JP5007224B2 - 加速度計の感度を較正する方法 - Google Patents

Description

本発明は、容量性の加速度計の感度を較正する方法に関し、特に、マイクロマシンの差動可変キャパシタ型加速度計に関する。

マイクロマシン構造は、センサまたはアクチュエータとして、頻繁に用いられており、特に、マイクロマシンの加速度計は、加速度、傾斜、または、振動を検出および測定するために、多くのアプリケーションに幅広く用いられている。マイクロマシンの加速度計の中でも、差動可変キャパシタ型が典型的に用いられている。

典型的に、差動可変キャパシタベースの加速度計は、マイクロマシンのセンサと、その励起および読み出し用電子装置とを含んでいる。典型的に、マイクロマシンのセンサは、いくつかの主要なマイクロマシンの要素、例えば、移動可能なマス（ｍａｓｓ）、支持用バネ、および、移動可能なマスの移動を感知するためのキャパシタプレートを含んでいる。自己診断機能を実施するために、しばしば追加的なアクチュエータプレートが提供される。図１は、従来技術の例示的な差動可変キャパシタ型加速度計センサ３００を示している。バネ３１４，３１６，３１８，３２０によって支持される移動可能なマス３０２は、２つのプレートの中間に配置され、その結果、第１のキャパシタは、第１のプレートとマスとによって形成され、第２の（そして等価な）キャパシタは、第２のプレートとマスとによって形成される。これらは共に、移動可能なマスの移動を感知するための差動可変キャパシタを形成している。加速度計の容量を最大化するために、マスは、多数のフィンガー（ｆｉｎｇｅｒ）３５０を含み得、上記フィンガーは、２つのプレート３４８，３５２から複数のフィンガーの間に交互配置される。アクチュエータプレート３６０，３６２の構成も同様である。これらのプレートは、例えば、アクチュエータプレート３６０とマス３０２のフィンガー３５８との間に印加される電圧を介することにより、静電気力を生成するように用いられる。静電気力は、マス３０２を歪ませ、自己診断またはその他の診断目的（例えば、移動可能なバネ−マス系の共振周波数の測定）に用いられ得る出力応答を生成する。

マイクロマシンの加速度計の感度は、バネ定数、特定の要素のマス（例えば、プルーフマス）、感応性または寄生性のキャパシタ、および、電子的なゲインを含む、様々な因子によって決定され得る。要求される寸法が小さい（マイクロメータ単位である）結果、マイクロマシンの加速度計の感度は、加速度計内のマイクロマシン構造の寸法を変化させる製造の変動に起因して、顕著に変動し得る。これらの中でも、バネ定数と感応性の容量とが、最も大きな変動を見る。したがって、典型的には、製造後の較正が、いくつか必要とされる。効果的な較正は、正確な感度の決定の後、必要に応じて、ＥＰＲＯＭプログラミング、レーザトリミング、または、回路要素の電気的融合といった形態の電子的なゲイン調整を要求することにより、標的に感度をもたらす。

一般に、これら加速度計の感度は、ウェハまたは製造段階のパッケージデバイスのいずれか一方において加速度計を振盪（ｓｈａｋｅ）するデバイスを用いて測定される。代替的に、加速度計の方向は、例えば回転子を用いることにより、重力場に関して変化し得、その後、出力応答は、重力に対して較正され得る。機械的な正確な励起を含む診断は、特にある温度以上で実行することが要求される場合に、非常にコストがかかる。このことは、マイクロマシンの加速度計を安価で標準的なＩＣ診断の実現から遠ざける主な障壁である。これらのデバイスを機械的に操作する（例えば、振盪させる）装置を要求せずにこれら加速度計の感度を正確に測定する方法は、製造コストを顕著に低減し得る。

（要約）
本発明の一実施形態において、ある温度以上でマイクロマシンの差動可変型の加速度計の感度を較正するための方法が提供される。提供される加速度計は、基板と、支持用バネによって基板上に懸垂される移動可能なマスとを含む。移動可能なマスは、移動可能な電極を含む。第１および第２の固定された電極は、基板上に懸垂され、基板に対して移動不可能である。移動可能な電極および第１および第２の固定された電極は、差動可変キャパシタを形成する。励起および信号調整回路は、移動可能なマスの移動に比例する増幅信号を生成するために提供される。アクチュエータは、作動されたときに、電気的な手段によって、マスを移動させるために提供される。寸法の関係は、アクチュエータの電極の間隔とバネの幅との間に確立され、その結果、アクチュエータとバネとの動作特性が結びつけられる。方法は、移動可能なバネ−マス系の共振周波数を測定することと、マスをアクチュエータを用いて移動させることと、増幅信号の変化を測定することと、加速度計の感度を計算することとを含む。本発明の特定の実施形態において、加速度計の感度を計算することは、移動可能なマスをアクチュエータを用いて移動させることに相当する加速度を計算することを含む。本発明の特定の実施形態において、電子的なゲインは、その後、ＥＰＲＯＭプログラミング、レーザトリミング、回路要素の電気的な融合、または、類似した方法によって調整され、標的値の感度をもたらす。

本発明の別の実施形態において、自己較正式の加速度計が提供され、上記加速度計は、本発明の上記の実施形態の方法を実行するロジックまたは電子装置を含む。

本発明の上述の特徴は、以下の詳細な記述を添付の図面を参酌しながら参照することにより、より容易に理解され得る。

（特定の実施形態の詳細な記述）
本発明の特定の実施形態において、マイクロマシンの差動可変キャパシタ型加速度計の感度は、外部の機械的な励起（例えば、振盪させること）なしに、決定され得る。そのために、加速度計の移動可能なバネ−マス系の共振周波数が、測定される。移動可能なマスが静電気力によって移動させされる際の加速度計の出力電圧もまた、測定される。その後、デバイスの感度が計算される。これらの実施形態において、外部の機械的な励起なしに、デバイスのコンポーネントの間の寸法の関係を利用することにより、感度が決定される。これらの関係は、加速度計に形成される寸法制御構造により、または、コンポーネントを一様な間隔で間隔付けることにより、提供され得る。本明細書においてその全体を参照するために援用される米国特許第５，８８０，３６９号および６，２８２，９６０号は、加速度計におけるそのような寸法制御構造を含む方法を開示している。

オープンループ式の加速度計は、典型的に、入力の加速度に応答して移動するバネ−マス系と、移動可能なマスの動きを電気的な出力に変換する移動センサとを備える。典型的な加速度計はまた、加速度計のフィンガーをも備え、上記フィンガーは、静電気力を生成して、移動可能なマスを外部の電気的な入力の上に移動させる。典型的に、そのような加速度計は、加速度計に対する自己診断特徴を提供するために採用される。

図１は、本発明の実施形態に用いられる従来のマイクロマシンのセンサ３００を示している。移動可能なマス３０２は、下地基板３０１内に配置されたブートストラップの拡散層（図示されず）の上に懸垂されたポリシリコン構造である。マス３０２は、約４６７マイクロメータの長さであり、約５７マイクロメータの幅である。（本明細書において提供される寸法は、単に例示のためのものであり、決して限定のためのものではない。）ブートストラップの拡散層は、ｎ＋にドープされた基板内のエミッタ拡散領域から形成される。マス３０２は、基板３０１の表面とほぼ平行である。

マス３０２は、折り畳まれたバネ３１４，３１６および３１８，３２０をそれぞれ介して、アンカー３０４および３０６に接続されている。バネ３１４〜３２０は、ポリシリコンから形成されている。アンカー３０４，３０６は、「Ｔ」字型をしており、垂直部分３２２は、約２８．７マイクロメータの長さと、約９．７マイクロメータの幅とをそれぞれ有しており、水平に交差する部分３２４は、約２１．７マイクロメータの長さと約４．７マイクロメータの幅とをそれぞれ有している。アンカー３０４および３０６は、小さな長方形領域を介して、ブートストラップの拡散層の外側の基板上の「Ｔ」の下部に搭載されている（Ｔの残りは、基板３０１上に懸垂されている）。

バネ３１４〜３２０は、レッグ３０８，３１０および３１２から構成され、それらのすべては、幅が約２．２マイクロメータである。長いレッグ３０８および３１０は、互いに平行であり、短いレッグ３１２により、一方の（すなわち、「外側」の）端部に接続されている。長いレッグ３０８および３１０の他方の（すなわち、「内側」の）端部は、それぞれ、アンカー（例えば、３０４または３０６）およびマス３０２に接続されている。長いレッグ３０８および３１０は、フレキシブルであり、内側の長いセグメント３０８および３１０が互いに近づいたり離れたりする際に、Ｘ軸（アンカー３０４および３０６を通過する）に沿った力に応答して、マス３０２がＸ軸に沿って動くことを可能にする。長いセグメント３０８および３１０は、それぞれ約１１６．７マイクロメータおよび約９８．２マイクロメータの長さであり、約１．３マイクロメータの間隔によって隔てられている。代替的に、バネに対し、その他の形状も用いられ得る。

図１に示されているように、第１の寸法制御構造（すなわち、寸法制御フィンガー）は、各バネ３１４〜３２０の左および右に配置される。特に、内側の寸法制御フィンガー３３２，３３６（マス３０２に接続されている）は、それぞれバネ３１４，３１６の左に配置されている。さらに、第２の寸法制御フィンガー３３４，３３８（アンカー３０４に接続されている）の組は、それぞれバネ３１４，３１６の右に配置されている。同じ関係は、バネ３１８および３２０に対しても存在し、そこでは、左に配置された外側の寸法制御フィンガー（すなわち、それぞれ３４２および３２６）は、アンカー３０６に接続されており、その一方、右に配置された内側の寸法制御フィンガー（すなわち、それぞれ３４０および３４４）は、マス３０２に接続されている。

各寸法制御フィンガーと関連するバネとの間の距離は、約１．３マイクロメータであり、各寸法制御フィンガーの幅は、約３．７マイクロメータである。フィンガー３３２，３３６，３４０および３４４の長さは、約９４．５マイクロメータであり、フィンガー３４４，３３８，３４２および３４６の長さは、約１１８マイクロメータである。

平行なポリシリコンの感知フィンガー３５０は、マス３０２の側（ｓｉｄｅ）からＹ軸に沿って延伸している。センサ３００において、感知フィンガー３５０は、実質的に同様なものであり（すなわち、実質的に同じ形状と寸法である）、各々は、約３．４マイクロメータの幅であり、約１０９マイクロメータの長さである。図１に示されているように、マス３０２の側には、２１個の感知フィンガーが存在する。

左に固定されたフィンガー３４８、および、右に固定されたフィンガー３５２は、各感知フィンガー３５０の左および右（Ｘ軸に沿って）にそれぞれ存在しており、マス３０２には接続されていない。これら固定されたフィンガーは、ポリシリコンから形成され、基板３０１に固着されている。マス３０２の各側における内側の固定されたフィンガーの組、および、外側の固定されたフィンガーの組は、それぞれ約１２４マイクロメータおよび１４４マイクロメータの長さである。各フィンガー３４８，３５２は、約３．４マイクロメータの幅であり、各々は隣接する感知フィンガー３５０から、約１．３マイクロメータの間隔だけ隔てられている。隣接する左および右に固定されたフィンガー３４８および３５２もまた、約１．３マイクロメータだけ隔てられているが、この寸法は、フィンガー３５０のいずれの側の寸法ほどには臨界的（ｃｒｉｔｉｃａｌ）ではない。フィンガー３４８と３５２との間の距離は、寸法の制御によって制限されるよりももしろ、電気的なパラメータによって制御される。すなわち、この距離は、フィンガー３５０〜３４８および３５０〜３５２の間の間隔の内側に存在する電場に影響を与えるほどには決して大きくはならない。

マス３０２の各側の左に固定されたフィンガー３４８のすべては、ｎ＋に十分にドープされたポリシリコン領域を介することにより、互いに接続されており、右に固定されたフィンガー３５２（領域は示されていない）のすべてもまた、同様である。マス３０２の各側における内側の固定されたフィンガーの組への電気的な接続は、ポリシリコンのブリッジ３２６および３２８を用いて形成される。同様に、マス３０２の各側における外側の固定されたフィンガーの組への電気的な接続は、ポリシリコンのブリッジ３２９および３３０を用いて形成される。

図１を参照すると、感知フィンガー３５０（移動可能なマス３０２との単一の電気的なノードを形成している）は、差動可変キャパシタの中央の電極を共同で（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅｌｙ）形成する。左に固定されたフィンガー３４８は、差動可変キャパシタの左の電極を形成し、右に固定されたフィンガー３５２は、差動可変キャパシタの右の電極を形成する。左のキャパシタおよび右のキャパシタは、好ましくは、同じ容量を有する。１個の感知フィンガー３５０と、それに隣接する左に固定されたフィンガー３４８と、右に固定されたフィンガー３５２との各組は、差動可変キャパシタの「セル（ｃｅｌｌ）」を１個形成し、すべてのセルは、実質的に同様であり、並列に接続される。

マス３０２が、（Ｘ軸に沿って加えられた力に応答して）固定されたフィンガー３４８および３５２に対して右に移動するとき、同じセルの各感知フィンガー３５０と右に固定されたフィンガー３５２との間の距離は減少し、これにより、右のキャパシタの容量が増大する。同時に、各感知フィンガー３５０と左に固定されたフィンガー３４８との間の距離が増大すると、左のキャパシタの容量が減少する。

マス３０２は、ｎ＋に十分にドープされたポリシリコン領域を介することにより、アンカー３０４から延伸している分解回路（ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｙ）に接続される。分解回路および加速度センサの動作の議論に関する例は、米国特許第５，３４５，８２４号に提供されており、上記特許は、参照のため本明細書に援用される。

マス３０２の各側における最も左の、左に固定されたフィンガー３４８の左には、右のダミーフィンガー３５４が存在する。同様に、マス３０２の各側における最も右の、右に固定されたフィンガー３５２の右には、左のダミーフィンガー３５６が存在する。これらダミーフィンガーは、それらに対応する固定されたフィンガーに接続されている（すなわち、右のダミーフィンガー３５４は、右に固定されたフィンガー３５２に接続され、左のダミーフィンガー３５６は、左に固定されたフィンガー３４８に接続されている）。このことは、差動可変キャパシタの端部のセルが中央のセルと同様に振舞うことを保証している。さらに具体的には、ダミーフィンガー３５４および３５６は、最も左の、左に固定されたフィンガー３４８と、最も右の、右に固定されたフィンガー３５２とにそれぞれ存在する電場が、「中央」の左および右に固定されたフィンガー３４８，３５２に見出される電場と同じになることを保証するように、取り付けられる（例えば、マイクロブリッジ３２６または３２８および３３０の間に）。

（１）右のダミーフィンガー３５４と最も左に固定されたフィンガー３４８との間の距離、（２）左のダミーフィンガー３５６と最も右に固定されたフィンガー３５２との間の距離は、同じ制限を被る。特に、これらの距離は、フィンガー３５０〜３４８および３５０〜３５２の間の間隔の内側に存在する電場に影響を与えるほどには決して大きくならない。

マス３０２の両端には、６個（全部で１２個）のポリシリコンの自己診断フィンガー３５８が存在する。これらフィンガーは、約３．７マイクロメータの幅であり、約１０９マイクロメータの長さである。自己診断フィンガー３５８は、感知ノード３５０、および、マス３０２のボディと同じ電気的ノードの一部である。左および右のポリシリコンのアクチュエータフィンガー３６０および３６２は、各自己診断フィンガー３５８の側にそれぞれ存在しており、マス３０２には接続されていない。マス３０２になんらの力も加えられないとき、自己診断フィンガー３５８は、アクチュエータフィンガー３６０および３６２の中間に存在し、結果として、フィンガー３５８と、隣接するアクチュエータフィンガー３６０，３６２との間の距離は、約１．３マイクロメータとなる。

内側のアクチュエータフィンガー３６０，３６２の組は、約１２４マイクロメータの長さである。加えて、外側のアクチュエータフィンガー３６０，３６２の組は、約１４４マイクロメータの長さである。両フィンガーは、約３．７マイクロメータの幅であり、基板に固着されている。アクチュエータフィンガー３６０は、ｎ＋に十分にドープされたポリシリコン領域（図示されず）を介することにより、互いに接続され、ポリシリコンのマイクロブリッジ３６０’および３６０’’を介することにより、電気的に接続されている。同様に、アクチュエータフィンガー３６２は、ｎ＋に十分にドープされたポリシリコン領域（図示されず）を介することにより、互いに接続され、ポリシリコンのマイクロブリッジ３６２’および３６２’’を介することにより、電気的に接続されている。

アクチュエータフィンガー３６０，３６２は、自己診断フィンガー３５８への静電気力を生成し、自己診断またはその他の診断目的（例えば、移動可能なバネ−マス系の共振周波数の測定）のために、移動可能なマス３０２を歪ませるように用いられる。特に、静電電圧は、アクチュエータフィンガー３６０と自己診断フィンガー３５８との間に印加され、このようにして生成された静電引力は、マス３０２をアクチュエータフィンガー３６０に向かって歪ませる。同様に、アクチュエータフィンガー３６２と自己診断フィンガー３５８との間に印加される静電電圧は、マス３０２をアクチュエータフィンガー３６２に向かって歪ませる。いずれの場合においても、静電気的な出力応答は、あたかもマス３０２が入力の加速度によって歪まされたかのように、読み出し電子装置により、生成される。出力応答の符号（ｓｉｇｎ）および大きさは、センサが適切に動作していることを示す役目を担い得る。代替的に、例えば矩形波または正弦波形の電圧のような、代替的な電圧は、アクチュエータフィンガー（例えば、３６０）に印加され得、代替的な電圧の周波数は、バネ−マスの共振周波数の隣にスウィープされ得る。移動可能なマスの歪み、および、したがって、出力応答は、共振周波数でピークに達し得る。したがって、このピーク応答を検出することは、バネ−マス系の共振周波数を正確に決定し得る方法を提供する。

キャパシタ３４８〜３６２およびバネ３１４〜３２０は、「動作」構造である。すなわち、これらは、（例えば、電気的または機械的な）動作機能を提供し、一定の間隔を介することにより、寸法の制御をも提供し得る。対照的に、フィンガー３３２〜３４６は、寸法の制御構造である。すなわち、これらの唯一の目的は、デバイス内の選択された位置に（例えば、電気的な動作構造、機械的な動作構造、等の隣）に一定の間隔を生成することを介することにより、寸法の制御を提供することである。センサ３００は、特定の臨界的な間隔、すなわち、アクチュエータと自己診断フィンガーとの間（すなわち、フィンガー３５８〜３６０および３５８〜３６２）の間隔の寸法、ならびに、隣接し合うバネのレッグ３０８および３１０の間の間隔の寸法が、所定の距離に一様に維持されるように構成され得る。このことは、現存する動作構造（例えば、フィンガー３５８〜３６２およびバネのレッグ３０８，３１０）が、互いの間で一様な間隔を維持するように構成されることを保証すること（例えば、レッグ３０８および３１０の間の距離をフィンガー３５８〜３６０および３５８〜３６２の間の距離とほとんど同じ距離にまで縮小することによる）によって、ならびに、これらの同じ一様な距離をセンサ内の選択された位置に確立する特定の寸法制御構造（例えば、フィンガー３３２〜３４６）を追加することによって、達成される。

センサ３００内の寸法制御構造は、構造（すなわち、内側および外側のフィンガー３３２〜３４６）を用いることにより、従来のその他の構造とは異なる間隔に関する環境（すなわち、隣接するレッグ３０８，３１０の間隔）を形成する。これらの構造は、機能的および物理的に異なるマイクロマシン構造（すなわち、フィンガーおよびバネ）の間の寸法の関係（すなわち、一様な間隔）を確立する。上述のように、アクチュエータと自己診断フィンガー３５８〜３６２との間の一様な間隔、ならびに、折り畳まれたバネのレッグ３０８，３１０の間の一様な間隔は、両方とも約１．３マイクロメータである。この一様な間隔の寸法は、設計者によって選択された所定の距離を表しており、約１．０マイクロメータのマスク間隔から形成される。

図１を参照すると、すべての自己診断フィンガー３５８は、左のアクチュエータフィンガー３６０と右のアクチュエータフィンガー３６２とにより、長手方向に隣接されている。したがって、各自己診断フィンガー３５８は、約１．３マイクロメータの一様な空間または間隔により、長手方向に隣接されている。したがって、すべてのバネのレッグ３０８および３１０は、互いに隣接して配置され、約１．３マイクロメータの同じ一様な距離を維持している。これらレッグは、内側の寸法制御フィンガー（すなわち、３３２，３３６，３４０または３４４）と外側の寸法制御フィンガー（すなわち、３３４，３３８，３４２または３４６）により、長手方向に隣接されている。したがって、各バネのレッグ３０８または３１０は、約１．３マイクロメータの一様な空間または間隔により、長手方向に隣接されている。

センサ３００内に一様に維持された間隔は、このデバイス内に配置された構造の間の有利な寸法の関係を表している。この関係は、機能的および／または物理的に異なるマイクロマシン構造の間の寸法の変動を相関させることを容易にする。物理的に異なる構造は、異なる寸法および／または形状を有する構造である（例えば、フィンガー３５８とバネ３１４〜３２０）。同様に、この関係は、機能的および／または物理的に同様なマイクロマシン構造の間の寸法の変動を相関させることを容易にする。物理的に同様な構造は、実質的に同様な寸法と形状とを有する構造である（例えば、複数のフィンガー３５８）。
複数のアクチュエータの間、複数の自己診断フィンガーの間、および、アクチュエータと自己診断フィンガーとの間に一様な間隔を維持することにより（例えば、折り畳まれたバネのレッグの間の一様な間隔を維持することにより）、両構造に適用される製造工程（例えば、エッチングまたはフォトリソグラフィ）、および、そのような工程の変動（例えば、エッチングの間の変動）は、これら構造の物理的な寸法（例えば、バネの幅およびフィンガーの幅）に、非常に高い相関で影響を与える。

図１におけるマイクロマシンのセンサ３００によって示される寸法制御特徴は、適用可能な構成の一例を表したものに過ぎない。これら特徴はまた、例えば、一連の折り畳み状のバネ（米国特許出願５，８８０，３６９号および６，２８２，９６０号における図４を参照されたい）のような、１つ以上の複雑な形で構成され得る。この場合では、移動可能なマスは、一方向に動くように拘束されず、センサは、複数の軸方向の加速を感知することが可能な加速度計として構成され得る。

本発明の一実施形態において、外部の電気的な命令のもと、静電気力が、アクチュエータのフィンガーにより、移動可能なマスの上に生成される。この力Ｆ_Ｅの表示は、

である。ここに、ε_０は、移動可能なマスとアクチュエータフィンガーとを取り囲むガスの誘電率であり、Ｋ_Ｆは容量フリンジング因子（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）、ｈはアクチュエータフィンガーの厚さ、Ｌはアクチュエータフィンガーの長さ、ｄはアクチュエータフィンガーの間隔、Ｖ_Ａは間隔にわたって印加される作動電圧である。

この力は、外部の加速度によって生成される力ａ_Ｅに等しく、移動可能なマスｍに関しては、

によって与えられる。

マスは、さらに、

のように表される。ここに、ρは密度であり、ｈは厚さ、Ａは移動可能なマスの領域である。ここに、移動可能なマスの厚さ、および、アクチュエータフィンガーの厚さは、設計により、一致する。このことは、等式１および３を等式２に代入することによって得られる等価な加速度に対する表示

が、厚さの変動に無関係であるために、望ましい。

等価な加速度は、上記加速度を感度の較正に用いるのに適切な２つの望ましい性質を有する。まず第１に、上記加速度は、作動電圧Ｖ_Ａにしたがう正確な平方的関係（ｓｑｕａｒｅｄ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ）を有し、上記関係は、特定の加速度計に対して適切な加速度レベルを生成するように調整され得る。実際、Ｖ_Ａは、正確に制御され得る外部の供給電圧の定数関数、例えば、５０％に設計され得る。第２に、等価な加速度ａ_Ｅは、実質的に温度にしたがって変化しない。これは、等価な加速度に対する表示において、寸法に関係する項の熱膨張の温度係数、すなわち、Ｌ，Ａ，ｄおよびρが、互いにキャンセルし合うためである。上記表示における残りの項は、無視し得る温度の変動を有する。結果として、等価な加速度ａ_Ｅは、例えば１００℃の温度範囲にわたって１％未満の変化をし得るので、幅広い温度範囲にわたる加速度計の感度の較正に適合し得ることがわかる。

しかしながら、等価な加速度ａ_Ｅは、製造工程の変動に非常に敏感であるという顕著な欠点を被る。マイクロマシン加工の性質により、典型的には１．３マイクロメータのサイズであるアクチュエータの間隔ｄは、部分ごとに±０．２マイクロメータ程度変動し得る。等式４におけるｄ^２の関係の結果として、等価な加速度における製造の変動は、±３０％程度であり得る。同じ±０．２マイクロメータの変動はまた、その他の２次元パラメータＬおよびＡにおいても発生する。しかしながら、これらの変動は数百マイクロメータのサイズであるため、ＬおよびＡは、等価な加速度ａ_Ｅにおける製造の変動の影響が無視し得る場合、定数として考えられ得る。等価な加速度ａ_Ｅ（主にアクチュエータフィンガーの間隔ｄにおける変動を介する）における極めて大きな製造の変動の結果として、アクチュエータの主な使用は、自己診断機能に制限され得る。このことは、加速度計が動作可能であることを示す役割のみを担い得、感度の正確な較正には全く不十分である。

加速度計の設計において、少なくともアクチュエータとバネとに対して、寸法制御構造を含めることにより、アクチュエータフィンガーの間隔と移動可能なマスのバネのサスペンションの幅との間で寸法の関係が設定され得る。このことは、加速度計のレイアウトにおいて、既知の関係によってバネの全長に平行するアクチュエータフィンガーに一様な間隔をもたらすことにより、達成される。アクチュエータフィンガーの間隔に関する製造の変動は、バネのサスペンションの幅に関する反対の変動（しかし、強く相関する）を伴い得る。図１は、そのような寸法制御構造を有する例示的な加速度計を示している。

移動可能なバネ−マスの共振周波数ｆ_０は、第一義的にはバネのサスペンションの幅の関数である。寸法制御構造の結果、アクチュエータフィンガーの間隔ｄおよび共振周波数は、製造の変動の存在下で互いに相関し得る。結果として、アクチュエータフィンガーの間隔ｄ、および、第一義にはｄの関数である容量フリンジング因子Ｋ_Ｆは、共振周波数の関数となる。等式４におけるその他の項に関して、ρおよびε_０は、加速度計の製造工程の材料定数であり、顕著には変動しない。ＬおよびＡは、それらは比較的大きいために、上記で記述されたような加速度計の製造工程の定数として考えられ得る。結果として、等式４は、さらに

に還元され得る。ここで、等式４における定数、および、共振周波数に依存する項は、関数Ｇ（ｆ_０）に組み込まれている。Ｇ（ｆ_０）の完全な形は、加速度センサの構造の有限個の要素の解析によって、または、経験的な手段によって決定され得る。例えば、ある特定の設計において、

である。ここに、Ｇ（ｆ_０）およびｆ_０の単位は、それぞれｇＶ^−２およびＨｚであり、ｇは重力加速度であり、これは９．８１ｍｓ^−２に等しい。この方法により、等価な加速度ａ_Ｅは、当初の製造の変動に起因する部分ごとの±３０％の変動とはうってかわり、±５％以上の精度で決定され得る。このことは、ほとんどのアプリケーションに対する感度の較正に適している。また、任意の所定の部分に対し、等価な加速度は、上記で記述されたような幅広い温度範囲にわたっても実質的に変化しない。

本明細書に添付された請求の範囲において用いられているように、文脈上特に断りがない限り、「加速度のゲイン（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｇａｉｎ）」という用語は、等式５において用いられている関数Ｇ（ｆ_０）またはその等価物を意味し得る。

加速度計（２１０）の感度の較正（２００）の方法に関する流れ図は、図２に示されている。一旦、共振周波数が、上記で記述されたような外部の電気的な手段によって測定されると（２２０）、作動に起因する等価な加速度は、等式５および等式６から決定され得る。その後、この加速度に起因する加速度計の出力の変化ΔＶ_０が測定される（２３０，２４０）。最後に、加速度計の感度が

のように計算される（２５０，２６０）。

加速度計の感度を決定するには、２つの測定のみがなされる必要があることに注意されたい。感度は、以下ように、共振周波数ｆ_０と加速度の出力の変化ΔＶ_０との汎関数Ｆ（ｆ_０，ΔＶ_０）として表示され得る。

ここに、Ｆ（ｆ_０，ΔＶ_０）の完全な形は、加速度センサの構造の有限個の要素の解析によって、または、経験的な手段（測定された感度と測定された共振周波数と測定された作動出力とにフィットする曲線）によって決定され得る。このようにして、本発明の別の実施形態において、加速度計の感度は、上述のような加速度のゲインと等価な加速度との中間的な評価を用いずに決定され得る。

一旦、加速度計の感度が決定されると、読み出し用電子装置の電子的なゲインは、必要に応じてＥＰＲＯＭプログラミング、レーザトリミング、または、回路要素の電気的な融合の形態で調整され、標的に加速度計の感度をもたらし得る。このようにして、加速度計の感度は、振盪器（ｓｈａｋｅｒ）、回転子、または、その他任意の励起手段を用いることなしに、外部の電気的な励起によって、較正され得る。さらに、この較正は、幅広い温度にわたって実行され得る。

感度が較正された後、必要に応じて感度を任意にシフトさせたり再度較正するように作動させるために、加速度計の出力の変化ΔＶ_０をモニタすることが望ましい。

本発明の他の実施形態において、自己較正式の加速度計が提供される。上述のような加速度計は、上述のような方法のうちの１つを実行するためのロジックと電子装置とを含み、これらステップを容易にする寸法制御構造を含む。加速度計は、モノリシックに製造され得、あるいは、自己較正式のロジックおよび電子装置は、加速度を測定するデバイスとは異なるデバイスに実装され得る。そのような配置のすべては、添付の請求の範囲に記述されているような本発明の範囲内に存在するように意図されている。

本明細書で用いられている流れ図は、本発明の様々な局面を示しており、本発明を任意の特定のロジックの流れまたはロジックの実施に制限するものとして考えられるべきではないことに注意されたい。記述されたロジックは、全体的な結果を変化させることなしに、または、本発明の範囲から逸れることなしに、異なるロジックブロック（例えば、プログラム、モジュール、機能、またはサブルーチン）に分割され得る。しばしば、ロジック要素は、追加され、改変され、省略され、異なる順序で実行され、または、本発明の全体的な結果を変化させることなしに、または、本発明の正しい範囲から逸れることなしに、異なるロジック構成（例えば、ロジックゲート、ルーピングプリミティブ、条件付きロジック、および、その他のロジック構成）を用いて実施され得る。

本発明は、プロセッサと共に用いるコンピュータプログラムロジック（例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、または、汎用コンピュータ）、プログラム可能なロジックデバイスと共に用いるプログラム可能なロジック
（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはその他のＰＬＤ）、離散型コンポーネント、集積回路（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））、または、これらの任意の組み合わせを含むその他任意の手段を含む異なる多くの形態で実施され得るが、それらには限定されない。

本明細書において既に記述された機能のすべてまたは一部を実施するコンピュータプログラムロジックは、ソースコード形式、コンピュータ実行可能形式、および、その他の中間的な形式（例えば、アセンブラ、コンパイラ、リンカ、または、ローケータ）を含む様々な形態で実施され得るが、それらには限定されない。ソースコードは、様々なオペレーティングシステムまたはオペレーティング環境と共に用いる様々なプログラミング言語（例えば、オブジェクトコード、アセンブリ言語、または、例えばＦｏｒｔｒａｎ，Ｃ，Ｃ＋＋，ＪＡＶＡ（登録商標）またはＨＴＭＬのような高レベル言語）のうち任意のプログラム言語で実施される一連のコンピュータプログラム命令を含み得る。ソースコードは、様々なデータ構造と通信メッセージとを定義し、使用し得る。ソースコードは、コンピュータ実行可能形式（例えば、インタープリタを介したもの）であり得、あるいは、ソースコードは、コンピュータ実行可能形式に（例えば、トランスレータ、アセンブラ、または、コンパイラを介して）変換され得る。

コンピュータプログラムは、任意の形態（例えば、ソースコード形式、コンピュータ実行可能形式、または、中間的な形式）で実体的な格納媒体に永続的または一時的に固定され得る。上記格納媒体は、例えば、半導体メモリデバイス（例えば、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ、または、フラッシュプログラマブルＲＡＭ）、磁気メモリデバイス（例えば、ディスクまたは固定ディスク）、光学メモリデバイス（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ）、ＰＣカード（例えば、ＰＣＭＣＩＡカード）、または、その他のメモリデバイスであり得る。コンピュータプログラムは、任意の様々な通信技術を用いることにより、コンピュータに伝送することが可能な任意の形態の信号に固定され得る。上記通信技術は、アナログ技術、デジタル技術、光学技術、無線技術、ネットワーク技術、および、インターネット技術を含むが、それらには限定されない。コンピュータプログラムは、移動可能な格納媒体として任意の形態で配信され得る。上記移動可能な格納媒体は、印刷文書または電子文書（例えば、収縮包装されたソフトウェアまたは磁気テープ）を伴い、コンピュータシステムを用いて（例えば、システムＲＯＭまたは固定されたディスクの上に）プレロードされたり、あるいは、通信システム（例えば、インターネットまたはＷｏｒｌｄ Ｗｉｄｅ Ｗｅｂ）を介することにより、サーバまたは電子掲示板から配信され得る。

本明細書において既に記述された機能のすべてまたは一部を実施するハードウェアロジック（プログラム可能なロジックデバイスと共に用いるプログラム可能ロジックを含む）は、伝統的な手動方法を用いて設計され得るか、あるいは、例えば、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）、ハードウェア記述言語（例えば、ＶＨＤＬまたはＡＨＤＬ）、または、ＰＬＤプログラミング言語（例えば、ＰＡＬＡＳＭ，ＡＢＥＬまたはＣＵＰＬ）のような様々なツールを用いることにより、電子的に設計、キャプチャ、シュミレート、または、文書化され得る。

上記で記述された実施形態のその他のバリエーションおよび改変は、添付の請求の範囲で定義されるような本発明の範囲内に存在することが意図される。

図１は、従来の加速度計の図である。 図２は、本発明の実施形態にしたがって加速度計を較正する方法の流れ図である。

Claims (13)

1. 加速度計を較正する方法であって、
   ａ．加速度計を提供することであって、該加速度計は、
   ｉ．基板と、
   ｉｉ．該基板上に懸垂され、該基板に対して移動可能なマスであって、該マスは、移動可能な電極を有している、マスと、
   ｉｉｉ．該基板上に懸垂され、該基板に対して移動不可能な第１の固定された電極と、
   ｉｖ．該基板上に懸垂され、該基板に対して移動不可能な第２の固定された電極であって、移動可能な電極および該第１および第２の固定された電極は、差動キャパシタを形成している、第２の固定された電極と、
   ｖ．該移動可能な電極および該固定された電極に接続され、増幅信号を提供する、励起および読み出し回路と、
   ｖｉ．アクチュエータであって、該アクチュエータは、アクチュエータフィンガーと自己診断フィンガーとを有し、該アクチュエータフィンガーと該自己診断フィンガーとは、アクチュエータフィンガー間隔によって隔てられており、該アクチュエータは、該基板上に懸垂されており、該アクチュエータは、作動されたときに、電気的な手段によって、該マスを移動させる、アクチュエータと、
   ｖｉｉ．該基板上に懸垂され、該マスに接続されたバネであって、該バネは、幅を有し、該バネおよび該アクチュエータは、該アクチュエータと該バネとの間で寸法の関係が確立されるように配置されている、バネと
   を含む、ことと、
   ｂ．該マスの共振周波数を測定することと、
   ｃ．該マスを該アクチュエータを用いて移動させることと、
   ｄ．該増幅信号の変化を測定することと、
   ｅ．該加速度計の感度を計算することと
   を含み、
   該加速度計の感度を計算することは、等価な加速度を計算することを含み、
   該等価な加速度を計算することは、該共振周波数の関数を計算することを含み、
   該等価な加速度は、印加される作動電圧の２乗によって乗算された該共振周波数の関数に等しく、
   該加速度計の感度は、該増幅信号および該等価な加速度の関数であり、
   該アクチュエータと該バネとの間での寸法の関係は、該アクチュエータフィンガー間隔の製造の変動が該バネの幅の反対の製造の変動に相関されるように構成されており、
   該等価な加速度は、該製造の変動を測定することなく、該製造の変動に起因する部品ごとの当初の±３０％の変動にかかわらず、±５％以上の精度で決定されることが可能である、方法。
2. 前記加速度計の感度を計算することは、
   前記増幅信号の変化を前記等価な加速度によって割ることにより、該感度を計算すること
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記加速度計は、機械的な励起を用いずに較正される、請求項１に記載の方法。
4. 前記共振周波数の関数は、有限要素解析によって決定される、請求項１に記載の方法。
5. 前記共振周波数の関数は、経験的に決定される、請求項１に記載の方法。
6. 前記共振周波数の関数は、前記マスの共振周波数の２次関数である、請求項１に記載の方法。
7. 自己較正式の加速度計であって、
   ａ．基板と、
   ｂ．該基板上に懸垂され、該基板に対して移動可能なマスであって、該マスは、移動可能な電極を含んでいる、マスと、
   ｃ．該基板上に懸垂され、該基板に対して移動不可能な第１の固定された電極と、
   ｄ．該基板上に懸垂され、該基板に対して移動不可能な第２の固定された電極であって、移動可能な電極および該第１および第２の固定された電極は、差動キャパシタを形成している、第２の固定された電極と、
   ｅ．該移動可能な電極および該固定された電極に接続され、増幅信号を提供する、励起および読み出し回路と、
   ｆ．アクチュエータであって、該アクチュエータは、アクチュエータフィンガーと自己診断フィンガーとを有し、該アクチュエータフィンガーと該自己診断フィンガーとは、アクチュエータフィンガー間隔によって隔てられており、該アクチュエータは、該基板上に懸垂されており、該アクチュエータは、作動されたときに、電気的な手段によって、該マスを移動させる、アクチュエータと、
   ｇ．該基板上に懸垂され、該マスに接続されたバネであって、該バネは、幅を有し、該バネおよびアクチュエータは、該アクチュエータと該バネとの間で寸法の関係が確立されるように配置されている、バネと
   ｈ．ロジックであって、
   ｉ．該マスの共振周波数を測定し、
   ｉｉ．該マスを該アクチュエータを用いて移動させ、
   ｉｉｉ．該増幅信号の変化を測定し、
   ｉｖ．該加速度計の感度を計算する
   ロジックと
   を含み、
   該加速度計の感度を計算することは、等価な加速度を計算することを含み、
   該等価な加速度を計算することは、該共振周波数の関数を計算することを含み、
   該等価な加速度は、印加される作動電圧の２乗によって乗算された該共振周波数の関数に等しく、
   該加速度計の感度は、該増幅信号および該等価な加速度の関数であり、
   該アクチュエータと該バネとの間での寸法の関係は、該アクチュエータフィンガー間隔の製造の変動が該バネの幅の反対の製造の変動に相関されるように構成されており、
   該等価な加速度は、該製造の変動を測定することなく、該製造の変動に起因する部品ごとの当初の±３０％の変動にかかわらず、±５％以上の精度で決定されることが可能である、自己較正式の加速度計。
8. 前記加速度計の感度を計算することは、
   前記増幅信号の変化を前記等価な加速度によって割ることにより、該感度を計算すること
   をさらに含む、請求項７に記載の加速度計。
9. 前記加速度計は、モノリシックデバイスとして製造される、請求項７に記載の加速度計。
10. 前記ロジックの少なくとも一部分は、前記差動キャパシタとは別個のデバイス内に実装されている、請求項８に記載の加速度計。
11. 前記共振周波数の関数は、有限要素解析によって決定される、請求項７に記載の加速度計。
12. 前記共振周波数の関数は、経験的に決定される、請求項７に記載の加速度計。
13. 前記共振周波数の関数は、前記マスの共振周波数の２次関数である、請求項７に記載の加速度計。

Images