(57)【要約】本発明は、複数の運動周波数及び一様な運動−感知周波数離隔距離をもつマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（１０）を形成する方法に関する。各々のデバイスは少なくとも１つの慣性マス（１２、１３）を含み、各々の慣性マスはサスペンションシステムによって基板に連結される。本方法は、少なくとも２つの慣性マスの質量、慣性マスの曲げ剛性、サスペンションの長さ、及びサスペンションの幅を調節することによりＭＥＭＳデバイスの共振周波数を制御する段階を含む。
2006517301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の運動周波数及び一様な運動−感知周波数離隔距離をもつマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（１０）を形成する方法であって、前記デバイスの各々は、サスペンションによって基板の上方に懸架される少なくとも１つの慣性マス（１２、１３）を含み、前記方法は、少なくとも２つの前記慣性マスの質量、前記慣性マスの曲げ剛性、前記サスペンション（１４）の長さ、及び前記サスペンションの幅を調節する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
少なくとも１つのサスペンション（１４）に取り付けられた少なくとも１つのヒュージブルリンク（１２８）を加工する段階と、
前記少なくとも１つのヒュージブルリンクを溶かして前記デバイス（１０）の共振周波数を調節する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
慣性マス（１２、１３）の曲げ剛性を調節する段階が、
前記少なくとも１つの慣性マス内に少なくとも１つの孔（７６）を加工する段階と、
前記少なくとも１つの慣性マスの孔の位置、大きさ、及び数の少なくとも１つを調節する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
慣性マス（１２、１３）の質量を調節する段階が、薄膜（１０６）の材料を前記少なくとも１つの慣性マスの少なくとも１つの表面（１０８）に堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
慣性マス（１２、１３）の質量を調節する段階が、前記少なくとも１つの慣性マスの一部をエッチング除去する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記サスペンション（１４）の長さを調節する方法が、慣性マスサスペンションの少なくとも１つの長さ、コーナー部サスペンション（２３）の長さ、及び中央部サスペンション（２５）の長さを調節する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記サスペンション（１４）の幅を調節する段階が、慣性マスサスペンションの少なくとも１つの幅、コーナー部サスペンション（２３）の幅、及び中央部サスペンション（２５）の幅を調節する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
基板と、
前記基板に取り付けられた少なくとも１つの感知プレートと、
前記感知プレートから離間した少なくとも１つの慣性マス（１２、１３）と、
少なくとも一部が前記感知プレートとそれぞれの前記慣性マスとの間に間隔を与えるように構成され、前記慣性マスを前記基板に連結する複数のサスペンション（１４）と、
前記サスペンションの少なくとも１つと前記基板とを連結する少なくとも１つのアンカ（２４）と、
を備え、
前記デバイスの共振周波数が、少なくとも２つの前記慣性マスの質量、前記慣性マスの曲げ剛性、前記サスペンションの長さ、及び前記サスペンションの幅を調節することにより制御できることを特徴とするマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項９】
前記慣性マス（１２、１３）の質量及び曲げ剛性を制御するために、前記慣性マスの少なくとも１つが、前記慣性マスに形成されている複数の孔（７６）を備え、前記孔が、所定の数、所定の位置、及び所定の直径であり、前記慣性マスに対して所望の質量及び曲げ剛性を与えることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１０】
補強ビーム（１３０）と、
前記補強ビームと前記サスペンション（１４）の１つとの間に延びる少なくとも１つのヒュージブルリンク（１２８）と、
を更に備えることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１１】
複数の前記補強ビーム（１３０）と、
前記補強ビームの各々と前記サスペンション（１４）のそれぞれとの間に延びる少なくとも１つのヒュージブルリンク（１２８）と、
を備えることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１２】
１つ又はそれ以上の前記サスペンション（１４）に取り付けられた複数の前記補強ビーム（１３０）を備え、前記補強ビームが、ヒュージブルリンク（１２８）によって連結されることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１３】
前記デバイスが、１つ又はそれ以上のジャイロスコープ、加速度計、温度センサ、圧力センサ、及び慣性測定ユニットであることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１４】
前記サスペンション（１４）が、少なくとも１つの慣性マスサスペンション、コーナー部サスペンション（２３）、及び中央部サスペンション（２５）を備えることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１５】
少なくとも１つの慣性マス（１２、１３）と、
前記慣性マスに取り付けられ前記慣性マスを懸架するように構成されている複数のサスペンション（１４）と、
前記サスペンションの少なくとも１つに連結される少なくとも１つの補強ビーム（１３０）と、
前記補強ビームの各々から延びる少なくとも１つのヒュージブルリンク（１２８）と、
を備え、
前記ヒュージブルリンクを取り除くと、前記サスペンションの剛性を調節することによって前記デバイスの１つ又はそれ以上の共振周波数が変化することを特徴とするマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１６】
少なくとも２つの補強ビーム（１３０）を更に備え、前記ヒュージブルリンク（１２８）がそれらの間に延び、前記補強ビームの両方が、単一の前記サスペンション（１４）に取り付けられることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１７】
アンカ（２４）を更に備え、前記少なくとも１つのヒュージブルリンク（１２８）が、前記補強ビーム（１３０）と前記アンカとの間に延び、前記ヒュージブルリンクが、直接的に又は第２の前記補強ビームを介して前記アンカに取り付けられることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロ電子機械システムデバイス（１０）。
【請求項１８】
直交配置された３つのマイクロ電子機械システムジャイロスコープ（１０）を備える慣性測定ユニットであって、前記ジャイロスコープの各々が、
少なくとも１つの感知プレートと、
前記感知プレートから離間した少なくとも１つの慣性マス（１２、１３）と、
少なくとも一部が前記感知プレートとそれぞれの前記慣性マスとの間に間隔を与えるように構成され、前記慣性マスに取り付けられるサスペンション（１４）と、
前記サスペンションが取り付けられるアンカ（２４）と、
を備え、
前記ジャイロスコープの各々の共振周波数が、少なくとも２つの前記慣性マスの質量、前記慣性マスの質量、前記慣性マスの曲げ剛性、前記サスペンションの長さ、及び前記サスペンションの幅を調節することにより制御されることを特徴とする慣性測定ユニット。
【請求項１９】
前記ジャイロスコープ（１０）の少なくとも１つのが、
補強ビーム（１３０）と、
前記補強ビームと前記サスペンション（１４）の１つとの間に延びる少なくとも１つのヒュージブルリンク（１２８）と、
を備え、前記ジャイロスコープの共振周波数が、前記ヒュージブルリンクの少なくとも１つを取り除くことにより制御されることを特徴とする請求項１８に記載の慣性測定ユニット。
【請求項２０】
前記慣性マス（１２、１３）が、そこに形成された複数の孔（７６）を備え、前記慣性マスの質量及び曲げ剛性を制御するために、前記孔の大きさ、数、位置の少なくとも１つが変更されることを特徴とする請求項１８に記載の慣性測定ユニット。
【請求項２１】
複数の運動周波数、及び一様な運動−感知周波数離隔距離をもつマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（１０）を形成する方法であって、前記デバイスの各々がサスペンションによって基板の上方に懸架される少なくとも１つの慣性マス（１２、１３）を備え、前記方法が、
少なくとも１つのサスペンション（１４）に連結するヒュージブルリンク（１２８）を加工する段階と、
前記少なくとも１つのヒュージブルリンクを溶かして前記デバイスの共振周波数を調節する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にマイクロ電子機械システムに関し、詳細には同時加工が可能な多周波ＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）は、電気部品及び機械部品を例えばシリコン基板等の同一基板上に微細加工技術を用いて集積したものである。電気部品は集積回路プロセスを用いて加工されるが、機械部品は集積回路プロセスに適合する微細加工技術を用いて加工される。この組み合わせにより、標準的な製造プロセスを用いてチップ上に全システムを加工することが可能となる。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスの一般的な用途の１つは、センサデバイスの設計及び製造にある。センサデバイスの機械的部分は検出能力を備えるが、センサデバイスの電気部分は、機械部分から受け取った情報を処理する。ＭＥＭＳデバイスの一例としてジャイロスコープがある。特定の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）には、１つ又はそれ以上のＭＥＭＳジャイロスコープが組み込まれている。
【０００４】
１つの公知の形式のＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリの加速度の検出によって角速度を感知するために振動要素を用いる。振動要素は、運動モードと呼ばれる振動の共振モードでもって基板に平行なＸ軸（モーター軸）に沿う振動運動の状態になる。振動要素は、一旦運動状態になると基板に垂直なＺ軸（入力軸）のまわりを回転する基板によって引き起こされる角速度を検出することが可能になる。コリオリの加速度は、Ｘ軸及びＺ軸の両軸に対して垂直なＹ軸（感知軸）に沿って発生し、感知モードと呼ばれる共振モードでもってＹ軸に沿う振動運動を引き起こす。感知モードの振動の振幅は、基板の角速度に比例する。このようなＭＥＭＳジャイロスコープは、Ｚ軸ジャイロスコープ又は面外ジャイロスコープと呼ばれる場合もある。本明細書で用いる場合、Ｚ軸ジャイロスコープは、基板表面に垂直な軸のまわりの回転を測定するジャイロスコープである。面内ジャイロスコープとして知られる別の形式のＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリの加速度によって生じるＺ軸に沿った感知モード運動を検出することにより、Ｙ軸のまわりの回転を測定する。
【０００５】
３つのＭＥＭＳジャイロスコープを組み込んだ特定のＩＭＵにおいて、３つのジャイロスコープは、異なる運動周波数をもつ必要があり、スケールファクタと呼ばれる場合もある単位角回転速度あたりの出力電圧は、ほぼ同一である必要がある。３つのジャイロスコープの全ての運動周波数が異なっていない場合、ＩＭＵの角度ランダムウォークによって測定するとＩＭＵ出力信号のノイズ対信号比は高くなる。３つのジャイロスコープの全てに関して運動−感知周波数離隔距離がほぼ同じであれば、３つのデバイスの全てに関するスケールファクタを同じにすることは最も簡単である。加工を容易にするために、追加の加工プロセスステップを必要とすることなく３つのジャイロスコープの全てを同じウェハで形成し、３つの異なる運動周波数を与えると同時に３つジャイロスコープの全てに関して同じ運動−感知周波数離隔距離を保持することが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、複数の運動周波数及び一様な運動−感知周波数離隔距離をもつマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを形成するための方法が提供される。デバイスの各々は、サスペンションシステムによって基板に連結された少なくとも１つの慣性マスを含む。本方法は、慣性マスの少なくとも２の質量、慣性マスの曲げ剛性、サスペンションの長さ、及びサスペンションの幅を調節することにより、ＭＥＭＳデバイスの共振周波数を制御する段階を含む。
【０００７】
別の態様では、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスが提供される。デバイスは、基板に取り付けられた少なくとも１つの感知プレート、各々の感知プレートから離間した少なくとも１つの慣性マス、及び慣性マスを基板に連結する複数のサスペンションを含む。サスペンションは、感知プレートとそれぞれの慣性マスとの間に距離間隔を与えるように構成される。また、デバイスは、少なくとも１つのサスペンションを基板に連結する少なくとも１つのアンカを含む。ＭＥＭＳデバイスの共振周波数は、慣性マスの少なくとも２つの質量、慣性マスの曲げ剛性、サスペンションの長さ、及びサスペンションの幅を調節することにより制御される。
【０００８】
別の態様では、少なくとも１つの慣性マスと、慣性マスに取り付けられ慣性マスを懸架するように構成された複数のサスペンションと、少なくとも１つのサスペンションに連結された少なくとも１つの補強ビームと、各々の補強ビームから延びる少なくとも１つのヒュージブルリンクとを備えるマイクロ電子機械システムが提供される。ヒュージブルリンクを取り除くことにより、サスペンションの剛性を調節することでデバイスの１つ又はそれ以上の共振周波数が変化する。
【０００９】
別の様態では、直交配置された３つのマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープを備える慣性測定ユニットが提供される。各々のジャイロスコープは、少なくとも１つの感知プレート又は感知くし状フィンガと、各々の感知プレート又は感知くし状フィンガから離間した少なくとも１つの慣性マスと、慣性マスと基板との間に取り付けられた複数のサスペンションとを備える。サスペンションは、感知プレートと慣性マスとの間に間隔を与えるように構成される。このジャイロスコープの共振周波数は、少なくとも２つの慣性マスの質量、慣性マスの曲げ剛性、サスペンションの長さ、及びサスペンションの幅を調節することにより制御される。
【００１０】
別の態様では、複数の運動周波数及び一様な運動−感知周波数離隔距離をもつマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）を形成する方法が提供される。各々のデバイスは、サスペンションによって基板の上方に懸架された少なくとも１つの慣性マスを含む。本方法は、少なくとも１つのサスペンションに連結された少なくとも１つのヒュージブルリンクを作る段階、及び少なくとも１つのヒュージブルリンクを溶かしてデバイスの共振周波数を調節する段階を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、公知の例示的な面内マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ１０の平面図である。ＭＥＭＳジャイロスコープ１０は、基板（図示せず）の上に形成され、少なくとも１つの慣性マス１２、１３と、慣性マス１２、１３を支持する複数のサスペンション１４と、サスペンション１４が連結されるクロスビームを含む。ジャイロスコープ１０は、運動駆動くし状部１８、１９、運動ピックオフくし状部２０、２１、及び個々の慣性マス１２、１３に対応する感知プレート（図示せず）を含む。また、ジャイロスコープ１０は、クロスビーム１６用のアンカ２４を含む。図示の実施形態では、アンカ２４は、コーナー部サスペンション２３及び中央部サスペンション２５を利用してクロスビーム１６に取り付けられている。
【００１２】
慣性マス１２、１３は、ＭＥＭＳジャイロスコープシステムでの使用に適する任意のマスで作られている。１つの実施形態において、慣性マス１２、１３はシリコンプレートである。微細加工技術に適する他の材料を利用することもできる。図１では２つの慣性マス１２、１３が示されているが、２つよりも少ないか又は多い数の慣性マスを用いるＭＥＭＳデバイスの存在が知られている。
【００１３】
慣性マス１２、１３は、実質的に運動駆動くし状部１８、１９と運動ピックオフくし状部２０、２１との間に配置されている。さらに慣性マス１２、１３は複数のくし状フィンガ形電極２６、２７を含み、くし状フィンガ形電極２６、２７の一部は運動駆動くし状部１８、１９に延びており、くし状フィンガ形電極２６、２７の一部は運動ピックオフくし状部２０、２１に延びている。図示の実施形態において、慣性マス１２、１３は４つの電極２６及び４つの電極２７を有しているが、他の数の電極２６、２７を組み込んだ慣性マス１２、１３が存在する。
【００１４】
図示の実施形態において、慣性マス１２、１３は、サスペンション１４によってそれぞれの感知プレート（図示せず）の上方に支持されている。また、コーナー部サスペンション２３及び中央部サスペンション２５は慣性マス１２、１３を間接的に懸架する。慣性マス１２、１３の各々を懸架するための４つのサスペンション１４が示されているが、他の数のサスペンション１４が存在する。１つの実施形態において、サスペンション１４、コーナー部サスペンション２３、及び中央部サスペンション２５は、シリコンウェハから微細加工されたビームである。また、図１に示すように、サスペンション１４は、慣性マス１２、１３が駆動軸（Ｘ軸）及び感知軸（Ｚ軸）に沿って動くことを可能にするスプリングとしても機能する。
【００１５】
複数のサスペンション１４は少なくとも１つのクロスビーム１６に連結されている。クロスビーム１６は、コーナー部サスペンション２３及び中央部サスペンション２５を介して少なくとも１つのアンカ２４に連結され、ＭＥＭＳジャイロスコープ１０の慣性マス１２、１３を支持する。１つの実施形態において、アンカ２４は、下に横たわる基板（図示せず）に連結されている。図１には６つのアンカ２４が示されているが、アンカ２４の数は６つよりも多くすること又は少なくすることも可能である。アンカ２４、コーナー部サスペンション２３、及び中央部サスペンション２５は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１０への支持をもたらし、デバイスの所望のモード周波数の値をもたらす任意の方法でもって、それぞれのクロスビーム１６に沿って配置される。
【００１６】
運動駆動くし状部１８、１９は、それぞれの慣性マス１２、１３に延びる複数のくし状フィンガ形電極２８を含む。運動駆動くし状部１８、１９は、５つの電極２８をもつように示されているが、一般に運動駆動くし状部１８、１９の電極２８の数はそれぞれの慣性マス１２、１３の電極２６、２７の数で決まる。
【００１７】
電極２６、２７及び電極２８は、それぞれの慣性マス１２、１３及び運動駆動くし状部１８、１９から延びるので、互いに入り込みキャパシタを形成する。運動駆動くし状部１８、１９は、一般に図１には示されていない駆動回路に接続される。駆動回路は、複数の互いに入り込んだ慣性マス１２、１３の電極２６及び運動駆動くし状部１８、１９の電極２８によって形成されるキャパシタを使用して、それぞれの慣性マス１２、１３に駆動面（Ｘ軸）に沿った実質的に音叉周波数での振動を引き起こす。ジャイロスコープ１０は、狭い間隔で並んだ２つの振動モードを有する。運動モードと呼ばれる場合もある一方のモードは静電気力によって駆動され、ジャイロスコープ１０の共振周波数において比較的大きな振幅の振動を引き起こす。ジャイロスコープ１０がＹ軸のまわりで回転すると、運動モードにおいて慣性マス１２、１３の速度に比例するコリオリの力がＺ軸に沿って発生する。コリオリの力は、感知モードと呼ばれる場合もあるジャイロスコープ１０の第２の振動モードを引き起こす。以下に説明するように、キャパシタンスを利用して感知モードの振動を検出するために、１つ又はそれ以上の電極が設けられている。ＤＣ及び／又はＡＣバイアス電圧が感知電極に印加されているので、感知モードにおいて慣性マス１２、１３の運動は出力電流を発生する。
【００１８】
運動ピックオフくし状部２０、２１は、それぞれの慣性マス１２、１３に延びる複数のくし状フィンガ形電極３０を含む。運動ピックオフくし状部２０、２１は、５つの電極３０を有するように示されているが、一般に運動ピックオフくし状部２０、２１の電極３０の数は、それぞれの慣性マス１２、１３の電極２６、２７の数によって決まる。電極２７及び電極３０は、それぞれの慣性マス１２、１３及び運動ピックオフくし状部２０、２１から延びるので、互いに入り込みキャパシタを形成する。キャパシタにより、ＭＥＭＳジャイロスコープ１０は駆動軸（Ｘ軸）に沿った運動を感知できる。一般に、運動ピックオフくし状部２０、２１は、図１には示されていないＤＣバイアス電源に接続されている。
【００１９】
感知プレート（（図示せず）は、それぞれの慣性マス１２、１３に実質的に平行であり、キャパシタを形成する。少なくとも１つの慣性マス１２、１３が駆動軸（Ｘ軸）に沿って振動する間に角速度が入力軸（Ｙ軸）に沿ってＭＥＭＳジャイロスコープ１０に加えられる場合、コリオリの力は感知軸（Ｚ軸）に沿った運動を感知することにより検出できる。キャパシタンスは感知軸（Ｚ軸）に沿った運動を感知するために利用される。一般に、ＭＥＭＳジャイロスコープ１０の出力は運動によって引き起こされるキャパシタンス変化に比例する信号である。一般に、感知プレート（図示せず）及び慣性マス１２、１３は、図１には示されていない感知回路に接続されている。感知回路は、慣性マス１２、１３がそれぞれの感知プレート（図示せず）に向かって及び／又はこれらから離れるように動く際のキャパシタンスの変化を検出する。
【００２０】
図２は、Ｙ軸に沿って生じるコリオリの力を感知することによってＺ軸のまわりの回転を測定する面外ＭＥＭＳジャイロスコープ５０を示す。面外ＭＥＭＳジャイロスコープ５０は、２つの慣性マス５２、５４を含み、これらはサスペンション５６によって連結され、慣性マス５２、５４の速度が等しく向きが反対になるようにＸ軸のまわりで振動する。この点に関して、面外ジャイロスコープ５０は、図１に示す面内ジャイロスコープ１０と同様である。面外ジャイロスコープ５０のサスペンション５６は、面内ジャイロスコープ１０のサスペンション１４（図１に示す）とは異なり、Ｙ軸に沿ったコリオリの力がＹ軸に沿った慣性マス５２、５４の感知モード運動を励起することを可能にする。Ｙ軸に沿った運動は、慣性マス５２、５４に取り付けられた感知くし状部５８によるキャパシタンス変化として感知される。図２には慣性マス５２、５４の内部に取り付けられた感知くし状部５８が示されているが、感知くし状部５８は、慣性マス５２、５４の外周へ取り付けることも可能である。ジャイロスコープ５０は、アンカ６０、コーナー部サスペンション６２、及び中央部サスペンション６４を含み、これらはジャイロスコープ１０（図１に示す）に関して説明された機能と同じ機能を果たす。
【００２１】
面外ジャイロスコープ５０の感知モードが基板平面に平行なＹ軸に沿った運動を伴うのに対し、面内ジャイロスコープ１０の感知モードは、基板平面に垂直なＺ軸に沿った動きを伴う。その結果、面外ジャイロスコープ５０の感知モード共振周波数は機構の厚さには依存せず、慣性マス５２、５４及びサスペンション５６は同じ厚さをもつことができる。対照的に、面内ジャイロスコープ１０の感知モード共振周波数は、慣性マス１２、１３及びサスペンション１４の厚さが同じであれば、ほぼ厚さに比例する。
【００２２】
図３は、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）６８の３軸ＭＥＭＳジャイロスコープ部の側面図である。ＩＭＵ６８は、前述のＭＥＭＳジャイロスコープ１０を含む。３つのジャイロスコープ１０は、３つの直交軸のまわりの回転を測定するために全て互いに垂直になるように異なる方向に向けて配置されている。ＩＭＵ内の３つのジャイロスコープ１０に関する別の配置では、ジャイロスコープの基板に垂直な軸のまわりの回転を測定する少なくとも１つの面外ジャイロスコープ５０が使用される。１つの面外ジャイロスコープ５０及び２つの面内ジャイロスコープ１０を使用することにより、３つの直交軸のまわりの回転は、３つのジャイロスコープの全てが同一平面にある基板によって測定できる。この配置によりＩＭＵ６８の体積は最小になる。
【００２３】
少なくとも１つの面外ジャイロスコープを使用するＩＭＵの適切な作動を得るために、３つのジャイロスコープは、同じスケールファクタを保持しながら異なる運動周波数及び感知周波数をもつ必要がある。例えば、３つのジャイロスコープの全ての運動周波数及び感知周波数が同一である場合、ＩＭＵ６８の角度ランダムウォークは増加する。角度ランダムウォークの増加は、少なくとも部分的に各ジャイロスコープの間で増加した電気的又は機械的クロストークによって引き起こされる。クロストークは、３つのジャイロスコープの全ての運動共振周波数が相互に近接するので発生する。ＭＥＭＳジャイロスコープは、非常に高い品質係数をもつ運動モードによる共振デバイスなので、ほぼ同じ運動モード共振周波数をもつ２つの近接したジャイロスコープの間のクロストークを防止することは難しい。各ジャイロスコープの運動周波数の間の離隔距離が検出回路の帯域幅よりも小さい場合、クロストークは、断続的な位相ロック、ノイズ、及び周波数不安定性をもたらす可能性がある。
【００２４】
一方で、加工を容易にするために、スケールファクタは、３つのジャイロスコープの全てに関して同じでなければならない。３つのジャイロスコープの全ての運動−感知周波数離隔距離を同じにすることにより、このようなスケールファクタを得ることができる。限定されるものではないが、感知キャパシタンス、感知キャパシタンスギャップ、及び感知バイアス電圧を含むジャイロスコープの他のファクタは、同様にスケールファクタに影響するが、一般にこれらのファクタは、ＩＭＵ６８の３つのジャイロスコープの全てに関してほぼ同じである。
【００２５】
加工プロセスを容易にするために、３つの異なる運動周波数及び感知周波数を規定するための追加の加工プロセス段階を必要とすることなく、３つのジャイロスコープの全てを単一のウェア上に加工できることが望ましい。図４は、複数の運動周波数をもつジャイロスコープを単一ウェハ上に加工することを可能にする、改良された慣性マス７２、７３を備える例示的なＭＥＭＳ音叉式ジャイロスコープ７０を示す。また、ジャイロスコープ７０と同じ方法で構築したジャイロスコープは、公知のジャイロスコープ加工プロセスに比べて、追加の加工プロセス段階を必要とすることなく一様な運動−感知周波数離隔距離を備える。図４に示すように、このような特性（複数の運動周波数及び一様な運動−感知周波数離隔距離）は、慣性マス７２、７３の特性を変えることによって部分的に達成される。慣性マス７２、７３は、多数の孔７６をもつように示されている。１つの実施形態において、孔７６は慣性マス７２、７３を貫通する。他の実施形態において、孔７６は慣性マス７２、７３の厚さ方向にわたって部分的に延びる。このような孔７６は、慣性マス７２、７３の片側又は両側に形成することができる。
【００２６】
単一ウェハ上に形成される個々の慣性マス７２には、異なる数の孔７６及び／又は異なる径の孔７６を形成することができ、これにより結果的に個々の慣性マス７２の質量が変わる。異なる数、位置、及び大きさの孔７６をもつ複数の慣性マス７２を備えることにより、慣性マスの各セットの質量は異なり、結果として慣性マスの各セットの間の運動共振周波数及び感知共振周波数が変わる。以下に詳細に説明するように、慣性マス内の孔の形態を慣性マスの質量が変わる程度まで変化させると、慣性マスを組み込んだＭＥＭＳデバイスの感知周波数及び運動周波数は、同じ分量だけ変化する。
【００２７】
スケールファクタは、感知周波数と運動周波数との間の離隔距離に反比例する。従って、慣性マスの質量変化によるスケールファクタの部分変化量は、感知周波数及び運動周波数の部分変化量に等しいことになる。一般にＩＭＵ内の３つのジャイロスコープの間の運動周波数の所要の部分変化量は小さいので、３つのジャイロスコープに関するスケールファクタの変化量も同様に小さい。スケールファクタの小さな変化量は、慣性マスのサスペンション７４、コーナー部サスペンション７３、及び中央部サスペンション７５の長さ及び／又は幅を調節することにより補正できる。面内ジャイロスコープに関し、３つのジャイロスコープのスケールファクタは、感知周波数を調節するための個々の慣性マスの曲げ剛性を変更することで調節でき、結果的に運動−感知周波数離隔距離を変えることができる。
【００２８】
慣性マス７２等の慣性マスの曲げ剛性は、基板平面内の軸のまわりの回転を測定するジャイロスコープ（「面内」ジャイロスコープ）の感知共振周波数を求める上で重要である。慣性マス７２の曲げ剛性は、慣性マスの大きさ及び形状に左右される。一般に、孔７６を追加する等で慣性マス７２の質量を変えることによって曲げ剛性も同様に変わる。運動周波数及び感知周波数の要件を満たすために、設計に際しては両方の影響が考慮される。また、感知モードにおける曲げ運動の大きさは慣性マス７２上の位置の関数なので、感知周波数は、慣性マス７２上に付加されるか又は取り除かれる質量の位置に敏感であろう。
【００２９】
有限の気圧下において、基板に直交する慣性マス運動のスクイーズ膜減衰を防止するために、ＭＥＭＳジャイロスコープの慣性マスを貫通する孔を使用することが知られている。しかしながら、慣性マスの質量及び曲げ剛性を変えるために慣性マス内の孔の数、位置、大きさ、及び深さを変えて、特定のジャイロスコープの作動特性を与えることはこれまで記述されていない。
【００３０】
図５は、ジャイロスコープ７０（図４に示す）に関して前述したように、サスペンション８４によって懸架された慣性マス８２、８３を含む音叉式ジャイロスコープ８０を示す。また、ジャイロスコープ８０は、慣性マス８２、８３の中央付近に形成された孔８６のグループを含む。孔８６は孔７６（図４に示す）と同一径であるが、孔７６に比べると孔８６の数が削減されている。慣性マス内に形成される孔の数及び位置の両方を変更することで、設計者は慣性マス８２の質量、及び曲げ剛性又は可撓性の両方を制御することができる。
【００３１】
図６は、ジャイロスコープ７０（図４に示す）に関して前述したように、サスペンション９４によって懸架された慣性マス９２、９３を含む音叉式ジャイロスコープ９０を示す。また、ジャイロスコープ９０は、孔７６及び孔８６よりも大径の孔９６のグループを含む。また、慣性マス９２の孔９６の数は、慣性マス８２及び慣性マス７２における数とは異なっている。他の相違点として、孔９６は、慣性マス９２の端部近傍に形成されている。慣性マス内に形成される孔の径、数、及び位置を変更することにより、設計者は慣性マス９２の質量、及び曲げ剛性又は可撓性の両方を制御することができる。図４〜図６に示す孔のパターンを再検討すると、慣性マス内において孔の径、孔の位置、及び孔の数に関する多数の変形例を実施できることが分かる。
【００３２】
図７は、慣性マスの質量を調節する追加的な方法を示す。図面を参照すると、ジャイロスコープ１００は、サスペンション１０４によって支持された慣性マス１０２、１０３を含む。慣性マス１０２、１０３の質量の調節は、慣性マス１０２、１０３の上に薄膜材料１０６を堆積させることにより行われる。好ましい実施形態において、材料１０６は機械損失が少なく、これによりジャイロスコープ１００の共振モードの高Ｑ値、及び慣性マス１０２、１０３の平面度を保つ低い内部応力が維持される。薄膜材料１０６に利用できる３つの材料として、二酸化シリコン、窒化シリコン、及びポリシリコンを挙げることができる。材料１０６は慣性マス１０２、１０３の上面１０８の上に示されているが、慣性マス１０２、１０３の底面（図示せず）に配置することも効果的である。また、材料１０６は、慣性マス１０２、１０３の上面１０８及び底面の両方に配置することができ、これにより２つの堆積膜の中の内部応力を相殺して慣性マス１０２、１０３の平面度を保つことができる。
【００３３】
図８は、慣性マスの質量を調節する追加的な方法を示す。ジャイロスコープ１１０は、サスペンション１１４によって支持される慣性マス１１２、１１３を含む。慣性マス１１２、１１３の質量の調節は、慣性マス１０２、１０３の表面１１６に、反応性イオンプラズマエッチング処理等でもってエッチングを施すことによってもたらされる。エッチングは、慣性マス１１２、１１３内にくぼみ１１８を残す。表面１１６は上面として示されているが、エッチング処理は、慣性マス１１２、１１３の底面（図示せず）にも効果的である。また、エッチングは慣性マス１１２、１１３の上面１１６及び底面の両方に施すことができる。
【００３４】
基板平面内の軸のまわりの回転を測定するジャイロスコープに関し、運動周波数及び感知周波数の同一の移動をもたらすための、慣性マスサスペンション１１４、コーナー部サスペンション２３、及び中央部サスペンション２５（全て図１に示す）の剛性の変更は、一般にサスペンションの幅又は長さの変更、並びにサスペンションの厚さ又は長さの変更を必要とする。感知周波数を決定するサスペンション変数は主として厚さ及び長さである。運動周波数を決定するサスペンション変数は幅及び長さである。サスペンション１４、コーナー部サスペンション２３、及び中央部サスペンション２５の厚さ及び長さは、２つの異なるプロセスによって規定されるので、これら両方の変数を変えると、精密に規定された運動周波数及び感知周波数を利用するジャイロスコープの製作が複雑になる。詳細には、サスペンションの厚さは、例えば研削及び研磨プロセス、及び堆積プロセスの少なくとも１つによって規定される。特定の実施形態において、サスペンションの厚さはエピタキシャルシリコンの堆積によって規定される。１つの実施形態において、サスペンションの幅はフォトリソグラフィー及びエッチングによって規定される。エピタキシャルシリコンの厚さはウェハの表面全体にわたって非常に均一なので、ウェハ表面上に厚さの変化を与えるには追加の加工プロセス段階を必要とするであろう。サスペンションの長さの変更は複雑な設計変更であり、ジャイロスコープの他の部品の実質的な変更を必要とする。しかしながら、長さの変更は追加の加工プロセス段階を必要とすることなく行い得るという利点があり、長さを変更することで感知周波数及び運動周波数を変えることができる。
【００３５】
また、図４〜図８は、慣性マスサスペンション、コーナー部サスペンション、及びセンタースペンションの長さ及び幅を示す。前述のように、コーナー部サスペンション及び中央部サスペンションの長さ及び幅の調節、並びに慣性マスサスペンションの長さ及び幅の調節により、運動周波数及び感知周波数の調節の追加的な方法がもたらされる。このような方法は、１つ又はそれ以上の面外ジャイロスコープからなるＩＭＵ、並びに懸架された慣性マスが組み込まれたＭＥＭＳデバイスに適用できる。
【００３６】
前述のように、Ｚ軸ジャイロスコープは基板に垂直な軸のまわりの回転を測定するジャイロスコープである。Ｚ軸ジャイロスコープでは、感知周波数及び運動周波数の両方は水平モード（運動が基板平面対して平行）なので、運動モード及び感知モードの両方の周波数は、慣性マスサスペンション、コーナー部サスペンション、及び中央部サスペンションの幅を変えるだけで調節できる。加工において、一般に、サスペンション、コーナー部サスペンション、及び中央部サスペンションの幅は、フォトリソグラフィー及びエッチングによって規定される。つまり、異なる運動周波数及び同一の運動−感知周波数離隔距離をもつ３つのジャイロスコープのデザインは（前述のＩＭＵ用）、加工プロセス段階を追加することなく単一のウェハ上に形成できることになる。このような実施形態において、慣性マスのスケールファクタは（例えば、それぞれ慣性マス７２、７３、８２、８３、９２、９３、１０２、１０３、及び１１２と１１３）、３つのジャイロスコープの全てのデザインに関して同じになるであろう。
【００３７】
別の実施形態において、３つのジャイロスコープのデザインの各々に関して感知周波数及び運動周波数を適切な値に調節するために、サスペンション、コーナー部サスペンション、及び中央部サスペンションの幅及び長さの両方が変更される。このような方法は、面内及びＺ軸ジャイロスコープデザインの両方に適用できる。また、前述の実施形態の種々の組み合わせにより、所望の感知共振周波数及び運動共振周波数を得ることができる。
【００３８】
前述の各々の実施形態は、異なる運動周波数をもつが同じ運動−感知周波数離隔距離をもつ３つのジャイロスコープのデザインを実現するように調節可能な変数セットによって規定される。３つのジャイロスコープを有するＩＭＵに関連して説明されているが、前述の実施形態及び以下に説明する実施形態は、限定されるものではないが、加速度計、温度センサ、及び圧力センサを含む多数の追加的なＭＥＭＳデバイスに適用できる。サスペンションの長さ及び幅の値は、フォトリソグラフィー及びエッチングによって規定されるので追加の加工プロセス段階は必要ない。
【００３９】
図９、図１０、及び図１１にはＭＥＭＳデバイス１２０の共振周波数を調節するための別の方法が示されている。デバイス１２０は、慣性マス１２２、１２３を含む。複数のサスペンション１２４は、慣性マス１２２、１２３をクロスビーム１２６に取り付けるために使用される。複数のサスペンション１２４は、サスペンション１２４からクロスビーム１２６に取り付けられている補強ビーム１３０まで延びる追加のヒュージブルリンク１２８を含む。デバイス１２０の共振周波数は、共振周波数の測定後に、１つ又はそれ以上のヒュージブルリンク１２８を取り除いて各々のサスペンション１２４の幾何学配置を変えることにより調節される。ヒュージブルリンク１２８は、レーザーカットにより取り除くことができる。また、このようなヒュージブルリンク１２８は、加工後のデバイス１２０の性能を向上させるためのサスペンション１２４の機械特性の調節にも使用される。例えば、ヒュージブルリンク１２８は、現在利用されているサスペンション１２４のレーザートリミング手法の代わりに使用され、デバイス１２０の出力での低い直交信号を実現するようになっている。
【００４０】
図１０を参照すると、ヒュージブルリンク１２８は、高い電気抵抗もたらす狭小部１３２を含む。図１０に示すように、電流が印加されると、ヒュージブルリンク１２８の狭小部１３２は、サスペンション１２４又は補強ビーム１３０よりも早く熱くなるので、サスペンション１２４又は補強ビーム１３０にダメージを与えることなく狭小部１３２を取り除くことができる。例示的な実施形態において、ヒュージブルリンク１２８が取り除かれた後の残留部の機械的干渉を避けるため、補強ビーム１３０の長さはサスペンション１２４に比べて短くなっている。サスペンション１２４の最大偏位は、慣性マス１２２、１２３において生じるので、補強ビーム１３０は比較的短くされる。図１１において、サスペンション１２４及びヒュージブルリンク１２８はアンカ１３４に取り付けられているように示されている。ヒュージブルリンク１２８の狭小部１３２を通って電流を流すための多数の実施形態が存在することを理解されたい。
【００４１】
別の実施形態において、デバイス１２０非損傷の対称性を維持するため、サポートビーム毎に複数のヒュージブルリンク１２８を使用することができる。例えば、図１１には、折り曲げられたビームサスペンション１２４の各部分に連結された２つのヒュージブルリンク１２８が示されており、サスペンション１２４の各部分の剛性の調節が可能になっている。デバイス１２０（図９に示す）等のデバイスの性能要求によってヒュージブルリンク１２８及び補強ビーム１３０の大きさ、厚さ、及び長さが変わる。更に、用途に応じて、サスペンション１２４とヒュージブルリンク１２８及び補強ビーム１３０の任意の組み合わせを構成できる。特定の実施形態において（図示せず）、複数の補強ビーム１３０は、各サスペンション１２４（単一の慣性マス用の一対のサスペンション、又は近接する慣性マス用の複数のサスペンション）の間に取り付けられ、各補強ビーム１３０はヒュージブルリンク１２８によって一緒に連結されている。
【００４２】
他の公知のＭＥＭＳデバイスには他のヒュージブルリンクが利用されているが、これらは周波数調節のためのものではない。公知のデバイスにおいて、ヒュージブルリンクは、慣性マス等を基板に保持するために利用されていた。ヒュージブルリンクは、デバイスを基板又は周囲シリコンから離すために破壊するか又は取り除く必要があった。
【００４３】
前述の実施形態は、ＭＥＭＳデバイスの作動特性を調節するために利用される。つまり、慣性マスの質量は、その中の１つ又はそれ以上の孔、その上の薄膜材料によって、又は慣性マスの一部をエッチングによって取り除くことによって調節できる。また、慣性マスの曲げ剛性がもたらされ慣性マスの質量の加工及び調節時に考慮する必要がある。また、慣性マスのサスペンション、コーナー部サスペンション、及び中央部サスペンションの長さ及び／又は幅は、ウェハの追加的な加工段階を追加することなく所望の性能変数をもたらすように種々の組み合わせで調節できる。また、ＭＥＭＳデバイスの性能変数を調節するために、慣性マスのサスペンションとクロスビームとの間に実質的に延びるヒュージブルリンクは、任意の又は全ての前述の方法でもって利用できる。
【００４４】
ＭＥＭＳ音叉式ジャイロスコープに関して説明されているが、この説明は限定的に解釈されるべきではない。更に、前記の説明、特に図４〜図１１に関する説明では、例示的に面内ジャイロスコープが用いられているが、前述の実施形態は、図２の面外ジャイロスコープにも適用できることを理解されたい。更に、前述の実施形態は他のＭＥＭＳ振動デバイスにも適用できる。
【００４５】
本発明は種々の特定の実施形態に基づいて説明されているが、当業者であれば本発明は特許請求項の精神及び範囲内の変更例でもって実施できることを理解できるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】面内マイクロ電子機械システムジャイロスコープを示す。
【図２】面外マイクロ電子機械システムジャイロスコープを示す。
【図３】慣性測定ユニットのジャイロスコープ部を示す。
【図４】慣性マスに形成された孔を含む音叉式ジャイロスコープを示す。
【図５】慣性マスの中心付近に形成された孔群を含む音叉式ジャイロスコープを示す。
【図６】慣性マスの端部近傍に形成された大きな孔を含む音叉式ジャイロスコープを示す。
【図７】慣性マス上に堆積された薄膜材料を含む音叉式ジャイロスコープを示す。
【図８】慣性マスの表面の一部がエッチング除去された音叉式ジャイロスコープを示す。
【図９】ヒュージブルリンクを介して慣性マス用サスペンションに取り付けられた補強ビームを含む音叉式ジャイロスコープを示す。
【図１０】リンクを溶かすための電熱を供給する外部電源に接続されたヒュージブルリンクを示す。
【図１１】サスペンションビームに取り付けられ、サスペンションの２つの部分の剛性の調節を可能にするヒュージブルリンクを示す。
【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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【国際調査報告】
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