JP5117665B2 - Mems構造内でプルーフマスの運動を減速させる方法およびシステム - Google Patents

Mems構造内でプルーフマスの運動を減速させる方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、一般に微小電気機械システム(MEMS)に関し、より具体的には、MEMSデバイス内の種々の部品の損傷を防止するために、こうしたデバイス内での運動を減速させることに関する。
微小電気機械システム(MEMS)は、微細加工技術を使用して、同じ基板、たとえば、シリコン基板上に電気および機械部品を集積化する。電気部品は、集積回路プロセスを使用して作製されるが、機械部品は、集積回路プロセスと適合するマイクロ機械加工プロセスを使用して作製される。この組み合わせは、標準的な製造プロセスを使用して、チップ上に全体システムを作製することを可能にする。
MEMSデバイスの1つの一般的な適用は、センサデバイスの設計および製造にある。センサデバイスの機械的部分は、検知機能を提供するが、センサデバイスの電気的部分は、機械的部分からの受け取った情報を処理する。MEMSデバイスの1つの例はジャイロスコープである。一部の慣性測定ユニット(IMU)は、1つまたは複数のMEMSジャイロスコープを組み込む。
1つの知られているタイプのMEMSジャイロスコープは、コリオリ加速度の検出によって角速度を検知する振動素子を使用する。振動素子は、運動モードと呼ばれる共鳴振動モードにおいて、運動(X)軸に沿って揺動運動状態に置かれる。振動素子が運動状態になると、ジャイロスコープは、基板に垂直である入力(Z)軸を中心として回転する基板によって誘導される角速度を検出することが可能になる。コリオリ加速度は、X軸とZ軸の両方にも垂直であるセンス(Y)軸に沿って生じ、センスモードと呼ばれる共鳴振動モードにおいて、Y軸に沿う揺動運動を引き起こす。センスモードの揺動振幅は、基板の角速度に比例する。しかし、振動素子は、外部の力によって作用を受けることがある。たとえば、航空機または飛行プラットフォームは、大きな重力操縦を行う。力によって、MEMSデバイス、たとえば、MEMSジャイロスコープ内のプルーフマスが、モータドライブ、モータピックオフ、または、センス板に、時として、高い速度レートで接触するため、上に挙げた部品の1つまたは複数に損傷が生ずる可能性がある。こうした接触は望ましくなく、MEMSデバイスの性能に影響を与える。
一態様では、微小電気機械システムデバイスが提供され、微小電気機械システムデバイスは、少なくとも1つのアンカを備える基板と、プルーフマスであって、プルーフマスから延びる少なくとも1つの減速伸張部か、プルーフマス内に形成される少なくとも1つの減速くぼみ部のいずれかを備えるプルーフマスと、モータドライブコムと、モータセンスコムとを備える。デバイスはまた、プルーフマスを、基板の上で、かつ、モータドライブコムおよびモータセンスコムの間に懸垂保持するように構成される複数のサスペンションを備え、サスペンションは基板に固定される。デバイスはさらに、基板に取り付けられた本体と、本体から延びる少なくとも1つの減速梁とを備える。減速梁は、減速伸張部か、減速くぼみ部のいずれかに係合し、プルーフマスが、モータドライブコムおよびモータセンスコムに接触する前に、プルーフマスを減速または停止させるように構成される。
別の態様では、微小電気機械システム(MEMS)デバイスのための減速停止部が提供され、MEMSデバイスは基板および少なくとも1つのプルーフマスを含む。減速停止部は、プルーフマスから延びる少なくとも1つの減速伸張部か、プルーフマス内に形成される少なくとも1つの減速くぼみ部のいずれかと、基板に固定された複数の減速梁とを備える。減速梁はプルーフマスの方に延びる。減速伸張部と減速くぼみ部は、減速梁のうちの少なくとも1つに係合するように構成され、MEMSデバイスの部品をプルーフマスに隣接して接触させる前に、プルーフマスを減速または停止させる。
さらに別の態様では、ジャイロスコープが提供され、ジャイロスコープは、基板と、基板に固定された少なくとも1つの横梁と、少なくとも1つのプルーフマスとを備え、それぞれのプルーフマスは、少なくとも1つの減速伸張部か、少なくとも1つの減速くぼみ部のうちのいずれかを備え、横梁のうちのそれぞれの1つに接続される複数のサスペンションとを備える。サスペンションは、基板の上でプルーフマスを懸垂保持するように構成される。ジャイロスコープはさらに、それぞれのプルーフマスに隣接するモータドライブコムと、それぞれのプルーフマスに隣接するモータセンスコムと、それぞれの横梁に取り付けられた少なくとも1つの本体と、基板に固定された複数の減速梁とを備える。減速伸張部と減速くぼみ部は、減速梁のうちの少なくとも1つに係合するように構成され、モータドライブコムとモータセンスコムを接触させる前に、プルーフマスを減速または停止させる。
さらに別の態様では、微小電気機械システム(MEMS)デバイスにおける、プルーフマスと隣接部品の間での衝撃および衝撃速度を低減する方法が提供される。方法は、プルーフマスから延びる少なくとも1つの減速伸張部か、プルーフマス内に形成される少なくとも1つの減速くぼみ部のいずれかを有するようにプルーフマスを構成するステップと、プルーフマスの方に延びる複数の減速梁を設けるステップと、減速梁用のアンカを設けるステップとを含む。減速梁は、減速伸張部か減速くぼみ部のいずれかに係合するように構成され、MEMSデバイスの任意の部品をプルーフマスに隣接して接触させる前に、プルーフマスを減速または停止させる。
別の態様では、微小電気機械システム(MEMS)デバイスにおける、プルーフマスと隣接部品の間での衝撃および衝撃速度を低減する方法が提供される。プルーフマスは、複数のサスペンションによって基板の上に懸垂保持される。方法は、基板の上に、サスペンション用のアンカを設けるステップと、プルーフマスの方へ延びる本体を形成するステップと、本体を固定するステップと、プルーフマスの方へ延びる複数の減速梁を有するように本体を構成するステップとを含む。方法はまた、プルーフマスから延びる少なくとも1つの減速伸張部か、プルーフマス内に形成される少なくとも1つの減速くぼみ部のいずれかを有するようにプルーフマスを構成するステップを含む。減速伸張部および減速くぼみ部は、減速梁のうちの少なくとも1つに係合するように構成され、MEMSデバイスの任意の部品をプルーフマスに隣接して接触させる前に、プルーフマスに減速または停止させる。
図1は、微小電気機械システム(MEMS)デバイス10、たとえば、ジャイロスコープの平面図である。MEMSデバイス10は、基板(図示せず)上に形成され、少なくとも1つのプルーフマス12、プルーフマス12を支持するための複数のサスペンション14、および、サスペンション14に接続された少なくとも1つの横梁16を含む。代替の構成では、サスペンション14は、個々に、かつ、直接基板に接続される。MEMSデバイス10はまた、個々のプルーフマス12に対応する、モータドライブコム18、モータピックオフコム20、およびセンス板22を含む。
プルーフマス12は、MEMSデバイスで使用するのに適した任意のマスから作製される。一実施形態では、プルーフマス12はシリコン板である。マイクロ機械加工技術に適合する他の材料が利用されてもよい。図1は、2つのプルーフマス12を示すが、それより少ないか、または、3つ以上のプルーフマスが利用されてもよい。
プルーフマス12は、モータドライブコム18とモータピックオフコム20の間に実質的に位置する。プルーフマス12は、複数のコムに似た電極26を含む。電極26の一部はモータドライブコム18の方へ延び、電極26の一部はモータピックオフコム20方へ延びる。図示する実施形態では、プルーフマス12は、34個の電極26を有するが、異なる数の電極を組み込むプルーフマスを利用することが知られている。MEMSデバイス(図示せず)の他の実施形態では、モータドライブコムとモータピックオフコムは、互いに隣り合って位置してもよい。
示す実施形態では、プルーフマス12は、サスペンション14によって、それぞれのセンス板上22に保持される。それぞれのプルーフマス12を懸垂保持するために4つのサスペンション14が示されるが、プルーフマス12を適切に保持する任意の数のサスペンション14が利用されてもよい。一実施形態ではサスペンション14は、シリコンウェハからマイクロ機械加工された梁である。サスペンション14はまた、プルーフマス12が、図1に示す、ドライブ平面(X軸)およびセンス平面(Y軸)内で運動することを可能にさせるバネとして働く。
モータドライブコム18は、それぞれのプルーフマス12の方へ延びる複数のコムに似た電極28を含む。モータドライブコム18は、18個の電極28を有するように示されるが、モータドライブコム18上の電極28の数は、通常、それぞれのプルーフマス12上の電極26の数によって決まる。モータドライブコムは、通常、ドライブ電子部品(図1には図示せず)に接続される。電極28および電極26は、それぞれのプルーフマス12およびモータドライブコム18から延びる時に、互いに組み合わされ、ドライブ平面(X軸)の運動を生成するのに利用されるコンデンサを形成する。
モータピックオフコム20はまた、それぞれのプルーフマス12の方へ延びる複数のコムに似た電極30を含む。モータピックオフコム20は、18個の電極30を有するように示されるが、モータピックオフコム20から延びる電極30の数は、通常、それぞれのプルーフマス12上の電極26の数によって決まる。モータピックオフコム20は、センスコムと呼ばれる場合がある。電極26および電極30は、それぞれのプルーフマス12およびモータピックオフコム20から延びる時に、互いに組み合わされ、ドライブ平面(X軸)の運動を検知するのに利用されるコンデンサを形成する。
センス板22は、それぞれのプルーフマス12と平行であり、コンデンサを形成する。少なくとも1つのプルーフマス12が、ドライブ平面(X軸)に沿って揺動している間に、入力ベクトル(Z軸)に沿ってジャイロスコープとして動作するMEMSデバイス10に、角速度(すなわち、航空機の旋回)が加わる場合、センス平面(Y軸)においてコイオリ加速度が検出される。静電容量を使用して、センス平面(Y軸)の運動が検知される。MEMSデバイス10の出力は、通常、運動によって引き起こされる静電容量の変化に比例する信号である。センス板22は、通常、図1には示さない、センス電子部品に接続される。センス電子部品は、プルーフマス12が、それぞれのセンス板22およびそれぞれのモータドライブコム18とモータピックオフコム20の方へ、かつ/または、そこから離れて運動する時の静電容量の変化を検出する。
モータピックオフコム20は、通常、プルーフマス12の検知動作(motion)において使用されるバイアス電圧(図示せず)に接続される。モータドライブコム18は、通常、ドライブ電子部品(図示せず)に接続される。ドライブ電子部品によって、それぞれのプルーフマス12が、プルーフマス12およびモータドライブコム18の複数の互いに組み合わされたコムに似た電極26、28によって形成されたコンデンサを使用することによって、ドライブ平面(X軸)に沿って、実質的に音叉周波数で揺動する。MEMSデバイス10は、2つの密接な間隔の揺動モードを有する。運動モードと呼ばれる、モードの1つは、デバイス10の共鳴周波数で、静電力によって駆動されて、比較的大きな揺動振幅が生成される。回転力が、デバイス10に加えられると、運動モードにおいて、プルーフマス12の速度に比例するコリオリ力が生成される。コリオリ力は、運動モードの周波数でセンスモード方向にプルーフマス12を駆動する。静電容量を利用して、以下で述べるように、センスモードにおける揺動を検出するための1つまたは複数の電極が設けられる。DCおよび/またはACバイアス電圧は、センス電極に印加され、それによって、センスモードにおけるプルーフマス12の運動が出力電流を生成する。
一定の動作環境において、MEMSデバイス、たとえば、ジャイロスコープは、極端な衝撃および振動の暴露を受けやすいが、同様に、微小な角速度および線形化速度を測定するのに十分な機械的感度を持たなければならない。こうした力によって、プルーフマス12の伸張部26が、モータドライブコム18、その伸張部28、モータピックオフコム20、およびその伸張部30のうちの1つまたは複数と強制的に接触するようになる。伸張部26、28、および30の1つまたは複数が折れて取れるか、または、その他の方法で損傷を受ける可能性に加えて、静電力によって、プルーフマス12が、接触したデバイス10の部品と物理的に接触したままになるであろう。他の力によって、プルーフマス12の主要な本体が、センス板22に接触するようになる場合がある。再び、静電力によって、プルーフマス12が、センス板22と接触したままになる場合がある。
MEMSデバイス10はまた、過剰の外部の機械的力によって引き起こされる上述の動作上の問題を減らすか、または、回避させる、複数の減速停止部50を有するように構成される。デバイス10は、減速停止部50を利用して、外部力の防護が提供される。プルーフマス12は、左プルーフマス54および右プルーフマス56としてさらに特定される。本明細書で使用される「左」および「右」という用語は、減速停止部50の動作を説明するのみのための図に関して例示するためであり、MEMSデバイス10の任意のタイプの構造上の制限を意味しない。左プルーフマス54および右プルーフマス56は、サスペンション14によって、上述するように、基板の上に支持される。サスペンション14は、センス板(図示せず)が通常取り付けられる基板(図示せず)の上で、プルーフマス54および56を懸垂保持し、一方、サスペンション14は、同様に、プルーフマス54および56が、バイアス電圧が印加されると、振動することを可能にする。プルーフマス54および56が振動すると、伸張部26は、モータドライブコム18の伸張部28とモータピックオフコム20の伸張部30の間で前後に運動し、定量化することができる静電容量変化を引き起こす。
図2は、左プルーフマス54が、モータドライブコム18およびモータピックオフコム20に接触することを防止すうように動作する減速停止部50を詳述する図である。左プルーフマス54に関して単一の減速停止部50が示され、述べられるが、説明が、(右プルーフマス56を含む)任意のプルーフマスと関連して利用される減速停止部に適用できること、および、複数の減速停止部50を、任意の個々のプルーフマス(図1に示す)に関連させることができることが理解されるはずである。減速停止部50は、一実施形態では、横梁16とプルーフマス54の間に位置し、固定用伸張部62を通して横梁16に取り付けられた本体60を含む。一実施形態では、本体60は、基板に取り付けられ、MEMSデバイスのための固定機能を提供する。さらに、複数の減速梁64は、本体60からプルーフマス54の方へ延びる。減速梁64の間に位置する減速伸張部66は、プルーフマス54から延びる。減速梁64および減速伸張部66によって、プルーフマス54が、通常の運動条件下で自由に運動することが可能であるが、プルーフマス54の運動が一定の限度を超えると、プルーフマス54を減速させるのに役立つ。一実施形態では、減速梁64は、伸張部86に接近して配置され(position)、したがって、プルーフマス54はコム28および30に接近して配置される。図1および図2に示すように、一実施形態では、減速梁64および減速伸張部66は、細長い矩形構造である。
具体的に、外部力によって、プルーフマス54の運動が減速伸張部66を減速梁64の1つに係合すると、減速梁64および減速伸張部66の一方または両方が曲がり、プルーフマス54が固定された停止部に接触する時に、衝撃が大幅に低減されるか、または、なくなるように、プルーフマス54を減速させる。減速停止部50によるプルーフマス54の減速は、プルーフマス54、モータドライブコム18、およびモータピックオフコム20の互いに組み合わされた部材に対する損傷を防止する。
外部力はまた、プルーフマス54を上下に運動させる場合がある。図3は、プルーフマス102から延びる減速伸張部100の一実施形態を示す図である。プルーフマス102をセンス板104に接触させる下方向の運動をプルーフマス102が受ける場合、プルーフマス102の下方向運動を元々引き起こした力が存在しなくなると、静電力によって、プルーフマス102が、センス板104に接触したままになる場合があることが知られている。プルーフマス102とセンス板104との接触が続くことによって、MEMSデバイスが機能しなくなる。
上述した問題の悪い影響を減らすために、減速伸張部100の底面106は、減速伸張部100から下方向に延びた多数の隆起した半球領域108を有するように形成される。隆起した半球領域108が基板110に接触すると、プルーフマス102の下方向の運動が停止し、したがって、プルーフマス102が、センス板104または基板110に接触するのが防止される。代替の実施形態では、減速伸張部100に直接係合する隆起領域112(図示するように)を有するように基板110が形成されるか、または、基板110は、プルーフマス102とセンス板104の間により大きな分離を提供するための、隆起した、半球領域108に係合する。一実施形態では、減速伸張部の上面114は、隆起した半球領域108と同様の、プルーフマスと、プルーフマスの上にあるMEMSデバイスの部品との接触を低減するか、または、なくすように構成された多数の隆起領域(図示せず)を有するように形成される。隆起領域108は半球であるとして述べられ、示され、隆起領域112は矩形ブロックとして示されるが、同じ機能を提供するのに異なる形状を利用する他の実施形態が存在することが理解される。
図4および図5は、減速停止部120の代替の実施形態を示す。図1および図2に示す部品と同じである図4および図5の部品は、図1および図2で利用される同じ参照数字を利用して示される。図4を参照すると、横梁122は、アンカ124、および、アンカ124と横梁122の間に延びる固定用伸張部125を利用して基板(図示せず)に接続される。本体126は、横梁122から延び、それぞれのプルーフマス54および56の一方へ延びる減速梁128を含む。本体126は、横梁122からプルーフマス54、56の方へ延び、横梁122と一体に形成され、そこから延びることができる任意の形状である可能性がある。示す実施形態では、本体126は形状が矩形である。減速停止部120の構造は、図5により詳細に示される。減衰梁128は、プルーフマス54の運動に基づいて、減衰伸張部66に係合するように構成される。本体60(図2に示す)が提供するが、減速停止部120はMEMSデバイスのサスペンション用の固定機能を提供しないため、減速停止部120は、減速停止部50(図1および図2に示す)と異なる。
図6は、プルーフマス152を減速させる減速停止部150の代替の実施形態を示す図である。プルーフマス152は、部分図で示され、減速停止部150に関連する部分のみが示される。実施形態では、減速梁154は、基板(図示せず)に固定された本体156からプルーフマス152の方へ延びる。上述したように、減速梁に係合する減速伸張部を有するように構成されるのではなく、プルーフマス152は、減速梁154に係合する矩形くぼみ部158を有するように形成される。減速伸張部ではなく、くぼみ部158を有するように形成することによって、大きなプルーフマスが、所与の領域について形成されることが可能になる場合がある。代替の実施形態では、減速梁は、プルーフマスから延び、一方、減速伸張部は、固定用本体内に形成される。
単一の減速梁154およびくぼみ部158を利用するものとして示し、述べられるが、MEMSデバイスは、減速停止部として、2つ以上の減速梁154およびくぼみ部158を組み込むことができる。さらに、単一か、複数のいずれかの減速梁154およびくぼみ部158を使用した、いくつかの減速停止部150を、4つの減速停止部50が示される図1に示すMEMSデバイスと同じ構成で、MEMSデバイス内に組み込むことができる。さらに、プルーフマス152は、図3に関して述べた、プルーフマスとセンス板の間の接触の問題を回避するために、複数の、隆起した半球領域108(図3に示す)を有するように構築されてもよい。
上述した減速停止部の実施形態、および、プルーフマスの上下運動に対抗するのに利用される実施形態は、MEMSデバイスの部品を、使用中に経験する可能性がある過剰の力から防護するのに利用される。MEMSデバイスに関して述べたが、説明は、MEMSジャイロスコープ、慣性測定ユニット、加速度計、圧力センサ、および温度センサを含むが、それに限定されないと解釈されるべきである。
本発明は、種々の特定の実施形態によって述べられたが、本発明を、添付特許請求項の精神および範囲内の変更によって実施する可能性があることを、当業者は認識するであろう。
プルーフマスから延びる減速停止部および支持構造を組み込んだ微小電気機械システム(MEMS)デバイスの図である。 図1に示す減速停止部の拡大図である。 プルーフマスから延びる減速伸張部の一実施形態を示す図である。 プルーフマスから延びる減速停止部および図1のデバイスに対する代替の固定構造を組み込むMEMSデバイスの図である。 図4に示す減速停止部の拡大図である。 プルーフマスを減速させる代替の実施形態を示す図である。

Claims (4)

  1. 微小電気機械システム(MEMS)デバイス(10)であって、
    基板と、
    プルーフマス(12)とを備え、前記プルーフマスは、プルーフマスから延びる少なくとも1つの減速伸張部(66)か、プルーフマス内に形成される少なくとも1つの減速くぼみ部(158)のいずれか又は両方を備え、
    前記プルーフマス(12)に平行なセンス板(22)であり、前記プルーフマス(12)とコンデンサを形成し、前記基板に垂直なセンス平面(Y軸)内の運動を検知するように構成された前記センス板(22)と、
    前記基板に平行且つ前記センス平面に垂直であるドライブ平面(X軸)に沿って前記プルーフマス(12)を振動させるように構成されたモータドライブコム(18)と、
    前記ドライブ平面内での前記プルーフマス(12)の運動を検知するように構成されたモータセンスコム(20)と、
    前記プルーフマスを、前記基板の上で、かつ、前記モータドライブコムおよび前記モータセンスコムの間に懸垂保持するように構成される複数のサスペンション(14)とを備え、
    前記基板に取り付けられた本体(60)と、前記本体から延びる少なくとも1つの減速梁(64)とを備える減速停止部(50)を備え、前記減速梁は、前記少なくとも1つの減速伸張部か、前記少なくとも1つの減速くぼみ部のいずれかに係合するように構成され、前記プルーフマスが、前記モータドライブコムおよび前記モータセンスコムに接触するのを防止するために、前記プルーフマスを前記ドライブ平面に沿って徐々に減速して停止させるように構成され、
    前記減速伸張部(66)及び前記減速梁(64)は、それらが係合して前記ドライブ平面に沿って前記プルーフマス(12)に対する減速機能を提供する際に、曲がるように構成されている、デバイス(10)。
  2. 前記サスペンション(14)の間に延びる少なくとも1つの横梁(16)をさらに備え
    、前記本体(60)は、前記横梁に接続され、前記基板に取り付けられる請求項1に記載のデバイス(10)。
  3. 前記本体(60)を前記横梁(16)に接続するのに利用される固定用伸張部(62)をさらに備える請求項2に記載のデバイス(10)。
  4. 微小電気機械システム(MEMS)デバイス(10)であって、
    少なくとも1つのアンカ(124)を備える基板と、
    プルーフマス(12)とを備え、前記プルーフマスは、プルーフマスから延びる少なくとも1つの減速伸張部(66)か、プルーフマス内に形成される少なくとも1つの減速くぼみ部(158)のいずれか又は両方を備え、
    前記プルーフマス(12)に平行なセンス板(22)であり、前記プルーフマス(12)とコンデンサを形成し、前記基板に垂直なセンス平面(Y軸)内の運動を検知するように構成された前記センス板(22)と、
    前記基板に平行且つ前記センス平面に垂直であるドライブ平面(X軸)に沿って前記プルーフマス(12)を振動させるように構成されたモータドライブコム(18)と、
    前記ドライブ平面内での前記プルーフマス(12)の運動を検知するように構成されたモータセンスコム(20)と、
    前記プルーフマスを、前記基板の上で、かつ、前記モータドライブコムおよび前記モータセンスコムの間に懸垂保持するように構成される複数のサスペンション(14)とを備え、
    本体(126)と、前記本体から延びる少なくとも1つの減速梁(128)とを備える減速停止部を備え、前記減速梁は、前記少なくとも1つの減速伸張部か、前記少なくとも1つの減速くぼみ部のいずれかに係合するように構成され、前記プルーフマスが、前記モータドライブコムおよび前記モータセンスコムに接触するのを防止するために、前記プルーフマスを前記ドライブ平面に沿って徐々に減速して停止させるように構成され、
    前記複数のサスペンション(14)の間に延びる少なくとも1つの横梁(122)を備え、前記本体は前記横梁(122)に接続され、
    前記アンカ(124)と前記横梁(122)との間に延びる固定用伸張部(125)を備え、前記横梁(122)は前記固定用伸張部(125)および前記アンカ(124)を介して前記基板に接続され、
    前記減速伸張部(66)及び前記減速梁(128)は、それらが係合して前記ドライブ平面に沿って前記プルーフマス(12)に対する減速機能を提供する際に、曲がるように構成されている、デバイス(10)。
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