(57)【要約】      （修正有）【課題】多軸検知能力を有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサを提供する。【解決手段】単一の駆動マス２４と、駆動マス２４の中央開口内に位置する分散検知用マス３６，３８，４０，４２とを含む。駆動マス２４は、静電気的刺激を受けてＺ軸６４を中心として回転することが可能である。検知用マス３６，３８，４０，４２は、バネ要素４４，４６，４８，５０によって駆動マス２４に結合され、それによって、駆動マス２４の振動回転運動９０が検知用マスに線形駆動運動９２，９４を付与する。分散した検知用マスは２つの検知用マス対を形成し、一対はＸ軸及びＺ軸の角速度を検知し、他方の対はＹ軸及びＺ軸の角速度を検知する。検知用マスは、各対の検知用マスが逆相で運動していることを保証するために中央結合器３４を介して互いに結合される。【選択図】図４
2014178317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角速度センサにおいて、
表面を有する基板と、
前記基板に可撓自在に結合されている駆動マスであって、前記駆動マスは前記基板の前記表面に実質的に垂直である第１の軸を中心とした振動回転運動によって運動するように構成されており、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を有する、駆動マスと、
前記中央開口内に設けられ、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素と、
前記中央開口内に設けられ、第１のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第１の検知用マスと、
前記中央開口内に位置し、第２のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第２の検知用マスであって、前記第１の検知用マス及び該第２の検知用マスは、前記第１の検知用マスと該第２の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第２の軸の対向する両側に配備されており、前記第２の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、第２の検知用マスとを備え、前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介して前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスに線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第２の軸に実質的に平行な第１の駆動方向にある、角速度センサ。
【請求項２】
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々との間の可撓自在な相互接続によって、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第２の軸に実質的に平行な前記第１の駆動方向における逆相運動が可能である、請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記第２の軸に実質的に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、前記入力軸は前記第２の軸及び前記検知軸の各々に垂直である、請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置される電極をさらに備え、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記検知軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記基板に固定されている固定電極と、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する可動電極とをさらに備え、前記可動電極は前記固定電極に近接して設けられ、前記固定電極及び可動電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されている、請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項６】
第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、第２の検知軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、請求項５に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記中央開口内に設けられ、第３のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第３の検知用マスと、
前記中央開口内に設けられ、第４のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第４の検知用マスであって、前記第３の検知用マス及び該第４の検知用マスは、前記第３の検知用マスと該第４の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第３の軸の対向する両側に配備されており、前記第３の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、かつ前記第２の軸に垂直である、第４の検知用マスとをさらに備え、前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介して前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに前記線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第３の軸に実質的に平行な第２の駆動方向において前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに付与される、請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々との可撓自在な相互接続によって、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第３の軸に実質的に平行な前記第２の駆動方向における逆相運動が可能である、請求項７に記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記第３のバネ要素は、前記第３の検知用マスが、入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記第３の軸に実質的に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、前記入力軸は前記第３の軸及び前記検知軸の各々に垂直であり、
前記第４のバネ要素は、前記第４の検知用マスが、前記入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記検知軸に対して振動することを可能にする、請求項７に記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置される電極をさらに備え、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記センス軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、請求項９に記載の角速度センサ。
【請求項１１】
前記角運動速度は第１の角運動速度であり、前記入力軸は第１の入力軸であり、前記電極は第１の電極であり、前記角速度センサは、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第２の電極をさらに備え、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第２の入力軸を中心とした第２の角運動速度に応答して前記検知軸に対して振動することを可能にし、前記第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の入力軸は前記第１の入力軸及び前記センス軸の各々に垂直である、請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１２】
前記検知軸は第１の検知軸であり、前記角速度センサは、
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する第１の可動電極、及び前記基板に固定されている第１の固定電極であって、該第１の固定電極は該第１の可動電極に近接して設けられ、該第１の可動電極及び該第１の固定電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されている、第１の可動電極及び第１の固定電極と、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する第２の可動電極、及び前記基板に固定されている第２の固定電極であって、該第２の固定電極は該第２の可動電極に近接して設けられ、該第２の可動電極及び該第２の固定電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されている、第２の可動電極及び第２の固定電極とをさらに備え、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第３の入力軸を中心とした第３の角運動速度に応答して第２の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第３の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第３の入力軸を中心とした前記第３の角運動速度に応答して第３の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第３のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の検知軸に実質的に垂直である、請求項１１に記載の角速度センサ。
【請求項１３】
前記基板に固定されている固定電極と、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する可動電極とをさらに備え、前記可動電極は前記固定電極に近接して位置し、前記固定電極及び可動電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されており、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記検知軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、請求項９に記載の角速度センサ。
【請求項１４】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサを製造するための方法において、
基板に可撓自在に結合されており、前記基板の表面に実質的に垂直である第１の軸を中心とした振動回転運動によって運動することを可能にされている駆動マスを形成するステップであって、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を含む、駆動マスを形成するステップと、
前記中央開口内に、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素を形成するステップと、
前記中央開口内に第１の検知用マス、第２の検知用マス、第３の検知用マス、及び第４の検知用マスを形成するステップと、
前記第１の検知用マスと前記駆動質量部の前記内周との間、及び前記第１の検知用マスと前記結合器要素との間に第１のバネ要素を形成するステップと、
前記第２の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第２の検知用マスと前記結合器要素との間に第２のバネ要素を形成するステップであって、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスは該第１の検知用マスと第２の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第２の軸の対向する両側に配備されており、前記第２の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスは、前記振動回転運動に応答して前記第１のバネ要素及び該第２のバネ要素を介して線形駆動運動を受けることが可能になっており、該線形駆動運動は、前記第２の軸に実質的に平行な第１の駆動方向にある、第２のバネ要素を形成するステップと、
前記第３の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第３の検知用マスと前記結合器要素との間に第３のバネ要素を形成するステップと、
前記第４の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第４の検知用マスと前記結合器要素との間に第４のバネ要素を形成するステップであって、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスは該第３の検知用マスと第４の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第３の軸の対向する両側に配備されており、前記第３の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行、かつ前記第２の軸に垂直を向いており、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスは、前記振動回転運動に応答して前記第３のバネ要素及び該第４のバネ要素を介して前記線形駆動運動を受けることが可能になっており、該線形駆動運動は、前記第３の軸に実質的に平行な第２の駆動方向において前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに付与される、第４の検知用マスを形成するステップとを備える、方法。
【請求項１５】
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に第１の電極を形成するステップと、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に第２の電極を形成するステップとをさらに備え、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、前記第３の軸に実質的に平行である第１の入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記基板の前記表面に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第２の軸に実質的に平行である第２の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記センス軸に対して振動することを可能にする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する第１の可動電極を形成するステップと、
前記基板に固定されている第１の固定電極を形成するステップであって、該第１の固定電極は前記第１の可動電極に近接して設けられ、前記第１の可動電極及び該第１の固定電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されている、形成するステップと、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する第２の可動電極を形成するステップと、
前記基板に固定されている第２の固定電極を形成するステップであって、該第２の固定電極は前記第２の可動電極に近接して設けられ、前記第２の可動電極及び該第２の固定電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されている、形成するステップとをさらに備え、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、前記基板の前記表面に実質的に垂直である第３の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第２のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第３の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第３のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第３のセンス軸は前記第２のセンス軸に実質的に垂直である、請求項１５の記載の方法。
【請求項１７】
角速度センサにおいて、
表面を有する基板と、
前記基板に可撓自在に結合されている駆動マスであって、該駆動マスは前記基板の前記表面に実質的に垂直である第１の軸を中心とした振動回転運動によって運動するように構成されており、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を有する、駆動マスと、
前記中央開口内に位置し、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素と、
前記中央開口内に位置し、第１のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第１の検知用マスと、
前記中央開口内に位置し、第２のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第２の検知用マスであって、前記第１の検知用マス及び該第２の検知用マスは、前記第１の検知用マスと該第２の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第２の軸の対向する両側に配備されており、前記第２の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、第２の検知用マスと、
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第１の電極と、
前記基板に固定されている第１の固定電極、ならびに前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する第１の可動電極であって、該第１の可動電極は該第１の固定電極に近接して設けられ、該第１の固定電極及び第１の可動電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されている、第１の固定電極及び第１の可動電極とを備え、
前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介して前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスに線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第２の軸に実質的に平行な第１の駆動方向にあり、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第１の入力軸を中心とした角運動速度に応答して第１の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第１の検知軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記第１の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の軸に実質的に垂直であり、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第２の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第２のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、角速度センサ。
【請求項１８】
前記中央開口内に位置し、第３のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第３の検知用マスと、
前記中央開口内に位置し、第４のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第４の検知用マスであって、前記第３の検知用マス及び該第４の検知用マスは、前記第３の検知用マスと該第４の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第３の軸の対向する両側に配備されており、前記第３の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行、かつ前記第２の軸に垂直を向いている、第４の検知用マスと、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第２の電極とをさらに備え、
前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介して前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに前記線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第３の軸に実質的に平行な第２の駆動方向において前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに付与され、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、第３の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記第１のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第３の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第３の軸に実質的に垂直である、請求項１７に記載の角速度センサ。
【請求項１９】
前記基板に固定されている第２の固定電極、ならびに前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する第２の可動電極であって、該第２の可動電極は該第２の固定電極に近接して設けられ、該第２の固定電極及び第２の可動電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されている、第２の固定電極及び第２の可動電極をさらに備え、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第２の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記第２のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、請求項１８に記載の角速度センサ。
【請求項２０】
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々との可撓自在な相互接続によって、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第２の軸に実質的に平行な前記第１の駆動方向における逆相運動が可能であり、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々との柔軟な相互接続によって、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第３の軸に実質的に平行な前記第２の駆動方向における前記逆相運動が可能である、請求項１８に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサに関する。より詳細には、本発明は、多軸検知能力を有するＭＥＭＳ角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、微小な機械構造を製造する方法を与え、従来のバッチ方式の半導体処理技術を使用して単一の基板上にこれらの微小機械構造を電気デバイスとともに集積するため、近年において広く高い評判を勝ち得ている。ＭＥＭＳの１つの一般的な用途が、センサデバイスの設計及び製造である。ＭＥＭＳセンサデバイスは、自動車、慣性誘導システム、家庭電化製品、ゲームデバイス、さまざまなデバイスのための保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、及び工学システムのような用途に広く使用されている。ＭＥＭＳセンサの１つの例が、ＭＥＭＳ角速度センサである。角速度センサは、１つ以上の軸を中心とした角速度または運動速度を検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７６９４５６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によると、角速度センサにおいて、
表面を有する基板と、
前記基板に可撓自在に結合されている駆動マスであって、前記駆動マスは前記基板の前記表面に実質的に垂直である第１の軸を中心とした振動回転運動によって運動するように構成されており、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を有する、駆動マスと、
前記中央開口内に設けられ、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素と、
前記中央開口内に設けられ、第１のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第１の検知用マスと、
前記中央開口内に位置し、第２のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第２の検知用マスであって、前記第１の検知用マス及び該第２の検知用マスは、前記第１の検知用マスと該第２の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第２の軸の対向する両側に配備されており、前記第２の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、第２の検知用マスとを備え、前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介して前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスに線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第２の軸に実質的に平行な第１の駆動方向にある、角速度センサを要旨とする。
【０００６】
第２の態様によると、第１の態様において、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々との間の可撓自在な相互接続によって、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第２の軸に実質的に平行な前記第１の駆動方向における逆相運動が可能であることを要旨とする。
【０００７】
第３の態様は、第１の態様において、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記第２の軸に実質的に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、前記入力軸は前記第２の軸及び前記検知軸の各々に垂直であることを要旨とする。
【０００８】
第４の態様によると、第３の態様において、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置される電極をさらに備え、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記検知軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であることを要旨とする。
【０００９】
第５の態様によると、第３の態様において、前記基板に固定されている固定電極と、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する可動電極とをさらに備え、前記可動電極は前記固定電極に近接して設けられ、前記固定電極及び可動電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されていることを要旨とする。
【００１０】
第６の態様によると、第５の態様において、第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、第２の検知軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であることを要旨とする。
【００１１】
第７の態様によると、第１の態様において、
前記中央開口内に設けられ、第３のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第３の検知用マスと、
前記中央開口内に設けられ、第４のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第４の検知用マスであって、前記第３の検知用マス及び該第４の検知用マスは、前記第３の検知用マスと該第４の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第３の軸の対向する両側に配備されており、前記第３の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、かつ前記第２の軸に垂直である、第４の検知用マスとをさらに備え、前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介して前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに前記線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第３の軸に実質的に平行な第２の駆動方向において前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに付与されることを要旨とする。
【００１２】
第８の態様によると、第７の態様において、前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々との可撓自在な相互接続によって、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第３の軸に実質的に平行な前記第２の駆動方向における逆相運動が可能であることを要旨とする。
【００１３】
第９の態様によると、第７の態様において、
前記第３のバネ要素は、前記第３の検知用マスが、入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記第３の軸に実質的に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、前記入力軸は前記第３の軸及び前記検知軸の各々に垂直であり、
前記第４のバネ要素は、前記第４の検知用マスが、前記入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記検知軸に対して振動することを可能にすることを要旨とする。
【００１４】
第１０の態様によると、第９の態様において、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置される電極をさらに備え、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記センス軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、ことを要旨とする。
【００１５】
第１１の態様によると、第１０の態様において、前記角運動速度は第１の角運動速度であり、前記入力軸は第１の入力軸であり、前記電極は第１の電極であり、前記角速度センサは、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第２の電極をさらに備え、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第２の入力軸を中心とした第２の角運動速度に応答して前記検知軸に対して振動することを可能にし、前記第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の入力軸は前記第１の入力軸及び前記センス軸の各々に垂直であることを要旨とする。
【００１６】
第１２の態様によると、第１１の態様において、前記検知軸は第１の検知軸であり、前記角速度センサは、
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する第１の可動電極、及び前記基板に固定されている第１の固定電極であって、該第１の固定電極は該第１の可動電極に近接して設けられ、該第１の可動電極及び該第１の固定電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されている、第１の可動電極及び第１の固定電極と、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する第２の可動電極、及び前記基板に固定されている第２の固定電極であって、該第２の固定電極は該第２の可動電極に近接して設けられ、該第２の可動電極及び該第２の固定電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されている、第２の可動電極及び第２の固定電極とをさらに備え、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第３の入力軸を中心とした第３の角運動速度に応答して第２の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第３の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第３の入力軸を中心とした前記第３の角運動速度に応答して第３の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第３のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の検知軸に実質的に垂直であることを要旨とする。
【００１７】
第１３の態様によると、第９の態様において、前記基板に固定されている固定電極と、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する可動電極とをさらに備え、前記可動電極は前記固定電極に近接して位置し、前記固定電極及び可動電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されており、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記検知軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であることを要旨とする。
【００１８】
第１４の態様によると、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサを製造するための方法において、
基板に可撓自在に結合されており、前記基板の表面に実質的に垂直である第１の軸を中心とした振動回転運動によって運動することを可能にされている駆動マスを形成するステップであって、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を含む、駆動マスを形成するステップと、
前記中央開口内に、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素を形成するステップと、
前記中央開口内に第１の検知用マス、第２の検知用マス、第３の検知用マス、及び第４の検知用マスを形成するステップと、
前記第１の検知用マスと前記駆動質量部の前記内周との間、及び前記第１の検知用マスと前記結合器要素との間に第１のバネ要素を形成するステップと、
前記第２の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第２の検知用マスと前記結合器要素との間に第２のバネ要素を形成するステップであって、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスは該第１の検知用マスと第２の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第２の軸の対向する両側に配備されており、前記第２の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスは、前記振動回転運動に応答して前記第１のバネ要素及び該第２のバネ要素を介して線形駆動運動を受けることが可能になっており、該線形駆動運動は、前記第２の軸に実質的に平行な第１の駆動方向にある、第２のバネ要素を形成するステップと、
前記第３の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第３の検知用マスと前記結合器要素との間に第３のバネ要素を形成するステップと、
前記第４の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第４の検知用マスと前記結合器要素との間に第４のバネ要素を形成するステップであって、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスは該第３の検知用マスと第４の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第３の軸の対向する両側に配備されており、前記第３の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行、かつ前記第２の軸に垂直を向いており、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスは、前記振動回転運動に応答して前記第３のバネ要素及び該第４のバネ要素を介して前記線形駆動運動を受けることが可能になっており、該線形駆動運動は、前記第３の軸に実質的に平行な第２の駆動方向において前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに付与される、第４の検知用マスを形成するステップとを備えることを要旨とする。
【００１９】
第１５の態様によると、第１４の態様において、
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に第１の電極を形成するステップと、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に第２の電極を形成するステップとをさらに備え、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、前記第３の軸に実質的に平行である第１の入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記基板の前記表面に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第２の軸に実質的に平行である第２の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記センス軸に対して振動することを可能にすることを要旨とする。
【００２０】
第１６の態様によると、第１５の態様において、
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する第１の可動電極を形成するステップと、
前記基板に固定されている第１の固定電極を形成するステップであって、該第１の固定電極は前記第１の可動電極に近接して設けられ、前記第１の可動電極及び該第１の固定電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されている、形成するステップと、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する第２の可動電極を形成するステップと、
前記基板に固定されている第２の固定電極を形成するステップであって、該第２の固定電極は前記第２の可動電極に近接して設けられ、前記第２の可動電極及び該第２の固定電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されている、形成するステップとをさらに備え、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、前記基板の前記表面に実質的に垂直である第３の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第２のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第３の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第３のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第３のセンス軸は前記第２のセンス軸に実質的に垂直であることを要旨とする。
【００２１】
第１７の態様によると、角速度センサにおいて、
表面を有する基板と、
前記基板に可撓自在に結合されている駆動マスであって、該駆動マスは前記基板の前記表面に実質的に垂直である第１の軸を中心とした振動回転運動によって運動するように構成されており、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を有する、駆動マスと、
前記中央開口内に位置し、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素と、
前記中央開口内に位置し、第１のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第１の検知用マスと、
前記中央開口内に位置し、第２のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第２の検知用マスであって、前記第１の検知用マス及び該第２の検知用マスは、前記第１の検知用マスと該第２の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第２の軸の対向する両側に配備されており、前記第２の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、第２の検知用マスと、
前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第１の電極と、
前記基板に固定されている第１の固定電極、ならびに前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの端部から伸張する第１の可動電極であって、該第１の可動電極は該第１の固定電極に近接して設けられ、該第１の固定電極及び第１の可動電極は前記第２の軸と長手方向において位置整合されている、第１の固定電極及び第１の可動電極とを備え、
前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介して前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスに線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第２の軸に実質的に平行な第１の駆動方向にあり、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第１の入力軸を中心とした角運動速度に応答して第１の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第１の検知軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記第１の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の軸に実質的に垂直であり、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素は、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスが、第２の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第２のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、角速度センサを要旨とする。
【００２２】
第１８の態様によると、第１７の態様において、
前記中央開口内に位置し、第３のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第３の検知用マスと、
前記中央開口内に位置し、第４のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第４の検知用マスであって、前記第３の検知用マス及び該第４の検知用マスは、前記第３の検知用マスと該第４の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第３の軸の対向する両側に配備されており、前記第３の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行、かつ前記第２の軸に垂直を向いている、第４の検知用マスと、
前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第２の電極とをさらに備え、
前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介して前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに前記線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第３の軸に実質的に平行な第２の駆動方向において前記第３の駆動マス及び第４の駆動マスに付与され、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、第３の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記第１のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第３の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第３の軸に実質的に垂直であることを要旨とする。
【００２３】
第１９の態様によると、第１８の態様において、
前記基板に固定されている第２の固定電極、ならびに前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの端部から伸張する第２の可動電極であって、該第２の可動電極は該第２の固定電極に近接して設けられ、該第２の固定電極及び第２の可動電極は前記第３の軸と長手方向において位置整合されている、第２の固定電極及び第２の可動電極をさらに備え、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素は、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスが、前記第２の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記第２のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第２のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第２の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であることを要旨とする。
【００２４】
第２０の態様によると、第１８の態様において、
前記第１のバネ要素及び第２のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの各々との可撓自在な相互接続によって、前記第１の検知用マス及び第２の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第２の軸に実質的に平行な前記第１の駆動方向における逆相運動が可能であり、
前記第３のバネ要素及び第４のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの各々との柔軟な相互接続によって、前記第３の検知用マス及び第４の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第３の軸に実質的に平行な前記第２の駆動方向における前記逆相運動が可能であることを要旨とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施形態に応じた多軸検知能力を有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサの上面図。
【図２】図１の切断線２−２に沿った角速度センサの断面図。
【図３】図１の切断線３−３に沿った角速度センサの断面図。
【図４】Ｘ軸角運動速度及びＹ軸角運動速度を受けたセンサの動作を示す角速度センサの上面図。
【図５】Ｘ軸角運動速度を受けたセンサの検知用マス対の検知用運動を示す角速度センサの一部分の断面図。
【図６】Ｙ軸角運動速度を受けたセンサの別の検知用マス対の検知用運動を示す角速度センサの一部分の断面図。
【図７】Ｚ軸角運動速度を受けたセンサの動作を示す角速度センサの上面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
添付の図面と併せて考察して詳細な説明及び請求項を参照することで、より完全に本発明を理解することができる。これらの図面では全般にわたり同様の参照符号は類似の項目を示しており、図面は必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。
【００２７】
角運動速度の検知は、角速度センサを使用して実行することができる。角速度センサは概して、センサを第１の運動をするように駆動し、当該第１の運動及び検知されるべき角運動速度の両方に応答したセンサの第２の運動を測定することによって機能する。角速度センサのための容量検知ＭＥＭＳデバイス設計は、それら容量検知ＭＥＭＳデバイスが低温感受性であり、サイズが小さく、低コストでの大量生産に適していることに起因して、小型デバイスにおける動作の点で好適である。
【００２８】
ＭＥＭＳ角速度センサの使用は増大及び多様化し続けているため、複数の回転軸を中心とした角運動速度を検知することが可能なデバイスの開発にますます重点が置かれるようになってきている。加えて、製造コスト及び複雑度を増大させることなく、また部品性能を犠牲にすることなく多軸検知能力を達成するＭＥＭＳ角速度センサの作製方法にますます重点が置かれるようになってきている。これらの取り組みは、自動車、医療、商用、及び消費者製品における既存の及び将来の高容量用途によって主に推し進められている。
【００２９】
本明細書に開示の実施形態は、たとえば、単一の駆動マスと、当該駆動マスの中央開口内に設けられた複数の分散した検知用マスとを有する角速度センサの形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスをもたらす。駆動マスは、バネ固定構造を介して下方にある基板に接続されてもよく、当該バネ固定構造は駆動マスが静電気的刺激を受けてＺ軸を中心として回転することを可能とし、これが駆動運動である。単一の駆動マスを使用することによって、単一の駆動周波数を実装することが可能になり、これは駆動回路を単純化してクロストークを低減する。検知用マスは、バネ要素によって駆動マスに結合されてもよく、それによって、駆動マスの振動回転運動が検知用マスに線形駆動運動を付与する。加えて、検知用マスは、各検知用マス対の検知用マスが互いに対して１８０度位相がずれて運動していることを確実にするために中央結合器を介して互いに結合されてもよい。分散した検知用マスは２つの検知用マス対を形成し、一対はＸ軸及びＺ軸の角速度を検知し、他方の対はＹ軸及びＺ軸の角速度を検知する。これらの特徴が、多軸検知能力、より効率的なウエハ面積の活用、及び低コストでの大量生産を可能にすることができる。
【００３０】
図１は、一実施形態による多軸検知能力を有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサ２０の上面図を示す。角速度センサは、基板２２と、複数のバネ固定構造２８によって基板２２の表面２６に可撓性をもって結合されている駆動マス２４とを有する。一実施形態において、駆動マス２４は、駆動マス２４を貫通する中央開口３０を有する略円形またはディスク形構造であり、当該開口は内周３２によって画定され、または囲まれている。バネ固定構造２８は中央開口３０内に設けられる。加えて、結合器要素３４が中央開口３０内に配備され、中央開口内部のほぼ中心にある。一実施形態において、結合器要素３４は基板２２の表面２６の上に懸垂されている。駆動マス２４は円形であるように図示されているが、駆動マス２４は、代替的な実施形態においては任意の閉じた多角形であってもよい。
【００３１】
複数の分散した検知用マス３６，３８，４０，４２も中央開口３４内に設けられる。一実施形態において、本明細書において以下において「第１の検知用マス」３６と称する検知用マス３６は、第１のバネ要素４４を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に相互接続されている。同様に、本明細書において以下「第２の検知用マス」３８と称する検知用マス３８は、第２のバネ要素４６を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に相互接続されている。本明細書において以下「第３の検知用マス」４０と称する検知用マス４０は、第３のバネ要素４８を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に相互接続されている。そして、本明細書において以下「第４の検知用マス」４２と称する検知用マス４２は、第４のバネ要素５０を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に相互接続されている。
【００３２】
角速度センサ２０の構造層内に製造される種々の要素を区別するために、駆動マス２４は右上がり方向の狭い網掛けを用いて示されており、結合器要素３４は濃い点描パターンを用いて示されており、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８は右上がり方向の広い網掛けを用いて示されており、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２は右下がり方向の広い網掛けを用いて示されている。これらの種々の要素は、堆積（デポジション）、パターニング、エッチングなどの、現行の及び近い将来の表面マイクロマシニング技法を利用して生成されることができる。従って、図解において種々の陰影及び／または網掛けが利用されているが、構造層内の種々の要素は一般的に、ポリシリコン、単結晶シリコンなどの同一の材料から形成され得る。加えて、本明細書において使用される「第１の」、「第２の」、「第３の」、「第４の」などという用語は、数えられる一連の要素の中での要素の順序付けまたは優先順位付けを指すものではない。そうではなく、「第１の」、「第２の」、「第３の」、及び「第４の」という用語は、説明を明瞭にするために特定の要素を区別するために使用される。
【００３３】
角速度センサ２０の要素は、角速度センサ２０の他の要素「に付着される」、「と付着される」、「に結合される」、「に接続される」、または「と相互接続される」ものとしてさまざまに記載されている場合がある。しかしながら、これらの用語は、角速度センサ２０の特定の要素の、ＭＥＭＳ作製のパターニング及びエッチング工程を通じてそれらが形成されている間に発生する直接または間接的な物理的接続を指していることを理解されたい。
【００３４】
一実施形態において、駆動系５２は、駆動マス２４から半径方向において外部に伸張し、均等な角距離を置いて離間されている複数の被駆動アーム５４を含んでなる。駆動系５２は、基板２２の表面２６に固定されている複数の駆動アーム５６，５８をさらに有する。駆動アーム５６，５８はそれぞれの被駆動アーム５４の反対側に配置されている。各被駆動アーム５４は、被駆動アーム５４に垂直な方向において、そのいずれかの側に伸張するいくつかの電極６０を保持している。同様に、駆動アーム５６，５８の各々は、それぞれの被駆動アーム５４を指向して、電極６０と交互の配列で伸張する電極６２を保持している。
【００３５】
駆動系５２は、電極６２に電圧を印加するように構成されている特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）６３内に含まれてもよい駆動回路（図示せず）をさらに有する。バネ固定構造２８は、駆動マス２４が静電気的刺激を受けて所与の振動数において、一般的に駆動軸と称される第１の軸６４を中心として回転することを可能にする。従って、駆動系５２は、所与の振動数における、一般的に駆動軸と称される第１の軸６４を中心とした駆動マス２４の振動回転運動を生成する。代替的な実施形態において、駆動系は、駆動マス２４の中央開口３０内に位置してもよく、かつ／または駆動系は、図示されているよりも多いまたは少ない量及び構成のアーム及び電極を含んでもよい。
【００３６】
例示の実施形態において、第１の軸、すなわち、駆動軸は３次元座標系におけるＺ軸である。そのため、本明細書において駆動軸はＺ軸６４と称される。３次元座標系において、第２の軸は本明細書においてＹ軸６６として称され、第３の軸は本明細書においてＸ軸６８として称される。従って、角速度センサ２０は、Ｘ−Ｙ平面７０内の概して平坦な構造を有するものとして示されており、Ｘ軸６８及びＹ軸６６は基板２２の表面２６に実質的に平行であり、Ｚ軸６４はＸ−Ｙ平面７０に垂直に、紙面外に延在する。「第１」、「第２」、及び「第３」という用語はそれぞれＺ軸６４、Ｙ軸６６、及びＸ軸６８と対になっていることが図面において視認されるはずである。ここでも、「第１」、「第２」、及び「第３」という用語は、軸の順序付けまたは優先順位付けを指すものではない。そうではなく、「第１」、「第２」、及び「第３」という用語は、明瞭にし、特許請求の範囲において使用されている同様の用語との関連を提供するために、それらのそれぞれの軸と対になって、図面において示されている。
【００３７】
一実施形態において、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８はそれぞれ、検知用マス３６と３８との間に設けられた結合器要素３４によって、Ｙ軸６６、すなわち、第２の軸の対向する両側に配備されている。同様に、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２はそれぞれ、検知用マス４０と４２との間に設けられた結合器要素３４によって、Ｘ軸６８、すなわち、第３の軸の対向する両側に配備されている。下記により詳細に説明するように、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８は、２つの入力軸、すなわち、Ｘ軸６８及びＺ軸６４を中心とした角運動速度を拾う、すなわち、検知するために使用される。加えて、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２は、２つの入力軸、すなわち、Ｙ軸６６及びＺ軸６４を中心とした角運動速度を拾う、すなわち、検知するために使用される。従って、角速度センサ２０は、３軸角速度センサとみなされてもよい。
【００３８】
Ｚ軸６４を中心とした角運動速度を検出するために、角速度センサ２０は、基板２２の表面２６に固定されている固定電極７２（薄い点描パターンを用いて示されている）を含んでなる。角速度センサ２０は、検知用マス３６，３８，４０，４２の各々の端部７６から伸張する可動電極７４をさらに備え、可動電極７４は固定電極７２と交互の配列になっている。図示のように、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８の各々から伸張する固定電極７２及び可動電極７４は、Ｙ軸６６（すなわち、本明細書に記載の３次元座標系における第２の軸）と長手方向において位置整合されている（すなわち、平行である）。逆に、それぞれ第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２の各々から伸張する固定電極７２及び可動電極７４は、Ｘ軸６８（すなわち、本明細書に記載の３次元座標系における第３の軸）と長手方向において位置整合されている（すなわち、平行である）。Ｚ軸６４を中心とした角運動速度の検出は、図７に関連して説明する。
【００３９】
図１に関連して図２を参照すると、図２は、図１の切断線２−２に沿った角速度センサ２０の側面図を示している。Ｘ軸６８を中心とした角運動速度を検出するために、角速度センサ２０は、それぞれ第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８の下で基板２２の表面２６上に配置されている電極７８，８０を含む。下記に示すように、Ｘ軸６８を中心とした角運動速度は基板２２の表面２６に実質的に垂直であるセンス軸に沿って検知される。このセンス軸はＺ軸６４（すなわち、本明細書に記載の３次元座標系における第１の軸）である。図解を単純にするために２つの電極７８，８０のみが示されている。Ｘ軸６８の対向する両側で、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８の各々の下にさまざまな構成で複数の電極が配置されてもよいことは当業者には諒解されよう。
【００４０】
図１に関連して図３を参照すると、図３は、図１の切断線３−３に沿った角速度センサ２０の側面図を示している。Ｙ軸６６を中心とした角運動速度を検出するために、角速度センサ２０は、それぞれ第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２の下で基板２２の表面２６上に配置されている電極８２，８４を含んでなる。下記に示すように、Ｙ軸６６を中心とした角運動速度は基板２２の表面２６に実質的に垂直であるセンス軸に沿って検知される。このセンス軸はＺ軸６４（すなわち、本明細書に記載の３次元座標系における第１の軸）である。図解を単純にするために２つの電極８２，８４のみが示されている。Ｙ軸６６の対向する両側で、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２の各々の下にさまざまな構成で複数の電極が配置されてもよいことは当業者には諒解されよう。
【００４１】
角速度センサ２０を作製する方法は、概して、バネ固定構造２８を介して基板２２の表面２６に可撓自在に結合されており、基板２２の表面２６に実質的に垂直である第１の軸、すなわちＺ軸６４を中心として振動回転運動によって運動することが可能になっている駆動マス２４を形成するステップを含み、駆動マス２４は、内周３２によって画定される中央開口３０を含む。方法は、中央開口３０内にあって、基板２２の表面２６の上に懸垂されている結合器要素３４を形成するステップと、中央開口３０内に第１の検知用マス３６、第２の検知用マス３８、第３の検知用マス４０、及び第４の検知用マス４２を形成するステップとをさらに備える。作製方法のさらなる工程は、上述のＹ軸６６及びＸ軸６８に対する位置において、第１のバネ要素４４を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に第１の検知用マス３６を相互接続するステップと、第２のバネ要素４６を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に第２の検知用マス３６を相互接続するステップと、第１のバネ要素４８を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に第３の検知用マス４０を相互接続するステップと、第４のバネ要素５０を介して駆動マス２４の内周３２と結合器要素３４との間に第４の検知用マス４２を相互接続するステップとを含む。加えて、電極７８，８０，８２，８４及び固定電極７２が基板２２の表面２６上に形成され、検知用マス３６，３８，４０，４２の端部７６から伸長する可動電極７４が形成される。
【００４２】
そのさまざまな構成要素を有する角速度センサ２０の作製は、任意の適切な既知のまたは将来の作製工程を使用して実行されてもよい。たとえば、作製工程は、角速度センサの懸垂構造を生成するために適切に堆積、パターニング、及びエッチングされる構造層及び犠牲層を結果としてもたらすシリコンマイクロマシニング作製工程を実装する。
【００４３】
図４は、Ｘ軸角運動速度８６、ΩＸ及びＹ軸角運動速度８８、ΩＹを受けたセンサ２０の動作を示す角速度センサ２０の上面図を示す。動作中、駆動系５２の発振器回路（図示せず）は角速度センサ２０の駆動共振にロックし、それによって、角速度センサ２０はその単一の駆動周波数において動作する。すなわち、駆動マス２４は双頭曲線矢印９０によって表されている振動回転運動を受ける。駆動マス２４の振動回転運動９０は、それぞれ第１のバネ要素４４及び第２のバネ要素４６を介してＹ軸６６、すなわち第２の軸に実質的に平行な駆動方向において、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８に、直線矢印９２によって表されている線形駆動運動を付与する。加えて、駆動マス２４の振動回転運動９０は、それぞれ第３のバネ要素４８及び第４のバネ要素５０を介してＸ軸６８、すなわち第３の軸に実質的に平行な駆動方向において、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２に、直線矢印９４によって表されている線形駆動運動を付与する。
【００４４】
バネ固定構造２８は、駆動マス２４が駆動系５２から静電気的刺激を受けてＺ軸６４を中心として回転するように適切に構成されている。一実施形態において、バネ要素４４，４６，４８，５０は、駆動マス２４とそれぞれの検知用マス３６、３８、４０，４２との間で強固な結合を有するために、Ｚ軸６４を中心とした面内回転に対して剛性である、すなわちそれに耐える。結合器要素３４を介したバネ要素４４，４６の相互接続によって、それぞれ第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８が、互いに対して逆相の、すなわち１８０度位相がずれた線形駆動運動９２（反対向きの矢印によって示されている）を受けることが可能になる。同様に、結合器要素３４を介したバネ要素４８，５０の相互接続によって、それぞれ第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２が、互いに対して逆相の線形駆動運動９４（反対向きの矢印によって示されている）を受けることが可能になる。
【００４５】
図４と関連して図５を参照すると、図５は、Ｘ軸角運動速度８６を受けたセンサ２０の第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８の検知用運動９６を示す、角速度センサ２０の一部分の（図４における線５−５から視認した）側面図を示す。結合器要素３４ならびにバネ要素４４，４６は、それらが、Ｘ−Ｙ平面７０の中及び外における並進には耐えるが、Ｘ軸６８を中心とした回転運動には従うように構成されている。角速度センサ２０の一実施形態において、Ｋｚはバネ要素４４，４６の面外剛性として定義されてもよく、ＫｒｘはＸ軸６８を中心としたねじりバネ定数として定義されてもよい。バネ要素４４，４６は、面外剛性Ｋｚがねじりバネ定数Ｋｒｘよりも大きいように適切に構成されてもよい。従って、結合器要素３４は、Ｘ軸角運動速度８６を受けて、平面７０の中及び外で並進する代わりに、Ｘ軸６８を中心として回転する傾向にあることになる。結合器要素３４がＸ軸６８を中心として回転すると、結合器要素３４はＸ軸角運動速度８６に応答して第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８を強制的に、互いに対して逆相に、すなわち１８０度位相がずれた状態に揺動するようにする。
【００４６】
このように、バネ要素４４，４６は結合器要素３４とともに、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８が、入力軸を中心としたＸ軸角運動速度８６に応答して駆動軸、すなわちＹ軸６６に垂直である検知軸、すなわちＺ軸６４に対して振動することを可能にし、ここで入力軸はＸ軸６８である。すなわち、入力Ｘ軸角運動速度８６が、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８に対してコリオリの力を生成し、それによって、それらは逆相で平面の中及び外で旋回するようになる、すなわち、Ｘ軸６８を中心として揺動するようになる。それゆえ、Ｘ軸角運動速度８６を求めるために既知の様式で第１の検知用マス３６とその下方にある電極（複数の場合もあり）７８との間、及び、第２の検知用マス３８とその下方にある電極（複数の場合もあり）８０との間の差分容量変化を検出することによって、ＡＳＩＣ６３（図１）によってＸ軸角速度情報を取得及び出力することができる。
【００４７】
図４と関連して図６を参照すると、図６は、Ｙ軸角運動速度８８を受けたセンサ２０の第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２の検知用運動９８を示す、角速度センサ２０の一部分の（図４における線６−６から視認した）側面図を示す。結合器要素３４ならびにバネ要素４８及び５０は、それらが、Ｘ−Ｙ平面７０の中及び外における並進には耐えるが、Ｙ軸６６を中心とした回転運動には従うように構成されている。角速度センサ２０の一実施形態において、バネ要素４８，５０は、それらの面外剛性Ｋｚが、Ｙ軸６６を中心としたそれらのねじりバネ定数Ｋｒｙよりも大きいように適切に構成されてもよい。従って、結合器要素３４は付加的に、Ｙ軸角運動速度８８を受けて、平面７０の中及び外で並進する代わりに、Ｙ軸６６を中心として回転する傾向にあることになる。結合器要素３４がＹ軸６６を中心として回転すると、結合器要素３４はＹ軸角運動速度８８に応答して第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２を強制的に、互いに対して逆相に、すなわち１８０度位相がずれた状態で運動するようにする。
【００４８】
このように、バネ要素４８，５０は結合器要素３４とともに、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２が、入力軸を中心としたＹ軸角運動速度８８に応答して駆動軸、すなわちＸ軸６８に垂直であるセンス軸、すなわちＺ軸６４に対して振動することを可能にし、ここで入力軸はＹ軸６６である。すなわち、入力Ｙ軸角運動速度８８が、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２に対してコリオリの力を生成し、それによって、それらは逆相で平面の中及び外で旋回するようになる、すなわち、Ｙ軸６６を中心として揺動するようになる。それゆえ、Ｙ軸角運動速度８８を求めるために既知の様式で第３の検知用マス４０とその下方にある電極（複数の場合もあり）との間、及び、第４の検知用マス４２とその下方にある電極（複数の場合もあり）８４との間の差分容量変化を検出することによって、ＡＳＩＣ６３（図１）によってＹ軸角速度情報を取得及び出力することができる。代替的な実施形態において、検知用マス３６，３８，４０，４２の変位は、たとえば、磁力を検出することのような、差分容量とは異なる技法を使用して検出されてもよい。
【００４９】
図７は、Ｚ軸角運動速度１００を受けたセンサ２０の動作を示す角速度センサ２０の上面図を示す。バネ要素４４，４６，４８，５０は、それらが半径方向において可撓自在であるようにさらに構成されている。すなわち、バネ要素４４及び４６はＸ軸６８に実質的に平行な方向に可撓性を有し、バネ要素４８及び５０はＹ軸６６に実質的に平行な方向に可撓性を有する。すなわち、入力Ｚ軸角運動速度１００は、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８に対してコリオリの力を生成し、当該コリオリの力は、Ｘ軸６８に実質的に平行である方向において検知用マス３６，３８に矢印１０２によって表されている検知用運動を付与する。しかしながら、第１の検知用マス３６及び第２の検知用マス３８は逆相、すなわち、反対方向（検知用運動１０２の反対方向を向いた矢印によって示されている）に振動する。同様に、入力Ｚ軸角運動速度１００は、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２に対してコリオリの力を生成し、当該コリオリの力は、Ｙ軸６６に実質的に平行である方向において矢印１０４によって表されている検知用運動を付与する。しかしながら、第３の検知用マス４０及び第４の検知用マス４２は逆相、すなわち、反対方向（検知用運動１０４の反対方向を向いた矢印によって示されている）に振動する。
【００５０】
それゆえ、Ｚ軸角運動速度１００を求めるために固定電極７２と検知用マス３６，３８の端部７６に沿った可動電極７４との間、固定電極７２と検知用マス４０，４２の端部７６に沿った可動電極７４との間の差分容量変化を検出することによって、ＡＳＩＣ６３（図１）によってＺ軸角速度情報を取得及び出力することができる。たとえば、検知用マス３６，３８の電極７２，７４の間で検出される容量信号を互いから減算することによって、コリオリの寄与、それゆえ、入力軸、すなわちＺ軸６４を中心とした角速度を測定することが可能である。同様に、検知用マス４０，４２の電極７２，７４の間で検出される容量信号を互いから減算することによって、コリオリの寄与、それゆえ、入力軸、すなわちＺ軸６４を中心とした角速度を測定することが可能である。その後、それぞれの容量信号を適切に組み合わせてＺ軸角速度情報を取得することができる。４つの検知用マス３６，３８，４０，４２からの測定値は、ここではＺ軸角速度情報を取得するのに利用される。しかしながら、代替的な実施形態において、Ｚ軸角速度情報は、互いに対向する２つの検知用マス、たとえば、検知用マス３６，３８、または検知用マス４０，４２を使用して求められてもよい。
【００５１】
検知用マス３６，３８，４０，４２の各々は、駆動運動、すなわち、振動回転運動９０によって引き起こされる求心力を受け得る。この求心力は以下の式によって表すことができる。
【００５２】
【数１】
2014178317.tif 000003
【００５３】
また、コリオリの力は以下の式によって表される。
【００５４】
【数２】
2014178317.tif 000004
【００５５】
式中、Φｄは駆動振幅であり、ωｄは駆動周波数であり、Ｒは駆動マス２４の半径であり、Ωｄは角速度である。従って、求心力Ｆｃｅｎは２つの成分を有する。これら２つの成分は、ＤＣ成分と、駆動周波数ωｄの２倍である成分とを含む。すなわち、求心力はＤＣ（ゼロ周波数）において、及び駆動周波数の２倍において現れる。この求心力は、コリオリの力に影響を与えることなくローパスフィルタによってフィルタリング除外、すなわち抑制することができる。
【００５６】
しかしながら、求心力が大きすぎる場合、これはＡＳＩＣフロントエンドを飽和させるおそれがある。求心力とコリオリの力の大きさとの間の比は以下のとおりである。
【００５７】
【数３】
2014178317.tif 000005
【００５８】
駆動振幅が５マイクロメートル（ミクロン）であり、駆動ディスクの半径が１ミリメートルであり、駆動周波数が１０キロヘルツであり、角速度が最大測定限界の１６００ｄｐｓである一例において、これは以下のような比を生成する。
【００５９】
【数４】
2014178317.tif 000006
【００６０】
この比は、ＡＳＩＣ６３のダイナミックレンジを適切に設計することによって、ＡＳＩＣ６３によって管理可能である。
求心力の影響は、センス振動子の動力学によってさらに抑制することができる。角速度センサ２０がモードマッチングにおいて操作されている、すなわち、２つの共振モード（駆動及び検知）が同じ共振周波数を有する場合、コリオリの力からの応答は、センス振動子のＱ値によってさらに増幅され、Ｑは２００以上であることができる。これは、求心力とコリオリの力との比をさらに低減することができることを意味している。従って、求心力（加速）は必要に応じて、センス振動子の動力学、及び回路トリミング（フィルタリング）によって効率的に抑制することができる。
【００６１】
要約すると、本明細書に開示の実施形態は、たとえば、単一の駆動マスを有し、当該駆動マスの中央開口内に位置する４つの分散した検知用マスとを含む角速度センサの形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスをもたらす。駆動マスは、バネ固定構造を介して下方にある基板に接続され、当該バネ固定構造は駆動マスが静電気的刺激を受けてＺ軸を中心として回転することを可能とし、これが駆動運動である。単一の駆動マスを使用することによって、単一の駆動周波数を実装することが可能になり、これは駆動回路を単純化してクロストークを低減する。検知用マスは、バネ要素によって駆動マスに結合され、それによって、駆動マスの振動回転運動の結果として、検知用マスが線形駆動運動する。分散した検知用マスは２つの検知用マス対を形成し、一対はＸ軸及びＺ軸の角速度を検知し、他方の対はＹ軸及びＺ軸の角速度を検知する。加えて、検知用マスは、各対の検知用マスが互いに対して１８０度位相がずれて運動していることを保証するために中央結合器を介して互いに結合される。これらの特徴が、多軸検知能力、より効率的にダイ面積を利用すること、及び低コストでの大量生産に適切であることを可能にすることができる。
【００６２】
本発明の好適な実施形態が詳細に例示及び記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこにさまざまな改変を行うことができることが当業者には容易に明らかとなろう。すなわち、例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することは意図されていないことが理解されるべきである。たとえば、上記で提示した特徴は、Ｘ軸及びＹ軸、Ｘ軸及びＺ軸、またはＹ軸及びＺ軸を中心とした角運動速度の２軸検知に適合されてもよい。加えて、上記で提示した特徴は、５つ以上の分散検知用マスを含むように適合されてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
２０…角速度センサ、２２…基板と、２４…駆動マス、、２８…バネ要素３０…中央開口、３４…結合器要素、３６…第１の検知用マス、３８…第２の検知用マス。
【図１】
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【図２】
2014178317.tif 000008
【図３】
2014178317.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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