JP2016530541A - 改良された直交位相補正を有するジャイロスコープ構造体およびジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

振動質量体と、本体要素と、振動質量体を本体要素に懸架するばね構造体とを有する微小電気機械のジャイロスコープ構造体。一次振動において、振動質量体の少なくとも一部は、面外方向に振動する。第１の導体は、振動質量体とともに動くように配置され、第２の導体は、本体要素に取り付けられる。これら導体は隣接する表面を含み、これら表面は第１の方向と第３の方向とに伸びる。電圧要素は、第１の表面と第２の表面との間に電位差を作り出すように配置され、そしてこれにより、第２の方向に、振動質量体の一次振動によって変調された静電力を誘導する。【選択図】図４

Description

発明の分野
本発明は、微小電気機械デバイス、および、特に独立請求項の前文に規定する、ジャイロスコープ構造体およびジャイロスコープに関する。

発明の背景
微小電気機械システム（マイクロエレクトロメカニカルシステム；Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）、つまり、ＭＥＭＳは、小型化された機械的および電気機械的システムであって、少なくともいくつかの要素が機械的機能性を有するもの、と定義できる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路の作成に使用する道具と同じものを使って作られるので、複数のマイクロマシンとマイクロエレクトロニクス要素を同じシリコンピース上に組み立てることで、知能的なマシンが可能となる。

ＭＥＭＳ構造は、物理的性質（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）におけるごく僅かな変化を迅速かつ正確に検出するために適用できる。例えば、微小電気機械のジャイロスコープは、ごく僅かな角変位を迅速かつ正確に検出するために適用できる。運動（ｍｏｔｉｏｎ）は、３直交方向における並進と３直交軸の周りの回転の、６自由度を有する。後者の３つは、ジャイロスコープとしても知られる角速度センサによって測定され得る。ＭＥＭＳジャイロスコープは、角速度の測定にコリオリの効果を利用する。質量体が１方向に移動中に回転角速度が加えられると、質量体は、コリオリ力の結果として直交方向の力を受ける。そして、コリオリ力によって結果として生じた物理的移動が、例えば、容量型、圧電型または圧抵抗型の検知構造から検出され得る。

ＭＥＭＳジャイロにおいては、適切なベアリングを欠くため、一次運動（ｐｒｉｍａｒｙ ｍｏｔｉｏｎ）は、通常、従来のジャイロにみられるような連続的な回転にならない。その代わりに、機械的振動が一次運動として利用され得る。振動ジャイロスコープが一次運動の方向に直交する角運動を受けると、波状の（ｕｎｄｕｌａｔｉｎｇ）コリオリ力が生ずる。これが、該一次運動と該角運動の軸とに直交する二次振動を一次振動の周波数にて作り出す。この連動した振動の振幅を角速度の測定に用いることができる。

ジャイロスコープは、非常に複雑な慣性ＭＥＭＳセンサである。ジャイロスコープの設計における基本的な課題は、コリオリ力がごく小さいため、発生する信号が、ジャイロスコープにおいて存在する他の電気信号に比べて極めて小さくなりがちなことである。スプリアス共振と振動の影響を受けやすいことが多くのＭＥＭＳジャイロ設計における悩みの種である。

ジャイロスコープの設計における１つの課題は、直交位相誤差運動（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｅｒｒｏｒ ｍｏｔｉｏｎ）である。理想的なジャイロスコープ構造においては、一次振動と二次振動とは完全に直角である。しかし、現実の装置においては不完全が生じ、振動質量体の一次モードの変位とジャイロスコープの二次モードとの直接的連結を起こす。この直接的連結は、直交位相誤差（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｅｒｒｏｒ）と呼ばれる。角運動信号と直交位相信号との間の位相差は、９０度であり、このことは、直交位相誤差が基本的に位相感応復調（ｐｈａｓｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いて排除し得ることを意味する。しかし、直交位相信号は、角運動信号に比べて非常に大きいことがあり、それゆえ、読み出し用エレクトロニクスや位相復調の位相精度にとって不合理なダイナミックレンジを要求するかもしれない。

この誤差の原因に対処する既知の方法の１つは、静電直交位相キャンセレーション（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）であり、これは直交位相信号が生成される前にセンサ構造において誤差信号を取り除く。このために、一次振動と完全に同相で二次振動に平行な静電力を振動質量体に加えてもよい。図１は、米国特許５，９９２，２３３号公報において紹介される先行技術の静電直交位相抑制のための構成を示す。図１は、振動検定質量体の互いに反対側から突き出た２本の指を有する振動検定質量体を示している。突き出た指の各々は、固定電極の左右の指に囲まれ、指の各対の右指と左指の間に小さな電位差が印加される。逆の電位差を右の指と対応する左の指との間に印加して、この電位差が平衡力を作り出して直交位相誤差を相殺するようにしてもよい。

しかしながら、ジャイロスコープ構造では、振動質量体の一次モードの振動が面外方向であるので、この原理は応用できない。ＭＥＭＳデバイスは、典型的には積層構造であり、ジャイロスコープ構造は下層のまたは被覆する本体要素に懸架されている。先行技術の周囲を囲む固定電極の構成を作り、温度に対して堅牢に必要な補正電圧差を提供するのは、困難あるいは不可能でさえあろうことは容易に理解できる。

発明の概要
本発明の目的は、面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）方向に励起される１以上の平面質量体（ｐｌａｎａｒ ｍａｓｓｅｓ）を有するジャイロスコープ構造体について効率の良い直交位相補正を可能にするジャイロスコープ構造体を設計することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従うジャイロスコープ構造体を用いて実現される。

特許請求の範囲は、振動質量体（ｓｅｉｓｍｉｃ ｍａｓｓ）と、少なくとも１つの本体要素と、振動質量体を本体要素に懸架するばね構造体とを有する微小電気機械のジャイロスコープ構造体を定義する。一次振動（ｐｒｉｍａｒｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）において、振動質量体の少なくとも一部は第１の方向に振動し、二次振動（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）において、振動質量体の少なくとも一部は第１の方向に対して垂直な第２の方向に動く。振動質量体は、第２の方向と第３の方向とに平面的に伸びる表面平面（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｎｅ）を有する。第１の導体は、振動質量体とともに動くように配置され、かつ振動質量体上を第１の方向と第３の方向に伸びる第１の表面を含み、ここで第３の方向は第１の方向と第２の方向に対して垂直である。第２の導体は、本体要素に取り付けられ、かつ第１の方向と第３の方向に伸び第１の表面に隣接する第２の表面を含む。電圧要素は、第１の表面と第２の表面との間に電位差を作り出すように配置され、そしてこれにより、第２の方向における静電力であって振動質量体の一次振動によって変調される静電力を誘導する。

特許請求の範囲は、当該微小電気機械のジャイロスコープ構造体を含むジャイロスコープも定義する。本発明の好ましい実施態様は、従属請求項に開示される。

本発明は、振動する（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ）振動質量体に並べて平面表面を配置し、固定電極に並べて対応する平行表面を配置し、かつ、これらの表面を互いに隣接するように配置することに基づいている。そうして静電力が、一次運動の間２つの表面の重なり合う領域が変化するように、プレート間に作り出されるとともに、静電力がその変化に従って変調されるようになる。静電力は、一次振動の間望まない面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）運動を排除し、振動質量体の振動は、所望の面外運動に正確に位置合わせされるようになる。

本発明のさらなる利点を以下の実施態様とともに、より詳細に説明する。

図面の簡単な説明
以下に、好ましい実施態様に関連して、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、静電直交位相抑制のための先行技術の構成を示す。 図２Ａおよび図２Ｂは、例示的な微小電気機械のジャイロスコープ構造体を示す。 図３Ａおよび図３Ｂは、２Ｂの構造を用いる使用時の電気力変調を示す。 図４は、例示的な直交位相補正要素の上面図を提供する。 図５Ａおよび図５Ｂは、異なる櫛形構造体の２つの例を示す。 図６は、ジャイロスコープ構造体のためのさらなる櫛形構成を示す。 図７は、図４の補正要素の側面斜視図を示す。 図８は、ジャイロスコープ構造体が２つの振動質量体を有する実施態様を示す。

いくつかの実施態様の詳細な説明
下記の各実施態様は例示である。明細書中において「或る」、「１つの」または「いくつかの」実施態様ということがあるが、これは、必ずしもこれらの語による言及が同じ実施態様を意味したり、特徴が１つの実施態様にのみ適用されることを意味したりするものではない。異なる実施態様の特徴を１つずつ組み合わせて更なる実施態様を提供してもよい。

以下、本発明の様々な実施態様を実施しうるデバイス構成の単純な実施例を用いて本発明の特徴を説明するが、実施態様の描写に関係のある要素のみを詳細に説明する。一般的に当業者に知られているジャイロスコープ構造体の各種の実装は、ここに具体的に記載しない場合がある。

本発明は、面外一次運動を受けるように構成された少なくとも１つの振動質量体を有する任意のジャイロスコープ構造体に適用できる。図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の説明において適用する基本概念と方向を示す。図２Ａおよび図２Ｂは、振動質量体２００と本体要素２０２とを有する例示的な微小電気機械のジャイロスコープ構造体を示す。用語「振動質量体」は、ここでは、自らに作用する力に応答して慣性運動を提供するように他の構造に懸架されていてもよい質量体本体を指す。ジャイロスコープ構造体は、また、ジャイロスコープの本体要素２０２上に振動質量体２００を懸架するためのばね構造体２０４も含む。本体要素は、例えば、ジャイロスコープダイの下層のハンドルウェハまたはその上を覆うキャップウェハによって提供されていてもよい。なお、構造ウェハ、ハンドルウェハおよびキャップウェハの区別は概念的なものである。当業者には、例えば、ハンドルウェハと構造ウェハとは別々にパターン形成されてもよく、あるいは層状のシリコン‐絶縁体‐シリコン基板からの組合せでパターン形成されてもよいことは明らかである。振動質量体は、１以上の本体要素に懸架されていてもよい。

ばね構造体２０４は、振動質量体２００の少なくとも一部が本体要素から離れるように第１の方向１に動く、面外一次振動を振動質量体が受けるような方法で、振動質量体２００を懸架するように構成されている。面外の動きは、平面振動質量体の両端がシーソー型の運動においてねじれて本体部分から離れたり本体部分に向かって行ったりする、振動質量体の回転振動を含んでいてもよい。その一方で、面外の動きは、平面振動質量体が直線的に振動し本体部分から離れたり本体部分に向かって行ったりする、振動質量体の線形振動を含んでいてもよい。また、面外の動きは、平面振動質量体が、振動質量体の遠位の端部が１つの方向に動き、平行軸の間の振動質量体の近位の部分が他の方向に動くように、２つの平行軸の間で屈曲する、振動質量体の座屈を含んでいてもよい。

振動質量体の面外振動において、振動質量体の少なくとも一部は、本体部分における懸架平面２０６から遠ざかって動く。本体要素２０２の層は、懸架平面２０６と考えてもよく、また、一次振動において、振動質量体の少なくとも一部分の速度ｖ（本文における下線はベクトル表記である。）は、懸架平面２０６に対して垂直な成分を有すると考えてもよい。図２Ａは、ばね構造体が振動質量体を懸架平面２０６に対して垂直な線形の面外振動に懸架する構成を示す。その場合において、振動質量体の任意の部分の速度ｖは、懸架平面２０６に対して垂直な成分を有する。図２Ｂは、ばね構造体が、振動質量体を懸架平面２０６に対して平行な回転軸２０８の周りの回転性の面外振動に懸架する構成を示す。その場合において、回転軸２０８と一致する振動質量体の点の速度ｖはゼロであるが、一次運動における振動質量体の他の任意の部分の速度は懸架平面２０６に対して垂直な成分ｖ_１を有する。また、振動質量体の一部が懸架平面に対して垂直な成分を有する、他の形態の面外運動も同様に適用し得る。

なお、簡潔にする目的で、図２の例においては、本体要素２０２は下層の基板として示され、懸架平面は基板の平らな外面に位置合わせされていると考えられる。そのような構成は製造しやすいが、本発明の見地からは、本体部分は平らである必要はなく、また懸架平面は基板の外面である必要はない。振動質量体の平面内、下層の本体部分内または上を覆う本体部分内の、任意の平らな層または凹凸のある層であって、これに対して垂直に一次振動が起こり得るものであれば懸架平面２０６として利用できる。

振動質量体が第１の方向における面外一次振動に励起されている場合、第１の方向に対して垂直な軸の周りの振動質量体の角運動は、第１の方向と角運動軸に対して垂直な方向に振動質量体を変位させるコリオリ力を生じさせる。図２Ａおよび図２Ｂの例示的な構成において、コリオリ力による変位は、第２の方向２に起こる。図２Ａにおいて、コリオリ力は、振動質量体を第２の方向２に線形に振動させる。図２Ｂにおいて、コリオリ力は、振動質量体の少なくとも一部の速度が第２の方向２に成分を有するように、振動質量体に、第１の方向１において回転軸２１０の周りの振動を誘導する。角運動は、このようにして第２の方向２における振動質量体の動きを検出することによって測定してもよい。

ジャイロスコープ構造体は、典型的には、振動質量体２００に面外一次運動を駆動するように構成された励起手段（図示せず）を含む。励起手段は、導体、つまり質量体電極であって、振動質量体２００とともに動き、本体要素２０２に取り付けられる単数または複数の固定電極と電気的に相互作用する質量体電極、を含んでいてもよい。制御された電気的相互作用の結果として、励起手段は、振動質量体２００に、本体要素２０２に対する面外振動を誘導してもよい。特定の面外方向の電気的励起力を振動質量体に作り出すことができる様々な励起構造を技術的範囲内で適用してもよいことが理解される。例えば、励起手段は、振動質量体の表面上にパターン形成された電極層領域を有していてもよい。代替的に、振動質量体は、それ自体が導電材料で形成されていてもよい。また、圧電型の励起は、例えば、振動質量体を懸架するばねを形成する層の上に重ねられた圧電フィルムによって印加されてもよい。

一次振動における意図しない偏位によって起きる誤差を減らすまたは無くすために、変調された電気力が、少なくとも２つの導体によって、振動質量体に誘導されてもよい。第１の導体は、振動質量体の動きに沿って動くように配置され、第２の導体は、本体要素に関して固定され、かつ第１の導体に隣接して配置される。電位差は、第１の導体と第２の導体との間に提供されてもよく、これにより、導体間に電界が発生し、第２の方向における振動質量体の運動に対して平衡力を作り出す。

平衡力は、検知した振動質量体の運動を妨げてはならないので、補正後の偏位と完全に同時で、かつそれらのみに比例していなければならない。これを実現するために、面外一次運動を用いる構造においては、導体の両表面は、第１の方向と第３の方向に平面的に伸び、かつ互いに隣接するがゼロでない距離で隔てられるように、配置されていてもよい。仮に電位差が両表面の間に形成されている場合は、両表面は、２つの電荷表面の間の静電力が両表面の重なり合う領域に比例するコンデンサを形成する。両表面の位置決めにより、先行技術の振動質量体の上方と下方の対向する導体対がなくても、重なり合う領域の範囲を振動質量体の面外一次運動に沿って変化できるようにするとともに、平衡力を正確に案内できるようにする。これらの一次振動モードと二次振動モードにそのような要素の構成を作るとすれば、非常に困難あるいは少なくともコストがかかり、その動作も温度の変化に極めて影響され易いであろうことが容易に理解される。

図３Ａおよび図３Ｂは、２Ｂの構造を用いる使用時の電気力変調を示し、ここでは一次運動は面外回転振動である。この例において、振動質量体は、２つの表面（上面と底面）の間を第２の方向と第３の方向に沿って平面的かつ直線的に伸び、第１の方向と第３の方向に沿って平面的に伸びる側面を有する。第１の表面３００は、振動質量体の片側の表面上、即ち、第１の方向と第３の方向に沿って平面的に伸びる振動質量体の表面上、に位置する電極層領域で形成されていてもよい。その一方で、振動質量体は、それ自体が導電材料で形成されていてもよく、あるいは、振動質量体は、振動質量体の片側の表面全体が第１の表面として作用するように、導電材料の層で覆われていてもよい。第２の導体は、本体要素（ここでは下層の基板）に含まれていても固定して取り付けられていてもよく、第１の表面に隣接して伸びる第２の表面を含んでいてもよい。図３Ａおよび図３Ｂは、一次振動のこの段階における、第１の表面３００と第２の表面３０２の位置を示す。図３Ａは、重なり合いが最大である場合の一次振動のゼロ点における図２Ｂのジャイロスコープ構造体の側面図であり、図３Ｂは、一次振動の他の段階の間の同じ表面を示す。

図３Ａに示すように、ゼロ点において、第１の表面３００と第２の表面３０２とは、互いに完全に反対側にあり、かつ、両表面の重なり合う領域３０４は、小さい方の表面（ここでは第２の表面３０２）の領域に等しい。後述するように、第１の表面３００の領域は、第２の表面３０２の領域より小さくても、大きくても、等しくてもよい。図３Ｂに示すように、振動質量体が面外方向に動く場合、第１の表面３００と第２の表面の間の重なり合う領域３０４は減少し、両者の間を平衡にする静電力を変調する。両表面の間の電圧差は、較正によって適切なレベルに調整されてもよい。較正の方法は当業者に周知であり、ここではこれ以上詳細に説明しない。

これらの表面の配向によって作り出される平衡力は、先行技術の面内振動構成におけるものよりも小さいものであり得ることが容易に理解される。しかし、微小電気機械のジャイロスコープ構造体において適用される寸法には、適切な直交位相信号補正が、製造がずっと容易で、かつ、温度に対して堅牢なこの構成を用いて達成し得ることが注目される。

図４は、図２Ｂのジャイロスコープ構造体に適用できる例示的な直交位相補正要素の上面図を提供する。直交位相補正要素は、振動質量体とともに動くように配置される第１の導体４００を有する。第１の導体４００は、第１の振動質量体上に重ねられた材料の導電層（または第１の振動質量体）を用いて実施されてもよく、あるいは、その関係する部分が電極として作用するのに十分な高い導電性を有していてもよい。この例では、第１の導体４００は、振動質量体から突き出るビーム状の要素である。

また、直交位相補正要素は、下層の本体要素に取り付けられていてもよい第２の導体４０２も有し、このようにして第１の振動質量体の一次運動の間の安定性を維持する。第２の導体４０２は、ビーム状構造も有していてもよい。第２の方向２における適切な方向性の静電力を作り出すために、第１の導体４００は第１の表面４０４を含み、第２の導体は第２の表面４０６を含み、これらの表面４０４、４０６は隣接する位置に配置される。用語「隣接」とは、ここでは、第１の導体４００と第２の導体４０２の初期の相互の配置、即ち、第１の振動質量体が本体要素に懸架されているだけの（一次運動も二次運動もない）時の配置を指す。電圧差が第１の導体４００と第２の導体４０２との間に存在する時は、第２の方向２における電界がこれら表面４０４、４０６の間に形成される。

また、直交位相補正要素は、少なくとも第２の導体４０２に接続される直流バイアス電圧源（図示せず）も含んでいてもよい。そうして第１の導体４００と、第２の導体４０２と、直流バイアス電圧源とは、二次振動の方向に平行な、振動質量体の一次振動によって変調される静電力を共同して発生させるように接続されていてもよい。第１の導体４００の第１の表面４０４と第２の導体４０２の第２の表面４０６とは、電界と関連する静電容量を作るパラレルプレートを形成すると考えることができる。

最低限、ジャイロスコープ構造体は、１対の導体を有して構成され、その一方が振動質量体において面外方向に伸びる表面を提供し、もう一方が本体要素に固定され本体要素において隣接する平行表面を提供する。ただし、平衡力は、インターデジタル櫛形（櫛歯をかみ合わせるような配置；ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｍｂ）、即ち、細長いビーム状要素の櫛歯状の周期的パターンに配置された、２つ以上の電極対を用いて増加されていてもよい。図５Ａおよび図５Ｂは、異なる櫛形構造体の２つの例を示す。振動質量体５００は、振動質量体に支持され、そこから第３の方向３に伸びる第１の複数の細長いビーム５０４を含んでいてもよい。また、構造は、本体要素（例えば、基板またはキャップ層）に固定されている第２の電極５０２も含んでいてもよい。第２の電極５０２は、振動質量体の第１の複数の細長いビーム５０４に平行になるように製造される第２の複数の細長いビーム５０６を含んでいてもよい。動作中は、共通の電位差が第１の複数の細長いビーム５０４と第２の複数の細長いビーム５０８との間に作られていてもよい。これは、同じ構成の最小限の空間において存在する平衡力を増大させる。また、これは、振動質量体の細長いビームまたは第２の導体の形態における、潜在的な製造上の誤差を平均化する。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ジャイロスコープ構造体はさらなる第２の電極５１０を含んでいてもよく、これは振動質量体の第１の複数の細長いビーム５０４に平行となるように製造される第３の複数の細長いビーム５１２を含んでいてもよいが、振動質量体の第１の複数の細長いビーム５０４と第２の複数の細長いビーム５０８の間に生ずる静電力と反対の静電力を発生させるように配置される。

たとえ、図５Ａおよび図５Ｂの櫛形構造体が図２Ｂのジャイロスコープ構造体に関連して開示されているとしても、これらは、一次運動が線形の面外振動である図２Ａのジャイロスコープ構造体にも相応に適用できることが注目される。

図６は、ジャイロスコープ構造体のためのさらなる櫛部構成を示す。図６は、図５Ａおよび図５Ｂにおいて紹介した、第１の導体６００と、第２の導体６０２と、第１の導体の複数の細長いビーム６０４と、第２の導体の複数の細長いビーム６０６とを示す。微小電気機械構造は、典型的には、ギャップ閉鎖型（ｃｌｏｓｉｎｇ ｇａｐ）櫛部（パラレルプレートコンデンサ）または線形櫛部（縦型（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）コンデンサ）を利用する。ギャップ閉鎖型櫛部（図５Ａおよび図５Ｂを参照）においては、櫛歯の面内静電容量の挙動は、変動する櫛歯のギャップと一定の領域とを用いるパラレルプレートコンデンサによって、ほぼモデル化することができる。線形櫛部（図６を参照）において、櫛歯は、面内で互いに平行に動き、静電容量の挙動は、変動する領域と一定の櫛歯のギャップとを用いるパラレルプレートコンデンサによって、モデル化することができる。容量型のトランスデューサシステムにおいて、パラレルプレートコンデンサの堅さ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）は、システムが、平衡点の周辺でどのように振る舞うかを特徴づけるとともに、システムに有効ばね定数を提供する。電圧バイアスされたパラレルプレートコンデンサは、復元ばね力を効果的に減少させることによって、システムの堅さを減少させることがある。線形櫛部において、静電容量は、変位と一緒に線形に変化するので、コンデンサ上に作用する力は変位に依存せず、櫛部の駆動静電容量は、ばね力を導入しない。図６の線形櫛部構成を用いて、静電ばね効果を直交位相補正要素から効果的に排除することができる。

静電場について正確な変調周波数を可能にするために、第１の表面と第２の表面の領域の範囲は、互いに異なっていてもよい。図７は、図４の補正要素の側面斜視図を示す。第１の表面４０４は、第１の方向１における第１の高さｈ１に伸びるように構成されていてもよいことが分かる。これに対応して、第２の表面４０６は、第１の方向１における第２の高さｈ２に伸びるように構成されていてもよい。有利には、高さｈ１とｈ２とが異なっており（差がゼロでない）、これら表面のいずれか一方が他方より高くなる。図７の例示的な構成において、第１の導体４００は、第２の導体４０２よりも大幅に低くなるようにエッチダウンされている。

ジャイロスコープ構造体において、ばね構造体は、質量体の平面に対して垂直な方向における振動質量体の一次振動について、一次振動の範囲を特定の最大振幅以下に限定するように構成されている。有利には、１方向における平衡力を提供する第１の導体と第２の導体とは、面外の動きの振幅が最小である時に両表面の重なり合う領域が最大となり、かつ面外の動きの振幅が最大である時に両表面の重なり合う領域が最小となるように、構成されている。これは、第１の導体と第２の導体とが同一平面から第１の方向に伸び、第１の高さｈ１と第２の高さｈ２との間の差がこの設計最大振幅に等しいかこれより大きくなるように、図７の構成を用いて達成される。これは、動作中に、第１の表面４０４の端部７００が第２の表面４０６の端部７０２を超えないことを保証する。振動質量体の周期的な一次運動の間、第１の表面と第２の表面との重なり合う領域は周期の半分においてのみ変化し、適切な位相においてのみ一次運動に対する平衡力を変調する。代替的に、振動質量体の一次運動の周波数に従い、第１の導体と第２の導体との間の電位差を電気的に逆転させることにより所望の位相整合を実現することも可能であるが、図７に示す機械的構成は、ずっと堅牢であり、より簡単に実施できる。

図７に示すように、第１の表面４０４が第２の表面４０６よりも低い時には、静電力は一次運動の半周期において変調される。また、第１の表面４０４が第２の表面４０６よりも高くなるように、第２の導体４０６をエッチダウンすることも可能である。その場合において、静電力は、一次運動の他の半周期において変調される。

ジャイロスコープ構造体は、ここに開示した少なくとも１つの直交位相補正要素を含んでいてもよい。有利には、振動質量体の一次運動が回転軸の周りの回転振動であるジャイロスコープ構造体において、少なくとも１つの直交位相補正要素は、回転軸のいずれの側に配置されていてもよい。回転軸の両側における直交位相補正要素は、対として適用して、その一方が一次運動の一方の１半周期の間における正の第２の方向の静電力を変調し、他方が一次運動の他方の１半周期の間における負の第２の方向の静電力を変調するようにしてもよい。対向する直交位相補正要素は、一次運動の周期全体の間、変調された面内補正を提供する回転静電力を共同して発生させるように使用してもよい。

上記原理は、２つ以上の振動質量体を含むジャイロスコープ構造体においても有利である。図８は、ジャイロスコープ構造体が第１の振動質量体８００と第２の振動質量体８０２とを含む実施態様を示す。ジャイロスコープ構造体は、第１の振動質量体８００と第２の振動質量体８０２とをジャイロスコープの本体要素に懸架するための第１のばね構造体８０４も含んでいる。第１のばね構造体８０４は、第１の振動質量体８００と第２の振動質量体８０２とを平行な位置に懸架するように構成して、第１の振動質量体８００の平面と第２の振動質量体８０２の平面とが質量体の懸架平面８０６（以下、質量体の平面）を形成するようにしてもよい。質量体の平面８０６は、作用する外部の力が全く加えられていない時に初期の設計位置に懸架された、振動質量体８００、８０２によって形成されている基準面である。様々な条件下、およびジャイロスコープの動作中には、それぞれの振動質量体は、それ自体、後に個別に動いたり、質量体の平面８０６の外に変形したりしてもよいことが理解される。

図８に示すように、第１のばね構造体８０４の要素は、有利には、第１の振動質量体８００と第２の振動質量体８０２の平面形状の中にある。第１のばね構造体８０４は、第１の振動質量体８００の平面内に第１のアンカーポイント８０８を含んでいてもよい。第１のアンカーポイント８０８は、第１の振動質量体８００をジャイロスコープの他の本体要素（例えば、下層の基板および／または被覆するキャップ）に取り付けるのに適した要素を指す。第１のアンカーポイント８０８は、例えば、領域の外縁から振動質量体の材料を取り除くことによって第１の振動質量体８００の体積の平面にパターン形成された領域であってもよい。第１のばね構造体８０４は、第１のアンカーポイント８０８と第１の振動質量体８００とに取り付けられた第１のばねアセンブリ８１０も含んでいてもよい。第１のばねアセンブリ８１０は、第１の振動質量体８００が質量体の平面８０６における第１の励起軸８１２の周りで回転振動するのを可能にするように構成されていてもよい。第１のばねアセンブリ８１０は、例えば、第１の振動質量体８００の平面に、第１のアンカーポイント８０８と第１の振動質量体８００との間を延びるようにパターン形成された第１のビーム状ばねを含んでいてもよい。動作中に第１の振動質量体８００が第１の励起軸８１２の周りで振動する時に、ビーム状ばねは、第１のアンカーポイント８０８と第１の振動質量体８００との間でねじれてもよい。

それに対応して、第１のばね構造体８０４は、第２の振動質量体８０２の平面内に第２のアンカーポイント８１４を含んでいてもよい。第２のアンカーポイント８１４は、第２の振動質量体８０２を他の本体要素（例えば、下層の基板および／または被覆するキャップ）に取り付けるのに適した要素を指す。第２のアンカーポイント８１４は、また、例えば、領域の外縁から振動質量体の材料を取り除くことによって第２の振動質量体８０２の体積の平面にパターン形成された領域であってもよい。第１のばね構造体８０４は、第２のアンカーポイント８１４と第２の振動質量体８０２とに取り付けられた第２のばねアセンブリ８１６も含んでいてもよい。第２のばねアセンブリ８１６は、第２の振動質量体８０２が質量体の平面８０６における第２の励起軸８１８の周りで回転振動するのを可能にするように構成されていてもよい。第２のばねアセンブリ８１６は、例えば、第２の振動質量体８０２の平面に、第２のアンカーポイント８１４と第２の振動質量体８０２との間を延びるようにパターン形成された第２のビーム状ばねを含んでいてもよい。動作中に第２の振動質量体８０２が第２の励起軸８１８の周りで振動する時に、ビーム状ばねは、第２のアンカーポイント８１４と第２の振動質量体８０２との間でねじれてもよい。なお、ビーム状ばねは、第１と第２のばねアセンブリのための例示的な構造に過ぎない。他の形状を技術的範囲内で適用してもよい。例えば、各アンカーポイントを囲む環状のばね構造体も、この目的のために同様に適用し得る。

図８に示すように、第１の励起軸８１２と第２の励起軸８１８とは、共通の主軸８２０を形成するように位置決めされている。共通の主軸８２０は、第１のアンカーポイント８０８と第２のアンカーポイント８１４とを横切って、一次運動が、共通の主軸８２０に関する、振動質量体の両側の端部のシーソー型の運動を含むようにしてもよい。

第１のばね構造体８０４において、第１のばねアセンブリ８１０は、また、第１の振動質量体８００の平面を横切り、かつ質量体の平面８０６に対して垂直な第１の検出軸８２２の周りで、第１の振動質量体８００が回転振動できるようにする。それに対応して、第２のばねアセンブリ８１６もまた、第２の振動質量体８０２が、質量体の平面８０６に対して垂直な第２の検出軸８２４の周りで回転振動できるようにする。ビーム状ばねの事例において、ビームばねは、面内で曲げを受けていてもよく、そしてこれによりそれぞれの振動質量体の面内回転振動を促進する。第１の検出軸８２２と第２の検出軸８２４とは、ゼロでない距離によって互いから隔てられている。有利には、検出軸８２２、８２４は、振動質量体８００、８０２の間の中心線８２６について対称に配置されている。

センサ構造は、第１の振動質量体８００と第２の振動質量体８０２とに、共通の主軸８２０の周りの振動を駆動するように構成されている励起手段も含んでいてもよい。第１の励起手段は、第１の振動質量体８００とともに動くように構成されている第１の質量体電極８３０と、第２の振動質量体８０２とともに動くように構成されている第２の質量体電極８３２とを含んでいてもよい。電極８３０、８３２は、キャップまたは基板に取り付けられている単数または複数の電極と電気的に相互作用してもよく、そして、この電気的相互作用の結果として、それぞれの振動質量体８００、８０２に共通の主軸８２０の周りの回転振動を誘導してもよい。

図１における例示的な第１の励起手段では、振動質量体はそれ自体が導電材料で形成され、キャップの内側の固定電極８３０、８３２（図８に示す導体の突出部）と相互作用する。振動質量体に対して特定の面外方向の励起力を作り出すことができる他の位置と他の励起構造を技術的範囲内で適用してもよいことが理解される。例えば、第１の質量体電極は、第１の振動質量体８００とともに動くように構成されていてもよく、第２の質量体電極は、第２の振動質量体８０２とともに動くように構成されていてもよい。電極は、キャップまたは基板に取り付けられている単数または複数の電極と電気的に相互作用するように構成されていてもよく、そして、この電気的相互作用の結果として、それぞれの振動質量体８００、８０２に共通の主軸８２０の周りの回転振動を誘導してもよい。また、圧電型の励起を適用してもよい。他の対応する構造は当業者に周知であり、ここでは詳細に説明しない。

二重差動検出を可能にするために、第１の振動質量体８００の回転振動と第２の振動質量体８０２の回転振動とが逆位相運動に連結されていてもよい。逆位相運動は、ここでは、２つの振動質量体の振動性の運動であって、これらの振動質量体が同じく振動するが異なる相にて振動する運動を指す。有利には、これら振動質量体は、逆位相にて振動する。振動質量体８００、８０２は、連結ばね８８０によって互いに接続されていてもよい。連結ばね８８０は、有利には、一次運動における振動質量体８００、８０２の回転振動下で共通の主軸８２０に沿ってねじれるように構成され、そして二次運動における振動質量体８００、８０２の回転振動下で質量体の平面８０６において曲がるように構成されている。連結ばね８８０は、これにより検出した振動質量体の運動を外部の角度衝撃によって起きる質量体の共通モードのたわみ（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を拒絶する逆位相の差動モードに連結する。この連結は、このようにして機械的に過酷な環境下においてさえも格別に安定した動作を保証する。

上述のように、検知した角運動に対応する二次運動が、第２の方向、即ち質量体の平面８０６の方向に起こる。この方向における運動の検出は、本来的に極めて安定で、かつパッケージが誘発する応力による機械的変形に対処するための様々な方法を提供する櫛形構造体を用いて実行されてもよい。ジャイロスコープ構造体は、第１の検出軸８１２の周りの第１の振動質量体８００の回転振動と第２の検出軸８１８の周りの第２の振動質量体８０２の回転振動とを検出するように構成された検出手段８７０、８７１、８７２、８７３を含んでいてもよい。

図８に示すように、ジャイロスコープ構造体は、図１〜図７を用いて上記で開示した１以上の直交位相補正要素８９０を含んでいてもよい。図８の例示的なジャイロスコープ構造体において、各々の振動質量体８００、８０２は、質量体の平面の方向に直線的に伸びる平面形状を有し、一次振動は、共通の主軸８２０の周りの振動質量体の回転振動である。共通の主軸８２０は、各々の振動質量体８００、８０２の両側に平行であり、これらを２つの部分に分割する。振動質量体８００、８０２に対する補正力を最大にするために、補正要素８９０が振動質量体８００、８０２の端部に配置されていてもよい。これらの振動質量体の一端において、主軸までの距離が最大であり、その結果、それに対応して、一次運動の最大振幅となり、そしてこれにより補正力の最大制御となる。面外一次運動が回転振動ではない時は、補正要素の位置はこの側面に関係がない。

本発明の実施態様は、請求項に記載のジャイロスコープ構造体を含む微小電気機械のジャイロスコープも含む。図９は、第１の構成要素９００と第２の構成要素９０２とを含むジャイロスコープの要素を示す。第１の構成要素９００は、図１〜図８のいずれのジャイロスコープ構造体を含んでいてもよく、第２の構成要素９０２は、ジャイロスコープ構造体と電気信号ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４を交換するように接続された電気回路９０２を含んでいてもよい。

技術の進歩に従い、本発明の基本概念が様々な方法で実施し得ることは、当業者に自明である。従って、本発明およびその実施態様は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の適用範囲内で変化しうるものである。

Claims (19)

1. 微小電気機械のジャイロスコープ構造体であって、前記構造体が、
   振動質量体と、
   本体要素と、
   ばね構造体であって、前記ばね構造体は、前記振動質量体を前記本体要素に懸架して、前記振動質量体の少なくとも一部が第１の方向に振動するように励起されている一次振動、および前記振動質量体の少なくとも一部が前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に動く二次振動を可能にするものであり、かつ前記振動質量体が前記第２の方向および第３の方向に平面的に伸びる表面平面を有しており、前記第３の方向が前記第１の方向および前記第２の方向に対して垂直である、前記ばね構造体と、
   第１の導体であって、前記第１の導体は、前記振動質量体とともに動くように配置されており、前記第１の導体は、前記振動質量体上を前記第１の方向および前記第３の方向に伸びる第１の表面を含むものである、前記第１の導体と、
   第２の導体であって、前記第２の導体は、前記本体要素に取り付けられており、かつ前記第１の方向および前記第３の方向に伸び、かつ前記第１の表面に隣接する第２の表面を含むものである、前記第２の導体と、
   電圧要素であって、前記電圧要素は、前記第１の表面と前記第２の表面との間に電位差を作り出し、これにより前記第２の方向に静電力を誘導するように配置されているものであって、前記静電力は、前記振動質量体の前記一次振動によって変調されるものである、前記電圧要素と
   を有する微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
2. 前記第１の表面が、前記第１の方向において第１の高さまで平面的に伸びており、
   前記第２の表面が、前記第１の方向において第２の高さまで平面的に伸びており、
   前記第１の高さと前記第２の高さとが互いに異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
3. 前記電圧要素が、前記第２の導体に接続された直流バイアス電圧源を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
4. 前記ばね構造体が、前記第１の方向における前記振動質量体の前記一次振動について最大振幅を可能にするように構成されており、
   前記第１の高さと前記第２の高さとの間の差が、前記最大振幅と等しいまたはこれより大きい
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
5. 前記第２の表面が、前記第１の表面よりも高い
   ことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
6. 前記第１の表面が、前記第２の表面よりも高い
   ことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
7. 前記一次振動が、前記表面平面に平行な軸の周りの前記振動質量体の回転振動である
   ことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
8. 前記一次振動が、前記本体部分から離れたり前記本体部分に向かったりする前記振動質量体の線形振動である
   ことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
9. 前記一次振動が、２つの平行軸の間の前記振動質量体の座屈振動である
   ことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
10. 前記表面平面が、前記第２の方向および前記第３の方向に直線的に伸びており、
    前記振動質量体が、前記第１の方向および前記第３の方向に平面的に伸びる２つの第１の側面の平面を有し、
    前記振動質量体が、前記第１の方向および前記第２の方向に平面的に伸びる２つの第２の側面の平面を有し、
    前記一次振動が、前記第２の側面の平面に平行であって、前記振動質量体を２つの部分に分割する、回転軸の周りの前記振動質量体の回転振動であり、
    前記第２の導体が、前記第１の側面の平面に隣接し、かつ前記第２の導体から前記回転軸までの距離が、前記振動質量体の同じ部分における前記第１の側面の平面までの距離よりも大きい
    ことを特徴とする前記請求項１〜９のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
11. 前記第２の導体が、少なくとも１つの細長いビームを有し、かつ前記第２の導体の前記細長いビームの表面が、前記振動質量体における前記第１の導体の前記第１の表面に位置合わせされている
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
12. 前記第１の導体が、少なくとも１つの細長いビームを有し、かつ前記第２の導体が、少なくとも１つの細長いビームを有し、前記第１の導体の前記細長いビームの表面が、前記第２の導体の前記細長いビームの表面に位置合わせされている
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
13. 前記第２の導体が、２つの細長いビームを有し、前記２つの細長いビームが、互いに位置合わせされており、かつ互いから距離を置いて取り付けられており、それらの間に前記第１の導体の前記細長いビームを収容する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
14. 前記第１の導体と前記第２の導体とが、複数の細長いビームを有し、
    前記第１の導体の細長いビームが、互いに位置合わせされて第１の櫛形構造体を形成しており、かつ前記第２の導体の細長いビームが、互いに位置合わせされて第２の櫛形構造体を形成しており、
    前記第１の櫛形構造体と前記第２の櫛形構造体とが連結され、平行な面内電極の周期的パターンを形成している
    ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
15. 前記第１の櫛形構造体の前記細長いビームと前記第２の櫛形構造体の前記細長いビームとが、前記第３の方向に平行に伸びている
    ことを特徴とする請求項１４に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
16. 前記第１の櫛形構造体の前記細長いビームと前記第２の櫛形構造体の前記細長いビームとが、前記第２の方向に平行に伸びている
    ことを特徴とする請求項１４に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
17. 前記微小電気機械のジャイロスコープ構造体が、
    第１の振動質量体と第２の振動質量体と、
    前記ばね構造体であって、前記振動質量体を前記本体要素に懸架し、かつ前記第２の方向に平行な共通の主軸の周りで前記第１の振動質量体の回転振動と前記第２の振動質量体の回転振動とを可能にする、前記ばね構造体とを有し、
    前記ばね構造体が、前記第１の方向に平行な第１の検出軸の周りで前記第１の振動質量体の回転振動もできるようにしており、
    前記第２のばねアセンブリが、前記第１の方向に平行な第２の検出軸の周りで前記第２の振動質量体の回転振動もできるようにしており、
    前記第１の検出軸と前記第２の検出軸とが、ゼロでない距離で隔てられている
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
18. 前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体の各々が、第１の導体と、第２の導体と、制御要素とから形成されている少なくとも１つの補正要素を備えている
    ことを特徴とする請求項１７に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体を有する
    ジャイロスコープ。