振动型陀螺传感器的制作方法

专利名称：振动型陀螺传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用作，例如，摄像机中的运动-模糊探测器、虚拟现实装置中的运动探测器或车载导航系统中的方向测定器的角速度传感器。具体而言，本发明涉及振动型陀螺传感器(vibratory gyrosensor)，所述振动型陀螺传感器包括具有悬臂振动器(cantilever vibrator)的振动元件。
背景技术：
面向消费者的角速度传感器俗称振动型陀螺传感器，其得到了广泛应用。振动型陀螺传感器使悬臂振动器以预定谐振频率振动，之后采用压电元件探测响应角速度效应而产生的科里奥利力，由此探测角速度。
振动型陀螺传感器的优点在于机制简单、激励时间短和制造成本低。例如，将振动型陀螺传感器结合到诸如摄像机、虚拟现实装置和车载导航系统的电子装置中，使其分别起到用于运动-模糊探测、运动探测和方向测定的传感器的作用。
典型的振动型陀螺传感器包括通过将合适的压电材料机械切割成预定形状而制造的振动元件。随着需要结合振动型陀螺传感器的主设备的尺寸和重量的降低以及功能性和性能的提高，要求振动型陀螺传感器具有更小的尺寸和更高的性能。但是，由于机械加工精确度的限制，难以制作出具有高精确度的小型振动元件。
最近，有人提出了一种包括悬臂振动元件的振动型陀螺传感器，所述振动型陀螺传感器是通过采用半导体工艺中的薄膜技术在硅衬底上层压一对其间插置了压电薄膜层的电极层而形成的(例如，参见专利文献1)。这样的振动型陀螺传感器实现了尺寸和厚度的下降，并由此能够和其他用途的传感器结合，由此实现组合和更高的功能性。
随着需要结合振动型陀螺传感器的设备的尺寸和重量的降低以及功能性和性能的提高，要求振动型陀螺传感器具有更低的尺寸和更高的性能。例如，通过将振动型陀螺传感器与其他类型的传感器接合，实现了多功能。此外，在振动型陀螺传感器中，在支撑衬底上安装振动元件，在主设备的控制衬底上安装振动型陀螺传感器连同其他类型的传感器，由此实现整体的尺寸降低。
但是，在典型的振动型陀螺传感器中，设置于支撑衬底上的振动元件的电极和端子通常通过线路接合(wire bonding)相互连接。这表明在振动元件的周围需要一定的空间，从而使线路在该空间内延伸。该空间是影响尺寸降低的因素之一。
此外，由于降低了尺寸，振动型陀螺传感器可能受到，例如外部振动的显著影响。这一点可能带来提高成本的问题，因为用于振动元件的支撑结构将变得更为复杂。尽管基于设备的规格确定振动型陀螺传感器的安装条件，但是仍然要求在任何条件下都能稳定地获得预定特性。为了在振动型陀螺传感器内获得具有高灵敏度的稳定特性，必须提高决定振动元件的谐振状态的机械品质因数Q值(Q因子)。基于振动元件的结构和振动元件的固定结构确定机械品质因数Q值。
日本未审查专利申请公开文本No.7-11364
发明内容考虑到上述情况，本发明的目的在于提供一种振动型陀螺传感器，通过以简单的结构获得的尺寸降低和高Q值提高了其性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种振动型陀螺传感器，其包括支撑衬底和安装在所述支撑衬底的表面上的振动元件，所述支撑衬底具有安装于其上的电路元件和具有多个设置于其上的连接盘的线路图案。所述振动元件包括具有安装表面的基座部分，所述安装表面设有连接至所述连接盘的多个端子；以及从所述基座部分的一侧以悬臂的方式与之成一体延伸的振动器部分，其具有与所述基座部分的安装表面平齐的面对衬底的表面，所述面对衬底的表面设有第一电极层、叠置在所述第一电极层上的压电层和叠置在所述压电层上的第二电极层。通过设置于其间的金属突起将所述端子接合至所述连接盘，由此将所述振动元件安装到所述支撑衬底上。
在根据本发明的振动型陀螺传感器中，例如，由从所述振动元件的基座部分与之成一体延伸的金凸块或突起界定所述金属突起。借助设置于其间的金属突起将所述振动元件的端子接合至所述支撑衬底上的连接盘，由此将所述振动元件从机械和电的角度固定至所述支撑衬底。因此，实现了对安装空间的有效利用。
在根据本发明的振动型陀螺传感器内，响应从所述支撑衬底施加至所述振动元件的具有预定频率的交流电压在所述振动器部分内发生自然振动。之后，从电的角度探测在振动器部分内响应，例如，运动模糊产生的科里奥利力，并输出其探测信号。在本发明中，所述振动元件具有悬臂结构，在所述结构中，所述振动器部分从所述基座部分以悬臂的方式与之成一体延伸。此外，利用金属突起，将所述振动元件固定到所述支撑衬底上，使之处于类似浮置的状态。因此，降低所述振动器部分的位移-阻尼率，由此获得高Q值。
另一方面，振动型陀螺传感器受到诸如由外部施加的振动或冲击的外部负载或在将振动型陀螺传感器接合至主设备的控制衬底时产生热应力的显著影响。因此，优选设置负载缓冲结构，其能够吸收或缓冲在支撑衬底内响应外部负载等产生的应变或应力。
负载缓冲结构包括，例如，在所述支撑衬底上围绕所述振动元件的安装区域的负载缓冲槽、相对于所述振动元件的基座部分的安装表面跨越位于所述振动器部分的基座端和所述端子中的一个之间的区域延伸的槽，或者设置于所述支撑衬底和所述主设备的控制衬底之间的负载缓冲层。通过提供负载缓冲结构，使振动元件能够稳定地振动，由此获得提高的探测精确度。
由于通过设置于其间的金属突起将振动元件安装到了支撑衬底上，因此根据本发明的振动型陀螺传感器获得了具有高灵敏度的稳定特性，同时获得了尺寸降低和高Q值。
此外，借助负载缓冲结构，能够获得缓冲外部负载的效果，由此获得稳定的探测操作和振动元件的高探测精确度。


图1是顶盖处于拆卸状态的根据本发明的第一实施例的振动型陀螺传感器的全局透视图。
图2是示出了振动型陀螺传感器内包含的振动元件之一的相关部分的截面图。
图3是示出了在将振动型陀螺传感器安装于控制衬底上时振动元件的相关部分的截面图。
图4时振动元件的底部视图。
图5是振动型陀螺传感器的底部视图。
图6是支撑衬底的平面图，并且示出了负载缓冲槽(load bufferinggroove)的修改实例。
图7是振动型陀螺传感器的电路图。
图8是由振动元件的底部观察的全局透视图。
图9是振动元件的振动器部分的透视图。
图10是振动型陀螺传感器的制造方法中包含的主要步骤的流程图。
图11是振动元件形成过程中采用的硅衬底的平面图。
图12是硅衬底的截面图。
图13是提供了具有构图部分的光致抗蚀剂层的硅衬底的平面图，将在所述构图部分内形成振动元件。
图14是图13所示的硅衬底的截面图。
图15是提供了具有构图部分的氧化硅膜的硅衬底的平面图，将在所述构图部分内形成振动元件。
图16是图15所示的硅衬底的截面图。
图17是设有构成了膜片(diaphragm)部分的蚀刻凹陷的硅衬底的平面图，所述膜片部分决定了振动器部分的厚度。
图18是图17所示的硅衬底的截面图。
图19是蚀刻凹陷之一的放大截面图。
图20是示出了膜片部分之一具有叠置于其上的第一电极层、压电层和第二电极层的状态的局部截面图。
图21是示出了在第二电极层上对驱动电极层和探测电极进行构图的状态的局部平面图。
图22是示出了在第二电极层上对驱动电极层和探测电极进行构图的状态的局部截面图。
图23是示出了在压电层上对压电薄膜层进行构图的状态的局部平面图。
图24是示出了在压电层上对压电薄膜层进行构图的状态的局部截面图。
图25是示出了在第一电极层上对参考电极层进行构图的状态的局部平面图。
图26是示出了在第一电极层上对参考电极层进行构图的状态的局部截面图。
图27是示出了形成了平面化层的状态的局部平面图。
图28是示出了形成了平面化层的状态的局部截面图。
图29是示出了在将要形成基座部分的部分内形成了引线的状态的局部平面图。
图30是示出了在将要形成基座部分的部分内形成了引线的状态的局部截面图。
图31是说明形成了用于形成绝缘保护层的光致抗蚀剂层的状态的局部平面图。
图32是说明形成了包含在绝缘保护层内的第一氧化铝子层的状态的局部截面图。
图33是说明形成了包含在绝缘保护层内的氧化硅子层的状态的局部截面图。
图34是说明形成了包含在绝缘保护层和刻蚀阻挡层内的第二氧化铝子层的状态的局部截面图。
图35是说明形成了决定振动器部分的轮廓的轮廓槽(outline groove)的状态的局部平面图。
图36是从垂直于振动器部分的纵向的方向观察的振动器部分的局部截面图。
图37是从振动器部分的纵向观察的振动器部分的局部截面图。
图38A是说明在每一振动元件上实施电镀凸块(plated bump)形成技术的截面图。
图38B是说明在振动元件上实施电镀凸块形成技术的截面图。
图39A示出了在振动元件上实施调整步骤。
图39B示出了在振动元件上设施调整步骤。
图39C示出了在振动元件上实施调整步骤。
图40是支撑衬底上的每一振动元件的固定技术的FEM分析图，以及说明金凸块的阻尼量和振动器部分的位移量之间的关系的特性图。
图41A是说明非结(non-junction)部分的宽度与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图41B是说明非结部分的宽度与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图42A是说明金接合层的宽度与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图42B是说明金接合层的宽度与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图42C是说明金接合层的宽度与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图43A是说明紧邻振动器部分设置的金接合层组件的固定位置与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图43B是说明紧邻振动器部分设置的金接合层组件的固定位置与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图44A是说明紧邻基座部分的后端设置的金接合层组件的固定位置与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图44B是说明紧邻基座部分的后端设置的金接合层组件的固定位置与振动器部分的位移-阻尼率之间的关系的分析模型图和特性图。
图45包括示出了四点固定结构内的金接合层组件的布局实例的分析模型图。
图46包括对应于图45所示的模型图的特性图。
图47A是说明采用了四点固定结构的样本振动元件内的金接合层组件的布局实例的分析模型图。
图47B是说明采用了四点固定结构的样本振动元件内的金接合层组件的布局实例的分析模型47C是说明采用了四点固定结构的样本振动元件内的金接合层组件的布局实例的分析模型图。
图48包括对应于图47A到图47C所示的模型图的特性图。
图49A是说明多点固定结构内金接合层组件的布局实例的分析模型图。
图49B是说明多点固定结构内金接合层组件的另一布局实例的分析模型图。
图49C是说明多点固定结构内金接合层组件的另一布局实例的分析模型图。
图49D是说明多点固定结构内金接合层组件的另一布局实例的分析模型图。
图50是对应于图49A到图49D所示的模型图的特性图。
图51是说明用于抑制偏移电压(offset voltage)值的波动的负载缓冲槽的效果的特性图。
图52是参照负载缓冲槽的深度说明偏移电压值的波动抑制效果的特性图。
图53是说明由每一间隙凹陷界定的振动空间的高度与振动部分的位移-阻尼率之间的关系的特性图。
图54是关于由硅衬底获得的元件数量的比较图。
图55是参照振动元件的定位说明两个轴之间的干扰的特性图。
图56A是安装步骤中振动元件的角位移的直方图，其对应于通过识别定位标记实施安装的情况。
图56B是安装步骤中振动元件的角位移的直方图，其对应于通过识别每一振动元件的轮廓实施安装的情况。
图57是示出了由频率差异引起的干扰信号的幅度的测量结果的特性图，所述频率差异是由改变两个振动元件的工作频率引起的。
图58是说明在控制衬底上安装了振动型陀螺传感器的状态的示意性截面图。
图59是说明当图58中的控制衬底处于外部应变作用下时振动型陀螺传感器的状态的示意性截面图。
图60A是用于描述根据本发明的第二实施例的振动元件的典型振动元件的示意性侧视图。
图60B是根据本发明的第二实施例的振动元件之一的示意性侧视图。
图61A示出了金凸块的修改实例。
图61B示出了金凸块的另一修改实例。
图62A是对应于本发明的第二实施例的实际例子的测量原理图。
图62B是对应于本发明的第二实施例的实际例子的测量原理图。
图63A是示出了图62A和62B所示的实际例子的结果的特性图。
图63B是示出了图62A和62B所示的实际例子的结果的特性图。
图64A是用于描述根据本发明的第三实施例的振动元件的典型振动元件的示意性侧视图。
图64B是根据本发明的第三实施例的振动元件之一的示意性侧视图。
图65是振动元件的底部视图，其示出了根据本发明的第三实施例的一个实际例子。
图66示出了根据本发明的第三实施例的实际例子的测量结果的特性图。
图67是振动元件的底部视图，其示出了根据本发明的第三实施例的另一实际例子。
图68是示出了根据本发明的第三实施例的另一实际例子的测量结果的特性图。
图69是根据本发明的第四实施例的振动型陀螺传感器的示意性截面图。
图70是根据本发明的第四实施例的振动型陀螺传感器的示意性截面图。
图71是根据本发明的第四实施例的振动型陀螺传感器的示意性截面图。
图72是根据本发明的第四实施例的振动型陀螺传感器的示意性截面图。
图73是示出了根据本发明的第四实施例的实际例子的测量结果的特性图。
图74是根据本发明的第五实施例的振动元件之一的底部视图。
图75是示出了根据本发明的第五实施例的实际例子的测量结果的特性图。
图76是根据本发明的第五实施例的振动元件的修改实例的底部视图。
图77是根据本发明的第五实施例的振动元件的另一修改实例的底部视图。
图78A是示出了用于描述本发明的第六实施例的典型振动型陀螺传感器的相关部分的平面图。
图78B是示出了用于描述本发明的第六实施例的典型振动型陀螺传感器的相关部分的侧视图。
图79A是示出了根据本发明的第六实施例的振动型陀螺传感器的相关部分的平面图。
图79B是示出了根据本发明的第六实施例的振动型陀螺传感器的相关部分的侧视图。
图80是示出了根据本发明的第六实施例的实际例子的测量结果的特性图。
图81是示出了用于描述根据本发明的第七实施例的典型振动型陀螺传感器的相关部分的平面图。
图82是示出了用于描述根据本发明的第七实施例的振动型陀螺传感器的相关部分的平面图。
图83是示出了根据本发明的第七实施例的实际例子的测量结果的特性图。
图84A是示出了用于描述本发明的第八实施例的典型振动型陀螺传感器的相关部分的平面图。
图84B是示出了用于描述本发明的第八实施例的典型振动型陀螺传感器的相关部分的侧视图。
图84C是示出了用于描述本发明的第八实施例的典型振动型陀螺传感器的相关部分的底部视图。
图85是根据本发明的第八实施例的支撑衬底的底部视图。
图86A是示出了根据本发明的第八实施例的振动型陀螺传感器的相关部分的平面图。
图86B是示出了根据本发明的第八实施例的振动型陀螺传感器的相关部分的侧视图。
图87是示出了根据本发明的第八实施例的振动元件的一个布局实例的局部平面图。
图88是示出了根据本发明的第八实施例的振动元件的另一布局实例的局部平面图。
具体实施例方式
现在将参考附图描述根据本发明的振动型陀螺传感器的实施例。
本发明不限于下述实施例，在本发明的精神和范围内允许存在修改。在本说明书中，尽管在下文中将采用具体尺寸值描述元件的每一部分，但是每一尺寸值均为中心参考值。此外，每一部分的尺寸值不限于这些中心参考值，因此，可以按处于一般容限范围内的尺寸值形成每一部分。此外，振动型陀螺传感器的尺寸值不限于这些尺寸值，可以根据特性规格适当形成每一部分。
(第一实施例) 参考图1，振动型陀螺传感器包括支撑衬底2和顶盖15，顶盖15设置于支撑衬底2的第一主表面2-1上，以提供组件安装空间3。支撑衬底2和顶盖15界定了振动型陀螺传感器1的外部构件。振动型陀螺传感器1起着，例如，结合到摄像机中的模糊校正机构的作用。或者，振动型陀螺传感器1可以起着，例如，虚拟现实装置内的运动探测器或车载导航装置内的方向测定器的作用。
在振动型陀螺传感器1内，采用，例如，陶瓷衬底或玻璃衬底作为支撑衬底2。支撑衬底2的第一主表面2-1具有组件安装区域6，其设有具有多个连接盘(land)4的预定线路图案5。组件安装区域6具有安装于其上的一对第一和第二振动元件20X和20Y(在下文中将对其予以详细说明)、IC电路元件7以及多个外部陶瓷电容器和电子组件8。第一和第二振动元件20X和20Y(在下文中将简称为振动元件20，除非对二者单独说明)探测彼此不同的轴向方向的振动。
采用适当的安装装置，通过诸如倒装组装法的表面安装技术在支撑衬底2的组件安装区域6上安装振动元件20连同IC电路元件7和电子组件8。在支撑衬底2的第一主表面2-1的对角区域2C-1和2C-2上分别设置具有相同形状的一对振动元件20X和20Y，所述一对振动元件20X和20Y具有指向彼此不同的方向的轴线。参考图2，每一振动元件20包括安装表面设有多个端子25的基座部分22和以悬臂的方式从基座部分22的一侧整体延伸的振动器部分23，所述多个端子延伸至连接盘4，二者之间设有金凸块26。在下文中将对振动元件20的结构予以详细说明。
参考图1，第一振动元件20X具有固定至第一振动元件安装部分13A的基座部分22，振动元件安装部分13A是支撑衬底2的组件安装区域6中的拐角区域2C-1内的浮岛状部分。此外，从基座部分22沿支撑衬底2的边缘整体延伸的振动器部分23指向邻近拐角区域2C-1的拐角区域2C-3。第二振动元件20Y具有固定至第二振动元件安装部分13B的基座部分22，第二振动元件安装部分13B是支撑衬底2的元件安装区域6中的拐角区域2C-2内的浮岛状部分。此外，一体地从基座部分22沿支撑衬底2的边缘延伸的振动器部分23指向邻近拐角区域2C-2的拐角区域2C-3。
换言之，在支撑衬底2上安装第一振动元件20X和第二振动元件20Y，具体安装方式为使它们的朝向拐角区域2C-3的振动器部分具有彼此成90°角的关系。尽管振动型陀螺传感器1通过一对振动元件20X和20Y探测两个正交轴的振动，也可以根据主设备的规格在支撑衬底2上安装振动元件20X和20Y，使二者彼此成适当角度。
在振动元件20的振动部分23发生谐振的状态下，振动型陀螺传感器1探测围绕振动器部分23的纵向施加于其上的角速度。在振动型陀螺传感器1内，在支撑衬底2上以不同的角度设置第一振动元件20X和第二振动元件20Y，从而能够同时探测X轴和Y轴方向的角速度。因此，振动型陀螺传感器1在(例如)摄像机中起着基于由运动模糊引起的振动状态输出控制信号的模糊校正机构的作用。
在下文中将详细描述支撑衬底2的结构。
所给出的支撑衬底2具有小厚度，从而获得紧凑的、小外形的振动型陀螺传感器1。这表明支撑衬底2可能受到由诸如施加自外部的振动或冲击的外部负载引起的应变或应力作用。在这一实施例中，为支撑衬底2提供了抵御外部负载的缓冲结构，因此，即使在支撑衬底2处于应变或应力作用下，也能够降低对设置于支撑衬底2上的振动元件20的负面影响。
参考图1到图3，支撑衬底2设有分别处于第一主表面2-1的拐角2C-1、2C-2内的第一负载缓冲槽12A、12B(下文简称第一负载缓冲槽12，除非对二者进行单独说明)。由对应的第一负载缓冲槽12包围振动元件安装部分13A、13B(下文简称为振动元件安装部分13，除非对二者进行单独说明)。每一振动元件安装部分13具有安装于其上的相应振动元件20。
参考图3，支撑衬底2具有处于其第二主表面2-2内的第二负载缓冲槽14，所述第二主表面2-2是安装至，例如，主设备的外部控制衬底100的表面。参考图5，第二负载缓冲槽14包括第二负载缓冲槽14A和第二负载缓冲槽14B，在下文中简称第二负载缓冲槽，除非对二者单独说明。如图5所示，第二负载缓冲槽14包围的区域起着端子区域115A、115B(下文简称端子区域115，除非对二者单独说明)的作用。
参考图4，每一第一负载缓冲槽12为具有底部的框架状沟槽，其提供了对应的振动元件安装部分13，所述振动元件安装部分13的尺寸大于对应的振动元件20的基座部分22的外部尺寸。通过采用(例如)切块器的机械刻槽，通过采用湿法蚀刻技术的化学刻槽，或者通过采用(例如)激光的干法蚀刻形成第一负载缓冲槽12。第一负载缓冲槽12具有大于等于100μm的深度，使其不会对支撑衬底2的机械强度造成损害(在下文中将参考图52对其予以详细说明)。
参考图5，沿支撑衬底2的外缘相互平行设置第二负载缓冲槽14A、14B。第二负载缓冲槽14A、14B和所述外缘具有插置于其间的端子区域115A、115B。端子区域115A、115B分别具有适当布置于其上的起着外部连接端子(在下文中将安装端子116A、116B简称为安装端子116，除非对二者单独说明)的作用的多个安装端子116A、116B。在控制衬底100上安装支撑衬底2，具体安装方式为将安装端子(外部连接端子)116连接至控制衬底100上的相对连接盘，二者之间设置有凸块117，凸块117是为对应的安装端子116一一(individually)提供的。
与第一负载缓冲槽12类似，通过采用(例如)切块器的机械刻槽，通过采用湿法蚀刻技术的化学刻槽，或者通过采用(例如)激光的干法蚀刻在支撑衬底2的第二主表面2-2内形成具有预定深度的第二负载缓冲槽14。第二负载缓冲槽14在支撑衬底2的第二主表面2-2上提供浮岛状端子区域115。端子区域115具有沿其外缘布置的多个安装端子116。第二负载缓存槽14不限于沿所述外缘延伸的直线槽，或者其可以是，例如，围绕安装端子116的框架状槽，或其相对端自由地朝向外缘的基本为C形的槽。
支撑衬底2具有在第一主表面2-1和第二主表面2-2之间延伸的多个通孔。第一主表面2-1上的线路图案5和第二主表面2-2上的安装端子116通过这些通孔连接。
例如，当主设备受到冲击时，振动型陀螺传感器1的支撑衬底2受到由通过控制衬底100接收的冲击引起的应变或应力的作用。在这一实施例中，将振动元件20安装于振动元件安装部分13上，振动元件安装部分13由第一负载缓冲槽12环绕，处于类似浮岛的状态，因此，通过第一负载缓冲槽12吸收了在支撑衬底2内由外部负载导致的应变或应力。因此，第一负载缓冲槽12有效地起着一种阻尼器(damper)的作用，以降低对安装于振动元件安装部分13上的振动元件的负面影响。因此，振动元件20能够稳定地执行探测操作。
另一方面，在振动型陀螺传感器1内，将设有端子区域115的安装端子116固定在控制衬底100上，端子区域115利用第二负载缓冲槽14处于类似浮岛的状态。在这一实施例中，第二负载缓存槽14吸收了经由控制衬底100传输的外部负载。因此，第二负载缓冲槽14有效地起着一种阻尼器的作用，从而降低外部负载对安装于振动元件安装部分13上的振动元件20的负面影响。因此，振动元件20能够稳定地执行探测操作。
每一第一负载缓冲槽12截面为C形，并且围绕整个周边连续延伸，但是其不限于这种形式。在第一负载缓冲槽12满足预定特征的条件下，每一第一负载缓冲槽12可以具有多个槽部分，所述多个槽部分从整体上设置为框架形式。此外，每一第二负载缓冲槽14不一定必须具备连续槽的形式，或者其可以，例如，具有多个经排布的槽部分。此外，将第一负载缓存槽12设置于支撑衬底2的第一主表面2-1内，将第二负载缓冲槽14设置于第二主表面2-2内，从而在第一和第二主表面内界定负载缓冲结构。或者，在满足预定特征的条件下，可以仅通过第一负载缓存槽12或仅通过第二负载缓冲槽14界定负载缓冲结构。
尽管如上所述将具有围绕振动元件安装部分13的框架形式的第一负载缓存槽12设置于支撑衬底2的第一主表面2-1内，但是，第一负载缓冲槽12不限于这种形式。图6所示的振动型陀螺传感器170具有支撑衬底171，支撑衬底171设有具有框架形式的第一负载缓冲槽172X、172Y。在这一实例中，还设有在每一负载缓冲槽172的框架内形成十字架的划分槽173A、173B，以提供四个独立的安装子部分174A到174D。
具体而言，在振动型陀螺传感器170内，对应于设置在每一振动元件20的基座部分22内的端子25划分独立的安装子部分174，尽管未示出，但是，所述的独立的安装子部分174设有安装端子。在振动型陀螺传感器170内，通过将端子25固定到相对的安装端子上的方式，将每一振动元件20安装到支撑衬底171上，在所述端子25和所述安装端子之间设有金凸块26。具体而言，每一振动元件20整体安装于由对应的第一负载缓存槽172围绕的第一浮岛状部分内，并且具有单独固定至由划分槽173划分的第二浮岛状子部分的固定部分。因此，在振动型陀螺传感器170内，能够适当降低在支撑衬底171内由外部负载引起的应变或应力对振动元件20的负面影响，由此获得稳定的角速度探测操作。
支撑衬底2在组件安装区域6内具有对应于振动元件20X和20Y的凹陷11A、11B(下文简称间隙凹陷11，除非对二者进行单独说明)。间隙凹陷11提供了允许对应的振动器部分23沿其厚度方向自由振动的空间。每一间隙凹陷11为具有底部的矩形槽的形式，并且通过，例如，蚀刻或刻槽在支撑衬底2的第一主表面2-1内形成预定厚度和开口尺寸。
在振动型陀螺传感器1内，在带有金凸块26的支撑衬底2的第一主表面2-1上安装具有作为整体的基座部分22和悬臂状振动器部分23的振动元件20。鉴于获得了作为整体的小外形的(low profile)结构，通过金凸块26的厚度确定振动元件的振动器部分23与支撑衬底2的第一主表面2-1之间的距离。但是，存在由于金凸块26的机械加工限制而无法保持足够的距离的情况。
在每一振动元件20和支撑衬底2的第一主表面2-1之间形成了由振动器部分23的振动引起的气流。该气流撞击支撑衬底2的第一主表面2-1，并由此产生向上推动振动器部分23的阻尼效果。在这一实施例中，如图2所示，设置于支撑衬底2的第一主表面2-1内的每一间隙凹陷11在支撑衬底2和对应的振动器部分23之间提供了足够的距离m，由此降低了作用于振动元件20上的此类阻尼效应。
振动元件20安装于支撑衬底2的第一主表面2-1上，振动器部分23面对对应的间隙凹陷11延伸。由此，如图2所示，在获得了振动型陀螺传感器1的小外形的结构的同时，保持了振动器部分23和支撑衬底2之间的足够距离。因此，当振动器部分23沿其厚度方向振动时，将降低作用于其上的阻尼效应，在下文中将参考图53对其予以说明，由此确保通过振动元件20进行稳定的探测操作。
在支撑衬底2内根据振动元件20中的振动器部分23的尺寸形成具有优化尺寸的间隙凹陷11。在这一实施例中，如果为振动元件20提供下文所述的尺寸值，并且振动器部分23具有最大振动幅度p，那么为每一间隙凹陷11提供2.1mm×0.32mm的开口尺寸和满足k≥p/2+0.05(mm)的深度k(参考图2)。设置于支撑衬底2内的具有这些尺寸的间隙凹陷11实现了尺寸降低，由此为得到小外形的结构起到了有益作用。此外，降低了作用于振动元件20上的阻尼效应，并保持了高Q值，由此确保针对(例如)运动模糊(motionblurs)的，具有高灵敏度的稳定探测操作。
现在将详细说明振动元件20的结构。
在每一振动元件20内，包含在将在下文中描述的硅衬底21的第二主表面21-2内的基座部分22的第二主表面(22-2)起着相对于支撑衬底2的固定表面(安装表面)的作用。所述固定表面是安装于对应的振动元件安装部分13上的振动元件20的表面。参考图4，基座部分22的安装表面22-2设有第一端子到第四端子25A到25D(下文简称端子25，除非对四者单独说明)和第一到第四金凸块26A到26D(下文简称金凸块26，除非对四者单独说明)，金凸块26A到26D一一设置于对应的端子25上，起着金属突起的作用。
每一振动元件20中的端子25设置于对应的连接盘4上，连接盘4设于支撑衬底2上的线路图案5内。将端子25放置于支撑衬底2上，与对应的连接盘4对准。在这种状态下，在对着支撑衬底2按压振动元件20的过程中施加超声波，将端子25和连接盘4连同设于其间的金凸块26焊接到一起。由此，将振动元件20安装于支撑衬底2上。由于振动元件20经由具有预定高度的金凸块26安装于支撑衬底2上，因此，振动器部分23能够在使振动器部分23的第二主表面23-2(即面向衬底的表面)从支撑衬底2的第一主表面2-1保持预定高度的状态下以预定的运动振动。
该实施例采用将振动元件安装至支撑衬底2的表面安装技术实现了有效的安装过程。本发明不限于采用金凸块26作为用于表面安装技术的连接组件。或者，可以采用半导体工艺内通常采用的诸如焊球和铜凸块的其他类型的突起。在这一实施例中，在主设备的制造过程中实施回流焊接处理，从而通过设置于其间的凸块117将支撑衬底2的安装端子116固定连接至控制衬底100的对应连接盘上。因此，可以采用具有高耐热属性和高度可加工性的金凸块26作为连接组件。
在振动型陀螺传感器内，基于支撑衬底上的振动元件的固定结构确定机械品质因数Q(Q因子)。在这一实施例中，利用金凸块26将振动元件20的基座部分22设置为处于从支撑衬底2的第一主表面2-1升高的状态。因此，与通过其间的粘合层将基座部分表面接合至支撑衬底的情况的不同之处在于，例如，每一振动器部分23的尖端处的阻尼率更大，由此能够获得令人满意的Q值。此外，考虑到能够通过将每一基座部分22多点固定而不是单点固定至支撑衬底2的第一主表面2-1获得更高的Q值特性的事实，将每一基座部分22通过其四个拐角固定至支撑衬底2。这样能够实现令人满意的Q值特性。
可以提供金凸块26使其总体质心相对于振动器部分23的纵向中心轴线处于振动器部分23的宽度t6(参考图9)的范围内。金凸块26的这一定位允许振动器部分23沿其厚度方向稳定地振动，而不会使其在其水平方向上失去平衡。
此外，从自基座部分22延伸的振动器部分23的基座端开始，金凸块26设置于半径为振动器部分23的宽度t6的两倍的区域之外。这样降低了金凸块26对振动器部分23的振动的吸收效果，由此能够保持高Q值特性。
此外，从振动器部分23的基座端开始，至少将一个金凸块26设置于具有两倍于基座部分22的厚度t1(参见图8)的区域内。这样，在振动器部分23的振动传输至基座部分22时，能够防止谐振频率偏移。
或者，所述金凸块26每者均可以是双层凸块。此外，可以在基座部分22的第二主表面上实施电连接工艺，以形成第五伪金凸块。在这种情况下，自然要为支撑衬底2提供向其上焊接第五金凸块的伪端子。
参考图8，在根据本实施例的每一振动元件20内，振动器部分23具有第二主表面23-2(即面向衬底的表面)，并且以悬臂的方式一体地从基座部分22延伸，第二主表面23-2与基座部分22的第二主表面22-2(即安装表面)是平齐的。如图2所示，振动器部分23具有顶表面23-1，其处于低于基座部分22的第一主表面(顶表面)22-1的平面内，从而使振动器部分23具有预定厚度。振动器部分23具有预定长度和截面面积，并且由截面为矩形的悬臂界定，其与基座部分22一侧结合成一体。
参考图8，每一振动元件20的基座部分22具有300μm的厚度t1、具有到振动器部分23的尖端的3mm的长度t2和1mm的宽度t3。参考图9，每一振动元件20的振动器部分23具有100μm的厚度t4、2.5mm的长度t5和100μm的宽度t6。振动元件响应从驱动探测电路单元50施加的预定频率的驱动电压发生振动(在下文中将对其予以详细说明)，在上述尺寸的基础上其将以40kHz的谐振频率振动。振动元件20的结构不限于上文所述，可以根据所要采用的频率或总体目标形状确定其结构。
可以将每一振动元件20形成为使基座部分22和振动器部分23满足下述条件。具体而言，基座部分22具有大于两倍的振动器部分23的宽度t6的宽度t3，其质心相对于沿振动器部分23的纵向的中心轴位于具有振动器部分23的宽度t6的两倍的范围内。因此，振动器部分23能够适当振动而不会沿水平方向失去平衡。此外，基座部分22具有是振动器部分23的厚度t4的1.5倍的厚度t1，从而保持基座部分22的机械强度。这样可以防止基座部分受振动器部分23的振动的影响而发生振动，由此防止谐振频率发生偏移。
参考图4，作为将在下文中予以说明的振动元件形成步骤的结果，每一振动元件20设有叠置于振动器部分23的第二主表面(即面对衬底的表面)23-2上，并沿振动器部分23的纵向基本覆盖其整个长度的参考电极层(第一电极层)27、压电薄膜层28和驱动电极层(第二电极层)29。振动器部分23的第二主表面(即面对衬底的表面)23-2具有设置于其上的一对探测电极30R、30L(下文简称为探测电极30，除非对二者单独说明)，其间插置有驱动电极层29。驱动电极层29和探测电极30构成了第二电极层。
振动器部分23的第二主表面(面对衬底的表面)具有设于其上的作为第一层的参考电极层27。压电薄膜层28叠置于参考电极层27上，具有与参考电极层27基本相同的长度。驱动电极层29叠置于压电薄膜层28上，其长度与压电薄膜层28基本相同，但是宽度与其相比较窄。驱动电极层29位于沿压电薄膜层28的宽度方向的中央部分内。此外，压电薄膜层28具有叠置于其上的，位于驱动电极层29的两侧的一对探测电极30R、30L。
参考图4，在每一振动元件20中，基座部分22的第二主表面(安装表面)22-2设有连接参考电极层27和第一端子25A的第一引线31A和连接驱动电极层29和第三端子25C的第三引线31C。类似地，基座部分22的第二主表面22-2设有连接探测电极30R和第二端子25B的第二引线31B和连接探测电极30L和第四端子25D的第四引线31D。在下文中将引线31A到31D简称为引线31，除非对四者单独说明。
第一引线31A从振动器部分23中的参考电极层27的基座端向基座部分22整体延伸。参考图4，第一引线31A与第一端子25A结合成一体，第一端子25A在基座部分22的第二主表面(安装表面)22-2上设于邻近振动器部分23的拐角区域之一内。驱动电极层29和探测电极30从振动器部分23朝向基座部分22延伸，二者的基座端在稍微宽一些的区域内结合成一体。由平面化层24覆盖这一较宽区域。
第二引线31B具有在平面化层24之上延伸的一个端部，并且其沿基座部分22的第一侧边延伸至与第一端子25A相对的后部拐角区域，从而连接至设置于该拐角区域内的第二端子25B。第三引线31C具有在平面化层24之上延伸的一个端部，并且其基本跨越基座部分22的中央部分朝向后部延伸。之后，第三引线31C沿基座部分22的后侧朝向与第二端子25B相对的拐角区域延伸，从而连接至设置于这一拐角区域内的第三端子25C。第四引线31D具有在平面化层24之上延伸的一个端部，并且其沿基座部分22的第二侧边延伸至与第三端子25C相对的另一前部拐角区域，从而连接至设置于该拐角区域内的第四端子25D。
或者，不考虑上述结构，每一振动元件20都可以在基座部分22的第二主表面(安装表面)22-2的最佳位置设置最佳数量的端子25。此外，对于每一振动元件20中的电极层而言，引线31和端子25之间的连接图案不限于上述图案，可以根据基座部分22的第二主表面上的端子25的位置和数量确定所述连接图案。
参考图2和图4，每一振动元件20的第二主表面21-2设有覆盖基座部分22和振动器部分23的绝缘保护层45。绝缘保护层45具有三层结构，其包括作为第一子层的第一氧化铝(氧化铝Al2O3)子层46、作为第二子层的氧化硅(SiO2)子层47和作为第三子层的第二氧化铝子层48。
参考图2，绝缘保护层45具有与端子25的位置相对应的端子开口49。端子25通过端子开口49暴露至外部。如图2所示，在每一振动元件20内，金凸块26从端子25上通过端子开口49突出。
参考图4，通过这样的方式设置绝缘保护层45在基座部分22和振动器部分23的外缘与参考电极层27和端子25的最外缘之间以类似框架的方式暴露硅衬底21的第二主表面21-2。绝缘保护层45允许第二主表面21-2围绕其外缘部分暴露，从而在对振动元件20实施剪切步骤时，防止外缘部分剥落。当振动器部分23具有100μm的宽度t6时，使绝缘保护层45具有，例如，98μm的宽度。
在绝缘保护层45中，第一氧化铝子层46具有，例如，50nm的厚度。第一氧化铝子层46起着在基座部分22的主表面和振动器部分23之间增强粘附性的粘合层的作用，其允许绝缘保护层45牢固地涂覆于发生振动的振动器部分23之上，从而防止绝缘保护层45发生，例如，剥落。
氧化硅子层47阻挡空气中的湿气附着到电极层上。此外，氧化硅子层47抑制电极层的氧化，使电极层电绝缘，并对电极层和压电薄膜层28进行机械保护。作为最上层的第二氧化铝子层48增强与抗蚀剂层的粘附性，所述抗蚀剂层是在形成振动器部分23的过程中在硅衬底21上实施轮廓槽形成步骤时形成的。第二氧化铝子层48防止氧化硅子层47受到蚀刻剂的损害。
氧化硅子层47的厚度至少是第二电极层42的厚度的两倍，其厚度为1μm或以下。此外，通过在处于0.4Pa或更低的压强下的氩气气氛中实施溅射在第一氧化铝子层46之上形成氧化硅子层47。使氧化硅子层47具有上述厚度，从而使绝缘保护层45充分实现绝缘保护功能，并防止其在膜形成过程中形成毛边。此外，由于氧化硅子层47是在上述溅射条件下形成的，因此所形成的氧化硅子层47具有高密度。
在振动型陀螺传感器1中，通过安装装置识别支撑衬底2上的连接盘4的位置，从而使具有相同形状的第一振动元件20X和第二振动元件20Y在支撑衬底2上精确定位。在每一振动元件20中，基座部分22的第一主表面(顶表面)22-1设有定位标记32A、32B(下文称为定位标记32)，从而根据由安装装置识别的连接盘4的位置对振动元件20进行定位和安装。
参考图1到图4，通过一对由，例如，金属箔片构成的矩形段(segment)界定定位标记32。所述矩形段沿基座部分22的第一主表面(顶表面)22-1的宽度方向彼此分隔。对于每一振动元件20而言，通过安装装置读取定位标记32，并产生与振动元件20相对于支撑衬底2的定位和取向相关的安装数据。接下来，基于所述安装数据和所述连接盘4的数据，将振动元件20精确地安装到支撑衬底2的适当位置上。
尽管在每一振动元件20当中将定位标记32设置于基座部分22的第一主表面上，但是，也可以将定位标记32设置于基座部分22的第二主表面(安装表面)22-2上。在这种情况下，例如，可以通过在与布线步骤相同的步骤中形成的导体段界定定位标记，并且可以将其设置在不存在端子25和引线31的位置处。优选将定位标记32设置为与用于通过感应耦合等离子体装置实施的反应离子蚀刻工艺的参考标记对准，在轮廓槽形成步骤中采用所述反应离子蚀刻工艺形成每一振动元件20的电极层和振动器部分23。可以采用步进曝光装置相对于振动器部分23以小于等于0.1μm的精确度形成定位标记32。
通过适当的方法形成定位标记32。例如，可以通过对位于基座部分22的第二主表面(安装表面)22-2上的包括钛子层和铂子层的第一电极层40构图而形成定位标记32。在这种情况下，当在针对安装步骤实施读取过程之后执行图像处理时，获得了令人满意的对比度，并增强了安装精确度。
现在将详细描述保护支撑衬底2的第一主表面2-1不受外部影响的顶盖15。
振动型陀螺传感器1通过振动元件20内的压电薄膜28和探测电极30探测由响应于，例如，运动模糊而产生的科里奥利力引起的振动元件20的位移，并输出探测信号。当采用光照射压电薄膜层28时，作为热电效应的结果而产生电压。这一热电电压对探测操作造成了不利影响，并劣化了探测特性。
在振动型陀螺传感器1内，支撑衬底2和顶盖15保护组件安装空间3不受光的影响，从而防止在外部光的作用下产生特性劣化。参考图1，围绕组件安装区域6的整个周长的支撑衬底2的外缘部分处于低于第一主表面2-1的平面内，以形成顶盖固定部分10。第一主表面2-1和顶盖固定部分10通过界定光阻挡肩部分9垂直壁隔开。通过围绕顶盖固定部分10的整个周长涂覆树脂粘合剂将由金属片形成的顶盖15接合至支撑衬底2。因此，组件安装空间3是一个密封的，并且能够防止灰尘和湿气进入的不透光空间。
参考图1，顶盖15呈盒状，其包括主表面16和从主表面16作为一个整体弯曲的外缘壁17，主表面16的外部尺寸足以覆盖支撑衬底2的组件安装区域6。外缘壁17围绕整个主表面16的外缘延伸。在将外缘壁接合至支撑衬底2的状态下，顶盖15所具有的高度提供了使振动元件20的振动器部分23能够在其内振动的组件安装空间3。顶盖15设有与之成一体的外围凸缘18，外围凸缘18稍窄于支撑衬底2的顶盖固定部分10，并且沿外缘壁17的边缘延伸。外围凸缘18界定了接地突起，在将振动型陀螺传感器1安装到控制衬底100上时，将其连接至设置于控制衬底100上的接地端子。
顶盖15由金属片构成，其有助于降低振动型陀螺传感器1的尺寸和重量。但是，当针对具有红外波长的外部光的光屏蔽特性劣化时，也可能存在顶盖15无法充分体现光屏蔽功能的情况。因此，在这一实施例中，在整个主表面16和外缘壁17上涂覆用于吸收红外光的红外吸收涂覆材料，以形成光屏蔽层19。因此，防止了具有红外波长的外部光进入组件安装空间3，由此使振动元件20稳定地执行探测操作。光屏蔽层19可以通过将顶盖15浸入到红外吸收涂覆溶液中形成，或者可以通过黑色铬镀敷处理、黑色氧化物涂刷处理或黑色阳极氧化处理形成。
如上所述，在振动型陀螺传感器1内，采用粘合剂将外围凸缘18接合至顶盖固定部分10，由此将顶盖15于支撑衬底2结合起来，从而形成密封、不透光的组件安装空间3。但是，也存在外部光通过设置于顶盖固定部分10和外围凸缘18之间的缝隙内的粘合剂层浸入组件安装空间3的情况。另一方面，根据本实施例中的支撑衬底2，将顶盖固定部分10设置于低于第一主表面2-1的平面内，其间设有光阻挡肩部分9，从而通过光阻挡肩部分9阻挡透过粘合剂层的外部光。
与本实施例中的其他组件类似，通过表面安装将顶盖15与支撑衬底2结合，从而有效地实施组装过程。在振动型陀螺传感器1内，由于将顶盖15固定到了处于较低平面内的支撑衬底2的顶盖固定部分10上，因此获得了小外形的结构，此外，防止了粘合剂流入到组件安装区域6内。此外，由于组件安装空间3不仅能够防灰、防湿气，还能够挡光，因此抑制了作用于振动元件20上的热电效应，由此能够实施，例如，稳定的运动模糊探测操作。
现在，将参考图7描述用于驱动振动型陀螺传感器1的电路构造。
振动型陀螺传感器1设有第一驱动探测电路单元50X和第二驱动探测电路单元50Y，二者分别连接至第一振动元件20X和第二振动元件20Y，并且包括，例如IC电路元件7和电子组件8。第一驱动探测电路单元50X和第二驱动探测电路单元50Y具有相同的电路构造，因此，在下文中将其称为驱动探测电路单元50。每一驱动探测电路单元50包括，例如，阻抗变换器电路51、加法电路52、振荡器电路53、差动放大器电路54、同步探测器电路55和直流放大器电路56。
参考图7，在每一驱动探测电路单元50，将阻抗变换器电路51和差动放大器电路54连接至对应的振动元件20的第一探测电极30R和第二探测电极30L。阻抗变换器电路51连接至加法电路52，将加法电路52连接至振荡器电路53。振荡器电路53连接至驱动电极层29。差动放大器电路54和振荡器电路53连接至同步探测器电路55，同步探测器电路55连接至直流放大器电路56。振动元件20的参考电极层27连接至支撑衬底2上的参考电势57上。
在每一驱动探测电路单元50内，对应的振动元件20、阻抗变换器电路51、加法电路52和振荡器电路53构成了自激振荡电路系统。当振荡器电路53向驱动电极层29发送具有预定频率的振荡输出Vgo时，振动元件20的振动器部分23内发生自然振动。将来自振动元件20的第一探测电极30R的输出Vgr和来自其第二探测电极30L的输出Vgl发送至阻抗变换器电路51。阻抗变换器电路51在所接收到的这些输出的基础上向加法电路52发送输出Vzr和输出Vzl。加法电路52在所接收到的这些输出的基础上向振荡器电路53发送组合输出Vsa。
将来自每一振动元件20的第一探测电极30R的输出Vgr和来自第二探测电极30L的输出Vgl提供至差动放大器电路54。在每一驱动探测电路单元50内，当对应的振动元件20探测到运动模糊时，在输出Vgr和输出Vgl之间产生差异。因此，由差动放大器电路54产生预定输出Vda。向同步探测器电路55提供来自差动放大器电路54的输出Vda。同步探测器电路55同步地探测输出Vda，并将输出Vda转换为直流信号Vsd，之后将直流信号Vsd发送至直流放大器电路56。直流放大器电路56在执行预定的直流放大之后输出直流信号Vsd。
在时钟信号Vck的输出与来自振荡器电路53的驱动信号同步的时刻，同步探测器电路55对来自差动放大器电路54的输出Vda执行全波整流。之后，同步探测器电路55对输出Vda积分，从而产生直流信号Vsd。驱动探测电路单元50在直流放大器电路单元56内对这一直流信号Vsd放大。之后，输出直流信号Vsd，从而探测到响应于运动模糊而产生的角速度信号。
在每一驱动探测电路单元50内，阻抗变换器电路51在高阻抗输入Z2的状态下产生低阻抗输出Z3，并将第一探测电极30R和第二探测电极30L之间的阻抗Z1与加法电路52的输入之间的阻抗Z4分离。通过提供阻抗变换器电路51，能够从第一探测电极30R和第二探测电极30L获得大的输出差。
在每一驱动探测电路单元50内，阻抗变换器电路51仅针对输入和输出进行阻抗变换，而不影响信号幅度。因此，来自第一探测电极30R的输出Vgr和来自阻抗变换器电路51的一侧的输出Vzr具有相同的幅度，来自第二探测电极30L的输出Vgl和来自阻抗变换器电路51的另一例的输出Vzl具有相同的幅度。在每一驱动探测电路单元50内，当对应的振动元件20执行运动模糊探测时，即使在来自第一探测电极30R的输出Vgr和来自第二探测电极30L的输出Vgl之间存在差异，也可以在来自加法电路52的输出Vsa内保持所述差异。
在每一驱动探测电路单元50内，即使叠加了由，例如，切换操作引起的噪声，也可以通过振动元件20内类似于带通滤波器的功能去除谐振频率成分以外的成分，以去除叠加在来自振荡器电路53的输出Vgo上的噪声成分。因此，能够从差动放大器电路54获得去除了噪声成分的高精度输出Vda。振动型陀螺传感器1内的驱动探测电路单元50不限于上述例子。当运动模糊诱发处于自然振动条件下的振动器部分23发生位移时，可以通过压电薄膜层28和所述的一对探测电极30探测所述位移，并且可以通过执行适当的过程获得探测输出。
振动型陀螺传感器1设有探测X轴方向的角速度的第一振动元件20X和探测Y方向的角速度的第二振动元件20Y。可以由连接至第一振动元件20X的第一驱动探测电路单元50X获得对应于X轴方向的探测输出VsdX，可以从连接至第二振动元件20Y的第二驱动探测电路单元50Y获得对应于Y轴方向的探测输出VsdY。在振动型陀螺传感器1内，可以将第一振动元件20X和第二振动元件20Y的工作频率设为处于几kHz到几百kHz的范围内。此外，通过将第一振动元件20X的工作频率fx与第二振动元件20Y的工作频率fy之间的频率差(fx-fy)设为大于等于1kHz来降低串扰，由此能够精确地实施振动探测。
现在将描述根据这一实施例的振动型陀螺传感器的制造方法。图10是示出了振动型陀螺传感器1的制造方法中包含的主要步骤的流程图。
例如，参考图11和12，采用硅衬底21作为基体材料同时形成多个振动元件20，由此制造振动型陀螺传感器1。对硅衬底21进行切割，具体方式为使主表面21-1为(100)晶面，使每一侧表面21-3均为(110)晶面。接下来，执行切割步骤，从而逐一地将硅衬底21切割为振动元件20。
根据该步骤所采用的设备的规格确定硅衬底21的外部尺寸，例如，将其设置为300×300(mm)。硅衬底21不限于具有图11所示的平面图内的矩形形状，或者，可以采用在平面图内具有圆形形状的晶片状衬底。基于，例如，可加工性和成本确定硅衬底21的厚度，但是，所述厚度可以至少大于振动元件20的基座部分22的厚度。考虑到如上文所述的每一基座部分22具有300μm的厚度，每一振动器部分23具有100μm的厚度的事实，硅衬底21可以具有大于等于300μm的厚度。
如图12所示，通过热氧化，使硅衬底21的整个第一主表面21-1和整个第二主表面21-2被氧化硅膜(SiO2膜)33A、33B(在下文中简称为氧化硅膜33，除非对二者单独说明)涂覆。在对硅衬底21进行晶体各向异性蚀刻处理时，氧化硅膜33起着保护膜的作用。使氧化硅膜33具有足以充当保护膜的厚度。例如，将其厚度设置为0.3μm左右。
振动元件形成过程包括类似于半导体工艺内的薄膜步骤的步骤。具体而言，所述过程包括蚀刻凹陷形成步骤，该步骤用于对硅衬底21的第一主表面21-1进行蚀刻，从而在将要形成振动元件20的振动器部分23的位置处形成具有预定厚度的蚀刻凹陷37。
参考图13到图19，所述蚀刻凹陷形成步骤包括，例如，在硅衬底21的第一主表面21-1上形成光致抗蚀剂层34的光致抗蚀剂层形成子步骤、根据将要形成蚀刻凹陷37的位置在光致抗蚀剂层34内形成光致抗蚀剂层开口35的光致抗蚀剂构图子步骤、去除通过光致抗蚀剂层开口35暴露的氧化硅膜33A的部分以形成氧化硅膜开口36的第一蚀刻子步骤以及在氧化硅膜开口36内形成蚀刻凹陷37的第二蚀刻子步骤。
在光致抗蚀剂层形成子步骤中，在设置于硅衬底21的第一主表面21-1上的整个氧化硅膜33A上涂覆光致抗蚀剂材料，以形成光致抗蚀剂层34。在光致抗蚀剂层形成子步骤中，采用由Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.生产的名称为″OFPR-8600″的光敏光致抗蚀剂材料作为光致抗蚀剂材料。在涂覆这一光致抗蚀剂材料之后，通过微波加热对所述光致抗蚀剂材料预烘焙，以去除水分，由此在氧化硅膜33A上形成光致抗蚀剂层34。
在光致抗蚀剂构图子步骤中，对光致抗蚀剂层34进行掩模处理，以暴露将要在其内形成氧化硅膜开口36的部分。之后，对光致抗蚀剂层34进行曝光和显影。在光致抗蚀剂构图子步骤中，如图13和14所示，去除光致抗蚀剂层34的对应于氧化硅膜开口36的部分，从而同时形成多个光致抗蚀剂层开口35，所述开口35将氧化硅膜33A的部分暴露于外部。参考图13，硅衬底21设有(3×5)个光致抗蚀剂层开口35，从而通过将在下文中描述的步骤同时形成15个振动元件20。
第一蚀刻子步骤用于去除通过光致抗蚀剂层开口35暴露于外部的氧化硅膜33A的部分。在第一蚀刻子步骤中，采用湿法蚀刻技术仅去除氧化硅膜33A的上述部分，因而能够保持硅衬底21的界面的平滑性。但是，所述蚀刻技术不限于上述技术，也可以采用诸如离子蚀刻技术的其他适当类型的技术。
在第一蚀刻子步骤中，采用，例如，氟化铵溶液作为去除氧化硅膜33A的部分的蚀刻溶液，以形成氧化硅膜开口36。因此，如图15和16所示，将硅衬底21的第一主表面21-1的部分暴露至外部。如果在第一蚀刻子步骤内进行长时间的蚀刻，将可能产生从氧化硅膜开口36的侧面进行蚀刻的侧面蚀刻现象。因此，优选精确地控制蚀刻时间，使蚀刻停止于氧化硅膜33A得到彻底蚀刻的点上。
第二蚀刻子步骤用于在通过氧化硅膜开口36暴露于外部的硅衬底21的第一主表面21-1的部分处形成蚀刻凹陷37。在第二蚀刻子步骤中，通过晶体各向异性湿法蚀刻对硅衬底21进行蚀刻直至达到振动器部分23的厚度，所述湿法蚀刻是以蚀刻速率取决于硅衬底21的晶向的特性为基础的。
在第二蚀刻子步骤中，例如，采用TMAH(氢氧化四甲基铵)、KOH(氢氧化钾)或EDP(乙二胺-邻苯二酚-水)溶液作为蚀刻溶液。具体而言，在第二蚀刻子步骤中，采用20％的TMAH溶液作为蚀刻溶液，从而在氧化硅膜33A、33B的前表面和后表面上提高氧化硅膜33A、33B的蚀刻速率的选择比率。在搅动保持在80℃的温度下的蚀刻溶液的同时进行六小时的蚀刻，以形成图17和18所示的蚀刻凹陷37。
在第二蚀刻步骤中，基于作为基体材料的硅衬底21的每一侧表面21-3的蚀刻速率低于第一主表面21-1和第二主表面21-2的蚀刻速率的特性进行蚀刻。由此形成了大约相对于(100)晶面成55°角的(110)晶面。因此，使每一蚀刻凹陷37具有从开口到底部以大约55°的倾斜角逐渐减小的开口尺寸，从而使蚀刻凹陷37具有处于其内壁上的具有大约55°的倾斜角的蚀刻斜面133。
每一蚀刻凹陷37构成了将要通过下文所述的轮廓切割步骤形成为振动器部分23的膜片部分38。每一蚀刻凹陷37具有如图17所示的长度t8和宽度t9，以及如图19所示的深度t10。参考图19，每一蚀刻凹陷37形成了截面为梯形的空间，开口尺寸在该空间内从第一主表面21-1朝向第二主表面21-2逐渐减小。
如上所述，使每一蚀刻凹陷37的内壁具有朝向底部的55°的倾斜角θ。由振动器部分23的宽度t6和长度t5，以及由通过沿振动器部分23的外围切割硅衬底21形成的轮廓槽39的宽度t7(参见图36和图37)确定膜片部分38。由表达式(深度t10×1/tan55°)确定轮廓槽39的宽度t7。
因此，在每一蚀刻凹陷37内，由表达式(深度t10×1/tan55°)×2+t6(振动器部分23的宽度)+2×t7(轮廓槽39的宽度)确定决定膜片部分38的宽度的开口宽度t9。在每一蚀刻凹陷37中，当t10＝200μm，t6＝100μm，t7＝200μm时，开口宽度t9＝780μm。
与宽度方向类似，针对长度方向执行上述第二蚀刻子步骤，使每一蚀刻凹陷37的内壁也沿长度方向呈55°角倾斜。因此，在每一蚀刻凹陷37内，由表达式(深度t10×1/tan55°)×2+t5(振动器部分的长度)+t7(轮廓槽39的宽度)确定决定膜片部分38的长度的长度t8。在每一蚀刻凹陷37内，当t10＝200μm，t5＝2.5mm，t7＝200μm时，长度t8＝2980μm。
作为上述蚀刻凹陷形成步骤的结果，在蚀刻凹陷37的底部和硅衬底21的第二主表面21-2之间形成具有预定厚度的矩形膜片部分38。膜片部分38将被形成为振动元件20的振动器部分23。在蚀刻凹陷形成步骤之后，在膜片部分38上以第二主表面21-2作为工作面执行电极形成步骤。
在电极形成步骤中，采用，例如，磁控管溅射装置在位于第二主表面21-2上的氧化硅膜33B上与蚀刻凹陷37相对应的部分处形成电极层。参考图20，电极形成步骤包括形成将形成为氧化硅膜33B上的参考电极层27的第一电极层40的第一电极层形成子步骤、形成将形成为压电薄膜层28的压电层41的压电层形成子步骤和形成将形成为驱动电极层29和探测电极30的第二电极层42的第二电极层形成子步骤。
在振动元件形成过程中，与形成第一电极层40的子步骤和形成振动器部分23的第二电极层42的子步骤同时执行形成导电层的步骤，所述导电层用于在将在其内形成基座部分22的部分内形成引线31和端子25。
参考图20，第一电极层形成子步骤包括通过在整个对应于振动器部分23的氧化硅膜33B的部分上溅射钛而形成钛薄膜子层，以及通过在钛薄膜子层上溅射铂而在其上形成铂子层。因此，第一电极层40具有双层结构。在形成钛薄膜子层时，在包括，例如，0.5Pa的气体压强和1kW的RF(射频)功率的溅射条件下，在氧化硅膜33B上淀积具有小于等于50nm(例如5到20nm)的厚度的钛薄膜子层。在形成铂子层时，在包括，例如，0.5Pa的气体压强和0.5kW的RF(射频)功率的溅射条件下，在钛薄膜子层上淀积大约具有200nm的厚度的铂子层。
在第一电极层40内，钛薄膜子层增强了与氧化硅膜33B的粘附性，铂子层起着令人满意的电极的作用。在第一电极层形成子步骤中，与第一电极层40同时形成用于形成第一引线31A和第一端子25A的导体层，所述导体层从每一膜片部分38朝向将在其内形成每一基座部分22的部分延伸。
在压电层形成子步骤中，通过在整个第一电极层40上溅射，例如，锆钛酸铅(PZT)淀积具有预定厚度的压电层41。在压电层形成子步骤中，在包括，例如，0.7Pa的气体压强和0.5kW的RF功率的溅射条件下，采用Pb(1+x)(Zr0.53Ti0.47)O3-y氧化物作为靶材，在第一电极层40上淀积具有大约1μm的厚度的由PZT层界定的压电层41。此外，在压电层形成子步骤中，通过在电炉内烘焙使压电层41结晶。在氧气气氛中，在700℃的温度下进行10分钟的烘焙处理。压电层41覆盖从第一电极层40朝向将在其内形成每一基座部分22的部分延伸的一部分电极层。
在第二电极层形成子步骤中，通过在整个压电层41上溅射铂而形成铂层，由此形成第二电极层42。在第二电极层形成子步骤中，在包括0.5Pa的气体压强和0.5kW的RF功率的溅射条件下，在压电层41上淀积具有大约200nm的厚度的铂薄膜层。
接下来，将执行用于对起着最上层作用的第二电极层42构图的第二电极层构图步骤。在第二电极层构图步骤中，如图21和22所示，形成每者均具有预定形状的驱动电极层29和一对探测电极30R、30L。
如上所述，驱动电极层29起着施加用于驱动对应的振动器部分23的预定驱动电压的电极的作用。在振动器部分23的沿其宽度方向的中央区域内，具有预定宽度的驱动电极层29沿振动器部分23的纵向延伸，从而基本覆盖了整个中央纵向区域。探测电极30是用于探测在振动器部分23内产生的科里奥利力的电极，其设于驱动电极层20的相对侧。探测电极30彼此绝缘，同时二者平行延伸，从而基本覆盖整个纵向区域。
在第二电极层构图步骤中，如图21所示，对第二电极层42进行光刻处理，从而在压电层41上形成驱动电极层29和探测电极30。在第二电极层构图步骤中，在对应于驱动电极层29和探测电极30的部分内形成抗蚀剂层，并通过，例如，离子蚀刻去除第二电极层42的不必要部分。接下来，去除抗蚀剂层，从而对驱动电极层29和探测电极30进行构图。第二电极层构图步骤不限于上述说明。或者，可以通过实施半导体工艺内采用的适当的导体层形成步骤形成驱动电极层29和探测电极30。
参考图21，将驱动电极层29和探测电极30形成为使其尖端对齐，使其基座端在振动器部分23的根部43处也对齐。在第二电极层构图步骤中，将宽引线连接段29-1、30R-1和30L-1与在根部43处对准的驱动电极层29和探测电极30的基座端作为一个整体进行构图。
在第二电极层构图步骤中，对第二电极层42构图，以形成具有，例如，2mm的长度t12和50μm的宽度t13的驱动电极层29。此外，如图21所示，在驱动电极层29的两侧，对每者均具有10μm的宽度t14的第一探测电极30R和第二探测电极30L构图。使每一探测电极30R、30L与驱动电极层29间隔5μm的距离t15。此外，在第二电极层构图步骤中，还通过构图形成每者均具有50μm的长度和50μm的宽度的引线连接段29-1、30R-1和30L-1。驱动电极层29和探测电极30的尺寸值不限于上述说明，可以将其设置在一定范围内，从而将其适当地形成于振动器部分23的第二主表面上。
接下来，如图23和24所示，执行对压电层41进行构图的压电层构图步骤，以形成具有预定形状的压电薄膜层28。通过对压电层41构图形成压电薄膜层28，具体方式为使其保留面积大于驱动电极层29和探测电极30。使压电薄膜层28稍窄于振动器部分23，并使其由振动器部分23的基座端延伸至振动器部分23的尖端的附近。
在压电层构图步骤中，对压电层41进行光刻处理，从而在对应于压电薄膜层28的区域内形成抗蚀剂层。接下来，通过采用，例如，氟硝(fluoronitric)溶液的湿法蚀刻等去除压电层41的不必要部分，之后去除抗蚀剂层，由此形成图23和24所示的压电薄膜层28。尽管在上述实例中采用湿法蚀刻技术蚀刻压电层41，但是所述蚀刻技术不限于上述技术。例如，或者可以通过诸如离子蚀刻和反应离子蚀刻(RIE)的其他替代技术形成压电薄膜层28。
在压电层构图步骤中，如图23所示，压电薄膜层28的基座端与驱动电极层29和探测电极30的基座端在振动器部分23的根部43处基本对准。此外，在压电薄膜层28的基座端将端子接收段28-1构图成一个整体，其面积稍大于驱动电极层29和探测电极30的引线连接段29-1、30R-1和30L-1的总面积。
在压电层构图步骤中，对压电薄膜层28进行构图，使其具有比驱动电极层29和探测电极30稍长的2.2mm的长度t8和90μm的宽度t19。对设于压电薄膜层的基座端的端子接收段28-1进行构图，从而使其围绕驱动电极层29和探测电极30的引线连接端子29-1、30R-1和30L-1的外围具有5μm的宽度。压电薄膜层28的尺寸值不限于上述值，可以将其设置在一定范围内，从而使形成于振动器部分23的第二主表面23-2上的压电薄膜层28的面积大于驱动电极层29和探测电极30的总面积。
接下来，如图25和26所示，实施与上述第二电极层构图步骤类似的第一电极层构图步骤对第一电极层40构图，以形成参考电极层27。在第一电极层构图步骤中，在对应于参考电极层27的部分内形成抗蚀剂层，并通过，例如，离子蚀刻去除第一电极层40的不必要部分。之后，去除抗蚀剂层，以形成参考电极层27。第一电极层构图步骤不限于上述说明。或者，可以通过实施半导体工艺中采用的适当的导体层形成步骤形成参考电极层27。
在第一电极层构图步骤中，在振动器部分23的第二主表面上形成参考电极层27，并使之稍窄于振动器部分23的第二主表面，但其宽于压电薄膜层28。如图25所示，使参考电极层27的基座端与驱动电极层29、探测电极30和压电薄膜层28的基座端在振动器部分23的根部43处基本对准。在第一电极层构图步骤中，在将在其内形成基座部分22的部分内对第一引线31A和设置于第一引线31A的末端处的第一端子25A同时构图，从而使其作为一个整体从基座端向侧面延伸。
在第一电极层构图步骤中，形成参考电极层27，使之具有2.3mm的长度t20和94μm的宽度t21，以及围绕压电薄膜层28的外围的5μm的宽度。在第一电极层构图步骤中，参考电极层27的尺寸值不限于上述值，可以将其设置在一定范围内，从而在振动器部分23的第二主表面上适当地形成参考电极层27。
在振动元件形成步骤中，作为上述步骤的结果，对应于将在其内形成每一基座部分22的部分形成了驱动电极层29和探测电极30的引线连接段29-1、30R-1、30L-1、端子25B到25D和与端子25成一体的引线31B到31D。在这种情况下，为了在引线31B到31D和引线连接段29-1、30R-1、30L-1之间获得平滑的连接，形成图27和28所示的平面化层24。
参考图29和30，形成连接引线连接段29-1、30R-1、30L-1和端子25B到25D的引线31B到31D，使其穿过压电薄膜层28的端子接收段28-1的和参考电极层27的末端，并使其在将在其内形成基座部分22的部分内延伸。如上所述，通过采用湿法蚀刻对压电层41构图形成了压电薄膜层28，从而使蚀刻部分的边缘朝向硅衬底21的第二主表面21-2呈倒楔型，或者呈垂直台阶状。因此，当在将要在其内形成基座部分22的部分上直接形成引线31B到31D时，可能在台阶部分处断开连接。此外，还可能必须在第一引线31A和在将在其内形成基座部分22的部分内延伸的引线31B到31D之间保持绝缘。
在平面化层形成步骤中，通过光刻处理对形成于将在其内形成基座部分22的部分上的抗蚀剂层构图，从而使抗蚀剂层覆盖引线连接段29-1、30R-1、30L-1和第一引线31A。通过，例如，160℃到300℃下的加热使抗蚀剂层图案固化，以形成平面化层24。在平面化层形成步骤中，使平面化层24具有200μm的宽度t24、50μm的长度t25和2μm的厚度(图28进行了夸大图示)。平面化层形成步骤不限于上述说明。或者，可以采用适当的绝缘材料或采用半导体工艺内实施的适当的抗蚀剂层形成步骤形成平面化层24。
接下来，执行线路层形成步骤，从而在将要在其内形成基座部分22的部分内形成第二端子25B到第四端子25D和第二引线31B到第四引线31D。在线路层形成步骤中，在将要在其内形成基座部分22的整个部分上形成光敏光致抗蚀剂层。之后，对光敏光致抗蚀剂层进行光刻处理，以形成对应于第二端子25到第四端子25D和第二引线31B到第四引线31D的开口图案。之后，通过溅射在所述开口内形成导体层组件，从而形成线路层。在线路层形成步骤中，在形成预定导体层组件之后，去除光致抗蚀剂层，由此形成如图29和30所示的第二端子25B到第四端子25D和第二引线31B到第四引线31D。
在线路层形成步骤中，形成作为基础(foundation)层的钛层和氧化铝层，以提高与氧化硅膜33B的粘附性。接下来，在钛层上形成具有低电阻的低成本铜层。在这种情况下，例如，使钛层具有20nm的厚度，使铜层具有300nm的厚度。线路层形成步骤不限于上述说明。例如，或者可以通过采用半导体工艺内通常采用的其他类型的线路构图技术形成所述线路层。
接下来，执行绝缘保护层形成步骤，从而在基座部分22上和振动器部分23的主表面上形成具有三层结构的绝缘保护层45，作为上述步骤的结果，基座部分22具有形成于其主表面上的端子25和引线31，振动器部分23的主表面具有形成于其上的电极层和压电薄膜层28。绝缘保护层形成步骤包括抗蚀剂层形成子步骤、抗蚀剂层构图子步骤、第一氧化铝子层形成子步骤、氧化硅子层形成子步骤、第二氧化铝子层形成子步骤和抗蚀剂层去除子步骤。
在绝缘保护层形成步骤中，实施抗蚀剂层形成子步骤和抗蚀剂层构图子步骤，从而在硅衬底21的第二主表面上形成抗蚀剂层44。如图31所示，抗蚀剂层44具有对应于将在其内形成绝缘保护层45的部分的开口。在抗蚀剂层形成子步骤中，在整个硅衬底21上涂覆光敏抗蚀剂介质，以形成抗蚀剂层44。在抗蚀剂层构图子步骤中，对抗蚀剂层44进行光刻处理，从而在对应于将在其内形成绝缘保护层45的部分的区域内形成绝缘保护层形成开口44A。尽管在图中未示出，但是在与端子25对应的部分处仍然保留抗蚀剂层44的圆形部分。
在绝缘保护层形成步骤中，通过溅射层压第一氧化铝子层46、氧化硅子层47和第二氧化铝子层48，并将所溅射的膜的不必要部分连同抗蚀剂层44一起去除。因此，在抗蚀剂层44的绝缘保护层形成开口44A内保留了所溅射的具有三层结构的层，由此通过所谓的剥离技术形成预期的绝缘保护层45。在图32和34中，仅示出了形成于绝缘保护层形成开口44A中的溅射膜，但是，在具有绝缘保护层形成开口44A的抗蚀剂层44上也形成了溅射膜。在抗蚀剂层去除子步骤中将所溅射的膜连同抗蚀剂层44一起去除。
在第一氧化铝子层形成子步骤中，如图32所示，通过在绝缘保护层形成开口44A内溅射氧化铝形成第一氧化铝子层46。形成具有大约50nm的厚度t26的第一氧化铝子层46，其起着基础金属层的作用，用于提高与绝缘保护层形成开口44A内的硅衬底21、驱动电极层29或探测电极30的粘附性。
在氧化硅子层形成子步骤中，如图33所示，通过在第一氧化硅子层46上溅射氧化硅形成氧化硅子层47。在氧化硅子层形成子步骤中，由于在溅射室内放电的氩气压强的下限为0.35Pa，因此在所设定的比所述下限稍高的0.4Pa的氩气压强下溅射氧化硅，由此形成具有高密度的氧化硅层47。在氧化硅子层形成子步骤中，氧化硅子层47充分地显示了绝缘保护功能，因为其厚度至少是驱动电极层29和探测电极30的厚度的两倍，氧化硅子层47具有小于等于1μm的厚度t27，在所述厚度所处的范围内，在剥离技术中产生毛边的比率低。具体而言，形成具有750nm的厚度t27的氧化硅子层47。
在第二氧化铝子层形成子步骤中，如图34所示，通过在其上溅射氧化铝而在整个氧化硅子层47上形成第二氧化铝子层48。形成具有大约50nm的厚度t28的第二氧化铝子层48，其增强了与将在轮廓槽形成步骤中形成的抗蚀剂层的粘附性，由此防止氧化硅子层47受到蚀刻剂的损害，在下文中将对轮廓槽形成步骤予以说明。
接下来，参考图34，在硅衬底21的第一主表面21-1上形成刻蚀阻挡层70。刻蚀阻挡层70防止产生有缺陷的边缘形状，由于在第一主表面21-1上的等离子体浓度，当未能通过在硅衬底21上实施的轮廓槽形成步骤取得预期的边缘形状时，可能产生有缺陷的边缘形状。通过在硅衬底21的整个第一主表面21-1上溅射具有大约500nm的厚度的氧化硅形成刻蚀阻挡层70。
在轮廓槽形成步骤中，围绕每一振动器部分23的外围形成轮廓槽39，从而使其穿过对应的膜片部分38延伸。参考图35到37，在轮廓槽形成步骤中，将轮廓槽39形成为基本为U形的贯通槽，其设置于硅衬底21的第二主表面21-2中对应于膜片部分38的部分内。所述U形轮廓槽39围绕振动器部分23，并且具有第一末端39A和第二末端39B，第一末端39A位于具有层压电极层的硅衬底21中的振动器部分23的根部43的一侧，第二末端39B位于根部43的另一侧。如上所述，使轮廓槽39具有200μm的宽度t7。
具体而言，轮廓槽形成步骤包括用于去除氧化硅膜33B的预定U形部分以暴露硅衬底21的第二主表面21-2的第一蚀刻子步骤和用于在硅衬底21的暴露部分内形成轮廓槽39的第二蚀刻子步骤。
在第一蚀刻子步骤中，在整个氧化硅膜33B上形成光敏光致抗蚀剂层。此外，对光致抗蚀剂层进行光刻处理，以形成围绕其内形成了电极层的区域的U形开口图案。所述开口图案具有与振动器部分23的外部尺寸相同的开口尺寸。在第一蚀刻子步骤中，通过离子蚀刻去除通过所述开口图案暴露的氧化硅膜33B的部分。在第一蚀刻子步骤中，有可能通过，例如，湿法蚀刻去除氧化硅膜33B的U形部分，但是考虑到由侧面蚀刻引起的尺寸误差的可能性，优选采用离子蚀刻。
在第二蚀刻子步骤中，采用氧化硅膜33B的其余部分作为抗蚀剂膜(蚀刻保护膜)。在第二蚀刻子步骤中，对硅衬底21进行，例如，反应离子蚀刻，从而相对于抗蚀剂膜(氧化硅膜33B)获得适当的选择比，并为振动器部分23的外缘形成具有高精确度的垂直表面。
在第二蚀刻子步骤中，采用具有产生感应耦合等离子体(ICP)的功能的反应离子蚀刻(RIE)装置产生高密度的等离子体。在第二蚀刻子步骤中，实施Bosch(Bosch Corp.)工艺，其包括通过向蚀刻部分引入SF6气体进行蚀刻，以及通过引入C4F8气体形成用于保护蚀刻部分的外缘壁的保护膜。在Bosch工艺中，重复执行蚀刻与保护膜形成过程。结果，以大约10μm每分钟的速率在硅衬底21内形成具有垂直内壁的轮廓槽39。
在第二蚀刻子步骤之后，去除硅衬底21的第一主表面21-1上的刻蚀阻挡层70。在去除刻蚀阻挡层70时，通过，例如，采用氟化铵的湿法蚀刻去除由氧化硅构成的刻蚀阻挡层70。在去除刻蚀阻挡层70时，如果去除了在上述轮廓槽形成步骤中形成的光致抗蚀剂层，那么绝缘保护层45也将被去除，这是我们不想看到的。因此，在去除刻蚀阻挡层70之后去除光致抗蚀剂层。
接下来，执行对硅衬底21上的振动元件20的压电薄膜层28同时极化的极化步骤。采用Cu线路作为极化线路执行极化步骤。在执行极化步骤之后，能够通过湿法蚀刻容易地溶解所述Cu线路，并由此在不损害振动元件20的情况下将其去除。极化线路不限于Cu线路，可以采用具备上述功能的适当导体作为替代。
通过剥离技术形成Cu线路，在所述剥离技术中，通过，例如，光刻处理，在硅衬底21的第二主表面21-2上通过构图形成具有带有预定形状的开口的抗蚀剂层，之后通过溅射淀积Cu层，最后将粘附至不必要的部分的Cu层部分连同抗蚀剂层一起去除。例如，使Cu线路具有大于等于30μm的宽度和大约400nm的厚度，从而使之在极化步骤中获得导电性。
通过将振动元件20经由接地侧焊盘和设置于Cu线路中的施加侧焊盘同时连接至外部电源而有效地执行极化步骤。在极化步骤中，通过，例如，线路接合，将每一焊盘连接至外部电源，在20V的导电状态下执行20分钟的极化。极化步骤的条件不限于上述说明。可以利用其他可选的连接技术或在其他适当的极化条件下执行极化步骤。
接下来，执行金凸块形成步骤。如上所述，由于将每一振动元件20安装到支撑衬底2上，因此在对应的端子25上形成金凸块26。在金凸块形成步骤中，通过将金丝焊头(bonding tool)压到每一端子25上形成具有预定形状的立柱凸块。在必要的情况下，在金凸块形成步骤中，可以在每一基座部分22内形成伪凸块。可以通过将在下文中予以说明的名为电镀凸块形成技术的备选技术形成金凸块26。
电镀凸块形成技术包括如图38A所示，在端子25上形成具有预定开口61的电镀抗蚀剂层62；如图38B所示，在每一开口61内通过金电镀形成具有预定高度的金电镀层26；以及去除电镀抗蚀剂层62。在金凸块形成步骤中，根据电镀条件限制金凸块26的厚度(高度)，存在无法形成具有预定高度的金凸块26的情况。在金凸块形成步骤中，如果在一次电镀过程中未形成预期的金凸块26，可以第一金电镀层作为电极执行第二电镀过程，以形成所谓的分级(stepped)金凸块26。
凸块形成步骤不限于上述说明。或者，可以通过，例如，半导体工艺中采用的蒸镀或转印形成凸块。此外，尽管未详细说明，但是在振动元件形成过程中，可以形成由，例如，TiW或TiN构成的所谓的凸块基础金属层，以提高金凸块26和端子25之间的粘附性。
接下来，执行将硅衬底21切割为振动元件20的切割步骤。在切割步骤中，采用，例如，金刚石切割器切割对应于基座部分22的部分，从而切割出振动元件20。在切割步骤中，采用金刚石切割器形成切割槽，接下来，通过弯曲使硅衬底21断开。或者，可以采用砂轮或通过利用硅衬底21的表面取向的打磨执行切割步骤。
与获得两个轴的探测信号的两轴集成振动元件的例子相比，上述振动元件形成过程实现了由硅衬底(晶片)21获得的振动元件数量的显著增大，在两轴集成振动元件的例子中，振动器部分整体形成于公共基座部分22的相邻侧表面上。

以硅衬底21的第二主表面21-2作为安装表面，通过表面安装将作为上述步骤的结果的每一振动元件20安装到支撑衬底2的第一主表面2-1上。在每一振动元件20内，使设于端子25上的金凸块26在位置上与支撑衬底2上的对应连接盘4对准。在这种情况下，如上所述，采用安装装置读取振动元件20的定位标记32，并以高精确度确定振动元件20的位置和取向。
将振动元件20向支撑衬底2按压，通过将金凸块26超声焊接至对应的连接盘4，将振动元件安装到支撑衬底2的第一主表面2-1上。将IC电路元件7和电子组件8安装到支撑衬底2的第一主表面2-1上，之后对振动元件20实施将在下文中予以说明的调整步骤。接下来，安装顶盖15，由此完成振动型陀螺传感器1的制造过程。
因此，在这一实施例中，在硅衬底21上同时形成多个具有与基座部分22成一体的振动器部分23的振动元件20，之后，将所述振动元件20从硅衬底21上一一切割下来。之后，在支撑衬底2的第一主表面2-1上，分别沿具有相互成90°角的关系的两个轴安装具有相同形状的第一振动元件20X和第二振动元件20Y，由此制造获得两个轴的探测信号的振动型陀螺传感器1。
在振动元件形成过程中，通过如上所述的采用感应耦合等离子体的蚀刻将每一振动元件29的振动器部分23从硅衬底21上精确地切割下来。但是，可能难以相对于等离子体的中央发射线对称地形成每一振动器部分23，其取决于材料成品率等条件。在这种情况下，振动器部分23的形状可能在，例如，振动器20的位置未对准或其他过程条件的影响下发生变化。例如，如果振动元件20的振动器部分23的截面呈梯形或平行四边形，而不像正常的振动器部分23那样具有标准的矩形截面，那么振动器部分23将不会垂直振动，相反其将以振动器部分23朝向相对于其中心轴线质量较小的一侧倾斜的状态振动。
因此，执行调整步骤，以校正其振动状态，在所述调整步骤中，对每一振动器部分23的预定截面进行激光机械加工，从而对其具有较大质量的一侧进行打磨。在调整步骤中，由于难以从视觉上直接观察具有小尺寸的每一振动器部分23的截面形状，因此使每一切割的振动元件20的振动器部分23以预定垂直谐振频率振动，以比较左侧和右侧探测信号的幅度，由此检验振动器部分23的截面形状的失衡。在调整步骤中，如果在左侧和右侧探测信号之间存在差异，则对振动器部分23的输出具有较小幅度的探测信号的一侧进行局部打磨。
参考图39A，当在对象振动元件20上执行调整步骤时，例如，在调整之前，将来自振荡器电路71的振荡输出G0施加至驱动电极层29，从而以垂直谐振模式驱动振动元件20。在调整步骤中，通过加法电路将由一对探测电极30L、30R输出的探测信号G10、Gr0结合起来，并将结合的信号发送回振荡器电路71。基于来自一对探测电极30L、30R的探测信号G10、Gr0，测量振荡器电路71的谐振频率作为垂直谐振频率f0，测量探测信号G10、Gr0之间的差值作为差动信号。
参考图39B，在调整步骤中，将来自振荡器电路71的振荡输出G1施加至探测电极30L，从而以水平谐振模式驱动振动元件20。在调整步骤中，将来自探测电极30R的探测信号Gr-1发送回振荡器电路71，基于探测信号Gr-1，测量振荡器电路71的振荡频率作为水平谐振频率f1。由于从探测信号Gr-1获得的水平谐振频率f1等于从探测信号G1-1获得的水平谐振频率f2，因此可以通过连接至探测电极30L和30R二者之一测量水平谐振频率。
此外，参考图39C，在调整步骤中，将来自振荡器电路71的振荡输出G2施加至探测电极30R，从而以水平谐振模式驱动振动元件20。在调整步骤中，将从探测电极30L输出的探测信号G1-2发送回振荡器电路71，并基于探测信号G1-2测量振荡器电路71的振荡频率作为水平谐振频率f2。在调整步骤中，采用通过上述测量获得的垂直谐振频率f0和水平谐振频率f1、f2之间的差值作为失谐度(degree of detuning)，由其判定失谐度是否处于预定范围内。此外，在调整步骤中，还要判定由探测电极30L、30R探测的差动信号是否处于预定范围内。
在调整步骤中，在失谐度和差动信号的判定结果的基础上，由其幅度确定在振动器部分23上的调整性机械加工的位置，并利用激光照射对振动器部分23进行局部打磨。利用与上述说明相同的测量和激光机械加工执行调整步骤直到失谐度和差动信号达到目标值。
在调整步骤中，采用具有可控光点直径的激光装置，其发射具有532nm波长的激光。在调整步骤中，例如，通过沿其纵向朝向适当的位置发射激光调整每一振动元件20的振动器部分23的侧表面和第一主表面23-1之间的边缘。在每一振动元件20中，由激光照射调整引起的频率差值和探测信号均衡二者的变化量从振动器部分23的基座端朝向其尖端降低。因此，可以对振动器部分的基座侧粗略调整，而对其尖端侧精细调整。
由于所述调整步骤是在将振动元件20安装到了支撑衬底2上的状态下实施的，因此，如果在安装前状态下进行了调整，则不必在安装步骤之后进行重新调整。因此，能够提高振动型陀螺传感器1的生产率。在这种情况下，将要被调整激光照射的区域位于每一振动器部分23的顶表面23-2上，由此在安装步骤之后获得了极佳的调整可操作性。由于在振动器部分23的顶表面23-2上未形成压电层和电极层，因此，能够最大限度地避免作用于其上的不利影响，此类不利影响包括，例如，极化状态的变化和由激光机械加工产生的热量导致的压电薄膜层28的特性变化。
在振动型陀螺传感器1内，在由对应的驱动探测电路单元50向每一振动单元20的驱动电极层29施加预定频率的交流电压时，振动器部分23以自然频率振动。振动器部分23沿作为其厚度方向的垂直方向以垂直谐振频率谐振，还沿作为其宽度方向的水平方向以水平谐振频率谐振。振动元件20的灵敏度特性随着对应于失谐度的垂直谐振频率和水平谐振频率之间的差值的降低而增大。如上所述，通过晶体各向异性蚀刻或反应离子蚀刻精确地形成振动器部分23的外缘，由此在振动型陀螺传感器1内获得令人满意的失谐度。
在每一振动元件20内，垂直谐振频率特性受振动器部分23的长度t5的精确度的显著影响。在决定每一振动元件20中的振动器部分23的长度t5的根部43处，如果在通过晶体各向异性蚀刻形成的膜片部分38的(100)表面、对应于以55°角倾斜的蚀刻斜面133的(111)表面和对应于平坦表面的边界线之间未能实现对准，那么失谐度将根据未对准量不利地增大。
换言之，在每一振动元件20中，未对准量是由通过晶体各向异性蚀刻形成于氧化硅膜33B上的抗蚀剂膜图案和通过反应离子蚀刻形成的抗蚀剂膜图案之间的位置未对准造成的。因此，可以采用，例如，双侧对准器对每一振动元件20定位，所述双侧对准器允许在上述步骤中对硅衬底21的第一和第二主表面21-1和21-2二者同时观察。或者，可以在硅衬底的第一主表面21-1或第二主表面21-2上形成适当的定位图案或标记，从而采用基于这些图案或标记对其他主表面进行位置对准的对准装置对每一振动元件20定位。还可以将这一定位技术引入到将振动元件20安装到支撑衬底2上的安装步骤中。
如果每一振动元件20中的未对准量小于约30μm，那么垂直谐振频率和水平谐振平率基本相等。因此，针对每一振动元件20以充分高的精确度执行蚀刻过程能够显著降低由未对准量引起的失谐度特性，由此能够在无需上述对准装置的情况下形成振动元件20。
对于每一振动元件20而言，基于其相对于支撑衬底2的固定技术和所采用的材料确定Q值。如上所述，在振动型陀螺传感器1内，利用设置于基座部分22内的具有预定高度的多个金凸块26将每一振动元件20固定到支撑衬底2上。因此，振动器部分23以高灵敏度稳定地振动，同时获得了高Q值。
采用有限元法(FEM)根据在振动型陀螺传感器1内将振动元件固定到支撑衬底2上的固定技术分析Q值特性的效果。在该分析当中，每一振动器部分23由硅材料构成，采用金接合层(金凸块26)实现与支撑衬底2的固定。在这种情况下，通过计算振动器部分23的尖端处的位移量分析由不同固定技术引起的特性变化，所述位移量取决于固定部分的阻尼效果(在这一实例中为上部振幅峰值与下部振幅峰值之间的位移量(μmpp))。采用硅材料阻尼的参考值β＝3.54×10-8和金接合层材料阻尼的参考值β＝3.54×10-8作为代入参数。
在采用其间的金接合层将振动元件20的基座部分22的整个表面接合至支撑衬底2的状态下实施第一分析。通过第一分析，获得了如图40所示的振动器部分23的位移量的波动结果。从图中显然可以看到，在每一振动元件20中，振动器部分23的尖端的位移量随着Au带来的阻尼量的增大而逐渐衰减。
此外，在采用其间的金接合层140将振动元件20的基座部分22接合至支撑衬底2的状态下实施第二分析。具体而言，参考图41，在第二分析中，根据处于振动器部分23的基座端的非结部分的不同宽度d分析振动器部分23的位移-阻尼率。获得了如图41B所示的结果。从图41B显然可以看出，在每一振动元件20内，位移-阻尼率在一定范围内增大，在所述范围内，金接合层140的非结部分的宽度处于200μm和300μm之间。“位移-阻尼率(displacement-damping rate)”一词是指对应于振动器部分的机械品质因数Q值的值。所述速率随着数值的增大而增大，而振动器部分则在特定频率下进行高强度的振动。在下文的运用中该词具有相同的含义。
此外，在采用其间的金接合层140将振动元件20的基座部分22接合至支撑衬底2的状态下实施第三分析。具体而言，参考图42A，在第三分析中，根据金接合层140的不同宽度e分析振动器部分23的位移-阻尼率的变化。所获得结果如图42C所示。此外，在第三分析中，如图42B所示，在采用其间的第一金接合层组件140A和第二金接合层组件140B将振动元件20的基座部分22接合至支撑衬底2的状态下实施另一分析。
在图42C中，以黑色方点表示其取决于一个金接合层140的宽度e的振动器部分23的位移-阻尼率的分析结果，而由白色圆点表示对应于额外提供了第二金接合层组件140B的情况的分析结果。在每一振动元件20中，阻尼率在一定范围内增大，在该范围内，金接合层140的宽度e处于500μm到700μm之间。此外，通过在两个部分处固定振动元件20，即使在金接合层140的宽度e小的情况下，也能够获得大阻尼率。
根据第一到第三分析的结果，在每一振动元件20内，在利用第一金接合层组件140A和第二金接合层140B在两个部分处结合基座部分22，而不是利用其间的金接合层140将基座部分22整个接合至支撑衬底2时，基座部分22具有更好的特性。基于这些分析结果，如图43A所示，在利用第一金接合层组件140A和第二金接合层组件140B在两个部分处将基座部分22接合至支撑衬底2的状态下实施第四分析。与第二分析类似，采用位于振动器部分23的基座端处的非结部分的宽度f作为分析振动器部分23的位移-阻尼率变化的参数，以确定第一金接合层组件140A的最佳位置。图43B示出了针对每一振动元件20的分析结果，其表明在将非结部分的宽度f基本设置为250μm时通过固定基座部分22获得了金接合层组件140A距振动器部分23的根部的最佳位置。
与第四分析相比，如图44A所示，第五分析用于在利用第一金接合层组件140A和第二金接合层组件140B在两个部分处将基座部分22接合至支撑衬底2的情况下分析第二金接合层组件140B的最佳位置。在每一振动元件20中，将第一金接合层组件140A在距振动器部分23的根部250μm的最佳位置处固定至基座部分22。对于第二金接合层组件140B，通过以距基座部分22的后端的距离g为参数分析振动器部分23的位移-阻尼率的变化确定其最佳位置。如图44B所示，在振动元件20内，随着第二金接合层组件140B从与振动器部分23的根部相对的基座部分22的后端逐渐接近振动器部分23，振动器部分23的位移-阻尼率降低。因此，分析结果表明在采用第一金接合层组件140A和第二金接合层组件140B在两个部分处将每一振动元件20的基座部分22固定至支撑衬底2的情况下，通过将两组件设置于距振动器部分23的根部250μm的位置处和设置于更为靠近后端的位置处实现了优化。
根据第一到第五分析，在将每一振动元件20的基座部分22局部固定至支撑衬底2上，而不是将前者整个表面固定至后者上时，更具体而言，就是在多个部分处而不是一个部分处固定基座部分22时，获得了更好的Q值特性。如图45A所示，在将基座部分22固定至支撑衬底2的状态下实施第六分析。具体而言，在四点固定结构上实施分析，在所述结构中，利用沿宽度方向彼此分离的一对第一金接合层组件140A-1、140A-2固定振动器部分23的根部一侧，利用沿宽度方向彼此分离的一对第二金接合层组件140B-1、140B-2固定基座部分22的后端一侧。在第六分析中，固定第二金接合层组件140B-1、140B-2，采用相对的第一金接合层组件140A-1、140A-2之间的距离w以及第一金接合层组件140A和第二金接合层组件140B之间的距离h作为分析振动器部分23的位移-阻尼率变化的参数。由此完成了最佳固定位置的分析。
关于第六分析，图45A示出了第一固定技术，其中，采用沿其宽度方向设置于基座部分22的相对侧并且彼此间隔距离w1的相对的第一金接合层组件140A-1、140A-2将基座部分22固定至支撑衬底2；图45B示出了第二固定技术，其中，采用靠近中央位置设置的并且彼此间隔距离w2的相对的第一金接合层组件140A-1、140A-2将基座部分22固定至支撑衬底2；图45C示出了第三固定技术，其中，采用其间距离w3＝0，并且在对应于振动器部分的中央位置结合为一体的相对的第一金接合层组件140A-1、140A-2将基座部分22固定至支撑衬底2。
图46A和图46B示出了所得的分析结果，其表明通过采用固定技术实现了优化，在所述固定技术中，利用第一金接合层组件140A-1、140A-2将每一振动元件20的基座部分固定至支撑衬底2，在靠近振动器部分23的根部的位置将所述第一金接合层组件140A-1、140A-2设置于沿其宽度方向的基座部分22的相对侧上。在基于第三固定技术将基座部分22固定至支撑衬底2时，振动元件20具有最大特性。
参考图47A，在采用金凸块141-1到141-4将基座部分22固定至支撑衬底2的状态下实施第七分析。在这种状态下，分析FEM计算结果和测量结果。图47A示出了第一固定技术，其中，沿基本穿过基座部分22的中央延伸的单条线横向布置四个金凸块141-1到141-4。图47B示出了第二固定技术，其中，分别在基座部分22的四个拐角处设置四个金凸块141-1到141-4。图47C示出了第三固定技术，其中，沿基座部分22的后端一侧横向布置三个金凸块141-1到141-3，沿其宽度方向在振动器部分23的根部的中央设置剩下的一个金凸块141-4。
图48A示出了FEM计算结果，其中，水平轴表示由Au导致的阻尼量，垂直轴表示振动器部分23的位移-阻尼率。图48B示出了在各种固定技术的基础上振动元件142A到142C的位移量(μmpp)的测量结果。从图48A和图48B显然可以看出，即使在振动元件20的固定部分处Au材料阻尼大时，其内利用金凸块141-1到141-4固定了四个拐角的样本142B仍然具有强阻尼特性。
基于第一到第七分析，实施第八分析研究在增多的部分处将每一振动元件20固定至支撑衬底2的优势。参考图49A到图49D，在第八分析中，针对每者在基座部分22上均具有不同数量的金凸块143的第一样本振动元件144A到第四样本振动元件144D分析振动器部分23的位移-阻尼率。图50示出了所获得的结果。
第一样本振动元件144A具有设置于基座部分22的四个拐角处的四个金凸块143-1到143-4。第二样本振动元件144B共具有五个金凸块143-1到143-5，其中四个金凸块143-1到143-4设置于基座部分22的四个拐角处，另一个金凸块143-5设置于其中央处。第三样本振动元件144C共具有六个金凸块143-1到143-6，其中四个金凸块143-1到143-4设置于基座部分22的四个拐角处，另外两个设置于振动器部分23的延长线上，并且处于位于相对两侧的金凸块143的中央。因此，在基座部分的每一侧均横向布置三个金凸块。第四样本振动元件144D共具有六个金凸块143-1到143-6，在沿其宽度方向的基座部分22的每一侧上均纵向排列三个金凸块。
如图50所示，在上述第一样本振动元件144A到第四样本振动元件144D之间位移-阻尼率不存在显著差异。因此，分析结果表明在很多部分处将振动元件20的基座部分22固定至支撑衬底2将有助于特性的显著改善。
如上所述，在振动型陀螺传感器1、170内，在支撑衬底2、171内设置由第一负载缓冲槽12、172和第二负载缓冲槽14界定的外部负载缓冲结构，从而使振动元件20能够执行稳定的角速度探测操作。在振动型陀螺传感器1内，由于振动的角度方向(angular direction)指出了输出信号大于还是小于参考值，因此向输出信号预先施加偏移电压。
图51是相对于上述缓冲结构的效果说明输出电压的波动的测量结果的曲线图。该曲线图证明，波动越小，振动型陀螺传感器1就越能够稳定地执行探测操作。在该曲线图中，垂直轴表示偏移电压值(×10E-4V)，水平轴表示测量标号。由圆点表示的波动状态对应于对比实例，其中，振动型陀螺传感器的振动元件20安装在没有第一负载缓冲槽12和第二负载缓存槽14的支撑衬底2上。
另一方面，三角形点所表示的结果对应于仅在支撑衬底2内具有框架状的第一负载缓冲槽12的振动型陀螺传感器1A。方形点所表示的结果对应于振动型陀螺传感器1B，其具有安装到独立的安装子部分174上的端子25，所述独立的子部分174是由第一负载缓存槽172和划分槽173界定的。菱形点所表示的结果对应于振动型陀螺传感器1C，其具有设置于支撑衬底2的第二主表面2-2内的第二负载缓存槽14。
由图51显然可以看到，在对比实例的振动型陀螺传感器内，偏移电压值随每次测量显著波动。外部负载对振动元件20的探测操作具有不利影响，并由此劣化了探测精确度。另一方面，在具有设置于支撑衬底2内的第一负载缓存槽12或第二负载缓存槽14的振动型陀螺传感器1A到1C内，偏移电压值基本不存在波动，其表明获得了稳定的特性。类似地，在具有第一负载缓冲槽12和第二负载缓冲槽14的振动型陀螺传感器内，偏移电压值基本不存在波动，其显然表明获得了稳定的特性。
图52是根据每一框架状第一负载缓冲槽12在支撑衬底2内的不同深度说明偏移电压值的变化的测量结果的曲线图。在该曲线图中，圆形白点所表示的测量结果对应于使所述槽具有0μm的深度的情况，其表示该振动型陀螺传感器未设置第一负载缓存槽12。在同一曲线图中，三角形点所表示的振动型陀螺传感器的测量结果对应于使第一负载缓冲槽12具有30μm的深度的情况。在同一曲线图中，菱形点所表示的振动型陀螺传感器的测量结果对应于使第一负载缓冲槽12具有50μm的深度的情况。方形点所表示的测量结果对应于使第一负载缓冲槽12具有100μm的深度的情况。圆形黑点所表示振动型陀螺传感器的测量结果对应于使第一负载缓冲槽12具有200μm的深度的情况。
从图52显然可以看到，当第一负载缓冲槽12具有小于等于50μm的深度时，由于偏移电压值存在波动，因此振动型陀螺传感器不具有稳定的特性。另一方面，当第一负载缓冲槽12具有大于等于100μm的深度时，平移电压值基本不存在波动，其显然表明振动型陀螺传感器具有稳定的特性。
如上所述，在振动型陀螺传感器1内，在支撑衬底2的主表面2-1内对应于相应的振动元件20的振动器部分23形成具有深度k的每一间隙凹陷11，从而在振动器部分23和支撑衬底2之间形成具有高度m(参见图2)的振动空间。如上所述，在振动型陀螺传感器1内，在向每一振动元件20施加驱动电压时，其振动器部分23发生振动。响应于振动元件20沿垂直方向和水平方向的振动，在振动空间内产生垂直和水平气流。垂直气流冲击间隙凹陷11的底部，并朝向振动元件20的振动器部分23反射。垂直气流阻碍振动元件20的垂直振动运动，从而表现出作用于振动器部分23上的阻尼效应。
在振动型陀螺传感器1内，每一振动器部分23在具有高度m的振动空间内振动，所述高度m是金凸块26的高度和间隙凹陷11的深度k的和。因此，降低了阻尼效应的影响，使得振动器部分23能够以高Q值振动。因此，在振动型陀螺传感器1内，能够利用具有高Q值的振动元件以高灵敏度执行稳定的运动-模糊探测。
图53是说明在下述情况下振动空间的各高度m和振动器部分23的位移-阻尼率的变化的特性图在振动型陀螺传感器1的每一振动元件20内，基座部分22具有0.3mm的厚度，振动器部分23具有0.1mm的厚度，支撑衬底2具有2.1mm×0.32mm的开口尺寸，间隙凹陷11具有可变深度k。从该图显然可以看到，如果用于振动元件20的振动空间的高度m为0.05mm，即取一个极小的值，那么振动器部分23将受到显著的阻尼效应，由此使位移-阻尼率变为0.8。在这种情况下，振动元件20无法取得预定Q值，从而导致了较低的特性。
在每一振动元件20内，作用于振动器部分23上的阻尼效应随着振动空间的高度m的增大而降低，由此使振动器部分23的位移-阻尼率逐渐增大。在振动元件20内，当振动空间的高度m为0.1mm左右时，振动器部分23基本不受阻尼效应的影响，由此能够获得预定的Q值。
不必说，振动空间必须具有大于振动元件20的最大振动幅度的高度k，换言之，其必须大于振动器部分23的尖端的最大位移量的一半，从而使振动元件20自由振动。在上述特性图的基础上，当振动器部分23具有最大振动幅度p时，振动空间满足k≥p/2+0.05(mm)的条件，从而能够以预定Q值驱动振动元件20。
在上述实施例中，支撑衬底2的主表面2-1设有具有深度k的间隙凹陷11，从而在主表面2-1和振动器部分23的第二主表面(面对衬底的表面)23-2之间提供具有整体高度m的振动空间。但是，本发明不限于这一结构。在振动型陀螺传感器1内，例如，可以由穿过支撑衬底2延伸的矩形槽界定间隙凹陷11。根据这一结构，振动型陀螺传感器1允许金凸块26具有通用尺寸，由此实现作为一个整体的小外形的结构。
在振动元件形成过程中，在硅衬底21上同时形成每者均具有与基座部分22结合成一体的振动器部分23的多个振动元件20，接下来将硅衬底21切割成振动元件20。在振动元件形成过程中，形成具有相同形状的第一振动元件20X和第二振动元件20Y，从而在支撑衬底2的主表面上沿两个轴设置两振动元件，由此制造能够获得两个轴的探测信号的振动型陀螺传感器1。
与获得两个轴的探测信号的两轴集成振动元件的例子相比，所述振动元件形成过程实现了由硅衬底(晶片)21获得的振动元件数量的显著增大，在两轴集成振动元件的例子中，振动器部分整体形成于公共基座部分22的相邻侧表面上。图54示出了所获得的其内每一部分均具有上述尺寸值的振动元件20的数量和所获得的与振动元件20具有相同功能的两轴集成振动元件的数量之间的对比。
参考图54，当采用3-cm见方的(3-cm square)硅衬底时，共制造了60个振动元件20(对应于30个每者均包括两个振动元件的振动型陀螺传感器1)。采用半导体工艺内通常用于批量生产的直径为4-英寸的晶片共制造了1200个振动元件20(对应于600个振动型陀螺传感器1)。此外，在采用直径为5-英寸的晶片时，共制造了4000个振动元件20(对应于2000个振动型陀螺传感器1)。另一方面，在采用3-cm见方的硅衬底时，共制造了20个两轴集成振动元件。在采用直径为4-英寸的晶片时，共制造了300个两轴集成振动元件。在采用直径为5-英寸的晶片时，共制造了800个两轴集成振动元件。就振动元件20而言，材料成品率得到了显著提高，其有助于降低成本。
如上所述，在振动型陀螺传感器内，将用于获得两个轴的探测信号的第一振动元件20X和第二振动元件20Y安装在支撑衬底2上，并将其设置于彼此垂直延伸的两个轴上。在振动型陀螺传感器1内，考虑到振动元件之一的振动可能影响另一振动元件，从而在两轴之间产生干扰。图55示出了下述情况下的串扰测量结果将第一振动元件20X和第二振动元件20Y基于各种取向安装到支撑衬底2上。
在图55中，在类型1代表的实例中，所采用的安装第一振动元件20X-1和第二振动元件20Y-1的方式为将其各自的基座部分22X-1、22Y-1固定在支撑衬底2的对角拐角处，使其各自的振动器部分23X-1、23Y-1彼此面对。在类型2所代表的实例中，所采用的安装第一振动元件20X-2和第二振动元件20Y-2的方式为将其各自的基座部分22X-2、22Y-2固定在支撑衬底2的同一拐角处，并使其各自的振动器部分23X-2、23Y-2沿相互垂直的侧边延伸。在类型3所代表的实例中，所采用的在支撑衬底2上安装第一振动元件20X-3的方式为在第一拐角处固定其基座部分22X-3，并使其振动器部分23X-3朝向邻近所述第一拐角的第二拐角延伸；所采用的在支撑衬底2上安装第二振动元件20Y-3的方式为在邻近第一拐角的第三拐角处安装其基座部分22Y-3，并使其振动器部分23Y-3朝向第一振动元件20X-3延伸。作为对比实例，该图还示出了两轴集成元件(类型0)60的串扰值。串扰的单位为dbm(分贝有效值)。
如图55所示，具有类型0的振动元件60的串扰值为-50dbm，具有类型1的振动元件20X-1、20Y-1的串扰值为-70dbm，具有类型2的振动元件20X-2、20Y-2的串扰值为-60dbm，具有类型3振动元件20X-3、20Y-3的串扰值为-72dbm。
在根据本发明的具有类型1到3的每种类型的振动型陀螺传感器内，与具有类型0的两轴集成振动元件60相比，不管安装状态如何均能获得至少大约-10dbm的改善。由于振动型陀螺传感器1设有两个独立的振动元件20，因此将两个轴的探测信号之间的干扰信号降低至了1mV左右。相反，在包括两轴集成振动元件的振动型陀螺传感器中，两个轴的探测信号之间的干扰信号为10mV左右，由此劣化了探测特性。
在根据这一实施例的振动型陀螺传感器1内，在根据类型1在支撑衬底2上布置第一振动元件20X和第二振动元件20Y时，在两轴之间获得了最低干扰。在振动型陀螺传感器1内，可以在支撑衬底2的任何位置处设置第一振动元件20X和第二振动元件20Y，但是考虑到小的IC电路元件7和多个电子组件8的安装以及线路图案5的扩展，如果按照上述类型，将基座部分22安装在支撑衬底2的拐角处则最能够提高安装效率。
在振动型陀螺传感器1内，在每一振动元件20内提供定位标记32。识别定位标记32，从而采用安装装置在支撑衬底2上的两个垂直轴上相互面对地安装第一振动元件20X和第二振动元件20Y。在每一振动型陀螺传感器1内，将每一振动元件20安装到支撑衬底2上必需避免引起其振动器部分23的位置位移。图56A和图56B是示出了振动元件20的位置位移(偏离其中心轴的位移-角度分布)的直方图。水平轴表示位移角(度)，垂直轴表示数量。图56A对应于通过识别定位标记32实施安装的情况，图56B对应于通过识别每一振动元件20的外形实施安装的情况。参考所述图示，在振动型陀螺传感器1内，在采用定位标记实施高水平识别时，能够在一定范围内将振动元件20精确地安装到支撑衬底2上，在所述范围内发生角位移的变化低，并且位移角低。因此，在振动型陀螺传感器1内，可以利用振动元件20精确、稳定地执行运动-模糊探测操作。
可以将每一振动元件20的工作频率设置在几kHz到几百kHz的范围内。在两轴角速度传感器(振动型陀螺传感器1)内，通过改变两振动元件20X、20Y的工作频率(fx、fy)测量由频率差(fx-fy)引起的干扰信号的幅度。图57示出了所获得的结果，在图57中，水平轴表示振动元件20X、20Y之间的工作频率差(fx-fy)，垂直轴表示叠加在传感器输出(DC)上的AC噪声成分Vo(指示噪声的AC波形的上振幅峰值和下振幅峰值之间的幅度)。这里，将噪声成分称为“轴间串扰”。
如果频率差(fx-fy)小于等于1kHz，那么串扰值将达到1500mVpp或更高，其表明将无法稳定地执行角速度探测操作。相反，随着频率差接近1kHz，串扰值将开始显著降低至500mVpp。当频率差为1.4kHz时，串扰值为200mVpp，当频率差大于等于2kHz时，串扰值降低至100mVpp或更低。图57所示的结果表明通过将频率差(fx-fy)设置为大于等于1kHz使轴间串扰显著降低。制备两种类型的样本振动元件20X、20Y，二者的工作频率(fx、fy)之间的差值为1kHz，作为其结果，获得了能够实现极为稳定的操作的两轴角速度传感器。
样本1具有37kHz的工作频率的第一振动元件20X具有36kHz的工作频率的第二振动元件20Y样本2具有40kHz的工作频率的第一振动元件20X具有39kHz的工作频率的第二振动元件20Y此外，图57表明，通过将频率差(fx-fy)设置在2kHz到3kHz之间，能够避免一对振动元件20X、20Y之间的串扰效应。因此，能够通过驱动具有大于等于2kHz的频率差的振动元件20X、20Y提高传感器输出的精确度。
此外，根据本实施例的振动型陀螺传感器可能受到振动元件20与包含在主设备中的其他电子组件(例如传感器)之间的串扰的影响。因此，优选制备具有不同驱动频率的多个振动元件，从而能够选择具有不受串扰影响的驱动频率的振动元件。具体而言，可以制备驱动频率处于35kHz和60kHz之间的范围内的多个振动元件，可以选择工作频率差大于等于1kHz(优选为大于等于2kHz)的两个振动元件，以避免所述一对振动元件之间的串扰，以及所述振动元件与包含在主设备中的其他电子组件之间的串扰。
现在将描述根据本发明的其他实施例。
图58示意性地示出了根据本发明的振动型陀螺传感器1，其中凭借设于其间的金凸块26将每一振动元件20安装到支撑衬底2的第一主表面2-1上，并在支撑衬底2的第一主表面2-1上设置顶盖15，从而将组件安装空间3与外部隔开。凭借设置于其间的安装端子116，将按这种方式形成的振动型陀螺传感器1安装到主设备的控制衬底100上，所述安装端子设置在所述支撑衬底2的第二主表面2-2上，起着外部连接端子的作用。
通常，控制衬底100的结构和属性，例如，根据主设备的类型而变化。在振动型陀螺传感器中，不管控制衬底100的类型如何必须恒定地获得预定特性。此外，由于要在控制衬底100上设置其他各种电子组件，因此，在向控制衬底100上安装电子组件时，振动型陀螺传感器1将受到某种程度的应变或应力作用。具体而言，如果通过回流焊接将电子组件安装到控制衬底100上，则在施加至控制衬底100的热应力的影响下由控制衬底100向振动型陀螺传感器1施加负载，图59对其进行了夸大显示。这增大了向每一振动元件20和支撑衬底2之间的结施加应变或应力的可能性。在这种情况下，由于无法获得振动元件20的预期连接结构，因此振动特性和探测灵敏度变得不稳定，其表明将难以执行稳定的角速度探测操作。施加至主设备的诸如冲击的外部应力可能引发类似的问题。
在下述实施例中，将描述振动型陀螺传感器的几个结构实例，其中，(例如)外部冲击或者控制衬底100上的其他电子组件的回流安装过程对振动元件20的振动特性的影响更小。振动元件20中的每一部分的尺寸与第一实施例中描述的对应尺寸相同。
(第二实施例多层凸块)在上述第一实施例中，如图60A所示通过设置于其间的具有单层样式的金凸块26将每一振动元件20安装到支撑衬底2上。在这一实施例中，参考图60B和图61A、61B，使金凸块具有多层凸块结构，从而在保持适当的结强度的同时能够降低施加至振动元件的应力，由此获得稳定的振动特性和高度可靠的探测精确度。
在图60B所示的实例中，每一金凸块26a包括具有相同直径的双层凸块组件A1。与单层金凸块26相比，具有双层结构的金凸块26a能够在距支撑衬底2更高的位置处支撑振动元件20。因此，在外部应力传输至支撑衬底时，多层金凸块26a能够在所述应力被传输至振动元件20之前对其进行衰减。因此，振动元件20受外部应力的影响更小，由此能够获得稳定的振动特性和高度可靠的探测精确度。
包含在每一凸块内的多层凸块组件不一定必须具有相同的直径。图61A示出了金凸块26b，每一金凸块26b均包括具有不同直径的双层凸块组件A1、A2。在这一实例中，将直径小于凸块组件A1的凸块组件A2邻近支撑衬底2设置。根据，例如，所要求的振动特性和结强度确定每一层的凸块直径。此外，包括多层凸块组件的凸块不限于双层结构。图61B示出了金凸块26c，每一金凸块26c均具有三层结构。在这一实例中，在一对大直径的凸块组件A1之间夹置小直径凸块组件A2。
制造具有安装于其上的振动元件的支撑衬底的模型，所述安装是借助具有图60、61A和61B所示的结构的金凸块实现的。通过仿真计算响应于施加至支撑衬底的某一负载而产生的导致振动元件的运行变化的应力。
采用普通的线路接合工具制造每一凸块组件A1、A2。如图62A所示，在所采用的线(金丝)的直径(线宽度)的基础上确定每一凸块组件A1、A2的直径。利用线宽度为38μm的金丝获得了直径为130μm的凸块组件A1，利用线宽度为25μm的金丝获得了直径为90μm的凸块组件A2。图62B示出了测试条件，其中，在边长为7mm，厚度为0.5mm的方形支撑衬底2T的中心安装了振动元件20T。支撑衬底2T在其三个拐角处固定，其剩余的一个拐角沿衬底厚度方向发生某一距离(在该情况下为10μm)的位移。在这一条件下，计算施加至振动器部分的根部的应力。采用应力分析软件“ANSYS5.7”。
图63A示出了安装时的凸块高度与施加至振动器部分的根部的应力之间的关系。在图63A中，将对应于用38μm的线宽度形成的单层凸块结构的应力设为1，以相对比率表示对应于每一其他凸块结构的应力。可以理解，每一凸块中层的数量越多，安装高度越大，作用于振动器部分的根部的应力越小，由此在每一凸块结处获得了高应力阻尼效应。此外，就层之间的不同凸块直径而言未观察到显著的差异。
图63B示出了安装时的凸决高度与振动元件的输出变化之间的关系。“输出变化”一词是指在安装于主设备的控制衬底上之前和之后参考输出的波动量。每一凸块内层的数量越大，输出变化越小，并且在安装之前和之后获得了稳定的探测精确度。具体而言，当凸块高度大于等于50μm时，传感器的输出变化得到了显著改善。不断提高的凸块高度稳定了特性，但是可能降低结强度。因此，凸块高度优选处于小于等于，例如，100μm左右的容许范围内。
(第三实施例凸块位置)如第一实施例所述，凭借设置于其间的金凸块26将振动元件20安装到支撑衬底2上。但是，根据金凸块26的位置，支撑衬底2可能响应于通过主设备的控制衬底接收的应力而发生翘曲。在这种情况下，所述翘曲可能对振动元件20具有显著的影响，并且可能引起振动模式的改变，由此导致特性的降低。
在这一实施例中，即使受到外部应变作用，通过确定设置于振动元件20内的金凸块26的位置，也能够稳定地保持振动元件的振动模式，由此抑制了输出精确度的劣化。
图64A示意性地示出了第一实施例中描述的振动元件之一，其中，在基座部分22的安装表面22-2的四个拐角处设置金凸块26。由支撑衬底传输至振动元件的应变或应力的幅度取决于相邻金凸块26之间的距离L。距离L越大，施加至振动元件的应变或应力的幅度越大。
参考图64B，在这一实施例中，相邻金凸块26之间的距离L2短于图64A中所示的振动元件内的距离L1。具体而言，在根据本发明的每一振动元件内，通过设置于其间的斜面133(参见图19)将振动器部分23的顶表面23-1设置于低于基座部分22的顶表面22-1的平面内。在图64A所示的实例中，在基座部分的第二主表面22-2上对应于斜面133的范围的区域内邻近振动器部分23设置每一金凸块26。相反，在这一实施例中，如图64B所示，在基座部分22的第二主表面22-2上对应于没有斜面133的范围的区域内在邻近振动器部分23的位置处设置每一金凸块26。
由于邻近振动器部分23的每一金凸块26设置在第二主表面22-2上对应于没有斜面133的范围的区域内，因此与对应于斜面133的范围的区域具有逐渐减小的厚度的情况相比，振动器部分23接收应变或应力的可能性较低。因此，抑制了应力在振动器部分23的根部处的集中，由此使振动器部分23获得了稳定的振动特性。
因此，为了降低外部应变或应力对振动器部分23的影响，优选尽可能远离振动器部分23设置金凸块26。此外，通过最大限度地降低相邻金凸块26之间的距离，防止了外部应变抵达振动器部分23的尖端。
参考图65，观察在第二主表面22-2上彼此成对角的位置处设置的金凸块26之间的距离L3(即凸块中心之间的距离)与响应于施加至支撑衬底上的负载所产生的振动元件20的运行变化之间的关系。图66示出了所得结果。图66联系设置于彼此成对角的位置处的金凸块26之间的距离L3示出了从每一振动元件20的左侧和右侧探测电极30L和30R输出的探测信号的输出比率。通过回流焊接，在起着控制衬底作用的5cm见方的玻璃环氧树脂衬底的中央安装振动型陀螺传感器。之后，对控制衬底进行三点固定，并向剩余的一点施加负载，以产生应变。测量左侧和右侧探测信号之间的比率(当输出相同时比率为1)。
参考图66，当沿对角线的距离L3大于等于750μm时，对外部应变的敏感度急剧增大，振动模式由初始垂直方向发生改变，由此在左侧和右侧探测信号之间产生差异。相反，当沿对角线的距离L3小于等于600μm时，相对于外部应变的变化程度小。
参考图67，采用与上述相同的方式，联系在第二主表面22-2上邻近振动器部分23设置的每一金凸块26与振动器部分23的根部之间的距离L4，测量来自每一振动元件20的左侧和右侧探测信号之间的输出比率。图68示出了所获得的结果。图68表明，当距离振动器部分23的根部的距离L4超过150μm时，探测信号响应外部应变而发生变化的可能性较低。在这一测试中，将设置在彼此成对角的位置处的金凸块之间的距离固定为600μm。
基于这些结果，就每一振动元件20中的金凸块26的位置而言，重要之处在于设置在彼此成对角的位置处的金凸块26之间的距离小于等于600μm，或者将每一金凸块26设置在距离振动器部分23的根部大于等于150μm的位置处，从而使根据本实施例的振动型陀螺传感器降低外部应变的影响，以保持其初始特性。
(第四实施例负载缓冲层)
如第一实施例所述，凭借设置于其间的金凸块26将振动元件20安装到支撑衬底2上。但是，根据金凸块26的位置，支撑衬底2可能响应于通过主设备的控制衬底接收的应力而发生翘曲。在这种情况下，所述翘曲可能对振动元件20具有显著的影响，并且可能引起振动模式的改变，由此导致特性的降低。
在这一实施例中，在支撑衬底2和控制衬底100之间，或者在每一振动元件20和支撑衬底2之间设置负载缓冲层，此时，即使在外部应变的作用下也能保持振动元件的稳定振动模式。负载缓冲层不受结构限制，只要其能够起到吸收外部应变，从而防止将应变传输至振动元件20的缓冲器的作用。
图69示出了结构实例，其中利用各向异性导电层80将振动型陀螺传感器1和控制衬底100从机械和电的角度相互连接。优选由各向异性导电膜界定每一各向异性导电层80，但是其也可以由各向异性导电胶或各向异性导电粘合剂界定。各向异性导电材料是一种高性能材料，其中，导电粒子散布在树脂基体材料内，从而沿压力方形产生导电性。树脂基底材料优选在其受到固化之后具有适当的弹性，并且优选对向控制衬底100上安装组件的回流温度(例如250℃)具有一定的耐热性。
另一方面，图70示出了另一结构实例，其中，利用软性线路衬底81将振动型陀螺传感器1和控制衬底100从机械和电的角度相互连接。这种类型的软性线路衬底每者均由软性印刷电路板界定，所述软性印刷电路板包括设置于由，例如，聚酰亚胺构成的耐热树脂膜的表面(或者前表面和后表面)上的线路层。利用软性线路衬底81的柔软性，能够吸收施加在控制衬底100上的外部应变，由此能够保持振动型陀螺传感器1的预期特性。
每一软性线路衬底81具有位于其单个表面上的用于连接至振动型陀螺传感器1和控制衬底100的连接端子，将所述软性线路衬底81朝向其后表面折叠起来，以连接振动型陀螺传感器1和控制衬底100。这有助于降低振动型陀螺传感器1的安装面积。另一方面，图71示出了备选的软性线路衬底82，其第一表面连接至振动型陀螺传感器1，其第二表面连接至控制衬底100。在这种情况下，能够降低振动型陀螺传感器1相对于控制衬底100的安装高度。
图72示出了另一结构实例，其中，采用与上述实例不同的方式将每一振动元件20安装到支撑衬底2上。具体而言，采用设置于其间的金凸块26将振动元件20安装至支撑板83之上，并采用设置于其间的各向异性导电层84将支撑板83从机械和电的角度连接至支撑衬底2。因此，将振动元件20以类似浮岛的方式安装到了支撑衬底2上。支撑板83可以是，例如，由铝构成的金属板或陶瓷板，但是，其材料不受具体限制，只要其能够为振动元件实现足够的Q值。与上述实例类似，各向异性导电层84具有吸收从支撑衬底2向振动元件20传输的应变的功能。在附图所示的实例中，支撑衬底2的安装区域设有具有预定深度的凹陷85，以降低振动元件20相对于支撑衬底2的安装高度。
图73示出了根据这一实施例的测试结果。在这一测试中，采用5cm见方的玻璃环氧树脂衬底作为控制衬底100，将其四个拐角中的三个固定。之后，向其剩余的一个拐角施加负载，以产生应变。测量每一振动元件20的左侧和右侧探测信号之间的输出比率。参考图73，在将振动元件20直接安装到支撑衬底2上的情况下，当控制衬底处于响应于负载而产生应变的作用下时，振动模式发生改变，左侧和右侧探测信号之间的均衡发生显著变化。
相反，在利用各向异性导电膜或软性线路衬底将振动型陀螺传感器1安装到控制衬底100上时，或者当以类似浮岛的方式将振动元件20安装到支撑衬底2上时，只能看到的轻微的或者几乎看不到信号变化。因此可以确认，施加至控制衬底100上的应变被传输至振动元件20上的可能性较低。
(第五实施例振动元件内槽的形成)如第一实施例所述，凭借设置于其间的金凸块26将振动元件20安装到支撑衬底2上。但是，根据金凸块26的位置，支撑衬底2可能响应于通过主设备的控制衬底接收的应力而发生翘曲。在这种情况下，所述翘曲可能对振动元件20具有显著的影响，并且可能引起振动模式的改变，由此导致特性的降低。
在这一实施例中，每一振动元件20的第二主表面22-2设有抑制应变传输的槽，因而即使在外部应变作用下，也能够使振动器部分23保持稳定的振动模式。因此，能够获得高探测精确度。
参考图74，振动元件201与第一实施例中类似，其包括设有金凸块26的基座部分22和从基座部分22以悬臂的方式突出的振动器部分23。基座部分22的安装表面设有引线31，其将参考电极、驱动电极29以及设置在振动器部分23上的左侧和右侧探测电极30L、30R电连接至设置在对应的端子上的金凸块26上。
根据本实施例的振动元件201设有槽86，用于防止将来自接合至支撑衬底的金凸块26的外部应变传输至振动器部分23。槽86设置在振动器部分23的根部和(基座端)和在基座部分22的第二主表面22-2上邻近振动器部分23设置的一对金凸块26(端子位置)之间。槽86将振动器部分23与基座部分22隔离，以降低外部应变影响，由此能够保持足够的S/N比率(信噪比)。
设于基座部分22内的每一槽86设置于没有引线31和各种类型的电极层的区域内，并且与一条线相交，所述线将振动器部分23的根部连接至邻近振动器部分设置的一对金凸块26中的对应的一个上。图75示出了当支撑衬底处于应变作用下时，在测量振动元件的运行变化之后得到的测量结果。采用与第三实施例中相同的方式确定槽86的深度与左侧和右侧探测信号的输出比率之间的关系。基于图75所示的结果，当槽深度大于等于50μm，或者更优选为大于等于100μm时，左侧和右侧探测信号之间的差值变为零，由此能够保持稳定的垂直振动。100μm的槽深度对应于振动器部分23的厚度。
槽86的位置不限于如图74所示的邻近振动器部分23设置的一对金凸块26的附近的位置。与在图76所示的振动元件202中一样，可以在邻近振动器部分23设置的另一对金凸块26的附近设置类似的槽86，从而使其与连接振动器部分23的根部的线交叉。槽86不一定必须具有直线形状，或者，可以是弯曲形状或曲线形状。此外，例如，如图76所示，槽86的第一末端部分可以朝基座部分22的侧面延伸，从而进一步增强槽86抑制外部应变的传输的效果。
图77示出了振动元件202的另一实例，其中，在基座部分22的第二主表面22-2上彼此靠近设置金凸块26。在这一实例中，仅提供了一个用于抑制应变的传输的槽86。槽86沿直线延伸，并且与将振动器部分23的根部连接至金凸块26的线交叉。这一构造能够取得与图74和76所示的构造所取得的相同的效果。
(第六实施例IC电路元件的安装区域内槽的形成)
如第一实施例所述，凭借设置于其间的金凸块26将振动元件20安装到支撑衬底2上。参考图78A和图78B，除了振动元件20(20X、20Y)之外，支撑衬底2还具有安装于其上的诸如IC电路元件7的组件。通常通过回流焊接安装这些组件。
因此，当在振动元件20的倒装安装之后对诸如IC电路元件7的多引脚组件进行回流时，支撑衬底2可能响应于热应力而变得翘曲。所述翘曲可能对振动元件20具有不利影响，从而引起振动模式的变化，由此导致特性的降低。此外，在将具有设置于其上的振动元件20的支撑衬底2回流焊接到主设备的控制衬底上时，IC电路元件7和支撑衬底2之间的结可能再次受到回流。因此，在安装过程中发生的支撑衬底2的翘曲，例如，可能对振动元件20具有不利影响。
参考图79A和图79B，在这一实施例中，由槽87围绕支撑衬底2上的IC电路元件7的安装区域。槽87抑制可能在IC电路元件7的回流过程中或支撑衬底2的回流过程中产生的热应力或应变朝向振动元件20的安装区域传输，由此防止振动元件20的振动特性劣化。除了IC电路元件7的安装区域以外，也可以在其他多引脚组件的安装区域内提供这一类型的槽。
图80相对于槽87的不同深度示出了在支撑衬底2上执行回流过程的次数与来自每一振动元件20的左侧和右侧探测信号之间的输出值变化之间的关系。垂直轴表示左侧和右侧探测信号之间的输出值变化(回流之前为零)的绝对值，所述输出值变化是在每一振动元件的振动模式响应于应变的传输而发生变化时诱发的。基于图80所示的结果，当使围绕IC电路元件7的安装区域的槽87具有大于等于50μm的深度时，与未提供槽的情况相比，可以抑制每一振动元件的输出值变化。具体而言，能够通过使槽87具有大于等于100μm的深度抑制每一振动元件20的输出值变化。
(第七实施例IC电路元件的安装位置)这一实施例与上述第六实施例相关，其目的在于研究IC电路元件7的安装区域。
在这一实施例中，如图81所示，在邻近支撑衬底2的一个拐角区域的附近安装IC电路元件7，该拐角区域与其内安装了振动元件20(20X、20Y)的拐角区域不同。此外，电子组件8聚集在支撑衬底2的一侧。这引起了在进行回流处理时产生的热应力或热应变在支撑衬底2的平面上不均匀地传播，由此防止了热应力等均匀地作用于一对振动元件20X、20Y的安装区域上。这可能导致振动元件之间的不均衡的探测精确度。
参考图82，在这一实施例中，IC电路元件的主安装区域位于连接一对振动元件20的安装区域的线的中间部分。因此，在安装IC电路元件7的回流过程中，或者在控制衬底上安装支撑衬底2的回流过程中，施加在支撑衬底2上的热应力能够均匀地分布到一对振动元件20上，由此能够抑制振动元件之间的特性差异。
如图82所示，优选通过确定IC电路元件7的安装区域使从平面图上看具有矩形形状的IC电路元件设置于一对振动元件20的中间点(对称点)上。但是，实际上可以将IC电路元件7设置在某一区域内，该区域以附图所示的IC电路元件7的安装区域作为中心。在这种情况下，“某一区域”一词是指一个区域，在该区域内，在将支撑衬底2的平面划分为第一到第四象限时，IC电路元件7的安装区域的至少一部分属于每一象限。
此外，如图82所示，除了IC电路元件7的安装区域外，优选通过确定其他电子组件8的安装区域使电子组件8相对于振动元件20均匀或对称分布。此外，电子组件8的安装区域优选包括相同数量的组件。因此，能够使在其他电子组件8以及IC电路元件7的回流过程中产生的应力均匀地分布至振动元件20。
图83根据不同的IC电路元件7的安装区域示出了在支撑衬底2上执行回流过程的次数与一对振动元件之间的输出差异之间的关系。振动元件之间的输出差异越小，传输至振动元件的应变量越均匀，而输出差异越大，传输至振动元件的应变量的差异越大。在回流之前输出差异为零。图82所示的根据本发明的实施例在振动元件之间基本不存在输出差异，其显然优于使IC电路元件7位于支撑衬底2的拐角区域的对比实例(图81)。
(第八实施例外部连接端子和振动元件的定位区域)参考图84A到图84C，包含在振动型陀螺传感器1内的支撑衬底2的第一主表面2-1具有安装于其上的振动元件20(20X、20Y)和诸如电路元件(未示出)的电子组件。与第一主表面2-1相对的第二主表面2-2设有将被安装到主设备的控制衬底上的多个外部连接端子(安装端子)117。通常，优选将支撑衬底2的中央部分用作内电路的布线区域，以获得更高的布线效率。因此，沿支撑衬底2的外缘设置外部连接端子117。
但是，就外部连接端子117的这一布置而言，支撑衬底的中心O与每一外部连接端子117之间的距离大，从而导致了在安装支撑衬底2的回流过程中产生的应变量的增大。此外，如图84C所示，位于支撑衬底2的拐角处的外部连接端子117A比位于支撑衬底2的侧边的中间点处的外部连接端子117B距离支撑衬底2的中心O更远。这导致了在进行回流过程时施加在支撑衬底2的平面上的应变的分布不均匀。具体而言，应变集中在了设置于彼此成对角的位置处(即四个拐角附近)的外部连接端子117A上。
就图84A到图84C所示的外部连接端子117的布置实例而言，在执行安装支撑衬底的回流过程时，倾向于频繁地产生大幅度的应变，其可能对设置于支撑衬底2上的振动元件20产生不利影响。
参考图85，在这一实施例中，设置于支撑衬底2的第二主表面2-2上的多个外部连接端子117沿支撑衬底2上的圆同心布置，所述圆界定了其内设置每一外部连接端子117的主区域。具体而言，在图85所示的实例中，沿以支撑衬底2的中心O作为圆心，并且半径为r的圆的圆周等角布置外部连接端子117。
因此，通过距离支撑衬底的中心O等距离布置外部连接端子117，能够使在执行安装支撑衬底2的回流过程时在支撑衬底2内产生的应变均匀分布，并且能够降低在支撑衬底2内产生的应变量。因此，能够降低对支撑衬底2上的振动元件20的不利影响，由此确保稳定的振动探测操作。
优选地，在考虑，例如，所需的安装精确度(即并行性(parallelism)和端子之间的距离)的情况下，将沿其布置外部连接端子117的圆的半径r尽可能设置为最小值。
参考图86A和图86B，优选靠近支撑衬底的外缘而不是靠近其内设置了外部连接端子117的区域内设置振动元件20。其所依据的事实在于，朝向外缘施加在支撑衬底2上的应变量比朝向具有外部连接端子117的区域的内侧部分施加在其上的应变量小。因此，能够降低对振动元件20的不利影响。在这种情况下，尽管优选以同心的方式布置外部连接端子117，但是外部连接端子117的布置不限于这种方式。
此外，也可以将振动元件20设置在沿其布置外部连接端子117的圆上。在这种情况下，优选如图88所示在并非直接位于外部连接端子117之上的位置上安装振动元件20，而不是如图87所示直接在位于外部连接端子117之上的位置处安装振动元件20。其原因如下。在接收到外部冲击时，经由外部连接端子117将所述冲击传输至支撑衬底2。如果将振动元件20直接安装于外部连接端子117之上，那么振动元件20所接收到的应变量增大，其可能阻碍获得稳定的振动模式。
权利要求
1.一种振动型陀螺传感器，其包括支撑衬底和安装在所述支撑衬底的表面上的振动元件，所述支撑衬底具有安装于其上的电路元件和具有多个设置于其上的连接盘的线路图案，其中，所述振动元件包括具有安装表面的基座部分，所述安装表面设有连接至所述连接盘的多个端子；以及从所述基座部分的一侧以悬臂的方式与之成一体延伸的振动器部分，其具有与所述基座部分的安装表面平齐的面对衬底的表面，所述面对衬底的表面设有第一电极层、叠置在所述第一电极层上的压电层和叠置在所述压电层上的第二电极层，其中，通过设置于其间的金属突起将所述端子接合至所述连接盘，由此将所述振动元件安装到所述支撑衬底上。
2.根据权利要求1所述的振动型陀螺传感器，其中，所述金属突起包括每者均设置于对应的所述端子之一上的金凸块，每一金凸块被焊接到对应的所述连接盘之一上。
3.根据权利要求2所述的振动型陀螺传感器，其中，每一金凸块包括多层凸块组件。
4.根据权利要求1所述的振动型陀螺传感器，其中，所述基座部分的所述安装表面设有伪凸块。
5.根据权利要求1所述的振动型陀螺传感器，其中，所述振动器部分具有顶表面，所述顶表面设置于低于所述基座部分的顶表面的平面内，二者之间设有斜面，并且其中，所述金属突起设置于所述安装表面上的区域内，所述区域对应于其内未设置所述斜面的区域。
6.根据权利要求1所述的振动型陀螺传感器，其中，所述基座部分的所述安装表面设有槽，所述槽跨越位于所述振动器部分的基座端和至少一个邻近所述振动器部分的所述端子之间的区域延伸。
7.根据权利要求6所述的振动型陀螺传感器，其中，所述槽的一端朝向所述基座部分的一侧延伸。
8.根据权利要求1所述的振动型陀螺传感器，其中，所述支撑衬底设有凹陷，其位于面对所述振动器部分的所述面对衬底的表面的区域内，所述凹陷提供了允许所述振动器部分在其内沿其厚度方向自由振动的空间。
9.根据权利要求8所述的振动型陀螺传感器，其中，所述凹陷的高度能够克服响应于所述振动器部分的振动而产生的气流的阻尼效应而将所述振动器部分的位移-阻尼率保持在预定值。
10.根据权利要求1所述的振动型陀螺传感器，其中，所述支撑衬底除了电路元件之外还具有安装于其上的多个所述振动元件，所述振动元件的所述振动器部分指向彼此不同的轴方向。
11.根据权利要求10所述的振动型陀螺传感器，其中，所述电路元件包括IC组件，设置所述IC组件的主安装区域位于连接所述多个振动元件的安装区域的线的中间部分内。
12.一种振动型陀螺传感器，其包括支撑衬底和安装在所述支撑衬底的表面上的振动元件，所述支撑衬底具有安装于其上的电路元件和具有多个设置于其上的连接盘的线路图案，其中所述振动元件包括具有安装表面的基座部分，所述安装表面设有连接至所述连接盘的多个端子；以及从所述基座部分的一侧以悬臂的方式与之成一体延伸的振动器部分，其具有与所述基座部分的安装表面平齐的面对衬底的表面，所述面对衬底的表面设有第一电极层、叠置在所述第一电极层上的压电层和叠置在所述压电层上的第二电极层，其中，通过设置于其间的金属突起将所述端子接合至所述连接盘，由此将所述振动元件安装到所述支撑衬底上，并且其中，所述支撑衬底具有向其上安装所述振动元件和所述电路元件的第一主表面和设有多个与外部控制衬底电连接的外部连接端子的第二主表面。
13.根据权利要求12所述的振动型陀螺传感器，其中，所述支撑衬底的所述第一主表面和所述第二主表面的至少其中之一设有对外部负载进行缓冲的负载缓冲槽。
14.根据权利要求13所述的振动型陀螺传感器，其中，所述负载缓冲槽围绕所述振动元件的安装区域。
15.根据权利要求13所述的振动型陀螺传感器，其中，所述负载缓冲槽围绕所述电路元件的安装区域。
16.根据权利要求13所述的振动型陀螺传感器，其中，所述负载缓冲槽具有大于等于100μm的深度。
17.根据权利要求12所述的振动型陀螺传感器，其中，与其内设有所述外部连接端子的区域相比，所述振动元件更加靠近所述支撑衬底的外缘设置。
18.根据权利要求17所述的振动型陀螺传感器，其中，所述多个外部连接端子沿位于所述支撑衬底的所述第二主表面上的圆同心布置，所述圆界定了其内设置每一外部连接端子的主区域。
19.根据权利要求12所述的振动型陀螺传感器，其中，所述多个外部连接端子沿位于所述支撑衬底的所述第二主表面上的圆同心布置，所述圆界定了其内设置每一外部连接端子的主区域，并且其中，所述振动元件安装在其内未设置沿所述圆布置的所述外部连接端子的区域内。
20.根据权利要求12所述的振动型陀螺传感器，其中，采用光屏蔽顶盖覆盖所述支撑衬底的所述第一主表面。
21.根据权利要求12所述的振动型陀螺传感器，其中，所述外部连接端子和所述控制衬底具有设置于其间的负载缓冲层。
22.根据权利要求21所述的振动型陀螺传感器，其中，所述负载缓冲层包括各向异性导电膜。
23.根据权利要求21所述的振动型陀螺传感器，其中，所述负载缓冲层包括设置于所述外部连接端子和所述控制衬底之间的软性线路衬底。
全文摘要
一种振动型陀螺传感器，其中，通过简单的构造获得了尺寸降低和高Q值。所述振动型陀螺传感器(1)包括支撑衬底(2)和安装在所述支撑衬底的表面(2－1)上的振动元件(20)，在所述支撑衬底上安装了电路元件，并且形成了具有多个连接盘(4)的线路图案。振动元件(20)包括基座部分(22)和振动器部分(23)，所述基座部分具有其上形成了多个与所述连接盘连接的端子(25)的安装表面(22－2)，所述振动器部分具有与所述衬底相对的表面，第一电极层(27)在其上从所述基座部分(22)的侧缘以悬臂方式与之成一体突出，所述振动器部分还具有与所述基座部分(22)的安装表面平齐的表面，在所述第一电极层上形成压电层(28)，并形成第二电极层(29、30)。通过金属突起(26)将每一端子(25)接合至连接盘(4)，由此将振动元件(20)安装到支撑衬底(2)上。
文档编号G01P9/04GK1969168SQ20068000032
公开日2007年5月23日 申请日期2006年2月23日 优先权日2005年2月23日
发明者渡边成人, 本多顺一, 佐佐木伸, 高桥和夫, 稻熊辉往, 铃木浩二, 相泽学 申请人:索尼株式会社