JP5933510B2 - Ｍｅｍｓ加速度計 - Google Patents

Description

本発明はＭＥＭＳ加速度計に関する。

コイルを備えるパドルタイプのプルーフマスを有する微小電気機械システム（Micro Electro-Mechanical System, MEMS）加速度計の典型的な構成は、大きな磁気抵抗値を備える磁気回路構成を有する。一般に、前述のコイルおよび磁気回路の構成は、磁場がらせんコイルの平面に平行に通るように構成される。磁場は、穴を用いて、プルーフマスを貫通する戻り経路を励起する。

この構成における磁気戻り経路のギャップは、コイルの直径により画定され、従って、対応する磁気回路の大きな磁気抵抗に対して比較的大きく、高いスケールファクターとなる。このタイプのコイル構成は、加速度計をサーボするための電流レベルを必要とし、これが加熱効果を発生させて性能を低下させる非線形性を形成する。

本発明は、感度が改良され、大きな信号対雑音比、および低電力要求の、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計および加速度検出方法に関する。ＭＥＭＳ加速度計の一例は、少なくとも１つのヒンジタイプの屈曲部に吊るされたプルーフマス、プルーフマス上に位置する少なくとも１つの平面コイル、および、磁束場がコイル面に対して約３０°から約６０°の間で少なくとも１つの平面コイルを通過するように位置決めされる少なくとも１つの磁石、を有する。例示的な実施形態において、この角度は約４５°である。

本発明の一側面によれば、少なくとも１つの磁石は少なくとも１つの環状磁石を含む。
本発明のさらなる側面によれば、少なくとも１つの磁石は、プルーフマスの第１の側部上に位置決めされる第１環状磁石、および、プルーフマスの第２の側面上に位置決めされる第２環状磁石を含む。この第２環状磁石は、第１環状磁石の内側直径よりも小さな内側直径を備え、また、第１環状磁石の外側直径よりも小さい外側直径を備える。

本発明の他の側面によれば、少なくとも１つの平面コイルは、プルーフマスの第１側部上に位置する第１平面コイルと、プルーフマスの第２側部上に位置する第２平面コイルと、を有する。

本発明のさらなる側面によれば、本発明の方法は,ＭＥＭＳ加速度計のピックオフのキャパシタンスを検出し、検出したキャパシタンスに基づいて平面コイルに電流を通じることでＭＥＭＳ加速度計を再度平衡させるステップを有する。

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が以下に図面とともに詳細に説明される。図面は以下のとおりである。

本発明の一実施形態により形成される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計のブロック図である。 本発明の一実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計の断面側面図である。 本発明の一実施形態により形成されたプルーフマスの断面上面図である。

図１は、本発明の一実施形態により形成される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計システム２０のブロック図である。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、加速度計２２および制御ユニット２４を含む。制御ユニット２４は、検出電子機器２６および駆動電子機器２８を含み、両者はＭＥＭＳ加速度計２２と信号通信できる。また、制御ユニット２４は、制御装置３０を含み、制御装置３０は、検出電子機器部品２６および駆動電子機器部品２８と信号通信する。一般に、加速度計２２は、少なくとも１つのヒンジタイプの屈曲部によりハウジング内に吊るされるプルーフマスを含み、また、少なくとも１つのヒンジタイプの屈曲部についてプルーフマスを再平衡させるための磁気再平衡要素を含む。磁気再平衡要素は、プルーフマス上に位置する少なくとも１つの平面コイルに電流を流すことにより加速度計２２をサーボ駆動するためにローレンツ力を用い、プルーフマスは磁束場内に位置し、磁束場はコイル平面に対して約３０°から約６０°の間の角度で少なくとも１つの平面コイルを通過する。マルチセンサ環境における使用のためのいくつかの実施形態においては、加速度計２２および／または加速度計システム２０の周りに磁場シールドが存在してもよい。例示的な加速度計２２のさらなる詳細は図２とともに議論される。

図２は、本発明の一実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計４０の断面側面図である。加速度計４０は、磁気戻り経路ハウジング構造４１を含む。プルーフマス４２は、ヒンジタイプの屈曲部４４により吊るされ、屈曲部４４は磁気戻り経路ハウジング構造４１内の支持手段により支持される。第１コイル４６は、プルーフマス４２の第１側部上に位置する。第２コイル４８は、プルーフマス４２の第２側部上に位置する。第１コイル４６および第２コイル４８は平面であり、共通の軸を中心とする円形コイルである。第１コイル４６は、第１コイル内側直径、第１コイル外側直径を備え、これらはそれぞれ第２コイル内側直径および第２コイル外側直径よりも大きい。例示的な実施形態において、第１コイル４６および第２コイル４８の各々は約１０回巻であり、それぞれ約４５ミクロン幅であり、各巻の間の空間は約１５ミクロンであり、厚さが約０．５ミクロンである。しかし、いくつかの実施形態において、長円形または矩形のらせん構成のような他のコイル構成を用いてもよく、また、異なる巻数を用いてもよく、異なる寸法を用いてもよい。第１環状磁石５０が、磁気戻り経路ハウジング構造４１の頂部部品５１の内側表面で、第１コイル４６の上に位置する。第２環状磁石５２が、磁気戻り経路ハウジング構造４１のベース部品５３の内側表面上で、第２コイル４８の下に位置する。第１磁石５０および第２磁石５２は、たとえばサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石とすることができる。磁気戻り経路ハウジング構造４１は、第１磁石５０の上の頂部部品５１から、側壁リング５５を通じて、第２磁石５２の下の位置のベース部品５３のところまで延びる。側壁リング５５は、頂部部品５１およびベース部品５３の両者に取り付けられる。磁気戻り経路ハウジング構造４１は、たとえば合金３９のような合金で形成することができる。磁性を持ち、温度変化によるワーピング（warping）を最小化するシリコンに匹敵するよい熱膨張係数を備えるので合金３９を挙げたが、他の実施形態において他の材料を用いることもできる。第１容量性ピックオフ５８および第２容量性ピックオフ６０がそれぞれプルーフマスの上および下に位置する。

第１磁石５０および第２磁石５２は、第１および第２のコイル４６、４８の平面に対して約４５度の磁束角度６２で破線矢印により示される方向に、第１コイル４６および第２コイル４８を通る磁束場が形成されるように配置される。磁束場はいくつかの湾曲部を備えてもよいが、好ましくは、磁束場は第１および第２のコイル４６、４８の平面を通じてほぼ直線的である。磁場は、第１コイル４６および第２コイル４８の平面内の第１成分に対して説明することができ、また、第１コイル４６および第２コイル４８の平面に直交する第２成分に対して説明することができる。コイル４６、４８の平面内の第１成分は、プルーフマスの平面に垂直なサーボ方向における有効な力を提供するために、コイル４６、４８を通る電流に関連させて用いられる。コイル４６、４８を通る電流に関連する第２成分は、コイル４６、４８に半径方向の力を付与し、これはコイル４６、４８およびプルーフマス４２により支持される。いくつかの実施形態において、磁石５０、５２および磁気戻り経路ハウジング構造４１が取り付けられる前に、加速度計４０のいくつかの部品をシールするために、第１および／または第２の磁石５０、５２をプルーフマス４２およびコイル４６、４８から隔離するためにパイレックス（Ｐｙｒｅｘ）（登録商標）の層（図示せず）を用いることができる。

第１磁石５０および第２磁石５２は、第１および第２のコイル４６、４８に面する磁石５０、５２の表面に対して約４５°の角度のほぼ線形の磁束角度を生じさせるように磁荷が与えられる。例示的な一実施形態において、磁石５０、５２は、第１コイル４６および第２コイル４８のそれぞれ面する各磁石５０、５２の表面に対して約９０°の角度で、環状磁石５０、５２の中心軸について半径方向内側に磁荷が与えられる。約４５°の磁束角度を形成するように磁石５０に磁荷が与えられる方向は、例示的な一実施形態において、磁石および磁石の互いに対する位置、および加速度計４０の他の部品に対する位置、の有限要素解析モデルを用いて決定することができる。第１磁石５０および第２磁石５２は、各磁石５０、５２の磁束線の方向ベクトルが符号するように、頂部部品５１およびベース部品５３に接続される。第１コイル４６および第２コイル４８の中心軸に垂直な方向における磁束場の成分は、加速度計４０のプルーフマス４２をサーボするために用いられる。例示的な一実施形態において、これは、典型的な構成と比較して、加熱効果を低減するのを助ける。これは、第１および第２のコイル４６、４８を通る電流と、コイル４６、４８の中心軸に垂直な磁束場の成分のベクトル積が、典型的な構成におけるものよりも多くの磁束および少ない電流から構成されるからである。磁石５０、５２は異なる半径で示されているが、他の実施形態において、ほぼ等しい内側径および外側径を備える磁石を用いることもできる。このような実施形態において、望ましい４５°の磁束角度６２がコイル４６、４８を通るように、磁石の磁荷の角度は、約９０°ではなく約４５°とすることができる。

例示的な一実施形態において、第１コイル４６および第２コイル４８は、図１に示される駆動電子機器２８のような駆動要素に電気的に接続されている。第１および第２の容量性ピックオフ５８、６０は、図１に示される検出電子機器２６のような検出要素と信号通信する。加速度計４０を取り囲むセンサパッケージのような他の要素（明確さのために図示しない）を含むこともできる。

加速度計４０は、プルーフマス４２の平面に垂直な成分を備える加速度に対して感度がある。この加速度は、第１および第２の容量性ピックオフ５８、６０に接続された検出電子機器２６により検出される。いくつかの実施形態において、微分キャパシタンスが検出される。検出したキャパシタンスに基づいて加速度計４０を再平衡させる力を発生させるために、駆動電子機器２８により、適切な電流が第１および第２のコイル４６、４８に流される。制御装置３０は、所定のキャリブレーションおよび検出したキャパシタンスに基づいて、駆動信号を駆動電子機器２８に送る。プルーフマス４２の平面に垂直な加速度の成分は、プルーフマス４２を再平衡させるのに必要な電流レベルに基づいて決定される。

図３は、本発明の例示的な一実施形態により形成される図２に示されるプルーフマス４２の断面上面図である。第１コイル４６、ヒンジタイプの屈曲部４４、および容量性ピックオフ５８の第１パッド５８−１が図示されている。

一般に、加速度計２２、４０は、シリコンウェハから始まり、パターン形成およびエッチングにより、支持構造に取り付けられたヒンジタイプの屈曲部を備えるいくつかのぶらさがったプルーフマス素子により形成される。このウェハは、金属配線を支持するために誘電体層を生成するために酸化される。さらにパターン化および金属配線のステップは、微分容量性ピックオフを形成し、また平面らせんコイルのための基本素子を形成する。コイルの内側の輪郭は、らせんコイルに渡って誘電体層を配置することを介して形成され、これに第２の金属配線ステップが続く。シリコンウェハと同じ直径を備えるガラスウェハがパターン化され、エッチングされ、金属配線されて、微分容量性ピックオフの第２プレートとして機能しさらに制御装置の減衰を制御するように機能する表面に凹部を生成する。第１ガラスウェハは、シリコンウェハに整列され、陽極接続されて下容量プレートを形成する。このアセンブリは、第２ガラスウェハに陽極接続され、微分容量ピックオフのための上のキャパシタを形成する。シリコンおよびガラスのウェハアセンブリは、ダイシングされ、個別のセンサにアクセスできるようになる。下の磁石は、磁気戻り経路ハウジング構造のベース部品に取り付けられ、戻り経路ハウジング構造の側壁リング部品がベース部品に取り付けられ、ウェハアセンブリからのセンサが側壁リング内に配置され、ベース部品に取り付けられ、上磁石が戻り経路ハウジング構造の頂部部品に取り付けられ、頂部部品が側壁リングに取り付けられる。これらの磁石は、らせんコイルの平面を約４５°で通る磁束場を生成する所定の方向に磁荷が与えられる。代替的に、磁石の一方または両方は、磁気戻り経路ハウジング構造に取り付ける前に磁荷が与えられる。これらの磁石は、これらの磁石がらせんコイルに相互作用する磁場を生成するために、コイルの上および下に配置されるように、戻り経路構造に取り付けられる。ここで、ウェハアセンブリ、磁石および磁気戻り経路ハウジング構造を含む加速度計は、パッケージ、試験、および加速度計システムへの統合のための準備ができている。１つのコイルだけが言及されたが、図２で説明した第２コイルのような追加のコイルを上述のコイルと同様の手法で追加できることを理解されたい。

例示的な一実施形態において、図１、２の加速度計２２および４０は、パターンを酸化し、プルーフマスおよび少なくとも１つのヒンジタイプの屈曲部をシリコンウェハ上に深堀り反応性イオンエッチングにより形成することにより形成される。次に、らせんコイルおよびピックオフを、プルーフマス上に金属で形成する。らせんコイルおよびピックオフはたとえば金により形成できる。その後、絶縁層をコイルの部分にわたってスパッタリングにより形成する。追加的なトレースを絶縁層にわたって金属配線し、コイルの内側部分への接続部を形成する。その後、たとえばホウケイ酸塩パイレックスのようなガラスで形成できる第１ハウジング部分をエッチングして、キャパシタおよびプルーフマス上のトレースへのアクセスのための貫通穴のための凹部を生成する。その後、第１ハウジング部分は金属で形成されて、容量性ピックオフの一部を形成する。同様の方法で、第２ハウジング部分がエッチングされて金属で形成される。第１および第２のハウジング部分は、たとえばハウジング部分をウェハ層に陽極接続することにより、プルーフマスを含むウェハ層に取り付けられる。いくつかの実施形態において、極部品および／または戻り経路構造のための穴を形成するために、貫通穴をウェハアセンブリ内で超音波加工できる。

本発明の好ましい実施形態が上述のように図示および説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく多くの変更が可能である。たとえば、２つの環状磁石を用いるのではなく、いくつかの実施形態において、複数の個別的な磁石をプルーフマスの両側において使用してもよい。さらに、所定角度で極性が与えられる磁石を用いるのではなく、コイルを通る所望の角度に磁束場を向けるために、１つまたはそれ以上の極部品を用いてもよい。また、単一の磁気戻り経路構造を用いるのではなく、特に、環状磁石ではなく複数の磁石が用いられる実施形態においては、複数の戻り経路構造を用いてもよい。単一層のコイルだけが説明されたが、いくつかの実施形態においては１つ以上の層を備えるコイルを用いてもよい。本発明は添付の特許請求の範囲により完全に決定される。

Claims (3)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計（４０）であって、
   ヒンジタイプの屈曲部により吊るされるプルーフマス（４２）と、
   前記プルーフマス上に位置する、少なくとも１つの平面コイル（４６、４８）と、
   前記コイルの平面に対して約３０°から約６０°の間の範囲の磁束角度で、磁束場が前記少なくとも１つのコイルを通るように位置決めされる少なくとも１つの磁石（５０、５２）と、を有する、ＭＥＭＳ加速度計。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度計であって、前記少なくとも１つの磁石は、
   前記プルーフマスの第１側部側に位置決めされる第１環状磁石（５０）と、
   前記プルーフマスの第２側部側に位置決めされる第２環状磁石（５２）と、を有し、
   前記第２環状磁石は、前記第１環状磁石の内側直径よりも小さな内側直径、および、前記第１環状磁石の外側直径よりも小さな外側直径を有する、ＭＥＭＳ加速度計。
3. 請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度計であって、さらに、前記少なくとも１つの磁石に連結される磁気戻り経路構造（４１）を有し、磁気戻り経路構造は、前記プルーフマスの第１側部から前記プルーフマスの第２側部まで延びる、ＭＥＭＳ加速度計。

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