JP5127464B2 - 振り子式面内ｍｅｍｓ加速度計装置 - Google Patents

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Description

本発明は、精密機械加工された加速度計装置に関しており、より具体的には、保証質量に加えられる力を測定するための櫛型容量読み出し力変換器用の懸架構造と、それを製造するための方法に関する。
力の検出及び測定に広く用いられている技法は、加えられる力に比例した容量性出力を有する機械的容量読み出し力変換器を利用する。その様な或る機械的変換器では、計器フレームと、可撓体によって懸架されている保証質量の間に、１つ又は複数のコンデンサが形成されている。特定の軸に沿って保証質量に加えられる力は、保証質量をフレームに対して変位させ、それによってコンデンサの容量性出力が変化する。保証質量に加えられる力は、静電容量の合成変化を測定することによって定量化される。
その様な超小型加速度計は、保証質量、懸架可撓体、及び固定計器フレームワークを備えている機械的構造と、コンデンサ電極、電流供給接続部、及びコンデンサ回路を形成している外部回路を備えている電気的構造との組み合わせである。
より正確には、精密機械加工された保証質量は、可撓体によって固定計器フレームに接続され、変換器のフレームワークの一部を形成している。コンデンサは、蝶番で取り付けられた保証質量の１つ又は複数の電極面と、計器フレームの協働固定電極の相対する面との間に形成される。協働固定電極に対する保証質量電極面の運動は、コンデンサ回路のコンデンサの値を変える。コンデンサの値のこの変化は、保証質量に加えられる力、即ち加速による保証質量の相対運動によって決まる。コンデンサの測定値の変化は、従って、加速度の測定値を表す。
或る周知の技法によれば、保証質量の電極と協働固定電極は、噛み合っている櫛状のフィンガとして形成され、大量の実質的に平行な平板コンデンサが、固定電極と保証質量フィンガの相対する面の間に形成される。
その様な噛み合う櫛状のフィンガを採用している容量性読み出し力変換器は、シリコンの様な半導体材料の本体から、超小型電気機械システム即ち「ＭＥＭＳ」として、集積回路（ＩＣ）バッチ処理技法を使って製作された電気的及び機械的構成要素を組み合わせる一体超小型装置又はシステムとして作成されてきた。
大部分の一般的な形態では、ＭＥＭＳは、同じ環境、即ち、１つのシリコンチップ上に集積された機械的微細構造、超小型センサー、超小型アクチュエータ、及び電子機器で構成されている。ＭＥＭＳは、半導体の変換器、即ち、センサーとアクチュエータの分野で可能となる技術である。精密製作技術は、個々の装置は単純なタスクを実行するだけだが組み合わせると複雑な機能を達成することのできる、大きなアレイを成す装置の製作を可能にする。最新の適用例には、加速度計、圧力センサー、化学的センサー、流量センサー、超小型光学装置、光学スキャナー、及び流体ポンプが含まれる。例えば、１つの精密機械加工技法は、シリコン本体を所望のパターンでマスキングし、次に、シリコンを深くエッチングしてそのマスキングされていない部分を取り除くことに関わっている。出来上がった３次元のシリコン構造は、可撓体によって懸架されている保証質量を含む加速度計の様な小型の機械的力感知装置として機能する。これらの小型装置を製造するための既存の技法は、米国特許第５，００６，４８７号「静電シリコン加速度計を作る方法」と、同第４，９４５，７６５号「シリコン精密機械加工加速度計」に記載されており、その開示全体を参考文献としてここに援用する。
高アスペクト比のＭＥＭＳ又は「ＨＩＭＥＭＳ」は、ＭＥＭＳ加速度計装置を含め、その様なＭＥＭＳ装置を製作するための１つの既知の方法である。ＨＩＭＥＭＳは、複雑な装置設計を二次元で製作できるようにするが、クッキーカッター級の固定装置厚さが必要である。ＨＩＭＥＭＳ装置として製作される容量性読み出し面内加速度計は、可撓体上に、縁部に沿って形成された大量のフィンガで懸架されている保証質量を含んでおり、保証質量上のフィンガは、固定構造上の協働電極フィンガと噛み合い、両者間に、大量のコンデンサを形成する。保証質量が加えられた力に反応して動くと、保証質量の噛み合いフィンガは、固定構造のフィンガに近づくか、又はそれから遠のき、それによって、両者の間の静電容量が増減する。フィンガの間の静電容量の変化は、保証質量に加えられる力の尺度となり、加速度信号に翻訳することができる。
その様な容量性読み出し面内加速度計に関する１つの問題は、ＨＩＭＥＭＳ装置として製作されるときに、噛み合っているフィンガに対して面外に加えられる力が、フィンガの面外分離又は「噛み合い離脱」を引き起こし、フィンガ間の静電容量を減少させ、加えられる力又は加速度の減少として記録されることである。フィンガのこの面外分離又は「噛み合い離脱」は、加えられる面外力または加速度が正であろうと負であろうとフィンガ間の静電容量が減少する結果となる、装置の「交差軸感度」である。
図１と図２は、高アスペクト比のＭＥＭＳ又はＨＩＭＥＭＳ装置として製作されている１つの既知の容量性読み出し面内加速度計を示しており、この装置は、正方向及び負方向に加えられる面外力又は加速度に反応するフィンガの面外（±ｚ軸として示す）分離又は「噛み合い離脱」に依る交差軸感度に難点を有しており、図１は平面図であり、図２は図１の断面端面図である。容量性読み出し面内加速度計装置１は、基板に形成されているフレーム９から２つの端点５、７で懸架されている保証質量３を含んでいる。保証質量３は、通常、概略的に端点５、７に示されている陽極結合又は接着剤によって、フレーム９に固定されている。保証質量３は、ここではｘ軸として示している装置１の感知軸に沿う動きに対して、２つの端点５，７それぞれで、それぞれ対になった可撓体１１、１３で懸架されている。ＨＩＭＥＭＳ装置１が静電容量読み出し面内加速度計の場合、図１と図２に示している様に、保証質量３には、参照番号３で示している保証質量の本体から外向きに突き出ている多数の櫛状フィンガ１５が設けられている。各フィンガ１５は、電極フィンガ１７と協働して、複数の異なるコンデンサの内の１つを形成する。ｙ−ｚ面内のフィンガ１５の面と、やはりｙ−ｚ面内の協働面電極フィンガ１７は、両者の間に形成されるコンデンサの相対するプレートを形成する。協働電極フィンガ１７は、概略的に断続点１９、２１で示されている陽極結合又は接着剤によって、フレーム９に堅く固定されている。電極フィンガ１７は、従って、可動性の保証質量フィンガ１５に対して固定されている。正又は負の力がｘ軸に沿って加えられると、保証質量３と、フィンガ１５上に形成されている付帯するコンデンサプレートは、相対的に固定された電極のフィンガ１７上に形成されている協働コンデンサプレートに近づき、又は遠のき、これによって、協働しているフィンガ１５、１７の間の静電容量は、増えるか又は減る。加速度計装置では、静電容量の変化は、保証質量３に加えられる加速力の尺度である。
感知軸又はｘ軸に沿って保証質量３に加えられる面内加速度又は別の力は、例ではｙ軸として示されている交差軸成分を有している。しかしながら、その様な面内交差軸又はｙ軸成分は、保証質量と固定電極のフィンガ１５、１７の重複部の一方又は両方によって隠され、保証質量３の一方の側のフィンガ１５と１７の間の静電容量の変化は、保証質量の反対側のフィンガ１５と１７の間の変化と等価で反対向きである。
ＨＩＭＥＭＳ装置には、加えられる力又は加速度の面外成分について、その様な補償効果は存在しない。ＨＩＭＥＭＳ作用は均一の厚さの基板上にだけ作用するので、保証質量のフィンガ１５と固定電極のフィンガ１７は、同じ交差軸の幅、即ち、ｚ軸寸法を有するように形成されていなければならない。実際には、固定電極１７は、ｚ軸方向寸法を、保証質量のフィンガ１５より大きい寸法に形成することはできないので、保証質量のフィンガ１５のｚ軸に沿う運動に関しては、静電容量の変化は排除されることになる。保証質量フィンガ１５の固定電極フィンガ１７に対するｚ軸に沿うオフセットによる合成静電容量の減少が、保証質量の反対側の静電容量の等価で且つ反対向きの増加によって補償されることもない。
むしろ、図２に示している様に、面外に、即ち、ｚ軸に沿ってで加えられる力又は力の成分は、保証質量３と、フィンガ１５上に形成されている関係するコンデンサプレートとを、固定電極１７に対してｚ軸に沿って並進運動させるが、固定電極はその様な運動に対し動かないように支持されている。保証質量のフィンガ１５は、通常は噛み合っている固定電極１７に対して「噛み合い離脱」するか、又はこれに対してオフセットする。この噛み合い離脱又は相対的オフセットの結果、フィンガ１５、１７の間の静電容量が減る。静電容量の減少は、ｘ軸に沿って作用する加速度又は他の力の減少として表示されるので、表示が不正確になる。
ＨＩＭＥＭＳ装置として製作されるこの様な容量性読み出し面内加速度計に関する別の問題は、質量３が、加速度に対する感度、及び有用なスケール係数を櫛の歯に提供できるだけの空間の両方を提供するため、例えば、縁部が１ｍｍから１０ｍｍと、大きくなければならないことである。
その様な大きな保証質量３は、望ましくない低い周波数での振動状態では複雑な様式で変形する。
更に、その様な大きな保証質量３は、保証質量３と、それが固定されているフレーム９の間の熱膨張（ＣＴＥ）係数の差によって引き起こされる、望ましくない感熱度を有する恐れもある。
米国特許第５，００６，４８７号 米国特許第４，９４５，７６５号
本発明は、シリコン基板又はホウケイ酸ガラス基板の何れかで形成されており、実質的に平坦な取付面を有する基部と、ドープ処理されたシリコンの薄い層で形成され、陽極結合又は接着剤結合によって基部の取付面に連結されている機構層とを有するセル式面内加速度計を提供することによって、先行技術の限界を克服する。細長い片持ち梁は、機構層内に形成され、保証質量と静電櫛の組み合わせとして作動するように構成されており、片持ち梁の一部は、片持ち梁が基部の取付面に実質的に平行な方向に運動できるように、基部の取付面に固定されている。協働する対を成す、実質的に剛体の外側電極構造は、機構層内に形成され、基部の取付面に固定されている。各対の外側電極構造は、それぞれの平行で相互に相対するピックオフ面が、片持ち梁の、その運動方向の両側に間隔を空けて配置されるように形成されている。片持ち梁と、対を成す外側電極構造それぞれのピックオフ面との間に、第１と第２のコンデンサそれぞれを形成するための手段が提供されている。
本発明の或る態様によれば、基部の取付面に固定されている片持ち梁の部分は、細長い片持ち梁を２つの実質的に同じ片持ち梁に分割するため、片持ち梁のほぼ中心に配置されており、従って、２つの片持ち梁の共通の振り子取付部として作用する。
本発明の別の態様によれば、片持ち梁は、更に、基部の取付面に固定されている片持ち梁の部分と、固定部分から遠い片持ち梁の残部との間に配置されているヒンジを備えて形成されている。
本発明の別の態様によれば、セル式面内加速度計は、複数の細長い片持ち梁と、基部の取付面に対して、それぞれの第１と第２の各コンデンサが、片持ち梁と、協働する外側電極構造の対それぞれのピックオフ面の間に配列されている、複数の協働する外側電極構造の対と、を含んでいる。
本発明の更に別の態様によれば、加速度計を、加えられる力を測定するための超小型電気機械システム装置として形成するための方法が提供されている。
本発明のこの他の態様について、以下詳細に説明する。
本発明に関する以上の態様及び付帯する多くの利点は、以下の詳細な説明を添付図面と関連付けて参照すれば容易に理解でき、納得頂けるであろう。
各図面を通して、同様の番号は同様の要素を示している。
本発明は、実質的に平坦な取付面を有する基部と、ドープ処理されたシリコン機構層内に形成されていて、基部の平坦な取付面に実質的に垂直に向けられ、基部の平坦な取付面に平行な入力方向に沿って間隔を空けて配置されている、実質的に平行で、互いに相対するピックオフ電極面を有する、一対の実質的に堅く取り付けられた電極構造と、基部の平坦な取付面に対して実質的に垂直に向けられ、入力方向に沿って動くように、基部の取付面から固定電極構造の間に懸架されている振り子式静電櫛と、各固定電極構造と基部の取付面の間に連結されているアンカーと、で形成されているセル式面内加速度計である。
従って、図３は、一例であって限定するものではないが、ＨＩＭＥＭＳ処理を使っているＭＥＭＳ(超小型電気機械システム)装置として形成されている本発明のセル式面内加速度計１００を示す斜視図である。本発明の或る実施形態によれば、２０μｍから２００μｍ程度のドープ処理済みシリコンのシートによって形成されている薄い機構層１０２は、陽極結合又は接着剤結合によって、ホウケイ酸ガラス又はシリコンで形成されている基板１０４の実質的に平坦な取付面１０３部に取り付けられている。この機構層１０２は、ＨＩＭＥＭＳ処理によって、複雑なｘ、ｙ二次元設計に形成することができるが、固定されたｚ軸方向の寸法又は厚さを有している。基部１０４は、機構層１０２が取り付けられる前に、アンカー１０６、１０７を形成するため随意的に選択的にエッチングされる。アンカー１０６、１０７に取り付けられるとき、薄い機構層１０２内に形成される加速度計機構１０８は、固定されるが、それでもなお、感知された加速度入力に反応して変形することができる。
薄い機構層１０２内に形成されている加速度計機構１０８は、２つの実質的に剛体の第１及び第２の外側電極構造１１０、１１２を含んでおり、この外側電極構造１１０、１１２は、それぞれの平行に間隔を空けて配置されている第１及び第２の電極又は「ピックオフ」面１１４、１１６を備えており、その間に、保証質量１１８が懸架されている。外側構造１１０、１１２は、加速度計１００の交差軸（ｘ）と感知軸（ｙ）の両方に対して高い剛性を有している。実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、ｙ軸方向に伸びている又は「厚い」ことにより、或いは、後の図面に示している様なボックス又はフレームを形成することによって、感知ｙ軸方向の運動に抵抗する。実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、図３に示している様に、それらの取付領域の相当部分に亘って伸張しているアンカー１０７によって、随意的に、基板に固定されている。実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、随意的に、後の図面に示している様に、１つ又は複数の軽量化穴又は内部格子を含んでおり、それらの剛性対質量比を上げている。
保証質量１１８は、ｘ方向の寸法が長くｙ方向の寸法が薄く、アンカー１０６で中心に固定されている。従って、保証質量１１８は、一対の実質的に同じ片持ち梁１２０、１２２を、アンカー１０６で基部１０４に固定されている保証質量１１８の中心核として構成されている共通の振り子取付部１２４の各側に１つずつ形成する。片持ち梁１２０、１２２は、ｙ方向には、剛性の高い外側構造１１０、１１２より遙かに可撓性があるので、ｙ軸に沿う加速度入力を受けるとｙ軸に沿って撓むが、ｘ方向には交差軸方向の入力に抵抗できるほどの剛性があり、ｚ方向には面外の並進運動に抵抗できるほどの剛性がある。
図３に示している様に、各組の実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、１つの保証質量１１８と協働して、一対の振り子式加速度計を形成し、そのそれぞれが、保証質量として作用する片持ち梁１２０、１２２の一つを有している。出来がった２つの保証質量１２０、１２２は、共通の振り子取付部１２４を共有しており、そこでは、アンカー１０６が、二股の保証質量１１８の中心を基部１０４に固定し、片持ち梁１２０、１２２がｘ方向に沿って伸張して、２つの加速度計それぞれの保証質量を提供している。
一対の加速度計とする場合、片持ち梁の保証質量１２０、１２２それぞれは、随意的に、ｚ方向に沿って形成されているそれぞれのヒンジ１２６、１２８によって懸架される。ヒンジ１２６、１２８は、各片持ち梁１２０、１２２が、図３に示しているように、装置の構造に平行な１つの方向、例えばｙ方向に、並進運動できるように構成されている。作動時、ヒンジ１２６によって実質的に剛体の外側の電極構造１１０、１１２の間に懸架されている片持ち梁の保証質量１２０によって形成される加速度計は、ピックオフ面１１４、１１６の両方と、第１及び第２コンデンサ１３０、１３２を形成し、即ち、第１コンデンサ１３０が、保証質量１２０の第１容量面１３４と第１ピックオフ面１１４の間に形成され、第２コンデンサ１３２が、保証質量１２０の第２容量面１３６と第２ピックオフ面１１６の間に形成される。加速度信号は、単一の片持ち梁式保証質量１２０と、第１及び第２ピックオフ面１１４、１１６それぞれとの間に形成される２つのコンデンサの間の差分静電容量である。第２の実質的に同じ片持ち梁の保証質量１２２は、ヒンジ１２８によって、同じピックオフ面１１４、１１６の異なる部分の間に同様に懸架され、従って、第１保証質量１２０とピックオフ面１１４、１１６によって形成される第１及び第２コンデンサと実質的に同じ第３及び第４のコンデンサを、各ピックオフ面１１４、１１６と共に形成する。従って、説明した様に、加速度計１００は、開放ループ装置である。
本発明は、ここに論じている先行技術の幾つかの欠点を同時に解決する。先行技術の保証質量のフィンガ１５の、ｚ軸に沿う、普通は噛み合っている固定電極１７に対する「噛み合い離脱」又はオフセットの傾向は、各片持ち梁１２０、１２２によって形成される個々の保証質量が、並外れて低い質量であることによって克服される。先行技術の装置では、図１と図２に示している様に、保証質量３は、櫛歯１５に比べて非常に大きかった。先行技術の装置では、加速度に対する感度と、適切なスケール係数を得るのに十分な櫛の歯の空間、の両方をのために、大きな保証質量が必要であった。その様な大きな保証質量には、大きな面積が必要であり、装置パッケージは、それを収納するために大きくなければならない。更に、その様な大きな保証質量は、望ましくない低い周波数で受けると、振動して複雑な様式で変形しがちである。これらの大きな保証質量は、更に、保証質量３と、それが固定される基部又はフレーム９の間の熱膨張（ＣＴＥ）係数の差によって引き起こされる、望ましくない熱感度を有する傾向がある。
その様な先行技術の装置とは対照的に、本発明は、各歯の梁１２０、１２２を、アンカー１０６で基部１０４に直接固定されている共通の振り子取付部１２４から懸架することによって、先行技術の櫛の歯を、片持ち梁式保証質量１２０、１２２の保証質量と組み合わせている。従って、片持ち梁式保証質量１２０、１２２は、その個々のアンカー１０６によって、ｚ軸に沿う動きが抑制される。本発明の保証質量１２０、１２２は先行技術の櫛の歯１５として作用するので、各保証質量が比較的小さい。或る実施形態によれば、本発明の各保証質量１２０、１２２は、寸法と質量が、先行技術の個々の櫛の歯１５とほぼ同じである。更に、保証質量１２０、１２２の質量が遙かに小さくなっているため、先行技術の装置では噛み合い離脱を引き起こして結果的に静電容量が減ることになるｚ軸に沿う運動に向かう傾向を、阻止するのに役立つ。更に、保証質量１２０、１２２が遙かに小さくなっているので、加速度計１００が必要とする実質占有面積は、先行技術の大きな保証質量３に必要な領域と比べると小さくなっている。
保証質量構造１２０、１２２の質量が、先行技術の保証質量３に比べて非常に小さいので、本発明の保証質量１２０、１２２の固有振動数は、先行技術の装置と比べて高い。従って、大きな保証質量が望ましくない低周波数で振動し複雑な様式で変形する傾向は、本発明の保証質量１２０、１２２によって軽減される。
先行技術装置では大きな保証質量３とフレーム９の間のＣＴＥの差によって引き起こされる熱感度は、大幅に低減されるが、これは、ＣＴＥの差が作用する有効距離が、振り子アンカー１０６と静止電極アンカー１０７からの距離によって制限され、その距離は、図１に示している様に、遠く分離されている端点５、７での大きな先行技術の保証質量３の懸架に比べて非常に小さいからである。
本発明によれば、有効な櫛の歯が１つ又は複数の保証質量１２０、１２２によって提供され、先行技術の櫛の歯１５に比べると長いので、高いスケール係数が実現される。
更に、図４は、本発明の随意のセル式の実施形態を示す斜視図であり、加速度計１００は単一の加速度計機構１０８であり、これが組み合わせられて複数の別の加速度計機構１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃから１０８ｎになっており、それらは全て、機構層１０２に形成され、個々のアンカー１０６で基部１０４に連結されている。従って、ｎ個の加速度計機構１０８の内の必要な数を選択することによって、どの様な望ましいスケール係数でも得ることができる。図４に示している様に、複数の単一又は二重の加速度計機構１０８の少なくとも一部分は、随意的に組み合わされて、選択された数の加速度計機構１０８ａから１０８ｎで構成される集成型セル式加速度計２００になる。加速度計機構１０８ａから１０８ｎのそれぞれは、図３に示す加速度計１００の保証質量と櫛の歯の二重の機能を果たす１つ又は複数の保証質量１２０、１２２と、それぞれ平行に間隔を空けて配置されている電極又は「ピックオフ」面１１４、１１６を有している、一対の実質的に剛体の間隔を空けて配置されいる外側電極構造１１０、１１２と、を含んでいる。１０８ａから１０８ｎの各加速度計機構は、それ自体の外側電極構造１１０、１１２を含んでいるので、或る加速度計１０８ａの保証質量１２０、１２２が第２「ピックオフ」面１１６に近付くときに、２つの隣接する加速度計１０８、１０８ｂが１つの外側電極構造１１２を共有している場合のように、別の加速度計１０８ｂの対応する保証質量１２０、１２２が同時に第２「ピックオフ」面１１６から遠ざかることはない。第１の外側電極構造１１０は、電気的に相互接続されており、第２の外側電極構造１１２は、電気的に相互接続されているので、全ての第１「ピックオフ」面１１４は、相互に電気的に相互接続されており、全ての第２「ピックオフ」面１１６は、相互に電気的に相互接続されている。従って、隣接する加速度計１０８、１０８ｂは、それぞれ、加速度入力の変化に応じて別個の信号を出力するので、１つの信号の符号を、それらの差を取る前に反転させることができ、それによって、静電容量の１／ｄ関係の線形化が可能になるので正味信号が増す。
図４に示している様にｙ軸に沿って伸張している場合、異なる加速度計機構１０８ａから１０８ｎの内の１つ又は複数の保証質量１２０、１２２のそれぞれは、他の加速度計機構１０８ａから１０８ｎの保証質量１２０、１２２と実質的に平行である。
本発明の或る実施形態によれば、機構層１０２の長さに亘ってｙ方向に伸張している加速度計機構１０８ａから１０８ｎの柱は、機構層１０２の幅に亘ってｘ方向に繰り返されて、加速度計機構１０８ａから１０８ｎのｘ−ｙ行列を形成している。
幾つかの設計の利点は、セル式加速度計機構１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃから１０８ｎを使って実現される。加速度計２００は、単純な分析に至る単純な設計の繰り返しのパターンである。スケール係数は、適切な量の加速度計機構１０８ａから１０８ｎを選択することによって選択される。加速度計２００は、保証質量が静電櫛の歯と組み合わせられているので、先行技術の装置と比べて小さいままである。加速度計１００に関して論じられる別の利点も、セル式加速度計２００にはある。
代替実施形態
図５は、加速度計機構１０８の代替実施形態を示す平面断面図であり、アンカー１０６と保証質量１１８の間の境界面がハッチング領域で表されており、アンカー１０７と実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２それぞれの間の境界面も、ハッチング領域で表されている。図５に示されている代替保証質量１１８は、保証質量１１８の中心核である共通の振り子取付部１２４の両側に伸張している２つの実質的に同じ片持ち梁式保証質量１２０、１２２を含んでおり、共通の振り子取付部１２４は、アンカー１０６によって基部１０４に固定されている。２つの片持ち梁式保証質量１２０、１２２は、ｘ−ｚ面に形成されている実質的に平坦なシートである。２つの片持ち梁式保証質量１２０、１２２は、従って、装置の入力軸と平行なｙ方向には、ｘ方向に沿う長さとｚ方向の高さに比べて、十分に薄いので、加速度入力に反応してｙ軸に沿って変位又は変形し易いが、ｘ及びｚ方向には、剛性が高いので、交差軸及び面外の加速度には反応しない。
更に、図３に示している様に、実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２それぞれの取付領域の相当部分に亘って伸張しているアンカー１０７とは対照的に、図５に示されているアンカー１０６は、外側電極構造１１０、１１２を、ｙ方向に細長く、ｙ又は入力軸に沿って整列している遙かに狭い線形領域に沿って、基部１０４に固定している。長くて狭いアンカー１０７は、実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２の厚さと組合わさって、ｙ又は入力軸に沿う加速度入力に反応して外側電極構造１１０、１１２が変形及び変位するのを阻止するか、又は実質的に無くしている。
図６は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、２つの片持ち梁式保証質量１２０、１２２が、共通の振り子取付部１２４から、保証質量１１８の中心で、各保証質量１２０、１２２の断面が減少して又は「首の様に細くなって」ｚ軸周りに可撓性になっている領域として形成されているそれぞれのヒンジ１２６、１２８によって懸架されている。ヒンジ１２６、１２８は、各片持ち梁１２０、１２２が装置のｚ軸周りに回転できるように構成されている。
図７は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、２つの実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２が、剛性対質量比を増す複数の軽量化穴１３８を備えて作られている。
図８は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、２つの実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２が、剛性対質量比を増す内部格子構造１４０を備えて作られている。一例に過ぎず限定するわけではないが、本発明の或る実施形態によれば、２つの実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、開放された長方形ボックスとして作られており、各ボックスは、ｚ方向に沿って押出成形された互いに垂直な周囲壁１４２、１４４、１４６、１４８を有している。ｘ−ｚ方向に伸張している壁１４２、１４４は、その各外側面にピックオフ面１１４、１１６を含んでいる。内側の壁１４６は、実質的に剛体の構造１１０、１１２それぞれを基部１０４に固定するための中実で体積のある材料を提供している。外側の壁１４８は、押出成形区画の端部を覆っているだけで、ｘ−ｚ方向に、外側の壁１４８の内側表面と相対する内側の壁１４６の間を伸張している１つ又は複数の内部格子壁１５０を取り付けるためのアンカー壁を提供している。内部格子構造は、ｙ−ｚ方向に、相対する壁１４２、１４４の内側表面の間を伸張している複数の内部格子壁１５２を含んでおり、内部格子壁１５２は、１つ又は複数の内部格子壁１５０と交差して、周辺壁１４２、１４４、１４６、１４８の間の、内部格子壁１５２が無ければ空間となる部分を架橋している。
剛性対質量比を増す等価な内部格子構造１４０も考えられるものと理解されたい。一例に過ぎず限定するわけではないが、本発明の或る実施形態によれば、内部格子構造１４０は、図７に示している複数の軽量化穴１３８によって形成されている。本発明の別の等価な代替実施形態によれば、内部格子構造１４０は、実質的に剛体の構造１１０、１１２それぞれを貫いて形成された三角形、五角形、六角形、八角形、又は他の多角形の穴で作られているハチの巣構造によって形成されている。
本発明が、ＭＥＭＳ又はＨＩＭＥＭＳ処理の何れかを使って実行されている場合、ｚ方向に沿って押出成形された複雑な形状を有するどの様な構造でも、随意的に形成することができる。従って、図９は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態の平面断面図であり、ｘ−ｙ方向に、各ヒンジ１２６、１２８からの距離の関数として増する断面を有する２つの片持ち梁１２０、１２２が、押出成形されている。一例に過ぎず限定するわけではないが、２つの片持ち梁１２０、１２２は、各ヒンジ１２６、１２８の軸から離れるほど面積又は体積が、従って質量が増大してゆく台形又はパイ形として形成されている。ヒンジ軸から或る距離にある増大した質量は、保証質量１２０、１２２の振り子特性を増大させている。
図９に示している様に、第１及び第２の電極又は「ピックオフ」面１１４、１１６は、随意的に、振り子１２０と１２２の互いに反対側の面１３４、１３６と共同して働く形状に形成されていて、加速度計の出力が、平行板コンデンサの出力に更に近づいている。
図１０は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、２つの実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、ｘ−ｚ方向にピックオフ面１１４、１１６を有するように押出成形されており、両ピックオフ面は、保証質量１１８の中心の共通の振り子取付部１２４からの距離が増すほど、間隔が広くなるように配置されている。従って、ピックオフ面１１４、１１６は、保証質量１１８の２つの片持ち梁１２０、１２２の各容量性面１３４、１３６から、共通の振り子取付部１２４からの距離の関数として、徐々に間隔が広がるように配置されている。この徐々に広がってゆく間隔は、ピックオフ面１１４、１１６のｘ方向の長さを増し、それによって加速度計１００の線形性が改良される。図１０に示している本発明の或る実施形態によれば、ピックオフ面１１４、１１６は、緩やかに湾曲した面なので、相対するピックオフ面１１４、１１６の間の間隔、従って、保証質量の容量性面１３４、１３６と各ピックオフ面１１４、１１６の間の間隔は、保証質量１１８の中心からの距離が増すにつれて、より急激に広がる。
図１１は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、２つの実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、ｘ−ｚ方向に、均一な間隔を空けて配置されているピックオフ面１１４、１１６を有するように押出成形されているが、保証質量１１８の２つの片持ち梁１２０、１２２は、保証質量１１８の中心にある共通の振り子取付部１２４からの距離が増すほど、間隔が広くなるように配置されている容量性面１３４、１３６を有するように押出成形されている。従って、保証質量１１８の２つの片持ち梁１２０、１２２の各容量性面１３４、１３６は、各ピックオフ面１１４、１１６から、共通の振り子取付部１２４からの距離の関数として、徐々に間隔が広がるように配置されている。この徐々に広がってゆく間隔は、容量性面１３４、１３６のｘ方向の長さを増し、それによって加速度計１００の線形性が改良される。図１１に示している本発明の或る実施形態によれば、容量性面１３４、１３６は、緩やかに湾曲した面なので、保証質量の容量性面１３４、１３６と各ピックオフ面１１４、１１６の間の間隔は、保証質量１１８の中心からの距離が増すにつれて、より急激に広がる。
図１２は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、２つの実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２が、ｘ−ｚ方向にピックオフ面１１４、１１６を有するように押出成形されており、ピックオフ面は、各ヒンジ軸Ｈ１２０、Ｈ１２２周りに同心である複数の湾曲スロット１５４、１５６を含んでおり、ｙ軸に沿う加速度負荷入力を受けると保証質量１１８の２つの片持ち梁１２０、１２２が、この軸の周りに回転するようになっている。ピックオフ面１１４、１１６は、各湾曲スロット１５４、１５６の内側表面に形成されている。異なる保証質量の梁１２０、１２２は、それぞれ、それぞれの片持ち梁１２０、１２２から伸張している、それぞれのヒンジ軸Ｈ１２０、Ｈ１２２周りに同心である複数の協働する湾曲櫛歯１５８、１６０を備えて形成されている。湾曲櫛歯１５６は、保証質量の容量性面１３４、１３６を含んでおり、従って、ピックオフ面１１４、１１６と共に第１及び第２のコンデンサ１３０、１３２を形成している。協働する湾曲スロット１５４と湾曲櫛歯１５６は、保証質量の容量性面１３４、１３６と各ピックオフ面１１４、１１６の間の距離を変えることなく、２つの片持ち梁１２０、１２２が、各ヒンジ１２０、１２２で回転できるようにしている。むしろ、差分静電容量は、保証質量の容量性面１３４、１３６と各ピックオフ面１１４、１１６の間の重なりに実質的に比例している。従って、静電容量の変化は、入力加速度に実質的に線形な関数である。更に、ここに論じた型式の閉ループ装置として作動する場合は、容量性リバランスドライブも、同様に、入力加速度に実質的に線形な関数である。
図１３は、加速度計機構１０８の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、２つの実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２は、保証質量１１８の２つの片持ち梁１２０、１２２と同様に、ｘ−ｚ面に形成されている実質的に平坦なシートである。２つの電極構造１１０、１１２は、従ってｙ方向には薄いが、アンカー１０７は、実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２それぞれを基部１０４に堅く固定するために、取付領域の全部又は少なくとも相当部分に亘って伸張している。広大なアンカー１０７の領域は、ｙ又は入力軸に沿う加速度入力に反応して外側電極構造１１０、１１２が変形及び変位するのを、阻止するか、又は無くする。本発明のセル式の実施形態に従って処理すると、薄いが実質的に剛体の外側電極構造１１０、１１２によって、多数の加速度計機構１０８ａから１０８ｎを、同じスケール係数を有し、即ち同じ寸法の同じ数の櫛の歯を有する先行技術の保証質量と比べて、非常に小さい領域に配置できるようになる。薄い外側電極構造１１０、１１２は、図５の代替実施形態の比較的厚い外側電極構造１１０、１１２よりも遙かに小さなパッケージにできることは明白である。
図１４は、本発明の加速度計の別の代替実施形態を示す平面断面図であり、加速度計１００は、閉ループ装置である。従って、電極プレート１１４、１１６は、感知部分１１４ｓ、１１６ｓ、及びリバランスドライブ部分１１４ｒ、１１６ｒに分けられる。リバランスドライブ部分１１４ｒ、１１６ｒは、静電引力を利用して、当技術では周知の方式で、装置のバランスを取り戻す。感知部分１１４ｓ、１１６ｓとリバランスドライブ部分１１４ｒ、１１６ｒの分離は、外側電極構造１１０、１１２を感知構造１１０ｓ、１１２ｓとリバランスドライブ構造１１０ｒ、１１２ｒに物理的に分離し、それぞれを、独立したアンカー１０７によって基部１０４に固定することによって実現される。
図１５は、本発明の加速度計の更に別の代替実施形態を示す平面断面図であり、感知電極構造１１０ｓ、１１２ｓとして作用する実質的に剛体の外側電極構造は、何度も何度も分割され、外側感知電極構造１１０ｓ１、１１０ｓ２、１１０ｓ３から１１０ｓｎと、外側感知電極構造１１２ｓ１、１１２ｓ２、１１２ｓ３から１１２ｓｎと、になっている。リバランスドライブ構造１１０ｒ、１１２ｒとして作用する外側電極構造１１０、１１２は、もし在れば、何度も何度も分割され、外側リバランスドライブ電極構造１１０ｒ１、１１０ｒ２、１１０ｒ３から１１０ｒｎと、外側リバランスドライブ電極構造１１２ｒ１、１１２ｒ２、１１２ｒ３から１１２ｒｎと、になっている。この外側感知電極構造１１０ｓ、１１２ｓと、もし在れば、リバランスドライブ電極構造１１０ｒ、１１２ｒとを分割することにより、小さな間隙１６６、１６８が生じ、ガスを、隣接する外側感知電極構造１１０ｓ１から１１０ｓｎ及び１１２ｓ１から１１２ｓｎの間に、そしてもし在れば、隣接する外側リバランスドライブ電極構造１１０ｒ１から１１０ｒｎ及び１１２ｒ１から１１２ｒｎの間に流すことができるようになる。その結果、装置は、ガスの減衰が非常に小さくなる。
この様に分割すると、外側感知電極構造１１０ｓ、１１２ｓと、もし在れば、リバランスドライブ電極構造１１０ｒ、１１２ｒは、保証質量１１８に実質的に垂直に向いた櫛の歯の様に見える。外側感知電極構造１１０ｓ、１１２ｓを分割することによって、感知ピックオフプレート１１４ｓ、１１６ｓを、どの様な数の小さな感知部分１１４ｓ１、１１４ｓ２、１１４ｓ３から１１４ｓｎと、小さな感知部分１１６ｓ１、１１６ｓ２、１１６ｓ３から１１６ｓｎとにでも分割できるようになる。もし在れば、リバランスドライブ電極構造１１０ｒ、１１２ｒを分割することによって、リバランスドライブ電極１１４ｒ、１１６ｒを、どの様な数の小さなリバランスドライブ部分１１４ｒ１、１１４ｒ２、１１４ｒ３から１１４ｒｎと、小さなリバランスドライブ部分１１６ｒ１、１１６ｒ２、１１６ｒ３から１１６ｒｎとにでも分割できるようになる。
感知ピックオフプレート１１４ｓ、１１６ｓと、もし在れば、リバランスドライブ電極１１４ｒ、１１６ｒとを分割すれば、どの様な数の小さな感知部分１１４ｓ１から１１４ｓｎ及び１１６ｓ１から１１６ｓｎと、もし在れば、小さなリバランスドライブ部分１１４ｒ１から１１４ｒｎ及び１１６ｒ１から１１６ｒｎでも、保証質量１１８の２つの片持ち梁１２０、１２２に沿う任意の場所に随意的に設けることができるようになり、小さな感知部分１１４、１１６とリバランスドライブ部分１１４ｒ、１１６ｒを、交互配置することさえできるようになる。
外側感知電極構造１１０ｓ１から１１０ｓｎ及び１１２ｓ１から１１２ｓｎと、もし在れば、外側リバランスドライブ電極構造１１０ｒ１から１１０ｒｎ及び１１２ｒ１から１１２ｒｎとが、例えば約１０μｍより小さいぐらいの、十分に小さい間隙１６６、１６８で分離されている場合、端部効果又は電界効果が、隣接する構造の間の間隙を「満たす」ことになるので、間隙１６６、１６８で表されている「消失」電極領域に起因する性能面での減損は殆ど無い。感知部分１１４ｓ、１１６ｓ、或いはリバランスドライブ部分１１４ｒ、１１６ｒとして作動する電極の「櫛の歯」の数と場所は、フィードバックループを使って随意的に変え、加速度計１００を、低い加速度の下での感度を高め（より多くの歯を感知部分１１４ｓ、１１６ｓとして作動させ）、或いは感度を下げて装置のｇ−フォース入力範囲を増大させる（より多くの歯をリバランスドライブ部分１１４ｒ、１１６ｒとして作動させる）ようにすることもできる。どの電極構造１１０と１１２が感知部分１１４ｓ、１１６ｓとして作動し、どれがリバランスドライブ部分１１４ｒ、１１６ｒとして作動するかは、加速度入力が高いときの線形性を改良するため随意的に選択される。
基本的な実施形態、並びに異なる代替実施形態は、全て、ここに論じている様に、ＨＩＭＥＭＳ処理を使って、シリコン機構を作り、それをホウケイ酸ガラス又はシリコンの何れかで製作されている基部１０４に結合させて、実施することができる。
以上、本発明の好適な実施形態を図示し説明してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱するること無く、様々な変更を施せるものと理解されたい。
高アスペクト比ＭＥＭＳ又はＨＩＭＥＭＳ装置として製作され、交差軸の感度に難点を有する既知の容量性読み出し面内加速度計を示す平面図である。 図１に示されている向きに装置を見た断面端面図である。 本発明のセル式面内加速度計１００を示す斜視図である。 本発明の随意的なセル式の実施形態を示す斜視図であり、１つの加速度計機構が、複数の同様の加速時計機構と組み合わせられている。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。 本発明の加速度計機構の異なる代替実施形態を示している。

Claims (9)

  1. 実質的に平坦な取付面（１０３）を有する基部（１０４）上に形成されているセル式面内加速度計（１００）において、
    ドープ処理されたシリコン機構層（１０２）内に形成されており、前記基部（１０４）の前記平坦な取付面（１０３）に実質的に垂直に向けられ、前記基部（１０４）の前記平坦な取付面（１０３）と平行な入力方向（ｙ）に沿って間隔を空けて配置されている実質的に平行で、互いに相対している第１のピックオフ電極面（１１４、１１６）を有する、一対の実質的に剛体の固定電極構造（１１０、１１２）と、
    前記固定電極構造のそれぞれ（１１０、１１２）と前記基部（１０４）の前記取付面（１０３）の間に連結されている第１のアンカー（１０７）と、
    前記基部（１０４）の前記平坦な取付面（１０３）に実質的に垂直に向けられ、前記基部（１０４）の前記取付面（１０３）から、前記固定電極構造（１１０、１１２）の前記相対しているピックオフ電極面（１１４、１１６）の間に、前記入力方向（ｙ）に沿って動けるように懸架されている振り子式静電櫛（１１８）と
    を有し、
    前記振り子式静電櫛（１１８）は、前記基部（１０４）の前記取付面（１０３）から、前記基部（１０４）の前記取付面（１０３）と前記振り子式静電櫛（１１８）の振り子取付部（１２４）の間に連結されている第２のアンカー（１０６）によって懸架され、
    前記第２のアンカー（１０６）が、前記平坦な取付面の平面の電極構造の間に配置され、前記第２のアンカーは、前記振り子式静電櫛（１１８）の底部の中央付近の一部だけによって前記振り子式静電櫛（１１８）を懸架することを特徴とする加速度計。
  2. 前記振り子式静電櫛（１１８）は、前記入力方向（ｙ）に沿って動くように、それぞれが前記振り子取付部（１２４）から懸架されている一対の振り子式静電櫛（１２０、１２２）を更に含んでおり、前記振り子取付部（１２４）は、前記一対の振り子式静電櫛（１２０、１２２）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の加速度計。
  3. 前記振り子式静電櫛（１１８）は、ｙ方向を軸として回転させることができるように、前記振り子取付部（１２４）と片持ち梁部（１２０）の間に配置されているヒンジ部（１２６）を更に含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の加速度計。
  4. 前記セル式面内加速度計（１００）は、複数の加速度計機構（１０８）を更に含んでおり、前記加速度計機構（１０８）のそれぞれは、前記一対の実質的に剛体の固定電極構造（１１０、１１２）の１つと、その前記相対しているピックオフ電極面（１１４、１１６）の間に懸架されている前記振り子式静電櫛構造（１１８）の１つを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の加速度計。
  5. 前記複数の加速度計機構（１０８）は、一列の加速度計機構（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃから１０８ｎ）であり、前記加速度計機構（１０８ｂ）の内の１つ又はそれ以上は、前記固定電極構造（１１０、１１２）の内の１つ又はそれ以上を、１つ又は複数の隣接する加速度計機構（１０８ａ、１０８ｃ）と共有していることを特徴とする、請求項４に記載の加速度計。
  6. 前記セル式面内加速度計（１００）は、前記ドープ処理されたシリコン層（１０２）内に形成されている、前記基部（１０４）の前記平坦な取付面（１０３）に実質的に垂直に向けられ、前記振り子式静電櫛歯（１１８）の両側に前記入力方向（ｙ）に沿って間隔を空けて配置されている実質的に平行で互いに相対しているリバランスドライブ電極面（１１４ｒ、１１６ｒ）を有する、一対の実質的に剛体の固定電極構造（１１０ｒ、１１２ｒ）を更に含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の加速度計。
  7. 第２のピックオフ電極面（１１４、１１６）を有する前記固定電極構造（１１０、１１２）のそれぞれは、複数の固定電極構造（１１０ｓ１、１１０ｓ２、１１０ｓ３から１１０ｓｎと、１１２ｓ１、１１２ｓ２、１１２ｓ３から１１２ｓｎ）を更に備えており、前記複数の固定電極構造それぞれは、それぞれのピックオフ電極面（１１４ｓ１、１１４ｓ２、１１４ｓ３から１１４ｓｎと、１１６ｓ１、１１６ｓ２、１１６ｓ３から１１６ｓｎ）を有していることを特徴とする、請求項６に記載の加速度計。
  8. 前記リバランスドライブ電極面（１１４、１１６）を有する前記固定電極構造（１１０、１１２）のそれぞれは、複数の固定電極構造（１１０ｒ１、１１０ｒ２、１１０ｒ３から１１０ｒｎと、１１２ｒ１、１１２ｒ２、１１２ｒ３から１１２ｒｎ）を更に備えており、前記複数の固定電極構造それぞれは、それぞれのリバランスドライブ電極面（１１４ｒ１、１１４ｒ２、１１４ｒ３から１１４ｒｎと、１１６ｒ１、１１６ｒ２、１１６ｒ３から１１６ｒｎ）を有していることを特徴とする、請求項６に記載の加速度計。
  9. 前記一対の実質的に剛体の固定電極構造（１１０、１１２）のそれぞれは、前記固定電極構造（１１０、１１２）のアンカー境界面の実質的に全体に亘って伸張している第１のアンカー（１０７）の関数として剛性があることを特徴とする、請求項１に記載の加速度計。
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