JP5620903B2 - 振動型マイクロメカニカル角速度センサ - Google Patents

Description

【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つの振動質量を備え、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つの振動質量は、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つの振動質量は、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つの振動質量は、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つの振動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 (14)

1. 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つの振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）、及び前記振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）を互いに結合する結合バネ構造（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、
   前記角速度センサは、前記振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）の電極（３７−４０，７６−７９）、及び／又は前記振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）と結合して取り付けられる第１の検出櫛形構造（４７−４８，５４−５５，８６−８７）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、
   前記角速度センサの前記少なくとも２つの振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）は、共通モード信号により一次振動が励起されるように適合され、
   前記少なくとも２つの振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）は、前記一次振動において、ある一つの軸に対して回転振動する少なくとも一つの回転質量（３４，７１）と、別の一つの軸に沿って線形振動する少なくとも一つの線形質量（３５−３６，５２−５３，７２−７５）から構成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。
2. 前記角速度センサは、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に記載の角速度センサ。
3. 前記少なくとも２つの振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）は、バネ構造（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２に記載の角速度センサ。
4. 前記角速度センサは、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つの振動質量（３４−３６，５２−５３，７１−７５）に対して共通モード信号により一次振動を励起するように適合されることを特徴とする、請求項２または３に記載の角速度センサ。
5. 前記角速度センサは、更に第２の検出櫛形構造（４４、８３）を備え、前記第２の検出櫛形構造（４４、８３）は、励起された一次振動を差動形式で検出するように適合されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
6. 前記回転質量（３４，７１）は、前記角速度センサの表面で、前記表面に垂直なＺ軸の周りに、前記励起フレーム構造（３２−３３，５０−５１，６９−７０）に同期して、一次振動するように適合されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の角速度センサ。
7. 前記回転質量（３４，７１）は、互いに反対位相で振動する前記励起フレーム構造（３２−３３、５０−５１、６９−７０）の振動と結合することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の角速度センサ。
8. 前記少なくとも一つの線形質量（３５−３６，５２−５３，７２−７５）内に、前記第１の検出櫛型構造（４７−４８，８６−８７）へ取り付けられたバネ構造（４１−４２，８０−８１）があり、前記第１の検出櫛型構造（４７−４８，８６−８７）へ取り付けられたバネ構造は前記角速度センサの表面に垂直なＺ軸に対する角速度を検出する第１の検出櫛形構造（４７−４８，８６−８７）の一次振動を防止することを特徴とする、請求項６〜７のいずれか１項に記載の角速度センサ。
9. 前記電極（３７−４０，７６−７９）は第１の電極（３９−４０，７８−７９）を含み、前記第１の電極（３９−４０，７８−７９）は前記角速度センサの表面に平行な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二次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６〜８のいずれか１項に記載の角速度センサ。
10. 前記電極（３７−４０，７６−７９）は第２の電極（３７−３８，７６−７７）を含み、前記第２の電極（３７−３８，７６−７７）は前記角速度センサの表面に平行で前記Ｘ軸に垂直な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二次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９に記載の角速度センサ。
11. 前記第１の検出櫛形構造（４７−４８，５４−５５，８６−８７）は、前記角速度センサの表面に垂直な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二次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６〜１０のいずれか１項に記載の角速度センサ。
12. 前記角速度センサは、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１〜１１のいずれか１項に記載の角速度センサ。
13. 前記支持構造（１９−２３、５６−６０）は支持領域（１９−２２，５６−５９）を含み、前記角速度センサの構造は、前記支持領域（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１〜１２のいずれか１項に記載の角速度センサ。
14. 前記支持構造（１９−２３、５６−６０）はフレーム（２３，６０）を含み、前記フレーム（２３，６０）は、基板とカバーの両方に取り付けられ、前記カバーは前記角速度センサを上から覆って基板とカバーに囲まれた空間を気密空間とす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。

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