(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細組立式音叉ジャイロスコープであって、
主平面を規定する基板と、
前記基板によって支持された第１および第２の校正質量とを備え、
前記各校正質量は、前記主平面に平行な第１の軸に沿って反対方向に駆動する振動を許容し、かつ、前記主平面に平行で前記第１の軸と異なる方向に向けられた第２の軸に沿った前記各校正質量の並進を許容する形態で支持されており、
前記並進は、前記各校正質量が前記第１の軸に沿って振動するように駆動されているときに、前記主平面外の軸に関連付けられた角入力に応答して起こるものであり、
前記各校正質量は、前記第２の軸に沿った前記各校正質量の運動の検知に用いる少なくとも１つの開口を含んでおり、
前記各校正質量と電気的に通信して、前記各校正質量を、前記第１の軸に沿って振動させる一方で、前記第２の軸に沿った運動を許容する駆動構造をさらに備え、
該駆動構造は、前記第１の軸に沿って配置された第１、第２、第３および第４の櫛を含んでおり、
前記第１の櫛と前記第２の櫛は、前記第１の軸に沿った反対方向の前記各校正質量の振動を引き起こすように協同動作しており、
前記第３の櫛と前記第４の櫛は、前記引き起こされた前記第１の軸に沿った前記各校正質量の振動を検知するように協同動作しており、さらに、
前記基板によって支持され、かつ、前記第２の軸に沿った前記各校正質量の軸運動に伴って変化するそれぞれの容量を確立させるように前記各校正質量の少なくとも１つの前記開口と協同して形態付けられるような関係をもたせて間隔づけられて配置された指型検知電極と、
前記各校正質量の少なくとも１つの前記開口から延び、かつ、前記指型検知電極と噛み合わせられるように配置された延長電極とを備え、
前記指型検知電極と前記各校正質量は、前記第２の軸に沿った前記各校正質量の差分軸運動に応答して前記容量の差分変化の検出を可能にするように形態付けられている
ことを特徴とする微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記指型検知電極は、電極の対を備え、該対のそれぞれの電極は、互いに電気的に１８０°位相ずれして駆動することを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項３】
前記延長電極は、前記指型検知電極の前記対のそれぞれの電極の間を延びていることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記指型検知電極は、少なくとも１つの前記開口内にあることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項５】
前記指型検知電極は、前記校正質量の駆動共振の電圧を前記指型検知電極に与える駆動システムと電気的に通信していることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項６】
前記指型検知電極は、前記校正質量の駆動共振とは異なる周波数の電圧を前記指型検知電極に与える駆動システムと電気的に通信していることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項７】
前記指型検知電極と延長電極は、各指型検知電極と、これに対応して前記指型検知電極が噛み合う校正質量から延びる２つの隣接した延長電極との間に、不等間隙が存在するように、互いに噛み合っていることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項８】
前記延長電極と指型検知電極は、互いに対応する櫛に形成されていることを特徴とする請求項７記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項９】
前記指型検知電極は、平行なストライプとして配列されており、更に該ストライプ間を電気的に相互接続する導電性リードを備えることを特徴とする請求項７記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記指型検知電極は、前記校正質量の少なくとも１つの前記開口に対向するように、前記基板によって支持された平行なストライプを備え、該ストライプは、前記第１の軸に平行に延びていることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１１】
各前記校正質量は、それを貫通して配置された複数の開口を有し、前記ストライプは対にして配置されおり、各前記対の前記ストライプの一方は、各前記対のストライプの他方に関して電気的に１８０°位相ずれして励起されることを特徴とする請求項１０記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記ストライプの対は、第１のピッチを有しており、前記開口は、該第１のピッチと実質的に等しい第２のピッチを有していることを特徴とする請求項１１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記開口の端部は、前記ストライプの各対のストライプの上に横たわっている
ことを特徴とする請求項１１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１４】
前記第１および第２の櫛は、前記基板の第１および第２のアンカー領域から延びている
ことを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１５】
前記校正質量は、サスペンションによって前記基板上に支持されており、
前記サスペンションは、
前記校正質量の向かい側に配置された２本のビームと、
前記基板上のアンカーに前記ビームを接続する第１の撓み体と、
前記校正質量を前記ビームに接続する第２の撓み体とを備える
ことを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１６】
前記校正質量は、サスペンションによって前記基板上に支持されており、
前記サスペンションは、
前記校正質量の向かい側の前記基板に固定された２つのビームと、
前記校正質量を前記ビームに接続する撓み体とを備える
ことを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１７】
前記校正質量は、前記校正質量内の対応するカットアウト内に配置された撓み体を備えるサスペンションによって前記基板上に支持されており、
各前記撓み体は、前記対応する前記校正質量に対して、前記撓み体が配置されるカットアウト内の最も内側の領域で取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１８】
各前記校正質量は、並んで配置されており、そして、前記校正質量は、各前記校正質量に取り付けられた実質的に同一の撓み体を備えるサスペンションによって前記基板上に支持されており、
前記撓み体は、前記校正質量の頂部および底部に配置されており、かつ、前記校正質量の頂部および底部において前記基板上の対応するアンカーに取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項１９】
前記第２の軸は、前記第１の軸に直交していることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項２０】
前記面外の軸は、前記主平面に直交していることを特徴とする請求項１記載の微細組立式音叉ジャイロスコープ。
【請求項２１】
慣性測定システムであって、
主平面を規定する基板と、
前記基板によって支持されている第１の面内音叉ジャイロスコープであって、
前記主平面に平行な第１の軸に沿った振動運動と、前記第１の軸に直交する第２の軸回りの回転とに対して、懸架されて配置された第１および第２の校正質量と、
前記第１の軸に沿って振動を起こすために、前記第１および第２の校正質量と電気的に通信している第１の駆動構造と、
前記第１および第２の校正質量と電気的に通信している第１のセンサ構造であって、
前記第１のセンサ構造は、前記第２の軸回りの前記第１および第２の校正質量の回転を検知するように配置されているものと
を備えている第１の面内音叉ジャイロスコープと、
前記基板によって支持されており、かつ、前記第１の面内音叉ジャイロスコープに関して角度をなして指向づけられている第２の面内音叉ジャイロスコープであって、
前記主平面に平行で前記第１の軸に直交する第３の軸に沿った振動運動と、前記第３の軸に直交する第４の軸回りの回転とに対して、懸架されて配置された第３および第４の校正質量と、
前記第３の軸に沿って振動を起こすために、前記第３および第４の校正質量と電気的に通信している第２の駆動構造と、
前記第３および第４の校正質量と電気的に通信している第２のセンサ構造であって、
前記第２のセンサ構造は、前記第４の軸回りの前記第３および第４の校正質量の回転を検知するように配置されているものと
を備えている第２の面内音叉ジャイロスコープと、
前記基板によって支持された面外音叉ジャイロスコープであって、
前記主平面に平行な第５の軸に沿った振動運動と、前記第５の軸に関して角度づけられ、かつ、前記主平面に平行な第６の軸に沿った並進とに対して、懸架されて配置された第５および第６の校正質量と、
各校正質量は、前記第６の軸に沿った前記校正質量の運動を検知するために用いる検知櫛を有しており、
前記第５および第６の校正質量と電気的に通信して、前記第５の軸に沿った振動を起こすことと、それを検知することとの両方を行うようにした第３の駆動構造と、
前記第５および第６の校正質量と電気的に通信するようにした第３のセンサ構造であって、
前記第３のセンサ構造は、前記第６の軸に沿った前記第５および第６の校正質量の並進を検知するように配置されているものと
を備えている面外音叉ジャイロスコープと
を備えていると共に、
前記第１および第２の校正質量の前記第１の軸に沿った振動の周波数は、前記第３および第４の校正質量の前記第３の軸に沿った振動の周波数とは異なり、かつ、これら振動周波数の両方は、前記３つのジャイロスコープ間のクロストークが実質的に回避されるように、前記第５および第６の校正質量の前記第６の軸に沿った振動の周波数とは異なっている
ことを特徴とする慣性測定システム。
【請求項２２】
前記面外音叉ジャイロスコープの前記第３のセンサ構造は、
前記基板によって支持された指型検知電極を有しており、
前記指型検知電極は、電極の対を備え、
各前記対の電極は、互いに電気的に１８０°位相ずれして駆動されており、そして、
前記第５および第６の校正質量のそれぞれにおける少なくとも１つの開口は、前記指型検知電極の対の１つに関連づけられた電極と協同している
ことを特徴とする請求項２１記載の慣性測定システム。
【請求項２３】
前記面外音叉ジャイロスコープの前記第３のセンサ構造は、
前記第５および第６の校正質量に対向して前記基板によって支持され、かつ、前記第５の軸に並行に延びる対にして配置された平行なストライプを備えた指型検知電極であって、
各前記対の一方のストライプは、各前記対の他方のストライプと電気的に１８０°位相ずれして励起することができるものと、
前記第５および第６の校正質量を貫通して配置された開口であって、
前記開口の端部は、各前記対のストライプの上に横たわって配置されているものと
を有することを特徴とする請求項２１記載の慣性測定システム。
【請求項２４】
前記第１、第２および第３の駆動構造は、それぞれ、櫛形ドライブを有しており、
前記櫛形ドライブは、
前記第１、第２、第３、第４、第５および第６の校正質量の１つに関連づけられたものから延びている第１の被駆動電極と、
前記基板から延びていて、前記第１の被駆動電極と噛み合う第２の駆動電極とを有する
ことを特徴とする請求項２１記載の慣性測定システム。
【請求項２５】
前記第１の面内音叉ジャイロスコープ、前記第２の面内音叉ジャイロスコープおよび前記面外音叉ジャイロスコープは、単一のウエハ上に備えられている
ことを特徴とする請求項２４記載の慣性測定システム。
【請求項２６】
前記第１の面内音叉ジャイロスコープ、前記第２の面内音叉ジャイロスコープおよび前記面外音叉ジャイロスコープは、単一のチップ上に備えられている
ことを特徴とする請求項２１記載の慣性測定システム。
【請求項２７】
前記振動のそれぞれの周波数の差は、前記第１および第２の校正質量の質量と前記第５および第６の校正質量との質量の差に起因している
ことを特徴とする請求項２１記載の慣性測定システム。
【請求項２８】
前記振動のそれぞれの周波数の差は、
前記第１および第２の校正質量に対するサスペンションのバネ定数と、
前記第３および第４の校正質量に対するサスペンションのバネ定数と、
前記第５および第６の校正質量に対するサスペンションのバネ定数との間の差に起因している
ことを特徴とする請求項２１記載の慣性測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
適用なし
【０００２】
［連邦補助研究または開発に関する表明］
適用なし
【０００３】
［発明の背景］
本発明は、微細組立式音叉ジャイロスコープに関する。
【０００４】
微細組立方式は、固体電子部品を組立てることで知られるバッチ組立技術を使用して、機械式ジャイロスコープや他のデバイスが構築されることを可能にする。これらの技術は、従来技術によって構築されるよりも小サイズ、低コスト、そしてより高信頼性の機器を生じさせる。
【０００５】
微細組立式音叉構造は、慣性レート（速度）センサとして使用されることが知られている。既知の音叉構造は、典型的には、デバイスがその上または中に構築される基板の主平坦表面を有する面内の軸に沿った角速度を検知する。１つのそのようなデバイスは、面内音叉ジャイロスコープである。これは、２つの振動する音叉要素即ち校正質量に関連して噛み合う駆動および被駆動の指形電極または櫛を使用する。
【０００６】
そのような既知のデバイスの組立は、本当に率直なものであり、フォトリソグラフィや他の半導体組立技術を包含する。減衰と交差結合の理由のために、そのような既知のデバイスの板は、孔や開口を伴って作られる。いくつかの組立シーケンス、例えばポリシリコンとバルクシリコンは、アンダーカット・エッチングを強化するために孔を必要とする。しかしながら、そのようなデバイスは、既知であり、また校正質量の主平坦表面の面に加わる角速度だけを検知するように構成されていて、基板の主平面に直交する軸の回りの角速度を検知するようには構成されていない。基板の主平面に直交する軸の回りの角速度を検知ための、および／または既知の面内音叉ジャイロスコープ構成から３軸システムを実現するための機械的固定およびワイヤボンディングは、高価であり、しかも煩雑である。
【０００７】
他の比較的複雑な微細機械式構成は、面外角速度を検知するものとして知られている。グリーフ（Ｇｒｅｉｆｆ）の米国特許第５，０１６，０７２号は、面外角速度を検知するダブルジンバル型ジャイロスコープ構造を記述している。しかしながら、そのようなダブルジンバル構造を達成するために必要とされる処理は、参照される面内構造を達成するために必要とされる処理と互換性がない。かくして、３軸慣性測定ユニットの単一チップ上での実現は、困難であって、多分商用的には実用的でないものになろう。
【０００８】
［発明の簡単な要約］
本発明は、デバイスが構築される基板上の主平面に直交する軸の回りの角速度を検知する微細組立式面外音叉ジャイロスコープを規定する。この面外音叉ジャイロスコープは、参照される面内音叉ジャイロスコープの処理と同等で互換性がある処理によって組み立てられるもので、単一チップバイアブル上への３軸角速度センサの構築を現実味あるものにする。
【０００９】
第１の実施形態では、面外音叉ジャイロスコープは、２つの開口を形成した校正質量と、前記校正質量の前記開口の下（または上）の基板上に配置された第１および第２の組のストライプ形態の電極とを有するストライプ状の容量リードアウトを組み入れる。櫛形ドライブは、各校正質量を主平面内で、典型的には逆方向に振動させる。振動する校正質量は、基板の主平面に平行な、しかし振動軸とは異なる軸に従い、そしてその軸に沿って、基板に垂直な軸の回りの角速度または加速度入力に応答して、並進する。校正質量が並進すると、開口は電極ストライプをカバーし、相対度数を変化させる。これは、校正質量と各組の電極との間の容量が、校正質量の差分軸位置、従って入力角速度に比例して、増加または減少するようにするためである。
【００１０】
異なる実施形態では、駆動および角速度検知の双方に、櫛形ドライブの噛み合う指型電極が使用される。固定された櫛は、電気的に分離された、１８０°位相ずれした対として配置される。面外角速度入力に応答して校正質量が並進すると、校正質量上の櫛と固定された櫛との間の距離は変化し、容量を変化させる。この櫛は、駆動および検知動作の双方を提供するために、駆動軸の共振周波数の電圧で駆動される。
【００１１】
面外音叉ジャイロスコープの感度は、与えられた校正質量サイズと共振周波数の分離に対しては、面内音叉ジャイロスコープの感度に接近する。
【００１２】
異なる実施形態では、面外音叉ジャイロスコープは、ジャイロスコープエラーを生ずる電気結合の共通モード排斥用に、２つの半体に分割された中央モータを組み入れる。
【００１３】
面外音叉ジャイロスコープの微細組立工程は、面内音叉ジャイロスコープの微細組立工程と互換性がある。それ故、両タイプのデバイスは、同じシリコンウエハ上に、あるいは同じチップ上にさえも作ることができる。かくして、速度の３軸および加速度の３軸を有する完全な慣性測定ユニットは、単一のシリコン基板上に作ることができる。
【００１４】
本発明の上記のおよび他の特徴は、実施の形態を示す以下の詳細な説明および添付の図面で、より完全に言及される。
【００１５】
［発明の詳細な説明］
図１に示されているように、従来技術の面内音叉ジャイロスコープは、校正質量１０および櫛１２，１４の形態の振動要素を有している。校正質量１０は、孔または開口４０をその中に有するが、その内のいくつかだけが明瞭化のために図１に示されている。校正質量１０と櫛１２，１４は、アセンブリ上に支持されている。このアセンブリは、支持部材であるビーム１６と、校正質量１０を支持部材１６に接続する撓み体１８と、支持部材１６をアンカー点２４で基板２２に接続する撓み体２０とを有する。校正質量１０と支持部材１６と撓み体１８，２０は、懸架された素材２として図１に示されており、これは図示の実施形態では、金属、ドープされたシリコン、シリコン、またはポリシリコンによって形成される。
【００１６】
外側櫛１４は、接触パッド２６を経由したＤＣ（直流）バイアスとＡＣ（交流）電圧によって励起され、校正質量１０を駆動軸３０に沿って逆方向に振動させる。オプションで、外側櫛１４は、バイアスなしで機械的共振周波数の半分だけ駆動されるか、あるいは２つの異なる周波数で駆動される。
【００１７】
内側櫛１２は、図１には示していない自己駆動型発振回路に使用される校正質量の振動運動を検知するために使用される。
【００１８】
図１の面内音叉ジャイロスコープに対して、入力軸３２に沿った基板２２の平面内の角速度は、コリオリの力を生じさせる。この力は、基板２２に垂直な出力運動軸に沿って、一方の校正質量１０を上向きに、そして他方を下向きに移動させる。校正質量１０のそれぞれの運動は、校正質量１０とこれに対応して基板２２上に整列した電極板３４Ｌ，３４Ｒとの間の容量を変化させる。板３４Ｌ，３４Ｒは、変化する容量を検知するために使用されるＡＣ検知信号によって駆動される。例えば、右側の板３４Ｒは、１００ｋＨｚ、位相角０°で励起されるのに対し、左側の板３４Ｌは、１００ｋＨｚ、位相角１８０°で励起される。他の周波数やＤＣもまた使用できる。校正質量１０からの差分ＡＣ電流は、出力ノード３６において、入力角速度に比例している。
【００１９】
図１の音叉ジャイロスコープにおけるサスペンションの構成、即ちサスペンション部材１６，１８，２０の厚み、長さ、および幅は、デバイスの意図された用途に適切な所望の面内感度を達成するために選択することができる。
【００２０】
図２において、図１の面内ジャイロスコープの同様の要素に対応する面外音叉ジャイロスコープの要素は、同じ参照番号を使用して参照される。図２のジャイロスコープは、前記板３４Ｌ，３４Ｒの代わりに、ストライプ状の容量リードアウトを使用する。このストライプ状の容量リードアウトは、対をなすストライプ４２，４３として基板２２上に形成された電極を有する。ストライプ４２，４３は、校正質量１０の下方に駆動軸３０と並行に形成されている。校正質量の運動軸４４（後述する）に沿った開口４０のピッチ、即ち対応する点間の距離は、ストライプ４２，４３の対のピッチと実質的に同じである。感度を最大化するために、開口４０の端部は、図３に更に特別に示されているように、導電性ストライプ４２，４３の上に横たわっている。ストライプ４２，４３は、基板表面の金属化によって、あるいは基板内の拡散領域によって形成される。
【００２１】
図２に示される構造は、基板２２に平行なＺ軸４４に沿って従順である。図１の従来技術の音叉ジャイロスコープでのように、サスペンション部材１６，１８，２０の厚み、長さ、および幅は、所望の面外感度を達成するために選択することができる。基板に直交する入力軸３８の回りの角速度は、校正質量の一方を＋Ｚ、他方を−Ｚに沿って並進させる。この軸運動は、開口４０がストライプ４２，４３をカバーし、相対度数を変化させるにつれ、容量ストライプ４２，４３と校正質量１０の間の容量に変化を生じさせる。容量板４２の一方の組は、例えば、ＤＣ電圧と５０から５００ｋＨｚの周波数により位相角０°で励起され、そして容量板４３の他方の組は、位相角１８０°で励起される。他の周波数もまた使用できる。また、一方の校正質量１０の下方の容量ストライプ４２，４３の組は、他方の校正質量１０の下方の容量板４２，４３の組から反対方向に励起される。従って、出力ノード３６から検知される電流は、２つの校正質量１０の差分軸位置、よって、入力角速度に比例する。容量ストライプ４２，４３の数が多いほど、入力角速度に対する感度は大きい。
【００２２】
ストライプ４２，４３の一部は、必要であれば、トルク再平衡用に専用化できる。トルク再平衡は、従来技術で教示されるように達成される。
【００２３】
ストライプ容量型の面外音叉ジャイロスコープの感度は、与えられた校正質量サイズおよび共振周波数の分離に対して、面内音叉ジャイロスコープの感度の３０から１００パーセントの範囲にすることができる。縁部領域を無視すると、平行矩形板間の容量は、以下の式によって既述される。
【００２４】
0005123455.tif 000002
【００２５】
ここで、Ｃ＝容量；ε＝誘電率；Ｌ＝板の長さ；ｗ＝板の幅；ｈ＝板の間隙である。
【００２６】
これらの板が離れると、容量は以下のように変化する。
【００２７】
0005123455.tif 000003
【００２８】
前記間隙が一定に保たれ、その運動がエッジｗに並行であるとき、変位ｙに伴う前記容量の変化は、次のようになる。
【００２９】
0005123455.tif 000004
【００３０】
ストライプ状のパターンでは、孔が校正質量と完全に交差しないという事実、および縁部領域を説明するために、アクティブなエッジの数と１／２なる係数によって、感度は倍増される。アクティブなエッジの数は、図３から、２ｗ／Ｌｐである。それ故、Ｌｐ＝ｗに沿う孔の中心から中心の間隔とすれば、次式が成立する。
【００３１】
0005123455.tif 000005
【００３２】
ジャイロスコープ動作では、リードアウト感度は、容量変化と励起電圧に比例する。励起電圧は、スナップダウン電圧に比例する。スナップダウン電圧は、校正質量を検知電極に持ち込むＤＣ電圧であり、次式によって与えられる。
【００３３】
0005123455.tif 000006
【００３４】
ここで、Ｋｔ＝平面に垂直なバネ剛性−並進であり、Ａ＝対向する容量板の面積である。
【００３５】
典型的な音叉ジャイロスコープでは、Ｌｐ＝約１０μｍであり、ｈ＝約３μｍである。ストライプ幾何学用の対向面積は、面内音叉ジャイロスコープの通常の容量の５０％である。式（２），（４），（５）から、ストライプ状容量リードアウトの感度は、本面内音叉ジャイロスコープのそれの４５％とすべきである。
【００３６】
ビームと撓み体の幅および長さは、軸アプライアンスを最適化して、検知運動の共振が音叉ドライブのそれを近似するように、選択できる。検知および駆動双方の共振は、校正質量およびビームの厚みからは独立している（もし、全てが同じ厚みであれば）。この独立性は、検知および駆動軸共振周波数の整合を、面内音叉ジャイロスコープよりも面外音叉ジャイロスコープで簡単なものにする。デバイス加工が改善されるに従って、面外音叉ジャイロスコープの感度が面内ジャイロスコープのそれに接近し、それを越えることさえできるように、より厚いビームや撓み体が可能になる。
【００３７】
本発明の異なる実施形態では、面外音叉ジャイロスコープは、噛み合う指型電極または櫛５０，５２を駆動および角速度検知の双方に使用する２重機能ドライブを組み入れて、校正質量１０の下方に配置される容量板に対する必要性を未然に回避する。この２重機能ドライブが、図４に模式的に示されている。固定された櫛５０，５２は、対として配置され、各対の櫛は互いに電気的に隔離されている。各対の一方の櫛５０は、例えば１００ｋＨｚの搬送波によって位相角０°で励起される。各対の他方の櫛５２０は、搬送波によって位相角１８０°で励起される。他の周波数およびＤＣもまた使用することができる。図示されているように、外側の、即ち１８０°の櫛５２は、それぞれ長い脚部５４に取付られている。内側の、即ち０°の櫛５０は、それぞれ長い脚部５４と２つの１８０°の櫛５２の間に規定されたスペース５６内のアンカー５１で基板２２に取付られている。櫛の位相角は、必要であれば、１８０°の櫛が内側の櫛を形成するように、逆にすることができる。内側櫛５０に対する電気的接続は、外側櫛５２の下側の導電性リード５８を通して達成される。内側櫛からのリードは、櫛と並列で、長い脚部５４の下側を通るようにすることができる。
【００３８】
校正質量１０から延びる櫛６０は、一対の固定櫛５０，５２の各歯の間に横たわる。面外または入力軸３８の回りの角速度は、上述したように、校正質量１０を軸４４に沿って軸方向に移動させる。この軸運動は、校正質量の出力ノード３６（図２に示されている）を通して流れる電流が入力角速度に比例するように、距離を、そして校正質量櫛６０と固定櫛５０，５２の間の容量を変化させる。
【００３９】
櫛５０，５２をバイアスと駆動軸共振の電圧で駆動することにより、駆動および検知動作の２重機能を実現することができる。同様に、ＤＣバイアスと１００ｋＨｚを印加することによって、これらの櫛は、駆動軸運動を励起し、また検知軸変位を検知することができる。これらの櫛はまた、セグメント化することができる。これは、セグメントのいくつかを速度検知だけに使用し、残りを駆動または被駆動だけに使用するためである。
【００４０】
図４の２重機能櫛５０，５２はまた、運動軸４４に沿った変位を検知することに両方の櫛が使用される「差分」モードで使用することもできる。このリードアウトは、信頼性のある小さい面積のアンカーを提供する犠牲エッチを伴うポリシリコン堆積で使用される。
【００４１】
図５および６は、図４のそれのようなジャイロスコープにおける検知櫛用の代替構造を示している。図５の実施形態は、基板２２に固定された固定櫛５３の各歯と校正質量櫛６０の２つの隣接する歯の間に、不等サイズの間隙７３，７５を有する。同様に、図６の実施形態も、固定櫛５５の各歯と梯子型校正質量櫛６０’の２つの隣接するストライプの間に、不等サイズの間隙７３’，７５’を有する。歯５５は、導電性リード５８によって接続されている。典型的には、固定櫛５３または固定櫛５５は、ＤＣまたはＡＣ電圧信号によって駆動される。
【００４２】
図７は、図４の検知櫛を使用した音叉ジャイロスコープを示している。２重櫛５０Ｌ，５２Ｒおよび５２Ｌ，５０Ｒは、校正質量１０の開口８０および８２内に形成されている。櫛６０は、校正質量１０内の開口８０および８２間に形成されている。櫛５０Ｌおよび５０Ｒは、アンカー５１において基板に取り付けられ、櫛５２Ｌおよび５２Ｒは、アンカー５５において基板に取り付けられている。櫛５０Ｌおよび５２Ｌは、正電圧でバイアスされ、櫛５０Ｒおよび５２Ｒは、負電圧でバイアスされるか、この逆である。
【００４３】
図７に示すように、中央または内側モータは、２つの部品９０Ｌおよび９０Ｒに分割することができる。この分割は、図示のように垂直方向にも、水平方向にも行うことができる（即ち、各セクションが両方の校正質量１０を駆動する、垂直方向に分離されたモータを作る）。校正質量の櫛１２と噛み合う内側モータの櫛９２Ｌ、９２Ｒは、被駆動校正質量の運動を検知する。内側櫛９２Ｌおよび９２Ｒは、逆極性で同じ大きさのＤＣ電圧によってバイアスされている。差分積分増幅器９３は、分割されたモータ部品９０Ｌおよび９０Ｒの両端の信号を検知する。校正質量１０は櫛９２Ｌおよび９２Ｒと並列に駆動されるので、電流は内側櫛９２Ｌおよび９２Ｒに出入りするように流れる。積分差分増幅器９３は、電流の流れによって生成された、校正質量の位置に比例する低インピーダンスの電圧信号を検知する。固体であるよりはむしろ分割された内側櫛９２Ｌおよび９２Ｒは、モータ部品９０Ｌおよび９０Ｒの間に電気的な反対称性を生じさせる逆極性の分離されたバイアスの使用を可能にする。この反対称性は、ジャイロスコープエラーを生じさせる共通モード信号が、積分増幅器９３の差分作用によって排除されるようにする。
【００４４】
図８〜１０は、検知櫛を構成する追加の代替法を示している。図８および９は、図５の不等間隙構造を使用する。図８では、検知櫛は、完全に校正質量１０の境界内部に配置されている。これに対し、図９では、追加の検知櫛がまた校正質量１０の境界外部にも配置されている。図１０は、図６の内部櫛歯構造の変形例をしめしている。
【００４５】
図２のストライプ容量リード型アウトジャイロスコープと、図７の２重機能櫛型ジャイロスコープの双方に対する代替サスペンション構成が、図１１に模式的に示されている。図示の構成では、２つの交差ビーム７０が基板２２に対してアンカー７２で固定されている。校正質量１０は、撓み体７６によってビーム７０から懸架されている。サスペンションの他の形態もまた可能である。加えて、検知櫛からのリードやボンディングパッドの数は、変化できる。例えば、図７には４つのボンディングパッドが示されているが、検知櫛のそれぞれの列に対して１つの分離したボンディングパッド、即ち８つのボンディングパッドを使用することができる。他のオプションでは、全ての正電圧櫛を１つの検知パッドに接続することができる。即ち、２，３または４つのパッドを負電圧に使用することができる。これらのオプションは、４相に対する補償を提供し、校正質量の下に連続したガード平面を可能にする。
【００４６】
図１２〜１４は、面外ジャイロスコープ用の代替サスペンション構成を示している。図１２および１３は、校正質量とバネを含んだ完全な構成の１／４を示している。図１４は、完全な構成を示している。図１４のジャイロスコープでは、校正質量１０に取り付けられた撓み体は、長いカットアウト内に配置され、そして、カットアウトの最も内側の領域で校正質量１０に取り付けられている。この構成は、面積効率性の設計を可能にする。
【００４７】
面外音叉ジャイロスコープは、単一センサーとしても、また２つの面内音叉ジャイロスコープと組み合わせた、自動車、軍事、医療およびコンピュータゲームアプリケーション用の３軸慣性測定ユニットとしても使用できる。ここで説明された面外音叉ジャイロスコープは、図１の従来技術の面内音叉ジャイロスコープ用に使用された同じプロセスで作ることができる。かくして、３軸慣性測定ユニットは、図１５に示されるように、単一ウエハから、あるいは単一チップ内に構築することができる。デバイスは、例えば、溶解されたウエハプロセス、種々のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プロセス、または表面微細加工ポリシリコンプロセスによって組み立てることができる。バルクシリコンのエッチングによる組立もまた可能である。
【００４８】
当業者には明らかであるが、上述した方法および装置に対する修正および変形は、ここに開示された発明概念から逸脱することなく可能である。従って、この発明は、添付の請求の範囲の精神および範囲によってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術の面内音叉ジャイロスコープの模式図である。
【図２】  本発明に係る面外音叉ジャイロスコープの模式図である。
【図３】  図２の音叉ジャイロスコープにおけるストライプ状容量リードアウトの部分的な模式図である。
【図４〜６】  本発明に係る面外音叉ジャイロスコープ用の代替容量リードアウトの模式図である。
【図７〜１０】  図４〜６の代替容量リードアウトを組み入れた本発明に係る面外音叉ジャイロスコープの異なる実施形態の模式図である。
【図１１〜１４】  代替サスペンション構成を組み入れた本発明に係る面外音叉ジャイロスコープの異なる実施形態の模式図である。
【図１５】  ２つの面内音叉ジャイロスコープと１つの面外音叉ジャイロスコープを組み入れた本発明に係る３軸慣性測定ユニットの模式図である。
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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