JP5580341B2

JP5580341B2 - 駆動周波数同調可能ｍｅｍｓジャイロスープ

Info

Publication number: JP5580341B2
Application number: JP2011551122A
Authority: JP
Inventors: ロツェニク，マルコ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: US20100206071A1; JP2012518184A; CN102356300A; US8210038B2; EP2399099A1; EP2399099B1; WO2010096306A1; CN102356300B

Description

本発明は、半導体デバイスに関し、特にセンサー素子を組み込んだデバイスに関する。

従来、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、該ＭＥＭＳデバイスが示す感度、空間分解能、時間分解能、及びより低い所要電力のために、さまざまな用途で効果的な解決手段であることが分かっている。その結果、加速度計、ジャイロスコープ、及び圧力センサー等のＭＥＭＳベースのセンサーが、多種多様な用途で用いるために開発されてきた。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、回転質量体デバイス又は振動デバイスとして構成することができ、これらの双方は、コリオリの効果に依拠して、センサーによって測定されるデバイスの角度変化を生成する。線形振動デバイスは、回転質量体に依拠するデバイスを上回るさまざまな利点を有する。線形デバイスでは、コリオリ質量体と呼ばれるバネによって支持された質量体に線形振動運動が誘発される。ＭＥＭＳデバイスが回転されると、コリオリ質量体が検知電極に対して回転する。このため、このコリオリ質量体の面外回転は、検知電極とコリオリ質量体との間の静電容量を変化させ、これによって、回転の角速度の示度が提供される。

線形デバイスは、振動する質量体を組み込んでいるので、このようなデバイスは共振駆動周波数（ｆ_ｄｒ）を示す。ｆ_ｄｒは、駆動面におけるコリオリ質量体の運動に影響を与えるセンサーのさまざまな構成要素の関数である。したがって、ｆ_ｄｒは、コリオリ質量体を支持するさまざまな機械バネ及び振動運動を伝えるのに用いられる構成要素の関数である。通常、コリオリ質量体の振動は、櫛歯状（comb finger）デバイスによって引き起こされる。

櫛歯状ドライブでは、コリオリ質量体上のプレートがベース構成要素上のプレートとインターレースされている。電圧がベース構成要素プレートに印加されると、コリオリ質量体は変位する。コリオリ質量体上の櫛歯状ドライブの力は、該質量体の振動運動中、比較的一定である。したがって、ｆ_ｄｒに対する櫛歯状ドライブの影響は無視することができる。それゆえ、線形ＭＥＭＳジャイロスープのｆ_ｄｒは、駆動面においては主として機械バネの関数である。

コリオリ質量体は振動しているので、該質量体が面外回転するに従い、センサーが回転を受けると、センサーによって検出されるコリオリ質量体の面外運動（検出運動）は共振周波数（ｆ_ｄｅｔ）も示す。ｆ_ｄｅｔは、面外回転中コリオリ質量体を支持するさまざまな機械バネと、検出構成要素によってコリオリ質量体に作用される力との関数である。上述したように、検出構成要素は、通常、コリオリ質量体と共にキャパシタを形成する電極である。コリオリ質量体に対する電極の力は、機械バネの符号とは逆の符号を有するバネ定数を有し、電極に印加される電圧の関数である。コリオリ質量体に対する電極の影響は無視することができない。

ｆ_ｄｒをｆ_ｄｅｔと一致させることによって、ＭＥＭＳセンサーの信号対雑音比（ＳＮＲ）の最適化が助けられる。しかしながら、製造プロセスにおいて、これらの共振周波数間を所望通り一致させるほど十分にセンサーデバイス内のさまざまな力を制御することは可能ではない。したがって、コリオリ質量体に対する検出電極の影響は、印加電圧を変更することによって容易に変更することができるので、ＭＥＭＳデバイスは、通常、ｆ_ｄｅｔがｆ_ｄｒよりも高い機械構成要素で作製される。その後、ｆ_ｄｅｔの電気構成要素を変更して、ｆ_ｄｅｔをｆ_ｄｒに同調させることができる。

トリム電圧、すなわち電極電圧（Ｕ_ＤＦ）を用いてｆ_ｄｅｔを同調させるさまざまな手法が開発されてきた。一手法では、別々の検知（検出）電極とトリム電極とが設けられ、一定のＵ_ＤＦがトリム電極に印加される。代替的に、コリオリ質量体の面外運動を検出するのに用いられる同じ電極にトリム電圧を時間多重信号として印加することもできる。

さまざまな既知の手法によるｆ_ｄｅｔの変更が効果的であるが、上述したさまざまな手法には、デバイスの検出側に電圧を付加することが必要となる。センサーの検出側に電圧を付加すると、コリオリ質量体の面外運動の検出を可能にするためにセンサーの出力に必要とされる調節の複雑度が増大する。例えば、パルス状のＵ_ＤＦを印加すると、その結果、雑音が追加される。さらに、コリオリ質量体の下に位置決めされた電極にＵ_ＤＦを印加すると、その結果、コリオリ質量体に引力が印加されるので、コリオリ質量体に寄生機械モード振動が起こる可能性が増大する。

コリオリ質量体の面外運動を検知することができるセンサーは有用である。このようなシステムがｆ_ｄｅｔをｆ_ｄｒと一致させることができることは有用である。付加電圧をデバイスの検出側に印加することなくｆ_ｄｅｔをｆ_ｄｒと一致させることができるデバイスが有益である。

一実施の形態によれば、駆動周波数同調可能ＭＥＭＳセンサーが、
質量体と、
前記質量体を平面内で駆動するように構成された質量体駆動構成要素と、
前記質量体を支持する複数の非線形バネと、
前記複数の非線形バネに動作可能に接続されて、トリム電圧に応じて前記複数の非線形バネの応力条件を変更する第１の同調器と、
前記第１の同調器と電気的に接続されて、前記トリム電圧を提供するトリム回路と、
を備える。

別の実施の形態によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを動作させる方法が、
基板の上に複数の非線形バネで質量体を支持すること、
前記質量体を平面内で駆動すること、
トリム電圧を第１の同調器に提供すること、及び
前記複数の非線形バネの応力条件を前記第１の同調器で変更すること、
を含む。

さらに別の実施形態では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスが、
基板と、
前記基板上の電極と、
前記電極の上に位置決めされた質量体と、
前記電極の上に前記質量体を支持する複数の非線形バネと、
駆動信号に応じて平面に沿って前記質量体を駆動するように構成された駆動デバイスと、
前記複数の非線形バネのうちの少なくとも１つに物理的に接続されて、トリム信号に応じて前記複数の非線形バネのうちの前記少なくとも１つの応力を変更する少なくとも１つの同調器と、
を備える。

検知電極の上にコリオリ質量体を支持するのに用いられるバネの間に位置決めされた、インターレースされた歯（finger）を含む同調器を用いた線形振動するコリオリ質量体の共振駆動周波数を同調させるように構成されたＭＥＭＳセンサーの上面図である。同調器、２つの非線形バネ、及びアンカーを備えるトリムシステムにおける同調器システムのうちの１つを示す、図１のデバイスの部分斜視図である。線形バネ及び非線形バネの力／変位のプロットである。コリオリ質量体の開口内に位置決めされたバネ間に位置決めされているインターレースされた歯を備える同調器を用いて、線形振動するコリオリ質量体の共振駆動周波数を同調させるように構成されたＭＥＭＳセンサーの上面図である。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１００が図１に示されている。デバイス１００は、基板１０２、駆動電子機器回路１０４、検知電子機器回路１０６、及びトリム電子機器回路１０８を備える。駆動電子機器回路１０４は、駆動デバイス１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、及び１２４に接続されている。

駆動デバイス１１０、１１２、１１４、及び１１６は、検知電極１２８の上に位置決めされているコリオリ質量体１２６上の櫛歯とインターレースされた櫛歯を備える。検知電極１２８は検知電子機器回路１０６に接続されている。駆動デバイス１１８、１２０、１２２、及び１２４は、検知電極１３２の上に位置決めされているコリオリ質量体１３０上の櫛歯とインターレースされた櫛歯を備える。コリオリ質量体１３０は、カップリングバネ１３４によって質量体１２６に接続され、検知電極１３２は検知電子機器回路１０６に接続されている。

質量体１２６の各コーナーは、それぞれの同調器システム１４０、１４２、１４４、又は１４６によって支持され、質量体１３０の各コーナーは、それぞれの同調器システム１４８、１５０、１５２、又は１５４によって支持されている。同調器システム１４０は、バネ１６２を通じて質量体１２６に接続されている同調器１６０を備える。バネ１６４は、同調器１６０とアンカー１６６との間に位置付けられている。アンカー１６６は、基板１０２及びバネ１６４に固定して取り付けられて、質量体１２６を支持する。

同様に、同調器システム１４２は、バネ１７２を通じて質量体１２６に接続されている同調器１７０を備える。バネ１７４は、同調器１７０とアンカー１７６との間に位置付けられている。アンカー１７６は、基板１０２及びバネ１７４に固定して取り付けられて、質量体１２６を支持する。さらに、同調器システム１４４は、バネ１８２を通じて質量体１２６に接続されている同調器１８０を備える。バネ１８４は、同調器１８０とアンカー１８６との間に位置付けられている。アンカー１８６は、基板１０２及びバネ１８４に固定して取り付けられて、質量体１２６を支持する。最後に、同調器システム１４６は、バネ１９２を通じて質量体１２６に接続されている同調器１９０を備える。バネ１９４は、同調器１９０とアンカー１９６との間に位置付けられている。アンカー１９６は、基板１０２及びバネ１９４に固定して取り付けられて、質量体１２６を支持する。

質量体１３０は、同様にして、電極１３２の上に支持されている。具体的には、同調器システム１４８は、バネ２０２を通じて質量体１３０に接続されている同調器２００を備える。バネ２０４は、同調器２００とアンカー２０６との間に位置付けられている。アンカー２０６は、基板１０２及びバネ２０４に固定して取り付けられて、質量体１３０を支持する。

同様に、同調器システム１５０は、バネ２１２を通じて質量体１３０に接続されている同調器２１０を備える。バネ２１４は、同調器２１０とアンカー２１６との間に位置付けられている。アンカー２１６は、基板１０２及びバネ２１４に固定して取り付けられて、質量体１３０を支持する。さらに、同調器システム１５２は、バネ２２２を通じて質量体１３０に接続されている同調器２２０を備える。バネ２２４は、同調器２２０とアンカー２２６との間に位置付けられている。アンカー２２６は、基板１０２及びバネ２２４に固定して取り付けられて、質量体１３０を支持する。最後に、同調器システム１５４は、バネ２３２を通じて質量体１３０に接続されている同調器２３０を備える。バネ２３４は、同調器２３０とアンカー２３６との間に位置付けられている。アンカー２３６は、基板１０２及びバネ２３４に固定して取り付けられて、質量体１３０を支持する。

図２は、同調器システム１４０を示すデバイス１００の部分斜視図を示している。この実施形態におけるバネ１６２及びバネ１６４は、概ね卵形のバネである。所望ならば、他の対称的なバネの形態を用いることもできる。バネ１６２及び１６４は、同調器１６０の浮動部２５０に接続されている。浮動部２５０は、同調器１６０の基部２５６及び２５８に位置付けられている櫛歯２５４とインターレースされた複数の櫛歯２５２を備える。基部２５６及び２５８は、基板１０２に固定して取り付けられている。この実施形態では、基部２５６及び２５８は、導電材料で作製され、トレース２６０によってトリム電子機器回路１０８に電気的に接続されている。トリム電子機器回路１０８並びに同調器システム１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、及び１５４は、デバイス１００のトリムシステムを構成する。

動作中、駆動電子機器回路１０４（図１）は、駆動信号を駆動デバイス１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、及び１２４に選択的に印加する。これに応じて、駆動デバイス１１０、１１２、１１４、及び１１６は、質量体１２６を駆動して、質量体１３０に対して接近及び離隔する線形振動を起こさせる。さらに、駆動デバイス１１８、１２０、１２２、及び１２４は、質量体１３０を駆動して、質量体１２６に対して接近及び離隔する線形振動を起こさせる。大部分において、デバイス１００の動作は他のジャイロスコープデバイスと同様である。他のジャイロスコープとデバイス１００との間の主な相違は、トリムシステムを用いてデバイス１００のｆ_ｄｒを変更することである。

具体的には、トリム電子機器回路１０８は、トリム信号を同調器システム１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、及び１５４に提供する。図２及び同調器システム１４０を参照すると、トリム電圧がトレース２６０を通じて同調器１６０の基部２５６及び２５８に供給される。この電圧は、基部２５６及び２５８によって歯２５４に渡され、その結果、力が浮動部２５０の歯２５２に作用する。この作用する力によって、浮動部２５０は矢印２６２の方向に偏倚する。したがって、バネ１６４はアンカー１６６に向かって偏倚して、バネ１６４は圧縮状態になる。さらに、バネ１６２は、質量体１２６から離れるように偏倚して、バネ１６２は伸張状態になる。

バネ１６２の偏倚によって、同調器１６０からの力は、質量体１２６を通じて他の同調器システム１４２、１４４、及び１４６のそれぞれに伝達される。さらに、同調器システム１４８、１５０、１５２、及び１５４は、質量体１３０及びカップリングバネ１３４を通じて質量体１２６に接続されている。しかしながら、トリムシステムの力はバランスされているので、質量体１２６及び質量体１３０は、トリムシステムによる位置的な影響を受けない。例として、バネ１６２の圧縮によって質量体１２６に作用する偏倚は、同調器システム１４２におけるバネ１７２によって質量体１２６に作用する、等しいが逆の力によって無効にされる。これは、バネ１７２が、同調器システム１４０の上記説明と実質的に同一の方法で圧縮状態にされるからである。

したがって、同調器システム１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、及び１５４は、バネ１６２、１６４、１７２、１７４、１８２、１８４、１９２、１９４、２０２、２０４、２１２、２１４、２２２、２２４、２３２、及び２３６にプレストレスを与えるのに用いられる。印加されるプレストレスの量は、ｆ_ｄｒをｆ_ｄｅｔに同調させるように選択される。ｆ_ｄｒの変更は、単位印加力ごとに非線形変位を示すバネの選択によって上記実施形態において可能にされる。

例として、図３は、選択されたバネに印加される力の量と該選択されたバネに結果として生じる変位との間の関係のプロット２７０を示している。直線２７２は、一例示の線形バネの力／変位の関係を示している。所与のバネのバネ定数は、バネの力／変位曲線の１次導関数に関係付けられる。このように、直線２７２は線形であるので、線形バネのバネ定数は、バネに応力を加えても変化しない。

一方、一例示の非線形バネは、力／変位曲線２７４を描く。したがって、位置２７６における曲線２７４の導関数は比較的小さい一方、位置２７８における曲線２７４の導関数は比較的大きい。したがって、非線形バネのバネ定数は、バネに印加されるプレストレスを制御することによって変更することができる。

したがって、電極の上でコリオリ質量体を支持するのに用いられる非線形バネを選択してプレストレスを与えることによって、デバイスのｆ_ｄｒを変更し、デバイスのｆ_ｄｅｔに一致させることができる。必要ならば、２つ以上の同調器を同調器システムに含めることによって、同調の自由度をさらに提供することができる。これらの同調器のそれぞれは、同調器システムにおいてバネにより他の同調器から分離されている。同調器を分離するのに用いられるバネは、所望ならば非線形バネとすることができる。

所望ならば、同調システムの位置を変更することができる。例として、図４は、同調システムの配置を除いて図１のＭＥＭＳデバイス１００と実質的に同様のＭＥＭＳデバイス３００を示している。具体的には、ＭＥＭＳデバイス３００では、質量体３０２及び３０４のそれぞれは、開口３０６及び３０８をそれぞれ備える。開口３０６及び３０８内には、同調器システム３１０及び３１２が位置付けられている。同調器システム３１０及び３１２は同一であり、同調器システム３１２について、より十分に説明される。

同調器システム３１２は、アンカー３１４と、２つの同調器３１６及び３１８とを備える。同調器３１６及び３１８のそれぞれは、同調器１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、及び２３０と同一である。同調器３１６は、バネ３２０を通じて開口３０８の１つの端に接続され、バネ３２２を通じてアンカー３１４に接続されている。同調器３１８は、バネ３２２に接続されている端とは逆の開口３０８の端に、バネ３２４を通じて質量体３０４の振動軸に沿って接続され、バネ３２６を通じてアンカー３１４に接続されている。

ＭＥＭＳデバイス３００の動作は、ＭＥＭＳデバイス１００の動作と同様である。しかしながら、同調器システム３１０及び３１２は、質量体３０２及び３０４の振動軸上に位置付けられているので、質量体３０２及び質量体３０４は、トリムシステムによる位置的な影響を受けない。このように、トリムシステムの力はバランスされている。

本発明を、図面及び上記説明で詳細に図示及び説明してきたが、これは、例示であって、文言通りに限定されるものとみなされるべきではない。好ましい実施形態しか提示されていないこと、並びに本発明の趣旨の範囲内に入るすべての改変、変更、及びさらなる適用が保護されることが望まれていることが理解されよう。

Claims

センサーデバイスであって、
質量体と、
前記質量体を平面内で駆動するように構成された質量体駆動構成要素と、
前記質量体を支持し、非線形な力／変位関係を有する複数の非線形バネと、
前記複数の非線形バネに動作可能に取り付けられて、トリム電圧に応じて前記複数の非線形バネの応力条件を変更する第１の同調器と、
前記第１の同調器と電気的に接続されて、前記トリム電圧を提供するトリム回路と、
を備える、センサーデバイス。
基板に取り付けられた第１のアンカーをさらに備え、
前記複数の非線形バネのうちの第１のバネは、前記第１のアンカー及び前記第１の同調器の第１の部分に取り付けられ、
前記複数の非線形バネのうちの第２のバネは、前記質量体及び前記第１の同調器の前記第１の部分に取り付けられ、
前記同調器の第２の部分は、前記基板に固定して取り付けられている、
請求項１に記載のデバイス。
第１の部分及び第２の部分を有する第２の同調器であって、該第２の部分は前記基板に固定して取り付けられている、第２の同調器と、
前記基板に取り付けられた第２のアンカーと、
前記第２のアンカー及び前記第２の同調器の前記第１の部分に取り付けられた、前記複数の非線形バネのうちの第３のバネと、
前記質量体及び前記第２の同調器の前記第１の部分に取り付けられた、前記複数の非線形バネのうちの第４のバネと、
をさらに備える、請求項２に記載のデバイス。
前記質量体は振動軸に沿って駆動され、
前記第２のバネは前記質量体の第１の端部に取り付けられ、
前記第４のバネは前記質量体の第２の端部に取り付けられ、前記質量体の前記第１の端部は、前記振動軸に沿って前記質量体の前記第２の端部の反対側にある、
請求項３に記載のデバイス。
基板に取り付けられた第１のアンカーをさらに備え、
前記複数の非線形バネのうちの第１のバネは、前記第１のアンカー及び前記第１の同調器の第１の部分に取り付けられ、
前記複数の非線形バネのうちの第２のバネは、前記第１の同調器の前記第１の部分及び第２の同調器の第１の部分に取り付けられ、
前記複数の非線形バネのうちの第３のバネは、前記質量体及び前記第２の同調器の前記第１の部分に取り付けられている、
請求項１に記載のデバイス。
前記第１の同調器は、
第１の複数の歯と、
前記第１の複数の歯とインターレースされた第２の複数の歯と、
を備える、請求項１に記載のデバイス。