JP5684244B2 - ジャイロスコープパッケージングアセンブリ - Google Patents

Description

本明細書において記載される主題は、ジャイロスコープに関するものであり、特にプレーナ共振器ジャイロスコープ、または慣性センサ、及びこれらのジャイロスコープまたはセンサの製造に関するものである。更に具体的には、本発明は、共振器慣性センサ及びジャイロスコープのパッケージングに関するものである。

ジャイロスコープを使用して、移動しているプラットフォームの方向を、内側に移動しているプルーフマスに関して検出される慣性応答に基づいて求めることができる。代表的な電気機械ジャイロスコープは、吊り下げられたプルーフマス、ジャイロスコープケース、ピックオフ、トルカー、及び読み取り電子装置を備える。慣性プルーフマスはジャイロスコープケースから内部に向かって吊下げられ、このジャイロスコープケースは、プラットフォームに堅く取り付けられ、プラットフォームの慣性運動を伝達するが、慣性運動を伝達しない場合はプルーフマスを外乱から絶縁する。プルーフマスの内部運動を検出するピックオフ、この運動を維持または調整するトルカー、及びプルーフマスに極めて近接させる必要がある読み取り電子装置は、ケースに内側から取り付けられ、このケースが、プラットフォーム電子装置及び電源への電気貫通接続部にもなる。ケースは、ジャイロスコープを輸送手段プラットフォームに取り付け、かつ位置合わせするための標準的な機械的インターフェース部にもなる。種々の形態では、ジャイロスコープは多くの場合、航空機及び宇宙船のような輸送手段のセンサとして用いられる。これらのジャイロスコープは普通、ナビゲーションに有用であるか、または自由運動体の向きを自律的に求める必要がある場合に必ず有用となる。

従来の機械式ジャイロスコープは、比較的大きい回転マスを用いる非常に重い機構であった。多数の最新技術により、レーザジャイロスコープ及び光ファイバジャイロスコープのような光学式ジャイロスコープのみならず、機械式振動ジャイロスコープを含む新規の形態のジャイロスコープが出現している。

宇宙船は一般的に、姿勢制御を補助する慣性速度センサ装置を利用する。現在この姿勢制御は多くの場合、従来の高価な回転マスジャイロ（例えば、Ｋｅａｒｆｏｔｔ社の慣性基準装置）、または従来の加工振動ジャイロスコープ（例えば、Ｌｉｔｔｏｎ社の半球面系共振器ジャイロスコープ慣性基準装置）を用いて行なわれる。しかしながら、これらの装置は共に非常に高価であり、大きく、かつ重い。

幾つかの対称型振動ジャイロスコープが製造されているが、これらのジャイロスコープの振動運動量は、これらのジャイロスコープのケースを介して伝達され、これらのケースが輸送手段プラットフォームにじかに接続される。この伝達または結合によって、慣性速度入力と区別が付かない外乱およびエネルギー損失を受けるので、検出エラー及びドリフトが生じる。そのような振動ジャイロスコープの１つの例を、１９９９年４月１３日に発行され、かつ「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ，Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ，Ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題される、Ｔａｎｇらによる特許文献１に見出すことができ、この文献には、対称なクローバー葉状の振動ジャイロスコープ構造が記載されている。他のプレーナ音叉ジャイロスコープは、振動をベースプレートからかなりの程度絶縁することができるが、これらのジャイロスコープは、調整動作に望ましい振動の対称性に欠けている。

更に、半球面系共振器ジャイロスコープ及び振動薄型リングジャイロスコープのようなシェルモードジャイロスコープは、かなり望ましい絶縁性、及び振動の対称性を属性として有することが知られている。しかしながら、これらの構造は、プレーナ技術による薄いシリコンの微細加工には適していない、またはプレーナ技術による薄いシリコンの微細加工に関して大きな制約がある。半球面系共振器は、半球の極めて広い円筒状の側面を、高感度静電気センサ及び高効率アクチュエータに対応して用いている。しかしながら、当該半球面系共振器の高いアスペクト比、及び３次元に湾曲した幾何学形状は、プレーナ技術による薄いシリコンの安価な微細加工には適していない。薄型リングジャイロスコープ（例えば、２００１年９月４日に発行され、かつ「Ａｎｇｕｌａｒ Ｒａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ」と題される、特許文献２）は、プレーナ技術によるシリコンの微細加工には適するが、当該ジャイロスコープには、デバイスの極めて広い平坦領域を利用する静電気センサ及びアクチュエータが無い。更に、このジャイロスコープのケースは、共振器を構成するプルーフマスと同じ材料ではないので、共振器を構成するプルーフマスに対するピックオフ及びトルカーの位置整合状態が、温度とともに変化し、ジャイロスコープのドリフトが生じる。

近年、略プレーナ状の固体共振器の面内振動モードを励振し、検出することにより動作する幾つかのプレーナ共振器ジャイロスコープ素子（ディスク状共振器ジャイロスコープのような）が開発されている。これらのプレーナ共振器は、半球面系共振器またはシェル共振器のような構造よりも優れた特性を実現するが、これは、小型パッケージ内の駆動／検出領域を大きくし、当該パッケージをより一層容易に作製し、パッケージングすることにより実現される。例えば、２００５年９月２０日に発行され、かつ「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｃａｓｅ」と題されるＳｈｃｈｅｇｌｏｖらによる特許文献３、及び２００６年５月９日に発行され、かつ「Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒａｄｉａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｉｏｎ」と題されるＳｈｃｈｅｇｌｏｖらによる特許文献４を参照されたい。

しかしながら、埋め込み容量電極を用いるプレーナ共振器ジャイロスコープは、これらのジャイロスコープの支持ベースプレートとプレーナ共振器との間に生じる歪みの影響を受け易い。歪みは必ず、容量性ギャップに影響するので、ジャイロスコープの動作に悪い結果をもたらし、例えば減衰が非対称になり、および／またはまたは速度がドリフトする。プレーナ共振器ジャイロスコープの異なる構造要素の間の熱勾配は、容量性ギャップの不均一性の大きな原因となり得る。プレーナ共振器ジャイロスコープの開発に広く用いられる従来のマイクロエレクトロニクス及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造技術では、接着剤をＭＥＭＳチップの少なくとも一部に亘って塗布して当該チップをパッケージ基板に接着する必要がある。この接着剤またはパッケージは多くの場合、ＭＥＭＳチップとは異なる材料であり、これによって、温度に対する膨張率がＭＥＭＳチップとパッケージ基板とで異なってしまう。今度は、これによって、機械応力が生じ、チップの反りが生じ、内部電極ギャップの不均一性が生じ、ジャイロスコープの性能に影響してしまう。

これまでの説明に鑑みて、この技術分野では、従来のＭＥＭＳパッケージング技術におけるように、プレーナ共振器ジャイロスコープに関わるパッケージング構造及び方法を改善する必要がある。具体的には、熱膨張率差、機械応力、反り、及び容量性ギャップの不均一性を低減するような構造及び方法が必要である。しかしながら、プレーナ共振器ジャイロスコープに関する既存の製造方法及び材料と相容れるような構造及び方法が必要である。以下に詳述するように、本発明は、これらの必要性、及び他の必要性を満たす。

米国特許第５８９４０９０号 米国特許第６２８２９５８号 米国特許第６９４４９３１号 米国特許第７０４０１６３号

種々の態様では、ジャイロスコープが、具体的には、プレーナ共振器ジャイロスコープパッケージ、及びこのようなアセンブリを形成する方法が提供される。一例として、パッケージングされた共振器ジャイロスコープ及び同ジャイロスコープを形成する方法が提供される。幾つかの実施形態では、パッケージングされた共振器ジャイロスコープは、共振器を物理的応力及び／又は熱的応力から絶縁する機能を含む。

したがって、１つの態様では、パッケージングされた共振器ジャイロスコープが提供される。１つの実施形態では、パッケージングされた共振器ジャイロスコープは、支持材と、支持材に取り付けられた基板と、基板に接続されて基板とベースプレートとの間に空洞を画定するベースプレートと、ベースプレートに取り付けられ、かつ空洞内に吊り下げられる共振器とを備える。

別の態様では、プレーナ共振器ジャイロスコープをパッケージングする方法が提供される。１つの実施形態では、方法は、プレーナ共振器及びベースプレートを含むプレーナ共振器チップを基板に取り付けて、基板とベースプレートとの間に空洞を画定して、空洞内に共振器を吊り下げる工程と、基板を支持材に取り付ける工程と、キャップを支持材に堅く固定する工程とを含む。

詳細な説明は、添付の図を参照しながら行なわれる。

図１Ａは、一の実施形態によるジャイロスコープパッケージングアセンブリの模式断面図である。 図１Ｂは、別の実施形態によるジャイロスコープパッケージングアセンブリの模式断面図である。 図１Ｃは、また別の実施形態によるジャイロスコープパッケージングアセンブリの模式断面図である。 図１Ｄは、また別の実施形態によるジャイロスコープパッケージングアセンブリの模式断面図である。 図２Ａは、幾つかの実施形態に従って動作することができるジャイロスコープまたは慣性センサに用いる絶縁された共振器の上面図を模式的に示している。 図２Ｂは、図２Ａの例示的なプレーナ共振器ジャイロスコープの側面図を模式的に示している。 図２Ｃは、幾つかの実施形態による例示的なプレーナ共振器構造のパターンを示している。 図２Ｄは、幾つかの実施形態による例示的な共振器の第１差動モードの従来の電極動作を模式的に示している。 図３は、幾つかの実施形態による例示的なディスク状共振器ジャイロスコープの動作原理を模式的に示している。 図４は、ジャイロスコープパッケージングアセンブリを形成する方法における操作を示すフローチャートである。

本明細書において記載されるのは、ジャイロスコープパッケージングアセンブリを形成し、使用する例示的なシステム及び方法である。幾つかの実施形態では、本明細書において記載されるジャイロスコープパッケージングアセンブリを使用して、微小電気および微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭＳ）ジャイロスコープを実装することができ、このＭＥＭＳジャイロスコープを今度は、多岐に亘る種類の機械電気デバイス、例えばリモートコントローラのようなハンドヘルドデバイス、原動機付き車両、航空機、ロケットなどに関連して使用することができる。

本明細書において記載されるパッケージングアセンブリに使用することができる例示的なジャイロスコープは、以下の文書に記載されている：
Ｈｏｗａｒｄ Ｈ．Ｇｅ及びＡ． Ｄｏｒｉａｎ Ｃｈａｌｌｏｎｅｒによる「Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ Ｒｏｂｕｓｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ」と題する同時係属中の２００９年４月１日出願の米国特許出願第１２／４１６９１１号（米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／０２５１８１８Ａ１号）。
Ｈｏｗａｒｄ Ｈ．Ｇｅ及びＡ． Ｄｏｒｉａｎ Ｃｈａｌｌｏｎｅｒによる「Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｖａｃｕｕｍ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｏｆ ａ Ｄｉｓｋ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ」と題する同時係属中の２００９年５月２７日出願の米国特許出願第１２／４７３０８４号（米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／０３００２０１Ａ１号）。
Ｋｉｒｉｌｌ Ｖ． Ｓｈｃｈｅｇｌｏｖらによる「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｎ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｓｅｎｓｏｒ」と題する２００６年３月９日出願の米国特許第７４０１３９７号。
Ｋｉｒｉｌｌ Ｖ． Ｓｈｃｈｅｇｌｏｖらによる「Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ」と題する２００５年８月８日出願の米国特許第７３４７０９５号。
「Ｄｉｓｋ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ」と題する２００６年７月２０日出願の米国特許出願第１１／４５８９１１号（米国特許出願公開第ＵＳ２００７／００１７２８７Ａ１号）。
「Ｐｌａｎａｒ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｄｉｅ Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ」と題する２００７年６月４日出願の米国特許出願第１１／７５７３９５号（米国特許出願公開第ＵＳ２００８／０２９５６２２Ａ１号）。
「Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ Ｍｏｄｅ Ｄａｍｐｅｎｉｎｇ」と題する２００６年１２月２２日出願の米国特許出願第１１／６１５８７２号（米国特許出願公開第ＵＳ２００８／０１４８８４６Ａ１号）。
「Ｄｉｓｋ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ」と題する２００６年１２月２２日出願の米国特許出願第１１／８３１８２２号（米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／００２４５４６Ａ１号）。

以下の記述では、多くの特定の詳細を示して、種々の実施形態を完全に理解することができるようにしている。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、種々の実施形態を、特定の詳細を利用することなく実施することができることが理解できるであろう。他の例では、公知の方法、手順、構成要素、及び回路は、具体的な実施形態を不明瞭にしてしまうことがないように、詳細には示していない、または詳細には記載していない。

図１Ａ〜１Ｄは、幾つかの実施形態によるジャイロスコープパッケージングアセンブリの模式断面図である。まず、図１Ａを簡単に参照するに、例示的なジャイロスコープパッケージングアセンブリ１００は、支持材１４０と、支持材１４０に取り付けられる基板１３０と、基板１３０に接続されて空洞１２５を基板１３０とベースプレート１１０との間に画定するベースプレート１１０と、ベースプレート１１０に取り付けられて、共振器１２０が空洞１２５内で吊り下げられるようにする共振器１２０とを備える。

幾つかの実施形態では、共振器１２０は、上記の米国特許出願公開第２００７／００１７２８７Ａ１号に記載された説明によるディスク状共振器ジャイロスコープとして具体化することができる。ベースプレート１１０は、シリコン、石英、または別の適切な材料により形成することができる。図１Ａに示す実施形態では、共振器１２０はベースプレート１１０に、剛性支持マウント１１５により取り付けられ、この剛性支持マウント１１５は、金、錫、またはこれらの材料の組み合わせを含む半田付け部分として具体化することができる。

基板１３０は、シリコンまたは別の適切な材料により形成することができ、１つ以上の電気配線１３２を備え、これらの電気配線１３２は、基板１３０の表面に設けられる回路導体として実現するか、または基板１３０内に埋め込むことができる。図１Ａに示す実施形態では、基板１３０の内側部分は、適切な除去プロセス、例えばエッチングプロセスにより除去されている。ベースプレート１１０は、１つ以上の電気配線１３２に、半田ボール１３４のような１つ以上の導電接続体を介して電気的に接続され、これらの導電接続体がベースプレート１１０を支持することにより、共振器１２０を、基板１３０の除去部分によって画定される空洞１２５内で吊り下げる。

図１Ａに示す実施形態では、基板１３０は、支持材１４０に剛性支持マウント１３５により取り付けられ、この剛性支持マウント１３５は、金、錫、またはこれらの材料の組み合わせを含む半田付け部分として具体化することができる。これらの電気配線１３２のうちの１つ以上は、リードワイヤ線１３６に接続され、このリードワイヤ線１３６が、支持材１４０の壁部分１４２を介した基板１３０との電気コンタクトとなる。キャップ１５０を支持材１４０に、例えば連続シールリング１３５に、高温でリフローする半田プリフォームを使用して密封接着することができる。真空ゲッター層１６０をキャップ１５０に接続することができる。真空を完全にして維持するためにゲッター材料を配置することは周知である。幾つかの実施形態では、真空ゲッターは、チタン系薄膜ゲッターまたは他のいずれかのゲッター材料を含むことができる。

図１Ｂは、ジャイロスコープパッケージングアセンブリの別の実施形態の模式図である。図１Ｂに示すアセンブリ１００は、図１Ａに示すアセンブリと同様である。簡潔性及び明瞭性のために、同様の構成要素に関する説明は繰り返さないこととする。次に、図１Ｂに示す実施形態を参照するに、１つ以上の半田ボール１３４を剛性支持マウント１３５の代わりに用いて、基板１３０を支持材１４０上に支持する。別の実施形態では、半田ボール１３４の代わりに、１つ以上のピラーを用いるか、または熱圧着成形される金ボールを用いることができる。

図１Ｃは、ジャイロスコープパッケージングアセンブリの別の実施形態の模式図である。図１Ｃに示すアセンブリ１００は、図１Ａに示すアセンブリと同様である。簡潔性及び明瞭性のために、同様の構成要素に関する説明は繰り返さないこととする。次に、図１Ｃに示す実施形態を参照するに、基板１３０の一部分を、例えば適切なエッチングプロセスにより除去して、複数の可撓性片持ち梁状部分１３８を残し、これらの可撓性片持ち梁状部分１３８にベースプレート１１０を取り付けることができる。片持ち梁状部分１３８は、ベースプレート１１０及び共振器１２０を振動絶縁する追加対策となる。

図１Ｄは、ジャイロスコープパッケージングアセンブリ１００の別の実施形態の模式図である。図１Ｄに示すアセンブリ１００は、図１Ｃに示すアセンブリと同様である。簡潔性及び明瞭性のために、同様の構成要素に関する説明は繰り返さないこととする。次に、図１Ｄに示す実施形態を参照するに、１つ以上の半田ボール１３４を剛性支持マウント１３５の代わりに用いて、基板１３０を支持材１４０上に支持する。別の実施形態では、これらの半田ボール１３４の代わりに、１つ以上のピラーを用いてもよい。

このように、図１Ａ〜１Ｄは、ベースプレート１１０を基板に取り付けて空洞領域を画定し、共振器をベースプレートから空洞領域内で吊り下げる構成のジャイロスコープパッケージングアセンブリの実施形態を模式的に示している。この構成により、パッケージアセンブリ１００の物理的及び熱的安定性を高めることができる。更に、基板１３０から一部分を除去して、可撓性片持ち梁状部分を画定することにより、物理的及び熱的安定性を更に高めている。更には、基板を支持材１４０に、半田ボール１３４を使用して取り付けることにより、基板を支持材１４０から更に絶縁することができる。これらの構成手法は、単独で、または組み合わせることにより、パッケージアセンブリ１００の物理的及び熱的安定性を高めることができる。

パッケージアセンブリは更に、１つ以上の能動熱管理部材を含むことにより、パッケージの物理的及び熱的安定性を更に高めることができる。一例として、かつ限定的ではないが、これらの半田ボール１３４のうちの１つ以上は、米国ノースカロライナ州のダーラム市に位置するＮｅｘｔｒｅｍｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ， Ｉｎｃ．（ネクストリームサーマルソリューションズ社）から市販されている銅ピラーバンプであって、熱を能動的に引き出す銅ピラーバンプのようなヒートポンプとして実装することができる。更に、熱電冷却モジュールをパッケージ１００に付加してもよい。

図２Ａは、幾つかの実施形態に従って動作させることができるジャイロスコープまたは慣性センサの絶縁共振器の上面図を模式的に示している。ジャイロスコープは、固有のプレーナ共振器２００を備え、このプレーナ共振器２００は、剛性中心支持体２０６により支持され、かつ面内振動するように設計される。例示的な実施形態では、共振器２００は、多数の同心円周方向セグメント２０４Ａ〜２０４Ｅにより形成される多数のスロット、例えば２１６Ａ〜２１６Ｄ（参照番号２１６で一括指示される）を含むディスクを備える。円周方向セグメント２０４Ａ〜２０４Ｅは、半径方向セグメント２０２Ａ〜２０２Ｅにより支持される。共振器の合計直径は、性能要求によって変えることができる。例えば、１６ｍｍ直径の共振器は、非常に高い加工精度、及び非常に低い雑音を示すことができる。共振器を更に微調整することにより、わずか４ｍｍの共振器直径を、極めて低いコストで持つことができる。

図２Ｂは、図２Ａの例示的なプレーナ共振器ジャイロスコープの側面図を模式的に示している。図２Ｂを参照するに、中心支持体２０６は共振器２００をベースプレート２１２上に支持する。共振器２００内のスロット２１６のうちの少なくとも幾つかのスロットは、埋め込み電極２０８Ａ〜２０８Ｄに対する操作を可能にし、これらの埋め込み電極も、ベースプレート２１２上のピラー２１４上に支持される。これらの電極２０８Ａ〜２０８Ｄが容量性ギャップ２１０Ａ〜２１０Ｈ（外周側ギャップ２１０Ａ、２１０Ｃ、２１０Ｆ、及び２１０Ｈ、及び内周側ギャップ２１０Ｂ、２１０Ｄ、２１０Ｅ、及び２１０Ｇ）を、共振器２００の円周方向セグメント２０４Ａ〜２０４Ｅのうちの少なくとも幾つかの円周方向セグメントと一緒になって形成する。これらの電極２０８Ａ〜２０８Ｄによって、共振器２００を半径方向に励振するだけでなく、共振器２００の運動を検出することができる。これらの電極２０８Ａ〜２０８Ｄによって、共振器２００を半径方向に励振するだけでなく、共振器２００の運動を検出することができる。この動作を容易にするために、これらの電極２０８Ａ〜２０８Ｄの各電極を複数の個別素子に分割することにより、共振器に関する制御及び検出を向上させる。例えば、図示のような環状電極２０８Ｂを２つ以上の素子に分割し、少なくとも１つの素子が、外周側ギャップ２１０Ｃに作用し、少なくとも１つの素子が、内周側ギャップ２１０Ｄに作用するようにする。振動は共振器内で、これらの素子を個別に励振して、偏った応答作用が共振器２００に電極２０８Ｂの位置で発生するようにすることにより生じる。

一般的に、励振電極２０８Ｂ、２０８Ｃを、電極２０８Ａ、２０８Ｄ（すなわち、共振器２００の外側スロットの内部に位置する）よりも中心支持体２０６（すなわち、共振器２００の内側スロットの内部に位置する）に近接して配置して検出を向上させる。しかしながら、励振／検出電極２０８Ａ〜２０８Ｄの配置及び分布は、必要に応じて変えることができる。更に別の実施形態では、更に別の電極を使用して共振器２００を付勢することにより、不均一性を静電気的に調整する、または微調整することもできる。このような付勢電極は、複数の個別素子を励振／検出電極として含むこともできる。

１つ以上の更に別の電極２４０、２４２は、プレーナ共振器２００に隣接して配置することができる。これらの電極２４０、２４２は、プレーナ共振器２００の上方及び下方の単一素子として示されているが、各電極は、個別に制御することができる複数の異なる素子を含むことができる。上側電極２４０を、共振器を包囲するハウジング（図２Ｂには示されず）の内側表面に配置することができるのに対し、下側電極２４２は、ベースプレート２１２上に配置することができる。下側電極２４２は、埋め込み電極２０８Ａ〜２０８Ｄと剛性中心支持体２０６との間の利用可能な領域に限定される。更に別の電極２４０、２４２を使用して、プレーナ共振器２００に関する制御性を向上させることができる。これらの容量電極２４０、２４２を使用して、軸方向加速度または角加速度を測定するだけでなく、ディスク状共振器ジャイロスコープの軸方向モード及びロッキングモードを能動的に減衰させることができる。

プレーナ共振器２００の動作、例えばジャイロスコープの一部としての動作について、図３を参照しながら以下に説明する。一般的に、種々の電極（共振器内に埋め込まれる、または共振器に隣接する）を使用して、プレーナ共振器の振動モードを駆動するだけでなく、これらのモードにおける共振器の運動に対する応答作用を各電極に接続される制御回路２４４で検出する。電極の全てを制御回路に接続する電気接続線は、いずれかの態様で引き回すことができる。例えば、電気接続線は、導体をベースプレート２１２の表面にエッチングにより形成して、ベースプレート２１２の一方の辺縁からワイヤボンディング２４８を施すことにより設けることができる。別の構成として（または、更に）、これらの電気接続線のうちの１つ以上の電気接続線は、ベースプレート２１２の中心領域を貫通する垂直ビア２４６を介して引き回すことができる。制御回路２４４の構造は、この技術分野の当業者が本明細書において提供される教示に従って容易に変更することができる。

図２Ｃは、幾つかの実施形態による例示的なプレーナ共振器構造のパターを示している。パターン２２０には、多数の交互配置同心環状スロット２２２を用いる。これらのスロットうちの幾つかのスロット、例えば２２２Ａ〜２２２Ｅは、複数の単位電極を収容するために幅広になっている。例えば、幅広スロット２２２Ａ、２２２Ｂの外側リングのうちの２つの外側リングは、検出電極用であり、これらの幅広スロットの内側リングのうちの３つの内側リングは、駆動電極用である。残りのスロット２２２は、共振器２００を構造的に調整する（例えば、周波数を低くする）ように機能することができる、および／またはまたはこれらのスロット２２２は、共振器を動作中に能動的に付勢するために使用されるバイアス電極が占めることができる。共振器モード軸２２４が表示されている。共振器の動作により、パターン２２０が対称であるので、これらのモード軸を特定することができる。

例示的な共振器２００はディスクとして示されているが、埋め込み電極による内部検出及び作動を利用する他のプレーナ形状及び幾何学構造も、本発明の原理を適用することにより可能である。また更には、共振器の完全な絶縁体となる単一の中心支持体２０６が望ましいが、１つ以上の更に別の取り付け支持体を使用する他の取り付け構造も可能である。

上に説明した共振器２００内に用いられるように、中心支持固体円筒体またはディスクは、コリオリ力検出に適する２つの面内縮退ラジアルモードを有するが、周波数は非常に高く（１００ＫＨｚ超）、半径方向の容量検出面積は、円筒体高さ、またはディスク厚さとともに小さくなる。しかしながら、図２Ａ及び２Ｂに示す、複数のスロットを開口したディスク状共振器２００はこれらの問題を解決する。複数の環状スロットを、円筒体またはディスクの全厚をエッチングして形成することにより、２つの直接的な利点：低い周波数（５０ＫＨｚ未満）でコリオリ力を検出するために適する２つの縮退モード、及び大きな検出バイアス駆動容量が結果として得られる。低い周波数は、これらのスロットによって可能になる半径方向の追従性が高くなることに起因する。大きな検出バイアス駆動容量は、共振器に加工することができるスロットの数が極めて多い結果である。

図２Ｄは、幾つかの実施形態による例示的な共振器の第１差動モードの従来の電極動作を模式的に示している。パターン２２０の共振器２００において動作する電極２３６は左側の画像に示される。電極２２４から成る４つのグループが使用され、各電極は、パターンの円周方向に沿って、参照番号９００で示す間隔で配置される。励振電極のペア素子である負の励振素子２２６及び正の励振素子２２８を駆動して共振器２００を励振する。これらのペア素子２２６、２２８は、１つのスロットを負の素子２２６とともに外周側位置で、正の素子２２８とともに内周側位置で共有する。また、図示のように、これらのペアのうちの幾つかのペアは、１つの共通スロットを、他の異なる電極ペアとともに共有し、複数の個別に作動可能な電極が１つの共通共振器スロットを共有することができる様子を示していることに注目されたい。検出電極は、より大きい半径方向位置に配置され、負の検出素子２３０及び正の検出素子２３２を含み、これらの検出素子が一体となって、共振器２００の運動に関する出力を供給する。

均一な半径方向間隔をスロット２１６と２２２との間に用いることができるが、コリオリ力検出に適する２つの縮退ラジアルモードが維持されるとすると、他の間隔を使用してもよい。また、更に別の実施形態では、セグメント２０４Ａ〜２０４Ｅのうちの幾つかに、または全てに、更にスロットを開口することができるので、単一の梁セグメントが、複数の平行セグメントを含む複合セグメントに更に分割される。選択的に使用されるこのような複合セグメントを使用して、共振器の周波数を調整するだけでなく、これらのセグメントが共振器の動作中に応力を受けるときのドリフト特性に与える有害な熱弾性効果を無くすことができる。一般的に、スロットを追加して、複合円周方向セグメントを形成することにより、共振器周波数を下げることができる。加工誤差の影響は、複数のスロットによって軽減することもできる。このような複合セグメントは円周方向セグメント２０４Ａ〜２０４Ｅに適用されることが好ましいが、この方法は、半径方向セグメント２０４Ａ〜２０４Ｅに、または他の共振器パターンの他のセグメントを有する他の構造に適用することもできる。

記載される面内構造を用いることにより、他の面外ジャイロよりも優れた利点をもたらすことができる。例えば、中心支持体接着部に振動荷重が加わることがないので、摩擦の可能性、または保持機構による損失変動を全く無くすことができる。また、共振器及び電極に関する同時フォトリソグラフィ加工は、これらのスロットを利用して行なうことができる。更に、直径方向に配置される電極容量を合計して、振動調整を無くすことができ、軸方向振動によって、容量が１次近似で変化することはない。モード対称性も、他の構造と同じように、ウェハ厚さではなく、フォトリソグラフィ対称性により大部分が決定される。検出容量（例えば、外側スロットに基づく）、及び駆動容量（例えば、内側スロットに基づく）の絶縁及び最適化が実現する。本発明の実施形態によってまた、より小さい、または大きい直径への、より薄いウェハ、またはより厚いウェハへのスケーリング可能な幾何学構造を実現することができる。更に、本発明の実施形態を、同じ幅のスロットによって全て定義して、加工の均一性及び対称性を達成することができる。本発明の実施形態は、シリコン異方性に対応することもできるので、周波数分離を行なうことができる。例えば、シリコンウェハ及び／又は変更スロット幅を使用することができる。

上に述べたように、振動周波数が熱緩和共振に近いことに起因して熱弾性減衰が大きくなることにより、共振遅延時間が短くなり、かつジャイロドリフトが大きくなる。しかしながら、スロットの半径方向間隔を調整して、最適な梁幅を定義することができ、多数のスロットに更にエッチングを施して、電極ギャップを画定するスロットの間の部分をエッチングすることにより、振動梁幅を更に短くすることができる。

図３は、例示的なディスク状共振器ジャイロスコープ（図２Ａ〜２Ｄに描かれているような）の動作原理を示している。モードは、楕円形モードであり、かつディスク状共振器２０２の剛性中心支持体に応答作用しない。このモードは、固定振動振幅で励振され、慣性回転が図３に示すように行なわれる場合に、当該モードの歳差運動が、ディスク状共振器３０２構造を備える相互接続リングに埋め込まれ、かつ隣接するセグメント化容量電極によって観測される。歳差運動の大きさが、慣性回転の正確な幾何学的定義部分である。図示の例では、定在波振動パターンは、ディスク状共振器３０２のケースが回転する前の第１位置３００Ａにある状態として示されている。中心で支持されるディスク状共振器３０２に固定されるケースが図示のように、９０度回転すると、歳差運動によって定在波振動パターンが第２位置３００Ｂに変位する（この例では、時計回りに約３６度の回転した位置）。

一般的に、振動ジャイロスコープは、少なくとも１つの振動コリオリモードを能動的に制御して、一定振幅で振動させる。出力される第２のコリオリ近似モードを能動的かつ強制的にゼロ振幅にするか、または自由に振動することができるようにして、第１モード振動、及び振動平面の法線軸に沿った入力慣性速度を組み合わせることにより発生するコリオリ力を検出することができる。振幅をゼロにバランスし直すための閉ループ力、または開ループ歳差運動は、入力慣性速度を示唆する。

図４は、ジャイロスコープパッケージングアセンブリを形成する方法における処理を示すフローチャートである。図４を参照するに、処理４１０では、共振器１２０及びベースプレート１１０を備える共振器チップを基板１３０に取り付けて、空洞１２５を基板１３０とベースプレート１１０との間に画定することにより、共振器１２０を空洞１２５内で吊り下げる。処理４１５では、基板１３０を支持材に、上に説明したように、剛性支持マウント技術を使用して、または１つ以上の半田ボールまたはピラーを使用して取り付ける。処理４２０では、１つ以上の電気接続線をベースプレート１１０、基板１３０、及びリードワイヤ１３６の間に設ける。処理４２５では、キャップ１５０を支持材１４０の上に設置し、密封する。次に、アセンブリ１００を真空状態にし、アセンブリ１００を加熱して半田を溶融させるか、または接着材料を硬化させる。

記述及び請求項では、「接続」という用語は、この用語の派生用語とともに用いることができる。特定の実施形態では、「接続」という用語を用いて、２つ以上の要素が物理的または電気的に互いに直接接触している状態を表わすことができる。「接続」という用語は、２つ以上の要素が物理的または電気的に直接に接触している状態を指すことができる。しかしながら、「直接」という用語は、２つ以上の要素が互いに直接に接触している必要はないが、そのような状態でも互いに協働または相互作用することができる状態を指すこともできる。

本明細書において「１つの実施形態」または「幾つかの実施形態」と表記する場合、当該実施形態に関連して記載される特定の機能、構造、または特徴が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。「１つの実施形態では」という語句が、本明細書の種々の箇所に現われる場合、同じ実施形態を全ての箇所において参照する必要があるか、または同じ実施形態を全ての箇所において参照する必要がある訳ではないことを意味する。

種々の実施形態について、構造的特徴及び／又は方法的作用に特有の文言で記載してきたが、請求する主題は、記載される特定の特徴または作用に限定されないことを理解されたい。限定されるのではなく、特定の特徴及び作用は、請求する主題を実施する例示的な形態として開示される。

Claims (17)

1. 支持材（１４０）と、
   支持材に取り付けられた基板（１３０）と、
   基板に接続されて基板との間に空洞（１２５）を画定するベースプレート（１１０）と、
   ベースプレートに取り付けられており、かつ空洞内に吊り下げられている共振器（１２０、２００）と
   を備え、
   基板の少なくとも一部が除去されることにより複数の片持ち梁状部分が画定されており、
   ベースプレートが複数の片持ち梁状部分のうちの少なくとも１つに載せて基板に接続されている、パッケージングされた共振器ジャイロスコープ（１００）。
2. 基板が支持材に剛性支持マウント（１３５）により取り付けられている、請求項１に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
3. 基板が少なくとも１つの半田ボール（１３４）を介して支持材に取り付けられている、請求項１に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
4. 少なくとも１つの半田ボールがサーマルピラーバンプを含んでいる、請求項３に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
5. 基板が少なくとも１つのピラーを介して支持材に取り付けられている、請求項１に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
6. ベースプレートが少なくとも１つの第１電気配線を含み、
   基板が少なくとも１つの第２電気配線を含み、
   第１電気配線が第２電気配線に接続されている、
   請求項１に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
7. 少なくとも１つの第２電気配線が少なくとも１つのリードワイヤに接続されている、請求項６に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
8. 更に、共振器パッケージを封止するキャップを備えている、請求項１に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
9. 更に、キャップに接続されるゲッター層を備えている、請求項８に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
10. 更に、熱電冷却モジュールを備えている、請求項１に記載のパッケージングされた共振器ジャイロスコープ。
11. プレーナ共振器ジャイロスコープ（１００）をパッケージングする方法であって、
    プレーナ共振器及びベースプレートを含むプレーナ共振器チップを基板に取り付けて、基板とベースプレートとの間に空洞を画定し、空洞内に共振器を吊り下げる工程（４１０）と、
    基板を支持材に取り付ける工程（４１５）と、
    キャップを支持材に堅く固定する工程（４２５）と
    を含み、
    基板の少なくとも一部を除去することにより複数の片持ち梁状部分を画定し、
    複数の片持ち梁状部分のうちの少なくとも１つに載せて、ベースプレートを基板に接続する、方法。
12. プレーナ共振器及びベースプレートを含むプレーナ共振器チップを基板に取り付ける工程が、ベースプレートと基板との間に電気接続線を設ける工程（４２０）を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 基板を支持材に取り付ける工程が、剛性支持マウントを設ける工程を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 基板を支持材に取り付ける工程が、少なくとも１つの半田ボールを使用して基板を支持材に堅く固定する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
15. 基板を支持材に取り付ける工程が、少なくとも１つのピラーを使用して基板を支持材に堅く固定する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
16. 更に、基板と少なくとも１つのリードワイヤとの間に電気接続線を設ける工程を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 更に、ゲッター層をキャップに堅く固定する工程を含む、請求項１１に記載の方法。

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