JP4698221B2 - 内部径方向検知およびアクチュエーションを備える分離型平面ジャイロスコープ - Google Patents
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Description
GYROSCOPE”)と題された、キリル・ブイ・シチェグロフ他による米国特許出願第XX/XXX,XXX号。
適でなかったり、または微細加工に対しかなりの制限を有したりする。半球状共振器は、高感度静電センサおよび有効アクチュエータ用に、半球の広範な円筒型側面を用いる。しかしながら、その高いアスペクト比および3次元に湾曲した外形は、安価な薄い平面シリコン微細加工には不適当である。薄型リングジャイロスコープ(たとえば、米国特許第6,282,958号、引用により援用される)は、平面シリコン微細加工には好適であるが、デバイスの広範な平面区域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。さらに、このジャイロスコープ用のケースは共振器プルーフ質量体と同じ材料ではないので、共振器プルーフ質量体に対するピックオフおよびトルカーの整列が温度とともに変化し、結果的にジャイロのドリフトが生じてしまう。
のようなジャイロスコープの必要性も存在する。二次元シリコン製造に適合しつつ、望ましい分離および振動対称属性を有するそのようなジャイロの必要性がさらに存在する。好ましくはシリコンである同じ材料から作られ、かつピックオフ、トルカーおよび読出電子機器が密に近接できるようにするジャイロスコープ共振器およびケースの必要性が存在する。最後に、小さな規模でのジャイロノイズをより低くするために、コンパクトな形態の検知および駆動要素用に十分な区域を設けるそのようなジャイロの必要性が存在する。以下に詳細に述べるように、本発明は、これらすべておよびその他の必要性も満たす。
sensing)に利用可能な区域も増大している。この構造の利点は、より大きな撓みを許し、かつ感度が増大していることを含む。これに代えて、ディスクの厚みにかかわらず一定の検知区域を設ける中実ディスクの上面および底面上に面内歪み計を置くことができる。しかしながら、この方策で製作した共振器は、セグメント化されたまたはスロットを設けた方策と比較して、面内硬さが増大している。
質量体の対称運動を発生する2つの縮退面内システムモードを備えて設計され得る。
この発明の実施例は、一般的に、分離型平面振動式ジャイロスコープを記載する。一般的に、この発明の実施例は、埋込まれた検知およびアクチュエーションを用い、単一の中央ノーダル支持体(nodal support)を備える所望の軸対称共振器、一体型(および分散型)プルーフ質量体、総面積が大きな屈曲懸架広範容量性電極を有する、微細機械加工された平面シリコンジャイロスコープを設ける。有利には、この発明の共振器全体、埋込電極および一体化ケース壁は、単一のシリコンウェハから作製することができる。
図1Aは、この発明のジャイロスコープまたは慣性センサ実施例のための、分離型共振器の概略上面図である。ジャイロスコープは、剛性中央支持体106で支持され、かつ面内振動のために設計された唯一の平面共振器100を含む。例示的な実施例では、共振器100は、同心円周方向セグメント104A−104Eから形成される、(一般的に116で参照される)多数のスロット、たとえば116A−116Dを含むディスクを備える。円周方向セグメント104A−104Eは、径方向セグメント102A−102Eで支持される。共振器全体の直径は、性能要件に依存して異なり得る。たとえば、直径が16mmの共振器は、比較的高い機械加工精度および低ノイズを与え得る。共振器をさらに洗練させると、かなり低減されたコストで共振器の直径をわずか4mmにできる。
提供する面内コンプライアンス(compliance)の増大に由来する。大きな検知、バイアスおよび駆動キャパシタンスは、共振器内に機械加工可能な多数のスロットの結果である。
図2Aおよび図2Bは、この発明の例示的なスロット付きディスク平面共振器ジャイロスコープの有限要素モデルを示す。図3A−図3Jは、様々なモードでの例示的なシリンダ共振器ジャイロスコープの有限要素モデル内の歪みエネルギーを図示する。これらの様々な中実シリンダ共振器モードは、中実円筒形共振器振動における径方向歪みパターンを図示し、図2A−図2Bに示されたものなどのこの発明のセグメント化実施例の展開を補助する。
図5A−図5Cは、この発明の分離型共振器を製作するのに使用可能なマスクを図示する。図5Aは複数のスロットを設けたディスク共振器作製パターン500の上面図である。共振器パターンは、ベースプレート上の中央支持体にボンディングされる大きな中央区域502を含む。たとえば同心の環状電極504A−504Fなどの埋込電極は、共振器の構造506(径方向および円周方向セグメント)を同時に規定する貫通エッチングプロセスによって規定される。図5Bは、複数のスロットを設けたディスクベースプレートパターン508の上面図であり、たとえば電極ボンディングパッド510A−510Fおよび中央支持体ボンディングパッド512などのボンディングパッドを示す。図5Cは、ベースプレートにボンディングされる複数スロットを設けたディスク共振器の上面図である。整列を図示するため、電極ボンディングパッド510A−510Fおよび中央支持体ボンディングパッド512は、それぞれ電極および共振器構造506を貫通するように示される。公知のシリコン製造プロセスを用いることができる。
セグメントとともに特に準備されるベースシリコンウェハに機械加工されていない共振器ディスクをまずボンディングすることによって達成することができる。ウェットケミカルエッチングによって柱の高さを規定してもよく、ディープリアクティブイオンエッチング(DRIE)を用いて共振器およびその電極をフォトリソグラフィックに機械加工する前に、ゴールドコンプレッション(gold compression)または金−シリコン共融ボンディングを用いて共振器を支持柱にボンディングすることができる。さらに、小規模(4mm)共振器については、100ミクロン厚のシリコンウェハまたはシリコンオンインシュレータ(SOI)またはエピタキシャルシリコン層が共振器ウェハに必要である。これに代えて、より厚みのあるウェハをベースプレートにボンディングしてこれを所望の厚みに研削および研磨することができる。共振器ボンディングの前にベースプレート上に密な配線を転写(photograph)し、これを従来の真空パッケージングでデバイスの外側でセラミック基板上の配線格子にワイヤボンディングしたり、または共振器にエッチングされた垂直方向ピンを介して読出電子機器ウェハに配線したりして、パッケージを必要としない完全一体化シリコンジャイロスコープを得ることができる。
よってアライメントマークを製作することができる。アライメントマークは、浮き上がりがはっきりと見えるようになるまで(約5分から10分間)CF4およびO2を用いて反応性イオンエッチング(RIE)プロセスによって製作され得る。これに代えて、約1分間のSTSプロセスを用いることもできる。レジストを除去した後、メタライゼーションリソグラフィを用いてマスクをウェハ612の表側に塗布し、ボンディングパッド614、616を製作する。たとえば、30ÅのCrおよび3500ÅのAu、または100ÅのTi、200ÅのPtおよび3500ÅのAuなどの金属を塗布し、マスクを持上げてボンディングパッド614、616を露出する。
配設される。真空キャビティ壁642はアセンブリ全体を取囲む。真空キャビティ壁642は、共振器630を覆いかつベースプレートウェハ600にボンディングされる従来のハウジングの一部として適用され得る。これに代えて、後で論じられるさらなる実施例では、真空キャビティ壁642を共振器と同時に製作することができる。
実質的に面内の振動を発生する内部電極を備える同心の円周方向スロットを有する、例示的な中央支持平面共振器が上述される。しかしながら、述べられた原則および手順を用いるその他の平面共振器パターンも可能であることに注目することが重要である。
スコープの場合のようにウェハの厚みではなく、フォトリソグラフィ対称性によって定まるところが大きい。また、この実施例は、検知キャパシタンス(たとえば各要素の外側スロット)および駆動キャパシタンス(たとえば各要素の内側スロット)の分離および最適化を用い、かつより小さな/より大きな直径およびより薄い/より厚いウェハに外形的に拡大縮小可能な設計を提供する。この実施例も、機械加工均一性および対称性のために同じ幅のスロットによって全体的に規定され得る。最後に、この実施例では、4つの部分からなる対称がすべてのSi結晶配向に適用され、理想的な角度ゲインが1に近づく。
この発明のさらなる実施例では、共振器とともに作られる一体化真空ハウジングを含む新規なジャイロスコープにおいて、内部励起および検知電極を備える、分離型平面共振器を製作することができる。これらのさらなる実施例は、図6Aから図7について上で詳細に説明された基本的製品および製造手順に基づいている。
の酸化物層の上に、金属ボンディングライン1018(たとえばAu)も製作される。
特定的な特徴は、電極への接続がなされるベースプレートウェハからデバイスウェハ対の上面へ信号線をもってくる「垂直コネクトピン」の存在である。ボンディングプロセスの間に、端キャップウェハ上のフィードスルーラインにまたはCMOS電子機器上の関連のメタライゼーションにピンを接続することができる。これらの電気的接続を行なうボンディングプロセスでは、ジャイロスコープ共振器を収容する真空封止キャビティも作られる。ボンディングは、真空気密封止および高品質な電気的接続を確実にするはんだリフロー(Au−Snなど)を用いて行なうことができる。
Claims (42)
- 慣性センサであって、
中央装着点を有する、実質的に面内の中実ディスクの振動のためのコリオリ検知に好適な2つの縮退面内モードを有する平面機械式共振器と、
前記中央装着点における平面機械式共振器用剛性支持体と、
前記平面機械式共振器の縮退面内モードの振動を励起するための、前記平面機械式共振器の内部の少なくとも1つの励起電極と、
励起された前記平面機械式共振器の縮退面内モードの振動を検知するための、前記平面機械式共振器の内部の少なくとも1つの検知電極とを含む、慣性センサ。 - 平面共振器の振動は、前記剛性支持体から実質的に分離される、請求項1に記載の慣性センサ。
- 前記面内振動は、前記中央装着点の周りの実質的に径方向の運動を含む、請求項1に記載の慣性センサ。
- 前記剛性支持体を支持するベースプレート、励起電極、および検知電極をさらに含む、請求項1に記載の慣性センサ。
- 前記平面機械式共振器は複数のスロットを含む、請求項1に記載の慣性センサ。
- 前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに環状パターンに配置される、請求項5に記載の慣性センサ。
- 前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに実質的に均一な径方向間隔取りで配置される、請求項5に記載の慣性センサ。
- 前記複数のスロットは対称パターンに配置される、請求項5に記載の慣性センサ。
- 前記少なくとも1つの励起電極は、前記複数のスロットのうち1つ以上の中に配設される、請求項5に記載の慣性センサ。
- 前記少なくとも1つの励起電極は、前記複数のスロットのうち1つ以上の内側スロットの中に配設される、請求項9に記載の慣性センサ。
- 前記少なくとも1つの検知電極は、前記複数のスロットのうち1つ以上の中に配設される、請求項5に記載の慣性センサ。
- 前記少なくとも1つの検知電極は、前記複数のスロットのうちの1つ以上の外側スロットの中に配設される、請求項11に記載の慣性センサ。
- 前記平面機械式共振器は4つの質量体を含み、その各々は面内振動モードの単純縮退対を有する、請求項1に記載の慣性センサ。
- 前記平面機械式共振器は、コリオリ検知のために前記4つの質量体の対称運動を発生する2つの縮退面内システムモードを有する、請求項13に記載の慣性センサ。
- 前記共振器と同じウェハから形成された一体化ケース真空壁をさらに含む、請求項1に記載の慣性センサ。
- 真空シールにより前記ケース壁にボンディングされた端キャップウェハをさらに含む、請求項1に記載の慣性センサ。
- 前記端キャップウェハは、前記慣性センサ用の読出電子機器を含む、請求項16に記載の慣性センサ。
- 慣性センサを製作する方法であって、
中央装着点を有する、実質的に面内の中実ディスクの振動のためのコリオリ検知に好適な2つの縮退面内モードを有する平面機械式共振器を設けるステップと、
前記中央装着点で前記平面機械式共振器を支持するステップと、
前記平面機械式共振器の縮退面内モードを励起するため、前記平面機械式共振器の内部に少なくとも1つの励起電極を設けるステップと、
励起された前記平面機械式共振器の縮退面内モードの振動を検知するため、前記平面機械式共振器の内部に少なくとも1つの検知電極を設けるステップとを含む、方法。 - 平面共振器の振動は、剛性支持体から実質的に分離される、請求項18に記載の方法。
- 振動は、前記中央装着点の周りの実質的に面内の振動を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記剛性支持体を支持するベースプレート、励起電極、および検知電極をさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記センサは、前記ベースプレートをエッチングするステップと、エッチングされた前記ベースプレートにウェハをボンディングするステップと、前記ウェハをスルーエッチングして、共振器、励起電極、および検知電極を形成するステップとによって製作される、請求項21に記載の方法。
- スルーエッチングされた前記ウェハを所望の厚みに研削および研磨するステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
- 前記ウェハをスルーエッチングするステップは、前記慣性センサ用のケース真空壁も形成する、請求項22に記載の方法。
- 前記平面機械式共振器は複数のスロットを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに環状パターンに配置される、請求項25に記載の方法。
- 前記複数のスロットは、前記中央装着点の周りに実質的に均一な径方向間隔取りで配置される、請求項25に記載の方法。
- 前記複数のスロットは対称パターンに配置される、請求項25に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの励起電極は、前記複数のスロットのうち1つ以上の中に配設される、請求項25に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの励起電極は、前記複数のスロットのうち1つ以上の内側スロットの中に配設される、請求項29に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの検知電極は、前記複数のスロットのうち1つ以上の中に配設される、請求項28に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの検知電極は、前記複数のスロットのうちの1つ以上の外側スロットの中に配設される、請求項31に記載の方法。
- 前記平面機械式共振器は4つの質量体を含み、その各々は面内振動モードの単純縮退対を有する、請求項18に記載の方法。
- 前記平面機械式共振器は、コリオリ検知のために前記4つの質量体の対称運動を発生する2つの縮退面内システムモードを有する、請求項33に記載の方法。
- 前記共振器と同じウェハから形成された一体化ケース真空壁を設けるステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 真空シールにより前記ケース壁にボンディングされた端キャップウェハを設けるステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記端キャップウェハは、前記慣性センサ用の読出電子機器を含む、請求項36に記載の方法。
- 慣性センサのための実質的に面内の中実ディスクの振動のためのコリオリ検知に好適な2つの縮退面内モードを有する平面機械式の共振器であって、
複数の同心リングと、
前記同心リングを接続する交互配置セグメントとを含み、
前記平面機械式の共振器は、
前記平面機械式の共振器の縮退面内モードの振動を励起するための、前記複数の同心リングおよび前記交互配置セグメント内部の少なくとも1つの励起電極と、
励起された前記平面機械式の共振器の縮退面内モードの振動を検知するための、前記複数の同心リングおよび前記交互配置セグメント内部の少なくとも1つの検知電極とを含む、共振器。 - 前記同心リングは実質的に円形である、請求項38に記載の共振器。
- 前記平面機械式の共振器は中央装着点で支持される、請求項38に記載の共振器。
- 前記平面機械式の共振器は円周部において支持される、請求項38に記載の共振器。
- 前記平面機械式の共振器は、励起されると実質的に面内振動を呈する、請求項38に記載の共振器。
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