JP2019502910A - 加速度計センス経路自己試験 - Google Patents

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Abstract

微小電気機械加速度計は、プルーフマス、センス電極及び補助電極を有する。センス電極は、センス電極とプルーフマスによって構成されたキャパシタが、加速度計のセンス軸に沿った直線加速度に応じて変化するように、プルーフマスに対して配置される。補助電極は、補助電極とプルーフマスによって構成されたキャパシタが、直線加速度に応じて静止するように、プルーフマスに対して配置される。センス駆動信号がセンス電極に印加され、補助駆動信号が補助電極に印加される。センス駆動信号と補助駆動信号は、異なる周波数を有する。センス駆動周波数の検出信号の部分が、直線加速度を決定するために使用され、補助駆動周波数の検出信号の部分が、破損を識別するために使用される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１２月１５日に出願された「Accel Series Resistance to PM Detector」と題する米国仮特許出願第６２／２６７，８５８号に対する優先権を請求し、この出願は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
スマートフォン、スマートウォッチ、タブレット、自動車、ドローン、機器、航空機、運動支援装置、ゲームコントローラなどの多くの物品は、その操作中に運動センサを利用できる。多くの用途では、加速度計やジャイロスコープなどの様々なタイプの運動センサが、特定用途の様々な情報を決定するために個別又は一緒に分析されうる。例えば、ジャイロスコープと加速度計は、ゲーム用途（例えば、スマートフォン又はゲームコントローラ）でユーザによる複雑な運動を取得するために使用されることがあり、ドローンや他の航空機は、ジャイロスコープ測定値（例えば、ロール、ピッチ及びヨー）に基づいて向きを決定でき、車両は、方向（例えば、推測航法のため）と安全性（例えば、スキッド又はロールオーバ状態の認識）の決定のために測定値を利用できる。
加速度計やジャイロスコープなどの運動センサは、半導体製造技術を使用して作製される微小電気機械（ＭＥＭＳ）センサとして製造されうる。ＭＥＭＳセンサは、直線加速度（例えば、ＭＥＭＳ加速度計の場合）や角速度（例えば、ＭＥＭＳジャイロスコープの場合）などの力に応答できる可動プルーフマスを含みうる。可動プルーフマスに対するそのような力の作用は、力に応じたプループマスの運動に基づいて測定されうる。幾つかの実施態様では、この運動は、運動を検出するためのキャパシタを構成する可動プルーフマスとセンス電極の距離に基づいて測定される。ＭＥＭＳ加速度計のセンス電極は、駆動周波数の信号を受け取り、その結果、直線加速度によってプルーフマスがセンス電極に対して動く。幾つかの実施態様では、プルーフマスの電圧は、直線加速度に応じた動きを検出するために測定されうる。プルーフマス電圧に対するセンス経路内の抵抗は、加速度計の１つ以上の構成要素の破損を示すことがあり、その結果、直線加速度の測定にエラーが生じることがある。
本開示による典型的実施形態では、システムは、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号がそれぞれ印加される少なくとも２つのセンス電極と、補助駆動周波数を有する第１の補助駆動信号が印加される第１の補助電極と、補助駆動周波数を有する第２の補助駆動信号が印加される第２の補助電極とを含む。システムは、更に、少なくとも２つのセンス電極の１つ以上に隣接して配置され、かつ第１の補助電極の隣に配置された第１のプルーフマスと、少なくとも２つのセンス電極のうちの１つ以上に隣接して配置され、かつ第２の補助電極の隣に配置された第２のプルーフマスとを含む。システムは、更に、第１のプルーフマスと第２のプルーフマスからの受信信号を提供するために第１のプルーフマスと第２のプルーフマスのそれぞれに結合されて、センス駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定し、補助駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて故障を識別する処理回路を含む。
本開示による典型的な方法は、少なくとも２つのセンス電極に、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号を提供することと、第１の補助電極に、補助駆動周波数を有する第１の補助駆動信号を提供することと、第２の補助電極に、補助駆動周波数を有する第２の補助駆動信号を提供することとを含む。典型的方法は、更に、少なくとも２つのセンス電極の１つ以上の隣でかつ第１の補助電極の隣に配置された第１のプルーフマスから、第１のプルーフマス信号を受け取ることと、少なくとも２つのセンス電極の１つ以上の隣でかつ第２の補助電極の隣に配置された第２のプルーフマスから、第２のプルーフマス信号を受け取ることと、第１のプルーフマス信号と第２のプルーフマス信号に基づいて受信信号を生成することとを含む。典型的な方法は、更に、センス駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定することと、補助駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて故障を識別することとを含む。
本開示による典型的実施形態では、懸架型ばねマスシステムが、第１の軸に沿った直線加速度に応じて動くように１つ以上のばねによって懸架されたプルーフマスと、センス電極と、補助電極とを含む。センス電極は、プルーフマスとセンス電極によって構成されたキャパシタが、第１の軸に沿った直線加速度に応じて変化するように、プルーフマスの隣に配置される。補助電極は、プルーフマスと補助電極によって構成されたキャパシタが、第１の軸に沿った直線加速度に応じて変化しないように、プルーフマスの隣に配置される。典型的な懸架型ばねマスシステムは、更に、プルーフマス、センス電極及び駆動電極のそれぞれに結合された処理回路を含み、処理回路は、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号をセンス電極に提供し、補助駆動信号を有する補助駆動信号を補助電極に提供し、処理回路は、プルーフマスから受信信号を受け取り、センス駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定し、補助駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて故障を識別する。
本開示の以上その他の特徴、その本質及び様々な利点は、添付図面と関連して行われる以下の詳細な記述を検討することにより明らかになる。
本開示の実施形態による説明的な運動検出システムを示す図である。 本開示の幾つかの実施形態による、補助駆動周波数の補助駆動信号を提供する補助電極を含む説明的な加速度計を示す図である。 本開示の幾つかの実施形態による図２の加速度計の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による２対の補助電極を有する典型的な加速度計の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による補助信号測定回路の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による補助信号測定回路の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路にエラーが存在するかどうかを決定するための典型的なステップを示す図である。 本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路に存在するエラーを補償するための典型的なステップを示す図である。
加速度計は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計として設計され製造される。ＭＥＭＳ層は、半導体処理技術を使用して、センサの機械構成要素と、センサダイ（例えば、基板又はキャップの層としても機能するＣＭＯＳ層）内にあるかセンサダイの外にあるＣＭＯＳ回路などの、ＭＥＭＳ加速度計の他の構成要素への電気接続とを含むように構成される。ＭＥＭＳ層は、基礎となる基板層やキャップ層などの他の半導体層内に密封される。
ＭＥＭＳ層は、１つ以上のプルーフマスがばねによってＭＥＭＳ層内に懸架された懸架型ばねマスシステムを含み、プルーフマスの運動は、ばねと、幾つかの実施形態ではマスやレバーなどの付加構成要素によって制限される。これらのばね及び付加構成要素は、集合的に、特定の軸（例えば、直線加速度の測定のための１つ以上の軸）に沿ったプルーフマスの動きを可能にし、同時に他の軸に沿った動きを制限して、外力に対してそれらの他の軸に沿ったプルーフマスの動きが実質的にほとんどなくなるようにする（即ち、プルーフマスはそれらの他の軸に沿って静止している）。
固定センス電極は、検出された直線加速度の方向の各プルーフマスの隣に配置される。各プルーフマスとその隣接したセンス電極はキャパシタを構成し、その静電容量は、プルーフマスとセンス電極の距離によって変化する。この距離は、直線加速度に応じて懸架プルーフマスが固定センス電極に対して動くときに変化する。センス駆動信号が、センス駆動周波数でセンス電極に印加され、その結果、センス駆動周波数の信号の大きさが、直線加速度に対して、静電容量的に結合されたプルーフマスの動きに基づいて変化する。静電容量の変化は、プルーフマスやセンス電極などのキャパシタの構成要素に結合されうるセンス回路によって検出され、直線加速度は、センス回路の出力に基づいて決定される。
補助電極は、また、プルーフマスとキャパシタを構成するために、プルーフマスの隣に配置されうる。幾つかの実施形態では、補助電極は、プルーフマスに対して他の位置に配置されうるが、一実施形態では、補助電極は、プルーフマスが外力に対して静止している方向のプルーフマスの隣に配置されうる（例えば、懸架型ばねマスシステムの構成に基づいて）。一実施形態では、補助電極は、平面内静電容量を構成するプルーフマスの同一平面内にあってもよく、他の実施形態では、補助電極は、平面外静電容量を構成するプルーフマス平面に平行な平面にあってもよい。
補助駆動信号は、補助電極に提供され、それにより構成されたキャパシタを介して、隣のプルーフマスに提供されうる。補助駆動信号は、センス駆動信号と異なる周波数でよく、幾つかの実施形態では、周波数は、２つの信号の初期の幾つかの高調波が重ならないように選択されうる。例えば、補助駆動信号は、センス駆動信号に３２を掛け２１で割った周波数と等しい周波数を有しうる。補助電極とプルーフマスが、互いに対して静止しているので、センス回路によって受け取られた検出信号の補助駆動信号の部分は、正常動作条件下で、実質的に一定でよい。しかしながら、破損が、センス経路（例えば、プルーフマス、懸架型マスシステムの構成要素、及びセンス回路への他の電気接続）に起きた場合、補助駆動周波数の信号の大きさは、破損によって生じた抵抗に比例して減少する。この信号の大きさがしきい値より低下した（例えば、しきい値を超える抵抗を示す）後で、エラーが決定されることがあり、幾つかの実施形態では、エラーにもかかわらず加速度計が動作し続けうるように補償が実行されうる。
図１は、本開示の幾つかの実施形態による典型的な運動検出システム１０を示す。図１に特定の構成要素が示されているが、センサ、処理構成要素、メモリ、及び他の回路の任意の適切な組み合わせが、必要に応じて、様々な用途及びシステムに利用されうることを理解されよう。本明細書に記載されたような一実施形態では、運動検出システムは、少なくともＭＥＭＳ加速度計１２と、処理回路１４やメモリ１６などの支援回路を含みうる。幾つかの実施形態では、統合運動処理ユニット（「ＭＰＵ」）（例えば、３軸のＭＥＭＳジャイロスコープ検出、３軸のＭＥＭＳ加速度計検出、マイクロフォン、圧力センサ、及びコンパスを含む）を提供するために、運動処理システム１０内に、１つ以上の追加センサ１８（例えば、追加ＭＥＭＳジャイロスコープ、ＭＥＭＳ加速度計、ＭＥＭＳマイクロフォン、ＭＥＭＳ圧力センサ及びコンパス）が含まれうる。
処理回路１４は、運動処理システム１０の要件に基づいて必要な処理を提供する１つ以上の構成要素を含みうる。幾つかの実施形態では、処理回路１４は、加速度計１２又は他のセンサ１８の動作を制御し加速度計１２又は他のセンサ１８の処理の一部を実行するために、センサのチップ内（例えば、加速度計１２又は他のセンサ１８の基板又はキャップ上、又は加速度計１２又は他のセンサ１８に対するチップの隣接部分上）に一体化されうるハードウェア制御ロジックを含みうる。幾つかの実施形態では、加速度計１２及び他のセンサ１８は、ハードウェア制御ロジックの動作の一部の修正を可能にする（例えば、レジスタの値の修正によって）１つ以上のレジスタを含みうる。幾つかの実施形態では、処理回路１４は、また、例えばメモリ１６に記憶されたソフトウェア命令を実行するマイクロプロセッサなどのプロセッサを含みうる。マイクロプロセッサは、ハードウェア制御ロジックと相互作用することによって加速度計１２の動作を制御し、加速度計１２から受け取った測定信号を処理できる。マイクロプロセッサは、他のセンサ１８と同じように相互作用できる。
幾つかの実施形態（図１に示されていない）では、加速度計１２又は他のセンサ１８は、外部回路と（例えば、シリアルバスによって、又はセンサ出力及び制御入力への直接接続によって）直接通信してもよく、一実施形態では、処理回路１４は、加速度計１２及び他のセンサ１８から受け取ったデータを処理し、通信インタフェース２０（例えば、ＳＰＩ又はＩ２Ｃバス、又は、自動車アプリケーション、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）又はローカルインターコネクトネットワーク（ＬＩＮ）バス）を介して外部構成要素と通信できる。処理回路１４は、加速度計１２及び他のセンサ１８から受け取った信号を適切な測定ユニットに変換し（例えば、通信バス２０を介して通信する他の計算処理ユニットによって提供される設定に基づいて）、より複雑な処理を実行して、向きやオイラー角度などの測定値を決定し、幾つかの実施形態では、特定の活動（例えば、徒歩、走行、制動、滑り、ローリングなど）が行われているかどうかをセンサデータから決定できる。
幾つかの実施形態では、複数の加速度計１２とセンサ１８からのデータに基づき、センサフュージョンと呼ばれうるプロセスで、特定タイプの情報が決定されうる。様々なセンサからの情報を組み合わせることによって、画像安定化、ナビゲーションシステム、自動車制御及び安全性、推測航法、リモート制御及びゲーム装置、活動センサ、三次元カメラ、産業オートメーション、及び多数の他の用途など、様々な用途に役立つ情報を正確に決定できる。
典型的なＭＥＭＳ加速度計（例えば、加速度計１２）は、ＭＥＭＳ加速度計が軸に沿った直線加速度の測定を可能にするように構成された１つ以上の可動プルーフマスを含みうる。幾つかの実施形態では、１つ以上の可動プルーフマスは、装置のＭＥＭＳ層に平行な層（例えば、ＣＭＯＳ層）から延在するアンカー、装置のＭＥＭＳ層のフレーム、又は可動プルーフマスに対して固定されたＭＥＭＳ装置の他の適切な部分など、ＭＥＭＳセンサの固定された任意の部分を指しうるアンカー点から懸架されうる。プルーフマスは、直線加速度に応じて動くように配置されうる。直線加速度に応じた固定面（例えば、固定電極）に対するプルーフマスの動きが、直線加速度又は他の運動パラメータを決定するために測定され評価される。
典型的なＭＥＭＳ加速度計は、例えば、特定の軸（例えば、直線加速度が測定された軸に垂直な）に沿った比較的剛性のあるばねや他の継手によって、特定の軸に沿って動く可能性が比較的小さくなるように懸架されたプルーフマスを有することができ、その結果、プルーフマスは、そのような特定の軸に沿って静止する。本明細書に記載された実施形態では、１つ以上の補助電極が、この静止軸の方向のプルーフマスの隣に配置されてもよく、それらの間に構成されたキャパシタによって、補助駆動信号を有する補助駆動信号が、補助電極を介してプルーフマスに提供されうる。本明細書に記載されたように、この信号は、加速度計の１つ以上の構成要素と加速度計のセンス経路に起こりうる破損などのエラーを識別するために使用されうる。この補助駆動信号は、センス電極に印加されたセンス駆動信号と異なる周波数を有してもよく、その結果、２つの信号の初期の幾つかの高調波は重ならない。このようにして、補助駆動周波数とセンス駆動周波数の両方の情報が、処理回路１４のセンス回路によって独立に評価されうる。補助駆動周波数（例えば、その高調波を含む）の信号の測定に基づいて、エラーが識別され、補償が実行され、故障が識別され、かつ／又は他の構成要素、装置及び回路（例えば、通信インタフェース２０を介して）に通知が提供されうる。
図２は、本開示の幾つかの実施形態による補助電極を含む説明的な加速度計を表す。図２に表されたように、典型的な加速度計は、懸架型ばねマスシステム、複数のセンス電極、及び複数の補助電極を含む。典型的な加速度計２００が、図２に、特定の構成要素を含むように表されているが、本開示が、任意の適切な数と構成のプルーフマス、ばね、結合マス、レバー、結合アーム、電極、及び１つ以上の方向の直線加速度の検出を可能にする他の適切な構成要素を含む複数の加速度計設計によって実現されうることを理解されよう。
一実施形態では、加速度計は、加速度計のＭＥＭＳ層内のプルーフマス２０２とプルーフマス２０４を含み、プルーフマス２０２とプルーフマス２０４は、それぞれのばね２１４ａ／２１４ｂ及び２１６ａ／２１６ｂによって複数のアンカー２１０ａ／２１０ｂ及び２１２ａ／２１２ｂから懸架される。典型的なアンカー２１０ａ／２１０ｂ及び２１２ａ／２１２ｂは、基板（例えば、負のｚ方向のＭＥＭＳ層の下にある）からＭＥＭＳ層内に延在し、その結果、ＭＥＭＳ層内のばね２１４ａ／２４０ｂ及び２１６ａ／２１６ｂが、プルーフマス２０２及び２０４の懸架を容易にする。一実施形態では、ばね２１４ａ／２４０ｂ及び２１６ａ／２１６ｂは、加速度計２００のＭＥＭＳ平面内の第１の軸に沿って従順でかつＭＥＭＳ平面内の第２の軸に沿って剛性があるように構成され配置された、折りたたみばねである。図２の典型的実施形態で、加速度計２００は、Ｘ軸に沿った直線加速度を検出でき、ばね２１４ａ／２４０ｂ及び２１６ａ／２１６ｂは、Ｘ軸に沿って従順でＹ軸に沿って剛性がある。
加速度計は、直線加速度に応じてプルーフマス２０２及び２０４の動きを検出するように構成要素を含んでもよく、この構成要素は、光学検出、圧電性検出、容量性検出、又は他の適切な検出技術などの任意の適切な検出機構を含みうる。一実施形態では、固定センス電極に対するプルーフマス２０２及び２０４の動きに基づいて検出が行われうる。図２に静電容量電極を構成するように表されたが、実施形態では、プルーフマスとセンス電極は、それぞれのプルーフマスと固定センス電極の間の距離によって変化する静電容量を有するキャパシタを構成するように、駆動櫛歯などの他の適切な検出構成要素を含みうる。
一実施形態では、第１のプルーフマスアーム２０６は、正ｙ方向にプルーフマス２０２から延在でき、第２のプルーフマスアーム２０８は、負ｙ方向にプルーフマス２０４から延在でき、その結果、プルーフマスアームはそれぞれ、直線加速度が検出されている軸の方向に向いている（例えば、正ｘ方向及び負ｘ方向のそれぞれに向いている）露出面（例えば、ｚ方向にＭＥＭＳ層の深さを有する）を構成する。図２に表されたように、典型的実施形態では、複数のセンス電極がそれぞれ、プルーフマス２０２／２０４のプルーフマスアーム２０６／２０８に隣接していてもよい。本開示の分脈では、プルーフマスに「隣接」した電極又は類似の検出構成要素の記述は、プルーフマス又はその任意の構成要素、あるいはプルーフマスと比例的かつ一致して動く他の構成要素を含むことを理解されよう。
図２の実施形態では、センス電極２１８ａ、２１８ｂ、２２０ａ及び２２０ｂはそれぞれ、基板からＭＥＭＳ層内に延在し、その結果、各プルーフマスは、加速度計の検出直線加速度の軸に沿ったプルーフマスアーム２０６／２０８のうちの１つの平面に面する面（例えば、プルーフマス２０６の正ｘ方向の面に面するセンス電極２２０ａの面、プルーフマス２０６の負ｘ方向の面に面するセンス電極２１８ａの面、プルーフマス２０８の正ｘ方向の面に面するセンス電極２１８ｂの面、及びプルーフマス２０８の負ｘ方向の面に面するセンス電極２２０ｂの面）を含む。このようにして、センス電極２２０ａ及び２１８ａはそれぞれ、固定センス電極２２０ａ／２１８ａに対するプルーフマスアーム２０６の動きに基づいて静電容量を変化させるプルーフマスアーム２０６を有するキャパシタを構成し、センス電極２１８ｂ及び２２０ｂはそれぞれ、固定センス電極２１８ｂ／２２０ｂに対するプルーフマスアーム２０８の動きに基づいて静電容量を変化させるプルーフマスアーム２０８を有するキャパシタを構成する。
幾つかの実施形態では、周期信号が、検出軸に沿った直線加速度を検出するために、センス電極及び／又はプルーフマスに印加されうる。周期信号は、プルーフマスが動いていないとき（即ち、直線加速度がないとき）に印加され、実質的に一定の大きさを有するように検出されるセンス駆動信号でよい。検出軸に沿った直線加速度に応じて、プルーフマスが動いてもよく、その結果、固定センス電極に対する振動の大きさが、直線加速度の大きさに比例して変化する。
図２の典型的な加速度計の一実施形態では、差分センス駆動信号が、特定のプルーフマスのそれぞれのセンス電極に印加されてもよいが、幾つかの実施形態では、同相モード駆動信号が利用されうることを理解されよう。図２に表されたように、ラベルＳＤ１が、センス電極２１８ａ及び２１８ｂのそれぞれと関連付けられ、ラベルＳＤ２が、センス電極２２０ａ及び２２０ｂのそれぞれと関連付けられる。一実施形態では、各ラベルは、共通駆動周波数を有する位相が１８０度ずれた差分センス駆動信号ＳＤ１とＳＤ２に対応する。このようにして、第１のセンス駆動信号ＳＤ１が、センス電極２１８ａとプルーフマスアーム２０６によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０２に印加され、第２のセンス駆動信号ＳＤ２が、センス電極２２０ａとプルーフマスアーム２０６によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０２に印加され、第１のセンス駆動信号ＳＤ１が、センス電極２１８ｂとプルーフマスアーム２０８によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０４に印加され、第２のセンス駆動信号ＳＤ２が、センス電極２２０ｂとプルーフマスアーム２０８によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０４に印加される。図２の典型的実施形態では、センス駆動信号のこの構成及び印加は、プルーフマス２０２及び２０４が、センス軸に沿った直線加速度に応じた動きをもたらすことがあり、その結果、プルーフマス２０２とセンス電極２１８ａの間の相対位置と静電容量が、プルーフマス２０４とセンス電極２１８ｂ間の相対位置と静電容量に等しくなり、また、プルーフマス２０２とセンス電極２２０ａの間の相対位置と静電容量が、プルーフマス２０４とセンス電極２１８ｂの間の相対位置と静電容量に等しくなる。
直線加速度に対するプルーフマスの応答が、様々なセンス機構からの様々な適切な技術（例えば、センス電極などからの信号の測定値）に基づきうることが理解されるが、一実施形態では、センス電極に対するプルーフマスの動きは、プルーフマス２０２（ＰＭ１）とプルーフマス２０４（ＰＭ２）からの電圧ＶPM1及びＶPM2に基づいて測定されうる。電圧は、プルーフマス２０２のセンス経路２２２と、プルーフマス２２４のセンス経路２２４によって測定されうる。図２には、センス経路が、直接接続として表さているが、センス経路が、検出される構成要素（例えば、プルーフマス２０２及び２０４）と、センス電極に対してプルーフマスの動きに応じる信号を生成する検出回路との間の電気経路を構成する任意の適切な構成要素又はその組み合わせを含みうることを理解されよう。典型的な実施形態では、センス経路は、ＭＥＭＳ層の１つ以上の構成要素（例えば、プルーフマス、ばね、結合マス、レバーなど）、ＭＥＭＳダイの他の層（例えば、アンカー、電気トレース、配線など）、及び加速度計ダイに結合された他の構成要素（例えば、外部検出回路に接続された配線又はリード線）を含みうる。
幾つかの実施形態では、１つ以上の補助電極が、プルーフマスと共に１つ以上の付加キャパシタを構成するように、プルーフマス（即ち、同調して動くプルーフマス、その構成要素、又は接続された構成要素）の隣に配置されうる。補助電極は、例えば、補助電極の方向のプルーフマスの動きを制限する１つ以上のばねや他の構成要素の構成により、検出軸に沿った直線加速度に対して静止したプルーフマスの部分の隣に配置されうる。補助電極は、補助電極とプルーフマスの間の静電容量が、検出軸に沿った直線加速度に応じて変化しないように固定されうる（例えば、ＣＭＯＳ層の基板に固定されうる）。
図２の加速度計２００の典型的実施形態では、補助電極２２６は、プルーフマス２０２の隣の配置されてもよく、それにより、それぞれが、ＭＥＭＳ層のｚ方向深さに沿ったｙ方向に対向面を有する（例えば、補助電極２２６が、負ｙ方向に向いたキャパシタ面を有し、プルーフマス２０２が、正ｙ方向に向いたキャパシタ面を有する）。補助電極２２８は、プルーフマス２０４の隣に配置されてもよく、それにより、それぞれが、ＭＥＭＳ層のｚ方向深さに沿ったｙ方向に対向面を有する（例えば、補助電極２２８が、正ｙ方向に向けられたキャパシタ面を有し、プルーフマス２０４が、負ｙ方向に向けられたキャパシタ面を有する）。
補助電極は、プルーフマスに補助駆動信号を印加でき、この補助駆動信号は、センス経路内のエラー（例えば、物理的破損）を識別するために利用されうる。例えば、エラー／破損と関連した抵抗が、センス駆動信号に基づいて検出される信号を変化させるので、センス経路内のエラーは、センス軸に沿った動きを測定する際に加速度計の精度に影響を及ぼしうる。一実施形態では、補助駆動信号は、補助駆動周波数を有することができ、補助駆動周波数は、センス駆動周波数と異なる周波数になるように選択されうる。幾つかの実施形態では、補助駆動周波数は、各信号の初期セットの初期高調波が重ならないように（例えば、補助駆動周波数がセンス駆動周波数の３２／２１になるように）選択されうる。しかしながら、補助駆動信号が、センス駆動周波数より大きくなるか小さくなる（１桁以上を含む）ような、他の相対周波数値が利用されうる。
本明細書に記載されたように、センス経路内のエラーは、センス経路内の補助駆動信号の測定値だけに基づくか、その測定値とセンス駆動信号の測定値との組み合わせに基づいて、識別され定量化されうる。検出された補助駆動信号は、動作中に比較的不変のままでなければならないので、信号の大きさの変化（例えば、１つ以上のしきい値を超えた減少又は増大）はエラーを示し、幾つかの実施形態では、エラーの重大度を示しうる。エラーが識別される幾つかの実施形態では、補償は、重大度に基づいて、加速度計で、スケーリングファクタ、センス駆動信号の電圧、信号経路利得、又は他の適切な動作パラメータなどの動作パラメータを修正することによって実行されうる。幾つかの実施形態では、センス駆動信号の測定値は、また、エラー若しくは重大度の識別又は補償の制御のために補助駆動信号と共に考慮されうる。例えば、パターンが、ある期間にわたる加速度に応じたセンス駆動信号の変化に基づいて識別され、補助駆動信号の変化に相関付けられうる。
補助駆動信号は、様々な適切な方式（例えば、同相モード、１プルーフマス当たり複数の補助電極など）で印加されうるが、図２に表されたような一実施形態では、単一補助電極が、各プルーフマスの隣に配置され、駆動電極がそれぞれのプルーフマスに差分信号ＡＤ１及びＡＤ２を印加できる（例えば、その結果、補助駆動信号ＡＤ１が、補助電極２２６を介してプルーフマス２０２に印加され、補助駆動信号ＡＤ２が、補助電極２２８を介してプルーフマス２０４に印加され、補助駆動信号ＡＤ１と補助駆動信号ＡＤ２は差分信号である）。
図３は、本開示の幾つかの実施形態による処理回路に結合された図２の加速度計の典型的回路図を提供する。図３の回路図では、プルーフマス、センス電極及び補助電極の番号付けは、図２の番号付けに対応し、これらの物理要素は、図３では円形ノードによって示される。プルーフマス２０２及び２０４は、ノード３０２及び３０４に対応し、センス電極２１８ａ及び２１８ｂは、ノード３１８ａ／ｂに対応し、センス電極２２０ａ及び２２０ｂは、ノード３２０ａ／ｂに対応し、補助電極２２６及び２２８は、ノード３２６及び３２８に対応する。図３に表されたように、各対３１８ａ／ｂ及び３２０ａ／ｂがそれぞれのセンス駆動信号ＳＤ１又はＳＤ２を提供するので、センス電極３１８ａ／ｂ及び３２０ａ／ｂはそれぞれ単一ノードとして表される。
プルーフマスとセンス電極によって構成されたキャパシタは、キャパシタ３４０（例えば、プルーフマス３０２とセンス電極３１８ａの間）、キャパシタ３４２（例えば、プルーフマス３０２とセンス電極３２０ａの間）、キャパシタ３４４（例えば、プルーフマス３０４とセンス電極３２０ｂの間）、及びキャパシタ３４６（例えば、プルーフマス３０４とセンス電極３１８ｂの間）として表される。プルーフマスと補助電極によって構成されたキャパシタは、キャパシタ３５０（例えば、プルーフマス３０２と補助電極３２６の間）とキャパシタ３５２（例えば、プルーフマス３０４と補助電極３２８の間）として表される。図２と図３の実施形態では、キャパシタ３４０、３４２、３４４及び３４６の静電容量は、センス軸に沿った直線加速度に応じて変化するが、キャパシタ３５０及び３５２の静電容量は、センス軸に沿った直線加速度に応じて変化しないはずである。
キャパシタはそれぞれ、キャパシタの静電容量と、キャパシタのそれぞれに印加される信号（例えば、信号ＳＤ１、ＳＤ２、ＡＤ１及びＡＤ２）とに基づいて、充放電できる。そのような電荷の変化は、印加された信号の周波数に基づく周期的成分を含む。この変化は、プルーフマス３０２及び３０４で検出され、センス経路３２２及びセンス経路３２４（例えば、図２のセンス経路２２２とセンス経路２２４に対応する）を介して、センス回路３７０（例えば、処理回路１４の）に提供される。
場合によって、１つ以上の構成要素の破損などのエラーが、センス経路３２２及び３２４の一方又は両方に起こりうる。エラーは、抵抗、静電容量、インダクタンス又はこれらの組み合わせなどのセンス経路の電気的特性の変化として電気的に示されることがあり、エラー３６４及び３６６として表される。加速度計から受け取った信号は、センス経路内の変化した電気的特性に基づいて変化しうるので、そのようなエラーは、加速度の測定値のエラーの原因になりうる。センス駆動周波数の受信信号の変化が、エラーによるものか、センス電極に対するプルーフマスの動きによるもの（例えば、キャパシタ３４０、３４２、３４４及び３４６の静電容量を修正する）か分からないことがあるので、エラーによるセンス駆動信号だけを識別又は定量化できないことがある。本明細書に記載された典型的実施形態では、エラーは、検出信号を減少させる抵抗の変化（例えば、増大）として述べられているが、そのような参照が、本明細書に記載されたような他の電気特性の変化として示されるエラーも指しうることを理解されよう。
加速度計３００からの受信信号は、センス経路３２２及び３２４を介してセンス回路３７０に提供されうる。センス回路が、様々な適切な構成要素を含みうるが、一実施形態では、センス回路は、２つのセンス経路３２２及び３２４に結合されて、検出加速度を測定し（例えば、静電容量−電圧変換回路）、補助駆動信号に起因する受信信号の部分に基づいてセンス経路内のエラーを識別する処理及び試験回路３７２を含みうる。他の実施形態では（図３に表されていない）、別個の回路が、例えば動作ごとに別個の差動増幅器を有することによって、加速度を決定する処理と、エラーを識別する処理を実行できる。
処理及び試験回路３７２は、プルーフマスから検出された静電容量差を、電圧を有する検出信号に変換する変換回路（例えば、静電容量−電圧変換回路）を含み、幾つかの実施形態では、フィルタリングを提供できる（例えば、センス駆動周波数の信号を強調する）。検出信号は、（例えば、検出信号のセンス駆動周波数の部分に基づく）加速度並びに（例えば、補助駆動周波数の検出信号の部分に基づく）エラーの試験を表す信号を出力するために使用されうる追加の処理及びフィルタリング回路に提供されうる。一実施形態では、付加的なスケーリング及び測定回路（図３に表されていない）が、スケーリングファクタ及びフィルタリングを信号に適用し、加速値や加速度を表す信号などの測定信号又は測定値を提供できる。それにより、加速度出力３７４が得られ、加速度出力３７４は、加速度（例えば、センス駆動周波数の検出信号の部分、プルーフマスの物理的運動に正比例する信号など）又は加速度測定値（例えば、加速値）を決定するために使用されうる任意の適切な信号でよい。
検出信号の補助駆動周波数部分を分析するため、信号処理回路は、補助駆動信号と関連付けられた受信信号の部分を強調できる。本明細書に記載されたように、補助駆動信号を提供する補助電極は、それぞれのプルーフマスがセンス軸に沿った直線加速度に対して静止するように配置されうる。検出信号の補助駆動周波数部分の処理回路は、受信信号の補助駆動信号と関連付けられた部分と、エラーによって引き起こされうる変化（例えば、大きさ、周波数、位相など）に基づいて、それぞれのセンス経路３２２又は３２４内のエラー３６４又は３６６（例えば、抵抗として）を識別できる。しきい値との比較に基づいて、エラーが識別され、そのエラーに関する情報が処理回路３７０から提供されることがあり（例えば、通知として）、幾つかの実施形態では、エラー（例えば、エラーのタイプ、エラーの重大度など）に基づいて補償が実行されてもよく、補償に関する通知が、エラー出力３７６として処理回路３７０から提供されてもよい。
図４は、本開示の幾つかの実施形態による、補助電極を含みセンス経路内のエラーを試験する加速度計の別の実施形態の典型的回路図を示す。図４の加速度計が、任意の適切な構成要素を含みうるが、一実施形態では、図４の構成要素の多くが、図３の同一に番号付けされた構成要素に同じように対応し機能できる。
幾つかの実施形態では、複数の補助電極は、各補助電極が１つのプルーフマス（又は、図３〜図４に表されていない幾つかの実施形態では、複数のプルーフマス）と共にキャパシタを構成するように、各プルーフマスに対して配置されうる。補助電極の数は、特定用途向けに修正されてもよく、適切な倍数及び偶数又は奇数で提供されうる。補助電極は、プルーフマスに対して様々な位置に配置されうるが、一実施形態では、補助電極のうちの幾つか又は全ては、プルーフマスがセンス軸に沿った直線加速度に対して静止する方向の、関連付けられたプルーフマスの隣に配置されてもよく、それにより、それらの間に構成されたキャパシタの静電容量は、直線加速度に対して変化しない。
図４の典型的実施形態では、補助電極４２６が、キャパシタ４５０を構成するようにプルーフマス３０２に対して配置されてもよく、補助電極４２７が、キャパシタ４５１を構成するようにプルーフマス３０２に対して配置されてもよく、補助電極４２８が、キャパシタ４５２を構成するようにプルーフマス３０４に対して配置されてもよく、補助電極４２９が、キャパシタ４５３を構成するようにプルーフマス３０４に対して配置されてもよい。補助駆動周波数を有する補助駆動信号が、補助駆動電極のそれぞれに印加されうる（例えば、補助駆動信号ＡＤ11が補助電極４２６に印加されてもよく、補助駆動信号ＡＤ21が補助電極４２７に印加されてもよく、補助駆動信号ＡＤ12が補助電極４２８に印加されてもよく、補助駆動信号ＡＤ22が補助電極４２９に印加されてもよい）。実施形態では、補助駆動信号は、差分信号として（例えば、同じ位相を有するＡＤ11とＡＤ21、同じ位相を有するＡＤ11とＡＤ12、及び同じ位相を有するＡＤ11とＡＤ22）、又は同相モード信号として印加されうる。
幾つかの実施形態では、補助電極の１つ以上は、補償や較正などの他の機能を提供するように構成されてもよい。図４の実施形態では、例えば、補助電極がそれぞれ、センス電極のうちの１つと関連付けられてもよい（例えば、補助電極４２６がセンス電極３１８ａと関連付けられてもよく、補助電極４２７がセンス電極３２０ａと関連付けられてもよく、補助電極４２８がセンス電極３１８ｂと関連付けられてもよく、補助電極４２９がセンス電極３２０ｂと関連付けられてもよい）。補償又は較正信号が、補助電極を介して、例えば、製造中、試験中、動作中に提供されてもよく、又は幾つかの実施形態では、センス経路内のエラーの識別に応じた補償として提供されてもよい。
図５は、本開示の幾つかの実施形態による処理回路１４の処理及び試験回路３７２の説明的なブロック図を示す。処理及び試験回路３７２に様々な回路を使用でき、その回路の機能を修正でき、特定の回路を除去又は再構成できることが理解されるが、一実施形態では、処理及び試験回路３７２が、変換回路５０２、信号フィルタ回路５０４、比較フィルタ回路５０６及びしきい値及び補償回路５０８を含みうる。
補助測定回路の変換回路５０２は、センス経路の１つ以上から（例えば、単一センス経路から）信号を受け取ってもよく、複数のセンス経路から提供された信号を比較してもよい。図２〜図４の実施形態では、変換回路は、センス経路３２２及び３２４両方から受信信号を受け取りうる。一実施形態では、受信信号は、キャパシタから受け取られてもよく、変換回路は、検出構成要素（例えば、プルーフマス）の静電容量電極での信号（例えば、大きさ、波形、周波数、位相など）を表す電圧又は電流への変換を実行できる。変換回路からの出力は、変換信号でよい。
一実施形態では、変換信号は、変換回路５０２から信号フィルタ回路５０４に提供されうる。信号フィルタ回路５０４が、ノイズ低減、アナログデジタル変換、所望情報の強調（例えば、高域通過、低域通過又は帯域通過フィルタリングによる）、増倍、デシメーション、又は他の所望フィルタリング及び信号処理操作などの様々なフィルタリング機能を実行できる。典型的実施形態では、信号フィルタ回路は、加速度を表す信号を出力しまた補助駆動信号の周波数範囲内の信号を提供するフィルタリングを実行できる。ノイズフィルタリングが実行されてもよく、幾つかの実施形態では、結果信号がデジタル化されうる。一実施形態では、直線加速度を表す信号が、プルーフマスの動きに基づいて変化する電気特性を有する出力信号として出力されうる。補助駆動周波数における情報を含む信号は、また、比較フィルタ回路５０６などの付加回路に提供されてもよく、信号フィルタ回路の処理中の決定された出力信号又は中間信号でもよい。
比較フィルタ回路５０６は、プルーフマス又はセンス経路内にエラーがあるかどうかに関する決定に使用されうる出力信号を提供するフィルタリング及び信号処理を含みうる。比較フィルタ回路５０６は、様々なフィルタ機能（例えば、ノイズ低減、アナログデジタル変換、所望情報の強調（例えば、高域通過、低域通過又は帯域通過フィルタリングによる）、倍増、デシメーション、又は他の所望のフィルタリング及び信号処理操作）を実行でき、一実施形態では、比較フィルタ回路が、プルーフマス及びセンス経路内のエラーを表す値を出力できる。一実施形態では、比較フィルタ回路は、補助駆動周波数の周波数成分を除去できる。その結果得られた、エラーを表す出力信号（例えば、エラー信号）が、しきい値及び補償回路の５０８に提供されうる。
しきい値及び補償回路の５０８は、エラーを表す信号（例えば、エラー信号）を受け取ることができ、受信信号に基づいて様々な機能を実行することができる。例示的な動作には、エラーが１つ以上のしきい値を超えるかどうかの決定と、それらのしきい値や他の情報に基づいて加速度計の動作を停止すべきかどうかの決定と、故障を表示すべきかどうかの決定と、加速度計で補償を実行すべきかどうかの決定と、補償を他の情報（例えば、他のセンサからの）に基づいて実行すべきかどうかの決定と、実行される補償の程度とタイプとが含まれうる。一実施形態では、エラー情報が、直線加速度測定値と比較されて、例えば、エラーと直線加速度測定値から識別されうる一般的傾向に基づいて、通知及び補償要件が決定されうる。幾つかの実施形態では、この決定は、加速度計の動作及びエラー測定値に関する履歴情報、及び／又は直線加速度及び／又はエラー測定値の変化率に基づいて実行されうる。幾つかの実施形態では、比較情報は、分析のための外部処理回路、装置プロセッサ、又はリモートシステムに送信されうる（例えば、複数の加速度計における複数のエラーに関する既知情報に基づいてある期間に収集され更新されたデータに基づく）。
図６は、本開示の幾つかの実施形態による処理及び試験回路の説明的回路図である。一実施形態では、回路図は、変換回路５０２、信号フィルタ回路５０４、比較フィルタ回路５０６、及びしきい値及び補償回路５０８の構成要素を表しうるが、他の実施形態では、他の回路が使用されてもよく、表された構成要素が再構成されてもよく、１つ以上の構成要素が追加又は除去されてもよく、構成要素の１つ以上が類似機能を実行する他の構成要素と置き換えられてもよいことを理解されよう。
変換回路５０２の典型的実施形態では、センス経路３２２及び３２４のそれぞれからの信号が、静電容量−電圧変換器（Ｃ２Ｖ）６２０などの構成要素のそれぞれの入力ノードで受け取られてもよく、一実施形態では。Ｃ２Ｖ６２０の出力と第１の入力ノードに帰還コンデンサ６２２が結合され、Ｃ２Ｖ６２０の出力と第２のノードに帰還コンデンサ６２１が結合されてもよい。Ｃ２Ｖ６２０の出力は、センス経路と関連付けられたプルーフマスにおける差分静電容量に対応する電圧を有する変換信号でよい。
信号フィルタ回路５０４の典型的実施形態では、Ｃ２Ｖ６２０から出力された変換信号は、センス駆動周波数ΩDRVの信号成分を減らすために処理されうる。一実施形態では、受け取った変換信号は、混合器６２４によって、センス駆動周波数の周期的信号と混合され、したがって変換信号がセンス駆動周波数だけシフトされ、その結果、補助駆動信号と関連付けられた元の変換信号の部分の周波数が、この量だけシフトされる。例えば、補助駆動周波数ΩAUX＝３２＊ΩDRV／２１の実施形態では、補助周波数から得られた信号成分は、周波数ΩAUX_MIX＝１１ΩΑUΧ／２１を有する。混合器からの出力は、アナログデジタル変換器６２６に提供され、得られたデジタル出力信号が、信号フィルタ回路５０４のデシメータ６２８と比較フィルタ回路５０６に提供されうる。デシメータ６２８は、アナログデジタル変換器６２８からのデジタル信号のサンプリングレートを低減させ、そのベースバンド内でセンス電極に対するプルーフマスの動きを表す信号を出力する。図６に表されていないが、この加速度出力は、直線加速度を決定する更なる処理のための付加回路（例えば、利得段）に提供されうる。
比較フィルタ回路５０６の典型的実施形態では、アナログデジタル変換器から出力されたデジタル信号が、高域フィルタ６３０によって受け取られてもよく、高域フィルタ６３０は、処理された補助駆動信号（例えば、混合器６２４によって修正されたような）と関連した周波数を通過させ同時により低い周波数成分を除去するカットオフ周波数を有しうる。図６に高域フィルタ６３０が表されているが、幾つかの実施形態では（例えば、予想高調波又は他の成分に基づく）帯域フィルタが提供されてもよく、補助駆動周波数がセンス駆動周波数より低い実施形態では、低域フィルタが使用されてもよい。得られた信号は、混合器６３２でそれ自体と混合され、したがって周波数がシフトされ、その結果、補助駆動信号に対する応答の大きさを有する信号が、混合器６３２からデシメータ６３４に出力される。デシメータ６３４は、混合器６３２からの出力信号のサンプリングレートを低減し、ダウンサンプリングされた比較信号をしきい値及び補償回路５０８に提供できる。
しきい値及び補償回路の５０８の典型的実施形態では、比較信号は、１つ以上のしきい値と比較されうる。本明細書に記載されたように、比較フィルタ回路５０６の処理によって補助駆動信号から得られた信号（例えば、比較信号）は、エラーに基づいて変化しうる。エラーは、比較信号と関連した値（例えば、大きさ、位相、周波数）がしきい値とどのように比較されるかに基づいて検出されうる。適切な値及びしきい値が、様々な方式で比較されうるが、典型的実施形態では、エラーは抵抗に対応することができ、その結果、抵抗の増大によって比較信号の大きさが減少する。
一実施形態では、複数のしきい値に複数の比較が実行され、それにより、比較回路の様々な信号レベルによって異なる応答又は通知が得られる。典型的実施形態では、３つのしきい値（ＶTH1、ＶTH2及びＶTH3）が比較のために利用されてもよく、各しきい値は、起こりうる異なるエラーレベルに対応する。比較は、様々な方式で実行されうるが、一実施形態では、しきい値がそれぞれ、比較器６３６、６３８又は６４０に入力されるアナログ電圧に対応し、比較信号は、しきい値のそれぞれと比較される。比較信号の大きさの減少が、より大きい程度の検出エラー（例えば、抵抗）に対応する実施形態では、しきい値ＶTH1が、しきい値ＶTH2より大きいことがあり、しきい値ＶTH2が、しきい値ＶTH3より大きいことがある。ＶTH1よりも大きい比較電圧は、正常動作状態に対応でき、その状態では、比較器６３６、６３８及び６４０のそれぞれからHigh信号が出力される。ＶTH1より低くかつＶTH2より高い比較電圧は、第１のエラー状態を示すことがあり、その状態では、ＶTH1からLow信号が出力され、ＶTH2とＶTH3からHigh信号が出力される。ＶTH2より小さくＶTH3より高い比較電圧は、第１のエラー状態より重大な第２のエラー状態を示すことがあり、その状態では、ＶTH1とＶTH2からLow信号が出力され、ＶTH3からHigh信号が出力される。最後に、ＶTH3より低い比較電圧は、最高重大度レベルの第３のエラー状態を示すことがあり、その状態では、ＶTH1、ＶTH2及びＶTH3の全てからLow信号が出力される。
一実施形態では、比較器からの出力が、警告及び補償回路６４２に提供されうる。警告及び補償回路は、プログラム可能でよく、それにより、様々なエラー状態に基づく異なる処置が取られうる。典型的な処置には、通知の提供、警告の生成、加速度計の動作の停止、加速度計の動作パラメータの修正、加速出力信号に適用される利得値の修正、加速度計からの出力データの修正（例えば、他のセンサからのスケーリングファクタ又はデータに基づく）、他の適切な動作、及びこれらの任意の適切な組み合わせがある。
典型的実施形態では、正常動作条件下（例えば、３つの比較器出力が全てHigh）で、加速度計が、正常に動作し続けることができ、通知は提供されえない（例えば、正常動作の通知以外）。第１のエラー状態の場合（例えば、比較器６３６からLow出力で、比較器６３８及び６４０からHigh出力）、エラーの存在の警告通知が提供されることがあり、加速度計からの出力データが、エラーを調整するために修正されうる（例えば、第１のタイプの補償）。第２のエラー状態の場合（例えば、比較器６３６及び６３８からLow出力で、比較器６４０からHigh出力）、エラーの存在の警告通知が提供されることがあり、エラーを補償するための試みで動作パラメータ（例えば、センス駆動信号の修正、補償電極への信号の印加など）が実行されることがある（例えば、第２のタイプの補償）。一実施形態では、第２のエラー状態に応じて、出力値の修正も実行されうる。第３のエラー状態の場合、加速度計が動作を停止すべきであることが決定されてもよく、加速度計を遮断させる通知が提供されてもよい。
幾つかの実施形態では、警告と補償回路が、前のエラー状態と応答のメモリを保持でき、その結果、様々な補償技術が、技術の有効性に基づいて実行されることがあり、現在実行されている特定の補償に基づいて組み合わされうる。例えば、動作パラメータの修正によって、加速度計が第２のエラー状態から正常状態又は第１のエラー状態に首尾よく移行した場合、動作パラメータの修正が維持されうる。別の例では、出力データの様々な修正が、動作パラメータの様々な変化に対応でき、またエラーを改善するために使用される動作パラメータの変化に基づいて使用されうる。
図７〜図８は、本開示の幾つかの実施形態によるセンス経路内のエラーを識別するための典型的ステップを表す。図７〜図８は、本開示の文脈で述べられているが、図７〜図８に示された方法及びステップが、様々なセンサ及び加速度計の設計、信号経路、エラー、及び補償技術に適用されうることを理解されよう。図７〜図８に特定の順序及び流れのステップが示されているが、幾つかの実施形態では、ステップの１つ以上が、修正、移動、除去又は追加されてもよく、図７〜図８に表された流れが修正されてもよいことを理解されよう。
図７は、本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路にエラーが存在するかどうかを決定するための典型的なステップを示す。本明細書に記載されているように、典型的な加速度計は、１つ以上のプルーフマスに対して位置決めされたセンス電極と補助電極の両方を含むことができ、それにより、プルーフマスがセンス電極及び補助電極と共にキャパシタを構成する。
ステップ７０２で、センス駆動信号が、センス電極に印加されうる。センス駆動信号は、センス駆動周波数を有してもよいが、幾つかの実施形態では、センス電極のうちの様々なものに差分信号として提供されうる。センス駆動信号がセンス電極に印加された後で、処理は、ステップ７０４に進みうる。
ステップ７０４で、補助駆動信号が、補助電極に印加されうる。補助駆動信号は、補助駆動周波数を有することができるが、幾つかの実施形態では、補助電極のうちの様々な補助電極に差分信号として提供されうる。補助駆動信号が補助電極に印加された後、処理は、ステップ７０６に進みうる。
ステップ７０６で、センス駆動信号と補助駆動信号に応じる合成信号が、センス経路、例えば、センス駆動電極と補助電極とを有するキャパシタを構成する１つ以上のプルーフマスを介して受け取られうる。合成信号は、センス経路を介して処理回路で受け取られうる。処理回路は、受け取った合成信号を処理して、加速度に関する情報を決定し、センス経路内の抵抗などのエラーを識別し、通知を提供し、補償を実行し、本明細書に記載されたような他の操作を実行できる。合成信号を受け取った後、処理は、ステップ７０８に進みうる。
ステップ７０８で、補助駆動信号に対するセンス経路の応答に対応する受信信号の部分が、合成受信信号から抽出されうる。幾つかの実施形態では、信号の成分が、補助駆動周波数と、２つの信号の初期サブセットの高調波が重ならない様々な周波数を有するセンス駆動周波数とに基づいて、センス駆動周波数に対応する信号成分を減少させることによって抽出されうる。一実施形態では、抽出の出力は、センス経路内で生じる損失によって減少された補助駆動信号の大きさを表すアナログ電圧を有する比較信号でよい。ステップ７０８で受信信号の一部が抽出された後、処理は、ステップ７１０に進みうる。
ステップ７１０で、比較信号が、１つ以上のしきい値と比較されうる。本明細書に記載された典型的実施形態では、比較信号の電圧は、エラーの重大度（例えば、センス経路内の抵抗の増大）に基づいて低減され、それにより、より低い電圧ほどより重大なエラーに対応する。複数のしきい値の典型的実施形態では、処理は、全てのしきい値を超えた場合、又は幾つかの実施形態では、警告しきい値だけを超えた場合に、ステップ７１２に進みうる。ステップ７１２で、センス駆動信号への応答に基づいて加速度が決定されてもよく、処理は、ステップ７０２に戻りうる。補助信号が、しきい値より小さい場合、又は幾つかの実施形態では、動作を停止するか動作を補償する要件と関連付けられたしきい値より小さい場合、処理は、ステップ７１４に進みうる。
ステップ７１４で、処理回路は、エラーに応じて補償が行われうるかどうか、又はエラーに応じて加速度計が動作を停止すべきかどうかを決定できる。補償が行われうる場合、処理は、図８に示された処理に進みうる。補償が行われない場合、処理はステップ７１６に進むことができ、通知が提供され、加速度計が動作を停止できる（例えば、加速度計の幾つか又は全ての構成要素から電圧が除去されてもよく、センス駆動信号が提供されなくなってもよい）。次に、図７の処理が終了できる。
図８は、本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路にあるエラーを補償するための典型的なステップを示す。図７のステップでエラーが識別された場合（例えば、補償信号の電圧が１つ以上のしきい値電圧より低下したことによる）と、特定の加速度計内でエラーの補償が許可される場合に、図８の処理が実行されうる。
ステップ８０２で、エラーの重大度が、例えば、補償信号の電圧の値に基づいて決定されうる。一実施形態では、重大度は、複数のエラー状態のうちの１つを識別するために、比較信号と複数のしきい値との比較（例えば、複数の比較器での）に基づいてもよい。一実施形態では、エラー状態の１つ以上が、重大度と、単独で関連付けられるか、他の入手可能な情報（例えば、補償又は加速度データ履歴、同時加速度データなど）に合わせて検討されうる。重大度が決定された後、処理は、ステップ８０４に進みうる。
ステップ８０４で、エラーの重大度に基づいて補償が可能かどうかが決定されうる。一実施形態では、１つ以上のエラー状態又は重大度レベルが、様々なエラー応答と関連付けられうる。エラー状態又は重大度レベルが補償を可能にしない場合、処理は、ステップ８０６に進むことができ、そこで、通知が提供され、加速度計が動作を停止できる（例えば、加速度計の幾つか又は全ての構成要素から電圧が除去され、センス駆動信号が提供されなくなる、など）。次に、図８の処理が終了できる。補償が可能な場合、処理は、ステップ８０８に進みうる。
ステップ８０８で、エラーの重大度に基づいて可能な補償のタイプが決定されうる。様々な適切なタイプの補償が可能でありうるが、一実施形態では、補償のタイプは、加速度計からの出力データの修正（例えば、スケーリングファクタの修正による）、又は加速度計の動作パラメータの修正（例えば、センス駆動信号を修正するか、補償電極に補償信号を提供することにより）を含みうる。様々な重大度レベルが、様々な補償タイプと、及び幾つかの実施形態では様々なタイプ内の様々な補償技術と関連付けられうる。幾つかの実施形態では、補償タイプを決定するときに、履歴補償情報や加速度計データなどの追加情報、又は電流加速度計データが考慮されうる。補償タイプが、スケーリングファクタの修正だけを必要とする場合、処理は、ステップ８１０に進みうる。補償が、加速度計の動作パラメータの修正を必要とする場合、処理は、ステップ８１２に進みうる。
ステップ８１０で、エラーの重大度と、幾つかの実施形態では、履歴補償情報又は加速度計データや、現在の加速度計データなどの他の情報に基づいて、補償スケーリング技術が、選択され、補償の程度が決定されうる。スケーリングは、ハードウェアと関連付けられた増幅値の調整や、ソフトウェア内のスケーリングファクタの調整など、様々な方式で更新されうる。スケーリング修正が完了した後、処理は、ステップ８１４に進みうる。
ステップ８１２で、エラーの重大度と、幾つかの実施形態では、履歴補償情報又は加速度計データや、現在の加速度計データなどの他の情報に基づいて、加速度計の動作パラメータを修正する技術が選択され、補償の程度が決定されうる。動作パラメータは、センス駆動信号の特性の修正や補償電極への補償信号の印加など、幾つかの方法で修正されうる。動作パラメータ修正が完了した後、処理は、ステップ８１４に進みうる。
ステップ８１４で、補償に対する応答が測定されうる。スケーリングファクタが修正される実施形態では、スケーリングによる影響を受ける加速出力値又は他の信号値の変化などの変化が測定されうる。動作パラメータの修正の実施形態では、センス駆動信号及び／又は補助駆動信号の変化が決定されうる。応答がステップ８１４で測定された後、処理は、ステップ８１６に進みうる。
ステップ８１６で、補償が成功したかどうかが決定されうる。典型的実施形態では、測定された応答値が、ステップ８１４で、補償に基づく予想測定応答値と比較されうる。測定応答値が期待値（例えば、しきい値窓内）に対応する場合、処理は、図７のステップ７０２に戻りうる。測定応答値が期待値（例えば、しきい値窓内）に対応しない場合、処理は、ステップ８１８に進むことができ、そこで、通知が提供され（例えば、補償が失敗したこと）、加速度計が動作を停止されてもよい（例えば、加速度計の幾つか又は全ての構成要素から電圧が除去される、センス駆動信号が提供されなくなる、など）。次に、図８の処理が終了できる。
以上の説明は、本開示による典型的実施形態を含む。これらの例は、説明のためのものであり、限定するためのものではない。本開示が、本明細書に明示的に記述され描かれた形態と異なる形態で実施されてもよく、以下の特許請求の範囲と一致する様々な修正、最適化及び変形が、当業者によって実現されうることを理解されよう。
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１２月１５日に出願された「Accel Series Resistance to PM Detector」と題する米国仮特許出願第６２／２６７，８５８号に対する優先権を請求し、この出願は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
スマートフォン、スマートウォッチ、タブレット、自動車、ドローン、機器、航空機、運動支援装置、ゲームコントローラなどの多くの物品は、その操作中に運動センサを利用できる。多くの用途では、加速度計やジャイロスコープなどの様々なタイプの運動センサが、特定用途の様々な情報を決定するために個別又は一緒に分析されうる。例えば、ジャイロスコープと加速度計は、ゲーム用途（例えば、スマートフォン又はゲームコントローラ）でユーザによる複雑な運動を取得するために使用されることがあり、ドローンや他の航空機は、ジャイロスコープ測定値（例えば、ロール、ピッチ及びヨー）に基づいて向きを決定でき、車両は、方向（例えば、推測航法のため）と安全性（例えば、スキッド又はロールオーバ状態の認識）の決定のために測定値を利用できる。
加速度計やジャイロスコープなどの運動センサは、半導体製造技術を使用して作製される微小電気機械（ＭＥＭＳ）センサとして製造されうる。ＭＥＭＳセンサは、直線加速度（例えば、ＭＥＭＳ加速度計の場合）や角速度（例えば、ＭＥＭＳジャイロスコープの場合）などの力に応答できる可動プルーフマスを含みうる。可動プルーフマスに対するそのような力の作用は、力に応じたプループマスの運動に基づいて測定されうる。幾つかの実施態様では、この運動は、運動を検出するためのキャパシタを構成する可動プルーフマスとセンス電極の距離に基づいて測定される。ＭＥＭＳ加速度計のセンス電極は、駆動周波数の信号を受け取り、その結果、直線加速度によってプルーフマスがセンス電極に対して動く。幾つかの実施態様では、プルーフマスの電圧は、直線加速度に応じた動きを検出するために測定されうる。プルーフマス電圧に対するセンス経路内の抵抗は、加速度計の１つ以上の構成要素の破損を示すことがあり、その結果、直線加速度の測定にエラーが生じることがある。
本開示による典型的実施形態では、システムは、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号がそれぞれ印加される少なくとも２つのセンス電極と、補助駆動周波数を有する第１の補助駆動信号が印加される第１の補助電極と、補助駆動周波数を有する第２の補助駆動信号が印加される第２の補助電極とを含む。システムは、更に、少なくとも２つのセンス電極の１つ以上に隣接して配置され、かつ第１の補助電極の隣に配置された第１のプルーフマスと、少なくとも２つのセンス電極のうちの１つ以上に隣接して配置され、かつ第２の補助電極の隣に配置された第２のプルーフマスとを含む。システムは、更に、第１のプルーフマスと第２のプルーフマスからの受信信号を提供するために第１のプルーフマスと第２のプルーフマスのそれぞれに結合されて、センス駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定し、補助駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて故障を識別する処理回路を含む。
本開示による典型的な方法は、少なくとも２つのセンス電極に、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号を提供することと、第１の補助電極に、補助駆動周波数を有する第１の補助駆動信号を提供することと、第２の補助電極に、補助駆動周波数を有する第２の補助駆動信号を提供することとを含む。典型的方法は、更に、少なくとも２つのセンス電極の１つ以上の隣でかつ第１の補助電極の隣に配置された第１のプルーフマスから、第１のプルーフマス信号を受け取ることと、少なくとも２つのセンス電極の１つ以上の隣でかつ第２の補助電極の隣に配置された第２のプルーフマスから、第２のプルーフマス信号を受け取ることと、第１のプルーフマス信号と第２のプルーフマス信号に基づいて受信信号を生成することとを含む。典型的な方法は、更に、センス駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定することと、補助駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて故障を識別することとを含む。
本開示による典型的実施形態では、懸架型ばねマスシステムが、第１の軸に沿った直線加速度に応じて動くように１つ以上のばねによって懸架されたプルーフマスと、センス電極と、補助電極とを含む。センス電極は、プルーフマスとセンス電極によって構成されたキャパシタが、第１の軸に沿った直線加速度に応じて変化するように、プルーフマスの隣に配置される。補助電極は、プルーフマスと補助電極によって構成されたキャパシタが、第１の軸に沿った直線加速度に応じて変化しないように、プルーフマスの隣に配置される。典型的な懸架型ばねマスシステムは、更に、プルーフマス、センス電極及び駆動電極のそれぞれに結合された処理回路を含み、処理回路は、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号をセンス電極に提供し、補助駆動周波数を有する補助駆動信号を補助電極に提供し、処理回路は、プルーフマスから受信信号を受け取り、センス駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定し、補助駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて故障を識別する。
本開示の以上その他の特徴、その本質及び様々な利点は、添付図面と関連して行われる以下の詳細な記述を検討することにより明らかになる。
本開示の実施形態による説明的な運動検出システムを示す図である。 本開示の幾つかの実施形態による、補助駆動周波数の補助駆動信号を提供する補助電極を含む説明的な加速度計を示す図である。 本開示の幾つかの実施形態による図２の加速度計の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による２対の補助電極を有する典型的な加速度計の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による補助信号測定回路の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による補助信号測定回路の説明的な回路図である。 本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路にエラーが存在するかどうかを決定するための典型的なステップを示す図である。 本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路に存在するエラーを補償するための典型的なステップを示す図である。
加速度計は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計として設計され製造される。ＭＥＭＳ層は、半導体処理技術を使用して、センサの機械構成要素と、センサダイ（例えば、基板又はキャップの層としても機能するＣＭＯＳ層）内にあるかセンサダイの外にあるＣＭＯＳ回路などの、ＭＥＭＳ加速度計の他の構成要素への電気接続とを含むように構成される。ＭＥＭＳ層は、基礎となる基板層やキャップ層などの他の半導体層内に密封される。
ＭＥＭＳ層は、１つ以上のプルーフマスがばねによってＭＥＭＳ層内に懸架された懸架型ばねマスシステムを含み、プルーフマスの運動は、ばねと、幾つかの実施形態ではマスやレバーなどの付加構成要素によって制限される。これらのばね及び付加構成要素は、集合的に、特定の軸（例えば、直線加速度の測定のための１つ以上の軸）に沿ったプルーフマスの動きを可能にし、同時に他の軸に沿った動きを制限して、外力に対してそれらの他の軸に沿ったプルーフマスの動きが実質的にほとんどなくなるようにする（即ち、プルーフマスはそれらの他の軸に沿って静止している）。
固定センス電極は、検出された直線加速度の方向の各プルーフマスの隣に配置される。各プルーフマスとその隣接したセンス電極はキャパシタを構成し、その静電容量は、プルーフマスとセンス電極の距離によって変化する。この距離は、直線加速度に応じて懸架プルーフマスが固定センス電極に対して動くときに変化する。センス駆動信号が、センス駆動周波数でセンス電極に印加され、その結果、センス駆動周波数の信号の大きさが、直線加速度に対して、静電容量的に結合されたプルーフマスの動きに基づいて変化する。静電容量の変化は、プルーフマスやセンス電極などのキャパシタの構成要素に結合されうるセンス回路によって検出され、直線加速度は、センス回路の出力に基づいて決定される。
補助電極は、また、プルーフマスとキャパシタを構成するために、プルーフマスの隣に配置されうる。幾つかの実施形態では、補助電極は、プルーフマスに対して他の位置に配置されうるが、一実施形態では、補助電極は、プルーフマスが外力に対して静止している方向のプルーフマスの隣に配置されうる（例えば、懸架型ばねマスシステムの構成に基づいて）。一実施形態では、補助電極は、平面内静電容量を構成するプルーフマスの同一平面内にあってもよく、他の実施形態では、補助電極は、平面外静電容量を構成するプルーフマス平面に平行な平面にあってもよい。
補助駆動信号は、補助電極に提供され、それにより構成されたキャパシタを介して、隣のプルーフマスに提供されうる。補助駆動信号は、センス駆動信号と異なる周波数でよく、幾つかの実施形態では、周波数は、２つの信号の初期の幾つかの高調波が重ならないように選択されうる。例えば、補助駆動信号は、センス駆動信号に３２を掛け２１で割った周波数と等しい周波数を有しうる。補助電極とプルーフマスが、互いに対して静止しているので、センス回路によって受け取られた検出信号の補助駆動信号の部分は、正常動作条件下で、実質的に一定でよい。しかしながら、破損が、センス経路（例えば、プルーフマス、懸架型マスシステムの構成要素、及びセンス回路への他の電気接続）に起きた場合、補助駆動周波数の信号の大きさは、破損によって生じた抵抗に比例して減少する。この信号の大きさがしきい値より低下した（例えば、しきい値を超える抵抗を示す）後で、エラーが決定されることがあり、幾つかの実施形態では、エラーにもかかわらず加速度計が動作し続けうるように補償が実行されうる。
図１は、本開示の幾つかの実施形態による典型的な運動検出システム１０を示す。図１に特定の構成要素が示されているが、センサ、処理構成要素、メモリ、及び他の回路の任意の適切な組み合わせが、必要に応じて、様々な用途及びシステムに利用されうることを理解されよう。本明細書に記載されたような一実施形態では、運動検出システムは、少なくともＭＥＭＳ加速度計１２と、処理回路１４やメモリ１６などの支援回路を含みうる。幾つかの実施形態では、統合運動処理ユニット（「ＭＰＵ」）（例えば、３軸のＭＥＭＳジャイロスコープ検出、３軸のＭＥＭＳ加速度計検出、マイクロフォン、圧力センサ、及びコンパスを含む）を提供するために、運動処理システム１０内に、１つ以上の追加センサ１８（例えば、追加ＭＥＭＳジャイロスコープ、ＭＥＭＳ加速度計、ＭＥＭＳマイクロフォン、ＭＥＭＳ圧力センサ及びコンパス）が含まれうる。
処理回路１４は、運動処理システム１０の要件に基づいて必要な処理を提供する１つ以上の構成要素を含みうる。幾つかの実施形態では、処理回路１４は、加速度計１２又は他のセンサ１８の動作を制御し加速度計１２又は他のセンサ１８の処理の一部を実行するために、センサのチップ内（例えば、加速度計１２又は他のセンサ１８の基板又はキャップ上、又は加速度計１２又は他のセンサ１８に対するチップの隣接部分上）に一体化されうるハードウェア制御ロジックを含みうる。幾つかの実施形態では、加速度計１２及び他のセンサ１８は、ハードウェア制御ロジックの動作の一部の修正を可能にする（例えば、レジスタの値の修正によって）１つ以上のレジスタを含みうる。幾つかの実施形態では、処理回路１４は、また、例えばメモリ１６に記憶されたソフトウェア命令を実行するマイクロプロセッサなどのプロセッサを含みうる。マイクロプロセッサは、ハードウェア制御ロジックと相互作用することによって加速度計１２の動作を制御し、加速度計１２から受け取った測定信号を処理できる。マイクロプロセッサは、他のセンサ１８と同じように相互作用できる。
幾つかの実施形態（図１に示されていない）では、加速度計１２又は他のセンサ１８は、外部回路と（例えば、シリアルバスによって、又はセンサ出力及び制御入力への直接接続によって）直接通信してもよく、一実施形態では、処理回路１４は、加速度計１２及び他のセンサ１８から受け取ったデータを処理し、通信インタフェース２０（例えば、ＳＰＩ又はＩ２Ｃバス、又は、自動車アプリケーション、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）又はローカルインターコネクトネットワーク（ＬＩＮ）バス）を介して外部構成要素と通信できる。処理回路１４は、加速度計１２及び他のセンサ１８から受け取った信号を適切な測定ユニットに変換し（例えば、通信バス２０を介して通信する他の計算処理ユニットによって提供される設定に基づいて）、より複雑な処理を実行して、向きやオイラー角度などの測定値を決定し、幾つかの実施形態では、特定の活動（例えば、徒歩、走行、制動、滑り、ローリングなど）が行われているかどうかをセンサデータから決定できる。
幾つかの実施形態では、複数の加速度計１２とセンサ１８からのデータに基づき、センサフュージョンと呼ばれうるプロセスで、特定タイプの情報が決定されうる。様々なセンサからの情報を組み合わせることによって、画像安定化、ナビゲーションシステム、自動車制御及び安全性、推測航法、リモート制御及びゲーム装置、活動センサ、三次元カメラ、産業オートメーション、及び多数の他の用途など、様々な用途に役立つ情報を正確に決定できる。
典型的なＭＥＭＳ加速度計（例えば、加速度計１２）は、ＭＥＭＳ加速度計が軸に沿った直線加速度の測定を可能にするように構成された１つ以上の可動プルーフマスを含みうる。幾つかの実施形態では、１つ以上の可動プルーフマスは、装置のＭＥＭＳ層に平行な層（例えば、ＣＭＯＳ層）から延在するアンカー、装置のＭＥＭＳ層のフレーム、又は可動プルーフマスに対して固定されたＭＥＭＳ装置の他の適切な部分など、ＭＥＭＳセンサの固定された任意の部分を指しうるアンカー点から懸架されうる。プルーフマスは、直線加速度に応じて動くように配置されうる。直線加速度に応じた固定面（例えば、固定電極）に対するプルーフマスの動きが、直線加速度又は他の運動パラメータを決定するために測定され評価される。
典型的なＭＥＭＳ加速度計は、例えば、特定の軸（例えば、直線加速度が測定された軸に垂直な）に沿った比較的剛性のあるばねや他の継手によって、特定の軸に沿って動く可能性が比較的小さくなるように懸架されたプルーフマスを有することができ、その結果、プルーフマスは、そのような特定の軸に沿って静止する。本明細書に記載された実施形態では、１つ以上の補助電極が、この静止軸の方向のプルーフマスの隣に配置されてもよく、それらの間に構成されたキャパシタによって、補助駆動周波数を有する補助駆動信号が、補助電極を介してプルーフマスに提供されうる。本明細書に記載されたように、この信号は、加速度計の１つ以上の構成要素と加速度計のセンス経路に起こりうる破損などのエラーを識別するために使用されうる。この補助駆動信号は、センス電極に印加されたセンス駆動信号と異なる周波数を有してもよく、その結果、２つの信号の初期の幾つかの高調波は重ならない。このようにして、補助駆動周波数とセンス駆動周波数の両方の情報が、処理回路１４のセンス回路によって独立に評価されうる。補助駆動周波数（例えば、その高調波を含む）の信号の測定に基づいて、エラーが識別され、補償が実行され、故障が識別され、かつ／又は他の構成要素、装置及び回路（例えば、通信インタフェース２０を介して）に通知が提供されうる。
図２は、本開示の幾つかの実施形態による補助電極を含む説明的な加速度計を表す。図２に表されたように、典型的な加速度計は、懸架型ばねマスシステム、複数のセンス電極、及び複数の補助電極を含む。典型的な加速度計２００が、図２に、特定の構成要素を含むように表されているが、本開示が、任意の適切な数と構成のプルーフマス、ばね、結合マス、レバー、結合アーム、電極、及び１つ以上の方向の直線加速度の検出を可能にする他の適切な構成要素を含む複数の加速度計設計によって実現されうることを理解されよう。
一実施形態では、加速度計は、加速度計のＭＥＭＳ層内のプルーフマス２０２とプルーフマス２０４を含み、プルーフマス２０２とプルーフマス２０４は、それぞれのばね２１４ａ／２１４ｂ及び２１６ａ／２１６ｂによって複数のアンカー２１０ａ／２１０ｂ及び２１２ａ／２１２ｂから懸架される。典型的なアンカー２１０ａ／２１０ｂ及び２１２ａ／２１２ｂは、基板（例えば、負のｚ方向のＭＥＭＳ層の下にある）からＭＥＭＳ層内に延在し、その結果、ＭＥＭＳ層内のばね２１４ａ／２１４ｂ及び２１６ａ／２１６ｂが、プルーフマス２０２及び２０４の懸架を容易にする。一実施形態では、ばね２１４ａ／２１４ｂ及び２１６ａ／２１６ｂは、加速度計２００のＭＥＭＳ平面内の第１の軸に沿って従順でかつＭＥＭＳ平面内の第２の軸に沿って剛性があるように構成され配置された、折りたたみばねである。図２の典型的実施形態で、加速度計２００は、Ｘ軸に沿った直線加速度を検出でき、ばね２１４ａ／２１４ｂ及び２１６ａ／２１６ｂは、Ｘ軸に沿って従順でＹ軸に沿って剛性がある。
加速度計は、直線加速度に応じてプルーフマス２０２及び２０４の動きを検出するように構成要素を含んでもよく、この構成要素は、光学検出、圧電性検出、容量性検出、又は他の適切な検出技術などの任意の適切な検出機構を含みうる。一実施形態では、固定センス電極に対するプルーフマス２０２及び２０４の動きに基づいて検出が行われうる。図２に静電容量電極を構成するように表されたが、実施形態では、プルーフマスとセンス電極は、それぞれのプルーフマスと固定センス電極の間の距離によって変化する静電容量を有するキャパシタを構成するように、駆動櫛歯などの他の適切な検出構成要素を含みうる。
一実施形態では、第１のプルーフマスアーム２０６は、正ｙ方向にプルーフマス２０２から延在でき、第２のプルーフマスアーム２０８は、負ｙ方向にプルーフマス２０４から延在でき、その結果、プルーフマスアームはそれぞれ、直線加速度が検出されている軸の方向に向いている（例えば、正ｘ方向及び負ｘ方向のそれぞれに向いている）露出面（例えば、ｚ方向にＭＥＭＳ層の深さを有する）を構成する。図２に表されたように、典型的実施形態では、複数のセンス電極がそれぞれ、プルーフマス２０２／２０４のプルーフマスアーム２０６／２０８に隣接していてもよい。本開示の分脈では、プルーフマスに「隣接」した電極又は類似の検出構成要素の記述は、プルーフマス又はその任意の構成要素、あるいはプルーフマスと比例的かつ一致して動く他の構成要素を含むことを理解されよう。
図２の実施形態では、センス電極２１８ａ、２１８ｂ、２２０ａ及び２２０ｂはそれぞれ、基板からＭＥＭＳ層内に延在し、その結果、各プルーフマスは、加速度計の検出直線加速度の軸に沿ったプルーフマスアーム２０６／２０８のうちの１つの平面に面する面（例えば、プルーフマス２０６の正ｘ方向の面に面するセンス電極２２０ａの面、プルーフマス２０６の負ｘ方向の面に面するセンス電極２１８ａの面、プルーフマス２０８の正ｘ方向の面に面するセンス電極２１８ｂの面、及びプルーフマス２０８の負ｘ方向の面に面するセンス電極２２０ｂの面）を含む。このようにして、センス電極２２０ａ及び２１８ａはそれぞれ、固定センス電極２２０ａ／２１８ａに対するプルーフマスアーム２０６の動きに基づいて静電容量を変化させるプルーフマスアーム２０６を有するキャパシタを構成し、センス電極２１８ｂ及び２２０ｂはそれぞれ、固定センス電極２１８ｂ／２２０ｂに対するプルーフマスアーム２０８の動きに基づいて静電容量を変化させるプルーフマスアーム２０８を有するキャパシタを構成する。
幾つかの実施形態では、周期信号が、検出軸に沿った直線加速度を検出するために、センス電極及び／又はプルーフマスに印加されうる。周期信号は、プルーフマスが動いていないとき（即ち、直線加速度がないとき）に印加され、実質的に一定の大きさを有するように検出されるセンス駆動信号でよい。検出軸に沿った直線加速度に応じて、プルーフマスが動いてもよく、その結果、固定センス電極に対する振動の大きさが、直線加速度の大きさに比例して変化する。
図２の典型的な加速度計の一実施形態では、差分センス駆動信号が、特定のプルーフマスのそれぞれのセンス電極に印加されてもよいが、幾つかの実施形態では、同相モード駆動信号が利用されうることを理解されよう。図２に表されたように、ラベルＳＤ１が、センス電極２１８ａ及び２１８ｂのそれぞれと関連付けられ、ラベルＳＤ２が、センス電極２２０ａ及び２２０ｂのそれぞれと関連付けられる。一実施形態では、各ラベルは、共通駆動周波数を有する位相が１８０度ずれた差分センス駆動信号ＳＤ１とＳＤ２に対応する。このようにして、第１のセンス駆動信号ＳＤ１が、センス電極２１８ａとプルーフマスアーム２０６によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０２に印加され、第２のセンス駆動信号ＳＤ２が、センス電極２２０ａとプルーフマスアーム２０６によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０２に印加され、第１のセンス駆動信号ＳＤ１が、センス電極２１８ｂとプルーフマスアーム２０８によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０４に印加され、第２のセンス駆動信号ＳＤ２が、センス電極２２０ｂとプルーフマスアーム２０８によって構成されたキャパシタによってプルーフマス２０４に印加される。図２の典型的実施形態では、センス駆動信号のこの構成及び印加は、プルーフマス２０２及び２０４が、センス軸に沿った直線加速度に応じた動きをもたらすことがあり、その結果、プルーフマス２０２とセンス電極２１８ａの間の相対位置と静電容量が、プルーフマス２０４とセンス電極２１８ｂ間の相対位置と静電容量に等しくなり、また、プルーフマス２０２とセンス電極２２０ａの間の相対位置と静電容量が、プルーフマス２０４とセンス電極２１８ｂの間の相対位置と静電容量に等しくなる。
直線加速度に対するプルーフマスの応答が、様々なセンス機構からの様々な適切な技術（例えば、センス電極などからの信号の測定値）に基づきうることが理解されるが、一実施形態では、センス電極に対するプルーフマスの動きは、プルーフマス２０２（ＰＭ１）とプルーフマス２０４（ＰＭ２）からの電圧ＶPM1及びＶPM2に基づいて測定されうる。電圧は、プルーフマス２０２のセンス経路２２２と、プルーフマス２０４のセンス経路２２４によって測定されうる。図２には、センス経路が、直接接続として表さているが、センス経路が、検出される構成要素（例えば、プルーフマス２０２及び２０４）と、センス電極に対してプルーフマスの動きに応じる信号を生成する検出回路との間の電気経路を構成する任意の適切な構成要素又はその組み合わせを含みうることを理解されよう。典型的な実施形態では、センス経路は、ＭＥＭＳ層の１つ以上の構成要素（例えば、プルーフマス、ばね、結合マス、レバーなど）、ＭＥＭＳダイの他の層（例えば、アンカー、電気トレース、配線など）、及び加速度計ダイに結合された他の構成要素（例えば、外部検出回路に接続された配線又はリード線）を含みうる。
幾つかの実施形態では、１つ以上の補助電極が、プルーフマスと共に１つ以上の付加キャパシタを構成するように、プルーフマス（即ち、同調して動くプルーフマス、その構成要素、又は接続された構成要素）の隣に配置されうる。補助電極は、例えば、補助電極の方向のプルーフマスの動きを制限する１つ以上のばねや他の構成要素の構成により、検出軸に沿った直線加速度に対して静止したプルーフマスの部分の隣に配置されうる。補助電極は、補助電極とプルーフマスの間の静電容量が、検出軸に沿った直線加速度に応じて変化しないように固定されうる（例えば、ＣＭＯＳ層の基板に固定されうる）。
図２の加速度計２００の典型的実施形態では、補助電極２２６は、プルーフマス２０２の隣の配置されてもよく、それにより、それぞれが、ＭＥＭＳ層のｚ方向深さに沿ったｙ方向に対向面を有する（例えば、補助電極２２６が、負ｙ方向に向いたキャパシタ面を有し、プルーフマス２０２が、正ｙ方向に向いたキャパシタ面を有する）。補助電極２２８は、プルーフマス２０４の隣に配置されてもよく、それにより、それぞれが、ＭＥＭＳ層のｚ方向深さに沿ったｙ方向に対向面を有する（例えば、補助電極２２８が、正ｙ方向に向けられたキャパシタ面を有し、プルーフマス２０４が、負ｙ方向に向けられたキャパシタ面を有する）。
補助電極は、プルーフマスに補助駆動信号を印加でき、この補助駆動信号は、センス経路内のエラー（例えば、物理的破損）を識別するために利用されうる。例えば、エラー／破損と関連した抵抗が、センス駆動信号に基づいて検出される信号を変化させるので、センス経路内のエラーは、センス軸に沿った動きを測定する際に加速度計の精度に影響を及ぼしうる。一実施形態では、補助駆動信号は、補助駆動周波数を有することができ、補助駆動周波数は、センス駆動周波数と異なる周波数になるように選択されうる。幾つかの実施形態では、補助駆動周波数は、各信号の初期セットの初期高調波が重ならないように（例えば、補助駆動周波数がセンス駆動周波数の３２／２１になるように）選択されうる。しかしながら、補助駆動信号が、センス駆動周波数より大きくなるか小さくなる（１桁以上を含む）ような、他の相対周波数値が利用されうる。
本明細書に記載されたように、センス経路内のエラーは、センス経路内の補助駆動信号の測定値だけに基づくか、その測定値とセンス駆動信号の測定値との組み合わせに基づいて、識別され定量化されうる。検出された補助駆動信号は、動作中に比較的不変のままでなければならないので、信号の大きさの変化（例えば、１つ以上のしきい値を超えた減少又は増大）はエラーを示し、幾つかの実施形態では、エラーの重大度を示しうる。エラーが識別される幾つかの実施形態では、補償は、重大度に基づいて、加速度計で、スケーリングファクタ、センス駆動信号の電圧、信号経路利得、又は他の適切な動作パラメータなどの動作パラメータを修正することによって実行されうる。幾つかの実施形態では、センス駆動信号の測定値は、また、エラー若しくは重大度の識別又は補償の制御のために補助駆動信号と共に考慮されうる。例えば、パターンが、ある期間にわたる加速度に応じたセンス駆動信号の変化に基づいて識別され、補助駆動信号の変化に相関付けられうる。
補助駆動信号は、様々な適切な方式（例えば、同相モード、１プルーフマス当たり複数の補助電極など）で印加されうるが、図２に表されたような一実施形態では、単一補助電極が、各プルーフマスの隣に配置され、駆動電極がそれぞれのプルーフマスに差分信号ＡＤ１及びＡＤ２を印加できる（例えば、その結果、補助駆動信号ＡＤ１が、補助電極２２６を介してプルーフマス２０２に印加され、補助駆動信号ＡＤ２が、補助電極２２８を介してプルーフマス２０４に印加され、補助駆動信号ＡＤ１と補助駆動信号ＡＤ２は差分信号である）。
図３は、本開示の幾つかの実施形態による処理回路に結合された図２の加速度計の典型的回路図を提供する。図３の回路図では、プルーフマス、センス電極及び補助電極の番号付けは、図２の番号付けに対応し、これらの物理要素は、図３では円形ノードによって示される。プルーフマス２０２及び２０４は、ノード３０２及び３０４に対応し、センス電極２１８ａ及び２１８ｂは、ノード３１８ａ／ｂに対応し、センス電極２２０ａ及び２２０ｂは、ノード３２０ａ／ｂに対応し、補助電極２２６及び２２８は、ノード３２６及び３２８に対応する。図３に表されたように、各対３１８ａ／ｂ及び３２０ａ／ｂがそれぞれのセンス駆動信号ＳＤ１又はＳＤ２を提供するので、センス電極３１８ａ／ｂ及び３２０ａ／ｂはそれぞれ単一ノードとして表される。
プルーフマスとセンス電極によって構成されたキャパシタは、キャパシタ３４０（例えば、プルーフマス３０２とセンス電極３１８ａの間）、キャパシタ３４２（例えば、プルーフマス３０２とセンス電極３２０ａの間）、キャパシタ３４４（例えば、プルーフマス３０４とセンス電極３２０ｂの間）、及びキャパシタ３４６（例えば、プルーフマス３０４とセンス電極３１８ｂの間）として表される。プルーフマスと補助電極によって構成されたキャパシタは、キャパシタ３５０（例えば、プルーフマス３０２と補助電極３２６の間）とキャパシタ３５２（例えば、プルーフマス３０４と補助電極３２８の間）として表される。図２と図３の実施形態では、キャパシタ３４０、３４２、３４４及び３４６の静電容量は、センス軸に沿った直線加速度に応じて変化するが、キャパシタ３５０及び３５２の静電容量は、センス軸に沿った直線加速度に応じて変化しないはずである。
キャパシタはそれぞれ、キャパシタの静電容量と、キャパシタのそれぞれに印加される信号（例えば、信号ＳＤ１、ＳＤ２、ＡＤ１及びＡＤ２）とに基づいて、充放電できる。そのような電荷の変化は、印加された信号の周波数に基づく周期的成分を含む。この変化は、プルーフマス３０２及び３０４で検出され、センス経路３２２及びセンス経路３２４（例えば、図２のセンス経路２２２とセンス経路２２４に対応する）を介して、センス回路３７０（例えば、処理回路１４の）に提供される。
場合によって、１つ以上の構成要素の破損などのエラーが、センス経路３２２及び３２４の一方又は両方に起こりうる。エラーは、抵抗、静電容量、インダクタンス又はこれらの組み合わせなどのセンス経路の電気的特性の変化として電気的に示されることがあり、エラー３６４及び３６６として表される。加速度計から受け取った信号は、センス経路内の変化した電気的特性に基づいて変化しうるので、そのようなエラーは、加速度の測定値のエラーの原因になりうる。センス駆動周波数の受信信号の変化が、エラーによるものか、センス電極に対するプルーフマスの動きによるもの（例えば、キャパシタ３４０、３４２、３４４及び３４６の静電容量を修正する）か分からないことがあるので、エラーによるセンス駆動信号だけを識別又は定量化できないことがある。本明細書に記載された典型的実施形態では、エラーは、検出信号を減少させる抵抗の変化（例えば、増大）として述べられているが、そのような参照が、本明細書に記載されたような他の電気特性の変化として示されるエラーも指しうることを理解されよう。
加速度計３００からの受信信号は、センス経路３２２及び３２４を介してセンス回路３７０に提供されうる。センス回路が、様々な適切な構成要素を含みうるが、一実施形態では、センス回路は、２つのセンス経路３２２及び３２４に結合されて、検出加速度を測定し（例えば、静電容量−電圧変換回路）、補助駆動信号に起因する受信信号の部分に基づいてセンス経路内のエラーを識別する処理及び試験回路３７２を含みうる。他の実施形態では（図３に表されていない）、別個の回路が、例えば動作ごとに別個の差動増幅器を有することによって、加速度を決定する処理と、エラーを識別する処理を実行できる。
処理及び試験回路３７２は、プルーフマスから検出された静電容量差を、電圧を有する検出信号に変換する変換回路（例えば、静電容量−電圧変換回路）を含み、幾つかの実施形態では、フィルタリングを提供できる（例えば、センス駆動周波数の信号を強調する）。検出信号は、（例えば、検出信号のセンス駆動周波数の部分に基づく）加速度並びに（例えば、補助駆動周波数の検出信号の部分に基づく）エラーの試験を表す信号を出力するために使用されうる追加の処理及びフィルタリング回路に提供されうる。一実施形態では、付加的なスケーリング及び測定回路（図３に表されていない）が、スケーリングファクタ及びフィルタリングを信号に適用し、加速値や加速度を表す信号などの測定信号又は測定値を提供できる。それにより、加速度出力３７４が得られ、加速度出力３７４は、加速度（例えば、センス駆動周波数の検出信号の部分、プルーフマスの物理的運動に正比例する信号など）又は加速度測定値（例えば、加速値）を決定するために使用されうる任意の適切な信号でよい。
検出信号の補助駆動周波数部分を分析するため、信号処理回路は、補助駆動信号と関連付けられた受信信号の部分を強調できる。本明細書に記載されたように、補助駆動信号を提供する補助電極は、それぞれのプルーフマスがセンス軸に沿った直線加速度に対して静止するように配置されうる。検出信号の補助駆動周波数部分の処理回路は、受信信号の補助駆動信号と関連付けられた部分と、エラーによって引き起こされうる変化（例えば、大きさ、周波数、位相など）に基づいて、それぞれのセンス経路３２２又は３２４内のエラー３６４又は３６６（例えば、抵抗として）を識別できる。しきい値との比較に基づいて、エラーが識別され、そのエラーに関する情報が処理回路３７０から提供されることがあり（例えば、通知として）、幾つかの実施形態では、エラー（例えば、エラーのタイプ、エラーの重大度など）に基づいて補償が実行されてもよく、補償に関する通知が、エラー出力３７６として処理回路３７０から提供されてもよい。
図４は、本開示の幾つかの実施形態による、補助電極を含みセンス経路内のエラーを試験する加速度計の別の実施形態の典型的回路図を示す。図４の加速度計が、任意の適切な構成要素を含みうるが、一実施形態では、図４の構成要素の多くが、図３の同一に番号付けされた構成要素に同じように対応し機能できる。
幾つかの実施形態では、複数の補助電極は、各補助電極が１つのプルーフマス（又は、図３〜図４に表されていない幾つかの実施形態では、複数のプルーフマス）と共にキャパシタを構成するように、各プルーフマスに対して配置されうる。補助電極の数は、特定用途向けに修正されてもよく、適切な倍数及び偶数又は奇数で提供されうる。補助電極は、プルーフマスに対して様々な位置に配置されうるが、一実施形態では、補助電極のうちの幾つか又は全ては、プルーフマスがセンス軸に沿った直線加速度に対して静止する方向の、関連付けられたプルーフマスの隣に配置されてもよく、それにより、それらの間に構成されたキャパシタの静電容量は、直線加速度に対して変化しない。
図４の典型的実施形態では、補助電極４２６が、キャパシタ４５０を構成するようにプルーフマス３０２に対して配置されてもよく、補助電極４２７が、キャパシタ４５１を構成するようにプルーフマス３０２に対して配置されてもよく、補助電極４２８が、キャパシタ４５２を構成するようにプルーフマス３０４に対して配置されてもよく、補助電極４２９が、キャパシタ４５３を構成するようにプルーフマス３０４に対して配置されてもよい。補助駆動周波数を有する補助駆動信号が、補助駆動電極のそれぞれに印加されうる（例えば、補助駆動信号ＡＤ11が補助電極４２６に印加されてもよく、補助駆動信号ＡＤ21が補助電極４２７に印加されてもよく、補助駆動信号ＡＤ12が補助電極４２８に印加されてもよく、補助駆動信号ＡＤ22が補助電極４２９に印加されてもよい）。実施形態では、補助駆動信号は、差分信号として（例えば、同じ位相を有するＡＤ11とＡＤ21、同じ位相を有するＡＤ11とＡＤ12、及び同じ位相を有するＡＤ11とＡＤ22）、又は同相モード信号として印加されうる。
幾つかの実施形態では、補助電極の１つ以上は、補償や較正などの他の機能を提供するように構成されてもよい。図４の実施形態では、例えば、補助電極がそれぞれ、センス電極のうちの１つと関連付けられてもよい（例えば、補助電極４２６がセンス電極３１８ａと関連付けられてもよく、補助電極４２７がセンス電極３２０ａと関連付けられてもよく、補助電極４２８がセンス電極３１８ｂと関連付けられてもよく、補助電極４２９がセンス電極３２０ｂと関連付けられてもよい）。補償又は較正信号が、補助電極を介して、例えば、製造中、試験中、動作中に提供されてもよく、又は幾つかの実施形態では、センス経路内のエラーの識別に応じた補償として提供されてもよい。
図５は、本開示の幾つかの実施形態による処理回路１４の処理及び試験回路３７２の説明的なブロック図を示す。処理及び試験回路３７２に様々な回路を使用でき、その回路の機能を修正でき、特定の回路を除去又は再構成できることが理解されるが、一実施形態では、処理及び試験回路３７２が、変換回路５０２、信号フィルタ回路５０４、比較フィルタ回路５０６及びしきい値及び補償回路５０８を含みうる。
補助測定回路の変換回路５０２は、センス経路の１つ以上から（例えば、単一センス経路から）信号を受け取ってもよく、複数のセンス経路から提供された信号を比較してもよい。図２〜図４の実施形態では、変換回路は、センス経路３２２及び３２４両方から受信信号を受け取りうる。一実施形態では、受信信号は、キャパシタから受け取られてもよく、変換回路は、検出構成要素（例えば、プルーフマス）の静電容量電極での信号（例えば、大きさ、波形、周波数、位相など）を表す電圧又は電流への変換を実行できる。変換回路からの出力は、変換信号でよい。
一実施形態では、変換信号は、変換回路５０２から信号フィルタ回路５０４に提供されうる。信号フィルタ回路５０４が、ノイズ低減、アナログデジタル変換、所望情報の強調（例えば、高域通過、低域通過又は帯域通過フィルタリングによる）、増倍、デシメーション、又は他の所望フィルタリング及び信号処理操作などの様々なフィルタリング機能を実行できる。典型的実施形態では、信号フィルタ回路は、加速度を表す信号を出力しまた補助駆動信号の周波数範囲内の信号を提供するフィルタリングを実行できる。ノイズフィルタリングが実行されてもよく、幾つかの実施形態では、結果信号がデジタル化されうる。一実施形態では、直線加速度を表す信号が、プルーフマスの動きに基づいて変化する電気特性を有する出力信号として出力されうる。補助駆動周波数における情報を含む信号は、また、比較フィルタ回路５０６などの付加回路に提供されてもよく、信号フィルタ回路の処理中の決定された出力信号又は中間信号でもよい。
比較フィルタ回路５０６は、プルーフマス又はセンス経路内にエラーがあるかどうかに関する決定に使用されうる出力信号を提供するフィルタリング及び信号処理を含みうる。比較フィルタ回路５０６は、様々なフィルタ機能（例えば、ノイズ低減、アナログデジタル変換、所望情報の強調（例えば、高域通過、低域通過又は帯域通過フィルタリングによる）、倍増、デシメーション、又は他の所望のフィルタリング及び信号処理操作）を実行でき、一実施形態では、比較フィルタ回路が、プルーフマス及びセンス経路内のエラーを表す値を出力できる。一実施形態では、比較フィルタ回路は、補助駆動周波数の周波数成分を除去できる。その結果得られた、エラーを表す出力信号（例えば、エラー信号）が、しきい値及び補償回路の５０８に提供されうる。
しきい値及び補償回路の５０８は、エラーを表す信号（例えば、エラー信号）を受け取ることができ、受信信号に基づいて様々な機能を実行することができる。例示的な動作には、エラーが１つ以上のしきい値を超えるかどうかの決定と、それらのしきい値や他の情報に基づいて加速度計の動作を停止すべきかどうかの決定と、故障を表示すべきかどうかの決定と、加速度計で補償を実行すべきかどうかの決定と、補償を他の情報（例えば、他のセンサからの）に基づいて実行すべきかどうかの決定と、実行される補償の程度とタイプとが含まれうる。一実施形態では、エラー情報が、直線加速度測定値と比較されて、例えば、エラーと直線加速度測定値から識別されうる一般的傾向に基づいて、通知及び補償要件が決定されうる。幾つかの実施形態では、この決定は、加速度計の動作及びエラー測定値に関する履歴情報、及び／又は直線加速度及び／又はエラー測定値の変化率に基づいて実行されうる。幾つかの実施形態では、比較情報は、分析のための外部処理回路、装置プロセッサ、又はリモートシステムに送信されうる（例えば、複数の加速度計における複数のエラーに関する既知情報に基づいてある期間に収集され更新されたデータに基づく）。
図６は、本開示の幾つかの実施形態による処理及び試験回路の説明的回路図である。一実施形態では、回路図は、変換回路５０２、信号フィルタ回路５０４、比較フィルタ回路５０６、及びしきい値及び補償回路５０８の構成要素を表しうるが、他の実施形態では、他の回路が使用されてもよく、表された構成要素が再構成されてもよく、１つ以上の構成要素が追加又は除去されてもよく、構成要素の１つ以上が類似機能を実行する他の構成要素と置き換えられてもよいことを理解されよう。
変換回路５０２の典型的実施形態では、センス経路３２２及び３２４のそれぞれからの信号が、静電容量−電圧変換器（Ｃ２Ｖ）６２０などの構成要素のそれぞれの入力ノードで受け取られてもよく、一実施形態では。Ｃ２Ｖ６２０の出力と第１の入力ノードに帰還コンデンサ６２２が結合され、Ｃ２Ｖ６２０の出力と第２のノードに帰還コンデンサ６２１が結合されてもよい。Ｃ２Ｖ６２０の出力は、センス経路と関連付けられたプルーフマスにおける差分静電容量に対応する電圧を有する変換信号でよい。
信号フィルタ回路５０４の典型的実施形態では、Ｃ２Ｖ６２０から出力された変換信号は、センス駆動周波数ΩDRVの信号成分を減らすために処理されうる。一実施形態では、受け取った変換信号は、混合器６２４によって、センス駆動周波数の周期的信号と混合され、したがって変換信号がセンス駆動周波数だけシフトされ、その結果、補助駆動信号と関連付けられた元の変換信号の部分の周波数が、この量だけシフトされる。例えば、補助駆動周波数ΩAUX＝３２＊ΩDRV／２１の実施形態では、補助周波数から得られた信号成分は、周波数ΩAUX_MIX＝１１ΩΑUΧ／２１を有する。混合器からの出力は、アナログデジタル変換器６２６に提供され、得られたデジタル出力信号が、信号フィルタ回路５０４のデシメータ６２８と比較フィルタ回路５０６に提供されうる。デシメータ６２８は、アナログデジタル変換器６２８からのデジタル信号のサンプリングレートを低減させ、そのベースバンド内でセンス電極に対するプルーフマスの動きを表す信号を出力する。図６に表されていないが、この加速度出力は、直線加速度を決定する更なる処理のための付加回路（例えば、利得段）に提供されうる。
比較フィルタ回路５０６の典型的実施形態では、アナログデジタル変換器から出力されたデジタル信号が、高域フィルタ６３０によって受け取られてもよく、高域フィルタ６３０は、処理された補助駆動信号（例えば、混合器６２４によって修正されたような）と関連した周波数を通過させ同時により低い周波数成分を除去するカットオフ周波数を有しうる。図６に高域フィルタ６３０が表されているが、幾つかの実施形態では（例えば、予想高調波又は他の成分に基づく）帯域フィルタが提供されてもよく、補助駆動周波数がセンス駆動周波数より低い実施形態では、低域フィルタが使用されてもよい。得られた信号は、混合器６３２でそれ自体と混合され、したがって周波数がシフトされ、その結果、補助駆動信号に対する応答の大きさを有する信号が、混合器６３２からデシメータ６３４に出力される。デシメータ６３４は、混合器６３２からの出力信号のサンプリングレートを低減し、ダウンサンプリングされた比較信号をしきい値及び補償回路５０８に提供できる。
しきい値及び補償回路の５０８の典型的実施形態では、比較信号は、１つ以上のしきい値と比較されうる。本明細書に記載されたように、比較フィルタ回路５０６の処理によって補助駆動信号から得られた信号（例えば、比較信号）は、エラーに基づいて変化しうる。エラーは、比較信号と関連した値（例えば、大きさ、位相、周波数）がしきい値とどのように比較されるかに基づいて検出されうる。適切な値及びしきい値が、様々な方式で比較されうるが、典型的実施形態では、エラーは抵抗に対応することができ、その結果、抵抗の増大によって比較信号の大きさが減少する。
一実施形態では、複数のしきい値に複数の比較が実行され、それにより、比較回路の様々な信号レベルによって異なる応答又は通知が得られる。典型的実施形態では、３つのしきい値（ＶTH1、ＶTH2及びＶTH3）が比較のために利用されてもよく、各しきい値は、起こりうる異なるエラーレベルに対応する。比較は、様々な方式で実行されうるが、一実施形態では、しきい値がそれぞれ、比較器６３６、６３８又は６４０に入力されるアナログ電圧に対応し、比較信号は、しきい値のそれぞれと比較される。比較信号の大きさの減少が、より大きい程度の検出エラー（例えば、抵抗）に対応する実施形態では、しきい値ＶTH1が、しきい値ＶTH2より大きいことがあり、しきい値ＶTH2が、しきい値ＶTH3より大きいことがある。ＶTH1よりも大きい比較電圧は、正常動作状態に対応でき、その状態では、比較器６３６、６３８及び６４０のそれぞれからHigh信号が出力される。ＶTH1より低くかつＶTH2より高い比較電圧は、第１のエラー状態を示すことがあり、その状態では、ＶTH1からLow信号が出力され、ＶTH2とＶTH3からHigh信号が出力される。ＶTH2より小さくＶTH3より高い比較電圧は、第１のエラー状態より重大な第２のエラー状態を示すことがあり、その状態では、ＶTH1とＶTH2からLow信号が出力され、ＶTH3からHigh信号が出力される。最後に、ＶTH3より低い比較電圧は、最高重大度レベルの第３のエラー状態を示すことがあり、その状態では、ＶTH1、ＶTH2及びＶTH3の全てからLow信号が出力される。
一実施形態では、比較器からの出力が、警告及び補償回路６４２に提供されうる。警告及び補償回路は、プログラム可能でよく、それにより、様々なエラー状態に基づく異なる処置が取られうる。典型的な処置には、通知の提供、警告の生成、加速度計の動作の停止、加速度計の動作パラメータの修正、加速出力信号に適用される利得値の修正、加速度計からの出力データの修正（例えば、他のセンサからのスケーリングファクタ又はデータに基づく）、他の適切な動作、及びこれらの任意の適切な組み合わせがある。
典型的実施形態では、正常動作条件下（例えば、３つの比較器出力が全てHigh）で、加速度計が、正常に動作し続けることができ、通知は提供されえない（例えば、正常動作の通知以外）。第１のエラー状態の場合（例えば、比較器６３６からLow出力で、比較器６３８及び６４０からHigh出力）、エラーの存在の警告通知が提供されることがあり、加速度計からの出力データが、エラーを調整するために修正されうる（例えば、第１のタイプの補償）。第２のエラー状態の場合（例えば、比較器６３６及び６３８からLow出力で、比較器６４０からHigh出力）、エラーの存在の警告通知が提供されることがあり、エラーを補償するための試みで動作パラメータ（例えば、センス駆動信号の修正、補償電極への信号の印加など）が実行されることがある（例えば、第２のタイプの補償）。一実施形態では、第２のエラー状態に応じて、出力値の修正も実行されうる。第３のエラー状態の場合、加速度計が動作を停止すべきであることが決定されてもよく、加速度計を遮断させる通知が提供されてもよい。
幾つかの実施形態では、警告と補償回路が、前のエラー状態と応答のメモリを保持でき、その結果、様々な補償技術が、技術の有効性に基づいて実行されることがあり、現在実行されている特定の補償に基づいて組み合わされうる。例えば、動作パラメータの修正によって、加速度計が第２のエラー状態から正常状態又は第１のエラー状態に首尾よく移行した場合、動作パラメータの修正が維持されうる。別の例では、出力データの様々な修正が、動作パラメータの様々な変化に対応でき、またエラーを改善するために使用される動作パラメータの変化に基づいて使用されうる。
図７〜図８は、本開示の幾つかの実施形態によるセンス経路内のエラーを識別するための典型的ステップを表す。図７〜図８は、本開示の文脈で述べられているが、図７〜図８に示された方法及びステップが、様々なセンサ及び加速度計の設計、信号経路、エラー、及び補償技術に適用されうることを理解されよう。図７〜図８に特定の順序及び流れのステップが示されているが、幾つかの実施形態では、ステップの１つ以上が、修正、移動、除去又は追加されてもよく、図７〜図８に表された流れが修正されてもよいことを理解されよう。
図７は、本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路にエラーが存在するかどうかを決定するための典型的なステップを示す。本明細書に記載されているように、典型的な加速度計は、１つ以上のプルーフマスに対して位置決めされたセンス電極と補助電極の両方を含むことができ、それにより、プルーフマスがセンス電極及び補助電極と共にキャパシタを構成する。
ステップ７０２で、センス駆動信号が、センス電極に印加されうる。センス駆動信号は、センス駆動周波数を有してもよいが、幾つかの実施形態では、センス電極のうちの様々なものに差分信号として提供されうる。センス駆動信号がセンス電極に印加された後で、処理は、ステップ７０４に進みうる。
ステップ７０４で、補助駆動信号が、補助電極に印加されうる。補助駆動信号は、補助駆動周波数を有することができるが、幾つかの実施形態では、補助電極のうちの様々な補助電極に差分信号として提供されうる。補助駆動信号が補助電極に印加された後、処理は、ステップ７０６に進みうる。
ステップ７０６で、センス駆動信号と補助駆動信号に応じる合成信号が、センス経路、例えば、センス駆動電極と補助電極とを有するキャパシタを構成する１つ以上のプルーフマスを介して受け取られうる。合成信号は、センス経路を介して処理回路で受け取られうる。処理回路は、受け取った合成信号を処理して、加速度に関する情報を決定し、センス経路内の抵抗などのエラーを識別し、通知を提供し、補償を実行し、本明細書に記載されたような他の操作を実行できる。合成信号を受け取った後、処理は、ステップ７０８に進みうる。
ステップ７０８で、補助駆動信号に対するセンス経路の応答に対応する受信信号の部分が、合成受信信号から抽出されうる。幾つかの実施形態では、信号の成分が、補助駆動周波数と、２つの信号の初期サブセットの高調波が重ならない様々な周波数を有するセンス駆動周波数とに基づいて、センス駆動周波数に対応する信号成分を減少させることによって抽出されうる。一実施形態では、抽出の出力は、センス経路内で生じる損失によって減少された補助駆動信号の大きさを表すアナログ電圧を有する比較信号でよい。ステップ７０８で受信信号の一部が抽出された後、処理は、ステップ７１０に進みうる。
ステップ７１０で、比較信号が、１つ以上のしきい値と比較されうる。本明細書に記載された典型的実施形態では、比較信号の電圧は、エラーの重大度（例えば、センス経路内の抵抗の増大）に基づいて低減され、それにより、より低い電圧ほどより重大なエラーに対応する。複数のしきい値の典型的実施形態では、処理は、全てのしきい値を超えた場合、又は幾つかの実施形態では、警告しきい値だけを超えた場合に、ステップ７１２に進みうる。ステップ７１２で、センス駆動信号への応答に基づいて加速度が決定されてもよく、処理は、ステップ７０２に戻りうる。補助信号が、しきい値より小さい場合、又は幾つかの実施形態では、動作を停止するか動作を補償する要件と関連付けられたしきい値より小さい場合、処理は、ステップ７１４に進みうる。
ステップ７１４で、処理回路は、エラーに応じて補償が行われうるかどうか、又はエラーに応じて加速度計が動作を停止すべきかどうかを決定できる。補償が行われうる場合、処理は、図８に示された処理に進みうる。補償が行われない場合、処理はステップ７１６に進むことができ、通知が提供され、加速度計が動作を停止できる（例えば、加速度計の幾つか又は全ての構成要素から電圧が除去されてもよく、センス駆動信号が提供されなくなってもよい）。次に、図７の処理が終了できる。
図８は、本開示の幾つかの実施形態による、加速度計のセンス経路にあるエラーを補償するための典型的なステップを示す。図７のステップでエラーが識別された場合（例えば、補償信号の電圧が１つ以上のしきい値電圧より低下したことによる）と、特定の加速度計内でエラーの補償が許可される場合に、図８の処理が実行されうる。
ステップ８０２で、エラーの重大度が、例えば、補償信号の電圧の値に基づいて決定されうる。一実施形態では、重大度は、複数のエラー状態のうちの１つを識別するために、比較信号と複数のしきい値との比較（例えば、複数の比較器での）に基づいてもよい。一実施形態では、エラー状態の１つ以上が、重大度と、単独で関連付けられるか、他の入手可能な情報（例えば、補償又は加速度データ履歴、同時加速度データなど）に合わせて検討されうる。重大度が決定された後、処理は、ステップ８０４に進みうる。
ステップ８０４で、エラーの重大度に基づいて補償が可能かどうかが決定されうる。一実施形態では、１つ以上のエラー状態又は重大度レベルが、様々なエラー応答と関連付けられうる。エラー状態又は重大度レベルが補償を可能にしない場合、処理は、ステップ８０６に進むことができ、そこで、通知が提供され、加速度計が動作を停止できる（例えば、加速度計の幾つか又は全ての構成要素から電圧が除去され、センス駆動信号が提供されなくなる、など）。次に、図８の処理が終了できる。補償が可能な場合、処理は、ステップ８０８に進みうる。
ステップ８０８で、エラーの重大度に基づいて可能な補償のタイプが決定されうる。様々な適切なタイプの補償が可能でありうるが、一実施形態では、補償のタイプは、加速度計からの出力データの修正（例えば、スケーリングファクタの修正による）、又は加速度計の動作パラメータの修正（例えば、センス駆動信号を修正するか、補償電極に補償信号を提供することにより）を含みうる。様々な重大度レベルが、様々な補償タイプと、及び幾つかの実施形態では様々なタイプ内の様々な補償技術と関連付けられうる。幾つかの実施形態では、補償タイプを決定するときに、履歴補償情報や加速度計データなどの追加情報、又は電流加速度計データが考慮されうる。補償タイプが、スケーリングファクタの修正だけを必要とする場合、処理は、ステップ８１０に進みうる。補償が、加速度計の動作パラメータの修正を必要とする場合、処理は、ステップ８１２に進みうる。
ステップ８１０で、エラーの重大度と、幾つかの実施形態では、履歴補償情報又は加速度計データや、現在の加速度計データなどの他の情報に基づいて、補償スケーリング技術が、選択され、補償の程度が決定されうる。スケーリングは、ハードウェアと関連付けられた増幅値の調整や、ソフトウェア内のスケーリングファクタの調整など、様々な方式で更新されうる。スケーリング修正が完了した後、処理は、ステップ８１４に進みうる。
ステップ８１２で、エラーの重大度と、幾つかの実施形態では、履歴補償情報又は加速度計データや、現在の加速度計データなどの他の情報に基づいて、加速度計の動作パラメータを修正する技術が選択され、補償の程度が決定されうる。動作パラメータは、センス駆動信号の特性の修正や補償電極への補償信号の印加など、幾つかの方法で修正されうる。動作パラメータ修正が完了した後、処理は、ステップ８１４に進みうる。
ステップ８１４で、補償に対する応答が測定されうる。スケーリングファクタが修正される実施形態では、スケーリングによる影響を受ける加速出力値又は他の信号値の変化などの変化が測定されうる。動作パラメータの修正の実施形態では、センス駆動信号及び／又は補助駆動信号の変化が決定されうる。応答がステップ８１４で測定された後、処理は、ステップ８１６に進みうる。
ステップ８１６で、補償が成功したかどうかが決定されうる。典型的実施形態では、測定された応答値が、ステップ８１４で、補償に基づく予想測定応答値と比較されうる。測定応答値が期待値（例えば、しきい値窓内）に対応する場合、処理は、図７のステップ７０２に戻りうる。測定応答値が期待値（例えば、しきい値窓内）に対応しない場合、処理は、ステップ８１８に進むことができ、そこで、通知が提供され（例えば、補償が失敗したこと）、加速度計が動作を停止されてもよい（例えば、加速度計の幾つか又は全ての構成要素から電圧が除去される、センス駆動信号が提供されなくなる、など）。次に、図８の処理が終了できる。
以上の説明は、本開示による典型的実施形態を含む。これらの例は、説明のためのものであり、限定するためのものではない。本開示が、本明細書に明示的に記述され描かれた形態と異なる形態で実施されてもよく、以下の特許請求の範囲と一致する様々な修正、最適化及び変形が、当業者によって実現されうることを理解されよう。
２００ 加速度計
２０２、２０４ プルーフマス
２２６、２２８ 補助電極

Claims (20)

  1. センス駆動周波数を有するセンス駆動信号がそれぞれ印加される少なくとも２つのセンス電極と、
    補助駆動周波数を有する第１の補助駆動信号が印加される第１の補助電極と、
    前記補助駆動周波数を有する第２の補助駆動信号が印加される第２の補助電極と、
    前記少なくとも２つのセンス電極の１つ以上に隣接して配置され、かつ前記第１の補助電極の隣に配置された第１のプルーフマスと、
    前記少なくとも２つのセンス電極の１つ以上に隣接して配置され、かつ前記第２の補助電極の隣に配置された第２のプルーフマスと、
    前記第１のプルーフマスと前記第２のプルーフマスからの受信信号を提供するために前記第１のプルーフマスと前記第２のプルーフマスのそれぞれに結合されて、前記センス駆動周波数と関連付けられた前記受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定し、前記補助駆動周波数と関連付けられた前記受信信号の部分に基づいて故障を識別する処理回路と、
    を備える、
    システム。
  2. 前記第１の補助電極が、前記決定された直線加速度に対して静止している前記第１のプルーフマスの部分の隣に配置され、前記第２の補助電極が、前記決定された直線加速度に対して静止している前記第２のプルーフマスの部分の隣に配置された、
    請求項１に記載のシステム。
  3. 前記第１の補助駆動信号と前記第２の補助駆動信号が、差分信号である、
    請求項１に記載のシステム。
  4. 前記第１の補助駆動信号と前記第２の補助駆動信号が、同相モード信号である、
    請求項１に記載のシステム。
  5. 前記補助駆動周波数が、前記センス駆動周波数より大きい、
    請求項１に記載のシステム。
  6. 前記補助駆動周波数が、前記センス駆動周波数より低い、
    請求項１に記載のシステム。
  7. 前記補助駆動周波数の最初の４つの高調波がいずれも、前記センス駆動周波数の最初の４つの高調波のどの５％以内にもない、
    請求項１に記載のシステム。
  8. 前記処理回路が、前記受信信号に基づいて測定信号を生成するように構成され、前記処理回路が、更に、前記測定信号を受け取るために結合された補助信号測定回路を含み、前記故障が、前記測定信号に基づいて識別される、
    請求項１に記載のシステム。
  9. 前記補助信号測定回路が、フィルタを含み、前記フィルタが、前記補助駆動周波数と関連付けられた前記測定信号の部分を分離し、前記故障が、前記測定信号の前記部分に基づいて識別される、
    請求項８に記載のシステム。
  10. 前記補助信号測定回路が、更に、マルチプライヤとデシメータを含み、
    前記マルチプライヤが、複数の入力に前記測定信号の前記部分を受け取るように構成され、
    前記デシメータが、前記マルチプライヤの出力に結合されて、前記マルチプライヤから受け取った信号の周波数を低減し、
    前記故障が、前記デシメータの出力の電圧レベルに基づいて識別される、
    請求項９に記載のシステム。
  11. 前記故障が、前記デシメータの前記出力の前記電圧レベルとしきい値電圧との比較に基づいて識別される、
    請求項１０に記載のシステム。
  12. 前記故障が、前記デシメータの前記出力の前記電圧レベルが前記しきい値電圧より低いときに識別される、
    請求項１１に記載のシステム。
  13. 前記直線加速度が、前記測定信号に基づいて決定される、
    請求項８に記載のシステム。
  14. 前記故障は、前記第１のプルーフマスと前記処理回路との間と、前記第２のプルーフマスと前記処理回路との間との一方にある抵抗と関連付けられた、
    請求項１に記載のシステム。
  15. 前記故障が、しきい値より低い前記補助駆動周波数と関連付けられた前記受信信号の部分の大きさに基づいて識別される、
    請求項１に記載のシステム。
  16. 前記故障の前記識別に基づいて通知を提供することを更に含む、
    請求項１に記載のシステム。
  17. 前記少なくとも２つのセンス電極が、少なくとも２つの第１のセンス電極と、少なくとも２つの第２のセンス電極とを含み、
    前記少なくとも２つの第１のセンス電極のうちの１つと前記少なくとも２つの第２のセンス電極の１つとがそれぞれ、直線加速度に応じた前記第１のプルーフマスの動きを検出するために前記第１のプルーフマスの隣に配置され、
    前記少なくとも２つの第１のセンス電極の別のものと前記少なくとも２つの第２のセンス電極の別のものとがそれぞれ、直線加速度に応じた前記第２のプルーフマスの動きを検出するために前記第２のプルーフマスの隣に配置された、
    請求項１に記載のシステム。
  18. 前記センス駆動周波数を有する第１のセンス駆動信号が、前記第１のセンス電極に印加され、
    前記センス駆動周波数を有する第２のセンス駆動信号が、前記第２のセンス電極に印加され、
    前記第１のセンス駆動信号と第２のセンス駆動信号が、異なる位相を有する、
    請求項１７に記載のシステム。
  19. 少なくとも２つのセンス電極に、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号を提供するステップと、
    第１の補助電極に、補助駆動周波数を有する第１の補助駆動信号を提供するステップと、
    第２の補助電極に、前記補助駆動周波数を有する第２の補助駆動信号を提供するステップと、
    前記少なくとも２つのセンス電極の１つ以上の隣でかつ前記第１の補助電極の隣に配置された第１のプルーフマスから、第１のプルーフマス信号を受け取るステップと、
    前記少なくとも２つのセンス電極の１つ以上の隣でかつ前記第２の補助電極の隣に配置された第２のプルーフマスから、第２のプルーフマス信号を受け取るステップと、
    前記第１のプルーフマス信号と前記第２のプルーフマス信号とに基づいて受信信号を生成するステップと、
    前記センス駆動周波数と関連付けられた前記受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定するステップと、
    前記補助駆動周波数と関連付けられた前記受信信号の部分に基づいて故障を識別するステップと、
    を含む、
    方法。
  20. 第１軸に沿った直線加速度に応じて動くように１つ以上のばねによって懸架されたプルーフマスと、
    センス電極と、
    補助電極と、
    前記プルーフマス、前記センス電極及び前記駆動電極のそれぞれに結合された処理回路とを含み、
    前記センス電極は、前記プルーフマスと前記センス電極によって構成されたキャパシタが、前記第１の軸に沿った直線加速度に応じて変化するように、前記プルーフマスの隣に配置され、
    前記補助電極は、前記プルーフマスと前記補助電極によって構成されたキャパシタが、前記第１の軸に沿った直線加速度に応じて変化しないように、前記プルーフマスの隣に配置され、
    前記処理回路が、センス駆動周波数を有するセンス駆動信号を前記センス電極に提供し、補助駆動信号を有する補助駆動信号を前記補助電極に提供し、
    前記処理回路が、前記プルーフマスから受信信号を受け取り、前記センス駆動周波数と関連付けられた前記受信信号の部分に基づいて直線加速度を決定し、前記補助駆動周波数と関連付けられた受信信号の部分に基づいて故障を識別する、
    懸架型ばねマスシステム。
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