(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に架設され、回転力に応じて変位する輪型の試験質量と、
前記試験質量を前記基板の上方に支持する支持体とを備え、前記支持体は、前記試験質量の変位の結果として駆動軸回りの曲げに関して相対的に硬く、そして駆動軸回りのねじれには相対的に柔軟になるように適用される駆動軸とスポークに沿って配置された突出し部を有することを特徴とする微小機構デバイス。
【請求項２】
前記突出し部は箱型歪除去部分であることを特徴とする請求項１の微小機構デバイス。
【請求項３】
前記試験質量は輪型であり、前記支持体は内側ハブ、前記内側ハブと前記輪型の試験質量との間に延長された複数のスポーク湾曲体、および前記基板と前記内側ハブとの間に位置する柱組立部品とからなり、前記箱型の部分は、前記複数のスポーク湾曲体の１つに沿って配置されていることを特徴とする請求項２の微小機構デバイス。
【請求項４】
前記基板は第１の面に配向し、そして前記支持体は第１の面に直交して配向して駆動軸を与える請求項１の微小デバイスにおいて、
ここで、試験質量は、前記第１の面に平行で、前記支持体に支持される輪組立部品を具備し、
前記輪組立部品は、前記第１の面において駆動軸回りに回転・振動するように適用されて、そして前記第１の面に共平面な入力軸回りの回転速度に応じて変位して、前記第１の面と共平面にある出力軸の回りに出力トルクを供給するものであり、
前記輪組立部品は、内側ハブ、外側輪、および前記内側ハブと前記外側輪との間に延びる複数のスポーク湾曲体を有し、ここで、前記複数のスポーク湾曲体の少なくとも１つは、突出し部を有し、および
前記柱組立部品は前記輪組立部品と前記支持体を柔軟に支持するために前記支持体と前記輪組立部品の間に配置されるものである前記微小機構デバイス。
【請求項５】
請求項４の微小機構デバイスにおいて、前記柱組立部品は前記支持体から実質的に垂直に延びる柱と前記柱組立部品と前記内側ハブとの間に結合して前記内側ハブを前記支持体上に懸架する少なくとも一つの柱湾曲体を具備し、ここで、前記少なくとも一つの柱湾曲体は出力軸回りの速度に応じるものである前記微小機構デバイス。
【請求項６】
請求項５の微小機構デバイスにおいて、前記少なくとも一つの柱湾曲体はその中に配置されるスロットを有するものである前記微小機構デバイス。
【請求項７】
請求項６の微小機構デバイスにおいて、前記微小機構デバイスは、それに関連する共鳴周波数を有し、そして前記スロットの長さは可変であって前記微小機構デバイスの共鳴周波数が変えられるものである前記微小機構デバイス。
【請求項８】
請求項４の微小機構デバイスにおいて、前記微小機構デバイスは、それに関連する共鳴周波数を有し、そして前記支持体は前記輪組立部品から電気的に絶縁されており、
ここで、前記支持体は、前記共鳴周波数を変えるために前記柱組立部品に関しバイアスされるように適合される前記微小機構デバイス。
【請求項９】
請求項４の微小機構デバイスにおいて、前記複数のスポーク湾曲体は、湾曲していることを特徴とする前記微小機構デバイス。
【請求項１０】
請求項９の微小機構デバイスにおいて、前記複数のスポーク湾曲体は、対称的に湾曲していることを特徴とする前記微小機構デバイス。
【請求項１１】
請求項４の微小機構デバイスにおいて、前記少なくとも一つの柱湾曲体は、“Ｕ”、”Ｔ”、“Ｖ”、”Ｉ”形状からなる群から選択された一つの形状を有することを特徴とする前記微小機構デバイス。
【請求項１２】
請求項４の微小機構デバイスにおいて、前記外側の輪は、前記入力軸から離れた部分では疎の部分があり、前記入力軸に近い部分では密の部分がある前記微小機構デバイス。
【請求項１３】
請求項４の微小機構デバイスにおいて、前記デバイスが、さらに、前記支持体上に懸架される駆動電極を具備し、そして前記第１の面でそこから延びる複数の指型部材を有するものであり、
ここで、前記輪組立部品の前記外側の輪は前記第１の面でそこから延びる複数の指型部材を有するものであり、そして前記駆動電極と前記駆動電極に接続する駆動電子回路から延びる複数の指型部材に噛み合うものであり、そして
前記駆動電子回路は、所定の周波数で前記外側の輪を静電気的に回転振動させる駆動信号を受信するものである前記微小機構デバイス。
【請求項１４】
請求項１３の微小機構デバイスにおいて、前記所定の周波数は前記輪組立部品の出力軸の共鳴周波数と大略同じである前記微小機構デバイス。
【請求項１５】
請求項４の微小機構デバイスにおいて、前記駆動軸はそれに関連する共鳴周波数を有し、また、
前記駆動軸共鳴周波数は出力軸に関する共鳴周波数との差が５％以内である前記微小機構デバイス。
【請求項１６】
請求項１３の微小機構デバイスにおいて、前記デバイスが、リムに相互連結する少なくとも二つの電極をさらに具備し、
ここで、前記リムは前記第１の面でそこから外側へ延びるループ状領域を有する前記微小機構デバイス。
【請求項１７】
請求項１の微小機構デバイスにおいて、基板は第１の面に配向しており、そして支持体は駆動軸を有していて第１の面に直交しており、
ここで、試験質量は前記支持体上に懸架され、前記第１の面に平行である輪組立部品を具備し、
前記輪組立部品は、前記第１の面において駆動軸回りに回転振動するように適用されて、そして前記第１の面に共平面な入力軸回りの回転速度に応じて変位して、前記第１の面と共平面にある出力軸の回りに出力トルクを供給するものであり、
前記輪組立部品は、内側ハブおよび少なくとも一つのスポークで前記内側ハブと結合する外側輪を具備し、前記外側輪は、駆動軸回りに前記第１の面で回転振動するように適合されて、前記第１の面に共平面の入力軸回りの回転速度に応じて前記第１の面の水平面の出力軸回りの出力トルクを供給し、ここで、前記外側の輪は、そこから延びる複数の指型部材を有し、そして前記少なくとも一つのスポークはそれに箱型状の領域を有するものであり、
柱組立部品は前記輪組立部品と前記支持体を柔軟に支持するために前記支持体と前記輪組立部品の間に配置され、前記柱組立部品は前記支持体から延びる少なくとも一つの柱を具備し、少なくとも一つの柱湾曲体は前記少なくとも一つの柱から前記輪組立体の前記内側ハブへ横に延びており、
複数の駆動電極が前記支持体上に懸架され、そこから延びる複数の指型部材を有し、そして前記輪組立部品の外側の輪から延びる複数の指型部材に噛み合うものである。
【請求項１８】
請求項１の微小機構デバイスにおいて、該デバイスが、前記基板上に前記試験質量を懸架する少なくとも一対の対称的に湾曲した梁を具備する前記微小機械デバイス。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、一般に振動式ジャイロスコープ、特に振動輪式のジャイロスコープに関する。
発明の背景
周知のように、振動式ジャイロスコープは、慣性空間の回転速度（率）を測定するために使用される。その様な検出器は、一般に共振周波数で振動する部材を内包する。入力軸の周りに生ずる入力回転速度に対応して、振動出力トルクまたは運動がコリオリの力によって生起される。
振動式ジャイロスコープは、回転速度を検出するために、飛行機、船舶および自動車の航行案内（ナビゲーション）システムのような種々の応用例で使用される。その様な応用例では、そして特に自動車の場合は、ジャイロスコープのサイズと価格が厳しいものとなる。更に、相互に直交して配置された３つのジャイロスコープは、しばしば相互に直交する３軸の回りの回転速度を検出するために使用され、また３つの加速度計と組み合わされる。半導体材料で形成された微小機構的なジャイロスコープは、それらの小型なサイズと実効的な組立技術ゆえに、その様な応用例に望ましいものである。
発明の要約
本発明によれば、第１の面を指向した支持体と、前記支持体の上方で、前記第１の面と平行に配置された輪組立部品とを備えた振動輪式ジャイロスコープが提供される。前記輪組立部品は、前記第１の面で駆動軸の回りを所定の周波数で回転振動するように適用される。第１の面と共平面にある第１の軸の回りの回転速度に反応して、前記輪組立部品は、前記第１の面と共平面にある出力軸の回りを振動する。前記輪組立部品を支持するために、前記支持体と前記輪組立部品との間に配置された柱組立部品も提供される。本発明の更なる形態によると、前記輪組立部品は、内側ハブと、複数の半径方向に延長されたスポーク湾曲体によって前記内側ハブから離隔された外側輪とを有する。前記柱組立部品は、前記支持体と前記輪組立部品の内側ハブとの間に結合した柱湾曲体を有する。この柱湾曲体は、出力軸の回りでは相対的に柔軟に速度に反応し、入力軸の回りでは相対的に堅固に速度に反応する。
この構成を基に、振動輪組立部品が支持体上のジンバルで支持された、改良された振動輪式ジャイロスコープが提供される。特に、柱湾曲体は出力軸に結合した入力速度に反応して湾曲する。実際は、スポーク湾曲体が先ず湾曲し、第１の面内で１つの軸（以下では、駆動軸または振動軸と呼ぶ）の回りを輪組立部品が回転振動することを許容する。デバイスの面における回転駆動速度と前記デバイスの前記面から出力される出力トルクとに反応して湾曲するための分離した構造によって、各湾曲体のデザインは、柱湾曲体およびスポーク湾曲体の必要性の不一致に起因するデバイス実効性を犠牲にする事なく、硬さおよび柔軟さの望ましい特性を提供できるように理想化される。加えて、前記構成に伴い、駆動軸および出力軸に関する共振周波数は、湾曲体の他の望ましい特性を妥協させることなく、近似的に整合させることができる。駆動および出力軸に同じような共振周波数を供給することによって、コリオリのトルクを実効的に倍増する機構的利得が実現され、これにより検出された入力回転速度の信号対雑音比は改善される。加えて、柱湾曲体を集中的に外側輪内に供給し、かつ外側輪の質量を出力軸から最大距離に集中させることにより、回転する輪組立部品の質量のより大きな角モーメントが得られる。更に、”回転”駆動機構の使用は、与えられたデバイスサイズにおいて、交互の駆動機構により提供されるものより大きな角移動を、輪部材に与える。この構成は、外側輪をより重くし、かつ相対的に大きな角度で振動的に回転させることを許容し、これにより駆動軸の回りの運動ベクトルを増加させる。従って、与えられた入力速度に対しより大きな出力トルクを生じさせるより大きな運動ベクトルが発生し、ジャイロスコープの感度が増強される。
本発明の１つの形態によると、前記柱湾曲体は、”Ｕ”、”Ｔ”、”Ｖ”、”Ｉ”形状からなる群から選択された１つの形状を有する。この構成は、相対的に曲げに対しては強く、ねじれに対しては柔軟な湾曲体を提供する。これにより、駆動エネルギーと出力軸との間の改善された分離が達成される。かくして、与えられた望ましい出力軸の固さに対し、他の望ましくない運動のモードに対しては最大の固さが得られ、そして全体の実効性が強化される。
他の形態では、前記入力軸から離れた部分では粗であり、前記入力軸に近い部分では密である外側輪が提供される。入力軸に直交する速度成分を有した輪質量が出力のコリオリ力に寄与するだけであるから、この構成は与えられた入力速度に対する出力信号を最大化する。加えて、ジャイロスコープの実効性は、輪組立部品全体の質量を最小化することで、最大化される。
本発明の更に異なる形態は、微小機構デバイスの組立方法である。この方法は、第１のシリコン層を供給するステップと、その上部にデバイス層として第２のシリコン層を供給するステップと、前記デバイス層の第１の表面を加工するステップと含む。デバイス層の上には酸化物層が積層され、更に開口を提供するために選択エッチされる。このプロセスは更に、前記開口の近傍に電極を形成するための多結晶シリコンを積層するステップと、前記酸化物層の表面に電気的な絶縁材料を積層するステップとを含む。しかる後、前記第１のシリコン層は除去され、前記デバイス層の第２の表面が加工される。酸化物層の部分は、片持ち梁型のデバイス層を提供する。
この構成によって、微小機構デバイスに対する改善された組立技術が提供される。この技術は、前記デバイス層をその両サイド即ち両表面から加工することを許容し、これによりデバイス製造者が複雑な形状の構造物を提供し易くする。加えて、微小機構デバイスが単結晶シリコンデバイス層から形成されるため、潜在的に大きな疲労耐性だけでなく、実質的に均質で再生産可能なデバイス特性を提供できる。記述される組立技術は、電極に対し、漏れ電流と寄生容量を減少させる望ましい誘電体絶縁を提供し、これにより出力信号雑音を最小化することができる。最後に、記述される技術は、”オンチップ”型電気回路の使用を容易にする。
本発明の一実施例によると、輪組立部品の外側輪、即ちロータは、櫛形駆動電極を提供するために、隣接するステータ電極の指型部材と噛み合う複数の指型部材を有する。図１および図８にそれぞれ図示されているように、少なくとも２つのタイプの電極が、前記ロータ、接線方向の駆動ギヤの歯、または櫛の指を駆動するために使用される。櫛形駆動電極の使用は、駆動運動の駆動と検出に関し、一般にギヤの歯に比べてより高い容量を提供する。一方、駆動軸の機械的なＱが大きいと、ギヤの歯は、ステータ駆動電極中に含まれる試験質量（proof mass）に対して、より大きな移動と付加的なマージンを提供する。
対応する検出電極に隣接した外側輪の拡大領域もまた提供される。これらのより大きな検出領域は、ジャイロスコープの面からの（out-of-plane）感度を増加させ、更に振動する外側輪の角運動を増加させる。
図示の実施例では箱型である、歪み除去構造について説明する。１つの実施例では、スポーク湾曲体のそれぞれがその様な箱型領域を有する。箱型の領域は、外側輪の面内（in-plane）回転振動の結果として、スポーク湾曲体に加わる張力を減少させることに寄与する。特に、外側輪の回転に反応して、前記箱は拡大または伸長され、これによりスポーク湾曲体に軸歪みを与える力を吸収する。箱型の歪み除去の１次的な機能は、一定の共振周波数を維持している間は、駆動電圧と試験質量の移動との間に線形な関係を提供することである。目標は、大きな振幅の移動が生ずる期間、一定の駆動共振周波数を維持することである。大きな振幅は高い感度と一定の周波数の維持を可能とし、そして線形の駆動電圧関係は駆動制御ループを簡素化し、またデバイスを近接駆動するように操作して、感度を増加させる共振を検出することを可能とする。前記”伸長箱”構造なしに、スポークがより大きな角度曲がると、それらは長さを増加するように要求される。この伸長は、周波数、駆動電極、および振幅の間に非線形な関係を生じさせる。”伸長箱”との結合は、その箱が曲がることを許容し、これにより湾曲体の実効長を、それらを伸長させることなしに、増加させることが可能になる。
前記ステータは、前記駆動電極を取り付ける前記ステータの複数の柱の間の前記ステータのリムから前記基板に向けて外側に延長されるループ型領域の形態で歪み除去を伴い提供される。付加的な歪み除去は、輪組立部品を支持する柱湾曲体のスロットによって提供される。柱湾曲体のスロットは、組立時の圧力に起因して柱湾曲体が受ける力を吸収するように変形する。
ここで述べる実施例の振動輪式ジャイロスコープを組立てる改良されたウエハプロセスもまた説明される。改良されたウエハ組立技術によると、シリコンウエハの第１の表面をパターンニングおよびエッチングすることで、試験質量間隔を規定するように作用する台形部（メサ）が形成される。しかる後、前記表面には、前記試験質量の厚みを規定するために高濃度のほう素（Ｂ）がドープされる。前記表面は、それからパターンニングおよびエッチングされ（典型的には反応イオンエッチングにより）、これにより前記デバイスの周辺が規定され、また複数の指型部材を含むようになる。この表面は、その後、金属化された電極を含むガラス基板にボンディングされる。前記基板のドープされていない部分および少量しかドープされていない部分はＥＤＰ中の異方性エッチングによって除去され、電極の上方に架設され且つ前記台形部領域の基板に付着している試験質量が残こされる。
１つの変形された新規な単結晶組立技術が説明される。それはデバイスと基板との熱的整合に優れた全シリコン構造を可能とし、またオンチップ電子回路の結合を許容する。
【図面の簡単な説明】
本発明の前述した形態は、この発明それ自体と同様に、以下の図面の詳細な記述からより完全に理解され得る。図面において、
図１は、本発明による振動輪式ジャイロスコープの平面図、
図２は、図１の振動輪式ジャイロスコープの２−２線に沿った断面をブロック的に示す図、
図３Ａは、図１の振動輪式ジャイロスコープの単結晶構造技術による組立期間の一時点の断面図、
図３Ｂは、図３Ａの異なる組立時点の断面図、
図３Ｃは、図３Ｂの異なる組立時点の断面図、
図３Ｄは、図３Ｃの異なる組立時点の断面図、
図４Ａは、図１のジャイロスコープの外側輪の断面図、
図４Ｂは、図１のジャイロスコープの典型的な出力湾曲体を示す部分断面図、
図５は、多結晶シリコン構造技術によって組み立てられた図１のジャイロスコープの部分断面図、
図６Ａは、図５のジャイロスコープの典型的な出力湾曲体を示す部分断面図、
図６Ｂは、図５のジャイロスコープの他の出力湾曲体の実施例を示す部分断面図、
図７は、本発明による振動輪式ジャイロスコープの変形された実施例の平面図、
図８は、本発明による振動輪式ジャイロスコープの更に変形された実施例の平面図、
図８Ａは、図８のジャイロスコープの箱型歪み除去形態を示す拡大平面図、
図８Ｂは、図８の振動輪式ジャイロスコープにおける共振周波数と試験質量移動との関係を示す特性図、
図９は、本発明による振動輪式ジャイロスコープの他の変形された実施例の平面図、
図１０は、対称的に湾曲したスポーク湾曲体を有する振動輪式ジャイロスコープの簡略化した平面図、
図１１，１２，１３，１４，１５，および１６は、本発明の組立技術による種々の組立段階における図８のジャイロスコープの断面図、
図１７は、図８のジャイロスコープの部分断面図である。
好ましい実施例の説明
図１を参照すると、ロータ１２とも呼ばれる振動輪組立部品１２、および複数の駆動電極１４を有した振動輪式ジャイロスコープ１０が示されている。輪組立部品１２の下に一部配置された一対の検出電極１６ａ，１６ｂもまた、ここに示されている。輪組立部品１２は、図２に関連して説明される半導体基板２０から支持されている。ここでは、輪組立部品１２が一対の柱組立部品１８ａ，１８ｂによって基板２０上に支持されているというだけで十分である。柱組立部品１８ａ，１８ｂはそれぞれ、支持柱１９ａ，１９ｂと、出力湾曲体２２ａ，２２ｂとも呼ばれる柱湾曲体２２ａ，２２ｂとを有する。柱湾曲体２２ａ，２２ｂはそれぞれ、支持柱１９ａ，１９ｂの対応する１つと、輪組立部品１２の内側ハブ２４との間に図示のように結合される。輪組立部品１２は更に、外側輪２６と、内側ハブ２４から外側輪２６に向けて半径方向に延長される複数のスポーク湾曲体２８ａ−２８ｄを有する。外側輪２６は、複数の外側に延長された電極、即ち輪突起２９を有する。駆動電極１４は、輪突起２９に面した輪組立部品１２の円周の外側に間隙２７を介して配置されている。この駆動電極は、以下では接線方向の駆動電極１４とも呼ばれる。輪突起２９は交互に駆動電極１４と噛み合う点が明記される。駆動回路１１は、駆動電極１４のそれぞれに接続され、輪組立部品１２に回転振動を生じさせる。特に、動作において、輪組立部品１２を回転方向に励起してその輪組立部品１２に振動回転運動を与えるように、駆動電極１４は静電モータの場合と同様に、輪突起２９、特にその外側輪２６から離れて配置されている。即ち、駆動回路１１によって接線方向の駆動電極１４に通電すると、外側輪２６は振動、即ち輪組立部品１２の平面内で矢印３０の方向に前後に発振する。輪組立部品１２の面に垂直な軸（以下では、駆動軸または振動軸と呼ぶ）は、外側輪２６がその回りを回転する軸である。外側輪２６はこのようにして、その共振周波数に等しいか近い速度（率）、即ち周波数で振動する。輪組立部品１２がその共振周波数またはそれに近い周波数で振動することにより、駆動回路１１から供給される所要の駆動電圧が最小化される。機械的なＱの非常に大きなデバイスでは、湾曲体の歪み以外に何も構造的な制限がないので、接線方向のドライブは、非常に大きな角試験質量の回転を得るために配置され得る。
ジャイロスコープ１０は自己発振の手法で動作することができ、電気的な帰還ループが広い温度範囲にわたりジャイロスコープ１０をその共振周波数に維持できる点が明記される。この終わりでは、電極１４のいくつかは”ピックオフ”容量を供給し、これにより駆動回路１１には自己共振モータ駆動を達成するための帰還信号が供給される。
輪組立部品１２がその様に振動し、また入力軸３２の回りに生ずる回転速度に反応すると、発振出力トルクが出力軸３４の回りに発生する。駆動軸の回りの振動回転運動がデバイスの面内であるにも係わらず、結果として得られる出力トルクは、輪組立部品１２の平面（即ち、輪組立部品１２に対する非共平面）からのものである。駆動軸、入力軸３２、および出力軸３４は互いに直交し、入力軸３２および出力軸３４は、輪組立部品１２の面と共平面（コプレーナ）にある。出力軸３４の回りに結果として生ずるコリオリのトルクは、輪組立部品１２の回転周波数の発振速度と等しいものを有し、また入力回転速度に比例した振幅を有する。
ジャイロスコープ１０は、出力トルクが輪組立部品１２をその平面および出力軸３４の回りから付随的に偏位させた場合には、”開ループ”で動作することができる。代わりに、ジャイロスコープ１０を”閉ループ”状態で動作させ、検出した出力トルクに反応させて、出力偏位をゼロにするために、”再平衡”用の電圧を検出電極１６ａ，１６ｂ（即ち分割電極）に印加することが望ましい。
”開ループ”動作の場合、検出電極１６ａ，１６ｂは差動的に動作し、出力コリオリトルクによって引き起こされる輪組立部品１２の偏位の大きさを測定する。入力回転速度は、検出電極１６ａ，１６ｂに対し検出駆動回路３１を介して高い周波数のＡＣ信号を印加することで測定される。出力湾曲体２２ａ，２２ｂの１つからの出力信号１３は、図示のように、増幅器１５を含む通常の静電検出電子回路と、復調器や他の電子回路を含む回路２１に結合される。前記信号１３は、輪組立部品１２の偏位に比例したエンベロープ即ち変調信号を得るために、先ず検出信号の搬送波周波数に関して、それから外側輪の振動周波数に関して、増幅および復調される。このようにして、入力回転速度に比例した電圧を有する出力電圧信号２５が得られる。
”閉ループ”の場合は、検出電極１６ａ，１６ｂは付加的に輪部材１２にトルクを与えるために使用される。再平衡回路２３は、ジャイロスコープ１０の入力角速度に比例した振幅を有する出力電圧信号２５が供給される。再平衡回路２３は出力電圧信号２５に反応し、そこに印加されるＡＣ信号の振幅と位相を調整するために、検出電極１６ａ，１６ｂに帰還される信号を供給する。このようにして、輪組立部品１２は偏位ゼロの（即ち、面からの偏位がない）状態に維持される。
ジャイロスコープ１０の構造に特異すると、ある望ましい形態が明記される。スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄは、共平面にある入力軸３２と出力軸３４の回りの速度に対して相対的に硬いが、輪２６の回転振動を許容するように、曲げに関しては相対的に柔軟であるように設計されている。即ち、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄは、駆動軸の回りの運動に対して相対的に柔軟なのである。このことを達成するために、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄは薄いが、紙面の平面に入って出る距離だけ延長されている。換言すれば、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄは、その様な振動が、共平面にある入力軸３２および出力軸３４の回りのそれぞれの速度のように、面からの速度に結合していないことを補償する期間、駆動軸の回りの回転振動を相対的に容易にするために、好ましくは１：１から１０：１の範囲に入る高い面比率（即ち、面からの高さと幅の比率）を有する。この構成により、外側輪２６は、実質的に静止している内側ハブ２４に対して部分的に回転できるようになる。ここで、外側輪２６が駆動軸の回りを回転するときに、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄは伸長するのではなくて１次的に湾曲して偏位できるように、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄは湾曲しているのである。湾曲偏位は伸長より好ましいものである。何故ならば、後者は回転移動の大きさに対する回転駆動電圧の比率に非線形性を生じさせるからである。
外側輪２６は、大きな角運動ベクトルが創生されるように、駆動軸の回りを実質的な角度、例えば１°から４５°の間で回転できる事が望ましい。このことは後述するように、柱湾曲体２２ａ，２２ｂを外側輪２６内に集中させ、且つ回転方向に硬くしてあることで強調される。外側輪２６が回転できる角度はまた、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄの湾曲と高い面比率の１つの機能である。この構成は、外側輪２６をより重いものとして相対的に大きな角度で回転させることを許容し、これにより角運動を増加させることができる。与えられた入力速度に対して、大きな駆動運動が付随的な大きな出力トルクに対応し、これによりジャイロスコープ１０の感度が強化される。
大きな回転移動に適したスポーク湾曲体の変形例は、そして実際に輪組立部品１２の完全な回転を望むならば、それはコイルスプリング湾曲体（図示せぬ）である。その様な湾曲体は、輪組立部品１２の内側ハブ２４から螺旋状に外側輪２６まで延長される。しかしながら、入力軸３２に直交した速度成分を有する外側輪２６の質量は、出力コリオリトルクに寄与するだけである。
この輪組立部品１２は、ジャイロスコープ１０の感度を最大化するために、外側輪２６の他の部分の質量を最小化して、入力軸３２に直交する輪質量を最大化するように設計されている。ジャイロスコープ１０の実効性を強化するために、輪組立部品１２全体の質量を最小化することは望ましい。図１の振動する輪組立部品１２において、この輪質量の最適化は、入力軸３２から離れた位置に粗の（hollow）部分が配置され、入力軸に近い位置には密の（solid）部分１７ａ，１７ｂを配置した外側輪２６によって達成されている。この部分の組立については、図４に関連して後述される。輪組立部品１２の質量を最適化する他の方法は、後述する図７の輪組立部品１２’の実施例に関連して示される。ここでは、図７のジャイロスコープ１０’において入力軸３２から離れた位置に配置される外側輪２６’の一部に円形レールが使用され、これにより質量が最適化されている点を述べるだけで十分である。
柱湾曲体２２ａ，２２ｂに関すれば、回転入力エネルギーが直接出力軸３４に結合しないように、その様な湾曲体が湾曲に関し相対的に堅固であることが望ましい。湾曲体２２ａ，２２ｂは、入力軸３２の回りのトルクに対して相対的に堅固であるように設計されている。ところが、柱湾曲体２２ａ，２２ｂは、出力軸３４の回りで適切なトルク周波数が得られるように、ねじれに関しては柔軟である。即ち、その様な柱湾曲体２２ａ，２２ｂは、出力軸３４の回りのトルクに対しては相対的に柔軟である。”Ｔ”、”Ｕ”、”Ｉ”、または”Ｖ”の断面形状を有する柱湾曲体２２ａ，２２ｂが、これらの要求に適合する望ましいものであることが判明している。これは、その様な形状が、湾曲に対しては相対的に強く、ねじれに対しては相対的に弱い柱湾曲体を生み出すからである。この構成は、駆動エネルギーと出力軸３４との間の改良された分離を提供し、これによりジャイロスコープ１０の精度を強化する。
更に、出力軸３４の共振周波数が、輪組立部品１２が駆動軸の回りを回転する共振周波数の約５％以内であることが望ましい。出力コリオリトルクが駆動軸の共振周波数で出力軸３４に加えられるので、出力軸３４の共振周波数が駆動軸のそれに近い場合は、コリオリのトルクを倍増するある機械的な利得が実現される。前記２つの共振周波数は、互いに等しいか近いものであることが望ましい。この構成により、検出される入力回転速度の信号対雑音比は改善される。
図１の振動輪型ジャイロスコープ１０の全体構造は、図１の２−２線に沿った断面を示す図２を参照することでより明瞭になる。輪組立部品１２は、半導体基板２０上の誘電体層３８から、柱組立部品１８ａ，１８ｂによって提供される間隙４８、典型的には約２ミクロンを隔てて支持されている。図示されてるように、典型的にはより小さい間隙４６が、輪部分１７ａ，１７ｂ（図１）と検出電極１６ａ，１６ｂとの間に配置されている。輪組立部品１２の円周の外側に配置されているのは、典型的には１〜５ミクロンの間隙２７によって輪組立部品１２、特に輪突起２９から隔離された駆動電極１４である。輪組立部品１２は、内側ハブ２４と輪突起２９を示す破線によって区切られている。
図３Ａを参照して、図１のジャイロスコープ１０の組立に関連した微小機構デバイスを組み立てる新規な単結晶シリコン技術が説明される。組立期間のジャイロスコープ１０の部分を示す図３Ａと組立の後の段階のデバイスを示す図３Ｂとを比較すれば明らかなように、ジャイロスコープ１０は組立期間中は反転されている点が先ず明記される。後続するプロセスの記述は電気化学的な手段による基板４０の除去を記述するが、他のプロセス、例えば機械的なラップ仕上げおよび研磨をその代わりに使用することもできる。
図３Ａに示すように、ｐ型シリコン基板４０はその上層に、化学的蒸着法（ＣＶＤ）等により成長された、ｎ型のエピタキシャルシリコン層４２を有する。ｎ型エピタキシャル層４２は、後述するように、デバイス層を提供する。ｐ型基板４０の厚みは、その様な層４０が組立期間に除去されてしまうため、厳密なものではない。ｎ型のエピタキシャル層４２は、約５〜２０ミクロンの厚みを有する。組立プロセスのいくつかの変形例では、デバイス層４２、特にその表面４２ｂは、更に高濃度のほう素拡散のようなプロセスを受ける（即ち、層４４または５０がその上に積層される前に）。
酸化物スペーサ層４４は、層４２の上に、検出電極１６ａ，１６ｂと輪組立部品１２の底面との間の間隙４６（図２）と等しい厚み、例えば２ミクロンに積層される。開口またはバイアス５６が酸化物層４４の中にエッチングされ、柱組立部品１８ａ，１８ｂと基板２０（図１）との結合、および駆動電極１４と電極層５０との間の電気的な接続を可能とする。より一般的には、そのようなスルー接続５６は、基板２０（即ち、柱組立部品１８ａ，１８ｂおよび駆動電極１４用の接続点において）に対しデバイス層４２が接続されているか、または固定的に結合されている部分に位置することが望ましい。その部分は、そのようなデバイス層４２と基板２０との間の電気的接続が、基板４０が電気化学的な手法で除去される場合に、層４２を電気的にバイアスすることを許容するために望まれる所である。
多結晶シリコンの薄い層５０がその上に積層され、また図示するように構造または層５０ａ，５０ｂ，５０ｃを規定するためにパターニングされる。ここで、層５０ａは検出電極１６ａ，１６ｂ対の１つを規定し、層５０ｂは柱組立部品１８ａ，１８ｂ対の１つを提供し、層５０ｃは基板２０、層３８、およびデバイス層４２の間の電気的接続を提供する。層５０ｃによって提供される電気的接続は、層４２の電気的なバイアスに使用され、基板４０を電気化学的手法で除去できるようにする。積層されパターニングされた多結晶シリコン層５０は、パターニングに先行して、導電性を持つように、例えばリン（Ｐ）拡散によってドープされる。
それから電気的な絶縁物質の層５２が、約１ミクロンの厚みに積層される。層５２はここでは窒化シリコンで構成され、検出および他の電極１６ａ，１６ｂ（即ち、層５０ａによって規定されるものの１つ）を、基板２０から電気的に分離する。このようにして、電極５０ａが層５２の表面に形成される。換言すれば、電極５０ａと層５０の他の部分が層５２の表面に提供される。上述したように、基板２０とデバイス層４２との間の電気的接続を許容する開口５７が層５２に提供される。
その後、多結晶シリコンの層３８（図２を参照）が約５０ミクロンの厚さに積層される。多結晶シリコン層３８の表面５８は、ここでは層３８上に配置されているように図示されているが、支持基板２０に結合するために平坦に研磨される。層３８は、通常のボンデイング技術によって支持基板２０上に搭載される。多結晶シリコン層３８の厚みを増加させ、支持基板２０を排除することが望ましい点は明記される。即ち、より厚い層３８は、基板２０の代わりにデバイス支持体を提供することに使用できるのである。
しかる後、ｐ型シリコン基板４０は、電気化学的エッチングまたは他の適切な技術によって除去され、そして図３Ｂの構造を提供するように、デバイス１０は反転される。デバイス層４２の第２の表面４２ａはそれから、輪組立部品１２を提供するように加工される。どのような適切な微小機構デバイス形成技術でも、図１および図２の輪組立部品１２をデバイス層４２に提供するために使用され得る。例えば、デバイス層４２に高濃度のほう素を選択的にドープして、ＥＤＰ異方性エッチング剤のような異方性エッチングに関連して、希望する輪組立部品１２のパターンにエッチング耐性をつけることは望ましい。あるいは、そして特に高い面比率を有するスポーク湾曲体２８ａ−２８ｄの様な構造体が望まれる場合は、デバイス層４２を反応イオンエッチングによってパターニングすることが望ましい。これは、異方性エッチング剤が一般に精密制御しにくいからであり、反応イオンエッチングは、複雑なまたは深い縦方向の壁構造を提供するのによりよく適している。使用される如何なる方法にとっても、層４２ａの望ましくない部分はその後、図３Ｃに示される構造を提供するために、酸化物層４４をエッチストップとして使用してエッチングされる。図３Ｃおよび３Ｄは図３Ａおよび３Ｂの断面の一部分だけを示している点、および特に層５０ｃによって提供される電気的なスルー接続は示されていない点が明記される。
上述したように、輪組立部品１２を提供するためにデバイス層４２をエッチングしたら、デバイス１０は、酸化物層４４を溶解するために、フッ化水素酸中に配置され、これにより図３Ｄの”片持ち梁”構造を提供するために、輪組立部品１２と駆動電極１４を基板２０から切取り、そして自由にすることができる。その後、６０ａ，６０ｂのようなボンデイングパッドを必要とする部分に金またはアルミニウムの層６０が積層され、そしてフォトレジストリフトオフ技術によってパターニングされる。
高濃度のほう素を拡散した単結晶構造は、架設されたデバイス層４２に湾曲を生じさせる有害な残留拡散勾配や歪を生起させることに関係する。ここでは、高濃度のほう素拡散が使用される場合、上述した組立段階において、拡散が、デバイス層４２の上側及び下側の表面４２ａ，４２の両方から行われることが好ましい。
このようにして、層４２の湾曲を最小化するために、より多くの対称的な拡散領域が提供される。あるいは、層４２は、実質的に歪がなく且つＥＤＰ耐性があるエピタキシャル層を提供するために、ほう素とゲルマニウムを注入してエピタキシャル成長させることができる。
結果として得られた図３Ｄの構造から、層５０ａの検出電極１６ａ，１６ｂと層５０ｂの出力ノード１３（図１）が、半導体基板２０から誘電体的に分離できることが明かである。即ち、窒化シリコン層５２が検出電極５０と層３８および２０の間に配置される。このようなアイソレーションの有利さは、漏れ電流と寄生容量の低減が実現され、これにより出力１３中の雑音が低減されることである。
この単結晶組立技術の他の有利さは、デバイス層４２をその上側および下側の表面４２ａ，４２ｂの両方から加工できる可能性である。即ち、上述したように、デバイス層４２の第２の表面４２ａがデバイスの組立における遅い段階で加工されるのに対し、デバイス層４２の第１の表面４２ｂは早い段階で（即ち、層４４と５０をその上に積層する前に）加工できるのである。この構成は、高い面比率（即ち、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄのような）を有した複雑な形状の構造を許容し、またジャイロスコープ１０，１０’の他の形態を実現させる。この構築方法の他の有利さは、誘電体的に分離された基板３８、２０がグランド面として使用できる点である。それはまた、デバイスの共振周波数を電気的に調整する手段として、輪組立部品に対しバイアスすることもできる。
加えて、単結晶からデバイス層４２を加工することによって、実質的に均質で再生産可能な特性が達成される。更に、より大きな疲労耐性が提供される。”オンチップ”電気回路の使用は、通常のデバイス形成技術で基板２０上に部品を形成することによって容易になる。
次に図４Ａを参照すると、輪２６のリムを通る図３Ｄの断面の一部が、中間的なプロセス段階として示されている。上述したように、デバイス層４２に輪組立部品１２を提供するために、種々の加工技術が使用され得る。ここでは、輪組立部品１２（図１）の外側輪２６を提供する層４２の一部が示されている。ここでは明瞭化するために、層２０，３８，および５２は、単一の複合半導体層６２として示されていることが明記される。次の実施例では、エッチング耐性を提供するために高濃度ほう素添加が使用され、かくて幾何学的な形状が規定されることが仮定される。酸化物層４４の上には、輪組立部品１２を提供するデバイス層４２が積層される。外側輪２６を提供するために、デバイス層４２の各部がほう素によってエッチング耐性を持つ濃度に拡散される。特に、第１の部分６４は５〜１０ミクロンのような相対的に深い深さに拡散されて深い拡散領域６４を提供し、また第２の部分６６は１ミクロンのような相対的に浅い深さに拡散されて浅い拡散領域６６を提供する。そのような深い拡散領域６４と浅い拡散領域６６は実効的にデバイス層４２の上側表面４２ａおよび下側表面４２ｂにそれぞれ積層されることが明記される。この構成は、デバイス層４２を上側および下側表面４２ａ，４２ｂの両方から加工することで達成できる。上述したように、下側表面４２ｂを酸化物層４４を積層する前に加工することによってである。特に、デバイス層４２の上側表面４２ａから拡散された深い領域と浅い領域は一般的に領域６８ａと呼ばれ、またデバイス層４２の下側表面４２ｂから先に拡散された同様の領域は一般的に領域６８ｂと呼ばれる。層４４は、ここでは説明を明瞭にするためにそのまま示されているが、輪部分２６の下側になるその一部は、基板２０から輪部分を切取って自由にするために除去されることが明記される。
このようにデバイス層４２が拡散され、またプロセスが適当な段階に到達すると、上側および下側の拡散領域６８ａ，６８ｂの間の領域７０をエッチングしてそこから半導体物質を除去するためのエッチング剤が導入される。特に、ウイープ孔（図示せず）が、デバイス層４２の上側表面４２ａから拡散領域６８ａ，６８ｂ間の領域７０まで延長される。エッチング剤、典型的にはＥＤＰ（即ち、エチレンジアミン、ピロカテコール、および水）がそのような孔を通して導入され、領域７０からｎ型エピタキシャルデバイス層４２の部分を除去する。このようにして、上側および下側拡散領域６８ａ，６８ｂの間に粗の領域７０が提供される。この粗の領域は外側輪２６の粗の部分に対応する。上述したように、外側輪２６の領域を粗にすることによって、輪組立部品１２全体の質量が最小化され、これによりジャイロスコープ１０の実効性が改善される。
上述したように、”Ｔ”、”Ｕ”、”Ｉ”、および”Ｖ”の様な形状の柱湾曲体２２ａ，２２ｂを提供することが望ましい。それは、結果として得られる断面が、湾曲（ベンデイングとバックリング）に対しては相対的に強く、ねじれに対しては相対的に弱い、そのような湾曲体として好ましい特性を持つ梁（ビーム）を提供するからである。
図４Ｂを参照すると、一例として、”Ｉ”形状の柱湾曲体２２ａを有するジャイロスコープ１０の部分の断面が示されている。ここでは再び、図３Ｂの半導体層２０，３８，および５２が、単一の複合層６２として示されており、また酸化物層４４は説明を明瞭にするためにそのまま示されている。デバイス層４２はその上側および下側の両表面４２ａ，４２ｂから高濃度のほう素が拡散されている。相対的に深い拡散領域７２はデバイス層４２の上側および下側表面４２ａ，４２ｂに互いに併合するまで提供され、そして相対的に浅い拡散領域７４もまた、図示したように、デバイス層４２の上側および下側表面４２ａ，４２ｂに提供されている。層４２の上側表面４２ａに形成された深い拡散領域および浅い拡散領域は上側拡散領域７６ａを提供し、また層４２の下側表面４２ｂに形成された同様の拡散領域は下側拡散領域７６ｂを提供する。層４２の表面４２ｂからの加工は、基板４０が未だ付いたままの状態（図３Ａ）で、層４４を積層する前に行われることが明記される。これに対する層４２の表面４２ａからの加工は、図３Ｂの構造が得られた後、輪部材１２の幾何学的形状が規定される加工ステップに先行して行われる。この構成により、ここでは柱湾曲体２２ａを規定する”Ｉ”形状の拡散構造が形成される。即ち、湾曲体２２ａは、支持柱１９ａと輪組立部品１２（図１）の内側ハブ２４との間に結合される。典型的には、層４２内の拡散領域は、同じかまたは改善された拡散ステップで拡散され、そのことで相互に固着している構造が相互の中に拡散される。
図５を参照して、微小機構、特にジャイロスコープ１０を組み立てるための２層多結晶シリコンプロセスを使用した通常の技術の変形例を説明する。シリコンウエハ即ち基板８４が、その上に積層された窒化シリコン層８６を伴って提供される。層８６はその下に配置された基板８４の領域に対する保護を提供し、それにより、後で述べるように、そのような領域がエッチングされないようにする。導電性を持つように高濃度にドープされた多結晶シリコン８８の薄い層が、窒化シリコン層８６の上に積層され、また図示するように、それは出力湾曲体２２ａ，２２ｂに結合するための電極または検出電極１４（図１及び２）のような電極を形成するために選択的にパターニングされる。層８８はそれから、適切な技術、例えば反応イオンエッチングまたは化学的エッチングを伴うフォトリソグラフィによってパターニングされる。層８８はまた、デバイス１０の周辺に順次積層されたボンデイングパッド（図示せず）に電極を結合する導電性トレース（図示せず）を提供するためにパターニングされる。
層８８が希望通りにパターニングされたら、希望する電極間隙４８（図２）と等しい厚さの犠牲酸化物層９０をその上に積層する。層９０は、ここではリンをドープしたガラスから構成されるが、そのような層９０は、容易に積層およびエッチングできる如何なる絶縁性物質から構成されてもよい。柱組立部品１８ａ，１８ｂ（図１及び２）が配置される場所では、駆動電極１４が基板８４に結合される場所と同様に、層９０内にバイアスがエッチングされる。
その後、デバイス層を提供するために、相対的に厚い多結晶シリコンの層９４が積層され、且つパターニングされる。即ち、輪組立部品１２、柱組立部品１８ａ，１８ｂ、および駆動電極１４が層９４内に形成される。例えば、支持柱１９ａと柱湾曲体２２ａは、多結晶シリコン層９４ａ，９４ｂによってそれぞれ提供される。加えて、駆動電極１４は多結晶シリコン層９４ｃによって提供される。デバイスは、それから犠牲酸化物層９０を化学的に除去するためにエッチングされる。このようにして、多結晶シリコン層９４の部分は切り取られ、ジャイロスコープ１０の輪組立部品１２と駆動電極１４から自由になって、基板８４から架設される。
上述したように、柱湾曲体２２ａ，２２ｂを、例えば”Ｕ”または”Ｉ”形状で提供することが望ましい。図６Ａを参照して、”Ｉ”形状の柱湾曲体２２ａ用の多結晶シリコン組立技術を説明する。ここでは、”Ｉ”形状の梁湾曲体１２０を構築するために、第２の多結晶シリコン層９４と第３の多結晶シリコン層１２４に結合した犠牲酸化物層９０が使用される。即ち、導電性を持つようにドープされた多結晶シリコンの第１の層１２２が積層され、パターニングされる。層９６は第２の犠牲酸化物層であり、積層され、開口９８を提供するためにエッチングされる。ドープした多結晶シリコン層１２４は開口９８内に積層され、その上に積層される層１２２と共に、図示される”Ｉ”形状の梁構造１２０を形成する。
図６Ｂを参照すると、図５の多結晶シリコン組立技術に関連した”Ｕ”形状の柱湾曲体２２ａが示されている。ここでは、分離フォトリソグラフィ及びエッチングステップによって犠牲酸化物層９０が部分的に切断され、ドープされた多結晶シリコンの層１２６が選択的にその上に残されるときに、図示のような”Ｕ”形状の湾曲体が提供される。
図７を参照すると、図１のジャイロスコープ１０の変形された実施例１０’が示されている。振動輪式ジャイロスコープ１０’は、ジャイロスコープ１０のように、振動輪組立部品１２’と複数の駆動電極１４を備える。検出電極１６ａ，１６ｂも示されている。輪組立部品１２のように、輪組立部品１２’は内側ハブ２４’と外側輪２６’を備える。図示のように、複数のスポーク湾曲体２８ａ’−２８ｆ’が内側ハブ２４’と外側輪２６’との間に延びている。それは図１のスポーク湾曲体２８ａ−２８ｄのように湾曲した湾曲体２８ａ’−２８ｆ’を提供することが好ましい。
しかしながらここでは、輪組立部品１２’は、内側ハブ２４’内に集中的に配置された単一の支持柱１１０によって半導体基板２０の上に支持されている。一対の柱、即ち出力湾曲体１１２ａ，１１２ｂは、中央支持柱１１０から内側ハブ２４’の外側周辺２４ａ’に向けて、対角線的に上向きに延びている。特に、内側ハブ２４’は、外側周辺２４ａ’、支持柱１１０、および柱湾曲体１１２ａ，１１２ｂと結合した粗の領域を有する。この構成は、柱湾曲体１１２ａ，１１２ｂに対し、入力軸３２に沿った硬さと出力軸３４に沿った柔軟さを、希望通りに提供する。
図７のジャイロスコープ１０’では、外側輪２６’の質量は、外側輪２６’の外側リム１０２と内側リム１０４との間に延長された環状のレール１００ａ−１００ｄを使用することで最適化（即ち、入力軸３２に直交する方向に最大化され、その他の向きには最小化される）されている。即ち、環状のレール１００ａ−１００ｄは、外側輪２６’の離れた粗の領域１０６を規定する。そのような粗の領域１０６は、入力軸３２から離れた部分の質量を最小化する。検出電極１６ａ，１６ｂの上に積層された外側輪２６’の端部１０８ａ，１０８ｂはそれぞれ、入力軸３２に直交する質量を最大化するために密である。ジャイロスコープ１０’は、図３Ａ〜３Ｄに関連して説明した単結晶シリコン技術によって、あるいは図６の多結晶シリコン技術によって、更には他の技術によって組み立てられる。
駆動軸の回りをデバイスの面内で回転振動する輪組立部品１２または１２’を有するジャイロスコープ１０（図１）と１０’（図７）の動作では、ジャイロスコープ１０または１０’はそれらの入力軸３２の回りの回転速度に反応する。即ち、そのような入力回転速度に反応すると、図１に関連して説明したように、出力軸３４の回りに出力トルクが生成され、また入力速度に比例した出力信号２５が供給される。ジャイロスコープ１０，１０’は、従来提供されていた他の微小機構的なジャイロスコープに比べ、数々の優れた点を提供する。回転駆動機構（即ち、回転振動する外側輪２６）により、与えられたデバイスサイズに対して、他の変形した駆動機構より大きな質量移動が達成できる。更に、柱湾曲体２２ａ，２２ｂを集中的に外側輪２６内に提供して、外側輪２６の質量を出力軸から最大限離れた位置に集中させることにより、前記輪のより大きな角運動が達成できる。加えて、外側輪２６，２６’は、相対的に大きな角度で線形に回転でき、また単一の共振周波数を有する。即ち、接線方向の駆動電極１４と前記輪を支持する湾曲したスポーク２８ａ−２８ｄの使用は、駆動ストローク全体に実質的に均質な駆動力を与える。上述したように、スポーク２８ａ−２８ｄの動きは、１次的には曲がり、非線形な伸長はしない。構造の幾何学的形状は、非常に好ましい１つの基本的な共振モードを生じさせる。何故ならば、単一の出力モードはより高い製造上の許容誤差と生産量を生じさせるからである。
更に、入力回転速度および出力トルクに反応して湾曲する分離構造を提供することによって、ジャイロスコープ１０，１０’は実効的にジンバルで支持されることになる。即ち、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄ（図１）および２８ａ’−２８ｆ’（図７）は、駆動軸の回りの回転速度に反応して湾曲する。一方、柱湾曲体２２ａ，２２ｂ（図１）および１１２ａ，１１２ｂ（図７）は、出力軸３４の回りの速度（即ち、出力トルク）に反応して湾曲する。かくして、異なる構造が駆動および出力軸の回りの動きに反応して湾曲する。この構成により、輪組立部品１２，１２’は実効的にジンバルで支持されることになる。特に、そのようなジンバルを構成する回転の２つの軸は、スポーク湾曲体と柱湾曲体の湾曲によってそれぞれ達成される駆動および出力軸である。このジンバル構成は、他の望ましいデザイン特性を犠牲にすることなく、駆動および出力軸に関連する共振周波数をほぼ整合させることができるため、望ましいものである。即ち、スポークおよび柱湾曲体は、共振周波数がほぼ整合させるように設計されているにも関わらず、それぞれ駆動軸または出力軸の回りで柔軟となるように、個別に最適化できる。更に、ほぼ整合した駆動および出力軸の共振周波数は、コリオリのトルクを実効的に倍増する機械的な利得を提供する。これにより、ジャイロスコープ１０の信号対雑音比を改善できる。更に、上述したように、”Ｉ”、”Ｕ”、”Ｖ”、および”Ｔ”形状の出力湾曲体および柱湾曲体（図４Ｂ）は、駆動エネルギーと出力軸３４との間の分離（アイソレーション）を強化し、これによりジャイロスコープの精度を改善する。
単結晶シリコン組立技術は、従来のプロセス技術より優れた数々の利点を提供する。ちなみに、上述した単結晶組立技術は、デバイス層４２をその上側および下側の両表面４２ａ，４２ｂから加工することを許容する。このようにして、製造は一般に、特に複雑な形状の構造の製造は、容易になる。
加えて、前記微小機構デバイスは、潜在的に大きな疲労耐性と同様に、より均質で再生産可能なデバイス特性を提供する単結晶シリコンデバイス層４２から形成される。
単結晶シリコン組立により、電極（即ち、検出電極１６ａ，１６ｂ）間の誘電体分離が提供される。このことは一般的に、典型的に雑音に寄与する２つの現象、即ち寄生容量と漏れ電流を低減する。かくして、このようにして、出力信号雑音は低減される。
最後に、上述した技術は”オンチップ”電子回路の使用を容易にする。即ち、当業者にとって明白な単純な組立法の変更によって、電子回路（図１に示した電子回路に関連するもののような）は、ジャイロスコープ１０，１０’と同じ基板上に容易に組み立てられる。
図３Ａ〜３Ｄに関して説明した単結晶シリコン組立技術は、他のタイプの微小機構デバイスの組立に良く適合することが明記される。加えて、ここで述べられているジャイロスコープの基本思想は、非微小機構デバイスに対して適用することが望ましい点も明記される。即ち、ジャイロスコープ１０，１０’を例えば水晶、そして他の適切な素材から形成することは、本発明の思想の範囲内である。更に、柱湾曲体２２ａ，２２ｂは、回転する質量（即ち、一例として外側輪２６）の”外部”に位置させることができる。そのような構成では、柱組立部品２２ａ，２２ｂは、スポーク湾曲体２８ａ−２８ｄによって外側輪２６に結合している内側ハブ２４が回転させられるにもかかわらず（即ち、むしろ外側輪２６より）、外側輪２６と基板との間に延長される。
図８を参照すると、振動輪式ジャイロスコープの変形された実施例１４０が示されている。ジャイロスコープ１４０は、図１１〜１７に関連して説明される改良されたウエハプロセスによって組立てられた微小機構半導体デバイスである。ジャイロシコープ１４０は、輪組立部品即ちロータ１４４と、複数の指型部材１４６ａ−１４６ｈで終了する複数の駆動電極１４６ａ−１４６ｈを有し、対応する複数の柱即ち台形部１４７ａ−１４７ｈによってパイレックス（ＰＹＲＥＸ：商品名）または半導体基板（図１７）上に支持されている。ロータ１４４は、一対の柱組立部品１５２ａ，１５２ｂによって半導体基板上に支持された中央ハブ１５０と、複数のスポーク湾曲体即ちスポーク１５８ａ−１５８ｄと、複数の指型部材１６２を延長させる外側輪即ちリム１６０とを備える。ロータの指型部材１６２は、ステータ１４８による誘電動作をするために、ステータ１４８の指型部材１６４と噛み合わされる。スポーク１５８ａ−１５８ｄは、後述するように、それぞれの箱型歪除去部分１６６ａ−１６６ｄを有する。
柱組立部品１５２ａ，１５２ｂのそれぞれは、対応する支持柱１６８ａ，１６８ｂと、出力湾曲体１７０ａ，１７０ｂとも呼ばれる柱湾曲体１７０ａ，１７０ｂを備える。図１の駆動回路のような駆動回路（図示せず）が、電極１４６ａ−１４６ｈに駆動信号を印加するために、ステータ駆動電極１４６ａ−１４６ｈに結合される。
駆動電極１４６ａ−１４６ｈに通電することにより、輪組立部品１４４のリム１６０は、図１に関連して説明したと同じように、駆動軸１７２の回りを組立部品１４４の面内で回転方向に振動または発振する。図１の電子回路のように、ジャイロスコープ１４０は自己発振式に動作するか、あるいは開ループで動作する。輪リム１６０が回転振動している時に、入力軸１７４の回りに生ずる回転速度は、ジャイロスコープ１４０を出力軸１８０の回りのデバイスの平面から偏位させる。
複数の検出領域１８４ａ，１８４ｂが、輪組立部品１４４のリム１６０から入力軸１７４に沿って延長される。検出電極１８６ａ，１８６ｂは、組立部品１４４の面から外れた偏位を検出するために、支持基板上に、且つ対応する検出領域１８４ａ，１８４ｂの下に配置される。
図８のジャイロスコープ１４０の検出領域１８４ａ，１８４ｂは、図１の検出領域１７ａ，１７ｂより大きい点が明記される。拡張された検出領域１８４ａ，１８４ｂは有利である。その理由は、大きな検出領域は、面から外れた偏位を検出する感度を増加させるためであり、またリム１６０の増加された質量が、回転している輪組立部品１４４の角運動を増加させるためである。
どのようなジャイロスコープにとっても重要な設計の目的は、大きな振幅で駆動している期間に、一定の駆動共振周波数を維持することである。これにより、より高い感度を達成し、また駆動制御ループを単純化できる。スポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄにおける箱型の歪み除去部分１６６ａ−１６６ｄの機能は、駆動電圧と試験質量移動との間に線形の関係を提供し、それにより一定の共振周波数を維持することである。
輪組立部品１４４が増加した大きな振幅で発振するとき、張力負荷はスポーク１５８ａ−１５８ｄに作用する。これらのスポーク１５８ａ−１５８ｄは、本来的に湾曲に対するより張力に対して硬く、輪組立部品の回転移動が増加するとき、張力により移動する負荷の大部分を硬くする効果を示す。箱型部分１６６ａ−１６６ｄの機能は、対応するスポークの軸方向の移動を吸収することを長引かせ、これによりこの非線形硬化効果を低減することである。
箱型部分１６６ａ−１６６ｄの他の利点は、”掃引”、即ちこれらの領域の角度付けされた方向性によって達成される。即ち、対応するスポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄから直交して延びるよりは、むしろ図示するように、箱型領域１６６ａ−１６６ｄはスポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄから角度αで延長する。この構成により、箱型領域１６６ａ−１６６ｄの更なる延長は、対応するスポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄの張力硬さを減少させる。スポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄへ追加された軸負荷が、箱型部分１６６ａ−１６６ｄのＵ形状の領域１９０ｄの角度αを拡大し、増加させるため、この硬さの減少が生ずる。このことは、図８に破線で示すように、長い実効的な運動アームを創生する。運動アームの増加した長さは、スポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄの軸硬さを減少させることに寄与する。このようにして、掃引箱型領域１６６ａ−１６６ｄは更に、より大きな駆動振幅によっても、非線形な硬化効果を低減する。図示の実施例では、領域１６６ａ−１６６ｄの長さ”ｌ”は、その領域の幅”ｗ”が２０ミクロンのオーダーであるのに対し、２００ミクロンのオーダーである。
図８Ｂを参照すると、伸長箱１６６ａ−１６６ｄを有し、約１５°に角度付けされた図８のスポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄの硬さ率が、輪組立部品１４４の回転角（即ち、移動）の増加に対し実質的に一定であることが示されている。図８Ｂはまた、直線スポーク湾曲体を有するが、伸長箱は有しない振動輪式ジャイロスコープの硬さ率を示している。直線スポーク湾曲体の硬さ率は、輪の回転角の増加に伴い十分に増加する。共振周波数は物体の硬さの平方根に比例するため、図８のジャイロスコープの共振周波数は、輪の移動範囲にわたり有利に実質的に一定に維持される。これに対し、本発明の伸長箱を用いない直線スポーク湾曲体使用の振動輪式ジャイロスコープの共振周波数は、輪の移動に伴い変化する。
ここでは箱領域１６６ａ−１６６ｄが振動輪式ジャイロスコープに使用されているが、当業者には明らかなように、これらの領域の有利さは、音叉式のジャイロスコープのように、梁や他の湾曲体のような試験質量支持部材にかかる力によって非線形の移動が生じる如何なる微小機構デバイスにも使用できる。領域１６６ａ−１６６ｄが”箱型”と表現されているが、スポーク湾曲体１５８ａ−１５８ｄに沿う変形された形状の押出領域も図示した箱型領域の有利さを提供し、それらも本発明の範囲に含まれることは明らかである。領域１６６ａ−１６６ｄの効果は、図８Ｂに示すように、駆動信号振幅の相対的に大きな範囲にわたり共振周波数を一定に維持するように、仕立てることができる。あるいはまた、特定の用法では、駆動信号振幅の機能として共振周波数に負の変化を提供するように、領域１６６ａ−１６６ｄを設計する事が望ましい。
ジャイロスコープ１４０は、ステータ１４８から出力軸１８０に沿って外側に延びるループ形状の領域１９６ａ，１９６ｂを更に備え、追加的な歪み除去を提供する。特に、ループ領域１９６ａ，１９６ｂは、ステータ１４８のリム部分２００と噛み合う駆動電極１４６ａ−１４６ｄの間に位置する。組立期間に、領域２００は圧力（ストレス）を受ける。これらの圧力は、所望の領域にエッチング耐性をつけるためのほう素の添加に起因している。ほう素原子は、半導体格子内で入れ替わるシリコン原子より小さい。この圧力はまた、パイレックス基板を使用する場合に、パイレックスとシリコンの間の熱膨張差によって生ずる。ループ領域１９６ａ，１９６ｂは、リム領域２００にかかる力に反応して湾曲することで、その様な圧力を除去する。
ジャイロスコープ１４０には、張力除去用梁１７６ａ，１７６ｂを規定する支持柱１６８ａ，１６８ｂの表面にそれぞれ形成されたスロット２０４ａ，２０４ｂの形状の歪み除去形態が追加的に提供される。ドープしてないシリコン基板に対して異なる収縮を生起させるほう素拡散と、陽極ボンディング期間のパイレックス基板とシリコン輪組立部品との熱的な不整合との双方よって、出力湾曲体領域は組立期間に圧力を受ける。柱が直接出力湾曲体１７０ａ，１７０ｂに整列しているため、生成される圧力は非常に高いものとなる。張力除去用梁１７６ａ，１７６ｂは、湾曲に起因する幾何学的なたわみや破損を防止する。後述するように、レーザトリミングによって最終デバイスでは歪み除去用梁が拡大される領域を提供することで、この状況からいくつかの有利さが取り出される。
これは出力湾曲体の共振周波数を調整するための手段を提供する。このような手法でレーザトリミングするための技術は、１９９２年９月１日にPaul Griffに対し許可された米国特許第５，１４４，１８４号（名称：トリミング可能な共振周波数構造をもつ微小機構デバイスとそのトリミング方法）に示されており、ここではその内容を引用する。
図９を参照すると、更に変形された振動輪式ジャイロスコープ２１０が示されている。ジャイロスコープ２１０は、図８のジャイロスコープ１４０と同様である。ジャイロスコープ２１０は、対応する柱２１７ａ−２１７ｈによって基板（図示せず）上に支持された複数の電極２１６ａ−２１６ｈを有するステータ２１４と、そこから延長された複数の指型部材２２０とを備える。ジャイロスコープ２１０は更に、輪組立部品２１８の形態をとるロータを備える。輪組立部品２１８は、一対の柱組立部品２２４ａ，２２４ｂによって半導体基板上に支持された内側ハブ２２０を有する。各柱組立部品２２４ａ，２２４ｂは、柱２２６ａ，２２６ｂと、内側ハブ２２０から対応する支持柱２２６ａ，２２６ｂまで延びる出力湾曲体２２８ａ，２２８ｂとを有する。支持柱２２６ａ，２２６ｂは、輪組立部品をその上に架設できるように、半導体基板につながれる。
輪組立部品２１８は更に、輪組立部品の内側ハブ２２０と外側リム２３４との間に延びるスポーク湾曲体２３０ａ−２３０ｄを有する。図８の輪組立部品１４４のように、図９の輪組立部品２１８は更に、図示のような櫛型構成を形成するように、外側リム２３４の部分から延び、そしてステータ２１４の指型部材２２０と噛み合う複数の指型部材２３８を有する。輪組立部品２１８の検出領域２４０ａ，２４０ｂは対応する検出電極２４４ａ，２４４ｂの上に位置している。図９のジャイロスコープ２１０は図８のジャイロスコープと同様に動作し、ジャイロスコープ２１０が駆動軸２１６の回りを回転振動しているときに、入力軸２５０の回りの入力回転速度に反応してジャイロスコープ２１０は輪組立部品２１８の面と出力軸２４８の回りから偏位する。
ジャイロスコープ２１０は、図８のループ型歪み除去領域１９６ａ，１９６ｂのようなループ型歪み除去領域２５４ａ，２５４ｂを有する。特に、ループ型領域２５４ａ，２５４ｂは、リム部分２５６によって結合されるステータ電極２１６ｂ，２１６ｃおよび２１６ｆ，２１６ｇの間に位置する。この構成により、ステータのリム部分２５６に加わる圧力に反応して、対応するループ型領域２５４ａ，２５４ｂは延長され、これにより組立により導入される圧力を吸収し、そしてステータのリム部分２５６に加わる圧力を最小にする。ジャイロスコープ２１２０は更に、支持柱２２６ａ，２２６ｂをそれぞれエッチングしたスロット２６０ａ，２６０ｂを有する。図８の同様のスロット２０４ａ，２０４ｂに関連して説明したように、支持柱２２６ａ，２２６ｂ中のスロット２６０ａ，２６０ｂは、組立圧力を吸収するようにも作用する張力除去用梁１７７ａおよび１７７ｂを創生する。
図９のジャイロスコープ２１０は、図示するように、輪組立部品２１８の外側リム２３４中にエッチングされたスロット２７０ａ−２７０ｄの形態の歪み除去構成を更に有する。これらのスロットは張力除去用梁２９０ａ−２９０ｄを創生する。特に、図示するように、梁２９０ａ−２９０ｄのそれぞれは対応するスポーク湾曲体２３０ａ−２３０ｄの端部に隣接して配置される。梁２９０ａ−２９０ｄは、輪組立部品の外側リム２３４の回転運動に反応して、スポーク湾曲体２３０ａ−２３０ｄに加わる張力を吸収する。即ち、その様な回転運動に反応して、梁２９０ａ−２９０ｄは伸長し、図８の箱型部分１６６ａ−１６６ｂと同様に、対応するスポーク湾曲体２３０ａ−２３０ｄに加わる張力を緩和する。
図１０を参照すると、変形されたスポーク湾曲体２８６ａ−２８６ｈを有する単純化された振動輪式ジャイロスコープ２８０が示されている。特に、図１０のジャイロスコープ２８０の部分は、複数の湾曲したスポーク湾曲体２８６ａ−２８６ｈによって輪組立部品２８２の外側リム２８８に固定された内側ハブ２８４を備える。明らかなように、湾曲した梁２８６ａ−２８６ｈは対称的である。この構成により、輪組立部品２８２が回転振動する方向とは無関係に、輪組立部品に加わる力、そしてまた慣性力に対する輪組立部品の反応は、実質的に対称的になる。
図１１〜１７を参照して、図８の振動輪式ジャイロスコープの組立を説明する。この組立技術が、図１、図７、図９、および図１０の微小機構式ジャイロスコープの実施例の組立にも適用できることは容易に理解される。図１１および１２の断面図は、図８の出力軸Ｃ１８０に沿って取り出されたものであり、また図１３および１４の断面図は、図８の入力軸Ａ１７４に沿って取り出されたものであり、更に図１５および１６の断面図は、図８の軸Ｂに沿って取り出されたものである。
先ず図１１を参照すると、５００ミクロンオーダーの厚みを有するシリコン基板３００は、押出部分３０６，３０８を提供する通常のフォトリソグラフィ工程によってパターニングおよびエッチングされる上側表面３０２を有する。押出部分３０６、３０８は、やがて明らかになるように、支持柱１６８ａ，１６８ｂ（図８）を提供する。
基板３００のエッチングされた上側表面３０２は、不純物添加（ドープ）層３０４を形成するために、その後所定の深さ、例えば約１０ミクロンの深さにドープされる。不純物拡散は、図１１の側断面に示される前記表面の輪郭に追従する。図示の実施例では、層３０４にはほう素がドープされる。ほう素ドープ領域３０４はまた、ジャイロスコープ１４０の輪組立部品１４４を提供する。図１２をも参照すると、特定の応用の要求に応じた輪組立部品１４４を規定するように、ドープされた半導体構造はそれからパターニングされ、さらに例えば反応イオンエッチング（ＲＩＥ）法によってエッチングされる。図示の実施例では、図１１の半導体構造のエッチングは、軸Ｃ１８０（図８）に沿った外側リム１６０の部分を提供する領域３１６，３１８を形成し、更に図示するように、領域３０６，３０８を含む中央部分をそれぞれ離れた領域３１６，３１８から分離する。領域３０６、３０８間のドープされた層３０４の部分３２０は、ジャイロスコープ１４０の中央ハブ１５０（図８）および出力湾曲体１７０ａ，１７０ｂを形成する。
図１３および１４を参照すると、図１１および１２と同じ組立ステップにおける入力軸Ａ１７４（図８）に沿ったジャイロスコープ１４０の断面がそれぞれ示されている。特に、図１３では、シリコン基板３００は、その上に形成されたほう素ドープ層３０４を有するように示されている。ジャイロスコープ１４０の軸Ａに沿ったこの断面は、図１１の領域３０６、３０８のように、如何なる押出または台形部領域も切断していない点が明記される。
図１２の構造が形成されるＲＩＥステップは更に、図１４に示すように、軸Ａに沿った３つの領域３２４，３２６，３２８を形成する。中央の領域３２６は内側ハブ１５０（図８）を形成し、また離れた領域３２４，３２８は輪組立部品１４４の外側リム１６０に部分を形成する。
図１５および１６をも参照すると、ジャイロスコープ１４０の軸Ｂ（図８）に沿った断面が示されている。特に、図１５は、通常のフォトリソグラフィおよびエッチング技術によって基板３００の上側表面３３０内に形成された一対の押出領域、即ち台形部（メサ）３３２，３３４を示している。基板３００内に拡散されたほう素ドープ層３０４は、表面輪郭に追従している。図１２および１４の構造を提供するＲＩＥステップは、軸Ｂに沿った図１６の構造を生み出す。特に、エッチングステップは、図示のように、ほう素ドープ層３０４を切断する。領域３３２，３３４は、ステータ電極１４６ａ，１４６ｅ（図８）を図１７の基板上に架設することに寄与する柱または結合点を形成する。結合用柱３３２，３３４の間のほう素ドープ層３０４の領域は、ステータ１４８の指型部材１６４と同様に、輪組立部品１４４のスポーク湾曲体１５８ｂ，１５８ｄ、内側ハブ１５０、および噛み合った指型部材６１２を形成する。
図１７を参照すると、図８の完全なジャイロスコープ１４０の軸Ｃに沿った断面図が示されている。デバイス支持体、即ち基板３５０は、約７５０ミクロンの厚みを持つように提供される。１つの実施例では、基板３５０はパイレックスのようなガラスから構成される。検出電極１８６ａ，１８６ｂは、パイレックス基板３５０の上側表面３５２の上に形成される。電極１８６ａ，１８６ｂは適当な導電性材料、例えばチタンタングステン、パラジウム、金を多層に積層することで構成される。これはまた、適当な技術、例えばスパッタリングで積層される。基板３５０の上側表面３５２の上にはまた、ステータ台形部３３２，３３４（図１６）から基板３５０の端部まで延びる導電性トレース３５６が図示のように提供される。トレース３５６は、駆動電極１４６ａ−１４６ｈ（図８）に駆動信号を印加するための電気的な接続を提供する。パイレックス基板３５０が、その上に電極１８６ａ，１８６ｂおよび導電性トレース３５６を形成するために加工されると、図１２，１４，１６に異なる軸に沿った断面で示される輪組立部品構造が基板３５０の上側表面３５２に結合される。特に、シリコン構造は反転され、陽極ボンディングによりガラス基板３５０に結合される。図示されてはいないが、輪組立部品基板をシリコン基板に合金ボンディングする場合に関連して、シリコン基板が使用され得ることは明らかである。それから、シリコン基板３００は、例えばエッチングによって除去される。ほう素をドープした輪組立部品１４４とステータ１４８は、かくして図１７に示すように、ガラス基板３５０の上に架設される。図１７に示された輪組立部品１４４の形態は、中央ハブ１５０と、出力湾曲体１７０ａ，１７０ｂと、支持柱１６８ａ，１６８ｂと、外側リム１６０と、ロータの指型電極１６２とを含む。
当業者にとっては明らかなように、ここに述べられたジャイロスコープの種々の変形が、本発明の精神を離れることなく実施され得る。例えば、ここで述べられたジャイロスコープは、ここで引用する現在出願中の米国特許出願第０８／２９７，６５５号（名称：ガードバンド電極を備えた微小機構センサー）に配置され形成されているガードバンド電極を含むことができる。
本発明の好ましい実施例を述べてきたが、当業者には明らかなように、本発明の考えに関連した実施例も使用され得る。それ故、これらの実施例は開示された実施例に限定されるものではなく、むしろ添付した請求の範囲の精神によってのみ限定されるべきものである。
【図１】
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【図２】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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