JP5960257B2 - 振動摂動の時間領域測定のための装置および方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2011年6月24日に出願された、同じ発明の名称を有する、同時係属中の米国特許出願第13/168,603号に基づき優先権を主張するものであり、その全部は参照によって本明細書中に組み込まれる。
本発明は、センシングへの応用において用いられる振動装置に主に関し、より具体的には、ある例示的態様において時間領域センシング装置およびそれを使用するための方法に関する。
本明細書中で用いられる場合、「コンピュータ(computer)」、「コンピューティングデバイス(computing device)」および「コンピュータ化されたデバイス(computerized device)」との用語は、例えば、メインフレームコンピュータ、ワークステーション、サーバ、デスクトップ、ラップトップもしくは他のパーソナルコンピュータ(PC)およびミニコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、ハンドヘルドコンピュータ、内蔵コンピュータ、プログラム可能論理デバイス、デジタル信号プロセッサシステム、パーソナル通信機器、タブレットコンピュータ、ポータブルナビゲーションエイド、J2ME付きデバイス、セルラー電話、スマートフォン、パーソナル統合通信もしくは娯楽デバイス、または、一連の命令を実行することおよび受信データ信号を処理することが可能である事実上任意の他のデバイスを含むが、これらに限定される訳ではない。
本発明は、ある主要な態様において、ロバストな、低コストの、および高分解能の振動装置(例えば、センシングまたは測定への適用に利用され得るもの)ならびにそれを実施あるための方法および使用するための方法を提供する。
本発明の装置および方法の多様な実施態様および変形例の詳細な説明を以下に記載する。電子トンネルセンシングチップエレメントを備えた例示的な微小電気機械センサー(MEMS)デバイスに関して主に説明がなされるが、本明細書中で記載される装置および方法論はこれに限定される訳ではないことが理解されるであろう。実際、本明細書中で記載される振動装置および方法論(MEMSなど)は、例えば、これらに限られる訳ではないが、光学パラメータ、磁気パラメータ、圧電パラメータ、熱パラメータ、容量パラメータ、化学パラメータおよび生物パラメータのセンシング、ならびに信号領域変換などのさまざまな種々な状況および応用に使用され得る。
センシング方法の一実施態様が、図1を参照して説明される。図1の例示的な時間領域ベースの方法は、力のセンシングに関連しており、そして、周波数fdrvで駆動されている試験質量/バネベースの振動子の偏向(バイアスとも称される)の測定に依存する。ある構成において、振動子の振動は実質的に調和型である。あるいは、振動は、実質的に非調和型であるかまたは(例えば、完全な正弦波ではない)。
mは、振動子質量であり、
f0は、振動子共振周波数であり、
T0は、対応する振動の周期である、
を有する単調和運動を受ける。
式中、d0は、基準トリガポイントと正のトリガポイントとの間の距離(トリガギャップ)であって、
A+は、振動最大における振動振幅、
Pは、P=T1+T3によって規定される振動周期、
d+は、振動最大を中心とする試験質量偏向推定値、
T1は、上方スイング基準ポイント交差周期、および
T2は、正のトリガポイント交差周期である
のように組み合わせることによって得られる。
式中、d0はトリガギャップ、
A_は、振動最小における振動振幅、
Pは、P=T1+T3によって規定される振動周期、
d_は、振動最小を中心とする試験質量偏向推定値、
T3は、下方スイング基準ポイント交差周期、および
T4は、負のトリガポイント交差周期である
のように組み合わせることによって得られる。
にしたがって得られる。
式中、
dは、基準トリガポイントからの偏向、
A(t)は、時変振動振幅、
Pは、振動周期、
xiは、時間tiにおける振動子の位置、および
jは位相シフトである。
xは、振動子変位、および
G(x)は、変位の非線形関数である
などの非線形の運動方程式に準拠し得る。
ライン206によって示されるように、式中、
Aは、振動子振幅、
wは、振動子共振周波数2pf0、および
Dtは、クロック分解能である
を用いて近似される。
- 図2A−1〜2A−3は、振動振幅が100nmおよびトリガギャップがそれぞれ50nm、20nmおよび10nmに対応する、
- 図2A−4〜2A−6は、振動振幅が200nmおよびトリガギャップがそれぞれ50nm、20nmおよび10に対応する、および、
- 図2A−7〜2A−9は、振動振幅が500nmおよびトリガギャップがそれぞれ50nm、20nmおよび10nmに対応する。
−矢印242、244、246で示されているラインは、振動周波数が100Hzおよびクロック分解能がそれぞれ10ps、1nsおよび100nsに対応する。
−矢印248、250、252で示されているラインは、振動周波数が1kHzおよびクロック分解能がそれぞれ10ps、1nsおよび100nsに対応する。
−矢印254、256、258で示されているラインは、振動周波数が10kHzおよびクロック分解能がそれぞれ10ps、1nsおよび100nsに対応する。
aは、加速度であり、
Aは、振動子振幅であり、
Pは、振動周期であり、
d0は、トリガギャップであり、
wは、振動のラジアル周波数であり、2p/Pによって表され、
T1は、上方スイング基準ポイント交差周期であり、および
T2は、正のトリガポイント交差周期である。
のように表され得る。
ここで図3を参照して、本発明の時間領域慣性力センシング装置の一実施態様を図示および記載する。図3の例示的なセンシング装置300は、フレーム302、および、ある変形例においては金熱圧縮ウェーハ接合技術を用いて、ベース305とキャッピングウェーハ306との間に密封される、カンチレバー型試験質量アセンブリ304を含む。当業者であれば理解するであろうように、多数の他の製造方法、例えばこれらに限定される訳ではないが、金/スズ共晶または他の共晶、ガラスフリット接合、溶融接合、静電接合などが用いられてもよい。
Uは、印加されたトンネルバイアス電圧であり、
dは、トンネルギャップ幅であり、
Kは、供給源および供給先の両方の利用可能な状態の密度を示す定数であり、
bは、電子を真空電位へ解放するために必要な電子仕事関数またはエネルギーを記述する定数である
によって与えられる量子トンネル効果の指数関数的挙動に起因する極めて短い周期であり得る。
−T1は、第2の基準トリガポイント事象(試験質量位置7)におけるカウンター値から、第1の基準トリガポイント事象(試験質量位置1)におけるカウンター値を減算した値である。
−T2は、第2の負のトリガポイント事象(試験質量位置5)におけるカウンター値から、第1の負のポイントトリガ事象(試験質量位置3)におけるカウンター値を減算した値である。
−T3は、第2の正のトリガポイント事象(試験質量位置11)におけるカウンターから、第1の正のポイントトリガ事象(試験質量位置9)におけるカウンター値を減算した値である。
−T4は、第3の基準トリガポイント事象(試験質量位置13)におけるカウンター値から、第2の基準ポイントトリガ事象(試験質量位置7)におけるカウンター値を減算した値である。
所定の物理的ギャップd0によって離間された、トンネルチップのデュアルセット(例えば、図3Aの電極アセンブリ318、320の電極314、312など)は、慣性センシング装置(例えば、図3の装置300など)のその場(in situ)較正のための簡便な構成を提供する。この場合、d0はトンネルチップ間の物理的間隔であり、そして、製造プロセスのあいだに正確に画定される。電極間隔の最終測定は、デバイスの工場較正時に行われる。間隔d0は、物理的デバイス構成(層の積層)に基づいており、振動子の動的特性には基づいていないため、有利には経時的に変化しない。よって、較正はセンサーの動作の中に有効に「内蔵(built-in)」され、その後の較正は行われる必要が無い。加速度を測定するために必要とされる全てのパラメータは、固定されている(例えば、d0)か、または、振動周期(例えば、T1〜T4およびP)ごとに測定される。よって、ドリフトし得るパラメータが無くなり、そして、再較正の必要が無くなる。ドリフトし得るであろうパラメータは、各周期毎に測定される。これもまた、先行技術に対する本発明によるさらなる別の顕著な有利性である。
本明細書中に記載される時間領域振動(TDO)装置および方法は、従来技術のMEMSデバイスにより典型的に提供されるアナログ信号出力に対して、デジタルの時間ベース出力を有利に提供する。よって、本発明のTDOデバイスの正確性は、トリガ事象の不変性、振動特性(例えば、試験質量の調和振動など)およびトリガ事象のタイミング測定の正確性にのみ依存する。トリガ事象間の時間間隔は、製造のあいだに確立される物理的寸法に基づくため、本発明の実施態様のセンシング装置は、上述されるように、継続的な較正を必要としない。
Claims (34)
- 振動装置と、
前記振動装置を駆動するように構成される駆動回路と、
第1の電極および第2の電極を備える少なくとの1つのスイッチ装置であり、第1の電流パルスを誘導する少なくとも第1の整列状態によって特徴付けられ、前記第1の整列状態において前記第1および第2の電極は一列に並び、
前記第1の電極および第2の電極の少なくとも1つは、前記振動装置上に配置される少なくとも1つのスイッチ装置と、
前記少なくとも1つのスイッチ装置に連結され、第1の電流パルスを示して第1の信号が出力されるように構成されるセンシング回路と、
前記第1の信号の第1の立ち上がりエッジを検知するように構成される第1のコンパレーターと、
前記第1の立ち上がりエッジの検知に基づいてクロックサイクル数の計測を始めるように構成された第1のカウンター
を備える振動センシング装置。 - 前記駆動回路が、前記振動装置を実質的にパルス様態で駆動する請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記駆動回路が、駆動周波数を用いて実質的に連続的な様態で前記振動装置を駆動する請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記第1の信号が実質的にデジタルである請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記少なくとも1つのスイッチ装置が、単電子トンネルチップ対と、前記対を構成する前記第1および第2の電極とを備える請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記少なくとも1つのスイッチ装置が、複数の電子トンネルチップ対を備え、前記第1のおよび第2の電極が、前記複数の対のうちの1つを構成する請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記第1の整列状態が、第1の位置に配置されている前記振動装置に少なくとも部分的に基づく請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記少なくとも1つのスイッチ装置が、第3の電極をさらに備え、かつ、第2の電流パルスを誘導する第2の整列状態によって特徴付けられ、前記第2の整列状態において前記第3の電極は前記第1および第2の電極の一方と一列に並び、および
前記センシング回路が、前記第2の電流パルスを示す第2の信号を出力するように構成され、前記第2の整列状態が、第2の位置に配置されている前記振動装置に少なくとも部分的に基づく請求項7記載の振動センシング装置。 - 前記第1の信号が、第2の立ち上がりエッジを含み、前記第2の立ち上がりエッジが、第1の時間周期によって前記第1の立ち上がりエッジから分離され、前記第1の時間周期が、第1の周波数および適用される力に少なくとも部分的に基づくように構成され、
前記第2の信号が、第3の立ち上がりエッジおよび第4の立ち上がりエッジを含み、前記第3の立ち上がりエッジが、第2の時間周期によって前記第4の立ち上がりエッジから分離され、前記第2の時間周期が、前記第1の周波数および前記適用される力に少なくとも部分的に基づくように構成され
前記第1のコンパレーターは、前記第2の立ち上がりエッジを検知し、前記第1の時間周期を測定するように構成され、
前記振動センシング装置は、さらに、第3の立ち上がりエッジと第4の立ち上がりエッジを検知するように構成される第2のコンパレーターと、前記第3の立ち上がりエッジの検知に基づいて、計測を開始し、前記第2の時間周期を測定するように構成された第2のカウンターを備える請求項8記載の振動センシング装置。 - 前記第1の位置が、基準位置に相対する前記振動装置の第1の変位によって特徴付けられ、
前記第2の位置が、前記基準位置に相対する前記振動装置の第2の変位によって特徴付けられ、
前記第2の変位が、前記第1の変位と実質的に異なっている請求項8記載の振動センシング装置。 - 前記第1の信号が、第2の立ち上がりエッジを含み、前記第2の立ち上がりエッジが、第1の時間周期だけ前記第1の立ち上がりエッジから分離され、前記第1の時間周期が、前記振動装置の振動周波数と、適用される力とに少なくとも部分的に基づくように構成されている請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記振動センシング装置が、微小電気機械センサー(MEMS)装置を含む請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記振動センシング装置が、長さ3mm未満×幅3mm未満×高さ1mm未満の寸法を有する請求項12記載の振動センシング装置。
- 前記振動装置が、振動構造を備え、および
前記少なくとも1つのスイッチ装置が、前記振動構造周囲の少なくとも一部の周囲に配置される第1のスイッチおよび第2のスイッチを備える請求項1記載の振動センシング装置。 - 前記第1のスイッチの前記第1の整列状態が、前記振動装置の変位に対応し、前記振動装置の変位が、前記第2のスイッチの第1の整列状態に対応する前記振動装置の変位と実質的に異なる請求項14記載の振動センシング装置。
- 前記第1のスイッチの第1の整列状態が、前記振動装置の変位に対応し、前記振動装置の変位が、前記第2のスイッチの第1の整列状態に対応する前記振動装置の変位に実質的に等しい請求項14記載の振動センシング装置。
- 前記センシング装置が力センサーを備え、前記振動装置が、試験質量を有する実質的にカンチレバー型の構造を備える請求項1記載の振動センシング装置。
- 前記振動装置が、非線形の復元力に少なくとも起因して振動する請求項1記載の振動センシング装置。
- 非調和振動が、時間変動する力の適用に少なくとも部分的に起因して誘導される請求項18記載の振動センシング装置。
- 前記第1の時間周期及び第2の時間周期を測定するために使用されるパルスを生成するように構成されたタイミングユニットをさらに備える、請求項9記載の振動センシング装置。
- 前記第1の時間周期及び第2の時間周期が、振動子運動の一またはそれ以上の曲線適合と共に、前記振動子に作用するパラメータについての情報を抽出するために使用される請求項20記載の振動センシング装置。
- 駆動信号に少なくとも部分的に基づいて振動するように構成される振動子と、
少なくとも第1および第2のセンシング電極を備えるスイッチと、
前記スイッチと接続するセンシング回路であって、
前記振動子が第1の整列位置にあるとき、前記センシング回路は、第1の実質的にデジタルの出力信号を作成し、前記第1の整列位置において前記第1および第2のセンシング電極は一列に並び、
前記振動子が第2の整列位置にあるとき、前記センシング回路は、第2の実質的にデジタルの出力信号を作成し、前記第2の整列位置において第3のセンシング電極が前記第1および第2のセンシング電極の一方と一列に並ぶ、センシング回路と、
第1のデジタル出力信号の第1の立ち上がりエッジを検知するように構成される第1のコンパレーターと、
第2のデジタル出力信号の第2の立ち上がりエッジを検知するように構成される第2のコンパレーターと、
第1の立ち上がりエッジの検知に基づいて第1のクロックサイクル数のカウントを始める第1のカウンターと、
第2の立ち上がりエッジの検知に基づいて第2のクロックサイクル数のカウントを始める第2のカウンターと、
を備える振動装置。 - 前記第1および第2のセンシング電極が、一対のトンネル電極を構成する請求項22記載の振動装置。
- 駆動信号に少なくとも部分的に基づいて振動するように構成される振動子と、
少なくとも第1および第2のセンシング電極を備え、第1の電流パルスを誘導する少なくとも第1の整列状態により特徴付けられるスイッチとを備え、前記第1の整列状態において前記第1および第2のセンシング電極は一列に並び、
さらに、前記第1の電流パルスの立ち上がりエッジを検知するように構成されるコンパレーターと、
前記立ち上がりエッジの検知に基づいてクロックサイクル数のカウントを始めるように構成されるカウンターとを備え、
前記振動子の位置が、前記クロックサイクル数に基づいて時間の関数として決定され得、
第1及び第2のセンシング電極の少なくとも1つが振動子上に配置される振動装置。 - 前記第1の電流パルスが、前記第1および第2のセンシング電極を横切る電子トンネルを少なくとも部分的に介して作成される請求項24記載の振動装置。
- 前記振動子が、少なくとも1つのカンチレバーと、それに関連付けられる試験質量とを含む請求項25記載の振動装置。
- 振動子と、
前記振動子を駆動するように構成される駆動回路と、
第1のエレメントおよび第2のエレメントを含み、第1の電流パルスを誘導する第1の整列状態によって特徴付けられるスイッチ装置と、
前記スイッチに連結されたセンシング回路と、
コンパレーターと、
カウンターとを備える外力をセンシングするように構成される振動装置であって、
前記第1のエレメントまたは前記第2のエレメントのうち少なくとも1つが、前記振動子上に配置され、
前記センシング回路が、前記第1の整列状態を示す実質的にデジタルの信号を出力するように構成され、前記第1の整列状態は、前記第1のおよび第2のエレメントが一列に並ぶように、第1の基準位置に実質的に配置されている前記振動子に対応し、
前記信号は、第1の立ち上がりエッジおよび第2の立ち上がりエッジを含み、前記第2の立ち上がりエッジは、第1の時間周期だけ前記第1の立ち上がりエッジから分離され、前記第1の時間周期は、前記振動子の振動周波数および前記外力に少なくとも部分的に関連し、
前記コンパレーターは、前記第1の立ち上がりエッジ及び前記第2の立ち上がりエッジを検知するように構成され、
前記カウンターは、前記第1の立ち上がりエッジ及び前記第2の立ち上がりエッジに基づいて、前記第1の時間周期を測定するように構成される振動装置。 - 適用される力が実質的に不規則であり、前記振動子の振動が実質的に非正弦波である請求項27記載の振動装置。
- 前記振動子の運動が、第1の方向における変位によって特徴付けられ、および
前記第1および前記第2のエレメントのアライメントが、前記第1の方向に対して実質的に垂直である第2の方向に構成される請求項27記載の振動装置。 - 前記第1および前記第2のエレメントがそれぞれ、前記第2の方向に沿ったギャップによって離間されているトンネルチップ電極対を備え、および
前記第1および前記第2のエレメントのアライメントが、前記ギャップを横切るトンネル電極放電電流を生じさせるように構成される請求項29記載の振動装置。 - 前記第1および前記第2のエレメントがそれぞれ、前記第2の方向に沿ったギャップによって離間されている磁気チップ電極対を備え、および
前記第1および前記第2のエレメントのアライメントが、前記ギャップを横切る磁気パルスを生じさせるように構成される請求項29記載の振動装置。 - 前記トンネルチップ電極対の第1の電極が、前記トンネルチップ電極対の第2の電極に相対して異なる電位にあり、および
前記第1および前記第2のエレメントのアライメントが、前記第1の電極または前記第2の電極の少なくとも1つ中に電気パルスを生じさせるように構成される請求項29記載の振動装置。 - 前記外力が、コリオリ力を含む請求項27記載の振動装置。
- 前記外力が、加速力を含む請求項27記載の振動装置。
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