JP6291485B2 - ラプラス力を伴う磁界のセンサ及び当該センサを用いる方法 - Google Patents

Description

本発明は、ラプラス力を伴う磁界センサ及びこのセンサを用いる方法に関する。

ラプラス力を伴う磁界センサは、地球の磁界の成分又は電気伝導体若しくは他の磁界源により発生する磁界の成分を測定するために用いることができる。

「磁界の成分」という表現は、センサの測定軸上の磁界の正射影の振幅を指し示す。

既知のセンサは、
・基板平面と呼ばれる平面内に実質的に延びた基板と、
・ラプラス力を受けたとき変位方向において変位するのに適しており、基板の上に架けられた可動部品を含む、電流が流れるのに適した少なくとも１つの電気伝導体と、
・この可動部品を基板に機械的に接続すると共に、可動部品を、基板上に配置された電流電源コンタクトブロックに電気的に接続する機械的リンクと、
・可動部品の変位振幅を表す物理量を測定するのに適し、少なくとも１つの第１の部品及び１つの第２の部品を含む少なくとも１つのゲージと、
・可動部品の変位方向と直角にある回転軸に関して回転して変位することが可能な架けられたレバーであって、第１及び第２の付着点を有し、第１の付着点は可動部品に機械的に接続されることで、可動部品の変位に応じてレバーを回転軸に関して回転するように動かし、第２の付着点はゲージの第１の部品に直接機械的に接続される、レバーと、
を備える。

例えば、このようなセンサは、以下の論文Ａ１及びＡ２に説明されている。
・A1: V. Beroulle et al., "Monolithic piezoresistive CMOS magnetic field sensors", Sensors and actuators A, vol 103, pages 23-32, 2003,
・A2: A.L. Herrera-May et al., "A resonant magnetic field microsensor with high quality factor at atmospheric pressure", J. Micromechanical Microengineering, 19 (2009) 015016.

次の先行技術もまた知られている：
・ US7 642 692 B1, 及び
・ US 2006/076947.

米国特許第７６４２６９２号明細書 米国特許出願公開第２００６／０７６９４７号明細書

V. Beroulle et al., "Monolithic piezoresistive CMOS magnetic field sensors", Sensors and actuators A, vol 103, pages 23-32, 2003 A.L. Herrera-May et al., "A resonant magnetic field microsensor with high quality factor at atmospheric pressure", J. Micromechanical Microengineering, 19 (2009) 015016.

これらのセンサを最適化する、特にこれらの感度を増大させる又はこれらの帯域幅をセットすることが望ましい。しかしながら、実際には、この課題は実行することがとりわけ難しいことが立証された。以下のいくつかの例により、このポイントを示す。

論文Ａ１又はＡ２に説明されたセンサの感度を増大させるためには、レバーの長さを増加させることにより、ラプラス力がかかっている電気伝導体をゲージから離すことが想定されうる。事実上、レバーの長さを増加することによって、ゲージにかかっている力を増大させ、従ってセンサの感度を増大させることが可能である。しかしながら、レバーの長さを増加させることは、レバーの共鳴周波数を変更することになる。そして、論文Ａ１及びＡ２のセンサの電気伝導体には、レバーの機械的な共鳴周波数と等しいように選択された周波数を有する交流電流により電力が供給されなくてはならない。その結果として、レバーの長さを増加させることで、動作している周波数が、望ましい動作周波数範囲の外におかれうる。例えば、動作周波数が低下するに従い、センサが機械的な振動に対してより敏感になる。さらに、論文Ａ１及びＡ２の場合では、ゲージはレバーに集積されている。これらの状況では、ゲージがひずみ振動を測定できるようにするために、レバーを変形可能にしなくてはいけない。実際には、レバーが変形可能でなくても、ゲージはいかなる信号も測定しない。結果として、レバーが変形可能であるため、レバーの長さを増加させることによって直接得られる機械的なレバーアームの効果はない。この効果を得るためには、レバーを硬くしなくてはいけない。

既知のセンサでは、センサにとって所定の帯域幅が要求されているとしても、レバーの長さ及び／又は機械的リンクの剛性を調整することも必要になる。上述の事項と同様に、これらの変更で、必然的に、望まれないセンサの感度の変更が生じる。

最終的に、既知のセンサでは、機械的リンクの剛性を削減することによって、電気伝導体の可動部品の変位振幅が増加すると予想することは、また可能である。しかしながら、もう一度いうと、このような変更は、センサの共鳴周波数といった、センサの動作の他の側面を変更することなしに行うことはできない。

本発明は、従って、最適化しやすい構造を有する、ラプラス力を伴う磁界センサを提案することを目的とする。この主題は、従って、請求項１に係るセンサである。

上述のセンサでは、レバーを基板に接続するヒンジが、伝導体の機械的及び電気的なリンクと異なるという事実のおかげで、伝導体及びレバーの機械的性質を別々に最適化することを可能にする。例えば、上述のセンサでは、機械的な共鳴周波数が、レバー、ヒンジ及びゲージの機械的性質により実質的に決定される。更に、重要なレバーアーム効果を得ることが可能となる。なぜなら：
・レバーは硬く、
・ゲージは、その一端が硬いレバーに、他端が固定された埋め込みに固定されており、最適化された感度を有することが可能である。

ここでの「硬い」レバーは、第１の付着点において、可動部品の変位方向での曲げ剛性が、ゲージの圧縮モード剛性より大きく、好ましくは、少なくとも１０又は１００倍大きいレバーであることを指し示す。レバーの曲げモード剛性は、ヒンジが無限剛性の固定により置き換えられ、いかなる自由度も可能としないときに、測定又は算出されるものである。ゲージの圧縮モード剛性は、このゲージがピエゾ抵抗ビームを有するとき、ピエゾ抵抗ビームの圧縮モード剛性である。

逆に、伝導体の機械的な特性を最適化することで、レバー及びヒンジの特性を変更することなしに、磁界に応じてその変位振幅を増加させることもできる。

レバー及び伝導体の機械的な特性の独立性は、従って、センサの異なる構成要素の最適化及びディメンジョニングを簡単にする。特に、センサをより感度よく開発することができる。

このセンサの実施形態は、従属請求項の特徴の１つ又は複数を含むことができる。

これらの実施形態は、また、以下の利点を提供する：
・第２の付着点を第１の付着点よりもレバーの回転軸の近くに設置することで、伝導体によってかけられる力を増幅することを可能にする；
・ゲージがビーム上に位置しているときは、測定されるひずみの一部がビームに入るが、架けられたひずみゲージを用いることで、測定される全ての機械的なひずみがゲージ内に集中するため、センサの感度を増大させる；
・ひずみゲージの断面が減少することで、センサの感度を増大させることを可能にする；
・レバーの両側に位置する２つのゲージを用いることで、さらにロバストな差動測定を実行することを可能にする；
・レバーの重量を分散することで、その重心がその回転軸に近づくことにより、衝撃及び振動に対するセンサの非感受性を上げる；
・レバーの回転軸に関して対称な第１及び第３の付着点を有することにより、衝撃及び振動に対するセンサの非感受性を上げる；
・変位するラプラス力の効果の下で可動部品が変形しなくてよいため、硬い可動部品を有することで、伝導体の形状の最適化を簡単にする
・蛇行形状において、機械的リンクを介して、可動部品をレバーの第１の付着点に接続することで、伝導体の望ましくない変形がレバーに伝達されることを制限する；
・平行な複数の伝導体を使用することで、センサの感度が増大される。

本発明の他の主題は、請求項１３に従った、上述のセンサを使用する方法である。

図面を参照しながら、限定されない一例として単に与えられた以下の説明を読むことで、本発明はより良く理解されるであろう：

図１は、ラプラス力を伴う磁界センサの第１実施形態の略図である。 図２は、図１のセンサ製造における異なるステップの略図である。 図３は、図１のセンサ製造における異なるステップの略図である。 図４は、図１のセンサ製造における異なるステップの略図である。 図５は、図１のセンサ製造における異なるステップの略図である。 図６は、図１のセンサ製造における異なるステップの略図である。 図７は、図１のセンサ製造における異なるステップの略図である。 図８は、図１のセンサ製造における異なるステップの略図である。 図９は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１０は、図９のセンサの実施形態において用いられるひずみゲージの鉛直断面図を示す。 図１１は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１２は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１３は、図１２の実施形態において用いられる共鳴ゲージの略図である。 図１４は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１５は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１６は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１７は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１８は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。 図１９は、図１８の実施形態のセンサの動作方法のフロー図である。 図２０は、ラプラス力を伴うセンサの、他の可能な異なる実施形態の平面図の略図である。

これらの図面では、同じ構成要素を指し示すために、同じ参照符号が用いられる。以下の説明では、当業者にとって良く知られている特徴及び機能は、詳しくは説明しない。

図１は、ラプラス力が伴う磁界センサ２を示す。より具体的には、このセンサ２は、磁界の成分Ｂ_Ｚの振幅を測定するのに適している。成分Ｂ_Ｚは、円内にあるバツ印により示されている。成分Ｂ_Ｚは、シートの平面に対して直角であり、直交基準座標系Ｘ、Ｙ、ＺのＺ軸に平行である。Ｘ及びＹ軸は水平である。

センサ２は、Ｘ及びＺ方向に平行な鉛直面４に関して対称である。そのため、この平面４の上面に位置するセンサ２の構成要素のみを詳細に説明する。

センサ２は、「基板平面」と呼ばれる水平面内に実質的に延びた基板６を有する。典型的には、この基板６の寸法は１ｍｍ^２未満である。例えば、この長さは１ｍｍ又は５００μｍ未満であり、この幅は５００μｍ又は３００μｍ未満である。

基板６は、マイクロエレクトロニクスの技術、即ち、トランジスタのような電子部品を製造するのに用いるのと同じ技術により機械で製造することが可能な素材で生産される。例えば、基板６はシリコンといった半導体基板である。

センサ２は、電気伝導体８から１３を有する。ここで、これらの伝導体８から１３のそれぞれは直線状であり、方向Ｘに平行に延びている。この実施形態では、伝導体８から１３は互いに同一であり、伝導体８のみをさらに詳細に説明する。

伝導体８は、２つの機械的リンク２０及び２２の間に位置する可動部品１８を有する。機械的リンク２０及び２２は、機械的に伝導体８を基板６に接続する。

可動部品１８は、基板の上に架けられている。ここで、「架けられている」とは、方向Ｚにおいて、真空が形成される又は気体で満たされた空間により、基板から機械的に分離された構成要素を指し示す。この構成要素は、従って、基板に対して変位するのに適している。

可動部品１８は、要素Ｂ_Ｚがある際に可動部品１８を通る電流ｉがあるときに現れるラプラス力の効果の下で、方向Ｙに平行な変位方向に沿って変位することを目的とする。典型的には、可動部品１８にかけられるラプラス力は、以下の関係により与えられる：

ここで、
・Ｆは、可動部品１８にかけられるラプラス力であり、
・ｉは、伝導体８に流れる電流の強度であり、
・ｄｌは、伝導体８の長さであり、
・Ｂ_Ｚは、測定される磁界の要素であり、そして
・記号「∧」は、数学的なベクトル積の演算である。

ここで、伝導体８は、正方形又は長方形の鉛直断面を有する直線状のバーである。このバーの断面は、バーがラプラス力を受ける間、方向Ｙ又は反対方向に弾性的に変形するようになっている。更に具体的には、ここでは、このバーは水平面においてカーブしている。

可動部品１８の変位の最大振幅は、リンク２０及び２２の間の中間の距離、即ち中間点２４で生じる。

この実施形態では、バーは積層により形成され、最下部から最上部まで次のように実施される：
・半導体材料のビーム２６（図８）、
・電気絶縁材の層２８（図８）、
・電気伝導材の層３０（図８）。

ここで、「電気伝導材」は、２０℃において、電気伝導率が１０^５又は１０^６Ｓ．ｍ^−１よりも大きい材料を指し示す。

導電層３０は、リンク２０及び２２まで延びることで、電気伝導体８を電力供給コンタクトブロック３２及び３４に電気的に接続する。これらのコンタクトブロック３２及び３４も、電気伝導材で生成される。そのため、リンク２０及び２２は、伝導体のコンタクトブロック３２及び３４への電気的な接続を確実にする。

これらのコンタクトブロック３２及び３４は、基板６上に自由度を有さずに固定されている。それらは、絶縁層３６により、基板６から電気的に絶縁されている（図１及び図８）。

コンタクトブロック３２及び３４は、ワイヤリンク、それぞれ３８及び４０を介して、電流源４２と電気的に接続されている。ここで、この電源４２は、交流電流源である。

各伝導体８から１３の中間点２４は、機械的リンク５４を介して、剛性レバー５２の全く同一の付着点５０に機械的に接続されている。ここで、リンク５４は、それが付着点５０に達する前に、方向Ｙに平行に延びると共に、各伝導体８から１３の各中間点２４を通る直線状の小ビーム５５である。小ビーム５５は、各中間点２４及び付着点５０において、変位軸において自由度を有さずに固定されている。例えば、小ビーム５５は、電気伝導体８から１３のビーム２６及びレバー５２が付随した単一のブロック材の一部を形成する。

そのため、リンク５４は、方向Ｙに平行な中間点２４の任意の変位を、付着点５０の同振幅及び同方向の変位に変換する。

この目的を達成するために、小ビーム５５は、基板の上に架けられている。小ビーム５５は、片側では中間点２４に、反対側では付着点５０により、架けられたままの状態にある。小ビーム５５は、方向Ｙに沿った移動のみにより変位する。

小ビーム５５及びレバー５２は、電気伝導体が位置する位置に絶縁材料の層２８があることで、伝導体８から１３と電気的に絶縁されている。

レバー５２は、レバーアーム効果により伝導体８から１３にかけられるラプラス力を増幅することを可能にする。この目的のために、レバー５２は、自由度がなく基板６に固定されている垂直軸６０に関して回転して変位することが可能に取付けられている。図１に表されているレバー５２の安静位において、その最大の長さは、近位端６２と遠位端６４との間で、方向Ｘに平行に延びる。軸６０は、近位端６２に位置する。レバー５２は、ここで、対称面４において延びる。

レバー５２は直線状である。レバー５２は、近位端６２においてヒンジ６６により、遠位端６４においてリンク５４により、基板６の上に架けられている。

この実施形態では、レバー５２は、ラプラス力がかけられ得るいかなる電気伝導体も支持しない。典型的には、レバー５２の長さは、２ｍｍ又は５００μｍよりも短く、また一般的には、５０μｍ又は１００μｍよりも長い。

レバー５２は硬い。ここで、「硬い」とは、付着点５０における、測定されるラプラス力の作用方向のその曲げモード剛性が、架けられていて、このレバーの基板６への取付けも行うピエゾ抵抗ビームの圧縮モード剛性よりも大きく、好ましくは少なくとも１０又は１００倍大きいように、レバー５２が生成された際にその断面及び材料が選択されたという事実を指し示す。これらのピエゾ抵抗ビームは後に説明する。曲げモード剛性は、例えば、ヒンジが無限剛性の固定により置き換えられて測定又は算出され、いかなる自由度も有さないものである。レバー５２にとっては、ラプラス力の作用方向は方向Ｙに平行である。

ヒンジ６６は、軸６０に関してレバー５２の回転を原則的に可能とする。例えば、ヒンジ６６は、平面４に対して互いに対称な２つの垂直板６８及び７０で形成される。これら２つの板は軸６０で接し、Ｘ方向において軸６０から離れる距離が増加するに伴い、互いに離れる。

センサ２は、軸６０に関するレバー５２の角度移動を測定するのに用いられるひずみゲージ７６を有する。ここで、このゲージ７６は、ピエゾ抵抗ビーム又はワイヤ７８を有することにより、レバー５２の変位角を測定可能な抵抗変化に変換する。このビーム７８は、
・付着点８１において、レバー５２中で、自由度を有さないように固定されている部品８０、
・基板６上の突起８４に対し、自由度を有さないように固定されている部品８２、及び
・基板６に架けられた部品８６
を有する。

センサ２の感度を増大させる減少した表面積内で、レバー５２によってかけられるひずみを集中させるために、ビーム７８の厚さは、有利には、レバー５２の厚さの２分の１、５分の１又は１０分の１以下である。更に好ましくは、ビーム７８の断面がレバー５２のそれの何分の１であることで、その引張圧縮の剛性を減少させることができる。

例えば、ビーム７８は、シリコン又はＳｉＧｅ、シリコン及びゲルマニウムの合金で生成される。また、これは、金属でも生成される。更に一般的には、これは、比率（ｄＲ／Ｒ）／（ｄｌ／ｌ）で表されるピエゾ抵抗感度が、以前に言及した金属の感度と等しいか、当該感度よりも大きい任意の金属で生成される。ここで、
・ｄＲは、ビーム７８の抵抗変化であり、
・Ｒは、安静なとき、つまりひずみがないときのビーム７８の抵抗であり、
・ｄｌは、測定するひずみを受けているときのビーム７８の長さの変化であり、
・ｌは、安静なときのビーム７８の長さである。

ここで、ビーム７８は、方向Ｙに平行に延びている。

付着点８１が軸６０に可能な限り近接することで、レバー５２により引き起こされるラプラス力増幅効果から得られる利益を最大にすることができる。この目的を達成するために、付着点８１と軸６０との間の最短距離は、方向Ｘにおけるレバー５２の長さの１０分の１又は５０分の１未満である。例えば、この距離は、５又は１０μｍ未満である。しかしながら、付着点８１は、増幅効果が存在するように、軸６０上には位置しない。

ゲージ７６は、また、２つの電気コンタクトブロック９０及び９２と、オームメータ９４とを有する。ここで、オームメータは、直接的又は間接的に、抵抗変化を測定することが可能な任意の装置を意味すると理解されるべきである。実際には、ホイートストンブリッジを使った電圧測定を用いることが、例えば可能であろう。コンタクトブロック９０及び９２は、それぞれ、ビーム７８の部品８２及び８０に、直接電気的に接続されている。ここで、「直接」とは、ビーム７８又はオームメータ９４を介して接続が通っていないという事実を指し示す。

コンタクトブロック９２は、板６８及び７０と近位端６２とを介して、部品８０に電気的に接続されている。この目的のために、板６８、７０及び近位端６２は、電気伝導材で覆われている。

オームメータ９４は、ワイヤリンク、それぞれ９６及び９８を介して、コンタクトブロック９０及び９２と電気的に接続される。このオームメータ９４は、レバー５２によってそれにかけられるひずみに関してビーム７８の抵抗変化を測定すると共に、測定された抵抗を表す測定信号を生成する。

センサ２は、また、平面４に対してビーム７８に対称なピエゾ抵抗ビームを有するもう１つのひずみゲージ１０２を有する。ゲージ１０２は、ゲージ７６と同様の振幅の、しかし反対方向の変位を測定する。

ゲージ７６及び１０２は、電子的処理ユニット１０６に接続されている。ユニット１０６は、ゲージ７６及び１０２から伝達される測定信号の関数として、要素Ｂ_Ｚの振幅を計算するようプログラムされている。

センサ２の共鳴周波数ｆ_Ｒは、原則としてレバー５２とヒンジ６６とビーム７８とにより設定される。ここで、レバー５２及びヒンジ６６の寸法は、周波数ｆ_Ｒが１ｋＨｚ、好ましくは１０ｋＨｚよりも大きいように選択される。センサ２の構造によって、この周波数ｆ_Ｒを設定するために電気伝導体８から１３を修正する必要はない。

センサ２の動作は次の通りである。電源４２は、周波数ｆ_Ａの交流電流を生成する。有利には、周波数ｆ_Ａは、共鳴周波数ｆ_Ｒに等しい。ラプラス力は、時には方向Ｙに、時には反対の方向に、伝導体８から１３にかかっている。これは、この周波数ｆ_Ａにてセンサ２を励起する。このとき、レバー５２は、軸６０に関して振動する。この振動の角度振幅は、かけられているラプラス力、従って要素Ｂ_Ｚの振幅を表す。ゲージ７６及び１０２は、レバー５２の角度移動の振幅を表す測定信号を生成し、ユニット１０６にその信号を送信する。ユニット１０６は、この信号から、磁界の要素Ｂ_Ｚの振幅を計算する。

図２から８は、センサ２の製造の異なる一連のステップを表す。図２から８は、センサ２の異なる構成要素の鉛直断面図である。センサ２において、互いに平行にではないにも関わらず、これらの異なる構成要素は、これらの図において並置されている。そのため、これらの図は、断面平面に沿ったセンサ２の断面に対応しておらず、センサ２において、それらの互いに対する配置を考慮せずに、異なる構成要素の製造を単に図示しているだけである。

製造は、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板を供給するところから始まる。この基板は、基板６、酸化シリコンのような電気絶縁材の層１２０（図２）、シリコンの層１２２（図２）を有する。例えば、層１２０及び１２２は、それぞれ１μｍ及び０．３μｍに等しい厚さを有する。

次に、層１２２が、穴１２４及び２つの穴１２６（図２）を形成するように、フォトリソグラフィーによってエッチングされる。穴１２４は、基板６に電気コンタクトブロックを生成するために用いられる。２つの穴１２６は、ゲージ７６のピエゾ抵抗ビーム７８を生成するために用いられる。

次に、酸化層１２８（図３）を層１２２の上に配置する。例えば、層１２８の厚さは０．３μｍである。

層１２８は、２つの穴１２６を満たして覆う層１２８の一部のみを残すように、フォトリソグラフィック法を用いてエッチングされる。これらのエッチングステップの最中、穴１２４の底における酸化層も除去されることで、基板６が外部にさらされる状態にする。

次に、シリコンの層１３０（図４）を層１２８の上に配置する。例えば、層１３０は、エピタキシャル成長によって、層１２２の上及び層１２８の残りの上に配置される。層１３０のみが表れるように、この層１３０は、層１２２と全く同一の層のみを形成する。層１３０の厚さは略２０μｍである。

電気絶縁材の層１３２（図５）は、その後、層１３０の上に配置される。この層１３２は、その後、層１３０と直接電気的に接触する構造が必要な場所において、フォトリソグラフィーによってエッチングされる。例えば、層１３２は、０．１μｍの厚さを有する窒化ケイ素の層である。

電気伝導材の層１３４（図６）は、その後、層１３２の上に配置される。例えば、層１３４は金属層である。この層１３４は、その後、センサ２の異なる電気コンタクトブロック及びトラックを形成するために、エッチングされる。

次に、層１３２がフォトリソグラフィーによってエッチングされる（図７）。層１３０も、同じ樹脂製マスクとストップ層としての酸化層１２０及び１２８とを用いることでエッチングされる。例えば、層１３０は、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）エッチング法を用いてエッチングされる。

最後に、酸化層１２０及び１２８が取り除かれることで（図８）、センサ２の異なる可動部品を解放する。

図９は、測定される磁界の要素Ｂ_Ｙのセンサ１４０を表す。ここで要素Ｂ_Ｙは方向Ｙに平行である。このセンサ１４０は、センサ２と、
・レバー５２がレバー１４２に置き換えられ、
・ヒンジ６６がヒンジ１４４に置き換えられ、
・ゲージ７６及び１０２がゲージ１４６及び１４８に置き換えられる
ことを除いて同一である。

この図とそれに続く図を簡単にするため、処理ユニット１０６は表示されない。

レバー１４２は、方向Ｙに平行な水平回転軸１５０に関して回転して変位することだけが可能である以外は、レバー５２と同一である。更に、レバー１４２はカウンター・ウェイト１５２を有する。カウンター・ウェイト１５２は、レバー１４２の残りが付随した単一のブロック材の一部を形成する。結果的に、このカウンター・ウェイト１５２は、軸１５０に関して回転して変位する。

カウンター・ウェイト１５２の重さ及び寸法は、レバー１４２の重心が回転軸１５０から距離ｄにあるように選択される。ここで、距離ｄは、レバー１４２の方向Ｘにおける長さの１％又は０．５％未満である。例えば、この寸法は、レバー１４２の重心が軸１５０上にある、即ち距離ｄがレバー１４２の長さの０．１％又は０．０５％未満であるようなものである。このような回転軸１５０に対する重心の位置決めにより、方向Ｚにおける機械的な加速及び振動へのセンサ１４０の非感受性を上げることができる。

ヒンジ１４４は、
・軸１５０に関するレバー１４２の回転変位のみ、及び
・レバー１４２を基板６上に架けられたままにすること
を可能にする。

例えば、ヒンジ１４４は、軸１５０に沿って延びた第１の架けられたビームにより形成され、その両端は自由度を有さずに、片側はレバー１４２に直接、反対側は基板６に、固定されている。このビームの断面は、軸１５０に関するねじりによって変形されることが可能なものである。ここで、ヒンジ１４４は、平面４に対して第１のビームに対称であると共にこの平面４の反対側に位置する第２のビームを、また有する。

ゲージ１４６は、ピエゾ抵抗ビーム７８がピエゾ抵抗ビーム１５６に置き換えられることを除いて同一である。ビーム１５６は、軸１５０に関するレバー１４２の移動角を測定するために、方向Ｘに平行に延びていることを除けば、ビーム７８と同一である。

ゲージ１４８は、そのビーム１５６が、ゲージ１４６によって測定されるものと同じ振幅で、しかし逆符号である角度移動を測定するために設置されている以外は、ゲージ１４６と同一である。

図１０は、ゲージ１４８のビーム１５６の断面図である。ビーム１５６の厚さは、レバー１４２の厚さの２分の１、５分の１又は１０分の１である。ひずみがさらに小さな断面に集中するため、これにより、センサ１４０の感度を増大させることができる。

センサ１４０及び以下のセンサの動作は、センサ２の場合に説明された動作から推論される。

図１１は、磁界の要素Ｂ_Ｚのセンサ１７０を表す。センサ１７０は、
・レバー５２がレバー１７２と置き換えられ、
・ヒンジ６６がヒンジ１７４と置き換えられ、
・ひずみゲージ７６及び１０２が容量ゲージ１７６と置き換えられる
ことを除いて、センサ２と同一である。

レバー１７２は、重心が回転軸６０から距離ｄにあるようなカウンター・ウェイト１８０をさらに有する以外は、レバー５２と同一である。センサ１４０に関して、カウンター・ウェイト１８０の重さ及び寸法は、距離ｄが、方向Ｘのレバー１７２の長さの１％又は０．５％未満であり、好ましくは、０．１％又は０．０５％未満であるように選択される。

ヒンジ１７４は、図１のヒンジ６６の位置に関する垂直軸に関して９０°ターンされた以外は、ヒンジ６６と同一である。更に、この実施形態では、ヒンジ１７４は、ゲージ１７６が位置しているレバー１７２の端よりも付着点５０に近く位置している。そのため、この実施形態では、レバー１７２は、ラプラス力によって引き起こされる角度移動を増幅するために用いられる。これは、センサ１７０の感度を増大させることを可能にする。

ゲージ１７６は、可動アーマチュア１８４及び固定アーマチュア１８６を有する。アーマチュア１８４は、付着点５０から可能な限り離れたレバー１７２の端に、自由度を有さずに固定されている。ここで、アーマチュア１８４は、点５０が位置する片側に対して、軸６０の反対側に位置する。

アーマチュア１８６は、キャパシタを形成するようにアーマチュア１８４に面しており、基板６に自由度を有さずに固定されている。ここで、アーマチュア１８４及び１８６は、対向するこれらのアーマチュアの面の表面積が増大するように、インターデジタルである。

アーマチュア１８４及び１８６は、電気コンタクトブロック、それぞれ１８８及び１９０に電気的に接続されている。コンタクトブロック１８８及び１９０は、容量メータ１９２の各端子に電気的に接続されている。容量メータ１９２は、レバー１７２の角度移動の振幅を表す測定信号を生成し、この信号を処理ユニット１０６に伝送する。

ラプラス力がレバー１７２を回転変位させるときに、これはアーマチュア１８４と１８６との間の容量を変える。この容量の変化は、容量メータ１９２によって測定され、処理ユニット１０６に伝送される。その後、ユニット１０６は、この測定信号から、要素Ｂ_Ｚの振幅を計算する。

図１２は、ゲージ７６及び１０２がそれぞれ共鳴ゲージ２０２及び２０４と置き換えられること以外は、センサ２と同一のセンサ２００を表す。ゲージ２０２及び２０４は、他方のゲージによって測定されるものと同じ振幅の、しかし逆符号のひずみをそれぞれ測定する以外は、互いに同一である。

ゲージ２０２は、基板６上に架けられたビーム２１０を有する。このビームの部品２１２は、ビームの軸において自由度を有さずに、付着点８１においてレバー５２に固定されている。このビームのもう１つの部品２１４は、自由度を有さずに基板に固定されている。このビームの可動部品２１６は、部品２１２と２１４との間に位置している。この可動部品２１６は、振動可能となるように、基板６上に架けられている。典型的には、ビーム２１０は、半導体又は導電材料で生成される。ここで、ビーム２１０はシリコンで生成される。

ゲージ２０２は、また、方向Ｘにおいて引き付け、及び、代わりに反発する静電力を可動部品２１６にかけるため、この可動部品に近接して位置する作動電極２１８を有する。中央部を振動させるため、電極２１８は、電気コンタクトブロック２２０を介して、交流電圧源２２２の端子に電気的に接続されている。交流電圧は、周波数ｆ_０で生成される。電源２２２のもう１つの端子は、電気コンタクトブロック２２４を介して、ビーム２１０の部品２１４に直接接続される。そのため、ひずみがない場合に、ビーム２１０は周波数ｆ_０で振動する。

ゲージ２０２は、可動部品２１６の変位の関数として変化する容量を有するキャパシタを、可動部品とともに形成するために、可動部品２１６に向かい合って位置する測定電極２２６をさらに有する。電極２２６は、電気コンタクトブロック２３０を介して、容量メータ２２８の端子に電気的に接続されている。容量メータ２２８のもう１つの端子は、コンタクトブロック２２４に接続されている。そのため、容量メータ２２８は、可動部品２１６の振動周波数ｆ_Ｖを測定することを可能にする。周波数ｆ_Ｖは、ビーム２１０上のレバー５２によりかけられるひずみの関数として変化する。周波数ｆ_Ｖの振動は、レバー５２の角度移動の振幅と、それにより磁界の要素Ｂ_Ｚの振幅とを測定することを可能にする。

図１４は、レバーの回転軸６０に対して対称にセンサの異なる可動部品が位置する以外は、センサ２と同一のセンサ２４０を表す。これにより、方向Ｙにおける機械的な加速及び振動へのセンサの感度を下げることができる。この目的のために、レバー５２はレバー２４２に置き換えられ、ヒンジ６６はヒンジ２４４に置き換えられる。

レバー２４２は、回転軸６０に対して対称に位置する以外は、レバー５２と同一である。

ヒンジ２４４は、図１のヒンジ６６の位置に対して、基板の平面において９０°ターンさせた以外は、ヒンジ６６と同一である。

伝導体８から１３及びコンタクトブロック３２から３４を含むモータ部に対して、平面４に対して対称であるモータ部は、しかし、今回は、回転軸６０に対して対称に位置するモータ部に置き換えられる。回転軸６０に対して、伝導体８から１３に対称な電気伝導体は、ここでは、それぞれ参照符号２４８から２５３を有する。コンタクトブロック３２から３４に対称な電気コンタクトブロックは、それぞれ参照符号２５６から２５８を有する。付着点５０に対称な付着点は、参照符号２５９を有する。

伝導体８から１３において一方向に、伝導体２４８から２５３において逆方向に電流ｉが流れることを確実にするために、コンタクトブロック３４及び２５６は電気的リンク２６０を介して互いに直接電気的に接続されており、コンタクトブロック３２及び２５８は、交流電流源２６２の各端子にそれぞれ電気的に接続されている。

ゲージ１０２は、ゲージ２６４に置き換えられる。ゲージ２６４は、そのビーム７８が、軸６０を通り方向Ｘに直角な垂直面に対してゲージ７６のビーム７８と対称に位置することを除けば、ゲージ１０２と同一である。

図１５は、コイル２７２を形成するように、伝導体８から１３及び２４８から２５３が互いに電気的に接続されていることを除けば、センサ２４０と同一のセンサ２７０を表す。

ここで、コイル２７２の説明を簡単にするため、後段では、伝導体８、９、２４８及び２４９のみが存在する場合を説明する。

伝導体２４８の右側末端は、電気コンタクトブロック２７４に直接電気的に接続されている。この伝導体２４８の左側末端は、電気トラック２７６を介して、伝導体８の左側末端に電気的に接続されている。伝導体８の右側末端は、電気トラック２７７を介して、伝導体２４９の右側末端に電気的に接続されている。伝導体２４９の左側末端は、電気トラック２７８を介して、伝導体９の左側末端に電気的に接続されている。伝導体９の右側末端は、電気コンタクトブロック２８０に直接接続されている。そのため、コイル２７２は２つの巻きを有し、そのうちの第２の巻きは部分的に完成されている。コンタクトブロック２７４及び２８０とトラック２７６から２７８とは、基板に自由度を有さずに固定されている。

電流源２６２は、伝導体８及び９、２４８及び２４９に電流ｉが流れることを引き起こすように、コンタクトブロック２７４と２８０との間に接続されている。

図１６は、伝導体８から１３が電気伝導体２９２に置き換えられることを除いてセンサ２と同一であるセンサ２９０を表す。

伝導体２９２は硬い、即ち、磁界の要素Ｂ_Ｚを測定するためにセンサ２９０が用いられているときに、伝導体２９２は方向Ｙにおいて変形しない。電気伝導体２９２の両端は、機械的リンク、それぞれ２９６及び２９８を介して、基板６に接続される。これらのリンク２９６及び２９８は、また、電気伝導体２９２をコンタクトブロック３２及び３４に電気的に接続する。ここで、これらのリンク２９６及び２９８は、
・方向Ｙにおいて変形することで、ラプラス力の効果の下で、伝導体２９２の方向Ｙにおける変位を可能とする
・基板６上に伝導体２９２を架けられたままにする
ことができる。

この目的のために、リンク２９６及び２９８の方向Ｙにおける剛性は、方向Ｚにおけるこれらの同じリンクの剛性の５分の１から５０分の１以下である。例えば、このために、それぞれのリンク２９６及び２９８は蛇行形状で形成される。即ち、それぞれ、方向Ｙにおいてジグザグに進む巻線構成を形成する。それぞれのリンク２９６、２９８の一端は、基板６に自由度を有さずに接続され、一方、他端は、伝導体２９２の各端に自由度を有さずに接続されている。方向Ｙに柔軟な機械的リンクを用いることで、伝導体２９２の変位振幅と、従ってセンサ２９０の感度を増大させることができる。これは、伝導体２９２の寸法の最適化を簡単にすることもできる。

図１７は、レバー５２がレバー３１２に置き換えられること以外はセンサ２と同一のセンサ３１０を表す。レバー３１２は、カウンター・ウェイト３１４を更に有する以外は、レバー５２と同一である。カウンター・ウェイト３１４は、方向Ｙにおける機械的な加速及び振動へのセンサの感度を減少させるため、カウンター・ウェイト１８０について説明した方法と類似の方法で形成される。

図１８は、レバー５２がレバー３２２に置き換えられること以外はセンサ２と同一のセンサ３２０を表す。レバー３２２は、レバー３２２の重心を回転軸６０から離れるように動かすフライ・ウェイト３２４も有すること以外は、レバー５２と同一である。例えば、レバー３２２の重心と軸６０との間の最短距離は、方向Ｘにおけるレバー３２２の長さの１０又は３０％よりも大きい。このフライ・ウェイト３２４は、また、方向Ｙにおける加速に対するレバー３２２の感度を増加させる。

この実施形態では、処理ユニット１０６もまた、要素Ｂ_Ｚの振幅に加えて、方向Ｙに平行な加速の要素ａ_Ｙを同時に測定することができる処理ユニット３２６に置き換えられる。

図１９の方法を用いたセンサ３２０の動作が詳細に説明される。

ステップ３３０において、電流源４２は、測定される加速の要素ａ_Ｙの周波数よりも非常に大きく、有利には周波数ｆ_Ｒに対応した、周波数ｆ_Ａの交流電流を生成する。例えば、周波数ｆ_Ｒは、１又は２又は１０ｋＨｚよりも大きい。ここで、周波数ｆ_Ａは、２０ｋＨｚに等しく選択される。

次に、ステップ３３２において、処理ユニット３２６は、ゲージ７６及び１０２により生成された測定信号を取得する。ステップ３３２において、ユニット３２６は、これらの測定信号をフィルターにかけることで、Ｑファクターを考慮に入れることにより周波数ｆ_Ａ周辺の要素を保持する。典型的には、要素又は保持された要素は、取得された信号のパワースペクトル密度の周波数ｆ_Ａに集中した共鳴ピークの−３ｄＢの幅内にある周波数のものだけである。この後、要素Ｂ_Ｚの振幅は、この周波数ｆ_Ａ周辺の周波数を有する測定信号の要素のみから決定される。

並行して、ステップ３３４では、処理ユニット３２６が測定信号をフィルターにかけることで、加速度計の幅よりも大きい周波数を有する要素をそこから除去する。加速度計の帯域幅は、典型的には２ｋＨｚ又は１ｋＨｚ未満であり、しばしば１００Ｈｚ未満である。例えば、周波数が周波数ｆ_Ａの４分の１である信号の要素のみが保持される。そして、ステップ３３４では、ユニット３２６は、このフィルタリングで保持された要素のみから、要素ａ_Ｙの振幅を決定する。

図２０は、磁界の要素Ｂ_Ｚ及びＢ_Ｙの両方を測定することが可能なセンサ３４０を表す。この目的のために、センサ３４０は、センサ２及び１４０の特徴を組み合わせている。

更に具体的には、センサ３４０は、リンク５４がリンク３４２に置き換えられること以外は、センサ２と同一な、要素Ｂ_Ｚの振幅のセンサを備える。リンク３４２は、小ビーム５５と、この小ビーム５５をレバー５２の遠位端６４に機械的に接続する追加リンク３４４とを有する。このリンク３４４は、図１６の機械的リンク２９６及び２９８について説明された方法と類似の方法により、蛇行形状に形成される。更に具体的には、ここで、このリンク３４４は、方向Ｙにおけるその剛性が、方向Ｚにおけるその剛性よりも少なくとも５から５０倍大きくなるように形成される。この目的のために、リンク３４４は方向Ｘにおいてジグザグに進む。

センサ３４０は、また、レバー１４２が、軸１５０に関して回転するように取付けられた、２つの同一の硬いレバー３４８及び３５８に置き換えられること以外は、センサ１４０と同一の、要素Ｂ_Ｙの振幅のセンサを備える。加えて、これらのレバー３４８及び３５８は、カウンター・ウェイト１５２の代わりに共通のカウンター・ウェイト３５２を有することで、方向Ｚに平行な機械的な加速又は振動に対するセンサの感度を減少させる。

レバー３４８及び３５０は、面４に対して互いに対称である。このため、レバー３４８の電気伝導体８から１３への接続のみを今は説明する。このために、リンク５４はリンク３５４で置き換えられる。リンク３５４は、小ビーム５５と、加えて、リンク３４４のように蛇行形状で形成されたリンク３５６とを有する。さらに具体的には、リンク３５６は、方向Ｚにおけるその剛性が、方向Ｙにおけるその剛性よりも少なくとも５から５０倍大きくなるように、蛇行形状で形成される。この目的のため、これは方向Ｘではなく、方向Ｙにおいてジグザグに進む。

多くの他の実施形態が可能である。例えば、図１及び２０で説明したように、磁界センサは、１又は複数の測定軸を有することができる。そのため、センサは一軸性又は多軸性であってもよい。

精度を向上するため、前述のそれぞれのセンサは、真空が生成されたエンクロージャーの内部に封入されてもよい。これにより、特に、機械系のＱファクターを向上させることができる。しかしながら、応用や所望の感度によっては、これは絶対に必要なものではない。

関連する実施形態に関わらず、ただ１つの電気伝導体、又は反対に、複数の電気伝導体を並行に用いることができる。更に、これらの電気伝導体は、図１５を参照して説明されるように、コイルを形成するように互いに接続されることができる。

電気伝導体を流れる電流は交流である必要はない。変形として、非正弦的に時間の関数として変化する電流や、符号が変わることのない直流が挙げられる。

実施形態に関わらず、必要でなければ、カウンター・ウェイトは除くことができる。同様に、加速に対するセンサの感度を増加するために用いられるフライ・ウェイトは除くことができる。実際には、全てのレバーが多かれ少なかれ加速に敏感である。

変形として、ラプラス力に敏感な１又は複数の伝導体もまた、レバーに固定されてもよい。

同様に、レバーの角度移動の振幅を測定するゲージを異なるように取付ける必要はない。そのため、簡略化した変形では、センサは、レバーの角度移動を測定する１つのゲージのみを有してもよい。

電気伝導体は、十分にドープされ、伝導状態にされた半導体材料のビームの形状で生成されてもよい。この場合、これによって、半導体材料で作られたビーム上に電気伝導材の層を置くことを回避することができる。

先行する実施形態では、電気伝導体は、レバーの縦軸に平行に延びる。しかしながら、測定されるラプラス力が基板の平面に直角であるときは、これは絶対に必要ではない。そのため、変形として、電気伝導体は、レバーの縦軸に直角に延びてもよい。

センサの感度を増大させるため、複数のレバーと複数のゲージを互いに平行に取付けることで、磁界の同一の要素を測定してもよい。

共鳴ゲージが用いられたとき、全く同一の電極が、ビーム共鳴を作り、このビームの振動周波数を測定することの両方に用いられてもよい。

Claims (13)

1. ラプラス力を伴う磁界センサであって、
   ・基板平面と呼ばれる平面に内に実質的に延びた基板（６）と、
   ・ラプラス力を受けたとき変位方向において変位するのに適しており、前記基板の上に架けられた可動部品（１８； ２９２）を含む、電流が流れるのに適した少なくとも１つの電気伝導体（８−１３； ２４８−２５３； ２９２）と、
   ・この可動部品を前記基板に機械的に接続すると共に、前記可動部品を、前記基板上に配置された電流電源コンタクトブロックに電気的に接続する機械的リンク（２０， ２２； ２９６， ２９８）と、
   ・前記可動部品の変位振幅を表す物理量を測定するのに適し、少なくとも１つの第１の部品及び１つの第２の部品（８０， ８２）を含む少なくとも１つのゲージ（７６， １０２； １４６， １４８； １７６； ２０２， ２０４； ２６４）と、
   ・前記可動部品の変位方向と直角にある回転軸（６０； １５０）に関して回転して変位することが可能な架けられたレバーであって、第１及び第２の異なる付着点（５０； ８１）を有し、前記第１の付着点（５０）は前記可動部品に機械的に接続されることで、前記可動部品の変位に応じて前記レバーを前記回転軸に関して回転するように動かすように、前記可動部品の変位を前記レバーに伝達し、前記第２の付着点（８１）は前記ゲージの前記第１の部品に直接機械的に接続される、レバー（５２； １４２； １７２； ２４２； ３１２； ３２２； ３４８， ３５０）と、
   を備え、
   ・前記センサは、前記レバーを前記基板に機械的に接続するヒンジ（６６； １４４； １７４； ２４４）を更に備え、このヒンジは、前記可動部品の前記機械的リンクと前記第１及び第２の付着点とは異なり、かつ分離され、このヒンジはその回転軸に関して前記レバーの前記回転を可能とし、
   ・前記レバーはレバーアーム効果を可能とするように硬く、
   ・前記ゲージの前記第２の部品は前記基板に自由度を有さずに固定されている
   ことを特徴とするセンサ。
2. 前記第２の付着点（８１）は、前記第１の付着点（５０）よりも前記レバーの前記回転軸（６０； １５０）に近接し、この第２の付着点と前記回転軸との間の最短距離は、前記レバーの長さの１０分の１未満である、
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記ゲージ（７６， １０２；１４６， １４８； ２６４）は架けられたひずみゲージであり、前記第１及び第２の部品に加えて、前記第１及び第２の部品の間に位置し、前記基板の上に架けられた第３の部品（８６）を有する、
   請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記第３の部品（８６）の厚さは、前記レバーの厚さの２分の１以下である、
   請求項３に記載のセンサ。
5. 前記ゲージ（１７６）は、対向することでキャパシタを形成する２つのアーマチュア（１８４， １８６）を有し、これらのアーマチュアのうちの一方は前記基板に固定される一方で、これらのアーマチュアのうちの他方は、前記レバーの変位に応じて前記他方のアーマチュアに対し変位するように、前記レバーの前記第２の付着点（８１）に機械的に接続される、
   請求項１に記載のセンサ。
6. ゲージ（２０２， ２０４）は共鳴ゲージであって、・前記第２の付着点と前記基板との間に架けられる少なくとも１つのビーム（２１０）と、
   ・前記ビームを振動させるのに適した電極（２１８）と、
   ・前記ビームの振動周波数を測定する他の電極（２２６）又は同一の電極と、を有する、
   請求項１又は２に記載のセンサ。
7. 前記センサは、それぞれが、前記レバーの、他方のゲージにより測定された変位と反対符号の変位を測定するように位置する少なくとも２つのゲージ（７６， １０２； １４６， １４８； ２０２， ２０４； ２６４）を有する、
   請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のセンサ。
8. 前記レバーの重さは、前記レバーの前記回転軸（６０； １５０）と前記レバーの重心との間の最短距離が前記レバーの長さの１％未満であるように、その回転軸の両側に分散される、
   請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のセンサ。
9. ・前記センサは、前記少なくとも１つの電気伝導体の、少なくとも１つの第１のコピー及び１つの第２のコピー（８−１３）を備え、
   ・前記レバーの前記回転軸（６０）は、その長さ方向において、前記レバーの中央に位置し、
   ・前記第１の付着点（５０）は、前記少なくとも１つの伝導体の前記第１のコピーと機械的に接続され、
   ・前記レバーは、前記少なくとも１つの電気伝導体の前記第２のコピー（２４８−２５３）に機械的に接続される第３の付着点（２５９）を有し、これらの第１及び第３の付着点は、前記回転軸に対して互いに対称である、
   請求項８に記載のセンサ。
10. ・前記電気伝導体（２９２）は、前記ラプラス力の作用の下で変形しないように硬く、
    ・前記機械的リンク（２９６， ２９８）は、同一のラプラス力を受けるとき、前記電気伝導体が変位できるように蛇行して構成される、
    請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載のセンサ。
11. 前記可動部品は、蛇行形状の機械的リンク（３４４， ３５６）を介して、前記レバーの前記第１の付着点（５０）と機械的に接続され、前記機械的リンクは、前記可動部品の変位方向におけるその機械的リンクの剛性が、この変位方向の直交方向におけるその剛性より少なくとも５倍大きいように配置される、
    請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のセンサ。
12. 前記センサは、互いに平行に位置する複数の電気伝導体（８−１３； ２４８−２５３）を備える、
    請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載のセンサ。
13. 請求項１〜１２のうちのいずれか１項に従ったセンサを用いる方法であって、
    ・前記電気伝導体に基本周波数ｆ_Ａの交流電流を供給すること（３３０）、
    ・前記可動部品の前記変位振幅を表す信号を取得すること、
    を備え、前記方法は更に、
    ・前記取得された信号のパワースペクトル密度の周波数ｆ_Ａに集中した共鳴ピークの−３ｄＢの幅内にある周波数を有する前記取得された測定信号の要素のみから、磁界の前記測定を決定すること（３３２）、
    ・前記周波数ｆ_Ａの４分の１以下の周波数を有する同一の取得した測定信号の要素のみから、前記電気伝導体の変位方向における加速の測定を決定すること（３３４）
    を備えることを特徴とする、方法。

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