JP2009271052A - キャパシタンス変調によるｍｅｍｓジャイロスコープのパラメトリック増幅 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタンス変調によるＭＥＭＳジャイロスコープのパラメトリック増幅を提供する。
【解決手段】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサは、プルーフマスコームフィンガ４０８をもつプルーフマス４２６、プルーフマスコームフィンガから間隙４１０だけ離隔された感知電極コームフィンガ４０４をもつ感知電極、時間的に変化する電気出力を出力するように動作可能な電気出力を含む。プルーフマスコームフィンガは、プルーフマスコームフィンガ端部部分４２２とプルーフマスコームフィンガ端部部分をプルーフマスに結合するプルーフマスコームフィンガ取付け部分とを含み、前記間隙はプルーフマスコームフィンガと感知電極コームフィンガとの間の可変容量結合を確定し、感知電極コームフィンガは、感知電極コームフィンガ端部部分４１８と、感知電極コームフィンガ端部部分をアンカー４１６に結合する感知電極コームフィンガ取付け部分４２０を含む。
【選択図】図４

Description

優先権主張
内容がその全体を参照により本明細書に組み込まれる、２００７年１２月１２日に出願され、「Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＭＥＭＳ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｂｙ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」という名称の同時係属米国特許仮出願第６１／０１３０４１号の優先権を本特許出願は主張するものである。

政府の権利
本発明は、米国陸軍によって授与された契約番号Ｗ１５Ｐ７Ｔ−０５−Ｃ−Ｐ６００９および／またはＷ１５Ｐ７Ｔ−０７−Ｃ−Ｐ６０９の下で米国政府の支援によりなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープセンサは、可撓性サスペンションによって、互いにおよび１つまたは複数の基板に接続された１つまたは複数の移動可能なプルーフマスからなる。一般に、プルーフマスおよびサスペンションは多量にドープされたシリコンをエッチングすることによって製作され、そのシリコンは１つまたは複数の上部および／または下部のガラスまたはシリコンの基板に接合される。

プルーフマスは、「モータ」モードの共振周波数で静電気的に駆動される。センサが回転を受けるとき、モータモード運動の速度によりプルーフマスはモータ速度および回転軸に垂直なコリオリの力を受ける。コリオリの力によって生成されたプルーフマス運動は感知電極によって容量的に感知され、電気出力信号を生成する。

様々なＭＥＭＳジャイロスコープでは、モータモードは、基板と平行で２つのプルーフマスの中心を接続する線に沿って等しいが反対の速度で移動する２つのプルーフマスからなる。モータモード共振周波数は１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲とすることができる。ＭＥＭＳジャイロスコープセンサは、基板と平行または垂直のいずれかの回転を感知するように設計することができる。コリオリの力はシリコン機構の「感知」共振モードを駆動し、シリコン機構は、回転軸が基板に垂直であるかまたは平行であるかに応じて基板に平行または垂直に反対の方向に移動する２つのプルーフマスからなる。基板に平行な軸の周りの回転を感知するように設計されたセンサは面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）と呼ばれ、基板に垂直な軸の周りの回転を感知するように設計されたセンサはｚ軸ジャイロスコープまたは面外ジャイロスコープ（ＯＰＧ）と呼ばれる。

ＭＥＭＳジャイロスコープでは、感知モードの共振周波数は、一般にモータモードの共振周波数の５％から１０％低く、したがって、コリオリの力は感知モードオフ共振を駆動する。他のＭＥＭＳジャイロスコープは倍率を最大にするためにモータ共振周波数にできるだけ近い感知共振周波数で作動することがある。しかし、そのようなセンサの帯域幅は非常に制限され、それらは安定性の問題を有することがある。

他のＭＥＭＳジャイロスコープは、前述の２つのプルーフマスの構成と全く異なることがある。しかし、それらは全てその共振周波数で駆動されるモータモードを有し、それらは全て回転の間コリオリの力を受け、コリオリの力が感知アノードを駆動し、感知アノードの運動が容量的に検出される。

ＭＥＭＳジャイロスコープ中のセンサ出力信号はモータ共振周波数のＡＣ信号である。一般的なＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリの力によって生成される出力信号と位相が９０度ずれている「直角位相」と呼ばれる大きい出力誤差信号を有する。位相敏感検出は、非常に大きい直角位相信号の存在下でコリオリ速度信号を検出できるようにする。しかし、エレクトロニクスおよびセンサにおける位相シフトにより、直角位相信号がコリオリ位相信号に誤差を生成することがある。

感知電極に印加されたＡＣ電圧からなるポンプ信号を使用するＭＥＭＳジャイロスコープのパラメトリック増幅が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第６７１５３５３号（Ｂｕｒｇｅｓｓ Ｒ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、２００４年４月６日に発行）に以前に記載されている。ＡＣポンプ電圧は、センサの機械利得（入力された力からセンサ機構変位までの伝達関数）ならびにセンサの電気利得（センサ機構変位から出力電気信号までの伝達関数）を増加させることができる。さらに、センサの機械利得および電気利得は位相依存になり、その結果、コリオリ速度信号は増幅され得るが、好ましくない直角位相信号は減衰される。

Ｏｒｏｐｅｚａ−Ｒａｍｏｓ等は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、ＭＥＭＳジャイロスコープの駆動モードの特性を変更するためにパラメトリック共振を使用すること（「Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ＭＥＭ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ（ＭＥＭＳジャイロスコープにおけるパラメトリック共振増幅器）」、Ｌ．Ａ．Ｏｒｏｐｅｚａ−ＲａｍｏｓおよびＫ．Ｌ．Ｔｕｒｎｅｒ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００５ ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、６６０〜６６３頁、２００５年１０月３１日〜１１月３日、カリフォルニア州、アーバイン）を説明した。
米国特許仮出願第６１／０１３０４１号 米国特許第６７１５３５３号 「Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ＭＥＭ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ」、Ｌ．Ａ．Ｏｒｏｐｅｚａ−Ｒａｍｏｓ ａｎｄ Ｋ．Ｌ．Ｔｕｒｎｅｒ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００５ ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、６６０〜６６３頁、２００５年１０月３１日〜１１月３日、カリフォルニア州、アーバイン

米国特許第６７１５３５３号で説明されているように、パラメトリック増幅を行うためにＡＣポンプ電圧を使用することに関する問題は、ポンプ電圧の位相がセンサ機構の駆動運動の位相と正確に同期しなければならないということである。これが行われない場合、パラメトリック増幅は、センサ上で、入力された力の位相に対してセンサ出力信号の位相シフトを生成する。その結果、センサ機構の比較的大きい直角位相力がコリオリ速度位相のセンサ出力を生成し、その結果、大きいゼロ速度バイアス誤差をもたらすことがある。

本発明の好ましい実施形態および代替の実施形態が、以下の図を参照しながら詳細に以下で説明される。
図１は例示的な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）キャパシタンス変調デバイス１００を示す。ＭＥＭＳキャパシタンス変調デバイス１００の例示的実施形態は、第１の振動マス１０２、第２の振動マス１０４、１つまたは複数の左のモータ１０６、中央上部モータピックオフ１０８、中央下部モータピックオフ１０９、１つまたは複数の右のモータ１１０、左のコーム構造１１２、第１の中央コーム構造１１４、第２の中央コーム構造１１６、右のコーム構造１１８、左の感知電極１２０、右の感知電極１２２、および１つまたは複数のアンカーポイント１２６に結合された出力電極１２４を有する。

左のモータ１０６は、左のコーム構造１１２を介して第１の振動マス１０２に容量的に結合される。右のモータ１１０は、右のコーム構造１１８を介して第２の振動マス１０４に容量的に結合される。中央モータピックオフ１０８、１０９は、第１の中央コーム構造１１４を介して第１の振動マス１０２に容量的に結合される。中央モータピックオフ１０８、１０９は、第２の中央コーム構造１１６を介して第２の振動マス１０４に容量的に結合される。左のモータ１０６および右のモータ１１０は、以下でモータ周波数と呼ばれる既知の周波数の振動運動を第１の振動マス１０２および第２の振動マス１０４に与えるための信号で駆動される。中央モータピックオフ１０８、１０９はＤＣ電圧でバイアスされ、その結果、ｘ軸に沿ったプルーフマスの運動がＡＣ電流を生成し、そのＡＣ電流はモータコームに加えられた信号を制御するエレクトロニクスに入力される。

感知電極１２０、１２２は、複数のコームフィンガ対１２８によって、それぞれ第１および第２の振動マス１０２、１０４に容量的に結合される。各コームフィンガ対１２８は、振動マスに取り付けられた一方のコームフィンガおよび感知電極に取り付けられた別のコームフィンガを有する。感知電極１２０、１２２はアンカー１３０に結合される。例示的実施形態では、コームフィンガ対１２８は予め定義された距離だけ他のコームフィンガ対から離隔される。さらに、感知電極１２０、１２２のいくつかの実施形態では、コームフィンガ対は、２つの対が図１に示されるモータ軸に関して鏡面対称を有するように各対が対応する対を有するように配置される。コーム構造の他の構成を、ＭＥＭＳキャパシタンス変調デバイス１００の代替の実施形態で使用することができる。

以下でより詳細に説明されるように、ＭＥＭＳキャパシタンス変調デバイス１００の実施形態は、コームフィンガ対１２８の構造で様々な構成を使用する。コームフィンガ対の構造は、コームフィンガ対１２８のキャパシタンスがモータ軸に沿った振動マスの変位と共に変化するのを可能にする。

ＭＥＭＳキャパシタンス変調デバイス１００の実施形態は、センサ機構のモータ運動の位相と正確に同期したポンプ力の位相でパラメトリック増幅を生成する。実施形態によっては、これは、モータ運動がモータ周波数の２倍で感知キャパシタンスの変調を生成するように感知電極１２０、１２２を設計することによって達成され、その結果、感知モードの静電力の変調によりモータ周波数の２倍のパラメトリックポンプ力がもたらされる。パラメトリックポンプ力の位相は、パラメトリックポンプ力がプルーフマスのモータ運動によって生成されるのでプルーフマスのモータ運動と正確に同期する。

時間およびｙ軸変位（例えば、感知モード変位）の関数であるキャパシタンスＣによって生成されるｙ軸に沿った時間依存静電力Ｆ_ｙは、

の等式（１）によって与えられ、ここで、Ｖ_ｂｉａｓはキャパシタ電極の電圧であり、ｄＣ／ｄｙはＣのｙに関する微分である。Ｖ_ｂｉａｓがＤＣ電圧である場合、モータ周波数の２倍でｄＣ／ｄｙを変調すると、力Ｆ_ｙはモータ周波数の２倍で変調される。したがって、Ｆ_ｙ（ｔ）は、プルーフマスの機械的応答のパラメトリック増幅を、入力された力（例えばコリオリの力）に与えるポンプ力となることができる。あるいはまたはさらに、Ｆ_ｙ（ｔ）は、応答の抑制を直角位相力に与えるポンプ力となることができる。増幅された機械的応答は、本発明のポンプ力が感知キャパシタンスの変調によって生成されることを除いて、米国特許第６７１５３５３号で説明された方法と類似の方法で生成される。米国特許第６７１５３５３号で説明されたポンプ力は感知キャパシタンスにＡＣ電圧を印加することによって生成され、その結果、ｄＣ／ｄｙが時間と無関係の状態でＶ_ｂｉａｓ ^２がモータ周波数の２倍で変調される。

図２は、従来の先行技術のＭＥＭＳジャイロスコープの一部である２対の感知コームフィンガを含み、各対の一方の部材が振動プルーフマス２０２に取り付けられているアセンブリ２００を示す。２つのコームフィンガ対の全キャパシタンスは、ｘ軸に沿った振動マス２０２の変位距離に依存しない。アセンブリ２００はプルーフマス２０２、左の感知電極コームフィンガ２０４、および右の感知電極コームフィンガ２０６を有する。左の感知電極コームフィンガ２０４および右の感知電極コームフィンガ２０６はそれぞれの感知電極２０８に取り付けられる。感知電極２０８は基板に取り付けられたアンカー（図示せず）に固定される。さらに、左の感知電極コームフィンガ２０４および右の感知電極コームフィンガ２０６はそれぞれプルーフマス２０２のコームフィンガ２１０、２１２に容量的に結合される。ｘ軸に沿ってプルーフマス２０２に誘起されたモータ運動は、感知電極コームフィンガ２０４、２０６とプルーフマス２０２のコームフィンガ２１０、２１２との間のキャパシタンスの変化を引き起こさない。

図３は先行技術のアセンブリ２００のモータ変位距離（δｘ）の関数としてキャパシタンスを示す。プルーフマスモータ運動はｘ軸に沿っている。モータ運動は、感知電極コームフィンガ２０４、２０６とコームフィンガ２１０、２１２との左のキャパシタンスおよび右のキャパシタンスについて等しいが反対の変化を生成する。したがって、全キャパシタンスはモータ運動と無関係である。

図４は、感知キャパシタンスの変調を行う感知コームフィンガ対１２８の例示的実施形態の２つの例を含むアセンブリ４００を示す。アセンブリ４００はＭＥＭＳジャイロスコープの一部とすることができる。アセンブリ４００はプルーフマス４０２、左の感知電極コームフィンガ４０４、および右の感知電極コームフィンガ４０６を有する。プルーフマス４０２は、対応する感知電極コームフィンガ４０４と間隙４１０で容量結合する左のプルーフマスコームフィンガ４０８を有する。プルーフマス４０２は、対応する感知電極コームフィンガ４０６と間隙４１４で容量結合する右のプルーフマスコームフィンガ４１２を有する。感知電極コームフィンガ４０４および４０６はそれぞれの感知電極４１６に取り付けられる。感知電極４１６は基板に取り付けられたアンカー（図示せず）に固定される。

感知電極コームフィンガ４０４、４０６は、端部部分４１８と、感知電極コームフィンガ４０４、４０６をそれぞれの感知電極４１６に固定する取付け部分４２０とによって画定される。プルーフマスコームフィンガ４０８、４１２は、端部部分４２２と、プルーフマスコームフィンガ４０８、４１２をプルーフマス本体４２６に固定する取付け部分４２４とによって画定される。

プルーフマスコームフィンガ４０８、４１２と感知電極コームフィンガ４０４、４０６との間の離間はそれぞれ間隙４１０、４１４を画定する。間隙４１０、４１４は、感知電極コームフィンガ４０４、４０６とプルーフマスコームフィンガ４０８、４１２との間の容量結合（キャパシタンス）を確定する。

図４では、コームフィンガ端部部分４１８はコームフィンガ取付け部分４２０の幅よりも大きい幅を有する。随意に、プルーフマスコームフィンガ４０８、４１２は、プルーフマス４０２の本体４２６に取り付けられた部分４２４よりも広い端部部分４２２を有する。（さらなる別の実施形態では、コームフィンガ部分４１８および４２０は同じ幅であるが、コームフィンガ端部部分４２２はコームフィンガ部分４２４よりも広い。）コームフィンガ部分４１８および４２０および／またはコームフィンガ部分４２２および４２４の幅の違いは、モータ運動がプルーフマス４０２に誘起されるとき間隙４１０、４１４の変化を引き起こす。例示的実施形態では、感知電極コームフィンガ４０４、４０６は、モータ周波数の２倍で変調されるキャパシタンスを有する。

図示のｘ軸に沿ってモータ変位距離（δｘ）をもたらす、プルーフマス４０２に誘起されたモータ運動は、間隙４１０、４１４が変化するとき感知電極４１６とプルーフマス４０２との間のキャパシタンスの検出可能な変化を引き起こす。前記キャパシタンスの図示のｙ軸に沿った変位に関する微分もモータ変位δｘと共に変化する。その結果、ＤＣバイアス電圧が感知電極４１６とプルーフマス４０２との間に印加されるとき、等式１により与えられる図示のｙ軸に沿った静電力がプルーフマスのｘ軸変位と共に変化する。キャパシタンスは、図５によれば、正および負のモータ変位距離（δｘ）と共に減少するように構成される。正のδｘでは、コームフィンガ４０６とコームフィンガ４１２との間の平均間隙離間はδｘ＝０に対して減少し、コームフィンガ４０４とコームフィンガ４０８との間の平均間隙離間は一定である。したがって、全キャパシタンスはδｘ＝０のときの値に対して減少する。アセンブリ４００の鏡面対称のために、δｘの負の値もキャパシタンスの減少を引き起こす。

図６は、感知キャパシタンスの変調を行う感知コームフィンガ対１２８の例示的実施形態の２つの例を含むアセンブリ６００を示す。アセンブリ６００はＭＥＭＳジャイロスコープの一部とすることができる。アセンブリ６００はプルーフマス６０２、左の感知電極コームフィンガ６０４、および右の感知電極コームフィンガ６０６を有する。プルーフマス６０２は、左の感知電極コームフィンガ６０４と間隙６１０で容量結合する左のコームフィンガ６０８を有する。プルーフマス６０２は、右の感知電極コームフィンガ６０６と間隙６１４で容量結合する右のコームフィンガ６１２を有する。感知電極コームフィンガ６０４および６０６はそれぞれの感知電極６１６に取り付けられる。感知電極６１６は基板に取り付けられたアンカー（図示せず）に固定される。

感知電極コームフィンガ６０４、６０６は、端部部分６１８と、感知電極コームフィンガ６０４、６０６をそれぞれの感知電極６１６に固定する取付け部分６２０とによって画定される。プルーフマスコームフィンガ６０８、６１２は、端部部分６２２と、プルーフマスコームフィンガ６０８、６１２をプルーフマス本体６２６に固定する取付け部分６２４とによって画定される。

プルーフマスコームフィンガ６０８、６１２と感知電極コームフィンガ６０４、６０６との間の離間はそれぞれ間隙６１０、６１４を画定する。間隙６１０、６１４は、感知電極コームフィンガ６０４、６０６とプルーフマスコームフィンガ６０８、６１２との間の容量結合（キャパシタンス）を確定する。

図６では、端部部分６１８の幅は部分６２０の幅よりも小さい。随意に、プルーフマスコームフィンガ６０８、６１２は、プルーフマス６０２の本体６２６に取り付けられた部分６２４の幅よりも小さい幅をもつ端部部分６２２を有する。（さらなる別の実施形態では、部分６１８および６２０は同じ幅であるが、端部部分６２２は部分６２４よりも小さい幅を有する。）部分６１８および６２０および／または部分６２２および６２４の幅の違いは、モータ運動がプルーフマス６０２に誘起されるとき間隙６１０、６１４のキャパシタンスの変化を引き起こす。例示的実施形態では、コームフィンガ６０４、６０６は、モータ周波数の２倍で変調されるキャパシタンスを有する。したがって、キャパシタンスはモータ変位と共に増加する。キャパシタンスは、図７にモータ変位の関数として示される。

図示のｘ軸に沿ってモータ変位距離（δｘ）をもたらす、プルーフマス６０２に誘起されたモータ運動は、間隙６１０、６１４が変化するとき感知電極６１６とプルーフマス６０２との間のキャパシタンスの検出可能な変化を引き起こす。前記キャパシタンスの図示のｙ軸に沿った変位に関する微分もモータ変位δｘと共に変化する。その結果、ＤＣバイアス電圧が感知電極６１６とプルーフマス６０２との間に印加されるとき、等式１により与えられる図示のｙ軸に沿った静電力がプルーフマスのｘ軸変位と共に変化する。キャパシタンスは、図７によれば、正および負のモータ変位距離（δｘ）と共に増加するように構成される。正のδｘでは、コームフィンガ６０６とコームフィンガ６１２との間の平均間隙離間はδｘ＝０に対して減少し、コームフィンガ６０４とコームフィンガ６０８との間の平均間隙離間は一定である。したがって、全キャパシタンスはδｘ＝０のときの値に対して増加する。アセンブリ６００の鏡面対称のために、δｘの負の値もキャパシタンスの増加を引き起こす。

図８は、感知キャパシタンスの変調を行う感知コームフィンガ対１２８の例示的実施形態の２つの例を含むアセンブリ８００を示す。アセンブリ８００はＭＥＭＳジャイロスコープの一部とすることができる。アセンブリ８００はプルーフマス８０２、左の感知電極コームフィンガ８０４、および右の感知電極コームフィンガ８０６を有する。プルーフマス８０２は、左の感知電極コームフィンガ８０４と間隙８１０で容量結合する左のコームフィンガ８０８を有する。プルーフマス８０２は、右の感知電極コームフィンガ８０６と間隙８１４で容量結合する右のコームフィンガ８１２を有する。感知電極コームフィンガ８０４および８０６はそれぞれの感知電極８１６に取り付けられる。感知電極８１６は基板に取り付けられたアンカー（図示せず）に固定される。

感知電極コームフィンガ８０４、８０６は、端部部分８１８と、感知電極コームフィンガ８０４、８０６をそれぞれの感知電極８１６に固定する取付け部分８２０とによって画定される。プルーフマスコームフィンガ８０８、８１２は、端部部分８２２と、プルーフマスコームフィンガ８０８、８１２をプルーフマス本体８２６に固定する取付け部分８２４とによって画定される。プルーフマスコームフィンガ８０８、８１２とコームフィンガ８０４、８０６との間の離間はそれぞれ間隙８１０、８１４を画定する。間隙８１０、８１４は、感知電極コームフィンガ８０４、８０６とプルーフマスコームフィンガ８０８、８１２との間の容量結合（キャパシタンス）を確定する。

図８では、感知電極コームフィンガ８０４、８０６は波形の端部部分８１８および非波形の取付け部分８２０を有する。随意に、プルーフマスコームフィンガ８０８、８１２は、波形をつけられた端部部分８２２および非波形の取付け部分８２４を有する。（さらなる別の実施形態では、端部部分８２２は波形をつけられているが、部分８１８は波形をつけられていない。）部分８１８および／または部分８２２の波形は、モータ運動がプルーフマス８０２に誘起されるときキャパシタンス間隙８１０、８１４の変化を引き起こす。例示的実施形態では、感知電極８１６はモータ周波数の２倍で変調されるキャパシタンスを有する。したがって、キャパシタンスはモータ変位と共に増加する。キャパシタンスは、図９にモータ変位の関数として示される。

図示の方向（ｘ軸）に沿ってモータ変位距離（δｘ）をもたらす、プルーフマス８０２に誘起されたモータ運動は、間隙８１０、８１４が変化するとき感知電極８１６とプルーフマス８０２との間のキャパシタンスの検出可能な変化を引き起こす。キャパシタンスの図示のｙ軸に沿った変位に関する微分もモータ変位δｘと共に変化する。その結果、ＤＣバイアス電圧が感知電極８１６とプルーフマス８０２との間に印加されるとき、等式１により与えられる図示のｙ軸に沿った静電力がプルーフマスのｘ軸変位と共に変化する。キャパシタンスは、図９によれば、正および負のモータ変位距離（δｘ）と共に増加するように構成される。正および負のδｘについて、間隙８１０、８１４の間隙離間の逆数の平均がδｘ＝０に対して増加する。したがって、全キャパシタンスはδｘ＝０のときの値に対して増加する。アセンブリ８００の鏡面対称のために、δｘの負の値はδｘの正の値と同じキャパシタンスの増加を生成する。

図１０は、感知キャパシタンスの変調を行う感知コームフィンガ対１２８の例示的実施形態の２つの例を含むアセンブリ１０００を示す。アセンブリ１０００はＭＥＭＳジャイロスコープの一部とすることができる。アセンブリ１０００はプルーフマス１００２、左の感知電極コームフィンガ１００４、および右の感知電極コームフィンガ１００６を有する。プルーフマス１００２は、左の感知電極コームフィンガ１００４と間隙１０１０で容量結合する左のコームフィンガ１００８を有する。プルーフマス１００２は、右の感知電極コームフィンガ１００６と間隙１０１４で容量結合する右のコームフィンガ１０１２を有する。感知電極コームフィンガ１００４および１００６はそれぞれの感知電極１０１６に取り付けられる。感知電極１０１６は基板に取り付けられたアンカー（図示せず）に固定される。

感知電極コームフィンガ１００４、１００６は、端部部分１０１８と、感知電極コームフィンガ１００４、１００６をそれぞれの感知電極１０１６に固定する取付け部分１０２０とによって画定される。プルーフマスコームフィンガ１００８、１０１２は、端部部分１０２２と、プルーフマスコームフィンガ１００８、１０１２をプルーフマス本体１０２６に固定する取付け部分１０２４とによって画定される。プルーフマスコームフィンガ１００８、１０１２とコームフィンガ１００４、１００６との間の離間はそれぞれ間隙１０１０、１０１４を画定する。間隙１０１０、１０１４は、感知電極コームフィンガ１００４、１００６とプルーフマスコームフィンガ１００８、１０１２との間の容量結合（キャパシタンス）を確定する。

図１０では、感知電極コームフィンガ１００４、１００６は波形の端部部分１０１８および非波形の取付け部分１０２０を有する。この実施形態では、コームフィンガ１００４の波形はコームフィンガ１００８の波形と対置し、コームフィンガ１００６の波形はコームフィンガ１０１２の波形と対置する。

部分１０１８および部分１０２２の波形は、モータ運動がプルーフマス１００２に誘起されるときキャパシタンス間隙１０１０、１０１４の変化を引き起こす。例示的実施形態では、感知電極１０１６は、モータ周波数の２倍で変調されるキャパシタンスを有する。したがって、キャパシタンスはモータ変位と共に減少する。キャパシタンスは、図１１にモータ変位の関数として示される。

図示の方向（ｘ軸）に沿ってモータ変位距離（δｘ）をもたらす、プルーフマス１００２に誘起されたモータ運動は、間隙１０１０、１０１４が変化するとき感知電極１０１６とプルーフマス１００２との間のキャパシタンスの検出可能な変化を引き起こす。前記キャパシタンスの図示のｙ軸に沿った変位に関する微分もモータ変位δｘと共に変化する。その結果、ＤＣバイアス電圧が感知電極１０１６とプルーフマス１００２との間に印加されるとき、等式１により与えられる図示のｙ軸に沿った静電力がプルーフマスのｘ軸変位と共に変化する。キャパシタンスは、図１１によれば、正および負のモータ変位距離（δｘ）と共に減少するように構成される。正および負のδｘについて、間隙１０１０、１０１４の間隙離間の逆数の平均がδｘ＝０に対して減少する。したがって、全キャパシタンスはδｘ＝０のときの値に対して減少する。アセンブリ１０００の鏡面対称のために、δｘの負の値はδｘの正の値と同じキャパシタンスの減少を生成する。

図１２は、感知キャパシタンスの変調を行う感知コームフィンガ対１２８の例示的実施形態の２つの例を含むアセンブリ１２００を示す。アセンブリ１２００はＭＥＭＳジャイロスコープの一部とすることができる。アセンブリ１２００はプルーフマス１２０２、左の感知電極コームフィンガ１２０４、および右の感知電極コームフィンガ１２０６を有する。プルーフマス１２０２は、左の感知電極コームフィンガ１２０４と間隙１２１０で容量結合する左のコームフィンガ１２０８を有する。プルーフマス１２０２は、右の感知電極コームフィンガ１２０６と間隙１２１４で容量結合する右のコームフィンガ１２１２を有する。感知電極コームフィンガ１２０４および１２０６はそれぞれの感知電極１２１６に取り付けられる。感知電極１２１６は基板に取り付けられたアンカー（図示せず）に固定される。

感知電極コームフィンガ１２０４、１２０６は、端部部分１２１８と、感知電極コームフィンガ１２０４、１２０６をそれぞれの感知電極１２１６に固定する取付け部分１２２０とによって画定される。プルーフマスコームフィンガ１２０８、１２１２は、端部部分１２２２と、プルーフマスコームフィンガ１２０８、１２１２をプルーフマス本体１２２６に固定する取付け部分１２２４とによって画定される。

プルーフマスコームフィンガ１２０８、１２１２と感知電極コームフィンガ１２０４、１２０６との間の離間はそれぞれ間隙１２１０、１２１４を画定する。間隙１２１０、１２１４は、感知電極コームフィンガ１２０４、１２０６とプルーフマスコームフィンガ１２０８、１２１２との間の容量結合（キャパシタンス）を確定する。

図１２は、感知電極コームフィンガ１２０４、１２０６のｘ軸運動がキャパシタンス間隙１２１０、１２１４の変調を行うことを示す。感知電極コームフィンガ１２０４、１２０６およびプルーフマスコームフィンガ１２０８、１２１２はｘ軸に対して浅い角度で傾けられ、その結果、ｘ軸に沿ったプルーフマス１２０２のモータ運動により、キャパシタンス間隙１２１０、１２１４が非線形的にプルーフマス１２０２の一方の側で増加し、他方の側で減少する。キャパシタンスは間隙に反比例するので、全キャパシタンスはｘ軸変位によって増加する。例示的実施形態では、間隙１２１０、１２１４へのキャパシタンスの非線形依存により、図１１に図示されるように、傾斜感知電極は、モータ変位へのキャパシタンスのほぼ放物線依存をもつキャパシタンス変調を行う。

図１３では、キャパシタンスが図１２のアセンブリについてモータ変位の関数として示される。キャパシタンスは図示のｘ軸に沿ったモータ変位距離（δｘ）の非線形の関数である。前記キャパシタンスの図示のｙ軸に沿った変位に関する微分もモータ変位δｘと共に変化する。その結果、ＤＣバイアス電圧が感知電極１２１６とプルーフマス１２０２との間に印加されるとき、等式１により与えられる図示のｙ軸に沿った静電力がプルーフマスのｘ軸変位と共に変化する。

アセンブリ１２００のプルーフマス１２０２のｘ軸変位の関数としての非線形キャパシタンスは、図４、６、および／または８に示されたアセンブリの電極よりも効果的なパラメトリック増幅を提供することができるが、それは、振動性のモータ変位の振幅が等しい場合、モータ周波数の２倍のキャパシタンス変調の周波数成分は、キャパシタンスがモータ変位の絶対値に比例するときよりもモータ変位のほぼ放物線関数であるときにより大きいからである。しかし、図１２に示された傾斜電極はコームフィンガが非常に長い場合、製作するのが非現実的および／または困難である場合があるので、図４、６、および／または８の構成が状況によっては好ましいことがある。

図４、６、８、１０、および／または１２に示されたコームフィンガ対１２８の組み合わされたコームフィンガによって生成されたキャパシタンスの変調は、ｙ軸に沿った変位に関するキャパシタンスの１次微分および２次微分の変調も生成する。これらの微分の変調は、様々な実施形態の対象であるパラメトリック増幅効果の源である。

感知キャパシタンスを変調すると、ＭＥＭＳジャイロセンサの機械利得（入力された力とプルーフマス変位の間の伝達関数）ならびに電気利得（プルーフマス変位と電気出力信号との間の伝達関数）が影響される。機械利得への効果が以下で説明される。

図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃは、例示的実施形態においてモータ周波数の２倍で変調することができる４つの感知キャパシタンスＣ_＋１（ｘ，ｙ_１）、Ｃ_−１（ｘ，ｙ_１）、Ｃ_＋２（ｘ，ｙ_２）、およびＣ_−２（ｘ，ｙ_２）をもつＭＥＭＳジャイロスコープ１４００の様々な実施形態を示す。見やすいように、図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃは変調に必要な詳細なキャパシタ形状を示していない。図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃは、ＭＥＭＳジャイロスコープ１４００に感知バイアス電圧を印加する３つの方法、および回転速度に比例する出力電圧を生成するために電荷増幅器を接続する対応する方法を示す。

図１４ａは、感知板上の２つの極性の感知バイアス電圧、および入力が感知板にＡＣ結合される片端接地電荷増幅器１４０２を示す。感知キャパシタンスはＤＣバイアス電圧Ｖ_＋（正）およびＶ₋（負）でバイアスされ、ＤＣバイアス電圧は実施形態によっては等しい大きさであるが反対の極性とすることができる。図１４ｂは、プルーフマス１４０４、１４０６上の単一極性の感知バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓ、および入力が感知板にＤＣ結合される差動電荷増幅器１４０８を示す。差動電荷増幅器１４０８は一般に入力が仮想接地の状態で維持されるように構成される。その結果、感知板上の電圧は仮想接地の状態で維持される。図１４ｃは、感知板上の２つの極性の感知バイアス電圧、および入力がプルーフマスにＤＣ結合される片端接地電荷増幅器１４１０を示す。感知キャパシタンスはＤＣバイアス電圧Ｖ_＋（正）およびＶ₋（負）でバイアスされ、ＤＣバイアス電圧は実施形態によっては等しい大きさであるが反対の極性とすることができる。

２つのプルーフマス１４０４、１４０６のｘ軸変位は、同じ大きさ（図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃにおいて「ｘ」と標識された）であるが反対方向を有する。モータ軸（ｘ軸）および感知軸（ｙ軸）に直交する軸の周りの回転は、感知軸に沿ったプルーフマスにコリオリの力を生成する。結果として生じるプルーフマス変位は４つの感知キャパシタンスを変化させ、図１４ａ、１４ｂ、または１４ｃに示された電荷増幅器への入力である時間的に変化する電荷ｑ_＋（ｔ）およびｑ₋（ｔ）を感知キャパシタンス上に生成する。

図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃに示されたセンサ／電荷増幅器結合型システムの出力は、コリオリの力によって生成された差動感知軸運動のみを感知できるように設計される。等式（２）は、この実施形態のための差動運動を記述し、

ここで、感知モード運動と呼ばれるプルーフマス１４０４、１４０６の感知軸差動運動ｙ_Ｓ（ｔ）は、

のような等式（３）によって定義される。ｙ_Ｓ（ｔ）の１次および２次の時間微分は、

および

であり、差動コリオリ位相および直角位相力は、

のような等式（４）によって定義され、ここで、ωはｘ軸に沿ったモータ運動の駆動周波数であり、Ψは位相因子である。駆動されたモータ運動の位相は、
（５） ｘ（ｔ）＝ｘ_０ｓｉｎ（ωｔ）
のような等式（５）によって定義される。

等式（２）の他の変数は以下のように定義される。
ｍは各プルーフマスの質量であり、
γは感知モードの減衰パラメータであり、
ω_ＳＭは感知モードの機械共振周波数（電圧が印加されないときの共振周波数）であり、
Ｖは、図１４ａおよび１４ｃの実施形態ではＶ_＋およびＶ₋の大きさ（大きさは同一であると仮定される）であり、図１４ｂの実施形態ではＶ_ｂｉａｓの大きさである。

等式（２）の右辺の第１項は、感知キャパシタンスによって生成された差動静電力である。変位ｙ_１（ｔ）およびｙ_２（ｔ）は一般に小さい。したがって、キャパシタンスをｙ_１（ｔ）およびｙ_２（ｔ）のテイラー級数に展開し、２次を超える項を無視するのが有用である。ｘ、ｙ_１およびｙ_２が０である場合、４つの感知キャパシタンスが全て同一であると仮定すると、等式（２）は以下のように

のような等式（６）になり、ここで、Ｃ”_＋１（ｘ，０）は、ｙ_１＝０で評価された、Ｃ_＋１（ｘ，ｙ_１）のｙ_１に関する２次微分である。
モータ運動は時間の関数としてＣ”_＋１（ｘ，０）を変調する。変調は、等式（７）によって定義されるように、モータ周波数ωの２倍の高調波からなるフーリエ級数として表すことができ、

であり、ここで、α_０”およびα_ｎ”は時間と無関係の係数である。ｘ軸に沿った感知キャパシタの反射対称（図４、６、８、１０、および１２に示されたように）により、ｓｉｎ（２ｎωｔ）の係数が感知キャパシタンスのフーリエ級数の中で０であることが必要とされるのみならずモータ周波数の奇数調波が０になる。

ｎ＝１より高い等式（７）中の項は、ｙ_Ｓ（ｔ）に有意な効果がなく、したがって、それらは随意に無視することができる。等式（７）を等式（６）に挿入すると等式（８）が与えられ、

ここで、静電気的に和らげられた感知周波数ω_Ｓが、

のような等式（９）によって定義される。
等式（８）は、よく知られているマチウ（Mathieu）方程式の形態を有する。それは、感知共振周波数が、プルーフマスのモータ運動によるＣ_＋１”（ｘ，０）の変調により、モータ周波数の２倍で変調されることを示す。感知周波数のこの変調は実施形態のパラメトリック増幅を生成する。

駆動力Ｆ（ｔ）は、機械応答が大きい感知共振周波数ω_Ｓに近い周波数ωのものであるので、等式（８）を解くことによって与えられる感知モード応答ｙ_Ｓ（ｔ）は主としてモータ周波数ωのものである。他の周波数の項は感知共振周波数から遠く、したがって、それらはｙ_Ｓ（ｔ）に大きい寄与をモータらさない。これは、等式（８）が２ωよりも高い周波数をもつＣ”_＋１（ｘ，０）の項を除外する理由でもある。

等式（８）の解が等式（１０）の形態のものであると仮定し、
（１０） ｙ_Ｓ（ｔ）≡ｙ_０ｃｏｓ（ωｔ＋θ）、
減衰項を無視すると、その解は以下の等式（１１）のように書くことができる。

位相θが力Ｆ（ｔ）の位相Ψと等しい場合、等式（１１）の分母の符号はΨ＝０（コリオリ）では負であり、Ψ＝π／２（直角位相）では正である。等式（１１）は、α_１”の符号がω_Ｓ ^２−ω^２の符号と同じ場合、コリオリ位相力（Ψ＝０）に対するｙ_Ｓ（ｔ）の応答の振幅はキャパシタンス変調によって増加し、直角位相力に対する応答は振幅が減少することを示す。

センサ電気利得、すなわちプルーフマス感知軸変位から電気出力までの伝達関数がこの節で導かれる。キャパシタンス変調とプルーフマスの感知モード変位との間の非線形混合により、電気利得は位相依存になり、したがって、コリオリ位相信号の電気利得は直角位相信号の電気利得よりも大きくなることができる。

感知キャパシタンス上の電荷ｑ_＋およびｑ₋は、
（１２） ｑ_±（ｔ）＝Ｖ_±［Ｃ_＋１（ｘ，ｙ_１）＋Ｃ_±２（ｘ，ｙ_２）］
のような等式（１２）によって定義され、ここで、Ｖ_±は、図１４ａおよび１４ｃで定義されるような正極性感知キャパシタンスもしくは負極性感知キャパシタンスのバイアス電圧、または図１４ｂのプルーフマス１４０４、１４０６に印加されるバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓである。感知キャパシタンスをｙ_１およびｙ_２のテイラー級数に展開し、ｘ、ｙ_１、およびｙ_２が０であるとき４つのキャパシタンス全てが同一であると仮定すると、等式（１２）は、小さいｙ_１およびｙ_２に対して等式（１３）によって定義されるように近似することができる。

（１３） ｑ_±（ｔ）＝２Ｖ_±［Ｃ_＋１（ｘ，０）±Ｃ’_＋１（ｘ，０）ｙ_Ｓ（ｔ）］
キャパシタンスＣ_＋１（ｘ，０）、およびそのｙ_１に関する１次微分のＣ’_＋１（ｘ，０）は、Ｃ”_＋１（ｘ，０）に対する等式（７）と同様の方法で、

および

のような等式（１４）および（１５）によって定義されるようなフーリエ級数として書くことができ、ここで、α_０、α_０’、α_ｎ、およびα_ｎ’は時間と無関係の係数である。等式（１４）および（１５）を等式（１３）に挿入し、等式（１０）によって与えられるｙ_Ｓ（ｔ）の形態を仮定すると、以下の等式（１６）に帰着する。

等式（１６）において、２ωよりも高い周波数をもつ項は無視される。ＭＥＭＳジャイロスコープの読出しエレクトロニクスは、所望のモータ周波数ω以外の周波数の信号を阻止するために位相敏感検出を使用し、したがって、センサ出力のモータ周波数成分だけが重要である。さらに、等式（１６）の右辺の最初の３つの項はジャイロ出力に寄与しないが、それは、図１４ａ、１４ｂ、および１４ｃの実施形態の片端接地電荷増幅器または差動電荷増幅器の選択と組み合わされたバイアス電圧の構成が、これらの項の寄与を電荷増幅器出力においてゼロにするように設計されるからである。

コリオリ位相（θ＝０）および直角位相（θ＝π／２）の感知モード変位について等式（１６）の値を求め、右辺の最初３つの項を無視すると、感知キャパシタンスの電荷は等式（１７）および（１８）によって定義される。

および

等式（１７）および（１８）は、感知キャパシタンス電荷の振幅が感知モード変位ｙ_Ｓ（ｔ）の位相に依存することを示す。したがって、センサの電気利得は位相依存であり、したがって、コリオリ位相信号の電気利得は直角位相信号の電気利得よりも大きくなることができる。

感知キャパシタンスを変調することの代替案は、キャパシタンスがモータ運動によって変調される１組の補助電極を設けることである。ＤＣバイアス電圧がこれらの補助電極に印加され、それらのキャパシタンスの感知軸変位に関する２次微分がモータ運動によって変調される場合、これらの電極は感知周波数を変調し、パラメトリック増幅を生成することができる。等式（１１）によって示されるように、パラメトリック増幅はセンサの機械利得を変更することによって生成される。電気利得は感知電極によって決定されるので、センサの電気利得は変更されない。したがって、補助電極を使用すると、センサの機械利得および電気利得を独立して設計する際に大きい柔軟性を与えることができる。

コームフィンガ対に関する前述の実施形態は、面外ＭＥＭＳジャイロスコープとの関連で説明された。実施形態は、さらに、感知型キャパシタンスを生成するように操作されるコーム対を使用する面内ＭＥＭＳジャイロスコープ、ＭＥＭＳ加速度計、または他のＭＥＭＳデバイスで実施することができる。さらに、ＭＥＭＳキャパシタンス変調デバイス１００の代替の実施形態は、感知電極、プルーフマス、および／または違うように構成されたそれらのそれぞれのコームフィンガを有することができ、または本明細書で説明および／または図示された例示的実施形態以上に多かれ少なかれ含むことができる。

本発明の好ましい実施形態が前記のように図示され説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく多くの変更を行うことができる。したがって、本発明の範囲は好ましい実施形態の開示によって限定されない。その代りに、本発明は添付の特許請求の範囲を参照することによって完全に決定されるべきである。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）キャパシタンス変調デバイスの実施形態を示す図である。 時間と無関係の感知キャパシタンスを有する従来のＭＥＭＳジャイロスコープの感知電極を示す図である。 図２の先行技術のＭＥＭＳジャイロスコープのモータ変位距離（δｘ）の関数としてキャパシタンスを示す図である。 モータ変位と共に変化する電極間の間隙を示す図である。 図４に示された実施形態のモータ変位距離（δｘ）の関数としてキャパシタンスを示す図である。 モータ変位と共に変化する電極間の間隙を示す図である。 図６に示された実施形態のモータ変位距離（δｘ）の関数としてキャパシタンスを示す図である。 モータ変位と共に変化する電極間の間隙を示す図である。 図８に示された実施形態のモータ変位距離（δｘ）の関数としてキャパシタンスを示す図である。 モータ変位と共に変化する電極間の間隙を示す図である。 図１０に示された実施形態のモータ変位距離（δｘ）の関数としてキャパシタンスを示す図である。 モータ変位と共に変化する電極間の間隙を示す図である。 図１２に示された実施形態のモータ変位距離（δｘ）の関数としてキャパシタンスを示す図である。 ４つの感知キャパシタンスをもつＭＥＭＳジャイロスコープセンサを示す図である。 ４つの感知キャパシタンスをもつＭＥＭＳジャイロスコープセンサを示す図である。 ４つの感知キャパシタンスをもつＭＥＭＳジャイロスコープセンサを示す図である。

符号の説明

１００ 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）キャパシタンス変調デバイス
１０２ 振動マス
１０４ 振動マス
１０６ 左のモータ
１０８ 中央上部モータピックオフ
１０９ 中央下部モータピックオフ
１１０ 右のモータ
１２０ 左の感知電極
１２２ 右の感知電極
１２４ 出力電極
１３０ アンカー
２００ アセンブリ
２０２ 振動プルーフマス
２０８ 感知電極
４００ アセンブリ
４０２ プルーフマス
４１６ 感知電極
６００ アセンブリ
６０２ プルーフマス
６１６ 感知電極
８００ アセンブリ
８０２ プルーフマス
８１６ 感知電極
８２６ プルーフマス本体
１０００ アセンブリ
１００２ プルーフマス
１０１６ 感知電極
１２００ アセンブリ
１２０２ プルーフマス
１２１６ 感知電極
１２１８ 端部部分
１４００ ＭＥＭＳジャイロスコープ
１４０２ 片端接地電荷増幅器
１４０４ プルーフマス
１４０６ プルーフマス
１４０８ 差動電荷増幅器
１４１０ 片端接地電荷増幅器

Claims (3)

1. 少なくとも１つのプルーフマスコームフィンガ（４０８、６０８、８０８、１００８、１２０８）をもつプルーフマス（４２６、６２６、８２６、１０２６、１２２６）を含み、前記プルーフマスコームフィンガは、
   プルーフマスコームフィンガ端部部分（４２２、６２２、８２２、１０２２、１２２２）と、
   前記プルーフマスコームフィンガ端部部分を前記プルーフマスに結合するプルーフマスコームフィンガ取付け部分とを含み、
   前記プルーフマスコームフィンガから間隙（４１０、６１０、８１０、１０１０、１２１０）だけ離隔された少なくとも１つの感知電極コームフィンガ（４０４、６０４、８０４、１００４、１２０４）をもつ感知電極をさらに含み、前記間隙は前記プルーフマスコームフィンガと前記感知電極コームフィンガとの間の可変容量結合を確定し、前記感知電極コームフィンガは、
   感知電極コームフィンガ端部部分（４１８、６１８、８１８、１０１８、１２１８）と、
   前記感知電極コームフィンガ端部部分をアンカー（４１６、６１６、８１６、１０１６、１２１６）に結合する感知電極コームフィンガ取付け部分（４２０、６２０、８２０、１０２０、１２２０）とを含み、
   時間的に変化する電気出力を出力するように動作可能な電気出力をさらに含み、前記時間的に変化する電気出力はプルーフマスの誘導されたモータ運動によって生成された前記可変容量結合の変化によって増幅される、
   微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ。
2. 前記間隙は前記モータ運動の方向に沿った変位の関数として増加し、前記間隙が増加するにつれて前記可変容量結合が減少するように、前記プルーフマスコームフィンガ端部部分および前記感知電極コームフィンガ端部部分の少なくとも一方がそのそれぞれの取付け部分よりも広い、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 前記可変容量結合は前記モータ運動の方向に沿った変位の関数として増加するように、前記プルーフマスコームフィンガ端部部分（４２２、６２２、８２２、１０２２、１２２２）および前記感知電極コームフィンガ端部部分（４１８、６１８、８１８、１０１８、１２１８）の少なくとも一方が波形をつけられる、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。

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