(57)【要約】      （修正有）【課題】強いショックおよび加速が生じたときのロバスト動作を可能にする、ＭＥＭＳ装置増強を提供する。【解決手段】第１電位および第１水平方向にモータ運動をするように構成される、少なくとも１つのプルーフマス１１２、１１４を有する。少なくとも１つの検出プレート１２０、１２４は、検出ギャップだけプルーフマスから離間される、検出プレートは、プルーフマスの方を向く内側表面を備え、第１電位と異なる第２電位を備える。停止構造１３０の第１セットは検出プレートの内側表面上にあり、検出プレートから電気的に絶縁される。停止構造は、検出プレートの内側表面が垂直方向においてプルーフマスと接触するのを防止するように構成される。停止構造は、プルーフマスの電位と実質的に同一の電位を備え、また、ショックまたは加速時に、プルーフマスとの接触に際してエネルギー交換を最小化するように寸法決めされる。【選択図】図１
2015031692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）装置であって、
第１表面および反対側の第２表面を備える少なくとも１つのプルーフマスを有し、前記プルーフマスは、第１電位を備え、第１水平方向にモータ運動をするように構成され、
前記ＭＥＭＳ装置はさらに、第１検出ギャップだけ前記プルーフマスから離間される第１検出プレートを有し、前記第１検出プレートは、前記プルーフマスの第１表面の方を向く内側表面、および前記第１電位と異なる第２電位を備え、
前記ＭＥＭＳ装置はさらに、前記第１検出プレートの前記内側表面上に、前記第１検出プレートから電気的に絶縁される、停止構造の第１セットを有し、前記停止構造の第１セットは、垂直方向における、前記第１検出プレートの前記内側表面の前記プルーフマスとの接触を防止するように構成され、前記停止構造の第１セットは、前記プルーフマスの電位と実質的に同一の電位を備え、
前記停止構造の第１セットは、ショックまたは加速時にプルーフマスとの接触に際してエネルギー交換を最小化するように寸法決めされる、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳ装置であって、さらに、
第２検出ギャップだけ前記プルーフマスから離間される第２検出プレートを有し、前記第２検出プレートは、前記プルーフマスの前記第２表面の方を向く内側表面、および前記第１電位および前記第２電位と異なる第３電位を備え、
前記ＭＥＭＳ装置はさらに、前記第２検出プレートの前記内側表面上に、前記第２検出プレートから電気的に絶縁される、停止構造の第２セットを有し、前記停止構造の第２セットは、垂直方向における、前記前記第２検出プレートの前記内側表面の前記プルーフマスとの接触を防止するように構成され、前記停止構造の第２セットは、前記プルーフマスの電位と実質的に同一の電位を備え、
前記ＭＥＭＳ装置はさらに、前記第１水平方向に垂直な第２水平方向における前記プルーフマスの運動を拘束するように構成される、停止構造の第３セットを有し、
前記停止構造の第２セットは、ショックまたは加速時に前記プルーフマスとの接触に際してエネルギー交換を最小化するように寸法決めされる、ＭＥＭＳ装置。
【請求項３】
ショックまたは加速時にロバスト動作するための微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサ装置を製造する方法であって、前記方法は、
少なくとも１つの検出プレートの表面上に停止構造の第１セットを形成することを含み、前記停止構造の第１セットは、ショックまたは加速時にプルーフマスと前記検出プレートの前記表面との間の接触を防止するために、垂直方向におけるプルーフマスの運動を拘束するのに十分な高さを備えるように形成され、前記プルーフマスは、第１水平方向にモータ運動するように構成され、
前記方法はさらに、ショックまたは加速時に複数のかみ合う櫛指が互いに接触するのを防止するために、前記第１水平方向に垂直な第２水平方向における前記プルーフマスの運動を拘束するように構成される、停止構造の第２セットを形成することを有し、前記かみ合う櫛指は、前記プルーフマスに連結され、
前記方法はさらに、前記停止構造の第１セットおよび第２セットを、前記プルーフマスの電位と実質的に同一の電位を備えるように構成することを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強いショックおよび加速のときのロバスト動作のためのＭＥＭＳ装置増強に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0001]微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）装置は、ジャイロスコープおよび加速度計のような様々なセンサを含むことができ、これらは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ,Inertia Measurement Unit）のような様々な制御システムおよび慣性ナビゲーション用途に実装することができる。ＭＥＭＳジャイロスコープまたは加速度計は、容量センサを形成する検出プレートのペアの間のプルーフマスのようなマイクロ構造検出素子を含むことができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0002]ＭＥＭＳセンサの動作は、非常に高レベルのショックまたは振動を受けると、妨害または停止されることがある。この誤動作の確認されている１つの原因は、プルーフマスと、プルーフマスを振動させる検出プレートの１つまたは両方との間の接触である。プルーフマスの検出プレートとの接触が生じると、電荷が変化し、センサ信号の妨害または損失が起こり得る。
【０００４】
[0003]現在、ＭＥＭＳセンサは、主に、プルーフマスが検出プレートに接触することを防止するために、プルーフマス平面に垂直な方向に剛性を備えるプルーフマス支持スプリングに依存している。プルーフマスが検出プレートに接触するのを防止するための他の手段は、電気的なダンピング、およびセンサキャビティの排気された空隙を所定のガスで充填することによりガスダンピングすることを含む。しかし、いくつかの用途にみられるように、センサに加えられる加速の力が所定のレベルを超えると、これらの手段の両方は打破されることがある。
【０００５】
[0004]他のアプローチにおいて、高レベルの不都合な加速度の間は、センサのプルーフマスを静的に保持し、またはほぼ静的に保持し、障害が終わった後の通常の動作でプルーフマスを解放する。しかし、センサは静的に保持されている期間は非動作である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0005]ＭＥＭＳ装置は、第１表面および反対の第２表面を備える少なくとも１つのプルーフマスを有し、プルーフマスは、第１電位を備え、第１水平方向にモータ動作するように構成される。少なくとも１つの検出プレートは、プルーフマスから検出ギャップだけ離れ、検出プレートは、プルーフマスの第１表面の方を向く内側表面を備え、また、第１電位と異なる第２電位を備える。停止構造のセットは、検出プレートの内側表面に設けられ、検出プレートから電気的に分離される。停止構造は、検出プレートの内側表面とプルーフマスとの垂直方向の接触を防止するように構成される。停止構造は、プルーフマスと実質的に同一の電位を備え、ショックまたは加速が生じたときに、プルーフマスとの接触によるエネルギー交換が最小になるように寸法決めされる。
【０００７】
[0006]図面は例示的な実施形態を示し、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。例示的な実施形態は追加的な特徴とともに説明され、添付図面とともに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態によるＭＥＭＳセンサ装置の斜視図である。
【図２】図１のＭＥＭＳセンサ装置の背面図である。
【図３】図１のＭＥＭＳセンサ装置の一部の拡大斜視図である。
【図４】代替実施形態による、ＭＥＭＳセンサ装置の背面図である。
【図５】他の実施形態による、ＭＥＭＳセンサ装置の背面図である。
【図６】さらなる実施形態によるＭＥＭＳセンサ装置の背面図である。
【図７】一実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープの上面図である。
【図８】他の実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープの上面図である。
【図９】一実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープの一部の拡大上面図である。
【図１０】代替実施形態によるＭＥＭＳセンサ装置の一部の拡大背面図である。
【図１１】ＭＥＭＳジャイロスコープのポテンシャルエネルギーとプルーフマスの位置との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0018]以下の詳細な説明において、実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分に詳細に説明される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用することができることを理解されたい。以下の詳細な説明は限定的なものではない。
【００１０】
[0019] 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）装置のための内部機構の増強が提供され、これは、強いショックおよび加速が生じたときのＭＥＭＳ装置のロバスト動作を可能にする。内部機構は、ショックまたは加速が生じている間およびその後に、センサの性能を低下させるＭＥＭＳ装置内の様々な要素の接触を防止し、そのような場合の改良された動作耐性を与える。
【００１１】
[0020]本アプローチは、少なくとも１つの検出プレートから離間して位置決めされる対向するプルーフマスのペアのような１つまたはそれ以上のプルーフマスを備えるＭＥＭＳセンサ装置内に複数の停止構造を追加することを含む。停止構造の１つのセットは、プルーフマスのモータ運動の平面に直交する垂直方向にプルーフマスが検出プレートに接触するのを防止する。追加的な停止構造は、プルーフマスと検出櫛またはモータに関連する櫛との間に追加することができ、動作中に櫛が互いに接触するのを防止する。停止構造は、電気的に妨害せずに機械的な妨害を最小限にする方法で、動作中にプルーフマスの垂直および水平の運動を制限する。これにより、ＭＥＭＳセンサ装置は、高加速度またはショックが生じたときにでもロバスト動作することができる。
【００１２】
[0021]停止構造は、プルーフマスの電位と同一の電位になるように構成され、作動的に振動するプルーフマスの停止構造との接触が、電気的な放電または電荷移動を生じさせないようにする。また、プルーフマスの停止構造との接触が、ほぼゼロの摩擦モーメントの損失となるようにし、停止構造との接触後に、プルーフマスのモーメントの優位な損失なしに、プルーフマスが振動を続けられるようにし、それにより、センサ動作の妨害を防止または最小限にする。
【００１３】
[0022]一般に、停止構造は、通常の環境および振動条件のもとでＭＥＭＳセンサの動作に干渉しないように配置および寸法決めがされる。ショックが与えられると、また、プルーフマスおよび／または他の機械的な変位が通常の動作変位を超えて他の内部構造に近づくような場合、停止構造は予測可能な方法でさらなる変位を拘束する。また、停止構造は、接触が生じた場合、最小の接触時間を提供し、また、接触ポイントにおける中立位置への回復力を最大化する。
【００１４】
[0023]停止構造は、プルーフマスに作用する回復力が維持されるような高さを備え、プルーフマスの検出プレートへの接着が防止され、検出ギャップ内でプルーフマスの最大の自由な移動を維持する。停止構造は、プルーフマスとの停止構造の接触の前に、プルーフマスの最大の変位を可能にし、一方で、プルーフマスの最大の変位においてプルーフマスの回復力の最大値を確保するように、これらの高さが選択される。さらに、停止構造は、プルーフマスと停止構造との間の接触の際に、プルーフマスのモーメントの摩擦の損失が最小になるようなサイズおよび形状を備えるように形成することができる。
【００１５】
[0024]この停止構造は、様々なＭＥＭＳセンサ装置に追加することができる。たとえば、面内ジャイロスコープ（in-plane gyroscope,IPG）または上センサプレート（upper sense plate, USP）ジャイロスコープ、面外ジャイロスコープ（out-of-plane gyroscope, OPG）等の様々なＭＥＭＳジャイロスコープの構成に停止構造を実装することができる。さらに、停止構造は、加速度が生じたときにプルーフマスの接着のリスクを緩和するために、様々なＭＥＭＳ加速度計に追加することができる。
【００１６】
[0025]一実施形態において、プルーフマスが上／下の検出プレートに接触するのを防止するために、停止構造は「ｚ」方向（平面外）に配置される。追加的な停止構造は、ギャップモータドライブとモータピックオフ櫛とが接触するのを防止するために、モータ方向（「ｘ」）に垂直なプルーフマスの平面に沿って「ｙ」方向に配置される。そのような停止構造の構成は、たとえばＵＳＰジャイロスコープに適用することができる。
【００１７】
[0026]他の実施形態において、プルーフマスが上／下の検出プレートに接触するのを防止するため、および、モータドライブプレートがプルーフマスに接触するのを防止するために、停止構造は「ｚ」方向に配置される。検出櫛が接触するのを防止するために、追加的な停止構造は、モータ方向に垂直な「ｙ」方向に配置される。そのような停止構造の構成は、たとえばＯＰＧに適用することができる。
【００１８】
[0027]本アプローチは、図面とともに以下でより詳細に説明される。
[0028]図１、２は、一実施形態によるＭＥＭＳセンサ１００の概略図である。ＭＥＭＳセンサ１００は、第１プルーフマス１１２および第２プルーフマス１１４を有し、これらは、少なくとも１つの検出プレートから離れて位置決めされる。一実施形態において、プルーフマス１１２、１１４は、第１検出プレート１２４（図１）から離れて位置決めされる。他の実施形態において、プルーフマス１１２、１１４は、第１検出プレート１２４と第２検出プレート１２０との間に位置決めされる。プルーフマスはシリコン材料から形成することができる。検出プレート１２０、１２４は、典型的には金属層で覆われるガラス基板材料から形成される。
【００１９】
[0029]プルーフマス１１２、１１４は、図１に示されるように、それぞれ第１電位（Ｖ１）を備え、検出プレート１２０は第２電位（Ｖ２）を備え、検出プレート１２４は第３電位（Ｖ３）を備える。ＭＥＭＳセンサ１００の動作中、プルーフマス１１２、１１４は、矢印（Ａ）で示されるように水平方向にモータ運動し、また、矢印（Ｂ）で示されるように検出プレート１２０、１２４に向かって垂直方向に運動し、垂直方向の運動はショック条件を検出しているときに生じる。プルーフマス１１２のモータ運動は、図２に（×）および（・）の表象で示されている（紙面の前後方向）。
【００２０】
[0030]ＭＥＭＳセンサ１００は、ショック条件下でのプルーフマス１１２、１１４の検出プレート１２４との接触を防止するために、検出プレート１２４の内側表面１２６上に配置される複数の停止構造１３０を含む。また、ショック条件下でプルーフマス１１２、１１３の検出プレート１２０との接触を防止するために、図２に示されるように、上の停止構造１３０に対応して位置決めされる複数の停止構造１３２は、検出プレート１２０の内側表面上に配置される。停止構造１３０、１３２は、レールのような、矩形の端部プロファイルを備えるように形状つけられる。プルーフマス１１２は、検出プレート１２０および検出プレート１２４から検出ギャップ（Ｇ）だけ隔てられる。
【００２１】
[0031]停止構造１３０、１３２は、プルーフマス１１２、１１４の電位に一致する電位（Ｖ１）を備えるように構成され、動作中に停止構造がプルーフマスに接触しても、ＭＥＭＳセンサ１００を電気的に妨害しないようにする。図２の例示的な実施形態に示されるように、停止構造は垂直に整合させることができ、一方で、他の実施形態において、停止構造は互いに垂直に整合しないように位置決めすることもできる。
【００２２】
[0032]図３は、ＭＥＭＳセンサのさらなる詳細を示し、プルーフマス１１２、検出プレート１２０、および検出プレート１２４を含んでいる。検出プレート１２４の内側表面１２６上の停止構造１３０は、それぞれ長さ（Ｌ）を備え、これは、プルーフマスの長さの約１％から１２０％の範囲とすることができる。停止構造１３０は、停止構造の長さが実質的に、通常のプルーフマスのモータ運動の方向（Ａ）に平行になるような向きを備えることができる。停止構造１３０は、非常に狭い幅（Ｗ）を備え、一例として検出ギャップ（Ｇ）の約０．１倍から約２倍の寸法である。
【００２３】
[0033]検出プレート１２０上の停止構造１３２（図２）は、停止構造１３０と同一の寸法構成を備える。停止構造１３０、１３２は、検出プレートの平面の上に、検出プレートとプルーフマスとの間の検出ギャップ（Ｇ）の寸法の約１％から約２５％の高さ（Ｈ）を備える。停止構造１３０、１３２の面積の、検出プレートの面積に対する比は非常に小さく、約５％またはそれ未満である。
【００２４】
[0034] ＭＥＭセンサ１００が動作しているときに、プルーフマスの停止構造とのほぼ摩擦ゼロの接触を達成するために、停止構造１３０、１３２の形状は、プルーフマスの方を向くあらゆる表面上にシャープなエッジが存在しないように形成される。たとえば、停止構造は、摩擦を低減するために、図３に示されるように、丸い角部１３３を備えることができる。さらに、停止構造の幅は、プルーフマスとの接触の間に摩擦を最小化する一方で、製造を容易にすることができるように選択される。
【００２５】
[0035]停止構造は、標準的なエッチングプロセスで形成することができる。たとえば、停止構造は、手段を形成する（ＲＥＩメサエッチング）反応性イオンエッチング（ＲＥＩ）プロセスに類似のプロセスを使用して、検出プレート上に形成することができる。結果として得られる停止構造は、検出プレートのガラスと同一のガラスプレート材料を有しているが、検出プレート上に使用される金属層カバーはない。これにより、停止構造を電気的に検出プレートから隔離することができ、停止構造をプルーフマスと電気的に同電位にする。他の実施形態において、停止構造は、プルーフマス自身と同一の材料で形成することができ、一方で、プルーフマスと電気的に同電位にすることができる。
【００２６】
[0036]代替的に、停止構造は標準的な堆積プロセスにより形成することができる。たとえば、検出プレートの内側表面上にガラスまたは他の材料を堆積させて、停止構造のレール形状を構築することができる。
【００２７】
[0037]所定の用途に必要に応じて、検出プレート上に追加の停止構造を採用することができることを理解されたい。たとえば、図２に示される代替実施形態において、プルーフマス１１２の上および停止構造１３２の間で、検出プレート１２０の内側表面１２２の中心部分に停止構造１３４を追加することができる。同様に、プルーフマス１１２の上および停止構造１３０の間で、検出プレート１２４の内側表面１２６の中心部分に停止構造１３６を追加することができる。
【００２８】
[0038]図４は、ＭＥＭＳセンサ２００の他の実施形態を示し、ＭＥＭＳセンサ１００と類似の特徴を備える。たとえば、ＭＥＭＳセンサ２００は、第１表面２１４および反対の第２表面２１６を備えるプルーフマス２１２を含む。プルーフマス２１２は、上検出プレート２２０と下検出プレート２２４との間に位置決めされる。また、ＭＥＭＳセンサ２００は、検出プレート２２４の内側表面上に配置される複数の停止構造２３０を備える。停止構造２３０の上に対応して位置決めされる、複数の停止構造２３２が検出プレート２２０の内側表面２２２上に配置される。
【００２９】
[0039] 動作中に停止構造がプルーフマスに接触してもＭＥＭＳセンサを電気的に妨害しないように、停止構造２３０、２３２は、プルーフマス１１２の電位に一致する電位を備えるように構成される。停止構造２３０、２３２は、それぞれ、モータ運動の方向に沿ってプルーフマスと実質的に同一の長さを備えることができ、または、より短い長さを備えることができ、プルーフマスの長さの約１％短い長さとすることができる。図４に示されるように、停止構造２３０、２３２は、端部のプロファイルが三角形の形状を備え、これは、接触時にプルーフマス２１２とナイフエッジタイプの係合を提供する。これにより、停止構造による低表面積の接触を実現し、低摩擦を実現する。
【００３０】
[0040]図５は、ＭＥＭＳセンサ３００の他の実施形態を示し、ＭＥＭＳセンサ１００と類似の特徴を含む。たとえば、ＭＥＭＳセンサ３００はプルーフマス３１２を含み、これは、上検出プレート３２０と下検出プレート３２４との間に位置決めされる。また、ＭＥＭＳセンサ３００は、検出プレート３２４の内側表面３２６上に配置される複数の停止構造３０を備える。停止構造３３０の上に位置決めされる対応する複数の停止構造３３２は、検出プレート３２０の内側表面３２２上に配置される。
【００３１】
[0041]停止構造３３０、３３２は、プルーフマス３１２の電位に一致する電位を備えるように構成される。図５に示されるように、停止構造３３０は、検出プレート３２４の内側表面３２６の対向するエッジに沿って位置決めされ、停止構造３３２は、検出プレート３２０の内側表面３２２の対向するエッジに沿って位置決めされる。停止構造３３０、３３２は、それぞれ、モータ運動方向に沿ってプルーフマスと実質的に同じ長さを備えることができる。代替的に、停止構造３３０、３３２は、セグメント化でき、短い停止構造がプルーフマスのそれぞれの角部に隣接するように位置決めされる。そのような短い停止構造は、一例として、モータ運動方向に垂直なプルーフマスの幅の約１％から約１０％の長さを備えることができる。例示的な一実施形態において、停止構造３３０、３３２の高さ（Ｈ）は、検出ギャップ（Ｇ）の寸法の約１％から約２５％とすることができ、停止構造の幅（Ｗ）は、検出ギャップ（Ｇ）のサイズの約０．１倍から約２倍とすることができる。
【００３２】
[0042]停止構造３３０、３３２は、矩形形状の端部プロファイルを備えるように示されるが、これらの停止構造は、図４に示されるように、代替実施形態として、三角形の端部プロファイルを備えるように構成することができる。さらに、停止構造の、最頂部の端部のプロファイル形状は、停止構造とプルーフマスとの接触面積を制御するように、三角形状、平坦状、丸形状、または他の形状とすることができる。
【００３３】
[0043]図６は、ＭＥＭＳセンサ４００の他の実施形態を示しており、ＭＥＭＳセンサ１００と類似の特徴を含む。たとえば、ＭＥＭＳセンサ４００は、プルーフマス４１２を含み、これは、上検出プレート４２０と下検出プレート４２４との間に位置決めされる。また、ＭＥＭＳセンサ４００は、検出プレート４２４の内側表面４２６上に配置される複数の停止構造４３０を備える。停止構造４３０の上に位置決めされる対応する複数の停止構造４３２は、検出プレート４２０の内側表面４２２上に配置される。
【００３４】
[0044]停止構造４３０、４３２は、プルーフマス４１２の電位に一致する電位を備えるように構成される。図６に示されるように、停止構造４３０は、検出プレート４２４の内側表面４２６の対向するエッジに沿って位置決めされ、停止構造４３０の一部が各エッジを越えて延びるように位置決めされる。同様に、停止構造４３２は、検出プレート４２０の内側表面４２２の対向するエッジに沿って位置決めされ、停止構造４３２の一部が各エッジを越えて延びるように位置決めされる。この停止構造の構成は、検出ギャップ容積の外側の領域からつりさげられる停止構造を挿入するための、追加的な柔軟な設計を提供する。
【００３５】
[0045]停止構造４３０、４３２は、それぞれ、モータ運動方向に沿ってプルーフマス４１２より短いまたはこれと実質的に同一の長さを備えることができる。停止構造４３０、４３２は、静電的な「接着」を防止するのに十分な高さ（Ｈ）を備え、一方で、想定される振動および静的な加速度（たとえば、５００−８００ｇｓまで）の下で、余裕を持って、最大動作のためのギャップ（Ｇ）内に最大の自由空間を可能にするように十分に低い。停止構造４３０、４３２は、プルーフマスＰＭが停止構造と接触する表面積が最小になるのに十分に狭い幅を備え、一方で、破損／欠けおよび製造の困難を避ける程度に十分に広い幅を備える。たとえば、高さ（Ｈ）は、検出ギャップ（Ｇ）の約１％から約２５％とすることができ、または幅（Ｗ）は、検出ギャップ（Ｇ）のサイズの約０．１倍から約２倍とすることができる。
【００３６】
[0046]図７は、一実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープ５００を示し、図５に関して説明した停止構造に類似の停止構造が実装されている。ＭＥＭＳジャイロスコープ５００は、第１プルーフマス５１２および第２プルーフマス５１４を含み、整合する構成において互いに隣接するように位置決めされる。モータピックオフ機構５１６は、プルーフマス５１２とプルーフマス５１４との間に連結される。モータピックオフ機構５１６から反対側で、モータドライブ機構５１７はプルーフマス５１２に連結され、また、モータドライブ機構５１８はプルーフマス５１４に連結される。スプリング機構５２０のセットは、プルーフマス５１２のそれぞれの角部に連結され、スプリング機構５２２のセットは、プルーフマス５１４のそれぞれの角部に連結される。  スプリング機構５２０、５２２は、それぞれ、プルーフマス５１２、５１４の振動運動を可能にする。さらに、ニュートンストップ５２４のペアは、プルーフマス５１２の対向するエッジ付近に配置され、ニュートンストップ５２６のペアは、プルーフマス５１４の対向するエッジ付近に配置される。ニュートンストップ５２４、５２６は、それぞれ、プルーフマス５１２、５１４の運動をモータ運動の方向に拘束する。
【００３７】
[0047]図７に示されるように、分離した停止構造５３０は、上にある検出プレート（図示せず）上で、プルーフマス５１２の各角部付近に配置される。停止構造５３０に対応する４個の追加的な停止構造は、下にある検出プレート上でプルーフマス５１２の下に配置され、全部で８個の停止構造がプルーフマス５１２に関連付けられる。同様に、停止構造５３２は、上にある検出プレート（図示せず）上で、プルーフマス５１４の各角部付近に配置される。停止構造５３２に対応する４個の追加的な停止構造は、下にある検出プレート上で、プルーフマス５１４の下に配置され、全部で８個の停止構造がプルーフマス５１４に関連付けられる。停止構造は、ジャイロスコープの動作中に、物理的接触により、プルーフマスの電荷の損失なく、または、プルーフマスのモーメントの優位な損失なく、プルーフマスを平面外運動から拘束する。
【００３８】
[0048]図８は、他の実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープ６００を示し、図７に関して上述したものと類似の停止構造を含む。ＭＥＭＳジャイロスコープ６００は、整合する構成で互いに隣接して位置決めされる第１プルーフマス６１２および第２プルーフマス６１４を含む。ピックオフ機構６１６は、プルーフマス６１２とプルーフマス６１４との間に連結される。ピックオフ機構６１６の対向する側部において、モータドライブ機構６１７はプルーフマス６１２に連結され、また、モータドライブ機構６１８はプルーフマス６１４に連結される。スプリング機構６２０のセットは、プルーフマス６１２の各角部付近に配置され、スプリング機構６２２のセットがプルーフマス６１４の各角部付近に配置される。さらに、ニュートンストップ６２４のペアが、プルーフマス６１２の対向するエッジ付近に配置され、ニュートンストップ６２６のペアがプルーフマス６１４の対向するエッジ付近に配置される。
【００３９】
[0049]図８に示されるように、停止構造６３０のペアは、上にある検出プレート（図示せず）上で、プルーフマス６１２の対向するエッジ付近に配置される。停止構造６３０に対応する２つの追加の停止構造は、下にある検出プレート上でプルーフマス６１２の下に配置され、全部で４個の停止構造がプルーフマス６１２に関連付けられる。同様に、停止構造６３２のペアは、上にある検出プレート（図示せず）上でプルーフマス６１４の対抗するエッジ付近に配置される。停止構造６３２に対応する２つの追加の停止構造は、下にある検出プレート上でプルーフマス６１４の下に配置され、全部で４個の停止構造がプルーフマス６１４に関連付けられる。
【００４０】
[0050]上述したプルーフマスの垂直運動（ｚ方向、紙面を出入りする方向）を拘束する停止構造に加え、プルーフマスと検出またはモータ関連の櫛との間に、他の停止構造を実装することができ、ＭＥＭＳセンサの動作中に互いにこれらの櫛が「ｙ」方向に接触することを防止することができる。たとえば、各停止構造は、モータ検出（モータピックオフ）櫛がプルーフマス検出櫛と接触するのを防止することができ、また、モータドライブ櫛がプルーフマスドライブ櫛と接触するのを防止することができる。停止構造とプルーフマスとの間の停止ギャップ（空間）は、モータピックオフ櫛におけるショートを防止し、一方で、モータ駆動またはモータピックオフ電位により、プルーフマスが引っ張られるのを防止する。図８は、さらに、追加の停止構造６４０の例示的な実施形態を示し、これは、プルーフマス６１２の「ｙ」方向の運動を拘束し、また、追加の停止構造６４２は、プルーフマス６１４の「ｙ」方向の運動を拘束する。
【００４１】
[0051]図９は、ＭＥＭＳジャイロスコープの例示的な停止構造の構成のさらなる詳細を示し、これは、プルーフマスの「ｙ」方向の運動を拘束する。ＭＥＭＳジャイロスコープ７００は、複数のかみ合わせ構造の櫛７１０、７１２を含み、これは、それぞれ個別の櫛指７２０、７２２を含む。櫛指７２０、７２２は、互いに検出ギャップ７２４だけ離れ、通常の動作中に互いに接触しないようにされる。ニュートンストップ７３０は、櫛７１２の、プルーフマスのモータ運動の方向（ｘ方向）の運動を拘束し、櫛指７２２の先端が櫛７１０に接触しないようにする。
【００４２】
[0052]停止構造７４０のセットは、プルーフマスの「ｙ」方向の運動を拘束し、個別の櫛指７２０、７２２がショック時にでも互いに接触しないようにする。停止構造７４０は、それぞれ、ＭＥＭＳジャイロスコープ７００が様々な動作力を受けた時に、プルーフマスフレーム７５０に対して当接するバンパ７４２を含み、櫛指７２０、７２２が互いに接触するのを防止する（このシナリオを図９に示されている）。一実施形態において、停止構造７４０は、バンパ７４２とプルーフマスフレーム７５０との間の停止ギャップが、通常の動作の間の検出ギャップ７２４の寸法の約２５％から約７５％になるように構成される。
【００４３】
[0053]図１０は、ＭＥＭＳセンサ装置のための停止構造の構成の代替実施形態を示し、これは、「ｚ」方向のプルーフマスの運動を拘束する。ＭＥＭＳセンサ装置は、検出プレート８２０の上に位置決めされるプルーフマス８１０を含む。検出プレートは、ショルダ部８２４により画定される凹部８２２を備え、ショルダ部８２４がプルーフマス８１０の停止構造として機能する。ショルダ部８２４は、検出プレート８２０の周りで凹部８２２の外周を画定する。凹部８２２は、標準的なエッチングプロセスにより形成することができる。
【００４４】
[0054]凹部８２２は、プルーフマス８１０と異なる電位によりエネルギー付与される。プルーフマス８１０は、ショルダ部８２４から停止距離（Ｄ）だけ分離され、また、検出ギャップ（Ｇ）だけ凹部８２２から分離される。ショルダ部８２４は、プルーフマス８１０と同一の電位を備えるように構成され、動作中にプルーフマス８１０がショルダ部８２４に接触してもＭＥＭＳセンサ装置を電気的に妨害しないようにする。図１０における寸法（Ｗ）は、プルーフマス８１０とショルダ部８２４との重なりを示している。この寸法（Ｗ）は、プルーフマス８１０の長さおよび幅に沿ってサイズを変更することができる。
【００４５】
[0055]図１０中の線８３０は、プルーフマスの「引っ張り」ポイントを示し、ここで、検出バイアス電位（プルーフマス８１０と検出プレートの凹部８２２との間）からの静電力が、プルーフマス８１０のスプリング機構の復元力と等しくなる。線８３０は、図１１のグラフの「ゼロ復元力」ポイントに対応する。ショルダ部８２４は、高さ（Ｈ）を備え、ショック時にプルーフマス８１０が引っ張りポイントを超えることを停止させ、プルーフマス８１０の検出プレート凹部８２２への接着を防止する。
【００４６】
[0056]図１１は、ポテンシャルエネルギーとＭＥＭＳジャイロスコープの検出ギャップ内のプルーフマスの位置との関係を示すグラフであり、上述の実施形態において説明した停止構造の設計に使用することができる。グラフに示されるように、検出構造内の停止構造の高さの最適な寸法があり、（１）フリー検出ギャップ動作領域を最大化し、一方で、（２）プルーフマスの変位が、変位の「接着領域」に入るのを防止し、（３）最大変位を、プルーフマスの復元力を最大値の近くに維持する。この最適な停止寸法は、図１１に示され、最大復元力の７５％から１００％のポイントである。一例として、４．０ミクロンの検出ギャップ（Ｇ）において、最適な停止高さは、０．４ミクロンから０．９ミクロンとなり、それぞれ図１１（ｘ軸）において、検出軸に沿ってプルーフマスの変位を−３．６ミクロンから−３．１ミクロンに制限する。
【００４７】
実施例
[0057]例１は、第１表面および反対の第２表面を備える少なくとも１つのプルーフマスを有するＭＥＭＳ装置を有する。プルーフマスは、第１電位を備え、第１水平方向にモータ運動するように構成される。ＭＥＭＳ装置はさらに、第１検出ギャップだけプルーフマスから離間する第１検出プレートを有し、第１検出プレートは、プルーフマスの第１表面の方を向く内側表面を備え、第１電位と異なる第２電位を備える。ＭＥＭＳ装置はさらに、第１検出プレートの内側表面上に、第１検出プレートから電気的に絶縁される、停止構造の第１セットを有し、停止構造の第１セットは、第１検出プレートの内側表面が、垂直方向においてプルーフマスと接触するのを防止するように構成される。停止構造の第１セットは、プルーフマスの電位と実質的に同一の電位を備える。停止構造の第１セットは、ショックまたは加速時にプルーフマスとの接触に際してエネルギー交換を最小化するように寸法決めされる。
【００４８】
[0058]例２は、例１のＭＥＭＳ装置を含み、さらに、第２検出ギャップだけプルーフマスから離間する第２検出プレートを有し、第２検出プレートは、プルーフマスの第２表面の方を向く内側表面を備え、且つ、第１電位および第２電位と異なる第３電位を備える。ＭＥＭＳ装置はさらに、第２検出プレートの内側表面上に、第２検出プレートから電気的に絶縁される停止構造の第２セットを有し、停止構造の第２セットは、第２検出プレートの内側表面が垂直方向においてプルーフマスと接触するのを防止するように構成される。停止構造の第２セットは、プルーフマスと実質的に同一の電位を備える。停止構造の第２セットは、ショックまたは加速時にプルーフマスとの接触に際してエネルギー交換を最小化するように寸法決めされる。
【００４９】
[0059]例３は例２のＭＥＭＳ装置を含む、停止構造の第１セットおよび第２セットは、それぞれ実質的に同一のサイズおよび形状を備える。
[0060]例４は、例２または例３のいずれかのＭＥＭＳ装置を含み、停止構造の第１セットおよび第２セットは、それぞれプルーフマスの長さの約１％から約１２０％の長さを備え、モータ運動の方向に平行に向き決めされる。
【００５０】
[0061]例５は、例２−４のいずれか１つのＭＥＭＳ装置を含み、停止構造の第１セットは、第１検出ギャップの寸法の約０．５倍から約２．０倍の幅を備え、停止構造の第２セットは、第２検出ギャップの寸法の約０．５倍から約２．０倍の幅を備える。
【００５１】
[0062]例６は、例２−５のいずれか１つのＭＥＭＳ装置を含み、停止構造の第１セットは、第１検出ギャップの寸法の約１％から約２５％の高さを備え、停止構造の第２セットは、第２検出ギャップの寸法の約１％から約２５％の高さを備える。
【００５２】
[0063]例７は、例２−６のいずれか１つのＭＥＭＳ装置を含み、停止構造の第１セットおよび第２セットは、それぞれ矩形形状の端部プロファイルを備える。
[0064]例８は、例２−６のいずれか１つのＭＥＭＳ装置を含み、停止構造の第１セットおよび第２セットは、それぞれ三角形状の端部プロファイルを備える。
【００５３】
[0065]例９は、例２−８のいずれか１つのＭＥＭＳ装置を含み、さらに、プルーフマスの第１水平方向に垂直な第２水平方向の運動を拘束するように構成される停止構造の第３セットを有する。
【００５４】
[0066]例１０は、例９のＭＥＭＳ装置を含み、さらに、プルーフマスに連結される、複数のかみ合う櫛指を備え、停止構造の第３セットは、ＭＥＭＳ装置がショックまたは加速時に動作するときに、かみ合う櫛指が互いに接触することを防止するように構成される。      
【００５５】
[0067]例１１は例１−１０のいずれか１つのＭＥＭＳ装置を含み、ＭＥＭＳ装置はジャイロスコープまたは加速度計を有する。
[0068]例１２は、ＭＥＭＳセンサ装置を含み、ＭＥＭＳセンサ装置は、第１電位を備え、第１水平方向にモータ運動をする、少なくとも１つのプルーフマスと、プルーフマスに連結される複数のかみ合う櫛指と、検出ギャップだけプルーフマスから離間される少なくとも１つの検出プレートと、を有する。検出プレートは第１電位と異なる第２電位を備える。ＭＥＭＳセンサ装置は、検出プレートから電気的に絶縁される、検出プレート上の停止構造の第１セットを有し、停止構造の第１セットは、第１水平方向に垂直な垂直方向のプルーフマスの運動を拘束するように構成される。停止構造の第１セットは、ショックまたは加速時に、検出プレートがプルーフマスに接触するのを防止するように構成される。ＭＥＭＳセンサ装置は、プルーフマスに隣接する停止構造の第２セットを有し、第１水平方向に垂直な第２水平方向のプルーフマスの運動を拘束するように構成される。かみ合う櫛指は、ショックまたは加速時に互いに接触することが防止される。停止構造の第１セットおよび第２セットは、プルーフマスに対して電気的に中性である。停止構造の第１セットおよび第２セットは、ショックまたは加速時にプルーフマスとの接触に際してエネルギー交換を最小化するように寸法決めされる。停止構造の第１セットは、プルーフマスに作用する復元力が維持され、プルーフマスの検出プレートへの接着が防止され、検出ギャップ内でのプルーフマスの最大の自由行程を維持するような、高さを備える。
【００５６】
[0069]例１３は例１２のＭＥＭＳセンサ装置を含み、停止構造の第１セットはレール形状の構造を有する。
[0070]例１４は、例１２のＭＥＭＳセンサ装置を含み、停止構造の第１セットは、検出プレートの周りの凹部の外周を画定するショルダ部を有する。
【００５７】
[0071]例１５は、ショックまたは加速時のロバスト動作のためのＭＥＭＳセンサ装置を製造する方法を含み、この方法は、少なくとも１つの検出プレートの表面上に、停止構造の第１セットを形成することを有し、停止構造の第１セットは、ショックまたは加速時にプルーフマスと検出プレートの表面との間の接触を防止するために、垂直方向におけるプルーフマスの運動を拘束するのに十分な高さを備え、プルーフマスは、第１水平方向にモータ運動をする。この方法はさらに、停止構造の第２セットを形成することを含み、停止構造の第２セットは、ショックまたは加速時に、複数のかみ合う櫛指が互いに接触するのを防止するために、第１水平方向に垂直な第２水平方向におけるプルーフマスの運動を拘束するように構成される。かみ合う櫛指は、プルーフマスに連結される。この方法はさらに、停止構造の第１セットおよび第２セットは、プルーフマスと実質的に同一の電位を備えるように構成することを含む。
【００５８】
[0072]例１６は、例１５のＭＥＭＳセンサ装置を製造する方法を含み、停止構造の第１セットは、検出プレートの対向する側部上にレール構造を形成するために、検出プレートの表面のエッチングにより形成される。
【００５９】
[0073]例１７は、例１５のＭＥＭＳセンサ装置を製造する方法を含み、停止構造の第１セットは、検出プレートの対向する側部上にレール構造を形成するために、検出プレートの表面上に材料を堆積させることを形成される。
【００６０】
[0074]例１８は、例１５のＭＥＭＳセンサ装置を製造する方法を含み、停止構造の第１セットは、検出プレートの内側表面をエッチングして停止構造の第１セットとして機能するショルダ部により画定される凹部を形成することにより形成される。
【００６１】
[0075]例１９は、例１５−１８のいずれか１つのＭＥＭＳセンサ装置を製造する方法を含み、停止構造の第１セットは、プルーフマスと停止構造の第１セットとが接触した際に、プルーフマスのモーメントの摩擦損失を最小化するようなサイズおよび形状を備えるように形成される。
【００６２】
[0076]例２０は、例１５−１９のいずれか１つのＭＥＭＳセンサ装置を製造する方法を含み、停止構造の第１セットは、プルーフマスによる停止構造の第１セットとの接触の前に、プルーフマスの変位を最大化し、最大のプルーフマスの変位においてプルーフマスの復元力を最大化することを可能にするような、選択された高さを備えるように形成される。
【００６３】
[0077]本発明は、本質的な特徴から逸脱することなく、他の形態で実施化することができる。説明される実施形態は、あらゆる面で説明的なものであり、限定的なものではないと考えられたい。それゆえ、本発明は、特許請求の範囲およびその均等の範囲により限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015031692.tif 000012
【図１１】
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【外国語明細書】
2015031692000001.pdf