JP4327395B2 - センサおよび微細加工された装置 - Google Patents

Description

【０００１】
〔関連出願に対する相互参照〕
この出願は、参照により本明細書に援用される、１９９９年８月３１日に出願された仮出願第６０／１５１，７３０号から優先権を請求するものである。
〔発明の背景〕
この発明は、概して容量センサとともに使用する、特に微細加工加速度計とともに使用する回路に関する。
【０００２】
微細加工加速度計は、エアバッグを起動させるための、自動車事故によって生じる加速の感知、またはガスの配管を自動的に遮断して火事を防ぐための、地震による加速の感知を含む、様々な用途について加速度を感知するために使用することができる。１つのタイプの微細加工プロセスは、表面微細加工と呼ばれ、このプロセスによって、センサ構造が、溶着およびエッチング等の半導体処理技術を用いて、基板上に層で形成される。米国特許第５，３２６，７２６号は、このようなプロセスを記載しており、全ての目的のためにその全体を参照により本明細書に援用する。
【０００３】
本発明の譲渡人によって目下作成された１つのタイプの微細加工された装置では、ポリシリコン質量体が、テザーを支持することによって基板上に吊される。基板に対して略平行な質量体は、軸に沿って延長するビームと、ビームの軸に対して垂直な方向にビームから離れて延出する多数のフィンガとを有する。ビームおよびフィンガは、軸に沿って基板に対して横方向に移動可能である。このような可動フィンガはそれぞれ質量体の平面にあり、基板に対して固定された２つのポリシリコンフィンガの間に配置される。可動フィンガの両側にある可動フィンガおよび固定フィンガはそれぞれ、差動コンデンサセルを形成する。セルは付加的に差動コンデンサを形成する。このタイプの構造は、たとえば、全ての目的のためにその全体を参照により本明細書に援用される米国特許第５，３４５，８２４号に示されている。
【０００４】
異なる手法を用いて、このような差動コンデンサで加速度を感知することができる。１つの手法は、米国特許第５，３４５，８２４号に記載されるように、力フィードバックを用いるというものである。可動フィンガ（すなわち、質量体とともに移動可能）はそれぞれ、２つの固定フィンガの間でセンタリングされる。可動フィンガの片側上の固定フィンガはすべて、ともに電気的に接続され、可動フィンガの反対側上の固定フィンガもまたすべて、ともに電気的に接続される。２つの固定フィンガセットは、異なるＤＣ電位にあり、互いに１８０度位相がずれたＡＣ搬送波信号を使用して駆動される。
【０００５】
受感軸に沿った外力／加速に応答して、可動フィンガを有する質量体は、一方または他方の固定フィンガセットに向かって移動する。ビーム上の信号は、増幅され、復調され、出力端子に提供される。フィードバック回路網は、出力端子とビームとを接続する。フィードバックは、可動フィンガを２つの固定フィンガセットの間で再びセンタリングされる。出力端子における信号は、ビームを再び中心に配置するために必要な力の測定であり、したがって加速度に比例する。
【０００６】
この閉ループ力フィードバック回路に対する１つの代替は、開ループ回路である。従来技術である図１に示すように、センサセル１０は、可動電極１２を第１の電極１４と第２の電極１６の間に備える。また、全ての目的のために全体を参照により本明細書に特に援用する、米国特許第５，６５９，２６２号にも示されるように、電極１４および１６は、各ドライバ１８および２０によって駆動される。各ドライバは、２つの電圧、たとえば０ボルトと５ボルトの間で交番する１００ｋＨｚの方形波を提供する。ドライバからの信号は１８０度位相がずれているため、一方のフィンガセットが０ボルトである間、他方は５ボルトである。
【０００７】
加速度に応答して、ビームが、電極セット１４、１６の一方に向かって移動し、ＡＣ出力信号をビームに出現させる。この信号は、電極１２が移動する方向に向かって電極１４、１６のいずれかのドライバ信号と位相が合い、またミリボルト程度の振幅を有する方形波信号である。振幅は、小さい変位の場合には加速度に比例して概算される。増幅器２２および復調器２６に提供されるビーム信号は、出力端子２８においてＶ／ｇに関して出力信号を生成し、それによって加速度を示す。
【０００８】
この開ループ設計では、加速度が出力信号の大きさから決定されるため、信号を出力端子（たとえば、増幅器および復調器）に提供する信号処理回路が、精密であることが重要である。たとえば、増幅器は、精密な利得を有するべきであり、回路は、温度ドリフトおよび出力に影響する可能性がある他の要因に敏感であるべきではない。
【０００９】
上記力フィードバック設計は、精密な回路の必要性を低減するとともに、寄生容量性作用（parasitic capacitive effect）に起因しうる問題を実質的に軽減する。しかし、力フィードバックは他の欠点を有する。力フィードバックは、レシオメトリック動作を有さず、通常、ＤＣバイアスをセンサに与えなければならず、荷電誘導オフセットおよび他の望ましくない作用を生じさせる。機械的伝達関数がループ内にあるため、ループの安定性が問題になりうる。
【００１０】
開ループ設計もまた同様に欠点を有する。通常、スケールファクタは、可動電極およびこれに接続された回路の寄生容量に依存する。このキャパシタンスは、電圧および温度に伴って変化する接合容量を含み、スケールファクタの変動につながる。所望のレシオメトリック振る舞いは、スケールファクタの温度係数のように、影響を受ける。第１および第３の電極上の駆動信号もまた、第２の電極の位置に伴って変化する静電力を生じさせ、センサの機械的な応答を有効に変化させる。このような静電力は供給電圧とともに変化するため、出力は、厳密にはレシオメトリックではない。
〔発明の概要〕
本発明は、あまり力をセンサに加えることなく、加速力の下でセンサの出力信号を電気的に再平衡させるフィードバック方法を使用する閉ループ電気機械的システムである。本システムは、別のコンポーネントに対して移動可能である可動コンポーネントを備える。このフィードバックは、可動コンポーネント上の力をあまり変更しないように、可動コンポーネント上の出力を電気的にゼロにするように、センサのいくつかのコンポーネントに与えられるクロック信号の平衡を失わせるによって達成される。このフィードバックは、力フィードバックを使用することなく、閉ループ動作の利点を提供し、スケールファクタに対する静電力の作用を最小にする。
【００１１】
本発明は、フィードバックおよび駆動回路、フィードバックおよび駆動回路を有するセンサ、および差動コンデンサタイプの微細加工センサを使用しての感知を実行する方法を含む。センサは、基板上に吊り下げられ、上記センサと同様にして基板に対して可動である可動質量体を備える。
【００１２】
一態様では、本発明は、第１、第２、および第３の電極を備え、第２の電極は、第１の電極と第３の電極に対して可動であり、差動コンデンサを形成する、センサと、駆動信号を第１および第３の電極に提供する第１および第２のドライバと、第２の電極と出力端子の間に接続される信号処理回路と、出力端子と少なくとも第１のドライバとの間に接続され、第１の電極に対する駆動信号振幅を制御するフィードバック回路と、を備える。第１および第２のドライバからの駆動信号は、一方の駆動信号が他方の駆動信号と１８０度位相ずれしている方形波であることが好ましい。第２の電極から出力端子への回路は、増幅器および復調器を含むことが好ましい。
【００１３】
フィードバックは、第２の電極上の信号がゼロになるように、一方（または好ましくは両方）のドライバの振幅を調整する。フィードバックは、好ましくは第２の電極上にＡＣ力が実質的になく、かつ第２の電極上の静電力が変化しないように、一方または双方の駆動信号の振幅を調整させる。第２の電極信号をゼロにするドライバの調整は、第２の電極の動きに対する正確な関係を有し、出力信号は、調整量から精密に決定される。ゼロ化により、スケールファクタに対する静電力の作用は、大幅に最小化される。
【００１４】
電極は、基板上に吊り下げられ、可動ビームおよびフィンガの列（全部で第２の電極を構成する）を備える可動質量体を有する表面微細加工した加速度計の一部であることが好ましい。第１および第３の電極は、基板に対して固定されるフィンガであり、可動ビームから延出するフィンガの両側にある。固定電極は、位相が逆の高周波搬送波信号を用いて駆動される。加速度計は、１つの軸に沿って可動である単一の質量体、２つ以上の質量体、または複数の軸に沿って可動である１つまたは複数の質量体を有しうる。
【００１５】
本発明はまた、第１の電極、第２の電極、および第３の電極を有し、第２の電極が、第１と第３の電極の間にあり、第１および第３の電極に対して可動であり、差動コンデンサを形成する、容量センサと、駆動信号を第１および第３の電極に提供するドライバとを使用して、加速度を感知する方法も含む。本方法は、第２の電極上の信号を処理すること、および一方または好ましくは両方のドライバにフィードバックを提供して、好ましくは、第２の電極上にＡＣ力を発生させることなくまたは静電力を変化させることなく、第２の電極上のＡＣ信号をゼロにすることを含む。
【００１６】
本発明はまた、基板、該基板上に吊り下げられた第１、第２、および第３の電極とを有し、第２の電極が、第１および第３の電極に対して可動である、微細加工センサも含む。好ましくはセンサと同じ基板に集積された回路は、信号を第１および第３の電極に提供するドライバと、第２の電極上の信号を処理するとともに、第２の電極から出力端子に信号を提供する回路と、出力端子とドライバの間にあり、ドライバからの信号を制御するフィードバック回路と、を含む。ドライバは、第１および第３の電極に周期信号、好ましくは互いに１８０度位相がずれた方形波を提供する。フィードバック信号は、ドライバを制御して、好ましくは第２の電極上にＡＣ力を発生させることなくまたは静電力を変化させることなく、第２の電極上の信号をゼロにするように、少なくとも１つの周期信号の振幅を変更させる。
【００１７】
本発明の回路は、多数の異なる形態をとることができる。たとえば、回路は、可動ビームから信号を受信するための１つまたは複数のオペアンプを備えることができる。さらに、１つまたは２つのトランジスタの差動対を有する実施形態、およびオペアンプまたはトランジスタを有する実施形態がある。別の実施形態は、ドライバ回路を有する増幅および復調回路を備える。これらの差動回路は、精度、感度、感度変更能力、スペース、およびコンポーネントの数等、異なる利点および欠点を有する。回路の実施形態は、共通して、別の電極からの入力信号に応答して、電極に提供される少なくとも１つの周期信号の振幅を調整する能力を有する。
【００１８】
本発明のセンサおよび回路は、多数の利点を有する。システムは、閉フィードバック回路網の利点を有し、機械的力に関わらず、レシオメトリック（電源電圧に比例して変化するｇに対するボルトのスケールファクタ）にすることができ、ビーム上の駆動信号に対するＤＣバイアスの必要性をなくす。フィードバックは、少なくとも１つのドライバに提供され、好ましくは各ドライバに提供されて、信号が、感知された加速度に応答してＡＣ成分を持たないように、可動ビーム上の信号をゼロにする。このようなＡＣ成分が実質的にない場合、可動電極上の寄生容量が、その結果生じる出力信号に対して最小の影響を有する。このシステムを使用すると、増幅器が精密な利得を有する必要がなく、回路の利得が温度に敏感ではない必要がないという点において、他の設計と比較して、処理回路において要求される精密性がより低い。したがって、処理回路は、たとえば開ループ設計において使用される処理回路に対して単純化することができる。他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
〔詳細な説明〕
本発明は、回路、回路を備えたセンサ、および感知方法に関する。本発明を表面微細加工した加速度計とともに使用する場合について以下に説明するが、本発明は他の容量センサとともに使用することもできる。
【００１９】
図２を参照すると、本発明によるシステムでは、センサ４０は、第１の電極４４と第２の電極４６の間にあり、差動コンデンサを形成する可動電極４２を備える。第１および第２の電極４４、４６は、互いに対して固定されるが、電極４２は、外力に応答して電極４４、４６の間を移動する。可動電極４２は、高利得ＡＣ増幅器５０および復調器５４に接続され、その出力は出力端子５６に提供される。ドライバ６０および６２はそれぞれ、高周波（たとえば、１００ＫＨｚ）搬送波、好ましくは方形波を提供する。搬送波信号の振幅は等しいまたは同様であり、１８０度位相がずれている。出力端子５６がドライバ６０に接続され、好ましくは、破線６３で示すようにドライバ６２にも接続される。フィードバックが一方のドライバにのみ提供される場合、他方のドライバは、電極４２と電極４４および４６との間の静電力を平衡させるとともに、オフセットをゼロ化するためのトリミング可能なドライバであり、援用された米国特許第５，６５９，２６２号に記載のものと同様である。
【００２０】
図３は、本発明の第１の実施形態による第１および第２の固定電極８８および９４に信号を提供するドライバ６０および６２（ともに組合せられて示される）のより詳細な図を示す。フィードバック電圧Ｖ_fは、オペアンプ７０および７２の非反転入力に提供される。オペアンプ７０および７２の出力は、Ｎ型トランジスタ７４およびＰ型トランジスタ７６それぞれのゲートに接続される。トランジスタ７４は、抵抗器Ｒ１を通して供給電圧Ｖ_DDに接続されたドレイン端子を有する。トランジスタ７４のソース端子８０は、抵抗器Ｒ２およびＲ３を通してオペアンプ７０の反転端子および接地に接続される。トランジスタ７４のドレインおよび抵抗器Ｒ２とＲ３の間のノード８４はそれぞれ、クロックスイッチ８６に接続され、クロックスイッチ８６の出力は第１の固定電極８８に接続される。
【００２１】
トランジスタ７６は、抵抗器Ｒ４およびＲ５を通して供給電圧Ｖ_DDに接続されるとともに、オペアンプ７２の反転端子に接続されたソース端子７８を有する。トランジスタ７６のドレインは、抵抗器Ｒ６を通して接地に接続される。トランジスタ７６のドレイン、および抵抗器Ｒ４とＲ５の間のノード９２はそれぞれ、クロックスイッチ９０に接続され、クロックスイッチ９０の出力は、第２の固定電極９４に接続される。
【００２２】
この回路は２つのオペアンプを備えるが、この設計のオペアンプは抵抗型負荷を駆動する必要がないため、オペアンプの設計はむしろ単純である。
図３における回路の動作について、図３Ａにおける波形も参照して説明する。可動電極９８に対する外部加速がない場合、フィードバックされる信号Ｖ_fはＶ_DD／２に等しい。電圧Ｖ_fはトランジスタ７４のソースにも現れるが、これは、抵抗器Ｒ３の電圧が（Ｖ_f）（Ｒ３）／（Ｒ２＋Ｒ３）であることを意味する。Ｒ３＝Ｒ１であるため、抵抗器Ｒ３およびＲ１の電圧降下は同じである。抵抗器Ｒ２は、抵抗器Ｒ３の値よりもはるかに高い値を有するため、抵抗器Ｒ１およびＲ３の電圧は、Ｖ_fと比較して低い。抵抗器Ｒ１およびＲ３の電圧降下がｘである場合、クロックスイッチ８６は、ｘとＶ_DD-Xの間で振幅が交互になる方形波を生成する。電圧をクロックスイッチ９０に提供する回路は、この場合、Ｖ_fが接地を参照するのではなく供給電圧Ｖ_DDを参照することを除き、クロックスイッチ８６の場合の回路と同様である。図３に示すように、抵抗器の値の例は、Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ６＝１キロオーム、およびＲ２＝Ｒ５＝４０キロオームである。Ｖ_DDが５ボルトに等しく、したがって加速がないＶ_f＝２．５ボルトと仮定すると、抵抗器Ｒ１およびＲ３の電圧ｘは約６０ミリボルトであるため、クロックト信号が０．０６ボルトと４．９４ボルトの間で交互になる。また図３Ａを参照すると、Ｖ_fが電極９８の移動に応答して増減するにつれ、一方の方形波がより大きい最大およびより小さい最小を有することになり、他方の方形波がより小さい最大およびより大きい最小を有する。各電極については、各電極がまだＶ_DD／２にセンタリングされている。
【００２３】
正のＶ_fは、可動電極９８が固定電極８８に近付いて移動し、したがって、電極９８上の差動電圧出力がなく、可動電極と各固定電極の間の静電力の等しさを維持するために、固定電極９４上により高い駆動信号が必要であることを意味する。微細加工センサでは、出力の全範囲は、１０〜２０ミリボルト程度でありうるため、接地より６０ミリボルト大きく、かつＶ_DDよりも６０ミリボルト小さいことにより、出力に対して十分な余地を提供する。
【００２４】
図４は、１つのみのオペアンプを必要とし、制御トランジスタを必要としないドライバ回路の第２の実施形態を示す。この場合におけるオペアンプは、図３の回路において使用されるオペアンプよりも比較的難しい。これは、図４の回路におけるオペアンプは抵抗型負荷を駆動する必要があるためである。
【００２５】
電圧Ｖ_fは、抵抗器Ｒ７を通してオペアンプ１４０の反転端子に提供される。オペアンプ１４０の非反転入力は、Ｖ_DD／２の電源に接続される。オペアンプ１４０の出力は、抵抗器Ｒ８を通して反転端子にフィードバックされる。電圧Ｖ_fは、抵抗器Ｒ９およびＲ１０を通して供給電圧Ｖ_DDに接続され、また抵抗器Ｒ１１およびＲ１２を通して接地に接続される。抵抗器Ｒ９とＲ１０の間にはノード１４２があり、抵抗器Ｒ１１とＲ１２の間にはノード１４４がある。
【００２６】
オペアンプ１４０の出力は、ノード１５０に接続され、このノード１５０は抵抗器Ｒ１３およびＲ１４を通して供給電圧Ｖ_DDに接続され、また抵抗器Ｒ１５およびＲ１６を通して接地に接続される。抵抗器Ｒ１３とＲ１４の間にはノード１５２があり、抵抗器Ｒ１５とＲ１６の間にはノード１５４がある。
【００２７】
センサ部分は、互いに対して固定された電極１６４と１６６の間に可動電極１６８を有する。電極１６４を通しての駆動信号は、ノード１４４からの入力とノード１５２からの入力の間で交互になるクロックスイッチ１６０を通して提供される。電極１６６は、ノード１４２からの信号とノード１５４からの信号の間で交互になるクロックスイッチ１６２を通して駆動信号を受信する。したがって、結果得られる駆動信号は、振幅が等しいまたは同様であり、１８０度位相がずれた方形波である。
【００２８】
図４における回路の波形は、図３Ａの波形と実質的に同じである。たとえば、図４の場合、クロックスイッチ１６２は、（ａ）Ｖ_DDから、抵抗器Ｒ１０の電圧降下を差し引いたものと、（ｂ）抵抗器Ｒ１６の電圧降下と、の間で交互になるが、クロックスイッチ１６０は、（ｃ）Ｖ_DDから抵抗器Ｒ１４の電圧降下を差し引いたものと、（ｄ）抵抗器Ｒ１２の電圧降下との間で交互になる。同様に、方形波は、０．０６ボルトと４．９４ボルトの間で交互になる。
【００２９】
図３および図４の実施形態双方において、フィードバック信号は、約Ｖ_DD／２にセンタリングされた方形波を使用して双方のドライバに提供され、相補的にドライバの振幅を変更させる。すなわち、一方のドライバの振幅は、他方の振幅が低減する量と同じだけ増大する。このような実施形態では、ＡＣ静電力はごくわずかであり、ビーム位置に伴う静電力の変化もごくわずかである。この特性により、高周波力（high frequency force）の可能性が低減し、出力応答がよりレシオメトリックになる。
【００３０】
図５の実施形態では、オペアンプも制御トランジスタも必要ないが、この場合、ドライブの半分のみが調整される。回路の複雑性はより低いが、図３および図４の実施形態とは異なり、ビームが加速に応答して移動するため、駆動信号は、Ｖ_DD／２を中心にして対称のままではない。したがって、低減されるがなくなりはしない、いくらかのＡＣ静電力および電気ばね作用がある。電圧Ｖ_fは、抵抗器Ｒ１７およびＲ１８を通して供給電圧Ｖ_DDに、また抵抗器Ｒ１９およびＲ２０を通して接地に接続される。ノード１７０が抵抗器Ｒ１７とＲ１８の間にあり、ノード１７２が抵抗器Ｒ１９とＲ２０の間にある。供給電圧Ｖ_DDもまた、抵抗器Ｒ２１、Ｒ２２、およびＲ２３を通して接地に接続され、ノード１７４が抵抗器Ｒ２１とＲ２２の間にあり、ノード１７６が抵抗器Ｒ２２とＲ２３の間にある。
【００３１】
センサは、固定電極１７８および１８０と、該電極１７８と１８０の間にある可動電極１８２とを有し、差動コンデンサを形成する。電極１７８は、ノード１７０から受信する信号とノード１７６から受信する信号の間で交互になるクロックスイッチ１８４を通して駆動信号を受信する。電極１８０は、ノード１７２および１７４上の信号の間で交互になるクロックスイッチ１８６に接続される。
【００３２】
図５Ａに示すように、この実施形態では、駆動信号が、電荷に応答してＶ_DD／２にセンタリングされない。１つの駆動信号は、量ｙだけ増大するため、ハイサイクル中の公称量よりもわずかに上であり、他方の波形は、駆動信号の値が低い間、フィードバックに応答して量ｙだけ低減する。このような変化の作用は、破線で示される。示すように、振幅ｙを有する周期信号がある。但し、ｙ＜＜Ｖ_DDである。
【００３３】
図３、図４、および図５によって示されるように、多数の異なる実施形態を使用することができるが、これら異なる実施形態では、共通して、固定電極に対する駆動電圧がフィードバックを通して制御される。図３および図４の実施形態はさらに、共通して、各固定電極と可動電極の間の静電力の差がなくなるため、電気ばね作用がなくなる。この静電力の除去は、図６を参照して示される。可動電極１８０は、固定電極１８２および１８４から公称で距離ｄで離間され、各電極１８２および１８４と電極１８０の間には公称電圧Ｖがある。外部から加えられる加速は、可動ビームを固定ビーム１８２に向けて距離ｘ移動させる。本発明によるフィードバックを用いると、ドライバにフィードバックされる信号が、量ｚだけ双方のクロック駆動信号の振幅を変更し、一方をｚだけ増大させ、他方をｚだけ低減させる。力はおおよそＶ²／ｄ²に比例し、静電力を等化するため、（Ｖ−ｚ）²／（ｄ−ｘ）²＝（Ｖ＋ｚ）²／（ｄ＋ｘ）²である。クロック駆動信号の電圧を調整することにより、可動ビーム１８０上のＡＣ信号をゼロ化するおおよそ同じ振幅において、力を等化することができる。したがって、力フィードバックを用いて電極を再びセンタリングする機械的な手法とは対照的に、力は最小化され、実質的に電気的に低減（たとえば、少なくとも１０分の１）される。
【００３４】
図７は、どのように本発明の回路を表面微細加工した加速度計とともに使用するかを示す。図７は、ここでは例示のために示される、既知のタイプの微細加工した加速度計のセンサ部分のかなり簡略化された上面図である（より詳細な図は、援用した特許に示される）が、差動コンデンサを有する他の構造を使用してもよい。センサ構造１００は、基板に対して垂直に延出するアンカー１０６に接続されたテザー１０４を使用して、基板１０２上に吊り下げられる。センサ構造１００は、ｘ軸と沿って移動可能な中央ビーム１０８と、ｘ軸に垂直な方向に沿って延出する可動フィンガ１１０（ビーム１０８とともに移動し、基板に対して移動可能である）とを有する。フィンガ１１０はそれぞれ、２つの固定フィンガ１１２と１１４の間にあり、差動コンデンサを形成する。上記ドライバおよび読み出し回路を形成する回路もまた、基板上に集積され、まとめて回路１１６として表される。ｘ軸に沿った加速に応答して、回路１１６が、フィンガ１１２および１１４に提供される信号を制御し、好ましくはビーム上の信号がＡＣ成分を持たない。
【００３５】
図８〜図１０は、ドライバ回路のさらなる実施形態の概略図である。図８における回路２００は、フィードバックが一方の駆動信号を変化させるという点において、図５に示される回路と同様である。回路２００では、可動電極からの入力信号はオペアンプ２０２に提供され、オペアンプ２０２の出力はＦＥＴ２０４に提供される。抵抗器Ｒ２４＝Ｒ２５＝Ｒ２６＝Ｒ２７であり、これら抵抗器は、抵抗器Ｒ２８およびＲ２９よりも低い抵抗を有する。この実施形態では、抵抗器Ｒ２８はバイアス、オフセット、およびスケールを設定する。信号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、図５におけるスイッチ１８４および１８６に提供される４つの信号に対応する。結果得られる波形は、図５Ａに示される波形と同様である。
【００３６】
図９および図１０は、２つの差動増幅器または１つの差動増幅器それぞれを有する回路の実施形態を示す。図９の回路は本質的に２つの差動増幅器２１２、２１４を有し、これら差動増幅器はそれぞれ差動トランジスタ対を有し、一方のトランジスタは入力信号を受信し、他方はそのベースにおいて固定電圧Ｖ_DD／２を受信する。抵抗器Ｒ３０、Ｒ３１、Ｒ３２、およびＲ３３はすべて等しく、抵抗器Ｒ３４およびＲ３５と比較して比較的小さい。抵抗器Ｒ３４およびＲ３５は、回路の感度を設定するために使用される。この回路の利点は、回路の他のコンポーネントを変更することなく、感度を変更することができることである。
【００３７】
図１０は、本質的に２つの電流ミラーを使用して、抵抗器Ｒ３８およびＲ４０を通して、またＲ４０およびＲ４１を通して電流を提供する単一の差動対を有することを除き、図９に示す回路と同様の回路２２０を有する。この回路もまた、抵抗器Ｒ４２を使用して感度を調整することができる。この実施形態は、オペアンプの使用も回避しており、コンパクトであり、回路の残りの部分を変更することなく、感度を調整することができる。
【００３８】
図３〜図５および図８〜図１０とともに上述した実施形態はそれぞれ、４つの信号を有し、２つの信号が第１の電極に接続された第１のスイッチに提供され、他の２つの信号は、第２の電極に接続された第２のスイッチに接続される。図１１に示すように、回路は、一対の差動コンデンサ構造とともに使用することが可能である。信号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、差動コンデンサ構造を駆動する方形波駆動信号のレベルを設定する。この構成は、対から差動出力を提供する。図１１は、第１の差動コンデンサ２４２および第２の差動コンデンサ２４４を有する回路２４０を示す。これらコンデンサは、可動電極２４６および２４８と、固定電極２５０、２５２、２５４、および２５６を有する。スイッチ２６０、２６２、２６４、および２６６はそれぞれ、固定電極２５０、２５２、２５４、および２５６に接続される。
【００３９】
図１２を参照すると、本発明の別の実施形態では、増幅器、復調器、およびドライバが、増幅器段３０２、復調器段３０４、およびドライバ段３０６を有する単一回路３００に効率的に組合せられている。増幅器段３０２は、差動トランジスタ対３１０、電流ミラー３１２、およびカスコードトランジスタ３１４を有する。カスコードトランジスタ３１４のドレインは、ノード３１６において復調器段３０４に対する高インピーダンス入力である。ノード３１６における信号はスイッチ３１８および３２０に提供され、スイッチ３１８および３２０は、その信号を交互に積分器３２２および３２４に提供される。これら積分器は、復調を行うとともにループ帯域幅を制御する各コンデンサＣ２およびＣ１を備える。復調器３２２および３２４中のトランジスタのソースは、互いに接続されるとともに、トランジスタ３３６のゲートに接続される。トランジスタ３３６のドレインは、カスコードトランジスタ３１４のソースに接続される。トランジスタ３３６は、トランジスタ３１４のソースから電流を引き込み、トランジスタ３２０および３２２におけるＤＣ電圧を固定バイアスに設定するフィードバックを提供する。
【００４０】
ノード３２６および３２８における復調信号は、ドライバ段３０６におけるＭＯＳトランジスタ３３０および３３２の各ゲートに提供される。結果得られる出力信号Ｖ₀₁およびＶ₀₂は、トランジスタ３３０および３３２のソースに提供される。これらソースはまた、抵抗器Ｒ４６およびＲ４７を通して、また抵抗器Ｒ４９およびＲ５０を通してそれぞれ供給電圧Ｖ_ddに接続される。トランジスタ３３０および３３２のドレインは、各抵抗器Ｒ４８およびＲ５１を通して基板に接続される。抵抗器Ｒ４７およびＲ５０は、好ましくは、抵抗器Ｒ４６、Ｒ４８、Ｒ４９、およびＲ５１よりもかなり大きく、抵抗器Ｒ４６、Ｒ４８、Ｒ４９、およびＲ５１は、好ましくは互いに等しい。たとえば、抵抗器Ｒ４７およびＲ４６の抵抗は、約１４：１の比を有する。結果得られる信号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、上述したようにクロックスイッチに提供される。
【００４１】
動作は本質的に、上記他の実施形態と同様である。ビーム上のＡＣ信号は、差動増幅器段によって増幅され、復調されて、出力として提供され、ドライバ段における抵抗器の比によって縮小される信号を得る。
【００４２】
図１２の回路は、１つの軸に沿って移動する単一可動ビーム、１つの軸における複数のビーム、または複数の軸に沿って移動するビームとともに使用することが可能である。１つの軸に沿って移動するビームを使用する単一ビーム実施形態では、回路３００に対する入力の一方は、Ｖ_SD／２に接続される一方、他方の入力はビームに接続される。２ビーム実施形態では、各ビームが回路３００に対する入力の１つに接続される。
【００４３】
２つの軸に沿って移動する単一ビームについての実施形態は、図１３に簡略化した形態で示される。ビーム３５０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿っての移動を感知する感知フィンガを各側に有する。ビーム３５０からの信号は、増幅器段３５２に提供されてから、図１２の実施形態における段３０４と等価の２つの実質的に同一の復調器段３５４および３５６に提供される。次に、２つの軸上の信号を分離するために直角位相の復調された出力が、ドライバ段３５８および３６０それぞれに提供され、ドライバ段３５８および３６０はそれぞれ、図１２の実施形態におけるドライバ段３０６と実質的に同様である。したがって、図１２の回路は、異なるタイプの加速度計に対する柔軟性を提供する。
【００４４】
図１４は、本発明の別の実施形態の概略図である。この実施形態は、増幅器段４０２、復調器段４０４、およびドライバ段４０６を有する単一回路４００があることから、図１２の実施形態と多くの点において同様である。増幅器段４０２は、差動トランジスタ対４０８、電流ミラー４１２、およびカスコードトランジスタ４１０を含む。動作は、図１２とともに上述した動作と本質的に同様である。
【００４５】
図１２および図１４の回路は、その他の実施形態のうちのいくつかを超える特定の利点を有する。フィードバックループにおけるすべての回路は本質的に、単一ポールを有するオペアンプとほとんど同様である１つの統一回路に組合せられる。設計は、低電力であり、低電圧を含む広い供給範囲で作動するとともに、広い帯域幅を有する。この実施形態における増幅器段および復調器段は、スケーリングファクタを正確にすることができる限り、特に精密である必要はない。回路は単一ポールのみを有するため、補償が容易である。このフィードバック手法は、ループから二次機械的伝達関数をなくすため、あらゆるビーム共鳴周波数すなわちＱに関してループを安定化させる。
【００４６】
本発明の実施形態を説明したが、併記の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱せずに、変更を行うことができることは明らかなはずである。たとえば、加速度計の構造は、例示的なものである、他の電極構造も使用しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術による開ループ回路を示す概略ブロック図である。
【図２】 本発明による回路を使用するセンサの概略ブロック図である。
【図３】 図３は、図２のドライバ回路の実施形態の概略図であり、図３Ａは、図３および図４の回路の電極上の波形のグラフを示す。
【図４】 図２のドライバ回路の実施形態の概略図である。
【図５】 図５は、図２のドライバ回路の実施形態の概略図であり、図５Ａは、図５の回路の電極上の波形のグラフを示す。
【図６】 ビームの寸法およびビーム上の力を示す図（pictorial view）である。
【図７】 本発明による微細加工センサの上面図である。
【図８】 図２のドライバ回路の実施形態の概略図である。
【図９】 図２のドライバ回路の実施形態の概略図である。
【図１０】 図２のドライバ回路の実施形態の概略図である。
【図１１】 図１１および図１１Ａは、２つの差動コンデンサを有する本発明のシステムの使用を概略的に示す。
【図１２】 増幅器、復調器、およびドライバ回路が組み合わされた本発明の実施形態の概略図である。
【図１３】 ２軸センサと併用される図１２の回路の部分ブロック図である。
【図１４】 増幅器、復調器、およびドライバ回路が組み合わされた本発明の実施形態の概略図である。

Claims (11)

1. 第１の電極と、
   第１の周期信号を前記第１の電極に提供する第１のドライバと、
   第２の電極と、
   第２の周期信号を前記第２の電極に提供する第２のドライバであって、前記第１および第２の周期信号は、互いに１８０度位相がずれている、該第２のドライバと、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間にあり、該第１および第２の電極に対して移動可能である第３の電極であって、前記第１、第２、および第３の電極は、差動コンデンサを形成する、該第３の電極と、
   該第３の電極に接続される増幅器を有し、前記第３の電極の移動に応答して、前記第１および第２の周期信号の振幅を変更するために、前記第１および第２のドライバにフィードバックされる出力信号を提供する信号処理回路であって、前記第１の周期信号の振幅の変化により、前記第３の電極が周期成分を実質的に持たなくなるように前記第３の電極上の信号を変化させ、前記第３の電極と前記第１の電極との間の静電力と、前記第３の電極と前記第２の電極との間の静電力とを実質的に等しくして、前記第３の電極を機械的に再びセンタリングすることなく前記静電力を低減させる、該信号処理回路と、
   を備える、センサ。
2. 前記第１、第２、および第３の電極は、前記第１および第２の電極が基板に対して固定され、前記第３の電極が、前記基板上に吊り下げられ、前記基板に対して横方向に移動可能であるように、基板上に表面微細加工された電極である、請求項１記載のセンサ。
3. 前記第１および第２のドライバは、互いに１８０度位相がずれた方形波信号を前記第１および第２の電極それぞれに提供する、請求項１記載のセンサ。
4. 前記第１の電極に向けての前記第３の電極の移動に応答して、前記第１の周期信号の振幅は電圧Ｖだけ増大され、前記第２の周期信号の振幅は該電圧Ｖだけ低減される、請求項１記載のセンサ。
5. 前記第１および第２のドライバは、方形波信号を前記第１および第２の電極に提供する、請求項１記載のセンサ。
6. 前記第１のドライバは、第１のドライバから方形波の平均値がＶ_s／２になるように、０でない電圧ｖとＶ_s−ｖの間の該方形波を提供し、Ｖ_sは供給電圧である、請求項５記載のセンサ。
7. 前記ｖが前記Ｖ_sよりも非常に小さい、請求項６記載のセンサ。
8. 基板と、
   前記基板上に吊り下げられ、前記基板に対して横方向に移動可能な質量体であって、該質量体は該質量体とともに横方向に移動可能な複数の延出した可動電極を含む、該質量体と、
   前記基板上に吊り下げられ、前記基板に対して移動不可能な第１の固定電極と、
   前記基板上に吊り下げられ、前記基板に対して移動不可能な第２の固定電極であって、前記可動電極、前記第１の固定電極および第２の固定電極が差動コンデンサを形成する、該第２の固定電極と、
   前記可動電極に接続され、増幅された交流信号を提供する増幅器と、
   前記増幅器に接続され、前記増幅された交流信号を受信し、復調された信号を提供する復調器と、
   前記復調された信号を受信し、第１および第２のフィードバック電圧を提供するスケーリング段であって、前記フィードバック電圧は、スケーリング段における抵抗器の比によって出力電圧に関連する、該スケーリング段と、
   前記第１および第２のフィードバック電圧を前記第１の固定電極に交互に提供して、第１の周期信号を前記第１の固定電極に提供する第１のスイッチであって、前記第１の周期信号が、前記可動電極を機械的に再びセンタリングすることなく前記交流信号を低減させる、該第１のスイッチと、
   を備える、微細加工された装置。
9. 前記スケーリング段は、第３および第４のフィードバック電圧をさらに提供し、前記装置は、前記第３および第４のフィードバック電圧を前記第２の固定電極に交互に提供する第２のスイッチをさらに備える、請求項８記載の装置。
10. 前記スケーリング段は、２つの固定電源の間に第１、第２、および第３の抵抗器を直列に備え、前記第１および第３の抵抗器は抵抗が等しく、またスケーリングファクタだけ前記第２の抵抗器よりも小さい、請求項８記載の装置。
11. 前記可動電極は、第１の方向に沿って延出し、
    前記質量体は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に延出する複数の電極を含む第２の可動電極と、前記第２の可動電極とともに第２の差動コンデンサを形成する第３および第４の固定電極とを有する、請求項８記載の装置。

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