(57)【要約】【課題】多層可動コームを使用するＭＥＭＳセンサを提供すること。【解決手段】ＭＥＭＳセンサは、基板と、第１の複数のコームを有する少なくとも１つのプルーフマスとを含み、プルーフマスは、プルーフマスおよび第１の複数のコームが移動可能であるように１つまたは複数のサスペンションビームを介して基板に結合される。ＭＥＭＳセンサは、第２の複数のコームを有する少なくとも１つの固定アンカをさらに含む。第１の複数のコームは、第２の複数のコームが交互に差し込まれている。第１の複数のコームおよび第２の複数のコームにおけるコームの各々は、１つまたは複数の非導電層によって互いに電気的に絶縁された複数の導電層を含む。周縁電界を遮断して、周縁電界に起因する感知軸に沿った第１の複数のコームの運動を低減するように、各導電層はそれぞれの電位に個々に結合される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
第１の複数のコーム（１０４）を有する少なくとも１つのプルーフマス（１０２）であり、プルーフマスおよび前記第１の複数のコームが移動可能であるように１つまたは複数のサスペンションビームを介して前記基板に結合される、プルーフマス（１０２）と、
第２の複数のコーム（１０８）を有する少なくとも１つのアンカ（１０６）であり、
アンカおよび前記第２の複数のコームが前記基板に対して所定の位置に固定されるように前記基板に結合される、アンカ（１０６）と、
を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ（１００）であって、
前記第１の複数のコームは、前記第２の複数のコームが交互に差し込まれており、
前記第１の複数のコームおよび前記第２の複数のコームの前記コームの各々が、１つまたは複数の非導電層（３１６）によって互いに電気的に絶縁された複数の導電層（３１４）を含み、
周縁電界を遮断して、前記周縁電界に起因する感知軸に沿った前記第１の複数のコームの運動を低減するように、各導電層がそれぞれの電位に個々に結合される、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ（１００）。
【請求項２】
前記第１および第２の複数のコームの各コームが、第１の外側導電層（３１４−１）、第２の外側導電層（３１４−３）、および内側導電層（３１４−２）を含み、
前記第１および第２の複数のコームの各コームの前記第１および第２の外側導電層が接地に結合され、
前記第１の複数のコームの各コームの前記内側層が接地に結合され、前記第２の複数のコームの各コームの前記内側層が時間で変動する電圧に結合される、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
前記第１および第２の複数のコームの前記コームが、シリコンと、高濃度にドープされたシリコンの領域を含む前記複数の導電層と、ドープされていないシリコンの領域を含む前記１つまたは複数の非導電層とから構成される、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１０年１１月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／４１６，４８５号の優先権の利益を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]振動微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、一般に、面内で線（駆動軸）に沿って振動する２つのプルーフマスからなる。駆動軸に垂直な軸のまわりでデバイスを回転させると、駆動軸および回転軸の両方に垂直な方向（感知軸）にコリオリ力振動が生成される。感知軸振動振幅は回転速度に比例する。さらに、多くの場合、バイアス誤差および目盛係数誤差をもたらす二次効果がある。これらの誤差機構のうちの１つは、駆動コームまたはピックオフコームの近くの電気周縁界に起因する駆動誘起バイアスと呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／４１６，４８５号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0003]一実施形態では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサが提供される。ＭＥＭＳセンサは、基板と、第１の複数のコームを有する少なくとも１つのプルーフマスとを含み、プルーフマスは、プルーフマスおよび第１の複数のコームが移動可能であるように１つまたは複数のサスペンションビームを介して基板に結合される。ＭＥＭＳセンサは第２の複数のコームを有する少なくとも１つのアンカをさらに含み、アンカは、アンカおよび第２の複数のコームが基板に対して所定の位置に固定されるように基板に結合される。第１の複数のコームは、第２の複数のコームが交互に差し込まれている。第１の複数のコームおよび第２の複数のコームにおけるコームの各々は、１つまたは複数の非導電層によって互いに電気的に絶縁された複数の導電層を含む。周縁電界を遮断して、周縁電界に起因する感知軸に沿った第１の複数のコームの運動を低減するように、各導電層はそれぞれの電位に個々に結合される。
【０００５】
[0004]図面は例示的な実施形態のみを示し、したがって発明の範囲を限定するものと考えるべきでないことを理解した上で、例示的な実施形態は添付図面を使用して追加の特定性および詳細とともに説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0005]例示的なＭＥＭＳセンサの一実施形態の部分上面図である。
【図２】[0006]従来のコームの断面図である。
【図３】[0007]例示的なＭＥＭＳセンサのコームの一実施形態の断面図である。
【図４】[0008]多層可動コームをもつＭＥＭＳセンサを有するシステムの一実施形態のブロック図である。
【図５】[0009]ＭＥＭＳセンサにおける駆動誘起バイアスを低減する方法の一実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0010]一般的な方法に従って、様々な記載のフィーチャは、正しい縮尺で描かれるのではなく、例示的実施形態に関する特定のフィーチャを強調するように描かれる。
[0011]以下の詳細な説明では、本発明の一部を形成し、実例として特定の例示的実施形態を示す添付図面を参照する。しかし、他の実施形態を利用することができ、論理的、機械的、および電気的な変更を行うことができることが理解されるべきである。さらに、描かれた図および明細において提示される方法は、個々のステップが行われ得る順序を限定するものと解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではない。
【０００８】
[0012]図１は、ＭＥＭＳジャイロスコープまたはＭＥＭＳ加速度計などの例示的な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ１００の一実施形態の部分上面図である。特に、図１は、説明のためにＭＥＭＳセンサ１００の１つのプルーフマス１０２の上面図を含む。しかし、ＭＥＭＳセンサ１００は１つよりも多いプルーフマスを含むことができることが理解されるべきである。プルーフマス１０２は、プルーフマス１０２が振動するのを可能にする複数のサスペンションビーム１１０によって宙に浮かされる。プルーフマス１０２は複数の可動コームまたは延長部１０４−１…１０４−Ｎをさらに含む。可動コーム１０４−１…１０４−Ｎは、固定アンカ１０６の固定コーム１０８−１…１０８−Ｍが互いに組み合わされているかまたは交互に差し込まれている。プルーフマス１０２が振動するとき、固定コーム１０８−１…１０８−Ｍに対する可動コーム１０４−１…１０４−Ｎの相対位置が変化する。
【０００９】
[0013]例えば、動作中、プルーフマス１０２は、図１に示される駆動軸に沿って面内で振動する。回転軸のまわりのセンサ１００の回転は、駆動軸および回転軸の両方に垂直な感知軸に沿ってコリオリ力振動を生成する。図１において、感知軸は紙面に出入りする。感知軸の振動振幅は回転速度に比例する。可動コーム１０４−１…１０４−Ｎに電荷を配置し、固定コーム１０８−１…１０８−Ｍに時間と共に変化する電圧を印加することによって、駆動軸に沿ってプルーフマスを駆動することができて得られる電界および静電力が生成される。このようにして、プルーフマス１０２は駆動軸に沿って振動させられる。
【００１０】
[0014]従来のＭＥＭＳセンサでは、固定コームに時間と共に変化する電圧を印加すると、図２の従来のコーム２０４および２０８の断面図に示されるように駆動誘起力が生成される。駆動誘起力は、図２の力線２０３で示されるような可動コーム２０４−１…２０４−Ｎでの電界の不均衡に起因する感知軸に沿った力である。電界は、固定コーム２０８の表面から可動コーム２０４の表面まで延びる。力線２０３は電界線または電気力線を表す。図２に示されるように、力線２０３の大部分は、プルーフマスの面（すなわち、駆動軸および回転軸によって規定される面）内にあるが、力線２０３のいくらかはプルーフマスの面に垂直である。従来のＭＥＭＳジャイロスコープは、一般に、可動コーム２０４−１…２０４−Ｎの上方の帯電プレート２１２−１と、可動コーム２０４−１…２０４−Ｎの下方の帯電プレート２１２−２とをさらに含む。従来のＭＥＭＳジャイロスコープでは、帯電プレートにより、コーム２０４−１…２０４−Ｎの上方および下方の周縁界は不均衡となり、それにより、感知軸に沿って可動コーム２０４−１…２０４−Ｎに力がもたらされる。この力は、ジャイロスコープにおける駆動誘起バイアス誤差を生成する。この力は、コーム２０４／２０８とプレート２１２との間の離間の不整合、および固定コーム２０８と可動コーム２０４との間の離間の偏りによって引き起こされることがある。
【００１１】
[0015]しかし、従来のＭＥＭＳジャイロスコープと異なり、ＭＥＭＳセンサ１００の可動コーム１０４−１…１０４−Ｎおよび固定コーム１０８−１…１０８−Ｍは、面外方向周縁力および駆動誘起バイアスを低減するように構成される。例えば、図３は、ＭＥＭＳセンサ１００で使用することができる例示的なコーム３０４および３０８の一実施形態の断面図を示す。断面は図１の線Ａ−Ａ’にわたって得られている。図３に示されるように、固定コーム３０８および可動コーム３０４の各々は、複数の非導電層３１６が交互に差し込まれた複数の導電層３１４で構成される。３つの導電層３１４が図３に示されているが、他の実施形態では、異なる数の導電層３１４および対応する非導電層３１６を使用することができることが理解されるべきである。外側導電層（この例では、層３１４−１および３１４−３）は本明細書ではシールド層とも呼ばれる。
【００１２】
[0016]さらに、導電性プレート３１２−１および３１２−２が図３に示される。導電性プレート３１２−１はコーム３０４および３０８の上方に配置される。導電性プレート３１２−２はコーム３０４および３０８の下方に配置される。この例示的実施形態では、導電性プレート３１２−１は正味の正電荷を移送し、導電性プレート３１２−２は正味の負電荷を移送する。しかし、各導電性プレート３１２に配置された電荷は他の実施形態では異なることがあることが理解されるべきである。
【００１３】
[0017]さらに、コーム３０４および３０８の各導電層３１４は、例えば、ビアなどを通して電位（例えば、正電圧、負電圧、または接地）に個々に結合される。非導電層３１６は導電層３１４を互いに電気的に絶縁する。図３に示された例では、コーム３０４および３０８の各々における導電層３１４−３は接地に結合される。同様に、コーム３０４および３０８の各々における導電層３１４−１は接地に結合される。コーム３０８−１および３０８−２の導電層３１４−２は図３では正電圧に結合されるように示されているが、導電層３１４−２は、他の実施形態では、負電圧または時間と共に変化する電圧に結合することができることが理解されるべきである。時間と共に変化する電圧は正弦波または他の時間と共に変化する波形とすることができる。さらに、変化する電圧は、負値と正値との間で、すべて正値の間で、またはすべて負値の間で変化することができる。コーム３０４の導電層３１４−２は接地に結合される。
【００１４】
[0018]コーム３０４および３０８の各々における層３１４に電圧を印加することによって、上述のように、層３１４−１および３１４−３は導電性プレート３１２−１および３１２−２からの電界を効率よく平衡させる。言い換えれば、上部の導電性プレート３１２−１とコーム３０４／３０８との間の周縁力線は、下部の導電性プレート３１２−２とコーム３０４／３０８との間の周縁力線と垂直方向に（すなわち、感知軸に沿って）平衡化される。したがって、コーム偏りまたは離間不整合に起因する周縁界の非対称によって生成される時間と共に変化する力は低減または除去される。したがって、多数の導電層でコーム３０４／３０８を構成し、各層に電圧を選択的に印加することによって、周縁界は平衡化され、駆動誘起バイアスが低減される。
【００１５】
[0019]図３において導電層３１４に印加されている電圧は限定としてではなく例として記載されていることが理解されるべきである。例えば、他の実施形態では、シールド層３１４−１および３１４−３は、上部および下部の容量性プレート３１２−１／３１２−２の電圧に設定される（この例では、上部のシールド層３１４−３には正電圧および下部のシールド層３１４−１には負電圧である）。そのような実施形態における力線の構成は図３に示されたものとは異なるはずである。しかし、そのような実施形態も面外方向力（例えば、駆動誘起バイアス）をほとんどまたは全くもたらさない。
【００１６】
[0020]固定コームの各々および可動コームの各々は本実施形態ではシリコンのブロックから形成される。特に、エピタキシャルシリコンがシリコンのウェハに堆積される。次に、エピタキシャルシリコンは、導電層および非導電層を生成するために非均質的に成長される。例えば、第１の導電層を形成することになる領域が成長されるとき、ドーパントが、領域の導電性の性質を向上させるハイレベルでその領域に適用される。言い換えれば、その領域は高度にまたは高濃度にドープされる。本明細書で使用されるとき、高度にまたは高濃度にドープした領域は、シリコン原子に対するドーパント原子の比が十分に高く、その領域が全体として電気的に導電性であることを意味する。例えば、いくつかの実施形態では、シリコン原子に対するドーパント原子の比は１０万原子当たり１原子の程度またはそれよりも多い。いくつかの実施形態では、使用されるドーパントはホウ素である。しかし、他の実施形態ではリンまたはヒ素などの他のドーパントを使用することができることが理解されるべきである。
【００１７】
[0021]導電性領域を所望の厚さまで成長させた後、ドーパントは非導電性領域を成長させるためにもはや添加されない。非導電性領域は、ドーパントが全くないか、または低濃度にドープされる。低濃度にドープされるとは、シリコン原子に対するドーパント原子の比が十分にローレベルであり、その領域は全体的に電気的に非導電性であることを指す。例えば、いくつかの実施形態では、シリコン原子に対するドーパント原子の比は１億原子当たり１原子の程度、またはそれよりも少ない。非導電性領域を成長させた後、ドーパントが再度適用され、高濃度にドープされた別の導電性領域が形成される。所望の導電性および非導電性領域がすべて形成されるまで、このパターンは続く。
【００１８】
[0022]ある実施形態では、導電性領域は均一の厚さを有する。他の実施形態では、いくつかの導電層が他よりも厚い。同様に、いくつかの実施形態では、非導電性領域は導電性領域の各々よりも薄い。各導電層は、当業者には既知であるようなビアを形成することによって電圧源に個々に結合することができる。さらに、他の実施形態では、導電層および非導電層は他のプロセスを使用して形成される。例えば、絶縁性酸化物をシリコンコームに施し、次に、金属、ポリシリコン、または他の導電層で被覆することができる。
【００１９】
[0023]図４は、駆動誘起バイアスを低減するように構成されたＭＥＭＳセンサを有する慣性測定ユニット（ＩＭＵ）４０６を含む電子システム４００の一実施形態のブロック図である。特に、本例示的実施形態のＩＭＵ４０６はＭＥＭＳジャイロスコープ４１０およびＭＥＭＳ加速度計４１２を含む。１つのＭＥＭＳジャイロスコープ４１０および１つのＭＥＭＳ加速度計４１２のみがこの例では示されているが、１つよりも多いＭＥＭＳジャイロおよび／または１つよりも多いＭＥＭＳ加速度計を他の実施形態では使用することができることが理解されるべきである。ＭＥＭＳジャイロスコープ４１０およびＭＥＭＳ加速度計４１２の各々は駆動誘起バイアスを低減するように構成される。例えば、ＭＥＭＳジャイロスコープ４１０およびＭＥＭＳ加速度計４１２の各々は、複数の可動コームが交互に差し込まれた複数の固定コームを含む。固定コームおよび可動コームの各々は上述のように複数の導電層を含む。電圧は、可動コームのまわりの周縁界を均衡させて駆動誘起バイアスを低減するように各導電層に個々に印加される。
【００２０】
[0024]電子システム４００は、１つまたは複数のメモリデバイス４０４とＩＭＵ４０６とに結合された１つまたは複数の処理デバイス４０２を含む。ＩＭＵ４０６は運動測定値を１つまたは複数の処理デバイス４０２に供給する。運動測定値は直線および／または角加速度の測定値を含むことができる。１つまたは複数の処理デバイス４０２は所期の用途のために運動測定値を処理する。例えば、いくつかの実施形態では、電子デバイス４００は慣性航法システムとして実装される。そのような実施形態では、１つまたは複数のメモリデバイス４０４は命令を含み、その命令が１つまたは複数の処理デバイス４０２によって実行されるとき、１つまたは複数の処理デバイス４０２は運動測定値に基づいて慣性航法解を提供するなどの航法機能を実施する。電子システム４００は、さらに、他のデバイスと信号の送受信を行うための入力および／または出力ポート４０８を含むことができる。例えば、電子システム４００は全地球型衛星航法システム（ＧＮＳＳ）からの航法データを受け取り、その航法データは１つまたは複数の処理デバイス４０２によってＩＭＵ４０６からの運動測定値と組み合わされ、組合せ航法解が計算される。電子システム４００は、限定はしないが、航空機、車両、移動電話、ミサイル、ビデオゲームコントローラ、または慣性データを要望する他の装置などの他のシステムに統合することができる。
【００２１】
[0025]１つまたは複数の処理デバイス４０２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ（例えば、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ））、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、および他の処理デバイスを含むことができる。１つまたは複数のメモリデバイス４０４は、磁気または光学媒体などの有形の媒体を含むことができる。例えば、有形の媒体は、従来のハードディスク、コンパクトディスク（例えば、読み出し専用または書換え可能）、限定はしないが、シンクロナスダイナミックランダムアクセスメモリ（ＳＤＲＡＭ）、ダブルデータレート（ＤＤＲ）ＲＡＭ、ＲＡＭＢＵＳダイナミックＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）などを含むランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、およびフラッシュメモリなどのような揮発性または不揮発性媒体を含むことができる。
【００２２】
[0026]図５は、静電気駆動部コームで生成される面外方向力を低減する例示的な方法５００の一実施形態を示す流れ図である。方法５００の個々の動作が行われる順序は、本明細書で説明される順序に限定されるものではないことが理解されるべきである。方法５００は上述のセンサ１００などのＭＥＭＳセンサで実行することができる。ブロック５０２において、第１の電位がプルーフマスの上方の第１の導電性プレートに印加される。プルーフマスは、アンカの複数の固定コームが交互に差し込まれた複数の可動コームを有し、複数の可動コームおよび複数の固定コームの各々は上述のように１つまたは複数の非導電層によって分離された複数の導電層を有する。
【００２３】
[0027]ブロック５０４において、第２の電位がプルーフマスおよびアンカの下方の第２の導電性プレートに印加される。ブロック５０６において、それぞれの電位が、固定コームおよび可動コームの各々における複数の導電層の各々に個々に印加される。特に、それぞれの電位は、各コームの外側導電層が内側導電層を導電性プレートから遮断またはシールドするように選択され、その結果、感知軸に沿った変位に起因するコーム間のキャパシタンス変化は概略的にゼロとなる。感知軸に沿った変位に起因するキャパシタンス変化が概略的にゼロであると、感知軸に沿った面外方向力が低減される。本明細書で使用されるとき、導電層に電位を個々に印加することとは、それぞれの層に印加された電位が別の層に印加された電位によって影響および決定されないことを意味する。
【００２４】
[0028]いくつかの実施形態では、各固定および可動コームは非導電層によって互いに分離された３つの導電層を含む。したがって、各コームは第１および第２の外側層と内側層とを有する。いくつかのそのような実施形態では、接地電位が固定コームおよび可動コームの各々の第１の外側層および第２の外側層の各々に印加される。接地電位は各可動コームの内側層にも印加され、時間と共に変化する電位は固定コームの各々の内側層に印加される。３つの導電層を有する他のそのような実施形態では、第１の導電性プレートに印加された同じ電位が、各固定および可動コームの第１の導電性プレートに最も近い外側層に印加される。同様に、第２の導電性プレートに印加された同じ電位が、各固定および可動コームの第２の導電性プレートに最も近い外側層に印加される。接地電位は各可動コームの内側層に印加され、時間と共に変化する電圧は各固定コームの内側層に印加される。他のパターンの電位を他の実施形態では印加することができることが理解されるべきである。
【００２５】
[0029]特定の実施形態が本明細書で図示および説明されたが、同じ目的を達成するように意図されたいかなる構成も提示された特定の実施形態と置き換えることができることが当業者には理解されよう。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【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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【外国語明細書】
2012141288000001.pdf