JPH05256870A - 小型シリコン加速度計及びその方法 - Google Patents
小型シリコン加速度計及びその方法Info
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- JPH05256870A JPH05256870A JP4003220A JP322092A JPH05256870A JP H05256870 A JPH05256870 A JP H05256870A JP 4003220 A JP4003220 A JP 4003220A JP 322092 A JP322092 A JP 322092A JP H05256870 A JPH05256870 A JP H05256870A
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- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
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- G—PHYSICS
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- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
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- G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
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Abstract
(57)【要約】
【目的】振動の多い状況下でかつ広い温度範囲で正確に
動作可能である小型加速度計及び加速度検知方法を提供
する。 【構成】1対の電極層30、32の間にシリコンから成
るプルーフマス16を宙づりの状態に保持し、センサ回
路部14によりこの電極層とプルーフマスとの間の差動
的な容量結合を検知し、この検知された結合に応答して
加速力に抗する力(電気的な力)を電極層30、32を
通してプルーフマス16に加える。この回復力の大きさ
は加速度の関数であり、センサ回路部14の加速度出力
34において測定することができる。
動作可能である小型加速度計及び加速度検知方法を提供
する。 【構成】1対の電極層30、32の間にシリコンから成
るプルーフマス16を宙づりの状態に保持し、センサ回
路部14によりこの電極層とプルーフマスとの間の差動
的な容量結合を検知し、この検知された結合に応答して
加速力に抗する力(電気的な力)を電極層30、32を
通してプルーフマス16に加える。この回復力の大きさ
は加速度の関数であり、センサ回路部14の加速度出力
34において測定することができる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、中程度の正確さを要す
る用途のための小型加速度計に関する。
る用途のための小型加速度計に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】戦術用
システムで使用するための小さくて安価な加速度計に対
する需要がある。一斉射撃用弾薬及び加速度計を大量に
消費するような高性能の大砲や迫撃砲の動作において必
要とされる小型加速度計などがその例である。このよう
な用途のための戦術用加速度計は中程度の品質の機器で
あると考えてよいが、しかし、約5桁のダイナミックレ
ンジを有していなければならず、また震動の多い状況下
で、かつ広い温度範囲での動作が可能でなければならな
い。
システムで使用するための小さくて安価な加速度計に対
する需要がある。一斉射撃用弾薬及び加速度計を大量に
消費するような高性能の大砲や迫撃砲の動作において必
要とされる小型加速度計などがその例である。このよう
な用途のための戦術用加速度計は中程度の品質の機器で
あると考えてよいが、しかし、約5桁のダイナミックレ
ンジを有していなければならず、また震動の多い状況下
で、かつ広い温度範囲での動作が可能でなければならな
い。
【0003】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、一対
の電極層、この電極層の間に宙づりにされた(suspende
d )シリコンのプルーフマス、そしてこれに加わる加速
度の力に抵抗するために電極層とプルーフマスとの間の
差動的な容量結合に応答する手段、を含んだ集積回路と
いう形態で小型加速度計を提供することを一般的な目的
とする。
の電極層、この電極層の間に宙づりにされた(suspende
d )シリコンのプルーフマス、そしてこれに加わる加速
度の力に抵抗するために電極層とプルーフマスとの間の
差動的な容量結合に応答する手段、を含んだ集積回路と
いう形態で小型加速度計を提供することを一般的な目的
とする。
【0004】別の観点からは、本発明は、一対の電極層
の間にプルーフマスを宙づりにし、この電極層とプルー
フマスとの間の差動的な容量結合を検知し、そして検知
された結合に応答して加速力に抗するためにプルーフマ
スに力を加える、という線形の出力で加速度を検知する
方法を提供する。更に本発明の別の目的は、小型加速度
計のダイナミックレンジを、従来の技術水準である、ダ
イナミックレンジが約100程度のミクロ機械加工で製
造された(マイクロマシンによる)加速度計よりも、1
00〜1000倍増大させることである。
の間にプルーフマスを宙づりにし、この電極層とプルー
フマスとの間の差動的な容量結合を検知し、そして検知
された結合に応答して加速力に抗するためにプルーフマ
スに力を加える、という線形の出力で加速度を検知する
方法を提供する。更に本発明の別の目的は、小型加速度
計のダイナミックレンジを、従来の技術水準である、ダ
イナミックレンジが約100程度のミクロ機械加工で製
造された(マイクロマシンによる)加速度計よりも、1
00〜1000倍増大させることである。
【0005】本発明の上記の特徴及び利点、その他の特
徴及び利点は、添付図面を参照しつつなされる以下の詳
細な説明より明かとなろう。
徴及び利点は、添付図面を参照しつつなされる以下の詳
細な説明より明かとなろう。
【0006】
【実施例】図1は、本発明の小型加速度計10を示し、
これはトランスデューサ12及び回路部分14、14a
を含んでいる。加速度計10のトランスデューサ12は
部分断面図として示してあり、上部電極30及び下部電
極32の間の中央の位置に示されたプルーフマス(proo
fmass )16を備えている。プルーフマス16は、シリ
コン層24から一体的に形成された、薄い屈曲部22に
よって宙づりにされたシリコンからなる。屈曲部22は
プルーフマス16の面の中央に沿った震動の修正を最小
にするためにベンドライン(曲がりの中心線)を規定す
る。これは面の中央の軸23によって示されている。屈
曲部をプルーフマスの面の中央に対して対称となるよう
構成することにより、加速度計の震動は修正を誘起せ
ず、この装置は高い線形性を持つ。
これはトランスデューサ12及び回路部分14、14a
を含んでいる。加速度計10のトランスデューサ12は
部分断面図として示してあり、上部電極30及び下部電
極32の間の中央の位置に示されたプルーフマス(proo
fmass )16を備えている。プルーフマス16は、シリ
コン層24から一体的に形成された、薄い屈曲部22に
よって宙づりにされたシリコンからなる。屈曲部22は
プルーフマス16の面の中央に沿った震動の修正を最小
にするためにベンドライン(曲がりの中心線)を規定す
る。これは面の中央の軸23によって示されている。屈
曲部をプルーフマスの面の中央に対して対称となるよう
構成することにより、加速度計の震動は修正を誘起せ
ず、この装置は高い線形性を持つ。
【0007】シリコン層24は、上部ガラス層26と下
部ガラス層28の間に陽極として固定され、上部ガラス
層26と下部ガラス層28にはそれぞれアルミニウム、
金、若しくはその他の導体からなる電極30、32が形
成されている。加えて、上側の電極ガラス層と底部の電
極ガラス層は等しい部材であり、正確な対称性を維持す
るために、最初に上側の層に適用されそれから底部の層
に適用される同一のマスクより製造される。このプルー
フマスは非常に対称性が高いので、このデバイスには偏
向(バイアス)は誘起されない。このこともまた、線形
性が高くダイナミックレンジの値が大きいことに寄与す
る。
部ガラス層28の間に陽極として固定され、上部ガラス
層26と下部ガラス層28にはそれぞれアルミニウム、
金、若しくはその他の導体からなる電極30、32が形
成されている。加えて、上側の電極ガラス層と底部の電
極ガラス層は等しい部材であり、正確な対称性を維持す
るために、最初に上側の層に適用されそれから底部の層
に適用される同一のマスクより製造される。このプルー
フマスは非常に対称性が高いので、このデバイスには偏
向(バイアス)は誘起されない。このこともまた、線形
性が高くダイナミックレンジの値が大きいことに寄与す
る。
【0008】電極30及び32は、気化させたアルミニ
ウムから簡便に形成することもできるが、アルミニウム
を使用する場合には固有的に存在する水分に対しての何
らかの感度がある。というのは、アルミニウムはかなり
の表面の水分を吸着し、これが表面の誘電特性を変化さ
せ、測定しようとする容量と区別できない別の容量を加
算させることになるからである。従って、水分を吸着し
ない金属、例えばスパッタリングにより簡便に形成され
る金などを使用することが望ましい。また、プルーフマ
ス表面の安定性を維持するために、これも金でコーティ
ングすることが望ましい。
ウムから簡便に形成することもできるが、アルミニウム
を使用する場合には固有的に存在する水分に対しての何
らかの感度がある。というのは、アルミニウムはかなり
の表面の水分を吸着し、これが表面の誘電特性を変化さ
せ、測定しようとする容量と区別できない別の容量を加
算させることになるからである。従って、水分を吸着し
ない金属、例えばスパッタリングにより簡便に形成され
る金などを使用することが望ましい。また、プルーフマ
ス表面の安定性を維持するために、これも金でコーティ
ングすることが望ましい。
【0009】加速度計10は力を平衡させる(力平衡)
装置として機能し、プルーフマス16に加わる加速度の
力は、力を加える部分(forcer)である上部電極及び下
部電極30、32を通してセンサ回路部14より及ぼさ
れる適当な電気的な回復力によって平衡状態とされる。
必要とされる回復力の大きさは加速度の関数であり、セ
ンサ回路部14の加速度出力34において測定すること
ができる。
装置として機能し、プルーフマス16に加わる加速度の
力は、力を加える部分(forcer)である上部電極及び下
部電極30、32を通してセンサ回路部14より及ぼさ
れる適当な電気的な回復力によって平衡状態とされる。
必要とされる回復力の大きさは加速度の関数であり、セ
ンサ回路部14の加速度出力34において測定すること
ができる。
【0010】プルーフマス16には参照電圧源、例えば
安定な半導体電圧参照源35などからデカップリング用
の、若しくは交流分離用の抵抗36を介して直流バイア
スが加えられる。これと並行して、信号源38から発生
された交流信号は結合用コンデンサ40によってプルー
フマスに結合される。コンデンサ42及び44は、上部
電極30、下部電極32とプルーフマス16との間に生
じた容量を差動型ブリッジ回路46に結合させる。差動
型ブリッジ回路46にはダイオード50、52、54、
56、フィルターコンデンサ58、及び高インピーダン
スで高利得の演算増幅器60が含まれている。増幅器6
0の出力は上部電極30を直接駆動するのに使用される
とともに、インバータ62で反転された後に下部電極3
2を駆動するのに使用される。
安定な半導体電圧参照源35などからデカップリング用
の、若しくは交流分離用の抵抗36を介して直流バイア
スが加えられる。これと並行して、信号源38から発生
された交流信号は結合用コンデンサ40によってプルー
フマスに結合される。コンデンサ42及び44は、上部
電極30、下部電極32とプルーフマス16との間に生
じた容量を差動型ブリッジ回路46に結合させる。差動
型ブリッジ回路46にはダイオード50、52、54、
56、フィルターコンデンサ58、及び高インピーダン
スで高利得の演算増幅器60が含まれている。増幅器6
0の出力は上部電極30を直接駆動するのに使用される
とともに、インバータ62で反転された後に下部電極3
2を駆動するのに使用される。
【0011】加速度出力34は増幅器60及びインバー
タ62を経て上部及び下部電極30、32に印加され、
加速によってプルーフマス16に加わる力に抵抗するた
めの静電的な回復力をプルーフマスに及ぼす。このよう
な静電的な力は加えられる電圧の2乗に比例するので、
通常は非線形となる。安定電圧源35によって加えられ
る直流バイアスと、増幅器60及びインバータ62から
上部電極30及び下部電極32に加わる位相のずれた信
号は、このような非線形性を除去するよう作用する。
タ62を経て上部及び下部電極30、32に印加され、
加速によってプルーフマス16に加わる力に抵抗するた
めの静電的な回復力をプルーフマスに及ぼす。このよう
な静電的な力は加えられる電圧の2乗に比例するので、
通常は非線形となる。安定電圧源35によって加えられ
る直流バイアスと、増幅器60及びインバータ62から
上部電極30及び下部電極32に加わる位相のずれた信
号は、このような非線形性を除去するよう作用する。
【0012】基礎となる運動方程式は非線形であるが、
力を加える部分とプルーフマスの電圧のオフセットは、
静電力のフィードバックとともに線形出力を与える。基
礎となる力の方程式は、 Fu =ε0AVu 2/2du 2 及び Fl =ε0AVl 2/2dl 2 (1) であり、ここでFu は上側の力(Fl は下側の力)、A
は力を加える電極の面積、Vu は力を加える部分である
上部電極とプルーフマスとの間の電圧、Vl は下部電極
とプルーフマスとの間の電圧、そしてdは電極とプルー
フマスとの間の間隔である。ここでV0 を34における
電圧、Δを固定された電圧、例えば15Vとして、 Vu = V0 − Δ 及び Vl = V0 + Δ (2) と置くことにより、 Ma = Fu − Fl = −2ε0AΔV0/d2 (3) と示されるように力の方程式が正確に線形化される。こ
こでMはプルーフマスの質量であり、aは加速度であ
る。これよりスケールファクター(比例定数)は、 −2ε0AΔ/Md2 (4) となる。Δは電圧源35によって発生される電圧であ
る。従ってプルーフマスが上部電極30と下部電極32
のまん中に位置している時は、出力電圧34は加速度に
正確に比例する。そしてこの電圧は加速度の測定値とし
て使用することができる。
力を加える部分とプルーフマスの電圧のオフセットは、
静電力のフィードバックとともに線形出力を与える。基
礎となる力の方程式は、 Fu =ε0AVu 2/2du 2 及び Fl =ε0AVl 2/2dl 2 (1) であり、ここでFu は上側の力(Fl は下側の力)、A
は力を加える電極の面積、Vu は力を加える部分である
上部電極とプルーフマスとの間の電圧、Vl は下部電極
とプルーフマスとの間の電圧、そしてdは電極とプルー
フマスとの間の間隔である。ここでV0 を34における
電圧、Δを固定された電圧、例えば15Vとして、 Vu = V0 − Δ 及び Vl = V0 + Δ (2) と置くことにより、 Ma = Fu − Fl = −2ε0AΔV0/d2 (3) と示されるように力の方程式が正確に線形化される。こ
こでMはプルーフマスの質量であり、aは加速度であ
る。これよりスケールファクター(比例定数)は、 −2ε0AΔ/Md2 (4) となる。Δは電圧源35によって発生される電圧であ
る。従ってプルーフマスが上部電極30と下部電極32
のまん中に位置している時は、出力電圧34は加速度に
正確に比例する。そしてこの電圧は加速度の測定値とし
て使用することができる。
【0013】線形化はまた、プルーフマス16をゼロバ
イアスとし、上部電極30に増幅器の出力と直列に固定
バイアス電圧を加えるとともに下部電極32には増幅器
の出力と直列に反対の極性の固定バイアス電圧を加える
ことによっても可能である。例えばプルーフマスがギャ
ップの完全な中心にないことなどによるシステムのその
他の非線形性は、大きい抵抗(>250kΩ)R3を通
して電圧バイアス源Vb から増幅器60に加えられるバ
イアスオフセットによって軽減することができる。この
ようなバイアスオフセットを使用することにより、プル
ーフマスが完全な中心にないこと(センタリングの不完
全さ)による効果及び震動の修正(調整)を実質的にゼ
ロにまで低減できる。
イアスとし、上部電極30に増幅器の出力と直列に固定
バイアス電圧を加えるとともに下部電極32には増幅器
の出力と直列に反対の極性の固定バイアス電圧を加える
ことによっても可能である。例えばプルーフマスがギャ
ップの完全な中心にないことなどによるシステムのその
他の非線形性は、大きい抵抗(>250kΩ)R3を通
して電圧バイアス源Vb から増幅器60に加えられるバ
イアスオフセットによって軽減することができる。この
ようなバイアスオフセットを使用することにより、プル
ーフマスが完全な中心にないこと(センタリングの不完
全さ)による効果及び震動の修正(調整)を実質的にゼ
ロにまで低減できる。
【0014】上部電極30及び下部電極32に加え、上
部ガラス層26及び下部ガラス層28にはガード用帯状
電極64、66を設けてもよい。図1に示すように、そ
して図2に関連して以下で更に述べるように、これらの
ガード用帯状電極は、プルーフマスが上部電極30及び
下部電極32に近づかないよう上部電極30、下部電極
32よりも実質的に厚くすることができる。これにより
他の特別の回路がなくても、加速されたときに、閉ルー
プである加速度計10の動作開始がうまくゆく。
部ガラス層26及び下部ガラス層28にはガード用帯状
電極64、66を設けてもよい。図1に示すように、そ
して図2に関連して以下で更に述べるように、これらの
ガード用帯状電極は、プルーフマスが上部電極30及び
下部電極32に近づかないよう上部電極30、下部電極
32よりも実質的に厚くすることができる。これにより
他の特別の回路がなくても、加速されたときに、閉ルー
プである加速度計10の動作開始がうまくゆく。
【0015】上部ガラス層26の上部電極30と上部ガ
ード用帯状電極64との間のギャップ、及び下部ガラス
層28の下部電極32と下部ガード用帯状電極66との
間のギャップは、ガラスが帯電することやこれらの間に
リーク電流があることに起因する特別の問題を生じる可
能性がある。この一方の電極上の電位が変化すると、間
の絶縁体領域若しくはギャップにおけるこの電位もま
た、上部ガラス層26及び下部ガラス層28におけるリ
ーク電流によって一方の値と他方の値の間で調整がなさ
れる。これらのギャップにおける電位分布は、これらの
ギャップの絶縁特性が湿度やその他周囲の状況によって
変化すると、それに伴って変化する。
ード用帯状電極64との間のギャップ、及び下部ガラス
層28の下部電極32と下部ガード用帯状電極66との
間のギャップは、ガラスが帯電することやこれらの間に
リーク電流があることに起因する特別の問題を生じる可
能性がある。この一方の電極上の電位が変化すると、間
の絶縁体領域若しくはギャップにおけるこの電位もま
た、上部ガラス層26及び下部ガラス層28におけるリ
ーク電流によって一方の値と他方の値の間で調整がなさ
れる。これらのギャップにおける電位分布は、これらの
ギャップの絶縁特性が湿度やその他周囲の状況によって
変化すると、それに伴って変化する。
【0016】これらのギャップにおける電位は、上部電
極30及び下部電極32の電位の増加分として作用す
る。これらのギャップにおける電位の静電力による効果
は、上部電極30及び下部電極32によって加えられる
力と区別することができない。従ってギャップにおいて
ゆっくりと変化する電位は、動作開始時点において、又
は加速度が変化した時点において力の過渡現象を生じ
る。
極30及び下部電極32の電位の増加分として作用す
る。これらのギャップにおける電位の静電力による効果
は、上部電極30及び下部電極32によって加えられる
力と区別することができない。従ってギャップにおいて
ゆっくりと変化する電位は、動作開始時点において、又
は加速度が変化した時点において力の過渡現象を生じ
る。
【0017】説明のために、トランスデューサの力を加
える上部電極30及び下部電極32だけを感じるプルー
フマスを考える。しかしプルーフマスの回りにある動作
開始の問題を防ぐためのガード用リング(ガード用帯状
電極64、66)は、電極30及び32と異なった電位
となっている。加速度の変化によって電極30及び32
上の電位が変化するときには、上部の電極30と64の
間のガラス領域の電位又は底部の電極32と66の間の
ガラス領域の電位も、同様に変化しなければならない。
メインの電極とガード用リングの間のガラスは、非常に
高い抵抗値を有する素材であると考えることができる。
電極30及び32の電位が変化すると、これらの電極と
そのガード用リングとの間の領域は変化するが、この変
化はガラスの高い抵抗値のためにゆっくりなものとな
る。
える上部電極30及び下部電極32だけを感じるプルー
フマスを考える。しかしプルーフマスの回りにある動作
開始の問題を防ぐためのガード用リング(ガード用帯状
電極64、66)は、電極30及び32と異なった電位
となっている。加速度の変化によって電極30及び32
上の電位が変化するときには、上部の電極30と64の
間のガラス領域の電位又は底部の電極32と66の間の
ガラス領域の電位も、同様に変化しなければならない。
メインの電極とガード用リングの間のガラスは、非常に
高い抵抗値を有する素材であると考えることができる。
電極30及び32の電位が変化すると、これらの電極と
そのガード用リングとの間の領域は変化するが、この変
化はガラスの高い抵抗値のためにゆっくりなものとな
る。
【0018】これらの電極の間のガラス領域からの大き
な影響を受けるのを回避する方法は、全ての場所でメイ
ンの電極30及び32をプルーフマスよりもずっと大き
くすることである。しかし、ガード用電極がプルーフマ
スと接触してプルーフマスが上部ガラス層と下部ガラス
層から押圧されるように、四つの小さな場所若しくは指
状部分74、75、76、77にガード用電極を設けな
ければならない。そこで電極の形状を、これらの指状部
分の領域だけでガード用リングがプルーフマスの上に延
在するよう配置する。その他の場所では、変化がゆっく
りなガラス領域は、プルーフマスに影響を与える領域の
外側にある。それでもこの四つの指状部分74〜77が
あることにより、この四つの指状部分の回りの領域にお
けるガラスの効果は重要である。このガラスの領域の効
果を軽減するために、ガラス上の電荷がゆっくりと変化
する場合に、ガラスからプルーフマスまでの距離を増加
させることによってプルーフマスを動かそうとする力の
効果が最小に抑えられるよう、ガラス領域の下のプルー
フマスにV字形の溝(V字溝)21を設ける。この各溝
21によって図3に示すような柱状部分78、79が規
定される。これらの柱状部分は、このデバイスが加速度
を受けて動作を開始したときに、電極30、32をプル
ーフマスから遠ざけながら電極64、66と接触する所
にある。この領域でのプルーフマスとガラスとの間のギ
ャップは3ミクロンということはなく、もっと大きくて
20〜30ミクロンに近い。
な影響を受けるのを回避する方法は、全ての場所でメイ
ンの電極30及び32をプルーフマスよりもずっと大き
くすることである。しかし、ガード用電極がプルーフマ
スと接触してプルーフマスが上部ガラス層と下部ガラス
層から押圧されるように、四つの小さな場所若しくは指
状部分74、75、76、77にガード用電極を設けな
ければならない。そこで電極の形状を、これらの指状部
分の領域だけでガード用リングがプルーフマスの上に延
在するよう配置する。その他の場所では、変化がゆっく
りなガラス領域は、プルーフマスに影響を与える領域の
外側にある。それでもこの四つの指状部分74〜77が
あることにより、この四つの指状部分の回りの領域にお
けるガラスの効果は重要である。このガラスの領域の効
果を軽減するために、ガラス上の電荷がゆっくりと変化
する場合に、ガラスからプルーフマスまでの距離を増加
させることによってプルーフマスを動かそうとする力の
効果が最小に抑えられるよう、ガラス領域の下のプルー
フマスにV字形の溝(V字溝)21を設ける。この各溝
21によって図3に示すような柱状部分78、79が規
定される。これらの柱状部分は、このデバイスが加速度
を受けて動作を開始したときに、電極30、32をプル
ーフマスから遠ざけながら電極64、66と接触する所
にある。この領域でのプルーフマスとガラスとの間のギ
ャップは3ミクロンということはなく、もっと大きくて
20〜30ミクロンに近い。
【0019】このようにして、加速度の過渡現象的な応
答時間は軽減されるか又は除去される。図3により詳細
に示したように、堀即ちV字溝21は、それぞれ上部及
び下部ガラス層26、28の上部及び下部電極30、3
2と上部及び下部ガード用帯状電極64、66の間のギ
ャップの直下のプルーフマス16上にエッチングされ
る。V字溝21はこれらの間に、例えば通常の上部ガラ
ス層26とプルーフマス16の通常の間隔の10倍程度
の広い空間を与えることにより、ギャップにおける電位
のプルーフマス16に対する効果を軽減する。上部及び
下部電極30、32は、上部電極30と上部ガード用帯
状電極64の間のガラスからの電場の効果、及び下部電
極32と下部ガード用帯状電極66の間のガラスからの
電場の効果を最小に抑えられるように、プルーフマス1
6を越えるよう延在させることができる。上部と底部の
ガラス表面26a及び28aには金属配線がなされ(me
talized )、これを接地してこのこのトランスデューサ
を外部の電場や外部導体の影響からシールドする。
答時間は軽減されるか又は除去される。図3により詳細
に示したように、堀即ちV字溝21は、それぞれ上部及
び下部ガラス層26、28の上部及び下部電極30、3
2と上部及び下部ガード用帯状電極64、66の間のギ
ャップの直下のプルーフマス16上にエッチングされ
る。V字溝21はこれらの間に、例えば通常の上部ガラ
ス層26とプルーフマス16の通常の間隔の10倍程度
の広い空間を与えることにより、ギャップにおける電位
のプルーフマス16に対する効果を軽減する。上部及び
下部電極30、32は、上部電極30と上部ガード用帯
状電極64の間のガラスからの電場の効果、及び下部電
極32と下部ガード用帯状電極66の間のガラスからの
電場の効果を最小に抑えられるように、プルーフマス1
6を越えるよう延在させることができる。上部と底部の
ガラス表面26a及び28aには金属配線がなされ(me
talized )、これを接地してこのこのトランスデューサ
を外部の電場や外部導体の影響からシールドする。
【0020】他の方法として、上部及び下部ガラス層2
6、28、特にギャップの部分に、僅かに導電性を持つ
表面コーティング(平方当り1010オーム)を設けても
よい。ギャップの電位効果は除去されないが、ギャップ
における電位分布はほとんど瞬間的に安定して一定に保
たれ、表面コーティングの抵抗が検知動作に干渉しない
程度に十分大きければ満足のゆく加速度検知動作が可能
となる。
6、28、特にギャップの部分に、僅かに導電性を持つ
表面コーティング(平方当り1010オーム)を設けても
よい。ギャップの電位効果は除去されないが、ギャップ
における電位分布はほとんど瞬間的に安定して一定に保
たれ、表面コーティングの抵抗が検知動作に干渉しない
程度に十分大きければ満足のゆく加速度検知動作が可能
となる。
【0021】ここで図2を参照する。これは加速度計の
トランスデューサ12を部分的に展開した等角図であ
り、上部ガラス層26は開いた位置に回転させて、その
他の部分は分かりやすく切り欠いて示してある。上で述
べたように、上部ガラス層26上の上部電極30はアル
ミニウム又は金の蒸着によって形成されたものである。
この上部電極30の回りにはこれを取り囲むようにガー
ド用帯状電極64が形成されている。同様に下部ガラス
層28上のガード用帯状電極66の一部を、シリコン層
24の部分的に切り欠いた所を通して見ることができ
る。
トランスデューサ12を部分的に展開した等角図であ
り、上部ガラス層26は開いた位置に回転させて、その
他の部分は分かりやすく切り欠いて示してある。上で述
べたように、上部ガラス層26上の上部電極30はアル
ミニウム又は金の蒸着によって形成されたものである。
この上部電極30の回りにはこれを取り囲むようにガー
ド用帯状電極64が形成されている。同様に下部ガラス
層28上のガード用帯状電極66の一部を、シリコン層
24の部分的に切り欠いた所を通して見ることができ
る。
【0022】シリコン層24上の金属の接合パッド81
は、この層と電気的に接触している。電極32、66、
30、64及び接合パッド81の端部は、金又はアルミ
ニウムなどからなる1ミル(mil:千分の1インチ)の接
合ワイヤによって電気回路14及び14aに接続されて
いる。この接合ワイヤの取り付けは、集積回路産業にお
いて周知であるいくつもの方法のうちの一つによってな
されている。
は、この層と電気的に接触している。電極32、66、
30、64及び接合パッド81の端部は、金又はアルミ
ニウムなどからなる1ミル(mil:千分の1インチ)の接
合ワイヤによって電気回路14及び14aに接続されて
いる。この接合ワイヤの取り付けは、集積回路産業にお
いて周知であるいくつもの方法のうちの一つによってな
されている。
【0023】上部ガード用帯状電極64及び下部ガード
用帯状電極66は、上部電極30及び下部電極32の厚
さに比べて、2倍の厚さの金による金属配線により簡便
に形成することができる。この厚くなっている分は、加
速度計10の動作中においてプルーフマス16を上部電
極30及び下部電極32から遠ざける役割を果たす。上
部及び下部ガード用帯状電極64、66は、プルーフマ
ス16と同じ電位に保たれる。
用帯状電極66は、上部電極30及び下部電極32の厚
さに比べて、2倍の厚さの金による金属配線により簡便
に形成することができる。この厚くなっている分は、加
速度計10の動作中においてプルーフマス16を上部電
極30及び下部電極32から遠ざける役割を果たす。上
部及び下部ガード用帯状電極64、66は、プルーフマ
ス16と同じ電位に保たれる。
【0024】更に図2から分かるように、上部ガラス層
26と下部ガラス層28は、製造を簡単にするために等
しい設計とすることができる。トランスデューサ12は
機械的応力や特性変化(ドリフト)を軽減するために、
可能である部分については対称的に設計され構成されて
いる。上部ガラス層26及び下部ガラス層28としては
例えばホウ珪酸塩からなるパイレックスガラス7740
(商品名)という材料が使用できるが、これを、熱膨張
を考慮して可能な限りプルーフマス16の材料と密着さ
せる。また、トランスデューサのサンドイッチ構造の上
部及び底部に、適当な絶縁層とともにシリコンを使用す
ることもできる。
26と下部ガラス層28は、製造を簡単にするために等
しい設計とすることができる。トランスデューサ12は
機械的応力や特性変化(ドリフト)を軽減するために、
可能である部分については対称的に設計され構成されて
いる。上部ガラス層26及び下部ガラス層28としては
例えばホウ珪酸塩からなるパイレックスガラス7740
(商品名)という材料が使用できるが、これを、熱膨張
を考慮して可能な限りプルーフマス16の材料と密着さ
せる。また、トランスデューサのサンドイッチ構造の上
部及び底部に、適当な絶縁層とともにシリコンを使用す
ることもできる。
【0025】図に示すように溝68及び70がシリコン
層24の上部表面上に位置しているが、これは上部電極
30及び上部ガード用帯状電極64がシリコン層24と
接触しないよう確実に分離させるためである。図からは
分からないが、同様の絶縁用の溝がシリコン層24の下
側表面にも設けられ、下部ガード用帯状電極66及び下
部電極32のシリコン層24との電気的接触を絶縁して
いる。
層24の上部表面上に位置しているが、これは上部電極
30及び上部ガード用帯状電極64がシリコン層24と
接触しないよう確実に分離させるためである。図からは
分からないが、同様の絶縁用の溝がシリコン層24の下
側表面にも設けられ、下部ガード用帯状電極66及び下
部電極32のシリコン層24との電気的接触を絶縁して
いる。
【0026】プルーフマス16は一部を切り欠いた状態
で見えており、屈曲部22によってシリコン層24とつ
ながっている。屈曲部22は、単一のヒンジで接続され
た構成とすることもできるが、加速度計のトランスデュ
ーサ12の曲がりに起因するプルーフマスのオフセット
を最小にするために、図示したようなヒンジ25、27
からなる、対称的に平衡をとった分離した屈曲部を利用
することが望ましい。屈曲部22には、シリコンの面に
おける力による破損に耐えられる、そして静電的な不安
定性に耐えられる最小限の強度が必要とされる。
で見えており、屈曲部22によってシリコン層24とつ
ながっている。屈曲部22は、単一のヒンジで接続され
た構成とすることもできるが、加速度計のトランスデュ
ーサ12の曲がりに起因するプルーフマスのオフセット
を最小にするために、図示したようなヒンジ25、27
からなる、対称的に平衡をとった分離した屈曲部を利用
することが望ましい。屈曲部22には、シリコンの面に
おける力による破損に耐えられる、そして静電的な不安
定性に耐えられる最小限の強度が必要とされる。
【0027】プルーフマス16及び屈曲部22を含む加
速度計のトランスデューサ12は、現在使用可能な集積
回路技術及びミクロ機械加工製造技術を用いて構成する
ことができる。周囲のシリコン層24から屈曲部22と
なる限られた物理的な接続部分を残してプルーフマス1
6を形成するような技術としては、種々の制御されたエ
ッチング技術を使用することができる。屈曲部22は、
製造中の高いドーピング勾配や濃度による非一様性の応
力を軽減するために、例えば1000℃という高温で数
時間にわたってアニールしてもよい。上部及び下部のガ
ラス層26、28は、陽極になるようシリコン層24に
接合し、同時に曲がり(歪み)を防ぐようにする。
速度計のトランスデューサ12は、現在使用可能な集積
回路技術及びミクロ機械加工製造技術を用いて構成する
ことができる。周囲のシリコン層24から屈曲部22と
なる限られた物理的な接続部分を残してプルーフマス1
6を形成するような技術としては、種々の制御されたエ
ッチング技術を使用することができる。屈曲部22は、
製造中の高いドーピング勾配や濃度による非一様性の応
力を軽減するために、例えば1000℃という高温で数
時間にわたってアニールしてもよい。上部及び下部のガ
ラス層26、28は、陽極になるようシリコン層24に
接合し、同時に曲がり(歪み)を防ぐようにする。
【0028】プルーフマス16の上側及び下側の表面
は、このプルーフマス16と上部及び下部ガラス層2
6、28との間に約2μm程度の適当なギャップが形成
されるようシリコン層24の表面をエッチングして形成
される。ガラス層の表面26a、28aは、使用中に明
確に規定される電位例えばシステムの接地電位に接続た
めに、そして誤差を生じさせる外部電場の影響から内部
構造をシールドするために、導電性コーティングによっ
て金属被覆することが望ましい。
は、このプルーフマス16と上部及び下部ガラス層2
6、28との間に約2μm程度の適当なギャップが形成
されるようシリコン層24の表面をエッチングして形成
される。ガラス層の表面26a、28aは、使用中に明
確に規定される電位例えばシステムの接地電位に接続た
めに、そして誤差を生じさせる外部電場の影響から内部
構造をシールドするために、導電性コーティングによっ
て金属被覆することが望ましい。
【0029】このトランスデューサは、異なる膨張特性
を持つ取り付け表面からの力を軽減するために、また、
このような取り付け表面からの震動の伝わりを軽減する
ために、図2に示すような弾性素材からなるパッド29
上に取り付けることができる。パッド29は、パッケー
ジの素材と異なる熱膨張によって、又は使用中のパッケ
ージの機械的な歪みによって生じるトランスデューサの
曲がりを防止する。このような曲がりはトランスデュー
サに誤差を生じさせてダイナミックレンジを制限する。
この弾性パッドは、層28の金属被覆した下部表面に簡
単に電気的に接続できるよう適当な素材、例えばカーボ
ンブラック又は銀などの粉末を混ぜて電気伝導性とする
ことが望ましい。
を持つ取り付け表面からの力を軽減するために、また、
このような取り付け表面からの震動の伝わりを軽減する
ために、図2に示すような弾性素材からなるパッド29
上に取り付けることができる。パッド29は、パッケー
ジの素材と異なる熱膨張によって、又は使用中のパッケ
ージの機械的な歪みによって生じるトランスデューサの
曲がりを防止する。このような曲がりはトランスデュー
サに誤差を生じさせてダイナミックレンジを制限する。
この弾性パッドは、層28の金属被覆した下部表面に簡
単に電気的に接続できるよう適当な素材、例えばカーボ
ンブラック又は銀などの粉末を混ぜて電気伝導性とする
ことが望ましい。
【0030】センサ回路部分14は通常の集積回路製造
技術により、加速度計のトランスデューサ12と物理的
に同じパッケージの一部として簡便に形成することがで
きる。加速度計のトランスデューサ12及びセンサ回路
部14は、気密的に封入されるフラットパック又は他の
簡便な混合パッケージ内に収容することができる。動作
時において、プルーフマス16が中心にある時にプルー
フマス16と上部及び下部電極30、32との間に何ら
かの容量のインバランス(非平衡状態)があると、セン
サ回路部14は電気的に発生させた力をプルーフマス1
6に加えてこれを中心から外れた位置に動かしその位置
に保つことにより、両方の容量をバランスさせる。この
ように中心から外れた位置へ移動すると、演算増幅器6
0に適当なバイアスオフセットを加えて補償するか、又
は16と30の間若しくは16と32の間に補償用容量
を加えなければ、2次のオーダーの非線形性が生じる。
技術により、加速度計のトランスデューサ12と物理的
に同じパッケージの一部として簡便に形成することがで
きる。加速度計のトランスデューサ12及びセンサ回路
部14は、気密的に封入されるフラットパック又は他の
簡便な混合パッケージ内に収容することができる。動作
時において、プルーフマス16が中心にある時にプルー
フマス16と上部及び下部電極30、32との間に何ら
かの容量のインバランス(非平衡状態)があると、セン
サ回路部14は電気的に発生させた力をプルーフマス1
6に加えてこれを中心から外れた位置に動かしその位置
に保つことにより、両方の容量をバランスさせる。この
ように中心から外れた位置へ移動すると、演算増幅器6
0に適当なバイアスオフセットを加えて補償するか、又
は16と30の間若しくは16と32の間に補償用容量
を加えなければ、2次のオーダーの非線形性が生じる。
【0031】再び図1を参照するに、信号源38は、ピ
ーク・トゥ・ピークで4ボルトで例えば10MHz で動作
する方形波の交流源などとすることができる。この交流
信号は、参照電源35からの適当な直流バイアスととも
にシリコン層24に加えられ、従ってプルーフマス16
にも加えられる。プルーフマス16がその中立位置にあ
るならば、この交流信号は上部電極30と下部電極32
に等しく結合される。プルーフマス16と上部及び下部
電極30、32との間でピックアップされた容量は、差
動型ブリッジ回路46において比較される。
ーク・トゥ・ピークで4ボルトで例えば10MHz で動作
する方形波の交流源などとすることができる。この交流
信号は、参照電源35からの適当な直流バイアスととも
にシリコン層24に加えられ、従ってプルーフマス16
にも加えられる。プルーフマス16がその中立位置にあ
るならば、この交流信号は上部電極30と下部電極32
に等しく結合される。プルーフマス16と上部及び下部
電極30、32との間でピックアップされた容量は、差
動型ブリッジ回路46において比較される。
【0032】コンデンサ42及び44は上部及び下部電
極30、32とプルーフマス16との間の容量に比べて
十分に大きく、従ってプルーフマス16の中立位置に対
する効果は無視できるという点に留意することが重要で
ある。中立位置ではこれらの値がバランスされていて増
幅器60には差動信号は加えられず、このため上部及び
下部電極30、32に差動直流信号が加えられることは
ない。
極30、32とプルーフマス16との間の容量に比べて
十分に大きく、従ってプルーフマス16の中立位置に対
する効果は無視できるという点に留意することが重要で
ある。中立位置ではこれらの値がバランスされていて増
幅器60には差動信号は加えられず、このため上部及び
下部電極30、32に差動直流信号が加えられることは
ない。
【0033】これらの電極は、適当なギャップを通して
プルーフマスから30へ、そしてプルーフマスから32
へ結合された発振器38からのrf信号、すなわち10メ
ガヘルツの信号をピックアップする。この信号の流れを
たどってみると、発振器38からの交流信号はプルーフ
マスへ結合され、ここで更に空隙のギャップを横切って
上部及び下部電極30及び32に結合される。上部電極
30からの経路に続いて、この信号は一方では、10〜
30キロオームの範囲の比較的高いインピーダンスを持
っていて増幅器60からこの信号を分離する抵抗R1、
及びこの信号が容易に通過して4つのダイオードからな
るブリッジ(ダイオード・クワッド・ブリッジ)に達す
るよう高い容量とされたコンデンサ42を通る。他方で
は、増幅器60から来る直流帰還信号が抵抗R1に達す
る経路に沿って進む。流れる直流電流はほとんどないの
で、R1の両端の電圧降下は無視でき、これより直流信
号は直接的に電極30に加わる。コンデンサ42にはダ
イオード・クワッド・ブリッジからの直流信号を遮断す
る役割がある。同様に、抵抗R2及びコンデンサ44の
効果にも同じ議論が適用される。
プルーフマスから30へ、そしてプルーフマスから32
へ結合された発振器38からのrf信号、すなわち10メ
ガヘルツの信号をピックアップする。この信号の流れを
たどってみると、発振器38からの交流信号はプルーフ
マスへ結合され、ここで更に空隙のギャップを横切って
上部及び下部電極30及び32に結合される。上部電極
30からの経路に続いて、この信号は一方では、10〜
30キロオームの範囲の比較的高いインピーダンスを持
っていて増幅器60からこの信号を分離する抵抗R1、
及びこの信号が容易に通過して4つのダイオードからな
るブリッジ(ダイオード・クワッド・ブリッジ)に達す
るよう高い容量とされたコンデンサ42を通る。他方で
は、増幅器60から来る直流帰還信号が抵抗R1に達す
る経路に沿って進む。流れる直流電流はほとんどないの
で、R1の両端の電圧降下は無視でき、これより直流信
号は直接的に電極30に加わる。コンデンサ42にはダ
イオード・クワッド・ブリッジからの直流信号を遮断す
る役割がある。同様に、抵抗R2及びコンデンサ44の
効果にも同じ議論が適用される。
【0034】動作において、加速度が加わると、プルー
フマス16が屈曲部22の回りに回動しようとして、プ
ルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間に
相対運動が生じる。プルーフマス16が動いて一方の電
極、例えば下部電極32に近づくと、信号源38からの
交流信号の容量のピックアップ量が増加し、差動ブリッ
ジ回路46を通って増幅器60に加わる電圧を生じさせ
る。その結果として直流信号電圧が増加するとそれはイ
ンバータ62を通して下部電極32に加えられ、また低
下するとその電圧は増幅器60から上部電極30に加え
られ、これによってプルーフマス16に静電力が加わ
り、加速度の力に抵抗してプルーフマス16をその中立
位置に回復させようとする。インバータ62に加わる減
少した電圧は加速度出力34においてモニターすること
ができる。この信号は抵抗を受ける加速度の力に比例す
るものとなっている。
フマス16が屈曲部22の回りに回動しようとして、プ
ルーフマス16と上部及び下部電極30、32との間に
相対運動が生じる。プルーフマス16が動いて一方の電
極、例えば下部電極32に近づくと、信号源38からの
交流信号の容量のピックアップ量が増加し、差動ブリッ
ジ回路46を通って増幅器60に加わる電圧を生じさせ
る。その結果として直流信号電圧が増加するとそれはイ
ンバータ62を通して下部電極32に加えられ、また低
下するとその電圧は増幅器60から上部電極30に加え
られ、これによってプルーフマス16に静電力が加わ
り、加速度の力に抵抗してプルーフマス16をその中立
位置に回復させようとする。インバータ62に加わる減
少した電圧は加速度出力34においてモニターすること
ができる。この信号は抵抗を受ける加速度の力に比例す
るものとなっている。
【0035】増幅器60の十分に大きい利得に対し、加
速度が加わったときのギャップ内におけるプルーフマス
16の位置のずれは無視できるものであり、従って線形
であると考えられる。大きい利得の増幅器60を伴う閉
ループである加速度計10の応答の安定性を維持するた
めに、高い周波数において高い利得のロールオフ(roll
off)を与える必要がある。高い周波数において利得の
ロールオフを達成するための特に有利な機構の一つは、
例えば図1に示すようにギャップ内の上部及び下部電極
30、32とプルーフマス16の間に気体や液体を使用
した粘性制動を設けることである。
速度が加わったときのギャップ内におけるプルーフマス
16の位置のずれは無視できるものであり、従って線形
であると考えられる。大きい利得の増幅器60を伴う閉
ループである加速度計10の応答の安定性を維持するた
めに、高い周波数において高い利得のロールオフ(roll
off)を与える必要がある。高い周波数において利得の
ロールオフを達成するための特に有利な機構の一つは、
例えば図1に示すようにギャップ内の上部及び下部電極
30、32とプルーフマス16の間に気体や液体を使用
した粘性制動を設けることである。
【0036】このようにして、精度に対するフルスケー
ルの比率が優れていて広いダイナミックレンジを持つ、
シリコン内でのミクロ機械加工よりなる新規な小型加速
度計の設計及び方法が与えられる。そしてこの設計は高
い対称性を有している。特にヒンジはプルーフマスの中
央面上にあり、曲がりを防ぐようバランスが取れてい
る。これにより、レンジ比に対して良好なバイアス安定
性が与えられる。この設計では非常に高いループ利得を
有する閉ループとなっており、また震動や静電力と比べ
ると弱いヒンジとなっている。このこともまた、レンジ
比に対する良好なバイアス安定性を与えている。高いル
ープ利得と結合させて差動的に力を加えることにより、
非線形性による誤差及び震動による誤差を最小に抑える
よう作用する。
ルの比率が優れていて広いダイナミックレンジを持つ、
シリコン内でのミクロ機械加工よりなる新規な小型加速
度計の設計及び方法が与えられる。そしてこの設計は高
い対称性を有している。特にヒンジはプルーフマスの中
央面上にあり、曲がりを防ぐようバランスが取れてい
る。これにより、レンジ比に対して良好なバイアス安定
性が与えられる。この設計では非常に高いループ利得を
有する閉ループとなっており、また震動や静電力と比べ
ると弱いヒンジとなっている。このこともまた、レンジ
比に対する良好なバイアス安定性を与えている。高いル
ープ利得と結合させて差動的に力を加えることにより、
非線形性による誤差及び震動による誤差を最小に抑える
よう作用する。
【0037】本発明の設計においては、ここで開示され
た種々の特徴によってバイアス誤差を生じる可能性のあ
る2次の乱れが除去された。これらの特徴には、次のも
のが含まれる。 1)チップの外部を静電シールドすること 2)周縁部の電場が最小となるよう電極を延ばすこと 3)原子レベルでの表面安定性のために電極の金属を選択
すること、すなわち湿気や酸化物が成長する可能性の小
さいもの 4)周縁部の残留電場の効果を軽減するために溝をエッチ
ングすること 5)電極ギャップにおける帯電分布を安定化するための抵
抗を持つコーティングを使用すること 6)構造的な曲がりの効果を軽減するためにヒンジを分割
すること 7)異なる膨張特性やその他の外部的な力による曲がりを
防ぐための弾性的な取り付け方法を使用すること 加えて、本発明は、プルーフマスに励起を加えることに
より、また信号の取り出しと力を加える電極が同じもの
となるよう構成することにより、加速度計のサーボ動作
を簡単化している。
た種々の特徴によってバイアス誤差を生じる可能性のあ
る2次の乱れが除去された。これらの特徴には、次のも
のが含まれる。 1)チップの外部を静電シールドすること 2)周縁部の電場が最小となるよう電極を延ばすこと 3)原子レベルでの表面安定性のために電極の金属を選択
すること、すなわち湿気や酸化物が成長する可能性の小
さいもの 4)周縁部の残留電場の効果を軽減するために溝をエッチ
ングすること 5)電極ギャップにおける帯電分布を安定化するための抵
抗を持つコーティングを使用すること 6)構造的な曲がりの効果を軽減するためにヒンジを分割
すること 7)異なる膨張特性やその他の外部的な力による曲がりを
防ぐための弾性的な取り付け方法を使用すること 加えて、本発明は、プルーフマスに励起を加えることに
より、また信号の取り出しと力を加える電極が同じもの
となるよう構成することにより、加速度計のサーボ動作
を簡単化している。
【0038】本発明を、現在のところ好ましいと思われ
る具体例を参照して説明してきたが、本発明の範囲はこ
れに限定されるものではない。むしろこのような範囲
は、特許請求の範囲及びその全ての均等物よって規定さ
れる限りにおいてのみ限定される。
る具体例を参照して説明してきたが、本発明の範囲はこ
れに限定されるものではない。むしろこのような範囲
は、特許請求の範囲及びその全ての均等物よって規定さ
れる限りにおいてのみ限定される。
【図1】本発明に従って構成された小型加速度計を例示
したものであり、加速度計のトランスデューサの一部断
面図とセンサ回路の概略回路図とを併せて示してある。
したものであり、加速度計のトランスデューサの一部断
面図とセンサ回路の概略回路図とを併せて示してある。
【図2】図1の加速度計のトランスデューサの部品の等
角図であり、開いた状態の上部及び一部を断面図で示し
た下側の部分を示してある。
角図であり、開いた状態の上部及び一部を断面図で示し
た下側の部分を示してある。
【図3】図2の3−3で示した領域のプルーフマスの部
分を示した平面図である。
分を示した平面図である。
10・・・・・・加速度計 16・・・・・・プルーフマス 22・・・・・・屈曲部(宙づりにするための手段) 30、31・・・・・・一対の電極層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョーン・アルバート・ギーン アメリカ合衆国、マサチュセッツ州 02093、レンサム、45 メドウブルック ドライブ
Claims (28)
- 【請求項1】 一対の電極層と、 シリコンのプルーフマスと、 前記プルーフマスを前記電極層の間に宙づりにする手段
と、 増幅器を含み、前記プルーフマスに加わる加速度の力に
抵抗するための電気信号を発生するために、電極層とプ
ルーフマスとの間の差動的な容量結合に応答する線形手
段と、 前記加速度の測定値として前記信号の大きさと符号を測
定するための手段と、を備えた小型加速度計。 - 【請求項2】 センタリングの不完全さの効果び震動の
修正を軽減するために前記増幅器にバイアスオフセット
を加える手段を備えた、小型加速度計。 - 【請求項3】 請求項1記載の加速度の力に抵抗する手
段は、 プルーフマスに交流信号を加える手段と、 電極層に結合される交流信号を検出する手段と、 プルーフマスに加速度に抵抗する力を加えるために、検
出された交流信号に応答する手段と、 を備えている、請求項1記載の小型加速度計。 - 【請求項4】 請求項3記載の検出された交流信号に応
答する手段は、更に、 検出された交流信号に線形的に比例する差動的な静電力
を、層とプルーフマスとの間に加える手段、 を備えている、請求項3記載の小型加速度計。 - 【請求項5】 請求項4記載の静電力を加える手段は、
更に、 差動直流電圧を、検出した交流信号に比例するよう層と
プルーフマスとの間に加える手段と、そして電極層とプ
ルーフマスとの間に加速度に線形的に比例するような静
電力を加えるためにこの電極層とプルーフマスとの間に
直流バイアス電圧を加える手段と、 を備えている、請求項4記載の小型加速度計。 - 【請求項6】 プルーフマスは電極層の間に密閉された
シリコン層の一部である、請求項1記載の小型加速度
計。 - 【請求項7】 請求項6記載のシリコン層は、更に、 宙づりにしたプルーフマスの中央面において動作する屈
曲部を有している、請求項6記載の小型加速度計。 - 【請求項8】 請求項7記載の前記屈曲部は、対称的に
バランスされたヒンジを用い分割して構成されている、
請求項7記載の加速度計。 - 【請求項9】 更に、プルーフマスと電極層との間に粘
性制動を与えるための気体又は液体の薄い膜を備えてい
る、請求項6記載の小型加速度計。 - 【請求項10】 請求項1記載の各電極層は更に、 プルーフマスに加わる加速度の力に抵抗するための手段
に応答して、プルーフマスに静電力を加えるための電極
手段と、 この電極とプルーフマスとの接触を防ぐためのガード用
電極と、 を備えている、請求項1記載の小型加速度計。 - 【請求項11】 請求項1記載の各電極層は、更に、 プルーフマスに静電力を加えるための電極用の金属配線
と、 電極用の金属配線とプルーフマスとの間の接触を防ぐた
めに、電極用金属配線よりも実質的に厚いガード用金属
配線と、 を備えている、請求項1記載の小型加速度計。 - 【請求項12】 更に、ガード用電極の金属配線と力を
加える電極の金属配線との間の電位差による静電力の過
渡現象的な変化を軽減させる手段を備えた、請求項11
記載の小型加速度計。 - 【請求項13】 請求項12記載の静電力の過渡現象的
な変化を軽減させる手段は、更に、電極層の力を加える
電極の金属配線とガード用電極の金属配線の間の部分に
対向するプルーフマス上に、この間の部分からプルーフ
マスへ加わる静電力の効果を軽減するための溝手段を備
えている、請求項12記載の小型加速度計。 - 【請求項14】 請求項12記載の静電力の過渡現象的
な変化を軽減させる手段は、更に、力を加える電極の金
属配線とガード用電極の金属配線の間のガラス層の部分
に、明確に規定された電位分布を維持するための、抵抗
を持つコーティング手段を備えている、請求項12記載
の小型加速度計。 - 【請求項15】 更に、変換器を外部の電場からシール
ドするために、前記ガラス層の上部及び底部に導電性の
金属被覆を積層した、請求項14記載の加速度計。 - 【請求項16】 両電極とプルーフマスとの間に等しい
結合容量を規定するようプルーフマスを電極と電極の間
の平衡位置に宙づりにし、 プルーフマスが加速度によって平衡位置から動いた時に
は両電極とプルーフマスとの間の差動容量結合を電子的
に検知し、 静電力を電極に加えたときにプルーフマスを前記平衡位
置へ動かそうとするプルーフマスへのこのような静電力
を生じさせる電気信号を電子的に発生させ、 プルーフマスに加えられる加速度に抵抗する力を生じさ
せるために、前記電気信号を前記電極に加え、 プルーフマスが受ける加速度の測定値として、前記平衡
への回復に必要とされる前記電気信号の大きさと符号を
測定する、 ことからなる、加速度計を構成するプルーフマス及び電
極を用いて加速度を検知する方法。 - 【請求項17】 請求項16記載の抵抗する力を加える
というステップは、 プルーフマスに交流信号を加え、 プルーフマスから電極に結合された交流信号を検知し、 検知された交流信号に応答してプルーフマスに加速度に
抵抗する力を加える、 ことからなる、請求項16記載の加速度を検知する方
法。 - 【請求項18】 請求項17記載の加速度に抵抗する力
を加えるステップは更に、 検知された交流信号に線形的に比例する差動的な静電力
を電極とプルーフマスとの間に加えることからなる、請
求項17記載の加速度を検知する方法。 - 【請求項19】 請求項18記載の差動的な静電力を加
えるステップは、更に、 検知された交流信号に比例する差動的な直流電圧を電極
とプルーフマスとの間に加え、 電極層とプルーフマスとの間に静電力が加わるよう電極
層とプルーフマスとの間に加速度に線形的に比例する直
流バイアス電圧を加える、 ことからなる、請求項18記載の加速度を検知する方
法。 - 【請求項20】 請求項16記載の加速度に抵抗する力
をプルーフマスに加えるステップは、更に、 力を加える電極からプルーフマスへ静電力を加え、 力を加える電極とプルーフマスとの接触をガード用電極
によって防ぐ、 ことからなる、請求項16記載の加速度を検知する方
法。 - 【請求項21】 更に、力を加える電極とガード用電極
との間の電位差による過渡現象的な静電力の変化を軽減
すること、を含む請求項16記載の加速度を検知する方
法。 - 【請求項22】 請求項21記載の過渡現象を軽減する
ステップは、更に、プルーフマスと、力を加える電極及
びガード用電極の間のガラス層との距離を増加させるこ
と、を含む請求項21記載の加速度を検知する方法。 - 【請求項23】 請求項21記載の過渡現象を軽減する
ステップは、更に、力を加える電極とガード用電極の間
のガラス層の部分に、この部分の電位分布を一定に保つ
ために、抵抗を持つコーティングを施すこと、を含む請
求項21記載の加速度を検知する方法。 - 【請求項24】 金属配線された電極を持つ一対の電極
層と、 この両層の間に宙づりにされたシリコンのプルーフマス
と、 プルーフマスに交流信号を加えるために、電極に応答す
る手段と、 プルーフマスから電極層に結合した交流信号を検出する
ために、電極に応答する手段と、 検出された交流信号に線形的に比例する差動的な静電力
を層とプルーフマスとの間に加えるために、検出された
交流信号に応答する手段と、 を備えた小型加速度計。 - 【請求項25】 請求項24記載の金属配線された電極
はプルーフマスを越えて延在している、請求項24記載
の加速度計。 - 【請求項26】 更に、加速度計を弾性的に取り付ける
手段を備えている、請求項24記載の加速度計。 - 【請求項27】 一対の電極層と、 これらの層の間に宙づりにされシリコンのプルーフマス
と、 加えられる加速度の力に抵抗するために、電極層とプル
ーフマスとの間の差動的な容量結合に応答する手段と、 を備えた小型加速度計。 - 【請求項28】 プルーフマスを一対の電極層の間に宙
づりにし、 電極層とプルーフマスとの間の差動的な容量結合を検知
し、 加速度の力に抵抗するために検知された結合に応答して
プルーフマスに力を加える、 というステップからなる、加速度を検知する方法。
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