JP2007524854A - 加速度計 - Google Patents

Abstract

加速度計は、基部（２）と、この基部（２）にしっかりと取着された平坦なリング状の外側支持フレーム（１７）と、基部（２）から離間し、外側支持フレーム（１７）と同一平面上にあるように、内側支持フレーム（１８）を外側フレーム（１７）に接続している装着部（１９）によって外側支持フレーム（１７）内に変形可能に支持された平坦なリング状の内側支持フレームとを有している。この内側支持フレームが変形可能に支持されていることによって、プルーフマス（３）を内側支持フレーム（１８）内に変形可能に装着している装着脚部（４）への圧縮力並びに/若しくは張力は減じられる。

Description

本発明は、少なくとも一部がシリコンで形成された静電性の加速度計に関する。

１つの処理工程でディープトレンチエッチング処理によりシリコンウエハの一面内に加速度計を製造することが提案されている。この提案された加速度計は、添付図面の図１に平面図で示されている。この提案された加速度計は、添付図面の図２に示されているように、プレート状の基部２に陽極ボンディングされ、シリコンで形成されたほぼ平坦なリング状の支持フレーム１を使用している。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って切断された断面図である。

図１並びに２の加速度計は、シリコンからなるほぼ平坦なプレート状のプルーフマス(proof mass)３を有しており、このプルーフマスは、下に設けられたガラス基部２から分離した状態で、支持フレーム１内に移動可能に装着され、また支持フレーム１と同一平面上にある。このプルーフマス３は、各々がプルーフマス３並びに支持フレーム１と同一平面上にあり、シリコンからなる４つ以上の可撓性の装着脚部４に支持されている。各装着脚部４は、プルーフマス３が、加速度計に与えられる加速度の変化に応じて支持フレーム１とプルーフマス３と装着脚部４とを含んだ面内で検出方向Ｂへと直線的に移動可能に装着されるように、一端部４ａがプルーフマスに接続され、また、他端部４ｂが支持フレーム１に接続されている。これら装着脚部４は、検出方向Ｂに対してほぼ垂直にそれぞれ延びている。

図１に簡単に示されたインターディジタル形式の複数のキャパシタフィンガー部９が、プルーフマス３の検出方向Ｂへの直線的な移動を検出して、検出方向Ｂへのプルーフマスに気体媒質の圧搾緩衝(squeeze damping)作用を与えるように、支持フレーム１内の気体媒質中に装着されている。この場合、フィンガー部９とプルーフマス３と装着脚部４と支持フレーム１とは、同一平面上にあり、また単結晶シリコンからなる単一のプレートで形成されている。フィンガー部９は、第１，第２，第３，並びに第４の固定アレイ５，６，７，８をそれぞれ有している。横方向に離間したフィンガー部９のこれら固定アレイは、検出方向Ｂに対してほぼ垂直に、また支持フレーム１から離れてプルーフマス３に向けて延びている。図１に示されているように、第１並びに第２のアレイ５，６は、プルーフマス３の一側に配置され、また、第３並びに第４のアレイ７，８は、プルーフマス３の他側に配置されている。これら第１，第２，第３，並びに第４のアレイ５，６，７，８のフィンガー部は、前記基部２にそれぞれ固定するように取着されている。また、検出方向Ｂに対してほぼ垂直にプルーフマス３から支持フレーム１に向けて延び、かつプルーフマスに取着された、横方向に離間したフィンガー部９の第５，第６，第７，並びに第８の可動アレイ１０，１１，１２，１３が、設けられている。この場合、第５並びに第６のアレイ１０，１１は、プルーフマス３の前記一側に配置されて前記第１並びに第２のアレイ５，６とそれぞれインターディジタル構造をなし、また、第７並びに第８のアレイ１２，１３は、プルーフマス３の前記他側に配置されて第３並びに第４のアレイ７，８とそれぞれインターディジタル構造をなしている。第１並びに第５のアレイ５，１０と第３並びに第７のアレイ７，１２とのインターディジタル構造は、第１のオフセット部１４のところで、第１，第２，第３，並びに第４のアレイ５，６，７，８の隣接するフィンガー部間の中線から検出方向Ｂの一方向にある。また、第２並びに第６のアレイ６，１１と第４並びに第８のアレイ８，１３とのインターディジタル構造は、第１のオフセット部１４とは反対方向の第２のオフセット部１５のところにある。

前記フィンガー部９には、フィンガー部間に大気圧の気体、特に空気を有する狭いギャップが形成されている。プルーフマス３の偏向のもとでは、気体は移動することができ、空気の粘性によって、気体が移動する速度、かくして緩衝力が設定されている。さらに、第８のアレイのインターディジタル構造のフィンガー部９は、固定の支持フレーム１とプルーフマス３との間に２つのセットの検出キャパシタを形成している。代表的に、フィンガー部の第１のアレイ５と第３のアレイ７とは、第１の、即ち上方の端子を形成し、また、第２のアレイ６と第４のアレイ８とは、キャパシタための第２の、即ち下側の端子を形成している。これらアレイ５，６，７，８の固定フィンガー部９は、インターディジタル形式のフィンガー部が、検出並びに力を与える(sensing and forcing)キャパシタを形成するように、プルーフマス３から電気的に絶縁され、また基部２に陽極ボンディングされている。検出用のキャパシタフィンガー部は、電圧が、第１の端子とプルーフマス３との間に、若しくは第２の端子とプルーフマス３との間に印加されたとき、真の吸引力(attractive force)が電圧差の正負に応じて生じる。オフセット部がなければ、真の力は生じない。

前記支持フレーム１は、中にほぼ矩形形状のプルーフマス３が配置されている内側開口エリアを囲んだほぼ矩形のリング形状を有している。装着脚部４は、検出方向に対してほぼ垂直に、離間したアレイへと延びている。この場合、脚部の少なくとも２つは、内側開口エリアを規定している支持フレーム１の内壁と、これに面したプルーフマス３の外壁との間に延び、また、脚部の少なくとも２つは、内側開口エリアを規定している支持フレーム１の対向した第２の内壁と、これに面したプルーフマスの第２の外壁との間に延びている。少なくとも４つの接地遮蔽部１６が、内側開口エリア内に配置され、各接地遮蔽部は、フィンガー部の第１，第２，第３，第４のアレイ５，６，７，８のそれぞれ１つと関連付けられ、また部分的に囲んでいる。各接地遮蔽部は、また、フィンガー部のアレイを支持フレーム１からシールドするように作動可能であり、支持フレーム１から電気的に絶縁されている。固定のキャパシタフィンガー部が、同期復調のために高い交流電圧を印加されたとき、位置のオフセット部を決定するプルーフマス３に現れるのは、この信号振動数である。かくして、高いＡＣ電圧の駆動信号を、プルーフマスに与えられた小さなＡＣ信号から遮蔽する必要がある。前記接地遮蔽部は、駆動信号から検出信号へのクロスカップリングを最小にするように、ゼロ電圧で保持される。接地遮蔽部１６は、良好な電気的遮蔽のために、基部２に陽極ボンディングされている。

この提案された加速度計の主要な問題の１つは、支持フレーム１と、プルーフマス３と、装着脚部４と、フィンガー部９とを構成しているシリコンと、基部２の材料、好ましくはガラスとの膨張率が異なることである。このことによって、装着脚部４に沿う張力を変化させる加速度計の撓みが生じる。シリコンへの長手方向の力が更なる張力を脚部４に加え、従って、共振振動数を上げ、スケールファクタを下げるか、この逆にさせる。温度が変化するのに従ってシリコンとこの下に設けられた基部２との間の膨張状態が異なることによって、加速度計アッセンブリの凹方向の曲若しくは凸方向の曲を生じさせるバイメタル効果が生起される。装着脚部４への圧縮力並びに張力は、加速度計の精度を悪化させ、また、作動温度範囲全体に渡っての作動の安定性を低下させるので、非常に望ましくない。さらに、加速度計のスケールファクタは、張力と圧縮力の変化によって変更される。

かくして、提案された加速度計に固有の上記の欠点を少なくとも最小にする一般に改良された加速度計が必要とされている。

本発明の第１の態様によると、非電導性材料で形成されたプレート状の基部と、この基部にしっかりと取着されたほぼ平坦なリング状の外側支持フレームと、基部から離間し、かつ外側支持フレームと同一平面上にあるように、内側フレームを外側フレームに接続している装着部によって、外側フレーム内に変形可能に支持されたほぼ平坦なリング状の内側支持フレームと、この内側支持フレーム内に移動可能に装着され、かつこのフレームと同一平面上にあるほぼ平坦なプレート状のプルーフマスと、各々がこれらプルーフマス並びに内側支持フレームと同一平面上にある可撓性の４つ以上の装着脚部とを有する加速度計が与えられている。各装着脚部は、プルーフマスが、加速度計に与えられた加速度変化に応じて、外側支持フレームと内側支持フレームとプルーフマスと装着脚部とを含む面内で検出方向へと直線的に移動可能に装着されるように、一端部がプルーフマスに接続され、また、他端部が内側支持フレームに接続されている。

装着脚部は、検出方向に対してほぼ垂直に延びている。

内側支持フレームが変形可能に支持されていることによって、加速度計に対する温度の関数として、装着脚部への圧縮力並びに/若しくは張力が減じられる。

前記外側支持フレームは、前記基部に陽極ボンディングされることが好ましい。

基部の材料はガラスであることが好ましい。

この加速度計は、非電導性材料で形成され、かつ前記外側支持フレームに陽極ボンディングされたプレート状のキャップを有している。

このキャップの材料はガラスであることが好ましい。

好ましくは、この加速度計は、プルーフマスの検出方向への直線的な移動を検出して、この検出方向へのプルーフマスに気体媒質の圧搾緩衝作用を与えるように、前記内側支持フレーム内で気体媒質中に固定するように取着されたインターディジタル式の複数のキャパシタフィンガー部を有し、また、これらフィンガー部とプルーフマスと装着脚部と内側支持フレームと外側支持フレームとは、同一平面上にあり、かつ単結晶シリコンの単一のプレートで形成されている。

前記気体媒質は、空気、窒素、若しくはネオンであることが好ましい。

好ましくは、前記複数のフィンガー部は、検出方向に対してほぼ垂直に、内側支持フレームから離れてプルーフマスに向けてそれぞれ延びている、横方向に離間したフィンガー部の第１，第２，第３，第４の固定のアレイと、検出方向に対してほぼ垂直に、プルーフマスから内側支持フレームに向けてプルーフマスに取着された状態でそれぞれ延びている、横方向に離間したフィンガー部の第５，第６，第７，第８の可動のアレイとを有しており、第１並びに第２のアレイは、プルーフマスの一側に配置され、また、第３並びに第４のアレイは、プルーフマスの他側に配置されており、第５並びに第６のアレイは、プルーフマスの前記一側に配置されて第１並びに第２のアレイとそれぞれインターディジタル構造をなし、また、第７並びに第８のアレイは、プルーフマスの前記他側に配置されて第３並びに第４のアレイとそれぞれインターディジタル構造をなしており、第１並びに第５のアレイと第３並びに第７のアレイとのインターディジタル構造は、第１のオフセット部のところで、第１，第２，第３，並びに第４のアレイの隣接するフィンガー部間の中線から検出方向の一方向にあり、また、第２並びに第６のアレイと第４並びに第８のアレイとのインターディジタル構造は、第１のオフセット部に等しい第２のオフセット部のところで、第１のオフセット部に対して反対の方向にある。

好ましくは、この加速度計は、前記インターディジタル構造が、加速度計に与えられた加速度に応じて、変位の検出をする前記プルーフマスに変位の駆動並びに緩衝作用を与えるように、前記フィンガー部の第１並びに第３のオフセットアレイに第１の駆動電圧を与え、また前記フィンガー部の第２並びに第４のオフセットアレイに相補的な反対の第２の駆動電圧を与えるための手段と、以下の式に従って前記プルーフマスに静電復元力を与えるように、一定の周波数で前記第１並びに第２の駆動電圧をパルス幅変調するための手段とを有している。

Ｆ＝ＣＶ^２/２ｄ
上式で、Ｆは復元力、Ｃはキャパシタンス、Ｖはフィンガー部の前記第１並びに第２のオフセットアレイ間の電圧、ｄは前記フィンガー部間のキャパシタンスギャップである。

前記プルーフマスと装着脚部と内側支持フレームと外側支持フレームとインターディジタル構造のフィンガー部とは、ドライエッチングによって、[１１１]若しくは[１００]結晶面内に方向付けられた(orientated in the [111]or[100] crystal plane)シリコンのプレートで形成されることが好ましい。

好ましくは、外側支持フレームは、第１の内側開口エリアを囲んでいるほぼ矩形のリング形状を有している。この開口エリア中に、内側支持フレームは、検出方向にそれぞれ離間した２つの前記装着部によって装着され、各装着部は、外側支持フレームの一側を内側支持フレームの一側に接続している。

好ましくは、内側支持フレームは、第２の内側開口エリアを囲んでいるほぼ矩形のリング形状を有している。この第２の内側開口エリア中に、ほぼ矩形形状を有するプルーフマスが配置され、装着脚部は、離間したアレイへと検出方向に対してほぼ垂直に延びている。少なくとも２つの脚部が、第２の内側開口エリアを規定している内側支持フレームの第１の内壁と、これに面したプルーフマスの第１の外壁との間に延び、少なくとも２つの脚部が、第２の内側開口エリアを規定している内側支持フレームの対向した第２の内壁と、これに面したプルーフマスの第２の外壁との間に延びている。

好ましくは、前記装着脚部は、検出方向で高いコンプライアンス構成を有し、他の方向で低いコンプライアンス構成を有している。

好ましくは、前記外側支持フレームとフィンガー部の第１，第２，第３，並びに第４のアレイとは、前記基部に陽極ボンディングされ、装着脚部とプルーフマスと内側支持フレームとフィンガー部の第５，第６，第７，並びに第８のアレイは、基部から離間している。

好ましくは、この加速度計は、第２の内側開口エリア内に配置された少なくとも４つの接地遮蔽部を有している。各接地遮蔽部は、フィンガー部の第１，第２，第３，並びに第４のアレイのそれぞれ１つに関連し、かつこれを部分的に囲み、内側支持フレームからフィンガー部のアレイをシールドするように動作可能で、また内側支持フレームから電気的に絶縁されている。

好ましくは、接地遮蔽部は、陽極ボンディングによって基部にしっかりと取着されている。

好ましくは、第１並びに第２の駆動電圧を与え、これら駆動電圧をパルス幅変調するための前記手段は、一定の固定基準電圧Ｖ_ｒｅｆを受けるため、また、このＶ_ｒｅｆを超えない相補的な第１並びに第３の駆動電圧をフィンガー部の第１並びに第３のオフセットアレイと、フィンガー部の第２並びに第４のオフセットアレイとにそれぞれ供給するためのマークとスペースとのジェネレータと、プルーフマスの変位に応じて、プルーフマスから出力電圧を受けるためのプリアンプと、このプリアンプからの出力を受けてこの出力を変調するための復調器と、この復調器からの出力を受けて、積分し、フィルタリングし、また駆動信号を前記マークとスペースとのジェネレータに供給するための積分並びにループフィルターと、第１並びに第２の駆動電圧値をモニタするように低域フィルタリングを有する差動増幅器とを有している。

好ましくは、復調器は、復調器からの基準信号のパルス幅を限定するための単安定回路を有している。

本発明のより良く理解し、

上述したように、添付図面の図１並びに２の既知の加速度計に関連した主要な問題の一つは、支持フレーム１とプルーフマス(proof mass)３と複数の装着脚部４と複数のフィンガー部９と接地遮蔽部１６とを構成しているシリコンと、これら支持フレーム１とフィンガー部の第１，第２，第３，並びに第４のアレイ５，６，７，８と接地遮蔽部１６とが取着されている下方のガラス基部との膨張率が異なることである。膨張率が異なると、装着脚部４に沿う張力を変化させるシリコン/ガラス加速度計の撓みが生じる。プルーフマスの共振振動数ωは、加速度計のスケールファクタを決定している。このスケールファクタの開ループは、加速度単位当りのプルーフマス３の偏向によって規定されている。スケールファクタは、１/ω^２に比例している。そして、プルーフマスの共振振動数は、装着脚部４とプルーフマス３との固有振動数によって決定され、これらのスチフネスｋ並びに所定の質量ｍに対して、以下の関係式が与えられる。

この関係式１は、単振動に対して適用され、この場合ほぼ真(true)である。スチフネスｋは、装着脚部４に対する長手方向の張力/圧縮力によって変更されることができる。かくして、更なる張力が装着脚部４に加わった場合、共振振動数が高くなり、スケールファクタが小さくなるか、この逆になる。加速度計のシリコンへの更なる長手方向の力は、装着脚部４の張力を設定する。かくして、温度が変化されるのに従ってシリコンと基部２のガラスとの膨張が異なることによって、シリコン/ガラス加速度計アッセンブリの凹方向の曲若しくは凸方向の曲を生じさせるバイメタル効果が、生起される。圧縮力は、共振振動数を低い値へと減じてしまうので、シリコンにとって非常に深刻である。これは、温度に依存した非常に大きなスケールファクタとなる。この圧縮力は、プルーフマス３が、大きなバイアスと最終的な接触(bistating)をもたらすように一側並びに/若しくは上方に押されて、支持フレーム１に押圧されるほど大きい。閉ループ制御された状態では、プルーフマスは移動することがなく、また、加速による慣性力に比例した復元力のみが、加速によって分けられたこの力によって、スケールファクタが与えられるように、存在する。

前記装着脚部４の張力/圧縮力の変化によるスケールファクタの温度依存を無くすか少なくとも最小にするために、添付図面の図１１，１３，並びに１５ないし１８の電子制御特性によって変更された若しくは変更されていない、図３ないし１０、並びに１４に示されている本発明に従った加速度計は、事実上、支持フレームと分離している。図３ないし１０，１４，並びに１１ないし１８に示されている本発明の加速度計において、図１並びに２を参照してすでに説明並びに図示された部品には、同じ参照符号が付され、さらに詳細に説明されない。図１並びに２の既知の加速度計において、装着脚部４が取着された単一の支持フレーム１が、剛性の支持構造体を形成するようにガラス基部２に陽極ボンディング(anodically bonded)されている。図１１，１２，１３，１５，１６，１７，並びに１８によって変更された、若しくは変更されていない図３ないし１０並びに１４に従った本発明の加速度計において、単一の支持フレーム１は、ガラスで形成されることが好ましい基部２にしっかりと取着、好ましくは陽極ボンディングされたほぼ平坦なリング状の外側支持フレーム１７を有する２つの部分の構造体によって取り替えられている。ほぼ平坦なリング状の内側支持フレーム１８が、基部２から離間し、かつ外側支持フレーム１７と同一平面上にあるように、内側フレーム１８を外側フレーム１７に接続している装着部１９によって外側フレーム内に支えられている。かくして、内側支持フレーム１８は、この支持フレームが装着脚部４によって取着されているプルーフマス３と共に限定された範囲内で自由に移動することができる。この移動の範囲は、プルーフマスが、ガラス基部２に陽極ボンディングされた固定の外側支持フレーム１７に装着部１９を介して装着されていることで可能とされる範囲である。基部２のための適切なガラスには、Corning type 7070（登録商標）並びにHoya SD-2（登録商標）が含まれる。陽極ボンディングは、シリコンウエハとガラスとの間に印加された高電圧のもとで、ボンディングインターフェースから離れるように可動イオン種のマイグレーションを含んでいる。これによって、非常に高い電界でインターフェースのところに空乏ゾーン(depletion zone)が生じる。この領域は、シリコンとガラスとの静電吸引を引き起こし、従って、これらシリコンとガラスとは、電子対共有ボンディングにより代表的に３５０℃ないし４５０℃の昇温で取着される。好ましくは、４００ないし８００ボルトの範囲の電圧が、取着を果たすために３０分ないし１時間の範囲の間印加される。前記装着部１９は、外側並びに内側の支持フレーム１７，１８と、プルーフマス３と、装着脚部４と、フィンガー部の第１ないし第８のアレイ５，６，７，８，９，１１，１２，１３とを形成しているシリコンと同じシリコンで形成されている。代表的に、５８個のフィンガー部が、可動フィンガー部の各アレイでプルーフマス３に取着されている。これは、図１４の詳細図から明瞭に見られることができる。

前記装着脚部４は、プルーフマス３を内側支持フレーム１８内に支持している。この内側支持フレーム１８は、高い、代表的には１０ｋＨｚより高い固有共振振動数で垂直面内でしっかりしている。この垂直面は、装着脚部４のコンプライアンス構成によって設定された垂直軸である検出軸(sensing axis)内で代表的に１ないし３ｋＨｚの範囲の規定された共振振動数を有するプルーフマス３とは違って、図３の面外にある。内側支持フレーム１８の幅は、装着脚部４の幅と比較して大きく、従って、前記コンプライアンス構成は、内側支持フレーム１８のスチフネスではなく、脚部によって設定されている。

前記接地遮蔽部１６は、フィンガー部の第１，第２，第３，第４の固定アレイ５，６，７，８に印加される高い駆動電圧を電気的に分けるようにガラス基部２に陽極ボンディングされている。これら接地遮蔽部１６は、また、フィンガー部の固定アレイの高い駆動電圧を、プルーフマス３と装着脚部４とフィンガー部の可動アレイ１０，１１，１２，１３とを構成している可動シリコンマスから分離している。この可動シリコンマスは、低い電圧である。この低い電圧は、プルーフマス３が中央位置からどれくらい離れているかの測定手段であり、中央位置のところでゼロの状態になる。電圧は、交流信号として一般に印加され、従って、参照された電圧は、フィンガー部の固定アレイ５，６，７，８に印加されたマークとスペース(mark to space)との信号に関連している。

前記装着脚部４の一端部で、内側支持フレーム１８は、温度の関数として装着脚部４に圧縮力/張力を付与しないように自由に支えられている。かくして、温度の関数としてのスケールファクタの変更が大きく減じられ、従って、温度全体に渡ったバイアス機能が改善される。さらに、外側支持フレーム１７の封入のための装着が必ずしも必要でなくなるという利点がある。このような構造により、本発明に従った加速度計は、幅広い適用範囲での使用を可能にする強固性を維持しする。

本発明に従った加速度計において、静電力は、プルーフマス３への加速による慣性力をゼロにするのに使用される。加速の影響により移動するプルーフマス３は、互いに異なるキャパシタＣ１，Ｃ２を構成している３端子のキャパシタンス構造の中央端子Ｔ_２を形成している。添付図面の図１２に概略的に示されているように、フィンガー部の第１並びに第３のアレイ５，７は、上側の端子Ｔ_１を効果的に形成し、また、フィンガー部の第２，第４のアレイ６，８は、下側の端子Ｔ_３を効果的に形成している。

加速のもとで、キャパシタンス差(differential capacitance)は、以下のように設定される。

ΔＣ＝Ａε_０（１/ｄ−δ（α）−１/ｄ＋δ（α）） ・・・（２）
上式で、Ａは、キャパシタプレートの面積、ε_０は、自由スペースの誘電率、ｄは、キャパシタギャップ、δ（α）は、加速度αのもとでのプルーフマスの移動量である。静電力Ｆが加速度のバランスを保つためにプレート間に印加される場合、
Ｆ＝ｍα ・・・（３）
であり、上式で、ｍは、プルーフマスの有効質量である。

加速度計を作動させるために、従って、ａ）変位を検出する工程と、ｂ）変位をゼロにするように力を与える工程との２つの工程がある。

この３端子システムのために、一定時間の所定の部分が変位を検出するのに費やされ、また、残りの部分が力を与えるのに費やされるとき、時分割多重化方式のような手段が使用されることができる。装置の最終的なノイズは精度に依存し、このノイズよってゼロが検出されることができる。従って、ノイズがより大きいであろう検出時間の比率のみを有し、また、加えられ得る力の大きさが減じられることを意味する。

５端子の装置のために、1つのセットの電極で検出を行い、もう1つのセットの電極で力を与える他の手段が提案されている。この手段は、プッシュプル式の駆動ステージを使用し、線形応答を与えるプルーフマスＤＣ電圧が印加される。この手段では、逆位相の方形波が２つの検出端子Ｔ_１，Ｔ_２に印加され、Ｔ_２の信号は、ゼロ以外の状態に比例する。この信号は、増幅、復調、並びに濾過され、そしてプッシュプル方法で平衡力(balance force)を与えるように、２つの更なる端子にフィードバックされる。

この手段は、特に、加速度計に線形応答機構とデジタル出力機構とを与えることが望まれるとき、問題をもたらす時分割多重化方式なしでは３端子の加速度計で使用されることができない。

この目的のために、２つの外側端子Ｔ_１，Ｔ_３への信号のパルス幅変調が、一定振動数のもとで使用される。静電復元力は、以下の式によって与えられる。

Ｆ＝ｑＥ＝ＣＶ^２/２ｄ ・・・（４）
上式で、Ｃはキャパシタンス、Ｖはプレート間の電圧、ｄはキャパシタンスギャップである。印加される電圧に対する力の二次の依存に注意すべきである。

添付図面の図１１は、正の力ｇのための端子Ｔ_１への電圧を２０で示し、端子Ｔ_３への電圧を２１で示している。これら電圧は、加速度計の負の加速に対しては、端子Ｔ_１とＴ_３とでそれぞれ交換される。

加速状態で、マークとスペースとの比は等しくなく、幅ｗ_２が幅ｗ_１に続く。これら電圧は、両プレートに対してゼロと一定の固定電圧Ｖ_ｒｅｆとの間にある。２つの端子への電圧は正確に相補的であり、従って、端子Ｔ_１に電圧が印加されているとき、端子Ｔ_３に電圧は印加されなく、また逆に、端子Ｔ_３に電圧が印加されているとき、端子Ｔ_１に電圧は印加されない。かくして、サイクル時間全体に渡るプルーフマスへの平均正味力Ｆは、以下の式によって与えられる。

Ｆ＝Ｃ_１Ｖ_１Ｅ_１−Ｃ_２Ｖ_２Ｅ_２
＝Ｖ_ｒｅｆ［Ｃ_１Ｅ_１ｗ_１−Ｃ_２Ｅ_２ｗ_２］ ・・・（５）
Ｅ_１＝Ｖ_ｒｅｆ/２ｄ_１ ・・・（６）
Ｅ_１＝Ｖ_ｒｅｆ/２ｄ_２ ・・・（７）
かくして、
Ｆ＝Ｖ^２ _ｒｅｆ［Ｃ_１ｗ_１/２ｄ_１−Ｃ_２ｗ_２/２ｄ_２］ ・・・（８）
二次の力の項が、定数Ｖ_ｒｅｆによって設定されていることに注意すべきである。この力は、マークとスペースとの比の時間差に対して一次従属し、従って、入力加速度で出力を線形にするという目的は、プルーフマス３への別のバイアスを必要とすることなく達成される。

ｗ_１＝ｗ_２であり、かつ他の項が等しくない場合、正味力が存在するが、これは、一定の力であり、バイアスを示す。このバイアスは、閉ループのインプリメンテーションにおいて等しいマークとスペースとの比がゼロ出力に対応するように、ゼロにされる必要がある。バイアスは、２つの検出キャパシタのどちらか一方にトリミングキャパシタを使用することによってゼロにされることができる。

第１，第２の駆動電圧を供給し、かつこれら駆動電圧をパルス幅変調するための手段のブロック図が、添付の図１２並びに１３に示されている。この手段は、一定の固定基準電圧Ｖ_ｒｅｆを受け、Ｖ_ｒｅｆを超えない相補的な第１並びに第２の電圧Ｖ_１，Ｖ_２を、フィンガー部の第１並びに第３のオフセット部アレイ５，７、即ち上側の端子Ｔ_１と、フィンガー部の第２並びに第４のオフセット部アレイ６，８とに、即ち下側の端子Ｔ_３とに供給するためのマークとスペースとのジェネレータ２２を有している。この手段は、また、プルーフマス３の変位に応じてプルーフマス端子Ｔ_２から出力電圧を受けるためのプリアンプ２３を有している。復調器２４が、プリアンプ２３からの出力２５を受けて、この出力を変調するために設けられている。これに加えて、積分器/ループフィルター２６が、復調器２４からの出力２７を受け、積分かつ濾過し、また駆動信号２８を前記マークとスペースとのジェネレータ２２に供給するために設けられている。低域フィルター３０を有する差動増幅器２９が、第１並びに第２の駆動電圧値Ｖ_１，Ｖ_２をモニタし、出力を３１のところに与えるために設けられている。

図１２に示されている復調器２４は、基準信号(References)１，２を発生させるために、出力パルス幅を限定する復調器２４からの基準信号のパルス幅を限定するための、図１３に示されている２つの単安定回路を有している。前置増幅器が３２に設けられ、インバータが３３に設けられ、加算抵抗器(summing resistors)が３４に設けられている。また、バッファ増幅器が、３５に図示されている。

基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、電極フィンガー部に行く、波形用に使用される高精度の電圧を供給する。この電圧の詳細な値は、使用されるシリコンの特定の特性とカバーされる加速度範囲とに依存している。この電圧は、加速度計のスケールファクタの精度を規定し、またスクェア依存性(square dependence)を有している。従って、１００ないし５００ｐｐｍよりも高い精度が、１０００ｐｐｍよりも高いスケールファクタ精度を、若しくは温度をこのレベルの波形のモデルとする機能を得るために必要とされる。２５Ｖの代表的な電圧が、５０ｇのダイナミックレンジを得るのに必要とされる力を与えるのに必要とされる。アナログススイッチは、Ｖ_１とＶ_２（Ｖ_２はＶ_１の逆である）とを発生させるように、この電圧をマークとスペース信号との間で切り換える。

前記ループフィルター２６からの信号が、マークとスペースとの比のジェネレータ２２を駆動させる。フィルタリングは、バンド幅を規定し、かつシリコンのゲイン/位相(gain/phase)特性に対応するのに必要とされるフィルター成形に加えて、積分ステージを有している。シリコンからの出力は、ＡＣプリアンプ２３に行き、復調器２４に行く。この出力２５は、プルーフマス３がゼロ状態からどのくらい離れているかを知らせる誤差信号を与える。１００ｋＨｚの代表的な変調周波数が、マークとスペースとの時間が、ゼロｇで５マイクロ秒ごとにあるように使用されている（マークとスペースとの比に等しい）。高いｇのもとで、マーク若しくはスペースは、加速度の検出に応じて増加する。フィルター２６の出力２８は、マークとスペースとの比を規定した電圧である。フィルター２６は、正しいバンド幅等を与えるように調節される。フィルター２６の一部分として、短いサンプルホールド回路があり、この回路からの電圧は、マークとスペースとの比のジェネレータ２２を駆動させる電圧を与えるように積分される。

マークとスペースとの比の範囲は、５％ないし９５％に限定されている。これは、制御電子回路で動作する制御電子回路のための信号が常にあることを保証している。従って、始動の際、マークとスペースとの比は、常に５％ないし９５％の範囲内にある。復調を実行するために、図１３の回路が使用される。

前記プルーフマス３が中央位置にないとき、シリコンからの信号はマークとスペースとの比の信号の振動数で存在し、この信号の検出によって、プルーフマスのシリコンが、中心（ゼロ位置）よりも高いか低いかが決定される。これは図１５並びに１６に示されており、これら図では、２つの基準信号Ｒｅｆ１並びにＲｅｆ２は、立ち上がり幅（Ｒｅｆ１）と立ち下り幅（Ｒｅｆ２）とからトリガーされる単安定回路の使用によってマークとスペースとの駆動信号から発生される。これら基準信号は、一定の高電圧（論理回路を駆動させる５Ｖ）を有し、アナログスイッチを駆動させるのに使用される。従って、信号がＲｅｆ１若しくはＲｅｆ２で高いとき、スイッチは閉じられる。単安定は、５％のマークとスペースとの比に応じたパルス幅を与えるように設定されている。かくして、復調器からの信号の幅は、マークとスペースとの比（５％ないし９５％の限定範囲内）に関わらず、常に一定の幅を有している。これら２つの信号は、加算抵抗器３４により加算され、バッファ増幅器３５へと通される。図１５並びに１６に示されているようなこの結果の信号は、正のオフセットに対しては正の誤差信号であり、プルーフマス３の負のオフセットに対しては負の出力信号である。

マークとスペースとの比が変化すると、積分された時の信号は、積分器２６を駆動させ、かくしてマークとスペースとの比を設定するために誤差信号と同じ振幅を与えるように振幅が同じである。積分器２６は低域フィルターとして動作し、従って、出力信号２８から生じる同等のＤＣレベルがある。これは、マークとスペースとの比の関数として一定の開ループゲインがあることを保証している。これは、ループ安定状態が全ての加速度入力に対して同じであることを確実にするのに重要である。また、唯一の相違は、（立ち上がり幅によってトリガーされる）Ｒｅｆ１からの出力パルスと（立ち下がり幅によってトリガーされる）Ｒｅｆ２からの出力パルスとのタイミング差である。

前記マークとスペースとの比が始動時でさえ５％ないし９５％の範囲に限定されているので、始動時の制御信号が、常に、始動のマークとスペースとの比にも関わらず、サーボを駆動させる。これは、この制御信号が力を与える信号から効果的にされるので、ロバスト(robust)始動プロセスがあることを確実にするのを助ける。また、動作の間、制御信号は、マークとスペースとの比にも関わらず、効果的に同じままであり、更なるロバストプロセルを与える。

通常、マークとスペースとの比のジェネレータの出力は、０Ｖないし５Ｖであり、従って、（MSXIM part number MAX303のような）アナログスイッチが、この信号によって切り換えられ、この結果、５０ｇのｇ範囲を達成するように代表的なシリコン加速度計に必要とされる２５Ｖに駆動電圧を増加させることができる。

かくして、本発明の加速度計によれば、ルートＨｚ当り４０マイクログラム未満のノイズフロアー(noise floor)で±５０ｇのミリグラム範囲をカバーすることができ、与えられた加速によって直線的な出力を得ることが可能である。駆動電圧Ｖ_１，Ｖ_２を出力とし用いるアナログ出力の使用が、加速度計の全体の精度を保証するのを助ける。マークとスペースとの比のタイミング情報の使用は、立ち上がり/立ち下がり時に、２つの端子Ｔ_１とＴ_３とに対する高電圧駆動が変化することによって、以前に提案された加速度計にエラーを生じさせかねない。駆動電圧の低域濾過バージョンを用いた本発明の加速度計に使用されるようなアナログ出力が、これら問題を克服する。

添付図面の図１７並びに１８は、図３ないし１５に従った本発明の加速度計の詳細な変形例を示している。前に指摘したように、シリコンウエハのガラス基部２上への直接的な装着は、潜在的な欠点を有している。即ち、２つの材料の膨張状態が異なるということは、シリコンウエハが加速度計のエラーを生じさせ得る温度による撓みを受けることを意味している。可能性のある他の欠点は、図９の動作を妨げ、かつ不確実なバイアス並びにスケールファクタと、静摩擦と、キャパシタンスの変更とを生じさせ得るほこり、湿気、並びにその他の気体不純物が進入してしまうことである。

従って、図１７並びに１８の変形例には、ガラスのような非電導性材料で形成されたプレート状のキャップ３２が設けられている。このキャップは、機械的な保護と気密シールとを果たすように、シリコンからなる外側支持フレーム１７に溶接ボンディングされている。この場合、下にあるシリコン体は、プルーフマス３、装着脚部４、並びにフィンガー部９のように移動可能であり、キャップは、これら部品から分離されて、これら部品が自由に移動可能なように予めエッチングされることができる。

ワイヤーボンドパッド３３が、外側支持フレーム１７のようなシリコン体上に設けられ、キャップ３２を通してこの周辺に形成されたアパチャ３４によって、外側支持フレームに装着されるワイヤのために露出されている。この結果、アパチャは、キャップ３２がアパチャの周りで気密シールを維持することを可能にしている。ガラス基部２に陽極ボンディングされている外側支持フレーム１７も、キャップ３２に陽極ボンディングされている。これによって、シリコンウエハの気密シールが可能である。かくして、ワイヤーボンド３５が、金で形成されることが好ましい中間のボールボンド３６によって、ボンドパッド３３に取着されている。

かくして、前記キャップ３２は、曲げをもたらさないガラス/シリコン/ガラス構造を与えることによって、シリコン/ガラス構造間に生じ得る応力のバランスをとっている。陽極ボンディングの温度を適切に選択することによって、必要に応じて、シリコンウエハの張力を変化させることが可能である。知られているように、応力は、ボンディング温度で構造体中にロックされるので、この温度とボンディングの状態との選択は、必要に応じて特に歪みがロックされることを可能にしている。

気密シールをなしているキャップ３２が存在することによって、加速度計内の気体媒質が、選択されて、製造時に、製造後の処理とは独立して設定されることが可能である。代表的に、大気圧での乾燥窒素が、必要な緩衝を果たすのに使用されることができる。窒素よりも粘性が高いという利点を有するネオンのような他の気体が使用されることもできる。これは、加速度計の閉ループ動作を安定させることで知られた緩衝を増加させる。気体の圧力が高くなるのに従って、粘性がわずかづつ増加することができる。

本発明に従っていない既知の加速度計の概略的な平面図である。 本発明に従っていない図１の加速度計をＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。 本発明に従った加速度計の概略的な平面図である。 図３のＣ−Ｃ線に沿って切断された断面図である。 図３のＤ−Ｄ線に沿って切断された断面図である。 図３のＥ−Ｅ線に沿って切断された断面図である。 図３のＦ−Ｆ線に沿って切断された断面図である。 図３のＧ−Ｇ線に沿って切断された断面図である。 図３のＨ−Ｈ線に沿って切断された断面図である。 図３のＪ−Ｊ線に沿って切断された断面図である。 正のＧ力のもとで、図３に従った加速度計のキャパシタの第１、即ち上方の端子と、第２、即ち下側の端子とへの電圧のパターンを示した概略図である。 図３に従った加速度計のための閉ループ電子制御回路のブロック図である。 図１２のブロック図の復調器部分のための回路を拡大して示したブロック図である。 図３の加速度計の細部の拡大平面図である。 図１２並びに１３の制御回路のための復調器内に含まれた信号のグラフ表示である。 図１５のグラフ表示に類似しているが、マークとスペースとの比が変化したときの信号を示した図である。 図３ないし１０の加速度計の詳細な変形例の平面図である。 図１７のＫ−Ｋ線に沿って切断された垂直断面図である。

Claims (19)

1. 非電導性材料からなるプレート状の基部と、
   この基部に固定するように取着されたほぼ平坦なリング状の外側支持フレームと、
   前記基部から離間し、かつ前記外側支持フレームと同一平面上にあるように、前記外側支持フレームに内側フレームを接続している装着部によって、前記外側支持フレーム内に変形可能に支持されているほぼ平坦なリング状の内側支持フレームと、
   この内側支持フレーム内に移動可能に装着され、かつこの内側支持フレームと同一平面上にあるほぼ平坦なプレート状のプルーフマスと、
   各々が前記プルーフマスと内側支持フレームと同一平面上にある４つ以上の可撓性の装着脚部とを具備する加速度計であって、
   各装着脚部は、前記プルーフマスが、加速度計に与えられる加速度の変化に応じて、前記外側支持フレームと内側支持フレームとプルーフマスと装着脚部とを含む面内で検出方向へと直線的に移動可能に装着されるように、一端部が前記プルーフマスに接続され、また、他端部が前記内側支持フレームに接続され、また、
   前記装着脚部は、前記検出方向に対してほぼ垂直に延び、そして、
   前記内側支持フレームが変形可能に支持されていることによって、加速度計に対する温度の関数として、前記装着脚部への圧縮力並びに/若しくは張力が減じられる加速度計。
2. 前記外側支持フレームは、前記基部に陽極ボンディングされている請求項１の加速度計。
3. 前記基部の材料はガラスである請求項２の加速度計。
4. 非電導性材料で形成され、かつ前記外側支持フレームに陽極ボンディングされたプレート状のキャップを具備している請求項３の加速度計。
5. 前記キャップの材料はガラスである請求項４の加速度計。
6. 前記プルーフマスの検出方向への直線的な移動を検出して、この検出方向へのプルーフマスに気体媒質の圧搾緩衝作用を与えるように、前記内側支持フレーム内で気体媒質中に固定するように取着されたインターディジタル式の複数のキャパシタフィンガー部を具備し、また、これらフィンガー部と前記プルーフマスと装着脚部と内側支持フレームと外側支持フレームとは、同一平面上にあり、かつ単結晶シリコンの単一のプレートで形成されている請求項５の加速度計。
7. 前記気体媒質は、空気、窒素、若しくはネオンである請求項６の加速度計。
8. 前記複数のフィンガー部は、前記検出方向に対してほぼ垂直に、前記内側支持フレームから離れて前記プルーフマスに向けてそれぞれ延びている、横方向に離間したフィンガー部の第１，第２，第３，第４の固定のアレイと、前記検出方向に対してほぼ垂直に、前記プルーフマスから前記内側支持フレームに向けてプルーフマスに取着された状態でそれぞれ延びている、横方向に離間したフィンガー部の第５，第６，第７，第８の可動のアレイとを有しており、前記第１並びに第２のアレイは、前記プルーフマスの一側に配置され、また、前記第３並びに第４のアレイは、前記プルーフマスの他側に配置されており、前記第５並びに第６のアレイは、プルーフマスの前記一側に配置されて前記第１並びに第２のアレイとそれぞれインターディジタル構造をなし、また、前記第７並びに第８のアレイは、プルーフマスの前記他側に配置されて前記第３並びに第４のアレイとそれぞれインターディジタル構造をなしており、前記第１並びに第５のアレイと第３並びに第７のアレイとのインターディジタル構造は、第１のオフセット部のところで、前記第１，第２，第３，並びに第４のアレイの隣接するフィンガー部間の中線から前記検出方向の一方向にあり、また、前記第２並びに第６のアレイと第４並びに第８のアレイとのインターディジタル構造は、前記第１のオフセット部に等しい第２のオフセット部のところで、前記第１のオフセット部に対して反対の方向にある請求項７の加速度計。
9. 前記インターディジタル構造が、加速度計に与えられた加速度に応じて、変位の検出をする前記プルーフマスに変位の駆動並びに緩衝作用を与えるように、前記フィンガー部の第１並びに第３のオフセットアレイに第１の駆動電圧を与え、また前記フィンガー部の第２並びに第４のオフセットアレイに相補的な反対の第２の駆動電圧を与えるための手段と、以下の式に従って前記プルーフマスに静電復元力を与えるように、一定の周波数で前記第１並びに第２の駆動電圧をパルス幅変調するための手段とを具備し、
   Ｆ＝ＣＶ^２/２ｄ
   上式で、Ｆは復元力、Ｃはキャパシタンス、Ｖはフィンガー部の前記第１並びに第２のオフセットアレイ間の電圧、ｄは前記フィンガー部間のキャパシタンスギャップである請求項８の加速度計。
10. 前記プルーフマスと装着脚部と内側支持フレームと外側支持フレームとインターディジタル構造のフィンガー部とは、[１１１]若しくは[１００]結晶面内で方向付けられているシリコンのプレートからドライエッチングによって形成されている請求項９の加速度計。
11. 前記外側支持フレームは、第１の内側開口エリアを囲んでいるほぼ矩形のリング形状を有し、この第１の内側開口エリア中に、前記内側支持フレームが、前記検出方向で互いに離間した２つの前記装着部によって装着され、各装着部は、前記外側支持フレームの一側を前記内側支持フレームの一側に接続している請求項１０の加速度計。
12. 前記内側支持フレームは、第２の内側開口エリアを囲んでいるほぼ矩形のリング形状を有し、この第２の内側開口エリア中に、ほぼ矩形形状を有する前記プルーフマスは配置され、前記装着脚部は、離間したアレイへと前記検出方向に対してほぼ垂直に延び、前記脚部の少なくとも２つは、第２の内側開口エリアを規定している前記内側支持フレームの第１の内壁と、これに面した前記プルーフマスの第１の外壁との間に延び、前記脚部の少なくとも２つは、第２の内側開口エリアを規定している前記内側支持フレームの対向した第２の内壁と、これに面した前記プルーフマスの第２の外壁との間に延びている請求項１１の加速度計。
13. 前記装着脚部は、前記検出方向への高いコンプライアンス構成と、別の方向への低いコンプライアンス構成とを有している請求項１２の加速度計。
14. 前記外側支持フレームと、フィンガー部の前記第１，第２，第３，並びに第４のアレイとは、前記基部に陽極ボンディングされ、前記装着脚部とプルーフマスと内側支持フレームとフィンガー部の第５，第６，第７，並びに第８のアレイとは、前記基部から離間している請求項１３の加速度計。
15. 少なくとも４つの接地遮蔽部が、前記第２の内側開口エリアに配置されており、各遮蔽部は、フィンガー部の前記第１，第２，第３，並びに第４のアレイに関連してこれを部分的に囲み、前記内側支持フレームからフィンガー部の前記アレイをシールドするように動作し、そして前記内側支持フレームから電気的に絶縁されている請求項１４の加速度計。
16. 前記接地遮蔽部は、前記基部に陽極ボンディングされることによってこの基部に固定するように取着されている請求項１５の加速度計。
17. 前記第１並びに第２の駆動電圧を与え、これら駆動電圧をパルス幅変調するための前記手段は、一定の固定基準電圧Ｖ_ｒｅｆを受けるため、また、このＶ_ｒｅｆを超えない相補的な第１並びに第３の駆動電圧をフィンガー部の前記第１並びに第３のオフセットアレイと、フィンガー部の前記第２並びに第４のオフセットアレイとにそれぞれ供給するためのマークとスペースとのジェネレータと、前記プルーフマスの変位に応じて、前記プルーフマスから出力電圧を受けるためのプリアンプと、このプリアンプからの出力を受けてこの出力を変調するための復調器と、この復調器からの出力を受けて、積分し、フィルタリングし、また駆動信号を前記マークとスペースとのジェネレータに供給するための積分並びにループフィルターと、前記第１並びに第２の駆動電圧値をモニタするように低域フィルタリングを有する差動増幅器とを有している請求項１６の加速度計。
18. 前記復調器は、この復調器からの基準信号のパルス幅を限定するように、単安定回路を有している請求項１７の加速度計。
19. 添付図面の図１７によって変形された、若しくは変形されていない図３ないし１５のいずれか１に実質的に示され、かつ以上に説明された加速度計。

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