JP2014500498A - 加速度計 - Google Patents

Abstract

支持体と、第１のマス要素と、第２のマス要素とを具備する加速度計である。第１及び第２のマス要素は、ユニタリ可動プルーフマスを形成するように緊密に互いに連結されている。支持体は、第１のマス要素と第２のマス要素との間に少なくとも部分的に位置されている。複数の装着脚が、支持体に対する移動に対して第１及び第２のマス要素を支持している。可動コンデンサフィンガの少なくとも２つのグループが、第１のマス要素に設けられ、かつ、支持体と連結された固定コンデンサフィンガの対応するグループと互いに噛合している。可動コンデンサフィンガの少なくとも２つのグループが、第２のマス要素に設けられ、かつ、支持体と連結された固定コンデンサフィンガの対応するグループと互いに噛合している。

Description

本発明は、加速度計に、特に、比較的寸法が小さく低コストの微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計に関する。

ＭＥＭＳ加速度計は、例えば、自動車及び他のアプリケーションで広く使用されている。これらが使用される１つの領域は、衛星通信のリンクが一時的に中断される短いインターバル間に使用される、乗物の移動を示すバックアップ情報を提供するための全地球位置把握アプリケーションである。しかし、これは、ＭＥＭＳ加速度計が使用されることができる単なる１つの可能なアプリケーションにすぎず、本発明はこれに限定されるものではないことが理解される。

米国特許第７０４７８０８号は、このようなアプリケーションでの使用に適したＭＥＭＳ加速度計を開示している。加速度計は、リング状の支持部材に囲まれたプレート状の形態のプルーフマスを有する。支持部材及びプルーフマスは、ほぼ同一平面上にある。プルーフマスは、プルーフマス及び支持部材と一体的に形成された一連の装着脚によって支持部材に接続されている。各装着脚は、加速度計が加速を感知する方向にほぼ垂直な方向に延びている。使用の際、加速度計は、対象物に装着され、その運動がモニタされ、加速度計は、支持部材が対象物に緊密に固定される（剛結される）ようにして装着され、加速度計は、装着脚の各々がセンシング方向にほぼ垂直な方向に延びているように、正確に方向決めして配置されている。対象物がセンシング方向に加速されると、プルーフマスの慣性が支持部材に対してプルーフマスを移動させて、装着脚が撓み、その静止位置に向かってプルーフマスを戻すように付勢する復元力を加えることが理解される。

プルーフマスと支持部材との間の相対運動が感知され、これによって、加速を示す電気出力が生成されることを可能にするために、プルーフマスには、コンデンサフィンガのいくつかのグループが設けられており、これらの各々が、装着脚にほぼ平行に延びている。同様に、支持部材にも、コンデンサフィンガのいくつかのグループが設けられており、各グループのフィンガが、プルーフマスと連結された対応するグループのコンデンサフィンガと（両手の指を組み合わせたように）互いに噛合されている。支持部材に対するプルーフマスの移動は、互いに噛合されたフィンガの隣接しているフィンガの相対運動をもたらす。適切な静電容量測定をすることによって、支持部材に対するプルーフマスの位置又は移動が決定されることができる。支持部材に対するプルーフマスの移動は、使用の際、加速度計が装着されて加速を受ける対象物から生じるので、移動の出力もまた、受けた加速を示すことが理解される。

その他、同様の装置が、例えば、米国特許第７５６２５７３号並びに米国特許第７２６７００６号に開示されている。

このようなタイプの構成では、支持部材に設けられたコンデンサフィンガのさまざまなグループへの駆動電気接続部を形成する必要がある。従って、加速度計は、例えば、支持部材と連結されたコンデンサフィンガの４つのグループを含み、必要な接地及び出力接続部に加えて、４つのこのような接続部を形成する必要がある。このような接続部を用意すると、スペースを取り、比較的大きな加速度計をもたらしてしまう。また、このような接続部を提供する必要性と関連したコストのかかわり及びさらなる製造上の複雑さがある。

本発明の目的は、既知の構成体の欠点の少なくともいくつかが克服されたか影響が低減された加速度計を提供することである。

複数の垂直方向の加速を感知する加速度装置を提供することが望ましい。また、本発明の他の目的は、このような装置で使用するのに適した加速度計を提供することである。

本発明によれば、支持体と、第１のマス要素と、第２のマス要素とを具備する加速度計であって、前記第１及び第２のマス要素は、ユニタリ可動プルーフマスを形成するように緊密に互いに連結され、前記支持体は、前記第１のマス要素と前記第２のマス要素との間に少なくとも部分的に位置され、複数の装着脚が、前記支持体に対する移動に対して前記第１及び第２のマス要素を支持し、可動コンデンサフィンガの少なくとも２つのグループが、前記第１のマス要素に設けられ、かつ、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの対応するグループと互いに噛合し、可動コンデンサフィンガの少なくとも２つのグループが、前記第２のマス要素に設けられ、かつ、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの対応するグループと互いに噛合している加速度計が提供される。

このような構成は、加速度計が比較的コンパクトであり、効率的なスペースの形態であるという効果を奏する。

便宜的には、単一の、共有の電気接続部が、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの２つのグループに接続部を与えるように設けられることができる。同様に、単一の電気接続部が、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの他の２つのグループに接続部を与えるように設けられることができる。結果として、必要とされる接続部の総数を減少させることによって製造が単純化されることができる。この結果、コスト削減がなされることができ、また、さらなるスペースの節約も達成されることができる。

加速度計への損傷に屈することなく、かなり大きな加速に耐えることができる加速度計であることが望ましい。この機能性を提供するのをアシストするために、加速度計には、好ましくは、第１及び第２のマス要素が移動することができる距離を制限するように動作可能な停止形成部が設けられている。便宜的には、停止形成部は、コンデンサフィンガのうち隣接しているコンデンサフィンガの間の接触を防ぐのに十分な程度にこのような移動を制限するように配置されている。

このようなかなり大きな加速に晒される加速度計の動作に対して妨害を最小にするために、好ましくは、停止形成部は、第１のマス要素及び第２のマス要素と同じ電位にある支持体の一部に設けられている。結果として、このようなかなり大きな加速の場合の電気接地が回避される。

マス要素及び支持体は、便宜的には、使用の際、例えば、ガラスプレートの形態で、１対の基板間に支持されたシリコンウェーハのエッチングによって製造されることができる。マス要素と支持体との間のスペースは、便宜的には、プルーフマスの動きを減衰させるように、シールされ、ガスで充填されている。

本発明は、さらに、互いに一体的に形成され、互いに垂直であるように方向決めして配置された、既に述べられたタイプの１対の加速度計を有する２軸加速度装置に関する。

加速度計のサイズが比較的小さく、必要な電気接続部の数が比較的少ないので、２軸加速度計を提供するために単一の装置に２つのこのような加速度計を組み込むことは、比較的好都合である。

本発明は、添付図面を参照して、例によって、さらに説明される。

図１は、本発明の一実施の形態に係る加速度計の概略図である。 図２は、図１に示されるタイプの１対の加速度計を組み込んだ加速度装置を示す斜視図である。 図３は、図２の装置を示す断面図である。 図４は、図２の装置を示す断面図である。 図５は、図２の装置を示す平面図である。 図６は、図２の装置の一部を示す拡大したスケールの概略図である。 図７は、図１ないし図６の構成の変形例を示す図である。 図８は、図１ないし図６の構成の変形例を示す図である。 図９は、図１ないし図６の構成の変形例を示す図である。

まず、図１を参照すると、支持体１２を有する加速度計１０が図示され、プルーフマス１４が、一連の装着脚１６によって支持体１２に可動であるように装着されている。プルーフマス１４、装着脚１６及び支持体１２は、互いに一体的に形成されており、ほぼ同一平面上にあり、例えば、シリコンウェーハの適切なエッチング又は他の処理によって製造されている。

プルーフマス１４は、１対の装着脚１６によって支持体１２に接続された第１のマス要素１８と、他の対の装着脚１６によって支持体１２に接続された第２のマス要素２０とにより構成されている。クロスブレース２２は、使用の際、第１のマス要素１８及び第２のマス要素２０が同調して一緒に動いて、単一の質量体として振る舞うのを確実にするようにして、第１のマス要素１８と第２のマス要素２０とを互いに連結している。

装着脚１６は、全て、互いに平行であり、（図１に矢印Ａで示される）センシング方向にほぼ垂直に延びている。プルーフマス１４は、使用の際、支持体１２に対して移動可能である。装着脚１６は、中心の静止位置に向かってプルーフマス１４を付勢するように、プルーフマス１４にバイアス負荷を加える。使用の際、加速度計１０がセンシング方向Ａへの加速を受けると、プルーフマス１４の慣性が、プルーフマス１４を支持体１２に対して移動させ、このような移動は、装着脚１６の撓みによって受けられ、その中心位置に向かって戻るようにプルーフマス１４を付勢する装着脚１６の弾性エネルギによって加えられた回復負荷の作用に対して起こる。プルーフマス１４が移動する距離は、加速度計が晒される加速の大きさに関連している。

図示されるように、第１のマス要素１８と第２のマス要素２０とは、互いに離間されている。また、支持体１２は、第１のマス要素と第２のマス要素との間のスペースに延びている。ブレース２２はまた、このスペースを横切って延びている。また、支持体１２は、ブレークを含むように形成されており、ブレース２２がこのブレークを通って延びており、これにより、プルーフマス１４が支持体１２に対して自由に移動することができる。従って、支持体１２は、上述のブレークによって分離された上側支持部分１２ａと下側支持部分１２ｂとの形態を取る。

図６に示されるように、第１のマス要素１８は、可動コンデンサフィンガの上側グループ２４と下側グループ２６とを保持しており、各フィンガが、装着脚１６にほぼ平行に、従って、プルーフマス１４が移動することができる方向Ａにほぼ垂直に延びている。「移動可能（可動）」という用語は、個々のフィンガがプルーフマス１４に対して移動することができることを示唆するのではなく、フィンガが、それ自体、支持体１２に対して移動可能であるプルーフマスに設けられているという事実によって支持体１２に対して移動することができることを表すために使用される。支持体１２は、固定コンデンサフィンガの第１の対の上側グループ２８と下側グループ３０とをそこに連結している。上側グループ２８のフィンガは、上側グループ２４のフィンガと互いに噛合しており、また、下側グループ３０のフィンガは、下側グループ２６のフィンガと互いに噛合している。同様に、第２のマス要素２０には、可動コンデンサフィンガの上側グループ３２と下側グループ３４とが設けられ、支持体１２と連結された固定コンデンサフィンガの第２の対の上側グループ３６と下側グループ３８と互いに噛合している。第１の上側グループ２８と第２の上側グループ３６とは、支持体１２の上側部分１２ａと連結され、また、第１の下側グループ３０と第２の下側グループ３８とは、支持体１２の下側部分１２ｂと連結されている。図６に最も良く示されるように、互いに噛合された対のグループの各々のフィンガは、等間隔に離間されていない。各場合において、支持体１２と連結されたグループ２８、３０、３６、３８の各々の固定フィンガは、プルーフマス１４がその中心の静止位置を占めているとき、ブレースバー２２からより離れた隣接している可動フィンガによりもブレースバー２２に最も近い隣接している可動フィンガの近くに位置している。しかし、これが逆にされた構成も可能でありうる。

既に述べられたように、支持体１２、プルーフマス１４及び装着脚１６は、互いに一体的に形成されている。図２、図３並びに図４に最も良く示されるように、これらの構成要素から形成されたシリコンウェーハは、便宜的には、１対のガラス又は他の適切な材料の基板４０、４２の間に挟持されている。基板４０、４２は、それによって支持されるように、基板４０、４２を支持している支持体１２を与えるように適切に凹んでおり、一方、装着脚１６及びプルーフマス１４は、プルーフマス１４が、加速度計１０がその方向に加速を受けたときにセンシング方向Ａに自由に移動することができることを確実にするように、わずかな距離だけそこから離間されている。

基板４０、４２の間のスペースと、プルーフマス１４と、支持体１２とは、減衰媒体で、便宜的には、気体の減衰媒体、例えば、空気で、好ましくは、ほぼ大気圧で、充填されている。従って、加速度計の動作は、圧搾減衰に従って弱められる。フィンガの間のギャップやフィンガの長さなどの適切な選択によって、所望であれば臨界減衰が達成されることができ、加速度計が開ループ配置で使用されることが望ましい。

装着脚１６の根、即ち、装着脚１６が支持体１２に接合している点は、支持体１２の軸に接近しており、従って、上側部分１２ａに取着された装着脚１６の根は、互いに接近しており、また、下側部分１２ｂに取着された装着脚１６の根は、互いに接近している。結果として、基板４０、４２の材料、及びウェーハから形成された支持体１２、プルーフマス１４及び装着脚１６のさまざまな熱膨張から生じる応力が最小にされる。プルーフマス１４の共振周波数は、幾分、装着脚１６の応力に依存しているので、このことは重要である。

図２、図３並びに図４は、さらに、グループの各々のコンデンサフィンガに電気通路（electrical vias）又は接続部を形成することができる適切な位置を示す図である。図示されるように、支持体１２は、その上に設けられた２つの電気接続部４４、４６を有する。接続部又は通路は、周知技術を使用して製造されることができる。１つの便宜的な技術は、例えば、ほぼ切頭円錐の凹部を形成するために、基板４０に、及び支持体１２の材料にパウダーブラスト処理をし、そして、その表面が、支持体１２の関連部品に良い電気接続部を与えるために金属被覆される技術である。接続部４４は、上側部分１２ａに設けられ、固定フィンガの第１の上側グループ２８及び第２の上側グループ３６に電気接続部を提供する。また、接続部４６は、下側部分１２ｂに設けられ、固定フィンガの第１の下側グループ３０及び第２の下側グループ３８に電気接続部を提供する。固定フィンガの第１の上側グループ２８及び第２の上側グループ３６が支持体１２の上側部分１２ａの両側から延びているので、これらグループの両方に対して、単一の、共通の接続部を使用することが便宜的であり、同様に、固定フィンガの下側グループの両方に対して、単一の、共通の接続部を使用することが便宜的であることが理解される。既に述べられたタイプの代表的な差動静電容量加速度計の構成とは対照的に、本発明の構成は、形成される接続部の数が減少されることが理解される。従って、かなりのスペースの節約及びサイズの減少が達成されることができ、また、製造プロセスがかなり単純化されることができる。

接続部４４、４６に加えて、加速度計には、さらに、接続部４８が設けられ、これによって、駆動信号が、プルーフマス１４と連結された可動フィンガのグループに印加されることができる。また、接地接続部５０も与えられる。これらの接続部は、既に述べられた接続部と同様の形態であることができる。

使用の際、加速度計１０は、図１に示される方向付けで、支持体１２に対するプルーフマス１４の上方移動をもたらす方向Ａへの加速を受ける。これは、上側グループ２４、２８、３２、３６の最も接近しているものの間の間隔を減少させ、一方、下側グループ２６、３０、３４、３８のフィンガの中で最も接近しているものの間の間隔が、均一量だけ増加する。フィンガの間隔の変化は、これらの間の静電容量の変化をもたらし、また、微分容量の適切なモニタリングによって、支持体１２に対するプルーフマス１４の位置の表示を与える出力が達成されることができる。プルーフマス１４によって占められる位置が加えられた加速の大きさと関連しているので、静電容量のモニタリングによって、加えられた加速の大きさの表示が出力されることができることが理解される。

静電容量がモニタされる方法は、便宜的には、米国特許第７０４７８０８号に実質的に記載されている。即ち、例えば、方形波駆動電圧が、好ましくは、接続部４４に、従って、支持体１２と連結された固定フィンガの第１の上側グループ２８及び第２の上側グループ３６に印加され、一方、同様の、しかし、反位相の、方形波駆動信号が、接続部４６に、従って、固定フィンガの第１の下側グループ３０及び第２の下側グループ３８に印加される。接続部４８によってプルーフマス１４に装着された可動フィンガのグループから得られた信号の適切なモニタリング及び処理によって、加えられた加速を示す出力が達成されることができる。開ループタイプの配置の使用、又は閉ループ方法で出力が引き出されてもよい。例えば、米国特許第７０４７８０８号に記載されているように、静電容量がモニタされる方法は、大部分は既知の技術に従うので、ここではさらなる詳細は述べない。微分容量がモニタされる方法は、既に概略を述べたとおり、必要でないことが注目されるべきである。例えば、接続部４４、４６に逆位相入力を与えて出力を得るために接続部４８を使用するのではなく、入力信号が接続部４８に与えられて、出力信号を得るために接続部４４、４６での差動出力がモニタされることができる。さらに、方形波信号の使用が参照されてきたが、本発明はこれに限定されるものではない。

図２並びに図５に示されるように、加速度計１０は、便宜的には、互いに隣接して位置され、これらのセンシング方向Ａが互いに垂直であるように２つの加速度計１０により構成されたより大きな加速度装置５２の一部を形成している。所望であれば、基板４０、４２は、両加速度計１０に共通であることができる。この形態の加速度装置５２は、２つの垂直方向、即ち２軸での加速がモニタされることを可能にする。各加速度計１０が比較的コンパクトな形態であり、必要とされる電気接続の数が減少するので、加速度装置５２もまた、比較的コンパクトで簡単な形態であることができる。

加速度計１０及び装置５２は、一連の形態を取ることができる。装置５２は、約２．１ｍｍ×４．２ｍｍの寸法であることができることが意図される。このような構成では、支持体１２、装着脚１６及びプルーフマス１４が形成されるシリコンウェーハは、便宜的には、厚さ約１５０μｍであり、装着脚１６は、幅約７〜８μｍであることができ、２０：１の範囲のアスペクト比を有し、フィンガは、長さ約０．７ｍｍ、幅約６μｍであり、フィンガの間隔は９〜１５μｍであり、フィンガの各グループは、１８のフィンガを含む。このような構成では、ブレース２２が、長さ約０．８５ｍｍ、幅５０μｍであることができる。しかし、これらの寸法は単なる例であり、他の広範な構成が可能であることが理解される。

加速度計１０にとって、加速度計への損傷に屈することなく、かなりの加速に耐えることができることが望ましい。既に述べられた構成では、センシング方向Ａへのかなり大きな加速により、第１及び第２のマス要素１８、２０の各々の端部部分が支持体１２の隣接している部分に接触する。このような接触は、互いに噛合されたフィンガのうち隣接しているフィンガの間で接触が生じる前に生じ、従って、損傷の危険又は生じているフィンガ間の静止摩擦は、低い。しかし、プルーフマス１４の部分と支持体１２との間の係合は、これらの間の電気伝導、接地に関するプルーフマス１４の一時的なショート、出力の一時的なロス又は出力精度の低下をもたらす。一方、いくつかのアプリケーションでは、このような短期間の一時的なショートは、問題とされないが、このようなショートを回避することが望ましい状況でありうる。図７ないし図９は、既に述べられた構成の変形を示すものであり、このようなショートが回避されることができる。

図７ないし図９に示されるように、支持体１２には、装着脚１６に隣接して延びているが、装着脚１６から離間されている固定停止部材５４が設けられており、基板４０、４２に非可動に固定されている。停止部材５４は、プルーフマス１４のさまざまな構成部材に電気的に接続され、従って、プルーフマス１４のさまざまな構成部材とほぼ同じ電位であり、プルーフマス１４が所定の制限位置に移動したとき、第１のマス要素１８及び第２のマス要素２０の端部部分と当接するか係合するように配置された橋台部分５６を含むように、これらの端部に形成されており、これにより、プルーフマス１４のさらなる移動を防ぐ。停止部材５４がプルーフマス１４と同じ電位で保持されるので、このような接触は、地面へのプルーフマス１４のショートをもたらさないことが理解される。

フィンガが互いに接触する場合、フィンガには、図７に示されるように、小さなピップ５８が設けられることができる。これらピップ５８は、フィンガが、その表面全体ではなく、隣接しているフィンガのピップ５８の間で接触するようにしてアライメントされており、従って、静止摩擦の危険をさらに低減させる。

図７、図８並びに図９は、シリコンウェーハの一部から形成された支持体１２、装着脚１６及びプルーフマス１４が基板４０、４２に陽極結合されている（anodically bond）こと、及び、これらの部分が、基板４０、４２の浅い凹部の形成部から生じ、従って、これに対して自由に移動することができることを明確に示す図である。特に、図７は、支持体１２及び停止部材５４が下にある基板４０に結合され、一方、プルーフマス１４及び装着脚１６が、それに対して自由に移動可能であり、他方、各装着脚１６の最端部分の大部分が、連結されたマス要素から離れていることを示す図である。図７は、さらに、支持体１２が、固定フィンガの上側グループ及び下側グループが互いに電気的に絶縁された結果、エッチングされたウェーハの関連する部分の全体の厚さだけ断ち切られていることを示している。これらの特徴は、図７ないし図９に最も明確に示されるが、図１ないし図６の構成がこれに関してかなり類似していることが理解される。

本発明の特定の実施の形態がここに記載されてきたが、広範な修正及び変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、説明され図示された構成体に加えられることができることが理解される。

米国特許第７０４７８０８号公報 米国特許第７５６２５７３号公報 米国特許第７２６７００６号公報

Claims (12)

1. 支持体と、
   第１のマス要素と、
   第２のマス要素とを具備する加速度計であって、
   前記第１及び第２のマス要素は、ユニタリ可動プルーフマスを形成するように緊密に互いに連結され、
   前記支持体は、前記第１のマス要素と前記第２のマス要素との間に少なくとも部分的に位置され、
   複数の装着脚が、前記支持体に対する移動に対して前記第１及び第２のマス要素を支持し、
   可動コンデンサフィンガの少なくとも２つのグループが、前記第１のマス要素に設けられ、かつ、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの対応するグループと互いに噛合し、
   可動コンデンサフィンガの少なくとも２つのグループが、前記第２のマス要素に設けられ、かつ、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの対応するグループと互いに噛合している加速度計。
2. 単一の、共有の電気接続部が、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの２つのグループに接続部を与えるように設けられている請求項１の加速度計。
3. 単一の電気接続部が、前記支持体と連結された固定コンデンサフィンガの他の２つのグループに接続部を与えるように設けられている請求項２の加速度計。
4. 前記第１及び第２のマス要素が移動することができる距離を制限するように動作可能な停止形成部をさらに具備する請求項１ないし３のいずれか１の加速度計。
5. 前記停止形成部は、前記コンデンサフィンガのうち隣接しているコンデンサフィンガの間の接触を防ぐのに十分な程度にこのような移動を制限するように配置されている請求項４の加速度計。
6. 前記停止形成部は、前記第１のマス要素及び第２のマス要素と同じ電位にある前記支持体の一部に設けられている請求項４又は５の加速度計。
7. 前記第１及び第２のマス要素は、ブレースバーによって互いに連結されている請求項１ないし６のいずれか１の加速度計。
8. 前記ブレースバーは、前記第１及び第２のマス要素のフィンガのグループと前記支持体との間に延びている請求項７の加速度計。
9. 前記マス要素及び支持体は、使用の際、１対の基板間に支持されたシリコンウェーハのエッチングによって製造されている請求項１ないし８のいずれか１の加速度計。
10. 前記マス要素と前記支持体との間のスペースは、前記プルーフマスの動きを減衰させるように、シールされ、ガスで充填されている請求項９の加速度計。
11. 添付図面を参照してここに実質的に記載された加速度計。
12. 互いに一体的に形成され、互いに垂直であるように方向決めして配置された請求項１ないし１１のいずれか１の１対の加速度計を有する２軸加速度装置。

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