(57)【要約】      （修正有）【課題】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスのためのばねを提供する【解決手段】ＭＥＭＳデバイス２０は、基板２８と、基板２８の表面５０に対して実質的に平行な平面２４内で振動運動を受けるように構成されている駆動質量部３０とを含む。センサ２０は駆動ばね５６をさらに含み、それらの各々が主ビーム７０と、主ビーム７０の端部７４に結合されている屈曲ビーム７２とを含む。屈曲ビーム７２は駆動質量部３０または基板２８に固着されている。屈曲ビーム７２は主ビーム７０の幅８８よりも小さい幅９０を呈する。振動駆動運動に応答して、屈曲ビーム７２は屈曲し、それによって、主ビーム７０は平面２４内で旋回点を中心として回転する。従って、駆動質量部３０の面外運動が低減され、それによって、直交誤差が抑制される【選択図】図１
2014112085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
表面を有する基板と、
前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成されている駆動質量部と、
駆動ばねであって、該駆動ばねの各々は、第１のビームと、該第１のビームの端部に結合されている第２のビームとを含み、該第２のビームは前記駆動質量部および前記基板のうちの一方に固着されており、前記第１のビームは前記平面に対して実質的に平行な第１の幅を呈し、前記第２のビームは前記平面に対して実質的に平行な第２の幅を呈し、該第２の幅は前記第１の幅よりも小さい、駆動ばねとを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記第１のビームの第１の長さ方向寸法は、前記第２のビームの第２の長さ方向寸法に対してほぼ垂直に向いている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記第１のビームの前記端部は、前記第２のビームの長さ方向寸法に照らして前記第２のビームの中間点に結合されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記第２のビームの前記第１のビームとの交差点が旋回点を形成し、前記第２のビームは、前記振動運動に応答して前記旋回点を中心として前記平面で前記第１のビームが旋回運動することを可能にするために屈曲する、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記第２のビームは、
第１の屈曲要素であって、該第１の屈曲要素は前記振動運動に応答して第１の方向において屈曲する、第１の屈曲要素と、
第２の屈曲要素であって、前記第１のビームの前記端部は前記第１の屈曲要素と該第２の屈曲要素との間に入り、該第２の屈曲要素は前記第１の方向とは反対である第２の方向において屈曲し、前記第１の屈曲要素および該第２の屈曲要素は前記振動運動に応答して屈曲する、第２の屈曲要素とを含む、請求項４に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記端部は第１の端部であり、前記駆動ばねの前記各々は、前記第１のビームの第２の端部に結合されている第３のビームをさらに備え、該第３のビームは前記第１の幅よりも小さい、前記平面に対して実質的に平行な第３の幅を呈する、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
懸垂質量部をさらに備え、前記第３のビームは該懸垂質量部に固着されている、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
前記第３の幅は前記第２の幅にほぼ等しい、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
前記第３のビームは前記第２のビームにほぼ平行に向いている、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
前記第２のビームの第２の長さ方向寸法は、前記第３のビームの第３の長さ方向寸法にほぼ等しい、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
前記駆動質量部は前記基板の前記表面に対して実質的に平行である直線駆動方向において前記振動運動を受けるように構成されており、前記第１のビームの長さ方向寸法は前記駆動方向に対してほぼ垂直に向いている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
前記長さ方向寸法は第１の長さ方向寸法であり、前記第２のビームの第２の長さ方向寸法は前記直線駆動方向に対してほぼ平行に向いている、請求項１１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１３】
前記駆動質量部は前記基板の前記表面に対して実質的に垂直である駆動軸を中心として前記振動運動を受けるように構成されており、前記第１のビームの長さ方向寸法は前記駆動軸に対して半径方向に向いている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１４】
前記長さ方向寸法は第１の長さ方向寸法であり、前記第２のビームの第２の長さ方向寸法は前記駆動軸に対してほぼ接線方向に向いている、請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１５】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
表面を有する基板と、
前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成される駆動質量部と、
懸垂質量部と、
前記懸垂質量部を前記駆動質量部と接続する駆動ばねであって、該駆動ばねの各々は、第１のビームと、該第１のビームの端部に結合されている第２のビームとを含み、該第２のビームは前記駆動質量部および前記懸垂質量部のうちの一方に固着されており、前記第１のビームは前記平面に対して実質的に平行な第１の幅を呈し、前記第２のビームは前記平面に対して実質的に平行な第２の幅を呈し、該第２の幅は前記第１の幅よりも小さい、駆動ばねとを備え、前記第２のビームの前記第１のビームとの交差点が旋回点を形成し、前記第２のビームは、前記振動運動に応答して前記旋回点を中心として前記平面で前記第１のビームが旋回運動することを可能にするために屈曲する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１６】
前記端部は第１の端部であり、前記駆動ばねの前記各々は、前記第１のビームの第２の端部に結合されている第３のビームをさらに備え、該第３のビームは前記駆動質量部および前記懸垂質量部の他方に固着されており、該第３のビームは前記第１の幅よりも小さい、前記平面に対して実質的に平行な第３の幅を呈する、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１７】
前記駆動質量部は前記基板の前記表面に対して実質的に平行である直線駆動方向において前記振動運動を受けるように構成されており、前記第１のビームの第１の長さ方向寸法は前記駆動方向に対してほぼ垂直に向いており、前記第２のビームの第２の長さ方向寸法は前記直線駆動方向に対してほぼ平行に向いている、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１８】
前記駆動質量部は前記基板の前記表面に対して実質的に垂直である駆動軸を中心として前記振動運動を受けるように構成されており、前記第１のビームの第１の長さ方向寸法は前記駆動軸に対して半径方向に向いており、前記第２のビームの第２の長さ方向寸法は前記駆動軸に対してほぼ接線方向に向いている、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１９】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
表面を有する基板と、
前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成される駆動質量部と、
懸垂質量部と、
前記懸垂質量部を前記駆動質量部と接続する駆動ばねであって、該駆動ばねの各々は、
前記平面に対して実質的に平行な第１の幅を呈する第１のビームと、
前記第１のビームの第１の端部に結合されている第２のビームであって、該第２のビームは前記駆動質量部に固着されており、該第２のビームは前記平面に対して実質的に平行な第２の幅を呈し、該第２の幅は前記第１の幅よりも小さい、第２のビームと、
前記第１のビームの第２の端部に結合されている第３のビームであって、該第３のビームは前記懸垂質量部に固着されており、該第３のビームは前記平面に対して実質的に平行な第３の幅を呈し、該第３の幅は前記第１の幅よりも小さい、第３のビームとを含み、前記振動運動に応答して、前記第２のビームの前記第２の幅および前記第３のビームの前記第３の幅は前記第２のビームおよび第３のビームが前記第１のビームに対して屈曲することを可能にし、それによって、前記第１のビームの運動が実質的に前記平面内で発生する、駆動ばねとを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２０】
前記第３のビームは前記第２のビームにほぼ平行に向いており、
前記第１のビームは前記第２のビームおよび第３のビームに対してほぼ垂直に向いている、請求項１９に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より具体的には、本発明は、ＭＥＭＳデバイスのためのばね設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、非常に小さな機械構造を作成し、従来のバッチ半導体処理技法を使用して単一の基板上に電気デバイスとこれらの構造を集積する方法を提供するため、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および製造である。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、および工学システムのような用途に広く使用されている。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
以下の図面と併せて考察して詳細な説明およ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いる。
【０００４】
【図１】一実施形態に応じた、慣性センサの形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの上面図。
【図２】図１の慣性センサのためのばね設計の一部分の上面図。
【図３】代替的な実施形態に応じた、図１の慣性センサのための連結ばね構成の上面図。
【図４】別の実施形態に応じた慣性センサの上面図。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
振動式微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）角速度センサにおいて、固有の問題は、直交成分または直交誤差と称される望ましくない干渉信号が存在することである。直交誤差は振動式角速度センサにおいて、懸垂された質量部がその意図されている駆動運動の平面外で振動することを許容してしまう製造欠陥に起因して発生する。この面外運動は、コリオリの加速度、およびひいては回転速度と混同される可能性がある、感知軸を中心とした振動をもたらす可能性がある。不都合なことに、直交誤差の結果として、デバイスに対してオフセット誤差がもたらされ、ダイナミックレンジが低減し、ノイズが増大する可能性がある。大きな直交誤差は、デバイスが激しく振動する（ｒａｉｌ）ようにする可能性さえあり、それによって、感知質量部は導電性電極と接触し、場合によっては短絡のような衝突に関連する損傷がもたらされる。
【０００６】
直交誤差の主な原因は、製造中の寸法精度が不十分であることによるものである。たとえば、ＭＥＭＳ構造層のエッチング中の深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プラズマからの垂直からずれたイオン衝突によって、ＭＥＭＳ構造層内に形成される要素の側壁において非対称に傾いたエッチパターンが生じる可能性がある。非対称なエッチプロファイルによって、主軸が偏位することになる可能性がある。このように、面内運動が面外運動に結びつく。これが、面外検知モードを有するＸおよびＹ軸角速度センサにおける直交誤差の主な要因である。
【０００７】
本明細書に開示の実施形態は、たとえば、面外運動が理想的でない、１つ以上の可動要素または質量部を有する角速度センサ、角加速度センサ、磁気センサ、気体センサ、アクチュエータなどの形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを含む。特に、実施形態は、可動質量部の面内運動を提供し、任意の理想的でない面外運動を大きく抑制するばね設計を含む。ばね設計は、各端部において薄型ビームによって支持されたワイドビームを含む。薄型ビームがワイドビームと比較して柔軟であることによって、薄型ビームは機械的ヒンジとしての役割を果たし、それによってワイドビームは湾曲するのではなく大きく回転または旋回することになる。このように、このばね設計は面内駆動運動の結果生じる面外運動を補償して、直交誤差を抑制する。
【０００８】
図１は、一実施形態に応じた、慣性センサ２０の形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの上面図を示す。慣性センサ２０は一般的に、回転軸２２、すなわち三次元座標系におけるＸ軸を中心とする角速度を感知するように構成される。従って、慣性センサ２０は本明細書において角速度センサ２０と称される。慣例により、角速度センサ２０は、Ｘ−Ｙ平面２４内の全体的に平坦な構造を有するものとして示されており、図１内のＸ−Ｙ平面２４に対して垂直なＺ軸２６が紙面の外に延在している。
【０００９】
角速度センサ２０は、基板２８と、本明細書においては駆動質量部３０と称される懸垂質量部と、本明細書においては感知質量部３２と称される別の懸垂質量部と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構とを含む。図１の具体的な実施形態では、駆動質量部３０は感知質量部３２を貫通して延在する中央開口３４内に存在している。駆動質量部３０は、駆動質量部構造３６、および、Ｘ−Ｙ平面２４内で駆動構造３６に対し横方向に配置されるもう１つの駆動質量部構造３８を含む。駆動質量部構造３６および３８は回転軸２２を中心として互いに対して対称に位置付けられる。
【００１０】
中央開口３４内に駆動システム４０が存在し、駆動質量部構造３６および３８の各々と動作可能に連通する。より具体的には、駆動システム４０は、駆動構造３６を振動させるように構成される駆動素子のセット４２、および、駆動構造３８を振動させるように構成される駆動素子の他のセット４４を含む。駆動素子の各セット４２および４４は可動指状部４６および固定指状部４８と称される電極の対を含む。一実施形態では、可動指状部４６は駆動質量部構造３６および３８の各々に結合され、そこから延在する。固定指状部４８は、アンカー５２を介して基板２８の表面５０に固定され、駆動質量部３６および３８の切り抜き領域５１を通じて伸長する。
【００１１】
固定指状部４８は、可動指状部４６から離間され、互い違いの配列に位置付けられる。それらは駆動質量部構造３６および３８に付着しているため、可動指状部４６は駆動質量部構造３６および３８とともに運動可能である。逆に、固定指状部４８は基板２８に固定して付着しているため、可動指状部４６に対して動かない。例示を簡潔にするため、少数の可動指状部４６および固定指状部４８しか示されていない。可動指状部および固定指状部の量および構造は設計要件に応じて変化することになることを当業者は容易に認識するはずである。
【００１２】
固定指状部４８は、アンカー５２を介して基板２８の表面５０に固着されてもよい。以下の図面の説明全体を通じての一貫性のために、基板２８の下層の表面５０に結合または固定されるアンカー５２および固定指状部４８のような任意の固着または固定構造は明確にするために点描のパターンで示されている。逆に、基板２８に固定されていない任意の要素はこの点描のパターンを含まず、それゆえ基板２８の表面５０の上に懸垂されている。角速度センサ２０のさまざまな要素は、堆積、パターニング、エッチングなどの、現行のおよ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および／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ような同じ材料から形成される。
【００１３】
ＭＥＭＳ角速度センサ２０の要素および代替的な実施形態（後述）は、角速度センサ２０の他の要素「に固着される（ａｎｃｈｏｒｅｄ  ｔｏ）」、「に付着される（ａｔｔａｃｈｅｄ  ｔｏ）」、「と付着される（ａｔｔａｃｈｅｄ  ｗｉｔｈ）」、「に結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」、「に接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）」、または「と相互接続される（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｗｉｔｈ）」ものとしてさまざまに記載されている。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およ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。
【００１４】
駆動質量部構造３６および３８はＸ−Ｙ平面２４内で振動運動を受けるように構成される。一般的に、駆動質量部構造３６および３８にＹ軸５４に沿って線形に振動させるように、交流電流（ＡＣ）電圧が駆動回路（図示せず）を介して固定指状部４８に印加されることができる。一実施形態では、ＡＣ電圧は、可動櫛歯４６（および従って駆動質量部構造３６および３８）に固定指状部４８に対して概して平行に運動させるように、固定指状部４８に適切に印加される。駆動質量部構造３６および３８は、Ｙ軸５４に沿って対向する両方の向き、すなわち逆位相で運動するように、ともに適切に連結されるか、または他の様態で適切に駆動されることができる。
【００１５】
駆動ばね５６は、駆動質量部構造３６および３８の各々を、それぞれ感知質量部３２に結合する。従って、駆動質量部構造３６および３８は基板２８の表面５０の上に懸垂され、基板２８に対する直接の物理的付着を有しない。駆動ばね５６は、駆動質量部構造３６および３８の平面２４におけるＹ軸５４に沿った大きな振動線形運動を可能にし、駆動質量部構造３６および３８から感知質量部３２までＺ軸２６に沿ってコリオリの力を伝達するのになお十分に剛性である。角速度センサ２０は、駆動質量部構造３６を駆動質量部構造３８と連結する連結ばね構成要素５８をさらに含む。加えて、トーションばね６０の形態の可撓性支持要素が感知質量部３２に結合されている。トーションばね６０は、感知質量部３２をアンカー６２を介して基板２８の表面５０に接続する。
【００１６】
さまざまな導電板、または電極が、角速度センサ２０の他の固定構成要素とともに基板２８の表面５０上に形成される。この簡略化された図において、電極は、角速度センサ２０のＸ軸２２を中心とする回転を感知するのに使用される感知電極６４および６６を含む。電極６４および６６ならびに感知質量部３２に別個の電気接続を提供するために導体（図示せず）が基板２８上に形成されることができる。電極６４および６６は、多結晶シリコンのような導電性材料から形成され、このような構成要素のために同じ材料が選択される場合には、それぞれの導体と同時に形成されることができる。電極６４および６６は図１においては上に重なる感知質量部３２によって覆い隠されている。従って、図１においては、電極６４および６６は、感知質量部３２に対するそれらの物理的配置を示すために破線形式で表されている。
【００１７】
駆動ばね５６および連結ばね構成要素５８の各々は、本明細書においては主ビーム７０と称される第１のビームを含む。加えて、駆動ばね５６および連結ばね構成要素５８の各々は、本明細書においては屈曲ビーム７２および７４と称される第２のビームおよび第３のビームを含む。特定の構成に応じて、屈曲ビーム７２は主ビーム７０の端部７６に結合されており、屈曲ビーム７４は主ビーム７０の反対の端部７８に結合されている。駆動ばね５６の各々の屈曲ビーム７２はこのように駆動質量部３０（すなわち、駆動質量部構造３６および３８のうちの一方）に固着されており、駆動ばね５６の各々の屈曲ビーム７４はこのように感知質量部３２に固着されている。連結ばね構成要素５８の屈曲ビーム７２は駆動質量部構造３６に固着されており、屈曲ビーム７４は駆動質量部構造３８に固着されている。
【００１８】
駆動ばね５６の各々について、屈曲ビーム７２および７４の各々の長さ方向寸法８０は、互いに対してほぼ平行に向いており、主ビーム７０の長さ方向寸法８２は、屈曲ビーム７２および７４の長さ方向寸法８０に対してほぼ垂直に向いている。一実施形態において、屈曲ビーム７２の長さ方向寸法８０は、概して屈曲ビーム７４の長さ方向寸法８０に等しくてもよい。しかしながら、主ビーム７０の長さ方向寸法８２は長さ方向寸法８０と同じである必要はなく、代わりに長さ方向寸法８０よりも大きくてもよく、小さくてもよい。同様に、連結ばね構成要素５８について、屈曲ビーム７２および７４の各々の長さ方向寸法８４は、互いに対してほぼ平行に向いており、主ビーム７０の長さ方向寸法８６は、屈曲ビーム７２および７４に対してほぼ垂直に向いている。駆動ばね５６と同様に、連結ばね構成要素５８の屈曲ビーム７２の長さ方向寸法８４は、概して連結ばね構成要素５８の屈曲ビーム７４の長さ方向寸法８４に等しい。ここでも、連結ばね構成要素５８の主ビーム７０の長さ方向寸法８６は、長さ方向寸法８４より大きくてもよいし、または小さくてもよい。
【００１９】
駆動ばね５６および連結ばね構成要素５８は、概して、基板２８の表面５０に実質的に平行である平面、すなわち、Ｘ−Ｙ平面２４内に配置される。このため、主ビーム７０は、Ｘ−Ｙ平面２４に実質的に平行な第１の幅８８をさらに呈する。無論、第１の幅８８は主ビーム７０の長さ方向寸法８２よりも著しく小さい。加えて、屈曲ビーム７２および７４の各々は、Ｘ−Ｙ平面２４に実質的に平行な、本明細書においては第２の幅９０と称される、概して同じ幅を呈する。無論、第２の幅９０は屈曲ビーム７２および７４の長さ方向寸法８０よりも著しく小さい。加えて、屈曲ビーム７２および７４の各々の第２の幅９０は、主ビーム７０の第１の幅８８よりも小さい。
【００２０】
一実施形態に応じて、主ビーム７０、および整合的に駆動質量部３０がＸ−Ｙ平面２４外の運動を受けるように主ビーム７０は駆動システム４０を介して駆動質量部３０に対して付与される振動駆動運動に応答して湾曲するようには意図されていない。代わりに、この湾曲は屈曲ビーム７２および７４において発生する。すなわち、屈曲ビーム７２および７４の各々の第２の幅９０は第１の幅８８よりも著しく小さく、それによって、屈曲ビーム７２および７４が、より厚く、それゆえにより剛直な主ビーム７０の代わりに湾曲することになる。その結果、そうでなければ感知質量部３２において直交誤差を生じるおそれがある主ビーム７０の任意の可能性のある面外湾曲は、屈曲ビーム７２および７４の湾曲と比較して無視してよいものになる。
【００２１】
駆動ばね５６の各々について、主ビーム７０の長さ方向寸法８２は、駆動質量部３０の駆動軸、すなわちＹ軸５４に対してほぼ垂直に向いている。それらが主ビーム７０に対して垂直に向いていることに起因して、駆動ばね５６の各々の屈曲ビーム７２および７４の長さ方向寸法８０はＹ駆動軸５４に対して平行である。駆動質量部構造３６を駆動質量部構造３８に結合する連結ばね構成要素５８について、主ビーム７０の長さ方向寸法８６は駆動軸５４に対してほぼ平行に向いており、屈曲ビーム７２および７４の長さ方向寸法８４は駆動軸５４に対してほぼ垂直に向いている。
【００２２】
動作時、駆動質量部３０の駆動質量部構造３６および３８は、駆動軸、すなわちＹ軸５４に実質的に平行な直線駆動方向９４において逆位相でＸ−Ｙ平面２４内の振動運動を受ける。回転軸がＸ軸２２と指定されている、示されている実施形態では、駆動質量部構造３６および３８は対向する両方の向きにおいて線形に振動する。駆動ばね５６および連結ばね構成要素５８の設計は、駆動質量部構造３６および３８の感知軸２６に沿った面外運動を実効的に抑制し、それによって、駆動質量部構造３６および３８は、無視してよい直交誤差でＸ−Ｙ平面２４内でＹ軸５４に実質的に平行に（すなわち、図１において上下に）直線的に振動する。
【００２３】
駆動質量部３０がＹ軸５４に沿った直線振動運動に入ると、感知質量部３２は、Ｘ軸２２を中心として回転されている角速度センサ２０によって誘起される角速度、すなわち角運動速度を検出することが可能である。特に、コリオリの加速度成分の結果として、トーションばね６０は、感知質量部３２が、角速度センサ２０のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち、角運動速度に応じてＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。この運動は、入力軸、すなわちＸ軸２２を中心とする、角速度センサ２０の角回転速度に比例する振幅を有する。
【００２４】
駆動ばね５６は感知質量部３２を駆動質量部３０に結合し、それによって、感知質量部３２は、直線駆動方向９４における駆動質量部３０の直線振動運動に関して、駆動質量部３０から実質的に分離されている。しかしながら、感知質量部３２は、感知質量部３２のＸ−Ｙ平面２４外の振動運動に関しては駆動質量部３０に結合されている。従って、感知質量部３２は、感知質量部３２および駆動質量部３０の両方がともに角速度センサ２０のＸ回転軸２２を中心とする回転の間のコリオリの力による平面外運動を受けるように、駆動質量部３０に連結されている。感知質量部３２が振動平面外運動を受けると、位置変化が、電極６４および６６によってキャパシタンスの変化として感知される。電極６４および６６において感知されたこのキャパシタンスの変化は、従来の様式で電子的に処理されて、角速度センサ２０のＸ回転軸２２を中心とする角速度が得られる。
【００２５】
コリオリの力を生成するのは駆動質量部３０のＹ軸５４を中心とする駆動運動と角速度センサ２０のＸ回転軸２２を中心とする角速度との間の結合であり、このコリオリの力は感知質量部３２を、Ｘ−Ｙ平面２４外にずらす。コリオリの力の大きさは非常に小さい。いくつかの従来技術の慣性センサにおいては、従来技術の駆動ばねのような、ＭＥＭＳ構造層内に形成される要素の側壁における非対称に傾斜したエッチパターンの結果として、直線駆動方向９４における駆動質量部３０の直線振動駆動運動に応答して、駆動質量部３０、および整合的に感知質量部３２の面外運動が生じる可能性がある。従来技術の駆動ばね設計においては、駆動システム４０を介して駆動質量部３０に対して直線振動駆動運動が付与されるときに、所望のＸ−Ｙ平面２４外の駆動ばねの湾曲またはねじれによって、この駆動質量部３０の面外運動が引き起こされる。Ｚ軸２６が感知軸であるとき、この面外駆動運動は機械的に感知運動、すなわち、結果として直交誤差、すなわち直交信号を生じる感知質量部３２の変位につながる。
【００２６】
図２は、角速度センサ２０（図１）のためのばね設計の一部分の上面図である。特に、図２は駆動ばね５６の１つの一部分を示す。１つの駆動ばね５６の一部分のみが駆動質量部３０の駆動質量部構造３６（図１）に固着されて示されているが、以下の説明は、駆動ばね５６の各々および連結ばね構成要素５８、ならびに、それらの駆動質量部構造３８に対する固着接続および／またはそれらの感知質量部３２に対する固着接続に等しく当てはまることは理解されたい。
【００２７】
屈曲ビーム７２の主ビーム７０との交差点が、基板２８（図１）の表面５０（図１）に対して実質的に垂直である旋回軸を有する旋回点９６を形成する。図２に明示されているように、振動運動が駆動質量部構造３６に対して直線駆動方向９４において付与されると、屈曲ビーム７２は屈曲して、旋回点９６を中心とする主ビーム７０の旋回運動９８が可能になる。
【００２８】
より詳細には、屈曲ビーム７２は第１の屈曲要素１００と第２の屈曲要素１０２とに分割されることができ、主ビーム７０は第１の屈曲要素１００と第２の屈曲要素１０２との間に置かれる。第１の屈曲要素１００および第２の屈曲要素１０２は実質的に同じ長さであり、主ビーム７０と屈曲ビーム７２とは、屈曲ビーム７２の長さ方向寸法８０のほぼ中間点１０３において交差する。駆動質量部構造３６に対して付与される振動運動によって、主ビーム７０は旋回点９６を中心として回転または旋回する。この振動運動中、主ビーム７０の幅８８よりも著しく狭い幅９０を呈する第１の屈曲要素１００および第２の屈曲要素１０２は変形するが、湾曲する方向はそれらの湾曲していない位置に照らして反対であり、ここで、湾曲していない位置は破線１０４によって表されている。第１の屈曲要素１００および第２の屈曲要素１０２の反対の方向の湾曲によって、非対称エッチプロファイルによって引き起こされる任意の面外運動が補償され、それによって、より広い主ビーム７０は湾曲する代わりに旋回点９６を中心として回転する。その結果、駆動質量部３０の面外運動が低減される。感知質量部３２は駆動質量部３０に結合されているため、感知質量部３２の対応する面外運動も低減され、それによって、直交誤差が大きく抑制される。
【００２９】
主ビーム７０ならびに主ビーム７０の対向する両側に結合されている屈曲ビーム７２および７４を有する駆動ばね５６および連結ばね構成要素５８のばね設計は、懸垂質量部の面外運動を低減し、それによって直交誤差を抑制するために広範な角速度センサ構成に容易に適合されることができる。加えて、角速度センサおよび直交誤差の抑制が本明細書において詳細に説明されているが、駆動ばね５６のばね設計は、面内運動が所望され、非理想的な面外運動が抑制されるべきであるさまざまなＭＥＭＳデバイスに容易に適合されることができる。
【００３０】
図３は、代替的な実施形態に応じた、角速度センサ２０（図１）のための連結ばね構成１０８の上面図を示す。連結ばね構成１０８は、角速度センサ２０において連結ばね構成要素５８（図１）の代わりに実装される。連結ばね構成１０８は、いくつかの連結ばね１１０を含み、それらの各々が主ビーム１１２ならびに主ビームの対向する両方の端部１１８および１２０に結合されている屈曲ビーム１１４および１１６を含む。示されている実施形態において、屈曲ビーム１１４は、中間懸垂構造１２２を介して懸垂質量部、たとえば、駆動質量部構造３６に固着されている。加えて、屈曲ビーム１１６は、別の中間懸垂構造１２４を介して別の懸垂質量部、たとえば、駆動質量部構造３８に固着されている。
【００３１】
上述のように、主ビーム１１２の各々の第１の幅１２６は、屈曲ビーム１１４および１１６の各々の第２の幅１２８よりも広い。連結ばね構成要素５８と同様に、連結ばね１１０を介した駆動質量部構造３６および３８の機械的結合が、感知軸２６（図１）に沿った駆動質量部構造３６および３８の面外運動を実効的に抑制し、それによって、駆動質量部３６および３８は、無視してよい直交誤差でＹ軸５４に対して実質的に平行である平面内で逆位相で直線的に振動する。
【００３２】
上述のばね設計は、駆動質量部構造３６および３８が、Ｙ軸５４に対して平行なＸ−Ｙ平面２４内で直線的に振動され、入力軸はＸ軸２２であり、Ｘ軸２２を中心とする回転がＺ軸２６に沿って感知されるＭＥＭＳ音叉型角速度センサ２０において実装された。別の代替的な実施形態において、ばね設計は回転ディスク型角速度センサにおいて実装されてもよい。
【００３３】
図４は、別の実施形態に応じた、角速度センサ１３０の形態の慣性センサの上面図を示す。角速度センサ１３０はＭＥＭＳ回転ディスク型ジャイロスコープである。従って、角速度センサ１３０は本明細書において回転ディスク型ジャイロスコープ１３０と称される。回転ディスク型ジャイロスコープ１３０は、基板１３２と、複数の駆動ばね１３８によって基板１３２の表面１３６の上に懸垂され、当該表面に柔軟に結合されている駆動質量部１３４とを含む。より詳細には、駆動ばね１３８の各々は駆動質量部１３４の内周１４０の間に伸長し、基板１３２上に形成されたアンカー１４２に締結されている。
【００３４】
角速度センサ１３０は、駆動質量部１３４を貫通して延在する中央開口１４６内に存在する感知質量部１４４と、駆動質量部１３４を取り囲む別の感知質量部１４８とをさらに含む。感知質量部１４４は、感知質量部１４４が回転軸、すなわちＸ軸２２を中心として振動または旋回することを可能にする可撓性支持要素、すなわちトーションばね１５０を用いて駆動質量部１３４に接続されている。従って、回転軸は本明細書においてＸ回転軸２２と称される。感知質量部１４８も、感知質量部１４８が別の回転軸、すなわちＹ軸５４を中心として振動または旋回することを可能にする可撓性支持要素、すなわちトーションばね１５２を用いて駆動質量部１３４に接続されている。それゆえ、この回転軸は本明細書においてＹ回転軸５４と称される。
【００３５】
ＭＥＭＳ回転ディスク型ジャイロスコープ１３０の構造層内に生成される種々の要素を区別するために、駆動質量部１３４は右上がり方向の狭い網掛けを用いて示されており、感知質量部１４４は右上がり方向の広い網掛けを用いて示されており、感知質量部１４８は右下がり方向の広い網掛けを用いて示されており、アンカー１４２は点描パターンを用いて示されている。構造層内のこれらの種々の要素は、堆積、パターニング、エッチングなどの、現行のおよ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および／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ような同じ材料から形成される。
【００３６】
駆動ばね１３８の各々は、主ビーム１５４と、主ビーム１５４の端部１５８に結合されている屈曲ビーム１５６と、主ビーム１５４の反対の端部１６２に結合されている別の屈曲ビーム１６０とを含む。この実施形態において、屈曲ビーム１５６は懸垂質量部、すなわち、駆動質量部１３４に固着されており、屈曲ビーム１６０はアンカー１４２を介して基板１３２に固着されている。
【００３７】
駆動ばね１３８は、駆動ばね５６（図１）と同じ設計特徴部の多くを共有している。特に、駆動ばね１３８の各々について、屈曲ビーム１５６および１６０の各々の長さ方向寸法１６４は、互いに対してほぼ平行に向いており、主ビーム１５４の長さ方向寸法１６６は、屈曲ビーム１５６および１６０の各々の長さ方向寸法１６４に対してほぼ垂直に向いている。ここでも、主ビーム１５４の長さ方向寸法１６６は長さ方向寸法１６４と同じである必要はなく、代わりに屈曲ビーム１５６および１６０の長さ方向寸法１６４よりも大きくてもよく、小さくてもよい。
【００３８】
駆動ばね１３８は、概して、基板１３２の表面１３６に対して実質的に平行である平面、すなわち、Ｘ−Ｙ平面２４内に配置される。このため、主ビーム１５４は、第１の幅１６８をさらに呈する。加えて、屈曲ビーム１５６および１６０の各々は、Ｘ−Ｙ平面２４内の、本明細書においては第２の幅１７０と称される、概して同じ幅を呈する。屈曲ビーム１５６および１６０の各々の第２の幅１７０は、主ビーム１５４の第１の幅１６８よりも小さい。
【００３９】
回転ディスク型ジャイロスコープ１３０は、駆動質量部１３４から伸長する可動指状部４８と、アンカー１７４を介して基板１３２に結合されている固定指状部４６とを含む駆動システム１７２をさらに含む。駆動質量部１３４は、双頭矢印１７６によって表されているような、基板１３２の表面１３６に対して垂直である駆動軸を中心とした振動運動を受けるように構成されている。すなわち、複数の駆動ばね１３８が、駆動質量部１３４が駆動軸を中心として振動するように構成されている。この例では、駆動軸はＺ軸２６である。従って、Ｚ軸２６は本明細書において駆動軸２６と称される。
【００４０】
図４に示すように、駆動ばね１３８の各々の主ビーム１５４の長さ方向寸法１６６は駆動軸２６に対して半径方向に向いている。従って、主ビーム１５４は、車輪内のスポークのように、駆動軸２６を中心として配置されている。加えて、屈曲ビーム１５６および１６０の各々の長さ方向寸法１６４は駆動軸２６に対してほぼ接線方向に向いており、すなわち、屈曲ビーム１５６および１６０の各々の長さ方向寸法１６４は、主ビーム１５４の長さ方向寸法１６６にほぼ直交する。
【００４１】
回転ディスク型ジャイロスコープ１３０を動作させるために、駆動質量部１３４、感知質量部１４４、および感知質量部１４８は、基板１３２の表面１３６に概して平行なＸ−Ｙ平面２４においてともに機械的に振動される。すなわち、駆動質量部１３４は駆動システム１７２によって、駆動軸２６を中心として振動するように作動される。感知質量部１４４および１４８の各々は、駆動質量部１３４が駆動システム１７２によって駆動されると、駆動質量部１３４とともに振動する。振動運動１７６に入ると、感知質量部１４４はＹ回転軸５４を中心とするジャイロスコープ１３０の角運動速度、すなわち、角回転速度を検出することが可能であり、Ｙ回転軸５４を中心とする角運動速度は、感知質量部１４４に、Ｙ回転軸５４を中心とする回転ディスク型ジャイロスコープ１３０の角運動速度に比例する振幅において、Ｘ回転軸２２を中心として振動させるコリオリの加速度を生成する。同様の原理によって、感知質量部１４８は回転ディスク型ジャイロスコープ１３０のＸ回転軸２２を中心とする角運動速度を検出することが可能である。すなわち、回転ディスク型ジャイロスコープ１３０がＸ回転軸２２を中心とする角運動速度を受けると、感知質量部１４８に、Ｘ回転軸２２を中心とする回転ディスク型ジャイロスコープ１３０の角運動速度に比例する振幅において、Ｙ回転軸５４を中心として振動させるコリオリの加速度が生成される。従って、回転ディスク型ジャイロスコープ１３０は２軸感知を提供する。感知質量部１４４および感知質量部１４８の下方にある電極（見えていない）は、それらのそれぞれの出力信号を検出するように構成されている。
【００４２】
駆動ばね５６と同様に、駆動ばね１３８の各々の主ビーム１５４は、駆動システム１７２のそれぞれ固定指状部４６および可動指状部４８を介して駆動質量部１３４に対して付与される振動駆動運動に応答して湾曲するようには意図されていない。代わりに、この湾曲は、図２に関連して説明されたものと同様に、屈曲ビーム１５６および１６０において発生する。すなわち、屈曲ビーム１５６および１６０の各々の第２の幅１７０は主ビーム１５４の第１の幅１６８よりも著しく小さく、それによって、屈曲ビーム１５６および１６０が、より厚く、それゆえにより剛直な主ビーム１５４の代わりに湾曲することになる。その結果、そうでなければ感知質量部１４４および１４８において直交誤差を生じるおそれがある主ビーム１５４の任意の可能性のある面外湾曲は、屈曲ビーム１５６および１６０の湾曲と比較して無視してよいものになる。
【００４３】
上記で提供された１つの例は、基板の平面に対して平行であるＸ軸を中心とする角運動速度を検出するための単軸「音叉型」角速度センサである。上記で提供された別の例は、２軸感知回転ディスク型ジャイロスコープである。代替的な実施形態において、感知質量部を含まず、代わりにコリオリ加速度成分に起因して駆動質量部において二次振動を励起する単軸角速度センサ構成が提供されてもよいことを、当業者は容易に了解しよう。さらに他の角速度センサ構成は、上記で示されているように逆位相で駆動される２つの駆動質量部を含まなくてもよい。代替的に、固定指状部および可動指状部の種々の配列およびロケーションを有するさまざまな単軸および２軸の慣性センサ設計が構想されてもよい。これらのさまざまな実施形態の各々は、構造要素の側壁における非対称傾斜角から生じる面外運動を補償し、それゆえ直交誤差を抑制するばね設計に関連する利点を依然として達成することができる。
【００４４】
要約すると、本発明の実施形態は、直交誤差が抑制される、１つ以上の感知質量部を有する角速度センサおよび角加速度センサの形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサデバイスをもたらす。特に、実施形態は、感知方向における直交誤差を実効的に抑制するばね設計を含む。ばね設計は、角速度センサの、各端部において薄型ビームによって支持されたワイドビームを含む。薄型ビームがワイドビームと比較して柔軟であることによって、薄型ビームは機械的ヒンジとしての役割を果たし、それによってワイドビームは振動駆動運動の存在下で湾曲するのではなく大きく回転することになる。このように、このばね設計は面内駆動運動の結果生じる面外運動を補償して、直交誤差を抑制する。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態が詳細に例示およ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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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