JP6471467B2 - 力学量センサ - Google Patents

Description

本発明は、慣性力の印加によって生じる歪を電気信号に変換する力学量センサに関するものである。

特許文献１に示されるように、振動体に内部駆動部、外部駆動部、および、検知部の形成された角速度センサ素子が知られている。振動体は２つのアームと、これら２つのアームそれぞれの一端を接続する接続部を有する。この２つのアームそれぞれに内部駆動部、外部駆動部、および、検知部が形成され、内部駆動部と外部駆動部とによって２つのアームが逆位相で振動させられる。この振動方向に対して垂直な方向に角速度が印加されるとコリオリ力がアームに生じ、これによってアームに歪みが生じる。この歪みが検知部によって電気信号に変換される。

特開２０１０−２４９７１３号公報

上記したように特許文献１に示される角速度センサ素子では、アームに内部駆動部と外部駆動部、そして検知部が形成されている。この検知部は上記したコリオリ力によってアームに生じた歪みを検出するための検知領域と、この検知領域にて検知された電気信号を外部の処理回路に伝達するための配線領域とに分けられている。この検知領域と配線領域とは同一の構造となっており、アーム上に順次積層された検知下部電極、検知圧電薄膜、および、検知上部電極を有する。したがって上記したコリオリ力によってアームに歪みが生じると、その歪みに応じた電気信号（電荷）が検知領域だけではなく配線領域でも生じ、これによって角速度の検出精度が低下する虞がある。特に特許文献１では、配線領域が内部駆動部と外部駆動部との間に位置しているため、内部駆動部と外部駆動部の振動に起因する歪みが検知領域よりも配線領域で生じ易い。したがって配線領域には振動に起因する歪みに応じた電荷も生じることとなり、この電荷によって角速度の検出精度がさらに低下する虞がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、角速度としての慣性力の検出精度の低下が抑制された力学量センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するための第１発明は、基板（１１）の上面に固定された固定部（２０）と、
基板の上方に位置し、固定部に支持された浮遊部（３０）と、
慣性力の印加による浮遊部の歪を電気信号に変換する検出用圧電部（４２ａ〜４２ｄ）と、
固定部に形成された検出用パッド（６２ａ〜６２ｆ）と、
検出用圧電部と検出用パッドとを電気的に接続する複数の検出用配線（７２）と、を有し、
浮遊部の上面には絶縁膜（１４）が形成されており、
検出用圧電部は、絶縁膜上に順次積層された下部電極（４３）、圧電材料（４４）、および、上部電極（４５）を有し、
複数の検出用配線の内の一部が、下部電極に連なり、
複数の検出用配線の内の残りが、上部電極から圧電材料の側面を伝って絶縁膜側へと延びた、上部電極と同一の形成材料から成る第１連結部位（４６）を介して上部電極に連なっており、
下部電極に連なる検出用配線は、下部電極から延設された、下部電極と同一の形成材料から成る下延設部と、下延設部の上側に積層された、上部電極と同一の形成材料から成る上積層部と、を有し、絶縁膜上での下延設部を横断する方向において、下延設部の絶縁膜との接続部位の両側それぞれで上積層部が絶縁膜と接続し、
上部電極に連なる検出用配線は、第１連結部位を介して上部電極から延設された、上部電極と同一の形成材料から成る上延設部と、上延設部が上側に積層される、下部電極と同一の形成材料から成る下積層部と、を有し、絶縁膜上での下積層部を横断する方向において、下積層部の絶縁膜との接続部位の両側それぞれで上延設部が絶縁膜と接続しており、
下部電極および上部電極それぞれの形成材料の降伏応力は７０ＭＰａ〜８００ＭＰａであることを特徴とする。

このように本発明では検出用圧電部（４２ａ〜４２ｄ）と検出用パッド（６２ａ〜６２ｆ）とを接続する検出用配線（７２）が浮遊部（３０）の絶縁膜（１４）上に設けられている。そして検出用配線（７２）は下部電極（４３）と同一材料から成る。これによれば慣性力の印加によって浮遊部（３０）に歪みが生じたとしても、検出用配線が検出用圧電部と同一構造である構成とは異なり、検出用配線（７２）に電荷が生じない。したがって上記比較構成と比べて慣性力の検出精度の低下が抑制される。

また上記したように検出用配線（７２）が下部電極（４３）と同一の材料から成るので、検出用配線が下部電極とは異なる材料から成る構成とは異なり、検出用配線（７２）と絶縁膜（１４）との密着度と、下部電極と絶縁膜（１４）との密着度が等しくなる。したがって下部電極（４３）と絶縁膜（１４）とが密着しているにも関わらず、検出用配線（７２）が絶縁膜（１４）から剥離することが抑制される。さらに言えば下部電極（４３）の形成材料の降伏応力は７０ＭＰａ〜８００ＭＰａなので、浮遊部（３０）が振動したとしても、その振動によって下部電極（４３）と検出用配線（７２）それぞれが絶縁膜（１４）から剥離することが抑制される。これにより力学量センサ（１００）の寿命の低下が抑制される。

第２発明では、検出用圧電部の上部電極と下部電極は異なる材料から成り、下部電極は上部電極よりも絶縁膜との密着性が高い材料から成る。これによれば下部電極が上部電極よりも絶縁膜との密着性の低い材料から成る構成とは異なり、検出用配線（７２）が絶縁膜（１４）から剥離することが抑制される。これにより力学量センサ（１００）の寿命の低下が抑制される。

なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。

第１実施形態に係る力学量センサの概略構成を示す上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１の破線で囲った領域Ａの拡大上面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図１の破線で囲った領域Ｂの拡大上面図である。 力学量センサの振動状態を説明するための概念図である。 力学量センサの振動状態を説明するための概念図である。 図７に示す振動状態の力学量センサに角速度が印加された状態を説明するための概念図である。 第２実施形態に係る力学量センサの配線構成を示す断面図である。 第２実施形態に係る駆動用圧電部の配線構造を説明するための上面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。 図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。 第２実施形態に係る検出用圧電部を説明するための上面図である。 第３実施形態に係る力学量センサの振動状態を説明するための概念図である。 第３実施形態に係る力学量センサの振動状態を説明するための概念図である。 図１５に示す振動状態の力学量センサに角速度が印加された状態を説明するための概念図である。 図１５〜図１７に示す駆動用圧電部の接続構成を説明するための拡大上面図である。 固定部に形成されたスリットを説明するための拡大上面図である。 図１９のＸＸ−ＸＸ線に沿う断面図である。

以下、本発明に係る力学量センサを角速度センサに適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図９に基づいて本実施形態に係る力学量センサを説明する。なお、図３および図６では構成を明りょうとするため外部に露出されていない構成部材の輪郭線を破線で示し、後述する連結部位４６をハッチングで示している。そして図７〜図９では力学量センサの振動状態を明示するため、振動と角速度の検出を説明するのに必要な符号のみを記載している。

以下においては互いに直交の関係にある３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。そしてｘ方向とｙ方向とによって規定される平面をｘ−ｙ平面、ｙ方向とｚ方向とによって規定される平面をｙ−ｚ平面、ｚ方向とｘ方向とによって規定される平面をｚ−ｘ平面と示す。

図１に示す力学量センサ１００はＳＯＩ基板１０に微細構造を形成するようにエッチングを施すことで成る微小電気機械（ＭＥＭＳ）である。図２に示すようにＳＯＩ基板１０は、第１基板１１と、第１基板１１の上方に位置する第２基板１２と、第１基板１１と第２基板１２とを機械的に接続する絶縁層１３と、を有する。基板１１，１２はそれぞれシリコンから成り、絶縁層１３は酸化シリコンから成る。この第２基板１２と絶縁層１３とが所定形状にエッチング加工されることで、絶縁層１３を介して第１基板１１に固定された固定部２０と、絶縁層１３を介さずに第１基板１１上に位置する浮遊部３０が形成される。固定部２０は第１基板１１に対して不動であり、浮遊部３０は第１基板１１に対して可動となっており、それぞれ第２基板１２によって形成されている。

図１および図２に示すように固定部２０はｘ−ｙ平面において矩形状を成し、破線で示す中央部２１の下面に絶縁層１３が連結されている。そして中央部２１の外側に位置し、絶縁層１３と連結されていない環状の縁部２２が浮遊部３０と連続的に連結されている。

浮遊部３０は枠部３１と支持梁３２を有する。図１に示すように枠部３１はｘ−ｙ平面において環状を成し、枠部３１の内環面によって囲まれた領域に固定部２０が位置している。支持梁３２は枠部３１の内環面から固定部２０の側面に向かって延び、両者を機械的に連結する機能を果たしている。

枠部３１はｘ−ｙ平面において矩形の環状を成し、ｘ方向に延びた形状を成す２つの駆動梁３３と、ｙ方向に延びた形状を成す２つの連結梁３４と、を有する。２つの駆動梁３３の中央部それぞれには局所的にｙ方向の幅の広がった質量部３５が形成され、２つの質量部３５が固定部２０を介してｙ方向に沿って並んでいる。後述するように枠部３１が振動する際、主として２つの質量部３５が振動し、角速度が印加されるとこれらにコリオリ力が発生する。

支持梁３２はｘ方向に延びた形状を成し、２つの支持梁３２が固定部２０と枠部３１とに連結されている。図１に示すように１つの連結梁３４につき１つの支持梁３２が連結され、２つの支持梁３２が固定部２０を介してｘ方向に並んでいる。上記したように質量部３５にコリオリ力が生じると支持梁３２に歪みが生じる。したがってこの歪みを検出することで角速度を検出することができる。

以下においては構成を明りょうとするために、２つの駆動梁３３の内の一方を第１駆動梁３３ａ、他方を第２駆動梁３３ｂと示す。そして第１駆動梁３３ａに形成された質量部３５を第１質量部３５ａ、第２駆動梁３３ｂに形成された質量部３５を第２質量部３５ｂと示す。また２つの支持梁３２の内の一方を第１支持梁３２ａ、他方を第２支持梁３２ｂ、２つの連結梁３４の内の一方を第１連結梁３４ａ、他方を第２連結梁３４ｂと示す。図面においても同様である。

以上に示した固定部２０と浮遊部３０に圧電部４０、パッド６０、および、配線７０が形成されている。固定部２０と浮遊部３０それぞれの上面には図２に示す絶縁膜１４が形成され、この絶縁膜１４上に圧電部４０、パッド６０、および、配線７０が形成されている。絶縁膜１４は酸化シリコンやアルミナである。

圧電部４０は駆動用圧電部４１と検出用圧電部４２を有する。図３〜図６に示すように駆動用圧電部４１と検出用圧電部４２は同一構成となっており、それぞれ絶縁膜１４上に順次積層された下部電極４３、圧電材料４４、および、上部電極４５を有する。圧電材料４４の分極方向を示す電気軸はｚ方向に沿って上部電極４５から下部電極４３へと向かっている。そのため上部電極４５が下部電極４３よりも高電位の場合に圧電材料４４は伸び、下部電極４３が上部電極４５よりも高電位の場合に圧電材料４４は縮む。そして歪みのために圧電材料４４が伸びると上部電極４５から下部電極４３へと電流が流れ、圧電材料４４が縮むと下部電極４３から上部電極４５へと電流が流れる。こういう性質を有する圧電材料４４としては、例えばＰＺＴ膜やＳｃＡｌＮ膜を採用することができる。なお図１に示すように電極４３，４５と圧電材料４４それぞれはｘ方向に延びた形状を成している。そのために圧電材料４４の伸縮がｘ方向において大きくなっている。

本実施形態では下部電極４３と上部電極４５が異なる導電材料から成り、下部電極４３は上部電極４５よりも絶縁膜１４との密着性が高い材料から成る。換言すれば、下部電極４３は上部電極４５よりも降伏応力の高い材料から成る。上記したように枠部３１は振動するが、その振動によって枠部３１上に位置する下部電極４３は変形する。したがって下部電極４３の降伏応力が低いと上記の変形時に不可逆変化が起き、枠部３１が元に戻ろうとしたとしても、下部電極４３が元に戻らず、これによって下部電極４３が枠部３１から剥がれる虞がある。

半導体基板に形成する導電材料としてはＡｌ（アルミニウム）を考えることができるが、Ａｌの降伏応力は１５ＭＰａ程度である。枠部３１の振動周波数は後述するように４〜５０ｋＨｚであり、このように枠部３１が振動する場合、下部電極４３の材料としてＡｌを採用すると、下部電極４３の形成材料が絶縁膜１４から剥離することが本発明者によって確認されている。したがって下部電極４３の形成材料としてはＡｌの降伏応力よりも高い材料が採用される。このような材料としては、例えばＡｕ（金）やプラチナ（Ｐｔ）などを採用することができる。Ａｕの降伏応力は１００ＭＰａ程度、Ｐｔの降伏応力は７０ＭＰａ程度である。また単層の導電材料だけではなく、例えばＴｉ（チタン）にＡｕやＰｔの積層された二層の導電材料を採用することができる。特に上部電極４５としてはＳＲＯ（酸化ストロンチウム）を採用することができ、下部電極４３としてはＰｔにＳＲＯが積層されたものを採用することもできる。ＴｉとＳＲＯの降伏応力は８００ＭＰａ程度である。以上に示した、降伏応力が７０ＭＰａ〜８００ＭＰａの材料を下部電極４３の形成材料として採用した場合、上記したように枠部３１が振動したとしても、下部電極４３の形成材料が絶縁膜１４から剥離し難いことが本発明者によって確認されている。

図１に示すように駆動用圧電部４１は枠部３１に設けられ、検出用圧電部４２は支持梁３２に設けられている。駆動用圧電部４１によって枠部３１が振動させられ、質量部３５へのコリオリ力の印加によって生じた支持梁３２の歪が検出用圧電部４２によって検出される。

本実施形態の圧電部４０は駆動用圧電部４１を８つ有し、検出用圧電部４２を４つ有する。以下においてはこれら８つの駆動用圧電部４１の違いと４つの検出用圧電部４２の違いそれぞれを明りょうとするため、第１駆動用圧電部４１ａ〜第８駆動用圧電部４１ｈ、第１検出用圧電部４２ａ〜第４検出用圧電部４２ｄと示す。図面においても同様である。

図１に示すように２つの駆動用圧電部４１ａ，４１ｂが第１駆動梁３３ａの一端に設けられ、２つの駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄが第１駆動梁３３ａの他端に設けられている。そして駆動用圧電部４１ａ，４１ｃそれぞれが駆動用圧電部４１ｂ，４１ｄそれぞれよりも固定部２０から離れて位置している。また駆動用圧電部４１ａ，４１ｂはｙ方向に並んで互いに電気的に接続され、駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄはｙ方向に並んで互いに電気的に接続されている。

同様にして、２つの駆動用圧電部４１ｅ，４１ｆが第２駆動梁３３ｂの一端に設けられ、２つの駆動用圧電部４１ｇ，４１ｈが第２駆動梁３３ｂの他端に設けられている。そして駆動用圧電部４１ｅ，４１ｇそれぞれが駆動用圧電部４１ｆ，４１ｈそれぞれよりも固定部２０から離れて位置している。また駆動用圧電部４１ｅ，４１ｆはｙ方向に並んで互いに電気的に接続され、駆動用圧電部４１ｇ，４１ｈはｙ方向に並んで互いに電気的に接続されている。

そして図１に示すように２つの検出用圧電部４２ａ，４２ｂは第１支持梁３２ａに設けられ、２つの検出用圧電部４２ｃ，４２ｄは第２支持梁３２ｂに設けられている。検出用圧電部４２ａ，４２ｃそれぞれは検出用圧電部４２ｂ，４２ｄそれぞれよりも第１質量部３５ａ側に位置し、検出用圧電部４２ｂ，４２ｄそれぞれは検出用圧電部４２ａ，４２ｃそれぞれよりも第２質量部３５ｂ側に位置している。

パッド６０は駆動用パッド６１と検出用パッド６２を有し、これらが固定部２０に形成されている。図２に示すように駆動用パッド６１と検出用パッド６２は同一構成となっており、それぞれ絶縁膜１４上に順次積層された第１配線層６３と第２配線層６４を有する。第１配線層６３は下部電極４３と同一材料から成り、配線７０の端部に相当する。第２配線層６４はパッド６１，６２の剛性を高めるためのものであり、例えばＡｌを採用することができる。この第２配線層６４によって、パッド６１，６２にワイヤを接続する際の応力によるパッド６１，６２の損傷が抑制される。

図１に示すようにパッド６０は駆動用パッド６１を３つ有し、検出用パッド６２を６つ有している。これらパッド６１，６２はｘ−ｙ平面において３行３列を成すようにマトリックス配置されており、２行目に３つの駆動用パッド６１が並び、１行目と３行目それぞれに３つの検出用パッド６２が並んでいる。そして図１に示すように駆動用パッド６１は固定部２０の中央部２１に位置し、検出用パッド６２は固定部２０の縁部２２に位置している。以下においては第１列から第３列に向かって並ぶ３つの駆動用パッド６１を第１駆動用パッド６１ａ〜第３駆動用パッド６１ｃと示す。そして第１行目において第１列から第３列に向かって並ぶ３つの検出用パッド６２を第１検出用パッド６２ａ〜第３検出用パッド６２ｃ、第３行目において第１列から第３列に向かって並ぶ３つの検出用パッド６２を第４検出用パッド６２ｄ〜第６検出用パッド６２ｆと示す。図面でも同様である。なお力学量センサ１００は、２行２列目に位置する第２駆動用パッド６１ｂの中心をｘ方向に貫く第１中心線、および、ｙ方向に貫く第２中心線それぞれを介して対称形状を成している。

図１に示すように第２駆動用パッド６１ｂは８つの駆動用圧電部４１ａ〜４１ｈそれぞれと電気的に接続されている。そして第１駆動用パッド６１ａは駆動用圧電部４１ａ，４１ｇと電気的に接続され、第３駆動用パッド６１ｃは駆動用圧電部４１ｃ，４１ｅと電気的に接続されている。第２駆動用パッド６１ｂには駆動信号として一定電圧が入力され、残り２つの駆動用パッド６１ａ，６１ｃには駆動信号として同相のパルス信号が入力される。このパルス信号のパルス周期は枠部３１の共振周波数に基づいて設定され、本実施形態では２０ｋＨｚになっている。上記の駆動信号の入力によって駆動用圧電部４１ａ〜４１ｈが伸び縮みし、枠部３１（質量部３５ａ，３５ｂ）が周波数４〜５０ｋＨｚ、振幅１〜５０μｍで振動する。なお、このようにパルス周期が２０ｋＨｚに固定されているにも関わらず枠部３１の周波数と振幅に幅があるのは、枠部３１の質量とサイズのためにＱ値が変化するためである。

また図１に示すように１行目の真ん中に位置する第２検出用パッド６２ｂは２つの検出用圧電部４２ａ，４２ｃそれぞれと電気的に接続されている。そして第１検出用パッド６２ａは第１検出用圧電部４２ａと電気的に接続され、第３検出用パッド６２ｃは第３検出用圧電部４２ｃと電気的に接続されている。第２検出用パッド６２ｂはグランドに接続され、残り２つの検出用パッド６２ａ，６２ｃには支持梁３２ａ，３２ｂの歪みに応じた電気信号が入力される。本実施形態では第２検出用パッド６２ｂが検出用圧電部４２ａ，４２ｃそれぞれの下部電極４３に接続されている。そして第１検出用パッド６２ａが第１検出用圧電部４２ａの上部電極４５に接続され、第３検出用パッド６２ｃが第３検出用圧電部４２ｃの上部電極４５に接続されている。なお上記の電極４３，４５と検出用パッド６２ａ〜６２ｃの接続関係を逆転させてもよい。

同様にして、３行目の真ん中に位置する第５検出用パッド６２ｅは２つの検出用圧電部４２ｂ，４２ｄそれぞれと電気的に接続されている。そして第４検出用パッド６２ｄは第２検出用圧電部４２ｂと電気的に接続され、第６検出用パッド６２ｆは第４検出用圧電部４２ｄと電気的に接続されている。第５検出用パッド６２ｅはグランドに接続され、残り２つの検出用パッド６２ｄ，６２ｆには支持梁３２ａ，３２ｂの歪みに応じた電気信号が入力される。本実施形態では第５検出用パッド６２ｅが検出用圧電部４２ｂ，４２ｄそれぞれの下部電極４３に接続されている。そして第４検出用パッド６２ｄが第２検出用圧電部４２ｂの上部電極４５に接続され、第６検出用パッド６２ｆが第４検出用圧電部４２ｄの上部電極４５に接続されている。なお上記の電極４３，４５と検出用パッド６２ｄ〜６２ｆの接続関係を逆転させてもよい。

配線７０は圧電部４０とパッド６０とを電気的に接続するものであり、圧電部４０を構成する下部電極４３と同一材料から成る。したがって配線７０と絶縁膜１４との密着度が下部電極４３と等しくなっている。配線７０としては、駆動用圧電部４１と駆動用パッド６１とを電気的に接続する駆動用配線７１と、検出用圧電部４２と検出用パッド６２とを電気的に接続する検出用配線７２と、を有する。図３〜図５に示すように駆動用配線７１における下部電極４３と接続される端部は下部電極４３から延設され、上部電極４５と接続される端部は上部電極４５から圧電材料４４の側面を伝って絶縁膜１４側へと延びた連結部位４６と電気的に接続されている。図６に示すように検出用配線７２においても同様の構成である。また図１および図２に示すように配線７１，７２におけるパッド６０と電気的に接続される端部はパッド６１，６２の第１配線層６３から延設されている。

次に、圧電部４１，４２、パッド６１，６２、および、配線７１，７２の形成方法を簡単に説明する。上記したようにパッド６１，６２の第１配線層６３と配線７１，７２それぞれは圧電部４１，４２の下部電極４３と同一材料から成る。したがって絶縁膜１４上に下部電極４３の形成材料（以下、下部材料と示す）を積層した後、その上に上記の第１配線層６３、配線７１，７２、および、下部電極４３を形作るためのレジストを形成する。そしてレジストから外部に露出された下部材料をエッチングして除去する。こうすることで第１配線層６３、配線７１，７２、および、下部電極４３それぞれを形成する。次いで、下部電極４３を構成する下部材料、および、上部電極４５と電気的に接続される配線７１，７２の端部それぞれに圧電材料４４を積層する。その後、圧電材料４４および圧電材料４４の積層された配線７１，７２の端部に上部電極４５の形成材料を形成し、所定形状にエッチングする。こうすることで上部電極４５と上記の連結部位４６とを形成し、上部電極４５と配線７１，７２を電気的に接続する。最後にパッド６１，６２の第１配線層６３に第２配線層６４を形成する。以上により圧電部４１，４２、パッド６１，６２、および、配線７１，７２が形成される。

次に、ｙ方向において並び、互いに電気的に接続された２つの駆動用圧電部の接続構造を示す。この２つの駆動用圧電部は合計４つあるが、これらの接続構造は同一なので、その代表として駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄの接続構造を図３〜図５に基づいて説明する。なお、駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄの構成材料４３〜４５それぞれを区別するために、４３ｃ〜４５ｃ，４３ｄ〜４５ｄと図３〜図５では記載している。

図３および図４に示すように第３駆動用圧電部４１ｃの下部電極４３ｃから駆動用配線７１が延設され、その駆動用配線７１が第４駆動用圧電部４１ｄの上部電極４５ｄと電気的に接続されている。そして図１に示すようにこの駆動用配線７１が第２駆動用パッド６１ｂに接続されている。したがって下部電極４３ｃと上部電極４５ｄそれぞれはグランド電位に固定されている。また図３および図５に示すように第４駆動用圧電部４１ｄの下部電極４３ｄから駆動用配線７１が延設され、その駆動用配線７１が第３駆動用圧電部４１ｃの上部電極４５ｃと電気的に接続されている。そして図１および図３に示すように上部電極４５ｃが駆動用配線７１を介して第３駆動用パッド６１ｃに接続されている。したがって上部電極４５ｃと下部電極４３ｄそれぞれに、枠部３１の共振周波数に基づいてパルス周期の決定されたパルス信号が入力される。以上の接続構成により、駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄに印加される電圧が電気軸に対して逆転している。そのために上記のパルス信号の入力によって駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄの一方が伸びる場合、他方が縮むようになっている。

次に、図７および図８に基づいて枠部３１の運動を説明する。上記したように駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄの一方が伸びる場合、他方が縮むが、この関係は、駆動用圧電部４１ａ，４１ｂ、駆動用圧電部４１ｅ，４１ｆ、駆動用圧電部４１ｇ，４１ｈそれぞれにおいても成立する。すなわち固定部２０から離れて位置する駆動用圧電部４１ａ，４１ｃ，４１ｅ，４１ｇそれぞれが伸びる場合、固定部２０側に位置する駆動用圧電部４１ｂ，４１ｄ，４１ｆ，４１ｈそれぞれが縮む。これとは反対に、駆動用圧電部４１ａ，４１ｃ，４１ｅ，４１ｇそれぞれが縮む場合、駆動用圧電部４１ｂ，４１ｄ，４１ｆ，４１ｈそれぞれが伸びる。

したがって図７に白抜き矢印で示すように、駆動信号の入力によって駆動用圧電部４１ａ，４１ｃ，４１ｅ，４１ｇが伸び、駆動用圧電部４１ｂ，４１ｄ，４１ｆ，４１ｈが縮まる電流が流れた場合、２つの質量部３５ａ，３５ｂそれぞれは固定部２０へと向かって変位する。そして図８に白抜き矢印で示すように駆動用圧電部４１ａ，４１ｃ，４１ｅ，４１ｇが縮み、駆動用圧電部４１ｂ，４１ｄ，４１ｆ，４１ｈが伸びる電流が流れた場合、２つの質量部３５ａ，３５ｂそれぞれは固定部２０から離れるように変位する。以上示したように、駆動信号の入力によって２つの質量部３５ａ，３５ｂはｙ方向において互いに近寄ったり互いに遠ざかったりするように振動する。

次に、図７に示す振動状態の質量部３５ａ，３５ｂに角速度が印加された際に生じるコリオリ力を図９に基づいて説明する。上記したようにｙ方向において２つの質量部３５ａ，３５ｂが互いに近寄ったり互いに遠ざかったりするように振動している際に、ｚ方向に沿う角速度が印加されると、２つの質量部３５ａ，３５ｂにはｘ方向に沿うコリオリ力が逆向きに発生する。この結果、枠部３１は固定部２０の中心（第２駆動用パッド６１ｂの中心）をｚ方向に貫く軸周りにｘ−ｙ平面において回転しようとする。この枠部３１の運動により２つの支持梁３２ａ，３２ｂに歪みが生じ、支持梁３２ａ，３２ｂに設けられた検出用圧電部４２ａ〜４２ｄそれぞれに歪みが生じる。図９にハッチング矢印で示すコリオリ力が質量部３５ａ，３５ｂに発生した結果、枠部３１が時計回りに回転しようとした場合、第１支持梁３２ａは固定部２０に接続された端部を支点として、連結梁３４に接続された端部が紙面上方に移動する。これとは反対に第２支持梁３２ｂは固定部２０に接続された端部を支点として、連結梁３４に接続された端部が紙面下方に移動する。これにより図９にハッチング矢印で示すように検出用圧電部４２ａ，４２ｄに縮む歪みが生じ、検出用圧電部４２ｂ，４２ｃに伸びる歪みが生じる。この結果、検出用圧電部４２ａ，４２ｄに接続された検出用パッド６２ａ，６２ｆと、検出用圧電部４２ｂ，４２ｃに接続された検出用パッド６２ｃ，６２ｄとに逆向きの電流が流れる。この検出用パッド６２ａ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｆに流れる電流がワイヤを介して外部装置に出力され、外部装置にて信号処理されることで角速度が検出される。なお図示しないが、枠部３１が反時計回りに回転しようとした場合、第１支持梁３２ａにおける連結梁３４に接続された端部が紙面下方に移動し、第２支持梁３２ｂにおける連結梁３４に接続された端部が紙面上方に移動する。これにより検出用圧電部４２ａ，４２ｄに伸びる歪みが生じ、検出用圧電部４２ｂ，４２ｃに縮む歪みが生じる。

次に、本実施形態に係る力学量センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、配線７１，７２はそれぞれ下部電極４３と同一材料から成り、浮遊部３０の絶縁膜１４上に設けられている。これによれば慣性力の印加によって浮遊部３０に歪みが生じたとしても、配線が圧電部と同一構造である構成とは異なり、配線７１，７２それぞれに電荷が生じない。したがって上記比較構成と比べて角速度の検出精度の低下が抑制される。

特に本実施形態では振動体としての機能を果たす枠部３１の絶縁膜１４上に駆動用配線７１が設けられている。これによれば上記した比較構成とは異なり、枠部３１の振動のために駆動用配線７１に電荷が生じることが抑制され、その生じた電荷によって駆動用圧電部４１が伸び縮みした結果、枠部３１の振動状態が不安定となることが抑制される。これにより角速度の検出精度の低下が抑制される。

また上記したように配線７１，７２はそれぞれ下部電極４３と同一材料から成るので、配線が下部電極とは異なる材料から成る構成とは異なり、配線７１，７２それぞれと絶縁膜１４との密着度と、下部電極４３と絶縁膜１４との密着度が等しくなる。したがって下部電極４３と絶縁膜１４とが密着しているにも関わらず、配線７１，７２が絶縁膜１４から剥離することが抑制される。さらに言えば下部電極４３の形成材料の降伏応力は７０ＭＰａ〜８００ＭＰａなので、浮遊部３０の振動によって下部電極４３と配線７１，７２それぞれが絶縁膜１４から剥離することが抑制される。これにより力学量センサ１００の寿命の低下が抑制される。

さらに本実施形態では下部電極４３が上部電極４５よりも絶縁膜１４との密着性が高い材料から成る。これによれば下部電極が上部電極よりも絶縁膜との密着性の低い材料から成る構成とは異なり、配線７１，７２が絶縁膜１４から剥離することが抑制される。これにより力学量センサ１００の寿命の低下が抑制される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図１０〜図１４に基づいて説明する。第２実施形態に係る力学量センサは上記した実施形態によるものと共通点が多い。そのため以下においては共通部分の説明を省略し、異なる部分を重点的に説明する。また以下においては上記した実施形態で示した要素と同一の要素には同一の符号を付与する。

第１実施形態では下部電極４３と上部電極４５が異なる導電材料から成る例を示した。これに対し本実施形態では下部電極４３と上部電極４５が同一の導電材料から成る点を特徴とする。

この場合、下部電極４３の形成材料と上部電極４５の形成材料それぞれのエッチングレートが同一になる。したがって上部電極４５の形成材料をエッチングする際に下部電極４３の形成材料がエッチングされることを避けるため、図１０〜図１４に示すように下部電極４３の形成材料は上部電極４５の形成材料によって覆われる。例えば図１０に示すように配線７１，７２およびパッド６１，６２の第１配線層６３それぞれは電極４３，４５の形成材料から成り、これら２つの形成材料それぞれが絶縁膜１４上に設けられている。これにより配線７１，７２と第１配線層６３それぞれの絶縁膜１４との接続面積が、第１実施形態で示した構成と比べて増大し、配線７１，７２と第１配線層６３それぞれが絶縁膜１４から剥離することが抑制される。

なお図１１および図１２に示すように下部電極４３ｃと上部電極４５ｄとを電気的に接続する駆動用配線７１は、下部電極４３ｃから延設された部位が上部電極４５ｄから延設された部位によって覆われて成る。また図１１および図１３に示すように下部電極４３ｄと上部電極４５ｃとを電気的に接続する駆動用配線７１は、下部電極４３ｄから延設された部位が、上部電極４５ｃから延設された部位によって覆われて成る。そして上部電極４５ｃと第３駆動用パッド６１ｃとを電気的に接続する駆動用配線７１は、下部電極４３の形成材料が上部電極４５ｃから延設された部位によって覆われて成る。さらに図１４に示すように第１検出用圧電部４２ａの下部電極４３と第２検出用パッド６２ｂとを電気的に接続する検出用配線７２は、第１検出用圧電部４２ａの下部電極４３から延設された部位が、上部電極４５の形成材料によって覆われて成る。

電極４３，４５の形成材料は、枠部３１の振動によって電極４３、配線７１，７２、パッド６１，６２それぞれが絶縁膜１４から剥離することを抑制するために、第１実施形態と同様にしてＡｌの降伏応力よりも高い材料（降伏応力が７０ＭＰａ〜８００ＭＰａの材料）が採用される。このような材料としては、第１実施形態で示したように、Ａｕ、Ｐｔ、そしてＴｉにＡｕやＰｔの積層されたものや、ＰｔにＳＲＯが積層されたものを採用することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図１５〜図１８に基づいて説明する。第３実施形態に係る力学量センサは上記した実施形態によるものと共通点が多い。そのため以下においては共通部分の説明を省略し、異なる部分を重点的に説明する。また以下においては上記した実施形態で示した要素と同一の要素には同一の符号を付与する。

第１実施形態ではｙ方向において２つの質量部３５ａ，３５ｂが互いに近寄ったり互いに遠ざかったりするように振動する例を示した。これに対し本実施形態ではｚ方向において２つの質量部３５ａ，３５ｂの内の一方が第１基板１１に近寄り、他方が第１基板１１から遠ざかるように振動することを特徴とする。

上記のように質量部３５ａ，３５ｂをｚ方向に振動させるためには、図１５に示すように第１駆動梁３３ａに設けられた駆動用圧電部４１ａ〜４１ｄそれぞれを伸ばし、第２駆動梁３３ｂに設けられた駆動用圧電部４１ｅ〜４１ｈそれぞれを縮ませる。そして図１６に示すように第１駆動梁３３ａに設けられた駆動用圧電部４１ａ〜４１ｄそれぞれを縮ませ、第２駆動梁３３ｂに設けられた駆動用圧電部４１ｅ〜４１ｈそれぞれを伸ばす。このように駆動用圧電部４１ａ〜４１ｈを伸縮させることで、ｚ方向において２つの質量部３５ａ，３５ｂの内の一方が第１基板１１に近寄り、他方が第１基板１１から遠ざかるように振動する。この振動状態において図１７に示すようにｙ方向に沿う角速度が印加されると、２つの質量部３５ａ，３５ｂにｘ方向に沿うコリオリ力が逆向きに発生する。この結果、枠部３１は固定部２０の中心をｚ方向に貫く軸周りにｘ−ｙ平面において回転しようとする。この回転により２つの支持梁３２に歪みが生じ、支持梁３２に設けられた検出用圧電部４２ａ〜４２ｄそれぞれにおいて歪みに応じた電流が流れる。

なお図１５〜図１７に示すように質量部３５ａ，３５ｂを振動させる場合、駆動用圧電部４１ａ〜４１ｈの接続構造は他の実施形態で示した場合とは異なる。例えば図１８に示すように、駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄそれぞれの下部電極４３ｃ，４３ｄから延設された駆動用配線７１が互いに電気的に接続され、この駆動用配線７１が第２駆動用パッド６１ｂに接続される。したがって下部電極４３ｃ，４３ｄそれぞれがグランド電位に固定される。また駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄそれぞれの上部電極４５ｃ，４５ｄが駆動用配線７１を介して電気的に接続され、これらが第３駆動用パッド６１ｃに接続される。したがって上部電極４５ｃ，４５ｄそれぞれに、枠部３１の共振周波数に基づいてパルス周期の決定されたパルス信号が入力される。以上の接続構成により、パルス信号の入力によって駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄそれぞれが同様にして伸び縮みする。

上記のように駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄの上部電極４５にパルス信号が入力されるが、駆動用圧電部４１ｃ，４１ｄと同様にして第１駆動梁３３ａに設けられた駆動用圧電部４１ａ，４１ｂの上部電極４５にもパルス信号が入力される。しかしながら上記したように第１駆動梁３３ａに設けられた駆動用圧電部４１ａ〜４１ｄそれぞれを伸ばした場合、第２駆動梁３３ｂに設けられた駆動用圧電部４１ｅ〜４１ｈそれぞれを縮ませる。そのため、第２駆動梁３３ｂに設けられた駆動用圧電部４１ｅ〜４１ｈの下部電極４３にパルス信号が入力される。これにより第１駆動梁３３ａに設けられた駆動用圧電部４１ａ〜４１ｄと、第２駆動梁３３ｂに設けられた駆動用圧電部４１ｅ〜４１ｈの伸縮方向が逆向きの関係となり、質量部３５ａ，３５ｂがｚ方向で振動する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

各実施形態では力学量センサ１００が角速度を検出する例を示した。しかしながら力学量センサ１００は加速度を検出してもよい。この場合、駆動用圧電部４１ａ〜４１ｈ、駆動用パッド６１ａ〜６１ｃ、および、駆動用配線７１は不要となる。そして加速度の検出方向は、ｙ方向になる。ｙ方向に印加された加速に起因する慣性力によって質量部３５ａ，３５ｂそれぞれがｙ方向において同一方向に変位すると、それによって支持梁３２ａ，３２ｂに歪みが生じる。この歪みに応じた電流が検出用圧電部４２ａ〜４２ｄにて生成される。

各実施形態では特に述べなかったが、例えば図１９および図２０に示すように、絶縁層１３が下面に連結された固定部２０の中央部２１と絶縁層１３が下面に連結されていない固定部２０の縁部２２との間にスリット２３を形成してもよい。これによれば例えば第１基板１１の変形に起因する応力が固定部２０の縁部２２を介して浮遊部３０に伝達されることが抑制される。そのため上記の振動によって枠部３１の振動状態が変化することが抑制されるとともに、枠部３１に歪みが生じることも抑制される。このため角速度の検出精度が低下することが抑制される。特に図１９および図２０に示すように、上記したスリット２３はｘ方向に延びて駆動用パッド６１と検出用パッド６２との間に位置するとよい。これによれば駆動用パッド６１と検出用パッド６２の一方に生じた歪みが他方に伝達されることが抑制される。

各実施形態では圧電材料４４の電気軸がｚ方向に沿って上部電極４５から下部電極４３へと向かっている例を示した。しかしながら圧電材料４４の電気軸がｚ方向に沿って下部電極４３から上部電極４５へと向かっていてもよい。

各実施形態ではパッド６１，６２それぞれが第１配線層６３と第２配線層６４を有する例を示した。しかしながらパッド６１，６２それぞれは第２配線層６４を有していなくともよい。また第２配線層６４の形成材料としてＡｌを採用した例を示したが、これに限定されず、パッド６１，６２の剛性を高めるためのものであればよい。

各実施形態ではパッド６０が駆動用パッド６１を３つ有し、検出用パッド６２を６つ有し、これらパッド６１，６２が３行３列を成すようにマトリックス配置された例を示した。しかしながらパッド６１，６２の個数と配置とは上記例に限定されない。

１１…第１基板、１４…絶縁膜、２０…固定部、３０…浮遊部、４２ａ〜４２ｄ…検出用圧電部、４３…下部電極、４４…圧電材料、４５…上部電極、４５ａ…連結部位、６２ａ〜６２ｆ…検出用パッド、７２…検出用配線、１００…力学量センサ

Claims (11)

1. 基板（１１）の上面に固定された固定部（２０）と、
   前記基板の上方に位置し、前記固定部に支持された浮遊部（３０）と、
   慣性力の印加による前記浮遊部の歪を電気信号に変換する検出用圧電部（４２ａ〜４２ｄ）と、
   前記固定部に形成された検出用パッド（６２ａ〜６２ｆ）と、
   前記検出用圧電部と前記検出用パッドとを電気的に接続する複数の検出用配線（７２）と、を有し、
   前記浮遊部の上面には絶縁膜（１４）が形成されており、
   前記検出用圧電部は、前記絶縁膜上に順次積層された下部電極（４３）、圧電材料（４４）、および、上部電極（４５）を有し、
   複数の前記検出用配線の内の一部が、前記下部電極に連なり、
   複数の前記検出用配線の内の残りが、前記上部電極から前記圧電材料の側面を伝って前記絶縁膜側へと延びた、前記上部電極と同一の形成材料から成る第１連結部位（４６）を介して前記上部電極に連なっており、
   前記下部電極に連なる前記検出用配線は、前記下部電極から延設された、前記下部電極と同一の形成材料から成る下延設部と、前記下延設部の上側に積層された、前記上部電極と同一の形成材料から成る上積層部と、を有し、前記絶縁膜上での前記下延設部を横断する方向において、前記下延設部の前記絶縁膜との接続部位の両側それぞれで前記上積層部が前記絶縁膜と接続し、
   前記上部電極に連なる前記検出用配線は、前記第１連結部位を介して前記上部電極から延設された、前記上部電極と同一の形成材料から成る上延設部と、前記上延設部が上側に積層される、前記下部電極と同一の形成材料から成る下積層部と、を有し、前記絶縁膜上での前記下積層部を横断する方向において、前記下積層部の前記絶縁膜との接続部位の両側それぞれで前記上延設部が前記絶縁膜と接続しており、
   前記下部電極および前記上部電極それぞれの形成材料の降伏応力は７０ＭＰａ〜８００ＭＰａであることを特徴とする力学量センサ。
2. 前記検出用圧電部の前記上部電極と前記下部電極は異なる材料から成り、
   前記下部電極は前記上部電極よりも前記絶縁膜との密着性が高い材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記検出用圧電部の前記上部電極と前記下部電極は同一材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ。
4. 前記浮遊部は、枠形状を成す枠部（３１）と、前記枠部と前記固定部とを連結する支持梁（３２ａ，３２ｂ）を有し、
   前記枠部の内環面によって囲まれた領域に前記固定部が位置し、
   前記支持梁は前記枠部の前記内環面から前記固定部の側面に向かって延びた形状を成し、
   前記検出用圧電部は前記支持梁に設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の力学量センサ。
5. 前記固定部には前記検出用パッドの他に駆動用パッド（６１ａ〜６１ｃ）が形成されており、
   前記枠部に設けられ、前記枠部を振動させる駆動用圧電部（４１ａ〜４１ｈ）と、
   前記駆動用圧電部と前記駆動用パッドとを電気的に接続する複数の駆動用配線（７１）と、を有し、
   前記駆動用圧電部は前記検出用圧電部と同様にして、前記絶縁膜上に順次積層された前記下部電極（４３）、前記圧電材料（４４）、および、前記上部電極（４５）を有し、
   複数の前記駆動用配線（７１）それぞれが有する端部の１つは、前記駆動用圧電部の前記下部電極から延設されて前記下部電極と電気的に接続される、若しくは、前記駆動用圧電部の前記上部電極から前記圧電材料の側面を伝って前記絶縁膜側へと延びた、前記上部電極と同一材料から成る第２連結部位（４６）と電気的に接続されており、
   複数の前記駆動用配線（７１）は前記絶縁膜上に設けられ、前記下部電極と同一材料から成ることを特徴とする請求項４に記載の力学量センサ。
6. 前記駆動用圧電部の前記上部電極と前記下部電極は異なる材料から成り、
   前記駆動用圧電部の前記下部電極は前記上部電極よりも前記絶縁膜との密着性が高い材料から成ることを特徴とする請求項５に記載の力学量センサ。
7. 前記駆動用圧電部の前記上部電極と前記下部電極は同一材料から成ることを特徴とする請求項５に記載の力学量センサ。
8. 前記枠部には局所的に幅の広がった２つの質量部（３５ａ，３５ｂ）が形成され、
   ２つの前記質量部は前記固定部を介して、前記基板の上面に沿うｙ方向に並んでおり、
   前記駆動用圧電部は、前記ｙ方向において２つの前記質量部が互いに近寄ったり互いに遠ざかったりするように前記枠部を振動させる、若しくは、前記基板の上面に直交するｚ方向において、２つの前記質量部の内の一方が前記基板の上面に近寄り、他方が前記基板の上面から遠ざかるように前記枠部を振動させることを特徴とする請求項５〜７いずれか１項に記載の力学量センサ。
9. 前記基板の前記上面に沿いつつ前記ｙ方向に直交する方向をｘ方向とすると、
   前記枠部は前記ｘ方向と前記ｙ方向とによって規定される平面における形状が矩形の枠形状を成し、前記ｘ方向に延びた形状を成す２つの駆動梁（３３ａ，３３ｂ）、および、前記ｙ方向に延びた形状を成す２つの連結梁（３４）を有し、
   １つの前記駆動梁につき１つの前記質量部が形成され、２つの前記質量部が前記固定部を介して前記ｙ方向において並んでおり、
   前記浮遊部は前記支持梁を２つ有し、
   ２つの前記支持梁それぞれは前記ｘ方向に延びた形状を成しており、
   １つの前記連結梁につき１つの前記支持梁が連結され、２つの前記支持梁が前記固定部を介して前記ｘ方向にて連結されていることを特徴とする請求項８に記載の力学量センサ。
10. 前記固定部における前記検出用パッドと前記駆動用パッドとの間にスリットが形成されていることを特徴とする請求項５〜９いずれか１項に記載の力学量センサ。
11. 前記固定部は絶縁層（１３）を介して前記基板に固定されており、
    前記固定部の上面における前記駆動用パッドの形成された領域の裏面に前記絶縁層が連結されていることを特徴とする請求項１０に記載の力学量センサ。

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