陀螺仪传感器和电子装置的制作方法
本发明涉及一种能监测角速度的陀螺仪传感器(gyro sensor)和具有该陀螺仪传感器的电子装置。
背景技术：
振动型陀螺仪传感器被广泛用作消费者使用的角速度传感器。振动型陀螺仪传感器通过使振子以预定频率振动、并利用压电元件等检测振子中产生的科里奥利力，来检测角速度。上述陀螺仪传感器例如被安装在视频摄像机、虚拟现实装置和汽车导航系统等电子装置中，并被用作检测手部动作、操作、方向等的传感器。
近年来，随着电子装置的小型化和高性能化，安装在这些电子装置上的陀螺仪传感器也需要小型化和高性能化。例如，为了实现陀螺仪传感器的小型化，如专利文献1中所述，一般使用所谓的MEMS(微电机系统)技术。具体而言，专利文献1公开了一种角速度传感器，包括通过对硅基板进行微细加工而形成的三个臂部、形成于每个臂部的表面上的压电膜、在位于外侧的两个臂部的所述压电膜上形成的振动驱动电极、以及在中央臂部的所述压电膜上形成的用于检测角速度的检测电极。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请待审公开文本第2008-256669号
技术实现要素：
要解决的技术问题
利用陀螺仪传感器检测的科里奥利力的灵敏度与振动系统的重量和振动速度成正比。因此，如果陀螺仪传感器被小型化而使得振动系统变轻，也会导致检测灵敏度降低。另一方面，由于当增加振动速度时，振子的长度和振幅也会增加，因此难以实现陀螺仪传感器的小型化。由此可见，由于这些要素相互矛盾，因此原理上难以同时满足陀螺仪传感器的高灵敏度和小型化。
在上文所述的情形下，本发明的目的在于提供一种能在振幅相同的情况下提高灵敏度的陀螺仪传感器，以及具有该陀螺仪传感器的电子装置。
解决技术问题的手段
根据本发明的一个方面，提供一种陀螺仪传感器，包括振子、第一压电功能层和第二压电功能层。
所述第一压电功能层包括第一电极对、和布置在所述第一电极对之间的第一压电膜。所述第一压电功能层被布置在所述振子的表面上，并能够使所述振子在垂直于所述表面的第一轴方向上振动。
所述第二压电功能层包括第二电极对、和布置在所述第二电极对之间的第二压电膜。所述第二压电功能层被布置在所述第一压电功能层的上方，并能够与所述第一压电功能层同步地使所述振子在所述第一轴方向上振动。
由于所述陀螺仪传感器在振子的表面上层叠第一压电功能层和第二压电功能层，因此能在施加较小的电压量的情形下，获得与使用单个压电功能层使振子振动的情况相同的振幅。此外，能在不增加振子的振幅或长度的情形下，增大振子的检测电压。
一般而言，所述第一电极对包括第一驱动电极，所述第二电极对包括第二驱动电极。
所述第一驱动电极连接至驱动电路，并使所述振子在所述第一方向上振动。所述第二电极对包括第二驱动电极，所述第二驱动电极与所述第一驱动电极并联连接至所述驱动电路，并使所述振子在所述第一方向上振动。
由此，由于第一压电功能层和第二压电功能层并联连接驱动电路，因此可以用共同的驱动电压驱动各个压电功能层。
一般而言，所述第一电极对包括第一电极膜和第二电极膜，所述第一电极膜布置在所述振子和所述第一压电膜之间，所述第二电极膜与所述第一电极膜一起夹着所述第一压电膜并与所述第一电极膜相对。在该情况下，所述第二电极对包括第三电极膜和检测电极。所述第三电极膜电性连接至所述第二电极膜。所述检测电极与所述第三电极膜一起夹着所述第二压电膜并与所述第三电极膜相对，所述检测电极检测所述振子在与所述振子的所述表面平行的第二轴方向上的振动。
由此，可以以高灵敏度检测作用于振子上的科里奥利力。
振子的形状、结构等不作特殊限定，可基于装置类型进行合理设置。例如，所述振子包括在所述第二轴方向上排列的三个臂部以及支撑所述三个臂部的基部。在该情况下，所述第一压电功能层和所述第二压电功能层设置在所述三个臂部的每一个的表面上。且所述检测电极包括电极部和连接部，所述电极部分别设置在所述三个臂部上，所述连接部设置在所述基部上并且将两个相邻臂部上的所述电极部互相连接。
如上所述，通过在振子的根部提供检测电极，振子对于科里奥利力的灵敏度变高，由此可以提高角速度的检测精度。
在所述三个臂部之中，位于中央位置的臂部上的所述电极部与位于外侧位置的两个臂部上的所述电极部相比，在与所述第一轴方向和第二轴方向正交的第三轴方向上具有更大的电极长度。
由此，可以进一步提高角速度的检测精度。
所述连接部具有比所述电极部小的电极宽度。
由此，与位于下层侧的电极膜之间形成的寄生电容减小，从而提高了角速度的检测精度。
陀螺仪传感器可进一步包括布线层。所述布线层被设置在所述基部的表面上，并且电性连接至所述第一电极膜、所述第二电极膜、所述第三电极膜和所述检测电极。
由此，可以在基部的表面侧引出布线。
第一压电膜和第二压电膜的厚度不作特殊限定，可基于目标压电特性进行合理设置。一般而言，第一压电膜和第二压电膜的厚度均为等于或小于1μm。
根据本发明的一个方面，提供一种具有陀螺仪传感器的电子装置。
所述陀螺仪传感器包括振子、第一压电功能层和第二压电功能层。
所述第一压电功能层包括第一电极对、和布置在所述第一电极对之间的第一压电膜。所述第一压电功能层被布置在所述振子的表面上，并能够使所述振子在垂直于所述表面的第一轴方向上振动。
所述第二压电功能层包括第二电极对、和布置在所述第二电极对之间的第二压电膜。所述第二压电功能层被布置在所述第一压电功能层的上方，并能够与所述第一压电功能层同步地使所述振子在所述第一轴方向上振动。
发明效果
如上所述，根据本发明，能在振幅相同的情况下提高灵敏度。
应当注意的是，本文所描述的效果不一定受限，可以获得本发明所描述的任意效果。
附图说明
图1是显示根据本发明的一个实施方式的陀螺仪传感器的示意性平面图。
图2是沿图1的直线A-A的横截面图，用于解释陀螺仪传感器的操作。
图3是用于解释科里奥利力检测原理的示意图。
图4是显示所述陀螺仪传感器的压电功能体的结构的示意性横截面图。
图5是显示所述陀螺仪传感器中的压电驱动单元的相对于驱动电路的布线结构的示意图。
图6是显示压电膜的厚度和压电特性之间的关系的实验结果。
图7是显示所述陀螺仪传感器中的压电检测单元的相对于检测电路的布线结构的示意图。
图8是显示主要部分的横截面图，用于解释所述压电功能体的布线引出方法。
图9是主要部分的示意性平面图，显示了所述压电驱动单元的布线引出单元。
图10是主要部分的示意性平面图，显示了所述压电检测单元的布线引出单元。
图11是主要部分的示意性横截面图，显示了所述压电检测单元的布线引出单元。
图12是对构成所述压电功能体的具有不同结构的压电膜的多个样品进行测量而得到的驱动电压特性和检测灵敏度特性的实验结果。
图13是显示在所述陀螺仪传感器中能够获得较良好灵敏度特性的相邻臂之间的压电检测单元的电极长度的相对比例的实验结果。
图14是显示了所述陀螺仪传感器的相邻臂之间的压电检测单元的连接部的结构的主要部分示意性平面图。
图15是显示了所述压电检测单元的用于极化处理的布线示例的主要部分示意性平面图。
图16是显示了所述压电检测单元在极化处理之后的布线示例的主要部分示意性平面图。
具体实施方式
下文将参照附图描述本发明的实施方式。
图1为显示根据本发明的一个实施方式的陀螺仪传感器100的示意性平面图。下文将描述陀螺仪传感器100的基本结构。
图中，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向分别表示互相垂直的三个轴方向。后续的附图也同样如此。
(陀螺仪传感器的基本结构)
陀螺仪传感器100包括连结部11和从连结部11向相同方向(Y轴方向)延伸出的三个臂12(12A、12B和12C)，每个臂具有四边形的截面。从Z轴方向来看，三个臂12在X轴方向上水平排列。
通过从不具有压电特性的单晶基板(例如硅晶片)中以预定形状切割出这些连结部11和臂12，并在连结部11和臂12的一个表面上形成下文所述的压电功能层、各种引线布线部等，形成陀螺仪传感器100。应当注意的是，所述陀螺仪传感器100的大致尺寸分别为X轴方向上的0.5mm，Y轴方向上的3mm，和Z轴方向上的0.3mm。每个臂12的长度(Y轴方向)为1.8至1.9mm，且宽度(X轴方向)为0.1mm。
臂12A至12C构成陀螺仪传感器100的振子。各个臂12A至12C例如形成为具有相同的臂长度、宽度和厚度，但不限于此构造。在臂12A至12C中，位于外侧的臂被称为外侧臂12A和12B，位于中央的臂被称为中央臂12C。下文中，各个臂12(12A，12B和12C)中的结构都添加相应的符号(A，B和C)。
陀螺仪传感器100包括用于将陀螺仪传感器100固定在安装基板(未显示)上的固定部17以及支撑性地连接固定部17和连结部11的支撑部18。连结部11、固定部17和支撑部18构成了以使各个臂12能够振动的方式支撑各个臂12的基部13。
固定部17能将陀螺仪传感器100物理地固定至上述安装基板并与之电性连接。在陀螺仪传感器100的固定部17上形成外部连接端子19，并且设置在各个臂12的表面上的压电功能体14A、14B和14C分别经由布线(未显示)而与外部连接端子19相连接。
支撑部18连接连结部11和固定部17。通过将支撑部18形成为宽度小于连结部11和固定部17，可以抑制臂12的振动传递至固定部17。固定部17和支撑部18通常由与臂12(连结部11)一体形成的硅基板形成。
压电功能体14A至14C包括使臂12振动的压电驱动单元14A1、14B1和14C1，以及检测作用于臂12上的科里奥利力的压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22。压电功能体14A至14C被分别布置在各个臂12的位于同一平面内的一表面上。
压电驱动单元14A1和14B1分别被布置在外侧臂12A和12B上，并沿Y轴方向形成直线。压电驱动单元14C1在中央臂12C的轴心上沿Y轴方向形成直线，且压电驱动单元14C1的长度大于压电驱动单元14A1和14B1的长度。
压电检测单元14A2和14B2分别被布置在外侧臂12A和12B的靠近中央臂12C一侧上。压电检测单元14C21和14C22分别被布置在压电驱动单元14C1的两侧。压电检测单元14A2和14C21通过形成于连结部11的表面上的连接部14D1互相电性连接，且所述连接部14D1的电压信号被用作压电检测单元14A2和14C21的公共检测信号。另一方面，压电检测单元14B2和14C22通过形成于连结部11的表面上的连接部14D2互相电性连接，且所述连接部14D2的电压信号被用作压电检测单元14B2和14C22的公共检测信号。
在收到驱动电压输入时，压电驱动单元14A1、14B1和14C1使臂12在Z轴方向上振动。此时，压电驱动单元14A1、14B1和14C1构造为使外侧臂12A和12B按照与中央臂12C相反的相位振动。压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22构造为输出与在X轴方向上作用于臂12上的科里奥利力对应的电压信号。
陀螺仪传感器100被以倒装芯片的方式安装在具有控制器的安装基板(电路基板)上。所述控制器包括生成输入至压电驱动单元14A1、14B1和14C1的驱动信号(交流电压)的驱动电路(自振荡电路)、以及基于从压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22输出的电压信号检测作用于臂12上的科里奥利力的检测电路。所述驱动电路基于连接部14D1和14D2的检测信号(和(sum)信号)生成驱动信号，且所述检测电路基于连接部14D1和14D2的检测信号(差信号)生成角速度信号。
陀螺仪传感器100与所述安装基板一起被组装为传感器模块。所述传感器模块经由所述安装基板而连接至电子装置的控制电路。所述电子装置的示例包括数码相机、移动信息终端、移动游戏装置和手持式显示设备。
图2为沿图1的直线A-A的横截面图，用于解释陀螺仪传感器100的典型操作。应当注意的是，图2只是示意性地显示了压电功能体14A至14C。
在陀螺仪传感器100中，相位相同的驱动信号被输入至外侧臂12A和12B的压电驱动单元14A1和14B1，而相位相反的驱动信号被输入至中央臂12C的压电驱动单元14C1，因此，如图2A所示，使各个臂12分别在以白色箭头表示的方向上振动(下文中，该状态被称为基本振动)。
此时，在压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22产生对应于臂12的变形量的电压信号时，当在臂12中未产生科里奥利力时，连接部14D1和14D2所检测到的信号原理上变为0。因此，由于连接部14D1和14D2的差信号也变为0，因此检测到的角速度为0。
相反，当陀螺仪传感器处于基本振动时，当产生相对于Y轴的角速度时，如图2B所示，科里奥利力在以黑色箭头表示的方向上作用于各个臂12。科里奥利力作用于与臂的基本振动方向正交的方向上，且科里奥利力的方向(加/减X方向)根据臂的振动方向(加/减Z方向)而变化。此时，在压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22产生对应于臂12的变形量的电压信号时，连接部14D1和14D2所检测到的信号原理上变为大小相同但相位相反。因此，通过计算这些信号之差，可以产生等于连接部14D1和14D2的信号值的两倍大小的角速度信号。
在此，为了提高角速度信号的S/N，必须提高施加于振子(臂12)上的科里奥利力的检测灵敏度。如图3所示，当分别用m表示臂12的质量、用v表示臂12的弯曲运动的振动速度、用ω0表示以臂12的长轴为中心的旋转角速度时，科里奥利力Fc可以用式(1)来表示。
Fc＝2×m×v×ω0... (1)
如式(1)所示，科里奥利力的灵敏度与振动系统的重量和振动速度成正比。因此，如果陀螺仪传感器100被小型化，则振动系统也会变轻，因此也会降低检测灵敏度。另一方面，虽然可以通过增加振子的长度和振幅来增加振动速度，但是不仅陀螺仪传感器100的长度增加，而且由于需要确保振子的振动空间，会出现封装也变大的问题。
在这一点上，在本实施方式中，通过对压电功能体14A至14C的结构进行改进，可以在振幅相同的情况下提高灵敏度。因此，也可以由此提高角速度的检测灵敏度。下文将详细描述压电功能体14A至14C。
(压电功能体)
图4为示意性地显示压电功能体14A至14C的结构的横截面图。
压电功能体14A至14C分别具有第一压电功能层21和第二压电功能层22。
(第一压电功能层)
第一压电功能层21包括第一电极对和布置在所述第一电极对之间的第一压电膜41。所述第一电极对包括第一电极膜31和第二电极膜32。
在形成于臂12的表面上的绝缘膜51上，布置第一压电功能层21。绝缘膜51一般由在构成臂12的硅基板上的热氧化膜(SiO2)形成。
第一电极膜31由金属膜形成，且形成于绝缘膜51上。举例来说，第一电极膜31由层叠膜形成，所述层叠膜包括厚度约为50nm的钛(Ti)膜和厚度约为100nm的铂(Pt)膜。举例来说，利用溅射法分别形成上述Ti膜和Pt膜，且在对Ti膜进行高温氧化处理后形成Pt膜。由此，可以形成具有良好的晶体取向性的第一压电膜41(PZT膜)。
第一压电膜41一般由锆钛酸铅(PZT)形成，但材料不限于此，也可使用除PZT以外的压电材料，或使用在PZT中包含添加物的材料。举例来说，利用溅射法形成厚度等于或小于1μm的第一压电膜41。对第一压电膜41进行极化处理，以使得第一压电膜41根据施加在第一电极膜31和第二电极膜32之间的驱动电压在Y轴方向上伸缩。
第二电极膜32由金属膜或导电氧化物膜形成，且形成于第一压电膜41上。举例来说，第二电极膜32由利用溅射法形成的Pt膜形成，且厚度约为100nm。
如上所述，通过在第一电极膜31和第二电极膜32之间输入的驱动信号，第一压电功能层21能使臂12在垂直于臂12的表面的方向(Z轴方向)上振动。
然后，在第一电极膜31和第二电极膜32之间产生电位差，所述电位差对应于臂12的在与臂12的表面垂直的方向(Z轴方向)或平行的方向(X轴方向)上的弯曲振动。
(第二压电功能层)
第二压电功能层22包括第二电极对和布置在所述第二电极对之间的第二压电膜42。所述第二电极对包括第三电极膜33和第四电极膜34。
以中间绝缘膜52介于中间的方式，在第一压电功能层21上布置第二压电功能层22。中间绝缘膜52确保第一压电功能层21和第二压电功能层22之间绝缘，同时减少当形成第二压电功能层22时对第一压电功能层21的损伤。举例来说，中间绝缘膜52由利用溅射法或CVD法形成在第二电极膜32上的氧化硅膜(SiO2)形成。
中间绝缘膜52的厚度不作特殊限制，举例来说，等于或大于0.5μm且等于或小于2μm。这是因为当厚度小于0.5μm时难以实现上述目标，而当厚度大于2μm时难以进行将第一压电功能层21引出外部的处理。
可在第二电极膜32和中间绝缘膜52之间的界面处形成铝膜。由此，可以增强第二电极膜32和中间绝缘膜52之间的粘合力。
第三电极膜33由金属膜形成，且形成于中间绝缘膜52上。与第一电极膜31类似的是，第三电极膜33由层叠膜形成，所述层叠膜包括厚度约为50nm的钛(Ti)膜和厚度约为100nm的铂(Pt)膜。举例来说，利用溅射法分别形成上述Ti膜和Pt膜，且在对Ti膜进行高温氧化处理后形成Pt膜。由此，可以形成具有良好的晶体取向性的第二压电膜42(PZT膜)。
第二压电膜42一般由锆钛酸铅(PZT)形成，但材料不限于此，也可使用除PZT以外的压电材料，或使用在PZT中包含添加物的材料。举例来说，利用溅射法形成厚度等于或小于1μm的第二压电膜42。对第二压电膜42进行极化处理，以使得第二压电膜42根据施加在第三电极膜33和第四电极膜34之间的驱动电压在Y轴方向上伸缩。
第四电极膜34由金属膜或导电氧化物膜形成，且形成于第二压电膜42上。举例来说，第四电极膜34由利用溅射法形成的Pt膜形成，且厚度约为100nm。诸如铝膜和感光耐蚀膜之类的绝缘膜形成于第四电极膜34上，作为保护膜53。
如上所述，通过在第三电极膜33和第四电极膜34之间输入驱动信号，第二压电功能层22能使臂12在与臂12的表面垂直的方向(Z轴方向)上振动。在本实施方式中，第二压电功能层22能与第一压电功能层21同步地使臂12在Z轴方向上振动。
然后，在第三电极膜33和第四电极膜34之间产生电位差，所述电位差对应于臂12的在与臂12的表面垂直的方向(Z轴方向)或平行的方向(X轴方向)上的弯曲振动。
(压电驱动单元和压电检测单元)
通过将具有上述层结构的压电功能体14A至14C构图加工为预定形状，分别形成压电驱动单元14A1、14B1和14C1和压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22。
具体而言，通过在外侧臂12A的同一表面上相邻地布置压电驱动单元14A1和压电检测单元14A2，形成压电功能体14A，而通过在外侧臂12B的同一表面上相邻地布置压电驱动单元14B1和压电检测单元14B2，形成压电功能体14B。通过在外侧臂12C的同一表面上相邻地布置压电驱动单元14C1以及压电检测单元14C21和14C22，形成压电功能体14C。
如上所述，彼此独立地形成压电驱动单元14A1、14B1和14C1以及压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22。由此，可以在相邻的压电驱动单元和压电检测单元互不影响的前情形下实现稳定的振动操作和角速度检测操作。
下面将描述压电驱动单元14A1、14B1和14C1以及压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22的布线结构。
图5为显示各个压电驱动单元14A1、14B1和14C1相对于驱动电路C1的布线结构的示意图。
对于压电驱动单元14A1、14B1和14C1，如图5所示，第二电极膜32和第四电极膜34并联连接至驱动电路C1的Go端子，且第一电极膜31和第三电极膜33并联连接至驱动电路C1的Vref端子。被输入了预定的驱动信号V的压电驱动单元14A1、14B1和14C1经由外部连接端子19而彼此独立地连接至驱动电路C1。
第二电极膜32和第四电极膜34分别构造为从驱动电路C1的Go端子输入驱动信号V的第一驱动电极61和第二驱动电极62。另一方面，第一电极膜31和第三电极膜33通过Vref端子而共同连接至预定的参考电位(例如地电位)。
如上所述，在压电驱动单元14A1、14B1和14C1中，第一压电功能层21和第二压电功能层22并联连接至驱动电路C1。由于用于使臂12以一定的振动频率振动的驱动信号被共同地以相同的相位输入至第一驱动电极61和第二驱动电极62，因此第一压电膜41和第二压电膜42互相同步地伸缩。因此，与使用单个压电膜的情况相比，即使提供的电压量较小，也能使臂12以同样的振幅在Z轴方向上(图2)振动。
图6是显示典型的PZT膜的压电特性(d31)的膜厚度相关特性的实验结果，图中示出了当厚度为1μm时压电特性为100％的各个膜厚度的压电特性。如图6所示，当厚度超过1μm时，压电特性趋于恶化。这是需要考虑的，因为随着厚度的增加，膜的质量(例如晶体取向性等)的恶化会变得明显。基于此，可以理解的是，当使用单个压电膜时，为了获得期望的压电特性，压电膜的厚度受限。
在本实施方式中，虽然第一压电膜41和第二压电膜42的总厚度超过1μm，但第一压电膜41和第二压电膜42的压电特性分别保持在厚度等于或小于1μm时的压电特性。此外，由于第一压电膜41和第二压电膜42构造为互相层叠且被驱动为互相同步地伸缩，因此可以用较小的驱动电压获得与使用单个压电功能层振动臂的情况相同的振幅。因此，能够在不增加臂12的振幅和长度、也不增大驱动电压的情形下增大臂的检测电压。
另一方面，图7显示了压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22相对于检测电路C2的布线结构。
对于压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22，如图7所示，第四电极膜34连接至检测电路C2的Ga端子(电压检测端子)，第一电极膜31连接至检测电路C2的Vref端子。此外，第二电极膜32和第三电极膜33彼此电性连接。压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22经由外部连接端子19而彼此独立地连接至检测电路C2。
第四电极膜34构造为产生输入至检测电路C2的检测信号的检测电极71。此外，第四电极膜34分别构成用于连接压电检测单元14A2和14C21的连接部14D1以及用于连接压电检测单元14B2和14C22的连接部14D2(图1)。另一方面，第一电极膜31连接至预定的参考电位(例如地电位)。
如上所述，在压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22中，第一压电功能层21和第二压电功能层22串联连接至检测电路C2。由此，可以向检测电路C2输入与第一压电功能层21和第二压电功能层22因臂12的弯曲而产生的信号电压之和相对应的信号电压。因此，与使用单个压电功能层的情况相比，可以增大臂12的检测电压。因此，可以提高角速度的检测灵敏度。
图8为主要部分的示意性横截面图，用于解释各个压电功能体14A至14C(压电驱动单元14A1，14B1和14C1和压电检测单元14A2，14B2，14C21和14C22)的布线引出方法。
在制造压电功能体14A至14C时，首先，在臂12的表面(绝缘膜51之上)上依次形成第一电极膜31、第一压电膜41、第二电极膜32、中间绝缘膜52、第三电极膜33、第二压电膜42和第四电极膜34(必要时，还形成覆盖第四电极膜34的绝缘膜)。然后，举例来说，采用使用已知的光刻(photolithography)技术的干蚀法对形成的层叠体进行构图，以形成每一个压电驱动单元14A1、14B1和14C1和压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22。
此时(或在该处理之前或之后的处理中)，依次形成从该层叠体的表面延伸至各层的电极膜31至34的有底部的连接孔h0至h4。举例来说，连接孔h0至h4可形成于连结部11(图1)的表面的任意位置。连接孔h0至h4的形成顺序不作特殊限制，例如可以按连接孔h4、h3、h2、h1和h0的顺序形成连接孔。形成方法也不作特殊限制，例如可以通过使用已知光刻技术的干蚀法来形成。
在覆盖第一电极膜31的绝缘膜54中形成连接孔h0，并经由绝缘膜54露出第一电极膜31。
连接孔h1形成为贯通从第一压电膜41至第四电极膜34的层叠膜，并从该层叠膜中露出第一压电膜31。
连接孔h2形成为贯通从中间绝缘膜52至第四电极膜34的层叠膜，并从该层叠膜中露出第二电极膜32。
连接孔h3形成为贯通从第二压电膜42至第四电极膜34的层叠膜，并从该层叠膜中露出第三电极膜33。
连接孔h4是在覆盖上述层叠体的表面以及各个连接孔h1至h3的侧壁的绝缘膜55中形成，并从该绝缘膜55中露出第四电极膜34。
这些连接孔h0至h4电性连接预定的电极膜和外部连接端子19，或使预定的电极膜互连，且各个电极膜31至34经由形成在绝缘膜54和55上的布线层布线。通过在基部13(连结部11)的表面上形成上述布线层，可以使各个电极膜31至34和外部连接端子19之间的布线布局变得简单。
图9为显示压电驱动单元14A1、14B1和14C1的布线引出单元110的结构示例的示意性平面图，图10为显示压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22的布线引出单元120的结构示例的示意性平面图。图11为显示布线引出单元120的主要部分的横截面图。在各图中，W1至W3表示连接至各个电极膜31至34的布线层。布线引出单元110和120分别位于连结部11(图1)的表面侧。
应当注意的是，在图8至11中，为了便于理解该结构，以方便的方式示出了连接孔h0至h4的位置。举例来说，连接孔h1至h4的位置在图8和11以及图9和10之间不必相一致。
如上所述，利用根据本实施方式的陀螺仪传感器100，由于压电功能体14A至14C均包括由多个压电功能层(也就是第一压电功能层21和第二压电功能层22)形成的层叠结构，因此可以利用较小的驱动电压，获得与利用单个压电功能层形成压电功能体的情况相同的振幅。此外，能够在不增加臂12的长度和振幅的情形下，增大臂12的检测电压，由此可以显著提高科里奥利力(角速度)的检测灵敏度。此外，由于可以增加臂12的振动速度，因此可以减小臂12的基本振动(共振)所必需的驱动信号的电压值。
本发明的发明人制造了具有不同的压电膜厚度和不同层数量的多个陀螺仪传感器样品A至D，并比较各个样品中的臂的共振驱动所需的驱动电压Go和角速度检测灵敏度S。图12显示了其结果。应当注意的是，各个样品已被调整，以使得振子的共振振幅恒定。
样品A的压电膜由厚度为1μm的单层PZT膜构成，样品B的压电膜由压电特性与样品A的80％压电特性相对应的PZT膜构成。样品C的压电膜是通过层叠两层的样品B的压电膜，例如与本实施方式的压电功能体的结构相对应。此外，样品D的压电膜由厚度为2μm的单层PZT膜构成，且样品D的压电膜的压电特性与该PZT膜的80％压电特性相对应。
以图12中所示的样品A的特性为基准，对于驱动电压Go来讲，纵轴的相对比较值越高，驱动特性越优越；对于检测灵敏度S来讲，上述相对比较值越低，灵敏度特性越优越。在该情况下，可以看出，样品B的驱动特性和灵敏度特性都较低，而样品D的驱动特性得到改善，但是灵敏度特性较低。相反，可以看出，样品C的驱动特性和灵敏度特性都得到改善。
如上所述，可以确定，根据本实施方式，与具有单层压电膜的陀螺仪传感器相比，驱动特性和灵敏度特性都得到改善。
(压电检测单元的布局)
如上所述，在振动臂在相对于压电膜的成膜表面的上下方向上振动的陀螺仪传感器中，通过科里奥利力使振动臂在成膜表面内的垂直于臂长方向的方向上发生移位，从而在压电膜中产生对应于所述移位的信号，且该信号被检测信号处理电路处理为角速度信号。由于在振动臂根部的宽度方向的两侧产生因科里奥利力而引起的大的形变，因此，通过在这些部位布置压电检测单元，可以使振子对科里奥利力的灵敏度变高，由此形成的振子可以以较高的转换效率获得对应于角速度的电信号。
在本实施方式的陀螺仪传感器100中，如图1所示，压电检测单元14C21和14C22被布置在中央臂12C的根部(与连结部11之间的连接部)的宽度方向(X轴方向)的两侧。由此，可以在中央臂12C的根部以较高的灵敏度检测因科里奥利力产生的弯曲振动。应当注意的是，压电检测单元不仅可布置在中央臂12C中，还可分别布置在外侧臂12A和12B的根部的宽度方向的两侧，从而进一步提高角速度检测灵敏度。
而且，在本实施方式的陀螺仪传感器100中，与分别位于外侧臂12A和12B中的压电检测单元14A2和14B2相比，位于中央臂12C中的压电检测单元14C21和14C22在Y轴方向上具有较长的电极长度。同样，利用该结构，也可以获得更好的角速度检测灵敏度。
图13为显示能够获得更好的角速度检测灵敏度的压电检测单元14C21和14C22的电极长度(中央检测长度)和压电检测单元14A2和14B2的电极长度(外侧检测长度)之间的关系的实验结果。如图13所示，举例来说，通过将外侧臂12A和12B侧的电极长度设置为等于或大于中央臂12C侧的电极长度的70％且等于或小于其80％，可以获得较好的角速度检测灵敏度。
此外，在本实施方式中，外侧臂12A和12B侧的压电检测单元14A2和14B2以及中央臂12C侧的压电检测单元14C21和14C22通过连接部14D1和14D2互相电性连接。由此，可以在不受陀螺仪传感器的加速度影响的情形下，实现高精度的角速度检测。
图14为显示了外侧臂12A和中央臂12C的根部的主要部分平面图。如图14所示，连接部14D1与压电检测单元14A2和14C21的检测电极71(第四电极膜34)形成于同一层上。虽然连接部14D1形成于连结部11的表面上，但是在制造过程中，第一电极膜31、第一压电膜41、第二电极膜32、中间绝缘膜53、第三电极膜33和第二压电膜42作为基层存在。因此，连接部14D1以第二电极膜42介于中间的方式与第三电极膜33相对，从而，角速度检测信号可能因这些电极之间感生的布线电容(或寄生电容)而恶化。
关于这一点，在本实施方式中，如图14所示，连接部14D1的电极宽度小于压电检测单元14A2和14C21的检测电极71的电极宽度。因此，连接部14D1和第三电极膜33之间的布线电容被减小，从而抑制角速度检测特性的恶化。
此外，如图14所示，在连接部14D1中形成端子部14E1，作为与连接至外部连接端子19的引线布线部(未显示)之间的线连接区域。基于上述的相似原因，所述端子部14E1的面积最好较小。在本实施方式中，端子部14E1形成为面积等于或小于中央臂12C或外侧臂12A和12B上的检测电极71的面积的20％，例如等于或大于5％且等于或小于10％。由此，可以有效抑制角速度检测灵敏度的恶化。
至此，已详细描述了连接部14D1。另一侧的连接部14D2的结构类似。
(极化处理)
如图5和7所示，在本实施方式的陀螺仪传感器100中，构成压电驱动单元14A1、14B1和14C1的第一压电功能层21和第二压电功能层22并联连接至驱动电路C1，且构成压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22的第一压电功能层21和第二压电功能层22串联连接至检测电路C2。
因此，尤其在压电检测单元中，在对第一压电膜41和第二压电膜42进行极化处理期间，施加于这些压电膜的电场减半，因此不能获得压电检测单元所需的压电特性。另一方面，当增大极化处理所必需的电压以获得压电检测单元的压电特性时，施加于压电驱动单元的各压电膜的电压也增大，因而会导致压电驱动单元的元件损坏，或导致压电驱动单元和压电检测单元之间的压电特性产生差异。
关于这一点，在本实施方式中，利用以下步骤对压电检测单元进行极化处理，可以在适当条件下进行压电驱动单元14A1、14B1和14C1和压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22的各个压电膜的极化处理。
图15为显示用于压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22的布线引出单元120和外部连接端子19之间的极化处理的布线示例的示意性平面图。经由极化布线K1至K4，从外部连接端子19向各个电极膜(连接孔h1至h4)施加极化所需的电压。
在此，极化布线K1连接第一电极膜31和端子P1，极化布线K2连接第二电极膜32和端子P2。极化布线K3连接从连接孔h3露出的第三电极膜33和端子P3，极化布线K4连接从连接孔h4露出的第四电极膜34和端子P4。
在连接孔h1和h3之间形成使第一电极膜31和第三电极膜33互相连接的布线部V13，在连接孔h2和h4之间形成使第二电极膜32和第四电极膜34互相连接的布线部V24。由此，布置在第一电极膜31和第三电极膜33之间的第一压电膜41与布置在第二电极膜32和第四电极膜34之间的第二压电膜42并联连接至外部连接端子19。
利用上文所述的极化布线示例，可以同时地对各个压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22进行极化处理。虽然也同时地对压电驱动单元14A1、14B1和14C1进行极化处理，但如图9所示，由于这些压电驱动单元的各个压电膜并联连接至外部连接端子19，因此不需要引出新的用于极化处理的布线。
图16为显示布线引出单元120和外部连接端子19在极化处理之后的布线结构的示意性平面图。
在极化处理之后，布线部V13和V24被去除。布线部V13和V24优选由可以用蚀刻液容易去除的金属材料形成，例如Cu。
如上所述，压电检测单元14A2、14B2、14C21和14C22的各个压电膜串联连接至检测电路C2。在如图10所示的布线结构中，虽然分别从连接孔h2和h3露出的第二电极膜32和第三电极膜33被布线层W2连接，但如图16所示，在外部连接端子19一侧仍进行第二电极膜32和第三电极膜33之间的短路处理。也就是说，在图中所示的示例中，提供使端子P2和P3互相连接的导电层W23。一般而言，导电层W23可使用焊接至安装基板的焊接材料形成，或者可以形成为跨接在端子P2和P3之间的凸块。
利用上文所述的方法，可以避免压电检测单元中的电场不足、压电驱动单元中的元件损坏、压电检测单元和压电驱动单元之间的压电特性不一致，并且可以对压电检测单元和压电驱动单元两者进行适当的极化处理。
至此，已经描述了本发明的实施方式。但是，本发明不限于上述实施方式，而是可以进行多种变形。
例如，虽然上述实施方式中已经举例说明了用三个臂形成振子的陀螺仪传感器，但本发明不限于此，除了用单个臂形成振子的陀螺仪传感器之外，也可以采用能检测三个轴方向上的角速度的陀螺仪传感器，例如日本专利No.4858662中对此有所描述。
此外，虽然在上述实施方式中，位于振子(臂)表面上的压电功能体14A至14C均由两个压电功能层(即第一压电功能层21和第二压电功能层22)的层叠结构形成，但本发明不限于此，也可以使用层叠三个或更多个压电功能层的层叠结构。
应当注意的是，本发明还可以采用以下结构。
(1)一种陀螺仪传感器，包括：
振子；
第一压电功能层，所述第一压电功能层包括第一电极对、和布置在所述第一电极对之间的第一压电膜，所述第一压电功能层被布置在所述振子的表面上，并能够使所述振子在垂直于所述表面的第一轴方向上振动；以及
第二压电功能层，所述第二压电功能层包括第二电极对、和布置在所述第二电极对之间的第二压电膜，所述第二压电功能层被布置在所述第一压电功能层的上方，并能够与所述第一压电功能层同步地使所述振子在所述第一轴方向上振动。
(2)如上述(1)所述的陀螺仪传感器，其中
所述第一电极对包括第一驱动电极，所述第一驱动电极连接至驱动电路，并使所述振子在所述第一方向上振动，且
所述第二电极对包括第二驱动电极，所述第二驱动电极与所述第一驱动电极并联连接至所述驱动电路，并使所述振子在所述第一方向上振动。
(3)如上述(1)或(2)所述的陀螺仪传感器，其中
所述第一电极对包括第一电极膜和第二电极膜，所述第一电极膜布置在所述振子和所述第一压电膜之间，所述第二电极膜与所述第一电极膜一起夹着所述第一压电膜并与所述第一电极膜相对，且
所述第二电极对包括第三电极膜和检测电极，所述第三电极膜电性连接至所述第二电极膜，所述检测电极与所述第三电极膜一起夹着所述第二压电膜并与所述第三电极膜相对，所述检测电极检测所述振子在与所述振子的所述表面平行的第二轴方向上的振动。
(4)如上述(3)所述的陀螺仪传感器，其中
所述振子包括在所述第二轴方向上排列的三个臂部以及支撑所述三个臂部的基部，
所述第一压电功能层和所述第二压电功能层设置在所述三个臂部的每一个的表面上，且
所述检测电极包括电极部和连接部，所述电极部分别设置在所述三个臂部上，所述连接部设置在所述基部上并且将两个相邻臂部上的所述电极部互相连接。
(5)如上述(4)所述的陀螺仪传感器，其中
在所述三个臂部之中，位于中央位置的臂部上的所述电极部与位于外侧位置的两个臂部上的所述电极部相比，在与所述第一轴方向和第二轴方向正交的第三轴方向上具有更大的电极长度。
(6)如上述(4)或(5)所述的陀螺仪传感器，其中
所述连接部具有比所述电极部小的电极宽度。
(7)上述(4)至(6)之中的任一项所述的陀螺仪传感器，进一步包括
布线层，所述布线层被设置在所述基部的表面上，并且电性连接至所述第一电极膜、所述第二电极膜、所述第三电极膜和所述检测电极。
(8)如上述(1)至(7)之中的任一项所述的陀螺仪传感器，其中
所述第一压电膜和所述第二压电膜的厚度均为等于或小于1μm。
(9)一种电子装置，包括
陀螺仪传感器，包括
振子；
第一压电功能层，所述第一压电功能层包括第一电极对、和布置在所述第一电极对之间的第一压电膜，所述第一压电功能层被布置在所述振子的表面上，并能够使所述振子在垂直于所述表面的第一轴方向上振动；以及
第二压电功能层，所述第二压电功能层包括第二电极对、和布置在所述第二电极对之间的第二压电膜，所述第二压电功能层被布置在所述第一压电功能层的上方，并能够与所述第一压电功能层同步地使所述振子在所述第一轴方向上振动。
符号说明
12 臂
12A，12B 外侧臂
12C 中央臂
13 基部
14A，14B，14C 压电功能体
14A1，14B1，14C1 压电驱动单元
14A2，14B2，14C21，14C22 压电检测单元
14D1，14D2 连接部
21 第一压电功能层
22 第二压电功能层
31 第一电极膜
32 第二电极膜
33 第三电极膜
34 第四电极膜
41 第一压电膜
42 第二压电膜
52 中间绝缘膜
61 第一驱动电极
62 第二驱动电极
71 检测电极
100 陀螺仪传感器
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