JP5615967B2

JP5615967B2 - 水平に向けられた駆動電極を有するｍｅｍｓジャイロスコープ

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Publication number: JP5615967B2
Application number: JP2013254957A
Authority: JP
Inventors: ジョンソン，バーゲス・アール; ウェーバー，マーク・ダブリュー
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: US7036373B2; JP2012255801A; WO2006012104A1; US20050284222A1; KR101166866B1; KR20070026860A; JP2008505315A; JP2014066725A; EP1774259A1

Description

[政府の援助]
本発明は、ＤＡＡＥ契約番号３０−０１−９−０１００の下で政府の援助を受けて行われた。政府は、本発明においてある種の権利を有する可能性がある。本発明は、全般的には半導体製造及び微細電気機械システム（ＭＥＭＳ;microelectromechanical system）の分野に関する。より具体的には、本発明は、水平方位を有する駆動電極を使用するＭＥＭＳデバイスのレートバイアス（rate bias）誤差及びスケールファクタ誤差を減らす方法に関する。

面外（out-of-plane）ＭＥＭＳジャイロスコープ（ＯＰＧ）は、共振するプルーフマス（proof mass）に働くコリオリ力（Coriolis forces）を測定することによって角回転を判定するのに使用される。通常の面外ＭＥＭＳジャイロスコープには、１つ又は複数のシリコン懸架ばねを使用して、通常はガラスである基板に機械的に結合された２つのシリコンプルーフマスが含まれる。基板にエッチングされた複数の凹窩が、シリコン構造の選択的部分がデバイスの内側部分内で前後に自由に移動することを可能にする。ある種の設計では、基板をシリコン構造の上下に設けて、この２つの基板の間にプルーフマスをはさむことができる。基板上に形成された金属トレース（trace）のパターンを使用して、さまざまな電気的バイアス電圧及び信号出力をデバイスに送ることができる。

多数のＭＥＭＳジャイロスコープの駆動システムには、通常、コリオリ力が感知される方向に垂直な駆動軸に沿ってプルーフマス（proof mass;保証質量）を前後に振動させる複数の駆動要素が含まれる。ある種の設計で、たとえば、駆動要素に、静電気的作動（actuation）を使用して電気エネルギを機械エネルギに変換するように構成された複数の互いにかみ合う垂直の櫛指（comb finger）を含めることができる。そのような駆動デバイスは、たとえば、参照によってその全体を本明細書に組み込まれているタン（Tang）他の米国特許第５，０２５，３４６号に記載されている。

面外ＭＥＭＳジャイロスコープでは、これらの互いにかみ合う櫛指（interdigitated comb fingers）が、大きいバイアスを生じるか、誤った角速度出力信号を生じる可能性がある。このバイアスは、隣接する櫛指の間のギャップ内の強い電場によって、及びこの電場がジャイロスコープの感知軸（即ち、コリオリ力がそれに沿って働く軸）に沿った向きになっているという事実から引き起こされ得る。従って、可動櫛指が、隣接する静止櫛指の間で完全に中央に置かれていない時に、感知軸に沿って力が生じる。この力は、感知軸に沿ったジャイロスコーププルーフマスの変位を生じ、この変位は、ジャイロスコープの角回転が存在する場合のコリオリ力によって作られる感知軸に沿った変位から区別不能である。互いにかみ合う駆動櫛指によって作られる感知軸に沿った力は、コリオリ力によって作られる変位を検出するのに使用される感知櫛電極の静電容量をも変化させ、従って、ジャイロスコープの出力信号を変化させる。その結果、単位回転速度あたりのジャイロスコープ出力信号と定義されるスケールファクタに、誤差が生じる。

本発明は、水平方位を有する駆動電極を有するＭＥＭＳアクチュエータデバイスと、ＭＥＭＳジャイロスコープのレートバイアス誤差及び／又はスケールファクタ（scale factor）誤差を減らす方法とに関する。本発明の例示的実施形態によるＭＥＭＳアクチュエータデバイスには、水平方位を有する１つ又は複数の駆動電極（以下では「水平駆動電極」と呼称する）を含む少なくとも１つの基板と、この１つ又は複数の水平駆動電極から垂直に間隔をあけられ、これに隣接する可動電極とを含めることができる。面外ＭＥＭＳジャイロスコープ又は他の慣性感知デバイスでは、可動電極を、入力軸又はレート軸（rate axis）の回りのジャイロスコープの動きによって作られるコリオリ力を感知するのに使用することができるプルーフマスに結合するか、これと一体に形成することができる。

ある種の実施形態では、プルーフマスを、１つ又は複数の下側水平駆動電極を含む下側基板と、１つ又は複数の上側水平駆動電極を含む上側基板との間にはさむことができる。他の実施形態では、プルーフマスを、１つ又は複数の水平駆動電極を含む単一の基板（たとえば、下側基板又は上側基板）に垂直に隣接して位置決めすることができる。どちらの実施形態でも、モーター駆動電圧を、１つ又は複数の水平駆動電極に印加し、デバイスの感知軸に垂直なモーター駆動軸に沿って前後にプルーフマスを振動させることができる。

水平駆動電極及び／又はプルーフマスは、感知軸の方向でのプルーフマスの静的変位及び動的変位から生じるレートバイアス誤差及び／又はスケールファクタ誤差をなくすか減らすように構成することができる。ある種の実施形態で、たとえば、水平駆動電極を、感知軸の方向で、プルーフマスの対応する部分より幅広くすることができ、その結果、感知軸に沿ったプルーフマスの小さい変位が、システムの静電エネルギを変化させず、従って、感知軸の方向での静電力を誘導しなくなる。代替案では、感知軸に沿った力を、プルーフマスの対応する部分の幅を水平駆動電極の幅より広くすることによって除去することができる。駆動電極の水平方位並びに本明細書で説明する他の特徴を使用して、静電アクチュエータを使用するさまざまなＭＥＭＳデバイスの力の向きより正確に定めることができる。

複数の垂直櫛駆動要素を使用する例示的な面外ＭＥＭＳジャイロスコープを示す上面概略図である。本発明の例示的実施形態によるＭＥＭＳアクチュエータデバイスを使用するＭＥＭＳジャイロスコープを示す上面概略図である。図２の線３−３に沿った、例示的ジャイロスコープを示す側面断面図である。異なる長さの水平駆動電極を有する代替ＭＥＭＳジャイロスコープを示す側面断面図である。単一基板構造を有する代替ＭＥＭＳジャイロスコープを示す側面断面図である。本発明のもう１つの例示的実施形態によるＭＥＭＳアクチュエータデバイスを使用するＭＥＭＳジャイロスコープを示す上面概略図である。本発明のもう１つの例示的実施形態によるＭＥＭＳアクチュエータデバイスを使用するＭＥＭＳジャイロスコープを示す上面概略図である。

次の説明は、図面を参照して読まれなければならず、図面では、異なる図面の類似する要素に、類似する形で符号が付けられている。図面は、必ずしも原寸通りではないが、選択された実施形態を示すものであって、本発明の範囲を限定することを意図されたものではない。構成、寸法、及び材料の例が、さまざまな要素について示されるが、当業者は、提供される例の多くが、利用できる適当な代替形態を有することを諒解するであろう。更に、示されるさまざまな図面を、面外ＭＥＭＳジャイロスコープに関して説明するが、本明細書のさまざまなデバイス及び方法を、静電アクチュエータを使用する他のＭＥＭＳデバイスで使用できることを理解されたい。

ここで図１を参照して、複数の垂直櫛駆動要素を使用する例示的な従来技術の面外ＭＥＭＳジャイロスコープ１０をこれから説明する。ジャイロスコープ１０は、実例として、振動タイプのレートジャイロスコープであるが、第１プルーフマス１２及び第２プルーフマス１４を含み、これらのプルーフマスのそれぞれは、ジャイロスコープ１０の感知軸１８に垂直な軸に沿って下側基板１６の上で前後に振動するように適合される。第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４は、下側基板１６に接着されたシリコン基板から形成することができ、下側基板１６には、シリコン構造の選択的部分が動くことを可能にする複数の凹窩及び／又はメサを含めることができる。

ある種の設計では、ジャイロスコープ１０に、更に、製造されたシリコン構造の最上部の上に形成される上側基板（図示せず）を含めることができる。下側基板１６と同様に、上側基板に、プルーフマスがジャイロスコープ１０の内側部分の中で動くことを可能にする複数の凹窩及び／又はメサを含めることができる。使用される時に、下側基板１６及び上側基板は、望まれる場合にこの２つの基板の平面に垂直な強化された構造的対称性及び電気的対称性をもたらすのに使用できるサンドイッチ構造を形成することができる。

矢印の右／左の組２０によって全体的に示されるように、第１プルーフマス１２は、駆動電極の第１組２２とモーターピックオフ櫛の第１組２４との間で前後に振動するように構成することができ、駆動電極の第１組２２とモーターピックオフ櫛の第１組２４の両方を、下側基板１６の上で静止したままになるように構成することができる。類似する形で、第２プルーフマス１４は、駆動電極の第２組２６とモーターピックオフ櫛の第２組２８との間で下側基板１６の上で前後に、ただし、矢印の左／右の組３０によって全体的に示されるように、第１プルーフマス１２と１８０°位相はずれで振動するように構成することができる。

第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４は、１つ又は複数の懸架ばねを使用して下側基板１６に機械的に結合することができ、この懸架ばねは、第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４の動きを矢印２０及び３０によって示されるモーター駆動軸に沿って制約するように働く。図１に示されているように、たとえば、第１プルーフマス１２を、４つの懸架ばね３２の第１組を使用して下側基板１６にアンカリングするか他の形で結合することができ、この懸架ばね３２のそれぞれは、その第１端３４で第１プルーフマス１２に接続され、その第２端３６で複数のシリコン横桁３８及び４０に接続される。

類似する形で、第２プルーフマス１４を、４つの懸架ばね４２の第２組を使用して下側基板１６にアンカリングするか他の形で結合することができ、この懸架ばね４２のそれぞれは、その第１端４４で第２プルーフマス１４に接続され、その第２端４６で第１の及び第２のシリコン横桁３８及び４０に接続される。第１の及び第２のシリコン横桁３８及び４０は、複数の懸架ばね４８及び支持部材５０を介して下側基板１６に結合することができ、この懸架ばね４８及び支持部材５０は、第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４の振動駆動運動を感知軸１８の方向に垂直な軸に沿って更に制約するのに使用することができる。

ジャイロスコープ１０の駆動システムには、矢印２０及び３０によって全体的に示される方向でプルーフマス１２及び１４を静電気によって駆動するのに使用できる複数の互いにかみ合う駆動櫛指を含めることができる。図１に示された例示的なジャイロスコープ１０では、たとえば、櫛駆動要素の第１組２２のそれぞれに、第１プルーフマス１２に結合された複数の垂直櫛指と互いにかみ合う複数の垂直櫛指を含めることができる。櫛駆動電極の第２組２６のそれぞれには、第２プルーフマス１４に結合された複数の櫛指と互いにかみ合う複数の垂直櫛指を含めることができる。図１に示された櫛駆動電極２２及び２６のそれぞれは、それぞれ７つの櫛駆動指を有するものとして図示されているが、望まれる場合に、より多数又はより少数の櫛駆動指を使用できることを理解されたい。

モーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）を、駆動電極の第１組及び第２組２２及び２６に印加し、櫛指にお互いに関して移動させる、各隣接する互いにかみ合う櫛指の間のギャップ内の静電力を誘導することができる。モーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）は、櫛駆動電極２２及び２６に送られる電荷を変更するために時間的に変化する電圧信号を出力するように構成することができ、櫛駆動電極２２及び２６は、懸架ばね３２及び４２とあいまって、第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４に、下側基板１６の上で前後に振動させる。通常、モーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）は、第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４のモーターモードの共振周波数で静電力を作るが、望まれる場合には、他の所望の周波数を使用することができる。第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４のモーターモード共振運動には、図１の矢印２０及び３０によって示されるモーター駆動軸に沿った反対方向での２つのプルーフマス１２及び１４の動きが含まれる。

プルーフマス１２及び１４の変位を検出し、測定するために、複数のモーターピックオフ櫛２４及び２８を、更に、櫛駆動電極２２及び２６のそれぞれの反対側に設けることができる。櫛駆動電極２２及び２６と同様に、モーターピックオフ櫛２４及び２８のそれぞれには、めいめいのプルーフマス１２及び１４に結合された複数の櫛指と互いにかみ合う複数の櫛指を含めることができる。使用中に、ＤＣモーターピックオフバイアス電圧Ｖ_ｐを、モーターピックオフ櫛２４及び２８のそれぞれに印加して、互いにかみ合う櫛指の相対変位によって誘導される静電荷の変化を測定することによって、プルーフマス変位の測定値を得ることができる。

感知櫛の第１組及び第２組５２及び５４を、感知システムの一部として設けて、入力軸又はレート軸５６の回りのジャイロスコープの動きの結果としての感知軸１８の方向での第１の及び第２のプルーフマス１２及び１４の変位を検出し、測定することができる。図１に示されているように、感知櫛の各組５２及び５４には、各めいめいのプルーフマス１２及び１４の部分５８及び６０に結合された複数の外向きの櫛指と互いにかみ合う複数の内向きの櫛指を含めることができる。

感知櫛５２及び５４は、感知軸１８に沿ったプルーフマス１２及び１４の小さい変位が互いにかみ合う櫛指の間の静電容量の変化を生じるようにするように構成することができる。この静電容量の変化は、感知櫛の各組５２及び５４に印加される感知バイアス電圧Ｖ_ｓと組み合わされて、感知軸１８に沿ったプルーフマス１２及び１４の動きの感知を可能にする。ある種の設計で、感知櫛の各組５２及び５４に印加される感知バイアス電圧Ｖ_ｓの極性を、感知櫛の隣接する組５２及び５４の間で逆転するか交番させて、レート信号を装う可能性がある電流を感知バイアス電圧Ｖ_ｓが作らないようにすることができる。

動作中に、プルーフマス１２及び１４のモーター運動に関するジャイロスコープ１０の角回転は、レート軸５６並びにモーター駆動軸２０及び３０に垂直で感知軸１８の方向に平行なコリオリ力を生じる。これらのコリオリ力は、感知軸１８に沿ったプルーフマス１２及び１４の動きを生じ、この動きは、感知軸１８に沿った互いにかみ合う櫛指の動きからもたらされる、感知櫛５２及び５４に誘導される電荷信号又は電流を検出し、測定することによって感知することができる。次に、結果の感知信号を、感知された電荷信号又は電流をコリオリ力を示すレート信号に変換するのに使用できる電荷増幅器及び／又は他の感知回路に供給することができる。

プルーフマス１２及び１４が、櫛駆動電極２２及び２６に結合された櫛駆動指とずれて位置合せされている場合には、レートバイアス誤差又はスケールファクタ誤差が生じる場合があり、この場合に、主にジャイロスコープ１０の感知軸１８に沿った方向の電場が、感知軸１８に沿ったプルーフマス１２及び１４への力を生じる。これらの力によって作られるレートバイアス誤差又はスケールファクタ誤差は、櫛駆動電極２２及び２６に印加されるモーター駆動電圧が大きい（たとえば、数ボルト以上）場合、及び／又は互いにかみ合う櫛指の間のギャップが小さい（たとえば、２から３μｍ）場合に、かなりのものになり得る。

感知軸力が櫛駆動指の位置ずれから生じる原因は、次のように理解することができる。感知軸に沿って駆動電極によって作られる静電力の一般的な式は、次の通りである。

上の式（１）は、垂直駆動電極及び水平駆動電極にあてはまる。式（１）では、Ｆ_ｙは、１つ又は複数の駆動電極によって作られる感知軸に沿った静電力であり、Ｃ_ｄは、１つ又は複数の静止駆動電極と可動駆動電極との間の静電容量であり、ｙ（ｔ）は、可動電極の、その理想的な静的位置に対する感知軸に沿った変位であり、Ｖ_ｄ（ｔ）は、１つ又は複数の駆動電極と可動電極との間に印加される電圧の差である。

小さいｙ（ｔ）について、式（１）を次式として近似することができる。

式（２）は、通常のＭＥＭＳジャイロスコープの良い近似である。式（２）では、ｙ＝０は、可動電極の理想的な静的位置を指す。ｙ＝０の時に、可動電極の位置は、通常、静止駆動電極の位置に対する高い度合の対称性を有し、その結果、∂Ｃ_ｄ／∂ｙ｜_ｙ＝０はゼロになる。可動電極と静止電極の位置ずれは、ｙ（ｔ）の非ゼロの値によって表される。式（２）から、非ゼロの∂^２Ｃ_ｄ／∂ｙ^２｜_ｙ＝０と組み合わされた非ゼロのｙ（ｔ）が、感知軸に沿った力を生じることがわかる。面外ＭＥＭＳジャイロスコープの垂直櫛駆動電極について、∂^２Ｃ_ｄ／∂ｙ^２｜_ｙ＝０は、互いにかみ合う櫛指の間の小さいギャップと、その結果の、感知軸に沿った向きの大きい電場とに起因して、非常に大きい。従って、式（２）によれば、垂直方位を有する駆動櫛が使用される場合に、小さい変位ｙ（ｔ）が、感知軸に沿った大きい力Ｆ_ｙを作ることができる。

櫛駆動電極は、櫛駆動指の静的感知軸変位又はモーター周波数で変化する駆動櫛指の動的感知軸変位のいずれかによって、レートバイアスを作ることができる。通常の面外ＭＥＭＳジャイロスコープは、２つのプルーフマスの間の差分感知軸変位だけがレートバイアスに寄与するようになるように設計される。この差分変位を、感知モード変位（sense mode displacement）と称する。感知モード変位の静的成分は、感知モードに印加される静的力から生じる。これらの静的力は、パッケージの応力、熱膨張の不一致、シリコン懸架ばねの不一致、又はモーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）に関連しない他の影響から生じる可能性がある。

感知モード変位の動的成分は、ほとんどが、当技術分野で直角運動（quadrature motion）と称するものからなる。直角運動は、モーター周波数であり、コリオリ力によって作られる感知モード変位と９０°位相はずれである。そのような動きは、通常、シリコン懸架ばね剛性の不一致、モーターク動力の位置ずれなどと組み合わされたモーター駆動軸に沿ったモーター駆動力から生じる。

直角運動に起因する望まれないレートバイアスを減らすために、多数の従来技術のジャイロスコープは、複雑な誤差訂正方法を使用する。たとえば、クラーク（Clark）他の米国特許第６，０６７，８５８号に記載の１つのそのような方法では、直角運動を無効にする静電力を作る追加電極を使用する直角位相力再平衡技法が使用される。そのような方法を使用して、ブルーフマスの動的感知モード動きを減らすことはできるが、そのような技法は、プルーフマスの静的感知軸変位に起因する基礎になるレートバイアスを除去しない。その結果、多数の面外ＭＥＭＳジャイロスコープは、動きの微妙な変化を検出し、かつ／又は測定する能力において制限されている。

ここで図２に移って、本発明の例示的実施形態によるＭＥＭＳアクチュエータデバイスを使用する面外ＭＥＭＳジャイロスコープ６２の上面概略図をこれから説明する。ジャイロスコープ６２は、実例として、振動タイプのレートジャイロスコープであるが、第１プルーフマス６４及び第２プルーフマス６６を含み、これらのプルーフマスのそれぞれは、ジャイロスコープ６２の感知軸７２に垂直な駆動平面内で下側基板６８と上側基板７０（図３を参照されたい）との間で水平に前後に振動するように適合される。図２に示された特定の図では、上側基板７０は、ジャイロスコープ６２の内部構造をより詳細に示すために除去されて図示されている。従って、さまざまな要素を、下で下側基板６８だけに関して説明するが、上側基板７０にも、望まれる場合に、本明細書で説明される要素のうちの１つ又は複数を含めることができることを理解されたい。

各プルーフマス６４及び６６は、それぞれが第１の及び第２の対向する端７４及び７６並びに第１の及び第２の対向する側面７８及び８０を有する実質的に平面の構造から形成することができる。図２の例示的実施形態では、各プルーフマス６４及び６６に、第１プルーフマス６４の複数の駆動タイン（drive tine）８４及び８６並びに第２プルーフマス６６の複数の駆動タイン８８及び９０を形成する、めいめいの端７４に形成された内向きの切欠き部８２を含めることができる。プルーフマス６４及び６６は、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングなどの当業者に周知の半導体製造技法を使用して、シリコン又は他の適当な材料から形成することができる。

図２から更にわかるように、ジャイロスコープ６２には、更に、複数の水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８を含めることができ、水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８を使用して、プルーフマス６４及び６６を、矢印１００及び１０２によって全体的に示されるモーター駆動軸に沿って互いに１８０°位相はずれで前後に振動させることができる。図２の例示的実施形態では、水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８は、ジャイロスコープ６２の下側の及び上側の基板６８及び７０と平面の実質的に水平の方向に向けられる。

水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８は、下側基板６８の表面上で又は基板６８内で静止したままになるように構成することができ、感知軸７２に沿ったプルーフマス６４及び６６の小さい変位が駆動静電容量の付随する変化をもたらさず、従って感知軸に沿った力成分をもたらさないように、感知軸７２の方向で、めいめいの駆動タイン８４、８６、８８、及び９０の対応する幅より幅広くすることができる。そのような構成は、たとえば、上の式（１）に関して理解されるように、感知軸７２の方向での各プルーフマス６４及び６６の変位から生じるレートバイアスをなくすか減らすのに使用することができる。２つの水平駆動電極９２及び９４と９６及び９８が、図２の例示的実施形態に具体的に図示されているが、より多数又はより少数の水平駆動電極を使用する他の実施形態が、構想されている。

各めいめいのプルーフマス６４及び６６の電圧に対して時間的に変化するモーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）を、水平駆動電極の各組９２及び９４と９６及び９８に印加することができ、これによって、駆動タイン８４、８６、８８、及び９０と対応する水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８との間に静電力が誘導され、この静電力が、プルーフマス６４及び６６に、モーター駆動軸に沿って下側基板６８の上で前後に振動させる。図２に示されたジャイロスコープ１０のモーター運動の開始の前の公称位置で、駆動タイン８４、８６、８８、及び９０を、水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８の表面の一部とオーバーラップするように構成することができる。アクティブ化されたならば、又は作動サイクル中の異なる時に、プルーフマス６４及び６６を、図１に関して上で説明したものに似た形で前後に振動するように構成することができる。

望まれる場合に、図１に示されたものに似た懸架ばねの組１０４及び１０６を利用して、プルーフマス６４及び６６の動きを更に制約し、各プルーフマス６４及び６６がゼロを通過する時に復元力を供給することができる。図２に示された横桁１０８及び１１０、懸架ばね１１２、並びに支持部材１１４などの他の要素を、望まれる場合に更に設けることができる。ある種の実施形態で、モーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）は、プルーフマス６４及び６６のモーター共振周波数での力を作る周波数を有することができるが、望まれる場合には他の周波数を使用することができる。

図２の例示的実施形態では、水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８が、分割構成を有し、それぞれがお互いから電気的に絶縁された分割駆動電極の２つの別々の組９２及び９４と９６及び９８を形成して図示されている。モーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）が、角速度感知エレクトロニクスに電流を注入しないようにするために、水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８に印加されるモーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）の極性を、逆転することができる。図２に示されているように、たとえば、負のモーター駆動電圧信号⁻Ｖ_ｄ（ｔ）を、第１プルーフマス６４の左上の水平駆動電極９２に印加することができ、正のモーター駆動電圧信号^＋Ｖ_ｄ（ｔ）を、第１プルーフマス６４の左下の水平駆動電極９４に印加することができる。

類似する形で、正のモーター駆動電圧信号^＋Ｖ_ｄ（ｔ）を、第２プルーフマス６６の右上の水平駆動電極９６に印加することができ、負のモーター駆動電圧信号⁻Ｖ_ｄ（ｔ）を、第２プルーフマス６６の右下の水平駆動電極９８に印加することができる。各水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８への極性をこの形で逆転することによって、正味ゼロの変化が、プルーフマス６４及び６６でもたらされ、印加されるモーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）が角速度感知エレクトロニクスに注入されなくなる。しかし、他の構成が可能であることを理解されたい。

プルーフマス６４及び６６の変位を検出し、測定するために、複数のモーターピックオフ櫛１１５及び１１７を、更に、水平駆動電極９２、９４、９６、及び９８のそれぞれの反対側に設けることができる。上で図１に関して説明したモーターピックオフ櫛２４及び２８と同様に、モーターピックオフ櫛１１５及び１１７のそれぞれには、めいめいのプルーフマス６４及び６６に結合された複数の櫛指と互いにかみ合う複数の櫛指を含めることができる。使用中に、ＤＣモーターピックオフバイアス電圧Ｖ_ｐを、モーターピックオフ櫛１１５及び１１７のそれぞれに印加して、互いにかみ合う櫛指の相対変位によって誘導される静電荷の変化を測定することによって、プルーフマス変位の測定値を得ることができる。ある種の実施形態で、モーターピックオフ櫛１１５及び１１７のそれぞれに印加されるモーターピックオフバイアス電圧Ｖ_ｐの極性は、望まれる場合に逆転することができる。

各めいめいのプルーフマス６４及び６６の内側部分に配置された感知櫛アンカの組１１６及び１１８を、感知システムの一部として設けて、入力軸又はレート軸１２０の回りのジャイロスコープの動きの結果としての感知軸７２の方向でのプルーフマス６４及び６６のたわみを検出し、かつ／又は測定することができる。ある種の実施形態で、感知櫛アンカ１１６及び１１８は、下側基板６８上に配置された接地金属の層１２２（図３を参照されたい）の上に形成することができ、接地金属の層１２２は、望み通りに、デバイスにハード接地（hard-ground）するか仮想接地に保持するのいずれかとすることができる。感知櫛アンカ１１６から外向きに延びる第１の個数の櫛指１２４を、第１プルーフマス６４の一部１２８から内向きに延びる第１の個数の櫛指１２６と互いにかみ合わせることができる。類似する形で、感知櫛アンカ１１８から外向きに延びる第２の個数の櫛指１３０を、第２プルーフマス６６の一部１３４から内向きに延びる第２の個数の櫛指１３２と互いにかみ合わせることができる。

図２の例示的実施形態では、感知櫛指１２４及び１２６と１３０及び１３２を、各感知櫛アンカ１１６及び１１８上でお互いからオフセットさせ、感知軸７２に沿ったプルーフマス６４及び６６の動きが、感知櫛アンカ１１６及び１１８と対応するプルーフマス６４及び６６との間の静電容量の変化を生じるようにすることができる。図２に示された例示的な感知櫛アンカ１１６及び１１８のそれぞれに、一部１２８及び１３４の各側面に４つの指が配置された、それぞれに８つの櫛指が含まれるが、望まれる場合に、異なる個数及び／又は配置の感知櫛指を利用できることを理解されたい。

感知バイアス電圧Ｖ_ｓを、感知櫛アンカ１１６及び１１８及び／又はプルーフマス６４及び６６のそれぞれに印加して、感知軸７２に沿い、モーター運動の方向に垂直な互いにかみ合う櫛指１２４及び１２６と１３０及び１３２の相対的な動きを感知することができる。ある種の実施形態で、感知櫛アンカ１１６及び１１８のそれぞれが、分割構成を有することができ、各分割部材に印加される感知バイアス電圧Ｖ_ｓの極性は、感知バイアス電圧Ｖ_ｓが所望のレート信号に注入されないようにするために、ある所望の形で逆転され又はオフセットされる。使用中に、コリオリ力によって作られるプルーフマスの動きは、感知バイアス電圧Ｖ_ｓが印加される時に感知櫛アンカ１１６及び１１８並びに／又はプルーフマス６４及び６６に誘導される電流を測定することによって感知することができる。

図２の例示的実施形態には、２つのプルーフマス６４及び６６が示されているが、ジャイロスコープ６２が、望まれる場合により多数又はより少数のプルーフマスを使用できることを理解されたい。ある種の実施形態では、たとえば、ジャイロスコープ６２に、２つのプルーフマスの２つの組を含めることができ、各組は、互いに関して１８０°位相はずれで前後に移動するように適合される。更に、本明細書で示されるさまざまな駆動要素は、面外ＭＥＭＳジャイロスコープで使用されるＭＥＭＳアクチュエータデバイスの一部として図示されるが、このアクチュエータデバイスを、面内ＭＥＭＳジャイロスコープ、加速度計、音叉、マイクロミラー、又は他のそのようなデバイスを含むがこれらに限定されない他のＭＥＭＳデバイスに組み込めることを理解されたい。

図３は、図２の線３−３に沿った、例示的ジャイロスコープ６２を示す側面断面図である。図３からわかるように、プルーフマス６６を、下側基板６８と上側基板７０との間でジャイロスコープ６２の内側部分１３６内で自由に支持することができる。プルーフマス６６の上側表面１３８は、上側水平駆動電極１４２の下側表面１４０に平行又は実質的に平行とし、プルーフマス６６の上に第１ギャップＧ_１を形成することができる。類似する形で、プルーフマス６６の下側表面１４４は、下側水平駆動電極９６の上側表面１４６に平行又は実質的に平行うとし、プルーフマス６６の下に第２ギャップＧ_２を形成することができる。ギャップＧ_１及びＧ_２の寸法は、望み通りに、モーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）によって誘導される静電力を増やす又は減らすのいずれかを行うように変更することができる。ある種の実施形態で、ギャップＧ_１及びＧ_２の寸法は、０．５μｍから８μｍまでの範囲内、より具体的には２μｍから４μｍまでの範囲内とすることができるが、これより小さい又はこれより大きい他の寸法を使用することができる。少なくともいくつかの実施形態で、プルーフマス６６を、下側と上側の基板６８と７０の間で中央に位置決めし、第１ギャップＧ_１の寸法が第２ギャップＧ_２の寸法に似るかこれと等しくなるようにすることができるが、他の構成が可能である。類似する構成を、望まれる場合に、他のプルーフマス６４上に設けることができる。

動作中に、下側の及び上側の水平駆動電極９６及び１４２に印加されるモーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）を、ギャップＧ_１及びＧ_２のそれぞれの間で静電荷又は静電力を誘導するように構成し、プルーフマス６６を、矢印１４８によって全体的に示されるように、下側の及び上側の水平駆動電極９６及び１４２とのオーバーラップが増える方向に引き付けることができる。下側と上側の水平駆動電極９６と１４２の両方が利用されるので、プルーフマス６６に働く上向き及び／又は下向きのすべての力が、この構造の垂直対称性に起因して効果的に打ち消される。ある種の実施形態では、接地層１２２をジャイロスコープ６２にハード接地すると同時に、プルーフマス６６を仮想接地に保つことができる。代替案では、望まれる場合に、接地層１２２を仮想接地に保ち、プルーフマス６６をジャイロスコープ６２にハード接地することができる。どちらの実施形態でも、接地層１２２及び／又はプルーフマス６６の接地を使用して、プルーフマス６６の静電気的作動を容易にすることができる。

図４は、図２の線３−３に沿った、異なる長さの水平駆動電極９６及び１４２を有するＭＥＭＳジャイロスコープ６２を示す側面断面図である。図４からわかるように、上側駆動電極１４２及びプルーフマス６６は、距離Ｌ_１だけオーバーラップすることができる。類似する形で、下側駆動電極９６及びプルーフマス６６は、距離Ｌ_２だけオーバーラップすることができる。ある種の実施形態で、及び図４に示されているように、寸法Ｌ_２は、上側水平駆動電極１４２とプルーフマス６６のオーバーラップより長い、下側水平駆動電極９６とプルーフマス６６のオーバーラップの量をもたらすために、寸法Ｌ_１より長くすることができる。代替実施形態では、下側水平駆動電極９６とプルーフマス６６のオーバーラップより長い、上側水平駆動電極１４２とプルーフマス６６のオーバーラップの量をもたらすために、寸法Ｌ_１を寸法Ｌ_２より長くすることができる。

寸法Ｇ_１、Ｇ_２、Ｌ_１、及びＬ_２は、所望の形でこのデバイスの性能を変更するために調節することができる。ある種の実施形態で、たとえば、寸法Ｇ_１、Ｇ_２、Ｌ_１、及びＬ_２は、モーター駆動軸に沿った所望の力を劣化させずに、プルーフマス６６へのほとんど０の垂直力を達成するように選択することができる。このために、Ｌ_１及びＬ_２は、プルーフマス６６の残留応力から生じるＧ_１及びＧ_２の望まれない変動が存在する場合のプルーフマス６６への上向きと下向きの垂直力の平衡をとるように選択することができる。類似する配置を、望まれる場合に、他のプルーフマス６４並びに／又は水平駆動電極９２及び９４上に設けることができる。

図５は、単一基板構造だけを有する、図２の線３−３に沿った例示的なジャイロスコープ６２を示す側面断面図である。図５からわかるように、プルーフマス６６は、図３に関して上で説明したものに似た形で、ジャイロスコープ６２の下側基板６８だけにオーバーレイするように構成することができる。ある種の実施形態で、たとえば、プルーフマス６６の下側表面１４４を、下側水平駆動電極９６の上側表面１４６と平行又は実質的に平行にし、ギャップＧだけ離隔することができ、このギャップＧは、ある種の例示的実施形態で、０．５μｍから８μｍまでの範囲内、より具体的には２μｍから４μｍまでの範囲内とすることができる。図５の例示的実施形態は、ジャイロスコープ６２の上側基板構造の除去を示すが、ジャイロスコープ６２の下側基板構造が除去される、逆の構成を使用できることを理解されたい。

単一の基板構造だけが使用される時に、モーター駆動電流Ｖ_ｄ（ｔ）は、プルーフマス６６が矢印１４８の方向に移動する時に、プルーフマス６６への下向きの垂直力を生じる可能性がある。しかし、結果の垂直変位は、比較的小さい。というのは、モーター駆動力の周波数が、通常は、プルーフマス６６の共振モード垂直動き成分と異なるからである。対照的に、方向１４８に沿ったプルーフマス６６の変位は、望み通りに比較的大きい。というのは、モーター駆動力が、通常はモーター共振周波数であるからである。

図６は、本発明のもう１つの例示的実施形態による水平駆動デバイスを使用するＭＥＭＳジャイロスコープ１５０の上面概略図である。
ジャイロスコープ１５０は、上で図２に関して説明したジャイロスコープ６２に似て構成することができ、これらの異なる図面の類似する要素には、類似する形で符号が付けられている。しかし、図６に示された例示的実施形態では、ジャイロスコープ１５０に、駆動タイン８２、８４、８６、及び８８のめいめいの幅より小さい、感知軸７２の方向の幅をそれぞれが有する、複数の分割された水平駆動電極１５２、１５４、１５６、及び１５８を含めることができる。本明細書の他の実施形態と同様に、水平駆動電極１５２、１５４、１５６、及び１５８は、下側基板６８の表面上で又は基板６８内で静止したままになるように構成することができ、上で図２に関して説明したものに似た形で、プルーフマス６４及び６６をモーター駆動軸に沿って前後に振動させるのに使用することができる。使用中に、そのような構成を使用して、たとえば、感知軸７２の方向のプルーフマス６４及び６６の変位から生じるレートバイアス誤差及び／又はスケールファクタ誤差をなくすか減らすことができる。

図７は、本発明のもう１つの例示的実施形態による、単一水平駆動電極構造を使用する水平駆動デバイスを使用するＭＥＭＳジャイロスコープ１６０の上面概略図である。ジャイロスコープ１６０は、上で図２に関して説明したジャイロスコープ６２に似て構成することができ、これらの異なる図面の類似する要素には、類似する形で符号が付けられている。しかし、しかし、図７に示された例示的実施形態では、単一の水平駆動電極１６２及び１６４を、各めいめいのプルーフマス６４及び６６に隣接して設けて、これらのプルーフマスを下側基板６８及び／又は上側基板７０の間の中で前後に振動させることができる。各プルーフマス６４及び６６には、水平駆動電極１６２及び１６４の一部とオーバーラップするように構成できる単一の駆動タイン１６６及び１６８を含めることができる。ある種の実施形態で、水平駆動電極１６２及び１６４並びに／又は駆動タイン１６６及び１６８は、実質的に長方形の形状を有することができるが、他の構成が可能である。

本明細書の他の実施形態と同様に、第１の及び第２の水平駆動電極１６２及び１６４は、下側基板６８の上で静止したままになるように構成することができ、感知軸７２の方向でプルーフマス６４及び６６の変位から生じるレートバイアス誤差及び／又はスケールファクタ誤差がある場合に、これをなくすか減らすために、感知軸７２の方向で、各めいめいの駆動タイン１６６及び１６８の対応する幅より幅広くすることができる。代替案では、同一の効果を、水平駆動電極１６２及び１６４を、感知軸７２の方向で対応する駆動タイン１６６及び１６８の幅よりも狭くすることによって達成することができる。

時間的に変化するモーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）を、各水平駆動電極１６２及び１６４に印加し、各プルーフマス６４及び６６のオーバーラップする部分の間に静電力を誘導することができ、この静電力は、プルーフマス６４及び６６に下側基板６８の上で前後に振動させる。モーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）が感知システムに注入されないようにするために、各水平駆動電極１６２及び１６４に印加されるモーター駆動電圧Ｖ_ｄ（ｔ）信号を、逆転するかオフセットさせることができる。図７に示されているように、たとえば、正のモーター駆動電圧^＋Ｖ_ｄ（ｔ）信号を、第１プルーフマス６４を駆動するのに使用される水平駆動電極１６２に印加することができ、負のモーター駆動電圧⁻Ｖ_ｄ（ｔ）を、第２プルーフマス６６を駆動するのに使用される水平駆動電極１６４に印加することができる。望まれる場合に、逆の構成を使用することもできる。

従って、本発明の複数の実施形態を説明したので、当業者は、添付の特許請求の範囲に含まれる他の実施形態を作り、使用できることをたやすく諒解するであろう。本文書に含まれる本発明の多数の利点は、前述の説明に示されている。本開示が、多くの点で例示にすぎないことを理解されたい。本発明の範囲を超えずに、詳細において、特に諸部品の形状、サイズ、及び配置に関して変更を行うことができる。

Claims

ＭＥＭＳアクチュエータデバイスを採用する面外ＭＥＭＳジャイロスコープ（６２）であって、
表面上に１つ又は複数の水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）を支持する、水平面内の少なくとも１つの基板（６８、７０）と、
１つ又は複数の駆動タイン（８４、８６、８８、９０）を備えるプルーフマスと、を有し、前記駆動タインは、前記１つ又は複数の水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）から垂直に隣接して間隔をあけられ、前記プルーフマス（６４、６６）は、感知櫛アンカ（１１６、１１８）から外側に延びる複数の指（１２４、１３０）にかみ合う複数の櫛指（１２６、１３２）を備え、前記プルーフマス（６４、６６）は、前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８）のそれぞれの反対側に設けられた複数のモーターピックオフ櫛（１１５、１１７）にかみ合う櫛指を備え、前記プルーフマスが、前記アクチュエータデバイスのモーター駆動軸（１００、１０２）に沿って水平に振動するようにされ、
前記面外ＭＥＭＳジャイロスコープは、前記少なくとも１つの基板の水平面に直交するレート軸（１２０）を中心とする回転角度を感知し、前記モーター駆動軸は感知軸（７２）に直交し、前記ＭＥＭＳアクチュエータデバイスの前記感知軸（７２）は、前記少なくとも１つの基板（６８、７０）の前記表面に平行であり、また、コリオリ力を感知し、
前記感知軸（７２）に沿う前記プルーフマス（６４、６６）の小さな変位が前記感知軸の方向における静電力を誘起することを防止するために、
１つ又は複数の前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）は、それぞれの駆動タイン（８４、８６、８８、９０）の対応する幅よりも、前記感知軸（７２）の方向に幅広であり、または、１つ又は複数の前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）は、それぞれの前記駆動タイン（８４、８６、８８、９０）の対応する幅よりも、前記感知軸（７２）の方向において狭い、面外ＭＥＭＳジャイロスコープ。
請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータデバイスを採用する面外ＭＥＭＳジャイロスコープ（６２）であって、前記少なくとも１つの基板（６８、７０）は、
少なくとも１つの下側水平駆動電極（９２、９４、９６、９８）を含む下側基板（６８）を有し、前記下側水平駆動電極（９６）は上側表面（１４６）を備え、
前記少なくとも１つの基板（６８、７０）はさらに、少なくとも１つの上側水平駆動電極（１４２）を含む上側基板（７０）を有し、前記上側水平駆動電極（１４２）は、下側表面（１４０）を備え、
前記プルーフマス（６４、６６）は、前記下側水平駆動電極（９２、９４、９６、９８）および前記上側水平駆動電極（１４２）の少なくとも一方に垂直に隣接する前記上側の及び下側の基板（６８、７０）の内側空間（１３６）内で、水平に振動するように構成され、前記ＭＥＭＳアクチュエータデバイスの前記感知軸（７２）は、前記上側表面（１４６）および前記下側表面（１４０）の少なくとも一方に平行である、面外ＭＥＭＳジャイロスコープ。
面外ＭＥＭＳジャイロスコープ（６２）であって、
水平面内に少なくとも１つの基板（６８、７０）を有し、前記少なくとも１つの基板は、前記少なくとも１つの基板の表面上に１つ又は複数の水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）を支持し、
前記面外ＭＥＭＳジャイロスコープはさらに、１つ又は複数の駆動タイン（８４、８６、８８、９０）を備えるプルーフマス（６４、６６）を有し、前記１つ又は複数の駆動タインは、前記１つ又は複数の水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）から垂直に隔てられて隣接し、前記プルーフマス（６４、６６）は、感知櫛アンカ（１１６、１１８）から外側に延びる複数の指（１２４、１３０）にかみ合う複数の櫛指（１２６、１３２）を備え、前記プルーフマス（６４、６６）は、前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８）のそれぞれの反対側に設けられた複数のモーターピックオフ櫛（１１５、１１７）にかみ合う櫛指を備え、前記プルーフマスは、前記１つ又は複数の水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）の各々に垂直に隣接する空間内で、モーター駆動軸（１００、１０２）に沿って水平に振動するように構成され、
前記面外ＭＥＭＳジャイロスコープは、前記少なくとも１つの基板の前記水平面に直交するレート軸（１２０）を中心とする回転角度を感知し、前記モーター駆動軸は、感知軸（７２）に垂直であり、前記感知軸は、前記少なくとも１つの基板（６８、７０）の前記表面に平行であり、且つ、コリオリ力を感知するように動作可能であり、
前記感知軸（７２）に沿う前記プルーフマス（６４、６６）の小さな変位が前記感知軸の方向における静電力を誘起するのを防止するために、
１つ又は複数の前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）は、それぞれの駆動タイン（８４、８６、８８、９０）の対応する幅よりも、前記感知軸（７２）の方向に幅広であり、または、１つ又は複数の前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）は、それぞれの前記駆動タイン（８４、８６、８８、９０）の対応する幅よりも、前記感知軸（７２）の方向において狭く、
前記面外ＭＥＭＳジャイロスコープはさらに、前記１つ又は複数の水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）のそれぞれに電荷を誘導するモーター駆動電圧源と、
前記感知軸（７２）に沿う前記プルーフマス（６４、６６）の運動を感知する感知手段と、を有する、面外ＭＥＭＳジャイロスコープ。
面外ＭＥＭＳジャイロスコープ（６２）のレートバイアス誤差及び／又はスケールファクタ誤差を減らす方法であって、
水平面内に少なくとも１つの基板により支持される垂直に間隔をあけられた水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）の組を備えたＭＥＭＳアクチュエータデバイスを提供するステップと、
１つ又は複数の駆動タイン（８４、８６、８８、９０）を備えるプルーフマス（６４、６６）を提供するステップと、を有し、前記駆動タインは前記１つ又は複数の水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）から垂直に隔てられて隣接し、前記プルーフマス（６４、６６）は、感知櫛アンカ（１１６、１１８）から外側に延びる複数の指（１２４、１３０）にかみ合う複数の櫛指（１２６、１３２）を備え、前記プルーフマス（６４、６６）は、前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８）のそれぞれの反対側に設けられた複数のモーターピックオフ櫛（１１５、１１７）にかみ合う櫛指を備え、前記プルーフマスは、前記垂直に間隔をあけられた水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）の組の間で、モーター駆動軸（１００、１０２）に沿って水平に振動するように構成され、前記垂直に間隔をあけられた水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）は、上側表面（１４６）を備える少なくとも１つの下側水平駆動電極（９６）と、下側表面（１４０）を備える少なくとも１つの上側水平駆動電極（１４２）とを含み、
前記面外ＭＥＭＳジャイロスコープは、前記少なくとも１つの基板に垂直なレート軸（１２０）を中心とする回転角度を感知し、前記モーター駆動軸は、コリオリ力を感知する感知軸（７２）に垂直であり、
前記感知軸（７２）に沿う前記プルーフマス（６４、６６）の小さな変位が前記感知軸の方向における静電力を誘起することを防止するために、
１つ又は複数の前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）は、それぞれの駆動タイン（８４、８６、８８、９０）の対応する幅よりも、前記感知軸（７２）の方向に幅広であり、または、１つ又は複数の前記水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）は、それぞれの前記駆動タイン（８４、８６、８８、９０）の対応する幅よりも、前記感知軸（７２）の方向において狭く、
前記方法はさらに、垂直に間隔をあけられた水平駆動電極（９２、９４、９６、９８、１４２）の各組にモーター駆動電圧を印加するステップと、
前記感知軸（７２）に沿った前記プルーフマス（６４、６６）の運動を感知するステップと、を含み、前記ＭＥＭＳアクチュエータデバイスの前記感知軸（７２）は、前記上側表面（１４６）および前記下側表面（１４０）の少なくとも一方に平行である、方法。