特開 2022-66147 振動型ジャイロスコープの直交バイアス誤差の低減

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022066147

(43)【公開日】2022-04-28

(54)【発明の名称】振動型ジャイロスコープの直交バイアス誤差の低減

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5684 20120101AFI20220421BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20220421BHJP

   B81C 3/00 20060101ALI20220421BHJP

   H01L 41/053 20060101ALI20220421BHJP

   H01L 41/047 20060101ALI20220421BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20220421BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20220421BHJP

   H03H 9/24 20060101ALI20220421BHJP

   H03H 3/02 20060101ALI20220421BHJP

【ＦＩ】

G01C19/5684

B81B3/00

B81C3/00

H01L41/053

H01L41/047

H01L41/09

H01L41/187

H03H9/24 A

H03H3/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021145090

(22)【出願日】2021-09-07

(31)【優先権主張番号】20275161

(32)【優先日】2020-10-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】508296554

【氏名又は名称】アトランティック・イナーシャル・システムズ・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ａｔｌａｎｔｉｃ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ

【住所又は居所原語表記】Ｃｌｉｔｔａｆｏｒｄ Ｒｏａｄ， Ｓｏｕｔｈｗａｙ， Ｐｌｙｍｏｕｔｈ， ＰＬ６ ６ＤＥ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】ケヴィン タウンゼンド

(72)【発明者】

【氏名】クリストファー ポール フェル

【テーマコード（参考）】

2F105

3C081

5J108

【Ｆターム（参考）】

2F105BB02

2F105BB03

2F105BB04

2F105BB08

2F105CC04

2F105CD01

2F105CD02

2F105CD03

2F105CD05

2F105CD06

2F105CD07

3C081AA13

3C081BA44

3C081BA47

3C081BA55

3C081BA75

3C081CA14

3C081CA33

3C081CA44

3C081CA45

3C081DA03

3C081DA06

3C081EA02

5J108AA09

5J108BB08

5J108CC02

5J108CC10

5J108EE03

5J108EE07

5J108KK01

5J108KK02

5J108MM11

5J108NA01

(57)【要約】

【課題】電荷移動効果の影響を受けにくく、モード周波数を高精度に一致させる。
【解決手段】振動型角速度センサは、マウント７０７、平面振動構造７０３、及び、マウントと平面振動構造の間に延在して該振動構造を支持し、平面振動構造が電気的励起に応じてマウントに対してその平面内で振動することを可能にする複数のコンプライアント支持体７０５、７０６ａ、７０６ｂを備える。トランスデューサの第１のセット７０８は、使用中に平面振動構造７０３に電気的励起を印加しかつ使用中にその平面内の平面振動構造の振動から生じる運動を感知するために、平面振動構造上に配置されている。複数の容量性領域７０２は、その平面内の平面振動構造から一定の距離に固定されている。容量性領域７０２は、使用中に、平面振動構造の振動の周波数の変化を誘導する静電力を平面振動構造に加えるように構成されたトランスデューサの第２のセットを形成する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マウント（７０７；９０７）、平面振動構造（７０３；９０３）、及び、前記マウント（７０７；９０７）と前記平面振動構造（７０３；９０３）の間に延在して前記振動構造（７０３；９０３）を支持し、それによって、前記平面振動構造（７０３；９０３）が電気的励起に応じて前記マウント（７０７；９０７）に対してその平面内で振動することを可能にする複数のコンプライアント支持体（７０５、７０６ａ、７０６ｂ；９０５、９０６ａ、９０６ｂ）と、
使用中に前記平面振動構造（７０３；９０３）に電気的励起を加えかつ使用中にその平面内の前記平面振動構造（７０３；９０３）の振動から生じる運動を感知するための、前記平面振動構造（７０３；９０３）上に配置されたトランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）と、
前記平面振動構造（７０３；９０３）から、その平面内で一定の距離を置いて固定された複数の容量性領域（７０２；９０２）であって、前記容量性領域（７０２；９０２）は、使用中に前記平面振動構造（７０３；９０３）に、前記平面振動構造（７０３；９０３）の振動の周波数の変化を誘導する静電力を加えるように構成されたトランスデューサの第２のセット（７０４ａ；９０４ａ）を形成する、前記複数の容量性領域（７０２；９０２）と、
を備える、振動型角速度センサ（７５０；９５０）。

【請求項2】

前記トランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）の第１のサブセットは、前記平面振動構造（７０３；９０３）を一次モードで前記マウント（７０７；９０７）に対して振動させるように構成されており、
前記トランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）の第２のサブセットは、角速度が前記平面振動構造（７０３；９０３）の平面に実質的に垂直な軸周りに加えられたときにコリオリの力によって誘導される二次モードでの前記マウント（７０７；９０７）に対する前記平面振動構造（７０３；９０３）の振動から生じる運動を感知するように構成されており、
前記トランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）の第３のサブセットは、前記一次モードでの前記平面振動構造（７０３；９０３）の振動から生じる運動を感知するように構成されており、
前記トランスデューサの第２のセット（７０２；９０２）は、前記周波数を一致させるように、前記一次モード及び／または前記二次モードでの振動の前記周波数の変化を誘導する静電力を前記平面振動構造（７０３；９０３）に加えるように構成されている、
請求項１に記載の振動型角速度センサ（７５０；９５０）。

【請求項3】

前記トランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）の第４のサブセットは、電気的励起を印加して、前記二次モードでの前記平面振動構造（７０３；９０３）の前記振動をゼロにするように構成されている、請求項２に記載の振動型角速度センサ（７５０；９５０）。

【請求項4】

前記複数の容量性領域（７０２；９０２）が、円周上で前記平面振動構造（７０３；９０３）の周りに対称的に配置されている、請求項１～３のいずれかに記載の振動型角速度センサ（７５０；９５０）。

【請求項5】

前記平面振動構造（７０３）の前記平面に垂直な磁場を生成するように構成された磁気回路（７１３）をさらに備えており、
前記トランスデューサの第１のセット（７０８）が、前記平面振動構造（７０３）の表面に形成された導電性トラッキング（７１０）を備える、請求項１～４のいずれかに記載の振動型角速度センサ（７５０）。

【請求項6】

前記トランスデューサの第１のセット（９０８）が、前記平面振動構造（９０３）の表面に形成された圧電電極の第１のセットを備える、請求項１～３のいずれかに記載の振動型角速度センサ（９５０）。

【請求項7】

前記トランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）への電気的接続の第１のセット（７１０；９１０ａ、９１０ｂ）及び前記トランスデューサの第２のセット（７０４ａ；９０４ａ）への電気的接続の第２のセット（７０４ｂ；９０４ｂ）を備え、
前記電気的接続の第１のセットと前記電気的接続の第２のセットは互いから独立している、請求項１～６のいずれかに記載の振動型角速度センサ（７５０；９５０）。

【請求項8】

前記コンプライアント支持体（７０５；９０５）が、前記マウント（７０７；９０７）と前記トランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）の間に延在する導電性トラッキング（７１０；９１０ａ、９１０ｂ）を備えており、
前記トランスデューサの第２のセット（７０４ａ；９０４ａ）への直接電気的接続（７０４ｂ；９０４ｂ）をさらに備える、請求項１～７のいずれかに記載の振動型角速度センサ（７５０；９５０）。

【請求項9】

前記複数の容量性領域（７０２；９０２）のうちの１つまたは複数が、前記平面振動構造（７０３；９０３）から距離ｄ₁にかつ前記コンプライアント支持体（７０５；９０５）から距離ｄ₂に固定されており、ｄ₂＞ｄ₁である、請求項１～８のいずれかに記載の振動型角速度センサ（７５０；９５０）。

【請求項10】

振動型角速度センサ（７５０；９５０）を形成する方法であって、
平面振動構造（７３０；９３０）及び複数のコンプライアント支持体（７０５；９０５）を画定するように第１の基板（７００；９００）を加工することであって、前記コンプライアント支持体（７０５；９０５）は、前記第１の基板（７００；９００）から形成されたマウント（７０７；９０７）と前記平面振動構造（７０３；９０３）の間に延在して前記平面振動構造（７０３；９０３）を支持し、それによって、前記平面振動構造（７０３；９０３）が電気的励起に応じて前記マウント（７０７；９０７）に対して振動することを可能にする、前記加工することと、
前記振動構造（７０３；９０３）に電気的励起を印加しかつ前記平面振動構造（７０３；９０３）の振動による運動を感知するための、前記平面振動構造（７０３；９０３）にトランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）を形成することと、
前記平面振動構造（７０３；９０３）からその平面内で一定の距離を置いて固定された複数の容量性領域（７０２；９０２）を形成することであって、前記容量性領域は、前記平面振動構造（７０３；９０３）に静電力を印加して前記平面振動構造（７０３；９０３）の振動の周波数の変化を誘導するためのトランスデューサの第２のセット（７０４ａ；９０４ａ）を形成する、前記形成することと、
を含む、前記方法。

【請求項11】

前記複数の容量性領域（７０２；９０２）を形成することが、前記第１の基板（７００；９００）を、同じ材料層に前記複数の容量性領域（７０２；９０２）を画定するように加工することを備える、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記複数の容量性領域（７０２；９０２）を形成することが、
前記第１の基板（７００；９００）を、複数の半絶縁領域（７０２’）を画定するようにすることと；
次に前記第１の基板（７００；９００）を第２の基板（７０９；９０９）に固定することであって、前記第２の基板（７０９；９０９）は、前記複数の容量性領域（７０２；９０２）を支持するように構成された支持セクション（７１２；９１２）を備える、前記固定することと；
次に前記半絶縁領域（７０２’）の各々を、電気的に絶縁された容量性領域（７０２；９０２）の対（７０２ａ－７０２ｈ）に分離することとを含む、請求項１０または１１に記載の方法。

【請求項13】

トランスデューサの前記第１のセット（７０８）を形成することが、前記平面振動構造（７０３）の表面に導電性トラッキングを形成することを備える、請求項１０～１２のいずれかに記載の方法。

【請求項14】

前記トランスデューサの第１のセット（９０８）を形成することが、前記平面振動構造（９０３）の表面に圧電電極のセットを形成することを備える、請求項１０～１３のいずれかに記載の方法。

【請求項15】

前記トランスデューサの第２のセット（７０４ａ；９０４ａ）を形成することが、前記トランスデューサの第１のセット（７０８；９０８）から独立した電気的接続を有する、前記容量性領域（７０２；９０２）上の電極のセットを形成することを備える、請求項１０～１４のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、振動型ジャイロスコープ及び角速度センサ、より詳細には、平面リングなどの振動構造を備えるコリオリ型角速度センサ、及び電荷移動効果を導入せずに直交バイアス誤差を低減するように振動型ジャイロスコープを形成する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープの性能が向上するにつれて、それらは、光ファイバまたは回転質量ジャイロスコープといったより高価かつより大型のデバイスに取って代わるべく、より要求の多い用途で使用されることが増えている。しかしながら、ＭＥＭＳジャイロスコープは、特にバイアスの時間及び温度の安定性の観点から性能が制限されるため、その幅広い普及は依然として限定的である。ジャイロスコープのバイアスは、回転がなくても出力される信号であり、それはその後、デバイスが回転しているときに角速度測定において誤差として現れる。

【0003】

平面シリコンリング共振器の形の振動構造を利用するコリオリ型ＭＥＭＳジャイロスコープは、バイアス及び全体的な安定性の観点から最高性能を発揮するデバイスの１つである。これらのデバイスは通常、最適性能を達成するために、周波数が正確に一致するように同調された一対のｃｏｓ２θ共振モードを利用する。モード周波数一致の精度は、全体の性能を制限する主要な誤差の典型的な１つである直交バイアス誤差を低減する上で非常に重要である。

【0004】

直交バイアス誤差は、共振器構造の計測の不完全性により生じる。これらの不完全性は、加えられた回転速度によって誘導された運動に対して位相直交にある（すなわち、９０°の位相関係を有する）応答モードの振動を引き起こすものであり、デバイスが回転していないときでも存在し得る。直交運動の大きさはまた、回転速度情報を提供するために測定される同相運動と比較して、大きくもあり得る。

【0005】

大きな直交信号の存在下で、必要とされる回転速度誘導信号を回復するために、検出システムの位相精度に、厳しい要件が課せられる。正確に位相整合された電子機器は、直交信号の実質的な除去を可能にすることができる。しかしながら、この位相整合を設定することができる精度の実施上の制約は、直交信号の一部は通常残り、真の回転によって誘導される同相信号に混入することを意味する。

【0006】

ＵＳ８５５５７１７に記載されているような平面シリコンリング共振器構造を利用するＭＥＭＳジャイロスコープは、このクラスのコリオリ型ジャイロスコープ内では最高性能を発揮することが可能である。他のＭＥＭＳジャイロスコープと同様に、直交バイアスは、ＵＳ８５５５７１７に記載されているように、角速度の測定において全体的なバイアス及び誤差の一因となる重要な誤差源である。

【0007】

バイアス誤差は、一次及び二次のｃｏｓ２θ共振モード間の周波数ミスマッチΔＦと駆動トランスデューサに対するこれらのモードの角度アラインメントαの組み合わせによって引き起こされる。そのようなデバイスの直交バイアスΩ_Qの大きさは次式で与えられる。

【0008】

Ω_Q＝Ｋ×ΔＦ×ｓｉｎ４α
Ｋは、モード結合係数及び二次ドライブ及び一次ピックオフ利得の項を含む定数である。ＵＳ８５５５７１７に記載されているように、この誤差源がレートバイアス性能を低下させる程度は、直交バイアスの大きさΩ_Q及び制御電子機器の位相精度の両方に依存する。小さな位相誤差φ_Eが存在する場合、直交バイアス誤差Ω_Errは、次の式で与えられる。

【0009】

Ω_Err＝Ｋ×ΔＦ×ｓｉｎ４α×ｓｉｎφ_E
ＭＥＭＳ処理における製造公差により、これらのモード周波数は通常、製造直後に最大±１０Ｈｚ分離される。この初期周波数オフセットは、例えばＵＳ５７３９４１０及びＵＳ９６７７８８５に記載されているように、レーザトリミングプロセスを用いて調整され得る。このプロセスでは、レーザを使用して、リングの中立軸に沿って質量を除去し、周波数分離を周囲温度及び圧力環境において約ゼロに設定する。

【0010】

これらのモード周波数は原則として正確に一致するが、実際には、最終的に組み立てられたデバイスのバランシング精度は、いくつかの追加要因によって制限される。これらは、周波数測定及びレーザバランシングプロセス自体の両方の精度、ならびに、モード周波数及びアライメントを異なるように変動させる任意の後続のパッケージングによって誘導される応力とひずみ効果を含む。パッケージングの応力とひずみは、ＭＥＭＳデバイス自体とそれが結合されているパッケージに異なる材料を使用することによって発生し、その結果、膨張差効果が生じる。これらの効果は、デバイスの動作温度範囲にわたって変化し直交バイアスの対応するシフトを誘導することが知られている。

【0011】

性能の向上を達成するために、直交バイアス誤差の大きさを低減するための設計変更が、ＵＳ８５５５７１７のデバイスの設計及び製造プロセスに実装されている。ＵＳ９６７７８８５は、レーザバランシングプロセスの分解能及び精度を向上させる方法を記載している。これは、初期周波数分離ΔＦを大幅に低減することが可能であり、かくして、Ω_Qのオフセット値を低減する。ＵＳ１０４２２６４２及びＵＳ９７０９４０１は、デバイスの動作温度範囲にわたるΩ_Qの変動を低減するためにこれらの膨張差によって引き起こされる効果の影響を制限する設計特性を記載している。ＵＳ１０４２２６４２は、磁気回路構成要素をＭＥＭＳ構造のガラス層上に取り付ける取り付け構成を記載しており、これは、膨張差による共振器構造への応力とひずみ結合を低減する。ＵＳ９７０９４０１は、シリコン構造がその上に結合されている八角形状ガラススペーサ層の使用を記載している。八角形構造は、一般的な正方形のＭＥＭＳダイ構造とは異なり、支持脚部を介して、シリコンリング共振器構造への応力とひずみ結合が、ｃｏｓ２θモード対に対し効果的に対称であるという有益な効果を有する。このことは、任意の結果として生じた周波数変動が、２つのモードにおいて実質的に等しく、したがって直交バイアスのシフトを最小限に抑えることを確保する。

【0012】

容量性トランスデューサを利用する平面シリコンリングジャイロスコープを用いて、Ω_Qの値を非常に低くすることができる（例えば、ＵＳ７６３７１５６及びＵＳ７９５８７８１に記載されているように）。そのようなデバイスは、リングの内周と外周の周りに固定された別々のコンデンサプレートを組み込んでおり、リングはそれらで共通コンデンサプレートを形成する。ＵＳ７６３７１５６及びＵＳ７９５８７８１に記載されているように、ＤＣオフセット電圧が別々のコンデンサプレートに印加されて、剛性を局所的に低下させる。これらの電圧は、ΔＦを正確に最小化ししたがってΩ_Qを約０°／ｓに設定するように変化し得る。これらの電圧をリアルタイムで調整することによって、Ω_Qの変化につながる応力とひずみの温度によって誘導される変動が存在する場合でも、直交バイアスのこのヌル値を維持することができる。

【0013】

しかしながら、容量性ＭＥＭＳジャイロスコープは通常、２つのトランスデューサプレート間に固定オフセット電圧を印加することによって機能するため、電荷移動効果（一般に電荷トラッピングまたは誘電体帯電と呼ばれる）の影響を特に受けやすくなる。固定電圧勾配が存在すると、薄い自然酸化物層で構成され得るコンデンサプレートの表面上の誘電体層に電荷が蓄積する。これにより、時間の経過とともに２つのプレート間の実効電圧オフセットが効果的にシフトし、トランスデューサ利得が変化する。この効果が全てのトランスデューサで均一に発生する場合、デバイスのスケールファクタは、バイアスシフトを引き起こす不均一な変動でシフトされる。このスケールファクタの変動に対処する方法は存在するが（例えば、ＵＳ８３４７７１８に記載されているように）、これは、バイアスシフトを除去するのに有効でない。かくして、電荷移動効果は、容量性ＭＥＭＳジャイロスコープに対して主要な性能限界を示す。これらの効果は、誘導トランスデューサを使用するＵＳ８５５５７１７に記載されているようなデバイスには存在しない。

【0014】

ＵＳ８５５５７１７は、リング構造の製造中にレーザトリミングプロセスを用いて機械的に同調された振動モードを有する、振動リング構造を含みかつ誘導駆動及びピックオフトランスデューサを使用するＭＥＭＳジャイロスコープについて記載している。誘導トランスデューサの使用は、それらの本質的に線形の挙動、及び容量性トランスデューサに悪影響を与えることが知られている電荷移動効果に対する耐性を含むいくつかの理由で非常に有益である。しかしながら、この機械的モードバランシング技術を用いて達成可能な精度の限界が、誘導トランスデューサジャイロスコープの全体的な性能を制限する。

【0015】

ＵＳ７９５８７８１に記載されているような静電トランスデューサを用いたＭＥＭＳ振動構造デバイスを使用すると、より高い精度が達成され得る。そのようなデバイスには、周波数マッチングを電気的に高精度まで実行することができ、直交バイアス誤差を大幅に除去することができるという利点がある。しかしながら、静電トランスデューサを用いたジャイロスコープは、電荷移動効果の影響を受けやすく、そのようなデバイスのバイアス及びスケールファクタの安定性に悪影響を及ぼす。

【0016】

したがって、バイアス性能の向上を達成するために、電荷移動効果の影響を受けにくくかつモード周波数を高精度に一致させることができる振動型ジャイロスコープを提供することが望ましい。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0017】

本開示の第１の態様によれば、マウント、平面振動構造、及び、マウントと平面振動構造の間に延在して振動構造を支持し、それによって、平面振動構造が電気的励起に応じてマウントに対してその平面内で振動することを可能にする複数のコンプライアント支持体と、
使用中に平面振動構造に電気的励起を印加しかつ使用中にその平面内の平面振動構造の振動から生じる運動を感知するための、平面振動構造上に配置されたトランスデューサの第１のセットと、
平面振動構造から、その平面内で一定の距離を置いて固定された複数の容量性領域であって、容量性領域は、使用中に、平面振動構造に、平面振動構造の振動の周波数の変化を誘導する静電力を加えるように構成されたトランスデューサの第２のセットを形成する、複数の容量性領域とを備える、振動型角速度センサが提供される。

【0018】

そのような振動型角速度センサは、２つの異なるタイプのトランスデューサの組み合わせを含むことが理解されよう。トランスデューサの第１のセットは、平面振動構造上に直接配置されて、電気的励起を印加しかつ平面振動構造の振動から生じる運動を直接感知する。したがって、トランスデューサの第１のセットは、平面振動構造の振動と線形関係にある。トランスデューサの第１のセットは、角速度を測定するために使用することができる。以下でさらに説明するように、平面振動構造上に直接配置することができるトランスデューサの例として、誘導型及び圧電型のトランスデューサがある。そのような線形トランスデューサを使用して印加かつ感知された電圧は、電荷移動効果をもたらさないが、例えば環境温度の変動のために、使用中に直交バイアスが発生し得る。

【0019】

トランスデューサの第２のセットは、（平面振動構造上に直接配置されるのではなく）平面振動構造から一定の距離に固定された複数の容量性領域を備える。このトランスデューサの第２のセットは、角速度を測定する目的で振動を駆動し変形を感知する通常機能に使用されているトランスデューサの第１のセットに加えて、平面振動構造に静電力を加えるために使用することができる。使用中に静電力を加えて、振動モード周波数のバランスをとりかつ直交バイアスを最小限に抑えることができる。これは、平面振動構造と本質的に非線形の相互作用であるが、トランスデューサの第２のセットは、角速度を測定する目的で使用することを意図しない。

【0020】

そのような振動型角速度センサは、２つのタイプのトランスデューサの利点を生かす任意の適切な方法で動作し得る。トランスデューサの第１のセットは、平面振動構造と線形相互作用を提供し、トランスデューサの第２のセットは、非線形相互作用を提供する。

【0021】

本開示の１つまたは複数の例によれば、トランスデューサの第１のセットの第１のサブセットは、平面振動構造を一次モードでマウントに対して振動させるように構成されており、トランスデューサの第１のセットの第２のサブセットは、角速度が平面振動構造の平面に実質的に垂直な軸周りに加えられたときにコリオリの力によって誘導される二次モードでのマウントに対する平面振動構造の振動から生じる運動を感知するように構成されており、トランスデューサの第１のセットの第３のサブセットは、一次モードでの平面振動構造の振動から生じる運動を感知するように構成されている。トランスデューサの第１のセットの第３のサブセットを使用して一次モードでの平面振動構造の振動を検出することによって、トランスデューサの第１のセットの第１のサブセットによって引き起こされる一次モードでの振動の大きさを調整するために、一次モードでの振動の振幅が測定され、かつ基準レベルと比較されて、振動の一定の振幅を維持し得る。さらに、そのような例では、トランスデューサの第２のセットは、周波数を一致させるように一次モード及び／または二次モードでの振動の周波数の変化を誘導する静電力を平面振動構造に加えるように構成されることが好ましい。トランスデューサの第２のセットによって加えられる静電力を使用して、二次モードでの振動の周波数を一次モードでの振動の周波数に一致させる（またはその逆）ように、平面振動構造の応答を調整することができる。これにより、トランスデューサの第１のセットによる角速度の測定に現れる直交バイアス誤差を最小限に抑えることができる。

【0022】

本開示の１つまたは複数の例によれば、トランスデューサの第１のセットの第４のサブセットは、電気的励起を印加して、二次モードでの平面振動構造の振動をゼロにするように構成されている。トランスデューサの第１のセットの第４のサブセットを使用して、コリオリの力によって誘導される二次モードでの平面振動構造の振動をゼロにし得る。これは、コリオリ型ジャイロスコープの閉ループ動作に対応し得る。

【0023】

コリオリ型ジャイロスコープには、様々な形状が提案されている。平面振動構造は、音叉構造を備え得る。平面振動構造は、通常、ディスクまたはリングなどの対称構造を有する。本開示の１つまたは複数の例によれば、平面振動構造はリング共振器である。マウントは、複数のコンプライアント支持体が取り付けられ得る任意の適切な構造であり得、様々な幾何学的形状を有し得る。マウントは、剛性フレームまたは中央ハブで構成され得る。本開示の１つまたは複数の例によれば、マウントは、平面振動構造の外部に形成された剛性フレームである。

【0024】

複数の容量性領域は、平面振動構造に対して対称または非対称配置を有し得る。いくつかの例では、容量性領域の単一のセットが平面振動構造の一方の側に配置され得、他方の側に容量性領域は配置されない。いくつかの例では、容量性領域は、平面振動構造の周囲全体に配置され得るが、それらの配置は対称的ではなく不等間隔である。容量性領域の数は、奇数または偶数であり得る。しかしながら、本開示の１つまたは複数の例によれば、複数の容量性領域は、円周上に平面振動構造の周りに対称的に配置されている。これは、静電力を平面振動構造の周りの様々なポイントにおいて均等に加えて、モードバランシング効果を最大化することができることを意味する。容量性領域の対称的な配置は、平面振動構造も円形形状を有するかどうかに関わらず、円周方向配置を備え得る。平面振動構造がリング共振器である例では、円周方向配置は、リング共振器の周りに等間隔に離間したいくつかのコンデンサプレートを備え得る。コンデンサプレートが等間隔に離間されているか不等間隔に離間されているかに関わらず、容量性領域は、静電平衡レジームを支援するためにグループにまとめて配置され得ることが理解されている。少なくともいくつかの例では、４個の容量性領域のグループが在り、グループの容量性領域の各々は、円周配置において９０°間隔で配置されている。円周配置は、これらのグループの２つ以上、例えば、４個の容量性領域の４つのグループ、結果的に１６個の等間隔の容量性領域を含み得る。

【0025】

平面振動構造が、円形形状を有するリング共振器である例では、容量性領域とリング共振器の距離を一定に保つように、容量性領域を円周上に固定することが有用である。複数の容量性領域は、リング共振器の半径方向外側または内側にある円周方向に配列して固定され得る。上記のように、容量性領域は、静電平衡レジームを支援するためにグループにまとめて配置され得る。静電力を加える目的で容量性領域がどのようにグループ化されるかに関わらず、複数の容量性領域は、センサの製造中に領域が形成される方法に起因する物理的配置を有し得る。本開示の１つまたは複数の例によれば、複数の容量性領域は、リング共振器に対して円周方向に配列して固定された複数の対の容量性プレートを備え、対は、コンプライアント支持体の１つによって分離されている。上述のように、容量性プレートの円周配置は、リング共振器の半径方向内側または外側に在り得る。

【0026】

上で論じたように、トランスデューサの第１のセットは、平面振動構造上に直接配置されて、電気的励起を印加し、かつ、結果として生じる運動を感知する。本開示の１つまたは複数の例によれば、トランスデューサの第１のセットは、誘導型トランスデューサを備えるまたはそれらから構成される。これは、平面振動構造が電気的に励起されて磁場の存在下で振動しトランスデューサが平面振動構造の運動によって誘導される電圧の変化を感知することを意味する。

【0027】

本開示の１つまたは複数の例によれば、センサは、平面振動構造の平面に垂直な磁場を生成するように構成された磁気回路をさらに備える。そのような例では、トランスデューサの第１のセットは、平面振動構造の表面上に形成された導電性トラッキングを備え得る。

【0028】

本開示の１つまたは複数の例によれば、追加的にまたは代替的に、トランスデューサの第１のセットは、圧電型トランスデューサを備えるまたはそれらから構成される。これは、平面振動構造が電気的に励起されて振動し圧電トランスデューサが平面振動構造と一緒に変形してそれに応じた変化電流または電圧を生成することを意味する。

【0029】

本開示の１つまたは複数の例によれば、トランスデューサの第１のセットは、平面振動構造の表面上に形成された圧電電極の第１のセットを備える。

【0030】

第１のセットにおけるトランスデューサのタイプに関わらず、電気的励起は使用中に必要とされ、これは、センサがトランスデューサの第１のセットへの電気的接続を含み得ることを意味する。いくつかの例では、電気的接続は、例えばワイヤボンドまたは電気リードを介して、トランスデューサの第１のセットに直接接続され得る。本開示の１つまたは複数の例によれば、コンプライアント支持体は、基板とトランスデューサの第１のセットの間に延在する導電性トラッキングを備える。これは、電気的接続はコンプライアント支持体に沿って導電性トラッキングを介して便利に行うことができることを意味する。

【0031】

トランスデューサの第２のセットが静電力を加えることが可能となるようにするには、使用中に電気的接続が必要とされる。容量性領域は平面振動構造から一定の距離に固定されているので、トランスデューサの第２のセットは、トランスデューサの第１のセットと同じタイプの電気的接続を有することは難しい場合がある。さらに、それぞれの電気的接続は、トランスデューサの第１の及び第２のセットが互いから独立して動作することを可能にするべきである。かくして、本開示の１つまたは複数の例によれば、センサは、トランスデューサの第１のセットへの電気的接続の第１のセット、及び、トランスデューサの第２のセットへの電気的接続の第２のセットを備え、電気的接続の第１の及び第２のセットは、互いから独立している。様々な例において、電気的接続の第２のセットは、トランスデューサの第２のセットに直接接続されている。本開示の１つまたは複数の例によれば、センサは、例えばワイヤボンドまたは電気リードを介して、トランスデューサの第２のセットへの直接電気的接続を含む。直接電気的接続とは、基板及び／またはコンプライアント支持体上を延在する導電性トラッキングに依存しない接続を意味する。かくして、直接電気的接続は、トランスデューサの第１のセットへの電気的接続を提供する任意の導電性トラッキングから独立し得る。

【0032】

平面振動構造から一定の距離に固定されている複数の容量性領域は、それらが電気的に絶縁されるようにそれらの間にギャップがあることを意味することが理解されよう。平面振動構造は、コンプライアント支持体によってマウントに物理的に接続されており、通常、マウントから、コンプライアント支持体を介して、平面振動構造上のトランスデューサの第１のセットへの電気的接続が在る。そのような例では、容量性領域がマウントに直接固定された場合、電気的絶縁層が必要とされる。かくして、様々な例において、複数の容量性領域は、平面振動構造から電気的に絶縁されるように、マウントに間接的に固定されている。例えば、複数の容量性領域は、基板に、介在する絶縁層（ガラス台座層などの）を介して間接的に固定され得る。

【0033】

本開示の１つまたは複数の例によれば、複数の容量性領域は、コンプライアント支持体ならびに平面振動構造及びマウントから電気的に絶縁されるように、マウントに間接的に固定されている。容量性領域の電気的絶縁を支援するために、複数の容量性領域はまた、コンプライアント支持体から一定の距離に、すなわちそれらの間にギャップを有するように固定され得る。この距離は、平面振動構造からの距離と実質的に同じであり得る。しかしながら、本発明者らは、複数の容量性領域とコンプライアント支持体の距離が、コンプライアント支持体の剛性に望ましくない影響を与え得ることを理解している。この影響は、複数の容量性領域とコンプライアント支持体の距離を大きくすることによって低減することができる。かくして、本開示の１つまたは複数の例によれば、複数の容量性領域の１つまたは複数は、（その平面内の）平面振動構造から距離ｄ₁にかつコンプライアント支持体（同一平面内の）から距離ｄ₂に固定されており、ｄ₂＞ｄ₁である。複数の容量性領域の各々は、このように固定され得る。

【0034】

上に開示された振動型角速度センサでは、マウント、平面振動構造、及びコンプライアント支持体は全て同じ材料層に形成され得る。これは、これらの構成要素を、例えば単一のシリコンウェハから製造することができることを意味する。いくつかの例では、材料層はシリコン層であるが、いくつかの例では、他の適切な材料層が、それらが適切な機械的特性を有しかつある程度導電性であるという条件で、使用され得ることが理解されよう。いくつかの例では、容量性領域は、別に形成され、デバイスに追加され得る。しかしながら、製造効率のために、複数の容量性領域もまた、マウント、平面振動構造、及びコンプライアント支持体と同じ材料層に形成されることが好ましい。上述のように、この材料層は、絶縁層によって支持され得る。したがって、絶縁層は、平面振動構造から離れて配置された容量性領域を物理的に支持することができる。

【0035】

本開示の１つまたは複数の例によれば、マウント、平面振動構造、コンプライアント支持体、及び複数の容量性領域は、同じシリコン材料層に形成される。様々な例において、振動型角速度センサは、ＭＥＭＳ（例えば、シリコン）デバイスである。

【0036】

本発明者らはまた、本明細書中に開示されるような振動型角速度センサを形成するための適切な方法も考案した。以下の方法は、ＭＥＭＳ（例えば、シリコン）デバイスを製造するのに特に適し得る。

【0037】

本開示の第２の態様によれば、平面振動構造及び複数のコンプライアント支持体を画定するように第１の基板を加工することであって、コンプライアント支持体は、第１の基板から形成されたマウントと平面振動構造の間に延在して平面振動構造を支持し、それによって、平面振動構造が電気的励起に応じてマウントに対して振動することを可能にする、加工することと、振動構造に電気的励起を加えかつ平面振動構造の振動による運動を感知するための、平面振動構造上のトランスデューサの第１のセットを形成することと、平面振動構造からその平面内で一定の距離を置いて固定された複数の容量性領域を形成することであって、容量性領域は、平面振動構造に、平面振動構造の振動の周波数の変化を誘導する静電力を加えるためのトランスデューサの第２のセットを形成する、形成することとを含む、振動型角速度センサを形成する方法が提供される。

【0038】

したがって、そのような方法は、２つの異なるタイプのトランスデューサの組み合わせを含む振動型角速度センサをもたらす。トランスデューサの第１のセットは、平面振動構造上に直接配置され、角速度の測定に使用することができる。トランスデューサの第２のセットは、平面振動構造から一定の距離に固定された複数の容量性領域によって形成され、平面振動構造に静電力を加えて振動モード周波数のバランスをとりかつ直交バイアスを最小限に抑えるために使用することができる。

【0039】

上述のように、複数の容量性領域は、第１の基板から独立して形成され得、例えば、それらは、マウント及び平面振動構造を備える基板がその後固定されるガラス台座層上に直接形成され得る。代替として、マウント及び平面振動構造を備える第１の基板は、ガラス台座層に固定され得、その後、容量性領域が、適切なボトムアップ、例えば、堆積技術を用いて形成され得る。したがって、容量性領域は、第１の基板と同じ材料または異なる材料から形成され得る。しかしながら、製造効率のために、複数の容量性領域も、同じ第１の基板を加工すること（例えば、エッチング、マイクロマシニングなど）によって形成されることが望ましい。これには、同時にまたは異なる時間に実装される追加の加工ステップが含まれ得る。かくして、本開示の１つまたは複数の例によれば、複数の容量性領域を形成することは、第１の基板を、同じ材料層に複数の容量性領域を画定するように加工することを備える。

【0040】

本発明者らは、同じ材料層に容量性領域を形成するとき、方法は、容量性領域が、平面振動構造から電気的に絶縁されるように、マウントに間接的に固定されることを可能にすべきであると認識している。第１の基板は、容量性領域を支持しかつ間に電気的絶縁を提供するように配置された第２の基板に固定され得る。第２の基板は、ガラス台座層などの絶縁層であり得る。

【0041】

少なくともいくつかの例では、第１の基板を複数の容量性領域を画定するように加工する前に、第１の基板は、第２の基板に固定され得る。これは、容量性領域を、第２の基板によって支持されたままで、平面振動構造及びコンプライアント支持体から分離し電気的に絶縁することができることを意味する。例えば、第１の基板は、第１の基板を加工する前に、第２の基板に陽極接合され得る。しかしながら、第１の基板（シリコンウェハなど）を第２の基板に結合する前に、第１の基板を（例えば、深掘り反応性イオンエッチングを用いて）加工することが望ましい場合がある。かくして、本開示の１つまたは複数の例によれば、複数の容量性領域を形成することは、第１の基板を、複数の半絶縁領域を画定するように加工すること、次に第１の基板を第２の基板に固定することであって、第２の基板は、複数の容量性領域を支持するように構成された支持セクションを備える、固定すること、及び、次に、半絶縁領域の各々を、一対の電気的に絶縁された容量性領域に分離することを備える。例えば、第１の基板は、８個の半絶縁領域を画定するように加工（例えば、エッチング）され得、次いで、半絶縁領域は、合計１６個の電気的に絶縁された容量性領域を形成するように、対へと分離（例えば、レーザ切断）され得る。

【0042】

本明細書中に開示される様々な例では、第１の基板は、導電性材料（例えば、シリコンウェハ）からなる。様々な例において、第２の基板は、電気絶縁材料（例えば、ガラス層）からなる。

【0043】

本明細書中に開示される様々な例では、トランスデューサの第１のセットを形成することは、平面振動構造の表面上に導電性トラッキングを形成することを備える。したがって、トランスデューサの第１のセットは、誘導型として形成され得る。少なくともいくつかの例では、方法は、第１のまたは第２の基板を別の基板に固定し、磁気回路をこの別の基板に取り付けることをさらに備える。

【0044】

本明細書中に開示される様々な例では、代替的にまたは追加的に、トランスデューサの第１のセットを形成することは、平面振動構造の表面上に圧電電極のセットを形成することを備える。したがって、トランスデューサの第１のセットは、圧電型として形成され得る。

【0045】

本明細書中に開示される様々な例では、代替的にまたは追加的に、トランスデューサの第２のセットを形成することは、トランスデューサの第１のセットから独立した電気的接続を有する容量性領域上の電極のセットを形成することを備える。

【0046】

ここで、添付図面を参照して、本開示の特定の例示的な実施形態について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0047】

【図1】ａ及びｂは、従来技術に見られるような典型的な振動型角速度センサの動作温度範囲にわたる直交バイアスの変動の図である。

【図2】従来技術による誘導タイプ振動型角速度センサで使用される平面リング振動構造の標準レイアウトの図である。

【図3】誘導タイプ振動型角速度センサにおけるトランスデューサの例示的なレイアウトである。

【図4】従来技術から知られているような平面リング振動構造を含む誘導タイプ振動型角速度センサの断面図である。

【図5】従来技術によるパッケージレイアウト及び振動型角速度センサとパッケージベースの接続の図である。

【図6】従来技術から知られているような振動型角速度センサと関連制御電子機器の電子接続のレイアウトである。

【図7】従来技術による振動型角速度センサを形成するための製造プロセスのステップの概略図である。

【図8】本開示による静電平衡プレートを含む誘導タイプ振動型角速度センサで用いられるような振動平面リング構造のレイアウトである。

【図9】本開示による静電平衡プレートを含む誘導タイプ振動型角速度センサにおけるトランスデューサの例示的なレイアウトである。

【図10】本開示による静電平衡プレートを含む振動平面リング構造を備える誘導タイプ振動型角速度センサの断面図である。

【図11】本開示による振動平面リング構造の静電平衡プレートを支持するように構成された支持ガラス層のレイアウトの平面図である。

【図12】ａ及びｂは、本開示による、振動平面リング構造における静電平衡プレートを電気的に絶縁する処理方法の図である。

【図13】圧電タイプ振動型角速度センサにおけるトランスデューサのレイアウトである。

【図14】本開示による静電平衡プレートを含む振動平面リング構造を備える圧電タイプ振動型角速度センサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0048】

図１ａは、平面シリコンリングベースのＭＥＭＳセンサＳＧＨ０３を利用する、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｔｄ．によって製造されたＣＲＨ０２及びＣＲＳ３９デバイスなどの典型的な従来技術の誘導ＭＥＭＳジャイロスコープにおける、－４０°Ｃから＋８５°Ｃの動作温度範囲にわたる直交バイアスΩ_Qの変動の例示的なデータを示す。これらのデバイスのバイアス性能は、主に、ＭＥＭＳセンサの特性によって決定され、ＳＧＨ０３は、直交バイアス誤差Ω_Qを最小化する目的で、上記のようにレーザバランシングを受ける。

【0049】

図１ｂは、２５℃での初期オフセットが除去されたΩ_Qの変動を示す。初期の２５℃オフセットは、通常、±２０°／ｓ未満であり、ＵＳ９６７７８８５に記載されているレーザバランシングプロセスの精度によって制限される。温度にともなうΩ_Qの変動は、±１０°／ｓ未満であり、それは主に、残留応力とひずみの変化によって引き起こされる。この誤差は、経時の影響により時間の経過とともに変化し得、ある程度の熱ヒステリシスも示し得る。

【0050】

非常に低いバイアス再現性をターゲットにする場合、最大±７２，０００ｄｅｇ／ｈｒである図１ａ及び１ｂに示すΩ_Qレベルは、直交バイアス誤差Ω_Err＜±１００ｄｅｇ／ｈｒを提供するのに位相誤差精度＜０．１度を必要とする。これは、デバイスのバイアス性能に対する主な限界を表す。したがって、バイアス性能の大幅な向上を達成するには、直交バイアスΩ_Qを大幅に低減する必要がある。

【0051】

図２は、ＵＳ８５５５７１７のデバイスで利用されるような、従来技術の平面リングＭＥＭＳ構造２０１のシリコン層２００の概略平面図を示す。シリコン層２００は、例えばシリコン層２００におけるエッチングによって形成された（以下でさらに説明するように）、マウント２０７に多数のコンプライアント支持体２０５によって可撓的に取り付けられた平面リング共振器構造２０３から構成される。コンプライアント支持体２０５の各々は、対称対のコンプライアント脚部２０６ａ、２０６ｂを備える。コンプライアント脚部２０６ａ、２０６ｂは、一端がリング共振器構造２０３の周辺に取り付けられ、他端がマウント２０７に取り付けられている。

【0052】

図３に示すように、ＭＥＭＳ構造２０１の表面上の導電性トラッキングループ２１０によって形成された８つのトランスデューサ２０８が概略的に示されている。コンプライアント支持体２０５の各々は、図３により詳細に示されるように、導電性トラッキングループ２１０を、リング共振器構造２０３の表面に伝えるように用いられる。各トラッキングループ２１０は、マウント２０７上に配置された第１の接触パッド２０９ａから、コンプライアント支持体２０５の第１の脚部２０６ａに沿って、リング共振器構造２０３の表面上の８つのセグメントの周りを通過し、次に、対の隣接する脚部２０６ｂを介してマウント２０７上の第２の接触パッド２０９ｂに戻る。

【0053】

完全に組み立てられたＭＥＭＳ構造２０１を含む誘導ジャイロスコープ２５０の概略断面図が図４に示されている。シリコン層２００のマウント２０７は、ガラス台座層２０９に結合され、ガラス台座層２０９は次にガラス支持体２１１に結合される。環状ディスク下部ポールピース２１５、ディスク状永久磁石２１７、及び環状上部ポールピース２１９から構成される磁気回路２１３もまた、ガラス支持体２１１に結合されている。磁気回路２１３は、平面リング共振器構造２０３の周りに、リングの平面に垂直に集束する磁場Ｂが提供されるように配置されている。

【0054】

図５に示すように、ＭＥＭＳ構造２０１は通常、密閉された金属缶パッケージのベース８上に取り付けられ、誘導トランスデューサのセットの各トランスデューサ２０８ａ－２０８ｈのコンタクトパッド２０９ａ、２０９ｂからワイヤボンド９を介してパッケージベース８の絶縁されたピン接続１１へ電気接続がなされる。パッケージは、電気回路（図５に示さず）に接続する、ベース８のコンタクトピン１１を介して、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に取り付けられる。

【0055】

図６で３０１－３１８とラベル付けされたピン接続１１は、示すように、ＰＣＢ上に配置され、ピン３０１－３１８間に電気接続が在る。一次駆動（ＰＤ）電流が、ＰＤ入力５０のＰＣＢ上の回路を介してピン３１２に印加される。ＰＤ電流は、第１のトラッキングループの周りを、ピン３１１へと流れる。かくして、ピン３１１、３１２は、第１の一次駆動トランスデューサ２０８ｃに対応する。ピン３１１は、ＰＣＢ上のトラッキング５０１を介してピン３０３に接続され、ＰＤ電流は、次に、第２のトラッキングループの周りを、ピン３０２へと流れる。ピン３０２、３０３は、第１の一次駆動トランスデューサ２０８ｃと正反対にある第２の一次駆動トランスデューサ２０８ｇに対応し、一次駆動トランスデューサの対称対を形成する。同様に、第１の一次感知またはピックオフ（ＰＰＯ）トラッキングループは、ピン３１６から、リングの８つのセグメントの周りを、ピン３１７へと接続し、ピン３１７は、ＰＣＢ上のトラッキング５２１を介してピン３０７に電気的に接続される。第２のトラッキングループは、ピン３０７から、第２のＭＥＭＳリングセグメントを介してピン３０８まで延び、ピン３０８は、次に、ＰＣＢ上のＰＰＯ出力５２に接続されている。ピン３１６、３１７及び３０７、３０８は、径方向に対向する一次ピックオフトランスデューサ２０８ａ、２０８ｅの対称対に対応する。

【0056】

２つの二次駆動（ＳＤ）ループセグメント（１つ目はピン３１０及び３０９に接続され、２つ目はピン３０１及び３１８に接続される）は、同様に、ピン３０９と３１０の間のＰＣＢ上のトラッキング５１１によって直列接続され、ＳＤ電流は、ピン３１０を介してＳＤ入力５１から印加されている。ピン３０９、３１０及び３０１、３１８は、径方向に対向する二次駆動トランスデューサ２０８ｄ、２０８ｈの対称対に対応する。ピン３１３と３１５の間の二次感知またはピックオフ（ＳＰＯ）ループは、ＰＣＢ上のトラッキング５３１によって、ピン３０４と３０６の間の第２のループに接続される。ピン３０６は、ＰＣＢ上のＳＰＯ出力５３に接続されている。ピン３１３、３１５及び３０４、３０６は、径方向に対向する二次ピックオフトランスデューサ２０８ｂ、２０８ｆの対称対に対応する。ピン３０５及び３１４は、ＭＥＭＳ構造２０１のシリコン層及び缶パッケージベースを、ＰＣＢ接地に接続する。

【0057】

ＵＳ８５５５７１７に記載されているように、交流信号は、ＰＤ入力５０及びＳＤ入力５１を介して、リングの特定のセグメント上のトランスデューサ２０８ｃ、２０８ｄ、２０８ｇ、２０８ｈに印加されて、リング共振器構造２０３の振動運動を制御するローレンツ力を加える。角速度Ωの回転がリングの平面に垂直な軸の周りに加えられると、コリオリの力が、エネルギーを二次モードの振動へと結合し、振動の振幅は、加えられた角速度に比例する。磁場中のリング共振器構造２０３の結果として生じた運動は、残りのリングセグメントのトランスデューサ２０８ｅ、２０８ｆ、２０８ａ、２０８ｂに電圧を誘導し、それらを用いて、リング運動を示す信号を提供し、これをＰＰＯ及びＳＰＯ出力５２、５３によって検出することができる。

【0058】

図２から６に示した平面リングＭＥＭＳ構造２０１を形成するための典型的な製造プロセスを図７に示す。製造プロセスは、ステップ６０１において、典型的な厚さ約１００μｍを有するシリコン基板２００を用いて始まる。ステップ６０２において、薄い絶縁酸化物層２２０がシリコンウェハ２００の上面に形成され、特定の位置に穴が設けられて、下にある導電性シリコン層２００のその後の接地を可能にする。次に、薄い金属層２３０が酸化物層及び穴の上に堆積され（ステップ６０３において）、電気的接続のための絶縁された導電性トラック（図７には示さず）を形成するようにパターン化される。次に、ステップ６０４において、フォトレジスト層が金属トラッキングの上に堆積され、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスによってその後エッチングされる領域を画定するようにパターン化される。このステップでは、シリコン層２００は、最初に一時的に支持ウェハ（図７には示さず）に結合されてから、狭い（１０μｍから３０μｍ）、高アスペクト比のトレンチ（通常、１０：１）が、リング共振器構造２０３、コンプライアント支持体２０５、及びマウント２０７を画定するように、ウェハの厚さ全体にわたってエッチングされる。その後、シリコン層２００が支持ウェハから除去されると、コンプライアント支持体２０５の脚部２０６ａ、２０６ｂの間のシリコンセクション及びリング共振器構造２０３内のセクションは支持されておらず、したがって除去される。次に、フォトレジスト層が除去され、シリコン層２００は、リング共振器２０３及びコンプライアント支持体２０５の位置の下の空洞、ならびに磁気回路２１３の構成要素を配置するための貫通穴を含むように処理されているガラス台座層２０９に陽極接合される（ステップ６０５において）。次に、ディスク状金属下部ポール２１５がその上面に取り付けられた下部ガラス支持体２１１が、ポールピース２１５がシリコンリング構造２０３の下のガラス台座層２０９の穴で中央に整列するように、事前に陽極接合されたシリコンウェハ２００及びガラス台座層２０９に接着剤結合される（ステップ６０６において）。ステップ６０７において、ディスク状永久磁石２１７及び上部ポールピース２１９を備える磁気回路２１３の残りの構成要素が続いて接着剤結合されデバイスアセンブリを完成させて、図４に組み立てが見られるような誘導ジャイロスコープ２５０を完成させる。

【0059】

出願人は、図２から４に示されるＭＥＭＳ構造２０１が、例えばリングの外周の周りに配置された複数の別々のコンデンサプレートの追加によって、モード周波数が静電的に平衡化されることを可能にするように有利に加工され得ることを認識している。図８は、上記のタイプの誘導ジャイロスコープにおいてＭＥＭＳ振動構造７０３の静電平衡を可能にする、本明細書中で「コンデンサプレート」７０２と呼ばれる複数の別々の容量性領域７０２を含む、本開示にしたがって加工された例示的なＭＥＭＳ構造７０１の概略平面図を示す。

【0060】

図８では、シリコン層７００は、多数のコンプライアント支持体７０５によってマウント７０７に可撓的に取り付けられたリング共振器構造７０３を備える。図２と比較すると、円周上のリング共振器構造７０３の周りに対称的に配置された１６個の等角度間隔のコンデンサプレート７０２がさらに存在することを把握することができる。この例では、コンデンサプレート７０２は、平面振動構造７０３の半径方向外側に、コンプライアント支持体７０５の半径方向部分とリング共振器構造７０３の外周の間に配置されている。コンデンサプレート７０２は、平面振動構造７０３と同じ平面に固定されかつ平面振動構造７０３から距離ｄ₁に設定されたトランスデューサの第２のセットを形成する。リング共振器構造７０３が平面内で振動するとき、任意の不均衡運動は、コンデンサプレート７０２の１つまたは複数に電圧を印加してギャップｄ₁にわたって静電力を生成することによって、微同調させることができる。

【0061】

図９は、本開示の追加的な静電平衡プレートと共に使用するのに適した誘導トランスデューサ７０８の例示的なレイアウトを示す。誘導トランスデューサ７０８は、リング共振器構造７０３のセグメント上に配置され、リング共振器構造７０３は、図８に示すように、８つのコンプライアント支持体７０５によって支持されている。コンプライアント支持体７０５は、リング共振器構造７０３と同じシリコン層に形成されたマウント７０７に接続され、各コンプライアント支持体７０５は、コンプライアント脚部７０６ａ、７０６ｂの対称対を備える。各誘導トランスデューサ７０８は、導電性トラッキングループ７１０を備える。各導電性トラッキングループ７１０は、マウント７０７上に配置された第１の接触パッド７０９ａから、コンプライアント支持体７０５の第１の脚部７０６ａに沿って、リング共振器構造７０３の表面上の８つのセグメントの周りを通過し、次いで、対の隣接する脚部７０６ｂを介してマウント７０７上の第２の接触パッド７０９ｂに戻る。静電平衡プレート７０２は、リング共振器構造７０３の半径方向外側に、コンプライアント支持体７０５の半径方向部分とリング共振器構造７０３の外周の間に配置される。静電平衡プレート７０２は、リング共振器構造７０３から第１の距離ｄ₁に固定され、かつ隣接するコンプライアント支持体脚部７０６ａ、７０６ｂから第２の距離ｄ₂に固定されている。

【0062】

図１０に見られるように、コンデンサプレート７０２は、コンデンサプレート７０２の下に延在する追加の支持セクション７１２を含むように加工されたガラス台座層７０９に堅固に結合されている。図８に示されるコンプライアント支持体７０５は各々、コンプライアント脚部７０６ａ、７０６ｂの対称対を含む。コンプライアント脚部７０６ａ、７０６ｂは、一端がリング共振器構造７０３の周辺に取り付けられ、他端がマウント７０７に取り付けられている。この例では、コンデンサプレート７０２は、８つの対７０２ａ－７０２ｈに配置され、各対７０２ａ－７０２ｈは、支持体７０５のそれぞれのコンプライアント脚部７０６ａ、７０６ｂの間に固定されている。上記のタイプの誘導ジャイロスコープにおいてリング共振器構造７０３の静電平衡を達成するために、以下にさらに説明するように、導電性パッドがコンデンサプレート７０２の表面に適用されて、ＤＣ電圧が選択的に印加されることを可能とする。リング共振器構造７０３は、図３に関して説明されたのと同等の方法で、かつ、図１０に示されるように、ＭＥＭＳ構造７０１の表面に導電性トラッキングを適用することによって、電気的に励起され、その運動が感知される。そのため、図８に概略的に示されるように、８つの誘導トランスデューサ７０８がリング共振器構造７０３上に配置されている。

【0063】

図１０は、コンデンサプレート７０２を含む、本開示にしたがって完全に組み立てられたＭＥＭＳ構造７０１を備える誘導ジャイロスコープ７５０の断面図を示す。導電性パッド７０４ａは、各コンデンサプレート７０２の表面上に形成され、導電性トランスデューサ７０２への電圧の印加を可能にする直接電気接続として機能する電気リード（ワイヤボンドなど）７０４ｂを有する。図３に示される従来技術の誘導ジャイロスコープ２５０と同様に、ＭＥＭＳ構造７０１のシリコン層７００のマウント７０７は、ガラス台座層７０９に結合され、ガラス台座層７０９は次にガラス支持体７１１に結合される。しかしながら、図１０では、ガラス台座層７０９は、コンデンサプレート７０２の下に延在する追加の支持セクション７１２を含むように加工されている。環状ディスク下部ポールピース７１５、ディスク状永久磁石７１７、及び環状上部ポールピース７１９から構成される磁気回路７１３も、先行技術のジャイロスコープ２５０の磁気回路と同じように、ガラス支持体７１１に結合されている。磁気回路７１３は、リング共振器構造７０３の周りに、リングの平面に垂直に集束する磁場Ｂが提供されるように配置されている。

【0064】

ガラス層７０９の平面図が図１１に示され、これは、図１０でコンデンサプレート７０２が取り付けられている１６個の追加の支持セクション７１２を含む隆起した取付け領域を示す。リング共振器構造７０３及びコンプライアント支持体７０５の下の領域は、前述のように、空洞化されたままであり、リング共振器構造７０３が自由に動くことを可能にする。

【0065】

ＭＥＭＳ構造７０１を使用して、従来技術のＭＥＭＳ構造２０１と同様にリング共振器構造７０３の運動を示す信号を検出することができる一方で、コンデンサプレート７０２を追加することにより、静電平衡を適用してモード周波数をより良く一致させることが可能となる。

【0066】

モード周波数ωは、以下の式にしたがって、負ばねＫ_Elecとして機能しかつリング共振器構造７０３の有効剛性したがって周波数ωを局所的に低下させる、コンデンサプレート７０２上の電圧を変動させることによって調整され得る。

【0067】

【数1】

【0068】

ｍは、リング共振器構造７０３のモード質量であり、Ｋは、リング共振器構造７０３及びコンプライアント支持体７０５の組み合わされたばね定数である。電気ばね定数Ｋ_Elecは、次の式で与えられる。

【0069】

【数2】

【0070】

ε₀は、自由空間の誘電率、Ａは、コンデンサプレート７０２の面積、Ｖは、リング共振器構造７０３とコンデンサプレート７０２の間の差動電圧、ｄは、コンデンサギャップ（すなわち、コンデンサプレート７０２とリング共振器構造７０３の最小距離）である。

【0071】

リング共振器構造７０３及びコンデンサプレート構造７０２は、ＤＲＩＥプロセスを用いてバルクシリコンから製造することができ、高アスペクト比でトレンチを作成可能である。コンデンサプレート７０２とリング共振器構造７０３の表面の間のコンデンサギャップｄ₁は、好都合には、大容量したがって広い同調範囲を提供するために、１０μｍから３０μｍ程度である。

【0072】

図８に見ることができるように、コンデンサプレート７０２とリング共振器構造７０３の間に一定のギャップｄ₁があり、コンデンサプレート７０２と隣接するコンプライアント支持体脚部７０６Ａ、７０６ｂの間に一定のギャップｄ₂があり、それらは、図８に、等しいとして、すなわちｄ₁＝ｄ₂として示されている。したがって、個々のコンデンサプレート７０２ごとの静電同調は、リング共振器構造７０３及び隣接するコンプライアント支持体７０５の両方の電気ばね剛性を調整する。リング剛性調整のための有効軸は、コンデンサプレート７０２の中点に在るが、コンプライアント支持体７０５の剛性の変化は、コンプライアント支持体７０５のリング共振器構造７０３への取付け点に作用する。したがって、結果として得られる剛性同調軸は、コンデンサプレート７０２の中心からコンプライアント支持体７０５に向かってある程度シフトされる。したがって、コンデンサプレート７０２の静電同調軸は、もはや等角度間隔ではなくなる。シフトの大きさを把握していると仮定すると、必要とされる同調電圧を決定するときにこれを考慮に入れることができる。しかしながら、コンプライアント支持体７０５の剛性への影響は、コンデンサプレート７０２とコンプライアント支持体７０５のギャップｄ₂を、コンデンサプレート７０２とリング共振器構造７０３のギャップｄ₁と比べて大きくすることによって、大幅に低減することができる。この例を図９に見ることができ、コンデンサプレート７０２とコンプライアント支持体７０５の間のギャップｄ₂は、コンデンサプレート７０２とリング共振器構造７０３の間のギャップｄ₁よりも大きいことが把握できる。ギャップｄ₂がリングギャップｄ₁と比べて２倍大きくされた場合、効果は、剛性チューニングのギャップ依存性により、８分の１に減少する。

【0073】

コンデンサプレート７０２によって提供される静電平衡は、モード周波数を一致させるために、従来のレーザバランシングプロセスに加えてまたはその代わりに使用され得る。したがって、必要とされる周波数同調範囲は、必要とされる電気ばね剛性調整範囲を達成するために小さなコンデンサギャップ及び高い最大差動電圧範囲の要件を推進する±１０Ｈｚである。しかしながら、標準のレーザバランシングプロセスを用いて微同調機能を提供する場合、これらの要件はそれほど厳しくならない。図８に示す実施形態では、必要とされる同調範囲は、±０．５Ｈｚ未満に制限され、電圧の低下及びより大きなギャップを可能とする。図９に示すようにより大きなギャップを用いることは、リング構造の運動のより大きな振幅を可能にし、ノイズ性能の向上をもたらすため、特に有利である。したがって、コンデンサプレート７０２の追加により、静電平衡機能を、既存の誘導的作動型平面ＭＥＭＳリング共振器デバイスに適用することが可能になる。このことは、バイアス性能特性の観点から明らかな利点を有する。

【0074】

しかしながら、実際には、ＭＥＭＳ構造７０１の製造及びパッケージングの観点から、重大な課題が存在する。理想的には、製造プロセスは、既存の製造プロセス及び装置と実質的に互換性を有するべきである。

【0075】

ＭＥＭＳセンサ、例えばＭＥＭＳセンサ２０１の製造のための典型的な従来技術のプロセス（図７に関して説明されるものなど）は、ＤＲＩＥステップ６０４を含み、このステップでは、コンプライアント支持体２０５の脚部２０６ａ、２０６ｂの間のシリコンセクション、及びリング共振器構造２０３内のセクションは、支持されておらず、支持ウェハが除去されると、ウェハから切り離される。かくして、変更なしで典型的な製造プロセスの一部としてコンデンサプレートを追加することは、従来技術のＭＥＭＳ構造の設計を変更して初めて可能である。なぜなら、コンデンサプレートは同様に支持されておらず、支持ハンドルが除去されると、ウェハから切り離されるからである。したがって、ＭＥＭＳ構造２０１などの既存のＭＥＭＳ構造のリング共振器構造の周辺周りの必要な位置にコンデンサプレートを形成することが可能となるような設計変更及び追加プロセスステップが必要とされる。

【0076】

これを達成するために、ＤＲＩＥトレンチエッチングパターンは、コンプライアント支持体７０５の各々でシリコン層７００に取り付けられたコンデンサプレート７０２の対を提供するように加工され得る。具体的には、トレンチパターンが、コンプライアント脚部７０６ａ、７０６ｂの間に、各コンプライアント支持体７０５における一対のコンデンサプレート７０２を提供するようにエッチングされる。

【0077】

図１２ａは、リング７０３に属するシリコンアークが、剛性支持ビーム構造８０１によって支持された半絶縁領域７０２’を備えて形成される例示的な実施形態を示す。半絶縁領域７０２’は、エッチングトレンチによって部分的に分離され、半絶縁領域７０２’の２つの部分の隣接する側面の間に、短い非エッチングシリコンセクション８０３を残す。半絶縁領域７０２’は、シリコン層７００とガラス層７０９を一体に結合する陽極接合プロセス中に、図１１に示される支持ガラス領域７１２に堅固に取り付けられる。

【0078】

アークの半絶縁領域７０２’の対の間の非エッチングシリコンセクション８０３は、好都合には、レーザ切断プロセスを用いて除去することができ、支持ビーム構造８０１の間のシリコンを除去して、図１２ｂに示すようにレーザ切断領域８０５を生成する。次に、各半絶縁領域７０２’は、電気的に絶縁された容量性領域７０２、すなわちコンデンサプレート７０２の対に分割される。フェムト秒レーザが、熱影響部を最小限に抑えて高品質の側壁プロファイルを生成することが知られているため、この目的に適している。しかしながら、要件は、結果として得られたコンデンサプレート７０２を単に電気的に絶縁することであるので、切断線の精密な計測がジャイロスコープ及び代替物の動作の観点から重要な部分にないとき、より低いコストのレーザ切断ソリューションも使用され得る。レーザ切断プロセスは、後続の製造プロセスフローを妨害せずに、追加のステップとして適用することができる。

【0079】

１６個の静電平衡コンデンサプレート７０２が形成されると、それらは、ＤＣ電圧（または接地電位）に電気的に接続される。したがって、静電平衡を実装するために、コンデンサプレート７０２と、接地電位に固定されたリング共振器構造７０３の間に差動電圧が印加され得る。ｃｏｓ２θモードのバランスをとるために、コンデンサプレート７０２は、４つを１セットとして、互いに対して９０°の角度間隔で使用される。４つの別々のＤＣ電圧は、ＭＥＭＳデバイスに印加される必要があり、各電圧は、各セット内の４つのプレート全てに印加されなければならず、ＭＥＭＳへの１６の別々の接続が必要となる。ＤＣ電圧は、図４及び５に示されるものと同様のパッケージ内の追加のピンによって、ピンと、コンデンサプレート７０２の表面上の金属結合パッド７０４ａの間に形成されたワイヤボンド７０４ｂ（図１０に示すように）を用いて印加することができる。このアプローチは、必要とされるピン接続の数を増やし、パッケージ全体のサイズを大きくする可能性があり得るが、コンデンサプレート７０２の追加により、静電平衡機能を既存の誘導作動型平面ＭＥＭＳリング共振器デバイスに適用して、直交バイアス誤差の影響を減らすことを可能とする。

【0080】

図１０に示す誘導ジャイロスコープ７５０などの、誘導トランスデューサを備えるジャイロスコープへの適用に加えて、本発明はまた、代替のトランスデューサ機構を採用しかつ２つの動作モードの相対周波数を周波数調整または一致させる必要がある、他のＭＥＭＳジャイロスコープタイプにも適用され得る。例えば、静電平衡用のコンデンサプレートは、圧電（ＰＺＴ）トランスデューサを採用しているＭＥＭＳジャイロスコープ、例えば、ＰＺＴトランスデューサがリング共振器構造の上面に形成されているＵＳ８３８１５９０に記載されている種類のＭＥＭＳジャイロスコープに適用され得る。

【0081】

ＰＺＴジャイロスコープでは、共振器の表面上のＰＺＴトランスデューサの構築は、金属電極層が堆積されているシリコンの上面に絶縁酸化物層を形成することを含む。次に、薄膜ＰＺＴ層が金属層の上部に形成され、第２の金属上部電極層が、ＰＺＴ層の上に形成される。次に、ＰＺＴ層状構造は、トランスデューサがリング及び脚部構造の特定の領域にのみ提供されるようにパターン化される。ＵＳ８３８１５９０の図１４は、例示的なＰＺＴ ＭＥＭＳジャイロ構造、及び、多数のコンプライアント支持体を介して剛性中央ハブに内部取り付けされたリング構造に対するトランスデューサのレイアウトを示す。リングが、剛性外部フレームに接続する外部脚部を介して取り付けられている構成を含む代替の構成も可能であることが理解されよう。

【0082】

図１３は、本開示の追加の静電平衡プレートと共に用いるのに適したＰＺＴトランスデューサ９０８の例示的なレイアウトを示す。ＰＺＴトランスデューサ９０８は、リング共振器構造９０３のセグメント上に配置され、リング共振器構造９０３は、図８に見られるのと同じように、８つのコンプライアント支持体９０５によって支持されている。コンプライアント支持体９０５は、リング共振器構造９０３と同じシリコン層においてマウント９０７に接続されており、各コンプライアント支持体９０５は、前述のように、一対のコンプライアント脚部９０６ａ、９０６ｂを備える。ＰＺＴトランスデューサ９０８は、共振器構造９０３の表面上に取り付けられた一対の圧電電極９１９ａ、９１９ｂを備え、それらは、それぞれの金属トラッキング９１０ａ、９１０ｂによって、マウント９０７上の接触パッド９１３ａ、９１３ｂに接続されている。リング共振器構造９０３の周りのＰＺＴトランスデューサ９０８の全体的なレイアウトは、誘導ジャイロスコープの誘導トランスデューサ７０８に対して図８及び９に示されているものと同様である。コンデンサプレート７０２と同様の静電平衡プレート９０２が、ＭＥＭＳ構造に追加され、誘導ジャイロスコープ７５０に関して前述したように、モード周波数の調整を可能とする。静電平衡プレート９０２は、リング共振器構造９０３から第１の距離ｄ₁にかつ隣接するコンプライアント支持体脚部７０６ａ、７０６ｂから第２の距離ｄ₂に固定されている。

【0083】

図１４は、静電平衡のためにリング共振器９０３及びコンデンサプレート９０２を含むＭＥＭＳ構造９０１を備える圧電ジャイロスコープ９５０の断面図を示す。この断面図では、導電性パッド９０４ａが各コンデンサプレート９０２の表面上に形成され、電圧を導電性トランスデューサ９０４ａに印加可能とする直接電気接続として機能する電気リード（ワイヤボンドなど）９０４ｂを有することが分かる。

【0084】

それぞれ図４及び１０に示されるＭＥＭＳ構造２０１及び７０１と同様に、ＭＥＭＳ構造９０１のシリコン層９００のマウント９０７は、ガラス台座層９０９に結合され、ガラス台座層９０９は、次に、ガラス支持体９１１に結合される。ガラス台座層９０９は、コンデンサプレート９０２をリング共振器９０３から距離ｄ₁に固定する追加の支持セクション９１２を含むように加工されている。このようにして、コンデンサプレート９０２は既存の圧電ＭＥＭＳジャイロスコープに追加されて、静電平衡機能を可能にしかつ直交バイアス誤差を低減し得る。

【0085】

かくして、本開示によれば、静電平衡機能が既存のＭＥＭＳジャイロスコープに適用され得、その結果、電荷トラッピング効果に本質的に影響されない、デバイスのバイアス性能特性の向上がもたらされることが分かるであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】