる第１〜第８検出部３０ａ〜３０ｈの電圧を検知回路によって検出することにより、角速度を求めることができる。なお、検出される第１検出部３０ａの電圧と第２検出部３０ｂの電圧は、逆位相である。同様に、検出される第３検出部３０ｃの電圧と第４検出部３０ｄの電圧は、逆位相であり、第５検出部３０ｅの電圧と第６検出部３０ｆの電圧は、逆位相であり、第７検出部３０ｇの電圧と第８検出部３０ｈの電圧は、逆位相である。

本実施形態に係る圧電振動子９０の共振周波数は、１００ｋＨｚ以下であることが好ましい。これは、角速度センサの感度は駆動周波数が低いほど増大すること、および、３２ｋＨｚ帯の共振周波数が汎用的な発振周波数であることによる。１００ｋＨｚ以下の共振周波数は、例えば、３２ｋＨｚ用駆動回路の設計を変更することで得られる。なお、３２ｋＨｚ帯の共振周波数とは、例えば１６．３８４ｋＨｚ〜６５．５３６ｋＨｚの範囲のものである。３２．７６８ｋＨｚ（２の１５乗Ｈｚ：単に「３２ｋＨｚ」ともいう）用発振回路に分周回路を付加すると１６．３８４ｋＨｚ（２の１４乗Ｈｚ）で圧電振動子を駆動でき、３２ｋＨｚ用発振回路にフェイズロックループを付加すると６５．５３６ｋＨｚ（２の１６乗Ｈｚ）で圧電振動子を駆動できる。

２． 次に、本実施形態に係る角速度センサ１００の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。図４および図５は、本実施形態の角速度センサ１００の一製造工程を概略的に示す断面図であり、それぞれ図２に示す断面図に対応している。

（１）まず、図４に示すように、基板２上に絶縁層６および半導体層８がこの順に配置された基体９を用意する。基体９としては、例えばＳＯＩ基板などを用いることができる。

次に、基体９上の全面に下地層５を形成する。下地層５は、熱酸化法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法などにより成膜される。

（２）次に、図４に示すように、下地層５上に駆動部２０および検出部３０を形成する。具体的には、例えば、まず、下地層５上の全面に、駆動部２０および検出部３０を構成する下部電極２２，３２、圧電体層２４，３４、および上部電極２６，３６をこの順に成膜する。下部電極２２，３２は、蒸着法、スパッタ法などにより成膜される。圧電体層２４，３４は、溶液法（ゾルゲル法）、レーザアブレーション法、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより成膜される。上部電極２６，３６は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより成膜される。

次に、上部電極２６，３６、圧電体層２４，３４、および下部電極２２，３２をパターニングして、所望の形状にすることができる。パターニングには、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。

以上の工程により、下部電極２２、圧電体層２４、および上部電極２６を有する駆動部２０、並びに、下部電極３２、圧電体層３４、および上部電極３６を有する検出部３０が形成される。

次に、下地層５をパターニングして、所望の形状にすることができる。パターニングには、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。

なお、下地層５、下部電極２２，３２、圧電体層２４，３４、および上部電極２６，３６は、各層の成膜ごとにパターニングされることもできるし、複数層の形成ごとに一括してパターニングされることもできる。

（３）次に、基体９の半導体層８を所望の形状にパターニングして、図５に示すように、半導体部４、振動部１０、および開口部４２を形成する。半導体部４および振動部１０は、半導体層８を刳り貫いて絶縁層６を露出させる開口部４２を形成することにより得られる。半導体層８は、例えば、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされる。エッチング技術としては、例えば、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。このエッチング工程においては、絶縁層６をエッチングストッパ層として用いることができる。即ち、半導体層８をエッチングする際には、絶縁層６のエッチング速度は、半導体層８のエッチング速度よりも遅い。

（４）次に、開口部４２により露出した部分から絶縁層６の一部を除去して、図１〜図３に示すように、少なくとも振動部１０の下に空隙部８０を形成する。空隙部８０は、振動部１０の自由端１４１に対する機械的拘束力が無くなった状態（後述する）で振動部１０が屈曲振動できるような位置に形成される。空隙部８０は、例えば、半導体部４の端部、振動部１０、および開口部４２の下に形成される。絶縁層６が酸化シリコンからなる場合には、例えばフッ化水素酸を用いたウェットエッチング法などにより絶縁層６を除去することができる。このエッチング工程においては、振動部１０および半導体部４をマスクとして、基板２をエッチングストッパ層として用いることができる。即ち、絶縁層６をエッチングする際には、振動部１０、半導体部４、および基板２のエッチング速度は、絶縁層６のエッチング速度よりも遅い。

（５）上述した工程により、開口部４２および空隙部８０が設けられることで、振動部１０の自由端１４１に対する機械的拘束力が無くなり、振動部１０が十分に振動できるようになる。

（６）以上の工程により、図１〜図３に示すように、本実施形態の角速度センサ１００が形成される。

３． 本実施形態の角速度センサ１００が有するＨ型の圧電振動子９０では、共振周波数は、振動部１０の厚さに依存する。従って、この圧電振動子９０によれば、共振周波数を振動部１０の厚さによって調整することができる。例えば、振動部が音叉形状を有するような場合には、共振周波数は、振動部の幅に依存する。従って、音叉型の圧電振動子では、共振周波数を低くするためには、振動部の幅を小さくして対応することができるが、加工技術の限界がある場合がある。これに対し、本実施形態のＨ型の圧電振動子９０では、共振周波数を低くするためには、振動部１０（半導体層８）の厚さを薄くして対応することができる。従って、半導体層８（図４参照）の加工技術の限界によらずに、所望の共振周波数を得ることができる。即ち、このＨ型の圧電振動子９０を有する本実施形態の角速度センサ１００によれば、例えば音叉型の角速度センサなどよりも小型化することができ、かつ、所望の共振周波数（例えば数十ｋＨｚ）で駆動されることができる。

また、本実施形態の角速度センサ１００が有するＨ型の圧電振動子９０によれば、振動部１０と基体１（より具体的には半導体部４）との接続部分（即ち振動部１０の固定端１０ａ）に応力が集中しないため、高いＱ値を得ることができる。図６は、共振モードでの角速度センサ１００における応力をシミュレーションした結果を示している。なお、図６は、振動部が１本のビームから構成されるユニモルフ型の角速度センサ１１０（比較例）についてのシミュレーション結果も示している。また、図６に示す応力強さの単位は、規格化されたarbitrary unit（a.u.）である。図６に示すように、Ｈ型の角速度センサ１００における振動部と基体との接続部分Ａの応力は、ユニモルフ型の角速度センサ１１０における振動部と基体との接続部分Ｂの応力に比べて、非常に小さくなっていることが分かる。この理由としては、以下のように考えられる。

上述したように、Ｈ型の角速度センサ１００では、４本の片持梁状部１４ａ〜１４ｄのうちの２つずつが第１支持部１２の中心線１２ａ，１２ｂに関して対称を成しており、かつ、４本の片持梁状部１４のうちの２つずつが逆位相で屈曲振動することができる。これにより、第１支持部１２の中心点１２ｃに加わる応力は相殺し合い、中央点１２ｃ付近に加わる応力は小さくなると考えられる。このため、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の端点１２ｄと、基体１（より具体的には半導体部４）とを、第２支持部１６により接続することで、振動部１０と基体１との接続部分Ａの応力を非常に小さくすることができると考えられる。

また、本実施形態の角速度センサ１００が有する圧電振動子９０では、振動部１０の厚さは、基体１（例えばＳＯＩ基板）の半導体部４と同じであるため、振動部１０の厚さを非常に薄くすることができる（例えば４μｍ以下）。これにより、所望の共振周波数で駆動される圧電振動子９０において、振動部１０（より具体的には片持梁状部１４ａ〜１４ｄのそれぞれ）の長さを短くすることができる。即ち、この圧電振動子９０を有する本実施形態の角速度センサ１００を小型化することができる。例えば、３２ｋＨｚの共振周波数を用いる場合には、振動部１０の厚さを４μｍ以下、片持梁状部１４ａ〜１４ｄのそれぞれの長さを４００μｍ以下、角速度センサ１００のパッケージ長さを１ｍｍ以下とすることができる。

本実施形態に係る角速度センサ１００の具体例としては以下の通りである。

絶縁部３の厚さは１μｍ、下部電極２２，３２の厚さは０．１μｍ、圧電体層２４，３４の厚さは１μｍ、上部電極２６，３６の厚さは０．１μｍ、駆動部２０の厚さは１．２μｍ、検出部３０の厚さは１．２μｍ、半導体部４および振動部１０の厚さは４μｍである。また、片持梁状部１４のそれぞれのビーム長さは４００μｍ、ビーム幅は５０μｍ、第１支持部１２の長さは２５０μｍ、幅は５０μｍである。また、平面視において、半導体部４により構成される矩形の枠の内縁の長辺は９５０μｍ、短辺は３５０μｍである。この構成の角速度センサ１００について、有限要素法によって運動方程式を解いてシミュレーションすると、屈曲振動の共振周波数は３２ｋＨｚとなった。また、角速度センサ１００の感度をシミュレーションした結果、０．１ｍＶ／ｄｅｇ／ｓｅｃであった。

また、本実施形態に係る角速度センサ１００では、基体１としてＳＯＩ基板を用いることにより、角速度センサ１００が半導体部４内やその上に作り込まれた半導体集積回路と混載されて、電子機器（角速度センサモジュール）を構成することができる。これにより、モジュールパッケージを小型化することができる。

また、本実施形態に係る角速度センサ１００では、基体１としてＳＯＩ基板を用いることにより、角速度センサ１００が半導体部４内やその上に作り込まれた駆動回路と混載されることができる。ＳＯＩ基板を用いたデバイスでは、動作電圧を低くすることができるため、本実施形態の角速度センサ１００によれば、低消費電力のワンチップの角速度センサモジュールを提供することができる。

なお、本実施形態に係る角速度センサ１００と、その駆動回路や検知回路などが作り込まれたＩＣ（集積回路）チップとを別個に設けて、これらをパッケージングし、本実施形態に係る角速度センサモジュールを得ることもできる。

４． 次に、本実施形態の角速度センサの変形例について、図面を参照しながら説明する。なお、上述した角速度センサ１００（以下「角速度センサ１００の例」という）と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

（１）まず、第１の変形例について説明する。図７は、本変形例の角速度センサ１２０を概略的に示す平面図である。

角速度センサ１００の例では、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の一方の端点１２ｄと半導体部４とを１つの第２支持部１６により接続する場合について説明したが、本変形例では、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の他方の端点１２ｄと半導体部４とを別の第２支持部１２６により接続することができる。即ち、本変形例では、振動部１０は、半導体部４と２箇所で接続されている。一方の第２支持部１６および他方の第２支持部１２６は、平面視において、第１支持部１２の一方の中心線１２ａに関して対称を成している。他方の第２支持部１２６は、例えば、直方体形状を有する。

（２）次に、第２の変形例について説明する。図８は、本変形例の角速度センサ１６０を概略的に示す断面図である。

角速度センサ１００の例では、基体１が例えばＳＯＩ基板である場合について説明したが、本変形例では、基体１６１は、例えばシリコンからなる半導体基板であることができる。本変形例の角速度センサ１６０には、開口部（第２開口部）８２が形成されている。開口部８２は、平面視において、例えば、角速度センサ１００の例における空隙部８０と同じ位置に設けられる。開口部８２は、例えば、基体１６１の一部であって、基体１６１の裏面から振動部１０の下面までの部分を、基体１６１から除去することにより形成される。

（３）なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

５． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、上述した本発明の実施形態に係る角速度センサは、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステム、マンナビゲーションシステムなどの電子機器に適用されることができる。

本実施形態に係る角速度センサを概略的に示す平面図。 本実施形態に係る角速度センサを概略的に示す断面図。 本実施形態に係る角速度センサを概略的に示す断面図。 本実施形態の角速度センサの一製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の角速度センサの一製造工程を概略的に示す断面図。 共振モードでの角速度センサにおける応力を示すシミュレーション結果。 本実施形態の角速度センサの第１の変形例を概略的に示す平面図。 本実施形態の角速度センサの第２の変形例を概略的に示す断面図。

符号の説明

１ 基体、２ 基板、３ 絶縁部、４ 半導体部、５ 下地層、６ 絶縁層、８ 半導体層、９ 基体、１０ 振動部、１２ 第１支持部、１４ 片持梁状部、１６ 第２支持部、２０ 駆動部、２２ 下部電極、２４ 圧電体層、２６ 上部電極、３０ 検出部、３２ 下部電極、３４ 圧電体層、３６ 上部電極、４２ 開口部、８０ 空隙部、８２ 開口部、９０ 圧電振動子、１００，１１０，１２０ 角速度センサ、１２６ 第２支持部、１４１ 自由端、１４２ 固定端、１６０ 角速度センサ，１６１ 基体

Claims (8)

1. 圧電振動子と、
   検出部と、を含み、
   前記圧電振動子は、
   基体と、
   前記基体に固定された固定端、および、該基体に接しない自由端を有する振動部と、
   前記振動部の上方に形成され、該振動部の屈曲振動を生成する駆動部と、を有し、
   前記振動部は、
   第１支持部と、
   前記第１支持部に支持された４本の片持梁状部と、
   前記第１支持部を支持し、前記固定端を備える第２支持部と、を有し、
   前記第１支持部は、直交する２本の中心線を有し、
   第１の前記片持梁状部および第２の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の一方の前記中心線に関して対称を成しており、
   第３の前記片持梁状部および第４の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記一方の中心線に関して対称を成しており、
   前記第１の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の他方の前記中心線に関して対称を成しており、
   前記第２の片持梁状部および前記第３の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記他方の中心線に関して対称を成しており、
   前記駆動部は、
   前記駆動部の下部電極と、
   前記駆動部の下部電極の上方に形成された前記駆動部の圧電体層と、
   前記駆動部の圧電体層の上方に形成された前記駆動部の上部電極と、を有し、
   前記検出部は、前記振動部の上方に形成され、該振動部に加わる回転の角速度を検出し、
   前記検出部の下部電極と、
   前記検出部の下部電極の上方に形成された前記検出部の圧電体層と、
   前記検出部の圧電体層の上方に形成された前記検出部の上部電極と、を有し、
   前記検出部は、各前記片持梁状部の上方に１対ずつ形成され、
   前記駆動部は、各前記片持梁状部の上方であって、１対の前記検出部の間に１つずつ形成され、
   前記第１の片持梁状部の前記駆動部の圧電体層と、前記第２の片持梁状部の前記駆動部の圧電体層の前記第１支持部の他方の前記中心線に沿う第１方向の伸縮の極性は、逆向きであり、
   前記第２の片持梁状部の前記駆動部の圧電体層と、前記第３の片持梁状部の前記駆動部の圧電体層の前記第１方向の伸縮の極性は、逆向きであり、
   前記第３の片持梁状部の前記駆動部の圧電体層と、前記第４の片持梁状部の前記駆動部の圧電体層の前記第１方向伸縮の極性は、逆向きであり、
   前記第１の片持梁状部の上方に形成された前記駆動部および前記第２の片持梁状部の上方に形成された前記駆動部は、前記第１の片持梁状部と前記第２の片持梁状部とをそれぞれ逆位相で前記第１方向と垂直な第２方向に屈曲振動させ、前記第２方向は、上下方向であり、
   前記第２の片持梁状部の上方に形成された前記駆動部および前記第３の片持梁状部の上方に形成された前記駆動部は、前記第２の片持梁状部と前記第３の片持梁状部とをそれぞれ逆位相で前記第２方向に屈曲振動させ、
   前記第３の片持梁状部の上方に形成された前記駆動部および前記第４の片持梁状部の上方に形成された前記駆動部は、前記第３の片持梁状部と前記第４の片持梁状部とをそれぞれ逆位相で前記第２方向に屈曲振動させ、
   前記片持梁状部は、前記第１支持部の他方の前記中心線を軸とした回転の角速度によって発生するコリオリ力により、前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向に屈曲振動し、
   前記検出部は、前記片持梁状部の前記第３方向の屈曲振動により生じた電圧によって、前記振動部に加わる前記第１支持部の他方の前記中心線を軸とした回転の角速度を検出する、角速度センサ。
2. 請求項１において、
   前記第１支持部および前記４本の片持梁状部は、平面視において、ローマ字のＨ型を構成し、
   前記第１支持部および前記第２支持部は、平面視において、ローマ字のＴ型を構成する、角速度センサ。
3. 請求項１または２において、
   前記第１の片持梁状部および前記第２の片持梁状部は、前記第１支持部の一方の端部に接続されており、
   前記第３の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、前記第１支持部の他方の端部に接続されている、角速度センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記第２支持部は、平面視において、前記第１支持部の中心点から最短距離の端点に接続されている、角速度センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記第１支持部、前記片持梁状部、および前記第２支持部は、直方体形状を有する、角速度センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記基体は、
   基板と、
   前記基板の上方に形成された絶縁部と、
   前記絶縁部の上方に形成された半導体部と、を有し、
   前記振動部は、前記半導体部を構成する半導体と同じ半導体からなる、角速度センサ。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記基体は、半導体基板であり、
   前記振動部は、前記半導体基板を構成する半導体と同じ半導体からなる、角速度センサ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の角速度センサを有する、電子機器。

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