JP2012507716A - 相互直交方向で分離的検知を有するトランスデューサ - Google Patents

Abstract

微小電子機械システム（ＭＥＭS）トランスデューサ９０が、相互直交方向９２，９４，９６の加速を検知するようになっている。ＭＥＭSトランスデューサ９０は、アンカーシステム１１６によって基板９８の上方につるして保持された試験質量１００を含む。アンカーシステム１１６は、方向９６の加速に応答して試験質量１００が回転軸１３２に関して回転することを可能とすべく、回転軸線１３２に関して試験質量１００を基板９８に枢動的に接続する。試験質量１００は、試験質量１００を通って延びる開口１１２を有する。開口１１２内には別の試験質量１４８が存在し、別のアンカーシステム１５２が基板９８の表面１０４の上方に試験質量１４８を保持する。アンカーシステム１５２が、少なくとも一つの方向９２または方向９４の加速に応答して、試験質量１４８が基板９８の表面１０４と実質的に平行に移動することを可能にする。

Description

本発明は一般に微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサに関連している。特に相互直交方向の分離検知機能を有するＭＥＭＳ加速度センサに関連している。

加速度センサは、一般的に、加速力を測定するために使用される。このような力は重力の一定の力のような静的力、または加速度センサの移動または振動による動的力である。加速度センサは、一つ、二つ、または三つの軸または方向に沿って加速度または他の現象を検知できる。この情報から、加速度センサを取り付けられた装置の移動または方向を取得できる。加速度センサは慣性誘導システム、自動車内エアバッグ展開システム、種々デバイスの保護システム、その他多くの科学的で工学的なシステムに使用される。

静電容量を検知するＭＥＭＳ加速度のデザインは、比較的安価なコストであるので、高重力において小型の装置の操作で非常に望ましい。電圧を印加された回路の出力を変えるために、静電容量性加速度センサは、加速に対する電気容量の変化を検知する。加速度センサの一般的な構成の一つは、「ティータ・トォター」または「シーソー」構成を有する静電容量性トランスデューサである。この一般に使用されるトランスデューサのタイプは、基板の上でＺ軸加速下で回転する可動要素またはプレートを使用する。差分キャパシタンスまたは相対キャパシタンスを決定するために、加速度センサ構成は少なくとも二つの個別のキャパシタンスを測定できる。

図１、２を参照すると、図１は、従来のヒンジまたは「ティータ・トォター」型加速度センサとして構成された従来技術の静電容量検知ＭＥＭＳセンサ２０の平面図を示し、図２は、ＭＥＭＳセンサ２０の側面図を示す。ＭＥＭＳセンサ２０は、静的基板２２と、静的基板２２から間隔した可動要素２４とを備え、静的基板２２及び可動要素２４はそれぞれ対向する平坦面を有する。キャパシタ電極すなわちまたは「プレート」を形成するために、基板２２は、基板の表面２８に堆積された所定構成の誘電性電極要素２６をいくつか有する。典型的なシナリオでは、電極要素２６は、刺激信号を受信する検知または励起電極として作動する。検知信号にフィードバック信号を重ね合わせる時、電極要素２６はさらに信号にフィードバック電極として作動もできる。

電極要素２６とともにキャパシタ３４，３６（Ｃ１，Ｃ２で示す）を形成するよう回転軸３２の周囲で移動要素２４が枢動または回転することを可能にするために、一般的に「試験質量」と呼ばれる可動要素２４が、一つまたはそれ以上の保持アンカーまたは回転可撓性部材３０によって基板２２の上に柔軟に保持される。可動要素２４は加速に応じて移動し、従って静的に検知する電極要素２６に対してその位置を変化させる。この位置変化は、一連のキャパシタをもたらし、当該キャパシタンスの差（すなわち、差分キャパシタンス）が方向３７の加速を示す。

ティータ・トォター型加速度センサとしての作動を意図される場合、回転軸３２の一側の可動要素２４の部分３８は、回転軸３２のもう一方の側面の可動要素２４の部分４０よりも大きな質量を有するように形成される。回転軸３２をオフセットすることによって、部分３８のより大きな質量が一般的に形成される。すなわち、回転軸３２と部分３８の端部４４との間の長さ４２は、回転軸線３２と部分４０の端部４８との間の長さ４６より長い。さらに電極素子２６は、回転軸３２と可動要素２４の長手方向軸５０に対して対称に形成及び離間される。

図１、２に示す装置はＺ軸にのみに沿った加速を検知する単軸加速度センサである。しかし、いくつかの応用においては、二つまたは三つの相互に直交する軸に沿って加速を検知する能力が必要である。さらに、多くのＭＥＭＳセンサの応用は、積極的なコスト目的を達成するためにコンパクトなサイズと安価なパッケージングを必要とする。

図３，４を参照すると、図３は、従来技術の多軸ＭＥＭＳセンサ５２の平面図を示し、図４は多軸ＭＥＭＳセンサ５２の側面図を示す。ＭＥＭＳセンサ５２は、三つの相互直交方向にコンプライアント(compliant)することが望ましい一連のバネ５８によって複数のアンカー５６に取り付けられた試験質量５４を含む。ダイまたは基板６０にはアンカー５６が装着される。ＭＥＭＳセンサ５２の試験質量５４は、Ｘ軸検知フィンガー６２及びＹ軸検知フィンガー６４を備える。各Ｘ軸検知フィンガー６２は、基板６０に形成された二つの固定フィンガー６６，６８によって囲まれる。同様に、各Ｙ軸検知フィンガー６４は、基板６０に形成された二つの固定フィンガー７０，７２によって囲まれる。ＭＥＭＳセンサ５２がＸ軸７４に沿った加速を経験すると、Ｘ軸検知するフィンガー６２と隣接した固定フィンガー６６，６８との間の距離が変化し、従ってフィンガー間のキャパシタンスが変化する。このキャパシタンスの変化は検知回路（図示せず）によって記録され、Ｘ軸７４に沿った加速を示す出力信号に変換される。Ｙ軸検知フィンガー６４と、それに対応する固定フィンガー７０，７２との間のキャパシタンスの変化を記録することによって、Ｙ軸７６に沿った加速も同様に検知される。

試験質量５４は、異なる質量を有する対向側面７８，８０を有する。対向側面７８，８０は基本的に等しい厚さ及び幅であるが長さが等しくないように試験質量５４が形成されることにより完成される。従って、側面７８は側面８０より大きな質量を有し、Ｚ軸８２に沿った加速に応答してＹ軸７６に対して試験質量５４を回転させる。この加速は試験質量５４の下に配置された静電容量性プレート８４，８６によって検知される。

ＭＥＭＳセンサ５２のデザインは、かなりコンパクトなトランスデューサのサイズを可能にする。この構成では、Ｘ、Ｙ軸検知はバネ５８を介してＺ軸検知に接続される。従って、バネ５８はＸＹ軸バネ（すなわち、線形バネ）及びＺ軸線バネ（すなわち、ねじりバネ）の両方として機能する必要がある。残念ながら、ＸＹ軸（すなわち、線形）とＺ軸（すなわち、ねじれ）の両方の動きのために機能するバネ５８のデザインは、交差軸検知エラーとなる可能性があり、最適化することは困難である。

Ｚ軸８２に沿った加速下で、アンカー５６及びバネ５８は一つの軸を中心としているわけではないので、試験質量５４の枢動位置は、試験質量５４の一つの端部またはもう一方の端部から移動する。この「沈み」は望ましくない二次非線形性効果となり、測定精度を低下させるか、またはフィードバック閉ループ制御のための感知回路機構の複雑度を増加させるか、またはその両者となる。さらに、枢動位置は加速周波数とともに変化する可能があるので、共通モードと差分モードは非線形性効果を悪化させる異なる減衰周波数とモード周波数を有する可能がある。

ＭＥＭＳセンサは低いオフセット温度係数（ＴＣＯ）の仕様を求める。「オフセット」という用語は、非励起状態のＭＥＭセンサでの公称値からの出力偏差のことである。従って、ＴＣＯは、いかに熱応力が、ＭＥＭＳセンサといった半導体デバイスの性能に影響を与えるかの測定基準となる。ＭＥＭセンサのパッケージは常に熱膨張の異なる係数を有する材料を使用する。従って、製造または操作の間に、望ましくない高いＴＣＯを発生する可能がある。湿度及び製造処理による圧力と同様に、このような熱応力は、下にある基板の変形（以下「パッケージ応力」という）という結果を招く可能がある。

ＭＥＭＳセンサ５２の下にある基板に配置された中心でないアンカー５６が複数に位置することは、パッケージ応力によって不正確な測定をする傾向をもたらす。

従って、二つまたはそれ以上の相互直交軸に沿って検知可能であり、相当する検知軸に対してバネを最適化すると共に非線形性効果を減少すべくＸＹ軸検知をＺ軸検知から分離する、コンパクトトランスデューサが必要である。

図面と関連して詳細説明と請求項を参照することで、本発明についてより完全に理解することが可能である。図面では同様な参照番号は同様な部材を指す。

従来ヒンジまたは「ティータ・トォター」型加速度計として構成された従来技術の静電容量検知ＭＥＭＳ加速度センサの平面図。 図１のＭＥＭＳセンサの側面図。 従来技術の多軸ＭＥＭＳセンサの平面図。 図３の多軸ＭＥＭＳセンサの側面図。 本発明の実施形態に従った多軸ＭＥＭＳセンサの平面図。 図５のＭＥＭＳセンサの側面図。 本発明の別の実施形態に従った多軸ＭＥＭＳセンサの平面図。 本発明の別の実施形態に従った多軸ＭＥＭＳセンサの平面図。

図５，６を参照して、図５は本発明の実施形態に従った微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサ９０の平面図を示し、図６はＭＥＭＳセンサ９０の側面を示す。例えば、センサ９０は静電容量検知可能加速度センサまたは別のＭＥＭＳ検知装置であっても良い。本発明の一つ実施形態において、ＭＥＭＳセンサ９０は少なくとも二つの相互直交方向の加速度を検知するようになっている多軸センサである。より具体的には、ＭＥＭＳセンサ９０は、Ｘ軸線に相当する方向９２（以下「Ｘ方向９２」とする）の加速と、Ｙ軸線に相当する方向９４（以下「Ｙ方向９４」とする）の加速と、Ｚ軸線に相当する方向９６（以下「Ｚ方向９６」とする）の加速とを検知する。ここではＭＥＭＳセンサ９０は三つの相互直交方向の加速を検知するものとして説明するが、ＭＥＭＳセンサ９０は二つの直行方向の加速を、例えばＸ方向９２及びＺ方向９６を検知するようになっていてもよいものとする。

ＭＥＭＳセンサ９０は、基板９８及び基板９８から離間された可動要素（以下、「試験質量１００」とする）を有し、基板９８および試験質量１００はどちらも対向する平坦面を有する。基板９８の表面１０４には静的誘電層１０２が堆積される。静的誘電層１０２は、少なくとも二つの電気的に分離された電極またはプレート、例えば電極素子１０６と電極素子１０８により形成される。電極素子１０６，１０８は、刺激信号を受信する励起または検知電極として作動できる。電極素子１０６，１０８は、フィードバック信号を検知信号に重ね合わせる時、さらにフィードバック電極としても作動できる。

試験質量１００は、基板９８の表面１０４の上方に平行に離間した関係で配置される。すなわち、試験質量１００は、表面１０４の上に自在に保持され、表面１０４に接触しない。試験質量１００は一般的に平面構造であって、外部周辺壁１１０、内部周辺壁１１４によって区画形成された開口１１２を有する。試験質量１００は、アンカーシステム１１６によって基板９８上に自在に保持され、基板９８に枢動可能に接続される。アンカーシステム１１６は、基板９８の表面１０４に形成された保持アンカー（以下「枢動要素１１８，１２０」とする）を有する。具体的に、枢動要素１１８は、係留１２４を通じて内部周辺壁の側面１２２で試験質量１００に取り付けられる。同様に、枢動要素１２０は、係留１２８を通じて側面１２２の反反対側の内部周辺壁１１４の別の側面１２６で、試験質量１００に取り付けられる。

アンカーシステム１１６の枢動要素１１８，１２０は、開口１１２の中心線１３０に沿って配置され、中心線１３０に配置された回転軸１３２を形成する。枢動要素１１８，１２０は、電極素子１０６，１０８のそれぞれによって試験質量１００間のキャパシタを形成するために、試験質量１００が回転軸１３２の周囲を枢動または回転することを可能にする。従って、試験質量１００は、ヒンジまたはティータ・トォター型加速度センサとして構成される。説明を簡単にするために、図５では電極素子１０６，１０８だけを示す。しかし、他の実施形態において、ＭＥＭＳセンサ９０は、電極素子の異なる数、または異なる構成、またはその両者を含んでもよい。さらに、回転軸１３２の周囲の試験質量１００の枢動移動を可能にするために、多くの可撓性部材、ヒンジ、そして他の回転機構が使用され得ることは理解されるべきである。

回転軸１３２の一側の試験質量１００の部分１３４は、回転軸１３２の他側の試験質量１００の部分１３６よりも相対的に大きな質量を有するように形成される。部分１３４のより大きな質量は、回転軸１３２をずらす、つまりオフセットすることで形成される。これは、回転軸１３２と部分１３４の端部１４０との間の長さ１３８が、回転軸１３２と部分１３６の端部１４４との間の長さ１４２より大きいことを示している。電極素子１０６は、試験質量１００の部分１３４に面しており、電極素子１０８は試験質量１００の部分１３６に面している。さらに、電極素子１０６、１０８は大きさが等しく、試験質量１００の回転軸１３２に対して対称的に配置される。つまり、電極素子１０６、１０８はそれぞれ回転軸１３２の両側で等しい距離１４６だけオフセットされていることを示している。

示した実施形態において、部分１３４，１３６の間の不均衡は、ＭＥＭＳセンサ９０がＺ方向９６における検知機能を発揮するために回転軸１３２をオフセットすることによって構成される。しかし、別の実施形態において、部分１３４は、試験質量１００の端部１４０，１４４の間で回転軸１３２を幾何学的中心として比較的により大きな質量を有するように構成してもよい。例えば、部分１３６の質量に対して、より質量を大きくするために、部分１３４は部材層で重くしてもよい。または、部分１３４の質量に対してより質量を小さくするために、部分１３６に孔を構成してもよい。

試験質量１００は、Ｚ軸と実質的に平行のＺ方向９６の加速に応じて移動し、従って静的電極素子１０６，１０８に対してその位置を変化させる。従って、電極素子１０６，１０８は、電極素子１０６，１０８の平面と垂直な軸に沿って試験質量１００の移動を検知するようになっている。この位置変化は、キャパシタの差分キャパシタンスがＺ方向９６の加速度を示す一連のキャパシタになるという結果をもたらす。本明細書で使用する「静的」という用語は、試験質量１００に対して固定された誘電層１０２及び電極素子１０６，１０８の意味である。すなわち、試験質量１００は、回転軸線１３２に関して枢動システム１１６の枢動要素１１８，１２０で回転または枢動するが、誘電層１０２（電極素子１０６，１０８を含む）は、試験質量１００に対して枢動、回転、または移動はしない。

図１，２に示すＭＥＭＳセンサ２０の従来技術の単軸デザインでは、回転軸３２を囲み、電極素子２６によって結合されている可動要素２４の領域は、方向３７（Ｚ軸の検知）の検知に貢献しない。むしろ、その構成の物理性質のため、２軸ＸＹ変位センサに比較して、ＭＥＭＳセンサ２０は望ましくない高い減衰及び固有周波数の減少を有している。この高い減衰は、より低いロールオフ周波数をもたらす。ＭＥＭＳセンサ５２（図３，４）のような従来技術の三軸センサにおいて、ＸＹ検知軸は、必要とされるより低い減衰を有し、一方ではＺ軸は必要とされるより高い減衰を有する。従来技術の３軸トランスデューサの妥協は、ＸＹ減衰を増加するために装置をより高い結合圧力で装置をキャップすることである。しかし、これはＺ軸でより低いロールオフ周波数を招く。試験質量１００に開口１１２を形成することによって、Ｚ方向９６の検知感度を犠牲にすることなく、Ｚ軸ロールオフ周波数を増加することができる。

ＭＥＭＳセンサ９０はさらに、開口１１２に存在し、基板９８の表面１０４上に平行に離間した関係で配置された試験質量１４８を含む。試験質量１４８が、開口１１２の回転軸１３０と同軸の中心線１５０を有する。また、試験質量１４８の中心線１５０は回転線１３２と合致する。試験質量１４８を開口１１２内に配置することによって、コンパクトなサイズと安価なパッケージングを必要とするＭＥＭＳセンサ応用への増加した要求をみたすために、コンパクトな多軸トランスデューサデザインが達成される。

試験質量１４８は、基板９８の表面１０４で形成された複数のアンカー１５４からなるアンカーシステム１５２によって、基板９８の上に自在に保持され、基板９８に接続される。アンカー１５４は、バネ要素１５６を介して試験質量１４８に接続する。バネ要素１５６は、Ｘ方向９２またはＹ方向９４の加速に応じて、試験質量１４８が表面１０４と実質的に平行に移動することを可能にするコンプライアント線形バネである。従って、試験質量１４８はＸＹ検知が可能である。一つの実施形態において、バネ要素１５６は、二つ直交検知軸に沿って同様な加速度を検知するために、Ｘ方向９２及びＹ方向９４で同様な硬さを有する。

ＭＥＭＳセンサ９０の試験質量１４８は、試験質量１４８の中心線１５０と整列されたＸ軸検視フィンガー１５８を備える。試験質量１４８は、中心線１５０に対して直交して配置された試験質量１４８の別の中心線１６２と整列されたＹ軸検知フィンガー１６０をさらに備える。各Ｘ検知フィンガー１５８は、基板９８に構成された二つの固定フィンガー１６４，１６６によって囲まれる。同様に、各Ｙ検知フィンガー１６０は、基板９８に構成された二つの固定フィンガー１６８，１７０によって囲まれる。ＭＥＭＳセンサ９０がＸ方向９２で加速を経験すると、Ｘ軸検知フィンガー１５８と隣接した固定フィンガー１６４，１６６との間の距離が変化し、従ってフィンガー間のキャパシタンスが変化する。このキャパシタンス変化は検知回路（図示せず）によって記録され、Ｘ軸方向９２の加速度を示す出力信号に変換される。Ｙ軸検知フィンガー１６０と、それに対応する固定フィンガー１６８，１７０との間のキャパシタンスの変化を記録することによって、Ｙ軸方向９４の加速も同様に検知される。

この実施形態において、中心線１５０は試験質量１４８の第１対称軸であって、中心線１５０に対して直交して配置された中心線１６２は、試験質量１４８の第２対称軸である。一般に、アンカーシステム１５２のアンカー１５４は中心線１５０，１６２からオフセットされ、中心線１５０，１６２に対して対称的配置される。すなわち、各アンカー１５４は中心線１５０，１６２から同等距離にオフセットされる。このアンカー１５４の構成は、試験質量１４８を中心とする、または中心線１５０，１７０の交点１７２で均衡化されるという結果をもたらす。Ｘ軸検知フィンガー１５８及びＹ検知フィンガー１６０は、試験質量１４８の中心線１５０，１７０に対して対称的に配置されても良い。試験質量１４８の対称的構成は、中心線１５０，１６２のいずれの側でも一般に同様な熱応力をもたらす結果となる。従って、試験質量１４８に対する熱応力の効果は、Ｘ軸方向９２及びＹ方向９４の検知の正確度に影響し、その効果は減少する。

試験質量１４８のアンカーシステム１５２は、試験質量１００のアンカーシステム１１６から機械的に分離される（すなわち、異なる）ことを特に理解されたい。この構成において、Ｚ方向９６のＺ軸検知のための電極素子１１８，１２０及び係留１２４，１２８のデザインを最適化すると共に、Ｘ方向９２とＹ方向９４のＸＹ軸検知のためのバネ要素１５６を最適化することが可能である。また、Ｚ軸検知はＸＹ軸検知から分離されるので、交差軸検知は大幅に削除される。これは図６で示しており、Ｚ方向９６の加速に応じて、回転軸１３２の周囲を試験質量１００が回転する。しかし、独立アンカーシステム１５２によって試験質量１４８は試験質量１００から分離されるので、試験質量１４８は試験質量１００に相当して枢動及び回転しない。すなわち、試験質量１４８は、下にある基板９８の表面１０４と離間し、実質的に平行なままである。

図７は、本発明の別の実施形態に従った多軸ＭＥＭＳセンサ１７４の平面図を示す。ＭＥＭＳセンサ１７４のデザインは、ＭＥＭＳセンサ９０のデザインと類似する。すなわち、ＭＥＭＳセンサ１７４は、基板９８（図示せず）と、アンカーシステム１１６によって基板９８の上に自在に保持され、枢動的に接続された試験質量１００と、アンカーシステム１５２によって基板９８上に自在に保持され、枢動的に接続された試験質量１４８とを備えている。この特徴は図５，６で説明しており、該特徴の利点及び規定は、簡潔にするためにここでは繰り返さない。

いくつかの例では、Ｘ検知フィンガー１５８及びＹ検知フィンガー１６０のＸＹ検知感度を増加するように、試験質量１４８の質量を増加することが望ましい。すなわち、試験質量１４８の質量が増加すれば、かなり低い加速度でも、Ｘ方向９２またはＹ方向９４のいずれに試験質量１４８が変位する可能性が大きくなる。従って、ＭＥＭＳセンサ１７４は、試験質量１４８の中心線１５０，１６２に対して試験質量１４８上に対称的に配置された材料１７６をさらに備える。材料１７６は、例えば、金属または試験質量１４８上に配置される他の適切な材料である。材料１７６は公知の処理によって堆積及びパターン化できる。材料１７６は、試験質量１４８の質量を増加するために機能する。結果として、Ｘ検知フィンガー１５８及びＹ検知フィンガー１６０のＸＹ検知感度が効果的に増加する。

図８は、本発明の別の実施形態に従った多軸ＭＥＭＳセンサ１７８の平面図を示す。ＭＥＭＳセンサ１７８のデザインはＭＥＭＳセンサ９０と類似している。すなわち、ＭＥＭＳセンサ１７８は、基板９８と、アンカーシステム１１６によって基板９８の上に自在に保持され、枢動的に接続される試験質量１００とを備えている。これらの特徴は、図５，６で上述しており、該特徴の説明および利点は、簡潔にするために繰り返さない。いくつかの例では、Ｘ方向検知はＹ方向検知から機械的に分離されることが望ましい。従って、試験質量１８０，１８２は、試験質量１００の開口１１２に存在する。

試験質量１８０は、基板９８に形成された複数のアンカー１８６の形態でアンカーシステム１８４によって基板９８の上に自在に保持され、基板９８に接続される。アンカー１８６は、バネ要素１８８を介して試験質量１８８に接続する。試験質量１８０は試験質量１００の回転軸１３２に整列した複数のＸ軸検知フィンガー１９０をさらに備える。各Ｘ軸検知フィンガー１９０は、下にある基板９８に形成された二つの固定フィンガー１９２，１９４によって囲まれる。バネ要素１８８は、Ｘ方向９２の加速に応じて試験質量１８０が基板と実質的に平行に移動することを可能にするコンプライアント線形バネである。従って、ＭＥＭＳセンサ１７８がＸ方向９２で加速を検知する時、Ｘ軸検知フィンガー１９０と隣接した固定フィンガー１９２，１９４との間の距離が変化し、そしてフィンガー間のキャパシタンスを変える。このキャパシタンス変化は検知回路（図示せず）によって記録され、Ｘ方向９２の加速度を示す出力信号に変換される。

試験質量１８２は、基板９８に形成された複数のアンカー１９８の形態でアンカーシステム１９６によって、基板９８の上に自在保持され、基板９８に接続される。アンカー１９８は、バネ要素２００を介して試験質量１８２に接続される。試験質量１８２はさらに、試験質量１００の回転軸１３２に対して直交して配置されたＹ検知フィンガー２０２を備える。各Ｙ軸検知フィンガー２０２は、下にある基板９８に形成された二つの固定フィンガー２０４，２０６によって囲まれる。バネ要素２００は、Ｙ方向９４の加速に応じて試験質量１８２が基板と実質的に平行に移動することを可能にするコンプライアント線形バネである。従って、ＭＥＭＳセンサ１７８がＹ方向９４で加速を検知する時、Ｙ軸検知フィンガー２０２と隣接した固定フィンガー２０４，２０６との間の距離が変化し、そしてフィンガー間のキャパシタンスを変える。このキャパシタンス変化は検知回路（図示せず）によって記録され、Ｙ方向９４の加速度を示す出力信号として変換される。

この実施形態では、試験質量１００の異なるアンカーシステム１１６に加えて、試験質量１８２が、試験質量１８０のアンカーシステム１８３とは異なるアンカーシステム１９６によって自在に保持されることを理解されたい。従って、Ｘ軸方向９２とＹ軸方向９４の間のいかなる交差軸検知も、大幅に削除される。また、個別アンカー１８６，１９８は、二つの直交検知軸に沿って異なった加速度の大きさを検知するためにＸ方向９２対Ｙ方向９４で異なる剛性を有するようにデザインできる。さらに、ＭＥＭＳセンサ１７８の構成は、試験質量１００の係留１２４，１２６の長さに対してより大きな柔軟性を提供し、一方で開口１１２の利点、すなわち非線形の減少及び減衰の改善を維持する。

ここで記述する実施形態は、少なくとも二つの相互に直交する方向の加速度を検知するようになっているトランスデューサを含む。該トランスデューサは、異なるアンカーシステムによって基板の上に各々が自在に保持された少なくとも二つの試験質量を含む。第１試験質量は、第１第１方向の加速度を検知するためのティータ・トォター型として作られた差分加速度センサを備えてもよい。第１試験質量のアンカーシステムの枢動要素は回転軸に物理的に配置されるため、回転軸からオフセットした枢動要素を有するいくつかの従来技術のデザインに見られる二次非線形結果が大幅に削除される。第１試験質量は、開口と、該開口に存在する第２試験質量とを備える。第２試験質量は、下にある基板と実質的に平行であるが、第２及び／または第３の相互直交方向の加速に応答して変位が可能なアンカーシステムを有する差分変位加速度センサでもある。第１試験質量の開口形成によって、第１第１方向の検知感度を犠牲にしなくても、第１方向のロールオフ周波数は増加できる。また、開口への第２試験質量の配置は、コンパクトサイズ及び安価パッケージングを必要とするＭＥＭＳセンサアプリケーションに対する要求を満たすためのコンパクトな多軸トランスデューサデザインを達成する。各試験質量の異なるアンカーシステムは、交差軸検知を省くと同時に、相当するねじれ及び線形バネ要素の最適化を可能にする。

本発明の代表的な実施形態に関して説明してきたが、本技術分野の当業者は本発明がその精神を逸脱することなく上述した以外の具体的な形式で用いることが可能 であることを容易に理解するであろう。上述の実施形態は例示であって、いかなる意味においても限定的に解釈すべき物ではない。本発明の範囲は上述の説明では なく、添付の請求項によって与えられ、請求項の範囲に含まれる全ての変形及び等価物は本発明に包含されることが意図されている。

Claims (20)

1. 少なくとも二つの相互に直交する方向の加速を検知するトランスデューサであって、
   基板と、
   前記基板の表面の上に基板と離間した関係で配置され、回転軸に対して移動される第１試験質量であって、前記第１試験質量を通る開口を有する第１試験質量と、
   前記基板の表面に形成され、相互直交方向の第１方向の加速に応答して前記第１試験質量が回転軸の周囲を回転可能なように、前記回転軸の位置で前記第１試験質量を前記基板に枢動可能に接続する第１アンカーシステムと、
   前記開口内で、前記基板の表面の上に基板と離間した関係で存在する第２試験質量と、
   前記基板の表面に形成され、相互直交方向の第２方向の加速に応答して前記第２試験質量が前記基板の表面と実質的に平行に移動できるように前記第２試験質量に接続された第２アンカーシステムと、
   を備えたトランスデューサ。
2. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
   前記回転軸は、前記第１試験質量の前記開口の中心線に配置されることを特徴とするトランスデューサ。
3. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
   前記第１試験質量の前記開口は、内部周辺壁によって区画形成され、
   前記第１アンカーシステムは、
   前記内部周辺壁の第１側で前記第１試験質量に取り付けられた第１枢動要素と、
   前記内部周辺壁の第１側の反対側の前記内部周辺壁の第２側で前記第１試験質量に取り付けられた第２枢動要素と、
   を備えることを特徴とするトランスデューサ。
4. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
   前記第１試験質量は第１端部及び第２端部を有し、
   前記回転軸と前記第１端部との間に第１部分が形成され、
   前記回転軸と前記第２端部との間に第２部分が形成され、
   前記第１部分は前記第２部分より大きな質量を示すことを特徴とするトランスデューサ。
5. 請求項４記載のトランスデューサにおいて、
   第１部分が回転軸と第１端部の間である第１の長さを示し、第１の長さは回転軸と第２端部の間である第２部分の第２の長さよりも大きくなるように、前記第１試験質量の前記回転軸は、第１端部と第２端部との間でオフセットされていることを特徴とするトランスデューサ。
6. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、トランスデューサはさらに、
   前記基板表面に形成され、前記第１部分に向けた第１電極と、
   前記基板表面に形成され、前記第２部分に向け、第２電極とを備え、
   前記第１電極及び第２電極はそれぞれ、前記回転軸に対して実質的に等しい距離でオフセットし、
   前記第１電極及び第２電極はそれぞれ、前記基板と垂直な前記第１方向の加速度を検知するように構成されることを特徴とするトランスデューサ。
7. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
   前記第２試験質量は、前記第１試験質量の前記回転軸と同軸である中心線を示すことを特徴とするトランスデューサ。
8. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
   前記第２アンカーシステムは、回転軸よりオフセットされ、前記回転軸に対して対称的に配置された複数のバネ要素を有することを特徴とするトランスデューサ。
9. 請求項８記載のトランスデューサにおいて、
   第２試験質量は、前記回転軸と実質的に直交する中心線を示し、
   前記複数のバネ要素は、前記中心線に対して対称的に配置されることを特徴とするトランスデューサ。
10. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
    前記第２アンカーシステムが、前記相互直交方向における第３方向の加速に応答して、前記第２試験質量が前記基板表面と平行に移動することを可能にすることを特徴とするトランスデューサ。
11. 請求項１０記載のトランスデューサにおいて、前記第２試験質量が、
    前記回転軸と直交する前記第２試験質量の第１中心線に整列し、前記第２方向の前記加速度を検知するようになっている第１セットの検知フィンガーと、
    前記第１中心線と直交すると共に前記回転軸と実質的に平行な前記第２試験質量の第２中心線に整列し、前記第３方向の前記加速度を検知する第２セットの検知フィンガーと、
    を備えることを特徴とするトランスデューサ。
12. 請求項１１記載のトランスデューサにおいて、
    第１セット及び第２セットの検知フィンガーの各々は、前記基板表面に固定され取り付けられた二つの平行なフィンガーの間に配置されることを特徴とするトランスデューサ。
13. 請求項１記載のトランスデューサにおいて、トランスデューサはさらに、
    前記開口内で、前記基板表面の上に基板と離間した関係で存在する第３試験質量と、
    前記基板の表面に形成され、前記相互直交方向の第３方向における前記加速に応答して、第３試験質量が前記基板表面と平行に移動することを可能にする前記第３試験質量に接続された第３アンカーシステムと、
    をさらに備えることを特徴とするトランスデューサ。
14. 請求項１３記載のトランスデューサにおいて、
    前記第２試験質量及び第３試験質量の各々は、前記開口の中心線からオフセットされ、
    前記回転軸は前記中心線と同軸であり、
    第１アンカーシステムは、前記第２試験質量と第３試験質量との間で前記回転軸に配置されることを特徴とするトランスデューサ。
15. 少なくとも二つの相互に直交する方向の加速度を検知するトランスデューサであって、
    基板と、
    前記基板の表面上に基板と離間した関係で配置され、回転軸に対して移動される第１試験質量であって、前記第１試験質量を通る開口を有する第１試験質量と、
    前記基板の表面に形成され、相互直交方向の第１方向の加速に応答して前記第１試験質量が回転軸周囲を回転可能なように、前記回転軸の位置で前記第１試験質量を前記基板に枢動可能に接続する第１アンカーシステムと、
    前記開口内で、基板の表面上に基板に離間した関係で存在する第２試験質量であって、第１中心線と同軸の第２中心線を示す第２試験質量と、
    前記基板の表面に形成され、相互直交方向の第２方向の加速に応答して前記第２試験質量が前記基板表面に対して実質的に平行に移動できるように、前記第２試験質量に接続された第２アンカーシステムと、
    を備えたトランスデューサ。
16. 請求項１５記載のトランスデューサにおいて、
    第１試験質量は第１端部及び第２端部を有し、
    前記第１端部と前記回転軸との間に第１部分が形成され、
    前記第２端部と前記回転軸との間に第２部分が形成され、
    前記第１部分は前記第２部分より大きな質量を有し、
    前記第１試験質量は、前記基板の前記表面と垂直な前記第１方向の前記加速に応答して前記回転軸の周囲を回転することを特徴とするトランスデューサ。
17. 請求項１５に記載のトランスデューサにおいて、
    前記第２アンカーシステムは、前記相互直交方向の第３方向の前記加速に応答して、前記第２試験質量が前記基板の前記表面と実質的に平行に移動することを可能にし、
    前記第２方向及び前記第３方向は、前記基板の前記表面と実質的に平行であることを特徴とするトランスデューサ。
18. 少なくとも二つの相互に直交な方向の加速度を検知するトランスデューサであって、
    基板と、
    前記基板の表面の上に基板と離間した関係で配置され、回転軸に対して移動される第１試験質量であって、前記第１試験質量を通る開口を有し、前記開口は内部周辺壁によって形成される、第１試験質量と、
    前記基板の表面に形成され、相互直交方向の第１方向の加速に応答して前記第１試験質量が回転軸の周囲を回転可能なように、前記回転軸の位置で前記第１試験質量を前記基板に枢動可能に接続する第１アンカーシステムであって、
    前記内部周辺壁の第１側で第１試験質量に取り付けられた第１枢動要素と、
    前記内部周辺壁の第１側の反対側の前記内部周辺壁の第２側で第１試験質量に取り付けられた第２枢動要素とを備える前記第１アンカーシステムと、
    前記開口内で、前記基板の表面の上に基板と離間した関係で存在する第２試験質量と、
    前記基板の表面に形成され、相互直交方向の第２方向の加速に応答して前記第２試験質量が前記基板表面と平行に移動できるように前記第２試験質量に接続された第２アンカーシステムであって、前記回転軸線からオフセットされ、前記回転軸に対して対称的に配置された複数のバネ要素を有する第２アンカーシステムと、
    を備えたトランスデューサ。
19. 請求項１８記載のトランスデューサにおいて、
    前記第２試験質量は、前記回転軸と実質的に直交する中心線を示し、
    前記複数のバネ要素は、前記中心線に対して対称的に配置されることを特徴とするトランスデューサ。
20. 請求項１８記載のトランスデューサにおいて、
    第２アンカーシステムは、前記相互直交方向の第３方向の前記加速に応答して、前記試験質量が前記基板表面と実質的に平行に移動することを可能にすることを特徴とするトランスデューサ。

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