特許 7048600 キャッピングＭＥＭＳデバイス用の垂直ストッパー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】キャッピングＭＥＭＳデバイス用の垂直ストッパー

(51)【国際特許分類】

   B81B 7/02 20060101AFI20220329BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20220329BHJP

   G01P 15/125 20060101ALI20220329BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20220329BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

B81B7/02

B81B3/00

G01P15/125 Z

G01P15/08 102D

G01P15/08 101A

H01L29/84 Z

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2019524369

(86)(22)【出願日】2017-11-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-05-14

(86)【国際出願番号】 US2017061001

(87)【国際公開番号】W WO2018089733

(87)【国際公開日】2018-05-17

【審査請求日】2019-07-02

(31)【優先権主張番号】15/650,822

(32)【優先日】2017-07-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/420,893

(32)【優先日】2016-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】503062253

【氏名又は名称】アナログ ディヴァイスィズ インク

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ジンボ・クァン

(72)【発明者】

【氏名】ゴーラヴ・ヴォーラ

【審査官】山本 裕太

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００８９１５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００２０６９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－２４７８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０６０３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５０１９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２９２４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９２０６０３２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ８１Ｂ ７／０２

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｇ０１Ｐ １５／１２５

Ｇ０１Ｐ １５／０８

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の可動プルーフマスと、前記第１の可動プルーフマスと同じ平面の面内を動くように構成された第２の可動プルーフマスとを有し、ストッパーを含むキャップに密封された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの動作方法であって、
モード形状を有する第１の面内のモードで、前記第１の可動プルーフマスと前記第２の可動プルーフマスとを振動させることと、
前記ストッパーを使用して前記第１の可動プルーフマスの前記第１の面内のモードの動きを減衰させることと
を含み、
前記第１の可動プルーフマスが、前記第２の可動プルーフマスの内側エッジに隣接した外側エッジを有し、前記ストッパーが、前記第１の可動プルーフマスの前記外側エッジおよび前記第２の可動プルーフマスの前記内側エッジの上に重なっており、前記ストッパーの外辺部は、前記第２の可動プルーフマスの前記内側エッジと前記第２の可動プルーフマスの外側エッジとの間に位置する、
方法。

【請求項2】

前記ストッパーが、前記第１の可動プルーフマスの面積の５０％を超える面積を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の可動プルーフマスの前記動きを減衰させることが、前記第２の可動プルーフマスの面内の動きを減衰させることを含まない、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第２の可動プルーフマスが、前記第１の可動プルーフマスと同心であり、かつその外側にある、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記第２の可動プルーフマスを、前記第１の可動プルーフマスと同一面内で、かつ前記第１の可動プルーフマスの振動と直交して動かすことを更に含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記ストッパーが、前記第１の可動プルーフマスと隣接した不連続な表面を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

第１の可動プルーフマスと、前記第１の可動プルーフマスと同じ平面の面内を動くように構成された第２の可動プルーフマスとを有し、キャップ付き微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの減衰された動きを与える方法であって、
基材にばねで連結された前記第１の可動プルーフマス及び前記第２の可動プルーフマスを、前記基材に連結されたキャップのストッパーと平行に、かつその２０マイクロメートル以内の運動平面内でモード形状にわたって振動させること
を含み、
前記第１の可動プルーフマスが、前記第２の可動プルーフマスの内側エッジに隣接した外側エッジを有し、前記ストッパーが、前記第１の可動プルーフマスの前記外側エッジおよび前記第２の可動プルーフマスの前記内側エッジの上に重なっており、前記ストッパーの外辺部は、前記第２の可動プルーフマスの前記内側エッジと前記第２の可動プルーフマスの外側エッジとの間に位置する、
方法。

【請求項8】

前記第２の可動プルーフマスを、前記第１の可動プルーフマスと同一面内で、かつ前記第１の可動プルーフマスと直交して動かすことを更に含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記第２の可動プルーフマスが、前記ストッパーの下に重ならない周辺部を有する、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記第２の可動プルーフマスを、前記第１の可動プルーフマスと同一面内で、かつ前記第１の可動プルーフマスと直交して動かすことが、前記ＭＥＭＳデバイスの回転に応じてなされる、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

ＭＥＭＳデバイスであって、
第１の可動プルーフマスと、
前記第１の可動プルーフマスと同じ平面の面内を動くように構成された第２の可動プルーフマスと、
前記第１の可動プルーフマス及び前記第２の可動プルーフマスをカバーするキャップと、
を含み、
前記キャップが、前記第１の可動プルーフマスの５０％を超えて上に重なるストッパーを含み、
前記第１の可動プルーフマスが、前記第２の可動プルーフマスの内側の境界に隣接した外側の境界を有し、
前記ストッパーが、前記第１の可動プルーフマスの前記外側の境界および前記第２の可動プルーフマスの前記内側の境界の上に重なっており、
前記ストッパーの外辺部は、前記第２の可動プルーフマスの前記内側の境界と前記第２の可動プルーフマスの外側の境界との間に位置する、
ＭＥＭＳデバイス。

【請求項12】

前記ストッパーが前記第２の可動プルーフマスをカバーしない、請求項１１に記載のＭＥＭＳデバイス。

【請求項13】

前記第１および第２の可動プルーフマスを互いに接続する要素を更に含む、請求項１２に記載のＭＥＭＳデバイス。

【請求項14】

前記第２の可動プルーフマスが、前記第１の可動プルーフマスと同心であり、かつその外側にある、請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイス。

【請求項15】

前記ストッパーが、前記第１の可動プルーフマスと隣接し、かつ前記第１の可動プルーフマスと実質的に平行である面を有し、前記ストッパーの面が、前記第１の可動プルーフマスに対応するモード形状の７５％～１２５％の表面積を有する、請求項１１に記載のＭＥＭＳデバイス。

【請求項16】

前記ストッパーが、前記第１の可動プルーフマスと隣接し、かつ前記第１の可動プルーフマスと実質的に平行である面を有し、前記面が不連続である、請求項１１に記載のＭＥＭＳデバイス。

【請求項17】

第３の可動プルーフマスを更に含み、前記ストッパーが、前記第３の可動プルーフマスの５０％を超えてカバーしている、請求項１１に記載のＭＥＭＳデバイス。

【請求項18】

第４および第５の可動プルーフマスを更に含み、前記ストッパーが、前記第４および第５の可動プルーフマスの各々の５０％を超えてカバーしている、請求項１７に記載のデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１１月１１日に代理人整理番号Ｇ０７６６．７０１３３ＵＳ００の下で出願された「Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｓｔｏｐｐｅｒ Ｆｏｒ Ｃａｐｐｉｎｇ ＭＥＭＳ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する米国仮特許出願第６２／４２０，８９３号の利益を、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で主張し、その全体が本明細書に参照として組み込まれる。

【0002】

本出願は、２０１７年７月１４日に代理人整理番号Ｇ０７６６．７０１３３ＵＳ０１の下で出願された「Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｓｔｏｐｐｅｒ Ｆｏｒ Ｃａｐｐｉｎｇ ＭＥＭＳ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する米国特許出願第１５／６５０，８２２号の利益を、米国特許法第１２０条の下で主張する継続であり、その全体が本明細書に参照として組み込まれる。米国特許出願第１５／６５０，８２２号は、２０１６年１１月１１日に代理人整理番号Ｇ０７６６．７０１３３ＵＳ００の下で出願された「Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｓｔｏｐｐｅｒ Ｆｏｒ Ｃａｐｐｉｎｇ ＭＥＭＳ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する米国仮特許出願第６２／４２０，８９３号の利益を、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で主張し、その全体が本明細書に参照として組み込まれる。

【0003】

本出願は、キャッピング微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスのためのキャッピング技術に関する。

【背景技術】

【0004】

一部の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、可動プルーフマスを含む。実施例としては、共振子、加速度計、およびジャイロスコープが挙げられる。プルーフマスは、１つの基材、またはＭＥＭＳウエハと呼ばれるウエハ上に形成してもよい。キャッピング構造は、プルーフマス周囲に密封されたエンクロージャを形成するため時にはＭＥＭＳウエハに結合される。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

キャップ付き微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスについて記載されている。場合によっては、ＭＥＭＳデバイスは、１つ以上の動くマスを含む。キャップは、１つ以上の可動マスの動きを減衰させるストッパーを含み得る。場合によっては、ストッパーは、マスのうちの１つの動きを減衰させるが、別のマスは減衰させない。

【0006】

本出願の１つの態様によれば、ストッパーを含むキャップに密封された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの動作方法が提供される。本方法は、モード形状を有する第１の面内のモードで、ＭＥＭＳデバイスの可動プルーフマスを振動させることを含んでもよく、ストッパーは、モード形状の周辺部および／または可動プルーフマスの内部エッジ上に重なって成形され、ストッパーを使用して可動プルーフマスの第１のモードの動きを減衰させる。

【0007】

本出願の別の態様によれば、キャップ付き微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの減衰された動きを与える方法が提供される。本方法は、基材にばねで連結された可動プルーフマスを、基材に連結されたキャップのストッパーと平行に、かつその２０マイクロメートル以内の運動平面内でモード形状にわたって振動させることを含んでもよい。可動プルーフマスは、ストッパーの下に重なった外側および／または内側エッジを有する。

【0008】

本出願の別の態様によれば、ＭＥＭＳデバイスが提供される。ＭＥＭＳデバイスは、第１の可動プルーフマス、および第１の可動プルーフマスをカバーするキャップを含み得、キャップは、第１の可動プルーフマスの５０％を超えて重なるストッパーを含む。

【0009】

本出願の種々の態様および実施形態を、以下の図を参照して説明する。図は必ずしも一定の縮尺では描かれていないことを理解されたい。複数の図に現れるアイテムは、それらが現れるすべての図において同じ参照番号で示されている。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】いくつかの非限定的な実施形態による、ストッパーを含むキャップに密封されたプルーフマスを含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを表す概要図である。

【図1B】図１ＡのＭＥＭＳデバイスの破線１Ｂに沿った断面図である。

【図2】いくつかの非限定的な実施形態による、本明細書に記載されるＭＥＭＳデバイスの動作方法を示すフローチャートである。

【図3A】いくつかの非限定的な実施形態による、プルーフマスの内部エッジ上に重なるストッパーを含むキャップに密封された、プルーフマスを含むＭＥＭＳデバイスを示す概要図である。

【図3B】図３ＡのＭＥＭＳデバイスの破線３Ｂに沿った断面図である。

【図3C】ストッパーがそれ自体に孔を有する図３Ａに対する代替的案である。

【図4】いくつかの非限定的な実施形態による、プルーフマスの大部分とは重なるが感知フィンガーとは重ならないストッパーを含むキャップに密封されたプルーフマスを含むＭＥＭＳデバイスを示す平面図である。

【図5A】ストッパーを含むキャップに密封されたプルーフマスを含むＭＥＭＳデバイスを示す概要図である。

【図5B】いくつかの非限定的な実施形態による、２つのプルーフマス各々のためのストッパーを含むキャップに密封されたＭＥＭＳデュアルマスジャイロスコープを示す概要図である。

【図5C】いくつかの非限定的な実施形態による、両方のプルーフマスを覆う単一のストッパーを含んだキャップに密封されたＭＥＭＳデュアルマスジャイロスコープを示す概要図である。

【図5D】いくつかの非限定的な実施形態による、４つの各々のプルーフマスを覆うストッパーを含むキャップに密封されたＭＥＭＳ４連（クワッド）マスジャイロスコープを示す概要図である。

【図5E】いくつかの非限定的な実施形態による、４つのプルーフマスを覆う単一のストッパーを含むキャップに密封されたＭＥＭＳ４連（クワッド）マスジャイロスコープを示す概略図である。

【図6】いくつかの非限定的な実施形態による、本明細書で記載されるタイプのＭＥＭＳデバイスを含むシステムを示すブロック図である。

【図7】いくつかの非限定的な実施形態による、図６のシステムを含む車両を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本出願の態様は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスのためのキャッピング構造を提供し、そのキャッピング構造は、キャップ付きＭＥＭＳ構成要素の動きを減衰させるように成形および配置されたストッパーまたは突起物を含む。いくつかの実施形態では、キャップのストッパーは、ＭＥＭＳウエハがキャップされた面内のモードで振動するプルーフマスと協調する。ストッパーは、ＭＥＭＳ構成要素が動いたときにガスフローがそれを通り抜ける領域に重なり、したがって、そのようなガスフローを妨げ、方向転換させ、または障害となることにより減衰機能を提供するように成形および配置されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ストッパーは、可動プルーフマスのモード形状の周辺部および／または可動プルーフマスの内部エッジ上に重なっている。ストッパーは、プルーフマスと協調し、可動プルーフマスの５０％を超える、可動プルーフマス面積の６０％～１３０％、またはそれらの範囲内の任意の値の表面積を有してもよい。

【0012】

一部のＭＥＭＳデバイスは、ウエハ面上に懸架され、弾性ばねとして機能するビームにより保持された可動プルーフマスを含む。品質係数（Ｑ）は、可動プルーフマスの振動の定性的挙動を記述するために定義することができ、ＭＥＭＳ構成要素の周波数帯域と、それ自体の中心周波数に対する比較で表すことができる。Ｑが高い程、可動プルーフマスの蓄積エネルギーに対してエネルギー損失率がより低いことを示している。特定のシステムや用途に応じて、異なる値のＱが望ましいことがある。発明者らは、キャッピング構造の構成により、可動プルーフマスのＱを制御できることを認識し評価した。

【0013】

本出願のひとつの態様によれば、ＭＥＭＳデバイスは、ストッパーを備えたキャッピング構造により密封された可動プルーフマスを有する共振子であってもよい。ストッパーは、上に重なる可動プルーフマスに近接しているが、離間していてもよい。可動プルーフマスは、平面の外に配置されたストッパーと同一面内を動くように構成されてもよい。ストッパーは、密封したエンクロージャの容積を制限することにより、減衰機能を果たし、それによりプルーフマスが動いたときのエンクロージャ内のガスの潜在的な変位を制限する。したがって、共振子のＱは、ストッパーの可動プルーフマスに対する配置および／または表面積、および／またはストッパーと可動プルーフマス間のギャップの距離によって調整することができる、減衰目標度合いを得るようにストッパーを設計することにより制御することができる。

【0014】

本出願の別の態様によれば、ＭＥＭＳデバイスは、ストッパーを有するキャッピング構造により密封された共振子および１つ以上の感知フィンガーを有する加速度計であってもよい。共振子の可動プルーフマスから加わる力に対する感知フィンガーの応答に与える減衰の影響を少なくまたは最小にするように、ストッパーは、共振子の上に重なるが、感知フィンガーとは重ならないサイズにすることができる。加速度計は、ストッパーと協調し、その下に重なった少なくとも２つの共振子（例えば差動加速度計）を含んでもよい。

【0015】

本出願の別の態様によれば、ＭＥＭＳデバイスは、ストッパーを有するキャッピング構造により密封された共振子および加速度計を有するジャイロスコープであってもよい。ストッパーは、共振子と重なってもよいが、加速度計とはある程度まで重ならなくてもよい。このような構成は、共振子の動きを加速度計のそれより減衰させることができ、この点において、選択的減衰を提供すると言うことができる。その結果、この構成により、共振子Ｑおよび加速度計Ｑの独立した制御が可能となる。共振子Ｑは、大きい圧力で密封したエンクロージャにより達成されるものと同等であり得るため、同じ共振子Ｑを保ちつつ高い加速度計のＱを得るために低い圧力を使うことが可能となる。減衰ストッパーをシールドとして機能させることができるので、この構成により、更に共振子から加速度計の感知フィンガーへの電気的接続を減らすことができる。

【0016】

いくつかの実施形態では、ジャイロスコープは、可動コリオリプルーフマス、およびストッパーを有するキャッピング構造により密封された少なくとも２つの共振子を含んでもよい。少なくとも２つの共振子の動きの不一致は、位相分散の原因となる可能性があり、オフセット、ジー感度（ｇｅｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）およびジャイロスコープとパッケージングとの間のエネルギーカップリングを引き起こし得る。共振子の低いＱは、このような影響を低減し得る。しかしながら、低いコリオリＱは、高いジャイロスコープノイズの原因となる。このように、発明者らは、共振子およびコリオリプルーフマスを含む少なくともいくつかの実施形態において、共振子の低いＱは望ましいが、プルーフマスでは望ましくない場合があることを認識した。したがって、ストッパーが設けられていない場合と比較して、コリオリＱがせいぜいわずかに減少するが、共振子Ｑが実質的に低減されるように、ストッパーは、少なくとも２つの共振器に重なり、可動コリオリプルーフマスには重ならないようにすることができる。このような構成は、増加したコリオリＱを提供しながら、減衰ストッパーなしで達成されるのと同じ共振子Ｑを得るために、低いキャッピング圧力の使用を容易にすることができる。この構成は、更に共振子からコリオリ電極への電気的接続を減らすこともできる。

【0017】

上記の態様および実施形態、ならびに追加の態様および実施形態が、以下で更に説明されている。これらの態様および／または実施形態は、個別に、すべて一緒に、または２つ以上の任意の組み合わせで、用途はこの点に限定されず使用されてもよい。

【0018】

図１Ａは、本出願の非限定的な実施形態による、可動プルーフマスを覆う減衰ストッパーを有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１００の複数の重なり合う平面の平面図を示す。図１Ｂは、ＭＥＭＳデバイス１００の図１Ａの１Ｂ破線に沿った断面図を示す。図１Ａは、図１Ｂの線１２２および１２３に沿った平面の重ね合わせを表しており、つまり、図１Ａは、ＭＥＭＳ基材を通る平面上に重ねられたキャップを通る平面を示している。

【0019】

ＭＥＭＳデバイス１００は、接合材１１４を用いてキャップ１２４により密封されているＭＥＭＳ基材１１２を含む。ＭＥＭＳ基材１１２は、ばね１１０により空洞の上で保持される可動プルーフマス１０６を含み得る。キャップ１２４は、可動プルーフマス１０６の上になるように配置されたストッパー１０２を含み、図示した例では、ストッパーに近接しかつ平行なプルーフマスの表面より大きい表面積を有する。

【0020】

いくつかの実施形態ではウエハであり、または他の実施形態では代替的にさいの目に切ったチップであり得るＭＥＭＳ基材１１２は、懸架されたプルーフマス１０６、およびプルーフマスをＭＥＭＳ基材１１２に連結するばね（または「テザー」）１１０を含み得る。このようにしてプルーフマス１０６は、ＭＥＭＳ基材１１２内の空洞上で保持され得る。ＭＥＭＳ基材１１２は、シリコンもしくはより一般的な半導体材料、または他の任意の適切な材料により形成されてもよい。いくつかの非限定的な実施形態では、プルーフマス１０６およびばね１１０は、例えば、ＭＥＭＳ基材１１２からエッチングされて、同一材料により形成される。しかしながら、他の実施形態では、プルーフマスおよびばねは異なる材料、または少なくとも異なる材料の堆積で形成されてもよい。

【0021】

図１Ａはプルーフマス１０６のアウトラインを破線で示している。プルーフマス１０６は、図１Ａに示される方向１１６に沿ってプルーフマスが動くような構成で、ＭＥＭＳ基材１１２からばね１１０によって懸架されている。例えば、プルーフマスは方向１１６に沿って駆動される共振子であってもよい。あるいは、プルーフマスは受けた加速度に応じて方向１１６に沿って移動することが可能な加速度計の一部であってもよい。用いられるプルーフマスのタイプに関係なく、プルーフマスの移動は、図１Ａにモード形状１０８として示されるモード形状で定義され得る。図示した例では、モード形状１０８は、プルーフマス１０６が均衡位置から正および負のＸ両方向に移動したことを意味するプルーフマス１０６よりＸ方向に大きい横範囲の平面エリアＭを有し得る。他のモードの振動（またはより一般的には動き）も可能であり、図示したモード形状は非限定的な実施例である。更に、ＭＥＭＳデバイスのタイプにより、プルーフマス１０６上の電極、電気的接続配線、または他の構造体のような追加の構造体が含まれていてもよい。これらの任意の構造体は、例示の単純化のために図から省略されている。

【0022】

半導体材料または他の任意の適切な材料であり得るキャップ１２４は、くぼみ１０４に取り囲まれたストッパー１０２を含んでもよい。ストッパーは、ＭＥＭＳ基材１１２に面する表面積Ａからなる表面１３０を有してもよい。くぼみ１０４は、ストッパー１０２が突出部、平坦域、伸長、隆起、または同様な構造物を示し得るように、エッチングにより形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ストッパー１０２はキャップ１２４の中心領域に配置されてもよいが、他の実施形態では代替的な位置が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、キャップはシリコンウエハであってもよく、ストッパーはシリコンウエハをエッチングすることによって形成されてもよい。くぼみ１０４の深さは、非限定的な範囲内の任意の値（例えば８０μｍ）を含む２０μｍ～１５０μｍであり得る。ストッパーの表面１３０は、プルーフマスの実質的に平行な上部表面１２８と距離ｄ１の間隔により独立していてもよい。距離ｄ１は、いくつかの実施例では、非限定的な範囲内の任意の範囲（例えば２μｍ～２０μｍ、または３～１０μｍ）を含み、２０μｍより小さくてもよい。

【0023】

前述の通り本出願の態様は、ＭＥＭＳデバイスのためのキャップのダンパーとして機能するストッパーを提供する。少なくともいくつかの実施形態では、ストッパーは、プルーフマスの動きを減衰させること、およびプルーフマスが許容範囲を超えて延びる動きを止めることの２つの機能を実現する減衰ストッパーであってもよい。減衰機能を提供するために、１つ以上のストッパーの特徴が選択されてもよい。例えば、ストッパーは、プルーフマスのモード形状周辺部上に重なって配置されてもよい。図１Ａおよび１Ｂを一例として考慮すると、ストッパー１０２面内の外辺部は、モード形状１０８の周辺部上に重なっている。いくつかの実施形態では、表面１３０の外辺部は、モード形状１０８の周辺部を越えて延びていてもよい。例えば、表面１３０の表面積Ａは、モード形状１０８のエリアＭより大きくてもよい。プルーフマス１０６が動くと、それは周囲に存在する範囲で周辺のガスを押す。ストッパー１０２をモード形状１０８の周辺部上に重なるように配置することにより、このようなガスの流れを停止、方向転換、または別の方法で阻害し、少なくともいくつかの実施形態においては、プルーフマス１０６の動きを減衰する。

【0024】

いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳデバイス用キャップのストッパーの減衰機能は、ストッパーが下に重なったプルーフマス表面積のかなりのパーセンテージを占める表面積を持つように寸法出しすることにより実現されてもよい。図１Ａおよび１Ｂを参照すると、表面積Ａは、例えば、表面積Ｓの５０％より大きくなるようにプルーフマス１０６の表面積Ｓに実質的に対応して選択されてもよい。いくつかの実施形態では、表面積Ａは、表面１２８の面積Ｓおよび／またはモード形状１０８の面積Ｍの、７５％～１２５％であり得、この範囲の任意の値を含む。ストッパーがモード形状１０８の周辺部上に重なっているかどうかに関係なく、プルーフマスが配置されている密封エンクロージャの容積を制限すること、つまりプルーフマス１０６が動いているときのエンクロージャ内のガスの潜在的な変位を制限することによって、ストッパー１０２は、プルーフマス１０６の動きを減衰させることができる。例えば、ストッパー１０２が省略されるか、または異なる形／サイズを有する場合、一部の空気は、ストッパーにより空気が矢印１２０の方向に強制的に移動させられる代わりに、矢印１１８方向に動く。したがって、ストッパーの可動プルーフマスに対する配置および／または表面積、および／またはストッパーと可動プルーフマス間のギャップの距離によって、可動プルーフマスのＱを調整することができる。したがって、すべての実施形態で、プルーフマスのモード形状周辺部上に重なったストッパーを採用するわけではない。

【0025】

間隔ｄ１のサイズは更に、プルーフマス１０６の動きの減衰を促進するために使用してもよい。ｄ１を小さくすることは、プルーフマス１０６が配置されている密封空洞の容積を制限するのに役立つ。そのようにすると前述のように、プルーフマス１０６の面内の動きを減衰させることに寄与する。ｄ１の値は、上記の任意の値を取り得る。

【0026】

したがって、サイズ、プルーフマス１０６に対する配置、およびプルーフマスからの距離ｄ１を含むストッパー１０２の特徴は、ストッパー１０２の減衰機能を促進するように選択される。一般に、ストッパー１０２の表面１３０は、長方形形状、リング形状、不連続な形状、または任意のその他の好適な形状を有してもよい。表面１３０は、プルーフマス１０６の面積Ｓに対応した上述の任意の寸法に応じて大きさを決めた面積Ａを有してもよい。距離ｄ１は、上述の任意の値であり得る。

【0027】

接合材１１４は、エポキシ、ガラスフリット、接着剤、共晶接合材料、または他の任意の適切な接合材であり得る。接合材の厚さは、２μｍ～２０μｍの範囲、例えば、３～１０μｍであり得、これらの範囲内の任意の値を含む。接合は気密封止を提供してもよい。

【0028】

ＭＥＭＳ基材１１２は、所望の圧力／ガス組成物を有する環境内にキャップ１２４により密封されてもよい。いくつかの実施形態では、図１Ａおよび１Ｂの構造により、減衰ストッパーがないキャップによる圧力よりも低い圧力で密封した場合でも、同じかまたはより高いデバイスＱを達成することができる。例えばいくつかの実施形態では、同じＱのＭＥＭＳデバイスを提供する場合でも、本明細書で記載されるタイプの減衰ストッパーを有するキャップを使ったとき、圧力は２～５倍低くてよい（例えば３００ミリバールの代わりに１００ミリバール）。他の減圧も可能である。

【0029】

図１Ａおよび１Ｂは単一のプルーフマス１０６およびストッパー１０２を示しているが、本明細書で記載される種々の態様はこのように限定されるものではない。前述の通り、ＭＥＭＳ基材１１２は、いくつかの実施形態では、キャップ１２４と同じようにウエハとすることができる。したがって、複数のプルーフマス１０６がＭＥＭＳ基材１１２上に形成され、それぞれに提供されたストッパー１０２と共に、ウエハからダイシングされたキャッピング構造でキャップされてもよい。

【0030】

動作中、プルーフマス１０６は、例えば振動により、平面１２２上を方向１１６に沿って動くことができる。この動きは、ストッパー１０２の存在によって上記の方法により減衰させることができる。更に、プルーフマスがｚ方向に面の外に動いた場合、ストッパー１０２はそのような動きを制限する可能性がある。

【0031】

したがって、本出願の態様によれば、可動マスを含むＭＥＭＳの動作方法が提供される。本方法は、可動マスが配置されている平面で可動マスを動かすことと、ＭＥＭＳデバイスをキャッピングするキャップのダンパーまたは減衰ストッパーを使用して可動マスの動きを減衰させることとを含むことができる。

【0032】

図２は、いくつかの非限定的な実施形態による、本明細書に記載されるＭＥＭＳデバイスの動作方法を示している。手順２００はステージ２０２から開始でき、そこではＭＥＭＳデバイスの可動プルーフマスがモード形状を有する面内のモードで振動することができ、ＭＥＭＳデバイスは、ストッパーを含むキャップによりキャッピングされた空洞内に密封されていてもよい。ステージ２０４では、可動プルーフマスの動きは、モード形状および／または可動プルーフマスの内部エッジの周辺部上に重なるように成形成された、ダンパーまたは減衰ストッパーを使用して減衰することができる。ステージ２０４はステージ２０２のあとに続いているように示されているが、いくつかの実施形態では、この２つのステージは同時、または実質的に同じタイミングで起こり得ることを理解されたい。つまり、減衰は、可動プルーフマスが動く（例えば振動）ときに発生し得る。図１Ａおよび１Ｂは、ストッパー１０２が可動プルーフマスのモード形状の周辺部上に重なっている例を示しているが、他の実施形態では異なる構成を有する。前述の通り、ＭＥＭＳキャップのストッパーは、下に重なった可動プルーフマスまたは可動プルーフマスのモード形状の外辺部上に重ねることにより減衰を提供することができる。しかしながら、いくつかの可動プルーフマスは内部エッジを有することがあり、プルーフマスが動いたときガスフローはそれらのエッジ付近で発生することがある。したがって、減衰ストッパーは、可動プルーフマスの内部エッジの上に重なることにより下に重なったプルーフマスの動きを減衰させることができる。図３Ａおよび３Ｂは非限定的な実施例を示す。

【0033】

ＭＥＭＳデバイス３００は、ＭＥＭＳ基材３０２、アンカー３０４、アンカー３０４からテザー３０８により懸架された可動プルーフマス３０６、およびストッパー３１２を含むキャップ３１０を含み得る。キャップ３１０は、ＭＥＭＳ基材３０２に接合材３１４により接合することができる。ストッパー３１２は、プルーフマス３０６の表面３１８に面しかつ接近した表面３１６を有することができる。図３Ａは、図３Ｂの平面３０１ａおよび３０１ｂに対応する複数の重なり合う平面の上面図であり、図３Ｂは、図３Ａの直線３Ｂに沿ったデバイス３００の断面図である。

【0034】

ＭＥＭＳ基材３０２は、前述のＭＥＭＳ基材１１２と同じタイプ、または他の任意の適切なＭＥＭＳ基材であってよい。アンカー３０４は、ＭＥＭＳ基材３０２からの突起であってもよい。テザー３０８は、真っ直ぐなビームまたは曲がった構造体のような前述のばね１１０と同じタイプであってもよい。

【0035】

プルーフマス３０６は任意の好適な寸法および形状とすることができる。図示されているように、プルーフマス３０６は外側の境界（または周囲）つまりエッジ３２０および内側の境界つまりエッジ３２２を有することができる。テザー３０８は、内側エッジに接触してもよい。プルーフマス３０６は、モード形状３２６を画定し、矢印３２４方向に沿い、ｘｙ平面内で動く（例えば揺れまたは振動）ように構成されてもよい。電極および電気的接続のような追加の構造体は、図の簡略化のために省略されている。

【0036】

キャップ３１０は、前述のキャップ１２４と同じタイプであってもよい。ストッパー３１２は、非限定的な実施例として２０μｍ～１５０μｍの高さＨ１を有してもよく、その範囲の任意の値を含む。ストッパー３１２の表面３１６は、プルーフマス３０６の表面３１８から、図１Ａおよび１Ｂにて既に記載された任意の値をとる距離ｄ１により独立していてもよい。

【0037】

図３Ａおよび３Ｂに見ることができるように、ストッパー３１２の外辺部は、プルーフマス３０６の内側の境界３２２の上に重なっており、かつそれより大きいが、外側の境界３２０までは延びていない。プルーフマス３０６が動くと、ガスは内側の境界３２２で押され、ストッパー３１２の位置決めがガスの流れを阻害（例えば方向転換）することができ、これによりプルーフマス３０６の動きを減衰させることができる。代替的な実施形態では、表面３１６は、内側の境界３２２と外側の境界３２０の両方の上に重なるのに十分に大きな面積を有してもよい。

【0038】

接合材３１４は、図１Ａおよび１Ｂの接合材１１４に関連して既に記載されたものと同じタイプであってもよい。

【0039】

ＭＥＭＳデバイス３００は、図２の手順２００のような方法で動作することができる。他の動作方法もまた可能である。

【0040】

いくつかの実施形態ではストッパー自体は、プルーフマスに隣接した連続的な平坦な表面を有しなくてもよい。つまり、図３Ｂの表面３１６は連続的および／または平面でなくてもよい。代替案の一例が図３Ｃに示されている。

【0041】

図３Ｃは、ストッパー自体が、そこに孔または開口部を有している図３Ａの代替案を示している。孔は破線３２８で表されている。つまり、プルーフマス３０６に隣接したストッパーの表面は、破線３１２と３２８との間にあってもよい。破線３２８の中側では、ストッパーは、例えば適切なエッチングによりくぼんでいてもよい。ストッパーのくぼみまたは孔は、任意の好適なサイズおよび／または位置を有してもよい。更に、単一の孔が図示されているが、複数の孔が、任意の好適な配置でストッパーに形成されてもよい。したがって、本出願の態様は、下に重なったプルーフマスに隣接した非平面を有する減衰ストッパーを提供する。

【0042】

いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳデバイス用キャップのストッパーの減衰機能は、１つ以上の駆動および／または感知構造体の上に重ならずに、下に重なった可動プルーフマスのモード形状の上に実質的に重なるように位置決めされてもよい。ＭＥＭＳ共振子、加速度計、およびジャイロスコープのような各種ＭＥＭＳデバイスは、フィンガー状突起などの駆動および／または感知構造体を有することがある。例えば、容量型ＭＥＭＳ加速度計は、容量性櫛状構造を含むことができ、そこでは、プルーフマスの動きが、プルーフマスに連結されたフィンガーと、基材に連結された静止したフィンガー間のキャパシタンスに変換される。図４は、このようなデバイスの一例の平面図を示す。

【0043】

ＭＥＭＳデバイス４００は、ばね４０６によりＭＥＭＳ基材４０４に連結されたプルーフマス４０２を含む。プルーフマス４０２は、フィンガー４０８を含み、一方、２つの静止フィンガー４１０はＭＥＭＳ基材４０４の基材に固定されている。例えば、静止フィンガー４１０は、プルーフマスのフィンガー４０８と同一面内になるように基材から上向きに突き出ていてもよい。

【0044】

プルーフマス４０２は、モード形状４１２を画定する方法で、ＸＹ平面を移動することができる。この動きにより、フィンガー４０８と近傍のフィンガー４１０間の距離が変化する。したがって、それらのフィンガー間のキャパシタンス値が変化する可能性があり、その変化は、例えばプルーフマス４０２の動きを確認するために検出され得る。

【0045】

ＭＥＭＳデバイスをキャップするキャッピングの一部を形成する減衰ストッパー４１４は、プルーフマス４０２の上に重なって配置されてもよい。図４の上面図で、ストッパーの外辺部は、プルーフマス４０２に重なり合っている。図示のように、ストッパー４１４は、プルーフマス４０２およびモード形状４１２の上に実質的に重なるように、寸法決めおよび配置されてもよい。しかしながら、ストッパー４１４は、フィンガー４０８または４１０の上には重ならない。

【0046】

いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳデバイス用キャップの減衰ストッパーは、２つ以上の可動マスを有するＭＥＭＳデバイス内に用いてもよく、マスの動きの選択的な減衰を提供してもよい。ＭＥＭＳデバイスの一例はジャイロスコープであり、そのうちのいくつかは共鳴マスおよび加速マスを有する。ジャイロスコープの場合、共鳴マス（つまり、「共振子」）は、１つの方向に駆動されてもよく、加速マスはコリオリ力に応じて動いてもよい。共振マスのようなマスのうちの１つの動きを選択的に減衰するために、減衰ストッパーを設けることができる。非限定的な例が図５Ａ～５Ｃに示されている。

【0047】

図５Ａは、ばね５０６によってフレーム５０４にばねで連結された共振マス５０２を含むＭＥＭＳデバイス５００の平面図である。フレーム５０４は、ばね５１０によって基材５０８に連結されてもよい。感知フィンガー５１２は、フレーム５０４から延びてもよく、フィンガー５１４は基材５０８から延びてもよい。感知フィンガー５１２および５１４は、組み合わせて、基材５０８に対するフレーム５０４の動きに敏感なキャパシタンスを形成してもよい。

【0048】

動作中、共振マス５０２は、矢印５１６で示されるようにｙ方向に沿ってｘｙ平面で振動するように駆動される。ＭＥＭＳデバイス５００のｘｙ平面での回転により、フレーム５０４は、共振マス５０２の動きと直交する方向に動かされる。この動きにより、感知フィンガー５１２と５１４間の距離が変化し、それらのフィンガー間のキャパシタンスを変化させ、それにより動きを確認することができる。

【0049】

ＭＥＭＳデバイス５００をキャッピングしているキャップの減衰ストッパーは、共振マス５０２、および共振マス５０２とフレーム５０４との間のｘｙ平面の空間上に重なるように配置されてもよい。例えば、ストッパー５１８は、図示したＭＥＭＳ基材に重なった破線で図示された外辺部を有してもよい。このようにして、ストッパー５１８は、フレーム５０４の動きを実質的に減衰させることなく、共振マス５０２の動きを減衰させることができる。これにより、フレームのＱを低くすることなく、共振マス５０２のＱを低くすることが可能となる。このように、本出願の実施形態は、ＭＥＭＳデバイスの複数のマスの中から１つ以上の可動マスの選択的減衰を提供する。

【0050】

図５Ｂは、ＭＥＭＳデバイスのキャップに減衰ストッパーを備えた選択的減衰が実現可能な別の構成を示している。デバイス５２０は、図５ＡのＭＥＭＳデバイス５００と同じものを２組含むが、この図ではＭＥＭＳデバイスがｘｙ平面で回転している。デバイス５２０は、デュアルマスジャイロスコープを表すことができる。

【0051】

図５Ｃは、デバイス５２１として表される図５Ｂのデバイス５２０の変形例を示している。この構成において、２つのプルーフマスの上に重なるそれぞれのストッパー５１８の代わりに、ストッパーの共振マスのｘｙ平面への重なりを表す破線で図示されているように、単一の減衰ストッパー５２２が、ＭＥＭＳデバイス５００の両方の共振マスに重なって設けられている。

【0052】

図５Ｄは、図５Ｂのデバイス５２０の４連マスデバイスへの拡張を表すさらなる実施形態を示している。デバイス５５０は、図５Ａのデバイス５００と同じものを４組含むが、それらがｘ－ｙ平面で回転している。図示のように、それぞれのストッパーは、それぞれのプルーフマスの上に重なっている。

【0053】

図５Ｅは、さらなる構成を示している。この非限定的な実施形態では、４組のＭＥＭＳデバイス５００を備えるＭＥＭＳデバイス５６０が提供される。減衰ストッパー５５２は、ストッパーの共振マスのｘｙ平面への重なりを表す破線で図示されているように、ＭＥＭＳデバイス５６０の４つの共振マスの上に重なるように設けられている。このようにいくつかの実施形態では、ジャイロスコープの共振マスの面内の動きを減衰させるように構成された減衰ストッパーを備えた４連マスジャイロスコープが提供される。

【0054】

図６は、本明細書で記載したタイプのＭＥＭＳデバイスを組み込んだ１つのタイプのシステムの一例を示している。システム６００は、減衰ストッパーを有するキャップ付きＭＥＭＳデバイス６０２、読み出し（または、感知）回路６０６、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェイス６０８および電源ユニット６０４を含む。ＭＥＭＳデバイス６０２は、本明細書で記載されているタイプのうちいずれでもよい。いくつかの実施形態では、読み出し回路６０６およびＩ／Ｏインターフェイス６０８は、制御機能を備える特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であってもよい。

【0055】

読み出し回路６０６は、加速度信号または回転信号のようなＭＥＭＳデバイス６０２で感知した信号を提供するように構成されてもよい。生成された信号は、他の実施形態では差動式でありうるが、シングルエンドであってもよい。読み出し回路は、読み出し機能を行う任意の好適な構成要素だけでなく、フィルタリング、増幅、および復調のような信号処理機能のための回路を含んでもよい。読み出し回路は、いくつかの実施形態では、トランスインピーダンスアンプであってもよい。読み出し回路は、いくつかの実施形態では特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であってもよく、更にいくつかの実施形態ではＭＥＭＳデバイスと異なる基材上に、または同じ基材上に形成されてもよい。

【0056】

図６のシステムでは、読み出し回路６０６は、それを通してシステム６００がリモートコンピュータまたはサーバのような外部デバイスと通信する通信インターフェイスとして機能するＩ／Ｏインターフェイス６０８に接続されている。このように、Ｉ／Ｏインターフェイス６０８は、更なる処理および／または表示のために、感知した信号をシステム６００の外部に送信することができる。更にまたは代替的に、Ｉ／Ｏインターフェイス６０８は、制御信号、無線充電信号、またはソフトウエアアップデートのような外部デバイスからの通信を受信してもてもよい。

【0057】

Ｉ／Ｏインターフェイス６０８は有線または無線であり得る。適切な有線接続は、いくつかある中で特にユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）およびファイヤーワイヤー接続を含む。有線接続が使われているそれらの実施形態では、接続は差し込み式であってもよい。有線接続は、例えば、実質的に静止した対象物に固定されている場合、またはシステム６００とそれが通信する外部デバイスとの距離が相対的に一定に保たれる場合のような、システム６００が比較的固定されている設定で使用される。いくつかの実施形態では、しかしながら、Ｉ／Ｏインターフェイスは、例えばフレキシブルな無線周波数（ＲＦ）アンテナによる通信などのような無線であり得る。

【0058】

本出願の態様における別の設定が、自動車またはボートもしくは航空機のような他の車両へ実装されてもよい。図７は、図６のシステム６００を含む自動車７００を模式的に表している。システム６００は、自動車７００の任意の好適な場所内に配置されてもよい。システム６００は、ロール、ピッチ、および／またはヨー角速度を感知するように構成されてもよい。システム６００は、Ｉ／Ｏインターフェイス６０８を使用して感知した角速度を、自動車７００内に配置されたコンピュータシステム、および／または自動車７００外部の基地局に設けられたコンピュータシステムに提供するように構成することができる。図７は一例を示しているが、本出願の様々な態様の他の使用法が可能である。

【0059】

用語「ほぼ」、「実質的に」、「および」、「約」は、いくつかの実施形態では目標値の±２０％以内で、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内で、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内で、および更にいくつかの実施形態では目標値の±２％以内での意味で使用され得る。用語「ほぼ」および「約」は、目標値を含み得る。

【符号の説明】

【0060】

１００ 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス
１０２ ストッパー
１０４ くぼみ
１０６ 可動プルーフマス
１０８ モード形状
１１０ ばね
１１２ ＭＥＭＳ基材
１１４ 接合材
１１６ 可動プルーフマス駆動方向
１２４ キャップ
１２８ 可動プルーフマスの表面
１３０ ストッパーの表面
６００ システム
６０２ ＭＥＭＳデバイス
６０４ 電源ユニット
６０６ 感知回路
６０８ 入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェイス
７００ 自動車

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6】

【図7】