JP5161442B2 - リング共振器ジャイロスコープ、リング共振器ジャイロスコープの製造方法 - Google Patents

リング共振器ジャイロスコープ、リング共振器ジャイロスコープの製造方法 Download PDF

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Description

一例を挙げれば、電気機械システムはパラメータを測定する。その電気機械システムは、パラメータを測定する微小電気機械システム(”MEMS”)加速度計又はジャイロスコープを備えていてもよい。例えば、加速度計は加速度を測定し、ジャイロスコープは角速度(例えば回転)を測定する。一例を挙げれば、ジャイロスコープは、振動の基本モードを表す高いQ値を有する振動リングを備えている。例えば、Q値が高い振動リングは、振動を維持するのにあまりエネルギーを必要としない。一例を挙げれば、振動リングは、高性能の閉ループ角速度検出に用いることができる。他の例を挙げれば、振動リングは、性能の低い開ループ角速度検出に用いることができる。対称形の振動リングの数学的モデルは、多くの特徴において、振動リング又は半球状共振器ジャイロスコープ(”HRG”)に類似している。半球状共振器ジャイロスコープに対する分析的な類似性は、振動リングジャイロスコープが潜在的に類似した性能を達成しうることを示している。
振動リングに結合された駆動部品は、振動リングの第1の振動を引き起こす。振動リングの角速度及び第1の振動は、振動リング上でのコリオリ力を含む。例えば、角速度は振動リングの縦軸について生じる。コリオリ力は、振動リングの第2の振動を引き起こす。第2の振動は、第1の振動に対してほぼ垂直である。一例を挙げれば、フィードバック部品は、第1の振動を調節するために、第1の振動の振幅を駆動部品にフィードバックする。ピックオフセンサ部品は、第2の振動を検出し、ピックオフ信号を零にするために、制御信号を加える。制御信号は、振動リングの振幅の大きさ及び角速度の極性である。
小型、低コスト、低出力のナビゲーション級慣性システムは、GPSが失われた環境において、個々の兵士の個別案内や、空中、地上及び水中自律移動体の誘導及び制御など、新たな応用を可能にするために必要である。微小電気機械システムを用いた慣性システムは、現在のところ開発途上であり、誘導された軍需品など、戦略的な応用のための小型、低コスト、低出力の慣性システムを提供することが期待されている。現時点における戦略的MEMS慣性システムは、時間あたり20−50度の範囲の不確実さ及びルート時間あたり0.02度の角度の振れ程度のジャイロバイアスを有している。将来、小型、低コスト、低出力のナビゲーション級慣性システムは、不確実さ及び角度の振れが小さいジャイロバイアスを必要とする。
現在のところ、慣性センサの製造工程において、システムレベルにおける熱的なモデル化により慣性センサのキャリブレーションを行っている。慣性システムの性能は、1又はそれ以上のモデル化できない慣性センサのバイアス及び倍率の不安定さ、熱的モデルの非再現性、又は誤差を引き起こすヒステリシス及び温度勾配によって限定されるであろう。
本発明のリング共振器ジャイロスコープは、円筒状リング共振器と、第1のシリコンウエハーから形成されるトップカバーと、第2のシリコンウエハーから形成され、前記トップカバーに結合され、前記トップカバーの下部に位置するスペーサと、前記円筒リング共振器を支持し、前記トップカバーに結合される円筒状リングサスペンションを備え、前記スペーサは、その平面に垂直な円筒状穴を備え、前記円筒状リングサスペンションは、前記円筒状穴に堆積されたエピタキシャルポリシリコン層から形成され、前記円筒状リング共振器は、前記円筒状リングサスペンションの外周に結合され、第3のシリコンウエハーから形成され、前記スペーサとの間に隙間を介在させた状態で前記スペーサの下部に位置するように前記円筒状リングサスペンションにより支持されているものである。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、トップカバーと、スペーサと、円筒状リングサスペンションと、円筒状リング共振器は微小電気機械システム(MEMS)を構成することが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、第3のシリコンウエハーから形成され、円筒状リング共振器の外周を囲むように位置している複数の電極と、第3のシリコンウエハーから形成され、複数の電極の外周を囲むように位置している封止リングと、第4のシリコンウエハーから形成され、複数の電極及び封止リングに結合されるボトムカバーを備えていることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、エピタキシャルポリシリコン層は、10μmに堆積されたエピタキシャルポリシリコンを有していることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、エピタキシャルポリシリコン層は、トップカバーに機械的に取り付けられていることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、円筒状リング共振器は、長方形断面を有していることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、スペーサは、第1の誘電体層を介在させて、トップカバーに接合されていることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、スペーサは、第2の誘電体層を介在させて、複数の電極及び封止リングに接合されていることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、ボトムカバーは、第3の誘電体層を介在させて、複数の電極及び封止リングに接合されていることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、ボトムカバー及び介在する第3の誘電体層は、複数の電極に電気的に接続されるための複数のビアホールを備えていることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、第1、第2及び第3の誘電体層は、円筒状リング共振器を機械的に自由にするために、円筒状リング共振器及び円筒状リングサスペンションの側壁の周りがエッチングされていることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、複数の電極は1又はそれ以上の駆動電極を備え、1又はそれ以上の駆動電極は、共振周波数において、円筒状リング共振器に静電気力を与え、1又はそれ以上の駆動電極は、円筒状リング共振器を基本モードで共振駆動させるために、円筒状リング共振器の振動パターンの正側の腹において、円筒状リング共振器に静電気力を与えることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、複数の電極は1又はそれ以上の検出電極及び1又はそれ以上の強制電極を備え、1又はそれ以上の検出電極は、円筒状リング共振器の振動パターンの正側の節に位置し、1又はそれ以上の検出電極は、円筒状リング共振器の節点におけるコリオリ力振動を検出し、1又はそれ以上の強制電極は、円筒状リング共振器の振動パターンの負側の節に位置し、1又はそれ以上の強制電極は、円筒状リング共振器と共軸の入力軸に対して与えられた角速度に比例する電圧をサーボループから受け、1又はそれ以上の強制電極は、振動パターンの1又はそれ以上の節において変位を零にするための電圧を与えることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープにおいて、第1、第2、第3及び第4のシリコンウエハーは”111”結晶方向を有していることが好ましい。
本発明のリング共振器ジャイロスコープの製造方法は、スペーサを形成するように、円筒状の穴を、第1のシリコンウエハーを突き抜けてエッチングするステップと、第1の酸化物層を、第1のシリコンウエハーの表面に成長させるステップと、第2のシリコンウエハーを、第1のシリコンウエハーの下部に接合するステップと、第2のシリコンウエハーを、封止リング、複数の駆動/検出電極及び円筒状リング共振器の輪郭を示すように、第1のシリコンウエハーの酸化物層を突き抜けてパターン化し、エッチングするステップと、円筒状穴をマスクとして用いて、第2のシリコンウエハーを突き抜けてエッチングするステップと、第3のシリコンウエハーを、第1のシリコンウエハーの上に接合するステップと、円筒状穴に露出された第2及び第3のシリコンウエハーから自然酸化物を除去するステップと、円筒状リングサスペンションを形成し、円筒状リング共振器を円筒状リングサスペンションの外周に結合するように、円筒状穴にエピタキシャルポリシリコン層を堆積させるステップと、第3のシリコンウエハーの表面からエピタキシャルポリシリコン層を除去するために、第1、第2及び第3のシリコンウエハーを平坦化するステップと、酸化物エッチングを用いて、円筒状リング共振器及び円筒状リングサスペンションの側壁を開放するステップと、第4のシリコンウエハーを、第2のシリコンウエハーの下部に接合するステップと、円筒状リングサスペンション及び複数の駆動/検出電極の接触領域を露出させるように、第3及び第4のシリコンウエハーを突き抜けるように、複数の貫通接続ビアホールをパターン化し、エッチングするステップと、貫通接続ビアホールを介して円筒状リングサスペンション及び複数の駆動/検出電極に抵抗接触を形成するように、複数の金属電極を堆積させるステップを備えたものである。
このリング共振器ジャイロスコープの製造方法において、円筒状の穴を、第1のシリコンウエハーを突き抜けてエッチングするステップは、深反応エッチング処理を用いて円筒状の穴をエッチングすることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープの製造方法において、円筒状リングサスペンションを形成するように、エピタキシャルポリシリコン層を堆積させるステップは、円筒状リングサスペンションを形成するためにエピタキシャルシリコン反応装置を用いてエピタキシャルポリシリコン層を堆積させるステップを備え、エピタキシャルポリシリコン層は、厚さが約10μmであることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープの製造方法において、複数の駆動/検出電極に抵抗接触を形成するように、複数の金属電極を堆積させるステップは、シャドウマスク及びアニールを用いて金属電極を堆積させるステップを備えることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープの製造方法において、第4のシリコンウエハーは第2の酸化物層を備え、複数の駆動/検出電極の接触領域を露出させるように、第4のシリコンウエハーを突き抜けるように、複数の貫通接続ビアホールをパターン化し、エッチングするステップは、円筒状リングサスペンション及び駆動/検出電極の接触領域を露出させるように、第1及び第4のシリコンウエハー及び外側の酸化物層を突き抜けるように、複数の貫通接続ビアホールをパターン化し、エッチングするステップを備えることが好ましい。
このリング共振器ジャイロスコープの製造方法において、第1のシリコンウエハーの表面に第1の酸化物層を成長させるステップは、第1のシリコンウエハーの全表面に、厚さ2μmの二酸化ケイ素層を成長させるステップを備えることが好ましい。
本発明の実施形態の特徴は、発明の詳細な説明、特許請求の範囲及び添付図面から明らかにされるであろう。
図1は、リング共振器ジャイロスコープを備えた装置の一実施形態の分解斜視図である。 図2は、図1に示すリング共振器ジャイロスコープの側面図である。
本発明の一実施形態に係るナビゲーション級慣性システムは、「自己キャリブレーション」慣性システムに構成された相対的に低性能のジャイロスコープを備えている。他の例においては、慣性システムは、全ての慣性センサが単一の平面上に設けられているように構成されている。この構成は、幾何学的な3軸座標を形成するためにセンサを所定の方向に向けるためのセンサ搭載ブロックを必要とせず、面外の配線を必要としない。
一実施形態におけるセンサの自己キャリブレーションは、グローバルポジショニングシステム(GPS)を用いることなく、ナビゲーション級慣性システムの振幅を1桁分だけ高精度化を必要とする。他の例においては、センサの自己キャリブレーションは、微小、低出力、低コストのナビゲーション級慣性システムのために、振幅を2桁分だけセンサに要求されるジャイロバイアス性能を低下させる。
「自己キャリブレーション」の特徴を維持するために、一例では、X軸ジャイロスコープは、例えば振動リングジャイロスコープなどのクラスIIコリオリ振動ジャイロスコープである。半球状共振器ジャイロスコープ(HRG)は、このクラスのジャイロスコープの一例である。現時点におけるHRGは、ナビゲーション級性能を示しているけれども、低コストの要求は満たしていない。
一例において、半球状共振器ジャイロスコープ(HRG)と等価な低コストMEMSは、自己キャリブレーションモードで機能することができ、平面加速度計と振動リングジャイロスコープを一体化した場合、超低コストで低出力のナビゲーション級慣性システムを形成するであろう。
図1は、リング共振器ジャイロスコープ100の一実施形態の一部切り取り分解図である。一例を挙げれば、リング共振器102は、長方形断面を有する円筒状リングを備えている。リング共振器102は、例えば薄壁のカップ又は円筒リングサスペンションなどのリングサスペンション104により支持されている。リングサスペンション104は、トップカバー106に機械的に取り付けられている。スペーサ108は、誘電体層202(図1では図示せず)を介在させてトップカバー106に接合されている。スペーサ108は、リングサスペンション104を取り囲み、誘電体層204を介在させて、駆動/検出電極110及び封止リング112に接合され、それらを支持する。ボトムカバー114は、誘電体層206を介在させて、駆動/検出電極110及び封止リング112に接合されている。ビアホール116は、駆動/検出電極110を横切るように、ボトムカバー114及び誘電体層206中にエッチングされている。図2は、リング共振器ジャイロスコープ100の断面図である。
一例を挙げれば、リング共振器102は、他の振動ジャイロスコープの考え方とは、サスペンションの設計、リングの高いアスペクト比及高い慣性、動作の駆動及び検出モードの切り替えの自由度、及び駆動軸を主減衰軸に一致させるための操舵及び/又は主弾性軸を駆動軸に一致させるための制御のうち1又はそれ以上の点で異なっている。
図2において、誘電体層202、204及び206は、素子の外側の縁から内側に広がっているように示されている。誘電体層202、204及び206は、リング共振器102に機械的な自由度を与えるために、リング共振器102及びリングサスペンション104の周りからエッチングされている。一例を挙げれば、リングは、振動パターンの正側の腹において、共振周波数の静電気力を与える2つの駆動電極によって、基本モードにおいて共振駆動される。駆動ピックオフ信号は、振動パターンの負側の腹において発生される。検出電極は振動パターンの正側の節に位置し、強制電極は負側の節に位置する。角速度が与えられると、コリオリ力が振動を節の位置に結合し、検出電極に信号が生じる。振動パターンの節の位置における変位を零にするために、サーボループは、強制電極に電圧を与える。強制電圧は、リング共振器102の平面に垂直な軸118について与えられた角速度に比例する。
以下の製造手順は、構成の単一のリング共振器センサーチップを組み立てるステップを例示する。一例を挙げれば、1つのシリコンウエハーの上に複数のチップが製造される。チップの数はウエハーの直径に依存する。
1. ボッシュ処理のような深反応イオンエッチングを用い、111結晶方向を有する単結晶シリコンウエハーを突き抜けて、穴(例えば、直径2mmの穴)をエッチングする。このスペーサウエハーは、ウエハーBで示されている。一例を挙げればこのシリコンウエハーの厚さは1mmである。穴の大きさ及びウエハーの厚さは、異なった目標性能に合わせて調節される。
2. スペーサウエハーの全表面にSiOを2μm成長させる。
3. 111結晶方向を有する500μmのシリコンウエハーをスペーサウエハーに接合する。このリング共振器、駆動/検出電極及び封止リング用のウエハーは、ウエハーCで示されている。
4. ウエハーCを突き抜けて、ウエハーB上の酸化物層まで、駆動/検出電極110及び封止リング112の輪郭を示すようにパターン化し、エッチングする。
5. スペーサBにおける酸化された穴パターンをマスクとして用い、ウエハーCを突き抜けるようにエッチングする。
6. 111結晶方向を有する500μmのシリコンウエハーをウエハーB及びCの積層体のウエハーB側(トップ側)に接合する。このトップカバーウエハーは、ウエハーAで示されている。
7. ウエハーBにより形成された空洞中に露出されているウエハーA及びCから自然酸化物を除去する。エピタキシャルシリコン反応を用いて、リングサスペンション104を形成するために、10μmのエピタキシャルポリシリコン層を堆積させる。
8. ウエハーCの表面からエピタキシャルポリシリコンを除去するために、ウエハーA、B及びCの積層体を平面化する。
9. 酸化物エッチングを用いて、リング共振器102及びリングサスペンション104の側壁を開放する。
10. 2μmの酸化物層及び111結晶方向を有する500μmのシリコンウエハーを、ウエハーA、B及びCの積層体のウエハーC側に接合する。このボトムカバーウエハーは、ウエハーDで示されている。
11. 駆動/検出電極110の接触領域を露出させるために、ウエハーA及び及び酸化物層を突き抜けて、貫通接続ビアホール116をパターン化し、エッチングする。
12. シャドウマスクを用いてアルミ金属電極を堆積し、駆動/検出電極110に対して抵抗接触208を形成するために、アニールする。
一例を挙げれば、リング共振器ジャイロスコープ110を動作させるための電子技術は、共振周波数、ピックオフ及び強制スケーリングにおける違いを適合させるために必要な変化を除いて、半球状共振器ジャイロスコープを動作させるために用いられる技術と同じである。

Claims (20)

  1. 円筒状リング共振器と、
    第1のシリコンウエハーから形成されるトップカバーと、
    第2のシリコンウエハーから形成され、前記トップカバーに結合され、前記トップカバーの下部に位置するスペーサと、
    前記円筒状リング共振器を支持し、前記トップカバーに結合される円筒状リングサスペンションを備え、
    前記スペーサは、その平面に垂直な円筒状穴を備え、
    前記円筒状リングサスペンションは、前記円筒状穴に堆積されたエピタキシャルポリシリコン層から形成され、
    前記円筒状リング共振器は、前記円筒状リングサスペンションの外周に結合され、第3のシリコンウエハーから形成され、前記スペーサとの間に隙間を介在させた状態で前記スペーサの下部に位置するように前記円筒状リングサスペンションにより支持されていることを特徴とするリング共振器ジャイロスコープ。
  2. 前記トップカバーと、前記スペーサと、前記円筒状リングサスペンションと、前記円筒状リング共振器は微小電気機械システム(MEMS)を構成することを特徴とする請求項1に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  3. 前記第3のシリコンウエハーから形成され、前記円筒状リング共振器の外周を囲むように位置している複数の電極と、
    前記第3のシリコンウエハーから形成され、前記複数の電極の外周を囲むように位置している封止リングと、
    第4のシリコンウエハーから形成され、前記複数の電極及び前記封止リングに結合されるボトムカバーを備えていることを特徴とする請求項1に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  4. 前記エピタキシャルポリシリコン層は、10μmに堆積されたエピタキシャルポリシリコンを有していることを特徴とする請求項3に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  5. 前記エピタキシャルポリシリコン層は、前記トップカバーに機械的に取り付けられていることを特徴とする請求項3に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  6. 前記円筒状リング共振器は、長方形断面を有していることを特徴とする請求項3に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  7. 前記スペーサは、第1の誘電体層を介在させて、前記トップカバーに接合されていることを特徴とする請求項3に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  8. 前記スペーサは、第2の誘電体層を介在させて、前記複数の電極及び前記封止リングに接合されていることを特徴とする請求項7に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  9. 前記ボトムカバーは、第3の誘電体層を介在させて、前記複数の電極及び前記封止リングに接合されていることを特徴とする請求項8に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  10. 前記ボトムカバー及び介在する第3の誘電体層は、前記複数の電極に電気的に接続されるための複数のビアホールを備えていることを特徴とする請求項9に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  11. 前記第1、第2及び第3の誘電体層は、前記円筒状リング共振器を機械的に自由にするために、前記円筒状リング共振器及び前記円筒状リングサスペンションの側壁の周りがエッチングされていることを特徴とする請求項9に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  12. 前記複数の電極は1又はそれ以上の駆動電極を備え、
    前記1又はそれ以上の駆動電極は、共振周波数において、前記円筒状リング共振器に静電気力を与え、
    前記1又はそれ以上の駆動電極は、前記円筒状リング共振器を基本モードで共振駆動させるために、前記円筒状リング共振器の振動パターンの正側の腹において、前記円筒状リング共振器に静電気力を与えることを特徴とする請求項3に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  13. 前記複数の電極は1又はそれ以上の検出電極及び1又はそれ以上の強制電極を備え、
    前記1又はそれ以上の検出電極は、前記円筒状リング共振器の振動パターンの正側の節に位置し、
    前記1又はそれ以上の検出電極は、前記円筒状リング共振器の節点におけるコリオリ力振動を検出し、
    前記1又はそれ以上の強制電極は、前記円筒状リング共振器の振動パターンの負側の節に位置し、
    前記1又はそれ以上の強制電極は、前記円筒状リング共振器と共軸の入力軸に対して与えられた角速度に比例する電圧をサーボループから受け、
    前記1又はそれ以上の強制電極は、前記振動パターンの1又はそれ以上の節において変位を零にするための電圧を与えることを特徴とする請求項12に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  14. 前記第1、第2、第3及び第4のシリコンウエハーは”111”結晶方向を有していることを特徴とする請求項3に記載のリング共振器ジャイロスコープ。
  15. スペーサを形成するように、円筒状の穴を、第1のシリコンウエハーを突き抜けてエッチングするステップと、
    第1の酸化物層を、前記第1のシリコンウエハーの表面に成長させるステップと、
    第2のシリコンウエハーを、第1のシリコンウエハーの下部に接合するステップと、
    第2のシリコンウエハーを、封止リング、複数の駆動/検出電極及び円筒状リング共振器の輪郭を示すように、前記第1のシリコンウエハーの酸化物層を突き抜けてパターン化し、エッチングするステップと、
    前記円筒状穴をマスクとして用いて、前記第2のシリコンウエハーを突き抜けてエッチングするステップと、
    第3のシリコンウエハーを、前記第1のシリコンウエハーの上に接合するステップと、
    前記円筒状穴に露出された前記第2及び第3のシリコンウエハーから自然酸化物を除去するステップと、
    円筒状リングサスペンションを形成し、円筒状リング共振器を前記円筒状リングサスペンションの外周に結合するように、前記円筒状穴にエピタキシャルポリシリコン層を堆積させるステップと、
    前記第3のシリコンウエハーの表面からエピタキシャルポリシリコン層を除去するために、前記第1、第2及び第3のシリコンウエハーを平坦化するステップと、
    酸化物エッチングを用いて、円筒状リング共振器及び円筒状リングサスペンションの側壁を開放するステップと、
    第4のシリコンウエハーを、前記第2のシリコンウエハーの下部に接合するステップと、
    前記円筒状リングサスペンション及び前記複数の駆動/検出電極の接触領域を露出させるように、第3及び第4のシリコンウエハーを突き抜けるように、複数の貫通接続ビアホールをパターン化し、エッチングするステップと、
    貫通接続ビアホールを介して前記円筒状リングサスペンション及び前記複数の駆動/検出電極に抵抗接触を形成するように、複数の金属電極を堆積させるステップを備えたことを特徴とするリング共振器ジャイロスコープの製造方法。
  16. 前記円筒状の穴を、前記第1のシリコンウエハーを突き抜けてエッチングするステップは、
    深反応エッチング処理を用いて前記円筒状の穴をエッチングすることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. 前記円筒状リングサスペンションを形成するように、エピタキシャルポリシリコン層を堆積させるステップは、
    前記円筒状リングサスペンションを形成するためにエピタキシャルシリコン反応装置を用いてエピタキシャルポリシリコン層を堆積させるステップを備え、
    前記エピタキシャルポリシリコン層は、厚さが約10μmであることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  18. 前記複数の駆動/検出電極に抵抗接触を形成するように、複数の金属電極を堆積させるステップは、シャドウマスク及びアニールを用いて前記金属電極を堆積させるステップを備えることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  19. 前記第4のシリコンウエハーは第2の酸化物層を備え、
    前記複数の駆動/検出電極の接触領域を露出させるように、第4のシリコンウエハーを突き抜けるように、複数の貫通接続ビアホールをパターン化し、エッチングするステップは、
    前記円筒状リングサスペンション及び前記駆動/検出電極の接触領域を露出させるように、前記第1及び第4のシリコンウエハー及び前記外側の酸化物層を突き抜けるように、複数の貫通接続ビアホールをパターン化し、エッチングするステップを備えることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  20. 前記第1のシリコンウエハーの表面に前記第1の酸化物層を成長させるステップは、
    前記第1のシリコンウエハーの全表面に、厚さ2μmの二酸化ケイ素層を成長させるステップを備えることを特徴とする請求項15に記載の方法。
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