專利名稱：薄膜微型機(jī)械式諧振器、薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀、使用該薄膜微型機(jī)械式諧振器陀 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜微型機(jī)械式諧振器、薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀、使用該薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的導(dǎo)航系統(tǒng)及汽車。
背景技術(shù)：
作為以往的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，例如已知有美國專利第5438231號(hào)中所公布的技術(shù)。
對于該薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，將使用圖14、圖15進(jìn)行說明。
圖14是該薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的立體圖。
圖15是圖14所示的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的驅(qū)動(dòng)部的E-E剖面圖。
圖14中，音叉101由具有2個(gè)臂102、103的非壓電材料制成。壓電薄膜104、105分別被配置在音叉101的臂102、103的主平面上。電極106、107、108、109、110、111分別與壓電薄膜104、105連接。通過在電極107、108、110、111上加上交流電壓，音叉101即發(fā)生諧振。
圖15中，臂102的中心線121上，在壓電薄膜104的上部，表示有未設(shè)置電極107、108的部分的寬131。箭頭141表示從電極107朝向電極108對壓電薄膜104施加的電場的方向。
在此種薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀中，分別與電極107、108相面對的電極106形成連續(xù)的一片的形狀。所以，很容易產(chǎn)生對箭頭141所示的驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分。
另外，設(shè)于電極107、108之下的壓電薄膜104也形成連續(xù)的一片的形狀。所以，例如當(dāng)使被電極107和電極106夾持的壓電薄膜104沿Y軸方向拉伸時(shí)，連續(xù)的壓電薄膜104的寬131的部分會(huì)抑制其拉伸。同樣，當(dāng)使被電極108和電極106夾持的壓電薄膜104沿Y軸方向收縮時(shí)，具有寬131的連續(xù)的壓電薄膜104會(huì)抑制其收縮。
由于所述的原因，音叉101的驅(qū)動(dòng)效率會(huì)降低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種提高了驅(qū)動(dòng)效率的薄膜微型機(jī)械式諧振器、因驅(qū)動(dòng)效率的提高而使對所加的角速度的檢測靈敏度提高的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀、使用該薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的導(dǎo)航系統(tǒng)及汽車。
本發(fā)明的薄膜微型機(jī)械式諧振器(以下稱為諧振器)中，音叉由具有至少2個(gè)臂和連接臂的至少1個(gè)基部的非壓電材料制成。
第1電極被設(shè)置在臂當(dāng)中至少一個(gè)臂的至少一個(gè)主平面上的比中心線更靠內(nèi)側(cè)的位置上。
第2電極被設(shè)置在主平面上的比中心線更靠外側(cè)的位置上，與第1電極分離。第1壓電薄膜設(shè)于第1電極上。第2壓電薄膜設(shè)于第2電極上。第3電極設(shè)于第1壓電薄膜上。第4電極設(shè)于第2壓電薄膜上。
這里，在第3、第4電極上加有相互反相的交流電壓。這樣，音叉就會(huì)以與臂主平面的中心線成直角的方向(X方向)作為諧振方向而進(jìn)行諧振。
利用該構(gòu)成，可以減少對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分，并且可以不妨礙壓電薄膜的伸縮。所以，薄膜微型機(jī)械式諧振器的驅(qū)動(dòng)效率提高。
另外，本發(fā)明的諧振器陀螺儀與所述的諧振器相同，由具有至少2個(gè)臂和連接臂的至少1個(gè)基部的非壓電材料制成。
另外，驅(qū)動(dòng)部包括所述的第1電極、第1壓電薄膜、第3電極、第2電極、第2壓電薄膜、第4電極。如上所述，在第3、第4電極上加有相互反相的交流電壓，音叉以X方向作為諧振方向進(jìn)行諧振。
另外，檢測部被設(shè)置在至少1個(gè)臂的至少1個(gè)主平面上。檢測部檢測出與在與主平面成直角的方向(Z方向)上產(chǎn)生的由所加的角速度引起的哥氏力對應(yīng)的臂的彎曲，并以電或光學(xué)方式輸出。
利用該構(gòu)成，可以減少對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分，并且可以不妨礙壓電薄膜的伸縮。所以，在該陀螺儀中，驅(qū)動(dòng)效率提高，對于所施加的角速度的檢測靈敏度提高。
另外，本發(fā)明的諧振器陀螺儀包括如下的檢測部和引線部。
檢測部包括第5電極、第3壓電薄膜和第6電極。
第5電極與設(shè)于主平面上的第1、第2電極分離，并且被設(shè)置在比第1、第2電極更靠臂的頭端側(cè)的位置上。第3壓電薄膜設(shè)于第5電極上。第6電極設(shè)于第3壓電薄膜上。
引線部包括第1引出電極和第2引出電極。
第1引出電極與第1、第2電極分離，設(shè)于它們之間，與所述第5電極連接。第4壓電薄膜設(shè)于第1引出電極上。第2引出電極設(shè)于第4壓電薄膜上，與第6電極連接。
這里，由臂的彎曲而引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的電荷被第6電極檢測出來。
利用該構(gòu)成，可以減少對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分，并且可以不妨礙壓電薄膜的伸縮。所以，在該陀螺儀中，驅(qū)動(dòng)效率提高，對于所施加的角速度的檢測靈敏度提高。
另外，使用第4壓電薄膜作為第1引出電極和第2引出電極之間的絕緣膜。該構(gòu)成能夠提高批量生產(chǎn)效率。
另外，這些諧振器陀螺儀能夠用于導(dǎo)航系統(tǒng)中。
另外，這些諧振器陀螺儀能夠在汽車中作為檢測偏航率(yaw rate)、側(cè)傾(rolling)、縱擺(pitching)中任意一種的傳感器使用。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的薄膜微型機(jī)械式諧振器的立體圖。
圖2是實(shí)施方式1的諧振器的臂的A-A剖面圖。
圖3是用于說明實(shí)施方式1的諧振器的驅(qū)動(dòng)部的動(dòng)作的立體圖。
圖4是用于說明實(shí)施方式1的諧振器的驅(qū)動(dòng)部的動(dòng)作的立體圖。
圖5是表示構(gòu)成實(shí)施方式1的諧振器的臂的材料的剛性的特性圖。
圖6是說明菱形晶構(gòu)造的壓電薄膜的極化狀態(tài)的圖。
圖7是說明正方晶構(gòu)造的壓電薄膜的極化狀態(tài)的圖。
圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式2的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的立體圖。
圖9是實(shí)施方式2的諧振器陀螺儀的臂的B-B剖面圖。
圖10A是從本發(fā)明的實(shí)施方式3的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的一側(cè)的主平面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖。
圖10B是從實(shí)施方式3的諧振器陀螺儀的另一側(cè)的主平面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖。
圖11是實(shí)施方式3的諧振器陀螺儀的臂的C-C剖面圖。
圖12是本發(fā)明的實(shí)施方式4的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的立體圖。
圖13是實(shí)施方式4的諧振器陀螺儀的臂的D-D剖面圖。
圖14是以往的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的立體圖。
圖15是以往的諧振器陀螺儀的驅(qū)動(dòng)部的E-E剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將使用圖1到圖13對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
(實(shí)施方式1)圖1是實(shí)施方式1的薄膜微型機(jī)械式諧振器的立體圖。
圖2是該諧振器的臂的A-A剖面圖。
圖3是用于說明該諧振器的驅(qū)動(dòng)部的動(dòng)作的立體圖。
圖4是用于說明該諧振器的驅(qū)動(dòng)部的動(dòng)作的立體圖。
圖5是表示構(gòu)成該諧振器的臂的材料的剛性的特性圖。
圖6是說明菱形晶構(gòu)造的壓電薄膜的極化狀態(tài)的圖。
圖7是說明正方晶構(gòu)造的壓電薄膜的極化狀態(tài)的圖。
圖1～圖4中，薄膜微型機(jī)械式諧振器(以下稱為諧振器)如下構(gòu)成。
諧振器1包括臂2、3和基部4，諧振器1具有主平面5。
臂2、3被中心線6、7分為外側(cè)和內(nèi)側(cè)。
第1電極10、第2電極11被相互分離地分別設(shè)置在臂2的主平面5上的中心線6的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。
另一個(gè)第1電極12和另一個(gè)第2電極13被相互分離地分別設(shè)置在臂3的主平面5上的中心線7的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。
第1壓電薄膜14、16被分別設(shè)置在第1電極10、12上。
第2壓電薄膜15、17被分別設(shè)置在第2電極11、13上。
第3電極18、20被分別設(shè)置在第1壓電薄膜14、16上。
第4電極19、21被分別設(shè)置在第2壓電薄膜15、17上。
諧振器1將由具有2個(gè)臂2、3和連接臂2、3的基部4的硅(Si)構(gòu)成的音叉作為基體材料。
如上所述，臂2上的第1壓電薄膜14和第2壓電薄膜15夾隔中心線6而分離。同樣，臂3上的第1壓電薄膜16和第2壓電薄膜17也夾隔中心線7而分離。另外，第3電極18和第4電極19也夾隔中心線6而分離。第3電極20和第4電極21也夾隔中心線7而分離。
第1壓電薄膜14、16、第2壓電薄膜15、17都是鈦酸鋯酸鉛(PZT)。
以下對諧振器1的制作過程進(jìn)行簡單的說明。
首先，準(zhǔn)備厚度大約0.2mm的(110)面的Si晶片。
在該Si晶片上，利用濺射或蒸鍍，將構(gòu)成第1電極10、12、第2電極11、13的下部側(cè)的Ti制成厚度大約100的膜。在其之上，利用濺射或蒸鍍，將構(gòu)成這些電極的上部側(cè)的Pt-Ti等材料制成厚度大約4000的膜。
然后，在其之上，利用濺射形成能夠?qū)⒂糜讷@得PZT等壓電薄膜的良好的取向的制造條件的容許范圍拓寬的、添加了鑭和鎂的鈦酸鉛(PLMT)膜(未圖示)，使得其厚度大約為200。
在其之上，利用濺射形成作為第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的鈦酸鋯酸鉛(PZT)的膜，使得其厚度大約為2～3μm。
其后，利用濺射或蒸鍍形成作為第3電極18、20和第4電極19、21的構(gòu)成下部側(cè)的Ti的膜，使得其厚度達(dá)到大約25。在其之上，利用濺射或蒸鍍，形成構(gòu)成上部側(cè)的Au、Cr、Al、Cu、Ti等材料的膜，使得其厚度達(dá)到大約3000。
Ti膜與PZT等壓電薄膜和Au膜的密接性很強(qiáng)。Au膜電阻很小，并且可以構(gòu)成穩(wěn)定的上部電極。
其后，使用光刻技術(shù)和干式蝕刻技術(shù)，對如圖1、圖2所示的第3電極18、20和第4電極19、21、第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17、PLMT膜、第1電極10、12和第2電極11、13、臂2、3、基部4進(jìn)行加工，得到音叉形狀的諧振器1。
此時(shí)，諧振器1的振動(dòng)方向(X方向)和Si的(1-11)面或(-111)面被按照成直角的方式進(jìn)行圖案處理。利用該處理，在振動(dòng)方向上，可以使用材料的楊氏模量較高的方向，即剛性較高的方向，這樣就可以獲得固有諧振頻率較高的諧振器1。
利用所述的過程制成的諧振器1的尺寸為，全寬為1mm，全長為5mm，全厚為0.2mm，驅(qū)動(dòng)方向(X方向)的1次模式的諧振頻率f為17kHz。
下面對該諧振器1的動(dòng)作原理進(jìn)行說明。
圖3、圖4中，箭頭31表示極化方向，箭頭32、33表示第1壓電薄膜14的伸縮方向。
圖3、圖4中，在第1電極10和第3電極18之間，加有大約DC20V。此時(shí)，被兩電極10、18夾持的第1壓電薄膜14的極化矢量的方向指向同一方向。
例如，當(dāng)按照使第1電極10為正極側(cè)，使第3電極18為負(fù)極側(cè)的方式加上DC電壓時(shí)，極化矢量朝向如箭頭31所示的方向。
以上僅對第1壓電薄膜14進(jìn)行了說明。第1壓電薄膜16、第2壓電薄膜15、17也相同，極化矢量朝向如箭頭31所示的方向。
對于第1壓電薄膜14，也如圖3所示，當(dāng)?shù)?電極18側(cè)被加以電壓而使之比第1電極10側(cè)電位更高時(shí)，第1壓電薄膜14即向與箭頭31所示方向的極化矢量垂直的箭頭32的方向拉伸。相反，當(dāng)如圖4所示，第3電極18側(cè)被加以電壓而使之比第1電極10側(cè)電位更低時(shí)，第1壓電薄膜14即向與箭頭31所示方向的極化矢量垂直的箭頭33的方向收縮。
所以，當(dāng)將第1電極10設(shè)為GND電極或假想GND電極，在第3電極18上加上交流電壓時(shí)，第1壓電薄膜14即如箭頭32、33所示那樣伸縮。
以上對設(shè)于臂2上的內(nèi)側(cè)的驅(qū)動(dòng)部進(jìn)行了說明。
設(shè)于臂2上的外側(cè)的驅(qū)動(dòng)部、設(shè)于臂3上的內(nèi)側(cè)、外側(cè)的驅(qū)動(dòng)部也相同地進(jìn)行動(dòng)作。
另外，當(dāng)在圖2所示的第3電極18和第4電極19上，加上相互間相位相差180°的交流電壓時(shí)，在第1壓電薄膜14拉伸的情況下，第2壓電薄膜15收縮。相反，在第1壓電薄膜14收縮的情況下，第2壓電薄膜15拉伸。
基于以上的原理，當(dāng)在第3電極18、20上加上相同相位的交流電壓，在第4電極19、21上加上與第3電極18、20相反相位的交流電壓時(shí)，臂2、3在X方向上沿相反的方向進(jìn)行音叉諧振。
另外，為了使第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的伸縮量更均等，使諧振器1更穩(wěn)定地振動(dòng)，最好采用如下的構(gòu)成。
將第1電極10、12和第2電極11、13、第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17及第3電極18、20和第4電極19、21，相對于臂2、3的各自的中心線6、7基本對稱地配置。
這樣，在第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電場的平衡得到改善。所以，第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的伸縮就會(huì)均等。這樣就很難產(chǎn)生朝向諧振器1的特定的振動(dòng)方向(X方向)以外的振動(dòng)偏差。其結(jié)果是，諧振器1的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)一步提高。
另外，通過使構(gòu)成諧振器1的臂2、3、基部4也相對于平行于臂2、3的軸基本上對稱，就可以獲得穩(wěn)定的諧振。
本實(shí)施方式1中，對于在諧振器1的兩個(gè)臂2、3的一側(cè)的主平面5上設(shè)置第1、第2、第3、第4電極及第1、第2壓電薄膜的構(gòu)成進(jìn)行了說明。
另外，也可以僅在一個(gè)臂的一側(cè)的主平面上或兩個(gè)主平面上設(shè)置第1、第2、第3、第4電極及第1、第2壓電薄膜，通過驅(qū)動(dòng)諧振器1來使之諧振。
圖5是表示Si(110)面晶片中剛性隨方向而變化的特性圖。
縱軸為剛性，橫軸為與方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，以0度的<1-10>方向作為基點(diǎn)。
另外，在圖5中，發(fā)現(xiàn)45度或135度的剛性達(dá)到最大。旋轉(zhuǎn)角度45度、135度分別對應(yīng)于<1-11>方向和<-111>方向。所以，當(dāng)諧振器1的諧振方向被選定為剛性達(dá)到最大的<1-11>方向、<-111>方向時(shí)，就可以獲得具有更高的固有諧振頻率的諧振器。
圖6表示使(001)面平行于圖1所示的臂2、3的主平面5取向的菱形晶構(gòu)造的第1、第2壓電薄膜14、16、15、17在沿<001>方向進(jìn)行了極化處理后的極化狀態(tài)。
相對于施加于第1、第2壓電薄膜14、16、15、17的<001>方向的驅(qū)動(dòng)電場，4個(gè)極化矢量方向<111>、<1-11>、<-1-11>、<-111>等價(jià)。所以，即使對諧振器1施加較大的驅(qū)動(dòng)電場，4個(gè)極化矢量也不會(huì)旋轉(zhuǎn)。因此，壓電常數(shù)的滯后量(hysteresis)變小，從而可以獲得滯后量較小的諧振器1。
圖7表示其他的壓電薄膜的例子，表示使(111)面平行于圖1所示的臂2、3的主平面5取向的正方晶構(gòu)造的第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17在沿<111>方向進(jìn)行了極化處理后的極化狀態(tài)。
相對于施加于第1、第2壓電薄膜14、16、15、17的<111>方向的電場，3個(gè)極化矢量方向<100>、<010>、<001>等價(jià)。所以，即使施加較大的驅(qū)動(dòng)電場，極化矢量也不會(huì)旋轉(zhuǎn)，因此，壓電常數(shù)的滯后量較小。
所以，可以獲得滯后量較小的諧振器1。
如圖1所示，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)部的第1電極10、12和第2電極11、13、第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17、第3電極18、20和第4電極19、21最好設(shè)于從臂2、3的主平面5的中央部到基部4附近之間。這是因?yàn)?，此時(shí)，2次模式的諧振頻率的導(dǎo)納(admittance)較小，可以獲得穩(wěn)定的振動(dòng)。
其詳細(xì)原因如下所示。
在臂2、3的主平面5上，將第1電極10、12和第2電極11、13、第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17、第3電極18、20和第4電極19、21配置在比臂2、3的中央部更靠頭端側(cè)的位置上。此時(shí)，X方向的2次模式的諧振頻率(f＝110kHz)的導(dǎo)納就會(huì)比諧振器1的臂2、3的驅(qū)動(dòng)方向(X方向)的1次模式的諧振頻率(f＝17kHz)的導(dǎo)納更大。
所以，例如即使以1次模式的諧振頻率使諧振器1振動(dòng)，當(dāng)從外部施加沖擊等時(shí)，以2次模式的諧振頻率進(jìn)行振動(dòng)的可能性很大。
在以上的說明中，第1電極10、12和第2電極11、13被設(shè)為GND電極或假想GND電極。在第3電極18、20上加上相同相位的交流電壓。在第4電極19、21上加上與第3電極18、20相反相位的交流電壓。
第1電極10和第2電極11及第1電極12和第2電極13分別分離。所以，也可以如下所示地對各電極加上交流電壓。
在第1電極10、12和第4電極19、21上，加上同相的交流電壓。此時(shí)，第2電極11、13和第3電極18、20被加上同相的交流電壓。這里，加在第1電極10、12和第2電極11、13上的交流電壓就會(huì)變成反相。這樣就能夠增大可以施加在各壓電薄膜14、16、15、17上的驅(qū)動(dòng)電場。同時(shí)，可以對施加在各壓電薄膜14、16、15、17上的驅(qū)動(dòng)電場進(jìn)行微調(diào)。而且，諧振器的起動(dòng)時(shí)間變短。另外，還可以降低用于驅(qū)動(dòng)諧振器的電能消耗。
如圖1、圖2所示，第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的面積分別大于第3電極18、20和第4電極19、21的面積。
第1電極10、12和第2電極11、13的面積分別大于第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的面積。所以，即使當(dāng)在第3電極18、20和第4電極19、21或第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的任意一個(gè)中產(chǎn)生圖案的偏移時(shí)，也可以防止第3電極18、20和第1電極10、12的各自之間的短路及第4電極19、21和第2電極11、13的各自之間的短路。
在以上的說明中，如圖1、圖2所示，第1電極10、12、第2電極11、13、第1壓電薄膜14、16、第2壓電薄膜15、17都顯露出來。
另外，第1電極10、12、第2電極11、13、第1壓電薄膜14、16、第2壓電薄膜15、17的周邊部也可以由聚酰亞胺等絕緣膜覆蓋。這樣，即使當(dāng)在第3電極18、20、第4電極19、21、第1壓電薄膜14、16、第2壓電薄膜15、17的任意一個(gè)中產(chǎn)生較大的圖案的偏移時(shí)，也可以防止第3電極18、20和第1電極10、12的各自之間的短路及第4電極19、21和第2電極11、13的各自之間的短路。
另外，本實(shí)施方式1中，在音叉構(gòu)造體中使用Si。這是因?yàn)椋琒i機(jī)械強(qiáng)度較大，能夠使音叉以較大振幅進(jìn)行諧振，另外，利用半導(dǎo)體加工技術(shù)可以很容易地進(jìn)行高精度的加工。
另外，在音叉構(gòu)造體中也可以使用其他非壓電材料，例如，金剛石、熔融石英、鋁、GaAs等。
另外，本實(shí)施方式1中，第1電極10、12和第2電極11、13由設(shè)于其下部的Ti膜和設(shè)于上部的Pt-Ti膜構(gòu)成。由于Ti膜與Si及Pt-Ti膜的密接性良好，因此與由Si制成的主平面5及Pt-Ti膜牢固地密接。
另外，在Pt-Ti膜之上，可以很好地形成由使(001)面平行于臂2、3的主平面5取向的菱形晶構(gòu)造的PZT、或使(111)面平行取向的正方晶構(gòu)造的PZT構(gòu)成的第1、第2壓電薄膜14、16、15、17。所以，可以獲得滯后量較小的諧振器1。
另外，在第1電極10、12和第2電極11、13的上部側(cè)，也可以使用Ir-Ti膜等。
但是，并不一定僅限于這些構(gòu)成。
另外，本實(shí)施方式1中，使用PZT作為壓電薄膜的材料進(jìn)行了說明。另外，也可以使用在PZT中添加了Mg、Nb、Mn中至少1種的PZT類材料。PZT、PZT類的材料由于其壓電常數(shù)較大，因此電·機(jī)械變換效率增高。
形成壓電薄膜的方法除了濺射法以外，還可以采用蒸鍍法、溶膠凝膠法、激光磨蝕法、水熱合成法、CVD法。
另外，形成于第3電極18、20和第4電極19、21的各自的下側(cè)的第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17、第1電極10、12、第2電極11、13分別被分離。所以，減少了對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分，并且不會(huì)妨礙壓電薄膜的伸縮，從而使得諧振器1的驅(qū)動(dòng)效率提高。
另外，如圖1所示，僅在音叉形狀的諧振器1的一方的主平面5上形成第1、第2、第3、第4電極及第1、第2壓電薄膜。所以，可以利用簡單的工序制作諧振器1，從而具有優(yōu)良的批量生產(chǎn)效率。
另外，在本實(shí)施方式中，音叉的主平面5使用Si的(110)面晶片。
另外，也可以使用Si的(100)面晶片。對于該晶片，當(dāng)以旋轉(zhuǎn)角度0度的<010>方向?yàn)榛c(diǎn)，考察剛性隨方向的變化時(shí)，在<010>方向、<011>方向或<001>方向上，剛性相對于角度的偏移的變化變小。
所以，也可以使(100)面晶片的(010)面、(011)面或(001)面與諧振方向(X方向)成直角，來形成諧振器。這樣，剛性相對于角度的偏移的變化較小，從而可以獲得音叉的固有諧振頻率的偏差較小的諧振器。
另外，由于Si的<011>方向的剛性較大，因此通過以該方向作為諧振方向，就可以獲得固有諧振頻率較高的諧振器。
(實(shí)施方式2)圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式2的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀的立體圖。
圖9是該諧振器陀螺儀的臂的B-B剖面圖。
在本實(shí)施方式2中，對于與實(shí)施方式1中所述構(gòu)成相同的構(gòu)成部分使用相同的編號(hào)，省略詳細(xì)的說明，僅對不同部分進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖8、圖9中，表示薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀40(以下稱為諧振器陀螺儀)。
在諧振器陀螺儀40中，在從由Si制成的臂2、3的主平面5上的大致中央部到頭端之間，設(shè)有用于檢測所加的角速度的檢測部。
臂2之上的檢測部包括設(shè)于臂2的主平面5上的第5電極41、第3壓電薄膜43和第6電極45。臂3之上的檢測部包括設(shè)于臂3的主平面5上的第5電極42、第3壓電薄膜44和第6電極46。
第3壓電薄膜設(shè)于第5電極的電極上。第6電極設(shè)于第3壓電薄膜之上。
在第5電極41、42中，與第1電極10、12和第2電極11、13相同，由厚度大約100的Ti膜構(gòu)成其下部側(cè)。由厚度大約4000的Pt-Ti等材料形成的膜構(gòu)成其上部側(cè)。
在由構(gòu)成第5電極的上部側(cè)的Pt-Ti等材料形成的膜和由PZT等形成的第3壓電薄膜之間，設(shè)有厚度大約200的PLMT膜。
另外，在第6電極45、46中，與第3電極18、20和第4電極19、21相同，厚度大約25的Ti膜構(gòu)成其下部側(cè)。由厚度大約3000的Au等材料形成的膜構(gòu)成其上部側(cè)。
第1引出電極47被設(shè)于臂2的主平面5上，使之包括中心線6，并且與第1電極10、第2電極11分離。第1引出電極47與第5電極41連接。
第1引出電極47與第5電極41相同，由構(gòu)成下部側(cè)的厚度大約為100的Ti膜和位于其上構(gòu)成上部側(cè)的厚度大約4000的由Pt-Ti等材料構(gòu)成的膜形成。
絕緣膜48由聚酰亞胺等制成，覆蓋第1引出電極47，并且填充第1電極10和第2電極之間的空隙及第1壓電薄膜14和第2壓電薄膜15之間的空隙。
另外，在絕緣膜48之上設(shè)有第2引出電極50，使之包括中心線6，并且與第3電極18、第4電極19分離，其與第6電極45連接。
第2引出電極50與第6電極45相同，由構(gòu)成下部側(cè)的厚度大約為25的Ti膜和位于其上構(gòu)成上部側(cè)的厚度大約3000的由Au等材料構(gòu)成的膜形成。
在臂3的主平面5上設(shè)有第1引出電極，使之包括中心線7(未圖示)，并且與第1、第2電極12、13分離。該第1引出電極與第5電極42連接。在該第1引出電極之上，設(shè)有與絕緣膜48相同構(gòu)成的絕緣膜49。
另外，在絕緣膜49之上設(shè)有第2引出電極51，使之包括中心線7(未圖示)，并且與第3、第4電極20、21分離。該第2引出電極51與第6電極46連接。
在本實(shí)施方式2中，如圖8、圖9所示，第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的面積也分別大于第3電極18、20和第4電極19、21的面積。
另外，第1電極10、12和第2電極11、13的面積也分別大于第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17的面積。
所以，即使當(dāng)在第3電極、第4電極、第1壓電薄膜和第2壓電薄膜的任意一個(gè)中產(chǎn)生圖案的偏移時(shí)，也可以防止第1電極和第3電極、第2電極和第4電極的各自的短路。
另外，第3壓電薄膜的面積大于第6電極的面積。第5電極的面積大于第3壓電薄膜的面積。所以，即使當(dāng)?shù)?電極或第3壓電薄膜上產(chǎn)生了圖案的偏移時(shí)，也可以防止第6電極和第5電極的短路。
在圖8、圖9中，絕緣膜48、49填充第1電極和第2電極之間的空隙及第1壓電薄膜和第2壓電薄膜之間的空隙。
另外，更為理想的是，還可以使絕緣膜覆蓋包括第1電極、第2電極的整個(gè)側(cè)面的全部周邊部分及包括第1壓電薄膜、第2壓電薄膜的整個(gè)側(cè)面的全部周邊部分。
另外，更為理想的是，還可以使絕緣膜覆蓋包括第5電極的整個(gè)側(cè)面的全部周邊部分及包括第3壓電薄膜的整個(gè)側(cè)面的全部周邊部分。
利用此種構(gòu)成，即使在第3電極、第4電極、第6電極、第1壓電薄膜、第2壓電薄膜、第3壓電薄膜的任意一個(gè)中產(chǎn)生較大的圖案偏移的情況下，也可以防止在第1電極和第3電極之間、在第2電極和第4電極之間及在第5電極和第6電極之間發(fā)生短路。
另外，諧振器陀螺儀40的尺寸為，全寬1mm，全長5mm，全厚約0.2mm，驅(qū)動(dòng)方向(X方向)的1次模式的諧振頻率f如實(shí)施方式1中所述，為17kHz。與主平面5成直角的方向即檢測方向(Z方向)的1次模式的諧振頻率f為16kHz。
下面對角速度的檢測原理進(jìn)行說明。
如實(shí)施方式1中說明所示，在臂2、3沿X方向以f＝17kHz進(jìn)行諧振的狀態(tài)下，當(dāng)繞Y軸施加角速度時(shí)，臂2、3即受哥氏力作用而在Z軸方向互相反向彎曲。由于該彎曲，在分別設(shè)于臂2、3上的第3壓電薄膜43、44上，分別產(chǎn)生反向的電荷。通過由第6電極45、46檢測出該反向的電荷，即可獲得與所施加的角速度對應(yīng)的輸出。
如實(shí)施方式1中說明所示，第1電極、第1壓電薄膜與第2電極、第2壓電薄膜夾隔臂的中心線而相互分離。所以，就會(huì)減少對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分。另外，壓電薄膜的伸縮也很難被干擾。所以，在該諧振器陀螺儀40中，驅(qū)動(dòng)效率提高，對所施加的角速度的檢測輸出靈敏度也得到改善。
另外，用于驅(qū)動(dòng)的第1壓電薄膜、第2壓電薄膜與用于檢測的第3壓電薄膜也被分離。所以，在第3電極、第4電極各自與第6電極之間產(chǎn)生的電容耦合成分就會(huì)減少。
所以，在諧振器陀螺儀40中，對于所施加的角速度，可以獲得穩(wěn)定的檢測輸出。例如，相對于溫度變化，可以獲得穩(wěn)定度高的檢測輸出。
另外，在本實(shí)施方式2中，也與實(shí)施方式1相同，描述了如下所述的情況。
即，第1、第2電極被設(shè)為GND電極或假想GND電極，在第3電極上加上同相的交流電壓，在第4電極上加上與第3電極反相的交流電壓。
也可以按照第1與第4電極同相，第2與第3電極同相，第1與第2電極反向的方式，在各個(gè)電極上加上交流電壓。此時(shí)，可以施加在各壓電薄膜14、16、15、17上的驅(qū)動(dòng)電場更大。所以，在該諧振器陀螺儀40中，其驅(qū)動(dòng)效率進(jìn)一步提高，對所施加的角速度的檢測靈敏度也進(jìn)一步提高。另外，還可以縮短起動(dòng)時(shí)間，以較低的電能消耗來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
另外，與實(shí)施方式1相同，第3和第4電極、第1和第2壓電薄膜被相對于臂的中心線分別對稱地配置。所以，在諧振器陀螺儀40中，很難發(fā)生向特定的振動(dòng)反向(X方向)以外的反向的振動(dòng)偏移。所以，對于所施加的角速度，能夠以更高的靈敏度獲得高質(zhì)量的檢測輸出。
另外，第3壓電薄膜分別與第1、第2壓電薄膜分離。而且，第6電極分別與第3、第4電極分離。所以，分別在第6電極與第3、第4電極之間產(chǎn)生的電容耦合成分減少。所以，在諧振器陀螺儀40中，對于所施加的角速度，可以獲得穩(wěn)定的檢測輸出。
另外，第1、第2電極和第3、第4電極和第1、第2壓電薄膜相對于臂的中心線分別對稱地配置。而且，相對于臂的中心線分別對稱地形成第5、第6電極和第1、第2引出電極及第3壓電薄膜43、44。
所以，分別在第3、第4電極與第6電極之間產(chǎn)生的電容耦合成分及分別在第3、第4電極和第2引出電極之間產(chǎn)生的電容耦合成分被消除。另外，在向X方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)時(shí)，在第6電極上產(chǎn)生的電荷也被消除。
所以，可以獲得極高精度的諧振器陀螺儀40。
本實(shí)施方式2中，對用壓電式檢測所施加的角速度的情況進(jìn)行了說明。
除此以外，也可以使用電阻效應(yīng)、靜電電容效應(yīng)、光學(xué)拾波等來檢測角速度。
(實(shí)施方式3)圖10A是從本實(shí)施方式的諧振器陀螺儀的一方的主平面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖。
圖10B是從該諧振器陀螺儀的另一方的主平面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖。
圖11是該諧振器陀螺儀的臂的C-C剖面圖。
本實(shí)施方式3中，對于與實(shí)施方式1、2中所述的構(gòu)成相同的構(gòu)成部分使用相同編號(hào)，其詳細(xì)說明省略，僅對不同的部分進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖10、圖11中，諧振器陀螺儀60具有一方的主平面5和與其相面對的另一方的主平面61。
第5電極62、63分別設(shè)于臂2、3的主平面61上。第3壓電薄膜64、65分別設(shè)于第5電極62、63上。第6電極66、67分別設(shè)于第3壓電薄膜64、65上。
臂2的檢測部包括第5電極62、第3壓電薄膜64和第6電極66。
臂3的檢測部包括第5電極63、第3壓電薄膜65和第6電極67。
第5電極62、63、第3壓電薄膜64、65和第6電極66、67的材料、制作工序與實(shí)施方式1、2中說明的基本相同。
本實(shí)施方式3中，如圖10、圖11所示，第1壓電薄膜和第2壓電薄膜各自的面積也都大于第3電極和第4電極各自的面積。
另外，第1電極和第2電極各自的面積大于第1壓電薄膜和第2壓電薄膜各自的面積。
所以，即使在第3電極、第4電極、第1壓電薄膜、第2壓電薄膜的任意一個(gè)中產(chǎn)生圖案的偏移的情況下，也可以防止第3電極和第1電極的短路、第4電極和第2電極的短路。
另外，第3壓電薄膜64、65各自的面積大于第6電極66、67各自的面積。而且，第5電極62、63各自的面積大于第3壓電薄膜64、65的面積。所以，即使在第6電極和第3壓電薄膜的任意一個(gè)中產(chǎn)生圖案的偏移的情況下，也可以防止第6電極和第5電極的短路。
本實(shí)施方式3中，圖10A所示的驅(qū)動(dòng)部設(shè)于與圖8所示的驅(qū)動(dòng)部相同的部位上。
圖10B所示的檢測部設(shè)于由Si制成的臂2、3的主平面61上的從頭端到基部4附近的整個(gè)區(qū)域內(nèi)。
其原因如下。
檢測部基本不受驅(qū)動(dòng)方向(X方向)的諧振頻率的導(dǎo)納特性影響。另外，驅(qū)動(dòng)部未設(shè)置在與檢測部相同的位置上。所以，檢測部可以包括因哥氏力引起的在臂2、3上產(chǎn)生的變形最大的基部4附近。所以，可以增大檢測部的檢測面積。
在上述說明中，表示了檢測部跨越臂2、3兩者的全部范圍而構(gòu)成的情況。
檢測部也可以被設(shè)置在臂2、3的任意一方的至少任意一方的主平面61的從大致中央部到基部4附近之間。
本實(shí)施方式3中，驅(qū)動(dòng)部、檢測部也都被設(shè)置在臂2、3的兩主平面5、61的從中央部到基部4附近之間。所以，對于所施加的角速度的檢測輸出的精度提高。另外，還可以獲得高靈敏度的檢測輸出。
這里，也如實(shí)施方式1、2中說明所示，第1、第2電極和第1、第2壓電薄膜夾隔臂的中心線而被分離。所以，對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分減少，并且壓電薄膜的伸縮也很難被干擾。
所以，在諧振器陀螺儀60中，其驅(qū)動(dòng)效率提高，對所施加的角速度的檢測輸出的靈敏度提高。
另外，用于驅(qū)動(dòng)的第1、第2壓電薄膜和用于檢測的第3壓電薄膜64、65也被分離。所以，第3、第4電極和第6電極66、67之間產(chǎn)生的電容耦合成分減少。所以，即使在諧振器陀螺儀60中，對于所施加的角速度，也可以獲得穩(wěn)定的檢測輸出。例如，相對于溫度變化，檢測輸出的穩(wěn)定性增高。
這里，也與實(shí)施方式1、2相同，第1、第2電極被設(shè)為GND電極或假想GND電極，在第3電極上加上同相交流電壓，在第4電極上加上與第3電極反相的交流電壓。
另外，也可以按照第1和第4電極同相，第2和第3電極同相，第1和第2電極反相的方式，加上交流電壓。此時(shí)，對各壓電薄膜所施加的驅(qū)動(dòng)電場進(jìn)一步增大。所以，在諧振器陀螺儀60中，驅(qū)動(dòng)效率也進(jìn)一步提高，對所施加的角速度的檢測靈敏度也進(jìn)一步提高。另外，在諧振器陀螺儀60中，還可以縮短其起動(dòng)時(shí)間，從而能夠以較低電能消耗來使用。
這里，也與實(shí)施方式1、2相同，第3和第4電極、第1和第2壓電薄膜也被相對于臂的中心線分別對稱地配置。所以，在諧振器陀螺儀60中，很難發(fā)生向特定的振動(dòng)方向(X方向)以外的振動(dòng)偏離。所以，對于所施加的角速度，能夠獲得的高質(zhì)量的更高靈敏度的檢測輸出。
另外，在本實(shí)施方式3中，第3壓電薄膜64、65和第1、第2壓電薄膜分離。另外，第6電極66、67和第3、第4電極分離。所以，分別在第6電極和第3、第4電極之間產(chǎn)生的電容耦合成分減少。所以，對于所施加的角速度，可以獲得穩(wěn)定化的檢測輸出。
(實(shí)施方式4)圖12是實(shí)施方式4的諧振器陀螺儀的立體圖。
圖13是該實(shí)施方式的諧振器陀螺儀的臂的D-D剖面圖。
本實(shí)施方式4中，對于與實(shí)施方式1、2、3中所述的構(gòu)成相同的構(gòu)成部分使用相同編號(hào)，其詳細(xì)說明省略，僅對不同的部分進(jìn)行詳細(xì)描述。
在圖12、圖13中，諧振器陀螺儀70的第4壓電薄膜71包括作為絕緣膜的第4壓電薄膜。
第4壓電薄膜71的材料、制作工序也與實(shí)施方式1、2、3中說明的基本相同。
第1引出電極47設(shè)于臂2的主平面5上，包括中心線6，并且與第1電極10、第2電極11分離。
第1引出電極47與第5電極41連接。在第1引出電極47上，利用厚約200的PLMT膜，設(shè)有第4壓電薄膜71。
這里，第4壓電薄膜71由與第1、第2、第3壓電薄膜14、15、43相同厚度的PZT等構(gòu)成。
第4壓電薄膜71與第3壓電薄膜43連接。另外，在該第4壓電薄膜71之上，設(shè)有第2引出電極50。
另外，在臂3的主平面5上，也以與設(shè)于所述的臂2的主平面5上的構(gòu)成完全相同的構(gòu)成，在第1引出電極54上，設(shè)有第4壓電薄膜74、第2引出電極51。
這里，在第1引出電極47、48和第2引出電極50、51的各自之間，使用第4壓電薄膜71、72作為絕緣膜。所以，批量生產(chǎn)效率提高。
本實(shí)施方式4中，也與實(shí)施方式1、2、3相同，第1電極和第2電極、第1壓電薄膜和第2壓電薄膜夾隔臂的中心線而被分離。所以，對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分減少，并且不會(huì)妨礙壓電薄膜的伸縮。
所以，可以獲得驅(qū)動(dòng)效率提高、并且對所施加的角速度的檢測輸出的靈敏度提高的諧振器陀螺儀70。
另外，用于驅(qū)動(dòng)的第1壓電薄膜14、16和第2壓電薄膜15、17和用于檢測的第3壓電薄膜43、44也被分離。所以，在第3電極18、第4電極19和第6電極45之間、在第3電極20、第4電極21和第6電極46之間產(chǎn)生的電容耦合成分減少。所以，在諧振器陀螺儀70中，可以獲得對所施加的角速度的穩(wěn)定的檢測輸出。即，例如，相對于溫度變化，可以獲得穩(wěn)定化的檢測輸出。
另外，與實(shí)施方式1、2、3相同，第1電極、第2電極被設(shè)為GND電極或假想GND電極。這里，在第3電極上加上同相交流電壓，在第4電極上加上與第3電極反相的交流電壓。
另外，也可以按照第1和第4電極同相，第2和第3電極同相，第1和第2電極反相的方式，加上交流電壓。此時(shí)，能夠進(jìn)一步增大可對各壓電薄膜14、16、15、17所施加的驅(qū)動(dòng)電場。
所以，驅(qū)動(dòng)效率也進(jìn)一步提高，相對于所施加的角速度的檢測靈敏度也進(jìn)一步提高。另外，還可以縮短起動(dòng)時(shí)間，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較低的電能消耗。
在本實(shí)施方式4中，也與實(shí)施方式1、2、3相同，第3電極和第4電極、第1壓電薄膜和第2壓電薄膜也分別被相對于臂的中心線對稱地配置。
所以，在諧振器陀螺儀70中，很難發(fā)生向特定的振動(dòng)方向(X方向)以外的振動(dòng)偏離。因而，對所施加的角速度的檢測輸出不易包含噪音。所以，就能夠獲得高質(zhì)量、高靈敏度的檢測輸出。
另外，在本實(shí)施方式4中，第3壓電薄膜和第1、第2壓電薄膜分離，并且，第6電極和第3、第4電極分離。所以，在第6電極45和第3電極18、第4電極19之間、第6電極46和第3電極20、第4電極21之間產(chǎn)生的電容耦合成分減少。因而對于所施加的角速度，可以獲得穩(wěn)定化的檢測輸出。
另外，在本實(shí)施方式4中，第1電極和第2電極、第3電極和第4電極、第1壓電薄膜和第2壓電薄膜相對于臂的中心線相互對稱地配置。
另外，第5、第6電極、第1、第2引出電極及第3壓電薄膜也相對于臂的中心線分別對稱地配置。
所以，就可以消除在第3、第4電極和第6電極間產(chǎn)生的電容耦合成分及在第3、第4電極和第2引出電極間產(chǎn)生的電容耦合成分。另外，還可以在向X方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)時(shí)，消除在第6電極45、46上產(chǎn)生的電荷，從而可以獲得極高精度的諧振器陀螺儀70。
在本實(shí)施方式4中，如圖12、圖13所示，第1壓電薄膜和第2壓電薄膜的面積也分別大于第3電極和第4電極的面積。另外，第1電極和第2電極的面積大于第1壓電薄膜、第2壓電薄膜的面積。
所以，即使在第3電極、第4電極、第1壓電薄膜、第2壓電薄膜的任意一個(gè)上產(chǎn)生了圖案的偏移的情況下，也不會(huì)發(fā)生第3電極和第1電極的短路或第4電極和第2電極的短路。
另外，第3壓電薄膜43、44的面積比第6電極45、46的面積大一圈。另外，第5電極41、42的面積比第3壓電薄膜43、44的面積大一圈。所以，即使在第6電極45、46和第3壓電薄膜43、44的任意一個(gè)上產(chǎn)生了圖案的偏移的情況下，也可以防止第6電極和第5電極的短路。
另外，第4壓電薄膜71、72的面積分別大于第2引出電極50、51的面積。第1引出電極47、48的面積大于第4壓電薄膜71、72的面積。所以，即使在第2引出電極50、51和第4壓電薄膜71、72的任意一個(gè)上產(chǎn)生了圖案的偏移的情況下，也可以防止第2引出電極和第1引出電極的短路。
在實(shí)施方式2、3、4中，在諧振器陀螺儀40、60、70的音叉構(gòu)造體中也使用Si。這是因?yàn)?，Si的機(jī)械強(qiáng)度很大，并且容易利用半導(dǎo)體加工技術(shù)進(jìn)行高精度的加工。所以，這些諧振器陀螺儀能夠以較大的振幅進(jìn)行音叉諧振，因而對于所施加的角速度，可以獲得高靈敏度的檢測輸出。
另外，也可以用其他的非壓電材料，例如金剛石、熔融石英、鋁、GaAs等形成音叉構(gòu)造體。
在實(shí)施方式2、3、4中，也與實(shí)施方式1相同，作為壓電薄膜，除了PZT以外，還可以使用PZT類的材料。如果壓電薄膜的壓電常數(shù)較大，電·機(jī)械轉(zhuǎn)換效率就會(huì)變高。此時(shí)，對于所施加的角速度，就可以獲得高靈敏度的檢測輸出。
另外，對于壓電薄膜的取向，也可以與實(shí)施方式1相同，使用(001)面沿臂的主平面取向的菱形晶構(gòu)造、或者(111)面沿臂的主平面取向的正方晶構(gòu)造的材料。這樣，相對于所施加的驅(qū)動(dòng)電場，多個(gè)極化矢量的角度就會(huì)完全相等。所以，對于所施加的角速度，就可以獲得穩(wěn)定化的檢測輸出。
在實(shí)施方式2、3、4中，對在兩個(gè)臂2、3上都設(shè)置了驅(qū)動(dòng)部的例子進(jìn)行了說明。另外，還可以在任意一個(gè)臂的至少任意一個(gè)主平面的從大約中央部到基部附近之間設(shè)置驅(qū)動(dòng)部。
在實(shí)施方式2、3、4中所說明的諧振器陀螺儀40、60、70對于所施加的角速度的檢測輸出精度高，并且靈敏度高。所以，通過使用該輸出，就可以獲得高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)。
另外，通過在偏航率傳感器、縱擺傳感器中使用該輸出，有助于汽車的穩(wěn)定行駛。而且，通過將該輸出用于側(cè)傾傳感器中，就可以對氣囊系統(tǒng)進(jìn)行高精度的控制。
在照相機(jī)等其他的各種各樣的設(shè)備或系統(tǒng)中，可以使用本發(fā)明的諧振器陀螺儀40、60、70。
(工業(yè)實(shí)用性)如上所示，采用本發(fā)明，就可以獲得如下的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其減少了對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分，并且不會(huì)妨礙壓電薄膜的伸縮，因而驅(qū)動(dòng)效率提高。
另外，采用本發(fā)明，由于對驅(qū)動(dòng)沒有貢獻(xiàn)的電場成分減少，并且很難干擾壓電薄膜的伸縮，因此可以獲得驅(qū)動(dòng)效率提高、并且對所施加的角速度的檢測輸出的靈敏度得以改善的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀。
另外，采用本發(fā)明，由于使用第4壓電薄膜作為第1引出電極和第2引出電極間的絕緣膜，因此可以獲得進(jìn)一步提高了批量生產(chǎn)效率的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀。
權(quán)利要求
1.一種薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，包括(a)具有至少2個(gè)臂和連接所述臂的至少1個(gè)基部的、由非壓電材料制成的音叉，(b)設(shè)于所述臂中的至少一個(gè)臂的至少1個(gè)主平面上、比其中心線更靠內(nèi)側(cè)的位置上的第1電極，(c)設(shè)于所述至少一個(gè)主平面上的比所述中心線更靠外側(cè)的位置上、并與所述第1電極分離的第2電極，(d)設(shè)于所述第1電極上的第1壓電薄膜，(e)設(shè)于所述第2電極上的第2壓電薄膜，(f)設(shè)于所述第1壓電薄膜上的第3電極，(g)設(shè)于所述第2壓電薄膜上的第4電極；通過在所述第3、第4電極上加上相互反相的交流電壓，所述音叉就會(huì)以與所述中心線成直角的方向(X方向)作為諧振方向進(jìn)行諧振。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述第1電極和所述第2電極、所述第3電極和所述第4電極及所述第1壓電薄膜和所述第2壓電薄膜被相對于所述中心線大致對稱地配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述第1、第2、第3、第4電極及所述第1、第2壓電薄膜被設(shè)于所述至少一個(gè)主平面的從大致中央部到所述基部附近之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，按照覆蓋所述第1、第2電極和所述第1、第2壓電薄膜的周邊部的方式形成有絕緣膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述音叉由硅(Si)制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述Si的(110)面晶片的(1-11)面或(-111)面與所述諧振方向成直角。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述Si的(100)面晶片的(010)面、(011)面或(001)面與所述諧振方向成直角。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，設(shè)于所述音叉的至少一個(gè)主平面上的所述第1、第2電極包括設(shè)于各自的下部的Ti膜、設(shè)于各自的上部的Pt-Ti膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，在所述Pt-Ti膜和所述壓電薄膜之間，還設(shè)置有添加了鑭和鎂的鈦酸鉛(PLMT)膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述壓電薄膜由鈦酸鋯酸鉛(PZT)或添加了從Mg、Nb、Mn中選擇的至少1種的鈦酸鋯酸鉛(PZT)類制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述壓電薄膜為(001)面沿所述至少一個(gè)主平面平行取向的菱形晶構(gòu)造或(111)面沿所述至少一個(gè)主平面平行取向的正方晶構(gòu)造。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，所述第3、第4電極包括設(shè)于各自的下部的Ti膜和設(shè)于各自的上部的Au膜。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器，其特征是，在所述第1和第4電極上加以同相交流電壓，在所述第2和第3電極上加以同相交流電壓，在所述第1和第2電極上加以反相交流電壓。
14.一種薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，包括(1)具有至少2個(gè)臂和連接所述臂的至少1個(gè)基部的、由非壓電材料制成的音叉，(2)驅(qū)動(dòng)部，其包括(a)設(shè)于所述臂中的至少一個(gè)臂的至少一個(gè)主平面上的比中心線更靠內(nèi)側(cè)的位置上的第1電極、(b)設(shè)于所述至少一個(gè)主平面上的比中心線更靠外側(cè)的位置上、并與所述第1電極分離的第2電極、(c)設(shè)于所述第1電極上的第1壓電薄膜、(d)設(shè)于所述第2電極上的第2壓電薄膜、(e)設(shè)于所述第1壓電薄膜上的第3電極、(f)設(shè)于所述第2壓電薄膜上的第4電極，(3)檢測部，其設(shè)于所述至少一個(gè)臂的所述至少一個(gè)主平面上；通過在所述第3、第4電極上加上相互反相的交流電壓，所述音叉以與所述中心線成直角的方向(X方向)作為諧振方向進(jìn)行諧振，利用所述檢測部檢測與因所加的角速度而在與所述主平面成直角的方向(Z方向)上產(chǎn)生的哥氏力對應(yīng)的所述臂的彎曲，并以電或光學(xué)形式輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第1電極和所述第2電極、所述第3電極和所述第4電極及所述第1壓電薄膜和所述第2壓電薄膜被分別相對于所述中心線大致對稱地配置。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述驅(qū)動(dòng)部被設(shè)于所述臂中的至少一個(gè)臂的所述至少一個(gè)主平面的從大約中央部到基部附近之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述檢測部被設(shè)于所述臂中的至少一個(gè)臂的所述至少任意一個(gè)主平面的從大約中央部到基部附近之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述檢測部包括按照與配置于所述至少一個(gè)主平面上的所述第1、第2電極分離的方式設(shè)置的第5電極、設(shè)于所述第5電極上的第3壓電薄膜、設(shè)于所述第3壓電薄膜上的第6電極。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，按照覆蓋所述第1、第2電極和所述第1、第2壓電薄膜的周邊部的方式形成有絕緣膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第5電極被設(shè)于比所述第1、第2電極更靠近所述臂的頭端側(cè)的位置上，第1引出電極與所述第1、第2電極分離，并被設(shè)于它們之間，所述第5電極與所述第1引出電極連接，至少所述第1、第2電極、所述第1、第2壓電薄膜的周邊部和所述第1引出電極被絕緣膜覆蓋，第2引出電極在所述絕緣膜上與所述第3、第4電極分離，并被設(shè)于它們之間，所述第6電極與所述第2引出電極連接，并且所述第1和第2電極、所述第3和第4電極、所述第5和第6電極、所述第1、第2引出電極及所述第1和第2壓電薄膜、所述第3壓電薄膜被相對于所述中心線基本對稱地配置。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述音叉由硅(Si)制成。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述Si的(110)面晶片的(1-11)面或(-111)面與所述諧振方向(X方向)成直角。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述Si的(100)面晶片的(010)面、(011)面或(001)面與所述諧振方向(X方向)成直角。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第1、第2、第5電極包括設(shè)于各自的下部的Ti膜、設(shè)于各自的上部的Pt-Ti膜。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，在所述Pt-Ti膜和所述壓電薄膜之間，還設(shè)置有添加了鑭和鎂的鈦酸鉛(PLMT)膜。
26.根據(jù)權(quán)利要求14或18所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第1、第2、第3壓電薄膜由鈦酸鋯酸鉛(PZT)或添加了從Mg、Nb、Mn中選擇的至少1種的鈦酸鋯酸鉛(PZT)類制成。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第1、第2、第3壓電薄膜為(001)面沿所述至少一個(gè)主平面平行取向的菱形晶構(gòu)造或(111)面沿所述至少一個(gè)主平面平行取向的正方晶構(gòu)造。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第3、第4、第6電極包括設(shè)于各自的下部的Ti膜和設(shè)于各自的上部的Au膜。
29.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，在所述第1和第4電極上加以同相交流電壓，在所述第2和第3電極上加以同相交流電壓，在所述第1和第2電極上加以反相交流電壓。
30.一種導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是，使用了權(quán)利要求14、18或20中所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀。
31.一種汽車，其特征是，權(quán)利要求14、18或20中所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀被作為檢測偏航率、側(cè)傾、縱擺中的任意一項(xiàng)的傳感器使用。
32.根據(jù)權(quán)利要求14所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述檢測部包括i)與設(shè)于所述至少一個(gè)主平面上的所述第1、第2電極分離并且設(shè)于比所述第1、第2電極更靠近所述臂的頭端側(cè)的位置的第5電極、ii)設(shè)于所述第5電極上的第3壓電薄膜、iii)設(shè)于所述第3壓電薄膜上的第6電極，還具有引線部，其包括i)與所述第1、第2電極分離并且設(shè)于它們之間的與所述第5電極連接的第1引出電極、ii)設(shè)于所述第1引出電極上的第4壓電薄膜、iii)設(shè)于所述第4壓電薄膜上的與所述第6電極連接的第2引出電極，利用所述第6電極檢測出因所述臂的彎曲導(dǎo)致的振動(dòng)而產(chǎn)生的電荷。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述音叉由硅(Si)制成。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述Si的(110)面晶片的(1-11)面或(-111)面與所述諧振方向(X方向)成直角。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述Si的(100)面晶片的(010)面、(011)面或(001)面與所述諧振方向(X方向)成直角。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，設(shè)于所述至少一個(gè)主平面上的所述第1、第2、第5電極、所述第1引出電極包括設(shè)于各自的下部的Ti膜、設(shè)于各自的上部的Pt-Ti膜。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，在所述Pt-Ti膜和所述壓電薄膜之間，設(shè)置有添加了鑭和鎂的鈦酸鉛(PLMT)膜。
38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述壓電薄膜由鈦酸鋯酸鉛(PZT)或添加了從Mg、Nb、Mn中選擇的至少1種的鈦酸鋯酸鉛(PZT)類制成。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述壓電薄膜為(001)面沿所述至少一個(gè)主平面平行取向的菱形晶構(gòu)造或(111)面沿所述至少一個(gè)主平面平行取向的正方晶構(gòu)造。
40.根據(jù)權(quán)利要求32所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述驅(qū)動(dòng)部被設(shè)于所述臂中的至少一個(gè)臂的所述至少一個(gè)主平面的從大致中央部到基部附近之間。
41.根據(jù)權(quán)利要求32所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第3、第4、第6電極、第2引出電極包括設(shè)于各自的下部的Ti膜和設(shè)于各自的上部的Au膜。
42.根據(jù)權(quán)利要求32所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，所述第1、第2、第3、第4、第5、第6電極、所述第1、第2引出電極及所述第1、第2、第3、第4壓電薄膜被相對于所述中心線基本對稱地配置。
43.根據(jù)權(quán)利要求32所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀，其特征是，在所述第1和第4電極上加以同相交流電壓，在所述第2和第3電極上加以同相交流電壓，在所述第1和第2電極上加以反相交流電壓。
44.一種導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是，使用了權(quán)利要求32中所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀。
45.一種汽車，其特征是，將權(quán)利要求32中所述的薄膜微型機(jī)械式諧振器陀螺儀作為檢測偏航率、側(cè)傾、縱擺中的任意一項(xiàng)的傳感器使用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高了驅(qū)動(dòng)效率的薄膜微型機(jī)械式諧振器(諧振器)、改善了對所加的角速度的檢測靈敏度的諧振器陀螺儀、使用該諧振器陀螺儀的導(dǎo)航系統(tǒng)及汽車。諧振器包括由非壓電材料制成的音叉、設(shè)于音叉的臂的主平面的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的第1和第2電極。在分別設(shè)于第1和第2電極上的第1和第2壓電薄膜之上，分別設(shè)有第3和第4電極。通過在第3、第4電極上加上相互反相的交流電壓，音叉就會(huì)以與中心線成直角的方向作為諧振方向而進(jìn)行諧振。諧振器陀螺儀利用由其他電極和其他壓電薄膜構(gòu)成的檢測部檢測出與施加在該諧振器上的角速度對應(yīng)的哥氏力。
文檔編號(hào)H01L41/08GK1596362SQ0282362
公開日2005年3月16日 申請日期2002年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月27日
發(fā)明者大內(nèi)智, 野添利幸, 野村幸治, 多鹿博文 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社