(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳジャイロスコープにおいて、様々な設計および製造上の欠点から生じる性能の制約を解決することを目的とする。【解決手段】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）トランスデューサ（１００、７００）は、回転振動に関連付けられる信号を相殺するために、感知質量構造対から対角的にピックアップ値（たとえば、１０２／１０７、８０２／８０７）を加算するように接続される感知電極を用いて、回転軸（１７０、７７０）を中心とするトランスデューサの回転運動に応答してシーソー型感知質量構造対（１２０／１４０、７２０／７３０）内に非平面振動を生成するために横軸振動を使用するように適合される。【選択図】図４
2013156260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳセンサであって、
基板と、
中心線軸に関連して位置付けられる第１の電極対および第２の電極対と、
前記中心線軸に沿って配置されるとともに前記基板の表面上に離間して位置付けられる第１のジャイロセンサおよび第２のジャイロセンサとを備え、
前記第１のジャイロセンサおよび前記第２のジャイロセンサは、それぞれ前記第１の電極対および前記第２の電極対の上方に位置付けられる第１の感知質量要素および第２の感知質量要素とを備え、該第１の感知質量要素および該第２の感知質量要素は、前記中心線軸周りの前記ＭＥＭＳセンサの回転加速度に応答して前記中心線軸周りに供に同相で同期して振動するとともに、前記中心線軸周りの前記ＭＥＭＳセンサの回転速度に応答して前記中心線軸周りを互いに逆相で同期して振動するように構成される、ＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
前記第１のジャイロセンサおよび前記第２のジャイロセンサは、互いに反対の位相において同期して振動する質量を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
前記第１のジャイロセンサおよび前記第２のジャイロセンサは、互いに実質的に１８０度位相がずれている振動運動で駆動されている質量を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
前記第１の電極対および前記第２の電極対は各々、（１）前記中心線軸に関して第１の側で第１のジャイロセンサの下に位置付けられる第１の電極において捕捉される第１の容量信号と、（２）前記中心線軸に関して第２の側である対向する側で第２のジャイロセンサの下に位置付けられる第２の電極において捕捉される第２の容量信号と、を加算するように接続される、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項５】
前記第１の電極対および前記第２の電極対は各々、（１）前記中心線軸に関して前記第２の側である対向する側で前記第１のジャイロセンサの下に位置付けられる第３の電極において捕捉される第３の容量信号と、（２）前記中心線軸に関して前記第１の側で前記第２のジャイロセンサの下に位置付けられる第４の電極において捕捉される第４の容量信号と、を加算するように接続され、それによって、前記中心線軸周りの前記センサの回転加速度に関連付けられた第１の容量信号および第２の容量信号は互いに実質的に相殺される、請求項４に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項６】
前記第１のジャイロセンサおよび前記第２のジャイロセンサの各々は、第１の層に形成されるとともに前記中心線軸に対して対称に配置される駆動質量対を備え、該駆動質量対はバネ系によって、対応する対称な感知質量要素に結合されており、該対応する対称な感知質量要素は、前記第１の層に形成されるとともに前記中心線軸周りの前記センサの角回転に応答して面外に振動運動を行う、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項７】
前記対称な感知質量要素は、前記第１の層に形成されるとともに前記中心線軸に関して対称に配置される四辺形状の感知質量を備え、該感知質量は、前記中心線軸周りの前記センサの角回転に応答して前記中心線軸を中心とするシーソー回転を行うように、１つ以上のねじりバネおよび１つのアンカーによって前記基板に結合される、請求項６に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項８】
前記第１のジャイロセンサおよび前記第２のジャイロセンサの各々は、第１の層に形成されるとともに前記中心線軸に沿って対称に配置される円形の感知質量構造対を備え、該円形の感知質量構造対はバネ系によって、逆回転振動運動を該円形の感知質量構造対に付与する駆動部に結合され、それによって、前記円形の感知質量構造対は前記中心線軸周りの前記センサの角回転に応答して面外に振動運動を行う、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項９】
円形の各感知質量構造は、前記第１の層に形成されるとともに、前記中心線軸周りの前記センサの角回転に応答して前記中心線軸を中心とするシーソー回転を行うように、１つ以上のバネおよび１つのアンカーによって前記基板に結合されるリング形状の感知質量構造を備える、請求項８に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項１０】
センサであって、
基板と、
中心線軸に関して対称に位置付けられる第１の電極対および第２の電極対と、
前記中心線軸に沿って並んで対称に配置されるとともに互いに反対向きに面内同期振動するように構成される第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサと、を備え、
前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサは、前記中心線軸周りの該センサの回転運動に応答して前記中心線軸に関して同じ方向に回転運動するように適合され、中心線軸周りの回転加速力に応答して前記中心線軸に関して逆回転運動するように適合される、センサ。
【請求項１１】
前記第１の電極対および前記第２の電極対は、該第１の電極対および該第２の電極対において検出される任意の回転加速力を実質的に相殺するために、該第１の電極対および該第２の電極対からのピックアップ信号を対角的に加算するように接続される、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記第１の電極対および前記第２の電極対は、
前記中心線軸に関して第１の側で前記第１の対称な質量トランスデューサの下に配置される第１の電極、および、前記中心線軸に関して第２の側である対向する側で前記第２の対称な質量トランスデューサの下に配置される第２の電極を備える第１の電極対と、
前記中心線軸に関して前記第１の側で前記第２の対称な質量トランスデューサの下に配置される第３の電極、および、前記中心線軸に関して前記第２の側である対向する側で前記第１の対称な質量トランスデューサの下に配置される第４の電極を備える第２の電極対と、を備える、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記第１の電極および前記第２の電極は、それぞれ該第１の電極および該第２の電極において捕捉される第１の容量信号と第２の容量信号とを加算するように接続され、前記第３の電極および前記第４の電極は、それぞれ該第３の電極および該第４の電極において捕捉される第３の容量信号と第４の容量信号とを加算するように接続され、それによって、前記中心線軸周りの前記センサの回転加速度に関連付けられる容量信号が互いに実質的に相殺される、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサは、互いに反対の位相において面内同期線形振動するように駆動される第１の質量および第２の質量を備える、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサは、互いに反対の位相において回転面内同期振動するように駆動される第１の質量および第２の質量を備える、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサは各々、第１の層に形成されるとともに前記中心線軸に関して対称に配置される対称な感知質量要素を備え、該対称な感知質量要素は、前記中心線軸周りに前記センサの角回転に応答して面外に振動運動を行うように適合される、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサは各々、前記第１の層に形成されるとともに前記中心線軸に関して対称に配置される駆動質量対を備え、各駆動質量対は線形な面内振動を対応する対称な感知質量要素に付与するように結合される、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項１８】
各対称な感知質量要素は、四辺形状の感知質量構造を備える、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項１９】
面内同期回転振動運動を、互いに反対の位相において振動させるために前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサに付与するように結合される駆動機構をさらに備える、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項２０】
各対称な感知質量要素は、リング形状の感知質量構造を備える、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項２１】
回転感知軸を中心とする横軸センサの回転運動を感知する方法であって、
面内同期振動運動を、前記回転感知軸に沿って並んで対称に配置される第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサに付与するステップであって、それによって、前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサが互いに反対向きに振動する、前記面内同期振動運動を付与するステップと、
前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサの下に位置付けられるとともに回転感知軸に関して対称に配置される第１の電極対および第２の電極対を使用して前記回転感知軸を中心とする横軸センサの回転運動を測定するステップであって、前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサは、前記回転感知軸周りに前記センサの回転運動に応答して前記回転感知軸に関して同じ方向に回転運動するように適合され、前記回転感知軸周りの回転加速力に応答して前記回転感知軸に関して逆回転運動するように適合される、前記回転運動を測定するステップとを含む、方法。
【請求項２２】
前記回転運動を測定するステップは、前記第１の電極対および前記第２の電極対からのピックアップ信号を対角的に加算するステップを含み、それによって、前記回転感知軸周りの回転振動が相殺される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記回転運動を測定するステップは、実質的に互いに相殺される、前記回転感知軸周りの前記横軸センサの回転加速度に関連付けられた第１の容量信号および第２の容量信号を加算するステップを含み、前記第１の容量信号は前記回転感知軸の一方の側で前記第１の対称な質量トランスデューサの下に位置付けられる第１の電極において捕捉され、前記第２の容量信号は前記回転感知軸の他方の側で前記第２の対称な質量トランスデューサの下に位置付けられる第２の電極において捕捉される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記面内同期振動運動を付与するステップは、前記第１の対称な質量トランスデューサおよび前記第２の対称な質量トランスデューサの各々について、線形な面内同期逆相振動運動を、感知質量要素の対向する両端に対称に配置される駆動質量対に付与するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記面内同期振動運動を付与するステップは、リング形状の感知質量構造対を回転面内同期逆相振動運動するように駆動することを含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の分野に関する。１つの態様では、本発明は、ＭＥＭＳ慣性センサデバイスおよびこれを操作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム技術は、従来のバッチ式半導体処理技法を使用して機械的要素、センサ、アクチュエータ、および電子機器を非常に小さい機械的構造上に集積するのにますます使用されるようになっている。たとえば、慣性センサは、角速度を検出するのに使用されるＭＥＭＳジャイロスコープのような様々なアプリケーションを形成するために、ＭＥＭＳデバイスを用いて集積回路ウェハ基板上に形成される。しかしながら、従来のＭＥＭＳジャイロスコープには、様々な設計および製造上の欠点から生じる性能の制約がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】D.W. FOGLIATTI, Interconnected Resonant Gyros for Improved Performance, IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2002, page: IV-289-IV-292, vol.4
【非特許文献２】J.A. GREEN, Very Low Cost Gyroscopes, Sensors, IEEE, Oct. 30, 2005-Nov. 3, 2005
【０００４】
したがって、当該技術分野における様々な問題に対処する改良されたＭＥＭＳジャイロスコープ装置、システムおよび操作方法が必要とされており、ここで、従来の解決手段および技術の様々な制約および不利点は当業者にとって、以下の図面および詳細な説明を参照して本出願の以下に示される明細書の部分を検討した後に明らかとなろうが、この従来技術の説明の部分は説明される主題が従来技術であることを認める役割を果たすようには意図されていないことは理解されたい。
【０００５】
本発明は、以下の詳細な説明が以下の図面とともに考慮されるときに理解され、その多数の目的、特徴および利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】回転軸周りの回転加速度を感知するためのシーソー型振動ジャイロスコープの簡略化された概略側面図。
【図２】駆動質量の共振周波数、振動ノイズに関連付けられる誘導される角加速度、およびトランスデューサ定格出力信号に関する信号波形を示す図。
【図３】選択された実施形態による同期共振ジャイロ構造対を使用する横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサの平面図。
【図４】図３に示された横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサの斜視図。
【図５】生成されたトランスデューサ定格出力信号とともに、回転の存在下で同期共振ジャイロ構造対において測定されたコリオリの力に関する信号波形を示す図。
【図６】生成されたトランスデューサ定格出力信号とともに、回転加速度の存在下で同期共振ジャイロ構造対において測定された加速力に関する信号波形を示す図。
【図７】選択された実施形態による同期共振ジャイロリング構造対を使用する横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサの平面図。
【図８】図７に示された横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサの斜視図。
【図９】生成されたトランスデューサ定格出力信号とともに、回転の存在下で同期共振ジャイロリング構造対において測定されたコリオリの力に関する信号波形を示す図。
【図１０】生成されたトランスデューサ定格出力信号とともに、回転加速度の存在下で同期共振ジャイロリング構造対において測定された加速力に関する信号波形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
横軸ジャイロスコープセンサおよびこの関連操作方法論が説明され、対称な質量(マス)トランスデューサ対が、検出された回転加速度または振動力を相殺または低減するために互いに対向し同期して振動するように構成され、それによって耐振動性が高い感知が提供される。振動する質量トランスデューサの形状に応じて、対称な質量トランスデューサ対は、センサ設計を境界条件の変動に対して耐性（堅牢性）を有するように誘導振動トルクの補償を達成しながら、検出されたコリオリの力から回転速度を測定できる。選択された実施形態では、ジャイロスコープセンサは、対称に設計された同期ジャイロ構造対を含み、この同期ジャイロ対の各々が対向する駆動要素を有する感知要素を備える。各ジャイロ構造が、ねじりバネによって基板に固定され、且つ線形特性バネを介して対向する駆動質量（マス）対に取り付けられた四辺形状の感知質量を含むことによって、第１のジャイロ構造内の対向する駆動質量対が、第２のジャイロ構造内の対向する駆動質量対と共振するが、逆相に駆動される。この構成によって、対称に設計されたジャイロ構造対において測定された任意の（たとえば、振動からの）回転加速力が相殺または抑制される。他の実施形態では、ジャイロスコープセンサは、ねじりバネによって基板に固定されるとともに共有駆動質量に取り付けられた対称に設計されたジャイロリング構造対を含み、この共有駆動質量は、それらのジャイロリング構造を反対の回転運動によって振動させ、それによって、対称に設計されたジャイロリング構造対において測定された任意の（たとえば、振動からの）回転加速力が相殺または抑制される。
【０００８】
本発明の例示的な様々な実施形態を、ここで添付の図面を参照して詳細に説明し、当該図面は、検出された回転加速度または振動を相殺または低減するための同期共振ジャイロトランスデューサ構造対を使用する横軸ジャイロスコープセンサシステムの種々の図面を示す。横軸ジャイロスコープセンサは、本明細書に記載するものとは異なる材料および／または形状を用いて形成されてもよいことは諒解されたい。簡潔にするために、半導体処理、ＭＥＭＳ処理、およびセンサ技術に関係する従来の技法は本明細書においては説明しない。以下の説明において様々な詳細が記載されるが、本発明はこれらの具体的な詳細なしに実施されてもよいこと、および、実施態様ごとに変化する、工程技術または設計に関係する制限の順守のような、デバイス設計者の具体的な目標を達成するために、多数の実施態様特有の決定が、本明細書において説明される本発明に対して行われてもよいことは諒解されよう。このような開発努力は複雑かつ時間を要するものであり得るが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者にとって日常的作業の範疇である。たとえば、選択された態様は、本発明を限定または曖昧にすることを回避するために、すべてのデバイス特徴または幾何形状を含むとは限らない、集積回路デバイスの簡略化された平面図および断面図を参照して描写される。加えて、駆動回路および感知信号回路のような回路詳細は、そのような詳細は既知であり、当業者に本発明を作製または使用する方法を教示することが必要であるとはみなされないため、この範囲を超えては一切説明されていない。そのような説明および表現は、当業者によって、自身の研究の要旨を他の当業者に説明および伝達するために使用される。
【０００９】
従来のＭＥＭＳジャイロスコープセンサでは、センサ設計、および製造において不可避である製造欠陥の両方における様々な非理想性に関連付けられる性能の制約がある。たとえば、駆動質量の共振周波数に近い回転振動に非常に敏感であるディスク設計またはリングトランスデューサ設計を有する従来の振動ジャイロ設計に関連付けられた性能の問題がある。この振動ノイズに敏感であることによって、真の角速度信号から区別されることができない偽出力信号を誤って生成する可能性がある。たとえば、振動トルクノイズが誘導されるトランスデューサは、ホストシステムＰＣＢの温度および変化に対するゼロレート安定性（ｚｅｒｏ  ｒａｔｅ  ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）に悪影響を与える可能性がある境界条件の変動の影響を受けやすい。信号に誤りがある可能性を低減するために、トランスデューサは一般的に、高い振動振幅の環境によるスペクトル領域を回避するために駆動質量の高い共振周波数を使用するように設計されるが、この手法は、電子安定性プログラム（ＥＳＰ）アプリケーションのような、車両の動的挙動の正確な測定を必要とする自動車安全システムに対する解決手段とはみなされ得ない。
【００１０】
回転振動加速度によってジャイロトランスデューサに課される課題を示すために、ここで、シーソー型ジャイロスコープセンサ１０の簡略化された概略側面図を描写している図１を参照する。描写されているジャイロセンサ１０は「シーソー型」感知質量(sense mass)要素１２を含み、これは、その基板に関連する位置が、当該感知質量要素の下に形成された基板キャパシタプレート（図示せず）を用いて検出される能動感知構造である。横方向バネによって振動する駆動質量構造（図示せず）に接続されているため、感知質量要素１２は、回転軸１６周りの回転に応答して回転軸１６を中心とする回転運動を行うように構成される。固定の回転速度の存在下では、センサ１０はその回転速度に比例する、結果として生じるコリオリの力を検出する。しかしながら、回転振動が、駆動質量構造の共振周波数に近い、回転軸１６周りの角加速度１８を生じさせる場合、センサ１０は有効なデータから区別されることができない偽出力信号を生成する可能性がある。この難点は、回転運動を受けないセンサ１０に関する信号波形を描写している図２に示されている。描写されているように、一番上の波形２２は振動する駆動質量の共振周波数である。中央の波形２４では、振動ノイズから感知質量要素１２に対する誘導される角加速度波形２４が示されている。振動からの回転加速度が駆動質量の共振周波数に近いこのような事例においては、センサ１０からの定格出力信号２６は有効な回転測定値のように見えるが、このとき、実際には回転運動は存在しない。
【００１１】
図３は、本開示の選択された実施形態による、ＭＥＭＳタイプ振動ジャイロスコープとして実装される例示的な角速度センサ１００（非限定的に「ジャイロスコープ」または単純に「ジャイロ」とも称される）の平面図を示す。描写されている横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ１００は、回転軸１７０に沿って位置合わせされて配置される対称または平行な構造対として形成される同期共振ジャイロ構造対１１０、１３０を含む。本明細書において使用される場合、同期振動運動は、互いに同相または逆相であり得るが、他の点では同じ周波数または周期による運動を有する２つの要素の同期された運動を指す。各ジャイロ構造は、回転軸１７０に沿って中心決めされる「シーソー型」感知質量要素１２０、１４０を中心とする駆動方向（たとえば、ｙ軸）における線形な面内振動運動を行うように構成される駆動質量要素対１１１／１１２、１３１／１３２を含む。この構成によって、各感知質量要素１２０、１４０は、面内軸１７０周りのセンサ１００の回転運動に応答して、回転軸１７０を中心とする回転運動するように構成される。
【００１２】
駆動質量と感知質量とを接続するために、直線リンクバネ構成要素１１５〜１１８、１３５〜１３８が、各感知質量が、駆動質量要素の反対向きの線形な振動運動に関してその対応する駆動質量要素から実質的に解放されるように、且つ各感知質量が、駆動質量要素１１１／１１２、１３１／１３２の任意の面外振動運動に結合されるように構成される。第１のジャイロ構造１１０の例では、リンクバネ構成要素１１５〜１１６は駆動質量１１１を感知質量１２０の第１の部分１２１に接続し、一方でリンクバネ構成要素１１７〜１１８は駆動質量１１２を感知質量１２０の第２の部分１２２に接続し、それによって、感知質量１２０は駆動質量１１１、１１２の反対向きの線形な振動運動から解放され、同時に、駆動質量要素１１１／１１２の任意の面外振動運動に結合される。もちろん、多数の屈曲部、ヒンジ、および他の回転機構が、コリオリの効果に応答して回転軸１７０を中心とする感知質量要素１２０、１４０の旋回運動を可能にするために利用されてもよいことは理解されたい。したがって、様々な機械的リンクバネ１１５〜１１８、１３５〜１３８の形状、サイズ、材料、およびバネ定数が、ｘジャイロ１００の所望の感度、安定性、および範囲（ｒａｎｇｅ）を達成するために既知の機械的設計原理にしたがって選択されてもよい。事実、ジャイロデバイス１００の静的特性および動的特性は全体として、様々な構成層が当該技術分野において既知の標準的な機械的方法（たとえば、経験的方法、有限要素モデリング、閉形式計算など）を使用すると、容易に特定されることができる。示されている実施形態では、ｘジャイロ１００は従来のＭＥＭＳ技法および材料（たとえば、二酸化ケイ素、単結晶シリコン、ポリシリコンなど）を使用して作製される。
【００１３】
図３に示されている例では、角速度センサ１００は、一般的に回転軸１７０を中心とする角運動を感知するように構成されるｘジャイロデバイスである。慣例により、ｘジャイロ１００はｘ−ｙ平面（ｘ−ｙ−ｚ基準座標線によって参照される）内の概して平面的な構造を有するものとして示されており、ｚ軸はｘ−ｙ平面から上向きにかつ垂直に延在する。図４には、図３に示されている横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサの分解斜視図２００が示されているように、ｘジャイロは、その上に同期共振ジャイロ構造１１０、１３０を支持するためのアンカー構造対１０４、１０８が形成された基準フレームまたは基板構造１０１を含む。第１のジャイロ構造１１０は、特定の実施形態に応じて、駆動質量対１１１、１１２、感知質量１２０、および、それらの間に設けられる様々な機械的連結部１１５〜１１８を含む。第２のジャイロ構造１３０は基板１０１上に対称に配置され、駆動質量対１３１、１３２、感知質量１４０、および、それらの間に設けられた様々な機械的連結部１３５〜１３８を含む。各感知質量１２０、１４０が、対向する駆動質量対１１１／１１２、１３１／１３２によって囲まれるヒンジ連結またはシーソー型プルーフマス（試験質量）として構築されることによって、機械的連結部は、１つ以上のねじりバネまたは回転屈曲部１２５、１４５を含むことができ、これらは、回転軸１７０を中心とする旋回または回転運動のために感知質量１２０、１４０を柔軟に懸垂するために基板アンカー１０４、１０８に接続される。加えて、リンクバネ１１５〜１１８、１３５〜１３８が、各対向する駆動質量対１１１／１１２、１３１／１３２をそれぞれの感知質量１２０、１４０に接合する１つ以上の結合バネとして設けられる。諒解されるように、バネ１１５〜１１８、１３５〜１３８は、ｙ軸に沿った駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２の対向する運動を可能にし、それでもなお、コリオリの力をｚ軸に沿って感知質量１２０、１４０に伝達するのに十分剛性を有する任意の好都合な形状とすることができる。換言すれば、駆動質量と感知質量との間の連結部は、ｘジャイロ１００の回転中に、各感知質量１２０、１４０が、駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２の面内運動によって相対的に影響されないが、それらが面外運動（たとえば、ｚ軸運動）を行うときには駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２にリンクされるように構成される。
【００１４】
この結合によって、駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２は、平面（たとえば、ｘ−ｙ平面）内の反対向きの線形な振動運動を行うように構成され、ここで、この運動の向きは実施形態に応じて変化し得る。各ジャイロ構造１１０、１２０において、駆動質量の線形な振動運動は、駆動質量を線形な振動運動において運動させる静電力を生成するために、駆動質量の端部において駆動電極（図示せず）に駆動電圧を印加することによって制御される。駆動質量１１１−１１２の対向する両端上の駆動電極において交流電荷を生成するために第１時間の変動電圧駆動信号を印加することによって、駆動質量１１１は常に駆動質量１１２から対向する向きにおいて運動し、それによって、基準基板１０１の上で振動するように前後に振動する。同時に、駆動質量１３１、１３２の対向する両端上の駆動電極において交流電荷を生成するために相補的な第２時間の変動電圧駆動信号が印加され、それによって、駆動質量１３１は常に駆動質量１３２から対向する向きに運動し、それによって、基準基板１０１の上で振動するように前後に振動する。第１時間および相補的な第２時間の変動電圧駆動信号が印加される結果として、第１の駆動質量要素対１１１−１１２は、第２の駆動質量要素対１３１−１３２の振動運動と共振するが、１８０度位相がずれている水平（たとえば、ｙ軸）方向における振動運動を有する。明示的には図示されていないが、駆動質量１１１、１３２が同期して振動し、同時に駆動質量１１２、１３１も同期して、しかし駆動質量１１１、１３２とは逆相で振動するように、駆動質量の反対向きの振動運動の同期を支援する駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２の間に追加の結合バネもあってもよい。このように、第１のジャイロ構造１１０の駆動質量１１１／１１２は感知質量１２０に向かって運動し、一方で第２のジャイロ構造１２０の駆動質量１３１／１３２は感知質量１４０から離れるように運動する。
【００１５】
回転軸１７０がｘ軸方向にある、示されている実施形態では、駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２は、ｙ軸に実質的に平行な線形な振動運動を行う。基準基板１０１が軸１７０周りの角運動を生成する力を受けると、この角運動は、感知要素１２０、１４０の面外シーソー運動を感知するために、（陰影線１０５、１０９によって示されるように）感知質量要素１２０、１４０の下で基板１０１上に形成される感知（sense）測定電極１０２−１０３、１０６−１０７を使用して感知される。感知電極は、少なくとも２つの電気的に絶縁された電極対またはプレート対１０２−１０３、１０６−１０７を形成するために基板上に静電導電層を堆積、パターニングおよびエッチングすることによって形成でき、各対は回転軸１７０の各側に対称に配置される。電極またはプレート１０２−１０３、１０６−１０７は、基板１０１内の１つ以上の導電性バイアおよび接触層（図示せず）を通じて、各電極／プレート１０２−１０３、１０６−１０７に関連付けられた種々の容量値を評価する容量信号感知回路に接続される。説明を単純にするために２セットの電極対１０２−１０３、１０６−１０７のみが図４に図示されているが、横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ１００は様々な数および／または様々な構成の電極要素を含んでもよいことは諒解されよう。
【００１６】
ジャイロ１００の回転によってコリオリの力が生成されると、そのコリオリ力は駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２が、回転軸１７０を中心とするｘジャイロ１００の角速度の関数としての、ｚ軸に沿った面外の（すなわち、ｘ−ｙ平面外の）振動運動を行うようにする。駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２のｚ軸運動は、リンクバネ構成要素１１５〜１１８、１３１〜１３８によって感知質量要素１２０、１４０に伝達される。面外運動を感知するために、基準基板１０１は、第１のジャイロ構造１１０の感知質量１２０の下に位置付けられる第１の感知測定電極対１０３、１０４と、第２のジャイロ構造１２０の感知質量１４０の下に位置付けられる第２の感知測定電極対１０６、１０７とを含むことができる。感知測定電極１０２−１０３、１０６−１０７は、入力軸１７０を中心とするジャイロ作用運動の結果としての、感知（sense）の運動方向（ｚ軸方向）における感知質量１２０、１４０の面外偏位を検出および測定するための感知システムの一部として設けられる。特に、駆動質量１１１／１１２、１３１／１３２が、シーソー型感知質量要素１２０、１４０に伝達される面外振動運動を行うとき、その位置変化が感知測定電極１０２−１０３、１０６−１０７によって感知される。図示されていないが、感知質量要素１２０、１４０の上に形成される追加の感知測定電極もあってもよい。いずれの構成においても、感知電極は、基準基板１０１に関連する感知質量要素１２０、１４０の回転運動によって引き起こされる、動作中の容量変化を検出するように位置付けられ、使用される。基準基板は、感知質量要素１２０、１４０に運動もしくは振動させる静電力を印加するか、または他の様態で感知質量要素１２０、１４０の運動もしくは振動を調整するのに使用される力フィードバック電極（図示せず）をも含むことができる。
【００１７】
軸１７０を中心とする固定の回転ωがｘジャイロ１００に加えられる（たとえば、回転加速度がない）場合、結果として得られるコリオリの力（Ｆｃｏ）は、感知質量１２０、１４０に回転軸１７０を中心として互いに位相がずれた「シーソー運動」をさせる。感知質量１２０、１４０の反対向きの回転運動は、同期した相補的な位相の振動を有する共振ジャイロ構造１１０、１３０の感知質量要素１２０、１４０の下で感知測定電極１０２−１０３、１０６−１０７を配置および接続することによって、感知(sense)ノード１５１−１５２、１６１−１６２において測定される。例示的な実施態様では、感知電極１０２および１０７における容量信号は、感知ノード１５１および１６２において（たとえば、ｚ軸の負方向における）２ｘＦｃｏを測定するために組み合わされることができる。同様に、感知電極１０３および１０６における容量信号は、感知ノード１５２および１６１において（たとえば、ｚ軸の正方向における）−２ｘＦｃｏを測定するために組み合わされることができる。コリオリの力がどのようにｘ軸ジャイロ１００から測定され、組み合わされるかを説明するために、ここで、軸１７０を中心とする回転ωの存在下における同期共振ジャイロ構造対１１０、１３０において測定されたコリオリの力に関する信号波形５０を描写する図５を参照する。上側のグラフにおいて、感知ノードＳ１．２  １５１およびＳ２．１  １６２において測定されたコリオリの力がそれぞれ波形５１および５２として示されており、これらの測定された力の和（Ｓ１．２＋Ｓ２．１）が波形５３として示されている。中央のグラフは、感知ノードＳ１．１  １５２およびＳ２．２  １６１において測定されたコリオリの力をそれぞれ波形５４および５５において示しており、これらの測定された力の和（Ｓ１．１+Ｓ２．２）が波形５６として示されている。下側のグラフにおいて、組み合わされた差分信号、すなわち（（Ｓ１．２＋Ｓ２．１）−（Ｓ１．１+Ｓ２．２））が波形５７として示されている。信号検出回路は、組み合わされた差分信号５７を処理して、軸１７０を中心とする回転ωを測定する復調出力信号５８を生成する。
【００１８】
軸１７０を中心とする回転振動ω’がｘジャイロ１００に加えられる（たとえば、固定の回転ωでない）場合、結果として得られる加速力（Ｆａｃ）は、感知質量１２０、１４０に回転軸１７０を中心として互いに同相に「シーソー運動」をさせる。この感知質量１２０、１４０の同期回転運動が感知ノード１５１−１５２、１６１−１６２において測定されるとき、感知電極１０２および１０７における容量信号は互いに反対になるため、組み合わされるかまたは加算されて、感知ノード１５１および１６２において測定された加速力Ｆａｃを実質的に低減するかまたはなくす。同様に、感知電極１０３および１０６における容量信号は組み合わされて、感知ノード１５２および１６１において測定された加速力Ｆａｃを実質的に低減するかまたはなくすことができる。回転振動からの加速力がどのように相殺または抑制されるかを説明するために、ここで、軸１７０を中心とする回転振動ω’の存在下で同期共振ジャイロ構造対１１０、１３０において測定された加速力に関する信号波形６０を描写している図６を参照する。上側のグラフにおいて、感知ノードＳ１．２  １５１およびＳ２．１  １６２において測定された加速力がそれぞれ波形６１および６２として示されており、これらの測定された力の相殺される和（Ｓ１．２＋Ｓ２．１）が波形６３として示されている。中央のグラフは、感知ノードＳ１．１  １５２およびＳ２．２  １６１において測定された加速力をそれぞれ波形６４および６５において示しており、これらの測定された力の相殺される和（Ｓ１．１＋Ｓ２．２）が波形６６として示されている。下側のグラフにおいて、組み合わされた差分信号、すなわち、（（Ｓ１．２＋Ｓ２．１）−（Ｓ１．１＋Ｓ２．２））が、検出された加速力を事実上相殺しており、信号検出回路によって処理されて、軸１７０を中心とする回転加速を示さない復調出力信号６７が生成される。
【００１９】
諒解されるように、センサ１００を製造するのに使用される作製工程が、非対称な構造および他の非理想性のような、ジャイロスコープにおける欠陥に寄与する可能性がある。これらの欠陥は、四辺形状の各感知質量１２１−１２２、１４１−１４２の質量中心のずれを引き起こす可能性がある。中心が位置合わせされていないことによって、結果として生じる感知質量要素１２０、１４０の振動が、センサ１００の加速力を相殺する能力を低減するおそれがある。しかし、作製工程からの一般的なばらつきがあったとしても、センサ１００は振動ノイズの実質的な抑制を達成することができる。一般的な製造のばらつきがあったとしても、四辺形状の感知質量要素を使用するセンサについては最大４０ｄＢの振動擾乱抑制が達成される。
【００２０】
振動ノイズ相殺機能を向上させるために、他の構造配置を同期共振ジャイロ構造のジャイロに使用することができる。たとえば、図７は、各々がそのそれぞれの中心の周囲で基板に回転固定されるとともに、共有駆動部または駆動機構７５０によって対向する方向において同期して回転するように同時に駆動される、同期共振ジャイロリング構造対７２０、７３０を使用する横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ７００の平面図を示している。描写されている横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ７００は、回転軸７７０に沿って位置合わせされて配置される対称リング対として形成された同期共振ジャイロリング構造対７２０、７３０を含む。各ジャイロリング構造７２０、７３０は回転軸７７０に沿って中心が置かれ、駆動方向における面内振動回転運動（たとえば、ｚ軸を中心とする回転）を行うように、かつ面内軸７７０周りのセンサ７００の回転運動に応答して回転軸７７０を中心とする回転運動を行うように、１つ以上のバネ構成要素構造７２３〜７２８、７３３〜７３８によって基板アンカー構造７０４、７０８に接続される。
【００２１】
選択された実施形態では、駆動機構７５０は、駆動質量要素７５２、７５４、７５８であって、駆動質量要素７５２、７５４、７５８は一体に接続されるともに、それぞれ直線バネ要素７５１、７５３、７５７、７５９によって下にある基板アンカー７１０〜７１３に接続される、駆動質量要素を使用してＨ形状駆動質量として提供されることができる。加えて、リング形状の感知質量構造７２０、７３０の反対向きの振動回転を可能にするように、中央ｘ軸バネ７５５、７５６が、共有駆動機構７５０をリング形状の感知質量構造７２０、７３０に結合する。それとともに、バネ構成要素７５１、７５３、７５７、７５９、７５５−７５６は、駆動機構７５０に対してｙ軸に沿って線形な振動運動を可能にするように設計される。線形な運動は、駆動機構７５０の対向端部に対向する駆動電極７６２〜７６５、７６６〜７６９を位置付けることによって生じる。適切な電気駆動信号を駆動電極７６２〜７６５、７６６〜７６９に印加することによって、共有駆動機構７５０はｘ−ｙ平面内の線形な振動運動を行う。たとえば、ｙ軸直線運動は、駆動機構７５０の対向する両側に隣接して形成されるとともに駆動信号によって駆動される導電体または櫛歯７６０、７６１を使用して駆動機構７５０に付与される。また図７において図示されているように、Ｈ形状駆動機構７５０の固定される各側は、駆動電極（複数の場合もあり）内に形成される導電体または櫛歯によって駆動されるように位置付けられる導電体または櫛歯を含むことができる。諒解されるように、Ｔ形状またはＩ形状駆動質量要素のような、駆動機構７５０の他の構造配置が使用されてもよい。加えて、駆動電極７６２−７６５、７６６−７６９のうちの１つまたは複数は、その駆動運動を感知するために使用される。
【００２２】
駆動機構７５０の直線運動に応答して、１つ以上のバネ構成要素構造７２３〜７２８、７３３〜７３８によって基板アンカー構造７０４、７０８に接続されることによって、共振ジャイロリング構造７２０、７３０は、それらリング構造のそれぞれのｚ軸中心周りを逆方向に回転振動するように駆動される。諒解されるように、バネ構成要素構造７２３〜７２８、７３３〜７３８は、リング形状の感知質量構造７２０、７３０のそれら感知構造のそれぞれのｚ軸中心周りの逆回転運動を可能にするとともに、ｘ軸周りのシーソー回転についてコリオリの力をリング形状の感知質量構造７２０、７３０に伝達するのになお十分に剛性を有する任意の好都合な形状または構成であってもよい。換言すれば、駆動質量とリング形状の感知質量との間の連結は、感知質量７２０、７３０が駆動機構７５０の面内運動に応答して面内逆回転を行うとともに、回転軸７７０を中心とするｘジャイロ７００の回転中に面外シーソー運動を行うように構成される。いずれの場合であっても、多数の屈曲部、ヒンジ、および他の回転機構が、コリオリの効果に応答して回転軸７７０を中心とするリング形状の感知質量構造７２０、７３０の旋回運動を可能にするために利用されてもよいことは理解されよう。例示的な構成では、第１のジャイロリング構造７２０は、１つ以上の対称に配置された直線バネ要素７２５〜７２８によって内部フレーム部材７２４に接続される。翻って、内部フレーム部材７２４は、１つ以上のねじりバネまたは回転屈曲部７２３によって基板アンカー構造７０４に接続され、これらねじりバネまたは回転屈曲部７２３は、回転軸７７０を中心とする旋回または回転運動のためにジャイロリング構造を柔軟に懸垂するために基板アンカー構造７０４に接続される。同様に、第２のジャイロリング構造７３０は、１つ以上の対称に配置された直線バネ要素７３５〜７３８によって内部フレーム部材７３４に接続され、翻って、内部フレーム部材７３４は、回転軸７７０を中心とする旋回または回転運動のためにジャイロリング構造７３０を柔軟に懸垂するために１つ以上のねじりバネまたは回転屈曲部７３３によって基板アンカー構造７０８に接続される。
【００２３】
描写されている横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ７００によって、駆動機構７５０の共振周波数は主として直線バネ定数およびリング構造７２０、７３０の質量（マス）によって規定される。両方のジャイロリング構造７２０、７３０を共通の駆動機構７５０に結合されるように対称に配置することによって、共振ジャイロリング構造対７２０、７３０は等しい振幅および相補的な位相を有する逆回転を達成する。また、ねじりバネまたは回転屈曲部７２３、７３３を使用して各ジャイロリング構造７２０、７３０を固定することによって、各ジャイロリング構造７２０、７３０は回転軸７７０周りの二次的なまたは感知共振モードに入ることができる。この「感知共振」は、ねじりバネ７２３、７３３のバネ定数および関連するリング構造７２０、７３０の質量によって規定され、「感知共振」は、閉ループシステムの駆動周波数に近いまたは等しいはずである。
【００２４】
回転軸７７０がｘ軸方向にある、示されている実施形態では、リング形状の感知質量構造７２０、７３０は、ｘ−ｙ平面に実質的に平行な逆回転振動運動を行う。図８には、図７に示されている横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサの分解斜視図８００が示されているように、ｘジャイロは、その上にリング形状の感知質量構造７２０、７３０を支持するためのアンカー構造対８０４、８０８が形成された基準フレームまたは基板構造８０１を含む。加えて、駆動質量アンカー構造８１０〜８１３が、駆動機構７５０を支持するために基板８０１上に形成される。基準基板８０１が軸７７０周りの角運動を生成する力を受けると、この角運動は、（陰影線８０５、８０９によって示されるように）リング形状の感知質量構造７２０、７３０の下で基板８０１上に形成される感知測定電極８０２−８０３、８０６−８０７を使用して感知されて、リング形状の感知質量構造７２０、７３０の面外シーソー運動が感知される。特に、コリオリの力は、逆回転しているリング形状の感知質量構造７２０、７３０が、回転軸７７０を中心とするｘジャイロ７００の角速度の関数として、ｚ軸に沿った面外の（すなわち、ｘ−ｙ平面外の）振動運動を行うようにする。面外運動を感知するために、基準基板８０１は、リング形状の感知質量７２０の下に配置される第１の感知測定電極対８０３、８０４と、リング形状の感知質量７３０の下に配置される第２の感知測定電極対８０６、８０７とを含むことができる。感知測定電極８０２−８０３、８０６−８０７は、入力軸７７０を中心とするジャイロ作用運動の結果としての、感知（sense）の運動方向（ｚ軸方向）におけるリング形状の感知質量７２０、７３０の面外偏位を検出および測定するための感知システムの一部として設けられる。図示されていないが、リング形状の感知質量要素７２０、７３０の上に形成される追加の感知測定電極もあってもよい。いずれの構成においても、感知電極は、リング形状の感知質量７２０、７３０の基準基板８０１に関連する回転運動によって引き起こされる、動作中の容量変化を検出するように位置付けられ、使用される。
【００２５】
軸７７０を中心とする固定の回転ωがｘジャイロ７００に加えられる（たとえば、回転加速度がない）場合、リング形状の感知質量７２０、７３０に回転軸７７０を中心として互いに位相がずれた「シーソー運動」をさせるコリオリの力（Ｆｃｏ）が生成される。この位相が異なる回転において、リング形状の感知質量７２０、７３０の対向する部分７２１、７３２はともに上下に運動し、一方でリング形状の感知質量７２０、７３０の対向する部分７２２、７３１は同時にともに上下に運動する。リング形状の感知質量７２０、７３０の反対向きの回転運動は、同期した逆回転振動を有する共振ジャイロリング構造７２０、７３０の下に感知測定電極８０２−８０３、８０６−８０７を配置および接続することによって、感知ノード７７１−７７２、７８１−７８２において測定される。例示的な実施態様では、感知電極８０２および８０７における容量信号は、感知ノード７７１および７８２において（たとえば、ｚ軸の負方向における）２ｘＦｃｏを測定するために組み合わされることができる。同様に、感知電極８０３および８０６における容量信号は、感知ノード７７２および７８１において（たとえば、ｚ軸の正方向における）−２ｘＦｃｏを測定するために組み合わされることができる。
【００２６】
コリオリの力がどのようにｘ軸ジャイロ７００から測定され組み合わされるかを説明するために、ここで、軸７７０を中心とする回転ωの存在下における同期共振ジャイロリング構造対７２０、７３０において測定されたコリオリの力に関する信号波形９０を描写する図９を参照する。上側のグラフにおいて、感知ノードＳ１．２  ７７１およびＳ２．１  ７８２において測定されたコリオリの力がそれぞれ波形９１および９２として示されており、これらの測定された力の和（Ｓ１．２＋Ｓ２．１）が波形９３として示されている。中央のグラフは、感知ノードＳ１．１  ７７２およびＳ２．２  ７８１において測定されたコリオリの力をそれぞれ波形９４および９５において示しており、これらの測定された力の和（Ｓ１．１＋Ｓ２．２）が波形９６として示されている。下側のグラフにおいて、組み合わされた差分信号、すなわち（（Ｓ１．２＋Ｓ２．１）−（Ｓ１．１＋Ｓ２．２））が波形９７として示されている。信号検出回路は、組み合わされた差分信号９７を処理して、軸７７０を中心とする回転ωを測定する復調出力信号９８を生成する。
【００２７】
ｘジャイロ７００の回転軸７７０を中心として回転振動ω’が加えられる（たとえば、固定の回転ωがない）場合、結果として得られる加速力（Ｆａｃ）は、逆回転ジャイロリング構造７２０、７３０に回転軸７７０を中心として互いに同相に「シーソー運動」をさせる。このジャイロリング構造７２０、７３０の同期回転運動の場合、軸７７０の一方の側のリング形状の感知質量７２０、７３０の隣接する部分７２１、７３１はともに上下に運動し、一方で軸７７０の他方の側のリング形状の感知質量７２０、７３０の隣接する部分７２２、７３２は同時にともに上下に運動する。このジャイロリング構造７２０、７３０の同期回転運動が感知ノード７７１−７７２、７８１−７８２において測定されるとき、感知電極８０２および８０７において捕捉される容量信号は互いに反対になるため、組み合わされるかまたは加算されて、感知ノード７７１および７８２において測定された加速力Ｆａｃを実質的に低減するかまたはなくすことができる。同様に、感知電極８０３および８０６において捕捉された容量信号は組み合わされて、感知ノード７２２および７３１において測定された加速力Ｆａｃを実質的に低減するかまたはなくすことができる。回転振動からの加速力がどのように相殺または抑制されるかを説明するために、ここで、軸７７０を中心とする回転振動ω’の存在下で同期共振ジャイロリング構造対７２０、７３０において測定された加速力に関する信号波形１０００を描写している図１０を参照する。上側のグラフにおいて、感知ノードＳ１．２  ７７１およびＳ２．１  ７８２において測定された加速力がそれぞれ波形１００１および１００２として示されており、これらの測定された力の相殺される和（Ｓ１．２+Ｓ２．１）が波形１００３として示されている。中央のグラフは、感知ノードＳ１．１  ７７２およびＳ２．２  ７８１において測定された加速力をそれぞれ波形１００４および１００５において示しており、これらの測定された力の相殺される和（Ｓ１．１+Ｓ２．２）が波形１００６として示されている。下側のグラフにおいて、組み合わされた差分信号、すなわち、（（Ｓ１．２+Ｓ２．１）−（Ｓ１．１+Ｓ２．２））が、検出された加速力を事実上相殺しており、信号検出回路によって処理されて、軸７７０を中心とする回転加速を示さない復調出力信号１００７が生成される。
【００２８】
上記の実施形態から分かるように、機械的に分離された駆動質量と感知質量とを各々有する一対の二質量センサを備える横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサが提供される。駆動質量および感知質量では望ましくないモードを抑制するべく、回転軸周りの回転加速度を感知するための対称シーソー型感知質量構造を含む対称設計が採用されている。回転軸周りの回転加速度は、この対称な感知質量構造の下に位置する容量電極によって容量差信号として検出される。選択される実施形態によると、開示される横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ検出デバイスは、単一の処理マスクセットのみを使用して駆動質量および感知質量を形成することによって作製される。ジャイロセンサが、互いに対向して同期して振動するように構成および駆動される対称な質量トランスデューサ対を含む、選択される実施形態では、回転運動は、検出された回転加速度または振動力を同時に相殺または低減しながら検出することができ、それによって、耐振動性の高い感知がもたらされる。対称な質量トランスデューサは、各々がねじりバネによって基板に固定され、直線バネを介して対向する駆動質量対に取り付けられる四辺形状の感知質量対を用いて実装することができ、それによって、その対称に設計されたジャイロ構造対において測定された任意の回転加速力（たとえば、振動からの）が相殺または抑制される。他の実施形態では、ジャイロスコープセンサは、ねじりバネによって基板に固定されるとともに共有駆動質量に取り付けられた対称に設計されたジャイロリング構造対を含み、共有駆動質量は、ジャイロリング構造に反対向きの回転運動によって振動させ、それによって、対称に設計されたジャイロリング構造対において測定された任意の回転加速力（たとえば、振動からの）が相殺または抑制される。
【００２９】
ここまでで、本明細書において中心線軸を中心とする回転運動を測定するための耐振動性の高い横軸ＭＥＭＳセンサ、およびこの関連操作方法が提供されたことを諒解されたい。開示されるセンサは、中心線軸に対して対称に位置付けられる第１の電極対および第２の電極対を有する基板を含む。加えて、中心線軸に沿って対称に配置されるとともに基板の表面の上で離間して位置付けられる第１のジャイロセンサおよび第２のジャイロセンサが設けられる。ジャイロセンサは、反対の位相で同期して振動する質量（マス）を含み、それによって、たとえば、質量は互いに実質的に１８０度位相がずれている振動運動で駆動されている。たとえば、ジャイロセンサは、それぞれ第１の電極対および第２の電極対の上方に位置付けられる第１の感知質量要素および第２の感知質量要素を含むことができ、ここで、感知質量要素は、中心線軸周りのセンサの回転加速度に応答して中心線軸周りに同相で同期して振動するとともに、中心線軸周りのセンサの回転速度に応答して中心線軸周りに互いに逆相で同期して振動するように適合される。選択される実施形態では、ジャイロセンサは、第１の層に形成されるとともに中心線軸に対して対称に配置される駆動質量対を含み、ここで、駆動質量対はバネ系によって、対応する対称な感知質量要素に結合され、この対応する対称な感知質量要素は、第１の層に形成されるとともに中心線軸周りのセンサの角回転に応答して面外に振動運動を行う。たとえば、各対称な感知質量要素は、中心線軸周りのセンサの角回転に応答して中心線軸を中心とするシーソー回転を行うように、１つ以上のねじりバネおよび１つのアンカーシステム（アンカー）によって基板に結合される四辺形状の感知質量とすることができる。他の実施形態では、ジャイロセンサは、第１の層に形成されるとともに中心線軸に沿って対称に配置される円形の感知質量構造対を含み、ここで、この円形の感知質量構造対はバネ系によって、逆回転する面内振動運動を円形の感知質量構造対に付与する駆動部に結合され、それによって、円形の感知質量構造対は中心線軸周りのセンサの角回転に応答して面外に振動運動を行う。たとえば、円形の各感知質量構造は、中心線軸周りのセンサの角回転に応答して中心線軸を中心とするシーソー回転を行うように、１つ以上のバネおよび１つのアンカーシステムによって基板に結合されたリング形状の感知質量構造とすることができる。中心線軸に関して一方の側でジャイロセンサの下に位置付けられる第１の電極において捕捉された第１の容量信号を、中心線軸に関して他方の側でジャイロセンサの下に位置付けられる第２の電極において捕捉された第２の容量信号に加算するために第１の電極対と第２の電極対とを接続することによって、中心線軸周りのセンサの回転加速度に関連付けられた第１の容量信号および第２の容量信号は互いに実質的に相殺される。
【００３０】
別の形態では、基板の上で単一の層に形成された第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサを有する耐振動性の高い横軸センサが提供される。基板の上で、第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサは、中心線軸に沿って並んで対称に配置され、互いに対向して面内同期振動するように構成される。形成されると、第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサは、中心線軸周りのセンサの回転運動に応答して中心線軸に関して同じ方向に回転運動するように適合され、中心線軸周りの回転加速力に応答して中心線軸に関して逆回転運動するように適合される。基板上で、第１の電極対および第２の電極対は、第１の電極対および第２の電極対において検出された任意の回転加速力を実質的に相殺することによって、センサの回転運動を検出するように対称に位置付けられる。選択される実施形態では、電極対は、第１の電極が中心線軸に関して第１の側で第１の対称な質量トランスデューサの下に配置されるとともに、第２の電極が中心線軸に関して第２の側である対向する側で第２の対称な質量トランスデューサの下に配置されることによって形成された第１の電極対と、第３の電極が中心線軸に関して第１の側で第２の対称な質量トランスデューサの下に配置されるとともに、第４の電極が中心線軸に関して第２の側である対向する側で第１の対称な質量トランスデューサの下に配置されることによって形成される第２の電極対とを含む。対称な質量トランスデューサは各々、互いに反対の位相において同期直線運動または回転面内振動するように駆動される第１の質量および第２の質量を含むことができ、第１の層に形成されるとともに中心線軸に関して対称に配置される対称な感知質量要素をも含むことができ、対称な感知質量要素は、中心線軸周りのセンサの角回転に応答して面外に振動運動を行うように構成される。選択される実施形態では、対称な質量トランスデューサは、第１の層に形成されるとともに中心線軸に関して対称に配置される駆動質量対を含み、各駆動質量対は線形な面内振動を対応する四辺形状の対称な感知質量構造に付与するように結合される。他の実施形態では、対称な質量トランスデューサは、面内同期回転振動運動を、互いに反対の位相において振動させるために第１のリング形状の対称な感知質量構造および第２のリング形状の対称な感知質量構造に付与するように結合される駆動機構を含む。
【００３１】
さらに別の形態では、回転感知軸を中心とする横軸センサの回転運動を感知する耐振動性の高い方法が提供される。開示される方法では、面内同期振動運動が、回転感知軸に沿って並んで対称に配置される第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサに付与され、それによって、第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサが互いに対向して反対向きに振動する。選択される実施形態では、駆動質量対を線形な面内同期逆相振動運動するように駆動することによって、面内同期振動運動が第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサの各々に付与され、駆動質量対は感知質量要素の対向する両端に対称に配置される。他の実施形態では、面内同期振動運動は、リング形状の感知質量構造対を回転面内同期逆相振動運動するように駆動することによって付与される。対称な質量トランスデューサが互いに反対向きに振動することによって、第１の電極対および第２の電極対は、これらの電極対を回転感知軸に関して対称に位置付けられるように第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサの下に位置付けることによって、回転感知軸を中心とする横軸センサの回転運動を測定するために使用される。このようにして、第１の対称な質量トランスデューサおよび第２の対称な質量トランスデューサは、回転感知軸周りのセンサの回転運動に応答して回転感知軸に関して同じ向きに回転運動するように適合され、回転感知軸周りの回転加速力に応答して回転感知軸に関して逆回転運動するように適合される。回転運動は、第１の電極対および第２の電極対からのピックアップ信号を対角的に加算すること（ｄｉａｇｏｎａｌｌｙ  ａｄｄｉｎｇ）によって測定され、それによって、回転感知軸周りの回転振動が相殺される。回転運動は、実質的に互いに相殺される、回転感知軸周りの横軸センサの回転加速度に関連付けられた第１の容量信号および第２の容量信号を加算することによって測定されることができ、第１の容量信号は回転感知軸の一方の側で第１の対称な質量トランスデューサの下に位置付けられた第１の電極において捕捉され、第２の容量信号は回転感知軸の他方の側で第２の対称な質量トランスデューサの下に位置付けられる第２の電極において捕捉される。
【００３２】
本明細書において開示される、説明されている例示的な実施形態は、様々な横軸ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ構造およびそれを作成する方法を対象としているが、本発明は、広範なＭＥＭＳセンサデバイス、製造方法および操作方法論に適用可能である本発明の発明的態様を説明する例示的な実施形態には必ずしも限定されない。開示されるＭＥＭＳデバイスはジャイロスコープとして実装されることができるが、本明細書において記載されている作製工程はジャイロスコープまたは任意の他のタイプのセンサには限定されず、１つ以上のバネによって可動に懸垂されるとともに能動ウェハを基準ウェハに接合することによって形成される何らかのタイプの構造を含む、多数のＭＥＭＳデバイスのいずれかにも適用可能である。そのようなデバイスの非限定的な例は、様々なタイプの加速度計およびスイッチ、光学ＭＥＭＳシステム構成要素、ならびに、駆動電極および感知電極を使用する他のＭＥＭＳシステムデバイスを含む。したがって、上記で開示されている特定の実施形態は説明の役割を果たすに過ぎず、本発明は本明細書における教示の利益を有する当業者には明らかな、異なるが等価な様式において変更および実践されることができるため、本発明に対する限定としてとられるべきではない。たとえば、本発明の方法論は、本明細書において明示的に記載されているもの以外の駆動質量および感知質量構造を使用して適用されてもよい。したがって、上記の説明は本発明を記載されている特定の形態に限定するようには意図されず、逆に、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神および範囲内に含まれ得るそのような代替形態、変更形態および均等物を包含するように意図されており、それによって、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなくその最も広範な形態において様々な変更、置換および代替を行うことができることを理解するはずである。
【００３３】
利益、他の利点、および問題に対する解決策が具体的な実施形態に関連して上記で説明された。しかしながら、利益、利点、問題に対する解決策、および、任意の利益、利点、または解決策を発生させまたはより明白にする任意の要素（複数の場合もあり）は、特許請求項のいずれかまたはすべての決定的な、必要とされる、または必須の特徴または要素であると解釈されるべきではない。本明細書において使用される場合、「結合されている」という用語は、直接結合または機械的結合に限定されるようには意図されていない。本明細書において使用される場合、「備える」（“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ，”“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ，”）という用語またはその任意の他の変化形は、非排他的な包含を網羅するように意図され、それによって、要素のリストを含むプロセス、方法、製品、または装置はそれらの要素を含むだけでなく、明示的にリストされていない、またはそのようなプロセス、方法、製品、もしくは装置に内在する他の要素を含むことができる。
【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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