JP2009066750A - マイクロ電気機械システム（ｍｅｍｓ）装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタル信号に前もって変換することなくアナログ信号を伝送するのに適しており、装置全体の小型化、安価、高速、及び信頼性のある機械アイソレータを提供する。
【解決手段】マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）アナログアイソレータ１０であって、ビーム２０の動きはビームに取り付けられた櫛歯電極によるセンサーで検出される。ビーム自身は櫛歯電極によるアクチュエータとセンサーの位置間で電気的に絶縁されている。ビームは撓みアーム４６により縦軸４０に沿って動作可能なように支持される。
【選択図】図２

Description

このＰＣＴ出願は、米国特許出願第０９／７８８，９２８号、第０９／８０４，８１７号、第０９／８０５，４１０号および第１０／００１，４１２号の継続出願である。

Ｉ．本発明は電気アイソレータ、特に、アナログ電気信号の伝達において電気分離を与えるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置に関する。

ＩＩ．本発明はさらにデジタル信号の伝達において電気分離を与えるＭＥＭＳ装置に間する。

ＩＩＩ．本発明はさらに撓み横アームの移動のために支持されるビームを採用したＭＥＭＳ装置に関する。

ＩＶ．本発明はさらに電気信号の伝達において電気分離を与えさらに移動により発生するノイズを制限するＭＥＭＳ装置に関する。

電気アイソレータは電圧レベルのシフト、電気ノイズの減少、および高電圧電流の保護のために複数の回路素子間に電気分離を与えるため使用される。

回路素子間に直流（ＤＣ）を流すパスが存在しない場合には、回路素子が電気的に絶縁されていると考えることができる。この種の絶縁は容量結合または誘導結合により得られる。容量結合では、入力電気信号がコンデンサの一方のプレートに入力され、出力信号を生じる他方のプレートに絶縁誘電体を介して静電気信号を伝送する。誘導結合では、入力電気信号が第１コイルに入力され、絶縁性ギャップを介して第２コイルに電磁界を伝送し絶縁された出力電気信号を生じる。このようなアイソレータのいずれも、定常状態または直流電気信号を実質的に阻止する。

このようなアイソレータは簡単ではあるが、著しく低い周波数成分を含む信号の通信を阻害してしまう。さらにこれらのアイソレータが周波数に依存した著しい減衰や位相歪みを伝送信号に与える場合もある。これらの特徴はこれらアイソレータを様々な高速デジタル通信を含む多くの型の信号に適さないものとしてしまう。

さらに、システムの２つの異なる部分間に高電圧（２ｋＶ以上）分離を与えると同時に、これらの２つの部分間に通信路を持たせることが望ましい場合がある。これは全システムの制御部分からセンサー／アクチュエータ部分を分離することが望ましい産業用の制御用途でよく見られる。また、このことは患者を測定器内の電圧や電流から切り離すことが望まれる医療計測用システムにも当てはまる。

デジタル信号の分離はしばしば光アイソレータによりもたらされる。光アイソレータでは、入力信号が光源、典型的には絶縁透過分離器を通してフォトダイオードまたはフォトトランジスタに光を伝達するように配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）を駆動する。このようなシステムはコンデンサや誘導子により導入される歪みや減衰のない任意周波数の２値信号を容易に伝送できる。さらに光アイソレータは、固有のＬＥＤ順方向バイアス電圧によって、光受光器の飽和により出力が制限される固有信号および入力に閾値を与える信号を生じる。

それにも関わらず、光アイソレータはいくつかの問題点を有している。これらアイソレータは他のタイプの集積回路と互換性のない比較的高価なガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板を必要とするため、多くの場合、この回路からアイソレータを保護する分離パッケージやアセンブリが必要となる。ＬＥＤやフォト検出器の特性は組立中に制御することが困難な場合があり、ユニット毎に変更できない場合にはコスト増となる。ＬＥＤの電源条件は光アイソレータを使用する前にその入力信号を信号処理する必要があることもあり、さらに追加のコストがかかってしまう。ＬＥＤの順方向バイアス電圧は固有のノイズ閾値を有するが、その閾値はＬＥＤ材料の化学特性により決まるもので一般に調整できない。従って、異なる閾値が要求される場合には、追加の信号処理が必要となることもある。結局、ＬＥＤはダイオードであるため、複数のＬＥＤを使用しない限り入力信号は単一極性に制限される。

マイクロプロセッサのようなデジタル回路を使用してアナログ電気信号を処理するのが一般的となっている。かかる状況において、アナログ電気信号は周期的にサンプリングされ、このサンプルはアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）によりデジタル回路に入力されるデジタル語に変換されこのデジタル回路で処理される。逆に、このデジタル回路により生成されるデジタル語は、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）によってアナログ信号に変換され、フィルタすることで連続するアナログ信号となる一連のアナログ電気量を生成する。このような信号は、しばしば、デジタル回路へのインターフェースにおいて分離することが望まれ、関連するデジタル語の各ビットに相当する電気信号と直列でＡ／Ｄ変換器の後かつＤ／Ａ変換器の前に光アイソレータを配置することで実現できる。特に、多くの分離アナログ信号を処理しなければならない産業制御分野では、多数の光アイソレータが要求され、分離を非常に高価または非現実的にしている。

電気アイソレータは電圧レベルシフト、電気ノイズ減少、高電圧電流保護のために回路素子間に電気分離を与えるために使用される。

回路素子間に直流（ＤＣ）を流すパスが存在しない場合には、回路素子が電気的に絶縁（分離）していると考えることができる。この種の絶縁（分離）は容量結合または誘導結合により得られる。容量結合では、入力電気信号がコンデンサの一方のプレートに入力され、出力信号を生じる他方のプレートに絶縁誘電体を介して静電気信号を伝送する。誘導結合では、入力電気信号が第１コイルに入力され、絶縁性ギャップを介して第２コイルに電磁界を伝送し分離出力信号を生じる。このようなアイソレータのいずれも、定常状態または直流電気信号を実質的に阻止する。

このようなアイソレータは簡単ではあるが、著しく低い周波数成分を含む信号の通信を阻害してしまう。さらにこれらのアイソレータが周波数に依存した著しい減衰や位相歪みを伝送信号に与える場合もある。これらの特徴はこれらアイソレータを様々な高速デジタル通信を含む多くの型の信号に適さないものとしてしまう。

さらに、システムの２つの異なる部分間に高電圧（２ｋＶ以上）分離を与えると同時に、これらの２つの部分間に通信路を持たせることが望ましい場合がある。これは全システムの制御部分からセンサー／アクチュエータ部分を分離することが望ましい産業用の制御用途でよく見られる。また、このことは患者を測定器内の電圧や電流から切り離すことが望まれる医療計測用システムにも当てはまる。

デジタル信号の分離はしばしば光アイソレータによりもたらされる。光アイソレータでは、入力信号が光源、典型的には絶縁透過分離器を通してフォトダイオードまたはフォトトランジスタに光を伝達するように位置決めされた発光ダイオード（ＬＥＤ）を駆動する。このようなシステムはコンデンサや誘導子により導入される歪みや減衰のない任意周波数の２値信号を容易に伝送できる。さらに光アイソレータは、固有のＬＥＤ順方向バイアス電圧によって、光受光器の飽和により出力が制限される固有信号および入力に閾値を与える信号を生じる。

それにも関わらず、光アイソレータはいくつかの問題点を有している。これらアイソレータは他のタイプの集積回路と互換性のない比較的高価なガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板を必要とするため、多くの場合、この回路からアイソレータを保護する分離パッケージやアセンブリが必要となる。ＬＥＤやフォト検出器の特性は組立中に制御することが困難な場合があり、ユニット毎に変更できない場合にはコスト増となる。ＬＥＤの電源条件には光アイソレータを使用する前にその入力信号を信号処理することが必要となることもあり、さらに追加のコストがかかってしまう。ＬＥＤの順方向バイアス電圧は固有のノイズ閾値を有するが、その閾値はＬＥＤ材料の化学特性により決まるもので一般に調整できない。従って、異なる閾値が要求される場合には、追加の信号調整が必要となることもある。

特に、多くの分離制御点を要求する産業用制御装置において、光アイソレータを使用することは非常に高価で非実用的である。

ＭＥＭＳ装置は集積回路技術等を使用して製造される極めて小型の機械である。ＭＥＭＳ装置の小サイズ化により高速、小電力及び高信頼性の方法で製造が可能となる。この製造技術は低コスト大量生産の可能性を秘めている。

本願の親出願は、縦方向に移動するようにビームが一組の軸方向に撓むアームに支持され、これらアームの後方が基板に結合されたＭＥＭＳ電気アイソレータを記載している。ビームの一方の端のＭＥＭＳアクチュエータにより引き起こされるビームの移動は、ビームの他方の端に配置され、絶縁部によってアクチュエータから分離されたセンサーに信号を伝達する。

撓み横断素子により支持されるビーム構造は極めて簡単で強固なＭＥＭＳ装置を提供する。それでも、特にセンサーに関連する特定の用途で要求される精度を、大量生産の集積回路処理を用いて達成することは困難である。

電気アイソレータは電圧レベルシフト、電気ノイズ減少、および高電圧電流保護のために回路素子間に電気分離を与えるために使用される。

回路素子間に直流（ＤＣ）を流すパスが存在しない場合には、回路素子が電気的に分離（絶縁）されていると考えることができる。この種の分離（絶縁）は容量結合または誘導結合により得られる。容量結合では、入力電気信号がコンデンサの一方のプレートに入力され、出力信号を生じる他方のプレートに絶縁性誘電体を介して静電気信号を伝送する。誘導結合では、入力電気信号が第１コイルに入力され、絶縁性ギャップを介して第２コイルに電磁界を伝送し分離出力信号を生じる。このようなアイソレータのいずれも、定常状態または直流電気信号を実質的に阻止する。

このようなアイソレータは簡単ではあるが、著しく低い周波数成分を含む信号の通信を阻害してしまう。さらにこれらのアイソレータが周波数に依存した著しい減衰や位相歪みを伝送信号に与える場合もある。これらの特徴はこれらアイソレータを様々な高速デジタル通信を含む多くの型の信号に適さないものとしてしまう。

さらに、システムの２つの異なる部分間に高電圧（２ｋＶ以上）分離を与えると同時に、これらの２つの部分間に通信路を持たせることが望ましい場合がある。これは全システムの制御部分からセンサー／アクチュエータ部分を分離することが望ましい産業用の制御応用でよく見られる。また、このことは患者を測定器内の電圧や電流から切り離すことが望まれる医療計測用システムにも当てはまる。

デジタル信号の分離はしばしば光アイソレータによりもたらされる。光アイソレータでは、入力信号が光源、典型的には絶縁透過分離器を通してフォトダイオードまたはフォトトランジスタに光を伝達するように位置決めされた発光ダイオード（ＬＥＤ）を駆動する。このようなシステムはコンデンサや誘導子により導入される歪みや減衰のない任意周波数の２値信号を容易に伝送できる。さらに光アイソレータは、固有のＬＥＤ順方向バイアス電圧によって、光受光器の飽和により出力が制限される固有信号および入力に閾値を与える信号を生じる。

それにも関わらず、光アイソレータはいくつかの問題点を有している。これらアイソレータは他のタイプの集積回路と互換性のない比較的高価なガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板を必要とするため、多くの場合、この回路からアイソレータを保護する分離パッケージやアセンブリが必要となる。ＬＥＤやフォト検出器の特性は組立中に制御することが困難な場合があり、ユニット毎に変更できない場合にはコスト増となる。ＬＥＤの電源条件には光アイソレータを使用する前にその入力信号を信号処理する必要があることがあり、さらに追加のコストがかかってしまう。ＬＥＤの順方向バイアス電圧は固有のノイズ閾値を有するが、その閾値はＬＥＤ材料の化学特性により決まるもので一般に調整できない。従って、異なる閾値が要求される場合には、追加の信号処理が必要となることもある。結局、ＬＥＤはダイオードであるため、複数のＬＥＤを使用しない限り入力信号は単一極性に制限される。

マイクロプロセッサといったデジタル回路を使用してアナログ電気信号を処理するのが一般的となっている。このような状況において、アナログ電気信号は周期的にサンプリングされ、そのサンプルはアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）によりデジタル回路に入力されデジタル語に変換されこのデジタル回路で処理される。逆に、このデジタル回路により生成されるデジタル語は、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）を用いてアナログ信号に変換され、フィルタすることで連続するアナログ信号となる一連のアナログ電気量を生成する。このような信号は、しばしば、デジタル回路へのインターフェースにおいて分離することが望まれ、関連するデジタル語の各ビットに相当する電気信号と直列でＡ／Ｄ変換器の後かつＤ／Ａ変換器の前に光アイソレータを配置することで実現できる。特に、多くの分離アナログ信号を処理しなければならない産業制御分野では、多数の光アイソレータが要求され、分離を非常に高価または非現実的にしている。

本発明は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造され、デジタル信号に前もって変換することなくアナログ信号を伝送するのに適した機械アイソレータを提供する。ビームの端部が互いに絶縁された微細ビームを特別な製造方法によって形成する。ビームの一方の端は、アナログ入力信号を受信して発生するアクチュエータの力に比例してビームを移動する微細アクチュエータに接続されている。この一方の端と分離されたビームの他方の端は、ビームの移動を検出するセンサーに取り付けられ、対応するアナログ値を生じる。装置全体の小型化は安価、高速、及び信頼性のある応答を提供する。

具体的には、本発明は、基板と、この基板に対して第１位置と第２位置の間を繰り返し移動するように基板に支持された素子を有するマイクロ電気機械システムを提供する。この素子の第１部分と第２部分の間の少なくとも一部分は、この第１部分と第２部分とを互いに電気的に分離する電気絶縁体である。この素子の第１部分に取り付けられたアクチュエータは入力電気信号を受信し、この入力電気信号に依存した力を及ぼし、この素子を第２位置に向け付勢する。この素子に取り付けられた制御素子は、第１位置への素子の変位に依存した力を及ぼし、素子の第２部分に取り付けられたセンサーアセンブリは、第１位置と第２位置間の素子の変位に依存したアナログ出力電気信号を生じる。

本発明の一つの目的は、多数の光アイソレータが必要となるのを解消し、その上、コスト、装置間整合性、並びに他の集積回路部品との非互換性といった現在のアイソレータの多くの欠点を回避する、アナログ信号を直接分離するのに適したＭＥＭＳ技術を用いた簡単な機械分離システムを提供することにある。加えて、本発明は入力信号を前もって調整する必要がない。入力電圧、入力電流、又は機械的な配置変更を前処理することなく装置に直接適用できる。

制御素子はばねまたはその均等物であり、センサーアセンブリは素子の移動量に基づいてアナログ出力電気信号を出力するセンサーを含む。

このように本発明の他の目的は、アナログ信号がビームの移動によって絶縁されたビームを介して伝送される簡単な開ループアナログアイソレータを実現することにある。

また、制御素子は、帰還電気信号を受信しこの帰還電気信号に依存する力を及ぼして素子を第１位置へ向け付勢する素子に取り付けられた第２アクチュエータでも良い。この場合、センサーアセンブリは零位置に対して素子の位置を示すセンサーと、出力電気信号を受信して素子を零位置に復帰させるように帰還電気信号を発生する誤差検出器を備えていても良い。この出力電気信号は帰還信号から導出される。

このように本発明の他の目的は、アナログ信号を、ビームの変位を最小として機械的に非線形性とならない力として伝送する帰還技術を用いてより複雑なアナログアイソレータを可能とすることにある。

制御素子は、さらに、第２帰還信号を受信しこの第２帰還信号に依存する力を及ぼして素子を第２位置に向けて付勢する素子に取り付けられた第３アクチュエータを備えていても良い。

本発明の更なる目的は、素子を第１位置へ付勢する力又は素子を第２位置に向けて付勢する力のどちらかを及ぼすことのできる帰還信号を実現するビームの帰還制御を可能にすることにある。

上述の誤差検出器は、第１位置と第２位置の間の零位置に対するビームの位置を示す２値の電気帰還信号を生成することができ、出力電気信号を生成するために電気帰還信号のデューティサイクルを評価するパルス幅復調器回路を更に備えている。

本発明の他の目的は、本発明のアイソレータから複数ビットのデジタル信号を抽出する簡単な方法を提供することにある。デューティサイクル復調器は簡単な係数回路でも良い。

アクチュエータは静電モータまたはローレンツ力モータまたは圧電モータまたは熱膨張モータまたは機械変位モータである。

本発明の更に他の目的は、光アイソレータＬＥＤと互換性のない種々の異なる電気信号、例えば、０．７ボルト未満の電圧を有する信号を受信するアイソレータを提供することにある。

同様に、制御素子は静電モータ、ローレンツ力モータ、圧電モータ、熱膨張モータ、機械変位モータ、または機械ばねである。

このように、本発明はビームの零点を自由に調整できる電気的接続（例えば、機械ばね）又は調整制御素子を必要としない極めて簡単な制御素子を提供する。

このセンサーは容量センサーまたは圧電センサーまたは光電センサーまたは抵抗センサーまたは光学切替センサーである。

本発明の他の目的は異なる目的に適する種々の融通の利く検出技術を提供することである。

本発明の一実施形態では、素子が、第１位置と第２位置間でスライドして動作するよう基板に取り付けられたビームでる。このビームは、該ビームから外方向に延びるようビームの縦方法の両端に取り付けられた撓み横断アーム対によって支持されていても良い。

本発明の他の目的は移動のための素子を支持するためのＭＥＭＳ技術を使用して微細規模で実施される簡単な機構を提供することである。

撓み横断アームはビームに取り付けられた第１端部とビームから離間した肘部に取り付けられた第２端部を有する片持ち第１部分と、この第１部分とほぼ平行でありビーム近傍の基板に取り付けられた第１端部と肘部に取り付けられた第２端部を有する片持ち第２部分とを備えていてもよい。さらに、ビームと横断アームは縦方向のビームに対して対称にしても良い。

従って、本発明のもう一つの目的は、加工温度もしくは使用温度の変化に起因する熱膨張に対して耐性のある微小構造を提供することにある。対称とすることで熱膨張してもビームがバランスを維持するよう保ち、同時に、二重張りした撓み横断アームによりある程度のストレスを除去している。

撓み横断アームは、基板に対して横断アームの端部の角度形成を可能とするばね部を介して基板に取り付けることができる。

このように本発明の他の目的は、ビーム構造の堅さを緩和するために撓み横断アームを効果的に回転できるようにすることにある。

本発明の一実施例は磁石により発生し、ビームを横切る磁界を含み、少なくとも１つの撓み横アームが電気信号に対して導体であり、ビームをある位置に向けて動かす電気信号に依存する力を与える。

従って本発明の他の目的は、ビームを支持するのに用いられるのと同じ構造体がその構造体の作動又は制御を行えるようにすることにある。

ビームは、第２コンデンサプレート近傍でビームから外側へ延びており、このビームに取り付けられた横方向に延びた第１コンデンサプレートを備えている。第１コンデンサプレートの有効面積はビームの縦軸を挟んで等しくすると良く、またこれらコンデンサプレートは、少なくとも２つの撓み横断アーム対のビームの取り付け位置の間に取り付けると良い。一実施形態では、コンデンサが互いに噛み合う指部を備えている。また、平行プレートコンデンサを使用する（線形性が良くないが）こともできる。

本発明の他の目的は、バランスが取れ良好に支持された力が得られるようにアイソレータに静電モータを集積する方法を提供することにある。

第１コンデンサプレートは第２コンデンサプレートに対して、ビームの片側で第２コンデンサプレートに向かって第１コンデンサプレートを引き付け、一方、ビームの反対側で第２コンデンサプレートから第１コンデンサプレートを引き離すように配置されている。逆に、これらコンデンサプレートを、全てが一定動作で共に引き付けるよう配置しても良い。

従って本発明の他の目的は、容量値を比較することでビームの位置を示すセンサーとして、又は静電モータとして、これらコンデンサプレートを使用することができるようにすることにある。

ビームは第１微小加工層と第２微小加工層を有し、第２微小加工層を除去した領域が電気絶縁体部分となるように、前記第１微小加工層が絶縁されている。

本発明の他の目的は本発明で要求される絶縁および導体素子を形成する簡単な方法を提供することにある。

ビームの電気絶縁体はアクチュエータと制御素子間または制御素子およびセンサー間に、または両方に設けられる。

さらに本発明の目的は、制御素子を絶縁部の一方の側に設けるようにすること、又は絶縁をより一層完全なものとするため重複して絶縁部を設けるようにすることにある。

アナログアイソレータは第２位置に対する素子の動きを示す第２出力電気信号を提供するために素子の第１部分で第２センサーを含み、出力第２電気信号は第１出力電気信号から電気的に分離される。

本発明の他の目的はビームの動きと分離された側からのアイソレータの動作を示す信号を発生するアイソレータを提供することにある。

さらにアイソレータは、第２入力電気信号を受信しこの第２入力電気信号に依存する力を及ぼして素子を第２位置へ向け付勢する、素子の第２部分に第２アクチュエータを有していても良い。

従って、本発明の他の目的は、多値制御ループで使用するのに適した、あるいはスケーリングファクタを調整するのに適した双方向電気アイソレータを提供することにある。

本発明はＭＥＭＳ技術を用いて製造され、デジタル信号を伝送するのに適した機械アイソレータを提供するものである。両端が互いに絶縁された微小ビームが特殊な製造プロセスによって形成される。このビームの一方の端は微小アクチュエータが接続され、この微小アクチュエータは入力信号を受信してバイアス装置により加えられたバイアス力に抗してビームを動作する。一方の端と絶縁されたビームの他方の端は、アクチュエータの力がバイアス装置の対抗力を超えるときのみビームの変位を検出するセンサーに取り付けられている。装置全体を小型化は安価で高速で信頼性のある応答性を提供する。

具体的には、本発明は、基板と、この基板に対して第１位置と第２位置間を移動するように基板により支持された素子とを有するマイクロ電気機械システムデジタルアイソレータを提供する。素子の第１部分と第２部分間の少なくとも一部分は第１部分と第２部分を互いに電気的に絶縁する電気絶縁体である。アクチュエータが素子の第１部分に取り付けられており、入力電気信号を受信しこの入力電気信号に依存する力を及ぼして素子を第２位置へ向け付勢している。バイアス機構が素子に取り付けられ、素子に所定の対抗力を及ぼし素子を第１位置へ向けて付勢している。最後に、センサーが素子の第２部分に取り付けられており、第１位置と第２位置間の素子の変位を示す出力電気信号を生成している。そこで、所定の大きさを超える入力電気信号によって前記アクチュエータによる該入力電気信号に依存する力が対抗力を超えると、素子が第１位置から第２位置へ速やかに移動し、入力電気信号から電気的に絶縁された出力電気信号を生成する。

本発明の一つの目的は、いろいろな２値信号に好適なＭＥＭＳ技術を使用した簡単な機械分離システムを提供し、現行の光アイソレータのコスト、装置間の整合性、及びその他の集積回路構成部品との非互換性に関する多くの問題点を克服することにある。加えて、本発明は入力信号を前もって調整する必要がない。電圧または電流が前もって調整することなく直接装置に適用される。

アクチュエータは静電モータまたはローレンツ力モータまたは圧電モータまたは熱膨張モータまたは機械変位モータである。

従って本発明の他の目的は、光アイソレータＬＥＤと互換性のない種々様々な電気信号、例えば０．７ボルト未満の電圧を有する信号を受信することのできるアイソレータを提供することにある。

同様に、バイアス構造体は静電モータ、ローレンツ力モータ、圧電モータ、熱膨張モータ、機械変位モータ、または機械ばねである。

従って本発明は、デバイスを起動する閾値を様々な環境に自由に合わせることのできる電気的接続（例えば、機械ばね）あるいは調整可能なバイアス機構を必要としない極めて簡単なバイアス力を双方に与えることができる。光アイソレータとは異なり、この方法で、入力閾値電圧を特定用途に合わせることができる。

センサーは容量センサー、圧電センサー、光電センサー、抵抗センサー、または光学切替センサーである。

従って、本発明の他の目的は異なる目的に適する種々の融通の利く検出技術を提供することにある。

素子の運動行程は第１および第２位置間の停止手段により制限される。

この方法において、本発明では、光アイソレータにより供給されるのと同等の信号に制限されている信号を、装置を始動するのに必要な閾値を超える信号として供給してもよい。

本発明の一実施形態では、素子は第１位置と第２位置間でスライドして動作するように基板に取り付けられたビームである。このビームは、このビームから外方向に延びるようビームの縦方法の両端に取り付けられた撓み横断アーム対によって支持されている。

本発明の他の目的は移動のため素子を支持するためのＭＥＭＳ技術を使用して微細規模で実施される簡単な機構である。

撓み横断アームは、ビームに取り付けられた第１端部とビームから離間した肘部に取り付けられた第２端部を有する片持ち第１部分と、第１部分とほぼ平行でありビーム近傍の基板に取り付けられた第１端部と肘部に取り付けられた第２端部を有する片持ち第２部分とを備えている。さらに、このビームと横断アームは縦方向のビームに対して対称にすると良い。

従って、本発明の他の目的は、加工温度もしくは使用温度の変化に起因する熱膨張に対して耐性のある微小構造を提供することにある。対称とすることで熱膨張してもビームがバランスを維持するよう保ち、同時に、二重張りした撓み横断アームによりこれらアームの熱膨張をある程度解消している。

撓み横断アームは、基板に対して横断アームの端部の角度形成を可能とするばね部を介して基板に取り付けることができる。

従って本発明の他の目的は、ビーム構造の堅さを緩和するために撓み横断アームを効果的に回転できるようにすることにある。

本発明の一実施形態では、磁石によって発生されるビームと直交する磁場を含み、少なくとも１つの撓み横断アームが電気信号に対して導電性であり、この電気信号に依存する力を及ぼしてある位置に向けビームを付勢する。

従って本発明の他の目的は、ビームを支持するのに用いられるのと同じ構造体がその構造体の作動又はバイアスを行えるようにすることにある。

ビームは、第２コンデンサプレート近傍でビームから外側へ延びており、このビームに取り付けられた横方向に延びた第１コンデンサプレートを備えている。第１コンデンサプレートの有効面積はビームの縦軸を挟んで等しくすると良く、またこれらコンデンサプレートは、少なくとも２つの撓み横断アーム対のビームの取り付け位置の間に取り付けると良い。一実施形態では、コンデンサが互いに噛み合う指部を備えている。また、平行板コンデンサを使用する（線形性が良くないが）こともできる。

本発明の他の目的は、バランスが取れ良好に支持された力が得られるようにアイソレータに静電モータを集積する方法を提供することにある。

第１コンデンサプレートは第２コンデンサプレートに対して、ビームの片側で第２コンデンサプレートに向かって第１コンデンサプレートを引き付け、一方、ビームの反対側で第２コンデンサプレートから第１コンデンサプレートを引き離すように配置されている。逆に、これらコンデンサプレートを、全てが一定動作で共に引き付けるよう配置しても良い。

従って本発明の他の目的は、容量値を比較することでビームの位置を示すセンサーとして、又は静電モータとして、これらコンデンサプレートを使用することができるようにすることにある。

ビームは第１微小加工層と第２微小加工層を有し、第２微小加工層を除去した領域が電気絶縁体部分となるように、前記第１微小加工層が絶縁されている。

本発明の他の目的は本発明により要求される絶縁素子および導体素子を形成するための簡単な方法を提供することである。

ビームの電気絶縁体はアクチュエータとバイアス構造体間またはバイアス構造体とセンサー間または双方に存在する。

さらに本発明の目的は、バイアス機構を絶縁部の一方の側に設けるようにすること、又は絶縁をより一層完全なものとするため重複して絶縁部を設けるようにすることにある。

このデジタルアイソレータは、第２位置への素子の変位を示す第２出力電気信号を与えるため素子の第１部分に第２センサーを備えており、この第２出力電気信号から出力電気信号から電気的に絶縁されている。

本発明の他の目的はビームの動きおよび分離側からのアイソレータの動作を示す信号を発生するアイソレータを提供することにある。

さらにアイソレータは、第２入力電気信号を受信しこの第２入力電気信号に依存する力を及ぼして素子を第２位置へ向け付勢する、素子の第２部分に第２アクチュエータを有していても良い。

本発明の他の目的は双方向データラインで使用するための双方向電気アイソレータを提供することにある。

本発明者らは、ＭＥＭＳ装置が構成される複雑なマルチコンポーネント集積回路材料は、ＭＥＭＳ装置が高処理温度から冷却するので、またはＭＥＭＳ装置が異なる動作温度で使用される場合、またはＭＥＭＳ装置が電流を流すことによる部分自己発熱を受ける場合、ＭＥＭＳビーム構造に（特にビームを支持する撓みアームにおいて）歪みやストレスを生じる広範囲に変化する膨張係数を持っている。これらの歪みやストレスはある精密用途におけるビーム構造の応用に制限を与える。

従って、本発明はビーム型ＭＥＭＳ装置におけるこのような寸法的な歪みやストレスを補償し、より精密で正確な機構で量産することのできるいくつかの技術を提供する。さらに本発明は、ビーム型ＭＥＭＳ装置における機能性を高めるべく撓みアームに特有の歪みを制御する方法を提供する。

これに関して、本発明は、基板にビームを支持する撓みアームを取り付ける改良した方法を提供する。これらの取り付け方法は、ビームやその機構を対称状態にすることで強化される。ＭＥＭＳ機構に歪みを誘発する温度の研究に関連して本発明者らにより発見されたものである横断アームの曲げ制御は、ＭＥＭＳ装置にバイアス、双安定性、又は機械的増幅を与えるのに用いられる。

そして具体的には、本発明は、基板に沿って縦方向に移動するよう撓み横断アームで支持された縦方向に延びるビームを備え、このビームから離間した横断アームの端部がこのアームの端部の横の動きを可能とする部材によって基板に接続されているＭＥＭＳシステムを提供する。この横方向の動作は、例えば、撓んで縦方向に延びるリスト部により与えられる。

従って本発明の１つの目的は、補正されなければアームの歪み、アームを硬化させるストレス、又は零位置からのビームのずれを生じる温度変化によって引き起こされるアームの横方向の寸法変化を調整する横断アームの取り付けシステムを提供することにある。

リスト部材は湾曲部を介して横断アームに取り付けられている。

従って本発明の他の目的は、アームの端部においてストレスが集中した箇所を取り除くことにある。

リスト部材は蛇行部を有しており、及び／又はリスト部材に取り付けられている横断アームの両端にこの蛇行部が配置されている。

従って本発明の他の目的は、両端部が固定されていない「フリービーム」を模倣するように横へも回転も制限されない横断アームの取り付け機構を提供することにある。フリービームと類似の横断アームは支持されたビームが動作するとともに堅さの少ない部分に曲げ力を与え、ＭＥＭＳ装置の動特性を変えるようなストレスによる硬化を防止している。

ビームは、このビームの両側から延びる両横断アーム対によって縦方向の両端部で支持され、横断アームのリスト部材は全てビームの中央に向かって延びているか、全てビームの中央から離れる方向に延びている。

従って本発明の他の目的は、横断アームの膨張もしくは相殺にかかる曲げを助長することによるその他の歪みによって生じるような横断アームの僅かな曲がりによりビームに引き起こされるどのような力も相殺することにある。さらに本発明の他の目的は、電流が横断アームを流れる際にリスト部に生じるどのようなローレンツ力も相殺することにある。リスト部を同じ方向に向けることによって、リスト部からのローレンツ力が横方向で相殺できる。

ビームは、このビームの両側から延びる１対の横断アームによってこのビームの中央部で支持され、この中央部の横断アームの各リスト部材が縦方向に逆に延びている。

従って本発明の他の目的は、屈曲しない曲げで生じるビームの縦方向のどんなバイアスも防止するようにビームの中央に配置された横断素子のＳ形状の曲げを促すことにある。このような中央配置のビームでは、ローレンツ力によりどのような問題も生じないようにビームを流れる電流はない。

ビームは、ビーム両端のそれぞれの横断アーム対が同一で、かつ逆に湾曲、即ち内向又は外向に湾曲して配置された形状で安定するよう設計されている。

従って本発明の他の目的は、撓みアームの長さ方向の歪みによってビームにかかる如何なる力も相殺することにある。

また、横断アームは同じ長さで形成すると良い。ビームの両端以外の横断アームの取り付け位置は、このビーム端部での横断アームの取り付け位置の間の中央に配置することができる。ビームのアクチュエータとバイアス機構はビームの端部に配置することができる。

従って本発明の他の目的は、横断アームやビームの寸法歪みによるその他の影響を相殺するように、ＭＥＭＳ装置の縦方向及び横方向を対称にすることにある。

一実施形態では、ビームは少なくとも１つの１対の撓み横断アームに支持されており、この横断アームは力が急激に低下するスナップ点まで第１方向にビームの縦方向の動作に次第に抗う力を生じるよう湾曲される。この力はスナップ点のあと方向を変えるか、同じ方向を保持するようにする。

本発明の他の目的はビーム装置の双安定または単安定動作モードを提供することにある。

このスナップ点のあと力が急激に減少する第２スナップ点まで、この湾曲は第１方向と逆の第２方向へのビームの縦方向の動作にだんだんと抗う。この第２スナップ点は第１スナップ点と異なっている。

本発明の他の目的は機械素子を使用してビームのヒステリシス作動を提供することである。

別の実施形態では、ビームは少なくとも１つの撓み横断アームによって支持されており、この横断アームが縦方向にも延びるように角度づけされている。横方向の動作を検知するセンサーは、第１横断アームをビームから離間した一端で受ける。

このように、本発明の目的はセンサー構造に伝達されるようにビームの力または運動の機械的増幅を提供することである。

本発明はＭＥＭＳ技術を用いて製造され、アナログ又はデジタル信号を伝送するのに適した機械アイソレータを提供する。このアイソレータは、基板に支持され両端が互いに分離された特別に製造された微細ビームを用いている。ビームの一端は、ユーザ入力信号を受信してこの信号に基づきビームを動作する微細アクチュエータに接続されている。ビームの他端は、ビームの動作を検知し、それに対応する値を生成するセンサーに取り付けられている。

ユーザ信号が存在しない状態でビームを動作する基板の加速力は、慣性力を測定してその慣性力を信号から取り除く同一の第２ビームを設けることで補償する。この技術はアイソレータだけでなく、基板の加速力によって引き起こされる力又は動作を相殺する必要のある如何なるＭＥＭＳ装置においても使用することができる。さらに、この手法は加速力又は慣性以外のその他の同相ノイズ源、例えば、温度、圧力などにも応用される。

具体的には、本発明は慣性の感度を低減したマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）を提供するものである。本発明は、基板と、軸に対して基板と相対的に動くよう基板に支持された第１素子を備えている。第１アクチュエータは第１素子に取り付けられ、測定されたパラメータに依存する力を及ぼして第２位置へ素子を付勢する。また、この装置は軸に対して動作するように基板により支持された第２素子も備えている。センサーアセンブリは、基板の加速力やその他の同相ノイズの影響を受けないように、第１及び第２素子の動作を検知してそれらの動作を減算する出力を生成するため第１及び第２素子と交信する。

従って本発明の一つの目的は、所望のパラメータの測定を妨害する加速力の影響を受け難いＭＥＭＳセンサーを提供することにある。ＭＥＭＳ装置の小型化によって、同一であり同一の慣性力を受けるように２つの組み合わせた素子を互いに近接して構成することができ、パラメータの測定に影響を及ぼす慣性を相殺するのに使用できる慣性リファレンス信号を生成することができる。

第２素子は入力される入力信号またはアクチュエータを持たず、または慣性力のみ検出するようにアクチュエータを機能させる。または第２素子は測定されるべきパラメータに依存するが第２素子を第１素子のように反対方向に促す第２素子に力を与える機能アクチュエータを含む。

本発明の他の目的は慣性ノイズを減らす簡単な相殺動作、または慣性ノイズを減らし所望の信号を増大させるより複雑な相殺動作を可能にすることである。

パラメータは電気信号であり、第２および第１アクチュエータはパラメータに関連する入力信号を受信し、入力電気信号に依存する力を与える。この場合、装置はパラメータ電気信号を受信し、第２アクチュエータに反転電気信号を発生する反転回路を含む。

従って本発明の他の目的は、反対方向に作動するように一方のＭＥＭＳ機構への電気信号を単に反転するだけで同じＭＥＭＳ機構により慣性ノイズの相殺を可能とすることにある。

ＭＥＭＳ装置は第２素子に取り付けられているが測定されるべきパラメータと交信せず且つ測定されるべきパラメータに依存する力を与えない第２アクチュエータを含む。

従って本発明の他の目的は、慣性ノイズを同じように感知するようアクチュエータを備えた実質的に同一のＭＥＭＳ機構を設けることにある。

上述の目的および利点は本発明の全ての実施例に適用されておらず、目的の特許請求の範囲に示される発明の範囲を規定するように意図されていない。以下の記載において、参照は、ここでは記載の一部を形成し例示により示される添付の図面と本発明の好ましい実施例に対して行われる。このような実施例は本発明の範囲を規定するものではなく、その目的のためには特許請求の範囲が参照されねばならない。

まず、図１を参照すると、本発明にかかるＭＥＭＳアナログアイソレータ１０は、可動ビーム２０によって機械的に相互接続されたアクチュエータ１２、制御素子１４、及びセンサー１８を備えている。

アクチュエータ１２は端子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ＋２２ｄを有し、該端子を介してアナログ入力電気信号２１を受信して矢印で示した作動方向２４にビーム２０を動かすよう機械力に変換する。微小スケールのＭＥＭＳアナログアイソレータ１０では、アクチュエータは当該技術分野で一般的に知られている圧電モータ、熱膨張モータ、機械変位モータ、静電モータ、又はローレンツ力モータであり、後者の２つを以下詳細に記載する。ローレンツ力モータや熱膨張モータでは、アナログ入力電気信号２１は電流であり、圧電モータや静電モータでは、アナログ入力電気信号は電圧である。

アクチュエータ１２はビーム２０の第１端部に取り付けられ、ビーム２０の反対側端部はセンサー１８に取り付けられている。このセンサー１８はビームの動きを検知し、その端子２６ａ、２６ｂ、及び２６ｃ＋２６ｄを介して電気信号を発信する。該電気信号は処理エレクトロニクス２８によって直接評価され、もしくは更に処理され、ビーム２０の動きを示す出力信号３０が生成される。センサー１８はＭＥＭＳ設計の技術分野において既知の技術である圧電型センサー、光電センサー、抵抗センサー、光学切替センサー、または容量センサーである。好ましい実施形態では、以下詳細に記載する可動平行プレートコンデンサがセンサー１８に使用される。

アクチュエータ１２とセンサー１８の間のビーム２０に取り付けられた制御素子１４は、双方向矢印３５で示したように、作動方向２４と逆でアクチュエータ１２の動作に抗う力、又はアクチュエータ１２の動作を増大する作動方向２４の力の双方をビーム２０に与える。

アナログ入力電気信号２１がなければ、制御素子１４はビーム２０をセンサー１８方向のある位置に保持する。該制御素子１４は作動方向２４にビーム２０が動くのに伴って増大する力を与えるのが理想的である。このように、作動力とビーム２０の動きの簡単な関係が（例えば、簡単なバネ型システムを用いて）実現される。ＭＥＭＳアナログアイソレータ１０は摩擦力も慣性力も非常に小さいため、この動き又は力は一定で急激である。あるいは、制御素子１４はどんな作動力に対してもビーム２０の動きを拘束する急激に増大する力を（帰還システムで）与えるようにしても良い。ここでは、拘束力の大きさによって出力信号が決まる。

上述のように、制御素子１４により加えられる力は、この制御素子への電流又は電圧を変化させることで調整でき、ビーム２０の僅かな動作を除き本質的な動作を除去するため帰還モードで使用できる。センサー１８が必要な帰還補償を与えるためにはビーム２０を多少動かす必要があるが、この動作は、より顕著な動作で引き起こされるアクチュエータやＭＥＭＳアナログアイソレータ１０の機械部品の非線形性が取り除かれる程度にまで小さくできる。すなわちこの形態では、ビーム２０の動作は処理エレクトロニクス２８により検出され、位置信号が生成される。この位置信号は基準信号２９と比較され誤差信号３１を生成し、該誤差信号３１は制御素子へ送られ、ビーム２０を零点へ戻す復帰力を生じる。該誤差信号と制御素子１４との接続は直接接続しても良いし、あるいは既知の帰還技術に係るシステムを補償する帰還ネットワーク３３によって更に変更を加えても良い。この帰還ネットワーク３３は、静電モータが単一方向の力しか加えられないことから、センサー１８方向に動かすために端子５０で帰還する端子３８ｃと端子３８ｄに電圧を加えるか、あるいはアクチュエータ１２方向へ動かすために端子５０で帰還する端子３８ａと端子３８ｂに電圧を加えるように電圧を操作しても良い。

ビーム２０は、アクチュエータ１２又はセンサー１８の一部を形成するようにアクチュエータ１２とセンサー１８のそれぞれに配置された導電部３２ａと３２ｂを有する。絶縁部３４ａおよび３４ｂは導電部３２ａおよび３２ｂを制御素子１４の一部である中央の導電部３２ｃから絶縁し、この絶縁部３２ａおよび３２ｂによって３つの分離領域３６ａ−ｃが規定される。第１領域３６ａはアクチュエータ１２と導電部３２ａを有し、第２領域３６ｂは中央の導電部３２ｃと制御素子１４を有し、第３領域３６ｃは導電部３２ｂとセンサー１８を有する。

この絶縁されたビーム２０は、アナログ入力電気信号２１がアクチュエータ１２に作用することで、対応する出力信号３０をこのアナログ入力電気信号２１から電気的に分離されたセンサー１８で生成する機構を備えている。制御素子１４は入力信号及び／又は出力信号３０から電気的に絶縁されている。

制御素子１４は、以下に説明するタイプのローレンツ力モータまたは静電モータであることが好ましい。これら２つの制御素子の前者では、制御素子１４により加えられる対抗力を決める双方向電流を供給するため端子３８ａ、端子３９ｂ、帰路５０が設けられる。この電流の方向は力の方向を決める。後者の静電モータでは、端子３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、及び３８ｄが設けられる。電圧は、端子対３８ａと３８ｂ（帰路５０に対して）または端子対３８ｃと３８ｄ（帰路５０に対して）のいずれかに印加され、力の方向が決まる。

次に図２を参照すると、ビーム２０は、基板４２に取り付けられた横方向に対向したパイロン４４間の中心線に沿って進む縦軸４０に沿って基板４２上に延びている。このパイロンは上述の端子２２ａ、２２ｂ、３８ａ−３８ｄ、２６ａ、２６ｂを形成する。理想的には、基板４２が絶縁基板であり、パイロン４４が全て相互に絶縁され、必要な接続を形成するために、特有の導電層を設けるか、あるいはワイヤボンディングが使用される。

ビーム２０は基板から離間して支持され、ビーム２０の両側の両端及びその中央において横方向に延びる撓みアーム対４６によって縦軸４０に沿って動作するように保持されている。撓みアーム４６は、ビーム２０の両側においてビーム２０から横方向に離間した肘部４８へビーム２０から離れるように延びている。各肘部４８は膨張補償部５０と順次つながっており、この膨張補償部５０はビーム側へ戻ってビーム２０の近傍で基板４２に取り付けられている。上述のように、これら膨張補償部５０は必ず必要とされるものではないが、これらが必要とされる場合には、ストレスを緩和するよう作用する。通常、撓み横断アーム４６は膨張補償部５０と平行であり、この膨張補償部５０にアーム４６が接続されている。撓み横断アーム４６、肘部４８及び膨張補償部は導電性であり、導電部３２ａ、３２ｂ、３２ｃと固定電子端子（図示せず）間に電気的な接続を与える。

次に図４を参照すると、基板４２との取り付け箇所５２から肘部４８における対応する撓み横断アーム４６との接続部までの各膨張補償部５０の長さＬ１、およびビーム２０との接続部と肘部４８の間隔で決まる撓み横断アーム４６の長さＬ２はほぼ等しく設けられ、撓み横断アーム４６内の熱効果によって生じる膨張は、膨張補償部５０の膨張によってほぼ又は完全に相殺される。このようにして撓み横断アーム４６内には張力又は圧縮はほとんど生じない。本実施形態における撓み横断アーム４６および膨張補償部５０は双方とも同じ材料で製造されるが、異なる材料も使用でき、長さＬ１およびＬ２が熱膨張係数の差異を考慮して調整される。アームを二重張りする必要はないことに留意されたい。またまっすぐに接続しても機能する。このアームを二重張りすればストレス緩和特性が得られる。ビーム内のストレスはばね定数に影響する。所望のバネ定数、ならびにその他の幾何学条件及びプロセス条件（例えば、基板選択）によって、ストレスの緩和が必要であったり、不必要であったり、もしくは望まれる。

図５ａを参照すると、肘部４８は膨張補償部５０から撓み横断アーム４６に縦方向に延びる蛇行部５４を有する。図５ｂに示したように、この蛇行部５４は実質的に半径を調整するピボットのように撓み横断アーム４６と膨張補償部５０の間に角度αを与え、ビーム２０が動くことで撓み横断アーム対４６により該ビーム２０に加わる力を抑制するとともに、この機構の堅さを緩和する。

再度図２及び３を参照すると、撓み横断アーム対４６間で、ビーム２０は絶縁部３４ａ及び３４ｂに横付けするＴバー５６を設けて延びている。これらＴバー５６に取り付けられた絶縁材料５８は絶縁部３４を形成する。通常ビーム２０は、基板４２上に保持され、積層された上部導電層６０（例えば、選択的に上部アルミニウム層を有する多結晶シリコンまたは結晶シリコン）と二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの下部絶縁層６２とからなる構造体を生成するよう周知のＭＥＭＳ処理技術を用いて製造される。絶縁部３４は、選択エッチング技術を使用する技術分野において周知の技術によって、領域３４ａ又は３４ｂ上の前記上部層をエッチングで除去して簡単に得られる。これら構造の製造に関する改良方法は、参照してここで援用する２０００年１２月１２日発行の米国特許第６，１５９，３８５号に記載されている。Ｔバー５６の端部及び角部はこれらの間の絶縁破壊電圧を増大するため丸められる。

上部導電層６０と下部絶縁層６２の各々は、当該技術分野で周知の技術により、通常、この層６０及び６２を下の基板４２に取り付ける犠牲層を取り除く為、層６０および６２の下にエッチング液を導入するように垂直方向に延びる溝６４により穴あけされる。

次に、再度図２を参照すると、アクチュエータ１２の一部分を構成するビーム２０の一部分３２ａは、横方向外側に延びる可動コンデンサプレート６６を有し、端子２２ａ及び２２ｂに相当するパイロン４４に取り付けられた対応する横方向内側に延びる固定コンデンサプレート６８と一部重なり合っている。可動コンデンサプレート６６とこれに対応する固定コンデンサプレート６８の各々は、ビーム２０のより広い縦移動の範囲に渡ってより均一な静電力を与えるように（簡単な平行プレートコンデンサとは対照的に）相互に係合する指部を有する。このように形成された静電モータは、端子２２ｂおよび端子２２ａが（端子２２ｃ＋２２ｄに接続された）ビーム２０の電圧より大きい正電圧に接続された状態で、コンデンサプレート６６と６８間の引き付け力により作動して、ビーム２０を作動方向に付勢する。このため、一方のプレートが作動方向に進むように、ビーム２０の両側とも固定コンデンサプレート６８は可動コンデンサプレート６６の後方に位置する。コンデンサプレート６６と６８は、ビーム２０を基板４２から引き離すのに使用されるのと同じエッチングによって基板４２上に片持ちに形成される。

端子３８ａ−３８ｄを形成するようにビームの一部分３２ｃの側面に配置するパイロン４４は、同様に、相異なる２つの対状態の可動及び固定コンデンサプレート６６及び６８を有する。上述のように、この部分は制御素子１４を構成しており、かかる制御素子としての２つの静電モータ、即ち、一方の静電モータ（端子３８ｃと端子３８ｄを使用する）は、一方の静電モータが作動方向２４に動作する際、可動コンデンサプレート６６が固定コンデンサプレート６８に追従してアクチュエータ１２と逆方向の力を生じるように形成され、他方の静電モータ（端子３８ａと端子３８ｄを使用する）は、一方の静電モータが作動方向２４に動作する際、可動コンデンサプレート６６が固定コンデンサプレート６８に先行してアクチュエータ１２と同じ方向の力を生じるように形成される。これら２つのアクチュエータは閉ループシステムを最も制御できる組合せで使用される。

さらに図２を参照すると、ビームの一部分３２ｂも可動コンデンサプレート６６と固定コンデンサプレート６８を支持している。但し、この場合、このコンデンサプレートは静電モータを構成するために設けるのではなく、替わりに、可動コンデンサプレート６６と固定コンデンサプレート６８間の容量変化がビーム２０の位置を示すよう機能するセンサー手段として設けている。この際、固定コンデンサプレート６６と可動コンデンサプレート６８の配置がビーム２０の両側で逆となっている。従って、一方が作動方向２４に動く際（端子２６ａと端子２６ｃ＋２６ｄで測定したとき）、可動コンデンサプレート６６はビームの第１の側（図２に示した上側）で固定コンデンサプレート６８に先行し、一方、ビーム２０の下側では逆の順序となる。従って、ビーム２０が作動方向２４に動くとき、上側の可動コンデンサプレート６６及び固定コンデンサプレート６８により形成される容量は増大し、一方、下側のプレートにより形成される容量は減少する。この上側の容量の値が下側の容量の値と交差する点が正確な零点を定め、好ましくはビーム２０が移動する中央に設定される。

当該技術分野において周知の容量を比較する技術がビーム２０の位置を評価するのに使用できる。これら容量を非常に正確に測定するための１つの回路は、ここで参照することで援用する２０００年９月２９日提出の同時継続中の出願第０９／６７７，０３７号に記載されている。

一般に、ＭＥＭＳアナログアイソレータ１０の動作機構は、熱膨張をより良く補償するよう縦軸４０に沿ってビーム２０の中央を通る軸を中心に対称に形成される。また、コンデンサのプレートの動作面積、即ち、アクチュエータ１２及び制御素子１４のためのビーム２０の両側にあるプレート６６及び６８は、バランスをとるように均一に形成される。同様の理由から、静電モータや制御素子１４のコンデンサは、コンデンサプレート６６と６８間の不均一な力によって生じる僅かな捻れ量をより上手く制御するように撓み横断アーム対４６の間に配置される。

次に図６を参照すると、上述のアクチュエータ１２と制御素子１４を構成する静電モータの一方又は双方は、当然のことながら、コンデンサプレート間の静電引力ではなく磁界と電流の相互作用によって力が生じるローレンツ力モータ７５に置き換えることができる。このローレンツ力モータ７５では、磁界（例えば、図示しない永久磁石）がＭＥＭＳアナログアイソレータ１０の近傍で発生され、基板に垂直の磁束７０を発生する。ビーム２０の両側で撓み横断アーム４６を支えている膨張補償部５０は、互いに電気的に絶縁されており、電圧が膨張補償部５０に発生すると、撓み横断アーム４６を通る電流７２の流れが生じる。磁石によって発生させた磁界中のこの電流はビーム２０に静電モータの替わりとして作用する縦方向の力を与える。この力による変位量は一般に右手の法則に従って磁界７０の磁束密度、電流量、及び撓み横断アーム対４６の柔軟性によって決まる。

ローレンツ力モータ７５は作用方向２４と同一方向の力またはその反対方向の力を発生するため何れかの方向の電流を受け入れることを意味する２象限である。従って、ローレンツ力モータ７５（または上述の制御素子１４の双方向静電モータ）の場合、ＭＥＭＳアナログアイソレータ１０は、光アイソレータと異なり、２つの極性で動作する。

次に図７を参照すると、ビームの一部分３２ａに配置されたアクチュエータ１２がビーム２０の動作を検知する第２センサー７４と組み合わされている。このセンサー７４は、信号伝送の信頼性をより確実に確保するのに使用されるアナログ入力電気信号をビーム２０の動作に応じて生成するデバイスに絶縁したフィードバックを与えるのに用いられる。

その替わり又はそれに加えて、アクチュエータ１２と同じ動作方向を有するがセンサー１８から絶縁された部分３２ｂに配置されたアクチュエータ７６と、センサー１８を組み合わせることもできる。アクチュエータ７６をセンサー７４と組み合わせると、それらは協働して、ビーム２０の両端部から他方の端部へ分離信号を送る双方向アナログアイソレータを構成する。また、本実施形態の他の変形例では、制御素子を取り除き、替わりにアクチュエータ７６と１２を制御素子として、他のアクチュエータによって伝送が行われる間使用することが考えられる。このようなデバイスは一部の多値ループアナログシステムやスケールを調整するのに有用である。

アクチュエータ１２、制御素子１４及びセンサー１８の幾つかの素子が別個の構造体に組み合わされたより一層複雑な回路にすることも考えられるが、この場合の条件としては、それらが別個の構造体として設けられていようがいまいが、アクチュエータ、制御素子１４及びセンサー１８と機能的に同等の機能を確保することを考慮すべきである。さらに、制御素子１４、アクチュエータ１２及びセンサー１８の相対的位置を交換して、依然として分離した伝送信号を生成するようにしても良い。

次に図８を参照すると、デジタル語の出力１００は、当該技術分野で既知の型の容量比較回路１０２によってセンサー１８のコンデンサの容量を比較することで直接生じる誤差信号３１を使用してセンサー１８から得られる。これら容量の極めて正確な測定値を提供する一つの回路は、参照することで援用される２０００年９月２９日提出の係属中の出願第０９／６７７，０３７号に記載されている。そこで構成されているように、誤差信号３１（制御素子１４に接続されている場合）は、センサー１８のコンデンサの値が他のコンデンサの値より大きいという関係が変化する位置によって決まる零位置にビーム２０を戻すようにする。容量比較回路１０２の出力は、通常、ビーム２０が作動力と復帰力の影響を受けて零位置を挟んで前後に振れるときに生成されるデューティサイクル変調方形波１０４である。ビーム２０は慣性を平均化した誤差信号３１を与えるため、その誤差信号により与えられる平均力は作動力と釣り合っている。カウンタ１０６は誤差信号３１がハイ状態にある時間の割合を測定する。一実施形態では、誤差信号３１がハイレベルにある時間のあいだカウンタ１０６にカウントアップさせるため、容量比較回路１０２の出力が高速クロック信号と理論積をとられるようする。このカウンタは第２の時間間隔信号１１０によって一定時間毎にリセットされる。リセットする直前のカウンタ１０６の値は誤差信号３１のデューティサイクルに比例しており、従ってアクチュエータを作動する信号にも比例している。クロック信号１０８の周波数及び時間間隔信号１１０の周期は、当該技術分野において周知の方法によって、デジタル語の出力１００の所望の分解能に応じて選択できる。

再度図２を参照すると、基板の一部分に、例えば上述の容量検出回路を具現する複数のソリッドステートのデバイスを有する集積回路７３を備えるようにＭＥＭＳを製造することもできる。また複数のＭＥＭＳアナログアイソレータ１０を、必要な電流を供給するよう作られた適切な相互接続部を有する単一の集積回路に配置することもできる。一般に、本発明のＭＥＭＳアナログアイソレータ１０を使用すれば、産業用の制御装置のような任意の複雑さを持つ単一の集積回路が、複数のアイソレータを、互いに同時に製造された同一基板４２上に設けることができる。これらのＭＥＭＳアナログアイソレータは、デジタル語形式の入力を残りの集積回路に供給するか、あるいはオンボードのデジタル／アナログ変換器を介して集積回路７３からの分離したアナログ出力を供給することができる。

ＩＩ 第２の実施形態
次に図９を参照すると、本発明のＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０は移動可能なビーム２２０と機械的に相互に接続されたアクチュエータ２１２、バイアス機構２１４及びセンサー２１８を備えている。

アクチュエータ２１２は端子２２２ａ、２２２ｂ、及び２２２ｃ＋２２２ｄを有し、該端子を介して入力電気信号２２１が受信され機械的な力に変換されて矢印で示した作動方向２２４にビーム２２０を動かすよう促す。この微小スケールのＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０において、アクチュエータ２１２は、当該技術分野において周知の圧電モータ、熱膨張モータ、機械変位モータ、静電モータ、又はローレンツ力モータであり、後者の２つについて以下詳細に説明する。ローレンツ力モータ又は熱膨張モータの場合、入力電気信号２２１は電流であり、圧電モータ又は静電モータの場合、入力電気信号は電圧である。

アクチュエータ２１２はビーム２２０の第１端部に取り付けられている。ビーム２２０の反対側の端部はビーム２２０の変位を検知するセンサー２１８に取り付けられている。このセンサー２１８はビームの変位を検知し、端子２２６ａ、２２６ｂ、及び２２６ｃ＋２２６ｄを介して電気信号を発信する。この電気信号は処理エレクトロニクス２２８によって直接評価されるか、もしくはビーム２２０の変位を示す出力信号２３０を発信するため更に処理される。センサー２１８はＭＥＭＳ設計の技術分野において既知の技術である圧電型センサー、光電センサー、抵抗センサー、光学切替センサー、または容量センサーである。好ましい実施形態では、以下詳細に記載する可動平行プレートコンデンサをセンサー２１８に使用する。

アクチュエータ２１２とセンサー２１８の間のビーム２２０に取り付けられたバイアス機構２１４は、矢印２３５で示したように、作動方向２２４と逆でアクチュエータ２１２の動作に抗う力をビーム２２０に与える。

入力電気信号２２１がなければ、バイアス機構２１４はビームをセンサー２１８方向の所定位置に保持する。このバイアス機構２１４は、一定の力又は作動方向２２４にビーム２２０が動くのに伴って漸減する力を与えるのが理想的である。このように、作動力のために正確に規定された閾値が設けられる。バイアス機構２１４によって加えられる力より僅かに小さい力をビームに引き起こす入力電気信号２２１ではビーム２２０は動作しない。一実施形態では、バイアス機構２１４によって加えられる力を少しでも超える力を引き起こす入力電気信号２２１が、作動方向２２４にその限界までビームを迅速かつ完全に移動させる。また別の実施形態では、機械的又は電気的技術を用いてビーム２２０の動作にヒステリシスを有するがこれに限定されない線形又は非線型の動作を与えるものでも良い。このようにして、入力電気信号２２１に与えられた２値信号は、作動方向２２４の一方の極端又は他方の極端へのビーム２２０の動作に一義的に変換される。このＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０は摩擦力も慣性力も非常に小さいため、この動作は極めて明確かつ迅速である。

上述のように、バイアス機構２１４により加えられる力は、このバイアス機構への電流又は電圧を変化させることで調整できる。バイアス機構２１４の力が調整できる場合、そのバイアス力は、入力電気信号２２１により生成される力のうちの規定された高い値と低い値の中間の値となるように設定するのが望ましい。アクチュエータ２１２及びバイアス機構２１４を実現するのに使用される機構が実質的に同一であり、入力及びバイアスが電流である場合には、バイアス機構に加えられる電流は入力電気信号２２１の入力電流の要求範囲のほぼ半分に設定される。アクチュエータ２１２及びバイアス機構２１４を実現するのに使用される機構が実質的に同一であり、入力及びバイアスが電圧の場合には、バイアス機構に加えられる電圧は、その電圧の二乗が入力電気信号２２１の入力電圧の要求範囲の高値の二乗と低値の二乗の中間の値と等しくなるようにほぼ設定される。一般に、静電力がＶ^２に比例することに留意されたい。従って、例えば、Ｖ（低）＝０、Ｖ（高）＝１０の場合、その二乗は０及び１００なので、アクチュエータ２１２とバイアス機構２１４が同じ構成であれば、Ｖ（バイアス）は５０の平方根＝７．１とすべきである。

本発明は、作動方向２２４と逆方向の一定力を生じることはないが、作動方向にビーム２２０が変位するとともにバイアス機構２１４により加えられる力が漸増する、通常バネのような理想的なバイアス機構２１４とは言えない機構でも機能する。

更に別の実施形態では、バイアス力を撓みアーム対２４６にストレスを与えることによって発生させ、対抗力がそれに抗う力によって急激に低下するオーバーセンターバネの如く機能するようにすることができる（子供のクリッカーのように）。このように構成された撓みアーム対２４６にラッチ手段を設けることができる。それから、このバイアス機構はラッチ手段をリセットするのに使用することもできる。撓みアーム対２４６を湾曲状に構成することにより、バイアス容量モータを必要とせずにバイアスを加えることができる。

また、「スナップ動作」は非対称のバイアスコンデンサの指部（フィンガー）２６６及び２６８又は平行プレートにより得ることもできる。上述したように、平行プレートは力／変位（変位に対する力）が二乗特性を有している。同じ効果をコンデンサの指部により得ることができ、一方の指部が横方向に動くにつれて指部の縦方向の長さが累進的に変化することで実現できる。

ビーム２２０は、アクチュエータ２１２及びセンサー２１８にそれぞれ配置され、アクチュエータ２１２又はセンサー２１８の一部を構成することとなる導電部２３２ａ及び２３２ｂを有する。絶縁部２３４ａ及び２３４ｂは導電部２３２ａ及び２３２ｂをバイアス機構２１４の一部となる中央の導電部２３２ｃから分離している。即ち、この絶縁部２３４ａ及び２３４ｂは３つの絶縁領域２３６ａ−ｃの領域を定めている。第１領域２３６ａはアクチュエータ２１２及び導電部２３２ａを有し、第２領域２３６ｂは中央の導電部２３２ｃ及びバイアス機構２１４を有し、第３領域２３６ｃは導電部２３２ｂとセンサー２１８を有する。

絶縁ビーム２２０は、入力電気信号２２１がアクチュエータ２１２に作用し、入力電気信号２２１から電気的に絶縁された対応する出力信号２３０を生成する機構を備えている。バイアス機構２１４は入力信号及び／又は出力信号２３０から電気的に分離されている。

バイアス機構２１４は以下に述べる型の静電モータ又はローレンツ力モータであることが好ましい。これらの電子バイアス機構では、バイアス機構により加えられる対抗力を決める電圧又は電流を供給するため端子２３８ａ＋２３８ｂ及び２３８ｃ＋２３８ｄが設けられている。従って、デジタルアイソレータを非作動状態から作動状態に切り替える正確な閾値が特別な状況に併せて調整でき、これは光アイソレータにはないオプションである。

次に図１０を参照すると、ビーム２２０は基板上で縦軸に沿って延びており、この縦軸は、基板２４２に横方向に対向して取り付けられたパイロン２４４間の中心線に沿って進む。このパイロンは、上述の端子２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄ、２２６ａ、２２６ｂ、２２６ｃ、２２６ｄ、２３８ａ、２３８ｂ、２３８ｃ、２３８ｄを構成する。

理想的には、基板２４２は絶縁基板であり、複数のパイロン２４４は全て相互に分離され、特有の複数の導電層が必要な接続を行うため配置される。

ビーム２２０は、基板２４２から離間して支持され、ビーム両側の両端及びその中間で横方向に延びる撓みアーム対２４６により縦軸２４０に沿って移動するように保持されている。この撓みアーム２４６はビーム２２０から外側へ、ビーム２２０の両側でビーム２２０から横方向に離れた肘部２４８まで延びている。各肘部２４８は膨張補償部２５０に順次つながっており、この膨張補償部はビーム２２０に近い位置で基板２４２に取り付けられるように基板側へ戻っている。これらの膨張補償部２５０は必ず必要とされるものではないが、これらが必要な場合には、ストレス除去手段として機能する。通常、撓み横断アーム２４６は、これと接続された膨張補償部２５０と平行に設けられる。撓み横断アーム２４６、肘部２４８、及び膨張補償部は導電性であり、導電部２３２ａ、２３２ｂ、及び２３２ｃ並びに固定電気端子（図示せず）間を電気的に接続している。

図１２を参照すると、ビーム２２０の過剰移動を防止するように撓み横断アーム２４６と膨張補償部２５０又は他の定常構造体の間に停止部２６１を設け、他のアイソレーション手段により成されるのと同じように、デジタルアイソレータの出力を効果的に制限又は一定にするようにしても良い。

図１２を参照すると、各膨張補償部２５０の基板２４２との取り付け位置２５２と対応する撓み横断アーム２４６の肘部２４８における各膨張補償部２５０の接続部の間の膨張補償部２５０の長さＬ１、及びビーム２２０との撓み横断アーム２４６の接続部と肘部２４８間の距離で規定した撓み横断アーム２４６の長さＬ２はほぼ等しく設定され、撓み横断アーム２４６内の熱の影響により生ずる膨張は膨張補償部２５０の膨張によってほぼ若しくは完全に相殺される。このようにすることで、撓み横断アーム２４６には張力も圧縮もほとんど生じない。本実施形態の撓み横断アーム２４６及び膨張補償部２５０はいずれも同じ材料で製造されるが、当然異なる材料を使用することもでき、長さＬ１とＬ２を熱膨張係数の差異を反映するよう調整できる。

図１３ａを参照すると、肘部２４８は膨張補償部２５０からその撓み横断アーム２４６に縦方向に延びる蛇行部２５４を有する。図１３ｂに示したように、この蛇行部２５４は実質的に半径を調整するピボットのように撓み横断アーム２４６と熱膨張補償部２５０間に角度αを与え、ビーム２２０が動くことで撓み横断アーム対２４６によりビーム２２０に及ぼされる力を低減するとともに、この機構の堅さを緩和する。

再度図１０及び１１を参照すると、両撓み横断アーム対２４６の間で、ビーム２２０は絶縁部２３４ａ及び２３４ｂを側面配置したＴバー２５６を設け延びている。これらＴバー２５６に取り付けられた絶縁材料２５８は絶縁部２３４を形成する。通常ビーム２２０は、基板２４２上に保持され、積層された上部導電層２６０（例えば、選択的に上部アルミニウム層を有する多結晶シリコンまたは結晶シリコン）と二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの下部絶縁層２６２とからなる機構を生成するよう周知の集積回路処理技術を用いて製造される。絶縁部２３４は、選択エッチング技術を使用する技術分野において周知の技術によって、領域２３４ａ又は２３４ｂ上の前記上部層をエッチングで除去して簡単に得られる。これら機構を製造する改良方法は、参照してここで援用する１９９９年９月２８日提出の同時係属中の出願第０９／４０６，３６４号「電流検出方法」に記載されている。

上部導電層２６０と下部絶縁層２６２の各々は、当該技術分野で周知の技術により、通常、この層２６０及び２６２を基板２４２を下にして取り付ける犠牲層を取り除く為、層２６０および２６２の下にエッチング液を導入するように垂直方向に延びる溝２６４により穴あけされている。

次に、再度図１０を参照すると、アクチュエータ２１２の一部分を構成するビーム２２０の一部分３２ａは、横方向外側に延びる可動コンデンサプレート２６６を有し、端子２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ及び２２２ｄを示すパイロン２４４に取り付けられた対応する横方向内側に延びる固定コンデンサプレート２６８と一部重なり合っている。可動コンデンサプレート２６６とこれに対応する固定コンデンサプレート２６８の各々は、ビーム２２０のより広い縦移動の範囲に渡ってより均一な静電力を与えるように相互に係合する指部を有する。このコンデンサプレートは、相互に係合する指部に比べ直線性の低い簡単な平行プレートアームにすることもできる。このように形成された静電モータは、端子２２２ａ＋２２２ｂおよび端子２２２ｃ＋２２２ｄがビーム２２０の電圧より大きい正電圧に接続された状態で、コンデンサプレート２６６と２６８間の引き付け力により作動して、ビーム２２０を作動方向２２４に付勢する。このため、一方のプレートが作動方向に進むように、ビーム２２０の両側とも固定コンデンサプレート２６８は可動コンデンサプレート２６６の後方に位置している。コンデンサプレート２６６と２６８は、ビーム２２０を基板２４２から引き離すのに使用されるのと同じエッチングによって基板２４２上に片持ちに形成される。

端子２３８ａ、２３８ｂ、２３８ｃ及び２３８ｄを形成するようビームの一部２３２ｃの側面に位置するパイロン４４は、同様に、可動及び固定コンデンサプレート２６６及び２６８を備えている。上述のように、この部分はバイアス機構２１４を構成しており、かかるバイアス機構としての静電モータは、一方が作動方向２２４に動作する際、可動コンデンサプレート２６６が固定コンデンサプレート２６８に追従してアクチュエータ２１２と逆方向の力を生じるように形成される。

コンデンサプレート２６６と２６８の相互領域並びにビーム２２０の非作動位置でのそれらプレートの距離は、アクチュエータ２１２もバイアス機構２１４もほぼ同一であるため、バイアス機構の端子２３８ａ＋２３８ｂと２３８ｃ＋２３８ｄにかける電圧により、ＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０を作動させるために端子２２２ａ＋２２２ｂと２２２ｃ＋２２２ｄにかける入力電圧が越えなければならない閾値がほぼ決まる。

さらに図１０を参照すると、ビームの一部分２３２ｂも可動コンデンサプレート２６６と固定コンデンサプレート２６８を支持している。但し、この場合、このコンデンサプレートは静電モータを構成するために設けるのではなく、替わりに、可動コンデンサプレート２６６と固定コンデンサプレート２６８間の容量変化がビーム２２０の位置を示すよう機能するセンサー手段として設けている。この際、固定コンデンサプレート２６６と可動コンデンサプレート２６８の配置がビーム２２０の両側で逆となっている。故に、可動コンデンサプレート２６６はビームの第１の側（図１０に示した上側）で固定コンデンサプレート２６８の右側、作動方向２２４に対して下流側にあり、一方、ビーム２２０の下側では逆の順序となり可動コンデンサプレート２６６が固定コンデンサプレート２６８の左側にある。従って、ビーム２２０が作動方向２２４に動くとき、上側の可動コンデンサプレート２６６及び固定コンデンサプレート２６８により形成される容量は増大し、一方、下側のプレートにより形成される容量は減少する。この上側の容量の値が下側の容量の値と交差する点が正確な零点を定め、好ましくはビーム２０の移動行程の中央に設定される。

上述したように、双方のコンデンサが可変であることは必ずしも必要ではない。可変コンデンサと固定コンデンサを使用すれば、中央タップでの電圧に同じ質的効果を実現する代替実施形態を構成できる。双方のコンデンサが同じ方向に動作する場合には、図１０に示した３端子構造には適用できない。当業者であれば解るように、容量を測定する代替手段と別の端子構造を適用する必要がある。

当該技術分野において周知の容量を比較する技術がビーム２２０の位置を評価するのに使用できる。これら容量を極めて正確に測定するための１つの回路は、ここで参照することで援用する２０００年９月２９日提出の同時係属中の出願第０９／６７７，０３７号に記載されている。

一般に、ＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０の動作機構は、熱膨張をより良く補償するよう縦軸２４０に沿ってビーム２２０の中央を通る軸を中心に対称に構成される。加えて、アクチュエータ２１２及びバイアス機構２１４のためのビーム２２０の両側にあるコンデンサのプレート２６６及び２６８の動作面積は、バランスをとるように均一に形成される。同様の理由から、静電モータやバイアス機構２１４のコンデンサは、コンデンサプレート２６６と２６８間の不均一な力によって生じる僅かな捻れ量をより上手く制御するように両撓み横断アーム対２４６の間に配置される。

次に図１４を参照すると、上述のアクチュエータ２１２とバイアス機構２１４を構成する静電モータの一方又は双方は、当然のことながら、コンデンサプレート間の静電引力ではなく磁界と電流の相互作用によって力が生じるローレンツ力モータ２７５に置き換えても良い。このローレンツ力モータ２７５では、磁界（例えば、図示しない永久磁石）がＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０の近傍で発生され、基板に垂直の磁束２７０を発生する。ビーム２２０の両側で撓み横断アーム２４６を支えている膨張補償部２５０は、互いに電気的に絶縁されており、電圧が膨張補償部２５０に発生すると、撓み横断アーム２４６を通る電流２７２の流れが生じる。磁石によって発生させた磁界中のこの電流はビーム２２０に静電モータの替わりとして作用する縦方向の力を与える。この力による変位量は一般に右手の法則に従って磁界２７０の磁束密度、電流量、及び撓み横断アーム対２４６の柔軟性によって決まる。

次に図１５を参照すると、ビームの一部分２３２ａに配置されたアクチュエータ２１２がビーム２２０の動作を検知する第２センサー２７４と組み合わされており、このセンサー２７４は、信号伝送の信頼性をより確実に確保するのに使用される入力電気信号２２１をビーム２２０の動作に応じて生成するデバイスに絶縁したフィードバックを与えるのに用いられる。

替わりに又はそれに加えて、アクチュエータ２１２と同じ動作方向を有するがこのアクチュエータ２１２から絶縁された部分２３２ｂに配置されたアクチュエータ２７６と、センサー２１８を組み合わせることもできる。アクチュエータ２７６をセンサー２７４と組み合わせると、それらは協働して、ビーム２２０の両端部から他方の端部へ分離信号を送る双方向デジタルアイソレータを構成する。また、本実施形態の他の変形例では、バイアス機構２１４を取り除き、替わりにアクチュエータ２７６と２１２をバイアス機構として、他のアクチュエータによって伝送が行われる間使用することが考えられる。このようなデバイスは３ステート入力ライン又は双方向入力ラインで有用である。

アクチュエータ２１２、バイアス機構２１４及びセンサー２１８の幾つかの素子が別個の構造体に組み合わされたより一層複雑な回路にすることも考えられるが、この場合の条件としては、それらが別個の構造体として設けられていようがいまいが、アクチュエータ、バイアス機構２１４及びセンサー２１８と機能的に同等の機能を確保することを考慮すべきである。さらに、バイアス機構２１４、アクチュエータ２１２及びセンサー２１８の相対的位置を交換して、依然として分離した伝送信号を生成するようにしても良い。

再度図１０を参照すると、基板２４２の一部分に、例えば上述の容量検出回路を具現する複数のソリッドステートのデバイスを有する集積回路２７３を備えるようにＭＥＭＳを製造することもできる。また複数のＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０を、必要な電流を供給するよう作られた適切な相互接続部を有する単一の集積回路に配置することもできる。一般に、本発明のＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０を使用すれば、産業用の制御装置のような任意の複雑さを持つ単一の集積回路が、複数のアイソレータを、互いに同時に製造された同一基板２４２上に設けることができる。これらのＭＥＭＳデジタルアイソレータ２１０は、入力又は出力を残りの集積回路に供給することができる。

センサー２１８、アクチュエータ２１２、およびバイアス構造体２１４が特有の用途の需要により決定されるようなビーム２２０上のどのような相対位置にも配置可能である。一例として、入力信号はビーム２２０の中央に配置されたアクチュエータ２１２により受信される。一般的に、対称性は必要でない。

ＩＩＩ 第３の実施形態
次に図１６を参照すると、本発明のＭＥＭＳ装置３１０は３対の横断アーム３１４、３１６及び３１８に支持された縦方向のビーム３１２を備えており、横断アーム３１４は縦方向の左側端部のビーム３１２の両側から延び、横断アーム３１６は縦方向の中央部のビーム３１２の両側から延び、横断アーム３１８は縦方向の右側端部のビーム３１２の両側から延びている。このビーム３１２は撓み横断アーム３１４、３１６及び３１８によって支持されているため、縦軸３２０に沿って自由に動作する。

このビーム機構は、ビーム３１２に沿って設けられ、絶縁部３２８及び３３０により分離可能なアクチュエータ３２２、センサー３２４、及びバイアス機構３２６を組み合わせて用いることで複数の有用なＭＥＭＳを供給できる。一般に、アクチュエータ３２２及びバイアス手段３２６はローレンツ力モータ、静電モータ、圧電モータ、熱膨張モータ、及び機械変位モータの何れかであり、センサー３２４は容量センサー、圧電センサー、光電センサー、抵抗センサー、光切替センサー又は誘導センサーの何れかである。

次に図１７を参照すると、電気アイソレータとして用いる図１６のビーム機構に従って構成されたＭＥＭＳ装置３１０は、絶縁部３２８及び３３０によって分離されたビーム導電部３１２ａ、３１２ｂ及び３１２ｃに分割されたビーム３１２を備えている。アクチュエータ３２２は磁場３２２の存在下で横断アーム３１４に沿って電流を流し、縦軸３２０に沿った力を生じるローレンツ力アクチュエータである。電流は端子３３４によって横断アーム３１４に供給される。

センサー３２４は、互いに噛み合ったコンデンサプレート３３６ａと３３６ｂを有するコンデンサバンク３３５により構成され、プレート３３６ａの間隔は縦方向右側へのビームの変位とともに増大し、プレート３３６ｂの間隔は縦方向右側への変位とともに減少する。端子３３８ａ、３３８ｂ及び３３８ｃを介してアクセス可能なプレート３３６ａと３３６ｂの容量を比較することで、プレート３３６ａと３３６ｂの容量が等しい理想的な零位置によりビーム３１２の位置測定ができる。縦横双方にビーム３１２を正確に配置することがコンデンサプレート３３６ａと３３６ｂの適切な動作のため望ましい。

最後に、バイアス手段３２６は、磁場３３２中で端子３４０により導入される横断アーム３１８を通って流れる電流により形成されるローレンツ力モータにより構成される。

ＭＥＭＳ装置３１０の構造は、通常、例えば、金属層、シリコン層、及び酸化層を有する３層程度備えている。図１７に示したビーム３１２並びに横断アーム３１４、３１６及び３１８の構造は全て、ビーム３１２から離間した横断アーム３１４、３１６及び３１８の端部とともに、端子３３４、３３８、及び３４０でのみ基板３４２に接続されたビーム３１２から自由に動くように基板３４２から切り離された３層を備えている。絶縁部３２８及び３３０は、金属とシリコンの上層３４４を取り除き、酸化層のブリッジ層のみ残すことで形成でき、もしくは、他の同様の方法により形成できる。

作動中、横断アーム３１４を流れる電流は、横断アーム３１８を流れる電流によって生じるバイアス力に対抗したビーム３１２の移動を引き起こす磁場３３２との相互作用によって作動力を生じる。この正味の効果はコンデンサバンク３３６ａ及び３３６ｂにより検出される。このようにして、アナログ若しくはデジタルアイソレータが形成でき、又は高感度の磁場測定デバイス若しくは電流測定デバイスのほか、その他多くのデバイスを形成できる。

次に図１８を参照すると、横断アーム３１４、３１６及び３１８の各々は、縦方向のリスト部材３４６を介して基板３４２に取り付けられている固定パイロン３４８に接続されている。この縦方向のリスト部材３４６によって、電気伝導により寸法の変動もしくは膨張が生じた場合に、横断アーム３１４、３１６及び３１８の末端を多少横に動かすことができる。

図２０を参照すると、リスト部材３４６によるこの横方向の動きは、（図２０では誇張した）横断アーム３１４、３１６及び３１８の曲げ又は歪みを低減し、ビーム３１２の共振周波数（又はバネ定数）又はビーム３１２を作動するのに必要な力を変化させてしまうような横断アーム３１４、３１６及び３１８のストレスにより堅くなるのを防止する。

リスト部３４６にかかるローレンツ力の影響を無効にするため、電流が流れる横断アーム３１４及び３１８の両リスト部３４６は、横断アーム対３１４及び３１８において、両方とも同じ方向に向けられる。さらに横断アーム３１４及び３１８のリスト部３４６は、ビーム３１２に生じる力を相殺するため横断アーム３１４及び３１８がどのように湾曲していようと逆方向に向くよう、双方とも外側に向けるか、双方とも内側に向けて反対方向に向けても良い。ビーム３１２の膨張特性を上手く選択することで、このバランスのとれた逆方向の曲げ力を確保する内側又は外側への湾曲を促すことができる。

その一方、ビーム３１２の中央部から延びる導電性の横断アーム３１６の両リスト部３４６は縦方向に逆に向ける。これによって横断アーム３１６は相対的に伸び、図２０に示したより複雑なＳ形状の湾曲となる。横断アーム３１６のこの相対的な伸びは、ビーム３１２に対し僅かな捻れを与えるが縦方向に正味の力を与えることはない。このようにして、（例えば、センサーのコンデンサプレートの中間距離間隔により示されるような）ビームの零位置は、ＭＥＭＳ装置３１０の種々の部品の不均一な収縮率又は膨張率により引き起こされる寸法歪みにかかわらず維持される。

次に図１９を参照すると、リスト部３４６は、ストレスが集中した箇所を取り除くように、滑らかにカーブした弓部３５２により横断アーム３１４、３１６又は３１８のいずれかに取り付けられる。

上述のリスト部材３４６は、製造プロセスにより生じる寸法変化も、ローレンツアクチュエータやバイアス手段に用いる電流により引き起こされる局所的な自己発熱により生じる寸法変化も調整できる。異なる周囲の動作条件により生じるこれらの寸法変化は、ビーム３１２近傍のパイロンに取り付けられ、ほぼ横断アーム３１４、３１６及び３１８の全長まで横方向外側に延びている（横断アーム３１４、３１６及び３１８の各々に用いられる一組の）図２１のアウトリガ３５４を用いることで低減できる。横断アーム３１４、３１６及び３１８は、横に延びるリスト部３４６によりアウトリガ３５４の外側の端部に取り付けられる。このアウトリガ３５４は、膨張を補償するようにリスト部３４６並びに横断アーム３１４、３１６及び３１８と同じ材料で構成されているのが理想的である。アウトリガ３５４を用いることによって、横断アーム３１４、３１６及び３１８の緩みを引き起こす横断アーム３１４、３１６及び３１８の材料の膨張はほぼ同等のアウトリガ３５４の膨張により補償され、また逆にアウトリガ３５４の膨張も横断アームの膨張により補償される。

次に図２１を参照すると、アウトリガ３５４はパイロン３４８にのみ取り付けられ、残りのリスト部３４６並びに横断アーム３１４、３１６及び３１８は基板３４２面に配置されるが基板上で自由に動く状態にされる。

図２２を参照すると、より堅さが少なくより均一な撓み特性を有する横断アーム３１４、３１６及び３１８とするため、「フリービーム」構造の如く、矢印３５６で示した横方向に動き易くするとともに矢印３５８で示した回転方向にも一層動き易くする蛇行部３５１を設けるようにリスト部３４６を改良しても良い。

図２３を参照すると、蛇行部３５１は、撓みをさらに与えるため横断アーム３１４、３１６及び３１８の先端部にまで広げても良いし、更にリスト３４６（図示せず）を設ける替わりに横断アーム３１４、３１６及び３１８の先端部に設けても良い。この蛇行部３５１は図に示したように凹凸状にしても良いし、あるいは応力集中を取り除くため滑らかな曲線としても良い。

再度図１７を参照すると、横断アーム３１６に特に適した別の実施形態において、リスト部３４６は、Ｓ形状の曲げを要することなく横断アーム３１６の膨張を中立状態に補償することができるよう、横断アーム３１６の先端からＴ構造まで縦に逆方向に広がる２つの対向したリスト部３４６ａ及び３４６ｂを設けても良い。

次に図２４を参照すると、製造プロセス中に起こる寸法変化を上手く解消するのは、ビームの中心位置に沿ってビーム３１２を通る縦軸３２０に沿って、並びに横断アーム３１４及び３１８に対してビーム３１２を横方向に２つの等しい部分に分断する横軸３６２に沿ってＭＥＭＳ装置３１０を正確に対称にすることで実現できる。これによって横断アーム３１４、３１６及び３１８の長さが等しくなり、これらのアームが収縮あるいは膨張することで生じる力をほぼ等しくさせ、ビーム３１２の中心線の位置を縦軸３２０に沿って維持する。一方、横断アーム３１４及び３１８の中間に横断アーム３１６を配置することにより、ビーム３１２の中心位置で測定された零位置は、横断アーム３１４及び３１８を引っ張り曲げるか又は外側に広げると言ったようにビーム３１２自体の長さが異なるとしても、基板に対してほぼ同じ位置のままとなる。

同様の理由から、アクチュエータ３２２及びバイアス手段３２６はビーム３１２の両側に対称的に配置され、センサー３２４は横断アーム３１４及び３１８とのビーム３１２の接続関係により決まるビーム３１２の中央部にできるだけ近い零位置を検出する。

次に図２５及び２６を参照すると、ビーム３１２の湾曲、例えば、横断アーム３１８（又はいずれかの横断アーム）を湾曲することは、ビーム３１２にバイアス力を加えるのに利用できる。この構造上、アクチュエータ３２２はビーム３１２の一方の端部に配置され、センサー３２４はビーム３１２の他方の端部に配置される。この湾曲はビーム３１２が左から右に移動する際に起こるスナップ動作を生じる。この例では右方向に横断アーム３１８が湾曲している結果、ビームの縦方向右側への移動に抗う力３６６は正（右側）であり、この力３６６はスナップ点３６８まで増加し、そこで横断アーム３１８の湾曲が点線の横断アーム３１８’で示した逆方向に湾曲するよう曲がって変形する。スナップ点３６８を過ぎると、これは替わって負（左側）への反転した力３６６となる。

次に、左から右への反対方向のビーム３１２の動作によって、第２スナップ点３７０までビームを左方向へ押し戻す次第に増大する負の力を生じ、この第２スナップ点で力が再度正の方向に戻り、妨害がなければ右方向にいっぱいまでビームが動く。この２つのスナップ点３６８及び３７０は特定の用途で望まれるある程度のヒステリシスを与え、メモリ素子を提供するのに有用な双安定ビーム３１２を実質的に形成する。この機械メモリ素子は加速度計、アイソレータ、電流センサー又は磁場センサーを含む他のデバイスと組み合わせることができる。

次に図２７及び図２８を参照すると、図２５の横断アーム３１８により形成された湾曲をいろいろなＭＥＭＳ材料の膨張係数の違いを利用することで引き起こし、横断アーム３１８をストレスがかかった状態にしている。ただし、例えば横断アーム３１８を湾曲形状にエッチングするなど、製造中に横断アーム３１８を湾曲した形状に形成することで、ストレスのかかっていない横断アーム３１８で湾曲をつくることもできる。この場合、力３７１は常に正方向の単一のバイアス力を与える単調増加領域３７２で利用でき、もしくは、座屈点３７４のあと力３７１が減少し、幾らか追加の距離を移動した後、結局増加状態に戻るが、図２５の双安定デバイスを形成するような負の力となる位置は存在しない座屈点３７４までの領域３７２の外側の領域で使用することができる。このようにして、双安定デバイスが形成できる。

次に図２９を参照すると、コンデンサプレート３７５が横方向に移動可能であり、コンデンサプレート３７６が固定されている相互配置されたコンデンサプレート３７５及び３７６を構成する場合、横断アーム３１６を意図的に湾曲することで、例えば、ビーム３１２と位置センサー３２４’間を連通する機械てこを与えることができる。コンデンサプレート３７５は、動かすと、即ち本態様ではビーム３１２により左側に動かすと、横断アーム３１６によって外側に押し出されるように、ビーム３１２から離間した横断アーム３１６の先端部に取り付けられている。この横方向の動作は、横断アーム３１６の縦方向の僅かな湾曲により、図３０に示したように三角形３８０と近似して制御される。横断アーム３１６によって、ビーム３１２の僅かな縦方向の動きΔｘがコンデンサプレート３７５に作用するより大きな又はより小さな横方向の動きΔｙに変換される。横断アーム３１６の個々の角度に応じて、このてこの作用でさらなる動作又はさらなる力を生じることができる。さらなる動作又は機械的な利点は、周知の三角法の原理によれば横断アーム３１６の縦方向の広がり量によって決定される。

別の実施形態では、位置センサー３２４’は横断アーム３１６のストレス、従ってその周波数特性やシステムの周波数特性を変化させる静電モータとして動作させることができ、横断アーム３１６を締め付けることでビーム３１２の動作の自然共鳴周波数が増大できる。更にまた別の実施形態では、このモータを、ビーム３１２をバイアス手段として動作するように、もしくはビーム３１２にかけるバイアス力の量を調整するように、横断アーム３１６の湾曲を調整するのに用いることもできる。

ＩＶ 第４実施例
図３１を参照すると、本発明にかかるＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０は、可動ビーム４２０によって機械的に相互接続されたアクチュエータ４１２、制御素子４１４及びセンサー１８を備えている。

アクチュエータ４１２は端子４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ＋４２２ｄを有し、該端子を介してアナログ入力電気信号４２１を受信して、矢印で示した作動方向４２４にビーム４２０を動かすよう機械力に変換する。微小スケールのＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０では、アクチュエータは当該技術分野で一般的に知られている圧電モータ、熱膨張モータ、機械変位モータ、静電モータ、またはローレンツ力モータであり、後者の２つを以下詳細に記載する。ローレンツ力モータや熱膨張モータでは、アナログ入力電気信号４２１は電流であり、圧電や静電モータでは、アナログ入力電気信号は電圧である。

アクチュエータ４１２はビーム４２０の第１端部に取り付けられ、ビーム４２０の反対側端部はセンサー４１８に取り付けられている。このセンサー４１８はビームの動きを検知し、その端子４２６ａ、４２６ｂ、及び４２６ｃ＋４２６ｄを介して電気信号を発生する。該電気信号は処理エレクトロニクス４２８によって直接評価され、もしくは更に処理され、ビーム４２０の動きを示す出力信号４３０が生成される。センサー４１８はＭＥＭＳ設計の技術分野において既知の技術である圧電型センサー、光電センサー、抵抗センサー、光学切替センサー、または容量センサーである。好ましい実施形態では、以下詳細に記載する可動平行プレートコンデンサがセンサー４１８に使用される。

アクチュエータ４１２とセンサー４１８の間のビーム４２０に取り付けられた制御素子４１４は、双方向矢印４３５で示したように、作動方向４２４と逆でアクチュエータ４１２の動作に抵抗する力、又はアクチュエータ４１２の動作を増大する作動方向４２４の力の双方をビーム４２０に与える。

アナログ入力電気信号４２１がなければ、制御素子４１４はビーム４２０をセンサー４１８方向のある位置に保持する。該制御素子４１４は作動方向４２４にビーム４２０が動くのに伴って増大する力を与えるのが理想的である。このように、作動力とビーム４２０の動きの簡単な関係が（例えば、簡単なバネ型システムを用いて）実現される。ＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０は摩擦力も慣性力も非常に小さいため、この動き又は力は一定で急激である。あるいは、制御素子４１４はどんな作動力に対してもビーム４２０の動きを拘束する急激に増大する力を（帰還システムで）与えるようにしても良い。ここでは、拘束力の大きさによって出力信号が決まる。

上述のように、制御素子４１４により加えられる力はこの制御素子への電流又は電圧を変化させることで調整でき、ビーム４２０の僅かな動作を除き本質的な動作を除去するため帰還モードで使用できる。センサー４１８が必要な帰還補償を与えるためにはビーム４２０を多少動かす必要があるが、この動作は、より顕著な動作で引き起こされるアクチュエータやＭＥＭＳアナログアイソレータ１０の機械部品の非線形性が取り除かれる程度に小さくされる。すなわちこの形態では、ビーム４２０の動作は処理エレクトロニクス４２８により検出され、位置信号が生成される。位置信号は基準信号４２９と比較され、誤差信号４３１を生成し、該誤差信号４３１は制御素子に送られ、ビーム４２０を零点に戻す復帰力を生じる。該誤差信号と制御素子４１４との接続は直接接続しても良いし、あるいは既知の帰還技術に係るシステムを補償する帰還ネットワーク４３３によって更に変更を加えても良い。帰還ネットワーク４３３は、静電モータが単一方向の力しか加えられないことから、センサー４１８方向に動かすために端子４５０で帰還する端子４３８ｃと端子４３８ｄに電圧を加えるか、あるいはアクチュエータ４１２方向へ動かすために端子４５０で帰還する端子４３８ａと端子４３８ｂに電圧を加えるように電圧を操作しても良い。

ビーム４２０は、アクチュエータ４１２又はセンサー４１８の一部を形成するようにアクチュエータ４１２とセンサー４１８のそれぞれに配置された導電部４３２ａと４３２ｂを有する。絶縁部４３４ａおよび４３４ｂは導電部４３２ａおよび４３２ｂを制御素子４１４の一部である中央の導電部４３２ｃから絶縁し、この絶縁部４３２ａおよび４３２ｂによって３つの分離領域４３６ａ−ｃが規定される。第１領域４３６ａはアクチュエータ４１２と導電部４３２ａを有し、第２領域４３６ｂは中央の導電部４３２ｃと制御素子４１４を有し、第３領域４３６ｃは導電部４３２ｂとセンサー４１８を有する。

この絶縁されたビーム４２０は、アナログ入力電気信号４２１がアクチュエータ４１２に作用することで、対応する出力信号４３０をこのアナログ入力電気信号４２１から電気的に分離されたセンサー４１８で生成する機構を備えている。制御素子４１４は入力信号及び／又は出力信号４３０から電気的に絶縁されている。

制御素子４１４は、以下に説明するタイプのローレンツ力モータまたは静電モータであることが好ましい。これら２つの制御素子の前者では、制御素子４１４により加えられる対抗力を決める双方向電流を供給するため端子４３８ａ、端子４３９ｂ、帰路４５０が設けられる。この電流の方向は力の方向を決める。後者の静電モータでは、端子４３８ａ、４３８ｂ、４３８ｃ、及び４３８ｄが設けられる。電圧は、端子対４３８ａと４３８ｂ（帰路４５０に対して）または端子対４３８ｃと４３８ｄ（帰路４５０に対して）のいずれかに印加され、力の方向が決まる。

図３２を参照すると、ビーム４２０は基板４４２に取り付けられた横方向に対向するパイロン４４４間の中心線を通る縦軸４４０に沿って基板４４２上に延びている。これらのパイロンは上述の端子４２２ａ、４４２ｂ、４３８ａ−４３８ｄ、４２６ａ、および４２６ｂを形成する。理想的には、基板４２２は絶縁基板であり、パイロン４４４が全て相互に絶縁され、必要な接続を形成するために、特有の導電層を設けるか、あるいはワイヤボンディングが使用される。

ビーム４２０は基板４４２から離間して支持され、ビーム４２０の両端の両側及びその中央において横方向に延びる撓み横断アーム対４４６により縦軸４４０に沿って動作するように保持されている。撓み横断アーム対４４６はビーム４２０の両側においてビーム４２０から横方向に離間した肘部４４８へビーム４２０から離れるように延びている。各肘部４４８は膨張補償部４５０と順次つながっており、ビーム４２０の近傍で基板４４２に取り付けられている。上述のように、これら膨張補償部５０は必ず必要とされるものではないが、これらが必要とされる場合には、ストレスを緩和するよう作用する。通常、撓み横断アーム４４６は膨張補償部４５０と平行であり、この膨張補償部４５０にアーム４４６が接続されている。撓み横断アーム４４６、肘部４４８及び膨張補償部は導電性であり、導電部４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃと固定電子端子（図示せず）間に電気的な接続を与える。

図３４を参照すると、基板４４２との取り付け箇所４５２から肘部４４８における対応する撓み横断アーム４４６との接続部までの各膨張補償部４５０の長さＬ１、およびビーム４２０との接続部と肘部４４８の間隔で決まる撓み横断アーム４４６の長さＬ２はほぼ等しく設けられ、撓み横断アーム４４６内の熱効果によって生じる膨張は、膨張補償部４５０の膨張によってほぼ又は完全に相殺される。このようにして撓み横断アーム４４６内には張力又は圧縮はほとんど生じない。本実施形態における撓み横断アーム４４６および膨張補償部４５０は双方とも同じ材料で製造されるが、異なる材料も使用でき、長さＬ１およびＬ２が熱膨張係数の差異を考慮して調整される。アームを二重張りする必要はないことに留意されたい。またまっすぐに接続しても機能する。このアームを二重張りすればストレス緩和特性が得られる。ビーム内のストレスはばね定数に影響する。所望のバネ定数、ならびにその他の幾何学条件及びプロセス条件（例えば、基板選択）によって、ストレスの緩和が必要であったり、不必要であったり、もしくは望まれる。

図３５ａを参照すると、肘部４４８は膨張補償部４５０から撓み横断アーム４４６に縦方向に延びる蛇行部４５４を有する。図３５ｂに示したように、この蛇行部４５４は実質的に半径を調整するピボットのように撓み横断アーム４４６と膨張補償部４５０の間に角度αを与え、ビーム４２０が動くことで撓み横断アーム対４４６により該ビーム４２０に加わる力を抑制するとともに、この機構の堅さを緩和する。

再度図３２および図３３を参照すると、撓み横断アーム対４４６間で、ビーム４２０は絶縁部４３４ａ及び４３４ｂに横付けするＴバー４５６を設けて延びている。これらＴバー４５６に取り付けられた絶縁材料４５８は絶縁部４３４を形成する。通常ビーム４２０は、基板４４２上に保持され、積層された上部導電層４６０（例えば、選択的に上部アルミニウム層を有する多結晶シリコンまたは結晶シリコン）と二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの下部絶縁層４６２とからなる構造体を生成するよう周知のＭＥＭＳ処理技術を用いて製造される。絶縁部４３４は、選択エッチング技術を使用する技術分野において周知の技術によって、領域４３４ａ又は４３４ｂ上の前記上部層をエッチングで除去して簡単に得られる。これら構造の製造に関する改良方法は、参照してここで援用する２０００年１２月１２日発行の米国特許第６，１５９，３８５号に記載されている。Ｔバー４５６の端部及び角部はこれらの間の絶縁破壊電圧を増大するため丸められる。

上部導電層４６０と下部絶縁層４６２の各々は、当該技術分野で周知の技術により、通常、この層４６０及び４６２を下の基板４４２に取り付ける犠牲層を取り除く為、層４６０および４６２の下にエッチング液を導入するように垂直方向に延びる溝４６４により穴あけされる。

再度図３２を参照すると、アクチュエータ４１２の一部分を構成するビーム４２０の一部分４３２ａは、横方向外側に延びる可動コンデンサプレート４６６を有し、端子４２２ａ及び４２２ｂに相当するパイロン４４４に取り付けられた対応する横方向内側に延びる固定コンデンサプレート４６８と一部重なり合っている。可動コンデンサプレート４６６とこれに対応する固定コンデンサプレート４６８の各々は、ビーム４２０のより広い縦移動の範囲に渡ってより均一な静電力を与えるように（簡単な平行プレートコンデンサとは対照的に）相互に係合する指部を有する。このように形成された静電モータは、端子４２２ｂおよび端子４２２ａが（端子４２２ｃ＋４２２ｄに接続された）ビーム４２０の電圧より大きい正電圧に接続された状態で、コンデンサプレート４６６と４６８間の引き付け力により作動して、ビーム４２０を作動方向に付勢する。このため、一方のプレートが作動方向に進むように、ビーム４２０の両側とも固定コンデンサプレート４６８は可動コンデンサプレート４６６の後方に位置する。コンデンサプレート４６６と４６８は、ビーム４２０を基板４４２から引き離すのに使用されるのと同じエッチングによって基板４４２上に片持ちに形成される。

端子４３８ａ−４３８ｄを形成するようにビームの一部分４３２ｃの側面に配置するパイロン４４４は、同様に、相異なる２つの対状態の可動及び固定コンデンサプレート４６６及び４６８を有する。上述のように、この部分は制御素子４１４を構成しており、かかる制御素子としての２つの静電モータ、即ち、一方の静電モータ（端子４３８ｃと端子４３８ｄを使用する）は、一方の静電モータが作動方向４２４に動作する際、可動コンデンサプレート４６６が固定コンデンサプレート４６８に追従してアクチュエータ４１２と逆方向の力を生じるように形成され、他方の静電モータ（端子４３８ａと端子４３８ｄを使用する）は、一方の静電モータが作動方向４２４に動作する際、可動コンデンサプレート４６６が固定コンデンサプレート４６８に先行してアクチュエータ４１２と同じ方向の力を生じるように形成される。これら２つのアクチュエータは閉ループシステムを最も制御できる組合せで使用される。

図３２を参照すると、ビームの一部分４３２ｂも可動コンデンサプレート４６６と固定コンデンサプレート４６８を支持している。但し、この場合、このコンデンサプレートは静電モータを構成するために設けるのではなく、替わりに、可動コンデンサプレート４６６と固定コンデンサプレート４６８間の容量変化がビーム４２０の位置を示すよう機能するセンサー手段として設けている。この際、固定コンデンサプレート４６６と可動コンデンサプレート４６８の配置がビーム４２０の両側で逆となっている。従って、一方が作動方向２４に動く際（端子４２６ａと端子４２６ｃ＋４２６ｄで測定したとき）、可動コンデンサプレート４６６はビームの第１の側（図２に示した上側）で固定コンデンサプレート４６８に先行し、一方、ビーム４２０の下側では逆の順序となる。従って、ビーム４２０が作動方向２４に動くとき、上側の可動コンデンサプレート４６６及び固定コンデンサプレート４６８により形成される容量は増大し、一方、下側のプレートにより形成される容量は減少する。この上側の容量の値が下側の容量の値と交差する点が正確な零点を定め、好ましくはビーム４２０が移動する中央に設定される。

当該技術分野において周知の容量を比較する技術がビーム４２０の位置を評価するのに使用できる。これら容量を非常に正確に測定するための１つの回路は、ここで参照することで援用する２０００年９月２９日提出の同時継続中の出願第０９／６７７，０３７号に記載されている。

一般に、ＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０の動作機構は、熱膨張をより良く補償するよう縦軸４４０に沿ってビーム４２０の中央を通る軸を中心に対称に形成される。また、コンデンサのプレートの動作面積、即ち、アクチュエータ４１２及び制御素子４１４のためのビーム４２０の両側にあるプレート４６６及び４６８は、バランスをとるように均一に形成される。同様の理由から、静電モータのコンデンサや制御素子４１４は、コンデンサプレート４６６と４６８間の不均一な力によって生じる僅かな捻れ量をより上手く制御するように撓み横断アーム対４４６の間に配置される。

図３６を参照すると、上述のアクチュエータ４１２と制御素子４１４を構成する静電モータの一方又は双方は、当然のことながら、コンデンサプレート間の静電引力ではなく磁界と電流の相互作用によって力が生じるローレンツ力モータ４７５に置き換えることができる。このローレンツ力モータ４７５では、磁界（例えば、図示しない永久磁石）がＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０の近傍で発生され、基板に垂直の磁束４７０を発生する。ビーム４２０の両側で撓み横断アーム４４６を支えている膨張補償部４５０は、互いに電気的に絶縁されており、電圧が膨張補償部４５０に発生すると、撓み横断アーム４４６を通る電流４７２の流れが生じる。磁石によって発生させた磁界中のこの電流はビーム４２０に静電モータの替わりとして作用する縦方向の力を与える。この力による変位量は一般に右手の法則に従って磁界４７０の磁束密度、電流量、及び撓み横断アーム対４４６の柔軟性によって決まる。

ローレンツ力モータ４７５は作動方向４２４と同一方向の力又はその反対方向の力を発生するため何れかの方向の電流を受け入れることを意味する２象限である。従って、ローレンツ力モータ４７５（又は上述の制御素子４１４の双方向静電モータ）の場合、ＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０は、光アイソレータと異なり、２つの極性で動作する。

図３７を参照すると、ビームの一部分４３２ａに配置されたアクチュエータ４１２をビームの動作を検知する第２センサー４７４と組み合わせている。このセンサー４７４は、信号伝送の信頼性をより確実に確保するのに使用されるアナログ入力電気信号をビーム４２０の動作に応じて生成するデバイスに絶縁したフィードバックを与えるのに用いられる。

代替的に又は追加的に、アクチュエータ４１２と同じ動作方向を有するが、センサー４１８から絶縁された部分４３２ｂに配置されたアクチュエータ４７６とセンサー４１８を組み合わせることもできる。アクチュエータ４７６をセンサー４７４と組み合わせると、それらは協働して、ビーム４２０の両端部から他方の端部へ分離信号を送る双方向アナログアイソレータを構成する。また、本実施形態の他の変形例では、制御素子を取り除き、替わりにアクチュエータ４７６と４１２を、制御素子として機能する他のアクチュエータによって伝送が行われる間使用することが考えられる。このようなデバイスは一部の多値ループアナログシステムやスケールを調整するのに有用である。

アクチュエータ４１２、制御素子４１４及びセンサー４１８の幾つかの素子が別個の構造体に組み合わされたより一層複雑な回路にすることも考えられるが、この場合の条件としては、それらが別個の構造体として設けられていようがいまいが、アクチュエータ、制御素子４１４及びセンサー４１８と機能的に同等の機能を確保することを考慮すべきである。さらに、制御素子４１４、アクチュエータ４１２及びセンサー４１８の相対的位置を交換して、依然として分離した伝送信号を生成するようにしても良い。

図３８を参照すると、デジタル語の出力５００は、当該技術分野で既知の型の容量比較回路５０２によってセンサー４１８のコンデンサの容量を比較することで直接生じる誤差信号４３１を使用してセンサー４１８から得られる。これら容量の極めて正確な測定値を提供する一つの回路は、上述の係属中の出願第０９／６７７，０３７号に記載されている。そこで構成されているように、誤差信号４３１（制御素子４１４に接続されている場合）は、センサー４１８のコンデンサの値が他のコンデンサの値より大きいという関係が変化する位置によって決まる零位置にビーム４２０を戻すようにする。容量比較回路５０２の出力は、通常、ビーム４２０が作動力と復帰力の影響を受けて零位置を挟んで前後に振れるときに生成されるデューティサイクル変調方形波５０４である。ビーム４２０は慣性を平均化した誤差信号４３１を与えるため、その誤差信号により与えられる平均力は作動力と釣り合っている。カウンタ５０６は誤差信号４３１がハイ状態にある時間の割合を測定する。一実施形態では、誤差信号４３１がハイレベルにある時間のあいだカウンタ５０６にカウントアップさせるため、容量比較回路５０２の出力が高速クロック信号と理論積をとられるようする。このカウンタは第２の時間間隔信号５１０によって一定時間毎にリセットされる。リセットする直前のカウンタ５０６の値は誤差信号４３１のデューティサイクルに比例しており、従ってアクチュエータを作動する信号にも比例している。クロック信号５０８の周波数及び時間間隔信号５１０の周期は、当該技術分野において周知の方法によって、デジタル語の出力５００の所望の分解能に応じて選択できる。

再度図３２を再度参照すると、基板の一部分に、例えば上述の容量検出回路を具現する複数のソリッドステートのデバイスを有する集積回路４７３を備えるようにＭＥＭＳを製造することもできる。また複数のＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０を、必要な電流を供給するよう作られた適切な相互接続部を有する単一の集積回路に配置することもできる。一般に、本発明のＭＥＭＳアナログアイソレータ４１０を使用すれば、産業用の制御装置のような任意の複雑さを持つ単一の集積回路が、複数のアイソレータを、互いに同時に製造された同一基板４４２上に設けることができる。これらのＭＥＭＳアナログアイソレータは、デジタルワード形式の入力を残りの集積回路に供給するか、あるいはオンボードのデジタル／アナログ変換器を介して集積回路４７３からの分離したアナログ出力を供給することができる。

図３９を参照すると、アナログアイソレータ４１０は第２アナログアイソレータ４１０’の近くに、第２アナログアイソレータ４１０’の軸４４０’がアナログアイソレータ４１０の軸４４０と平行になるように物理的に近接して製造される。このようにすることで、軸４４０と軸４４０’に沿った矢印５２０で示す基板の加速力は、軸４４０や４４０’から離間した回転部材が設けられている場合であっても、アイソレータ４１０と４１０’双方で実質的に同一である。慣性力の方向は装置の軸に沿っている必要はないことに留意されたい。理想的な装置では、該慣性力は軸に沿った力成分だけであり、該成分だけが信号に寄与する。非理想的な装置では、軸方向でない力が検出する動作をも引き起こす。しかしながら、どちらの場合も、２つの装置が同一であり、且つシステムが線形であれば、この慣性効果は両方の装置にとって同じなので、この効果を取り除くことができる。

アナログアイソレータ４１０’はアナログアイソレータ４１０とほぼ同一であるように製造され、アナログアイソレータ４１０についての上記の記述と同じように動作するアクチュエータ４１２’、制御素子４１４’、センサー４１８’、および処理エレクトロニクス４２８’を有する。アナログアイソレータ４１０’は入力信号４２１を受信しないことが、唯一の例外的な構成である。従って、アナログアイソレータ４１０’のビーム４２０’の動きは基板４４２の加速によってのみ生じる。

作動中、測定されるパラメータを表す入力信号４２１はビーム４２０を第２位置（例えば、図３９の左側）の方向に促す。ビーム４２０は基板４４２上の慣性力５２０、例えば、ビーム４２０と４２０’を第１位置（例えば、右側）に促すよう作用する左方向への基板４４２の加速などに影響される。

制御素子がビーム４２０と４２０’を零位置に保持するように作用する上述の帰還構成において、アナログアイソレータ４１０の出力信号４３０は（ｐ＋ｍ_１ａ）にほぼ比例する。

ここで、ｐは測定されたパラメータにより与えられるビーム４２０に対する力であり、ｍ_１はビーム４２０とビームが支える素子の質量であり、ａは基板４４２の加速度である（ａは正または負である）。ばね定数の値はここでの閉ループにおいてまたは後ほど論ぜられる開ループにおいて付加的効果を及ぼすものではない。力を電気信号に変位させるのに関連するこの比例定数は乗法で作用する。ばね定数が一定である限り、相対値が常に適切となるよう、正確な値に比例する値で動作するのが望ましい。

一方、アナログアイソレータ４１０’の出力信号４３０’はほぼ（ｍ_２ａ）に比例する。

ここで、アナログアイソレータ４１０と４１０’は同一構成であるため、ｍ_１＝ｍ_２である。

出力信号４３０’を出力信号４３０から減算することにより慣性ノイズ（ｍａ）の無い（ｐ）の測定値が得られる。この減算は演算増幅器回路、デジタル加算器などの通常の加算接合部５２２により実施される。

上述のように、アナログアイソレータ４１０は、制御構造４１４を使用して単にばねを設けることで、フィードバック無しに実施できる。この場合、アナログアイソレータ４１０の出力信号４３０はほぼ（ｐ＋ｍ_１ａ）に比例する。

もしばね定数が非定数になるほど変位が大きいと（すなわち変位がもはや一次関数の力でなくなると）、システムの基本的な線形性が崩れ、慣性力を相殺（減算）する能力は損なわれる。閉ループシステムの重要な利点は、変位が小さく維持され、この線形性の条件を妨害しないことである。このため、潜在的に線形でないばね関数を持つシステムは開ループより閉ループで処理する方がよい。

この場合、アナログアイソレータ４１０’の出力信号４３０’がほぼ（ｍ_２ａ）に比例する。

このように、出力信号４３０’を出力信号４３０から減算することで、慣性ノイズ（ｍａ）のない（ｐ）の測定値を得られる。ここでも、減算は演算増幅器回路、デジタル加算機などの従来の加算接合部５２２により実施される。

アナログアイソレータ４１０’においてビーム４２０’を動かすために機能的なアクチュエータ４１２’は必要ではないが、少なくともビーム４２０’に取り付けられたアクチュエータの成分は、アナログアイソレータ４１０’においてビーム４２０’の質量や他の物理特性およびその動きを修正するように且つできるだけビーム４２０のそれとほぼ同一になるように組み込まれる。例えば、入力信号４２１に接続されなくても、静電アクチュエータを支持するビームは全てビーム４２０に取り付けられる。本質的に完全なアクチュエータを設けることを必要とする質量以外にも影響するものがあることに留意されたい。例えば、互いに組み合った指部間の小さい間隙は動作を減衰させるので、指部の全体構造は無動力デバイス状態で同じ減衰効果を生じるようにしなければならない。しかしながら、大きな影響なく省ける機能もある。

基板上の他のアイソレータと他の類似の装置から慣性ノイズを相殺するために慣性信号を基板全体に与えることで、信号４３０’を、基板４４２を共有する他のＭＥＭＳ装置（図示せず）に提供することもできる。

図４０を参照すると、改良された信号対ノイズ比は、インバータ５２６を介して入力信号４２１に接続されたアナログアイソレータ４１０’内の完全な機能を備えたアクチュエータ４１２’を使用して得ることができる。演算増幅器などのインバータは信号４２１に負の信号を効果的に乗算する。

この場合、帰還を使用するシステムのため、信号４３０はほぼ（ｐ＋ｍ_１ａ）に比例する。信号４３０’はほぼ（−ｐ＋ｍ_２ａ）に比例する。

信号４３０から信号４３０’を減算することで、慣性ノイズが完全に相殺されるとは考えられないが、より強い信号強度を与える２ｐが得られ、この事例から解るように精度の高い信号対ノイズ比が得られる。力のフィードバックを使用しないシステムに関する上記説明から、類似の出力５２４がそのような場合２ｐで得られることがわかる。

この場合、もしローレンツ力モータをアクチュエータ４１２および４１２’として使用すると、入力信号４２１はアクチュエータ４１２と反対方向にアクチュエータ４１２’を介して送られる。そうすることにより、入力信号４２１をビーム４２０と反対方向のビーム４２０’で作動させることができる。静電アクチュエータ構造の４１２および４１２’を使用する場合、これらは入力信号４２１に対して互いに反対方向に作用するように構成しなければならない。

この場合、信号４３０’は入力信号４２１に対して唯一であり、他のＭＥＭＳ装置間で共有されない。

図４１を参照すると、図３９のシステムは処理エレクトロニクス４２８が信号４１８’を基準信号として使用するように変更される。従って、信号４１８’は図３９に示される信号４２９に取って代わる。２つの装置は図３９での動作と同様に動作する。この場合、装置４１０は入力電気信号と慣性信号に感度を示し、装置４１０’は慣性信号のみに感度を示す。しかしながら、この実施において、入力電気信号からの慣性信号の減算は処理エレクトロニクス４２８内で処理され、加算機５２２は必要とされない。誤差信号４３１は入力電気信号の値のみに起因し、制御素子４１４に対してのみに入力される。

図４２を参照すると、図４１のシステムは、装置４１０に対する入力電気信号が反転され、装置４１０’に印加されるように変更される。処理エレクトロニクス４２８で行われる装置４１０と装置４１０’からの信号の減算は入力信号の２倍になる。両装置は入力電気信号を認識するので、誤差信号４３１も認識しなければならない。但し、この誤差信号は制御素子４１４’に入力される前にインバータ５２６’で反転される。

この技術はアナログアイソレータを構成するのに使用する場合に限られるものではなく、制御素子４１４が固定のバイアスを有するデジタルアイソレータ、またはデジタル・アイソレーションに適するビーム４２０の動作に明確な閾値を与えるため、バイアスに対抗してビーム４２０が変位するとともに僅かに減少するバイアスを有するデジタルアイソレータにも使用可能である。

さらに、測定されるパラメータは電気パラメータである必要がなく、微細レベルでビーム４２０の動きに変換される物理パラメータでも良い。例えば、パラメータはアクチュエータ４１２または４１２’が柔軟性のあるダイアフラム等に直接接続された状態での圧力でもよい。さらに、ビーム４２０は線形運動に設定する必要はなく、軸４４０周りを回転することもできる。その場合、第１位置および第２位置は反時計回りまたは完全な時計回りの回転点になる。この場合、慣性ノイズは回転加速のノイズである。

上述の技術は、慣性ノイズの効果を減少させるだけでなく、熱膨張、圧力、基板の機械的変形等により生じるノイズを含むどのようなコモンモードノイズも減少させるために応用できる。

本発明はここに含まれる実施例および例示のみに限定されるものではなく、実施例の一部や異なる実施例の素子の組合せを含む実施例の変形も、上記の特許請求の範囲内で含まれることが特に意図されている。

図１はアクチュエータの素子、制御素子、アクチュエータとセンサー間にデータを伝達するように動く単一の機械素子に沿って交信するセンサーを示し、且つ可動素子の絶縁部を示す本発明のアナログアイソレータの簡単なブロック図である。 図２は静電モータと容量センサーと、撓み横アームによりこれらの部品を接続する可動ビームの支持を示し且つビームの絶縁区画の実施を示す３つの静電モータと容量型センサーを使用している図１のアイソレータの一実施例の平面図である。 図３は導電／非導電積層の使用および絶縁区画を形成するため導電層の除去を示す図２のビームの絶縁区画の簡単な斜視図である。 図４はストレスを解放するように肘部のアームの任意の二重折り返しを示す図２の１つの横アームの部分図である。 図５ａおよび図５ｂは改善された力特性のためビームに取り付けられた横アームの一部の角度付けを可能にするばねの組込みを示す図４の肘部の部分詳細図である。 図６は図２の静電モータに代替え可能なローレンツ力モータを形成するように電流をアームに流せるアーム対の電気分離を示す図２の横アーム対を示す図である。 図７は双方向アイソレータまたは追加のセンサーのみで高信頼性のアイソレータを可能にするビームの対向端部に追加された第２センサーと第２アクチュエータを示す図１に類似した図である。 図８は図１のセンサーと本発明のアイソレータからデジタル語を抽出する付随処理エレクトロニクスの詳細図である。 図９はアクチュエータの素子、バイアス構造体、およびアクチュエータとセンサー間のデータを伝送するために移動する単一の機械素子に沿って通信するセンサーを示し、且つ可動素子の絶縁部を示す本発明のデジタルアイソレータの簡単なブロック図である。 図１０は２個の平衡静電モータと、撓み横アームによりこれらの部品を接続する可動ビームの支持を示し、且つビームの絶縁部の実施を示す容量センサーを使用する図９のアイソレータの一実施例を平面図である。 図１１は絶縁部を形成するために導電／非導電積層の使用および導電層の除去を示す図１０のビームの絶縁部の簡単な斜視図である。 図１２は熱変化により生じる膨張効果を減らすように肘部のアームの折り返しを示す図１０の１つの横アームの部分図である。 図１３ａおよび図１３ｂは改善された力特性のためビームに取り付けられた横アームの部分の角度付けを可能にするばねの組込みを示す図１２の肘部の部分詳細図である。 図１４は図１０の静電モータに代替え可能なローレンツ力モータを形成するため電流がアームに印加されるのを可能にするアーム対の電気的絶縁を示す図１０の横アーム対の図である。 図１５は双方向アイソレータまたは追加のセンサー自身で高信頼性アイソレータを可能にするビームの対向する端部の第２センサーと第２アクチュエータの追加を示す図９に類似した図である。 図１６はビームが３組の横方向に延びるビームに支持された本発明のビーム型ＭＥＭＳ装置の簡単なブロック図である。 図１７は、３個の静電モータ、ビームに取り付けられ、横アームを基板に取り付けているリスト素子を有する容量センサーを使用している、電気アイソレータとして使用される図１６のビーム型装置の詳細平面図である。 図１８は横アームの端部の横運動と平衡ローレンツ力を示す図１７の簡単なリスト素子の概略図である。 図１９はストレス集中を減らすため弧状の遷移部を示す図１８のリスト素子の部分斜視図である。 図２０は相殺力を発生させる外部アームの内方向撓みと捻れを発生させるが正味の縦方向の力を発生しない中央横アームのＳ状撓みを生じる外部横アームの過大な膨張を示す図１８に類似した図である。 図２１は横アーム内のストレスにより生ずる膨張を相殺するリスト部に対する膨張アウトリガの追加を示す図１９に類似した図である。 図２２は追加の横方向撓み性および自由ビーム構造を模擬する回転自由度を与えるリスト部と横アームの端部に対する蛇行部の追加を示す図である。 図２３は追加の横方向撓み性および自由ビーム構造を模擬する回転自由度を与えるリスト部と横アームの端部に対する蛇行部の追加を示す図である。 図２４は追加の力を相殺するために本発明に保存される主対称軸を示す図１６に類似する図である。 図２５はビームに双安定な偏倚を発生させるため膨張による撓みの利用を示す図１８に類似した図である。 図２６は図２５の撓んだ横アームの曲げにより生じるスナップ動作を示すビームの力対長手方向変位のプロットである。 図２７はビームの単安定の偏倚を与えるために横アーム対の組立ストレスのない撓みを示す図２５に類似した図である。 図２８は図２７の横アームの撓みにより与えられた単安定の撓みを示す図２６に類似した図である。 図２９はビームの長手方向の移動に対するセンサーの感度を増加させる機械てこ作用を与える撓み横アームを可動位置センサーに対する取付を示す図２７に類似した図である。 図３０は三角法近似に変換される図２９の撓んだビームにより与えられる機械的増幅を示す幾何学図である。 図３１はアクチュエータの素子、制御構造、およびアクチュエータとセンサー間にデータを伝達するように動く単一機械素子に沿って通信するセンサーを示し、可動素子の絶縁部を示す本発明のアナログアイソレータの簡単なブロック図である。 図３２は静電モータと、撓み横アームによりこれらの部品を接続する可動ビームの支持を示し且つビームの絶縁部の実施を示す容量センサーを使用する図３１のアイソレータの一実施例の平面図である。 図３３は導電／非導電積層の使用と絶縁区画を形成するための導電層の除去を可能にする図３２のビームの絶縁区画の簡単な斜視図である。 図３４はストレスを解放するように肘部のアームの折り返しを示す図３２の１つの横アームの部分詳細図である。 図３５ａおよび図３５ｂは改善された力特性のためにビームに取り付けられた横アームの部分の角度付けを可能にするばねの組込みを示す図３４の肘部の部分詳細図である。 図３６は図３２の静電モータと代替え可能なローレンツ力モータを形成するため電流がアームに印加されるのを可能にするアーム対の電気分離を示す図３２の横アーム対の図である。 図３７は双方向アイソレータまたは追加のセンサー自身で高信頼性アイソレータを可能にするビームの対向端部の第２センサーと第２アクチュエータの追加を示す図３１に類似した図である。 図３８は図３１のセンサーと本発明のアイソレータからのデジタル語を抽出するための付随の処理エレクトロニクスの詳細図である。 図３９は２個の並列素子からの信号の減算により機械素子の測定値で基板の加速効果を相殺する目的で２個のＭＥＭＳ装置の使用を示す図３１に類似した図である。 図４０は２個のＭＥＭＳ機械素子が反対方向に相互に反転された電気信号により駆動され、減算が測定された信号と減少する慣性ノイズを２倍にする変形実施例を示す図３９に類似した図である。 図４１は２個のＭＥＭＳ素子からの信号の最終減算が減少した電気回路で達成される図３９に類似した図である。 図４２は２個のＭＥＭＳ素子からの信号の最終減算が減少した電気回路で達成される図４０に類似する図である。

符号の説明

１０ ＭＥＭＳアナログアイソレータ
１２ アクチュエータ
１４ 制御素子
１８ センサー
２０ 可動ビーム
２１ アナログ電気入力信号
２２、２６、３８、５０ 端子
２４ 作用方向
２８ 処理エレクトロニクス
３０ 出力信号
３２ 導電部
３３ 帰還ネットワーク
３４ 絶縁部
３６ 分離領域
４２ 基板
４４ パイロン
４６ アーム
４８ 肘部
５０ 膨張補償器（手段）
５４ 蛇行部
５６ Ｔバー
６０ 導電層
６２ 絶縁層
６４ チャネル
６６ 可動容量プレート
６８ 固定容量プレート

Claims (50)

1. 基板に沿って縦方向に移動させるため撓み横アームで支持されている縦方向延長ビームを備え、前記ビームから除去されたアームの端部が前記基板と相対的な前記アームの端部の横の動きを可能にする撓み素子によって前記基板と接続されていることを特徴とするマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
2. 前記撓み素子がリスト素子を含むことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
3. 前記リスト素子が湾曲部を介して前記アームに結合されることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
4. 前記リスト素子が蛇行していることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
5. 前記ビームから除去された前記アームの端部が蛇行していることを特徴とする請求項４記載のマイクロ電気機械システム。
6. 前記ビームから除去された前記アームの端部が蛇行していることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
7. 前記ビームが前記ビームの反対側部上の前記ビームから延びる各横アーム対により縦方向の対向端部で支持され、前記横アームのための前記リスト素子が前記ビームの中央に向かい縦方向に延長することを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
8. 前記ビームが前記ビームの反対側部上の前記ビームから延びる各横アーム対により対向端部で支持され、前記横アームのための前記リスト素子が前記ビームの中央から離間する縦方向に延長することを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
9. 前記横アームとリスト素子が導体であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
10. 磁界を含むことを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
11. 前記ビームはこのビームの反対側のビームから延長している横アーム対によりその中央部で支持されており、前記横アームのための前記リスト素子は反対の縦方向に延びていることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
12. 前記ビームは前記ビームの反対側でビームから延びる各横アーム対により縦方向の反対側の端部で且つ中間点で支持されており、前記ビームの中間点で前記横アームのための前記リスト素子は反対の縦方向に延びていることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
13. 前記横アームは同一の長さであることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
14. 前記中間点での前記横アームの取付点が前記ビームの対向端部で横アームの取付点間の中央に配置されることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
15. 前記ビームの第１対向部はローレンツ力モータ、静電モータ、圧電モータ、熱膨張モータ、および機械変位モータから選択されることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
16. 前記中央アームは容量センサー、圧電センサー、光電センサー、抵抗センサー、光学切替センサー、および誘導センサーから選択されるセンサーを支持することを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
17. 前記ビームから除去された前記横アームの端部が前記ビームの近傍の箇所でのみ前記基板に取り付けられた横膨張素子の自由端に接続されていることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
18. 前記ビームは前記ビームの反対側でビームから延びている横アームの各対により縦方向の対向端部で支持されており、前記ビームは横アームの各対を等しく反対の撓み状態で配置するために仕上げられることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
19. 少なくとも１対の撓み横アームは力が急激に減少するスナップ点まで第１方向にビームの縦方向の動きに増大する抵抗力を与えるため湾曲状態で伸びることを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システム。
20. 前記基板に沿って縦方向に移動するため撓み横アーム上で支持されたビームを含み、前記ビームから除去されたアームの端部が前記ビームの近傍点のみで前記基板に取り付けられた横膨張素子の自由端に接続されていることを特徴とするマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
21. 基板に沿って縦方向に移動する撓みアーム上に支持されている縦方向延長ビームを備え、前記ビームがこのビームの反対側で前記ビームから延びる横アームの各対により縦方向の対向端部で支持され、前記ビームは前記横アームの各対を等しく反対の撓み状態で配置するために仕上げられることを特徴とするマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
22. 前記横アーム各対が前記ビームの中央部に対して凹状に湾曲されることを特徴とする請求項２１記載のマイクロ電気機械システム。
23. 前記横アーム各対が前記ビームの中央部に対して凸状に湾曲されることを特徴とする請求項２１記載のマイクロ電気機械システム。
24. 前記横アームは同一の長さを有することを特徴とする請求項２１記載のマイクロ電気機械システム。
25. 中間点の前記横アームの取付点が前記ビームの対向端部で横アームの取付点間の中央に配置されることを特徴とする請求項２１記載のマイクロ電気機械システム。
26. 前記ビームの第１対向部はローレンツ力モータ、静電モータ、圧電モータ、熱膨張モータ、および機械変位モータから選択されることを特徴とする請求項２１記載のマイクロ電気機械システム。
27. 前記センサーアームは容量センサー、圧電センサー、光電センサー、抵抗センサー、光学切替センサー、および誘導センサーから選択されることを特徴とする請求項２１記載のマイクロ電気機械システム。
28. 力が急激に減少するスナップ点まで第１方向に前記ビームの縦運動に増加傾向に抵抗する力を与えるため湾曲状に延びている前記基板に沿って縦方向に移動させるため少なくとも１対の撓み横アーム上に支持されたビームを含むことを特徴とするマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
29. 前記力が前記スナップ点後に方向を変えることを特徴とする請求項２８記載のマイクロ電気機械システム。
30. 前記スナップ点後、前記湾曲は力が急激に減少する第２スナップ点まで第１方向と逆の第２方向のビームの縦運動に増加的に抵抗することを特徴とする請求項２９記載のマイクロ電気機械システム。
31. 前記第２スナップ点が前記第１スナップ点と異なることを特徴とする請求項２８記載のマイクロ電気機械システム。
32. 前記力が前記スナップ点後に同一方向を維持することを特徴とする請求項２８記載のマイクロ電気機械システム。
33. 少なくとも１対の撓み横アーム上の基板に沿って縦方向移動のために支持されて、第１のアームは縦方向に延びるように角度付けされ、前記ビームから離間した横アームの端部は前記ビームが縦方向に動く場合横方向に動く縦方向延長ビームと；
    前記アームの離間端部を受ける横方向の動きを検出するセンサーと；
    を備え、前記ビームの縦運動は前記センサーにより検出のため増幅されることを特徴とするマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
34. 前記センサーは容量センサー、光電センサー、抵抗センサー、圧電センサー、および誘導センサーから選択されることを特徴とする請求項３３記載のマイクロ電気機械システム。
35. 基板と；
    前記基板に関連する軸に対して第１位置と第２位置間の移動のため前記基板から支持された第１素子と；
    測定されるパラメータに依存し前記素子を前記第２位置に向かって促す力を与えるため前記第１素子に取り付けられた第１アクチュエータと；
    前記基板に関連する軸に対して第１位置と第２位置間の移動のため前記基板から支持された第２素子と；
    前記第１および第２素子を動かすために作用する共通モードのノイズからの影響を減少させた出力を与えるように、前記第１素子と前記第２素子の動きを検出するためおよび前記第１および第２素子の動きの測定値を減算する出力を与えるため前記第１素子および前記第２素子と交信するセンサーアセンブリと；
    を備えることを特徴とする減少したノイズ感度を有するマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
36. 前記第２素子に取り付けられるが、測定されるパラメータに依存する力を与えないように、測定されるパラメータと交信しない第２アクチュエータをさらに備えたことを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
37. 測定されるパラメータに依存する力を与え、前記第１位置の方向に前記素子に促す、前記第２素子に取り付けられた第２アクチュエータをさらに備えたことを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
38. 前記パラメータが電気信号であり、前記第１および第２アクチュエータがパラメータに関連した入力電気信号を受信し、入力電気信号に依存する力を与えることを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
39. 入力電気信号を受信し、前記第１アクチュエータのための第１入力電気信号と前記第２アクチュエータのための第２入力電気信号を発生し、前記第１入力電気信号が前記第２電気信号に対して反転する入力回路をさらに備えたことを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
40. 前記第２素子が測定されるべきパラメータに依存する力を与えるアクチュエータに接続されず、前記センサーアセンブリは出力を与えるため前記第２素子の検出位置を前記第１素子の検出位置から減算することを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
41. 前記センサーアセンブリは出力を与えるため反転パラメータと基板の加速効果を示す前記第２素子の検出位置を非反転パラメータと基板の加速効果を示す前記第１素子の検出位置から減算することを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
42. 前記第１および第２アクチュエータは静電モータと、ローレンツ力モータ、圧電モータ、熱膨張モータ、および機械変位モータから選択されることを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
43. 前記センサーアセンブリは容量センサー、圧電センサー、光電センサー、抵抗センサー、および光学切替センサーから選択されることを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
44. 前記第１および第２素子は基板の近傍の表面に平行な軸に沿って滑動のための基板に取り付けられたビームであることを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
45. 前記第１および第２アクチュエータは前記第１および第２ビームに対して反対方向に接続されていることを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
46. 前記センサーアセンブリは前記第１および第２ビームの対応するコンデンサのための反対の容量変化を与えるように前記第１および第２ビームに取り付けられたコンデンサを含むことを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
47. 前記ビームが縦軸に沿って前記基板に対して動き、さらに前記基板に対してビームを支持するため外方向に延びるためビームの縦方向の対向端部で撓み横アーム対を含むことを特徴とする請求項４２記載のＭＥＭＳ装置。
48. 前記第１位置に向けて前記第１素子の変位に依存する力を与えるため前記第１素子に取り付けられた第１制御素子と；
    前記第１位置に向けて前記第１素子の変位に依存する力を与えるため前記第２素子に取り付けられた第２制御素子と；
    をさらに含むことを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
49. 前記第１位置に向けて前記第１素子に所定のほぼ一定の力を与えるため前記第１素子に取り付けられた第１制御素子と；
    前記第１位置に向けて前記第１素子のほぼ一定の力を与えるため前記第２素子に取り付けられた第２制御素子と；
    をさらに含むことを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。
50. 前記第１アクチュエータと前記センサーアセンブリ間の前記第１素子の少なくとも一部は前記センサーアセンブリから前記第１アクチュエータを電気的に分離するため電気アイソレータであることを特徴とする請求項３５記載のＭＥＭＳ装置。

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