JP2011517781A - 振動型マイクロメカニカル角速度センサ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図4
Description
図2は従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサの典型的な容量型実施図を示す。
図3は従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサの機能的構造図を示す。
・角速度センサが、前記質量の電極及び/又は前記質量と接続して結合される検出櫛型構造により、2又は3軸に対して角速度を測定するように適合される。
・角速度センサの少なくとも2つの質量が共通モードにより、一次運動振動へ作動されるように適合される。
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、線形質量52,53を備え、これはバネによりX軸方向に励起フレーム構造50,51に支持される。前記励起フレーム構造50、51は、曲がったバネ24〜27により、Y軸方向にセンサを囲むフレーム23に支持される。本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、更に支持構造21に支持される容量型Z方向検出櫛型構造54、55を備え、励起櫛型構造は励起フレーム構造50、51と検出櫛型構造へ接続される。
2:励起フレーム
8:作動櫛形構造
3、13、19、20、21、22、23、56、57、58、59、60:支持構造(領域)
24、25、26、27:曲ったバネ
4、5、6、7、14、15、28、29、30、31、41、42、45、46、49、61、62、63、64、65、66、67、68、80、81、84、85:バネ(構造)
32、33、50、51、69、70:励起フレーム構造
12、13、34、35、36、52、53、71、72、73、74、75:線形質量
16、18、37、38、39、40、66、67、76、77、78、79:電極
43、82:励起櫛型構造
9、10、11、17、44、47、48、54、55、83、86、87:検出櫛型構造
【発明の名称】振動型マイクロメカニカル角速度センサ
【技術分野】
【0001】
本発明は角速度の測定において使用される測定装置、より正確には、振動型マイクロメカニカル角速度センサに関する。本発明の目的は、特に角速度センサ用の小型振動型マイクロメカニカルな解決法で、2又は3の自由度を有し、良好な性能を備える信頼できる測定を可能にする改良されたセンサ構造を提供することである。
【背景技術】
【0002】
振動型角速度センサに基づく測定は、簡単な概念と信頼性を有する角速度の測定方法であることが証明されている。最もよく使用される振動型角速度センサの作動原理は、いわゆる音叉の原理である。
【0003】
振動型角速度センサで、ある既知の一次運動が生成され、それがセンサ内で維持される。センサにより測定される運動は、次に一次運動の偏差として検出される。音叉の原理で、一次運動は反対位相で振動する2つの線形共鳴器の振動である。
【0004】
共鳴器の運動方向に垂直な方向で、センサに作用する外部角速度は、質量に反対方向の影響を与えるコリオリの力である。角速度に比例するコリオリの力は、質量から直接検出されるか、又は質量が同一回転軸へ接続されるかのいずれかで、これにより検出運動は角速度軸方向の角度振動になる。
【0005】
角速度センサに必要とされる主要な特性は、揺動及び衝撃に対する抵抗力である。特に例えば、自動車工業における運転制御システムなどの過酷な用途で、これらの要求は非常に厳しい。例えば、石により起こされる外部衝撃などの鋭い強打や、カーステレオにより起こされる振動でさえ、角速度センサの出力へ影響を与えてはならない。
【0006】
付属図面の典型例を参照して、従来技術を以下に述べる。
【0007】
図1は従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサの機能的構造図を示す。
図2は従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサの典型的な容量型実施図を示す。
図3は従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサの機能的構造図を示す。
【0008】
図1は従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサの機能的構造図を示す。図示した従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサは、質量1を備え、これがバネ4、5によりX軸方向に励起フレーム2に支持される。前記励起フレーム2は、更にバネ6、7によりY軸方向に支持構造3に支持される。
【0009】
従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサにおいて、中心の質量1とそれを囲む励起フレーム2は、Y軸方向に一次運動へ起動され、これが支持構造3に支持されるバネ6、7により起こされる。質量1を励起フレーム2へ支持するサスペンション4、5により形成されるX軸方向の検出軸は、一次運動に垂直である。
【0010】
一次運動で振動する構造が、表面平面に垂直なZ軸に対して回転すると、一次運動で動く質量1は、その運動方向に垂直なX軸方向のコリオリの力を受ける。次に、更に検出バネ4、5は減衰に加えて、生成された検出運動の振動の振幅と位相を決定する。
【0011】
図2は従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサの典型的な容量型実施図を示す。表示されるZ角速度センサで、質量1と励起フレーム2の共通の一次運動は、作動櫛型構造8により静電的に作動され、それは検出櫛型構造9により検出される。他方、コリオリの力により引き起こされる二次運動は、容量型櫛型構造10、11により差動式に検出される。この種のセンサは、上記のようにしばしば2つの構造を互いに結合することにより差動式に行われ、これにより外部の機械的干渉に著しくより鈍感な構造が達成される。従来技術による1つのこのようなセンサ解決法が、とりわけ米国特許番号US6,752,017に記載される。
【0012】
図3は従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサの機能的構造図を示す。従来技術によるこの種のセンサ解決法の原理が、とりわけ米国特許番号US5,377,544に記載される。図示される従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサは、回転質量12を備え、これはサスペンション14、15により、中心で支持構造13に支持される。従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサは、更に回転質量12の上又は下に備えられる容量型電極18を備える。
【0013】
記述される従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサで、中心の回転質量12は、静電型励起櫛型構造16及び一次運動検出櫛型構造17により、Z軸の周りの表面平面における回転運動として一次運動へ作動される。支持13とサスペンション14〜15により形成されるX/Y平面方向での検出は、一次運動の回転軸に垂直である。
【0014】
図示される従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサがX軸に対して回転する場合、コリオリの力が回転質量12にその速度と同調して、Y軸に対するねじりモーメントを発生させ、そのねじりモーメントはバネ14により回転質量12にねじり振動を発生させる。対応してX/Y角速度センサがY軸に対して回転する場合、コリオリの力が回転質量12に、その速度に同調してX軸に対してねじりモーメントを発生させ、そのねじりモーメントはバネ15により回転質量12にねじり振動を発生させる。発生する振動は電極18により容量型で検出することができる。
【0015】
消費者向けエレクトロニックスにおける多くの用途に対して、非常に小型で安価な角速度センサが必要とされる。1より多くの自由度での作動と検出の両方が、しばしば要求されるので、いくつかの自由度での測定が、角速度センサにおいて困難である。特に表面平面におけるある軸に対する、及びこの平面垂直な軸に対する角速度の測定のための一つの部品における安価な実施が困難であることが分かってきた。
【0016】
特許公報WO2006070059A1は、そこで表示されるように、2つの類似質量の逆位相で面内の角振動について開示する。
【0017】
角速度センサにおけるコストパフォーマンスは、表面積の他にその要素に必要なエレクトロニックスの複雑さによっても決定される。異なる軸に対する測定共鳴器におけるいくつかの自由度で起こる作動運動は、おそらく表面積とエレクトロニックスの複雑さを増加させる最大の単一要因である。
【0018】
次に本発明の目的は、小型に適した振動型角速度センサの構造を達成することで、これにより角速度は、共通の作動運動を利用して、2または3の自由度で測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献1】 特許公報WO2006070059A1
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0019】
本発明の目的は、特に小型の振動型角速度センサの解決法で、これは2または3の自由度で良好な性能で信頼できる測定を可能にし、従来技術の解決法と比較して、著しく安価で、同時に外部の機械的干渉の結合に対して鈍感に設計することができるこのような改良された振動角速度センサを提供することである。
【0020】
本発明によると、支持構造及び/又はバネ構造により吊るされた少なくとも2つの地震質量を備え、バネ構造は以下のように前記質量を互いに結合する振動型マイクロメカニカル角速度センサが提供される:
・角速度センサが、前記質量の電極及び/又は前記質量と接続して結合される検出櫛型構造により、2又は3軸に対して角速度を測定するように適合される。
・角速度センサの少なくとも2つの質量が共通モードにより、一次運動振動へ作動されるように適合される。
【0021】
好ましくは、前記少なくとも2つの地震質量は、少なくとも1つの回転質量を備える。より好ましくは、前記少なくとも2つの地震質量は、少なくとも1つの線形質量を備える。好ましくは、角速度センサは、更に少なくとも1つの励起フレーム構造を備える。更に好ましくは、前記少なくとも2つの地震質量は、バネにより励起フレーム構造に支持される。更に好ましくは、角速度センサは、更に励起櫛型構造を備え、この励起櫛型構造は共通モード信号により一次運動へ前記少なくとも2つの地震質量を作動させるように適合される。
【0022】
好ましくは、前記検出櫛型構造は、一次運動を差動式に検出するように適合される。更に、好ましくは、回転質量は、Z軸周りの表面平面における一次運動で、励起フレーム構造により同期され、振動するように適合される。更に好ましくは、回転質量は励起フレーム構造の運動を反対位相で互いに結合させるように適合される。更に好ましくは、線形質量内には、構造を支持するように接続されるバネ構造があり、このバネ構造は、Z方向の角速度を検出する検出櫛型構造の一次モードの運動を防止する。
【0023】
好ましくは、電極は、X軸に対して角速度センサを回転させることにより起こされる振動を測定するように適合される。好ましくは、電極はY軸に対して角速度センサを回転させることにより起こされる振動を測定するように適合される。好ましくは、検出櫛形構造はZ軸に対して角速度センサを回転させることにより起こされる振動を測定するように適合される。好ましくは、角速度センサはSOI型(SOI、シリコン・オン・インシュレータ)のウェハ材料から実施される。好ましくは角速度センサの構造は、支持領域で基板及び/又はカバーに支持される。好ましくは、センサ部品のフレームは基板とカバーの両方へ接続され、角速度センサの構造の上の気体空間を密封する。
【図面の簡単な説明】
【0024】
以下に、本発明とその好適実施例が、付属図面を例示して、詳細に記述する。
【0025】
【図1】従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサの機能的構造図を示す。
【図2】従来技術による振動型マイクロメカニカルZ角速度センサの典型的は容量型実施図を示す。
【図3】従来技術による振動型マイクロメカニカルX/Y角速度センサの機能的構造図を示す。
【図4】本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。
【図5】本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。
【図6】本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。
【図7】本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。
【図8】本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。
【0026】
図1〜3は上に提示される。下に本発明とその好適実施例が図4〜8を参照して記述される。
【発明を実施するための形態】
【0027】
図4は本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。図示される本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、回転質量34を備え、これはバネ28、29によりその中心で支持構造19に支持され、バネ30、31によりX軸方向へ励起フレーム構造32、33に支持される。回転質量34は、更に電極37〜40を備える。更に、本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、線形質量35、36を備え、これらはバネ45、46によりX軸方向へ励起フレーム構造32、33に支持される。前記励起フレーム構造32、33は、曲がったバネ24〜27によりセンサエッジの周りで、Y軸方向へフレーム23に支持される。更に、本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、バネ41、42により励起フレーム構造32、33に支持される容量型櫛型構造47、48を備え、励起櫛型構造43は、励起櫛型構造32、33、検出フレーム構造44、本体へ取り付けられた支持バネ49、及び支持構造20〜22へ接続される。
【0028】
本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、特にSOI型ウェハ材料(SOI、シリコン・オン・インシュレータ)から実施されることに適する。SOIウェハで、支持領域19〜22は、酸化物などの絶縁被膜で基板層へ取り付けることが可能で、同時に運動構造はこれらの領域から酸化物を選択的にエッチングすることにより、基板が存在しないようにすることができる。
【0029】
本発明による3軸を有する振動源マイクロメカニズム角速度センサの構造は、支持領域19〜22でウェハの基板層に、及び/又はカバーウェハに支持され、構造の上部で気体空間を密封し、更に構造を囲むフレーム構造23は基板層とカバー層の両方へ取り付けられる。
【0030】
本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサにおいて、結合された構造の一次運動は、直線状に動く励起フレーム構造32、33の曲がったバネ24〜27により、回転質量34のバネ28、29により、及び質量を互いに結合するバネ30、31により決定される。
【0031】
本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカルセンサで、線形質量35、36内には、検出櫛型構造47、48に取り付けられたバネ構造41、42もあり、このバネ構造は、Z方向の角速度を検出する検出櫛型構造47、48の一次モードの運動を防止し、更に本体に取り付けられたバネ49を支持し、これが今度は検出される二次運動の方向に検出櫛型構造47、48へ自由度を与える。このように、バネ41、42も一次運動に加わる。しかし、本発明による解決法では、図に従ってZ方向の固定された検出櫛型構造47、48は、必須条件ではない。
【0032】
本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサで、一次運動は共通モード信号により対向して設置される励起櫛型構造43により、静電的に作動され、また検出櫛型構造44により差動式に検出される。中心の回転質量34はZ軸周りの表面平面で、励起フレーム構造32、33により同期されて振動し、同時に互いに反対位相で励起フレーム構造32、33の運動を結合する。
【0033】
本発明による3軸を有するマイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する、記載される3つの質量34〜36から構成される結合振動子が、X軸に対して回転する場合、Y軸に対する回転モーメントは質量34〜36に影響するコリオリの力により、その速度と同調して中心の回転質量34に発生され、これが回転質量34にねじり振動を発生させる。回転質量34の振動の大きさと位相は、一部はバネ28、30、31により決定され、検出自由度を与え、それらのバネは、モード共鳴が質量34〜36の共通一次運動より一般にやや高い適切な周波数になるように、このモードに適切に軟らかく寸法が決められる。発生した振動は、回転質量34の上部の電極39、40により容量型でかつ差動式に検出することができる。これらの電極37〜40は、例えばカバーウェハの内面上の薄い金属被膜として堆積させることができる。
【0034】
本発明による3軸を有するマイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する、記載される3つの質量34〜36から構成される結合振動子が、Y軸に対して回転する場合、回転質量34はその回転中に、速度と同調してX軸に対してのモーメントを受け、このモーメントは同じX軸に対する二次振動を発生させる。この運動で、バネ29〜31は、夫々の部分で、振動の振幅と位相を決定するそれらの部分に対して、ねじりモーメントで曲げられる。発生した振動は、回転質量34の上部に設置される電極37、38により容量型でかつ差動式に検出することができる。
【0035】
一次運動で振動する本発明による3軸を有するマイクロメカニカル角速度センサの記載される3つの質量34〜36から構成される結合振動が、表面平面に垂直なZ軸に対して回転する場合、反対方向へ動く線形質量35、36は、X軸方向と反対方向のコリオリの力を受ける。この運動で、Z方向の検出バネ45、46、49は、それらの部分で、発生振動の振幅と位相を決定する。このZ方向の振動は、質量内の容量型櫛型構造47、48により差動式に検出される。
【0036】
本発明による3軸を有するマイクロメカニカル角速度センサで、Z方向の二重差動検出は、強打と揺動により発生された線形の角加速度が差動式検出でキャンセルされるので、機械的干渉に対して特に鈍感である。
【0037】
図5は本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。図示された本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、回転質量34を備え、これがバネ28、29によりその中心で支持構造19に支持され、バネ30、31によりX軸方向に、励起フレーム構造50、51に支持される。
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、線形質量52,53を備え、これはバネによりX軸方向に励起フレーム構造50,51に支持される。前記励起フレーム構造50、51は、曲がったバネ24〜27により、Y軸方向にセンサを囲むフレーム23に支持される。本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、更に支持構造21に支持される容量型Z方向検出櫛型構造54、55を備え、励起櫛型構造は励起フレーム構造50、51と検出櫛型構造へ接続される。
【0038】
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、特にSOI型ウェハ材料(SOI、シリコン・オン・インシュレータ)から実施されるのに適する。本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの構造は、支持領域19,21で、ウェハの基板層及び/又はカバーウェハに支持され、更に構造を囲むフレーム構造23は、基板層と構造の上の気体空間を密封するカバーウェハの両方へ接続される。
【0039】
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサにおいて、結合構造の一次運動は、線形に動く励起フレーム構造50、51の曲がったバネ24〜27、回転質量34のバネ28、29、及び質量を互いに結合するバネ30、31により決定される。中心の回転質量34は、励起フレーム構造50、51により同期され、Z軸周りの表面平面で振動し、同時に互いに反対位相で励起フレーム構造50、51の運動を結合する。
【0040】
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する、記載される3つの質量34、52、53から構成される結合振動が、X軸に対して回転する場合、Y軸に対する回転モーメントが質量34,52、53にその速度と同調して影響して中心の回転質量34とするコリオリの力により発生され、このモーメントはねじり振動を回転質量34へ発生させる。回転質量34の振動の大きさと位相は、それらの部分に対して検出自由度を与えるバネ28、30、31により決定され、これらのバネは、モード共鳴が質量34の一次運動より一般にやや高い適切な周波数であるように、このモードに対して適切に軟らかく寸法が決められる。発生した振動は回転質量34の電極により容量型でかつ差動式に検出することができる。
【0041】
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面で振動する、記載される3つの質量34、52、53から構成される結合振動子が、Y軸に対して回転する場合、回転質量34はその回転中にX軸に対して、速度と同調してモーメントを受け、このモーメントは同じX軸に対して二次振動を発生させる。この運動で、バネ29〜31は、それらの回転中に、それらの部分に対して振動の振幅と位相を決定するねじりモードで曲げられる。発生振動は、回転質量34の電極により容量型でかつ差動式に検出することができる。
【0042】
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの一次運動で振動する、記載される3つの質量34、52、53から構成される結合振動子が、表面平面に垂直なZ軸に対して回転される場合、反対方向へ動く線形質量52,53は、X軸方向に反対のコリオリの力を受ける。
【0043】
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、質量内のZ方向の容量型検出櫛型構造54、55は、一次運動方向へ質量と共に動くことを許容される。3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、Z方向に発生する検出振動は、容量型櫛型構造54、55により差動式に検出される。検出櫛の一次運動から発生する直交信号は、差動式聴取でキャンセルされる。記載される別の構造は、空間効率がより良く、同一構造寸法ではより大きい信号を可能にする。
【0044】
図6は、本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの機械的構造図を示す。図示される本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、中心質量71を備え、これは中心でバネ65、66により支持構造56に支持され、バネ67、68によりX軸方向へ励起フレーム構造69、70に支持される。中心質量71は、更に電極76、77を備える。図示される3軸を有する角速度センサは、更に側部質量72、73も備え、これらはバネにより励起フレーム構造69、70に支持される。側部質量72、73は、更に電極78、79を備える。更に本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、線形質量74、75を備え、これらはバネ84、85によりX軸方向へ励起フレーム構造69、70に支持される。前記励起フレーム構造69、70は、曲がったバネ61〜64によりY軸方向へフレーム構造60に支持される。更に、本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、バネ80、81、励起フレーム構造69、70に取り付けられた励起櫛型構造82、検出櫛型構造83、支持バネ及び支持構造57〜59により励起フレーム構造69、70に支持される容量型櫛型構造86、87を備える。
【0045】
本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、特にSOI型ウェハ材料(SOI、シリコン・オン・インシュレータ)から実施されるのに適する。本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの構造は、支持領域56〜59でウェハ基板層及び/又はカバーウェハに支持され、更に構造を囲むフレーム構造60は、気体空間を密封する構造の上の基板層とカバーウェハの両方へも接続される。
【0046】
本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、結合構造の一次運動は、線形に動く励起フレーム構造69、70の曲がったバネ61〜64、中心質量71のバネ65、66、及び質量を互いに結合するバネ67、68により決定される。
【0047】
本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、線形質量74、75内には、支持構造58に取り付けられたバネ構造80、81も存在し、これらのバネ構造が検出櫛型構造86、87の一次モード運動を防止し、これがZ方向の角速度を検出する。このように、これらのバネ80、81も一次運動に加わる。しかし、本発明による解決法で、図によるZ方向用の固定された検出櫛型構造86、87は、必須要素ではない。
【0048】
本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、一次運動は対向する励起櫛型構造82により、共通モード信号により静電的に作動され、それは検出櫛型構造83により差動式に検出される。角速度センサの中心質量71は、Z軸周りの表面平面内の励起フレーム構造69、70により同期されて振動し、同時に反対位相で励起フレーム構造69、70の動きを互いに結合する。
【0049】
本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する5つの結合質量71〜75から構成される振動子が、Y軸に対して回転する場合、質量71〜75に影響するコリオリの力は、X軸に対してその速度と同調して、中心質量71へ回転モーメントを発生させ、これが中心質量71へねじり振動を発生させる。中心質量71の振動の大きさと位相は、バネ66、67、68により決定され、これが検出自由度を与え、モードの共鳴が一次運動より一般にやや高い適切な周波数であるように、このモードに対して適切に軟らかいように寸法が決定される。発生振動は回転質量71の上の電極76、77により容量型でかつ差動式に検出することができる。これらの電極76、77は、一般にカバーウェハの下面上に堆積される。
【0050】
本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する5つの結合質量71〜75から構成される振動子が、X軸に対して回転する場合、ねじりバネに吊り下げられた側部質量72、73は、それらの回転中にそれらの速度と同調してZ軸方向にコリオリの力を受け、この力はそれらの中に反対位相のY軸に対して、反対位相のねじり振動を発生させる。発生振動は側部質量72、73の上の電極78〜79により容量型でかつ差動式に検出することができる。
【0051】
本発明による3軸を有するまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する5つの結合質量71〜75から構成される振動子が表面平面に垂直なZ軸に対して回転する場合、反対方向に動く線形質量74、75は、X軸方向の反対方向にコリオリの力を受ける。この運動で、それらの部分にそれらの部分のためのZ方向用の検出バネ84、85が発生振動の振幅と位相を決定する。このZ方向検出振動は質量中の容量型櫛型構造86、87により差動式に検出される。本発明による3軸を有する別の振動型マイクロメカニカル角速度センサにおけるZ方向の二重差動式検出は、強打と振動から発生する線形の角加速度が差動式検出でキャンセルされるので、機械式干渉に特に鈍感である。記載されたまた別の構造の利点は、より効率的な空間利用と質量モードのより良好な分離である。
【0052】
図7は本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの図を示す。図示される本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサは、回転質量34を備え、これは中心でバネ28、29により支持構造51に支持され、バネ30によりX軸方向に励起フレーム構造32に支持される。回転質量34は、更に電極37〜40を備える。本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカルセンサは、更に線形質量35を備え、これはバネ45、46によりX軸方向へ励起フレーム構造32に支持される。前記励起フレーム構造32はY軸方向へフレーム23に支持され、曲がったバネ24、25によりセンサエッジを形成する。更に、本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、バネ41、42により励起フレーム構造に支持される容量型櫛型構造47、48、励起フレーム構造32に取り付けられた励起櫛型構造43、検出櫛型構造44、本体へ取り付けられた支持バネ49、及び支持構造20〜22を備える。
【0053】
本発明による3軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、SOI型ウェハ材料(SOI、シリコン・オン・インシュレータ)から実施されるのに特に適する。SOIウェハで、支持領域19〜22は、酸化物などの絶縁層により基板層へ取り付けることができ、同時に運動構造は、これらの領域から酸化物を選択的にエッチングすることにより、基板を除去することができる。
【0054】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの構造は、支持領域19〜22でウェハ基板層及び/又は構造の上の気体空間を密封するカバーウェハに支持され、それに加えて構造を囲むフレーム構造23は基板層とカバーの両方へ取り付けられる。
【0055】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、結合構造の一次運動は線形に動く励起フレーム構造32の曲がったバネ24、25、回転質量34のバネ28、29及び質量を互いに結合させるバネ30により決定される。
【0056】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、線形質量35内には、検出櫛型構造47、48へ取り付けられたバネ構造41、42も存在し、このバネ構造は、Z方向の角速度を検出する検出櫛型構造47、48の一次モード運動を防止し、更に支持バネは、本体へ取り付けられたバネ49を支持し、これがそれらの部分で、検出される二次運動の方向に検出櫛型構造47、48へ自由度を与える。こうしてバネ41、42も一次運動へ加わる。しかし、本発明による解決法で、図によるZ方向用の固定された検出櫛型構造47、48は必須条件ではない。
【0057】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、一次運動は励起櫛型構造43により静電的に作動され、それは検出櫛型構造44により検出される。励起フレーム構造32により同期される回転質量34は、Z軸周りの表面平面で振動する。
【0058】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する、図示された2つの質量34、35から構成される結合振動子がX軸に対して回転する場合、質量34、35に影響するコリオリの力は、Y軸に対してその速度と同調して、回転質量34に回転モーメントを発生させ、そのモーメントは回転質量34へねじり振動を発生させる。回転質量34の振動の大きさと位相はバネ28、30により決定され、これらはそれらの部分に検出自由度を与え、これらのバネは、モード共鳴が質量34、35の共通一次運動より一般にやや高い適切な周波数であるように、このモードに対して適切に柔らかい寸法にする。発生振動は回転質量34の上部の電極39、40により容量型でかつ差動式に検出される。これらの電極37〜40は、例えばカバーウェハ内面上の薄い金属被膜として堆積させることができる。
【0059】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する、図示される2つの質量34、35から構成される結合振動子がY軸に対して回転する場合、回転質量34は、その部分でその速度と同調してX軸に対してモーメントを受け、そのモーメントは、同じX軸に対して二次振動を発生させる。この運動で、バネ24と30は、それらの部分でねじりモードで曲げられ、それらの部分に対して振動の振幅と位相を決定する。発生振動は回転質量34の上部の電極37、38により容量型でかつ差動式に検出することができる。
【0060】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサの一次運動で振動する、2つの質量34、35から構成される結合振動子が表面平面に対して垂直なZ軸に対して回転する場合、線形に動く質量35はX軸方向で速度と同調して振動するコリオリの力を受ける。発生される運動で、発生振動の振幅と位相は、これらの部分に対してZ方向検出バネ45、46、49により決定される。このZ軸方向の検出振動は、質量内に設置される容量型櫛型構造47、48により差動式に検出される。
【0061】
本発明による3軸を有する更にまた別の振動型マイクロメカニカル角速度センサで、Z方向の単一端部検出は、強打と振動により発生する線形加速度でさえ質量35を変位させるので、機械的干渉に特に敏感である。この実施の最大の利点は、従って非常に小型でかつ簡単な、直ちに実施される構造であることである。
【0062】
記載される典型的構造に加えて、本発明による3軸を有する角速度センサに関する多くの修正案を本発明の範囲内で提示することができる。
【0063】
図8は本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの機能的構造図を示す。図示される本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、回転質量71を備え、これは中心でバネ28、29により支持構造19に支持され、バネ30によりX軸方向に励起フレーム構造32に支持される。回転質量71は、更に電極76を備える。更に本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、線形質量35を備え、これはバネ45、46によりX軸方向に励起フレーム構造32に支持される。前記励起フレーム構造32は、曲がったバネ24、25によりY軸方向にセンサエッジを形成するフレームに支持される。更に本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、バネ41、42により励起櫛型構造32に支持される容量型櫛型構造47、48を備え、励起櫛型構造43は励起フレーム構造32、検出櫛型構造44、本体へ取り付けられた支持バネ49、及び支持構造20〜22へ接続される。
【0064】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサは、SOI型ウェハ材料(SOI、シリコン・オン・インシュレータ)から実施されるのに特に適する。SOIウェハにおいて、支持領域19〜22は、例えば酸化物などの絶縁被膜を有する基板層へ取り付けることができ、同時に運動構造はこれらの領域から酸化物を選択的にエッチングすることにより基板を除去することができる。
【0065】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの構造は、支持領域19〜22でウェハの基板層及び/又は構造の上の気体空間を密封するカバーウェハに支持され、それに加えて、構造を囲むフレーム構造23は、基板層及びカバーの両方へ取り付けられる。
【0066】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサで、結合構造の一次運動は、線形に動く励起フレーム構造32の曲がったバネ24、25、回転質量71のバネ28、29及び質量を互いに結合させるバネ30により決定される。
【0067】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサで、線形質量35内の検出櫛型構造47、48へ取り付けられたバネ構造41、42も存在し、このバネ構造はZ方向の角速度を検出する検出櫛型構造47、48の一次モードでの運動を防止し、本体へ取り付けられたバネ49も支持し、このバネはそれらの部分に対して検出される二次運動の方向に検出櫛型構造47、48へ自由度を与える。こうしてバネ41、42も一次運動へ加わる。しかし本発明による解決法で、図面によるZ方向用の固定された検出櫛型構造47、48は必須条件ではない。
【0068】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサで、一次運動は励起櫛型構造43により静電的に作動され、それは検出櫛型構造44により検出される。回転質量71はZ軸周りの表面平面で、励起フレーム構造32により同期されて振動する。
【0069】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの表面平面で振動する、図示される2つの質量35、71から構成される結合振動子がY軸に対して回転する場合、質量35、71に影響するコリオリの力は、回転質量71にその速度と同調してX軸に対して回転モーメントを発生させ、このモーメントは回転質量71にねじり振動を発生させる。回転質量71の振動の大きさと位相は、それらの部分に対して、検出自由度を与えるバネ29、30により決定され、このバネは、モード共鳴が質量35、71の共通一次運動より一般にやや高い適切な周波になるように、このモードに対して適切に柔らかい寸法にされる。発生振動は回転質量71上の電極76、77により容量型でかつ差動式に検出される。これらの電極は、例えばカバーウェハの内面上の薄い金属被膜として堆積させることができる。
【0070】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの一次運動で振動する図示される2つの質量35、71から構成される結合振動が、表面平面に垂直なZ軸に対して回転する場合、線形に動く質量35は、X軸方向に速度と同調して振動するコリオリの力を受ける。発生した運動で、検出バネ45、46、49は、それらの部分に対して、発生振動の大きさと位相を決定する。このZ軸方向の検出振動は、質量内に設置される容量型櫛型構造47、48により差動式に検出される。
【0071】
本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサで、Z方向の単一端部検出は、強打と振動により発生する線形加速度でさえ、質量35を変位させるので、機械的干渉に特に敏感である。この実施の最大の利点は、従って非常に小型でかつ簡単な構造であることで、これは容易に実施される。
【0072】
記載される典型的な構造に加えて、本発明による2軸を有する振動型マイクロメカニカル角速度センサの多くの修正が本発明の範囲内で提示することができる。
【0073】
本発明による振動型マイクロメカニカル角速度センサで、従来技術によるセンサ構造と比較して最も重要な利点は、結合質量のいくつかの自由度を有する一次運動による著しく安価な構造である。同時に、差動式検出のため、センサは外部の機械的干渉との結合に鈍感なように設計することができる。
【0074】
本発明による振動型角速度センサは、正確に考えられた運動方向により、非常に大きな信号レベルも可能にする。例えば回転質量の大きなサイズと慣性モーメントを質量の下又は上に設置される大型電極により効率的に利用することができる。
【符号の説明】
【0075】
1:質量
2:励起フレーム
8:作動櫛形構造
3、13、19、20、21、22、23、56、57、58、59、60:支持構造(領域)
24、25、26、27:曲ったバネ
4、5、6、7、14、15、28、29、30、31、41、42、45、46、49、61、62、63、64、65、66、67、68、80、81、84、85:バネ(構造)
32、33、50、51、69、70:励起フレーム構造
12、13、34、35、36、52、53、71、72、73、74、75:線形質量
16、18、37、38、39、40、66、67、76、77、78、79:電極
43、82:励起櫛型構造
9、10、11、17、44、47、48、54、55、83、86、87:検出櫛型構造
Claims (16)
- 支持構造(19−23、56−60)及び/又はバネ構造(24−29,49,61−66)により吊下げられる少なくとも2つの地震質量(34−36,52−53,71−75)、及び前記質量(34−36,52−53,71−75)を互いに結合するバネ構造(30−31,67−68)を備える振動型マイクロメカニカル角速度センサであって、
―角速度センサは、前記質量(34−36,52−53,71−75)の電極(37−40,76−79)、及び/又は前記質量(34−36,52−53,71−75)と結合して取り付けられる検出櫛形構造(44,47−48,54−55,83,86−87)により2つまたは3つの軸に対して角速度を測定するように適合され、
―角速度センサの前記少なくとも2つの地震質量(34−36,52−53,71−75)は、共通モードにより一次運動振動へ作動されるように適合されることを特徴とする、振動型マイクロメカニカル角速度センサ。 - 前記少なくとも2つの地震質量(34−36,52−53,71−75)は、少なくとも1つの回転質量(34,71)を備えることを特徴とする、請求項1に記載の角速度センサ。
- 前記少なくとも2つの地震質量(34−36,52−53,71−75)は、少なくとも1つの線形質量(35−36,52−53,72−75)を備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の角速度センサ。
- 角速度センサは、更に少なくとも1つの励起フレーム構造(32−33,50−51,69−70)を備えることを特徴とする、請求項1、2または3に記載の角速度センサ。
- 前記少なくとも2つの地震質量(34−36,52−53,71−75)は、バネ(30−31,45−46,67−68,84−85)により励起フレーム構造(32−33,50−51,69−70)に支持されることを特徴とする、請求項4に記載の角速度センサ。
- 角速度センサは、更に励起櫛形構造(43,82)を備え、この励起櫛形構造(43,82)は、前記少なくとも2つの地震質量(34−36,52−53,71−75)を共通モード信号により一次運動へ作用させるように適合されることを特徴とする、請求項4または5に記載の角速度センサ。
- 前記検出櫛形構造(44,47−48,54−55,83,86−87)は、一次運動を作動式に検出するように適合されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 回転質量(34,71)は、Z軸の周りの表面平面の一次運動で、励起フレーム構造(32−33,50−51,69−70)により同期されて、振動するように適合されることを特徴とする、請求項4〜7のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 回転質量(34,71)は、励起フレーム構造(32−33,50−51,69−70)の運動を反対位相で互いに結合させることを特徴とする、請求項4〜8のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 線形質量(35−36,52−53,72−75)内に、支持構造(23,60)へ取り付けられたバネ構造(41−42,80−81)があり、このバネ構造はZ方向に角速度を検出する検出櫛形構造(47−48,86−87)の一次モードでの運動を防止することを特徴とする、請求項3〜9のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 電極(37−40,76−79)はX軸に対して角速度センサを回転させることにより起こされる振動を測定するように適合されることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 電極(37−40,76−79)はY軸に対して角速度センサを回転させることにより起こされる振動を測定するように適合されることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 検出櫛形構造(47−48,54−55,86−87)は、Z軸に対して角速度センサを回転させることにより起こされる振動を測定するように適合されることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 角速度センサは、SOI型(SOI,シリコン・オン・インシュレータ)のウェハ材料から実施されることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- 角速度センサの構造は、支持領域(19−22,56−59)で基板および/またはカバーに支持されることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか1項に記載の角速度センサ。
- センサ構成要素のフレーム(23,60)は、基盤と角速度センサの構造上の気体空間密封カバーの両方に取り付けられることを特徴とする、請求項1〜15のいずれか1項に記載の角速度センサ。
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