WO2003104749A1

WO2003104749A1 - 角速度センサ

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Publication number: WO2003104749A1
Application number: PCT/JP2003/007115
Authority: WO
Inventors: 道彦林; 多鹿　博文; 中谷　将也
Original assignee: 松下電器産業株式会社
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2003-12-18
Also published as: EP1403616A1; US20040187574A1; EP1403616B1; EP2386826B1; EP1403616A4; CN100338435C; US6865945B2; JPWO2003104749A1; EP2386826A1; CN1545611A; JP3807437B2

Abstract

振動体の駆動共振周波数のばらつきを抑え、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性を向上させた角速度センサが提供される。この角速度センサは振動体を有し、その振動体としての音叉は面方位（１００）を主面とするシリコン基板で形成され、その音叉のアームの駆動方向（Ｘ方向）とほぼ直交する側面が弾性率の方位角依存性の少ない面方位となるように構成される。

Description

麵^

Λ速度センサ

½術分野

木発明は航空機、 Π動 ϊ Γ!ボッ卜、船舶、：中: j等の姿勢制御ゃナビゲ一 -シ 3ンシステム等に If]いられる Λ速俊センサに関する。技術

従来の角速度センサとしては、米【Kj特許第 5 4 3 8 2 3 1 公報に記載されたものが知られている。この角速度センサについて I 8を川いて説明する。

[¾ι 8は従来の速皮センサの斜視 Iである。 18において、 j 度センサ ] 0 1 は、シリコンなどの非/; ¾材料からなる ¾ 1 0 2、 Ύ ―ム 1 0 3、ァ一ム 1 0 4、 ¾部 1 0 5、アーム 1 0 3の上に設けられたド部 fli極 ] 0 6、アーム 1 04の上に設けられた下部 ¾極〗 0 7、下部 ¾極 1 0 6の上に設けられた ¾ 股 1 0 8、下部 ¾極 1 0 7の上に設けられた圧¾薄股 1 0 9、股 ] 0 8の上に設けられた上部 ¾極 1 1 0及び上部 ill極 ] ] 1 、 1-:¾薄股 1 0 9の上に設けられた上部 ¾極 1 〗 2及び上部 ¾極 ] 1 3で構成されている。そして、上部 ¾極 ] ] 0 , ] 1 ] 、 1 1 2 , ] 1 3に交流 fll を印加することによ Of ^ 1 0 2が共扳する。

上述の角速度センサ 1 0 1 の ΐί¾ 1 0 2は、 I 交する 2つの fti動モ - -ド ( X方 f"Jの動モ一ドと Jj [HJの W動モ一ド）をおしている。 ϊ',- ¾ 1 0 2は、その一方の ίΜ動モード（例えば X方向の振動モ一ド）のみが駆動される。この状態で、 j ·. の - :交する 2つの扳動モ一ドの軸 ( X軸、 z軸 ) と π \ゝに交する軸 ( γ軸 ) を屮心に tr-i jn速度が [：|1 加された時、 ff ¾ 1 0 2はコリォリ力によってもう - ·力- ( Z方 fnj ) の動モ -― ドが励振される。 m速度センサ 1 0 〗は、この %[ mを利川している。このような ^速度センサ 1 0 1 の構成において、印加された速度に対して信頼性の ¾い検出^ を得るためには、 ^父 1 0 2の \ii交する 2つの動モ一ド ( X方向の振動モードと Z方向の U動モ一ド）の-共扳周波数は離れていることが必要となる。しかし、印加された角速度に対して検出信 ¾·の感度を上させるためには、昔 ¾ 1 0 2 の if" (交する 2つの振動モ一ド（ X方の振動モードと Z方「の扳動モド）の共振周波数が Kいに近接していることが^利となる。すなわち、印加された^速度に対する検出信の信頼性と感度の観点から、 2つの共扳周波数は結を起こさない程度に十分接近していることがましい。しかし、印加された ^速度に対する検出信の感度の顿性に関して、 i ¾を構成する材料の結品の面方位による弾性率の違いと共扳周波数の観点から考察した文献は上述の米 ¾特許第 5 4 3 8 2 3 1 公報を合めてこれまでになかった。

上述の点について、以下に詳述する。共振周波数 f は、（式〗）で ¾ される。ここで、 cは弹性率を、 pは密度を、 dはァ一ムの幅を、 1 はァ一-ムのさを夫々表している。

f oc ^(c 7p ) * d Z 1 ² (式 1 ) 上記（式〗）より、 if ¾ 1 0 2の X方向の扳動モ一ドの共振 M1波数は、弹性率 c によって変化することは明らかである。ところで、従来の角速度センサでは、アーム ] 0 3、 1 0 の側面に結品の面方位としてどの而を選択するかによって、 ^父 1 0 2の X方向（駆動方向）の弾性率 cがばらつき、印加された; ¾速度に対する検出信の感度がばらつくといった頼性の低下を招くという課题があった。発明の示

扳 9)1休を備えた βΐ速度センサにおいて、その振動体は面方位（ l o o ) を：小: とするシリコン ¾板で形成され、

その振動体の駆動方 |Hjとほぼ— :交する面が弹性率の方位角のずれに対して変化の少なレ方位である

Λ速度センサ。 ifiiの簡単な説明

] は、本発明の角速度センサの ¾施の形態 1 の斜視図である。

M 2は、図 1 に示された速度センサの Λ— Λ断面である。

3は、本発明における角速度センサのシリコン基板内の配 mである。

M 4は、シリコン基板の面方位 1である。

M 5は、シリコン基板の弹性率と方位 i(i度との関係を示す特性 [ |である。

M 6 Λ〜 I 6 Hは、本発明における Λ速度センサを i 3の 1)一 I)断面を川いて説明した製造工程 [¾1である。

7は、本発明の角速度センサの ¾施の形態 2におけるシリコン¾ 板内の配^図である。

図 8は、従来の Λ速度センサの斜視図である。発明を实施する ¾ i の形態

本発明は、上述した従来方式での課題を解決し、振動体の駆動共扳周波数のばらつきを抑え、印加された^速度に対する検出信の感]^ の信頼性を向上させた^]速度センサを提供することを I的とする。以下、本発明の実施の形態について、 [ 1 1 から 1 7 を川いて説明する。本発明の速度センサは扳動体をしているが、以下にす ¾施の形態では、その振動体として -'f ¾を採用した場合を例にげて説明する。

(実施の形態 1 )

図 1は本発明の角速度センサの実施の形態 1の斜視図、図 2は図 1 の角速度センサの A— A断面図、図 3はシリコン基板内の角速度センサの配置図、図 4は図 3に示すシリコン基板の面方位図、図 5は図 3 に示すシリコン基板の弾性率と方位角度との関係を示す特性図である。図 1の矢印 X、矢印 Y、矢印 Ζはそれぞれお互いに直交する 3つの方向を示している。また、以降の説明では、矢印 X、矢印 Υ、矢印 Ζ はそれぞれ方向 X、方向 Υ、方向 Ζとも記載される。図 1、図 2、図 3に示すように、平行な 2本のアーム 1及びアーム 2と、この 2本のアーム 1及びアーム 2を連結する基部 3を有した振動体としての音叉 4は、非圧電材料のシリコンからなる。音又 4の主面 5はシリコン基板 3 0の面方位（ 1 0 0 ) である。また、この主面 5は図 3に示されたシリコン基板 3 0のオリフラ 3 1を基準にしてアーム 1及びアーム 2のそれぞれの側面 6及び側面 7が面方位（ 0 0 1 ) であって、ァーム 1及びアーム 2の長手方向（Υ方向）に直交する面が面方位（ 0 1 0 ) になるように形成されている。第 1の電極 1 0はアーム 1の主面 5上にあって、アーム 1の中心線 8の内側に設けられている。第 2の電極 1 1はアーム 1の主面 5上にあって、中心線 8の外側に設けられている。第 1の電極 1 0と第 2の電極 1 1はそれぞれ離間されている。第 1の電極 1 2はアーム 2の主面 5上にあって、アーム 2の中心線 9 の内側に設けられている。第 2の電極 1 3はアーム 2の主面 5上にあつて、中心線 9の外側に設けられている。第 1の電極 1 2と第 2の電極 1 3はそれぞれ離間されている。第 1の圧電薄膜 1 4 、 1 6はそれぞれ中心線 8 、 9の内側にあって、かつ、第 1の電極 1 0 、 1 2上にそれぞれ設けられている。第 2の圧電薄膜 1 5 、 1 7はそれぞれ中心線 8 、 9外側にあって、かつ、第 2の電極 1 1 、 1 3上にそれぞれ設けられている。第 3の電極 1 8 、 2 0は第 1の圧電薄膜 1 4 、 1 6の上にそれぞれ設けられている。第 4の電極 1 9 、 2 1は第 2の圧電薄膜 1 5 、 1 7の上にそれぞれ設けられている。

以上の第 1の電極 1 0 、 1 2、第 2の電極 1 1 、 1 3、第 1の圧電薄膜 1 4 、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5 、 1 7、第 3の電極 1 8 、 2 0 、第 4の電極 1 9 、 2 1により駆動部が構成されている。

第 5の電極 2 2はアーム 1の主面 5上であって基部 3よりの側に設けられている。かつ、第 5の電極 2 2は、第 1の電極 1 0と第 2の電極 1 1に対して離間して設けられている。第 6の電極 2 3は、第 5の電極 2 2上に設けられた第 3の圧電薄膜 2 6上に設けられている。尚、第 3の圧電薄膜 2 6は、図 1 と図 3では第 6の電極 2 3で隠れていて見えていないが、断面図である図 6 Dに明示されている。同じく、第 5の電極 2 4はアーム 2の主面 5上であつて基部 3よりの側に設けられている。かつ、第 5の電極 2 4は、第 1の電極 1 2と第 2の電極 1 3に対して離間して設けられている。第 6の電極 2 5は、第 5の電極 2 4上に設けられた第 3の圧電薄膜 2 7上に設けられている。尚、第 3の圧電薄膜 2 7は、図 1と図 3では第 6の電極 2 5で隠れていて見えていないが、断面図である図 6 Dに明示されている。

以上の第 5の電極 2 2 、 2 4、第 3の圧電薄膜 2 6 、 2 7、第 6の電極 2 3 、 2 5により検知部が構成されている。

上述のようにして、角速度センサ 5 0が構成されている。

次に、角速度センサ 5 0の動作原理について説明する。

図 1、図 2において、第 1の電極 1 0と第 3の電極 1 8との間、第 1の電極 1 2と第 3の電極 2 0との間、第 2の電極 1 1 と第 4の電極 1 9との間、第 2の電極 1 3と第 4の電極 2 1 との間にそれぞれ 2 0 V程度の直流電圧を印加すると、第 1圧電薄膜 1 4 、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5 、 1 7の分極はそれぞれ一定方向に揃う。同じく、第 5の電極 2 2と第 6の電極 2 3との間、第 5の電極 2 4と第 6の電極 2 5 との間にそれぞれ 2 0 V程度の直流電圧を印加すると、第 3の圧電薄膜 2 6、 27の分極は一定方向に揃う。

例えば、第 1の電極 1 0、 1 2、第 2の電極 1 1、 1 3、及び第 5 の電極 2 2、 24が高電位側になるように直流電圧を印加すると、第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5、 1 7及び第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7の分極の方向は、第 1の電極 1 0、 1 2、第 2の電極 1 1、 1 3及び第 5の電極 2 2、 24から第 3の電極 1 8、 2 0、第 4の電極 1 9、 2 1及び第 6の電極 2 3、 2 5の方向に向く。この分極方向は、上述の直流電圧の印加を止めても一定方向のままで維持される。これは自発分極と呼ばれる。第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2 の圧電薄膜 1 5、 1 7及び第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7がこのような自発分極を持つとき、第 3の電極 1 8、 2 0、第 4の電極 1 9、 2 1及び第 6の電極 2 3、 2 5が第 1の電極 1 0、 1 2、第 2の電極 1 1、 1 3及び第 5の電極 2 2、 2.4よりも高電位の場合は、第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5、 1 7及び第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7はそれぞれの分極の方向が緩和する方向に動く。従って、第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5、 1 7及び第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7は分極と平行な方向に縮み、垂直な方向に伸びる。逆に、第 3の電極 1 8、 2 0、第 4の電極 1 9、 2 1及び第 6の電極 2 3、 2 5が第 1の電極 1 0、 1 2、第 2の電極 1 1、 1 3及び第 5の電極 2 2、 24よりも低電位の場合は、第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2 の圧電薄膜 1 5、 1 7及び第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7は分極と平行な方向に伸び、垂直な方向に縮む。

したがって、第 1の電極 1 0を GND電極又は仮想 GND電極とし、第 3の電極 1 8に交流電圧を印加すると、第 1の圧電薄膜 1 4は Y軸方向に伸び縮みする。以上は、アーム 1上の内側に設けられた駆動部について説明したが、アーム 1上の外側に設けられた駆動部、アーム 2上の内側、外側に設けられた駆動部についても同様な動作をする。また、図 1、図 2に示す第 3の電極 1 8と第 4の電極 1 9に互いに位相が 1 8 0 ° 異なる交流電圧を印加することで、第 1の圧電薄膜 1 4が伸びる時に第 2の圧電薄膜 1 5は縮む。逆に、第 1の圧電薄膜 1 4が縮む時に第 2の圧電薄膜 1 5は伸びる。

以上の原理に基づき、第 3の電極 1 8 、 2 0に同位相、第 4の電極 1 9 、 2 1に対しては第 3の電極 1 8 、 2 0と逆位相の交流電圧を印加すると、アーム 1とアーム 2は互いに逆方向（X方向）に音 ¾振動する。

また、アーム 1 、 2は形状に依存した固有共振周波数を有している。第 3の電極 1 8 、 2 0、第 4の電極 1 9 、 2 1に印加する交流電圧の周波数をこの形状の固有の共振周波数と同じにすれば、アーム 1 、 2 は X方向（駆動方向）へ駆動共振させられる。 X方向（駆動方向）で共振している状態で Y軸の回りに角速度が印加されると、アーム 1 、 2はコリオリカにより Z方向（検出方向）に互いに逆向きに撓む。この撓みによりアーム 1 、 2上にそれぞれ設けられている第 3の圧電薄膜 2 6 、 2 7には、それぞれ逆向きの電荷が発生する。この逆向きの電荷を第 6の電極 2 3 、 2 5が検出することにより、印加された角速度に対応した出力が得られる。

なお、アーム 1 、 2は X方向（駆動方向）へ動く振動モードと、 Z 方向（検出方向）へ動く振動モードを持っている。この 2つの振動モードの共振周波数を同じに設定すると、駆動共振によって検出側（Z 方向）にも共振が発生するので、コリオリカによって発生したひずみの識別が困難となる。そのため、検出側（Z方向）の共振周波数は駆動側（X方向）の共振周波数と少し異なる設定にして検出側（ Z方向）の共振周波数と駆動側（X方向）の共振周波数の結合を抑制する必要がある。

しかし、大きく異なる周波数に設定すると、検出側（Z方向）にコリオリカが発生しても駆動側（X方向）の共振周波数と離れているため、検出側（Z方向）は大きな振動が発生しなくなる。つまり駆動側 (X方向）の共振周波数と検出側（Z方向）の共振周波数とは、結合を起こさない程度には離し、検出側（Z方向）の感度を高めるためには両共振周波数は近くに設定する必要がある。

本実施の形態においては、アーム 1、 2の駆動方向（X方向）の幅を検出方向（Z方向）の厚みより大きくした例について、説明する。一例として、図 2に示すようにアーム 1、 2の幅を 0. 2 mm、厚みを 0. 1 9 mmにしている。この音叉 4の駆動方向（X方向）の共振周波数は例えば 2 2 k H z、検出方向（Z方向）の共振周波数は例えば 2 0 k H zになる。

ここで、図 4に示すようにシリコンの面方位（ 1 0 0)、面方位（ 0 1 0 )、面方位（0 0 1 ) はそれぞれ垂直な面の関係にあり、く 0 1 0 >方位とぐ 0 1 1 >方位、 < 0 1 1〉方位と < 0 0 1 >方位はそれぞれ 45 ° 異なる関係にある。

また、図 5はシリコンの方位角度と弾性率との関係を示している。横軸は < 0 1 0>方位を基準とした方位角度を表し、縦軸は弾性率を表している。図 5に示すように、面方位（ 1 0 0 ) のシリコンの弾性率は < 0 1 0 >方位近傍（即ち方位角度が 0 ° 近傍）、 < 0 1 1 >方位近傍（即ち方位角度が 4 5 ° 近傍）、 <0 0 1〉方位近傍（即ち方位角度が 9 0 ° 近傍）では弾性率の方位角度に対する変動量が少ない。ぐ 0 1 0〉方位と < 0 0 1 >方位の弾性率は同じである。このように面方位（ 1 0 0 ) のシリコンの弾性率に関しては、方位角度が 4 5 ° 周期で弾性率の方位角度依存性が少ないところがあり、弾性率自体は方位角度が 9 0 ° 周期で変化する。つまり、図 3に示すように面方位 ( 1 0 0) のシリコン基板 3 0を用いて立体的に形成した音叉 4のァーム 1、 2の長手方向（ Y方向）をぐ 0 1 0 >方位で構成することにより、音叉 4の駆動方向（X方向）がく 0 0 1〉方位となる。また、検出方向（ Z方向）がぐ 1 0 0 >方位であるため、駆動方向（X方向）と検出方向（Z方向）の振動モードにおいて、弾性率をほぼ同じにすることができるとともに方位角度ずれに対する弾性率の変化を少なくできる。従って、駆動方向（X方向）の共振周波数のばらつきが小さくなり高精度化が図れるため、印加された角速度の検出信号の感度の信頼性が向上する。同じく、音叉 4のアーム 1、 2の長手方向 (Y方向）をぐ 0 0 1 >方位で構成し、駆動方向（X方向）が< 0 1 0>方位になるように構成しても同様の効果が得られる。

なお、上記の説明では、面方位（ 1 0 0 ) に着目して、面方位（ 1 0 0 ) における方位 < 1 0 0〉、方位く 0 1 0 >、方位 < 00 1 >と弾性率との関係を記載した。面方位（ 0 1 0 ) や面方位（ 0 0 1 ) のの場合についても、弾性率は方位ぐ 1 0 0 >、方位 < 0 1 0〉、方位 < 0 0 1 >に依存して変化する。これは即ちシリコンの結晶性は対称軸を有しており、 < 1 0 0〉、 < 0 1 0 >、 < 0 0 1〉は対称な軸であるからである。よって、本発明では主面を（ 1 0 0) としたが、（0 1 0 )、 (0 0 1 ) としてもよく、これは便宜上、方位の名前が変わるだけで実質的には全く同じことが適応される。即ち、面方位を決定すればそれに対する 3つの方位が一義的に決定される。そうして、これら 2つの面方位においても、方位角度と弾性率との関係は図 5に示された関係と同等の特徴を有する。

次に、本実施の形態に示す角速度センサの製造方法について、以下に説明する。

図 6 A〜図 6 Hは、図 3に示された角速度センサの D— D断面を用いて説明した製造工程図である。図 6 Aに示されたように面方位（ 1 0 0 ) で厚み 2 0 0 xm程度のシリコン基板 3 0が準備される。次に、図 6 Bに示されるように、シリコン基板 3 0の主面 5上に貴金属材料と酸化されやすい材料との合金膜がスパッ夕もしくは蒸着により 2 0 0 O A程度の厚みに成膜される。貴金属材料と酸化されやすい材料との合金膜としては、白金（P t ) 一チタン（T i ) またはイリジウム（ I r ) 一チタン（T i ) などである。この成膜によって下部電極膜 40が形成される。さらにこの下部電極膜 40の上にチタン酸ジルコン酸鉛（P Z T) などの圧電材料がスパッ夕により 1〜 4 ^ m程度の厚みに成膜され、圧電薄膜 4 1が形成される。この圧電薄膜 4 1の上に金（Au)、クロム（C r)、アルミニウム（A l )、銅（C u)、チタン (T i ) などの材料からなる上部電極膜 4 2がスパッ夕あるいは蒸着により 2 0 0 0 A程度の厚みに成膜される。

次に、図 6 Cに示されるように、上部電極膜 42の上にレジスト 4 3がパターンニングされる。このレジスト 4 3は、所定の形状である第 3の電極 1 8、 2 0、第 4の電極 1 9、 .2 1、第 6の電極 2 3、 2 5、第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5、 1 7、第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7とをフォトリソグラフィ技術を用いて形成するためにパターンニングされる。続いて、図 6 Dに示されるように上部電極膜 4 2および圧電薄膜 4 1がエッチングされる。そうして、図 6 E に示されるようにレジスト 44がパターンニングされる。このレジスト 44は、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状である第 1の電極 1 0、 1 2、第 2の電極 1 1、 1 3、第 5の電極 2 2、 2 4を形成するために作成される。レジスト 44は、第 3の電極 1 8、 2 0、第 4の電極 1 9、 2 1、第 6の電極 2 3、 2 5、第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5、 1 7、第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7を覆うように形成され、パターンニングされる。そうして、図 6 Fに示されるように下部電極膜 40が所定形状にエッチングされる。

次に、図 6 Gに示されるように、第 1の電極 1 0、 1 2、第 2の電極 1 1、 1 3、第 5の電極 2 2、 2 4、第 1の圧電薄膜 1 4、 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5、 1 7、第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7、第 3の電極 1 8、 2 0、第 4の電極 1 9、 2 1、第 6の電極 2 3、 2 5とシリコン基板 3 0の主面 5上を覆うように形成したレジスト 4 5がパターンニングされる。このレジスト 4 5は、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状のシリコンからなる音叉 4を形成するためにパターン二ングされる。そうして、図 6 Hに示されるように、シリコン基板 3 0 は誘導結合型の反応性イオンエッチングされる。

上述の角速度センサの製造方法において、図 6 C、図 6 E、図 6 G に示されたレジスト 43、 44、 4 5のパ夕一ニングの際には、図 3 に示されているようにオリフラ 3 1の位置を < 0 1 1 >方位として、このオリフラ 3 1 とフォトマスクとの位置を調整し、アーム 1、 2のそれぞれの側面 4 6、 4 7が（ 0 0 1 ) の面方位となるようにパ夕一ニングされる。また、図 6 Hに示されるアーム 1、 2の幅はシリコン基板 3 0の厚みよりわずかに大きくなるように形成されているため、駆動側（X方向）の共振周波数が検出側（； Z方向）の共振周波数より高くなる。

シリコン基板 3 0を誘導結合性の反応性イオンエッチングする際は、少なくとも 2種類以上のガスが用いられる。 2種類以上のガスは少なくともエッチングを促進するガスとエッチングを抑制するガスであり、これによりエッチングの促進と抑制を高精度に行うことができる。その結果、シリコン基板 3 0の主面 5に対して垂直方向にのみエツチングが進行するようにできる。結果として、シリコン基板 3 0の主面 5 に対して垂直な側面 46、 4 7が得られる。

さらに、図 6 Hに示されるように、音叉 4がシリコン基板 3 0内にほぼ同じ間隔 D l、 D 2、 D 3になるように配置され、反応性イオンエッチングされる幅が均一になることで、エッチング状態が安定し、音叉 4の切り出し断面がより垂直となる。つまり、アーム 1、 2の加ェ方法による幅の寸法精度が向上し、音叉 4の駆動方向（X方向）での共振周波数のばらつきが小さくなり、高精度化が図れることで、印加された角速度の検出感度の信頼性がより一層向上する。

本実施の形態においては、第 1の電極、第 2の電極、第 5の電極としての下部電極膜 4 0に白金（P t ) —チタン（T i ) またはイリジゥム（ I r) —チタン（T i ) を用いた例について説明した。しかし、下部電極膜 4 0として下部（シリコン基板 3 0) 側に設けられた T i 膜と上部（第 1の圧電薄膜 1 4, 1 6、第 2の圧電薄膜 1 5、 1 7、第 3の圧電薄膜 2 6、 2 7 ) 側に設けられた P t —T i膜または I r _T i膜から構成されるのがより好ましい。この構成により、 T i膜はシリコン及び P t — T i膜または I r— T i膜と密着性が強固で、 P t — T i膜または I r— T i膜は P Z T等の圧電薄膜の配向を良好にすることができる。

また、本実施の形態においては、白金（P t ) 一チタン (T i ) またはイリジウム（ I r ) —チタン（T i ) からなる下部電極膜 4 0の上に直接圧電薄膜 4 1を設けた構成とした例について説明した。しかし、 P t — T i膜と圧電薄膜との間に、さらにランタン（L a) とマグネシゥム（Mg) が添加されたチタン酸鉛（P LMT) 膜が設けられた構成にするのがより好ましい。この構成により、 P Z T等の圧電薄膜の良好な配向を得るための製造条件の許容範囲を広くすることができる。

また、本実施の形態においては、圧電薄膜としてチタン酸ジルコン酸鉛（P Z T) を用いた例について説明した。しかし、圧電薄膜をマグネシゥム（Mg)、ニオブ（N b)、マンガン（Mn) の内から少なくとも 1つが加えられたチタン酸ジルコン酸鉛（P Z T) 系から構成することも可能である。この構成により、 P Z Tと同様に圧電薄膜の圧電定数が大きく、電気 ·機械変換効率が高くなり、印加された角速度に対する検出信号の高感度化を図ることができる。また、本実施の形態においては、圧電薄膜 4 1は、 P Z TまたはMg、 N b、 Mnの内から少なくとも一つが加えられた P Z T系で構成されており、この圧電薄膜 4 1の結晶構造のいずれかの面は、アーム 1、 2の主面に平行に優先的に配向している。そのため、印可された駆動電界の方向に対して複数の分極べクトルの角度が前記優先的配向度に応じて等しくなり、印可された角速度に対する検出信号の安定性が図れる。

好ましくは、圧電薄膜 4 1の結晶構造は菱面体晶構造もしくは正方晶構造であり、これの（ 0 0 1 ) 面がアーム 1、 2の主面に平行に優先的に配向していることである。この構造により、圧電薄膜 4 1の圧電特性は印可電圧に対して非線形性を持つことなく、より安定した角速度センサの駆動及び角速度の検出が行えるようになる。

また、別の目的のため好ましくは、圧電薄膜 4 1の結晶構造は菱面体晶構造もしくは正方晶構造であり、これの（ 1 1 1 ) 面がアーム 1、 2の主面に平行に優先的に配向していることである。この構造により、圧電薄膜 4 1の圧電特性は印可電圧に対して非線形性を持つことになるが、印可する電圧が高電圧ほど高い圧電特性を示すようになり、より大きな駆動振幅を必要とする場合に有効である。

また、本実施の形態においては、駆動部がアーム 1、 2の中央部より先端側に設けられ、検知部がアーム 1、 2の中央部から基部 3近傍の間に設けられた構成の例について説明した。しかし、駆動部を少なくともアーム 1、 2のいずれか一方の少なくともいずれか一方の主面のほぼ中央部から基部 3近傍の間に設け、検知部は駆動部を構成する第 1の電極 1 0、 1 2と第 2の電極 1 1、 1 3よりもアーム 1、 2の先端側に設ける方がより好ましい。この構成により、アーム 1 、 2の 2次モードの共振周波数におけるァドミッタンスを小さくすることが可能となり、振動の安定性が高まり、印加された角速度に対する検出信号の精度が高くなる。

(実施の形態 2 )

図 7は本発明の角速度センサの実施の形態 2におけるシリコン基板内の配置図である。本実施の形態 2において、実施の形態 1において述べられた構成と同一構成部分には同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。本実施の形態 2において、実施の形態 1 と異なるのは、シリコン基板内における角速度センサの配置である。

図 7において、オリフラ 5 0は面方位（ 1 0 0 ) のシリコン基板 3 0の主面 5に垂直で、かつ、く 0 1— 1 >方位に垂直である。アーム 1 、 2の長手方向（Y方向）がぐ 0 1 — 1 >方位になるように選択されているため、駆動方向（X方向）は < 0 1 1〉方位となる。従って、図 5に示すように駆動方向（X方向）となるぐ 0 1 1〉方位は、方位の角度ずれに対する弾性率の変化が少なくなり、且つ駆動方向（X方向）に対する弾性率が一段と大きくなる。これにより、音又 4の駆動方向（X方向）の共振周波数の変動が小さく抑えられ、且つ弾性率自体も大きい。そのため、音又 4の駆動方向（X方向）の共振周波数を大きくでき、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性が向上し、且つ感度自体も大きくできる。

なお、実施の形態 1および 2においては、 2本のアーム 1 、 2と基部 3から構成された音 ¾ 4について説明した。しかし、アームは 1本あるいは 3本以上であっても本発明は適応可能である。即ち、本発明の技術思想である方位の角度ずれに対する弾性率の変化が少なくなる面方位を選択すれば、駆動方向の共振周波数の変動が小さく抑えられ、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性を向上させることができる。

以上のように本発明は、振動体を備えた角速度センサにおいて、その振動体は面方位（ 1 0 0 ) を主面とするシリコン基板から形成され、さらにその振動体の駆動方向とほぼ直交する面が弾性率の方位角依存性の少ない面方位となるように構成されている。そのため、面方位に多少のずれがあっても振動体の駆動共振周波数の変動が小さく抑えられ、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性を向上させることができる。

また、本発明はアームの側面が弾性率の方位角依存性の少ない面方位となるように選択することも示した。こうすることで、面方位に多少のずれがあっても音 ¾の駆動共振周波数の変動が小さく抑えられ、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性を向上させることができる。

また、本発明はアームの側面が（ 0 1 0 ) または（ 0 0 1 ) の面方位であることも示した。こうすることで、面方位に多少のずれがあつても音叉の駆動共振周波数の変動が小さく抑えられ、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性を向上させることができる。また、本発明はアームの側面が < 0 1 1〉方位であることも示した。こうすることで、面方位に多少のずれがあっても音叉の駆動共振周波数の変動が小さく抑えることができる。更に、弾性率自体も大きいため、音叉の駆動共振周波数を大きくでき、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性を向上でき、且つ感度自体も大きくできる。また、本発明はアームの検出方向（Z方向）の厚みを駆動方向（X 方向）の厚みより薄くなるように構成することも示した。こうすることで、角速度センサの薄型化を図ることができる。

また、本発明は第 1の電極、第 2の電極、第 5の電極は貴金属材料と酸化されやすい材料との合金膜からなるように構成することも示した。こうすることで、貴金属材料と酸化されやすい材料との合金膜は P Z T等の圧電薄膜の配向を良好にすることができる。

また、本発明はその貴金属材料が P t または I rで構成することも示した。こうすることで、 P tまたは I rからなる貴金属材料は P Z T等の圧電薄膜の配向を良好にすることができる。

また、本発明はその酸化されやすい材料との合金膜が P t— T i膜または I r _ T i膜で構成することも示した。こうすることで、 P t 一 T i膜または I r— T i膜からなる合金膜は P Z T等の圧電薄膜の配向をさらに良好にすることができる。

また、本発明は第 1の電極、第 2の電極、第 5の電極は下部に設けられた T i膜と上部に設けられた P t _ T i膜または I r — T i膜で構成することも示した。こうすることで、 T i膜はシリコンおよび P t — T i膜または I r 一 T i膜と密着性が強固で、 P t — T i膜または I r— T i膜は P Z T等の圧電薄膜の配向を良好にすることができる。また、本発明は P t — T i膜と圧電薄膜または I r _ T i膜と圧電薄膜の間に、さらにランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛 ( P L M T ) 膜が設けて構成することも示した。こうすることで、 P Z T等の圧電薄膜の良好な配向を得るための製造条件の許容範囲を広くすることができる。

また、本発明は圧電薄膜としてチタン酸ジルコン酸鉛（P Z T )、または、 M g、 N b、 M nの内から少なくとも 1つが加えられたチタン酸ジルコン酸鉛（P Z T ) 系で構成することも示した。こうすることで、圧電薄膜の圧電定数が大きく、電気，機械変換効率が高くなり、印加された角速度に対する検出信号の高感度化を図ることができる。また、本発明は圧電薄膜として、この結晶構造のいずれかの面が、アームの主面に優先的に配向した構造で構成することも示した。こうすることで、印可された駆動電界の方向に対して複数の分極べクトルの角度が前記優先的配向度に応じて等しくなり、印可された角速度に対する検出信号の安定性が図れる。

また本発明は、圧電薄膜として、その結晶構造は菱面体晶構造もしくは正方晶構造であり、これの（ 0 0 1 ) 面がアームの主面に平行に優先的に配向した構造で構成することも示した。こうすることで、圧電薄膜の圧電特性は印可電圧に対して非線形性を持つことなく、より安定した角速度センサの駆動及び角速度の検出が行えるようになる。

また、本発明は別の目的のため、圧電薄膜として、その結晶構造は菱面体晶構造もしくは正方晶構造であり、これの（ 1 1 1 ) 面がァ一ムの主面に平行に優先的に配向した構造で構成することも示した。こうすることで、圧電薄膜の圧電特性は印可電圧に対して非線形性を持つことになるが、印可する電圧が高電圧ほど高い圧電特性を示すようになり、より大きな駆動振幅を必要とする場合に有効である。

また、本発明は駆動部としていずれかのアームの少なくともいずれか一方の主面のほぼ中央部から基部近傍の間に設け、検知部は第 1の電極と第 2の電極よりもアームの先端側に設ることも示した。こうすることで、アームの 2次モードの共振周波数におけるアドミッタンスを小さくすることが可能となり、振動の安定性が高まり、印加された角速度に対する検出信号の精度が高くなる。

また、本発明は少なくとも 2種類以上のガスを用いた誘導結合性の反応性イオンエッチングにより面方位（ 1 0 0 ) を主面とするシリコン基板に対して垂直方向にエッチングし音又を形成することも示した。こうすることで、アームの側面の主面に対する直交度を高精度にすることができる。産業の利用可能性本発明による角速度センサは、面方位（ 1 0 0 ) を主面とするシリコン基板で形成された振動体を備え、その振動体の駆動方向とほぼ直交する面が弾性率の方位角依存性の少ない面方位となるように構成されている。こうすることで、本発明による角速度センサは、振動体の駆動共振周波数の変動が小さく抑えることができ、印加された角速度に対する検出信号の感度の信頼性を向上させることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 振動体を備えた角速度センサにおいて、

前記振動体は面方位（ 1 0 0 ) を主面とするシリコン基板:^形成され、前記振動体の駆動方向とほぼ直交する面が弾性率の方位角のずれに対して変化の少ない面方位である角速度センサ。

2 . 前記振動体は、

1個または複数個のアームと、

前記アームを連結する少なくとも 1つの基部とを有した音叉と、

少なくとも 1つの前記アームの少なくとも 1つの主面上の中心線を隔ててそれぞれ離間するように設けられた第 1の電極及び第 2の電極と、

前記第 1の電極及び前記第 2の電極上にそれぞれ設けられた第 1の圧電薄膜及び第 2の圧電薄膜と、

前記第 1の圧電薄膜及び前記第 2の圧電薄膜上にそれぞれ設けられた第 3の電極及び第 4の電極と

を有する駆動部と、

前記第 1の電極及び前記第 2の電極に対して離間するように設けられた第 5の電極と、

前記第 5の電極上に設けられた第 3の圧電薄膜と、前記第 3の圧電薄膜上に設けられた第 6の電極とを有する検知部と

を備え、

前記アームの駆動方向（X方向）とほぼ直交する側面が弾性率の方位角のずれに対して変化の少ない面方位であり、前記第 3の電極及び前記第 4の電極に互いに逆相の交流電圧を印加することにより前記音叉が X方向に共振し、

前記第 6の電極は、印加された角速度により前記アームの主面に直角の方向である検出方向（Z方向）に発生するコリオリカに起因した振動によって生ずる電荷を検出する

請求項 1に記載の角速度センサ。

3. 前記アームの側面は（ 0 1 0) 面方位または（ 0 0 1 ) 面方位である請求項 2に記載の角速度センサ。

4. 前記アームの側面は（ 0 1 1 ) 面方位である請求項 2に記載の角速度センサ。

5. 前記アームは前記検出方向（Z方向）の厚みが前記駆動方向 (X方向）の厚みより薄い請求項 2に記載の角速度センサ。

6. 前記第 1の電極と前記第 2の電極と前記第 5の電極は貴金属材料と酸化されやすい材料との合金膜からなる請求項 2に記載の角速度センサ。

7. 前記貴金属材料は少なくとも白金（P t ) とイリジウム（ I r ) の何れかを含む請求項 6に記載の角速度センサ。

8. 前記合金膜は白金（P t ) —チタン（T i ) 膜またはイリジゥム（ I r) —チタン（T i ) 膜である請求項 6に記載の角速度センサ。

9. 前記第 1の電極と前記第 2の電極と前記第 5の電極は下層に設けられたチタン（T i ) 膜と、

上層に設けられた白金（P t ) —チタン（T i ) 膜またはィリジゥム（ I r ) 一チタン（T i ) 膜

からなる請求項 2に記載の角速度センサ。

1 0. 前記白金（P t ) —チタン（T i ) 膜と前記圧電薄膜との間、または前記ィリジゥム（ I r ) 一チタン（T i ) と前記圧電薄膜との間に、ランタン（L a) とマグネシウム（M g) が添加されたチタン酸鉛（PLMT) 膜を更に有する請求項 9に記載の角速度センサ。

1 1. 前記第 1の圧電薄膜と前記第 2の圧電薄膜と前記第 3の圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（P Z T)、またはチタン酸ジルコン酸鉛

(Ρ Ζ Τ) 系かなり、

前記チタン酸ジルコン酸鉛（Ρ Ζ Τ) 系は、 Mg、 Nb、 M n の内から少なくとも 1つが加えられている

請求項 2に記載の角速度センサ。

1 2. 前記第 1の圧電薄膜と前記第 2の圧電薄膜と前記第 3の圧電薄膜は、これらの結晶構造のいずれかの面が、前記アームの主面に平行に優先的に配向した請求項 1 1記載の角速度センサ。

1 3. 前記結晶構造が菱面体晶構造もしくは正方晶構造であり、前記優先的に配向した面は（ 0 0 1 ) 面方位である請求項 1 2記載の角速度センサ。

1 4. 前記結晶構造が菱面体晶構造もしくは正方晶構造であり、前記優先的に配向した面は（ 1 1 1 ) 面方位である請求項 1 2記載の角速度センサ。

1 5 . 前記駆動部は、少なくともいずれか 1個の前記アームの主面の中央部から前記基部の間に設けられ、

前記検知部は前記第 1の電極及び前記第 2の電極よりも前記ァ —ムの先端側に設けられる

請求項 2に記載の角速度センサ。