JP5211387B2 - 三軸薄膜加速度計 - Google Patents
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Description
―P1及びP3:Oy方向の変位に関して静電容量の同じ変化;P2及びP4:反対の変化。
―P5及びP7:Ox方向の変位に関して静電容量の同じ変化;P6及びP8:反対の変化。
―静電容量変化の測定用として各々の側に二つの櫛形、全体で八つの櫛形があり、全ての櫛形は静止状態で同一の向かい合った板の表面積を有し、
―同一の側(例えばP1、P2)における櫛形は、この側に平行な質量体の変位が二つの櫛形に関して同一であるが符号が逆の静電容量の変化を生み出すように、固定板と可動板の間隔に関して対称であり、
―二つの反対の側で互いに向き合っている櫛形(例えばP1、P3)は、これらの側に平行な質量体の変位が、該二つの櫛形に関して同一で同じ符号である静電容量の変化を生み出すような板間の間隔配置を有し、
―二つの反対の側で互いに向き合っている櫛形は板の高さの不均整:一方の櫛形に関して可動板よりも低い固定板、他方の櫛形に関して固定板よりも低い可動板を示し、
―対角線上で向き合う櫛形(例えばP1、P4)は同一の相対的高さを有し:P1が可動板よりも低い固定板を有し、そこでP4も同様である場合、櫛形P6及びP7は櫛形P1及びP4と同一であると想定され、
―最後に、櫛形が他よりも高い固定板又は可動板を有すると言う事実と無関係に、静止時の全ての櫛形の静電容量が同一であるように、より高い固定板の高さはより高い可動板の高さに等しく、同様により低い固定板の高さは、より低い可動板の高さに等しい。
―C0:静止時における櫛形の各々の静電容量値、
―Ci(i=1〜8):加速度の存在下における櫛形Piの静電容量、
―dCiv:特に垂直加速度による(従って垂直方向Ozの振動質量体の変位に続く、向かい合った板の表面積の変化による)静電容量Ciの変化、
―dCixe:Ox方向の板の間隔(向かい合った表面積ではない)の変更による静電容量Ciの変化;dCixeはi=1,2,3,4に対してゼロであり、i=5,6,7,8に対してゼロ以外であり、
―dCiye:Oy方向の板の間隔(向かい合った表面積ではない)の変更による静電容量Ciの変化;dCiyeはi=5,6,7,8に対してゼロであり、i=1,2,3,4に対してゼロ以外であり、
―dCixs:Ox方向の変位に続く、向かい合った板の表面積(間隔ではない)の変更による静電容量Ciの変化;dCixsはi=5,6,7,8に対してゼロであり、i=1,2,3,4に対してゼロ以外であり、
―最後にdCiys:Oy方向の変位に続く、向かい合った板の表面積(間隔ではない)の変更による静電容量の変化;dCiysはi=1,2,3,4に対してゼロであり、i=5,6,7,8に対してゼロ以外である。
Ci=C0+dCiv+dCixe+dCixs+dCiye+dCiysであり、すなわち、それは或る方向への変位が静電容量の値に影響しない場合に、これらの成分の幾つかがゼロであり得るという事実を考慮した、静止時の値と、間隔又は向かい合った板の表面積の全ての可能な変化の値との合計である。
―成分dCiyeはOyに平行な側に置かれた二つの隣接する櫛形に関して等しく、反対の符号であり、Oyに平行な二つの反対の側における二つの向かい合った櫛形に関して等しく、同じ符号:例えばdC1ye=−dC2ye=dC3yeであって、Oxに平行な側に置かれた櫛形に対する成分dCixeに関しても同様:例えばdC5xe=−dC6xe=dC7xeである。
―成分dCixsは同じ側に置かれた二つの櫛形に関して同一で同じ符号であり、反対の側に置かれた二つの櫛形に関して同一で反対の符号:例えばdC1xs=dC2xs=−dC3xs=−dC4xsである。
―成分dCivは板の高さに関して同質の櫛形について全て同じである。可動板よりも低い固定板を有する櫛形の成分dC1v,dC4v,dC6v,dC7vは全て等しく、可動板よりも高い固定板を有する櫛形の成分dC2v,dC3v,dC5v,dC8vは全て等しく、上向きの加速度の存在下で、前者はゼロ以外であり、後者はゼロであり、下向きの加速度の存在下では、反対に前者はゼロであり、後者はゼロ以外である。
Cx=(C5+C7)−(C6+C8)
具体的に、
C5=C0+dC5v+dC5xe+dC5xs+dC5ye+dC5ys
ここで、dC5xs=0、及びdC5ye=0とすると、
すなわち、C5=C0+dC5v+dC5xe+dC5ys
C7=C0+dC7v+dC7xe+dC7xs+dC7ye+dC7ys
ここで、dC7xs=0、dC7ye=0、dC7xe=dC5xe、dC7ys=−dC5ysとすると、
すなわち、C7=C0+dC7v+dC5xe−dC5ys
それゆえC5+C7=2C0+dC5v+dC7v+2dC5xeであり、dC5ysの値はdC7ysの値により補償される。
C6+C8=2C0+dC6v+dC8v+2dC6xe
ここでdC8v=dC5v、dC6v=dC7v、dC6xe=−dC5xeとすると、
それゆえC6+C8=2C0+dC5v+dC7v−2dC5xe
従って、
Cx=(C5+C7)−(C6+C8)=4dC5xeが導かれ、この一次結合Cxはy及びzに沿った加速度に依存しない。それはdCixeの変化が特にOxに沿った変位に起因する変化であるため、Oxに沿った変位にのみ専ら起因する静電容量の変化を表わす。この組合せCxの値を測定することにより、変位を直接決定することができ、それゆえOx軸に沿った加速度を受ける。
Cy=(C2+C4)−(C1+C3)=4dC2yeは、Oyに沿った加速度の計算を可能にする。
Cz=(C2+C3+C5+C8)−(C4+C1+C6+C7)である。
これらの各々の項はOx、Oy、及びOzに沿った変位による変化を受ける。
a)Ozに沿った変位:
1.最初の四つの項C2,C3,C5,C8はそれらの可動板が固定板よりも低い櫛形の静電容量である。それらは振動質量体が上向きに変位する間は変化しない。
2.その他の四つの静電容量は上向きの加速度の間に減少する。Czの全体的な変化は従って上向きの加速度の間はプラスである。
3.下向きの加速度に関して、それは逆になる。Czの変化は二番目の4項が変化しない一方で最初の4項が減少するため、全体的にマイナスである。
b)Oxに沿った変位
1.C2とC3の静電容量の変化は、Oxに沿った向かい合う表面積の変化に起因する変化に関して、互いに相殺する。C1とC4に関しても同様である。Oxに沿った変位に関する向かい合った表面積の変化はC5,C6,C7及びC8に関してゼロである。
2.板の間隔に起因する変化はC5,C6,C7,C8のみに関連する。それらはゼロであるが、しかしそれらは一方でC6とC7に関して、他方でC5とC8に関して互いに相殺する。
c)Oyに沿った変位
1.向かい合った表面積の変更に起因する変化はC1,C2,C3,C4に関してゼロである。それらはC6とC7に関してと同様、C5とC8に関して互いに相殺する。
2.間隔の変更に起因する変化はC5とC8に関してゼロである。それらはゼロ以外であるが、一方でC2とC3に関して、他方でC1とC4に関して互いに相殺する。
Cz=4Cd2v−4Cd1v
が見出される。
―その間隔がOx方向に逆向きに変化する二つの櫛形(例えばP5,P6)に加えられる自動制御電圧(例えばV5−V6)の間の差は、一次結合Cxが大きくなればなる程大きく、
―その間隔がOy方向に逆向きに変化する二つの櫛形(P1,P2)に加えられる自動制御電圧(例えばV2−V1)の差は、一次結合Cyが大きくなればなる程大きく、
―その固定板が可動板よりも低い櫛形に加えられる電圧(V1,V4,V6,V7)は、Czがプラス(上向きの加速度)のとき、Czが大きくなればなる程、他の櫛形に加えられる電圧(V2,V3,V5,V8)に比べてより高くなり、
―その可動板が固定板よりも低い櫛形に加えられる電圧(V2,V3,V5,V8)は、Czがマイナス(下向きの加速度)のとき、Czの絶対値が大きくなればなる程、他の櫛形に加えられる電圧(V1,V4,V6,V7)に比べてより高くなる。
本発明による加速度計を生産するために、幾つかの製作方法を用いることが可能であり、その例は以下に与えられる。
P2 櫛形
P3 櫛形
P4 櫛形
P5 櫛形
P6 櫛形
P7 櫛形
P8 櫛形
M 振動質量体
AF1 固定板
AF3 固定板
AM1 可動板
AM3 可動板
10 基板
12 膜
14 中央のスタッド、スタッド、中央のシリコンスタッド、中央接続スタッド
60 シリコンウェーハ、基板
62 酸化シリコン層、層、酸化物
64 エピタキシャル・シリコン層、エピタキシャル層、層、シリコン層
66 開口
68 酸化シリコン膜、絶縁層、層
70 領域、電気的接続領域、開口
72 点状の開口、開口
74 単結晶シリコン層、シリコン層、層
76 領域
78 領域
80 金属層
82 開口
84 開口
92 開口
94 シリコン層、層
96 基板
98 空洞
Claims (8)
- 微小加工された加速度計の構造であって、基板(10)、該基板の上方に懸架されその周囲で該基板に結合された弾性変形可能な薄層の膜(12)、該膜の上方に懸架され該膜に中央のスタッド(14)で接続された振動質量体(M)、及び該質量体の周りに分配され、該質量体に結合された可動板及び該基板に結合された固定板を有する、容量性の相互に嵌合した櫛形(P1〜P8)を備え、
櫛形(P1〜P8)のうち、振動質量体(M)を挟んだ二つの反対の側にあって振動質量体(M)を挟んで相対する二つの櫛形(P1,P3)が、膜(12)の垂直な方向において、一方で可動板よりも、高さが大きい固定板を有し、もう一方で固定板よりも、高さが大きい可動板を有する加速度計の構造。 - 振動質量体の各辺に二つの櫛形(P1,P2)があり、膜(12)の垂直な方向において、一方は可動板よりも高さが大きい固定板を有し、もう一方は固定板よりも高さが大きい可動板を有する請求項1に記載の加速度計の構造。
- 振動質量体の同一の側にある二つの櫛形(P1,P2)が、振動質量体の同一方向の水平変位に対して反対の向きに変化する板間の間隔を有する請求項1または2に記載の加速度計の構造。
- 振動質量体の二つの反対の側にあって互いに向き合う二つの櫛形が、これらの側と平行な振動質量体の同一の変位に対して同じ向きに変化する板間の間隔を有する請求項2〜3のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
- 相互に嵌合した容量性の櫛形の機構が、全ての相互に嵌合した櫛形の加速度がない場合に静止時の静電容量が同一となるために、対称である請求項1〜4のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
- 振動質量体の二つの側に平行な水平軸に沿った加速度の測定が、これらの側に沿って位置する四つの櫛形の静電容量値の一次結合によってなされる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
- 膜に直角な垂直軸に沿った加速度の測定が八つの櫛形の静電容量値の一次結合によってなされ、この組合せが振動質量体のそれぞれの側に各々位置し、可動板よりも低い固定板を有する四つの櫛形(P1,P4,P6,P7)の静電容量の合計と、同様に各々が振動質量体のそれぞれの側に位置し、固定板よりも低い可動板を有する四つの別の櫛形(P2,P3,P5,P8)の静電容量の合計との差である、請求1〜5のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
- 振動質量体(M)、相互に嵌合した櫛形(P1〜P8)、膜(12)、及び中央のスタッド(14)がシリコン製である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
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