(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ面の角速度を測定するためのセンサであって、前記センサが：
ａ）検出サブアッセンブリであって：
ｉ）前記面に平行な略平坦なフレームと；
ｉｉ）前記面に配置された第１の質量体と；
ｉｉｉ）前記面に前記第１の質量体に対して横方向に配置された第２の質量体と；
ｉｖ）前記フレームの内側で前記フレームに結合されたリンクとを具えており、
前記リンクが、前記第１の質量体及び前記第２の質量体に結合され、前記リンクが、前記面に垂直な逆方向に動くよう前記第１及び第２の質量体を規制し；
前記リンクが、さらに、前記フレームに結合され、前記第１及び第２の質量体間で前記第１及び第２の質量体に結合された中央プレートであって、回転の中央軸を中心として回転可能な中央プレートと；
第１のセットの捻れヒンジによってベースの駆動アンカー部を介して前記べースに結合され、前記第１の質量体に結合された第１のエッジプレートであって、第１の回転軸を中心として回転可能な第１のエッジプレートと；
第２のセットの捻れヒンジによって前記ベースの駆動アンカー部を介して前記ベースに結合され、前記第２の質量体に結合された第２のエッジプレートであって、第２の回転軸を中心として回転可能な第２のエッジプレートと；を具えており、
前記中央、第１及び第２の回転軸が互いに平行且つ前記センサ面にも平行な検出サブアッセンブリと；
ｂ）前記検出サブアッセンブリの第１の部分を駆動周波数で振動するよう駆動するためのアクチュエータと；
ｃ）前記角速度に応じて前記検出サブアッセンブリの第２の部分の運動を検出するためのトランスデューサと；
ｄ）前記ベースに対する前記第１及び第２のエッジプレートの運動を検出するために前記第１のエッジプレートの下方に第１のエッジ電極と、前記第２のエッジプレートの下方に第２のエッジ電極とを具えることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記アクチュエータが、静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータ、及び熱アクチュエータから成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記トランスデューサが、容量センサ、電磁センサ、圧電センサ、及びピエゾ抵抗センサから成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記検出サブアッセンブリの第１の部分が、前記リンクであり、
前記検出サブアッセンブリの第２の部分が、前記フレームであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記アクチュエータが、前記リンクに結合された静電アクチュエータを具えており、
前記トランスデューサが、前記フレームに結合された容量センサを具えることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記検出サブアッセンブリの第１の部分が、前記フレームであり、
前記検出サブアッセンブリの第２の部分が、前記リンクであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記アクチュエータが、前記フレームに結合された静電アクチュエータを具えており、
前記トランスデューサが、前記リンクに結合された容量センサを具えることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記フレームが撓み部によって前記ベースに取り付けられ、前記フレームが前記センサ面に直交する軸を中心に回転するときに、前記撓み部が前記フレームに復元トルクを与えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記フレームが、略円形であることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記フレームが、略矩形であることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記第１及び第２の質量体が、前記フレームに対して前記センサ面に略垂直に移動することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１２】
さらに、前記中央プレートが、前記第１の質量体に結合された第１のレバーアームと、前記第２の質量体に結合された第２のレバーアームとを具えており、
前記中央プレートの回転に応じて前記センサ面に垂直な前記質量体の動きが増加することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
さらに、前記第１のエッジプレートが、前記第１の質量体に結合されたレバーアームを具えており、
前記第１のエッジプレートの回転に応じて前記センサ面に垂直な前記第１の質量体の動きが増加することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
さらに、前記第２のエッジプレートが、前記第２の質量体に結合されたレバーアームを具えており、
前記第２のエッジプレートの回転に応じて前記センサ面に垂直な前記第２の質量体の動きが増加することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記トランスデューサが、前記ベース及び前記フレームに結合された容量センサを具えており、
基準ウェハが、前記容量センサに結合され、前記第１のエッジ電極、前記第２のエッジ電極及び中央分割電極に結合されたＣＭＯＳ電子部品を具えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１６】
Ｘ−Ｙセンサ面の角速度のＸ及びＹ成分を測定するための２軸センサであって、前記２軸センサが：
Ａ）前記角速度のＸ成分を測定するための第１のサブセンサであって、
ａ）ｉ）前記面に平行な略平坦な第１のフレームと；
ｉｉ）前記面に配置された第１の質量体と；
ｉｉｉ）前記面に前記第１の質量体に対して横方向に配置された第２の質量体と；
ｉｖ）前記フレームの内側で前記フレームに結合された第１のリンクであって、前記第１の質量体及び前記第２の質量体に結合され、前記面に垂直な逆方向に動くよう前記第１及び第２の質量体を規制する第１のリンクと；を具える第１の検出サブアッセンブリと；
ｂ）前記第１の検出サブアッセンブリの第１の部分を駆動周波数で振動するよう駆動するための第１のアクチュエータと；
ｃ）前記角速度のＸ成分に応じて前記第１の検出サブアッセンブリの第２の部分の運動を検出するための第１のトランスデューサであって、第１のリンクが、さらに、前記フレームに結合され、前記第１及び第２の質量体間で前記第１及び第２の質量体に結合された中央プレートであって、回転の中央軸を中心として回転可能な中央プレートと；第１のセットの捻れヒンジによってベースの駆動アンカー部を介して前記べースに結合され、前記第１の質量体に結合された第１のエッジプレートであって、第１の回転軸を中心として回転可能な第１のエッジプレートと；第２のセットの捻れヒンジによって前記ベースの駆動アンカー部を介して前記ベースに結合され、前記第２の質量体に結合された第２のエッジプレートであって、第２の回転軸を中心として回転可能な第２のエッジプレートと；を具えており、前記中央、第１及び第２の回転軸が互いに平行であり且つ前記センサ面にも平行な第１のトランスデューサと；を具える第１のサブセンサと；
Ｂ）前記角速度のＹ成分を測定するための第２のサブセンサであって、
ａ）ｉ）前記面に平行な略平坦な第２のフレームと；
ｉｉ）前記面に配置された第３の質量体と；
ｉｉｉ）前記面に前記第３の質量体に対して横方向に配置された第４の質量体と；
ｉｖ）前記第２のフレームの内側で前記第２のフレームに結合された第２のリンクであって、前記第３の質量体及び前記第４の質量体に結合され、前記面に垂直な逆方向に動くよう前記第３及び第４の質量体を規制する第２のリンクと；を具える第２の検出サブアッセンブリと；
ｂ）前記第２の検出サブアッセンブリの第１の部分を駆動周波数で振動するよう駆動するための第２のアクチュエータと；
ｃ）前記角速度のＹ成分に応じて前記第２の検出サブアッセンブリの第２の部分の運動を検出するための第２のトランスデューサであって、前記第２のリンクが、さらに、前記フレームに結合され、前記第３及び第４の質量体間で前記第３及び第４の質量体に結合された中央プレートであって、回転の中央軸を中心として回転可能な中央プレートと；第１のセットの捻れヒンジによってベースの駆動アンカー部を介して前記べースに結合され、前記第３の質量体に結合された第１のエッジプレートであって、第１の回転軸を中心として回転可能な第１のエッジプレートと；第２のセットの捻れヒンジによって前記ベースの駆動アンカー部を介して前記ベースに結合され、前記第４の質量体に結合された第２のエッジプレートであって、第２の回転軸を中心として回転可能な第２のエッジプレートと；を具えており、前記中央、第１及び第２の回転軸が互いに平行であり且つ前記センサ面にも平行な第２のトランスデューサと；を具える第２のサブセンサと；を具えることを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０の下で２００５年１１月１８日に出願された米国特許出願１１／２８３，０８３の一部継続出願である。また本出願は、２００３年１０月２０日に出願され現在米国特許６，８９２，５７５として特許されている米国特許出願１０／６９０，２２４、及び２００５年７月２８日に出願され２００３年１０月２０日に出願された米国特許出願１０／６９１，４７２の継続出願であり、現在米国特許６，９３９，４７３として特許されている米国特許出願１１／１９３，１２７に関連し、参照することにより本書に盛り込まれている。
【０００２】
本発明は、角速度センサに関し、特に、２つの振動プルーフ質量体を有する面内角速度センサに関する
【背景技術】
【０００３】
角速度の感知は、多くの場合、慣性センサを用いて行われる。慣性角速度センサは、広義には、センサに第１の運動を起こさせ、第１の運動及び感知する角速度の双方に反応するセンサの第２の運動を測定することにより機能する。
【０００４】
多くの場合、センサ内の質量体（通常、プルーフ質量体と呼ばれる）は、アクチュエータにより振動を起こす。センサが回転すると、角速度（または回転速度）に比例し、プルーフ質量体の速度ベクトルに対する角速度ベクトルの向きに依存する、コリオリ力が振動質量体に加わる。コリオリ力、角速度ベクトルおよび質量体速度ベクトルは、互いに直交している。例えば、Ｙ軸を中心にして回転するセンサ内をＸ方向に移動するプルーフ質量体は、Ｚ方向のコリオリ力を受ける。同様に、Ｚ軸を中心にして回転するセンサ内をＸ方向に移動するプルーフ質量体は、Ｙ方向のコリオリ力を受ける。最後に、Ｘ軸を中心にして回転するセンサ内をＸ方向に移動するプルーフ質量体は、コリオリ力を受けない。プルーフ質量体にかかるコリオリ力は、通常、コリオリ力に応じたセンサ内の運動を測定することにより間接的に感知される。
【０００５】
最近、微細加工技術（ＭＥＭＳ技術としても知られる）の発達により、様々なＭＥＭＳ角速度慣性センサが開発されている。ＭＥＭＳ技術は基本的には平面技術であり、面内運動を起こすのに適しているＭＥＭＳアクチュエータは、面外運動を起こすのに適しているＭＥＭＳアクチュエータとはかなり異なる傾向にある。同様に、コリオリ力に応じる面内運動を測定するのに適しているＭＥＭＳセンサは、コリオリ力に応じる面外運動を測定するのに適しているＭＥＭＳセンサとはかなり異なる傾向にある。これらの違いは、構造上の違いでもあるし、性能上の違いでもある。
【０００６】
面内ＭＥＭＳ角速度センサは、上記の質量体速度、角速度、およびコリオリ力が直交していることによる面内角速度成分を検出するために、面外運動を起こすか、または面外運動を感知しなければならない。対照的に、面外ＭＥＭＳ角速度センサは、面外角速度成分を検出するために、２つの直交する面内運動を起こし、感知することができる。ＭＥＭＳ技術の平面的性質のために、面内ＭＥＭＳセンサおよび面外ＭＥＭＳセンサは、かなり異なる傾向がある。
【０００７】
周知のある面内ＭＥＭＳ角速度センサは、振動を起こさせる２つのプルーフ質量体を有する。例えば、Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉによる米国特許６，４８１，２８３は、面内ＭＥＭＳセンサを教示している。Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉの座標の場合には、デバイス面はＹＺ面内に位置する。Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉは、第１の実施形態として、＋／−Ｙ方向（すなわち、面内）で振動する２つの質量体を教示している。Ｚ軸を中心とする角速度により、２つの質量体の上にＸ方向のコリオリ力がかかる。２つの質量体は、質量体上のＸ方向の力がジンバル上にＺ方向のトルクを加えるように、Ｚ軸を中心にして回転できるジンバルに取り付けられている。２つの質量体は反対方向の速度を有するように振動し、そのため２つのコリオリ力はＺ軸を中心にしてジンバル上に正味のトルクを加える。Ｚ軸を中心にするジンバルの運動が感知される。
【０００８】
Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉは、第２の実施形態として、＋／−Ｘ方向（すなわち、面外）で振動する２つの質量体を教示している。Ｚ軸を中心にする角速度により、２つの質量体上にＹ方向のコリオリ力が加わる。２つの質量体は、質量体上のＹ方向の力がジンバル上にＺ方向のトルクを加えるように、Ｚ軸を中心にして回転することができるジンバルに取り付けられている。２つの質量体は反対方向の速度を有するように振動し、そのため２つのコリオリ力はＺ軸を中心にしてジンバル上に正味のトルクを加える。Ｚ軸を中心にしたジンバルの運動が感知される。
【０００９】
振動する２つのプルーフ質量体を有するもう１つの周知の面内ＭＥＭＳ角速度センサが、ＭｃＣａｌｌらによる米国特許６，５０８，１２２で示唆されている。ＭｃＣａｌｌらは、デバイス面内に横方向に配置されていて、この面の方向に相互に位相差を有して振動する２つの連結されていない質量体を有する面内ＭＥＭＳセンサを示唆している。説明を分かりやすくするために、デバイス面をＸＹ面とし、振動はＸ方向を向いているものとする。Ｚ方向のコリオリ力のためにセンサがＹ軸を中心にして回転すると、質量体はＺ方向に振動する。質量体のＺ方向の振動が感知される。
【００１０】
Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉ及びＭｃＣａｌｌらのアプローチはいずれも、角速度の測定から「共通モード」の干渉を排除したいという要求が動機となっている。例えば、１つのプルーフ質量体を有する角速度センサは、コリオリ力を感知するのと同じ方向の直線加速度を受けると、測定値が不正確になる恐れがある。２つの質量体を使用した場合には、コリオリ力に反応する上記のものを含めて様々な装置が可能になるが、通常、コリオリ力と同じ方向の直線加速度には反応しない。通常、このような装置は、その速度が常に等しく反対方向を向くように、２つの質量体の駆動に依存する。速度が等しく反対方向を向いていなければならないという条件から少しでもズレると不利になる。何故なら、このようなズレは、コリオリ力への所望の応答が低減し、線加速度への望ましくない応答が増大するからである。
【００１１】
しかしながら実際には、２つの質量体を同じ大きさであるが反対方向の速度で駆動するのは簡単ではない。例えば、２つの名目上同じものであり同じように装着されている質量体が、実際には異なっている場合があり、そのため同じ作動力でこれら２つの質量体を作動すると、等しくない反対方向の速度となる。同様に、アクチュエータの効果も変化する傾向があり、そのため、２つの質量体が同じであり、同じように装着しても、２つの質量体に連結されているアクチュエータ内の変動により、この場合も等しくない反対方向の質量体速度となる恐れがある。同様に、アクチュエータに連結されている回路も同じでない等の問題がある。その結果、周知のように、２つの質量体面内角速度センサは、２つの質量体の構成が約束する共通モード排除を完全に実現したことはない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の１つの目的は、２つの質量体が反対方向に移動するのを機械的に制限し、それにより共通モード排除を改善することにより、測定精度が改善された面内角速度センサを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、感知および駆動電子回路を垂直方向に集積することによりコストを抑えた角速度センサを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、低コストの密封包装を有する角速度センサを提供することである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、行程距離の長いより大きなプルーフ質量体を提供するバルクＭＥＭＳ技術の使用により、性能を改善した角速度センサを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、質量体行程距離を長くするために、質量体に取り付けられているレバーアームを有する捻れ力により装着され、静電的に駆動されるプレートの使用により、性能が改善されコストの安い角速度センサを提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、同じデバイスダイ上に集積したＸ軸角速度センサ及びＹ軸角速度センサを有する低コストの二重軸面内ジャイロスコープ・モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、面内に横方向に配置されていて、フレームに間接的に連結されている２つの質量体を有する面内角速度センサを提供する。２つの質量体は、これら質量体が、Ｚ方向に沿って反対方向に移動するように（すなわち、一方の質量体が＋Ｚ方向に移動すると、他方の質量体が−Ｚ方向に移動し、その逆も行うように）、リンクにより一緒に連結されている。ここで、Ｚは、面外方向である。面内角速度は、２つの質量体をＺ方向に逆位相で振動させ、それによりフレームに加わる角振動の振幅を測定することにより検出し得る。代替的には、フレームをＺ軸を中心にして角振動させ、それにより２つの質量体に加わるＺ方向の逆位相の振動の振幅を測定することにより、面内角速度を検出し得る。
【００１９】
リンクは、さらに、フレームに結合され第１及び第２の質量体間で第１及び第２の質量体に結合された中央プレートを具える。中央プレートは、回転の中央軸を中心として回転可能であり、第１のエッジプレートが、ベースの駆動アンカー部を介してべースに結合され第１の質量体に結合される。第１のエッジプレートは、第１の回転軸を中心として回転可能であり、第２のエッジプレートが、ベースの駆動アンカー部を介してベースに結合され第２の質量体に結合される。第２のエッジプレートは、第２の回転軸を中心として回転可能である。中央、第１及び第２の回転軸が互いに平行であり且つ検出面にも平行である。
【００２０】
好適な実施例では、フレーム、２つの質量体およびリンクは、ジャイロスコープウェハを形成するためのバルク微細加工（ＭＥＭＳ）技術を用いて、１つのシリコンウェハから製造される。さらなる好適な実施形態では、ジャイロスコープウェハの素子を運動させ、検出するための回路は、ジャイロスコープウェハに固定される基準ウェハを形成するために、１つのシリコンウェハに内蔵されている。この実施形態では、ジャイロスコープウェハが、キャップウェハと基準ウェハとの間に挟持されるように、１つのシリコンウェハからキャップウェハを製造し、このキャップウェハをジャイロスコープウェハに固定することも好適である。このような方法では、ジャイロスコープウェハの素子を環境から保護するための気密バリアを形成し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明に係るジャイロスコープウェハの平面図を概略的に示す。
【図１Ａ】図１Ａは、ジャイロスコープウェハの機械的構成の第１の実施例である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ジャイロスコープウェハの機械的構成の第２の実施例である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、ジャイロスコープウェハの機械的構成の第３の実施例である。
【図２】図２は、ラインＩに沿った図１のジャイロスコープウェハの断面図を含む、本発明の一実施形態の断面図を概略的に示す。
【図３】図３は、好適な固定具の構成の詳細を示す平面図を概略的に示す。
【図４】図４は、ラインＩＩに沿った図３の固定具構成の断面図を概略的に示す。
【図５】図５は、本発明とともに使用するのに適した２つの電極構成を概略的に示す。
【図６−１】図６−１は、図１のジャイロスコープウェハの一部の拡大図を概略的に示す。
【図６−２】図６−２は、図１のジャイロスコープウェハの一部の拡大図を概略的に示す。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係るキャップウェハを作製するための処理ステップを概略的に示す。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係るキャップウェハおよびジャイロスコープウェハのアセンブリを作製するための処理ステップを概略的に示す。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係る基準ウェハを作製するための処理ステップを概略的に示す。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に係るキャップウェハ、ジャイロスコープウェハおよび基準ウェハのアセンブリを作製するための処理ステップを概略的に示す。
【図１１】図１１は、動作中の図２の構成の運動を概略的に示す。
【図１２】図１２は、電極配置の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明の好適な実施例に係るジャイロスコープウェハー２０の平面図を概略的に示す。図１の実施例では、図に示す様々な部材が、好適には１つのシリコンウェハーから作製される。まず、ジャイロスコープウェハー２０の機械的な構造を、その動作にしたがって考えることとする。最後に、ジャイロスコープウェハー２０の作製を説明することとする。
【００２３】
図１の実施例では、中央プレート２８が捻れヒンジ２８Ａによってフレーム３４に取り付けられており、これにより、中央プレート２８が図１のＸ軸を中心として回転し得る。また、ヒンジ２８Ａは、Ｘ−Ｙ平面の公称位置にプレート２８の位置を復元し易くする復元トルクをプレート２８に与える。プルーフ質量体２２がヒンジ５８によって中央プレート２８に取り付けられており、プルーフ質量体２４がヒンジ５６によって中央プレート２８に取り付けられている。中央プレート２８、プルーフ質量体２２及びプルーフ質量体２４のサブアッセンブリが一体となってリンクを構成し、プルーフ質量体２２及び２４がＺ軸に沿って必然的に逆方向に動く。
【００２４】
以下のようにリンクの中に付加的部材を組み込むことが好適である：第１のエッジプレート２６がヒンジ６０によってプルーフ質量体２２に取り付けられ、捻れヒンジ２６Ａによってベース３６の駆動アンカー部を介してベース３６に取り付けられており；第２のエッジプレート３０がヒンジ５４によってプルーフ質量体２４に取り付けられ、捻れヒンジ３０Ａによってベース３６の駆動アンカー部を介してベース３６に取り付けられている。捻れヒンジ２６Ａ及び３０Ａにより、プレート２６及び３０が、それぞれ図１のＸ軸を中心として回転し、プレート２６及び３０にそれぞれ復元トルクも与え、これにより、Ｘ−Ｙ平面の公称位置にプレート２６及び３０の位置を復元し易くする。
【００２５】
フレーム３４は、複数の撓み部３２を具えたベース３６に取り付けられている。撓み部３２は、フレーム３４がその公称位置とは異なる位置にＺ軸を中心として回転する場合に、フレーム３４に復元トルクを与えるよう取り付けられている。図１は、フレーム３４の周囲に対称的に配置された４つの撓み部３２を示す。図１の構成といった、フレーム３４に関して良好な機械的支持を与える対称的撓み構成が好適であるが、本発明はこのような撓み構成を要しない。
【００２６】
ベース３６に対するフレーム３４の回転を、間に配置されベース３６に結合された容量センサで検出し得る。代替的には、フレーム３４とベース３６との間に配置されこれらに結合された静電アクチュエータを用いてフレーム３４をＺ軸を中心として角振動するよう駆動させ得る。このような容量センサ及び静電アクチュエータに関して、当技術分野で様々な構成が知られており、多くのケースにおいて特定の電極構成がいずれかの機能を与え得る。
【００２７】
図１Ａは、図１のジャイロスコープウェハー２０の機械的構成の第１の実施例である。
【００２８】
図１Ｂは、ジャイロスコープウェハー２０の機械的構成の第２の実施例である。このような実施例の撓み部５４及び５５では、撓み部５８及び６０が、図１Ａの状態から裏返っていることで、プルーフ質量体２２及び２４の中央プレート２８のからの有効距離を増やしており、これにより、より感度が高くなる。
【００２９】
図１Ｃは、ジャイロスコープウェハー２０の機械的構成の第３の実施例である。このようなウェハー２０では、フレーム３４が、４つの点６５ａ−６５ｄを介してベース３６に吊り下がっており、エッジプレート２６及び３０が、２つの駆動アンカー部を介してベース３６に吊り下がっている。したがって、第３の実施例では、ベースへの駆動アンカーポイントの数が２つに減る。これは、センサのパラメータへのパッケージの影響の大きさを減らす。
【００３０】
ベース３６に対するフレーム３４の相対的な角運動を検出及び／又は駆動させるのに適した２つの典型的な電極構成を、符号３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃ及び４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃとして図５に概略的に示す。これらの又はこれらと同じような電極構成が、好適にはフレーム３４の周囲に対称的に配置されている。本発明の実施例は、特定の電極構成を要しない。
【００３１】
図１のフレーム３４の中の部材（すなわち、質量体２２及び２４、及びプレート２６、２８、及び３０を含む好適なリンク）が、ヒンジ２８Ａのみによってフレーム３４に取り付けられている。フレーム３４と質量体２２及び２４との間に隙間が存在する。これらのヒンジ取り付け点以外に、フレーム３４とプレート２６、２８、及び３０との間にも隙間が存在する。これらの隙間は、リンクがフレーム３４にぶつかることなしにその設計範囲を通って移動し得るのに十分に大きい。これらの隙間は、図１に図示しない。
【００３２】
図２は、本発明の実施例の断面図を概略的に示す。この断面図は、図１のライン１に沿ったジャイロスコープウェハー２０の断面図である。図１のジャイロスコープウェハー２０は、好適には、ジャイロスコープウェハー２０が図２に示すキャップウェハー４２と基準ウェハー４４との間に挟持されるように、キャップウェハー４２及び基準ウェハー４４に固定されている。一実施例では、駆動アンカーがキャップウェハー４２と基準ウェハー４４との間に設けられている。またこれにより、センサの耐久性を増加させる。このような構成により、キャップウェハー４２及び基準ウェハー４４が、ジャイロスコープウェハー２０を周囲環境から保護するよう組み合わさり、これにより、センサの信頼性及び耐久性を増す。さらに、ジャイロスコープウェハー２０とウェハー４２及び４４との間の結合を、移動質量体２２及び２４といったジャイロスコープウェハー２０の主要な部材と周囲環境との間で気密バリヤを形成するように形成し得る。
【００３３】
プレート２６、２８、及び３０とともに、質量体２２及び２４を含むリンクの運動が、図２、１１ａ及び１１ｂを参照して最も良く理解される。図２のポイント２６Ｂ、２８Ｂ及び３０Ｂは、捻れヒンジ２６Ａ、２８Ａ及び３０Ａとそれぞれ揃っており、これにより、プレート２６，２８及び３０が、ポイント２６Ｂ、２８Ｂ及び３０Ｂを中心としてそれぞれ図２の紙面（Ｙ−Ｚ平面）を回転し得る。このようなリンクの部品は、曲げヒンジ５４、５６、５８、及び６０によって結合されており、隣接する部品の相対移動を抑える一方、隣接する部品がＹ−Ｚ面で相対回転し得る。
【００３４】
したがって、質量体２２が図２の＋Ｚ方向（すなわち、図２の上方）に移動する場合、プレート２８がポイント２８Ｂを中心として時計方向に回転して質量体２４が−Ｚ方向に移動する一方、図１１ｂに示すように、プレート２６及び３０が反時計方向に回転する。同様に、質量体２２が−Ｚ方向に移動する場合、プレート２８が反時計方向に回転して質量体２４が＋Ｚ方向に移動する一方、図１１ａに示すようにプレート２６及び３０が時計方向に回転する。換言すれば、質量体２２、２４及びプレート２６、２８、及び３０によって形成されるリンクにより、質量体２２及び２４がＺ軸に沿って逆方向に必然的に確実に移動する。上述のように、図２から明らかなように、フレーム３４とプレート２６との間及びフレーム３４とプレート３０との間に隙間を有する。
【００３５】
キャップウェハー４２及び基準ウェハー４４が、ジャイロスコープウェハー２０のベース３６に取り付けられており、図２に示すように、ジャイロスコープウェハー２０の他の部品と接触しない。撓み部３２及びフレーム３４がキャップウェハー４２又は基準ウェハー４４に接触しないため、これらのウェハーはＺ軸を中心とするフレーム３４の回転と干渉しない。基準ウェハー４４とベース３６との間の結合が、図２に符号４６として概略的に示されている。結合４６は、基準ウェハー４４とベース３６との間の機械的結合及び基準ウェハー４４とベース３６との間の電気的結合の双方の結合である。これに関して、基準ウェハー４４の回路が、図５の電極３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ又は電極４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃといった、ジャイロスコープウェハー２０の検出／駆動手段に結合される。
【００３６】
電極４８Ａ及び４８Ｂが、プレート３０の下方の基準ウェハー４４上に配置されている。電極４８Ａ及び４８Ｂが、図２のポイント３０Ｂとして示すようなプレート３０の回転軸のいずれの側にも配置されている。同様に、電極５０Ａ及び５０Ｂがプレート２８の下方に配置されており、電極５２Ａ及び５２Ｂがプレート２６の下方に配置されている。
【００３７】
図２を参照すると、プレート２６及び３０と基準ウェハー４４との間の隙間の変化が、センサの性能全体を著しく減少させる。隙間に近接する駆動アンカーが、例えば、パッケージが誘起する応力により隙間の変化を著しく減少させ、これにより、動作温度範囲にわたる角度センサの性能全体を増加させる。
【００３８】
図３は、図１の撓み部３２に関する好適な構成のより詳細な平面図を概略的に示す。図３の構成では、撓み部３２が、バネ３２’及びベース撓み部分取り付け部６６を具える。図３に示すように、取り付け部６６のバネ３２’の取り付け点が、取り付け部６６の中に凹んでおり、フレーム３４と同じように、取り付け部６６からバネ３２’への及びフレーム３４からバネ３２’への表面応力の結合を減らす。
【００３９】
ベース撓み部分取り付け部６６は、ベース隔離トレンチ４１Ａによって囲まれており、ベース３６の中の応力から撓み部３２を機械的に隔離する機能を有する。このような応力は、パッケージング及び／又は結合応力、熱膨張等により、キャップウェハー４２及び基準ウェハー４４によってベース３６に伝わる可能性がある。また、フレームの溝６４に係合するベースタブ６２を図３に示す。フレームの溝６４は、図３に概略的に示すように、ベースタブ６２の幅よりもやや大きく、これにより、ベースタブ６２がフレームの溝６４の壁部とぶつかる前に、フレーム３４がベース３６に対して特定の選択範囲の中のみを回転し得る。このような選択範囲は、撓み部３２が当該選択範囲の中の動きによって確実に破壊されないよう選択される。このような方法では、タブ６２と溝６４との組み合わせが撓み部３２に対して保護を与える。
【００４０】
撓み部３２に関する好適な構成のさらなる詳細を、図３のラインＩＩに沿った断面図を含む図４の断面図で示す。ラインＩＩはバネ３２’に近接しているが、それを横断しないため、図４の断面としてバネ３２’を図示しない。ベースの撓み取り付け部６６が、キャップウェハー４２に取り付けられており、結合４６Ｂを介して基準ウェハー４４に結合されている。このような方法では、撓み部３２がキャップウェハー４２及び基準ウェハー４４に結合されており、ベース３６から隔離される。これにより、キャップウェハー４２及び基準ウェハー４４は一般にベース３６よりも厚い（ジャイロスコープウェハー２０の一般的な厚さは、１０−１００ミクロンである）ため利点を有し、したがって、アンカー撓み部３２に非常に大きな機械的強度を与える。また、基準隔離トレンチ４１Ｃ、及びキャップ隔離トレンチ４１Ｂを図４に示す。基準隔離トレンチ４１Ｃは、基準ウェハー４４の上面（すなわち、ベース３６に結合される基準ウェハー４４の表面）に存在する応力から撓み部３２を隔離するよう機能する。同様に、キャップ隔離トレンチ４１Ｂは、基準ウェハー４２の下面（すなわち、ベース３６に結合されるキャップウェハー４２の表面）に存在する応力から撓み部３２を隔離するよう機能する。撓み部３２がバネ３２’及びベース取り付け部６６を具える図３及び４の撓み構成が好適であるが、それが必ずしも本発明を実施する必要がない。
【００４１】
図６は、ジャイロスコープウェハー２０の部分の拡大平面図を概略的に示しており、本図は、捻れヒンジ２６Ａ及び曲げヒンジ６０の好適な構成を詳細に示す。図６に示すように、プレート２６が、捻れヒンジ２６Ａによってベース３６の駆動アンカー部に取り付けられている。捻れヒンジ２６Ａの構成は、プレート２６が捻れヒンジ２６Ａの中心を結合する軸を中心として回転し得るようになっている。図６に示すように、プレート２６に長穴が形成されており、捻れヒンジ２６Ａの長さを増やしている。これは、捻れヒンジ２６Ａが要する歪みを減らすためになされ、プレート２６の所定の回転に適合する。
【００４２】
プレート２６は、曲げヒンジ６０で質量体２２に結合されている。曲げヒンジ６０の構成は、プレート２２が質量体２６に対して（又は逆に質量体２６がプレート２２に対して）相対的に傾斜し得るようになっている。図６に示すように、曲げヒンジ６０の長さを増やすために質量体２２に長穴が形成されており、曲げヒンジ６０が要する歪みを減らしてプレート２６に対する所定の傾斜量の質量体２２を調整する。
【００４３】
曲げヒンジ５８、５６、及び５４の構成は、好適には、曲げヒンジ６０に関して図６に示す構成と同じである。同様に、捻れヒンジ２８Ａ及び３０Ａの構成は、好適には、捻れヒンジ２６Ａに関して図６に示す構成と同じである。図６に示すヒンジ構成は、本発明の好適な実施例に関する。本発明の実施は、特定のヒンジ構成を要しない。
【００４４】
動作
図１及び２の実施例は、２つの動作モードを有する。第１の好適な動作モードでは、質量体２２及び２４が振動するよう駆動され、フレーム３４の動作がＹ方向の角速度を測定するよう検出される。第２の動作モードでは、フレーム３４が振動するよう駆動され、質量体２２及び２４の動作が、Ｙ方向の角速度を測定するよう検出される。これらの２つの方法を順に考えることとする。
【００４５】
第１の好適な動作モードは、リンクが振動するよう駆動させるためのアクチュエータを有する。図１及び２の実施例では、静電アクチュエータが、図２の電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂによって与えられる。電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂは、静電相互作用を介してプレート３０、２８及び２６と相互作用し、電極と対応するプレートとの間の電位差が増大するにつれて力が増大する。プレート２６、２８及び３０は、一般に同じ電位に保持され、一般性を失わずに電位のゼロ基準を取ることができる。
【００４６】
電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂは、図２に示すように、好適には、分割電極である。これに対する主要な理由は、プレートと電極との間の静電相互作用が、いずれかの方向にトルクを与えるように、反発する代わりに引き付ける傾向にあり、図２に示すような回転軸のいずれかの側の電極素子を要するためである。電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂと、対応するプレート（それぞれ３０、２８及び２６）との間の隙間は、好適には、作製される際に隙間高さｄに精度良く制御され、できる限り大きなプレートの所定の回転を得るのに要する電圧を小さくする一方、アクチュエータの移動に対する十分なクリアランスを依然として与える。電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂは、好適には、共働方式で電気的に駆動され、質量体２２及び２４、Ｚ方向（すなわち、面外方向）への、互いに位相が実質的にズレた状態で質量体２２及び２４の振動を有するプレート２６、２８、及び３０によって形成されるリンクの振動モードを励起する。このような振動モードに対応するリンクの運動を図１１ａ及び１１ｂに概略的に示す。
【００４７】
また好適には、全て図１に示すように、プレート２６は質量体２２に向けて延びるレバーアームを有し、プレート３０は質量体２４に向けて延びるレバーアームを有し、プレート２８は質量体２２及び質量体２４双方に向けて延びるレバーアームを有する。プレート２６、２８及び３０から延びるレバーアームにより、曲げヒンジ（５４、５６、５８、６０）及びプレートの回転軸（２６Ｂ、２８Ｂ、３０Ｂ）との間の距離が増加し、これにより、プレートの所定の回転によって与えられる質量体２２及び２４の変位が増加する。このような変位の増加は、ジャイロスコープの性能を改善するために及び／又は低コストで所望のレベルの性能を与えるために非常に望ましい。質量体２２及び２４の増加移動量に適合するために、凹部４５及び４７が質量体２２及び２４の下方の基準ウェハー４４にそれぞれ形成されている。また、キャップウェハー４２が、十分な空間がジャイロスコープウェハー２０の全ての移動パーツに適合し得るよう構成される。
【００４８】
プレート２６及び３０は、バネ２６Ａ及び３０Ａを介して基板に結合されている。駆動振動によって誘起される復元トルクの大部分は、バネ２６Ａ及び３０Ａ及び駆動アンカーを介して基板に伝達される。このため、リングに伝達される復元トルクが、顕著に減少し、角度センサ全体の性能が良好になる。
【００４９】
ジャイロスコープ２０が角速度ωｙでＹ軸を中心として回転する場合、質量体２２及び２４が、ジャイロスコープ２０の基準フレームに振動するＸ方向のコリオリ力を受ける。質量体２２及び２４のこのようなコリオリ力は、２つの質量体がＺ軸に沿って逆方向に移動するため、Ｘ軸に沿って逆方向に向く。質量体２２及び２４のコリオリ力は、Ｚ軸の周りにフレーム３４に振動トルクを誘起し、フレーム３４を角振動させる。フレーム３４の角振動の振幅はωｙに依存し（理想的には、それはωｙに比例する）、このような振幅を測定することにより角速度ωｙを測定できる。
【００５０】
ジャイロスコープの感度を改善するために、ジャイロスコープ構造の機械的共振を利用するのが好ましい。したがって、リンクの基本共振モード周波数に等しいか又はほぼ等しい周波数で質量体２２及び２４を含むリンクを駆動させるのが好ましい。好適には、リンクの基本共振モードは、図１１ａ及び１１ｂに示すように、質量体２２及び２４の逆位相振動に対応する。このような対応は、リンク及びその支持撓み部の設計の際に確実にし得る。リンクの固有振動数又はこの振動数に近い駆動周波数を選択することによって、所定のアクチュエータ力によって与えられるリンクの運動が増大する。
【００５１】
また、フレームの基本共振モードがＺ軸を中心としたフレーム３４の剛体の角振動に確実に対応するのが好ましく、それはフレーム３４及び撓み部３２の適切な設計によって行い得る。さらに、フレームの基本周波数は、リンクの基本周波数よりも大きいのが好ましい。これにより、駆動周波数が、フレーム３４の他の共振モードよりもフレーム３４の基本モードに確実に近付くことで、ジャイロスコープの動作と干渉する可能性があるフレーム３４の高次の機械的モードの励起を最小限にする。
【００５２】
本実施例では、フレーム３４の角振動の振幅がトランスデューサで検出される。好適には、トランスデューサは、フレーム３４とベース３６との間に配置されこれらに結合された容量センサである。このような容量センサに関する２つの適切な電極構成を図５に示す。図５で３８Ａ、３８Ｂ及び３８Ｃとして示す構成は、ツリー構成と称される一方、図５で４０Ａ、４０Ｂ及び４０Ｃはラジアル構成という。
【００５３】
ツリー構成では、電極３８Ａがフレーム３４に取り付けられてこれとともに移動する一方、電極３８Ｂ及び３８Ｃはいずれもベース３６に取り付けられており、フレーム３４とともに移動しない。１つの電極３８Ａ、１つの電極３８Ｂ及び１つの電極３８Ｃから成る「単位胞」を、フレーム３４とベース３６との間の範囲に所望の通りに繰り返し得る。このような２つの「単位胞」を図５に示す。電気的に、全ての電極３８Ａが互いに接続されており、全ての電極３８Ｂが互いに接続されており、全ての電極３８Ｃが互いに接続されている。このため、２つのコンデンサ：電極３８Ａ及び３８Ｂ間のコンデンサＡＢ、及び電極３８Ａ及び３８Ｃ間のコンデンサＡＣが形成される。電極３８Ｂが電極３８Ｃに結合されないこのような配置は、スプリットフィンガ構成として知られている。フレーム３４の動きがコンデンサＡＢ及びＡＣの静電容量を変えるため、回路でこれらの静電容量を測定することでフレーム３４の運動を検出する。このような回路は好適には基準ウェハー４４上に設けられている。
【００５４】
同様に、ラジアル構成では、電極４０Ａがフレーム３４に取り付けられこれとともに移動する一方、電極４０Ｂ及び４０Ｃがベース３６に取り付けられるが、フレーム３４とともに移動しない。さらに、２つのコンデンサが形成され、（好適には基準ウェハー４４に設けられる）回路で静電容量を測定することで、フレーム３４の運動を検出する。
【００５５】
第２の動作モードでは、フレーム３４が、Ｚ軸を中心とした角振動に駆動され、それがＸ軸に沿った質量体２２および２４の逆位相振動を引き起こす。ジャイロスコープウェハー２０は、角速度ωｙでＹ軸を中心として回転し、フレーム３４の振動が質量体２２及び２４に振動するＺ方向のコリオリ力を誘起し、質量体２２及び２４を含むリンクを振動させる。リンクの振動の振幅は、ωｙに依存する（理想的にはそれはωｙに比例する）ため、このような振幅を測定することで角速度ωｙの測定値を与える。
【００５６】
このような第２の動作モードは、第１の好適なモードと同様であるため、上記を以下の差異に適用し得る：１）第２の動作モードが、フレーム３４を角振動させるよう駆動するためのアクチュエータを有する。フレーム３４及びベース３６に結合された静電アクチュエータは、フレーム３４を角振動させるよう駆動させるための１つの適切な手段である。このような静電アクチュエータは、図５の構成を含む様々な電極構成を有し得る。
【００５７】
２）第２の動作モードでは、フレームをその基本共振周波数又はその近傍で駆動させるのが好ましく、リンクの基本周波数はフレームの基本周波数よりも高いのが好ましい。
【００５８】
３）第２の動作モードは、リンクの振動を検出するためのトランスデューサを有する。リンクに結合された容量センサは適切なトランスデューサである。図２の電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂは、このような容量センサを与える。上述の電極５２Ａ及び５２Ｂから成るプレート２６の動きが、電極５２Ａとプレート２６との間の静電容量を測定し、電極５２Ｂとプレート２６との間の静電容量を測定することによって検出される。プレート２８及び３０の動きが同様に検出される。
【００５９】
双方の動作モードにおいて、本発明の実施例に係る角速度センサが、センサが受ける可能性のある直線加速度によって引き起こされるエラーを都合良く減らす。第１の動作モードでは、検出される動作はフレーム３４の角振動であり、センサの直線加速度はこのような動作を引き起こし易くしない。第２の動作モードでは、検出される動作は質量体２２及び２４の逆位相振動であり、検出される動作は、直線加速度が引き起こし易い動作ではない。例えば、Ｚ方向の直線加速度は、質量体２２及び２４の（逆位相とは対照的な）同相振動を引き起こし易くする。
【００６０】
製造
好適な実施例では、上述のような構造及び動作を有する角回転センサ（又はジャイロスコープ）が、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ技術としても知られる）で作製される。ＭＥＭＳ技術の２つの形式：バルクＭＥＭＳ及び表面ＭＥＭＳが知られている。バルクＭＥＭＳのプルーフ質量体（すなわち、質量体２２及び２４）は表面ＭＥＭＳのプルーフ質量体よりも大きな質量を有し、より広範囲の動きを有するため、バルクＭＥＭＳ技術は本発明に好適である。図７ａ−ｄ、８ａ−ｄ、９ａ−ｄ及び１０ａ、ｂは、本発明の実施例を作製するための典型的な作製手順を概略的に示す。
【００６１】
図７ａ−ｄは、キャップウェハー４２を作製するのに適した一連のステップを概略的に示す。図７ａで、キャップウェハー４２が背面の線列マーク７２でパターンニングされる。マーク７２は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて作製される。さらに、図７ａ及び７ｂで、線列マーク７２とは反対側のキャップウェハー４２の表面が洗浄され、その後で熱酸化され、酸化物層７０を形成する。酸化物層７０は、好適には、約０．５ミクロン厚であり、ウェハー４２’を水分を含んだ周囲環境で高温（例えば、１０００℃以上）に加熱することによって作製し得る。さらに、図７ｂ及び７ｃで、図７ｃに示すように酸化物層７０がリソグラフでパターンニングされる。さらに、図７ｃ及び７ｄで、酸化物層７０によって保護されていないキャップウェハー４２の材料が約１００ミクロンの深さにエッチングされる。深掘りＲＩＥ（ＤＲＩＥ）がこのようなステップに適切なエッチング方法である。プロセスのこの時点で、キャップウェハー４２は図２に示すような構成を有する。エッチングの後に、融着の準備のためにキャップウェハー４２が洗浄される。適切な洗浄ステップは、高温（３００℃以上）の灰化ステップ及びペルオキソ硫酸による浸漬を有する。採用される洗浄方法は、パターンニングされた無傷の酸化物層７０を残すものでなければならない。
【００６２】
図８ａ−ｄは、ジャイロスコープウェハー２０を作製するのに適した一連の処理ステップを概略的に示す。ジャイロスコープウェハー２０は、好適には、最も低い全厚のばらつき（ＴＴＶ）を有するウェハーである。ジャイロスコープウェハー２０は、ペルオキソ硫酸による浸漬で洗浄され、図８ａに示すように、その後でキャップウェハー４２上のパターンニングした酸化物層７０に融着する。図７−１０の処理手順では、ジャイロスコープウェハー２０へのキャップウェハー４２の接着が、ジャイロスコープウェハー２０への基準ウェハー４４の接着よりも処理のより早い段階で行われる。したがって、キャップウェハー４２をジャイロスコープ２０に接着するために比較的高温の接着処理が好適であるが、共晶金属接合、金の共晶接合、Ｓｉ−ＳｉＯ２間の融着及びＳｉ−Ｓｉ間の融着に限定されない。図８ａ乃至８ｂで、ジャイロスコープ２０が、一般に約５００ミクロン厚から約４０ミクロン厚に薄くなっている。従来の研削及び研磨が、このような薄層化ステップを実施するための適切な方法である。ジャイロスコープウェハー２０の薄層化を一様に行い得るが、質量体２２及び２４となるジャイロスコープウェハー２０の領域がジャイロスコープウェハー２０の他の部分よりも厚くなるように、それを行い得る。厚さがこのように増加すると質量体２２及び２４の質量が増加するため有益である。ジャイロスコープウェハー２０を薄層化した後に、リソグラフによるパターンニングの後のエッチングによって、図８ｂに示すスタンドオフ７１を形成する。ＫＯＨエッチングがこのようなステップに適している。スタンドオフ７１の目的は、図２の電極４８Ａ、Ｂ、５０Ａ、Ｂ及び５２Ａ、Ｂといったアクチュエータの電極間の対応するプレート（すなわち、それぞれプレート３０、２８及び２６）からの垂直分離ｄを正確に判断するためである。
【００６３】
図８ｂ及び８ｃで、パターン層４６’がジャイロスコープウェハー２０の上に蒸着される。好適には、蒸着した後にパターンニングされる（例えば、リソグラフィに続いてエッチング）パターン層４６’はＧｅ層である。好適には、パターン層４６’もまた、図５に示すタイプとし得るフレーム３４とベース３６との間の電極を規定する。代替的に、フレーム３４とベース３６との間の電極をパターン層４６’の蒸着とは別の処理ステップで形成し得る。
【００６４】
図８ｃ及び８ｄで、ジャイロスコープウェハー２０にわたってエッチングすることによって、ジャイロスコープウェハー２０の機械的要素を形成する。エッチングされるパターンをフォトリソグラフで形成し得る。２ミクロンのライン及び２ミクロンの間隔が、酸化物層７０で止まるこのようなエッチングに適している。シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）アンチフッティング強化を具えた深堀りＲＩＥが、このようなステップに適したエッチング方法である。高いアスペクト比の態様を形成するのに適したエッチング処理で、このようなエッチングを実施するのが好適である。図８ｄのエッチングを実施した後に、図１−４及び図６に示すジャイロスコープウェハー２０の全ての機械的要素を形成する。これらの要素は、質量体２２及び２４、プレート２６、２８、及び３０、撓み部３２、フレーム３４、及びヒンジ２６Ａ、２８Ａ、３０Ａ、５４、５６、５８及び６０を有している。簡単のために、図８ｄのみがプレート２８及び質量体２２及び２４を示す。
【００６５】
図９ａ−ｂは、基準ウェハー４４の作製に適した一連の処理ステップを概略的に示す。図９ａで、基準ウェハー４４の活性領域を符号７４として概略的に示す。活性領域７４は、ジャイロスコープウェハー２０を駆動するための回路及びジャイロスコープウェハー２０によって与えられる出力信号を検出するための回路とともに、ジャイロスコープウェハー２０と電気的に接触する領域を有する。このような回路は、好適には、従来のシリコンＣＭＯＳ回路である。好適な実施例では、従来のＣＭＯＳプロセスで蒸着された最も上の金属層は、結合金属として使用に適した金属層である。また、このような金属の上層は、図９ａに概略的に示すように電極４８Ａ、Ｂ、５０Ａ、Ｂ及び５２Ａ、Ｂ（電極５０Ａ、Ｂのみを図９ｂに示す）、及び結合パッド７６を規定する。図９ａ及び９ｂで、凹部４５及び４７が基準ウェハー４４に形成されている。凹部４５及び４７は、好適には、ＤＲＩＥで約１００ミクロンの深さに作製される。
【００６６】
図１０ａ−ｂは、ジャイロスコープウェハー２０、基準ウェハー４４及びキャップウェハー４２の最終アッセンブリに適した一連の処理ステップを概略的に示す。図１０ａで、基準ウェハー４４が、ジャイロスコープウェハー２０上のパターン層４６’と、基準ウェハー４４上の結合パッド７６との間の整列した金属−金属間の結合を介してジャイロスコープウェハー２０に取り付けられている。図７−１０の処理手順では、ジャイロスコープウェハー２０への基準ウェハー４４の結合が、ジャイロスコープウェハー２０へのキャップウェハー４２の結合よりも後の処理ステップで生じる。したがって、比較的低温での結合プロセスが、ジャイロスコープウェハー２０に基準ウェハー４４を結合するのに好適であるが、共晶金属接合、アルミニウム−ゲルマニウム接合、半田接合、インジウム−金接合、及びポリマ接合に限定されない。
【００６７】
図１０ａのプレート２８と電極５０Ａ及び５０Ｂ間の間隔ｄが、スタンドオフ７１とパターン層４６’とを合わせた厚さで測定され、スタンドオフ７１の高さを選択することによって正確に制御（又は予め規定）し得る。また、他の電極（例えば、電極４８Ａ、Ｂ及び電極５２Ａ、Ｂ）とそれらに対応するプレート（例えば、それぞれプレート３０及び２６）間の距離が、同じような方法で測定され、一般に所定の同じ距離ｄが全てのプレートをそれらに対応する電極から離している。図７−１０の処理手順はジャイロスコープ２０に独占的に形成されたスタンドオフ７１を示すが、基準ウェハー４４に、又はジャイロスコープウェハー２０及び基準ウェハー４４の双方に、独占的にスタンドオフを形成して、プレートと電極との間の間隔を規定することも可能である。図１０ａ及び１０ｂで、材料がキャップウェハー４２から離れてエッチングされ、上方から活性領域７４にアクセスし得る。このようなエッチングは、ＤＲＩＥで行うことができる。上方から活性領域７４にアクセスすることができることによって、図１０ｂの角速度センサへの電気的接続がし易くなる。
【００６８】
基準ウェハー４４は、好適には、金属−金属結合を介してジャイロスコープウェハー２０に付けられ密閉し得る。同様に、ジャイロスコープウェハー２０は、好適には、融着によってキャップウェハー４２に付けられ、これもまた密閉し得る。結果として、基準ウェハー４４、ジャイロスコープウェハー２０及びキャップウェハー４２全体のアッセンブリに、（質量体２２及び２４といった）ジャイロスコープ部材と周囲環境との間の気密バリヤを与えることができる。
【００６９】
ジャイロスコープの様々なマーケットでの性能使用に適合させるために、いくつかのケースでは、気密バリヤによって筐体の中を減圧（例えば、ほぼ大気圧よりも低い約１ｍＴｏｒｒ）するのが都合良い。このような方法では、筐体に充填される空気（又は他の気体）による質量体２２及び２４の運動に対する抵抗が、望ましく減少する。代替的に、質量体２２及び２４（及びリンクの他の移動パーツ）に穴を設けて動きに対する空気抵抗を減らすことができる。他のケースでは、大気圧よりも大きい圧力を気密筐体の中に与えるのが望ましい。
【００７０】
図７ａ−ｄ、８ａ−ｄ、９ａ−ｂ、及び１０ａ−ｂが、本発明の好適な実施例を作製するのに適した典型的な処理ステップの手順の概略図を与える。このため、上述の１つのステップは、本発明を実施するのに必須ではない。さらに、上述の大部分のステップを、半導体処理技術の分野で良く知られた上記とは別の代替的な方法を用いて実施し得る。より一般的に、発明の詳細な説明全体は、全体として具体例であるが限定的なものではない。以下において、本発明のさらなる実施例を簡潔に説明する。
【００７１】
図１２は、電極構成の概略的な平面図である。図１２では、質量体２２及び２４、プレート２６、２８、及び３０を図示せず、これらの部材の下方の電極が見えるようになっている。図１２の構成では、電極４８Ａ、Ｂ、５０Ａ、Ｂ、及び５２Ａ、Ｂが、プレート３０、２８及び２６をそれぞれ駆動するよう機能する。さらに、図１２の構成は、質量体の運動、より一般的には、リンクの運動を検出するための電極５１Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを与える。電極５１Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄによって与えられる信号を、リンクのアクチュエータを駆動する回路によって、都合良く使用し得る。例えば、このような方法によるリンクの運動の検出により、駆動回路がその基本共振周波数で精度良くリンクを駆動し得る。
【００７２】
本発明の実施例の上述の詳細な説明では、振動するようリンクを駆動させるための静電アクチュエータであるアクチュエータを開示した。振動するようリンクを駆動させるための代替的なアクチュエータは、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータ及び熱アクチュエータを含むがこれらに限定されない。また、上述の説明では、フレーム３４の角振動を検出するための容量センサであるトランスデューサを開示した。フレーム３４の角振動を検出するための代替的なトランスデューサは、電磁センサ、ピエゾ抵抗センサ、及び圧電センサを含むがこれらに限定されない。
【００７３】
図示する実施例にしたがって本発明を説明したが、これらの実施例に対する様々なバリエーションを有し、これらのバリエーションは、本発明の精神及び範囲に含まれることを当業者は容易に認識するであろう。例えば、接合部が好適にはアルミニウムといった導電材料で作製されるが、表面に導電性が加えられる非導電材料を用いて作製することができ、その使用は本発明の精神及び範囲に含まれる。したがって、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなしに、当業者によって多くの改良を行うことができる。
【図１】
0005450451.tif 000002
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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