JP3839720B2 - 角速度センサデバイスに関する改良 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
この発明は角速度（アンギュラレート）センサデバイスに係る改良に関するものであり、とくに、といっても限定をかけるわけではないが、平面状の構造の振動形共振器を有するセンサを採用している角速度センサデバイスに係る改良に関し、例えば微細加工を施した振動形構造のジャイロスコープ（ＶＳＧ：Vibrating Structure Gyroscope）で使用されているようなものの改良と、関係する電子回路とに関する。
【０００２】
従来の技術
微細加工を施した振動形ジャイロスコープ、すなわちＶＳＧであって、単結晶シリコン基板内にリソグラフィ技術を用いて形成されたものは、コンパクトで、低コストの速度（レート）センサの源（ソース）を用意し、このセンサは大量に供給できる。この手ごろに入手できるという性質（affordability）は新しい大きな市場をとくに自動車応用分野で発生させた。現在さまざまなデバイスが開発途上にあり、異なる材料とプロセスとを用いて組立てされた各種のセンサチップ設計が採用されている。完成されたデバイスはセンサチップと関係する制御電子回路とを適当なパッケージの中に入れて構成されている。大量の応用に対しては、制御電子回路は一般にディスクリートな（別体の）ＡＳＩＣ（応用特定集積回路）として実現されている。
【０００３】
このかなりの競争がある市場では、低価格と改良された性能とに向けて継続した駆りたて（ドライブ）がかかるのは不可避とされている。こういった目標（ゴール）へ向う道として認識されているものの一つは電子回路（エレクトロニクス）を直接センサチップに集積することを経るというものである。制御回路を集積することは著しい性能上の利点を与えることができ、とくに容量性センシングを採用するデバイスについて言えることである。例えば、ピックオフ増幅器回路でセンス電極に近いものは浮遊駆動電圧からの寄生結合を最小にするということと浮遊容量を減らすということとで利点がある。さらに、制御電子回路を直接センサチップ上に組立てることは全体のデバイス部品数を減らすことになり、これは別個のＡＳＩＣとかデイスクリートな電子回路とかについての要件を無くすことによる。これが全体のデバイスの寸法を好都合に減らしまたユニットコスト（単価）を減らす可能性をもたらすことができる。
【０００４】
発明が解決しようとする課題
チップ上の電子回路集積の実現可能性はセンサの設計と組立て方法とに微妙に依存している。同じシリコン片上で電子回路とセンサとを組立てることはこれらの二つの要素が互に両立性がある（ミューチュアリイ・コンパチブル）ように作るためのプロセスを必要とする。これはいつでもすぐに達成できるというものではなく、プロセス途上で互にかなりの修正を加えることなしには達成されないし、これが全体のウェーハの歩留りに有害な影響を与えることをなしとしない。デバイス設計で若干の妥協もまた求められて、一般に性能に悪影響をもつような変更を受入れることにもなる。
【０００５】
こういった問題は、このようなオンチップの電子集積された平面状の共振器デバイスであって、シリコンから組立てられたものの商業上の開発に対しては妨げとされて、現在ではこのようなデバイスは市販されていない。何故にこのような集積での困難が存在するかについての詳細な説明はここで出願人の未決特許出願GB 9817347.9に記述された先行技術のセンサを参照して用意されている。
【０００６】
平面状のリング構造を採用するセンサであって、EP1105694に記述されているようなものは、一般にcos２θとsin２θの振動モード対（図１（ａ），（ｂ）に示す）を使用し、ここではこの構造の振動がほぼ主軸（一次軸）Ｐと副軸（二次軸）Ｓとの周りに示されている。これらのモードの一つ（図１（ａ））はキャリヤモードとして励起されている。この構造がリングの面に垂直な軸の周りに回転されるときには、コリオリの力がエネルギーを応答モード（図１（ｂ））に結合させる。もしキャリヤと応答モードの周波数が正確に整合していると、そのときは、応答モード動きの振幅がこの構造のＱ（クオリティファクタ）によって増幅される。これが強調された感度を与え、このようなデバイスが高性能となることができる。
【０００７】
このデバイスの性能を決める重要な（クリティカルな）パラメータの一つが二つのモード間の差周波数と動作温度範囲でのその安定度である。この周波数整合を達成するためには、二つのモードの共振パラメータが正確に整合しているということが重要な性質であるということを本質事項としている。結晶シリコンからこのような共振器構造を組立てるときには、この要件は［１１１］シリコンウェーハを用いることによってのみ適えることができる。すなわち、シリコンウェーハは［１１１］主結晶面に対して平行に切出されている。この結晶方位については、重要な材料のパラメータは半径方向に等方性（アイソトロピック）である。しかし、この要件は標準的な電子回路の組立てをシリコンデバイス層上ですることと両立性がない。標準のＣＭＯＳ／ＢｉＣＭＯＳ組立ては一般に［１００］シリコンウェーハ基板上で実行されなければならない。商用の会社工場で採用されている技術とプロセスとは［１１１］カットのシリコンウェーハに直接応用することはできない。
【０００８】
したがって、この発明が目的とするところは上述の問題を克服することであり、この問題は結晶シリコンから組立てられた改良形のセンサデバイスの商業上の開発に対する妨げとなっているものであり、またセンサチップ上に電子回路を集積して組入れるものである。
線形の、非リング構造の半導体デバイスは US-A-57239790 に力成分、加速度及び／又は角速度の測定用に記述されており、このデバイスは単結晶半導体基板で［１００］配向のシリコンのようなものから作られている。いくつかの片もちはり（カンチレバービーム）で各々が内部質量を担っているものが半導体基板から作られていて、加えられた力に応答して適切な動きをするために［１１１］結晶面内で配向しかつ基板表面に対して角度をもっている。
結晶シリコンから作られたリング形状の振動形構造をもつ速度（レート）センサであって、 cos ２θ周波数での cos ２θキャリヤモードで振動するものについては EP-A-0836073 に記述されている。
【０００９】
課題を解決するための手段
広く眺めたときの特徴は、この発明は、共振器を備えているセンサが［１００］シリコン結晶から組立て可能とされていて、それによって、このセンサと関係する制御電子回路とを集積できるとしていることの認識に置かれている。発明者はもし共振器が特殊なやり方で作られて動作されるとすると（このやり方は可能な振動モードについての特別な解析によって決められるものである）、それが［１１１］シリコン結晶で作られているかのように同じやり方で動作できることを確定した。
【００１０】
もっと特定すると、この発明により実質的に平面構造をもつ共振器と、駆動手段と、センシング手段と、関係する電子制御手段とを備えた角速度センサデバイスが提供されていて、該共振器と、駆動手段と、センシング手段と、制御手段とは［１００］主結晶面をもつシリコン結晶の層内に組立てられており、また、該共振器は該制御手段によって振動モード対で動作するようにされており、この振動モード対は縮退したキャリヤ及び応答パラメータを用意する sin ３θ／ cos ３θ振動モードである。
【００１１】
この発明を使用すると、上述した以前には得られなかった利点のすべてが制御電子回路とセンサチップ自体とを集積することと関係して得られることが可能となる。
【００１２】
sin３θ／cos３θ振動モード対であって縮退したキャリヤ及び応答パラメータを用意するもので動作するようにされているモードは、これはマイクロ機工のＶＳＧを組入れたデバイスを用意するのに最も適している好ましい構成である。
共振器についての各種の幾何学的形状の設計は可能であるが、共振器は実質的に平面状のリング構造は、マイクロ機工のＶＳＧについてその重さと関係して高性能構造となることが発見されている。
共振器のために支持手段が含まれていてよく、支持手段は複数のフレキシブルな（融通性のある）支持脚を備え、この脚がセンサデバイス内の平面状のリング構造の共振器の相対的な動きを可能としている。もっと特定すると、この共振器は基板内の空洞の内部に備えられてよく、基板からは間がとられていて、空洞内に支持脚によって懸架（サスペンド）されていて脚は中央ハブから平面状のリング構造共振器まで備えられている。
【００１３】
共振器についての各種の幾何学的形状の設計は可能であるが、共振器は実質的に平面状のリング構造を備えているのが好い。このことは微細加工のＶＳＧについてその重さと関係して高性能構造となることが発見されている。
【００１５】
支持脚の数と位置とは振動モード対のモード対称性と整合がとれているのがよい。これが、好都合にも、振動モード対の力学的な摂動（パーターベーション）を妨げて、それにより何らかの周波数のスプリット（分割）を妨げている。
【００１６】
電子制御手段は、駆動手段と共に使用する駆動回路と、センシング手段と共に使用するセンシング回路とを備えているのが好ましく、また全追加回路（これは別のＡＳＩＣとかディスクリート電子回路として用意されることになるので）を含んでいてよい。駆動及びセンシング回路は共振器の周辺の周りにそれぞれの駆動手段とセンシング手段と密接して備えられていてよい。再びここでも、これが微細加工のＶＳＧについての別な高性能の構造上の構成となっている。これが好都合にも浮遊の寄生キャパシタンス効果を駆動手段及び／又はセンシング手段に及ぼすことを最小にしている。
【００１７】
好ましいのは、センシング回路が検知した（センスした）信号の大きさを増幅するための電子増幅器を備えていることである。シリコン層内に増幅器を用意することは、ここでもまたマイクロ機工のＶＳＧについて高性能の構造上の構成を用意している。
【００１８】
このデバイスはさらに電気的スクリーニング手段を少くとも該駆動手段と該センシング手段との各々の間に用意して含み、該スクリーニング手段は電気的に接地されていて該駆動及びセンシング手段を互に他から電気的に遮蔽している。これが好都合にも、このデバイス構造がデバイスの性能に影響を与えずによりコンパクトとなることができるようにしている。
【００１９】
この発明はまた、上述したように複数の角速度デバイスを備えているシリコンウェーハにまで展開される。
【００２０】
この発明は平面状のリングをしたレート（速度）センサを用意できるようにしており、それが［１００］シリコン結晶から組立てられ、キャリヤモードと応答モードのパラメータが正確に整合されて、高性能を可能としている。この発明がこのような集積された電子回路とセンサデバイスとが何故組立て可能となったかについての説明をここで記述する。
【００２１】
結晶シリコンは振動形構造のジャイロスコープ応用で使用するのにとてもよく適した材料性質を有している。単結晶となると、疲労が少く、極めて強いものとなる。これが耐久性があって、弾力性（回復性）があり、とても丈夫であることが衝撃や振動にさらされたときに見られる。さらに、内部損失が低く（高いＱファクタを有し）、また高いヤング率Ｅを示す。これらのパラメータはまたデバイスの動作温度範囲にわたって比較的安定である。しかしながら、これらのパラメータが著しい異方性を示していて、それが意味するところは一般に角度方向で変るということである。この角度依存性が図２に示されていて、図はヤング率の角度方向による変化をプロットしており、ライン２，４，６によって三つの主結晶面［１１１，１００，及び１１０］についてそれぞれ示されている。［１１１］面についてのヤング率は角度に依存しておらず、これがGB 9817347.9に記述したようにsin２θ／cos２θ共振モードを採用する平面状のリングデバイスとして使用するのに理想的に適したものを作るようにしていることは明らかである。他の結晶面についての角度変化の周期性は、大きなスプリット（分割）が、ジャイロスコープ動作にとって不適切なものとするように、二つのモード間で作られていることである。
【００２２】
sinｎθ／cosｎθの面内たわみモード対の自然（固有）周波数はラグランジェ（Lagrange）方程式を用いて解析されている。異方性の効果はひずみエネルギー式の中に組込まれている。［１１１］面についてのＥ変動の等方的な性質はいずれのモード次数ｎについても周波数スプリットを生成していないことは明らかである。［１００］面については、sinｎθ／cosｎθモードはｎ＝２と４とについてスプリットされて（分かれて）いるがｎ＝３モードでは縮退している。（ｎ＝４を越えるモードは一般にジャイロスコープ応用にとってはあまり適しておらず、それは振動が減り、周波数が高いことに起因している。）したがって、［１００］シリコンから平面状のリング構造を組立てることは可能であり、このシリコンはsin３θ／cos３θモード対を利用することによって、モードのパラメータを整合させるために必要とされる材料の性質を有している。
【００２３】
実施例
現在の発明で現状は好ましいとされている実施形態について添付の図面を参照して記述して行く。
【００２４】
この発明を実施する角速度センサデバイスを図３（ａ），（ｂ），４及び５を参照して記述して行く。センサデバイス１０は微細加工の振動形構造のジャイロスコープを備え、それがsin３θとcos３θとの振動モード対で動作するようにされていることは前述したところである。とくに言うと、cos３θキャリヤモードとsin３θ応答モードパターンが図３（ａ），（ｂ）に示されている。
【００２５】
デバイス１０でこれらのモードを利用しているものがEP1105694に記述されたものと類似の静電気的駆動トランスジューサとキャパシティブ（容量性）の力のトランスジューサを組込んでいる。この構造を作るために使用される組立てプロセスは本質的にはEP1163490に記述されたものと同じであり、ここではこれ以上記述しないこととする。
【００２６】
デバイス１０は［１００］導電性シリコンの層から形成され、シリコン層がガラス基板１４に陽極接着（anodically bonded）されている。デバイス１０の主な部品はリング（環状）構造の共振器１６と、六つの駆動キャパシタトランスジューサ１８と、六つのピックオフ容量性（キャパシティブ）トランスジューサ２０である。共振器１６と、駆動と、ピックオフ容量性トランスジューサ１８，２０とはＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching，深い反応性イオンエッチング）プロセスによって形成され、このプロセスはシリコン層１２を通る溝を形成する。組立てプロセスは、シリコンデバイス層１２上に直接マイクロエレクトロニクス（微細な電子回路）を組立てることと完全に両立可能となっている。この技術で組立てに含まれているものはよく知られているところであり、ここでは記述しない。
【００２７】
図４はデバイス１０の設計を示す、平面図である模式図であり、また、図５はデバイス１０の構造の模式的な断面図である。リング構造の共振器１６はたわみのある（コンプライアントな）脚２２によって中央に支持されている。脚２２は弾力性のある質量（スプリングマス）の効果を有していて取付け点でリング構造の共振器１６に作用する。単一の支持脚２２は絶縁されていて、周波数スプリットを生成しているsin３θとcos３θのモードの力学を差動的に乱して（perturb）いる。支持脚２２の正味の効果がスプリットを生じないことを確かにするために、支持脚２２の数と位置とがモード対称性に一般に整合のとれたものとしている。便利なのは、１２本の同一の脚支持体（レッグサポート）１２が３０°の規則正しい角度間隔で用意されることである。これらがリング構造共振器１６の内側２４の一端と、中央支持ハブ２６の他端とに取付けられる。ハブ２６は今度は絶縁性のガラス基板１４にしっかりと取付けられている。空洞２８がガラス基板１４内でリング構造共振器１６の縁とたわみのある脚構造２２の下に用意されて、リング構造共振器１６の自由な動きができるようにしている。
【００２８】
１２個のディスクリートな曲った板３０がリング構造共振器縁の外周辺の周りに用意されて、その各々が、リング構造共振器１６に面しているプレート（板）３０の表面と、リング構造共振器自体の外周辺表面との間でキャパシタを形成している。板３０はガラス基板１４にしっかりと固定されていて、電気的にはリング構造共振器１６から絶縁されている。板３０は、リング構造共振器１６の縁の周りに３０°の規則正しい角度間隔で置かれていて、各々は角度２５°に対応している。便利なのは、三つの板３０であって、固定基準軸Ｒに対し０°，１２０°，２４０°に置かれているものがキャリヤ駆動素子３２として使用されることである。キャリヤモードの動きは、固定基準軸Ｒに対して６０°，１８０°及び３００°にある板３０を、ピックオフトランスジューサ３４として、使用して検出される。回転の下では、コリオリの力がエネルギーを応答モードに結合させることになる。この動きは固定基準軸Ｒに対して３０°，１５０°，２７０°に置かれている応答モードピックオフトランスジューサ３６によって検出される。このデバイスが力のフィードバックモードの応答モードで動作することができるようにするために、駆動素子３８が固定基準軸Ｒに対して９０°，２１０°，３３０°に置かれている。電気的なボンドパッド４０が各駆動及びピックオフトランスジューサ１８，２０上に用意されて、制御回路（図示せず）への接続がとれるようにしている。
【００２９】
動作時には、駆動電圧がキャリヤ駆動素子３２に共振周波数で加えられる。リング構造共振器１６は一定のオフセット電圧で維持されて、これが新しく作られた力を生じ、この力は小さなキャパシタギャップ変位については加えられた電圧と線形関係にある。リング構造共振器１６への電気的な接続が中央ハブ２６上で用意されたボンドパッド４１によって作られていて、これが脚２２の導電性シリコンを通ってリング構造共振器１６に接続をとっている。誘起された動きはキャリヤモードをピックオフトランスジューサ３４のキャパシタギャップ分離間隔に変化を生じさせる。これがギャップをまたいで電流を生じさせ、これが増幅されて動きに比例した信号を与える。応答モードピックオフトランスジューサ３６での回転が誘起した動きは同じように検出される。力のフィードバックモードでは、駆動電圧が応答モード駆動トランスジューサ３８に加えられて、この動きを、加えた駆動電圧であって回転速度（レート）に直接比例するもので、ゼロとするようにする。駆動信号がピックオフトランスジューサ２０，３４，３６に直接容量性結合をすることはスプリアス信号出力を生じさせることができて、この出力はバイアス出力として現われて、デバイス性能を劣化させる。この誤差を最小とするために、スクリーン層４２が用意され、これがリング構造共振器１６に面しているところを除いた全側面上でキャパシタプレート３０を囲んでいる。このスクリーン４２が接地電位に接続されて、駆動とピックオフトランスジューサ１８，２０が互に密接する関係をとれるようにしている。
【００３０】
浮遊容量と、寄生結合との効果を減らすために、ピックオフ増幅器（図示せず）でセンシング回路を用意するものがディスクリートな（別体の）ピックオフキャパシタプレート２０，３４，３６に密接して備えられている。適当とされるセンシング回路はシリコンスクリーン層１２上に個々のセンシングプレート２０，３４，３６と直接の近くに組立てできて、センシングプレートへの電気的接続はワイヤボンド（図示せず）によってセンシングプレート２０，３４，３６の上表面に作られたボンドパッド４０に対して作られている。
【００３１】
増幅器回路（図示せず）の組立ては、デバイスウェーハを必要とすることになり、ウェーハ内には複数のデバイス１０が形成されて、これがたくさんの追加のプロセス段階に従うことになる。そこで好都合なのは、追加の外部回路についての要件を減らすために、デバイスチップ上では可能な限りたくさんの電子回路を組立てることになる。これには好都合なことに追加の電子制御回路を含むことがあり、この制御回路には駆動回路（図示せず）を含んでいて、それが必要とされている駆動電圧とオフセット電圧をリング共振器１６に向けて加えるために生成する。この場合、駆動回路はディスクリートな駆動素子プレート１８，３２，３８のきわめて近くでシリコンスクリーン層上に組立てられることになり、電気的には個々の駆動プレート１８，３２，３８に対して、駆動プレート１８，３２，３８の上側表面に作られたボンドパット４０へのワイヤボンド（図示せず）によって、接続がとられている。
【００３２】
この発明のとくに好ましいとされる実施形態について記述した。問題となっている実施形態は単に例であること、及び当業者のもつ知識によってされる変形や修正は、特許請求の範囲にあるこの範囲の精神と思想範囲を逸脱せずに可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）と（ｂ）とはそれぞれ、キャリヤモードと応答モードを表わしているcos２θとsin２θの振動モード対についての振動パターンの模式的表現を示す図。
【図２】 シリコン結晶について三つの主結晶面［１１１，１００，１１０］の各々についてのヤング率の平面内角度変化を示すグラフ。
【図３】 （ａ）と（ｂ）とは、この発明の実施例による、キャリヤモードと応答モードを表わしているsin３θとcos３θの振動パターン対についての振動パターンの模式的表現を示す図。
【図４】 この発明の一実施例による角速度センサの一部を上から見た平面模式図であり、共振器、支持構造、及び駆動とピックオフトランスジューサを示す図。
【図５】 図４のＡＡ線に沿ってとられて断面模式図。

Claims (14)

1. 実質的に平面状のリング構造をもつ共振器（１６）と、駆動手段（１８）と、センシング手段（２０）と、関係する電子制御手段とを備えた角速度センサデバイスであって、該共振器（１６）と、駆動手段（１８）と、センシング手段（２０）と、電子制御手段とは［１００］主結晶面（１２）をもつシリコン結晶の層内に同じセンサチップ上に組立てられており、また、該共振器（１６）は該電子制御手段によって振動モード対で動作するようにされており、この振動モード対は縮退したモードのキャリヤ及び応答パラメータを作り出すsin３θ／cos３θ振動モードである角速度センサデバイス。
2. 請求項１記載の角速度センサデバイスであって、共振器（１６）用の支持手段を含み、該支持手段が複数のフレキシブル支持脚（２２）を備えている角速度センサデバイス。
3. 請求項２記載の角速度センサデバイスであって、該支持脚（２２）の数と位置とが振動モード対のモード対称性と整合している角速度センサデバイス。
4. 請求項２または３記載の角速度センサデバイスであって、共振器 ( １６ ) が空洞 ( ２８ ) 内部に用意され、この共振器 ( １６ ) は基板 ( １４ ) から間をあけて置かれており、かつ、中央ハブ（２６）から該平面状のリング構造共振器（１６）までに備えられた該支持脚（２２）によって、該空洞（２８）内に懸架されている角速度センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の角速度センサデバイスであって、該電子制御手段は該駆動手段（１８）と共に使用する駆動回路と、該センシング手段（２０）と共に使用するセンシング回路とを備えている角速度センサデバイス。
6. 請求項５記載の角速度センサデバイスであって、該駆動回路と該センシング回路とはそれぞれが該共振器（１６）の周辺の周りでそれぞれの駆動手段（１８）とセンシング手段（２０）と密接して備えられている角速度センサデバイス。
7. 請求項５または６記載の角速度センサデバイスであって、該センシング回路は検知した信号の大きさを増幅するための増幅器を備えている角速度センサデバイス。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、該駆動手段は固定基準軸（Ｒ）に対して０°，１２０°，２４０°に用意された三つのキャリヤモード駆動素子（３２）を備え、かつ、該センシング手段は該固定基準軸（Ｒ）に対して６０°，１８０°，３００°に用意された三つのキャリヤモードセンシング素子（３４）を備えた角速度センサデバイス。
9. 請求項８記載の角速度センサデバイスであって、該駆動手段は該固定基準軸（Ｒ）に対して９０°，２１０°，３３０°に用意された三つの応答モード駆動素子（３８）を備え、かつ該センシング手段は該固定基準軸（Ｒ）に対して３０°，１５０°，２７０°に用意された三つの応答モードセンシング素子（３６）を備えた角速度センサデバイス。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、さらに電気的スクリーニング手段（４２）を少くとも該駆動手段と該センシング手段（１８，２０）との各々の間に用意して備え、該スクリーニング手段（４２）は電気的に接地されていて該駆動及びセンシング手段（１８，２０）を互に他から電気的に遮蔽している角速度センサデバイス。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、さらに電気的絶縁材料から作られたベース基板を備えている角速度センサデバイス。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、該 sin ３θ／ cos ３θ振動モード対は、モードパラメータを有し、このパラメータは、該振動モード対についてのシリコン結晶のヤング率を含む角速度センサデバイス。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項記載の角速度センサデバイスであって、共振器（１６）は微細加工を施した振動構造のジャイロスコープを備えている角速度センサデバイス。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項記載の、複数個の、角速度センサデバイスを備えたシリコンウエーハ。

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