JP5226271B2 - 微小電子機械デバイス - Google Patents

Description

本発明は微小電子機械デバイスに関する。より詳細には、本発明は音叉ジャイロに関する。

図１に示されたような音叉ジャイロは、駆動方向１２にプルーフ・マス１０の振動を誘起する。駆動方向１２まわりの方向１４の回転運動は、コリオリの力として知られる現象により、駆動方向１２に対して垂直な感知方向１６においてプルーフ・マス１０を加速する。典型的な構成では、２つのプルーフ・マス１０が使用される。この２つのプルーフ・マス１０は、それらが常に反対の方向に動いているように、位相が１８０°ずれた振動をする。この結果、プルーフ・マス１０に加わるコリオリの力もまた、反対の方向になる。

感知方向１６に沿ったプルーフ・マス１０の動きは、プルーフ・マス１０と、プルーフ・マス１０の下に配置された感知プレート１８との間の静電容量を変化させる。感知プレート１８は、静電容量の変化によりプルーフ・マス１０に電圧が誘起されるように、一定の電圧（Ｖ_Ｓ）に保持される。プルーフ・マス１０は電荷増幅器２０に接続され、この増幅器は、変化する静電容量により誘起される電流を出力電圧（Ｖ_Ｏ）へと変換する。従って、Ｖ_Ｏを使用して、プルーフ・マス１０が受けたコリオリの力の程度を計算することができる。

振動は、駆動コム２２およびピックオフ・コム２４によって誘起される。駆動コム２２に印加された交流（ＡＣ）駆動電圧（Ｖ_Ｄ＋、Ｖ_Ｄ−）は、駆動コム２２およびプルーフ・マス１０に蓄積される容量性電荷により、プルーフ・マス１０を引きつける。プルーフ・マス１０の動きが、プルーフ・マス１０とピックオフ・コム２４との間の静電容量を変化させ、それによって信号（Ｖ_ＰＯ）が生じる。この信号は、駆動回路２６へフィードバックされ、プルーフ・マス１０を振動させるのに有効なＶ_Ｄの振幅および位相を決定するために使用される。

プルーフ・マス１０は、パッド３１を用いて基板２８に固定されたフレクシャ（たわみ部材）３０によって、基板２８に弾性的に取り付けられる。フレクシャ３０は完全ではないので、Ｖ_Ｄによって誘起されたプルーフ・マス１０の振動は、駆動方向１２に対して完全に垂直とはならない。完全に垂直ではなく、プルーフ・マス１０は、駆動方向１２にも感知方向１６にも平行な成分を有する軌道に沿って動く。感知方向１６に沿ったこの動きの程度は、ジャイロの出力を飽和させるのに十分なほど大きいことが多く、その結果、コリオリの力によって誘起される感知方向１６に沿った動きを識別することができないようになる。

従来のシステムは、フレクシャによって引き起こされる面外の動きを、直流（ＤＣ）バイアス電圧（Ｖ_Ｂ）をＶ_Ｄに印加することにより、補償していた。プルーフ・マス１０が駆動コム２４に対して振動するとき、駆動コム２４に印加された電圧Ｖ_Ｂは、駆動コム２４とプルーフ・マス１０との間の容量性距離の変化により、プルーフ・マス１０への振動電流を誘起する。Ｖ_Ｂの値は、プルーフ・マス１０に誘起される電流の流れの大きさが、フレクシャ３０の不完全性により引き起こされる面外の動きにより誘導される電流の流れと極性が反対であるが大きさは同じになるように、選択される。

このシステムの主な欠点は、入力信号（Ｖ_Ｄ＋Ｖ_Ｂ）の不完全性が直接にプルーフ・マス１０に伝わり、従ってＶ_Ｏに伝わることである。この結果、駆動電子回路の不完全性によって生じるバイアスやノイズなどが、出力信号に現れる。Ｖ_ＤおよびＶ_Ｂの両方が、コリオリの力によって発生した信号に比べて大きいために、それらに固有のノイズが、測定値の精度を著しく低下させる。

従って、出力信号内へ入力信号ノイズを誘導することなく、フレクシャの不完全性により誘発される面外の動きを補償する音叉ジャイロを提供することは、当技術分野での進歩になるはずである。

本発明による微小電子機械（ＭＥＭ）デバイスは、基板に弾性的に取り付けられたプルーフ・マスを含む。このプルーフ・マスは、その両側に形成された第１コムおよび第２コムを有する。固定された駆動コムは、プルーフ・マスの第１コムと交互に（インターリーブ型に）配置される。固定されたピックオフ・コムは、プルーフ・マスの第２コムの一部分と交互に（インターリーブ型に）配置される。固定されたバイアス・コムは、第２プルーフ・マス・コムと交互に（インターリーブ型に）配置される。実質的に直流（ＤＣ）のバイアスが、固定されたバイアス・コムに印加される。

実質的に一定の電圧がまた、プルーフ・マスの下の感知プレートにも加わる。このプルーフ・マス自体は接地される。感知プレートおよびバイアス・コムはコンデンサを介して電荷増幅器に結合されて、プルーフ・マスの振動によって誘起された過渡電流により、電流が、電荷増幅器へ流れるようにされる。プルーフ・マスに対して作用する電圧は、プルーフ・マスとバイアス・コムとの間の容量性距離の変化によって誘起される電流が、フレクシャ不完全性による面外の振動により感知プレート中に誘起される電流を実質的に打ち消す振幅および符号を有することになるような、符号および大きさを有する。

本発明の好ましい実施形態および代替の実施形態を、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

図２を参照すると、本発明の一実施形態では、２つ以上のプルーフ・マス１０が、パッド３１に固定されたフレクシャ３０を用いて、基板の上に弾性的に取り付けられている。プルーフ・マス１０はそれぞれ、両側に配置されたコム３２ａ、３２ｂを有する。コム３２ａは駆動コム２２と交互に配置され、ピックオフ・コム２４はピックオフ・コム２４と交互に配置されて、それらの間に容量性ギャップを形成する。モータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂはそれぞれ、プルーフ・マス１０のコム３２ａ、３２ｂのうちの１つと交互に配置されて、容量性ギャップを形成する。駆動コム２２の電圧の変化がプルーフ・マス１０の動きを誘起し、プルーフ・マス１０の動きが、容量性ギャップの大きさの変化によってのピックオフ・コム２４およびモータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂの電流を誘起する。

図示の実施形態では、モータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂはプルーフ・マス１０と相互に作用して、プルーフ・マス１０の運動を振動信号Ｖ_ＢＯに変換して、フレクシャ不完全性によって生じた面外の運動を相殺するように働く。バイアス・コム３４ａ、３４ｂは、コム３２ｂによってプルーフ・マス１０と相互に作用する。バイアス・コム３４ａ、３４ｂを収容するために、ピックオフ・コム２４の歯の数は、従来のシステムと比べて減らされる。代替の実施形態では、バイアス・コム３４ａ、３４ｂは、プルーフ・マス１０のコム３２ａと交互に配置され、駆動コム２２の歯の数が減らされる。図示の実施形態では、バイアス・コム３４ａ、３４ｂは、絶縁層上に形成されるモノリシック・シリコン構造体としてバイアス・コム３４ａ、３４ｂを形成することなどによって、互いに電気的に結合される。

モータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂとプルーフ・マス１０との間の容量性距離の変化に応答する振動信号Ｖ_ＢＯを得るために、ＤＣバイアスＶ_Ｂがモータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂに印加される。Ｖ_ＢがＤＣ信号であるので、ノイズおよび誤差が非常に発生しにくい。従って、Ｖ_Ｂを電荷増幅器２０に結合しても、電荷増幅器２０の出力に重大な誤差を誘導しない。信号Ｖ_Ｂは、好ましくは抵抗３６を介してモータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂに印加される。振動信号Ｖ_ＢＯは、コンデンサ３８を用いて電荷増幅器２０へ入力される。

プルーフ・マス１０自体は接地される。このようにして、励振電圧Ｖ_Ｄによって誘起されるいかなる電流も、プルーフ・マス１０の累積電荷になるのではなく、グランドへ流れることになる。結果として、励振電圧Ｖ_Ｄ中の誤差およびノイズは、大きい程度で出力へは伝わらない。プルーフ・マス１０の質量および運動量は、プルーフ・マス１０の運動においてのＶ_Ｄのノイズおよび誤差の影響を低減する傾向があり、それにより更に、出力に対する入力信号誤差の影響が低減する。

感知プレート１８は、コンデンサ４０ａ、４０ｂによって電荷増幅器２０に結合される。プルーフ・マス１０の面外振動は、フレクシャ不完全性によって生じたものであろうとコリオリの力によって生じたものであろうと、コンデンサ４０ａ、４０ｂを介して感知プレート１８へまたは感知プレート１８から流れ、電荷増幅器２０へ流れる電流をもたらす。感知プレート１８は、抵抗４２ａ、４２ｂを介して感知プレート１８にはたらく電圧によって、電圧Ｖ_Ｓ＋およびＶ_Ｓ−に保持される。抵抗４２ａ、４２ｂは、コンデンサを介してではなく、直接に感知プレート１８に接続されることが好ましい。

図示の実施形態の感知プレート１８は、駆動コム２２およびピックオフ・コム２４の下にはない。感知プレート１８が出力信号を供給するので、感知プレート１８とコム２２、２４との間の相互作用を低減させることが有利である。

モータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂへＶ_Ｂを印加する抵抗３６と、感知プレート１８にＶ_Ｓ＋およびＶ_Ｓ−を印加する抵抗４２ａ、４２ｂとは、通常は、プルーフ・マス１０の運動によって誘起された過渡電流の多くの量が抵抗３６、４２ａ、４２ｂを通って流れないように、十分に大きいものとされる。モータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂを電荷増幅器２０に結合するコンデンサ３８と、感知プレート１８を電荷増幅器２０に結合するコンデンサ４０ａ、４０ｂとは、通常は、プルーフ・マス１０の運動によって誘起された過渡電流がコンデンサ３８、４０を直接に通過するように、十分に大きいものとされる。

図示の実施形態の電荷増幅器２０に到達する信号は、感知プレート１８からの信号とＶ_ＢＯとを重ね合わせたものになる。Ｖ_Ｂの符号および大きさは、フレクシャ不完全性によって誘発された感知プレート１８の出力の部分と符号が反対であるが大きさが実質的に等しくなるように、選択される。補償のためのＶ_ＢＯを得るために必要なＶ_Ｂの値および符号は、加速のない状態で感知プレート１８の出力を測定することにより、実験的に決定することができる。Ｖ_Ｂの値は、製造時に実験的に決定することができ、実験的に得られたＶ_Ｂを、動作中にモータ・バイアス・コム３４に印加することができる。代替例として、閉ループ・フィードバック・システムを使用して、動作中にＶ_Ｂを動的に決定することもできる。

図３を参照すると、本発明の代替の実施形態では、モータ・バイアス・コム３４ａ、３４ｂは互いに絶縁されている。別個のバイアス信号Ｖ_Ｂ＋およびＶ_Ｂ−が、抵抗４４ａ、４４ｂを介してコム３４ａ、３４ｂへ印加される。バイアス・コム３４ａ、３４ｂは、別個の振動信号Ｖ_ＢＯ＋およびＶ_ＢＯ−を発生する。信号Ｖ_ＢＯ＋およびＶ_ＢＯ−は、別々のコンデンサ４６ａ、４６ｂを用いて電荷増幅器２０に結合することができ、あるいは、電荷増幅器２０への容量性結合の上流で合成することもできる。

図１は、従来技術によるプルーフ・マス・ジャイロの上面図である。 図２は、本発明の一実施形態によるプルーフ・マス・ジャイロの上面図である。 図３は、本発明の実施形態によるプルーフ・マス・ジャイロの代替実施形態の上面図である。

Claims (2)

1. 微小電子機械（ＭＥＭ）デバイスであって、
   基板（２８）と、
   前記基板（２８）に弾性的に取り付けられるプルーフ・マス（１０）であって、前記プルーフ・マス（１０）において互いに反対の側に形成される第１のプルーフ・マス・コムおよび第２のプルーフ・マス・コム（３２ａ、３２ｂ）を有し、前記第１のプルーフ・マス・コムおよび前記第２のプルーフ・マス・コムのそれぞれが少なくとも１つの歯を備えるものである、プルーフ・マス（１０）と、
   前記基板に固定され、少なくとも１つの歯を有し、かつ前記第１のプルーフ・マス・コム（３２ａ）とインターリーブ型に配置される第１の固定コム（２２）と、
   互いに電気的に分離される第２の固定コム（２４）および第３の固定コム（３４ａ）であって、それぞれが少なくとも１つの歯を有し、かつ前記第２のプルーフ・マス・コム（３２ｂ）とインターリーブ型に配置される第２の固定コム（２４）および第３の固定コム（３４ａ）であって、前記第３の固定コムが、直流（ＤＣ）バイアス回路に結合され且つ出力部に容量結合される、第２の固定コムおよび第３の固定コムと、
   前記プルーフ・マスの下で前記基板に固定され且つ容量性距離をおいて配置される感知プレート（１８）であって、一定電圧源に電気的に結合され且つ前記出力部に容量結合される感知プレートと
   を備える微小電子機械デバイス。
2. 微小電子機械（ＭＥＭ）デバイスであって、
   基板（２８）と、
   前記基板（２８）に弾性的に取り付けられる第１のプルーフ・マス（１０）であって、前記プルーフ・マス（１０）において互いに反対の側に形成される第１のプルーフ・マス・コムおよび第２のプルーフ・マス・コム（３２ａ、３２ｂ）を有し、前記第１のプルーフ・マス・コムおよび前記第２のプルーフ・マス・コムのそれぞれが少なくとも１つの歯を備えるものである、プルーフ・マス（１０）と、
   前記基板に固定され、少なくとも１つの歯を有し、かつ前記第１のプルーフ・マス・コム（３２ａ）とインターリーブ型に配置される第１の固定コム（２２）と、
   互いに電気的に分離される第２の固定コム（２４）および第３の固定コム（３４ａ）であって、それぞれが少なくとも１つの歯を有し、かつ前記第２のプルーフ・マス・コム（３２ｂ）とインターリーブ型に配置される第２の固定コム（２４）および第３の固定コム（３４ａ）であって、前記第３の固定コムが、直流（ＤＣ）バイアス回路に結合され且つ出力部に容量結合される、第２の固定コムおよび第３の固定コムと、
   前記第１のプルーフ・マスの下で前記基板に固定される第１の感知プレート（１８）であって、一定電圧源に電気的に結合され且つ前記出力部に容量結合される第１の感知プレートと、
   前記基板（２８）に弾性的に取り付けられる第２のプルーフ・マス（１０）であって、前記第２のプルーフ・マス（１０）において互いに反対の側に形成される第３のプルーフ・マス・コムおよび第４のプルーフ・マス・コム（３２ａ、３２ｂ）を備え、前記第３のプルーフ・マス・コムおよび前記第４のプルーフ・マス・コムのそれぞれが少なくとも１つの歯を有するものである、第２のプルーフ・マス（１０）と、
   それぞれに少なくとも１つの歯を有する第４の固定コム（２２）と第５の固定コム（２４）と第６の固定コム（３４ｂ）とであって、
   前記第４の固定コム（２２）は、前記基板に固定され且つ前記第３のプルーフ・マス・コム（３２ａ）とインターリーブ型に配置され、
   前記第５の固定コム（２４）および前記第６の固定コム（３４ｂ）は、互いに電気的に絶縁され、前記第４のプルーフ・マス・コム（３２ｂ）とインターリーブ型に配置され、
   前記第６の固定コムが、前記直流（ＤＣ）バイアス回路に結合され且つ前記出力部に容量結合される
   ものである、第４の固定コム（２２）と第５の固定コム（２４）と第６の固定コム（３４ｂ）と、
   前記第２のプルーフ・マスの下で前記基板に固定される第２の感知プレート（１８）であって、前記一定電圧源に電気的に結合され且つ前記出力部に容量結合される第２の感知プレートと
   を備える微小電子機械デバイス。

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