(57)【要約】本発明は、共振器のための中央剛性支持体を有し、かつ埋込み検知およびアクチュエーションを備える、実質的に面内振動のための平面機械式共振器を含む慣性センサを開示する。共振器の面内振動を励起するため、共振器の内部に少なくとも１つの励起またはトルカ電極が配設され、励起された共振器の運動を検知するため、共振器の内部に少なくとも１つの検知またはピックオフ電極が配設される。１つの実施例では、平面共振器は、環状パターンの複数のスロットを含む。別の実施例では、平面機械式共振器は４つの質量体を含む。各々の実施例は、単純縮退対の面内振動モードを有する。
2005535889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性センサであって、
中央装着点を有する、実質的に面内振動のための平面機械式共振器と、
前記中央装着点における共振器用剛性支持体と、
前記共振器の面内振動を励起するための、前記平面機械式共振器の内部の少なくとも１つの励起電極と、
励起された前記共振器の運動を検知するための、前記共振器の内部の少なくとも１つの検知電極とを含む、慣性センサ。
【請求項２】
平面共振器の振動は、前記剛性支持体から実質的に分離される、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項３】
前記面内振動は、前記中央装着点の周りの実質的に径方向の運動を含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項４】
前記剛性支持体を支持するベースプレート、励起電極、および検知電極をさらに含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項５】
前記センサを製作するステップは、
前記ベースプレートをエッチングするステップと、
エッチングされた前記ベースプレートにウェハをボンディングするステップと、
前記ウェハをスルーエッチングして、共振器、励起要素、および検知要素を形成するステップとを含む、請求項４に記載の慣性センサ。
【請求項６】
スルーエッチングされた前記ウェハを所望の厚みに研削および研磨するステップをさらに含む、請求項５に記載の慣性センサ。
【請求項７】
前記ウェハをスルーエッチングするステップは、前記慣性センサ用のケース壁も形成する、請求項５に記載の慣性センサ。
【請求項８】
前記平面機械式共振器は複数のスロットを含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項９】
前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに環状パターンに配置される、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項１０】
前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに実質的に均一な径方向間隔取りで配置される、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項１１】
前記複数のスロットは対称パターンに配置される、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの励起電極は、前記複数のスロットのうち１つ以上の中に配設される、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの励起電極は、前記複数のスロットのうち１つ以上の内側スロットの中に配設される、請求項１２に記載の慣性センサ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの検知電極は、前記複数のスロットのうち１つ以上の中に配設される、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの検知電極は、前記複数のスロットのうちの１つ以上の外側スロットの中に配設される、請求項１４に記載の慣性センサ。
【請求項１６】
前記平面機械式共振器は４つの質量体を含み、その各々は面内振動モードの単純縮退対を有する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１７】
前記平面機械式共振器は、コリオリ検知のために前記４つの質量体の対称運動を発生する２つの縮退面内システムモードを有する、請求項１６に記載の慣性センサ。
【請求項１８】
前記共振器と同じウェハから形成された一体化ケース真空壁をさらに含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１９】
真空シールにより前記ケース壁にボンディングされた端キャップウェハをさらに含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項２０】
前記端キャップウェハは、前記慣性センサ用の読出電子機器を含む、請求項１９に記載の慣性センサ。
【請求項２１】
慣性センサを製作する方法であって、
中央装着点を有する、実質的に面内振動のための平面機械式共振器を設けるステップと、
前記中央装着点で前記共振器を支持するステップと、
前記共振器の面内振動を励起するため、前記共振器の内部に少なくとも１つの励起電極を設けるステップと、
励起された前記共振器の運動を検知するため、前記共振器の内部に少なくとも１つの検知電極を設けるステップとを含む、方法。
【請求項２２】
平面共振器の振動は、剛性支持体から実質的に分離される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
振動は、前記中央装着点の周りの実質的に面内の振動を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記剛性支持体を支持するベースプレート、励起電極、および検知電極をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記センサは、前記ベースプレートをエッチングするステップと、エッチングされた前記ベースプレートにウェハをボンディングするステップと、前記ウェハをスルーエッチングして、共振器、励起電極、および検知電極を形成するステップとによって製作される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
スルーエッチングされた前記ウェハを所望の厚みに研削および研磨するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ウェハをスルーエッチングするステップは、前記慣性センサ用のケース真空壁も形成する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記平面機械式共振器は複数のスロットを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに環状パターンに配置される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに実質的に均一な径方向間隔取りで配置される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記複数のスロットは対称パターンに配置される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの励起電極は、前記複数のスロットのうち１つ以上の中に配設される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの励起電極は、前記複数のスロットのうち１つ以上の内側スロットの中に配設される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの検知電極は、前記複数のスロットのうち１つ以上の中に配設される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの検知電極は、前記複数のスロットのうちの１つ以上の外側スロットの中に配設される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記平面機械式共振器は４つの質量体を含み、その各々は面内振動モードの単純縮退対を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３７】
前記平面機械式共振器は、コリオリ検知のために前記４つの質量体の対称運動を発生する２つの縮退面内システムモードを有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記共振器と同じウェハから形成された一体化ケース真空壁を設けるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３９】
真空シールにより前記ケース壁にボンディングされた端キャップウェハを設けるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４０】
前記端キャップウェハは、前記慣性センサ用の読出電子機器を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
慣性センサのための共振器であって、
複数の同心リングと、
前記同心リングを接続する交互配置セグメントとを含む、共振器。
【請求項４２】
前記同心リングは実質的に円形である、請求項４１に記載の共振器。
【請求項４３】
前記共振器は中央装着点で支持される、請求項４１に記載の共振器。
【請求項４４】
前記共振器は円周部において支持される、請求項４１に記載の共振器。
【請求項４５】
前記共振器は、励起されると実質的に面内振動を呈する、請求項４１に記載の共振器。
【請求項４６】
前記共振器は、
前記共振器の面内振動を励起するための、前記複数の同心リングおよび前記交互配置セグメント内部の少なくとも１つの励起電極と、
励起された共振器の運動を検知するための、前記複数の同心リングおよび前記交互配置セグメント内部の少なくとも１つの検知電極とを含む、請求項４１に記載の共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、以下の米国仮特許出願の利益を主張し、これらはすべて引用により援用される。
【０００２】
２００２年８月１２日に提出され、「一体化検知およびアクチュエーションを備えるシリンダジャイロスコープ」（“CYLINDER GYROSCOPE WITH INTEGRAL SENSING AND ACTUATION”）と題された、キリル・ブイ・シチェグロフ（Kirill V. Shcheglov）およびエイ・ドリアン・チャロナー（A. Dorian Challoner）による米国仮特許出願第６０／４０２,６８１号。
【０００３】
２００２年１１月２２日に提出され、「新規の高性能メゾジャイロの設計および作製プロセス」（“DESIGN AND FABRICATION PROCESS FOR A NOVEL HIGH PERFORMANCE MESOGYRO”）と題された、キリル・ブイ・シチェグロフおよびエイ・ドリアン・チャロナーによる米国仮特許出願第６０／４２８,４５１号。
【０００４】
本願は、以下の同時係属中の出願に関連し、これらはすべて引用により援用される。
【０００５】
２００１年８月１０日に提出され、「分離型共振器ジャイロスコープ」（“ISOLATED RESONATOR GYROSCOPE”）と題された、エイ・ドリアン・チャロナーによる米国特許出願第０９／９２８,２７９号。
【０００６】
２００３年２月２０日に提出され、「駆動および検知フレームを備える、分離型共振器ジャイロスコープ」（“ISOLATED RESONATOR GYROSCOPE WITH A DRIVE AND SENSE FRAME”）と題された、エイ・ドリアン・チャロナーおよびキリル・ブイ・シチェグロフによる米国特許出願第１０／３７０,９５３号（管理番号第０１−５８４号）。
【０００７】
２００３年４月２５日に提出され、「二次要素を用いた分離トリミングを備える、分離型共振器ジャイロスコープ」（“ISOLATED RESONATOR GYROSCOPE WITH ISOLATION TRIMMING USING A SECONDARY ELEMENT”）と題された、エイ・ドリアン・チャロナーおよびキリル・ブイ・シチェグロフによる米国特許出願第１０／４２３,４５９号（管理番号第０１−５８５号）。
【０００８】
２００３年４月１０日に提出され、「コンパクトな屈曲体を備える、分離型共振器ジャイロスコープ」（“ISOLATED RESONATOR GYROSCOPE WITH COMPACT FLEXURES”）と題された、エイ・ドリアン・チャロナーおよびキリル・ブイ・シチェグロフによる米国特許出願第１０／４１０,７４４号（管理番号第０１−５８６号）。
【０００９】
２００２年１１月１日に提出され、「集束イオンビームを用いたマイクロジャイロのチューニング」（“MICROGYRO TUNING USING FOCUSED ION BEAMS”）と題された、ランダル・エル・クベナ他（Randall L. Kubena et al.）による米国特許出願第１０／２８５,８８６号。
【００１０】
２００３年６月２５日に提出され、「集積された低電力デジタルジャイロ制御電子機器」（“INTEGRATED LOW POWER DIGITAL GYRO CONTROL ELECTRONICS”）と題された、ロバー・マクロスキ他（Rober M'Closkey et al.）による米国特許出願第１０／６０３,５５７号。
【００１１】
本願と同日付に提出され、「一体化共振器ジャイロスコープ」（“INTEGLAL RESONATOR
GYROSCOPE”）と題された、キリル・ブイ・シチェグロフ他による米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ,ＸＸＸ号。
【００１２】
この発明はジャイロスコープに関し、特に共振器マイクロジャイロスコープまたは慣性センサおよびその製造に関する。より特定的には、この発明は、分離型共振器慣性センサおよびマイクロジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【００１３】
機械式ジャイロスコープは、検知された内部移動プルーフ質量体の慣性反発に基づいて移動プラットフォームの方向を定めるのに用いられる。典型的な電気機械式ジャイロスコープは、支持式プルーフ質量体、ジャイロスコープケース、ピックオフまたはセンサ、トルカーまたはアクチュエータ、および読出電子機器を含む。慣性プルーフ質量体はジャイロスコープケースから内部で懸架され、ジャイロスコープケースは、プラットフォームに固定して装着されてプラットフォームの慣性運動を伝えるが、そうでない場合はプルーフ質量体を外部擾乱から分離する。プルーフ質量体の内部運動を検知するピックオフ、この運動を維持または調節するトルカー、およびプルーフ質量体に密に近接していなければならない読出電子機器は、内部でケースに装着される。ケースは、プラットフォーム電子機器および電源への電気的フィードスルー接続も与える。ケースは、ジャイロスコープを乗物のプラットフォームに取付け、かつこれと整列させるための標準的な機械インターフェイスも設ける。ジャイロスコープは、さまざまな形態で、航空機および宇宙船などの乗物用の極めて重要なセンサとしてしばしば用いられる。ナビゲーション、または自由物体の向きを自律的に定めることが必要な場合は常に、ジャイロスコープが一般的に有用である。
【００１４】
比較的大きなスピニング質量体を用いる従来のより古い機械式ジャイロスコープは、現在の基準では非常に重い機構であった。多数の最近の技術により、レーザジャイロスコープおよび光ファイバジャイロスコープなどの光学式ジャイロスコープと、機械式振動式ジャイロスコープとを含む新たな形態のジャイロスコープが生まれている。
【００１５】
宇宙船は一般的に、姿勢制御を補うのに慣性速度検知機器に依存している。現在これは、従来の高価なスピニング質量体ジャイロ（たとえば、ケアフォット（Kearfott）の慣性基準装置）、または従来通りに機械加工された振動式ジャイロスコープ（たとえば、リットン（Litton）の半球状共振器ジャイロスコープ慣性基準装置）によってしばしば行なわれる。しかしながら、これらの両者とも非常に高価であり、大きく、かつ重い。
【００１６】
さらに、先行の対称振動式ジャイロスコープがいくつか製作されたが、それらの振動性運動量はケースを通じて乗物のプラットフォームに直接に転送される。この転送または結合は、慣性速度入力と区別が付かない外部擾乱およびエネルギー損失を許し、それゆえ検知エラーおよびドリフトに繋がってしまう。そのような振動式ジャイロスコープの１つの例を、タン他（Tang et al.）に対する米国特許第５，８９４，０９０号に見出すことができる。これは、対称クローバー型振動式ジャイロスコープ設計を記載しており、引用により援用されている。その他の平面音叉ジャイロスコープは、ベースプレートから振動をある程度分離し得るが、しかしながら、これらのジャイロスコープはチューニングされた動作に望ましい振動性対称を欠いている。
【００１７】
さらに、半球状共振器ジャイロスコープおよび振動薄型リングジャイロスコープなどのシェルモードジャイロスコープは、いくらかの望ましい分離および振動性対称属性を有することが公知である。しかしながら、これらの設計は、薄い平面シリコン微細加工には好
適でなかったり、または微細加工に対しかなりの制限を有したりする。半球状共振器は、高感度静電センサおよび有効アクチュエータ用に、半球の広範な円筒型側面を用いる。しかしながら、その高いアスペクト比および３次元に湾曲した外形は、安価な薄い平面シリコン微細加工には不適当である。薄型リングジャイロスコープ（たとえば、米国特許第６，２８２，９５８号、引用により援用される）は、平面シリコン微細加工には好適であるが、デバイスの広範な平面区域を利用する静電センサおよびアクチュエータを欠いている。さらに、このジャイロスコープ用のケースは共振器プルーフ質量体と同じ材料ではないので、共振器プルーフ質量体に対するピックオフおよびトルカーの整列が温度とともに変化し、結果的にジャイロのドリフトが生じてしまう。
【００１８】
ケースまたはケース内部の共振器の低周波震動支持体を用いた振動分離も公知である（たとえば、米国特許第６，００９，７５１号、引用により援用される）。しかしながら、そのような分離の増大は、比例して重くなる震動質量体および／またはより低い支持周波数という犠牲により成り立つものである。加速条件下でのプルーフ質量体整列不良のために、コンパクトな戦術的慣性測定装置（ＩＭＵ）適用例にとってこのような効果は望ましくない。
【００１９】
さらに、以前のシリコンマイクロジャイロスコープ（たとえば、米国特許第５，８９４，０９０号）の規模は、ナビゲーションまたは位置指示（pointing）性能に合わせて最適化することができず、その結果、所望されるよりもノイズが高くなりかつドリフトが高くなってしまう。この問題は、０．１％の厚み精度に限定される臨界振動周波数を規定する薄いエピタキシャル成長シリコン屈曲部の面外曲げへの依存から生じる。その結果、デバイスのサイズは数ミリメートルに限定されてしまう。そのような設計は、振動性非対称または不均衡による高いドリフトと、熱機械ノイズを増大させるより低い質量およびセンサ電子機器ノイズによるレートエラー（rate errors）を増大させるより低いキャパシタンスのセンサ区域による高レートのノイズとを呈する。
【００２０】
非分離シリコンマイクロジャイロスコープの規模を大きくすることも問題である。なぜなら、外部エネルギー損失が増大する一方で、共振器Ｑが改善せず、かつケースセンシティブ（case-sensitive）ドリフトが減少しないからである。非常に低ノイズの位置指示またはナビゲーション性能には、３Ｄ製造精度が数オーダの大きさ分改善した、分離型ｃｍ規模共振器が必要である。
【００２１】
従来、水晶半球状またはシェルジャイロスコープなどの機械加工されたナビゲーショングレード共振器は、たとえば３０ｍｍという大きな規模で最適のノイズおよびドリフト性能と３Ｄ製造精度とを有するが、しかしながら、そのようなジャイロスコープは高価であり、かつ製造に時間がかかる。微細機械加工されたシリコン振動性ジャイロスコープは、より小さな規模で損失がより低くなりかつドリフト性能がより良好になるが、規模が小さくなるとピックオフノイズが増大し、機械的精度が低下する。したがって、従来のシリコン設計では、規模の縮小に限定が存在する。機械式共振器の従来のレーザトリミングは、ある程度製造精度をさらに改善することができる。しかしながら、このプロセスは、機械的ギャップが狭いマイクロジャイロスコープには好適でなく、かつ分解能が限定されてしまい、最終的なチューニングプロセスでより大きな静電バイアス調節が必要になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ナビゲーションおよび宇宙船ペイロードポインティング（payload pointing）の性能が大きく改善された小型ジャイロスコープに対する必要性が技術分野で存在する。シリコンの機械的損失がより低く、かつより低いジャイロドリフトのために３Ｄ機械的精度がより大きな、より小型で、より安価でかつより容易に製造される設計に規模拡大縮小できるそ
のようなジャイロスコープの必要性も存在する。二次元シリコン製造に適合しつつ、望ましい分離および振動対称属性を有するそのようなジャイロの必要性がさらに存在する。好ましくはシリコンである同じ材料から作られ、かつピックオフ、トルカーおよび読出電子機器が密に近接できるようにするジャイロスコープ共振器およびケースの必要性が存在する。最後に、小さな規模でのジャイロノイズをより低くするために、コンパクトな形態の検知および駆動要素用に十分な区域を設けるそのようなジャイロの必要性が存在する。以下に詳細に述べるように、本発明は、これらすべておよびその他の必要性も満たす。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
この発明の実施例は、中央の剛性の心棒に支持され、所望の共振器内部運動の測定のためにかなりより多くのセンシング（sensing）を組入れ可能な実質的に使用可能な内部共振器容積を有する背の低い中実の円筒形共振器またはディスクを利用することによって検知能力が実質的に増大した平面共振器を提供する。シェルまたはリングよりもむしろ、ディスクなどのこの平面的要素の使用の結果、付加的なセンサを装着するための大きな内部容積ならびに実質的な上面および底面区域が得られる。ディスクは、円筒形または半球状シェルと同様のコリオリ検知に有利なモードを提供する。
【００２４】
慣性センサ用のこの発明の典型的な共振器は、複数の同心リングと、同心リングを接続する交互配置セグメントとを含む。リングは典型的には円形であるが、その他の閉じた形状であってもよい。重要なのは、この共振器構造は、アクチュエーションおよび検知用の内部電極を備えていても備えていなくても使用可能であるということである。
【００２５】
この発明の典型的な実施例は、中央装着点と、中央装着点における共振器用の剛性支持体とを有する、実質的に面内振動のための平面機械式共振器を含む慣性センサを備える。共振器の面内振動を励起するため、共振器の内部に励起要素を配設し、かつ励起された共振器の内部運動を検知するため、共振器の内部に検知要素を配設する。１つの実施例では、平面共振器は、環状パターンの複数のスロットを含む。
【００２６】
この発明の１つの実施例では、ディスクを通して複数の同心の交互のセグメントまたはスロットを切込みまたはエッチングして共振器の面内硬さ（stiffness）を低減する。さらに、セグメント化されたまたはスロットを設けたディスクの、容量性検知（capacitive
sensing）に利用可能な区域も増大している。この構造の利点は、より大きな撓みを許し、かつ感度が増大していることを含む。これに代えて、ディスクの厚みにかかわらず一定の検知区域を設ける中実ディスクの上面および底面上に面内歪み計を置くことができる。しかしながら、この方策で製作した共振器は、セグメント化されたまたはスロットを設けた方策と比較して、面内硬さが増大している。
【００２７】
共振器は平面的であるので、好都合には、公知のウェハ製造技術によってその製造が容易になる。たとえば、支持シリコンベースプレート上の定位置にボンディングされるシリコンから共振器を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）することによって平面共振器を製作することができる。ボンディング前に電極支持柱および配線をエッチングし、ベースプレート上に堆積し得る。このようにエッチングプロセスを用いて、共振器と、共振器を囲む壁および端板を含むジャイロスコープケースの一部とともに、トルカー励起およびピックオフ検知電極を同時に製作することができる。読出電子機器および電極配線を備える第３のシリコンウェハも共振器にボンディングして、ジャイロスコープケースを完成することができる。
【００２８】
さらに、この発明のさらなる実施例では、平面共振器は４つの質量体を備えることができる。その各々は面内振動モードの単純縮退対（simple degenerate pair）を有し、かつそのすべてが中央で支持されている。平面機械式共振器は、コリオリ検知のために４つの
質量体の対称運動を発生する２つの縮退面内システムモードを備えて設計され得る。
【００２９】
ここで図面を参照するが、同一の参照番号は全体を通して対応部分を表わしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下の好ましい実施例の説明では、明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明を実践し得る特定の実施例を例示的に示す。他の実施例を利用してもよく、本発明の範囲から逸脱することなく構造的な変更を行なってもよいことを理解されたい。
【００３１】
１．０  概要
この発明の実施例は、一般的に、分離型平面振動式ジャイロスコープを記載する。一般的に、この発明の実施例は、埋込まれた検知およびアクチュエーションを用い、単一の中央ノーダル支持体（nodal support）を備える所望の軸対称共振器、一体型（および分散型）プルーフ質量体、総面積が大きな屈曲懸架広範容量性電極を有する、微細機械加工された平面シリコンジャイロスコープを設ける。有利には、この発明の共振器全体、埋込電極および一体化ケース壁は、単一のシリコンウェハから作製することができる。
【００３２】
シリコンリング共振器（たとえば、米国特許第６，２８２，９５８号）は、大面積内部容量性センサおよびアクチュエータを有しておらず、可撓性の支持ビームを必要とする。その他の水晶半球状共振器ジャイロスコープは立体的であるので、それらを微細機械加工することができず、埋込電極を有しない。ポスト質量体（post mass）タイプの共振器ジャイロスコープは、角度ゲイン（angular gain）が高く、大面積の検知要素を有し、したがって他の設計と比較して優れたノイズ性能を有するが、それらは単一の中央ノーダル支持体の最適化共振器分離特性を有しておらず、ディスクリートに（discretely）アセンブルされたポストプルーフ質量体をしばしば用いている。さらに、より優れた熱および振動性能に望ましい、この発明のように一体に作られかつ十分に差動的な（fully differential）埋込電極は、ディスクリートポストプルーフ質量体共振器ジャイロスコープまたは面外ジャイロスコープでは不可能である。
【００３３】
リングジャイロスコープに係る主な問題は、薄型リングのまわりの本質的に小さなセンサ区域と、支持ビームの可撓性または相互作用とである。３次元半球状ジャイロスコープは、大面積容量性検知のためにより背の高い側部を有するが、検知および励起のためのディスクリートな円周方向電極シリンダまたはカップのアセンブリを依然として必要とする。中央支持体および円周方向電極を備える背の高いシリンダもこの問題に直面する。中央支持体、ならびにディスクの上面または底面に装着される圧電および／または電磁ワイヤセンサおよびアクチュエータを備える背の低い中実シリンダまたはディスクは、小面積の非埋込センサの問題を解決する。しかしながら、この発明の好ましい実施例は、後述する例示的な実施例で図示される容量性検知およびアクチュエーションを備える、複数スロットを設けたディスク共振器である。
【００３４】
２．０  例示的な平面共振器ジャイロスコープ実施例
図１Ａは、この発明のジャイロスコープまたは慣性センサ実施例のための、分離型共振器の概略上面図である。ジャイロスコープは、剛性中央支持体１０６で支持され、かつ面内振動のために設計された唯一の平面共振器１００を含む。例示的な実施例では、共振器１００は、同心円周方向セグメント１０４Ａ−１０４Ｅから形成される、（一般的に１１６で参照される）多数のスロット、たとえば１１６Ａ−１１６Ｄを含むディスクを備える。円周方向セグメント１０４Ａ−１０４Ｅは、径方向セグメント１０２Ａ−１０２Ｅで支持される。共振器全体の直径は、性能要件に依存して異なり得る。たとえば、直径が１６ｍｍの共振器は、比較的高い機械加工精度および低ノイズを与え得る。共振器をさらに洗練させると、かなり低減されたコストで共振器の直径をわずか４ｍｍにできる。
【００３５】
図１Ｂは、ベースプレート１１２にアセンブルされた、本発明の例示的な分離型共振器１００の概略側面図を示す。中央支持体１０６はベースプレート１１２上に共振器１００を支持する。共振器１００の中のスロット１１６のうち少なくともいくつかは、同様にベースプレート１１２上に柱１１４上に支持される埋込電極１０８Ａ−１０８Ｄへのアクセスを与える。電極１０８Ａ−１０８Ｄは、共振器１００の円周方向セグメント１０４Ａ−１０４Ｅのうち少なくともいくつかとともに、容量性ギャップ１１０Ａ−１１０Ｈ（外側ギャップ１１０Ａ、１１０Ｃ、１１０Ｆおよび１１０Ｈ、ならびに内側ギャップ１１０Ｂ、１１０Ｄ、１１０Ｅおよび１１０Ｇ）を形成する。これらの電極１０８Ａ−１０８Ｄは、共振器１００の径方向励起と、共振器１００の検知運動とを与える。これを容易にするため、電極１０８Ａ−１０８Ｄの各々は、共振器の制御および検知を改善するように複数の別個の要素に分割される。たとえば、示されるような環状電極１０８Ｂは、２つ以上の要素に分割され得る。すなわち、外側ギャップ１１０Ｃを横切って作用する少なくとも１つと、内側ギャップ１１０Ｄを横切って作用する少なくとも１つである。電極１０８Ｂの場所で共振器１００に対してバイアスされた反応を発生するように要素を別個に励起することにより、共振器中に振動を誘導する。
【００３６】
一般的に、励起電極１０８Ｂ、１０８Ｃは、検知を改善するため、電極１０８Ａ、１０８Ｄ（すなわち、共振器１００の外側スロット内）よりも中央支持体１０６（すなわち、共振器１００の内部スロット内）により近く配設される。しかしながら、所望により励起および検知電極１０８Ａ−１０８Ｄの配置および分散を変更することができる。さらなる実施例では、付加的な電極も用いて、静電チューニングを行なう共振器１００をバイアスすることができる。そのようなバイアス電極は、励起および検知電極として複数の別個の要素を含むこともできる。
【００３７】
図１Ｃは、この発明の例示的な平面共振器１００のパターン１２０を図示する。このパターン１２０は、数多くの交互配置同心円周方向スロット１２２を用いる。スロットのうちいくつか、たとえば１２２Ａ−１２２Ｅは、複数の要素電極を収容するようにより幅が広い。たとえば、より幅広のスロット１２２Ａ、１２２Ｂの外側リングの２つは検知電極用であり、より幅広のスロットの内側リングの３つは駆動電極用である。残余のスロット１２２は、共振器１００を構造的にチューニングする（たとえば周波数を下げる）ように働くことができ、および／または動作中に共振器を能動的にバイアスするのに用いられるバイアス電極がスロットを占めてもよい。共振器およびモード軸（modal axes）１２４が示される。パターン１２０が対称であるので、共振器の動作がそれらを識別する。
【００３８】
例示的な共振器１００はディスクとして示されるが、内部検知およびアクチュエーションを用いる、この発明の原則が適用されるその他の平面的外形も可能である。さらに、共振器の完全な分離を与える単一の中央支持体１０６が望ましいが、しかしながら、１つ以上の付加的なまたは代替的な装着支持体を用いるその他の装着構成も可能である。たとえば、中央装着が望ましいが、この発明の他の実施例では、代替的に共振器を円周部に装着することができる。
【００３９】
上述の共振器１００で用いられるように、中央で支持される中実シリンダまたはディスクはコリオリ検知に好適な２つの縮退面内モードを有するが、しかしながら、周波数は非常に高く（１００ＫＨｚよりも大きい）、径方向キャパシタンス検知区域はシリンダの高さまたはディスクの厚みとともに減少する。しかしながら、図１Ａおよび図１Ｂに示される複数のスロットを設けたディスク共振器１００はこれらの問題を克服する。シリンダまたはディスクを通して複数の環状スロットをエッチングすることにより、２つの利点、すなわち、低周波数（５０ＫＨｚ未満）コリオリ検知に好適な２つの縮退モードと、大きな検知、バイアスおよび駆動キャパシタンスとがすぐに得られる。低周波数は、スロットが
提供する面内コンプライアンス（compliance）の増大に由来する。大きな検知、バイアスおよび駆動キャパシタンスは、共振器内に機械加工可能な多数のスロットの結果である。
【００４０】
図１Ｄは、図１Ｃの共振器の第１のモードのための電極動作を図示する。パターン１２０の共振器１００とともに動作する電極１２４が左側の図に示される。各々がパターンの円周のまわりに９０°の間隔をなす、電極１２４の４つのグループが用いられる。励起電極の対になった要素である正の励起要素１２６および負の励起要素１２８が駆動され、共振器１００を励起する。これらの対になった要素１２６、１２８は、外側位置の正要素１２６および内側位置の負要素１２８とスロットを共有する。示されるように、対のうちのいくつかは他の別の電極の対と共通のスロットを共有し、別個に動作可能な複数の電極が共通の共振器スロットを共有し得ることが図示されていることにも留意されたい。検知電極はより径が大きくなった位置に配設され、正の検知要素１３０および負の検知要素１３２を含む。これらはともに共振器１００の運動についての出力を与える。
【００４１】
スロット１１６と１２２との間の均一な径方向間隔取りを用いることができるが、コリオリ検知に好適な２つの縮退面内モードを維持するのであればその他の間隔取りを用いてもよい。さらに、さらなる実施例では、単一のビームセグメントが複数の平行なセグメントを含む複合セグメントにさらに分割されるように、セグメント１０４Ａ−１０４Ｅのうちいくつかまたはすべてにさらにスロットを設けることができる。そのような複合セグメントの選択的な使用により、共振器の周波数を調節するとともに、ドリフト性能に対する有害な熱弾性効果を排除することができる。というのも、共振器の動作中にセグメントに応力が加わるからである。一般的に、スロットを追加して円周方向複合セグメントを形成すれば共振器周波数が下がる。複数のスロットにより、機械加工エラーの影響も緩和される。そのような複合セグメントは好ましくは円周方向セグメント１０４Ａ−１０４Ｅに適用されるが、この技術を、径方向セグメント１０２Ａ−１０２Ｅまたは他の共振器パターンの他のセグメントを備える他の設計に適用することもできる。
【００４２】
述べられた面内設計を用いると、この発明の実施例はその他の面外ジャイロスコープに対して多くの利点を得る。たとえば、中央支持体結合部（bond）には振動性の負荷がかからないので、いかなる摩擦の可能性またはアンカー損失のばらつき（anchor loss variation）も排除される。さらに、スロットを介して共振器および電極の同時フォトリソグラフィ機械加工が達成される。さらに、直径方向での電極キャパシタンス（diametral electrode capacitances）を合計して、振動整流（vibration rectification）を排除することができ、軸方向振動はキャパシタンスを一次に（to a first order）変更しない。モードの対称性（modal symmetry）も、他の設計の場合のようにウェハの厚みではなく、フォトリソグラフィの対称性によって定まるところが大きい。（たとえば外側スロットからの）検知キャパシタンスおよび（たとえば内側スロットからの）駆動キャパシタンスの分離および最適化が達成される。この発明の実施例は、より小さなまたはより大きな直径およびより薄いまたはより厚いウェハへの外形的に拡大縮小可能な設計も達成する。さらに、機械加工の均一性および対称性のために、この発明の実施例を同じ幅のスロットで全体的に規定することができる。この発明の実現例は、周波数スプリッティングを発生するシリコン異方性も許容することができる。たとえば、＜１１１＞シリコンウェハおよび／または異なるスロット幅を用いることができる。
【００４３】
上述のように、熱緩和共振（thermal relaxation resonance）に近接する振動周波数による高い熱弾性減衰の結果、共振減衰時間が短くなり、ジャイロドリフトが高くなり得る。しかしながら、スロットの径方向間隔取りを調節して最適なビーム幅を規定することができ、かつ、振動するビーム幅をさらに低減するために、電極ギャップを規定するスロットの間に多数のスロットをさらにエッチングすることができる。
【００４４】
この発明のさらなる実施例では、図１Ａに図示されるものなどの互い違いに配置されたまたは交互配置された径方向スポークまたはセグメントを備える複数リングの構造を内部検知／アクチュエーションなしで用いることができる。この共振器構成は、米国特許第６，２８２，９５８号のリング共振器などの中央ハブからの「ワゴンホイール」スポークおよび単一のリングを用いる共振器と比較して、機械加工エラーの平均化、シリコンリングがより薄い場合のより高い固有振動数、より高いＱ（より低い熱弾性減衰）、およびより高い角度ゲインという利点を提供することができる。この共振器構造の有用性は、複数の薄型シリコンリングに中央ハブへの有用かつ丈夫な支持を与えることである。内部アクチュエーションおよび検知も用いる場合でも用いない場合でも、そのような共振器を用いることができる。さらに、中央装着点を用いることが望ましいが、代替的に、この共振器構造をその周辺（たとえばその円周）からまたは１つ以上のその他の装着点を用いて装着することが可能である。径方向セグメントを互い違いに配置するまたは交互配置することは、共振器の中心から周辺に向けてすべての径方向セグメントが直線を形成するとは限らないことを示す（いくつかはそうなるかもしれないが）。本明細書中で用いられるような「リング」という用語は、円形の形状を要件とするものではないことにも留意されたい。たとえば、図１Ａの共振器の同心「リング」を形成する円周方向セグメントは、実際には、多角形を形成する。円形のリングが望ましいが、いずれの閉じた形状も使用可能である。
【００４５】
３．０  分離型平面共振器モデル
図２Ａおよび図２Ｂは、この発明の例示的なスロット付きディスク平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデルを示す。図３Ａ−図３Ｊは、様々なモードでの例示的なシリンダ共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを図示する。これらの様々な中実シリンダ共振器モードは、中実円筒形共振器振動における径方向歪みパターンを図示し、図２Ａ−図２Ｂに示されたものなどのこの発明のセグメント化実施例の展開を補助する。
【００４６】
図４Ａおよび図４Ｂは、この発明の例示的なセグメント化平面共振器ジャイロスコープの別の有限要素モデルを示す。複数のスロットを設けるディスクコリオリ結合モードが示される。固定された中央支持体とともに、歪みの輪郭を白色で示す。この例では、図２Ａおよび図２Ｂのモデルよりも多くのセグメントを用いる。
【００４７】
４．０  分離型平面共振器ジャイロスコープの製作
図５Ａ−図５Ｃは、この発明の分離型共振器を製作するのに使用可能なマスクを図示する。図５Ａは複数のスロットを設けたディスク共振器作製パターン５００の上面図である。共振器パターンは、ベースプレート上の中央支持体にボンディングされる大きな中央区域５０２を含む。たとえば同心の環状電極５０４Ａ−５０４Ｆなどの埋込電極は、共振器の構造５０６（径方向および円周方向セグメント）を同時に規定する貫通エッチングプロセスによって規定される。図５Ｂは、複数のスロットを設けたディスクベースプレートパターン５０８の上面図であり、たとえば電極ボンディングパッド５１０Ａ−５１０Ｆおよび中央支持体ボンディングパッド５１２などのボンディングパッドを示す。図５Ｃは、ベースプレートにボンディングされる複数スロットを設けたディスク共振器の上面図である。整列を図示するため、電極ボンディングパッド５１０Ａ−５１０Ｆおよび中央支持体ボンディングパッド５１２は、それぞれ電極および共振器構造５０６を貫通するように示される。公知のシリコン製造プロセスを用いることができる。
【００４８】
中規模（１６ｍｍ）ジャイロスコープについては、たとえばシリコンの５００ミクロンウェハを円周方向スロットセグメントとともに貫通エッチングして、埋込静電センサおよびアクチュエータを備える平面円筒形共振器を規定することができる。貫通エッチングプロセスの間に、これらのスロット内に元の共振器シリコンから一体化容量性電極を形成することができる。これは、静止電極および中央共振器を支持する円周方向ボンディング柱
セグメントとともに特に準備されるベースシリコンウェハに機械加工されていない共振器ディスクをまずボンディングすることによって達成することができる。ウェットケミカルエッチングによって柱の高さを規定してもよく、ディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて共振器およびその電極をフォトリソグラフィックに機械加工する前に、ゴールドコンプレッション（gold compression）または金−シリコン共融ボンディングを用いて共振器を支持柱にボンディングすることができる。さらに、小規模（４ｍｍ）共振器については、１００ミクロン厚のシリコンウェハまたはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）またはエピタキシャルシリコン層が共振器ウェハに必要である。これに代えて、より厚みのあるウェハをベースプレートにボンディングしてこれを所望の厚みに研削および研磨することができる。共振器ボンディングの前にベースプレート上に密な配線を転写（photograph）し、これを従来の真空パッケージングでデバイスの外側でセラミック基板上の配線格子にワイヤボンディングしたり、または共振器にエッチングされた垂直方向ピンを介して読出電子機器ウェハに配線したりして、パッケージを必要としない完全一体化シリコンジャイロスコープを得ることができる。
【００４９】
図６Ａ−図６Ｃはこの発明の例示的な製造プロセスの様々な段階を示す。図６Ａは、共振器ジャイロスコープのベースプレートの順次の作製を示す。プロセスは、第１の図で示されるように、たとえば５００ミクロンシリコンウェハであるウェハ６００から始まる。ウェハ６００はまずエッチングされ、電極柱６０２および第２の図で示されるような単一の中央支持体などの中央共振器支持柱６０４を製作する。エッチングプロセスは、たとえばシリコン酸化物などのウェット酸化物を約１５００Åの厚みに成長させ、その後に技術分野で公知の（たとえば、ＡＺ５２１４レジストを用いるなど）標準的な技術による柱マスクリソグラフィを行なうステップを含み得る。この後に、（約５分から６分に対応する）約２０ミクロンの深さまでの、サーフィステクノロジーシステムズ（Surface Technology Systems）（ＳＴＳ）などのマスクのバッファード酸化物エッチ（buffered oxide etch）（ＢＯＥ）を行なう。次に、たとえばＯ2アッシングプロセスを用いてレジストを除去する。次に、約１０秒から２０秒の間ウェハ６００をＢＯＥディップし、自然酸化膜を除去する。この後、９０℃で約１分間の水酸化カリウム（ＫＯＨ）ディップを行なう。次にＨＦで酸化物を除去する。図６Ａの第３の図は、エッチングされたウェハ６００の上に配置される酸化物層６０６を示す。約１０５０℃で約３日間ウェット酸化物を成長させることにより、この層６０６を配置することができる。次に、たとえばＡＺ５７４０レジスト、約２時間のＢＯＥ酸化物エッチングを用いて酸化物層６０６をエッチングし、約５ミクロンの酸化物を貫通することができる。レジストを除去した後、次に、メタライゼーション層を塗布して、図６Ａの第４の図に示されるように、柱６０２、６０４の各々の上にボンディングパッド６０８、６１０をそれぞれ形成する。メタライゼーション層の塗布は、（たとえば２０秒間の２０００ＲＰＭでのＡＺ５２１４）マスクを堆積するマスクリソグラフィにより達成され得る。次に、たとえば、１００ÅのＴｉ、２００ÅのＰｔおよび３５００ÅのＡｕの金属を堆積し、マスクを持上げて、柱６０２、６０４の表面にのみ金属ボンディングパッド６０８、６１０を生じる。最後に、共振器ウェハとのボンディングの前に、プロセスされたウェハ６００をＯ2アッシングプロセスで完全に洗浄する。
【００５０】
ボンディングパッドを設けるためのメタライゼーション層の塗布は、デバイスの外側でセラミック上の配線格子にワイヤボンディングされる、ベースプレート上に転写される電極からの電気配線をパターニングするステップも含み得る。これに代えて、後述されるさらなる新規の実施例では、代替的に、共振器と同時に製作される一体化真空ハウジングの中で電気的配線を作製することができる。
【００５１】
図６Ｂはジャイロスコープ用の共振器ウェハの順次の作製を示す。第１の図は、共振器を形成するのに用いられる、たとえばシリコンからなる均一な厚みのウェハ６１２を示す。ウェハ６１２は、まず裏側をプロセスされ、レジストを塗布するマスクリソグラフィに
よってアライメントマークを製作することができる。アライメントマークは、浮き上がりがはっきりと見えるようになるまで（約５分から１０分間）ＣＦ4およびＯ2を用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスによって製作され得る。これに代えて、約１分間のＳＴＳプロセスを用いることもできる。レジストを除去した後、メタライゼーションリソグラフィを用いてマスクをウェハ６１２の表側に塗布し、ボンディングパッド６１４、６１６を製作する。たとえば、３０ÅのＣｒおよび３５００ÅのＡｕ、または１００ÅのＴｉ、２００ÅのＰｔおよび３５００ÅのＡｕなどの金属を塗布し、マスクを持上げてボンディングパッド６１４、６１６を露出する。
【００５２】
図６Ｃは、共振器とベースプレートウェハとの一体化およびジャイロスコープ用の機能的共振器の形成を示す。２つのウェハ６００、６１２を約１ミクロンに整列させた後、図６Ｃの第１の図に示されるように、前処理されたベースプレートウェハ６００と共振器ウェハ６１２とがともにボンディングされる。ボンディングは、金属ボンディングパッド（電極パッド６０８、６１０ならびに中央支持体ボンディングパッド６１４および６１６）を溶融して、一体にボンディング（single bonded）金属接合部６１８を形成し、ボンディングを約４００℃および５０００Ｎで行ない得る。次に、貫通エッチングにより、ボンディングされた構造から直接に、完成した共振器６３０および電極６３２Ａ、６３２Ｂ（一般的に６３２と参照される）が同時に形成される。貫通エッチングプロセスは、たとえば、約６ミクロンから８ミクロンの厚みのＡＺ５７４０マスクなどのフォトリソグラフィで規定されたマスクを用いて、好適なＳＴＳプロセスなどのディープリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて行なわれ得る。貫通エッチングのため、マスクをできるだけ薄く作ることができる。次に共振器ウェハ６１２をマスクパターンの上からエッチングし、元のウェハ６１２から共振器６３０および別個の電極６３２Ａ、６３２Ｂを同時に製作する。図５Ａ−図５Ｃも参照。貫通エッチングで単一の電極６３２を形成し、通路６２２、６２４を形成して、ボンディングされた接合６１８に取付けられる共振器ウェハ６１２のセクションを分離することができることに留意されたい。さらに、図１Ｂについて上で論じたように、電極を複数の別個の要素に分割することもできる。たとえば、付加的な通路６２６を貫通エッチングすることで、電極６３２を、分離された２つの電極要素６３２Ａ、６３２Ｂに分けることになる。この場合、通路６２６は、ボンディングされた金属接合６１８を貫通して別個の電極要素６３２Ａ、６３２Ｂを分離しなければならない。貫通エッチングプロセスの最後に、共振器６３０の構造は中央共振器支持体柱６０４でのみ支持される。
【００５３】
図６Ｄは、埋込電極６３２を露出するために４分の１が破断された例示的な共振器６３０を示す。共振器６３０とともにエッチングされ得るダストリング６３４も示される。ダストリングの中に断続的なギャップ６３６を作って電極６３２への金属トレースを収容し、ジャイロを動作させることができる。
【００５４】
本明細書中に提示される例示的な平面シリコン共振器ジャイロスコープ実施例の要素は、以前のジャイロスコープと同様の態様で従来の真空パッケージングおよびディスクリート電子機器を用いてアセンブリされ得る。シリコンジャイロベースプレートにボンディングされた内部セラミック基板配線を変更して、新しいおよび古い設計を既存のパッケージに一致させることができる。
【００５５】
図６Ｅは、典型的なパッケージングアセンブリにおける例示的なジャイロスコープを示す。金属トレース６３８は共振器６３０の電極６３２からのものである。断続的なギャップ６３６を備えるダストリング６３４は、ベースプレートウェハ６００上の金属トレース６３８が電極６３２へ通れるようにする。金属トレース６３８は、（真空シールを設ける）ベースプレートウェハ６００を通る垂直コネクトピン６４０に繋がっている。示される例示的な構成では、垂直コネクトピン６４０は方形のベースプレートウェハ６００の角に
配設される。真空キャビティ壁６４２はアセンブリ全体を取囲む。真空キャビティ壁６４２は、共振器６３０を覆いかつベースプレートウェハ６００にボンディングされる従来のハウジングの一部として適用され得る。これに代えて、後で論じられるさらなる実施例では、真空キャビティ壁６４２を共振器と同時に製作することができる。
【００５６】
図７は、この発明に従う共振器を製作する例示的な方法のフローチャートである。方法７００は、ステップ７０２で、中央装着点を有する、実質的に面内振動のための平面機械式共振器を設けるステップを含む。共振器は、ステップ７０４で中央装着点で支持される。ステップ７０６で、共振器の面内振動を励起するため、共振器の内部に少なくとも１つの励起電極が設けられる。最後にステップ７０８で、励起された共振器の運動を検知するため、共振器の内部に少なくとも１つの検知電極が設けられる。上述のように、さらなる実施例では、貫通エッチングにより励起および検知電極を設けるのと実質的に同時に、平面機械式共振器を設けかつ支持することができる。
【００５７】
熱および振動環境での十分な性能を達成するため、本明細書中に記載のすべて実施例のレーザまたは集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いる最終的な機械的トリミングをオプションで用いることができる。ジャイロスコープ共振器に適用されるそのようなＦＩＢチューニングは、２００２年１１月１日に提出された、クベナ他による米国出願番号第１０／２８５，８８６号に記載されており、これは引用により援用される。
【００５８】
５．０  代替的な分離型平面共振器ジャイロスコープ
実質的に面内の振動を発生する内部電極を備える同心の円周方向スロットを有する、例示的な中央支持平面共振器が上述される。しかしながら、述べられた原則および手順を用いるその他の平面共振器パターンも可能であることに注目することが重要である。
【００５９】
図８は、面内で振動する４つの質量体を備える、代替的な分離型平面共振器ジャイロスコープ実施例を図示する。この実施例では、共振器８００は、各々が支持フレーム８０４の別個の枠を占める、（一般的に８０２と参照される）４つのサブ共振器質量体要素８０２Ａ−８０２Ｄを含むプレートを備える。フレームは中央支持体８０６でベースプレート（図示せず）に取付けられる。各々のサブ共振器質量体要素８０２Ａ−８０２Ｄは、１つ以上の支持屈曲体８０８によってフレーム８０４に取付けられる。例示的な共振器８００では、各々が曲がりくねった線形状を有する４つの支持屈曲体８０８が各々の質量体要素８０２Ａ−８０２Ｄに取付けられる。すなわち、１つが要素８０２の４辺の各々に取付けられる。各々の支持屈曲体８０８の両端が質量体要素８０２の２つの角に取付けられ、かつその中間部が支持フレーム８０４の枠の隣接する側に取付けられる。各々の質量体要素８０２Ａ−８０２Ｄは、質量体要素８０２の中央の点から長さが長くなるようなパターンで配置される線状電極８１０（各電極が２つの要素を含む）の８つのグループを含む。各々のサブ共振器質量体要素８０２Ａ−８０２Ｄは、１対の単純縮退面内振動モードを有し、コリオリ検知に好適な、すべての４つの要素８０２Ａ−８０２Ｄの対称運動に係る２つの縮退面内システムモードを生じる。この実施例と図１Ａ−図１Ｂの実施例との間で構造がかなり異なるにもかかわらず、両者とも内部励起および検知電極を備える、実質的に面内振動のための平面機械式共振器を依然として利用していることに注目されたい。
【００６０】
図９Ａおよび図９Ｂは、面内で振動する４つの質量体のコリオリ検知モードのモデルを図示する。他の面外ジャイロスコープに対する、この代替的な面内設計実施例の重要な利点がいくつか存在する。たとえば、この実施例は、振動性の負荷を受けず、事実上いかなる可能な摩擦も排除する中央支持体８０６結合部を含む。さらに、スロットを介して、共振器および電極の同時フォトリソグラフィ機械加工を達成することができる。さらに、この実施例では、直径方向での電極キャパシタンスを合計して振動整流を排除し、軸方向振動はキャパシタンスを一次に変更しない。モードの対称性は、面外振動を用いるジャイロ
スコープの場合のようにウェハの厚みではなく、フォトリソグラフィ対称性によって定まるところが大きい。また、この実施例は、検知キャパシタンス（たとえば各要素の外側スロット）および駆動キャパシタンス（たとえば各要素の内側スロット）の分離および最適化を用い、かつより小さな／より大きな直径およびより薄い／より厚いウェハに外形的に拡大縮小可能な設計を提供する。この実施例も、機械加工均一性および対称性のために同じ幅のスロットによって全体的に規定され得る。最後に、この実施例では、４つの部分からなる対称がすべてのＳｉ結晶配向に適用され、理想的な角度ゲインが１に近づく。
【００６１】
配線は、上述のように、ベースプレートの上に転写され、かつデバイスの外でセラミック上の配線格子にワイヤボンディングされ得る。しかしながら、この代替的な実施例の実現例は、多数の電極および配線を必要とし得る。以下に論じるように、共振器と同時に製作される一体化真空ハウジングの中で、この実施例のための電気的配線も代替的に作製することができる。そのような実現例を以下に詳細に説明する。
【００６２】
周波数が非常に近い他のシステムモードの縮退対との潜在的な相互作用も存在する。しかしながら、結合されていなければこれらを無視することができる。さらに、中央支持体およびフレームコンプライアンス（frame compliance）を修正して、いずれの結合モードも周波数が離れるようにシフトさせることができる。
【００６３】
この実施例は、熱および振動環境での十分な性能を達成するため、すべての中規模ジャイロスコープ設計のレーザまたはＦＩＢを用いる最終的な機械的トリミングも用い得る。この技術は、クベナ他による、２００２年１１月１日に提出された米国出願第１０／２８５，８８６号に記載されており、これは引用により援用される。この発明のこの実施例で用いられる縮退モードの分離も、上述の実施例およびその他の面外ジャイロスコープ設計の場合のように、静電的にトリミングできることにも留意されたい。
【００６４】
この代替的な実施例も、従来の技術を用いてパッケージ可能である。しかしながら、後述するように、共振器も、共振器ベースプレート、ケース壁および読出電子機器が形成する新規な一体化真空ハウジングに一体化可能である。
【００６５】
６．０  一体化ケースおよび読出電子機器を備える、分離型平面共振器ジャイロスコープ
この発明のさらなる実施例では、共振器とともに作られる一体化真空ハウジングを含む新規なジャイロスコープにおいて、内部励起および検知電極を備える、分離型平面共振器を製作することができる。これらのさらなる実施例は、図６Ａから図７について上で詳細に説明された基本的製品および製造手順に基づいている。
【００６６】
図１０Ａは、共振器１００２および電極１００４とともに真空キャビティ壁１０００の作製を図示する。真空キャビティ壁１０００は、電極柱および中央共振器支持柱の周のまわりにベースプレート１００８上の連続的な低い壁１００６をまずエッチングすることによって製作される。次に、中央支持体および電極のボンディングパッドとともに、（ＳｉＯ2層の上に）低い壁１００６の上にボンディングライン１０１０（たとえばＡｕ）を製作する。共振器１００２は、ボンディングライン１０１０に溶融される対応のボンディングラインとともに準備される。次に真空キャビティ壁１０００は、共振器１００２および電極１００４とともに、共振器ウェハから貫通エッチングされる。真空キャビティ壁１０００の上面に別のボンディングライン１０１２（たとえばＡｕ）が製作される。
【００６７】
図１０Ｂは、共振器１００２を真空封止するのに用い得る端キャップウェハ１０１４の作製を図示する。図１０Ａのベースプレート１００８と同様に、端キャップウェハ１０１４は、連続した低い壁１０１６とともにエッチングされる。端キャップウェハ１０１４上
の酸化物層の上に、金属ボンディングライン１０１８（たとえばＡｕ）も製作される。
【００６８】
図１０Ｃは、真空キャビティ壁１０００を含むベースプレートへの端キャップウェハ１０１４の一体化を図示する。次に、真空キャビティ壁１０００のボンディングライン１０１０と端キャップウェハ１０１４のボンディングライン１０１８とが溶融され、真空シール１０２０を形成する。平面共振器とともに真空キャビティ壁１０００を作ることにより、別個のハードウェアパッケージング手順およびコストの必要性が排除される。さらなる実施例では、この発明のこの局面は、デバイスおよびパッケージングソリューションをさらに集積化する。
【００６９】
図１０Ｄは、端キャップウェハ上に設けられる励起、検知およびバイアス電極への給電部（electrical feedouts）を備えるさらなる実施例を図示する。電極柱１０２２を含むように端キャップウェハ１０１４がエッチングされる。ベースプレートウェハ６００上に形成される金属トレース６３０（たとえばＡｕ）を備える図６Ｅに示される実施例と同様に、（ボンディングライン１０１２とともに形成される）電極および（ボンディングライン１０１８とともに形成される）電極柱１０２２の上面の溶融ボンディングパッド１０２４に接続される端キャップウェハ１０１４上に、金属トレース１０２６が形成される。真空シール１０２０を通る通路を電気的に分離するため、少なくともシール１０２０を通る区域の金属トレース１０２６の上に、第２のＳｉＯ2層１０１６を塗布する。２つの電極のみへの電気的接続しか示されていないが、共振器１００２のその他またはすべての電極１００４をそのように接続し、端キャップウェハ１０１４の表面上にパターニングし、完成した真空キャビティ壁１０００を通すことができる。これに代えて、真空キャビティ壁１０００と共振器との間により多くの空間を設けて、ベースプレートウェハ６００を備える図６Ｅに示される構成と同様に、真空キャビティ壁１０００内の点から端キャップウェハ１０１４を通るように垂直コネクトピンを配置することができる。また、端キャップウェハ１０１４上の金属トレース１０２６に接続するように用いられる電極１００４を「垂直コネクトピン」と考えることもできる。なぜなら、ベースプレートウェハ１００８上の金属トレースを端キャップウェハ１０１４上の金属トレース１０２６に接続するのにこれら電極を用いることができるからである。
【００７０】
図１０Ｅは、端キャップウェハ１０１４がジャイロ用の制御電子機器１０２８を含むさらに別の実施例を図示する。たとえばＣＭＯＳ特定要素向け集積回路（ＡＳＩＣ）デバイスなどの制御電子機器１０２８を含む端キャップウェハ１０１４を製作することができる。端キャップウェハ１０１４に制御電子機器１０２８を適用することは、第１のＳｉＯ2層１０３０上に金属トレース１０３２（たとえばＡｌ）を塗布することを含む。金属トレース１０３２は、制御電子機器１０２８から、真空シールのためのボンディングライン１０３４の下を通り、電力ならびに制御および速度信号を制御電子機器１０２８へおよびそれから通信するコンタクトパッド１０３６に達する。これに代えて、端キャップウェハ１０１４を通る垂直コネクトピン（図示せず）を代わりに設けて、金属トレース１０３２を排除することができる。この場合、集積デバイスの上側にコンタクトを設ける。制御電子機器１０２８の金属トレース１０３２の上に第２のＳｉＯ2層１０３８を塗布して、ボンディングパッド１０４２を通して制御電子機器１０２８を励起、検知およびバイアス電極に結合する金属トレース１０４０の第２の層を分離する。
【００７１】
図１０Ｆは、制御電子機器１０２８を含む集積化端キャップウェハ１０１４を図示する。以前の実施例と同様に、ボンディングライン１０３４を溶融し、集積化デバイスの周のまわりに真空シール１０２０を形成する。同様に、ボンディングパッド１０４２を溶融して、さまざまな励起、検知およびバイアス電極１００４とする。
【００７２】
ＣＭＯＳ制御電子機器との比較的シームレスな後の集積化を可能にするデバイス設計の
特定的な特徴は、電極への接続がなされるベースプレートウェハからデバイスウェハ対の上面へ信号線をもってくる「垂直コネクトピン」の存在である。ボンディングプロセスの間に、端キャップウェハ上のフィードスルーラインにまたはＣＭＯＳ電子機器上の関連のメタライゼーションにピンを接続することができる。これらの電気的接続を行なうボンディングプロセスでは、ジャイロスコープ共振器を収容する真空封止キャビティも作られる。ボンディングは、真空気密封止および高品質な電気的接続を確実にするはんだリフロー（Ａｕ−Ｓｎなど）を用いて行なうことができる。
【００７３】
真空気密封止を確実にし、かつ電気的接続性および機械的一貫性を維持するには、デバイスウェハ対および端キャップウェハ／デバイス対ボンディング方法の適切な選択が重要である。特に、デバイスウェハ対は、Ａｕ熱圧縮またはＡｕ−Ｓｉ共融などのより高温のプロセスでボンディングされなければならず、一方で読出電子機器ウェハは、Ａｕ−ＳｎまたはＡｕ−Ｉｎなどのより低温のプロセスでボンディングされなければならない。これが行なわれるのは、読出電子機器ウェハボンディング段階の間の独立した電極の機械的一貫性を維持するためである。
【００７４】
平面共振器からベースプレートへのボンディングは強固なＡｕ／Ｓｉ共融結合によって達成可能であるので、融点が約３００℃であるはんだ封止リングアプローチを端キャップウェハから共振器ウェハへのボンディングに用いることができる。これにより、ジャイロは、必要に応じて約２００℃の高い温度環境で動作できるようになる。高いｇ環境での誘導容量性ばらつきを低減するため、シリコン平面共振器ウェハとベースプレート対とを、ＣＭＯＳ制御電子機器を内蔵するＳｉ読出電子機器ウェハに直接にボンディングすることができる。Ａｕ／Ｓｉ共融ボンディングを用いてジャイロ検知および制御電極をＳｉ読出電子機器ウェハ上の制御電子機器に直接に接続することにより、高いｇ負荷および熱ばらつきに対する全体的な強固さを高めることができる。さらに、ジャイロ構造が読出電子機器ウェハの一部を形成するので、電子機器集積およびウェハ真空封入を１つの作製ステップで達成する。
【００７５】
この発明の好ましい実施例の以上の説明は、図示および説明の目的のためになされた。網羅的であることまたは開示されたとおりの形態にこの発明を限定することを意図するものではない。上記教示に照らして多数の変形例および修正例が可能である。この発明の範囲は、詳細な説明によってではなくむしろ添付の請求項によって限定されることが意図される。上記明細書、例およびデータは、この発明の製造および使用の完全な説明を与える。この発明の範囲から逸脱することなくこの発明の多数の実施例をなし得るので、この発明は添付の請求項に属する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１Ａ】本発明の例示的な平面共振器ジャイロスコープの上面図である。
【図１Ｂ】本発明の例示的な平面共振器ジャイロスコープの側面図である。
【図１Ｃ】本発明の例示的な平面共振器のパターンを示す図である。
【図１Ｄ】例示的な共振器の第１のモードの電極動作を示す図である。
【図２Ａ】本発明の例示的なセグメント化平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデルを表わす図である。
【図２Ｂ】本発明の例示的なセグメント化平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデルを表わす図である。
【図３Ａ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｂ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｃ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｄ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｅ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｆ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｇ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｈ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｉ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図３Ｊ】様々なモードの例示的な中実平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを示す図である。
【図４Ａ】本発明の例示的なセグメント化平面共振器ジャイロスコープの別の有限要素モデルを示す図である。
【図４Ｂ】本発明の例示的なセグメント化平面共振器ジャイロスコープの別の有限要素モデルを示す図である。
【図５Ａ】この発明の分離型共振器を製作するのに使用可能なマスクを示す図である。
【図５Ｂ】この発明の分離型共振器を製作するのに使用可能なマスクを示す図である。
【図５Ｃ】この発明の分離型共振器を製作するのに使用可能なマスクを示す図である。
【図６Ａ】この発明の例示的な製造プロセスの様々な段階を示す図である。
【図６Ｂ】この発明の例示的な製造プロセスの様々な段階を示す図である。
【図６Ｃ】この発明の例示的な製造プロセスの様々な段階を示す図である。
【図６Ｄ】埋込電極を露出するように４分の１が破断された例示的な共振器を示す図である。
【図６Ｅ】端キャップ、読出電子機器がアセンブルされていない例示的なジャイロを示す図である。
【図７】この発明に従う共振器を製作する例示的な方法のフローチャートの図である。
【図８】面内で振動する４つの質量体を含む、代替的な分離型平面共振器ジャイロスコープ実施例を示す図である。
【図９Ａ】面内で振動する４つの質量体のコリオリ検知モードを示す図である。
【図９Ｂ】面内で振動する４つの質量体のコリオリ検知モードを示す図である。
【図１０Ａ】一体化真空キャビティ壁を含むベースプレートへの端キャップウェハの一体化を示す図である。
【図１０Ｂ】一体化真空キャビティ壁を含むベースプレートへの端キャップウェハの一体化を示す図である。
【図１０Ｃ】一体化真空キャビティ壁を含むベースプレートへの端キャップウェハの一体化を示す図である。
【図１０Ｄ】端キャップウェハの上に設けられた励起、検知およびバイアス電極への給電部を含むさらなる実施例を示す図である。
【図１０Ｅ】端キャップウェハがジャイロ用制御電子機器を含むさらに別の実施例を示す図である。
【図１０Ｆ】制御電子機器を含む集積化端キャップウェハを示す図である。
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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