JP6881532B2 - Mems周波数チューニングばね - Google Patents

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Description

本開示は、加速度センサ、ジャイロスコープ、共振器および走査マイクロミラーなどの微小電気機械(MEMS)システム、より詳細には、複数の要素を共振させる際の周波数制御に関する。
共振振動中のマス要素を備えるMEMS部品は、典型的には、一定の共振周波数を維持するべきである。同じデバイス構造を備えた構成要素はすべて同じ共振周波数で動作し、また、この周波数が構成要素の使用寿命にわたって一定のままであることが、通常好ましい。この目的を実現することは、振動素子の機械的特性が、ゼロでない製造工程公差により理想的な設計値と異なったり、温度変化などの外的ストレス因子にMEMS部品がさらされる場合に変化したりする可能性があるため、困難であり得る。
これらの課題を解決し、一定の共振周波数を維持するために(または、いずれの共振周波数もある特定の範囲内に正確に調整するために)、周波数チューニングユニットを各構成要素に組み込んでもよい。周波数チューニングユニットは、典型的には、共振マス要素に隣接するチューニング電極に周波数チューニング電圧を印加する電気信号によって制御される。周波数チューニング電圧を調整することによって、製造工程が理想的でなくても、または構成要素が経年劣化を受けても、マス要素の共振周波数を所望値に維持する(または、ある特定の範囲内に調整する)ことができる。
周波数チューニングユニットは、共振マス要素上の1つのチューニング電極と、隣接する固定構造体上の別のチューニング電極とを含んでもよい。そのようなチューニング電極を実装する1つの方法は、それらが平行板コンデンサを形成するように配列することである。平行板チューニング電極間の電圧バイアスによって、チューニング電極間のギャップが減少するにつれて増加する静電力が生成される。これにより、振動モードに関連付けられた有効ばね定数が減少し、それによって、共振周波数が減少する。米国特許第7999635号明細書は、平行板周波数チューニング電極を備えたMEMS要素を開示している。
しかしながら、いずれのチューニングが実現されても周波数チューニング電極間のギャップが狭くなければならないため、実用的なチューニング範囲は、平行板構成において極めて限定される。平行板周波数チューニングは、振動振幅が大きい用途において有用に実施するのが難しい。
振動素子上および固定構造体上のチューニング電極はまた、垂直平行櫛フィンガとして構成されてもよい。チューニング電極によって、振動周波数を増加させることが可能になる。米国特許第9869858号明細書は、櫛フィンガ周波数チューニング電極を備えたMEMS要素を開示している。しかしながら、振動振幅が大きい用途では、櫛フィンガによる周波数チューニングは典型的に、振動サイクルのごく一部においてのみ有効である。可動要素上に配列されたチューニング電極は、サイクルのほとんどにおいて、固定チューニング電極から離れる。したがって、周波数チューニングは、振動振幅が大きい場合、櫛フィンガで有効に実施するのが難しい。
本開示の目的は、上記の課題を克服するための装置を提供することである。本開示の目的は、独立クレームに記載することを特徴とする構成および方法によって実現される。本開示の好ましい実施形態を従属クレームに開示する。
本開示は、部分可動マス要素を固定構造体から懸架する懸架ばねに周波数チューニング電極を組み込む考えに基づく。クレームに記載する構成および方法の利点は、懸架ばねが、振動マス要素の動きに対してそのフル振動振幅に沿って追従し、その結果、振動サイクル全体中に周波数チューニング力を生成させ得ることである。
以下では、添付図面を参照して、本開示を好ましい実施形態によってより詳細に説明する。
図1aは、デバイス面内の振動を受けるように構成されたマス要素と、第1ばねおよび第2ばねとを示す。 図1bは、デバイス面内の振動を受けるように構成されたマス要素と、第1ばねおよび第2ばねとを示す。 図1cは、第1ばねおよび第2ばねの絶縁を示す。 図2は、共振周波数をチューニングするための方法を示す。 図3は、4つの第1ばねおよび4つの第2ばねを示す。 図4aは、2つの第1ばねおよび1つの第2ばねを含む懸架ユニットを示す。 図4bは、2つの第1ばねおよび1つの第2ばねを含む懸架ユニットを示す。 図5は、面内振動を示す。 図6は、面外回転振動を示す。 図7は、デバイス面外の振動を受けるように構成されたマス要素と、第1ばねおよび第2ばねとを示す。 図8は、第1ばねおよび第2ばねの絶縁を示す。 図9は、面外振動を示す。 図10は、面外回転振動を示す。
本開示は、固定支持部と、1以上の懸架ユニットによって固定支持部から懸架される少なくとも1つの部分可動マス要素と、部分可動マス要素を共振周波数で共振振動させるように構成される少なくとも1つの駆動変換器とを備える微小電気機械システムについて説明する。各懸架ユニットは、固定支持部から部分可動マス要素まで延在する1以上の第1ばねを含む。各懸架ユニットはまた、1以上の第2ばねを含み、各第2ばねは、固定支持部から部分可動マス要素まで、1つの第1ばねに実質的に平行に、かつ隣接して延在する。1以上の第1ばねは、1以上の第2ばねから電気的に絶縁され、微小電気機械システムはさらに、1以上の第1ばねと1以上の第2ばねとの間に周波数チューニング電圧を印加するように構成された電圧源を備える。
微小電気機械システムにおいて共振周波数をチューニングするための対応する方法は、微小電気機械システムから共振周波数を繰り返して読み出すステップと、その共振周波数を所定の目標値と比較するステップと、共振周波数が所定の目標値と異なる場合、共振周波数が所定の目標値と等しくなる値に周波数チューニング電圧を調整するステップとを含む。微小電気機械システムは、この方法で説明するステップを行う制御ユニットを備えてもよい。
図1aは、部分可動マス要素13と、固定支持部の一部を形成するアンカ点14とを備えた微小電気機械システムを示す。本開示において、「固定」支持部とは、MEMSジャイロスコープ構造体、例えばデバイスウェハよりはるかに大きい物体を意味する。あるいは、固定支持部とは、そのようなより大きな構造体に対して、動くことができないように確実に取り付けられる物体を意味し得る。「アンカ点」という用語は、懸架部などの部分的に可動性を有する物体が固定支持部に取り付けられている固定支持部の部位を指す。アンカ点は、理想的には、マス要素が振動する際に懸架部によって固定支持部に伝達される反力に影響を受けない。言いかえれば、アンカ点は、理想的には、マス要素が振動しても、デバイスウェハにおいて静止したままであるべきである。
可撓性を有する懸架部は、典型的には、一端部がアンカ点に固定され、他端部は、部分可動マス要素に取り付けられてもよい。マス要素は、例えば容量性または圧電性作動によって作動させてもよい。容量性アクチュエータは、例えば、電極として機能する相互嵌合した櫛フィンガを含んでもよい。ロータ電極は、マス要素または懸架部などの可動構造体に配置されてもよく、ステータ電極は、プルーフマスを取り囲み、固定支持部の一部を形成するフレームなどの静止構造体に配置されてもよい。圧電アクチュエータは、例えば、懸架部に電極層および1以上の圧電層を堆積させることによって形成されてもよい。
デバイスウェハは、シリコンウェハであってもよく、微小電気機械構造体は、例えばエッチングによってデバイスウェハに形成されてもよい。微小電気機械システムは、マス要素およびばねを取り囲み、本開示の図においてxy平面として示すデバイス面を画定するフレームを備えてもよい。あるいは、フレームが存在しなくても、マス要素は、(例えば、図1aのx軸に沿った)縦方向の長さおよび(例えば、y軸に沿った)横方向の幅を示してもよい。長さおよび幅は、xy平面として示すデバイス面を画定してもよい。デバイス面は、典型的には、デバイスウェハの主面と平行である。
部分的に可動性を有する要素は、本明細書では「マス要素」と呼ぶが、プルーフマスまたは慣性マスと呼んでもよく、可撓性を有する懸架部で固定支持部に取り付けられている物体である。細長い懸架部は、適切に寸法付けることによって、ある特定の種類の曲げまたはねじれの動きに対して可撓性を有するように構成することができ、その結果、それら細長い懸架部により、部分可動マス要素が、デバイス面内の並進運動、デバイス面外の並進運動および/またはデバイス面外の回転運動で振動することができる。少なくとも1つの駆動変換器は、同じ面内および/または面外振動モードを引き起こすように構成されてもよい。可撓性を有する懸架部は、取り付けられている慣性マスの動きによって、および/またはマスを作動させるアクチュエータによって曲がるのに十分な可撓性を有してもよい。
本開示では、「懸架部」という用語は、部分可動マス要素を固定支持部に取り付ける梁の一般用語として用いる。懸架部はまた、ばねと呼ばれてもよく、それらの寸法は、典型的には、振動子の機械ばね定数に大きな影響を及ぼす。ばねは、弾性特性が梁全体にわたって変わらない均質かつ単一の梁であってもよい。そのようなばねは、ばねの2つの端部に作用する力によって影響を受けると、ばねの全長にわたって一様な曲率で曲がる。
本開示では、可撓性を有するように寸法付けられた懸架部に焦点を当てているが、用途によってはまた、可撓性を有しない懸架部を備えてもよい。本開示では、「懸架ユニット」という用語は、隣接するばね群を指し、それらのうちのいくつかを、異なる電位に設定することができる。簡単にするために、本開示において示す実施形態では、マス要素は1つの懸架ユニットからのみ懸架される。しかしながら、マス要素は、懸架ユニットと、懸架ユニットの一部を形成しない追加の懸架部との両方から懸架することが可能である。これらの追加の懸架部は、ある特定の方向へのマス要素の望ましくない動きを防ぐために、例えば、その方向に剛性を有してもよい。あるいは、マス要素はまた、例えば、1つの懸架ユニットがマスの一方側に、そして、別の懸架ユニットがマスの他方側に配置されるように、複数の懸架ユニットから懸架することができる。いずれの場合も、各懸架ユニットは、以下に示す実施形態で説明する方法で動作するように構成することができる。
図1aは、本開示で面内振動と呼ぶ、デバイス面内の並進振動を受けるように構成されるマス要素13を示す。
図1aに示す微小電気機械システムは、アンカ点14からマス要素13まで延在する第1ばね111および112と、第2ばね121および122とを備える。図で見られるように、各第2ばねは、1つの第1ばねに実質的に平行に、かつ隣接してマス要素13まで延在する。第1ばね111および112と、第2ばね121および122とは共に、懸架ユニットを形成する。
第1ばね111〜112および第2ばね121〜122は、同様の寸法、または実質的に同じ寸法を有してもよい。第1ばね111〜112の曲げばね定数は、第2ばね121〜122のばね定数と同様、または実質的に同じであってもよい。そして、第1ばねおよび第2ばねの両方は、マス要素13の振動に対してほぼ同じように応答する。その後、第1ばねおよび第2ばねはまた、以下に説明するように、周波数チューニング電圧によって、典型的には、真ん中で互いに向かってわずかに曲がるが、振動サイクル全体にわたってほぼ平行のままである。
本開示の図に示すように、固定構造体14とマス要素13との間で任意の第1ばねを任意の第2ばねに連結する構造体がないように、第1ばねおよび第2ばねは、あるギャップだけ互いに離れていてもよい。言いかえれば、各第1ばねおよび各第2ばねの第1端部はアンカ点14に固定されてもよく、各第1ばねおよび各第2ばねの第2端部はマス要素13に固定されてもよく、ばねは、アンカ点14とマス要素13との間で任意の第1ばねを任意の第2ばねに連結する任意の介在体を用いずに構成されてもよい。
マス要素、アンカ点および懸架ユニットは、例えば、図1aおよび図1bに示す水平xy平面にあるデバイスウェハが、少なくとも垂直z方向にエッチングされるエッチング工程で製造されてもよい。
第1ばね111および112は、両方とも第1電位に設定することができるように電気的に相互接続される。第2ばね121および122も、第2電位に設定することができるように電気的に相互接続される。第1電位と第2電位との電位差を、本開示では周波数チューニング電圧V12と呼ぶ。
図1aは、V12が0であり、第1のばね111および112と、第2ばね121および122とが平行である状況を示す。図1bは、ゼロでない周波数チューニング電圧V12が、第1ばねと第2ばねとの間に印加される状況を示す。平行板コンデンサの場合ように、第1ばねと第2ばねとの間の周波数チューニング電圧によって、静電引力が生成される。この力により、図1bに示すように、第1ばねおよび第2ばねは互いに向かって曲がる。第1ばねおよび第2ばねは、曲がっている間も実質的に平行のままである。
調和振動子の共振周波数fは、電気ばね定数に比例する。
その関係は、
Figure 0006881532
と記載することができ、
ここで、kは機械ばね定数、kは電気ばね定数、および、mは質量である。調和振動子の共振周波数は、機械ばね定数kまたは電気ばね定数kのいずれかの変更により、変更することができる。
MEMSコンデンサの位置エネルギーEは、
Figure 0006881532
として記載することができ、
ここで、kは機械ばね定数、xは初期コンデンサ位置からの変位、Cは静電容量、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る電圧が一定に保たれる場合、コンデンサに作用する電気力Fは、
Figure 0006881532
によって得られる。
次いで、電気ばね定数kは、
Figure 0006881532
から得ることができる。
周波数チューニング電圧を変更することにより、懸架ユニットのばね定数を2つの異なる方法で変更することができる。まず、第1ばねと第2ばねとの間の距離が共振振動運動中に変化するため、第1ばねと第2ばねとの間の静電容量も変化する。懸架部は、ギャップ可変平行板コンデンサのように有効に作用する。式4から、周波数チューニング電圧が増加するにつれ、電気ばね定数が大きくなることが分かる。
一方、第1ばねおよび第2ばねが互いに向かって曲がる場合、懸架ユニットの機械ばね定数は、第1ばねおよび第2ばねの幾何学的変化により増加する。したがって、懸架ユニットの構造細部に応じて、周波数チューニング電圧を印加することによって、懸架ユニットのばね定数を減少させる(静電ばね定数が支配的である場合)、または、懸架ユニットのばね定数を増加させる(ばね定数の張力依存の増加が支配的である場合)ことができる。
本開示では、「実質的に平行」という表現は主に、マスが作動力またはチューニング電圧のかからない休止位置にある時の懸架部の向きを指す。これは、図1aに示す状況である。しかしながら、本開示で説明する構成の1つの利点は、第1ばねおよび第2ばねが互いに完全に平行でない場合でも、周波数チューニングをもたらす力が振動サイクル全体にわたって生成されることである。これは、第1ばねおよび第2ばねが曲がっている図1bに示す状況を含む。したがって、本開示のために、図1bのばねも実質的に平行であると考えることができる。
さらに、第1ばねおよび第2ばねが、周波数チューニングのための力を生成するために、それらの休止状態において必ずしも正確に平行である必要はないことは、当業者にとって明らかである。第1ばねおよび第2ばねは、休止状態において互いにほぼ平行にのみ位置してもよいし、それらの長さの一部においてのみ平行であってもよい。振動サイクル中に互いに十分に隣接している任意の第1ばねおよび第2ばねを、原則的に周波数チューニングに使用することができる。
第1ばねおよび第2ばねは、それらの間に周波数チューニング電圧が印加される場合、互いに電気的に絶縁されなければならない。図1cは、絶縁構成の一例を示す。マス要素13およびアンカ点が、シリコンなどの電気を通す材料からなる場合、第1ばねおよび第2ばねは、両端部で電気的に分離されなければならない。
図1cでは、アンカ点14は、3つの別個のエリア141〜143に分割されている。第1ばね111が取り付けられているエリア141は、第1絶縁領域161によって中央エリア142から電気的に分離されている。第1ばね112が取り付けられているエリア143は、第2絶縁領域162によって中央エリア142から分離されている。図示するデバイスが、z方向にデバイスウェハがエッチングされるエッチング工程で製造される場合、第1絶縁領域161および第2絶縁領域162は、例えば、図示する領域のデバイスウェハ全体にわたって溝をエッチングし、そして、その溝(または、その溝の側壁)を二酸化ケイ素などの電気絶縁材料で充填することによって準備されてもよい。
図1cでは、各第1ばね111および112は、マス要素内の対応する絶縁領域151および152によって、マス要素から電気的に分離される。図示するデバイスが、z方向にデバイスウェハがエッチングされるエッチング工程で製造される場合、絶縁領域151および152は、絶縁領域161および162と同様にマス要素内に準備されてもよい。あるいは、絶縁領域は、マス要素13に最も近いばね111および112の端部の近くに製造することができるであろうが、その場合、絶縁領域は、曲げおよび/またはねじれの動きにも耐えるべきである。
第1電位は、エリア141および142を介して第1ばね111および112に接続されてもよく、一方、第2電位は、エリア143を介して第2ばね121および122に接続されてもよい。さらにマス要素13を介した周波数チューニング電圧の短絡を防ぐため、第2ばね121および122の取付点の周りに絶縁領域151および152を同様にうまく配置することができるであろう。用途によっては、マス要素をある特定の電位に設定することが有利になり得る。絶縁領域を適切に配置することによって、マス要素を第1電位または第2電位のいずれかに設定することができる。マス要素を第1電位または第2電位に設定しないことが好ましい場合、絶縁領域は、第1ばね111および112と、第2ばね121および122との両方の取付点の周りに配置することもできるであろう。
図2は、共振周波数をチューニングするための対応する方法を示す。微小電気機械システムは、マス要素の共振周波数を感知するための感知手段を備えてもよい。微小電気機械システムはまた、少なくとも、感知手段から測定信号を読み出し、周波数チューニング電圧を設定するように構成される制御ユニットを備えてもよい。制御ユニットは、記憶ユニットを含んでもよい。
図2に示すように、制御ユニットは、感知手段から共振周波数値を読み出し、それを、記憶ユニットに格納されている目標値と比較してもよい。共振周波数が目標値と異ならない場合、制御ユニットは、第1ステップに戻り、所定の時間間隔後に新たな共振周波数値を読み出すように構成されてもよい。測定された共振周波数が目標値と異なる場合、制御ユニットは、周波数チューニング電圧V12を調整するように構成されてもよい。測定された共振が目標値と等しくなるまで、新たな調節を行うことができる。
制御ユニットは、測定された共振周波数値が目標値を超える場合は、ある方向の周波数チューニング電圧を調整し、目標値が測定された共振周波数値を超える場合は、別の方向の周波数チューニング電圧を調整するように構成されてもよい。
図1a〜図1cは、懸架ユニットが2つの第1ばねおよび2つの第2ばねを含む実施形態を示す。この幾何学的配置は、次の方法で一般化することができる。各懸架ユニットは、2N個の第1ばねおよび2N個の第2ばねを備えたばね列を含んでもよく、ここで、Nは整数である。2つの第1ばねまたは2つの第2ばねは、列の両端に位置してもよく、他の第1ばねおよび第2ばねはすべて、隣接する第1ばねと隣接する第2ばねとの間に位置してもよい。
図1a〜図1cは、N=1の場合を示す。N=2の場合を図3に示すが、ばね列のみを示している(マス要素およびアンカ点は示していない)。図3は、4つの第1ばね311〜314および4つの第2ばね321〜324を示す。2つの第1ばね311および314が列の端に位置し、他の第1ばね312〜313および第2ばね321〜324はすべて、第1ばね311と314との間に対で配置される。
この構成により、周波数チューニング電圧が投入されると、各第1ばねおよび各第2ばねは、確実に、片側のみからの電気力によって影響を受ける。図3で見られるように、第1ばね312〜313および第2ばね321〜324はすべて、隣接する第1ばねと隣接する第2ばねとの間に位置する。例えば、第1ばね312は、第2ばね322と第1のばね313との間に位置する。すべての第1ばねが同じ電位に設定されるため、第1ばね312は、第2ばね322によって生成された力によってのみ影響を受ける。
N>2の場合、2つの第1ばねまたは2つの第2ばねを列の両端に配置し、次いで、残りのばねをそれらの端部ばねの間に対で配置することによって、同じ構成を作ることができる。第1ばねおよび第2ばねは、N>1の場合も図1cと同様に、互いに絶縁されてもよい。
図4a〜図4bは、懸架ユニットが、2つの第1ばね411および412と、1つの第2ばね42とを含み、第2ばね42は、2つの第1ばね411と412との間に位置する別の実施形態を示す。この場合、周波数チューニング電圧V12の印加により、図4bに示すように、第1ばね411および412の両方が第2ばね42の方に曲がってもよい。あるいは、懸架ユニットは、1つのみの第1ばねと、1つのみの第2ばねとを含んでもよい。この代替方法は、面内振動については別個に示していない。周波数チューニング電圧が印加されると、第1ばねおよび第2ばねは、例えば、図1bのばね111および121と同様に曲がる。上に示す各場合において、ばね同士は、図1cと同様に、互いに分離されてもよい。
図1a〜図1c、図3および図4a〜図4bに示す実施形態はすべて、駆動変換器が、マス要素をデバイス面内で並進振動させるように構成される場合に実施することができる。この面内振動モードの例を図5に示すが、マス要素53は、その休止位置対称軸Aからそれるように動き、第1ばね511〜512および第2ばね521〜522は、細長い文字Sの形に曲がった。あるいは、第1ばねおよび第2ばねは、湾曲のサインが変わらないように、それらの全長にわたって同じ方向に曲がってもよい。
言いかえれば、部分可動マス要素は、デバイス面内に休止位置を有してもよく、少なくとも1つの駆動変換器は、部分可動マス要素をデバイス面内で並進共振振動させるように構成されてもよい。
第1ばねおよび第2ばねは、それらを適切に寸法付けることによって、面内振動を可能にするように構成することができる。例えば、先の図すべてにおいて、第1ばねおよび第2ばねはx方向に狭いことから、曲げが容易となる。第1ばねおよび第2ばねは、この場合、マス要素の重量を支持するために、z方向に比較的厚くてもよい。
図6は、対称軸Aを中心として回転することによってデバイス面外で回転振動するマス要素63を示す。マス要素は、1つの第1ばね61および1つの第2ばね62によってアンカ点64から懸架される。第1ばね61および第2ばね62は、x方向の幅が狭いために、マス要素63または駆動アクチュエータ(図示せず)のどちらかからばねに伝達される力によって、それらの縦軸に巻き付けることができる。両方の図に示す振動振幅は、微小電気機械システムの他の寸法と比較して過度に大きい。
言いかえれば、部分可動マス要素は、デバイス面内に休止位置を有してもよく、少なくとも1つの駆動変換器は、部分可動マス要素をデバイス面外で回転共振振動させるように構成されてもよい。
1つの第1ばねおよび1つの第2ばねを備えた懸架ユニットは、x方向に第1ばねおよび第2ばねを互いに十分近くに配置することによって、図6に示す回転振動に対して可撓性を有するようにすることができる。デバイス面内の2つを超える平行ばねを備えた懸架ユニットはまた、中心軸Aと、列の端にあるばねとの距離が増加するにつれて懸架ユニットが徐々にねじれに対してより剛性を有するようになっても、面外回転に対していくらかの可撓性を示し得る。
最初に説明した動作原理は、これらの場合のすべてに当てはまる。周波数チューニング電圧は、静電ばね定数と、そのばね定数の張力依存変化との両方を引き起こし得る。これらのうちのどちらか一方が、ばねおよびマス要素の寸法、ならびに、周波数チューニング電圧の大きさに応じて支配的であってもよい。その結果、周波数チューニングによって、共振周波数が減少または増加してもよい。
図7は、デバイス面外の振動を受けるように構成されるマス要素を示す。このモードでは、マス要素73は、振動サイクルにおいてxy平面外に出る。懸架ユニットは、1つの第1ばね71および1つの第2ばね72を含む。図の上部は、周波数チューニング電圧が印加されない場合のばねの位置を示し、図の下部は、周波数チューニング電圧が印加された場合の状況を示す。効果および動作原理は、上で説明したものと同じである。
第1ばねおよび第2ばねに周波数チューニング電圧を印加しても、マス要素はそれほど動かない。マス要素13は、図5では、駆動変換器(図示せず)の作用により、ほぼx軸に沿って面内振動を受け、図6では、y軸を中心として回転し、図7では、ほぼz軸に沿って動く。各場合において、周波数チューニング電圧によって、駆動変換器と同じ方向には力が生成されない。周波数チューニング電圧は、振動システムのばね定数を変更するのみである。
y方向に沿った小さな動きは、図5および図7に示すばね曲げから生じ得るが、これは、典型的には、駆動変換器によって駆動される振動に対していかなる効果もない。言いかえれば、周波数チューニング電圧によって、本開示に示すマス要素13または他の実施形態で述べるマス要素において、いかなる動きも作動しない。
面外振動を可能にするように構成された懸架ユニットはまた、複数の第1ばねおよび/または複数の第2ばねと共に構成することができ、これらのばねは、例えば、図1a〜図1b、図3または図4a〜図4bに(水平に)示す方法で垂直に構成されてもよい。
ばねは、図8に示す方法で互いに分離されてもよい。図8では、第1ばね81は、マス要素83の絶縁領域85およびアンカ点841/842の絶縁領域86によって、第2ばね82から電気的に分離されている。これらの絶縁領域によって、マス要素およびアンカ点は、それぞれ2つの電気的に分離された領域に分割される。あるいは、図1cに示す配列を使用して、第1ばね81を第2ばね82から電気的に分離することができるであろう。絶縁領域86および85は、例えば、デバイスウェハとしてダブル・シリコン・オン・インシュレータ・ウェハを使用することによって準備されてもよい。
第1電位は、アンカ点の領域841を介して第1ばね81に接続されてもよく、一方、第2電位は、アンカ点の領域842を介して第2ばね82に接続されてもよい。アンカ点の領域841および842は、絶縁領域86によって互いに分離されてもよい。
駆動変換器が、マス要素をデバイス面外で並進振動させるように構成される場合、図7および図8に示す実施形態を実施することができる。図9には、この面外振動モードの例を示し、参照番号91〜94が、図7の参照番号71〜74および図8の81〜841/842に対応する。マス要素93は、その水平休止位置対称軸Aから下方に動いた。
第1ばね91および第2ばね92は、それらを適切に寸法付けることによって、面内振動を可能にするように構成することができる。図7および図8では、第1ばねおよび第2ばねはz方向に薄いことから、面外曲げが容易となる。第1ばねおよび第2ばねは、この場合、マス要素の重量を支持するために、z方向に比較的広くてもよい。
言いかえれば、部分可動マス要素は、デバイス面内に休止位置を有してもよく、少なくとも1つの駆動変換器は、部分可動マス要素をデバイス面外で並進共振振動させるように構成されてもよい。
図10は、対称軸Aを中心として回転することによってデバイス面外で回転振動するマス要素103を示す。参照番号101〜104は、図9の参照番号91〜94に対応する。マス要素は、1つの第1ばね101および1つの第2ばね102によってアンカ点104から懸架される。第1ばね101および第2ばね102は、z方向に薄いために、マス要素103または駆動アクチュエータ(図示せず)のどちらかからばねに伝達される力によって、それらの縦軸に巻き付けることができる。図9および図10の両方に示す振動振幅は、微小電気機械システムの他の寸法と比較して過度に大きい。
言いかえれば、部分可動マス要素は、デバイス面内に休止位置を有してもよく、少なくとも1つの駆動変換器は、部分可動マス要素をデバイス面外で回転共振振動させるように構成されてもよい。
1つの第1ばねおよび1つの第2ばねを備えた懸架ユニットは、x方向に第1ばねおよび第2ばねを互いに十分近くに配置することによって、図6に示す回転振動に対して可撓性を有するようにすることができる。デバイス面内の2つを超える平行ばねを備えた懸架ユニットはまた、中心軸Aと、列の端にあるばねとの距離が増加するにつれて懸架ユニットが徐々にねじれに対してより剛性を有するようになっても、面外回転に対していくらかの可撓性を示し得る。
微小機械システムは、面内振動の共振周波数をチューニングするために使用することができる1以上の懸架ユニットと、面外振動の共振周波数をチューニングするために使用することができる1以上の懸架ユニットとを備えてもよい。面内懸架ユニットおよび面外懸架ユニットは、同じマス要素に連結されてもよい。

Claims (8)

  1. 固定支持部と、1以上の懸架ユニットによって前記固定支持部から懸架される少なくとも1つの部分可動マス要素と、前記部分可動マス要素を共振周波数で共振振動させるように構成される少なくとも1つの駆動変換器とを備え、各懸架ユニットは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで延在する1以上の第1ばねを含む、微小電気機械システムであって、
    各懸架ユニットはまた、1以上の第2ばねを含み、各第2ばねは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで、1つの第1ばねに実質的に平行に、かつ隣接して延在し、
    前記1以上の第1ばねは、前記1以上の第2ばねから電気的に絶縁され、前記微小電気機械システムはさらに、前記1以上の第1ばねと前記1以上の第2ばねとの間に周波数チューニング電圧を印加するように構成された電圧源を備える
    微小電気機械システム。
  2. 各懸架ユニットは、1つの第1ばねおよび1つの第2ばねを含む
    請求項1に記載の微小電気機械システム。
  3. 各懸架ユニットは、2つの第1ばねおよび1つの第2ばねを含み、前記第2ばねは、前記2つの第1ばねの間に位置する
    請求項1に記載の微小電気機械システム。
  4. 各懸架ユニットは、2N個の第1ばねおよび2N個の第2ばねを備えたばね列を含み、ここで、Nは整数であり、2つの第1ばねまたは2つの第2ばねは、前記列の両端に位置し、他の第1ばねおよび第2ばねはすべて、隣接する第1ばねと隣接する第2ばねとの間に位置する
    請求項1に記載の微小電気機械システム。
  5. 前記部分可動マス要素は、前記1以上の第1ばねおよび前記1以上の第2ばねが延在する面であるデバイス面に休止位置を有し、前記少なくとも1つの駆動変換器は、前記部分可動マス要素を前記デバイス面内で並進共振振動させるように構成される
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の微小電気機械システム。
  6. 前記部分可動マス要素は、前記1以上の第1ばねおよび前記1以上の第2ばねが延在する面であるデバイス面に休止位置を有し、前記少なくとも1つの駆動変換器は、前記部分可動マス要素を前記デバイス面外で並進共振振動させるように構成される
    請求項1〜のいずれか1項に記載の微小電気機械システム。
  7. 前記部分可動マス要素は、前記1以上の第1ばねおよび前記1以上の第2ばねが延在する面であるデバイス面に休止位置を有し、前記少なくとも1つの駆動変換器は、前記部分可動マス要素を前記デバイス面外で回転共振振動させるように構成される
    請求項1〜のいずれか1項に記載の微小電気機械システム。
  8. 固定支持部と、1以上の懸架ユニットによって前記固定支持部から懸架される少なくとも1つの部分可動マス要素と、前記部分可動マス要素を共振周波数で共振振動させるように構成される少なくとも1つの駆動変換器とを備え、各懸架ユニットは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで延在する1以上の第1ばねを含む、微小電気機械システムであって、各懸架ユニットはまた、1以上の第2ばねを含み、各第2ばねは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで、1つの第1ばねに実質的に平行に、かつ隣接して延在し、前記1以上の第1ばねは、前記1以上の第2ばねから電気的に絶縁され、前記微小電気機械システムはさらに、前記1以上の第1ばねと前記1以上の第2ばねとの間に周波数チューニング電圧を印加するように構成された電圧源を備える微小電気機械システムの共振周波数をチューニングするための方法であって、
    前記微小電気機械システムから前記共振周波数を繰り返して読み出すステップと、前記共振周波数を所定の目標値と比較するステップと、前記共振周波数が前記所定の目標値と異なる場合、前記共振周波数が前記所定の目標値と等しくなる値に前記周波数チューニング電圧を調整するステップとを含む
    方法。
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