角速度传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及角速度传感器及其制造方法，尤其涉及具有重锤（重物）支承于压电 隔膜（piezoelectric diaphragm)的构造的振动陀螺仪式的角速度传感器及其制造技术。
【背景技术】
[0002] 使用了娃（Si)的微细加工技术的 MEMS (Micro Electro Mechanical System :微 机电系统）振动陀螺仪传感器，具有小型、低功耗等的特征，因此以移动领域等为中心被期 待各种各样的用途。一般的MEMS振动陀螺仪传感器，采取成为重锤的部分支承于振动弹簧 的构造，通过驱动力使重锤振动，检测在从外部施加了角速度时产生的哥氏力来进行角速 度检测（参照专利文献1、2)。
[0003] 例如，专利文献1中提出的角速度传感器，具有重锤支承于压电隔膜的构造，成为 在垂直（z共振驱动）方向及水平（x共振驱动）方向上共振振动驱动重锤并检测角速度的 构造。并且，专利文献2中提出的角速度传感器，通过使重锤（重锤体）沿着规定的循环轨 道循环运动，从而检测3轴（x轴、y轴、z轴）的角速度。该构造具有小型且能够检测3轴 全部的绕轴的角速度的优点。
[0004] 在先技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本特开2010 - 160095号公报
[0007] 专利文献2 :日本专利第4012232号说明书
【发明内容】
[0008] 发明要解决的课题
[0009] 在具有如专利文献1、2中提出的那样构造的角速度传感器的制作中，以往一般使 用SOI (Silicon On Insulator:绝缘体上娃）基板。SOI基板具有在比较厚的娃基板（处 理层；handle layer)上隔着Si02层层压有较薄的娃层（器件层；device layer)的多层构 造，器件层的部分最终成为隔膜的振动板。隔膜的厚度根据器件的设计是各种各样的，根据 设计而选择适当的器件层的厚度。
[0010] 但是，S0I晶片是通过将2张硅（Si)基板贴合并对硅基板进行研磨来调整器件层 的厚度这一复杂的工艺制作的，因此与通常的Si晶片相比，有成本大幅提高、器件成本增 加的问题。并且，在想要保证角速度传感器的共振频率并且使器件进一步小型化时，需要在 使隔膜直径的尺寸减小的同时使隔膜的厚度变薄。
[0011] 但是，在使用了 S0I晶片的工艺中，因为研磨技术的问题，均匀地使器件层厚度变 薄是困难的。由于研磨精度的限度，一般而言器件层厚度存在±0.5微米（ym)左右的偏 差，因此在器件层的厚度为5微米ym)以下时，膜厚偏差增加到±10%以上。隔膜的厚度 大大影响共振频率，因此在膜厚偏差达到±10%以上时，角速度传感器的实际的共振频率 相对于设计上的共振频率的偏移（误差）超过容许范围，实用的量产不能实现。也就是说， 若是使用了以往的SOI晶片的工艺，角速度传感器的小型化是有限度的。另一方面，伴随着 近来的移动设备等的小型化、薄型化，希望角速度传感器的器件进一步小型化。
[0012] 本发明是鉴于这样的情况而做出的，解决上述的课题，目的在于，提供与以往的角 速度传感器相比能够以低成本制作并能够进一步小型化的角速度传感器及其制造方法。
[0013] 用于解决课题的手段
[0014] 为了实现上述目的，提供以下的发明方式。
[0015] (第1方式）：第1方式的角速度传感器，具备：具有挠性的隔膜部，具有层压构 造，该层压构造是层压了图案配置有驱动电极部和检测电极部的上部电极、压电体层、下 部电极及1层以上的振动板层而成的；台座部，支承隔膜部的外周；以及重锤部，与隔膜部 的中心部接合，通过经由驱动电极部对压电体层施加电场而利用压电体的逆压电效应使 重锤部振动，通过压电效应由检测电极部检测基于哥氏力而在重锤部产生的移位，所述角 速度传感器中，振动板层是通过薄膜形成技术而成膜的，在设根据角速度传感器的构造体 的尺寸和构成构造体的材料的弹性参数计算的共振振动模式的共振频率为f?(单位是千 赫[kHz])，设重锤部的质量为M(单位是毫克[mg])，设隔膜部的周长为r(单位是米[m])， 设压电体层上产生的应力为〇 p(单位是帕斯卡[Pa])，设压电体层的膜厚为tp(单位是米 [m])，设由包括下部电极和1层以上的振动板层的多层构成的振动板部分的从重锤部一侧 开始数第n层上产生的应力为 〇n(单位是帕斯卡[Pa])，设第n层的膜厚为tn(单位是米 [m])时（n是自然数），用
[0016] [数式 1]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021] 根据第1方式，作为隔膜部的振动板发挥作用的层通过薄膜形成技术而成膜。作 为对由成膜的各层的残留应力的影响引起的共振频率从设计值的偏移（偏移量）进行评价 的指标，导入以[数式1]定义的T rff。
[0022] 1；"相对于用重锤部的质量M除由具有多层构造的隔膜部的应力引起的拉伸的能 量而得到的值，与由隔膜部的应力引起的共振频率的偏移量有关联。根据基于实验的知识， 通过以T rff收敛于满足[数式2]的关系的范围的方式决定各层的应力和膜厚，能够使共振 频率从设计值f的偏移收敛于± 20 %的容许范围内。
[0023] 根据第1方式，能够不使用SOI基板而使用通常的硅基板等来制作，因此与以往的 角速度传感器相比，能够以低成本制作。并且，能够通过薄膜形成技术高精度地成膜出膜厚 偏差少的薄膜，因此与以往的结构相比能够实现进一步的薄膜化、器件的小型化。
[0024] (第2方式）：在第1方式所述的角速度传感器中，
[0025] 所述角速度传感器能够采用满足
[0026] [数式 3]
[0027]
[0028] 的结构。
[0029] 通过以Trff收敛于满足[数式3]的关系的范围的方式决定各层的应力和膜厚，能 够使共振频率的从设计值f的偏移收敛于± 15%的容许范围内。
[0030] (第3方式）：在第1方式所述的角速度传感器中，
[0031] 所述角速度传感器能够采用满足
[0032] [数式 4]
[0033]
[0034] 的结构。
[0035] 以Trff收敛于满足[数式4]的关系的范围的方式决定各层的应力和膜厚，由此能 够使共振频率的从设计值f的偏移收敛于± 10%的容许范围内。
[0036] (第4方式）：在第1方式至第3方式的任一方式所述的角速度传感器中，能够采 用如下结构：振动板层的膜厚为5微米（ym)以下。
[0037] 振动板部分的合计膜厚越薄，越能够使隔膜小型化。
[0038] (第5方式）：在第1方式至第4方式的任一方式所述的角速度传感器中，能够采 用如下结构：具有共振频率f?的振动模式是重锤部在膜厚方向上平移运动的振动方式。
[0039] (第6方式）：在第1方式至第5方式的任一方式所述的角速度传感器中，能够采 用如下结构：振动板层是通过气相成膜而形成的膜。
[0040] 气相成膜法适于形成5 ym以下的薄膜，因此在实现在使用SOI基板的以往的结构 中制作困难的5 ym以下的薄膜化方面，本发明的方式尤其有益。根据本发明方式，能够使 振动板部分的合计膜厚比5 y m更薄，能够实现使振动板部分的合计膜厚为4 y m以下的方 式，还能够实现使振动板部分的合计膜厚为3 y m以下的方式。并且，气相成膜法在能够高 精度地成膜出期望的膜厚的点上是有益的。为此，能够大幅降低器件动作相对于设计的误 差。
[0041] (第7方式）：在第1方式至第6方式的任一方式所述的角速度传感器中，能够采 用如下结构：压电体层是用溅射法成膜的薄膜。
[0042]用溅射法形成压电体膜并薄膜化的话，微细加工是容易的。
[0043] 并且，通过使用以溅射法为代表的气相成长法、溶胶-凝胶法等的直接成膜法，能 够得到具有想要的压电性能的压电体薄膜。通过在基板上直接成膜出压电体的薄膜，并用 干式蚀刻或湿式蚀刻等半导体工艺进行加工，能够使器件的制作工艺简单。
[0044](第8方式）：在第1方式至第7方式的任一方式所述的角速度传感器中，能 够采用如下结构：压电体层是由下述式（P)表示的1种或2种以上的钙钛矿型氧化物 (perovskite-type oxides)〇
[0045] 通式 AB03 (P)
[0046] 式中，A :是A位点（site)的元素，是包含Pb的至少1种元素。
[0047] B :是 B 位点的元素，是从由 Ti、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、 Ga、Zn、Cd、Fe及Ni构成的群中选出的至少1种元素。
[0048] 0:氧元素。
[0049] A位点元素和B位点元素和氧元素的摩尔比为1 :1 :3是标准的，但它们的摩尔比 也可以在能够取得钙钛矿构造的范围内从基准摩尔比偏移。
[0050] 该压电体具有良好的压电特性，对于进行驱动及检测的角速度传感器而言是较为 理想的。
[0051] (第9方式）：在第1方式至第7方式的任一方式所述的角速度传感器中，能够采 用如下结构：压电体层是由下述式（PX)表示的1种或2种以上的钙钛矿型氧化物。
[0052] Aa(Zrx，Tiy，M b_x_y)b0c ? ? ? (PX)
[0053] 式中，A :是A位点的元素，是包含Pb的至少1种元素。
[0054] M是从由V、Nb、Ta及Sb构成的群中选出的至少1种元素。
[0055] 0<x<b，0<y<b，0<b - x - y〇
[0056] a :b :c = 1 :1 :3是标准的，但它们的摩尔比也可以在能够取得钙钛矿构造的范围 内从基准摩尔比偏移。
[0057] 该压电体具有良好的压电特性，对于进行驱动及检测的角速度传感器而言是较为 理想的。
[0058] (第10方式）：在第1方式至第9方式的任一方式所述的角速度传感器中，能够采 用如下结构：振动板层是被成膜在硅基板之上而得到的，重锤部和台座部是由通过对形成 有振动板层的硅基板的一部分进行除去加工而残存的硅基板的残部构成的。
[0059] 根据第9方式，能够使用比SOI基板更廉价的硅基板制造角速度传感器。
[0060] (第11方式）：在第1方式至第10方式的任一方式所述的角速度传感器中，能够 采用如下结构：隔膜部具有俯视为圆或椭圆的外周形状，重锤部被配置在与隔膜部共用中 心轴的圆或椭圆的同心位置。
[0061] (第12方式）：第12方式的角速度传感器的制造方法，所述角速度传感器具备：具 有挠性的隔膜部，具有层压构造，该层压构造是层压了图案配置有驱动电极部和检测电极 部的上部电极、压电体层、下部电极及1层以上的振动板层而成的；台座部，支承隔膜部的