JP2004518964A

JP2004518964A - ジャイロスコープ及びその製造方法

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Publication number: JP2004518964A
Application number: JP2002564435A
Authority: JP
Inventors: キム，ヨン‐クウェオン; キム，セン‐ヒョック
Original assignee: インテリマイクロンズ・カンパニー・リミテッド; キム，ヨン‐クウェオン
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: US6845668B2; KR20020066486A; WO2002064497A1; EP1360144B1; CN1457319A; JP3713019B2; DE60229919D1; CN1242913C; ATE414674T1; US20030159509A1; EP1360144A1; KR100418624B1

Abstract

固定されている駆動固定電極と、駆動固定電極の対向電極で第１方向への変位が可能な駆動変位電極と、駆動変位電極に連結されていて駆動変位電極の第１方向変位に沿って第１方向に変位して、角速度印加時第２方向に変位する慣性質量体と、慣性質量体に連結されていて慣性質量体の第２方向変位に沿って第２方向に変位することができる検出変位電極と、検出変位電極の対向電極であり、固定されている検出固定電極と、を含むジャイロスコープに関するものである。ここで、駆動変位電極は第１方向に移動することができる折りたたみスプリングによって支持されており、検出変位電極は第２方向に移動することができる折りたたみスプリングによって支持される。

Description

【０００１】
発明の背景
（ａ）発明の属する技術分野
本発明は微細加工（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）方法を利用して製造したジャイロスコープ及びその製造方法に関する。
【０００２】
（ｂ）従来の技術
微細加工を利用した様々な応用分野の中で、慣性センサ（Ｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒ）への応用は早くから関心を集めた分野である。シリコンを材料として微細加工で製作された慣性センサは安価、大量生産、そして、集積化が可能であるという長所によって最近十年間商品化慣性センサを開発するための研究が活発に進められている。しかし、実際商品化が可能な水準のジャイロスコープが製作されて発表されたのは最近何年間かのことであって、まだ微細加工で製作されたジャイロスコープが商品化された例はない。商品化のためには広い動作範囲と共に、低い出力値を雑音と分離して選択的に検出して、高い感度を獲得することが必要であり、既存の半導体工程と完全に互換できる工程を利用したり、単純な工程を利用して低価格の素子を具現しなければならない。また、素子の信頼性及び高い収率もやはり保障されなければならない。
【０００３】
ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓＩｎｃ．（ＡＤＩ）の場合、１９９８年に１個当り＄３０のジャイロスコープを目標に表面微細加工工程を利用して真空で動作する集積化ジャイロスコープの試作品を開発したが、当時、圧電素子を利用したジャイロスコープが自動車用の場合、＄１５、カメラ用の場合、＄５の非常に安い値段で市販されていたため、これらと競争するためには新たな接近方法が求められた。そのために、ＡＤＩは素子の小型化とパッケージ工程の最少化による低価格のジャイロスコープ開発に努力した。素子の小型化のために、全素子サイズのほとんどを占める回路部分を減らして、それにともなう問題をジャイロスコープの機械部分を大きくすることにより解決し、全体的な素子のサイズは減らす方向を模索するようになった。また、機械部分が大きければ相対的に低いＱ値でも動作して、商品化のための二つの目標、つまり小さいサイズの素子と真空パッケージの削除を満足することができると考えられる。実際に真空パッケージをしなければならない素子の場合、一般的なＩＣ工程でのパッケージ工程が占める値段比率が５０％であるのに比べて８０％という大きな値段比率を占めているので、これを解決することが全素子の値段を低くするのに必要である。
【０００４】
発明の要旨
本発明が目的とする技術的課題は、大気圧で動作できるジャイロスコープを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の技術的課題は、高い周波数で大きな駆動変位を有するジャイロスコープを提供することにある。
【０００６】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、駆動モードと検出モード間の機械的干渉が排除されたジャイロスコープを提供することにある。
【０００７】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、周波数チューニングがなくても高い感度を示すジャイロスコープを提供することにある。
【０００８】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、ジャイロスコープの製造方法を単純化させることである。
【０００９】
このような課題を解決するために本発明では、駆動変位電極と検出変位電極を慣性質量体と折りたたみスプリングを媒介として連結することにより駆動変位電極と検出変位電極との間の機械的干渉を排除する。
【００１０】
具体的には、本発明の１態様としてのジャイロスコープは、固定されている駆動固定電極、駆動固定電極の対向電極で第１方向への変位が可能な駆動変位電極、駆動変位電極に連結されていて駆動変位電極の第１方向変位に沿って第１方向に変位し、角速度印加時に第２方向に変位する慣性質量体、慣性質量体に連結されていて慣性質量体の第２方向変位に沿って第２方向に変位することができる検出変位電極、及び、検出変位電極の対向電極で固定されている検出固定電極とを有する。
【００１１】
この時、駆動変位電極は第１方向に移動できる折りたたみスプリングによって支持されており、検出変位電極は第２方向に移動できる折りたたみスプリングによって支持される。
【００１２】
また、駆動変位電極と慣性質量体は第２方向に移動することができて固定軸のない折りたたみスプリングによって連結されており、検出変位電極と慣性質量体は第１方向に移動することができて固定軸のない折りたたみスプリングによって連結される。
【００１３】
また、検出変位電極は慣性質量体を中心にして両側に二つが配置されており、ジャイロスコープは二つの検出変位電極を連結するエッジジンバルをさらに含むことができ、慣性質量体の中心には孔が形成されており、孔の中心に位置して固定されている変位制限軸をさらに含むことができる。
【００１４】
また、検出変位電極の両側に対称的に形成されていて、電気的スプリングの役割を果たして検出変位電極の共振周波数を変化させて検出感度を調節するチューニング電極をさらに含むことができる。
【００１５】
このようなジャイロスコープは、（ａ）シリコン基板とガラス基板を正極接合する段階、（ｂ）前記シリコン基板をエッチング、研磨して特定の厚さに作る段階、（ｃ）前記シリコン基板上に金属層を形成する段階、（ｄ）前記金属層と前記シリコン基板をフォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）によってジャイロスコープパターンを有するシリコン構造体を形成する段階、（ｅ）前記ガラス基板をエッチングして前記シリコン構造体のうち固定軸を除いた残りの部分をガラス基板から分離してジャイロスコープ構造体を形成する段階、（ｆ）前記ジャイロスコープ構造体をフリップチップボンディングして外部回路と連結する段階を含む方法を使用して製作する。
【００１６】
この時、（ｄ）と（ｅ）との間にシリコン基板とガラス基板をダイシングして個別素子単位に分離する段階をさらに含むことができる。
【００１７】
（ｃ）で形成する金属層はＣｒとＡｕの二重層であるのが好ましく、（ｅ）でガラス基板はＨＦ溶液を使用してエッチングされる。
【００１８】
ＨＦ溶液を使用したガラス基板のエッチングの深さは１０μｍ以上にして空気減衰を最少にし、ジャイロスコープを大気圧下で作動可能にする。
【００１９】
（ｂ）でシリコン基板のエッチングは８０℃の３６ｗｔ．％のＫＯＨ水溶液を使用して行うのが好ましい。
【００２０】
図面の簡単な説明
本発明の実施例の詳細部分の構成について完全に理解するために、添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例によるジャイロスコープの斜視図である。
図２は、本発明の実施例によるジャイロスコープの平面図である。
図３は、図１の一部拡大図である。
図４は、本発明の実施例によって製造されたジャイロスコープの部分ＳＥＭ写真である。
図５は、本発明の実施例によるジャイロスコープの駆動または検出スプリング部の拡大図である。
図６は、本発明の実施例によって製造されたジャイロスコープの駆動または検出スプリング部のＳＥＭ写真である。
図７は、本発明の実施例によるジャイロスコープの駆動または検出連結スプリング部の概念図である。
図８は、変位制限部による共振駆動及び検出変位グラフである。
図９（ａ）乃至図９（ｈ）は、本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である。
【００２１】
好適実施例の詳細説明
以下に、本発明の好ましい実施例について詳細な説明を示し、発明者の実施した最適な発明の実施の方法について示す。上述したように、本発明は、発明から逸脱しない限り多様に変形して実施することが可能であり、記載した説明及び図面に限定されるものではない。
【００２２】
図１は本発明の実施例によるジャイロスコープの斜視図であり、図２は本発明の実施例によるジャイロスコープの平面図、図３は図１の一部拡大図であり、図４は本発明の実施例によって製造されたジャイロスコープの部分ＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。
【００２３】
本発明の実施例によるジャイロスコープはガラス基板１０とその上に形成されているシリコン構造体とを備える。ガラス基板１０上部にはシリコン構造体を支持してシリコン構造体の固定軸を固定する支柱１１、１２、１３が形成されている。
【００２４】
シリコン構造体は、駆動部、検出部、多数のスプリング、チューニング（ｔｕｎｉｎｇ）電極３４及び変位制限軸３３からなる。駆動部は、駆動固定電極２６、駆動変位電極２４及び慣性質量体２３からなる。検出部は、検出固定電極２５、検出変位電極２２及びエッジジンバル（ｇｉｍｂａｌ）２１からなる。スプリングは、駆動変位電極２４を振動させることができるように支持する駆動スプリング２８、２９、検出変位電極２２とエッジジンバル２１が振動できるように支持する検出スプリング２７、３０、駆動変位電極２４と慣性質量体２３とを連結する駆動連結スプリング３１と、検出変位電極２２と慣性質量体２３とを連結する検出連結スプリング３２を備える。また、駆動スプリング２８、２９は、外部駆動スプリング２８と内部駆動スプリング２９とに区分され、検出スプリング２７、３０は夫々、外部検出スプリング２７と内部検出スプリング３０に区分される。
【００２５】
以下、これら各要素の構造及び機能についてより詳細に説明する。
【００２６】
まず、駆動部の駆動固定電極２６は、ガラス基板１０の支柱１２によって固定されており、四角形凹凸形態の対向部を有する。駆動変位電極２４は外部及び内部駆動スプリング２８、２９によって支持されていて東西方向（図１と図２のコンパス方向参照）にだけ移動することができ、四角形凹凸形態に形成されている対向部を有する。駆動固定電極２６の対向部と駆動変位電極２４の対向部とは互いに噛み合う形態に配置されている。外部及び内部駆動スプリング２８、２９はガラス基板１０の支柱１３によって固定されており、板スプリングが南北方向に長く配置されていて東西方向にだけ移動することができる。慣性質量体２３は駆動連結スプリング３１を通じて駆動変位電極２４と連結されていて、駆動変位電極２４が東西方向に振動すると、慣性質量体２３は駆動変位電極２４と共に振動するようになっている。この時、駆動連結スプリング３１は固定軸がなく南北方向にだけ移動することができるため、駆動変位電極２４の東西方向振動を慣性質量体２３にそのまま伝達する。
【００２７】
次に、検出部の検出固定電極２５は、ガラス基板１０の支柱１２によって固定されており、四角形凹凸形態の対向部を有する。検出変位電極２２は外部及び内部検出スプリング２７、３０によって支持されていて南北方向（図１と図２のコンパス方向参照）にだけ移動することができ、四角形凹凸形態に形成されている対向部を有する。検出固定電極２５の対向部と検出変位電極２２の対向部とは互いに噛み合う形態に配置されている。外部及び内部検出スプリング２７、３０はガラス基板１０の支柱１３によって固定されており、板スプリングが東西方向に長く配置されていて南北方向にだけ移動することができる。検出変位電極２２は検出連結スプリング３２を通じて慣性質量体２３と連結されていて、慣性質量体２３が南北方向に振動すると、検出変位電極２２は慣性質量体２３と共に振動するようになっている。この時、検出連結スプリング３２は固定軸がなく東西方向にだけ移動することができるため、慣性質量体２３の南北方向振動を検出変位電極２２にそのまま伝達する。エッジジンバル２１は駆動部と検出部全体を囲んでおり、慣性質量体２３を中心にして南北両側に位置する検出変位電極２２を一つに連結している。したがって、両検出変位電極２２は同一な方向と変位をもって運動する。
【００２８】
チューニング電極３４は南北両検出変位電極２２の東西両側に各々一つずつ４個が形成されており、ガラス基板１０の支柱１１によって固定されている。チューニング電極３４の検出変位電極２２と対向する面には四角形凹凸が形成されており、検出変位電極２２にもチューニング電極３４と対向する面には四角形凹凸が形成されている。検出変位電極２２の四角形凹凸とチューニング電極３４の四角形凹凸は互いに凸部は凸部同士に、凹部は凹部同士に対向している。
【００２９】
変位制限軸３３は慣性質量体２３の中央部分に形成されている孔の中心に形成されており、慣性質量体が一定の量以上変位することを防止する役割を果たすもので、ガラス基板１０の支柱（図示せず）によって固定されている。慣性質量体２３が停止している状態では慣性質量体２３と一定の間隔をおいて分離されている。
【００３０】
このような構造のジャイロスコープの駆動及び検出方法について説明する。
【００３１】
駆動固定電極２６に電源を印加すると、駆動変位電極２４は駆動固定電極２６に印加される電源の周波数によって静電気的に駆動されて東西方向に振動する。慣性質量体２３も駆動変位電極２４と同様に振動する。この状態でジャイロスコープが回転力を受けると、慣性質量体２３は南北方向への力を受けて南北方向にも振動するようになる。慣性質量体２３の南北方向振動は検出変位電極２２にそのまま伝えられて検出変位電極２２も同様に振動する。検出変位電極２２が振動すれば、検出固定電極２５と検出変位電極２２との間に形成される静電容量が変化するが、この変化を検出して角速度を算出する。この時、チューニング電極３４は電気的スプリングの役割を果たし、検出変位電極２５の共振周波数を変化させて検出感度を調節する。変位制限軸３３は慣性質量体２３の駆動変位を一定の値に制限して広い周波数範囲で一定の変位を維持するようにする。これについては後述する。
【００３２】
本発明の実施例に適用された駆動または検出スプリング２７、２８、２９、３０の構造について図５及び６を参考としてさらに詳細に説明する。
【００３３】
図５は本発明の実施例によるジャイロスコープの駆動または検出スプリング部の概念図であり、図６は本発明の実施例によって製造されたジャイロスコープの駆動または検出スプリング部のＳＥＭ写真である。
【００３４】
駆動または検出スプリングは、固定軸１、連結部２、内側板３及び外側板４からなる。固定軸１はガラス基板１０の支柱１３によって固定されており、連結部２は内側板３と外側板４を連結している。内側板３は固定軸１と連結部２との間を連結しており、外側板４は連結部２と駆動または検出変位電極（駆動スプリングであるか検出スプリングであるかによって決定される）の間を連結している。このような構造のスプリングを折りたたみスプリング（ｆｏｌｄｅｄｓｐｒｉｎｇ）という。
【００３５】
図５で、シリコン構造体の上に薄く表示されている層は金属層である。この金属層はジャイロスコープをフリップチップボンディング（ｆｌｉｐｃｈｉｐｂｏｎｄｉｎｇ）するために形成する。図１乃至図４では図示を省略した。
【００３６】
図６で、連結部２とその構造体の周辺に形成されている孔は、製造工程で構造体を空中に持ち上げるためにガラス基板をエッチングする時エッチング液を投入するためのものである。したがって、固定軸となる部分と幅の狭いスプリングの板３、４を除いては構造体の全ての部分に孔が形成されている。
【００３７】
本発明の実施例に適用された駆動または検出連結スプリング３１、３２の構造について図７を参考としてさらに詳細に説明する。
【００３８】
図７は本発明の実施例によるジャイロスコープの駆動または検出連結スプリング部の概念図である。
【００３９】
連結スプリングは連結部２、内側板３及び外部板４からなっていて、固定軸はない。連結部２は内側板３と外部板４とを連結しており、内側板３は駆動変位電極または検出変位電極（駆動連結スプリングであるか検出連結スプリングであるかによって決定される）に連結されており、外部板４は慣性質量体２３に連結されている。
【００４０】
次に、変位制限部の機能について説明する。
【００４１】
図８は変位制限部による共振駆動及び検出変位グラフである。
【００４２】
Ｑ値の高い共振構造物の場合、真空度及び周波数の変化による変位変化が非常に大きく、これにより構造物の出力が変化するので、出力性能が外部の雑音（真空度や周波数変化）に非常に敏感となる短所が生じる。これを克服するために、本ジャイロスコープは、駆動変位を制限する機械的変位制限装置を慣性質量体中央部に形成する。これは慣性質量体をはじめとする駆動部の変位を一定の値に維持するようにし、広い周波数範囲でも一定の変位を維持するようにする。また、図８のように、既存のジャイロスコープの場合、工程上の誤差により駆動及び検出共振周波数の差が生じた場合、感度が低下することを防止するために共振周波数をチューニングしなければならないが、変位制限装置を採用した本ジャイロスコープの場合には、駆動変位が広い周波数範囲で一定に維持されて検出共振周波数範囲でも駆動変位が一定に維持されるので、別途のチューニングがなくても検出共振周波数で駆動することができる。
【００４３】
以下、前記のような構造のジャイロスコープを製造する方法について説明する。
【００４４】
図９（ａ）乃至図９（ｈ）は本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を順次に示した斜視図である。
【００４５】
まず、図９（ａ）に示すように、低抵抗シリコンウエハ２０とＰｙｒｅｘ＃７７４０などのガラス基板１０に３８０℃で８００Ｖを２時間加えて正極接合する。
【００４６】
次に、図９（ｂ）に示すように、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を使用してシリコンウエハ２０をエッチングする。エッチング後、シリコンウエハ２０の厚さは約７０μｍ程度になるようにする。これは最終シリコン構造体の厚さである５０μｍにＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を通じて鏡面を作るための余裕分２０μｍを勘案した厚さである。この時、エッチング液は８０℃の３６ｗｔ．％のＫＯＨ水溶液であり、この時のエッチング速度は大略０．９３μｍ／ｍｉｎである。ＫＯＨエッチング後、シリコン表面にはヒルロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）及びピットホール（ｐｉｔｈｏｌｅ）が形成される。
【００４７】
次に、図９（ｃ）に示すように、ＣＭＰを通じてシリコンウエハ２０の表面を鏡面になるように作る。
【００４８】
次に、図９（ｄ）に示すように、フリップチップボンディングのための電極を形成するためにＣｒとＡｕを各々２００Åと３０００Åの厚さで蒸着してＣｒ／Ａｕ層４０を形成する。
【００４９】
次に、図９（ｅ）に示すように、Ｃｒ／Ａｕ層４０上に酸化膜（図示せず）を蒸着して、その上に感光剤を塗布して、写真工程を行ってシリコン構造体パターンを定義するための感光剤パターン５０を形成する。この時、感光剤パターンには、後にガラス基板をエッチングしてシリコン構造体を浮かべるために必要なエッチング液浸透用孔を形成するためのパターンが含まれている。
【００５０】
次に、図９（ｆ）に示すように、感光剤パターン５０をエッチングマスクとして酸化膜をエッチングした後、感光剤パターン５０と酸化膜パターンとをエッチングマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ）を進行してシリコン構造体パターンを形成する。シリコン構造体のパターンが形成されたシリコンウエハ２０とガラス基板１０は、ダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）して試片単位で分離する。
【００５１】
次に、図９（ｇ）に示すように、シリコン構造体２０をガラス基板１０から分離するために、４９％のＨＦ溶液でガラス基板１０をエッチングする。この時、既述したように、固定軸とスプリングの板を除いたシリコン構造体２０の全ての部分には孔が形成され、エッチング液がガラス基板１０に到達できるようになっている。この時、構造物をガラス基板から十分に浮かべて空気減衰（ｄａｍｐｉｎｇ）を最少化しなければ、大気圧下で駆動するジャイロスコープを製作することができず、ＨＦ溶液を利用したガラスエッチングを利用すればガラス基板から１０μｍ以上浮かんでいる構造物を製作することができる。この時、構造物をガラス基板から十分に浮かべて空気減衰（ｄａｍｐｉｎｇ）を最少化しなければならない。約８分間ガラス基板１０をエッチングすることにより、シリコン構造体２０をガラス基板１０から約５０μｍ浮かんでいるようにすることができる。
【００５２】
最後に、図９（ｈ）に示すように、ガラス基板１０、シリコン構造体２０及びＣｒ／Ａｕ層４０からなるジャイロスコープ構造体２００を配線のための電極構造物またはＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄ）基板１００にフリップチップボンディングする。この時、ボンダ（ｂｏｎｄｅｒ）３００はジャイロスコープ構造体２００の固定軸部分に接触する。
【００５３】
上記ではシリコン構造体のパターニング時のエッチングマスクとして感光剤と酸化膜を使用したが、感光剤だけを使用することもできる。
【００５４】
以下、本発明のジャイロスコープの特徴について説明する。
【００５５】
本発明によるジャイロスコープは非常に単純な工程に基づいて製作され、全工程でジャイロスコープ構造物を作るための写真エッチング工程は一回である。製作されたジャイロスコープは一つの構造物層だけを有するようになり、最終的にフリップチップボンディングを実行して回路部と連結される。
【００５６】
ジャイロスコープ構造物の駆動部と検出部は、くし模様構造物を採用し、底面との間隔を大きくして空気減衰を最少化することによって、大気圧下でも高いＱ値を有するように設計した。これは既存のジャイロスコープ設計では考慮されなかったＱ値に対する数式を整理して、これに基づいて構造物のＱ値を予測して機械的な感度を最大限になるように設計したものである。この時、Ｑ値を予測するためにコウェッテフロー（Ｃｏｕｅｔｔｅｆｌｏｗ）、ストークスフロー（Ｓｔｏｋｅｓｆｌｏｗ）とスクイズ減衰（Ｓｑｕｅｅｚｅｄａｍｐｉｎｇ）が考慮されている。
【００５７】
また、最大限の感度を得るために、与えられたジャイロスコープ領域内に最大限の電極構造物を集積して、１０μｍ程度の大きな駆動変位を有するように設計しており、機械的な構造はジャイロスコープの機械的干渉を最少化して外部雑音に鈍感になるように設計されている。構造物の駆動及び検出周波数は外部雑音の影響を排除するために５ｋＨｚより大きく設計し、駆動と検出周波数は帯域幅をひろめるために一致させず、５０Ｈｚ程度離れているように設計した。駆動及び検出周波数は各々７０８８Ｈｚ、７１３２Ｈｚであると予測された。
【００５８】
また、本発明のジャイロスコープの場合、人為的に変位を制限する変位制限装置（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｌｉｍｉｔｅｒ）がジャイロスコープについており、これは広い周波数範囲で駆動変位を一定に維持させて帯域幅をひろめて、チューニングの必要性を減らす役割を果たす。
【００５９】
ジャイロスコープ構造物は基本的に２次元ステージ（２Ｄｓｔａｇｅ、ｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔａｇｅ）と同一の形態を有しており、同じ平面内で駆動モード及び検出モードが存在する。ジャイロスコープの感度は慣性質量（ｉｎｅｒｔｉａｌｍａｓｓ）が大きいほど増加するので、これを勘案して、全体的なジャイロスコープの質量を大きくしなければならない。また、駆動力及び検出感度を最大にするために、構造物内でくし模様の電極構造物の数を最大にし、機械的な干渉を最少化するためにエッジジンバルを採択した。全体的なジャイロスコープ構造物の大きさは８×８［ｍｍ^２］であり、密閉シーリング（ｈｅｒｍｅｔｉｃｓｅａｌｉｎｇ）のための外部フレームなどを考慮した全体大きさは１０×１０［ｍｍ^２］である。構造物としては既述したように機械的性質に優れた単結晶シリコンを使用し、構造物の厚さは５０μｍに設計した。また、ジャイロスコープ構造物は減衰を減らすためにガラス基板から５０μｍ浮かんでいる。
【００６０】
前述したように、水平に振動する構造物の場合、Ｑ値を計算するためには減衰値を計算しなければならず、一般に知られた減衰係数及びそれを計算する式は次の通りである。
【００６１】
【数１】

【００６２】
ここでｇは空気層の厚さであり、Ａは球体の面積である。
【００６３】
【数２】

【００６４】
ここで、δは透過深さで
【００６５】
【数３】

【００６６】
と定義され、Ａは構造体の面積である。
【００６７】
【数４】

【００６８】
ここで、ｇは両板の間の空気層の厚さ、ｌは構造体の重み合わせた長さ、ｈは構造体の高さである。
【００６９】
【数５】

ここで、μは空気の絶対粘度（１．７８×１０⁻ ^５［Ｎ・ｓ／ｍ^２］）である。
【００７０】
駆動部は４２６個のくし模様電極構造物を有し、６個の駆動用折りたたみスプリング（ｆｏｌｄｅｄｓｐｒｉｎｇ）構造物を有する。スプリングの長さを１９２μｍとした時、スプリング係数は２６８４であり、駆動共振周波数は８２９９［Ｈｚ］で計算された。全体構造物の大きさを考慮して計算された大気圧でのＱｆａｃｔｏｒは３５６５であり、駆動電圧を
【００７１】
【数６】

とする時、駆動力と駆動変位は次の通りに計算される。
【００７２】
【数７】

【００７３】
【数８】

【００７４】
検出部は６９２個のくし模様電極構造物と６個の折りたたみスプリングを有する。スプリングの長さを１５７μｍとした時、検出部の共振周波数は８２６９［Ｈｚ］で、駆動共振周波数に比べて多少小さい値を有するように設計した。検出部のＱｆａｃｔｏｒは３７６５と計算された。この時、入力角速度によって発生するコリオリ力とそれに伴う変位は次のように計算される。
【００７５】
【数９】

【００７６】
【数１０】

【００７７】
したがって、ジャイロスコープの機械的感度は０．００８［μｍ（／ｄｅｇ／ｓｅｃ）］であり、電気的な感度は１．９３９［ｆＦ／ｄｅｇ／ｓｅｃ］と計算された。
【００７８】
本発明によるジャイロスコープの製作には一つの構造物層を有する工程を採択しており、そのために、深い反応性イオンエッチング（ＤｅｅｐＲＩＥ）工程とシリコン−ガラス正極接合工程を採択した。これを利用すると、一回のみの写真エッチング工程でジャイロスコープ構造物を製作することができ、電極基板及びＰＣＢとのフリップチップボンディングによりジャイロスコープを完成することができる。
【００７９】
ＤｅｅｐＲＩＥエッチングマスクとして用いられた酸化膜は、オックスフォードエッチャー（ＯｘｆｏｒｄＥｔｃｈｅｒ）での酸化膜パターニング工程でアンダーカット（ｕｎｄｅｒｃｕｔ）が発生しており、これがシリコン構造物に反映され、最終的に、ＤｅｅｐＲＩＥ後の構造物が設計した値より２μｍ程度狭く製作された。製作されたシリコン構造物の厚さは４４μｍであり、ＤｅｅｐＲＩＥは３３分間行った。シリコン構造体は８分間のガラスエッチング後、基板から完全にリリースされており、この時、基板と構造物との間隔は３７μｍと測定された。
【００８０】
本発明によるジャイロスコープは４２６個の駆動電極と６９２個の検出電極を有し、駆動電極及び検出電極は慣性質量体によって機械的に分離された構造を有している。また、ジャイロスコープの慣性質量体の中央には変位を制限するための変位制限機があり、最大変位は１５μｍに制限される。また、機械的干渉をより減らすためのジンバル構造物を全体素子郊外周辺に配置した。
【００８１】
製作された試片の性能を知るために、ＩＲＳＣ（半導体共同研究所）のプローブステーション（ｐｒｏｂｅｓｔａｔｉｏｎ）を利用して簡単な駆動性能を測定した。検出部の動作確認も駆動部と同様に電圧を印加して共振周波数及び共振点での最大変位を測定し、大略的な製作及び性能測定結果を表１に示す。
【００８２】
【表１】

【００８３】
ここで、^＊印は印加電圧に対して計算された変位
【００８４】
【数１１】

を示し、^＊＊印は印加電圧に対して測定された変位
【００８５】
【数１２】

【００８６】
を示す。
【００８７】
２３個の試片に対して電圧を印加して共振周波数を測定した結果、２０個の試片が駆動部、検出部または駆動部及び検出部の動作確認に成功した。共振周波数は駆動及び検出共に５５００〜６５００Ｈｚの範囲に幅広く分布していることが分かり、特に、５５００〜６０００Ｈｚの領域に集中していることが確認できた。また、駆動部及び検出部の共振が確認された試片の場合、二つの共振周波数の差は大略５０Ｈｚで一定であることが確認できた。駆動部及び検出部のうちどちらか一方向への共振だけが観察された試片、あるいは、共振周波数の差が大きな試片の場合、スプリング部が破損していたり一方向への接着が発生していることが確認された。
【００８８】
共振時の変位は前の表１のように実際の設計値より小さい値を示しており、これは単方向駆動による変位の減少、基板と構造物との間隔が設計より小さく製作されていることにより空気減衰が増加しＱ値が減少したこと、及び、くし模様電極構造物のフッティング（ｆｏｏｔｉｎｇ）及びアンダーカット（ｕｎｄｅｒｃｕｔ）によりくし模様電極間の間隔が増加したことにその原因があった。
【００８９】
また、人為的に駆動電圧を増加させて変位制限装置の効用性を確認した。変位が変位制限装置によって制限される場合、数百Ｈｚの範囲内で最大制限変位である１５μｍの駆動変位が維持されることが確認でき、これは外部雑音に左右されず、広い帯域幅を有することができることも確認できる。
【００９０】
本発明は新たな形態の静電力駆動型、静電容量検出型角速度センサを提示する。単結晶シリコン微細加工技術を利用し、サイズの大きいジャイロスコープ構造物が製作できるようにすることによって、大気圧で動作可能なジャイロスコープを提示し、これを製作するためにシリコン−ガラス接合技術、シリコンエッチング技術とフリップチップボンディング技術を利用する。これは、一回のフォトリソグラフィ工程でエッチング孔（ｅｔｃｈｈｏｌｅ）を前面に有しているジャイロスコープ構造物を製作した後、追加的なフォトリソグラフィ工程なくガラスエッチングによって製作する非常に単純な工程である。特に、フリップチップボンディングを利用すれば、製作されたジャイロスコープ構造物をその他のパッケージ工程なく直ちに回路に集積化することができ、本ジャイロスコープは大気圧で動作可能であるので、既存のジャイロスコープが有している真空シーリング（ｓｅａｌｉｎｇ）工程の問題点を解決することができる。
【００９１】
構造物は、大気圧でも大きな感度を有するように最大限に多くの駆動及び検出電極と最大限に大きな慣性質量体を有し、外部雑音の影響を排除するために高い周波数で大きな駆動動作変位を有するように設計される。ジャイロスコープ構造物は同じ平面内で駆動モード及び検出モードが存在するので、既存のジャイロスコープが有していた機械的干渉を排除することができる動作原理を採択し、外部にジンバル構造物を設置して機械的干渉を最少化する。また、駆動変位を制限する変位制限装置を機械的に追加して、付加的な周波数チューニングをしなくてもよい感度を有するようにジャイロスコープを設計し、ジャイロスコープの動作帯域幅が増えるように設計する。
【００９２】
製作されたジャイロスコープは大気圧下で動作可能であり、意図した通りに大気圧下で大きな感度を有する。
【００９３】
以上、本発明の最も実際的且つ好ましい実施例について説明したが、本発明は上述された実施例に限定されるものではなく、発明の目的及び特許請求の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これらも本発明の範囲に属する。
【００９４】
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例によるジャイロスコープの斜視図である
【図２】
本発明の実施例によるジャイロスコープの平面図である
【図３】
図１の一部拡大図である
【図４】
本発明の実施例によって製造されたジャイロスコープの部分ＳＥＭ写真である
【図５】
本発明の実施例によるジャイロスコープの駆動または検出スプリング部の拡大図である
【図６】
本発明の実施例によって製造されたジャイロスコープの駆動または検出スプリング部のＳＥＭ写真である
【図７】
本発明の実施例によるジャイロスコープの駆動または検出連結スプリング部の概念図である
【図８】
変位制限部による共振駆動及び検出変位グラフである
【図９（ａ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である
【図９（ｂ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である
【図９（ｃ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である
【図９（ｄ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である
【図９（ｅ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である
【図９（ｆ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である
【図９（ｇ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である
【図９（ｈ）】
本発明の実施例によってジャイロスコープを製造する過程を示した図である

Claims

固定されている駆動固定電極と、
前記駆動固定電極の対向電極であって、第１方向への変位が可能な駆動変位電極と、
前記駆動変位電極に連結されており、前記駆動変位電極の第１方向変位に沿って第１方向に変位し、角速度印加時に第２方向に変位する慣性質量体と、
前記慣性質量体に連結されており、前記慣性質量体の第２方向変位に沿って第２方向に変位することができる検出変位電極と、
前記検出変位電極の対向電極で、固定されている検出固定電極と、を含むジャイロスコープ。
前記駆動変位電極は第１方向に移動することができる折りたたみスプリングによって支持されており、前記検出変位電極は第２方向に移動できる折りたたみスプリングによって支持されていることを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ。
前記駆動変位電極と前記慣性質量体とは第２方向に移動することができ、固定軸のない折りたたみスプリングによって連結されており、前記検出変位電極と前記慣性質量体とは第１方向に移動することができ、固定軸のない折りたたみスプリングによって連結されていることを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ。
前記検出変位電極は前記慣性質量体を中心にして両側に二つが配置されており、前記二つの検出変位電極を連結するエッジジンバルをさらに含む請求項１に記載のジャイロスコープ。
前記慣性質量体の中心には孔が形成されており、前記孔の中心に位置して固定されている変位制限軸をさらに含む請求項１に記載のジャイロスコープ。
前記検出変位電極の両側に対称的に形成され、電気的スプリングの役割を果たして検出変位電極の共振周波数を変化させて検出感度を調節するチューニング電極をさらに含む請求項１に記載のジャイロスコープ。
前記検出変位電極と前記チューニング電極との互いに対向する面には夫々四角形凹凸が形成されており、前記検出変位電極の凹凸と前記チューニング電極の凹凸は互いに凸部は凸部同士に対向しており、凹部は凹部同士に対向するように配置されている請求項６に記載のジャイロスコープ。
前記駆動固定電極と前記駆動変位電極の対向する面及び前記検出固定電極と前記検出変位電極の対向する面には、互いに噛み合う形態に四角形凹凸が形成されている請求項１に記載のジャイロスコープ。
（ａ）シリコン基板とガラス基板とを正極接合する段階と、
（ｂ）前記シリコン基板をエッチング及び研磨して特定の厚さに作る段階と、
（ｃ）前記シリコン基板上に金属層を形成する段階と、
（ｄ）前記金属層と前記シリコン基板とをフォトリソグラフィによりジャイロスコープパターンを有するシリコン構造体を形成する段階と、
（ｅ）前記ガラス基板をエッチングし、前記シリコン構造体のうち固定軸を除いた残りの部分をガラス基板から分離してジャイロスコープ構造体を形成する段階と、
（ｆ）前記ジャイロスコープ構造体をフリップチップボンディングして外部回路と連結する段階と、を含むジャイロスコープの製造方法。
（ｄ）と（ｅ）との間にシリコン基板とガラス基板をダイシングして個別素子単位に分離する段階をさらに含む請求項９に記載のジャイロスコープの製造方法。
（ｃ）で形成される金属層は、ＣｒとＡｕの二重層である請求項９に記載のジャイロスコープの製造方法。
（ｅ）でガラス基板はＨＦ溶液を使用してエッチングする請求項９に記載のジャイロスコープの製造方法。
前記ＨＦ溶液を利用して前記ガラス基板をエッチングする深さは１０μｍ以上にし、空気減衰を最少化して大気圧下で動作が可能になるようにする請求項１２に記載のジャイロスコープの製造方法。
（ｂ）でシリコン基板のエッチングは８０℃の３６ｗｔ．％のＫＯＨ水溶液を使用して行う請求項９に記載のジャイロスコープの製造方法。