JP2012108148A - 音叉ジャイロスコープ、加速度計、および改善されたスケール係数を有する他の検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】改善されたスケール係数を備えた音叉ジャイロスコープを提供する。
【解決手段】基板の上に少なくとも１つの試験質量が支持される音叉ジャイロスコープ構造。少なくとも１つの駆動電極が試験質量に隣接した基板の上にも支持される。典型的には、試験質量と駆動電極は、交互配置された電極フィンガーを含む。試験質量の下の基板の上の感知プレートまたはシールド電極が、試験質量の電極フィンガーの範囲の下に完全に延在する。
【選択図】図３

Description

本発明は、検出器、典型的には、音叉ジャイロスコープ、加速度計、および他の検出器のようなマイクロ電気機械（ＭＥＭＳ）検出器に関する。

音叉ジャイロスコープ,加速度計、および他の検出器のようなマイクロ電気機械（ＭＥＭＳ）検出器では、試験質量が誘電体（例えばガラス）基板の上に支持され、そして試験質量の動きが電子的に感知される。

音叉ジャイロスコープのための１つのＭＥＭＳ構造においては、２つの試験質量が、基板に固定された支持湾曲部によって基板の上に浮かされる。それぞれの試験質量の外側面に隣接して、試験質量と同じ平面における基板の上に、駆動電極構造があり、コーム（くし）状の幾何学構造にある試験質量の電極フィンガーによって交互配置された電極フィンガーと共に存在する。２つの試験質量の間に隣接して、また試験質量と同じ平面において、ピックオフ(pick off)または感知電極があり、さらに試験質量の電極フィンガーと交互配置された電極フィンガーも共に存在する。基板の上のそれぞれの試験質量の下には感知プレートがある。

駆動電極は、装置の平面における試験質量を静電気的に振動させる。慣性の入力に応じて、試験質量は振動の平面からそれて、その偏差はピックオフ電極によって検出される。ここに参考として組み入れられた出願人による特許文献１を参照されたい。

通常、直流（ＤＣ）バイアス電圧が、試験質量の下の基板上の感知プレートに印加され、他のＤＣバイアス電圧が、電子信号処理回路の構成を簡単にするために、そして正確な位相関係を維持するために、試験質量に隣接した駆動およびピックオフ電極構造に印加される。

試験質量の下のいくつかの露出した誘電体基板が、感知プレートに印加されたＤＣバイアス電圧と駆動電極に印加されたＤＣバイアス電圧との間の定常状態電圧レベルを最終的に推測する。しかしながら、その定常状態電圧レベルに達するのは、何時間もかかりうる。そしてその時まで、誘電体基板電圧レベルが２つのＤＣバイアス電圧レベルの間で変化する一方で、１０〜１５％ぐらいのスケール係数過渡現象に起因して読出しエラーが発生する。

誘電体基板の上に感知プレートを延在させ、露出した誘電体基板材料の量を試験質量以下で最小にすることによって、過渡現象は約１％に減らしうる。依然として、多くの軍事的および商業的用途のためには、最終的スケール係数値の０．０１から０．１％程度の低い過渡現象が要求される。

可能性のある解決策としては、ピックオフ電極構造上への電圧を整流するか、ピックオフ電極構造の上にＤＣ信号よりはむしろＡＣキャリア信号をかけるか、ＡＣおよびＤＣ両方の信号を感知プレート上にかけるか、または駆動振幅を制御するために駆動振動の共振周波数を制御することを含む。

しかしながら、これらの可能性のある解決策は、いずれも、性能の劣化、および／または高価で複雑な電子信号処理回路の要求に悩まされている。

米国特許第５,７４７,９６１号明細書 米国特許第５,４８１,９１４号明細書 米国特許第５,４９２,５９６号明細書

従って本発明の目的は、改善されたスケール係数を備えた音叉ジャイロスコープを提供することである。

本発明のさらなる目的は、性能の劣化に悩まされないような音叉ジャイロスコープを提供することである。

本発明のさらなる目的は、高価なおよび／または複雑な電子信号処理回路を必要としないような音叉ジャイロスコープを提供することである。

本発明のさらなる目的は、音叉ジャイロスコープ、加速度計、圧力計、および発振器を含むが、それらに限定されない検出器に接続して有用な、改善されたＭＥＭＳ構造を提供することである。

問題となっている本発明は、音叉ジャイロスコープにおける駆動および／またはピックオフ電極構造を下部で切り取り、下部切り取り領域中に感知プレートを延在させることによって、ジャイロスコープのスケール係数過渡現象を、性能の劣化、あるいは高価でおよび／または複雑な電子信号処理回路の必要性なしに１％未満に減らすことができる、ということの実現に起因する。なぜならば、このとき、感知プレートが、さらに広範囲のシールドを提供するように試験質量構造の下に完全に延在するからである。

しかしながら、他の実施形態で問題となっている本発明は、これらすべての目的を達成する必要がなく、ここでの請求項は、これらの目的を達成できる構造または方法に限定されてはならない。

本発明は、基板と、基板の上に支持された少なくとも１つの試験質量と、試験質量に隣接した基板の上に支持された少なくとも１つの駆動電極と、を有する音叉ジャイロスコープを特徴とする。典型的には、試験質量および駆動電極は交互配置された電極フィンガーを含む。試験質量の下の基板の上にある感知プレートまたはシールド電極が、試験質量の電極フィンガーの範囲の下に完全に延在する。

１つの例では、駆動電極は、駆動電極の電極フィンガーがそこから延在する肩部に接続されたアンカー部によって基板の上に支持される。アンカー部は、駆動電極に下部切り取り領域を規定する肩部よりも面積が小さい。感知プレートまたはシールド電極は、下部切り取り領域に延在する。典型的に、基板はガラスから作られ、試験質量と駆動電極はシリコンから作られている。感知プレートまたはシールド電極は、通常、金属から作られている。

一構造においては、２つの試験質量、それぞれの試験質量の片方の上の駆動電極、およびそれぞれの試験質量の下の感知プレートが存在する。ピックオフ電極構造が２つの試験質量の間に位置する。

しかしながら、問題となっている本発明はジャイロスコープへの適用に限定されない。例えば、本発明による検出器は、基板と、基板の上に支持された少なくとも１つの試験質量と、試験質量に隣接し基板の上に支持された少なくとも１つの電極構造と、を有することを特徴とする。電極構造は、基板の上に支持されて電極に下部切り取り領域を規定するより大きな面積の肩部に接続された、基板から上方に延在する、より小さな面積のアンカー部を含む。試験質量の下の基板の上の感知プレートまたはシールド電極は、典型的に、電極の下部切り取り領域に延在する。いくつかの構造では、試験質量と駆動電極構造は、交互配置された電極フィンガーを含む。感知プレートまたはシールド電極は、好ましくは、試験質量の電極フィンガーの下に完全に延在する。

典型的な従来技術による音叉ジャイロスコープの概略平面図である。 従来技術による、延在された感知プレートを備えた音叉ジャイロスコープの一部の概略的な立体図である。 本発明による音叉ジャイロスコープの一部の概略立体部分図である。 図２のジャイロスコープ構造によって生成される電位を示す図である。 本発明の他の実施形態による音叉ジャイロスコープの一部の概略立体部分図である。 本発明による、図５に示したジャイロスコープ構造によって生成される電位を示す図である。

他の目的、特徴および利点は、以下の好ましい実施形態と添付の図面の説明から、当業者に理解できるであろう。

以下で開示された好ましい実施形態にかかわらず、本発明は他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実践あるいは実行することができる。従って、本発明が、以下の記載で説明され、または図面に示された部材の構造および配置の細部に対するその用途に限定されない、ということが理解されるべきである。１つの実施形態のみをここで記載する場合、ここでの請求項はその実施形態に制限されるべきものではない。さらに、ここでの請求項は、ある一定の除外、制限、または放棄を明らかにする明確で説得力のある証拠がないならば、限定的に読みとられるべきではない。

上記背景技術の欄で概説したように、典型的な従来技術の音叉ジャイロスコープ１は、支持湾曲構造１２、一対の駆動電極構造５ａおよび５ｂ、そしてピックオフまたは平面内の感知電極構造９によって基板１１の上に浮かされた一対の試験質量３ａおよび３ｂを含む。平面外の感知プレート電極７ａおよび７ｂは試験質量３ａおよび３ｂの下で基板１１の上に置かれる。

駆動信号１３ａおよび１３ｂは、それぞれ、図示のように電極５ａおよび５ｂを駆動するために提供される。駆動電極５ａおよび５ｂは、複数のコーム状幾何学形状の電極フィンガー１５を含み、それはその電極から延在して、隣接する一つの試験質量３ａおよび３ｂの方に向かう。同様に、試験質量３ａおよび３ｂは、隣接する一つの固定された駆動電極５ａおよび５ｂの方に延在し、対応する駆動電極の電極フィンガー１５と交互配置されたコーム状の電極フィンガー１７を有する。駆動信号１３ａおよび１３ｂの、対応する試験質量３ａおよび３ｂへの静電結合は、音叉ジャイロスコープの平面内の試験質量に、「モータ駆動」と名前を付した矢印１９で示す方向において振動を与える。外側および内側のコームは、いくつかのコームセグメントをも持っている。電極７ａおよび７ｂ間の容量の変化と試験質量３ａおよび３ｂとが、試験質量３ａおよび３ｂ上への電荷をもたらすように電位差を構築するために、ＤＣ（直流）電圧Ｖｓ（「感知バイアス」と名前を付した）が、平面外の感知プレート電極７ａおよび７ｂに印加される。共振状態では、試験質量変位は９０度だけ駆動力に遅れる。

平面内の感知またはピックオフ電極構造９は試験質量３ａおよび３ｂの間に配置され、それの反対側から延在して、隣接する一つの試験質量に向かう、コーム状の電極フィンガー２１をやはり持っている。それぞれの試験質量は、電極構造９に向かって延在してその電極フィンガー２１と交互配置された類似の電極フィンガー２３を持っている。

慣性の入力、特に振動の平面に共通な入力軸（慣性軸２５と名前を付した）まわりの回転速度に応じて、試験質量３ａおよび３ｂは、振動の平面から、すなわち入力軸２７に直交する軸まわりに偏向する（「感知運動」と名前を付した）。このような試験質量３ａおよび３ｂの平面外の偏向は試験質量の共振周波数に対応した周波数と、入力回転速度に対応した振幅で起こる。従って、試験質量３ａおよび３ｂの平面外の偏向を検出することにより、回転速度の測定が提供される。バイアス信号Ｖ_ｂｉａｓは、振動の平面での試験質量３ａおよび３ｂの変位によって引き起こされる電荷変動の検出を可能にするために、平面内のピックオフ電極構造９に２０で抵抗Ｒを介して結合される。ピックオフでの信号が電荷、静電容量、および電圧値から変調効果を反映することを可能ならしめるために、インピーダンスを持った抵抗Ｒが、Ｖ_ｂｉａｓと平面内のピックオフとの間に接続される。このようにして、平面外のピックオフからの出力２９（ボルトで測定）は、音叉ジャイロスコープの平面内偏向を指し示す。通常、Ｖ_ｂｉａｓはＤＣ（直流）信号である。ここに参考として組み入れられた、特許文献１（米国特許第５,７４７,９６１号明細書）および特許文献２（米国特許第５,４８１,９１４号明細書）を参照されたい。

上記背景技術の欄で説明したように、この形状において、試験質量３ａおよび３ｂの下の基板１１の上における感知電極７ａおよび７ｂの限定された大きさは、結果として、試験質量３ａおよび３ｂの大部分の下で露出した基板（ガラス）材料である。ＤＣバイアス電圧が感知プレート電極７ａおよび７ｂに印加され、ＤＣバイアス電圧が駆動電極５ａおよび５ｂにも印加される場合、最終的にガラス基板は、ある定常状態電圧をなすが、それは、１０〜１５％のスケール係数過渡現象をもたらす時間をとりうる。

ガラス基板の高い抵抗とその低い誘電定数のために、ガラス上の点は、長い時定数の電気的ＲＣ（電気抵抗−容量）ネットワークによって、印加されたＤＣ（直流）電圧に事実上関連付けられる。これらの準静的な電圧は、感知プレートとモータコームに印加されるＤＣ電圧に類似した方式で、試験質量に影響する。ガラス電圧は、内側のモータ（モータ感知）コームに電流を注入することができ、誤った駆動ポジション信号の生成をもたらす。閉ループ動作により、駆動振幅はゆっくりと変化するガラス電圧に依存する。変化する駆動振幅、従って、速度がスケール係数を変える。感知動作により、ガラス電圧は試験質量に電流を注入する。この電流は感知軸電子機器によって感知される。事実上、感知プレートバイアスは変化を有する。すなわち、スケール係数はガラス電圧により変動する。これらの電圧は試験質量を直接静電気的に駆動する。これは、誤ったトルクとして現われ、それはバイアス変化、またはばね剛性の変化をもたらし、そしてスケール係数誤差をもたらす。

感知プレート７ａを図２に示すように延ばすことによって、試験質量３ａの下の５０のところに露出したガラスの量は約１０μｍまで縮小される。これはスケール係数過渡現象を約１％に減らした。しかしながら、特定の軍事的および商業的用途は、スケール係数エラーのさらなる低減を必要とするが、近接した感知プレート電極７ａが基板１１の上の駆動電極５ａのアンカー部５２にどのように配置されうるか、に関して、製造上の制限が存在する。感知プレート７ａが電極フィンガー１７または１５の範囲の下で完全に延在しない、ということに注意されたい。

問題となっている本発明によれば、図３のような駆動電極５４が、大領域肩部５８を支持する基板１１の上の小領域アンカー部５６を含み、大領域肩部５８から電極フィンガー１５が駆動電極５４に下部切り取り領域６０を規定しつつ延在する。今、感知プレート電極７ａは、下部切り取り領域６０に延び、それによって、試験質量３ａの電極フィンガー１７の全範囲の下に完全に延在し、試験質量３ａの部分の下に露出したガラス５０’の量を最小にする。図１のように両方の駆動電極５ａおよび５ｂ、さらにピックオフ電極構造９をこの方式で組み立てることによって、０．０１〜０．１％程度の低いスケール係数過渡現象を実現することができる。なぜなら、試験質量はガラスの変化する電位からシールドされるからである。

このように、本発明による典型的なＭＥＭＳ音叉ジャイロスコープは、図３のような基板１１と、基板１１の上に支持された少なくとも１つの試験質量３ａとを含む。少なくとも１つの電極構造（駆動電極５４、および／または、図１に９で示すピックオフまたは感知電極）が、試験質量３ａ隣接して基板１１の上に支持される。典型的に、しかし必ずしも必要ではないが、試験質量３ａと電極構造は、交互配置されたが電極フィンガー１７と１５をそれぞれ含む。感知プレートまたはシール電極７ａは基板１１の上の試験質量３ａの下にあり、電極フィンガー１７と試験質量３ａの他の構造部材の全範囲の下に完全に延在する。図示のように、電極構造５４は、肩部５８に接続されたアンカー部５６によって基板１１の上に支持され、肩部５８からは電極構造の電極フィンガー１５が延在する。アンカー部５６は、下部切り取り領域６０を規定する構造部分５８より面積が小さい。今、電極７ａは、試験質量３ａのためのさらに完全なシールドを提供するために下部切り取り領域６０に延びることができる。

典型的に、基板１１はガラス（例えば、パイレックス（登録商標））から作られ、試験質量３ａと他の平面内の電極構造はシリコンから作られている。電極７ａは、典型的に、基板１１の上に堆積された金のような金属から作られている。

図１に示すように、典型的な音叉ジャイロスコープに対し、２つの試験質量、それぞれの試験質量のそれぞれの側面における駆動電極、およびそれぞれの試験質量の下の感知電極が存在する。それぞれの駆動電極と、２つの試験質量の間の感知またはピックオフ電極とは、図３に示すように下部切り取り領域６０を含む。ピックオフ電極は、その両側に下部切り取り領域を含みうる。

しかしながら、問題となっている構造はジャイロスコープ形態の検出器に限定されない。他の検出器としては、加速度計を含むがそれに限定されず、基板の上に支持された少なくとも１つの試験質量構造と、試験質量に隣接して基板の上に支持された少なくとも１つの電極構造も存在することになる。電極に下部切り取り領域を規定するように基板の上方に支持された大領域肩部に接続された、基板から上方に延在する小領域アンカー部を含むように電極構造を形成することによって、基板の上の感知プレートまたはシールド電極は、電極構造の下部切り取り領域の下に延長することができ、スケール係数過渡現象を減らすことができる。その理由は、ここでは、感知プレート電極が試験質量構造の下に完全に延在するからである。コーム幾何学構造にある電極フィンガーは、特定の構造に応じて使用できる。あるいは、そうしないことができる。

図４と図６とを比較して、このような構造の利点を示す。ガラス電圧によって生成された静電界が、移動する質量の近くで小さい時に良好な性能をもたらす。図４と図６は、２次元の音叉ジャイロスコープコーム幾何学構造に対する等電圧線（一定電圧）を表す。電界は、試験質量コームフィンガーを通して基板に対して垂直な平面において計算される。１０μｍ駆動振幅では、図に示すように、試験質量は固定アンカーから１５μｍまで移動する。両方の図において、アンカーの近くの誘電体表面に１ボルトが印加される。アンカーと試験質量コームは０ボルトにあり、重ね合わせからの妥当な仮説が導出できる。図４では、図２の構造のために、電界はガラスからコーム（電極フィンガー）先端まで延びている、ということに注意されたい。

問題となっている本発明の、他の実施形態によれば、図５のように、駆動電極５４’は、基板１１の上に大領域肩部５８’を支持する小領域アンカー部５６’を含み、大領域肩部５８’から電極フィンガー１５’が延在する。今、電極７ａ’は、試験質量３ａ’の電極フィンガー１７’の全範囲の下に完全に延在し、試験質量３ａ’の部分の下に露出したガラス５０”の量を最小にする。感知プレート７ａ’は電極フィンガー１５’の全範囲の下にも延在する。試験質量はガラス５０’の変化する電位からシールドされる。図１のように両方の駆動電極５ａおよび５ｂ、さらにピックオフ電極構造９をこの方式で組み立てることによって、スケール係数過渡現象が、ほとんど直ちにその最終的値の０．０１〜０．１％に至る。図５で表される下部切り取り構造により、電圧はアンカーの下に閉じ込められ、図６に示すようにその電界は試験質量にまで延びない。

下部切り取り領域６０と、図５に示す延長された感知またはシールドプレートは、ここに参考として組み入れられた、特許文献３（米国特許第５,４９２,５９６号明細書）に開示されたような、音叉ジャイロスコープを組み立てるのに使われる溶解ウェーハプロセスを実質的に変えることなく生産することができる。アンカーは図３に示すように、シリコン中に後退切除部（または、修正された溶解ウェーハプロセスでのガラスウェーハ）を規定するように、使われるマスクを修正することによって下部で切り取られる。修正された感知プレート電極は、金属堆積のために使われるマスクを変えることによって形成される。本発明のような、感知プレート電極を延長することによる試験質量の一層完全なシールドは、音叉ジャイロスコープ、シリコン振動加速度計、圧力計、および発振器を含むが、それらには限定されないような、多くの検出器用途に必要とされるレベルに機器性能を改善する。

本発明の特定の特徴をいくつかの図面において示し、他のものでは示さなかったが、これは専ら便利さのためである。それは、それぞれの特徴が、本発明による他の特徴のいずれか、または全てと組み合わせることができるからである。ここで使われる「含む」、「有する」、「持つ」、および「備える」という用語は、広範囲におよび包括的に解釈されるべきであり、いかなる物理的な相互関係にも限定されるものではない。さらに、問題となっている用途において開示されたいずれかの実施形態は、可能性のある実施形態としてのみ解釈するべきではない。当業者の認識においては、他の実施形態が思い浮かぶであろうし、それらは添付の請求項の範囲内である。

その上、この特許に対する特許出願の継続中に提出される補正のいずれかは、提出された出願において記載されたいずれかの請求項の事項の放棄ではない。当業者は、文字通りにすべての可能な均等物を包含することになるような請求項を立案することを、正当に期待できない。多くの均等物は補正の時点では予知できないであろうし、放棄されるべきもの（もしあれば）についての公正な理解を超えている。補正の基礎となる理論的根拠は、多くの均等物とほとんど関係しないものぐらいしか持たないであろうし、および／または、出願人に対して、補正された請求項事項に対するある特定の実質的でない代替を記述することが期待できない、という他の多くの理由がある。

１ 音叉ジャイロスコープ
３ａ、３ｂ 試験質量
５ａ、５ｂ 駆動電極
７ａ、７ｂ 感知プレート電極
９ 感知電極構造
１１ 基板
１２ 支持湾曲構造
１３ａ、１３ｂ 駆動信号
１５ 電極フィンガー
１７ 電極フィンガー
２１ 電極フィンガー
２３ 電極フィンガー
２５ 慣性軸
２７ 入力軸（感知運動）
２９ 出力
５０ ガラス
５０’ ガラス
５０” ガラス
５２ アンカー部
５４ 駆動電極
５６ アンカー部
５８ 肩部
６０ 下部切り取り領域

Claims (11)

1. 基板と、
   基板の上に支持された少なくとも１つの試験質量と、
   前記試験質量に隣接し、肩部に接続されたアンカー部によって前記基板の上に支持された少なくとも１つの駆動電極であって、前記アンカー部が駆動電極に下部切り取り領域を規定する肩部よりも面積が小さい駆動電極と、を有し、
   試験質量および駆動電極は交互配置された電極フィンガーを含み、
   試験質量の下の基板の上にあり、下部切り取り領域の中に、かつ試験質量の電極フィンガーおよび駆動電極の電極フィンガーの範囲の下に完全に延在する感知プレートまたはシールド電極、を有する、ことを特徴とする音叉ジャイロスコープ。
2. 駆動電極の電極フィンガーが肩部から延在することを特徴とする請求項１に記載の音叉ジャイロスコープ。
3. 基板はガラスから作られ、試験質量と駆動電極はシリコンから作られていることを特徴とする請求項１に記載の音叉ジャイロスコープ。
4. 感知プレートまたはシールド電極は金属から作られていることを特徴とする請求項１に記載の音叉ジャイロスコープ。
5. ２つの試験質量、それぞれの試験質量の片方の上の駆動電極、およびそれぞれの試験質量の下の感知プレートまたはシールド電極が存在することを特徴とする請求項１に記載の音叉ジャイロスコープ。
6. ２つの試験質量の間のピックオフ電極構造さらに含むことを特徴とする請求項５に記載の音叉ジャイロスコープ。
7. 基板と、
   基板の上に支持された少なくとも１つの試験質量と、
   前記試験質量に隣接した前記基板の上に支持された少なくとも１つの電極構造と、を有し、
   該電極構造は、基板の上に支持されて電極に下部切り取り領域を規定するより大きな面積の肩部に接続された、基板から上方に延在する、より小さな面積のアンカー部を含み、
   試験質量と電極構造は交互配置された電極フィンガーを含み、
   試験質量の下の基板の上の感知プレートまたはシールド電極は電極の下部切り取り領域の中に延在し、かつ試験質量および電極構造の電極フィンガーの下に完全に延在することを特徴とする検出器。
8. 基板はガラスから作られ、試験質量と電極はシリコンから作られていることを特徴とする請求項７に記載の検出器。
9. 感知プレートまたはシールド電極は金属から作られていることを特徴とする請求項７に記載の検出器。
10. ２つの試験質量、それぞれの試験質量の片方の上の駆動電極、およびそれぞれの試験質量の下の感知プレートまたはシールド電極が存在することを特徴とする請求項７に記載の検出器。
11. ２つの試験質量の間に位置するピックオフ電極構造さらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の検出器。