JP2018146569A - 振動減衰マウント - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳセンサパッケージが提供される。【解決手段】ＭＥＭＳセンサパッケージは、振動減衰マウント（２）に固定されたＭＥＭＳセンサ（４）を備える。当該マウント（２）は、外側フレーム（８）と、当該ＭＥＭＳセンサ（４）が固定された移動可能支持部（６）と、を画定する、シリコン基板を備える。振動減衰構造体（１２，１４，１６）は、当該支持部（６）の移動を減衰させるために、当該外側フレーム（８）と当該移動可能支持部（６）との間に連結される。当該ＭＥＭＳセンサ（４）及び振動減衰マウント（２）は、ガスが充填されたケーシング（１０）によって包囲される。【選択図】図１

Description

本開示は、ＭＥＭＳセンサ用振動減衰マウントに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ（一般的に、単一のシリコンウエハから製造される）は、基準点を固定することなく、直線運動または角運動を測定するために使用されることができる。ＭＥＭＳジャイロスコープ、または、厳密に言えば、ＭＥＭＳ角速度センサは、コリオリの力に対する振動構造物の反応を観察することにより角速度を測定することができる。ＭＥＭＳ加速度計は、ばねにぶらさがった試験質量の反応を観察することにより直線加速度を測定することができる。一般的に、慣性計測装置（ＩＭＵ）パッケージは、１つ以上のジャイロスコープ及び／または加速度計を含有する。例えば、ＩＭＵは、３つのジャイロスコープ及び３つの加速度計を含んでもよく、それにより、ＩＭＵは、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のそれぞれの周囲の角速度と、それらの軸のそれぞれの直線加速度とを検出することができる。ＩＭＵパッケージ内の各ＭＥＭＳセンサは、通常、ＩＭＥパッケージとＭＥＭＳ基板との間にある弾性マウントによって支持される。このマウントは、主に２つの機能を有する。その１つは、不要な外部振動から絶縁を提供することであり、もう１つは、ＩＭＥパッケージと基板との熱膨張差に起因する機械的応力を吸収することである。ＩＭＥパッケージ自体は、また、外部からの影響からそれ自体を絶縁するために、弾性緩衝器に取り付けられてもよい。

しかしながら、現在のＭＥＭＳセンサ用弾性マウントは、臨界減衰を与えず、長期老化に関する問題に悩まされている。ジャイロスコープと加速度計との両方に対する振動整流誤差（ＶＲＥ）が最小になるように、臨界減衰を用いてＭＥＭＳセンサにより感知される外部振動を減少させることが重要である。シリコーン等の弾性材料は、長期間に生じるクリープ、または時間が経つにつれて生じる変形に悩まされる。これにより、ＩＭＵパッケージ内のＭＥＭＳセンサの角安定性の制御が不十分になる。また、これは、パッケージ基板に対する各ＭＥＭＳセンサの整合は、ＩＭＵの作動期間中、維持することが困難であることを意味する。不整合は、加速度計及びジャイロスコープ等のＭＥＭＳセンサにバイアスシフトを生じさせる。この長期間に生じるクリープは、また、バイアスシフト及び倍率シフトを生じさせ得るセンサの応力状態を変更させる可能性がある。

整合を維持することに役立つ、エラストマー層の厚さと同じ直径を有する小型固体球を伴う弾性センサマウントを装着することは既知である。しかしながら、これは、ＭＥＭＳセンサが球上に接地されるときに、運動が固体球により伝えられるように振動絶縁がないなど、マウントの防振動作を乱す傾向がある。

米国特許第８，８９６，０７４号は、ＩＭＵパッケージまたはモジュールを外的ショックまたは振動から分離するように構成されたＭＥＭＳ振動絶縁システムを開示する。当該振動絶縁システムは、シリコン基板からエッチングされ、スクイーズフィルムダンピングを用いて、パッケージ内の加速度計（複数可）、ジャイロスコープ（複数可）、及び／または磁気計（複数可）によって行われる測定に別に影響を及ぼし得る外的に付与された振動を臨界減衰するように構成される。

出願人は、ＩＭＵパッケージ内のＭＥＭＳセンサの相対整合が、高性能なＩＭＵのために高精度に維持される必要があり、これは、あるセンサレベルでの振動減衰に対する新しいアプローチを必要とすることを認識している。例えば、パッケージ内の個々のＭＥＭＳジャイロスコープ間の不整合は、ある軸を中心とする回転により、信号が別の軸上でも測定されるであろうことを意味する。同様に、パッケージ内の個々の加速度計間の不整合は、ある軸の加速度により、信号が別の軸上でも測定されるであろうことを意味する。通常、センサの不整合のいくらかの粗野度は、ＩＭＵ校正中に補正される。しかしながら、その不整合は、弾性センサマウント上での応力効果に起因して徐々に引き起こされる場合、ＩＭＵの精度は、動作中に低下する。

ＭＥＭＳセンサ用振動減衰マウントの改善が依然として必要とされている。

本開示による、振動減衰マウントに固定されたＭＥＭＳセンサを備えたＭＥＭＳセンサパッケージが提供され、当該マウントは、
外側フレームと、
ＭＥＭＳセンサが固定された移動可能支持部と、
当該支持部の移動を減衰させるために、当該外側フレームと当該移動可能支持部との間に連結された振動減衰構造体と、を画定する、シリコン基板を備え、
当該ＭＥＭＳセンサ及び当該振動減衰マウントは、ガスが充填されたケーシングによって包囲される。

そのようなＭＥＭＳセンサパッケージは、シリコン基板から形成される振動減衰マウントと同じ外側ケーシング内にＭＥＭＳセンサを包括することにより、あるセンサレベルで振動防止取り付けに対する新しいアプローチを提供する。そのような振動減衰マウント自体は、ＭＥＭＳ構造体であり、そのため、ウエハレベルで製造されることができ、多くの部品は、同時に形成されることができることが認識できる。ＭＥＭＳセンサと振動減衰マウントとの両方は、センサパッケージを形成するために同じケーシングによって包囲される前に一緒に固定されたシリコンオンガラス（ＳＯＧ）構造体として製造されてもよい。ＭＥＭＳセンサパッケージは、ＭＥＭＳセンサのそれ自体の内部振動減衰を伴う、単一チップの形態をとり得る。この整合の利点は、振動減衰マウントは、ＭＥＭＳセンサをケーシングから物理的に分離し、従来の弾性減衰材料を使用しないで、パッケージによって受ける振動を吸収することができるように作用することである。さらに、以下により詳細に説明されるように、振動減衰構造体は、等方性減衰応答を提供するために配置されることができる。例えば、ｘ、ｙ、及びｚ方向の移動に関する臨界減衰が達成され得、その３方向全ての支持部の共振周波数は、一致されることができることが好ましい。

ある例のセットでは、ＭＥＭＳセンサパッケージは、外側フレームの面外での支持部の移動を減衰させるために配置された追加の振動減衰構造体を備える。この追加の振動減衰構造体は、ｚ方向でも運動に応答するために専用に提供されてもよい。好ましくは、追加の振動減衰構造体は、面の外側方向に移動可能支持部を通るように延在する複数の開口部を備える。そのような開口部は、移動可能支持部の面の外側でｚ方向に実質的に延在し、または、そのような開口部は、例えば、移動可能支持部の面に対して角度θ（０＜θ≦９０°）で角度付けられてもよい。

好適な例のセットでは、開口部の数及び／またはサイズは、臨界減衰を提供するように選ばれる。例えば、ほぼ１０ミクロン程度のサイズを有する開口部が選ばれてもよい。開口部は、例えば、円形、楕円、長方形のような、いずれかの適切な形状を有してもよく、様々な異なる形状は、必要に応じて使用されてもよい。好ましくは、開口部は、移動可能支持部を通るように延在する穴またはスロットの形態をとってもよい。

出願人は、外側フレームと移動可能支持部との間に連結された振動減衰構造体が、特に、外側フレームがケーシングに接触し、またはそれに固定されるときに、移動可能支持部を外側フレームから分離させるための重要な機能を有することを認識している。ケーシングは、センサ整合に悪影響を及ぼす可能性がある、移動可能支持部と、ひいてはＭＥＭＳセンサとに伝えられる充填応力及び変動応力を受けやすい。本開示の種々の例では、ＭＥＭＳセンサパッケージは、ケーシングに固定された外側フレームを備える。外側フレームの全てまたは一部は、ケーシングに固定されてもよい。

好適な例のセットでは、シリコン基板によって画定された外側フレーム及び移動可能支持部のうちの少なくとも１つは、深さｄを有し、振動減衰構造体は、深さｄ未満である第２の深さを有する支持機構を備える。他のシリコン構造体に関連する振動減衰構造体の少なくとも一部を薄くすることは、剛性と、ひいては減衰効果との制御を可能にすることが見出されている。さらに下記に説明されるように、これは、面外運動（すなわち、ｚ方向における）に関する支持部の共振周波数が、面内の共振周波数（すなわち、ｘ及びｙ方向における）に実質的に等しくなるように設定されることを可能にする。

これは、振動減衰マウント自体に関するそれ自体の権利において新規的及び発明に関するものが考慮され、ひいては、本開示の他の態様によると、ＭＥＭＳセンサ用振動減衰マウントが提供され、当該マウントは、深さｄのシリコン基板を備え、当該基板は、
外側フレームと、
ＭＥＭＳセンサを支持するための移動可能支持部と、
当該支持部の移動を減衰させるために、当該外側フレームと当該移動可能支持部との間に連結された振動減衰構造体と、を画定し、
当該振動減衰構造体は、当該深さｄ未満である第２の深さを有する支持機構を備える。

振動減衰構造体は、エッチングされてもよく、または別の方法で、外側フレームと移動可能支持部との間に画定するシリコン基板内で形成されてもよい。出願人は、振動減衰構造体の支持配置に、支持部のための「揺動スペース」を提供することが重要であり、それにより、予想される最大の振動レベル下で、支持部上に取り付けられたＭＥＭＳセンサが接地せず、減衰が維持されることを理解している。これを達成させるために、ｚ方向の支持機構の剛性は、第２の深さを、深さｄ未満にさせることにより減少する。

振動構造ジャイロスコープ等の標準的なＭＥＭＳセンサは、一般的に、２０Ｈｚ〜２ｋＨｚ（ｇ ｒｍｓ）の範囲内で周囲振動を受ける場合がある。理想的には、振動減衰性構造体は、等方性応答を提供する。支持部に関する共振周波数（例えば、１ｋＨｚ）、好ましくは、面内と面外との両方は、十分であるが大き過ぎない剛性を与える妥協周波数であり、それにより、周囲振動が支持部に固定されたＭＥＭＳセンサによって感知されることができる。そのような共振周波数では、航空機システム（約８ｇ ｒｍｓ）用の標準的な周囲振動レベル下でマウントが効果的のままの状態で支持部が下に動かないような十分な揺動スペースを与える必要がある。

深さ＜ｄまで薄くされた振動減衰構造体の一部（すなわち、支持機構）は、好ましくは、ばねと同様の方法で移動可能支持部を支えるように作用する。第２の深さは、適合する程度の剛性を与えるように選ばれることができる。

好適な例のセットでは、支持機構は、外側フレームの面内及び／または外側フレームの面外での支持部の移動を減衰させるため、外側フレームと移動可能支持部との間に延在する１つ以上の柔軟脚部を備える。これらの柔軟脚部は、例えば、ＤＲＩＥまたは他のエッチング技術により、深さｄ未満である第２の深さを有するようにシリコン基板内に形成される。好ましくは、支持機構は、外側フレームと移動可能支持部との間に延在する複数の蛇行脚部を備える。そのような蛇行脚部は、同一面内で往復するように折り畳まれることができる。この蛇行形態は、好ましくは、各蛇行脚部が、少なくとも、第１の略直線区分と、第２の略直線区分と、第１及び第２の略直線区分を相互連結する略Ｕ型形態の端区分とを備え、端区分の厚さは、第１及び第２の略直線区分の両方の中央部の厚さよりも大きいことを理解されたい。蛇行脚部に関連して本明細書で使用されるような用語「厚さ」は、そのｘ及びｙ方向の寸法（すなわち、面内の厚さ）を指す。

そのような支持機構は、支持部のための低い共振周波数ｆ_z（例えば、約１ｋＨｚ）を与えることと、熱誘導歪みを分離するのに役立つこととが見出されている。好ましくは、振動減衰構造体は、外側フレームの面外での支持部の移動に関して、共振周波数ｆ_zを提供する。柔軟脚部の剛性は、所望の共振周波数ｆ_z（例えば、１ｋＨｚ）を提供するように選ばれる。

基板の深さｄ未満の深さを有する脚部は、マウントの面外の共振周波数ｆ_zが、マウントの面内の共振周波数ｆ_xyに、より容易に一致することを可能にすることが見出されている。例えば、脚部は１０〜２０ミクロンの深さまで薄くされ得る一方、基板は約１００ミクロンの深さｄを有し得る。これは、３次元における等方性減衰応答を容易にする。外側フレームがケーシングに固定されると、脚部が、マウント上のＭＥＭＳセンサの角度整合に別に影響を及ぼし得る熱誘導膨張／縮小の機械的応力を吸収することができる。

製造を容易にするために、外側フレーム及び／または移動可能支持部は、また、基板の深さｄに一致する深さを有してもよい。

上記で説明された柔軟脚部に加えて、また代替として、振動減衰構造体は、スクイーズフィルムダンピング効果をもたらすために配置されてもよい。好適な例のセットでは、振動減衰構造体は、外側フレームの面内での支持部の移動を減衰させるために配置された相互嵌合型指部の１つ以上のセットを備える。相互嵌合型指部の各セットは、例えば、櫛状構造を形成する、外側フレームから移動可能支持部に向かって延在する第１の指部と、移動可能支持部から外側フレームに向かって延在する第２の指部とを備える。好ましくは、第１及び第２の指部は、第１及び第２の指部の各ペアの間に等しい間隙で交互に相互嵌合される。これは、スクイーズフィルムダンピング効果を最適化するのに役立つ。

当技術分野で周知のように、この振動減衰構造体の間隔（例えば、相互嵌合型指部間の間隙）は、所望の程度の面内スクイーズフィルムダンピングを提供するために選ばれることができる（すなわち、ｘ及びｙ方向で）。好ましくは、相互嵌合型指部の１つ以上のセットの数及び／または間隔は、臨界減衰を提供するために選ばれる。最適性能を実現するために、相互嵌合型指部の深さは、好ましくは、指部の間で圧縮／膨張された流体量が可能な限り多くなるように、基板の深さｄに一致させる。相互嵌合型指部は、可能な限り多くの面内減衰を与えるような基板の全高を有してもよい。振動減衰構造体が柔軟脚部と相互嵌合型指部との両方を備える例では、これらの２つの構造体は、マウントを形成するために使用されるシリコン基板の面外で、それらの深さによって相互を容易に区別され得る。従って、振動減衰構造体の製造プロセスは、２つの別個のエッチングステップを含むこことができ、第１のステップは、全深さｄにわたり面内機構を形成するために使用され、第２のステップは、例えば、わずか１０〜２０ミクロンのような全深さｄのほんの一部になるまで、シリコンの裏側をエッチングすることにより、柔軟脚部を薄くするために使用される。

相互嵌合型指部間の間隙は、支持部の要求された面内共振周波数ｆ_xyに従って、設定される。さらに、相互嵌合型指部間の面内間隙は、好ましくは、標準的な振動レベル下での接地がないように選ばれる。例えば、１ｋＨｚの面内共振周波数ｆ_xy及び２４８ｎｍ／ｇの剛性で、また指部間の６ミクロンの間隙で、着地は、約８ｇ ｒｍｓ（２４ｇ ｐｅａｋ）であり得る航空機内での標準のｇレベルを超える約２４ｇの加速度で発生する。従って、このサイズの間隙では、通常の振動レベル下でいずれかの着地はないはずである。当然ながら、ショック状態では、着地が起こり得るが、ショックイベントの後（一般的に、１ミリ秒未満内）に正常状態に戻る。少なくともいくつかの例では、相互嵌合型指部の１つ以上のセットは、５〜１０ミクロン（好ましくは、約６ミクロン）の範囲で指間隔を有する。

出願人は、あるセンサレベルで等方性減衰応答の利点を理解している。好ましくは、相互嵌合型指部の１つ以上のセットは、外側フレームの面内での支持部の移動に関して、共振周波数ｆ_xyを提供し、支持機構は、ｆ_xyに実質的に一致する共振周波数ｆ_zを提供するように構成される。例えば、振動減衰構造体の柔軟脚部は、ｆ_xyに実質的に一致する共振周波数ｆ_zを提供するために薄くされてもよい（例えば、ｆ_xyとｆ_zとの両方は、約１ｋＨｚで設定されてもよい）。それぞれ個別のＭＥＭＳセンサを外部振動から効率的に絶縁することにより、センサ間の相対整合は、ＩＭＵパッケージ全体に影響を及ぼし得る熱駆動応力に関わらず、確実にされることができる。

少なくともいつくかの例では、シリコン基板は、下地ガラス基板に陽極接合される。

ＭＥＭＳセンサパッケージの少なくともいつくかの例では、外側フレームは、ケーシングに固定される。

好ましい例では、ＭＥＭＳセンサは、ジャイロスコープまたは加速度計の少なくとも１つである。

ＭＥＭＳセンサは、「開放」であってもよく、または、ガスが充填された、あるいは気体等がない、センサ自体のケーシングを有してもよい。例えば、ＭＥＭＳセンサがジャイロスコープである場合、開放であってもよく、一方、ＭＥＭＳセンサが加速度計である場合、それ自体の別個のケーシング内で密閉されてもよい。

好ましくは、ＭＥＭＳセンサは、直流から５００Ｈｚ、４００Ｈｚ、３００Ｈｚ、または２００Ｈｚまでの帯域幅を有し、好ましくは、実際の動きに対する感度を提供するために、ＤＣから少なくとも１００Ｈｚまでの帯域幅を有する。その際、支持部の共振周波数は、適宜選ばれることができる（例えば、上記のような１ｋＨｚ等の、２００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲）。当然ながら、臨界減衰では、効果的に支持部の共振がなく、ひいては、この共振周波数は、支持部によって提供される効果的な低域通過フィルタのカットオフ周波数の機能を果たす。

本開示は、また、本明細書に開示される複数のＭＥＭＳセンサパッケージを備える慣性計測装置（ＩＭＵ）にまでも及ぶ。

本開示の例は、付随の図面を参照し、本明細書において以下で説明される。

本開示による、ＭＥＭＳセンサ用振動減衰マウントを備える、ＭＥＭＳセンサパッケージの平面図である。 図１のＭＥＭＳセンサパッケージの側断面図である。 図１の振動減衰マウントの振動減衰構造体内の柔軟脚部の拡大図である。

図１は、本開示による、ＭＥＭＳセンサ４用振動減衰マウント２を備える、ＭＥＭＳセンサパッケージの平面図である。この図では、ＭＥＭＳセンサ４は、振動減衰マウント２上に取り付けられるように示される。しかしながら、ＭＥＭＳセンサ４は、振動減衰マウント２自体の一部を形成しないことを理解されたい。以下に言及されるｘ軸及びｙ軸は、図１の上左角部に示される。

振動減衰マウント２は、ＭＥＭＳセンサ４が取り付けられる移動可能支持部６と、外側フレーム８とを備え、移動可能支持部６と外側フレーム８との両方は、例えば、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）または他の既知の半導体製造技術により、同じシリコン基板から形成される。外側フレーム８は、さらに以下に図２を参照して説明されるような、底基板に取り付けられる。振動減衰マウント２及びＭＥＭＳセンサ４は、空気または異なるガス（アルゴンまたはネオン等）が充填された密封パッケージを形成するように、ケーシング１０によって包囲される。振動減衰マウント２及びＭＥＭＳセンサ４は、同じパッケージケーシング１０内に密閉されるとき、ＭＥＭＳセンサ４は「開放」であることができる（すなわち、ＭＥＭＳセンサ４は、移動可能支持部６上にＭＥＭＳセンサ４を取り付ける前に、それ自体のパッケージ内に密閉される必要はない）。例えば、そのセンサとして、誘導ジャイロスコープが挙げられる。それ以外の場合、ＭＥＭＳセンサ４は、それ自体の密封パッケージ内で密閉されてもよく（例えば、そのセンサとして、スクイーズフィルムダンピングの目的のためにガス環境の加速度計または真空中の容量性ジャイロスコープが挙げられる）、そのとき、この密封パッケージは、マウント２に固定される。したがって、ＭＥＭＳセンサパッケージ全体のケーシング１０は、それ自体の内部振動マウンティングを有するセンサチップを画定する。

振動減衰マウント２は、ｘ、ｙ、及びｚ方向において、外部振動からＭＥＭＳセンサ４を絶縁するために配置される。ｘ及びｙ方向の減衰を提供するために、振動減衰マウント２は、ｘ及びｙ方向のスクイーズフィルムダンピングを提供する相互嵌合型指部１２、１４の直交セットの形態で、第１の減衰構造体を備える。外側フレーム８は、ｘ及びｙ方向において、フレーム８から移動可能支持部６に向かって突出する指部１２の４配列が提供される。これらの指部１２が基板に固定されるフレーム８から突出するとき（図２を参照して説明されるような）、これらの指部１２はまた、定位置に固定され、移動しない。しかしながら、移動可能支持部６は、また、移動可能支持部６からフレーム８の方向に突出する指部１４の配列が提供される。外側フレーム８から突出する指部１２のセット及び移動可能支持部６から突出する指部１４のセットは、好ましくは、可能な限り多くのスクイーズフィルムダンピングを与えるような両側に等間隙で、櫛状構造を提供するように互いに相互嵌合する。振動減衰マウント２が（例えば、振動に起因する）加速度を受けるとき、移動可能支持部６から突出する指部１４のセットは、固定された指部１２に相対的に移動することができる。相互嵌合指部１２、１４は、外側フレーム８及び移動可能支持部６と同じシリコン基板から好都合に形成される。

移動可能支持部６は、第１の振動減衰構造体の一部を形成する、いくつかの柔軟脚部１６を備える支持機構によって、外側フレーム８に連結される。これらの柔軟脚部１６はばねのような役割を果たし、振動減衰マウント２が加速度（例えば、振動）を受けるとき、移動可能支持部６がｘ、ｙ、及びｚ方向に移動することを可能にする。これらの脚部１６は、図３を参照して以下にさらに説明されるような構造で「蛇行」または「曲折」であってもよい。しかしながら、振動減衰マウント２がｘまたはｙ方向に加速度を受けるとき、相互嵌合型指部１２、１４は、移動可能支持部６の運動の大きさを小さくするスクイーズフィルムダンピングを提供する。スクイーズフィルムダンピング効果は、移動可能支持部６が移動するときに隣接する指部１２、１４間の間隙が減少するにつれて圧縮される、フレーム８に付属された指部１２と移動可能支持部６に連結された指部１４との間で、ガス（例えば、空気、アルゴン、ネオン等）に起因して生じる。

振動減衰マウント２は、また、第２の振動減衰構造体を使用して、ＭＥＭＳセンサ４をｚ方向の振動から絶縁するために配置される。これは、図２を参照してより詳細に説明されるが、しかしながら、移動可能支持部６は、ｚ方向において支持部６を通るように延在し及び図２の側面図よりも図１の平面図でより明確に見ることができる振動減衰マウント２のｚ方向における減衰特徴に寄与する、開口部１８の配列を備えることを留意されたい。

図２は、図１の振動減衰マウント２の側断面図である。移動可能支持部６、外側フレーム８、相互嵌合型指部１２、１４、及び柔軟脚部１６を備えるシリコン構造がガラス基板２０に陽極接合されることが、図２から確認できる。間隔層２２によって、フレーム８（ひいては、柔軟脚部１６を介して、フレーム８に連結された移動可能支持部６）がガラス基板２０から分離し、それにより、ガラス基板２０と、移動可能支持部６、フレーム８、及び柔軟脚部１６との間に空洞２４を提供する。振動減衰マウント２がｚ方向に加速度を受けるとき、空洞２４は移動可能支持部６が移動できる距離の限度を設定する「バンプストップ」を提供し、バンプストップのサイズは、間隔層２２の適切なサイズ（例えば、１０〜２０ミクロン）を選ぶことによって設定されることができる。また、１つ以上のバンプストップ突出部は、空洞２４内に位置してもよい。ｘ軸及びｚ軸は、図２の上左角部に示される。

フレーム８は、密封パッケージケーシング１０側に固定され、それにより、ケーシング１０に印加された振動は、振動減衰マウント２により吸収される。柔軟脚部１６は、移動可能支持部６を、フレーム８及び（拡大解釈すると）密封パッケージケーシング１０から効率的に分離する。従って、ＭＥＭＳセンサパッケージに印加された不要な振動は、移動可能支持部６と、ひいては移動可能支持部６上に取り付けられたＭＥＭＳセンサ４とに最小限の衝撃をもたらす。

図２から概略的に確認できるように、柔軟脚部１６は、フレーム８及び支持部６と比較してｚ方向で「薄くなる」。相互嵌合指部１２、１４は、それぞれ、フレーム８及び移動可能支持部６と同じ厚さｄである一方で、柔軟脚部１６は、フレーム８及び移動可能支持部６よりも実質的に薄い。例えば、フレーム８、移動可能支持部６、及び相互嵌合型指部１２、１４は、約１００ミクロンの厚さを有し得る一方で、柔軟脚部１６は、わずか１０〜２０ミクロンの厚さを有し得る。柔軟脚部１６の厚さから、支持部６及びＭＥＭＳセンサ４の搬送質量と併せて、ｚ方向の支持部６の共振周波数ｆ_zを設定する。ｚ方向の共振周波数ｆ_zは、ｘ及びｙ方向の共振周波数ｆ_xyと同じことが理想的である。これらのｆ_xy及びｆ_zの理想値は、ＭＥＭＳセンサ４の要求によって決まるであろうが、しかしながら、振動型ジャイロスコープまたは加速度計等の標準的なＭＥＭＳセンサは、≧１００Ｈｚ、一般的には、≧２００Ｈｚの動作可能帯域幅で、２０Ｈｚ〜２ｋＨｚ（ｇ ｒｍｓ）の動作可能入力振動スペクトルを有し得る。したがって、共振周波数ｆ_xy及びｆ_zの適切な値は、ほんの一例として、１ｋＨｚであってもよい。この周波数は、過剰な周囲振動を吸収することなく及び低周波数振動信号の忠実度を与える、十分な剛性を提供するように、許容可能な妥協を提供し得るようなものである。それにより、低周波数振動（例えば、最大２００Ｈｚ）は、柔軟脚部１６により除去されないであろう、ひいては、ＭＥＭＳセンサ４まで伝わるであろう。これは重要であり、ＭＥＭＳセンサ４の帯域幅内の加速度及び振動が、正確に検出及び記録されることが可能になる。

理想的には、ｘ、ｙ、及びｚ方向のそれぞれ減衰比ζ_x、ζ_y、及びζ_zは、同じであり、すなわち、振動減衰マウント２は、ζ_x＝ζ_y＝ζ_zのような等方性減衰を提供する。

不減衰共振周波数は、関係式

を使用して決定されることができる（式中、ｆ₀は不減衰周波数、ｋは減衰構造の剛性、ｍは、搬送質量である）。減衰共振周波数は、一般的に、シリコンの搬送質量及び弾性特性を考慮して、当技術分野自体で既知である、有限要素モデリング法を使用して、設計中に設定される。従って、振動減衰マウント２を設計するとき、ＭＥＭＳセンサ４の質量を説明することは重要である。

振動減衰マウント２の形状は、好ましくは、可動部（すなわち、移動可能支持部６及び対応する指部１４）が標準的な周囲振動レベル下で「着地」しないように選択される。例えば、振動減衰マウント２が航空宇宙用途で使用される場合、振動減衰マウント２の形状は、移動可能支持部６がガラス基板２０に接触することなくまた移動可能指部１４が固定指部１２に接触することなく、約８ｇ ｒｍｓの加速度に適応する必要があり得る。

ＭＥＭＳセンサ４は、一般的に、ほんの一例として薄エポキシ層（例えば、５ミクロンの厚さ）を使用して、またはＳｉ−Ｓｉ融着接合を使用して、移動可能支持部６に固定される。代替として、ＭＥＭＳセンサ４は、共晶接合（例えば、Ａｇ−Ｓｎ合金を使用する）、ガラスフリット接合（時々、ガラスはんだ付けと呼ばれる）、または当技術自体で既知である他のいずれかの適切な接合を使用して、移動可能支持部６に固定されてもよい。図２から確認できないが、支持部６は、また、ＭＥＭＳセンサ４に電気相互接続を提供する。

ｘ及びｙ方向の減衰比ζ_x，ζ_yは隣接する相互嵌合指部１２、１４間の適切な間隙を選ぶことにより設定されることができる一方で、ｚ方向の減衰比ζ_zを制御することがより困難になる可能性がある。図１を参照して既に言及された開口部１８は、ｚ方向のスクイーズフィルムダンピングの大きさ、ひいてはｚ方向の減衰比ζ_zを制御するための機構を提供する。理想的には、これらの開口部１８の数、配列、大きさ、及び密集度は、ｚ方向で臨界減衰を提供するように選択される。同様に、隣接する指部１２、１４間の間隙の大きさは、また、ｘ及びｙ方向で臨界減衰（すなわち、ζ_x＝ζ_y＝１）を提供するために選択される。図１に示されるような開口部１８は、丸孔である一方で、他の形状が開口部１８に使用され得る、例えば、楕円状もしくは長方形状の孔もしくはスロットが代わりに使用され得る、または、異形を含む様々な異なる形状が必要に応じて使用され得ることを理解されたい。

図３は、図１の振動減衰マウント２の支持機構における柔軟支持脚部１６の拡大図である。図３から確認できるように、柔軟支持脚部１６は、外側フレーム８を移動可能支持部６に連結する単なる垂直ビームでなく、代わりに、その柔軟支持脚部１６が移動可能支持部６をフレーム８に連結するばねのように働くことを可能にする蛇行形態を有する。一定距離２６にわたり、支持脚部１６は、それ自体が往復するように折り畳まれ、コイル状構造を形成する。そのような蛇行脚部が、ＷＯ２０１３／０５０７５２号でより詳細に説明され、この文献の内容が、参照することにより本明細書に含まれる。振動減衰マウント２がｘ、ｙ、及びｚ方向に（例えば、振動に起因して）加速度を受けるとき、この蛇行形態は、脚部１６がばねのように延在または圧縮され、ひいては、ｘ、ｙ、及びｚ方向においてフレーム８に対して移動可能支持部６の運動を可能にする。この蛇行形態は、また、脚部１６が、マウント２と、ひいてはＭＥＭＳセンサ４とを、熱膨張率不整合に起因する機械的応力から分離することを可能にする。脚部１６は、金属トラッキングを支え、移動可能支持部６と、ひいては移動可能支持部６上に取り付けられたＭＥＭＳセンサ４とに、電気的接続を提供してもよい。支持機構の剛性は、これらのいくつかの柔軟脚部１６によって設定され、標準的な振動減衰マウント２は、例えば、マウント２の「１／４」ごとに３個の脚部１６があるなど、これらの脚部１６のうちの１０〜１２個を有し得る。各脚部１６は、導体トラックを支え、必要に応じて電気信号を伝達してもよく、設計は、特定用途で要求される、トラックの数に適応するように調整されることができる。

単一のＭＥＭＳセンサ４が示されているが、２つ以上のセンサが、マウント６に固定され得ることが理解されるであろう。（例えば、ジャイロスコープ及び１つもしくは２つの加速度計（ｘ及びｙ方向の加速度計のペアと、ｘ及びｙ平面内の角速度を測定するために配置されたジャイロスコープ等）、または２つの加速度計（例えば、ｘ及びｙ方向の加速度計を測定するためのもの）が挙げられる。）例えば、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ（登録商標）によって製造されたＧｅｍｉｎｉ(商標)システムは、マウント６に固定され得る２軸ＭＥＭＳ加速度計を提供する。複数のセンサがマウント６に固定されている間、各センサは、それ自体の密封パッケージ内で密閉されてもよく、または開放であってもよく、また、開放及び密閉センサの組み合わせが、同じＭＥＭＳセンサパッケージ内に取り付けられてもよい。

従って、ｘ、ｙ、及びｚ方向に臨界減衰を提供するＭＥＭＳセンサ用振動減衰マウントは、本明細書に説明されていることが分かるであろう。特定の例が詳細に説明されているが、多くの変形例及び修正が、本明細書に記載された本開示の原理を使用することが可能であることは、当業者によって理解されるであろう。

Claims (14)

1. 振動減衰マウントに固定されたＭＥＭＳセンサを備えるＭＥＭＳセンサパッケージであって、前記マウントは、
   外側フレームと、
   前記ＭＥＭＳセンサが固定された移動可能支持部と、
   前記支持部の移動を減衰させるために、前記外側フレームと前記移動可能支持部との間に連結された振動減衰構造体と、を画定する、シリコン基板を備え、
   前記ＭＥＭＳセンサ及び前記振動減衰マウントは、ガスが充填されたケーシングによって包囲される、前記ＭＥＭＳセンサパッケージ。
2. 前記外側フレームの面の外側での前記支持部の移動を減衰させるために配置された追加の振動減衰構造体を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサパッケージ。
3. 前記追加の振動減衰構造体は、前記面の外側方向に移動可能支持部を通るように延在する複数の開口部を備える、請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサパッケージ。
4. 前記開口部の数及び／またはサイズは、臨界減衰を提供するように選ばれる、請求項３に記載のＭＥＭＳセンサパッケージ。
5. 前記シリコン基板によって画定された前記外側フレーム及び移動可能支持部のうちの少なくとも１つは、深さｄを有し、前記振動減衰構造体は、前記深さｄ未満である第２の深さを有する支持機構を備える、先行請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサパッケージ。
6. ＭＥＭＳセンサ用振動減衰マウントであって、前記マウントは、深さｄのシリコン基板を備え、前記基板は、
   外側フレームと、
   ＭＥＭＳセンサを支持するための移動可能支持部と、
   前記支持部の移動を減衰させるために、前記外側フレームと前記移動可能支持部との間に連結された振動減衰構造体と、を画定し、
   前記振動減衰構造体は、前記深さｄ未満である第２の深さを有する支持機構を備える、前記ＭＥＭＳセンサ用振動減衰マウント。
7. 前記支持機構は、前記外側フレームの前記面内及び／または前記外側フレームの前記面の外側での支持部の移動を減衰させるために、前記外側フレームと前記移動可能支持部との間に延在する１つ以上の柔軟脚部を備える、請求項５または６に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。
8. 前記柔軟脚部は、前記外側フレームと前記移動可能支持部との間に延在する複数の蛇行脚部を備える、請求項７に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。
9. 前記支持機構は、前記外側フレームの前記面の外側での前記支持部の移動に関して、共振周波数ｆ_zを提供する、いずれかの先行請求項に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。
10. ｆ_zは、約１ｋＨｚである、請求項９に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。
11. 前記振動減衰構造体は、前記外側フレームの前記面内での支持部の移動を減衰させるために配置された相互嵌合型指部の１つ以上のセットを備える、いずれかの先行請求項に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。
12. 前記相互嵌合型指部の１つ以上のセットの数及び／または間隔は、臨界減衰を提供するように選ばれる、請求項１１に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。
13. 前記相互嵌合型指部の１つ以上のセットは、前記外側フレームの前記面内での前記支持部の移動に関して共振周波数ｆ_xyを提供し、前記支持機構は、ｆ_xyに実質的に一致する前記外側フレームの前記面の外側での前記支持部の移動に関して共振周波数ｆ_zを提供するように構成される、請求項１１または１２に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。
14. 前記シリコン基板は、下地ガラス基板に陽極接合された、いずれかの先行請求項に記載のＭＥＭＳセンサパッケージまたは振動減衰マウント。

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