JP6377892B2 - 振動絶縁微小電気機械システム構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

関連特許の相互参照
本願は、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる、２０１２年６月６日出願の米国仮特許出願第６１／６５６，３９８号の優先権を請求するものである。

１. 技術分野
本発明は、微小電気機械的システム（ＭＥＭＳ）ジャイロに関し、より具体的には、その中で振動で誘発される運動を絶縁するシステムおよびその方法に関する。
２．関連技術の説明
微小電気機械的システム（ＭＥＭＳ）は、微小加工技術を使用して、同一基板上に電気および機械的構成要素を統合する。電気構成要素は、集積回路プロセスを使用して加工される一方、機械的構成要素は、集積回路プロセスと互換性がある、マイクロマシニングプロセスを使用して加工される。本組み合わせは、標準的製造プロセスを使用して、チップ上に全体のシステムを加工することを可能にする。ＭＥＭＳデバイスは、一般に、センサデバイスの設計およびその製造に適用され、そこでセンサデバイスの機械的部分は、感知能力を提供し、センサデバイスの電気部分は、機械的部分から受信される情報を処理する。

ＭＥＭＳデバイスの一実施例は、回転を測定することができる、ジャイロスコープまたはジャイロである。具体的には、ＭＥＭＳジャイロは、例えば、コリオリの力を検出し、入力軸を中心として回転の角速度を判定するための振動要素等、制限された発振運動を有する構造の運動量の保存に依存する。しかしながら、これらの振動要素は、本質的に共振性であって、かつ回転の所望の軸の外側で生じる付加的発振運動に影響を受けやすい。すなわち、ＭＥＭＳジャイロ内の振動要素は、望ましない、かつ誤った出力を生じさせ得る、共振し、同相発振を受けると、付加的発振運動を動的に得る可能性がある。例えば、ＭＥＭＳジャイロは、懸架システムを介して、本体、例えば、航空機に、配向および搭載される。懸架システムが、発振を入力軸を中心とした回転振動に変換する時、誤った回転信号が生成され、これが「不均衡」状態となる。緩んだ懸架は、ジャイロ質量をフレームから独立して移動させ、それによって、誤った回転を可能にする。さらになお、時間、温度、または他の経年効果に伴って、懸架システムが劣化するため、懸架システムは、硬化し、もはやＭＥＭＳダイを絶縁せず、誤った回転信号を生じさせる可能性がある。つまり、出力モード共振を励起する周波数における任意の振動は、出力信号のエラーを作り出す。さらに、従来の懸架システムは、概して、振動絶縁が全方向に必要とされる用途を満たすと考えられてきたが、ＭＥＭＳデバイスに対する改良された振動絶縁が、所望される。

現在までの設計にも関わらず、従来のＭＥＭＳデバイスにおいて、付加的かつ望ましくない振動を除外することは、問題として残っている。故に、依然として、当該技術分野において、軸特有の方法において、振動を絶縁および減衰するシステムおよび方法の必要性がある。本発明は、これらの問題を解決するために提供される。

本発明は、新規、かつ有用な微細構造デバイスを目的とする。微細構造デバイスは、感受軸を画定する微細構造（例えば、回路カードアセンブリ、プリント回路基板等）と、感受軸に沿って柔軟性を有するように、かつ１つ以上の他の軸に沿って剛性を有するように、構成および適合される１つ以上のアイソレータとを有する。

本発明の一実施形態では、微細構造は、軸受を経由して、および／またはエラストマーシートを経由して、感受軸に沿って柔軟であることができる。微細構造は、また、入力軸および出力軸を画定することができる。微細構造は、実質的に、入力軸を中心として剛性、かつ実質的に、出力軸を中心として柔軟であることができる。加えて、微細構造は、１つ以上のアイソレータを画定する、１つ以上の空洞を画定することができる。１つ以上のアイソレータは、パッケージレベル、回路カードレベル、および微細構造レベルのうちの少なくとも１つで実装されることができる。さらに、１つ以上のアイソレータは、出力共振周波数の奇数次高調波における振動の伝達性を低減するように構成および適合されることができる。微細構造はまた、１つ以上のアイソレータにわたる電気的相互接続を有することができる。

別の側面では、微細構造デバイスは、回路カード内に可撓性ジンバルを画定することができる、１つ以上の空洞を画定する回路カードを含むことができる。微細構造は、慣性センサであることができ、かつ、その慣性センサは、ジャイロスコープであることができる。さらに、慣性センサは、電気機械的ＭＥＭＳおよび／または光学的ＭＥＭＳを含むことができる。

本発明は、また、新規、かつ有用なセンサデバイスを提供する。センサデバイスは、少なくとも１つの感受軸および少なくとも１つの他の軸を画定する微細構造を含み、微細構造は、プリント回路基板に接続するように構成および適合される。微細構造は、回転感知微細構造構成要素の周囲に少なくとも１つの空洞を画定し、少なくとも１つの空洞は、少なくとも１つの他の軸に沿って柔軟性を、かつ少なくとも１つの感受軸に沿って剛性を提供するために、構成および適合される。

本発明の一実施形態では、回転感知微細構造構成要素は、ＭＥＭＳジャイロであることができる。

ある実施形態では、センサデバイスは、懸架フレームと、懸架フレームに動作可能に接続される少なくとも１つの軸受と、懸架フレームならびに少なくとも１つの軸受に動作可能に接続されるプリント回路基板と、プリント回路基板に動作可能に接続される微細構造デバイスとを含む。懸架フレームは、少なくとも１つの感受軸および少なくとも１つの他の軸を画定する。少なくとも１つの軸受は、少なくとも１つの他の軸を中心として柔軟であるように、かつ少なくとも１つの感受軸を中心として剛性を有するように、プリント回路基板が適応されることを可能にするように、構成および適合される。

ある他の実施形態に従って、センサデバイスは、プリント回路基板およびＭＥＭＳジャイロを含むことができる。プリント回路基板は、少なくとも１つの感受軸および少なくとも１つの振動軸を画定することができる。ＭＥＭＳジャイロは、プリント回路基板に動作可能に接続されることができる。さらに、プリント回路基板は、ＭＥＭＳジャイロの周囲に少なくとも１つの空洞を画定することができ、少なくとも１つの空洞は、少なくとも１つの振動軸に沿って柔軟性を、かつ少なくとも１つの感受軸に沿って剛性を提供するように構成および適合されることができる。

本発明のシステムおよび方法のこれらおよび他の特徴は、図面と関連して検討される好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、当業者により容易に理解されるであろう。

本発明に関わる当業者が、過度の実験を伴わずに、本発明のデバイスの製造ならびに使用方法を容易に理解するように、その好ましい実施形態が、図面を参照して、本明細書で以下に詳細に説明される。
は、本発明によって構築された、振動くし型設計のＭＥＭＳジャイロスコープの例示的実施形態の概略斜視図である。 は、本発明による、振動絶縁技法を伴うプリント回路基板に搭載される、ＭＥＭＳジャイロを有する完全ジャイロスコープセンサアセンブリの別の例示的実施形態の概略断面斜視図である。 は、シリコンエラストマーシートを示す、図２Ａのジャイロスコープセンサアセンブリの概略分解図である。 は、ＭＥＭＳジャイロを格納するように、かつ本発明による軸特有の振動絶縁を提供するように構成および適合される、微細構造の別の例示的実施形態の外部概略図である。 は、回路カード上に搭載されるＭＥＭＳジャイロを示す、図３Ａの微細構造の内部図である。 は、軸特有のスプリングが象徴的に図示される、図３Ａの微細構造の断面概略図である。 は、その中に含まれるＭＥＭＳジャイロに軸特有の振動を提供する、ＭＥＭＳダイ構造内のスプリングボード断面図を示す、本発明によって構築された、微細構造の別の例示的実施形態の基本構想図である。

次に、同一参照番号が本発明の類似する構造上の特徴または側面を識別する、図面を参照する。説明および例証の目的のために、かつ、これに限定されず、本発明による、振動誘導運動を絶縁するシステムの例示的実施形態の概略断面斜視図が、図２Ａに示され、かつ参照番号２００によって、概して指定される。本発明による、振動誘導運動絶縁システムの他の実施形態またはその側面は、説明されるように、図１、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、および４において提供される。

前述のように、ＭＥＭＳジャイロは、望ましくない振動に本質的に影響を受けやすい、共振構造である。ＭＥＭＳジャイロは、それらが共振する時、任意の望ましくない振動が、その運動を生起し、さらに動的に増す、運動を感知するため、ＭＥＭＳジャイロに対する振動絶縁は、特有の難易度をもたらす。例えば、従来の懸架システムは、１つ以上の軸を中心として柔軟である。しかしながら、そのような柔軟性は、望ましくない発振をもたらす。典型的には、全方向に近接して生じる共振モードのため（例えば、３０％）、出力軸を中心として柔軟に、かつ入力軸を中心として靱性を有することができないため、従来のスプリング質量緩衝懸架システムでさえ、望ましくない発振を減衰することに失敗する。

本明細書で説明されるシステムおよび方法は、入力軸および出力軸内で振動絶縁を分離（例えば、分裂）し、したがって、入力および出力モードに異なって影響を与える。故に、本明細書に記載される、微細構造デバイス、システム、および方法は、望ましくない共振を防止または緩衝させるように、出力軸上の振動を大幅に減衰する。特に、本発明の実施形態は、振動を軸を中心として減衰する一方、直行軸に沿って安定性を提供する、システムおよび方法を提供する。このように、これらのシステムおよび方法は、ＭＥＭＳ振動要素の共振Ｑによって生じる高周波数振動、および誤った回転入力軸結合によって生じる低周波数広範囲騒音を減衰する、懸架システムに搭載されるＭＥＭＳジャイロを有する微細構造デバイスを提供する。

本明細書に説明されるように、ＭＥＭＳジャイロスコープは、典型的には、次の（１）入力軸、（２）出力軸、および（３）駆動または速度軸として定義された、３つの別個の、しかし直角に関連した軸を有する。ＭＥＭＳジャイロは、出力軸に存在するコリオリの力を介して、入力軸を中心とした回転の速度を判定するように設計される。このように、ＭＥＭＳジャイロは、入力軸を中心として回転して発振させられ、かつコリオリの力は、次のように生起される。

操作上、特に図１を参照すると、振動くし型設計のＭＥＭＳジャイロスコープ１００の一例示的実施形態の概略斜視図が、図示される。ＭＥＭＳジャイロスコープ１００は、出力軸Ｙの両側に設置される、高電圧バイアス１０５および低電圧バイアス１１０を含む。参照することによって本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２０１２／００９６９４３Ａ１号明細書で検討されているように、ディスク１０３は、Ｙ軸に沿って平衡を保つ容量性のプレートを形成する。プレートの片側が、駆動軸Ｚを中心として回転振動するＭＥＭＳジャイロスコープ１００から生じる、出力軸Ｙを中心としたコリオリの力によって変位されると、ＭＥＭＳ１００に対する静電容量の差異は変化し、したがって、入力軸Ｘを中心としてＭＥＭＳ１００を回転させる（コリオリの力のため）。順に、静電容量における本変化は、電流信号、すなわち、速度和１１５を生成する。本電流信号は、さらに電圧内に変換されることができ（例えば、電荷増幅器によって）、かつ入力軸Ｘを中心とした回転の速度の指標を提供する。いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳジャイロは、より高いＱ値を生成するために真空環境を使用することができる。例えば、真空環境において、緩衝は、より高いＱ値を生成するために低減される。Ｑ値は、共振システムを説明するために使用される、無次元動的利得係数である。ＭＥＭＳジャイロは、入力軸Ｘおよび出力軸Ｙによって形成される平面内において、所定の振幅または速度で発振する、振動要素（ここでは、振動要素は、くし型タイプ振動要素１２０である）を含む。駆動軸Ｚを中心としたＭＥＭＳジャイロ１００の回転は、入力軸Ｘの周囲の回転の速度に従って変化するために、速度和１１５の対応する値を生じる。

次に、図２Ａを参照すると、本発明によって構築された、プリント回路基板２０３に搭載されるＭＥＭＳジャイロ１００を有する、微細構造デバイス２００の一例示的実施形態の断面斜視図が、示される。特に、微細構造デバイス２００は、懸架フレーム２０５内に配置されるＭＥＭＳジャイロ１００を含む。微細構造デバイス２００は、出力軸Ｙを中心とした柔軟性、かつ全他の方向の剛性のため、分裂モード振動絶縁を提供する。特に、軸受２１５を介して、プリント回路基板２０３（そこにＭＥＭＳ１００が搭載される）を、出力軸Ｙを中心として柔軟であることが可能になるように、軸受２１５を提供する一方、また、航空機本体に微細構造２００を添着するために剛性接続点２１０を提供することによって、微細構造２００は、分裂モード絶縁を達成する。軸受２１５は、本質的に、誤った入力回転を有意に低減するために、出力軸Ｙを中心とした全回転運動を減衰または絶縁することができる、柔軟スプリングを提供する。

次に、図２Ｂを参照すると、微細構造デバイスアセンブリ２０１の別の例示的実施形態の斜視図が、示される。図２Ｂは、図２Ａと類似するが、しかしながら、出力軸運動を可能にする一方、限定的入力軸Ｘ運動を可能にするように、シリコーンエラストマーシート２１６が、含まれる。エラストマーシート２１６は、圧縮力に対するよりも、捻転力により柔軟であるように設計されるため、エラストマーシート２１６は、出力軸Ｙに垂直なジャイロ質量表面上に搭載される。特に、図２Ｂで使用されるエラストマーシート２１６のサイズおよび形状のために、エラストマーシート２１６は、剪断力対圧縮力においてより柔軟である。

図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、本発明による、ＭＥＭＳジャイロを格納し、軸特有の振動絶縁を提供するように構成および適合される、微細構造３００の別の例示的実施形態の外部、内部、および断面概略図が示される。特に、図３Ａは、コネクタ３０５を含む、微細構造３００の外観図である。図３Ａは、図３Ｃに示される位置における、微細構造３００の外観図と一致する。

次に、図３Ｂを参照すると、位置、例えば、図３Ｃに示されるような、３Ｂにおける、微細構造３００の内部図が示される。微細構造３００は、その上にＭＥＭＳジャイロ、例えば、ＦＥＡ−ＭＥＭＳ ＭＣＭ３１５が搭載される、回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）３１０を含む。本実施形態では、スプリング３２０、例えば、可撓性ジンバルが、ＣＣＡ３１０内の空洞３２５から形成される。図示されるように、スプリング３２０が、出力軸Ｙを中心として振動絶縁を提供する一方、入力軸Ｘと駆動軸Ｚとの両方を中心として、剛性、例えば、感度を維持する。

次に、図３Ｃを参照すると、微細構造３００の横断面図が、示される。図示されるように、微細構造３００は、軸特有のスプリング３２０を含む。特に、軸特有のスプリング３２０は、象徴的に図示される。

図４を参照すると、本発明によって構築される微細構造４００の別の例示的実施形態の平面図が、示される。微細構造４００の平面図は、スプリングボード断面図領域４１５、例えば、軸特有の振動をそこに搭載されるＭＥＭＳジャイロ４０５に提供する、ＭＥＭＳダイアセンブリ剛性フレーム４１０（例えば、シリコンチップ）内の空洞を含む。図３Ｂと同様に、ＭＥＭＳダイ領域４１５は、軸特有のスプリング４２０を作り出すために欠けている。微細構造４００は、出力軸Ｙを中心として振動を絶縁する一方、入力軸Ｘを中心として、靭性、例えば、感度を維持する。特に、微細構造４００は、例えば、ＦＥＡ ＭＥＭＳ ＭＣＭ３１５（図３）またはＭＥＭＳ１００（図１）内に含有されることができる、ＭＥＭＳダイレベル微細構造を示す。作動中、剛性フレーム４１０が、入力軸Ｘに沿って回転する一方、スプリング４２０は、剛性フレーム４１０における振動からＭＥＭＳジャイロ４０５を絶縁する。本方法では、微細構造４００は、軸に沿って剛性を提供する一方、別の軸に沿って柔軟性を提供する、ＭＥＭＳダイレベルの低コストかつ効率的システムを提供する。

故に、本明細書に開示されるデバイス、システム、および方法は、一方向における柔軟性を通して、ＭＥＭＳジャイロに対する振動を絶縁する一方、全他の方向に剛性を維持するための微細構造を提供する。

当業者は、ＭＥＭＳジャイロを有する任意の好適な微細構造デバイスが、本発明のシステムおよび方法から利益を得られることを、容易に理解するであろう。当業者は、図面が、入力Ｘ、出力Ｙ、および駆動Ｚ軸を参照して例示的構成を図示しており、かつ本発明の実施形態の範囲に制限されないことを容易に理解するであろう。いくつかの付加的実施形態では、軸受および／またはスプリングは、精神および発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される３つの軸のいずれかまたは全てにおいて、配向されることができる。さらに、当業者は、複数の微細構造デバイスが、併せて、航空機本体の全方向における回転を判定するために、または任意の他の好適な用途において、採用されることを容易に理解するであろう。

本発明の方法およびシステムは、前述に説明されるように、かつ図面で示されるように、特定の軸に沿って振動を絶縁する一方、１つ以上の他の方向に剛性を維持することを含む、優れた特性を有する微細構造デバイスを提供する。本発明のデバイスおよび方法が、好ましい実施形態を参照して図示および説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変更および／または修正がそれに対して行われ得ることを、容易に理解するであろう。

Claims (11)

1. センサデバイスであって、
   少なくとも１つの感受軸および少なくとも１つの他の軸を画定する懸架フレームと、
   前記懸架フレームに動作可能に接続される少なくとも１つの軸受と、
   前記懸架フレームおよび前記少なくとも１つの軸受に動作可能に接続されるプリント回路基板であって、前記少なくとも１つの軸受が、前記プリント回路基板が、前記少なくとも１つの他の軸を中心として柔軟であって、かつ前記少なくとも１つの感受軸を中心として剛性を有することが可能になるように構成および適合される、プリント回路基板と、
   前記プリント回路基板に動作可能に接続される微細構造デバイスと、
   を備える、センサデバイス。
2. 感受軸を中心とする回転を検出するセンサを有する微細構造と、
   前記微細構造を支持し、前記感受軸と異なる他の軸を中心とする回転に対して柔軟であり、前記感受軸を中心とする回転に対して剛性を有し、これにより、前記感受軸を中心とする回転を前記微細構造に伝達し、前記他の軸を中心とする回転を前記微細構造に伝達しないアイソレータと、
   を備える、センサデバイス。
3. 前記アイソレータは、
   前記他の軸を中心して回転する軸受を有する、
   請求項２のセンサデバイス。
4. 感受軸を中心とする回転を検出するセンサと、
   前記センサを支持し、前記感受軸と異なる他の軸を中心とする回転に対して柔軟であり、前記感受軸を中心とする回転に対して剛性を有し、これにより、前記感受軸を中心とする回転を前記センサに伝達し、前記他の軸を中心とする回転を前記センサに伝達しないアイソレータと、
   を有する微細構造を備える、センサデバイス。
5. 前記アイソレータは、１つ以上の空洞によって画定されている、
   請求項２又は４のセンサデバイス。
6. 前記アイソレータは、出力共振周波数の奇数次高調波における、振動の伝達性を低減するように構成および適合される、
   請求項２乃至５いずれかのセンサデバイス。
7. 前記アイソレータにわたる電気的相互接続をさらに備える、
   請求項２乃至６いずれかのセンサデバイス。
8. 前記センサは、慣性センサを含む、
   請求項２乃至７いずれかのセンサデバイス。
9. 前記慣性センサは、ジャイロスコープを含む、
   請求項８のセンサデバイス。
10. 前記慣性センサは、電気機械的ＭＥＭＳおよび光学的ＭＥＭＳのうちの少なくともいずれかを含む、
    請求項８又は９のセンサデバイス。
11. 前記感受軸は、前記センサの入力軸であり、
    前記他の軸は、前記センサの出力軸である、
    請求項２乃至１０いずれかのセンサデバイス。

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