面内容量型ＭＥＭＳ加速度計
【課題】ＭＥＭＳ製造技術を用いた単一チップ上に作られた面内加速度計と面外加速度計の両方を含む超頑強、かつ、高性能な、３軸加速度計を提供する。
【解決手段】物体に堅固に取り付けられた基板付きの面内加速度計及び一体成形の材料からなる、基板１０４の上方に可動自在に所定の距離を離間される、プルーフマス１０２を含む。プルーフマスは１０２、プルーフマスと基板との間に異なる高さの隙間を形成するためにプルーフマスから下に伸びる複数の電極突部１１６を含む。プルーフマス１０２は、物体が加速しているときに、複数の基板電極１０８，１１０の各々の上面に平行な方向に動く構成で、隙間の領域の変化及び基板とプルーフマスとの間の容量の変更をもたらす。面内加速度計は面外加速度計の製造に使用される技術と同じ技術を用いて製造可能で高い衝撃用に適する。
【解決手段】物体に堅固に取り付けられた基板付きの面内加速度計及び一体成形の材料からなる、基板１０４の上方に可動自在に所定の距離を離間される、プルーフマス１０２を含む。プルーフマスは１０２、プルーフマスと基板との間に異なる高さの隙間を形成するためにプルーフマスから下に伸びる複数の電極突部１１６を含む。プルーフマス１０２は、物体が加速しているときに、複数の基板電極１０８，１１０の各々の上面に平行な方向に動く構成で、隙間の領域の変化及び基板とプルーフマスとの間の容量の変更をもたらす。面内加速度計は面外加速度計の製造に使用される技術と同じ技術を用いて製造可能で高い衝撃用に適する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の属する技術分野
本発明は加速度計及びその他の力検出装置に関し、より具体的には基板上の複数の電極の上方に位置する一体成形の材料から形成されたプルーフマスを含む超頑強な、面内ＭＥＭＳ容量型加速度計に関する。基板が加速すると、プルーフマスは基板の上面に平行な方向に移動し、プルーフマスと基板との間の容量を変える。この容量の変化を変位の測定及び基板が付けられている物体の加速度の特定に使用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
加速度計は全ての種類の車用のナビゲーション及び誘導システムに一般に用いられる慣性計測装置（ＩＭＵ）内の重要な要素である。一般的なＩＭＵはリニア加速度計、ジャイロ回転速度センサー、及び関連電子機器を各々含む３つの均等なモジュールからなる。こうした３軸ＩＭＵは航空機や宇宙船から精密誘導ミサイルや大砲弾にわたる範囲の航空宇宙応用内のナビゲーション、誘導及びデータ測定システムに用いられる。こうした用途の多くで、ＩＭＵは極度の振動及び衝撃負荷にさらされる。このため、こうした過酷な条件に耐えるように設計されなければならない。
【０００３】
過酷な衝撃負荷に耐えることができる慣性計測装置は超頑強ＩＭＵとして知られる。こうした高性能ＩＭＵは重力の数千倍の力にさらされたときでさえ完全に機能的であり続ける。高性能加速度計及びその他の部品の使用はＩＭＵが搭載された車や自動推進体の信頼できる、一貫した、精密な誘導を可能にする。
【０００４】
微小重力解像度、高感度、高直線性及び低バイアスドリフト付き高性能加速度計は超頑強ＩＭＵの使用に必須である。伝統的に、ＩＭＵは大型機械式加速度計及び従来の回転型ジャイロを含んでいた。しかし、最新のＩＭＵ、特に超頑強で高性能のＩＭＵは微小電気機械（ＭＥＭＳ）製造技術を用いて製造される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＥＭＳ製造技術は微小重力解像度を達成しながら大質量、大容量及び小減衰が同時に加速度計で得られるのを確実にするのに重要な役割を果たす。シリコン容量型加速度計は超頑強ＩＭＵのために非常に魅力的になるいくつかの利点を有する。シリコン容量型加速度計は高感度、かつ、良好な直流応答及びノイズ特性、低ドリフト、低温感度、低電力消費及び簡単な構造を有する。ＭＥＭＳ製造技術を用いて単一チップ上に超頑強な、高性能の３軸加速度計を構築することは有利である。しかし、このためには、同じ製造技術を用いたチップ上の面外及び面内両方の加速度計の組み立てが必要である。
【０００６】
既知の面内加速度計の構成は、側壁間で感知間隔が形成され感知が感知間隔の大きさによって決定されるＭＥＭＳ櫛指加速度計を含む。従来のＭＥＭＳ櫛指加速度計が図７に示され、全体で番号７００で記される。加速度計７００は２つのアンカー７０４にバネで付けられ複数の可動指７０６を有するプルーフマス又は感知プレート７０２を含む。可動指７０６は可動及び固定指の間に側部の隙間が形成された状態で複数の固定指７０８と交互に配置される。側部の隙間の最小サイズは面内加速度計７００を製造するのに用いられる乾式反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術のアスペクト比に基づきプレート厚さの約１／１０から１／１５の間に制限される。これは７５μｍ（ミクロン）厚のプレートの最小の側部の隙間が５．０から７．５μｍの間であることを意味する。既存のＤＲＩＥ技術で可能な最小の大きさは１０μｍの隙間の生成である。７５μｍの厚さのプレートに、この技術を用いてＭＥＭＳ櫛指、面内加速度計を製造することは不可能である。
【０００７】
マイクロマシニングとバルクマイクロマシニングとを組み合わせた他の製造技術を、側部の隙間を１．１μｍに減らすのに用いることが可能である。ポリシリコン蒸着技術が一例である。しかしながら、こうした技術の処理フローは非常に複雑で、低収率となる。さらに、結果として生じる構造は脆弱で、高い衝撃の用途に向かない構造になる。こうした既存の技術は超頑強なＭＥＭＳ加速度計の製造に用いることができない。
【０００８】
加えて、従来の櫛指加速度計の構成には非線形性問題が内在している。線形性を向上するために、側部の隙間の変化は小さい差動容量出力をもたらす小さい範囲に制限されなければならない。
【０００９】
これらの制限を考えると、同じＭＥＭＳ製造技術を用いた単一チップ上に作られた面内加速度計と面外加速度計の両方を含む超頑強、かつ、高性能な、３軸加速度計が切実に求められている。本発明はこのニーズを扱う。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法に関する。同システムおよび方法は当業者には以下の数個の図面と併せて後述の同発明の詳細な説明からより簡単に明らかになるであろう。
【００１１】
物体の面内加速度を特定するためのシステムが開示され、物体に強固に取り付けられた基板付きの面内加速度計及び一体成形の材料からなる、基板の上方に可動可能に所定の距離を離間されるプルーフマスを含む。複数の第１の基板電極が基板から上に延び、同じく基板から上に延びる複数の第２の基板電極と交互になっている。各基板電極は平面的な上面を有する。複数の第１の基板電極は互いに電気的に接続され、複数の第２の基板電極も互いに電気的に接続される。プルーフマスはプルーフマスと基板との間に異なる高さの隙間を形成するためにプルーフマスから下に延びる複数の電極突部を含む。第１のコンデンサはプルーフマスと複数の第１の基板電極との間に形成され、第２のコンデンサはプルーフマスと複数の第２の基板電極との間に形成される。プルーフマスはプルーフマスが均衡位置にあるとき、複数の電極突部の各々が１つの第１の基板電極の一部及び隣接する第２の基板電極の一部の上方に配置される状態で、物体の速度が一定のとき、均衡位置に保持される構成である。プルーフマスは物体が加速しているときに複数の基板電極の各々の上面に平行な方向に動く構成である。これにより各基板電極の上面とプルーフマスとの間の隙間の領域の変化が起きる。
【００１２】
物体の面内加速度を測定する方法もまた開示されている。この方法は：基板の物体への堅牢な取り付け；プルーフマスと基板との間の異なる高さの隙間を形成するための基板の上方に所定の距離の均衡位置へのプルーフマスの固定；第１の基板電極と第２の基板電極が基板上に交互に配置される、プルーフマスと複数の第１の基板電極との間への第１の差動コンデンサの形成とプルーフマスと複数の第２の基板電極との間への第２の差動コンデンサの形成と；物体に加速力を加えることによる均衡位置から基板電極の平面的な上面に平行な方向へのプルーフマスの移動と；第１の差動コンデンサ内の容量の第１の変化の測定と；第２の差動コンデンサ内の容量の第２の変化の測定と；測定された容量の変化を物体の加速度を表す電圧に変換するための回路の使用のステップを含む。
【００１３】
物体の面内加速度を測定する追加の方法もまた開示される。その方法は：物体への基板の堅牢な取り付け；プルーフマスが１方向のみに動くように拘束される、プルーフマスの基板の上方でのぶら下げ；基板電極の上の平面に平行な方向にプルーフマスが動くときに各基板電極の上の平面とプルーフマスとの間の領域が変化するように各電極突部が２つの基板電極の上方で心出しされた状態でプルーフマスが複数の電極突部を含む、プルーフマスと基板との間への差動コンデンサの形成と；物体に加速力を加えることによるプルーフマスの移動と；各基板電極とプルーフマスとの間の容量の変化の測定と；回路を用いた、測定された容量の変化から物体の加速度を表す電圧への変換と；各基板電極の上の平面とプルーフマスとの間の領域の変化に比例する回路からの電圧を出力する工程を含む。
【００１４】
物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法を如何に実施するかを当業者が容易に理解できるように、次の図を参照して同システムおよび方法の好ましい実施形態を以下に詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】基板の上方に懸架されトッピング・ウエハで包まれたプルーフマスを示す本発明による面内加速度計の断面図である。
【図２】プルーフマスが初期位置にある図１に示される面内加速度計の一部の詳細図である。
【図３】プルーフマスが加速による変位の後に第２の位置にある図１に示される面内加速度計の追加の詳細図である。
【図４】本発明の面内加速度計によって形成されたコンデンサのための等価回路を示す回路図である。
【図５】容量の変化の形式の加速度計からの入力を受け、入力をプルーフマスの加速度を表す電圧出力に変換する本発明のセンサー・インターフェース回路の機能ブロック図である。
【図６】乾式反応性（ＤＲＩＥ）処理によって形成されたプルーフマス上の電極突部を示す、本発明の面内加速度計の代替実施形態の断面図である。
【図７】側部の感知間隔を形成するための固定指が可動指と交互に配置された状態の先行技術の面内加速度計の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
単一チップ上の面内加速度計と面外加速度計の両方を含む超頑強、かつ、高性能の３軸の慣性計測装置の切迫した必要性がある。この目的に適した斬新な面外ＭＥＭＳ加速度計が２００７年１０月２６日に出願された「均衡の取れたガス減衰付き懸架加速度計」という名称の米国特許出願番号１１／９７８，０９０に記載される。本明細書に参照として組み込まれる出願は、非対称なプルーフマス付き懸架容量型加速度計を記載する。懸架感知プレートは実質的に空洞の第１の側と中空でない第２の側を含む。この出願に記載される面外加速度計は感知構造としての７５μｍ（ミクロン）のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）層を用いる。そうした非対称な非中空／中空のプルーフマスセンサー構造は比較的厚いプルーフマス及びプルーフマスと面外懸架加速度計の基板との間の狭い垂直隙間のために表面マイクロマシニング揺動構造より高い感度を示す。
【００１７】
この開示は、面外懸架加速度計の製造に使用される技術に似た技術を用いて製造可能な面内加速度計を記述する。この製造技術の例は、また、本明細書に参照として組み込まれる２０１０年６月１５日に発行された「高性能ＭＥＭＳ加速度計のためのウエハ処理フロー」の名称の米国特許番号７，７３６，９３１に開示される。
【００１８】
この開示は基板の上方に配置されたプルーフマスが基板の上面に平行な方向に動くのに伴い差動容量を測定する超頑強な、面内ＭＥＭＳ加速度計を記載する。高性能な、超頑強、かつ、低ノイズの、面内加速度計を得るために、プルーフマスのサイズを大きくし、感知間隔を減少し、減衰を減少することが必要である。しかし、厚いプルーフマスＭＥＭＳの処理において、面外加速度計に典型的な垂直隙間を小さくするより、図７の従来の直列加速度計に示されるように、面内加速度計に典型的な側部隙間を小さくする方がはるかにより困難である。
【００１９】
本発明は面外加速度計の製造に使用される技術と同じ技術を用いて製造可能なオフセット櫛指、面内加速度計である。面内加速度計は厚いプルーフマス及び１．０μｍもの小ささに製造可能な垂直隙間を使用してよい。容量の測定に隙間の変化の変わりに領域の変化を使用するので、本開示に記載される面内加速度計は加速度に関する線形変化を有する。これは、また開ループ加速度計の設計に適している。何よりまず、製造処理フローは同じ製造技術を使用して単一チップ上の面内加速度計及び面外加速度計の製造を可能にする、既存の面外加速度計と同じである。
【００２０】
面内加速度計の本実施形態を詳細に記載し、その実施例を図面に示す。限定ではなく説明および例示の目的のために、面内、オフセット、櫛指加速度計の断面図を図１に示し、全体として参照番号１００で示す。面内加速度計１００はプルーフマス１０２、基板１０４及びトッピング・ウエハ１０６を含む。トッピング・ウエハはプルーフマス１０２のための衝撃保護を設け、基板１０４に接着されたガラスフリットでも良い。トッピング・ウエハ１０６を基板１０４に接着するのに融着又は共晶接合が用いられても良い。加速度計１００は又プルーフマス１０２周囲のガードリング１０５を含んでも良い。基板１０４は物体に堅牢に取り付けられ、プルーフマス１０２と基板１０４との間の容量の差動変化を測定することにより、物体の加速度を特定するための加速度計１００を可能にする、バネ１０３または他の適切な手段によって基板１０４の上方にプルーフマス１０２は懸架される。１つの実施形態において、プルーフマス１０２は基板１０４に融着されるウエハに可動可能に付けられて良い。
【００２１】
図２は、また、プルーフマス１０２及び基板１０４の詳細を示す、加速度計１００の一部の詳細図である。基板１０４はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）材を備えてよい。図示のように、基板１０４は基板１０４から上に延びる複数の第１の基板電極１０８及び、同じく基板１０４から上に延びる複数の第２の基板電極１１０を含む。第１の及び第２の基板電極１０８、１１０は基板１０４上の交互のパターンに配列される。換言すると、第１の基板電極１０８の各々に対して直接隣接する基板電極は第２の基板電極１１０の１つで、第２の基板電極１１０の各々に対して直接隣接する基板電極は第１の基板電極１０８の１つである。第１の及び第２の基板電極の各々は基板１０４の平面状の上面１１４から所定の距離上方に平面状の上面１１２を有する。第１の及び第２の基板電極１０８、１１０の平面状の上面１１２は基板１０４の平面状の上面１１４に平行に配置される。１つの実施形態において、基板電極１０８、１１０は約０．５μｍから約４μｍの範囲の高さを有する。
【００２２】
図２は、また、プルーフマス１０２から基板１０４の方に下に延びる複数の電極突部１１６を示す。プルーフマス１０２は一体成形の材料から形成される。実施形態の一つでは、材料はシリコンのような半導体である。プルーフマス１０２は一体成形の材料から形成されるので、突部１１６はプルーフマス１０２から材料を除去することで形成される。突部はプルーフマス１０２の一体部分で別個には成形されない。各電極突部１１６は下の平面状の面１１８を有する。図１〜図３に示される典型的な実施形態において、電極突部１１６は下の平面状の面１１８に対して５４．７°の角度で各電極突部１１６上に側壁を作る、水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチング処理を用いて形成される。窪み１２０が、例えば２つの電極突部１１６の間に、各電極突部１１６に隣接する領域に形成される。窪み１２０は電極突部１１６の下の平面状の面１１８に平行な平面状の窪み面１２２を含む。
【００２３】
加速度計１００のプルーフマス１０２はプルーフマス１０２と基板１０４との間に隙間１２４が形成されるように基板１０４の所定距離上方に位置する。電極突部１１６が下に延び第１の及び第２の基板電極１０８、１１０が基板の頂の上に位置するので、プルーフマス１０２と基板１０４との間の隙間１２４の高さはプルーフマス１０２の長さＬに沿って変化する。
【００２４】
プルーフマス１０２は１つ以上のバネ１０３によって基板１０４の上方に可動自在に配置される。バネの設計は高感度と低いクロストークを得るために重要である。クロストークは１つの回路から別の回路への不要な容量結合である。面内加速度計１００は単一軸に沿った加速度を測定する設計なので、クロストークを除去する設計である。
【００２５】
バネの設計の主要な矛盾は感度とクロストークの調和である。バネはｘ方向に弾力がありｚ方向及びｙ方向に堅くあるべきである。図２に示されるように、ｘ方向はプルーフマス１０２の長さに添って延び、電極突部１１６の下の平面状の面に平行である。ｙ方向はｘ方向に垂直で、ｚ方向は図２に示すようにページの外に真っ直ぐ延びる。ｙ方向とｚ方向で剛性を達成し、ｘ方向で柔軟性を維持するために、またクロストークを防ぐために、バネはｘ方向に非常に薄く、ｙ方向とｚ方向に比較的厚くあるべきである。１つの典型的な実施形態において、ｘ方向のバネの幅はプルーフマス１０２のｘ方向の幅と同じである。換言すると、バネとプルーフマスは同じ厚さを有する。
【００２６】
バネの設計において、バネの共振周波数の１次モードは共振周波数の２次及び３次モードに近づけないようにしなければならない。バネの設計パラメータが下の表１に示される。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表から見て取れるように、容量感度は１次モードの共振周波数に左右される。１次モードの周波数が低いほど容量感度は高い。クロストークは２次モードの共振周波数に左右される。２次モードの周波数が高いほど容量感度は低い。容量感度が固定だと、バネがより薄いとより低いクロストークの達成が可能である。バネの最小幅は使用される製造処理の能力、例えば、乾式反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）処理のアスペクト比によって、制限される。
【００２９】
基板１０４が付けられる物体が静止している、または均衡位置にあるとき、すなわち物体の速度が一定（加速なし）のとき、複数の電極突部の各々が１つの第１の基板電極１０８の一部及び隣接する第２の基板電極１１０の一部に重なるようにプルーフマス１０２はバネ１３０によって基板１０４の上方に適所に保持される。
【００３０】
第１の基板電極１０８の各々は互いに電気的に接続され、第２の基板電極の各々は同様に互いに電気的に接続される。その結果、第１のコンデンサはプルーフマス１０２と複数の第１の基板電極１０８との間に形成され、第２のコンデンサはプルーフマス１０２と複数の第２の基板電極１１０との間に形成される。１つの典型的な実施形態において、基板電極１０８、１１０は、物体の加速度がゼロに等しいとき、すなわち、プルーフマス１０２が均衡位置にあるとき、第１のコンデンサの容量が第２のコンデンサの容量に等しいように、対称に配列される。基板電極の両グループが固定されているので、基板１０４が加速されプルーフマス１０２が、電極突部１１６と共に、ｘ方向に、すなわち、第１の及び第２の基板電極の平面状の上面１１２に平行に動くとき、隙間１２４の領域及び各コンデンサの全容量は変化する。
【００３１】
図２に示すように、プルーフマス１０２上の電極突部１１６の形状及び位置のために、各第１の基板電極１０８は電極突部の下の平面状の面１１８と第１の基板電極１０８の平面状の上面１１２との間の第１の容量Ｃ１、及びプルーフマス１０２の窪みの平面状の面１２２と第１の電極１０８の平面状の上面１１２との間の第２の容量Ｃ１’を有する。同様に各第２の電極突部は電極突部の下の平面状の面１１８と第２の基板電極１１０の平面状の上面１１２との間の第１の容量Ｃ２、及びプルーフマス１０２の窪みの平面状の面１２２と第２の電極１１０の平面状の上面１１２との間の第２の容量Ｃ２’を有する。
【００３２】
加速力ａがプルーフマス１０２に加えられると、プルーフマス１０２は図２に示される均衡位置から図３に示される第２の位置に動く。プルーフマス１０２が均衡位置から動くにつれて、プルーフマス１０２と基板電極１０８、１１０との間の隙間１２４内の領域変化のために容量Ｃ２は増え容量Ｃ１は減る。一方、プルーフマスが均衡位置から動くにつれ容量Ｃ２’は減り容量Ｃ１’は増える。換言すると、プルーフマス１０２が、図示のように、ｘ方向に動くにつれ、プルーフマス１０２と第１の電極基板１０８の平面状の上面１１２との間の隙間１２４の領域が増え、プルーフマス１０２と第２の電極基板１１０の平面状の上面との間１２４の隙間の領域が減る。
【００３３】
プルーフマス１０２の長さＬに沿って隙間１２４の高さが変わる。例えば、図２に示すように、隙間１２４は電極突部１１６の下の平面状の面１１８と基板電極１０８、１１０の平面状の上面１１２との間に第１の高さｈ１、及び窪みの平面状の面１２２と基板電極１０８、１１０の平面状の上面１１２との間に第２の高さｈ２を有してよい。
【００３４】
第２の高さｈ２は第１の高さｈ１よりはるかに大きい。例えば、ｈ２はｈ１の１０倍から２０倍大きくてよい。容量は電極間の距離と共に減少する。ｈ１とｈ２の間の高さの差の結果、容量Ｃ１はＣ１’よりはるかに大きく容量Ｃ２はＣ２’よりはるかに大きい。そのため容量の合計の差動変化はＣ１及びＣ２に影響される。
【００３５】
加速度計１００の前述の構造にはいくつかの利点がある。第１に、（５０μｍより大きい）厚いプルーフマスが用いられる場合、隙間１２４の小さい高さｈ１は先行技術の直列加速度計の側部隙間より簡単に既知の工程能力で得られる。加えて、上記のオフセット櫛指直列加速度計１００内の高Ｇ負荷でのスティクション問題が無い。加速度計１００は、また横櫛指構造より頑丈で、かつ、超頑強な装置での使用に適している。
【００３６】
図４は面内加速度計１００によって作られた回路への等価回路を示す。図示のように、回路は２つのコンデンサを含む。容量Ｃ１の第１のコンデンサはプルーフマス１０２と第１の基板電極１０８との間に形成される。容量Ｃ２の第２のコンデンサはプルーフマス１０２と第２の基板電極１１０との間に形成される。また、第１の基板電極１０８の各々は互いに電気的に接続される。同様に、第２の基板電極１１０の各々は互いに電気的に接続される。そのため図４に示すように、第１の及び第２のコンデンサは一連の小さいコンデンサからなる。容量Ｃ１はＣ１ ＝ Ｃ１．１ ＋ Ｃ１．２ ＋・・・＋ Ｃ１.ｎのように、こうした個々のより小さいコンデンサの容量の合計に等しい。ここでｎは基板１０４上の第１の基板電極１０８の数を表す整数である。同様に、容量Ｃ２はＣ２ ＝ Ｃ２．１ ＋ Ｃ２．２ ＋・・・＋ Ｃ２.ｎのように、プルーフマス１０２と第２の電極１１０との間に形成される個々のより小さいコンデンサの容量の合計に等しい。ここでｎは基板１０４上の第２の基板電極１１０の数を表す整数である。
【００３７】
１つの典型的な実施形態において、Ｃ１及びＣ２の公称静電容量値はプルーフマス１０２と基板電極１０８、１１０が対称に配置されるとき、すなわち第１の基板電極１０８と電極突部１１６との間の重なりの領域を隣接する第２の基板電極１１０と同電極突部１１６との間の重なりに等しくするように、各電極突部１１６が第１の基板電極１０８と第２の基板電極１１０の上方に揃えられるとき、約７．５ｐＦ（ピコファラッド）で等しくなる。図２は基板電極１０８、１１０の上方に対称に配置された電極突部１１６付きのプルーフマス１０２を示す。
【００３８】
Ｃ１及びＣ２のための容量値の差はプルーフマス１０２と基板１０４との間の溶着のずれによって生じることがある。現在の溶着ずれの公差は５μｍ、つまりＣ１及びＣ２の公称静電容量は２．７５から１３．７５ｐＦまでの違いが生じることがある。
【００３９】
加速度計１００の全電気容量Ｃｓｕｍは容量Ｃ１と容量Ｃ２の合計に等しい。それゆえ、Ｃ１とＣ２の共通モード容量変化は、取り消されるため、差動変化のみ増幅される。これは、共通容量変化につながるｚ軸クロストークが最小化されることを意味する。
【００４０】
図５は、プルーフマス１０２と基板電極１０８、１１０との間の容量の測定された差を基板１０４の加速度、ひいては基板が堅固に付けられた物体の加速度を表す出力電圧に変換するための、面内加速度計１００と連動してよい回路の例である。図５に示すように、回路はＣ１とＣ２を釣り合わせ、バイアス・オフセットを最小化するために使用されて良い内蔵コンデンサ配列を含んでよい。Ｃ１＿ｔｒｉｍは０．２〜１０ ｐＦのトリミング範囲を提供する。コンデンサ配列は１９ ｆＦ ＋/− ２０％ステップの９ビットのプログラム可能性を含む。全差動入力感知コンデンサは次の通りである： 。Ｃ１Ｔ ＝ Ｃ１ ＋ Ｃ１＿ｔｒｉｍ。Ｃ２Ｔ＝Ｃ２ ＋ Ｃ２＿ｔｒｉｍ。
【００４１】
１つの典型的な実施形態において、プルーフマスの１次固有共振周波数は１８９０ Ｈｚで、ｘ軸に沿った桁（ビーム）の最大曲がりは約２．１μｍである。溶着ずれの公差が５μｍなので、電極突部１１６と基板電極１０８、１１０との間の最小重なりは２．１μｍより大きくなければならない。そのため、配置設計の重なりは７．１μｍより大きくなければならない。
【００４２】
１つの典型的な実施形態において、各基板電極１０８、１１０の幅は１５μｍで、最高５μｍのずれでも基板電極が電極突部１１６によって覆われることを確実にするために電極突部１１６の幅は２０μｍである。公差のずれを減らすことが可能であれば、基板電極の幅も減らすことが可能である。その場合、基板電極の数を増やすことが可能で、加速度計１００の感度が増す。オーストラリアのＥＶグループから入手可能なＥＶＧ ＳｍａｒｔＶｉｅｗ（登録商標）自動接着揃えシステムのような溶着揃え機械を用いて１μｍ未満のずれ公差の達成が可能である。
【００４３】
本発明による面内加速度計の代替設計が図６に示され全体で参照番号６００で示される。面内加速度計６００は前記面内加速度計と同様に、プルーフマス６０２、基板６０４及びトッピング・ウエハ６０６を含む。図示のように、プルーフマス６０２は基板の上方に可動自在に配置される。面内加速度計１００に関して記載された電極と同様に、基板６０４は互いに電気的に接続される複数の第１の基板電極６０８及び、同じく互いに電気的に接続される複数の第２の基板電極６１０を含む。
【００４４】
図１に示される面内加速度計１００と違って、面内加速度計６００は水酸化カリウム（ＫＯＨ）よりは乾式反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）処理によって形成される複数の電極指６１６を有する。その結果、電極指６１６の側壁は５４．７度の斜面であるよりは垂直である。電極指６１６の垂直側壁はＣ１及びＣ２の並列な浮遊容量の最小化を助ける。加えて、側突起６２０は高衝撃負荷中にバネが割れないようにするために加速度計６００の構造に加えられても良い。
【００４５】
好ましい実施形態システムを参照して物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法が示され説明されるが、添付の特許請求の範囲に記載される本発明およびその均等物の要旨を逸脱しない範囲でこの開示のシステムおよび方法に様々な変更を行っても良いことは当業者には容易に理解できるであろう。
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の属する技術分野
本発明は加速度計及びその他の力検出装置に関し、より具体的には基板上の複数の電極の上方に位置する一体成形の材料から形成されたプルーフマスを含む超頑強な、面内ＭＥＭＳ容量型加速度計に関する。基板が加速すると、プルーフマスは基板の上面に平行な方向に移動し、プルーフマスと基板との間の容量を変える。この容量の変化を変位の測定及び基板が付けられている物体の加速度の特定に使用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
加速度計は全ての種類の車用のナビゲーション及び誘導システムに一般に用いられる慣性計測装置（ＩＭＵ）内の重要な要素である。一般的なＩＭＵはリニア加速度計、ジャイロ回転速度センサー、及び関連電子機器を各々含む３つの均等なモジュールからなる。こうした３軸ＩＭＵは航空機や宇宙船から精密誘導ミサイルや大砲弾にわたる範囲の航空宇宙応用内のナビゲーション、誘導及びデータ測定システムに用いられる。こうした用途の多くで、ＩＭＵは極度の振動及び衝撃負荷にさらされる。このため、こうした過酷な条件に耐えるように設計されなければならない。
【０００３】
過酷な衝撃負荷に耐えることができる慣性計測装置は超頑強ＩＭＵとして知られる。こうした高性能ＩＭＵは重力の数千倍の力にさらされたときでさえ完全に機能的であり続ける。高性能加速度計及びその他の部品の使用はＩＭＵが搭載された車や自動推進体の信頼できる、一貫した、精密な誘導を可能にする。
【０００４】
微小重力解像度、高感度、高直線性及び低バイアスドリフト付き高性能加速度計は超頑強ＩＭＵの使用に必須である。伝統的に、ＩＭＵは大型機械式加速度計及び従来の回転型ジャイロを含んでいた。しかし、最新のＩＭＵ、特に超頑強で高性能のＩＭＵは微小電気機械（ＭＥＭＳ）製造技術を用いて製造される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＥＭＳ製造技術は微小重力解像度を達成しながら大質量、大容量及び小減衰が同時に加速度計で得られるのを確実にするのに重要な役割を果たす。シリコン容量型加速度計は超頑強ＩＭＵのために非常に魅力的になるいくつかの利点を有する。シリコン容量型加速度計は高感度、かつ、良好な直流応答及びノイズ特性、低ドリフト、低温感度、低電力消費及び簡単な構造を有する。ＭＥＭＳ製造技術を用いて単一チップ上に超頑強な、高性能の３軸加速度計を構築することは有利である。しかし、このためには、同じ製造技術を用いたチップ上の面外及び面内両方の加速度計の組み立てが必要である。
【０００６】
既知の面内加速度計の構成は、側壁間で感知間隔が形成され感知が感知間隔の大きさによって決定されるＭＥＭＳ櫛指加速度計を含む。従来のＭＥＭＳ櫛指加速度計が図７に示され、全体で番号７００で記される。加速度計７００は２つのアンカー７０４にバネで付けられ複数の可動指７０６を有するプルーフマス又は感知プレート７０２を含む。可動指７０６は可動及び固定指の間に側部の隙間が形成された状態で複数の固定指７０８と交互に配置される。側部の隙間の最小サイズは面内加速度計７００を製造するのに用いられる乾式反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術のアスペクト比に基づきプレート厚さの約１／１０から１／１５の間に制限される。これは７５μｍ（ミクロン）厚のプレートの最小の側部の隙間が５．０から７．５μｍの間であることを意味する。既存のＤＲＩＥ技術で可能な最小の大きさは１０μｍの隙間の生成である。７５μｍの厚さのプレートに、この技術を用いてＭＥＭＳ櫛指、面内加速度計を製造することは不可能である。
【０００７】
マイクロマシニングとバルクマイクロマシニングとを組み合わせた他の製造技術を、側部の隙間を１．１μｍに減らすのに用いることが可能である。ポリシリコン蒸着技術が一例である。しかしながら、こうした技術の処理フローは非常に複雑で、低収率となる。さらに、結果として生じる構造は脆弱で、高い衝撃の用途に向かない構造になる。こうした既存の技術は超頑強なＭＥＭＳ加速度計の製造に用いることができない。
【０００８】
加えて、従来の櫛指加速度計の構成には非線形性問題が内在している。線形性を向上するために、側部の隙間の変化は小さい差動容量出力をもたらす小さい範囲に制限されなければならない。
【０００９】
これらの制限を考えると、同じＭＥＭＳ製造技術を用いた単一チップ上に作られた面内加速度計と面外加速度計の両方を含む超頑強、かつ、高性能な、３軸加速度計が切実に求められている。本発明はこのニーズを扱う。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法に関する。同システムおよび方法は当業者には以下の数個の図面と併せて後述の同発明の詳細な説明からより簡単に明らかになるであろう。
【００１１】
物体の面内加速度を特定するためのシステムが開示され、物体に強固に取り付けられた基板付きの面内加速度計及び一体成形の材料からなる、基板の上方に可動可能に所定の距離を離間されるプルーフマスを含む。複数の第１の基板電極が基板から上に延び、同じく基板から上に延びる複数の第２の基板電極と交互になっている。各基板電極は平面的な上面を有する。複数の第１の基板電極は互いに電気的に接続され、複数の第２の基板電極も互いに電気的に接続される。プルーフマスはプルーフマスと基板との間に異なる高さの隙間を形成するためにプルーフマスから下に延びる複数の電極突部を含む。第１のコンデンサはプルーフマスと複数の第１の基板電極との間に形成され、第２のコンデンサはプルーフマスと複数の第２の基板電極との間に形成される。プルーフマスはプルーフマスが均衡位置にあるとき、複数の電極突部の各々が１つの第１の基板電極の一部及び隣接する第２の基板電極の一部の上方に配置される状態で、物体の速度が一定のとき、均衡位置に保持される構成である。プルーフマスは物体が加速しているときに複数の基板電極の各々の上面に平行な方向に動く構成である。これにより各基板電極の上面とプルーフマスとの間の隙間の領域の変化が起きる。
【００１２】
物体の面内加速度を測定する方法もまた開示されている。この方法は：基板の物体への堅牢な取り付け；プルーフマスと基板との間の異なる高さの隙間を形成するための基板の上方に所定の距離の均衡位置へのプルーフマスの固定；第１の基板電極と第２の基板電極が基板上に交互に配置される、プルーフマスと複数の第１の基板電極との間への第１の差動コンデンサの形成とプルーフマスと複数の第２の基板電極との間への第２の差動コンデンサの形成と；物体に加速力を加えることによる均衡位置から基板電極の平面的な上面に平行な方向へのプルーフマスの移動と；第１の差動コンデンサ内の容量の第１の変化の測定と；第２の差動コンデンサ内の容量の第２の変化の測定と；測定された容量の変化を物体の加速度を表す電圧に変換するための回路の使用のステップを含む。
【００１３】
物体の面内加速度を測定する追加の方法もまた開示される。その方法は：物体への基板の堅牢な取り付け；プルーフマスが１方向のみに動くように拘束される、プルーフマスの基板の上方でのぶら下げ；基板電極の上の平面に平行な方向にプルーフマスが動くときに各基板電極の上の平面とプルーフマスとの間の領域が変化するように各電極突部が２つの基板電極の上方で心出しされた状態でプルーフマスが複数の電極突部を含む、プルーフマスと基板との間への差動コンデンサの形成と；物体に加速力を加えることによるプルーフマスの移動と；各基板電極とプルーフマスとの間の容量の変化の測定と；回路を用いた、測定された容量の変化から物体の加速度を表す電圧への変換と；各基板電極の上の平面とプルーフマスとの間の領域の変化に比例する回路からの電圧を出力する工程を含む。
【００１４】
物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法を如何に実施するかを当業者が容易に理解できるように、次の図を参照して同システムおよび方法の好ましい実施形態を以下に詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】基板の上方に懸架されトッピング・ウエハで包まれたプルーフマスを示す本発明による面内加速度計の断面図である。
【図２】プルーフマスが初期位置にある図１に示される面内加速度計の一部の詳細図である。
【図３】プルーフマスが加速による変位の後に第２の位置にある図１に示される面内加速度計の追加の詳細図である。
【図４】本発明の面内加速度計によって形成されたコンデンサのための等価回路を示す回路図である。
【図５】容量の変化の形式の加速度計からの入力を受け、入力をプルーフマスの加速度を表す電圧出力に変換する本発明のセンサー・インターフェース回路の機能ブロック図である。
【図６】乾式反応性（ＤＲＩＥ）処理によって形成されたプルーフマス上の電極突部を示す、本発明の面内加速度計の代替実施形態の断面図である。
【図７】側部の感知間隔を形成するための固定指が可動指と交互に配置された状態の先行技術の面内加速度計の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
単一チップ上の面内加速度計と面外加速度計の両方を含む超頑強、かつ、高性能の３軸の慣性計測装置の切迫した必要性がある。この目的に適した斬新な面外ＭＥＭＳ加速度計が２００７年１０月２６日に出願された「均衡の取れたガス減衰付き懸架加速度計」という名称の米国特許出願番号１１／９７８，０９０に記載される。本明細書に参照として組み込まれる出願は、非対称なプルーフマス付き懸架容量型加速度計を記載する。懸架感知プレートは実質的に空洞の第１の側と中空でない第２の側を含む。この出願に記載される面外加速度計は感知構造としての７５μｍ（ミクロン）のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）層を用いる。そうした非対称な非中空／中空のプルーフマスセンサー構造は比較的厚いプルーフマス及びプルーフマスと面外懸架加速度計の基板との間の狭い垂直隙間のために表面マイクロマシニング揺動構造より高い感度を示す。
【００１７】
この開示は、面外懸架加速度計の製造に使用される技術に似た技術を用いて製造可能な面内加速度計を記述する。この製造技術の例は、また、本明細書に参照として組み込まれる２０１０年６月１５日に発行された「高性能ＭＥＭＳ加速度計のためのウエハ処理フロー」の名称の米国特許番号７，７３６，９３１に開示される。
【００１８】
この開示は基板の上方に配置されたプルーフマスが基板の上面に平行な方向に動くのに伴い差動容量を測定する超頑強な、面内ＭＥＭＳ加速度計を記載する。高性能な、超頑強、かつ、低ノイズの、面内加速度計を得るために、プルーフマスのサイズを大きくし、感知間隔を減少し、減衰を減少することが必要である。しかし、厚いプルーフマスＭＥＭＳの処理において、面外加速度計に典型的な垂直隙間を小さくするより、図７の従来の直列加速度計に示されるように、面内加速度計に典型的な側部隙間を小さくする方がはるかにより困難である。
【００１９】
本発明は面外加速度計の製造に使用される技術と同じ技術を用いて製造可能なオフセット櫛指、面内加速度計である。面内加速度計は厚いプルーフマス及び１．０μｍもの小ささに製造可能な垂直隙間を使用してよい。容量の測定に隙間の変化の変わりに領域の変化を使用するので、本開示に記載される面内加速度計は加速度に関する線形変化を有する。これは、また開ループ加速度計の設計に適している。何よりまず、製造処理フローは同じ製造技術を使用して単一チップ上の面内加速度計及び面外加速度計の製造を可能にする、既存の面外加速度計と同じである。
【００２０】
面内加速度計の本実施形態を詳細に記載し、その実施例を図面に示す。限定ではなく説明および例示の目的のために、面内、オフセット、櫛指加速度計の断面図を図１に示し、全体として参照番号１００で示す。面内加速度計１００はプルーフマス１０２、基板１０４及びトッピング・ウエハ１０６を含む。トッピング・ウエハはプルーフマス１０２のための衝撃保護を設け、基板１０４に接着されたガラスフリットでも良い。トッピング・ウエハ１０６を基板１０４に接着するのに融着又は共晶接合が用いられても良い。加速度計１００は又プルーフマス１０２周囲のガードリング１０５を含んでも良い。基板１０４は物体に堅牢に取り付けられ、プルーフマス１０２と基板１０４との間の容量の差動変化を測定することにより、物体の加速度を特定するための加速度計１００を可能にする、バネ１０３または他の適切な手段によって基板１０４の上方にプルーフマス１０２は懸架される。１つの実施形態において、プルーフマス１０２は基板１０４に融着されるウエハに可動可能に付けられて良い。
【００２１】
図２は、また、プルーフマス１０２及び基板１０４の詳細を示す、加速度計１００の一部の詳細図である。基板１０４はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）材を備えてよい。図示のように、基板１０４は基板１０４から上に延びる複数の第１の基板電極１０８及び、同じく基板１０４から上に延びる複数の第２の基板電極１１０を含む。第１の及び第２の基板電極１０８、１１０は基板１０４上の交互のパターンに配列される。換言すると、第１の基板電極１０８の各々に対して直接隣接する基板電極は第２の基板電極１１０の１つで、第２の基板電極１１０の各々に対して直接隣接する基板電極は第１の基板電極１０８の１つである。第１の及び第２の基板電極の各々は基板１０４の平面状の上面１１４から所定の距離上方に平面状の上面１１２を有する。第１の及び第２の基板電極１０８、１１０の平面状の上面１１２は基板１０４の平面状の上面１１４に平行に配置される。１つの実施形態において、基板電極１０８、１１０は約０．５μｍから約４μｍの範囲の高さを有する。
【００２２】
図２は、また、プルーフマス１０２から基板１０４の方に下に延びる複数の電極突部１１６を示す。プルーフマス１０２は一体成形の材料から形成される。実施形態の一つでは、材料はシリコンのような半導体である。プルーフマス１０２は一体成形の材料から形成されるので、突部１１６はプルーフマス１０２から材料を除去することで形成される。突部はプルーフマス１０２の一体部分で別個には成形されない。各電極突部１１６は下の平面状の面１１８を有する。図１〜図３に示される典型的な実施形態において、電極突部１１６は下の平面状の面１１８に対して５４．７°の角度で各電極突部１１６上に側壁を作る、水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチング処理を用いて形成される。窪み１２０が、例えば２つの電極突部１１６の間に、各電極突部１１６に隣接する領域に形成される。窪み１２０は電極突部１１６の下の平面状の面１１８に平行な平面状の窪み面１２２を含む。
【００２３】
加速度計１００のプルーフマス１０２はプルーフマス１０２と基板１０４との間に隙間１２４が形成されるように基板１０４の所定距離上方に位置する。電極突部１１６が下に延び第１の及び第２の基板電極１０８、１１０が基板の頂の上に位置するので、プルーフマス１０２と基板１０４との間の隙間１２４の高さはプルーフマス１０２の長さＬに沿って変化する。
【００２４】
プルーフマス１０２は１つ以上のバネ１０３によって基板１０４の上方に可動自在に配置される。バネの設計は高感度と低いクロストークを得るために重要である。クロストークは１つの回路から別の回路への不要な容量結合である。面内加速度計１００は単一軸に沿った加速度を測定する設計なので、クロストークを除去する設計である。
【００２５】
バネの設計の主要な矛盾は感度とクロストークの調和である。バネはｘ方向に弾力がありｚ方向及びｙ方向に堅くあるべきである。図２に示されるように、ｘ方向はプルーフマス１０２の長さに添って延び、電極突部１１６の下の平面状の面に平行である。ｙ方向はｘ方向に垂直で、ｚ方向は図２に示すようにページの外に真っ直ぐ延びる。ｙ方向とｚ方向で剛性を達成し、ｘ方向で柔軟性を維持するために、またクロストークを防ぐために、バネはｘ方向に非常に薄く、ｙ方向とｚ方向に比較的厚くあるべきである。１つの典型的な実施形態において、ｘ方向のバネの幅はプルーフマス１０２のｘ方向の幅と同じである。換言すると、バネとプルーフマスは同じ厚さを有する。
【００２６】
バネの設計において、バネの共振周波数の１次モードは共振周波数の２次及び３次モードに近づけないようにしなければならない。バネの設計パラメータが下の表１に示される。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表から見て取れるように、容量感度は１次モードの共振周波数に左右される。１次モードの周波数が低いほど容量感度は高い。クロストークは２次モードの共振周波数に左右される。２次モードの周波数が高いほど容量感度は低い。容量感度が固定だと、バネがより薄いとより低いクロストークの達成が可能である。バネの最小幅は使用される製造処理の能力、例えば、乾式反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）処理のアスペクト比によって、制限される。
【００２９】
基板１０４が付けられる物体が静止している、または均衡位置にあるとき、すなわち物体の速度が一定（加速なし）のとき、複数の電極突部の各々が１つの第１の基板電極１０８の一部及び隣接する第２の基板電極１１０の一部に重なるようにプルーフマス１０２はバネ１３０によって基板１０４の上方に適所に保持される。
【００３０】
第１の基板電極１０８の各々は互いに電気的に接続され、第２の基板電極の各々は同様に互いに電気的に接続される。その結果、第１のコンデンサはプルーフマス１０２と複数の第１の基板電極１０８との間に形成され、第２のコンデンサはプルーフマス１０２と複数の第２の基板電極１１０との間に形成される。１つの典型的な実施形態において、基板電極１０８、１１０は、物体の加速度がゼロに等しいとき、すなわち、プルーフマス１０２が均衡位置にあるとき、第１のコンデンサの容量が第２のコンデンサの容量に等しいように、対称に配列される。基板電極の両グループが固定されているので、基板１０４が加速されプルーフマス１０２が、電極突部１１６と共に、ｘ方向に、すなわち、第１の及び第２の基板電極の平面状の上面１１２に平行に動くとき、隙間１２４の領域及び各コンデンサの全容量は変化する。
【００３１】
図２に示すように、プルーフマス１０２上の電極突部１１６の形状及び位置のために、各第１の基板電極１０８は電極突部の下の平面状の面１１８と第１の基板電極１０８の平面状の上面１１２との間の第１の容量Ｃ１、及びプルーフマス１０２の窪みの平面状の面１２２と第１の電極１０８の平面状の上面１１２との間の第２の容量Ｃ１’を有する。同様に各第２の電極突部は電極突部の下の平面状の面１１８と第２の基板電極１１０の平面状の上面１１２との間の第１の容量Ｃ２、及びプルーフマス１０２の窪みの平面状の面１２２と第２の電極１１０の平面状の上面１１２との間の第２の容量Ｃ２’を有する。
【００３２】
加速力ａがプルーフマス１０２に加えられると、プルーフマス１０２は図２に示される均衡位置から図３に示される第２の位置に動く。プルーフマス１０２が均衡位置から動くにつれて、プルーフマス１０２と基板電極１０８、１１０との間の隙間１２４内の領域変化のために容量Ｃ２は増え容量Ｃ１は減る。一方、プルーフマスが均衡位置から動くにつれ容量Ｃ２’は減り容量Ｃ１’は増える。換言すると、プルーフマス１０２が、図示のように、ｘ方向に動くにつれ、プルーフマス１０２と第１の電極基板１０８の平面状の上面１１２との間の隙間１２４の領域が増え、プルーフマス１０２と第２の電極基板１１０の平面状の上面との間１２４の隙間の領域が減る。
【００３３】
プルーフマス１０２の長さＬに沿って隙間１２４の高さが変わる。例えば、図２に示すように、隙間１２４は電極突部１１６の下の平面状の面１１８と基板電極１０８、１１０の平面状の上面１１２との間に第１の高さｈ１、及び窪みの平面状の面１２２と基板電極１０８、１１０の平面状の上面１１２との間に第２の高さｈ２を有してよい。
【００３４】
第２の高さｈ２は第１の高さｈ１よりはるかに大きい。例えば、ｈ２はｈ１の１０倍から２０倍大きくてよい。容量は電極間の距離と共に減少する。ｈ１とｈ２の間の高さの差の結果、容量Ｃ１はＣ１’よりはるかに大きく容量Ｃ２はＣ２’よりはるかに大きい。そのため容量の合計の差動変化はＣ１及びＣ２に影響される。
【００３５】
加速度計１００の前述の構造にはいくつかの利点がある。第１に、（５０μｍより大きい）厚いプルーフマスが用いられる場合、隙間１２４の小さい高さｈ１は先行技術の直列加速度計の側部隙間より簡単に既知の工程能力で得られる。加えて、上記のオフセット櫛指直列加速度計１００内の高Ｇ負荷でのスティクション問題が無い。加速度計１００は、また横櫛指構造より頑丈で、かつ、超頑強な装置での使用に適している。
【００３６】
図４は面内加速度計１００によって作られた回路への等価回路を示す。図示のように、回路は２つのコンデンサを含む。容量Ｃ１の第１のコンデンサはプルーフマス１０２と第１の基板電極１０８との間に形成される。容量Ｃ２の第２のコンデンサはプルーフマス１０２と第２の基板電極１１０との間に形成される。また、第１の基板電極１０８の各々は互いに電気的に接続される。同様に、第２の基板電極１１０の各々は互いに電気的に接続される。そのため図４に示すように、第１の及び第２のコンデンサは一連の小さいコンデンサからなる。容量Ｃ１はＣ１ ＝ Ｃ１．１ ＋ Ｃ１．２ ＋・・・＋ Ｃ１.ｎのように、こうした個々のより小さいコンデンサの容量の合計に等しい。ここでｎは基板１０４上の第１の基板電極１０８の数を表す整数である。同様に、容量Ｃ２はＣ２ ＝ Ｃ２．１ ＋ Ｃ２．２ ＋・・・＋ Ｃ２.ｎのように、プルーフマス１０２と第２の電極１１０との間に形成される個々のより小さいコンデンサの容量の合計に等しい。ここでｎは基板１０４上の第２の基板電極１１０の数を表す整数である。
【００３７】
１つの典型的な実施形態において、Ｃ１及びＣ２の公称静電容量値はプルーフマス１０２と基板電極１０８、１１０が対称に配置されるとき、すなわち第１の基板電極１０８と電極突部１１６との間の重なりの領域を隣接する第２の基板電極１１０と同電極突部１１６との間の重なりに等しくするように、各電極突部１１６が第１の基板電極１０８と第２の基板電極１１０の上方に揃えられるとき、約７．５ｐＦ（ピコファラッド）で等しくなる。図２は基板電極１０８、１１０の上方に対称に配置された電極突部１１６付きのプルーフマス１０２を示す。
【００３８】
Ｃ１及びＣ２のための容量値の差はプルーフマス１０２と基板１０４との間の溶着のずれによって生じることがある。現在の溶着ずれの公差は５μｍ、つまりＣ１及びＣ２の公称静電容量は２．７５から１３．７５ｐＦまでの違いが生じることがある。
【００３９】
加速度計１００の全電気容量Ｃｓｕｍは容量Ｃ１と容量Ｃ２の合計に等しい。それゆえ、Ｃ１とＣ２の共通モード容量変化は、取り消されるため、差動変化のみ増幅される。これは、共通容量変化につながるｚ軸クロストークが最小化されることを意味する。
【００４０】
図５は、プルーフマス１０２と基板電極１０８、１１０との間の容量の測定された差を基板１０４の加速度、ひいては基板が堅固に付けられた物体の加速度を表す出力電圧に変換するための、面内加速度計１００と連動してよい回路の例である。図５に示すように、回路はＣ１とＣ２を釣り合わせ、バイアス・オフセットを最小化するために使用されて良い内蔵コンデンサ配列を含んでよい。Ｃ１＿ｔｒｉｍは０．２〜１０ ｐＦのトリミング範囲を提供する。コンデンサ配列は１９ ｆＦ ＋/− ２０％ステップの９ビットのプログラム可能性を含む。全差動入力感知コンデンサは次の通りである： 。Ｃ１Ｔ ＝ Ｃ１ ＋ Ｃ１＿ｔｒｉｍ。Ｃ２Ｔ＝Ｃ２ ＋ Ｃ２＿ｔｒｉｍ。
【００４１】
１つの典型的な実施形態において、プルーフマスの１次固有共振周波数は１８９０ Ｈｚで、ｘ軸に沿った桁（ビーム）の最大曲がりは約２．１μｍである。溶着ずれの公差が５μｍなので、電極突部１１６と基板電極１０８、１１０との間の最小重なりは２．１μｍより大きくなければならない。そのため、配置設計の重なりは７．１μｍより大きくなければならない。
【００４２】
１つの典型的な実施形態において、各基板電極１０８、１１０の幅は１５μｍで、最高５μｍのずれでも基板電極が電極突部１１６によって覆われることを確実にするために電極突部１１６の幅は２０μｍである。公差のずれを減らすことが可能であれば、基板電極の幅も減らすことが可能である。その場合、基板電極の数を増やすことが可能で、加速度計１００の感度が増す。オーストラリアのＥＶグループから入手可能なＥＶＧ ＳｍａｒｔＶｉｅｗ（登録商標）自動接着揃えシステムのような溶着揃え機械を用いて１μｍ未満のずれ公差の達成が可能である。
【００４３】
本発明による面内加速度計の代替設計が図６に示され全体で参照番号６００で示される。面内加速度計６００は前記面内加速度計と同様に、プルーフマス６０２、基板６０４及びトッピング・ウエハ６０６を含む。図示のように、プルーフマス６０２は基板の上方に可動自在に配置される。面内加速度計１００に関して記載された電極と同様に、基板６０４は互いに電気的に接続される複数の第１の基板電極６０８及び、同じく互いに電気的に接続される複数の第２の基板電極６１０を含む。
【００４４】
図１に示される面内加速度計１００と違って、面内加速度計６００は水酸化カリウム（ＫＯＨ）よりは乾式反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）処理によって形成される複数の電極指６１６を有する。その結果、電極指６１６の側壁は５４．７度の斜面であるよりは垂直である。電極指６１６の垂直側壁はＣ１及びＣ２の並列な浮遊容量の最小化を助ける。加えて、側突起６２０は高衝撃負荷中にバネが割れないようにするために加速度計６００の構造に加えられても良い。
【００４５】
好ましい実施形態システムを参照して物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法が示され説明されるが、添付の特許請求の範囲に記載される本発明およびその均等物の要旨を逸脱しない範囲でこの開示のシステムおよび方法に様々な変更を行っても良いことは当業者には容易に理解できるであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体に堅固に付けられた基板と；
前記基板から上に延び、前記基板から上に延びる複数の第２の基板電極と交互になる、各基板電極が平面状の上面を有し、複数の第１の基板電極が互いに電気的に接続され、前記複数の第２の基板電極が互いに電気的に接続される、前記複数の第１の基板電極と；
一体成形の材料から形成される、前記基板の所定距離上方に配置され、プルーフマスと前記基板との間に様々な高さの隙間を形成するために前記プルーフマスから下方に延びる複数の電極突部を含む、第１のコンデンサが前記プルーフマスと前記複数の第１の基板電極との間に形成され、第２のコンデンサが前記プルーフマスと前記複数の第２の基板電極との間に形成される前記プルーフマスとを備え；
前記プルーフマスは前記プルーフマスが均衡位置にあるとき、前記複数の電極突部の各々が１つの第１の基板電極の一部及び隣接する第２の基板電極の一部の上方に配置される状態で、前記物体の速度が一定のとき、均衡位置に保持される構成で；かつ、
前記プルーフマスは前記物体が加速しているときに前記複数の基板電極の各々の前記上面に平行な方向に動く構成で、各前記基板電極の前記上面と前記プルーフマスとの間の前記隙間の領域を変化させる、面内加速度計。
【請求項２】
前記プルーフマスが、一体成形のシリコンから形成される請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項３】
前記プルーフマスが前記均衡位置にあるとき、前記第１のコンデンサの容量が前記第２のコンデンサの容量に等しい請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項４】
前記複数の電極突部が、各前記指の側壁が垂直になるように、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）処理を用いて形成された複数の指を備える請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項５】
前記複数の電極突部が、前記突部の前記側壁が５４．７度の角度を有するように水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いて前記材料からエッチングされる請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項６】
前記プルーフマスが、隣接する電極突部の各対の間に形成された第１の平面状の面と、各前記電極突部に形成された第２の平面状の面とを含み、前記第１の及び第２の平面状の面の両方が各前記基板電極の前記平面状の上面に平行である請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項７】
各前記第１の平面状の面と前記基板電極の１つの対応する平面状の上面との間の第１の距離が、各前記第２の平面状の面と前記基板電極の１つの同じ平面状の上面との間の第２の距離より大きい請求項６に記載の面内加速度計。
【請求項８】
前記第１の距離が、前記第２の距離より少なくとも１０倍大きい請求項７に記載の面内加速度計。
【請求項９】
前記プルーフマスが、前記基板電極の前記上の平面状の面に平行な方向のみの運動を可能にするバネによって前記均衡位置に保たれる請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１０】
前記基板電極の前記平面状の上面に垂直な方向の前記バネのクロストークが、３％未満の請求項９に記載の面内加速度計。
【請求項１１】
前記プルーフマスが、７５μｍの厚さを有する請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１２】
各基板電極の高さが、２μｍから４μｍの間である請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１３】
前記プルーフマスの周囲のガードリングを、さらに備える請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１４】
前記プルーフマスに衝撃保護を設ける構成のトッピング・ウエハをさらに備える請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１５】
前記プルーフマスが前記基板に溶着されたウエハに可動自在に付けられた請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１６】
物体への基板の堅固な取り付けと；
前記プルーフマスと前記基板との間に異なる高さの隙間を形成するための前記基板の所定距離上方の位置へのプルーフマスの固定と；
前記第１の基板電極及び第２の基板電極が前記基板上に交互に配置される、前記プルーフマスと複数の第１の基板電極との間の第１の差動コンデンサの形成及び、前記プルーフマスと複数の第２の基板電極との間の第２の差動コンデンサの形成と；
加速力を前記物体に加えることによる前記基板電極の平面状の上面に平行な方向の均衡位置からの前記プルーフマスの移動と；
前記第１の差動コンデンサ内の容量の第１の変化の測定と；
前記第２の差動コンデンサ内の容量の第２の変化の測定と；
前記測定された容量の変化を前記物体の加速度を表す電圧へ変換するための回路を使用する工程を備える物体の面内加速度の測定の方法。
【請求項１７】
容量の前記第１の変化と容量の前記第２の変化との前記回路における合算を備える請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
差動変化を増幅するための並びに前記第１の及び第２のコンデンサで測定された共通の容量変化を最小化するための前記回路を使用する請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
第１の差動コンデンサ及び第２の差動コンデンサの前記形成工程が、隣接する第１の及び第２の基板電極の各対の間の前記プルーフマスの電極突部の心出しを備える請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
物体への基板の堅固な取り付けと；
プルーフマスが１つの方向にのみ動くように制約される、前記プルーフマスの前記基板の上方への懸架と；
前記プルーフマスが複数の電極突部を含み、各電極突部が２つの基板電極の上で心出しされ、前記プルーフマスが前記基板電極の上の平面状の面に平行な方向に動くときに各基板電極の上の平面状の面と前記プルーフマスとの間の領域が変化するような、前記プルーフマスと前記基板との間の差動コンデンサの形成と；
前記物体に加速力を加えることによる前記プルーフマスの移動と；
各基板電極と前記プルーフマスとの間の容量の変化の測定と；
前記測定された容量の変化を前記物体の加速度を表す電圧へ変換するための回路の使用と；
各基板電極の上の平面状の面と前記プルーフマスとの間の領域の前記変化に比例する、前記回路からの電圧を出力する工程を備える、物体の面内加速度を特定するための方法。
【請求項１】
物体に堅固に付けられた基板と；
前記基板から上に延び、前記基板から上に延びる複数の第２の基板電極と交互になる、各基板電極が平面状の上面を有し、複数の第１の基板電極が互いに電気的に接続され、前記複数の第２の基板電極が互いに電気的に接続される、前記複数の第１の基板電極と；
一体成形の材料から形成される、前記基板の所定距離上方に配置され、プルーフマスと前記基板との間に様々な高さの隙間を形成するために前記プルーフマスから下方に延びる複数の電極突部を含む、第１のコンデンサが前記プルーフマスと前記複数の第１の基板電極との間に形成され、第２のコンデンサが前記プルーフマスと前記複数の第２の基板電極との間に形成される前記プルーフマスとを備え；
前記プルーフマスは前記プルーフマスが均衡位置にあるとき、前記複数の電極突部の各々が１つの第１の基板電極の一部及び隣接する第２の基板電極の一部の上方に配置される状態で、前記物体の速度が一定のとき、均衡位置に保持される構成で；かつ、
前記プルーフマスは前記物体が加速しているときに前記複数の基板電極の各々の前記上面に平行な方向に動く構成で、各前記基板電極の前記上面と前記プルーフマスとの間の前記隙間の領域を変化させる、面内加速度計。
【請求項２】
前記プルーフマスが、一体成形のシリコンから形成される請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項３】
前記プルーフマスが前記均衡位置にあるとき、前記第１のコンデンサの容量が前記第２のコンデンサの容量に等しい請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項４】
前記複数の電極突部が、各前記指の側壁が垂直になるように、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）処理を用いて形成された複数の指を備える請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項５】
前記複数の電極突部が、前記突部の前記側壁が５４．７度の角度を有するように水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いて前記材料からエッチングされる請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項６】
前記プルーフマスが、隣接する電極突部の各対の間に形成された第１の平面状の面と、各前記電極突部に形成された第２の平面状の面とを含み、前記第１の及び第２の平面状の面の両方が各前記基板電極の前記平面状の上面に平行である請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項７】
各前記第１の平面状の面と前記基板電極の１つの対応する平面状の上面との間の第１の距離が、各前記第２の平面状の面と前記基板電極の１つの同じ平面状の上面との間の第２の距離より大きい請求項６に記載の面内加速度計。
【請求項８】
前記第１の距離が、前記第２の距離より少なくとも１０倍大きい請求項７に記載の面内加速度計。
【請求項９】
前記プルーフマスが、前記基板電極の前記上の平面状の面に平行な方向のみの運動を可能にするバネによって前記均衡位置に保たれる請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１０】
前記基板電極の前記平面状の上面に垂直な方向の前記バネのクロストークが、３％未満の請求項９に記載の面内加速度計。
【請求項１１】
前記プルーフマスが、７５μｍの厚さを有する請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１２】
各基板電極の高さが、２μｍから４μｍの間である請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１３】
前記プルーフマスの周囲のガードリングを、さらに備える請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１４】
前記プルーフマスに衝撃保護を設ける構成のトッピング・ウエハをさらに備える請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１５】
前記プルーフマスが前記基板に溶着されたウエハに可動自在に付けられた請求項１に記載の面内加速度計。
【請求項１６】
物体への基板の堅固な取り付けと；
前記プルーフマスと前記基板との間に異なる高さの隙間を形成するための前記基板の所定距離上方の位置へのプルーフマスの固定と；
前記第１の基板電極及び第２の基板電極が前記基板上に交互に配置される、前記プルーフマスと複数の第１の基板電極との間の第１の差動コンデンサの形成及び、前記プルーフマスと複数の第２の基板電極との間の第２の差動コンデンサの形成と；
加速力を前記物体に加えることによる前記基板電極の平面状の上面に平行な方向の均衡位置からの前記プルーフマスの移動と；
前記第１の差動コンデンサ内の容量の第１の変化の測定と；
前記第２の差動コンデンサ内の容量の第２の変化の測定と；
前記測定された容量の変化を前記物体の加速度を表す電圧へ変換するための回路を使用する工程を備える物体の面内加速度の測定の方法。
【請求項１７】
容量の前記第１の変化と容量の前記第２の変化との前記回路における合算を備える請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
差動変化を増幅するための並びに前記第１の及び第２のコンデンサで測定された共通の容量変化を最小化するための前記回路を使用する請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
第１の差動コンデンサ及び第２の差動コンデンサの前記形成工程が、隣接する第１の及び第２の基板電極の各対の間の前記プルーフマスの電極突部の心出しを備える請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
物体への基板の堅固な取り付けと；
プルーフマスが１つの方向にのみ動くように制約される、前記プルーフマスの前記基板の上方への懸架と；
前記プルーフマスが複数の電極突部を含み、各電極突部が２つの基板電極の上で心出しされ、前記プルーフマスが前記基板電極の上の平面状の面に平行な方向に動くときに各基板電極の上の平面状の面と前記プルーフマスとの間の領域が変化するような、前記プルーフマスと前記基板との間の差動コンデンサの形成と；
前記物体に加速力を加えることによる前記プルーフマスの移動と；
各基板電極と前記プルーフマスとの間の容量の変化の測定と；
前記測定された容量の変化を前記物体の加速度を表す電圧へ変換するための回路の使用と；
各基板電極の上の平面状の面と前記プルーフマスとの間の領域の前記変化に比例する、前記回路からの電圧を出力する工程を備える、物体の面内加速度を特定するための方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４１２９９（Ｐ２０１２−１４１２９９Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７２９５４（Ｐ２０１１−２７２９５４）
【出願日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（５０６２８３９２７）ローズマウント・エアロスペース・インコーポレーテッド (26)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＳＥＭＯＵＮＴ ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（５０６２８３９２７）ローズマウント・エアロスペース・インコーポレーテッド (26)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＳＥＭＯＵＮＴ ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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