(57)【要約】  振動する回転センサは、「ｚ軸」周りの回転を感知するために記述される。それは、構造的結合、及び２つのプルーフ・マスの基本的な反位相振動が機械的結合により実現されるような力学を有するチューニングフォークである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交するｘ、ｙ、ｚ軸を有し、ｚ軸周りの回転速度を検出するためのセンサであって、
基板と、
上記ｘ軸に関し対称で、複数の内部及び外部のアンカーポイントにより上記基板から懸架される全体質量と、を備え、
上記全体質量は、
上記ｘ軸及び上記ｙ軸に関して対称な、少なくとも２つのプルーフ・マスと、
各プルーフ・マスを囲み、かつ湾曲部によってそのプルーフ・マス及び外部のアンカーポイントに取り付けられる、駆動されるフレームと、
上記ｘ軸に沿って振動する各駆動されるフレームのための一対の駆動バンク及び第１の感知バンク対と、
上記ｙ軸に沿ったコリオリ運動を検出するための、各プルーフ・マスに取り付けられる第２の感知バンク対と、
それぞれ内部のアンカーポイントに中央で装着され、静止してｙ方向に配向され、及び上記ｚ軸に直交するｘｙ平面におけるアンカーポイントの周りに回転可能である、少なくとも２つの回転する硬いビームと、
上記ｙ軸に関して対称で、上記回転する硬いビームを上記フレームに接続し、及び複数の非回転の硬いビームと複数の湾曲部とを備え、コリオリにより引き起こされる、プルーフ・マスの上記ｙ軸に沿った反位相運動に帰着するように、反位相運動のみにおいて上記ｘ軸に沿って支配的にフレーム運動を可能にする、複数の内部フレーム支持部と、
を備えるセンサ。
【請求項２】
各駆動バンク及び各感知バンクは、容量性くしである、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
上記容量性くしは、相対的位置を決定するのに使用され、上記相対的位置は、感知された回転速度を決定するのに使用される、請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
上記回転する硬いビーム、非回転の硬いビーム、及びそれらに接続する湾曲部は、崩れるのを抑制された少なくとも一つのひし形を形成する、請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
上記回転する硬いビームは、ｘｙ平面にて矩形を形成する内部アンカーポイントを有する２対の回転する硬いビームを備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
上記回転する硬いビームは、ｙ軸における同じ線に沿って位置する２つの回転する硬いビームを備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
上記回転する硬いビームは、少なくとも３つの回転する硬いビームの組を２つ備え、各組は、ｘ軸における同じ線に沿ったアンカーポイントを有する、請求項１記載のセンサ。
【請求項８】
少なくとも一つの非回転の硬いビームは、上記非回転の硬いビームの曲げに対抗するガゼット板を含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
上記センサは、
ａ）深い反応性イオンエッチングと、
ｂ）表面マイクロマシニングと、
ｃ）バルクマイクロマシニングと、
からなるグループから選択される製造技術により製造される、請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
上記センサは、
ａ）単結晶シリコンウエハと、
ｂ）絶縁材上シリコンウエハと、
ｃ）エピタキシャルウエハと、
からなるグループから選択される材料を使用して製造される、請求項１記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「特有の力学によるＺ軸角速度センサー（Z-AXIS ANGULAR RATE SENSOR WITH UNIQUE DYNAMICS）」とタイトルをつけられて、２００３年９月２５日に出願された、仮出願６０／５０５，９９０に開示された発明を主張する。米国仮出願の３５ＵＳＣ§１１９（ｅ）下の利益は、ここに主張され、上記出願は、ここに参照として組込まれる。
本発明は、マイクロデバイス及び微細構造の分野に関する。より詳しくは、本発明は角速度センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）技術の進展によって可能になる、低コストで、信頼でき、高品質なジャイロスコープ回転速度センサの発展に相当な興味が持たれている。従来の軍事等級のジャイロスコープ製造技術は、大量及び低コスト製造に応じるものではない。ＭＥＭＳ技術は、微視的な電気機械システムを構築するために半導体製造技術を利用し、その結果、廉価な慣性感知システム用の製造モデルを提供する。様々な研究者は、多様な設計及び製造方法を使用して、ＭＥＭＳ振動速度ジャイロスコープ設計を追求した。かかる全ての設計は、やはり、米国特許２３０９８５３（Lyman  等）にて初めに具現化され、R.N. Arnold 及びL.M. Maunderによる「Gyrodynamics」（Academic Press,  １９６１年 §13.7, 369頁）等の原稿にて議論された、基本の振動回転力学原理から生じる。
【０００３】
速度センサーは、センサー・パッケージの軸と一般的に平行である、規定されたデカルト軸周りの回転速度を示す。「Ｚ軸」の術語は、プリント基板のような、パッケージ装着面に垂直な軸に沿ってセンシングすることをいい、また、「揺首」（yaw）速度センサーとして呼ばれる。また、この「Ｚ軸」は、ＭＥＭＳセンサーが作製されるシリコンウエハの面に一般的に垂直である。
【０００４】
古典的な結合振動子（coupled oscillators）は、ある応用例には好ましくなく、また、J.B. Marion 及びS.T. Thornton による「Classical Dynamics of Particles and Systems」（Harcourt 大学出版、第４版、§１２．２、４６０頁、１９９５）のような原稿で議論された、基本である、対称モードとともに「対称な」及び「非対称な」共振モードを有する。
【０００５】
その最も簡単な形式において、振動速度ジャイロスコープは、まず、直線軸に沿ってその共振周波数にてばね質量系を動かす。駆動力は、下記式１により与えられる。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
質量の位置及び速度は、下記式２〜式５によって記述される。
【０００８】
【数２】
2007519891.tif 000004
及び
【０００９】
【数３】
2007519891.tif 000005
ここで
【００１０】
【数４】
2007519891.tif 000006
及び
【００１１】
【数５】
2007519891.tif 000007
【００１２】
δｘは、ｘ軸に沿った共鳴変位振幅であり、ωｘはｘ軸に沿った共振周波数であり、Ｑｘはｘ軸に沿った共振器質係数であり、ｋｘはｘ軸に沿った直線バネ定数であり、ｍは質量である。この振動子が速度
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で、ある軸周りに回転するとき、回転座標系にてコリオリの力として見られるものは、下記式６にて与えられる。
【００１３】
【数６】
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【００１４】
2007519891.tif 000010
であり、式３にて得られる
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は、下記式７となる。
【００１５】
【数７】
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【００１６】
このコリオリの力は、振動する塊又はそれに含まれるバネ上質量（suspended mass）のｘ運動にｙ運動を重畳する。ｙ反動運動は、共振にて必然的ではなく、その位置は、下記式８から式１１により記述される。
【００１７】
【数８】
2007519891.tif 000013
ここで
【００１８】
【数９】
2007519891.tif 000014
及び
【００１９】
【数１０】
2007519891.tif 000015
【００２０】
【数１１】
2007519891.tif 000016
【００２１】
ωｙはｙ軸に沿った共振周波数であり、Ｑｙはｙ軸に沿った共振器質係数であり、及びｋｙはｙ軸に沿った直線バネ定数である。ｙ軸に沿ったコリオリ反動は、駆動されるｘ運動、ωｘと同じ時間変化にて式（９）及び式（１０）により得られる振幅及び位相を有する。駆動されるｘ運動に等しい、速度誘導（Ωｘ）されたコリオリ反動の時間変化にて、ｙコリオリ運動は、ＡＭラジオまたはロックイン増幅器と類似した復調技術を用いて、直線加速によるように、偽りの運動から区別可能である。この方法では、一般的に特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に含まれる電子制御は、角速度に比例した、フィルタをかけられた電子出力を生成するため、動的信号を検出し及び処理する。
【００２２】
実際的な速度感知デバイスに関し、前述の復調技術の加速を超えた偽りの加速を不感とすることは非常に重要である。先の段落で述べた速度検出の必要な装飾は、第１の質量による位相からπラジアンを除いて、同じ直線ｘ軸に沿って振動する第２の駆動される質量の使用である。その後、第２の質量は、第１の質量による位相から必然的にπラジアンを除いて、ｙ軸に沿ったコリオリの力に同様に作用する。その後、２つの質量のｙ運動は、形状において感知されることができ、それにより、同じ方向における両質量の同時の偏差は、加速によるように、共通モードとしてキャンセルされ、一方、対向するコリオリの偏差は、差別的に加えられる。駆動されるｘ振動、位相からのπラジアンを有する２つの質量は、「反位相」又は「非対称」な動作と呼ばれ、速度センサー分類は、一般に「音叉」と呼ばれる。
【００２３】
反位相運動は、十分な位相精度で行なわれなければならない。それは様々な技術によって達成することができ、それらの大部分は、システムの複雑さ、又は製造処理を増加させる。これらは、材料のアブレーションの方法による機械的な釣り合い、別個で調整可能な駆動信号位相を用いて、センサー電極及び電子フィードバックの方法による静電気周波数チューニング、並びに上記のものの組み合わせを用いることを含んでいる。
【００２４】
【特許文献１】米国特許２３０９８５３
【非特許文献１】「Gyrodynamics」（R.N. Arnold 及びL.M. Maunder著、Academic Press、１９６１年 §13.7, 369頁）
【非特許文献２】「Classical Dynamics of Particles and Systems」（J.B. Marion 及びS.T. Thornton 著、Harcourt 大学出版、第４版、§１２．２、４６０頁、１９９５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
従来技術におけるＭＥＭＳ速度センサーは、複雑なシステム制御、感知信号の精密な時間測定、熱的変化、及び常に存在する誤差信号に関する多数の技術的な挑戦を有する。したがって、個々のセンサーの最小のチューニング及び試験とともに、大量で廉価な生産に従順な製品用の技術が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、無視できる位相誤差を備えた基本の「音叉」反位相タイプ運動に帰着するユニークな構造の結合構成を備えた平面振動速度センサーである。基本の反位相運動の存在は、個々のセンサーの、周波数及び位相のシステム制御、製造公差、及び機械的チューニングの負担を緩和する。２つのリンクした質量がｘ軸面内に沿って振動し、基板が面外ｚ軸周りに回転するとき、質量は、コリオリの力により反応し、ｙ軸に沿って平面で振動する。ｙ反動は、反位相及び差動検出であり、復調は、ｙ運動から回転信号速度の抽出に帰着する。そこで加速度信号は、共通モードとして除去される。
【００２７】
本発明の速度センサーは、複数の対称なアンカー・ポイントによって懸架される全質量を含んでいる。２つのプルーフ・マス間のアンカーポイントは、湾曲部により硬いビームに接続される。ビームは、その後、湾曲部及び硬いビームを間に入れることにより対称な形態にて相互接続される。結局、この「内部」構造は、対称な湾曲部によって外部のプルーフ・マスに接続する。プルーフ・マスの一つが対称軸に沿って押し進められたとき、中にはさまれた複数の結合及び湾曲部は、反対の直線方向にて対称軸に沿って、第２のプルーフ・マスを移動させるように偏向する。複数の硬いビーム及び結合は、反位相が基本の振動モードになり、他のモードが快適なモード分離を備えたより高いオーダー（order）になることで証拠づけられるように、反位相振動に対する最小の抵抗及び他の運動に対する激しい抵抗を生成して、プルーフ・マス運動をきつく束縛する。
【００２８】
一つの実施形態では、プルーフ・マス間の２組の対称なアンカーポイントが実現される。偽りの加速への抵抗を増すために、駆動用の増加された質量を犠牲にして、対称なアンカーポイントの追加の組が任意に実現できるかもしれない。
【００２９】
それぞれのプルーフ・マスは、湾曲部により懸架された内部質量を有するフレームを含むのが好ましい。上記フレームは、フレームがコリオリの力に作用するのを防ぎ、それを反対側のプルーフ・マスに接続する、内部結合に硬い接続部を有するのが好ましい。しかしながら、フレームの内部質量及びサスペンションは、コリオリの力への所望の大きさに共振周波数が作用するように共振周波数を有するように、別個に調整することができる。
【００３０】
プルーフ・マスの作動は、静電性くしデバイスにより、ＭＥＭＳ装置にて達成されるのが好ましい。駆動される運動及びコリオリ速度運動の感知は、類似の静電性技術により達成されるのが好ましい。電子ＡＳＩＣは、速度に比例した出力電圧を供給するように、必要な駆動、感知、及び信号処理機能を提供する。あるいは、圧電又は磁気作動素子の使用は、本発明の思想に含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の速度センサーは、その２つの振れる質量の基本的な反位相運動を生じさせる、センサの機械的結合による限界の回転力学態様を満たす。このことは、望まない対称モードが基本である状態で「対称」及び「非対称」の共振モードを有する、振動器に連結された従来の力学と対照的である。
【００３２】
本発明では、反位相動作は、無視可能な位相エラーに帰着する独特な構造の結合構造により達成される。上記結合は、基本モードとして反位相運動を有することができる、小さな質量又はバネ不均衡に無感覚である機械的力学を要求する。構造の対称性は、強固な形態にて直線運動を生成する。他の振動モードは、快適なモード分離とともにより高いオーダーとなり得る。機械的な設計は、これらに限定されないが、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、サーフェイスマイクロマシニング、及びバルクマイクロマシニングを含む種々のＭＥＭＳ製造技術を使用して実現されるのが好ましい。又、デバイスは、これれらに限定されないが、単結晶シリコンウエハ、ＳＯＩウエハ、ポリシリコンウエハ、エピタキシャルウエハ、又はより大規模な従来の機械装置を含む種々の媒体上に製造されるのが好ましい。
【００３３】
図１を参照して、速度センサー１５０は、デバイスのｘ軸１に沿った、又、動かされる反位相運動の軸である対称軸を有する。解除構造は、基板へのアンカーポイント、構造に対し一般的に内側にある第１組４，５、及び構造に対し一般的に外側にある第２組６，７を有する。基板アンカーポイント間の湾曲部と硬いビームとの相互接続は、構造の基本の反位相運動を決める。
【００３４】
湾曲部８，９は、硬いビーム１０，１１がアンカーポイント４、５の周りに回転することを可能にする。湾曲部１２，１４は、硬いビーム１０を硬いビーム１６，１８に接続し、ビーム１０の回転運動をビーム１６，１８の運動に移す。ここで、ビーム１６，１８は、それらのｘ方向の配向を維持する。ｙ軸２の圧縮には抵抗するがｘ軸１の曲げには従う湾曲部８，１２，１４を相互接続することにより達成される、硬いビーム１０，１６，１８の運動は、アンカーポイント４に関して崩れるのを強いられるひし形を描く。対称的に、湾曲部１３，１５は、硬いビーム１１を硬いビーム１７，１９に接続し、同様に、アンカーポイント５に関して硬いビーム１１，１７，１９により形成されたひし形の運動が崩れるのを阻止する。硬いビーム１０，１１は、回転する硬いビームであるのが好ましく、一方、硬いビーム１６，１７，１８，１９は、非回転な硬いビームであるのが好ましい。４つの湾曲部８、９は、センサの平面において矩形を形成するけれども、故意に湾曲部をわずかに位置合わせ不良したものは、本発明の思想から外れるものではなく、センサの性能にわずかに影響するのみである。
【００３５】
２つのひし形１０，１６，１８，及び１１，１７，１９がｚ軸３周りの反対の検知にて崩れたとき、ポイント２０，２１は、ｘ軸１に沿って同方向に平行移動し、しかしｙ軸２に沿って対称的に反対方向には移動しない。ビーム１６，１７をフレーム２９に接続する湾曲部２４，２５は、圧縮に対抗し、かつアンカーポイント６に接続される湾曲部３０，３１の曲げに伴いｘ軸１に沿ってフレーム２９を平行移動させる。湾曲部２４，２５は、さらに、対称的に対向する曲げが正味のｙ軸２の運動をフレーム２９に分け与えない状態で、ポイント２０，２１の運動によりｙ軸２に沿って対称的に反対方向に素直に曲がる。その後、フレーム２９は、ｘ軸１に沿って、独特に直線運動を描く。
【００３６】
同様に、２つのひし形１０，１６，１８，及び１１，１７，１９がｚ軸３周りの反対の検知にて崩れたとき、ポイント２２，２３は、ｘ軸１に沿って同方向に平行移動し、しかしｙ軸２に沿って対称的に反対方向には移動しない。ビーム１８，１９をフレーム２８に接続する湾曲部２６，２７は、圧縮に対抗し、かつアンカーポイント６に接続される湾曲部３０，３１の曲げに伴いｘ軸１に沿ってフレーム２８を平行移動させる。湾曲部２６，２７は、さらに、対称的に対向する曲げが正味のｙ軸２の運動をフレーム２８に分け与えない状態で、ポイント２２，２３の運動によりｙ軸２に沿って対称的に反対方向に素直に曲がる。その後、フレーム２８は、ｘ軸１に沿って、独特に直線運動を描く。
【００３７】
２つのひし形１０，１６，１８及び１１，１７，１９がｚ軸３周りの反対の検知にて崩れたとき、ｘ軸１に沿ったフレーム２８，２９の直線移動となり、フレーム２８，２９は、ｘ軸１に沿って正確に反対方向に移動し、それにより、基本的に抑制されたｘ軸１に沿った反位相運動を確立する。フレーム２８，２９の反位相運動は、容量くしデバイス３２，３３により静電気的に駆動されることができる。ここで、駆動バンク３２は、フレーム２８，２９を互いの方へ引っ張り、駆動バンク３３は、フレーム２８，２９を互いに離れる方へ引っ張る。第１感知電極組１１０，１１１は、駆動される運動振幅の電子モニタリングにおける使用に関して、フレーム２８，２９の駆動される運動を容量的に感知する。電圧は、バンク３２，３３に、機械的な共振周波数にて交互に印加される。好ましくはπラジアン位相がずれた矩形波がそれぞれに印加される。
【００３８】
フレーム２８，２９内に、プルーフ・マス３４，３５が、図１にて折りたたまれたバネとして示される、湾曲部３６，３７により懸架される。上記湾曲部は、ｘ軸１に沿って圧縮に対抗するが、ｙ軸２に沿って素直に曲がる。プルーフ・マス３４，３５は、フレーム２８，２９とともに、ｘ軸１に沿って反位相運動を行う。ｚ軸３周りのデバイス全体の回転により、プルーフ・マス３４，３５に、ｙ軸２に沿ってコリオリの力が作用する。しかし、上述の式３及び式８にて述べられるように、ｘ軸１に沿ったそれらの反位相運動により、それぞれに関し反対方向に作用する。ここで、上記式において、プルーフ・マス３４，３５に関しサイン項間でπラジアンの位相差がある。フレーム２８，２９は、同様に、ｙ軸２に沿って反位相のコリオリの力を経験するであろう。しかし、湾曲部２４，２５、２６，２７のバネ定数は、湾曲部３６，３７のバネ定数よりもより硬くなるように調整されることができ、その結果、プルーフ・マス３４，３５に比べてフレーム２８，２９のｙ軸運動は小さくなる。
【００３９】
コリオリに引き起こされたプルーフ・マス３４，３５のｙ軸に沿った反位相運動は、第２感知容量くし組３８，３９により、静電的に感知されることができる。容量くしバンク３８，３９は、同じ位相におけるプルーフ・マス３４，３５のｙ軸２に沿った運動がくしバンク３８，３９間の共通モードとして感知される。しかし、反位相におけるｙ軸２に沿ったプルーフ・マス３４，３５の運動は、くしバンク３８，３９間で異なって感知され、ＡＳＩＣにより速度信号に変換される。プルーフ・マスの運動はフレームの運動に関連して感知されることから、コリオリの力への反応におけるフレーム２８，２９の、小さいｙ軸２の運動は、プルーフ・マス３４，３５の感知された運動を減少する。そのような、コリオリに引き起こされたｙ軸２のフレーム２８，２９の運動は、コリオリに引き起こされたプルーフ・マス３４，３５の運動に比較して、一般的に無視可能であろう。
【００４０】
図２Ａから図２Ｃは、連続する振動サイクル内で一連の３つの位相として、センサ結合及びプルーフ・マスの上述の駆動される反位相運動を示している。図２Ａにおいて、１０，１６，１８にて形成されたひし形は、反時計回りに崩れ、１１，１７，１９にて形成されたひし形は、時計回りに崩れ、その結果、プルーフ・マス３４，３５は、中央から離れ、ｘ軸１に沿って平行移動する。図２Ｂは、湾曲していない状態におけるデバイスを示す。図２Ｃでは、１０，１６，１８にて形成されたひし形は、時計回りに崩れ、１１，１７，１９にて形成されたひし形は、反時計回りに崩れ、その結果、プルーフ・マス３４，３５は、中央の方へｘ軸１に沿って平行移動する。
【００４１】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の別の実施形態を示す。図３Ａ及び図３Ｂにて符号が付いていない構成部分は、図１にて符号が付され説明した構成部分と同じである。図３Ａでは、一つの基板アンカーだけが、センサ４０の内部領域にてｘ軸１に対称にて、上部４１と下部４２との両方で実現される。湾曲部５３，５４は、硬いビーム４５，４９をアンカーポイント４１，４２の周りにそれぞれ回転可能にする。硬いビーム４５は、湾曲部４４によって硬いビーム４３に接続され、湾曲部４６によって硬いビーム４７に接続される。硬いビーム４９は、湾曲部４８によって硬いビーム５０に接続され、硬いビーム４９は、湾曲部５１によって硬いビーム５２に接続される。この実施形態では、対称のｘ軸１の上、下両方の２以上の内部アンカーにより、剛性及び安定性がより少ない。しかしながら、この配置は、駆動するのにより少ない質量でよく、ウエハチップ当たりより少ない面積ですむ。
【００４２】
図３Ａの実施形態の反位相運動は、図１及び図２の実施形態の方法のように達成される。くしデバイス３２，３３は、フレーム２８，２９及びプルーフ・マス３４，３５を交互に引っ張り、並びに内部結合４１〜５４は、対称のｘ軸１に沿って振動を本質的に反位相にさせる。
【００４３】
図３Ｂでは、センサ６０の内部領域にて対称のｘ軸１の上部６１及び下部６２の両方で、３つの基板アンカーが実現される。湾曲部７５、７６は、硬いビーム６８、７１がアンカーポイント６１，６２の周りにそれぞれ回転するのを可能にする。硬いビーム６８は、湾曲部６６によって硬いビーム６５に接続され、硬いビーム６８は、湾曲部６９によって硬いビーム６７に接続される。硬いビーム７１は、湾曲部７０により硬いビーム７４に接続され、かつ湾曲部７３により硬いビーム７２に接続される。この実施形態では、対称のｘ軸１の上、下の両方で２以下の内部アンカーによって、より剛性及び安定性が増す。しかしながら、この配置は、駆動するのにより多くの質量を要し、かつウエハチップ当たりより多くの領域を占有する。そのような内部基板アンカーの追加は、対称のｘ軸１の上、下の両方にいずれの数へも広げることができるが、しかし、安定性をさらに増すことは、駆動するためのより大きい質量及びウエハチップ当たりのより大きい領域における直線的な増加を犠牲にして迅速に減少する。
【００４４】
図３Ｂの実施形態の反位相運動は、図１及び図２の実施形態のような方法において達成される。くしデバイス３２、３３は、フレーム２８、２９及びプルーフ・マス３４，３５を交互に引っ張り、内部結合６１，６２、６５〜７６は、対称のｘ軸１に沿って振動を本質的に反位相にさせる。
【００４５】
本発明の速度センサーは、既知の技術の多くの製造方法のうちのいずれによっても製造することができる。本発明の角速度センサー用の好ましい１つの製造手順は、本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考として編入される米国特許６２３９４７３（Adams 等）及び６３４２４３０（Adams 等）に記載されるシリコン・マイクロメカニカル製造プロセスを利用する。そのプロセスは、速度センサの分離部分を機械的に接続し電気的に絶縁することを提供し不可欠な電気的な絶縁セグメントを有する、背が高く薄いシリコンのビームのトラス加工構造の速度センサに帰着する。
【００４６】
この製造プロセスは、米国特許６２３９４７３に詳しく述べられ、かつ図４Ａ〜図４Ｈに示される。図４Ａに示される第１ステップでは、製造プロセスは、従来の技術９１にてパターン化された誘電層９２を有し、好ましくはシリコンで作られるウエハ９３、又は基板にて始まる。ステップ２（図４Ｂ）において、ウエハ９３は、分離トレンチ９４を作製するためにエッチングされる。ステップ３（図４Ｃ）では、上記トレンチは、誘電層９６で満たされる。ステップ４（図４Ｄ）では、誘電層９６及び充填されたトレンチ９５は、不可欠な電気的に分離した誘電性セグメントに滑らかな誘電体表面９７を設けるために平面化される。ステップ５（図４Ｅ）では、誘電体９７内にビア９８がパターン化され、電気的接続のためにシリコン９３の表面を露出するようにエッチングされる。ステップ６（図４Ｆ）では、金属層９９が誘電層９７上に堆積され、シリコン表面１００でビア９８を介して接続がなされる。ステップ７（図４Ｇ）では、金属９９、好ましくはアルミニウムが、別の電極引き回し構成を作成するためにパターン化１０１される。ステップ８（図４Ｈ）では、好ましくはシリコンで作られたビーム１０２は、マイクロメカニカル・エレメント用の自由な静止した片持ち梁（free standing cantilevers）を設けるために、パターン化され、エッチングされ、不動態化され、切断（released）される。ＭＥＭＳ構造の全ては、例えば、硬いビーム及び／又は湾曲部を作製するため、異なる構造にて共にトラスで支えられる同一のビルディングブロック・ビームで作製されるのが好ましい。
【００４７】
そのプロセスは、速度センサーを機能させ、高性能レベルにて動作させるいくつかの独特な長所を提供する。高アスペクト、単結晶シリコン・ビームは、速度センサが、従来のマイクロマシニング基準による大きさのミリメートル・スケール直径を超えるトラス加工物として作製されることを可能にする。トラス加工物の種々の結合構造は、硬いより大きなビーム又は薄い湾曲部を生み出すために実現することができる。このことは、高感度及び高分解能に帰着する、速度センサーが大きな慣性質量を得ることを可能にする。金属の導電層がビーム構造の上部にのみ存在し、それにより、くし駆動及び感知用に要求されるような複数の構造の接続を提供する。分離セグメントは、シリコン・ビームに組み入れられ、寄生容量を減少し、速度センサーの異なる機能を電気的に分断する。容量性のくし動作又は感知動作が要求される領域において、金属層は、コンデンサー板として作用するビームシリコンコアに接続する。このことは、分離セグメントがシリコンビームから基板シリコンまでの導電通路を遮ることから、可能にされる。最後に、速度センサーの異なった能動的な部分を扱うために電気的経路が互いに交差することを要求される領域では、上部導電金属層と、下にあるシリコンへの接点とを使用して、複数レベルの導電通路が可能である。よって、そのプロセスは、速度センサーに必要とされる各機能性を可能とし、標準のシリコン基板での高い製造可能な環境にてそれらを実行する。
【００４８】
図５は、図１の速度センサ１５０の等角投影図を示し、限定されたビーム及び湾曲部の幅及び高さにて、切断されたシリコンＭＥＭＳデバイスがどのように現れることができるかを示している。幅と高さとの特定のアスペクト比は、製作技術及びモード調整に依存して変わる。例えば、本発明のデバイスが、式５及び式１１にて、ωｙ−ωｘ＝２π＊５００Ｈｚ（非ｘ−ｙ共振動作）と規定されるような周波数分離を有し、及び、式４にてδｘ＝１０μｍと規定されるようなｘ軸に沿った駆動振幅を有するように製造されたならば、Ωｚ＝１００°／Ｓの入力回転速度に関して式９にて規定されるようなｙ軸に沿ったコリオリ変位は、プルーフ・マスに関して５．４ｎｍとなるであろう。
【００４９】
図６は、増加した安定性を備えた本発明の実施形態を示す。ここで、速度センサ２００は、振動中におけるビーム２１６，２１７及びフレーム２２８，２２９の不要な動的曲がりを減じるため、硬いビーム２２０，２２１、湾曲部２２２，２２３，２２４，２２５、及びガゼット板２０１によってさらに連結された硬いビーム２１６，２１７，２１８，２１９を有する。
【００５０】
従って、ここに記載された本発明の実施形態は、本発明の原理の応用の単なる例示であるということが理解されるべきである。図示された実施形態の細部への、ここでの参照は、それら自身が本発明に不可欠なものと見なす特徴を引用する請求項の範囲を制限するようには意図されない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の角速度センサーの一つの実施形態の模式図を示す。
【図２Ａ】本発明の角速度センサーの動作の第１段階を示し、ここで、プルーフ・マスは、中央から離れｘ軸に沿って平行移動する。
【図２Ｂ】本発明の角速度センサーの動作の第２段階を示し、ここで、センサは、曲がっていない状態である。
【図２Ｃ】本発明の角速度センサーの動作の第３段階を示し、ここで、プルーフ・マスは、中央の方へｘ軸に沿って平行移動する。
【図３Ａ】本発明の他の実施形態を示し、ここで、一対のみの基板アンカーがセンサの内部領域にて実現されている。
【図３Ｂ】本発明の他の実施形態を示し、ここで、３組の基板アンカーがセンサの内部領域にて実現されている。
【図４Ａ】本発明に関する好ましい製作手順の第１ステップを示す。
【図４Ｂ】本発明に関する好ましい製作手順の第２ステップを示す。
【図４Ｃ】本発明に関する好ましい製作手順の第３ステップを示す。
【図４Ｄ】本発明に関する好ましい製作手順の第４ステップを示す。
【図４Ｅ】本発明に関する好ましい製作手順の第５ステップを示す。
【図４Ｆ】本発明に関する好ましい製作手順の第６ステップを示す。
【図４Ｇ】本発明に関する好ましい製作手順の第７ステップを示す。
【図４Ｈ】本発明に関する好ましい製作手順の第８ステップを示す。
【図５】本発明の実施形態の投影図を示す。
【図６】追加の支持ビームを有する本発明の好ましい実施形態の模式図であり、エレメントの所望の硬さを増すために補強板を設けた図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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