JP4441729B2 - Electronics - Google Patents

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Description

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や、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、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素子を備えた電子機器に関する。   The present invention relates to, for example, an angular velocity sensor used for camera shake detection of a video camera, motion detection in a virtual reality device, direction detection in a car navigation system, and the like, and more specifically, a small vibration type having a cantilever vibrator. The present invention relates to an electronic device including a gyro sensor element.

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（以下、振動型ジャイロセンサと呼ぶ。）が、広く使用されている。   Conventionally, as a commercial angular velocity sensor, a cantilever vibrator is vibrated at a predetermined resonance frequency, and the angular velocity is detected by detecting a Coriolis force generated by the influence of the angular velocity with a piezoelectric element or the like. A vibration type gyro sensor (hereinafter referred to as a vibration type gyro sensor) is widely used.

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。   The vibration-type gyro sensor has advantages such as a simple mechanism, a short start-up time, and low-cost manufacturing. For example, it is mounted on electronic devices such as a video camera, a virtual reality device, and a car navigation system. It is used as a sensor for motion detection and direction detection.

振動型ジャイロセンサは、搭載される電子機器の小型化、高性能化に伴い、小型化、高性能化が要求されている。例えば、電子機器の多機能化のため、他の用途で用いる各種センサと組み合わせて、振動型ジャイロセンサを一基板上に搭載させ、小型化を図るといった要請がある。   The vibration type gyro sensor is required to be downsized and improved in accordance with downsizing and high performance of electronic devices to be mounted. For example, in order to increase the functionality of electronic devices, there is a demand to reduce the size by mounting a vibration gyro sensor on one substrate in combination with various sensors used for other purposes.

ところが、振動型ジャイロセンサは、圧電材料を機械加工によって切り出し、整形をすることで振動子を作製していたため、上述したような小型化を行うのに加工精度に限界があり、所望の性能を得ることができないといった問題があった。   However, the vibration type gyro sensor has produced a vibrator by cutting and shaping a piezoelectric material by machining, so that there is a limit to the processing accuracy for downsizing as described above, and the desired performance is achieved. There was a problem that I could not get.

そこで、振動子を、単結晶シリコン基板上に圧電材料で薄膜を形成することで作製し、小型化した圧電振動角速度計、つまり振動型ジャイロセンサが考案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。また、シリコン加工プロセスによって形成された片持ち梁の振動子をし、この振動子の長手方向に駆動電極と、駆動電極を挟む形で駆動電極と接触することなく平行に一対の検出電極とが形成された振動型ジャイロセンサが考案されている。（例えば、特許文献３参照。）。   In view of this, a piezoelectric vibration angular velocity meter, that is, a vibration type gyro sensor, in which a vibrator is manufactured by forming a thin film of a piezoelectric material on a single crystal silicon substrate and miniaturized has been devised (for example, Patent Document 1, Patent). Reference 2). In addition, a cantilever vibrator formed by a silicon processing process has a drive electrode in the longitudinal direction of the vibrator, and a pair of detection electrodes in parallel without contacting the drive electrode so as to sandwich the drive electrode. A formed vibration type gyro sensor has been devised. (For example, refer to Patent Document 3).

このような振動型ジャイロセンサにおいては、より高い感度で且つ安定した共振特性で角速度を検出することが要求されている。   Such a vibration type gyro sensor is required to detect an angular velocity with higher sensitivity and stable resonance characteristics.

特開平８−２６１７６３号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-261762 特開平８−３２７３６４号公報JP-A-8-327364 特開平７−１１３６４３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-113643

ところで、振動型ジャイロセンサを高感度で且つ安定した共振特性とするためには、振動子の共振状態を定義する機械的品質係数（Mechanical quality factor）、いわゆるＱ値を高くする必要がある。   By the way, in order to make the vibration type gyro sensor have high sensitivity and stable resonance characteristics, it is necessary to increase a so-called Q value, which is a mechanical quality factor that defines the resonance state of the vibrator.

Ｑ値は、振動型ジャイロセンサの振動子が固有振動を起こした際の、共振特性の鋭さの度合いを表す定数である。Ｑ値は、電気、電子分野における共振現象や、振動子の振動のような機械振動において共振系の質を表す定数として用いられる。振動型ジャイロセンサにおけるＱ値は、振動子を形成する材料や、振動子の固定方法などで決定される。   The Q value is a constant that represents the degree of sharpness of the resonance characteristics when the vibrator of the vibration type gyro sensor causes natural vibration. The Q value is used as a constant representing the quality of the resonance system in resonance phenomena in the electric and electronic fields and mechanical vibrations such as vibrations of vibrators. The Q value in the vibration type gyro sensor is determined by the material forming the vibrator, the fixing method of the vibrator, and the like.

例えば、Ｑ値が大きい場合には、共振周波数に一致する振動を外界から受けた時だけ振幅が成長し、振動が成長するにも減衰するにも時間がかかる。つまり、外界からの影響を受けにくい状態であるといえる。   For example, when the Q value is large, the amplitude grows only when vibration matching the resonance frequency is received from the outside, and it takes time to grow and attenuate the vibration. In other words, it can be said that it is in a state in which it is hardly affected by the outside world.

逆に、Ｑ値が小さい場合には、共振周波数とは若干異なる周波数の振動にも反応し、振動が成長するのも減速するのも早いという特徴がある。つまり、外界からの影響を受けやすい状態であるといえる。   On the other hand, when the Q value is small, it reacts to vibrations having a frequency slightly different from the resonance frequency, and the vibrations grow and decelerate quickly. In other words, it can be said that it is easily affected by the outside world.

したがって、上述したようにＱ値を高くすることで、振動型ジャイロセンサの共振特性を安定させ且つ高感度なセンサ素子とすることができる。   Therefore, by increasing the Q value as described above, the resonance characteristics of the vibration type gyro sensor can be stabilized and a highly sensitive sensor element can be obtained.

通常、振動型ジャイロセンサは、振動子を保護する目的や、外部装置への組み込み時の取り扱いを容易にするため、所望のパッケージ内にパッケージングされることになる。このとき、パッケージング後の振動子周りの空間形成状況やパッケージによる影響などによって、空気のダンピングが強くなり、特性が低下してしまうといった問題があった。   Usually, the vibration type gyro sensor is packaged in a desired package for the purpose of protecting the vibrator and facilitating handling when incorporated in an external device. At this time, there is a problem that air damping becomes strong and the characteristics deteriorate due to the space formation state around the vibrator after packaging and the influence of the package.

このような空気のダンピングを防ぐ方法として、振動型ジャイロセンサをパッケージ内に真空パッケージする手法があるが、非常に手間がかかり多大なコストがかかってしまうといった問題があった。   As a method for preventing such air damping, there is a method of vacuum-packaging a vibration type gyro sensor in a package, but there is a problem that it is very time-consuming and requires a lot of cost.

そこで、本発明は、上述したような問題を解決するために案出されたものであり、パッケージングした振動型ジャイロセンサ素子の振動子周囲の空間を適切に規定することで、安定した共振特性を示し、高い感度の振動型ジャイロセンサ素子を備えた小型の電子機器を低コストで提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been devised to solve the above-described problems, and by stably defining the space around the vibrator of the packaged vibration type gyro sensor element, stable resonance characteristics can be obtained. An object of the present invention is to provide a small electronic device including a vibration gyro sensor element with high sensitivity at low cost.

上述の目的を達成するため、本発明に係る電子機器は、下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する単結晶シリコンから形成された四角柱状の片持ち梁の振動子を備え、上記圧電薄膜の圧電効果を利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサ素子をカバー材とＩＣ基板を用いて大気中でパッケージングした電子機器であって、上記上部電極は、上記振動子を振動させる電圧を印加する上記振動子の長手方向に形成された駆動電極と、上記駆動電極を挟む形で、上記駆動電極と接触することなく平行に上記振動子の長手方向に形成された第１の検出電極及び第２の検出電極とからなるように形成されており、上記振動子の振動していない状態での、上記振動子の上面から上記カバー材までの距離及び上記振動子の下面から上記ＩＣ基板までの距離を、上記下部電極、上記上部電極間に電圧を印加して上記振動子を厚み方向に自励振動させた際に、上記振動子が最も振動した場合の変位量である最大変位量の２．５倍以上とした空間が設けられており、上記振動子の側壁面から該側壁面の全面にわたり該側壁面と対向するように形成された壁面までの距離を上記振動子の幅の２倍以上とした空間が設けられている。 In order to achieve the above-described object, an electronic apparatus according to the present invention includes a quadrangular columnar cantilever vibrator formed of single crystal silicon having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode, and the piezoelectric thin film piezoelectric An electronic device in which a vibration-type gyro sensor element that detects an angular velocity using an effect is packaged in the air using a cover material and an IC substrate, and the upper electrode applies a voltage that vibrates the vibrator A first detection electrode and a second detection electrode formed in the longitudinal direction of the vibrator in parallel with each other, in contact with the drive electrode, with the drive electrode sandwiched between the drive electrode formed in the longitudinal direction of the vibrator. detection electrodes and being formed from a, distance of a state that is not vibration of the vibrator, from the lower surface of the distance and the transducer from the top surface of the transducer to the cover member to the IC substrate When the vibrator is self-excited and vibrated in the thickness direction by applying a voltage between the lower electrode and the upper electrode, the maximum displacement amount of 2. is the displacement amount when the vibrator is most vibrated. A space of 5 times or more is provided, and the distance from the side wall surface of the vibrator to the wall surface formed to face the side wall surface over the entire side wall surface is twice or more the width of the vibrator. A space is provided .

本発明は、下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する単結晶シリコンから形成された四角柱状の片持ち梁の振動子を備え、上記圧電薄膜の圧電効果を利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサ素子をカバー材とＩＣ基板を用いて大気中でパッケージングした電子機器であって、上記上部電極は、上記振動子を振動させる電圧を印加する上記振動子の長手方向に形成された駆動電極と、上記駆動電極を挟む形で、上記駆動電極と接触することなく平行に上記振動子の長手方向に形成された第１の検出電極及び第２の検出電極とからなるように形成されており、上記振動子の振動していない状態での、上記振動子の上面から上記カバー材までの距離及び上記振動子の下面から上記ＩＣ基板までの距離を、上記下部電極、上記上部電極間に電圧を印加して上記振動子を厚み方向に自励振動させた際に、上記振動子が最も振動した場合の変位量である最大変位量の２．５倍以上とした空間が設けられており、上記振動子の側壁面から該側壁面の全面にわたり該側壁面と対向するように形成された壁面までの距離を上記振動子の幅の２倍以上とした空間が設けられていることにより、真空挽きといった多大な労力やコストを要する作業をしなくとも、パッケージングされた振動型ジャイロセンサ素子の機械的品質係数（Mechanical quality factor）、いわゆるＱ値を、振動子周りの空間の形状による影響を受けない程度に高くすることができる。したがって、安定した共振特性を示し、高い感度の振動型ジャイロセンサ素子を備えた小型の電子機器を低コストで提供することを可能とする。 The present invention is a vibrating gyroscope including a quadrangular columnar cantilever vibrator formed of single crystal silicon having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode, and detecting angular velocity using the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film. An electronic device in which a sensor element is packaged in the air using a cover material and an IC substrate , wherein the upper electrode is a drive electrode formed in a longitudinal direction of the vibrator for applying a voltage for vibrating the vibrator And a first detection electrode and a second detection electrode formed in parallel with each other in the longitudinal direction of the vibrator without being in contact with the drive electrode. , in a state where no vibration of the vibrator, the distance from the lower surface of the distance and the transducer from the top surface of the transducer to the cover member to the IC substrate, the lower electrode, the voltage between the upper electrode Applied to the time obtained by self-excited vibration in the thickness direction of the above oscillator, the maximum displacement amount of 2.5 times or more and the space is provided which is a displacement amount when the above-described oscillator is the most vibrating, the By providing a space where the distance from the side wall surface of the vibrator to the wall surface formed so as to face the side wall surface over the entire side wall surface is at least twice the width of the vibrator, vacuum grinding is provided. The mechanical quality factor of the packaged vibration type gyro sensor element, the so-called Q value, is affected by the shape of the space around the vibrator, without requiring a lot of labor and cost. Can be as high as possible. Therefore, it is possible to provide a small electronic device that exhibits stable resonance characteristics and includes a highly sensitive vibration type gyro sensor element at low cost.

以下、本発明に係る電子機器を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。   The best mode for carrying out an electronic apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図１は、本発明を適用した角速度センサ５０が備える振動型ジャイロセンサ素子１０の外観斜視図であり、図２は、角速度センサ５０の回路構成の一例を示した図である。なお、説明のため、図１に示す振動型ジャイロセンサ素子１０は、一部を透過して示している。   FIG. 1 is an external perspective view of a vibration type gyro sensor element 10 included in an angular velocity sensor 50 to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the angular velocity sensor 50. For the sake of explanation, a part of the vibration type gyro sensor element 10 shown in FIG.

図１に示すように、振動型ジャイロセンサ素子１０は、いわゆる片持ち梁の振動子１１を備えている。振動子１１は、シリコン単結晶基板から切り出される厚みｔ１、長さｔ２、幅ｔ３の素子から振動子１１の周囲に周囲空間１２を設けることで他端が固定された梁として形成される。振動子１１は、長手方向と垂直な方向にｔ７ｂ及びｔ７ｃの空間幅、長手方向にｔ７ａの空間幅が確保される。なお、ｔ７ｂと、ｔ７ｃとは、同じ長さである。   As shown in FIG. 1, the vibration gyro sensor element 10 includes a so-called cantilever vibrator 11. The vibrator 11 is formed as a beam having the other end fixed by providing a peripheral space 12 around the vibrator 11 from an element having a thickness t1, a length t2, and a width t3 cut out from the silicon single crystal substrate. The vibrator 11 has a space width of t7b and t7c in a direction perpendicular to the longitudinal direction and a space width of t7a in the longitudinal direction. Note that t7b and t7c have the same length.

このような振動子１１は、長手方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状が直角四辺形となる四角柱状に形成されている。   Such a vibrator 11 is formed in a quadrangular prism shape in which a cross-sectional shape when cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction is a right-angled quadrilateral.

振動型ジャイロセンサ素子１０の大きさは、例えば、上述したように素子の厚みをｔ１、素子の長さをｔ２、素子の幅をｔ３とすると、ｔ１＝３００μｍ、ｔ２＝３ｍｍ、ｔ３＝１ｍｍとすることができる。また、この時の振動子１１の大きさは、図３に示すように振動子の厚みをｔ４、振動子の長さをｔ５、振動子の幅をｔ６とすると、例えば、ｔ４＝１００μｍ、ｔ５＝２．５ｍｍ、ｔ６＝１００μｍとすることができる。   The size of the vibration-type gyro sensor element 10 is, for example, as described above, where the element thickness is t1, the element length is t2, and the element width is t3, t1 = 300 μm, t2 = 3 mm, t3 = 1 mm. can do. Further, as shown in FIG. 3, the size of the vibrator 11 at this time is, for example, t4 = 100 μm, t5 when the thickness of the vibrator is t4, the length of the vibrator is t5, and the width of the vibrator is t6. = 2.5 mm and t6 = 100 μm.

図４に、振動型ジャイロセンサ素子１０の平面図を示す。図４に示すように、振動子１１の上部には、基準電極４ａ、圧電体５ａが順に積層され、さらに圧電体５ａ上に駆動電極６ａと、駆動電極６ａを挟む形で一対の検出電極６ｂ，６ｃとが、振動子１１の長手方向に沿って互いに平行に、且つ接触しないように形成されている。駆動電極６ａ，検出電極６ｂ，６ｃ、基準電極４ａには、それぞれ配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが設けられている。   FIG. 4 is a plan view of the vibration type gyro sensor element 10. As shown in FIG. 4, a reference electrode 4a and a piezoelectric body 5a are sequentially stacked on the vibrator 11, and a driving electrode 6a and a pair of detection electrodes 6b are sandwiched between the driving electrode 6a and the piezoelectric body 5a. , 6c are formed in parallel with each other along the longitudinal direction of the vibrator 11 so as not to contact each other. The drive electrode 6a, the detection electrodes 6b and 6c, and the reference electrode 4a are provided with wiring connection terminals A, B, C, and D, respectively.

圧電体５ａは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスや、水晶、ＬａＴａＯ３などの圧電単結晶などからなる薄膜である。 The piezoelectric body 5a is a thin film made of, for example, piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT), crystal, piezoelectric single crystal such as LaTaO 3, and the like.

このような、振動型ジャイロセンサ素子１０は、図２に示すＩＣ回路４０に接続されることで動作し、角速度に応じて発生するコリオリ力を検出する角速度センサ５０として機能する。   Such a vibration type gyro sensor element 10 operates by being connected to the IC circuit 40 shown in FIG. 2, and functions as an angular velocity sensor 50 that detects Coriolis force generated according to the angular velocity.

ＩＣ回路４０は、加算回路４１と、増幅回路４２と、移相回路４３と、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）４４と、差動増幅回路４５と、同期検波回路４６と、平滑回路４７とを備えている。   The IC circuit 40 includes an adder circuit 41, an amplifier circuit 42, a phase shift circuit 43, an AGC (Automatic Gain Control) 44, a differential amplifier circuit 45, a synchronous detection circuit 46, and a smoothing circuit 47. Yes.

振動型ジャイロセンサ素子１０の１対の検出電極６ｂ，６ｃは、それぞれ配線接続端子Ｂ，Ｃを介して、加算回路４１と、差動増幅回路４５に接続される。また、振動型ジャイロセンサ素子１０の駆動電極６ａは、配線接続端子Ａを介して、ＡＧＣ４４の出力端と接続される。   The pair of detection electrodes 6b and 6c of the vibration type gyro sensor element 10 are connected to the adder circuit 41 and the differential amplifier circuit 45 via the wiring connection terminals B and C, respectively. Further, the drive electrode 6 a of the vibration type gyro sensor element 10 is connected to the output end of the AGC 44 via the wiring connection terminal A.

角速度センサ５０では、加算回路４１、増幅回路４２、移相回路４３、ＡＧＣ４４及び振動型ジャイロセンサ素子１０によっていわゆる移相発振回路が構成されており、この移相発振回路によって振動型ジャイロセンサ素子１０の基準電極４ａ、駆動電極６ａ間に電圧が印加され振動子１１を自励振動させる。振動子１１の振動方向は、当該振動子１１の厚み方向となる。   In the angular velocity sensor 50, a so-called phase shift oscillation circuit is configured by the adder circuit 41, the amplifier circuit 42, the phase shift circuit 43, the AGC 44, and the vibration type gyro sensor element 10, and the vibration type gyro sensor element 10 is configured by this phase shift oscillation circuit. A voltage is applied between the reference electrode 4a and the drive electrode 6a to cause the vibrator 11 to self-oscillate. The vibration direction of the vibrator 11 is the thickness direction of the vibrator 11.

また、角速度センサ５０では、１対の検出電極６ｂ，６ｃが配線接続端子Ｂ，Ｃを介して接続された加算回路４１、差動増幅回路４５の出力端が、同期検波回路４６に接続され、この同期検波回路４６が平滑回路４７に接続されており、これらと、圧電体５ａとで、振動子１１の角速度を検出する検出部として機能する。   Further, in the angular velocity sensor 50, the output terminal of the adder circuit 41 and the differential amplifier circuit 45 in which the pair of detection electrodes 6b and 6c are connected via the wiring connection terminals B and C are connected to the synchronous detection circuit 46, The synchronous detection circuit 46 is connected to the smoothing circuit 47, and these and the piezoelectric body 5a function as a detection unit that detects the angular velocity of the vibrator 11.

すなわち、図２に示す角速度センサ５０では、振動型ジャイロセンサ素子１０の振動子１１を上述した移相発振回路で自励振動させている際に、振動子１１の長手方向に角速度が加えられることで振動方向に垂直な方向に発生するコリオリ力を、圧電体５ａで検出し、検出電極６ｂ，６ｃから互いに逆極性の信号として出力し、差動増幅回路４５に入力する。差動増幅回路４５にて増幅された出力は、同期検波回路４６に入力され、同期検波が行われる。このとき、同期検波回路４６には、同期検波を行うために、加算器４１からの出力が同期信号として供給される。そして、同期検波回路４６からの出力が、平滑回路４７を介して、振動子１１に生じたコリオリ力を検出することにより得られた直流信号である角速度信号として出力される。   That is, in the angular velocity sensor 50 shown in FIG. 2, the angular velocity is applied in the longitudinal direction of the vibrator 11 when the vibrator 11 of the vibration type gyro sensor element 10 is self-excited by the phase-shift oscillation circuit described above. Then, the Coriolis force generated in the direction perpendicular to the vibration direction is detected by the piezoelectric body 5 a, output as signals having opposite polarities from the detection electrodes 6 b and 6 c, and input to the differential amplifier circuit 45. The output amplified by the differential amplifier circuit 45 is input to the synchronous detection circuit 46, where synchronous detection is performed. At this time, the output from the adder 41 is supplied to the synchronous detection circuit 46 as a synchronous signal in order to perform synchronous detection. The output from the synchronous detection circuit 46 is output as an angular velocity signal that is a DC signal obtained by detecting the Coriolis force generated in the vibrator 11 via the smoothing circuit 47.

以上のように、角速度センサ５０では、圧電体５ａを用いて振動子１１を振動させるとともに、振動子１１に生じるコリオリ力を圧電体５ａによって検出し、この圧電体５ａによって検出されたコリオリ力に基づいて角速度を検出することができる。   As described above, in the angular velocity sensor 50, the vibrator 11 is vibrated using the piezoelectric body 5a, the Coriolis force generated in the vibrator 11 is detected by the piezoelectric body 5a, and the Coriolis force detected by the piezoelectric body 5a is detected. Based on this, the angular velocity can be detected.

＜実施例＞
続いて、実施例として、上述した振動型ジャイロセンサ素子１０を実際に作製し、その製造方法について説明をする。 <Example>
Subsequently, as an example, the vibration gyro sensor element 10 described above is actually manufactured, and a manufacturing method thereof will be described.

上述したように、図１に示した振動型ジャイロセンサ素子１０は、単結晶シリコン基板を加工することで形成される。   As described above, the vibration type gyro sensor element 10 shown in FIG. 1 is formed by processing a single crystal silicon substrate.

図５は、振動型ジャイロセンサ素子１０を形成する際に用いる単結晶シリコン基板１の平面図であり、図６は、図５に示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した断面図である。上記単結晶シリコン基板１の一方主面１Ｂ、他方主面１Ａは、熱酸化されて、後述する結晶異方性エッチング時の保護膜とするＳｉＯ２膜が形成されている。 FIG. 5 is a plan view of the single crystal silicon substrate 1 used when forming the vibration-type gyro sensor element 10, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. . One main surface 1B and the other main surface 1A of the single crystal silicon substrate 1 are thermally oxidized to form a SiO 2 film as a protective film during crystal anisotropic etching described later.

振動型ジャイロセンサ素子１０で使用する単結晶シリコン基板１は、図５に示すように、当該単結晶シリコン基板１の一方主面１Ｂの面方位が｛１００｝、図６に示すように側面１Ｃの面方位が｛１１０｝となるように切り出されている。なお、他方主面１Ａは一方主面１Ｂと平行であるため、他方主面１Ａの面方位も｛１００｝となっている。   As shown in FIG. 5, the single crystal silicon substrate 1 used in the vibration type gyro sensor element 10 has a {100} plane orientation of one main surface 1B of the single crystal silicon substrate 1, and a side surface 1C as shown in FIG. Is cut out so that the plane orientation of {110} is. Since the other main surface 1A is parallel to the one main surface 1B, the surface orientation of the other main surface 1A is also {100}.

但し、“｛ ｝”は、方向が異なる等価な面方位を総称して表すための記号であり、例えば、｛１００｝は、（１００），（０１０），（００１）などを総称しているものとする。   However, “{}” is a symbol for collectively representing equivalent plane orientations having different directions. For example, {100} is a generic name for (100), (010), (001), and the like. Shall.

このように結晶面方位を規定して切り出される単結晶シリコン基板１の大きさは、加工プロセスのラインに設けられた装置に応じて任意に設定される。例えば、本実施例では、縦×横が３ｃｍ×３ｃｍ角の単結晶シリコン基板１を用いている。   Thus, the size of the single crystal silicon substrate 1 cut out by defining the crystal plane orientation is arbitrarily set according to the apparatus provided in the processing process line. For example, in the present embodiment, a single crystal silicon substrate 1 having a length × width of 3 cm × 3 cm square is used.

また、単結晶シリコン基板１の厚みは、作業性や、当該基板の値段により決定されるが、少なくとも振動型ジャイロセンサ素子１０に形成する振動子１１の厚み以上であればよい。例えば、本実施例では、図３を用いて示したように振動子１１の厚みｔ４を１００μｍとしているので、単結晶シリコン基板１の厚みを３倍の３００μｍとしている。   Further, the thickness of the single crystal silicon substrate 1 is determined by workability and the price of the substrate, but may be at least equal to or greater than the thickness of the vibrator 11 formed in the vibration type gyro sensor element 10. For example, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the thickness t4 of the vibrator 11 is set to 100 μm, so the thickness of the single crystal silicon substrate 1 is set to 300 μm, which is three times.

図６に示すように、単結晶シリコン基板１の他方主面１Ａ及び一方主面１Ｂには、熱酸化することでＳｉＯ２膜である熱酸化膜２Ａ，２Ｂを形成する。この熱酸化膜２Ａ，２Ｂは、後述する結晶異方性エッチングを行う際の保護膜として機能する。熱酸化膜２Ａ，２Ｂの厚みは、任意であるが、本実施例では、０．１μｍとしている。また、本実施例で用いる、単結晶シリコン基板１は、伝導型としてＮ型を採用しているが、任意に決めることができる。 As shown in FIG. 6, thermal oxide films 2A and 2B, which are SiO 2 films, are formed on the other main surface 1A and one main surface 1B of the single crystal silicon substrate 1 by thermal oxidation. The thermal oxide films 2A and 2B function as protective films when performing crystal anisotropic etching described later. The thickness of the thermal oxide films 2A and 2B is arbitrary, but is 0.1 μm in this embodiment. In addition, the single crystal silicon substrate 1 used in this embodiment adopts an N type as a conduction type, but can be arbitrarily determined.

なお、以下の説明において、単結晶シリコン基板１において、熱酸化膜２Ａが形成された他方主面１Ａ側を表面とし、熱酸化膜２Ｂが形成された一方主面１Ｂ側を裏面とする。   In the following description, in the single crystal silicon substrate 1, the other main surface 1A side on which the thermal oxide film 2A is formed is the front surface, and the one main surface 1B side on which the thermal oxide film 2B is formed is the back surface.

このような単結晶シリコン基板１を用いて、まず、当該単結晶シリコン基板１の裏面において、結晶異方性エッチングを行う個所に形成されている熱酸化膜２Ｂをフォトエッチングにより除去する。   Using such a single crystal silicon substrate 1, first, the thermal oxide film 2 </ b> B formed on the back surface of the single crystal silicon substrate 1 where crystal anisotropic etching is performed is removed by photoetching.

フォトエッチングは、熱酸化膜２Ｂ上に、上記除去する個所が開口したレジスト膜パターンを形成する工程（フォトリソグラフィー）と、上記パターンを用いて熱酸化膜２Ｂを除去する工程（エッチング）とに大別される。   Photoetching is largely divided into a process (photolithography) for forming a resist film pattern with openings to be removed on the thermal oxide film 2B and a process (etching) for removing the thermal oxide film 2B using the pattern. Separated.

図７は、単結晶シリコン基板１の熱酸化膜２Ｂ上にレジスト膜パターン３が形成された様子を示した平面図であり、図８は、図７で示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した際の断面図である。   FIG. 7 is a plan view showing a state in which the resist film pattern 3 is formed on the thermal oxide film 2B of the single crystal silicon substrate 1, and FIG. 8 shows the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting.

図７に示すように、熱酸化膜２Ｂ上に形成されたレジスト膜パターン３は、｛１１０｝面と垂直な方向の長さをｔ８とし、｛１１０｝面と平行な方向の長さをｔ９とするｔ８×ｔ９のサイズ長方形状をした開口部３ａが所定の間隔を持って規則的に配列されたパターンとなっている。本実施例では、３×５個の開口部３ａが形成されたパターンとしている。開口部３ａの、それぞれが１つの振動型ジャイロセンサ素子１０となる。   As shown in FIG. 7, in the resist film pattern 3 formed on the thermal oxide film 2B, the length in the direction perpendicular to the {110} plane is t8, and the length in the direction parallel to the {110} plane is t9. The openings 3a having a rectangular shape of t8 × t9 are regularly arranged with a predetermined interval. In the present embodiment, a pattern in which 3 × 5 openings 3a are formed. Each of the openings 3 a becomes one vibration type gyro sensor element 10.

このレジスト膜パターン３は、半導体加工プロセスで利用されているフォトリソグラフィーと全く同様にして、熱酸化膜２Ｂ上をマイクロ波で加熱して水分を除去するプレベーキングを行ってから、感光性樹脂であるフォトレジスト膜を塗布し、上記開口部３ａを形成するための上記パターンが形成されたマスクをフォトレジスト膜に露光し、現像をするという工程を経ることで形成される。   This resist film pattern 3 is made of a photosensitive resin after pre-baking to remove moisture by heating the thermal oxide film 2B with microwaves in exactly the same manner as photolithography used in the semiconductor processing process. It is formed by applying a photoresist film, exposing the photoresist film to a mask on which the pattern for forming the opening 3a is formed, and developing the mask.

開口部３ａの大きさを決めるｔ８、ｔ９は、振動型ジャイロセンサ素子１０の振動子１１の形状と、単結晶シリコン基板１０の厚みｔ１、図１で示した振動子の空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃによって決定される。なお、ｔ８，ｔ９の具体的な数値については、後で詳細に説明をする。   T8 and t9 which determine the size of the opening 3a are the shape of the vibrator 11 of the vibration type gyro sensor element 10, the thickness t1 of the single crystal silicon substrate 10, and the spatial widths t7a, t7b of the vibrator shown in FIG. determined by t7c. Specific values of t8 and t9 will be described later in detail.

このようにして、図８に示すように、単結晶シリコン基板１の熱酸化膜２Ｂ上には、レジスト膜パターン３が形成されることになる。   In this manner, as shown in FIG. 8, a resist film pattern 3 is formed on the thermal oxide film 2B of the single crystal silicon substrate 1.

続いて、レジスト膜パターン３によって形成された開口部３ａの熱酸化膜２Ｂをエッチングにより除去する。図９は、レジスト膜パターン３によって形成された開口部３ａの個所の熱酸化膜２Ｂのみが除去された単結晶シリコン基板１の様子を示した平面図であり、図１０は、図９で示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した際の断面図である。   Subsequently, the thermal oxide film 2B in the opening 3a formed by the resist film pattern 3 is removed by etching. FIG. 9 is a plan view showing a state of the single crystal silicon substrate 1 from which only the thermal oxide film 2B at the opening 3a formed by the resist film pattern 3 has been removed, and FIG. 10 is shown in FIG. It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting the single crystal silicon substrate 1 by XX line.

熱酸化膜２Ｂの除去する場合のエッチングは、イオンエッチング等の物理的エッチングでもよいし、湿式エッチングでもよいが、単結晶シリコン基板１の界面の平滑性を考慮すると熱酸化膜２Ｂのみが除去される湿式エッチングが好適である。   Etching for removing the thermal oxide film 2B may be physical etching such as ion etching or wet etching, but considering the smoothness of the interface of the single crystal silicon substrate 1, only the thermal oxide film 2B is removed. Wet etching is preferred.

本実施例では、湿式エッチングの薬液としてフッ化アンモニウムを用いた。ただし、湿式エッチングの場合、長時間エッチングを行うと開口部分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が大きくなるため、熱酸化膜２Ｂの開口部分３ａのみが除去された時点で終了するようエッチング時間を正確に制御する。   In this example, ammonium fluoride was used as a chemical solution for wet etching. However, in the case of wet etching, when etching is performed for a long time, etching proceeds from the side surface of the opening portion, so-called side etching becomes large. Therefore, the etching is finished so that only the opening portion 3a of the thermal oxide film 2B is removed. Control time accurately.

このようにして、レジスト膜パターン３の開口部３ａに位置する熱酸化膜２Ｂは、図１０に示すように除去される。   In this way, the thermal oxide film 2B located in the opening 3a of the resist film pattern 3 is removed as shown in FIG.

続いて、上述したエッチングにより、熱酸化膜２Ｂが除去されることで、レジスト膜パターン３の開口部３ａと同じ大きさのｔ８×ｔ９の開口部２Ｂａで｛１００｝面が露出した単結晶シリコン基板１に対して、湿式エッチングを施し、単結晶シリコン基板１の厚みを振動子１１の厚みであるｔ４まで削り取る。   Subsequently, by removing the thermal oxide film 2B by the above-described etching, single crystal silicon in which the {100} plane is exposed at the opening 2Ba of t8 × t9 having the same size as the opening 3a of the resist film pattern 3 The substrate 1 is subjected to wet etching, and the thickness of the single crystal silicon substrate 1 is cut down to t4 which is the thickness of the vibrator 11.

図１１は、単結晶シリコン基板１において、熱酸化膜２Ｂが除去され、｛１００｝面が露出したｔ８×ｔ９の大きさの開口部２Ｂａのみがエッチングされた様子を示した平面図であり、図１２は、図１１で示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した際の断面図である。また、図１３は、図１２に示す領域Ａを拡大して示した図である。   FIG. 11 is a plan view showing a state in which the thermal oxide film 2B is removed from the single crystal silicon substrate 1 and only the opening 2Ba having a size of t8 × t9 where the {100} plane is exposed is etched. 12 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. 11 taken along the line XX. FIG. 13 is an enlarged view of the area A shown in FIG.

ここで、単結晶シリコン基板１に対して施される湿式エッチングは、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エッチングである。熱酸化膜２Ｂが除去され、｛１００｝面が露出した上記開口部２Ｂａに対して、結晶異方性エッチングをすると、図１３に示すように｛１００｝面に対して約５５度の角度の面方位となる｛１１１｝面が現れ、振動子１１の厚みであるｔ４分を確保するようにエッチングを終了することで、いわゆるダイヤフラム形状となる。   Here, the wet etching performed on the single crystal silicon substrate 1 is crystal anisotropic etching utilizing the property that the etching rate depends on the crystal direction. When the anisotropic oxide etching is performed on the opening 2Ba where the thermal oxide film 2B is removed and the {100} plane is exposed, an angle of about 55 degrees with respect to the {100} plane is obtained as shown in FIG. The {111} plane that becomes the plane orientation appears, and the etching is finished so as to ensure t4 which is the thickness of the vibrator 11, so that a so-called diaphragm shape is obtained.

一般に、単結晶シリコンは、その結晶構造から、｛１１１｝面が、｛１００｝面に較べ、非常にエッチングされにくいという結晶方向に対するエッチング速度依存性がある。具体的には、単結晶シリコンの｛１００｝面のエッチング速度は、｛１１１｝面のエッチング速度の２００倍程度となっている。   In general, single crystal silicon has an etching rate dependency with respect to a crystal direction that a {111} plane is very difficult to be etched compared to a {100} plane because of its crystal structure. Specifically, the etching rate of {100} plane of single crystal silicon is about 200 times the etching rate of {111} plane.

単結晶シリコンに対して結晶異方性エッチングを施す際に使用可能なエッチング液は、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＥＤＰ（エチレンジアミン-ピロカテコール-水）、ヒトラジンなどである。   Etching solutions that can be used when crystal anisotropic etching is performed on single crystal silicon include TMAH (tetramethylammonium hydroxide), KOH (potassium hydroxide), EDP (ethylenediamine-pyrocatechol-water), humanradine, etc. It is.

本実施例では、エッチング液として熱酸化膜２Ａと、熱酸化膜２Ｂとのエッチングレートの選択比がより大きくなるＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）２０％溶液を使用した。エッチング時には、エッチング液を攪拌しながら温度を８０℃に保ち、６時間かけてダイヤフラムの深さｔ１０が２００μｍ、つまりエッチングすることで残る単結晶シリコン基板１の厚みｔ１１が、振動子１１の厚みｔ４と同じ、１００μｍとなるまでエッチングした。   In this example, a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) 20% solution in which the selectivity of the etching rate between the thermal oxide film 2A and the thermal oxide film 2B is larger is used as the etchant. During etching, the temperature is maintained at 80 ° C. while stirring the etching solution, and the diaphragm depth t10 is 200 μm over 6 hours, that is, the thickness t11 of the single crystal silicon substrate 1 remaining after etching is the thickness t4 of the vibrator 11. Etching was performed until the thickness became 100 μm.

ここで、結晶異方性エッチングを施すために、図７を用いて説明したレジスト膜パターン３によって形成した開口部３ａのサイズを規定するｔ８、ｔ９の数値について具体的に説明をする。   Here, in order to perform crystal anisotropic etching, numerical values of t8 and t9 that define the size of the opening 3a formed by the resist film pattern 3 described with reference to FIG. 7 will be specifically described.

開口部３ａの幅ｔ９、つまりエッチング後のダイヤフラムの幅は、図１３に示すようにｔ９＝ｔ９ａ＋ｔ９ｂ＋ｔ９ｃとなっている。   The width t9 of the opening 3a, that is, the width of the diaphragm after etching is t9 = t9a + t9b + t9c as shown in FIG.

ｔ９ｃは、図３で示した振動子１１の幅ｔ６と、図１で示した振動子１１の周辺に形成する周囲空間１２の空間幅ｔ７ｂ、ｔ７ｃを用いて、ｔ９ｃ＝ｔ６＋ｔ７ｂ＋ｔ７ｃと表すことができる。   t9c can be expressed as t9c = t6 + t7b + t7c using the width t6 of the vibrator 11 shown in FIG. 3 and the space widths t7b and t7c of the surrounding space 12 formed around the vibrator 11 shown in FIG. .

また、ｔ９ａ，ｔ９ｂは、それぞれ同じ長さであり、図１３に示すように、結晶異方性エッチングを施した際に現れる｛１１１｝面と、単結晶シリコン基板１の裏面である｛１００｝面とが５５度の角度をなしていることから、ダイヤフラムの深さｔ１０を用いてｔ９ａ＝ｔ９ｂ＝ｔ１０×１／ｔａｎ５５°と表すことができる。   Further, t9a and t9b have the same length, and as shown in FIG. 13, the {111} plane that appears when the crystal anisotropic etching is performed and the back surface of the single crystal silicon substrate 1 {100} Since the surface forms an angle of 55 degrees, it can be expressed as t9a = t9b = t10 × 1 / tan55 ° using the depth t10 of the diaphragm.

したがって、開口部３ａの幅ｔ９は、ｔ９＝｛ｔ１０×１／ｔａｎ５５°｝×２＋（ｔ６＋ｔ７ｂ＋ｔ７ｃ）となる。ここで、ｔ６＝１００μｍ、ｔ７ｂ＝ｔ７ｃ＝２００μｍ、ｔ１０＝２００μｍとすると、ｔ９＝７８０μｍとなる。   Accordingly, the width t9 of the opening 3a is t9 = {t10 × 1 / tan55 °} × 2 + (t6 + t7b + t7c). Here, when t6 = 100 μm, t7b = t7c = 200 μm, and t10 = 200 μm, t9 = 780 μm.

上述したような結晶性異方エッチングを行うと、レジスト膜パターン３の開口部３ａにおけるｔ８方向にもｔ９方向と同様に、｛１００｝面と５５度の角度をなす｛１１１｝面が現れる。したがって、開口部の長さｔ８、つまりエッチング後のダイヤフラムの長さは、図３で示した振動子１１の長さｔ５、図１で示した振動子１１の周辺に形成する周囲空間１２の空間幅ｔ７ａを用いて、ｔ８＝｛ｔ１０×１／ｔａｎ５５°｝×２＋（ｔ５＋ｔ７ａ）となる。ここで、ｔ５＝２．５ｍｍ、ｔ７ａ＝２００μｍ、ｔ１０＝２００μｍとすると、ｔ８＝２９８０μｍとなる。   When the crystalline anisotropic etching as described above is performed, a {111} plane that forms an angle of 55 degrees with the {100} plane appears in the t8 direction in the opening 3a of the resist film pattern 3 as in the t9 direction. Therefore, the length t8 of the opening, that is, the length of the diaphragm after etching is the length t5 of the vibrator 11 shown in FIG. 3, and the space of the surrounding space 12 formed around the vibrator 11 shown in FIG. Using the width t7a, t8 = {t10 × 1 / tan55 °} × 2 + (t5 + t7a). Here, when t5 = 2.5 mm, t7a = 200 μm, and t10 = 200 μm, t8 = 2980 μm.

上述までの説明では、単結晶シリコン基板１全体を図示しながら説明をしたが、説明の都合上、以下の説明においては、図１１に領域Ｗとして示すダイヤフラムが形成された単結晶シリコン基板１のみを用いて説明をする。また、以下の説明では、熱酸化膜２Ａ側に対する加工工程となるため、表面である熱酸化膜２Ａ側を上面にした平面図、及びこの平面図を所定の位置で切断した断面図を用いて説明をする。   In the above description, the entire single crystal silicon substrate 1 has been described with reference to the drawings. However, for convenience of description, in the following description, only the single crystal silicon substrate 1 on which the diaphragm shown as the region W in FIG. This will be explained using. Further, in the following description, since it is a processing process for the thermal oxide film 2A side, a plan view with the thermal oxide film 2A side as a top surface and a cross-sectional view of this plan view cut at a predetermined position is used. Explain.

具体的には、図１１に示す領域Ｗのダイヤフラムが形成された単結晶シリコン基板１を、熱酸化膜２Ａを上面とすると、図１４のような平面図となり、ＸＸ線で切断される断面図は、図１５のようになる。   Specifically, when the single crystal silicon substrate 1 on which the diaphragm in the region W shown in FIG. 11 is formed has the thermal oxide film 2A as an upper surface, a plan view as shown in FIG. Is as shown in FIG.

続いて、熱酸化膜２Ａ上に、図１で示した基準電極４ａ、圧電体５ａ、駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃを形成するために下部電極膜、圧電膜、上部電極膜を成膜する。単結晶シリコン基板１の熱酸化膜２Ａ上に、下部電極膜４、圧電膜５、上部電極膜６を順に成膜すると、その平面図は図１６のようになり、図１６に示すＸＸ線で切断した断面図は図１７に示すようになる。   Subsequently, a lower electrode film, a piezoelectric film, and an upper electrode film are formed on the thermal oxide film 2A to form the reference electrode 4a, the piezoelectric body 5a, the drive electrode 6a, and the detection electrodes 6b and 6c shown in FIG. To do. When the lower electrode film 4, the piezoelectric film 5, and the upper electrode film 6 are sequentially formed on the thermal oxide film 2A of the single crystal silicon substrate 1, the plan view is as shown in FIG. The cut sectional view is as shown in FIG.

本実施例では、下部電極膜４、圧電膜５、上部電極膜６を、全て、マグネトロンスパッタ装置を用いて成膜した。   In this example, the lower electrode film 4, the piezoelectric film 5, and the upper electrode film 6 were all formed using a magnetron sputtering apparatus.

まず、熱酸化膜２Ａ上に、下部電極膜４を成膜する。本実施例では、まず、マグネトロンスパッタ装置の条件を、ガス圧：０．５Ｐａ、ＲＦパワー：１ｋＷとして、熱酸化膜２Ａ上にチタン（Ｔｉ）を膜厚が５０ｎｍとなるように成膜した。続いて、成膜したチタン（Ｔｉ）の上に、装置の条件をガス圧：０．５Ｐａ、ＲＦパワー：０．５ｋＷとして、プラチナ（Ｐｔ）を膜厚が２００ｎｍとなるように成膜した。つまり、チタンと、プラチナとを上記膜厚となるように成膜して下部電極膜４を形成している。   First, the lower electrode film 4 is formed on the thermal oxide film 2A. In this example, first, the conditions of the magnetron sputtering apparatus were set to gas pressure: 0.5 Pa, RF power: 1 kW, and titanium (Ti) was formed on the thermal oxide film 2A so as to have a film thickness of 50 nm. Subsequently, platinum (Pt) was formed on the formed titanium (Ti) so that the film thickness was 200 nm under the apparatus conditions of gas pressure: 0.5 Pa and RF power: 0.5 kW. That is, the lower electrode film 4 is formed by depositing titanium and platinum to the above thickness.

次に、下部電極膜４上に圧電膜５を成膜する。本実施例では、まず、Ｐｂ（１＋ｘ）（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３−ｙ酸化物をターゲットとして用い、マグネトロンスパッタ装置の条件を、常温、ガス圧：０．７Ｐａ、ＲＦパワー：０．５ｋＷとして、下層電極４として成膜されたプラチナ（Ｐｔ）上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電体薄膜を膜厚が１μｍとなるように成膜した。続いて、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を成膜した単結晶シリコン基板１を電気炉に入れ、酸素雰囲気下、７００℃、１０分間という条件で結晶化熱処理を行うことで圧電膜５を形成した。 Next, a piezoelectric film 5 is formed on the lower electrode film 4. In this example, first, Pb (1 + x) (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3-y oxide was used as a target, and the conditions of the magnetron sputtering apparatus were normal temperature, gas pressure: 0.7 Pa, RF power. : A piezoelectric thin film of lead zirconate titanate (PZT) was formed on platinum (Pt) formed as the lower layer electrode 4 so as to have a thickness of 1 μm at 0.5 kW. Subsequently, the single crystal silicon substrate 1 on which lead zirconate titanate (PZT) is formed is placed in an electric furnace, and a crystallization heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 700 ° C. for 10 minutes to form the piezoelectric film 5. did.

最後に、圧電膜５上に上部電極膜６を成膜する。本実施例では、マグネトロンスパッタ装置の条件を、ガス圧０．５Ｐａ、ＲＦパワー：０．５ｋＷとして、圧電膜５上にプラチナ（Ｐｔ）を膜圧が２００ｎｍとなるように成膜した。   Finally, the upper electrode film 6 is formed on the piezoelectric film 5. In this example, the conditions of the magnetron sputtering apparatus were such that the gas pressure was 0.5 Pa and the RF power was 0.5 kW, and platinum (Pt) was formed on the piezoelectric film 5 so that the film pressure was 200 nm.

次に、上部電極膜６を加工して駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃを形成する。図１８は、駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃが形成された単結晶シリコン基板１の様子を示した平面図であり、図１９は、図１８で示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した際の断面図である。   Next, the upper electrode film 6 is processed to form drive electrodes 6a and detection electrodes 6b and 6c. 18 is a plan view showing a state of the single crystal silicon substrate 1 on which the drive electrodes 6a and the detection electrodes 6b and 6c are formed. FIG. 19 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. It is sectional drawing at the time of doing.

駆動電極６ａは、上述したように振動子１１を駆動するための電圧を印加する電極であり、振動子１１の中心となるように形成される。また、検出電極６ｂ，６ｃは、上述したように振動子１１に発生したコリオリ力を検出するための電極であり、駆動電極６aを挟むように駆動電極６ａと平行に、且つ接触しないように、振動子１１に形成される。   The drive electrode 6 a is an electrode for applying a voltage for driving the vibrator 11 as described above, and is formed to be the center of the vibrator 11. Further, the detection electrodes 6b and 6c are electrodes for detecting the Coriolis force generated in the vibrator 11 as described above, and in parallel with the drive electrode 6a so as to sandwich the drive electrode 6a, and so as not to contact with each other. Formed on the vibrator 11.

また、図１８に示すように、駆動電極６ａ，検出電極６ｂ，６ｃは、その一方端部が、振動子１１の根元である根元ラインＲと一致するように形成され、各電極の上記一方端部には、それぞれ端子接合部６ａ１，６ｂ１，６ｃ１が形成される。 As shown in FIG. 18, the drive electrode 6a and the detection electrodes 6b, 6c are formed so that one end thereof coincides with the root line R that is the root of the vibrator 11, and the one end of each electrode is formed. Terminal junctions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 are formed in the parts, respectively.

本実施例では、駆動電極６ａの幅ｔ１３を５０μｍ、検出電極６ｂ，６ｃの幅ｔ１４を１０μｍ、駆動電極６ａ及び検出電極６ｂ，６ｃの長さｔ１２を２ｍｍ、検出電極６ｂ，６ｃの駆動電極６ａとの間隔ｔ１５をそれぞれ５μｍとした。この駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃは、振動子１１上に形成される範囲であれば、任意の大きさに設計することができる。また、本実施例では、端子接合部６ａ１，６ｂ１，６ｃ１のそれぞれの長さｔ１６を５０μｍ、幅ｔ１７を５０μｍとした。 In the present embodiment, the width t13 of the drive electrode 6a is 50 μm, the width t14 of the detection electrodes 6b and 6c is 10 μm, the length t12 of the drive electrode 6a and the detection electrodes 6b and 6c is 2 mm, and the drive electrode 6a of the detection electrodes 6b and 6c. The distance t15 between each of the two was 5 μm. The drive electrode 6a and the detection electrodes 6b and 6c can be designed to have any size as long as they are formed on the vibrator 11. In this embodiment, the length t16 of each of the terminal joint portions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 is 50 μm, and the width t17 is 50 μm.

本実施例では、駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃ及び端子接合部６ａ１，６ｂ１，６ｃ１を、フォトリソグラフィー技術を用いて、上部電極膜６上にレジスト膜パターンを形成した後、イオンエッチングにより不要な部分の電極膜６を除去することで形成した。 In this embodiment, the drive electrode 6a, the detection electrodes 6b and 6c, and the terminal junctions 6a 1 , 6b 1 and 6c 1 are formed on the upper electrode film 6 by using a photolithography technique, and then ion ions are formed. An unnecessary portion of the electrode film 6 was removed by etching.

本発明は、この駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃ及び端子接合部６ａ１，６ｂ１，６ｃ１を形成する際の手法に限定されるものではなく、上述した手法以外にも様々な手法を適用することができる。 The present invention is not limited to the method for forming the drive electrode 6a, the detection electrodes 6b and 6c, and the terminal joints 6a 1 , 6b 1 and 6c 1, and various methods other than the above-described methods can be used. Can be applied.

次に、圧電膜５を加工して振動子１１上に圧電体５ａを形成する。図２０は、圧電膜５を加工して圧電体５ａが形成された単結晶シリコン基板１の様子を示した平面図であり、図２１は、図２０で示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した際の断面図である。   Next, the piezoelectric film 5 is processed to form a piezoelectric body 5 a on the vibrator 11. 20 is a plan view showing a state of the single crystal silicon substrate 1 on which the piezoelectric body 5a is formed by processing the piezoelectric film 5, and FIG. 21 shows the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting.

圧電体５ａは、上部電極膜６を加工して形成した駆動電極６ａ，検出電極６ｂ，６ｃを完全に覆うような形状であればどのような形状であってもかまわない。   The piezoelectric body 5a may have any shape as long as it completely covers the drive electrode 6a and the detection electrodes 6b and 6c formed by processing the upper electrode film 6.

本実施例では、圧電体５ａの長さｔ１８を２．２ｍｍ、幅ｔ１９を９０μｍとした。このような大きさの圧電体５aは、その中心が振動子１１の中心と一致し、一方端部が、振動子１１の根元である根元ラインＲと一致させるようにする。   In this embodiment, the length t18 of the piezoelectric body 5a is 2.2 mm, and the width t19 is 90 μm. The piezoelectric body 5 a having such a size is arranged such that its center coincides with the center of the vibrator 11 and one end thereof coincides with the root line R that is the root of the vibrator 11.

圧電体５aの幅ｔ１８は、振動子１１の幅ｔ４以下の幅である必要がある。また、本実施例では、上述した端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１の下に圧電膜５を、端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１の各外周より５μｍの幅を持たせて残してある。この端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１の下に残される圧電膜５は、振動型ジャイロセンサ素子１０全体の形状サイズにより任意に設定されることになる。 The width t18 of the piezoelectric body 5a needs to be equal to or smaller than the width t4 of the vibrator 11. Further, in this embodiment, the piezoelectric film 5 is provided under the terminal joint portions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 described above, and a width of 5 μm is provided from each outer periphery of the terminal joint portions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1. It is left. The piezoelectric film 5 remaining under the terminal joints 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 is arbitrarily set depending on the overall shape size of the vibration type gyro sensor element 10.

本実施例では、フォトリソグラフィー技術を用いて、圧電体５ａ及び端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１の下に残す圧電膜５の形状のレジスト膜パターンを形成した後、フッ硝酸溶液による湿式エッチングにより不要な部分の圧電膜５を除去することで、圧電体５ａを形成した。 In this embodiment, a photolithography technique is used to form a resist film pattern in the shape of the piezoelectric film 5 to be left under the piezoelectric body 5a and the terminal joints 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 , and then wet using a hydrofluoric acid solution. The piezoelectric body 5a was formed by removing the unnecessary portion of the piezoelectric film 5 by etching.

上述したように、本実施例では、圧電体５ａを形成するために圧電膜５の不要部分を除去する手法を湿式エッチングとしているが、本発明にはこれに限定されるものではなく、物理的なエッチングであるイオンエッチングによる除去方法や、化学的な作用と物理的な作用でエッチングする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）による除去方法などを適用することができる。   As described above, in this embodiment, the technique for removing unnecessary portions of the piezoelectric film 5 in order to form the piezoelectric body 5a is wet etching. However, the present invention is not limited to this, and is physically limited. A removal method using ion etching, which is an effective etching, or a removal method using reactive ion etching (RIE) that performs etching by chemical action and physical action can be applied.

次に、下部電極膜４を加工して、振動子１１上に基準電極４ａを形成する。図２２は、下部電極膜４を加工して基準電極４ａが形成された単結晶シリコン基板１の様子を示した平面図であり、図２３は、図２２で示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した際の断面図である。   Next, the lower electrode film 4 is processed to form the reference electrode 4 a on the vibrator 11. FIG. 22 is a plan view showing a state of the single crystal silicon substrate 1 on which the reference electrode 4a is formed by processing the lower electrode film 4, and FIG. 23 shows the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting by.

基準電極４ａは、圧電膜５を加工して形成した圧電体５ａを完全に覆うような形状であればどのような形状であってもかまわない。   The reference electrode 4a may have any shape as long as it completely covers the piezoelectric body 5a formed by processing the piezoelectric film 5.

本実施例では、基準電極４ａの長さｔ２０を２．３ｍｍとし、幅ｔ２１を９４μｍとした。このような基準電極４aは、その中心が振動子１１の中心と一致し、一方端部を、振動子１１の根元である根元ラインＲと一致させるようにする。   In this example, the length t20 of the reference electrode 4a was 2.3 mm, and the width t21 was 94 μm. Such a reference electrode 4 a has its center coincident with the center of the vibrator 11 and one end thereof coincides with the root line R that is the root of the vibrator 11.

基準電極４ａの幅ｔ２０は、振動子１１の幅ｔ４以下の幅である必要がある。また、本実施例では、上述したように除去しなかった圧電膜５の下の下部電極膜４を、上記圧電膜５の外周より５μｍの幅を持たせて残してある。この幅に関しては振動型ジャイロセンサ素子１０全体の形状サイズにより任意に設定されることになる。   The width t20 of the reference electrode 4a needs to be equal to or smaller than the width t4 of the vibrator 11. In this embodiment, the lower electrode film 4 under the piezoelectric film 5 that has not been removed as described above is left with a width of 5 μm from the outer periphery of the piezoelectric film 5. This width is arbitrarily set depending on the overall shape size of the vibration type gyro sensor element 10.

また、基準電極４ａと、外部との電気的接合を図るため、図２２に示すように下部電極膜４によって配線接続端子Ｄが形成されている。上述したように、圧電膜５の下に残された下部電極膜４を介して基準電極４ａと、配線接続端子Ｄとは、電気的に接続されている。   Further, in order to electrically connect the reference electrode 4a and the outside, a wiring connection terminal D is formed by the lower electrode film 4 as shown in FIG. As described above, the reference electrode 4 a and the wiring connection terminal D are electrically connected via the lower electrode film 4 left under the piezoelectric film 5.

本実施例では、振動型ジャイロセンサ素子１０と、外部との電気的な接続は、ワイヤーボンディングにより行うことを前提としているため、配線接続端子Ｄの実際に配線される端子部をワイヤーボンディング時に必要となる面積分だけ確保する。   In this embodiment, since it is assumed that the electrical connection between the vibration type gyro sensor element 10 and the outside is performed by wire bonding, a terminal portion to be actually wired of the wiring connection terminal D is necessary at the time of wire bonding. Secure only the required area.

本実施例では、配線接続端子Ｄの端子部の長さｔ２２を２００μｍ、幅ｔ２３を１００μｍとした。振動型ジャイロセンサ素子１０の外部との接合に関しては、接合方法も含めて任意であり、採用する接合方法に応じて、配線接続端子Ｄの形状を最適となるように設定する。   In this embodiment, the length t22 of the terminal portion of the wiring connection terminal D is 200 μm, and the width t23 is 100 μm. The bonding of the vibration type gyro sensor element 10 to the outside is arbitrary including the bonding method, and the shape of the wiring connection terminal D is set to be optimum according to the bonding method employed.

本実施例では、フォトリソグラフィー技術を用いて、図２２に示すような形状となるレジスト膜パターンを形成した後、イオンエッチングにより不要な部分の下部電極膜４を除去することで基準電極４ａ、配線接続端子Ｄ、基準電極４ａと配線接続端子Ｄとを電気的に接続する下部電極膜４を形成した。   In this embodiment, a resist film pattern having a shape as shown in FIG. 22 is formed by using a photolithography technique, and then unnecessary portions of the lower electrode film 4 are removed by ion etching, whereby the reference electrode 4a and the wiring are formed. The lower electrode film 4 for electrically connecting the connection terminal D, the reference electrode 4a and the wiring connection terminal D was formed.

上述したように、本実施例では、基準電極４ａを形成するために下部電極膜４の不要部分を除去する手法を、物理的なエッチングであるイオンエッチングとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、化学的なエッチングである湿式エッチングや、化学的な作用と物理的な作用でエッチングする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）による除去方法を適用することができる。   As described above, in this embodiment, the technique for removing unnecessary portions of the lower electrode film 4 to form the reference electrode 4a is ion etching, which is physical etching. However, the present invention is not limited to this. Instead, it is possible to apply a removal method by wet etching, which is chemical etching, or reactive ion etching (RIE), in which etching is performed by chemical action and physical action.

次に、駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃの一方端部側にそれぞれ形成されている端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１と、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃとの電気的接合を円滑にするために平坦化レジスト膜７を形成する。 Next, electrical connection between the terminal connection portions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 formed on one end side of each of the drive electrode 6a and the detection electrodes 6b, 6c and the wiring connection terminals A, B, C is performed. A planarizing resist film 7 is formed for smoothness.

図２４は、平坦化レジスト膜７が形成された単結晶シリコン基板１の様子を示した平面図であり、図２５は、図２４に示す単結晶シリコン基板１をＹＹ線で切断した際の断面図である。   24 is a plan view showing a state of the single crystal silicon substrate 1 on which the planarizing resist film 7 is formed, and FIG. 25 is a cross-sectional view when the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. 24 is cut along a YY line. FIG.

上述した図２２に示すように、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃと、端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１とをそれぞれ物理的に接合する際には、圧電体５ａを形成する際に残された圧電膜５の端部と、基準電極４ａを形成する際に残された下部電極膜４の端部とをそれぞれ通過しなくてはならない。 As shown in FIG. 22 described above, when the wiring connection terminals A, B, and C and the terminal joint portions 6a 1 , 6b 1 , and 6c 1 are physically joined, the piezoelectric body 5a is formed. It must pass through the remaining end of the piezoelectric film 5 and the end of the lower electrode film 4 left when the reference electrode 4a is formed.

本実施例において、圧電体５ａは、圧電膜５を湿式エッチングによってエッチングすることで形成されており、エッチングされた端部は、単結晶シリコン基板１方向へ、逆テーパ形状、あるいは、垂直形状となっている。そのため、平坦化レジスト膜７を形成せずに、端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１と、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃとをそれぞれ電気的に接続するように配線膜を形成すると、上記端部の段差により電気的接続が断たれてしまう虞がある。 In this embodiment, the piezoelectric body 5a is formed by etching the piezoelectric film 5 by wet etching, and the etched end portion has a reverse taper shape or a vertical shape in the direction of the single crystal silicon substrate 1. It has become. Therefore, if the wiring film is formed so as to electrically connect the terminal junctions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 and the wiring connection terminals A, B, C without forming the planarizing resist film 7, There is a possibility that the electrical connection is broken by the step of the end portion.

また、基準電極４ａと電気的に接続されている下部電極膜４の端部が露出しているため、平坦化レジスト膜７を形成しないと、駆動電極６ａ，検出電極６ｂ，６ｃと、基準電極４ａとが短絡してしまうことになる。   Further, since the end portion of the lower electrode film 4 electrically connected to the reference electrode 4a is exposed, the drive electrode 6a, the detection electrodes 6b and 6c, and the reference electrode are formed unless the planarizing resist film 7 is formed. 4a will be short-circuited.

以上の理由により、図２４に示すように、端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１上に、平坦化レジスト膜７を形成し、上記圧電膜５の端部の段差をなくし、上記下部電極膜４の端部が露出しないようにする。 For the reasons described above, as shown in FIG. 24, a planarizing resist film 7 is formed on the terminal junctions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 to eliminate the step at the end of the piezoelectric film 5, and the lower electrode The end of the film 4 is not exposed.

平坦化レジスト膜７の形状は、上述したように上記圧電膜５の端部の段差をなくし、上記下部電極膜４の端部が露出しない形状であれば任意に設定できる。本実施例では、平坦化レジスト膜７の幅ｔ２４を２００μｍ、長さｔ２５を５０μｍとした。   The shape of the flattening resist film 7 can be arbitrarily set as long as it eliminates the step at the end of the piezoelectric film 5 and does not expose the end of the lower electrode film 4 as described above. In this embodiment, the planarizing resist film 7 has a width t24 of 200 μm and a length t25 of 50 μm.

平坦化レジスト膜７は、フォトリソグラフィー技術により、図２４に示す個所に所望の形状でパターニングしたレジスト膜を、２８０〜３００℃程度の熱処理を加えることで硬化させる。本実施例では、レジスト膜の厚みを２μｍ程度としたが、この厚みに関しては、圧電膜５、下部電極膜４の厚みに応じて変化させ、両者の合計の厚み以上とすることが望ましい。本実施例では、レジスト膜を用いて平坦化レジスト膜７を形成しているが、上記理由を回避することの可能な、非導電性の材料であれば、その形成方法も含めて任意である。   The planarization resist film 7 is hardened by applying a heat treatment of about 280 to 300 ° C. to a resist film patterned in a desired shape at a position shown in FIG. 24 by a photolithography technique. In this embodiment, the thickness of the resist film is about 2 μm, but this thickness is preferably changed according to the thicknesses of the piezoelectric film 5 and the lower electrode film 4 to be equal to or greater than the total thickness of both. In this embodiment, the planarization resist film 7 is formed using a resist film. However, any non-conductive material that can avoid the above-described reason is arbitrary including its formation method. .

次に、駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃを外部に接続するための配線処理を施す際に用いる配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃを形成する。図２６は、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃを形成した単結晶シリコン基板１の様子を示す平面図であり、図２７は、図２６に示した単結晶シリコン基板１をＹＹ線で切断した際の断面図である。   Next, wiring connection terminals A, B, and C used when wiring processing for connecting the drive electrode 6a and the detection electrodes 6b and 6c to the outside are performed. 26 is a plan view showing a state of the single crystal silicon substrate 1 on which the wiring connection terminals A, B, and C are formed, and FIG. 27 is a view when the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. 26 is cut along the YY line. FIG.

図２６に示す配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃは、駆動電極６ａ、検出電極６ｂ，６ｃの端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１とそれぞれ接続されている。本実施例では、振動型ジャイロセンサ素子１０と、外部との電気的な接続は、ワイヤーボンディングにより行うことを前提としているため、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃの実際に配線される端子部を、上述した配線接続端子Ｄと同様に、ワイヤーボンディング時に必要となる面積分だけ確保する。 The wiring connection terminals A, B, and C shown in FIG. 26 are connected to the terminal junctions 6a 1 , 6b 1 , and 6c 1 of the drive electrode 6a and the detection electrodes 6b and 6c, respectively. In this embodiment, since the electrical connection between the vibration type gyro sensor element 10 and the outside is assumed to be performed by wire bonding, the terminal portions of the wiring connection terminals A, B, and C that are actually wired are used. As in the case of the wiring connection terminal D described above, an area required for wire bonding is secured.

各配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃは、平坦化レジスト膜７の上面を通り、端子接合部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１とそれぞれ接触するように、熱酸化膜２Ａ上に形成される。配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃと、端子接続部６ａ１，６ｂ１、６ｃ１との接合個所である各電極接合部の形状は、任意であるが電気的な接触抵抗を減少させるために５μｍ四方以上の大きさが望ましい。 Each wiring connection terminal A, B, C is formed on the thermal oxide film 2A so as to pass through the upper surface of the planarization resist film 7 and to be in contact with the terminal junctions 6a 1 , 6b 1 , 6c 1 , respectively. The shape of each electrode joint, which is a joint between the wiring connection terminals A, B, and C, and the terminal connections 6a 1 , 6b 1 , and 6c 1 is arbitrary, but is 5 μm in order to reduce electrical contact resistance. A size of 4 or more is desirable.

配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃにおいて、実際に配線が接続される端子部は、上述したようにワイヤーボンディング接合を行うのに必要な面積分を確保可能な形状となる。   In the wiring connection terminals A, B, and C, the terminal portion to which the wiring is actually connected has a shape that can secure an area necessary for wire bonding bonding as described above.

本実施例では、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃ、それぞれの端子部の長さｔ２６を２００μｍ、幅ｔ２７を１００μｍとした。振動型ジャイロセンサ素子１０の外部との接合に関しては、接合方法も含めて任意であり、採用する接合方法に応じて、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃの形状を最適となるように設定する。   In the present embodiment, the length t26 of each of the wiring connection terminals A, B, and C is 200 μm, and the width t27 is 100 μm. The bonding of the vibration type gyro sensor element 10 to the outside is arbitrary including the bonding method, and the shape of the wiring connection terminals A, B, and C is set to be optimal according to the bonding method to be employed.

本実施例では、フォトリソグラフィー技術を用いて、図２６に示すような形状となるレジスト膜パターンを形成した後、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃをスパッタリングにより形成した。スパッタリングした際に、不要な部分に付着した膜は、レジスト膜パターンを除去する際に、同時に除去する、いわゆるリフトオフの手法にて除去した。   In this example, a resist film pattern having a shape as shown in FIG. 26 was formed by using a photolithography technique, and then wiring connection terminals A, B, and C were formed by sputtering. When sputtering, the film adhering to unnecessary portions was removed by a so-called lift-off technique, which is simultaneously removed when removing the resist film pattern.

具体的には、配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃは、付着力を向上させるためのチタン（Ｔｉ）を２０ｎｍだけ堆積させ、電気抵抗が低く、低コストである銅（Ｃｕ）を３００ｎｍ堆積させ、さらに、ワイヤーボンディングとの接合を容易にするため、金（Ａｕ）を３００ｎｍ堆積させることで形成した。なお、この配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃを形成する際に用いる材料及び配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃの形成方法は任意であり、本発明は、上記材料及び形成方法に限定されるものではない。   Specifically, for the wiring connection terminals A, B, and C, titanium (Ti) for improving adhesion is deposited by 20 nm, copper (Cu) having low electrical resistance and low cost is deposited by 300 nm, Further, in order to facilitate bonding with wire bonding, gold (Au) was formed by depositing 300 nm. Note that the material used when forming the wiring connection terminals A, B, and C and the formation method of the wiring connection terminals A, B, and C are arbitrary, and the present invention is not limited to the materials and the formation method. Absent.

続いての工程は、図１で示したように振動型ジャイロセンサ１０に対して周囲空間１２を形成することで片持ち梁の振動子１１を作製する工程である。図２８は、単結晶シリコン基板１に周囲空間１２を形成することで片持ち梁の振動子１１が形成された様子を示した平面図であり、図２９は、図２８で示す単結晶シリコン基板１をＹＹ線で切断した様子を示した断面図であり、図３０は、図２８で示す単結晶シリコン基板１をＸＸ線で切断した様子を示した断面図である。   The subsequent process is a process of manufacturing the cantilever vibrator 11 by forming the surrounding space 12 with respect to the vibration type gyro sensor 10 as shown in FIG. FIG. 28 is a plan view showing a state where the cantilever vibrator 11 is formed by forming the surrounding space 12 in the single crystal silicon substrate 1, and FIG. 29 is a single crystal silicon substrate shown in FIG. 1 is a cross-sectional view showing a state where 1 is cut along a YY line, and FIG. 30 is a cross-sectional view showing a state where the single crystal silicon substrate 1 shown in FIG. 28 is cut along an XX line.

図２８に示すように周囲空間１２は、検出電極６ｂ，６ｃが形成されている側の振動子１１の側面から左右の方向にそれぞれｔ７ｂ及びｔ７ｃの幅を有する空間と、振動子１１の長手方向で振動子１１の根元ラインＲと反対の端部側にｔ７ａの幅を有する空間とによって構成された、いわゆる“コ”の字型の形状をした空間となっている。   As shown in FIG. 28, the surrounding space 12 includes a space having a width of t7b and t7c in the left and right directions from the side surface of the vibrator 11 on the side where the detection electrodes 6b and 6c are formed, and a longitudinal direction of the vibrator 11. Thus, a space having a so-called “U” shape is formed by a space having a width of t7a on the end side opposite to the root line R of the vibrator 11.

本実施例では、ｔ７ｂ、ｔ７ｃを、それぞれ２００μｍとしている。このｔ７ｂ、ｔ７ｃは、周囲空間１２内の気体の状態や、要求される振動子１１の振動の質を示すＱ値などによって決定されることになる。   In this embodiment, t7b and t7c are each 200 μm. These t7b and t7c are determined by the state of the gas in the surrounding space 12, the Q value indicating the required quality of vibration of the vibrator 11, and the like.

本実施例では、まず、フォトリソグラフィー技術を用いて、図２８に示すような“コ”の字型の形状のレジスト膜パターンを熱酸化膜２Ａ上に形成した後、熱酸化膜２Ａをイオンエッチングで除去する。熱酸化膜２Ａを除去するには、湿式エッチングでも可能であるが、サイドエッチングが発生することによる寸法誤差を考慮するとイオンエッチングが好適である。   In this embodiment, first, using a photolithography technique, a “U” -shaped resist film pattern as shown in FIG. 28 is formed on the thermal oxide film 2A, and then the thermal oxide film 2A is ion-etched. Remove with. In order to remove the thermal oxide film 2A, wet etching can be performed, but ion etching is preferable in consideration of a dimensional error caused by side etching.

続いて、熱酸化膜２Ａが除去された“コ”の字型の単結晶シリコン基板１を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）にてエッチングして貫通させることで周囲空間１２を形成する。   Then, the surrounding space 12 is formed by etching and penetrating the "U" -shaped single crystal silicon substrate 1 from which the thermal oxide film 2A has been removed by reactive ion etching (RIE). To do.

本実施例では、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を備えたエッチング装置を用いて、エッチング工程と、エッチングした個所に側壁保護のための側壁保護膜を成膜する工程とを繰り返すＢｏｓｃｈプロセス（Ｂｏｓｃｈ社）にて、垂直な側壁面を有する振動子１１を形成した。   In this embodiment, using an etching apparatus equipped with inductively coupled plasma (ICP), an etching process and a process of forming a sidewall protective film for protecting the sidewall at the etched portion are repeated. A vibrator 11 having a vertical side wall surface was formed by a process (Bosch).

このＢｏｓｃｈプロセスを用いることで、ＩＣＰにより高密度なプラズマを生成し、エッチングのためのＳＦ６と、側壁保護のためのＣ４Ｆ８のガスを交互に導入することで、毎分１０μｍ程の速度でエッチングしながら、垂直な側壁面を有する振動子１１を形成することができる。 By using this Bosch process, a high-density plasma is generated by ICP, and SF 6 for etching and C 4 F 8 gas for side wall protection are alternately introduced, and about 10 μm per minute. The vibrator 11 having a vertical side wall surface can be formed while etching at a speed.

以上のプロセスにより、振動型ジャイロセンサ素子１０の形成に関する、圧電素子形成、形状形成、配線形成の主要工程が終了し、例えば、図３１に示すように、単結晶シリコン基板１内に、振動型ジャイロセンサ素子１０が複数個、ここでは、５×３個、形成されることになる。   With the above process, the main steps of piezoelectric element formation, shape formation, and wiring formation relating to the formation of the vibration type gyro sensor element 10 are completed. For example, as shown in FIG. A plurality of gyro sensor elements 10, here 5 × 3, are formed.

１枚の単結晶シリコン基板１内に形成される振動型ジャイロセンサ素子１０の数は、図３１に示すように５×３個に限らず、設計する振動型ジャイロセンサ素子１０の大きさ、及び形成する際のそれぞれのピッチにより決定されることになる。   The number of vibration-type gyro sensor elements 10 formed in one single crystal silicon substrate 1 is not limited to 5 × 3 as shown in FIG. 31, and the size of the vibration-type gyro sensor element 10 to be designed, It is determined by each pitch when forming.

次の工程では、このように単結晶シリコン基板１に形成された複数の振動型ジャイロセンサ素子１０を、切断し単一の素子とする。単結晶シリコン基板１から、振動型ジャイロセンサ素子１０を分断する際の手法や、寸法は、特に決められたものではなく、分断後の形状も任意である。   In the next step, the plurality of vibration gyro sensor elements 10 thus formed on the single crystal silicon substrate 1 are cut into a single element. The method and dimensions for dividing the vibration type gyro sensor element 10 from the single crystal silicon substrate 1 are not particularly determined, and the shape after the division is also arbitrary.

本実施例においては、図３２に示す素子分断線２０をなぞるように、ダイヤモンドカッターで分断傷を付けた後、手で直接、単結晶シリコン基板１を折り、振動型ジャイロセンサ素子１０を取り出した。なお、単結晶シリコン基板１を分断する手法も任意の手法が適用可能であり、例えば、砥石による研削や単結晶シリコン基板１の面方位を利用して切断する手法などでもよい。   In the present embodiment, the single crystal silicon substrate 1 was directly folded by hand and the vibration gyro sensor element 10 was taken out after being cut with a diamond cutter so as to trace the element cutting line 20 shown in FIG. . An arbitrary method can be applied to the method of dividing the single crystal silicon substrate 1. For example, a method of grinding with a grindstone or cutting using the plane orientation of the single crystal silicon substrate 1 may be used.

続いて、図３３に示すように、個々に分断した振動型ジャイロセンサ素子１０を、ＩＣ基板２１に貼り付ける。振動型ジャイロセンサ素子１０と、ＩＣ基板２１との貼り付け手法は任意であるが、本実施例では、嫌気性接着剤を用いて貼り付けた。   Subsequently, as shown in FIG. 33, the vibration-type gyro sensor element 10 divided individually is attached to the IC substrate 21. The vibration gyro sensor element 10 and the IC substrate 21 can be attached by any method, but in this embodiment, the vibration gyro sensor element 10 is attached using an anaerobic adhesive.

ＩＣ基板２１に、振動型ジャイロセンサ素子１０を貼り付けた後、電気的な接続を行う。ＩＣ基板２１上には、冒頭の図２を用いて説明したＩＣ回路４０が搭載されている。また、ＩＣ基板２１には、図２で示したＡＧＣ４４の端部と接続された基板端子２２ａ、同期検波回路４５に接続された基板端子２２ｂ，２２ｃ、図示しない基準電極と接続された基板端子２２ｄが形成されている。   After the vibration type gyro sensor element 10 is attached to the IC substrate 21, electrical connection is performed. On the IC substrate 21, the IC circuit 40 described with reference to FIG. 2 at the beginning is mounted. Further, the IC substrate 21 includes a substrate terminal 22a connected to the end of the AGC 44 shown in FIG. 2, substrate terminals 22b and 22c connected to the synchronous detection circuit 45, and a substrate terminal 22d connected to a reference electrode (not shown). Is formed.

本実施例では、振動型ジャイロセンサ素子１０の配線接続端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと、ＩＣ基板２１内の基板端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとをそれぞれワイヤーボンディングによる結線方法を用いて電気的接続を行った。この結線方法に関しても任意であり、半導体で用いられる導電性バンプを形成する手法も利用可能である。   In the present embodiment, the wiring connection terminals A, B, C, and D of the vibration type gyro sensor element 10 and the substrate terminals 22a, 22b, 22c, and 22d in the IC substrate 21 are electrically connected using a wire bonding method. Connection was made. This connection method is also arbitrary, and a method of forming conductive bumps used in semiconductors can also be used.

次に、図３４に示すように、振動型ジャイロセンサ素子１０及びＩＣ基板２１上の回路と、外部との接触をなくすためカバー材３０を取り付け、保護をする。カバー材３０の材料は、任意であるが外部のノイズの影響を考慮してＳＵＳなど、シールド効果のあるものが望ましい。また、カバー材３０は、振動子１１の振動を妨げない形状とする必要がある。このようにして、角速度センサ５０が形成されることになる。   Next, as shown in FIG. 34, a cover member 30 is attached to protect the vibration type gyro sensor element 10 and the circuit on the IC substrate 21 from contact with the outside to protect them. The material of the cover member 30 is arbitrary, but it is desirable to have a shielding effect such as SUS in consideration of the influence of external noise. The cover material 30 needs to have a shape that does not hinder the vibration of the vibrator 11. In this way, the angular velocity sensor 50 is formed.

このように角速度センサ５０を構成する振動型ジャイロセンサ素子１０が備える振動子１１の駆動電極６ａに、電圧を印加して所定の共振周波数で振動させた場合、振動子１１は、振動子１１の厚み方向である縦方向に縦共振周波数で共振すると共に、振動子１１の幅方向である横方向に横共振周波数で共振することになる。   In this way, when a voltage is applied to the drive electrode 6a of the vibrator 11 included in the vibration type gyro sensor element 10 constituting the angular velocity sensor 50 to vibrate at a predetermined resonance frequency, the vibrator 11 It resonates at the longitudinal resonance frequency in the thickness direction, and at the transverse resonance frequency in the transverse direction, which is the width direction of the vibrator 11.

上述したように振動型ジャイロセンサ素子１０は、振動子１１の保護や、外部装置への組み込み時の取り扱いを容易にするため、図３４に示すように、ＩＣ基板２１上に貼り付けられ、カバー材３０で覆われて、パッケージングされることになる。このとき、カバー材３０は、振動子１１の振動を妨げない形状とするのが前提となっている。   As described above, the vibration-type gyro sensor element 10 is attached to the IC substrate 21 as shown in FIG. 34 in order to protect the vibrator 11 and facilitate handling when incorporated in an external device. Covered with material 30 and packaged. At this time, it is assumed that the cover member 30 has a shape that does not hinder the vibration of the vibrator 11.

具体的には、振動子１１が、縦共振周波数で自励振動している際のＱ値を測定したときに、所望のＱ値が得られるように、当該振動子１１の周囲に適切な空間領域を確保する必要がある。このように、振動子１１の周囲空間に適切な空間領域が確保されれば、振動子１１の振動が妨げられず、且つ、安定した振動状態となるため、振動型ジャイロセンサ素子１０は、パッケージングが施されたとしても高い感度を維持することができる。   Specifically, an appropriate space around the vibrator 11 so that a desired Q value can be obtained when the Q value when the vibrator 11 is self-excited at a longitudinal resonance frequency is measured. It is necessary to secure an area. As described above, if an appropriate space area is secured in the space around the vibrator 11, the vibration of the vibrator 11 is not hindered and a stable vibration state is obtained. High sensitivity can be maintained even if angling is applied.

続いて、図３５，３６を用いて、振動子１１の周囲の空間について説明をする。図３５は、図２８に示す振動型ジャイロセンサ素子１０をＸＸ線で切断した際の、振動子１１のみを示した断面図であり、図３６は、図２８に示す振動型ジャイロセンサ素子１０の振動子１１のみを示した平面図である。   Subsequently, the space around the vibrator 11 will be described with reference to FIGS. 35 is a cross-sectional view showing only the vibrator 11 when the vibration type gyro sensor element 10 shown in FIG. 28 is cut by XX line. FIG. 36 is a cross-sectional view of the vibration type gyro sensor element 10 shown in FIG. 3 is a plan view showing only a vibrator 11. FIG.

振動型ジャイロセンサ素子１０が備える振動子１１のように片持ち梁形状の振動子の場合、その周囲空間は、図３５に示すような駆動電極６ａ，検出電極６ｂ，６ｃが形成された振動子１１の上面１１ａを含む平面上に広がる空間である第１の空間Ｓ１と、上面１１ａと対向する面である下面１１ｂを含む平面上に広がる空間である第２の空間Ｓ２と、図３６に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）によって形成された、振動子１１の側壁面である側壁面１１ｃ，１１ｄ，１１ｅをそれぞれ含む各平面上に広がる空間からなる第３の空間Ｓ３とに大別される。   In the case of a cantilever-shaped vibrator such as the vibrator 11 provided in the vibration type gyro sensor element 10, the surrounding space has a vibrator in which a drive electrode 6a and detection electrodes 6b and 6c as shown in FIG. 35 are formed. FIG. 36 shows a first space S1 which is a space extending on a plane including the upper surface 11a of the eleventh, a second space S2 which is a space extending on a plane including the lower surface 11b which is the surface facing the upper surface 11a, and As described above, the third space S3 is formed by reactive ion etching (RIE) and includes spaces extending on the respective planes including the side wall surfaces 11c, 11d, and 11e that are the side wall surfaces of the vibrator 11. It is roughly divided into

この振動子１１の周囲空間である第１の空間Ｓ１、第２の空間Ｓ２、第３の空間Ｓ３は、上述したように、振動子１１を備える振動型ジャイロセンサ１０が、例えば、ＩＣ基板２１上に貼り付けられ、カバー材３０で覆われてパッケージングされるため、その空間サイズに制限が設けられることになる。   As described above, in the first space S1, the second space S2, and the third space S3 that are the surrounding spaces of the vibrator 11, the vibratory gyro sensor 10 including the vibrator 11 is, for example, an IC substrate 21. Since it is affixed on top and covered with the cover material 30 and packaged, the space size is limited.

図３７，３８に、図３４に示す振動型ジャイロセンサ素子１０をＸＸ線で切断した断面図を示す。図３７は、振動子１１の基準電極４ａ、駆動電極６ａ間に電圧を印加して振動子１１を自励振動させた際に、振動子１１が、上面１１ａ方向に最大変位量ｄｍａｘだけ振れた様子を示した断面図であり、図３８は、同じく振動子１１を自励振動させた際に、振動子１１が、下面１１ｂ方向に最大変位量ｄｍａｘだけ振れた様子を示した断面図である。なお、図３７，３８において、一点鎖線で示した個所は、振動子１１が振動していない状態、もしくは、振動している振動子１１の変位量がゼロであるときの状態を示している。   37 and 38 are cross-sectional views of the vibration type gyro sensor element 10 shown in FIG. 34 taken along line XX. In FIG. 37, when a voltage is applied between the reference electrode 4a and the drive electrode 6a of the vibrator 11 to cause the vibrator 11 to oscillate by itself, the vibrator 11 swings by the maximum displacement dmax in the direction of the upper surface 11a. FIG. 38 is a cross-sectional view showing a state in which the vibrator 11 is swung by the maximum displacement amount dmax in the direction of the lower surface 11b when the vibrator 11 is also subjected to self-excited vibration. . 37 and 38, the portion indicated by the alternate long and short dash line indicates a state where the vibrator 11 is not vibrating or a state where the displacement amount of the vibrating vibrator 11 is zero.

図３７に示す振動型ジャイロセンサ素子１０において、第１の空間Ｓ１は、カバー材３０の内壁面３０ａと、振動子１１が振動していない状態での上面１１ａとの間隔である上部空間幅ｔ７ｄで空間サイズが規定される。また、図３８に示すように、第２の空間Ｓ２は、振動型ジャイロセンサ素子１０を貼り付けるＩＣ基板２１の基板表面２１ａと、振動子１１が振動していない状態での下面１１ｂとの間隔である下部空間幅ｔ７ｅで空間サイズが規定される。さらに、第３の空間Ｓ３は、図３９に示すように、上述した反応性エッチングによって形成される周囲空間１２、具体的には、空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃによって空間サイズが規定されることになる。   In the vibration type gyro sensor element 10 shown in FIG. 37, the first space S1 is an upper space width t7d that is an interval between the inner wall surface 30a of the cover member 30 and the upper surface 11a when the vibrator 11 is not vibrating. Defines the space size. As shown in FIG. 38, the second space S2 is a distance between the substrate surface 21a of the IC substrate 21 to which the vibration type gyro sensor element 10 is attached and the lower surface 11b when the vibrator 11 is not vibrating. The space size is defined by the lower space width t7e. Further, as shown in FIG. 39, the third space S3 has a space size defined by the surrounding space 12 formed by the above-described reactive etching, specifically, the space widths t7a, t7b, and t7c. Become.

続いて、図３４に示すようにＩＣ基板２１上に貼り付け、カバー材３０で覆うことでパッケージングした振動型ジャイロセンサ素子１０の第１の空間Ｓ１、第２の空間Ｓ２、第３の空間Ｓ３をそれぞれ変化させ、機械的品質係数（Mechanical quality factor）であるＱ値を測定し、この測定結果から最適な空間サイズを規定する。   Subsequently, as shown in FIG. 34, the first space S1, the second space S2, and the third space of the vibration-type gyro sensor element 10 that is packaged by being attached onto the IC substrate 21 and covered with the cover material 30. Each of S3 is changed, and a Q value which is a mechanical quality factor is measured, and an optimum space size is defined from the measurement result.

まず、図４０に、第１の空間Ｓ１を変化させた場合の振動型ジャイロセンサ素子１０のＱ値を示す。第１の空間Ｓ１は、上述したように、図３７で示した上部空間幅ｔ７ｄで規定される。   First, FIG. 40 shows a Q value of the vibration type gyro sensor element 10 when the first space S1 is changed. As described above, the first space S1 is defined by the upper space width t7d shown in FIG.

図４０に示す測定結果は、上部空間幅ｔ７ｄを０から適当な間隔で増加させることで第１の空間Ｓ１を変化させ、そのときのＱ値を示している。   The measurement result shown in FIG. 40 shows the Q value at that time by changing the first space S1 by increasing the upper space width t7d from 0 at an appropriate interval.

図４０の横軸では、上部空間幅ｔ７ｄを、振動子１１を自励振動させた際の最大変位量ｄｍａｘを１としたときの相対値で示している。また、図４０の縦軸では、上述したようにパッケージングされ、第１の空間Ｓ１を変化させた振動型ジャイロセンサ素子１０のＱ値を、何のパッケージングもされておらず、振動子１１の周囲空間が開放された状態の振動型ジャイロセンサ素子１０のＱ値を１としたときの相対値で示している。   In the horizontal axis of FIG. 40, the upper space width t7d is shown as a relative value when the maximum displacement dmax when the vibrator 11 is caused to self-excited is 1. In the vertical axis of FIG. 40, the Q value of the vibration type gyro sensor element 10 that has been packaged as described above and has changed the first space S1 is not packaged. The relative value when the Q value of the vibration-type gyro sensor element 10 in the state where the surrounding space is open is 1 is shown.

図４０に示すように、横軸に示した相対値がおよそ２、つまり、上部空間幅ｔ７ｄが、振動子１１の最大変位量ｄｍａｘの２倍程度となっているとき、Ｑ値が１近傍をとっている。また横軸の相対値がおよそ２．５のとき、つまり、上部空間幅ｔ７ｄが、振動子１１の最大変位量ｄｍａｘの２．５倍以上となっているとき、Ｑ値が１に飽和している。   As shown in FIG. 40, when the relative value shown on the horizontal axis is about 2, that is, the upper space width t7d is about twice the maximum displacement dmax of the vibrator 11, the Q value is around 1. I'm taking it. When the relative value of the horizontal axis is about 2.5, that is, when the upper space width t7d is 2.5 times or more of the maximum displacement dmax of the vibrator 11, the Q value is saturated to 1. Yes.

この図４０に示す測定結果は、第１の空間Ｓ１を規定する上部空間幅ｔ７ｄが、振動子１１を自励振動させた際の最大変位量ｄｍａｘの２倍以上となるようにカバー材３０を取り付けた場合に、振動子１１の共振特性の劣化を大幅に抑制することができることを示している。さらに、図４０に示す測定結果は、上部空間幅ｔ７ｄが、最大変位量ｄｍａｘの２．５倍以上となるようにカバー材３０を取り付けた場合に、振動子１１の共振特性を最適にすることができることを示している。   The measurement results shown in FIG. 40 show that the cover material 30 is adjusted such that the upper space width t7d that defines the first space S1 is twice or more the maximum displacement dmax when the vibrator 11 is self-excited. It shows that when attached, the deterioration of the resonance characteristics of the vibrator 11 can be greatly suppressed. Furthermore, the measurement result shown in FIG. 40 shows that the resonance characteristics of the vibrator 11 are optimized when the cover material 30 is attached so that the upper space width t7d is 2.5 times or more of the maximum displacement dmax. It shows that you can.

また、第２の空間Ｓ２に関しては測定結果を示さないが、Ｑ値の測定結果は、図４０に示す測定結果と同程度となる。したがって、上述した第１の空間Ｓ１と同様に、第２の空間Ｓ２を規定する図３８で示した下部空間幅ｔ７ｅが、振動子１１を自励振動させた際の最大変位量ｄｍａｘの２倍以上となるようにＩＣ基板２１に貼り付けた場合に、振動子１１の共振特性の劣化を大幅に抑制することができる。また、下部空間幅ｔ７ｅが、最大変位量ｄｍａｘの２．５倍以上となるようにＩＣ基板２１に貼り付けた場合に、振動子１１の共振特性を最適にすることができる。   Although the measurement result is not shown for the second space S2, the measurement result of the Q value is almost the same as the measurement result shown in FIG. Therefore, similarly to the first space S1 described above, the lower space width t7e shown in FIG. 38 that defines the second space S2 is twice the maximum displacement dmax when the vibrator 11 is self-excited. When pasted on the IC substrate 21 as described above, the deterioration of the resonance characteristics of the vibrator 11 can be significantly suppressed. Further, the resonance characteristics of the vibrator 11 can be optimized when the lower space width t7e is affixed to the IC substrate 21 so that the maximum displacement dmax is 2.5 times or more.

続いて、図４１に、第３の空間Ｓ３を変化させた場合の振動型ジャイロセンサ素子１０のＱ値を示す。第３の空間Ｓ３は、上述したように、図３９で示した空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃで規定される。   Subsequently, FIG. 41 shows the Q value of the vibration type gyro sensor element 10 when the third space S3 is changed. As described above, the third space S3 is defined by the space widths t7a, t7b, and t7c shown in FIG.

図４１に示す測定結果は、空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃを０から適当な間隔で増加させることで第３の空間Ｓ３を変化させ、そのときのＱ値を示している。なお、ここでは、空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃは、全て同じ値にしている。   The measurement result shown in FIG. 41 shows the Q value at that time by changing the third space S3 by increasing the space widths t7a, t7b, and t7c from 0 at appropriate intervals. Here, the space widths t7a, t7b, and t7c are all set to the same value.

図４１の横軸では、空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃを、振動子１１の幅ｔ６を１としたときの相対値で示している。また、図４１の縦軸では、上述したようにパッケージングされ、第３の空間Ｓ３を変化させた振動型ジャイロセンサ素子１０のＱ値を、何のパッケージングもされておらず、振動子１１の周囲空間が開放された状態の振動型ジャイロセンサ素子１０のＱ値を１としたときの相対値で示している。   In the horizontal axis of FIG. 41, the space widths t7a, t7b, and t7c are shown as relative values when the width t6 of the vibrator 11 is 1. In the vertical axis of FIG. 41, the Q value of the vibration type gyro sensor element 10 packaged as described above and changed in the third space S3 is not packaged, and the vibrator 11 The relative value when the Q value of the vibration-type gyro sensor element 10 in the state where the surrounding space is open is 1 is shown.

図４１に示すように、横軸に示した相対値がおよそ０．５、つまり、空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃが、振動子１１の幅ｔ６の１／２倍程度となっているとき、Ｑ値が１近傍をとっている。また横軸の相対値がおよそ２のとき、つまり、空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃが、振動子１１の幅ｔ６の２倍以上となっているとき、Ｑ値が１に飽和している。   As shown in FIG. 41, when the relative value shown on the horizontal axis is about 0.5, that is, when the space widths t7a, t7b, and t7c are about ½ times the width t6 of the vibrator 11, Q The value is in the vicinity of 1. Further, when the relative value on the horizontal axis is about 2, that is, when the space widths t7a, t7b, and t7c are more than twice the width t6 of the vibrator 11, the Q value is saturated to 1.

この図４１に示す測定結果は、第３の空間Ｓ３を規定する空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃが、振動子１１の幅ｔ６の１／２倍以上となるような周囲空間１２を反応性イオンエッチングによって形成することで、振動子１１の共振特性の劣化を大幅に抑制することができることを示している。さらに、図４１に示す測定結果は、空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃが、振動子１１の幅ｔ６の２倍以上となるような周囲空間１２を反応性イオンエッチングによって形成することで、振動子１１の共振特性を最適にすることができることを示している。   The measurement results shown in FIG. 41 show that reactive ion etching is performed on the surrounding space 12 in which the space widths t7a, t7b, and t7c defining the third space S3 are ½ times or more the width t6 of the vibrator 11. This indicates that the deterioration of the resonance characteristics of the vibrator 11 can be significantly suppressed. Furthermore, the measurement results shown in FIG. 41 show that the resonator 11 is formed by reactive ion etching in which the surrounding space 12 has a space width t7a, t7b, t7c that is twice or more the width t6 of the resonator 11. It is shown that the resonance characteristics of can be optimized.

上述した図４０，４１に示すＱ値の測定結果は、常温にて振動型ジャイロセンサ１０をパッケージングした場合の結果であるが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、大気中、８０℃の環境下で振動型ジャイロセンサ素子１０をパッケージングし、室温に戻した場合でも、図４０，４１に示したＱ値の測定結果と同様の結果となる。したがって、振動子１１の周囲の空間に気圧の変動があった場合、例えば、大気中でパッケージングされた振動型ジャイロセンサ素子１０の振動子１１の周囲の空間が、パッケージング後、大気圧となっていなくても有効となる。   The measurement results of the Q value shown in FIGS. 40 and 41 described above are results when the vibration type gyro sensor 10 is packaged at room temperature, but the present invention is not limited to this. For example, even when the vibration type gyro sensor element 10 is packaged in the atmosphere at 80 ° C. and returned to room temperature, the result is the same as the Q value measurement result shown in FIGS. Therefore, when there is a change in atmospheric pressure in the space around the vibrator 11, for example, the space around the vibrator 11 of the vibration type gyro sensor element 10 packaged in the atmosphere is changed to the atmospheric pressure after packaging. It is effective even if it is not.

なお、実施例においては、上述した手法によって形成した振動型ジャイロセンサ素子１０を一例として示し、第１の空間Ｓ１を上部空間幅ｔ７ｄ、第２の空間Ｓ２を下部空間幅ｔ７ｅ、第３の空間Ｓ３を空間幅ｔ７ａ，ｔ７ｂ，ｔ７ｃで規定しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、単結晶シリコン基板上に薄膜形成プロセスによって形成された下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する片持ち梁形状の振動子を備え、圧電薄膜の圧電効果を利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサ素子に対して広く適用することができる。   In the embodiment, the vibration type gyro sensor element 10 formed by the above-described method is shown as an example, the first space S1 is the upper space width t7d, the second space S2 is the lower space width t7e, and the third space. Although S3 is defined by the space widths t7a, t7b, and t7c, the present invention is not limited to this, and a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode formed on a single crystal silicon substrate by a thin film forming process. The present invention can be widely applied to a vibration type gyro sensor element that includes a cantilever-shaped vibrator having the above and detects an angular velocity using the piezoelectric effect of a piezoelectric thin film.

例えば、本実施例では、図３９に示すように、単結晶シリコン基板１に対して、結晶異方性エッチング、反応性イオンエッチングをすることで振動子１１を形成しているため、必然的に振動子１１の側壁面１１ｃ，１１ｄ，１１ｅの近傍に単結晶シリコン基板１による外枠が残る形状となる。   For example, in the present embodiment, as shown in FIG. 39, the vibrator 11 is formed by performing crystal anisotropic etching and reactive ion etching on the single crystal silicon substrate 1, so that The outer frame of the single crystal silicon substrate 1 remains in the vicinity of the side wall surfaces 11c, 11d, and 11e of the vibrator 11.

しかしながら、本発明は、本実施例のように単結晶シリコン基板１による外枠が形成された振動型ジャイロセンサ素子１０以外の振動型ジャイロセンサ素子に対しても、振動子１１の側壁面１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ、振動子１１の上面１１ａ、下面１１ｂからのそれぞれの距離を上述したように確保することで、振動子１１の共振特性を良好にする第１の空間Ｓ１，第２の空間Ｓ２，第３の空間Ｓ３を規定することができる。   However, according to the present invention, the side wall surface 11c of the vibrator 11 is also applied to vibration gyro sensor elements other than the vibration gyro sensor element 10 on which the outer frame is formed by the single crystal silicon substrate 1 as in this embodiment. 11d, 11e, the first space S1, the second space S2, and the second space S2, which improve the resonance characteristics of the vibrator 11 by securing the respective distances from the top face 11a and the bottom face 11b of the vibrator 11 as described above. A third space S3 can be defined.

本発明を実施するための最良の形態として示す振動型ジャイロセンサ素子について説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the vibration type gyro sensor element shown as the best form for implementing this invention. 同振動型ジャイロセンサ素子を備えた角速度センサの構成について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the angular velocity sensor provided with the vibration gyro sensor element. 同振動型ジャイロセンサ素子が備える振動子について説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the vibrator | oscillator with which the same vibration type gyro sensor element is provided. 同振動型ジャイロセンサ素子について説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the vibration type gyro sensor element. 同振動型ジャイロセンサ素子を製造する際に用いる単結晶シリコン基板について説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the single crystal silicon substrate used when manufacturing the vibration type gyro sensor element. 図５に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting the single crystal silicon substrate shown in FIG. 5 by XX line. 単結晶シリコン基板にレジスト膜パターンを形成した様子を示す平面図である。It is a top view which shows a mode that the resist film pattern was formed in the single crystal silicon substrate. 図７に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting the single crystal silicon substrate shown in FIG. 7 by XX line. 単結晶シリコン基板の熱酸化膜を除去した際の様子を示す平面図である。It is a top view which shows a mode at the time of removing the thermal oxide film of a single crystal silicon substrate. 図９に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate shown in FIG. 9 taken along the line XX. 単結晶シリコン基板に結晶異方性エッチングを施した様子を示す平面図である。It is a top view which shows a mode that the crystal anisotropic etching was performed to the single crystal silicon substrate. 図１１に示す単結晶シリコン基板ＸＸ線で切断した際の断面図である。It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting by the single crystal silicon substrate XX line shown in FIG. 図１２に示す領域Ａを拡大して示した断面図である。It is sectional drawing which expanded and showed the area | region A shown in FIG. 単結晶シリコン基板の表面側の様子を示した平面図である。It is the top view which showed the mode of the surface side of a single crystal silicon substrate. 図１４に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting the single crystal silicon substrate shown in FIG. 14 with XX line. 下部電極膜、圧電膜、上部電極膜が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate in which the lower electrode film, the piezoelectric film, and the upper electrode film were formed. 図１６に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view when the single crystal silicon substrate shown in FIG. 16 is cut along XX line. 駆動電極、検出電極が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate in which the drive electrode and the detection electrode were formed. 図１８に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。It is sectional drawing when the single crystal silicon substrate shown in FIG. 18 is cut | disconnected by XX line. 圧電体が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate in which the piezoelectric material was formed. 図２０に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting the single crystal silicon substrate shown in FIG. 20 by XX line. 基準電極が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate in which the reference electrode was formed. 図２２に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。It is sectional drawing at the time of cut | disconnecting the single crystal silicon substrate shown in FIG. 22 by XX line. 平坦化レジスト膜が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate in which the planarization resist film was formed. 図２４に示す単結晶シリコン基板をＹＹ線で切断した際の断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate shown in FIG. 24 taken along line YY. 配線接続端子が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate in which the wiring connection terminal was formed. 図２６に示す単結晶シリコン基板をＹＹ線で切断した際の断面図である。FIG. 27 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate shown in FIG. 26 taken along line YY. 振動子の周辺に反応性イオンエッチングにより周囲空間が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate in which surrounding space was formed in the circumference | surroundings of a vibrator | oscillator by reactive ion etching. 図２８に示す単結晶シリコン基板をＹＹ線で切断した際の断面図である。FIG. 29 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate shown in FIG. 28 taken along line YY. 図２８に示す単結晶シリコン基板をＸＸ線で切断した際の断面図である。FIG. 29 is a cross-sectional view of the single crystal silicon substrate shown in FIG. 28 taken along line XX. 複数の振動型ジャイロセンサ素子が形成された単結晶シリコン基板を示す平面図である。It is a top view which shows the single crystal silicon substrate in which the some vibration type gyro sensor element was formed. 単結晶シリコン基板に形成された複数の振動型ジャイロセンサ素子を切断する際の切断線を示した単結晶シリコン基板の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of the single crystal silicon substrate which showed the cutting line at the time of cut | disconnecting the several vibration type gyro sensor element formed in the single crystal silicon substrate. 振動型ジャイロセンサ素子をＩＣ基板上に貼り付けた際の様子を示す平面図である。It is a top view which shows a mode when a vibration type gyro sensor element is affixed on an IC substrate. 振動型ジャイロセンサ素子を備える角速度センサにカバー材を取り付けた際の様子を示す平面図である。It is a top view which shows a mode when a cover material is attached to the angular velocity sensor provided with a vibration type gyro sensor element. 振動子の周囲空間である第１の空間、第２の空間について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st space and 2nd space which are the surrounding space of a vibrator | oscillator. 振動子の周囲空間である第３の空間について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 3rd space which is the surrounding space of a vibrator | oscillator. 振動型ジャイロセンサ素子の第１の空間について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st space of a vibration type gyro sensor element. 振動型ジャイロセンサ素子の第２の空間について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 2nd space of a vibration type gyro sensor element. 振動型ジャイロセンサ素子の第３の空間について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 3rd space of a vibration type gyro sensor element. 第１の空間を変化させた場合の振動型ジャイロセンサ素子のＱ値を示した図である。It is the figure which showed Q value of the vibration type gyro sensor element at the time of changing 1st space. 第３の空間を変化させた場合の振動型ジャイロセンサ素子のＱ値を示した図である。It is the figure which showed Q value of the vibration type gyro sensor element at the time of changing 3rd space.

符号の説明Explanation of symbols

１ 単結晶シリコン基板、４ａ 基準電極、５ａ 圧電体、６ａ 駆動電極、６ｂ，６ｃ 検出電極、１０ 振動型ジャイロセンサ素子、１１ 振動子、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 側壁面、１１ｄ 上面、１１ｅ 下面、１２， 周囲空間、２１ ＩＣ基板、３０ カバー材、Ｒ 根元ライン、Ｓ１ 第１の空間、Ｓ２ 第２の空間、Ｓ３ 第３の空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single crystal silicon substrate, 4a Reference electrode, 5a Piezoelectric body, 6a Drive electrode, 6b, 6c Detection electrode, 10 Vibrating gyro sensor element, 11 Vibrator, 11a, 11b, 11c Side wall surface, 11d Upper surface, 11e Lower surface, 12 , Surrounding space, 21 IC substrate, 30 cover material, R root line, S1 first space, S2 second space, S3 third space

Claims (1)

下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する単結晶シリコンから形成された四角柱状の片持ち梁の振動子を備え、上記圧電薄膜の圧電効果を利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサ素子をカバー材とＩＣ基板を用いて大気中でパッケージングした電子機器であって、
上記上部電極は、上記振動子を振動させる電圧を印加する上記振動子の長手方向に形成された駆動電極と、上記駆動電極を挟む形で、上記駆動電極と接触することなく平行に上記振動子の長手方向に形成された第１の検出電極及び第２の検出電極とからなるように形成されており、
上記振動子の振動していない状態での、上記振動子の上面から上記カバー材までの距離及び上記振動子の下面から上記ＩＣ基板までの距離を、上記下部電極、上記上部電極間に電圧を印加して上記振動子を厚み方向に自励振動させた際に、上記振動子が最も振動した場合の変位量である最大変位量の２．５倍以上とした空間が設けられており、
上記振動子の側壁面から該側壁面の全面にわたり該側壁面と対向するように形成された壁面までの距離を上記振動子の幅の２倍以上とした空間が設けられている電子機器。 Covers a vibratory gyro sensor element that has a quadrangular columnar cantilever vibrator made of single crystal silicon with a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode, and detects angular velocity using the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film. Electronic equipment packaged in the atmosphere using a material and an IC substrate ,
The upper electrode has a driving electrode formed in a longitudinal direction of the vibrator for applying a voltage for vibrating the vibrator, and the driving electrode is sandwiched between the upper electrode and the vibrator without being in contact with the driving electrode. Formed of a first detection electrode and a second detection electrode formed in the longitudinal direction of
The distance from the top surface of the vibrator to the cover material and the distance from the bottom surface of the vibrator to the IC substrate when the vibrator is not oscillating, and a voltage between the lower electrode and the upper electrode. When the vibrator is self-excited to vibrate in the thickness direction when applied, a space is provided that is at least 2.5 times the maximum displacement, which is the displacement when the vibrator vibrates most,
An electronic device provided with a space in which the distance from the side wall surface of the vibrator to the wall surface formed so as to face the side wall surface over the entire side wall surface is twice or more the width of the vibrator.
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