(57)【要約】カルダン式振動構造部を備えたマイクロメカニカル回転速度センサは、互いに垂直に指向している２つの軸線（Ａ，Ｂ）のまわりを回動可能に支持されている２つの振動要素（４，５）を有している。電極（７）の形態の励起ユニットは第１の振動要素（４）を第１の回転軸線（Ａ）のまわりに振動させる。読み取り電極（８）の形態の読み取りユニットは、第２の回転軸線（Ｂ）のまわりでの第２の振動要素（５）の傾動または振動を、センサの回転率をあらわす量として検出する。揺動体を形成している第１の振動要素（４）の上面（２ａ）および下面（２ｂ）には補助的な質量要素（６ａ，６ｂ）が設けられている。これら補助的な質量要素は対称に指向している。センサは少なくとも３つの個別に加工されたウェーハから製造されており、これらウェーハは最終的に継ぎ合わされてカバー部分（１）と中央部分（２）と底部部分（３）とを形成する。【選択図】図１
2004506883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸線（Ａ）のまわりを回動可能に支持されている第１の振動要素（４）と、
第１の軸線（Ａ）に対し垂直に指向している第２の軸線（Ｂ）のまわりを回動可能に支持されている第２の振動要素（５）と、
第１の振動要素（６）を第１の軸線（Ａ）のまわりで振動させるための励起ユニット（７）と、
第２の軸線（Ｂ）のまわりでの第２の振動要素（５）の振動を検知するための読み取りユニット（８）と、
を備えたマイクロメカニカル回転速度センサにおいて、
第１の振動要素（４）に少なくとも２つの補助的な質量要素（６ａ，６ｂ）が固定され、これら質量要素（６ａ，６ｂ）が第１および第２の軸線（Ａ，Ｂ）により定義される面に関し対称に指向していることを特徴とするマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項２】
補助的な質量要素（６ａ，６ｂ）が第１および第２の振動要素（４，５）とは別個に製造され、質量要素（６ａ，６ｂ）の形状、サイズおよび／または材料はセンサパラメータを決定するために、および／またはセンサパラメータを実質的に制御するために選定されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項３】
質量要素（６ａ，６ｂ）が第１の振動要素（４）の上面（２ａ）と下面（２ｂ）とに固定されている軸対称体であり、有利には球体、直方体、筒体、円錐体、ピラミッド体、或いはプリズム体であることを特徴とする、請求項１または２に記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項４】
第１の振動要素（４）が揺動体であり、第２の振動要素（５）がフレームであり、揺動体とフレームとが保持構造部（２１）に固定されているカルダン式振動構造部を形成していることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項５】
補助的な質量体（６ａ，６ｂ）が磁気的であることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項６】
補助的な質量体（６ａ，６ｂ）が第１および第２の振動要素（４，５）の材料よりも密度が高い材料から製造されていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項７】
マイクロメカニカル回転速度センサが少なくとも３つの継ぎ合わされるウェーハから製造されており、これらウェーハが底部部分（３）と中央部分（２）とカバー部分（１）とを形成していることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項８】
底部部分（３）および／またはカバー部分（１）がアルカリを含んだガラスウェーハから製造され、これらウェーハの少なくとも１つが電極構造部（７，８）を備えていることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項９】
第１および第２の振動要素（４，５）が上面および下面を加工した中央部分（２）に形成されていることを特徴とする、請求項７または８に記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１０】
互いに境を接するウェーハ部分またはウェーハの間にあって、第１および／または第２の振動要素（４，５）の変位を可能にする隙間間隔（ｄ，ｅ１，ｅ２）が、励起電極および／または読み取り電極（７，８）の横方向の拡がりに比べて小さく、隙間間隔と電極の横方向の拡がりとの比率が１：１０よりも小さく、有利には１：５０よりも小さく、特に有利には１：１００または１：１０００よりも小さいことを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１１】
第１の振動要素（４）を励起振動させるための隙間間隔（ｅ１）が第２の振動要素（５）を読み取り振動させるための隙間間隔（ｅ２）よりも大きいことを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１２】
マイクロメカニカル回転速度センサが単結晶シリコンから製造され、第１および第２の振動要素（４，５）がただ１つのウェーハから製造されていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１３】
第１および／または第２の振動要素（４，５）が非直角に形成されていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１４】
第１および／または第２の振動要素（４，５）が９０゜以上の角度で互いに境を接しているエッジ（４ａ，５ａ）を有していることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１５】
動作振動の振動数と検知振動の振動数とが第１および／または第２の振動要素（４，５）の最低固有モードであることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１６】
第２の振動要素（５）と第１の振動要素（４）との面積比が５：１よりも大きく、有利には１０：１よりも大きいことを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１７】
誘電層で覆われている、電極（７，８）を形成させるための金属被覆部分が設けられていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１８】
閉じた導体軌道（１２）によって取り囲まれている１個または複数個の電極（７，８）が設けられていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項１９】
中央部分（２）を形成するウェーハを、底部部分またはカバー部分（１，３）を形成する他のウェーハに接続させるためのオーム圧接部（３５）が設けられていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項２０】
気密に密閉されたセンサ内部空間（９）が設けられ、該センサ内部空間（９）内に電極（７，８）を接触させるために埋設した導体軌道（３３）が設けられていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項２１】
質量要素（６ａ，６ｂ）の共通の重心が第１の軸線（Ａ）と第２の軸線（Ｂ）の交点にあることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【請求項２２】
マイクロメカニカル回転速度センサの製造方法において、
少なくとも３つのウェーハ（１，２，３）を準備するステップと、
個々のウェーハ（１，２，３）を構造化し、これらウェーハのうち１つのウェーハ（２）にカルダン式振動構造部（４，５）を形成させるステップと、
前記構造部の第１の振動を励起するための励起ユニット（７）を形成させるステップと、
第１の振動に対し垂直に行なわれる前記構造部の第２の振動を検知するための読み取りユニット（８）を形成させるステップと、
ウェーハ（１，２，３）を継ぎ合わせ、両面に振動構造部（４，５）を備えたウェーハ（２）を他のウェーハ（１，３）と結合させるステップと、
を特徴とする製造方法。
【請求項２３】
振動構造部（４，５）に補助的な質量要素（６ａ，６ｂ）を第１および／または第２の振動の軸線（Ａ，Ｂ）に関し対称に固定することを特徴とする、請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２４】
ウェーハ（２）の上面および下面に振動構造部（４，５）を加工することを特徴とする、請求項２２または２３に記載の製造方法。
【請求項２５】
振動構造部（４，５）をただ１つの中実なウェーハ（２）からエッチングし、その際１回のエッチング工程で振動構造部（４，５）の懸架部（４１，４２）を形成させることを特徴とする、請求項２２から２４までのいずれか一つに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載のマイクロメカニカル回転速度センサおよびマイクロメカニカル回転速度センサの製造方法に関するものである。
【０００２】
カルダン式に懸架されるマイクロメカニカル回転速度センサは、中央に慣性質量体を備えたたとえば２つの振動フレームを有している。質量体は静電駆動により励起軸線のまわりに共振せしめられる。励起軸線に対し垂直に指向している回転軸線のまわりでセンサが回転すると、振動している慣性質量体に対しコリオリの力が作用する。このようにして発生した振動の振幅は測定されるべき回転率を直接に表わす量である。振幅の読み取りはたとえば静電方式で行なうことができる。
【０００３】
この種のマイクロメカニカル回転速度センサはたとえば自動車技術、航空技術および宇宙航空技術、並びに精査製造工程で使用することができる。たとえば車両安定化、走行力学制御およびナビゲーションシステムのためにマイクロメカニカル回転速度センサが使用され、或いは自動走行システムの内部にも使用される。さらに飛行体のナビゲーションおよび安定化にも使用できる。宇宙飛行ではこの種のセンサを用いてプラットホームが安定化され、その姿勢を制御することができる。たとえばＧＰＳ／ＩＮＳのようなナビゲーションシステムはこの種の回転速度センサによって補完され、特にアビオークスの分野でそうである。素材を精査する場合にはたとえばドリルヘッドを回転速度センサを用いて制御することができる。最近の製造技術ではロボットを制御するために回転速度センサが使用される。
【０００４】
米国特許第４，５９８，５８５号明細書には、カルダン構造部を備えた回転速度センサが記載され、フレームはｙ軸のまわりを振動可能に支持されている。フレーム内部には、ｘ軸のまわりを振動可能にフレームに固定された要素がある。この内部要素に慣性質量体が配置されている。フレームをｙ軸のまわりに振動させるために駆動要素が用いられる。コリオリの力による内部要素の変位は容量性方式で測定される。
【０００５】
しかしながらこの公知の回転速度センサの欠点は、測定精度が時に不十分なことである。通常は非常に大きな横感度も生じる。さらに、振動に対し大きな感度も時に確認される。またこの公知の回転速度センサは製造コストが高い場合が多い。
【０００６】
本発明の課題は、検知感度が高く、横感度が小さなマイクロメカニカル回転速度センサおよびその製造方法を提供することである。さらに堅牢で、機械的振動に対し感度が小さく、低コストで製造できるマイクロメカニカル回転速度センサを提供することである。
【０００７】
この課題は請求項１に記載のマイクロメカニカル回転速度センサと、請求項２２に記載のマイクロメカニカル回転速度センサの製造方法により解決される。本発明の他の有利な構成、詳細および特徴は従属項、以下の説明および図面から明らかである。
【０００８】
本発明によるマイクロメカニカル回転速度センサは第１の軸線のまわりを回動可能に支持されている第１の振動要素と、第１の軸線に対し垂直に指向している第２の軸線のまわりを回動可能に支持されている第２の振動要素と、第１の振動要素を第１の軸線のまわりで振動させるための励起ユニットと、第２の軸線のまわりでの第２の振動要素の振動を検知するための読み取りユニットとを備え、第１の振動要素に少なくとも２つの補助的な質量要素が固定され、これら質量要素は第１および第２の軸線により定義される面に関し対称に指向している。
【０００９】
補助的な質量要素が対称に指向していることにより、センサ解像度および感度が著しく高くなる。この場合、補助質量体または補助的な質量要素はかなり大きく構成されていてよい。これにより質量体の重心が回転軸線に対し対称に広範囲に変位するので、センサ感度がかなり向上する。対称な構成はセンサの感度軸線外側での回転率に対する横感度を低減させるとともに、センサに作用する加速度に対する感度を低減させる。センサは低コストで製造でき、きわめて堅牢に構成することができる。
【００１０】
両質量要素の重心が第１および第２の軸線の交点にあるのが有利である。これにより最大の対称性が得られる。
【００１１】
補助的な質量要素が第１および第２の振動要素とは別個に製造され、質量要素の特に形状、サイズまたは材料もセンサパラメータを決定するために合目的に選定されているのが有利である。補助質量体の形状、サイズおよび材料を任意に選定することにより、質量分布、全体質量、およびセンサの慣性モーメントの分布を目的に応じて選定できる。これによりセンサを解像度、横感度、衝撃感度、製造公差の影響低減の点で、或いは振動に対する感度低減の点でも最適化する補助的な構成上の可能性が得られる。
【００１２】
特に補助質量要素の材料を任意に選定することにより、回転速度センサの必要条件によっては特に適している特殊な物理学的性質を持った補助質量体を形成させることができる。さらに、補助質量体を特別に選定することによりセンサ要素をトリムすることができ、この場合残りの構造部またはエッチングして形成させたカルダン構造部に変更や加工を行う必要はない。
【００１３】
補助質量体は低コストに高精度で製造することができる。特に有利なのは補助質量要素として球体を使用することで、球体はたとえば０．１％の非常に小さな幾何学的形状公差で低コストに製造できる。したがって、球体を使用することにより回転速度センサの質量分布の非常に高度な再現性が得られる。他方、直方体、円錐体、ピラミッド体またはピラミッド切頭体、及び筒体を質量要素として使用してもよく、これらは同様に非常に低コストに且つ小さな幾何学的形状公差で製造可能である。特に好ましいのは、尖端部が互いに対向するように指向している円錐体またはピラミッド体を配置することである。これにより個々の質量要素の重心は可能な限り広範囲に変位し、或いは、互いに可能な限り距離をおいて離間している。
【００１４】
特に、補助的な質量要素はたとえば磁気的な性質を持っている。これにより補助的な質量要素は互いに引き寄せあうので、互いに自動的に完全に対称に指向する。他の利点は、これから得られる基板での保持、自動校正の可能性、振動させるための磁気的または電磁的励起の可能性である。
【００１５】
有利には、補助的な質量体は第１および／または第２の振動要素の材料よりも密度が高い材料から製造されている。これにより質量体の慣性モーメントが好都合に分布する。この場合たとえば金属、特に鋼を補助的な質量要素の材料として使用してよく、他方残りのセンサ構造部に対しては、或いは、第１および第２の振動要素に対してはたとえばシリコンが使用される。すなわち補助質量体の材料は、たとえば振動要素または振動構造部を有利に製造する加工ステップ、たとえばシリコンウェーハのための加工ステップと適合性がある必要はないので、補助質量体に対する材料選定は自由である。これによりセンサ感度の著しい向上を低コストに行うことができる。
【００１６】
たとえば第１の振動要素は揺動体であり、第２の振動要素はフレームであり、この場合揺動体とフレームとは保持構造部に固定されるカルダン式振動構造部を形成する。
【００１７】
有利には、回転速度センサは少なくとも３つの継ぎ合わされるウェーハから製造されている。これらのウェーハは別個に加工されているのが有利である。この場合回転速度センサはたとえば底部ウェーハ、中央部分ウェーハ、カバーウェーハを有している。これにより製造方法における複雑性が減少するとともに、個々の構成要素をテストすることができる。さらに歩留りが高くなり、これによりセンサに対するコストが低減する。また、継ぎ合わせ後にセンサの内部にある埋設電極構造部を任意に構成できる。さらに、電極の材料および補助質量体の材料に対する選択肢が広くなる。というのは材料はわずかな製造工程数と適合性があればよいからである。構成が同じカバーウェーハと底部ウェーハの使用が可能である。これにより中心面に対し完全に対称な構成が可能になる。
【００１８】
有利には、第１および第２の振動要素は中央部分ウェーハに形成されている。特に中央部分ウェーハは上面および下面を加工可能である。これにより質量体または補助的な質量要素を対称に取り付けることができるので、中心面に関する対称性が保証されている。対称性によりセンサ特性の温度ドリフトが低減する。
【００１９】
有利には、底部ウェーハおよび／またはカバーウェーハはアルカリを含んだガラスウェーハから製造され、たとえばボロフロート或いはパイレックス（登録商標）ガラスから製造され、そのうちたとえば少なくとも１つのウェーハは電極構造部を備えている。これにより、電極構造部が絶縁材上にあるので、散乱能およびクロストーク能が低減する。特に、たとえば熱膨張率は中央部分ウェーハのシリコンに適合しており、それゆえ製造中の熱応力を低く抑えることができ、その結果作動中のセンサの温度感度が低減する。さらに、アルカリを含んだガラスウェーハを使用することで、シリコンから成る中央部分ウェーハとの確実な結合が陽極結合方式により可能になる。
【００２０】
ウェーハまたは中央部分ウェーハをたとえば陽極結合により底部ウェーハおよびカバーウェーハと結合させることにより、製造のために最大で４５０℃の温度を必要とする確実な結合が得られる。この最大温度は、適当に選定された金属被覆部分を不変に保つためには、すなわち酸化や合金の形成が生じないようにするには十分に低い温度である。陽極結合は、結合工程で液相が生じないのでウェーハ同士の位置調整を良好にさせる。それゆえ回転速度センサの位置調整公差は少なくとも数μｍ以下である。
【００２１】
有利には、中央部分ウェーハと底部ウェーハとの間、或いは、中央部分ウェーハとカバーウェーハとの間に隙間間隔が設けられる。この隙間間隔は電極の横方向の拡がりに比べて小さい。互いに境を接するウェーハ間のこの間隔は振動要素の動作振動および／または検知振動の静電励起および／または容量性読み取りのために用いる。隙間間隔と電極の横方向の拡がりとの比率はたとえば１：２０よりも小さく、有利には１：５０よりも小さく、特に有利には１：１００または１：１０００よりも小さい。これにより、検知用の高い電気信号または動作用の大きな静電力を可能にするような非常に大きな容量値が得られる。
【００２２】
有利には、第１の振動要素の励起振動を可能にする動作構造部用隙間間隔は、第２の振動要素の読み取り振動を可能にする隙間間隔よりも大きい。これにより非常に大きな機械的振幅で動作振動を行うことができる。さらに、隙間間隔が比較的大きい場合の振動の緩衝は小さく（Ｓｑｕｅｅｚｅｄ Ｆｉｌｍ Ｄａｍｐｉｎｇ）、このため共振励起の場合には機械的振幅がより大きくなる。他方、検知構造における隙間間隔が狭いことにより大きな容量が生じ、よって高い電気出力信号が生じる。
【００２３】
有利には、機械的構造部または第１および第２の振動要素がエッチングされるウェーハは単結晶シリコンから製造されている。この場合、センサの振動構造部またはジンバル構造部はたとえば中実のウェーハからエッチングで形成され、すなわちバルク技術で製造される。振動構造部はたとえば第１および第２の振動要素を含み、有利には中央部分ウェーハから構造化して形成される。単結晶シリコンを使用することにより材料ダンピングが非常に小さくなり、さらに疲労老化現象がごく少なくなる。シリコン技術による製造は製造公差を小さくさせるとともに、コストを低下させる。さらにシリコンは機械的負荷耐性が大きく、同時に密度が小さいので、堅牢で負荷可能な機械的構造部が生じる。
【００２４】
有利には、第１および／または第２の振動要素は非直角に形成され、すなわち振動構造部は非矩形の幾何学的形状または対称な凸状の自由形状を有している。振動要素はたとえば円形に構成してよく、或いは、９０゜以上の角度で互いに境を接するエッジを有していてもよい。たとえば振動要素は８角であってよい。
【００２５】
特に、感度を向上させる大きな補助的な慣性質量を考慮すると、たとえば容量面積が大きくなるとともに曲げ剛性が大きくなり、よってフレームまたは外側の振動構造部の固有振動数が高くなる。
【００２６】
したがって、フレームまたはねじれ懸架部の回転ベルトを固定するための高い剛性が達成され、このような剛性は矩形構造では得ることができない。ねじり振動数は主に懸架部としてのトーションベルトまたは回転ベルト自身によって決定される。よって回転ベルトを極めて短くさせることができ、ねじり振動数にほとんど依存せずに設定可能で、ウェーハ面に対し垂直に指向するセンサのＺモードを達成できる。
【００２７】
補助質量体の上述した幾何学的形状と特別な配置とにより、振動構造部の所定の面積において特に高感度が小型の構成で達成できる。
【００２８】
さらに、非矩形の幾何学的形状により機械的構造部の固有振動数スペクトルをより好都合に構成できる。揺動体または内側の振動構造部のねじり固有振動数とフレームまたは外側の振動構造部のねじり固有振動数とが構造部の最低固有モードであり、且つ他のすべてのモードがこれよりもかなり高い振動数にあるような非矩形の幾何学的形状を見出すことができる。これにより、たとえば起伏のある環境での機械的妨害スペクトルとセンサの作動固有モードとの間で必要な振動数間隔を保証することができる。
【００２９】
有利には、励起ユニットにより生じる動作振動の振動数、および／または、コリオリの力によって生じる検知振動の振動数は、第１および第２の振動要素によって形成される振動構造部の最低固有モードである。これにより、衝撃負荷および機械的振動に対する機械的構造部の特に高い堅牢性が得られる。
【００３０】
センサ要素を構成する際に機械的な緩衝要素、たとえば機械的な低域フィルタを使用することにより、回転率信号を高周波数の妨害信号から切り離すことが可能である。この場合、回転率信号はたとえば０ないし１００Ｈｚの帯域幅を有している。低周波数の妨害信号（その帯域幅は回転率の帯域幅と比較可能である）は、センサ構造部の固有振動数の状態によりセンサ挙動に影響せず、或いは、かなり抑制されて影響する。センサ構造部の固有振動数、すなわち動作振動と検知振動とはほぼ１０ｋＨｚであるのに対し、他のすべての固有モードはそれ以上である。
【００３１】
特に、第２の振動要素と第１の振動要素との面積比が５：１よりも大きく、有利には１０：１よりも大きい。外側の検知構造部または第２の振動要素を形成しているフレームと、内側の動作構造部または第１の振動要素を形成している揺動体とのこの面積比により、センサ電気信号がさらに大きくなるとともに、センサ構造部の機械的構成または固有モードの状態が最適になる。しかも揺動体とフレームとの固有振動数が十分に切り離される。この面積比とこれにより得られる慣性モーメントの比率とにより、揺動体の固有振動数を実質的に慣性体または質量要素に依存して決定することが可能であり、そしてフレームの固有振動数を実質的にフレームの幾何学的形状に依存して決定することが可能である。したがってほとんど独立的な周波数トラッキングが達成され、すなわちセンサを簡単且つ高精度でトリムすることができる。
【００３２】
有利には、マイクロメカニカル回転速度センサは電極または電極構造部を形成させるための金属被覆部を有している。金属被覆部は誘電層で覆われている。これによりパシベーションが行われるので、金属被覆部は腐食に対し保護されている。金属被覆部は特にセンサの固定不動部分にのみ着座しているので、パシベーションの種類、方式に関する制限はほとんどない。
【００３３】
有利には、マイクロメカニカル回転速度センサは閉じた導体軌道によって取り囲まれている１個または複数個の電極を有している。導体軌道はたとえば特に接触させてよい。対応するリード線も閉じた導体軌道によって取り囲まれていてよい。この処置により検知用の電極および／または動作用電極の電気的なクロストークが低減される。金属被覆された電極はたとえばカバーおよび／または底部ウェーハにのみ着座し、この場合構造化された中央部分には着座していないので、保護電極を容易に接触させることができ、しかも、保護電極を中央部分に取り付ける必要がある場合も保護電極の幾何学的形状および性状に関する境界条件は少ない。
【００３４】
有利には、マイクロメカニカル回転速度センサは中央部分ウェーハを底部ウェーハ或いは底部ウェーハのボンディングパッドに接続させるためのオーム圧接部を有している。カバーウェーハもこのようにして接触させてよい。中央部分上には金属被覆部を設けないのが有利である。特に、中央部分ウェーハの構造全体は電気ポテンシャルを持っている。
【００３５】
これにより、中央部分ウェーハの電気接続はたとえば１００μｍ×１００μｍのサイズを持つ規準化されたワイヤーボンディングパッドを介して行うことが可能である。これにより、接続パッド全体を１つの面内に設けて、互いに並列させて配置することができる。これはセンサ要素を動作用および検知用の付属の電子系と電気的に接触させる際の手間をかなり低減させる。
【００３６】
中央部分ウェーハ上に金属被覆部分が設けられていないことにより、中央部分ウェーハの製造コストが著しく低減する。さらに、振動構造部は非常にわずかな材料ダンピングしか示さず、機械的固定部を有していない。これはセンサ特性の温度依存性の減少にさらに寄与する。
【００３７】
センサ内部空間は気密に密閉されていてよく、この場合たとえば埋設した導体軌道はセンサ内部空間内の電極を接触させるために用いる。埋設した導体軌道を用いてセンサ内部空間内のボンディングパッドと電極面とを結合させることによりセンサ内部空間を気密に密閉することができ、したがって汚染もしなければ、腐食もせず、或いは湿気または周囲の他の影響により変化することもない。
【００３８】
本発明によるマイクロメカニカル回転速度センサの製造方法は以下のステップを含んでいる。すなわち少なくとも３つのウェーハを準備するステップと、個々のウェーハを構造化し、これらウェーハのうち１つのウェーハにカルダン式振動構造部を形成させるステップと、前記構造部の第１の振動を励起するための励起ユニットを形成させるステップと、第１の振動に対し垂直に行なわれる前記構造部の第２の振動を検知するための読み取りユニットを形成させるステップと、ウェーハを継ぎ合わせ、両面に振動構造部を備えたウェーハを他のウェーハと結合させるステップとがそれである。この方法により、振動能のある中央部分上に極めて大きな対称な補助質量体を配置することが可能であり、よって極めて高いセンサ解像度を達成することが可能である。
【００３９】
回転速度センサを少なくとも３つの個別に加工されたウェーハから製造して、これらウェーハを最終的に継ぎ合わせることの他の利点は、すでに本発明による回転速度センサとの関連で述べたとおりである。
【００４０】
特に、振動構造部に補助的な質量要素を第１および／または第２の振動の軸線に関し対称に固定してよい。また、ウェーハの上面および下面に振動構造部を加工してよい。
【００４１】
有利には、センサの振動構造部またはジンバル構造部をただ１つの中実なウェーハからエッチングし、その際１回のエッチング工程で、センサの中央部分を形成する機械的構造部または振動構造部の懸架部を形成させる。これにより、たとえば複数個のマスクを互いに位置調整する必要がないので、幾何学的構造部または振動構造部の高い製造精度が達成される。また、ウェーハ面に対し垂直な側面を持つようにシリコンを構造化してもよい。それゆえ中央部分は高精度に上下対称である。これにより”直角位相エラー（ｑｕａｄｒａｔｅ ｅｒｒｏｒ）”の実質的な原因が排除される。さらに、たとえば異方性プラズマエッチング技術を使用して横方向の幾何学的形状を自在に構成できる。
【００４２】
有利には、３つのウェーハのうち底部ウェーハ上にたとえばコンデンサ面、リード線、接続パッドを形成する金属被覆構造部を薄層技術を用いて被着させる。これにより、金属被覆部分がただ１つのウェーハ上にしか設けられないので、製造コストが低減する。薄層技術は、再現可能な隙間間隔にとって必要な再現可能な厚さを持つ小さな構造部の製造を可能にする。たとえば導体軌道の幅は１０μｍであり、導体軌道と電極の厚さは１４０μｍ、隙間間隔は１．５μｍである。センサ要素と動作電子系および検知電子系との電気的な接続は、たとえば規準化されたワイヤーボンディングパッドを介して行う。そのサイズはたとえば１００μｍ×１００μｍである。
【００４３】
回転速度センサまたは第１の振動要素の励起は多面的に行うことができ、たとえば静電方式、圧電方式、磁歪方式または磁気方式、或いは磁気的補助質量体を使用して行うことができる。このような場合、回転速度センサは静電要素、圧電要素、磁歪要素または磁気要素、或いは磁気的補助質量体を備えている。
【００４４】
補助的に、励起振動を制御および／または強制するための電子系を有する制御装置を設けてもよい。上記電子系は、第１の振動要素がその固有振動数で振動するように適当な回路により構成されていてよい。他方この電子系を、第１の振動要素が特定の振動数（必ずしも固有振動数である必要はない）で振動するよう強制する構成にしてもよい。この構成には特に、第２の振動要素の振動を測定するための読み取り電極が第１の振動要素を励起させるための電極に近接配置されている場合、および／または、第１の振動要素の自由振動が影響を受ける場合でも、前記読み取り電極がセンサの機能を損なわないという利点、或いは測定結果を狂わせないという利点がある。
【００４５】
励起電極の電極形状を適当に選定することにより、第２の振動要素の振動を測定するための読み取り電極の影響はさらに低下する。たとえば、前記影響を排除または補償するために、一対の励起電極の個々の電極を分割し、電子系により別個に制御してよい。
【００４６】
読み取り方法もいくつかの公知の方法で実現してよく、特に容量性方式或いは光学方式でも行うことができる。この場合回転速度センサは、コリオリの力によって生じる第２の振動要素の振動を読み取るための容量性要素または光学要素を備えている。
【００４７】
作動中には連続的な自動テストおよび自動校正が可能である。
【００４８】
次に、本発明による回転速度センサを有利な実施形態に関し図面を用いて説明する。
【００４９】
図１はマイクロメカニカル回転速度センサ１０を示している。マイクロメカニカル回転速度センサ１０はカバー部分１と、中央部分２と、底部部分３とによって形成されている。これらの部分は個別に加工されて最終的に継ぎ合わされたウェーハである。中央部分２は第１の振動要素４と第２の振動要素５とを備えた振動構造を形成している。第１の振動要素４は揺動体を形成し、第２の振動要素５はフレームを形成しており、フレーム内に揺動体が第１の回転軸線Ａのまわりに回動可能に支持されている。フレームまたは第２の振動要素５はウェーハ面内で第１の回転軸線Ａに対し垂直に延びている第２の回転軸線Ｂのまわりに回動可能にセンサ内部に支持されている。中央部分２または第１の振動要素４の上面２ａおよび下面２ｂにはそれぞれ補助的な質量要素６ａ，６ｂが設けられている。補助的な質量要素６ａ，６ｂは中央部分２に対し、または回転軸線ＡとＢによって形成される中央部分面に対し対称に配置されている。図示した有利な実施形態では、補助的な質量要素６ａと６ｂは回転軸線Ａに対し対称に且つ回転軸線Ｂに対し対称に配置されており、すなわち両回転軸線ＡとＢに対し且つ両回転軸線ＡとＢの交点に関し左右対称である。
【００５０】
電極７は図示していない制御部とともに励起ユニットを形成して、第１の振動要素４または揺動体を回転軸線Ａのまわりに振動させる。他の電極８は図示していない電子系とともに読み取りユニットを形成して、回転軸線Ｂのまわりでの第２の振動要素５またはフレームの振動を検知する。振動の励起と読み取りとは静電方式または容量性方式で行なわれる。このため中央部分２は電気ポテンシャルをもっている。
【００５１】
カバー部分１内と底部部分３内には凹部１ａまたは３ａが設けられ、これら凹部にはそれぞれ質量要素６ａまたは６ｂが突出している。この場合、質量要素６ａ，６ｂとそれぞれに境を接しているカバー部分１または底部部分３の構造部との間には遊び空間または間隔があり、この遊び空間または間隔は揺動体と結合されている質量要素６ａ，６ｂの凹部１ａまたは３ａ内部での往復振動を可能にする。
【００５２】
カバー部分１と中央部分２との間には隙間間隔ｄがあり、中央部分２と底部部分３との間にも隙間間隔ｅ１，ｅ２がある。隙間間隔ｄ，ｅ１，ｅ２は中央部分２の振動構造の動作振動および検知振動の静電的励起または容量性読み取りのために用いる。隙間間隔ｄ，ｅ１，ｅ２は電極構造部の横方向の拡がり、すなわち、フレームまたは第２の振動要素５の振動を励起するために用いる電極８の横方向の拡がりに比べて非常に小さい。電極８の横方向の広がりに対する隙間間隔ｄおよび隙間間隔ｅ２の比率はほぼ１：１００或いはそれ以下である。これにより検知用の非常に高い容量値或いは動作用の大きな静電力が得られる。
【００５３】
底部部分３と第１の振動要素４との隙間間隔ｅ１は回転軸線Ａのまわりでの第１の振動要素４の傾動または振動を可能にさせるが、この隙間間隔ｅ１は回転軸線Ｂのまわりでの傾動を可能にする底部部分３と第２の振動要素またはフレーム５との隙間間隔ｅ２よりも大きい。これにより共振励起時の大きな機械的振幅が可能になり、他方読み取り時の隙間間隔が狭く、よって容量が大きいので、高い電気出力信号が得られる。
【００５４】
カバー部分１はそのエッジに突起１１を有しており、この突起１１によりカバー部分１は中央部分のエッジ２１と固定結合されている。突起１１により、或いは、これによって形成される、カバー部分の中心領域に対し隆起したエッジにより、センサ１０の内部に内部空間９が形成される。内部空間９は両振動要素４，５に対し、または振動構造に対し、励起振動或いは読み取り振動を実施するために十分な空間を提供している。底部部分３もその表面に突出した結合領域を有しており、すなわち底部部分３を中央部分２に結合させるために用いられ、これにより振動のための空間を提供している領域３１を有している。
【００５５】
底部部分３（底部ウェーハまたは底部ウェーハの一部であってよい）は残りのウェーハ部分、すなわちカバー部分１と中央部分２を形成しているウェーハよりも横方向の拡がりが大きい。すなわち底部部分３は、中央部分２またはカバー部分１のエッジを越えて延びているエッジ領域を有している。底部部分３またはウェーハのエッジ領域の表面には接続パッドの形態で接触面３２が設けられている。接触面３２はセンサの内部空間９内で金属被覆部分または電極７，８を接触させるために用いる。接触面３２は導体軌道３３を介して電極７，８と結合されており、この場合接触面３２と導体軌道３３と電極７，８とは底部部分３または下部ウェーハの表面上の面内に形成されている。導体軌道３３は埋設した導体軌道であり、すなわちウェーハのなかに組み込まれ、或いは加工されている。これにより内部空間９の気密な、または真空気密な密封が行われる。
【００５６】
図２は有利な実施形態による回転速度センサの中央部分２の平面図である。中央部分２はウェーハの一部でも、またウェーハ全体であってもよい。内側の振動要素４または揺動体は振動可能またはねじれ可能な２つの対向する懸架部４１を介して外側の振動要素５またはフレームと結合されている。振動可能な懸架部４１により、両懸架部４１を通る軸線Ａのまわりに揺動体を傾動または振動させることができる。フレームまたは外側の振動要素５は振動可能またはねじれ可能な懸架部４２を介してウェーハまたは中央部分２の残りの部分と結合されている。この残りの部分は、ウェーハのカバー部分１と底部部分３との間に固定された保持構造部２１を形成している。フレームまたは第２の振動要素５を保持構造部２１で懸架している振動可能な懸架部４２により、両懸架部４２を通り且つ第１の振動要素４の回転軸線Ａに対し垂直に指向している軸線Ｂのまわりでのフレームの傾動または振動が可能である。
【００５７】
上部の補助的な質量要素６ａは揺動体とフレームとから形成されている振動構造部の中心に対称に固定されており、この場合同時に揺動体または第１の振動要素４の中心に配置されている。すぐ下には、同一に構成された第２の補助的な質量要素６ｂが配置されている（図１を参照）。
【００５８】
振動要素４，５はエッジ４ａ，５ａを有し、これらエッジ４ａ，５ａは互いに直角に指向しておらず、角度αを成しており、角度αは９０゜よりも大きい。すなわち、両振動要素４と５から形成されている振動構造部は非矩形の幾何学的形状を持っており、これにより容量面積が大きくなるとともにフレームの曲げ剛性が高くなり、よってフレームの固有振動数が高くなる。また、懸架部４２またはフレームの回転ベルトをかなり短くすることができる。総じて、非矩形の幾何学的形状により機械的構造部の固有振動数スペクトルを好都合に構成することができる。非矩形の幾何学的形状の他の利点は前述したとおりである。
【００５９】
図３は底部部分３上に形成された金属被覆部分の平面図である。金属被覆部分は平坦に構成された２つの電極８を形成している。これら電極８はフレームまたは第２の振動要素５の振動の容量性読み取りのために用いる。フレームまたは第２の振動要素５の振動は、センサが振動要素４と５の回転軸線に対し垂直に指向している検知軸線のまわりに回転する際にコリオリの力に基づいて発生するものである。電極７は図示していないが、同様に構成されている。
【００６０】
中央部分ウェーハまたは中央部分２の構造全体は電気ポテンシャルを有している。この電気ポテンシャルは底部部分２上の金属被覆部分または電極７，８に対向している。これにより、励起および読み取りのために電極７，８に対向する金属被覆部分（図１を参照）を振動構造部にも取り付ける必要がない。
【００６１】
各電極７，８は環状電極１２によって完全に囲まれている。環状電極１２は電極７，８と外側へ通じている導体軌道３３および外側にある接触面３２を取り囲んでいる。この場合環状電極１２はセンサ内部空間の外側にある固有の接触面３４を介して別個に接触可能である。導体軌道を形成している環状電極１２は検知用および動作用の電極７，８間の電気的クロストークを低減させる。
【００６２】
図４はセンサ１０のエッジ領域における中央部分２と底部部分３との結合部を拡大して示したものである。この場合、中央部分ウェーハまたは中央部分２はオーム圧接部３５を介して底部ウェーハ３のボンディングパッドまたは接続パッドに接続されている。ボンディングパッドまたは接続パッドは接触面３６の形態で底部部分３上に形成されている。接続パッド全体は１つの面上にあり、互いに並列して配置されている。これにより電極７，８も中央部分ウェーハ２も簡単に且つ極めて低コストで電気的に接触させることができる。
【００６３】
有利な実施形態では、中央部分２は単結晶シリコンから成っており、他方底部部分３とカバー部分２とはたとえばボロフロートガラスまたはパイレックス（登録商標）ガラスのようなアルカリを含んだガラスウェーハから製造されている。これらウェーハのうち１つのウェーハは電極構造を備えている。もちろんセンサ部に対し他の材料も可能で、この場合材料の選択はその都度の必要条件に応じて行なう。
【００６４】
本実施形態の場合質量要素６ａ，６ｂは鋼球であり、それぞれ揺動体または第１の振動要素４の上面および下面の膨出部で支持されている。この場合鋼球は正確に対向しあっており、その結果高度な幾何学的形状が保証されている。有利な実施形態では、自動的に相互に指向しあう磁気鋼球が使用される。もちろん鋼球以外にも他の形状および材料を質量要素６ａ，６ｂの構成のために使用してもよく、この場合適宜選択すればセンサパラメータを調整することができる。
【００６５】
静電励起ユニット以外にも種々の励起方式が可能で、たとえば圧電励起方式、磁歪励起方式、或いは磁気励起方式も可能である。読み取り方式も他の公知の方式で行なってよく、この場合、容量性方式の読み取り以外に光学的読み取り方式も可能である。
【００６６】
次にセンサ１０の製造例を説明する。
【００６７】
センサを製造するため、カバー部分１、中央部分２、底部部分３を形成する３個のウェーハを別個に加工する。カバー部分１用のウェーハと底部部分３用のウェーハとは、その中央に質量要素６ａ，６ｂ用の凹部が設けられるように構造化させ、その際振動を実施するために十分な遊び空間が生じる。また、それぞれのウェーハ表面の中心領域をエッジ領域に対して沈降させ、その結果カバー部分および底部部分のこの領域にそれぞれ中央部分２に対する隙間間隔が生じ、この隙間間隔が中央部分の振動構造部の振動を可能にさせる。
【００６８】
中央部分ウェーハを上面と下面に加工して中心面に対する対称性を保証させる。この場合、フレームと揺動体とから成っているセンサの振動構造部を中実ウェーハからエッチングさせ、その際懸架部４１，４２（図２を参照）を１回のエッチング工程で形成させる。
【００６９】
この時点で質量要素６ａ，６ｂを、中央部分２として設けられているウェーハの上面および下面に固定させ、たとえば接着或いは磁気により固定させる。
【００７０】
底部部分３用に設けられているウェーハ上に、電極またはコンデンサ面およびリード線と接続パッドを形成する金属被覆構造部を薄層技術により被着させる。その際金属被覆部分をパシベーションのために誘電層で覆う。
【００７１】
３個のウェーハまたはセンサ部分を予め別個に製造した後、これらを継ぎ合わせて互いに固定結合させる。その際、センサの内部空間９に真空が生じるように適当な処置を施す。
【００７２】
左右対称なセンサにより特に温度ドリフトのようなエラー源が効果的に防止され、測定結果が改善される。中央部分２上の左右対称な質量体はセンサ解像度を著しく向上させる。センサの機械的構成が高度に左右対称であるため、長期間にわたる高安定性と少ないオフセットドリフトが得られる。すなわちセンサは長期間にわたり安定に作動し、正確な測定結果を提供する。センサは機械的に負荷可能であり、この種の負荷時に測定結果が狂うことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有利な実施形態によるマイクロメカニカル回転速度センサの断面図である。
【図２】有利な実施形態による回転速度センサの中央部分の平面図である。
【図３】回転速度センサの電極構造の平面図である。
【図４】センサのエッジ領域を、中央部分と底部部分との結合部とともに示した断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004506883.tif 000003
2004506883.tif 000004
2004506883.tif 000005
2004506883.tif 000006
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2004506883.tif 000028
2004506883.tif 000029
2004506883.tif 000030
2004506883.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成14年6月21日(2002.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
第１の軸線（Ａ）のまわりを回動可能に支持されている第１の振動要素（４）と、
第１の軸線（Ａ）に対し垂直に指向している第２の軸線（Ｂ）のまわりを回動可能に支持されている第２の振動要素（５）と、
第１の振動要素（４）を第１の軸線（Ａ）のまわりで振動させるための励起ユニット（７）と、
第２の軸線（Ｂ）のまわりでの第２の振動要素（５）の振動を検知するための読み取りユニット（８）と、
を備えたマイクロメカニカル回転速度センサにおいて、
第１の振動要素（４）に少なくとも２つの補助的な質量要素（６ａ，６ｂ）が固定され、これら質量要素（６ａ，６ｂ）が第１および第２の軸線（Ａ，Ｂ）により定義される面に関し対称に指向していること、第１の振動要素（４）を励起振動させるための隙間間隔（ｅ１）が第２の振動要素（５）を読み取り振動させるための隙間間隔（ｅ２）よりも大きいことを特徴とするマイクロメカニカル回転速度センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
質量要素（６ａ，６ｂ）が金属から製造されていることを特徴とする、上記請求項のいずれか一つに記載のマイクロメカニカル回転速度センサ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２２】
マイクロメカニカル回転速度センサの製造方法において、
少なくとも３つのウェーハ（１，２，３）を準備するステップと、
個々のウェーハ（１，２，３）を構造化し、これらウェーハのうち１つのウェーハ（２）にカルダン式振動構造部（４，５）を形成させるステップと、
前記構造部の第１の振動を励起するための励起ユニット（７）を形成させるステップと、
第１の振動に対し垂直に行なわれる前記構造部の第２の振動を検知するための読み取りユニット（８）を形成させるステップと、
ウェーハ（１，２，３）を継ぎ合わせ、両面に振動構造部（４，５）を備えたウェーハ（２）を他のウェーハ（１，３）と結合させ、その際前記構造部（４，５）に第１の振動を励起させるためのウェハー（２，３）間の隙間間隔（ｅ１）が前記構造部（４，５）の第２の振動を検知するための隙間間隔（ｅ２）よりも大きいように設定するステップと、
を特徴とする製造方法。
【国際調査報告】
2004506883.tif 000032
2004506883.tif 000033
2004506883.tif 000034
2004506883.tif 000035
2004506883.tif 000036
2004506883.tif 000037