角速度傳感器及其製作方法
2023-11-03 13:03:22 3
專利名稱：角速度傳感器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過壓電體層的振動而驅動形成於SOI基板的音叉式驅動部的角速度傳感器。
背景技術：
在數位相機、數碼攝像機、可攜式電話、汽車導航系統等信息設備中，搭載有加速度傳感器、角速度傳感器，其目的在於防止由於手抖動而導致的圖像模糊、檢測車輛的位置。其中，對於角速度傳感器，以壓電效應檢測科裡奧利力的方法已經被廣泛普及。但是隨著模塊的複雜化、設備的小型化，迫切需要傳感器模塊的小型化和節能。其中，作為角速度傳感器模塊所使用的振子，為了有效利用現有的技術資源和節能性，至今仍然使用32kHz的音叉振子，該音叉振子具有可以通過電極夾持的方式驅動加工成音叉形的晶體等壓電體，其具有溫度特性良好、節能性卓越等優點。但是，當為32kHz頻段時，音叉梁長為數mm，從而導致包括組件的整體長度接近10mm。
最近，不僅是晶體，還在開發一種利用使用形成於矽基板上的壓電薄膜的振子的角速度傳感器。上述振子在矽基板上具有通過上下電極夾持壓電薄膜的層壓結構，並通過平面內的伸縮運動驅動彎曲振動。作為這樣的振子的結構，公知有一種梁(beam)狀的結構(日本特開2005-291858號公報的圖1)、和由兩根梁形成的音叉振子的結構(日本特開2005-249395號公報的圖1)。
因此，即使在使用形成在這樣的矽基板上的壓電薄膜的振子中，由於矽基板的厚度充其量僅能做到100μm左右，所以只能將彎曲振動的音速降至數100m/s左右，為了獲得數10kHz頻段的共振頻率，需要使梁的梁長為數mm以上，從而存在角速度傳感器模塊難以小型化的問題。
發明內容
鑑於上述問題，本發明的目的在於提供一種角速度傳感器，其具有形狀極小、同時可以用例如數十kHz頻段的頻率進行驅動的音叉振子。
本發明涉及的角速度傳感器包括SOI基板，具有基板、形成於上述基板上方的氧化物層、形成於上述氧化物層的上方的半導體層；音叉式振動部，通過加工上述半導體層和上述氧化物層而形成，包括半導體層；驅動部，用於生成上述驅動部的彎曲振動；以及檢測部，用於檢測施加於上述振動部的角速度，其中，上述振動部具有支撐部、將上述支撐部作為基端而形成為懸臂梁狀的兩根梁部，上述驅動部在上述兩根梁部的上方分別被形成為一對；各驅動部具有第一電極層、形成於上述第一電極層上方的壓電體層、形成於上述壓電體層上方的第二電極層；上述檢測部在上述兩根梁部的上方被分別形成為一個，各檢測部被配置在上述一對驅動部之間，並具有第一電極層、形成於上述第一電極層上方的壓電體層、形成於上述壓電體層上方的第二電極層。
根據本發明的角速度傳感器，由于振動部是由SOI基板的半導體層構成，所以，可以減小該振動部的厚度及梁部的長度。其結果是，本發明的角速度傳感器即使為小型，也可以用想要的共振頻率、例如數十kHz的低共振頻率驅動振動部測定角速度。例如，在本發明中，上述振動部的厚度可以小於等於20μm，上述振動部的長度可以小於等於2mm。
在本發明中，在特定的A部件(下面稱為「A部件」)的上方設置特定的B部件(下面稱為「B部件」)的情況是指包括在A部件上直接設置B部件的情況、和在A部件上隔著其他部件設置B部件的情況。
在本發明中，上述振動部的共振頻率可以為32kHz頻段。這是因為角度速傳感器的驅動頻率越低靈敏度越大、以及32kHz頻段是通用的振蕩頻率。32kHz頻段的共振頻率可以取例如16kHz至66kHz的範圍。這是因為，在32.768kHz用振蕩電路中附加分頻電路而可以用16.384kHz進行驅動、以及在32.768kHz用振蕩電路中附加鎖相環(phase lock loop)而可以用65.536kHz進行驅動。
在本發明中，上述壓電體層包括鈦酸鋯酸鉛或者鈦酸鋯酸鉛固溶體。
本發明涉及的角速度傳感器的製作方法，包括準備SOI(Silicon On Insulator，絕緣矽)基板的步驟，SOI基板具有基板、形成於上述基板上方的氧化物層、形成於上述氧化物層上方的半導體層；在上述SOI基板的上方依次形成具有規定圖案的第一電極層、壓電體層及第二電極層、並形成驅動部及檢測部的步驟；將上述半導體層刻印成圖形並形成振動部的步驟；以及將上述氧化物層刻印成圖形並在上述振動部的下方形成開口部的步驟。其中，上述振動部形成為具有支撐部、將上述支撐部作為基端而形成為懸臂梁狀的兩根梁部；上述驅動部分別形成於上述兩根梁部的上方、且各為一對，各驅動部具有第一電極層、形成於上述第一電極層上方的壓電體層、形成於上述壓電體層上方的第二電極層；上述檢測部分別形成於上述兩根梁部的上方、且各為一個，各檢測部被配置在上述一對驅動部之間，並具有第一電極層、形成於上述第一電極層上方的壓電體層、形成於上述壓電體層上方的第二電極層。
根據本發明的製作方法，可以使用公知的MEMS(Micro ElectorMechanical Systems)技術簡單地製造角速度傳感器。
圖1是示出本發明一實施例的角速度傳感器結構的示意平面圖；圖2是沿圖1的A-A線切開後的截面圖；圖3是沿圖1的B-B線切開後的截面圖；圖4是示出本發明的一實施例的角速度傳感器製造方法的示意截面圖；圖5是示出本發明的一實施例的角速度傳感器製造方法的示意截面圖；以及圖6是示出本發明的一實施例的角速度傳感器製造方法的示意截面圖。
具體實施例方式
下面，將參照附圖對本發明實施例的一例進行詳細的說明。
1.角速度傳感器圖1是示出本實施例的角速度傳感器100的結構的示意平面圖，圖2是示意地示出沿圖1中的A-A線的結構的截面圖，圖3是示意地示出沿圖1中的B-B線的結構的截面圖。
如圖1至圖3所示，角速度傳感器100包括SOI基板1、形成於該SOI基板1上的音叉式振動部10、用於生成該振動部10的彎曲振動的驅動部20(20a至20d)、用於檢測施加在振動部10上的角速度的檢測部30(30a、30b)。
如圖2及圖3所示，SOI基板1在矽基板2上依次層壓有氧化物層(氧化矽層)3及矽層4。為了使角速度傳感器100小型化，矽層4的厚度優選為小於等於20μm。SOI基板1可作為半導體基板使用，並可在SOI基板1內加入各種的半導體電路，所以可將角速度傳感器100和半導體集成電路形成為一體。其中，在可以使用一般的半導體製造技術這一點上，使用矽基板是非常有利的。
如圖1所示，振動部10的平面形狀具有音叉型，並如圖2及圖3所示，振動部10形成於除去SOI基板1的氧化物層3後形成的開口部3a上。而且，在振動部10的周圍，形成有允許該振動部10振動的空隙部4a。而且，振動部10包括支撐部12；兩根梁部部14a、14b，將該支撐部12作為基端，形成為懸臂梁狀。兩根第一梁部14a及第二梁部14b沿其長度方向保持規定的間隔被分別平行地配置。
而且，支撐部12包括在矽層4的上連續的第一支撐部12a、寬度大於該第一支撐部12a的第二支撐部12b。第二支撐部12b具有支撐第一梁部14a及第二梁部14b的功能、以及不使這些梁部14a、14b的振動傳送至第一支撐部12a的功能。例如如圖1所示，第二支撐部12b在其側部可以具有凹凸形狀，以便實現上述的功能。
如圖1所示，在第一梁部14a及第二梁部14b上分別形成一對振動部20。即，在第一梁部14a上，沿第一梁部14a的長度方向平行地形成第一驅動部20a和第二驅動部20b。同樣地，在第二梁部14b上，沿第二梁部14b的長度方向平行地形成第三驅動部20c和第四驅動部20d。而且，被配置在第一梁部14a外側的第一驅動部20a和被配置在第二梁部14b外側的第三驅動部20c通過配線(未圖示)進行電連接。而且，被配置在第一梁部14a內側的第二驅動部20b和被配置在第二梁部14b內側的第四驅動部20d通過配線(未圖示)進行電連接。
如圖2所示，驅動部20(20a至20d)具有形成於底層5上的第一電極層22、形成於該第一電極層22上方的壓電體層24、和形成於該壓電體層24上方的第二電極層26。
如圖1所示，在第一梁部14a和第二梁部14b的上方分別形成有一個檢測部30。即，在第一梁部14a上，沿第一梁部14a的長度方向與第一、第二驅動部20a、20b平行地形成第一檢測部30a。同樣地，在第二梁部14b上，沿第二梁部14b的長度方向與第三、第四驅動部20c、20d平行地形成第二檢測部30b。第一檢測部30a被配置在第一驅動部20a和第二驅動部20b之間。同樣地，第二檢測部30b被配置在第三驅動部20c和第四驅動部20d之間。而且，第一檢測部30a和第二檢測部30d被連接於用於檢測角速度信號的檢測電路(未圖示)。
如圖3所示，檢測部30(30a、30d)具有形成於底層5上的第一電極層32、形成於該第一電極層32上方的壓電體層34、和形成於該壓電體層34上方的第二電極層36。
底層5可以是氧化矽層(SiO2)、氮化矽層(Si3N4)等絕緣層，也可以由兩層以上的複合層構成。第一電極層22、32可以使用任何的電極材料，例如，可以是例示的Pt等。第一電極層22、32的厚度只要是獲得可以足夠低的電阻值的厚度即可，可以為大於等於10nm、小於等於5μm。
壓電體層24、34可以使用任意的壓電材料，例如可以為例示的鈦酸鋯酸鉛。優選方式是，壓電體層24、34的膜厚為矽層4厚度的1/10倍至等倍左右。這是為了確保僅使構成梁部14a、14b的矽層充分振動的驅動力。因此，當使矽層4的厚度為1μm至20μm時，壓電體層24、34的厚度可以為大於等於100nm、小於等於20μm。
第二電極層26、36可以使用任何的電極材料，例如，可以是例示的Pt等。第二電極層26、36的厚度只要是可以獲得足夠低的電阻值即可，可以為大於等於10nm、小於等於5μm。
在本實施例中，在驅動部20中，壓電體層24僅存在於第一電極層22和第二電極層26之間，但是在兩個電極層22、26之間還可以具有上述壓電體層24以外的層。而且，在檢測部30中，壓電體層34僅存在於第一電極層32和第二電極層36之間，但是在兩個電極層32、36之間還可以具有上述壓電體層34以外的層。在這種情況下，也可以根據共振條件適當地改變壓電體層24、34的膜厚。
在本實施例中，若向第一驅動部20a至第四驅動部20d施加交變電場，則第一梁部14a和第二梁部14b可分別鏡對稱地進行彎曲振動(第一彎曲振動)，實現音叉振動。而且，通過沿著與第一、第二梁部14a、14b的中心線相平行的軸系進行轉動的角速度而產生的科裡奧利力，在與振動部10的第一彎曲振動相垂直的方向上產生彎曲振動(第二彎曲振動)。因此，通過由檢測電路檢測由第二彎曲振動所產生的檢測部30a、30b的電壓，從而可以求得角速度。
下面，將對本實施例的角速度傳感器100的結構例進行描述。
(A)在第一例中，在角度速傳感器100中，第一電極層22、32的厚度為0.1μm，壓電體層24、34的厚度為2μm，第二電極層26、36的厚度為0.1μm，驅動部20的厚度為2.2μm，矽層4的厚度為20μm，梁部14a、14b的梁長度為1280μm，梁寬度為40μm。而且，振動部10被收容於長為2000μm、寬為100μm的空隙部4a中。對於這樣結構的角速度傳感器100，若根據有限元法求解運動方程式並進行模擬，則彎曲振動的共振頻率數為32kHz。模擬靈敏度的結果為100mV/deg/sec。
(B)在第二例中，在角度速傳感器100中，第一電極層22、32的厚度為0.1μm，壓電體層24、34的厚度為1μm，第二電極層26、36的厚度為0.1μm，驅動部20的厚度為1.2μm，矽層4的厚度為2μm，梁部14a、14b的梁長度為800μm，梁寬度為4μm。而且，振動部10被收容於長為1000μm、寬為10μm的空隙部4a中。對於這樣結構的角速度傳感器100，若根據有限元法求解運動方程式並進行模擬，則彎曲振動的共振頻率數為32kHz。模擬靈敏度的結果為0.1mV/deg/sec。
根據本實施例的角速度傳感器100，由于振動部10是由SOI基板1的半導體層4構成的，所以可以減小振動部10的厚度及梁部14a、14b的長度。其結果是，即使本實施例的角速度傳感器100即使是小型的，也可以用需要的共振頻率、例如數十kHz的低共振頻率數驅動振動部10，從而測定角速度。例如，在本實施例中，可以將振動部10的厚度設為小於等於20μm，將振動部10的長度設為小於等於2mm。然後，當使用32kHz頻段的頻率時，本實施例的角速度傳感器100可以做成長度小於等於3mm的組件。
而且，當將本實施例的角速度傳感器100用於角速度傳感器模塊時，可以在具有集成有半導體電路的SOI基板的電子設備上搭載角速度傳感器100，所以，可以使組件更加小型化。
進而，根據本實施例，由於可將角速度傳感器100形成於SOI基板1上，所以，在SOI基板1上可整體形成振蕩電路和角速度傳感器。其結果是，可以發揮使用SOI基板1的設備的低動作電壓的特點，從而可以實現超低功耗的單晶片角速度傳感器模塊。
2.角速度傳感器的製造方法下面，將參照圖4至圖6，對本實施例涉及的角速度傳感器100的製造方法的一例進行描述。圖4至圖6是沿圖1的A-A線的截面圖。
(1)如圖4所示，在SOI基板1上形成驅動部20及檢測部30。具體而言，依次形成分別構成驅動部20及檢測部30的底層5、第一電極層22和32、壓電體層24和34、第二電極層26和36。SOI基板1是在矽基板2上依次形成氧化物層(氧化矽層)3及矽層4的基板。
底層5可以通過熱氧化法、CVD法、濺射法等形成。底層5通過刻印圖形而形成為具有想要的形狀。該圖形可以通過通常的光刻及蝕刻技術進行。
第一電極層22、32可以使用蒸鍍法、濺射法等在底層5上形成。第一電極層22、32通過刻印圖形而具有想要的形狀。該圖形通過通常的光刻及蝕刻技術進行。
壓電體層24、34可以通過蒸鍍法、濺射法、雷射燒蝕法、CVD法等各種方法形成。例如當使用雷射燒蝕法形成鈦酸鋯酸鉛層時，將雷射照射在鈦酸鋯酸鉛靶上，例如照射在Pb1.05Zr0.52Ti0.48NbO3的靶上。而且，通過燒蝕使鉛原子、鋯原子、鈦原子、及氧原子從該靶中釋放出來，並通過雷射能產生羽狀物(plume)，面向SOI基板照射該羽狀物。如此，在第一電極層22、32上形成由鈦酸鋯酸鉛構成的壓電體層24、34。壓電體層24、34通過刻印圖形而形成為具有想要的形狀。該圖形根據通常的光刻及蝕刻技術進行。
第二電極層26、36可以通過蒸鍍法、濺射法、CVD法等形成。第二電極層26、36通過刻印圖形而形成為具有想要的形狀。該圖形通過通常的光刻及蝕刻技術進行。
(2)如圖5所示，SOI基板1的矽層4被製作成想要的形狀。具體而言，如圖1所示，在矽層4的空隙部4a內形成有想要的平面形狀的振動部10。矽層4的圖形可以通過公知的光刻及蝕刻技術而進行。蝕刻可以使用幹蝕刻或者溼蝕刻。在該製作圖案的步驟中，SOI基板1的氧化物層3可以作為蝕刻阻擋層使用。
(3)如圖6所示，對SOI基板1的氧化物層3進行蝕刻，並在振動部10的下面形成開口部3a。作為蝕刻，可以使用將例如氟化氫用作氧化矽的蝕刻劑的溼蝕刻。該開口部3a可以將矽基板2及矽層4作為蝕刻阻擋層使用。通過設置上述空隙部4a和開口部3a，可以降低音叉式的振子10的機械約束力，且音叉振子10可以自由振動。
通過以上的步驟，可以形成如圖1至圖3所示的角速度傳感器100。根據本實施例的製作方法，可以使用公知的MEMS技術輕而易舉地製造角速度傳感器。
本發明並不只限於上述的實施例，可以有各種變形。例如，本發明包括與在實施例中說明的構成實質相同的構成(例如，功能、方法以及結果相同的構成，或者目的以及效果相同的構成)。並且，本發明還包括置換實施例中說明的構成中的非本質部分的構成。並且，本發明還包括取得與實施例中說明的構成相同作用效果的構成、或者可達到相同目的的構成。此外，本發明還包括在實施例中說明的構成中附加公知技術的構成。
附圖標記1 SOI基板2 矽基板3 氧化物層 3a開口部4 矽層 5 底層10 振動部 12支撐部14a第一梁部 14b 第二梁部20 驅動部 22第一電極層24 壓電體層 26第二電極層30 檢測部 32第一電極層34 壓電體層 36第二電極層100角速度傳感器
權利要求
1.一種角速度傳感器，包括SOI基板，具有基板、形成於該基板上方的氧化物層、形成於該氧化物層上方的半導體層；音叉式振動部，通過加工所述半導體層和所述氧化物層而形成，包括半導體層；驅動部，用於生成所述振動部的彎曲振動；以及檢測部，用於檢測施加於所述振動部的角速度，其中，所述振動部具有支撐部、以及將該支撐部作為基端而形成為懸臂梁狀的兩根梁部，所述驅動部分別形成於所述兩根梁部的上方、且各為一對，各驅動部具有第一電極層、形成於該第一電極層上方的壓電體層、形成於該壓電體層上方的第二電極層，所述檢測部分別形成於所述兩根梁部的上方、且各為一個，各檢測部被配置在所述一對驅動部之間，並具有第一電極層、形成於該第一電極層上方的壓電體層、形成於該壓電體層上方的第二電極層。
2.根據權利要求1所述的角速度傳感器，其中，所述振動部的厚度小於等於20μm。
3.根據權利要求1或2所述的角速度傳感器，其中，所述振動部的長度小於等於2mm。
4.根據權利要求1或2所述的角速度傳感器，其中，所述振動部的共振頻率為32kHz頻段。
5.根據權利要求1或2所述的角速度傳感器，其中，所述壓電體層包括鈦酸鋯酸鉛或者鈦酸鋯酸鉛固溶體。
6.一種角速度傳感器的製作方法，其中，包括準備SOI基板的步驟，所述SOI基板具有基板、形成於該基板上方的氧化物層、形成於該氧化物層上方的半導體層；在所述SOI基板的上方依次形成具有規定圖形的、(連在一起，可能會只理解為第一電極層具有規定圖形，)第一電極層、壓電體層及第二電極層並形成驅動部及檢測部的步驟；對所述半導體層製作圖形並形成振動部的步驟；以及對所述氧化物層製作圖形並在所述振動部的下方形成開口部的步驟，其中，形成所述振動部，使其具有支撐部、以及將所述支撐部作為基端而形成為懸臂梁狀的兩根梁部，所述驅動部分別形成於所述兩根梁部的上方、且各為一對，形成各驅動部，使其具有第一電極層、形成於該第一電極層上方的壓電體層、形成於該壓電體層上方的第二電極層，所述檢測部分別形成於所述兩根梁部的上方、且各為一個，形成各檢測部，使其被配置在所述一對驅動部之間，並具有第一電極層、形成於該第一電極層上方的壓電體層、形成於該壓電體層上方的第二電極層。
全文摘要
本發明提供以極小型、可獲得如數十kHz頻段的共振頻率的角速度傳感器，包括SOI基板，具有基板、形成於該基板上方的氧化物層、形成於該氧化物層上方的半導體層；音叉式振動部，通過加工半導體層和氧化物層而形成，包括半導體層；生成振動部的彎曲振動的驅動部；及檢測施加在振動部的角速度的檢測部。振動部具有支撐部、及將支撐部作為基端而形成為懸臂梁狀的兩根梁部；驅動部分別形成於兩個梁部的上方、且各為一對，各驅動部具有第一電極層、形成於該第一電極層上方的壓電體層、形成於該壓電體層上方的第二電極層；檢測部分別形成於兩個梁部的上方、且各為一個，各檢測部被配置在上述一對驅動部、一對驅動部之間，並具有第一電極層、形成於該第一電極層上方的壓電體層、形成於該壓電體層上方的第二電極層。
文檔編號G01C19/56GK101059527SQ200710096908
公開日2007年10月24日 申請日期2007年4月16日 優先權日2006年4月17日
發明者樋口天光, 江口誠 申請人:精工愛普生株式會社