JPH10511775A - マイクロメカニカル回転速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コリオリの原理に基づくマイクロメカニカル回転速度センサは、静電励起により互いに逆相で振動する２つの平板状振動子（１、２）を含み、各振動子は、一方が他方の下に並ぶように配置され、非常に小さい駆動コンデンサギャップ（３０）によって互いに分離された複数の平板状支持機構（４ａ、４ｂ、３３ｃ、３３ｄ）を介して振動が励起されるようになっている。振動子（１および２）間の距離が顕著に長いことから、支持構造部の固有周波数を適当に選択することにより、振動の振幅をより大きくし、それゆえ振動特性を向上させることができ、また、低い励起電圧において良好な励起を行うために狭く設定された駆動コンデンサギャップ（３０）によって振幅および振動特性が制限されない。複振動子構造は、好ましくは、各振動子について互いに電気的に絶縁された２つの結合部を含む。上記各結合部は、フレーム内でばね（８０ないし８３、８０’ないし８３’）によって懸吊され、本質的に振動子の回転運動のみが可能となり、±ｚ方向への振動子の直線運動が大きく抑制されるように配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロメカニカル回転速度センサ 本発明は、静電的に励起されて互いに逆相となるように振動する２つの平板状 振動子を有するコリオリの原理に基づいたマイクロメカニカル回転速度センサに 関するものである。 コリオリ力の測定による回転速度の測定は、既に知られており、一般的な形式 のセンサの幾つかに利用されている。現在の市場で入手可能なコリオリの回転速 度センサでは、励起（例えば、振動の励起）および検出のために圧電効果が利用 されている。その一例としては、ＥＰ ０ ５６３ ７６１ Ａ１、ＥＰ ０ ５６３ ７６２ Ａ１、ＥＰ ０ ５２０ ４６７ Ａ１、ＥＰ ０ ５２０ ４６８ Ａ２、ＥＰ ０ ５３３ １６３ Ａ２、ＥＰ ０ ４６０ ０８９ Ｂ１、ＧＢ ２ ２５１ ０７２ Ａ、ＣＡ １ ３１３ ０６５ Ａ、ＥＰ ０ ２９８ ５１１ Ｂ１、ＥＰ ０ ３１８ ９７２ Ｂ１、ＥＰ ０ ６３ ８ ７８３ Ａ１、およびＵＳ ５ ２４７ ２５２ Ａが挙げられる。 マイクロエンジニアリングにおいて上記の目的のために用いられる圧電材料は 、シリコンと極めて異なる温度依存性材料パラメータを有しているので、その結 果として、上記の回転速度センサは、温度依存性が高く、零点の再生が不可能で ある。 マイクロメカニカル素子を備える回転速度センサは、既に得ることができるよ うになっている。他方、小型のセンサを実現するための純粋にマイクロメカニカ ルな解決手段は、まだ市場に出ていない。しかしながら、コリオリの加速度を測 定するマイクロメカニカルな解決手段は、特許公報によって既知となっている（ ＵＳ ５ １０１ ７０２ Ａ、ＣＨ ６８２ ８４４ Ａ５、ＧＢ ２ ２５ １ ６８８ Ａ、ＤＥ ４０ ２２ ４９５ Ａ１、ＥＰ ０ ５７４ １４３ Ａ１、ＥＰ ０ ６３４ ６２９ Ａ１、ＵＳ ５ ２０３ ２０８ Ａ、Ｅ Ｐ ０ ４４２ ２８０ Ａ２、ＵＳ ４ ７５０ ３６４ Ａ、ＥＰ ０ ６ ２３ ８０７ Ａ、ＥＰ ０ ６２０ ４１５ Ａ１、ＧＢ ２ ２７６ ２４ １ Ａ、ＵＳ ４ ８８４ ４４６ Ａ、およびＤＥ ４０ ４１ ５８２ Ａ １参照）。 Ｓｉ技術におけるマイクロメカニカル構造中の振動機構としては、容量性アク チュエータが励起用に、容量性ブリッジ回路が検出用にそれぞれ提案されている （ＧＢ ９２ ００９ ３０、ＥＰ ０ ５８６ ４３７ Ａ１、ＵＳ ５ ２ ０７ ６８５ Ａ、およびＤＥ ４０ ４１ ５８２ Ａ１参照）。 マイクロメカニカル振動機構の容量式駆動に最も有効な力の方向は、互いに反 対の極性が付与された対向する２枚の平板の間の垂直方向である。この理由から 、上記のような振動機構としては、互いに反対の極性が付与された２枚の平板１ ００および２００を振動子１０１の駆動に利用可能な構成を選択すると都合が良 い（図４参照）。同図における振動子の断面図の下の略信号図は、上側平板１０ ０（電極１）および下側平板２００（電極２）のそれぞれに付与される励起信号 の変化を明示したものである。 上記構成において、上側平板１００と振動子１０１との間の駆動コンデンサの 表面から、下側平板２００と振動子１０１との間の駆動コンデンサの表面までの 間の距離を非常に短くして使用すれば、比較的低い電圧（例えば、５Ｖ）を用い て十分に高い駆動力を得ることができるかもしれない。 しかしながら、この構成の不利な点は、概ね知られていることである（例えば 、ＵＳ ４ ８８４ ４４６ Ａ参照）が、図４により説明すれば、２つの駆動 コンデンサの表面の間の距離を短くすることによって同時に振動子１０１の最大 振幅がコンデンサ板の間隔の何分の一かに制限され、また、コンデンサの減衰を 小さくするためには、振動子の構成を包含するガス雰囲気に求められる必要条件 が必然的に高くなることである。 コリオリの加速度の影響を受けると、振動子の移動方向に垂直な振幅が発生し 、その振幅を回転速度の測定に用いることができる。図４の例では、図示した回 転速度によって、紙面から離れる方向に向かってコリオリ力が発生する。しかし ながら、この構成は、振動子の運動の反力がセンサの周囲に誘導され、測定値に 対する干渉を引き起こすことがあるというさらに別の不利な点を持っている。 最後に述べた欠点を避けるために、図５に示されるような２つの振動子を備え る構成が提案されている（ＧＢ ２ ２５１ ６８８ Ａ参照）。第１の振動子 ５０と第２の振動子６０とは、互いに逆相となるように運動する。同図の紙面に 垂直な方向のベクトルを持つ回転速度により、この共通回転軸５５の周りに振動 子の発振周波数でトルクが発生する。この既知の構成を用いると、大きな振動子 の振幅を達成することができる。しかしながら、この構成は、差動コンデンサに よる容量式駆動がなされると、ウェーハ面に垂直に配された２つの面の間に駆動 力が作用するが、この２つの面を互いに短い距離で厳密に平行に生成させるには 必ず困難が伴うという不利な点を有している。振動子５０、６０における不均一 なエアギャップは、回転軸の周りに励振効果を及ぼし、センサの零点にかなりの 影響を与える。この効果は、温度依存性である。この容量性励起を用いる構成の さらなる不利な点は、駆動力が比較的小さいことにあるが、より最近のいくつか の提案によれば、くし状電極によって駆動力を低下させる試みがなされている。 本発明は、振動子の運動のために生じる反力の結果として測定値に対する干渉 が生じることがなく、駆動コンデンサ表面の間の距離が望ましい短い距離である にもかかわらず、許容される振動子の振幅に関して考慮されるべき制限が概ね無 いもしくは著しく少なく、マイクロメカニカル工学を用いて費用効率良く製造す ることが可能な、コリオリの原理に基づくマイクロメカニカル回転速度センサを 提供することを目的としてなされたものである。 本発明に係る解決法は、静電励起によって互いに逆相となるように振動する２ つの平板状振動子を有するコリオリの原理に基づくマイクロメカニカル回転速度 センサにおいて、各振動子を単結晶のウェーハからマイクロメカニカル工学を用 いて製造可能とし、ウェーハ面に垂直な２つの面で一つの振動子が他の振動子の 下になるように層状に配し、振動の方向を各平板の面に垂直としたことにある。 これにより、エッチングやウェーハ接合のようなマイクロメカニカルの工程を用 いて費用効率良く製造することが可能となる。 本発明によれば、各振動子がそれぞれ、その片側あるいは対向する両側におい て平板状支持機構の一部に接続され、上記支持機構を介してウェーハ面に垂直な 方向に振動の静電励起が行われる。上記支持機構の固有周波数は、好ましくは振 動子の固有周波数より高くなるように選択される。さらに、各支持機構部分は、 それらの反力が互いに相殺し合うように配置される。 支持機構の２つの部分の間を動く振動子の厚みは、振動子のウェーハ面に垂直 な振動の振幅を（より一層）大きくできるように、振動を励起する役割を果たす 支持機構の厚みより顕著に薄くなっている。他方、支持機構の厚みは、最小の駆 動コンデンサギャップであっても支持機構の領域で振動を静電励起することがで きるように選択される。 振動子は、好ましくは、支持機構の各部の各々について少なくとも１つの薄い 連結ストラットを介して一続きに接続されている。この一続きの振動子と支持機 構との結合体は、片側あるいは両側で、各々１つのスプリングストラットによっ て振動子および支持機構の構成を囲むフレーム内に部分的に保持されている。上 記スプリングストラットは、好ましくは、本質的に振動子の回転運動のみを許容 し、振動子の直線的な偏向運動を抑制する板ばね部材あるいは傾いたスプリング 部材として構成される。 このようなマイクロメカニカル回転速度センサの有利な実施態様は、各振動子 が、各振動子に対して支持機構の連結ストラットとフレームの連結ストラットと を介して一続きに接続された各部とともに、二層のウェーハから好ましくは異方 性エッチングによって形成され、ウェーハの各層が、相互の絶縁のために互いに 対向する表面のそれぞれが酸化されているとともに、複振動子構造を形成するた めに互いにシリコン融着によって接合されているものである。上記の一つの振動 子が他の振動子の下に配置された複振動子構造は、フレームに接合された非導電 性のカバープレートによって上側および下側で密封されている。振動子構造は、 このようにして形成されたハウジング内において、真空中あるいは低圧の不活性 ガス雰囲気下に置かれている。 本発明および更なる有利な詳細部分については、以下に、実施例において添付 図面を参照してより詳細に説明する。添付図面は、以下の通りである。 図１は、発明に係る特徴を備えたコリオリの原理に基づく回転速度センサの複 振動子構造を示す断面図である。 図２は、図１に係る複振動子構造における、上および下のカバープレートによ って補助された合計４つのウェーハ面から形成される層構造を示す分解図である 。 図３は、カバープレートを、その内面に貼着された電極との貫通接続の仕方が 明らかとなるように示す基本断面図である。 図４は、既に説明した既知の平板振動子構造を示す図である。 図５は、同じく既に説明した、１つの面上で互いに横に並ぶように構成された 振動子を有する既知の複振動子構造を示す図である。 図６は、発明に係る特徴を有する片側で連結された複振動子構造を示す部分斜 視図である。 図７は、図６に対応する複振動子構造において、囲みフレーム構成を含み、上 下のカバープレートを含まない複振動子構造を示す図である。 図８は、図６に対応する複振動子構造において、（１１１）面に配されて一種 の十字ばね結合を形成する１組の連結ストラットを介して片側が連結された複振 動子構造を示す図である。 図９は、図８に対応する複振動子構造において、囲みフレーム構成を含み、上 下のカバープレートを含まない複振動子構造を示す図である。 まず、図１は、コリオリ力を用いて回転速度信号を得るマイクロメカニカル回 転速度センサのための２層振動子構造の基本構造および配置を断面図として示し ている。 図５（ＧＢ ２ ２５１ ６８８ Ａも参照）に係る既知の構成が、互いに横 に並ぶように配され、反対方向に振動する２つの質量を有しているのとは異なり 、本発明の図１にかかる実施例の場合には、上記の反対方向に振動する構造体が 、１つの面上で互いに横に並ぶように配されているのではなく、互いに異なる複 数の面上で一つが他の下に配されており、さらに詳しくは、振動子の動力の反力 が互いに完全に相殺し合うようになっている。 図示した例では、振動子構成は、２つの振動素子１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂ を有し、各振動素子はそれぞれ、２つの層を有している。振動素子１ａ、１ｂお よび２ａ、２ｂはそれぞれ、その両側において、連結ストラット９ａ、１９ａお よび９ｂ、１９ｂを介して、振動素子２ａ、２ｂに関しては連結ストラット９ａ 、１９ａおよび９ｂ、１９ｂを介して、片側が平板状支持部４ａ、３ａおよび４ ｂ、３ｂに結合され、その反対側が平板状支持部３３ｃ、３３ｄおよび３２ａ、 ３２ｂに結合されている。平板状支持部３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂと、平板状 支持部３２ｂ、３２ａおよび３３ｃ、３３ｄについては、それぞれスプリングス トラット５、すなわちスプリングストラット５ａ、５ｂ、５ｃ、および５ｄと、 スプリングストラット７、すなわちスプリングストラット７ａ、７ｂ、７ｃ、お よび７ｄを介して、囲みフレーム６、すなわち囲みフレーム６ａ、６ｂ、６ｃ、 および６ｄに対して一続きに接続されている。従って、個々の層、例えば、図１ における最上層は、支持部３ａに対してスプリングストラット５ａを介して一続 きに接続された囲みフレーム６ａを備え、支持部３ａは、振動素子１ａに対して 連結ストラット１９ａを介して結合されている。また、振動素子１ａは、その右 側で、連結ストラット９ａを介して右側支持部４ａに結合しており、右側支持部 ４ａは、フレーム６ａの右側部に対してスプリングストラット７ａを介して結合 されている。この型の振動子機構は、ウェーハ材料から、例えば、異方性エッチ ング工程によって製造される。二層の複振動子構造の個々の層間において、各ウ ェーハ板は、酸化、すなわち互いに電気的に絶縁され、その後、Ｓｉ融着によっ て互いに接合されている。 図１より明らかなように、上側の振動子１ａ、１ｂと下側の振動子２ａ、２ｂ との間の距離は、比較的大きく、その結果、大きな振幅で振動することができる 。逆に、左側支持部３ａ、３ｂおよび３２ｂ、３２ａと左側支持部４ａ、４ｂお よび３３ｃ、３３ｄとの間の駆動コンデンサギャップ３０は、比較的小さく、前 述したように、比較的低い水準のパルス電圧を用いて良好な振動の励起を行うこ とができるようになっている。上述したように、支持機構部３ａ、３ｂおよび４ ａ、４ｂと支持機構部３２ｂと、３２ａおよび３３ｃ、３３ｄとはそれぞれ、振 動素子と比較して厚く、それらの固有周波数は、２つの振動子１ａ、１ｂおよび ２ａ、２ｂの固有周波数と異なるように、詳細にはより高くなるように選択され ている。 スプリングストラット５ａないし５ｄおよびスプリングストラット７ａないし ７ｄは、それぞれフレーム部６ａないし６ｄを有するフレーム６内に複振動子構 造を懸吊あるいは保持するのに供され、図２を見ればより良く分かるように、ｙ 軸（Ａ−Ａ）の周りの回転運動に対して追従し、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向への 直線運動を大きく抑制する板ばね素子として形成されている。 見れば分かるように、図１および図２に係る複振動子は、図５に係る既知の複 振動子構成とは異なり、直接的に励起されるのではなく、支持機構部３ａ、３ｂ および４ａ、４ｂと支持機構部３２ｂ、３２ａおよび３３ｃ、３３ｄとのそれぞ れを介して励起される。この支持構造は、振動子１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂよ り大きい剛性を有しており、それゆえ振動子の共振周波数では小さな動きしか起 こさないが、比較的大きい振動子の振幅をさらに大きくするために、この励振を 図示されているように長い距離あるいは間隔を有している振動子に伝達する。振 動子１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂは直接駆動されないので、この間隔２００は任 意に広く設定することが可能であり、これにより高品質数で振動子を得ることが 良好な安定性で実現可能となる。逆に、励起のためのコンデンサギャップ３０は 、サブミクロンの範囲内で選択することができ、その結果、低い電圧であっても 十分に大きな駆動力を得ることができるであろう。減衰が十分に低く、かつ、励 起位相が適当な値であれば、振動子振幅は各駆動振幅について合計され、より高 い水準の振動子振幅を形成するであろう。上述した高い振動品質は、振動子１お よび２の互いの距離および周囲の構成要素からの距離をより長くすることにより 実現できる。 図示した構成の特異な特徴点は、駆動力が、支持機構３、４および３２、３３ のそれぞれにおける互いに反対方向に運動する２つの半部に駆動力を伝えるべく 設けられた底面構造上で支持されないという事実によっても分かるであろう。逆 に、駆動力は、支持機構の２つの半部の間に直接的にのみ作用する。 この構成の場合には、２つの二層振動子１、２が反対方向に動くので、反力が 外部に放出されない。逆に、外部からの横方向の妨害は、２つの振動子に対して 互いに反対方向に作用し、反対方向へ振動子が運動する結果として、出力信号で は上記の妨害の影響が相殺されるようになっている。 軸Ａ−Ａの周りをセンサ全体が回転運動する場合には、２つの振動子１、２が 振動面から反対の方向に移動する。その結果、振動子の運動と同期したトルクが 軸Ａ−Ａの周りに発生し、そのトルクは支持機構によって吸収される。支持機構 ３、４は、振動子１、２とともにフレームに固定されているので、支持機構の領 域Ｂでの回転運動を容量的に検出することが可能である。この場合、支持機構３ ａ、３ｂおよび３２ａ、３２ｂの左半分と、支持機構４ａ、４ｂおよび３３ｃ、 ３３ｄの右半分とに対して別個に検出を行うことができる。それゆえ、この方法 では、図面の中心に垂直な軸の周りの回転の影響について、信号における補償、 および／または、第２のチャネルでの測定を行うことが可能である。 図示した例では、振動子および支持機構は、上述した平行なスプリングストラ ット５、７および５’、７’によって保持されており、スプリングストラット５ 、７および５’、７’は、図面の紙面に垂直な軸の周りの回転剛性を増すために 板ばねとして形成されている。これらの板ばね部材は、ｙ軸の周りの振動子の回 転運動を可能にしている。２つの複振動子構造の部分１ａ、１ｂ、２ａ、および ２ｂが上述したように互いに酸化物層によって絶縁されていれば、励起用の電位 と検出用の電位とが電気的に絶縁されるので、電子復元装置および電子駆動装置 の配線および設計のみならず速度制御にもかなり都合が良い。 領域Ｂ（図１参照）内の支持構造は非常に小さい運動しか行わないので、この 結果として、狭い駆動コンデンサギャップ３０によって回転運動の読み取り感度 を高くすることができるというさらなる利点が得られる。 振動子の運動、すなわち励振器の振動の検出に必要な電極と、支持機構の領域 における回転運動（誘導された回転速度）の検出に必要な電極とは、振動子機構 を封止している底板およびカバープレート２６および２７のそれぞれの内側に金 属被覆として付着させてもよい。 ２つの振動子について必要な低い減衰を達成するためには、センサの実用期間 にわたって振動子の周囲に安定な負圧を維持しなくてはならない。ハウジングに 必要な気密度は、非導電性材料、例えば、ガラスからなる陽極接合された底板あ るいはカバープレート２６および２７によって達成することができる。電極の結 線は、底板あるいはカバープレートの開口を通して接続され、前記と同様に接合 されたＳｉアイランドによって気密となるように封止されている。これらについ ては、図２を参照して以下により詳しく説明する。 この図２は、本発明に係る構成の一種であるマイクロメカニカル回転速度セン サの完成品を引き離して分解した図を示している。中央の４つの層状振動子構造 は、既に図１を参照して説明した通りである。上側の振動子１は、２つの部分１ ａおよび１ｂを含み、これらは絶縁の目的で互いの接触面上において酸化されて おり、Ｓｉ融着（ＳＦＢ）によって堅固に結合されている。部分２ａおよび２ｂ を備える振動子２は、振動子１と同様の構成である。振動子１および２は、互い に逆相で振動するように励起される。 望ましいコンプライアンスを設定するために、トレンチ状のくぼみを形成する 連結ストラット９ａ、９ｂおよび１９ａ、１９ｂのそれぞれと連結ストラット９ ａ、９ｂおよび１９ａ、１９ｂのそれぞれとの厚みとして適当な値を選択するよ うにしてもよい。 振動子の＋ｚまたは−ｚ方向への横方向運動の検出は、コンデンサ表面１２お よび１３を介して行われる。コンデンサ表面１２および１３は、２枚の接合可能 な絶縁板、すなわちカバープレート２７および底板２６の内側に付着された金属 被覆として形成され、接合されたシリコンアイランド２０、２１および２８、３ １に対してこれら絶縁層の開口を通して接続されている。上記の貫通結線は、電 極自体と全く同様の導電層を付着させる操作によって作成することができる。図 ２は、また、概略ブロック回路図において、電子速度制御装置への接続あるいは 電子リセット装置からの接続を明示している。 同様にして、図２に示す例では底板２６についてのみ示しているが、振動子１ および２から支持機構部３ａ、３ｂおよび３２ａ、３２ｂのそれぞれと支持機構 部４ａ、４ｂおよび３３ｃ、３２ｄのそれぞれとに伝達された回転速度によって 誘導された回転運動を検出するための表層状の電極８、９および１０、１１が設 けられている。これらの電極の各々は、金属導電体路３４、３５、３６、３７、 ３８、および３９を介して、円錐状あるいは円錐形の貫通リード１４、１５、１ ６、１７、１８に接続されており、貫通リード１４、１５、１６、１７、１８は 同じく金属被覆されている。図３は、この型の貫通接続の実施例を示している。 円錐形の開口は、各々、センサの上下を密封する陽極接合された導電性シリコン アイランドによって外部に対して封鎖されている。これら導電性シリコンアイラ ンドは、小型接続板２０、２１、２２、２３、２４、および２５を同時に形成し ているか、あるいは、小型接続板２０、２１、２２、２３、２４、および２５と ともに設けられている。底板２６およびカバープレート２７は、フレーム６、６ ’上に陽極接合されている。これらには同一のカバープレートを用いてもよい。 電極層との電気的接続は、シリコンアイランドあるいは小型接続板２０ないし２ ５を介してなされていてもよい。 図２は、また、２つの複振動子がどのようにして電気的に接続されて励起され るかを概略図で明示している。例えば、上部の振動子１ａは、フレームを介して 一定の電位＋Ｕconst に接続することができる。接地されているコンデンサは、 交流（Ａ．Ｃ．）遮蔽を示す。２つめの部分の振動子１ａは、その次に、そのコ ンデンサに対して励振器パルス＋Ｕexc を電子駆動装置から印加している。第２ の複振動子の上部２ｂは、図示されているように、一定の電位、例えば、接地電 位、あるいは、電子駆動装置によって付与される適当な負のパルス電位−Ｕexc をとりうるものである。 図示した実施例では、振動子の運動を検出するための検出電極は、電極８およ び９（あるいは電極１０および１１）に分割されており、その結果、対称的な容 量式検出の設計、および、強度の照射の抑制の実現を可能にしている。 図６は、複振動子構造の第１実施例を示す。上記の複振動子構造は、概ね、図 １を用いて上記で説明したのと全く同様に構成されており、各々２層である振動 子１および２が設けられているのも同様であるが、振動子１および２が単一の狭 い駆動コンデンサギャップ３０のみを介して励起される点、および、各振動素子 １ａ、１ｂおよび２ａおよび２ｂに対して、連結ストラット９０ａないし９０ｄ と支持部４ａ、４ｄおよび３３ｃ、３３ｄとが各々１つずつしか設けられていな い点で異なっている。さらに、振動子１および２の各々に対して前側の中央に配 された１つのスプリングストラット７０および７０’が設けられており、スプリ ングストラット７０および７０’を介してそれぞれの電気的接続をなしうるよう になっている。中間面においては、すなわち内側の振動素子１ｂおよび２ａに関 しては、中央に配されたスプリング部材７０、７０’からずらして配置されたス プリングストラット７１ないし７４が設けられている。このようにスプリングス トラット７０、７０’とスプリングストラット７１ないし７４とがずらして配置 されている結果、振動素子１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂのそれぞれの面（ウェー ハ面）における剛性はかなり向上している。 図７は、初めに述べた実施形態に対して部分的変更がなされたフレーム構造６ 、６’の構成を示している。フレームの長辺側の中心には互いに一列に並べられ た複数の装着アタッチメント６０が一体的に形成されている一方、フレームの短 辺側の片方または両方には互いに対してずらして配置された側面接点４０、４１ 、４２、および４３が形成されている。 図８に係る二層振動子構造の実施形態は、図６に係る実施形態とは、スプリン グストラット８０ないし８３が、一側面で斜めになって一列に並んでいるととも に互いに交差しているという異なる型の配置を有する点で異なっている。現行の 平板状振動子構造が、その一側面において自由端（左端）から前方へ結合され、 結合側の前面が個々の（１００）Ｓｉウェーハからなっていたのに対し、スプリ ングストラット８０ないし８３およびスプリングストラット８０’ないし８３’ は、前方への異方性エッチング、すなわち（１１１）面からの異方性エッチング によって形成されており、詳細には、図８から容易に分かるように、１つの十字 ばね結合の様になっている。当業者にとって自明であるように、図８に係る振動 子構造の構成様式によれば、いくつかの生産上の利点が得られると同時に、ウェ ーハ面の剛性が改良される。 最後に、図９は、図８に係る振動子構造を有する本発明に係るマイクロメカニ カル回転速度センサの完成した層構造を示す。但し、この構成においても、カバ ープレート２６および２７を省いている。上記のフレーム構造は、図７のフレー ム構造に対応している。 本発明を用いることにより、外部の振動の結果として生じる構造共振の励起を 構造に関する対称性によって完全に回避できるように配置された支持機構を介し て２つの振動子が励起される、マイクロメカニカル工学を用いて全て製造可能な コリオリの原理に基づいた回転速度センサが提供される。この支持機構は、回転 速度によって誘導されたトルクを振動子から受け、振動子の横方向の振幅よりは るかに小さい非常に狭いエアギャップによって検出が行われる。 コリオリの原理に基づいた従前に開示されているマイクロメカニカル回転速度 センサと対照的に、本発明によれば、各ウェーハ面のそれぞれに垂直な方向に振 動子１、２の励起が行われる。水平方向の容量性励起についての前述した不利は このようにして回避され、駆動ギャップが非常に狭いことから、比較的小さい励 起電圧を用いて比較的大きい力を達成できるであろう。 さらに、ここで述べた既知の回転速度センサと対照的に、検出が行われる個々 の振動子はコリオリの加速度によって運動を生じることがなく、このような運動 が生じたとしてもずっと大きい励起振動に対して重畳されることになる。むしろ 、共通の支持機構に対する２つの振動子１、２のコリオリの加速度の効果が、容 量的に検出される。その結果、支持機構に対する振動子の各部の反力は、少なく とも大部分が互いに完全に相殺される。当初生じていた、容量性励起および検出 のためには可能な限り最小のギャップが必要とされる一方、振動子の部分的な運 動のためには可能な限り最大のギャップが必要とされるという矛盾は、本発明に 従い、個々の振動子を共通の励起構造上に設置するというアイデアを用いること により解消される。この共通の励起構造が小さい励起ギャップ３０を可能にして いるのに対して、振動子１、２にはより大きい運動ギャップ２００が設けられて いる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブレング，ウーヴェ ドイツ グンデルフィンゲン デー− 79194 アム ゼー ８ (72)発明者 ハッフェン，マルティン ドイツ ロットヴァイル デー−78628 ズッペンガッセ 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．静電励起されることによって互いに逆相で振動する２つの平板状振動子（ １、２）を有するコリオリの原理に基づくマイクロメカニカル回転速度センサに おいて、 ２つの振動子（１、２）が、２つの面で一方が他方の下になるように層状に配 され、かつ、各平板の面に垂直に振動するように励起され得るようになっている ことを特徴とするマイクロメカニカル回転速度センサ。 ２．上記振動子（１、２）の各々が、対向する両側で平板状支持機構の一部（ ３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂ；３２ａ、３２ｂおよび３３ｃ、３３ｄのそれぞれ ）に接続され、上記平板状支持機構の一つが他の平板状支持機構の下に配置され 、上記平板状支持機構を介して振動が静電励起されるようになっていることを特 徴とする請求項１記載の回転速度センサ。 ３．上記振動子（１、２）の各々が、片側で平板状支持機構の一部（４ａ、４ ｂ、３３ｃ、３３ｄ）に接続され、上記平板状支持機構の一つが他の平板状支持 機構の下に配置され、上記平板状支持機構を介して振動が静電励起されるように なっていることを特徴とする請求項１記載の回転速度センサ。 ４．上記支持機構の固有周波数が、上記振動子（１、２）の固有周波数と異な るように、好ましくは振動子の固有周波数より高くなるように選択されており、 各振動子に係る支持機構部分が、それらの反力が互いに相殺し合うように配置さ れていることを特徴とする請求項２または３記載の回転速度センサ。 ５．上記振動子（１、２）の振動の最大振幅が支持機構の上記領域に駆動コン デンサギャップ（３０）を通して振動を静電励起するための励振の最大振幅より も顕著に大きくなるように、上記支持機構から延びる振動子の厚みが、上記支持 機構の厚みより薄くなっていることを特徴とする請求項２または３記載の回転速 度センサ。 ６．上記振動子の各々が、上記支持機構に対し、少なくとも１つの薄い振動励 起スプリングストラット（９ａ、９ｂまたは１９ａ、１９ｂと９ｃ、９ｄまたは １９ｃ、１９ｃ；９０ａないし９０ｄ）を介して一続きに接続されていることを 特徴とする前出の各請求項のいずれか１項に記載の回転速度センサ。 ７．上記支持機構が、片側あるいは両側で、すなわち振動子から離れる方向に 向かう外側で、スプリングストラット（７０、７０’；５、７または５’、７’ ）によって振動子および支持機構の構成を囲むフレーム（６、６’）内に保持さ れていることを特徴とする請求項６記載の回転速度センサ。 ８．上記スプリングストラット（７０、７０’；５、７または５’、７’）が 、上記各振動子（１および２）の回転偏向運動を生じさせるとともに振動子の直 線運動（±方向の運動）を大きく抑制する板ばね部材として構成されていること を特徴とする請求項７記載の回転速度センサ。 ９．上記各振動子（１および２）が、各振動子に対して一続きに接続された支 持機構、スプリングストラット、およびフレームの各部とともに、二層のウェー ハから異方性エッチングによって形成されており、ウェーハの各層が、相互の絶 縁のために互いに接続されている各表面上にて酸化されているとともに、複振動 子構造を形成するようにウェーハ接合によって互いに接続されていることを特徴 とする前出の各請求項のいずれか１項に記載の回転速度センサ。 １０．上記ウェーハが、（１００）Ｓｉウェーハであることを特徴とする請求 項９記載の回転速度センサ。 １１．上記の一つの振動子が他の振動子の下に配置された複振動子構造が、フ レーム（６、６’）に接合されたカバープレート（２６、２７）により上側およ び下側で密封され、このようにして形成されたハウジングの内側が、真空排気さ れるか、あるいは低圧の不活性ガスで満たされていることを特徴とする請求項９ 記載の回転速度センサ。 １２．上記カバープレート（２６、２７）が、ガラスからなり、フレーム（６ 、６’）に沿って陽極接合により密封状態となるように接合されていることを特 徴とする請求項１１記載の回転速度センサ。 １３．上記カバープレート（２６、２７）が、その内側で平らな金属表面（８ ないし１３）によって覆われ、上記の平らな金属表面が、一方で、上記の２つの 振動子（１、２）に対して振動の検出あるいはコンデンサ表面のリセットのため に付与され、他方で、上記の間隔を空けて配置された支持機構の各部に対して電 極の励起あるいは回転速度によって誘導された運動の検出のために付与されてい ることを特徴とする請求項１１または１２記載の回転速度センサ。 １４．上記金属表面（８ないし１３）が、上記カバープレート（２６、２７） におけるめっきされたスルーホールを介して電気的に接続可能であり、上記スル ーホールが、その外側で導電性導電性閉止アイランドに接合されることによって 閉止されていることを特徴とする請求項１３記載の回転速度センサ。 １５．上記導電性閉止アイランドが、高度にドーピングされた材料によって形 成され、上記カバープレートに対して陽極接合あるいはＳｉ融着により密封状態 となるように接合されていることを特徴とする請求項１４記載の回転速度センサ 。 １６．上記フレーム（６ａないし６ｄ）が、上記層構造の外側面の少なくとも 一つに、層間でずれた電気的接続のためのアタッチメント（４０ないし４３）を 備えていることを特徴とする前出の各請求項のいずれか１項に記載の回転速度セ ンサ。 １７．上記フレーム（６ａないし６ｄ）が、対向する２つの側面に、一列に並 べられた装着アタッチメント（６０、６１）を備えていることを特徴とする前出 の各請求項のいずれか１項に記載の回転速度センサ。 １８．上記支持機構が、片側で各オシレータの各々に対して付与されたスプリ ングストラット（７０、７０’）から離間するように保持されれば、各フレーム （６ａないし６ｄ）のそれぞれへの接続を行うために、上記支持機構に対してさ らにオフセットするように配置された保持・接続ストラット（７０、７０’）が 備えられるようになっていることを特徴とする請求項７記載の回転速度センサ。 １９．上記各板ばねストラットが、各ウェーハ層のそれぞれの（１１１）面に おける異方性エッチングによって形成され、偏向の生じうる方向に対して傾くよ うに配列されていることを特徴とする請求項１０記載の回転速度センサ。 ２０．各ウェーハ層に対して、仮想中心線に向かって等しい角度に配置された ２つの板ばねストラットが、層間で互いに一列に並んで交差し、全体として十字 ばね結合を形成するストラット配置となるように備えられていることを特徴とす る請求項１９記載の回転速度センサ。