JP5189927B2 - 圧電体膜を用いた振動ジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、圧電体膜を用いた振動ジャイロに関するものである。

近年、圧電材料を用いた振動ジャイロは盛んに開発されている。従来から、特許文献１に記載されているような振動体自体が圧電材料で構成されるジャイロが開発される一方、振動体上に形成される圧電体膜を利用するジャイロも存在する。例えば、特許文献２では、圧電材料であるＰＺＴ膜を用いて、振動体の一次振動を励起し、かつその振動体に角速度が与えられた際に発生するコリオリ力によって生じるジャイロの一部の歪みを検出する技術が開示されている。

他方、ジャイロが搭載される各種機器のサイズが日進月歩で小型化されている中で、ジャイロ自身の小型化も重要な課題である。ジャイロの小型化を達成するためには、ジャイロを構成する各部材の加工精度を格段に高めることが必要となる。また、小型化と同時に、角速度の検出精度を更に高めたジャイロや、不測の振動（外乱）に対して強いジャイロを提供することが産業界の強い要望といえる。しかしながら、下記の特許文献に示されているジャイロの構造は、ここ数年来の小型化及び高性能化の要求を満足するものではない。
特開平８−２７１２５８号公報 特開２０００−９４７３号公報

上述の通り、圧電体膜を用いた振動ジャイロの小型化と高い加工精度を達成しつつ、ジャイロとしての高性能化の要求を同時に満足することは非常に難しい。一般的には、ジャイロが小型化されると、振動体に角速度が与えられた場合に、ジャイロの検出電極によって検出される信号が微弱になるという問題がある。従って、小型化された振動ジャイロは本来検出すべき信号と外部からの不意の衝撃（外乱）によって発生する信号との差が小さくなるため、ジャイロとしての検出精度を高めることが難しくなる。

ところで、外部からの不意の衝撃の中には、様々な種類の衝撃が存在する。例えば、上述の特許文献２に記載されたリング状の振動体では、リングの中心の固定ポストを軸として、リングの存在する面の上下方向にシーソーのような動きを与える衝撃がある。この衝撃により、ロッキングモードと呼ばれる振動が励起される。他方、前述の固定ポストに支持された振動体のリング状部材の全周が同時に、リングの存在する面の上方又は下方に曲げられる衝撃も存在する。この衝撃により、バウンスモードと呼ばれる振動が励起される。これらのような衝撃が振動ジャイロに生じたとしても、正確な角速度を検出する技術を確立することは極めて困難である。

また、振動ジャイロに対して一次振動を励起する駆動電極や、角速度によって生じる二次振動を検出する検出電極の信号を取り込むために形成される引き出し電極が、製造プロセス上、やむを得ず圧電素子を構成する場合もある。そのような場合に、その引き出し電極自身が生じさせる圧電効果を出来る限り低減することは、振動ジャイロとしての検出精度を高めるために極めて有益である。

本発明は、上述の技術課題を解決することにより、圧電体膜を用いた振動ジャイロの小型化及び高性能化に大きく貢献するものである。発明者らは、外乱に対する影響が比較的小さいと考えられる円環状又は多角形状の振動ジャイロを基本構造として採用した。しかしながら、ジャイロの小型化と製造プロセスの簡便化を図る過程で、上述の引き出し電極の形成によって生じるノイズ出力が、比較的小さい出力ではあるが検出精度の更なる向上のためには弊害となることを知見した。発明者らが鋭意研究を行った結果、加工精度の高いドライプロセス技術を適用しつつ、レッグ部上の引き出し電極を構成する金属膜の配置及び積層構造を工夫することにより、その引き出し電極からのノイズ出力を著しく低減することが可能であることを見出した。本発明はこのような視点で創出された。なお、本出願では、「円環状又は多角形状の振動ジャイロ」を、簡略化して「リング状振動ジャイロ」とも呼ぶ。

本発明の１つの振動ジャイロは、円環状又は多角形状の振動体と、その振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、その振動体の上方に形成されるとともに、第１上層金属膜及び第１下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極とを備えている。さらに、本発明の１つの振動ジャイロは、前述のレッグ部の絶縁体膜上に形成されるとともに、前述の第１下層金属膜と連続する第２下層金属膜と、その絶縁体膜上又はその上方に形成されるとともに、その第１下層金属膜及びその第２下層金属膜と接することなく前述の圧電体膜上を経由して前述の第１上層金属膜と連続する、その第２下層金属膜と実質的に同層の第２上層金属膜とを備えている。

この振動ジャイロは、その振動体の上方には第１上層金属膜と第１下層金属膜とにより圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極を備えている一方、そのレッグ部の上方には第１下層金属膜と連続する第２下層金属膜と実質的に同層の、第１上層金属膜と連続する第２上層金属膜を備えている。すなわち、レッグ部上の絶縁体膜上又はその上方の第２下層金属膜と第２上層金属膜は、実質的に同層となるように配置上の高低差がなくなる。これは、第２下層金属膜と第２上層金属膜との間に、圧電体膜が全く存在しないか、もし存在していたとしても、圧電効果や逆圧電効果が無視できる程度の厚みの圧電体膜が残るのみであることを意味する。

従って、レッグ部上の圧電効果、逆圧電効果を大幅に低減することができる。すなわち、コンデンサーとしても機能する圧電体膜が、全く又は実質的に存在しないため、例えば、その領域に電圧が印加されても、いわゆる逆圧電効果が、全く又は実質的に生じない。その結果、振動体の一次振動に対する悪影響が、全く又は実質的に生じなくなる。他方、レッグ部の上方には、全く又は実質的に圧電体膜が形成されていないため、例えば、上述のような外乱が発生しても、そのような外乱に対するノイズの発生が抑制される。従って、この振動ジャイロの外乱への耐性が格段に向上する。

尚、上述の通り、本出願において、「実質的に同層」との文言は、レッグ部上に形成された絶縁膜の厚みが、本発明の振動ジャイロの製造過程において変動し、前述の第２下層金属膜の直下の絶縁体膜の膜厚と前述の第２上層金属膜の直下の絶縁体膜の膜厚が異なる場合を含む。さらに、本出願において、「実質的に同層」との文言は、前述の第２下層金属膜と前述の第２上層金属膜との間に、圧電効果や逆圧電効果が無視できる程度の厚みの圧電体膜が存在する場合も含む。

本発明のもう１つの振動ジャイロは、円環状又は多角形状の振動体と、その振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、その振動体の上方に形成されるとともに、第１上層金属膜及び第１下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極とを備えている。さらに、その本発明のもう１つの振動ジャイロは、前述のレッグ部上の絶縁体膜上に形成されるとともに、前述の第１下層金属膜と連続する第２下層金属膜と、前述の絶縁体膜上に形成されるとともに、その第１下層金属膜及びその第２下層金属膜と接することなく前述の圧電体膜上を経由してその第１上層金属膜と連続する、その絶縁体膜上の第２上層金属膜とを備えている。

この振動ジャイロは、その振動体の上方には第１上層金属膜と第１下層金属膜とにより圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極を備えている一方、そのレッグ部の上方には、第１下層金属膜と連続する第２下層金属膜と接することなく、絶縁体膜上に第１上層金属膜と連続する第２上層金属膜を備えている。すなわち、レッグ部上の絶縁体膜上の第２下層金属膜と第２上層金属膜は、実質的に同層となるように配置上の高低差がなくなる。これは、第２下層金属膜と第２上層金属膜との間に圧電体膜が存在しないことを意味する。

従って、レッグ部上の圧電効果、逆圧電効果をなくすことができる。すなわち、コンデンサーとしても機能する圧電体膜が存在しないため、例えば、その領域に電圧が印加されても、いわゆる逆圧電効果が生じない。その結果、振動体の一次振動に対する悪影響が生じなくなる。他方、レッグ部の上方には圧電体膜が形成されていないため、例えば、上述のような外乱が発生しても、そのような外乱に対するノイズが発生しない。加えて、レッグ部の上方にコンデンサーとしても機能する圧電体膜がなければ、前述の外乱によらないノイズ信号も低減できる。従って、この振動ジャイロの外乱への耐性が格段に向上する。

本発明の１つの振動ジャイロによれば、上述の振動体上には駆動や検出を実行する圧電素子が形成されるとともに、レッグ部上には、逆圧電効果や圧電効果が全く又は実質的に生じないように、振動体上に形成された複数の電極から連続する金属膜を形成することができる。その結果、不要な振動体の励起を生じさせず、外乱にも強く、さらに、外乱によらないノイズ信号の強度も弱めた振動ジャイロを製造することができる。

つぎに、本発明の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に述べる。尚、この説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分には共通する参照符号が付されている。また、図中、本実施形態の要素は必ずしもスケール通りに示されていない。また、各図面を見やすくするために、一部の符号が省略され得る。

＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態におけるリング状振動ジャイロ１００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。また、図３は、図１のリング状振動ジャイロ１００の図面上部の一部の斜視図である。なお、図３の中に点線を用いて示されている領域は、図を見やすくするために透明化されている。

図１乃至図３に示すとおり、本実施形態のリング状振動ジャイロ１００は、大きく３つの領域に分類される。第１の領域は、シリコン基板１０から形成されるリング状振動体１１の上部の平面（以下、上面という）上に、複数の膜が積層された領域である。

図１に示す複数の電極１３ａ〜１３ｄは、その上面上に、シリコン酸化膜２０を備え、その上に、圧電体膜４０であるＰＺＴ膜が、第１下層金属膜３０である白金（Ｐｔ）と第１上層金属膜５０である白金（Ｐｔ）との間に挟まれることにより形成される複数の電極１３ａ〜１３ｄを備えた領域である。本実施形態では、複数の電極１３ａ〜１３ｄを構成する第１上層金属膜５０は、約４６μｍ幅の上面を有するリング状振動体１１の外周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約２１μｍである。また、リング状振動体１１の第１上層金属膜５０は、リング状振動体１１の上面の幅の両端間の中央を結ぶ線（以下、単に中央線という）よりも外側に形成されている。

他方、その複数の電極１３ａ〜１３ｄに電圧を印加し、又は電気信号を取得するために第１上層金属膜５０で構成される引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａ及び第１下層金属膜３０で構成される１４ｂ，・・・，１４ｂが、リング状振動体１１上面上にシリコン酸化膜２０を介して形成される。具体的には、リング状振動体１１の上面上にシリコン酸化膜２０が形成されている。その上に、第１上層金属膜５０と連続する第２上層金属膜５１及び第１下層金属膜３０と連続する第２下層金属膜３１が、互いに接することなく形成されている。また、図２及び図３に示すように、圧電体膜４０がリング状振動体１１の外周縁の上方から略中央線の上方まで一様に形成されているが、リング状振動体１１のその他の領域の上方には圧電体膜４０が形成されていない。なお、図を見やすくするために、図１の正面図は、リング状振動体１１の上方に形成される圧電体膜４０の段差によって生じる輪郭を表示していない。

ところで、本実施形態では、イン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードでリング状振動ジャイロ１００の一次振動が励起される。従って、前述の複数の電極１３ａ〜１３ｄの内訳は、互いに円周方向に１８０°離れた角度に配置された２つの駆動電極１３ａ，１３ａと、駆動電極１３ａ，１３ａから円周方向であって９０°離れた角度に配置された２つのモニタ電極１３ｃ，１３ｃと、リング状振動ジャイロ１００に角速度が与えられたときに発生する二次振動を検出する、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄである。本実施形態では、第１検出電極１３ｂ，１３ｂは、駆動電極１３ａ，１３ａから円周方向であって時計回りに４５°離れた角度に配置される。また、第２検出電極１３ｄ，１３ｄは、第１検出電極１３ｂ，１３ｂから円周方向であって９０°離れた角度、換言すれば、駆動電極１３ａ，１３ａから円周方向であって反時計回りに４５°離れた角度に配置される。

また、本実施形態では、第１上層金属膜５０、第２上層金属膜５１、第１下層金属膜３０、及び第２下層金属膜３１の厚みは１００ｎｍであり、圧電体膜４０の厚みは、３μｍである。また、シリコン酸化膜２０の厚みは、１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。シリコン基板１０の厚みは１００μｍである。ここで、第２下層金属膜３１の下のシリコン酸化膜２０の厚みは、１２０ｎｍ以上であることが好ましい。前述のシリコン酸化膜２０の厚みが１２０ｎｍ以上であれば、仮にそのシリコン酸化膜２０をエッチングする際に、エッチング装置の状況によって所望のエッチング量を超えるエッチングが行われたとしても、残されたシリコン酸化膜２０の膜厚によって絶縁性を確保することができると考えられる。他方、前述のシリコン酸化膜２０の厚みの上限は特に限定されない。但し、その値が２００ｎｍを超えると、最終的にそのシリコン酸化膜２０が完全にエッチングされてしまう箇所も存在するため、そのエッチング時間が長くなりすぎてプロセス効率が低下するとともに、製造コストの上昇を招くことになる。なお、図１においてＶで示される斜線領域は、リング状振動ジャイロ１００を構成する構造体が何も存在しない空間又は空隙部分であり、図面を分かりやすくするために便宜上設けられた領域である。

第２の領域は、リング状振動体１１の一部と連結しているレッグ部１５，・・・，１５である。このレッグ部１５，・・・，１５もシリコン基板１０から形成されている。また、レッグ部１５，・・・，１５上には、リング状振動体１１上のそれらと連続する上述のシリコン酸化膜２０、第２下層金属膜３１、及び第２上層金属膜５１がレッグ部１５，・・・，１５の上方に形成されている。ここで、レッグ部１５，・・・，１５の幅は１５μｍであり、それらの上方には、レッグ部１５，・・・，１５の一方の端部から約１μｍ離れた場所から幅約３μｍの第２上層金属膜５１で構成される引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａが形成されている。また、レッグ部１５，・・・，１５の他方の端部から約１μｍ離れた場所から幅約３μｍの第２下層金属膜３１で構成される引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂが形成されている。なお、本実施形態のレッグ部１５，・・・，１５の上方には、圧電体膜４０は形成されていない。

第３の領域は、上述のレッグ部１５，・・・，１５に連結しているシリコン基板１０から形成される支柱１９及び電極パッド１８，・・・，１８を備えた電極パッド用固定端部１７，・・・，１７である。本実施形態では、支柱１９が、図示しないリング状振動ジャイロ１００のパッケージ部に連結し、固定端としての役割を果たしている。また、本実施形態のリング状振動ジャイロ１００は、支柱１９以外の固定端として、電極パッド用固定端部１７，・・・，１７を備えている。この電極パッド用固定端部１７，・・・，１７は、支柱１９及び上述のパッケージ部のみに連結しているため、実質的にリング状振動体１１の動きを阻害しない。また、図２に示すように、支柱１９及び電極パッド用固定端部１７，・・・，１７の上面には、グラウンド電極である固定電位電極１６を除き、レッグ部１５，・・・，１５上のそれらと連続する上述のシリコン酸化膜２０、第２下層金属膜３１、及び第２上層金属膜５１が形成されている。ここで、シリコン酸化膜２０上に形成された第２下層金属膜３１が固定電位電極１６の役割を担っている。また、支柱１９及び電極パッド用固定端部１７，・・・，１７の上方には、レッグ部１５，・・・，１５の上方のそれと連続する第２上層金属膜５１によって形成される引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａ及び電極パッド１８，・・・，１８が形成されている。

上述のとおり、圧電体膜４０がレッグ部１５，・・・，１５の上方に形成されていない。従って、本実施形態のレッグ部１５，・・・，１５の上方には、第１上層金属膜５０の引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａ（第１上層金属膜５１）と第１下層金属膜３０の引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂ（第２下層金属膜３１）とが、シリコン酸化膜２０上で同層となる。なお、第２下層金属膜３１の下のシリコン酸化膜２０の厚みよりも、第２上層金属膜５１の下のシリコン酸化膜２０の厚みの方が薄い場合があるが、本出願では、そのような場合であっても第２上層金属膜５１と第２下層金属膜３１とは同層であると定義する。

本実施形態では、第１上層金属膜５０の引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａと第１下層金属膜３０の引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂとが、シリコン酸化膜２０上で同層に形成されるため、コンデンサーとしても機能する圧電体膜４０が、第２上層金属膜５１と第２下層金属膜３１との間に挟まれない。従って、例えば、リング状振動ジャイロ１００が外部からの不意の衝撃（外乱）を受けても、レッグ部１５，・・・，１５の上方の各引き出し電極１４ａ，１４ｂの存在に起因するノイズは発生しない。換言すれば、本実施形態のリング状振動ジャイロ１００は、いわゆるバウンスモードやロッキングモード、あるいはリング状振動ジャイロ１００が配置される平面内の移動を生じさせるトランスモードの振動を励起する外部衝撃に対する耐衝撃性が高められている。また、前述のとおり、各引き出し電極１４ａ，１４ｂの領域の合成された静電容量が大幅に低減すると、外乱によらないノイズ信号の強度も顕著に弱まるため、角速度の測定精度が向上する。

さらに、例えば、各引き出し電極１４ａ，１４ｂに駆動電極１３ａ，１３ａに与えられる電圧が印加された場合であっても、レッグ部１５，・・・，１５の上方には圧電体膜４０が形成されていないため、いわゆる逆圧電効果も生じない。その結果、リング状振動ジャイロ１００の一次振動に対する悪影響を生じさせない、又は著しく減らすことができる。すなわち、レッグ部１５，・・・，１５の上方に圧電体膜４０を挟んで第２上層金属膜５１と第２下層金属膜３１が形成されている場合と比較して、不要な一次振動の励起を抑えることができる。加えて、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄによる検出の際の不要なノイズの発生も抑えることができる。

なお、本実施形態では、レッグ部１５，・・・，１５の上方に圧電体膜４０が形成されていない。しかしながら、仮に、図２に相当する断面図である図７に示されたリング状振動ジャイロ２００ように、製造プロセス上の何らかの理由によって、薄い（例えば、０．１μｍ以下）圧電体膜４０が第１下層金属膜３０と第１上層金属膜５０との間に残ったとしても、本実施形態の効果は大きく損なわれない。本実施形態の第１上層金属膜５０の引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａと第１下層金属膜３０の引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂとの距離が、約７μｍ以上離れているため、実質的な圧電体膜４０の静電容量が小さくなる。その結果、残留する圧電体膜４０の影響は大幅に低減される。なお、第１上層金属膜５０の引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａと第１下層金属膜３０の引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂとの距離が、正面視において３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。前述の距離が３μｍ未満であれば、圧電体膜４０を挟んだ結合的な容量値によって、リング状振動ジャイロ１００の動作に影響を与えるおそれが高まるためである。また、前述の距離が１０μｍを超えると、リング状振動ジャイロ１００の全体としてのサイズ低減の要求に見合うレッグ部１５，・・・，１５の幅とならないためである。但し、上述のノイズ信号の低減の観点から、前述の圧電体膜４０が残らないように製造することが好ましい。従って、上述の圧電体膜４０のエッチングの際には、圧電体膜４０のエッチング速度及びシリコン酸化膜２０のエッチング速度の双方を考慮した上で、丁度、圧電体膜４０が完全にエッチングされる時間よりもやや長めのエッチング時間を採用することが好ましい。

次に、本実施形態のリング状振動ジャイロ１００の製造方法について、図４Ａ乃至図４Ｊに基づいて説明する。なお、図４Ａ乃至図４Ｊは、図２における一部の範囲に対応する断面図である。

まず、図５に示すシリコン基板１０のエッチング装置５００の構成について説明する。エッチング対象となるシリコン基板１０は、チャンバー５２０の下部側に設けられたステージ５２１に載置される。チャンバー５２０には、エッチングガス、有機堆積物形成ガス（以下、保護膜形成ガスともいう）から選ばれる少なくとも一種類のガスが、各ボンベ５２２ａ，５２２ｂからそれぞれガス流量調整器５２３ａ，５２３ｂを通して供給される。これらのガスは、第１高周波電源５２５により高周波電力を印加されたコイル５２４によりプラズマ化される。その後、第２高周波電源５２６を用いてステージ５２１に高周波電力が印加されることにより、これらの生成されたプラズマはシリコン基板１０に引き込まれる。このチャンバー５２０内を減圧し、かつプロセス後に生成されるガスを排気するため、チャンバー５２０には真空ポンプ５２７が排気流量調整器５２８を介して接続されている。尚、このチャンバー５２０からの排気流量は排気流量調整器５２８により変更される。上述のガス流量調整器５２３ａ，５２３ｂ、第１高周波電源５２５、第２高周波電源５２６及び排気流量調整器５２８は、制御部５２９により制御される。なお、図４は、シリコン基板１０をエッチングするための装置構成として説明されたが、上述の圧電体膜４０や金属膜のためのエッチング装置としても利用され得る。例えば、エッチング装置５００を用いれば、チャンバー５２０内に導入するガスの種類を適宜選定することによって、後述のシリコン以外の対象をエッチングすることもできる。

本実施形態のリング状振動ジャイロ１００の製造方法では、最初に、図４Ａに示すように、シリコン基板１０上に、シリコン酸化膜２０、及び同じ金属膜である第１下層金属膜３０と第２下層金属膜３１が積層される。前述の各膜は公知の成膜手段によって形成されている。本実施形態では、シリコン酸化膜２０は公知の手段による熱酸化膜である。また、各下層金属膜３０，３１は、いずれも公知のスパッタリング法により形成されている。なお、これらの膜の形成は、前述の例に限定されず、他の公知の手段によっても形成され得る。

次に、各下層金属膜３０，３１の一部がエッチングされる。本実施形態では、各下層金属膜３０，３１上に公知のレジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術により形成されたパターンに基づいてドライエッチングを行うことにより、図４Ｂに示される各下層金属膜３０，３１が形成される。但し、第２下層金属膜３１は、図４Ｂ中に描かれていない。ここで、各下層金属膜３０，３１のドライエッチングは、上述のエッチング装置５００を用いて、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

その後、図４Ｃに示すように、圧電体膜４０が積層される。本実施形態では、圧電体膜４０が公知のスパッタリング法により形成されている。なお、圧電体膜４０は、スパッタリング法のみならず、他の公知の手段によっても形成され得る。

続いて、図４Ｄに示すように、圧電体膜４０の一部がエッチングされる。まず、上述と同様、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされた新たなレジスト膜に基づいて、圧電体膜４０がドライエッチングされる。なお、本実施形態の圧電体膜４０のドライエッチングは、上述のエッチング装置５００を用いて、アルゴン（Ａｒ）とＣ_２Ｆ_６ガスの混合ガス、又はアルゴン（Ａｒ）とＣ_２Ｆ_６ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

その後、図４Ｅに示すように、傾斜面を有する圧電体膜４０上に、同じ金属膜である第１上層金属膜５０及び第２上層金属膜５１が一様に積層される。本実施形態では、各上層金属膜５０，５１が公知のスパッタリング法により形成されている。なお、各上層金属膜５０，５１も、スパッタリング法のみならず、他の公知の手段によっても形成され得る。

次に、各上層金属膜５０，５１の一部がエッチングされる。本実施形態では、公知のスプレーコーター（参考文献として、光技術情報誌「ライトエッジ」Ｎｏ．２９，ｐ．１８）を用いて各上層金属膜５０，５１上に公知のレジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術により形成されたパターンに基づいてドライエッチングが行われる。その結果、図４Ｆに示される各上層金属膜５０，５１が形成される。ここで、各上層金属膜５０，５１のドライエッチングは、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた公知のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）条件によって行われる。

続いて、図４Ｇに示すように、各下層金属膜３０，３１の一部がエッチングされる。本実施形態の各下層金属膜３０，３１のドライエッチングは、上述のエッチング装置５００を用いて、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

次に、図４Ｈに示すように、上述のエッチング装置５００を用いてシリコン酸化膜２０及びシリコン基板１０のドライエッチングが行われる。まず、上述と同様、フォトリソグラフィ技術によりパターニングがされた新たなレジスト膜に基づいて、シリコン酸化膜２０がドライエッチングされる。本実施形態のシリコン酸化膜２０のドライエッチングは、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

その後、本実施形態のシリコン基板１０のドライプロセスによる貫通エッチングが行われる（図４Ｊ）。本実施形態では、保護膜形成ガスが導入される保護膜形成工程とエッチングガスが導入されるエッチング工程とを順次繰り返す方法が採用される。尚、本実施形態の保護膜形成ガスはＣ_４Ｆ_８であり、エッチングガスはＳＦ_６である。

また、前述のドライエッチングは、貫通時にシリコン基板１０を載置するステージをプラズマに曝さないようにするための保護基板をシリコン基板１０の下層に伝熱性の優れたグリース等により貼り付けた状態で行われる。そのため、例えば、貫通後にシリコン基板１０の厚さ方向に垂直な方向の面、換言すればエッチング側面が侵食されることを防ぐために、特開２００２−１５８２１４に記載されているドライエッチング技術が採用されることは好ましい一態様である。

上述の通り、シリコン基板１０及びシリコン基板１０上に積層された各膜のエッチングによって、リング状振動ジャイロ１００の中心的な構造部が形成されたのち、公知の手段によるパッケージへの収容工程、及び配線工程を経ることにより、リング状振動ジャイロ１００が形成される。本実施形態では、全てドライエッチングが採用されているため、加工精度の高い振動ジャイロが製造できる。

次に、リング状振動ジャイロ１００が備える各電極の作用について説明する。上述の通り、本実施形態はイン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードの一次振動が励起される。なお、固定電位電極１６が接地されるため、固定電位電極１６と連続して形成されている各下層金属膜３０，３１は一律に０Ｖになっている。

最初に、図１に示すように、２つの駆動電極１３ａ，１３ａに１Ｖ_Ｐ−０の交流電圧が印加される。その結果、圧電体膜４０が伸縮して一次振動が励起される。ここで、本実施形態では第１上層金属膜５０がリング状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されているため、リング状振動体１１の側面に形成されることなく圧電体膜４０の伸縮運動をリング状振動体１１の一次振動に変換することが可能となる。

次に、図１に示すモニタ電極１３ｃ，１３ｃが、上述の一次振動の振幅及び共振周波数を検出して、図示しない公知のフィードバック制御回路に信号を送信する。本実施形態のフィードバック制御回路は、駆動電極１３ａ，１３ａに印加される交流電圧の周波数とリング状振動体１１が持つ固有周波数が一致するように制御するとともに、リング状振動体１１の振幅がある一定の値となるようにモニタ電極１３ｃ，１３ｃの信号を用いて制御している。その結果、リング状振動体１１は、一定の振動が持続される。

上述の一次振動が励起された後、図１に示すリング状振動ジャイロ１００の配置された平面に垂直な軸（紙面に垂直な方向の軸、以下、単に「垂直軸」という）の回りで角速度が加わると、ｃｏｓ２θの振動モードである本実施形態では、コリオリ力により一次振動の振動軸に対して両側に４５°傾いた新たな振動軸を有する二次振動が生じる。

この二次振動が２つの第１検出電極１３ｂ，１３ｂと、２つの第２検出電極１３ｄ，１３ｄによって検出される。本実施形態では、図１に示すように、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄは、それぞれ二次振動の振動軸に対応して配置されている。また、全ての第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄは、リング状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されている。従って、角速度を受けて励起される二次振動によって生じる第１検出電極１３ｂ，１３ｂと第２検出電極１３ｄ，１３ｄの電気的信号の正負が逆になる。これは、図６に示すように、例えば、リング状振動体１１が縦に楕円となる振動体１１ａの振動状態に変化した場合、中央線より外側に配置されている第１検出電極１３ｂの位置の圧電体膜４０は、Ａ_１に示す矢印の方向に伸びる一方、中央線より外側に配置されている第２検出電極１３ｄの位置の圧電体膜４０は、Ａ_２に示す矢印の方向に縮むため、それらの電気的信号は逆になる。同様に、リング状振動体１１が横に楕円となる振動体１１ｂの振動状態に変化した場合、第１検出電極１３ｂの位置の圧電体膜４０は、Ｂ_１に示す矢印の方向に縮む一方、第２検出電極１３ｄの位置の圧電体膜４０は、Ｂ_２に示す矢印の方向に伸びるため、この場合も、それらの電気的信号が逆になる。

ここで、公知の差分回路である演算回路７０において、第１検出電極１３ｂ，１３ｂと第２検出電極１３ｄ，１３ｄの電気信号の差が算出される。その結果、検出信号は第１検出信号又は第２検出信号のいずれか一方のみの場合と比較して約２倍の検出能力を備えることになる。

＜第２の実施形態＞
図８は、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ３００の図１に相当する図である。また、図９は、図３に相当する斜視図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ３００は、第１の実施形態における引き出し電極１４ｂ、すなわち、第２下層金属膜３１が形成される位置の一部を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法は一部を除いて第１の実施形態と同じである。さらに、本実施形態の振動モードは、駆動及び検出に関して第１の実施形態と同様、イン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードである。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略される。

図８及び図９に示すとおり、本実施形態の引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂは、もう一つの引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａと同様、それぞれの電極の最も近いレッグ部１５，・・・，１５の上方に形成される。第１の実施形態と同様、レッグ部１５，・・・，１５の上方には、レッグ部１５，・・・，１５の一方の端部から約１μｍ離れた場所から幅約３μｍの第２上層金属膜５１で構成される引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａが形成されている。また、レッグ部１５，・・・，１５の他方の端部から約１μｍ離れた場所から幅約３μｍの第２下層金属膜３１で構成される引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂが形成されている。なお、本実施形態のレッグ部１５，・・・，１５の上方にも、圧電体膜４０は形成されていない。

本実施形態のリング状振動ジャイロ３００の製造方法は、第１の実施形態のエッチングマスクの一部を変更するだけで足りる。具体的には、各下層金属膜３０，３１の一部をエッチングする際のエッチングマスクを変更すれば、引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂの配置を変更することができる。その他のエッチング条件は第１の実施形態のそれと同じである。

本実施形態におけるリング状振動ジャイロ３００も、第１の実施形態のように、第１上層金属膜５０の引き出し電極１４ａ，・・・，１４ａと第１下層金属膜３０の引き出し電極１４ｂ，・・・，１４ｂとが、シリコン酸化膜２０上で同層に形成される。つまり、コンデンサーとしても機能する圧電体膜４０が、第２上層金属膜５１と第２下層金属膜３１との間に挟まれない。従って、例えば、リング状振動ジャイロ１００が外部からの不意の衝撃（外乱）を受けても、レッグ部１５，・・・，１５の上方の各引き出し電極１４ａ，１４ｂの存在に起因するノイズは発生しない。換言すれば、本実施形態のリング状振動ジャイロ３００は、いわゆるバウンスモードやロッキングモード、あるいはリング状振動ジャイロ１００が配置される平面内の移動を生じさせるトランスモードの振動を励起する外部衝撃に対する耐衝撃性が高められている。また、前述のとおり、各引き出し電極１４ａ，１４ｂの合成された静電容量が大幅に低減すると、外乱によらないノイズ信号の強度も顕著に弱まるため、角速度の測定精度が向上する。

さらに、例えば、各引き出し電極１４ａ，１４ｂに駆動電極１３ａ，１３ａに与えられる電圧が印加された場合であっても、レッグ部１５，・・・，１５の上方には圧電体膜４０が形成されていないため、いわゆる逆圧電効果も生じない。その結果、リング状振動ジャイロ３００の一次振動に対する悪影響を生じさせない、又は著しく減らすことができる。すなわち、レッグ部１５，・・・，１５の上方に圧電体膜４０を挟んで第２上層金属膜５１と第２下層金属膜３１が形成されている場合と比較して、不要な一次振動の励起を抑えることができる。加えて、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄによる検出の際の不要なノイズの発生も抑えることができる。

ところで、上述の各実施形態では、中央線より外側に駆動電極と検出電極が形成されていたが、これに限定されない。駆動電極のみ、又は検出電極のみが中心線よりも内側に配置されている場合であっても本発明の効果と同様の効果が奏される。さらに駆動電極及び検出電極が、ともに中心線よりも内側に配置されている場合であっても本発明の効果と同様の効果が奏される。

さらに、上述の各実施形態以外に、イン・プレーンの一次振動であって、アウト・オブ・プレーンの二次振動を用いた多軸ジャイロや、アウト・プレーンの一次振動であって、イン・オブ・プレーンの二次振動を用いた多軸ジャイロに対しても、本発明は適用され得る。

また、上述の各実施形態は、円環状の振動体を用いた振動ジャイロで説明されているが、円環状の代わりに、多角形状の振動体であってもよい。例えば、正六角形、正八角形、正十二角形、正二十角形等の正多角形状の振動体であっても、本発明の効果と実質的に同様の効果が奏される。また、図１０に示すリング状振動ジャイロ４００の八角形状の振動体１１１のような振動体であってもよい。振動体の正面視において点対象形状となる多角形状の振動体が採用されれば、振動体の振動時の安定性の観点で好ましい。また、「円環状」には楕円形状が含まれるが、正面視において、振動体となるリングが略真円状であることが好ましい。

また、上述の各実施形態のシリコン酸化膜の代わりに、例えば、シリコン窒化膜や、シリコン酸窒化膜が形成されていても、本発明の効果と実質的に同様の効果が奏される。

さらに、上述の各実施形態では、シリコンを母材とするリング状振動ジャイロが採用されているが、これにも限定されない。例えば、振動ジャイロの母材がシリコンゲルマニウムであってもよい。以上、述べたとおり、本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

本発明は、振動ジャイロとして種々のデバイスの一部として広く適用され得る。

本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの中心的役割を果たす構造体の正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の一部の斜視図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状振動ジャイロの製造装置の構成を示す断面図である。 第１検出電極と第２検出電極の電気的信号の正負を概念的に説明する図である。 本発明の他の実施形態における図２に相当する断面図である。 本発明の他の実施形態における図１に相当する断面図である。 本発明の他の実施形態における図３に相当する断面図である。 本発明の他の実施形態における振動体形状を説明する図である。

符号の説明

１０ シリコン基板
１１，１１ａ，１１ｂ リング状振動体
１２ 交流電源
１３ａ 駆動電極
１３ｂ 第１検出電極
１３ｃ モニタ電極
１３ｄ 第２検出電極
１４ａ 上層金属膜の引き出し電極
１４ｂ 下層金属膜の引き出し電極
１５ レッグ部
１６ 固定電位電極（グラウンド電極）
１７ 電極パッド用固定端部
１８ 電極パッド
１９ 支柱
２０ シリコン酸化膜
３０ 第１下層金属膜
３１ 第２下層金属膜
４０ 圧電体膜
５０ 第１上層金属膜
５１ 第２上層金属膜
７０ 演算回路
１００，２００，３００，４００ リング状振動ジャイロ
１１１ 振動体
５００ エッチング装置
５２０ チャンバー
５２１ ステージ
５２２ａ，５２２ｂ ガスボンベ
５２３ａ，５２３ｂ ガス流量調整器
５２４ コイル
５２５ 第１高周波電源
５２６ 第２高周波電源
５２７ 真空ポンプ
５２８ 排気流量調整器
５２９ 制御部

Claims (4)

1. 円環状又は多角形状の振動体と、
   前記振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、
   前記振動体の上方に形成されるとともに、第１上層金属膜及び第１下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極と、
   前記レッグ部上の絶縁体膜上に形成されるとともに、前記第１下層金属膜と連続する第２下層金属膜と、
   前記絶縁体膜上又はその上方に形成されるとともに、前記第１下層金属膜及び前記第２下層金属膜と接することなく前記圧電体膜上を経由して前記第１上層金属膜と連続する、前記第２下層金属膜と実質的に同層の第２上層金属膜とを備える
   振動ジャイロ。
2. 円環状又は多角形状の振動体と、
   前記振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、
   前記振動体の上方に形成されるとともに、第１上層金属膜及び第１下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極と、
   前記レッグ部上の絶縁体膜上に形成されるとともに、前記第１下層金属膜と連続する第２下層金属膜と、
   前記絶縁体膜上に形成されるとともに、前記第１下層金属膜及び前記第２下層金属膜と接することなく前記圧電体膜上を経由して前記第１上層金属膜と連続する第２上層金属膜とを備える
   振動ジャイロ。
3. 前記第２上層金属膜の下に薄い前記圧電体膜を備え、正面視において、前記第２上層金属膜と前記第２下層金属膜との距離が、３μｍ以上１０μｍ以下である
   請求項１に記載の振動ジャイロ。
4. 前記第２下層金属膜の下の前記絶縁膜の厚みが１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である
   請求項１又は請求項２に記載の振動ジャイロ。

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