JP6558466B2 - 容量性微小電気機械加速度計 - Google Patents

Description

本開示は、加速度計が基板平面に対して垂直な加速度成分で移動するときに、基板平面から回転する可動ロータを有する容量性加速度計および加速度センサに関する。このようなセンサは、３軸加速度計を形成するために基板面内の加速度を測定する２つの他のセンサと組み合わせることができる。このような加速度計は、（ＥＳＰ／ＥＳＣ）、アンチロックブレーキ（ＡＢＳ）、電動パーキングブレーキ（ＥＰＢ）、ヒルスタートアシスタンス（ＨＳＡ）、電子制御サスペンション（ＥＣＳ）、ヘッドライトレベリングまたはエアバッグ展開などの自動車への応用に有用である。

３軸加速度計における各容量性センサは、基板に対して不動であるステータと、基板に対して少なくとも部分的に可動であるロータとを備えてもよい。本開示では、「ロータ」および「ステータ」という用語は共に、バーまたはビームなどの、互いに連結された微小機械構造体を指す。当該構造体およびそれらの相互連結体は、基板、例えばシリコン基板をエッチングすることによって形成されてもよい。

本開示では、「バー」および「ビーム」という用語は、例えばシリコン製の細長い構造体を指し、「バネ」と呼ばれるより柔軟な構造体と比較して剛性を有する。剛性と柔軟性とは相対的な用語である。ロータを構成するバーおよびビームは、いくらかの可撓性を有するが、ロータが動くときにほぼ互いの位置関係を保ったまま静止し、ロータが懸架されているバネのみが、ロータの動きによってかなり柔軟に変形する。

ロータおよびステータは、典型的には、ロータとステータとの間の電気的測定を容易にするために、それらの相互連結構造体のうちの少なくとも一部に導電性電極領域を含む。

３軸加速度計は、典型的には、基板平面を含み、当該基板平面は、ｘｙ平面と表してもよい。ステータは、基板平面内に固定された構造体であってもよい。加速度センサは、平面内の軸に加速運動に応じて、当該軸に沿って直線運動をするロータと共に基板平面内に実装されてもよい。本開示は、主として、ロータがシーソーとして実装される加速度センサに注目しており、当該ロータは、一以上のねじりバネに取り付けられており、ねじりバネによって画定される回転軸に平行でない加速運動に応じて、当該軸の周りに回転運動する。

ロータがシーソーとして実装される場合、その質量中心は回転軸と一致してはならない。なぜなら、線形加速に反応しなくなるからである。したがって、シーソーロータは、少なくともある程度、不均衡なシーソーでなければならない。シーソーロータは、ロータの全ての部分が回転軸の片側に位置するように、完全に片側のシーソーとして実装されてもよい。より正確には、シーソーロータが、ロータ全体が平面の片側に位置するように、その回転軸を横切る平面を描くことができれば、シーソーロータは片側である。シーソーとして実施されるロータは、また、両面であってよく、当該ロータのいくつかの部分が当該軸の片側のあり、いくつかの部分が当該軸の反対側にある。両面ロータは、ロータ全体が平面の片側に位置するように、回転軸を横切る平面を描くことができない。

米国特許出願公開第２００７／１１９２５２号明細書は、基板平面における加速度、および、面外加速度を測定するための加速度センサを備える３軸加速度計を開示している。

たわみ試験は、加速度センサの慣性質量が外部衝撃の後に正常に動いて、停止し、解放されることを検証するために利用され得る。安全要件によって、加速度計の構成要素が自律的に実行するようにプログラムされ得るたわみ試験の必要性が高まる。これらの自己検査では、ロータ上の特定の電極をたわみ電極として使用する必要がある。既知の大きさのたわみ電圧信号がたわみ電極に印加されると、ロータは一定量だけたわむ。通常の測定電極を用いて、このたわみ電圧でのたわみの程度が予期されたたわみに一致しているか否かを確認しようと測定したところ、ロータが動かなかったことが確認された。

米国特許出願公開第２００７／１１９２５２号明細書に開示された加速度計の欠点は、自己検査機能を容易に実現できないことである。信号読み出しのために使用されるロータ／ステータ電極は、自己検査のたわみに十分な電気力を供給しない。

本開示の目的は、上記の欠点を緩和するための装置を提供することである。

本開示の目的は、独立請求項に記載されていることを特徴とする構成により達成される。本開示の好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。

本開示は、フレーム型のロータを有するｚ軸加速度センサ上にたわみ電極を実装するという考えに基づいている。たわみ電極は、ロータ回転軸の近傍に実装されてもよい。

以下に、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態を用いてより詳細に説明する。

図１は、容量性加速度計における第１のセンサを示す。 図２は、図１の断面Ａ−Ａにおける第１のセンサおよび加速度計パッケージの一部を示す。 図３は、第１のたわみ電極と第２のたわみ電極との重複領域の第１の例を示す。 図４は、第１のたわみ電極と第２のたわみ電極との重複領域の第２の例を示す。 図５は、容量性加速度計における第１のセンサを示す。 図６は、加速度計が第２および第３のセンサを含む実施形態を示す。 図７は、本開示に記載の方法を示す。 図８は、本開示に記載の方法を示す。 図９は、加速度計および制御ユニットを備えるシステムを示す。

以上の図は概略的なものであり、縮尺通りに描かれていない。

本開示では、横方向および縦方向（なお、横軸方向は縦軸方向に垂直である）に延在する基板平面を画定する基板と、基板平面に垂直な垂直軸方向の加速度を測定するための第１のセンサと、基板平面に隣接し、かつ、基板平面に平行である少なくとも１つの内部パッケージ平面を有する加速度計パッケージと、を備える容量性微小機械加速度計について説明する。第１のセンサは、基板に対して可動なロータと、ロータ吊具と、基板に対して不動の一以上のステータと、を備える。当該ロータは、差動静電容量測定のための一以上のロータ電極を備え、当該一以上のステータは、差動静電容量測定のための一以上のステータ電極を備える。当該ロータ吊具は、ロータに取り付けられた一以上の横方向ねじりバネを備え、当該ねじりバネは、横方向のロータ回転軸上に配置されている。

ロータは、少なくとも、横方向ロータバーと、横方向ロータバーに取り付けられた第１の縦方向ロータバーと、横方向ロータバーに取り付けられた第２の縦方向ロータバーと、を備えるシーソーフレームである。少なくとも１つの縦方向ロータバーは、一以上の第１のたわみ電極を備え、第２のたわみ電極は一以上の第１のたわみ電極のそれぞれの上方および／または下方の内部パッケージ平面に固定されている。その結果、一以上の第１のたわみ電極は、基板平面において、対応する第２のたわみ電極の投影と重複領域で重なる。

図１は、容量性加速度計における第１のセンサを概略的に示している。基板平面は、本開示ではｘｙ平面に相当する。本開示では、「基板」という用語は、センサを構成する微小機械構造体が作製された本体を指す。当該構造体が完成すると、当該基板の残りの部分が加速度計を囲む支持体を形成する。基板は、例えば、シリコンウエハであってもよい。センサを構成する微小機械構造は、エッチングおよびコーティング方法によって当該基板から製造されてもよい。言い換えると、本開示において、「基板」という用語は、加速度計の微小電気機械構造が製造される構造層（またはデバイス層）を形成する薄い基板を指す。この基板は、典型的には、はるかに厚い別個のハンドルウエハまたは支持ウエハからの構造的支持を必要とする。

垂直なｚ軸はｘｙ平面に垂直であると定義される。図１に示すいくつかの微小機械構成要素は、基板と同じ厚さであってもよく、その他の微小機械構成要素は、基板より薄い厚さであってもよい。本開示では、基板の厚さ全体がｘｙ平面を構成し、「上方」および「下方」という用語は、ｚ座標における基板表面からの差を指す。言い換えれば、図１に示された基板平面の「上方」の物体は、図１に示された構成要素の上面よりも観察者の近くに位置し、基板平面の「下方」の物体は、図１に示された構成要素の底面よりも観察者から遠くに位置すると解釈され得る。図２は、基板平面内にあるデバイス構成要素１４の上方の加速度計パッケージ２１を示している。

第１のセンサは、ｚ軸の方向の加速度を測定するように構成される。ｚ軸は、本開示では垂直軸と呼ばれ、基板平面に対して垂直である。第１のセンサは、１つの横方向ロータバー１３と、２つの縦方向ロータバー１４および１５と、を有するロータを備える。横方向ロータバー１３および２つの縦方向ロータバー１４および１５は共に、基板平面上の他の構成要素を部分的に囲むフレームを形成する。また、ロータは、ロータ電極として機能する、１セットのロータ電極指１３１を含む。指の数は、図１に概略的に示されているものよりも、はるかに多く、複数の指同士の間隔ははるかに小さくてもよい。

図１のセンサは、また、横方向ステータバー１６および１７と、上記ステータバーにそれぞれ対応し、ステータ電極として機能するステータ電極指１６１および１７１のセットと、を有する２つのステータを備える。ロータ電極およびステータ電極はコーティングされていてもよく、基板の上面および／または底面から垂直に窪んでいてもよい。図１に示すように、フレーム形状のロータは、ステータを部分的に囲んでもよい。横方向ステータバー１６および１７は、ステータンカーポイント１６２および１７２において基板に固定される。「アンカーポイント」という用語は、本開示において、バーなどの物体が基板にしっかりと取り付けられ得る領域を指す。

ロータ電極およびステータ電極の位置および数、ならびにそれらの形状および相互位置決めは、所望の測定用途に応じて多くの方法で容量測定のために最適化され得る。

ロータは、一以上のロータアンカーポイントに固定されたロータ吊具から懸架されてもよい。本開示では、「吊具」という用語は、少なくとも一以上のねじりバネを備える構造体を指す。一以上のねじりバネがアンカーポイントに直接取り付けられていない場合、懸架構造体は、また、当該ロータアンカーポイントから当該ねじりバネまで延伸する順序で連結されたバーまたはビームを指してもよい。横方向のねじりバネが螺旋状にねじれたときにロータが回転する。吊具の任意のバーまたはビームは、相当量の曲げまたはねじれを受けることはない。代わりに、それらによってロータのアンカーポイントがねじれバネから一定の距離に配置され得るため、それらの主な機能は変位である。

本開示では、「ねじりバネ」という用語は、ねじりバネがその長手方向の寸法の周りに螺旋状のねじれを起こしやすくするアスペクト比を有するシリコン構造体を指す。この場合、「横方向」ねじりバネは、図１のｘ軸と平行な長さ方向の寸法を有するバネを意味する。横方向ねじりバネは、螺旋状のねじれを可能にするためｙ方向に狭くてもよいが、ｘｙ平面からの並進運動を防ぐために垂直ｚ方向には厚くてもよい。代わりに、横方向ねじりバネは、ｘｙ平面内で曲がりくねった形状を有してもよく、ｚ方向に厚くてもよい。
曲がりくねったバネによって、例えば、ｙ軸の方向に必ずしも狭くなくても、ｘ軸の周りにねじれを生じ得る。

図１は、一以上の固定されたロータ吊具バーが、第１の横方向ロータ吊具バー１８１と第２の横方向ロータ吊具バー１８３とを備え、第１の横方向ねじりバネ１９１が、第１の横方向ロータ吊具バー１８１の端部に取り付けられ、第２の横方向ねじりバネ１９３が、第２の横方向ロータ吊具バー１８３の端部に取り付けられているセンサを示す。横方向ロータ吊具バー１８１および１８３は、ロータアンカーポイント１８２にしっかり固定されている。ねじりバネを吊具アンカーポイントからさらにずらす必要がある場合、追加の吊具バーは、固定された吊具バーとねじりバネとの間に追加されてもよい。これらの追加の吊具バーは、横方向または縦方向のいずれかに延在してもよい。

横方向ロータバー１３と、縦方向ロータバー１４および１５と、を備えるロータは、横方向ねじりバネ１９１および１９３が、図１に示す横方向のロータ回転軸（ＲＲＡ）の周りを旋回することを可能にするので、「シーソー」と呼ばれてもよい。この軸は、ねじりバネ１９１および１９３の位置によって決定される。ロータの回転または旋回を容易にするために、２つのねじりバネを同じ軸上に配置する必要がある。

加速度計が垂直方向に加速運動を受けると、ロータは横方向のロータ回転軸の周りを回転することができる。この動きは、上述のロータ電極とステータ電極との間で行われる微分容量測定によって検出され得る。

図１に示されるロータは、横方向のロータ回転軸（以下、ＲＲＡまたは横ＲＲＡともいう）の両側に延在するため、両面シーソーとして特徴付けられてもよい。言い換えれば、縦方向ロータバー１４および１５のそれぞれは、横方向のロータ回転軸の第１の側から第２の側まで横方向のロータ回転軸を横切って延在する。

これは、図１の断面Ａ−Ａを示す図２において、別の角度から図示している。図２は、基板平面に隣接する内部パッケージ平面２１１を有する、第１の縦方向ロータバー１４および加速度計パッケージ２１を示す。縦方向ロータバー１４は、ＲＲＡの両側に延在している。言い換えれば、ロータ１４は、ＲＲＡから第１の方向および第２の方向の両方に延在している。これらの２つの方向は、ロータがＲＲＡの周りを回転する平面構造を形成するため、正反対である。図２では、第１の縦方向ロータバーは基板平面内にある。第１の方向はｙ軸のプラス方向であり、第２の方向はｙ軸のマイナス方向である。加速度計がｚ軸方向に加速度を受けると、ロータはｘｙ平面からＲＲＡを中心に回転する。ねじりバネ１９１および１９３の剛性は、用途に応じた所望の加速度で適切な動作に達するように構成されるべきである。

パッケージ２１は、第１のセンサを越えて左右に延在している。パッケージは、全ての側面で加速度計を囲んでいるが、センサから離れた部分のパッケージは本開示には関係がなく、図２には示されていない。パッケージとセンサとの間の空間は、密封された空間であり、典型的には、不活性ガスで満たされている。

図１のロータは、縦方向ロータバー１４および１５に対称な正方形形状の突出領域１０１〜１０４を含む。これら突出領域のうち一以上の突出領域は、ねじりバー、吊具バー、および、アンカーポイントを介して、外部回路に連結されてもよい。突出部は必ずしも正方形形状である必要はない。それらは、長方形または他の任意の形状を有することができる。原理的には、電極は当該バーに全く突出部を形成されていない縦方向のロータバー上に実装されることさえできるが、狭いバーの表面領域自体では、ロータを感知できるほどに動かすために十分な電気力を生成するには不十分である。

ロータ上の第１のたわみ電極は、いずれもロータをたわませる電気力を生成するために隣接する対向電極を必要とする。本開示において、第２のたわみ電極と呼ばれるこの対向電極は、第１のたわみ電極に垂直に近接している必要がある。第２のたわみ電極は、加速度計パッケージ上に設けられてもよく、導電性材料でコーティングされてもよい。

図２は、突出領域１０１および１０２の位置を示している。第２のたわみ電極２０１および２０２は、突出領域１０１および１０２の上方または下方のいずれかの内部パッケージ平面２１１上に作製されてもよい。第２のたわみ電極が突出領域１０１および１０２の上方に作製された装置を図２に示す。第２のたわみ電極２０３および２０４（図示せず）は、それぞれ、突出領域１０３および１０４の上方または下方のいずれかの内部パッケージ平面上に対応するように作製されてもよい。

たわみ電極対がロータをたわませ得る方向は、この対の第２のたわみ電極が第１のたわみ電極の上方または下方に位置するかどうか、および、ロータ回転軸に関するたわみ電極対の位置に依存する。例えば、図２のたわみ電極対１０１−２０１は、ロータを図示の観察方向から見て時計回りにたわませることができ、たわみ電極対１０２−２０２は、ロータを図示の観察方向から見て反時計回りにたわませることができる。代わりに、第２のたわみ電極２０１〜２０２をロータの下方に配置する場合（図示しない）、たわみの方向は逆になる。

第１のたわみ電極および第２のたわみ電極の間の垂直方向の間隔は、０．５μｍ〜５μｍの間であってもよい。ロータとパッケージとの接触を防止するために、別個の停止構造を利用してもよい。たわみ電極の各対（第１の対１０１＋２０１、第２の対１０２＋２０２）に印加される電圧は、電場が十分に強い場合、ＲＲＡの周りでロータを回転させるトルクを生成する。電場は、印加された電圧によって、および、第１のたわみ電極と第２のたわみ電極との間の領域の重なりによって、決定される。

第１のたわみ電極は、第２のたわみ電極と全く同じ大きさ、面積またはｘｙの位置を有する必要はない。電場は、第１のたわみ電極が基板平面における第２のたわみ電極の投影と重なるところであれば生じる。基板平面における第２のたわみ電極の投影は、この問題となっている第２のたわみ電極の真下のｘｙ平面内に位置する領域である。第１のたわみ電極が当該投影と重なる領域を重複領域と呼ぶことがある。第１のたわみ電極は、第２のたわみ電極よりも大きくてもよく、第２のたわみ電極よりも小さくてもよい。

図３は、２つの第１のたわみ電極と、基板平面における２つの第２のたわみ電極の投影と、を示す。重複領域は、ストライプで示されている。図示の構成では、ロータ上の第１のたわみ電極１０１および１０２は、パッケージ上の第２のたわみ電極２０１および２０２よりも大きく、それらは部分的に重なっている。第１重複領域は３１であり、第２重複領域は３２である。図４は、ｘｙ平面への投影が第１のたわみ電極１０１および１０２の両方を覆う第２のたわみ電極２０１が１つしかない構成を示す。これらの第１のたわみ電極１０１または１０２のいずれかを使用してロータをたわみさせることができるが、それらの両方を同時に使用することはできない。この場合、ストライプで再び示された第１の重複領域４１は第１のたわみ電極１０１と一致し、第２の重複領域４２は第１のたわみ電極１０２と一致する。

図１に示す第１の実施形態において、ロータは、第１および第２の縦方向ロータバー１４および１５が横方向のロータ回転軸（ＲＲＡ）を横切って、ＲＲＡの一方の側からＲＲＡの第２の側に延在することを意味する、両面シーソーフレームである。たわみ電極は、一以上の突出領域１０１〜１０４上に形成することができる。言い換えれば、突出領域１０１〜１０４のいくつかは、電圧源に接続されてもよい。その結果、それらは、第１のたわみ電極として機能することができる一方で、残りの突出領域は電気的接続を有しなくてもよい。第２のたわみ電極２０１〜２０４は、第１のたわみ電極として機能する突出領域１０１〜１０４の上方の内部パッケージ平面上に設けられてもよい。第１のたわみ電極および第２のたわみ電極は共に、たわみ電極対を構成する。第１のたわみ電極は全て同じ電位に接続されてもよく、一方で、第２のたわみ電極は異なる電位に接続されてもよい。

第１のたわみ電極は、例えば、縦方向ロータバー１４または１５のいずれかの１つの第１のたわみ電極から構成されてもよい。この孤立した第１のたわみ電極は、横方向ロータバー１３と同じ側のＲＲＡ上に配置することができる。言い換えれば、第１のたわみ電極は、突出領域１０１または突出領域１０３のいずれかに設けられてもよい。代わりに、孤立した第１のたわみ電極が、横方向ロータバー１３と比較してＲＲＡの反対側に配置されてもよい。この場合、当該第１のたわみ電極は、突出領域１０２または突出領域１０４のいずれかに設けられる。

突出領域１０１、１０２、１０３および１０４のうちの１つだけがたわみ電極として使用される場合であっても、図１のように、ロータにはそれでもやはり他の突出領域が存在してもよい。他の突出領域は、減衰などの他の目的のために使用されてもよい。代わりに、突出領域の１つだけがたわみ電極として使用される場合、他方の突出領域は、取り除かれてもよい。その結果、縦方向ロータバー１４および１５は、たわみ電極として使用される、縦方向バーの１つの突出領域を除いたいずれの場所においても狭くなる。

一対のたわみ電極（基板平面内の第１のたわみ電極、および、内部パッケージ平面上の、対応する第２のたわみ電極）のみを用いる利点は、当該電極対への電気的な接続が容易であり、電気配線が少なくて済み、素子のサイズを小さくすることができ、素子のコストを低減することができることである。電気力がロータの一方の側にのみ印加されるので、ロータは、たわませられると、その縦方向の対称軸（図１に示すＬＳＡ）の周りにトルクを受ける。ロータ吊具は、この外乱に対して頑強に作られ得る。これにより、ロータ吊具は、ロータがＬＳＡの周りを回転したり傾いたりするのを効果的に抑制しながら、ロータを横方向のＲＲＡの周りを回転させることができる。

第１のたわみ電極は、例えば、縦方向ロータバー１４または１５のいずれかの２つの第１のたわみ電極から構成されてもよい。言い換えれば、第１のたわみ電極は、例えば、突出領域１０１および１０２、または、突出領域１０３および１０４に電気的な接続を形成することによって設けられてもよい。対応する第２のたわみ電極は、たわみ電極対を生成するために、内部パッケージ平面上に設けられてもよい。ＲＲＡの第１の側にあるたわみ電極対は、ロータをＲＲＡの周りの第１の方向に回転させるために使用されてもよく、一方、ＲＲＡの第２の側にあるたわみ電極対は、ロータを第１の方向と反対である第２の方向に回転させるために使用されてもよい。

代わりに、第１のたわみ電極は、第１の縦方向ロータバー１４上の１つの第１のたわみ電極と、第２の縦方向ロータバー１５上の１つの第１のたわみ電極とで構成されてもよい。これらの第１のたわみ電極は、例えば、突出領域１０１および１０３上に設けられてもよい。対応する第２のたわみ電極は、たわみ電極対を生成するために、内部パッケージ平面上に設けられてもよい。その場合、たわみ力は、ＬＳＡの両側で、対称的に、かつ、同時に、ロータに加えられ得る。また、たわみ電極として選択された突出電極は、１０１および１０４、または、１０２および１０３であってもよい。その結果、第１のたわみ電極の一方は、横方向のロータ回転軸の第１の側に存在する一方で、第１のたわみ電極の他方は、横方向のロータ回転軸の第２の側に存在する。

たわみ電極として使用されているかどうかにかかわらず、全ての電極は、通常の動作モードではグランド電位に接続され得る。電極がＲＲＡの両側に対称的に配置されている場合、ロータ質量が接続されている電位とグランド電位が同じではないにもかかわらず、当該質量を傾動させる電気力は生じない。異なる仕事関数を有する材料から構成される全ての電極対は、電極間に電位差を生じる。この電位差は、しばしば、ビルトインバイアス電圧と呼ばれる。ビルトインバイアス電圧が常に存在し、素子の寿命の間にドリフトする可能性もあるため、ＲＲＡの両側に電極を対称的に配置することが重要である。ビルトインバイアス電圧は、同じ電極対のロータ質量および電極の外部電位差とともに合計される。ＲＲＡの異なる側の電極を互いに近づけるように設計すると、パッケージの応力または電極対内の電極間隙の温度変化による変化が互いに良好に続く可能性が高い。また、ビルトイン電位が材料表面の化学作用によってもたらされるため、電極対間の距離が小さい場合、ＲＲＡの両側の電極対における変化はより類似してくる。このようにして、電極によって生成されるオフセット誤差が、最小限に抑えられる。

第１の縦方向ロータバー１４および／または第２の縦方向ロータバー１５のいずれかに、横方向ロータ回転軸の両側に２つ以上の突出領域が存在してもよい。たわみ電極対の数を増やすと、たわませられたときにロータに付与され得る電気力が増大する。これにより、たわみ振幅が増大する。たわみ振幅は、たわみ電極の全重複領域を増加させることによって、または、電極に印加されるたわみ電圧を増加させることによっても増加され得る。

複数のたわみ電極を利用する１つの方法として、第１のたわみ電極は、第１の縦方向ロータバー１４上の２つの第１のたわみ電極、例えば突出領域１０１および１０２と、第２の縦方向ロータバー１５上の、例えば、内部パッケージ平面上に準備された対応する第２のたわみ電極と対をなす突出領域１０３，１０４とから構成されてもよい。第１のたわみ電極の少なくとも１つは、横方向のロータ回転軸の第１の側に配置されてもよく、第１のたわみ電極の少なくとも１つは、横方向のロータ回転軸の第２の側に配置されてもよい。

代わりに、図１に示すように、第１のたわみ電極は、第１または第２の縦方向ロータバー１４または１５上の、例えば突出領域１０１および１０２上、または、突出領域１０３および１０４上の、いずれかの２つの第１のたわみ電極から構成されてもよい。その結果、一方の第１のたわみ電極が縦方向のロータ回転軸の第１の側に存在し、他方の第１の変更電極が横方向のロータ回転軸の第２の側に存在する。対応する第２のたわみ電極は、ＲＲＡの各側に１つのたわみ電極対を形成するために、内部パッケージ平面上に設けられてもよい。

代わりに、第１のたわみ電極は、第１の縦方向ロータバー１４上の１つの第１のたわみ電極と、第２の縦方向ロータバー１５上の１つの第１のたわみ電極とで構成されてもよい。これらの第１のたわみ電極の一方は、横方向のロータ回転軸の第１の側にあり、他方は、横方向ロータ回転軸の第２の側にあってもよい。言い換えれば、１つの第１のたわみ電極が突出領域１０１上に形成され、他方が突出領域１０４上に形成されてもよい。代わりに、突出領域１０２上に一方の第１たわみ電極を形成し、突出領域１０３上に他方の第１たわみ電極を形成してもよい。上述のように、対応する第２のたわみ電極は、ＲＲＡの各側および縦方向の対称軸（ＬＳＡ）の各側に１つのたわみ電極対を形成するために、内部パッケージ平面上に設けられてもよい。

上述の第１のたわみ電極の構成はいずれも、ロータが両面シーソーフレームである、本開示に記載された任意の実施形態で使用することができる。

一対のたわみ電極が縦方向のロータ回転軸の第１および第２の両側に存在するとき、当該軸の第１の側にある対は、ロータを当該軸の周りの第１の方向にたわませるために使用されてもよく、ロータ回転軸の第２の側にある対は、ロータを当該軸の周りの第２の方向にたわまさせるために使用されてもよい。第１の方向は、横方向のロータ回転軸に対して時計回りであってもよく、第２の方向は反時計回りであってもよい。

図５に示す第２の実施形態では、ロータは、片側シーソーフレームである。図５では、符号５３〜５７、５０１、５０３、５３１、５６１〜５６２、５７１〜５７２、５８２、５９１および５９３は、それぞれ、図１の符号１３〜１７、１０１、１０３、１３１、１６１〜１６２、１７１〜１７２、１８２、１９１および１９３と同じ構成要素を示す。第１および第２の縦方向ロータバー５４および５５は、横方向のロータ回転軸まで延在するが、当該軸と交差しない。たわみ電極は、突出領域５０１および５０３の一方または両方の上に形成され得る。第１の実施形態と同様に、第１のたわみ電極は、第１の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極から構成されてもよい。当該１つの第一のたわみ電極は、内部パッケージ平面上に設けられた、対応する第２のたわみ電極と対をなす。これにより、容易に接触することができる。

代わりに、第１のたわみ電極は、第１の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極と、第２の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極とを含み、それぞれの第１のたわみ電極が内部パッケージ平面上に設けられた、対応する第２のたわみ電極と対になる。言い換えれば、縦方向の対称軸（ＬＳＡ）の各側に１つのたわみ電極対があってもよい。

第１のたわみ電極の上方の内部パッケージ平面には１つの第２のたわみ電極があってもよく、当該第１のたわみ電極の下方の内部パッケージ平面には他の第２のたわみ電極があってもよい。これらの第２のたわみ電極のうちの一方は、ロータをＲＲＡの周りに第１の方向にたわみさせるために使用されてもよく、他方は、ロータをＲＲＡの周りに第２の方向にたわみさせるために使用されてもよい。第１の方向は時計回りであってもよく、第２の方向は反時計回りであってもよい。本開示の他の実施形態で言及される第１のたわみ電極は、２つの第２のたわみ電極と対になってもよく、これらの第２のたわみ電極の一方は第１のたわみ電極の上にあり、他方は第２のたわみ電極の下にある。

３軸加速度計は、上述の第１のセンサに加えて、ｘｙ平面における加速度を測定するための２つの他のセンサを含んでもよい。図６は、第２のセンサ６１および第３のセンサ６２を含む３軸加速度計を示す。図６では、第１のセンサに関する符号６３〜６７、６０１〜６０４、６３１、６６１〜６６２、６７１〜６７２、６８２、６９１、６９３の全ては、それぞれ、図１の符号１３〜１７、１０１〜１０４、１３１、１６１〜１６２、１７１〜１７２、１８２、１９１および１９３と同じ構成要素を示す。

第２のセンサ６１は、本開示において横軸と呼ばれるｘ軸の方向の加速度を測定するように構成されてもよい。第２のセンサは、容量性微小機械加速度センサであってもよい。第３のセンサ６２は、本開示では縦軸と呼ばれるｙ軸の方向の加速度を測定するように構成されてもよい。当該横軸は、当該縦軸に直交する。第３のセンサは、容量性微小機械加速度センサであってもよい。第２および第３のセンサは、一方向の加速度を測定するのに適した、従来技術から公知の、任意の適用可能な平面センサであってもよい。

３軸加速度計は、第１のセンサ内のフレーム型のロータが第２および第３のセンサを部分的に囲んでいる場合、基板平面内の小さな領域上に形成され得る。本開示では、「ロータがセンサを部分的に囲む」とは、矩形形状のセンサ６１および６２それぞれの３つの側面がロータの一部に面することを意味する。図６では、センサの上方の側面は縦方向ロータバー６３に面し、左方の側面は第１の縦方向ロータバー６４に面し、右方の側面は第２の縦方向ロータバー６５に面する。

使用される面積に加えて、第１のセンサに関する他の設計上の考慮点は、横方向のロータ回転軸からロータ電極およびステータ電極上の測定電極までの距離を含む。距離が長くなればなるほど、ステータ電極に対するロータ電極の変位が大きくなり、静電容量信号が強くなる。図６では、ロータ電極指６３１が横方向ロータバー６３にのみ取り付けられているため、電極とロータ回転軸との間の距離は、縦方向ロータバーからロータ回転軸までの距離Ｌで表すことができる。ロータ電極指がロータ上のどこか別の場所に取り付けられる場合であっても、同様の距離の最適化が適用される。

第１のセンサのロータアンカーとステータアンカーを互いにかなり接近させておくことは、しばしば有益である。その場合、機械的応力によって、ロータおよびステータは、ほぼ同じ方法で駆動され、ロータおよびステータの間の差動静電容量測定でエラー信号が生成されない。当該アンカーと、指電極が配置されている横方向ロータバーとが近接している場合、エラー信号も小さくなる。さらに、第１および第２のねじれバーがロータ回転軸上で互いに離れている場合、寄生振動はより高い周波数に移動する。

図６に示す加速度計では、第１のセンサのロータ吊具は、第１の横方向ロータ吊具バー６８１および第２の横方向ロータ吊具バー６８３を備え、これらの両方は、一端からロータアンカーポイント６８２に取り付けられる。また、ロータ吊具は、第１の横方向ロータ吊具６８１に取り付けられた第１の縦方向変位バー６８４を備える。第１の横方向ねじれバネ６９１は、図示のように、第１の縦方向変位バー６８４の他端に取り付けられている。ロータ吊具は、また、第２の横方向ロータ吊具６８３に取り付けられた第２の縦方向変位バー６８５を備える。第２の横方向ねじれバネ６９３は、第２の縦方向変位バー６８５の他端に取り付けられている。

縦方向変位バー６８４および６８５の両方は、横方向ロータバー６３から離れた方向に、横方向ロータ吊具６８１および６８３から延在している。これにより、横方向のロータ回転軸（ＲＲＡ）は、横方向ロータバー６３から、ロータアンカーポイント６８２を横切る横方向の線よりも遠くに配置される。言い換えると、距離Ｌは、図６に示す距離Ｄよりも大きい。このロータ吊具の構成により、ロータアンカーポイント６６２、６７２および６８２を互いに近接して配置することが可能になり、距離Ｌを比較的長くすることができるが、一方で、第２および第３センサ６１および６２は、ロータおよびロータ吊具によって部分的に囲まれるため、加速度計の総面積を比較的小さく維持することができる。

上述したように、第１たわみ電極は、第１または第２の縦方向ロータバー６４または６５上の２つの第１のたわみ電極、例えば突出領域６０１および６０２、または、突出領域６０３および６０４から構成されてもよい。その結果、一方の第１のたわみ電極は、横方向のロータ回転軸の第１の側にあり、他方は横方向のロータ回転軸の第２の側にある。対応する第２のたわみ電極は、内部パッケージ平面上に設けられてもよい。これにより、ＲＲＡの各側にたわみ電極対を形成することができる。また、第１のたわみ電極は、第１および第２の縦方向ロータバー６４および６５の両方にある２つの第１のたわみ電極から構成されてもよい。その結果、４つの突出領域６０１〜６０４の全てがたわみ電極として利用される。対応する第２のたわみ電極では、それらの第１のたわみ電極は、ＲＲＡの各側に２つのたわみ電極対を形成する。ロータ回転軸の第１の側の一方のたわみ電極対は、ロータを当該軸の周りの第１の方向にたわみさせるために使用されてもよく、ロータ回転軸の第２の側の他方のたわみ電極対は、ロータを当該軸の周りの第２の方向にたわませるために使用されてもよい。

自己検査は、試験電圧を少なくとも１つの第１のたわみ電極および対応する第２のたわみ電極に印加し、第１のセンサのロータに駆動力を発生させることによって、上述の加速度計のいずれかで実行されてもよい。自己検査は、ロータをロータ回転軸の周りの第１の方向に回転させる第１のたわみと、ロータをロータ回転軸の周りの第２の方向に回転させる第２のたわみと、を含む。試験応答信号は、ロータ電極およびステータ電極から静電容量測定を用いて読み取ることができ、当該応答は、加速度計を使用する前に集計した表の較正値と比較され得る。較正値は、閾値限界を有する範囲を含んでもよい。

自己検査は、加速度計を制御するように構成された制御要素によって実行Ｓあれてもよい。当該制御要素は、プロセッサと、メモリユニットと、加速度計に接続された電気制御手段と、を備えてもよい。当該制御要素は、所定の間隔で自己検査を自律的に実行し、かつ、測定された自己検査の応答が閾値限界を超えた場合にエラーコードを生成するように構成されてもよい。

駆動力が１回供給される一方法のステップを図７に示す。２つの異なる方向にロータを回転させるために駆動力が２回供給される他の方法のステップを図８に示す。加速度計９０２および制御要素９０３を備える加速度計システム９０１を、図９に概略的に示す。

また、第１および第２の縦方向ロータバー６４および６５上の突出領域６０１〜６０４は、内部パッケージ平面上の第２のたわみ電極、または、減衰目的のためにのみ内部パッケージ平面上に作製された第２の制動板と共に、ロータの動きにおける振動を減衰するように構成され得る第１の制動板として機能してもよい。狭いバーの表面領域は、それ自体、確実な減衰効果を生じるには不十分である。

言い換えれば、突出領域６０１〜６０４がたわみ電極として使用されるかどうかにかかわらず、それらは制動板として使用されてもよい。第１および第２の縦方向ロータバーは、少なくとも２つの第１の制動板を備え、第２の制動板は、一以上の第１の制動板のそれぞれの上方および／または下方の内部パッケージ平面に固定されてもよい。第１の制動板は、第２の制動板と完全に同じ大きさ、面積またはｘｙの位置を有する必要はない。第１の制動板が基板平面における第２の制動板の投影と重なるところであれば、図３および図４に示されるたわみ電極と同じ方法で重複領域が形成されており、減衰が生じる。

減衰効果は、横方向のロータ回転軸の各側に少なくとも１つの重複領域を構成することによって達成されてもよい。第１および第２の重複領域は、ロータ回転軸に対して対称に配置されてもよい。対称の一形態は、図３および図４の両方に示す実例のように、ロータ回転軸の第１および第２の側の第１および第２の重複領域の全ての対が、同じ形状、面積およびロータ回転からの距離を共有する場合である。第１および第２の重複領域は、この場合、横方向のロータ回転軸が存在する垂直平面に対して、平面対称である。

また、ロータの回転軸に関連する対称性も、より限定が少ない方法で理解され得る。第１および第２の重複領域は、ロータ回転軸の両側のたわみ電極対が同じ電圧を使用するときにロータ構造に対して等しいが反対のモーメントを生成する場合、横方向のロータ回転軸に対して対称であると考えられる。たわみ電極における電気力によって生成されるモーメントＭｅは、

であり、ここでは、Ｖは電圧、Ｃは静電容量、および、θは変位傾斜角である。

Claims (14)

1. 横方向および縦方向に延在し、前記横方向が前記縦方向に垂直である基板平面を画定する基板と、
   前記基板平面に垂直な垂直軸方向の加速度を測定するための第１のセンサと、
   前記基板平面に隣接し、かつ、前記基板平面に平行な少なくとも１つの内部パッケージ平面を有する加速度計パッケージと、
   を備え、
   前記第１のセンサは、前記基板に対して可動なロータと、ロータ吊具と、前記基板に対して不動の一以上のステータと、を含み、
   前記ロータは、差動容量測定のための一以上のロータ電極を含み、前記一以上のステータは、差動容量測定のための一以上のステータ電極を含み、
   前記ロータ吊具は、前記ロータに取り付けられた一以上の横方向ねじりバネを含み、当該ねじりバネは、横方向のロータ回転軸上に配置される、容量性微小機械加速度計であって、
   前記ロータは、少なくとも横方向ロータバーと、前記横方向ロータバーに取り付けられた第１の縦方向ロータバーと、前記横方向ロータバーに取り付けられた第２の縦方向ロータバーと、を含むシーソーフレームであり、
   少なくとも１つの縦方向ロータバーは、一以上の第１のたわみ電極を含み、第２のたわみ電極は、前記一以上の第１のたわみ電極のそれぞれの上方および／または下方の前記内部パッケージ平面に固定され、前記一以上の第１のたわみ電極は、それぞれ、対応する前記第２のたわみ電極の基板平面における投影との重複領域において重なる、
   容量性微小機械加速度計。
2. 前記ロータは、両面シーソーフレームである、
   請求項１に記載の容量性微小機械加速度計。
3. 前記一以上の第１のたわみ電極は、前記第１の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極からなる、
   請求項２に記載の容量性微小機械加速度計。
4. 前記一以上の第１のたわみ電極は、前記第１の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極と、前記第２の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極とからなる、
   請求項２に記載の容量性微小機械加速度計。
5. 前記第１のたわみ電極の一方は、前記横方向のロータ回転軸の第１の側にあり、他方は、前記横方向のロータ回転軸の第２の側にある、
   請求項４に記載の容量性微小機械加速度計。
6. 前記一以上の第１のたわみ電極は、前記第１の縦方向ロータバー上の２つの第１のたわみ電極と、前記第２の縦方向ロータバー上の２つの第１のたわみ電極とからなり、
   殻縦方向ロータバーの１つの第１のたわみ電極は、前記横方向のロータ回転軸の第１の側にあり、他方は、前記横方向のロータ回転軸の第２の側にある、
   請求項２に記載の容量性微小機械加速度計。
7. 前記一以上の第１のたわみ電極は、前記第１縦方向ロータバーまたは前記第２の縦方向ロータバー上の２つの第１のたわみ電極からなり、一方の前記第１のたわみ電極は、前記横方向のロータ回転軸の第１の側にあり、他方は、前記横方向のロータ回転軸の第２の側にある、
   請求項２に記載の容量性微小機械加速度計。
8. 前記一以上の第１のたわみ電極は、前記第１の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極と、前記第２の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極とからなり、
   前記第１のたわみ電極の一方は、前記横方向のロータ回転軸の第１の側にあり、他方は、前記横方向のロータ回転軸の第２の側にある、
   請求項２に記載の容量性微小機械加速度計。
9. 前記第１の縦方向ロータバーおよび前記第２の縦方向ロータバーは、さらに、少なくとも２つの第１の制動板を備え、第２の制動板は、前記一以上の第１の制動板のそれぞれの上方および／または下方の前記内部パッケージ平面に固定され、
   少なくとも１つの第１の制動板が、前記横方向のロータ回転軸の前記第１の側の第１の重複領域における前記基板平面への第２の制動板の投影と重なり、
   少なくとも１つの第１の制動板は、前記横方向のロータ回転軸の前記第２の側の第２の重複領域における前記基板平面への第２の制動板の投影と重なる、
   請求項２〜８のいずれか一項に記載の容量性微小機械加速度計。
10. 前記第１の重複領域は、前記横方向のロータ回転軸を含む垂直平面に対して前記第２の重複領域と平面対称である、
    請求項９に記載の容量性微小機械加速度計。
11. 前記ロータは、片側のシーソーフレームである、
    請求項１に記載の容量性微小機械加速度計。
12. 前記一以上の第１のたわみ電極は、前記第１の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極からなる、
    請求項１１に記載の容量性微小機械加速度計。
13. 前記一以上の第１のたわみ電極は、前記第１の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極と、前記第２の縦方向ロータバー上の１つの第１のたわみ電極とからなる、
    請求項１１に記載の容量性微小機械加速度計。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の加速度計で自己検査を実施する方法であって、
    試験電圧を少なくとも１つの第１のたわみ電極および少なくとも１つの第２のたわみ電極に印加することによって、駆動力が前記第１のセンサの前記ロータに供給され、試験応答信号が前記ロータ電極および前記ステータ電極からの静電容量測定を用いて読み取られる、
    加速度計で自己検査を実施する方法。

Images