JP2008545128A - 振動質量体の運動の示差測定のための微細機械加工されたジャイロメータセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロジャイロスコープ、すなわち、角速度の測定専用の慣性マイクロメカニカルセンサに関するが、このマイクロジャイロスコープは、微細機械加工技術によって製造され、振動質量体の運動を測定するためのモジュールの新規な配置を有する。このジャイロスコープには、結合構造（２０、２０’、２２）によって結合された２つの対称可動アセンブリ（３０、５０；３０’、５０’）が含まれる。２つのアセンブリのそれぞれには、可動中間フレーム（５０）によって囲まれた可動質量体（３０）が含まれる。フレーム（５０）は、結合構造（２０、２０’、２２）に接続され、ウエハの平面の直交方向ＯｘおよびＯｙにおいて２自由度で振動することができる。質量体（３０）は、一つの側でフレームに接続され、他方の側で、Ｏｘ方向において質量体を全く運動させずに、Ｏｙ方向における振動運動を質量体に伝達できるようにする連結手段（４０〜４６；５２〜５８）を介して固定アンカー領域（３４、３６）に接続される。励振構造（７０）が、Ｏｘに沿ってフレームの振動を励振するために、フレームに関連付けられる。運動検出構造（９０）が、Ｏｙに沿った質量体（３０）の振動を検出するために質量体（３０）に関連付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細機械加工技術によって製造され、かつ振動質量体の運動を測定するためのモジュールの新規な配置を有するマイクロジャイロスコープ、すなわち角速度の測定専用の慣性マイクロメカニカルセンサに関する。

センサを微細機械加工するためのインスピレーションは、集積回路の製造技術に由来する。これは、堆積、ドーピングおよびフォトエッチング技術を用いて、何十または何百の同一のセンサを単一の薄いウエハ（原則としてシリコンウエハ）に集合的に製造する点にあるが、これらの技術によって、センサの電気部品だけでなく、センサにその機械的特性を与える切削(cut-out)された幾何学的特徴が画定される。

エッチング技術はよく制御され、集合的な製造によってコストがかなり低減される。装置の堅牢性は優れており、小さな構造サイズは非常に有利である。

マイクロジャイロスコープを製造するために、懸垂振動質量体が、所定の方向にこの質量体を振動させるための電気励振構造と共にシリコンウエハに形成される。ジャイロスコープが、ジャイロスコープの感度軸と呼ばれる軸を中心に回転する場合に、この振動方向と直角に、コリオリの力が質量体に加えられる。このコリオリの力は、振動運動および回転運動のベクトル和であるが、励振振動および回転軸の両方に直角な方向に、質量体の振動を生成する。この結果としての固有振動は、検出構造によって検出されるが、この構造は、それ自体微細機械加工によって製造される。

音叉のように機械的に結合された２つの振動質量体を有する構造が、既に製造されている。２つの質量体は、共面で、同じシリコンウエハに機械加工される。

一般に、これらのジャイロスコープの感度軸は、シリコンウエハの平面にあり、検出構造は、各可動質量体の上に配置された電極を用いて、質量体の平面に直角な任意の運動を検出する。この検出の結果としてもたらされる電気信号が、感度軸を中心としたジャイロスコープの回転の角速度を決定するために用いられる。

しかしながら、可動質量体の平面に直角な運動を検出する構造を製造するためには、一般に、一緒に結合しなければならないいくつかの機械加工されたウエハを含むジャイロスコープを必要とする。ウエハの少なくとも１つには、実際に微細機械加工された振動構造であって、その可動質量体、その連結アーム、および振動励振構造を備えた振動構造が含まれる一方で、少なくとも１つの他のウエハには、コリオリの力によって生成される振動を検出するための電極が含まれる。マルチウエハアセンブリを製造することは高くつく。

この理由で、単一のシリコンウエハに機械加工された、技術的により単純な構造を製造する必要がまたあり、この構造では、可動質量体の励振運動が、平面においてＯｘ方向に生成されるのに対して、コリオリの力に起因する運動は、同じ平面において、Ｏｘに直角な方向Ｏｙに検出される。この場合に、マイクロジャイロスコープの感度軸は、シリコンウエハの平面に直角なＯｚ軸である。励振構造および検出構造は、シリコンウエハを機械加工するときに製造される相互嵌合容量性コームである。全ての電気構造は、振動機械構造と同じウエハに製造される。したがって、製造は、それほど高くはつかない。

このタイプのジャイロスコープでは、Ｏｘ軸に沿った励振運動が、Ｏｙ軸に沿った検出運動から十分に分離されることが必要である。具体的には、これは、次のことを意味する。すなわち、検出構造は、Ｏｘに沿った励振運動の寄生検出によって測定が汚染されることなく、コリオリの力に起因するＯｙに沿った運動を主として検出しなければならない。

２つの振動質量体を含み、かつそれらの運動の平面において検出する先行技術のジャイロスコープの場合には、非線形性を克服して高感度を達成するために、差動効果が用いられる。この差動効果は、同じ軸に沿っているがしかし逆位相で振動する質量体の運動によって生成される信号の減算からなる。２つの質量体の静電容量が完全には同一でない場合に、２つの質量体の静電容量の差は、ジャイロスコープのドリフトの原因であり、これは、ジャイロスコープの適切な動作を妨げる。さらに、先行技術のジャイロスコープには、各質量体の運動を測定するための検出モジュールが含まれる。２つの質量体の動作は互いに逆であるが、これらの検出モジュールは、同じ向きに変化する信号を送出し、それによって、ジャイロスコープは、動的にせよ静的にせよ、質量体の運動軸と共線の加速に敏感になる。

本発明の一目的は、非常に高い感度、非常に良好な線形性および非常に良好なバイアス安定性を備えるが、しかし励振運動によるか、または質量体の変位軸と共線の軸において加えられる静的もしくは動的加速による最小の摂動を伴う回転測定を可能にするマイクロジャイロスコープ構造を提案することである。別の目的は、振動を誘発するため、および運動を検出するための電気構造とは別に、周波数を調節するためと、固有の欠陥によるかまたは大量生産に起因する特性の差による任意のバイアス（角速度がゼロに等しい場合に、角速度の測定値はゼロに等しくない）を補償するためと、質量体が静止しているときに占める位置であり得る固定位置に質量体の位置を結び付けるためと、の補助電気構造を収容できるマイクロジャイロスコープ構造を提案することである。

本発明によれば、薄い平坦なウエハを微細機械加工することによって製造される、振動構造を備えたジャイロスコープであって、このジャイロスコープには、ウエハの平面の方向Ｏｙと平行な中心軸に対して対称であるとともに、これらの２つのアセンブリを接続して機械的振動エネルギをこれらのアセンブリ間で伝達できるようにする結合構造（２０、２０’、２２）によって結合された２つの対称可動アセンブリ（３０、５０；３０’、５０’）が含まれ、２つの対称可動アセンブリのそれぞれには、２つの可動要素（３０、５０）が含まれ、慣性の第１の可動要素（５０）が、結合構造（２０、２０’、２２）に接続され、かつウエハの平面の直交方向ＯｘおよびＯｙにおいて２自由度で振動することができ、第２の可動要素（３０）が、一つの側で第１の要素（５０）に接続され、他方の側で、Ｏｘ方向において第２の要素を全く運動させずに、Ｏｙ方向における第１の要素の振動運動を第２の要素に伝達できるようにする連結手段（４０〜４６；５２〜５８）を介して固定アンカー領域（３４、３６）に接続され、励振構造（７０）が、Ｏｘに沿った第１要素の振動を励振するために、第１の可動要素（５０）に関連付けられ、第１および第２の運動検出構造（９０、１１０；１００、１２０）が、Ｏｙに沿った第２の要素の振動を検出するために、２つのアセンブリのそれぞれの第２の可動要素（３０）に関連付けられ、第１の可動要素（５０）が、可動質量体（３０）という名称で表示された第２の可動要素を囲む矩形中間フレームであり、結合構造が、２つの外側フレーム（２０、２０’）を含み、これらの外側フレームのそれぞれが、それぞれの可動アセンブリの中間フレームを囲むジャイロスコープであって、
各検出構造が、全体的な対称軸Ｏｘに対して対称である第１の検出モジュール（９０、１１０；９０’、１１０’）および第２の検出モジュール（１００、１２０；１００’、１２０’）を含み、一方で各構造の第１の検出モジュール（９０、１１０；９０’、１１０’）および他方で各構造の第２の検出モジュール（１００、１２０；１００’、１２０’）が、Ｏｙ方向に平行な中心軸に対して対称であり、各構造の第１および第２のモジュールが、互いに逆に変化する別個の検出信号を送出し、これらの信号が、第１の構造の第１および第２のモジュールの場合には第１および第２の信号Ｓ１Ｍ１、Ｓ１Ｍ２であり、第２の構造の第１および第２のモジュールの場合には第３および第４の信号Ｓ２Ｍ１、Ｓ２Ｍ２であり、一次結合Ｓ１Ｍ１＋Ｓ２Ｍ２−Ｓ１Ｍ２−Ｓ２Ｍ１を生成するための手段が設けられることを特徴とするジャイロスコープが提案される。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面に関連して提示される下記の詳細な説明を読むことによって、明らかになるであろう。

図は、感度軸がウエハの平面（図の平面である）に垂直なジャイロスコープを製造するために、本発明に従って機械加工された薄くて平坦なシリコンウエハを示す。

シリコンが好ましい材料として選択されるのは、第１に、その機械的特性のためであり、第２に、それがしかるべき不純物（ｐ型シリコンの場合には一般にホウ素）で十分にドープされた場合のその高導電性のためである。導電性シリコンによって、ジャイロスコープの電気機能、特に励振および検出機能を実行することが可能になる。これらの機能は、電流または電圧を供給された、相互嵌合容量性コームによって実行される。これらのコームのフィンガは、導電性シリコンに直接機械加工されるが、励振および検出機能のために有用なコンデンサプレートとして働く。

出発シリコンウエハの厚さは、数百ミクロンである。ウエハは、一方では、この厚さに形成された固定アンカー領域と、他方では、実際の振動構造とを有するが、この振動構造は、アンカー領域に対して自由であり、より薄い厚さたとえば数十ミクロンの厚さにわたって形成され、ウエハの残りの厚さから狭いギャップによって分離される。シリコンウエハはこの数十ミクロンの厚さにわたって微細機械加工によって切削され、機構、すなわち所望の可動質量体、可動フレーム、結合構造、屈曲アームおよび相互嵌合コームにされる。

構造は、出発基板としてシリコン・オン・インシュレータ基板を用いて機械加工してもよいが、しかしまた他の方法も可能である。シリコン・オン・インシュレータ基板は、厚さが数百ミクロンのシリコン基板からなるが、この基板は、その前面に、酸化シリコンの薄層を保持し、この薄層が、それ自体、厚さが数十ミクロンの単結晶シリコン層で覆われている。機械加工動作は、マイクロエレクトロニクスにおいて一般に用いられるフォトエッチング技術により、酸化物をそれほどエッチングせずにシリコンをエッチングする選択的な腐食液を用いて、基板の前面を介して酸化層まで、基板のシリコンをエッチングして所望の表面機構を形成する点にある。エッチングは、酸化層が露出したときに停止される。次に、この酸化層は、アンカー領域を除いて、単結晶シリコンの表面層だけを残すように、別の腐食液を用いて選択エッチングによって除去されるが、このアンカー領域では、酸化層が残り、基板と単結晶シリコンの表面層との間の強い接合部を形成する。前面を介した機械加工は、可動部のための様々な切削動作を規定する。したがって、これらは、図から分かるように、上記の表面機構、アンカー領域、および可動部のための切削動作である。

ジャイロスコープの一般的な構造は、音叉タイプの構造、すなわち逆位相で振動する２つの可動慣性アセンブリを含む対称構造であり、これらの可動アセンブリは、結合構造を介して共に接続されるが、この結合構造は、これらの振動を逆位相にするために、２つのアセンブリの機械的振動エネルギを、１つのアセンブリからもう一方のアセンブリへ全く損失せずに伝達する働きをする。構造の対称性は、軸Ａ１に対する対称性であり、この軸の両側に、１つの可動アセンブリがある。

結合構造は、可動慣性アセンブリを内部に配置している２つの矩形外側フレーム２０および２０’によって形成するのが好ましい。フレーム２０および２０’は、短い連結バー２２を介して共に接続されるが、連結バー２２は、剛性であると考えてもよい。連結バー２２は、第１のフレームの一つの側の中央部を、第２のフレームの隣辺する側の中央部に連結する。それは、全体構造の対称性の中心を構成し、軸Ａ１に直角であり、この軸に集まる。短い連結バー２２は、バー２２の両側に位置するとともに軸Ａ１に集まる２つの他の短い連結バーによって補強してもよい。バー２２からいくらかの距離のこれらの短いバーによって、マイクロジャイロスコープの有用な励振および検出周波数間の差を調節することが可能になる（検出周波数は、励振周波数とわずかに異なるのが好ましく、周波数差は、ジャイロスコープの帯域幅を表わす）。

結合構造の外側フレーム２０および２０’は、原則として少なくとも３つの側にわたって２つの可動アセンブリを囲み、それらは、好ましくは全体的な対称軸Ａ１に直角な側に沿って、これらの２つのアセンブリに接続される。フレーム２０および２０’は、それぞれ、（任意選択的に）、連結バー２２に接続される側と反対の一つの側の中央部に位置するアンカー領域２４および２４’に装着してもよい。この場合に、フレーム２０および２０’は、それぞれ、各々の慣性可動アセンブリを完全に囲む。中央連結バー２２ならびにフレーム２０および２０’の残りの側は、固定アンカー領域に接続されない。

慣性アセンブリを振動させ、かつコリオリの力に起因する運動を検出する働きをする相互嵌合コームがまた、外側フレーム２０および２０’のそれぞれの内側に配置される。以下では、フレーム２０内に位置する要素だけを説明するが、もう一方のフレーム２０’のための構造は、厳密に同一である。フレーム２０’内部の要素は、「ダッシュ」の接尾辞が追加されている以外はフレーム２０のものと同じ参照符号によって表示される。

各慣性アセンブリには、中央可動慣性質量体３０と、質量体３０を囲み、したがって、質量体３０と外側フレーム２０との間に位置する中間慣性フレーム５０と、が含まれる。

可動質量体３０は、Ｏｙ方向（図の平面における垂直軸）にのみ運動することができる。中間フレーム５０は、Ｏｙ軸に沿って、およびＯｙに直角でさらに図の平面に位置するＯｘ軸に沿って運動することができる。ジャイロスコープの感度軸は、ウエハの平面に直角なＯｚ軸である。慣性中間フレームの振動は、Ｏｘ方向に励振される。ジャイロスコープがその感度軸Ｏｚを中心に回転する場合に、中間フレームは、Ｏｙ軸に沿って振動させられる。Ｏｙに沿ったこの振動が質量体３０に伝達されるのに対して、Ｏｘに沿った振動は伝達されない。図から分かるように、振動励振構造が、中間フレーム５０に関連付けられ、振動検知構造が、慣性質量体３０に関連付けられる。フレーム２０、２０’およびそれらを接続するバー２２によって形成される結合構造は、軸Ａ１の一つの側の可動慣性アセンブリから他方の側の可動慣性アセンブリへ機械的振動エネルギを伝達するが、両方のアセンブリは、Ｏｘに沿った振動およびＯｙに沿った振動用である。なぜなら、この結合構造が、ＯｘおよびＯｙの両方に沿って振動可能な中間フレームに直接接続されているからである。

可動質量体３０は、少なくとも２つの屈曲アームを介して固定アンカー領域に接続されるが、これらの屈曲アームは、質量体がＯｙに沿って運動することを可能にするが、しかしＯｘ方向における質量体のいかなる大きな運動も防ぐように設計されている。これらのアームは、Ｏｘと平行に、質量体の対称軸３２の両側に位置するのが好ましい。したがって、２つのアンカー領域３４および３６が、可動質量体の両側に位置するが、これらのアンカー領域は、この対称軸３２に関して対称である。さらに、これらの領域は、質量体の別の対称軸３８に位置するのが好ましく、この軸は、Ｏｙと平行である。質量体３０を領域３４および３６に接続する屈曲アームは、Ｏｘ方向に高剛性（伸びへの高抵抗力）を有するようにＯｘ方向に細長のアームである。これらのアームはまた、Ｏｘに直角なＯｙ方向に低剛性を有するように、それらの長さに比較して非常に狭い。この低剛性によって、質量体はＯｙに沿って運動することが可能になる。２つではなく、４つの屈曲アームがあるのが好ましく、質量体は、互いに一直線で領域３４の両側にある２つのアーム４０および４２を介して、アンカー領域３４に接続される。質量体はまた、互いに一直線で領域３６の両側にある２つのアーム４４および４６を介して第２のアンカー領域３６に接続される。

図から分かるように、実際には、Ｏｙ方向において質量体の長さをそれほど低減せずに、Ｏｙ方向にスペースを節約するために、アンカー領域の回りで質量体が削減される。屈曲アームの幅に対する長さの比率を増加させることによってＯｙ方向における屈曲アームの柔軟性を最大限にするために、各アームは、一つの側において、質量体の端部コーナー近くのポイントに接続され（質量体は、原則として、ほぼ矩形形状を有する）、他方の側において、対称軸３８に位置するアンカー領域に接続される。Ｏｙ方向に細長の２つのブランチを備えた折り曲げ形状をアーム４０、４２、４４、４６に与え、次に、アームが、中央アンカー領域の最も近くで質量体に装着されるように想定することも可能であることに留意されたい。

可動質量体の一つの側の中央部に位置する１つの中央アンカー領域の代わりに、２つのアンカー領域が、軸３８の両側で、質量体のより端部コーナーの方に位置してもよいことに留意されたい。

可動中間フレーム５０は、質量体３０を完全に囲むのが好ましい。質量体３０は、少なくとも２つの屈曲アームを介して中間フレーム５０に接続されるが、これらの屈曲アームには、Ｏｙ方向における非常に高い剛性（伸びへの非常に高い抵抗力）およびＯｘ方向における低剛性を有するという特定の特徴がある。これらのアームは、この剛性差を示すために、Ｏｙ方向に細長であり、かつその長さに比較して狭い幅を有する。

このタイプの４つの屈曲アームが、質量体３０と中間フレーム５０との間にあるのが好ましく、これらのアームは、質量体がほぼ矩形形状である場合に、実際には可動質量体のコーナーにそれぞれ位置する。これらのアームは、質量体の対称軸３２（Ｏｘと平行な軸）の一つの側および（Ｏｙに平行な）対称軸３８の他方の側に対称的に配置される。

これらのアームは、参照符号５２、５４、５６および５８によって表示され、好ましくはＵ字形に折り曲げられた形状を有して、それらの有用な長さをそれほど低減せずに、したがってＯｘに沿った剛性に対するＯｙに沿った剛性の高い比率をそれほど低減せずに、それらの長手方向寸法を低減するようにする。２つのＵ字形に折り曲げられたブランチは、Ｏｙと平行に細長であり、短い連結要素を介して共に接続される。しかしながら、アーム５２〜５８は折り曲げられず、中間フレームと質量体との間でＯｙ方向に完全に沿って位置することが可能であろう。それらを折り曲げることによって、所望の機械的特性をそれほど変更せずに、スペースを節約することが可能である。

図におけるようにアームが折り曲げられる場合には、第１のアーム５２の短い連結要素（Ｕの２つのブランチを接続する）が、軸３８に対してアーム５２と対称なアーム５４の対応する短い要素にまた接続されるのが好ましい。この目的のためにＯｘと平行に横材６０が設けられて、連結アーム５２のＵの底部を、屈曲アーム５４のＵの底部へ接続するようにするが、アーム５２および５４は、軸３８に対して対称である。軸３２に対して横材６０と対称な同様の横材６２が、対称要素５６および５８を接続する。Ｏｘに平行なこれらの横材６０および６２は、可動中間フレーム５０によってなされた、Ｏｙに沿った運動の、質量体３０への伝達における対称性を高める。アーム５２、５４、５６および５８が、折り曲げ形状を有さない場合には、横材は存在しない。なぜなら、この場合には、アーム５２および５４の端部は、中間フレーム５０自体を介して既に堅固に接続されているからである。

図から分かるように、可動フレーム５０と可動質量体３０との間の屈曲アームの細長いＵ字形の折り曲げ形状は、可動フレームおよび可動質量体へ切り込むことによって得られる。しかし一般に、フレームまたは質量体にアームを装着する有効なポイントが、正確には中間フレームの内角からでなくても、屈曲アームは、ほぼ、中間フレームの内角から出発して、対向する質量体コーナーへと向かう。質量体は、可動フレームに対するその４つのコーナーを介して、全体的に懸垂されていると見なしてもよい。

結合構造の外側フレーム２０に囲まれた可動中間フレーム５０は、一つの側において短い連結アーム６４を介し、かつ他方の側において短い連結アーム６６を介して、この外側フレームに接続されるが、アーム６４は、対称軸３２に対してアーム６６と対称である。アーム６４は、アーム６６と同様に、フレーム５０の一つの側に沿って配分されるが、この側は、Ｏｘ軸と平行である。これらの短いアームは、実際に堅固な連結部を構成し、これらの連結部を通して、中間フレーム５０の（および可動質量体３０の）ＯｘおよびＯｙの振動エネルギが、結合構造へ、したがって、第２の中間フレーム５０’および第２の可動質量体３０’へと進むことができる。図示の例において、３つの短いアーム６４が、中間フレーム５０の側部に沿って配分され、３つの他の短いアーム６６が、反対側に沿って配分される。

Ｏｙ軸と平行な側に沿って、中間フレームと外側連結フレームとの間には連結アームがない。

中間フレーム５０は、相互嵌合コーム７０の形状をした第１の構造により、Ｏｘに沿った振動において励振されるが、このコーム７０には、アンカー領域７４に装着された固定ハーフコーム７２と、中間フレーム５０の第１の側（Ｏｙに平行な）に沿って形成された可動ハーフコーム７６とが含まれる。ジャイロスコープの他の要素と同時に機械加工される、導電性シリコン製の、固定ハーフコーム７２の歯またはフィンガが、コンデンサの第１のプレートを構成し、同様に導電性シリコン製の、可動ハーフコーム７６の歯またはフィンガが、このコンデンサの第２のプレートを構成する。従来には、コーム構造は、電圧がハーフコーム間に印加された場合に、対向するフィンガ間に作用する引力のために、可動部の運動を励振させるための励振器の役割をする。励振電圧は、振動運動を生成するためにＡＣ電圧であり、この電圧の周波数は、構造の機械的共振周波数に近くなるように選択される。励振電圧は、アンカー領域７４と、アンカー領域３４ならびに３６の一方および／または他方との間に印加される。固定ハーフコーム７２は、（導電性シリコン基板を介して）アンカー領域７４と直接電気的に接触している。可動ハーフコーム７６は、屈曲アーム５２〜５８と、可動質量体の本体と、屈曲アーム４０〜４６と、中間フレーム５０とを介して、アンカー領域３４および３６と接触し、その結果、電圧が、アンカー領域７４とアンカー領域３４または３６との間に印加された場合に、電圧が、コーム７０の固定部と可動部との間に印加される。

中間フレーム５０において生成される励振運動は、Ｏｘ方向に沿い、コームは、挿入されたフィンガの相互重複エリアを変更することによって作動する。

マイクロジャイロスコープには、軸３８に対して構造７０と対称な、中間フレームに関連付けられた別の相互嵌合コーム構造を含むのが好ましい。このコーム構造には、アンカー領域８４に装着された固定ハーフコーム８２と、中間フレーム５０の一つの側に沿って機械加工された可動ハーフコーム８６とが含まれる。この構造は、Ｏｘに沿って構造の運動を検出するための検出器として働くことができる。それは、コーム７０によって励振された運動のサーボ制御のために有用である。一般に、サーボ制御は、構造の共振周波数に対して励振周波数を調節するのに有用である。構造８０によって検出される電圧は、アンカー領域８４とアンカー領域３４および３６（さもなければ領域２４）との間に現われる。

第１および第２の基本検出構造を含む二重運動検出構造は、Ｏｙに沿って第２の要素の振動を検出するために、２つのアセンブリそれぞれの第２の可動部（３０）に関連付けられる。各基本検出構造には、第１の検出モジュールおよび第２の検出モジュールが含まれる。

これらの検出モジュールは、質量体の対称軸３２に対して対称であり、それらにはそれぞれ、２つの同一の相互嵌合コーム９０、１１０が含まれる。これらのコームの向きは、検出の基礎となる原理に依存する。検出が、固定および可動ハーフコームのフィンガ間の相互の重複エリアにおける変化の測定に基づく場合には、Ｏｙに沿った動作を検出するためのコームは、励振コーム７０（これはまた、重複エリアにおける変化に基づく）に直角に配置される。しかしながら、検出が、固定ハーフコームおよび可動ハーフコームのフィンガ間の間隔における変化を測定することに基づく場合には、検出コームは、励振コームと平行に配置される。フィンガ間の間隔における変化による検出は、より感度が高いので好ましい。さらに、コームの相互嵌合は、静止時には非対称であり、一ハーフコームのフィンガは、もう一方のハーフコームの２つのフィンガ間のギャップの真中に正確にはないのに対して、重複エリアの変化に基づいて（励振コームのように）動作しているコームは、一ハーフコームのフィンガをもう一方のハーフコームのフィンガ間のギャップの真中に保持する。

これは、図に示すケースであり、この場合に、検出コームは、コーム７０および８０と同じ一般的な向きに配置されるが、検出コームが、Ｏｙに沿った運動に関連付けられるのに対して、コーム７０および８０は、Ｏｘに沿った運動（励振または検出運動）に関連付けられる。

図に示す例において、第１および第２のモジュールは、可動質量体に関連付けられ、モジュールのそれぞれには、２つの同一の相互嵌合コームが含まれる。第１のモジュールには、対称軸３８と平行に、かつこの軸の両側に配置された２つのコーム９０および１１０が含まれる。これらのコームは、Ｏｙに沿って質量体の運動を検出することによって同じように働くが、変形例として、軸３８に沿って質量体の中心に配置されたただ１つのコームに制限することが可能であろう。

コーム９０には、アンカー領域９４に装着された固定ハーフコーム９２および可動質量体自体の一部を形成する可動ハーフコーム９６が含まれる。可動質量体は、固定コーム９２およびアンカー領域９４用のスペースを残すためにカットアウトを含み、このカットアウトのエッジが、可動ハーフコーム９６を構成するためにフィンガ形状に切削され、そこに固定ハーフコームのフィンガが挿入される。図示の例において、コーム９０は、二重コームである。すなわち、質量体３０におけるカットアウトの両側に、フィンガが設けられ、固定ハーフコーム９２は、アンカー領域９４の両側にフィンガを有する。

相互嵌合構造１１０は、対称軸３８に対して構造９０と厳密に対称であり、可動質量体３０における別のカットアウトに形成される。相互嵌合構造１１０には、固定ハーフコーム１１２、アンカー領域１１４および可動ハーフコーム１１６が含まれる。

Ｏｙに沿った運動を検出するために、この構造に関連付けられた電子回路が、アンカー領域９４とアンカー領域３４および３６との間および／または領域１１４と領域３４および３６との間に存在する、第１のモジュールの第１の検出信号Ｓ１Ｍ１を構成する電圧の周波数変化を検出する。この変化は、Ｏｙ軸に沿った可動質量体の運動のみによる。なぜなら、質量体は、この軸に沿ってのみ運動できるからである。

第２の検出モジュールには、質量体の対称軸３２に対して、第１のモジュールのコーム９０および１１０と対称な２つのコーム１００および１２０が含まれ、第２のモジュールの検出信号Ｓ１Ｍ２は、コーム１００のアンカー領域１０４とアンカー領域３４との間に存在する電圧の周波数変化からなる。

第１および第２のモジュールが軸３２に沿って対称であるゆえに、質量体３０が静止している場合に、固定コーム９２の歯を基準とした、Ｏｘ軸に沿った可動ハーフコーム９６の歯の相対的位置は、固定コーム１０２の歯を基準とした、Ｏｘ軸に沿った可動ハーフコーム１０６の歯の相対的位置と比較して逆である。したがって、質量体３０がＯｙ軸に沿って運動すると、第１の検出信号Ｓ１Ｍ１および第２のモジュールからの第２の検出信号Ｓ１Ｍ２は、逆に変化する。

対称性の理由で、同じことが、中央可動慣性質量体３０’の運動を検出するための第１および第２の検出モジュールからそれぞれ来る第３の検出信号Ｓ２Ｍ１および第４の検出信号Ｓ２Ｍ２の場合に当てはまる。

４つの検出信号は、一次結合Ｓ１Ｍ１＋Ｓ２Ｍ２−Ｓ１Ｍ２−Ｓ２Ｍ１の形で用いられるが、これは、結果として得られるジャイロスコープの出力信号を構成する。

一次結合は４つの信号を処理するが、これらの信号は、逆位相で振動する２つの質量体の運動によって生成され、これらのうちの２つは、他の２つと逆に変化する。結果としての出力信号を送出するジャイロスコープは、質量体の運動方向における加速には反応を示さない。

第１および第２の構造の第１のモジュール間の静電容量差が、第１および第２の構造の第２のモジュール間の静電容量差と同一であると仮定すると、この静電容量差は、結果としての出力信号に影響を及ぼさず、したがって、この場合には、ドリフトは観察されない。

有利なことに、第１の合計Ｓ１Ｍ１＋Ｓ２Ｍ２を生成するために、第１の構造の第１のモジュールが、第２の構造の第２のモジュールに電気的に接続され、相互に、第２の合計Ｓ１Ｍ２＋Ｓ２Ｍ１を生成するために、第１の構造の第２のモジュールが、第２の構造の第１のモジュールに電気的に接続され、結果として得られる２つの合計のうちの１つが、ウエハ外の電子的手段によって、もう一方から減算される。

可動質量体と関連付けられた少なくとも１つの追加的な相互嵌合コームを設けることが可能である。このコームは、単にＤＣ電圧を制御することによって、屈曲アーム４０、４２、４４、４６の見掛け剛性を電気的に調節できるようにするが、この剛性調節は、コリオリの力の存在下で、Ｏｙに沿った固有振動周波数の調節に直接影響する。その理由は、可動アセンブリの固有の機械的共振が、生成された振動運動を妨害する屈曲アームの剛性に依存するからである。剛性およびしたがって周波数を調節することによって、製造における非均一性または欠陥に起因する可能性がある共振周波数における変動を補償することが可能である。かくして、実際の周波数と意図した理論周波数との間のずれを補償可能である。

Ｏｙ方向に一定の力を働かせるために、コームがＤＣ電圧を供給されて可動質量体３０に作用する場合に、静止状態で、屈曲アーム４０、４２、４４、４６に応力を働かせることが可能である。この応力は、静電気由来の負の剛性を生成する傾向があり、その絶対値は、Ｏｙ方向におけるこれらのアームの固有剛性から減算される。

この応力を働かせることができるコームは、（Ｏｙの全体的な方向に沿って）他のコームと同様の向きにされたコームであり、この場合に、それは、ハーフコーム（オフセットフィンガを備えたコーム）のフィンガ間の間隔を変更することによって作用する。単一の中央コーム、さもなければ軸３８の両側に横に配置された２つの対称コームで十分な場合もある。剛性を調節するコームには、固定ハーフコーム、（自律的な電気供給のための）自律アンカー領域、および再び可動質量体に直接切り込まれたフィンガからなる可動ハーフコームが含まれる。

また、２つの新しいコームを可動質量体に関連させる点における別の改良を提供することが可能である。これらの追加コームは、それらの各々への適切なＤＣ電圧の印加によって、可動質量体の対称中心の回りで、可動質量体をねじる力を働かせるように意図される。これには、検出運動に対して励振運動の向きを修正し、かつしたがって、ジャイロスコープの直交バイアスを（それを補償する傾向がある方向に）修正する効果がある。

ジャイロスコープバイアスは、ジャイロスコープの回転の角速度がゼロであるときに測定される非ゼロ信号値である。直交バイアスが１つの軸に沿った運動に起因するのに対して、実際には力が垂直軸に及ぼされる。これは、梁部または他の非対称要素の矩形性における欠陥に起因する。このバイアスは、あるトーションを可動質量体に及ぼすことによって部分的に補償してもよい。このトーションは、たとえば、可動質量体３０の対称中心の両側に対角線上に位置する２つの相互嵌合コームに作用することによって及ぼされる。バイアスを補償するのに相応しい方向にトルクを働かせるために、ＤＣ電圧が各コームに印加される。トルクは、コームが、異なるポイントに印加された力を働かせ、かつその方向が、質量体の対称中心を通過しないときはいつでも存在する。

たとえば、検出コーム９０、１００、１１０および１２０に加えて、このトルクを働かせるための２つのコームと、周波数調節コームとを設けることが可能である。しかしながら、単一のコームが、可動質量体の対称中心を通過しない方向に力を働かせるならば、単一のコームで十分である。また、可動質量体に対角線上に配置され、かつ質量体の対称中心を通過しない方向に力を働かせる追加コームが、周波数を調節することおよびバイアス補償トルクを働かせることの両方のために役立ち得ることが理解されよう。異なる振幅の電圧を追加コームに印加することによって、トルクと、結果としての上向きまたは下向きの力が生成され、下向きの力が、所望の負の剛性を生成する。しかしながら、剛性制御およびトーション制御の対称性および独立性の理由で、剛性調節専用のコームおよび直交バイアス補償専用のコームを備えた構成が好ましい。

最後に、質量体が静止しているときに占める位置であり得る固定位置に可動質量体の位置を結び付けるために、２つの新しいコームを可動質量体に関連付ける別の改良が可能である。このようにして、可動質量体の変位が大きい場合に現われる、ジャイロスコープによって送出される測定値の非線形性が未然に除去される。

たとえば、検出コーム９０、１００、１１０および１２０に加えて、可動質量体を固定位置に戻すために復元力を働かせるためのコームである２つのコームを設けることが可能である。これらのコームに印加される電圧の目的は、ジャイロスコープの運動によって加えられる変位を補償することである。すなわち、この電圧は、検出コームによって送出される位置の測定値から計算される。

前述の文章において、全ての相互嵌合コームが可動質量体におけるカットアウトに配置されたが、しかし、上記で説明した原理を修正せずに、可動質量体のエッジに沿って相互嵌合コームを配置するように想定することもまた可能である。

このように、シリコンウエハから容易に製造できるマイクロジャイロスコープを説明したが、このシリコンウエハの平面には、２つの可動慣性アセンブリと、それらを囲む機械的結合構造との両方が機械加工され、このシリコンウエハでは、各可動アセンブリが、２つの部分すなわち可動質量体および可動フレームの形状で製造され、可動フレームは、堅固な連結部を介して結合構造に接続され、可動質量体は、可動質量体に対しては１自由度だけ、およびフレームに対しては２自由度で平面における運動を可能にする屈曲アームを介して、一つの側でフレームに、他方の側でアンカーポイントに接続される。２つの可動アセンブリは、励振振動のために、およびコリオリの力に起因する直交振動のために機械的に結合される。機械的結合は、可撓性屈曲アームを介してではなく、可動フレームと結合構造との間の堅固な連結部を介して直接行われる（慣性アセンブリの懸垂柔軟性の提供と、２つのアセンブリ間の結合との両方のために働く可撓性アームを介して、アセンブリ間の結合が行われる構造におけるのとは異なる）。

本発明によるジャイロスコープは、励振および検出の両方において非常に高い品質係数を有することができ、それによって、同一の励振および検出周波数が用いられる場合に、ジャイロスコープの感度の向上を可能にする。

本発明による微細機械加工されたジャイロスコープの全体構造の平面図を示す。

Claims (7)

1. 薄い平坦なウエハを微細機械加工することによって製造される、振動構造を備えたジャイロスコープであって、このジャイロスコープには、前記ウエハの平面の方向Ｏｙと平行な中心軸に対して対称であるとともに、これらの２つのアセンブリを接続して機械的振動エネルギをこれらのアセンブリ間で伝達できるようにする結合構造（２０、２０’、２２）によって結合された２つの対称可動アセンブリ（３０、５０；３０’、５０’）が含まれ、前記２つの対称可動アセンブリのそれぞれには、２つの可動要素（３０、５０）が含まれ、慣性の第１の可動要素（５０）が、前記結合構造（２０、２０’、２２）に接続され、かつ前記ウエハの平面の直交方向ＯｘおよびＯｙにおいて２自由度で振動することができ、第２の可動要素（３０）が、一つの側で前記第１の要素（５０）に接続され、他方の側で、前記Ｏｘ方向において前記第２の要素を全く運動させずに前記Ｏｙ方向における前記第１の要素の振動運動を前記第２の要素に伝達できるようにする連結手段（４０〜４６；５２〜５８）を介して固定アンカー領域（３４、３６）に接続され、励振構造（７０）が、Ｏｘに沿った前記第１要素の振動を励振するために、前記第１の可動要素（５０）に関連付けられ、第１および第２の基本検出構造（９０、１１０；１００、１２０）を含む二重運動検出構造が、Ｏｙに沿った前記第２の要素の振動を検出するために、前記２つのアセンブリのそれぞれの前記第２の可動要素（３０）に関連付けられ、前記第１の可動要素（５０）が、可動質量体（３０）という名称で表示された前記第２の可動要素を囲む中間フレームであり、前記結合構造が、２つの外側フレーム（２０、２０’）を含み、これらの外側フレームのそれぞれが、それぞれの可動アセンブリの前記中間フレームを囲むジャイロスコープであって、
   各基本検出構造が、前記Ｏｘ方向に平行な対称軸（３２）に対して対称である第１の検出モジュール（９０、１１０；９０’、１１０’）および第２の検出モジュール（１００、１２０；１００’、１２０’）を含み、一方で各基本構造の前記第１の検出モジュール（９０、１１０；９０’、１１０’）および他方で各基本構造の前記第２の検出モジュール（１００、１２０；１００’、１２０’）が、前記Ｏｙ方向に平行な中心軸に対して対称であり、各基本構造の前記第１および第２のモジュールが、互いに逆に変化する別個の検出信号を送出し、これらの信号が、前記第１の基本構造の前記第１および第２のモジュールの場合には第１および第２の信号Ｓ１Ｍ１、Ｓ１Ｍ２であり、前記第２の基本構造の前記第１および第２のモジュールの場合には第３および第４の信号Ｓ２Ｍ１、Ｓ２Ｍ２であり、一次結合Ｓ１Ｍ１＋Ｓ２Ｍ２−Ｓ１Ｍ２−Ｓ２Ｍ１を生成するための手段が設けられることを特徴とするジャイロスコープ。
2. 前記第１の基本構造の前記第１のモジュール（９０、１１０）が、第１の合計Ｓ１Ｍ１＋Ｓ２Ｍ２を生成するために、前記第２の基本構造の前記第２のモジュール（１００’、１２０’）に電気的に接続され、相互に、前記第１の基本構造の前記第２のモジュール（１００、１２０）が、第２の合計Ｓ１Ｍ２＋Ｓ２Ｍ１を生成するために、前記第２の基本構造の前記第１のモジュール（９０’、１００’）に電気的に接続され、前記第１の合計から前記第２の合計を減算するための手段が設けられることを特徴とする、請求項１に記載のジャイロスコープ。
3. 前記第１の可動要素の前記励振構造が、相互嵌合電極を備えた容量性コームであり、前記コームが前記薄い平坦なウエハにおいて機械加工されることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロスコープ。
4. 前記基本検出構造の前記検出モジュールが、相互嵌合電極を備えた少なくとも１つの容量性コームを含み、前記コームが前記薄い平坦なウエハにおいて機械加工されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
5. 調節可能トルクを前記第２の可動要素に働かせるために、各第２の可動要素に関連付けられた少なくとも１つの相互嵌合コームを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
6. 前記検出周波数を調節するために、各第２の可動要素に関連付けられた相互嵌合コームを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
7. 前記第２の可動要素が静止しているときに占める位置であり得る位置に前記第２の可動要素の位置を結び付けるために、各第２の可動要素に関連付けられた少なくとも１つの相互嵌合コームを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。

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