JP5261371B2 - 容量式バルク超音波ディスク・ジャイロスコープ - Google Patents

Description

ジャイロスコープは回転角速度または回転角を計測するセンサーである。微小ジャイロスコープはマイクロセンサーの市場においてもっとも急速に成長する区分の一角を構成している。これら機器の適用範囲は、自動車から航空機、民生用アプリケーション、そして個人用ナビゲーションシステムへと急速に拡大している。多数のアプリケーションが、短距離ナビゲーションシステム・スリップ防止およびセーフティーシステム・転倒検出・次世代エアバッグ・アンチロックブレーキシステム等を含む自動車産業に存在している。民生用アプリケーションには、デジタルカメラの手振れ防止・ハンドヘルドにおけるスマートユーザーインターフェイス・ゲーム・慣性式ポインティングデバイスがある。いくつかのアプリケーションは一軸のジャイロスコープ（Z軸）を必要とし、いくつかは多軸回転感知（XおよびYおよび・あるいはZ軸まわり）を必要とする。

小型のジャイロスコープはナビゲーションに使用可能である。慣性ナビゲーションは機体に取付けられた加速度計とジャイロスコープから提供される計測結果を利用し空間において機体の位置を測定する作業である。短距離ナビゲーションのための慣性計測ユニット（ＩＭＵ）は、航空機・無人航空機・ＧＰＳナビゲーションシステム・パーソナル方位基準装置には不可欠なコンポーネントである。ＩＭＵは一般的に目標物の方向と方位に関する情報を得るために、それぞれ直行する検知軸にそって配置された三基の加速度計と三基のジャイロスコープを使用している。加速度と回転角速度の要素はその結果目標物の空間での正確な位置を把握するために解釈される。ＩＭＵは内蔵型であり、ＧＰＳが無い場合に慣性ナビゲーションに補助され、航空機・目標物の短期間のナビゲーションとして機能することが可能である。

現在の最新の微小タイプの振動型ジャイロスコープは低周波数（ω0＝３−３０ｋＨｚ）で動作し、ノイズレベルを下げバイアス安定性を向上させるために、増加された質量（Ｍ）と励起振幅に頼っている。１−１０ｍＴｏｒｒの真空度で動作させた場合、そのようなデバイスは、自身のたわみにおいて主として熱弾性減衰に制限され、約50,000という値の品質係数を達成することが可能である。振動型ジャイロの基本的なメカニカルブラウンノイズは次式で与えられることが知られており、ここでｑdriveは駆動振幅；ω0、Ｍ、Ｑeffect-senseは、それぞれ固有振動数、質量、検知モードでの有効品質係数であり、ｋBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

現在の最新の微小タイプのジャイロスコープは、たわみモードにおいて、比較的低周波数（５−３０ｋＨｚ）で動作し、制限された質量で高ノイズレベルとなる高真空度では５０，０００に満たないＱとなる。振動型ジャイロスコープの質量を増加と駆動振幅を増加させることなく、ノイズレベルを下げることが望まれてきたが、それは低出力・小型で達成することは困難である。ここに開示されるように、容量式バルク超音波ジャイロスコープは、（１）共振周波数を２から３桁増加させること（２−８ＭＨｚとなる）と、（２）たわみモードに比べ大幅に熱弾性減衰が少ないバルク超音波モードを活用しＱを大幅に増加させることにより、この課題を達成する。バルク超音波モードの非常に高いＱは、これらジャイロの優れたバイアス安定性を意味する。高周波数での作動はジャイロスコープの周波数帯域を、センサーの反応時間を短縮しモードマッチングに対する要求を緩和させることとなる数桁増加させることが可能である。ジャイロの共振周波数を増加させることのもう一つの利点はデバイスにとってさらに高い耐衝撃性能となる数桁のデバイスの剛性の増加にある（許容値１００ｋＧ）。加えて、デバイスの高い剛性はデバイスが空気制動からの影響を受けにくくし、それは実装を単純化し、高真空カプセル化への必要性を排除し製造コストを削減するのである。

ジャイロスコープ関連のアメリカ特許には：米国特許第５４５０７５１号、Putty, et al.取得、名称「振動型ジャイロスコープの微小構造（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）；米国特許第６１２８９５４号、Ｊｉａｎｇ取得、名称「回転角速度センサーの共振リング用ばね（Ｓｐｒｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｒｉｎｇ ｏｆ ａｎ ａｎｇｕｌａｒ ｒａｔｅ ｓｅｎｓｏｒ）、米国特許第３７１９０７４号、Ｌｙｎｃｈ取得、名称「半球状共振回路ジャイロスコープ（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」；米国特許第４７９３１９５号、Ｋｏｎｉｎｇ取得、名称「円筒状振動型ジャイロスコープと方法（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ）」；米国特許第６８４８３０４号、Ｇｅｅｎ取得、名称「微小マイクロセンサーにおける６度の自由状態（Ｓｉｘ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｅｄｏｍ ｍｉｃｏｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓ）」そして米国特許第６８３７１０８号、Ｇｅｅｎ取得、名称「一軸の加速度検知と二軸の角度比検知を有する微小型マルチセンサー（Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ ｍｕｌｔｉ ｓｅｎｓｏｒ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ １−ａｘｉｓ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ２−ａｘｅｓ ｏｆ ａｎｇｕｌａｒ ｒａｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ）」などがある。

以下に本発明の多くの態様と利点が、対応する説明図を参照して以下の詳細な説明を参照することによってより容易に理解されるであろう。

図面を参照し、ここに開示されるのはコリオリベースのＺ軸およびＸＹ軸高周波数（ＭＨｚ領域）、容量式バルク超音波ジャイロスコープ装置１０またはジャイロスコープ１０である。図１に示されるとおり、ジャイロスコープ１０はハンドル基板１１を含み、それはシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板である。共振素子１２（共振ディスク１２または共振ディクス構造１２）はハンドル基板１１上の絶縁（埋込み酸化物）層１１ｂにより支持されている。複数個の電極１３が共振素子１２を囲み、そして共振素子１２からは非常に小さい容量式間隙１４により隔離されている。電極１３は共振素子１２中において少なくとも２つの縮退バルク超音波共振モードを励振しおよび検知することができる。共振素子１２は一般にディスク状の共振素子１２であり、それは円形状または多角形状であってもよい。共振素子１２は中空でないまたは孔を有してもよい。共振回路１２は圧電性材料から製作されていることを必要としない。事実、推奨される選択は単結晶または他結晶シリコンなどの非圧電性物質である。シリコン炭化物・窒化ガリウム・窒化アルミニウム・石英などの他の半導体または金属材料は共振素子を製作するのに使用可能である。図３は孔を有する共振素子１２を有する典型的な８００μｍ径容量式バルク超音波ジャイロスコープ１０の操作型電子顕微鏡による部分画像である。複数個の電極１３は一般に、駆動用電極１３ａ、検知用電極１３ｂおよび静電チューニング用電極１３ｃを含む。その他の電極１３は中央の電極と共に縮退バルク超音波モードを調整するために利用可能である（すなわち、求積エラーをキャンセルするため）。

さらに詳しく、典型的な８００μｍ径及び１２００μｍ径の孔を有する単結晶シリコンディスクが中央を支持されたジャイロスコープ１０が開示される。典型的な８００μｍ径ディスクを有するジャイロスコープ１０は５０μｍ厚の（１００）単結晶シリコン（ＳＣＳ）基板上に実装され、高次の楕円モードにおいて作動されるよう構成されていた。１２００μｍ径ディスクを有するジャイロスコープ１０は３５μｍ厚の（１１１）ＳＣＳ基板上に組立られ、一次楕円モードにおいて作動されるよう構成されていた。両者の場合において、（１００）ＳＣＳおよび（１１１）ＳＣＳ基板はＳＯＩ基板１１の最上位層（デバイス層）である。容量式間隙１４を含む高アスペクト比の溝１４は、当該分野においてＨＡＲＰＳＳとして周知である複合ポリシリコンと単結晶シリコンの加工プロセスを活用することにより、容量式ディクス型ジャイロスコープ１０を厚いＳＯＩ基板（３０−５０μｍ）上に極めて小さい容量式間隙１４（１８０−２５０μｍ）とともに実装し実現された。試作のバルク超音波ジャイロスコープ１０は１００，０００を超える極めて高い品質係数を示している。

典型的なバルク超音波ジャイロスコープ１０は単結晶シリコンディスク構造上に実装されてもよい。ディスク構造は中空でないかまたは孔を有す構成でもよい（図３）。孔を有するディスク１２が用いられた場合、２つの縮退モード間での共振周波数の分離を最小限にするため、対象形状に開放穴１５（図３内に示す）が（１００）ＳＣＳ基板内に３０°毎および（１１１）ＳＣＳ基板内に４５°毎に繰り返される。中空でないバルク超音波ディスクジャイロスコープ１０は最上部から懸垂される一または複数のポリシリコン配線によりその中央部に支持されている。孔を有するバルク超音波ディスクジャイロスコープは底部にてＳＯＩ基板の埋込み酸化物１１ｂに支持されることが可能である。また、ディスク表面上へ懸垂されたポリシリコン配線１６はＤＣバイアスをディスク１２へ提供している。容量的に励振し高次の面外楕円モードの平行を保たせるために、十二のポリシリコン電極１３が、たとえば、ディスク最上部にて３０°間隔で広がっている。広がったポリシリコン電極１３と共振ディスク１２の間の容量式間隙１４のサイズは、鉛直方向の容量式間隙（一般に２００ｎｍ）と同じである

複数ＳＣＳディスク構造においてある同一の共振周波数では、２つの面外縮退モードが得られる。これら２つの面外縮退モードはディスク１２の中心に関して対称であるが、面内で３０°円周方向にずれている。最上部の電極１３は面外縮退モードを検出および感知するため面内にて３０°毎に配置されている。図９中の面外縮退モードのうちの一が その逆側のノードがロール軸（Ｘ軸）と一列に並ぶよう駆動されたような場合、ロール回転（Ｘ軸周りの回転）のアプリケーションにおいてエネルギーは一次面外縮退モード（図９ａ）から二次面外縮退モード（図９ｂ）へと移動する。その結果として、ロール回転による出力信号は二次縮退モード（例えば図９ｂ中線Ｄ）における逆側のノードに配置された電極１３で計測が可能である。一次縮退モード（図９ａ、線Ｂ）はそのゼロ変位（ノード点）においてピッチ回転軸に沿っているので、一次面外縮退モード（図９ａ）から二次面外縮退モード（図９ｂ）へのピッチ回転（Ｙ軸周りの回転）によるエネルギーの移動はない。結果として、ピッチ回転とロール回転の両方が同時に当てはまる場合、試作技術はロール回転をピッチ回転から分離する解決策を提供することが可能である。このような手順は、面外縮退モード（図９ｂ）のうちの一がその逆側のノードがピッチ軸（Ｙ軸）に沿うよう駆動され、および他の面外縮退モード図９ａが出力信号を計測するために使用されている場合に、ピッチ回転を計測するために使用可能である。

ＳＣＳディスクが中央に支持されたディスクジャイロスコープ１０を３０から５０μｍ厚のＳＯＩウエファ１１上に形成するために、ＨＡＲＰＳプロセスの一態様を用いることができる。従来入手可能であった振動型マイクロジャイロスコープにおいては、通常電気的ノイズによる限界があった最小可観測回転角速度が、バルク超音波モードを用いるジャイロスコープ１０の場合、従来に比較して数桁のオーダーで改善可能である。

高周波バルク超音波ジャイロスコープ１０の１つの利点は、共振周波数の２から３桁のオーダーの増加（２から１０ＭＨｚへの）に起因する機械的（ブラウン）ノイズフロアの減少（３から４桁のオーダーの）と、たわみモードに比較して熱弾性減衰がより少ないバルク超音波モードを使用することによる目覚しいＱ値の増加にある。高周波バルク超音波ジャイロスコープ１０の更なる利点は、小さくなった寸法、ノイズ性能とバイアス安定性を改善するより高いＱ値、より広いバンド幅（ＢＷ＝ｆ／Ｑ＞２５Ｈｚ）および改善された衝撃耐性である。更に加えて、高いＱ値は、大気圧またはそれに近い圧力においても維持され、そのためジャイロスコープ１０のパッケージングが単純化され生産コストを下げる。ジャイロスコープ１０は、共振周波数において、面外縮退モードとは異なる面内高次縮退共振モードにおいて動作することが出来る。結果として、ジャイロスコープ１０は、ロールおよびピッチ回転と同様にヨー回転を、異なった共振周波数において計測するために使用することができる。最後に、バルク超音波ディスクジャイロスコープ１０は、厚みの変化に対して、設計上敏感ではないので、結果として製造容易性という利点をもたらしている。容量式バルク超音波ディスクジャイロスコープ１２の大変ユニークな点は、従来の振動型ジャイロスコープに比べると、非常に小さい容量性ギャップ（約２００ナノメートル）の故に、振動の振幅が２０ナノメートル以下となるため、静的なデバイスであるということである

容量式バルク超音波ディスクジャイロスコープ１０は、ＭＨｚ周波数帯域で作動し、２０ｎｍ以下の振動振幅を有する静的なデバイスであり、ありきたりの真空環境内で（また大気圧下でさえも）大変高いＱ値を達成するので、ウエファレベルでのパッケージングを大幅に簡素化する。更に、直流動作電圧（Ｖｐ＜５Ｖ）および交流駆動電圧（１６０ｍＶ）が非常に小さいので、通常のＣＭＯＳプロセスを用いたインターフェイス回路設計および実装を単純化する。また、振動ジャイロスコープ１０を高周波で作動させると、低周波モードマッチデバイスに比較して周波数バンド幅が数桁のオーダーで増加するので、センサの応答時間を短縮し、モードマッチ条件が緩和される。

図１に模式的に示すように、典型的なコリオリベースのバルク超音波ジャイロスコープ１０は、容量的に結合された駆動電極１３ａ、検知電極１３ｂおよび制御電極１３ｃを有する、中心支持されたディスク構造体１２（共振素子１２）を含んでいる。容量式ＳＣＳバルク超音波ディスクジャイロスコープ１０は、１次または２次の縮退楕円モードで作動する。

図２ａおよび２ｂは、典型的なバルク超音波ジャイロスコープ１０の楕円モードのＡＮＳＹＳシミュレーションを示す。（１００）単結晶シリコンの非等方性のために、空間的に３０°の隔たりを有する（１００）ＳＣＳディスクの２次楕円モードだけが同一の周波数を有する（図２ａ）。（１１１）ＳＣＳディスクジャイロスコープ１０においては、ディスク共振器１２の１次楕円モード（これらは空間的に４５°の隔たりを有する）が同一の周波数を有する（図２ｂ）。結果として、検出および駆動の効率を最大化するために、電極１３は（１００）ＳＣＳの場合は３０°毎に、（１１１）ＳＣＳの場合は４５°毎に、ディスク共振器１２の周囲を囲んで設けられる。ディスクジャイロスコープ１０を前側から取り出せるように、ディスク構造体にはリリース孔が設けられる。リリース孔１５は、（１００）シリコンディスクの場合は３０°毎にシンメトリックに設けられ（または（１１１）シリコンディスクの場合は４５°）、２つの縮退楕円モードの間に発生するかもしれない周波数スプリットを、極小に抑える。

如何なる振動式ジャイロスコープを設計するに際しても重要なパラメータの１つは、角度ゲインである。角度ゲインは、振動パターン角度の回転角度に対する遅れの比率として定義され、センサの構造と、共振モード動作とに依存する。
角度ゲインはソリッドディスクについて導出され、それはディスクジャイロスコープ１０において、２次楕円モード（０．２４）に対して１次楕円モード（０．４５）は１．８倍大きいものであった。（１１１）シリコンディスクジャイロスコープ１０の感度は、より大きい角度ゲインの故に、（１００）シリコンディスクのディスクジャイロスコープよりも高いが、（１００）シリコン基板１１は、ＣＭＯＳとのコンパティビリティーおよび（１１１）単結晶シリコンと比較した入手容易性の点で有利なものである。

試作品ジャイロスコープ１０は厚いＳＯＩウエファ１１、または基板１１（３０〜５０μｍ厚）の上に、ＨＡＲＡＳＳプロセスにより形成された。典型的な製造プロセスのフロー図が図１０〜１７に示される。図１０において、ＳＯＩ基板１１（底部層１１ａ、絶縁（埋込み酸化物）層１１ｂ、デバイス層１１ｃ）上に２μｍ厚の犠牲層酸化物マスク２１がパターニングされる。深いトレンチがデバイス層１１ｃを貫いてエッチングされ（図１１）、共鳴ＳＣＳ構造を作る。図１２において、犠牲層ＬＰＣＶＤ酸化物２３の薄い層が積層され容量式間隙１４を形作り、トレンチ２２はその後ＬＰＣＶＤポリシリコン２４で充填される。次に、ＬＰＣＶＤポリシリコン２４の表面がエッチングされ、犠牲層酸化物２３が表面においてパターニングされ（図１３）、そしてＬＰＣＶＤポリシリコン層２４が、堆積され、ドープされ、アニールされる（図１４）。表面のポリシリコンを、パッドを形成するようにパターニング（図１５）した後に、トレンチ２２内のポリシリコンと、デバイス層１１ｃの部分とが除去され（図１６）、電極１３が形成される。それからデバイスはフッ化水素（ＨＦ）内に入れられる。ＳＯＩ基板１１内の埋込み酸化物層１１ｂは、ディスク共振器１２を底部で支えるので、ＨＦ中に入れる操作については、注意深いタイミング管理が求められる。

表面のポリシリコン跡１６（図３）は、ディスク共振器１２にＤＣバイアスをかけるために使用される。また、それぞれのポリシリコン電極１３は、部分的にディスク構造体１２の外側にはみ出て、平面外衝撃防止部を提供している。されに加えて、延長したポリシリコン電極１３は、Ｘ−Ｙ軸ジャイロスコープ１０の、面外縮退モードの励起と検出をおこなう面内電極として使用できる。図１７に示されるように、高性能が必要とされる場合は、ＰＥＣＶＤ酸化物２７が堆積されパターニングされ、さらに導電物質２８（たとえばアルミニウム）が、ジャイロスコープ１０を真空封止するために設けられる。このプロセスは、Ｍ．Ｗ．Ｊｕｄｙ著「Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｉｎｅｒｔｉａｌ ＭＥＭＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｉｌｔｏｎ Ｈｅａｄ Ｉｓｌａｎｄ，Ｓｏｕｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ， Ｊｕｎｅ ２００４， ｐｐ．２７−３２、に論じられている、アナログデバイセズ社のＳＯＩＭＥＭＳプロセスとコンパチブルであり、事前または事後ＣＭＯＳ製造ステップに加えることによってＣＭＯＳ電子回路と一体化可能である。

（１００）シリコンディスクと（１１１）シリコンディスクの典型的なディスクジャイロスコープが試験された。正弦波駆動信号が駆動電極１３ａに印加され、検出電極１３における出力信号が観察された。検出電極１３は、円周状に、駆動電極１３から、（１００）シリコンディスクジャイロスコープ１０においては３０°、（１１１）シリコンディスクジャイロスコープ１０においては４５°離れて位置するように配置された。典型的な（１００）シリコンディスクジャイロスコープ１０の測定結果についてここで議論する。典型的な直径８００μｍの（１００）ディスクジャイロスコープ１０の、高次楕円モードが、５．９ＭＨｚにおいて、周波数スプリット３００Ｈｚで観測された（図４）。図４は、１ｍＴｏｒｒ真空内において、このデバイスの高次楕円モードの測定されたＱ値が、１２５，０００および１００，０００であったことを示している。このデバイスの、１０Ｔｏｒｒの真空における対応するＱ値は、依然として大変高かった（１００，０００および７４，０００）。

この穴あきデバイスにおける、駆動モードと検知モードの間に存在する、２９０Ｈｚという当初の小さな分離は、ディスクジャイロスコープ１０の周りにあるチューニング電極１３ｃに適切なチューニング電圧を印加することによって無くすことができる。このデバイスのマッチドモード品質係数は、１２，０００と記録された。モードマッチングは直流１０Ｖのチューニング電圧の印加によって達成された。約４９０Ｈｚという広いバンド幅（ＢＷ）は、バルク超音波ディスクジャイロスコープ１０について、周波数５．８８ＭＨｚにおいて得られたものであり、低周波モードマッチ型ジャイロスコープに比較して１００倍大きな値である。

典型的なジャイロスコープ１０の出力電圧が異なった角速度において測定された。８００μｍ径の（１００）ＳＣＳディスクによるディスクマイクロスコープ１０の測定された角速度感度は、図５に示すように０．１９ｍＶ／°／ｓｅｃであり、これはＭ．Ｆ．Ｚａｍａｎ，ｅｔ ａｌ．、”Ｔｈｅ Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ Ｓｔａｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＭＥＭＳ、Ｊａｎ．２００５、ｐｐ．３５５−３５８に報告されている、低周波ポリシリコンスタージャイロスコープに比較して、１７倍高い値である。

（１１１）シリコンディスクを用いたディスクジャイロスコープ１０の測定結果をここで議論する。１２００μｍ径のディスクジャイロスコープ１０の、１次楕円モードがいかなるチューニング電圧もかけることなく、１００Ｈｚ以下の分離で観測された。（１１１）ディスクジャイロスコープの、Ｑ_{effective-sense}値は、１ｍTorrおよび１Torrの真空下において、それぞれ６６，０００および５８，０００であった（図６）。

典型的な１２００μｍ径の（１１１）ＳＣＳディスクの角速度感度応答が図７に示されている。測定された１２００μｍ径（１１１）バルク超音波ディスクジャイロスコープ１０の、分離電気回路型のものの角速度感度は、０，９４ｍＶ／°／ｓｅｃであり、これは（１００）ディスクの角速度感度（０．２０ｍＶ／°／ｓｅｃ）よりも高い感度を示している。このことは、（１１１）ディスク１２における、より大きい角度ゲインと、二つの楕円モード間のより小さい周波数分離の故に、予想されることである。

バイアスドリフトの推定をここで議論する。ジャイロスコープにおいて、ジャイロスケール係数とバイアスドリフトとは、本質的な性能パラメータである。スケール係数安定性は、Ｑ_{effective-sense}値の時間に対する安定性に直接的に影響される。測定されたＱ_{effective-sense}値は、一定の室温および気圧の下で、２４時間の間不変であったことが観測された。本デバイスのゼロ角速度出力（ＺＲＯ）が測定された。採集されたＺＲＯデータを用いて、アラン分散分析（Ａｌｌａｎ ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）が、分離型の電子回路によるインターフェイスを有するマッチドモードデバイスの長期安定性を特性調査するために、実施された。典型的な１２００μｍ径（１１１）シリコンディスクジャイロスコープ１０の、ルートアラン分散プロット（ｒｏｏｔ Ａｌｌａｎ ｖａｒｉａｎｃｅ ｐｌｏｔ）が、図８に示されている。測定された、ジャイロスコープ１０のバイアス不安定性は、５．４°／ｈｒ（モード分離は１００Ｈｚ以下）であった。所望するならば、小さなＤＣ電圧（＜１０Ｖ）を周囲のチューニング電極１３に印加し、２つの共振モードはチューニングしそろえることができ、これはデバイスにとってはより高い感度と改善されたバイアス安定性を意味する。

典型的な１２００μｍ径の振動型バルク超音波（１１１）シリコンジャイロスコープ１０の設計仕様が、表１にまとめられている。試作品の設計においては、最低可観測回転角速度は、主に動作速度が高いことによる、電気的ノイズによって制限される。この問題は、更なるギャップのアスペクトレシオ（ＡＲ＞２５０）の増加および極めてローノイズの増幅器（Ｖｎ＜１００ｎＶ／√Ｈｚ）の採用により、解決することができる。

表１：１２００μｍ径（１１１）ＳＣＳディスクジャイロスコープの使用のまとめ

このように、バルク超音波ジャイロスコーブが開示された。上記の実施例は、上記に論じた概念の適用を代表する多くの特定の実施例を単に説明するためのものであることを理解するべきである。明らかに、本発明の技術分野の知識を有する者であれば、本発明の範囲内において、多くの他の構成を直ちに想起することが可能であろう。

本発明のジャイロスコープの、典型的なバルク超音波ジャイロスコープの説明図である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの二次および一次楕円モードを説明するＡＮＳＹＳシミュレーション結果である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの二次および一次楕円モードを説明するＡＮＳＹＳシミュレーション結果である。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による典型的な８００μｍ径バルク超音波ジャイロスコープの部分画像である。 典型的８００μｍ径バルク超音波ジャイロスコープのアンマッチド状態およびマッチング状態における楕円モードでの周波数応答を示すグラフである。 典型的８００μｍ径バルク超音波ジャイロスコープのアンマッチド状態およびマッチング状態における楕円モードでの周波数応答を示すグラフである。 （１００）シリコン基盤において試験のため８００μｍ径まで縮小された典型的なバルク超音波ジャイロスコープの感度測定結果を示すグラフである。 （１１１）シリコン基板上において試験のため１２００μｍまで縮小された典型的なバルク超音波ジャイロスコープの一次楕円モードにおける周波数応答を示すグラフである。 （１１１）シリコン基盤において試験のため１２００μｍ径まで縮小された典型的なバルク超音波ジャイロスコープの感度測定結果を示すグラフである。 （１１１）シリコン基盤において試験のため１２００μｍ径まで縮小された典型的なバルク超音波ジャイロスコープの一次楕円モードにおけるルートアラン分散の分布を示すグラフである。 典型的８００μｍ径単結晶シリコンディスクジャイロスコープの面外縮退モードにおけるＡＮＳＹＳシミュレーション結果である。 典型的８００μｍ径単結晶シリコンディスクジャイロスコープの面外縮退モードにおけるＡＮＳＹＳシミュレーション結果である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。 典型的バルク超音波ジャイロスコープの製造過程の図である。

Claims (17)

1. ジャイロスコープであって、
   面を有する基板と、
   ディスク状の構造を有するバルク超音波共振素子と、
   前記共振素子を囲み、前記共振素子から容量性間隙により隔離されており、前記共振素子中において少なくとも２つの縮退バルク超音波共振モードを励振しおよび検知することができる、複数個の電極と
   を含み、
   基板面内の少なくとも一軸まわりの回転角速度または回転角を検出する、前記ジャイロスコープ。
2. 基板が共振素子を支持する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
3. 共振素子が、基板の上方においてディスク共振素子の中心に位置する支持要素によって支持されているディスク共振素子である、請求項１または２のいずれかに記載のジャイロスコープ。
4. 共振素子が非圧電性材料製である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
5. 容量性間隙は、大きさの程度が２００ｎｍまたはそれ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
6. 共振素子が、半導体材料、圧電材料または金属材料から形成されたものである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
7. 共振素子が、単結晶半導体材料から形成されたものである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
8. 共振素子が、中実であるか、リリース孔を含む孔を有するものである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
9. バルク超音波共振素子が、１ＭＨｚ以上の共振周波数を有する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
10. 共振素子が、約１ｔｏｒｒ以上の圧力の真空中に置かれ、少なくとも１２０００の品質係数を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
11. 基板面に鉛直な軸まわりの回転角速度または回転角を検出する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
12. １または複数の共振素子と１または複数個の電極とが、直交３軸の少なくとも１つのまわりの回転角速度または回転角を検知するために、単一の基板上に一体として設けられている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
13. １または複数の共振素子が、一体的慣性検出ユニットを形作るために、単一の基板上に一体として設けられている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
14. ジャイロスコープの励起およびチューニングのための、直流電流および交流電流の電圧源をさらに含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
15. 共振素子の励振および検知モードが、共振素子の周囲に沿って３０°または４５°の間隔を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
16. 少なくとも１つの延長された電極が共振素子の頂点上まで伸びている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。
17. 共振素子の振動振幅が、２０ナノメートルを越えないものである、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のジャイロスコープ。

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