(57)【要約】  Ｘ−Ｙ面内に横方向に配置され、フレーム（３４）に間接的に連結されている２つの質量（２２，２４）を有する角速度センサ。２つの質量（２２，２４）は、これらの質量が、Ｚ方向に沿って必ず反対方向に移動するように、リンク装置（２８，５６，５８）により連結されている。Ｙ軸を中心にするセンサの角速度は、２つの質量（２２，２４）をＺ方向に反対位相で振動させ、それによりフレーム（３４）に加わる角振動の振幅を測定することにより感知することができる。好ましい実施形態では、角速度センサは、バルクＭＥＭＳジャイロスコープ・ウェハ（２０）、キャップ・ウェハ（４２）および基準ウェハ（４４）から製造される。他の好ましい実施形態では、ウェハのこのアセンブリは、質量（２２，２４）と周囲環境との間に密封バリアを形成する。
2007509346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ面の角速度を測定するためのセンサであって、前記センサが、
ａ）感知サブアセンブリであって、
ｉ）前記面に平行なほぼ平らなフレームと、
ｉｉ）前記面内に配置されている第１の質量と、
ｉｉｉ）前記第１の質量に対して横向きに前記面内に配置されている第２の質量と、
ｉｖ）前記フレーム内に位置し、前記フレームに連結されているリンク装置であって、前記リンク装置は、前記第１の質量および前記第２の質量に連結され、前記リンク装置は、前記第１および第２の質量が、前記面に垂直に反対方向に移動するのを制限するリンク装置とを備える感知サブアセンブリと、
ｂ）前記サブアセンブリの第１の部分を駆動周波数で振動させるためのアクチュエータと、
ｃ）前記角速度により前記サブアセンブリの第２の部分の運動を感知するためのトランスジューサとを備えるセンサ。
【請求項２】
前記アクチュエータが、静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータおよび熱アクチュエータからなるグループから選択される請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記トランスジューサが、容量性センサ、電磁センサ、圧電センサ、およびピエゾ抵抗センサからなるグループから選択される請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記サブアセンブリの前記第１の部分が前記リンク装置であり、前記サブアセンブリの前記第２の部分が前記フレームである請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記アクチュエータが、前記リンク装置に連結されている静電アクチュエータを備え、前記トランスジューサが、前記フレームに連結されている容量性センサを備える請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記サブアセンブリの前記第１の部分が前記フレームであり、前記サブアセンブリの前記第２の部分が前記リンク装置である請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記アクチュエータが、前記フレームに連結された静電アクチュエータを備え、前記トランスジューサが、前記リンク装置に連結された容量性センサを備える請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記フレームの運動が、前記センサ面に垂直な軸を中心とする回転にほぼ制約される請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記フレームがほぼ円形である請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記フレームがほぼ矩形である請求項１に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記第１および第２の質量の運動が、前記フレームに対して前記センサ面にほぼ垂直な方向だけに制限される請求項１に記載のセンサ。
【請求項１２】
空気抵抗を低減するために、前記質量のうちの少なくとも一方に孔部をさらに有する請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記リンク装置が、
前記フレームに連結され、また前記第１および第２の質量におよびその間に連結されたセンター・プレートであって、回転の中心軸を中心にして回転可能なセンター・プレートと、
前記フレームおよび前記第１の質量に連結された第１の縁部プレートであって、回転の第１の軸を中心にして回転可能な第１の縁部プレートと、
前記フレームおよび前記第２の質量に連結されている第２の縁部プレートであって、回転の第２の軸を中心にして回転可能な第２の縁部プレートとをさらに備え、
回転の前記中心軸、第１および第２の軸が相互に平行であり、また前記センサ面に平行である請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記センター・プレートが、前記第１の質量に連結された第１のレバー・アームと、前記第２の質量に連結された第２のレバー・アームとをさらに備え、それにより前記センター・プレートの回転に応じた前記センサ面に垂直な前記質量の運動が増大する請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記第１の縁部プレートが、前記第１の質量に連結されたレバー・アームをさらに備え、それにより前記第１の縁部プレートの回転に応じた前記センサ面に垂直な前記第１の質量の運動が増大する請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記第２の縁部プレートが、前記第２の質量に連結されたレバー・アームをさらに備え、それにより前記第２の縁部プレートの回転に応じた前記センサ面に垂直な前記第２の質量の運動が増大する請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記フレームが、前記センサ面に垂直な軸を中心にする前記フレームの角回転を有する基本フレーム共振モードを備えている請求項１に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記リンク装置は、前記センサ面に垂直な方向に相互にほぼ１８０度位相がずれている前記第１および第２の質量の振動を有する基本リンク装置共振モードを備えている請求項１に記載のセンサ。
【請求項１９】
前記フレームが、前記センサ面に垂直な軸を中心にする前記フレームの角回転を有する基本フレーム共振モードを備えている請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記フレーム共振モードが、前記リンク装置共振モードの周波数より高い周波数を有する請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記リンク装置共振モードの周波数が、前記駆動周波数とほぼ等しい請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記フレームに平行で、その周囲に位置するほぼ平らなベースをさらに備える請求項１に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記フレームが前記センサ面に垂直な軸を中心にして回転できるように、前記ベースを前記フレームに連結されている複数の撓み部分をさらに有する請求項２２に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記フレーム内の溝と係合している前記ベースから延びるタブをさらに備え、前記タブと前記溝の組合せが、前記フレームの運動の範囲を制限し、それにより前記撓み部分を保護する請求項２３に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記ベースに取り付けられている頂面を有するシリコン基準ウェハをさらに備え、前記感知サブアセンブリおよび前記ベースが、１つのシリコン・ジャイロスコープ・ウェハからエッチングされる請求項２２に記載のセンサ。
【請求項２６】
前記基準ウェハが、前記センサ面に垂直な前記第１および第２の質量の運動を収容するように２つの凹部を備える請求項２５に記載のセンサ。
【請求項２７】
前記基準ウェハが、前記感知サブアセンブリに電気的に連結されているＣＭＯＳ電子回路を備える請求項２５に記載のセンサ。
【請求項２８】
前記基準ウェハに対する前記リンク装置の運動を感知するための容量性センサをさらに備える請求項２５に記載のセンサ。
【請求項２９】
前記リンク装置が、
前記フレームに連結され、また前記第１および第２の質量におよびその間に連結されたセンター・プレートであって、回転の中心軸を中心にして回転可能なセンター・プレートと、
前記フレームおよび前記第１の質量に連結されている第１の縁部プレートであって、回転の第１の軸を中心にして回転可能な第１の縁部プレートと、
前記フレームおよび前記第２の質量に連結されている第２の縁部プレートであって、回転の第２の軸を中心にして回転可能な第２の縁部プレートとをさらに備え、
回転の前記中心軸、第１および第２の軸が相互に平行であり、また前記センサ面に平行である請求項２８に記載のセンサ。
【請求項３０】
前記アクチュエータが、
前記基準ウェハの前記頂面上の前記第１の縁部プレートの下に位置し、所定の距離ｄだけ前記第１の縁部プレートから離れている第１の縁部分割電極と、
前記基準ウェハの前記頂面上の前記第２の縁部プレートの下に位置し、前記距離ｄだけ前記第２の縁部プレートから離れている第２の縁部分割電極と、
前記基準ウェハの前記頂面上の前記センター・プレートの下に位置し、前記距離ｄだけ前記センター・プレートから離れているセンター分割電極とを備える請求項２９に記載のセンサ。
【請求項３１】
前記第１の縁部電極、前記第２の縁部電極および前記センター分割電極が、前記センサ面に垂直な方向に相互にほぼ１８０度位相がずれた状態で、前記第１および第２の質量の振動を有する前記リンク装置の振動モードを励起するために、協力して電気的に駆動される請求項３０に記載のセンサ。
【請求項３２】
前記駆動周波数が、前記振動モードの共振周波数にほぼ等しい請求項３１に記載のセンサ。
【請求項３３】
前記トランスジューサが、前記ベースおよび前記フレームに連結された容量性センサを備え、前記基準ウェハが、前記容量性センサに連結され、また前記第１の縁部電極、前記第２の縁部電極、および前記センター分割電極に接続されたＣＭＯＳ電子回路を備え、それにより、前記アクチュエータおよび前記トランスジューサのウェハ・スケール統合が行われる請求項３０に記載のセンサ。
【請求項３４】
前記フレームが前記センサ面に垂直な軸を中心にして回転できるように、前記フレームを前記基準ウェハに連結する複数の撓み部分をさらに有し、前記撓み部分が、前記ベースを貫通していて複数のベース分離トレンチにより前記ベースから分離していて、それにより前記ベースの応力が前記撓み部分に伝わらない請求項２５に記載のセンサ。
【請求項３５】
前記撓み部分から前記基準ウェハの前記頂面を分離している複数の基準分離トレンチをさらに備え、それにより前記基準ウェハの前記頂面の表面応力が、前記撓み部分にほとんど伝わらない請求項３４に記載のセンサ。
【請求項３６】
前記ベースに取り付けられている底面を有するシリコン・キャップ・ウェハをさらに備える請求項２５に記載のセンサ。
【請求項３７】
前記キャップ・ウェハが、前記センサ面に垂直な前記第１および第２の質量の運動を収容するための凹部を有する請求項３６に記載のセンサ。
【請求項３８】
前記キャップ・ウェハが、前記ベースに密封状に取り付けられ、前記基準ウェハが、前記ベースに密封状に取り付けられる請求項３６に記載のセンサ。
【請求項３９】
前記ベース、前記キャップ・ウェハおよび前記基準ウェハが形成する密封エンクロージャ内のガスの圧力が、大気圧とは実質的に異なる請求項３８に記載のセンサ。
【請求項４０】
前記キャップ・ウェハが、Ｓｉ−ＳｉＯ２溶融接合により前記ベースに密封状に取り付けられ、前記基準ウェハが、金属シールにより前記ベースに密封状に取り付けられる請求項３８に記載のセンサ。
【請求項４１】
前記フレームが、前記センサ面に垂直な軸を中心にして回転することができるように、前記フレームを前記キャップ・ウェハに連結されている複数の撓み部分をさらに有し、前記撓み部分が前記ベースを貫通し、複数のベース分離トレンチにより前記ベースから分離していて、それにより前記ベースの応力が、前記撓み部分に伝わらない請求項３６に記載のセンサ。
【請求項４２】
前記撓み部分から前記キャップ・ウェハの前記底面を分離している複数のキャップ分離トレンチをさらに有し、それにより前記キャップ・ウェハの前記底面の表面応力が前記撓み部分にほとんど伝わらない請求項４１に記載のセンサ。
【請求項４３】
前記撓み部分が前記基準ウェハに連結されている請求項４２に記載のセンサ。
【請求項４４】
前記撓み部分から前記基準ウェハの前記頂面を分離している複数の基準分離トレンチをさらに備え、それにより前記基準ウェハの前記頂面の表面応力が前記撓み部分にほとんど伝わらない請求項４３に記載のセンサ。
【請求項４５】
Ｘ−Ｙセンサ面の角速度のＸおよびＹ成分を測定するための二軸センサであって、前記二軸センサが、
Ａ）角速度のＸ成分を測定するための第１のサブセンサを備え、前記第１のサブセンサが、
ａ）第１の感知サブアセンブリであって、
ｉ）前記面に平行なほぼ平らな第１のフレームと、
ｉｉ）前記面内に配置される第１の質量と、
ｉｉｉ）前記第１の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第２の質量と、
ｉｖ）前記フレーム内に位置し、前記フレームに連結された第１のリンク装置であって、前記第１の質量および前記第２の質量に連結され、前記第１および第２の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限する第１のリンク装置とを備える第１の感知サブアセンブリと、
ｂ）駆動周波数で前記第１のサブアセンブリの第１の部分を振動するための第１のアクチュエータと、
ｃ）角速度のＸ成分による前記第１のサブアセンブリの第２の部分の運動を感知するための第１のトランスジューサとを備え、さらに、
Ｂ）角速度のＹ成分を測定するための第２のサブセンサを備え、前記第２のサブセンサが、
ａ）第２の感知サブアセンブリであって、
ｉ）前記面に平行なほぼ平らな第２のフレームと、
ｉｉ）前記面内に配置される第３の質量と、
ｉｉｉ）前記第３の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第４の質量と、
ｉｖ）前記第２のフレーム内に位置し、前記第２のフレームに連結された第２のリンク装置であって、前記第３の質量および前記第４の質量に連結され、前記第３および第４の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限する第２のリンク装置とを備える第２の感知サブアセンブリと、
ｂ）駆動周波数で前記第２のサブアセンブリの第１の部分を振動するための第２のアクチュエータと、
ｃ）角速度のＹ成分による前記第２のサブアセンブリの第２の部分の運動を感知するための第２のトランスジューサとを備えるセンサ。
【請求項４６】
センサ面の角速度を測定するためのセンサであって、前記センサが、
ａ）第１の感知サブアセンブリであって、
ｉ）前記面に平行なほぼ平らな第１のフレームと、
ｉｉ）前記面内に配置される第１の質量と、
ｉｉｉ）前記第１の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第２の質量と、
ｉｖ）前記フレーム内に位置し、前記フレームに連結された第１のリンク装置であって、前記第１の質量および前記第２の質量に連結され、前記第１および第２の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限する第１のリンク装置とを備える第１の感知サブアセンブリと、
ｂ）駆動周波数で前記第１のサブアセンブリの第１の部分を振動するための第１のアクチュエータと、
ｃ）前記角速度に応じた前記第１のサブアセンブリの第２の部分の第１の運動を感知するための第１のトランスジューサと、
ｄ）第２の感知サブアセンブリであって、
ｉ）前記面に平行なほぼ平らな第２のフレームと、
ｉｉ）前記面内に配置される第３の質量と、
ｉｉｉ）前記第３の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第４の質量と、
ｉｖ）前記第２のフレーム内に位置し、前記第２のフレームに連結された第２のリンク装置であって、前記第３の質量および前記第４の質量に連結され、前記第３および第４の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限し、前記第１のリンク装置とほぼ同じ構成および向きを有していて、前記第３の質量が前記第１の質量に対応し、前記第４の質量が前記第２の質量に対応する第２のリンク装置とを備える第２の感知サブアセンブリと、
ｅ）駆動周波数で前記第２のサブアセンブリの第１の部分を振動するための第２のアクチュエータと、
ｆ）前記角速度に応じた前記第２のサブアセンブリの第２の部分の第２の運動を感知するための第２のトランスジューサとを備え、
前記第１および第２のトランスジューサからの信号が、前記角速度に応じた前記第１および第２の運動を、前記角速度によらない運動から区別するために結合されるセンサ。
【請求項４７】
前記第１のサブアセンブリの前記第１の部分が前記第１のリンク装置であり、前記第１のサブアセンブリの前記第２の部分が前記第１のフレームであり、前記第２のサブアセンブリの前記第１の部分が前記第２のリンク装置であり、前記第２のサブアセンブリの前記第２の部分が前記第２のフレームである請求項４６に記載のセンサ。
【請求項４８】
前記第１および第２のリンク装置が、前記第１の質量および前記第３の質量が、前記面に垂直な反対方向に移動するように駆動される請求項４７に記載のセンサ。
【請求項４９】
前記第１および第２のフレームが前記面内で回転することができ、前記第１のフレームを前記第２のフレームに対して連結するフレーム・リンク装置をさらに備え、前記第１および第２のフレームの前記フレーム・リンク装置による反対方向への回転が制限される請求項４８に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサに関し、特に、２つの振動に影響されない質量を有する面内角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度の感知は、多くの場合、慣性センサにより行われる。慣性角速度センサは、広義の意味でいえば、センサに第１の運動を起こさせ、第１の運動および感知する角速度の両方に反応するセンサの第２の運動を測定することにより機能する。
【０００３】
多くの場合、センサ内の質量（通常、プルーフ質量と呼ばれる）は、アクチュエータにより振動を起こす。センサが回転すると、角速度（または回転速度）に比例し、プルーフ質量の速度ベクトルに対する角速度ベクトルの向きに依存する、振動質量にコリオリ力が加わる。コリオリ力、角速度ベクトルおよび質量速度ベクトルは、相互に直交している。例えば、Ｙ軸を中心にして回転するセンサ内をＸ方向に移動するプルーフ質量は、Ｚ方向のコリオリ力を受ける。同様に、Ｚ軸を中心にして回転するセンサ内をＸ方向に移動するプルーフ質量は、Ｙ方向のコリオリ力を受ける。最後に、Ｘ軸を中心にして回転するセンサ内をＸ方向に移動するプルーフ質量は、コリオリ力を受けない。プルーフ質量にかかるコリオリ力は、通常、コリオリ力に応じるセンサ内の運動を測定することにより間接的に感知される。
【０００４】
最近、微細加工技術（ＭＥＭＳ技術とも呼ばれる）が開発され、それにより種々のＭＥＭＳ角速度慣性センサが開発された。ＭＥＭＳ技術は、基本的には平面技術であり、面内運動を起こすのに適しているＭＥＭＳアクチュエータは、面外運動を起こすのに適しているＭＥＭＳアクチュエータとはかなり異なる傾向にある。同様に、コリオリ力に応じる面内運動を測定するのに適しているＭＥＭＳセンサは、コリオリ力に応じる面外運動を測定するのに適しているＭＥＭＳセンサとはかなり異なる傾向にある。これらの違いは、構造上の違いでもあるし、性能上の違いでもある。
【０００５】
面内ＭＥＭＳ角速度センサは、上記の質量速度、角速度、およびコリオリ力が直交していることによる面内角速度成分を検出するために、面外運動を起こすか、または面外運動を感知しなければならない。対照的に、面外ＭＥＭＳ角速度センサは、面外角速度成分を検出するために、２つの直交する面内運動を起こし、感知することができる。ＭＥＭＳ技術の平面的性質のために、面内ＭＥＭＳセンサおよび面外ＭＥＭＳセンサは、かなり異なる傾向がある。
【０００６】
ある周知の面内ＭＥＭＳ角速度センサは、振動を起こさせる２つのプルーフ質量を有する。例えば、Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉの特許文献１は、面内ＭＥＭＳセンサを教示している。Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉの座標の場合には、デバイス面はＹＺ面内に位置する。第１の実施形態の場合には、Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉは、＋／−Ｙ方向（すなわち、面内）で振動した２つの質量を教示している。Ｚ軸を中心とする角速度により、２つの質量の上にＸ方向のコリオリ力がかかる。２つの質量は、質量上のＸ方向の力が、ジンバル上にＺ方向のトルクを加えるように、Ｚ軸を中心にして回転することができるジンバルに取り付けられている。２つの質量は、反対方向の速度を有するように振動し、そのため２つのコリオリ力は、Ｚ軸を中心にしてジンバル上に正味のトルクを加える。Ｚ軸を中心にするジンバルの運動が感知される。
【０００７】
第２の実施形態の場合には、Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉは、＋／−Ｘ方向（すなわち、面外）で振動する２つの質量を教示している。Ｚ軸を中心にする角速度により、２つの質量上にＹ方向のコリオリ力が加わる。２つの質量は、質量上のＹ方向の力が、ジンバル上にＺ方向のトルクを加えるように、Ｚ軸を中心にして回転することができるジンバルに取り付けられている。２つの質量は、反対方向の速度を有するように振動し、そのため２つのコリオリ力は、Ｚ軸を中心にしてジンバル上に正味のトルクを加える。Ｚ軸を中心にしたジンバルの運動が感知される。
【０００８】
ＭｃＣａｌｌ他の特許文献２は、振動する２つのプルーフ質量を有するもう１つの周知の面内ＭＥＭＳ角速度センサを教示している。ＭｃＣａｌｌ他は、デバイス面内に横方向に配置されていて、この面の方向に相互に位相からずれて振動する２つの連結されていない質量を有する面内ＭＥＭＳセンサを教示している。説明を分かりやすくするために、デバイス面をＸＹ面とし、振動はＸ方向を向いているものとしよう。Ｚ方向のコリオリ力のためにセンサがＹ軸を中心にして回転すると、質量はＺ方向に振動する。質量のＺ方向の振動が感知される。
【０００９】
Ｃａｒｄａｒｅｌｌｉのアプローチも、ＭｃＣａｌｌ他のアプローチも、角速度の測定から「共通モード」の干渉を排除するためのものである。例えば、１つのプルーフ質量を有する角速度センサは、コリオリ力を感知するのと同じ方向の線加速度を受けると、測定値が不正確になる恐れがある。２つの質量を使用した場合には、コリオリ力に反応する上記のものを含めて種々の装置が可能になるが、通常、コリオリ力と同じ方向の線加速度には反応しない。通常、このような装置は、その速度がいつでも等しく反対方向を向くように、２つの質量の駆動に依存する。速度が等しく反対方向を向いていなければならないという条件から少しでもずれると不利になる。何故なら、このようなずれは、コリオリ力への所望のレスポンスを低減し、線加速度への望ましくないレスポンスを増大するからである。
【００１０】
しかし、実際には、２つの質量を同じ大きさであるが反対方向の速度で駆動するのは簡単ではない。例えば、２つの名目上同じものであり、同じように装着されている質量が実際には異なっている場合があり、そのため同じ作動力でこれら２つの質量を作動すると、等しくなく、反対方向の速度となる。同様に、アクチュエータの効果も変化する傾向があり、そのため、２つの質量が同じであり、同じように装着しても、２つの質量に連結されているアクチュエータ内の変動により、この場合も、等しくない反対方向の質量速度となる恐れがある。同様に、アクチュエータに連結されている回路も同じでない等の問題がある。その結果、今まで、周知のように、２つの質量面内角速度センサは、２つの質量の構成が約束する共通モード排除を完全に実現したことはない。
【特許文献１】米国特許第６，４８１，２８３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５０８，１２２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
それ故、本発明の１つの目的は、２つの質量が反対方向に移動するのを機械的に制限し、それにより共通モード排除を改善することにより、測定精度が改善された面内角速度センサを提供することにある。
【００１２】
本発明のもう１つの目的は、感知および駆動電子回路を垂直方向に集積することによりコストを抑えた角速度センサを提供することにある。
本発明のさらにもう１つの目的は、低コストの密封包装を有する角速度センサを提供することにある。
【００１３】
本発明のさらにもう１つの目的は、行程距離の長いより大きなプルーフ質量を提供するバルクＭＥＭＳ技術の使用により、性能を改善した角速度センサを提供することにある。
本発明のさらにもう１つの目的は、質量行程距離を長くするために、質量に取り付けられているレバー・アームを有する捻れ力により装着され、静電的に駆動されるプレートの使用により、性能が改善され、コストの安い角速度センサを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらにもう１つの目的は、同じデバイス・ダイ上に集積したＸ軸角速度センサおよびＹ軸角速度センサを有する低コストの二重軸面内ジャイロスコープ・モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、面内に横方向に配置されていて、フレームに間接的に連結されている２つの質量を有する面内角速度センサを提供する。２つの質量は、これら質量が、Ｚ方向に沿って反対方向に移動するように（すなわち、一方の質量が＋Ｚ方向に移動すると、他方の質量が−Ｚ方向に移動し、その逆も行うように）、リンク装置により一緒に連結されている。ここで、Ｚは、面外方向である。面内角速度は、２つの質量をＺ方向に反対位相で振動させ、それによりフレームに加わる角振動の振幅を測定することにより感知することができる。別の方法としては、フレームをＺ軸を中心にして角振動させ、それにより２つの質量に加わるＺ方向の反対位相の振動の振幅を測定することにより、面内角速度を感知することができる。
【００１６】
好ましい実施形態の場合には、フレーム、２つの質量およびリンク装置は、ジャイロスコープ・ウェハを形成するためのバルク微細加工（ＭＥＭＳ）技術により、１つのシリコン・ウェハから製造される。もう１つの好ましい実施形態の場合には、ジャイロスコープ・ウェハの素子を運動させ、感知するための回路は、ジャイロスコープ・ウェハに固定される基準ウェハを形成するために、１つのシリコン・ウェハに内蔵されている。この実施形態の場合には、ジャイロスコープ・ウェハが、キャップ・ウェハと基準ウェハとの間にサンドイッチ状に挟まれるように、１つのシリコン・ウェハからキャップ・ウェハを製造し、このキャップ・ウェハをジャイロスコープ・ウェハに固定することも好ましい。このようにして、ジャイロスコープ・ウェハの素子を環境から保護するための密封バリアを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるジャイロスコープ・ウェハ２０の概略平面図である。図１の実施形態の場合には、図に示す種々の素子は、好適には、１つのシリコン・ウェハから製造することが好ましい。最初に、ジャイロスコープ・ウェハ２０の機械構成について説明し、その後でその動作について説明する。最後に、ジャイロスコープ・ウェハ２０の製造について説明する。
機械的構成
図１の実施形態の場合には、センター・プレート２８が、捻れヒンジ２８Ａによりフレーム３４に取り付けられていて、このヒンジによりセンター・プレート２８は、図１のＸ軸を中心にして回転することができる。ヒンジ２８Ａは、また、その位置をＸ−Ｙ面内の名目的な位置に戻そうとするプレート２８上に復元トルクを提供することができる。プルーフ質量２２は、ヒンジ５８によりセンタ・プレート２８に取り付けられ、プルーフ質量２４は、ヒンジ５６によりセンター・プレート２８に取り付けられている。センター・プレート２８、プルーフ質量２２およびプルーフ質量２４のサブアセンブリは、プルーフ質量２２および２４が必ずＺ軸に沿って反対方向に移動するように一緒にリンク装置を形成している。
【００１８】
好適には、追加の素子を下記のようにリンク装置に内蔵させることが好ましい。すなわち、第１の縁部プレート２６が、ヒンジ６０によりプルーフ質量２２に取り付けられ、捻れヒンジ２６Ａによりフレーム３４に取り付けられ、第２の縁部プレート３０が、ヒンジ５４によりプルーフ質量２４に取り付けられ、捻れヒンジ３０Ａによりフレーム３４に取り付けられる。捻れヒンジ２６Ａおよび３０Ａにより、プレート２６および３０は、それぞれ、図１のＸ軸を中心にして回転することができ、また、プレート２６および３０の位置をＸ−Ｙ面内のその名目位置に戻そうとする復元トルクを、それぞれプレート２６および３０に提供することができる。
【００１９】
フレーム３４は、複数の固定具３２によりベース３６に取り付けられている。固定具３２は、フレーム３４がＺ軸を中心にしてその名目位置とは異なる位置に回転した場合に、フレーム３４に復元トルクを提供するように配置されている。図１は、フレーム３４の周辺の周りに対称的に配置されている４つの固定具３２を示す。図１の構成のようなフレーム３４に対して優れた機械的な支持を行っている対称的な固定具構成が好ましいが、本発明は、このような固定具の構成を必ず必要とするものではない。
【００２０】
ベース３６に対するフレーム３４の回転は、フレーム３４とベース３６との間に位置していて、これらフレームおよびベースと連結されている容量センサにより感知することができる。別の方法としては、フレーム３４とベース３６との間に位置していて、これらフレームおよびベースと連結されている静電アクチュエータにより、Ｚ軸を中心にしてフレーム３４を角振動させることができる。当業者にとって、このような容量センサおよび静電アクチュエータの種々の構成は周知のものであり、多くの場合、特定の電極構成が各機能を提供することができる。
【００２１】
図５の参照番号３８Ａ、３８Ｂおよび３８Ｃ、および４０Ａ、４０Ｂおよび４０Ｃは、ベース３６に対するフレーム３４の相対的角運動を感知し、および／または起こさせるのに適している２つの例示としての電極構成の概略を示す。好適には、これらまたは類似の電極構成は、フレーム３４の周辺の回りに対称的に配置することが好ましい。本発明を実行するには、特殊な電極構成を必要としない。
【００２２】
図１のフレーム３４内の素子（すなわち、質量２２および２４、およびプレート２６、２８および３０を含む好適なリンク装置）は、ヒンジ２６Ａ、２８Ａおよび３０Ａだけでフレーム３４に取り付けられている。フレーム３４と質量２２および２４との間にはギャップが存在している。これらのヒンジ用の取付点のところ以外に、フレーム３４とプレート２６、２８および３０との間にもギャップがある。これらのギャップは十分広いので、リンク装置は、フレーム３４と衝突しないでその設計範囲を通して移動することができる。これらのギャップは図１には示していない。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態の概略断面図である。この断面図は、Ｉ線に沿って切断した図１のジャイロスコープ・ウェハ２０の断面図を含む。好適には、図１のジャイロスコープ・ウェハ２０は、図２に示すように、ジャイロスコープ・ウェハ２０が、キャップ・ウェハ４２と基準ウェハ４４との間にサンドイッチ状に挟まれるように、キャップ・ウェハ４２および基準ウェハ４４に固定することが好ましい。このような構成により、キャップ・ウェハ４２および基準ウェハ４４は、協力してジャイロスコープ・ウェハ２０を周囲の環境から保護し、それによりセンサの信頼性および丈夫さを増大する。さらに、移動する質量２２および２４のような、ジャイロスコープ・ウェハ２０の重要な素子と周囲環境との間に密封バリアを形成するために、ジャイロスコープ・ウェハ２０とウェハ４２および４４との間を接合することができる。
【００２４】
質量２２および２４、およびプレート２６、２８および３０を含むリンク装置の運動は、図２、図１１ａおよび図１１ｂを参照した場合に最もよく理解することができる。図２の点２６Ｂ、２８Ｂおよび３０Ｂは、それぞれ捻れヒンジ２６Ａ、２８Ａおよび３０Ａと整合しているので、プレート２６、２８および３０は、点２６Ｂ、２８Ｂおよび３０Ｂを中心にして、それぞれ図２の面（Ｙ−Ｚ面）内を回転することができる。このリンク装置の構成要素は、隣接する構成要素の相対的並進を防止する固定具ヒンジ５４、５６、５８および６０により一緒に連結されているが、Ｙ−Ｚ面内では、隣接する構成要素は相対的回転を行うことができる。
【００２５】
それ故、質量２２が図２上で＋Ｚ方向に移動すると（すなわち、図２上で上に移動すると）、プレート２８は、点２８Ｂを中心にして時計方向に回転し、質量２４は、−Ｚ方向に移動しなければならない。一方、プレート２６および３０は図１１ｂに示すように、反時計方向に回転する。同様に、質量２２が−Ｚ方向に移動すると、プレート２８は、反時計方向に回転し、質量２４は、＋Ｚ方向に移動し、一方、プレート２６および３０は、図１１ａに示すように、時計方向に回転する。すなわち、質量２２、質量２４およびプレート２６、２８および３０からなるリンク装置により、質量２２および２４は、必ずＺ軸に沿って反対方向に移動する。すでに説明したように、フレーム３４とプレート２６との間、およびフレーム３４とプレート３０の間には、図２を見れば分かるようにギャップがある。
【００２６】
キャップ・ウェハ４２および基準ウェハ４４は、ジャイロスコープ・ウェハ２０のベース３６に取り付けられていて、図２に示すように、ジャイロスコープ・ウェハ２０の他のどの構成要素とも接触しない。撓み部分３２およびフレーム３４はキャップ・ウェハ４２とは接触しないし、または基準ウェハ４４とも接触しないので、これらのウェハは、Ｚ軸を中心にするフレーム３４の回転に干渉しない。図２の参照番号４６は、基準ウェハ４４とベース３６との間の接続の概略を示す。接続４６は、基準ウェハ４４とベース３６との間の機械的接続でもあるし、基準ウェハ４４とベース３６との間の電気的接続でもある。このようにして、基準ウェハ４４上の回路は、図５の電極３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃまたは電極４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃのようなジャイロスコープ・ウェハ２０の感知／駆動手段と接続している。
【００２７】
電極４８Ａおよび４８Ｂは、プレート３０の下の基準ウェハ４４上に位置する。電極４８Ａおよび４８Ｂは、図２の点３０Ｂで示すように、プレート３０の回転軸のどちらかの側面上に位置する。同様に、電極５０Ａおよび５０Ｂは、プレート２８の下に位置していて、電極５２Ａおよび５２Ｂはプレート２６の下に位置する。
【００２８】
図３は、図１の撓み部分３２の好適な構成の簡単ではあるが、より詳細な平面図である。図３の構成の場合には、撓み部分３２は、スプリング３２’およびベース撓み部分マウント６６を備える。図３に示すように、マウント６６へのスプリング３２’の取付点は、マウント６６内に凹状に窪んでいて、同様に、フレーム３４に対しても凹状に窪んでいて、マウント６６からスプリング３２’への、およびフレーム３４からスプリング３２’への表面応力の伝達を低減している。
【００２９】
ベース撓み部分マウント６６は、ベース３６の応力から撓み部分３２を機械的に絶縁する働きをするベース分離トレンチ４１Ａで囲まれている。このような応力は、包装および／または接合プロセス、熱膨張等の結果として、キャップ・ウェハ４２および基準ウェハ４４によりベース３６に伝えることができる。図３は、またフレーム溝６４と係合しているベース・タブ６２も示す。フレーム溝６４は、図３に概略的に示すように、ベース・タブ６２の幅より若干長いために、フレーム３４は、ベース・タブ６２がフレーム溝６４の壁部に突き当たる前に、ベース３６に対してある選択した範囲内だけを回転することができる。この選択した範囲は、選択した範囲内の動きにより撓み部分３２が決して損傷を受けないように選択される。このようにして、タブ６２と溝６４の組合せが、撓み部分３２を保護する。
【００３０】
図４の断面図は、撓み部分３２の好適な構成の詳細図である。図４は、ＩＩ線に沿って切断した図３の断面図を含む。ＩＩ線は、スプリング３２’の間近に隣接しているが、スプリングを切断しているわけではなく、これがスプリング３２’が図４の断面図として図示されていない理由である。ベース撓み部分マウント６６は、キャップ・ウェハ４２に固定されていて、接続部４６Ｂを通して基準ウェハ４４に連結されている。このようにして、撓み部分３２は、キャップ・ウェハ４２および基準ウェハ４４に連結されていて、ベース３６から絶縁されている。このことは有利である。何故なら、キャップ・ウェハ４２および基準ウェハ４４は、通常、ベース３６より遥かに厚く（ジャイロスコープ・ウェハ２０の典型的な厚さは５０ミクロンにしか過ぎない）、そのため撓み部分３２を固定するための機械的剛性が遥かに大きくなるからである。図４は、また、基準分離トレンチ４１Ｃおよびキャップ分離トレンチ４１Ｂも示す。基準分離トレンチ４１Ｃは、基準ウェハ４４の頂面（すなわち、ベース３６に接合している基準ウェハ４４の表面）内に位置しているかもしれない応力から撓み部分３２を絶縁する働きをする。同様に、キャップ分離トレンチ４１Ｂは、キャップ・ウェハ４２の底面（すなわち、ベース３６に接合しているキャップ・ウェハ４２の表面）内に位置しているかもしれない応力から、撓み部分３２を絶縁する働きをする。図３および図４の湾曲部構成の場合でも、撓み部分３２は、スプリング３２’およびベース・マウント６６を有することが好ましいが、このことは本発明を実行するために必ずそうしなければならないものではない。
【００３１】
図６は、捻れヒンジ２６Ａおよび曲げヒンジ６０の好適な構成の詳細図である、ジャイロスコープ・ウェハ２０の一部の概略拡大平面図である。図６に示すように、プレート２６は、捻れヒンジ２６Ａによりフレーム３４に取り付けられている。捻れヒンジ２６Ａの構成は、プレート２６が複数の捻れヒンジ２６Ａの中心を連結している軸を中心にして回転できるようになっている。図６に示すように、捻れヒンジ２６Ａの長さを増大するために、プレート２６内にはスロットが形成されている。このようにスロットが形成されているのは、プレート２６の所与の回転を収容するために、捻れヒンジ２６Ａ上の必要な歪みを低減するためである。
【００３２】
プレート２６は、曲げヒンジ６０により質量２２に連結されている。曲げヒンジ６０の構成は、質量２６に対してプレート２２が傾くことができるようになっている（逆も行われる）。図６に示すように、プレート２６に対する質量２２の所与の傾斜を収容する目的で、曲げヒンジ６０上に必要な歪みを低減するために、曲げヒンジ６０の長さを増大するためにスロットが質量２２内に形成されている。
【００３３】
曲げヒンジ５８、５６および５４の構成は、好適には、図６の曲げヒンジ６０の構成に類似していることが好ましい。同様に、好適には、捻れヒンジ２８Ａおよび３０Ａの構成は、図６の捻れヒンジ２６Ａの構成に類似していることが好ましい。図６のヒンジ構成は、本発明の好ましい実施形態に関連する。本発明を実施するために、特定のヒンジ構成を必要とするものではない。
動作
図１および図２の実施形態は、２つの動作モードを有する。第１の好適な動作モードの場合には、質量２２および２４が振動し、Ｙ方向の角速度を測定するためにフレーム３４の運動が感知される。第２の動作モードの場合には、フレーム３４が振動し、Ｙ方向の角速度を測定するために質量２２および２４の運動が感知される。これら２つの方法を順番に考察する。
【００３４】
第１の好適な動作モードは、リンク装置を振動するためのアクチュエータを含む。図１および図２の実施形態の場合には、図２の電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａおよび５２Ｂが、静電アクチュエータを形成している。電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａおよび５２Ｂは、静電相互作用によりプレート３０、２８および２６と相互に作用する。この場合、電極と対応するプレート間の電位差が大きくなると力も増大する。プレート２６、２８および３０は、通常、同じ電位に保持され、一般性を失わないで電位のゼロ基準まで下げることができる。
【００３５】
好適には、電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａおよび５２Ｂは、図２に示すように、分割電極であることが好ましい。その主な理由は、プレートと電極との間の静電相互作用は、（反発力の代わりに）引力になる傾向があるからである。そのため、どちらかの方向にトルクを提供するために、図２に示すように、回転軸のどちらかの側面上に電極素子が必要になる。好適には、電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａおよび５２Ｂと対応するプレート（それぞれ３０、２８、２６）間のギャップは、アクチュエータの運動のための適当な隙間を保持しながら、プレートの所与の回転を得るために必要な電圧をできるだけ低減するために、製造中にギャップの高さｄに正確に制御することが好ましい。好適には、電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａおよび５２Ｂは、質量２２および２４、質量２２および２４の振動を有するプレート２６、２８および３０が形成するリンク装置の振動モードを、Ｚ方向（すなわち、面外方向）において位相が相互に実質的にずれるように励起するには、協力するように電気的に駆動されることが好ましい。図１１ａおよび図１１ｂは、この振動モードに対応するリンク装置の運動の略図である。
【００３６】
また好適には、プレート２６は、質量２２の方向に延びるレバー・アームを含むことが好ましく、プレート３０は、質量２４の方向に延びるレバー・アームを含むことが好ましく、プレート２８は、両方の質量２２および２４の方向に延びるレバー・アームを含むことが好ましい。図１はこれらすべてを示す。レバー・アームが、プレート２６、２８および３０から延びているために、曲げヒンジ（５４，５６，５８，６０）とプレート回転軸（２６Ｂ，２８Ｂ，３０Ｂ）間の距離が増大し、それによりプレートの所与の回転による質量２２および２４の変位が増大する。このような変位の増大は、ジャイロスコープの性能を改善するために、および／またはより安いコストで所望の性能レベルにするために非常に望ましいことである。質量２２および２４の増大した行程を収容するために、質量２２および２４の下の基準ウェハ４４内に、凹部４５および４７がそれぞれ形成される。キャップ・ウェハ４２も、ジャイロスコープ・ウェハ２０のすべての可動部分を収容するための十分な隙間を有することができるように構成される。
【００３７】
ジャイロスコープ・ウェハ２０が、角速度ｗｙでＹ軸を中心にして回転すると、質量２２および２４は、ジャイロスコープ・ウェハ２０の基準フレーム内で振動するＸ方向のコリオリ力を受ける。質量２２および２４上のコリオリ力は、Ｘ軸に沿って反対方向を向いている。何故なら、２つの質量は、Ｚ軸に沿って反対方向に移動するからである。質量２２および２４上のコリオリ力は、Ｚ軸を中心にしてフレーム３４上に振動トルクを誘起し、これによりフレーム３４は角振動を起こす。フレーム３４の角振動の振幅は、ｗｙに依存するので（理想的には、振幅はｗｙに比例することが好ましいが）、この振幅を測定すれば角速度ｗｙを測定することができる。
【００３８】
ジャイロスコープの感度を改善するために、好適には、ジャイロスコープ構造体の機械共振を利用することが好ましい。それ故、好適には、質量２２および２４を含むリンク装置を、基本的リンク装置共振モード周波数に等しいか、ほぼ等しい周波数で駆動することが好ましい。好適には、基本的リンク装置共振モード（すなわち、最も低い周波数のメカニカル・モード）は、図１１ａおよび図１１ｂに示すように、質量２２および２４の逆位相振動に対応することが好ましい。このような対応は、リンク装置およびその支持撓み部分の設計中に確実に行うことができる。駆動周波数をリンク装置の固有周波数のところまたはその近くに選択することにより、所与のアクチュエータ力により供給するリンク装置の運動が増大する。
【００３９】
また、好適には、基本的フレーム共振モードを、確実にＺ軸を中心とするフレーム３４の剛体角振動に対応させることが好ましい。このことは、フレーム３４および撓み部分３２を適当に設計することにより行うことができる。さらに、好適には、フレーム基本周波数は、リンク装置の基本周波数より高いことが好ましい。そうすると、確実に、駆動周波数が、周波数において、フレーム３４の任意の他の共振モードよりもフレーム３４の基本モードに近くなり、それによりジャイロスコープの動作と干渉する恐れがある、フレーム３４の高次メカニカル・モードの励起が最小限度まで低減する。
【００４０】
この実施形態の場合には、フレーム３４の角振動の振幅は、トランスジューサにより感知される。好適には、トランスジューサは、フレーム３４およびベース３６の間に位置していて、これらフレームおよびベースに連結されている容量性センサであることが好ましい。図５は、このような容量性センサの適当な電極構成を示す。図５の参照番号３８Ａ、３８Ｂおよび３８Ｃが示す構成は、木構成と呼ばれ、一方、図５の参照番号４０Ａ、４０Ｂおよび４０Ｃが示す構成は、半径構成と呼ばれる。
【００４１】
木構成の場合、電極３８Ａはフレーム３４に取り付けられ、フレーム３４と一緒に移動し、一方、電極３８Ｂおよび３８Ｃは、両方ともベース３６に取り付けられていて、フレーム３４と一緒に移動しない。１つの電極３８Ａ、１つの電極３８Ｂおよび１つの電極３８Ｃからなる「ユニット・セル」は、フレーム３４とベース３６との間の領域で必要に応じて反復して配置することができる。図５は、２つのこのような「ユニット・セル」を示す。電気的に、すべての電極３８Ａは、相互に連結されていて、すべての電極３８Ｂは相互に連結されていて、すべての電極３８Ｃは相互に連結されている。それ故、２つのコンデンサ、すなわち、電極３８Ａと３８Ｂとの間のコンデンサＡＢ、および電極３８Ａと３８Ｃの間のコンデンサＡＣが形成される。電極３８Ｂが電極３８Ｃに連結されていないこのような配置は、スプリット・フィンガー構成と呼ばれる。フレーム３４の運動がコンデンサＡＢおよびＡＣの容量を変えるので、回路でこれらの容量を測定すれば、フレーム３４の運動を感知することができる。好適には、このような回路は、基準ウェハ４４上に位置することが好ましい。
【００４２】
同様に、半径構成の場合、電極４０Ａはフレーム３４に取り付けられていて、フレーム３４と一緒に移動し、一方、電極４０Ｂおよび４０Ｃは、ベース３６に取り付けられていて、フレーム３４と一緒に移動しない。この場合も、２つのコンデンサが形成され、（好適には、基準ウェハ４４上に位置することが好ましい）回路でこれらの容量を測定すれば、フレーム３４の運動を感知することができる。
【００４３】
第２の動作モードの場合には、フレーム３４は、Ｚ軸を中心にして角振動を起こし、この角振動によりＸ軸に沿って質量２２および２４の逆位相振動が起こる。ジャイロスコープ・ウェハ２０が、角速度ｗｙでＹ軸を中心にして回転すると、フレーム３４の振動が、質量２２および２４上に振動するＺ方向のコリオリ力を誘起する。これにより質量２２および２４を含むリンク装置が振動する。リンク装置の振動の振幅は、ｗｙに依存するので（理想的には、振幅はｗｙに比例することが好ましいが）、この振幅を測定すれば角速度ｗｙを測定することができる。
【００４４】
この第２の動作モードは、第１の好適な動作モードに類似しているので、下記の違いはあっても上記説明を適用することができる。
１）第２の動作モードは、フレーム３４を角振動させるためのアクチュエータを含む。フレーム３４およびベース３６に連結されている静電アクチュエータは、フレーム３４を角振動させるための１つの適している手段である。このような静電アクチュエータは、図５の構成を含む種々の電極構成を有することができる。
【００４５】
２）第２の動作モードの場合、好適には、フレームをその基本共振周波数でまたはその近くの周波数で駆動することが好ましく、また好適には、リンク装置の基本周波数をフレームの基本周波数より高くすることが好ましい。
【００４６】
３）第２の動作モードは、リンク装置の振動を感知するためのトランスジューサを含む。リンク装置に連結されている容量性センサは、適当なトランスジューサである。
図２の電極４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａおよび５２Ｂは、このような容量性センサを供給する。電極５２Ａおよび５２Ｂ上のプレート２６の運動は、電極５２Ａとプレート２６との間のキャパシタンスを測定することにより、また電極５２Ｂとプレート２６との間のキャパシタンスを測定することにより感知される。プレート２８および３０の運動も同様に感知される。
【００４７】
両方の動作モードの場合、本発明のある実施形態による角速度センサは、都合のよいことに、センサが受ける任意の線加速度による誤差を低減する。第１の動作モードの場合、感知する運動は、フレーム３４の角振動であり、センサの線加速度は、このような運動を誘起する傾向にない。第２の動作モードの場合、感知される運動は、質量２２および２４の逆位相振動であり、この場合も、感知した運動は、直線加速度を誘起する傾向にある運動ではない。例えば、Ｚ方向の線加速度は、質量２２および２４の（逆位相とは反対の）同位相の振動を誘起しようとする。
製造
好ましい実施形態の場合には、上記の構造および動作を有する角回転センサ（またはジャイロスコープ）は、（ＭＥＭＳ技術とも呼ばれる）微細加工技術により製造される。２つのタイプのＭＥＭＳ技術、すなわち、バルクＭＥＭＳ技術および表面ＭＥＭＳ技術は周知である。バルクＭＥＭＳ技術は、本発明にとって好適なものである。何故なら、バルクＭＥＭＳのプルーフ質量（すなわち、質量２２および２４）は、より大きな質量を有することができ、表面ＭＥＭＳのプルーフ質量よりも広い範囲で運動することができるからである。図７ａ〜図７ｄ、図８ａ〜図８ｄ、図９ａ〜図９ｄおよび図１０ａ、図１０ｂは、本発明の実施形態を製造するのに適している例示としての製造シーケンスの略図である。
【００４８】
図７ａ〜図７ｄは、キャップ・ウェハ４２を製造するのに適しているステップのシーケンスの略図である。図７ａの場合には、キャップ・ウェハ４２は、背面整合マーク７２によりパターン形成される。マーク７２は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）により形成することができる。図７ａから図７ｂに移動する間に、整合マーク７２の反対側のキャップ・ウェハ４２の表面が清掃され、次に、酸化物層７０を形成するために熱的に酸化される。酸化物層７０は、好適には、厚さが約０．５ミクロンであり、水を含む周囲環境で（例えば、１０００℃より高い）高温にウェハ４２’を加熱することにより作ることができるものであることが好ましい。図７ｂから図７ｃに移動する間に、酸化物層７０は、図７ｃに概略示すように、リソグラフィ装置によりパターン形成される。図７ｃから図７ｄに移動する間に、酸化物層７０により保護されていないキャップ・ウェハ４２の材料は、約１００ミクロンの深さまでエッチングされる。深ＲＩＥ（ＤＲＩＥ）は、このステップに適しているエッチング方法である。このプロセス中のこの時点で、キャップ・ウェハ４２は、図２に示す構成になる。エッチングの後で、キャップ・ウェハ４２は、溶融接合のための準備中に清掃される。適当な清掃ステップは、高温（３００℃以上）灰化ステップおよび過酸化硫黄浸漬（ｓｕｌｆｕｒｉｃ  ｐｅｒｏｘｉｄｅ  ｄｉｐ）ステップを含む。使用する清掃方法は、パターン形成された酸化物層７０を無傷のまま残さなければならない。
【００４９】
図８ａ〜図８ｄは、ジャイロスコープ・ウェハ２０を製造するにの適している処理ステップのシーケンスの略図である。好適には、ジャイロスコープ・ウェハ２０は、プライム低全厚変動（ＴＴＶ）ウェハであることが好ましい。ジャイロスコープ・ウェハ２０は、過酸化硫黄浸漬ステップで清掃され、次に、図８ａに示すように、キャップ・ウェハ４２上にパターン形成された酸化物層７０に溶融接合される。図７〜図１０の処理シーケンス中、キャップ・ウェハ４２のジャイロスコープ・ウェハ２０への接合は、ジャイロスコープ・ウェハ２０への基準ウェハ４４の接合前の処理の初期段階で行われる。それ故、ジャイロスコープ・ウェハ２０へキャップ・ウェハ４２を接合するには、共融金属接合、ガラス接合、半田接合、金共融接合、Ｓｉ−ＳｉＯ２溶融接合、およびＳｉ−Ｓｉ溶融接合を含むが、これらに限定されない比較的高温の接合プロセスを使用することが好ましい。図８ａから図８ｂに移動する間に、ジャイロスコープ・ウェハ２０の厚さは、通常約５００ミクロンの厚さから約４００ミクロンの厚さに薄く削られる。従来の研磨方法は、この厚さを薄くするステップを行うのに適している方法である。ジャイロスコープ・ウェハ２０は均一に薄くすることもできるし、または質量２２および２４になるジャイロスコープ・ウェハ２０の領域が、ジャイロスコープ・ウェハ２０の他の部分より厚くなるように薄くすることもできる。このように厚さを増大すると有利である。何故なら、質量２２および２４の質量が増大するからである。ジャイロスコープ・ウェハ２０を薄くした後で、図８ｂのスタンドオフ７１が、エッチングの前のリソグラフィ装置によるパターン形成により形成される。ＫＯＨエッチングがこのステップに適している。スタンドオフ７１の目的は、図２の電極４８Ａ、Ｂ、５０Ａ、Ｂおよび５２Ａ、Ｂのようなアクチュエータの電極と、対応するプレート（すなわち、それぞれプレート３０、２８および２６）との間の垂直方向の分離ｄを正確に決定することである。
【００５０】
図８ｂから図８ｃに移動する間に、パターン形成された層４６’がジャイロスコープ・ウェハ２０上に堆積する。好適には、パターン形成された層４６’は、堆積され、次に、（例えば、リソグラフィおよびその後のエッチングにより）パターン形成されるＧｅ層であることが好ましい。好適には、パターン形成された層４６’も、図５に示すタイプであってもよい電極をフレーム３４とベース３６間に形成することが好ましい。別の方法としては、フレーム３４とベース３６との間の電極は、パターン形成された層４６’の堆積とは別の処理ステップで形成することができる。
【００５１】
図８ｃから図８ｄに移動する間に、ジャイロスコープ・ウェハ２０の機械素子が、ジャイロスコープ・ウェハ２０を貫通するエッチングにより形成される。エッチングするパターンは、フォトリソグラフィにより形成することができる。酸化物層７０上で止まるこのエッチングの場合には、２ミクロンのライン幅と２ミクロンの間隔が適している。シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）アンチフッティング改善による深いＲＩＥがこのステップに適しているエッチング方法である。好適には、このエッチングは、高アスペクト比のフィーチャを生成するのに適しているエッチング・プロセスで実行することが好ましい。図８ｄのエッチングを実行した後で、図１〜図４および図６に示すジャイロスコープ・ウェハ２０のすべての機械素子が形成される。これらの素子としては、質量２２および２４、プレート２６、２８および３０、撓み部分３２、フレーム３４、およびヒンジ２６Ａ、２８Ａ、３０Ａ、５４、５６、５８および６０等がある。図を分かりやすくするために、図８ｄにはプレート２８と質量２２および２４だけを示す。
【００５２】
図９ａ〜図９ｂは、基準ウェハ４４を製造するのに適している処理ステップのシーケンスの略図である。図９ａの場合には、参照番号７４は基準ウェハ４４の能動エリアの略図を示す。能動エリア７４は、ジャイロスコープ・ウェハ２０、およびジャイロスコープ・ウェハ２０を駆動するための回路、およびジャイロスコープ・ウェハ２０が供給する出力信号を感知するための回路に電気的に接触する領域を含む。好適には、このような回路は、従来のシリコンＣＭＯＳ回路であることが好ましい。好ましい実施形態の場合には、従来のＣＭＯＳプロセス中に堆積される金属の最後の層は、接合金属として使用するのに適している金属層である。金属のこの上部層も、電極４８Ａ、Ｂ、５０Ａ、Ｂおよび５２Ａ、Ｂ（図９ｂには、電極５０Ａ、Ｂだけを図示してある）、および図９ａに概略を示す接合パッド７６を形成する。図９ａから図９ｂに移動する間に、基準ウェハ４４内に凹部４５および４７が形成される。好適には、凹部４５および４７は、ＤＲＩＥにより約１００ミクロンの深さに形成することが好ましい。
【００５３】
図１０ａ〜図１０ｂは、ジャイロスコープ・ウェハ２０、基準ウェハ４４およびキャップ・ウェハ４２の最終組立に適している処理ステップのシーケンスの略図である。図１０ａの場合には、基準ウェハ４４は、ジャイロスコープ・ウェハ２０上のパターン形成された層４６’と基準ウェハ４４上の接合パッド７６との間の整合している金属−金属接合を通して、ジャイロスコープ・ウェハ２０に取り付けられている。図７〜図１０の処理シーケンス中に、ジャイロスコープ・ウェハ２０への基準ウェハ４４の接合が、ジャイロスコープ・ウェハ２０へのキャップ・ウェハ４２の接合より後の処理段階で行われる。それ故、ジャイロスコープ・ウェハ２０への基準ウェハ４４の接合は、共融金属接合、アルミニウム−ゲルマニウム接合、半田接合、インジウム−金接合、およびポリマー結合を含むが、これらに限定されない比較的低温の接合プロセスにより行うことが好ましい。
【００５４】
図１０ａのプレート２８と電極５０Ａおよび５０Ｂ間の間隔ｄは、スタンドオフ７１およびパターン形成された層４６’の厚さの合計により決まり、スタンドオフ７１の高さを選択することにより正確に制御（または予め決定）することができる。他の電極（例えば、電極４８Ａ、Ｂ、および電極５２Ａ、Ｂ）と、対応するプレート（例えば、各プレート３０および２６）との間の間隔も、同じ方法で決まり、通常、すべてのプレートとその対応する電極との間の間隔は同じ所定の間隔ｄになる。図７〜図１０の処理シーケンスでは、プレートと電極との間に間隔を形成するために、ジャイロスコープ・ウェハ２０上だけでスタンドオフ７１が形成されているが、基準ウェハ４４上だけ、またはジャイロスコープ・ウェハ２０および基準ウェハ４４両方上でスタンドオフを形成することもできる。図１０ａから図１０ｂに移動する間に、上方から能動エリア７４にアクセスすることができるように、材料をキャップ・ウェハ４２からエッチングにより除去することができる。上方から能動エリア７４にアクセスすることができるようにすることにより、図１０ｂの角速度センサへの電気的接続が容易になる。
【００５５】
好適には、基準ウェハ４４は、密封状態にすることができる金属−金属接合を通して、ジャイロスコープ・ウェハ２０に取り付けることが好ましい。同様に、好適には、ジャイロスコープ・ウェハ２０は、同様に密封状態にすることができる溶融接合により、キャップ・ウェハ４２に取り付けることが好ましい。その結果、基準ウェハ４４、ジャイロスコープ・ウェハ２０およびキャップ・ウェハ４２のアセンブリ全体は、ジャイロスコープ素子（質量２２および２４など）と周囲の環境との間に密封バリアを供給することができる。
【００５６】
ジャイロスコープの異なる市場のいくつかの性能仕様に適合するために、ある場合には、密封バリアが形成するエンクロージャ内に、低圧（例えば、大気圧よりかなり低い約１ｍＴｏｒｒ）を供給すると有利である。このようにして、エンクロージャを満たしている空気（または他の気体）による質量２２および２４の運動に対する抵抗を必要に応じて低減することができる。別の方法としては、運動への空気抵抗を低減するために、質量２２および２４内（およびリンク装置の他の可動部分内）に孔部を設けることもできる。ほかの場合には、大気圧より高い圧力を密封エンクロージャ内に供給するのが望ましい場合もある。
【００５７】
図７ａ〜図７ｄ、図８ａ〜図８ｄ、図９ａ〜図９ｂおよび図１０ａ〜図１０ｂのこの説明は、本発明の好ましい実施形態を製造するのに適している、例示としての処理ステップのシーケンスの概要を説明するためのものである。それ故、上記１つのステップが、本発明を実行するのに不可欠なものであるのではない。さらに、上記ステップの大部分は、上記以外の他の方法であるが、半導体処理業界では周知の方法により実行することができる。より一般的な言い方をすると、詳細な説明全体は、ほとんど例示としてのものであって、本発明を制限するものではない。本発明の実施形態の他の例について以下に簡単に説明する。
【００５８】
図１２は、他の電極構成の概略平面図である。図１２の場合には、質量２２および２４、およびプレート２６、２８および３０は図示していない。そのためリンク装置のこれらの素子の下の電極を見ることができる。図１２の構成の場合には、電極４８Ａ、Ｂ、５０Ａ、Ｂおよび５２Ａ、Ｂは、すでに説明したように、それぞれプレート３０、２８および２６を駆動するためのものである。さらに、図１２の構成は、質量の運動、またはより一般的な言い方をすると、リンク装置の運動を感知するための電極５１Ａおよび５１Ｂを提供する。電極５１Ａおよび５１Ｂが供給する信号は、リンク装置アクチュエータを駆動する回路により有利に使用することができる。例えば、このようにリンク装置の運動を感知することにより、駆動回路は、その基本的な機械共振周波数でリンク装置を正確に駆動することができる。
【００５９】
図１３は、本発明のある実施形態による集積二重軸ジャイロスコープの概略平面図である。図１３の構成の場合には、好適には、Ｙ軸サブセンサ２０ＹおよびＸ軸サブセンサ２０Ｘは、１つのシリコン・チップ２１上に形成するのが好ましい。好適には、サブセンサ２０Ｘおよび２０Ｙは、図１および図２のところで説明したセンサであることが好ましく、図１３の構成は、集積角速度センサにより二重軸感知を行うことが好ましい。このように集積することにより、２つの非集積型の単一軸センサと比較した場合、コストが大幅に低減する。
【００６０】
図１４ａおよび図１４ｂは、望ましくない運動の共通モード拒否を行う本発明のある実施形態の概略平面図である。図１４ａおよび図１４ｂの構成は、２つのフレーム、すなわちフレーム３４Ａおよびフレーム３４Ｂを含む。質量２２および２４が図１のフレーム３４内に位置するのとほぼ同じように、質量２２Ａおよび２４Ａは、フレーム３４Ａ内に位置していて、質量２２Ｂおよび２４Ｂはフレーム３４Ｂ内に位置する。図１４ａおよび図１４ｂの質量２２Ａ、Ｂおよび２４Ａ、Ｂは、質量２４Ａおよび２２Ｂが同位相になるように振動する。質量２２Ａおよび２４Ａは、質量２２Ｂおよび２４Ｂのように、位相からずれるようにリンクしている。
【００６１】
フレーム３４Ａおよび３４Ｂは、撓み部分３２により相互に連結されていて、複数の撓み部分３２によりベース３６’に連結されている。図１４ａおよび図１４ｂの撓み部分の構成は例示としてのものであって、本発明は他の撓み部分構成によっても実行することができる。撓み部分３２によるフレーム３４Ａとフレーム３４Ｂとの接続は、フレーム３４Ａおよび３４Ｂの位相ずれ回転に対してフレーム３４Ａおよび３４Ｂの同位相回転を阻止する傾向がある。何故なら、フレーム３４Ａおよび３４Ｂの同位相回転は、同じ大きさの位相ずれ回転よりも大きく撓み部分３２を延ばすからである。
【００６２】
図１４ａのセンサが、図１４ａのＹ軸を中心にして回転すると（または図１４ｂのセンサが、図１４ｂのＹ軸を中心にして回転すると）、フレーム３４Ａおよび３４Ｂに加わるＺ方向のトルクは位相からずれる。その理由は、フレーム３４Ａおよび３４Ｂ内の２つのリンク装置が、相互に位相からずれるように運動するからである。対照的に、Ｚ軸を中心とする図１４ａおよび図１４ｂのセンサの角加速度は、フレーム３４Ａおよび３４Ｂを同位相で回転させる。それ故、図１４ａおよび図１４ｂのセンサは、Ｚ軸を中心とする角加速度による偽の信号を拒否することができる。これは図１の実施形態が有していない機能である。図１４ａおよび図１４ｂのフレーム３４Ａおよび３４Ｂの回転は、（例えば、容量性センサにより）上記のように感知することができる。
【００６３】
さらに、図１４ａおよび図１４ｂの実施形態は、被駆動リンク装置内にゼロの正味の線形および角運動量を有し、一方、図１の実施形態は、被駆動リンク装置内にゼロの正味の線形運動量を有するが、ゼロでない正味の角運動量を有する。センサ・パッケージへの振動の伝導は、被駆動リンク装置がゼロの正味の線形または角運動量を有している場合には、低減する傾向があるので、図１４ａおよび図１４ｂの実施形態は、図１の実施形態と比較した場合、供給するパッケージ振動は小さいものでなければならない。振動が小さいと、バイアス誤差および象限誤差のような測定誤差が小さくなる。
【００６４】
図１４ａおよび図１４ｂの実施形態が提供するＺ方向の角加速度の共通モード拒否の利点を最大にするためには、好適には、フレーム３４Ａおよび３４Ｂは、ほぼ同じ形を有することが好ましく、フレーム３４Ａおよび３４Ｂ内のリンク装置は、ほぼ同じ構成および向きを有することが好ましい。対称をこのレベルにすることにより、Ｙ方向の角速度に応じない運動（例えば、Ｚ方向の角加速度による運動）の拒否を最大にする、ほぼ等しく反対方向であるＹ方向の角速度に応じる運動が生じる。
【００６５】
図１５は、フレーム３４およびベース３６が円形ではなく矩形の形をしている本発明の他の実施形態の略図である。図１の実施形態と同様に、図１５のフレーム３４内には、質量２２および２４がプレート２６、２８および３０により一緒に連結されている。また、図１の実施形態のように、質量２２および２４、およびプレート２６、２８および３０を含むリンク装置は、好適には、（図１５には図示していない）静電アクチュエータにより振動することが好ましい。Ｙ軸を中心にして図１５の実施形態が回転すると、質量２２および２４上にＸ方向のコリオリ力が生じる。フレーム３４は、フレーム３４をベース３６に対して移動させることができる複数の撓み部分３２によりベース３６と連結されている。Ｙ軸を中心にするセンサの角速度に応じた質量２２および２４上のＸ方向のコリオリ力は、Ｘ方向にフレーム３４をベース３６に対して移動させようとする。フレーム３４とベース３６との間の相対運動は、好適には、図１５に略図で示す容量性センサ１００により感知することが好ましい。
【００６６】
図１５のフレーム３４および撓み部分３２の構成は、フレーム３４の回転全体を禁止し、Ｙ方向の角速度に対するフレーム３４のＸ方向の変形を感知する。（例えば、フレーム３４の硬度をさらに硬くして）Ｘ方向の変形を禁止し、フレーム３４の回転を感知する、図１５のフレーム３４と撓み部分３２の他の構成も使用することができる。
【００６７】
図１６ａおよび図１６ｂは、フレーム３４とベース３６との間の撓み部分３２の他の構成のいくつかの例を示す。図１６ａは、図１の撓み部分３２の配置に対して４５度回転した撓み部分３２の配置である。図１６ｂは、フレーム３４とベース３６との間に対称的に位置している３つの撓み部分３２の配置である。もちろん、感知する角速度に応じてベース３６に対してフレーム３４が移動することができるフレーム３４とベース３６との間の撓み部分の任意の配置により本発明を実行することができる。
【００６８】
本発明の実施形態の上記詳細な説明においては、静電アクチュエータであるリンク装置を振動させるためのアクチュエータについて説明した。リンク装置を振動させるための他のアクチュエータとしては、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータおよび熱アクチュエータ等があるが、これらに限定されない。また、上記説明においては、容量性センサであるフレーム３４の角振動を感知するためのトランスジューサについて説明した。フレーム３４の角振動を感知するための他のトランスジューサとしては、電磁センサ、ピエゾ抵抗センサおよび圧電センサ等があるが、これらに限定されない。
【００６９】
本発明の実施形態の上記詳細な説明においては、静電アクチュエータである、フレーム３４を角振動させるためのアクチュエータについて説明した。フレーム３４を振動させるための他のアクチュエータとしては、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータおよび熱アクチュエータ等があるが、これらに限定されない。また、上記説明においては、容量性センサであるリンク装置の振動を感知するためのトランスジューサについて説明した。リンク装置の振動を感知するための他のトランスジューサとしては、電磁センサ、ピエゾ抵抗センサおよび圧電センサ等があるが、これらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明によるジャイロスコープ・ウェハの概略平面図。
【図２】Ｉ線に沿って切断した図１のジャイロスコープ・ウェハの断面図を含む、本発明のある実施形態の概略断面図。
【図３】好適な固定具の構成の詳細を示す概略平面図。
【図４】ＩＩ線に沿って切断した図３の固定具構成の概略断面図。
【図５】本発明と一緒に使用するのに適している２つの電極構成の略図。
【図６】図１のジャイロスコープ・ウェハの一部の概略拡大図。
【図７ａ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハを製造するための処理ステップを示す略図。
【図７ｂ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハを製造するための処理ステップを示す略図。
【図７ｃ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハを製造するための処理ステップを示す略図。
【図７ｄ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハを製造するための処理ステップを示す略図。
【図８ａ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハおよびジャイロスコープ・ウェハのアセンブリを製造するための処理ステップを示す略図。
【図８ｂ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハおよびジャイロスコープ・ウェハのアセンブリを製造するための処理ステップを示す略図。
【図８ｃ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハおよびジャイロスコープ・ウェハのアセンブリを製造するための処理ステップを示す略図。
【図８ｄ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハおよびジャイロスコープ・ウェハのアセンブリを製造するための処理ステップを示す略図。
【図９ａ】本発明の実施形態による基準ウェハを製造するための処理ステップを示す略図。
【図９ｂ】本発明の実施形態による基準ウェハを製造するための処理ステップを示す略図。
【図１０ａ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハ、ジャイロスコープ・ウェハおよび基準ウェハのアセンブリを製造するための処理ステップを示す略図。
【図１０ｂ】本発明の実施形態によるキャップ・ウェハ、ジャイロスコープ・ウェハおよび基準ウェハのアセンブリを製造するための処理ステップを示す略図。
【図１１ａ】動作中の図２の構成の運動の様子を示す略図。
【図１１ｂ】動作中の図２の構成の運動の様子を示す略図。
【図１２】本発明の実施形態による基準ウェハ上の電極の配置を示す略図。
【図１３】本発明の二重軸実施形態を示す略図。
【図１４ａ】４つのプルーフ質量を有する本発明の実施形態を示す略図。
【図１４ｂ】４つのプルーフ質量を有する本発明の実施形態を示す略図。
【図１５】矩形のフレームを有する本発明の実施形態を示す略図。
【図１６ａ】本発明の実施に適した（図１の構成以外の）２つの他の撓み部分構成を示す略図。
【図１６ｂ】本発明の実施に適した（図１の構成以外の）２つの他の撓み部分構成を示す略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【国際調査報告】
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