JP6627883B2 - 微小電気機械静電容量型センサの構造体およびデバイス - Google Patents

Description

本発明は、ステータと、ステータに対して第１の方向と平行に運動するために懸架されたロータとを有する微小電気機械の構造体に関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、迅速かつ正確に非常に小さな物理的特性の変化を感知するために適用することができる、小型化された電気機械システムである。多くのＭＥＭＳデバイスにおいて、感知は、静電容量における変動の検出に基づいている。

平行板コンデンサにおいて、静電容量は重複面積に比例し、２枚のコンデンサ極板間の離隔距離に反比例する。平行板コンデンサは、ギャップ閉鎖型構造体、または領域変調構造体を作るために用いることができる。

図１Ａは、平行板コンデンサの構成を示す図である。ギャップ閉鎖型構造体において、コンデンサ極板はｘで示された方向に、互いに近づいたり遠ざかったりして動く。極板のうちの一方が静止しており、他方の極板が一方の極板に近づいたり遠ざかったりして動くことが一般的である。そうすると、静電容量挙動は、近似的に式（１）でモデル化することができる。

式中、Ｃは静電容量であり、εは誘電率であり、Ａは極板間の一定の重複面積、ｄは極板間の初期のギャップ、ｘは初期のギャップの位置からの変位、およびＣ_ｆは、浮遊静電容量である。

図１Ｂは、線形櫛型構造体としても知られている領域変調構造体の構成を示す図である。領域変調構造体において、極板は互いに平行に動き、また、静電容量挙動は式（２）でモデル化することができる。

式中、ｄは極板間の一定のギャップであり、ｈはこれらの極板の一定の重複する寸法（高さ）であり、ｌは初期の重複する長さであり、ｘは初期の重複する長さからの変位であり、Ｃ_ｆは、浮遊静電容量である。

調和振動子の共振周波数ｆは電気ばね定数に比例する。この関係は、以下のように表すことができる。

式中、ｋ_ｍは機械ばね定数であり、ｋ_ｅは電気ばね定数であり、ｍは質量体である。電気ばね定数を制御することによって、調和振動子の共振周波数を同調させることは可能である。

ＭＥＭＳコンデンサにおける電位エネルギーＥは、以下のように表すことができる。

式中、ｋ_ｍは機械ばね定数であり、ｘは初期のコンデンサ構造体からの変位であり、Ｃは静電容量であり、Ｖはコンデンサに印加された電圧である。

コンデンサに印加された電圧が一定に維持される場合、コンデンサに作用する電気力Ｆ_ｅが以下によって得られる。

電気ばね定数ｋ_ｅは、以下から得ることができる。

したがって、電気ばね定数ｋ_ｅの符号は、二次導関数の項∂Ｃ^２／∂ｘ^２に依存する。図２における曲線は、図１Ａおよび図１Ｂのギャップ閉鎖型および線形櫛型の構造体において、例示的な静電容量の変動を初期位置からの変位の関数として示す。図３における曲線は、これらの静電容量の二次導関数に対応する挙動を示す。通常使用されている先行技術の共振構造体において、二次導関数は（平行板電極が用いられるとき）常に正、または（線形櫛型駆動構造体において）ゼロであることがわかる。しかしながら、多くの用途において、ＭＥＭＳ構造体の電気機械的な挙動をさらに制御することは、非常に価値があることであろう。

本発明の実施の形態は、印加電圧によってＭＥＭＳデバイスの電気機械的特性を選択的に制御する、改善した方法を提供するＭＥＭＳ構造体を含む。

実施の形態におけるＭＥＭＳ構造体は、少なくとも１つのステータ素子と、ステータ素子に対して第１の方向と平行に運動するために懸架された少なくとも１つのロータ素子とを備えるコンデンサ素子を含む。ステータ素子およびロータ素子は、少なくとも１つのコンデンサ素子を形成し、コンデンサ素子の複数の電極は、第１の方向に垂直である第２の方向に一定間隔離れており、コンデンサ素子の静電容量は、第１の方向における初期位置からの第１の方向に平行なロータ素子の変位に従って変動するように構成される。ステータ素子およびロータ素子は、第１の方向に平行な初期位置からのロータ素子の変位の少なくとも１つの範囲において、変位に対する静電容量の二次導関数が負の値を有するように、相互に配向される。

以下に示すいくつかの実施の形態は、図面によって示されるが、それによって発明が限定されるものではない。

図１Ａは、平行板コンデンサの構成を示す図である。 図１Ｂは、線形櫛型構造体の構成を示す図である。 図２は、図１Ａおよび図１Ｂのギャップ閉鎖型および線形櫛型の構造体において例示的な静電容量の変動を示す図である。 図３は、図２における静電容量の二次導関数の挙動を示す図である。 図４は、新たなステータおよびロータの構造体を有する例示的なＭＥＭＳ構造体を示す図である。 図５は、図４のコンデンサ素子の詳細を示す図である。 図６Ａは、例示的なコンデンサ素子における静電容量をロータの変位の関数として示す図である。 図６Ｂは、二次導関数の項∂Ｃ^２／∂ｘ^２の挙動をロータの変位の関数として示す図である。 図７は、ロータの面内運動に対して懸架されたＭＥＭＳ構造体のための代替構成を示す図である。 図８は、ロータの面内運動に対して懸架されたＭＥＭＳ構造体のためのさらなる代替構成を示す図である。 図９は、共振器の実装において適用可能な面内に動くＭＥＭＳ構造体を示す図である。 図１０は、図９のコンデンサ素子の詳細を示す図である。 図１１は、面外に動くロータ構成を有する例示的なＭＥＭＳ構造体を示す図である。 図１２は、図１１のコンデンサ素子の詳細を示す図である。 図１３は、共振器適用の際に使用される面外に動くロータを有する例示的なＭＥＭＳ構造体を示す図である。 図１４は、ロータビームおよびステータビームが２つのグループに構成されるＭＥＭＳのための、さらなる例示的な構成を示す図である。 図１５は、図１３のコンデンサ素子の詳細を示す図である。 図１６は、面内構成のためのさらなる実施の形態を示す図である。 図１７は、共振器の実装において適用可能な図１６の実施の形態を示す図である。

図４は、新たなステータおよびロータの構造体を含む例示的なＭＥＭＳ構造体を示す図である。ＭＥＭＳデバイスに組み込まれる場合、このＭＥＭＳ構造体により、印加電圧でＭＥＭＳデバイスの電気機械的特性を調節する特定の方法が可能になる。したがって、提案した設計により、式（５）における二次導関数の項∂Ｃ^２／∂ｘ^２が負の値を有することもできるように、ＭＥＭＳデバイスにおける静電容量を異なる方法で形成することができる。提案したＭＥＭＳ構造体では、印加電圧によってＭＥＭＳデバイスの電気機械的特性を制御するための範囲が著しく改善される。

明確にするために、図４はＭＥＭＳデバイスにおいて所望の効果を実現する原理の説明に必要な要素のみを含む。一般的にＭＥＭＳ構造体およびＭＥＭＳデバイスがさらに図面中に特に示されていない複数の構造体要素を含むことは、当業者には明らかである。

ＭＥＭＳ構造体は、平面の支持構造体との位置合わせのために平面形状に構成されることが好適である。ＭＥＭＳ構造体の平面形状と平行な方向を面内方向と呼ぶ。ＭＥＭＳ構造体の平面形状と垂直な方向を面外方向と呼ぶ。ＭＥＭＳ構造体は少なくとも１つのステータおよび少なくともロータを含む。ここで、ステータとは、支持構造体に対して静止状態を維持するように、支持構造体に固定されるＭＥＭＳ構造体の部品を指す。それに対応して、ロータは、支持構造体に対して少なくとも１自由度を可能にする１以上のばね素子によって支持構造体に懸架される、ＭＥＭＳ構造体の部品を指す。図４の例示的な構成において、ばね構造体は１つの面内方向の運動に対してロータを懸架し、ここで、当該方向を第１の方向と呼び、図４においてＸ方向で示す。

所望に制御するために、ＭＥＭＳ構造体は、少なくとも１つのコンデンサ素子と、１以上のコンデンサをそれぞれ形成するために結合される１以上の特定のロータ素子および１以上の特定のステータ素子の組み合わせとを含むように形成されてもよい。この１以上のコンデンサ素子のコンデンサの静電容量は、ロータの第１の方向における変位に従って変動する。ステータ素子およびロータ素子は、凸部対が形成されるようにゼロでない距離で互いに対面するように構成される複数の凸部を含む。これらの凸部対は、所望の効果を実現する特定の種類のコンデンサを形成する。ステータ素子およびロータ素子は、様々な形状で実現されてもよい。図４は例示的な構成を示し、この構成において、ロータはロータフレーム１５を含み、ロータ素子は、ロータ支持ビーム７ａ〜７ｄによってロータフレーム１５に結合される。ロータを、支持構造体の面と平行にＸ方向に動くようにするために、ロータフレームの懸架はＹ方向おいて硬く、Ｘ方向において柔軟になっている。なお、特定方向において自由度を提供する様々な種類の既知のばね構造体が本発明の範囲内で適用されてもよい。

ここで、ロータは、静止支持体に対して動いてもよい慣性質量体を提供する。図４のロータは、ばね構造体によって支持構造体（たとえば基板）に対して動くことができるように固定されるロータフレーム１５を含む。図４において、懸架ばね構造体は、第１のばね４ａおよび第２のばね４ｂを含む。実際には、慣性質量体は様々な形状をとってもよく、また櫛型構造体のように、ＭＥＭＳデバイスのさらなる駆動または感知または直交補償機能のためにロータフレーム１５とともに動くさらなる質量構造体、および／またはＭＥＭＳデバイスの電気機械的特性の他の種類の同調のために、ロータ素子を含んでもよいことが理解される。ロータの慣性質量体は、その質量中心ＣＭに対して点対称となるように、または質量中心ＣＭを通る軸に対して鏡映対称となるように構成されることが好適である。

ロータフレーム１５は、第１の硬ビーム２ａと、第２の硬ビーム２ｂと、第３の硬ビーム２ｃと、第４の硬ビーム２ｄとを備えてもよく、これらは基礎をなす支持構造体と平行な、長方形または正方形のフレームを形成するようにこれらの硬ビームの端部で互いに強固に連結されている。図４において、第１のばね４ａは、第１の硬ビーム２ａの中央でロータフレーム１５と連結され、また、第２のばね４ｂは、第１の硬ビーム２ａと平行な第２の硬ビーム２ｂの中央でロータフレーム１５と連結される。ばね４ａおよび４ｂは、可動式のロータフレーム１５内でロータ固定素子５０ａ、５０ｂに強固に固定される。

より詳細に後述しているように、ロータ素子およびステータ素子は、一定間隔で互いに対面するように構成される凸部を含む。図４における支持ビームの役割は、１以上のロータ素子における凸部がそれぞれのステータ素子における凸部と初期において対面するように、またロータ素子が、それぞれのステータ素子に対して第１の方向と平行に動くことが可能になるように、ロータフレーム１５および１以上のロータ素子の間の機械的結合を提供することである。図４において、ロータフレーム１５は、ロータフレーム１５の運動に沿ってしっかりと動くように構成されるロータ支持ビーム７ａ〜７ｄによってロータ素子に連結するために示される。図４の構成は、４つのロータ支持ビームを含み、そのうちの２つの７ａ、７ｂは、第３の硬ビーム２ｃから内側に、かつ第３の硬ビームの方向に対して垂直に延在し、そのうちの２つの７ｃ、７ｄは、第４の硬ビーム２ｄから内側に、かつ第４の硬ビームの方向に対して垂直に延在する。第４の硬ビーム２ｄは、第３の硬ビーム２ｃに対して平行である。

図５は、ロータ素子６２とステータ素子６４とを含むコンデンサ素子６０の例を、より詳細に示す図である。

ロータ素子６２は、ここではロータビーム８および複数（２以上）のロータ凸部３ａ、３ｂを含むロータの一部を指す。ロータ凸部３ａ、３ｂは、ロータビームから離れるように延在する、すなわち、ロータビームの長手方向寸法に対して垂直な方向に延在する。ロータ凸部は、これらの端がロータ運動の方向、すなわち第１の方向と平行な平面のロータ端面６６ａ、６６ｂを提供するように設計されている次元要素である。ロータ端面は凸部の側壁によってロータビームから一定間隔離れて提供される。ロータ凸部の反対側に延在する（第１の方向に沿って見て反対）２つの側壁面は、ロータ側面６８ａ、６８ｂを形成する。ロータ側面６８ａ、６８ｂが第１の方向（図５においてＸ方向）における直線に直交し、かつロータ端面６６ａ、６６ｂが第２の方向（図５においてＹ方向）における直線に直交するように、図５における構成は直角である。

ステータ素子６４は、ここではステータビーム６および複数（２以上）のステータ凸部１ａ、１ｂを含むステータの一部を指す。ステータ凸部１ａ、１ｂは、ステータビーム６から離れるように延在する、すなわち、第２の方向に延在する。ステータ凸部は対応する次元要素であり、これらの端は、ロータ運動の方向、すなわち第１の方向と平行な平面のステータ端面７０ａ、７０ｂを提供するように設計されている。ステータ端面は、凸部の側壁によってステータビームから一定間隔離れている。ステータ凸部の反対側に延在する（第１の方向に沿って見て反対）２つの側壁面が、ステータ側面７２ａ、７２ｂを形成する。ステータ側面７２ａ、７２ｂが第１の方向における直線に直交し、かつステータ端面７０ａ、７０ｂが第２の方向における直線に直交するように、図５における構成は直角である。

図５の例示的な構成において、ロータ凸部３ａ、３ｂは、ロータビーム８からＹ方向に垂直に外側へ延在し、この方向は、ロータ素子のＸ方向の動きに対して垂直であり、ＸＹ平面に延在する支持構造体と平行である。ロータ凸部３ａ、３ｂは、各ロータ凸部の反対側にロータ側面を含む。そのため、各ロータ側面は、ロータ素子のＸ方向の動き方向に垂直であり、かつ支持構造体のＸＹ平面に垂直なＹＺ平面にある。各ロータ凸部３ａ、３ｂは、ロータ凸部の端にロータ端面６６ａ、６６ｂを含む。各ロータ端面は、ロータのＸ方向の動き方向に平行であり、かつ支持構造体のＸＹ平面に垂直なＸＺ平面にある。ロータ側端７４は、各ロータ側面およびロータ端面の間で形成される。図５の直角の構成において、ロータ側端に沿う線は、Ｚ方向に位置合わせされる、すなわち、Ｘ方向の第１の方向およびＹ方向の第２の方向の両方に対して直交する。

同様に、ステータ凸部１ａ、１ｂは、ステータビーム６からＹ方向に垂直に外側へ延在してもよい。この方向は、ロータ素子のＸ方向の動きに対して垂直であり、ＸＹ平面に延在する支持構造体と平行である。ステータ凸部１ａ、１ｂは、各ステータ凸部の反対側にステータ側面７２ａ、７２ｂを含んでもよい。そのため、各ステータ側面は、ロータ素子のＸ方向の動き方向に垂直であり、かつ支持構造体のＸＹ平面に垂直なＹＺ平面にある。各ステータ凸部１ａ、１ｂは、ロータ凸部の端にステータ端面７０ａ、７０ｂを含む。各ステータ端面は、ロータのＸ方向の動き方向に平行であり、かつ支持構造体のＸＹ平面に垂直なＸＺ平面にある。ステータ側端７６は、各ステータ側面およびステータ端面の間で形成される。図５の直角の構成において、ステータ側端に沿う線は、Ｚ方向に位置合わせされる、すなわち、Ｘ方向の第１の方向およびＹ方向の第２の方向の両方に対して直交する。

初期位置において、複数のステータ凸部および複数のロータ凸部は、複数の凸部対に構成され、凸部対の複数の凸部の複数の端面が互いに一定間隔離れて対面することによって少なくとも部分的に重複し、凸部対の複数の凸部の側面は第２の方向の線上に位置合わせされる。ここで、初期位置とは、外力が印加されず、ばね構造体がどちらの方向にも曲げられないときの構造体の状態を指す。図５において、ステータ凸部１ａおよびロータ凸部３ａは１つの凸部対を形成し、ステータ凸部１ｂおよびロータ凸部３ｂは別の凸部対を形成する。これらの凸部対の各々は、凸部対（線形櫛型構造体）のステータ端面およびロータ端面間の重複部分に比例する静電容量を有するコンデンサを形成する。

端面の重複部分は、図５の表記法を用いて記載してもよい。図５において、Ａ１は、ステータ凸部１ａおよびロータ凸部３ａ間の距離を示し、Ｂ１は、ロータ凸部３ａのＹ方向の高さおよびステータ凸部１ａのＹ方向の高さも示し、Ｃ１は、ステータ凸部１ａのＸ方向の長さを示し、Ｄ１は、ステータ凸部１ａおよびロータ凸部３ａ間のＸ方向の長さの差分を示し、Ｅ１は、２つの隣接したロータ凸部３ａ、３ｂ間の距離を示す。よって、Ｃ１＋Ｄ１はロータ凸部３ａの長さであり、Ｄ１＋Ｅ１は２つのステータ凸部１ａ、１ｂ間の距離である。

凸部対の凸部１ａ、３ａの端面６６ａ、７０ａが少なくとも部分的に重複するとき、ロータ凸部３ａのロータ端面６６ａの第１の方向の直線上への正射影は、少なくとも部分的にステータ凸部１ａのステータ端面７０ａの第１の方向の同じ直線上への正射影と重複する。図５の直角の構造体において、ロータ凸部３ａのロータ端面６６ａの第１の方向における正射影は、Ｃ１＋Ｄ１の合計と等しい。ステータ凸部１ａのステータ端面７０ａの第１の方向における正射影は、Ｃ１と等しい。よって、この例において、初期位置の重複部分はＣ１と等しい。

さらに、凸部対のステータ凸部の少なくとも１つの側面、およびロータ凸部の１つの側面は、第２の方向の直線上に位置合わせされると定義された。言いかえれば、これは、ロータ側端の正射影と、第１の方向の直線上のロータ側端の正射影とが一致するように構成されることを意味する。図５の直角の構造体において、ステータ凸部１ａの側面７２ａおよびロータ凸部３ａの側面６８ａが、直線８０上にある。したがって、地点Ｐは、第１の方向のロータ凸部３ａおよびステータ凸部１ａの側端の正射影が一致する地点を表す。

なお、図５は、実際の縮尺ではなく、単に、例示的な構成における距離Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、およびＥ１の意味を示すためのものである。

所望の効果を達成するために、高さＢ１は、距離Ａ１の１〜４倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ１の２〜３倍である（Ｂ１＝Ｙ×Ａ１、式中、Ｙ＝１−４であり、好ましくは２−３である）。

それに対応して、長さＣ１は、距離Ａ１の１〜３倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ１の１．５〜２．５倍である（Ｃ１＝Ｙ×Ａ１、式中、Ｙ＝１−３であり、好ましくは１．５−２．５である）。

長さＤ１は、距離Ａ１の０．５〜３．５倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ１の１．５〜２．５倍である（Ｄ１＝Ｙ×Ａ１、式中、Ｙ＝０．５−３．５であり、好ましくは１．５−２．５である）。

距離Ｅ１は、距離Ａ１の１〜４倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ１の２〜３倍である（Ｅ１＝Ｙ×Ａ１、式中、Ｙ＝１−４であり、好ましくは２−３である）。

そのため、記載された構成において、ステータ素子およびロータ素子の凸部における端面は、互いからゼロでない距離で隣接して構成されてもよい。これによって、これらが結合されてコンデンサとして機能する。第１の方向Ｘに沿ってロータが動くと、ステータ凸部およびロータ凸部の端面の重複面積は、ステータ凸部およびロータ凸部の対面する端面が互いに対して異なる位置に動くときに変化する。これは、ステータおよびロータの凸部の端面がどれくらい互いに対面するかという程度が変化することを意味する。ステータ凸部およびロータ凸部の対面する端面は、初期位置ならびに動いている間および動いた後のいずれにおいても、互いから距離Ａ１で離れている。

たとえば、ステータ凸部１ａおよびステータ１ａに一定間隔離れて対面するロータ凸部３ａが、凸部対を形成してもよい。ロータが第１の方向、たとえば、負のＸ方向に動くとき、ステータ端面７０ａおよびロータ端面６６ａの間の重複部分は変化する。したがって、凸部対の２つの端面６６ａ、７０ａは、領域変調平行板コンデンサの極板を形成すると考えることができ、その結果、重複部分が減少するとき、極板間の静電容量が減少し、その逆も同様である。凸部１ａ、３ａの側面６８ａ、７２ａが、上記のように、直線上に位置合わせされるように構成されるとき、それぞれの方向（図５における負のＸ方向）におけるロータの小さな変位により、重複部分が減少するため、端面間の静電容量が減少する。

図６Ａは、特許請求の範囲に記載の構成を有する例示的なコンデンサ素子における静電容量をロータの変位の関数として示す図である。図６Ｂは、二次導関数の項∂Ｃ^２／∂ｘ^２の対応する挙動をロータの変位の関数として示す図である。図６Ａからわかるように、ロータ素子が初期位置にあるときに静電容量が最大値であり、端面間の重複部分は最も大きい。変位が増加すると、静電容量は減少する。図６Ｂからわかるように、ある範囲の変位において、二次導関数の項∂Ｃ^２／∂ｘ^２の曲線は、負の値を有する。二次導関数の項∂Ｃ^２／∂ｘ^２の曲線は、初期位置の直後に最小の負の値を有し、変位と共に上昇する。

図４に戻って、凸部はステータビームもしくはロータビームから１つの方向に延在してもよく、または、ステータビームもしくはロータビームは、ステータビームもしくはロータビームから反対の２つの方向に延在する凸部を含んでもよい。たとえば、図４において、ロータ支持ビーム７ａによってロータに結合されたロータビーム１７ａの１つのセットのロータ凸部は、正のＹ方向に延在し、これらは１つのセットのステータ凸部に対面するように構成される。同じロータビーム１７ａの別のセットのロータ凸部は、負のＹ方向に延在し、これらは別のセットのステータ凸部に対面するように構成される。一方、ロータビーム１７ｂの１つのセットのロータ凸部も、ロータ支持ビーム７ａによってロータに結合されるが、正のＹ方向にのみ延在する。支持ビームを用いて、また支持ビームを用いずにステータ素子およびロータ素子の凸部を対に構成する方法は他にもいくつかあることが理解される。たとえば、図４のさらなる例示的な代替案において、別個のロータビームもロータ支持ビームもないが、ロータフレームの一部がロータビームとして機能する。図４は、この代替案を、ロータ凸部からゼロでない距離のステータ素子のステータ凸部に対応して対面するように構成されたロータフレーム１５の内部にあるロータ凸部によって示す。

図４に示されるように、ステータビーム８は、ステータ支持ビーム５ａ〜５ｄに沿って横方向に配置され、ロータビーム６間の空間の中に第１の方向Ｘに延在するように構成されてもよい。ロータビーム６は、ロータ支持ビーム７ａ〜７ｄに沿って横方向に配置され、ステータビーム８間の空間の中に第１の方向Ｘに延在するように配置されてもよい。

図４の静電容量型ＭＥＭＳ構造体は、ロータの質量中心ＣＭと交差するＸ方向の線に対して鏡映対称に構成される。

一実施の形態において、ＭＥＭＳ構造体は、ＭＥＭＳ加速度計デバイスに含むことができる。加速度センサは、通常、開ループの測定用に設計されており、それによって、加速度センサの使用は、機械的構成および従来のばね定数の電気同調方法で達成可能な限定された加速度範囲に制限される。提示した構造体を用いて、素子の全面的な偏差をより柔軟に調節してもよい。そのため、たとえば、著しく大きな測定範囲をマルチレンジの加速度計に与えることが可能である。一方、高重力加速度センサを設計することは、素子を完全に試験するには高加速（重力で試験する代わりに遠心機）の使用も必要とするため、困難となり得る。この提示した構造体は、低重力の範囲で試験することが可能であり、高重力の範囲で操作することができる加速度計設計の作製が可能になる。

別の一実施の形態において、この提示したＭＥＭＳ構造体は、共振構造体を有するＭＥＭＳデバイスである共振器に含むことができる。印加された電圧での周波数同調は、たとえば共振器およびジャイロスコープにおける共振構造体の共振周波数を微調整するために通常用いられている方法である。従来の同調方法の共通の欠点は、共振周波数を低下させることしかできず、同調には高電圧が必要であるということである。提示したＭＥＭＳ設計により、印加電圧によって共振周波数の低下も上昇も可能な共振構造体を作製することが可能になる。さらに、周波数を上下に同調させる可能性があるため、同調に必要な電圧は低い。

図５の例示的なＭＥＭＳ構造体において、ロータ端面６６ａのＸ方向の長さＣ１＋Ｄ１は、ステータ端面の７０ａのＸ方向の長さＣ１より長い。そのため、正のＸ方向のロータの変位により、初期位置の直後の静電容量が変化する。一方、ロータが負のＸ方向に変位するとき、ロータが初期位置から動いても、凸部の端面間の重複面積は同じままである。そのため、凸部寸法の差分により、ロータの動き方向も検出することができるようなコンデンサ素子を設計することが可能になる。これは特に加速度計の設計において重要な態様である。

たとえば、図４は、ステータ端面のＸ方向の長さは、ロータ端面のＸ方向の長さより短い構成を示す。ＭＥＭＳ構造体の上部におけるロータ素子は、ロータ支持ビーム７ａおよび７ｂを介してロータフレーム１５に結合され、ステータ素子はステータ支持ビーム５ａおよび５ｂを介してステータ固定素子３０ａに結合される。よって、ステータ素子は、同じ電位であり、上部におけるすべてのコンデンサ素子は、検出された静電容量変化に合同で寄与することができる。これらの上部のコンデンサ素子は、正のＸ方向のロータの変位によって、初期位置の直後の静電容量に変化が生じるように、配向される。一方、ロータが負のＸ方向に変位するとき、ロータが初期位置から動いても、コンデンサ素子における端面間の重複部分は同じままであり、検出された静電容量は変化しない。

ＭＥＭＳ構造体の下部におけるロータ素子は、ロータ支持ビーム７ｃ、７ｄを介してロータフレーム１５に結合され、ステータ素子は、ステータ支持ビーム５ｃ、５ｄを介して固定素子３０ｂに結合される。これらの下部のコンデンサ素子は、負のＸ方向のロータの変位によって、初期位置の直後の静電容量に変化が生じるように、配向される。一方、ロータが正のＸ方向に変位するとき、静電容量は直ちに変化しない。

したがって、上部のコンデンサ素子は、共同で正のＸ方向のロータの変位を感知するように、また下部のコンデンサ素子は、共同で負のＸ方向のロータの変位を感知するように位置してもよい。上記のように、ＭＥＭＳ構造体の感度の範囲は、印加電圧で調節することができる。図４の構成において、ステータ支持ビーム５ａ、５ｂは、ステータ固定素子３０ａを介して第１の電位に結合され、ステータ支持ビーム５ｃ、５ｄは、別の固定素子３０ｂを介して第２の電位に結合される。第１の電位および第２の電位は、同一であることが好適である。

図７は、面内運動に対して懸架されたＭＥＭＳ構造体のための代替構成を示す図である。また、このＭＥＭＳ構造体は、特に加速度計の用途に適用可能であり、ロータの動き方向も検出する可能性をもたらす。さらに、説明した構成により、差動検出によって測定誤差を減少させることができる。

図７のＭＥＭＳ構造体は、図４のＭＥＭＳ構造体に対応するが、２つではなく、４つのステータ固定素子３２ａ〜３２ｄを含む。各ステータ固定素子３２ａ〜３２ｄは、固定されたステータ支持ビーム５ａ、５ｂ、５ｃまたは５ｄのうちの１つを支持する。

図７の静電容量型の微小電気機械センサ構造体は、Ｘ方向およびＹ方向の両方において鏡対称である。対称中心線は、素子構造体の中央を横切るＸ方向の水平の線であり、ロータの質量中心ＣＭと交差する水平の線であることが好適である。別の対称中心線は、水平の線に垂直であり、かつ素子構造体の中央を通ってＹ方向に伸びる線であり、ロータの質量中心ＣＭとも交差することが好適である。

第１のステータ支持ビーム５ａを介して第１のステータ固定素子３２ａに結合されたステータ素子および第１のロータ支持ビーム７ａを介してロータフレーム１５に結合されたロータ素子が第１の検出素子を形成するとする。それに対応して、第２のステータ支持ビーム５ｂを介して第２の固定素子３２ｂに結合されたステータ素子および第２のロータ支持ビーム７ｂを介してロータフレーム１５に結合されたロータ素子が第２の検出素子を形成する。第３のステータ支持ビーム５ｃを介して第３の固定素子３２ｃに結合されたステータ素子、および第３のロータ支持ビーム７ｃを介してロータフレーム１５に結合されたロータ素子は、第２の検出素子を形成し、第４のステータ支持ビーム５ｄを介して第４の固定素子３２ｄに結合されたステータ素子、および第４のロータ支持ビーム７ｄを介してロータフレーム１５に結合されたロータ素子は、第４の検出素子を形成する。

図７のＭＥＭＳ構造体において、第１、第２、第３、および第４の検出素子は、第１および第３の検出素子が正のＸ方向のロータの変位を検出するように位置し、第２および第４の検出素子が負のＸ方向のロータの変位を検出するように位置する。ＭＥＭＳ構造体の出力信号は、第１および第３の検出素子の寄与の和と、第２および第４の検出素子の寄与の和との差分に対応するように構成されてもよい。そのような差動検出は、ＭＥＭＳデバイス構成における製造誤差および温度変動の影響をなくすことに役立つ。

図８は、ロータの面内の動き方向を検出する可能性をもたらし、差動検出によって誤差をなくすことができるＭＥＭＳ構造体のための代替構成を示す図である。

図８のＭＥＭＳ素子は、他の点では図７のＭＥＭＳ素子に対応するが、検出素子は、差動検出のために異なる位置にある。図８のＭＥＭＳ構造体は、Ｙ方向に鏡対称である。対称中心線は、素子構造体の中央をわたってＹ方向に位置合わせされ、ロータの質量中心ＣＭの中心と交差することが好適である。

図８のＭＥＭＳ構造体において、第１、第２、第３、および第４の検出素子は、第１および第４の検出素子が正のＸ方向のロータの変位を検出するように位置し、第２および第３の検出素子が負のＸ方向のロータの変位を検出するように位置する。出力信号は、第１および第４の検出素子の寄与の和と、第２および第３の検出素子の寄与の和との差分に対応してもよい。この差動検出は、ＭＥＭＳデバイス構成における製造誤差および温度変動の影響をなくすことに役立つ。第１および第４の検出素子と、交差するように支持構造体と平行に置かれた第２および第３の検出素子とを結合する交差結合の構成は、ＭＥＭＳデバイス構成におけるいくつかの製造誤差および温度変動の影響をなくすためにさらに有効となり得る。

図４、図５、図７および図８において、上記のように、ロータ凸部３およびステータ凸部１は、方向の検出ができるようにＸ方向で互いに長さが異なる。例示的な実施の形態において、ロータ凸部およびステータ凸部はＹ方向の高さが同じである。これは、ロータの対称性および質量分布に対して利点となる。しかしながら、Ｙ方向の高さが違う構成も本発明の範囲内に適用してもよい。さらに、図４、図５、図７、および図８において、ロータ凸部のＸ方向の長さはステータ凸部のＸ方向の長さより長い。しかしながら、ステータ凸部のＸ方向の長さがロータ凸部のＸ方向の長さより長い構成も、本発明の範囲内に適用してもよい。

共振器の適用において、検出された静電容量における方向の態様はそれほど適用可能でなく、重複部分は、初期位置からの両方向におけるロータの変位によって変化してもよい。図９は、特に共振器の適用に有益な、面内に動くＭＥＭＳ構造体を示す図である。図９のＭＥＭＳ素子は、他の点では図４のＭＥＭＳ素子に対応するが、ステータ凸部およびロータ凸部のＸ方向の長さは、等しいまたはほぼ等しい。

図９の静電容量型の微小電気機械センサ構造体は、Ｘ方向において鏡対称である。対称中心線は、素子構造体の中央を横切るＸ方向の水平の線であり、ロータの質量中心ＣＭと交差することが好適である。

図９の構成において、ステータ支持ビーム５ａ、５ｂは、ステータ固定素子３０ａを介して第１の電位に結合され、ステータ支持ビーム５ｃ、５ｄは、別のステータ固定素子３０ｂを介して第２の電位に結合される。第１の電位および第２の電位は、同一であることが好適である。第１、第２、第３および第４の検出素子は、上部のコンデンサ素子を含む第１および第２の検出素子が共同で信号に寄与し、下部のコンデンサ素子を含む第３および第４の検出素子が共同で別の信号に寄与するように位置してもよい。図７および図８の構成に対応する代替の異なる構成も、適用されてもよい。開示した構成によって、上記のように、共振器の共振周波数は、印加電圧によって効果的に調節することができる。

図１０は、図９の例示的なＭＥＭＳ構造体についての部分的な詳細を示す図である。参照符号は、図５に用いられている参照符号と類似する。Ａ１は、ステータ凸部１ａおよびロータ凸部３ａの間の距離を示し、Ｂ１は、ロータ凸部３ａのＹ方向の高さおよびステータ凸部１ａのＹ方向の高さも示し、Ｃ１は、ステータ凸部１ａのＸ方向の長さを示し、Ｄ１は、ステータ凸部１ａおよびロータ凸部３ａの間のＸ方向の長さの差分を示し、Ｅ１は、２つの隣接したロータ凸部３ａ、３ｂの間の距離を示す。よって、Ｃ１＋Ｄ１はロータ凸部３ａの長さであり、Ｄ１＋Ｅ１は２のステータ凸部１ａ、１ｂ間の距離である。図９からわかるように、初期位置において、各ステータ凸部１ａのステータ端面７０ａは、一定間隔離れて対面する各ロータ凸部３ａのロータ端面６６ａと完全に重複する。初期位置からロータが動くとき、各端面の重複部分が変化するため、各端面間の静電容量が変化する。なお、図１０は実際の縮尺ではなく、単に、例示的な構成における参照符号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、およびＥ１の意味を示すためのものである。

先の実施の形態において、ロータ運動は面内方向、すなわち、基礎をなす支持構造体の面と平行に行われるように構成された。しかしながら、前述の構造体は、面外に動く素子を有するＭＥＭＳ構造体にも適用されてもよい。図１１は、特に、加速度計の用途に適用可能な面外に動くロータ構成を有する例示的なＭＥＭＳ構造体を示す図である。先の実施の形態における素子に対応する素子は、同じ参照番号が付与され、これらの詳細は先の記述を参照してもよい。

ＭＥＭＳ構造体は、ここでも、支持構造体に強固に固定される少なくとも１つのステータと、屈曲するばね構造体によって支持構造体に可動に固定された少なくとも１つのロータとを備える。図１１において、基板面はＸＹ平面と平行であり、ロータの動きはＺ方向と平行に行われるように構成される。そのため、図１１の構成において、Ｚ方向は第１の方向であり、Ｘ方向は第２の方向である。図１１の構成において、ステータはステータ固定素子３０ａ、３０ｂ、および当該固定素子３０ａ、３０ｂに結合された複数のステータビーム６を含む。ステータビーム６は、それぞれの固定素子からＹ方向に延在し、さらにＺ方向に高さ寸法も有する。各ステータビーム６は、複数（２以上）のステータ凸部１を含む。ステータ凸部１は、ステータビーム６から外側にＸ方向に向かって、かつロータ素子のＺ方向の動き方向（第１の方向）に対して垂直にステータビーム６から延在する。

図１１に示されるように、ロータは、剛性のロータ支持構造体４１を介して、かつ懸架ばね４ａ、４ｂによってロータ固定素子４０から懸架される。ロータは、トーションばね４ａ、４ｂを通る軸周りの回転運動を誘起してもよいロータフレーム１５を含む。複数のロータビーム８は、ロータフレーム１５の端からＹ方向に内側に延在し、さらにＺ方向に高さ寸法も有する。ロータビーム８は、各ロータビーム８の高さ寸法に沿って配置された複数のロータ凸部３を含む。ロータ凸部３は、ロータビーム８から外側にＸ方向に向かって、すなわち、ロータ素子のＺ方向の動き方向に対して垂直方向にステータビーム８から延在する。

図１２は、図１１において示す構成のＭＥＭＳ構造体の部品の部分的に詳細な断面図であり、ＭＥＭＳ構成体は、図１１より少ない数のビームだけを備える。図１２について説明したように、各ステータ凸部１は、ステータ凸部１の反対側にステータ側面７２ａ、７２ｂを含んでもよい。各ステータ側面は、ＸＹ平面と平行である。各ステータ凸部１は、さらにステータ凸部１の端にステータ端面７０を含み、ステータ端面はＹＺ平面と平行である。

また図１２に示されるように、各ロータ凸部３は、ロータ凸部３の反対側にロータ側面６８ａ、６８ｂを含み、各ロータ側面６８ａ、６８ｂは、ＸＹ平面と平行である。各ロータ凸部３は、さらにロータ凸部の端にロータ端面を含み、ロータ端面はＹＺ平面と平行である。ロータ凸部３は、ロータビーム８の１つの側または両側から延在してもよい。ステータ凸部１およびロータ凸部３は凸部対になるように構成され、凸部対は、隣接したステータビームおよびロータビームのステータ凸部およびロータ凸部から成るようになる。

この例示的な実施の形態において、ロータフレームは、２つの側部ビームおよび１つの端部ビームを有するＵ字型の構造体である。図１１に示されるように、ロータフレーム１５の側部ビームのうちの１つは、ロータ支持構造体４１に第１のばね４ａによって１つの端部に連結される。素子フレーム１５の反対側部ビームは、第２のばね４ｂによって１つの端部において同じロータ支持構造体４１に連結される。素子フレームの反対側部ビームは、素子構造体の中心軸と平行である。ロータ支持構造体４１は、ロータ固定素子４０に基板に強固に固定されてもよい。基板のＸＹ平面に垂直なロータ素子のＺ方向の動き方向を可能にするために、ばね４ａ、４ｂは、ねじれに柔軟であるため、ロータが回転面外運動を行うことが可能である。

図１１において、（ステータ凸部１がある）ステータビーム６は、（ロータ凸部３がある）ロータビーム８間の空間に延在するように示されている。したがってステータおよびロータは２つのグループを含み、両方のグループのロータビームは、同じ電位にあるが、ステータビームグループは、同じ電位または異なる電位に結合されることができる。

ステータビームおよびロータビームのグループにおいて、ステータビーム６は、ロータ素子およびステータ素子のグループの間の空間に対面し、ロータビーム８が最も外側である。グループ間の第１の空間に対面するステータビーム６の側面は、図１１に示されるように凸部を含むこともでき、またはステータ凸部がなくてもよい。それに対応して、ロータフレーム１５に対面するロータビーム８の側面は、図１１に示されるように凸部を含むこともでき、またはロータ凸部がなくてもよい。

図１１のＭＥＭＳ構造体は、Ｙ方向に鏡対称である。ステータ素子およびロータ素子のグループは、グループがロータの質量中心ＣＭと交差するＭＥＭＳ構造体のＹ方向の軸に対して対称に設けられるように、同じ数の凸部対を含むことが好ましい。

図１２は、ステータ凸部１を有するステータビーム６、およびロータ凸部３を有するロータビーム８をさらに詳細に示す図である。この例示的な実施の形態において、ロータ凸部３およびステータ凸部１は、Ｚ方向（動き方向）において互いに異なる高さを有しているため、ロータの動き方向の検出も可能になる。図１２の実施の形態において、ロータ素子およびステータ素子対のうちの１つの対において、ロータ凸部３のＺ方向の高さは、ステータ凸部１のＺ方向の高さより高い。ステータ凸部１のＺ方向の高さがロータ凸部３のＺ方向の高さより高い構成も、本発明の範囲内に適用してもよい。

図１２は、図１１で示されたステータ素子およびロータ素子の寸法もより詳細に示す。図１１において、Ａ２は、ステータ凸部１およびロータ凸部３の対面する端面間の距離を示し、Ｂ２は、ロータビーム８からのロータ凸部３のＸ方向の長さ、すなわち、ロータ凸部３の端からロータビーム８までの距離を示す。Ｃ２は、ロータ凸部１のＺ方向の高さを示し、Ｄ２は、ロータ凸部３およびステータ凸部１間の高さの差分を示し、Ｅ２は、２つのロータ凸部３間の距離を示す。

なお、図１１は実際の縮尺ではなく、単に、例示的な構成における距離Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、およびＥ２の意味を示すためのものである。

距離Ｂ２は、距離Ａ２の１〜４倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の２〜３倍である（Ｂ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝１−４であり、好ましくは２−３である）。

距離Ｃ２は、１〜３倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の１．５〜２．５倍である（Ｂ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝１−３であり、好ましくは１．５−２．５である）。

距離Ｄ２は、０．５〜３．５倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の１．５〜２．５倍である（Ｄ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝０．５−３．５であり、好ましくは１．５−２．５である）。

距離Ｅ２は、距離Ａ２の１〜４倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の２〜３倍である（Ｄ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝１−４であり、好ましくは２−３である）。

図１３は、共振器適用の際に使用される面外に動くロータを有する例示的なＭＥＭＳ構造体を示す図である。上記のように、当該構造体によって同調の向上が実現されるが、動き方向の検出は可能ではない。図１３の構造体は図１１の構造体に類似しているため、参考番号は、特に記載がなければ、同様の構成要素（ｅｎｔｉｔｉｅｓ）に関するものである。

ステータ素子は、ステータ固定素子３０にＹ方向に固定された複数のステータビーム６と、支持構造体（図示せず）に置かれたロータフレーム１５にＹ方向に強固に連結された複数のロータビーム８とを含む。よって、図１３には、ステータビームおよびロータビームの１つのグループのみが示されている。各ステータビーム６は、Ｘ方向の各ステータビーム６のＺ方向の寸法に沿って延在するいくつかのステータ凸部１と、Ｘ方向の各ロータビーム８に沿ってＺ方向の寸法で延在するいくつかのロータ凸部３とを有する。凸部対のためのステータ凸部およびロータ凸部のその他の部分は、図１１と同様であるが、図１３において、ステータ凸部およびロータの凸部は、Ｚ方向において同一の高さである。

図１１のＭＥＭＳ構造体のように、ロータビームおよびステータビームは、インターリーブされている。図１３の静電容量型の微小電気機械センサ構造体は、Ｙ方向の軸に対して鏡対称である。

図１４は、ＭＥＭＳ構造体のためのさらなる例示的構成を示す図である。この実施の形態において、図１１のように、ロータビーム８およびステータビーム６は２つのグループに構成される。複数のグループのうちの一方のグループのステータビーム６は、ステータ固定素子３０ａに固定され、他方のグループにおけるステータビーム６は、ステータ固定素子３０ｂに固定される。図１３のＭＥＭＳ構造体のように、ロータ凸部のＺ方向の高さ寸法は、ステータ凸部のＺ方向の高さ寸法と等しい。

図１５は、図１４において示した構成を示し、同様の構造において、異なる数のステータビームおよびロータビームを有するステータ素子およびロータ素子を部分的に詳細に示す断面図である。図１５は、図１４の面Ｖの断面図である。図示されているように、ステータビーム６はステータ凸部１を含み、ロータビーム８はロータ凸部３を含む。図面からわかるように、ロータ凸部３およびステータ凸部１は、Ｚ方向（第１の方向、ロータの動き方向）において同じ高さを有している。

図１５は、図１３〜１４のＭＥＭＳ構造体において適用可能な、ステータビームおよびロータビームのＺ方向の寸法に沿ったロータ凸部およびステータ凸部の寸法も示す。図１３〜１４のように、参照番号３はロータ凸部を示し、参照番号１はステータ凸部を示す。Ａ２は、ステータ凸部１およびロータ凸部３の対面する端面間の距離を示し、Ｂ２は、ロータビーム８からのロータ凸部３のＸ方向の長さ、すなわち、ロータ凸部３の端からロータビーム８までの距離を示す。Ｃ２は、ロータ凸部３のＺ方向の高さおよびステータ凸部１のＺ方向の高さも示し、Ｅ２は、２つのロータ凸部３間の距離および２つのステータ凸部１間の距離も示す。なお、図１５は実際の縮尺ではなく、単に、例示的な構成における距離Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、およびＥ２の意味を示すためのものである。

距離Ｂ２は、距離Ａ２の１〜４倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の２〜３倍である（Ｂ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝１−４であり、好ましくは２−３である）。

距離Ｃ２は、１〜３倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の１．５〜２．５倍である（Ｂ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝１−３であり、好ましくは１．５−２．５である）。

距離Ｄ２は、０．５〜３．５倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の１．５〜２．５倍である（Ｄ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝０．５−３．５であり、好ましくは１．５−２．５である）。

距離Ｅ２は、距離Ａ２の１〜４倍であることが好適であり、好ましくは、距離Ａ２の２〜３倍である（Ｄ２＝Ｙ×Ａ２、式中、Ｙ＝１−４であり、好ましくは２−３である）。

図１６は、面内構成、すなわち面内に動くロータを有するＭＥＭＳ構造体のためのさらなる実施の形態を示す。本実施の形態によって、差動検出の使用の可能性をもたらし、動き方向の検出も可能になる。したがって、前述のＭＥＭＳ構造体は、ここにおいても、特に加速度計の用途に適用可能である。

図１６のＭＥＭＳ構造体において、４つのステータ固定素子３０ａ〜３０ｄがあり、当該ステータ固定素子には１以上（１つ図示する）のステータ支持ビーム５ａ、５ｂ、５ｃまたは５ｄが結合される。図１６の構成において、ロータビーム８ｆは、ステータビーム６ｆおよび６ｇ間にインターリーブされている。ステータビーム６ｆのステータ素子は、ステータビーム６ｆからロータビーム８ｆに向かって正のＹ方向に延在する複数のステータ凸部１ｆを含む。ステータビーム６ｇのステータ素子は、ステータビーム６ｇからロータビーム８ｆに向かって負のＹ方向に延在する複数のステータ凸部１ｇを含む。ロータビーム８ｆのロータ素子は、ステータビーム６ｆに向かって負のＹ方向に延在する複数のロータ凸部３ｆと、ステータビーム６ｇに向かって正のＹ方向に延在する複数のロータ凸部３ｇとを含む。ステータ凸部１ｆおよびロータ凸部３ｆは、凸部対を形成し、当該凸部対のステータ凸部１ｆの側面およびロータ凸部３ｆの側面は、Ｙ方向に直線８１上に沿っている。ステータ凸部１ｇおよびロータ凸部３ｇは、別の凸部対を形成し、当該凸部対のステータ凸部１ｇの側面およびロータ凸部３ｇの側面は、Ｙ方向に直線８０上に沿っている。

この特定の位置合わせにより、正のＸ方向のロータの動きによって重複部分に変化が生じるため、ステータ支持ビーム５ｂに支持されたステータ素子の凸部と、ロータ支持ビーム７ａに支持されたロータ素子の凸部とによって形成されたコンデンサ間の静電容量に変化が生じる。一方、負のＸ方向のロータの動きによって重複部分に変化が生じるため、ステータ支持ビーム５ａに支持されたステータ素子の凸部と、ロータ支持ビーム７ａに支持されたロータ素子の凸部とによって形成されたコンデンサ間の静電容量に変化が生じる。

ロータ支持ビーム７ａに支持されたロータ素子の凸部と、ステータ支持ビーム５ａに支持されたステータ素子の凸部との間で形成されたコンデンサによる寄与をＳ１とし、ロータ支持ビーム７ａに支持されたロータ素子の凸部と、ステータ支持ビーム５ｂに支持されたステータ素子の凸部と間で形成されたコンデンサによる寄与をＳ２とする。それに対応して、ロータ支持ビーム７ｂに支持されたロータ素子の凸部と、ステータ支持ビーム５ｃに支持されたステータ素子の凸部との間で形成されたコンデンサによる寄与をＳ３とし、ロータ支持ビーム７ｂに支持されたロータ素子の凸部と、ステータ支持ビーム５ｄに支持されたステータ素子の凸部と間で形成されたコンデンサによる寄与をＳ４とする。そうすると、差動出力信号Ｓは、以下のように導き出される。

図１７は、共振器の適用に対応する構成を示す図である。当該ＭＥＭＳ構造体は、前記ＭＥＭＳ構造体に非常に類似するが、ここでは、ステータ凸部のＸ方向の長さは、ロータ凸部のＸ方向の長さと等しくてもよい。

図面で示されている実施の形態は、発明性のある概念を満たす構造体の単なる例示である。当業者は、特許請求の範囲において示されているような発明性のある特徴に従って適切な変更を行うことができる。

上記の実施の形態において、以下の態様が適用されてもよい。
−ばね構造体は、トーションばね、蛇行ばね（ｍｅａｎｄｅｒｉｎｇ ｓｐｒｉｎｇ）、Ｓ字型のばね、Ｕ字型のばね、および折り畳みばね（ｆｏｌｄｅｄ ｓｐｒｉｎｇ）の少なくとも１つを備えてもよい。
−ロータ凸部はロータビームに沿って均一に配置される寸法に構成することができ、また、ステータ凸部はステータビームに沿って均一に配置される寸法に構成することができる。
−ロータ素子のロータ凸部は、互いに同一の設計を有することができ、および／またはステータ素子のステータ凸部は、互いに同一の設計を有することができる。

ＭＥＭＳデバイスは、ロータが支持構造体の面と平行な方向に動く面内運動構成、ロータが支持構造体の面に垂直な方向に動く面外運動構成、またはその両方の構成を含んでもよい。

動き方向がＸ方向である直角の面内構成において、
−第１の方向はＸ方向となる。
−第２の方向はＹ方向となる。
−凸部の端面はＸＺ平面にある。
−凸部の側面はＹＺ平面にある。
−ステータおよびロータの側端はＺ方向にある。

動き方向がＺ方向である直角の面外構成において、
−第１の方向はＺ方向となる。
−第２の方向はＸ方向となる。
−凸部の端面はＹＺ面にある。
−凸部の側面はＸＺ平面にある。
−ステータおよびロータの側端はＹ方向にある。

ここでは、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向という用語は直交座標系における三次元デカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ）の原理に従って、三次元で凸部の異なる部分の配向について説明するために用いられている。その座標曲面は、互いに直角に接する面であり、すなわち、これらは垂直である。

従来の櫛型構造体とは、コンデンサ極板がインターリーブされていないということが異なる。それとは反対に、コンデンサ極板は、ロータの動きの機能として、コンデンサ極板の静電容量の二次導関数が最小値にされるように、構成される。この種の構造体は、従来の同調構造体と組み合わせることができる。そのため、提案したコンデンサは共振周波数を高く同調させるために用いることができるので、たとえば、共振周波数を低く同調させるために従来の（複数の）平行板キャップウエハ電極を用いることは可能である。

ＭＥＭＳデバイスは、面内運動構成、面外運動構成、またはその両方の構成を含んでもよい。

向かい合った凸部セットにおいて印加された電圧は、向かい合った凸部間のギャップにおいて静電力場を生成する。この現象は、交流電圧（ＡＣ電圧）で共振構造体を駆動するために用いることができる。導体板を構成する凸部において静的電圧（ＤＣ電圧）を誘起することにより、同じ構造体を用いて共振周波数を同調させることができる。

微小電気機械（ＭＥＭＳ）共振器の同調、設定、定義、調整、および／または出力周波数の選択のために提案した技術は、従来の技術の欠点を克服し、共振周波数をより高い周波数にシフトさせることを可能にする。測定において、解析計算およびシミュレーションにおいて、提案した構成は、電極の重複する端面間において２．５Ｖの電圧を用いたとき、Ｚ軸の素子における共振周波数を３％上昇させ、１０Ｖの電圧を用いたとき、１２％上昇させた。１２％の共振周波数の上昇は、素子全体および測定範囲において２５％の上昇を意味する。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのステータ素子（６、１）と、前記ステータ素子（６、１）に対して第１の方向と平行に運動するために懸架された少なくとも１つのロータ素子（８、３）とを備えるコンデンサ素子を含む微小電気機械構造体であって、
   前記ステータ素子（６、１）および前記ロータ素子（８、３）は、少なくとも１つのコンデンサ素子を形成し、前記コンデンサ素子の複数の電極は、前記第１の方向に垂直である第２の方向に一定間隔離れており、前記コンデンサ素子の静電容量は、前記第１の方向における初期位置からの前記ロータ素子（８、３）の変位に従って変動するように構成され、
   前記ステータ素子は、ステータビーム（６）を含み、前記ロータ素子は、ロータビーム（８）を含み、
   前記ステータ素子は、前記ステータビーム（６）からロータビーム（８）に向かって延在する複数のステータ凸部（１）を含み、各ステータ凸部（１）は、
   前記ステータ凸部の反対側に、前記第２の方向にそれぞれ延在するステータ側面（７２ａ、７２ｂ）と、
   前記ステータ凸部の端に、前記第１の方向に延在するステータ端面（７０ａ）とを含み、
   前記ロータ素子は、前記ロータビームから前記ステータビーム（６）に向かって延在する複数のロータ凸部（３）を含み、各ロータ凸部は、
   前記ロータ凸部の反対側に、前記第２の方向にそれぞれ延在するロータ側面（６８ａ、６８ｂ）と、
   前記ロータ凸部の端に、前記第１の方向に延在するロータ端面（６６ａ）とを含み、
   初期位置において、前記複数のステータ凸部（１ａ）および前記複数のロータ凸部（３ａ）は、複数の凸部対に構成され、凸部対の複数の凸部の複数の端面（６６ａ、７０ａ）が互いに対面することによって少なくとも部分的に重複し、凸部対の前記複数の凸部の少なくとも１つの対の側面（６８ａ、７２ａ）は前記第２の方向の直線上に位置合わせされ、
   各凸部対について、前記第１の方向における前記ステータ端面（７０ａ）の長さは、前記第１の方向における前記ロータ端面（６６ａ）の長さとは異なり、
   各凸部対は、前記凸部対の前記ステータ端面（７０ａ）および前記ロータ端面（６６ａ）の間の重複部分に比例し、前記第１の方向に平行な前記ロータ素子の前記運動に従って変動するように構成される静電容量を有するコンデンサを形成し、
   前記ステータ素子（６、１）および前記ロータ素子（８、３）は、前記第１の方向に平行な初期位置からの前記ロータ素子（８、３）の変位の少なくとも１つの範囲において、前記変位に対する前記静電容量の二次導関数が負の値を有するように、相互に配向されることを特徴とする
   微小電気機械構造体。
2. 各凸部対について、前記ステータ凸部（１ａ）の高さは、前記凸部対の前記ロータ凸部（３ａ）の高さと等しいことを特徴とする
   請求項１に記載の微小電気機械構造体。
3. 前記複数のステータ凸部および前記複数のロータ凸部の高さ（Ｂ１）は、前記対面するステータ端面およびロータ端面間の距離（Ａ１）の１〜４倍であることを特徴とする
   請求項２に記載の微小電気機械構造体。
4. 前記第１の方向における前記ステータ端面または前記ロータ端面の前記長さ（Ｃ１、Ｃ１＋Ｄ１；Ｃ２、Ｃ２＋Ｄ２）は、前記対面するステータ端面およびロータ端面間の距離（Ａ１；Ａ２）の１〜３倍であることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械構造体。
5. 前記第１の方向における前記ロータ端面および前記ステータ端面の前記長さの差分（Ｄ１；Ｄ２）は、前記対面するステータ凸部およびロータ凸部の側面間の距離（Ａ１；Ａ２）の０．５〜３．５倍であることを特徴とする
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械構造体。
6. ２つの隣接したロータ側面間または２つの隣接したステータ側面間の距離（Ｅ１；Ｅ２）は、前記対面するステータ端面およびロータ端面間の前記距離（Ａ１；Ａ２）の１〜４倍であることを特徴とする
   請求項５に記載の微小電気機械構造体。
7. 少なくとも２つの検出素子を含み、各検出素子は、１以上のコンデンサ素子を含み、前記１以上のコンデンサ素子の複数のステータ素子は、同じ電位に結合されていることを特徴とする
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の微小電気機械構造体。
8. 前記少なくとも２つの検出素子のうちの一方は、前記第１の方向と平行な正の方向への前記ロータ素子の変位を検出するように位置し、前記少なくとも２つの検出素子のうちの他方は、前記第１の方向と平行であって、前記正の方向と反対方向である負の方向への前記ロータ素子の変位を検出するように位置し、
   各検出素子は、１以上のコンデンサ素子を含み、前記検出素子に含まれる各コンデンサ素子の複数のステータ素子は、差動検出のための信号を提供するために電気的に結合されていることを特徴とする
   請求項７に記載の微小電気機械構造体。
9. 交差結合された構成において、少なくとも４つの検出素子を含むことを特徴とする
   請求項８に記載の微小電気機械構造体。
10. 前記微小電気機械構造体は、平面の支持構造体との位置合わせのために平面形状を有し、
    前記ロータ素子（８、３）は、前記微小電気機械構造体の前記平面形状の面と平行な面内方向に動くように懸架されることを特徴とする
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小電気機械構造体。
11. 前記微小電気機械構造体は、平面の支持構造体との位置合わせのために平面形状を有し、
    前記ロータ素子（８、３）は、前記微小電気機械構造体の前記平面形状の面と垂直な面外方向に動くように懸架されることを特徴とする
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小電気機械構造体。
12. 前記第２の方向は、前記微小電気機械構造体の前記平面形状の前記面と平行であり、
    前記ステータビーム（６）は、前記第１の方向に高さ寸法を有し、前記複数のステータ凸部（１）は、前記ステータビーム（６）の前記高さ寸法に沿って配置されていることを特徴とする
    請求項１１に記載の微小電気機械構造体。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の前記微小電気機械構造体を含む
    微小電気機械デバイス。
14. 前記微小電気機械デバイスは、加速度計または共振器であることを特徴とする
    請求項１３に記載の微小電気機械デバイス。

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