JP3672937B2 - 小型シリコン加速度計及びその方法 - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、中程度の正確さを要する用途のための小型加速度計に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
戦術用システムで使用するための小さくて安価な加速度計に対する需要がある。一斉射撃用弾薬及び加速度計を大量に消費するような高性能の大砲や迫撃砲の動作において必要とされる小型加速度計などがその例である。このような用途のための戦術用加速度計は中程度の品質の機器であると考えてよいが、しかし、約5桁のダイナミックレンジを有していなければならず、また振動の多い状況下で、かつ広い温度範囲での動作が可能でなければならない。
【0003】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、一対の電極層、この電極層の間に懸架されたシリコンのプルーフマス、そしてこれに加わる加速度の力に抵抗するために電極層とプルーフマスとの間の差動的な容量結合に応答する手段を含んだ集積回路という形態で小型加速度計を提供することを一般的な目的とする。
【0004】
別の観点からは、本発明は、一対の電極層の間にプルーフマスを懸架し、この電極層とプルーフマスとの間の差動的な容量結合を検知し、そして検知された結合に応答して加速力に抗するためにプルーフマスに力を加える、という線形の出力で加速度を検知する方法を提供する。
【0005】
更に本発明の別の目的は、小型加速度計のダイナミックレンジを、従来の技術水準である、ダイナミックレンジが約100程度のミクロ機械加工で製造された(マイクロマシンによる)加速度計よりも、100〜1000倍増大させることである。
【0006】
本発明の上記の特徴及び利点、その他の特徴及び利点は、添付図面を参照しつつなされる以下の詳細な説明より明らかとなる。
【0007】
【実施例】
図1は、本発明の小型加速度計10を示し、これはトランスデューサ12及び回路部分14、14aを含んでいる。加速度計10のトランスデューサ12は部分断面図として示してあり、上部電極30及び下部電極32の間の中央の位置に示されたプルーフマス(proofmass )16を備えている。プルーフマス16は、シリコン層24から一体的に形成された、薄い屈曲部22によって懸架されたシリコンからなる。屈曲部22はプルーフマス16の面の中央に沿った振動の修正を最小にするためにベンドライン(曲がりの中心線)を規定する。これは面の中央の軸23によって示されている。屈曲部をプルーフマスの面の中央に対して対称となるよう構成することにより、加速度計の振動は修正を誘起せず、この装置は高い線形性を持つ。
【0008】
シリコン層24は、上部ガラス層26と下部ガラス層28の間に陽極として固定され、上部ガラス層26と下部ガラス層28にはそれぞれアルミニウム、金、若しくはその他の導体からなる電極30、32が形成されている。加えて、上側の電極ガラス層と底部の電極ガラス層は等しい部材であり、正確な対称性を維持するために、最初に上側の層に適用されそれから底部の層に適用される同一のマスクより製造される。このプルーフマスは非常に対称性が高いので、このデバイスには偏向(バイアス)は誘起されない。このこともまた、線形性が高くダイナミックレンジの値が大きいことに寄与する。
【0009】
電極30及び32は、気化させたアルミニウムから簡便に形成することもできるが、アルミニウムを使用する場合には固有的に存在する水分に対しての何らかの感度がある。というのは、アルミニウムはかなりの表面の水分を吸着し、これが表面の誘電特性を変化させ、測定しようとする容量と区別できない別の容量を加算させることになるからである。従って、水分を吸着しない金属、例えばスパッタリングにより簡便に形成される金などを使用することが望ましい。また、プルーフマス表面の安定性を維持するために、これも金でコーティングすることが望ましい。
【0010】
加速度計10は力を平衡させる(力平衡)装置として機能し、プルーフマス16に加わる加速度の力は、加力部分(forcer)である上部電極及び下部電極30、32を通してセンサ回路部14より及ぼされる適当な電気的な回復力によって平衡状態とされる。必要とされる回復力の大きさは加速度の関数であり、センサ回路部14の加速度出力34において測定することができる。
【0011】
プルーフマス16には参照電圧源、例えば安定な半導体基準電圧源35などからデカップリング用の、若しくは交流分離用の抵抗36を介して直流バイアスが加えられる。
【0012】
これと並行して、信号源38から発生された交流信号は結合用コンデンサ40によってプルーフマスに結合される。コンデンサ42及び44は、上部電極30、下部電極32とプルーフマス16との間に生じた容量を差動型ブリッジ回路46に結合させる。差動型ブリッジ回路46にはダイオード50、52、54、56、フィルターコンデンサ58、及び高インピーダンスで高利得の演算増幅器60が含まれている。増幅器60の出力は上部電極30を直接駆動するのに使用されるとともに、インバータ62で反転された後に下部電極32を駆動するのに使用される。
【0013】
加速度出力34は増幅器60及びインバータ62を経て上部及び下部電極30、32に印加され、加速によってプルーフマス16に加わる力に抵抗するための静電的な回復力をプルーフマスに及ぼす。このような静電的な力は加えられる電圧の2乗に比例するので、通常は非線形となる。安定電圧源35によって加えられる直流バイアスと、増幅器60及びインバータ62から上部電極30及び下部電極32に加わる位相のずれた信号は、このような非線形性を除去するよう作用する。
【0014】
基礎となる運動方程式は非線形であるが、力を加える部分とプルーフマスの電圧のオフセットは、静電力のフィードバックとともに線形出力を与える。基礎となる力の方程式は、
Fu =ε0AVu 2/2du 2 及び Fl =ε0AVl 2/2dl 2 (1)
であり、ここでFu は上側の力(Fl は下側の力)、Aは力を加える電極の面積、Vu は力を加える部分である上部電極とプルーフマスとの間の電圧、Vl は下部電極とプルーフマスとの間の電圧、そしてdは電極とプルーフマスとの間の間隔である。ここでV0 を34における電圧、Δを固定された電圧、例えば15Vとして、
Vu = V0 − Δ 及び Vl = V0 + Δ (2)
と置くことにより、
Ma = Fu − Fl = −2ε0AΔV0/d2 (3)
と示されるように力の方程式が正確に線形化される。ここでMはプルーフマスの質量であり、aは加速度である。これよりスケールファクター(比例定数)は、
−2ε0AΔ/Md 2 (4)
となる。Δは電圧源35によって発生される電圧である。従ってプルーフマスが上部電極30と下部電極32の中央に位置している時は、出力電圧34は加速度に正確に比例する。そしてこの電圧は加速度の測定値として使用することができる。
【0015】
線形化はまた、プルーフマス16をゼロバイアスとし、上部電極30に増幅器の出力と直列に固定バイアス電圧を加えるとともに下部電極32には増幅器の出力と直列に反対の極性の固定バイアス電圧を加えることによっても可能である。
【0016】
例えばプルーフマスがギャップの完全な中心にないことなどによるシステムのその他の非線形性は、大きい抵抗(>250kΩ)R3を通して電圧バイアス源Vb から増幅器60に加えられるバイアスオフセットによって軽減することができる。このようなバイアスオフセットを使用することにより、プルーフマスが完全な中心にないこと(センタリングの不完全さ)による効果及び振動の修正(調整)を実質的にゼロにまで低減できる。
【0017】
上部電極30及び下部電極32に加え、上部ガラス層26及び下部ガラス層28にはガード用帯状電極64、66を設けてもよい。図1に示すように、そして図2に関連して以下で更に述べるように、これらのガード用帯状電極は、プルーフマスが上部電極30及び下部電極32に近づかないよう上部電極30、下部電極32よりも実質的に厚くすることができる。これにより他の特別の回路がなくても、加速されたときに、閉ループである加速度計10の動作開始がうまくゆく。
【0018】
上部ガラス層26の上部電極30と上部ガード用帯状電極64との間のギャップ、及び下部ガラス層28の下部電極32と下部ガード用帯状電極66との間のギャップは、ガラスが帯電することやこれらの間にリーク電流があることに起因する特別の問題を生じる可能性がある。この一方の電極上の電位が変化すると、その間の絶縁体領域若しくはギャップにおけるこの電位もまた、上部ガラス層26及び下部ガラス層28におけるリーク電流によって一方の値と他方の値の間で調整がなされる。これらのギャップにおける電位分布は、これらのギャップの絶縁特性が湿度やその他周囲の状況によって変化すると、それに伴って変化する。
【0019】
これらのギャップにおける電位は、上部電極30及び下部電極32の電位の増加分として作用する。
【0020】
これらのギャップにおける電位の静電力による効果は、上部電極30及び下部電極32によって加えられる力と区別することができない。従ってギャップにおいてゆっくりと変化する電位は、動作開始時点において、又は加速度が変化した時点において力の過渡現象を生じる。
【0021】
説明のために、トランスデューサの力を加える上部電極30及び下部電極32だけを感じるプルーフマスを考える。しかしプルーフマスの回りにある動作開始の問題を防ぐためのガード用リング(ガード用帯状電極64、66)は、電極30及び32と異なった電位となっている。加速度の変化によって電極30及び32上の電位が変化するときには、上部の電極30と64の間のガラス領域の電位又は底部の電極32と66の間のガラス領域の電位も、同様に変化しなければならない。メインの電極とガード用リングの間のガラスは、非常に高い抵抗値を有する素材であると考えることができる。電極30及び32の電位が変化すると、これらの電極とそのガード用リングとの間の領域は変化するが、この変化はガラスの高い抵抗値のためにゆっくりしたものとなる。
【0022】
これらの電極の間のガラス領域からの大きな影響を受けるのを回避する方法は、全ての場所でメインの電極30及び32をプルーフマスよりもずっと大きくすることである。しかし、ガード用電極がプルーフマスと接触してプルーフマスが上部ガラス層と下部ガラス層から押圧されるように、4つの小さな場所若しくは指状部分74、75、76、77にガード用電極を設けなければならない。そこで電極の形状を、これらの指状部分の領域だけでガード用リングがプルーフマスの上に延在するよう配置する。その他の場所では、変化がゆっくりしたガラス領域は、プルーフマスに影響を与える領域の外側にある。それでもこの4つの指状部分74〜77があることにより、この4つの指状部分の回りの領域におけるガラスの効果は重要である。このガラスの領域の効果を軽減するために、ガラス上の電荷がゆっくりと変化する場合に、ガラスからプルーフマスまでの距離を増加させることによってプルーフマスを動かそうとする力の効果が最小に抑えられるよう、ガラス領域の下のプルーフマスにV字形の溝(V字溝)21を設ける。この各溝21によって図3に示すような柱状部分78、79が規定される。これらの柱状部分は、このデバイスが加速度を受けて動作を開始したときに、電極30、32をプルーフマスから遠ざけながら電極64、66と接触する所にある。この領域でのプルーフマスとガラスとの間のギャップは3ミクロンということはなく、もっと大きくて20〜30ミクロンに近い。
【0023】
このようにして、加速度の過渡現象的な応答時間は軽減されるか又は除去される。図3により詳細に示したように、堀即ちV字溝21は、それぞれ上部及び下部ガラス層26、28の上部及び下部電極30、32と上部及び下部ガード用帯状電極64、66の間のギャップの直下のプルーフマス16上にエッチングされる。V字溝21はこれらの間に、例えば通常の上部ガラス層26とプルーフマス16の通常の間隔の10倍程度の広い空間を与えることにより、ギャップにおける電位のプルーフマス16に対する効果を軽減する。上部及び下部電極30、32は、上部電極30と上部ガード用帯状電極64の間のガラスからの電場の効果、及び下部電極32と下部ガード用帯状電極66の間のガラスからの電場の効果を最小に抑えられるように、プルーフマス16を越えるよう延在させることができる。上部と底部のガラス表面26a及び28aには金属配線がなされ(metalized )、これを接地してこのトランスデューサを外部の電場や外部導体の影響からシールドする。
【0024】
他の方法として、上部及び下部ガラス層26、28、特にギャップの部分に、僅かに導電性を持つ表面コーティング(平方当り1010オーム)を設けてもよい。ギャップの電位効果は除去されないが、ギャップにおける電位分布はほとんど瞬間的に安定して一定に保たれ、表面コーティングの抵抗が検知動作に干渉しない程度に十分大きければ満足のゆく加速度検知動作が可能となる。
【0025】
ここで図2を参照する。これは加速度計のトランスデューサ12を部分的に展開した等角図であり、上部ガラス層26は開いた位置に回転させて、その他の部分は分かりやすく切り欠いて示してある。上で述べたように、上部ガラス層26上の上部電極30はアルミニウム又は金の蒸着によって形成されたものである。この上部電極30の回りにはこれを取り囲むようにガード用帯状電極64が形成されている。同様に下部ガラス層28上のガード用帯状電極66の一部を、シリコン層24の部分的に切り欠いた所を通して見ることができる。
【0026】
シリコン層24上の金属の接合パッド81は、この層と電気的に接触している。電極32、66、30、64及び接合パッド81の端部は、金又はアルミニウムなどからなる1ミル(mil:千分の1インチ)の接合ワイヤによって電気回路14及び14aに接続されている。この接合ワイヤの取り付けは、集積回路産業において周知であるいくつもの方法のうちの一つによってなされている。
【0027】
上部ガード用帯状電極64及び下部ガード用帯状電極66は、上部電極30及び下部電極32の厚さに比べて、2倍の厚さの金による金属配線により簡便に形成することができる。この厚くなっている分は、加速度計10の動作中においてプルーフマス16を上部電極30及び下部電極32から遠ざける役割を果たす。上部及び下部ガード用帯状電極64、66は、プルーフマス16と同じ電位に保たれる。
【0028】
更に図2から分かるように、上部ガラス層26と下部ガラス層28は、製造を簡単にするために等しい設計とすることができる。トランスデューサ12は機械的応力や特性変化(ドリフト)を軽減するために、可能である部分については対称的に設計され構成されている。上部ガラス層26及び下部ガラス層28としては例えばホウ珪酸塩からなるパイレックスガラス7740(商品名)という材料が使用できるが、これを、熱膨張を考慮して可能な限りプルーフマス16の材料と密着させる。また、トランスデューサのサンドイッチ構造の上部及び底部に、適当な絶縁層とともにシリコンを使用することもできる。
【0029】
図に示すように溝68及び70がシリコン層24の上部表面上に位置しているが、これは上部電極30及び上部ガード用帯状電極64がシリコン層24と接触しないよう確実に分離させるためである。図からは分からないが、同様の絶縁用の溝がシリコン層24の下側表面にも設けられ、下部ガード用帯状電極66及び下部電極32のシリコン層24との電気的接触を絶縁している。
【0030】
プルーフマス16は一部を切り欠いた状態で見えており、屈曲部22によってシリコン層24とつながっている。屈曲部22は、単一のヒンジで接続された構成とすることもできるが、加速度計のトランスデューサ12の曲がりに起因するプルーフマスのオフセットを最小にするために、図示したようなヒンジ25、27からなる、対称的に平衡をとった分離した屈曲部を利用することが望ましい。屈曲部22には、シリコンの面における力による破損に耐えられる、そして静電的な不安定性に耐えられる最小限の強度が必要とされる。
【0031】
プルーフマス16及び屈曲部22を含む加速度計のトランスデューサ12は、現在使用可能な集積回路技術及びミクロ機械加工製造技術を用いて構成することができる。周囲のシリコン層24から屈曲部22となる限られた物理的な接続部分を残してプルーフマス16を形成するような技術としては、種々の制御されたエッチング技術を使用することができる。屈曲部22は、製造中の高いドーピング勾配や濃度による非一様性の応力を軽減するために、例えば1000℃という高温で数時間にわたってアニールしてもよい。上部及び下部のガラス層26、28は、陽極になるようシリコン層24に接合し、同時に曲がり(歪み)を防ぐようにする。
【0032】
プルーフマス16の上側及び下側の表面は、このプルーフマス16と上部及び下部ガラス層26、28との間に約2μm程度の適当なギャップが形成されるようシリコン層24の表面をエッチングして形成される。
【0033】
ガラス層の表面26a、28aは、使用中に明確に規定される電位例えばシステムの接地電位に接続ために、そして誤差を生じさせる外部電場の影響から内部構造をシールドするために、導電性コーティングによって金属被覆することが望ましい。
【0034】
このトランスデューサは、異なる膨張特性を持つ取り付け表面からの力を軽減するために、また、このような取り付け表面からの振動の伝わりを軽減するために、図2に示すような弾性素材からなるパッド29上に取り付けることができる。パッド29は、パッケージの素材と異なる熱膨張によって、又は使用中のパッケージの機械的な歪みによって生じるトランスデューサの曲がりを防止する。このような曲がりはトランスデューサに誤差を生じさせてダイナミックレンジを制限する。この弾性パッドは、層28の金属被覆した下部表面に簡単に電気的に接続できるよう適当な素材、例えばカーボンブラック又は銀などの粉末を混ぜて電気伝導性とすることが望ましい。
【0035】
センサ回路部分14は通常の集積回路製造技術により、加速度計のトランスデューサ12と物理的に同じパッケージの一部として簡便に形成することができる。加速度計のトランスデューサ12及びセンサ回路部14は、気密的に封入されるフラットパック又は他の簡便な混合パッケージ内に収容することができる。
【0036】
動作時において、プルーフマス16が中心にある時にプルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間に何らかの容量のインバランス(非平衡状態)があると、センサ回路部14は電気的に発生させた力をプルーフマス16に加えてこれを中心から外れた位置に動かしその位置に保つことにより、両方の容量をバランスさせる。このように中心から外れた位置へ移動すると、演算増幅器60に適当なバイアスオフセットを加えて補償するか、又はプルーフマス16と上部電極30の間若しくはプルーフマス16と下部電極32の間に補償用容量を加えなければ、2次のオーダーの非線形性が生じる。
【0037】
再び図1を参照するに、信号源38は、ピーク・トゥ・ピーク、4ボルトで例えば10MHz にて動作する方形波の交流源などとすることができる。この交流信号は、参照電源35からの適当な直流バイアスとともにシリコン層24に加えられ、従ってプルーフマス16にも加えられる。プルーフマス16がその中立位置にあるならば、この交流信号は上部電極30と下部電極32に等しく結合される。プルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間でピックアップされた容量は、差動型ブリッジ回路46において比較される。
【0038】
コンデンサ42及び44は上部及び下部電極30、32とプルーフマス16との間の容量に比べて十分に大きく、従ってプルーフマス16の中立位置に対する効果は無視できるという点に留意することが重要である。中立位置ではこれらの値がバランスされていて増幅器60には差動信号は加えられず、このため上部及び下部電極30、32に差動直流信号が加えられることはない。
【0039】
これらの電極は、適当なギャップを通してプルーフマスから30へ、そしてプルーフマスから32へ結合された発振器38からの高周波(rf)信号、すなわち10メガヘルツの信号をピックアップする。
【0040】
この信号の流れをたどってみると、発振器38からの交流信号はプルーフマスへ結合され、ここで更に空隙のギャップを横切って上部及び下部電極30及び32に結合される。上部電極30からの経路に続いて、この信号は一方では、10〜30キロオームの範囲の比較的高いインピーダンスを持っていて増幅器60からこの信号を分離する抵抗R1、及びこの信号が容易に通過して4つのダイオードからなるブリッジ(ダイオード・クワッド・ブリッジ)に達するよう高い容量とされたコンデンサ42を通る。他方では、増幅器60から来る直流帰還信号が抵抗R1に達する経路に沿って進む。流れる直流電流はほとんどないので、抵抗R1の両端の電圧降下は無視でき、これより直流信号は直接的に電極30に加わる。コンデンサ42にはダイオード・クワッド・ブリッジからの直流信号を遮断する役割がある。同様に、抵抗R2及びコンデンサ44の効果にも同じ議論が適用される。
【0041】
動作において、加速度が加わると、プルーフマス16が屈曲部22の回りに回動しようとして、プルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間に相対運動が生じる。プルーフマス16が動いて一方の電極、例えば下部電極32に近づくと、信号源38からの交流信号の容量のピックアップ量が増加し、差動ブリッジ回路46を通って増幅器60に加わる電圧を生じさせる。その結果として直流信号電圧が増加するとそれはインバータ62を通して下部電極32に加えられ、また低下するとその電圧は増幅器60から上部電極30に加えられ、これによってプルーフマス16に静電力が加わり、加速度の力に抵抗してプルーフマス16をその中立位置に回復させようとする。インバータ62に加わる減少した電圧は加速度出力34においてモニターすることができる。この信号は抵抗を受ける加速度の力に比例するものとなっている。
【0042】
増幅器60の十分に大きい利得に対し、加速度が加わったときのギャップ内におけるプルーフマス16の位置のずれは無視できるものであり、従って線形であると考えられる。大きい利得の増幅器60を伴う閉ループである加速度計10の応答の安定性を維持するために、高い周波数において高い利得のロールオフ(roll off)を与える必要がある。高い周波数において利得のロールオフを達成するための特に有利な機構の一つは、例えば図1に示すようにギャップ内の上部及び下部電極30、32とプルーフマス16の間に気体や液体を使用した粘性制動を設けることである。
【0043】
このようにして、精度に対するフルスケールの比率が優れていて広いダイナミックレンジを持つ、シリコン内でのミクロ機械加工よりなる新規な小型加速度計の設計及び方法が与えられる。そしてこの設計は高い対称性を有している。特にヒンジはプルーフマスの中央面上にあり、曲がりを防ぐようバランスが取れている。これにより、レンジ比に対して良好なバイアス安定性が与えられる。この設計では非常に高いループ利得を有する閉ループとなっており、また振動や静電力と比べると弱いヒンジとなっている。このこともまた、レンジ比に対する良好なバイアス安定性を与えている。高いループ利得と結合させて差動的に力を加えることにより、非線形性による誤差及び振動による誤差を最小に抑えるよう作用する。
【0044】
本発明の設計においては、ここで開示された種々の特徴によってバイアス誤差を生じる可能性のある2次の乱れが除去された。これらの特徴には、次のものが含まれる。
【0045】
1)チップの外部を静電シールドすること
2)周縁部の電場が最小となるよう電極を延ばすこと
3)原子レベルでの表面安定性のために電極の金属を選択すること、すなわち湿気や酸化物が成長する可能性の小さいもの
4)周縁部の残留電場の効果を軽減するために溝をエッチングすること
5)電極ギャップにおける帯電分布を安定化するための抵抗を持つコーティングを使用すること
6)構造的な曲がりの効果を軽減するためにヒンジを分割すること
7)異なる膨張特性やその他の外部的な力による曲がりを防ぐための弾性的な取り付け方法を使用すること
加えて、本発明は、プルーフマスに励起を加えることにより、また信号の取り出しと力を加える電極が同じものとなるよう構成することにより、加速度計のサーボ動作を簡単化している。
【0046】
本発明を、現在のところ好ましいと思われる具体例を参照して説明してきたが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。むしろこのような範囲は、特許請求の範囲及びその全ての均等物よって規定される限りにおいてのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にしたがって構成された小型加速度計を例示したものであり、加速度計のトランスデューサの一部断面図とセンサ回路の概略回路図とを併せて示してある。
【図2】図1における加速度計に使用されるトランスデューサの部品の等角図であり、開いた状態の上部及び一部を断面図で示した下側の部分を示してある。
【図3】図2の3−3で示した領域のプルーフマスの部分を示した平面図である。
【符号の説明】
10・・・・・・加速度計
12・・・・・・トランスデューサ
14・・・・・・センサ回路部
16・・・・・・プルーフマス
21・・・・・・V字溝
22・・・・・・屈曲部(懸架手段)
23・・・・・・中央の軸
24・・・・・・シリコン層
25、27・・・・・・ヒンジ
26、28・・・・・・ガラス層(絶縁層)
26a、28a・・・・・・ガラス表面
29・・・・・・パッド
30、32・・・・・・一対の電極
34・・・・・・加速度出力
35・・・・・・電圧源
38・・・・・・発振器(信号源)
46・・・・・・差動型ブリッジ回路
60・・・・・・増幅器
64、66・・・・・・ガード電極
78、79・・・・・・柱状部分
68、70・・・・・・溝
【産業上の利用分野】
本発明は、中程度の正確さを要する用途のための小型加速度計に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
戦術用システムで使用するための小さくて安価な加速度計に対する需要がある。一斉射撃用弾薬及び加速度計を大量に消費するような高性能の大砲や迫撃砲の動作において必要とされる小型加速度計などがその例である。このような用途のための戦術用加速度計は中程度の品質の機器であると考えてよいが、しかし、約5桁のダイナミックレンジを有していなければならず、また振動の多い状況下で、かつ広い温度範囲での動作が可能でなければならない。
【0003】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、一対の電極層、この電極層の間に懸架されたシリコンのプルーフマス、そしてこれに加わる加速度の力に抵抗するために電極層とプルーフマスとの間の差動的な容量結合に応答する手段を含んだ集積回路という形態で小型加速度計を提供することを一般的な目的とする。
【0004】
別の観点からは、本発明は、一対の電極層の間にプルーフマスを懸架し、この電極層とプルーフマスとの間の差動的な容量結合を検知し、そして検知された結合に応答して加速力に抗するためにプルーフマスに力を加える、という線形の出力で加速度を検知する方法を提供する。
【0005】
更に本発明の別の目的は、小型加速度計のダイナミックレンジを、従来の技術水準である、ダイナミックレンジが約100程度のミクロ機械加工で製造された(マイクロマシンによる)加速度計よりも、100〜1000倍増大させることである。
【0006】
本発明の上記の特徴及び利点、その他の特徴及び利点は、添付図面を参照しつつなされる以下の詳細な説明より明らかとなる。
【0007】
【実施例】
図1は、本発明の小型加速度計10を示し、これはトランスデューサ12及び回路部分14、14aを含んでいる。加速度計10のトランスデューサ12は部分断面図として示してあり、上部電極30及び下部電極32の間の中央の位置に示されたプルーフマス(proofmass )16を備えている。プルーフマス16は、シリコン層24から一体的に形成された、薄い屈曲部22によって懸架されたシリコンからなる。屈曲部22はプルーフマス16の面の中央に沿った振動の修正を最小にするためにベンドライン(曲がりの中心線)を規定する。これは面の中央の軸23によって示されている。屈曲部をプルーフマスの面の中央に対して対称となるよう構成することにより、加速度計の振動は修正を誘起せず、この装置は高い線形性を持つ。
【0008】
シリコン層24は、上部ガラス層26と下部ガラス層28の間に陽極として固定され、上部ガラス層26と下部ガラス層28にはそれぞれアルミニウム、金、若しくはその他の導体からなる電極30、32が形成されている。加えて、上側の電極ガラス層と底部の電極ガラス層は等しい部材であり、正確な対称性を維持するために、最初に上側の層に適用されそれから底部の層に適用される同一のマスクより製造される。このプルーフマスは非常に対称性が高いので、このデバイスには偏向(バイアス)は誘起されない。このこともまた、線形性が高くダイナミックレンジの値が大きいことに寄与する。
【0009】
電極30及び32は、気化させたアルミニウムから簡便に形成することもできるが、アルミニウムを使用する場合には固有的に存在する水分に対しての何らかの感度がある。というのは、アルミニウムはかなりの表面の水分を吸着し、これが表面の誘電特性を変化させ、測定しようとする容量と区別できない別の容量を加算させることになるからである。従って、水分を吸着しない金属、例えばスパッタリングにより簡便に形成される金などを使用することが望ましい。また、プルーフマス表面の安定性を維持するために、これも金でコーティングすることが望ましい。
【0010】
加速度計10は力を平衡させる(力平衡)装置として機能し、プルーフマス16に加わる加速度の力は、加力部分(forcer)である上部電極及び下部電極30、32を通してセンサ回路部14より及ぼされる適当な電気的な回復力によって平衡状態とされる。必要とされる回復力の大きさは加速度の関数であり、センサ回路部14の加速度出力34において測定することができる。
【0011】
プルーフマス16には参照電圧源、例えば安定な半導体基準電圧源35などからデカップリング用の、若しくは交流分離用の抵抗36を介して直流バイアスが加えられる。
【0012】
これと並行して、信号源38から発生された交流信号は結合用コンデンサ40によってプルーフマスに結合される。コンデンサ42及び44は、上部電極30、下部電極32とプルーフマス16との間に生じた容量を差動型ブリッジ回路46に結合させる。差動型ブリッジ回路46にはダイオード50、52、54、56、フィルターコンデンサ58、及び高インピーダンスで高利得の演算増幅器60が含まれている。増幅器60の出力は上部電極30を直接駆動するのに使用されるとともに、インバータ62で反転された後に下部電極32を駆動するのに使用される。
【0013】
加速度出力34は増幅器60及びインバータ62を経て上部及び下部電極30、32に印加され、加速によってプルーフマス16に加わる力に抵抗するための静電的な回復力をプルーフマスに及ぼす。このような静電的な力は加えられる電圧の2乗に比例するので、通常は非線形となる。安定電圧源35によって加えられる直流バイアスと、増幅器60及びインバータ62から上部電極30及び下部電極32に加わる位相のずれた信号は、このような非線形性を除去するよう作用する。
【0014】
基礎となる運動方程式は非線形であるが、力を加える部分とプルーフマスの電圧のオフセットは、静電力のフィードバックとともに線形出力を与える。基礎となる力の方程式は、
Fu =ε0AVu 2/2du 2 及び Fl =ε0AVl 2/2dl 2 (1)
であり、ここでFu は上側の力(Fl は下側の力)、Aは力を加える電極の面積、Vu は力を加える部分である上部電極とプルーフマスとの間の電圧、Vl は下部電極とプルーフマスとの間の電圧、そしてdは電極とプルーフマスとの間の間隔である。ここでV0 を34における電圧、Δを固定された電圧、例えば15Vとして、
Vu = V0 − Δ 及び Vl = V0 + Δ (2)
と置くことにより、
Ma = Fu − Fl = −2ε0AΔV0/d2 (3)
と示されるように力の方程式が正確に線形化される。ここでMはプルーフマスの質量であり、aは加速度である。これよりスケールファクター(比例定数)は、
−2ε0AΔ/Md 2 (4)
となる。Δは電圧源35によって発生される電圧である。従ってプルーフマスが上部電極30と下部電極32の中央に位置している時は、出力電圧34は加速度に正確に比例する。そしてこの電圧は加速度の測定値として使用することができる。
【0015】
線形化はまた、プルーフマス16をゼロバイアスとし、上部電極30に増幅器の出力と直列に固定バイアス電圧を加えるとともに下部電極32には増幅器の出力と直列に反対の極性の固定バイアス電圧を加えることによっても可能である。
【0016】
例えばプルーフマスがギャップの完全な中心にないことなどによるシステムのその他の非線形性は、大きい抵抗(>250kΩ)R3を通して電圧バイアス源Vb から増幅器60に加えられるバイアスオフセットによって軽減することができる。このようなバイアスオフセットを使用することにより、プルーフマスが完全な中心にないこと(センタリングの不完全さ)による効果及び振動の修正(調整)を実質的にゼロにまで低減できる。
【0017】
上部電極30及び下部電極32に加え、上部ガラス層26及び下部ガラス層28にはガード用帯状電極64、66を設けてもよい。図1に示すように、そして図2に関連して以下で更に述べるように、これらのガード用帯状電極は、プルーフマスが上部電極30及び下部電極32に近づかないよう上部電極30、下部電極32よりも実質的に厚くすることができる。これにより他の特別の回路がなくても、加速されたときに、閉ループである加速度計10の動作開始がうまくゆく。
【0018】
上部ガラス層26の上部電極30と上部ガード用帯状電極64との間のギャップ、及び下部ガラス層28の下部電極32と下部ガード用帯状電極66との間のギャップは、ガラスが帯電することやこれらの間にリーク電流があることに起因する特別の問題を生じる可能性がある。この一方の電極上の電位が変化すると、その間の絶縁体領域若しくはギャップにおけるこの電位もまた、上部ガラス層26及び下部ガラス層28におけるリーク電流によって一方の値と他方の値の間で調整がなされる。これらのギャップにおける電位分布は、これらのギャップの絶縁特性が湿度やその他周囲の状況によって変化すると、それに伴って変化する。
【0019】
これらのギャップにおける電位は、上部電極30及び下部電極32の電位の増加分として作用する。
【0020】
これらのギャップにおける電位の静電力による効果は、上部電極30及び下部電極32によって加えられる力と区別することができない。従ってギャップにおいてゆっくりと変化する電位は、動作開始時点において、又は加速度が変化した時点において力の過渡現象を生じる。
【0021】
説明のために、トランスデューサの力を加える上部電極30及び下部電極32だけを感じるプルーフマスを考える。しかしプルーフマスの回りにある動作開始の問題を防ぐためのガード用リング(ガード用帯状電極64、66)は、電極30及び32と異なった電位となっている。加速度の変化によって電極30及び32上の電位が変化するときには、上部の電極30と64の間のガラス領域の電位又は底部の電極32と66の間のガラス領域の電位も、同様に変化しなければならない。メインの電極とガード用リングの間のガラスは、非常に高い抵抗値を有する素材であると考えることができる。電極30及び32の電位が変化すると、これらの電極とそのガード用リングとの間の領域は変化するが、この変化はガラスの高い抵抗値のためにゆっくりしたものとなる。
【0022】
これらの電極の間のガラス領域からの大きな影響を受けるのを回避する方法は、全ての場所でメインの電極30及び32をプルーフマスよりもずっと大きくすることである。しかし、ガード用電極がプルーフマスと接触してプルーフマスが上部ガラス層と下部ガラス層から押圧されるように、4つの小さな場所若しくは指状部分74、75、76、77にガード用電極を設けなければならない。そこで電極の形状を、これらの指状部分の領域だけでガード用リングがプルーフマスの上に延在するよう配置する。その他の場所では、変化がゆっくりしたガラス領域は、プルーフマスに影響を与える領域の外側にある。それでもこの4つの指状部分74〜77があることにより、この4つの指状部分の回りの領域におけるガラスの効果は重要である。このガラスの領域の効果を軽減するために、ガラス上の電荷がゆっくりと変化する場合に、ガラスからプルーフマスまでの距離を増加させることによってプルーフマスを動かそうとする力の効果が最小に抑えられるよう、ガラス領域の下のプルーフマスにV字形の溝(V字溝)21を設ける。この各溝21によって図3に示すような柱状部分78、79が規定される。これらの柱状部分は、このデバイスが加速度を受けて動作を開始したときに、電極30、32をプルーフマスから遠ざけながら電極64、66と接触する所にある。この領域でのプルーフマスとガラスとの間のギャップは3ミクロンということはなく、もっと大きくて20〜30ミクロンに近い。
【0023】
このようにして、加速度の過渡現象的な応答時間は軽減されるか又は除去される。図3により詳細に示したように、堀即ちV字溝21は、それぞれ上部及び下部ガラス層26、28の上部及び下部電極30、32と上部及び下部ガード用帯状電極64、66の間のギャップの直下のプルーフマス16上にエッチングされる。V字溝21はこれらの間に、例えば通常の上部ガラス層26とプルーフマス16の通常の間隔の10倍程度の広い空間を与えることにより、ギャップにおける電位のプルーフマス16に対する効果を軽減する。上部及び下部電極30、32は、上部電極30と上部ガード用帯状電極64の間のガラスからの電場の効果、及び下部電極32と下部ガード用帯状電極66の間のガラスからの電場の効果を最小に抑えられるように、プルーフマス16を越えるよう延在させることができる。上部と底部のガラス表面26a及び28aには金属配線がなされ(metalized )、これを接地してこのトランスデューサを外部の電場や外部導体の影響からシールドする。
【0024】
他の方法として、上部及び下部ガラス層26、28、特にギャップの部分に、僅かに導電性を持つ表面コーティング(平方当り1010オーム)を設けてもよい。ギャップの電位効果は除去されないが、ギャップにおける電位分布はほとんど瞬間的に安定して一定に保たれ、表面コーティングの抵抗が検知動作に干渉しない程度に十分大きければ満足のゆく加速度検知動作が可能となる。
【0025】
ここで図2を参照する。これは加速度計のトランスデューサ12を部分的に展開した等角図であり、上部ガラス層26は開いた位置に回転させて、その他の部分は分かりやすく切り欠いて示してある。上で述べたように、上部ガラス層26上の上部電極30はアルミニウム又は金の蒸着によって形成されたものである。この上部電極30の回りにはこれを取り囲むようにガード用帯状電極64が形成されている。同様に下部ガラス層28上のガード用帯状電極66の一部を、シリコン層24の部分的に切り欠いた所を通して見ることができる。
【0026】
シリコン層24上の金属の接合パッド81は、この層と電気的に接触している。電極32、66、30、64及び接合パッド81の端部は、金又はアルミニウムなどからなる1ミル(mil:千分の1インチ)の接合ワイヤによって電気回路14及び14aに接続されている。この接合ワイヤの取り付けは、集積回路産業において周知であるいくつもの方法のうちの一つによってなされている。
【0027】
上部ガード用帯状電極64及び下部ガード用帯状電極66は、上部電極30及び下部電極32の厚さに比べて、2倍の厚さの金による金属配線により簡便に形成することができる。この厚くなっている分は、加速度計10の動作中においてプルーフマス16を上部電極30及び下部電極32から遠ざける役割を果たす。上部及び下部ガード用帯状電極64、66は、プルーフマス16と同じ電位に保たれる。
【0028】
更に図2から分かるように、上部ガラス層26と下部ガラス層28は、製造を簡単にするために等しい設計とすることができる。トランスデューサ12は機械的応力や特性変化(ドリフト)を軽減するために、可能である部分については対称的に設計され構成されている。上部ガラス層26及び下部ガラス層28としては例えばホウ珪酸塩からなるパイレックスガラス7740(商品名)という材料が使用できるが、これを、熱膨張を考慮して可能な限りプルーフマス16の材料と密着させる。また、トランスデューサのサンドイッチ構造の上部及び底部に、適当な絶縁層とともにシリコンを使用することもできる。
【0029】
図に示すように溝68及び70がシリコン層24の上部表面上に位置しているが、これは上部電極30及び上部ガード用帯状電極64がシリコン層24と接触しないよう確実に分離させるためである。図からは分からないが、同様の絶縁用の溝がシリコン層24の下側表面にも設けられ、下部ガード用帯状電極66及び下部電極32のシリコン層24との電気的接触を絶縁している。
【0030】
プルーフマス16は一部を切り欠いた状態で見えており、屈曲部22によってシリコン層24とつながっている。屈曲部22は、単一のヒンジで接続された構成とすることもできるが、加速度計のトランスデューサ12の曲がりに起因するプルーフマスのオフセットを最小にするために、図示したようなヒンジ25、27からなる、対称的に平衡をとった分離した屈曲部を利用することが望ましい。屈曲部22には、シリコンの面における力による破損に耐えられる、そして静電的な不安定性に耐えられる最小限の強度が必要とされる。
【0031】
プルーフマス16及び屈曲部22を含む加速度計のトランスデューサ12は、現在使用可能な集積回路技術及びミクロ機械加工製造技術を用いて構成することができる。周囲のシリコン層24から屈曲部22となる限られた物理的な接続部分を残してプルーフマス16を形成するような技術としては、種々の制御されたエッチング技術を使用することができる。屈曲部22は、製造中の高いドーピング勾配や濃度による非一様性の応力を軽減するために、例えば1000℃という高温で数時間にわたってアニールしてもよい。上部及び下部のガラス層26、28は、陽極になるようシリコン層24に接合し、同時に曲がり(歪み)を防ぐようにする。
【0032】
プルーフマス16の上側及び下側の表面は、このプルーフマス16と上部及び下部ガラス層26、28との間に約2μm程度の適当なギャップが形成されるようシリコン層24の表面をエッチングして形成される。
【0033】
ガラス層の表面26a、28aは、使用中に明確に規定される電位例えばシステムの接地電位に接続ために、そして誤差を生じさせる外部電場の影響から内部構造をシールドするために、導電性コーティングによって金属被覆することが望ましい。
【0034】
このトランスデューサは、異なる膨張特性を持つ取り付け表面からの力を軽減するために、また、このような取り付け表面からの振動の伝わりを軽減するために、図2に示すような弾性素材からなるパッド29上に取り付けることができる。パッド29は、パッケージの素材と異なる熱膨張によって、又は使用中のパッケージの機械的な歪みによって生じるトランスデューサの曲がりを防止する。このような曲がりはトランスデューサに誤差を生じさせてダイナミックレンジを制限する。この弾性パッドは、層28の金属被覆した下部表面に簡単に電気的に接続できるよう適当な素材、例えばカーボンブラック又は銀などの粉末を混ぜて電気伝導性とすることが望ましい。
【0035】
センサ回路部分14は通常の集積回路製造技術により、加速度計のトランスデューサ12と物理的に同じパッケージの一部として簡便に形成することができる。加速度計のトランスデューサ12及びセンサ回路部14は、気密的に封入されるフラットパック又は他の簡便な混合パッケージ内に収容することができる。
【0036】
動作時において、プルーフマス16が中心にある時にプルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間に何らかの容量のインバランス(非平衡状態)があると、センサ回路部14は電気的に発生させた力をプルーフマス16に加えてこれを中心から外れた位置に動かしその位置に保つことにより、両方の容量をバランスさせる。このように中心から外れた位置へ移動すると、演算増幅器60に適当なバイアスオフセットを加えて補償するか、又はプルーフマス16と上部電極30の間若しくはプルーフマス16と下部電極32の間に補償用容量を加えなければ、2次のオーダーの非線形性が生じる。
【0037】
再び図1を参照するに、信号源38は、ピーク・トゥ・ピーク、4ボルトで例えば10MHz にて動作する方形波の交流源などとすることができる。この交流信号は、参照電源35からの適当な直流バイアスとともにシリコン層24に加えられ、従ってプルーフマス16にも加えられる。プルーフマス16がその中立位置にあるならば、この交流信号は上部電極30と下部電極32に等しく結合される。プルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間でピックアップされた容量は、差動型ブリッジ回路46において比較される。
【0038】
コンデンサ42及び44は上部及び下部電極30、32とプルーフマス16との間の容量に比べて十分に大きく、従ってプルーフマス16の中立位置に対する効果は無視できるという点に留意することが重要である。中立位置ではこれらの値がバランスされていて増幅器60には差動信号は加えられず、このため上部及び下部電極30、32に差動直流信号が加えられることはない。
【0039】
これらの電極は、適当なギャップを通してプルーフマスから30へ、そしてプルーフマスから32へ結合された発振器38からの高周波(rf)信号、すなわち10メガヘルツの信号をピックアップする。
【0040】
この信号の流れをたどってみると、発振器38からの交流信号はプルーフマスへ結合され、ここで更に空隙のギャップを横切って上部及び下部電極30及び32に結合される。上部電極30からの経路に続いて、この信号は一方では、10〜30キロオームの範囲の比較的高いインピーダンスを持っていて増幅器60からこの信号を分離する抵抗R1、及びこの信号が容易に通過して4つのダイオードからなるブリッジ(ダイオード・クワッド・ブリッジ)に達するよう高い容量とされたコンデンサ42を通る。他方では、増幅器60から来る直流帰還信号が抵抗R1に達する経路に沿って進む。流れる直流電流はほとんどないので、抵抗R1の両端の電圧降下は無視でき、これより直流信号は直接的に電極30に加わる。コンデンサ42にはダイオード・クワッド・ブリッジからの直流信号を遮断する役割がある。同様に、抵抗R2及びコンデンサ44の効果にも同じ議論が適用される。
【0041】
動作において、加速度が加わると、プルーフマス16が屈曲部22の回りに回動しようとして、プルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間に相対運動が生じる。プルーフマス16が動いて一方の電極、例えば下部電極32に近づくと、信号源38からの交流信号の容量のピックアップ量が増加し、差動ブリッジ回路46を通って増幅器60に加わる電圧を生じさせる。その結果として直流信号電圧が増加するとそれはインバータ62を通して下部電極32に加えられ、また低下するとその電圧は増幅器60から上部電極30に加えられ、これによってプルーフマス16に静電力が加わり、加速度の力に抵抗してプルーフマス16をその中立位置に回復させようとする。インバータ62に加わる減少した電圧は加速度出力34においてモニターすることができる。この信号は抵抗を受ける加速度の力に比例するものとなっている。
【0042】
増幅器60の十分に大きい利得に対し、加速度が加わったときのギャップ内におけるプルーフマス16の位置のずれは無視できるものであり、従って線形であると考えられる。大きい利得の増幅器60を伴う閉ループである加速度計10の応答の安定性を維持するために、高い周波数において高い利得のロールオフ(roll off)を与える必要がある。高い周波数において利得のロールオフを達成するための特に有利な機構の一つは、例えば図1に示すようにギャップ内の上部及び下部電極30、32とプルーフマス16の間に気体や液体を使用した粘性制動を設けることである。
【0043】
このようにして、精度に対するフルスケールの比率が優れていて広いダイナミックレンジを持つ、シリコン内でのミクロ機械加工よりなる新規な小型加速度計の設計及び方法が与えられる。そしてこの設計は高い対称性を有している。特にヒンジはプルーフマスの中央面上にあり、曲がりを防ぐようバランスが取れている。これにより、レンジ比に対して良好なバイアス安定性が与えられる。この設計では非常に高いループ利得を有する閉ループとなっており、また振動や静電力と比べると弱いヒンジとなっている。このこともまた、レンジ比に対する良好なバイアス安定性を与えている。高いループ利得と結合させて差動的に力を加えることにより、非線形性による誤差及び振動による誤差を最小に抑えるよう作用する。
【0044】
本発明の設計においては、ここで開示された種々の特徴によってバイアス誤差を生じる可能性のある2次の乱れが除去された。これらの特徴には、次のものが含まれる。
【0045】
1)チップの外部を静電シールドすること
2)周縁部の電場が最小となるよう電極を延ばすこと
3)原子レベルでの表面安定性のために電極の金属を選択すること、すなわち湿気や酸化物が成長する可能性の小さいもの
4)周縁部の残留電場の効果を軽減するために溝をエッチングすること
5)電極ギャップにおける帯電分布を安定化するための抵抗を持つコーティングを使用すること
6)構造的な曲がりの効果を軽減するためにヒンジを分割すること
7)異なる膨張特性やその他の外部的な力による曲がりを防ぐための弾性的な取り付け方法を使用すること
加えて、本発明は、プルーフマスに励起を加えることにより、また信号の取り出しと力を加える電極が同じものとなるよう構成することにより、加速度計のサーボ動作を簡単化している。
【0046】
本発明を、現在のところ好ましいと思われる具体例を参照して説明してきたが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。むしろこのような範囲は、特許請求の範囲及びその全ての均等物よって規定される限りにおいてのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にしたがって構成された小型加速度計を例示したものであり、加速度計のトランスデューサの一部断面図とセンサ回路の概略回路図とを併せて示してある。
【図2】図1における加速度計に使用されるトランスデューサの部品の等角図であり、開いた状態の上部及び一部を断面図で示した下側の部分を示してある。
【図3】図2の3−3で示した領域のプルーフマスの部分を示した平面図である。
【符号の説明】
10・・・・・・加速度計
12・・・・・・トランスデューサ
14・・・・・・センサ回路部
16・・・・・・プルーフマス
21・・・・・・V字溝
22・・・・・・屈曲部(懸架手段)
23・・・・・・中央の軸
24・・・・・・シリコン層
25、27・・・・・・ヒンジ
26、28・・・・・・ガラス層(絶縁層)
26a、28a・・・・・・ガラス表面
29・・・・・・パッド
30、32・・・・・・一対の電極
34・・・・・・加速度出力
35・・・・・・電圧源
38・・・・・・発振器(信号源)
46・・・・・・差動型ブリッジ回路
60・・・・・・増幅器
64、66・・・・・・ガード電極
78、79・・・・・・柱状部分
68、70・・・・・・溝
Claims (21)
- 一対の隔置された絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された一対の電極と、
プルーフマスおよび装着部を含むシリコンのプルーフマスアッセンブリと、
各電極と前記プルーフマス間にギャップをもって前記プルーフマスを前記電極間に懸架する手段と、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記電極に結合され前記電極の各々からの差動的容量結合による交流信号を検出する手段と、
検出された前記交流信号に応答し前記プルーフマスに加わる力と対抗する加速度を加える手段と、
前記交流励起信号にバイアスオフセットを加え前記プルーフマスのセンタリングの不完全さの効果及び振動の整流を軽減する手段とを備えたことを特徴とする小型加速度計。 - 前記検出された交流信号に応答する手段は、検出された交流信号に線形的に比例する差動的な静電力を、前記電極と前記プルーフマスとの間に加える手段を備えていることを特徴とする請求項1記載の小型加速度計。
- 前記差動的な静電力を加える手段は、検出した交流信号に比例する差動直流電圧を前記電極と前記プルーフマスとの間に加える手段と、前記電極と前記プルーフマスとの間に直流バイアス電圧を加えその間に加えられた静電力を加速度に線形的に比例させる手段とを備えていることを特徴とする請求項2記載の小型加速度計。
- 前記プルーフマスは前記絶縁層間に密閉されたシリコン層の一部であることを特徴とする請求項1記載の小型加速度計。
- 前記プルーフマスは中央面を形成し、前記シリコン層は懸架した前記プルーフマスの前記中央面において動作する屈曲部を有していることを特徴とする請求項4記載の小型加速度計。
- 前記屈曲部は対称的にバランスされたヒンジを用い分割して構成されていることを特徴とする請求項5記載の加速度計。
- 前記プルーフマスと前記電極間のギヤップに粘性制動を与えるための気体又は液体の薄い膜を備えていることを特徴とする請求項5記載の小型加速度計。
- シリコンに適合した熱膨張係数を有する材料からなり一対の隔置された絶縁層上に配置された一対の電極と、
シリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスを前記電極間に懸架する手段と、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記電極と前記プルーフマス間の差動的な容量結合に応答し加えられた加速度力に対抗する電気信号を発生する増幅器にバイアスオフセットを加えるバイアス線形手段と、
前記加速度の測定により前記電気信号の値の変化を測定する手段とを備え、
前記電極は加えられた加速度力に応答し、かつ加えられた加速度力に対抗する静電力を前記プルーフマスに加える加力電極手段を含み、
前記加力電極手段と前記プルーフマス間の接触を防止するガード電極手段を備えたことを特徴とする小型加速度計。 - シリコンに適合した熱膨張係数を有する材料からなり一対の隔置された絶縁層上に配置された一対の電極と、
シリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスを前記電極間に懸架する手段と、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記電極と前記プルーフマス間の差動的な容量結合に応答し加えられた加速度力に対抗する電気信号を発生する増幅器にバイアスオフセットを加えるバイアス線形手段と、
前記加速度の測定により前記電気信号の値の変化を測定する手段とを備え、
前記プルーフマスに静電力を加える加力電極金属配線部と、
前記加力電極金属配線部より実質的に厚く前記加力電極手段と前記プルーフマス間の接触を防止するガード電極金属配線部とを備えたことを特徴とする小型加速度計。 - 前記ガード電極金属配線部と前記加力電極金属配線部間の電位差によって生じる過渡的な静電力の変化を軽減させる手段を備えたことを特徴とする請求項9記載の小型加速度計。
- 前記過渡的な静電力の変化を軽減させる手段は前記加力電極金属配線部と前記ガード電極金属配線部間の前記電極層の部分に対向するプルーフマスに、この部分から前記プルーフマスへ加わる静電力の効果を軽減するための溝手段を備えていることを特徴とする請求項10記載の小型加速度計。
- 前記過渡的な静電力の変化を軽減させる手段は、前記加力電極金属配線部と前記ガード電極金属配線部間の絶縁層の部分に、明確に形成された電位分布を維持する抵抗性コーティング手段を備えていることを特徴とする請求項10記載の小型加速度計。
- 前記絶縁層の外面に積層され前記電極と前記プルーフマスを外部の電場からシールドする導電性の金属被覆を備えたことを特徴とする請求項12記載の加速度計。
- プルーフマス及び隔置された絶縁層上に配置された電極を用いて加速度計を構成し、
前記プルーフマスを前記電極間で平衡位置に懸架し前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加して前記電極と前記プルーフマス間に等しい結合容量を形成し、
前記プルーフマスが加速度によって前記平衡位置から動いたときに前記電極と前記プルーフマスとの間の差動的容量結合を電子的に検知し、
前記交流励起信号にバイアスオフセットを加え、前記電極に加えたときに静電力を生じさせる電気信号を電子的に発生させ前記プルーフマスを前記平衡位置へ動かし、
前記電気信号を前記電極に加え前記プルーフマスに加えられる力に対抗する加速度を生じさせ、
静電力を加力電極から前記プルーフマスに加え、
ガード電極で前記加力電極と前記プルーフマス間の接触を防止し、
前記プルーフマスが受ける加速度の測定により前記平衡位置への回復に必要とされる前記電気信号の大きさと符号を測定することを特徴とする加速度検知方法。 - 前記ガード電極と前記加力電極間の電位差によって生じる過渡的な静電力の変化を軽減させることを特徴とする請求項14記載の加速度検知方法。
- 前記過渡的な静電力の変化を軽減させるステップは前記プルーフマスと加力電極及びガード用電極間の前記絶縁層との距離を増加させることを含むことを特徴とする請求項15記載の加速度検知方法。
- 前記過渡的な静電力の変化を軽減させるステップは前記加力電極と前記ガード電極間の絶縁層の部分に、一定の電位分布を維持する抵抗性コーティング手段を施すことを特徴とする請求項15記載の加速度検知方法。
- 金属配線された電極を有する一対の絶縁層と、
前記絶縁層間で懸架されたシリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスに交流信号を直接印加する手段と、
前記電極に誘導された信号に応答し前記電極に結合され前記電極からの交流信号を検出する手段と、
検出された前記交流信号に応答し前記電極と前記プルーフマス間に検出された前記交流信号に線形的に比例する差動的な静電力を加える手段と、
前記交流信号にバイアスオフセットを加え前記プルーフマスのセンタリングの不完全さの効果及び振動の整流を軽減する手段とを備えたことを特徴とする小型加速度計。 - 前記金属配線された電極は前記プルーフマスを越えて延在していることを特徴とする請求項18記載の小型加速度計。
- 前記プルーフマスを弾性的に取り付ける手段を備えたことを特徴とする請求項18記載の小型加速度計。
- 一対の電極層と、
前記絶縁層間で懸架されたシリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記プルーフマスと前記電極層間の接触を防止するガード電極手段と、
前記電極層と前記プルーフマス間の差動的な容量結合に応答し加えられた加速度力に対抗する手段と、
前記交流励起信号にバイアスオフセットを加え前記プルーフマスのセンタリングの不完全さの効果及び振動の整流を軽減する手段とを備えたことを特徴とする小型加速度計。
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