JP3077077B2 - 慣性レートセンサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロメカニカル
技術手段により製造される慣性レートセンサー、詳しく
は、振動チューニングフォーク・レートセンサーに関す
るものである。マイクロメカニカルの慣性率（イナーシ
ャルレート）センサーは、振動ジンバル要素を利用する
ダブルジンバル・システムのジャイロ構造または複数の
チューニングフォーク（音叉）を利用するチューニング
フォーク構造のものが知られており、インプット軸につ
いての慣性レートを検知し、サスペンド（架設支持）さ
れた要素を対応させて動かすか、または、回転させ、慣
性レートを検知できるようになっている。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】前記の装置は、非常に
微細で、デリケートな構造のものであるから、大量に低
コストで製造するには、非常に問題がある。そして、ノ
イズレシオに対する感度を改善し、信号を増やして、前
記装置の使用用途範囲を広げ、同時に、半導体製造技術
において知悉されているフォトグラフ技術を用いてシリ
コンウエファから前記装置を製造する製造工程における
複雑さ、さらには、製造コストを低減し、製造能率を上
げる要望があり、これらが、この発明の解決課題であ
る。

【０００３】

【課題を解決するための具体的手段】この発明によれ
ば、振動要素としての駆動電極および被駆動電極のフィ
ンガーを櫛の歯状に互いに入り込むように組み合わせた
構造の微小構造製造技術によるチューニングフォーク慣
性レートセンサーを前記課題を解決するようにしたもの
であって、該センサーは、ノイズレシオに対する感度と
信号とが改善されているのみならず、製造の複雑さをな
くし、微小構造製造技術の信頼度を増すことができるも
のである。特に、この発明によれば、支持電極で両端が
支持された第１と第２の振動要素を備え、複数の被駆動
電極が前記振動要素に対し直交するように設けられてい
るアッセンブリーが対向する前記支持電極からのたわみ
体によって、半導体基板またはフレームに対し架設され
ている構造になっている。そして、前記被駆動電極に関
連して、複数の駆動電極が前記半導体基板またはフレー
ムの上に設けられていて、該駆動電極の櫛の歯状のフィ
ンガーが前記振動要素の被駆動電極のフィンガーの間に
接触しない状態で重なるように入り込み、容量領域を増
大するように構成されている。前記した振動要素は、実
質的にリニアーであって、互いに平行に配置され、前記
たわみ体を通る軸の両側に位置する微小構造製造技術に
より製造された要素である。また、前記振動要素には、
互いに平行に対面する内側に（外側には、被駆動電極が
位置する）、付加的な質量体（重り）が微小構造製造技
術によって設けられている。

【０００４】この発明においては、後記するように、４
つの検知及び／あるいはトルク電極が支持基体となる半
導体基板または半導体フレーム（以下、フレームは、基
板と同じ意義の用語として使用される）に埋設され、埋
設位置は、前記振動要素の支持電極の対向両端部の下で
ある構造が代表的なもの（この発明を限定するものでは
ない）になっている。検知電子回路および駆動電子回路
が、前記検知電極、駆動電極、前記たわみ体に電気的に
接続している。駆動電子回路は、振動要素を振動させる
ようにするものであるが、この振動は、支持軸に直交す
る軸まわりのインプットレートを前記たわみ体を介して
前記たわみ体まわりの支持されたアッセンブリーの回転
振動へ結び付ける対向した振動である。このモーション
によって、支持電極と下側の検知電極との間の容量の変
化から生ずる信号が発生するもので、検知電極は、イン
プットレートの表示として利用し、オプショナルにトル
クを与えて、支持されたアッセンブリーを中立位置へ再
バランスする。検知およびトルク電極は、支持電極の下
位か補償（プルーフ）質量体の直下に位置する。

【０００５】この発明のチューニングフォーク構造体
は、駆動電極と被駆動電極との間の広い容量領域を櫛の
歯状になって互いにかみ合う駆動電極と被駆動電極のフ
ィンガーによる振動要素のモーション単位当たりの容量
の高い変化と組み合わせる。さらに、この発明の製造技
術により、振動要素を質量の大きいものにすることがで
き（付加的な補助質量体を取り付ける手段を含む）、シ
ステムをより高感度にすることができる。多数の補償
（プルーフ）質量体と櫛の歯状のフィンガー同士が互い
に入り込み合う駆動電極と被駆動電極とを有するジャイ
ロスコープ・トランスデューサが得られる。

【０００６】この発明によれば、従来構造に比較し、製
造工程が極めて簡略化、単純化されたものであり、例え
ば、架設されたアッセンブリーと電極類をポリシリコン
または電気めっき処理による金属化の駆動電極フィンガ
ーの支持電極にそわせて形成した。支持されるアッセン
ブリーは、拡散された検知電極をもつシリコン基板に形
成されたエピタリシャル成長シリコン層を選択的にエッ
チングして作られる微小構造のものであり、前記拡散さ
れた検知電極は、エピタキシャル成長層へボロンを拡散
し、エッチング処理により形成される。また、ウエファ
ボンド技術も使用され、第２のウエファーによる高度に
ドープされた層をボンド技術によりシリコン基板の上に
被着するもので、前記第２のウエファーは、スーパーイ
ンポーズされたボロンドープ層を残してエッチングによ
り除去され、残された層が回転可能に支持されるアッセ
ンブリーの構造となる。

【０００７】すべての場合において、第１または下側の
基板は、ボロンＰ＋拡散で選択的に拡散され、下側に位
置する検知電極が形成されるもので、ポリシリコンまた
は金属の表面被膜が使用でき、ブリッジ電極形成技術も
必要に応じて使用できる。

【０００８】

【実施例】この発明の一つの実施例を図１に示す構造に
より説明する。図１に示すように、シリコン基板１４の
面１２に回転構造体１６が支持されていて、この回転構
造体は、第１の振動要素１８と第２の振動要素２０とを
備え、これら振動要素は、支持電極２２，２４に架設さ
れ、支持されている。支持電極２２、２４の両者の最も
離れた端面（外側面）から、たわみ体２６，２８がそれ
ぞれの支持ピラー２９，３０に延長され、これらピラー
は、面電極３２，３４を介して基板１４の面に固定され
ている。

【０００９】回転軸は、前記のたわみ体２６，２８の中
心を通る軸によって構成される。振動要素１８，２０の
外側面には、被駆動電極フィンガー３６，３８がそれぞ
れ配置されている。これらのフィンガーは、駆動電極４
０，４２と互いに櫛歯状になって互い違いに入り組み合
っており、該駆動電極は、基板１４の面１２に固定の支
持体４４，４６により支持されている。電気パス４８が
支持体４４，４６から電気接点５０，５２に通じてい
る。

【００１０】好ましい例がシリコンである基板１４は、
その面を酸化させた二酸化シリコンのような誘電体とし
て形成された面（層）１２を有する。この誘電層１２の
すぐ下に検知電極５４，５６，５８，６０が埋設され、
インプラントされているもので、これら電極の埋設位置
は、支持電極２２，２４それぞれの離れた端部の直下で
あり、これら支持電極と、たわみ体２８，２６を通る軸
を回転軸とする回転体１６の回転を反映する検知電極と
の間のギャップの変動を検知するもので、前記たわみ体
は、その回転に対するたわみ抵抗を与える。振動要素１
８，２０が駆動電子回路９０からの駆動電気信号により
作動状態にセットされると、前記回転が誘導されるもの
で、前記駆動回路は、接点３４を介して回転体１６と、
接点５０，５２を介して駆動電極４０，４２と電気的に
接続し、前記回転は、図１の図面の面における軸を回転
軸として、たわみ体２６，２８にそう軸に直交する方向
に、レートインプットに応じて回転する。検知電極５
４，５６，５８，６０はバイアス６２を介して接点６
４，６６，６８，７０と電気的に接触している。これら
接点は、面の層１２の上に位置し、該誘電層の開口にそ
って施された金属化処理としてバイアス６２に接触す
る。

【００１１】検知電子回路７２が電気接点とバイアスと
を介して回転体１６ならびに検知電極５４，５６，５
８，６０に接続し、該回路は、既知の技術を用いて、検
知電極各々と回転体１６の支持電極との間のキャパシタ
ンスの変動を処理する。この目的のために、検知電子回
路７２により電極３４を介して回転体１６へ振動信号が
送られ、対となっている電極５６，５８に対する対の電
極５４，６０における信号を回転体１６の回転インディ
ケーションとして前記検知電子回路がディファレンシャ
ルに検知するようになっている。また別の手段として、
電極５４，５６のような対の電極ワンセットを用いて、
検知した回転のマグニチュードに応じて基板１６へリバ
ランストルクを加え、電極をバランスさせてもよく、こ
れには、既知の技術、例えば、米国特許出願０７／４７
９，８５４号（１９９０年２月１４日出願）；米国特許
出願０７／７５７，７０６号（１９９１年９月１１日出
願）；米国特許第５，０１６，０７２号（１９９１年５
月１４日特許）に開示されている技術が使用できるもの
で、これ等の技術を開示した前記文献、特に該当米国特
許公報は、ここには、添付しないが、参考文献として引
用するものであり、これらは、当業者の知悉するところ
なので、特に、説明は省略するが、必要に応じて補足説
明する用意があり、この補足説明は、要旨の変更として
退けられるべきものではないことを付言する。

【００１２】回転可能で、振動する回転体１６による慣
性レートセンサーの感度を上げるためには、付加的な重
り、または、質量体７４，７６を被駆動電極３６，３８
を含むエッジから離れた振動要素１８．２０の対向面に
設ける。ジャイロスコープアクションの基礎メカニズム
は、振動チューニングフォークが回転するとき、補償質
量体７４，７６に作用するコリオリの力である。これに
よって質量体は、駆動共鳴振動数でアウトプット軸まわ
りを回転する。該質量体は、後記する回転体１６の残部
と同じマテリアル、または、高密度金属のような異なる
金属である。支持ピラー２９，３０の間の回転アッセン
ブリー１６から応力を除くために、たわみ体２８，２６
が接続する電極２２，２４に応力除去（軽減）スロット
７８，８０を設け、ポリシリコンの収縮または前記アッ
センブリー１６の製造に用いられる金属化により、処理
の間発生する前記アッセンブリー１６のマテリアル内部
応力に備える。

【００１３】図２から図５に、チューニングフォーク
（音叉）レート検知構造の他の例を示す。図２に示され
たジャイロスコープ微小機械構造は、両側に櫛構造をも
つ補償質量体１１２を備えた中央モーター１１０を有し
ている。中央モーター１１０に対し、図示のように、補
償質量体１１２と櫛構造とを配置することによって、対
称となり、平面内共鳴における駆動と検知の両者を可能
とする。この図示された実施例において、検知電極１１
４とトルク電極１１６は、振動する補償質量体１１２の
直下に配置されている（図１に示す支持電極２２，２４
の下にあるものと対向）。

【００１４】さらに、図２に示すように、多数のトーシ
ョンスプリング１１８または、たわみ体が、例えば、複
数の対の形で、設けられ、トランスデューサの回転軸と
なる。トーションスプリング１１８は、装置のセンター
に向け内側に位置するアンカーされた領域１２０を有
し、これによって応力を軽減し、面の外の剛性を増や
す。アンカーされた領域１２０を質量体と装置中央へ移
すことによって、１本の長いスプリングに対して、曲が
りが少ない２本の短いビームまたはスプリングを作用さ
せて剛性を増す。同様に、多数の支持スプリング１２２
が対の形で設けられ、質量体１１２を両側から支持す
る。

【００１５】図３に示す実施例においては、対称の補償
質量体を設置し、装置の中央から外方へ向けて延び、ア
ンカーされた領域１２６に達する支持スプリング１２４
を含む。図示されたレイアウトは、共鳴モードと振動を
セットにした利点があり、製造コントロールが厳密にな
ってチューニングフォークモードをアウトプット傾きモ
ード共鳴振動数から５％外れるようにマッチさせること
ができる。好ましくは、該構造は、駆動ならびに検知共
鳴振動数が５％離れていて、カップリングならびに一致
した非直線性、さらに、約３個の信号のファクターによ
る装置のノイズレシオに対する増加なしに、検知軸にお
ける共鳴に近い機械的ゲインが得られる。

【００１６】図示のように、図３の実施例は、トルクお
よび検知電極１２８，１３０それぞれを組み込んでいる
もので、これら電極は、補償質量体１１２の下に共通の
重心をもつように作られている。トルク電極１２８は、
補償質量体１１２の下のセンターに位置するように作ら
れ、この質量体は、十分なギャップをもって近くに配置
された検知電極１３０を有している。共通の重心によっ
て、中央の電界がトルク電極によりプルーフ（補償）質
量体へ加えられる力の実質的に対称な線を容易に結果
し、容量的に検知されたアウトプットをより対称にす
る。

【００１７】図４，図５および図６は、この発明による
別の実施例を示す。図４は、対称補償質量体ジャイロス
コープ・トランスデューサの片持ち方式を示す。シング
ルのアンカーされた支持ポイント１３４から延びる１対
のたわみ体１３２がシングルの支持スプリング１３６を
介してトランスデューサ要素を支持する。図示された片
持ちの実施例は、ここで述べる装置と同じ機能を有して
いる。

【００１８】図５は、この発明による多数のジャイロス
コープトランスデューサが多数の軸で出力するように作
ることができることを示す。この図示された実施例にお
いては、４つの対称のトランスデューサが設けられて、
二つのチューニングフォークジャイロを位相から１８０
°振動させる。回転は、Ｘ軸とＹ軸両者について検知さ
れる。このような構造は、極めて直線のスプリング曲が
りとなるモード形状を満たす。

【００１９】図６は、コンパクトなスペース内で付加さ
れた水平コンプライアンスを発す実施例を示す。一対の
補償質量体が多数の折り曲げられた支持スプリング１４
０を介して取り付けられている。補償質量体それぞれ
は、左右対称のトルクおよび検知電極を有し、前記電極
は、前記したように、下側に共通の重心を有している。
スプリング１４０は、図６に示すように、または、他の
形状に折り曲げられ、スプリングそれぞれを小型化しな
がら、面内（インプレーン）方向におけるコンプライア
ンスを大きくするものである。

【００２０】図７は、ポリシリコンまたはニッケルや金
のような金属化のいずれかのブリッジ構造技術により作
られた図１の構造の一例を示す。図７は、アッセンブリ
ー１６について、たわみ体２８，２６を通る軸線にそう
が、基板１４と面１２については、電極５４，６０を通
る線で切断した断面を示す。図７に示すように、検知電
極５４，５６は、表面層１２の下に示され、酸化層は、
表面層の上に示され、それらは、前記米国特許と特許出
願に開示されているようなフォトリトグラフ技術による
初期処理シーケンスにおいて、基板１４の上の酸化層の
選択された孔を介して高強度のボロン拡散を行って形成
され、高導電性Ｐ＋領域を作るものである。層１２の上
に、ブリッジ構造のアッセンブリー１６が作られ、該ブ
リッジ構造においては、ピラー２８，３０が上に持ちあ
げられ、層１２とアッセンブリー１６との間の領域８２
に誘電層または抵抗層が介在するもので、これは、前記
した特許並びに特許出願に開示のフォトリトグラフ・マ
イクロファブリケーション技術手段が利用される。

【００２１】アッセンブリー１６を金属化処理する場合
は、まず最初、層１２の上面と領域８２におけるスペー
サの上にメッキ層が施され、ついで、電鋳工程が使用さ
れてアッセンブリー１６、接点３４，３２および支持ピ
ラー２８，３０が電気めっきされ、同様に、類似のブリ
ッジング技術によって、接点リード線および支持体５
０，５２，４８，４４，４６にそって駆動ならびに被駆
動電極４０，４２および３６，３８を形成する。めっき
後、電気接触アンダーレイヤーがエッチングされて、図
１に示す隔離された金属構造体が残される。

【００２２】ポリシリコン構成の場合、前記図示の例と
同様に、フォトリトグラフ技術を用いた同様の加工処理
が行われるが、金属に形成の要素を同じパターンのポリ
シリコンのスパッタ拡散に置き換える。

【００２３】重り７４，７６は、振動要素１８，２０と
一体の構造または別体の構造であってもよく、別体の場
合は、シリコン、ポリシコン、金属化処理または公知の
高密度重りエレメントから作られる。

【００２４】図８を参照すると、図８には、別構造の櫛
形駆動チューニングフォーク慣性率センサーが示されて
いるもので、図１に示されたものと同じ要素には、図１
のものと同一の符号に符号’を付し、説明を省略する。
図９は、図７におけると同様のセクションで切断した図
８の実施例の断面図である。図８の実施例のものは、マ
イクロメカニカル製造技術により製造されたもので、シ
ングルの半導体チップにボロンＰ＋ドーパントの選択的
拡散で作られている。基板１４においては、検知電極５
４’，６０’が拡散されたオリジナルの表面層１２’の
上に、エピタキシャル成長された単層または複層のシリ
コン層１３が存在し、そこにアッセンブリー１６’が設
けられている。アッセンブリー１６’を作るには、選択
的拡散により、振動要素１８’，２０’、支持電極２
２’，２４’、被駆動電極３８’，３６’、さらには、
駆動電極４０’，４２’および支持電極４４’，４６’
のパターンで作られる。別個の浅い拡散を用いて、たわ
み体２６’，２８’およびエピタキシャル成長の層１３
への、それらの延長部と支持体２９’，３０’が作られ
る。金属化処理部３２’，３４’は、支持体２９’，３
０’を介してアッセンブリー１６’へ通電することで作
られる。拡散処理の後、選択的エッチング技術を用い
て、アッセンブリー１６’をエピタキシャル層１３から
リリーズし、図示のようにピット８４を残す。

【００２５】駆動電極と被駆動電極３６，３８，４０，
４２，３６’，３８’，４０’，４２’は、図１１に示
すように、ボロン拡散で作るとき、拡散部分８８によっ
て示されるように、角がとれて若干丸くなった断面形状
になる。角を作るには、図１２に示すように、反応イオ
ンエッチングによって作るもので、例えば、高密度Ｐ＋
ボロンドーパントのシングルの拡散を作り、領域１
８’，４４’および介在ゾーン９０を形成する。ついで
反応性イオンエッチングを利用し、フォトリトグラフに
より露光されたジグザグパターン９２を用いて、駆動電
極４０’と被駆動電極３６’とに分けられるものの間の
領域を腐食する。これによって、駆動電極と被駆動電極
との間が接近し、それらの容量が大きく増大し、さら
に、重要なことには、例えば、振動要素１８’と支持駆
動電極４４’との間の相対振動モーションをもつ容量に
おける変動が大きくなる。これによって、振動要素１
８，１８’，２０，２０’へカップリングする力がより
効果的なものとなる。また、上記図示の製造技術によ
り、振動要素１８，１８’，２０，２０’をバルキーで
重いものにすることができ、これは、垂直の大部分と、
プレーナーコンポーネンツの脱落なしに、質量体７４，
７４’，７６，７６’へ分け与えることができる付加的
な質量体によるものである。この結果、このように作ら
れた装置のノイズレシオに対する感度又はシグナルが改
良される。

【００２６】図１０には、図８で平面図が示されている
装置の製造のための他の例が示されている。この装置
は、誘電層９２に底部不動態化した第１の基板１４”
（前記部分と同じものであるものには、符号”を付す）
の基板ウエルディングから作られる。上面層１２”は、
検知電極および／またはトルク電極５４”，６０”およ
び図示されていないそれらのものを有する。これらは、
基板１４”の面１２”の酸化層９４を介して露光され
る。この時点で、シリコン基板９６の上面で高度にドー
プされたＰ＋層９８を有する第２のシリコン基板が誘電
層９４に面接合される。前記層９８は、ボンディングの
とき、基板９６の全面に延びるが、図では、完成された
構造の最終的な寸法の状態で示してある。ついで、基板
９６がエッチングされる。層９８には、金属化領域１０
０，１０２が形成され、該領域にわたりアルミ化された
層１０４，１０６がめっきされ、シリコン基板９６がエ
ッチングされた後に残って、高度にドープされた層９８
との電気接点になる。その後、層９８は、パターン化さ
れて、振動要素１８’，２０’、支持電極２２”，２
４”およびたわみ体２８”，３０”、被駆動フィンガー
３６，３６”、さらには、駆動フィンガー４０”，４
２”および重り７４”，７６”を備えるサスペンドされ
たアッセンブリー１６”となる。

【００２７】上記した各種の実施例は、検知し、トルク
を与えるセパレートされた電極をもつ構造になっている
が、各プルーフマスについて電極を一つとし、フリケン
シー複合多重化によりトルク機能と検知機能の両者を発
揮させるようにすることもできる。

【００２８】さらに、前記の実施例並びに引用した参考
技術においては、クローズドループシステムに関して述
べたが、前記したジャイロスコープトランスデューサの
各種の実施例が、トルクをリバランスさせる必要をなく
すために、オープンループで操作可能なものであること
は、当業者に明らかである。そのような操作は、ダイナ
ミックレンジを限定するが、装置の操作や電子回路など
のコントロールが簡単になる。

【００２９】前記した実施例は、この発明を理解するた
めであって、この発明を限定するものではない。特許請
求の範囲を著しく逸脱しない限り、変形、付加などは、
すべて、この発明の技術的範囲に包含されるものであ
る。

【００３０】

【発明の効果】この発明は、慣性レートセンサーとし
て、すぐれた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一つの実施例におけるマイクロメ
カニカル（微小作動機械構造）櫛形駆動チューニングフ
ォーク慣性率（イナーシャルレート）センサーの略図的
平面図。

【図２】 この発明の他の実施例におけるマイクロメカ
ニカル（微小作動機械構造）櫛形駆動チューニングフォ
ーク慣性率（イナーシャルレート）センサーの略図的平
面図。

【図３】 この発明の他の実施例におけるマイクロメカ
ニカル（微小作動機械構造）櫛形駆動チューニングフォ
ーク慣性率（イナーシャルレート）センサーの略図的平
面図。

【図４】 この発明の他の実施例におけるマイクロメカ
ニカル（微小作動機械構造）櫛形駆動チューニングフォ
ーク慣性率（イナーシャルレート）センサーの略図的平
面図。

【図５】 この発明の他の実施例におけるマイクロメカ
ニカル（微小作動機械構造）櫛形櫛形チューニングフォ
ーク慣性率（イナーシャルレート）センサーの略図的平
面図。

【図６】 この発明の他の実施例におけるマイクロメカ
ニカル（微小作動機械構造）櫛形駆動チューニングフォ
ーク慣性率（イナーシャルレート）センサーの略図的平
面図。

【図７】 図１の構造の要部切断側面図。

【図８】 この発明の他の実施例におけるマイクロメカ
ニカル（微小作動機械構造）櫛形駆動チューニングフォ
ーク慣性率（イナーシャルレート）センサーの略図的平
面図。

【図９】 図８に示された櫛形駆動チューニングフォー
ク慣性率（イナーシャルレート）センサーの構造の要部
切断側面図。

【図１０】 この発明の他の実施例におけるマイクロメ
カニカル（微小作動機械構造）櫛形チューニングフォー
ク慣性率（イナーシャルレート）センサーのの構造の要
部切断側面図。

【図１１】 電極製造のための電極の一つの形態を示す
断面図。

【図１２】 この発明の一つの製造工程により、櫛の歯
状のフィンガーをもつ駆動電極と被駆動電極を作る工程
における説明図である。

【符号の説明】

１２……シリコン基板の面 １４……シリコン基板 １６……回転構造体（アッセンブリー） １８……第１の振動要素 ２０……第２の振動要素 ２２，２４……支持電極 ２６，２８……たわみ体 ２９，３０……支持ピラー ３２，３４……面電極 ３６，３８……被駆動電極フィンガー ４０，４２……駆動電極 ４８……電気パス ５０，５２……電気接点 ５４，５６，５８，６０……検知電極 ６２……バイアス ６４，６６，６８，７０……接点 ７２……検知電子回路 ７４，７６……質量体 ７８，８０……応力除去（軽減）スロット ９０……ゾーン ９２……ジグザグパターン ９６……シリコン基板 ９８……Ｐ＋層 １００，１０２……金属化領域 １０４，１０４……アルミ化された層 １１０……中央モーター １１２……補償質量体 １１４……検知電極 １１６……トルク電極 １１８……トーションスプリング １２０……アンカーされた領域１２０ １２２……支持スプリング １３０……検知電極 １３２……たわみ体 １３４……支持ポイント １３６……支持スプリング １４０……支持スプリング

フロントページの続き (72)発明者 ジョナサン ジェイ．バーンスタイン アメリカ合衆国 02052 マサチューセ ッツ州 メドフィールド ケニー ロー ド ８ (72)発明者 マーク エス．ワインバーグ アメリカ合衆国 02192 マサチューセ ッツ州 ニーダム ブロード メドウ ロード 119 (56)参考文献 特開 平５−248872（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−242114（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−502945（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／5401（ＷＯ，Ａ１)

Claims (26)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 独立した直交運動に適用されるジンバル
   構成の架設された内部フレームおよび外部フレームと、
   駆動櫛形電極と被駆動櫛形電極の間に所定量の非干渉運
   動を誘導する極性信号を生成するための制御回路とを備
   える慣性レートセンサーであって、下記の構成からなる
   慣性レートセンサー： 第１の軸まわりを回転するように架設され、且つ前記第
   １の軸と実質的に直交する方向へ振動するように適して
   いる重りをつけられた第１の要素と； 前記架設された要素から振動方向へ突出している複数の
   被駆動電極の組と； 前記複数の被駆動電極の組に対し交互に介在し、且つ非
   干渉の経路内で接触せずに噛み合う複数の駆動電極の組
   と； 前記架設された要素を介して、前記被駆動電極の組と前
   記駆動電極の組とに反対の極性の信号を与えて、前記架
   設された要素の振動を誘導する振動駆動源と； 前記架設された要素に対面する位置に配置された少なく
   とも一対の検知電極であり、該検知電極と前記架設され
   た要素との間の間隔が前記軸回りを回転する前記要素の
   回転で変化し、前記回転は跳構え式に生じて前記少なく
   とも一対の検知電極に対し前記要素を交互に接近および
   遠去かるようにする検知電極と； 前記架設された要素に対し、前記検知電極を励磁する電
   気信号源と；および 前記軸まわりの前記要素の回転に伴い変化する信号を受
   けるために、前記複数の検知電極の少なくとも一部の検
   知電極の集合に応答する信号センサー。
2. 【請求項２】 前記回転軸の反対側において、前記第１
   の架設された要素と実質的に平行に延びている架設支持
   され、重さが付けられた第２の振動要素を含み、該第２
   の振動要素は、該要素の振動を誘導するために、前記駆
   動源に接続する前記第１の駆動電極群に対応する第２の
   駆動電極群にかみ合う前記第１の被駆動電極群に対応す
   る第２の被駆動電極を有しているものである請求項１の
   慣性レートセンサー。
3. 【請求項３】 下記の構成からなる微小構造の櫛形駆動
   チューニングフォーク： 基板と； 前記基板上に構成されたアッセンブリーとの構成であっ
   て、このアッセンブリーは、以下のような要素を有して
   いるもの： 平行に位置している第１と第２の長い振動要素であっ
   て、これら振動要素は、第１と第２の支持電極により、
   両端部で結合されていて、平行な両要素の間を通る回転
   軸に対して平行に位置している第１と第２の振動要素； 前記回転軸にそって、前記第１と第２の振動要素から離
   れて前記基板への取り付け位置に向かい、前記第１と第
   ２の支持電極から延びている第１と第２のたわみ体であ
   って、前記第１と第２の支持電極ならびに前記第１と第
   ２の振動要素とを前記回転軸を軸として回転できるよう
   に構成した第１と第２のたわみ体； 前記第１と第２の振動要素にそれぞれ取り付けられた重
   りであり、分離され、バランスされた第１と第２の重
   り； それぞれが前記回転軸に直交する方向に突出した複数の
   対向する共平面型の被駆動電極を有する前記第１と第２
   の振動要素； 前記第１と第２の振動要素の被駆動電極と共平面にあっ
   て、これらの間に非干渉の経路内で交互に介在するよう
   に延びている第１と第２の駆動電極であり、これら第１
   と第２の駆動電極は、前記基板に構造的には取り付けら
   れているが、電気的に絶縁されている第１と第２の駆動
   電極；および 前記支持電極の下で、前記基板内に設けられている少な
   くとも一対の検知電極であって、前記アッセンブリーの
   跳構え運動が前記第１と第２の要素を前記回転軸から前
   記少なくとも一対の検知電極のそれぞれに交互に接近お
   よび遠去かるようにするために、前記軸から垂直に交互
   に対向した位置に形成された少なくとも一対の検知電
   極。
4. 【請求項４】 前記振動要素、前記被駆動電極、前記駆
   動電極、前記重り、前記支持電極ならびに前記たわみ体
   は、導電性シリコン、導電性ポリシリコンおよび、めっ
   き金属からなるグループから選ばれたマテリアルからな
   るものである請求項３の櫛形駆動チューニングフォー
   ク。
5. 【請求項５】 前記めっき金属は、ニッケルと金からな
   るグループから選ばれたものである請求項４の櫛形駆動
   チューニングフォーク。
6. 【請求項６】 前記フレームが誘電表面シリコン基板か
   らなり、前記駆動電極と前記たわみ体が前記基板の誘電
   表面に取り付けられている請求項４の櫛形駆動チューニ
   ングフォーク。
7. 【請求項７】 前記たわみ体の取り付け部位に近接し
   て、前記支持電極の内部に応力除去スリットが設けてあ
   る請求項４の櫛形駆動チューニングフォーク。
8. 【請求項８】 前記複数の検知電極が前記誘電表面の下
   で前記シリコン基板の内部に拡散された領域を含む請求
   項６の櫛形駆動チューニングフォーク。
9. 【請求項９】 前記駆動回路に取り付けられ、前記たわ
   み体を介して、被駆動電極を励起し、前記振動要素を前
   記回転軸に対し直交する方向で振動させる電気駆動エネ
   ルギー源と； 前記複数の検知電極と前記第１と第２の支持電極に接続
   し、振動時、前記振動要素に作用する慣性率に応じて、
   前記回転軸を軸として回転する前記第１と第２の支持電
   極の回転を示す検知信号源と検知信号センサーと； を更に含む請求項３の櫛形駆動チューニングフォーク。
10. 【請求項１０】 前記第１と第２の支持電極と、前記複
    数の検知電極の少なくとも一部に接続され、前記第１と
    第２の支持電極の回転を示す検知された信号に応答し
    て、前記第１と第２の支持電極の所定の位置にトルクを
    生じさせるトルク電気エネルギー源を備える請求項９の
    櫛形駆動チューニングフォーク。
11. 【請求項１１】 下記の工程を含む慣性レートを検知す
    るための櫛形駆動チューニングフォーク構造体を製造す
    る方法： シリコン基板を用意する工程と； 互いに電気的に絶縁されていて、前記基板の表面の部分
    を介して電気的に接続可能な複数の検知電極を形成する
    工程と； 前記複数の検知電極を有する前記基板の表面上に、軸ま
    わりを回転するたわみ体により支持される振動要素のア
    ッセンブリーであって、対向する第１と第２の振動要素
    を有し、その両端が第１と第２の支持電極により支持さ
    れ、前記第１と第２の振動要素は、回転軸の両側にそっ
    て離れて位置し、該振動要素の一方の側に第１と第２の
    被駆動電極を有し、他方の側に第１と第２の質量体を有
    しているアッセンブリーを形成する工程と；および 前記振動要素の前記第１と第２の被駆動電極と互いに櫛
    の歯状になって交互にかみ合う第１と第２の駆動電極お
    よび前記第１と第２のたわみ体のための電気接点とを前
    記基板上に形成する工程。
12. 【請求項１２】 前記振動要素のアッセンブリーを形成
    する工程が以下の工程を含む請求項１１の方法： 複数の前記検知電極の上に半導体層を成長させる工程
    と； 前記成長層の面内に前記振動要素アッセンブリーを形成
    する工程と；および前記アッセンブリーを回転させるた
    めに、前記第１と第２のたわみ体を残して、前記アッセ
    ンブリーを前記成長層から遊離させる工程。
13. 【請求項１３】 前記成長工程がシリコン層をエピタキ
    シャル成長させる工程を含む請求項１２の方法。
14. 【請求項１４】 前記基板形成工程が前記基板と、前記
    成長層の面における前記第１と第２のたわみ体に対応す
    るエッチング耐性ドープ領域を作る工程を含む請求項１
    ２の方法。
15. 【請求項１５】 前記遊離の工程が、前記のように形成
    されたアッセンブリーを区画する領域を除いて前記成長
    層をエッチングする工程を含む請求項１２の方法。
16. 【請求項１６】 前記エッチング耐性部分が前記成長層
    の表面にボロンを拡散して作られる請求項１４の方法。
17. 【請求項１７】 前記アッセンブリーを形成する工程が
    前記複数の検知電極を含むシリコンの面の上に、前記ア
    ッセンブリーとしてエッチング耐性ポリシリコンまたは
    シリコンのブリッジ構造を形成する工程を含む請求項１
    １の方法。
18. 【請求項１８】 前記駆動電極形成工程は、エッチング
    耐性ポリシリコンまたはシリコンの駆動電極を形成する
    工程を含む請求項１７の方法。
19. 【請求項１９】 前記駆動電極形成工程と、前記ブリッ
    ジ形成工程との両者がニッケルおよび金からなるグルー
    プから選ばれた金属で、前記ブリッジ構造と駆動電極と
    を作る工程を含む請求項１７の方法。
20. 【請求項２０】 下記の工程からなるレートセンサー用
    途に使用される櫛形被駆動チューニングフォーク構造体
    を形成する方法： 平らな表面を有する第１のシリコン基板を作る工程と；絶縁層の形成を通して検知電極を形成する前に絶縁層を
    形成する工程と； 前記平らな表面に絶縁層開口を介して複数の検知電極を
    形成する工程と； 内部にエッチング耐性拡散物質が拡散された平らな表面
    をもつ第２のシリコン基板を作る工程と； 前記第１と第２の基板を平らな表面同士で接合する工程
    と；たわみ体要素と駆動／被駆動櫛形電極の指型構造とを形
    成するために、第２の基板に拡散層を形成する工程と； 前記第１の基板の前記絶縁層の領域に延び、回転軸を中
    に挟んで互いに平行な状態で間隔をおいて向き合う電極
    要素で支持された振動要素を有するたわみ体を備えるア
    ッセンブリーであって、前記回転軸は、前記たわみ体を
    通り、前記振動要素は、それぞれの一つの側面に質量体
    を有し、その反対のそれぞれの側面は分離した複数の指
    を形成する第１の組と第２の組として複数の被駆動電極
    を有しているアッセンブリーを前記拡散層に形成する工
    程と；および 前記拡散層内に、前記アッセンブリーと機構的に分離さ
    れた状態で、前記被駆動電極の指の間に交互に介在する
    指をもつ複数の駆動電極を形成する工程。
21. 【請求項２１】 前記支持工程が下記の工程を含む請求
    項１１の方法： 平らな表面を有する第２のシリコン基板にエッチング耐
    性拡散層を形成する工程と； 前記複数の検知電極を囲む前記第１のシリコン基板上に
    誘電層を形成する工程と； 前記拡散層を前記第２と第１の基板それぞれの前記誘電
    層へ結合する工程と；および 前記第２のシリコン基板拡散層を選択的にエッチングす
    ることにより、前記複数の検知電極に重なる部分の前記
    拡散層に前記アッセンブリーが形成される工程。
22. 【請求項２２】 前記アッセンブリー領域の前記第２の
    半導体基板のすべてを実質的に除去する工程を更に含む
    請求項２０又は２１の方法。
23. 【請求項２３】 金属化された電気接点を前記アッセン
    ブリーに設ける工程を更に含む請求項２２の方法。
24. 【請求項２４】 下記工程によって、前記被駆動電極お
    よび駆動電極フィンガーの少なくとも一つを形成する工
    程を含む請求項１１または２０の方法： 前記アッセンブリーにおける前記駆動電極と被駆動電極
    形成の領域に、導電性領域を形成する工程と；および 反応性イオンエッチングにより前記導電性領域の端部を
    処理し、前記駆動電極と前記被駆動電極とを分離する工
    程。
25. 【請求項２５】 前記第１の重り要素を、少なくとも半
    導体質量体に対する一端に取り付けられた少なくとも一
    つの部分的たわみ体に固定する少なくとも一つの支持ス
    プリングを更に備えている請求項１の慣性レートセンサ
    ー。
26. 【請求項２６】 前記少なくとも一つの支持スプリング
    が折り曲げられて、より大きなコンプライアンスをもつ
    請求項２５の慣性レートセンサー。