JP2010169681A

JP2010169681A - 磁束密度増加ダルソンバルｍｅｍｓ加速度計のためのシステムおよび方法

Info

Publication number: JP2010169681A
Application number: JP2010006023A
Authority: JP
Inventors: Paul W Dwyer; ポール・ダブリュー・ドワイヤー
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2010-08-05
Also published as: US20100180681A1; EP2211186A1

Abstract

【課題】ダルソンバル微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス内の磁束密度を増加させること。
【解決手段】磁束密度増加ダルソンバル微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、磁束密度を増加させる。磁束密度増加ダルソンバル微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、筺体（２０６）、少なくとも１つのねじりフレクシャー（２０４）によって筺体（２０６）内につるされたプルーフマス（２０２）、第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）、およびプルーフマス（２０２）上に配置された電流コイル（２１４）を含む。電流コイル（２１４）の一部は、第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）と第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）との間に配置される。電流コイル（２１４）内の電流に応じて生成される場は、第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）および第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）によって生成される磁場と相互作用する。磁場は、プルーフマス（２０２）の位置を安定させる再バランス力を生成する。
【選択図】図２

Description

ある種の磁気的再バランスを使用する高精度加速度計は、典型的には大きく、高価であり、磁石が加速度計システムに加えられるとき、微粒子汚染が生じるような、完全には密封されない可能性がある運動領域を含む。ダルソンバルＭＥＭＳ加速度計は、これらの欠陥に取り組むために開発された。さらに、他の機能を果たすダルソンバルＭＥＭＳデバイスが、開発された。しかしながら、ダルソンバルＭＥＭＳデバイスの動作効率を改善する必要性は、増加している。

本発明は、ダルソンバル微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス内の磁束密度を増加させる。

磁束密度増加ダルソンバル微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの典型的な実施形態は、筺体、少なくとも１つのねじりフレクシャーによって筺体内につるされたプルーフマス、第２のねじり再バランス磁石、およびプルーフマス上に配置された電流コイルを含む。電流コイルの一部は、第１のねじり再バランス磁石と第２のねじり再バランス磁石との間に配置される。電流コイル内の電流に応じて生成される場は、第１のねじり再バランス磁石および第２のねじり再バランス磁石によって生成される磁場と相互作用する。磁場は、プルーフマスの位置を安定させる再バランス力を生成する。

発明のさらなる態様によると、典型的な実施形態によって使用される方法は、プルーフマスの運動を感知する。プルーフマスは、少なくとも１つのフレクシャーおよび少なくとも一対の再バランス磁石に関して回転軸を有する。電流コイルの一部は、その対の再バランス磁石の間に配置される。磁場は、磁束場がプルーフマスの回転軸に近似的に直交して流れるように、その対の再バランス磁石によって生成される。その方法は、磁束場と相互作用する磁束を生成するために電流コイルを通って電流を注入するステップと、プルーフマスの位置を安定させるためにプルーフマスに印加される再バランス力を生成するステップとを含む。

本発明の好ましいおよび代替の実施形態は、次の図面を参照して以下で詳細に説明される。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）システムで実施される磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイスのブロック図である。磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイスの側面図である。磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイスの平面図である。一組のねじり再バランス磁石および生成磁束線の側面図である。磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイスの代替実施形態の側面図である。ねじり再バランス磁石の単一の組を有する磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイスの実施形態の側面図である。

図１は、発明の実施形態に従って形成されるＭＥＭＳシステム１０２で実施される磁束密度増加ダルソンバル微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１００のブロック図である。ＭＥＭＳシステム１０２はさらに、コントローラ１０４を含む。コントローラ１０４は、感知電子部品１０６および駆動電子部品１０８と通信する。感知電子部品１０６および駆動電子部品１０８は、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００と通信する。

図２は、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の側面図である。図３は、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の平面図である。
磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００は、少なくとも１つのねじりフレクシャー２０４によって筺体２０６内につるされたプルーフマス２０２および二組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄを含む。第１のねじり再バランス磁石２０８ａおよび第２のねじり再バランス磁石２０８ｂは、プルーフマス２０２の第１の端部に隣接して置かれる。第３のねじり再バランス磁石２０８ｃおよび第４のねじり再バランス磁石２０８ｄは、プルーフマス２０２の反対側の第２の端部に隣接して置かれる。

二組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、プルーフマス２０２の回転軸２１０の両側に位置する電流コイル２１４を通って電流を通すことによるローレンツ力を使用する。電流コイル２１４を通って注入される電流２１２は、回転軸２１０の周りのダルソンバル型運動がプルーフマス２０２を再バランスするように、磁束場２１６を生成する。複数センサ環境での使用のためのある実施形態では、オプションの磁気シールド（図示されず）が、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００および／またはＭＥＭＳシステム１０２の周りに存在してもよい。ある実施形態では、磁気シールドは、筺体２０６内に組み込まれてもよく、またはその一部であってもよい。

任意の適切なＭＥＭＳデバイスは、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００として実施されてもよい。図２および３の典型的な実施形態では、ねじりフレクシャー２０４は、軸２１０の周りのプルーフマス２０２の回転（例示の回転矢印２１８に対応する）を許容する。実施形態に応じて、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００は、プルーフマス２０２の運動に基づいて磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の加速度および／または回転を検出するように構成されてもよい。ある実施形態では、プルーフマス２０２は、加速度および／または回転に応じて実際に動かなくてもよく、むしろ検出可能な力を生成してもよいことが理解される。

複数の電極２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄは、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の加速度および／または回転に応じてプルーフマス２０２の運動（および／または力）を感知する。電極２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄに対するプルーフマス２０２の位置の変化は、プルーフマス２０２と電極２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄとの間の静電容量変化を引き起こす。静電容量の変化は、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の加速度および／または回転を決定するためにコントローラ１０４によって解釈される。

筺体２０６は、図２および３の典型的な実施形態では、底部２２２、カバー部２２４、および側部２２６を含む。典型的な実施形態では、底部２２２は、パイレックスである。プルーフマス２０２、および他の部品は、任意の適切なＭＥＭＳ製作プロセスまたはシステムを使用して、パイレックス底部２２２と上側パイレックス部２２８との間に形成される。

カバー部２２４は、この典型的な実施形態では、複数の非磁性スタンドオフ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄを有する。二組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、任意の適切な固定手段を使用して、非磁性スタンドオフ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄにそれぞれ固定される。非磁性スタンドオフ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄの寸法は、プルーフマスおよび他の部品の製作後、カバー部２２４が、二組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄをそれらの設計された場所に位置決めする仕方で、所定の位置に固定されるようなものである。

側部２２６は、電流コイル２１４との間のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄの正確な位置決めを容易にしてもよい。側部２２６は、カバー部２２４、底部２２２の一部もしくはそれに組み込まれてもよく、または別個の部分であってもよい。側部２２６、底部２２２、およびカバー部２２４は、任意の適切な固定手段を使用して一緒に固定され、それによって筺体２０６を形成する。典型的な実施形態では、陽極接合が、側部２２６、底部２２２、および／またはカバー部２２４をお互いに固定するために使用される。

筺体２０６はオプションとして、側部２２６、底部２２２、およびカバー部２２４の設計によって密封されてもよい。さらに、他の部分（図示されず）が、筺体２０６内で使用されてもよい。例えば、しかしそれに限定されないが、導線、接点または同様のものが、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００のさまざまな要素の、駆動電子部品１０８、感知電子部品１０６、コントローラ１０４、および／または他のデバイス（図示されず）との通信を提供するために、必要に応じて側部２２６、底部２２２、および／またはカバー部２２４内に製作されてもよい。

電流コイル２１４は、プルーフマス２０２の上部またはその中に位置する。平面電流コイル２１４の部分２１４ａ、２１４ｂは、それぞれの組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄの間に置かれる。電流コイル２１４は、典型的な実施形態ではプルーフマス２０２の面に沿って方向づけられた単層らせんコイルであってもよい。一実施形態では、電流コイル２１４は、それぞれ約４５マイクロメータ（ミクロン）幅で、ターン間に約１５ミクロンの間隔を持ち、約０．５ミリメータの厚さである、約１０ターンを含む。しかしながら、コイル２１４に対して異なるターン数、幅、間隔、および厚さもまた、使用されてもよい。単一の電流コイル２１４だけが、明確にするために示されるけれども、追加の電流コイル（図示されず）もまた、使用されてもよい。

図２および３で例示される典型的な実施形態では、電流コイルの第１の部分２１４ａは、ねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂの組の間に位置決めされる。電流コイルの第２の部分２１４ｂは、ねじり再バランス磁石２０８ｃ、２０８ｄの組の間に位置決めされる。ねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂおよび２０８ｃ、２０８ｄの組の南北方向軸は、プルーフマス２０２の回転軸に近似的に直交して方向づけられる。電流コイルの部分２１４ａとねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂの組との間の磁束相互作用は、再バランス力２３２を生成する。同様に、電流コイルの部分２１４ｂとねじり再バランス磁石２０８ｃ、２０８ｄの組との間の磁束相互作用は、再バランス力２３４を生成する。生成された再バランス力２３２、２３４は、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００が加速度および／または回転にさらされるとき、プルーフマス２０２の位置を安定させる。

電流コイル２１４は、適切なコネクタを使用して駆動電子部品１０８（図１）に接続される。電流コイル２１４は、ドープされた導電性シリコンを使用して形成されてもよい。別法として、電流コイル２１４は、堆積金属から形成されてもよい。コントローラ１０４は、感知電極２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄからの少なくとも１つの感知信号に基づいて電流コイル２１４を通って電流を送るように駆動電子部品１０８に命令するように構成される。コントローラ１０４はさらに、プルーフマス２０２に印加される加速度を示し、電流コイル２１４を通る電流２１２に基づく、出力信号を提供するように構成される。

任意の適切な材料は、ねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄのために使用されてもよい。サマリウムコバルトは、比較的高い保磁力および磁石体積比当たり比較的高い磁束を提供する。典型的な実施形態では、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石が、使用される。

図４は、一組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ（または別法として、２０８ｃ、２０８ｄ）ならびにその組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ（または別法として、２０８ｃ、２０８ｄ）の磁場および電流コイル２１４を通る電流によって作られる場に起因する生成磁束線４０２の側面図である。複数の生成磁束線４０２は、上で説明され、例示された磁束場２１６に対応する。

それぞれの組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、本体部分４０４および面部分４０６を有する。面部分４０６の外面は、生成磁束の一様性を改善するように構成される。ここでは、面部分４０６の外面の形状は、一般に放物線状である。面部分４０６の外面の任意の適切な形状は、任意の所望のパターンで生成磁束を最適化するために選択されてもよい。

ある実施形態では、本体部分４０４および面部分４０６は、結合された別個の部分である。他の実施形態では、本体部分４０４および面部分４０６は、単一ピースとして形成される。

図５は、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の代替実施形態の側面図である。ここでは、側部５０２は、プルーフマス２０２（および他の部品）を取り囲むように、パイレックス底部２２２および上側パイレックス部２２８に形成されかつ／または接合される。それ故に、ＭＥＭＳデバイス部品は、領域５０４内に保護するように密封される。この典型的な実施形態では、カバー部２２４（非磁性スタンドオフ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄおよびそれらに固定された再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄを持つ）は、ＭＥＭＳデバイス部品が領域５０４内に保護するように密封された後、都合良く加えられてもよい。保護するように密封されたＭＥＭＳデバイス部品は、より大きなダイから切断され、次いでカバー部２２４に結合されてもよい。または、保護するように密封されたＭＥＭＳデバイス部品の群は、カバー部２２４の対応する群と結合され、次いで後で分離されてもよい。

図６は、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の別の代替実施形態の側面図である。ここでは、ねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂの単一の組だけが、磁束２１６を作るために使用される。この実施形態は、図５で例示される実施形態に従って全体的に構成される。別法として、ねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂの単一の組は、図２〜３で例示される実施形態に従って全体的に構成されてもよい。ある実施形態では、二組以上のねじり再バランス磁石が、使用されてもよい。そのような実施形態では、電流コイルは、（例えば、図３で例示されるのとは）異なる位置にあってもよい。

一般に、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス１００の実施形態は、ねじりフレクシャー２０４がプルーフマス２０２を支持するために取り付けられた状態でいくつかのぶら下がったプルーフマス２０２を作製するためにパターン化され、エッチングされる、シリコンウエハから始めることによって形成される。シリコンウエハは次いで、金属化を支持するための誘電体層を作製するために酸化される。さらにパターン化および金属化ステップは、電極２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄおよびらせん電流コイル２１４の基本的要素を作り出す。

典型的な実施形態では、電流コイル２１４の内側導線は、電流コイル２１４を横切る誘電体層の配置を介して引き出される。電流コイル２１４は、適切な金属化ステップを使用して形成される。シリコンウエハと同じ直径を持つガラスウエハは、微分容量ピックオフの第２の平板として働き、さらにデバイス減衰を制御する働きをする凹部を表面内に作製するために、パターン化され、エッチングされ、金属化される。第１のガラスウエハは次いで、下側コンデンサ平板を形成するために、シリコンウエハと位置合わせされ、陽極接合される。このアセンブリは次いで、微分容量ピックオフのための上側コンデンサを形成するために、第２のガラスウエハに陽極接合される。二組のねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、それぞれの非磁性スタンドオフ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄに取り付けられる。ウエハアセンブリは次いで、個々の加速度計が、実装、試験、および加速度計システム内への組み込みのためにアクセスできるように切断される。ねじり再バランス磁石２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄの組によって作られる磁場は、電流が電流コイル２１４内に注入されるときに作り出される場と相互作用する。

１００磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス
１０２ＭＥＭＳシステム
１０４コントローラ
１０６感知電子部品
１０８駆動電子部品
２０２プルーフマス
２０４ねじりフレクシャー
２０６筺体
２０８ａねじり再バランス磁石
２０８ｂねじり再バランス磁石
２０８ｃねじり再バランス磁石
２０８ｄねじり再バランス磁石
２１０プルーフマスの回転軸
２１２電流
２１４電流コイル
２１４ａ電流コイルの第１の部分
２１４ｂ電流コイルの第２の部分
２１６磁束場
２１８回転矢印
２２０ａ電極
２２０ｂ電極
２２０ｃ電極
２２０ｄ電極
２２２底部
２２４カバー部
２２６側部
２２８上側パイレックス部
２３０ａ非磁性スタンドオフ
２３０ｂ非磁性スタンドオフ
２３０ｃ非磁性スタンドオフ
２３０ｄ非磁性スタンドオフ
２３２再バランス力
２３４再バランス力
４０２磁束線
４０４本体部分
４０６面部分
５０２側部
５０４領域

Claims

筺体（２０６）と、
少なくとも１つのねじりフレクシャー（２０４）によって前記筺体（２０６）内につるされたプルーフマス（２０２）と、
第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）と、
第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）と、
前記プルーフマス（２０２）上に配置された電流コイル（２１４）とを含み、
前記電流コイル（２１４）の一部は、前記第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）と前記第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）との間に配置され、前記電流コイル（２１４）内の電流に応じて生成される場は、前記第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）および前記第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）によって生成される磁場と相互作用し、前記磁場は、前記プルーフマス（２０２）の位置を安定させる再バランス力を生成する、磁束密度増加ダルソンバル微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
請求項１に記載の磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）および前記第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）はそれぞれ、
本体部分（４０４）と、
面部分（４０６）とを含み、
前記第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）の前記面部分（４０６）は、前記第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）の前記面部分（４０６）と向かい合い、前記面部分（４０６）は、前記第１のねじり再バランス磁石（２０８ａ）および前記第２のねじり再バランス磁石（２０８ｂ）によって生成される実質的に一様な磁場を形成する働きをする外面を有する、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス。
請求項１に記載の磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記プルーフマス（２０２）がそれらの間に配置された状態で前記筺体（２０６）の内部に置かれた一対の感知電極（２２０ａ、２２０ｃ）と、
前記一対の感知電極（２２０ａ、２２０ｃ）と通信する感知電子部品（１０６）であって、前記一対の感知電極（２２０ａ、２２０ｃ）の１つと前記プルーフマス（２０２）との間の少なくとも１つの静電容量値に基づいて少なくとも１つの感知信号を生成するように構成される感知電子部品（１０６）と、
前記電流コイル（２１４）と通信する駆動電子部品（１０８）と、
前記感知電子部品（１０６）および前記駆動電子部品（１０８）と通信するコントローラ（１０４）とをさらに含み、
前記コントローラ（１０４）は、前記少なくとも１つの感知信号に基づいて前記電流コイル（２１４）を通って電流を送るように前記駆動電子部品（１０８）に命令するように構成され、前記コントローラはさらに、前記プルーフマス（２０２）の運動を示す出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、前記電流コイル（２１４）を通る前記電流および前記少なくとも１つの感知信号に基づく、磁束密度増加ダルソンバルＭＥＭＳデバイス。