(57)【要約】      （修正有）【課題】同軸方向の線形および回転力を同時に感知するための集積干渉ジャイロスコープと加速度計デバイスを提供する。【解決手段】共振カンチレバー・ビーム２１は、半導体基板３２から形成される。基板３２はまた、ピエゾ抵抗器ドライバ３６−１、ピエゾ抵抗器センサ３６−２および半導体干渉光学ジャイロ２６を含む。ピエゾ抵抗器ドライバ３６−１およびセンサ３６−２は、ビーム２１内に組み込まれる。ドライバ３６−１は、電熱的にビームを共鳴させる。センサ３６−２は、ピエゾ抵抗的にビームの面外の加速力に関する信号を感知する。半導体干渉光学ジャイロ２６の導波管５０−２は、ビーム２１周辺の基板３２に組み込まれる。ジャイロ２６は、レーザー源４２および光探知器４４を含み、ビーム２１の面外の加速ベクトルと同じ方向である軸を中心とした回転運動を検知する。【選択図】図３
2014066700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積された干渉ジャイロスコープおよび加速度計デバイスであって、
該デバイスが、
共振カンチレバービームと、
前記共振カンチレバービームを取り囲む領域と
を備えた基板と、
前記共振カンチレバービームと加速度軸方向に沿って配置された共鳴キャビティを備えたパッケージと、
前記共振カンチレバービーム内に組み入れられたドライバであって、前記共振カンチレバービームを熱電的に共鳴するように構成されたことを特徴とするドライバと、
前記共振カンチレバービーム内に組み入れられたセンサであって、前記共振カンチレバービームの面外の加速力に関する信号を感知するように構成されることを特徴とするセンサと、
前記基板の前記領域上で前記共振カンチレバービームを取り囲む光導波路を備えた半導体干渉光学ジャイロであって、加速力に相当するベクトルとおおよそ等しい軸を中心に回転運動を感知するように組み入れられているジャイロと
を有することを特徴とする、デバイス。
【請求項２】
回転力および加速力を感知するための方法であって、
共振カンチレバービームを取り囲む基板からフレキシブルに共振カンチレバービームを熱電的に共鳴させるステップと、
共振カンチレバービームの面外の加速力に関する信号を感知するステップと、
加速力に相当するベクトルとおおよそ等しい軸を中心に共振カンチレバービームの回転運動を感知するステップと
を有し、
前記回転運動を感知するステップが、前記共振カンチレバービームを取り囲む基板に組み入れられた光導波路を備えた半導体干渉光学ジャイロを使用することを有することを特徴とする方法。
【請求項３】
前記共振カンチレバービームを熱電的に共鳴させるステップが、ピエゾ抵抗器ドライバによって実行され、前記加速力に関する信号を感知するステップが、ピエゾ抵抗器センサによって実行されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権利
[0001]  本願明細書において記載されている本発明は、米国政府契約SC 00100000000145/USネイビーN00030-05-C-0007の下で、作業のパフォーマンスがなされた。米国政府は、本発明の一部に関する権利を有することができる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  振り子集積ジャイロ加速度計（PIGA）は、加速度を測定すると同時にだけでなく、速度の測定を生成する時間に対して、この加速を集積することができ、加速度計の一種である。PIGAのメイン使用は、航空機の案内および特に弾道ミサイル・ガイダンスのためのほとんど慣性航法装置（INS）にある。それは、広い加速範囲での動作に連動して、その極めて高い感度と精度を評価される。MEMS技術に基づいたシステムは、より低い性能要件のために魅力的であるけれどもPIGAはまだ、戦略的なグレードのミサイル誘導のための最高の道具と考えられている。
【０００３】
[0003]  しかし、PIGAは、多くの用途では、非最適にする重要なサイズおよび重量を有する。また、PIGAは高精度の機械加工耐性を必要としている機械式機構であり、このように製造するのに非常に高価である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004]  本発明は、同軸線形および回転力を同時に感知するための集積干渉ジャイロスコープと加速度計デバイスを提供する。典型的なデバイスは、基板、RCビームのためのキャビティを有するセンサ・パッケージ、ピエゾ抵抗器ドライバ、ピエゾ抵抗器センサおよび半導体干渉光学ジャイロの範囲内で共振しているカンチレバー（RC）ビームを含む。ピエゾ抵抗器ドライバおよびセンサは、RCビームの範囲内で組み込まれる。ドライバは、電熱的にRCビームを共鳴させる。センサは、RCビームの面外の加速力に関する信号をピエゾ抵抗的に感知する。半導体干渉光学ジャイロの導波管は、RCビーム周辺の基板に組み入れられる。（RCビームの面外の）加速ベクトルと同様である軸を中心に、ジャイロは回転運動を検知する。ジャイロはまた、レーザー源および光探知器を含む。RCビームは、半導体基板から形成される。ジャイロは、対応するRCビームの重心の中心（CG）点と同軸である螺旋形導波管を含む。各々の決定された中心点は、ｚ軸がそれぞれのRCビームを通過するポイントである。
【０００５】
[0005]  本発明の一態様では、半導体基板は単一のシリコン基板である。
[0006]  本発明の別の態様では、光源および光探知器（レーザーダイオード）は、基板の層の範囲内で形成されるＰＮ接合を含む。
【０００６】
[0007]  本発明の更に別の態様では、干渉光学ジャイロは、基板の上に形成されるインタフェース・エレクトロニクスを更に含む。
[0008]  本発明の更に別の態様では、デバイスは、センサ・パッケージで密封して封止されるセンサ・パッケージのふたを含む。
【０００７】
[0009]  本発明の好適な他の実施形態は、図面を参照して以下に詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0010]  図１は、本発明の実施形態に従って形成される典型的な装置の断面図である。
【図２】[0011]  図２は、図１に示される装置の上面図である。
【図３】[0012]  図３は、本発明の他の実施形態に従って形成される典型的な装置の断面図である。
【図４】[0013]  図４は、図３に示される装置の上面図である。
【図５】[0014]  図５は、本発明の実施形態に従って形成される３軸ジャイロ/加速度計システムの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0015]  本発明は３軸ジャイロスコープ／加速度計に組み合わせ可能である単一の半導体基板に統合されたジャイロおよび加速度計である。このように、一つの半導体基板は、同時に線形で回転力を検出する能力を有する。
【００１０】
[0016]  図1および2に示すように、例示的な集積ジャイロ加速度計装置20は、半導体干渉光ファイバ・ジャイロ（IFOG）26およびカンチレバー歪み抵抗ビーム21を含む半導体基板層32を含む。カンチレバー歪み抵抗ビーム21は、共振しているコンポーネント36を含む。カンチレバー歪み抵抗ビーム21は、電熱的にインプラントされたピエゾ抵抗器ドライバ36-1によって共振するようにされる。ビーム反響（すなわちｚ軸に沿った加速）の変化は、インプラントされたピエゾ抵抗器センサ36-2によって、ピエゾ抵抗に検出される。ピエゾ抵抗器インプラント（36-1、36-2）は、ピエゾ抵抗器電子コンポーネント36-3に電気的に連結する。ある実施形態では、ピエゾ抵抗器電子コンポーネント36-3はまた、カンチレバー歪み抵抗ビーム21に置かれる。
【００１１】
[0017]  ピエゾ抵抗器電子コンポーネント36-3は、ピエゾ抵抗器ドライバ36-1を駆動するための発振回路（図示せず）およびピエゾ抵抗器センサ36-2から信号を受け取るためのフィードバック回路（図示せず）を含む。ピエゾ抵抗器電子コンポーネント36-3は、表層の金属トレース（図示せず）を介してピエゾ抵抗器要素（36-1、36-2）に接続している。他の表層の金属トレース（図示せず）は、ピエゾ抵抗器電子コンポーネント36-3と一つ以上の基板ダイ・パッド（図示せず）を接続する。一つ以上の結合導線58は、基板ダイ・パッドおよびセンサ・パッケージ・リードフレーム（図示せず）に取り付けられる。
【００１２】
[0018]  ある実施形態では、共振片持ち（RC）ビーム21は、それが、マススプリング構成に基づいて共振することができるような厚さ/幅/長さを備えた半導体材料（例えば、シリコン、ガリウム砒素または同等な材料）から形成される。加速のための力は、RCビーム21の軸方向（ｚ軸）に作用する負荷に変わる。加速の大きさはRCビームの共鳴周波数の変化に関し、それはドライバ36-1に送信される信号の周波数に基づいて検出され、センサ36 2によって受け取られる。加速のベクトルコンポーネントは、RCビーム21に対して垂直である。直流電圧はピエゾ抵抗器ドライバ36-1に重畳された正弦波信号によって印加され、かくして、RCビーム21に偏向して、振動させるドライバ36-1の周期的な加熱および冷却を生じる。ピエゾ抵抗器センサ36-2は、RCビーム21の周波数の変化を検出する。RCビーム21の共振している周波数変化は、ｚ軸に沿って加速コンポーネントによって発生する負荷による。加速センサの分解能は、RCビームの材料/厚/幅/長の関数である。
【００１３】
[0019] RCビーム21は、以下の典型的な方法のうちの１つを使用して半導体基板32から作製される：
レーザカット；
プラスマ・エッチング;
機械加工水ジェット;  または
他の相当する方法（54-2参照）。
【００１４】
基板32は、共振しているキャビティ54-1を有するセンサ・パッケージベース22に取り付けられる。共振キャビティ54-1は、RCビーム21の下に位置し、ｚ軸に沿ってフレックスにRCビーム21を許容する。
【００１５】
[0020]  IFOG26は、加速度のベクトル（すなわち、z軸周り）の周りに巻き付くω回転成分と共振カンチレバーコンポーネント36を取り囲む基板32上に組み込まれている光導波路50-1を含む。光導波路50-1は、垂直にかXY平面に沿って螺旋のZ平面（図3および4の50-2を参照）の基板32に作られる。IFOG26はまた、光源（レーザダイオード）42、光検出器（フォトダイオード）44、IFOGインタフェース電子回路40（すなわち、集積光学チップ（IOC））を含む。光源（レーザダイオード）42と、光検出器（フォトダイオード）44は、半導体基板に形成された光導波路50-1と光学的に連通している。 光源（レーザダイオード）42と、光検出器（フォトダイオード）44、および/またはIFOGインタフェース電子回路40は、表面金属トレース（図示せず）を介して、ボンドワイヤ58と信号的に通信している。一つ以上結合導線58は、基板ダイ・パッド、および、センサ・パッケージ・リードフレーム（図示せず）に取り付けられる。周知のジャイロ原理に従って光導波路50-1の中心を通過する軸（ｚ軸）を中心に、IFOG 26は回転力を検出する。
【００１６】
[0021]  インプラントされたピエゾ抵抗器要素（36）を有する共振している片持ちビーム加速度計の実施形態は、米国特許第3,614,677号に開示され、リファレンスとして本願明細書に組み入れられる。
【００１７】
[0022]  半導体IFOG 26の実施形態は、2006年7月14日に出願の米国特許出願番号第2008/0013094号に開示され（現在は放棄されている）、リファレンスとして本願明細書に組み入れられる。
【００１８】
[0023]  例えば、共振ビームに配置された加速度計および半導体IFOGは、米国特許第7,929,143号に開示され、リファレンスとしてここに組み入れられる。
[0024]  基板32上のコンポーネントは、コンポーネントを保護するためのパッシベーション層（例えばガラス）によってカバーされることができる。コンポーネントは、基板32に配置されることができるかまたは基板32において作成されることができる。
【００１９】
[0025]  センサ・パッケージのふた23は密封して溶接を使用しているセンサ・パッケージ・ベース22に取り付けられ、次いで、RCビーム21をおおう。共振キャビティ54-1、および、センサパッケージベース22と気密封止カバー23との間に封入された空間は、真空を有し、および/または、不活性ガスを充填している。
【００２０】
[0026]  図5は、３-加速度計（3-ジャイロ・システム80）を例示する。システム80は、ベースに対して直交する関係で取り付けられた３個の集積ジャイロ加速度計82,84、および86を含む。各々の別々の集積したジャイロ加速度計82、84および86の製造の時間に、IFOG（すなわち、螺旋状導波路50-1の中心）の正確な中心位置は、決定される。螺旋導波路50-1の中心は、対応するRCビーム21の重心中心（CG）点と同軸である。各々の決定された中央点は、ｚ軸がそれぞれのビームを通過する位置である。図５に示すような装置80を形成するために結合している場合、それらの公知のｚ軸点は、ベースを中心に互いに関してジャイロ加速度計82、84、および86を適切に方向付け／取り付けるのに使用される。
【００２１】
[0027] 本発明の好ましい実施形態を例示し、上記したように記載されると共に、多くの変化は本発明の精神と範囲から逸脱することなくなされることができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されない。その代わり、あとに続く特許請求の範囲を参照して、本発明は完全に決定されなければならない。
【図５】
2014066700.tif 000003
【図１】
2014066700.tif 000004
【図２】
2014066700.tif 000005
【図３】
2014066700.tif 000006
【図４】
2014066700.tif 000007
【外国語明細書】
2014066700000001.pdf