JP2021043200A - 低ノイズ多軸ｍｅｍｓ加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、面外センス軸と面内センス軸の両方の試験質量として少なくとも２つの対称面外試験質量を使用することにより、パッケージサイズを大幅に増大させることなく２軸または３軸ＭＥＭＳ加速度計においてノイズを低減し、正確度を改善するという問題を解決する。【解決手段】本発明は、すべてセンス軸に沿った加速度に応答するより大きい試験質量を提供し、結果、ノイズが低減し、正確度が向上する。１つまたは複数の面内センス軸における試験質量の動きは、櫛型キャパシタによって測定され、櫛型キャパシタは、キャパシタのセンス軸の外方の試験質量の面内運動からの軸間誤差を最小限に抑える鏡面対称櫛型電極を有する。２つの面外試験質量は反対方向に回転し、したがって、面外に回転しても、結合重心を加速度計の中心に維持する。【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）加速度計に関し、特に、加速度計出力におけるノイズを低減するように設計された加速度計に関する。

自律駆動をサポートするために使用する場合、ＭＥＭＳ加速度計は、正確度が高く、出力のノイズが少ない必要がある。電子安定性制御システムにおいて使用されているような高正確度の加速度計では、軸間干渉による不正確さを減らすために、一般に各センス軸、すなわち各センス軸の個別の試験質量の独立性が必要である。ただし、センス軸に個別の試験質量を使用すると、ＭＥＭＳシステムは一般に著しいサイズ制約を受けるため、各個別の試験質量の最大サイズが小さくなる。試験質量がより小さくなると、加速度計はノイズの影響をより受けやすくなる。スマートフォンにおいて使用されるものなど、他のＭＥＭＳ加速度計は、システムの複雑度（したがってコスト）を抑えるために、複数の軸に単一の試験質量を使用することが多い。上記の結果、より大きい試験質量を使用できるようになるが、当該加速度計は、軸間誤差および試験質量の寄生運動モードの影響を非常に受けやすく、当該加速度計の正確度が大幅に低下する。

本発明は、面外軸と面内軸の両方に少なくとも２つの対称面外試験質量、好ましくはシーソータイプの試験質量、を使用することにより、高正確度で低ノイズのＭＥＭＳ加速度計を提供する。１つまたは複数の面内センス軸における試験質量の動きは、櫛型キャパシタによって測定され、櫛型キャパシタは、キャパシタのセンス軸の外方の試験質量の面内運動からの軸間誤差を最小限に抑える鏡面対称櫛型電極を有する。２つの面外試験質量は反対方向に回転し、したがって、面外に回転しても、結合重心を加速度計の中心に維持する。結果として、外部加速度は結合試験質量にトルクを生成せず、寄生運動モードが減少し、正確度が向上する。さらに、面外試験軸の総質量を使用して、面内軸の加速度を高正確度で低ノイズに検出することができる。したがって、所定のサイズのＭＥＭＳ加速度計について、別個の面内試験質量を提供するためにスペースを犠牲にする必要がないため、面外試験質量をより大きくすることができる。上記により、同じ正確度／ノイズ性能のより小さい加速度計、または、正確度／ノイズ性能が向上した同様のサイズの加速度計が可能になる。

より具体的には、本発明は、
・ 基板平面を規定する基板と、
・ 少なくとも２つの試験質量であって、両方の試験質量は、基板平面に対して非平行に回転し、基板平面に対して平行に動くように構成され、少なくとも２つの試験質量の結合重心は、加速度計の中心にある、少なくとも２つの試験質量と、
・ 基板平面に平行な少なくとも２つの試験質量の動きを検知するように構成された第１のセンス回路と、
・ 少なくとも２つの試験質量の、基板平面に対して非平行な回転を検知するように構成された第２のセンス回路と
を備えるＭＥＭＳ加速度計を提供する。

面外軸内の外部加速度が各試験質量の非対称質量に作用して、回転軸を中心に試験質量を回転させ、基板平面に平行な第１の軸内の外部加速度が両方の試験質量の非対称質量および対称質量に作用して、試験質量を基板平面に平行に動かすように、各試験質量の重心は、回転軸からオフセットされていることが好ましい。

第２のセンス回路は、各面外試験質量上に配置された１つまたは複数の可動電極と、基板に対して固定位置にある固定電極とを備えることができ、可動電極と固定電極はキャパシタを形成し、当該キャパシタの静電容量は、面外試験質量が回転軸を中心に回転するときに変化する。

ＭＥＭＳ加速度計は、基板平面に平行に動くように構成された少なくとも１つの面内構造をさらに備えることができ、少なくとも２つの試験質量は、少なくとも１つの面内構造に回転可能に接続され、結果、基板平面に平行な少なくとも２つの試験質量の運動が、基板平面に平行な少なくとも１つの面内構造の運動を引き起こす。

少なくとも１つの面内構造は、１つまたは複数のアンカーポイントにおいてばねを介して基板に固定されることが好ましく、ばねは、基板平面に平行な少なくとも１つの面内試験質量の運動を可能にし、基板平面外の少なくとも１つの面内試験質量の運動に抵抗する。

少なくとも１つの面内構造の重心は、有利には、加速度計の中心に配置され得る。

１つまたは複数のアンカーポイントは、ＭＥＭＳ加速度計の線形加速が少なくとも１つの面内構造と少なくとも２つの試験質量との組み合わせに対して全体的なトルクを生成しないように、少なくとも１つの面内構造と少なくとも２つの面外試験質量との結合重心に対して対称的に配置され得る。

１つまたは複数のアンカーポイントは、有利には、少なくとも１つの面内構造および少なくとも２つの試験質量の結合重心にまたは結合重心の近くに配置され得る。

少なくとも２つの試験質量が、ねじりばねを介して少なくとも１つの面内構造に接続することができ、ねじりばねは、基板平面に平行でない少なくとも２つの試験質量の回転を可能にし、少なくとも１つの面内構造に対する基板平面に平行な少なくとも２つの試験質量の動きに抵抗する。

少なくとも２つの面外試験質量は、少なくとも１つの面内構造に対してＭＥＭＳ加速度計の外側に向かって配置されることが好ましい。

面外試験質量は、少なくとも１つの面内質量の外部にわたって延伸する２つのＣ字形シーソー試験質量を含むことができ、結果、２つのＣ字形面外試験質量は鏡像として配置され、試験質量は、面外軸の外部加速度に応答して反対方向に回転するように構成される。

有利には、２つのＣ字形面外試験質量は、少なくとも２つのばねによって結合することができ、少なくとも１つのばねがＣ字形の各端部に配置され、結果、ばねは、２つのＣ字形面外試験質量の反対方向の回転を可能にし、ただし、同じ方向における２つのＣ字形面外試験質量の回転に抵抗する。

第１のセンス回路は、櫛型キャパシタを備えることができ、各櫛型キャパシタの１つまたは複数の固定電極が基板に固定され、各櫛型キャパシタの１つまたは複数の可動電極が少なくとも１つの面内構造に接続され、ＭＥＭＳ加速度計は、微分容量測定を使用して、少なくとも２つの面外試験質量および少なくとも１つの面内試験質量の動きを測定するように構成されている。

上記櫛型キャパシタの各々は、
・ 基板平面に平行なキャパシタ軸に沿って、第１の方向において少なくとも１つの面内構造から外方に延伸する可動櫛歯の第１のセットと、
・ キャパシタ軸に沿って、第１の方向とは反対の第２の方向において少なくとも１つの面内構造から外方に延伸する可動櫛歯の第２のセットと、
・ 可動櫛歯の第１のセットに対向し、噛み合っている固定櫛歯の第１のセットであって、少なくとも１つの面内構造に向かって第２の方向に延伸する、固定櫛歯の第１のセットと、
・ 可動櫛歯の第２のセットに対向し、噛み合っている固定櫛歯の第２のセットであって、少なくとも１つの面内構造に向かって第１の方向に延伸する、固定櫛歯の第２のセットと
を備えることができ、
少なくとも１つの面内構造および少なくとも２つの試験質量が第１の方向に動くと、可動櫛歯の第１のセットおよび固定櫛歯の第１のセットがともに近接して動き、可動櫛歯の第２のセットおよび固定櫛歯の第２のセットがさらに離れて動き、少なくとも１つの面内構造および少なくとも２つの試験質量が第２の方向に動くと、可動櫛歯の第１のセットと固定櫛歯の第１のセットがさらに離れて動き、可動櫛歯の第２のセットと固定櫛歯の第２のセットがともに近接して動く。

少なくとも１つの面内構造および少なくとも２つの試験質量が第１の方向に動くと、有利には、可動櫛歯の第１のセットおよび固定櫛歯の第１のセットがともに近接して第１の距離だけ動くことができ、可動櫛歯の第２のセットおよび固定櫛歯の第２のセットが第１の距離だけさらに離れて動き、第２の方向における少なくとも１つの面内構造および少なくとも２つの試験質量の動きにより、可動櫛歯の第１のセットと固定櫛歯の第１のセットが第２の距離だけさらに離れて動き、可動櫛歯の第２のセットと固定櫛歯の第２のセットがともに近接して第２の距離だけ動く。

第２のセンス回路は、好ましくは、シーソー試験質量上に配置された８つの電極と、シーソー試験質量の上方または下方に配置された８つの電極とを含み、８つの間隙検出キャパシタが形成され、各キャパシタはシーソー試験質量電極の１つ、および、シーソー試験質量の上方または下方に配置された電極の１つから形成され、
・ 各試験質量上には４つの電極が位置し、
・ 各試験質量上で、第１の電極対がシーソー試験質量のＣ字形の第１の端部に位置し、第２の電極対がシーソー試験質量のＣ字形の第２の端部に位置し、
・ 各電極対内で、第１の電極はシーソー試験質量の回転軸からシーソー試験質量のＣ字形の中央に向かって配置され、第２の電極はシーソー試験質量の回転軸からシーソー試験質量のＣ字形の端部に向かって配置される。

有利には、Ｚ方向の加速度計の加速度は、二重微分測定を使用して、間隙検出キャパシタの静電容量の変化から測定される。

本発明による２軸加速度計の概略図である。 本発明による３軸加速度計の概略図である。 シーソー試験質量の基板平面から外方の動きを示す、３軸加速度計の斜視図である。

図１は、本発明による２軸ＭＥＭＳ加速度計の概略図を示す。加速度計は、好ましくはシーソータイプの試験質量である２つの面外試験質量１０１および１０２を含む。シーソー試験質量１０１、１０２は、回転軸ＲＡ１およびＲＡ２に沿って、面内試験質量としても参照される面内構造１１１に回転可能に結合される。

面内構造１１１およびシーソー試験質量１０１、１０２（静止時）は、一般に、基板平面として参照される平面内にある。ＭＥＭＳ製造において知られているように、ＭＥＭＳデバイスは主に、基板として参照される、例えばケイ素などの材料の層から材料を除去して、本明細書に示し記載されているような構造を生成することによって形成される。「基板平面」は、基板、または、元の基板層の上面および下面に平行な基板から形成された構成要素の一部／すべてと交差する幾何学的平面である。したがって、基板平面は、図１に示されるページの平面に平行であり、基板からのＭＥＭＳ特徴の形成後、基板層の残りの部分の上面の上方にあってもよい。本開示において「面内」という用語が使用される場合、当該用語は、基板平面内に向けられるまたは基板平面に平行な向き、軸、方向または動きを意味することが意図される。同様に、「面外」という用語は、基板平面に垂直な方向、すなわち基板平面から外方の方向に何らかの成分を有する向き、軸、方向または動きを意味することが意図される。基板平面を定義する別の方法は、加速度計が静止しているときにすべての試験質量の重心が存在する平面である。

シーソー試験質量１０１、１０２は、ねじりばねを介して面内構造１１１に接続されており、当該接続により、回転軸ＲＡ１、ＲＡ２を中心としてシーソー試験質量１０１、１０２を基板平面から外方に回転させることが可能である。シーソー試験質量１０１、１０２は、おおよそＣ字形またはＵ字形であり、シーソー試験質量１０１がシーソー試験質量１０２の鏡像になり、試験質量１０１、１０２が面内構造１１１の外側まわりに延伸し、面内構造１１１を囲むように配置される。シーソー試験質量１０１、１０２は、同じサイズである。

ロータ回転軸ＲＡ１およびＲＡ２は、シーソー試験質量１０１、１０２の重心とともに基板平面内に位置決めされる。しかしながら、各シーソー試験質量１０１、１０２の重心は、基板平面において試験質量の回転軸ＲＡ１、ＲＡ２からオフセットされている。換言すれば、シーソー試験質量１０１、１０２のより多くの部分が、回転軸ＲＡ１、ＲＡ２の一方の側よりも他方の側にある。このようにして、シーソー試験質量１０１、１０２は各々、非対称質量および対称質量を規定する。対称質量は、質量がシーソー試験質量１０１、１０２の小さい側の２倍である（すなわち、小さい側の質量に、小さい側と平衡する大きい側からの等しい質量を加えた質量）。非対称質量は、シーソー試験質量１０１、１０２の残りの質量、すなわち、シーソー試験質量１０１、１０２の回転軸ＲＡ１、ＲＡ２を中心とした回転を引き起こすために外部加速度（すなわち、測定対象の加速度計パッケージに加えられる加速度）によって作用される試験質量の部分である。両方のシーソー試験質量１０１、１０２の結合重心は、面内構造１１１の重心とともに、加速度計の中心に位置する。

シーソー試験質量１０１、１０２は、シーソー試験質量１０１、１０２の隣接する端部に位置するばね１２１および１２２によってともに結合される。ばね１２１および１２２は、シーソー試験質量１０１、１０２の端部が基板平面に対して平行に互いから外方に相対的に動くことを可能にするが、シーソー試験質量１０１、１０２の端部が基板平面に垂直に互いから外方に相対的に動くことには抵抗する。このようにして、シーソー試験質量１０１、１０２は、一般に、回転軸ＲＡ１およびＲＡ２を中心として反対方向に自由に回転する。すなわち、シーソー試験質量１０１は時計回りに回転し、シーソー試験質量１０２は反時計回りに回転し、または逆もまた同様である。なぜなら、当該回転により、シーソー試験質量１０１、１０２の端部が、基板平面に平行に互いから外方に、または互いに向かって動くためである。しかしながら、シーソー試験質量１０１、１０２の同じ方向における回転は、当該回転がシーソー試験質量１０１、１０２の端部の、基板平面に垂直な相対運動を引き起こすため、ばね１２１、１２２によって抵抗される。当該結合により、シーソー試験質量１０１、１０２が外部角加速度に応じて動くことが防止され、当該事例において、シーソー試験質量１０１、１０２は同じ方向に回転するが、シーソー試験質量１０１、１０２が、基板平面に垂直な線形加速度に応答して運動することは依然として可能であり、結果、シーソー試験質量１０１、１０２は反対方向に回転する。

面内構造１１１は、ばね１３１、１３２を介して基板上のアンカーポイント１４１、１４２に接続された剛性構造である。アンカーポイントおよびばねは、面内構造１１１の重心およびシーソー試験質量１０１、１０２の結合重心が、加速度計の中心およびアンカーポイントの中心に位置するように配置される。上記のようにして、面外加速度は、面内構造１１１または組み合わされたシーソー試験質量１０１、１０２に対してトルクを生成しない。ばね１３１、１３２は、基板平面内にある、Ｘと表示された軸に沿った面内構造１１１の運動を可能にする。好ましくは、ばね１３１、１３２は、Ｘ軸に沿っていない、すなわち、基板平面内でＸ軸に垂直である面内構造１１１のあらゆる動き、および回転を含む基板平面から外方のあらゆる動きに抵抗する。シーソー試験質量１０１、１０２を面内構造１１に接続するねじりばねは、基板平面内の任意の方向に沿った面内構造１１１に対するシーソー試験質量１０１、１０２の動きに抵抗する。したがって、シーソー試験質量１０１、１０２は、Ｘ軸方向に沿った加速度計の加速に応答して、面内構造とともにＸ軸に動くこともできる。重要なことに、シーソー試験質量１０１、１０２の対称質量および非対称質量ならびに面内構造を組み合わせた質量が外部加速度の作用を受けて、シーソー試験質量１０１、１０２および面内構造１１１がＸ軸に沿って基板に対して動く。加速度計出力のノイズ量は、試験質量の質量に反比例し、したがって、面内Ｘ軸の試験質量が高いほど、加速度計出力のノイズが減少する。さらに、所定のパッケージサイズのＭＥＭＳ加速度計について、別個の面内試験質量を提供するためにスペースを犠牲にする必要がないため、面外試験質量をより大きくすることができる。上記により、正確度／ノイズ性能が向上した同様のサイズの加速度計、または同じ正確度／ノイズ性能のより小さい加速度計が可能になる。

シーソー試験質量１０１、１０２および／または面内構造１１１の動きは、容量的に測定される。シーソー試験質量１０１、１０２の回転は、シーソー試験質量１０１、１０２の上方または下方にある間隙検出キャパシタ（図１には示さず）によって測定することができ、または、シーソー試験質量１０１、１０２上に位置する可動電極および面内構造１１１上に位置する固定電極を有する櫛型キャパシタ（同じく図１には示さず）によって測定することができる。好ましくは、間隙検出キャパシタは、シーソー試験質量１０１、１０２上に配置された電極１７１〜１７４および１８１〜１８４の各々と、シーソー試験質量１０１、１０２の上方または下方で基板またはキャップウェハ（図示せず）上に形成された対応する電極との間に形成される。電極１７１〜１７４は、第１のシーソー試験質量１０１上に位置し、一つの電極対１７１、１７２が、シーソー試験質量１０１のＣ字形の第１の端部に位置し、第２の電極対１７３、１７４が、シーソー試験質量１０１のＣ字形の第２の端部に位置する。各対１７１、１７２および１７３、１７４内で、一方の電極１７１、１７３は、回転軸ＲＡ１からシーソー試験質量１０１のＣ字形の中央に向かって配置され、他方の電極１７２、１７４は、回転軸ＲＡ１からシーソー試験質量１０１のＣ字形の端部に向かって配置される。同様に、電極１８１〜１８４は、第２のシーソー試験質量１０２上に位置し、一つの電極対１８１、１８２が、シーソー試験質量１０２のＣ字形の第１の端部に位置し、第２の電極対１８３、１８４が、シーソー試験質量１０２のＣ字形の第２の端部に位置する。各対１８１、１８２および１８３、１８４内で、一方の電極１８２、１８４は、回転軸ＲＡ２からシーソー試験質量１０２のＣ字形の中央に向かって配置され、他方の電極１８１、１８３は、回転軸ＲＡ２からシーソー試験質量１０２のＣ字形の端部に向かって配置される。

理想的な条件では、電極１７１〜１７４および１８１〜１８４から形成されたキャパシタが使用されて、シーソー試験質量１０１、１０２の基板平面と平行でない（すなわち、基板平面に直交する）動きが測定されるとき、シーソー試験質量１０１、１０２の面内運動は、電極１７１〜１７４、１８１〜１８４と、シーソー試験質量１０１、１０２の上方／下方の対応する電極との間の重なり合う面積が変化しない限り、すなわち、電極１７１〜１７４、１８１〜１８４、またはシーソー試験質量１０１、１０２の上方および／または下方にあるプレート電極が十分に広い面積をカバーする場合、面外静電容量測定に影響を与えない。

実際には、電極１７１〜１７４、１８１〜１８４およびシーソー試験質量１０１、１０２の上方／下方の対応する電極の位置整合は、例えば、製造中のキャップウェハの不完全な位置整合、または動作中のデバイスへの応力に起因して、完全に平行でない場合がある。そのような条件下で、試験質量１０１、１０２の面内運動は、電極１７１〜１７４および１８１〜１８４から形成された個々のキャパシタの各々によって測定される個々の静電容量の変化を引き起こし得る。ただし、静電容量の変化の単一および二重の微分測定は、任意の当該変化を相殺する。

例えば、対応する電極がキャップウェハ上にあり、キャップウェハが位置整合されておらず、結果、左側のキャップウェハ電極が、シーソー試験質量電極１８２、１８４に対するよりもシーソー試験質量電極１７１、１７３に対してより近い場合、シーソー試験質量のＸ方向における運動は、不整合に起因して、電極がともに近くにまたはさらに離れて動かされるときに静電容量の変化をもたらす。同様に、対応する電極がキャップウェハ上にあり、キャップウェハが位置整合されておらず、結果、下側のキャップウェハ電極が、シーソー試験質量電極１７１、１７２、１８１、１８２に対するよりもシーソー試験質量電極１７３、１７４、１８３、１８４に対してより近い場合、シーソー試験質量のＹ方向における運動は、不整合に起因して、電極がともに近くにまたはさらに離れて動かされるときに静電容量の変化をもたらす。上記効果は、Ｚ方向の偽りの加速を示す望ましくない信号を生成することになる。

ただし、静電容量は以下の式に従って測定することができる。

（Ｃ_１７１−Ｃ_１７２）＋（Ｃ_１７３−Ｃ_１７４）＋（Ｃ_１８２−Ｃ_１８１）＋（Ｃ_１８４−Ｃ_１８３）

ここで、Ｃ_１７１は、電極１７１およびシーソー試験質量１０１の上方／下方の当該電極の対応する電極から形成されるキャパシタの静電容量の変化を示す。各単一の微分、例えばＣ_１７１〜Ｃ_１７２内で、電極１７１から形成されたキャパシタの静電容量は、電極１７２から形成されたキャパシタと等しくＹ方向の動きによって影響を受けるため、シーソー試験質量１０１、１０２のＹ方向における運動に起因する静電容量の任意の変化は相殺される。

シーソー試験質量１０１、１０２のＸ方向の動きは、電極１７１および１７２の各々によって形成されるキャパシタ間の静電容量の変化、ならびに電極１８１および１８２の各々によって形成されるキャパシタ間の静電容量の変化に等しい差を引き起こす。ただし、各二重微分、すなわち、（Ｃ_１７１−Ｃ_１７２）＋（Ｃ_１８２−Ｃ_１８１）は（Ｃ_１７１−Ｃ_１７２）−（Ｃ_１８１−Ｃ_１８２）に書き換えることができ、したがって、Ｘ方向の運動による誤差も相殺される。

したがって、各シーソー試験質量１０１、１０２の反対の回転方向と結合された、回転軸ＲＡ１およびＲＡ２のいずれかの側における電極１７１〜１７４および１８１〜１８４の配置は、Ｚ軸検知に使用されるキャパシタの静電容量の任意の望ましくない変化が自動的かつ効率的に相殺されることを可能にする。

Ｘ軸に沿った面内構造１１１およびシーソー試験質量１０１、１０２の動きは、面内構造１１１上に位置する可動電極および（アンカーポイント１５１〜１５４において）基板に固定されており、面内構造１１１の内部に位置する固定電極を有する櫛型キャパシタによって測定される。上述の試験質量の配置と以下に説明される櫛型キャパシタの配置の両方を含む加速度計は特に有利であるが、両方の特徴を独立して有利に使用することができることが諒解されよう。

図１は、Ｘ軸に沿った面内構造１１１およびシーソー試験質量１０１、１０２の動きを測定するための２つの櫛型キャパシタを示す。各櫛型キャパシタは、２つの電極対１６１／１６２および１６３／１６４から構成されている。各対の第１の可動電極は、基板平面に平行であり、Ｘ軸に垂直な第１の方向において、面内構造１１１から外方に、加速度計の中央に向かって延伸する櫛歯を含む。第２の可動電極の櫛歯は、面内構造１１１の反対側から延伸し、面内構造から外方に、第１の方向と反対の第２の方向に加速度計の中央に向かって延伸する。第１の固定電極が、加速度計の中央の近くにまたは中央に位置するアンカーポイント１５１に取り付けられる。第１の固定電極の櫛歯は、面内構造１１１に向かって延伸し、第１の可動電極の櫛歯と噛み合っている。第２の固定電極は、同じく加速度計の中央の近くにまたは中央に位置するアンカーポイント１５２に取り付けられ、第２の固定電極の櫛歯は、面内構造１１１に向かって延伸し、第２の可動電極の櫛歯と噛み合っている。図１は、２つの固定電極の別個のアンカーポイント１５１、１５２を示しているが、２つの電極が共通のアンカーポイントを共有することも可能である。２セットの電極１６１および１６２が、固定電極間に鏡面対称性を有する単一のキャパシタを形成する。

当該電極配置は、面内構造１１１およびシーソー試験質量１０１、１０２が第１の方向（すなわち、図１に示すようにページの下方向）に動くと、第１の可動電極および第１の固定電極が、櫛歯に平行な方向においてともにより近くに動き、第２の可動電極および第２の固定電極が同じ量だけさらに離れて動くことを意味する。したがって、第１の電極１６１の間の重なり合う面積の増加によって引き起こされる静電容量の増加は、第２の電極１６２の間の重なり合う面積の減少によって引き起こされる静電容量の等しい減少によって相殺される。同様に、面内構造１１１およびシーソー試験質量１０１、１０２が第２の方向（すなわち、図１に示すようにページの上方向）に動くと、第１の可動電極と第１の固定電極との間の重なり合う面積が低減し、第２の可動電極と第２の固定電極との間の重なり合う面積が同じ量だけ増大する。第１の電極１６１の間の重なり合う面積の低減によって引き起こされる静電容量の低減は、第２の電極１６２の間の重なり合いの増大によって引き起こされる静電容量の等しい増大によって相殺される。上記のようにして、図１に示す加速度計は、軸間誤差、すなわちＸ軸に垂直な動きによって引き起こされる静電容量の変化を受動的に補償し、可動電極および固定電極の噛み合った櫛歯がともにより近づきまたはさらに離れるが、Ｘ軸に垂直な動きに起因して大幅には変化しないため、面内構造１１１およびシーソー試験質量１０１、１０２をＸ軸に沿って（すなわち、図１に示すように、ページの右側に向かって）動かすと、電極１６１／１６２から形成されるキャパシタの静電容量は、増大または低減する。電極１６３、１６４およびアンカーポイント１５３、１５４から形成される第２のキャパシタは、電極１６１、１６２およびアンカーポイント１５１、１５２から形成される第１のキャパシタと同じ方法で形成されるが、第２のキャパシタは、Ｘ軸に垂直な軸を中心にした第１のキャパシタの鏡像であり、結果、Ｘ軸に沿った運動により第１のキャパシタの櫛歯が互いにより近くに動くと、第２のキャパシタはさらに離れて動き、逆もまた同様である。上記により、微分容量測定を使用して、面内構造１１１およびシーソー試験質量１０１、１０２の動きの範囲を決定し、したがって外部加速度を決定することが可能になる。

図２は、本発明による３軸加速度計の概略図を示す。シーソー試験質量２０１および２０２は、図１のシーソー質量１０１、１０２に関して上述したのと同じように位置決めされ、機能する。図１の２軸加速度計の単一の面内構造１１１とは対照的に、図２の加速度計は、シーソー試験質量２０１、２０２が接続される第１の面内構造２１１および第２の面内構造２１２を含む。第１の面内構造２１１および第２の面内構造２１２は、ばね２３１および２３３ならびに剛性接続部分２３２を介して基板から懸架される。ばね２３１は、Ｙ方向には可撓性であるがＸ方向には剛性であり、一方、ばね２３３は、Ｘ方向には可撓性であり、Ｙ方向には剛性である。両方のばね２３１と２３３は、面外方向に剛性である。２つのばね２３１および２３３は、剛性接続部分２３２によって接続される。ばね２３３は、他端において剛性支持構造２４１に接続され、剛性支持構造２４１は、加速度計の中心においてまたは中心近くで基板に固定される。ばね２３１、２３３および剛性接続部分２３２の当該同じ構造が、加速度計の周りで繰り返される。上記のようにして、ばね２３１および２３３ならびに剛性接続構造２３２の組み合わせ構造により、第１および第２の面内構造が、基板平面外の面内構造２１１および２１２の動きに抵抗しながら、図２に示すＸ軸およびＹ軸に沿って基板に対して動くことが可能になる。さらに、第１の面内構造２１１および第２の面内構造２１２は両方ともシーソー試験質量２０１、２０２の両方に接続されているため、第１の面内構造２１１および第２の面内構造２１２ならびにシーソー試験質量２０１、２０２の組み合わせ構造は、Ｘ方向およびＹ方向においてともに動く。

電極対２６１〜２６８の固定キャパシタ電極および剛性支持構造２４１、２４２が固定されるアンカーポイント２５０は、加速度計の中心にまたは中心近くに配置される。図１の２軸加速度計と同様に、アンカーポイント２５０および剛性支持構造２４１、２４２は、面内構造２１１および２１２の結合重心およびシーソー試験質量２０１、２０２の結合重心が、面外加速度が組み合わされた面内構造２１１、２１２または組み合わされたシーソー試験質量２０１、２０２に対するトルクを生成しないように位置するように配置される。さらに、アンカーポイント２５０をともに近くに、加速度計の中心の近くに位置決めすることにより、加速度計は、例えば温度変化によって引き起こされる基板の機械的変形に対する感受性が少なくなる。

図２に示されている３軸加速度計には、図１に関して上で説明したように、各々が２対の噛み合う櫛型電極から構成される、４つの櫛型キャパシタがある。Ｘ方向の動きを測定するように構成された第１のキャパシタは、電極対２６１および２６７から構成される。Ｙ方向の動きを測定するように構成された第２のキャパシタは、電極対２６２および２６８から構成される。Ｘ方向の動きを測定するように構成された第３のキャパシタは、電極対２６３および２６５から構成される。Ｙ方向の動きを測定するように構成された第４のキャパシタは、電極対２６４および２６６から構成される。図１に関して上記で説明したように、これらの電極の配置および向きは各々、各キャパシタについて、１つの電極対の可動電極および固定電極がともにより近くに動くと、他方の電極対の可動電極および固定電極が同じ量だけさらに離れて動くようなものである。シーソー試験質量２０１、２０２および面内構造２１１、２１２の動きを図３に示す。

図２に示される加速度計の場合と同じように、シーソー試験質量１０１、１０２の回転を測定するための電極２７１〜２７４および２８１〜２８４は、基板に対するＸ−Ｙ平面におけるシーソー試験質量１０１、１０２の動きが、Ｚ軸センスキャパシタの静電容量の変化を発生させないか、または、発生した場合、静電容量の変化が微分または二重微分測定において相殺されるように配置される。電極１７１〜１７４および１８１〜１８４に関する上記の説明が、当該実施形態にも同様に当てはまる。

図３は、シーソー試験質量２０１、２０２の動きを示す、図２に示す３軸加速度計の斜視図を示す。図３は、図２の加速度計に対応する面内構造２１１および２１２を示すが、図１に示される加速度計のシーソー試験質量１０１、１０２は、図２に示す加速度計のシーソー試験質量２０１、２０２と同じように動くように構成されていることが諒解されよう。

Claims (15)

1. ＭＥＭＳ加速度計であって、
   基板平面を規定する基板と、
   少なくとも２つの試験質量であり、両方の試験質量は、前記基板平面に対して非平行に回転し、前記基板平面に対して平行に動くように構成され、前記少なくとも２つの試験質量の結合重心は、前記加速度計の中心にある、少なくとも２つの試験質量と、
   前記基板平面に平行に動くように構成された少なくとも１つの面内構造であり、前記少なくとも２つの試験質量は、前記少なくとも１つの面内構造に回転可能に接続され、結果、前記基板平面に平行な前記少なくとも２つの試験質量の運動が、前記基板平面に平行な前記少なくとも１つの面内構造の運動を引き起こす、少なくとも１つの面内構造と、
   前記基板平面に平行な前記少なくとも２つの試験質量の動きを検知するように構成された第１のセンス回路と、
   前記少なくとも２つの試験質量の、前記基板平面に対して非平行な回転を検知するように構成された第２のセンス回路と
   を備え、
   前記少なくとも２つの面外試験質量は、前記少なくとも１つの面内構造に対して前記ＭＥＭＳ加速度計の外側に向かって配置される、ＭＥＭＳ加速度計。
2. 面外軸内の外部加速度が各試験質量の非対称質量に作用して、回転軸を中心に前記試験質量を回転させ、
   前記基板平面に平行な第１の軸内の外部加速度が両方の試験質量の前記非対称質量および対称質量に作用して、前記試験質量を前記基板平面に平行に動かす
   ように、各試験質量の重心が、回転軸からオフセットされている、請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度計。
3. 前記第２のセンス回路は、各面外試験質量上に配置された１つまたは複数の可動電極と、前記基板に対して固定位置にある固定電極とを備え、前記可動電極と前記固定電極はキャパシタを形成し、前記キャパシタの静電容量は、前記面外試験質量が回転軸を中心に回転するときに変化する、請求項２に記載のＭＥＭＳ加速度計。
4. 前記少なくとも１つの面内試験質量は、１つまたは複数のアンカーポイントにおいてばねを介して前記基板に固定され、前記ばねは、前記基板平面に平行な前記少なくとも１つの面内試験質量の運動を可能にし、前記基板平面外の前記少なくとも１つの面内試験質量の運動に抵抗する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ加速度計。
5. 前記少なくとも１つの面内試験質量の重心は、前記加速度計の中心に配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ加速度計。
6. 前記１つまたは複数のアンカーポイントは、前記ＭＥＭＳ加速度計の線形加速が前記少なくとも１つの面内構造と前記少なくとも２つの試験質量との組み合わせに対して全体的なトルクを生成しないように、前記少なくとも１つの面内構造と前記少なくとも２つの面外試験質量との結合重心に対して対称的に配置される、請求項５に記載のＭＥＭＳ加速度計。
7. 前記１つまたは複数のアンカーポイントは、前記少なくとも１つの面内構造および前記少なくとも２つの試験質量の結合重心にまたは結合重心の近くに配置される、請求項４〜６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ加速度計。
8. 前記少なくとも２つの試験質量が、ねじりばねを介して前記少なくとも１つの面内構造に接続され、前記ねじりばねは、前記基板平面に平行でない前記少なくとも２つの試験質量の回転を可能にし、前記少なくとも１つの面内構造に対する前記基板平面に平行な前記少なくとも２つの試験質量の動きに抵抗する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ加速度計。
9. 前記面外試験質量は、前記少なくとも１つの面内質量の外部にわたって延伸する２つのＣ字形シーソー試験質量を含み、結果、前記２つのＣ字形面外試験質量は鏡像として配置され、前記試験質量は、面外軸の外部加速度に応答して反対方向に回転するように構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ加速度計。
10. 前記２つのＣ字形面外試験質量は、少なくとも２つのばねによって結合され、少なくとも１つのばねが前記Ｃ字形の各端部に配置され、結果、前記ばねは、前記２つのＣ字形面外試験質量の反対方向の回転を可能にし、ただし、同じ方向における前記２つのＣ字形面外試験質量の回転に抵抗する、請求項９に記載のＭＥＭＳ加速度計。
11. 前記第１のセンス回路は、櫛型キャパシタを備え、各櫛型キャパシタの１つまたは複数の固定電極が前記基板に固定され、各櫛型キャパシタの１つまたは複数の可動電極が前記少なくとも１つの面内試験質量に接続され、前記ＭＥＭＳ加速度計は、微分容量測定を使用して、前記少なくとも２つの面外試験質量および前記少なくとも１つの面内試験質量の動きを測定するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ加速度計。
12. 各櫛型キャパシタは、
    前記基板平面に平行なキャパシタ軸に沿って、第１の方向において前記少なくとも１つの面内構造から外方に延伸する可動櫛歯の第１のセットと、
    前記キャパシタ軸に沿って、前記第１の方向とは反対の第２の方向において前記少なくとも１つの面内構造から外方に延伸する可動櫛歯の第２のセットと、
    前記可動櫛歯の第１のセットに対向し、噛み合っている固定櫛歯の第１のセットであって、前記少なくとも１つの面内構造に向かって前記第２の方向に延伸する、固定櫛歯の第１のセットと、
    前記可動櫛歯の第２のセットに対向し、噛み合っている固定櫛歯の第２のセットであって、前記少なくとも１つの面内構造に向かって前記第１の方向に延伸する、固定櫛歯の第２のセットと
    を備え、
    前記少なくとも１つの面内構造および前記少なくとも２つの試験質量が前記第１の方向に動くと、前記可動櫛歯の第１のセットおよび前記固定櫛歯の第１のセットがともに近接して動き、前記可動櫛歯の第２のセットおよび前記固定櫛歯の第２のセットがさらに離れて動き、前記少なくとも１つの面内構造および前記少なくとも２つの試験質量が前記第２の方向に動くと、前記可動櫛歯の第１のセットと前記固定櫛歯の第１のセットがさらに離れて動き、前記可動櫛歯の第２のセットと前記固定櫛歯の第２のセットがともに近接して動く、
    請求項１１に記載のＭＥＭＳ加速度計。
13. 前記少なくとも１つの面内構造および前記少なくとも２つの試験質量が前記第１の方向に動くと、前記可動櫛歯の第１のセットおよび前記固定櫛歯の第１のセットがともに近接して第１の距離だけ動くことができ、前記可動櫛歯の第２のセットおよび前記固定櫛歯の第２のセットが前記第１の距離だけさらに離れて動き、前記第２の方向における前記少なくとも１つの面内構造および前記少なくとも２つの試験質量の動きにより、前記可動櫛歯の第１のセットと前記固定櫛歯の第１のセットが第２の距離だけさらに離れて動き、前記可動櫛歯の第２のセットと前記固定櫛歯の第２のセットがともに近接して前記第２の距離だけ動く、請求項１２に記載のＭＥＭＳ加速度計。
14. 前記第２のセンス回路は、前記シーソー試験質量上に配置された８つの電極と、前記シーソー試験質量の上方または下方に配置された８つの電極とを含み、８つの間隙検出キャパシタが形成され、各キャパシタは前記シーソー試験質量電極の１つ、および、前記シーソー試験質量の上方または下方に配置された前記電極の１つから形成され、
    各試験質量上には４つの電極が位置し、
    各試験質量上で、第１の電極対が前記シーソー試験質量の前記Ｃ字形の第１の端部に位置し、第２の電極対が前記シーソー試験質量の前記Ｃ字形の第２の端部に位置し、
    各電極対内で、第１の電極は前記シーソー試験質量の前記回転軸から前記シーソー試験質量の前記Ｃ字形の中央に向かって配置され、第２の電極は前記シーソー試験質量の前記回転軸から前記シーソー試験質量の前記Ｃ字形の端部に向かって配置される、
    請求項９〜１３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ加速度計。
15. Ｚ方向の前記加速度計の加速度は、二重微分測定を使用して、間隙検出キャパシタの静電容量の変化から測定される、請求項１４に記載のＭＥＭＳ加速度計。

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