JP2010217165A - 加速度ノイズ除去が強化された微小電気機械ジャイロスコープ - Google Patents

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Luca Coronato
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Abstract

【課題】加速度ノイズを低減し、感度のよい振動ジャイロを実現する。
【解決手段】弾性固定要素8a’により基板に固定され、平面内xyで駆動運動されるように設計された駆動質量3と、駆動運動中の駆動質量3に固定されるように且つ角速度に応答してそれぞれの検出運動を行うように、駆動質量3の内部に懸垂支持され、それぞれの弾性支持要素18により駆動質量3に結合された第1の感知質量15aおよび第2の感知質量15bと備える集積微小電気機械構造30である。特に、第1の感知質量15aおよび第2の感知質量15bは、それらの振動モードを結合するように弾性結合要素32a,32bにより互いに結合されている。
【選択図】図5

Description

本発明は微小電気機械構造に関し、機械的特性、特に加速度ノイズ除去が強化された、特にヨー角加速度に敏感なジャイロスコープに関するものである。

既知のように、マイクロマシニング技術によって、化学エッチングにより除去される犠牲層の上に堆積(例えば、多結晶シリコン層)または成長された(例えば、エピタキシャル層)半導体材料層の内部に、微小電気機械構造またはシステム(MEMS)を製造することが可能になっている。この技術を使用して組み立てられた慣性センサ、加速度センサ、およびジャイロスコープは、例えば、自動車分野、慣性ナビゲーション、または携帯デバイスの分野において、ますます成功を収めている。

特に、MEMS技術を使用して組み立てられた半導体集積ジャイロスコープが知られている。

これらのジャイロスコープは相対加速度の定理に基づいて動作し、コリオリ加速度を利用する。ある線速度で動く可動質量にある角速度が印加された時、その可動質量は「コリオリ力」と呼ばれる見かけの力を「感じ」、線速度の方向および角速度が印加される軸に垂直な方向における変位を決定する。可動質量は、見かけの力の方向の変位を可能にするスプリングにより支持される。フックの法則によると、変位は見かけ上の力に比例するため、可動質量の変位からコリオリ力およびそれを生じさせる角速度の値を検出することが可能となる。可動質量の変位は、例えば、固定電極と歯合する可動質量に固定されたくし歯状の可動電極の運動によって生じる電気容量の変化を共振状態で測定することによって容量的に検出することができる。

本発明者により出願された特許文献1〜3は、回転駆動運動を用いる、ヨー角速度に敏感な微小電気機械組み込みセンサを開示している。

欧州特許出願公開第832841号明細書 米国特許出願公開第2009/0064780号明細書 米国特許出願公開第2009/0100930号明細書

この微小電気機械センサは、基板に固定され回転運動で駆動される単一の駆動質量を具える。駆動質量内部に貫通開口が設けられ、対応する感知質量が貫通開口内に配置されており、感知質量は駆動質量の全寸法内に封入され、基板に対して懸垂支持され、弾性要素により駆動質量に接続されている。各感知質量は、回転運動の間、駆動質量に対して固定され、センサにかかる外部応力、特にコリオリ力の関数として更なる運動の自由度を有している。弾性要素は、それらの特別な構造のおかげで、感知質量がコリオリ加速度に応答して、センサ平面内の半径方向における検出用の直線運動を行うことを可能にする。この検出運動は、駆動質量の駆動運動とはほぼ分離される。微小電気機械構造は、コンパクトであることに加えて(複数のセンサ質量をその全寸法内に内包する単一の駆動質量を想定する限りにおいて)、構造上の少しの変更によって、単軸型、2軸型、3軸型のジャイロスコープ(および/または実装する電気接続によって加速度計)を構成することが可能であり、同時に駆動運動と検出運動との非常によい分離を得ることができる。

図1は、前述の特許文献に含まれる知見に従って提供される単軸微小電気機械ジャイロスコープ1の代表的な実施例を示している。

ジャイロスコープ1は(以下に詳細に説明するように)、ダイ2内に設けられ、半導体材料(例えばシリコン)からなる基板2aと開口領域2cを内部に画定するフレーム2bとを具え、開口領域2cは基板2aの上に位置し、ジャイロスコープ1の検出構造を収容するように設計されている。開口領域2cは、ダイ2に固定された第1の水平軸xおよび第2の水平軸yにより規定される水平面(以下、「センサー平面xy」と称する)においてほぼ正方形または長方形構造を有しており、フレーム2bは、水平軸xおよびyにほぼ平行な辺を有している。ダイパッド2dはフレーム2bの一つの辺に沿って、例えば、水平軸xに沿って配列されている。図に示されていない方法で、ダイパッド2dはジャイロスコープ1の検出構造の外部からの電気的接触を可能にする。

ジャイロスコープ1は、開口領域2c内に収容された、駆動質量3および駆動アセンブリ4からなる駆動構造を具える。

駆動質量3は、放射形対称のほぼ円形形状を有し、センサ平面xyに広がる主寸法を有し、垂直軸zに平行な方向の寸法は主寸法に対して無視できる寸法を有するほぼ平面構造であり、垂直軸zはダイ2に対して固定された第1及び第2軸x、yと3つの直交軸を形成する。駆動質量3はその中心部に空所6を画成し、その中心Oは全体構造の重心および対称中心と一致している。

駆動質量3は、中心Oに配置された第1の固定要素7aにより基板2aに固定され、第1の弾性固定要素8aにより固定要素7aに接続されている。駆動質量3は、更に同駆動質量3の外部に配置された固定要素(図示しない)により固定し、例えば折り畳み型の第2の弾性固定要素(図示しない)により該固定要素に接続することができる。第1および第2の弾性固定要素は、駆動質量3が中心Oを通り垂直軸zに平行でセンサ平面xyに垂直な駆動軸を中心に駆動角速度Ω で回転運動するのを可能にする。

駆動質量3は、半径方向、例えば第2の水平軸yに沿って整列して空間6の反対側に配置された一対の貫通開口9aおよび9bを有しており、貫通開口9aおよび9bは、図1の平面図において、半径方向を横切る方向に主として延びるほぼ長方形形状を有している。

駆動アセンブリ4は、駆動質量3から半径方向に外部へ延びる、等角距離に配置された複数の被動アーム10と、それぞれの被動アーム10の両側に平行に延在する複数の第1および第2の駆動アーム12aおよび12bとを具える。各被動アーム10は、同被動アームに垂直に両側に延在する複数の第1の電極13を有している。さらに、第1および第2の駆動アーム12aおよび12bは、それぞれの被動アーム10の方向に延在し、対応する第1の電極と噛合する櫛歯状の第2の電極18aおよび18bをそれぞれ有している。

第1の駆動アーム12aは全てそれぞれの被動アーム10の片側に配置され、全て第1の電圧にバイアスされ、同様に、第2の駆動アーム12bは全てそれぞれの被動アーム10の反対側に配置され、全て第2の電圧にバイアスされる。駆動質量3を電極の相互および交互引力により駆動軸を中心として所定の振動周波数及び駆動角速度Ω で振動回転運動させるために、駆動回路(図示せず)が第1および第2の電極18aおよび18bに接続されて第1および第2の電圧を印加する。

ジャイロスコープ1は、前述の半径方向に平行な軸を有する一対の加速度センサ、特に貫通開口9aおよび9bの内部に収容された一対の感知質量15aおよび15bをさらに具え、感知質量15aおよび15bは、例えば、貫通開口の対応する辺に平行な辺を有するほぼ長方形形状を有し、基板2aに対して懸垂支持され、弾性支持要素18により駆動質量3に接続されている。弾性支持要素18は、例えば、各感知質量の対向する長辺から半径方向に出ている。特に、弾性支持素子18は駆動質量3の駆動運動に対して剛性である(その結果感知質量15a,15bは回転運動中駆動質量に従動する)のに加えて、前記半径方向においてそれぞれの感知質量の直線運動も可能にする。さらに、可動電極20が第2の感知質量15aおよび15bに結合され、例えばそれぞれの短辺から半径方向に対して直角の方向に延びている。可動電極20は、駆動質量3に固定された第1および第2の固定電極22aおよび22bとそれぞれ平行平面板の感知キャパシタを形成する。特に、各可動電極20は、それぞれの第1の固定電極22a(例えば、中心Oに対して半径方向に内側のもの)と第1の感知キャパシタCを形成し、それぞれの第2の固定電極22b(例えば、中心Oに対して半径方向に外側のもの)と第2の感知キャパシタCを形成する。

使用時に、ジャイロスコープ1は、垂直軸zの周りに作用する(ヨー)角速度Ω を検出できる。特に、検出すべきこの角速度Ω は、半径方向に向いた感知質量15aおよび15bへのコリオリ力F を発生し(従って、質量15a,15bに作用する向心力として検出され)、感知質量の変位および対応する感知キャパシタCおよびCの静電容量の変化を引き起こす。静電容量の変化の値は、角速度Ω に比例し、従って、差動方式で動作する読取回路によりそれ自体既知の方法で検出できる。特に、第1および第2の感知キャパシタCおよびCの変化に相関する電気量の差が差動方式で増幅されるように、固定電極22a,22bと可動電極20との間に適切な接続が与えられる。

特に、構造に作用するヨー角加速度に起因するコリオリ力の存在下において、感知質量15aおよび15bは半径方向に反対位相で運動する(換言すれば、半径方向に対して反対向きまたは方向に変位する)ため、差動読取電子回路は増幅された電気出力量を生成する。代わりに、構造に半径方向に作用する外部加速度(例えば、周辺ノイズによる加速度)は感知質量15aおよび15bの同相運動を引き起こし、その結果この運動は(感知できるほどの出力を生じなければ)読取電子回路によって読み出されない。

基本的に、外部加速度は、差動読取りにより理想的には自動的に除去される。実際、有益なコリオリ信号は、感知質量15aおよび15bを反対半径方向に不均衡にする傾向があるのに対し、外部加速度は同一の符号(または向き)を有する変化を決定する。従って、2つの加速度センサにより発生される検出信号間の差を取ることによって、コリオリの寄与分を測定し、スプリアス加速度を除去することが可能になる。

回転駆動運動も、前述のコリオリ加速度とほぼ同様に、感知質量15aおよび15bに作用する遠心加速度を発生する(つまり、反対方向にその変位をもたらす)。しかし、遠心加速度は出力にコリオリ加速度の2倍の周波数を有する寄与分を生じる結果、この寄与分は読取電子回路により適切にフィルタ処理できる。

前述の特許文献に記載されたジャイロスコープは、既知のタイプの他の構造と比較して大きな改良を示しているが、電気的特性およびノイズ排除性の観点から全く最適化されていない。特に、所定の実動作状態において、外部加速度(例えば、ノイズ加速度)に完全に影響されないわけでなく、また回転駆動運動により構造に作用する遠心加速度にも完全に影響されないわけではない。

従って、本発明の目的は、微小電気機械ジャイロスコープ構造を、特に外部加速度ノイズおよび遠心加速度に対する感度に関して、更に改良することにある。

従って、本発明によれば、請求項1に特定される微小電気機械構造が提供される。

本発明のよりよい理解のために、本発明のいくつかの好適実施例を、純粋に非限定的実施例として、添付の図面を参照して以下に記載する。

従来型の微小電気機械ジャイロスコープの概略上面図を示している。 図1のジャイロスコープの感知質量の弾性接続の略図である。 (a)および(b)は、図1のジャイロスコープの電気量のプロットを示している。 (a)および(b)は、図1のジャイロスコープの電気量のプロットを示している。 本発明の第1の実施例による微小電気機械ジャイロスコープの概略上面図を示している。 図5のジャイロスコープの感知質量の弾性接続の略図である。 (a)および(b)は、図5のジャイロスコープの電気量のプロットを示している。 (a)および(b)は、図5のジャイロスコープの電気量のプロットを示している。 微小電気機械ジャイロスコープの第2の実施例の概略上面図を示している。 図9のジャイロスコープの要素の拡大図を示している。 (a)および(b)は、図9のジャイロスコープの要素の拡大図を示している。 (a)および(b)は、図9のジャイロスコープにおける電気量のプロットを示している。 3軸ジャイロスコープに対応する本発明の更なる実施例を示している。 本発明による微小電気機械ジャイロスコープが設けられた電子デバイスの簡略ブロック線図を示している。

本出願人は、前述のジャイロスコープを悩ませた外部加速度ノイズに対する不完全なノイズ排除性は起こりうるプロセス変動(ばらつき)によるものであり、特にこのばらつきに由来する感知質量および対応する弾性要素の機械的特性の起こり得る差異によるものであることを理解し、実験的に確かめた。

詳細には、図2に示すように(弾性支持要素18による感知質量15a,15bと駆動質量3との間の弾性接続が概略的に示されている)、感知質量15aおよび15bの振動モードは互いに結合されておらず、理想的には同一の周波数を有する。

しかし、プロセスのばらつきにより、2つの感知質量15aおよび15bの共振周波数は、完全に同一とはならず(例えば、互いに10〜20Hz相違し得る)、これは、高いQ値に対して外部加速度ノイズの不十分な除去を引き起こす。実際、感知質量15aおよび15bの共振周波数に近い周波数を有する外部加速度は、2つの感知質量において大きく相違する応答を発生させ、従って対応する読取電子回路(これらのノイズを除去できるように差動方式が理想的に採用されていたとしても)から非ゼロ出力を発生し得る。感知質量の共振周波数は、4〜5kHzの領域の典型的な値を有していることを考慮すると、音声周波数を有する周囲のノイズも、上で明らかにした理由のために、実に大きな出力ノイズを生成しうる。

上記の挙動は適切な数値シミュレーションによって本出願人により確かめられた。図3aおよび3bは数値処理の結果を示しており、この数値処理においては、プロセスばらつきを感知質量15aおよび15bに関連する弾性支持要素18の剛性の1%の差異及び駆動質量の固定要素7a(および可能な他の固定要素)のランダムな変位ノイズを適用することによりシミュレートして外部加速励起をシミュレートした。特に、図3aおよび3bは、それぞれ、ジャイロスコープ1の読取電子回路の出力OUT(従って感知キャパシタからの出力信号の増幅および復調処理の結果)を線形スケールおよび対数スケールで示し、他方、図4aおよび4bは、それぞれ、感知質量15aおよび15bの機械的伝達関数の大きさ(Mag)と位相を示している。これらのグラフは、2つの感知質量15aおよび15bの異なる共振周波数による、約20Hz離れて位置する2つの明確な周波数ピークの存在をはっきり示しており、ノイズ加速度の存在下における読取電子回路からの非ゼロ出力(角加速度の検出中に想定される値と同程度の値を有しうる)の存在もはっきり示している。

前述の問題を解決するために、本発明の一実施例は、2つの感知質量をそれらの検出振動モードが結合するように機械的に結合することを想定している。

特に(図5参照、図5では既に説明された要素に類似する要素を示すために同一の参照番号が使用されている)、微小電気機械ジャイロスコープは(ここでは30で示されている)、感知質量15aおよび15bを互いに電気的に結合するように設計されている弾性結合要素32aおよび32bを具える点において、図1のジャイロスコープとは実質的に相違している。

本例では、ここでは34で示される1つの貫通開口が存在し、駆動質量3(ここでは円形のフレーム形状を有している)の中心に画定された、ここでは6’で示される空間と一致してもいる。貫通開口34の内部には、感知質量15aおよび15bの双方と、それぞれの感知質量を駆動質量3に結合し機械的支持するように設計された様々な弾性要素が配置される。

より詳細には、それぞれの弾性結合要素32aおよび32bは、各感知質量15aおよび15bに関連しており、弾性結合要素32aおよび32bは、例えば、弾性支持要素18に関して反対側の、それぞれの感知質量の主面から中心O方向に向かって出ている(ここでは、各感知質量に対してただ1つの弾性支持要素18が存在する)。弾性結合要素32aおよび32bは、中心位置、例えば中心Oに配置されている接続本体35により互いに接続されている。接続本体35は、特に同一の感知質量および弾性要素のそれらと比較した場合に、十分に無視できる重さおよび寸法を有するように構成されている。図6の概略表現に示されるように、接続本体35は、前述の感知質量15aおよび15bに接続されているだけでなく、更なる弾性支持要素36により駆動質量3に接続されている。更なる弾性支持要素36は、例えば折り畳み型のバネにより構成されており、例えば中心Oにて感知質量15aおよび15bの整列半径方向(弾性結合要素32aおよび32bの延在方向に一致する方向)を横切る方向に延在する。特に、更なる弾性支持要素36は、感知質量15aおよび15bの剛性を垂直軸zに沿った並進に関して増加させるために、感知構造を駆動質量3へさらに拘束するように動作する。

本例では、駆動質量3の弾性固定要素は、さらに空間6’の内部に異なる方法で配置されている。例えば、更なる弾性支持要素36の各側に対をなして延在する4つの固定要素7’が設けられ、これらの固定要素に駆動質量3が中心Oに向かって集まるように放射状に延在する弾性固定要素8a’により接続されている。

弾性結合要素32aおよび32bは、使用時に、感知質量15aおよび15bの振動運動を結合する機能を有し、得られた機械的感知構造に2つの異なる別個の振動モードを引き起こす。具体的には、同相の第1の振動モードと、逆相の第2の振動モードが生成され、互いに明確に離れた共振周波数を有している。どちらの場合にも、2つの感知質量15aおよび15bは、同一の周波数で振動する。従って、読取電子回路(適切に修正されている)によりノイズ加速度に関連する同相の振動モードを除去し、検出すべき角加速度を表す逆相の振動モードのみを後続の処理のために保存するのが便利である。特に、ノイズ除去は原理的に差動型の読取りに関連しており、同相の振動モードは、読取電子回路に対して大きな静電容量の変化を生成しない。

図7aおよび7bは、図1の従来型の構造について以前に説明したものと類似の数値処理の結果を示しており、図5のジャイロスコープ30を使用して得られた値(実線で表されている)と、従来型の前記構造を使用して得られた値(破線で表されている)とを直接比較している。

感知質量15aおよび15bの振動モードの結合は、(駆動周波数に関する適切な復調後に)互いに明確に離れた周波数にて2つのノイズの寄与分を出力に生成し、1つは同相の振動に対応し、逆相の振動に対応するもう一方のほぼ2倍の周波数を有することに直ちに気づくことができる。特に、2つのノイズの寄与分の周波数は、対応する共振周波数(同相および逆相)と駆動周波数との差の結果である。

さらに、上記の結合は、外部の直線加速度(例えば、ノイズ加速度)に対するジャイロスコープ30の出力応答を、従来の解決方法と比較して約100分の1に低減できることに直ちに気づくことができる。

図8aおよび8bから分かるように、逆相の振動モードに関連する機械的システムは1つのピークを有しており、周波数における2つのピークにより特徴づけられる従来型の解決方法とは異なっている。

従って、上述の実施例は、センサ平面xyにおける直線加速度ノイズの除去の大きな改良を可能にすること明らかである。特に、2つの振動モードの周波数は、プロセスのばらつきの存在下でほぼ不変のままであり、さらに差動型の読取りは、同相の振動モードの所望でない寄与分の便利な除去を可能にする。

機械的な観点から、前述の2つの異なる振動モードは、同相または逆相で運動中の感知質量15aおよび15bの異なる変位のし方に由来する。特に、逆相の運動中は、感知質量15aおよび15bの変位は弾性結合要素32aおよび32bと弾性支持要素18の双方の変形により生じ、接続本体35は中央位置にほぼ静止したままである。同相の運動中は、弾性結合要素32aおよび32bは逆相の運動と比較して小さな変形を受け、弾性支持要素36(逆位相の運動においてほぼ静止している)も変形され、接続本体35は半径方向に変位する。

しかし、本出願人は、ジャイロスコープ30は、直線加速度ノイズの除去を有利に可能にするにもかかわらず、遠心加速度の存在による問題から完全には解放されないことに気づいた。駆動質量3の回転は、実際、感知質量15aおよび15bに対して検出の半径方向と反対方向に作用する遠心加速度を生成し、従って(検出されるべきヨー角加速度に関連するコリオリ力の効果と同様に)逆相で振動を生成する。前述の特許文献1に詳細に説明されているように、遠心加速度は、検出されるべき加速度の2倍の周波数での振動の寄与分を生じ、理想的にはその寄与分をフィルタ処理することは可能である。

しかし、本出願人は、所定の動作状態において、遠心加速度は、適切なフィルタ処理段の存在にもかかわらず、読取電子回路内の増幅段の飽和を引き起こし、従って、いかなる場合にも角加速度の検出に誤差を引き起こしうることを確かめた。

この問題を解決するために、本発明の更なる実施例は、感知構造の適切な形状構成による遠心加速度の影響の自動補償(つまり、固有の機械的補償を読取電子回路レベルで行われる補償に、その代わりにまたは追加として、与えること)を想定している。

図9に示されるように、ここでは30’で示されているジャイロスコープの第2の実施例は、上述した実施例と、ここでは20’と、それぞれ22a’および22b’で示されている可動電極および固定電極、およびこの図示の例において、ここでは15a’および15b’で示されている感知質量の構造が異なる。

特に、この第2の実施例は、可動電極20’及びそれぞれの第1または第2の固定電極22a’および22b’の少なくとも1つを、回転駆動運動中に、遠心加速度の存在による静電容量の変化を補償できる感知キャパシタの静電容量変化を発生するように、最適な形状にすることを想定している。

詳細には、感知質量15a’および15b’は、本例では、内部に画成された窓40を有し、可動電極20’と対応する固定電極22a’(半径方向において内側に位置する)および22b’(半径方向において外側位置する)が窓40の内部に配置された、ほぼ台形構造を有している。窓40は、センサ平面xyにおいて台形状の扇形を有しており、可動電極20’および固定電極22a’および22b’は、ほぼ円弧形状である。

可動電極20’は、窓40の内部に延在しており、それぞれの感知質量15aおよび15bの斜辺から出発している。各可動電極20’に関連する第1および第2の固定電極22a’および22b’は、可動電極20’にその両側で対面しており、基板2aにそれぞれの固定要素42により固定され(図10を見よ)、これらの固定要素も窓40内部に配置されている。特に2組の可動電極20a’および対応する第1および第2の固定電極22a’および22b’が存在し、各組は、半径検出方向で分けられる前述の窓40のそれぞれの半部内に配置されている。

より詳細には、図10および11a、11bの拡大図に示されるように、各可動電極20’は、適切なパターンに成形された第1の側面(具体的には、それぞれの第1の固定電極22a’に対面する表面、または、等価的には中心Oに対して半径方向に内側の側面)と、適切なパターンに成形されてない第2の側面(具体的には、それぞれの第1の固定電極22b’に対面している表面、または、等価的には中心Oに対して半径方向に外側の側面)を有している。特に、適切なパターンに成形された第1の側面は(前述の図10、11aおよび11bに上面図で強調されているように)波形で、ほぼ正弦波形状を有しているが、適切なパターンに成形されてない第2の側面は円弧に対応している。

さらに、(半径方向に外側の)第2の固定電極22b’は両側面とも適切なパターンに成形されてないのに対し、(半径方向に内側の)第1の固定電極22a’は、両側面とも適切なパターンに成形され、特に同一の正弦波形状を有し、可動電極20’の第1の側面の正弦波形状にほぼ対応している。

使用時に、各可動質量15a’および15b’に作用する遠心加速度は、(角加速度の検出運動と関連しない限りにおいて)(矢印で示されているように)対応する固定電極22b’方向への各可動電極20’の所望でない接近と、対応する第1の固定電極22a’から離れる同可動電極20’の対応する変位を引き起こし、結果として第1の感知キャパシタCの減少及び第2の感知キャパシタCの増加を生じる(静電容量と電極間距離との関係が非線形であれば、従来の方法では増加の方が減少よりも大きい)。しかし、駆動質量3の回転運動は、(矢印により示されるように)固定電極22a’および22b’に対して可動電極20’の円周方向の変位も引き起こす。極板を構成する電極の側面に適切な形状が与えられた場合、この円周方向の変位は、第1の感知キャパシタCの全静電容量変化(特に、極板間の正味の接近によるその静電容量の増加)を遠心加速度による第2の感知キャパシタCの変化に等しくし、これを補償する。さらに、電極形状による静電容量変化の周波数寄与分は、遠心加速度による周波数寄与分(前に示したように、検出周波数の2倍である)に対応し、生じる静電容量変化の有効な補償を可能にする。換言すれば、前述の形状により、コリオリ加速度、従って検出すべき角加速度のない場合にほぼ一定のままとなる感知キャパシタ間の静電容量の差(次に読取電子回路により処理される差)を発生させることができる。

また、有利なことに、第2の感知キャパシタCの静電容量の値は回転駆動運動による可動電極20’の円周方向の変位により影響されない事実のおかげで、適切な数学モデルおよび適切な計算アルゴリズムにより、遠心加速度に起因する感知キャパシタCおよびC間の静電容量差ΔCの最小値を得ることを可能にする形状パラメータ(特に、正弦波形状の振幅および/または周期に関するパラメータ)を決定することが容易である。例えば、この目的のために、電極の全表面に亘る静電容量変化の数値積分のアルゴリズム(ここには記載しない周知のタイプのもの)を使用して、静電容量差ΔCを最小にするために電極の幾何形状のパラメータを決定することができる。

図12aにおいて、駆動運動中における遠心加速度のみによる可動電極20’に関連する静電容量変化は実線により表され、前述の電極の形状のみにより引き起こされる可動電極20’に関連する静電容量変化は破線で表されている。容易に気づくことができるように、前述の両静電容量変化はほぼ等しい。従って、図12bに示されているように、生じる静電容量差(前述の静電容量変化の差により与えられる静電容量変化ΔC)に関する補償誤差は、この本質的な機械的補償のおかげで、ほぼゼロもしくは殆ど場合に無視できる。特にこの本質的な補償は、遠心加速度のノイズ効果を100分の1に低減できることを示すことができる。

明らかではあるが、前述した正弦波形状は前述の効果を得ることができる唯一の形状ではなく、他の幾何形状も等しく可能であり、そのパラメータは数値アルゴリズムにより再び決定できることを強調しておく(例えば、鋸歯波形状も想定できる)。

本発明の更なる実施例は、前記特許文献に十分に記載されている、ピッチおよび/またはロール角加速度を感知するための検出構造を、前述したヨー角加速度を感知する検出構造に追加することによって、2軸および3軸型ジャイロスコープを提供することを想定している。

このように得られる3軸型ジャイロスコープの例が図13に示されており、参照番号30’’により示されている。

簡単に説明すると(しかし更なる詳細については前記特許文献を参照できる)、本例では、ジャイロスコープ30’’(概略的に示されている)は、駆動質量3のそれぞれの貫通開口の内部に収容され、それぞれの弾性要素47により駆動質量に接続されている第1および第2の対の更なる感知質量46a−46bおよび46c−46dを具える。

第1の対の更なる感知質量46aおよび46bは、ダイ2の第1の水平軸xに対して傾斜角α(反時計回りであるとする)だけ傾いた第1の直径方向xに整列しており、傾斜角αの値は40°から50°であり、好ましくは45°である。同様に、第2の対の更なる感知質量46cおよび46dは、第1の直径方向xにほぼ直交し第1の水平軸xに対して同じ傾斜角α(この場合には反対方向、つまり時計回りである)だけ傾いた第2の直径方向xに整列している。さらに、第1の対の感知質量46aおよび46bは、対応する第2の対の更なる感知質量46cおよび46dと、ダイパッド2dの対称軸(第2の水平軸yに一致する)に対して対称である。例えば、更なる感知質量46a〜46dは、上面図において、ほぼ環状放射扇形のような形状を有しており、垂直軸zに平行な軸を有する加速度センサを構成している。使用時に、ピッチまたはロール角加速度は更なる感知質量46a〜46dにコリオリ力を発生し、センサ平面xy外への回転を生じさせ、基板2a上に配置されたそれぞれに対面する検出電極(破線で表されている)への接近(または離動)を生じさせる。

駆動質量3の外側に配置された更なる固定要素7bも図13に示されており、駆動質量3はこれらの更なる固定要素7bにより基板2aに固定され、更なる弾性固定要素8bにより固定要素7bに接続されている。

図14は、前述した微小電気機械的ジャイロスコープ30’(または30’’)を具える電子デバイス50を示している。電子デバイス50は、複数の電子システム、例えば慣性ナビゲーションシステム、自動車システム、または、例えば携帯情報端末(PDA)、携帯コンピュータ、携帯電話、デジタルオーディオプレーヤ、写真カメラまたはビデオカメラなどの携帯型のシステム、または、信号および情報を処理、記憶、送信および受信し得る他のシステムに有利に使用できる。

電子デバイス50は、さらに、駆動アセンブリ4に動作可能に結合され、(ここには詳細に示されないそれ自体既知の方法で)駆動質量3に回転駆動運動を与え、微小電気機械構造にバイアス信号を供給するための駆動回路51と、感知質量の感知キャパシタC,Cに動作可能に結合され、感知質量の変位量、従ってその構造に作用する角速度を決定するための読取回路52と、読取回路52に接続され、例えば検出され決定された角速度に基づいて、電子デバイス50の一般的な動作を管理するように設計された、例えばマイクロプロセッサ型の電子制御ユニット54とを具える。

本発明により提供される微小電気機械ジャイロスコープの利点は前述の説明から明らかである。

特に、ヨー角加速度を検出するための感知質量の弾性要素による機械的結合は、プロセスばらつきの存在下においても、(例えば、周囲のノイズまたは他のノイズ源による)外部加速度ノイズの除去を可能にすることを再度強調しておく。

検出電極の特定形状パターンは、回転駆動運動による遠心加速度の影響を補償し最小化することを可能にする。特に、これらの影響は、読取電子回路内に何ら特定の構成を追加する必要なしに本質的に補償される。

さらに、ヨー加速度を検出するための検出構造は、2軸型または3軸型ジャイロスコープと完全に互換性のあるアーキテクチャを有しており、ピッチおよび/またはロール角加速度を検出するための構造と統合することができる。

最後に、添付の請求項に規定された本発明の範囲から離れることなく、ここで説明され示されたことに対して改良および変更を施すことができるのは明らかである。

特に、ジャイロスコープの構造要素のいくつかの構成に対して変更を想定できるのは明らかである。例えば、ヨー角加速度を検出するための感知質量15a’および15b’は、センサ平面xyにおいて異なる方向に(例えば、第1の水平軸xに沿って)整列させることができる。また、弾性結合要素32aおよび32bおよび接続本体35の異なる形態を想定できる。また、所望のパターンに従って第1および第2の固定電極22a’および22b’の双方を形作る、あるいは半径方向に外側の第2の固定電極22b’のみを形作ることができる。また、第1および第2の固定電極22a’および22b’の双方は、図5を参照して示した方法とほぼ同じ方法で、対応する感知質量15a’および15b’の外側に延在させることができる。より一般的に、ダイ2のフレーム2bを異なる形状にできるのと同じように、駆動質量3は円形形状とは異なる形状、例えば閉じた一般的な多角形形状にすることができる。

さらに、感知質量の変位は、静電容量とは異なる技術を使用して、例えば磁力を検出することにより決定でき、回転運動により駆動質量の振動を生じさせるねじりモーメントは、異なる方法により、例えば平行プレート電極によりまたは磁気駆動により発生できる。

Claims (16)

  1. 弾性固定要素(8a,8b)により基板(2a)に固定され、駆動運動により平面(xy)内で駆動されるように設計されている駆動質量(3)と、
    前記駆動運動中前記駆動質量(3)に固定されるように且つ角速度に応答してそれぞれ検出運動を行うように、前記駆動質量(3)の内部に懸垂支持され、それぞれの弾性支持要素(18)により前記駆動質量(3)に結合された第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)と、
    を具えた集積微小電気機械構造において、
    前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)は、それらの振動モードを結合するように弾性結合要素(32a,32b)により互いに結合されていることを特徴とする組み込み微小電気機械構造。
  2. 前記駆動質量(3)は前記平面(xy)内で回転運動により駆動され、前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)は、前記角速度に応答して前記平面(xy)内でそれぞれの直線検出運動を行うように設計され、前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)の直線検出運動は、互いに反対位相で半径方向に行われることを特徴とする、請求項1に記載の組み込み微小電気機械構造。
  3. それぞれの弾性結合要素(32a,32b)が前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)の各々に関連し、前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)の前記弾性結合要素(32a,32b)がほぼ無視できる質量を有する接続本体(35)を介して互いに結合されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の組み込み微小電気機械構造。
  4. 前記接続本体(35)と前記駆動質量(3)との間に接続された更なる弾性支持要素(36)を具えることを特徴とする、請求項3に記載の組み込み微小電気機械構造。
  5. 前記駆動質量(3)はその内部に貫通開口(34)を画成し、前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)と、前記弾性結合要素(32a,32b)と、前記更なる弾性支持要素(36)と、前記接続本体(35)とが前記貫通開口(34)の内部に配置されていることを特徴とする、請求項4に記載の組み込み微小電気機械構造。
  6. 前記弾性結合要素(32a,32b)は、前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)の組が2つの振動モードを有し、一方の振動モードが同相、他方の振動モードが逆相で、互いに異なる周波数を有するように構成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の組み込み微小電気機械構造。
  7. 前記駆動質量(3)は、前記平面(xy)内で回転運動により駆動され、複数の可動電極(20’)が前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)の各々に固定接続され、複数の固定電極(22a’,22b’)が、感知キャパシタ(C,C)を形成するために前記可動電極(20’)に対面しており、前記可動電極(20’)および前記固定電極(22a’,22b’)の少なくとも1つの相互対向面が共通の成形形状を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の組み込み微小電気機械構造。
  8. 前記成形形状は、前記駆動運動に対して固定された前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)のそれぞれの前記運動によって、前記駆動運動により生じる遠心加速度による前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)のそれぞれの運動に起因する前記感知キャパシタ(C,C)に関連する静電容量変化を補償するような値の前記感知キャパシタ(C,C)に関連する静電容量変化を発生するように構成されていることを特徴とする、請求項7に記載の組み込み微小電気機械構造。
  9. 第1の固定電極(22a’)および第2の固定電極(22b’)が、前記検出運動の半径方向に対して両側で前記可動電極(20’)の各々に対面しており、前記複数の可動電極(20’)の各々および前記第1の固定電極(22a’)および第2の固定電極(22b’)の少なくとも1つの相互対向表面は前記整形形状を有していることを特徴とする、請求項7または8に記載の組み込み微小電気機械構造。
  10. 前記整形形状はほぼ正弦波形状であることを特徴とする、請求項7〜9のいずれか一項に記載の組み込み微小電気機械構造。
  11. 前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)の各々はその内部に窓(40)を画成し、該窓(40)内に前記可動電極(20’)と前記固定電極(22a’,22b’)が配置され、前記可動電極(20’)は前記第1の感知質量(15a,15a’)および前記第2の感知質量(15b,15b’)の内壁から延在していることを特徴とする、請求項7〜10のいずれか一項に記載の組み込み微小電気機械構造。
  12. 前記角速度は、使用時に前記平面(xy)に直交する垂直軸(z)の周りに与えられるヨー角速度であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の組み込み微小電気機械構造。
  13. 前記駆動運動中前記駆動質量(3)に固定されるように且つ前記平面(xy)内の互に直交する第1の水平軸(x)および第2の水平軸(y)の周りに作用する前記第1の更なる角速度および第2の更なる角速度のそれぞれに応答して前記平面(xy)外への回転検出運動を行うように、前記駆動質量(3)の内部に懸垂支持され、それぞれの弾性要素(47)により前記駆動質量(3)に結合された更なる感知質量の第1の対(46a,46b)および第2の対(46c,46d)を具え、前記第1の対の更なる感知質量(46a,46b)および前記第2の対の更なる感知質量(46c,46d)は、前記水平軸(x,y)に対して反対符号の非ゼロの傾斜を有するそれぞれの方向(x,x)で整列していることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の組み込み微小電気機械構造。
  14. 請求項1〜13のいずれか一項に記載の集積微小電気機械構造と、前記集積微小電気機械構造(30,30’、30’’)に動作可能に結合された読取段(52)とを具える電子デバイス(50)。
  15. 前記弾性結合要素(32a,32b)は、前記第1の感知質量(15a,15a’)および第2の感知質量(15b,15b’)の組が2つの振動モードを有し、一方が同相、他方が逆相で互いに異なる周波数を有するように構成され、前記読取段(52)は前記同相の振動モードの寄与分を消去するように構成されていることを特徴とする、請求項14に記載の電子デバイス。
  16. 前記可動電極(20’)の各々は、第1の感知キャパシタ(C)および第2の感知キャパシタ(C)を形成するように、前記検出運動の半径方向に対して両側で第1の固定電極(22a’)および第2の固定電極(22b’)に対面しており、前記読取段(52)は、前記第1および第2の感知キャパシタ(C,C)間の静電容量差(ΔC)を処理するように構成されていることを特徴とする、請求項14または15に記載の電子デバイス。
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