JP2004531699A

JP2004531699A - チューンド加速度計を用いたマイクロマシン加工のシリコンジャイロ

Info

Publication number: JP2004531699A
Application number: JP2002562944A
Authority: JP
Inventors: ロバート、イー．スチュワート、
Original assignee: リトンシステムズ，インコーポレーテッド
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2004-10-14
Also published as: CN1318821C; US20020104378A1; WO2002063242A1; CA2435817A1; US6595056B2; KR20030090634A; CN1488066A; EP1358445A1

Abstract

マイクロマシン加工のシリコンチューンド加速度計ジャイロを、シリコンウェハからマイクロマシン加工で形成する。頂上部および底面部を覆うカバーは、ドライバ用、フォーサ用、チューニング用そしてガードリング用の要素を有し、これらの部品は、ＳＯＩウェハ上に配列の形でマイクロマシン加工されている。頂上部と底面部との間の中心にある要素（従動・検知要素）は、４インチ幅のシリコンウェハの配列の形でマイクロマシン加工されている。従動・検知構造体は、フレキシャジョイントによって振動構造体に取り付けられたチューンド振子であり、振動構造体の方は、平行四辺形のディザ支持部材によって支えられている。振子は、ＤＣ信号の振幅を調節することによって振子の固有周波数を振動構造体の固有振動周波数に一致させる、という形でチューンされる。振動構造体のディザ支持部材フレキシャの形はユニークに規定され、しかも容易に機械加工できるが、さらに、高周波歪みなしで振動構造体をその振動面の範囲内に保持するディザ支持部材を実現する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は慣性機器に関し、さらに詳しく言えば、移動体の線形加速度および回転速度を計測するマルチセンサとして使用される単軸振動加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスコープおよび加速度計は、角速度および加速度を検知して、移動中の車両の所在地（location）、方向、位置（position）そして速度を求める、という用途で広く知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
小型化と性能向上という２つの要望を同時に満たそうとすれば、加速度計の実際の構造ではほとんど不可能な程度の精度が求められることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、本発明が提供するのは、シリコンウェハからマイクロマシン技術で作られた３つの部品から成るチューンド加速度計ジャイロである。検知および駆動素子は、チューンドシリコン振子を有し、当該振子はその頂上部分でフレキシャヒンジによって振動構造体に取り付けられている。一方、その振動構造体は、振動構造体の動きをその運動面に制限する４つのディザ支持フレキシャ（dither suspension flexure）によってフレームに取り付けられている。振子はそのヒンジを基準にして、振動運動面から揺れる。４つのディザ支持フレキシャは、振子をはさむ形で対になって、振子の頂上部そして底面部の近くに配置されている。
【発明の効果】
【０００５】
こうした構成により、小型化と性能向上という目的が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の本質、並びに、その目的および効果については、添付図面と関連付けて以下の明細書の内容を考察すれば、容易に明らかになるであろう。なお、当該図面では、全ての図を通じて、同じ参照番号は同じ構成部品を指している。
本発明のシリコン加速度計ジャイロの基礎となっているのは、回転を受ける振動加速度計に加わるコリオリ誘導加速度（Coriolis induced accelerations）の検知および計測であり、これを角回転速度の計測の手段としている。本加速度計は３つの要素で構成される。すなわち、従動・検知要素（図１参照）、ドライバ用、フォーサ用そしてチューニング用の電極を備えた頂上側カバー（図２参照）、そして、ドライバ用、フォーサ用そしてチューニング用の電極を備えた底面側カバー（図２参照）である。
【０００７】
従動・検知要素３０については、幅４インチ以上、厚み５００ミクロン以上のシリコンウェハ上に配列をなす形でマイクロマシン加工するのが好ましい。従動・検知要素は、振子フレキシャヒンジ４１によって支えられたチューンド振子またはプルーフマス４３で構成され、一方のヒンジ４１は、４つのディザ支持フレキシャ３９、４０、４２、４４を有する振動駆動構造体３２に固定されている。また、従動・ピックオフ要素３７が、構造体３２上にマイクロマシン加工されている。チューンド振子またはプルーフマス４３は、フレキシャヒンジ４１を基準にして、図１の描かれた紙の面に対して垂直な方向に曲がる。振子４３の周縁は、振動駆動構造体３２から切り抜かれた開チャネル３５の内側に位置する。
【０００８】
振動駆動構造体３２は、フレーム３１の内側に支持され、図１の描かれた紙の面においてＯ_A軸２３に沿って振動する。振動駆動構造体の形は、構造体３２とフレーム３１との間の切り抜きスペース３３によってユニークに規定されて、４つのディザ支持フレキシャ３９、４０、４２、４４が形成される。これらのフレキシャは、振動駆動構造体３２および振子４３に対し、高度な線形ディザ支持（linear dither suspension）を実現する。
【０００９】
閉ループの動作においては、フレキシャヒンジ４１を基準とした単純回転に関する振子４３の固有周波数が、４つのディザ支持フレキシャ３９、４０、４２、４４に支えられた振動駆動構造体３２と振子４３とを併せた全体の固有周波数よりも１％から２％高くなるように設計する。
【００１０】
振子４３を含む振動構造体３２は、駆動させられると、その固有周波数と規定された振幅とで発振するが、そのために静電気力と要素３７とを利用する。フォーシングおよびピックオフ要素の設計の詳細は、ディザドライブのために選択された特定の電気回路の設計によって決まる。この種の回路構成および設計については本分野では公知であるため、ここではこれ以上の説明はしない。
【００１１】
頂上側そして底面側両方を覆うカバーには、ドライバ用、フォーサ用、およびチューニング用の電極が設置され、これらの部品は、４インチ以上の幅のＳＯＩ（silicon on insulator）ウェハ上に、配列の形でマイクロマシン加工されている。ＳＯＩウェハは、ハンドルウェハとデバイスウェハとが二酸化シリコンの誘電層をはさむ形で融着接合（fusion bonded）されて成る。
【００１２】
ここで、本発明のチューンド加速度計ジャイロの頂上部４４を示す図２を参照する。同図が示すように、ＳＯＩウェハのうちハンドルウェハ部分に、カバー４５が形成されている。また、ＳＩＯウェハのデバイス層もマイクロマシン加工されて、ガードリング４７、チューニング用およびフォーシング用の電極５１、５３、そしてドライバおよびピックオフ用の電極４９が形成されている。デバイス層４７は、ハンドルウェハまたはカバー４５から、間にはさまれた二酸化シリコン誘電層（図示せず）によって、誘電的に隔てられている。また、カバー４５にはマイクロマシン加工されたスルーホールがあって、二酸化シリコン誘電分離層を貫通しているが、これにより、カバーのデバイス層にある電極（言いかえると、チューニング用およびフォーシング用の電極、そして、ドライバ用およびピックオフ用の電極）に対し、カバー上のコンタクトから金属加工することが可能となる。なお、図２に示す内容は、本発明の加速度計ジャイロの従動・検知要素の頂上側にあるカバーだけでなく、底面側のカバーにもそのまま当てはまることを理解すべきである。
【００１３】
二酸化シリコン誘電層はまた、従動・検知要素３０のフレーム３１（図１参照）の両面にも、パターンを成す形で熱生成される。また、それとは別に、頂上側および底面側のカバーのドライバ、フォーサおよびチューニング要素ウェハについても、二酸化シリコン誘電層が、パターンを有する形でガイドリング４７上に熱生成される。
【００１４】
二酸化シリコン層（頂上側および底面側カバーのガードリング上にあるもの、そして、従動・検知要素のフレーム上にあるもの）は、振子４３とフォーサ用およびチューニング用の電極５１、５３との間隔、ならびに、３つのウェハが結合された時点でのドライバおよびピックオフ電極４９とドライバおよびピックオフ電極との間隔、を規定する。
【００１５】
次いで、図３を参照する。同図は、頂上部４４、従動・検知要素３０、そして底面部５５が、本発明による完成形の加速度計ジャイロを作り上げる状態を示している。これら３つの要素は、上でも述べたとおり、直接的なウェハ融着接合を用いて一体に結合される。
【００１６】
動作時、シリコンチューンド加速度計ジャイロは、そのドライブ用およびサーボ用のエレクトロニクス（開ループでも閉ループでもよい）と組み合わされる。閉ループでの動作の場合、ドライブ用エレクトロニクスは、振動構造体の位置を検知し、ドライバ電極に信号を入力して、振動構造体が固有周波数と規定された振幅とで振動するよう、これを静電的に制御する。また、サーボ用エレクトロニクスは、振子の位置を検知し、フォーサ用、ピックオフ用そしてチューニング用の電極に信号を入力することで、フレキシャにおける振子の振動周波数を振動構造体に一致させる。チューニング電極にＤＣ信号を提供することで、負の静電スプリング力を振子に導入する。ＤＣ信号の振幅は、振子およびフレキシャの固有周波数を振動構造体の固有周波数に一致するまで下げるのに必要な負スプリングの振幅によって決められる。サーボエレクトロニクスの出力は、検知されたコリオリ加速度の振幅に比例したＤＣ信号である。一方、当該コリオリ加速度は、計測された角回転速度に比例する。
【００１７】
ここまでに説明したシリコンチューンド加速度計ジャイロの構成は、単軸の非平衡閉ループジャイロに対するものである。また、留意すべき点として、２つのシリコンチューンド加速度計ジャイロチップを、それらの加速度計の撃心（center of percussion）が同一線上に並ぶ形で組み立てることにより、線形および角の振動と音響ノイズとに対する同相信号除去（common mode rejection）が達成される。また、それと並んで、適度の平衡の導入も達成される。
【００１８】
２つのシリコンチューンド加速度計ジャイロチップをそれらの撃心が同一線上に並ぶ形で組み立てた構造では、角振動に対する感度がほとんどなくなる。線形振動の同相信号除去は、２つのジャイロの出力をディファレンシング（differencing）することで達成される。さらに、出力のディファレンシングは、ジャイロのスケールファクタが等しくされた場合には線形振動信号をキャンセルし、そして、角速度信号を２倍にする。
【００１９】
また、これまでに説明したシリコンチューンド加速度計ジャイロは、開ループで動作させてコストを低減することもできるが、その代わりに性能が低下する。開ループ構造では、振動構造体および振子の固有周波数は、必要とされる帯域よりも大きい桁数（order of magnitude）によって分割（separated）される。これらの周波数の差分は、それぞれの用途において必要とされる帯域と感度との間のトレードオフである。
【００２０】
これまでに説明したチューンド加速度計ジャイロは、同等の大きさのチップや小さなチップ（１つのウェハからより多くのチップを取れる）に対しては、より高いＳＮ比を示し、それはすなわち、ＳＮ比が同じ場合のチップコストがより低くなるということである。こうした利点は、検知要素（振子）全体が、従来技術のシリコンジャイロのように、角振動検知要素の中央でディザ速度をゼロにまで低減するのでなく、むしろ、そこで最大のディザ速度を有する、という事実による。加えて、ディザ運動の振幅がより大きいことにより、ＳＮ比は潜在的に高まる。これは、ディザ支持フレキシャにおけるストレスがより低いことによる。
【００２１】
また、本シリコンチューンド加速度計ジャイロが示す、振動構造体のディザドライブ位置および速度に関する高周波歪みはより小さくなる。振動構造体のディザ位置および速度に関する精度の復調および再変調は、いかなるジャイロの場合でも、性能に対して決定的な意味を持つ。高周波歪みの低減は、従来技術のシリコンジャイロのディザドライブに付き物だった固いスプリングを除去したことによる。こうした固いスプリングの特性は、角変位に伴うディザドライブのフレキシャの緊張の結果として生じるものである。本発明のシリコンチューンド加速度計ジャイロの振動構造体を支持するフレキシャは、線形変位によって緊張させられることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による加速度計の従動・検知要素（driven and sensing）を示す頂上平面図である。
【図２】本発明による加速度計に用いられるドライバ用、フォーサ用、そしてチューニング用の電極を有する、頂上側／底面側カバーを示す頂上平面図である。
【図３】本発明のチューンド加速度計が有する３つの要素を組み立て前の状態で示す側面図である。

Claims

ほぼ平らなモノリシック素材から形成された検知要素を有し、角運動および線形加速度を検知する加速度計ジャイロであって、当該加速度計ジャイロの検知要素が、
フレーム部分と、
頂上部、底面部そして側面を有する振動構造体であって、前記フレーム部分の内側に配置されて、底面部周辺にある２つのフレキシャと、頂上部周辺にある２つのフレキシャとにより、前記フレーム部分に接続されている、という振動構造体と、
前記振動構造体の内側に配置され、フレキシャジョイントによって前記振動構造体に接続されている振子と、を有すること
を特徴とする前記加速度計ジャイロ。
前記振動構造体は固有の振動周波数を有し、
振子およびそのフレキシャは、振動構造体の固有振動周波数よりも高い、固有の発振周波数を有するように設計されていること、
を特徴とする請求項１に記載の加速度計ジャイロ。
振子の固有発振周波数は、振動構造体の固有振動周波数よりも最大で２％高いこと、
を特徴とする請求項２に記載の加速度計ジャイロ。
振動構造体および振子は、最低でも５００ミクロンの厚みを有するシリコンウェハからマイクロマシン加工したものであること、
を特徴とする請求項３に記載の加速度計ジャイロ。
振動構造体の４つのフレキシャは各々、長軸と短軸とを有し、かつ、サイズおよび形状が同様であり、各フレキシャの長軸は振子の側面に平行に走っていること、
を特徴とする請求項１に記載の加速度計ジャイロ。
フレーム部分のための頂上部および底面部カバーをさらに有し、当該カバーは、二酸化シリコンの誘電層を間にはさむ形で一体に融着接合されたハンドルウェハとデバイスウェハとを有するＳＯＩ（silicon on insulator）ウェハから製造されていること、
を特徴とする請求項１に記載の加速度計ジャイロ。
頂上部および底面部カバーは、ドライバ用、フォース用およびチューニング用の電極とデバイスウェハに形成された回路とを有すること、
を特徴とする請求項６に記載の加速度計ジャイロ。
二酸化シリコン層を、フレームの両側面に、そして、頂上部および底面部カバーの周囲を囲む形でさらに有し、当該層の厚みを選択することで、頂上部、底面部、そしてフレームがつながれた時点での振子とフォーサ用およびチューニング用電極との間の間隔が規定されること、
を特徴とする請求項７に記載の加速度計ジャイロ。
前期振動構造体は固有振動周波数を有しており、
振子とそのフレキシャとは、振動構造体の固有振動周波数よりも高い、固有の発振周波数を有するように設計されていること、
を特徴とする請求項８に記載の加速度計ジャイロ。
振子の固有発振周波数は、振動構造体の固有振動周波数よりも最大で２％高いこと、
を特徴とする請求項８に記載の加速度計ジャイロ。
振動構造体および振子は、最低でも５００ミクロンの厚みを有するシリコンウェハからマイクロマシン加工されたものであること、
を特徴とする請求項１０に記載の加速度計ジャイロ。
振子およびそのフレキシャの固有周波数を振動構造体の固有振動周波数にまで下げるために、予め定められた振幅のＤＣ信号を提供する信号発生器をさらに有すること、
を特徴とする請求項２に記載の加速度計ジャイロ。
振子の固有発振周波数は、振動構造体の固有振動周波数よりも最大で２％高いこと、
を特徴とする請求項１２に記載の加速度計ジャイロ。
振動構造体および振子は、最低でも５００ミクロンの厚みを有するシリコンウェハからマイクロマシン加工されたものであること、
を特徴とする請求項１３に記載の加速度計ジャイロ。
振動構造体の４つのフレキシャは各々、長軸と短軸とを有し、かつ、サイズおよび形状が同様であり、各フレキシャの長軸は振子の側面に平行に走っていること、
を特徴とする請求項１４に記載の加速度計ジャイロ。
フレーム部分のための頂上部および底面部カバーをさらに有し、当該カバーは、二酸化シリコンの誘電層を間にはさむ形で融着接合されたハンドルウェハとデバイスウェハとを有するＳＯＩウェハから製造されていること、
を特徴とする請求項１５に記載の加速度計ジャイロ。
頂上部および底面部カバーは、ドライバ用、フォース用およびチューニング用の電極、そして、デバイスウェハに形成された回路、を有すること、
を特徴とする請求項１６に記載の加速度計ジャイロ。
二酸化シリコン層を、フレームの両側面に、そして、頂上部および底面部カバーの周囲を囲む形でさらに有し、当該層の厚みを選択することで、頂上部、底面部、そしてフレームがつながれた時点での振子とフォーサ用およびチューニング用電極との間の間隔が規定されること、
を特徴とする請求項１７に記載の加速度計ジャイロ。