JPH09512904A - 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

Abstract

(57)【要約】 好ましい実施例において、４端子ピエゾ捻れセンサ（１１１）により制御され、捻れヒンジ（１０３）により内側フレーム（１０５）に接続された、かなりの振幅で自己共振する外側捻れフレーム（１０１）を有するモノリシック単結晶Ｓｉレートジャイロが開示される。内側フレーム自体は、捻れヒンジ（１０３）の軸を規定する一組の捻れヒンジ（１０７）により固定内部ポスト（１１７）に接続される。外側体の揺動（振動）軸の回転により、運動質量体及び内側フレームは、コリオリ力により外側周波数で傾動及び揺動（振動）し、それによって内側ヒンジをそれが捻れるように周期的に変形する。内側ヒンジは、同様に、４端子ピエゾ電圧捻れセンサ（１１５）を備え、センサの回転速度の表示を与える。この設計は、外側揺動（振動）子の実質的揺動、その高い慣性モーメント、優れたＳｉバネ特性及び捻れセンサの優れた感度により、良好な感度を許容する。

Description

【発明の詳細な説明】 記述 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、揺動（振動）体上のコリオリ力の効果を感知するこ とにより回転速度の目安を提供する。かかるセンサは、多数の応用に対して極め て興味が有る。回転ジャイロは精度を欠くが、その価格は多くの応用に対して魅 力が有る。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量的応用に対しては高すぎる。これ等の用 途は、製品を生きのばす為に一桁又は二桁の価格の低下を必要とし且つこの価格 性能比を達成する為に半導体製造技術を要求する。 微細加工レートジャイロは、過去において作られている。ドレーパー研究所に 譲渡されたビー・ボクセンホーンによる米国特許第４，５９８，５８５号は、互 いに直角に位置付けられた一対のジンバルから成る微細加工平面慣性センサを記 載している。内部ジンバルはその上に、ジャイロスコープ検出器として作用する 実質的質量を担う。上記特許においてｙ−軸として記載されている外部ジンバル は、静電力（又は電磁力）により駆動され且つ内部ジンバルの捻れ共振周波数に 等しい周波数で引っ張りモードにおいて振動する。ｚ−軸の周りのセンサの回転 により、第一の振動は内部共振周波数を励起し、該共振周波数は内部ジンバル上 の一組の容量性センサにより検出される。 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、ジンバルは二酸 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ることが出来ることが示唆されている。それ等の付着中 に、適度の応力をもった材料を作ることは極めて難しい。その結果、駆動周波数 に整合する為に、内部ジンバルの周波数は良好に決定出来ず、トリミングされる 必要が有る。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 数は時間的に変化し、駆動周波数との不整合及び感度の見かけ損失を生ずる。 ボクセンホーンによる米国特許第４，６９９，００６号は、同一技術に基づく 振動ディジタル積分加速度計を開示している。この場合には、ｚ−軸加速度はｙ −軸の周りの共振周波数に変化を生ずる。周波数の変化はｚ−軸加速度を表す。 ポール・グライフによる米国特許第５，０１６，０７２号は、この技術の更な る改良を記載している。米国特許第４，５９８，５８５号のの誘電性層はボロン ドープｐ⁺シリコンで置換され、非対称質量は対称のものに置き換えられた。酸 化物内部撓みの皺は内部共振周波数の好ましくない大きな変動を生じ、特別な撓 みフーティングが設けられる必要が有る。撓み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。静電的平行力技術が、内部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数の変化を回避する為に用いられる。外部軸は内部軸の 共振周波数で駆動される必要が有り、これは推測により為され且つ周波数トリミ ングを必要とする。 ドレーパー研究所に譲渡されたジェー・バーンスタインによる米国特許第５， ２０３，２０８号は、此処でもボロンドープシリコンを用いる、対称性微細機械 的ジャイロスコープを記載している。此処では、両軸の共振周波数は同一になる 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 電圧は大幅に減少することが出来、寄生 ピックアップ信号の除去を実質的に助ける。 ボクセンホーンとグライフは、センサ及びアクチュエータＡ２１−Ａ２３（１ ９９０）２７３−２７７において、上記米国特許第４，５９８，５８５号に記載 された形式のシリコン加速度計の具現化を記載している。此処では、撓みはボロ 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、装置の捻れ 剛性と感度を設定する未知の前段応力によるものと帰した。 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、また周波数は 未だ予測不能である。本発明の一つの目的は、改良された周波数安定性を有し且 つ製造が容易な低廉価微細加工ジャイロスコープを発明することであった。発明の要旨 従来技術の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対 して応力（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をももたず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、ヒンジは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されない。Ｓｉｍｏｘ材料はまた、良好に制御 されるエッチストッブを提供する。或いは、逆ドーピングの基地上に成長するエ ピタキシャル材料も、周知にように、電解エッチングと共に、用いることが出来 る。 ヒンジに対して単結晶シリコンが用いられると、極めて感度が高く、しかも廉 価な４点圧電電圧センサが今や組み込まれ、ヒンジの捻れ変位を測定することが 出来る。メッキ素材はシリコンにより且つ、そう望まれる場合には、対称形式で 置き換えられる。その結果、複雑性と経費を大幅に減少することが出来る。 従来技術の設計と比較して、好ましい実施例は被駆動軸と感知軸を反転する。 これにより、シリコンは、より良好に使用出来る。被駆動軸は、そ の自然周波数における共振に容易にもたらされる。感度が大きく増大されるので 、第二軸は共振にもたらされる必要は無いが、望まれれば、それも出来る。加工 硬化は起こらず且つシリコン内には応力は殆ど無いので、共振周波数は予測可能 で且つ安定である。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に示される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ワッファーの部分的破断平面図で ある。 図６は、ワッファーボンディングにより本発明で対称的装置を製作する計画の 側面図でる。 図７ａと図７ｂは、本発明の装置に対する磁気駆動構造を例示する。 図８ａと図８ｂは反転された被駆動軸と感知軸を備え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の周りに揺動（振動）し且つ内側フレーム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） で該第一の組のヒンジと直角に固定内部ポスト１０９に取り付けられている。外 側フレームは充分に制御された振幅で自己揺動（振動）するようにされ、且つ静 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内の一 つ又はそれ以上の組み込み捻れセンサ１１１は自己揺動（振動）及び振幅安定化 手段を提供する。 ｚ−軸の周りのシステムの回転により、揺動（振動）する外側シリコンフレー ム１０１と内側ヒンジ１０５の運動質量（本）体はコリオリ力によ り内側ヒンジ１０７の周りに揺動（振動）し、それによってこれ等のヒンジを周 期的に捻らせる。内側ヒンジの周りの揺動（振動）振幅は、課せられたｚ−軸回 転速度に比例する。これ等の内側ヒンジはまた、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は固定結合ポスト１１７から導入され、要すれ ば、変換器は１８０°反転され且つポスト上のリードに直接結合され得る。 外側揺動（振動）フレーム１０１の大きい振幅、著しいＳｉ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許容する。結局、異 方性Ｓｉエッチングに対する所望の向きの多くは、最適捻れ感知に対するものと 一致する。シリコンでこれ等全ての部品を完全に一体化するから、装置は極めて 廉価になり得る。要すれば、電子装置回路も一体化出来る。 典型的には、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−軸の周りの共振周波数をｙ−軸の周りの外側フレームの共振周波数に近 接することが出来る。従って、そのように望まれれば、内部バネの周りで得られ た偏倚運動（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）は、共振が起こらなかった場合に得られる「 静的」信号よりずっと大きく出来る。これは、従前の実施例において用いられた 特徴である（内側軸び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。これは、ｘ−軸に沿った慣性モーメントが変化するからである 。交差結合が起こるが、これを回避する為、感度の増大が必要なければ、共振周 波数を分離した方が良い。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： 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（もし何れかが有れば）及び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は揺動（振動）体の慣性モーメントで、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は、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＝Ｉθ₀ω ｃｏｓωｔで ある。過渡的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： Ｉ、ω及びθ₀が大きければ大きいほど且つ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見ることが出来る。捻れセンサが、実 に歪（又は応力）センサであれば、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、最大標準感度は、 Ｉ及びω、即ち揺動（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。揺動（振動）体を外側に置くとシリコン資源の便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、ワッファーの厚さを５ ００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 て方形内部ポストが一辺を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。標準感 度計算数値は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．Thurs ton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を通って流れ、出力電圧は端子１ ２５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＝ｉρσπ 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。 例示されている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、電流センサは所望の程度まで長く出来、場の積分である発生電圧は 電流部の長さと共に線形に増大する筈である。原理においては発生電圧は電流端 子における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 に発生電圧はそのように高くなることな決して無い。この好ましい実施例ににお いて、センサの形状はヒンジの形状に完全に整合する。 他の向きは図４に示されている。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１３７間の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、電流幅は今やヒンジ幅に限 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における印可電圧を 増大することである。また、捻れセンサの第一の向きは他の理由によっても有利 であることに留意されたい。電流供給ラインは、通常、極めて広く、図４のよう に向いていれば、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、有利 なのは電流搬送ラインをヒンジのエッジに置くことであり、そこでは金属疲労を 低下させることから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感応性があり、この感応性は 他のどんな応力よりも大きい。殆どの微細加工に対して好ましい向きである、Ｓ ｉワッファー面の[１００]向きに対して、最も高い剪断感応性は、ｐ型シリコン では[１００]の向き及びｎ型シリコンでは[１１０]の向きにある捻れヒンジで得 られる。ピエゾ抵抗係数は、比抵抗が０．０１ｏｈｍ−ｃｍのオーダーの値に達 するまで、ドーピングには殆ど無関係である。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無関係であることに留意されたい。４接点（電流に対 して２で電圧に対して２）の代わりに、数は一つの電流注入点及び二つの対称的 に置かれた電流ピックアップ点を用いることによって３に減少出来る。 記述されたピエゾ電圧はバルク効果である。しかしながら、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 の他に面上で符号を逆にするので、発生電圧も符号を逆にする。この効果は、電 流がヒンジの厚さに亘って均一であれば、相殺する傾向が有る。従って、加えら れた電流はヒンジの半分に制限されなければならず、そこでは剪断応力は常に同 一符号である。実際、電流をヒンジの頭部数ミクロンに限定するのが最も良い。 これは、そこでは応力が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、頭部数ミクロンの優先的に重いドーピング（ｎ型材料に対 してｎ型）により、或いは分岐隔離（例えば、ｐ型基地にｎ型井戸を作る）によ って為される。後者の技術はセンサが電気的にヒンジ及び付随する構造の部分で は最早無くなり、分岐隔離され、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において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、通常共振周波数の何れよりも高い周波数のＡＣとする ことが出来る。そうすると、捻れは駆動周波数においてピックアップ電圧の振幅 変調を生ずる。変調された振幅は容易に復調され、所 望の信号を与える。捻れセンサの出力は正のフィードバック機構において用いる ことが出来、外側フレーム101をその共振周波数で揺動（振動）する。或いは、 前記出力は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がより好ましいが、原理的に同様の構造を有する他 のどんなシリコンも、絶縁物ワッファー上に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、該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に示される型 のＳｉｍｏｘワッファーは、酸化物層の頭部に成長したミクロンの部分からミク ロンの数十倍迄のエピタキシアル単結晶シリコン層１４１から成る。頭部Ｓｉ層 １４１の下には、典型的にオングストロームの数千倍の厚さで且つそれ自体シリ コンワッファー１４５の本体の頭部に着座する二酸化シリコン層１４３が在る。 形態においてＳｉｍｏｘと等価であるが異なる方法を用いて構造を作るの他のシ リコンも、絶縁物構造上に用いることが出来る。 このワッファーが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、全てワッファー上で寸法において極めて均一である。この特性は、ワッフ ァー上の全ての装置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 さを生ずる。 典型的には、ワッファーは、周知のように、適切な異方性エッチング材を用い て、裏面からエッチされ、種々の空洞と質量体を定める。例えば、図１と図２に おいて、フレーム１０１と１０５及びポスト１０９はシリコンワッファーからエ ッチされる。フレームの凸状隅（もし何等かが有れば）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され質量（ 本）体の対称性を保つならば、重要では無い。ワッファーの本体を通って底部エ ッチが完了した後、エピタキシアル シリコンは、ヒンジと板の輪郭を定める表部からエッチされる。これは、ＲＩＥ 塩素エッチで又は再び異方性エッチを用いて、為される。酸化物は次いで除去さ れ、本体とヒンジを自由立設するように残す。図１と図２におけるヒンジ１０７ は例である。揺動（振動）フレームは、開始ワッファーの全厚さ、或いはエピ層 の厚さとすることが出来る。エッチング手順工程は、望まれれば、逆に出来る。 此処では、どん質量体もメッキされる必要は無い：それはシリコン自体により提 供され、そして極めて実質的で有り得る。 ヒンジ上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規定、付着及び焼鈍することが出来る。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が為され る前に、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、例示された装置は、或程度の交差振り子性を蒙 る。即ち、揺動（振動）子の質量中心及びその回転軸は一致しない。捻れ揺動（ 振動）中に、創生される遠心力は揺動（振動）周波数の倍の励起を生じ且つ外側 フレーム１０１の垂直震とうモードを励起することが有る。この理由で、揺動（ 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く、より低い共振周波 数の少なくとも２０％迄、より高い周波数モードから出来るだけ分離されるべき で有る。一般に、これは、共振周波数が低ければ、容易である。しかしながら、 最良の性能の為、同一厚さの二つのワッファーを用いて対称的揺動（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ワッファー１０１ と通常のワッファー１４７は、並んだそれ等の結晶方向に相互結合される。Ｓｉ ｍｏｘワッファーは通常の方法で処理され、先ずエピタキシアル層と主ワッファ ー体の接合低部フレーム部分、即ち、ヒンジとして且つ下の同一平面上に在るフ レーム部分にヒンジパターンを形成する。ワッファーは次いでエッチされ過剰材 料を除去する。第二のワッファーは次いでＳｉｍｏｘ ワッファーに結合される。フレームの上部に対応する、即ち、ヒンジの平面の上 に在るパターンはマスクされ、過剰ワッファー材料はエッチして取り除かれる。 二つのＳｉｍｏｘワッファーを用いることも出来るが、これは必要でない。これ は、周知のように、種々の方法で為すことが出来る。同一厚さのワッファーを選 ぶことにより、実質的に対称的構造が得られる。全構造は、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は、フレーム部材から離 間した駆動電極を支持する為に用いることが出来る。 捻れ揺動（振動）子が自己立設し且つ自己揺動（振動）すること、即ち、外部 から課せられた周波数をもつより、寧ろその自己の固有振動数を選ぶことは高度 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。要すれば復調されるその出力は、その時、充 分に増幅され且つ正しい位相で、静電気的又は電磁的の何れかの駆動機構に帰還 され充分な正のフィードバックを創生して制御された振幅で揺動（振動）を持続 させる。或いは、外側のフレーム１０１の共振状態は、内側捻れヒンジ内の線形 歪を観測することによって感知し得る。外側フレームの回転は、それ等の中に圧 縮及び捻れ応力を発生する内側ヒンジの周期的撓みを反動により生ずる。これ等 は、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「１１０]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、頭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に概略的に例示されている。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は磁気構 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且つ一つのヒンジを通って回帰する。この駆動方法は、 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静電気駆動に 必要なような高電圧を要さない。磁場１５９は対称的であるべきで、ｘ−方向の 外辺場を含む。そうでなければ、横断場との電流の相互作用はｘ−軸の周りにト ルクを発生することになる。 駆動に要する静電場は、ジャイロが真空中で動作される場合、大幅に減少する ことが出来る。揺動（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、 その時、回転体の慣性と比較して無視し得るので、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 クロージャは、微細加工及びワッファー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、原理的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。装置は充分感応性が有るので、内側ヒンジ１０７を剛性化し且つ偏倚運動 （ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）を低下することによって、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が固定され且つ外側フレーム１０１が移動するものとし て記載され た。図８ａと図８ｂに示されているように、実質的質量（本）体１７１を内側フ レーム１７３上に置き、該質量体を内側ｘ−軸ヒンジ１７５上に制御された振幅 で、正のフィードバックを用いて揺動（振動）し且つ外側フレーム１８３に関す る外側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１８１を用いて内側軸１７５を 駆動すれば（板１１３で静電気的に又は磁気的の何れかで）、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数は、システムの感度を増大する為、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シリコンヒンジと質量体材料及び容量性ピックアップの代 わりに前記捻れセンサを用いて、米国特許第４，５９８，８５８号と第５，０１ ６，０９２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、実質的 質量体は、内側ｘ−軸ジンバルに置かれ且つ公称的に内側軸の共振周波数で外側 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時、発生する。これ等の特許も場合のように、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。駆動周波数と共振周波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する。しかしながら、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、該シリコ ン材料は加工硬化をもつことも無い。ｙ−軸の周りの揺動（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は、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の為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、ヒンジは上述のように単結晶材料から作り、且つセ ンサは上述のように４端子ピエゾ電圧型にすることが提案される。好ましい実施 例は、アクチュエータとして電流ループ１９１を用い且つフィードバックシステ ムに対してセンサ１９３を用いる図９に例示されている。Ｂ場は上記のように外 部構造により発生され、電流ループ１９１との相互作用は力２０１を生じ、それ 自体を板２０３に接続するヒンジ１９７の周りにトルクを発生し、偏心質量体を １９５をフレーム２０５に運ぶ。これにより、極めて簡単で廉価の設計と線形出 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、単純 な較正は加速度計を平に保持し、次いでそれを反転することによって為される。 これにより、２ｇ加速度が発生される。不平衡質量の位置を保つのに必要な電流 は、捻れセンサ１９３からの零出力信号により測定される時、センサが蒙る加速 度の目安となる。 引き出される時、加速度計からの信号は原理的に、ｚ−軸の加速から導かれる が、ｘ−軸の加速度は小さく望ましくない出力信号を与える。これは、質量中心 がヒンジの平面に無いからである。図９に例示されているような二つの同一装置 を用い且つそれ等の出力を反対に置くことによって、交差加速度の偽の効果を除 去し且つ出力信号を二倍にすることが出来るようになる。同一電流源は、実際に は、両センサを駆動するのに用いられるが、センサ出力の電圧は、共通モード信 号の除去の後にのみ、付加することが出来る。質量不平衡は、一つのアームを他 より長くすることによって又は質量を一アームから完全に除去することによって 発生出来る。後者は、より軽いので、より有利なことが有り、そして、高いｇ力 が生じる時、ヒンジ上により少ない応力を発生することが有る。出力信号はヒン ジ１９１を撓まされないままに保つのに必要な電流で、ｚ−軸加速に線形に関係 する。実質的対称性質量体は、上述のようにワッファービンディングによっても 得られる。 装置はまた、殆どのフィードバック加速度計に対して共通であるように、板の 位置を保つ為に静電気場を用いることによって作られる。しかしなが ら、大きい電圧を回避する為に、板は極めて接近する必要が有り、その設計を困 難にする。磁気方法はこの困難を蒙らない。また、磁場の均質性は問題が無い。 これは、ヒンジは、サーボループにより制限されるように、決して傾動しないか らである。通常、単一電流ループ、一巻コイル１９１は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、特に低周波に対する他の装置と比較すると、一般に優れた性能を 有するが、それ等の経費は一般に極めて高い。提案された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。図９に 例示された装置に対して、厚さが５００ミクロンで幅が２ｍｍの２ｍｍ偏心質量 及び各々、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以て、共振周波数は１８０Ｈｚのオーダーであり、１００ ０ガウスの外部磁場を以て、０．１ｇ加速に対する電流は、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、その出力は、フィードバックループにより、今や零に維持さ れる。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９５年８月７日 【補正内容】 補正請求の範囲 １．次の構成要素から成る振動ジャイロスコープ・シリコン変換器： ｘ−ｙ平面を規定する頭部面を有する固定シリコン微細加工内部ポスト ； 上記ポストを囲繞する第一のシリコンフレーム； 上記第一のシリコンフレームと前記内部ポストの間に接続された第一の 組の単結晶シリコンヒンジ、ここで該ヒンジは第一の軸を規定し、上記第一のシ リコンフレームは該ヒンジに取り付けられ該第一の軸の周りに運動する； 上記ポストと上記第一のフレームの両方を囲繞し且つ固有共振周波数を 有する第二のシリコンフレーム； 上記第一と第二のフレームの間に接続され上記第一の軸に直角な第二の 軸を規定する第二の組の単結晶シリコンヒンジ、ここで上記第二のフレームは上 記第二の軸に取り付けられ該第二の軸の周りに運動し振動質量体を規定する； 前記第一の組の少なくとも一つと上記第二の組のヒンジの少なくとも一 つに組み込まれた少なくとも一つの４端子ピエゾ電圧捻れセンサ、ここで各該セ ンサは、該センサが組み込まれるヒンジ内の捻れを感知する為、該ヒンジが形成 される結晶シリコンの公称比抵抗により規定される抵抗素子を含む； 前記第二のシリコンフレームを一定の振幅で前記第二の軸の周りに前記 固有周波数で揺動（振動）させる駆動手段、ここで少なくとも一つのピエゾセン サは上記第二の組のヒンジの一ヒンジに取り付けられ正のフィードバックを提伊 して上記第二のシリコンフレームが揺動（振動）する周波数を制御する；及び 前記第一の組のヒンジの少なくとも一つに組み込まれ、前記ｘ−ｙ平面 に直角なｚ−軸の周りに回転される時、上記外側揺動（振動）フレーム上のコリ オリ力により生ずる前記第一の軸の周りの前記第一の組のヒンジの回転を測定す るように配置され且つ、それによって、上記ｚ−軸の周りの回転速度の表示を与 える第二の捻れセンサ。 ２．前記駆動手段が静電気的である請求項１の装置。 ３．前記駆動手段が磁気的である請求項１の装置。 ４．次の構成要素から成るシリコン振動ジャイロスコープ変換器： 中央振動質量体； 上記振動質量体を囲繞する第一のシリコンフレーム； 上記シリコンフレームと上記中央振動質量体の間に接続された第一の組 の応力の無い単結晶シリコンヒンジ、ここで該ヒンジはそれに取り付けられた上 記振動質量体用の第一の回転軸を規定し、該中央振動質量体は固有共振周波数を 有する； ｘ−ｙ平面を規定する上部表面を有し、上記第一のフレームと上記振動 質量体の両方を囲繞し且つ位置が固定されているが上記ｘ−ｙ平面に直角なｚ− 軸に沿って回転出来る第二のシリコンフレーム； 前記第一の組のヒンジに直角であり、上記第一と第二のシリコンフレー ムの間に接続され且つ前記第一の軸に取り付けられた上記第一のシリコンフレー ム用の該第一の軸に直角な第二の回転軸を規定する第二の組の応力の無い単結晶 シリコンヒンジ； 該第二の組のヒンジの少なくとも一つと上記第一の組の少なくとも一つ も組み込まれた少なくとも一つの４端子ピエゾ電圧捻れセンサ、ここで各該セン サは、それが組み込まれる一ヒンジ内の捻れを感知する為に、該ヒンジが形成さ れる結晶シリコンの公称比抵抗により規定される抵抗素子を含む； 前記中央振動質量体を一定の振幅で前記第一の軸の周りに前記固有共振 周波数で揺動（振動）させる駆動手段、ここで上記第一の組のヒンジの一ヒンジ に取り付けられた少なくとも一つのピエゾセンサは正のフィードバックを提供し て上記中央質量体が揺動（振動）する周波数を制御する；及び 前記第二の組のヒンジの少なくとも一つに組み込まれ、前記ｚ−軸の周 りに回転される時、上記揺動（振動）質量体上のコリオリ力により生ずる、前記 第二の軸の周りの上記第二の組のヒンジの少なくとも一つに組み込まれ、上記第 二の軸の周り上記第二の組のヒンジの回転を測定するように配置され且つ、それ によって、上記ｚ−軸の周りのアセンブリの回転速度の表示を与える第二の捻れ センサ。 ５．前記駆動手段が静電気的である請求項４の装置。 ６．前記駆動手段が磁気的である請求項４の装置。 ７・次の構成要素から成る微細加工された加速度計： シリコン板に接続され且つ該板上の一対の応力の無い単結晶シリコン捻 れヒンジに関して偏位して位置付けられた実質的シリコン質量体、ここで上記ヒ ンジは回転軸を規定し且つ上記板を外側シリコンフレームに接続し、該外側シリ コンフレームの上部面はｘ−ｙ平面を規定する； 上記一対のヒンジの少なくとも一つに組み込まれた少なくとも一つの４ 端子ピエゾ電圧捻れセンサ、ここで各上記センサは、それが組み込まれるヒンジ 内の捻れを感知する為に該ヒンジが形成される結晶シリコンの公称比抵抗により 規定される抵抗素子を含む； 前記シリコン板の平面に平行な実質的磁場を設定する手段； 上記シリコン板の周囲に前記ヒンジの一つを通って取り入れられるリー ドでメッキされた導電性コイル、ここで該コイルの二つの側部は該コイル内の磁 場、電流に実質的に直角であり、それによって前記ヒンジの周りの上記板上にト ルクを発生する；及び 前記ｘ−ｙ平面に直角なｚ−軸に沿った加速度に応答して前記捻れセン サの出力を零に回復する駆動手段、ここで該駆動手段（上記コイル内の電流）は 上記ｚ−軸における加速度に比例する。 ８．第二の同一装置と組み合わされた請求項７の装置であって、各装置は、加速 度測定の為、追加様式で他の出力と組み合わされる出力信号を有し、且つ、交差 加速を相殺する為、反対に組み合わされる装置。 ９．微細加工されたヒンジ用のシリコン捻れセンサであって、 細長い微細加工された単結晶シリコンヒンジであって、該ヒンジは厚さ 、主軸、上記ヒンジの対向側部上に在る主表面及び該ヒンジの質量に実質的に比 較される質量体に取り付けられた対向する端部を有するヒンジ、ここで該質量体 は上記ヒンジを回復可能に捻ることが出来； 下に在るシリコンにオーミック接触する上記ヒンジの表面上の少なくと も二つの離間し且つそれ等の問に電流を流す電流電極； 上記電流電極の間に流れる電流に一般に直角な線に沿って配置された少 なくとも二つの離間した電圧感知電極； 上記二つの離間した電圧感知電極間の電圧を測定する手段；及び 前記主表面の下に在るシリコン内を流れる電流の深さを前記ヒンジの厚 さの半分以下に制限する手段から成り、 上記ヒンジ内の捻れは上記電流に直角な電圧を発生し、該電圧の測定は 上記捻れの力を表示するセンサ。 １０．前記電極は細長く、前記ヒンジ主要軸に直角な長さを有する請求項９の装 置。 １１．前記電流電極は細長く、前記ヒンジ主軸に一般に平行な長さを有する請求 項９の装置。 １２．更に、前記電極に接続され且つ前記シリコンから絶縁された電気リードに より規定される請求項９の装置。 １３．更に、前記ヒンジはシリコンの＜１００＞方向又は＜１１０＞方向の何れ かに並んだ主軸を有する請求項１２の装置。１４．前記電流の深さを制限する手 段は分岐隔離領域から成る請求項９の装置。 １５．前記ヒンジは縦方向及び曲がり応力を測定するピエゾ抵抗手段を含む請求 項９の装置。 １６．シリコンヒンジにより接続されたフレーム部分を有する微細加工構造を作 る方法であって、 第一のワッファー上に配置されたエッチストップ層の頭部に在る単結晶 シリコン層内に微細加工構造のヒンジとセンサをパターン化し、 前記単結晶シリコン層内のヒンジのパターンから過剰材料を前記エッチ ストップ層までエッチングし、 前記ワッファーの裏側に微細加工構造のフレーム部分をパターン化し、 そして 全フレーム部分から過剰材料をエッチングして微細加工構造を残す方法 。 １７．前記単結晶シリコン層はＳｉｍｏｘワッファー内に在る請求項１６の方法 。 １８．更に、 前記ヒンジをパターン化及びエッチングした後、第二のワッファーを前 記第一のワッファー上に結合し、そして 上記第二のワッファーに前記微細加工構造の更なるフレーム部分をパタ ーン化する、 請求項１６の方法。 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年４月８日 【補正内容】 再度補正請求の範囲 １．次の構成要素から成る振動ジャイロスコープ・シリコン変換器： ｘ−ｙ平面を規定する頭部面を有する固定シリコン微細加工内部ポスト ； 上記ポストを囲繞する第一のシリコンフレーム； 上記第一のシリコンフレームと上記内部ポストの間に接続された第一の 組の単結晶シリコンヒンジであって、該複数の単結晶シリコンヒンジは第一の軸 を規定し上記第一の組の単結晶シリコンヒンジに取り付けられた上記第一のシリ コンフレームが上記第一の軸の周りを回転するようにしたヒンジ； 上記第一のシリコンフレームから外側に突出し且つ上記第一の軸に対し て直角に向いた第二の軸を規定する第二の組の単結晶シリコンヒンジ； 前記第一の組の単結晶シリコンヒンジの少なくとも一つに組み込まれた 少なくとも一つの４端子ピエゾ電圧捻れセンサと上記第二の組の単結晶シリコン ヒンジの少なくとも一つに組み込まれた少なくとも一つの４端子ピエゾ電圧捻れ センサであって、各これ等のピエゾ電圧捻れセンサは該ピエゾ電圧捻れセンサが 組み込まれた単結晶シリコンヒンジ内の捻れを感知するセンサ； 前記第二のシリコンフレームを一定振幅で前記第二の軸の周りに前記固 有共振周波数で揺動（振動）する駆動手段であって、上記第二の組の単結晶シリ コンヒンジの一単結晶シリコンヒンジに組み込まれた少なくとも一つのピエゾ電 圧捻れセンサが正のフィードバックを提供して上記第二のシリコンフレームが揺 動（振動）する周波数を制御するようにした駆動手段；及び 前記第一の組の単結晶シリコンヒンジの一単結晶シリコンヒンジに組み 込まれた少なくとも一つのピエゾ電圧捻れセンサに接続された回転検出器であっ て、該回転検出器は、前記振動ジャイロスコープ・シリコン変換器が前記ｘ−ｙ 平面に直角なｚ−軸の周りに回転する時、上記揺動（振動）する第二のシリコン フレーム上のコリオリ力により生ずる前記第一の軸の周りの前記第一組の単結晶 シリコンヒンジの回転を測定する検出器。 ２．前記駆動手段が静電気的である請求項１の振動ジャイロスコープ・シリコン 変換器。 ３．前記駆動手段が磁気的である請求項１の振動ジャイロスコープ・シリコン変 換器。 ４．次の構成要素から成るシリコン振動ジャイロスコープ変換器： 中央振動シリコン質量体； 上記中央振動シリコン質量体を囲繞する第一のシリコンフレーム； 上記シリコンフレームと上記中央振動シリコン質量体の間に接続され第 一の組のストレスの無い単結晶シリコンヒンジであって、該複数の単結晶シリコ ンヒンジはそれに取り付けられた上記中央振動シリコン質量体に対して第一の回 転軸を規定し、該中央振動シリコン質量体が該第一の軸の周りの回転の固有共振 周波数を有するようにしたヒンジ； 前記ｘ−ｙ平面を規定する上部面を有し、上記第一のフレームと上記上 記中央振動シリコン質量体を囲繞し、位置が固定されているが、上記ｘ−ｙ平面 に直角なｚ−軸の周りに回転が可能である第二のシリコンフレーム； 前記第一の組の単結晶シリコンヒンジに直角であり、上記第一と第二の シリコンフレームの間に接続され且つそれに取り付けられた上記第一のフレーム に対して第二の回転軸を規定する第二の組のストレスの無い単結晶シリコンヒン ジであって、上記第二の回転軸が前記第一の回転軸に対して直角に向くようにさ れたヒンジ； 前記第一の組の単結晶シリコンヒンジの少なくとも一つに組み込まれた 少なくとも一つの４端子ピエゾ電圧捻れセンサと上記第二の組の単結晶シリコン ヒンジの少なくとも一つに組み込まれた少なくとも一つの４端子ピエゾ電圧捻れ センサであって、各これ等のピエゾ電圧捻れセンサは該センサが組み込まれた単 結晶シリコンヒンジ内の捻れを感知するセンサ； 前記中央振動シリコン質量体を一定振幅で前記第一の軸の周りに前記固 有共振周波数で揺動（振動）する駆動手段であって、上記第一の組の単結晶シリ コンヒンジの一単結晶シリコンヒンジに組み込まれた少なくとも一つのピエゾ電 圧捻れセンサが正のフィードバックを提供して上記中央振動シリコン質量体が揺 動（振動）する周波数を制御するようにした駆動手段；及び 前記第二の組の単結晶シリコンヒンジの一単結晶シリコンヒンジに組み 込まれた少なくとも一つのピエゾ電圧捻れセンサに接続された回転検出器であっ て、該回転検出器は、前記振動ジャイロスコープ・シリコン変換器が前記ｚ−軸 の周りに回転する時、上記揺動（振動）する中央振動シリコン質量体上のコリオ リ力により生ずる前記第二の軸の周りの前記第二組の単結晶シリコンヒンジの回 転を測定する検出器。 ５．前記駆動手段が静電気的である請求項４のシリコン振動ジャイロスコープ変 換器。 ６．前記駆動手段が磁気的である請求項４のシリコン振動ジャイロスコープ変換 器。 ７・次の構成要素から成る微細加工された加速度計： 平坦なシリコン板に接続され且つ一対の単結晶シリコン捻れヒンジに関 して偏位して位置付けられた実質的シリコン質量体、ここで上記単結晶シリコン ヒンジは回転軸を規定し且つ上記板を該板を囲繞する外側シリコンフレームに接 続し、該外側シリコンフレームの上部面はｘ−ｙ平面を規定する； 上記一対の単結晶シリコンヒンジの少なくとも一つに組み込まれた少な くとも一つの４端子ピエゾ電圧捻れセンサ、ここで上記ピエゾ電圧捻れセンサは 、それが組み込まれる単結晶シリコンヒンジ内の捻れを感知する； 前記ｘ−ｙ平面に平行な実質的磁場を設定する手段； 上記シリコン板の周囲近傍に配置された導電性コイル、ここで該配置は 前記単結晶シリコンヒンジの一つを介して上記導電性コイルに取り込まれるリー ドでなされ、該コイルは該コイル内の磁場に実質的に直角な二つの側部を有し、 上記コイルを流れる電流は上記シリコン板上に該板を上記回転軸の周りに回転せ しめるトルクを発生する；及び 前記ｘ−ｙ平面に直角なｚ−軸に沿った加速度に応答して、電流を上記 導電性コイルに供給し前記ピエゾ電圧捻れセンサの出力を零に回復する駆動手段 、ここで上記コイルを流れる電流は上記ｚ−軸加速度に比例する。 ８．更に第二の同一微細加工された加速度計を備え、各微細加工された加速度計 はｚ−軸加速度に比例する出力信号を、夫々、有し、該出力信号は測定する追加 様式で互いに組み合わされて加速度を測定し、且つ、交差加速を相殺する為、反 対に組み合わされる請求項７の微細加工された加速度計。 ９．次の構成要素から成る捻れを感知を感知する微細加工単結晶シリコンヒンジ ： 単結晶シリコンを微細加工することにより形成された細長いヒンジ、こ こで該ヒンジは厚さにより分離されたその対向側部上に複数の表面を有し、該複 数の表面の一つは電極面であり、上記単結晶シリコンヒンジはまた縦軸を有し且 つ該縦軸の対向端において上記単結晶シリコンヒンジの質量に実質的に比較され る質量体に、夫々、取りつけられ、該複数の質量体は上記単結晶シリコンヒンジ を回復可能に上記縦軸の周りに捻ることが出来； 上記単結晶シリコンヒンジの上記電極面上に配置され且つ下に在るシリ コンとオーミック接触する少なくとも二つの離間したした電流電極であって、該 電流電極はそれ等の間に電流を導通出来； 上記電流電極の間に流れる電流に一般に直角な線に沿って上記単結晶シ リコンヒンジの上記電極面上に配置され且つ下に在るシリコンとオーミック接触 をする二つの離間した電圧感知電極； 上記二つの離間した電圧感知電極間の電圧を測定する手段；及び 前記電極面の下に在るシリコン内を流れる電流を前記単結晶シリコンヒ ンジヒンジの厚さの半分以下に制限する手段から成り、 上記単結晶シリコンヒンジ内の捻れは上記電流に直角な電圧を発生し、 該電圧の測定は上記単結晶シリコンヒンジ内の捻れを表示するセンサ。 １０．前記電極は細長く、上記単結晶シリコンヒンジの前記縦軸に一般に直角な 長さを有する請求項９の捻れを感知する微細加工単結晶シリコンヒンジ。 １１．前記電流電極は細長く、前記単結晶シリコンヒンジの前記縦軸に一般に平 行な長さを有する請求項９の捻れを感知する微細加工単結晶シリコンヒンジ。 １２．更に、前記電流電極と前記電圧感知電極の両方に接続さされた電気リード を備え、該電気リードは前記シリコンから絶縁される請求項９の捻れを感知する 微細加工単結晶シリコンヒンジ。 １３．更に、前記単結晶シリコンヒンジが加工される単結晶シリコンは＜１００ ＞表面配向を有し、そして前記単結晶シリコンヒンジの前記縦軸はシリコンの＜ １００〉方向又は＜１１０＞方向の何れかに並んでいる請求項１２の捻れを感知 する微細加工単結晶シリコンヒンジ。 １４．前記電流の深さを制限する手段は分岐隔離領域から成る請求項９の捻れを 感知する微細加工単結晶シリコンヒンジ。 １５．前記単結晶シリコンヒンジは、捻れを感知する微細加工単結晶シリコンヒ ンジの縦方向及び曲がりストレスを測定するピエゾ抵抗手段を含む請求項９の捻 れを感知する微細加工単結晶シリコンヒンジ。 １６．縦軸を有する単結晶シリコンヒンジを含む構造を微細加工する方法であっ て、上記縦軸はその対向する端部において上記単結晶シリコンヒンジの質量に、 夫々、実質的に比較される質量体に接続し、該実質的質量体は上記単結晶シリコ ンヒンジを回復可能に上記縦軸の周りに捻ることが出来、構造はエッチストップ 層の頭部に在る高品質でストレスの無い単結晶の層により形成される表側を含む 第一のシリコンワッファー内で微細加工され、上記表側の単結晶の下に在る上記 エッチストップ層は上記表部を本体シリコンの層により形成される上記第一のシ リコンワッファーの裏側から分離するものであり、前記方法は 上記第一のシリコンワッファーの未保護及び保護済領域の裏側に、上記 微細加工構造の裏側部を定める保護領域をパターン化し、 上記シリコンワッファーの上記裏側を形成する本体シリコン層上の未保 護領域を通してエッチストップ層までエッチングし、それによって上記本体シリ コン層内で上記微細加工構造の上記裏側部を微細加工し、 上記第一のシリコンワッファーの上記表側を形成する上記ストレスの無 い単結晶シリコン層上の未保護領域と保護済領域をパターン化し、保護済領域は 上記微細加工構造の上記単結晶シリコンヒンジ及び他の表側部分を定め、そして 上記第一のシリコンワッファーの上記表側を形成する上記ストレス単結 晶シリコン上の未保護領域を通して且つ上記下部エッチストップ層を通してエッ チングし、それによって上記単結晶シリコン及び上記エッチストップ内で上記実 質的質量体及び上記微細加工構造の他の表側部分を接続する上記単結晶シリコン ヒンジを微細加工する方法。 １７．単結晶シリコンの前記は絶縁体ワッファー上のシリコンの中に在る請求項 １６の方法。 １８．更に、 前記単結晶シリコンヒンジヒンジをパターン化及びエッチングした後、 第二のシリコンワッファーを前記第一のシリコンワッファーの前記表側に結合し 、それによって前記第一のシリコンワッファーの前記表側から遠位に在る前記シ リコンワッファー上に露出された表面を確立し、 前記第二のワッファーの未保護及び保護済領域の前記露出表面上に前記 微細構造の付加実質的質量体を定める前記露出表面上の前記保護済領域をパター ン化し、そして 前記第二のシリコンワッファーの前記表面上の未保護領域を通してエッ チングし、それによって前記微細加工化構造の前記付加実質的質量体を前記シリ コンワッファー内で微細加工する請求項１６の方法。 １９．前記微細加工化構造の前記裏側部が前記単結晶シリコンヒンジにより接続 される質量体の少なくとも一つから除外される請求項１６の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．次の構成要素から成る振動ジャイロスコープ・シリコン変換器： その頭部がｘ−ｙ平面を規定する固定シリコン微細加工内部ポスト； 上記ポストを囲繞し且つ該ポストに一組の単結晶シリコンヒンジで接続 された第一のシリコンフレーム、ここで該ヒンジは第一の軸を規定する； 前記ポストと上記シリコンフレームを囲繞し且つ同様の一組のヒンジを 通して上記シリコンフレーム接続された第二のシリコンフレーム、ここで上記同 様のヒンジは前記第一の軸と直角な第二の軸を規定し、上記第二のフレームは振 動質量を規定する； 各対のシリコンヒンジの少なくとも一つのヒンジの表面に組み込まれ且 つ剪断応力に感応し、それによってヒンジ内の捻れを感知出来る４端子ピエゾ電 圧センサ； 揺動（振動）用正のフィードバック素子として前記外側ヒンジ内の少な くとも一つのピエゾセンサを用いて、前記外側フレームを一定の振幅で前記第二 の軸の周りに、その固有共振周波数で揺動（振動）せしめる駆動手段；及び 前記内側ヒンジの少なくとも一つに組み込まれ、前記ｘ−ｙ平面に直角 なｚ−軸の周りに回転される時、上記外側揺動（振動）フレーム上のコリオリ力 により生ずる前記第一の軸の周りの前記内側ヒンジの回転を測定するように配置 され、それにより上記ｚ−軸の周りの回転速度の表示を与える第二の捻れセンサ 。 ２．前記駆動手段が静電気的である請求項１の装置。 ３．前記駆動手段が磁気的である請求項１の装置。 ４．次の構成要素から成るシリコン振動ジャイロスコープ変換器： その周囲に、その回転軸を規定する第一の組の応力の無いシリコンヒン ジを有する中央振動シリコン質量体、ここで該ヒンジはそれを該振 動質量体を囲繞する第一のシリコンフレームに接続する； 該第一のシリコンフレームは、その外周に、前記第一の組のヒンジに直 角であり且つ前記第一の組に直角な第二の回転軸を規定する第二の組のシリコン ヒンジを有し、前記ヒンジは上記第一のフレームを第二のシリコンフレームに接 続し； 該第二のシリコンフレームは、その上部面で、ｘ−ｙ面を規定し、前記 第一のフレーム及び前記振動質量体を囲繞し、位置が固定されているが上記ｘ− ｙ面に直角なｚ−軸に沿って回転出来； 前記シリコンヒンジの各対の少なくとも一つのヒンジの表面に組み込ま れ且つ剪断応力に感応し、それによって該ヒンジ内の捻れを感知出来る４端子ピ エゾ電圧センサ； 揺動（振動）用正のフィードバック素子として前記内側ヒンジ内の少な くとも一つのピエゾセンサを用いて、前記内側質量体を一定の振幅で前記第一の 軸の周りに、その固有共振周波数で揺動（振動）せしめる駆動手段；及び 前記外側ヒンジの少なくとも一つに組み込まれ、ｚ−軸の周りに回転さ れる時、上記揺動（振動）本体上のコリオリ力により生ずる前記第二の軸の周り の他のヒンジの回転を測定するように配置され、それにより上記ｚ−軸の周りの アセンブリの回転速度の表示を与える第二の捻れセンサ。 ５．前記駆動手段が静電気的である請求項４の装置。 ６．前記駆動手段が磁気的である請求項４の装置。 ７．次の構成要素から成る微細加工された加速度計： シリコン板に接続され且つ該板上の一組の応力の無い単結晶シリコン捻 れヒンジに関して偏心的に位置する実質的シリコン質量体、ここで上記ヒンジは 回転軸を規定し且つ上記板を外側シリコンフレームに接続し、該フレームの上部 面はｘ−ｙ平面を規定し； 前記シリコンヒンジの対の少なくとも一つのヒンジはの表面に組み込ま れ且つ剪断応力に対して感応性が有り、それによって該ヒンジ内の 捻れを感知出来る４端子ピエゾ電圧センサ； 前記シリコン板の平面に平行な実質的磁場を設定する手段； 上記シリコン板の周囲上にメッキされた導電性コイル、ここで、リード は前記ヒンジの一つを通して取り入れられ、そして上記コイルの二側部は該コイ ル内に磁場、電流に実質的に直角であり、それによって前記ヒンジの周りの前記 板上にトルクを発生する；及び 前記ｘ−ｙ平面に直角なｚ−軸に沿った加速に応答して前記捻れセンサ の出力を零に回復する駆動手段。 ８．第二の同一装置に組み合わされた請求項７の装置であって、各装置は加速度 を測定する追加様式で他の出力と組み合わされるが、交差加速を相殺する為、反 対に組み合わされる装置。 ９．微細加工されたヒンジ用シリコン捻れセンサであって、該センサは、 細長い微細加工単結晶シリコンヒンジであって、該ヒンジは厚さ、主軸 、該ヒンジの対向側部上の主表面及び該ヒンジの質量に実質的に比較される質量 体に取り付けられた対向端を有し、該質量体は上記ヒンジを回復可能に捻ること が出来； 下に在るシリコンに対してオーミック接触する前記ヒンジの表面上の少 なくとも二つの離間する電流電極、ここで上記電極はそれ等の間に電流を導通し ； 該電流電極間を流れる電流に一般に直交する線に沿って配置された少な くとも二つの離間する電圧感知電極； 上記二つの離間する電圧感知電極間の電圧を測定する手段；及び 前記主表面の一つの下に在るシリコン内を流れる電流の深さを前記ヒン ジの厚さの半分を越えない値以下に制限する手段から成り、 前記ヒンジ内の剪断力は前記電流に直角な電圧を発生し、該電圧の測定 は捻れ力を表示するセンサ。 １０．前記電極は細長く、前記ヒンジ主要軸に直角な長さを有する請求項９の装 置。 １１．前記電流電極は細長く、前記ヒンジ主軸に一般に平行な長さを有す る請求項９の装置。 １２．更に、前記電極に接続され且つ前記シリコンから絶縁された電気リードに より規定される請求項９の装置。 １３．更に、前記ヒンジはシリコンの＜１００＞方向又は＜１１０＞方向の何れ かに並んだ主軸を有する請求項１２の装置。１４．前記電流の深さを制限する手 段は分岐隔離領域から成る請求項９の装置。 １５．前記ヒンジは縦方向及び曲がり応力を測定するピエゾ抵抗手段を含む請求 項９の装置。 １６．シリコンヒンジにより接続されたフレーム部分を有する微細加工構造を作 る方法であって、 第一のワッファー上に配置されたエッチストップ層の頭部に在る単結晶 シリコン層内に微細加工構造のヒンジとセンサをパターン化し、 前記単結晶シリコン層内のヒンジのパターンから過剰材料を前記エッチ ストップ層までエッチングし、 前記ワッファーの裏側に微細加工構造のフレーム部分をパターン化し、 そして 全フレーム部分から過剰材料をエッチングして微細加工構造を残す方法 。 １７．前記単結晶シリコン層はＳｉｍｏｘワッファー内に在る請求項１６の方法 。 １８．更に、 前記ヒンジをパターン化及びエッチングした後、第二のワッファーを前 記第一のワッファー上に結合し、そして 上記第二のワッファーに前記微細加工構造の更なるフレーム部分をパタ ーン化する、 請求項１６の方法。