JP2007509346A - 垂直方向に集積した電子回路およびウェハ・スケール密封包装を含むx−y軸二重質量音叉ジャイロスコープ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のさらにもう1つの目的は、低コストの密封包装を有する角速度センサを提供することにある。
本発明のさらにもう1つの目的は、質量行程距離を長くするために、質量に取り付けられているレバー・アームを有する捻れ力により装着され、静電的に駆動されるプレートの使用により、性能が改善され、コストの安い角速度センサを提供することにある。
機械的構成
図1の実施形態の場合には、センター・プレート28が、捻れヒンジ28Aによりフレーム34に取り付けられていて、このヒンジによりセンター・プレート28は、図1のX軸を中心にして回転することができる。ヒンジ28Aは、また、その位置をX−Y面内の名目的な位置に戻そうとするプレート28上に復元トルクを提供することができる。プルーフ質量22は、ヒンジ58によりセンタ・プレート28に取り付けられ、プルーフ質量24は、ヒンジ56によりセンター・プレート28に取り付けられている。センター・プレート28、プルーフ質量22およびプルーフ質量24のサブアセンブリは、プルーフ質量22および24が必ずZ軸に沿って反対方向に移動するように一緒にリンク装置を形成している。
動作
図1および図2の実施形態は、2つの動作モードを有する。第1の好適な動作モードの場合には、質量22および24が振動し、Y方向の角速度を測定するためにフレーム34の運動が感知される。第2の動作モードの場合には、フレーム34が振動し、Y方向の角速度を測定するために質量22および24の運動が感知される。これら2つの方法を順番に考察する。
1)第2の動作モードは、フレーム34を角振動させるためのアクチュエータを含む。フレーム34およびベース36に連結されている静電アクチュエータは、フレーム34を角振動させるための1つの適している手段である。このような静電アクチュエータは、図5の構成を含む種々の電極構成を有することができる。
図2の電極48A、48B、50A、50B、52Aおよび52Bは、このような容量性センサを供給する。電極52Aおよび52B上のプレート26の運動は、電極52Aとプレート26との間のキャパシタンスを測定することにより、また電極52Bとプレート26との間のキャパシタンスを測定することにより感知される。プレート28および30の運動も同様に感知される。
製造
好ましい実施形態の場合には、上記の構造および動作を有する角回転センサ(またはジャイロスコープ)は、(MEMS技術とも呼ばれる)微細加工技術により製造される。2つのタイプのMEMS技術、すなわち、バルクMEMS技術および表面MEMS技術は周知である。バルクMEMS技術は、本発明にとって好適なものである。何故なら、バルクMEMSのプルーフ質量(すなわち、質量22および24)は、より大きな質量を有することができ、表面MEMSのプルーフ質量よりも広い範囲で運動することができるからである。図7a〜図7d、図8a〜図8d、図9a〜図9dおよび図10a、図10bは、本発明の実施形態を製造するのに適している例示としての製造シーケンスの略図である。
Claims (49)
- センサ面の角速度を測定するためのセンサであって、前記センサが、
a)感知サブアセンブリであって、
i)前記面に平行なほぼ平らなフレームと、
ii)前記面内に配置されている第1の質量と、
iii)前記第1の質量に対して横向きに前記面内に配置されている第2の質量と、
iv)前記フレーム内に位置し、前記フレームに連結されているリンク装置であって、前記リンク装置は、前記第1の質量および前記第2の質量に連結され、前記リンク装置は、前記第1および第2の質量が、前記面に垂直に反対方向に移動するのを制限するリンク装置とを備える感知サブアセンブリと、
b)前記サブアセンブリの第1の部分を駆動周波数で振動させるためのアクチュエータと、
c)前記角速度により前記サブアセンブリの第2の部分の運動を感知するためのトランスジューサとを備えるセンサ。 - 前記アクチュエータが、静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータおよび熱アクチュエータからなるグループから選択される請求項1に記載のセンサ。
- 前記トランスジューサが、容量性センサ、電磁センサ、圧電センサ、およびピエゾ抵抗センサからなるグループから選択される請求項1に記載のセンサ。
- 前記サブアセンブリの前記第1の部分が前記リンク装置であり、前記サブアセンブリの前記第2の部分が前記フレームである請求項1に記載のセンサ。
- 前記アクチュエータが、前記リンク装置に連結されている静電アクチュエータを備え、前記トランスジューサが、前記フレームに連結されている容量性センサを備える請求項4に記載のセンサ。
- 前記サブアセンブリの前記第1の部分が前記フレームであり、前記サブアセンブリの前記第2の部分が前記リンク装置である請求項1に記載のセンサ。
- 前記アクチュエータが、前記フレームに連結された静電アクチュエータを備え、前記トランスジューサが、前記リンク装置に連結された容量性センサを備える請求項6に記載のセンサ。
- 前記フレームの運動が、前記センサ面に垂直な軸を中心とする回転にほぼ制約される請求項1に記載のセンサ。
- 前記フレームがほぼ円形である請求項8に記載のセンサ。
- 前記フレームがほぼ矩形である請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1および第2の質量の運動が、前記フレームに対して前記センサ面にほぼ垂直な方向だけに制限される請求項1に記載のセンサ。
- 空気抵抗を低減するために、前記質量のうちの少なくとも一方に孔部をさらに有する請求項1に記載のセンサ。
- 前記リンク装置が、
前記フレームに連結され、また前記第1および第2の質量におよびその間に連結されたセンター・プレートであって、回転の中心軸を中心にして回転可能なセンター・プレートと、
前記フレームおよび前記第1の質量に連結された第1の縁部プレートであって、回転の第1の軸を中心にして回転可能な第1の縁部プレートと、
前記フレームおよび前記第2の質量に連結されている第2の縁部プレートであって、回転の第2の軸を中心にして回転可能な第2の縁部プレートとをさらに備え、
回転の前記中心軸、第1および第2の軸が相互に平行であり、また前記センサ面に平行である請求項1に記載のセンサ。 - 前記センター・プレートが、前記第1の質量に連結された第1のレバー・アームと、前記第2の質量に連結された第2のレバー・アームとをさらに備え、それにより前記センター・プレートの回転に応じた前記センサ面に垂直な前記質量の運動が増大する請求項13に記載のセンサ。
- 前記第1の縁部プレートが、前記第1の質量に連結されたレバー・アームをさらに備え、それにより前記第1の縁部プレートの回転に応じた前記センサ面に垂直な前記第1の質量の運動が増大する請求項13に記載のセンサ。
- 前記第2の縁部プレートが、前記第2の質量に連結されたレバー・アームをさらに備え、それにより前記第2の縁部プレートの回転に応じた前記センサ面に垂直な前記第2の質量の運動が増大する請求項13に記載のセンサ。
- 前記フレームが、前記センサ面に垂直な軸を中心にする前記フレームの角回転を有する基本フレーム共振モードを備えている請求項1に記載のセンサ。
- 前記リンク装置は、前記センサ面に垂直な方向に相互にほぼ180度位相がずれている前記第1および第2の質量の振動を有する基本リンク装置共振モードを備えている請求項1に記載のセンサ。
- 前記フレームが、前記センサ面に垂直な軸を中心にする前記フレームの角回転を有する基本フレーム共振モードを備えている請求項18に記載のセンサ。
- 前記フレーム共振モードが、前記リンク装置共振モードの周波数より高い周波数を有する請求項19に記載のセンサ。
- 前記リンク装置共振モードの周波数が、前記駆動周波数とほぼ等しい請求項18に記載のセンサ。
- 前記フレームに平行で、その周囲に位置するほぼ平らなベースをさらに備える請求項1に記載のセンサ。
- 前記フレームが前記センサ面に垂直な軸を中心にして回転できるように、前記ベースを前記フレームに連結されている複数の撓み部分をさらに有する請求項22に記載のセンサ。
- 前記フレーム内の溝と係合している前記ベースから延びるタブをさらに備え、前記タブと前記溝の組合せが、前記フレームの運動の範囲を制限し、それにより前記撓み部分を保護する請求項23に記載のセンサ。
- 前記ベースに取り付けられている頂面を有するシリコン基準ウェハをさらに備え、前記感知サブアセンブリおよび前記ベースが、1つのシリコン・ジャイロスコープ・ウェハからエッチングされる請求項22に記載のセンサ。
- 前記基準ウェハが、前記センサ面に垂直な前記第1および第2の質量の運動を収容するように2つの凹部を備える請求項25に記載のセンサ。
- 前記基準ウェハが、前記感知サブアセンブリに電気的に連結されているCMOS電子回路を備える請求項25に記載のセンサ。
- 前記基準ウェハに対する前記リンク装置の運動を感知するための容量性センサをさらに備える請求項25に記載のセンサ。
- 前記リンク装置が、
前記フレームに連結され、また前記第1および第2の質量におよびその間に連結されたセンター・プレートであって、回転の中心軸を中心にして回転可能なセンター・プレートと、
前記フレームおよび前記第1の質量に連結されている第1の縁部プレートであって、回転の第1の軸を中心にして回転可能な第1の縁部プレートと、
前記フレームおよび前記第2の質量に連結されている第2の縁部プレートであって、回転の第2の軸を中心にして回転可能な第2の縁部プレートとをさらに備え、
回転の前記中心軸、第1および第2の軸が相互に平行であり、また前記センサ面に平行である請求項28に記載のセンサ。 - 前記アクチュエータが、
前記基準ウェハの前記頂面上の前記第1の縁部プレートの下に位置し、所定の距離dだけ前記第1の縁部プレートから離れている第1の縁部分割電極と、
前記基準ウェハの前記頂面上の前記第2の縁部プレートの下に位置し、前記距離dだけ前記第2の縁部プレートから離れている第2の縁部分割電極と、
前記基準ウェハの前記頂面上の前記センター・プレートの下に位置し、前記距離dだけ前記センター・プレートから離れているセンター分割電極とを備える請求項29に記載のセンサ。 - 前記第1の縁部電極、前記第2の縁部電極および前記センター分割電極が、前記センサ面に垂直な方向に相互にほぼ180度位相がずれた状態で、前記第1および第2の質量の振動を有する前記リンク装置の振動モードを励起するために、協力して電気的に駆動される請求項30に記載のセンサ。
- 前記駆動周波数が、前記振動モードの共振周波数にほぼ等しい請求項31に記載のセンサ。
- 前記トランスジューサが、前記ベースおよび前記フレームに連結された容量性センサを備え、前記基準ウェハが、前記容量性センサに連結され、また前記第1の縁部電極、前記第2の縁部電極、および前記センター分割電極に接続されたCMOS電子回路を備え、それにより、前記アクチュエータおよび前記トランスジューサのウェハ・スケール統合が行われる請求項30に記載のセンサ。
- 前記フレームが前記センサ面に垂直な軸を中心にして回転できるように、前記フレームを前記基準ウェハに連結する複数の撓み部分をさらに有し、前記撓み部分が、前記ベースを貫通していて複数のベース分離トレンチにより前記ベースから分離していて、それにより前記ベースの応力が前記撓み部分に伝わらない請求項25に記載のセンサ。
- 前記撓み部分から前記基準ウェハの前記頂面を分離している複数の基準分離トレンチをさらに備え、それにより前記基準ウェハの前記頂面の表面応力が、前記撓み部分にほとんど伝わらない請求項34に記載のセンサ。
- 前記ベースに取り付けられている底面を有するシリコン・キャップ・ウェハをさらに備える請求項25に記載のセンサ。
- 前記キャップ・ウェハが、前記センサ面に垂直な前記第1および第2の質量の運動を収容するための凹部を有する請求項36に記載のセンサ。
- 前記キャップ・ウェハが、前記ベースに密封状に取り付けられ、前記基準ウェハが、前記ベースに密封状に取り付けられる請求項36に記載のセンサ。
- 前記ベース、前記キャップ・ウェハおよび前記基準ウェハが形成する密封エンクロージャ内のガスの圧力が、大気圧とは実質的に異なる請求項38に記載のセンサ。
- 前記キャップ・ウェハが、Si−SiO2溶融接合により前記ベースに密封状に取り付けられ、前記基準ウェハが、金属シールにより前記ベースに密封状に取り付けられる請求項38に記載のセンサ。
- 前記フレームが、前記センサ面に垂直な軸を中心にして回転することができるように、前記フレームを前記キャップ・ウェハに連結されている複数の撓み部分をさらに有し、前記撓み部分が前記ベースを貫通し、複数のベース分離トレンチにより前記ベースから分離していて、それにより前記ベースの応力が、前記撓み部分に伝わらない請求項36に記載のセンサ。
- 前記撓み部分から前記キャップ・ウェハの前記底面を分離している複数のキャップ分離トレンチをさらに有し、それにより前記キャップ・ウェハの前記底面の表面応力が前記撓み部分にほとんど伝わらない請求項41に記載のセンサ。
- 前記撓み部分が前記基準ウェハに連結されている請求項42に記載のセンサ。
- 前記撓み部分から前記基準ウェハの前記頂面を分離している複数の基準分離トレンチをさらに備え、それにより前記基準ウェハの前記頂面の表面応力が前記撓み部分にほとんど伝わらない請求項43に記載のセンサ。
- X−Yセンサ面の角速度のXおよびY成分を測定するための二軸センサであって、前記二軸センサが、
A)角速度のX成分を測定するための第1のサブセンサを備え、前記第1のサブセンサが、
a)第1の感知サブアセンブリであって、
i)前記面に平行なほぼ平らな第1のフレームと、
ii)前記面内に配置される第1の質量と、
iii)前記第1の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第2の質量と、
iv)前記フレーム内に位置し、前記フレームに連結された第1のリンク装置であって、前記第1の質量および前記第2の質量に連結され、前記第1および第2の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限する第1のリンク装置とを備える第1の感知サブアセンブリと、
b)駆動周波数で前記第1のサブアセンブリの第1の部分を振動するための第1のアクチュエータと、
c)角速度のX成分による前記第1のサブアセンブリの第2の部分の運動を感知するための第1のトランスジューサとを備え、さらに、
B)角速度のY成分を測定するための第2のサブセンサを備え、前記第2のサブセンサが、
a)第2の感知サブアセンブリであって、
i)前記面に平行なほぼ平らな第2のフレームと、
ii)前記面内に配置される第3の質量と、
iii)前記第3の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第4の質量と、
iv)前記第2のフレーム内に位置し、前記第2のフレームに連結された第2のリンク装置であって、前記第3の質量および前記第4の質量に連結され、前記第3および第4の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限する第2のリンク装置とを備える第2の感知サブアセンブリと、
b)駆動周波数で前記第2のサブアセンブリの第1の部分を振動するための第2のアクチュエータと、
c)角速度のY成分による前記第2のサブアセンブリの第2の部分の運動を感知するための第2のトランスジューサとを備えるセンサ。 - センサ面の角速度を測定するためのセンサであって、前記センサが、
a)第1の感知サブアセンブリであって、
i)前記面に平行なほぼ平らな第1のフレームと、
ii)前記面内に配置される第1の質量と、
iii)前記第1の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第2の質量と、
iv)前記フレーム内に位置し、前記フレームに連結された第1のリンク装置であって、前記第1の質量および前記第2の質量に連結され、前記第1および第2の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限する第1のリンク装置とを備える第1の感知サブアセンブリと、
b)駆動周波数で前記第1のサブアセンブリの第1の部分を振動するための第1のアクチュエータと、
c)前記角速度に応じた前記第1のサブアセンブリの第2の部分の第1の運動を感知するための第1のトランスジューサと、
d)第2の感知サブアセンブリであって、
i)前記面に平行なほぼ平らな第2のフレームと、
ii)前記面内に配置される第3の質量と、
iii)前記第3の質量に対して横方向を向いている前記面内に配置される第4の質量と、
iv)前記第2のフレーム内に位置し、前記第2のフレームに連結された第2のリンク装置であって、前記第3の質量および前記第4の質量に連結され、前記第3および第4の質量が前記面に垂直な反対方向に移動するのを制限し、前記第1のリンク装置とほぼ同じ構成および向きを有していて、前記第3の質量が前記第1の質量に対応し、前記第4の質量が前記第2の質量に対応する第2のリンク装置とを備える第2の感知サブアセンブリと、
e)駆動周波数で前記第2のサブアセンブリの第1の部分を振動するための第2のアクチュエータと、
f)前記角速度に応じた前記第2のサブアセンブリの第2の部分の第2の運動を感知するための第2のトランスジューサとを備え、
前記第1および第2のトランスジューサからの信号が、前記角速度に応じた前記第1および第2の運動を、前記角速度によらない運動から区別するために結合されるセンサ。 - 前記第1のサブアセンブリの前記第1の部分が前記第1のリンク装置であり、前記第1のサブアセンブリの前記第2の部分が前記第1のフレームであり、前記第2のサブアセンブリの前記第1の部分が前記第2のリンク装置であり、前記第2のサブアセンブリの前記第2の部分が前記第2のフレームである請求項46に記載のセンサ。
- 前記第1および第2のリンク装置が、前記第1の質量および前記第3の質量が、前記面に垂直な反対方向に移動するように駆動される請求項47に記載のセンサ。
- 前記第1および第2のフレームが前記面内で回転することができ、前記第1のフレームを前記第2のフレームに対して連結するフレーム・リンク装置をさらに備え、前記第1および第2のフレームの前記フレーム・リンク装置による反対方向への回転が制限される請求項48に記載のセンサ。
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