JP2008107349A

JP2008107349A - 加速度計のトルク及び検知キャパシタの分離システム及び方法

Info

Publication number: JP2008107349A
Application number: JP2007271560A
Authority: JP
Inventors: Mark T Derbyshire; マーク・ティー・ダービーシャー
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2008-05-08
Also published as: GB2443087A; GB0720432D0; US7409862B2; US20080092654A1

Abstract

【課題】基板に可撓自在に取り付けられた慣性質量を有する微小電気機械系（ＭＥＭＳ）加速度測定デバイスにおいて、ノイズを除去する。
【解決手段】慣性質量と基板との間に形成された１つ以上の検知キャパシタ２６と、慣性質量と基板との間に形成された１つ以上のトルク・キャパシタ２４と、慣性質量上において検知キャパシタ２６のカソードをトルク・キャパシタ２４のカソードから電気的に分離する分離デバイスとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度計のトルク及び検知キャパシタの分離システム及び方法に関する。

現在一般的な誘導に用いられている加速度計機構は、「メカ・ノード」として知られている、共通電気ノードを有する。これらの機構を高性能加速度計（「ＨＰＡ」）様式の電子回路（図１参照）と共に用いる場合、「メカ・ノード」はフロント・エンド・トランスインピーダンス増幅器への接続部として機能する。検知キャパシタ（Ｃ_ＳＧＲ、Ｃ_ＳＧＬ）からの電流は、トランスインピーダンス増幅器のフィードバック容量を通過し、システムによって重力（ｇ−入力）に比例して検出される。しかしながら、検知キャパシタからの所望の電流は、トルク・キャパシタ（Ｃ_ＴＧ）からの電流によって生成されるため、ノイズを含む。トルク容量に少しでも不均衡性が伴うと、望ましくないトルク電流が発生し、トランスインピーダンス増幅器のフィードバック容量に注入される。不均衡性が大きい程、検知キャパシタ信号に対するノイズは大きくなる。

したがって、ＨＰＡデバイスにおいてノイズを除去することが必要とされている。

本発明は、基板に可撓自在に取り付けられる慣性質量(proof mass)を有する微小電気機械系（ＭＥＭＳ）加速度測定デバイスを提供する。このデバイスは、慣性質量と基板との間に形成された１つ以上の検知キャパシタと、慣性質量と基板との間に形成された１つ以上のトルク・キャパシタと、検知キャパシタのカソードを、慣性質量上にあるトルク・キャパシタのカソードから電気的に分離する分離デバイスとを含む。
分離デバイスは、慣性質量内部にトラフ(trough)を含み、検知キャパシタのカソードとトルク・キャパシタのカソードとの間に配置されている。本発明の一態様では、トラフは、酸化物層及びポリシリコンのビーズ(bead)の少なくとも一方を含む。
本発明の別の態様では、分離デバイスは、検知キャパシタのアノードをトルク・キャパシタのアノードから、そして検知キャパシタのカソードをトルク・キャパシタのカソードから電気的に分離する回路を含む。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態及び代替実施形態について説明する。
図２は、本発明の実施形態にしたがって形成した回路２０の一例の図を示す。この例では、回路２０は、４つのトルク・キャパシタ２４と、２つの検知キャパシタ２６とを含む。また、回路２０は、トルク・キャパシタ２４のアノードの各々に接続されているトルク増幅器３０も含む。単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ３４が、電圧源Ｖ_１及びＶ_２と検知キャパシタ２６のアノードとの間に接続されている。検知キャパシタ２６のカソードは、トランスインピーダンス増幅器４０の負リード（反転入力端子）に接続されている。増幅器４０は、キャパシタ４６及び抵抗器４４と並列に接続されている。トルク・キャパシタ２４のカソードは、トランスインピーダンス増幅器４０の正リード（非反転入力端子）及びＭＩＤ電圧５０に接続されている。トランスインピーダンス増幅器４０の出力は、抵抗器４４及びキャパシタ４６の反対側の端子に接続されており、更にアナログの特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）５２に接続されている。ディジタルＡＳＩＣ５４が、アナログＡＳＩＣ５２の出力に接続されている。別のアナログＡＳＩＣ５６が、ディジタルＡＳＩＣ５４の出力、及びトルク増幅器３０の入力に結合されている。ＨＰＡアナログＡＳＩＣ（５２及び５６）は、図２では２つのデバイスとして示すが、通例では単一のアナログＡＳＩＣである。

以降の図において示すように、トルク・キャパシタ２４及び検知キャパシタ２６は、慣性質量及び付随する基板の間に接続されている。検知キャパシタ２６は、慣性質量が基板に対して移動すると、容量が変化する。この変化する容量を、トランスインピーダンス増幅器４０によって増幅し、ＡＳＩＣ５２、５４及び５６を通じて送る。ＡＳＩＣ５２、５４及び５６は、閉ループ信号を生成し、トルク増幅器３０を通じてトルク・キャパシタ２４に印加する。すると、トルク・キャパシタ２４は、慣性質量を定常状態位置に保持するために、慣性質量に力を加える。

ＡＳＩＣ５２、５４及び５６は、標準的な力検知及び閉ループ機能性を実行する。例えば、ＡＳＩＣ５２は、可変利得段及びアナログ／ディジタル変換器を含む。ディジタルＡＳＩＣ５４は、慣性質量に印加された力を判定し、出力アナログ信号を発生する。第２アナログＡＳＩＣ５６は、ディジタルＡＳＩＣ５４から出力される信号のフィルタ処理を行い、入力をトルク増幅器３０に適合させる。ＡＳＩＣ５２、５４及び５６及びその機能性のための回路例が、米国特許第５，６００，４８７号に更に詳しく記載されている。その内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。トルク・キャパシタ２４は、検知キャパシタ２６から電気的に分離されている。トルク・キャパシタ２４が原因で生ずるいずれのノイズも、検知キャパシタ２６の出力からＭＩＤ電圧５０に導かれることにより、検知キャパシタ２６が生成する信号は一層明確となる。

図３は、本発明の実施形態にしたがって形成した加速度計１００の一部の分解斜視図である。加速度計１００は、基板１０６上の実装ポスト１０５、１０７に取り付けられているデバイス層１０４（ドープされたシリコン）を含む。一実施形態では、基板１０６はＰｙｒｅｘ（登録商標）又は同様の物質で作られ、トルク・キャパシタの一面を形成する金属堆積物２４ａ、及び検知キャパシタ２６の一面を形成する金属堆積物２６ａを含む。また、デバイス層１０４は、検知部１０８をトルク部１１６から電気的に分離する溝１１０も含む。

デバイス層１０４は、基板１０６上でポスト１０５及び１０７に陽極接合されているパッド１１２及び１１４を含む。ポスト１０５及び１０７は、図２に示したような、それぞれの外部回路に電気的に接続されている。パッド１１２及び１１４を基板１０６上のそれぞれのポスト１０５及び１０７に接合すると、パッド２４ａとトルク部１１６との間に容量ギャップが形成されてトルク・キャパシタ２４が形成され、更にパッド２６ａと検知部１０８との間に容量ギャップが形成されて検知キャパシタ２６が形成される。検知した力によってデバイス層１０４が撓むと、検知キャパシタ２６が検知する容量に基づいて加速力を判定する。

図４Ａ〜図４Ｄは、デバイス層１０４（図３Ａ）の作成中に形成される中間構造の断面図を示す。図４Ａは、シリコンのようなハンドル層(handle layer)１４２と、高濃度にドープされた層であるデバイス層１１４とを有するチップ１４０を示す。デバイス層１１４は、ハンドル層１４２の第１面に被着される。次いで、デバイス層１１４にマスキングを行い、エッチングしてトラフ１４６を形成する。トラフ１４６は、ハンドル層１４２の表面の一部を露出させる。

次に、図４Ｂに示すように、デバイス層１４４上及びトラフ１４６内に酸化物層１４８を成長させる。次に、酸化物層１４８上にポリシリコンの層１５０を堆積する。次に、図４Ｃに示すように、種々のエッチング又は研磨技法を用いて、ポリシリコン層１５０及び酸化物層１４８を、デバイス層１４４の上面まで除去する。トラフ１４６が酸化物層１４８及びポリシリコンのビーズ１５２で埋められると、パッド１１２及び１１４をエッチングする（図示せず）。最後に、図４Ｄに示すように、ハンドル層１４２を除去すれば、デバイス層１４４は基板１０６に接合するための用意が整う。

従来技術にしたがって形成した回路の図である。本発明の一実施形態にしたがって形成した回路の一例を示す図である。本発明の一実施形態にしたがって形成した加速度計の一部の分解斜視図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、図３に示した加速度計を形成する際の生産段階の断面図である。

符号の説明

２０回路
２４トルク・キャパシタ
２６検知キャパシタ
３０トルク増幅器
３４単極双投（ＳＰＤＴ）
４０トランスインピーダンス増幅器
４４抵抗器
４６キャパシタ
５０ＭＩＤ電圧
Ｖ_１、Ｖ_２電圧源
５２、５６アナログの特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）
５４ディジタルＡＳＩＣ
１００加速度
１０４デバイス層
１０５、１０７実装ポスト
２４ａ、２６ａ金属堆積物
１０６基板
１０８検知部
１１４デバイス層
１１６トルク部
１１０溝
１１２、１１４パッド
１４０チップ
１４２ハンドル層
１４６トラフ
１４８酸化物層
１５０ポリシリコン層

Claims

基板に可撓自在に取り付けられた慣性質量を有する微小電気機械系（ＭＥＭＳ）加速度測定デバイスであって、
前記慣性質量と前記基板との間に形成された１つ以上の検知キャパシタ（２６）と、
前記慣性質量と前記基板との間に形成された１つ以上のトルク・キャパシタ（２４）と、
前記慣性質量上において、前記検知キャパシタのカソードを前記トルク・キャパシタのカソードから電気的に分離するように構成されている分離デバイス（１１０）と、
を備えていることを特徴とする加速度測定デバイス。
請求項１記載の加速度測定デバイスにおいて、前記分離デバイスは、前記慣性質量内部において、前記検知キャパシタのカソードと前記トルク・キャパシタのカソードとの間に配置されたトラフを含み、該トラフは、酸化物層及びポリシリコンのビーズの内少なくとも１つを含むことを特徴とする加速度測定デバイス。
請求項１記載の加速度測定デバイスにおいて、前記分離デバイスは、前記１つ以上の検知キャパシタのアノードを前記１つ以上のトルク・キャパシタのアノードから電気的に分離し、更に前記１つ以上の検知キャパシタのカソードを前記１つ以上のトルク・キャパシタのカソードから電気的に分離する回路を含むことを特徴とする加速度測定デバイス。
請求項４記載の加速度測定デバイスにおいて、該デバイスは更に、
前記１つ以上のトルク・キャパシタのカソードに電気的に接続されている中間電圧源（５０）と、
前記１つ以上の検知キャパシタのカソードに電気的に接続されているメカニズム・ノードと、
第１及び第２入力電圧源と、該第１及び第２入力電圧源と前記１つ以上の検知キャパシタのアノードとの間に接続されている１つ以上のスイッチと、
前記メカニズム・ノードに接続されているトランスインピーダンス増幅器（４０）と、
を備えていることを特徴とする加速度測定デバイス。
基板に可撓自在に取り付けられている慣性質量を有する微小電気機械系（ＭＥＭＳ）加速度計の製造方法であって、
前記慣性質量と前記基板との間に１つ以上の検知キャパシタを形成するステップと、
前記慣性質量と前記基板との間に１つ以上のトルク・キャパシタを形成するステップと、
前記１つ以上の検知キャパシタのカソードを、前記１つ以上のトルク・キャパシタのカソードから電気的に分離するステップと、
を備えていることを特徴とする製造方法。
請求項６記載の製造方法において、前記電気的に分離するステップは、前記慣性質量内において、前記１つ以上の検知キャパシタのカソードと、前記１つ以上のトルク・キャパシタのカソードとの間にトラフを形成するステップを含み、前記トラフを形成するステップは、酸化物層及びポリシリコンのビーズの少なくとも一方を前記トラフ内に充填することを含むことを特徴とする製造方法。
請求項６記載の製造方法において、前記電気的に分離するステップは、前記１つ以上の検知キャパシタのアノードを前記１つ以上のトルク・キャパシタのアノードから電気的に分離し、更に前記１つ以上の検知キャパシタのカソードを前記１つ以上のトルク・キャパシタのカソードから電気的に分離する回路を形成するステップを含むことを特徴とする製造方法。
請求項８記載の製造方法において、前記形成された回路は、中間電圧源を前記１つ以上のトルク・キャパシタのカソードに電気的に接続し、前記形成された回路は、前記１つ以上の検知キャパシタのカソードをメカニズム・ノードに電気的に接続することを特徴とする製造方法。
請求項９記載の製造方法において、前記形成された回路は、第１及び第２入力電圧源を、１つ以上のスイッチを通じて、前記１つ以上の検知キャパシタのノードに電気的に接続し、前記メカニズム・ノードはトランスインピーダンス増幅器に電気的に接続されていることを特徴とする方法。