JP2003521682A - 角速度センサデバイスに関する改良 - Google Patents

角速度センサデバイスに関する改良

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Abstract

(57)【要約】 マイクロ機工をした振動形構造のジャイロスコープのような角速度センサデバイス（１０）は、共振器（１６）と、駆動手段（１８）と、センシング手段（２０）と、関係する電子制御手段とを備えている。共振器（１６）と、駆動手段（１８）と、センシング手段（２０）と制御手段とは［１００］主結晶面を有するシリコン結晶（１２）の層から組立てられている。その性能を劣化させずにこの形式で共振器１６を動作させるために、共振器１６は駆動及びセンシング手段（１８，２０）によって電子制御手段の制御の下で動作するようになっていて、電子制御手段はヤング率のようなモード関連パラメータを有する振動モード対を整合させて、一定の共振器応答を与えるようにしている。とくに、共振器（１６）は、縮退したキャリヤと応答とのパラメータを用意しているsin３θ／cos３θ振動モード対で動作するようにされている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の属する技術分野 この発明は角速度（アンギュラレート）センサデバイスに係る改良に関するも
のであり、とくに、といっても限定をかけるわけではないが、平面状の構造の振
動形共振器を有するセンサを採用している角速度センサデバイスに係る改良に関
し、例えばマイクロマシンによる（マイクロ機工の）振動形構造のジャイロスコ
ープ（ＶＳＧ：Vibrating Structure Gyroscope）で使用されているようなもの
の改良と、関係する電子回路とに関する。
【０００２】 従来の技術 マイクロ機工を施した振動形ジャイロスコープ、すなわちＶＳＧであって、単
結晶シリコン基板内にリソグラフィ技術を用いて形成されたものは、コンパクト
で、低コストの速度（レート）センサの源（ソース）を用意し、このセンサは大
量に供給できる。この手ごろに入手できるという性質（affordability）は新し
い大きな市場をとくに自動車応用分野で発生させた。現在さまざまなデバイスが
開発途上にあり、異なる材料とプロセスとを用いて組立てされた各種のセンサチ
ップ設計が採用されている。完成されたデバイスはセンサチップと関係する制御
電子回路とを適当なパッケージの中に入れて構成されている。大量の応用に対し
ては、制御電子回路は一般にディスクリートな（別体の）ＡＳＩＣ（応用特定集
積回路）として実現されている。
【０００３】 このかなりの競争がある市場では、低価格と改良された性能とに向けて継続し
た駆りたて（ドライブ）がかかるのは不可避とされている。こういった目標（ゴ
ール）へ向う道として認識されているものの一つは電子回路（エレクトロニクス
）を直接センサチップに集積することを経るというものである。制御回路を集積
することは著しい性能上の利点を与えることができ、とくに容量性センシングを
採用するデバイスについて言えることである。例えば、ピックオフ増幅器回路で
センス電極に近いものは浮遊駆動電圧からの寄生結合を最小にするということと
浮遊容量を減らすということとで利点がある。さらに、制御電子回路を直接セン
サチップ上に組立てることは全体のデバイス部品数を減らすことになり、これは
別個のＡＳＩＣとかデイスクリートな電子回路とかについての要件を無くすこと
による。これが全体のデバイスの寸法を好都合に減らしまたユニットコスト（単
価）を減らす可能性をもたらすことができる。
【０００４】 発明が解決しようとする課題 チップ上の電子回路集積の実現可能性はセンサの設計と組立て方法とに微妙に
依存している。同じシリコン片上で電子回路とセンサとを組立てることはこれら
の二つの要素が互に両立性がある（ミューチュアリイ・コンパチブル）ように作
るためのプロセスを必要とする。これはいつでもすぐに達成できるというもので
はなく、プロセス途上で互にかなりの修正を加えることなしには達成されないし
、これが全体のウェーハの歩留りに有害な影響を与えることをなしとしない。デ
バイス設計で若干の妥協もまた求められて、一般に性能に悪影響をもつような変
更を受入れることにもなる。
【０００５】 こういった問題は、このようなオンチップの電子集積された平面状の共振器デ
バイスであって、シリコンから組立てられたものの商業上の開発に対しては妨げ
とされて、現在ではこのようなデバイスは市販されていない。何故にこのような
集積での困難が存在するかについての詳細な説明はここで出願人の未決特許出願
GB 9817347.9に記述された先行技術のセンサを参照して用意されている。
【０００６】 平面状のリング構造を採用するセンサであって、GB 9817347.9に記述されてい
るようなものは、一般にcos２θとsin２θの振動モード対（図１（ａ），（ｂ）
に示す）を使用し、ここではこの構造の振動がほぼ主軸（一次軸）Ｐと副軸（二
次軸）Ｓとの周りに示されている。これらのモードの一つ（図１（ａ））はキャ
リヤモードとして励起されている。この構造がリングの面に垂直な軸の周りに回
転されるときには、コリオリの力がエネルギーを応答モード（図１（ｂ））に結
合させる。もしキャリヤと応答モードの周波数が正確に整合していると、そのと
きは、応答モード動きの振幅がこの構造のＱ（クオリティファクタ）によって増
幅される。これが強調された感度を与え、このようなデバイスが高性能となるこ
とができる。
【０００７】 このデバイスの性能を決める重要な（クリティカルな）パラメータの一つが二
つのモード間の差周波数と動作温度範囲でのその安定度である。この周波数整合
を達成するためには、二つのモードの共振パラメータが正確に整合しているとい
うことが重要な性質であるということを本質事項としている。結晶シリコンから
このような共振器構造を組立てるときには、この要件は［１１１］シリコンウェ
ーハを用いることによってのみ適えることができる。すなわち、シリコンウェー
ハは［１１１］主結晶面に対して平行に切出されている。この結晶方位について
は、重要な材料のパラメータは半径方向に等方性（アイソトロピック）である。
しかし、この要件は標準的な電子回路の組立てをシリコンデバイス層上でするこ
とと両立性がない。標準のＣＭＯＳ／ＢｉＣＭＯＳ組立ては一般に［１００］シ
リコンウェーハ基板上で実行されなければならない。商用の会社工場で採用され
ている技術とプロセスとは［１１１］カットのシリコンウェーハに直接応用する
ことはできない。
【０００８】 したがって、この発明が目的とするところは上述の問題を克服することであり
、この問題は結晶シリコンから組立てられた改良形のセンサデバイスの商業上の
開発に対する妨げとなっているものであり、またセンサチップ上に電子回路を集
積して組入れるものである。
【０００９】 課題を解決するための手段 広く眺めたときの特徴は、この発明は、共振器を備えているセンサが［１００
］シリコン結晶から組立て可能とされていて、それによって、このセンサと関係
する制御電子回路とを集積できるとしていることの認識に置かれている。発明者
はもし共振器が特殊なやり方で作られて動作されるとすると（このやり方は可能
な振動モードについての特別な解析によって決められるものである）、それが［
１１１］シリコン結晶で作られているかのように同じやり方で動作できることを
確定した。
【００１０】 もっと特定すると、この発明により共振器と、駆動手段と、センシング手段と
、関係する電子制御手段とを備えた角速度センサデバイスが提供されていて、該
共振器と、駆動手段と、センシング手段と、制御手段とは［１００］主結晶面を
もつシリコン結晶の層内に組立てられており、また、該共振器は該制御手段によ
って振動モード対で動作するようにされており、この振動モード対は一定の共振
器応答を用意するために整合のとれたモードパラメータを有しているものである
。
【００１１】 この発明を使用すると、上述した以前には得られなかった利点のすべてが制御
電子回路とセンサチップ自体とを集積することと関係して得られることが可能と
なる。
【００１２】 共振器はsin３θ／cos３θ振動モード対であって縮退したキャリヤ及び応答パ
ラメータを用意するもので動作するようにされている。これはマイクロ機工のＶ
ＳＧを組入れたデバイスを用意するのに最も適している好ましい構成である。
【００１３】 共振器についての各種の幾何学的形状の設計は可能であるが、共振器は実質的
に平面状のリング構造を備えているのが好い。このことはマイクロ機工のＶＳＧ
についてその重さと関係して高性能構造となることが発見されている。
【００１４】 この場合に支持手段は複数のフレキシブルな（融通性のある）支持脚を備え、
この脚がセンサデバイス内の平面状のリング構造の共振器の相対的な動きを可能
としている。もっと特定すると、この共振器は基板内の空洞の内部に備えられて
よく、基板からは間がとられていて、空洞内に支持脚によって懸架（サスペンド
）されていて脚は中央ハブから平面状のリング構造共振器まで備えられている。
【００１５】 支持脚の数と位置とは振動モード対のモード対称性と整合がとれているのがよ
い。これが、好都合にも、振動モード対の力学的な摂動（パーターベーション）
を妨げて、それにより何らかの周波数のスプリット（分割）を妨げている。
【００１６】 電子制御手段は、駆動手段と共に使用する駆動回路と、センシング手段と共に
使用するセンシング回路とを備えているのが好ましく、また全追加回路（これは
別のＡＳＩＣとかディスクリート電子回路として用意されることになるので）を
含んでいてよい。駆動及びセンシング回路は共振器の周辺の周りにそれぞれの駆
動手段とセンシング手段と密接して備えられていてよい。再びここでも、これが
マイクロ機工のＶＳＧについての別な高性能の構造上の構成となっている。これ
が好都合にも浮遊の寄生キャパシタンス効果を駆動手段及び／又はセンシング手
段に及ぼすことを最小にしている。
【００１７】 好ましいのは、センシング回路が検知した（センスした）信号の大きさを増幅
するための電子増幅器を備えていることである。シリコン層内に増幅器を用意す
ることは、ここでもまたマイクロ機工のＶＳＧについて高性能の構造上の構成を
用意している。
【００１８】 このデバイスはさらに電気的スクリーニング手段を少くとも該駆動手段と該セ
ンシング手段との各々の間に用意して含み、該スクリーニング手段は電気的に接
地されていて該駆動及びセンシング手段を互に他から電気的に遮蔽している。こ
れが好都合にも、このデバイス構造がデバイスの性能に影響を与えずによりコン
パクトとなることができるようにしている。
【００１９】 この発明はまた、上述したように複数の角速度デバイスを備えているシリコン
ウェーハにまで展開される。
【００２０】 この発明は平面状のリングをしたレート（速度）センサを用意できるようにし
ており、それが［１００］シリコン結晶から組立てられ、キャリヤモードと応答
モードのパラメータが正確に整合されて、高性能を可能としている。この発明が
このような集積された電子回路とセンサデバイスとが何故組立て可能となったか
についての説明をここで記述する。
【００２１】 結晶シリコンは振動形構造のジャイロスコープ応用で使用するのにとてもよく
適した材料性質を有している。単結晶となると、疲労が少く、極めて強いものと
なる。これが耐久性があって、弾力性（回復性）があり、とても丈夫であること
が衝撃や振動にさらされたときに見られる。さらに、内部損失が低く（高いＱフ
ァクタを有し）、また高いヤング率Ｅを示す。これらのパラメータはまたデバイ
スの動作温度範囲にわたって比較的安定である。しかしながら、これらのパラメ
ータが著しい異方性を示していて、それが意味するところは一般に角度方向で変
るということである。この角度依存性が図２に示されていて、図はヤング率の角
度方向による変化をプロットしており、ライン２，４，６によって三つの主結晶
面［１１１，１００，及び１１０］についてそれぞれ示されている。［１１１］
面についてのヤング率は角度に依存しておらず、これがGB 9817347.9に記述した
ようにsin２θ／cos２θ共振モードを採用する平面状のリングデバイスとして使
用するのに理想的に適したものを作るようにしていることは明らかである。他の
結晶面についての角度変化の周期性は、大きなスプリット（分割）が、ジャイロ
スコープ動作にとって不適切なものとするように、二つのモード間で作られてい
ることである。
【００２２】 sinｎθ／cosｎθの面内たわみモード対の自然（固有）周波数はラグランジェ
（Lagrange）方程式を用いて解析されている。異方性の効果はひずみエネルギー
式の中に組込まれている。［１１１］面についてのＥ変動の等方的な性質はいず
れのモード次数ｎについても周波数スプリットを生成していないことは明らかで
ある。［１００］面については、sinｎθ／cosｎθモードはｎ＝２と４とについ
てスプリットされて（分かれて）いるがｎ＝３モードでは縮退している。（ｎ＝
４を越えるモードは一般にジャイロスコープ応用にとってはあまり適しておらず
、それは振動が減り、周波数が高いことに起因している。）したがって、［１０
０］シリコンから平面状のリング構造を組立てることは可能であり、このシリコ
ンはsin３θ／cos３θモード対を利用することによって、モードのパラメータを
整合させるために必要とされる材料の性質を有している。
【００２３】 実施例 現在の発明で現状は好ましいとされている実施形態について添付の図面を参照
して記述して行く。
【００２４】 この発明を実施する角速度センサデバイスを図３（ａ），（ｂ），４及び５を
参照して記述して行く。センサデバイス１０はマイクロ機工の振動形構造のジャ
イロスコープを備え、それがsin３θとcos３θとの振動モード対で動作するよう
にされていることは前述したところである。とくに言うと、cos３θキャリヤモ
ードとsin３θ応答モードパターンが図３（ａ），（ｂ）に示されている。
【００２５】 デバイス１０でこれらのモードを利用しているものがGB 9817347.9に記述され
たものと類似の静電気的駆動トランスジューサとキャパシティブ（容量性）の力
のトランスジューサを組込んでいる。この構造を作るために使用される組立てプ
ロセスは本質的にはGB 9828478.9に記述されたものと同じであり、ここではこれ
以上記述しないこととする。
【００２６】 デバイス１０は［１００］導電性シリコンの層から形成され、シリコン層がガ
ラス基板１４に陽極接着（anodically bonded）されている。デバイス１０の主
な部品はリング（環状）構造の共振器１６と、六つの駆動キャパシタトランスジ
ューサ１８と、六つのピックオフ容量性（キャパシティブ）トランスジューサ２
０である。共振器１６と、駆動と、ピックオフ容量性トランスジューサ１８，２
０とはＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching，深い反応性イオンエッチング）
プロセスによって形成され、このプロセスはシリコン層１２を通る溝を形成する
。組立てプロセスは、シリコンデバイス層１２上に直接マイクロエレクトロニク
ス（微細な電子回路）を組立てることと完全に両立可能となっている。この技術
で組立てに含まれているものはよく知られているところであり、ここでは記述し
ない。
【００２７】 図４はデバイス１０の設計を示す、平面図である模式図であり、また、図５は
デバイス１０の構造の模式的な断面図である。リング構造の共振器１６はたわみ
のある（コンプライアントな）脚２２によって中央に支持されている。脚２２は
弾力性のある質量（スプリングマス）の効果を有していて取付け点でリング構造
の共振器１６に作用する。単一の支持脚２２は絶縁されていて、周波数スプリッ
トを生成しているsin３θとcos３θのモードの力学を差動的に乱して（perturb
）いる。支持脚２２の正味の効果がスプリットを生じないことを確かにするため
に、支持脚２２の数と位置とがモード対称性に一般に整合のとれたものとしてい
る。便利なのは、１２本の同一の脚支持体（レッグサポート）１２が３０°の規
則正しい角度間隔で用意されることである。これらがリング構造共振器１６の内
側２４の一端と、中央支持ハブ２６の他端とに取付けられる。ハブ２６は今度は
絶縁性のガラス基板１４にしっかりと取付けられている。空洞２８がガラス基板
１４内でリング構造共振器１６の縁とたわみのある脚構造２２の下に用意されて
、リング構造共振器１６の自由な動きができるようにしている。
【００２８】 １２個のディスクリートな曲った板３０がリング構造共振器縁の外周辺の周り
に用意されて、その各々が、リング構造共振器１６に面しているプレート（板）
３０の表面と、リング構造共振器自体の外周辺表面との間でキャパシタを形成し
ている。板３０はガラス基板１４にしっかりと固定されていて、電気的にはリン
グ構造共振器１６から絶縁されている。板３０は、リング構造共振器１６の縁の
周りに３０°の規則正しい角度間隔で置かれていて、各々は角度２５°に対応し
ている。便利なのは、三つの板３０であって、固定基準軸Ｒに対し０°，１２０
°，２４０°に置かれているものがキャリヤ駆動素子３２として使用されること
である。キャリヤモードの動きは、固定基準軸Ｒに対して６０°，１８０°及び
３００°にある板３０を、ピックオフトランスジューサ３４として、使用して検
出される。回転の下では、コリオリの力がエネルギーを応答モードに結合させる
ことになる。この動きは固定基準軸Ｒに対して３０°，１５０°，２７０°に置
かれている応答モードピックオフトランスジューサ３６によって検出される。こ
のデバイスが力のフィードバックモードの応答モードで動作することができるよ
うにするために、駆動素子３８が固定基準軸Ｒに対して９０°，２１０°，３３
０°に置かれている。電気的なボンドパッド４０が各駆動及びピックオフトラン
スジューサ１８，２０上に用意されて、制御回路（図示せず）への接続がとれる
ようにしている。
【００２９】 動作時には、駆動電圧がキャリヤ駆動素子３２に共振周波数で加えられる。リ
ング構造共振器１６は一定のオフセット電圧で維持されて、これが新しく作られ
た力を生じ、この力は小さなキャパシタギャップ変位については加えられた電圧
と線形関係にある。リング構造共振器１６への電気的な接続が中央ハブ２６上で
用意されたボンドパッド４１によって作られていて、これが脚２２の導電性シリ
コンを通ってリング構造共振器１６に接続をとっている。誘起された動きはキャ
リヤモードをピックオフトランスジューサ３４のキャパシタギャップ分離間隔に
変化を生じさせる。これがギャップをまたいで電流を生じさせ、これが増幅され
て動きに比例した信号を与える。応答モードピックオフトランスジューサ３６で
の回転が誘起した動きは同じように検出される。力のフィードバックモードでは
、駆動電圧が応答モード駆動トランスジューサ３８に加えられて、この動きを、
加えた駆動電圧であって回転速度（レート）に直接比例するもので、ゼロとする
ようにする。駆動信号がピックオフトランスジューサ２０，３４，３６に直接容
量性結合をすることはスプリアス信号出力を生じさせることができて、この出力
はバイアス出力として現われて、デバイス性能を劣化させる。この誤差を最小と
するために、スクリーン層４２が用意され、これがリング構造共振器１６に面し
ているところを除いた全側面上でキャパシタプレート３０を囲んでいる。このス
クリーン４２が接地電位に接続されて、駆動とピックオフトランスジューサ１８
，２０が互に密接する関係をとれるようにしている。
【００３０】 浮遊容量と、寄生結合との効果を減らすために、ピックオフ増幅器（図示せず
）でセンシング回路を用意するものがディスクリートな（別体の）ピックオフキ
ャパシタプレート２０，３４，３６に密接して備えられている。適当とされるセ
ンシング回路はシリコンスクリーン層１２上に個々のセンシングプレート２０，
３４，３６と直接の近くに組立てできて、センシングプレートへの電気的接続は
ワイヤボンド（図示せず）によってセンシングプレート２０，３４，３６の上表
面に作られたボンドパッド４０に対して作られている。
【００３１】 増幅器回路（図示せず）の組立ては、デバイスウェーハを必要とすることにな
り、ウェーハ内には複数のデバイス１０が形成されて、これがたくさんの追加の
プロセス段階に従うことになる。そこで好都合なのは、追加の外部回路について
の要件を減らすために、デバイスチップ上では可能な限りたくさんの電子回路を
組立てることになる。これには好都合なことに追加の電子制御回路を含むことが
あり、この制御回路には駆動回路（図示せず）を含んでいて、それが必要とされ
ている駆動電圧とオフセット電圧をリング共振器１６に向けて加えるために生成
する。この場合、駆動回路はディスクリートな駆動素子プレート１８，３２，３
８のきわめて近くでシリコンスクリーン層上に組立てられることになり、電気的
には個々の駆動プレート１８，３２，３８に対して、駆動プレート１８，３２，
３８の上側表面に作られたボンドパット４０へのワイヤボンド（図示せず）によ
って、接続がとられている。
【００３２】 この発明のとくに好ましいとされる実施形態について記述した。問題となって
いる実施形態は単に例であること、及び当業者のもつ知識によってされる変形や
修正は、特許請求の範囲にあるこの範囲の精神と思想範囲を逸脱せずに可能であ
ることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）と（ｂ）とはそれぞれ、キャリヤモードと応答モードを表わしているco
s２θとsin２θの振動モード対についての振動パターンの模式的表現を示す図。
【図２】 シリコン結晶について三つの主結晶面［１１１，１００，１１０］の各々につ
いてのヤング率の平面内角度変化を示すグラフ。
【図３】 （ａ）と（ｂ）とは、この発明の実施例による、キャリヤモードと応答モード
を表わしているsin３θとcos３θの振動パターン対についての振動パターンの模
式的表現を示す図。
【図４】 この発明の一実施例による角速度センサの一部を上から見た平面模式図であり
、共振器、支持構造、及び駆動とピックオフトランスジューサを示す図。
【図５】 図４のＡＡ線に沿ってとられて断面模式図。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年７月２６日（２００２．７．２６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項２】 請求項１記載の角速度センサデバイスであって、共振器（１６）用の支持手段 を含み、該 支持手段が複数のフレキシブル支持脚（２２）を備えている角速度セ
ンサデバイス。
【請求項３】 請求項２記載の角速度センサデバイスであって、該支持脚（２２）の数と位置
とが振動モード対のモード対称性と整合している角速度センサデバイス。
【請求項４】 請求項２または３記載の角速度センサデバイスであって、該共振器（１６）は
基板（１４）から間隔をとった空洞（２８）内部に用意されて、かつ、中央ハブ （２６） から該平面状のリング構造共振器（１６）までに備えられた該支持脚（ ２２） によって、該空洞（２８）内に懸架されている角速度センサ。
【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の角速度センサデバイスであって、該
電子制御手段は該駆動手段（１８）と共に使用する駆動回路と、該センシング手
段（２０）と共に使用するセンシング回路とを備えている角速度センサデバイス
。
【請求項６】 請求項５記載の角速度センサデバイスであって、該駆動回路と該センシング回
路とはそれぞれが該共振器（１６）の周辺の周りでそれぞれの駆動手段（１８） とセンシング手段（２０）と密接して備えられている角速度センサデバイス。
【請求項７】 請求項５または６記載の角速度センサデバイスであって、該センシング回路は
検知した信号の大きさを増幅するための増幅器を備えている角速度センサデバイ
ス。
【請求項８】 請求項１ないし７のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、該駆 動 手段は固定基準軸（Ｒ）に対して０°，１２０°，２４０°に用意された三つ
のキャリヤモード駆動素子（３２）を備え、かつ、該センシング手段は該固定基
準軸（Ｒ）に対して６０°，１８０°，３００°に用意された三つのキャリヤモ
ードセンシング素子（３４）を備えた角速度センサデバイス。
【請求項９】 請求項８記載の角速度センサデバイスであって、該駆動手段は該固定基準軸（ Ｒ） に対して９０°，２１０°，３３０°に用意された三つの応答モード駆動素
子（３８）を備え、かつ該センシング手段は該固定基準軸（Ｒ）に対して３０°
，１５０°，２７０°に用意された三つの応答モードセンシング素子（３６）を
備えた角速度センサデバイス。
【請求項１０】 請求項１ないし９のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、さら
に電気的スクリーニング手段（４２）を少くとも該駆動手段と該センシング手段 （１８，３２） との各々の間に用意して備え、該スクリーニング手段（４２）は
電気的に接地されていて該駆動及びセンシング手段（１８，３２）を互に他から
電気的に遮蔽している角速度センサデバイス。
【請求項１１】 請求項１ないし１０のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、さ
らに電気的絶縁材料から作られたベース基板を備えている角速度センサデバイス
。
【請求項１２】 請求項１ないし１１のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、該 sin３θ／cos３θ振動モード対は 該振動モード対についてのシリコン結晶のヤン
グ率を含むモードパラメータを有する角速度センサデバイス。
【請求項１３】 請求項１ないし１２のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、共
振器（１６）はマイクロ機工した振動構造のジャイロスコープを備えている角速
度センサデバイス。
【請求項１４】 請求項１ないし１３のいずれか１項記載の、複数個の、角速度センサデバイス
を備えたシリコンウエーハ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】 したがって、この発明が目的とするところは上述の問題を克服することであり
、この問題は結晶シリコンから組立てられた改良形のセンサデバイスの商業上の
開発に対する妨げとなっているものであり、またセンサチップ上に電子回路を集
積して組入れるものである。 線形の、非リング構造の半導体デバイスはUS-A-57239790に力成分、加速度及
び／又は角速度の測定用に記述されており、このデバイスは単結晶半導体基板で ［１００］配向のシリコンのようなものから作られている。いくつかの片もちは り（カンチレバービーム）で各々が内部質量を担っているものが半導体基板から 作られていて、加えられた力に応答して適切な動きをするために［１１１］結晶 面内で配向しかつ基板表面に対して角度をもっている。 結晶シリコンから作られたリング形状の振動形構造をもつ速度（レート）セン サであって、cos２θ周波数でのcos２θキャリヤモードで振動するものについて はEP-A-0836073に記述されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】 もっと特定すると、この発明により実質的に平面構造をもつ共振器と、駆動手
段と、センシング手段と、関係する電子制御手段とを備えた角速度センサデバイ
スが提供されていて、該共振器と、駆動手段と、センシング手段と、制御手段と
は［１００］主結晶面をもつシリコン結晶の層内に組立てられており、また、該
共振器は該制御手段によって振動モード対で動作するようにされており、この振
動モード対は縮退したキャリヤ及び応答パラメータを用意するsin３θ／cos３θ 振動モード である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】 sin３θ／cos３θ振動モード対であって縮退したキャリヤ及び応答パラメータ
を用意するもので動作するようにされているモードは、これはマイクロ機工のＶ
ＳＧを組入れたデバイスを用意するのに最も適している好ましい構成である。 共振器についての各種の幾何学的形状の設計は可能であるが、共振器は実質的 に平面状のリング構造は、マイクロ機工のＶＳＧについてその重さと関係して高 性能構造となることが発見されている。 共振器のために支持手段が含まれていてよく、支持手段は複数のフレキシブル な（融通性のある）支持脚を備え、この脚がセンサデバイス内の平面状のリング 構造の共振器の相対的な動きを可能としている。もっと特定すると、この共振器 は基板内の空洞の内部に備えられてよく、基板からは間がとられていて、空洞内 に支持脚によって懸架（サスペンド）されていて脚は中央ハブから平面状のリン グ構造共振器まで備えられている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F105 BB04 BB15 CC04 CD03 CD05 4M112 AA02 AA06 BA07 BA08 CA41 CA43 CA52 DA18 EA03 EA13

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 共振器と、駆動手段と、センシング手段と、関係する電子制御
    手段とを備えた角速度センサデバイスであって、 該共振器と、駆動手段と、センシング手段と、制御手段とは［１００］主結晶面
    をもつシリコン結晶の層内に組立てられており、また、該共振器は該制御手段に
    よって振動モード対で動作するようにされており、この振動モード対は一定の共
    振器応答を用意するために整合のとれたモードパラメータを有しているものであ
    る角速度センサデバイス。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の角速度センサデバイスであって、該共振器は
    、縮退したキャリヤ及び応答パラメータを用意するsin３θ／cos３θ振動モード
    対で動作するようにされている角速度センサデバイス。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の角速度センサデバイスであって、該共振器は
    実質的に平面状のリング構造を備えている角速度センサデバイス。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の角速度センサデバイスであって、支持手段が
    複数のフレキシブル支持脚を備えている角速度センサデバイス。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の角速度センサデバイスであって、該支持脚の
    数と位置とが振動モード対のモード対称性と整合している角速度センサデバイス
    。
  6. 【請求項６】 請求項４または５記載の角速度センサデバイスであって、該
    共振器は基板から間隔をとった空洞内部に用意されて、かつ、中央ハブから該平
    面状のリング構造共振器までに備えられた該支持脚によって、該空洞内に懸架さ
    れている角速度センサ。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の角速度センサデバ
    イスであって、該電子制御手段は該駆動手段と共に使用する駆動回路と、該セン
    シング手段と共に使用するセンシング回路とを備えている角速度センサデバイス
    。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の角速度センサデバイスであって、該駆動回路
    と該センシング回路とはそれぞれが該共振器の周辺の周りでそれぞれの駆動手段
    とセンシング手段と密接して備えられている角速度センサデバイス。
  9. 【請求項９】 請求項７または８記載の角速度センサデバイスであって、該
    センシング回路は検知した信号の大きさを増幅するための増幅器を備えている角
    速度センサデバイス。
  10. 【請求項１０】 請求項１ないし９のいずれか１項記載の角速度センサデバ
    イスであって、該ドライブ手段は固定基準軸に対して０°，１２０°，２４０°
    に用意された三つのキャリヤモード駆動素子を備え、かつ、該センシング手段は
    該固定基準軸に対して６０°，１８０°，３００°に用意された三つのキャリヤ
    モードセンシング素子を備えた角速度センサデバイス。
  11. 【請求項１１】 請求項１０記載の角速度センサデバイスであって、該駆動
    手段は該固定基準軸に対して９０°，２１０°，３３０°に用意された三つの応
    答モード駆動素子を備え、かつ該センシング手段は該固定基準軸に対して３０°
    ，１５０°，２７０°に用意された三つの応答モードセンシング素子を備えた角
    速度センサデバイス。
  12. 【請求項１２】 請求項１ないし１１のいずれか１項記載の角速度センサデ
    バイスであって、さらに電気的スクリーニング手段を少くとも該駆動手段と該セ
    ンシング手段との各々の間に用意して含み、該スクリーニング手段は電気的に接
    地されていて該駆動及びセンシング手段を互に他から電気的に遮蔽している角速
    度センサデバイス。
  13. 【請求項１３】 請求項１ないし１２のいずれか１項記載の角速度センサデ
    バイスであって、さらに電気的絶縁材料から作られたベース基板を備えている角
    速度センサデバイス。
  14. 【請求項１４】 請求項１ないし１３のいずれか１項記載の角速度センサデ
    バイスであって、該モードパラメータは該振動モード対についてのシリコン結晶
    のヤング率を含む角速度センサデバイス。
  15. 【請求項１５】 請求項１ないし１４のいずれか１項記載の角速度センサデ
    バイスであって、共振器はマイクロ機工した振動構造のジャイロスコープを備え
    ている角速度センサデバイス。
  16. 【請求項１６】 請求項１ないし１５のいずれか１項記載の、複数個の、角
    速度センサデバイスを備えたシリコンウエーハ。
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