專利名稱：角速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于飛機，汽車，機器人，船舶，車輛等的姿勢控制及導(dǎo)航系統(tǒng)等的角速度傳感器。
背景技術(shù)：
作為現(xiàn)有技術(shù)的角速度傳感器，已知有美國專利第5438231號公報描述的傳感器。下面，利用圖8對這種角速度傳感器進行說明。
圖8是現(xiàn)有技術(shù)的角速度傳感器的透視圖。在圖8中，角速度傳感器101，由以下部分構(gòu)成由硅等非壓電材料構(gòu)成的音叉102，臂103，臂104，基部105，設(shè)于臂103上的下部電極106，設(shè)于臂104上的下部電極107，設(shè)于下部電極106上的壓電膜108，設(shè)于下部電極107上的壓電膜109，設(shè)于壓電膜108上的上部電極110及上部電極111，設(shè)于壓電膜109上的上部電極112及上部電極113。同時，通過向上部電極110、111、112、113上外加交流電壓，音叉102共振。
上述角速度傳感器101的音叉102，具有正交的兩個振動模(X方向的振動模和Z方向振動模)。音叉102，僅僅一個振動模(例如X方向振動模)被驅(qū)動。在這種狀態(tài)下，以與上述正交的兩個振動模的軸(X軸，Z軸)相互垂直的軸(Y軸)為中心，外加旋轉(zhuǎn)角速度時，音叉102借助科利奧里(Corioli)力，另外一個(Z方向)振動模被激振。角速度傳感器101利用這一原理。在這種角速度傳感器101的結(jié)構(gòu)中，為了相對于外加的角速度獲得可靠性高的檢測信號，音叉102的正交的兩個振動模(X方向的振動模和Z方向的振動模)的共振頻率有必要分離。但是，為了相對于外加角速度提高檢測信號靈敏度，音叉102的正交的兩個振動模(X方向振動模和Z方向振動模)的共振頻率相互接近是有利的。即，從相對于外加角速度的檢測信號的可靠性和靈敏度的角度出發(fā)，兩個共振頻率最好是十分接近但不相互結(jié)合。但是，有關(guān)相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性，從由構(gòu)成音叉的材料的結(jié)晶的面方位引起的彈性模量的不同與共振頻率的觀點考察的文獻，包括上述美國專利第5438231號公報到目前為止并不存在。
下面，對于上述問題進行詳細(xì)描述。共振頻率f用公式(1)表示。這里，c表示彈性模量，ρ表示密度，d表示臂的寬度，l表示臂的長度。
f∝(c/ρ)*d/l2]]>(公式1)由上述公式(1)，可以看出，音叉102的X方向的振動模的共振頻率，隨著彈性模量c的改變而變化。這里，在現(xiàn)有技術(shù)的角速度傳感器中，存在著以下問題，即，對于臂103、104的側(cè)面，作為結(jié)晶的面方位選擇不同的面，音叉102的X方向(驅(qū)動方向)的彈性模量c會產(chǎn)生波動，對外加的角速度的檢測信號的靈敏度會引起波動，導(dǎo)致可靠性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種角速度傳感器，在配備有振動體的角速度傳感器中，該振動體由將面方位(100)為主面的硅基板形成，與該振動體的驅(qū)動方向基本上正交的面，是彈性模量相對于方位角的偏移變化小的面方位。


圖1、是本發(fā)明的角速度傳感器的實施形式1的透視圖；圖2、是圖1所示的角速度傳感器的A-A剖面圖；圖3、是本發(fā)明中角速度傳感器的硅基板內(nèi)的配置圖；圖4、是硅基板的面方位圖；圖5、是表示硅基板的彈性模量與方位角的關(guān)系的特性圖；圖6A～圖6H、是利用圖3的D-D剖面圖說明根據(jù)本發(fā)明的角速度傳感器的制造工藝圖；圖7、是根據(jù)本發(fā)明的角速度傳感器的實施形式2的硅基板內(nèi)的配置圖；圖8、是現(xiàn)有技術(shù)的角速度傳感器的透視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的目的是，解決上述現(xiàn)有方式中存在的課題，提供一種抑制振動體的驅(qū)動共振頻率的波動，提高相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性的角速度傳感器。
下面，利用圖1至圖7說明本發(fā)明的實施形式。本發(fā)明的角速度傳感器，具有振動體，但在下面的實施形式中，作為該振動體以采用音叉時為例進行說明。
(實施形式1)圖1是本發(fā)明的角速度傳感器的實施形式1的透視圖，圖2是圖1的角速度傳感器的A-A剖面圖，圖3是硅基板內(nèi)的角速度傳感器的配置圖，圖4是圖3所示的硅基板的面方位圖，圖5是表示圖3所示的硅基板的彈性模量與方位角度的關(guān)系的特性圖。
圖1中的箭頭X，箭頭Y，箭頭Z，分別表示相互正交的三個方向。此外，在下面的描述中，箭頭X，箭頭Y，箭頭Z，分別也描述為方向X，方向Y，方向Z。如圖1、圖2、圖3所示，具有平行的兩個臂1及臂2，連接該兩個臂1及臂2的基部3的作為振動體的音叉4，由非壓電材料的硅構(gòu)成。音叉4的主面5，是硅基板30的面方位(100)。此外，該主面5以圖3所示的硅基板30的方向平面(オリフラ)31為基準(zhǔn)，臂1以及臂2的各自的側(cè)面6及側(cè)面7是面方位(001)，與臂1及臂2的長度方向(Y方向)正交的面以成為面方位(010)的方式形成。第一電極10位于臂1的主面5上，設(shè)置在臂1的中心線8的內(nèi)側(cè)。第二電極11，位于臂1的主面5上，設(shè)置在中心線8的外側(cè)。第一電極10和第二電極11相互分離。第一電極12位于臂2的主面5上，設(shè)于臂2的中心線9的內(nèi)側(cè)。第二電極13位于主面5上，設(shè)于中心線9的外側(cè)。第一電極12和第二電極13相互分離。第一壓電薄膜14、16分別位于中心線8、9的內(nèi)側(cè)，并且，分別設(shè)于第一電極10、12上。第二壓電薄膜15、17分別位于中心線8、9的外側(cè)，并且，分別設(shè)于第二電極11、13上。第三電極18、20分別設(shè)于第一壓電薄膜14、16上。第四電極19、21分別設(shè)于第二壓電薄膜15、17上。
以上的第一電極10、12，第二電極11、13，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17，第三電極18、20，第四電極19、21構(gòu)成驅(qū)動部。
第五電極22位于臂1的主面5上，設(shè)于靠近基部3側(cè)。并且，第五電極22相對于第一電極10和第二電極11分離地設(shè)置。第六電極23設(shè)置在設(shè)于第五電極22上的第三壓電薄膜26上。此外，第三壓電薄膜26，在圖1和圖3中被第六電極23掩蓋看不到，但在作為剖面圖的圖6D中表示出來。同樣，第五電極24位于臂2的主面5上設(shè)于靠近基部3側(cè)。并且，第五電極24相對于第一電極12及第二電極13分開設(shè)置。第六電極25設(shè)置在設(shè)于第五電極24上的第三壓電薄膜27上。此外，第三壓電薄膜27，在圖1和圖3中，被第六電極25隱蔽看不到，但在作為剖面圖的圖6D中明確地表示出來。
以上的第五電極22、24，第三壓電薄膜26、27，第六電極23、25構(gòu)成檢測部。
這樣，構(gòu)成角速度傳感器51。
下面，對角速度傳感器51的動作原理進行說明。
在圖1、圖2中，當(dāng)在第一電極10和第三電極18之間，第一電極12和第三電極20之間，第二電極11和第四電極19之間，第二電極13和第四電極21之間分別外加大約20V左右的直流電壓時，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17的極化分別與一定的方向一致。同樣，當(dāng)在第五電極22和第六電極23之間，第五電極24和第六電極25之間分別外加20V左右的直流電壓時，第三壓電薄膜26、27的極化與一定的方向一致。
例如，當(dāng)外加直流電壓令第一電極10、12，第二電極11、13及第五電極22、24變成高電位側(cè)時，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17及第三壓電薄膜26、27的極化方向，從第一電極10、12，第二電極11、13及第五電極22、24指向第三電極18、20，第四電極19、21及第六電極23、25的方向。即使停止外加上述直流電壓，該極化方向也原封不動地保持在一定的方向。這稱之為自發(fā)極化。當(dāng)?shù)谝粔弘姳∧?4、16，第二壓電薄膜15、17及第三壓電薄膜26、27具有這種自發(fā)極化時，在第三電極18、20，第四電極19、21及第六電極23、25的電位比第一電極10、12，第二電極11、13及第五電極22、24的電位高的情況下，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17及第三壓電薄膜26，27，向各自的極化方向緩和的方向運動。從而，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17及第三壓電薄膜26、27沿與極化平行的方向收縮，沿垂直方向伸長。反之，在第三電極18、20，第四電極19、21及第六電極23、25的電位比第一電極10、12，第二電極11、13及第五電極22、24的電位低的情況下，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17及第三壓電薄膜26、27沿與極化平行的方向伸長，沿垂直方向收縮。
從而，當(dāng)把第一電極10作為GND電極或假想GND電極，向第三電極18上外加交流電壓時，第一壓電薄膜14向Y軸方向伸縮。上面，對設(shè)于臂1上的內(nèi)側(cè)的驅(qū)動部進行了說明，設(shè)于臂1上的外側(cè)的驅(qū)動部，設(shè)于臂2的內(nèi)側(cè)、外側(cè)的驅(qū)動部，也進行同樣的動作。
此外，通過向圖1、圖2所示的第三電極18和第四電極19上外加相位相互差180°的交流電壓，在第一壓電薄膜14伸長時，第二壓電薄膜15收縮。反之，第一壓電薄膜14收縮時，第二壓電薄膜15伸長。
基于上述原理，當(dāng)向第三電極18、20外加相同相位的交流電壓，向第四電極19、21外加與第三電極18、20相反相位的交流電壓時，臂1和臂2相互沿相反方向(X方向)進行音叉振動。
此外，臂1、2，具有依賴于形狀的固有共振頻率。如果外加到第三電極18、20，第四電極19、21上的交流電壓的頻率和該形狀的固有共振頻率相同的話，將臂1、2向X方向(驅(qū)動方向)驅(qū)動共振。當(dāng)在X方向(驅(qū)動方向)共振的狀態(tài)下外加繞Y軸的角速度時，臂1、2借助科里奧利力沿Z方向(檢測方向)相互反向彎曲。借助該彎曲在分別設(shè)于臂1、2上的第三壓電薄膜26、27上產(chǎn)生分別反向的電荷。通過第六電極23、25檢測出該反向電荷，可以獲得對應(yīng)于外加的角速度的輸出。
此外，臂1、2具有向X方向(驅(qū)動方向)運動的振動模，和向Z方向(檢測方向)運動的振動模。當(dāng)將這兩個振動模的共振頻率設(shè)定得相同時，由于驅(qū)動共振在檢測側(cè)(Z方向)也發(fā)生共振，所以，難以辨別由科里奧利力產(chǎn)生的變形。因此，有必要將檢測側(cè)(Z方向)的共振頻率設(shè)定得與驅(qū)動側(cè)(X方向)的共振頻率稍有不同，抑制檢測側(cè)(Z方向)的共振頻率與驅(qū)動側(cè)(X方向)的共振頻率的結(jié)合。
但是，當(dāng)設(shè)定成差別很大的頻率時，即使在檢測側(cè)(Z方向)產(chǎn)生科里奧利力，由于遠(yuǎn)離驅(qū)動側(cè)(X方向)的共振頻率，檢測側(cè)(Z方向)不會產(chǎn)生大的振動。即，有必要將驅(qū)動側(cè)(X方向)的共振頻率和檢測側(cè)(Z方向)的共振頻率設(shè)定成相互離開不引起結(jié)合的程度，并且為了提高檢測側(cè)(Z方向)的靈敏度，將兩個共振頻率設(shè)定得比較接近。
在本實施形式中，對臂1、2的驅(qū)動方向(X方向)的寬度比檢測方向(Z方向)的厚度大的例子進行了說明。作為一個例子，如圖2所示，令臂1、2的寬度為0.2mm，厚度為0.19mm。該音叉4的驅(qū)動方向(X方向)的共振頻率，例如為22kHz，檢測方向(Z方向)的共振頻率，例如為20kHz。
這里，如圖4所示，硅的面方位(100)，面方位(010)，面方位(001)分別具有垂直面的關(guān)系，<010>方位和<011>方位，<011>方位和<001>方位分別具有相差45°的關(guān)系。
此外，圖5表示硅的方位角和彈性模量的關(guān)系。橫軸表示以<010>方位為基準(zhǔn)的方位角度，縱軸表示彈性模量。如圖5所示，面方位(100)的硅的彈性模量在<010>方位附近(即，方位角0°附近)，<011>方位附近(即，方位角45°附近)，<001>方位附近(即方位角90°附近)，彈性模量相對于方位角的變化量很小。<010>方位和<001>方位的彈性模量相同。這樣，關(guān)于面方位(100)的硅彈性模量，方位角以45°為周期彈性模量對方位角的依賴性小，彈性模量本身表示以方位角90°為周期變化。即，如圖3所示，通過使用面方位(100)的硅基板30以<010>方位構(gòu)成形成立體的音叉4的臂1、2的長度方向(Y方向)，音叉4的驅(qū)動方向(X方向)成為<001>方位。此外，由于檢測方向(Z方向)為<100>方位，在驅(qū)動方向(X方向)和檢測方向(Z方向)的振動模中，可以使彈性模量基本上相同，同時，可以使彈性模量相對于方位角偏移的變化小。從而，由于縮小驅(qū)動方向(X方向)的共振頻率的波動，提高精度，所以，提高外加的角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性。同樣，即使以<001>方位構(gòu)成音叉4的臂1、2的長度方向(Y方向)，驅(qū)動方向(X方向)成為<010>方位，也可以獲得同樣的效果。
此外，在上面的說明中，著眼于面方位(100)，描述了在面方位(100)中方位<100>，方位<010>，方位<001>和彈性模量的關(guān)系。在面方位(010)，面方位(001)的情況下，彈性模量依賴于方位<100>，方位<010>，方位<001>變化。這是由于硅的結(jié)晶性具有對稱軸，<100>、<010>、<001>是對稱軸的緣故。從而，在本發(fā)明中，以(100)作為主面，或以(010)，(001)作為主面也可以，這只不過是為了方便，改變方位的名稱，實質(zhì)上它們是完全同樣適應(yīng)的。即，如果決定面方位的話，與之相對的3個方位就被惟一地決定了。這樣，在這兩個面方位中，方位角和彈性模量的關(guān)系，具有和圖5所示的關(guān)系相同的特征。
其次，下面對本實施形式所示的角速度傳感器的制造方法進行說明。
圖6A～6H，是用圖3所示的角速度傳感器的D-D截面說明的制造工藝圖。
如圖6A所示，準(zhǔn)備面方位為(100)，厚度200μm左右的硅基板30。其次，如圖6B所示，在硅基板30的主面5上，利用濺射或蒸鍍形成厚度為2000左右的貴金屬材料和容易氧化的材料的合金膜。作為貴金屬材料和容易氧化的材料的合金膜，有鉑(Pt)-鈦(Ti)或者銥(Ir)-鈦(Ti)等。通過這種成膜，形成下部電極膜40。進而，在該下部電極膜40上，利用濺射形成厚度1～4μm左右的鈦鋯酸鉛(PZT)等壓電材料薄膜，形成壓電薄膜41。在該壓電薄膜41上，通過濺射或蒸發(fā)形成厚度2000左右的由金(Au)，鉻(Cr)。鋁(Al)，銅(Cu)，鈦(Ti)等材料構(gòu)成的上部電極膜42。
其次，如圖6C所示，在上部電極膜42上形成光致抗蝕劑圖案43。該光致抗蝕劑43，是為了利用光刻技術(shù)形成規(guī)定形狀的第三電極18、20，第四電極19、21，第六電極23、25，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17，第三壓電薄膜26、27，而制成圖案。接著，如圖6D所示，蝕刻上部電極42以及壓電薄膜41。同時，如圖6E所示，形成光致抗蝕劑44的圖案。該光致抗蝕劑44，是為了利用光刻技術(shù)形成規(guī)定形狀的第一電極10、12，第二電極11、13，第五電極22、24而制成的。光致抗蝕劑44，以覆蓋第三電極18、20，第四電極19、21，第六電極23、25，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17，第三壓電薄膜26、27的方式形成，制成圖案。同時，如圖6F所示，將下部電極40蝕刻成規(guī)定的形狀。
其次，如圖6G所示，將以覆蓋第一電極10、12，第二電極11、13，第五電極22、24，第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17，第三壓電薄膜26、27，第三電極18、20，第四電極19、21，第六電極23、25和硅基板30的主面5上的方式形成的光致抗蝕劑45形成圖案。該光致抗蝕劑45，為了利用光刻技術(shù)形成由規(guī)定的形狀的硅構(gòu)成的音叉4，制成圖案。同時，如圖6H所示，將硅基板30進行電感耦合型的反應(yīng)性離子蝕刻。
在上述角速度傳感器的制造方法中，在進行圖6C，圖6E，圖6G所示的光致抗蝕劑43、44、45的圖案成形時，如圖3所示，將方向平面31的位置作為<011>方位，調(diào)整該方向平面31與光刻掩模的位置，以臂1、2的各個側(cè)面46、47成為(001)的面方位的方式形成圖案。此外，由于如圖6H所示的臂1、2的寬度，以稍大于硅基板30的厚度的方式形成，所以，驅(qū)動側(cè)(X方向)的共振頻率高于檢測側(cè)(Z方向)的共振頻率。
在電感耦合性的反應(yīng)性離子蝕刻硅基板30時，至少使用兩種以上的氣體。兩種以上的氣體，至少是促進蝕刻的氣體和抑制蝕刻的氣體，借此，可以高精度地進行蝕刻的促進和抑制。其結(jié)果是，可以相對于硅基板30的主面5只沿垂直方向進行蝕刻。作為其結(jié)果，獲得相對于硅基板30的主面5垂直的側(cè)面46、47。
進而，如圖6H所示，音叉4在硅基板30內(nèi)基本上以成為相同間隔D1、D2、D3的方式配置，由于反應(yīng)性離子蝕刻的寬度是均勻的，所以，蝕刻狀態(tài)穩(wěn)定，音叉4的切割出來的截面變得更加垂直。即，通過臂1、2的加工方法，提高寬度的尺寸精度，縮小音叉4的驅(qū)動方向(X方向)的共振頻率的波動，通過高精度化，進一步提高外加角速度的檢測靈敏度的可靠性。
在本實施形式中，對于作為第一電極、第二電極、第五電極的下部的電極膜40使用鉑(Pt)-鈦(Ti)或銥(Ir)-鈦(Ti)的例子進行了說明。但是，作為下部電極膜40，更優(yōu)選地，由設(shè)于下部(硅基板30)側(cè)的Ti膜和上部(第一壓電薄膜14、16，第二壓電薄膜15、17，第三壓電薄膜26、27)側(cè)的Pt-Ti膜或Ir-Ti膜構(gòu)成。通過該結(jié)構(gòu)，Ti膜與硅以及Pt-Ti膜或Ir-Ti膜的緊密性強，Pt-Ti膜或Ir-Ti膜可以使PZT等壓電薄膜的取向良好。
此外，在本實施形式中，以在由鉑(Pt)-鈦(Ti)或銥(Ir)-鈦(Ti)構(gòu)成的下部電極膜40上直接設(shè)置壓電薄膜41的結(jié)構(gòu)為例進行了說明。但是，更優(yōu)選地，采用在Pt-Ti膜和壓電薄膜之間進一步設(shè)置添加鑭(La)和鎂(Mg)的鈦酸鉛(PLMT)膜的結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)，可以擴大為了獲得PZT等壓電薄膜的良好的取向的制造條件的允許范圍。
此外，在本實施形式中，作為壓電薄膜，對利用鈦鋯酸鉛(PZT)的例子進行了說明。但是，也能夠用在壓電薄膜中至少添加鎂(Mg)、鈮(Nb)，錳(Mn)中至少其中之一的鈦鋯酸鉛(PZT)系構(gòu)成。通過采用這種結(jié)構(gòu)，與PZT同樣，壓電薄膜的壓電常數(shù)大，電、機械轉(zhuǎn)換效率高，可以達到對外加角速度的檢測信號的高靈敏度。此外，在本實施形式中，壓電薄膜41用PZT或添加Mg、Nb、Mn中至少其中之一的PZT系構(gòu)成，該壓電薄膜41的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中任何一個面，優(yōu)先地與臂1、2的主面平行地取向。因此，相對于外加的驅(qū)動電場方向，多個極化向量的角度相應(yīng)于所述優(yōu)先的取向度而相等，提高相對于外加的角速度的檢測信號的穩(wěn)定性。
優(yōu)選地，壓電薄膜41的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，是菱形晶體結(jié)構(gòu)或正方晶體結(jié)構(gòu)，其(001)面與臂1、2的主面平行地優(yōu)先取向。采用這種結(jié)構(gòu)，壓電薄膜41的壓電特性，相對于外加電壓不具有非線性，可以進行更穩(wěn)定的角速度傳感器的驅(qū)動及角速度的檢測。
此外，為了其它的目的，優(yōu)選地，壓電薄膜41的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是菱形結(jié)晶結(jié)構(gòu)或正方結(jié)晶結(jié)構(gòu)，它們的(111)面與臂1、2的主面平行地優(yōu)先取向。借助這種結(jié)構(gòu)，壓電薄膜41的壓電特性相對于外加電壓具有非線性特性，但外加電壓越是高電壓越顯示高的壓電特性，在需要大的驅(qū)動振幅的情況下是有效的。
此外，在本實施形式中，對于驅(qū)動部設(shè)置在比臂1、2的中央部更靠近前端側(cè)、檢測部設(shè)置在從臂1、2的中央部起至基部3的附近之間的結(jié)構(gòu)例進行了說明。但是，更優(yōu)選地，將驅(qū)動部設(shè)置在從臂1、2的至少一個的至少一個主面的基本上中央部至基部3的附近之間，檢測部設(shè)置在比構(gòu)成驅(qū)動部的第一電極10、12和第二電極11、13更靠近臂1、2的前端側(cè)。通過這種結(jié)構(gòu)，可以縮小在臂1、2的二次模的共振頻率中的導(dǎo)納，提高振動的穩(wěn)定性，提高相對于外加角速度的檢測信號的精度。
(實施形式2)圖7是本發(fā)明的角速度傳感器的實施形式2中的硅基板內(nèi)的配置圖。在本實施形式2中，對和實施形式1中描述的結(jié)構(gòu)相同的部分，付與相同的標(biāo)號，省略其詳細(xì)說明，只詳細(xì)說明其不同的部分。在本實施形式2中，與實施形式1不同的部分是在硅基板內(nèi)的角速度傳感器的配置。
在圖7中，方向平面50，垂直于面方位(100)的硅基板30的主面5，并且，垂直于<01-1>方位。由于選擇臂1、2的長度方向(Y方向)為<01-1>方位，所以，驅(qū)動方向(X方向)成為<011>方位。從而，如圖5所示，成為驅(qū)動方向(X方向)的<011>方位，相對于方位角的偏移，彈性模量的變化小，并且，相對于驅(qū)動方向(X方向)彈性模量變得更大。借此，將音叉4的驅(qū)動方向(X方向)的共振頻率的變化抑制得很小，并且，彈性模量本身也大。因此，可以加大音叉4的驅(qū)動方向(X方向)的共振頻率，提高相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性，并且，靈敏度本身也可以增大。
此外，在實施形式1及2中，對于由兩個臂1、2和基部3構(gòu)成的音叉4進行了說明。但是，即使臂為一個或3個以上，本發(fā)明也能夠適用。即，如果選擇作為本發(fā)明的技術(shù)思想的相對于方位角的偏移，彈性模量變化小的面方位的話，可以將驅(qū)動方向的共振頻率的變動抑制得很小，可以提高相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性。
所述所述，本發(fā)明，在配備有振動體的角速度傳感器中，其振動體由以面方位(100)為主面的硅基板形成，進而，與該振動體的驅(qū)動方向基本上垂直的面，成為彈性模量對方位角的依賴性少的面方位。因此，即使面方位稍有偏移，也可以將振動體的驅(qū)動共振頻率的變化抑制得很小，可以提高相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性。
此外，本發(fā)明指出，臂的側(cè)面以彈性模量對方位角的依賴性小的面方位的方式進行選擇。借此，即使面方位稍稍偏移，也可以將音叉的驅(qū)動共振頻率的變化抑制得很小，可以提高相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性。
此外，本發(fā)明也指出，臂的側(cè)面為(010)或(001)的面方位。借此，即使面方位稍稍偏移，也可以將音叉的驅(qū)動共振頻率的變化抑制得很小，可以提高相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性。
此外，本發(fā)明也指出，臂的側(cè)面為<011>方位。借此，即使面方位稍稍偏移，也可以將音叉的驅(qū)動共振頻率的變化抑制得很小。進而，彈性模量本身也大，所以，可以增大音叉的驅(qū)動共振頻率，可以提高對外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性，并且靈敏度本身也大。
此外，本發(fā)明指出，使臂的檢測方向(Z方向)的厚度，比驅(qū)動方向(X方向)的厚度薄。這樣，可以使角速度傳感器薄型化。
此外，本發(fā)明指出，第一電極，第二電極，第五電極由貴金屬材料和易于氧化的材料的合金膜構(gòu)成。借此，貴金屬材料和易于氧化的材料的合金膜可以使PZT等壓電薄膜進行良好的取向。
此外，本發(fā)明指出，該貴金屬材料由Pt或Ir構(gòu)成。借此，由Pt或Ir構(gòu)成的貴金屬材料可以使PZT等壓電薄膜進行良好的取向。
此外，本發(fā)明指出，與易于氧化的材料的合金膜用Pt-Ti膜或Ir-Ti膜構(gòu)成。借此，由Pt-Ti膜或Ir-Ti膜構(gòu)成的合金膜，可以使PZT等壓電薄膜進行良好的取向。
此外，本發(fā)明指出，第一電極、第二電極、第五電極由設(shè)于下部的Ti膜和設(shè)于上部的Pt-Ti膜或Ir-Ti膜構(gòu)成。借此，Ti膜與硅及Pt-Ti膜或Ir-Ti膜的緊密性牢固，Pt-Ti膜或Ir-Ti膜可以使PZT等壓電薄膜良好地取向。
此外，本發(fā)明指出，在Pt-Ti膜和壓電薄膜或Ir-Ti膜與壓電薄膜之間，進一步設(shè)置添加鑭和鎂的鈦酸鉛(PLMT)膜。借此，可以擴大為了獲得PZT等的壓電薄膜良好的取向的制造條件的允許范圍。
此外，發(fā)明指出，作為壓電薄膜，用鈦鋯酸鉛(PZT)或添加Mg，Nb，Mn中至少其中之一的鈦鋯酸鉛(PZT)系構(gòu)成。借此，壓電薄膜的壓電常數(shù)增大，電、機械轉(zhuǎn)換效率提高，可以提高相對于外加角速度的檢測信號的靈敏度。
此外，本發(fā)明指出，作為壓電薄膜，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)的任何一個面，由沿臂的主面優(yōu)先取向的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。借此，相對于外加的驅(qū)動電場的方向，多個極化向量的角度，與所述優(yōu)先的取向度相對應(yīng)，且相等，獲得相對于外加角速度的檢測信號的穩(wěn)定性。
此外，本發(fā)明指出，作為壓電薄膜，由其結(jié)晶結(jié)構(gòu)為菱形結(jié)晶結(jié)構(gòu)或正方結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其(001)面由與臂主面平行地優(yōu)先取向的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。借此，壓電薄膜的壓電特性相對于外加電壓不具有非線性，可以更穩(wěn)定地進行角速度傳感器的驅(qū)動及角速度的檢測。
此外，為了的另外的目的，本發(fā)明指出，作為壓電薄膜，由其結(jié)晶結(jié)構(gòu)使菱形結(jié)晶結(jié)構(gòu)或正方結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其(111)面由與臂的主面平行地優(yōu)先取向的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。借此，壓電薄膜的壓電特性，相對于外加電壓，具有非線性，當(dāng)外加電壓其電壓越高時，越顯示出高壓電特性，在需要更大的驅(qū)動振幅時是有效的。
此外，本發(fā)明還指出，作為驅(qū)動部，設(shè)置在從任何一個臂的至少任一個的主面的基本上中央部到基部附近之間，檢測部設(shè)置在比第一電極和第二電極更靠近臂的前端側(cè)。借此，可以縮小臂的二次模的共振頻率中的導(dǎo)納，提高振動的穩(wěn)定性，相對于外加角速度的檢測信號的精度變高。
此外，本發(fā)明指出，通過利用至少兩種以上的氣體的電感耦合性的反應(yīng)性離子蝕刻，相對于以面方位(100)作為主面的硅基板沿垂直方向進行蝕刻，形成音叉。借此，能夠以高精度形成臂的側(cè)面相對于主面的垂直度。
工業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明的角速度傳感器，備有用面方位(100)為主面的硅基板形成的振動體，與該振動體的驅(qū)動方向基本上正交的面成為彈性模量對方位角的依賴性小的面方位。借此，根據(jù)本發(fā)明的角速度傳感器，可以將振動體的驅(qū)動共振頻率的變動抑制得很小，可以提高相對于外加角速度檢測信號的靈敏度的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種角速度傳感器，備有振動體，其中，所述振動體用以面方位(100)作為主面的硅基板形成，與所述振動體的驅(qū)動方向基本上正交的面，是彈性模量相對于的方位角的偏移變化少的面方位。
2.如權(quán)利要求1所述的角速度傳感器，其中，所述振動體配備有一個或多個臂，具有連接所述臂的至少一個基部的音叉，具有隔著至少一個所述臂的至少一個主面上的中心線，分別分開地設(shè)置的第一電極及第二電極，分別設(shè)置在所述第一電極及所述第二電極上的第一壓電膜及第二壓電薄膜，分別設(shè)于所述第一壓電薄膜及所述第二壓電薄膜上的第三電極及第四電極的驅(qū)動部；以及具有相對于所述第一電極及第二電極分開地設(shè)置的第五電極，設(shè)于所述第五電極上的第三壓電薄膜，設(shè)于所述第三壓電薄膜上的第六電極的檢測部；與所述臂的驅(qū)動方向(X方向)基本上正交的側(cè)面是彈性模量相對于方位角的偏移變化小的面方位，通過向所述第三電極及所述第四電極外加相互相位相反的交流電壓，所述音叉沿X方向共振，所述第六電極檢測出，由于外加角速度在作為與所述臂的主面成直角方向的檢測方向(Z方向)產(chǎn)生的科里奧利力引起的振動而生成的電荷。
3.如權(quán)利要求2所述的角速度傳感器，其中，所述臂的側(cè)面為(010)面方位或(001)面方位。
4.如權(quán)利要求2所述的角速度傳感器，其中，所述臂的側(cè)面為(011)面方位。
5.如權(quán)利要求2所述的角速度傳感器，其中，所述臂，其所述檢測方向(Z方向)的厚度比所述驅(qū)動方向(X方向)的厚度薄。
6.如權(quán)利要求2所述的角速度傳感器，其中，所述第一電極和所述第二電極和所述第五電極，由貴金屬材料和易于氧化的材料的合金膜構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的角速度傳感器，其中，所述貴金屬材料至少包括鉑(Pt)和銥(Ir)中的任一種。
8.如權(quán)利要求6所述的角速度傳感器，其中，所述合金膜是鉑(Pt)-鈦(Ti)膜或銥(Tr)-鈦(Ti)膜。
9.如權(quán)利要求2所述的角速度傳感器，其中，所述第一電極和所述第二電極和所述第五電極，由設(shè)于下層的鈦(Ti)膜，設(shè)于上層的鉑(Pt)-鈦(Ti)膜或銥(Ir)-鈦(Ti)膜構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求9所述的角速度傳感器，其中，所述鉑(Pt)-鈦(Ti)膜和所述壓電薄膜之間，或者所述銥(Ir)-鈦(Ti)膜和所述壓電薄膜之間，進一步具有添加鑭(La)和鎂(Mg)的鈦酸鉛(PLMT)膜。
11.如權(quán)利要求2所述的角速度傳感器，其中，所述第一壓電薄膜和所述第二壓電薄膜和所述第三壓電薄膜，由鈦鋯酸鉛(PZT)或鈦鋯酸鉛(PZT)系構(gòu)成，所述鈦鋯酸鉛(PZT)系，添加Mg，Nb，Mn中至少其中之一。
12.如權(quán)利要求11所述的角速度傳感器，其中，所述第一壓電薄膜和所述第二壓電薄膜和所述第三壓電薄膜，它們的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的任一個面，與所述臂的主面平行地優(yōu)先取向。
13.如權(quán)利要求12所述的角速度傳感器，其中，所述結(jié)晶結(jié)構(gòu)是菱形結(jié)晶結(jié)構(gòu)或正方結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所述優(yōu)先取向的面是(001)面方位。
14.如權(quán)利要求12所述的角速度傳感器，其中，所述結(jié)晶結(jié)構(gòu)是菱形結(jié)晶結(jié)構(gòu)或正方結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所述優(yōu)先取向的面是(111)面方位。
15.如權(quán)利要求2所述的角速度傳感器，其中，所述驅(qū)動部，設(shè)置在從至少任一個的所述臂的主面的中央部至所述基部之間，所述檢測部設(shè)置為比所述第一電極及所述第二電極更靠近臂的前端側(cè)。
全文摘要
提供一種抑制振動體的驅(qū)動共振頻率的波動，提高對外加角速度的檢測信號的靈敏度的可靠性的角速度傳感器。該角速度傳感器具有振動體，作為該振動體的音叉，用以面方位(100)為主面的硅基板形成，與該音叉的臂的驅(qū)動方向(X方向)大致正交的側(cè)面，成為彈性模量對方位角的依賴性小的面方位。
文檔編號G01C19/56GK1545611SQ0380084
公開日2004年11月10日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月10日
發(fā)明者林道彥, 多鹿博文, 中谷將也, 也, 文 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社