JP4620364B2 - 駆動および感知プレートを有する分離された共振子ジャイロスコープ - Google Patents

Description

関連出願のクロスリファレンス
一部継続出願は、米国特許法第１２０条に基づき、以下の同時係属であり、同一人に譲渡された米国実用特許出願の恩典を請求し、これは参照によりここに組み込まれている：
２００１年８月１０日に出願され、「分離された共振子ジャイロスコープ（ＩＳＯＬＡＴＥＤ ＲＥＳＯＮＡＴＥＯＲ ＧＹＲＯＳＣＯＰＥ）」と題が付けられた米国特許出願第０９／９２８，２７９号。

政府権利の供述
本発明は、政府によって与えられる政府サポートで行われた。政府は、この発明に特定の権利を有している。

本発明は、ジャイロスコープに関し、特に、改良された共振子マイクロジャイロスコープおよびそれらの製造に関する。より詳細には、この発明は、駆動および感知電極と振動性の分離された共振子とで作動するマイクジャイロスコープに関する。

ジャイロスコープは、移動質量の感知された慣性反応に基づき方向を決定するのに使用される。様々な形状において、ジャイロスコープは、航空機、スペースクラフトなどの乗物のための重大なセンサーとして用いられることが多い。ジャイロスコープは、一般に、航法に、すなわち、自由物体の方向付けを自主的に決定することが必要であるときはいつも役に立つ。

古い従来のジャイロスコープは、電流基準により比較的大きいスピニング質量を使用する、きわめて重い機構であった。多数の最近のテクノロジーは、レーザジャイロスコープおよび光ファイバジャイロスコープなどの光ジャイロスコープだけでなく、振動性ジャイロスコープなどを含むジャイロスコープの新しい形状をもたらしている。

スペースクラフトは、一般に、姿勢制御を補うために慣性速度感知装置に依存している。最近、これは、費用のかかる従来のスピニング質量のジャイロ（例えば、Ｋｅａｒｆｏｔｔの慣性基準装置）、あるいは、従来通りに機械加工された半球状の共振子ジャイロスコープ（例えば、Ｌｉｔｔｏｎの半球状共振子ジャイロスコープ慣性基準装置）で行われている。しかしながら、これらの両方は、きわめて費用がかかり、大きくて重い。

加えて、いくつかの先行の対称振動性ジャイロスコープが製造されたとはいえ、これらの振動性運動量は、直接これらのベースプレートまたはパッケージに伝えられる。この伝達または結合は、慣性速度入力と区別がつかない外部妨害およびエネルギー損失を与え、それゆえ、感知エラーおよびドリフトへと導く。このような振動性ジャイロスコープの一例は、Ｔａｎｇらへの米国特許第５，８９４，０９０号（特許文献１）において知ることができ、これは、対称のクローバー型振動性ジャイロスコープ設計について記述し、参照によりここに組み込まれている。他のプレーナ音叉ジャイロスコープは、ベースプレートからのある程度の振動の分離を達成することができるが、これらのジャイロスコープは、同調作動に望ましい振動性対称を欠いている。

加えて、半球状の共振子ジャイロスコープおよび振動するリングジャイロスコープなどのシェルモードジャイロスコープは、いくつかの望ましい分離および振動性対称属性を有することが周知であるが、これらの設計は、薄い平面のシリコンマイクロ加工のゆえに、かなりの制限に適さず、あるいは、かなりの制限を有する。半球状の共振子は、感度のよい静電センサおよび有効アクチュエータのために半球の多数の円筒形側面を用いているが、これの高い横縦比、３Ｄの湾曲形状は、費用のかからない薄い平面のシリコンマイクロ加工に不適当である。平面のシリコンマイクロ加工に適する薄いリングジャイロスコープは、装置の広範囲な平面エリアを利用する静電センサおよびアクチュエータを欠いている。

低周波震動サポートを使用する振動性分離もさらに周知である（例えば、参照によりここに組み込まれる米国特許第６，００９，７５１号（特許文献２））。しかしながら、このような増大される分離は、比例してより重い震動質量および／またはより低いサポート周波数を犠牲にして達する。２つの効果は、コンパクトな戦術的慣性測定ユニット（ＩＭＵ）適用に不適切である。

そのうえ、以前のシリコンマイクロジャイロスコープ（例えば、米国特許第５，８９４，０９０号）のスケールは、所望されているよりも高いノイズおよびドリフトを結果として生ずる航法グレード性能に最適でない。この問題は、０．１％の厚さの精度に制限される臨界振動周波数を規定するために、薄いエピタキシャル成長シリコンひずみから生ずる。その結果として、装置のサイズは、数ミリメートルに制限される。このような設計は、振動性非対称あるいは不均衡による高いドリフト、および、低質量による高い割合のノイズを示し、これは、熱によるメカニカルノイズと、速度エラーセンサエレクトロニクスノイズを増加するより低いキャパシタンスセンサエリアを増大する。

非分離シリコンマイクロジャイロスコープのスケーリングアップはさらに問題がある。なぜなら共振器Ｑにおいて改善がなく、そしてケース感度のよいドリフトにおいて減少がなく外部エネルギー損失が増大するからである。３Ｄ製造精度における大きさの改善の多数のオーダーを有する分離されたｃｍ−スケール共振子は、航法グレード性能に必要とされる。

半球状またはシェルジャイロにおけるなどの従来通り機械加工された航法グレード共振子は、最適スケール、例えば、３０ｍｍ、３Ｄ製造精度を、それゆえ、望ましいドリフトおよびノイズ性能を有しているが、このようなジャイロは、費用がかかり、製造するのに手間どる、メカニカル共振子の従来のレーザートリミングは、さらに、ある程度製造精度を改善することが可能であるとはいえ、このプロセスは、狭いメカニカルギャップを有するマイクロジャイロに適さず、分離を制限し、最終同調プロセスにおいてより大きい静電バイアス調節を必要とする。
米国特許第５，８９４，０９０号 米国特許第６，００９，７５１号 米国特許公開第２００３/２９，２３８Ａ１号 米国特許公開第６，００９，７５１Ａ号 米国特許第６，３６７，７８６Ｂ１号

航法およびスペースクラフトのペイロード指示に対して大いに改善された性能を有する小さいジャイロスコープの技術が必要である。さらに、このようなジャイロが、より安価に、より大きい３Ｄ機械精度でいっそう容易に製造される必要がある。なお、さらにまた、このようなジャイロが、所望の分離および振動対称属性を有すると同時に、平面シリコン製造と適合する必要がある。最後に、このようなジャイロが、コンパクトで、効率のよい設計、装置の広範囲の平面エリアを利用する駆動および感知電極の最適化された配置を有する必要がある。最後に、キャパシタンスギャップを塞ぐことがあるデブリを生成することなく、原子より小さい精度に機械的に装置をトリミングする必要がある。本発明は、これらの要求すべてを満たしている。

課題が解決するための手段

本発明の実施形態は、概して、必要とされる性能を達成するために、フォトリソグラフィを使用して費用をかけないで製造し、十分に大きく（例えば、ほぼ２０ｍｍ共振子）拡大されることが可能であるシリコンだけからなる分離された対称の振動性ジャイロスコープを備えている。低価格で、閉ループのアナログ制御エレクトロニクスと組み合わせて、完全な冗長慣性基準装置は、少量が生成されるときでさえ、費用をかけないで製造されることが可能である。さらに、いっそう大量のために小電力ディジタル制御エレクトロニクスのアプリケーション専用集積回路（ＡＳＩＣ）と組み合わされるとき、「ゴルフボール」サイズの慣性航法装置が製造されることが可能である。このようなコンパクトで、軽量で、値段の割りに品質のよい精密な慣性基準装置が、軍隊においてだけでなく市販用の製品において、広範囲にわたる適用を見付けることが可能である。

本発明の一実施形態は、シリコンフォトリソグラフィで作られることが可能な分離された対称プレーナ共振子を提供している。共振子の所望の分離、あるいは、反応のない振動は、中央の慣性プルーフ質量部材のロッキング運動量を、比較できるロッキング慣性の均衡プレートのロッキング運動量と均衡を保たせることによって達成される。共振子の差動ロッキングモードが励起されるとき、このプルーフ質量体および均衡プレートは、取り付けベースプレートに正味運動量伝達、あるいは、反応を実質的に生成しない。分離された共振子マイクロジャイロスコープは、それにより、差動ロッキングモードが内部に駆動されるとき、コリオリ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）加速度によることを除いては、ベースプレート、あるいは、パッケージモーションにこれの感知または駆動モードを結合しないように設けられている。加えて、中央のプルーフ質量体の慣性分布は、本発明の実施形態において、そのプレートよりも平面外にいっそう多くの質量を、それゆえ、より高い角度ゲイン（すなわち、慣性速度入力に対するコリオリ反応）を有するように設計されることが可能である。これは、より厚いプレートを使用して、あるいは、中央のポストを接合することによって構成されることが可能である。この共振子は、プルーフ質量体を含む単一の厚いシリコンウエハから、あるいは、ポストプルーフ質量体が接合される薄いシリコンウエハからエッチングされることができる。

比較すると、分離された共振子を有する以前の振動性ジャイロスコープは、分離を達成するために、費用のかかる従来の３Ｄ機械加工およびアセンブリに依存していた。例えば、３Ｄの半球状共振子ジャイロスコープは、従来の旋盤、あるいは、他の時間のかかる順次式質量取り除き方法によって機械加工される必要がある。自己分離された設計なしに簡単なミクロ機械加工されたジャイロスコープは、重力荷重による増大する震動サスペンション質量および増加された偏向を犠牲にして、ある程度の分離を得るために、外部低周波分離メカニズムを用いている。非対称音叉振動性ジャイロスコープは、駆動軸まわりだけに分離をもたらし、出力感知軸まわりに外部妨害をこうむる。オリジナルのクローバ型マイクロジャイロスコープ（例えば、Ｔａｎｇらへの米国特許第５，８９４，０９０号）は、これの駆動および出力軸まわりに外部ロッキング妨害を受けやすい。

注目に値すべきなのは、本発明の実施形態は、さらに、下流のベースプレートに位置される駆動および感知電極のための逆電極として均衡プレートを使用していることである。従って、この均衡プレートは、プルーフ質量体を有する分離された共振子を形成することと、駆動および感知電極のための逆電極表面を設けることとの２つの役割を果たす。ジャイロスコープの作用を高めるために、均衡プレートは、共振子プレートの下流のベースプレートに配置される静電駆動および感知のために、同等に、大量の効率のよい電極を可能とする広範囲な平面表面領域で構成されている。

本発明の典型的な実施形態は、プルーフ質量体、広範囲な平面領域を有する均衡プレートと、プルーフ質量体と均衡プレートとを相互に連結する１つ以上の屈曲部とを含む分離された共振子を備えている。ベースプレートは、１つ以上の屈曲部によって共振子に固定され、駆動および感知電極は、共振子を励起しジャイロスコープの動きを感知するために、均衡プレートの広範囲な平面領域に近接してベースプレートに固定されている。分離された共振子は、該共振子が励起されるとき、ベースプレートへ正味運動量を実質的に伝達しない。別の実施形態において、共振子の分離は、取り付けフレームにベースプレートをサポートする付加的な分離屈曲部で高められる。

本発明の共振子ジャイロスコープを製造する典型的な方法は、プルーフ質量体と、広範囲な平面領域を有する均衡プレートと、プルーフ質量体と均衡プレートとを相互に連結する１つ以上の屈曲部とを含む分離された共振子を設けることを備えている。次に、感知および駆動電極が、ベースプレートに固定される。それから、この方法は、駆動および感知電極が均衡プレートの広範囲な平面領域に近接して配置されるように、１つ以上の屈曲部によってベースプレートに共振子を固定することをさらに備え、この分離された共振子は、該共振子が励起されるとき、ベースプレートへの正味運動量を実質的に伝達しない。

ここでは、図面を参照し、同一の参照部号は、全体を通して対応する部分を表わしている。

以下の説明において、これについての一部を形成し、例示として、本発明のいくつかの実施形態が示されている添付の図面を参照にしている。他の実施形態が、利用されることができ、構造上の変更が、本発明の範囲から逸脱することなく行われることができるということを理解されたい。

１．０ 概要
すべての振動性ジャイロスコープは、第１のモード、すなわち、入力または駆動モードで、振動するように駆動される回転感知機械的部材を用いている。回転による部材のコリオリ加速度は、入力モードから第２のモード、すなわち、出力または感知モードへのエネルギー伝達を含む。第２のモードは、次に検出される感知部材に励起を生成する。振動性ジャイロスコープの最適な性能は、駆動および感知モードが同一の共振周波数および高いＱファクタを有するときに得られる。コリオリ加速度に対する応答は、この場合、共振のＱファクタによって機械的に増幅され、改良されたセンサ性能をもたらす。共振子感知モードの閉ループ制御（例えば、参照によりここに組み込まれる同時係属の米国特許出願第０９／４８８，４２５号）は、コリオリ力−再バランス、感知モード減衰および広いジャイロスコープ帯域幅をもたらす。

本発明は、厚さ全体の変化の小さい市販用の両面研磨加工されたシリコンウエハからシリコンフォトリソグラフィで作られることが可能な最適なスケールの精密に分離された対称プレーナ共振子によって、航法グレード性能を有する手ごろな値段の振動性ジャイロスコープを提供している。

本発明の実施形態は、入力軸と一直線に並べられ、弾性的にサポートされる軸まわりに横方向に作用する慣性対称を有する２つの本体を備える共振子を含み、そのため、これらの対称の軸および質量の中心が一致し、互いに、対称の軸に対して横方向に作用する振動の２つの差動ロッキングモードを形成する。この２つの本体は、慣性速度入力軸を有するケースにおいてサポートされ、互いに直交して振動の他のモードと異なるほぼ等しい周波数を示し、ほぼゼロの正味運動量をそのケースに与える。

次に続く実施形態において、本体の第１の本体は、ポストプルーフ質量体であり、本体の第２の本体は、均衡プレートであり、ケースは、ベースプレートを含むことができる。この均衡プレートは、ベースプレートの共振子の下に配置される駆動および感知電極と反応する平面領域を含んでいる。他の同等の構造および装置は、当業者には容易に明らかである。

本発明の重要な原理は、駆動および感知電極が均衡プレートと反応するように配置されることである。この配置の効果を高めるため、均衡プレートには、電極と反応するのに利用できる表面エリアを増大するように広範囲な平面領域が形成されて、これらの作用を改善する。駆動電極は、振動するために、差動ロッキングモードの第１のモードを駆動するように一直線に並べられている。感知電極は、慣性速度入力および第１のモード軸まわりの内部に駆動された差動ロッキングモーションから結果として生ずるコリオリ加速度によって誘導される第２の差動ロッキングモードのモーションを感知するように一直線に並べられている。

２．０ 例示的な共振子ジャイロスコープの実施形態
図１は、本発明の反応のない共振子ジャイロスコープ１００の実施形態の平面図を示す。このジャイロスコープ１００は、ベースプレート１０６と、ポスト慣性プルーフ質量体１０２および均衡プレート１０４を有する独特の共振子１２４とを備えている。この均衡プレート１０４は、慣性プルーフ質量体１０２のそれにほぼ匹敵するロッキング慣性を有し、これら２つの本体は、上述されているように、相互に連結され相互に作用する。この均衡プレート１０４および中央のプルーフ質量体１０２は、４つの取り付けポイント１２６でベースプレート１０６に結合され、屈曲部１０８によって相互に連結されている。明細書を通して参照される重要な主要軸は、Ｘ軸１１０と、Ｙ軸１１２と、Ｚ軸１１４（これは、図１の欄外に方向付けられている）である。別の方法として、この均衡プレート１０４は、さらに、２つの本体（慣性プルーフ質量体１０２および均衡プレート１０４）が、前に記述されているように、相互に作用するかぎり、円形のリング、他の任意の形状などのあらゆる他の形状で設計されることが可能である。

図２は、変位された位置における本発明の反応のない共振子ジャイロスコープの側面図を示す。ジャイロスコープは、Ｘ軸まわりに変位されて示されている。その機械式アセンブリは、外側の均衡プレート１０４に相互に連結され、４つの取り付けポイント１２６で取り付けられている弾性ビーム屈曲部１０８を介して、ベースプレート１０６に固定されている中央の慣性プルーフ質量体１０２の部材を備えている。一実施形態において、この中央の慣性プルーフ質量体１０２のための均衡プレート１０４、屈曲部１０８および支持プレート部分１１８は、精密なプレーナ共振子ジャイロスコープを生成するために、フォトリソグラフィで同一の両面研磨加工された結晶シリコンウエハからエッチング貫通されることが可能である。

軸対称の共振子は、軸対称の均衡プレート１０４が均衡された振動するロッキングモーションで、軸対称の中央のプルーフ質量体１０２に対して自由に振動することが可能であり、実質的にベースプレート１０６への運動量伝達なく、あるいは、ベースプレート１０６への正味反応なく、顕著な差動ロッキングモードを結果として生ずるようにベースプレート１０６に結合されている。

ベースプレート１０６は、剛性材料の比較的厚いシリコンプレートであってよい。このような厚い剛性ベースプレート１０６は、真空パッケージでジャイロスコープの残部に直接接合されることが可能である。別の方法として、さらにフレキシブルな薄いベースプレート１０６が、コストを低減し、標準のウエハ処理装置で、アセンブリを容易にするのに使用されることができる。ベースプレート１０６へのアタッチメントにおけるなどの共振子屈曲部１０８における共通の弾性およびベースプレートの限定された慣性は、振動の共通のロッキングモードからの差動ロッキングモード周波数の固有の分離をもたらす。これらの構成のいずれかの単一の属性は、ジャイロスコープパッケージのあらゆる外部モーションが、慣性対称の入力軸、あるいは、軸まわりのジャイロスコープの回転のために、コリオリ加速度によるその場合だけ、最初に内部に駆動されないかぎり、このようなモーションが、共振子の差動ロッキングモーションを励起することができないということである。

プルーフ質量体１０２は、様々な形状で構成されることが可能であるが、中央のプルーフ質量体の慣性分布は、平面内によりも平面外にかなり多くの質量を、それゆえ、高い角ゲイン、あるいは、共振子１２４の駆動されたロッキングモーションで慣性速度入力へのコリオリ反応を有するように設計されることが可能である。これを達成するために、プルーフ質量体１０２は、垂直ポスト部分１１６（Ｚ軸１１４に沿って細長い）を備えている。このポスト部分１１６は、小さい中央支持プレート部分１１８に（Ｘ−Ｙ平面に）配置されている。このポスト部分１１６および支持プレート部分１１８は、前に述べられているように、製造を容易にするために厚いシリコンウエハから互いに形成されることが可能である。別の方法として、プルーフ質量体１０２は、分離可能な中央ポスト部分１１６として、薄いシリコンウエハから形成される支持プレート部分１１８に接合されることが可能である。

移動する均衡プレート１０４と固定されたベースプレート１０６との両方に中央のプループ質量体１０２を連結する共通の屈曲部１０８は、プルーフ質量体１０２として垂直部分１１６のようなポストを取り付けるために、平面の外側の均衡プレート１０４と中央プレート部分１１８と共に精密な厚さの単一のシリコンウエハからフォトリソグラフィで機械加工されることが可能である。精密なプレーナ構成、静電感知および制御のための大きい平面エリアおよび好都合な質量分布は、外部妨害からの理想的な機械的分離を有する感度のよい同調された振動性ジャイロスコープ作用のための対称ロッキングモーションをもたらす。

２．１ 感知および駆動均衡プレート
前に記述されているように、本発明の実施形態は、関連技術（例えば、米国特許第５，８９４，０９０号）の「クローバ型」の代わりに、感知および駆動電極を保持するために、均衡プレートを利用している。

静電駆動および感知は、均衡プレート１０４の大きい平面表面の下のベースプレート１０６に固定される駆動電極１２０Ａおよび感知電極１２０Ｂ（電極１２０と集合的に呼ばれている）とで実施されることが可能である。図１を参照。均衡プレート１０４の大きい表面エリアは、駆動および感知電極１２０と反応するのに使用される。一般に、広範囲のプレーナ電極１２０の領域は、均衡プレート１０４の下のベースプレート１０６に形成される。均衡プレート１０４の構造は、有効なエリアを最大にするために、図１に示されるように、均衡プレート１０４への屈曲部１０８のアタッチメントポイント１２２を越えて中央プルーフ質量体１０２の方へ向って延在している。従って、プルーフ質量体１０２と均衡プレート１０４との間のギャップは減少し、均衡プレート１０４はよりプレート型の形状を得る。

さらに、図１に示されているように、駆動電極１２０Ａおよび感知電極１２０Ｂの典型的な配列は、駆動電極１２０Ａが、感知電極１２０Ｂよりもプルーフ質量体１０２にいっそう近くに配置されている；１つの駆動電極１２０Ａおよび１つの感知電極１２０Ｂはそれぞれ、均衡プレート１０４の各４分の１のセグメントの下のベースプレート１０６に配置されている。これにより、感知電極１２０Ｂが、大きい表面エリアを得て、均衡プレート１０４の周辺まわりのギャップが、ベースプレート１０６に対して大きい変位をうけるので、マイクロジャイロ１００の全体の感度を改良する。しかしながら、他の電極１２０のパターンも、同様に使用されることが可能である。例えば、電極１２０は、混ぜ合わされることが可能である。

加えて、駆動および感知電極のため均衡プレートのより大きいな平面エリアを可能とするために、屈曲部１０８は、ベースプレート１０６によって不均衡にサポートされることが可能である。図１に示されるように、ベースプレート１０６は、均衡プレート１０４へのアタッチメントポイント１２２よりもプルーフ質量体１０２により近いポイントで屈曲部１０８をサポートする。

２．２ 共振子屈曲部および一体的なベースプレート分離
分離された共振子の多数の形状は、共振子屈曲部１０８のレイアウトを変えることによって可能である。本発明の異なる実施形態は、さらに、異なるパターンに配置される共振子屈曲部１０８を用いることが可能である。例えば、図１に示されるように、共振子屈曲部１０８は、プルーフ質量体１０２から均衡プレート１０４へ径方向に延在するように配置されている。他の実施形態において、屈曲部１０８は、さらに、プルーフ質量体１０２の周囲まわりに延在するように配置されることが可能である（そのうえ、プルーフ質量体１０２と均衡プレート１０４とを相互に連結する）。加えて、ハイブリッドは、さらに、径方向に延在するいくつかの屈曲部１０８に、周辺まわりに延在する他のものに可能である。

さらに、本発明の実施形態はまた、共振子１２４の差動および共通のロッキングモード周波数分離および振動分離をいっそう改良するために、ベースプレート１０６に一体的な振動分離を組み込むことが可能である。これらの実施形態において、取り付けフレーム１２８は、１つ以上の分離屈曲部１３０を介してベースプレート１０６に取り付けられている。この場合、共振子１２４のベースプレート１０６の分離は、主として、付加的な分離部材としての役割を果たすベースプレート１０６との取り付けフレーム１２８に対して考慮されている。例えば、ベースプレート１０６の分離屈曲部１３０の幅および／または長さは、ケースから５００Ｈｚ以上の軸方向、あるいは、ロッキング振動を減衰させるように設定されることが可能である。図１および図２に示される実施形態において、分離する屈曲部１３０は、第１の端部でベースプレート１０６に取り付けられ、第２の端部で取り付けフレーム１２８に取り付けられて、ベースプレート１０６の周辺まわりに延在している（上述されているように、周辺まわりに延在する屈曲部を示している）。共振子屈曲部１０８に関して前に論じされているように、径方向屈曲部レイアウトおよびハイブリッドは、同様に、分離屈曲部１３０に使用されることが可能である。

加えて、本発明の他の実施もまた可能であり、屈曲部１０８、１３０は、別個の部材ではなく、むしろ、均衡プレート１０４、プルーフ質量体１０２、ベースプレート１０６および／または取り付けフレーム１２８に組み込まれている。いずれの場合においても、本質的な必要条件は、ベースプレートへの正味反応または運動量伝達が実質的にないことである。

３．０ 実用的な分離された共振子ジャイロスコープの製造
図３は、本発明の分離された共振子ジャイロスコープを製造する典型的な方法３００のフローチャートである。この方法は、ブロック３０２において、プルーフ質量体１０２と、広範囲な平面領域を有する均衡プレート１０４と、プルーフ質量体１０２と均衡プレート１０４とを相互に連結する１つ以上の屈曲部１０８とを含む分離された共振子１２４を設けることを備えている。次に、ブロック３０４において、感知および駆動電極１２０が、ベースプレート１０６に固定される。ブロック３０６において、この方法３００は、駆動および感知電極が均衡プレートの広範囲な平面領域に近接して配置されるように、１つ以上の屈曲部１０８によってベースプレート１０６に共振子１２４を固定することをさらに備え、この分離された共振子１２４は、該共振子１２４が励起されるとき、ベースプレート１０６への正味運動量を実質的に伝達しない。例えば、この共振子１２４は、導電性のドープ処理シリコンからエッチングされ、金−金熱圧縮接合、あるいは、金−シリコン共晶接合を使用して、堅固にかつ導電性にベースプレートに接合されることが可能である。

共振子１２４を設けることは、さらに、単一のシリコンウエハからプルーフ質量体１０２と均衡プレート１０４との全体をエッチングすること、あるいは、シリコンからプレート部分１１８および均衡プレート１０４だけをエッチングすること、およびプルーフ質量体１０２として独立した垂直ポスト部分１１６に接合することを含むことができる。シリコンポストのための金−金熱圧縮接合、あるいは、パイレックスポストのための陽極接合は、プレーナ研磨加工によって規定される臨界精密接合表面および大きさに使用されることが可能である。

従来のシリコン処理は、共振子およびベースプレートウエハの両方に用いられることが可能である。共振子は、好ましくは１ミクロン未満の厚さ全体の変化（ＴＴＶ）適用で、ドープ処理された、両面研磨加工された平らな５００ミクロンのシリコンウエハから製造されることが可能である。ベースプレートは、ギャップスペーサーのために、２６ミクロンから５０ミクロンのエピタキシャルシリコン層、あるいは、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）層を有する市販用の５００ミクロンシリコンウエハでよい。別の方法として、エッチングされた電極を有する平らなウエハが、適切に使用されることが可能である。共振子屈曲部１０８およびベースプレート１０６の屈曲部の画定は、市販用のディープ反応イオンエッチング装置で行われることが可能である。可視光学精度（ｖｉｓｕａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）を有する慣性プローフ質量体１０２の配置およびアタッチメントは、関連した技術のＭＥＭＳクローバ型ジャイロでのＦＥＭ分析および経験に基づき、十分である。

共振子ジャイロスコープの作用の原理は、プルーフ質量体が等しい対向する運動量で均衡プレートを振動させることである。従って、例示的なジャイロスコープ１００は、平面な５５０ミクロンの厚さのシリコンウエハから作られることが可能であり、共振子１２４は、両面に接合される１０．５ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍシリコンポスト（プルーフ質量体１０２）を有する７．５ｍｍ×７．５ｍｍプレート（中央のプレート部分１１８）を備えている。プルーフ質量体１０２のロッキング慣性は、ほぼＩ_ｔ＝０．０１４ｋｇ−ｍｍ^２、軸方向慣性は、ほぼＩ_ｚ＝０．００６０ｋｇ−ｍｍ^２である。コリオリ感知のための角ゲインは、ほぼ１‐Ｉ_ｚ／Ｉ_ｔ／２〜１（理想フーコー（Ｆｏｕｃａｕｌｔ）振子に匹敵する）である。フラットなプレートのための角ゲインは、ほぼ０であり、そのため、ジャイロスコープのための有効的な角ゲインは、半球状またはシェル共振子のための典型的な値０．３に匹敵するほぼ０．５である。反応のない作用について、均衡プレート１０４のロッキング慣性は、プルーフ質量体１０２の慣性Ｉ_ｔにほぼ匹敵する。プルーフ質量体１０２および均衡プレート１０４の質量の中心は、従って、共振子１２４の中心と一致する。ジャイロスコープ１００の加速度は、従って、実質的に、差動ロッキングモードの励起を生成しない。

中央のプレート部分１１８および均衡プレート１０４を剛性プレート１０６に取り付けるのに使用される弾性屈曲部１０８は、フォトリソグラフィで作られるほぼ０．５５ｍｍの四角の断面を有することが可能である。ベースプレート１０６への弾性部材１０８のアタッチメントおよび長さは、下文に説明されるなどの限定されている部材分析によって決定されることが可能である。

厚さ３ｍｍ、直径３インチのシリコンウエハの同一とみなした２つに取り付けられる共振子１２４の振動の自由モードの分析によると、ほぼ４，２９５．７７Ｈｚで、プルーフ質量体１０２に対して均衡プレート１０４のカウンタロッキングモードを縮退させる。ベースプレート１０６に伝達される運動量は、プルーフ質量体１０２のロッキング運動量のほぼ１／１５０であることが分かっている。比較すると、米国特許第５，８９４，０９０号のそれなどの設計におけるロックされたプレートあるいはフレームでは、全ロッキング運動量が、ベースプレートウエハに伝達される。限定されている部材モデルのさらに別の試験によると、バランスは、この特定のケースにおいてベースプレート１０６のＸ軸まわりに達成される方法を明らかにしている：先ず、Ｘ軸に沿うベースプレート１０６の支持ポイントのそれぞれに正味面内ねじれ、あるいは、垂直力が実質的にない：第２に、Ｙ軸に沿う屈曲部１０８のアタッチメントのそれぞれに残留面内ねじれ反応は、これらのアタッチメントでさらに作用する垂直力のために、正味モーメントによってベースプレート１０６におけるあらゆるポイントで均衡する。このことは、低周波震動分離方法にたよらずに、機械的分離でほぼ１５０倍の改善を立証している。バランスおよび分離の完全性は、平面形状設計および作成精度によるだけでなく、ベースプレート１０６のサイズおよびジャイロケースからのそのサスペンション周波数によって限定される。

本発明は、天候が荒れた環境における航法グレード振動ジャイロスコープに適している。剛性ベースプレートモーションからの２つのロッキングモードの分離は、モード減衰および関連したジャイロスコープ速度ドリフトが、精密度が少ない外部パッケージング損失によってでなく、精密に機械加工されたシリコン共振子内の損失によって主として決定されることを確実とする。バルク結晶シリコンの固有の高いＱおよび中規模での精密な両面研磨加工されたシリコンウエハのフォトリソグラフィによって立証された他よりすぐれた対称は、本発明で開発されることが可能であり、低コストで他よりすぐれた航法グレード振動ジャイロスコープ性能を達成する。

分離された共振子原理を使用して低いドリフトおよびノイズ性能の最大の可能性を達成することは、上記に概述される精密なウエハ研磨加工の、貫通エッチングされたシリコンミクロ機械加工および高品質シリコン接合によって与えられるよりも高度な３Ｄ機械精度を必要とするということはさらに理解されるべきである。これは、共振子をそのベースプレートにアセンブリ後、集束イオンビームトリミングによって、例えば、プレートまたはポストなどの共振子の弾性ビーム部材、あるいは、質量部材の大きさのこの設計で完成可能であることが好ましい。このポストアセンブリトリミングは、慣性分離および原子より小さい精度へのチューニングの程度を増大するために、高感度の組み込み容量センさを利用することが可能である。組み込みキャパシタンス電極、あるいは、特定の目的の電極のゆえに、モード剛性全体を変更するための静電バイアストリミングは、真空パッケージング後、ジャイロスコープの耐用期間を通して変化する温度で、この分離およびチューニングを維持するのに使用されることが可能である。

４．０ 分離された共振子ジャイロスコープモデル
図４は、分離されたプレーナ共振子ジャイロスコープモデルの図を示す。前に詳述されているように、機械的アセンブリは、共振子１２４と、ベースプレート１０６とを備えている。この共振子１２４は、弾性ビーム屈曲部部材１０８によって平面な均衡プレート１０４とベースプレート１０６とに取り付けられる中央の慣性プルーフ質量体１０２の部材を備えている。この平面の均衡プレート１０４の慣性は、プルーフ質量体１０２のロッキング慣性にマッチする。この両方は、これらの慣性が形状設計によってほぼ等しく設定されることが可能なように、研磨加工された結晶シリコンから作られることが可能である。

平面な均衡プレート１０４に対するポストプルーフ質量体１０２の差動ロッキングは、高いメカニカルゲインで慣性速度を感知する振動の２つの所望の縮退したモード、反応のないモードをもたらす。細長いポストプルーフ質量体１０２対均衡プレート１０４の高い角ゲインは、コリオリ力に対して高い感度を、それゆえに、平面に垂直な慣例速度をもたらす。ベースプレートは、共振子１２４の平面な均衡プレート１０４の振動を駆動し、感知するために、共振子屈曲部１０８のアタッチメントとベースプレート電極のためのキャパシタンスギャップの生成のために短い（ほぼ１５ミクロン）柱部を保持している。

ベースプレート１０６は、さらに、パッケージングのための一体的な振動分離および外側取り付けフレームを備えている。共振子は、慣性プルーフ質量体１０２の垂直部分１１６なしに、同一の両面研磨加工された結晶シリコンウエハからエッチングされることが好ましい。加えて、ベースプレート１０６は、さらに、標準の半導体処理で、シリコンウエハからエッチングされることが好ましい。ベースプレート１０６は、開示された共振子分離方法によって移動しないので、その機械精度は、重大でない。

図５および図６は、Ｘ軸およびＹ軸まわりの重要な差動ロッキングモードをそれぞれ示している。実際的なシミュレーションにおいて、このモデルは、ビームの長さがほぼ１ミクロンエラーで、ほぼ１０^−４の運動量分離を得ている。その結果として生ずる周波数分割は、ほぼ０．２Ｈｚであった。最近のミクロ機械加工エラーは、横のＸおよびＹ方向において、１００ｎｍ未満２ｃｍ以上と推定される。５００ミクロの厚さに対して１０ｎｍ未満のエラーは、光学度量衡（ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）によって確立されるように、Ｚ方向において推定される。共振子は、ポストなしに、０．１Ｈｚ未満の測定されたロッキングモード周波数分割で機械加工された。

図４〜図６を生成するのに使用されるＦＥＭ分析は、重要な共振子屈曲部１０８およびベースプレート屈曲部１３０のための簡単なビーム部材と、慣性プルーフ質量体１０２のための六面体の固体部材と、平面の均衡プレート１０４、中央の支持プレート部分１１８およびベースプレート１０６のための剛性質量部分とを含んでいる。共振子１２４の均衡プレート１０４を画定するプロットだけの部材の構造ラインは、図４〜図６に目で見ることができるが、構造上の重要性がない。均衡プレート１０４および中央のベースプレート１０６のためにプレート部材を、慣性プルーフ質量体１０２のために固体の六面体部材を使用する精巧なモデルは、最終フォトマスク生成前に、いっそう精密な形状画定に使用されることが可能である。

結論
本発明の好ましい実施形態の前述の記述は、例示および説明のために示されたものである。開示される精密な形状に本発明を包括し、あるいは、限定することを意図されるものでない。多数の変更および変形は、上記の教示を鑑みて可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ、ここに添付の特許請求の範囲によって限定されるということが意図される。上記の明細書、例示およびデータは、本発明の製造および用途の完全な説明を与えている。本発明の多くの実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく行われることが可能なので、本発明は、下文に添付されている特許請求の範囲にある。

本発明の分離された共振子ジャイロスコープの平面図を示す。 変位された位置における本発明の分離された共振子ジャイロスコープの側面図を示す。 本発明の分離された共振子ジャイロスコープを製造する典型的な方法のフローチャートである。 例示的な反応のないプレーナ共振子ジャイロスコープモデルの平面図を示す。 例示的な反応のないプレーナ共振子ジャイロスコープモデルについてのＸ軸まわりの差動ロッキングモードを示す。 例示的な反応のないプレーナ共振子ジャイロスコープモデルについてのＹ軸まわりの差動ロッキングモードを示す。

Claims (28)

1. 平面領域を有し、その中央部に孔が開いた均衡プレート、
   前記均衡プレートの前記孔を貫通し、その質量中心が、前記均衡プレートの厚さ方向の中心と同じ平面になるような位置関係を有し、その質量の慣性分布が、前記孔内よりも孔外に大きい質量を有するように設計されたプルーフ質量体、
   並びに
   前記位置関係で前記プルーフ質量体と前記均衡プレートとを相互に連結した１つ以上の屈曲部、
   を有する分離された共振子と、
   前記プルーフ質量体が接続された部分と前記均衡プレートが接続された部分の間で前記１つ以上の屈曲部と接続されることによって前記共振子に固定されたベースプレートと、
   前記共振子を励起し、ジャイロスコープの動きを感知するために、前記均衡プレートの平面領域に近接して前記ベースプレートに固定された駆動および感知電極と、
   を具備する共振子ジャイロスコープであって、
   前記感知電極は、前記均衡プレートの周辺まわりに配置され、前記感知電極の表面エリアは、前記駆動電極の表面エリアより大きく、
   前記分離された共振子は、前記共振子が励振されるとき、前記ベースプレートへ前記共振子の垂直方向の振動を実質的に伝達しない、共振子ジャイロスコープ。
2. 前記プルーフ質量体および均衡プレートは、それぞれ、実質的に一致する質量の中心と軸まわりで横方向に作用する慣性対称とを有し、前記プルーフ質量体および均衡プレートは、互いに、ほぼ等しい周波数で、前記軸に対して横方向に作用する振動の２つの差動ロッキングモードを形成する、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
3. 少なくとも１つの分離屈曲部を介して前記ベースプレートに取り付けられた取り付けフレームをさらに具備する、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
4. 前記ベースプレートは、剛性である、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
5. 前記均衡プレートは、フレキシブルである、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
6. 前記均衡プレートは、前記プルーフ質量体のロッキング慣性にほぼ匹敵するロッキング慣性を有している、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
7. 前記１つ以上の屈曲部は、前記均衡プレートと一体化している、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
8. 前記プルーフ質量体、均衡プレートおよびベースプレートは、シリコンから機械加工されて形成されている、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
9. 前記１つ以上の屈曲部の各々は、第１の端部で前記プルーフ質量体に、第２の端部で前記均衡プレートに取り付けられているビーム屈曲部である、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
10. 各ビーム屈曲部は、不均衡に前記ベースプレートに、前記均衡プレートへのアタッチメントポイントよりも前記プルーフ質量体へいっそう近くに取り付けられている、請求項９に記載の共振子ジャイロスコープ。
11. 前記プルーフ質量体は、垂直部分を備えている、請求項１に記載の共振子ジャイロスコープ。
12. 前記１つ以上の屈曲部は、前記中央のプレート部分と一体化している、請求項１１に記載の共振子ジャイロスコープ。
13. 前記中央のプレート部分、１つ以上の屈曲部および前記均衡プレートは、精密に研磨加工されたシリコンウエハを貫通エッチングすることによって形成されている、請求項１１に記載の共振子ジャイロスコープ。
14. 前記垂直部分は、前記中央のプレート部分に接合された独立した部材である、請求項１１に記載の共振子ジャイロスコープ。
15. 平面領域を有し、その中央部に孔が開いた均衡プレート、
    前記均衡プレートの前記孔を貫通し、その質量中心が、前記均衡プレートの厚さ方向の中心と同じ平面になるような位置関係を有し、その質量の慣性分布が、前記孔内よりも孔外に大きい質量を有するように設計されたプルーフ質量体、
    並びに
    前記位置関係で前記プルーフ質量体と前記均衡プレートとを相互に連結した１つ以上の屈曲部、
    を含む分離された共振子を設ける工程と、
    ベースプレートに駆動および感知電極を、前記感知電極が前記均衡プレートの周辺まわりに配置され、前記感知電極の表面エリアが前記駆動電極の表面エリアより大きくなるように固定する工程と、
    前記駆動および感知電極が前記均衡プレートの平面領域に近接して配置されるように、前記プルーフ質量体が接続された部分と前記均衡プレートが接続された部分の間でベースプレートを前記１つ以上の屈曲部に接続することによって、ベースプレートを前記共振子に固定する工程と、
    を具備する共振子ジャイロスコープを製造する方法であって、
    前記分離された共振子は、前記共振子が励振されるとき、前記ベースプレートへ前記共振子の垂直方向の振動を実質的に伝達しない、方法。
16. 前記プルーフ質量体および均衡プレートは、各々、実質的に一致する質量の中心と軸まわりで横方向に作用する慣性対称とを有し、前記プルーフ質量体および均衡プレートは、互いに、ほぼ等しい周波数で、前記軸に対して横方向に作用する振動の２つの差動ロッキングモードを形成する、請求項１５に記載の方法。
17. 少なくとも１つの分離屈曲部を介して前記ベースプレートに取り付けられる取り付けフレームを設けることをさらに具備している、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ベースプレートは剛性である、請求項１５に記載の方法。
19. 前記均衡プレートはフレキシブルである、請求項１５に記載の方法。
20. 前記均衡プレートは、前記プルーフ質量体のロッキング慣性にほぼ匹敵するロッキング慣性を有している、請求項１５に記載の方法。
21. 前記１つ以上の屈曲部は、前記均衡プレートと一体化して生成される、請求項１５に記載の方法。
22. 前記生成および固定する工程は、前記プルーフ質量体、均衡プレートおよびベースプレートをシリコンから機械加工することを備えている、請求項１５に記載の方法。
23. 前記１つ以上の屈曲部はそれぞれ、第１の端部で前記プルーフ質量体に、第２の端部で前記均衡プレートに取り付けられるビーム屈曲部である、請求項１５に記載の方法。
24. 各ビーム屈曲部が、不均衡に前記ベースプレートに、前記均衡プレートへのアタッチメントポイントよりも前記プルーフ質量体へいっそう近くに取り付けられている、請求項２３に記載の方法。
25. 前記プルーフ質量体は垂直部分を備えている、請求項１５に記載の方法。
26. 前記１つ以上の屈曲部は、前記中央のプレート部分と一体化している、請求項２５に記載の方法。
27. 前記中央のプレート部分、１つ以上の屈曲部および前記均衡プレートは、精密に研磨加工されたシリコンウエハを貫通エッチングすることによって生成される、請求項２５に記載の方法。
28. 前記垂直部分は、前記中央のプレート部分から独立した部材であり、前記プルーフ質量体を生成する工程は、前記中央のプレート部分に前記垂直部分を接合することを備えている、請求項２５に記載の方法。

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