JP2015121551A - 環境的に堅牢なディスク状共振器ジャイロスコープ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】集積された絶縁体は、電極ウェハと同じウェハ上に作製され、複数の集積絶縁梁210を形成する。絶縁層204の中央領域208に支持された共振器202は絶縁梁210によって外部から熱的かつ機械的に絶縁される。更に、ゲッター226及び衝撃緩和部224を内蔵するキャップ層220により真空封止を形成する。
【選択図】図2
Description
高感度素子(共振器、電極)は、長い可撓性の梁によって完全に吊り下げられることにより、外部応力及び熱影響から絶縁される。絶縁梁は低強度及び可撓性を呈することにより、大きな変位に対して非常に小さい耐力で耐えることができる。したがって、CTE不一致または外部応力のいずれかに起因するチップケースに対する全ての応力または歪みを絶縁梁が吸収することができ、全ての応力または歪みが検出素子に伝達されることがない。これらの絶縁梁は、電極と同じウェハ(電極ウェハ)をエッチングすることにより形成されるので、CTE不一致を最小限に抑え、複雑さ及びコストを低減することができる。絶縁梁の梁剛性を顧客要求に合わせて設計することにより、特定の周波数範囲の振動を減衰することができる。シリコン垂直貫通接続部によって、潜在的な真空リーク経路を無くすことができ、金属によって生じるCTE不一致を低減することができる。
図1Aは、現在のディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)アセンブリ100を示している。現在のDRGは、図示のように、微細機械加工によるセラミックリードレスチップキャリア(LCC)真空パッケージ106を使用して実現されている。代表的なアセンブリ100はコアDRGチップ102を含み、コアDRGチップ102は、セラミックLCCパッケージ106に封止される3層シリコンまたは石英MEMSジャイロチップを含み、セラミックLCCパッケージ106は、気密真空封止を可能にして、ジャイロスコープを正しく動作させることができる。LCCパッケージは、熱圧着によりパッケージ106の残りの部分に接着される蓋104を含むことができる。ワイヤリード108をDRGチップ102と貫通接続部110との間にパッケージ106内で取り付ける。DRGチップ102をパッケージ106に、圧着材112により中央で接着する。更に、パッケージ106の蓋104は、ゲッター114を含むことにより、真空形成を容易にしている。例示的な現在のDRGアセンブリに関する詳細な記述に関しては、例えば「中央にチップを取り付けたプレーナ型共振器ジャイロスコープ(“PLANAR RESONATOR GYROSCOPE WITH CENTRAL DIE ATTACHMENT”)」と題する米国特許出願公開第2008/0295622(A1)号を参照されたい。
次に、本明細書において提供される画期的な設計によるDRGは、現在のDRGアセンブリの上記不具合を解決するために考案されている。本開示の実施形態は、熱的かつ機械的絶縁機構を同じウェハに電極層として組み込み、塵防止キャップ層の代わりに、パイレックスキャップまたは石英キャップを用いて真空封止を行なうことにより、外部パッケージングの必要が全く無いようにしている。キャップ材料及び電極絶縁材料は、CTEが共振器材料のCTEと一致するように選択することができる。全体的な効果は、ジャイロスコープのバイアス及びスケールファクタに対する環境による影響を低減することである。したがって、この画期的なアーキテクチャは、環境的に堅牢なディスク状共振器ジャイロ(ERDRG)と表記することができる。
図14は、本開示のDRGの実施形態を製造する例示的な方法1400のフローチャートである。方法1400は、絶縁層をエッチングすることにより、各々の第1端部が絶縁層の中央領域に、第2端部が絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁を形成する操作1402を含む。操作1404では、絶縁層を選択的に接着して、共振器層及び静電電極を絶縁層の中央領域において支持する。絶縁層及び共振器層を接着した後、操作1406では、共振器を、電極側壁を持つ静電電極を有する共振器層からエッチングし、電極側壁が共振器の共振器側壁と相互作用することにより、共振器の振動モードを静電電極で励起し、検出して、共振器の運動を測定する。操作1408では、支持層を接着して、絶縁層の周辺部を支持する。更に、操作1410では、キャップを接着して共振器を封止することにより、共振器の周り、及び絶縁層の中央領域の周りに、キャップ層と支持層との間において、真空を形成する。方法1400を、任意の操作を設定することにより更に向上させて、これまでの節において記載される装置実施形態を拡張することができる。
Claims (15)
- 共振器ジャイロスコープ(200)を形成する方法(1400)であって、
絶縁層(204、400、700、1100)をエッチングして、各々の第1端部が前記絶縁層の中央領域(208)に、第2端部が前記絶縁層の周辺部にそれぞれ接続される、複数の絶縁梁(210、608、1108)を形成すること(1402)と、
前記絶縁層を選択的に接着して、共振器層(202、700、1004、1006)及び静電電極(124、206、708、1010)を前記絶縁層の中央領域において支持すること(1404)と、
共振器を、前記静電電極を有する前記共振器層からエッチングすることであって、前記電極の側壁がディスク状共振器の共振器側壁と相互作用することにより、前記共振器の振動モードが前記静電電極によって励起され、検出されて、前記共振器の運動が測定されること(1406)と、
支持層(122、214)を接着して前記絶縁層の前記周辺部を支持すること(1408)と
を含む方法(1400)。 - 前記絶縁層が、前記中央領域の前記埋め込み静電電極に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部に達する金属トレース(230、600、604、1106)を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記金属トレースが、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部(110、216、610、1102、1204)まで延在するように接続される、請求項2に記載の方法。
- 前記支持層内の前記導電性貫通接続部がボールグリッドアレイ(BGA)(900、1308)に接続される、請求項3に記載の方法。
- 前記複数の絶縁梁が放射状対称部分円形梁を含む、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記支持層が、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部(222、1206)を含む、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記振動モードが前記共振器の3次元振動モードを含む、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の方法。
- 更に、キャップ(220、800、1300)を接着して前記共振器を封止することにより、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、真空を形成することを含む、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記キャップの内部には、真空の形成を助ける薄膜ゲッター材料(226、810、1306)が更に含まれる、請求項8に記載の方法。
- 前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部(224、808、1304)が含まれる、請求項8に記載の方法。
- 前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層がシリコンを含む、請求項1ないし10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層が石英を含む、請求項1ないし10のいずれか1項に記載の方法。
- 振動モードを使用して運動を測定する共振器手段(202、700、1004、1006)と、
前記共振器手段を中央領域(208)において支持する絶縁層手段(204、400、700、1100)であって、各々の第1端部が前記絶縁層の前記中央領域に、第2端部が前記絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁(210、608、1108)を含む前記絶縁層手段(204、400、700、1100)と、
前記絶縁層手段の前記周辺部を支持する支持層手段(122、214)と
を備える共振器ジャイロスコープ(200)。 - 前記絶縁層が、前記中央領域の静電電極(124、206、708、1010)に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部まで延在する金属トレース(230、600、604、1106)を含み、前記金属トレースが、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部(110、216、610、1102、1204)まで延在するように接続され、前記支持層内の前記導電性貫通接続部がボールグリッドアレイ(BGA)(900、1308)に接続されている、請求項13に記載の共振器ジャイロスコープ。
- 前記共振器を封止するキャップ(220、800、1300)を更に備え、前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部(224、808、1304)が含まれ、前記キャップの内部には、薄膜ゲッター材料(226、810、1306)が更に含まれ、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、真空が形成される、請求項13又は14に記載の共振器ジャイロスコープ。
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