JP2014500502A - モード整合単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープおよび製作方法 - Google Patents

Abstract

単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置は、共振体部材と、それぞれの横方向容量性エアギャップおよび縦方向容量性エアギャップによって、共振体部材にそれぞれ容量的に結合されている、第１および第２の電極とを含む。第１の電極の横方向容量性エアギャップの１つの幅は、縦方向容量性エアギャップよりも実質的に小さい。第２の電極の縦方向容量性エアギャップの１つの幅は、横方向容量性エアギャップよりも実質的に小さい。特許請求された装置は、静電同調方法によって、縦方向および横方向の寸法変動などのプロセス変動に対処することができる。

Description

本発明は、２軸ジャイロスコープに関し、より具体的には、モード整合単一プルーフ・マス（mode-matched single proof-mass）２軸ジャイロスコープに関する。

３軸ジャイロスコープは、正確な位置決めのための多次元運動認識を必要とする、移動電話、パーソナルナビゲーションエイド、スマートユーザインターフェイスおよびゲーミングコントローラなどの、携帯型デバイスに益々多く使用されている。大多数の最新技術振動ジャイロスコープは、各軸のレート測定に別個のプルーフマスを使用している。各軸のレート測定用に別個のプルーフマスを有すると、振動ジャイロスコープのサイズと質量が増大する。振動ジャイロスコープのサイズと質量を低減する努力が行われてきたが、振動ジャイロスコープをより小型で軽量にする要望は途絶えることなく存在している。
したがって、各軸のレート測定用に別個のプルーフマスを必要としない振動ジャイロスコープ解決策に対するニーズがある。

本開示は、高周波単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープの設計、製作、および特性評価を目的としている。開示される中空ディスクピッチ・アンド・ロールジャイロスコープは、本明細書においては、その全体を通して環形（annulus）ジャイロスコープと呼ばれ、約９００ｋＨｚで発生する、環形構造の面内および面外の共振モードを組み合わせた、モード整合状態で動作する。２軸ジャイロスコープは、面内および面外の共振モードの静電式周波数同調を可能にして、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハまたは単結晶シリコン（ＳＣＳ）ウェハなどの基板の、厚さおよび横寸法の変動などといった、プロセス非理想性（non-idealities）の存在下において、モード整合（すなわち、０Ｈｚの周波数分離）を達成する。態様によれば、このデバイスは、それぞれ、１２７μＶ／°／ｓｅｃおよび２１４μＶ／°／ｓｅｃのｘ軸レートおよびｙ軸レートの感度を実証することができる。面内駆動共振モード／面外検出共振モードに対して、真空中で約１００００の高い品質係数（Ｑ）を観察することができる。このデバイスは、ＨＡＲＰＳＳ（high aspect-ratio combined poly- and single-crystal silicon micromachining）プロセスの修正版を使用して実装され、それによって、ヨーディスク（yaw disk）ジャイロスコープと統合されるときに、シングルチップ３軸実装形態が可能になる。

本開示の一観点によれば、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置は、共振体部材、少なくとも１つの第１の電極、および少なくとも１つの第２の電極を含む。態様によれば、この共振体部材は頂面および側面を有する。共振体部材の頂面は、第１の縦方向容量性エアギャップによって第１の電極と隔てられており、共振体部材の側面は、第１の横方向容量性エアギャップによって第１の電極と隔てられている。第１の縦方向容量性エアギャップは、実質的に第１の横方向容量性エアギャップよりも大きい。さらに、共振体部材の頂面は、第２の縦方向容量性エアギャップによって第２の電極と隔てられており、共振体部材の側面は、第２の横方向容量性エアギャップによって第２の電極と隔てられている。第２の縦方向容量性エアギャップは、第２の横方向容量性エアギャップよりも実質的に小さい。第１の縦方向容量性エアギャップおよび第2の横方向容量性エアギャップは、約５μｍとしてもよい。第１の横方向容量性エアギャップは約２００ｎｍとし、第２の縦方向容量性エアギャップは約３００ｎｍとしてもよい。

別の観点によれば、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置を製作する方法は、頂面および側面を有する共振体部材を形成することを含む。第１の縦方向容量性エアギャップよりも実質的に小さい、第１の横方向容量性エアギャップによって共振体部材の側面と隔てられている、側方電極が形成される。第２の横方向容量性エアギャップよりも実質的に小さい、第２の縦方向容量性エアギャップによって共振体部材の頂面と隔てられている、頂部電極が形成される。

別の観点によれば、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置は、共振体部材と、それぞれの横方向容量性エアギャップおよび縦方向容量性エアギャップによって、それぞれ共振体部材に容量的に結合されている、第１および第２の電極とを含む。第１の電極の横 方向容量性エアギャップの１つの幅は、第１の電極の縦方向容量性エアギャップの１つの幅よりも小さい。同様に、第２の電極の縦方向容量性エアギャップの１つの幅は、第２の電極の横方向容量性エアギャップの１つの幅よりも小さい。第１および第２の電極は、その間に離隔層を導入することによって、同じ場所に画定することができる。

さらに別の観点によれば、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置は、共振体部材と、横方向容量性エアギャップおよび縦方向容量性エアギャップによって、それぞれが共振体部材に容量的に結合されている、複数の電極とを含む。
本開示を、以下の添付の図面を参照して、図解して説明する。

図１は、本開示の様々な態様による、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープの斜視図である。 図２Ａは、本開示の様々な態様による、面内駆動共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図２Ｂは、本開示の様々な態様による、面外ｘ軸検出共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図２Ｃは、本開示の様々な態様による、面外ｙ軸検出共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 本開示の態様による、図４Ｄに示された共振構造と隔てられた側方電極の拡大図である。 本開示の態様による、図４Ｄに示された共振構造と隔てられた頂部電極の拡大図である。 図４Ａは、本開示の態様による、２軸環形ジャイロスコープを製作するプロセスの視覚的表現である。 図４Bは、本開示の態様による、２軸環形ジャイロスコープを製作するプロセスの視覚的表現である。 図４Cは、本開示の態様による、２軸環形ジャイロスコープを製作するプロセスの視覚的表現である。 図４Dは、本開示の態様による、２軸環形ジャイロスコープを製作するプロセスの視覚的表現である。 図５は、本開示の様々な態様による、図３Ａ、３Ｂおよび図４Ａ〜Ｄに示されるような２軸環形ジャイロスコープを製作するプロセスを示すフロー図である。 図６は、本開示の様々な態様による、開放穴および選択的に画定された電極領域を備える、２軸ジャイロスコープの上方斜視図を示す、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像である。 図７Ａは、本開示の様々な態様による、２軸ジャイロスコープの振動マスおよび頂部電極の横断面図である。 図７Ｂは、本開示の様々な態様による、２軸ジャイロスコープの振動マスおよび側方電極の横断面図である。 図８は、本開示の様々な態様による、２軸環形ジャイロスコープの厚さおよび横方向寸法の変動に対するＡＮＳＹＳシミュレーション結果のグラフ表現である。 図９は、本開示の様々な態様による、２軸環形ジャイロスコープの実測検出モード可同調性（tunability）に対する結果のグラフ表現である。 図１０は、本開示の様々な態様による、２軸環形ジャイロスコープの実測駆動モード可同調性に対する結果のグラフ表現である。

図１１は、本開示の様々な態様による、振動共振子の所与の面内および面外運動による、側方電極および頂部電極からの、実測有意信号強度差に対する結果のグラフ表現である。 図１２は、本開示の様々な態様による、Ｑ係数と圧力との関係を示す、測定結果のグラフ表現であり、この図に示すように、それぞれ駆動モード、ｘ軸モード、およびｙ軸モードに対して、７．２％、１６．５％、および１５．１２％の係数変化を示す。 図１３Ａは、本開示の様々な態様による、２軸ジャイロスコープの実測レート感度を示すグラフである。 図１３Ｂは、本開示の様々な態様による、２軸ジャイロスコープの実測レート感度を示すグラフである。 図１４は、本開示の様々な態様による、アラン分散（Allan variance）測定を示すグラフである。 図１５Ａは、ｎ＝２の面外モードの例示的共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図１５Ｂは、ｎ＝３の面外モードの例示的共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図１５Ｃは、ｎ＝４の面外モードの例示的共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図１５Ｄは、ｎ＝５の面外モードの例示的共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図１５Ｅは、ｍ＝２の面内モードの例示的共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図１５Ｆは、ｍ＝３の面内モードの例示的共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。 図１５Ｇは、ｍ＝４の面内モードの例示的共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す図である。

詳細な説明
本明細書の技術は、同時２軸のピッチ／ロールレート検出（例えば、ｘ軸およびｙ軸）用の、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープデバイスの設計、製作、および特性評価を目的としている。このジャイロスコープは、既存のジャイロスコープよりも、通常、１桁から３桁高い周波数で動作する。このデバイスの高い動作周波数と高い品質係数によって、ブラウンノイズフロア（Brownian noise floor）が低周波数の対比物よりも数桁、低下し、それによってデバイスは、１００Ｈｚに近づき、それを超える動作帯域幅を維持しながら、高い解像度を維持することが可能になる。開示するデバイスは、増大した感度に対して、１つの面内共振モードと２つの面外共振モード、または２つの面内共振モードと１つの面外共振モードの組合せを利用することができる。これらの共振モードは、ほぼ同一の周波数においてモード整合される。プロセス変動が存在する中で高い製造歩留まりを実現するために、開示のデバイスは、各共振モードに対して広帯域周波数の可同調性を保持することができる。ＨＡＲＰＳＳ（high aspect-ratio combined poly- and single-crystal silicon micromachining）プロセスの修正版を使用して、デバイス周波数可同調性を拡大、強化し、面内駆動モードと面外検出共振モードとの信号隔離を改善し、検出電極へ供給される直交信号成分（quadrature signal component）の絶対値を最小化する。

本開示は、図面と合わせて以下の説明を読むことによって、より完全に理解されるであろう。この説明において、本開示の様々な態様の範囲内で、同一の番号は類似の要素を指している。この説明においては、実施態様について、特許請求の範囲を説明する。本明細書に記載する方法、装置およびシステムは、単に例示的なものであること、また本開示の趣旨と範囲から逸脱することなく、変形物を構成することができることに、当業者は気付くであろう。

次に図面を参照すると、図１は、本開示の態様による、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープの斜視図である。図１に示すように、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置１００は、支持構造１４０によって共振子本体１０２に接続された中心構造１０１を含んでもよい。様々な態様において、共振子本体１０２は、支持構造１４０によって懸架または支持されてもよく、これらの支持構造１４０はビーム形構造である。中心構造１０１は、分極バイアス電圧をかけるための、支持アンカーおよび場所として作用するように構成してもよい。態様によっては、中心構造１０１は、正または負のＤＣ電圧のいずれかによって、共振子本体１０２にバイアスをかける分極ＤＣ電圧用の接続パッドとなる。共振子本体１０２は共振するように構成されるが、中心構造１０１は動作中に共振しなくてもよい。

共振子本体１０２は、中心構造１０１を包囲するように寸法決めされた環形体としてもよい。態様によっては、この環形体は、円形であるか、またはその対称軸に対して周期的に繰り返された構造としてもよい。共振体１０２を中心構造１０１に接続する、支持構造１４０には、アスペクト比における制限がなくてもよい。さらに、図１に示されるように、支持構造１４０内の穿孔を、製作プロセスに応じて導入してもよく、またしなくてもよい。さらに、このジャイロスコープは、１００ｋＨｚよりも高い周波数において動作させてもよく、この共振周波数は、共振体１０２の半径方向寸法および厚さに応じて、共振周波数１０ＭＨｚに到達することが可能である。共振子本体１０２は、ほぼ同一の値である、面内共振モードおよび面外共振モードを、さらに含んでもよい。

共振子本体１０２は、シリコン、ポリシリコン、金属、圧電性物質、高分子材料、またはそれらの任意の組合せとしてもよい。様々な態様においては、共振子本体１０２は、頂面、底面、および共振子本体１０２の周囲のまわりに延びる側面を有する。態様によっては、共振子本体１０２は、環形体または多角形体としてもよい。共振子１０２は、中空または中実としてもよく、また態様によっては、共振子本体１０２は、シリコン・オン・インシュレータ基板または単結晶シリコン基板のハンドル層１０４によって支持してもよい。

２軸レート感度を実現するために、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置１００は、本明細書においてはｘ軸モードおよびｙ軸モードとそれぞれ呼ぶ、面内楕円駆動モードおよび２つの直交面外検出モードを利用するように設計される。同時に２軸のピッチおよびロールのレート変化を検出するために、ｘ軸およびｙ軸の少なくとも一方のアンチノード（antinode：波腹）に位置合わせされたアンチノードの少なくとも一方を利用してもよい。したがって、偶数番号モードを、２軸ピッチ／ロールレート検出またはピッチ／ロール角検出の駆動モードに使用することができる。したがって、ｍ＝２、４、６、その他のような偶数番号モードを、駆動モードとして利用してもよい。様々な態様において、面内楕円駆動モードまたはワイングラスモードを利用することができる。さらに、駆動モードを面外モードとし、検出モードを面内モードとしてもよい。面内楕円駆動モードは、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙ方向の少なくとも１つに位置合わせされた４つのアンチノードの倍数を有することができる。

様々な態様において、Ｓｉ＜１００＞基板が、９０度毎の周期的弾性を有することから、利用される。１つの面内モードを、Ｓｉ＜１００＞方向に位置合わせして、他方の面内モードをＳｉ＜１１０＞方向に位置合わせすることができる。これらの２つのモードは、互いに４５度離すことができる。様々な態様において、Ｓｉ＜１００＞方向に位置合わせされた面内モードは、Ｓｉ＜１１０＞方向に位置合わせされた他方のモードよりも低い周波数を有し、それによって、他の面外検出モード周波数とモード整合させることを容易にすることができる。さらに、Ｓｉ＜１１０＞方向に位置合わせされた、他方の駆動面内モードを、駆動モードとして使用することもできる。Ｓｉ＜１１０＞基板を含む、その他の異方性基板を利用してもよいことを理解すべきである。さらに、Ｓｉ＜１１１＞基板のような等方性基板も、適切な直交誤差（quadrature error）キャンセル方式を利用するときに、使用することもできる。

装置１００は、その上にデバイスが配置される、底部支持部材（図示せず）、および複数の電極を含んでもよい。装置１００は、共振子本体１０２の側面に容量的に結合されている、基板のＳｉ＜１００＞方向に位置する駆動入力（drive-in）電極１１２から起動してもよい。共振子本体１０２の側面に容量的に結合された駆動出力（drive-out）電極１１４は、面内駆動出力信号を監視するように構成されている。この面内駆動モードは、ｘ軸およびｙ軸と位置合わせされた、アンチノードを有する。付加されたピッチおよびロール回転によって、面外結合が生じ、共振子１０２の頂面に容量的に結合された１つまたは２つ以上の検出電極における、容量性エアギャップ変化によって、差分出力電流を発生する。容量性ギャップは、空気、エポキシ、ポリマー、窒化ケイ素と２酸化ケイ素の化合物、またはそれらの任意の組合せなどの、非電導性材料で構成することができる。

出力信号の差分検出のために、Ω_ｘ ⁻検出電極１２２、Ω_ｘ ^＋検出電極１２４、Ω_ｙ ⁻検出電極１３２およびΩ_ｙ ^＋検出電極１３４を含む、４つの検出電極を、電極が面外モードのアンチノードの上の領域に近接するように、画定される。アンチノードは、定常波において存在する変位の振幅が最大になる点として定義してもよい。例証用の態様においては、面外モードのアンチノードは、＋Ｚ軸または−Ｚ軸に向かうモードが、最大変位を有する点である。共振子本体１０２を起動するように構成された、駆動電極は、（１００）Ｓｉ基板によって利用されるときに、シリコン基板の＜１００＞および＜１１０＞の方向の内の少なくとも一方に位置してもよい。しかしながら、デバイスが、（１１１）シリコン基板で構成されるときには、起動／検知方向は、シリコン方位の異方性によって制約されなくてもよい。

単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置１００は、駆動同調電極１１６および１１８、Ω_ｘ同調電極１２６および１２８、ならびにΩ_ｙ同調電極１３６および１３８をさらに含んでもよい。これらの同調電極は、モードの周波数をシフトさせるように構成してもよい。様々な態様において、同調電極は、静電同調方法を使用して、モードの周波数に同調するように、面外モードのアンチノードに配設される。一般的に、静電同調は、「電気的剛性（electrical stiffness）」を増大させることによるシステムの「合計剛性」における変化に基づいており、ＤＣ電圧差を付加することによる、「電気的剛性変化」は、ＤＣ電圧が振動モードのアンチノードからかけられるときに、最大効果がある。それゆえに、同調電極は、対応する共振モードのアンチノードに配設することができる。

次に図２Ａ〜Ｃも参照すると、図２Ａに示されるような面内駆動モードは、ｘ軸およびｙ軸と位置合わせされたアンチノードを有する。図２Ｂは、面外ｘ軸検出共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示し、図２Ｃは、本発明の開示の様々な態様による、面外ｙ軸検出共振モードのＡＮＳＹＳシミュレーションモデルを示す。付加されたピッチ／ロール回転は、面外結合を生じさせる。例えば、ピッチ軸からの入力回転レートは、頂部Ω_ｘ ⁻検出電極１２２および共振子１０２の間の縦方向容量性エアギャップ、および頂部Ω_ｘ ^＋検出電極１２４と共振子１０２の間の縦方向容量性エアギャップの両方における変化を生じる。容量性エアギャップが変化すると、頂部Ω_ｘ ⁻検出電極１２２およびΩ_ｘ ^＋検出電極１２４において、差分出力電流が発生するのに対して、頂部Ω_ｙ ⁻検出電極１３２およびΩ_ｙ ^＋検出電極１３４は、ｘ軸からの入力回転レートによる出力電流を発生しない。同様に、ロール軸からの入力回転は、頂部Ω_ｙ ⁻検出電極１３２および共振子１０２の間の縦方向容量性エアギャップ、および頂部Ω_ｙ ^＋検出電極１３４と共振子１０２の間の縦方向容量性エアギャップの両方における変化を生じるのに対して、頂部Ω_ｘ ⁻検出電極１２２およびΩ_ｘ ^＋検出電極１２４は、ｙ軸からの入力回転レートによる出力電流を発生しない。ｘ軸モードのアンチノードは、ｙ軸モードのノードと位置合わせされており、また逆も真であるので、デバイスは、本質的に小さい交差軸感度（cross-axis sensitivity）を生じる。

面内駆動モードおよび面外検出モードの周波数は、特定のデバイス寸法に整合するように設計される。しかしながら、製作プロセスにおける欠陥により生じる不可避のプロセス変動およびその結果としての初期周波数分離とともに、ＳＯＩウェハなどの基板の厚さおよび横方向寸法の変動に対処するために、面内周波数同調電極１１６、１１８および面外周波数同調電極１２６、１２８、１３６、１３８が、製作プロセス中に選択的に画定される。面内駆動モードのアンチノードに位置する、２つの駆動同調電極１１６、１１８は、駆動モード周波数を、面外検出モード周波数への影響を最小にして、同調する。面外検出モード同調に対して、Ω_ｘ同調電極１２６、１２８およびΩ_ｙ同調電極１３６、１３８は、９０度離して配列して、バランスのとれた静電力を発揮させてもよい。様々な態様において、周波数同調は、モード整合または近接モード整合（near-mode matching）のために使用される。少なくとも１つの周波数同調電極は、共振本体１０２の面内駆動モードのアンチノード（複数を含む）におけるサブミクロン横断（または水平）容量性絶縁ギャップによって、共振本体１０２と隔ててもよく、少なくとも１つの周波数同調電極は、共振本体１０２の面外モード（複数を含む）のアンチノードにおけるサブミクロン縦方向容量性絶縁ギャップによって共振本体１０２と隔ててもよい。上述のように、周波数同調は、横／厚さバイアスおよび／またはそれらの組合せにおけるプロセス変動下での周波数分離に対処するように工夫されている。

モード間の干渉を最小にして各共振モードを同調するために、縦方向容量性エアギャップおよび横方向容量性エアギャップの大きさが、注意深く選択される。頂部ｘ軸レート検出／同調電極１２２、１２４，１２６、１２８およびｙ軸レート検出／同調電極１３２、１３４、１３６、１３８は、それぞれ、共振子１０２に対して、約３００ｎｍの狭い縦方向容量性エアギャップを有する。様々な態様において、縦方向容量性エアギャップは、５０ｎｍから５μｍの間の範囲とすることができる。さらに、頂部ｘ軸レート検出／同調電極１２２、１２４、１２６、１２８、およびｙ軸レート検出／同調電極１３２、１３４、１３６、１３８は、共振子１０２から約５μｍの比較的広い横方向エアギャップサイズを有する。様々な態様において、頂部電極における側方エアギャップは５００ｎｍから５０μｍの範囲とすることができる。

次に図３Ａを参照すると、共振子１０２、および駆動入力電極１１２、駆動出力電極１１４、または駆動モード同調電極１１６、１１８のいずれかのような、例示的な側方駆動モード電極の拡大断面図が示されている。側方電極１１２は、大きな縦方向容量性エアギャップ３１０によって共振子１０２の頂面１０４と隔てられるとともに、比較的小さな横方向容量性エアギャップ３１２によって共振子１０２の側面１０６と隔てられている。様々な態様において、縦方向容量性エアギャップ３１０は、共振子１０２の頂面１０４から約２μｍである。様々な態様において、側方電極における縦方向容量性エアギャップは、５００ｎｍから５０μｍの範囲とすることができる。横方向容量性エアギャップ３１２は、共振子１０２の側面１０６から約２００ｎｍである。様々な態様においては、側方電極における横方向容量性エアギャップは、５０ｎｍから５μｍの範囲とすることができる。

同様に、図３Ｂは、共振子１０２、および頂部電極１２２、１２４、１２６、１２８、１３２、１３４、１３６、１３８のいずれかのような、例示的な頂部電極の拡大図を示す。頂部電極１２２は、小さな縦方向容量性エアギャップ３２０によって共振子１０２の頂面１０４と隔てられているとともに、比較的大きい横方向容量性エアギャップ３２２によって共振子１０２の側面１０６と隔てられている。様々な態様において、縦方向容量性エアギャップ３２０は、共振子１０２の頂面１０４から約３００ｎｍである。様々な態様において、頂部電極における縦方向容量性エアギャップは、５０ｎｍから５μｍの範囲とすることができる。さらに、横方向容量性エアギャップ３２２は、共振子１０２の側面１０６から約５μｍである。様々な態様において、頂部電極における横方向容量性エアギャップは、５００ｎｍから５０μｍの範囲とすることができる。

横方向容量性エアギャップと対応する縦方向容量性エアギャップとの間に、そのような大きな容量性エアギャップサイズ差を持たせることによって、共振子１０２の運動は、１軸に沿ってのみ検知することができ、それによって交差軸感度が最小化される。大きなギャップサイズ差を利用して、横方向容量性エアギャップよりもずっと小さい縦方向容量性エアギャップを有する、検出同調電極１２６、１２８、１３６、１３８は、面内モードに関連する周波数に対する干渉を最小にして、面外モードに関連する周波数に同調することができる。同様に、駆動同調電極１１６、１１８は、縦方向容量性エアギャップ３１０よりもずっと小さい縦方向容量性エアギャップ３１２を有し、それによって、駆動同調電極１１６、１１８は、面外モードに関連する周波数への干渉を生じることなく、面内モードに関連する周波数に同調することが可能となる。

約３００ｎｍの、頂部電極と共振子の間の縦方向容量性エアギャップによって、ジャイロスコープ装置１００は、５ＶＤＣよりも大きい、分極電圧（Ｖｐ）を取り扱うことが可能になることに留意されたい。同調電極１１６、１１８、１２８、１３６、１３８の数、幅、間隔角度（spanned angle）、およびギャップサイズは、３０ＶＤＣ電圧未満で、±０．３μｍの厚さ変動を補償するために、１２ｋＨｚを超える可同調性を得るように最適化される。さらに、検出電極１２２、１２４、１３２、および１３４の選択的に画定された電極構成によって、面外検出電極において見られる、面内駆動モード直交成分を低減することができる。態様によっては、交差軸感度を、直交相殺電極（quadrature cancellation electrodes）を利用して、検出モードのアンチノードを駆動モードのアンチノードに位置合わせすることによって、低減することができる。製作プロセス変動のために、面外モードのアンチノードは、面内モードのアンチニードと位置合わせされていないことがある。検出モードおよび駆動モードに関連するアンチノードの位置合わせ不良（misalignment）は、交差軸感度の源である。したがって、直交相殺電極を使用することによって、直交相殺電極によって得られる静電力を使用して、共振モードを適当な方位に位置合わせしてもよい。様々な態様において、駆動モード誘起および検出は、圧電式に行うことができる。

現在、静電変換のための非常に高いアスペクト比のエアギャップを達成するために、シリコン共振子は、主として、従来式ＨＡＲＰＳＳプロセスを使用して、製作されている。従来式ＨＡＲＰＳＳプロセスにおいて、ＤＲＩＥプロセスを使用してシリコン中にエッチングされたトレンチは、シリコンバルク音響共振子の寸法を画定し、一方で、その後に熱成長された二酸化ケイ素犠牲層が、シリコンバルク音響共振器と駆動／検出ポリシリコン電極との間のエアギャップを画定する。

次に図４Ａ〜Ｄを参照すると、様々な態様による、２軸環形ジャイロスコープ１００を製作するプロセスの視覚表現が示されている。このプロセスは、図４Ａに示されるように、初期の厚い熱酸化層４１２をＳｉ＜１００＞シリコン・オン・インシュレータ基板４１０上に生成、パターン形成することから始まる。シリコン・オン・インシュレータ基板４１０には、埋め込み酸化物層４０４によって第２のシリコン層４０６と隔てられた、第１のシリコン層４０２を含めてもよい。一態様において、シリコン・オン・インシュレータ基板４１０における、デバイス層４０６の厚さは、約４１μｍ厚さである。第２のシリコン層４０６は、熱酸化物マスク４１２を使用することによってエッチングされ、図４Ａに示されるように、第１の低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ：Low-Pressure Chemical Vapor Deposition）犠牲酸化物（ＳＡＣＯＸ：Sacrificial Oxide）層４１４が堆積される。態様によっては、犠牲酸化物の第１層は、約２００ｎｍ厚さとすることができる。

次いで、第１のポリシリコン層４２０を、ボロンドーピング（boron doping）の後に堆積させて、表面から逆にエッチングしてもよい。簡単にするために、第１のポリシリコン層４２０は、インサイチュ（in-situ）ドーピングで堆積させてもよい。トレンチリフィル式（trench-refilled）の第１のポリシリコン層４２０は、図３Ｂのギャップで示されるように、頂部電極が画定されると仮定される領域からエッチングされる。
３μｍ厚さのＬＰＣＶＤ酸化物層４３０が、空のトレンチを再補充するために堆積されてパターン形成される。３００ｎｍ厚さの第２のＬＰＣＶＤ ＳＡＣＯＸ層４３４が、堆積、パターン形成されて、図４Ｃに示されるように、狭い縦方向容量性エアギャップを生成する。次いで、第２のポリシリコン層４５０を堆積させて、ボロンドーピング、アニーリングして、パターン形成して構造を完成させてもよい。このバッチは、時間設定された制御（timed control）によってフッ化水素酸に放出することによって終了し、図４Ｄに示されているように、頂部電極１２２として示されている、頂部電極と共振子１０２（陰線で外形が示されている）との間の縦方向容量性エアギャップと、駆動電極１１２として示されている側方電極と共振子１０２との間の横方向容量性エアギャップの両方が残される。

図５は、本開示の態様による、図３Ａおよび３Ｂ、ならびに図４Ａ〜Ｄに示された、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープの製作方法を示す。ルーチン５００が、動作５０２で始まり、ここで熱酸化層４１２が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板４１０上にパターン形成される。動作５０２から、ルーチン５００は動作５０４へと進み、ここで第２のシリコン層４０６が、熱酸化物マスクを使用してエッチングされる。動作５０４から、ルーチン５００は動作５０６へと進み、ここで、図４Ａに示されるように、犠牲酸化物層３０８が堆積される。

動作５０６から、ルーチン５００は動作５０８へと進み、ここで、第１のポリシリコン層４２０が、第２のシリコン層４０６内に画定されたトレンチ内部に堆積される。動作５０８から、ルーチン５００は動作５１０に進み、ここで、第１のポリシリコン層４２０は、側方電極が形成されていない表面からエッチングされる。動作５１０から、ルーチン５００は動作５１２に進み、ここで、第１のポリシリコン層４２０は、電極１２２、１２４、１２６、１２８、１３２、１３４、１３６および１３８などの頂部電極が画定されことになる、表面からエッチングされる。これには、頂部電極に加えて、共振子１０２の任意の表面４３４に関連するトレンチが含まれ、これらのトレンチによって、図４Ｃに示されるように、頂部電極が、縦方向容量性エアギャップ３２０によって隔てられることになる。

動作５１２から、ルーチン５００は動作５１４に進み、ここで、酸化物層４３０が堆積されて、空のトレンチおよび穴を再補充する。態様によっては、酸化物層４３０は、３μｍ厚さのＬＰＣＶＤ酸化物層４３０である。動作５１４から、ルーチン５００は動作５１６に進み、ここで第２の犠牲酸化物層４４０が共振子１０２の表面１０４上に堆積され、この酸化物層によって、頂部電極１２２などの頂部電極が、縦方向容量性エアギャップ３２０によって隔てられることになる。動作５１６から、ルーチン５００は動作５１８に進み、ここで第２のポリシリコン層４５０は堆積されて、頂部電極１２２を形成する。態様によっては、第２のポリシリコン層４５０を、ボロンドープ、アニーリング、そしてパターン形成して、構造を完成させてもよい。動作５１８から、ルーチン５００は動作５２０に進み、ここで構造をフッ化水素酸（ＨＦ）、またはその他任意の酸化物除去物質に、時間設定された制御の下で暴露して、図３Ａおよび３Ｂに示されるように、頂部電極１２２と共振子１０２の頂面１０４との間の比較的小さな縦方向容量性エアギャップ３２０と、側方電極１１２と共振子１０２の側面１０６との間の比較的小さい横方向容量性エアギャップを残してもよい。動作５２０から、ルーチン５００は終了する。

次に図６を参照すると、放出穴および選択的に画定される電極領域を含む、２軸ジャイロスコープ装置１００のＳＥＭ画像が示されている。図６に示されるように、共振子本体１０２は、複数の内部スプリング１６２を有してもよく、この内部スプリングは、共振子本体の内部部分１６４を、それのより周辺の部分１６６に結合する。図７Ａは、本開示の様々な態様による、２軸ジャイロスコープの頂部電極領域および振動マスの横断面である。図７Ｂは、本開示の様々な態様による、２軸ジャイロスコープの側方電極および振動マスの横断面である。

図８は、本開示の様々な態様による、２軸環形ジャイロスコープの厚さおよび横変動に対するＡＮＳＹＳシミュレーションのグラフ表現である。プロセス変動の下で、駆動および検出モードの周波数シフトを予測するために、プロセス・バイアスモデル（process-biased model）を使用して、ＡＮＳＹＳシミュレーションを実行した。面外検出モードと面内駆動モードの間の周波数差のシミュレーションから、図７Ａ〜Ｂに示されるように、＋２．１５ｋＨｚ／０．１μｍの厚さ変動と、−５．３３ｋＨｚ／０．１μｍの横方向寸法変動があることがわかった。基板厚さ変動は、プロット８００に示されるように、横方向バイアスを与えることによって、オフセットさせることができるが、大きな静電的同調の機会を有することが、製造歩留まりを向上させるために望ましい。

図９は、本開示の様々な態様による、２軸環形ジャイロスコープ１００の実測検出モード可同調性に対する結果のグラフ表現である。図９は、１５Ｖまでの印加ＤＣ電圧を使用する、検出モードの実測周波数可同調性を表わす、プロット９００を示す。約４ｋＨｚの検出モード周波数可同調性を、面外モード同調電極１２６、１２８、１３６、および１３８への印加ＤＣ電圧を調節することによって、観察することができる。

図１０は、３０Ｖまでの印加ＤＣ電圧を使用する、駆動モードの実測周波数可同調性を表わすプロットを示す。約１４．２ｋＨｚの駆動モード周波数可同調性を、駆動同調電極１１６、１１８を接地させて、ＤＣ分極電圧（ＶＰ）を単に増大させることによって観察することができる。同調された周波数は、製作プロセス中の±０．３μｍ厚さ変動に匹敵する、モード整合動作を立証する。面内および面外の同調挙動の両方が、交差モード（cross-mode）同調の少ない、大きな可同調性を示している。

「ほぼ独立の」大きな周波数可同調性と共に、選択的に画定されたギャップサイズの結果として、図１１に示されるように、振動共振子１０２の所与の面内運動および面外運動によって、側方電極と頂部電極との間に、大きな信号強度差が生じる。信号が駆動入力電極１１２から駆動されるときには、検出電極１２２、１２４、１３２、１３４から観察される信号は、駆動出力電極１１４からよりも１０ｄＢ超低い信号を示す。同様に、デバイスが、Ω_ｘ ^＋電極１２４のような検出電極の１つから起動されるとき、側方電極１１２、１１４から観察される信号は、頂部電極１２２、１３２、１３４からよりも１０ｄＢ超低い信号を示す。

一態様において、駆動モード、ｘ軸モード、およびｙ軸モードに対する品質係数は、分割モード条件下で、それぞれ約９．７ｋ、１３ｋおよび１０ｋとすることができる。真空圧を０．１μＢａｒから１ｍＢａｒまで変化させた結果として、図１２に示されるように、駆動モード、ｘ軸モード、およびｙ軸モードに対して、それぞれ７．２％、１６．５％、および１５．２％のＱ係数変化が生じた。

図１３Ａ〜Ｂは、本開示の様々な態様による、８００μｍ直径＜１００＞Ｓｉ２軸ジャイロスコープの、実測レート感度を示すグラフ１３００Ａおよび１３００Ｂを示す。ｘ軸およびｙ軸の回転レートに対するスケール係数は、交差軸感度をそれぞれ２５．２％および２０．１％として、約１２７．４μＶ／°／ｓｅｃ／電極および２１３．８μＶ／°／ｓｅｃ／電極とすることができる。交差軸感度は、直交相殺電極を利用して、検出モードのアンチノードを、駆動モードのアンチノードと位置合わせすること、または較正技法を導入することによって低減することができる。
図１４は、本開示の一態様によるアラン分散測定を示すグラフ１４００を示す。アラン分散測定は、Ｘ軸モードおよびＹ軸モードそれぞれに対して、約０．１８°／ｓｅｃおよび０．３０°／ｓｅｃのバイアスドリフトを示すことがある。

０．９ＭＨｚ単一プルーフ・マス式ピッチ・アンド・ロール環形ジャイロスコープが提示される。この高周波デバイスは、改良型ＨＡＲＰＳＳプロセスを使用して設計および製作されており、このプロセスは、大きな周波数可同調性を可能にするとともに、縦方向および横方向の容量性エアギャップを選択的に画定することによって、ジャイロスコープ１００の面内モードと面外モードの間の信号絶縁を向上させる。さらに、ジャイロスコープのＱ係数は、０．１μＢａｒから１ｍＢａｒの範囲内などの圧力変化には比較的、感度が低い。このことによって、低コストパッケージングと安定したデバイス動作が可能になる。表１には、本開示による、例示的環形ジャイロスコープ１００の性能パラメータが要約されている。

共振体１０２は、様々な共振動作モード；ｍ＝ｎ±１(ここで、ｍ＝面内モードのモード番号、およびｎ＝面外モードのモード番号)の中で、以下の組合せによって動作させられる。例えば、図１５Ｆに示されている面内駆動モードは、図１５Ａまたは図１５Ｃと一緒に使用が可能である。さらに、図１５Ｇに示されている面内駆動モードは、図１５Ｂまたは図１５Ｄと一緒に使用が可能である。デバイスは、面内モードで駆動して、面外モードで検出することが可能であり、その逆も可能である。

本開示によって、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープは、ピッチ・アンド・ロールの軸に対する、角度レート測定および直接角度読出しの（全角度モード）ために動作させることができることが明白であろう。さらに、ジャイロスコープは、同時ピッチ・アンド・ロール角度レート／角度測定用に使用できるとともに、その他のモード整合周波数から分離して、面外検出周波数の１つを定位することによって、単軸ピッチ・アンド・ロール角度レート／角度測定も可能である。

開示の態様を参照して、本開示を例証的に説明した。添付の特許請求の範囲に定義される、本開示の範囲から逸脱することなく、当業者は、様々な修正および変更を、開示の態様に加えてもよい。

Claims (36)

1. 共振体部材、
   それぞれの横方向容量性絶縁ギャップおよび縦方向容量性絶縁ギャップによって、それぞれが容量的に前記共振体部材に結合された、第１および第２の電極、
   を含む単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置であって、
   前記第１の電極の前記横方向容量性絶縁ギャップおよび前記縦方向容量性絶縁ギャップの一方の幅が、前記第２の電極の同様の絶縁ギャップの幅よりも実質的に小さい、装置。
2. 共振体部材が中心構造に接続されている、請求項１に記載の装置。
3. 共振体部材が、該共振体部材を中心構造に接続する少なくとも１つの支持部材によって支持されている、請求項２に記載の装置。
4. 共振体部材が環形体である、請求項１に記載の装置。
5. 共振体部材が多角形体である、請求項１に記載の装置。
6. 第１の電極は、第１の縦方向容量性絶縁ギャップよりも実質的に小さい第１の横方向容量性絶縁ギャップによって、共振体部材に容量的に結合されており、第２の電極は、第２の横方向容量性絶縁ギャップよりも実質的に小さい第２の縦方向容量性絶縁ギャップによって、共振体部材に容量的に結合されている、請求項１に記載の装置。
7. 横方向容量性絶縁ギャップと縦方向容量性絶縁ギャップの少なくとも一方が、非導電材料で構成されている、請求項１に記載の装置。
8. 第１の電極が駆動電極であり、第２の電極が検出電極である、請求項１に記載の装置。
9. 面内駆動モード、該面内駆動モードと直交する第１の直交面外検出モード、ならびに前記第１の直交面外検出モードおよび前記面内駆動モードに直交する、第２の直交面外検出モードを使用するように構成された、請求項１に記載の装置。
10. 第２の電極が、面外モードのアンチノードの上に画定された４つの検出電極を含む、請求項６に記載の装置。
11. 面内駆動モードが、面外モードのアンチノードと位置合わせされたアンチノードを有する、請求項１０に記載の装置。
12. 第１の面外モードのアンチノードが、第２の面外モードのノードと位置合わせされており、第２の面外モードのアンチノードが第１の面外モードのノードと位置合わせされている、請求項１１に記載の装置。
13. 面内駆動モード、第１の直交面外検出モード、および第２の直交面外検出モードの周波数がモード整合されている、請求項１２に記載の装置。
14. 共振体が、面内駆動モードおよび２つの面外検出モード用の共振周波数が特定の周波数に位置する、モード整合条件において動作する、請求項１３に記載の装置。
15. 面内駆動モードおよび２つの面外検出モードに対する共振周波数が、特定の動作周波数内で、約３ｄＢの帯域幅内に位置している、モード整合に近い条件において、共振体が動作される、請求項１３に記載の装置。
16. 面内駆動モードのアンチノードに位置する、面内周波数同調電極をさらに含む、請求項９に記載の装置。
17. 約９０°互いに隔てられた４つの面外周波数同調電極をさらに含む、請求項９に記載の装置。
18. 第１の横方向容量性絶縁ギャップが約２００ｎｍである、請求項６に記載の装置。
19. 第２の横方向容量性絶縁ギャップが約３００ｎｍである、請求項６に記載の装置。
20. 第１の縦方向容量性絶縁ギャップおよび第２の横方向容量性絶縁ギャップが、約５μｍである、請求項６に記載の装置。
21. 直交相殺電極をさらに含む、請求項１に記載の装置。
22. 共振体部材が、異方性基板で構成されている、請求項１に記載の装置。
23. 第１の電極が、シリコン基板の＜１００＞方向と＜１１０＞方向の少なくとも一方に位置する、請求項２２に記載の装置。
24. 共振体部材が、等方性基板で構成されている、請求項１に記載の装置。
25. 共振体を起動するように構成された第１の電極が、（１００）シリコン基板によって使用されるときに、シリコン基板の＜１００＞方向と＜１１０＞方向の少なくとも一方に位置する、請求項６に記載の装置。
26. 共振体が、該共振体の共振モードを誘起し、検出するように構成された、少なくとも１つの圧電層を含む、請求項１に記載の装置。
27. 少なくとも１つの圧電層が、共振体と、該共振体を支持する支持構造の少なくとも一方の表面に取り付けられている、請求項２６に記載の装置。
28. 少なくとも１つの周波数同調電極をさらに含み、該周波数同調電極は、共振体部材と実質的にモード整合するように構成されている、請求項１に記載の装置。
29. 周波数同調電極が、容量性絶縁ギャップによって、共振体部材の面内駆動モードのアンチノードから隔てられている、請求項２８に記載の装置。
30. 周波数同調電極が、容量性絶縁ギャップによって、共振体の面外モードのアンチノードから隔てられている、請求項２９に記載の装置。
31. 容量性絶縁ギャップが空気を含む、請求項１に記載の装置。
32. 共振体部材、および
    横方向容量性絶縁ギャップと縦方向容量性絶縁ギャップとによって、それぞれが共振体部材に容量的に結合されている、複数の電極
    を含む、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置であって、
    第１の電極を前記共振体部材に容量的に結合する少なくとも１つの絶縁ギャップの幅が、第２の電極を前記共振体部材に容量的に結合する少なくとも１つの絶縁ギャップの幅よりも実質的に小さい、前記装置。
33. 第１の電極の横方向容量性絶縁ギャップの幅が、第２の電極のそれよりも実質的に小さい、請求項３２に記載の装置。
34. 第１の電極の縦方向容量性絶縁ギャップの幅が、第２の電極のそれよりも実質的に小さい、請求項３２に記載の装置。
35. 第１の電極の縦方向容量性絶縁ギャップが、横方向容量性絶縁ギャップの幅と実質的に異なる幅を有する、請求項３２に記載の装置。
36. Ａ）頂面および側面を有する共振体部材を形成すること、
    Ｂ）前記側方電極を前記共振体部材の前記頂面から隔てている第１の縦方向容量性絶縁ギャップよりも実質的に小さい、第１の横方向容量性絶縁ギャップによって、前記共振体部材の前記側面から隔てられている、側方電極を形成すること、および
    Ｃ）前記頂部電極を前記共振体部材の前記側面から隔てている第２の横方向容量性絶縁ギャップよりも実質的に小さい、第２の縦方向容量性絶縁ギャップによって、前記共振体部材の前記頂面から隔てられている、頂部電極を形成すること
    を含む、単一プルーフ・マス２軸ジャイロスコープ装置の製作方法。