JP2008241242A

JP2008241242A - 集積化モノリシック・ジャイロスコープ／加速度計

Info

Publication number: JP2008241242A
Application number: JP80001992A
Authority: JP
Inventors: William C Dunn; ウィリアム・シー・ダン
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 2008-10-09
Also published as: FR2740548A1; GB9225595D0; GB2346698A; DE4242557A1; DE4242557B4; US5313835A; GB2346698B

Abstract

【目的】単一の半導体基板上にジャイロスコープ、加速度計及びＭＰＵを集積する。
【構成】多軸ジャイロスコープ（２４）、単軸ジャイロスコープ（２６）及び３軸加速度計が単一半導体基板（２０）上にＭＰＵ（３０）と共に形成される。ジャイロスコープは３つの相互に直角な軸（Ｚ、Ｘ、Ｙ）回りの回転の感知手段を提供し、加速度計は３軸（Ｚ、Ｘ、Ｙ）に沿う加速度の感知手段を提供する。ＭＰＵ（３０）はジャイロスコープ及び加速度計を制御及び駆動して連続的な位置表示を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、新規で高性能の３軸基準系及び／又は慣性誘導システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、ジャイロスコープ又はジャイロスコープ装置が比較的大型で高価な電磁気装置で構成されていた。これらの電磁気装置は、比較的高速の連続回転運動のために取り付けられたコイル及び位置センサーを組み込んでいた。
【０００３】
やがて、半導体処理技術によって形成される構成部品に内蔵される超小型機械式レートジャイロが開発された。これらの装置は比較的小型であって、連続回転運動ではなく振動運動を利用するが、比較的低感度でありかつ製作費が高い。
【０００４】
超小型機械式レートジャイロの寸法は極小であり、十分な質量を得るためには金のようなある程度重い材料を必要とするので、一般にセントラルマス（ｃｅｎｔｒａｌｍａｓｓ）を備えたジャイロが構成される。セントラルマスは相互に直角な可撓軸を含むジンバル構造体に取り付けられ、セントラルマス及びジンバル構造体は共通平面内に在るように配置される。セントラルマス及び内側支持ジンバルが直角な軸の第１の軸の回りに揺動する（ｏｓｃｉｌｌａｔｅ）即ち振動する（ｖｉｂｒａｔｅ）と、コリオリの効果、即ち、ジャイロ効果によって、共通面に垂直な軸回りの回転運動が直角な軸の他方の軸回りの振動運動を発生させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の超小型機械式レートジャイロは幾つかの問題を有する。詳しくは、中央部に取り付けられたセントラルマスが高価であるうえに製作困難である。良好な感度を得るために十分な慣性をもたらすほどの大きな質量を得ることは困難であり、この構造体ではコンデンサーの極板間の距離が増大するから検知コンデンサーの感度が低下する。また、セントラルマスがジンバル支持体内で極く僅かでも偏心すると、感度はクロスアクシス加速度にすこぶる影響され易くなる。次に、平面構造ジンバル系が平坦面（ｐｌａｎａｒｓｕｒｆａｃｅ）に隣接して取り付けられるから振動運動の範囲が制限され、ジンバル系と平坦面との間の距離の増大が装置の寸法を実質的に増大させ、そのためにコンデンサーの間隔が増大し感度を低下のみでなく、価格及び構造体の複雑さを増す。更に、装置を入力軸が共通面に垂直な構造にするから、装置は単軸装置に制限される。装置が単一軸回りの運動だけを感知するから、あらゆる方向の運動を感知するためには相互に直角な関係にある３つの装置を入力軸に取り付ける必要がある。
【０００６】
加速度計の寸法及び価格を低減しようとして、従来技術では半導体製作技術を用いて構成したものもあった。これらの装置は金属等で形成されたプレートを一般に備え、該プレートを基板上でピボット運動できるように取り付けた。プレートは基板の平坦面に平行に配置され、それによって一つ又はそれ以上のコンデンサーを形成する。プレートが運動すると、その加速度によって、コンデンサー容量が変化する。この変化が電子回路によって感知され、加速度を表す信号に変換される。
【０００７】
ジャイロスコープ及び加速度計は、ビークルのあらゆる方向の運動及び加速度を感知するための慣性誘導ユニットにおいて有用である。この情報から、ビークルの位置が常時決定できる。上述のようなジャイロスコープ及び加速度計は、単軸装置として製作される。全方向の運動の表示を得るためには、従来技術の３つのジャイロスコープ及び／又は加速度計が配置され、その感知軸が相互に直角に置かれる必要がある。このことは、一つ又はそれ以上のジャイロスコープ及び／又は加速度計が相互に角度をなして配置される必要があるから、最終ユニットはやはり比較的大きく、かつ全ユニットが単一平面ユニットとして形成されるには至らないことを意味する。更に、各ジャイロスコープ及び／又は加速度計が別々の半導体基板に構成されるから、信号はチップ間を伝送される必要があり、更に、周知のように、信号の増幅、バッファ、及びチップ間の伝送には多量の電力を要し、雑音が発生し、それによってシステムの感度が低下する。
【０００８】
本発明の目的は、新規の高性能の慣性誘導システムを提供することである。
本発明の別の目的は、簡単で廉価で再現性を有しかつバッチ製作可能な新規の高性能の慣性誘導システムを提供することである。
本発明の更に別の目的は、極めて小型コンパクトで高感度の慣性誘導システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これら及び他の目的及び利点は、３つの相互に直角な軸の回りのジャイロスコープ出力を与えるジャイロスコープ装置からなる慣性誘導システムにおいて、ジャイロスコープ装置が半導体基板上に形成され、制御回路が同一の半導体基板上に形成され、ジャイロスコープ装置を制御しかつジャイロスコープ出力を受信するためにジャイロスコープ装置に電気的に接続されることによって実現される。
これら及び他の目的及び利点は、３つの相互に直角な軸に沿う加速度出力を提供する加速度感知装置慣性誘導システムにおいて、感知装置が半導体基板上に形成され、制御回路が同一の半導体基板上に形成されて感知装置を制御しかつ感知装置出力を受信するために感知装置に電気的に接続されることによっても実現される。
【００１０】
【実施例】
図１を参照すると、本発明によって上面に慣性誘導システム２２が形成された半導体チップ２０の平面図が示してある。慣性誘導システム２２は２軸ジャイロスコープ２４、単軸ジャイロスコープ２６、３軸加速度計２８、温度感知回路２９及びＭＰＵ３０を含む。ジャイロスコープ２４及び２６並びに加速度計２８の各々は一つの側が略４０ミルに構成されると理解すべきである。更に、多数の別の構成が可能であるが、図示の物が最も有利なように見えるよう、ＭＰＵ３０は一つの側が略１８０ミルである。
【００１１】
２軸ジャイロスコープ２４については、本出願と同日出願され同一譲受人の係属中の出願、発明の名称「回転振動式ジャイロスコープ（ＲＯＴＡＴＩＯＮＡＬＶＩＢＲＡＴＩＯＮＧＹＲＯＳＰＯＰＥ）」に更に詳細に開示されている。単軸ジャイロスコープ２６については、本出願と同日出願され同一譲受人の係属中の出願、発明の名称「振動モノリシックジャイロスコープ（ＶＩＢＲＡＴＩＯＮＭＯＮＯＬＩＴＨＩＣＧＹＲＯＳＰＯＰＥ）」に更に詳細に開示されている。本発明の構造体に組み込み得る多軸及び／又は単軸ジャイロスコープの他の実施例については、やはり本出願と同日出願され同一譲受人の係属中の出願、発明の名称「多軸ジャイロスコープ（ＭＵＬＴＩ−ＡＸＥＳＧＹＲＯＳＣＯＰＥ）」に開示されている。３軸加速度計については、やはり本出願と同日出願され同一譲受人の係属中の出願、発明の名称「３軸加速度計（３ＡＸＥＳＡＣＣＥＬＥＲＯＭＥＴＥＲ）」に更に詳細に開示されている。これら３件の特許出願を本出願に援用するものとする。
【００１２】
具体的には図２を参照すると、回転振動式ジャイロスコープ２４の拡大平面図が示してある。ジャイロスコープ２４は中央開口を有する通常円盤状をなすロータ３２を含む。中央位置に配置された支持柱３５は基板２０の平坦面に対して垂直をなすように該面に固定される。ロータ３２は支持柱３５に複数の、この特定実施例では２つの、螺旋状スプリング４２Ａ及び４２Ｂによって回転可能に取り付けられる。螺旋状スプリングの４２Ａ及び４２Ｂの各々は、一端を支持柱３５に、他端をロータ３２の内側縁に、それぞれ固着する状態で取り付けられる。螺旋状スプリング４２Ａ及び４２Ｂはロータ３２を基板２０の平坦面に平行な面内に保持し、支持柱３５の回りに限定された回転振動（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ）即ち揺動運動（ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙｍｏｖｅｍｅｎｔ）できるように設計されている。
【００１３】
複数の駆動素子４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄ、及び４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄが間隔を保った関係でロータ３２の外側縁の周辺に配置される。駆動素子４５Ａ乃至４５Ｄ及び４６Ａ乃至４６Ｄの各々は、小さな極板（フィンガー）に隣接して配置され、これら極板はロータ３２に取り付けられた同様な極板（フィンガー）４７Ａ乃至４７Ｄとインターディジタル構造をなす。また、素子のすべてはロータ３２と同一平面内に在る。極板４５Ａ乃至４５Ｄ及び４６Ａ乃至４６Ｄは電気的に接続されている。極板４５Ａ−４５Ｄと４６Ａ−４６Ｄとに交互にパルスを印加して、極板４５Ａ−４５Ｄと４７Ａ−４７Ｄとの間、及び同様に４６Ａ−４６Ｄと４７Ａ−４７Ｄとの間の静電引力によって、ロータ３２に揺動即ち回転振動を起こさせる。駆動素子は直径方向に対向する位置にあり、支持柱３５回りに一様な回転を起こす。生ずる振動周波数は構造体の共振周波数であり、振幅が制御される。
【００１４】
複数の容量板５０Ａ、５１Ａ、５２Ａ及び５３Ａが間隔を保ち、ロータ３２の上側主平面と重畳関係に配置され、ロータ３２と結合して４つのコンデンサーを形成する。４つの同じ形状の板５０Ｂ、５１Ｂ、５２Ｂ、５３Ｂがロータ３２の下側主平面に関して同じ位置に配置される。容量板５０Ｂ乃至５３Ｂはロータ３２の対向する主平面と結合して４つのコンデンサーを形成する。容量板５０Ａ乃至５３Ａ及び５０Ｂ乃至５３Ｂで形成されたコンデンサーは、回転面から偏るロータの運動を感知するために用いられ、ロータ３２を回転面に復元させ、それによってロータに作用する力を測定する感知コンデンサーである。
【００１５】
図２に示す実施例においては、ロータ３２は、素子４５Ａ乃至４５Ｄ及び４６Ａ乃至４６ＤによってＺ軸回りに回転させられる。容量板５０Ａ−５０Ｂ及び５１Ａ−５１ＢがＸ軸に関して対称的に配置され、容量板５２Ａ−５２Ｂ及び５３Ａ−５３ＢがＹ軸に関して対称的に配置される。ジャイロスコープ２４のＸ軸回りの任意の回転運動は、コリオリの力即ちジャイロ効果によって、ロータ３２のＹ軸回りの運動を引き起こし、容量板５０Ａ、５０Ｂ、５１Ａ、５１Ｂとロータ３２の間の容量の変化によって、その運動が感知される。同様にして、ジャイロスコープ２４のＹ軸回りの任意の回転運動がロータ３２のＸ軸回りの運動を引き起こし、容量板５２Ａ、５２Ｂ、５３Ａ、５３Ｂとロータ３２の間の容量の変化によって、その運動が感知される。
【００１６】
図３乃至図８を参照すると、回転振動式ジャイロスコープ２４を製作する工程が図示してある。図３には、表面に窒化ケイ素のような絶縁層からなる平坦面と、その上に選択的に堆積された容量板５０Ｂ及び５１Ｂとを有する基板２０が示してある。容量板５０Ｂ及び５１Ｂは、金属、高度に不純物を添加したポリシリコン等のような使い易い導体／半導体材料で形成される。スペーサー５５は容量板として同様な使いや易い材料で選択的に堆積される。次に図４に示すように、一般に犠牲材料（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｍａｔｅｒｉａｌ）と称せられる材料からなる容易にエッチングされる層５６で中央構造体が被覆される。層５６は、残留成分に実質的影響を与えることなく容易に除去される材料、例えばホスホシリケートガラス（ＰＳＧ）、で形成される。次いで、スペーサー５５が露出するように、層５６が選択的にエッチングされる。
【００１７】
図５を参照すると、ポリシリコンのような材料の層が選択的に堆積されて、中央支持柱３５、螺旋状スプリング４２Ａ及び４２Ｂ並びにロータ３２を形成する。層５５は支持柱３５を通り越して延伸され、スプリング４２Ａ及び４２Ｂと基板２０との間の静電遮蔽としてはたらくことに留意すべきである。ロータ３２は高度に不純物添加され、十分に導電性であって、上側及び下側の容量板でコンデンサーを形成する。図６に示すように、ポリシリコン被覆ロータ３２の上には犠牲材料からなる別の層５８が選択的に堆積される。層５８は層５６と同じ材料で形成され、両者とも同時に除去される。
【００１８】
図７を参照すると、層５９（この層は層５５、３２、３５等と同一の材料からなる）が選択的に構造体に堆積される。図８に示すように、層５９は上側容量板５０Ａ及び５１Ａを形成するために用いられる。次に犠牲層（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｌａｙｅｒ）５６及び５８がプラズマ又はウエットエッチングのような適当な方法で除去されて、ジャイロスコープ２４が完成する。ジャイロスコープ２４を形成するためには多数の別の方法が使用でき、ここに説明する方法は単ある一例に過ぎないことは当業界の技術者は自明である。また、多数の別の表面微細加工用の材料が使用でき、上述の材料は単なる一例に過ぎない。また、上側、下側及び回転板の組立体に用いられるウエーハー接着技術によってシリコンの構造体をバルク微細加工する（ｂｕｌｋｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅ）ことも可能である。
【００１９】
図９は、図２のジャイロスコープ２４に電気的に連接された感知及び制御回路の概要図を示す。感知及び制御回路は別個の回路として示してあるが、所望なら実際にはチップ２２に集積でき、この特定実施例は単に説明のためのものであって、回路の機能はＭＰＵ３０に組み込まれることは当業界の技術者には明らかであろう。
【００２０】
ジャイロスコープ２４の中央支持柱３５及びロータ３２は、図９のノード３５で表され、感知及び制御信号が図示の論理素子を介して容量板５０Ａ−５３Ｂに印加される。容量板５０Ａ及び５０Ｂで形成されるコンデンサー間の容量の差によってノード３５に電荷が生じ、これが増幅され、反転され、増幅器３６によって電圧に変換される。ラッチ回路３９では、正電圧がハイとしてラッチされ、負電圧がローとしてラッチされる。ラッチ回路３９からの出力信号は論理ゲートを介してインバーターにフィードバックされ、インバーターはＶ_REF及び接地を容量板５０Ａ及び５０Ｂに印加する。Ｖ_REF及び接地電位が容量板５０Ａ、５０Ｂに印加されると、該象限に静電力が発生し、これがロータ３２に加えられてロータに力を及ぼし、中央位置にロータを保持する。従って、容量板の各組がサンプリングされ、各区画において生ずる補正作用がロータ３２の位置を中央に寄せる。
【００２１】
ＭＰＵ３０、又は図示しない他の特注論理を用いて、ラッチ回路３９−４２がサンプリングされ、平均のハイ及びロー駆動期間が長時間に亙って比較される。時間領域を（例えばＭＰＵ結晶に対して）測定することによって、極めて正確な測定が可能になること、及びディジタル法を用いる長時間測定が極めて広いダイナミックレンジの測定を可能とし、精密測定用の高感度装置を与えることに留意すべきである。
【００２２】
図１０及び図１１を参照すると、振動モノリシックジャイロスコープ２６の実施例が示してある。基板２０は平坦面上に形成されて第１の軸（この特定実施例では入力軸となる）を規定する支持支柱１１５を備える。一般的には矩形状の振動検知錘（ｓｅｉｓｍｉｃｍａｓｓ）１２０が基板２０の平坦面の上方において平行に間隔を保った関係で配置される。錘１２０は内部に中央開口１２１を有し、更に、一般的には支持柱１１５の周囲に対称的に配置される。一対のキャンティレバーアーム１２２の一端が支持柱１１５の両側に固定され、各アーム１２２の他端は錘１２０の内側縁部に取り付けられている。アーム１２２は第１の軸に直角な第２の軸を規定し、本実施例においてはその軸回りにジャイロスコープ２６が駆動、即ち振動される。第３の軸は第１及び第２の軸の両方と相互に垂直に規定され、この第３の軸は出力軸である。アーム１２２が、種々な構成品の取付及び／又は連結用の適当な開口を有する材料からなる連続シート、又は織物として形成できることは無論明らかである。
【００２３】
２対の板１２５が、基板２０と錘１２０との間の基板２０上に配置され、１対はアーム１２２の各々の外側端に隣接して配置される。板１２５は第２の軸の両側に離隔して配置され、第２の軸の両端部において錘１２０とコンデンサーＣ２及びＣ４を形成する。穴１２７は、錘１２０の下方から錘１２０が基板２０に接触しないで移動できる距離まで伸びるように、基板２０にエッチングによって形成される。
【００２４】
２対の板１２９が錘１２０の上側主平面の上方に配置され、１対はアーム１２２の各々の外側端に隣接して配置される。板１２９は第２の軸の両側に離隔して配置され、一般的には板１２５とは重畳関係に置かれて、第２の軸の両端部で錘１２０とコンデンサーＣ１及びＣ３を形成する。板１２９は、例えば（図３に示すように）第３の半導体層を第２の半導体層の上に選択的に堆積するか又は慣用のクロスオーバブリッジを形成することによって形成される。
【００２５】
図１２を参照すると、コンデンサーＣ１乃至Ｃ４を含む駆動回路の概要図が示してある。図示の回路では、コンデンサーＣ１及びＣ４が反転駆動信号を受信するように接続されており、コンデンサーＣ２及びＣ３が直接に（タイミング及びバッファリング用として２回反転されて）駆動信号を受信するように接続されている。駆動信号は交番するエネルギーのパルスからなる。コンデンサーＣ１乃至Ｃ４は直径方向に対向するコンデンサーが同一信号を帯びるように接続されているから、交番パルスがコンデンサーに印加されると、錘１２０は第２の軸回りに（この実施例では、その固有共振周波数で）振動（ｖｉｂｒａｔｅ）、即ち揺動（ｏｓｃｉｌｌａｔｅ）する。コンデンサーは各振動即ち揺動の振幅をモニターし、揺動を一定に保持するために用いられる。
【００２６】
図１３を参照すると、コンデンサーＣ１乃至Ｃ４を含むセンターリング及び感知回路の概要図が示してある。図示の回路では、コンデンサーＣ１及びＣ３がセンターリング及び／又は感知信号を直接に（タイミング及びバッファリング用として２回反転されて）受信するように接続されており、コンデンサーＣ２及びＣ４が反転されたセンターリング及び／又は感知信号を受信するように接続されている。この閉ループ作動のモードでは、錘１２０の下方のコンデンサーが並列に接続され、錘１２０の上方のコンデンサーが並列に接続されている。このようにコンデンサーを接続することによって、一層大きな感知能力と均一なセンターリングフォースが得られる。
【００２７】
ジャイロスコープ２６の作動時には、錘１２０の各端部にあるコンデンサーＣ１乃至Ｃ４は、図７及び図８に示すように、２モードで時分割される。第１のモードではコンデンサーＣ１乃至Ｃ４は図１２に示すように接続され、アーム１２２によって規定される第２の軸回りに振動即ち揺動する運動が錘１２０に伝えられる。コンデンサーＣ１乃至Ｃ４は感知モードに周期的に切り換えられる。ジャイロスコープが、支持柱１１５によって規定される第１の軸回りに回転すると、コリオリの力即ちジャイロ効果が錘１２０の第３の軸回りの振動を引き起こす。この振動が錘１２０の各端部においてＣ１、Ｃ３の容量に実質的に等しい変化を、Ｃ２、Ｃ４の容量に等しい変化をもたらす。容量の変化が感知され、測定されたジャイロスコープ２６の回転速度を表す信号に変換される。次いで閉ループ信号として図１３に示す回路に駆動信号（これは感知された振動によって起こされる）が印加されて、錘１２０を中心へ駆動する。
【００２８】
図１４は、図１０のジャイロスコープ２６に接続される感知及び制御回路の概要図を示し、図１５は回路内の種々の箇所で使用される波形を示す。図１４及び図１５を説明する便宜上、錘１２０の一端に形成されたコンデンサーをＣ１Ａ乃至Ｃ４Ａと表し、錘１２０の他端に形成されたコンデンサーをＣ１Ｂ乃至Ｃ４Ｂと表すことにする。錘１２０、又は対をなすコンデンサーの各々の中央板は、図１４ではノード２１５で表され、信号は図示の論理素子を介してコンデンサーの各々の上側及び下側の容量板に接続される。時刻Ｔ＝０（図１５）において、コンデンサーは図１３に示す構成に切り換えられ、入力端１Ｐ１はハイになり、コンデンサーＣ１Ａ及びＣ３Ａの上側板にＶ_REF電圧を印加し、コンデンサーＣ２Ａ及びＣ４Ａの下側板を接地電位にする。中央板即ちノード２１５は仮想接地増幅器（ｖｉｒｔｕａｌｇｒｏｕｎｄａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２１６によってＶ_REFに保たれ、該増幅器は、制御入力端のロー信号Ｐ３のよって閉じるスイッチ２１７によって単位利得（利得１）を有する。
【００２９】
時刻Ｔ＝１において、Ｐ３がハイに駆動され、スイッチ２７が切れ、その結果増幅器２１６は仮想接地積分増幅器として作動を開始する。時刻Ｔ＝２において、入力端１Ｐ２はローからハイに切り換えられ、それによってコンデンサーＣ１Ａ及びＣ３Ａの上側板の電圧をＶ_REFから接地電位に切り換えさせ、コンデンサーＣ２Ａ及びＣ４Ａの下側板の電圧を接地電位からＶ_REFへ切り換えさせる。Ｃ１Ａ＋Ｃ３ＡとＣ２Ａ＋Ｃ４Ａとの間に容量の差があれば、ノード２１５の電荷に変化が生じ、それが増幅器２１６によって増幅され、反転され、電圧に変換される。
【００３０】
時刻Ｔ＝４において、増幅器が安定する時間を経た後で、信号がラッチ回路２１９にラッチされる。ラッチ回路２１９は入力端１Ｐ２における信号で計時されるネガティブエッジトリガーラッチであって、正電圧信号を「ハイ」として、また負電圧信号を「ロー」としてラッチする。ラッチ回路２１９からの出力はゲート２１０、２１１、２１２、２１３、２１４及び２３５を介してインバーター２３６、２２７、２２８、２２９、２２０及び２２１へフィードバックされ、Ｖ_REF及び接地電位をコンデンサーＣ１Ａ、Ｃ２Ａ、Ｃ３Ａ及びＣ４Ａに印加する。上述のように、Ｖ_REF及び接地電位を印加することによって、同一電位が板Ｃ１ＡとＣ３Ａに印加され、同一電位がＣ２ＡとＣ４Ａに印加され、その結果中央板即ち錘１２０に静電力が生じて錘１２０を中心に引き付けて保持する。Ｔ＝４からＴ＝３２の時間帯及び再びＴ＝６４からＴ＝９６の時間帯において静電力が錘１２０に生ずる。錘１２０の位置はＴ＝１２８の時間帯で再びサンプリングされる。Ｔ＝６４、１９２等においては、コンデンサーＣ１Ｂ＋Ｃ３Ｂ及びＣ２Ｂ＋Ｃ４Ｂがサンプリングされ、Ｔ＝６４乃至９６、及び１２８乃至１６０の間においては錘１２０の他端で錘１２０を中央へ駆動するように補正静電力が生ずる。
【００３１】
１秒に及ぶ長時間に亙り、錘１２０の端部Ａのコンデンサー板への補正静電力の持続時間が錘１２０の端部Ｂにおける補正静電力と比較される。これらの信号は交流であり、錘１２０の振動周波数によって変調されているから、信号は復調された後に比較しなければならないことに留意すべきである。この比較が回転速度を与える。最大感度は感知板の間隔を近付けてコンデンサーの組の間隔を最適化することによって得られる。
【００３２】
この特定実施例においては、アーム１２２によって規定されるＸ軸回りの錘１２０の揺動即ち振動は次のようにして成される。時間Ｔ＝０乃至３２、６４乃至９６、１２８乃至１６０等の間に、ゲート２２２、２２３、２４及び２２５に接続された入力端３Ｐ２の信号はハイである。このハイの信号はラッチ回路２２６からの信号がコンデンサー板を制御又は駆動できないようにし、かつ同時に、ラッチ２１９及び２３０からの信号が錘１２０を感知及び制御することを可能にする。時間Ｔ＝３２乃至６４、９６乃至１２８等の間には、入力端１Ｐ２及び２Ｐ２の信号はハイであり、ラッチ回路２１９及び２３０からの信号がコンデンサーに印加されるないようにする。従って、これらの時間帯では、コンデンサーはラッチ回路２２６から駆動される。
【００３３】
時間帯Ｔ＝３２乃至６４、９６乃至１２８等では、図１２に示す構成に電子的に切り換えられており、錘１２０の角位置は各サイクルの開始時に、Ｃ１Ａ＋Ｃ４Ａ＋Ｃ１Ｂ＋Ｃ４ＢとＣ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂとの差容量を測定することによって感知される。次いで、錘１２０は、上側板及び下側板に適当な電圧を印加して錘を揺動させるように静電力で駆動される。例えば、アーム１２２を通る軸（Ｘ軸）回りの回転が感知される。錘１２０は予め定められた容量差が感知されるまで一方向に駆動され、その後で、ラッチ回路２１９がトリガーされ、錘１２０の駆動電圧が反転され、錘１２０は予め定められた容量が感知されるまで反対方向に駆動される。この駆動方式を用いれば、錘１２０はＸ軸回りに構造体の固有共振周波数で、一定の揺動振幅をもって揺動即ち振動させられる。その結果、錘１２０は共振状態で駆動される、Ｚ軸回りのジャイロスコープの回転によって生ずる任意のコリオリの力が測定され、錘１２０は駆動信号を４対の感知コンデンサーに多重分配することによって中央位置を実質的に保つ。
【００３４】
図１６乃至１９は３軸加速度計２８の実施例を更に詳細に示すものである。特に図１６を参照すると、加速時計２８が基板２０に形成され、基板２０の平坦面上に支持された第１の導電層１５４含んでいることが分かる。第２の導電層１５６は中央位置の柱１５８に支持され、該柱は順に基板２０に支持されている。層１５６は層１５４に対して重畳して間隔を保つ関係で配置され、次に説明するように可動である。第３の導電層１６０は、層１６０の外周縁から基板２０に向かって延伸する柱１６２によって、層１５６に対して間隔を保って重畳関係に固定配置される。種々の層が周知の微細加工技術及び先述した犠牲層の使用によって形成されるが、更に詳細な説明は行わない。
【００３５】
図１７は、相対位置を示すように柱１６２の断面図と共に、層１５６の平面図を示す。層１５６は一般的には４本のアーム１６４によって中央支持柱１５８に取り付けられた方形で平面的な錘である。アーム１６４は、層１５６を柱１５８に対して任意の方向に移動自在になすスプリング類似の作用を与える屈曲した中央部分を備えて形成される。層１６０は４つの一般に矩形状導電板１６６を含み、各板は層１５６の類似の形状部分に合致する２つの切頭コーナー（ｔｒｕｎｃａｔｅｄｃｏｒｎｅｒ）を有する。板１６６の各々は層１５６と結合してコンデンサー１６７Ａ乃至１６７Ｄをそれぞれ形成（図１９参照のこと）し、層１５４の同様な板は層１５６と結合してコンデンサー１６８Ａ乃至１６８Ｄを形成（図１９参照のこと）する。板１６６のうちの２枚はＹ軸を規定するために配置され、一方、残余の２枚の板１６６はＸ軸を規定するために配置される。Ｚ軸は層１５４、１５６及び１６０によって規定され、基板２０の表面に垂直である。従って、３つの相互に直角な軸が規定され、コンデンサー１６７Ａ乃至１６７Ｄ及び１６８Ａ乃至１６８Ｄが配置されて、それらに沿う加速度を感知する。
【００３６】
図１８は、層１５６及び板１６６（便宜上１６６Ａ及び１６６Ｂと表す）の部分拡大平面図であり、コンデンサー１６７Ｂ及び１６７Ｄが変わる様子を一層詳細に示す。Ｘ軸に沿う加速力により層１５６が図１８の上側の向きの移動を引き起こすにつれ、板１６６Ｂが層１５６に重畳する量が増し、１６７Ｂの容量が増加する。また、板１６６Ｄが層１５６に重畳する量が減れば、１６６Ｄの容量が減少する。同様に、１６８Ｂ及び１６８Ｄの容量は、層１５６と層１５４との間で、それぞれ増減する。従って、Ｘ軸に沿う加速度を感知するために、コンデンサー１６７Ｂ、１６７Ｄ、１６８Ｂ及び１６８Ｄが差動電子回路に用いられる。同様に、Ｙ軸に沿う加速度を感知するために、コンデンサー１６７Ａ、１６７Ｃ、１６８Ａ及び１６８Ｃが差動電子回路に用いられる。図１９は、典型的な感知回路の比較器１６９に接続されたコンデンサー１６７Ａ乃至１６７Ｄ及び１６８Ａ乃至１６８Ｄを示す。比較器１６９は、コンデンサーから受信した入力信号を基準信号を比較して、容量変化を決定する。
【００３７】
図２０を参照すると、図１９の感知回路を含むスイッチング又は駆動回路１７５が示してある。種々のコンデンサーの変化を感知することによって、次の機能が成し遂げられる。

【００３８】
スイッチング回路１７５は種々なコンデンサーを上述のうちの任意の関係に接続して所望の測定を行い、比較器１６９はコンデンサーからの入力信号を基準信号と比較する。このような方法で、３つの相互に直角な軸に沿う加速度が測定され、２軸回りの回転加速度が測定でき、かつ少なくとも、加速度計及び関連する回路網の一部をテストすることができる。
【００３９】
図２１を参照すると、集積回路１８０が示してあり、その中には本発明によって構成された多軸ジャイロスコープ２４、ジャイロスコープ２６、及び３軸加速度計２８が基板２０上に形成されている。また、ジャイロスコープ及び加速度計と共に用いられて、３直角軸回りの回転及び３直角軸に沿う加速度を表す信号を生ずる回路網が基板２０上に形成されている。更に、該回路網は、振動を起こし、種々の素子の可動部分を略中央位置に保持するために使用される閉ループ構成部品の全てを含んでいる。該回路網は一つ又はそれ以上のＥＰＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭ及びチップの周囲温度を測定するための回路網を更に含んでおり、それによって、種々の機能に関する自動温度較正が連続的に行われる。この特定実施例においては、回路網は、回転及び加速度測定を使用して慣性誘導システム２２の位置の連続表示を提供する回路を更に含んでいる。上述の特定目的に使用して便利と考えられる回路は、例えば、マイクロプロセッサ３０等である。ジャイロスコープ２４及び２６並びに加速度計２８の各々の最上層を含む上皮層によって完全慣性誘導システム２２を密封することも可能である。また、封止層は、下側表面に２基のジャイロスコープ及び加速度計を内部に収容できる空洞を備える第２の基板となり得て、ＭＰＵ３０を含む回路網が部分的に又は完全にその表面に形成できる。
【００４０】
従って、単一基板に形成される完全な慣性航法システム、又は任意の副次部品が開示された。種々の構成部品が全て同一チップに形成されるから、システムの全体寸法は非常に低減し、かつ経費も実質的に低減する。システム全体を単一チップに含ませることによって、チップ間の容量が極めて小さくなり、実質的に感度が向上し、雑音及び他の干渉が低下する。また、この集積化は構造体及び回路を取扱操作時における静電気放電並びにＲＦＩ及びＥＭＩから保護する。低容量であることは、また、駆動力及び電力の所要が少ないことをも意味する。オンボード温度モニタを備えたＭＰＵでＥ／ＥＥＰＲＯＭを用いて種々の機能の温度に関する感度較正を実施できるという付加的な利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって表面に慣性誘導システムが形成され、２軸回転振動式ジャイロスコープ、単軸振動モノリシックジャイロスコープ、３軸加速度計及びＭＰＵを含んだ半導体チップの平面図である。
【図２】図１の２軸回転振動式ジャイロスコープの拡大平面図である。
【図３】図２の２軸回転振動式ジャイロスコープを形成するための工程のうち、基板２０に絶縁層からなる平坦面と、その上に容量板５０Ｂ及び５１Ｂを選択的に堆積された段階を示す構造体断面図である。
【図４】図２の２軸回転振動式ジャイロスコープを形成するための工程のうち、犠牲材料からなるエッチング層５６で中央構造体を被覆した段階を示す構造体断面図である。
【図５】図２の２軸回転振動式ジャイロスコープを形成するための工程のうち、選択的に堆積された層によって、中央支持柱３５、螺旋状スプリング４２Ａ及び４２Ｂ並びにロータ３２を形成した段階を示す構造体断面図である。
【図６】図２の２軸回転振動式ジャイロスコープを形成するための工程のうち、ポリシリコン被覆ロータ３２の上に犠牲材料からなる別の層５８が選択的に堆積された段階を示す構造体断面図である。
【図７】図２の２軸回転振動式ジャイロスコープを形成するための工程のうち、層５９が選択的に構造体に堆積された段階を示す構造体断面図である。
【図８】図２の２軸回転振動式ジャイロスコープを形成するための工程のうち、犠牲層５６及び５８が除去されて、ジャイロスコープ２４が完成した段階を示す構造体断面図である。
【図９】図２の２軸ジャイロスコープに電気的に接続され、ＭＰＵに組み込まれる機能を有する感知及び制御回路の概要図である。
【図１０】図１の単軸振動モノリシックジャイロスコープの拡大投影図である。
【図１１】図１０のジャイロスコープの１１−１１線に沿った断面図である
【図１２】図１０のジャイロスコープの駆動回路の概要図である。
【図１３】図１０のジャイロスコープのセンタリング及び感知回路の概要図である。
【図１４】機能的にはＭＰＵに組み込まれる図１０に示したジャイロスコープの感知及び制御回路の概要図である。
【図１５】図１４の概要図の種々の点において使用される波形図である。
【図１６】種々の構成部品の関係を示すために、図１の３軸加速度計を単純化した断面図である。
【図１７】図１５の３軸加速度計の平面図の拡大図である。
【図１８】図１５に示した加速度計の感知装置の一部の平面図を一般化した拡大図である。
【図１９】図１５に示した感知装置の典型を示す概要図である。
【図２０】図１９の感知装置を含み、機能的にはＭＰＵに組み込まれる図１５の加速度計の駆動回路の概要図である。
【図２１】本発明に従って、ジャイロスコープが３軸回りのコリオリの力を感知するように配置され、３軸加速度計が関連電子回路に統合されたジャイロスコープの拡大断面図である。
【符号の説明】
２０半導体チップ
２２慣性誘導システム
２４多軸ジャイロスコープ
２６単軸ジャイロスコープ
２８３軸加速度計
２９温度感知センサー
３０制御電子回路

Claims

３つの相互に直角な軸回りのジャイロスコープ出力を供給するジャイロスコープ装置（２４、２６）を含む慣性誘導システムであって、
前記ジャイロスコープ装置が半導体基板（２０）上に形成され、かつ制御回路（３０）が同一の半導体基板（２０）上に形成され、前記ジャイロスコープ装置（２４、２６）を制御し前記ジャイロスコープ出力を受信するために、前記ジャイロスコープ装置（２４、２６）に電気的に接続されていることを特徴とする慣性誘導システム。
慣性誘導システムであって、
半導体基板（２０）と、
前記基板（２０）上に形成された３軸加速度計（２８）と、
前記基板（２０）上に形成され、その制御及び作動のために３軸加速度計（２８）に接続された制御電子回路（３０）と、
を具備し、
前記３軸加速度計は、導電性材料からなる複数の層を含み、該層の各々が一般的に平面を規定し、この規定された平面が相互に平行かつ離隔した関係にあるように取り付けられ、第１の層（１５４）は固定設置され、第２の層（１５６）は第１の層（１５４）に対して限定的に運動できるように取り付けられ、第１及び第２の層がこれらの層（１５４、１５６）によって規定された第１の軸（Ｚ）に沿って前記３軸加速度計（２８）に応じて変化する第１のコンデンサーを形成し、前記第１及び第２の層の一部としてそれぞれ形成された第１及び第２の構造体（１６６）が平行に並列して配置され、前記第２の構造体が前記第２の層と共に前記第１の層に対して可動であり、前記第１及び第２の構造体が更に相互に直角でかつ前記第１の軸（Ｚ）とも直角な第２及び第３の軸（Ｘ、Ｙ）を規定するように形成され、前記第１及び第２の構造体の間に可変容量（１６８Ａ乃至１６８Ｄ）が形成され、該容量が前記第２及び第３の軸での加速度に応じてそれぞれ変化することを特徴とする慣性誘導システム。
３つの相互に直角な軸回りのジャイロスコープ出力を供給するジャイロスコープ装置（２４、２６）及び３つの相互に直角な軸に沿う加速度出力を供給する加速度感知装置（２８）を含む慣性誘導システムであって、前記ジャイロスコープ装置及び前記加速度感知装置が単一の半導体基板（２０）上に形成され、制御回路（３０）が、同一の半導体基板上に形成され、前記ジャイロスコープ装置及び前記加速度感知装置を制御し、前記ジャイロスコープ装置及び前記加速度感知装置の出力を受信するために、前記ジャイロスコープ装置及び前記加速度感知装置に電気的に接続されていることを特徴とする慣性誘導システム。