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JP3483567B2 - 一体化センサを備えたモノリシックシリコン・レートジャイロ - Google Patents

一体化センサを備えたモノリシックシリコン・レートジャイロ

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JP3483567B2
JP3483567B2 JP52360195A JP52360195A JP3483567B2 JP 3483567 B2 JP3483567 B2 JP 3483567B2 JP 52360195 A JP52360195 A JP 52360195A JP 52360195 A JP52360195 A JP 52360195A JP 3483567 B2 JP3483567 B2 JP 3483567B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はジャイロスコープ及び加速度計、特に微細加
工して得られるジャイロスコープ及び加速度計に関す
る。
背景技術 振動ジャイロスコープは、振動体上のコリオリ力の効
果を感知することにより回転速度を測定する。かかるセ
ンサは、多数の用途に対して極めて興味を起こさせる。
回転ジャイロの精度は欠くが、その価格は多くの用途に
対して魅力的である。一つの例は自動車のブレーキ制御
システムで、そこではスピンを避ける為、車の回転速度
が感知且つ制御される必要が有る。多くの振動固体ジャ
イロの価格は、水晶又は圧電材料を用いて、現在のとこ
ろ500から1500ドルである。
この価格は自動車ブレーキシステム、ロボット制御、
仮想現実シミュレーション、ビデオゲーム等の多くの潜
在的な大量商品用途に対しては高すぎる。これ等の用途
では、製品を育む為に一桁又は二桁の価格の低下を必要
とし、またこの価格性能比を達成する為に半導体製造技
術が要求される。
微細加工レートジャイロは、既に作られている。ドレ
ーパー研究所所有のビー・ボクセンホーン［B.Boxenhor
n］米国特許第4598585号には、互いに直角に位置する一
対のジンバルから成る微細加工平面慣性センサが記載さ
れている。内側のジンバル板がその上に、ジャイロスコ
ープ検出器として作用する実質質量体を担うようにして
いる。上記特許でｙ軸として記載されている外側のジン
バルは、静電力（又は電磁力）により駆動され、且つ内
側ジンバルの捻れ共振周波（振動）数に等しい周波（振
動）数で、引っ張りモードで振動する。ｚ−軸を中心と
するセンサの回転により、第一の振動が内部共振周波
（振動）数を振起し、この共振周波（振動）数が内側ジ
ンバル上の一組の容量性センサによって検出される。
この方法は原理において簡潔である。従来の装置にお
いては、ジンバルが二酸化シリコン、窒化物、オキシ窒
化物等、或いは打ち抜き鋼又はアルミニウム板をも含む
多くの材料から作れることが示唆されている。それ等が
付着される間に、適切な応力をもつ材料を作ることは極
めて難しい。その結果、駆動周波（振動）数に整合する
為に、内部ジンバルの周波（振動）数が上手く決定され
ず、トリミングが必要となる。これ等の材料はまた加工
硬化を受け易く、従って、内部共振の周波（振動）数が
時間的に変化し、駆動周波（振動）数との不整合及び感
度の見かけ損失を生ずる。
ボクセンホーン［Boxenhorn］による米国特許第46990
06号には、同一技術に基づく振動ディジタル積分加速度
計が開示されている。この場合には、ｚ−軸加速度がｙ
軸の周りの共振周波（振動）数に変化を生ずる。周波数
の変化がｚ−軸加速度を表す。
ポール・グライフ［Paul Greiff］による米国特許第5
016072号には、この技術の更なる改良が記載されてい
る。米国特許第4598585号の誘電性層がボロンドープｐ
＋シリコンで置き換えられ、非対称質量体が対称のもの
に置き換えられた。酸化物内側撓み部の皺が内部共振周
波（振動）数の好ましくない大きな変動を生じ、特別な
撓みフーティング［footings］を設ける必要が有る。撓
み部に制御可能な剛性を与える為に、撓み溝が必要とさ
れる。ボロンドープ材料内の応力は、応力開放とヒンジ
のトリミングを必要とする。静電的力平衡技術が、内側
ジンバルの運動を抑制し、且つ交差結合及びその共振周
波（振動）数の変化を回避する為に用いられる。外側軸
を内側軸の共振周波（振動）数で駆動する必要が有り、
これが推測により為され、且つ周波数トリミングを必要
とする。
ドレーパー研究所［Draper Lab.］所有のジェー・バ
ーンスタイン［J.Bernstein］による米国特許第5203208
号には、此処でもボロンドープシリコンを用いて、対称
性微細機械的ジャイロスコープに用いる機械加工単結晶
シリコンヒンジが記載されている。此処では、両軸の共
振周波（振動）数が同一になるように設計され、且つ同
一になるようにトリミングされる。ボロンドープシリコ
ン内の応力を開放する為に、トリミングスロットも必要
とされる。その結果、駆動電圧の大幅な減少が可能にな
り、寄生ピックアップ信号の除去をかなり助けている。
ボクセンホーン［Boxenhorn］とグライフ［Greiff］
は、「センサ及びアクチュエータ」［Sensors and Actu
ators］A21−A23（1990）273−277において、上記米国
特許第4598585号に記載された形式のシリコン加速度計
の具現化を述べている。此処では、撓みがボロン拡散シ
リコンから作られる。両者は、この手法で遭遇する困難
を未知のプレストレスに帰し、これが装置の捻れ剛性と
感度を設定するものとした。
上記方式の全てにおいて、ヒンジ材料内の応力は未制
御であり、また周波（振動）数は未だ予測不能である。
発明の要旨 本発明の一目的は、改良された周波数安定性を有し、
且つ製造が容易であり、低廉価な微細加工ジャイロスコ
ープを提供することである。
従来技術で提案された微細加工ジャイロスコープの欠
陥の多くは、質量素子のヒンジに、応力（ストレス）の
無い単結晶シリコンを用いることによって克服される。
これを達成する一方法は、開始材料として、Simox材料
を用いることによる。単結晶シリコンは、この材料がど
んな転位も無く、且つ加工硬化しないので、理想的ヒン
ジ材料である。このことは、ヒンジが絶えず極めて高い
周期的応力下に在るので、極めて重要である。その特性
と共振周波数は予測可能であり、どんなトリミングスロ
ットも必要としない。Simox材料はまた、良好に制御さ
れるエッチストップを提供する。或いは、逆ドーピング
の基体上に成長するエピタキシャル材料も、周知のよう
に、電解エッチングと共に、用いることが出来る。
ヒンジに単結晶シリコンを用いると、極めて感度が高
く、しかも廉価な４点電圧センサを組み込み、ヒンジの
捻れ変位を測定することが出来る。前記メッキ質量体を
シリコンで、また要すれば、対称形式で置き換える。そ
の結果、ジャイロの複雑性とコストを大幅に少なくする
ことが出来る。
従来技術の設計と比較して、好適な実施例では、被駆
動軸と感知軸が反転される。これにより、シリコンのよ
り良い使用が可能になる。被駆動軸をその自然周波（振
動）数で共振させることが容易になる。感度が大きく増
大するので、第二軸は共振を要しないが、望むなら、そ
れも出来る。加工硬化は起こらず、またシリコン内には
応力は殆ど無いので、共振周波（振動）数は予測可能
で、且つ安定している。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による微細加工装置の上部平面図であ
る。
図２は、図１の線２−２に沿って取られた断面図であ
る。
図３は、捻れ変換器を示す、図１の装置の捻れヒンジ
の拡大図である。
図４は、図３に示された捻れ変換器の代替的実施例を
例示する。
図５は、本発明の装置を製作するSimoxウェーハの部
分的破断平面図である。
図６は、ウェーハボンディングを用いて本発明により
対称的装置を製作する方法を側面図で示す。
図7aと図7bは、本発明の装置の磁気駆動構造を例示す
る。
図8aと図8bは被駆動軸と感知軸を反転した、代替的駆
動構成を例示する。
図9aと図9bは本発明による捻れ加速度計装置を例示す
る。
発明を実施する最良の様式 図１と図２を参照して、外側シリコンフレーム101は
一対のヒンジ（ｙ軸）103を中心として振動するもの
で、内側フレーム105に取り付けられている。内側フレ
ーム105はそれ自体、一組の捻れヒンジ107（ｘ軸に沿っ
た）で第一組のヒンジ103と直角に、固定された内側ポ
スト109に取り付けられている。外側フレーム101は充分
に制御された振幅で自己振動するようになってい、また
静電気力又は電磁力の何れかにより、例えば、静電気力
又は電磁力を離間する外側フレーム101に伝達する板113
を用いて駆動される。シリコン外側ヒンジには一つ又は
複数の組み込み捻れセンサ111が設けられてい、自己振
動及び振幅安定化手段を提供している。
ｚ−軸を中心としてシステムが回転すると、振動する
外側シリコンフレーム101と内側フレーム105の運動質量
がコリオリ力により内側ヒンジ107の周りに振動し、そ
れによってこれ等のヒンジ107を周期的に捻る。内側ヒ
ンジ107を中心とする振動の振幅は、加えられたｚ軸回
転の速度に比例する。これ等内側ヒンジ107はまた、構
造の回転速度に比例するヒンジ変形を測定する、同様の
４端子圧電捻れセンサ又は容量性センサ115を具備す
る。種々のセンサに対するリード線が固定結合ポスト11
7から導出されている。要すれば、変換器を180゜反転さ
せ、ポスト上のリード線に直接結合しても良い。
外側振動フレーム101の大きい振幅、所定チップ寸法
に対するその大きな慣性モーメント、Siの優れたバネ特
性及び捻れセンサの優れた感度により、この設計は極め
て良好な感度を与える。異方性Siエッチングの望ましい
向きの多くは、最適捻れ感知のものと一致することが分
かった。シリコンでこれ等全ての部品を完全に一体化す
るから、装置を極めて廉価に作ることが出来る。要すれ
ば、電子デバイス回路も一体化出来る。
一般に、内側ヒンジの周りの捻れ共振は外側ヒンジの
共振より高く選ばれる。ｘ軸を中心とする共振周波（振
動）数を、ｙ軸を中心とする外側フレームの共振周波
（振動）数に近づけることが出来る。従って、要すれ
ば、内部バネの周りで得られる変位（excursion）を、
共振が起こらない場合に得られる「静的」信号よりずっ
と大きくすることが出来る。これは、前記具体例で用い
られた特徴である（内側軸と外側軸の反転を除いて）
が、内部共振周波数の正確な設定が要求される。内側共
振周波数は、外側フレームがｙ軸の周りに回転するにつ
れて変化する。これがｘ軸に沿う慣性モーメントを変化
させるからである。交差結合が起こるが、これを回避す
るためには、感度の増大が必要なければ、共振周波数間
の分離をするのが良い。感度の増大は、次のレートジャ
イロ方程式の解析式から分かる： Ｊ＋ｂ＋ｋφ＝−ｈ ここでφはジャイロ（内側軸）の角度、Ｊはジャイロの
慣性モーメント、ｂは減衰定数（もし何か有れば）、ｋ
は内側ヒンジのバネ定数である。ψはｚ軸の周りの回転
速度、ｈは積Ｉωで与えられるスピン運動量であり、こ
こでＩは振動体の慣性モーメント、ωはその角速度であ
る。回転するジャイロに対してω＝ｄθ/dtはしばしば
一定であるが、振動ジャイロに対してθは時間のシヌソ
イド関数であり、従ってスピン運動量もそうである。も
しθ＝θ0sinωｔであれば、ｈ＝Ｉθ０ωcosωｔであ
る。過渡効果と共振条件を無視すると、角度に対する安
定状態解は次のように与えられる： φ＝−Ｉωθ0cosωｔ／（−ω2J＋ｊωｂ＋ｋ） Ｉ、ω及びθ０が大きければ大きいほど、また内側ヒ
ンジのバネ定数ｋが小さければ小さいほど、結果となる
偏向角は大きくなる。回転速度を一に等しく設定する
と、上記の式は全設計の標準感度としてみることが出来
る。捻れセンサは実際に歪（又は応力）センサであるか
ら、最適化されるべき量は撓みから僅かにのみ異なる最
大歪である。与えられたダイ寸法のシリコンに対して、
最大有効数字は、Ｉ及びθ０、即ち振動の振幅を増大す
ることによって、得られる。Ｉを大きくすると、通常ω
は低下するが、この減少はＩの増大によって大幅に補償
される。振動体を外側に置くとシリコン資源の使用が改
良されるのは、この理由に依る。バネ定数ｋは、感度を
上げる為に、任意に小さくすることは出来ない。これ
は、内側ヒンジは衝撃に対して大きい安全係数で全質量
を支持出来なければならないからである。
典型的な設計は、外側方形フレームの寸法を5mmに、
ウェーハの厚さを500ミクロンに、フレーム101と105の
幅を800ミクロンに、外側ヒンジ103を200ミクロンの長
さ、80ミクロンの幅及び10ミクロンの厚さに、内側ヒン
ジを同じ厚さ、175ミクロンの長さ及び100ミクロンの幅
に、そして方形内部ポストは一辺を1.4mmにする。この
設計は、外側ヒンジの周りに約133Hz及び内側ヒンジの
周りに150Hzの共振周波数を与える。最小感度の計算数
値は0.001であり、これは1rad/secの回転速度が、極め
て大きい角度である0.06゜の撓み角度を与えることを意
味する。この角度の小数部は捻れセンサにより容易に検
出出来る。
好ましい捻れセンサ（111、115）は図３に例示された
型のもので、ファン等により記述されたものに類似する
が、此処ではヒンジに対して最適化されている。Journ.
Appl. Phys.,Vol.32,10,pg.2008のW.G.Pfann及びR.F.T
hurstonによる「横断及び剪断ピエゾ抵抗効果を用いる
半導体応力変換器」参照。電流は撓みヒンジ長に直角な
端子121と123を通って流され、出力電圧は端子125と127
間で測定される。
ヒンジの捻れは端子125と127間に電圧の変化を生ず
る。ヒンジの捻れに対して存在する応力（ストレス）
は、表示された電流方向に平行に向いた純粋な剪断応力
である。直角方向に発生される場は次の式によって与え
られる： Ｅ＝いρσπ ここで、Ｅは場で、ρは材料の公称比抵抗、ｉは電流密
度、σは剪断応力、そしてπは特定方向におけるピエゾ
抵抗テンソルの関連する要素である。
図示のようにセンサを向けることによって、電流がヒ
ンジの長さに直角であれば、電流区画は所望の程度まで
長く出来、場の積分である発生電圧は電流区画の長さと
共に線形に増大する筈である。発生電圧は一般原則とし
て電流端子の印可電流を越えることが出来るが、実際に
おいては電流電極の短絡故に、そのように高くなること
は無い。この好ましい実施例では、センサの形状はヒン
ジの形状に完全に整合している。
別の向き付けを、図４に示す。此処では、電流は端子
131から133までのヒンジ長に平行し、電圧は端子135と1
37間でヒンジ長に直角にピックアップされる。発生場は
同一式によって与えられるが、電流幅はここではヒンジ
幅に限定される。ここで電圧を増大する唯一の方法は、
電流リードでの印可電圧を増大することである。尚、捻
れセンサの第一の向きは他の理由によっても有利であ
る。即ち、電流供給ラインは通常、極めて広く、図４の
ように向いていると、電圧感知ラインを引き出す余地は
殆ど無い。ヒンジがかなりの剪断応力下にあれば、電流
搬送ラインをヒンジのエッジに置くことが有利であり、
そうすると金属疲労を低下させるので、剪断応力は零と
なる。
正しい向きにあるシリコンは剪断に対して極めて高い
感応性がり、この感応性は他の応力に対しては更に大き
い。殆どの微細加工に対して好ましい向きである、Siウ
ェーハ面の［100］配向に対して、最も高い剪断感応性
は、ｐ型シリコンでは［100］の向き、ｎ型シリコンで
は［110］の向きにした捻れヒンジで得られる。ピエゾ
抵抗係数は、比抵抗が0.01ohmーcmのオーダーの値に達
するまでは、ドーピングには殆ど無関係である。尚、こ
の捻れセンサの出力はヒンジのどんな線形応力又は曲げ
にも無関係である。４接点（電流に対して２、電圧に対
して２）の代わりに数を、一つの電流注入点及び二つの
対称位置に置いた電流ピックアップ点を用いることによ
って３に、少なく出来る。
上記ピエゾ電圧はバルク効果である。だが、興味有る
多くのヒンジにおいて、ヒンジの厚さはヒンジの幅より
ずっと小さい。剪断応力はヒンジの他方の面上では符号
が逆になるので、発生電圧も符号が逆になる。これらの
効果は、電流がヒンジの厚さに亘って均一であれば、互
いに相殺する傾向が有る。従って、印加電流はヒンジの
半分に制限されなければならず、そうすると剪断応力は
常に同一符号となる。実際、電流をヒンジの頭部数ミク
ロンに限定するのが極めて良い。これは、応力がそこで
最も大きいからである。更に、電流消散を減少すること
が好ましい。これは、頭部数ミクロンを優先的に重ドー
ピング（ｎ型材料に対してｎ型）することによって、或
いは接合アイソレーション（例えば、ｐ型基地にｎ型井
戸を作る）することによって為される。後者の技術はセ
ンサが電気的に最早ヒンジや付随する構造の部分ではな
くなり、接合隔離され、従って、駆動電圧ピックアップ
に対してより不感応になると云う利点が有る。
DCオフセット効果等及び駆動電圧での干渉ノイズを回
避する為、捻れセンサに供給される電流はAC、通常共振
周波数の何れよりも高い周波数のACとすれば良い。そう
すると、捻れは駆動周波数でピックアップ電圧を振幅変
調する。変調された振幅は容易に復調され、所望の信号
を与える。捻れセンサの出力を正のフィードバック機構
で用い、外側フレーム101をその共振周波数で共振させ
ることが出来る。或いは、前記出力をヒンジの撓みの目
安としても用いることが出来る。
製作の為には、Simoxウェーハがより好ましいが、一
般原則として、同様の構造を有する他のどんなシリコン
・オン・インシュレータも用いることが出来る。その下
部構造として異なる型のエピタキシアル成長シリコン
も、電解エッチングと共に用いることが出来る。必要な
のは、適切なエッチストップにより本体（バルク）から
分離された、高品質で応力の無いシリコンの層である。
ヒンジがこのSimox材料から成る時、このヒンジは事実
上ストレスが無く、極めて高品質である。図５に示す型
のSimoxウェーハは、酸化物層の表面に成長した、厚さ
が１ミクロン以下から数十ミクロン迄のエピタキシアル
単結晶シリコン層141から成る。上部Si層141の下には、
厚さが一般に数千オングストロームで、且つそれ自体が
シリコンウェーハ本体145の表面に着座する二酸化シリ
コン層143が在る。形態においてSimoxと等価である他の
シリコン・オン・インシュレータ構造を用い、異なる方
法を用いて構造を作ることが出来る。
このウェーハがKOH又はEDA等の向き依存エッチングし
て用いられる時、酸化物は極めて良好で、充分に制御さ
れ、且つ清浄なエッチストップを提供する。エピ（ep
i）付着は均一な厚さの層を生ずるので、エピの厚さに
より決定されるヒンジ厚さは、寸法がウェーハに亘って
極めて均一である。この特性が、ウェーハ上の全デバイ
スの均一な共振周波数を得る為に重要な、極めて均一な
ヒンジ厚さをもたらす。
一般に、ウェーハは周知のように、適切な異方性エッ
チング材を用いて、裏面からエッチングされ、種々の空
洞と質量体を画成する。例えば、図１と図２において、
フレーム101及び105とポスト109が、シリコンウェーハ
からエッチングされる。フレームの凸状隅（もし何か有
れば）を保護する為、エッジ補償を用いることが出来
る。隅のエッチングは、全隅が対称的にエッチングさ
れ、質量体の対称性を保つならば、重要では無い。ウェ
ーハの本体を通って底部エッチングが完了した後、エピ
タキシアルシリコンが、ヒンジと板の輪郭とを画成する
表側からエッチングされる。これは、RIE塩素エッチン
グで、又は再び異方性エッチングを用いて為される。次
いで、酸化物が除去され、質量体とヒンジを自立するよ
うに残す。図１と図２におけるヒンジ107は一例であ
る。振動フレームは、開始ウェーハの全厚さであって
も、或いはエピ層の厚さであっても良い。エッチング処
理手順は、要すれば逆でも良い。此処では、どの質量体
もメッキを要せず、シリコン自体により提供され、極め
て実質のものとすることが出来る。
ヒンジ上での捻れセンサのオーム接点は周知のよう
に、例えば金を用いて、板にリソグラフィック画成、付
着及び焼鈍することにより得られる。金は容易に、用い
られるエッチング剤に耐える。センサの接点は、深リソ
グラフィー工程前に作られる。これは、さもなければパ
ターン化が極めて困難になるからである。
図１に概略されているように、本実施例装置は、或程
度の交差振り子性を蒙る。即ち、振動子の質量中心とそ
の回転軸は一致しない。捻れ振動中に、創生される遠心
力が振動子振動数の倍のところで励起を生じ、また外側
フレーム101の垂直シェーキングモードを励起すること
が有る。この理由で、振動する外側フレーム101のモー
ドスペクトルは、出来るだけ綺麗であるべきである。捻
れ抵抗モードはモードスペクトル中で最も低いものであ
って、より高いモードから出来るだけ、このより低い共
振周波（振動）数の少なくとも20％だけ分離されるべき
である。これは一般に、共振周波（振動）数が低ければ
容易に行える。
だが、最良の性能に対し、同一厚さの二つのウェーハ
を用いて対称的振動子を構成することが出来る。図６に
おいて、一つの処理Simoxウェーハ101と通常のウェーハ
147を、結晶方向が揃うように相互結合する。Simoxウェ
ーハは通常の方法で処理され、先ずエピタキシアル層と
主ウェーハ体の接合下側フレーム部分、即ち、ヒンジと
同一平面上とその下に在るフレーム部分にヒンジパター
ンを形成する。次いで、ウェーハをエッチングして、過
剰材料を除去する。次いで、第二のウェーハがSimoxウ
ェーハに結合される。フレームの上部、即ち、ヒンジの
面の上に対応するパターンをマスクし、過剰ウェーハ材
料をエッチングして取り除く。二つのSimoxウェーハを
用いることも出来るが、これは必要でない。これを周知
のように、種々の方法で為すことが出来る。同一厚さの
ウェーハを選ぶことにより、実質的に対称的構造が得ら
れる。全構造を、真空エンクロージャ内に取り付けるこ
とが出来る。エンクロージャの内部壁を用いて、フレー
ム部材から離間した駆動電極を支持することが出来る。
捻れ振動子が自己起動し、且つ自己振動すること、即
ち、外部から与えられた周波（振動）数をもつのではな
く、寧ろその自己固有の振動数を選ぶことが高度に望ま
しい。これは、ｙ軸ヒンジ103の一つに上記の型の捻れ
センサ111を用いることによって達成される。そのよう
にして、要すれば復調されるその出力は、充分に増幅さ
れ、また正しい位相で静電気的又は電磁的の何れかの駆
動機構に帰還され、振動を制御された振幅で維持させる
のに充分な正のフィードバックを創生する。或いは、内
側捻れヒンジ内の線形歪を観測することにより、外側フ
レーム101の共振状態を感知することが出来る。外側フ
レームの回転は反動により内側ヒンジの周期的撓みを起
こし、それが内側ヒンジ内に圧縮及び捻れ応力を発生す
る。これ等を、通常の２端子ピエゾ抵抗素子によりピッ
クアップすることが出来る。もし内側捻れヒンジが［11
0］方向に向いていれば、ｎ型材料は、使用出来るが、
縦方向応力に対してあまり感応性がない。一方、ｐ型材
料は感応性が有る。かかる二重使用の為の最良材料は、
［110］方向に向いたｐ型材料である。この材料内のｎ
型井戸は最適の捻れ感知を提供する一方、ｐ型材料は剪
断応力に対して最適である。上記と同様の理由で、応力
感知は通常、上部数ミクロンに限られる。捻れセンサ
は、圧縮及び剪断応力に対して感応性が無い。
外側フレーム101の励起は、図１に例示されているよ
うに静電気的に為されるならば、プル／プル装置113
で、出来るだけ対称的に為されねばならない。この目的
の為には、磁気励起を用いることも出来る。これは、図
7aと図7bに概略的に示されている。コイル151は外側フ
レーム101上に付着されるが、短絡を回避する為、薄い
誘電体層により隔離され、電流はリード153を通って流
れる。小さい永久磁石155と磁気保磁子157が磁気構造を
提供し、Ｂ場159を創生する。電流と場の間の相互作用
はコイル151上に力161を生じ、ヒンジ103の周りにトル
ク163を発生する。構造が小さいので、比較的大きい磁
場を廉価な磁石で作ることが出来る。コイル151は、上
部フレーム上に置かれ、一つのヒンジを通って回帰す
る。この駆動方法は静電気駆動に必要な高電圧を要さ
ず、小さい捻れ信号の駆動だけでなく、プックアップを
もより容易にする。磁場159は対称的で、ｘ方向の外辺
場を含むべきである。そうでなければ、横断場との電流
の相互作用がｘ軸の周りにトルクを発生することにな
る。
駆動に要する静電電圧は、ジャイロを真空中で動作さ
せると、大幅な減少が可能となる。振動する外側フレー
ム101のＱは100万に近いものと観測されているので、駆
動電圧は容易に約１ボルトに低下し得る。駆動力はその
場合、回転体の慣性と比較して無視出来るので、駆動の
対称性は重要でなくなる。モードスペクトルはまた真空
において、より綺麗になる。廉価な真空エンクロージャ
を、微細加工及びウェーハボンディング技術により作る
ことが出来る。
内側ヒンジ107上の検出機構は二つの方法、即ち直線
センサとして、又は力フィードバック機構としての何れ
かで動作出来る。後者は、交差結合を減少するので、一
般により好ましいことが知られているが、より複雑な電
子機構を必要とする。このデバイスは充分感応性が有る
ので、内側ヒンジ107を剛性化し且つ変位（excursion）
を小さくすることによって、同じ利点が達成出来る。力
フィードバックは、磁気又は静電気力の何れかを用いる
ことによって達成出来る。第一のものが望ましいが、駆
動用に静電気力が用いられる場合にのみ用いることが出
来る。これは、交差磁場は相互作用を生ずるからであ
る。
より好ましいモードは、内部ポスト109を固定し、外
側フレーム101を移動するものとして記載されたが、図8
aと図8bに示されているように、実質質量体171を内側フ
レーム173上に置き、この質量体を内側ｘ軸ヒンジ175の
周りに制御された振幅で、正のフィードバックを用いて
振動させ、且つ外側フレーム183に対して外側ｙ軸ヒン
ジ上の傾斜を、センサ179及び力フィードバック又は通
常感知モードの何れかを用いて検出する。捻れセンサ18
1を用いて内側軸175を駆動すれば（板113を用いて静電
気的に、又は磁気的に）、質量体171は充分に制御され
た振幅で、且つその自己固有共振周波（振動）数で駆動
される。これは標準感度において第一のモードより効率
的でないが、リード接点問題をやや容易にする。両軸の
周りの共振周波（振動）数はシステムの感度増大の為に
は、一致するように選ぶことが出来るが、上述の制限を
受け易い。
或いは、Simoxシリコンヒンジ及び質量体材料と、容
量性ピックアップの代わりに前記捻れセンサとを用い
て、米国特許第4,598,858号と第5,016,092号の両構成を
実施することが出来る。このモードにおいては、実質質
量体は内側ｘ軸ジンバルに置かれ、公称的に内側軸の共
振周波（振動）数で、外側軸の周りに磁気的又は静電気
的に駆動される。内側軸共振の励起は、センサがｚ−軸
の周りに回転するとき生ずる。上記特許の場合のよう
に、ｘ軸は通常励起されず、従ってｙ駆動の周波（振
動）数の設定には用いることが出来ない。推定操作を用
いなければならない。駆動周波（振動）数と共振周波
（振動）数の間には何らかのドリフトが有り、それが感
度の見かけ上の損失を生ずる。だが、遭遇する問題の多
くは、応力の無いシリコン材料を用いることによって克
服され、このシリコン材料は加工硬化することも無い。
ｙ軸の周りの振動振幅の安定化、その共振への駆動、及
びｘ軸の周りでのピックアップが此処でも、４点ピエゾ
センサで極めて価格効率的に為され、そしてヒンジは単
結晶シリコンから作られるべきである。
米国特許第4,598,585号においてボクセンホーンによ
り始めに提案された型の加速度計の製造にこれ等のヒン
ジ技術を適用することも出来る。此処では、ヒンジを前
記のように単結晶材料から作り、センサを前記のように
４端子ピエゾ電圧型にすることが提案される。図９に示
す好適な実施例では、アクチュエータとして電流ループ
191を用い、フィードバックシステムとしてセンサ193を
用いる。Ｂ場が前記のように外部構造により発生され、
電流ループ191との相互作用が力201を生じ、偏心質量体
195を担う板（プレート）203をフレーム205に接続する
ヒンジ197の周りにトルクを発生する。これにより、極
めて簡単で廉価な設計と、線形出力の力フィードバック
加速度計が製造される。不平衡の質量195は此処では、
エッチングにより創生される。重量、ヒンジ及び磁場は
全て重要では無く、目定めは簡単で、加速度計を平に保
持し、次いでそれを反転すれば良い。これにより、2gの
加速度が発生される。不平衡質量の位置を保持するのに
必要な電流が、捻れセンサ193からの零出力信号により
測定されて、センサが受ける加速度の目安となる。
取り込まれる、加速度計からの信号は一般に、ｚ軸の
加速から得られるが、ｘ軸の加速度も不望だが、小さい
出力信号を与える。これは、質量中心がヒンジの面に無
いことによる。図９に図示のような二つの同一デバイス
を用い、それ等の出力を対立させることによって、交差
加速度のスプリアス効果を除去し、同時に出力信号を二
倍にすることが出来るようになる。一般に同一電流源を
用いて両センサを駆動することが出来るが、両センサ出
力の電圧の足し合わせは、共通モード信号の除去の後に
のみ出来る。質量の不平衡を作るには、一つのアームを
他より長くするか、質量を一アームから完全に除けば良
い。後の方がより容易で、また高いｇの力が生じると
き、ヒンジ上に生じる応力を少なくすることから有利な
ことが有る。出力信号は、ヒンジ191を不撓状態に保つ
のに必要な電流であり、ｚ軸加速に線形に関係する。実
質な対称質量体は、前記のようにウェーハボンディング
によっても得られる。
また、デバイスの製作に静電場を用い、殆どのフィー
ドバック加速度計と同様に板（プレート）を保持するよ
うにしても良い。だが、大電圧を回避する為に、板を極
めて接近する必要が有り、その設計を困難にする。磁気
的手法はこの困難を蒙らない。また、磁場は均質性に付
いて問題が無い。これは、ヒンジがサーボループにより
制限されて、傾動することがないからである。通常、単
一電流ループの一巻コイル191が必要な回復力を提供す
るのには適切であり、コイル巻の重複は必要で無い。力
（又はトルク）フィードバック加速器は、他の装置、特
に低周波のものと比較して、一般に優れた性能を有する
が、コストが一般に極めて高い。本提案のシステムは低
コストのものであり、性能特性の殆どを保持する一方、
コストを抜本的に下げるものである。図９に示した装置
に対して、厚さが500ミクロンで幅が2mmの2mm偏心質量
と、厚さが10ミクロン、幅が70ミクロンで長さが400ミ
クロンの複数のシリコンヒンジを用いると、共振周波
（振動）数は180Hzのオーダーであり、外部磁場1000ガ
ウスでは、0.1g加速に対する電流が、一ターンループに
対して容易に測定される10mAである。捻れセンサ193は
此処でも４端子ピエゾ電圧型で、その出力がフィードバ
ックループにより零に維持されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−34649（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−133976（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−333038（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−42971（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−213814（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／005400（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 G01P 15/12

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】単結晶シリコンを微細加工して形成された
    細長いヒンジ（103、107、175、177）を含んで成る、捻
    れを感知する微細加工単結晶シリコンヒンジであって、
    この単結晶シリコンヒンジがその軸線の両端で、質量が
    単結晶シリコンヒンジの質量と比較して実質のある（大
    きい）質量体（101−105、105−109、183−173、173−1
    71）にそれぞれ固定され、これ等の質量体が単結晶シリ
    コンヒンジを軸線の周りに復元自在に捻ることが出来る
    捻れ感知微細加工単結晶シリコンヒンジにおいて、 この捻れ感知単結晶シリコンヒンジの一つの面は電極面
    であって、 この電極面には、下にあるシリコンにオーム接触する電
    流電極が少なくとも２つ（121−123、131−133）離間し
    て配置され、これ等の電流電極はこれ等電極間に電流を
    通すことが出来るようになってい、 また上記単結晶シリコンヒンジの電極面には、下にある
    シリコンにオーム接触し、上記電流電極間を流れる電流
    に対して一般に直角な方向に電圧感知電極２つ（125−1
    27、135−137）が離間して配置されてい、且つ 上記２つの電圧感知電極間の電圧を測定する手段を備え
    るものであって、 それにより上記単結晶シリコンヒンジ内の捻れが上記電
    流の流れに直角な方向に電圧を発生し、この電圧の測定
    が上記単結晶シリコンヒンジ内の捻れを表示するように
    構成して成ることを特徴とする捻れ感知微細加工単結晶
    シリコンヒンジ。
  2. 【請求項２】前記電流電極（121−123、131−133）が細
    長く、長さが前記単結晶シリコンヒンジの軸線に一般に
    直角であるように構成して成る請求項１に記載の捻れ感
    知微細加工単結晶シリコンヒンジ（103、107、175、17
    7）。
  3. 【請求項３】前記電流電極（121−123、131−133）が細
    長く、長さが前記単結晶シリコンヒンジの軸線に一般に
    平行であるように構成して成る請求項１に記載の捻れ感
    知微細加工単結晶シリコンヒンジ（103、107、175、17
    7）。
  4. 【請求項４】更に、前記電流電極（121−123、131−13
    3）と前記電圧感知電極（125−127、135−137）とにリ
    ード線が、前記シリコンから絶縁して備わる請求項１に
    記載の捻れ感知微細加工単結晶シリコンヒンジ（103、1
    07、175、177）。
  5. 【請求項５】前記単結晶シリコンヒンジ（103、107、17
    5、177）が加工される単結晶シリコンが［100］面配向
    を有し、この単結晶シリコンヒンジの軸線がシリコンの
    ［100］方向又は［110］方向に合わされて成る請求項４
    に記載の捻れ感知微細加工単結晶シリコンヒンジ（10
    3、107、175、177）。
  6. 【請求項６】前記電極面の下にあるシリコン内を流れる
    電流の深さを前記単結晶シリコンヒンジの厚さの1/2以
    下に制限する手段を更に含んで成る請求項１に記載の捻
    れ感知微細加工単結晶シリコンヒンジ（103、107、17
    5、177）。
  7. 【請求項７】前記流れる電流の深さを制限する手段が接
    合アイソレーション領域である請求項６に記載の捻れ感
    知微細加工単結晶シリコンヒンジ（103、107、175、17
    7）。
  8. 【請求項８】前記単結晶シリコンヒンジが、前記捻れ感
    知微細加工単結晶シリコンヒンジ内の縦応力と曲げ応力
    を測定するピエゾ抵抗手段を含んで成る請求項１に記載
    の捻れ感知微細加工単結晶シリコンヒンジ（103、107、
    175、177）。
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