JP2010008419A

JP2010008419A - Ｍｅｍｓ構造内の多段式のプルーフマス運動の減速

Info

Publication number: JP2010008419A
Application number: JP2009151134A
Authority: JP
Inventors: Max Glenn; マックス・グレン
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: US20090320592A1; EP2146182B1; EP2146182A1; KR20100002228A; JP5400495B2; US8011247B2; ATE533028T1

Abstract

【課題】大きな外力による損傷を防ぐことができる角速度センサを提供する。
【解決手段】微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１０は、少なくとも１つの固定具を備える基板と、そこから延びる第１および第２の減速延長部を有するプルーフマス１２と、モータ駆動櫛１８と、モータ感知櫛２０と、基板の上でモータ駆動櫛１８とモータ感知櫛２０との間にプルーフマス１０を懸架するように構成された複数の懸架部１４とを含む。懸架部１４は、基板に固定される。本体は、基板に取り付けられる。少なくとも１つの減速梁が、前記本体の第１の側面から延びる。この少なくとも１つの減速梁は、第１および第２の減速延長部のうちの少なくとも１つに係合し、かつ、プルーフマス１０がモータ駆動櫛１８およびモータ感知櫛２０に接触する前に、このプルーフマス１０を減速または停止させるように構成される。
【選択図】図１

Description

微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）は、微細加工技術を使用して、電気的かつ機械的構成要素を同じ基板、たとえばシリコン基板上に組み込む。電気的構成要素は、集積回路プロセスを使用して製作され、一方、機械的構成要素は、集積回路プロセスに適合する微細機械加工プロセスを使用して製作される。この組合せにより、標準的な製造プロセスを使用して、システム全体をチップ上に製作することが可能になる。

ＭＥＭＳデバイスの共通の適用分野の１つは、センサデバイスの設計および製造である。センサデバイスの機械的部分は、感知能力を提供し、一方、センサデバイスの電気的部分は、機械的部分から受け取った情報を処理する。ＭＥＭＳデバイスの一例は、ジャイロスコープである。一部の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）は、１つまたは複数のＭＥＭＳジャイロスコープを組み込む。

１つの知られたタイプのＭＥＭＳジャイロスコープは、振動素子を使用して、コリオリの加速度の検出によって角速度を感知する。この振動素子は、モータモードと呼ばれる共振振動モードで、基板に平行なモータ（Ｘ）軸に沿った振動運動の状態に入る。振動素子が運動状態になると、ジャイロスコープは、基板に垂直な入力（Ｚ）軸の周りを基板が回転することによって引き起こされる角速度を検出することが可能になる。同じくＸとＺ軸の両方に垂直な感知（Ｙ）軸に沿ってコリオリの加速度が生じ、感知モードと呼ばれる共振モードで、Ｙ軸に沿った振動運動を発生させる。感知モードの振動の振幅は、基板の角速度に比例する。しかし、振動素子は、外力の作用を受けることがある。一例として、航空機または他の飛行機は、大きな重力の動作を行うことがある。これらの力により、ＭＥＭＳデバイス、たとえばＭＥＭＳジャイロスコープ内のプルーフマスは、モータ駆動、モータピックオフ、または感知プレートに対して、時には上に挙げた構成要素のうちの１つまたは複数を損傷する恐れがあるほど高速で接触する可能性がある。そのような接触は、望ましくなく、ＭＥＭＳデバイスの性能に影響を及ぼす。

米国特許第６８６５９４４号

一実施形態では、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、少なくとも１つの固定具を備える基板と、そこから延びる第１および第２の減速延長部を有するプルーフマスと、モータ駆動櫛と、モータ感知櫛と、基板の上でモータ駆動櫛とモータ感知櫛との間にプルーフマスを懸架するように構成された複数の懸架部とを含む。懸架部は、基板に固定される。本体は、基板に取り付けられる。少なくとも１つの減速梁が、前記本体の第１の側面から延びる。この少なくとも１つの減速梁は、第１および第２の減速延長部のうちの少なくとも１つに係合し、かつ、プルーフマスがモータ駆動櫛およびモータ感知櫛に接触する前に、このプルーフマスを減速または停止させるように構成される。

本発明の好ましい代替実施形態について、次の図面を参照して、以下に詳細に説明する。

プルーフマスから延びる減速止めおよび支持構造を組み込む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの図である。図１に示すデバイス内で実施できる減速止め構造の拡大図である。

本発明の実施形態は、本出願人が所有する米国特許第６８６５９４４号に記載の構造および／または概念を利用することができる。同特許の全体を、参照により本明細書に組み込む。

図１は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１０、たとえばジャイロスコープの平面図を示す。ＭＥＭＳデバイス１０は、基板（図示せず）上に形成され、少なくとも１つのプルーフマス１２と、プルーフマス１２を支持するための複数の懸架部１４と、懸架部１４に接続された少なくとも１つの横梁１６とを含む。代替構成では、懸架部１４は、個別にかつ直接基板に接続される。ＭＥＭＳデバイス１０はまた、モータ駆動櫛１８と、モータピックオフ櫛２０と、および感知プレート２２とを含み、これらは、個々のプルーフマス１２に対応する。

プルーフマス１２は、ＭＥＭＳデバイスでの使用に適した任意のマスから製作される。一実施形態では、プルーフマス１２は、１枚のシリコン板である。微細機械加工技法に適合する他の材料を利用することもできる。図１は２つのプルーフマス１２を示すが、２つ未満または３つ以上のプルーフマスを利用するＭＥＭＳデバイスを利用することもできる。

プルーフマス１２は、実質上、モータ駆動櫛１８とモータピックオフ櫛２０との間に配置される。プルーフマス１２は、複数の櫛状電極２６を含む。電極２６の一部分は、モータ駆動櫛１８の方へ延び、電極２６の一部分は、モータピックオフ櫛２０の方へ延びる。図示の実施形態では、プルーフマス１２は３４個の電極２６を有するが、異なる数の電極を組み込むプルーフマスを利用することも知られている。ＭＥＭＳデバイス（図示せず）の他の実施形態では、モータ駆動櫛およびモータピックオフ櫛は、互いに隣接して配置することができる。

図示の実施形態では、プルーフマス１２は、懸架部１４によってそれぞれの感知プレート２２の上に支持される。各プルーフマス１２を懸架するために４つの懸架部１４を示すが、プルーフマス１２を適切に支持する任意の数の懸架部１４を利用することができる。一実施形態では、懸架部１４は、シリコンウェーハから微細機械加工された梁である。懸架部１４はまた、図１に示すように、プルーフマス１２を駆動面（Ｘ軸）および感知面（Ｙ軸）内で動かすばねとして働く。

モータ駆動櫛１８は、それぞれのプルーフマス１２の方へ延びる複数の櫛状電極２８を含む。モータ駆動櫛１８は１８個の電極２８を有するものとして示すが、モータ駆動櫛１８上の電極２８の数は通常、それぞれのプルーフマス１２上の電極２６の数によって決定される。モータ駆動櫛は通常、駆動電子機器（図１には図示せず）に接続される。電極２６および電極２８は、それぞれプルーフマス１２およびモータ駆動櫛１８から延びるにつれて互いにかみ合ってコンデンサを形成し、これらのコンデンサを利用して、駆動面（Ｘ軸）での運動を引き起こす。

モータピックオフ櫛２０はまた、それぞれのプルーフマス１２の方へ延びる複数の櫛状電極３０を含む。モータピックオフ櫛２０は１８個の電極３０を有するものとして示すが、モータピックオフ櫛２０から延びる電極３０の数は通常、それぞれのプルーフマス１２上の電極２６の数によって決定される。モータピックオフ櫛２０は、感知櫛と呼ばれることがある。電極２６および電極３０は、それぞれプルーフマス１２およびモータピックオフ櫛２０から延びるにつれて互いにかみ合ってコンデンサを形成し、これらのコンデンサを利用して、駆動面（Ｘ軸）での運動を感知する。

感知プレート２２は、それぞれのプルーフマス１２に平行であり、コンデンサを形成する。少なくとも１つのプルーフマス１２が駆動面（Ｘ軸）に沿って振動している間に、入力ベクトル（Ｚ軸）に沿ってジャイロスコープとして動作するＭＥＭＳデバイス１０に角速度（すなわち、航空機の回転）がかけられた場合、感知面（Ｙ軸）でコリオリの加速度が検出される。感知面（Ｙ軸）の運動を感知するには、静電容量が使用される。ＭＥＭＳデバイス１０の出力は通常、運動によって生じる静電容量の変化に比例する信号である。感知プレート２２は通常、図１には図示しない感知電子機器に接続される。感知電子機器は、プルーフマス１２がそれぞれの感知プレート２２ならびにそれぞれのモータ駆動櫛１８およびモータピックオフ櫛２０の方へおよび／またはそれらから離れて動くとき、静電容量の変化を検出する。

モータピックオフ櫛２０は通常、プルーフマス１２の運動を感知する際に使用されるバイアス電圧（図示せず）に接続される。モータ駆動櫛１８は通常、駆動電子機器（図示せず）に接続される。駆動電子機器により、プルーフマス１２およびモータ駆動櫛１８の複数の互いにかみ合った櫛状電極２６、２８によって形成されたコンデンサを使用することによって、それぞれのプルーフマス１２を、駆動面（Ｘ軸）に沿って実質上音叉の周波数で振動させる。ＭＥＭＳデバイス１０は、密接して配置された２つの振動モードを有する。これらのモードのうちの１つは、モータモードと呼ばれることがあり、静電力によってデバイス１０の共振周波数で駆動されて、振幅が比較的大きな振動を発生させる。モータモードでは、デバイス１０に回転力がかけられると、プルーフマス１２の速度に比例するコリオリの力が発生する。コリオリの力は、モータモードの周波数で、感知モード方向にプルーフマス１２を駆動する。以下に説明するように、静電容量を利用して感知モードで振動を検出するために、１つまたは複数の電極が設けられる。感知電極に直流および／または交流バイアス電圧が印加され、その結果、感知モードでのプルーフマス１２の運動により、出力電流を発生させる。

特定の動作環境では、ＭＥＭＳデバイス、たとえばジャイロスコープは、極度の衝撃および振動の作用を受けやすいが、微小な角速度および直線加速度を測定するのに十分な高さの機械的な感度ももたなければならない。そのような力は、プルーフマス１２の延長部２６を、モータ駆動櫛１８、その延長部２８、モータピックオフ櫛２０、およびその延長部３０のうちの１つまたは複数と強制的に接触させる可能性がある。延長部２６、２８、および３０のうちの１つまたは複数が折れ、または他の形で損傷する可能性に加えて、静電力により、プルーフマス１２は、プルーフマス１２が接触したデバイス１０の構成要素と物理的に接触したままになる可能性がある。他の力は、プルーフマス１２の本体を感知プレート２２に接触させる可能性がある。この場合も、静電力により、プルーフマス１２は、感知プレート２２に接触したままになる可能性がある。

ＭＥＭＳデバイス１０はまた、過度の機械的外力によって生じる前述の動作上の問題を軽減または緩和させる複数の減速止め５０を備えるように構成される。デバイス１０は、減速止め５０を利用して、外力から保護する。プルーフマス１２はさらに、左プルーフマス５４および右プルーフマス５６として区別される。本明細書では、「左」および「右」という用語は、減速止め５０の動作について説明するためだけの図に関する例示的な目的のものであり、ＭＥＭＳデバイス１０のいかなる種類の構造上の制限も示唆するものではない。左プルーフマス５４および右プルーフマス５６は、前述のように、懸架部１４によって基板の上に支持される。懸架部１４は、通常感知プレート（図示せず）が上部に取り付けられた基板（図示せず）の上にプルーフマス５４および５６を懸架するが、一方、懸架部１４はまた、バイアス電圧が印加されると、プルーフマス５４および５６を振動させる。プルーフマス５４および５６が振動するにつれて、延長部２６は、モータ駆動櫛１８の延長部２８とモータピックオフ櫛２０の延長部３０との間を前後に動き、それにより、静電容量の変化が生じ、この変化を定量化することができる。

図２は、左プルーフマス５４がモータ駆動櫛１８およびモータ感知櫛２０に接触するのを防止するように動作する減速止め５０を詳細に示す図である。左プルーフマス５４を参照して、単一の減速止め５０について図示しかつ説明するが、この説明は、任意のプルーフマス（右プルーフマス５６を含む）と併せて利用される減速止めにも当てはまること、および複数の減速止め５０を任意の個々のプルーフマス（図１に示す）に関連させることができることを理解されたい。

減速止め５０は本体６０を含み、本体６０は、一実施形態では、横梁１６とプルーフマス５４との間に配置され、かつ固定延長部６２によって横梁１６に取り付けられる。一実施形態では、本体６０は、基板に取り付けられ、ＭＥＭＳデバイスを固定する機能を提供する。図２に示すように、一実施形態では、懸架部にばねのような機能を与えるために、懸架部１４は、回旋状またはヘビ状の構成を有することができる。

さらに、複数の減速梁６４が、本体６０からプルーフマス５４の方へ延びる。図２に示すように、一実施形態では、梁６４のうちの１つまたは複数は、それぞれの間隙７４によって互いに隔てられた、均一なまたは様々な幅の複数の叉７０、７２を含むことができる。

減速梁６４間に配置された少なくとも１つの減速延長部６６は、プルーフマス５４から延びる。図２に示すように、一実施形態では、延長部６６は、間隙７４に類似するそれぞれの間隙によって互いに隔てられた、均一なまたは様々な幅の複数の叉７６、７８、８０を含むことができる。

図２さらに示すように、一実施形態では、追加の複数の減速梁８２が、本体６０から延び、追加の減速延長部８４が、横梁１６から延びる。梁８２および延長部８４は、減速梁６４および減速延長部６６を参照して前述したように、先を叉状に分けることができる。

減速梁６４、８２、減速延長部６６、８４、およびヘビ状の懸架部１４は、正常な運動条件下でプルーフマス５４を自由に動かすが、プルーフマス５４の運動が特定の制限を超えると、プルーフマス５４を減速させるように働く。一実施形態では、プルーフマス５４が櫛２８および３０に対して位置決めされるのに比べて、減速梁６４、８２は、延長部６６、８４に対してより近接して位置決めされる。図１および２に示すように、一実施形態では、減速梁６４、８２および減速延長部６６、８４は、細長い方形の構造である。

具体的に言うと、プルーフマス５４の運動により、減速延長部６６、８４のうちの１つまたは複数が減速梁６４、８２のうちの１つまたは複数に係合するとき、外力のために、減速梁６４、８２および減速延長部６６、８４のうちの１つまたは複数が湾曲して、プルーフマス５４を減速させ、それによって、プルーフマス５４が固定の止めに接触したとき、衝撃を著しく軽減させまたは除去する。減速止め５０によってプルーフマス５４が減速することで、プルーフマス５４、モータ駆動櫛１８、およびモータピックオフ櫛２０の互いにかみ合った部材の損傷を防止する。さらに、梁６４、８２および／または延長部６６、８４の先を叉状に分けた構成により、プルーフマス５４の減速は、連続して段階的に発生する。すなわち、たとえば、プルーフマス５４が図２の右側へ突然動いたとき、叉８０と叉７０は互いに係合し、かつ叉７８および叉７２が湾曲する前に湾曲することができ、おそらく、叉７８および叉７２が湾曲する必要をなくすことができる。

前述のように、本発明の好ましい実施形態について図示しかつ説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されるものではない。代わりに、本発明は、以下の特許請求の範囲への参照によってすべて決定されるべきである。

１０微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス
１２プルーフマス
１４懸架部
１６横梁
１８モータ駆動櫛
２０モータピックオフ櫛、モータ感知櫛
２２感知プレート
２６櫛状電極、延長部
２８櫛状電極、延長部、櫛
３０櫛状電極、延長部、櫛
５０減速止め
５４左プルーフマス
５６右プルーフマス
６０本体
６２固定延長部
６４減速梁
６６減速延長部
７０叉
７２叉
７４間隙
７６叉
７８叉
８０叉
８２減速梁
８４減速延長部

Claims

少なくとも１つの固定具を備える基板と、
プルーフマス（１２）であって、前記プルーフマス（１２）から延びる第１および第２の減速延長部（５０）を備えるプルーフマス（１２）と、
モータ駆動櫛（１８）と、
モータ感知櫛（２０）と、
前記基板の上で前記モータ駆動櫛（１８）と前記モータ感知櫛（２０）との間に前記プルーフマス（１２）を懸架するように構成された複数の懸架部（１４）であって、前記基板に固定された、懸架部（１４）と、
前記基板に取り付けられた本体（６０）と、
前記本体（６０）の第１の側面から延びる少なくとも１つの減速梁（６４）であって、前記少なくとも１つの減速梁（６４）が、前記第１および第２の減速延長部（５０）のうちの少なくとも１つに係合し、かつ、前記プルーフマス（１２）が前記モータ駆動櫛（１８）および前記モータ感知櫛（２０）に接触する前に、前記プルーフマス（１２）を減速または停止させるように構成された、減速梁（６４）と
を備える微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（１０）。
前記デバイスが、前記懸架部（１４）間に延びる少なくとも１つの横梁（１６）と、前記横梁（１６）および前記基板に取り付けられた固定具とをさらに備え、前記本体（６０）が前記横梁（１６）に接続された、請求項１に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの減速梁が、
前記第１および第２の減速延長部の第１の側面に配置され、かつ第１の方向の前記プルーフマスの運動を減速または停止させるように構成された、第１および第２の減速梁と、
前記第１および第２の減速延長部の第２の側面に配置され、かつ第２の方向の前記プルーフマスの運動を減速または停止させるように構成された、第３および第４の減速梁とを備える、請求項１に記載のデバイス。