专利名称：振动陀螺传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种角速度传感器，该角速度传感器例如用于检测摄像机的运动�：糜诩觳庑槟庀质底爸弥械脑硕糜诩觳馄档己较低持械姆较虻鹊�。特别地，本发明涉及一种包括具有悬臂振动器的振动元件的振动陀螺传感器。
背景技术：
作为消费品角速度传感器，所谓的振动陀螺传感器已经被广泛地使用，其中悬臂振动器以预定的谐振频率振动，并且通过压电元件检测在角度速的影响下产生的科里奥利(Coriolis)力，以检测该角速度。振动陀螺传感器的优点在于机构简单，起动时间短以及制造成本低。例如，将振动陀螺传感器安装在电子装置，诸如摄像机，虚拟现实装置和汽车导航系统上，以分别用于检测运动�：硕头较�。通常的振动陀螺传感器包括振动元件，该振动元件通过机械切割适当的压电材料以形成预定的形状而制造。在其上安装振动陀螺传感器的主体装置的尺寸和重量减小而功能和性能提高的情况下，振动陀螺传感器优选具有更小的尺寸和更高的性能。然而，由于加工精度的限制，难于制造具有高精度的小型振动元件。因此，近来提出一种包括悬臂振动元件的振动陀螺传感器，该悬臂振动元件通过使用用于半导体工艺的薄膜加工技术(例如，参考日本未审专利申请公开No. 7-113643)将一对电极层与在其间提供的压电膜层一起层压形成。这样一种振动陀螺传感器可以在尺寸和厚度上减�。⑶彝ü胗糜谄渌康牡拇衅鹘岷隙迪止δ艿亩嘣蛱岣�。
发明内容
—种用于校正摄像机等等的运动�：�(motion blurring)的机构优选适用于检测围绕至少X轴和Y轴方向的转动角，因此一般包括用于检测围绕X轴和Y轴方向的转动角的两个陀螺传感器。因此，即使减小陀螺传感器的尺寸，用于检测运动模糊的通常机构的整体尺寸的减少也会受到限制。使用上述半导体技术(参见日本未审查专利申请公开No. 7-190783)在硅晶片上形成在两个轴上具有振动器的振动元件的方法，可封装振动陀螺传感器。然而，由于较大空间被用于在硅晶片上形成两轴集成振动元件，从而产生原料效率的问题。另外，两轴集成振动元件具有随减少的尺寸而在两轴上的振动器之间存在串扰的问题。通过解决上述问题的措施，通常振动陀螺传感器的结构是复杂的，并且尺寸和厚度减少的实现变得更困难。也就是，在两个振动器被用于校正运动�：幕怪械牧街嵴穸保叽缂跎俚氖迪直涞酶眩约鞍ㄉ鲜隽街峒烧穸脑て谛》庾暗氖迪忠脖涞酶�。希望提供一种振动陀螺传感器，其能够检测两轴上的振动，同时减少尺寸，提高特性，或者降低成本。依据本发明的实施例，提供一种振动陀螺传感器，包括支撑衬底，在该支撑衬底上形成具有多个焊 接区的布线图案，以及安装在该支撑衬底的表面上的振动元件，其中至少两个振动元件安装在该支撑衬底上，用于检测不同轴方向上的振动。在上述振动陀螺传感器中，包括具有不同轴方向的相应振动器部件的两个振动元件被安装在支撑衬底上，因此，振动元件独立地检测两轴方向上的检测信号。因此，以低成本高效地生产每个振动元件，以及每个振动元件的工作是稳定的，以便提高可靠性。在该振动陀螺传感器中，每个振动元件包括具有安装表面的基底部件，在该安装表面上形成多个连接至支撑衬底上焊接区的端子，以及振动器部件以悬臂形式从基底部件的一侧整体突出且具有与该基底部件的安装表面共面的面向基底的表面。该振动器部件具有第一电极层、压电层和第二电极层，这些依次形成在该面向基底的表面上。安装两个振动元件以使该振动器部件对轴线成90°设置。在该振动陀螺传感器中，从驱动检测器电路部件将预定频率的AC电场施加给每个振动元件，以在振动器部件中产生固有振动。还有，在由运动�：目评锇吕σ鹪诿扛稣穸鞑考械奈灰剖保裳沟绮慵觳馕灰撇⒋右欢约觳獾缂涑鼍哂邢喾醇缘募觳庑藕拧８眉觳庑藕庞汕觳馄鞯缏凡考恚允涑鲎魑撬俣刃藕�。在这种情况中，振动元件的工作频率之间差为IkHz或更大，从而降低所述轴间的串扰。在该振动陀螺传感器中，在不同轴方向上用于检测振动的至少两个振动元件被安装在支撑衬底上，从而简化结构，减少尺寸，以及允许在两轴方向上的高精度检测操作。而且，提高了每个振动元件的生产率且高精度地制造每个振动元件，从而降低成本及增加精度。
图I是依据据本发明的第一个实施例的整个振动陀螺传感器的透视图，其盖元件移开；图2是图I所示的振动陀螺传感器的振动元件的主要部分的截面图；图3是在振动陀螺传感器安装在控制衬底上的状态中，图2所示的振动陀螺传感器的振动元件的主要部分的截面图；图4是振动元件的底视图；图5是振动陀螺传感器的底视图；图6是支撑衬底的平面图，示出载荷缓冲部分结构的改进的示例；图7是振动陀螺传感器的电路的方框图；图8是从底部看整个振动元件的透视图；图9是振动元件的振动部件的透视图；图10是用于制造振动陀螺传感器的方法的主要步骤的流程图；图11是在用于制造振动元件的过程中使用的硅衬底的平面图12是图11所示的硅衬底的截面图；图13是硅衬底的平面图，在该硅衬底上通过构图(patterning)在光致抗蚀剂层中形成振动元件形成部分；图14是图13所示的硅衬底的截面图；图15是硅衬底的平面图，在该硅衬底上通过构图在二氧化硅膜中形成振动元件形成部分；图16是图15所示的硅衬 底的截面图；图17是硅衬底的平面图，其中形成刻蚀凹槽，该刻蚀凹槽构成限定各个振动器部件的厚度的各个膜片部件；图18是附图17所示的硅衬底的截面图；图19是一个刻蚀凹槽的放大的截面图；图20是主要部分的截面图，其中在每个膜片部件上层压第一电极层，压电膜层和第二电极层；图21是主要部分的平面图，其中将驱动电极层和检测电极在图20所示的第二电极层中构图；图22是图21所示的主要部分的截面图；图23是主要部分的截面图，其中将压电膜层在图20所示的压电膜层中构图；图24是图23所示的主要部分的截面图；图25是主要部分的平面图，其中将参考电极层在图20所示的第一电极层中构图；图26是图25所示的主要部分的截面图；图27是主要部分的平面图，其中形成平面化层；图28是图27所示的主要部分的截面图；图29是主要部分的截面图，其中在基底部件的相应形成区域上形成引线(lead)；图30是图29所示的主要部分的截面图；图31是主要部分的平面图，其中形成用于形成绝缘保护层的光致抗蚀剂层；图32是图31所示的主要部分的截面图，其中形成绝缘保护层的第一氧化铝层；图33是图31所示的主要部分的截面图，其中形成绝缘保护层的二氧化硅层；图34是图31所示的主要部分的截面图，其中形成绝缘保护层的第二氧化铝层以及刻蚀停止层(etching stop layer)；图35是主要部分的平面图，其中形成外部凹槽以形成振动元件的外部形状；图36是图35所示的主要部分的截面图，从垂直于振动器部件的纵向的方向看；图37是图35所示的主要部分的截面图，从振动器部件的纵向看；图38A和38B是示出用于形成振动元件的镀覆凸起(plating bump)的方法的侧截面图；图39A、39B和39C是示出调整振动器部件的步骤的图；图40是示出从硅衬底得到的元件数的比较的表；图41是示出由于振动元件的布置引起的轴间干扰的曲线图；图42A和42B是在安装步骤中振动元件的角偏移的柱状图，其中图42A示出通过识别对准标记而进行的安装，而图42B示出通过识别外形而进行的安装；图43是示出由于两个振动元件不同工作频率之间的频率差而产生的干扰信号的振幅的测量结果的曲线图；图44是示出在激光加工位置、谐振频率和失调度之间关系的曲线图；图45是示意示出用于调整失调度的激光加工位置和用于调整振动元件的激光加工位置的平面图；图46是描述在本发明第二实施例中的通常振动陀螺传感器的主要部分的平面图；图47是依据第二实施例的振动陀螺传感器的主要部分的平面图；图48是示出依据第二实施例的示例的测量结果的曲线图；图49是示出依据本发明第三实施例的振动元件和驱动检测电路部件之间关系的示意图；图50是示出图49中所示振动元件的工作的曲线图；图51是示出压电材料的压电性能和偏移电压之间关系的示例的曲线图；以及图52是示出压电材料的磁滞回线的图。
具体实施例方式下面参照附图详细地描述根据本发明实施例的振动陀螺传感器。本发明不限制于这些实施例，并且在本发明的技术构思的基础上可以作出各种修改。虽然下面是使用特定尺寸值描述每个组成元件的部件，但每个尺寸值是中心参考值。同样，每个部件的尺寸值不限于这些中心参考值，并且每个部件可以由通常的容许界限内的尺寸值形成。而且，振动陀螺传感器的尺寸值不限于这些尺寸值，并且可以根据特征规格适当地形成每个部件。第一实施例(振动陀螺传感器的示意性构造)参照附图1，振动陀螺传感器I具有包括支撑衬底2和盖元件15的外部元件，盖元件15与支撑衬底2的第一主表面2-1结合以形成组件安装空间3。例如，将振动陀螺传感器I安装在摄像机上以用作校正运动�：幕�。同样，例如，将振动陀螺传感器I用于虚拟现实装置以用作运动检测器，或者用于汽车导航系统以用作方向检测器。振动陀螺传感器I例如包括作为支撑衬底2的陶瓷衬底或玻璃衬底。同样，将具有多个焊接区(land) 4的预定布线图案5形成在支撑衬底2的第一主面2-1上以形成组件安装区域6。在组件安装区域6混合装载一对第一和第二振动元件20X和20Y (在下文中除非特指否则一般称作“振动元件20”)，安装该振动元件以检测不同轴向方向上的振动，这将在下面详细地描述，IC电路元件7，以及多个外部提供的陶瓷电容器和电子组件8。在支撑衬底2的组件安装区域6中，通过使用适当的安装机器的倒装片工艺来表面安装振动元件20以及IC电路元件7和电子组件8。将具有相同形状的该对振动元件20X和20Y安装在支撑衬底2的第一主面2-1的相对角部2C-1和2C-2，以便具有不同的轴线。如图2所示，每个振动元件20有具有安装表面的基底部件22，在该安装表面上形成多个通过金凸起26 (gold bumps)连接到相应焊接区4的端子25，以及以悬臂形式整体地从基底部件22的一侧突出的振动器部件23。下面将详细地描述每个振动元件20的结构。如图I所示，将第一振动元件20X的基底部件22固定到浮置岛状第一振动元件安装区域13A，该第一振动元件安装区域在支撑衬底2的组件安装区域6的角部2C-1形成，并且将从基底部件22整体突出的振动器部件23沿支撑基片2的侧边指向与角部2C-1相邻的角部2C-3。将另外第二振动元件20Y的基底部件22固定到浮置岛状第二振动元件安装区域13B，该第二振动元件在支撑基片的组件安装区域6的角部2C-2形成，并且将从基底部件22整体突出的振动器部件23沿支撑基片2的侧边指向与角部2C-2相邻的角部2C-3。换句话说，将第一和第二振动元件20X和20Y以90°角安装在支撑衬底2上，以便将振动器部件23指向角部2C-3。振动陀螺传感器I适于使用该对振动元件20X和20Y来检测彼此垂直的两个轴方向上的振动。然而，也可以根据主体装置的规格将振动元件20X和20Y以适当的角度安装在支撑衬底2上。振动陀螺传感器I在振动器23处于谐振状态下检测振动元件20的振动器部件23 的纵向附近的角速度。在振动陀螺传感器I中，将第一和第二振动元件20X和20Y以一定角度安装在支撑衬底2上，以同时检测X轴和Y轴方向附近的角速度。例如，在摄像机中，该振动陀螺传感器I用作运动�：男Ｕ梗眯Ｕ够谝蛟硕：贾碌恼穸刺涑隹刂菩藕�。接下来，将详细地描述支撑衬底2的构造。(负荷缓冲结构)通过使支撑衬底2变薄可以减少振动陀螺传感器I的尺寸和厚度。因此，由于外部施加的外负荷如振动、冲击等等会使支撑衬底2中出现应变或应力。在本实施例中，在支撑衬底2上设置用于外负荷的缓冲器结构，以减少即使出现应变或应力时对支撑衬底2上安装的振动元件20的影响。如图I至3所示，分别在第一主面2-1的角部2C-1和2C-2形成第一负荷缓冲槽12A和12B(在下文中除非特指否则一般称作“第一负荷缓冲槽12”)。在由相应的第一负荷缓冲槽12环绕的区域中形成振动元件安装区域13A和13B(在下文中除非特指否则一般称作“振动元件安装区域13”)，并且将振动元件20安装在相应的振动元件安装区域13上。如图3所示，在支撑衬底2中，在第二主面2-2中形成第二负荷缓冲槽14，将该第二主面安装在主体装置的外部控制衬底100等之上。如图5所示，第二负荷缓冲槽14包括第二负荷缓冲槽14A和14B(下文中除非特指否则一般称作“第二负荷缓冲槽14”)。如图5所示，将由第二负荷缓冲槽14环绕的区域用作端子形成(formation)区域115A和115B(下文中除非特指否则一般称作“端子形成区域115”)。如图4所示，将每个第一负荷缓冲槽12形成在具有底的框状槽中，以形成比每个振动元件20的基底部件22的外部形状更大的振动元件安装区域13。第一负荷缓冲槽12例如使用切块机(dicer)机械开槽、使用激光器湿刻蚀或干刻蚀化学开槽形成。在支撑衬底2的机械强度没有受损的范围内，每个第一负荷缓冲槽12形成IOOiim或者更大的深度。如图5所示，第二负荷缓冲槽14A和14B沿支撑衬底2的外周线平行地形成。将该外周线和相应的第二负荷缓冲槽14A和14B之间的区域分别用作端子形成区域115A和115B，在每个端子形成区域中，适当地排列多个安装端子部件116A或116B(在下文中除非特指否则一般称作“安装端子部件116”)。通过凸起117将安装端子部件(外部连接端子)116连接到控制衬底100上的相应的焊接区，支撑衬底2安装在控制衬底100上，凸起117设置在相应的安装端子部件116上。与第一负荷缓冲槽12相同，通过切块机(dicer)来机械开槽、通过湿刻蚀来化学开槽或通过激光器来干刻蚀等，将每个第二负荷缓冲槽14在支撑衬底2的第二主面2-2中形成预定的深度。第二负荷缓冲槽14在支撑衬底2的第二主面2-2上形成浮置岛状端子形成区域115，并且将多个安装端子部件116沿支撑衬底2的外边排列在每个端子形成区域115中。第二负荷缓冲槽14不限于沿该外边的线性槽，并且该第二负荷缓冲槽14例如也可以以环绕每个安装端子部件116的框形或者两端都朝向该外边的基本为U形的形状形成。 在支撑衬底2中，形成多个穿过第一和第二主面2-1和2-2的通孔，以便将第一主面2-1上的布线图案5通过该通孔适当地连接到第二主面2-2上的安装端子部件116。当对该主体装置施加冲击时，应变或应力通过控制衬底100而在振动陀螺传感器I的支撑衬底2中发生。在本实施例中，如上所述，将每个振动元件20安装在浮置岛状振动元件安装区域13上，该振动元件安装区域13由第一负荷缓冲槽12环绕。因此，将因外负荷出现的应变或应力通过第一负荷缓冲槽12吸收。因此，每个第一负荷缓冲槽12起到减振器(damper)的作用，用作减少外负荷对安装在振动元件安装区域13上的振动元件20的影响，从而允许振动元件20稳定地检测操作。另一方面，在振动陀螺传感器I中，如上所述，提供第二负荷缓冲槽14，以便将在每个浮置岛状端子形成区域115上提供的安装端子部件116用作固定于控制衬底100的部分。在本实施例中，将通过控制衬底100传递的外负荷通过第二负荷缓冲槽14吸收。因此，将每个第二负荷缓冲槽14用作减少外负荷对安装在振动元件安装区域13上的振动元件20的影响的减振器，从而实现振动元件20的稳定的检测操作。将每个第一负荷缓冲槽12形成为具有U形的截面形状的连续的凹槽，但是每个负荷缓冲槽12不限于此。在满足预定特征的条件下，每个第一负荷缓冲槽12例如可以通过排列多个槽以形成总体上的框形而形成。同样，每个第二负荷缓冲槽14也不限于连续的槽，并且每个第二负荷缓冲槽14例如可以通过排列多个槽而形成。而且，虽然将第一负荷缓冲槽12和第二负荷缓冲槽14分别形成在支撑衬底2的第一主面2-1和第二主面2-2中，以便形成包括前后表面的负荷缓冲结构，但是在满足预定特性的条件下也可以仅提供第一负荷缓冲槽12或第二负荷缓冲槽14以形成负荷缓冲结构。 尽管，如上所述，在支撑衬底2的第一主面2-1中形成每个框状第一负荷缓冲槽12以环绕振动元件安装区域13，但是每个第一负荷缓冲槽12的结构不限于此。在图6所示的振动陀螺传感器170中，在支撑衬底171中形成框状第一负荷缓冲槽172X和172Y，以及十字形状隔离槽173A和173B被进一步形成在每个第一负荷缓冲槽172中，以形成四个安装区域174A至174D。也就是，在振动陀螺传感器170中，相应于形成在每个振动元件20的基底部件22上的各个端子部件25，分隔开单独的安装区域174。尽管在图6中没有显示，但安装端子部件被设置在每个安装区域174中。在具有上述结构的振动陀螺传感器170中，通过金凸起将端子部件25固定至相应安装端子部件，从而将每个振动元件20安装在支撑衬底171上，以使端子部件25被固定至由隔离槽173在第一浮动槽中分隔的相应第二浮置岛，所述第一浮置岛整个由每个第一负荷缓冲槽172围绕。
(空间形成凹形)在支撑衬底2中，将凹形IlA和IlB(下文中除非特指否则一般称作“空间形成凹形11”)形成在对应于振动元件20X和20Y的组件安装区域6中，以便形成各个振动器23在其中在厚度方向上自由振动的空间。通过例如刻蚀或开槽支撑衬底2的第一主面2-1，将每个空间形成凹形11形成具有预定的深度和孔径的基底的矩形槽。在振动陀螺传感器I中，每个振动元件20包括一体形成的基底部件22和悬臂振动器部件23，通过金凸起26将该振动元件安装在支撑衬底2的第一主面2-1上。每个振动元件20的振动器部件23和支撑衬底2的第一主面2-1之间的空间由金凸起26的厚度确定，以便减少整个结构的厚度。然而，由于金凸起26的工艺限制可能不能保持足够的空间。在振动器部件23的振动操作下，每个振动元件20在支撑衬底2的第一主面2_1和振动元件20之间产生气流。该气流与支撑衬底2的第一主面2-1碰撞，以造成将每个振动器部件23向上推的阻尼效应。在本实施例中，在支撑衬底2的第一主面2-1中形成空间形成凹形11，因此在第一主面2-1和每个振动器部件23之间保持足够的空间，如图2所示，由此减少了振动元件20的阻尼效应。在振动陀螺传感器I中，将振动元件20安装在支撑衬底2的第一主面2-1上，以便振动器部件23相对于各个空间形成凹形11延伸，因此在每个振动器23和支撑衬底2之间保持了足够的空间，同时使振动陀螺传感器I保持很小的厚度，如图2所示。因此，当振动器部件23在厚度方向上振动时，减少了阻尼效应，由此确保每个振动元件20的稳定检测操作。根据振动元件20的振动器部件23的尺寸将空间形成凹形11优化，并且将其形成在支撑衬底2中。在本实施例中，当将每个振动元件20以下述的尺寸值形成时，每个空间形成凹形11的孔径是2. ImmXO. 32mm,深度尺寸k(参照附图2)是k彡p/2+0. 05mm,其中P是振动器部件23的最大振幅。当在支撑衬底2中形成具有这种结构的空间形成凹形11时，该高度尺寸被缩减以使其变�。佣跎俣哉穸�20的阻尼效应影响以保持高Q因数，并且允许以闻灵敏度稳定探测如运动|旲糊等的运动。接下来，将详细地描述振动元件20的结构。(金凸起)每个振动元件安装在振动元件20安装区域13上，以便该基底部件22的第二主面(22-2)形成对于支撑衬底2的固定表面(安装表面)，基底部件22包括如下述的硅衬底21的第二主面21-2。如图4所示，第一至第四端子部件25A至25D (下文中除非特指否则一般称作“端子部件25”)形成在基底部件22的安装表面22-2，并且第一至第四金凸起26A至26D(下文中除非特指否则一般称作“金凸起26”)分别形成为端子部件25上的金属突起。将每个振动元件20的端子部件25对应于在支撑衬底2上的布线图案5中形成的各个焊接区4形成。因此，每个端子部件25与相应的焊接区4对准，并且与支撑衬底2结合。在这种情形下，在超声波的应用下将振动元件20压在支撑衬底2上，以便通过金凸起 26将端子部件25焊接到相应的焊接区4。结果是，将振动元件20安装在支撑衬底2上。这样，当将振动元件20与具有预定高度的金凸起26安装在一起时，每个振动器部件23执行预定的振动运动，而第二主面(面向衬底的表面)23-2保持在距离支撑衬底2的第一主面2-1预定的高度。
在本实施例中，通过将振动元件20表面安装在支撑衬底2上提高了安装步骤的效率。在表面安装过程中使用的连接器不限于上述金凸起26，也可以使用通常在半导体工艺中使用的其它不同的金属突起如焊球、铜凸起等。在本实施例中，用于制造主体装置的方法包括用于通过凸起117将支撑衬底2的安装端子部件116连接并且固定到控制衬底100相应的焊接区的回流焊接，因此将具有高耐热性和高可加工性的金凸起26用作连接器。
在振动陀螺传感器中，通过将振动元件固定到支撑衬底的结构确定机械品质因数(Q因数)。在本实施例中，将振动元件20通过金凸起26安装在支撑衬底2上，以便基底部件22浮置在支撑衬底2的第一主面2-1上。因此，与例如通过粘结层将基底部件完全粘结到支撑衬底的情况比较，增加了每个振动器部件22末端的阻尼度从而得到满意的Q因数。此外，与将该基底22固定在一个位置的结构比较，当将基底部件22固定在支撑衬底2的第一主面2-1的多个位置时，可以得到满意的Q因数。因此，将基底部件22固定在支撑衬底2的四个角部，由此获得满意的Q因数。可以如此提供金凸起26，即相对于每个振动器部件23的纵向中心轴，将该整体的重心定位在宽度尺寸t6的范围内(参照附图9)。通过如此布置金凸起26，每个振动器部件23可以在厚度方向上稳定地振动，而不破坏横向平衡。而且，将每个金凸起26形成在从每个从基底部件22突出的振动器部件23的基底末端起、具有2倍于振动器部件23的宽度尺寸t6的半径的区域外侧。因此，减少了通过金凸起26吸收振动器部件23的振动的操作，以保持高Q因数。此外，将至少一个金凸起26形成在从每个振动器部件23的基底末端起2倍于基底部件22的厚度尺寸tl (参照附图8)的区域内。因此，每个振动器部件23的振动没有被传递到基底部件22，从而阻止了谐振频率偏移的出现。而且，每个金凸起26可以包括两级凸起(bump)，并且可以将第五金凸起形成为不被包括在每个基底部件22的第二主面上的电连接中的虚设物。在这种情况下，当然，在支撑衬底2上形成被焊接到相应的第五金凸起焊盘的该虚拟端子部件。(元件形状)如图8所示，在每个根据本实施例的振动元件20中，振动器部件23具有与基底部件22的第二主面(安装表面)22-2共面的第二主面(面向衬底的表面)23-2，并且以悬臂方式突出，其一端与基底部件22结合在一起。如图2所示，振动器部件23具有从基底部件22的第一主面(上表面)22-1逐步降低的上表面23-1，以便具有预定的厚度。振动器部件23具有预定的长度和截面积，并且包括悬臂，该悬臂与基底部件22的一侧22-3整体地形成，并且具有矩形横截面。同样，如图8所不，每个振动兀件20的基底部件22具有300 u m的厚度tl,距尚振动器部件23的尖端3mm的长度尺寸t2，以及Imm的宽度尺寸t3。如图9所示，每个振动元件20的振动器部件23具有100 u m的厚度尺寸t4，2. 5mm的长度尺寸t5，以及100 y m的宽度尺寸t6。如下面详细所述，每个振动元件20通过由驱动检测器电路部件50施加的预定频率的驱动电压而振动，但是由于上述形状而在40kHz的谐振频率振动。每个振动元件20的结构不限于上述结构，以及根据使用的频率以及意欲的总体形状，该结构可以不同地确定。而且，每个振动元件20可以被形成以满足下面对于各个基底部件22和振动器部件23的条件。也就是，将各个基底部件22以宽度尺寸t3形成，该宽度尺寸t3是振动器部件23的宽度尺寸t6的2倍或者更多，并且相对于振动器部件23的纵向中心轴将重心定位在2倍于振动器部件23的宽度尺寸t6的区域中。在这种结构中，每个振动器部件23令人满意地振动，而不破坏横向平衡。此外，当每个基底部件22的厚度尺寸tl是振动器部件23的厚度尺寸的I. 5倍时，保持基底部件22的机械强度，以阻止基底部件22由于振动器部件23的振动而振动，由此阻止了谐振频率偏移的出现。(压电膜和不同的电极层)在每个振动元件20中，如图4所示，在用于制造振动元件的过程中，在长度方向的整个长度上，将参考电极层(第一电极层)27，压电薄膜层28和驱动电极层(第二电极层28)层压在振动器部件23的第二主面(面向衬底的表面)23-2上，这将在下面描述。同样，在每个振动器部件23的第二主面(面向衬底的表面)上将一对检测电极层30R和30L(在下文中除非特指否则一般称作“检测电极30”)与其间的驱动电极层29—起形成。该驱动电极层29和检测电极层30构成第二电极层。 将用作第一层的参考电极层27形成在每个振动器部件23的第二主面(面向衬底的表面)23-2上，并且在其上形成具有与参考电极层27基本相同长度的压电薄膜层28。驱动电极层29具有与压电薄膜层28基本相同的长度以及比压电薄膜层28更小的宽度，将该驱动电极层形成在宽度方向上压电薄膜层28的中心部分。而且，将该对检测电极层30R和30L层压在压电薄膜层28上，以在其间容纳驱动电极层29。(引线和端子部件)如图4所示，在每个振动元件20中，将第一引线31A形成在基底部件22的第二主面(安装表面)22-2上，用于将该参考电极层27连接到第一端子部件25A，并且形成第三引线31C，用于将驱动电极层29连接到第三端子部件25C。同样，在基底部件22的安装表面22-2上形成第二引线31B，以将第一检测电极30R连接到第二端子部件25B，并且形成第四引线31D，以将第二检测电极30L连接到第四端子部件25D。在下文中，除非特指，否则引线31A至31D 一般称作“引线31”。将第一引线31A从在每个振动器部件23上形成的参考电极层27的基底末端整体地延伸到基底部件22，并且在振动器部件23整体形成的侧面上连接到在基底部件22的第二主面(安装表面)22-2的角部形成的第一端子部件25A。每个驱动电极层29和检测电极30具有从振动器部件23延伸到基底部件22的略宽的基底末端，该略宽的基底末端覆盖有平面层24。第二引线31B被这样形成以使其末端横跨平面层24，将其沿基底部件22的一侧延伸到与第一端子部件25A相反的后面的角部，并且将其连接到在该角部形成的第二端子部件25B。第三引线31C被这样形成以使其末端横跨平面层24，将其通过基底部件22的基本上的中心部分向后延伸，同样沿后侧端延伸到与第二端子部件25B相反的角部，并且将其连接到在该角部形成的第三端子部件25C。同样形成第四引线31D以使其末端横跨平面层24，并且将其沿基底部件22的另一侧延伸到前侧上与第三端子部件25C相反的另一个角部，并且将其连接到在该角部形成的第四端子部件25D。在每个振动元件中，无论上述结构如何，适当数量的端子部件25在基底部件22的第二主面(安装表面)22-2上的适当的最佳位置形成。同样，在每个振动元件20中，当然，电极层的引线之间的连接图案和相应的端子部件25不限制于此，以及根据端子部件25的位置和数量，将该连接图案适当地形成在每个基底部件22的第二表面上。(绝缘保护层)在每个振动元件20中，如图2和4所示，在第二主面21-2上形成绝缘保护层45，以便覆盖基底部件22和振动器部件23。绝缘保护层45具有三层结构，该三层结构包括作为第一层的第一氧化铝(氧化铝=Al2O3)层46、作为第二层的氧化硅(SiO2)层47和作为第
三层的第二氧化铝层48。
如图2所示，绝缘保护层45具有端子孔49，该端子孔对应于每个端子部件25的形成区域，以便使每个端子部件25通过端子孔49暴露于外部。在每个振动元件20中，如图2所示，在每个端子部件25上形成金凸起26，以便金凸起26从端子孔49突出。绝缘保护层45被形成，使得硅衬底21的第二主面21-2被暴露在框架中，该框架形成在每个基底部件22和每个振动器部件23的外周与参考电极层27和端子部件25的外周之间。绝缘保护层45被形成，使得不覆盖第二主面21-2的暴露的周边区域，由此防止在切割每个振动元件20的步骤期间绝缘保护层45从该周边区域剥落，如下所述。绝缘保护层45形成有例如98 iim的宽度尺寸，在每个具有IOOiim宽度尺寸t6的振动器部件23中。绝缘保护层45包括具有例如50nm厚度尺寸的第一氧化铝层46。将第一氧化铝层46用作下部粘合层，以改善到基底部件22的主面和振动器部件23的粘合。因此，将绝缘保护层45牢固地沉积在每个进行振动的振动器部件23上，以防止剥落等的出现。将氧化硅层47用作隔离空气中的湿度等，并且防止其与每个电极层的粘合，还用于抑制每个电极层的氧化，电绝缘每个电极，或者机械保护每个电极薄膜层和压电薄膜层28。最上的第二氧化铝层48用于提高对于形成的抗蚀层的粘合，以通过下述的外部形状开槽步骤在硅衬底21上形成每个振动器部件23，并且防止刻蚀剂对氧化硅层47的损伤。氧化硅层47形成为具有至少是第二电极层42厚度的两倍的厚度，且为I U m或更少。同样，通过在0. 4Pa或更少的氩气环境下溅射而将氧化硅层47沉积在第一氧化铝层46上。由于氧化硅层47具有上述的厚度，因此绝缘保护层45表现出足够的绝缘保护功能，并且防止在沉积期间出现毛刺。通过在上述溅射条件下沉积，氧化硅层47形成有较高的薄膜
山/又o(对准标记)在振动陀螺传感器I中，为了在支撑衬底2上精确地定位和安装具有相同形状的第一和第二振动元件20X和20Y，通过安装机器识别支撑衬底2上每个焊接区4的位置。因此，在每个振动元件20的基底部件22的第一主面(上表面)22-1上提供对准标记32A和32B(在下文中一般称作“对准标记32”)，以便在由该安装机器识别的相应焊接区4上定位和安装每个振动元件20。如图I和4所示，对准标记32包括一对由金属箔等构成的矩形部分，在每个基底部件22的第一主面(上表面)22-1上的宽度方向上，该对矩形部分之间形成一个空间。在对准标记32由安装机器读取以产生关于支撑衬底2的位置和姿态的安装数据后，在该安装数据和焊接区4的数据的基础上，可以将每个振动元件20精确地定位并安装在支撑衬底2上。虽然将对准标记32形成在每个振动元件20的基底部件22的第一主面上，但是该对准标记不限于此。可以将例如由导体组成的对准标记32形成在适当的位置，避免每个基底部件22的第二主面(安装表面)22-2上的端子部件25和引线31例如在一布线步骤中同时形成。如下详细所述，使用在形成每个振动元件20的电极层和振动器部件23的外部形状开槽步骤中使用的电感耦合的等离子体装置，优选地将对准标记32与用于反应刻蚀的参考标记一致地定位和形成。可以使用步进曝光装置在每个振动器部件23上形成具有0. Ium或更小精度的对准标记。通过适当的方法形成对准标记32。例如，如下所述的，当对准标记32通过构图包括钛层和钼层的第一电极层40而形成在每个基底部件22的第二主面(安装表面)22-2上时，在安装步骤中读取该标记以在图象处理中得到高对比度，由此提高安装精度。(盖)接下来，将详细地描述用于屏蔽支撑衬底2的第一主面2-1的盖15。在振动陀螺传感器I中，通过在振动元件20上形成的压电薄膜层28和检测电极30检测由运动�：目评锇吕υ斐傻拿扛稣穸�20的位移，以输出检测信号，如下面详细描述的。当将光应用到压电薄膜层28时，由于热电效应出现电压，并且该热电电压效应影响检测操作而降低检测特性。在振动陀螺传感器I中，使由支撑衬底2和盖元件15形成的组件安装空间3屏蔽光线，由此防止了由于外部光线的影响造成的特性的降低。如图I所示，从第一主面2-1沿整个周边逐步下落支撑衬底2的外部周边，以使组件安装区域6形成凸缘以及形成包括垂直壁的光屏蔽台阶9，并且因此形成盖固定部件10。在整个周边上使用树脂粘合将包括金属薄板的盖元件15粘合到支撑衬底2的盖固定部件10，并且因此组件安装区域6被密封且实现防尘和防湿，以及形成光屏蔽空间。如图I所示，盖元件15整体形成箱状形状，其包括具有足以覆盖支撑衬底2的组件安装区域6的外部尺寸的主面部分16，以及通过沿其整个周边弯曲主面部分16而整体形成的周边壁部分17。盖元件15形成有足以形成组件安装空间3的高度尺寸，其中当周边壁部分17与支撑衬底2结合时每个振动元件20的振动器部件23振动。盖元件15具有通过沿其整个开口边弯曲周边壁部分17而整体形成的周边凸缘18，周边凸缘18比在支撑衬底2中形成的盖固定部分10略窄。虽然未在附图中示出，当将振动陀螺传感器I安装在控制衬底100上时，周边凸缘18具有连接到控制衬底100上的接地端子的接地突出部分。盖元件15包括金属薄板，因而保持了振动陀螺传感器I的轻重量。然而，由于对红外波长的外部光的光屏蔽特性的降低，盖元件15不能表现出足够的光屏蔽功能。因此，根据本实施例，将主面部分16的所有表面和周边壁部分17涂有例如红外吸收涂料，该红外吸收涂料吸收红外波长的光以形成光屏蔽层19，以便进入到组件安装空间3红外波长的外部光辐射被切断，从而实现每个振动元件20的稳定操作。光屏蔽层19可以通过浸�：焱馕胀苛先芤褐卸纬稍谇昂笾髅嫔希蛘咄ü坪诟�、黑染色或黑阳极化形成。所述，在振动陀螺传感器I中，将盖元件15与支撑衬底2结合，通过将周边凸缘18放置在盖固定部分10上并且通过粘合剂将它们粘合在一起，由此形成密封的、光屏蔽的组件安装空间3。然而，外部光可以穿过粘合剂且进入组件安装空间3，所述粘合剂被设置在粘合在一起的盖固定部分10和周边凸缘18之间的空间。在本实施例中，因此，通过光屏蔽台阶9将盖固定部分10从支撑衬底2的主面1-2逐级降低，如上所述。结果，通过光屏蔽台阶9切断了穿过该粘合层的外部光。在本实施例中，与其它组成元件一样，通过表面安装方法将盖元件15与支撑衬底2结合，因此使装配步骤合理化。在振动陀螺传感器I中，由于将盖元件15固定到支撑衬底2的台阶式盖固定部分10，因而减少了厚度，并且阻止粘合剂流入组件安装区域6。同样，将组件安装空间3用作防尘和防湿空间以及光屏蔽空间，由此阻止每个振动元件20中热电效应的出现，并且允许运动如运动�：鹊奈榷觳�。(电路结构)
接下来，将参照附图7描述用于驱动振动陀螺传感器I的电路结构。振动陀螺传感器I包括分别连接到第一振动元件20X和第二振动元件20Y的第一驱动检测电路部件50X和第二驱动检测电路部件50Y，并且每个驱动检测电路部件包括IC电路元件7、电子组件8等。第一和第二驱动检测电路部件50X和50Y具有相同的电路结构，因而在下文中一般称作“驱动检测电路部件50”。每个驱动检测电路部件50包括阻抗变换电路51，加法电路52，振荡电路53，差分放大电路54，同步检测电路55，以及DC放大器电路56。如图7所示，在每个驱动检测电路部件50中，将阻抗变换电路51和差分放大电路54连接到每个振动元件20的每个第一和第二检测电极30L和30R。将加法电路52连接到阻抗变换电路51，并且将连接到加法电路52的振荡电路53连接到驱动电极层29。将同步检测电路55连接到差分放大电路54和振荡电路53，并且将DC放大电路56连接到同步检测电路55。而且，将每个振动元件20的参考电极层27连接到支撑衬底2上的参考电位57。在每个驱动检测电路部件50中，振动元件20、阻抗变换电路51，加法电路52和振荡电路53构成自激振荡电路。当将预定频率的振荡电压Vgo从振荡电路53应用到驱动电极层29时，在每个振动元件20的振动器部件23出现固有振荡。将来自每个振动元件的第一检测电极30R的输出Vgr和第二检测电极30L的输出Vgl提供给阻抗变换电路51，并且在输入Vgr和Vgl的基础上分别将输出Vzr和Vzl从阻抗变换电路51输出到加法电路52。在这些输入的基础上加法电路52将加法输出Vsa输出到振荡电路53。将分别来自每个振动元件20的第一和第二检测电极30R和30L的输出Vgr和Vgl提供给差分放大电路54。当每个振动元件20检测运动模糊时，在驱动检测电路部件50中的输出Vgr和Vgl之间出现差异，因而从差分放大电路54产生预定的输出Vda。将来自差分放大电路54的输出Vda提供给同步检测电路55。同步检测电路55同步检测输出Vda,将其转换成DC信号Vsd，并且将该DC信号Vsd提供给DC放大电路56，以在预定的DC放大之后输出DC信号Vsd。同步检测电路55将全波整流之后的差分放大电路54的输出Vda与基于时钟信号Vck的定时结合，由此产生DC信号Vsd，其中该时钟信号Vck与驱动信号同步地从振荡电路53输出。如上所述，每个驱动检测电路部件50通过DC放大电路56放大DC信号，并将其输出，因此，检测由运动�：慕撬俣刃藕�。在每个驱动检测电路部件50中，阻抗变换电路51在高阻抗输入Z2的状态下产生低阻抗输出Z3，以展现出分离第一和第二检测电极30R和30L之间的阻抗Zl以及加法电路52的输入之间的阻抗Z4的功能。通过使用阻抗变换电路51，从第一和第二检测电极30R和30L得到较大的输出差。
在每个驱动检测电路部件50中，上述阻抗变换电路51仅表现出用于输入和输出的阻抗变换功能，而没有明显地影响信号的振幅。因此，来自第一检测电极30R的输出Vgr的振幅与阻抗变换电路51的输出Vzr的振幅相等，而来自第二检测电极30L的输出Vgl的振幅与阻抗变换电路51的输出Vzl的振幅相等。在每个驱动检测电路部件50中，即使当振动元件20检测运动�：圆醋缘谝患觳獾缂�30R的输出Vgr和来自第二检测电极30L的输出Vgl之间的差时，该差也被保存在来自加法电路52的输出Vsa中。在每个驱动检测电路部件50中，例如，即使当通过切换操作等叠加噪声时，也通过与振动元件20中的带通滤波器相似的功能去除该除了谐振频率分量之外的分量，从而去除在来自振荡电路53的输出Vgo上叠加的噪声分量，由此得到不包括来自差分放大电路54的噪声分量的高精度输出Vda。在振动陀螺传感器I中，驱动检测电路部件50不限于此。该驱动检测电路部件被形成，以使得通过压电薄膜层28和一对检测电极30检测由于每个执行固有振动的振动器部件23的运动�：斐傻奈灰疲⑶彝ü实钡拇淼玫郊觳馐涑觥�
如上所述，振动陀螺传感器I包括用于检测X轴方向上的角速度的第一振动元件20X以及用于检测Y轴方向上的角速度的第二振动元件20Y。连接到第一振动元件20X的第一驱动检测电路部件50X产生X轴方向上的检测输出VsdX，而连接到第二振动元件20Y的第二驱动检测电路部件50Y产生Y轴方向上的检测输出VsdY。在振动陀螺传感器I中，将每个第一和第二振动元件20X和20Y的工作频率设置在几kHz到几百kHz的范围内。当第一振动元件20X的工作频率fx和第二振动元件20Y的工作频率fy之间的差(fx_fy)是IkHz或者更多时，，减少了串扰以允许振动的精确检测。根据需求，驱动检测电路部件50包括用于选择地以振动元件20X和20Y的工作频率fx和fy放大检测信号的各个滤波放大电路，所述检测信号被包含在加法电路52的输出中，并且将已放大的检测信号供给至振荡电路53。(用于制造振动陀螺传感器的方法)在下面将描述用于制造根据本实施例的振动陀螺传感器的方法。附图10是示出用于制造振动陀螺传感器I的方法的主要步骤的流程图。通过同时形成多个振动元件20生产振动陀螺传感器I,该振动元件使用硅衬底21作为基底材料，该硅衬底被切割以使得主面21-1是(100)取向平面，侧面21-3是(110)取向平面，如图11和12所示，然后将该衬底通过切割步骤切割成相应的振动元件20。(制备衬底的步骤)根据在工艺中使用的设备的规格确定硅衬底21的外部尺寸，例如300 X 300mm。硅衬底21不限于具有如图11所示的矩形平面形状的衬底，也可以使用具有圆平面形状的晶片形衬底。取决于可处理性、成本等确定硅衬底21的厚度，但是该厚度至少可以大于每个振动元件20的基底部件22的厚度尺寸。如上所述，由于基底部件22具有300 u m的厚度，振动器部件23具有100 u m的厚度，因此使用具有300 u m或者更大厚度的衬底21。如图12所示，通过热氧化分别在硅衬底21的第一主面21-1和第二主面21-2的整个表面上形成氧化硅膜(SiO2膜)33A和33B(下文中除非特指否则一般称作“氧化硅膜33”)。如下所述，在硅衬底21的晶体的各向异性刻蚀中将氧化硅膜33用作保护膜。将氧化硅膜33形成适当的厚度，只要表现出保护膜功能，例如，将氧化硅膜33形成大约0. 3pm的厚度。(形成刻蚀凹形的步骤)用于制造每个振动元件的工艺包括类似于半导体工艺的薄膜步骤的步骤。也就是，该工艺包括刻蚀硅衬底21的第一主面21-1以形成具有预定深度尺寸的刻蚀凹形37的步骤，以便形成相应的振动元件20的振动器部件23。如图13至19所示，刻蚀凹槽形成步骤包括在硅衬底21的第一主面21-1上形成 光致抗蚀剂层34的步骤，构图光致抗蚀剂层34以在光致抗蚀剂层34中形成对应于各个刻蚀凹形37形成部分的光致抗蚀剂层孔35的步骤，去除暴露在光致抗蚀剂层孔35中的氧化硅膜33A以形成氧化硅膜孔36的第一刻蚀步骤，以及在各个氧化硅膜孔36中形成刻蚀凹形37的第二刻蚀步骤。在形成光致抗蚀剂层的步骤中，在硅衬底21的第一主面21-1上形成的氧化硅膜33A的整个表面上涂布光致抗蚀剂材料，以形成光致抗蚀剂层34。该形成光致抗蚀剂层的步骤例如使用由Tokyo Ohka Kogyo Co. Ltd.制造的光敏光致抗蚀剂材料0FPR-8600作为光致抗蚀剂材料。应用该光致抗蚀剂材料，然后通过使用微波预焙烧加热去除湿气，由此在氧化硅膜33A上形成光致抗蚀剂层34。在构图光致抗蚀剂的步骤中，掩蔽光致抗蚀剂层34，以便将用于形成每个氧化硅膜孔36的部分被打开，然后使其受到曝光和显影。因此，将光致抗蚀剂层34从与每个氧化硅膜孔36对应的部分去除，以同时形成多个光致抗蚀剂层孔35，氧化硅膜33A暴露于该光致抗蚀剂层孔中，如图13和14所示。如图13所示，在硅衬底21上形成3X5光致抗蚀剂层孔35，以便通过下述步骤同时形成15个振动元件20。在第一刻蚀步骤中，将从每个光致抗蚀剂层孔35暴露的氧化硅膜33A去除。在第一刻蚀步骤中，为了保持硅衬底21界面的平滑，使用仅去除氧化硅膜33A的湿式刻蚀方法。然而，该刻蚀方法不限于此，也可以使用适当的刻蚀诸如离子刻蚀等等。在第一刻蚀步骤中，例如，使用氟化铵(ammonium fluoride)溶液作为去除氧化娃膜33A的蚀刻剂，以形成氧化娃膜孔36。如图15和16所不，结果,娃衬底21的第一主面21-1被部分地暴露于外部。在第一刻蚀步骤中，当长时间执行刻蚀时，会出现侧面刻蚀现象，其中刻蚀从氧化硅膜孔36的侧面进行。因此，优选地精确控制刻蚀时间，以便将该刻蚀停止在氧化硅膜33A的刻蚀的完成。在第二刻蚀步骤中，将刻蚀凹形37形成在硅衬底21的第一主面21-1的暴露部分中，该暴露部分通过相应的氧化硅膜孔36暴露于外部。在第二刻蚀步骤中，通过使用刻蚀速度取决于硅衬底21的晶体取向特性的晶体各向异性湿式刻蚀蚀刻硅衬底21，以便留出与振动器部件23的厚度对应的深度。第二刻蚀步骤例如使用TMAH(氢氧化四甲铵)，KOH(氢氧化钾)或EDP(乙二胺-邻苯二酚-水)溶液作为蚀刻剂。特别地，第二刻蚀步骤使用20%的TMAH作为蚀刻齐U，以提高前后表面上氧化硅膜33A和33B的刻蚀比。在搅拌下用保持在80°C温度的蚀刻剂执行蚀刻6个小时，以形成附图17和18所示的刻蚀凹形37。在第二刻蚀步骤中，利用用作基底材料的硅衬底21的特性执行刻蚀，以便使得
(110)取向平面相对于(100)平面成大约55°角，并且侧面21-3的刻蚀速度小于第一和第二主面21-1和21-2的刻蚀速度。结果，形成刻蚀凹形37，以使得每个凹槽37的开口尺寸从开口到底部以大约55°的倾角逐渐减少，并且在每个刻蚀凹形37的内壁形成具有大约55°倾角的刻蚀斜面133。每个刻蚀凹形37构成用于通过下述外部形状切割步骤形成振动器部件23的膜片部件38。如图17所示，每个刻蚀凹形37有具有长度尺寸t8和宽度尺寸t9的孔。如图19所示，每个刻蚀凹形37具有深度尺寸tlO，并且形成具有梯形截面形状的空间，其中该开口尺寸从第一主面21-1到第二主面21-2逐渐减少。形成每个刻蚀凹形37以具有向其底部以55°倾角0倾斜的内周壁，如上所述。每个膜片部件38通过振动器部件23的宽度尺寸t6和长度尺寸t5以及通过沿振动器部件23的周边切割硅衬底21形成的外部凹槽39的宽度尺寸t7(参照附图36和37)限定。通过方程深度尺寸tlOX 1/tan 55°确定外部凹槽39的宽度尺寸t7。因此，在每个刻蚀凹形37中，通过方程(深度尺寸tlO X 1/tan 55° )X2+t6(振动器部件23的宽度尺寸)+2 X t7 (外部凹槽39的宽度尺寸)确定开口宽度尺寸t9，该开口宽度尺寸限定膜片部件38的宽度。在每个刻蚀凹形37中，当tlO是200 ii m，t6是100 u m,t7是200 ii m时，该开口的宽度尺寸t9是780 u m。与宽度方向上相同，在长度方向上，将每个刻蚀凹形37通过上述第二刻蚀步骤形成，以便在内周壁上具有倾角是55°的斜面。因此，在每个刻蚀凹形37中，通过方程(深度尺寸tlO X 1/tan 55° ) X 2+t5 (振动器部件23的长度尺寸)+t7 (外部凹槽39的宽度尺寸)确定长度尺寸t8，该长度尺寸限定膜片部件38的长度。在每个刻蚀凹形37中，当tlO是200 ii m，t5是2. 5mm, t7是200 y m时，该开口的长度尺寸是2980 u m。(电极形成步骤(沉积))在上述形成刻蚀凹槽的步骤中，在各个刻蚀凹形37和硅衬底21的第二主面21-2的底部之间形成每个具有预定厚度的矩形膜片部件38。膜片部件38构成各个振动元件20的振动器部件23。在形成刻蚀凹形37之后，将该膜片部件38的第二主面侧面用作电极形成步骤中的处理表面。在电极形成步骤中，例如由磁控溅射设备通过氧化硅膜33B在第二主面21-2对应于每个刻蚀凹形37的部分上形成电极层。如图20所示，电极形成步骤包括以下步骤形成用于在氧化硅膜33B上形成参考电极层27的第一电极层40，形成用于形成压电薄膜层28的压电层41，以及形成用于形成驱动电极层29和检测电极30的第二电极层42。在用于制造振动元件的工艺中，执行形成用于在每个基底部件22的相应形成区域中形成引线31和端子部件25的导体层的步骤，与在每个振动元件23上形成电极层40的步骤以及形成第二电极层42的步骤一致。形成第一电极层的步骤包括通过在对应于每个振动元件23的区域中在氧化硅膜33B的整个表面上溅射钛形成钛薄膜层的步骤，以及通过溅射钼在该钛薄膜层上形成钼 层的步骤，以便形成包括两个层的第二电极层40。在形成钛薄膜层的步骤中，在例如包括0. 5Pa的气压和IkW的RF (射频)功率的溅射条件下，在氧化硅膜33B上沉积50nm或更少(例如5nm到20nm)厚度的钛薄膜层。在形成钼层的步骤中，在例如包括0. 5Pa的气压和0. 5kff的RF功率的溅射条件下，在该钛薄膜层上沉积200nm厚度的钼薄膜层。在第一电极层40中，钛薄膜层具有改进与氧化硅膜33B的粘合的功能，并且将钼层用作令人满意的电极。在形成第一电极层的步骤中，如上所述，将用于形成从每个膜片部件38延伸到相应的基底部件22的形成区域的第一引线31A和第一端子部件25A的导体层与第一电极层40的形成同时形成。在形成压电膜层的步骤中，例如通过在第一电极层40的整个表面上溅射锆钛酸铅(PZT)，从而沉积预定厚度的压电膜层41。在形成压电膜层的步骤中，在例如包括0.7Pa的气压和0. 5kff的RF功率的溅射条件下，使用Plvx (Zr0.53Ti0.47) 3_y氧化物作为靶，在第一电极层40上沉积大约I U m厚度的包括PZT层的压电膜层41。同样，将压电膜层41通过在电炉中焙烧(baking)热处理结晶。在700°C在氧气环境中执行该焙烧处理10分钟。形成压电膜层41，以便覆盖从第一电极层41延伸到每个基底部件22的形成区域的电极层的一部分。在形成第二电极层的步骤中，通过在压电膜层4的整个表面上溅射钼来形成钼层，以形成第二电极层42。在例如包括0. 5Pa的气压和0. 5kff的RF功率的溅射条件下，在压电膜层41上沉积大约200nm厚度的钼薄膜层。
(电极形成步骤(构图))接下来，执行构图作为最上层的第二电极层42的步骤。在构图第二电极层42的步骤中，将驱动电极层29和每个具有预定形状的该对检测电极30R和30L如图21和22所示地形成。如上所述，将驱动电极层29用作施加驱动每个振动器部件23的预定驱动电压的电极，并且在宽度方向上在每个振动器部件23的中心区域中形成预定的宽度，以便在其长度方向上的在基本整个区域上延伸。检测电极30是用于检测在每个振动器部件23中产生的科里奥利力的电极，并且在驱动电极层29的两侧平行地形成，以便在长度方向上的基本整个区域上彼此绝缘。在构图第二电极层的步骤中，第二电极层42受到光刻处理以在压电膜层41上形成驱动电极层29和检测电极30，如图21所示。在构图第二电极层的步骤中，在对应于驱动电极层29和检测电极30的部分上形成抗蚀层，并且例如通过离子刻蚀等将第二电极层42的不必要部分去除。然后，去除该抗蚀层以构图驱动电极层29和检测电极30。构图第二电极层的步骤不限于此，并且可以利用在半导体工艺中使用的适当的导体层形成步骤来形成驱动电极层29和检测电极30。如图21所示，形成驱动电极层29和检测电极30，以便将其尖端布置在长度方向上的相同位置，并且将在每个振动器部件23的根部(root parts)布置的根部部分也布置在长度方向上的相同位置43。在构图第二电极层的步骤中，通过分别与驱动电极层29和检测电极30R和30L的基底末端整体构图而形成更宽的引线连接部分29-l、30R-l和30L-1，该引线连接部分具有布置在长度方向上的相同位置43的根部部分。在构图第二电极层的步骤中，构图第二电极层42，以形成例如具有2mm的长度尺寸tl2和50iim的宽度尺寸tl3的驱动电极层29。而且，如图21所示，通过构图形成每个具有IOym的宽度尺寸tl4的第一和第二检测电极30R和30L，以便在其间保持驱动电极层29，驱动电极层29和每个检测电极30之间具有5 的间隔tl5。同样，通过构图形成每个具有50 ii m的长度尺寸和50 ii m的宽度尺寸的引线连接部分29_1，30R-1和30L-1。驱动电极层29和检测电极30的尺寸值不限于上述值，并且它们在允许在每个振动器部件23的第二主面上形成的范围内适当地形成。
然后，在构图压电膜层41的步骤中，形成具有预定形状的压电薄膜层28，如图23和24所示。通过构图压电膜层41而形成压电薄膜层28，并且保留比驱动电极层29和检测电极30更大的区域。压电薄膜层28被形成以具有比每个振动器部件23略小的宽度，并且从基底末端延伸到其尖端附近。在构图压电膜层的步骤中，通过光刻处理在与压电薄膜层28对应的压电膜层41的区域上形成抗蚀层。然后，通过例如使用氟氮酸溶液的湿式刻蚀等去除压电膜层41的不必要部分，并且去除该抗蚀层以便形成压电薄膜层28，如图23和24所示。尽管，在本实施例中，通过湿式刻蚀刻蚀压电膜层41，但是该刻蚀方法不限于此。例如，可以通过适当的方法例如离子刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)等形成压电薄膜层28。如图23所示，在构图压电膜层的步骤中，形成压电薄膜层28，以便在与每个振动器部件23的根部对应的根部位置43，具有与驱动电极层29和检测电极39基本相同的根部部分。而且，端子容纳部分28-1通过在压电薄膜层28的基底末端整体地构图形成，而具有比驱动电极层29和检测电极30的引线连接部分29-l，30R-l和30L-1略大的区域。在构图压电膜层的步骤中，通过构图形成压电薄膜层28，以便具有2. 2mm的长度尺寸tl8，该长度尺寸略大于驱动电极层29和检测电极30的长度尺寸，并且具有90 y m的宽度尺寸tl9。通过在压电薄膜层28的基底末端构图而形成的端子接收部分28-1在驱动电极层29和检测电极30的引线连接部分29-l，30R-l和30L-1周围有具有5 y m的宽度尺寸的周边部分。压电薄膜层28的尺寸值不限于上述值，并且适当地形成压电薄膜层28，以便在在每个振动器部件23的第二主面23-2上允许形成的范围内具有比驱动电极层29和检测电极30更大的区域。而且，在构图第一电极层的步骤中，通过与构图第二电极层相同的步骤构图第一电极层40，以便形成参考电极层27，如图25和26所示。在该步骤中，在与参考电极层27对应的区域上形成抗蚀层，并且例如通过离子刻蚀等去除第一电极层40的不必要部分。然后，去除抗蚀层以形成参考电极层27。构图第一电极层的步骤不限于此，并且也可以利用在半导体工艺中使用的适当的导体层形成步骤来形成参考电极层27。在构图第一电极层的步骤中，参考电极27形成于每个振动器部件23的第二主面上，以具有比每个振动器部件23的第二主面略小而比压电薄膜层28略大的宽度。如图25所示，形成参考电极层27的基底末端，以便在与每个振动器部件23的根部对应的根部位置43具有与驱动电极层29，检测电极30以及压电薄膜层28基本相同的形状。在该步骤中，将第一引线31A以及在第一引线31A末端的第一端子部件25A通过在基底部件22的形成区域中整体地构图来形成，以便从该基底末端向侧面延伸。在构图第一电极层的步骤中，形成参考电极层27，以便具有2. 3mm的长度尺寸t20，94 u m的宽度尺寸t21，以及在压电薄膜层28周围形成的具有5 u m的宽度尺寸的周边部分。在构图第一电极层的步骤中，参考电极层27的尺寸值不限于上述值，并且可以将该参考电极层27形成在每个振动器部件23的第二主面上允许形成的范围内。(形成平面层的步骤) 在制造振动元件的工艺中，通过上述步骤将驱动电极层29和检测电极30的引线连接部分29-1，30R-1和30L-1以及端子部件25B至2 形成在每个基底部件22的各个形成区域上，并且还形成连接到相应的端子部件25的引线31B至31D。为了平滑地将引线31B至31D连接到引线连接部分29-l，30R-l和30L-1，如图27和28所示形成平面层24。形成用于分别将引线连接部分29-1，30R-1和30L-1连接到端子部件25B至2 的引线31B至31D，以便跨越压电薄膜层28的端子接收部分28-1的末端以及参考电极层27，并且在每个基底部件22的相应的形成区域中延伸。如上所述，通过利用湿式刻蚀构图压电膜层41形成压电薄膜层28，因而刻蚀部分的边缘向着硅衬底21的第二主面21-2形成为倒锥形或垂直阶梯。因此，当直接在每个基底部件22的各个形成区域上形成引线31B至31D时，会在该阶梯部分出现断开。还有，必须在每个基底部件22的各个形成区域上延伸的第一引线231A和引线31B至31D之间保持绝缘。 在形成平面层的步骤中，将在每个基底部件22的形成区域上形成的抗蚀层通过光刻处理构图，以覆盖引线连接部分29-l，30R-l和30L-1以及第一引线31A。该抗蚀层图案通过例如大约160°C至300°C的热处理固化以形成平面层24。在该步骤中，平面层24形成以具有200 ii m的宽度尺寸t24，50 um的长度尺寸t25以及2 y m的厚度尺寸(附图28是放大的)。形成平面层的步骤不限于此，并且可以通过在半导体工艺等中执行的适当的抗蚀层形成步骤中使用适当的绝缘材料形成平面层24。(形成布线层的步骤)接下来，执行形成布线层的步骤，以在每个基底部件22的相应的形成区域上形成第二至第四端子部件25B至25D以及第二至第四引线31B至31D。在形成布线层的步骤中，在每个基底部件22的形成区域的整个区域上形成光敏的光致抗蚀剂层，然后受到光刻处理以形成与第二至第四端子部件25B至25D以及第二至第四引线31B至31D对应的孔的图案。而且，通过溅射在每个孔中形成导体层，以形成布线层。在该步骤中，形成预定的导体部分之后，去除光致抗蚀剂层以形成第二至第四端子部件25B至25D以及第二至第四引线31B至31D，如图29和30所示。在形成布线层的步骤中，将形成的钛层或氧化铝层作为底层以提高到氧化硅膜33B的粘合，然后在该钛层上形成具有低电阻的低成本铜层。在本实施例中，例如，将该钛层形成20nm的厚度，将该铜层形成300nm的厚度。该形成布线层的步骤不限于此，并且该布线层可以通过任何一般在半导体工艺中使用的布线构图形成技术形成。(形成绝缘保护层的步骤)然后，执行形成绝缘保护层的步骤，以在通过上述步骤形成端子25和引线31的每个基底部件22以及形成电极层和压电薄膜层28的每个振动器部件23的主面上形成包括三个层的绝缘保护层45。该形成绝缘保护层的步骤包括下面的步骤形成抗蚀层；构图该抗蚀层；形成第一氧化铝层；形成氧化硅层；形成第二氧化铝层；以及去除该抗蚀层。在形成该绝缘保护层的步骤中，执行形成抗蚀层和构图该抗蚀层的步骤，以便形成在与硅衬底21的第二主面上的绝缘保护层45对应的区域中具有孔的抗蚀层44，如图31所示。在形成抗蚀层的步骤中，在硅衬底21的整个表面上涂布光敏抗蚀剂以形成抗蚀层44。在构图抗蚀层的步骤中，抗蚀层44受到光刻处理以形成与绝缘保护层45的形成区域对应的孔，由此形成绝缘保护形成孔44A。虽然未在图中示出，但是抗蚀层44被留在与相应的端子部件25对应的圆形部分中。在形成绝缘保护层的步骤中，通过溅射将第一氧化铝层46，氧化硅层47以及第二氧化铝层48层叠，并且将溅射的膜的不必要部分与抗蚀层44 一起去除，以在抗蚀层44的绝缘保护层形成孔44A中留下三层结构的溅射的层。也就是，通过所谓的剥离(liftoff)方法形成所需的绝缘保护层45。附图32至34仅示出形成在绝缘保护膜形成孔44A中的溅射的膜。然而，当然，将该溅射的膜形成在具有绝缘保护层形成孔44A的抗蚀层44上，并且在抗蚀层去除步骤中将这些溅射的膜与抗蚀层44 一起同时去除。在形成第一氧化铝层的步骤中，通过在绝缘保护层形成孔44A中溅射氧化铝形成第一氧化铝层46，如图32所示。第一氧化铝层46具有大约50nm的厚度尺寸t26，并且将其用作底金属层，以便提高在绝缘保护层形成孔44A内对于硅衬底21和驱动电极层29或检测电极30的粘合，如上所述在形成氧化硅层的步骤中，通过溅射氧化硅在第一氧化铝层46上形成氧化硅层47，如图33所示。在该步骤中，由于用于在溅射容器中放电的氩气压的下限是O. 35Pa，因而通过在略高于该下限的O. 4Pa设置的氩气压溅射氧化硅形成具有高密度的氧化硅层47。在该步骤中形成氧化硅层47表现出足够的绝缘保护功能，这是因为其厚度至少两倍于驱动电极层29和检测电极30的厚度，并且在剥离方法中以低速出现�：那蛑芯哂蠭 μ m或者更少的厚度尺寸t27。特别地，氧化硅层47具有750nm的厚度尺寸t27。在形成第二氧化铝层的步骤中，如图34所示，通过在氧化硅层47的整个表面上溅射氧化铝形成第二氧化铝层48。第二氧化铝层48具有大约50nm的厚度尺寸t28，以提高对于在下述外部形状开槽步骤中形成的抗蚀层的粘合，由此防止刻蚀剂破坏氧化硅层47。(外部形状开槽步骤)接下来，如图34所示，在硅衬底21的第一主面21-1上形成刻蚀停止层70。刻蚀停止层70用于抑制缺陷形状的出现，其中在第一主面21-1上出现等离子体集中，从而不能在硅衬底21中形成外部凹槽的步骤中形成预定的边缘形状，如下所述。在形成刻蚀停止层的步骤中，例如通过在硅衬底21的第一主面21-1的整个表面上溅射形成具有大约500nm
厚度的氧化硅层。在外部形状开槽步骤中，外部凹槽39形成以穿过膜片部件38，用于形成每个振动器部件23的周边。在该步骤中，如图35至37所示，将该外部凹槽39形成为从面向膜片部件38的硅衬底21的第二主面21-2的U形通槽，以便环绕每个振动器部件23，并且从位于每个振动器部件23的根部位置43的一侧的开始端39A延伸到位于根部位置43的另一侧的结束端39B。如上所述，形成具有200 μ m的宽度尺寸t7的外部凹槽39。特别地，该形成外部凹槽的步骤包括去除预定的氧化硅膜33B形式的U形部分以暴露硅衬底21的第二主面21-2的第一刻蚀步骤，以及在该硅衬底21的暴露部分中形成外部凹槽39的第二刻蚀步骤。在该第一刻蚀步骤中，将光敏光致抗蚀剂层形成在氧化硅膜33B的整个表面上并且进行光刻处理，以便在电极层的形成区域周围形成U形孔图案，该孔图案具有与该振动器23的外部尺寸相同的开口尺寸。在该步骤中，将通过该孔图案暴露的氧化硅膜33B通过离子刻蚀去除。尽管在第一刻蚀步骤中，可以例如通过湿式刻蚀去除U形形式的氧化硅膜33B，但是考虑到因侧面刻蚀而出现的尺寸误差，优选为离子刻蚀。在第二刻蚀步骤中，将剩余的氧化硅膜33B用作抗蚀膜(刻蚀保护膜)。在该步骤中，例如，硅衬底21受到反应离子刻蚀，以便得到与适当的抗蚀膜(氧化硅膜33B)的刻蚀t匕，并且将形成的高精度的垂直表面作为每个振动器部件23的外周。
在第二刻蚀步骤中，使用具有产生感应耦合等离子体(ICP)的功能的反应离子刻蚀(RIE)设备产生高密度等离子体。该步骤使用Bosch (Bosch Corp.)过程，其中重复将SF6气体引入刻蚀部分的刻蚀步骤，以及引入C4F8气体以形成包括刻蚀部分的外周的保护膜的步骤。结果，在硅衬底21中以每分钟大约10 μ m的速度形成具有垂直内壁的外部凹槽39。在第二刻蚀步骤之后，执行去除在硅衬底21的第一主面21-1上形成的刻蚀停止层70的步骤。在该步骤中，将该由氧化硅组成的刻蚀停止层70通过例如用氟化铵湿式刻蚀去除。在去除刻蚀停止层的步骤中，由于还是通过去除在形成外部凹槽的步骤中形成的光致抗蚀剂层而 去除绝缘保护层45，因此在去除刻蚀停止层70之后去除该光致抗蚀剂层。(极化(polarization)步骤)然后，执行极化步骤，以便同时极化在氧化硅衬底21上相应的振动元件20上形成的压电膜28。使用Cu布线作为极化布线执行极化。在极化之后，通过湿式刻蚀容易地溶解并去除该Cu布线，而没有破坏振动元件。极化布线不限于Cu布线，并且可以将表现上述功能的适当的导体用于布线。将Cu布线通过剥离方法形成，其中通过例如光刻处理在硅衬底21的第二主面
21-2上形成具有预定形状的孔的抗蚀层图案，通过溅射来沉积Cu层，并且将该Cu层与抗蚀层一起从不必要的部分去除。例如，Cu布线具有30 μ m或更多的宽度尺寸，大约400nm的厚度，以便在该极化期间确保传导。通过在Cu布线中形成的应用侧垫和地侧垫，同时将振动元件20连接到外部电源，以便有效地执行极化步骤。在该极化步骤中，通过例如引线接合将每个垫连接到外部电源，并且通过在20V传导20分钟执行极化。该极化不限于该步骤，也可以在适当的极化条件下通过适当的连接方法执行该极化。(形成金凸起的步骤)接下来，执行形成金凸起的步骤。如上所述，将每个振动元件20安装在支撑衬底2上，因而在每个端子部件25上形成金凸起26。在形成金凸起26的步骤中，通过将金引线接合工具压向每个端子部件25形成具有预定形状的柱状凸起。在该步骤中，如果需要，还在每个基底部件22上形成虚拟凸起。可以通过另一种方法形成金凸起26，例如，下述的镀覆凸起的方法。该镀覆凸起的方法包括如图38A所示在每个端子部件25上形成具有预定孔61的镀覆抗蚀层62的步骤；如图38B所示在每个孔61中镀覆金以生长金镀覆层26至预定高度的步骤；以及去除抗蚀层62的步骤。在形成金凸起的步骤中，金凸起26的厚度(高度)受到镀覆条件的限制，并且不能形成具有预定高度的金凸起26。在形成金凸起的步骤中，当不能通过第一镀覆得到所需的金凸起26时，再执行使用第一镀覆层作为电极的第二镀覆，以便形成所谓的阶梯式金凸起26。用于形成金凸起26步骤的方法不限于上述方法，也可以通过例如在半导体工艺中进行的气相沉积、转移等来形成凸起。虽然没有详细地描述，但是在制造振动元件的工艺中，形成TiW、TiN等所谓的凸起金属下层，以便提高金凸起26和端子部件25之间的粘合。(切割步骤)接下来，执行将硅衬底21切割成各个振动元件20的切割步骤。在该切割步骤中，通过例如金刚石切割器等来切割与每个基底部件22对应的部分，以便切割成各个振动元件20。在该步骤中，通过金刚石切割器形成切割凹槽，然后通过弯曲切割硅衬底21。可以通过砂轮或利用硅衬底21的平面取向的抛光，从而执行该切割步骤。 通过使用上述用于制造振动元件的工艺，相比于例如在公共基底部件22的邻接侧面上整体形成振动器部件以产生用于得到两个轴方向上的检测信号的双轴集成的振动元件的情况，可以显著增加从硅衬底(晶片)21得到的振动元件的数量。(安装步骤)将每个通过上述步骤制造的振动元件20通过表面安装方法安装在支撑衬底2的第一主面2-1上，将硅衬底21的第二主面21-2用作安装表面。在振动元件20中，将在各个端子部件25上提供的金凸起26与在支撑衬底侧上的相应的焊接区4对准。在这种情况下，如上所述，读取每个振动元件20的对准标记32，然后通过具有高位置精度和方向精度的安装机器定位振动元件20。通过将金凸起26超声焊接到相应的焊接区4，同时将振动元件20压在支撑衬底2上，从而将每个振动元件20安装在支撑衬底2的第一主面2-1上。将IC元件7和电子组件8安装在支撑衬底2的第一主面2-1上，以及每个振动元件20经历下述调整步骤。然后，粘结盖元件15以完成振动陀螺传感器I。如上所述，根据本实施例，在硅衬底21上同时产生多个振动元件20，每个振动元件20包括与基底部件22整体形成的振动器部件23，然后将硅衬底21切割成各个振动元件。然后，将具有相同形状的第一和第二振动元件20X和20Y安装在支撑衬底2的第一主面2-1上成90°角的两个轴上，以产生用于在两个轴上得到检测信号的振动陀螺传感器I。(调整步骤)在制造振动元件的步骤中，如上所述，通过使用感应耦合等离子体的刻蚀从硅衬底21精确地切割每个振动元件20的振动器部件23。然而，取决于条件如材料产量等，很难相对于等离子体的发射中心线对称地形成每个振动器部件23。因此，会出现每个振动器部件23的形状的变化，这归因于每个振动元件20的位置偏移、不同的工艺条件等。例如，当每个振动元件20的振动器部件23形成为具有梯形或者平行四边形的截面形状时，与具有正常的矩形截面形状的振动器部件23相比，该振动器部件23执行从垂直振动的中心轴方向向小质量侧倾斜的振动操作。因此，执行调整步骤，以便通过在每个振动器部件23的预定位置激光抛光大质量侧来校正振动状态。在该调整步骤中，由于难以直接观察每个具有小截面形状的振动器部件23的截面形状，因而通过以下方法观察振动器部件23的截面形状的变化，其中使每个切割的振动元件20的振动器部件23在预定的纵向谐振频率振动，以比较右和左检测信号的振幅。在该调整步骤中，在右和左检测信号之间出现差异时，将振动元件23在输出小检测信号的一侧部分地激光切割。例如，在调整前，将振荡电路71的振荡输出GO应用到驱动电极层29，以在纵向谐振状态中振动振动元件20，如图39A所示。在该调整步骤中，将从该对检测电极30R和30L输出的检测信号GlO和GrO通过加法电路72结合，并且将该加法信号返回振荡电路71。然后在从检测电极30L和30R得到的检测信号GlO和GrO的基础上，将测量的振荡电路71的振荡频率作为纵向谐振频率f0，并且将测量的检测信号GlO和GrO之间的差异作为差异信号。在该调整步骤中，如图39B所示，将振荡电路71的振荡输出Gl施加到检测电极30L，以在反向谐振状态中驱动振动元件20。在该步骤中，将从检测电极30R输出的检测信号Gr-I返回振荡电路71，并且在检测信号Gr-I的基础上，将测量的振荡电路71的振荡频率作为反向谐振频率H。由于从检测信号Gr-I得到的反向谐振频率fl等于从检测信号Gl-I得到的反向谐振频率f2，因而通过连接至任一检测电极30L和30R测量反向谐振频率。而且，如图39C所示，将振荡电路71的振荡输出G2施加到检测电极30R，以在反向谐振状态中驱动振动元件20。在该步骤中，将从检测电极30L输出的检测信号G1-2返回振荡电路71，并且在检测信号G1-2的基础上，将 测量的振荡电路71的振荡频率作为反向谐振频率f2。在该调整步骤中，将纵向谐振频率f0以及通过测量得到的反向谐振频率fl和f2之间的差异用作失调度，并且作该失调度是否在预定的范围之内的判定。同样，在该调整步骤中，进行该检测电极30L和30R检测的差分信号是否在预定的范围之内的判定。在该调整步骤中，基于失调度和差分信号的判定结果，从其振幅确定振动器部件23的调整位置，并且通过激光照射抛光振动器部件23的一部分。通过上述相同的测量和激光加工执行该调整步骤，直到该失调度和差分信号的判定结果达到目标值。该调整步骤使用激光装置，该激光装置具有可控的光点直径并且发射532nm波长的激光。在该调整步骤中，例如，通过使用激光照射长度方向上的适当部分，从而调整侧面和第一主面23-1之间的边缘。在每个振动元件20中，由于通过激光照射调整的频率差异和检测信号平衡中的变化从基底末端降低到振动器部件23的尖端，因而可以粗略地调整该基底末端侧，进而细微地调整该尖端。由于对安装在支撑衬底2上的振动元件20执行调整步骤，因而可以不执行安装之后的再调整，由此提高了振动陀螺传感器I的生产率，当在安装之前进行调整时则进行该再调整。在这种情况下，由调整激光器照射的区域在振动器部件23的上表面23-2侧，因而在安装之后表现出极好的可调整性。由于没有在每个振动器部件23的上表面23-2上形成压电层和电极层，因而尽可能地避免了该调整的影响，比如由于激光加工产生的热而造成的压电薄膜层28的特性的改变，极化状态的改变等等。在振动陀螺传感器I中，当将预定频率的AC电压从各个驱动检测电路部件50施加到每个振动元件20中的驱动电极层29时，振动器部件23以固有频率振动。振动器部件
23在纵向即厚度方向上以纵向谐振频率谐振，还在反向方向即宽度方向上以反向谐振频率谐振。振动元件20的灵敏度随着纵向谐振频率和反向谐振频率之间的差异即失调度的减少而增加。在振动陀螺传感器I中，如上所述，当通过晶体各向异性刻蚀和反应离子刻蚀高精度地形成每个振动器部件23的外周时，得到令人满意的失调度。在每个振动元件20中，纵向谐振频率的特性明显地受振动器部件23的长度尺寸t5的精度的影响。如上所述，在限定振动器部件23的长度尺寸t5的每个振动元件20的根部位置43，当在通过晶体各向异性刻蚀形成的膜片部件38的(100)表面、与每个以55°角刻蚀的斜面133对应的(111)表面、以及与平面对应的边界线之间出现偏差时，失调度根据该偏差的数量增加。也就是，在每个振动元件20中，偏差的数量由在晶体各向异性刻蚀中在氧化硅膜33B上形成的抗蚀图案以及在反应离子刻蚀中形成的抗蚀膜图案之间的位置偏移造成。因此，例如，可以使用能够同时观察硅衬底21的第一和第二主面21-1和21-2的两侧对准器定位每个振动元件20。可选择地，在硅衬底21的第一和第二主面21-1和21-2上形成适当的定位图案或标记，以便在这些图案或标记的基础上，通过执行一侧对准的对准装置定位每个振动元件20。可以将该定位方法应用到在支撑衬底2上安装每个振动元件20的步骤中。
当每个振动元件20中偏差量在小于大约30 μ m的范围内时，纵向谐振频率基本与反向谐振频率相同。因此，在每个振动元件20中，通过具有略高精度的刻蚀步骤基本上抑制了由于偏差量造成的失调度的减少，并且在没有上述使用对准装置的定位方法的情况下制造该振动元件。(成对振动元件的效果)在用于生产振动元件的工艺中，如上所述，在硅衬底21上同时形成每个具有与基底部分22 —体形成的振动部分的许多振动元件20，以及将硅衬底21切割为各个振动元件20。因此，制造具有相同形状的第一振动元件20X和第二振动元件20Y，在支撑衬底2的主面上的两轴上的位置上布置第一振动元件20X和第二振动元件20Y，以产生用于获得两轴中检测信号的振动陀螺传感器I。在用于制造振动元件的工艺中，例如与例如两轴集成振动元件相比较，可显著增加从硅衬底(晶片)21获得的振动元件的数量，在该两轴集成振动元件中振动器部件被整体形成在公共基底部件22的相邻侧边，用于获得两轴方向上的检测信号。图40示出获得的振动元件20的数量比较，每个振动元件包括具有上述尺寸的部件和获得的两轴集成振动元件的数量，每个振动元件具有与振动元件20相同的功能。图40表示，在使用3cm的方形硅衬底生产总共60个振动元件20(相应于30个每个包括两个振动元件的陀螺传感器)时，使用在半导体工艺批量生产中通常使用的4inch (英寸)直径晶片生产总共1200个振动元件(相应于600个陀螺传感器I)，以及使用5inch (英寸)直径晶片生产总共4000个振动兀件(相应于2000个陀螺传感器I)。另一方面，对于两轴集成振动元件，使用3cm方形硅衬底生产总共20个振动元件,使用4inch (英寸)直径晶片生产总共300个振动元件和使用5inch (英寸)直径晶片生产总共800个振动元件。在振动元件20中，材料生产率被显著提高，以降低成本。在振动陀螺传感器I中，如上所述，用于获得两轴中检测信号的第一振动元件20X和第二振动元件20Y在支撑衬底2上成直角被定位在两轴上。在振动陀螺传感器1，考虑振动元件中之一的振动操作对其它振动元件的振动操作的影响，即在两轴之间出现的干涉。图41示出通过对安装在支撑称底2的两个方向上的第一和第二振动元件20X和20Y的调整而测量串扰的结果。在图41中，类型I为第一和第二振动元件20X-1和20Y-1被安装在支撑衬底2上的陀螺传感器，以使各个振动器部件23X-1和23Y-1彼此相对，并且各个基底部件22X-1和22Y-1被固定在支撑衬底2的对角。类型2为第一和第二振动元件20X-2和20Y-2被安装在支撑衬底2上的陀螺传感器，以使各个基底部件22X-2和22Y-2被固定在支撑衬底2的同一角，并且各个振动器部件23X-2和23Y-2沿侧边线成直角延伸。类型3为第一振动元件20X-3被安装在支撑衬底2上的陀螺传感器，以使基底部件22X-3被固定在支撑衬底2的一角，振动器部件23X-3被定向为毗邻基底部件22X-3的所述角之一，并且第二振动元件20Y-3被安装在支撑衬底2上，以使基底部件22Y-3被固定在毗邻基底部件22X-3的所述角的另一角，并且振动器部件23Y-3被定向为朝向第一振动元件20X-3。作为比较例，该图还示出上述两轴集成振动元件(类型0)60的串扰值。串扰的单位为dbm(分贝/毫瓦)。图41指示出类型O的振动元件60的串扰值为-50dbm，类型I的振动元件20X-1和20Y-1的串扰值为-70dbm，类型2的振动元件20X-2和20Y-2的串扰值为_60dbm，以及类型3的振动元件20X-3和20Y-3的串扰值为-72dbm。 在依据本发明的实施例中类型I至3中每个的振动陀螺传感器I中，无论安装状态如何，相比较于类型O的两轴集成振动元件60，获得至少大约-IOdbm的提高。在这种振动陀螺传感器I中，提供两轴集成振动元件20，因此两轴上检测信号间的干涉信号被抑制为大约lmV。另一方面，在包括两轴集成振动元件的振动陀螺传感器中，两轴上检测信号间的干涉信号为大约10mV，由此降低了检测性能。在依据本发明的该实施例的振动陀螺传感器I中，在第一和第二振动元件20X和20Y以类型I的布置被安装在支撑衬底2上时，产生两轴间最小的干涉。在振动陀螺传感器I中，第一和第二振动元件20X和20Y可以被安装在支撑衬底2的任何位置上。然而，考虑到小型IC电路元件7和许多电子部件的安装和布线图案的延伸，基底部件22优选固定在如上述类型中支撑衬底2的角部，因为安装效率被提高得最多。在振动陀螺传感器I中，在使用安装机器将第一和第二振动元件20X和20Y安装在支撑衬底2上时，识别设置在每个振动元件20上的对准标记32，以使振动元件在成直角交叉的两轴上彼此相对。同样，在振动陀螺传感器I中，振动元件20优选被安装在支撑衬底20上，从而不会引起每个振动器部件23的位置偏移。图42A和42B均为示出每个振动元件20的位置偏移(与中心轴的偏移角度的分布)的柱状图，其中偏移角(度)被表示在横坐标上，数量被表示在纵坐标上。图42A示出通过识别对准标记32执行的安装，以及图48B示出通过识别振动元件20的外部形状执行的安装。在振动陀螺传感器I中，如从图42A和42B中所看到的，在使用对准标记32执行高度识别时，振动元件20被精确安装在支撑衬底2上，在角度偏移的发生率的变化较低且偏移角度也较低的范围内。因此，在振动陀螺传感器I中，每个振动元件20精确和稳定地检测运动�：�。在该实施例中，将一对振动元件20X和20Y安装在支撑衬底2的第一主面2_1上，以使振动器部件23以直角定向在轴向方向上，用于检测围绕两轴的角速度。可替换的，可以将至少三个振动元件以不同轴向安装在公共支撑衬底上，用于检测围绕两轴向的角速度。例如，可以将三个振动元件安装在公共支撑衬底上以布置其的振动器部件，使每个振动器部件具有120°的角度差。而且，根据本实施例的两个振动陀螺传感器I可被制备和彼此垂直的安装在摄像机的主体器件等的表面上。在这种情况中，围绕三轴向即纵向、横向和垂直向的角速度被同时检测。(串扰)每个振动元件20的工作频率可被设置在几kHz至几百kHz的范围内。在两轴角速度传感器(振动陀螺传感器I)中，使用两个振动元件20X和20Y的变化工作频率(fx和fy)来测量因频率差(fx-fy)而导致的干涉信号的振幅。所得到的结果被示出在图43中。在图43中，振动元件20X和20Y间的工作频率差(fx-fy)被示出在横坐标上，并且叠加在传感器输出(DC)上的AC噪声分量Vo (指示噪声的在AC波形的高振幅峰和低振幅峰之间的大小)被示出在纵坐标上。这里，该噪声分量Vo被称为“轴间串扰”。当频率差(fx-fy)小于IkHz时，串扰值达到1500mVpp或更大,而角速度的稳定检测将会是不可能的。在另一方面，当频率差接近IkHz时，串扰值开始减少至500mVpp。具体地，使用I. 4kHz的频率差，串扰值减少至200mVpp，而使用2kHz或更大的频率差，串扰值减少至IOOmVpp或更小。图43所示的结果揭示,通过将频率差(fx-fy)设定为IkHz或更�。蛑峒浯琶飨缘丶跎�。制备对于在其工作频率(fx和fy)之间具有IkHz差值的振动元件20X和20Y的两种类型的样本，从而产生两轴角速度传感器稳定的工作。样本 I第一振动元件20X具有37kHz的工作频率
第二振动元件20Y具有36kHz的工作频率样本 2第一振动元件20X具有40kHz的工作频率第二振动元件20Y具有39kHz的工作频率图43指示在将频率差(fx-fy)设定为2kHz到3kHz时，该对振动元件20X和20Y间串扰的影响被阻止。因此，通过使用2kHz或更小的频率差驱动振动元件20X和20Y，可以提高传感器输出的精度。再者，设置于主体装置侧上的振动元件20和其它电子部件(传感器等等)之间的串扰，会影响根据该实施例的振动陀螺传感器。然而，可以提前制备具有不同工作频率的多个振动器元件，以便可以选择不产生影响的频率作为每个振动元件的驱动频率。具体地，制备例如具有在35kHz至60kHz范围内的驱动频率的多个振动元件，以及选择具有IkHz或更大(优选2kHz或更大)频率差的两个振动元件以避免该对振动元件之间和振动元件与设置在主体装置中的其它电子部件之间的串扰。通过调整例如失调度(纵向谐振频率和横向谐振频率之间的频率差)和在调整步骤中用于振动元件20的右、左检测信号之间的平衡之类的振动性能，从而调整每个振动元件20X和20Y的工作频率，然后类似地通过在每个振动器部件23的尖端上的激光修整来调整谐振频率。每个振动元件20的振动器部件23为悬臂振动器，因此谐振频率悬臂梁的长度的平方成反比，如与下面表达式所示。在表达式中，fn为悬臂梁的谐振频率，E为杨氏(Young’ s)模量，I为悬臂梁的第二面积矩，P为密度，A为梁的截面面积，L为梁的长度以及为λ比例系数。因此，通过激光修整每个振动器部件23的尖端部分，从而可减少该梁的刚度和有效长度，以增加该梁的谐振频率。
「 r /I2 I EI A2 [W I[_] fn=^i^=^i^AU另一方面，在谐振频率的调整中，优选地防止了已经被预先调整的失调度的改变。图44为示出数据曲线的图(表)，所述数据通过测量谐振频率和失调度的改变来获得，该改变伴随具有Ilym的深度和I. 9mm的长度的激光加工的悬臂梁的加工位置的变化。图44表示，当使用激光在距离悬臂梁根部(振动器部件23的基底末端)I. 6mm或更多(振动器部件23整个长度的4/5或更多)的距离的位置处加工时，可以增加谐振频率而不改变失调度(93Hz)。根据上述结果，如图45所示，在每个振动器23的上表面23_1上，用于谐振频率调整的激光器加工凹形(加工标记)90的形成区域被设置在距离其根部的振动器部件23整个长度的4/5或更多的距离处，用于失调度调整的激光器加工凹形8的形成区域80被设置在另一部分。因此，将振动元件20X和20Y的谐振频率调整为任意不同值，而不改变失调度，从而容易地避免轴间串扰。同样，优选地在一个频带区域内调整每个振动元件20X和20Y的谐振频率，在该频带区域内不仅振动元件间的串扰、而且在振动 元件和在主体装置上的其它电子部件之间的串扰均具有较小影响。第二实施例在该实施例中，描述了在支撑衬底2上的IC电路元件7的安装区域。如图46所示，IC电路元件7和其它电子部件8，还有该对振动元件20 (20X和20Y)被混合安装在支撑衬底2上。这些部件经常使用回流焊接来安装。因此，在振动元件20的倒装片安装之后，通过回流焊接安装诸如IC电路7之类的多管脚部件，通过热压可以弯曲支撑衬底2，因此影响振动元件20，从而改变振动模式且退化特征。还有，其上安装有振动元件20的支撑衬底通过回流焊接被安装在主体装置的控制衬底上，支撑衬底2和IC电路元件7之间的连接可被重新回流，从而振动元件20会受到支撑衬底2的曲率或在安装工艺中出现的类似特征的影响。在上述第一实施例中，如图46所示，IC电路元件7被安装在不同于安装振动元件20的支撑衬底2的角部的角部附近。此外，其它电子部件也被安装在支撑衬底2的局部区域上。因此，在回流期间在支撑衬底2的平面上不均匀地出现热应变或热应力，从而导致不均匀热应变等作用在该对安装元件20的安装区域上。因此，在振动元件的检测精度之间会发生改变。因此，在该实施例中，如图47所示，IC电路元件7的主安装区域被定位在连接该对振动元件20的安装区域的连线的中心部分。因而，施加在安装IC电路元件7的回流处理或将支撑衬底2安装在控制衬底上的回流处理上的热应变会均匀地分布在该对振动元件20上，从而抑制了振动元件的特性差异的出现。如图47所示，优选地确定IC电路元件的安装区域，以将具有矩形平面形状的IC电路元件7设置在该对振动元件20间的中心点(对称点)。然而，IC电路元件7实际上可被设置在IC电路元件7的安装区域的预定区域内，这在图中作为中心示出。预定区域表示在其内支撑衬底2的平面被分割为第一至第四象限的区域，IC电路元件7的至少一部分安装区域属于第一至第四象限中的每个。如图47所示，优选地，将其它电子元件8的安装区域、以及IC电路元件7的安装区域确定为均匀的或关于每个振动元件20对称，以使得各个安装区域包括相同数量的部件。因此，在其余电子部件8及IC元件7的回流处理中产生的应变可被均匀地施加在振动元件20上。图48示出支撑衬底2的回流次数和该对振动元件的输出间差异之间的关系，IC电路元件7的安装区域变化。图48显示，当该对振动元件的输出间差异较小时，传递给各个振动元件的应变数量是均匀的，而当该对振动元件的输出间差异较大时，传递给各个振动元件的应变数量是大的。在这种情况中，在回流前输出差为零。同样，图47所示本发明的实施例中具有明显的效果，并且基本上不引起振动元件的输出间的差异，如与IC电路元件7被定位于支撑衬底2的角部的比较例(图46)的结构相比较。第三实施例接下来，将描述本发明的第三实施例。图49示意性示出各个振动元件20和相应驱动检测器电路部件50 (IC电路元件7)之间的布线结构。参考电极层27被连接至驱动检测器电路 部件50的Ref端子，以及驱动电极层29被连接至驱动检测器电路部件50的额定Ga端子。该对检测电极30L和30R分别被连接至驱动检测器电路部件50的Gb和Ge端子。在通常的振动陀螺传感器中，Ref端子与Ga至Ge端子被设定为同一预定位置电势(例如，I. 35V)。也就是说，输入至驱动电极层29的AC信号的中心电势和从检测电极30L和30R输出的检测信号的中心电势被设定为与参考电极层27相同。因此，从检测电极30L和30R输出的检测信号表示比参考电势高和低(正和负)的值，从而产生随元件尺寸的减少而降低检测灵敏度的问题。因此，在根据该实施例的振动陀螺传感器中，连接参考电极层27的Ref端子被设定为GND (接地)电势。换言之，如图50所示，输入至驱动电极层29的AC信号的中心电势和从检测电极30L和30R输出的检测信号的中心电势被设定为比参考电极层27的电势高出预定电势。从而，通过预定DC偏压(偏移电势)驱动每个振动器部件23，将所述预定DC偏置施加在Ga至Ge端子和Ref端子之间，以及从检测电极30L和30R输出的检测信号为比参考电势高的电势，从而增加SN比且提高检测灵敏度。施加在驱动电极层29 (检测电极30L和30R)和参考电极层27之间的偏移电势的幅度显著影响了压电薄膜层28的压电特性(输出灵敏度)。图51示出偏移电势和压电特性之间的关系。在该图中，偏移电势由作用在压电薄膜层28的电场强度(ν/μπι)来表示。图51揭示假定偏移电势为O时压电特性为1，当偏移电势增加时压电特性增加，但是在偏移电势为大约8V/ μ m或更大时往往减少。当偏移电势超过15V/ μ m时，压电特性减少至低于O偏移电势处的值。因此，在该实施例中，用于提高压电特性的偏移电势为15V/μ m或更少,优选8V/ μ m或更少。图52示出磁滞曲线(P-E曲线)，表示极化量随压电薄膜层28的外电场强度变化的变化。在参考电极层27和驱动电极层29被设定为同一电势时，施加至驱动电极层29的输入信号的中心电势(工作电压)与图52中所示的回路的中心(电场强度O) —致。另一方面，在参考电极层27被连接至GND端的实施例中，工作电压被设定在偏移至回路中心的右侧(电场强度的正方向)的位置。在该实施例中，偏移量也就是偏移电势为I. 35V。因此，在极化量大于压电材料的剩余极化Pr的区域中驱动压电材料，从而增加检测电极30L和30R的输出电压。尽管是在工作电压的偏移量(偏移电势或偏置电势)增加时在具有大量极化的区域中驱动压电材料，但是在极化量接近饱和极化Ps时，压电材料的驱动方向被不希望地抑制。因此，偏移量被优选为例如压电材料的矫顽电场(+Ec)或更少。如上所述，依据该实施例，增加检测电压以允许对施加至各个振动器部件23的角速度或科里奥利力进行高灵敏度检测，从而与一般的传感器相比较，容易地适应振动元件20的尺寸减少。并且，还可以降低各个驱动检测器电路部件50的工作电压，从而有助于振动陀螺传感器的低功耗。
如上所述，在本说明书中描述的振动陀螺传感器具有下面的其他特征I. 一种振动陀螺传感器，包括支撑衬底，在该支撑衬底上形成具有多个焊接区的布线图案，以及安装在该支撑衬底的表面上的振动元件，其中振动元件包括具有安装表面的基底部件，在该安装表面上形成多个连接到焊接区的端子部件，以及振动器部件，该振动器部件从该基底部件的一侧整体地突出且具有与该基底部件的安装表面共面的面向衬底的表面，该振动器部件具有第一电极层，压电层和第二电极层，其依次层叠在面向衬底的表面上，以及在AC信号被施加在该第一和第二电极层间时振动器部件振动,AC信号的中心电场强度被设定在从压电层的磁滞回路的中心向正方向偏移的位置。2.在I所述的振动陀螺传感器，其中AC信号的中心电场强度的偏移量为15V/ym或更少。3.在I所述的振动陀螺传感器，其中该第一电极层被连接至接地电势。4.在I所述的振动陀螺传感器，其中多个振动元件被安装在支撑衬底上，以使该振动器部件具有不同的轴方向。5.在4所述的振动陀螺传感器，其中在IkHz或更大的工作频率差的情况下驱动该振动元件。6.在4所述的振动陀螺传感器，其中除了多个振动元件之外，在支撑衬底上安装电路元件和多个电子部件。7.在6所述的振动陀螺传感器，其中电路元件包括IC部件，以及用于电路元件的主安装区域被定位在连接该多个振动元件的安装区域的线的中心部分。本领域的技术人员应当理解，在权利要求或与其等同的范围内，根据设计要求和其它因素，会出现不同的变化、组合、局部组合以及替换。本发明包含与2005年3月4日向日本专利特许厅申请的日本专利申请JP2005-106718，2005年3月7日向日本专利特许厅申请的日本专利申请JP2005-063075，2005年6月29日向日本专利特许厅申请的日本专利申请JP2005-190234以及2005年12月27日向日本专利特许厅申请的日本专利申请JP2005-374326相关的主题，通过引用将其全部内容在此参考。
权利要求
1.一种振动陀螺传感器，包括 支撑衬底，包括第一表面和背对的第二表面； 在所述第一表面上的具有多个焊接区的布线图案； 在所述第二表面上的多个安装端子部件；以及 在所述支撑衬底的所述第一表面上的至少两个振动元件，所述至少两个振动元件能够检测不同轴方向上的振动。
2.根据权利要求I所述的振动陀螺传感器，其中每个振动元件包括具有安装表面的基底部件，在所述安装表面上形成多个连接至所述焊接区的端子；以及振动器部件，以悬臂形式从基底部件的一侧整体突出。
3.根据权利要求I所述的振动陀螺传感器，其中使用IkHz或更大的工作频率差驱动所述振动元件。
4.根据权利要求3所述的振动陀螺传感器，其中使用2kHz至3kHz的工作频率差驱动所述振动元件。
5.根据权利要求2所述的振动陀螺传感器，其中所述两个振动元件的基底部件中的至少一个被安装在所述支撑衬底的角部。
6.根据权利要求5所述的振动陀螺传感器，其中所述两个振动元件的基底部件被安装在所述支撑衬底的相对的角部。
7.根据权利要求2所述的振动陀螺传感器，其中每个振动元件具有与所述基底部件的安装表面共面的面向基底的表面；以及 所述振动器部件具有第一电极层、压电层和第二电极层，这些以该顺序形成在所述面向基底的表面上。
8.根据权利要求I所述的振动陀螺传感器，其中安装所述两个振动元件以使得对轴成90°设置所述振动器部件。
9.根据权利要求2所述的振动陀螺传感器，其中每个所述振动元件具有在基底部件的安装表面上形成的多个端子部件上提供的金属凸起，以及通过所述金属凸起将多个端子部件连接至相应焊接区。
10.根据权利要求5所述的振动陀螺传感器，其中除了所述多个振动元件之外，在所述支撑衬底上还安装电路元件。
11.根据权利要求10所述的振动陀螺传感器，其中所述电路元件包括IC元件，以及用于所述IC元件的安装区域位于连接多个振动元件的基底部件的安装区域的线的中心部分。
12.根据权利要求10所述的振动陀螺传感器，其中所述电路元件包括IC元件，以及用于所述IC元件的安装区域设置在当所述支撑衬底的平面被分割为第一至第四象限时用于所述IC元件的至少一部分安装区域属于第一至第四象限中的每个的预定区域。
13.根据权利要求I所述的振动陀螺传感器，其中每个振动元件的振动器部件具有形成在其上表面上的处理标记，用于调整其谐振频率。
14.根据权利要求13所述的振动陀螺传感器，其中在距离所述振动器部件的基底末端在所述振动器部件的整个长度的4/5或更大的距离处形成所述处理标记。
15.根据权利要求I所述的振动陀螺传感器，其中每个振动元件具有对齐标记，用于与所述支撑基底相对齐。
16.根据权利要求I所述的振动陀螺传感器，其中所述支撑衬底的表面覆盖有光屏蔽盖元件。
全文摘要
本发明公开了一种振动陀螺传感器。所述振动陀螺传感器包括支撑衬底，在该支撑衬底上形成具有多个焊接区的布线图案，以及安装在该支撑衬底的表面上的振动元件，其中至少两个振动元件被安装在该支撑衬底上，用于检测不同轴方向上的振动。
文档编号G01C19/56GK102620727SQ20121011182
公开日2012年8月1日 申请日期2006年3月6日 优先权日2005年3月4日
发明者中盐荣治, 佐佐木伸, 本多顺一, 渡边成人, 相泽学, 稻熊辉往, 铃木浩二, 高桥和夫 申请人:索尼株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
