(57)【要約】【課題】ジャイロメータは、基板と、基板の上に懸架された慣性質量部（２）であって、励振部（６）および検出部（８）を含む慣性質量部（２）と、前記慣性質量部（２）の平面内に含まれる、励振部（６）を少なくとも１つの方向（Ｘ）に移動させる手段と、前記質量部の平面の外側での前記検出部（８）の移動を検出する静電容量検出手段とを含む。【解決手段】前記静電容量検出手段は、前記検出部（８、１０８）と共に可変コンデンサを形成するように、基板に面して位置する検出部（８）の上に配置された、少なくとも１つの懸架電極（１６）を含み、前記電極（１６）は、慣性質量部（２）を貫通する少なくとも１つの柱状体（２２）によって、前記検出部（８）の上に保持される。【選択図】図１Ａ
2012233898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の上に懸架された慣性質量部（２、１０２）であって、少なくとも１つの励振部（６、１０６）および少なくとも１つの検出部（８、１０８）を含む慣性質量部（２、１０２）と、前記慣性質量部（２、１０２）の平面内に含まれる、前記励振部（６、１０６）を少なくとも１つの方向（Ｘ）に移動させる手段と、前記質量部の前記平面の外側での前記検出部（８、１０８）の移動を検出する静電容量検出手段とを含むジャイロメータであって、前記静電容量検出手段が、前記検出部（８、１０８）と共に可変コンデンサを形成するように、前記基板に面して位置する前記検出部（８、１０８）の上に配置された、検出電極と呼ばれる少なくとも１つの懸架電極（１６、１１６．１、１１６．２）を含み、前記電極（１６、１１６．１、１１６．２）が、前記慣性質量部（２、１０２）を貫通する少なくとも１つの柱状体（２２、２２’）によって、前記検出部（８、１０８）の上に保持されるジャイロメータ。
【請求項２】
前記検出電極（１６、１１６．１、１１６．２）上の各点の、前記質量部の前記平面に垂直な軸（Ｚ）に沿った直交する突出部が、前記検出部（８、１０８）上に位置する請求項１に記載のジャイロメータ。
【請求項３】
前記検出電極（１６、１１６．１、１１６．２）が、前記検出部の表面積にほぼ等しい表面積を有する請求項２に記載のジャイロメータ。
【請求項４】
１つまたは複数の通路（２３、２３’）を含み、前記検出部の縁部に隣接する領域において、前記通路（２３、２３’）を通って前記柱状体（２２、２２’）が前記検出部（８、１０８）および／または前記励振部を貫通する請求項１から３のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項５】
励振方向における前記柱状体（２２、２２’）の平行な縁部と前記通路（２３、２３’）との間のクリアランスが、励振の振幅より０．５μｍ〜１μｍ大きい請求項４に記載のジャイロメータ。
【請求項６】
前記柱状体（２２、２２’）の側面が１０μｍ〜１００μｍの間であり、前記柱状体（２２、２２’）の前記平行な縁部と前記通路（２３、２３’）との間の前記クリアランスが、１μｍ〜１０μｍの間である請求項４または５に記載のジャイロメータ。
【請求項７】
前記慣性質量部（１０２）が、励振部（１０６）および少なくとも２つの検出部を含み、第１の検出部（１０８）が、励振方向（Ｘ）に沿って前記励振部（１０６）を通って移動可能であり、第２の検出部（１０９）が、前記励振方向（Ｘ）の適所に固定され、前記第１の検出部（１０８）に対する移動について固定される請求項１から６のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項８】
前記柱状体が、前記第２の検出部（１０９）を貫通する請求項７に記載のジャイロメータ。
【請求項９】
前記慣性質量部が少なくとも２つの検出部を含み、前記検出電極が、前記検出部のうちの１つの上に位置する請求項１から８のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項１０】
前記慣性質量部が、同位相で共振する少なくとも２つの検出部を含み、前記検出電極が、前記２つの検出部の上に位置する請求項１から８のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項１１】
前記慣性質量部が、逆位相で共振する少なくとも２つの検出部を含み、前記ジャイロメータが、それぞれが検出部の上に位置する２つの検出電極を含み、前記２つの検出電極が、それらに面する前記検出部の変位を別個に検出する請求項１から８のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項１２】
少なくともある励振モードに対して、２つの機械的に結合された慣性質量部を含み、２つの検出電極がそれぞれ各慣性質量部の検出部の上に配置され、前記２つの検出電極が、それらに面する検出部の変位を別個に検出する請求項１から１１のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項１３】
前記慣性質量部がディスク形の励振部（３０６）を含み、前記励振部（３０６）が前記ディスクの軸のまわりを自由に移動し、複数の検出部（３０８）が、前記励振部（３０６）の内部を自由に移動するように配置される請求項１から６または９から１２のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記慣性質量部および少なくとも１つの前記検出電極（８）のまわりで、気密封止される空洞（２６）の範囲を定めるカバー（２４）を含み、前記空洞（２６）内に真空が作られる請求項１から１３のいずれか一項に記載のジャイロメータ。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのジャイロメータ、ならびに前記平面の外側の軸のまわりの回転を検出する少なくとも１つの加速度計および／またはジャイロメータを含む測定システム。
【請求項１６】
前記平面の外側の軸のまわりの回転を検出する前記ジャイロメータが、前記平面の外側の軸のまわりの回転を検出する前記ジャイロメータの前記少なくとも１つの検出部の前記平面内の変位を検出するために、前記平面の外側の軸のまわりの回転を検出する前記ジャイロメータの前記平面に垂直な検出電極を含む請求項１５に記載の測定システム。
【請求項１７】
前記加速度計が、面外の加速度を検出し、前記平面内に含まれる、面外の加速度を検出するための少なくとも１つの電極を含む静電容量加速度計、および／または面内の加速度を検出し、前記平面に垂直な少なくとも１つの電極を含む静電容量加速度計である請求項１５または１６に記載の測定システム。
【請求項１８】
請求項１から１４のいずれか一項に記載のジャイロメータ、または請求項１５から１７のいずれか一項に記載の測定システムを製造するための方法であって、基板（２０２）上に堆積され、活性層（２０６）で覆われた酸化物層（２０４）を含む素子から始まる以下のステップ：
前記活性層（２０６）を酸化から保護する第１の保護層（２０８）を堆積するステップと、
少なくとも１つの第１の領域で、前記保護層（２０８）をエッチングして前記活性層（２０６）を解放するステップと、
前記第１の領域に突出する厚さの酸化物（２１０）を形成するように、前記第１の領域の前記解放された活性層で熱酸化を行い、酸化物を成長させるステップと、
前記突出する厚さの酸化物（２１０）の上に第２の保護層（２１２）を堆積するステップと、
前記活性層（２０６）をエッチングして、前記酸化物層（２０４）に達する溝（２１４）を形成するステップと、
前記活性層（２０６）を覆い、前記溝（２１４）を遮断する遮断層（２１６）を堆積するステップと、
前記遮断層（２１６）をエッチングして、前記活性層（２０６）の少なくとも１つの第２の領域を解放するステップと、
前記検出電極を、前記電極が前記第２の領域に支持されるように形成するステップと、
前記慣性質量部および前記電極を解放するステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記第１の保護層（２０８）および／または前記第２の保護層（２１２）が、Ｓｉ３Ｎ４で作製される請求項１８に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記活性層（２０６）を覆い、前記溝（２１４）を閉鎖する前記遮断層（２１６）が、リンシリケートガラスで作製される請求項１８または１９に記載の製造方法。
【請求項２１】
前記検出電極が作製され、少なくとも１つの懸架されていない電気導体トラックが前記検出電極に接続された後、少なくとも１つのコンタクトパッド（１８）を作製するステップを含み、前記コンタクトパッドが、前記導体トラックの上に作製される請求項１８から２０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項２２】
前記電気導体トラックが、前記検出電極と同時に作製される請求項２１に記載の製造方法。
【請求項２３】
前記素子がシリコンオンインシュレータ基板であり、前記検出電極がポリシリコンで作製される請求項１８から２２のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項２４】
前記解放するステップが、前記リンシリケートガラスのウェットエッチング、および前記酸化物層のエッチングによって達成される請求項１８から２３のいずれか一項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量検出を伴い、寄生容量を低減させたＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）およびＮＥＭＳ（ナノエレクトロメカニカルシステム）ジャイロメータに関する。
【０００２】
本発明は、ジャイロメータの平面内に含まれる軸のまわりの回転から生じるコリオリ力を検出するように設計された、ジャイロメータの分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
ジャイロスコープは、平面内に位置する励振軸と呼ばれる軸のまわり、または平面の外側に位置する軸のまわりで移動される慣性質量部を含み、平面内の軸のまわりの回転から生じるコリオリ力によって引き起こされる面外移動が検出される。
【０００４】
静電容量検出の場合、面外移動は電極によって検出される。電極は垂直にすることができる。
【０００５】
しかしながら、そうした電極の製造は複雑であり、コストが高い。さらに、一部の構造は、完全に線形ではない静電容量の変動および複雑な変動法則を有する。
【０００６】
他の技術によれば、電極は水平であり、電極と慣性質量部の間でエアギャップの変動が測定される。エアギャップの変動は非線形であるが、変動法則はよく知られている。
【０００７】
電極は、基板上の振動質量部の下に配置することができる。そうしたジャイロメータが、Ｐ．  Ｍｅｒｚら、「Ｉｍｐａｃｔ  Ｏｆ  Ｓｉ  ＤＲＩＥ  Ｏｎ  Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ  ＭＥＭＳ  Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ  ＆  ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ’０７、１１８７〜１１９０頁、２００７年という文書に記載されている。
【０００８】
しかしながら、こうした構造は高い寄生容量を有する。電極と検出部の面外移動を検出するのに用いられる能動部との間の有用な静電容量に加えて、電極と基板の間の寄生容量が、電極の表面全体、ならびに導体トラックおよびコンタクトパッドの表面に生じる。したがって、特に電極レベルと基板の間の絶縁性に関する比誘電率の係数が電極と能動部の間にある空気より高いため、寄生容量が、場合によっては名目上の静電容量より大きくなる（ＳｉＯ２の場合、通常はεｒ＝３．８）。下式を思い起こされたい。
【０００９】
【数１】
2012233898.tif 000003
【００１０】
上式において、ε０は真空の誘電率、Ｓは静電容量に関する表面積、ｇはエアギャップ距離である。
【００１１】
Ｔ．  Ｔｓｕｃｈｉｙａら、「Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｒｅｅ  ｌａｙｅｒｓ  ｏｆ  ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、８２巻、１１４〜１１９頁、２０００年という文書には、励振および差動の検出を行うことができるように、４つの梁によって懸架され、基板上に位置する下部電極と上部電極との間に配置された振動質量部を含むジャイロメータが記載されている。上部電極は、慣性質量部の上に懸架されたポリシリコンの第３の層に形成される。この層はきわめて薄い。
【００１２】
このジャイロメータはまた、下部電極と基板の間に高い寄生容量を有する。さらに、より良好な感度が必要である場合には、第２の層の厚さを増やさなければならず、その場合、面内移動および面外移動の共振周波数が差動的に変化する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｐ．  Ｍｅｒｚら、「Ｉｍｐａｃｔ  Ｏｆ  Ｓｉ  ＤＲＩＥ  Ｏｎ  Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ  ＭＥＭＳ  Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ  ＆  ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ’０７、１１８７〜１１９０頁、２００７年
【非特許文献２】Ｔ．  Ｔｓｕｃｈｉｙａら、「Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｒｅｅ  ｌａｙｅｒｓ  ｏｆ  ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、８２巻、１１４〜１１９頁、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明の１つの目的は、面外移動の検出を伴い、寄生容量をより小さくしたジャイロメータ、および簡易化された製造方法を提供することである。特に、寄生容量を低減することによって、ジャイロメータによって行われる静電容量測定からのノイズが低減される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
先に言及した目的は、少なくとも１つの励振部および少なくとも１つの検出部で形成された慣性質量部と、検出部に機械的に接続され、励振移動のすべてまたは一部を検出部に伝える励振部と、基板に面する検出部の上に配置された電極によって形成される、検出部の面外移動を検出する手段とを含むジャイロメータによって達成され、前記電極は、慣性質量部を貫通する柱状体によって検出部の上の適所に保持される。
【００１６】
したがって、電極によって寄生容量を形成する可能性があるジャイロメータの領域は、本質的にコンタクトパッド、導体トラック、柱状体、場合によっては励振部である。したがって、本発明によるジャイロメータの寄生容量は著しく低減される。
【００１７】
ノイズ比に対する信号は寄生容量によって制限されるため、寄生容量の低減によって測定ノイズも低減される。
【００１８】
有利には、検出部を貫通する柱状体を使用すること、および全表面積が検出部に面するように電極を作製することによって、電極と励振部の間にはもはや寄生容量が存在しなくなるため、寄生容量はさらに低減される。
【００１９】
一般的には、ＭＥＭＳまたはＮＥＭＳジャイロメータは、内部に真空が生成された空洞の中に配置される。柱状体を用いて電極を支持することによって、電極の配置がジャイロメータの空洞を形成するカバーの配置と無関係になる。その場合、検出部に対する検出電極の位置を変えずに、空洞、したがって真空空間のサイズを大きくすることが可能になる。
【００２０】
したがって、本発明の対象は、基板と、基板の上に懸架された慣性質量部であって、少なくとも１つの励振部および少なくとも１つの検出部を含む慣性質量部と、前記慣性質量部の平面内に含まれる、励振部を少なくとも１つの方向に移動させる手段と、前記質量部の平面の外側での前記検出部の移動を検出する静電容量検出手段とを含むジャイロメータであり、前記静電容量検出手段は、前記検出部と共に可変コンデンサを形成するように、前記基板に面して位置する検出部の上に配置された、検出電極と呼ばれる少なくとも１つの懸架電極を含み、前記電極は、慣性質量部を貫通する少なくとも１つの柱状体によって、前記検出部の上に保持される。
【００２１】
本願において、「検出部の上の」とは、電極が少なくとも部分的に検出部の上にあることを指し、したがって、検出電極がこの検出部を越えて突出していてもよく、または検出電極がこの検出部より小さくてもよい。
【００２２】
好ましくは、電極上の各点の、ジャイロメータの平面に直交する軸に沿った直交する突出部は、ほぼ検出部上に位置し、検出電極の突出部は検出部を越えて突出しない。さらに好ましくは、検出電極は、検出感度を最大にするために、検出部の表面積にほぼ等しい表面積を有する。
【００２３】
ジャイロメータは１つまたは複数の通路を含み、検出部の縁部に隣接する領域において、その通路を通って柱状体が検出部および／または励振部を貫通してもしなくてもよい。
【００２４】
好ましくは、励振方向における柱状体の平行な縁部と通路の間のクリアランスは、励振の振幅より０．５μｍ〜１μｍ大きい。
【００２５】
例えば、柱状体の側面は１０μｍ〜１００μｍの間であり、柱状体の平行な縁部と通路の間のクリアランスは１μｍ〜１０μｍの間である。
【００２６】
例示的な一実施形態において、慣性質量部は、励振部および少なくとも２つの検出部を含み、第１の検出部は、励振方向に沿って励振部を通って移動可能であり、第２の検出部は、励振方向の適所に固定され、第１の検出部に対する移動について固定される。有利には、柱状体が第２の検出部を貫通する。しかしながら、この例は限定的なものではなく、柱状体が第１の検出部を貫通することも可能である。
【００２７】
慣性質量部は少なくとも２つの検出部を含むことができ、検出電極は検出部のうちの１つの上に位置する。
【００２８】
例示的な一実施形態において、慣性質量部は、同位相で共振する少なくとも２つの検出部を含み、検出電極は２つの検出部の上に位置する。
【００２９】
他の例示的な実施形態において、慣性質量部は、逆位相で共振する少なくとも２つの検出部を含み、前記ジャイロメータは、それぞれが検出部の上に位置する２つの検出電極を含み、２つの検出電極は、それらに面する検出部の変位を別個に検出する。
【００３０】
ジャイロメータは、少なくともある励振モードに対して、２つの機械的に結合された慣性質量部を含むことができ、２つの検出電極がそれぞれ各慣性質量部の検出部の上に配置され、２つの検出電極は、それらに面する検出部の変位を別個に検出する。
【００３１】
一変形形態において、慣性質量部はディスク形の励振部を含むことができ、前記励振部は、前記ディスクの軸のまわりを自由に移動し、複数の検出部が、励振部の内部を自由に移動するように配置される。
【００３２】
ジャイロメータは、少なくとも１つの慣性質量部および少なくとも１つの検出電極のまわりで、気密封止される空洞の範囲を定めるカバーを含むことができ、前記空洞内に真空が作られる。
【００３３】
本発明の他の目的は、本発明によるジャイロメータ、および平面の外側の軸のまわりの回転を検出するジャイロメータを含む測定システムである。
【００３４】
測定システムは、前記少なくとも１つの検出部の平面内の変位を検出するために、ジャイロメータの平面に垂直な検出電極を含むことができる。
【００３５】
有利には、電極をパッドに接続する導体トラックが懸架され、検出電極と同時に作製される。
【００３６】
本発明の他の対象は、本発明による少なくとも１つのジャイロメータ、および少なくとも１つの加速度計を含む測定システムである。例えば加速度計は、面外の加速度を検出し、平面内に含まれる、面外の加速度を検出するための少なくとも１つの電極を含む静電容量加速度計、および／または面内の加速度を検出し、平面に垂直な少なくとも１つの電極を含む静電容量加速度計とすることができる。
【００３７】
平面内に含まれる少なくとも１つの電極は、有利には、前記ジャイロメータの検出電極と同時に作製することができる。
【００３８】
本発明の他の対象は、本発明によるジャイロメータを作製するための方法であり、その方法は、基板上に堆積され、活性層で覆われた酸化物層を含む素子から始まる以下のステップ、すなわち、
−活性層を酸化から保護する第１の保護層を堆積するステップと、
−少なくとも１つの第１の領域で、保護層をエッチングして活性層を解放するステップと、
−前記第１の領域に突出する厚さ（ｏｖｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）の酸化物を形成するように、第１の領域の解放された活性層で熱酸化を行い、酸化物を成長させるステップと、
−突出する厚さの酸化物の上に第２の保護層を堆積するステップと、
−活性層をエッチングして、酸化物層に達する溝を形成するステップと、
−活性層を覆い、溝を遮断する遮断層を堆積するステップと、
−前記遮断層をエッチングして、活性層の少なくとも１つの第２の領域を解放するステップと、
−検出電極を、電極が前記第２の領域に支持されるように形成するステップと、
−慣性質量部および電極を解放するステップと
を含む。
【００３９】
例えば、第１の保護層および／または第２の保護層は、Ｓｉ３Ｎ４で作製される。
【００４０】
活性層を覆い、溝を閉鎖する遮断層は、例えばＰＳＧで作製することができる。
【００４１】
方法は、検出電極が作製され、少なくとも１つの懸架されていない電気導体トラックが検出電極に接続された後、少なくとも１つのコンタクトパッドを作製するステップを含むことができ、コンタクトパッドは導体トラックの上に作製される。
【００４２】
電気導体トラックは、好ましくは検出電極と同時に作製される。
【００４３】
例えば、素子はＳＯＩ基板とすることができ、検出電極はポリシリコンで作製することができる。
【００４４】
例えば解放ステップは、ＰＳＧのウェットエッチングおよび酸化物層のエッチングによって得ることができる。
【００４５】
以下の説明および添付図面を読み取ることによって、本発明がさらによく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】本発明によるジャイロメータの例示的な一実施形態の上面図である。
【図１Ｂ】平面ＡＡに沿った図１Ａの断面図の一部である。
【図２】本発明によるジャイロメータの他の例示的な実施形態の部分上面図である。
【図３Ａ】図１Ａの慣性質量部の上面図である。
【図３Ｂ】励振モードにおける図１Ａの慣性質量部の上面図である。
【図３Ｃ】検出モードにおける図１Ａの慣性質量部の上面図である
【図４】封止する空洞を備えた本発明によるジャイロメータの断面図である。
【図５Ａ】本発明によるジャイロメータの他の例の斜視図である。
【図５Ｂ】励振モードにおける図５Ａのジャイロメータの概略的な斜視図である。
【図５Ｃ】検出モードにおける図５Ａのジャイロメータの概略的な斜視図である。
【図６Ａ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図６Ｂ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図６Ｃ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図６Ｄ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図６Ｅ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図６Ｆ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図６Ｇ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図６Ｈ】本発明によるジャイロメータを作製するための方法の一例に関するステップの概略図である。
【図７】本発明による他の例示的なジャイロメータの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１Ａは、基板４の上に懸架された慣性質量部２を含む、本発明の例示的な一実施形態によるジャイロメータＧ１を示している。
【００４８】
図３Ａに単独で示す慣性質量部２は、励振部と呼ばれる第１の部分６、および検出部と呼ばれる第２の部分８を含む。
【００４９】
励振部６は、ジャイロメータの平面に含まれるＸ軸に沿って移動される。検出部８はコリオリ力によって、Ｘ軸および図１Ａの紙面に垂直なＺ軸に沿って移動される。励振部６の移動は「面内移動」と呼ばれ、検出部８の移動は「面外移動」と呼ばれる。
【００５０】
Ｘ軸のまわりの回転を検出するように設計されたジャイロメータは、「Ｘジャイロメータ」と呼ばれる。
【００５１】
Ｚジャイロメータは、Ｚ軸のまわりの回転を検出するように設計される。
【００５２】
Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直であり、ジャイロメータの平面内に含まれる。
【００５３】
ＸＹジャイロメータは、Ｘ軸およびＹ軸のまわりの回転を検出するように設計される。
【００５４】
示した例における励振部６は、対として互いに平行に整列させた４つのまっすぐな梁１０によって基板４から懸架されるフレームを形成する。図３Ｂは、励振モードにおける慣性質量部を示しており、梁１０は平面内で曲がり、慣性質量部はＸ軸に沿って移動している。
【００５５】
長方形の検出部８は、励振部６のフレームの内側に配置され、それぞれが可動部の１つの側面に垂直な４つの梁１２によって励振部６から懸架される。２つの連続する側面に位置する２つの梁は、互いに垂直である。
【００５６】
図３Ｃは、検出モードにおける慣性質量部を示し、その場合、検出部８は、Ｚ軸に沿って励振部からオフセットされた位置にあり、梁１２は面外曲げモードである。
【００５７】
Ｘ軸に沿って励振部６の励振手段が設けられる（図示せず）。こうした励振手段は、櫛歯型をした圧電性、磁性の櫛状体などを用いた静電タイプのものとすることができる。
【００５８】
ジャイロメータは、検出部８の変位を検出する静電容量手段１４も含む。静電容量検出手段１４は、基板４に面する慣性質量部２の上に位置する電極１６を含む。
【００５９】
電極１６は、図１Ｂで特によく認識することができ、図１Ａでは破線で示されている。電極１６は、コンタクトパッド１８によって検出回路（図示せず）に電気的に接続される。
【００６０】
特に有利には、電極１６の表面積は検出部８の表面積より大きくはなく、検出部のみに面している。Ｚ軸に沿った電極１６の任意の部分の直交する突出部が、検出部８に位置する。示される例では、電極１６および検出部８の表面積はほぼ同じである。
【００６１】
好ましくは、電極１６は検出部８と同じ表面積を有し、したがって、有用な静電容量ができるだけ大きくなり、その感度が最大になる。
【００６２】
電極１６は、基板に対して電極１６の位置が一定になるように、前記慣性質量部２を貫通する柱状体２２によって慣性質量部の上の適所に保持される。
【００６３】
示される例では、検出部８と同様の長方形として配置される４つの柱状体２２が存在する。この数およびこの配置は、決して限定的なものではなく、特に検出部の形状および表面積に応じて選択され、また懸架電極に十分な剛性を与えるように、特に電極の共振振動数が慣性質量部の移動の振動数よりずっと高くなるように調整される。
【００６４】
柱状体２２は、検出部内に形成された通路２３を通って検出部を貫通し、前記柱状体２２は基板上に固定される。
【００６５】
有利には、柱状体２２および通路２３は、エッチングによって同時に作製される。
【００６６】
通路および柱状体の寸法は、励振部がＸに沿った変位を有する励振モードにおいて、柱状体と励振部の間に接触がないようにする。
【００６７】
励振方向に沿った柱状体の平行な縁部と通路の間のクリアランスは、好ましくは励振の振幅より０．５μｍ〜１μｍ大きくなるように選択される。
【００６８】
例えば、柱状体の側面は１０μｍ〜１００μｍの間であり、柱状体の平行な縁部と通路の間のクリアランスは１μｍ〜１０μｍの間である。
【００６９】
以下で例示的な製造方法の説明において理解されるように、柱状体の縁部と通路の間のクリアランスは、製造技術によって、特に遮断ステップ中に充填することができる最大寸法によって制限される。
【００７０】
図１Ａに示すように、電極１６の表面積は、特に有利には検出部の表面積とほぼ同じであり、検出部に面している。したがって、その表面積のどの部分も励振部に面しておらず、そのため、電極１６と励振部６の間の静電容量は低減されるが、それは検出部の面外移動の検出には有用ではない。
【００７１】
電極１６と検出部８は可変コンデンサを形成し、この場合、静電容量は、Ｚ軸に沿った検出部の変位に応じて変動する。この静電容量の変動が検出部の変位振幅を制御し、したがって、ジャイロメータ、したがってジャイロメータが取り付けられたシステムに加えられるコリオリ力を決める。
【００７２】
図１Ａに示すジャイロメータの構造によって、寄生容量が低減される。電極が慣性質量部の上で懸架される位置によって、電極と基板の間の寄生容量は存在しなくなるか、または寄生容量は基板上の柱状体の固定部の表面積に制限されるため、きわめて弱くなる。電極と励振部の間の寄生容量も、弱くなるかまたはゼロになる。コンタクトパッドと基板の間、および電気導体トラックと基板の間の寄生容量が残るだけである。
【００７３】
次に、検出時の図１Ａのジャイロメータの動作について説明する。
【００７４】
慣性質量部２は、励振手段によって移動される励振部６により励振状態になる。慣性質量部は、図３Ｂに示すように移動する。コリオリ力が現れると、検出部８はＺ軸に沿って平面の外へ移動し、検出部８と電極１６の間の距離が変わることによって、そうして形成されるコンデンサの静電容量が変わり、この静電容量の変動が検出され、解析されてコリオリ力の値を決める。
【００７５】
図４は、本発明によるジャイロメータＧ２の他の例示的な実施形態を示している。このジャイロメータは慣性質量部を覆うカバー２４を含み、カバー２４は基板と共に封止される空洞２６の範囲を定める。
【００７６】
カバー２４は、基板上に封止される。有利には、ジャイロメータの動作を改善するためにギャップが生成される。本発明では、電極１６がカバー２４によって支持されていないため、検出部に対する電極の位置は、カバー２４および基板４によって形成される空洞２６の体積には無関係である。その場合、きわめて大きい体積を有する空洞２６を作ることが可能になり、したがって、きわめて高い真空値を生成することができる。必要な真空値は通常、１０−１ミリバール〜１０−３ミリバールの間である。
【００７７】
本発明によるジャイロメータの他の例は、図２で理解することができ、図２では、柱状体が検出部のできるだけ近くに配置される。ジャイロメータは、検出部８に隣接する領域に励振部６を貫通する４つの柱状体２２’を、その中央に検出部８を貫通する柱状体２２を含む。検出電極１６は破線で示され、その表面積は検出部８の表面積とほぼ同じである。例えば励振部内の通路２３’は、励振部６の内側縁部に、検出部８に向かって開いたノッチを形成する。
【００７８】
変形形態としては、柱状体が検出部を貫通せず、電極が励振部を貫通する柱状体２２’で懸架されるだけである。
【００７９】
図５Ａは、本発明によるジャイロメータＧ３の他の例示的な実施形態を示している。慣性質量部１０２は、２つの質量部１０２．１、１０２．２を含み、それぞれが３つの部分、すなわち、
−励振軸Ｘに沿ってのみ移動する励振部１０６と、
−励振部１０６に対して固定された励振において移動し、コリオリ力が加えられると検出方向Ｚに沿って移動する第１の検出部１０８と、
−励振方向に沿って固定され、検出部１０８に対して固定された検出方向に沿って移動する第２の部分１０９と
からなる。
【００８０】
図５Ｃで理解することができるように、逆位相で移動する第２の検出部のそれぞれの移動を別個に検出するように、破線で示す２つの電極１１６．１、１１６．２が、検出部１０６のそれぞれの上に配置される。
【００８１】
好ましくは、懸架電極を支持する柱状体（図示せず）が、Ｚ軸に沿ってのみ移動することができる第２の検出部を貫通する。したがって、柱状体が、Ｘ軸に沿った励振モードで構造体と接触することはない。
【００８２】
この例示的な実施形態において、２つの励振部１０６は、それらが逆位相で振動するように接続手段によって接続される。その場合、コリオリ力によって引き起こされる検出部１０８の検出移動も逆位相になる。２つの懸架電極は、検出部１０８のそれぞれの逆位相の移動を検出する。
【００８３】
ジャイロメータの他の例示的な実施形態において、慣性質量部は、１つの励振部および２つの検出部を含む。検出部の一方は、励振移動のすべてまたは一部がそれに伝えられるように励振部に接続される。２つの検出部は、質量部の一方の検出方向に沿った移動が、他方の質量部に対する移動の一部のみを伝えるように接続される。
【００８４】
その場合、検出には２つの共振モードがあり、その一方では、２つの部分が同位相で共振し、他方では２つの部分が逆位相で共振する。
【００８５】
その場合、検出手段は、２つの検出部の一方のみの上に懸架された１つまたは複数の電極を含むことができ、またその場合、検出には共振モードのいずれか一方が用いられる。他の例では、検出手段は、２つの検出部の上に懸架された１つまたは複数の電極を含み、電極は互いに接続され、単一の電極として動作する。この例では、同位相の共振モードのみが用いられる。
【００８６】
他の例において、検出手段は、２つの電極、または互いに接続された少なくとも２つの電極からなる２つの群を含み、各電極または電極の各群が検出部の上に懸架される。２つの電極または２つの群は互いに無関係である。この場合、逆位相共振モードが使用される。検出部内に柱状体が作製され、検出部に面するように検出部専用の電極が配置される。
【００８７】
有利には、単一の電極の代わりに互いに接続された複数の電極が用いられ、それによって、パッドおよび導体トラックによる寄生容量が最小限に抑えられる。
【００８８】
図７に示すジャイロスコープＧ４の他の例示的な実施形態によれば、慣性質量部３０２は、励振部３０６および複数の検出部３０８を含む。例えば、励振部３０６はディスクの形であり、ディスクの平面に垂直なＺ軸のまわりを移動される。ディスクは、Ｚ軸のまわりに分散させた、検出部を取り付ける切欠き部を含み、その場合、検出部は、ディスクの平面内に位置する軸のまわりを自由に移動する。このジャイロメータは、検出部のそれぞれの上に、柱状体３２２によって支持された（破線で示す）４つの検出電極３１６を含む。柱状体３２２が検出部３０８を貫通し、各電極３１６を支持する４つの柱状体３２２が存在する。
【００８９】
例えば慣性質量部は３対の検出質量部を含み、それぞれの対が異なる検出軸に関連付けられる。
【００９０】
変形形態として、慣性質量部は、すべての励振部が励振時に同一の共振振動数を有するように、機械的な結合構造によって互いに接続された複数の励振部を含む。
【００９１】
さらに他の例示的な実施形態によれば、慣性質量部は、励振モードにおいて少なくとも２つの結合された質量部から形成される。
【００９２】
各質量部は、励振部および検出部を含む。質量部は、励振時に逆位相で作動される。
【００９３】
このジャイロメータは、加速度に対して比較的鈍感であるという利点を有する。
【００９４】
変形形態として、励振質量部が面外の自由度を有することもできる。
【００９５】
有利には、慣性質量部の検出部を垂直方向に変位させるために、検出電極を作動電極として用いることができる。例えば、こうして垂直方向に作動させる目的で検出部を使用することによって、検出の逆反作用を利用することができる。
【００９６】
本発明によるジャイロメータは、逆反作用またはトリミングをもたらすために、例えば作動機能を有する他の電極に関連付けることができ、トリミングは、実際には検出における共振振動数を調節するために静電剛性を入れることからなる。
【００９７】
他の例示的な実施形態において、本発明によるジャイロスコープは、平面の外側の軸のまわりの回転を検出するＺジャイロスコープと関連付けることができる。
【００９８】
ジャイロスコープＺは、垂直方向の検出電極を含む静電容量ジャイロスコープとすることができる。こうした電極はコンタクトパッドに接続され、場合によっては、懸架された導体トラックによって互いに接続される。有利には、導体トラックは、本発明による水平方向の懸架電極と同時に作製される。
【００９９】
前述の例示的な実施形態は、Ｙジャイロメータに適用可能であるが、柱状体によって検出部の上に支持された電極を有するＸジャイロメータは、本発明の範囲外である。励振手段は、励振部をＹ軸に沿って移動させるように適合される。
【０１００】
本発明によるジャイロスコープを、平面内の１つまたは２つの検出軸、１つまたは複数の静電容量加速度計と関連付けることも可能であろう。Ｚジャイロメータをそれと関連付けることも可能である。
【０１０１】
静電容量加速度計は、Ｚ軸に沿った加速度を検出するための懸架電極、および／または平面内の加速度を検出するための１つまたは複数の垂直電極を含むことができ、懸架電極および／または垂直電極は、場合によっては懸架された導体トラックによってコンタクトパッドに接続される。有利には、懸架電極および／または懸架された導体トラックは、ジャイロスコープの懸架電極と同時に作製される。
【０１０２】
次に、本発明によるジャイロスコープを作製するための、例えば図１Ａのジャイロスコープを製造するための特に有利な方法の例について説明する。
【０１０３】
図６Ａ〜６Ｈは、この製造方法における様々なステップを概略図で示している。
【０１０４】
第１のステップでは、上部および内部にジャイロメータが作製される基板が製造される。例えば基板は、ＳＯＩ（「シリコンオンインシュレータ」）基板とすることができる。基板は、シリコンベースの層２０２、例えば０．５μｍ〜５μｍの間の厚さを有する埋め込まれたシリコン酸化物層２０４を含む。基板は、例えば１μｍ〜１００μｍの間の厚さを有する、埋め込まれた酸化物層２０４の上に堆積させたシリコン層２０６も含む。この基板は、図６Ａに示されている。
【０１０５】
次のステップの間に、シリコン層２０２の表面全体にわたってＳｉ３Ｎ４窒化物層２０８が堆積される。次いで、窒化物層の上に樹脂層を堆積させ、エッチングされる窒化物領域の範囲を定めるために、窒化物層に対してリソグラフィが行われる。
【０１０６】
次いで、窒化物層をエッチングして、シリコン層２０６から端部領域を解放する。この解放された領域は、基板の表面の輪郭のまわりにフレームを形成する。次いで、樹脂が剥ぎ取られる。
【０１０７】
次のステップは、シリコン層２０６から解放された端部領域に、突出する厚さの熱酸化物２１０を形成するための熱酸化である。図１Ａは、慣性質量部のまわりにフレームを形成するこの突出する厚さ２１０を示している。
【０１０８】
次いで、図６Ｂに示す素子が得られる。
【０１０９】
次いで、表面を剥ぎ取り、熱酸化の間に残りの窒化物領域２０８の上に形成された酸窒化物を除く。こうして剥ぎ取る目的は、熱酸化物２１０をわずかに減らすことである。
【０１１０】
次のステップは、前のステップで作製された突出する厚さの熱酸化物２１０および窒化物領域２０８を覆う、窒化物層２１２の堆積物を作製することである。窒化物層の上に樹脂層を堆積させ、窒化物層のリソグラフィを行って、熱酸化物２１０の２つの部分の間に位置する窒化物２０８の部分を解放する。次いで、この解放された部分をエッチングして除く。次いで、樹脂が剥ぎ取られる。得られる素子は、図６Ｃで理解することができる。
【０１１１】
次のステップでは、樹脂および深くエッチングされる領域のリソグラフィを用いて、範囲の画定が行われる。次いで、シリコン層２０６の深いエッチングが、例えば深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって行われ、溝２１４を形成する。エッチングは酸化物層２０４に達する。得られる素子は、図６Ｄで理解することができる。
【０１１２】
次のステップでは、図６Ｄの素子の表面に、例えば４μｍの厚さを有するリンシリケートガラス（ＰＳＧ）層２１６が堆積される。次いで、クリープアニーリングを適用してＰＳＧをクリープさせ、ＰＳＧが溝２１４に入り込み、溝２１４を閉鎖するようにする。溝を完全に充填する必要はない。変形形態として、他の酸化物を用いて溝を充填してもよい。堆積法ではシリカ（ＳｉＯ２）を用いることが可能であり、堆積法は、シリカがエッチング溝の縁部に堆積され、溝を閉鎖することを保証する。
【０１１３】
ＰＳＧの表面に樹脂層を堆積させ、それにリソグラフィを施して、ＰＳＧのエッチング領域の範囲を定める。次いで、ＰＳＧをエッチングして、シリコン層２０６の表面上の領域２１８を解放する。
【０１１４】
最終的には、表面が剥ぎ取られる。得られる素子は、図６Ｅで理解することができる。
【０１１５】
次のステップでは、懸架電極および電気導体トラックを形成するようになる導電層２２０が堆積される。
【０１１６】
これは、ＰＳＧ層２１６の上にポリシリコンを堆積することによって行われる。
【０１１７】
このポリシリコン層２２０の上に樹脂を堆積させ、次いで、樹脂のリソグラフィを行う。最終的には、ポリシリコン層２２０がエッチングされる。表面を剥ぎ取り、樹脂マスクを除去する。
【０１１８】
得られる素子は、図６Ｆで理解することができ、その上に、ポリシリコン層２２０の、電極を形成するようになる部分２２０．１、およびポリシリコン層２２０の、可動部をコンタクトパッドに接続する電気導体トラックを形成するようになる部分２２０．２を理解することができる。
【０１１９】
次のステップでは、コンタクトパッド１８が作製される。これは、ポリシリコン層の上に、例えばＡｌＳｉでできた金属層を堆積することによって行われる。次いで、この金属層の上に樹脂層を堆積させ、樹脂のリソグラフィが行って、この金属層をエッチングする。最終的には、樹脂は剥ぎ取ることによって除去される。得られる素子は、図６Ｇで理解することができる。
【０１２０】
最終ステップでは、慣性質量部、懸架電極１６および電気導体トラックが解放される。これは、ＰＳＧ層２１６をウェットエッチングすること、および例えばフッ化水素酸の蒸気を用いて、埋め込まれたＳｉＯ２酸化物２０４をエッチングすることによって行われる。この酸エッチングは、例えば時間的なエッチングとすることができる。得られる素子は、図６Ｈで理解することができ、図６Ｈでは、柱状体２２を用いて懸架される電極１６、および検出部８を理解することができ、また電気導体トラックが、検出部をコンタクトパッドに接続する（図には見られない）。
【０１２１】
前述の方法では、柱状体の側面の寸法は解放距離の２倍より大きく、平面内に含まれる方向に沿ったエッチングの幅に対応する。
【０１２２】
本発明の場合、平面内の軸のまわりの回転の検出を伴うジャイロメータは、低減された寄生容量を有し、最新技術によるジャイロメータより容易に作製することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
２  慣性質量部
４  基板
６  励振部
８  検出部
１０  梁
１２  梁
１６  電極、検出電極、懸架電極
１８  コンタクトパッド
２２  柱状体
２３  通路
２２’  柱状体
２３’  通路
２４  カバー
２６  空洞
１０２  慣性質量部
１０２．１、１０２．２  質量部
１０６  励振部
１０８  第１の検出部
１０９  第２の部分
１１６．１、１１６．２  電極
３０２  慣性質量部
３０６  励振部
３０８  検出部
３１６  検出電極
３２２  柱状体
２０２  シリコンベースの層、シリコン層
２０４  シリコン酸化物層、酸化物層、ＳｉＯ２酸化物
２０６  シリコン層
２０８  Ｓｉ３Ｎ４窒化物層、窒化物領域、窒化物
２１０  熱酸化物
２１２  窒化物層
２１４  溝
２１６  リンシリケートガラス層
２２０  導電層、ポリシリコン層
Ｇ１〜Ｇ４  ジャイロメータ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2012233898.tif 000008
【図３Ｃ】
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【図４】
2012233898.tif 000010
【図５Ａ】
2012233898.tif 000011
【図５Ｂ】
2012233898.tif 000012
【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
2012233898.tif 000014
【図６Ｂ】
2012233898.tif 000015
【図６Ｃ】
2012233898.tif 000016
【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
2012233898.tif 000018
【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
2012233898.tif 000020
【図６Ｈ】
2012233898.tif 000021
【図７】
2012233898.tif 000022
【外国語明細書】
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