JP5567272B2 - 垂直統合された電子機器およびウエハスケールの気密封止によるx−y軸2重質量音叉ジャイロスコープの製造方法 - Google Patents
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Description
に揺動することを教示している。Z軸の回りの角速度によって、2つの質量体に対し、Y方向のコリオリ力が生じる。2つの質量体は、その質量体に対するY方向の力によってZ方向のトルクをジンバルに供給するように、Z軸回りに回転可能なジンバルに取り付けられている。この2つの質量体は、反対向きの速度を有するように揺動するので、2つのコリオリ力によって、ジンバルに対してZ軸の回りに正味のトルクが供給される。Z軸回りのジンバルの運動が感知される。
本発明のさらなる目的は、低費用の気密パッケージを有する角速度センサを提供することである。
る。
結合部および第2の結合部は1つ以上のビームを含むことが可能である。2軸センサに関連した第1、第2、第3および第4の質量の駆動運動は間接的に感知されることが可能である。第1、第2、第3および第4の質量は間接的に作動されることが可能である。
図1の実施形態では、中心板28がねじれヒンジ28Aによってフレーム34に取り付けられており、これによって、中心板28が図1上のX軸の回りを回転することが可能である。また、ヒンジ28Aは板28に、X−Y平面における公称位置に位置を回復させる性質を有する、回復トルクを提供することができる。プルーフマス22はヒンジ58によって中心板28に取り付けられており、プルーフマス24はヒンジ56によって中心板28に取り付けられている。中心板28、プルーフマス22およびプルーフマス24が統合されたサブアセンブリは、プルーフマス22および24が必然的にZ軸に沿って反対方向に移動するように、結合部を形成する。
械的支持を提供する対称的な屈曲部構成が好適であるが、本発明はそのような屈曲部構成を必要とするものではない。
26A ねじれヒンジ
28A ねじれヒンジ
32 ばね
38A 電極
38B 容量的に移動変化を感知するための電極
38C 示差的に38Bからの移動変化を感知するための電極
39 いずれも質量体22,24、結合部およびフレームに接続している電極38B,38C,38Aとは異なる電位にあり得る基層の構造
58’ 分離した屈曲部
60’ 分離した屈曲部
62’ フレーム上のつまみ
64’ 基部上のスロット/溝(62,64のものと相補的)
80 フレーム共振モードを規定する屈曲部の応力分離部
81 軸方向に抑制された屈曲部ビームを製造中のin−situ熱処理から緩和させるための応力分離部
82 共振モードによりフレームを作動させるための構造
83 駆動アセンブリにおけるつまみ
84 駆動アセンブリにおける溝。
図1および図2の実施形態は2つの動作モードを有する。第1の好適な動作モードでは、質量体22,24は振動するように駆動され、Y方向の角速度を測定するためにフレー
ム34の運動が感知される。第2の動作モードでは、フレーム34が振動するように駆動され、Y方向の角速度を測定するために質量体22,24の運動が感知される。これらの2つの方法について、順番に説明する。
、基本の結合部共振モード(すなわち、最低の周波数を有する機械的モード)は、図11aおよび図11bに示すように質量体22,24の逆相振動に対応する。そのような対応は、結合部およびその支持屈曲部の設計中に保証されることが可能である。結合部固有周波数またはその近傍で駆動周波数を選択することによって、所与のアクチュエータ力によって提供される結合部の運動が増大する。
1)第2の動作モードは、フレーム34を角振動するように駆動するためのアクチュエータを含む。フレーム34および基部36に接続された静電アクチュエータは、フレーム34を角振動するように駆動するための1つの適切な手段である。そのような静電アクチュエータは、図5の構成を含む様々な電極構成を有してよい。
(逆相の反対)振動を誘導する性質を有する。
好適な実施形態では、上述の構造および動作を有する回転角センサ(すなわち、ジャイロスコープ)は、マイクロマシニング技術(MEMS技術としても知られている)を用いて製造される。2つの形態のMEMS技術、すなわち、バルクMEMSおよび表面MEMSが知られている。バルクMEMSプルーフマス(すなわち、質量体22,24)は表面MEMSプルーフマスより大きな質量を有することが可能であり、また、より大きな範囲の運動を有することが可能であるので、本発明にはバルクMEMS技術が好適である。
上のパターニングの行われた酸化物層70に融着される。図7〜10の処理手順において、ジャイロスコープウエハ20に対するキャップウエハ42の接合は、ジャイロスコープウエハ20に対する基準ウエハ44の接合より前の加工段階で行われる。したがって、ジャイロスコープウエハ20にキャップウエハ42を接合するには、以下に限定されるものではないが、共晶金属接合、ガラス接合、はんだ接合、金共晶接合、Si−SiO2融着およびSi−Si融着を含む、比較的高温の接合処理が好適である。図8aから図8bへ移る際、ジャイロスコープウエハ20は、通常、約500マイクロメートルの厚さから約40マイクロメートルの厚さまで薄化される。従来の研削および研磨は、この薄化工程を実行するのに適切な方法である。ジャイロスコープウエハ20の薄化は一様に行われることが可能であるが、ジャイロスコープウエハ20のうち質量体22,24となる領域が、ジャイロスコープウエハ20の他の部分より厚くなるように行われることも可能である。厚さの増加は、それによって質量体22,24の質量が増加するので、有益である。
。
Claims (26)
- X−Yセンサ平面において角速度のX成分およびY成分を測定するための2軸センサであって、
角速度のX成分を測定するための第1のサブセンサと、
角速度のY成分を測定するための第2のサブセンサと、を備え、
角速度のX成分を測定するための第1のサブセンサおよび角速度のY成分を測定するための第2のサブセンサは、2軸センサ内の単一の気密封止部内に格納されており、第1のサブセンサ、第2のサブセンサ、および気密封止部は、単一の基板上に統合されており、
第1のサブセンサおよび第2のサブセンサは、前記単一の気密封止部内において、第1のサブセンサと第2のサブセンサとの間の音響カップリングを減少させるためのバリアシールによって分離されている、2軸センサ。 - 前記バリアシールは、前記単一の気密封止部内において第1のサブセンサおよび第2のサブセンサの両方に対する圧力の均一化を可能とするように形成された、1つ以上の管路を備える請求項1に記載の2軸センサ。
- バルクシリコン製造を用いて製造される請求項1に記載の2軸センサ。
- 第1のサブセンサおよび第2のサブセンサが2軸センサの矩形のキャビティ内に格納されていることと、前記矩形のキャビティの上方に形成された膜を備えることと、を含む請求項1に記載の2軸センサ。
- 前記キャビティにおいて前記膜を支持する1つ以上の柱を含む請求項4に記載の2軸センサ。
- 2軸センサのフレームが懸架されるアンカーを前記キャビティ内に提供する1つ以上の柱を含む請求項5に記載の2軸センサ。
- 2軸センサに関連し前記単一の気密封止部の下部を形成する基準ウエハの、ウエハレベルでの統合を支持する1つ以上の柱を含む請求項5に記載の2軸センサ。
- 前記柱は、第1のサブセンサおよび第2のサブセンサに関連した機械部品の製造中に前記膜を一時的に支持する請求項5に記載の2軸センサ。
- 感知モード周波数用の応力分離機構を含む請求項1に記載の2軸センサ。
- 応力分離機構は1つ以上のビームからなる請求項9に記載の2軸センサ。
- 2軸センサの製造中の頑健性のための応力分離機構を含む請求項1に記載の2軸センサ。
- 2軸センサの感知モード周波数は2軸センサの駆動モード周波数より低い請求項1に記載の2軸センサ。
- 第1のサブセンサおよび第2のサブセンサに関連した機械部品の運動を制限するための1つ以上のつまみまたは溝を備えるフレームを含む請求項1に記載の2軸センサ。
- 第1のサブセンサは、
a)次を含む第1の感知サブアセンブリ、すなわち、
i)X−Yセンサ平面に平行であり、ほぼ平坦な第1のフレーム、
ii)X−Yセンサ平面に配置された第1の質量体、
iii)X−Yセンサ平面において第1の質量体の側方に配置された第2の質量体、および、
iv)第1のフレーム内において第1のフレームに接続され、第1の質量体および第2の質量体に接続されており、かつ、第1の質量体および第2の質量体がX−Yセンサ平面に垂直な反対の方向に移動するように強制する第1の結合部、を含む第1の感知サブアセンブリと、
b)第1の感知サブアセンブリの第1の部分を駆動周波数で振動するように駆動する第1のアクチュエータと、
c)角速度のX成分に応じた第1の感知サブアセンブリの第2の部分の運動を感知するための第1のトランスデューサと、
を含み、
第2のサブセンサは、
a)次を含む第2の感知サブアセンブリ、すなわち、
i)X−Yセンサ平面に平行であり、ほぼ平坦な第2のフレーム、
ii)X−Yセンサ平面に配置された第3の質量体、
iii)X−Yセンサ平面において第3の質量体の側方に配置された第4の質量体、および、
iv)第2のフレーム内において第2のフレームに接続され、第3の質量体および第4の質量体に接続されており、かつ、第3の質量体および第4の質量体がX−Yセンサ平面に垂直な反対の方向に移動するように強制する第2の結合部、を含む第2の感知サブアセンブリと、
b)第2の感知サブアセンブリの第1の部分を駆動周波数で振動するように駆動する第2のアクチュエータと、
c)角速度のY成分に応じた第2の感知サブアセンブリの第2の部分の運動を感知するための第2のトランスデューサと、を含む
請求項1に記載の2軸センサ。 - 第1の結合部および第2の結合部は、所望されないZ軸運動が存在する場合に2軸センサ内のつまみおよび溝によって側方運動が制限されるように設計されている請求項14に
記載の2軸センサ。 - 第1の結合部および第2の結合部は1つ以上のビームを含む請求項14に記載の2軸センサ。
- 第1、第2、第3および第4の質量体の駆動運動は間接的に感知される請求項14に記載の2軸センサ。
- 第1、第2、第3および第4の質量体は間接的に作動される請求項14に記載の2軸センサ。
- 1つ以上の分離した電極が第1、第2、第3および第4の質量体を間接的に作動させる請求項18に記載の2軸センサ。
- 前記1つ以上の分離した電極は2軸センサに関連した端板に配置されている請求項19に記載の2軸センサ。
- 第1のフレームおよび第2のフレームの運動を示差的に感知するように第1のフレームおよび第2のフレームに配置された1つ以上の電極を含む請求項14に記載の2軸センサ。
- 2軸センサに関連した感知モード周波数の測定におけるセルフテストモード動作中に2軸センサのフレームを回転させる1つ以上のアクチュエータを含む請求項1に記載の2軸センサ。
- 前記1つ以上のアクチュエータの各々は静電アクチュエータである請求項22に記載の2軸センサ。
- 前記静電アクチュエータのうちの1つ以上は平行板電極構成または櫛歯電極構成を利用する請求項23に記載の2軸センサ。
- 第1のサブセンサおよび第2のサブセンサに関連した1つ以上の機械部品を電磁気干渉(EMI)から遮蔽するための1つ以上の遮蔽部を含む請求項1に記載の2軸センサ。
- 第1のサブセンサおよび第2のサブセンサは500Hzより大きく分離した周波数にて動作する請求項1に記載の2軸センサ。
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