(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械センサーデバイスであって、当該微小電気機械センサーデバイスは：
振動質量体（２０）を有し；
該振動質量体（２０）を固定支持構造に懸架するためのバネ構造を有し、該バネ構造は、該振動質量体に対して、駆動方向（Ｄ）と、該駆動方向（Ｄ）に直角な感知方向（Ｓ）とを定めており；
該振動質量体を直線的な駆動振動へと駆動するための励起要素を有し、該直線的な駆動振動は、前記駆動方向の一次成分と前記感知方向の直交誤差による二次成分とを持った方向を有するものであり；
当該微小電気機械センサーデバイスの角運動によってもたらされたコリオリの力による前記振動質量体の移動を感知するための、感知要素を有し；
静電容量性トランスデューサー構造を有し、該静電容量性トランスデューサー構造は、
固定支持構造に係留される、第１のステーター（２２ｂ）と第２のステーター（２２ａ）とを有し、前記第１のステーター（２２ｂ）は、第１のステーター表面（２６）を有し、前記第２のステーター（２２ａ）は、第２のステーター表面（２８）を有し、
前記振動質量体に機械的に接続された、第１のローター（２１ｂ）と第２のローター（２１ａ）とを有し、前記第１のローター（２１ｂ）は、前記第１のステーター（２２ｂ）の前記第１のステーター表面（２６）に向かい合って位置する第１のローター表面（２５）を含んでおり、前記第２のローター（２１ａ）は、前記第２のステーター（２２ａ）の前記第２のステーター表面（２８）に向かい合って位置する第２のローター表面（２９）を含んでおり、
前記第１のステーター（２２ｂ）と前記第１のローター（２１ｂ）との間、および、前記第２のステーター（２２ａ）と前記第２のローター（２１ａ）との間に電圧を作り出すように接続された電気的エネルギー源を有し；
当該微小電気機械センサーデバイスの特徴は、
前記第１のローター表面（２５）と前記第１のステーター表面（２６）とが第１の静電容量性トランスデューサーを形成し、該第１の静電容量性トランスデューサーでは、前記駆動方向の振動の変位と同じ位相にてキャパシタンスが増大し、かつ、前記第２のローター表面（２９）と前記第２のステーター表面（２８）とが第２の静電容量性トランスデューサーを形成し、該第２の静電容量性トランスデューサーでは、前記駆動方向の振動の変位と逆の位相にてキャパシタンスが増大し、
前記直線的な駆動振動の二次成分に抗する方向を向いた第１の静電力が、前記の第１の静電容量性トランスデューサーの第１のステーター表面と第１のローター表面との間に作り出され、かつ、前記直線的な駆動振動の二次成分に抗する方向を向いた第２の静電力が、前記の第２の静電容量性トランスデューサーの第２のステーター表面と第２のローター表面との間に作り出され、かつ、該第１の静電力は、該第２の静電力に対して反対向きであり、
前記の第１の静電容量性トランスデューサーと第２の静電容量性トランスデューサーは、傾斜した配向にて配置され、前記駆動方向と前記傾斜した前記第１のステーター表面の接線との間にゼロでない角度αが形成され、前記駆動方向と前記傾斜した前記第２のステーター表面の接線との間に該ゼロでない角度αが形成され、かつ、前記傾斜した前記第１のステーター表面と前記傾斜した前記第２のステーター表面とは平行であり、それにより、前記の直線的な駆動振動の二次成分に抗する前記第２の静電力が、該直線的な駆動振動の変位と逆の位相にてギャップ変調される、
前記微小電気機械センサーデバイス。
【請求項２】
前記第１の静電容量性トランスデューサーの第１のステーター表面（２６）と第１のローター表面（２５）が、平坦であるかまたは湾曲しているか、または、
前記第２の静電容量性トランスデューサーの第２のステーター表面と第２のローター表面が、平坦であるかまたは湾曲している
ことを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項３】
前記第１のローター表面（２５）と、前記第２のローター表面が、前記第１のステーター表面と、前記第２のステーター表面に平行であることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項４】
前記第１の静電容量性トランスデューサーまたは前記第２の静電容量性トランスデューサーが、細長いローター表面（２５）を含んだ少なくとも１つのローター櫛状部フィンガー（２１ｂ）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項５】
前記第１の静電容量性トランスデューサーまたは前記第２の静電容量性トランスデューサーが、ステーター櫛状部フィンガー（２２ｂ）を有し、
該ステーター櫛状部フィンガーは細長いステーター表面（２６）を含み、該細長いステーター表面（２６）が前記細長いローター表面（２５）に向かい合って延びるように、該ステーター櫛状部フィンガーが配置されていることを特徴とする、
請求項４に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項６】
前記第１の静電容量性トランスデューサーと前記第２の静電容量性トランスデューサーのそれぞれが、ローター櫛状部フィンガーを少なくとも１つ有し、かつ、第１の静電容量性トランスデューサーのローター櫛状部フィンガー（２１ａ）と第２の静電容量性トランスデューサーのローター櫛状部フィンガー（２１ｂ）とのペア（２１ａ、２１ｂ）が、振動質量体（２０）から互いに反対の方向へと突き出していることを特徴とする、請求項４に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項７】
前記第１の静電容量性トランスデューサーが、複数のローター櫛状部フィンガー（２１ｂ）のうちの１つのローター櫛状部フィンガーの第１のローター表面（２５）に対して、第１のステーター表面（２６）を提供する１つのステーター櫛状部フィンガー（２２ｂ）を有し、かつ、
前記第２の静電容量性トランスデューサーが、前記振動質量体の一次運動における反対側の横方向ポジションにあるローター櫛状部フィンガー（２１ａ）のうちの１つのローター櫛状部フィンガーの第２のローター表面に対して、第２のステーター表面（２８）を提供する他のステーター櫛状部フィンガー（２２ａ）を有する、
請求項６に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項８】
前記ローター櫛状部フィンガーのペアの、前記第１のローター表面（２５）と前記第２のローター表面（２９）が、互いに平行になっている、請求項７に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項９】
前記静電容量性トランスデューサー構造が、第３の静電容量性トランスデューサーを有し、
前記第１の静電容量性トランスデューサーが、ステーターとローターの櫛状部フィンガー（５０、５２；６３、６０）からなる第１ペアを有し、
前記第３の静電容量性トランスデューサーが、ステーターとローターの櫛状部フィンガー（５１、５３；６４、６０）からなる第３ペアを有し、
前記第１の静電容量性トランスデューサーの前記ステーター櫛状部フィンガー（５０；６３）の前記ステーター表面と、該第１の静電容量性トランスデューサーの前記ローター櫛状部フィンガー（５２；６０）のローター表面とが、平行であり、かつ、前記駆動方向に対して、ゼロでない正の角度（＋α）だけ傾斜しており、
前記第３の静電容量性トランスデューサーの前記ステーター櫛状部フィンガー（５１；６４）のステーター表面と、該第３の静電容量性トランスデューサーのローター櫛状部フィンガー（５３；６０）のローター表面とが、平行であり、かつ、前記駆動方向（Ｄ）に対して、ゼロでない負の角度（−α）だけ傾斜している
ことを特徴とする、請求項５に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項１０】
前記静電容量性トランスデューサー構造が、第４の静電容量性トランスデューサーを有し、
前記第２の静電容量性トランスデューサーが、ステーターとローターの櫛状部フィンガー（５７、５８）からなる第２ペアを有し；
前記第４の静電容量性トランスデューサーが、ステーターとローターの櫛状部フィンガー（５５、５６）からなる第４ペアを有し；
同様に傾斜している、前記第１の静電容量性トランスデューサーと、前記第４の静電容量性トランスデューサーとが、前記振動質量体の一次運動における一方の横方向ポジションにあり、かつ、
同様に傾斜している、前記第２の静電容量性トランスデューサーと、前記第３の静電容量性トランスデューサーとが、前記振動質量体の一次運動における他方の横方向ポジションにある
ことを特徴とする、請求項９に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項１１】
前記第１の静電容量性トランスデューサーおよび第３の静電容量性トランスデューサーのローター櫛状部フィンガーが、１つのテーパーになったローター櫛状部フィンガー要素（６０）によって形成され、
該ローター櫛状部フィンガー要素が、前記駆動方向に対してゼロでない正の角度だけ傾斜したローター表面と、前記駆動方向に対してゼロでない負の角度だけ傾斜したローター表面とを含んでいる
ことを特徴とする、請求項９に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項１２】
前記第１の静電容量性トランスデューサーにおいて、または、前記第２の静電容量性トランスデューサーにおいて、前記ステーターとローターの櫛状部フィンガーが、複数ペアで、傾斜した配向となって配置されており：
ステーターとローターの櫛状部フィンガーのペアの、ステーター櫛状部フィンガー（４３）では、駆動方向に対してゼロでない角度の一辺を形成するステーター表面が、平坦であって、かつ、ステーター櫛状部フィンガー（４３）の長さ全体に広がっており；
ステーターとローターの櫛状部フィンガーのペアの、ローター櫛状部フィンガー（４１）では、ローター表面が、平坦であって、かつ、前記ステーター表面に平行に位置合わせされており；
前記ステーター櫛状部フィンガー（４３）と前記ローター櫛状部フィンガー（４１）の互いに反対になっている側は、駆動方向に合せられており、非対称的なノコギリ歯形状の補償構造を形成していることを特徴とする、
請求項５に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【請求項１３】
前記ゼロでない角度が、０．５〜２°の範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小電気機械センサーデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野 
本発明は、微小電気機械デバイスに関するものであり、特に、独立請求項の前段部分に規定されたとおり、微小電気機械センサーデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
微小−電気−機械システム(Micro-Electro-Mechanical Systems)、即ち、ＭＥＭＳは、少なくともいくつかの要素が機械的な機能を持っている、小型化された機械的および電気機械的なシステムであると規定することができる。ＭＥＭＳ構造体は、物理的な性質(properties)における非常に小さい変化を、早くかつ正確に検出するように適用することができる。一例として、微小電気機械ジャイロスコープは、非常に小さい角変位を、早くかつ正確に検出するように適用することができる。
【０００３】
運動(motion)は、６つの自由度を持つと考えることができ、該６つの自由度とは、３つの直交方向の並進移動と、３つの直交する軸の回りの回転である。後者の３つは、ジャイロスコープとしても知られる角速度センサーによって測定され得る。ＭＥＭＳジャイロスコープは、角速度を測定するためにコリオリ効果を用いる。質量体が一方向に移動しており、かつ、回転する角速度が加えられるとき、該質量体は、コリオリの力の結果としての直交方向の力を受ける。そのコリオリの力によってひきおこされた結果の物理的変位は、静電容量的(capacitively)に、圧電的(piezoelectrically)に、または、ピエゾ抵抗的(piezoresistively)に、感知する構造から読み取られ得る。
【０００４】
ＭＥＭＳジャイロにおいては、一次運動(primary motion)は、適正なベアリング(bearings)の欠落に起因して、従来のジャイロのように、連続した回転ではあり得ない。その代わりに、機械的な振動が一次運動として用いられ得る。振動ジャイロスコープが一次運動の方向に直角な角運動を行うとき、波状(undulating)のコリオリの力が生じる。これが、一次運動に直角でかつ角運動の軸に直角な二次振動を作り出し、かつ、前記一次振動の周波数において該二次振動を作り出す。この連結された振動の振幅は、角速度(angular rate)の尺度として使用できる。
【０００５】
ジャイロスコープは、非常に複雑な慣性ＭＥＭＳセンサーである。ジャイロスコープの設計における基本的な難問は、コリオリの力が非常に小さく、そのため、生成される信号が、そのジャイロスコープに存在する他の電気信号に比べて非常に小さい傾向にあるということにある。振動に対するスプリアス(spurious、不要)な共振と感受性が、多くのＭＥＭＳジャイロの設計を苦しめる。
【０００６】
ジャイロスコープの設計における１つの難問は、直交誤差運動(quadrature error motion)である。理想的なジャイロスコープ構造体では、一次振動と二次振動は、正確に直交する。しかしながら、実際のデバイスでは、不完全な状態が発生し、それが、ジャイロスコープの二次モードに対して、振動質量体一次モードの変位の直接的な結合（カップリング）を引き起こす。この直接的な結合は、直交誤差(quadrature error)と呼ばれている。角運動信号と直交信号(quadrature signal、直角位相信号)との間の位相差は９０度であり、そのことは、直交誤差が基本的には位相敏感検波(phase sensitive demodulation)によって除去し得ることを意味している。しかしながら、該直交信号は、角運動信号に比べて非常に大きい場合があり、かつ、そのために、該位相検波の読み出しエレクトロニクスや位相精度に対して、不合理なダイナミックレンジの要求を引き起こす場合があり得る。
【０００７】
この誤差源に対処する公知の方法の１つは、直交信号が生成される前に、センサー構造における誤差信号を除去する静電的な直交相殺(electrostatic quadrature cancellation、静電的な直角位相キャンセレーション)である。このために、正確に一次振動と同期しかつ二次振動に平行な静電力が振動質量体に加えられ得る。
【０００８】
静電的な直交位相の抑制は非常に効果的であり、かつ、そのため、広く用いられている技術である。それはまた、より高いパフォーマンスのためであっても、集積回路側における電子的な直交相殺および他の処理方法と容易に組み合わせることもできる。しかしながら、進歩したジャイロスコープ構造は、複雑であり得、かつ、微細加工の許容範囲はその寸法に比べて乏しく、そのため、駆動運動における直交成分を補償するために必要な電圧が非常に高くなる場合があった。このことは、エレクトロニクスの設計を複雑にし、かつ、ジャイロスコープデバイスの電力消費を増大させる。
【発明の概要】
【０００９】
発明の簡単な説明
本発明の目的は、微小電気機械的な感知（センシング）における直交補償(quadrature compensation)を高めることにある。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従った微小電気機械センサーデバイスによって達成される。
【００１０】
該請求項は微小電気機械センサーデバイスを規定し、該微小電気機械センサーデバイスは、振動質量体を有し、該振動質量体を固定支持構造に懸架するためのバネ構造を有し、該振動質量体を直線的な振動へと駆動するための励起手段を有し、かつ、静電容量性トランスデューサー構造を有する。前記該バネ構造は、該振動質量体に対して、駆動方向と、該駆動方向に直角な感知方向とを定める。前記直線的な振動は、駆動方向の一次成分と感知方向の直交誤差による二次成分とを持った方向を有するものである。前記静電容量性トランスデューサー構造は、固定支持構造に係留されるためのステーターを有し、前記振動質量体に機械的に接続されたローターを有し、かつ、ステーター表面とローター表面との間に静電力を作り出すように配置された電気的エネルギー源を有する。該ステーターは、少なくとも１つのステーター表面を含んでおり、かつ、該ローターは、前記ステーター表面に向かい合って位置するローター表面を含んでいる。該静電容量性トランスデューサー構造は、傾斜した配向にて配置され、駆動方向とステーター表面の接線との間にゼロでない角度が形成され、かつ、前記静電力が、前記直線的な振動の二次成分を減じるように方向付けられている。
【００１１】
傾斜した配向(slanted orientation、斜めの方向付け)に起因して、ステーター(stator)の表面とローター(rotor)の表面との間の距離もまた、振動質量体の直線的な振動の間に変化し、また、補償する力にギャップ変調を導入する。これが、補償する力の効果を著しく増大させる。
【００１２】
本発明のさらなる利点は、以下の態様と共に、より詳細に論じられる。
【００１３】
図面の簡単な説明
以下に、添付の図面を参照し、好ましい態様に関連付けて、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、静電的な直交補償のための、従来技術の静電容量性トランスデューサー構造を示す図である。
【図２】図２は、静電容量性トランスデューサー構造の代表例的な態様を示す図である。
【図３】図３は、直交補償櫛状部の単純化した構造を示す図である。
【図４】図４は、直交補償櫛状部のさらなる態様を示す図である。
【図５】図５は、さらなる静電容量性トランスデューサー構造を示す図である。
【図６】図６は、図５の静電容量性トランスデューサー構造を応用する、さらなる態様を示す図である。
【図７】図７は、図２から図６の静電容量性トランスデューサー構造を少なくとも１つ有する微小電気機械センサーデバイスを示す図である。
【図８】図８は、図７の微小電気機械センサーデバイスの詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
いくつかの実施態様の詳細な説明
以下の実施形態は、例示的なものである。明細書は、「ある(an）」、「１つの(one)」、または、「いくつかの(some)」実施形態に言及するであろうが、それは、そのような言及それぞれが、同じ実施形態を指すことや、その特徴が単一の実施形態だけに適用されることを必ずしも意味しない。異なる実施形態の単一の特徴は、さらなる実施形態を提供するべく、組み合わせられ得る。
【００１６】
以下に、本発明の種々の態様を実施し得るデバイスアーキテクチャーの単純な例を用いて、本発明の特徴を記載する。それらの態様を説明するために関連する要素のみを詳細に述べる。当業者に一般的に知られている静電容量性(capacitive)トランスデューサー構造または微小電気機械デバイスの種々の一般的な特徴は、ここでは具体的には説明しない。
【００１７】
図１は、代表例的な共振器構造体の基本要素を示しており、該共振器構造体では、静電容量性トランスデューサー構造が直交補償のために適用され得る。当該デバイスは、振動質量体１０を有し得、質量体本体は、慣性的な動作を提供するために、固定（振動しない）支持体構造に懸架されていてもよい。ジャイロスコープ構造では、前記固定支持体は、該ジャイロスコープ構造の他のボディ要素によって提供されてもよく、例えば、下層にあるハンドルウェハー(handle wafer)や、ジャイロスコープダイのカバーキャップ（覆い蓋）ウェハーによって提供されてもよい。しかしながら、留意すべきは、構造ウェハー、ハンドルウェハー、キャップウェハーへの区分が、概念的なものであるということである。当業者にとっては、例えば、ハンドルウェハーと構造ウェハーとが、別個に、または、積層されたシリコン−絶縁体−シリコン(silicon-insulator-silicon)基板からの組合せにて、パターン加工されてよいことは明らかである。
【００１８】
振動質量体１０は、バネ構造１２を通じて、固定(static、静的)支持体に懸架されていてもよい。該ストリング構造は、ここでは、あらゆる弾性的に方向性を持った要素を指しており、該要素は、該振動質量体の少なくとも１つの方向への変位に対しては柔軟（フレキシブル）であり、かつ、該振動質量体の他の方向への変位に対して非常に剛性(rigid)を有するように、該バネ構造の寸法(dimensions)および／または特性(properties)によって構成される。ジャイロスコープ構造では、該バネ構造は、典型的には、駆動方向Ｄへのおよび感知方向Ｓへの振動質量体の変位を可能にするように設計される。前記駆動方向Ｄは、ここでは、振動質量体１０の直線的な振動の設計上の方向を指しており、即ち、理想的な一次運動の間のおよび該振動質量体に作用する他の力が無い状態での、該振動質量体の該直線的な振動の方向を指している。感知方向Ｓは、ここでは、前記駆動方向に直角の方向を指しており、よって、共振器構造の角運動に起因する検出されるコリオリの力に一致する。図１は、代表例的な単純化した構成における、代表例的な駆動方向と感知方向を示している。実際には、共振器構造を実施するための多くのやり方があり、かつ、それに駆動方向と感知方向を配置するための多くのやり方がある。そのような解決策は、微小電気機械デバイスの技術における当業者には、広く文献に示されかつよく知られている。
【００１９】
振動質量体１０は、方向Ｄへの直線的な振動へと駆動されるように設計されてもよいが、直交誤差が原因で、該振動質量体１０の実際の運動の方向は、実際には、駆動方向Ｄにおける成分と、直交誤差によって生成される二次成分Ｑとを足した結果のものである。この直交誤差は、静電容量性トランスデューサー構造によって除去され得る。
【００２０】
図２は、本発明による静電容量性トランスデューサー構造の代表例的な態様を示している。その開示される構成は、振動質量体２０を含んでおり、該振動質量体は、上記したように、バネ構造（図示せず）を通じて固定支持体に懸架される。該バネ構造は、該振動質量体のために、図２に示すように、駆動方向Ｄを定めており、かつ、該駆動方向Ｄに直角である感知方向Ｓを定めている。該静電容量性トランスデューサー構造は、少なくとも１のローター２１ａまたは２１ｂをも含んでいる。ローターという用語は、ここでは、振動質量体２０に機械的に接続された、かつ、それにより固定支持構造に関連してその運動に沿って移動するよう相互作用的に連結された要素を指している。
【００２１】
トランスデューサーという用語は、エネルギーの１つの形を他のものに変換するデバイスを一般に指す。電気機械トランスデューサーは、機械的なエネルギーを電気的なエネルギーに変換するデバイスであり、例えば、機械的な運動(モーション)を、電流の変動または電圧の変動へと、また逆も同様に、変換するデバイスである。静電容量性トランスデューサーという用語は、ここでは、可変のキャパシタンスを持ったキャパシターを含む実体(entity、エンティティ)を指すように用いられる。可変のキャパシタンスを引き起こしまたは働かせるのに必要な、機械的な要素と電気的な要素との組合せが、静電容量性トランスデューサー構造を形成する。装置では、該静電容量性トランスデューサー構造のキャパシタンスは、選択された入力量(input quantity)の値における変化に起因して、変化するように構成されてもよい。直交補償では、入力量は、前記静電容量性トランスデューサー構造の空間的な配向に対応し、該空間的な配向は、ジャイロスコープ構造の振動質量体の直線的な振動に応じて変化する。
【００２２】
前記静電容量性トランスデューサー構造２０は、また、少なくとも１つのステーター(stator)２２ａ、２２ｂを含んでいてもよい。ステーターという用語は、ここでは、固定支持構造に固定するように係留(anchored)された要素を指す。構成によっては、ステーターおよびローターは、同じ固定支持構造に係留および懸架されてもよいし、また、異なる固定支持構造に係留および懸架されてもよい。図２に示すように、ローターは、櫛状部フィンガー(comb finger、櫛歯)を含んでいてもよい。ローターは、また、細長い要素を含んでいてもよく、それにより、細長い(elongate、長く延びた）ステーター表面２６が細長いローター表面２５に向かい合って延びるというように配置されていてもよい。
【００２３】
ローター２１ｂは、少なくとも１つの平坦なローター表面２５を含んでいてもよく、かつ、ステーター２２ｂは、少なくとも１つの平坦なステーター表面２６を含んでいてもよい。このことは、ステーターまたはローターの体積(volume)の少なくとも一部が、２次元（長さ、幅）の平面に沿って延びており、かつ、そこに平坦な表面を形成していることを意味する。許容範囲内で、該平坦な表面は、該面上のあらゆる２点を接続する全ての直線を含んでいると考えることができる。しかしながら、平坦な表面は、該ローター上にパターン形成された小さい突起部、または、該ローター内へとパターン形成された小さい窪みを含んでいてもよいということが理解される。表面の他の形態がスコープの範囲内で同様に適用されてもよいことが留意される。例えば、該表面は、湾曲していてもよいし、または、アーチになっていてもよい。
【００２４】
ローター２１ａ、２１ｂとステーター２２ａ、２２ｂは、複数ペア(pairs)を形成するように構成され、それは、ステーター２１ｂとローター２２ｂとのペアにおいて、ステーター２２ｂのステーター表面２６とローター２１ｂのローター表面２５とが互いに対向して位置するように構成されている。このことは、ステーター表面とローター表面とが間に介在する空間を渡って他方の真向かいにセットされる、ということを意味する。有利には、ただし必須ではないが、該ステーター表面と該ローター表面とは、初期状態において互いに位置合わせ(aligned)される。該初期状態は、ここでは、静的な状態を指し、ローターが固定支持構造に懸架されているが、移動するような駆動はされていないかまたは他の外部の力に曝されていない静的な状態を指す。図２の例では、ステーター表面とローター表面は、平坦であって、平坦なステーター表面と初期状態のローター表面とは、互いに平行である。湾曲した表面の場合には、初期には、ステーター表面の少なくとも１つの湾曲は、ローターの少なくとも１つの湾曲と位置合わせされていることが有利である。図２の例では、ローターは２つの櫛状部フィンガー２１ａ、２１ｂを含んでおり、これらフィンガーは、振動質量体から互いに反対の側に突き出している。ステーターは、また、ステーターの櫛状部フィンガー２２ａ、２２ｂを２つ含んでおり、かつ、前記ローターの櫛状部フィンガー２１ａ、２１ｂの各々は、個々のステーターのフィンガー２２ａ、２２ｂに対向し、振動するように配置されている。前記ローターの櫛状部フィンガー２１ｂのどちらかまたは両方は、細長いローター表面２５を、前記ローターの櫛状部フィンガーの少なくとも１つの側に含んでおり、図２におけるステーターとローターのペアは、次のようになっている：２１ａと２２ａ、２１ｂと２２ｂ。
【００２５】
図２のローター２１ａ、２１ｂは、振動質量体２０に機械的に接続され、ステーター表面とローター表面の複数ペアのそれぞれがキャパシターを構成している。当該静電容量性トランスデューサー構造は、電気エネルギー源（図示せず）をも含んでおり、該電気エネルギー源は、ステーター表面とそれに対向するローター表面とのペア間に静電力を作り出すように配置されている。誘導される駆動運動に起因して、ローターがステーターに対して移動する場合に、要素の構造的な配置を通じて、ステーター表面とローター表面とのペアからなるキャパシターのキャパシタンスが変化するように配置されていてもよい。
キャパシタンスのこの変化は、また、ステーター表面とローター表面との間の静電力を変調するように構成されたものでもよく、それは、該静電力が直交誤差運動に反対し、それによって、できるだけ初期にその効果を減じるといったようになっていてもよい。
【００２６】
振動質量体２０は、延いては、ローター２１ａ、２１ｂは、予め定められた方向Ｄへの一次運動を起こすように励起され得る。特別な方向を向いた駆動入力の力を造ることが可能な種々の励起構造が、スコープの範囲内において適用されてよいということが理解される。該励起の手段は、別個の電極を含んでいてもよく、該電極は、振動質量体２０と共に移動するよう構成され、かつ、さらなる静的な電極または静的な複数の電極（図示せず）と電気的に相互作用し、その電気的な相互作用の結果として振動質量体２０を移動させるように誘導するものである。代替的には、振動質量体は、自体が導電性材料から形成されているか、または、さらなる静的な電極または静的な複数の電極と相互作用する、導電性材料からなる堆積層を含んでいてもよい。また、圧電性の励起が適用されてもよい。振動質量体の励起メカニズムは、当業者にはよく知られており、ここでは詳細には論じない。励起された運動の方向は、主として、振動質量体２０を支持するバネ構造によって定められる。
【００２７】
直線的な振動では、振動質量体は、振動の軸上をつり合い(equilibrium)の点について前後に移動する。励起手段および懸架バネ(suspending springs)は、振動質量体２０を駆動して方向Ｄへの直線的な振動をさせるように設計されるが、しかし、上記で述べたとおり、直交誤差のために、実際の振動質量体２０の運動の方向は、実際には、駆動方向Ｄを向いている主成分と、該直交誤差によって生成される二次的な成分Ｑとの結果である。直交誤差は、意図しない欠陥によって引き起こされるので、そのトータルの大きさ(magnitude)と方向は構造によって異なり得る。直交誤差を排除する観点からは、駆動方向に直角な方向における直交誤差によって生成される変化成分Ｑが、最も関連がある。図２では、一次運動と直交誤差による直線的な振動の方向が、矢印Ｄ＋Ｑで示されている。該直交誤差運動が原因で、意図した振動の軸線から、実際の振動の軸線の偏移(deviation、ズレ)が生じる。図２の構成では、意図した振動の軸線は、駆動方向Ｄに平行であるが、しかし、直交誤差運動Ｑに起因して、実際の振動の軸線は、方向Ｄ＋Ｑに平行になるであろう。
【００２８】
直線的なＤ＋Ｑの振動の間に、該振動質量体２０が、そしてそれゆえにローター２１ａが、駆動方向Ｄに量Ｘだけ変位し、かつ、それに直角な感知方向Ｓに微小量Ｙだけ変位すると仮定する。これが、キャパシターのキャパシタンスを変化させ、かつ、振動質量体の直交誤差運動に抗する補償のための力を作り出す。振動質量体２０にｙ方向に作用するトータルの力は、力の合計によって定められ、それらの力は次のとおりであり：
0006372566.tif 000002
ここで、Ｃiは、ステーターとローターのペアによって形成されたキャパシターであり、かつ、Ｖiは、それらの間の電圧である。このトータルの力は、符号が負でありかつ駆動変位Ｘを含んでいる。従って、当該静電容量性トランスデューサー構造は、駆動方向Ｄへの変位Ｘと同位相である感知方向Ｓへの変位Ｙに抗する力を作り出す。
【００２９】
本発明の態様では、当該静電容量性トランスデューサー構造は、傾斜した配向となるように配置され、該傾斜した配向では、駆動方向とステーター表面の接線(tangent)との間に、ゼロでない角度αが形成される。図２の例では、ステーター表面は平坦であり、よって、ステーター表面の接線は、それと整列(aligned)している。配向を視覚的に際立たせるために、図２では、ゼロでない角度αが誇張されているということが留意される。典型的には、後述するように、より小さい角度が適用される。図２に示すように、角度αは、駆動方向Ｄと、ステーター２２ｂのステーター表面２６との間に形成される。
【００３０】
前の方で述べたように、従来では、向かい合ったステーター表面とローター表面との間の変動するオーバラップ（重なり部分）は、振動質量体の直交誤差運動を補償するための力を作り出すために適用されてきた。しかしながら、傾斜した配向に起因して、ステーター表面とローター表面との間の距離もまた、振動質量体の直線的な振動の間に変化し、それが、補償する力にギャップ変調(gap modulation)を導入する。微小電気機械ジャイロスコープ構造体の典型的な寸法であれば、このギャップ変調の効果は、非常に強力であることが判明した。例えば、図２の構成、α＝１°での傾斜した配向、および、２、５μｍのギャップ幅であれば、補償する力において＋５０％の増加が測定された。α＝２°での傾斜した配向、および、２、５μｍのギャップ幅は、補償する力に＋１００％の増加を提供した。
【００３１】
好ましくは、傾斜した配向の角度αは、予想される直交偏差(quadrature deflection)の角度よりも大きいように配置される。微小電気機械ジャイロスコープ構造体における前記直交偏差の角度は、典型的には、１°未満であり、傾斜した配向の最適角度は、α＝０．５〜２°の範囲にあることがわかった。
【００３２】
図２は、２つのキャパシターで補償する力が作り出される構成を示しており、該２つのキャパシターは、振動質量体の横方向ポジション(lateral positions)に、反対の複数ペア(opposite pairs)になるように配置されている。横方向ポジション(lateral positions)は、ここでは、振動質量体の一次運動に沿った該振動質量体の互いに反対側にある最も端にある位置を指す。反対の複数ペア(opposite pairs)は、ここでは、キャパシター電極２１ｂと２２ｂとからなる第１ペアのステーター表面２６とローター表面２５との間に作り出される静電力が、キャパシター電極２１ａと２２ａとからなる第２ペアのステーター表面２８とローター表面２９との間に作り出される静電力に対して、反対(opposite、逆)であるということを指す。図２の構成では、これは、ローター表面２５、２９と、ステーター表面２６、２８を、平行になるように配置し、ステーター２２ａ、２２ｂを意図する振動の軸線から互いに反対の側に位置させることによって達成されている。従って、振動質量体２０が図示した配向において上方へ移動すると、直交誤差運動は、振動質量体を左へシフトさせるが、しかし、キャパシター電極２１ｂおよび２２ｂからなる第１ペアの静電力が、この偏移(deviation、逸脱)を減じる。同様に、振動質量体２０が図示した配向において下方へ移動すると、直交誤差運動は、振動質量体を右へシフト(移動)させるが、しかし、キャパシター電極２１ａおよび２２ａからなる第２ペアの静電力が、この偏移を減じる。直交誤差運動とキャパシターのペアによる補償の結果により、実際の振動の軸線は、意図した振動の軸線へと、より近くシフトする。
【００３３】
前記反対のキャパシターの複数ペアの配向は重要であり、もし作り出された静電力が反対でなく、同じであれば、一次振動周波数の２倍で変調された力が作り出される。そのような力は、当然に、直線的な振動の直交誤差運動を補償するために適用し得るものではない。
【００３４】
直交補償する力を増やすために、振動質量体は、向かい合ったステーターとローターの複数ペアによって形成された複数のキャパシターを含んだ直交補償櫛状部(quadrature compensation comb)を含んでいてもよい。静電力は電荷同士の間の距離の二乗に反比例するが、実際には、斥力を直交補償に効果的に適用できない、ということが理解される。
【００３５】
図３は、直交補償櫛状部の単純化した構造を示しており、該直交補償櫛状部は、１つの方向Ｑcompにおける直交誤差を補償するように、図２の補償構造を多数含んでいる。ローター櫛状部フィンガー３５が、実際には、ステーター櫛状部フィンガー３６、３７による反対の静電力にさらされている、ということが留意される。しかしながら、距離の二乗への反比例のために、より接近する（向かい合う）ステーター櫛状部フィンガー３６の効果が優勢となる。この補償櫛状部の構成は、バイアスをかけるためには単純であるが、しかし、それでもタイト(密)なクシ状構造を可能にし、それゆえに、直交補償のために表面積の効果的な使用を可能にする。有利には、ジャイロスコープ構造は、正の感知方向における直交補償のための１つの櫛状部と、負の感知方向における補償のための１つのクシ状構造とを含んでいてもよい。該スコープ（範囲）が、振動質量体ごとにただ１つのキャパシターを持った構成をも含む、ということが留意される。しかしながら、そのような構造は、実際にはアンバランスであり、それゆえに、最適に作動することはないであろう。
【００３６】
図４は、他のタイプの直交補償櫛状部構造を示している。該構造は、振動質量体４０から突き出した複数のローター櫛状部フィンガー４１を持った該振動質量体４０を含んでいる。該構造は、また、複数のステーター櫛状部フィンガー４３を持ったステーター櫛状部４２を含んでいてもよい。該ステーター櫛状部フィンガー（複数）のステーター表面（複数）は、ローター櫛状部フィンガー（複数）４３のローター表面（複数）に対して、対向するポジションになるよう配置されている。振動質量体は、駆動方向Ｄへの直線的な振動へと励起されるように構成されていてもよい。直交補償櫛状部フィンガー（複数）は、傾斜した配向になっていてもよく、ここでも、駆動方向Ｄと、ステーター櫛状部フィンガー（複数）４３のステーター表面（複数）との間に、ゼロでない角度αが形成されるようになっていてもよい。角度αの辺(side)を提供するステーター表面は、必須ではないが、平坦であってよく、そのステーター櫛状部フィンガーの長さ全体に広がっていてもよい。ローター櫛状部フィンガー（複数）４１のローター表面（複数）は、相応して、平坦であってよく、ステーター表面に位置合わせされていてもよい。ステーター櫛状部フィンガー（複数）とローター櫛状部フィンガー（複数）の他方の側は、駆動方向Ｄと位置合わせされてもよく、よって、非対称的なノコギリ歯形状の補償構造を形成していてもよい。ステーターとローターのフィンガーペア（複数）の傾斜した配向は、上記で述べたように、直交補償に改善された効率を提供する。前記非対称的なノコギリ歯形状の補償櫛状部構造は、高めた補償フィンガーペア（複数）のタイトにした詰め込み(packing)を可能にする。よって、減じられたコンポーネントのサイズにて、高い性能(performance)が得られる。
【００３７】
図５は、補償する力を両方向に作り出し得るさらなる構造を示しており、ステーターとローターのフィンガーペア（複数）の傾斜した配向が、両方向への直交補償に対して改善された有効性を提供する。この静電容量性トランスデューサーの構成は、少なくとも２つのステーター５０、５１を含んでいてもよく、ここでは、駆動方向Ｄと、第１ステーター５０のステーター表面の接線との間に、ゼロでない正の角度＋αが形成されており、かつ、駆動方向Ｄと、第２ステーター５１のステーター表面の接線との間に、ゼロでない負の角度−αが形成されている。第１ステーター５０は、第１ローター５２に向かい合って配置されてよく、かつ、第１ステーター５０のステーター表面は、最初には、第１ローター５２のローター表面に平行に位置合わせされていてよい。これに対応して、第２ステーター５１は、第２ローター５３に向かい合って配置されてよく、かつ、第２ステーター５１のステーター表面は、最初には、第２ローター５３のローター表面に平行に位置合わせされていてよい。これにより、補償する力は、両方の感知方向に効果的に作り出されるであろう。
【００３８】
図５に示すように、この構成はまた、一次運動における反対側にある横方向のポジションに配置された複数キャパシター(capacitors)で実施されてもよい。第１ステーター５０と第１ローター５２とによるキャパシター、および、第３ステーター５８と第３ローター５７とによるキャパシターは、負の感知方向における直交成分を補償するために適用されてもよく、かつ、第２ステーター５１と第２ローター５３とによるキャパシター、および、第４ステーター５８と第４ローター５７とによるキャパシターは、正の感知方向における直交成分を補償するために適用されてもよい。また、この構造は、直交補償櫛状部を形成するために適用されてもよく、ここで、反対方向の静電力を作り出す複数キャパシターは、感知方向Ｓに沿った平行な配向へと順次的に配置される。
【００３９】
図６は、図５の静電容量性トランスデューサー構造の要素を適用するさらなる態様を示しているが、しかし、分離したローター櫛状部フィンガー（複数）５２、５３、および、５５、５７は、ここでは、テーパー(tapering、先細)になったローター櫛状部フィンガー（複数）６０、６１へと合体している。テーパーになったローター櫛状部フィンガー６０は、２つのローター表面を含んでいてもよく、１つは、第１ステーター６３のステーター表面に向かい合っており、そして、１つは、第２ステーター６４のステーター表面に向かい合っている。向かい合ったステーター表面とローター表面の同様の配置は、振動質量体の一次運動に関して、該振動質量体の反対側の横方向ポジションに配置されてもよい。また、この構造は、直交補償櫛状部を形成するために適用されてもよく、ここで、反対方向の静電力を作り出す複数キャパシターは、感知方向Ｓに沿った平行な配向へと順次的に配置される。図６の構成は、図５の構成のように同じ改善された効果を生み出すが、しかし、必要とするのはより小さい表面積である。
【００４０】
本発明の態様は、図２から図６の静電容量性トランスデューサー構造を少なくとも１つ含んだ微小電気機械センサーデバイスを含んでいる。図７は、少なくとも１つの振動質量体７０を含む代表例的なジャイロスコープ構造を持った、その様な態様を示している。該振動質量体７０は、バネ構造７１、７２によって、固定支持構造に懸架されていてもよい。図７に示すように、振動質量体７０は、２つの自由度を持つように懸架されていてもよく、１つは、一次運動の駆動方向Ｄへの自由度であり、そして、１つは、駆動方向に反する感知方向Ｓへの自由度である。該ジャイロスコープ構造は、振動質量体７０を一次運動へと駆動するための励起櫛状部７３を含んでいてもよく、かつ、該ジャイロスコープ構造の角運動によってもたらされたコリオリの力による該振動質量体の移動(movement、動き)を感知するための、感知櫛状部構造７４を含んでいてもよい。静電容量性トランスデューサー構造７５が、正の感知方向における直交誤差を補償するために適用されてもよく、かつ、静電容量性トランスデューサー構造７６が、負の感知方向における直交誤差を補償するために適用されてもよい。図７に示すように、当該微小電気機械センサーデバイスは、１つの平面上に線対称になっている２つのそのようなジャイロスコープ構造体を含んでいてもよい。
【００４１】
図８は、図７のジャイロスコープ構造を拡大して抜き出したものを示している。図８は、図７の静電容量性トランスデューサー構造７６のローター櫛状部構造８０とステーター櫛状部構造８１を、より詳細に示している。駆動方向Ｄと、ステーター櫛状部８１におけるフィンガーのステーター表面との間の、ゼロでない角度は小さいが、しかし、傾斜した配向が図８に見られるだろう。該静電容量性トランスデューサー構造７６の静電力は、正のＳ方向への直交誤差を減じるように向けられている。即ち、該静電容量性トランスデューサー構造の静電力は、質量部が正のＤ方向に偏移（逸脱）する場合に、ローター櫛状部フィンガーを負のＳ方向に引っ張る。これに対応して、図８は、図７の静電容量性トランスデューサー構造７５のローター櫛状部構造８２とステーター櫛状部構造８３を、より詳細に示している。該静電容量性トランスデューサー構造７５の静電力は、負のＳ方向への直交誤差を減じるように向けられている。即ち、該静電容量性トランスデューサー構造の静電力は、ローター櫛状部フィンガーを正のＳ方向に引っ張る。フィンガー（複数）の傾斜した配向によって、非常に効果的な補償が得られる。
【００４２】
技術が進歩するにつれて、本発明の基本的な考えが様々な形で実施できることは、当業者にとっては明白である。本発明およびその実施形態は、従って、上記の実施例に限定されず、請求項の範囲内で変化し得る。
【図１】
0006372566.tif 000003
【図２】
0006372566.tif 000004
【図３】
0006372566.tif 000005
【図４】
0006372566.tif 000006
【図５】
0006372566.tif 000007
【図６】
0006372566.tif 000008
【図７】
0006372566.tif 000009
【図８】
0006372566.tif 000010