JP4944090B2 - 共振微小電気機械システムの共振周波数を制御する装置 - Google Patents

Description

本発明は、共振微小電気機械システムの共振周波数を制御する装置に関する。

微小電気機械構造並びにそれに関連する読出し及び駆動回路を有する種々のタイプの共振微小電気機械システムが知られている。微小電気機械構造は、固定部すなわち固定子と、mass-spring-damperモデルに従って弾性接続要素により固定子に拘束された可動部とを具える。特に、接続要素は、予め決定された自由度に対して選択的に釣り合いの位置の周りで移動部の共振を小さくすることができるように構成される。固定子に対する可動部の共振は、接続要素の弾性率及び可動部それ自体の質量に依存する固有共振周波数によって特徴付けられる。

さらに、可動部及び固定子は、複数の櫛歯電極によって容量結合されている。固定子に対する可動部の相対位置は、電極間の全体の結合容量を決定する。その結果、電極間の全体の結合容量を、固定子に対する可動部の相対位置、したがって、可動部それ自体に作用する力に対する可動部の相対位置に到達するために読出し及び駆動回路によって測定することができる。それに対して、読出し及び駆動回路は、電極に適切なバイアスをかけることによって固定子と可動部との間に制御された静電力を加えることができる。

一定の静電力を加えることによって、釣り合いの位置に対する可動部の零でない平均変位を決定し、可動部と固定子との間の接続要素の弾性率に加えられる（摩擦）弾性率と同一の影響が及ぼされる。実際には、mass-spring-damper系の固有共振周波数も変更することができる。

このようにできることは、ＭＥＭＳ共振器やジャイロスコープのような微小電気機械装置の製造において非常に重要であり、固有共振周波数の値は、決定的な役割を有する。実際には、前記値を、製造中の変わりに完成した装置で較正することができるので、製造のプロセスは、あまり重要でなく、簡単である。

読出し及び駆動回路は、特に、固定子の電極の容量的な変動を検出するとともに帰還量、典型的には電圧を派生する差動増幅器を有する。帰還電圧は、固定子と可動部との間に静電力を発生する。

現在の読出し及び駆動回路の制約は、共振周波数の構成に利用できる力学が幾分制限されていることにある。特に、固定子の電極は、差動増幅器の入力部に永久に結合されたままであるが、同相電圧の値でバイアスをかける必要がある（通常、同相電圧は、利用できる最大供給電圧と最小供給電圧の中央にある。）。差動増幅器の入力部の電圧は、差動増幅器の飽和を防止するために同相電圧から著しく外れなくする必要がある。その結果、ＭＥＭＳの弾性率及び固有共振周波数を変更するために固定子の電極に供給することができる電圧は、利用できる最大の力の限定された部分しか利用することができない。換言すれば、ＭＥＭＳの共振周波数を、値の狭い範囲内でしか較正できない。

本発明の目的は、上記欠点のない、共振微小電気機械システムの共振周波数を制御する装置を提供することである。

本発明によれば、請求項１に規定したような共振微小電気機械システムの共振周波数を制御する装置を提供する。

本発明の更なる理解のために、添付図面を参照して実施の形態を説明するが、実施の形態は本発明を制限するものではない。

詳細な説明において、微小電気機械共振器における本発明の使用を参照する。しかしながら、これは、本発明をＭＥＭＳジャイロスコープのような異なるタイプの共振微小電気機械システム及び固有共振周波数を制御する必要がある全ての微小電気機械構造に適用できる限り、適用範囲を限定するものと考えるべきではない。

図１は、微小電気機械共振器１を示し、電気機械構造１は、帰還ループ４を形成するように接続された微小電気機械構造２（以後、簡単に微小構造２と称する。）並びに読出し及び駆動回路３を具える。微小電気機械共振器１は、後に詳しく説明するように、微小構造２の力学特性によって決定される固有共振周波数ω_Ｒを有する。読出し及び駆動回路３は、制御された周波数の振動で微小構造２を維持し、微小構造２それ自体によって、微小電気機械共振器１の共振周波数を制御する装置を形成する。

読出し及び駆動回路３は、差動段５及び帰還段６を有する。それ自体既知の帰還段６は、例えば、可変利得増幅器（ＶＧＡ）、典型的には電圧制御増幅器に基づき、バルクハウゼンの基準による帰還ループ４の振幅及び位相に関する共振の条件を設定する。特に、共振の条件は、制御された振幅及び位相の方形波帰還信号Ｓ_ＦＢによって保証される。微小電気機械共振器１は、制御ユニット７に接続され、制御ユニット７は、微小電気機械共振器１の共振周波数を較正する較正信号Ｓ_ＣＡＬを発生する。

図２及び３に詳しく説明するように、微小構造２は、半導体チップ８に集積され、固定部すなわち固定子１０及び可動部１１を具える。稼動部１１は、ばね１２によって固定子１０に拘束され、ばね１２も半導体材料によって構成され、図３においてＹ_０を付した釣り合いの位置を中心にして稼動部１１がＹ軸に沿って振動できるようにする。

固定子１０及び可動部１１は容量的に結合される。詳細には（図３）、互いに絶縁された複数の第１の固定電極１３ａ及び複数の第２の固定電極１３ｂを固定子１０に設けるとともに、複数の可動電極１４を可動部１１に設ける。第１及び第２の固定電極１３ａ，１３ｂ及び可動電極１４は全て、Ｙ軸に垂直に延在する平坦な半導体プレートとして形成され、櫛歯形状となる。更に正確には、各可動電極１４が一方の側で各固定電極１３ａに対向するとともに他方の側で各第２の固定電極１３ｂに対向して第１のコンデンサ１５ａ及び第２のコンデンサ１５ｂをそれぞれ形成するように、固定子１０及び可動部１１を配置する。さらに、第１の固定電極１３ａは、第１の固定子端子１７ａに平行に電気接続され、第２の固定電極１３ｂは、第２の固定子端子１７ｂに平行に接続される。移動電極１４は、可動部１１及びばね１２を通じて共通端子１８に接続され、その全ては半導体材料で構成される。

移動部１１は、

によって与えられる固有共振周波数ω_Ｒによって特徴付けられる動きによって釣り合いの位置Ｙ_０を中心にして振動することができ、この場合、Ｋ_Ｍを、ばね１２に関連した（機械的な）弾性率とし、Ｍを、可動部１１の質量とする。

移動体１１が釣り合いの位置Ｙ０に対して変位ΔＹを有し、第１及び第２の固定電極１３ａ，１３ｂが、可動電極１４に対する同一の変位電圧Ｖ_Ｓがかけられるとき、各可動電極１４は、Ｙ軸に沿って互いに逆の二つの静電気力Ｆ_Ｅ１，Ｆ_Ｅ２が課され（図３）、これらは、

によって与えられる。

式（２）において、Ｙ_Ｇを、移動体１１が釣り合いの位置Ｙ_０にあるときの各可動電極１４とそれに隣接する第１及び第２の固定電極１３ａ，１３ｂとの間の距離とし、Ｃ_ＮＯＭを、移動体１１が釣り合いの位置Ｙ_０にあるときのコンデンサ１５ａ，１５ｂの容量とする。各可動電極１４に加えられる結果的に得られる静電気力Ｆ_ＥＲは、

となり、変位が小さい（Ｙ_Ｇ≪ΔＹ）と仮定すると、

となる。

式（４）は、結果的に得られる静電気力Ｆ_ＥＲと変位ΔＹとの間の正比例を示す。結果的に得られる静電気力Ｆ_ＥＲの影響は、負の弾性率を有する仮想的な弾性力の影響に等しい。したがって、

で与えられる静電弾性率Ｋ_Ｅを導入することができる。

式（５）からわかるように、静電弾性率Ｋ_Ｅは、変位電圧Ｖ_Ｓに相関する。その結果、固定電極１３ａ，１３ｂが、可動電極１４に対する変位電圧Ｖ_Ｓによってバイアスがかけられると、可動部の動きは、

によって与えられる等価弾性率Ｋ_ＥＱ及び変換された共振周波数ω_ＲＳによって特徴付けられる。

差動段５を詳細に示す図４において、微小構造２は、電気的な見地から第１及び第２の固定子端子１７ａ，１７ｂと、共通端子１８と、第１の等価コンデンサ１９ａと、第２の等価コンデンサ１９ｂと、寄生コンデンサ２０とによって表される。第１の等価コンデンサ１９ａは、第１の固定子端子１７ａと共通端子１８との間に接続され、全ての第１のコンデンサ１５ａの容量の和に等しい可変容量を有する。同様に、第２の等価コンデンサ１９ｂは、第２の固定子端子１７ｂと共通端子１８との間に接続され、全ての第２のコンデンサ１５ｂの容量の和に等しい可変容量を有する。寄生コンデンサ２０は、（グランドに向かう）固定子端子１７ａ，１７ｂ及び共通端子１８に関連した寄生容量を表す。さらに、図４ａ及び図４ｂは、駆動信号Ｓ_{ＳＥＮＳＥ}及びリセット信号Ｓ_ＲＥＳを発生する局所発振器１６を示し、これらの信号はいずれも方形波信号である。読出し及び駆動信号Ｓ_{ＳＥＮＳＥ}は、共通端子１８に供給され、それに対して、リセット信号Ｓ_ＲＥＳは、差動段５をクロックするのに用いられる。図５に示すように、駆動信号Ｓ_{ＳＥＮＳＥ}及びリセット信号Ｓ_ＲＥＳは、好適には同一周期Ｔ及び互いに逆の論理値を有する。さらに、読出し及び駆動信号Ｓ_{ＳＥＮＳＥ}は、半周期より長い時間（例えば、周期Ｔの２／３）ハイレベルとなり、リセット信号Ｓ_ＲＥＳは、半周期より短い時間（例えば、周期Ｔの１／３）ハイレベルとなる。

差動段５は、以後簡単に差動増幅器２１と称する十分な差動切替コンデンサチャージアンプを具え、直流減結合コンデンサ２３と、帰還コンデンサ２５と、同相電圧源２６と、個々では給電線として線形的に表す変位電圧源２７とを更に有する。

差動増幅器２１は、二つの入力部２８及び二つの出力部３０を有し、チャージアンプの形態をとる。

リセット信号ＳＲＥＳによって作動する第１のスイッチ３１の各々によって、差動増幅器２１の入力部２８は、同相電圧Ｖ_ＣＭを発生する同相電圧源２６に選択的に接続することができる。好適には、同相電圧Ｖ_ＣＭを、各給電線３２，３３によって差動増幅器２１に供給される最大供給電圧Ｖ_ＤＤと最小供給電圧Ｖ_ＳＳとの間の平均とする。

差動増幅器２１の入力部は、各直流減結合コンデンサ２３の第１の端子に接続され、直流減結合コンデンサ２３は、第１の固定子端子１７ａ及び第２の固定子端子１７ｂにそれぞれ接続した第２の端子を有する。直流減結合コンデンサ２３は、差動増幅器２１の入力部２８と微小構造２の固定子端子１７ａ，１７ｂとの間で直流減結合を行うようサイズが設定される。ゼロでない周波数、特に、固有共振周波数ω_Ｒの周辺の周波数を有する電気信号を、直流減結合コンデンサ２３を通じて送信することもできる。

リセット信号Ｓ_ＲＥＳによって作動する第２のスイッチ３５の各々によって、直流減結合コンデンサ２３の第２の端子、したがって、微小構造２の第１及び第２の固定子端子１７ａ，１７ｂは、同相電圧Ｖ_ＣＭに依存しない調整可能な変位電圧Ｖ_Ｓを発生する変位電圧源２７に選択的に接続することができる。図６に示すように、変位電圧源２７は、変位電圧Ｖ_Ｓを発生する可制御電圧発生器３６と、制御ユニット７に接続されるとともに較正信号Ｓ_ＣＡＬを受信する調整回路３７とを具える。調整回路３７は、較正信号Ｓ_ＣＡＬに従って変位電圧Ｖ_Ｓを制御するよう可変電圧源３６に作用する。

再び図４を参照すると、帰還コンデンサ２５は、差動増幅器２１の各出力部３０と各直流減結合コンデンサ２３の第２の端子との間にそれぞれ接続される。

差動増幅器２１の出力部３０の両端間に、固定子１０に対する微小構造２の可動部１１の変位に相関した出力電圧Ｖ_Ｏが存在する。

電気機械共振器１の共振周波数を制御する装置の動作は、周期的に繰り返される２ステップを想定する。

リセットステップ（図４）において、第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３５は、閉回路状態である（リセット信号Ｓ_ＲＥＳの波形を示す図５も参照。）。その結果、差動増幅器２１の入力部２８は、同相電圧源２６に接続されるとともに同相電圧Ｖ_ＣＭとなり、それに対して、微小構造２の第１及び第２の固定子端子１７ａ，１７ｂは、変位電圧源２７に接続されるとともに変位電圧Ｖ_Ｓを受信する。リセットステップにおいて、差動増幅器２１の入力部２８及び微小構造２の固定子端子１７ａ，１７ｂには、バッテリとして動作するとともにここで説明する実施の形態において電圧Ｖ_Ｓ−Ｖ_ＣＭで充電される直流減結合コンデンサ２３のために互いに独立した電圧でバイアスをかけることができる。

次の読出しステップ（図４ｂ）において、第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３５は、差動増幅器２１の入力部２８及び微小構造２の固定子端子１７ａ，１７ｂを電圧源２６，２７から切り離すために開状態になる。このステップにおいて、直流減結合コンデンサ２３は、バッテリとして動作するとともに、第１及び第２の固定子端子１７ａ，１７ｂに変位電圧Ｖ_Ｓを印加する。その結果、電気機械共振器１は、式（５）〜（７）により変位電圧Ｖ_Ｓの値によって与えられるとともに固有共振周波数ω_Ｒと異なる変換された共振周波数ω_ＲＳで共振させられる。明らかに、変換された共振周波数ω_ＲＳの値を、較正信号Ｓ_ＣＡＬにより第２の電圧源２７に作用することによって較正することができる。

読出しステップにおいて、差動増幅器２１は、電荷パケットΔＱを読出し、電荷パケットΔＱは、固定子端子１７ａ，１７ｂにより供給され又は吸収され、第１の等価キャパシタ１９ａの容量と第２の等価キャパシタ１９ｂの容量との間の容量的な不均衡が部分的な原因となり、共通端子１８に供給される読出し及び駆動信号Ｓ_{ＳＥＮＳＥ}が部分的な原因となる。電荷パケットΔＱは、差動増幅器５によって変換され、差動増幅器５は、出力電圧Ｖ_Ｏを発生し、変換された共振周波数ω_ＲＳで共振を行う。直流減結合コンデンサ２３は、出力電圧Ｖ_Ｏの影響が無視できるようにサイズが設定される。

上記記載から明らかなように、本発明によって、共振周波数を較正する微小電気機械共振器の最小供給電圧及び最大供給電圧によって利用できる全体の力学のほとんどを利用することができる。特に、差動増幅器の入力部と微小構造の固定子端子との間の接続によって設定される制約が取り除かれ、したがって、差動増幅器の入力部及び微小構造の固定子端子は、独立した変位電圧を受信することができる。また、共振周波数を、非常に広い値の範囲内で較正することができる。さらに、直流減結合コンデンサ２３によって、出力の電子的な雑音及びオフセットを減少することができる。

最後に、特許請求の範囲で規定した本発明の範囲を逸脱することなく、ここで説明した装置を変更し及び変形できることは明らかである。

特に、本発明を、ジャイロスコープのような共振器以外の微小電気機械装置で利用することができる。微小構造は、例えば、回転型のものとすることができ、又は複数の並進及び／又は回転の自由度を有することができる。各可動電極を、二つの固定電極間に設定する代わりに個々の固定電極に結合することができる。変位電圧を、固定子端子に供給する代わりに共通端子に供給することができる。

図１は、本発明による共振周波数を制御する装置と協働する微小電気機械共振器の簡単なブロック図を示す。 図２は、図１のシステムに含まれる微小構造の線形的な上面図である。 図３は、図２に示す微笑構造の詳細を拡大して示す。 図４ａ及び図４ｂは、異なる二つの動作形態で図１のシステムにおいて協働する共振周波数を制御する装置の簡単な回路図である。 図５は、図４に示す装置に関する量のプロットを示すグラフである。 図６は、図４に示す共振周波数を制御する装置の一部の簡単な回路図である。

Claims (13)

1. 共振微小電気機械システムの共振周波数を制御する装置であって、
   第１ボディ（１０）、及び前記第１ボディに容量的に結合されるとともに較正可能な共振周波数（ω_Ｒ）で前記第１ボディに対して弾性的に共振可能な第２ボディ（１１）を有し、前記第２ボディと前記第１ボディとの間の相対変位（ΔＹ）が外側から検出可能である微小構造（２）と、
   前記微小構造に結合され、前記相対変位を検出する増幅器（２１）とを具える装置において、この装置がさらに、
   前記微小構造と前記増幅器との間に配置された直流減結合素子（２３）と、
   前記微小構造に結合され、前記較正可能な共振周波数を変更するよう前記第１ボディと前記第２ボディとの間に弾性力（Ｆ _ＥＲ ）を加える較正回路（２７，３５）とを具え、
   前記直流減結合素子は、前記較正回路と前記増幅器との間に配置され、
   前記微小構造が、前記第１ボディと前記第２ボディとの間に配置された容量性結合素子（１３ａ，１３ｂ，１４）を具え、前記較正回路が、前記較正可能な共振周波数を変更するよう前記容量性結合素子に変位電圧（Ｖ _Ｓ ）を供給する変位電圧源（２７）を具え、
   前記較正回路はさらに、前記変位電圧源に接続された調整回路（３７）を具え、前記調整回路は、較正信号（Ｓ _CAL ）に応答して前記変位電圧を制御することを特徴とする装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記直流減結合素子を、前記増幅器の入力部及び前記容量性結合素子に接続したことを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、前記直流減結合素子を容量性としたことを特徴とする装置。
4. 請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の装置において、前記増幅器を完全差動増幅器としたことを特徴とする装置。
5. 請求項４記載の装置において、同相電圧（Ｖ _ＣＭ ）を前記増幅器に供給する同相電圧源（２６）を具えることを特徴とする装置。
6. 請求項５記載の装置において、前記変位電圧が前記同相電圧に依存しないことを特徴とする装置。
7. 請求項６記載の装置において、前記増幅器の前記入力部と前記同相電圧源とを選択的に接続し及び切り離す第１のスイッチ（３１）と、前記容量性結合素子と前記変位電圧源とを選択的に接続し及び切り離す第２のスイッチ（３５）とを具えることを特徴とする装置。
8. 請求項５から７のうちのいずれか１項に記載の装置において、前記直流減結合素子を前記変位電圧源と前記同相電圧源との間に接続したことを特徴とする装置。
9. 請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の装置において、前記微小構造が、前記第１ボディ及び前記第２ボディを弾性的に接続する弾性接続素子（１２）を具え、前記弾性接続素子を、予め決定された軸（Ｙ）に沿って前記第２ボディが前記第１ボディに対して共振することができるように形成したことを特徴とする装置。
10. 請求項９記載の装置において、前記弾性接続素子が、弾性係数（Ｋ _Ｍ ）を有し、前記共振周波数が、前記弾性係数及び前記第２ボディの質量（Ｍ）に相関されることを特徴とする装置。
11. 請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の共振周波数を制御する装置を具える共振微小電気機械システム。
12. 請求項１１記載の微小電気機械システムにおいて、前記共振周波数を制御する装置と協働する制御ユニット（７）を具えることを特徴とする共振微小電気機械システム。
13. 共振微小電気機械システムの共振周波数を制御する方法であって、
    第１ボディ、及び前記第１ボディに容量的に結合されるとともに較正可能な共振周波数で前記第１ボディに対して弾性的に共振可能な第２ボディを有し、前記第１ボディと前記第２ボディとの間に容量性結合素子が配置され、前記第２ボディと前記第１ボディとの間の相対変位が外側から検出可能である微小構造をセッティングするステップと、
    前記相対変位を検出する増幅器を前記微小構造に接続するステップと、
    直流減結合素子を用いて、前記増幅器を前記微小構造から直流減結合するステップを具える方法において、
    前記較正可能な共振周波数を変更するよう前記容量性結合素子に変位電圧を供給する変位電圧源を具えて、前記較正可能な共振周波数を変更するよう前記第１ボディと前記第２ボディとの間に弾性力を加える較正回路を、前記微小構造に結合するステップと、
    前記直流減結合素子を、前記較正回路と前記増幅器との間に配置するステップと、
    前記変位電圧源に接続された調整回路を前記較正回路に設けて、前記調整回路が、較正信号に応答して前記変位電圧を制御するステップと
    を具えることを特徴とする方法。

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