JPH11514579A

JPH11514579A - 損失補償手段を備えた機械式信号プロセッサ

Info

Publication number: JPH11514579A
Application number: JP10-504962A
Authority: JP
Inventors: ビンニヒ、ゲルト、ケー; デユーリヒ、ウルス、テイ; ヘーベルレ、ヴァルター
Original assignee: インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 1999-12-14
Anticipated expiration: 2016-07-03

Abstract

(57)【要約】本発明は、周波数ｆ３で振動するように設計された振動部材（４０）、駆動されてｆｐ＞ｆ３である周波数ｆｐで振動するマイクロメカニカル・ポンプ振動子（４２）、および前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（４２）を前記振動部材（４０）に結合する非線形結合部品（４４）を備えたマイクロメカニカル信号処理システムに関する。これらの部品は、マイクロメカニカル・ポンプ振動子（４２）のエネルギーが前記非線形結合部品（４４）を介して前記振動部材（４０）に伝達されるように配置され、前記振動部材が周波数ｆ３で振動するとその損失が補償される。

Description

【発明の詳細な説明】損失補償手段を備えた機械式信号プロセッサ技術分野本発明は、損失補償手段を備えたマイクロメカニカル信号プロセッサに関する。発明の背景小型のセンサ、検出器および信号処理システムが求められている。マイクロメカニカル部品はこのようなシステムを実現するのに適している。従来のマイクロメカニカル・システムは単純なものであり、それらの能力は圧倒的なものではない。現在までのところ、より大きなシステムの物理的特性をより小さなサイズの装置に移植することが小型化を実施する単純な方法として行われている。「Mechanical Signal Processor Based on Micromechanical Oscillators and Intelligent Acoustic Detectors and Systems Based Thereon」という名称の同時係属特許出願ＰＣＴ／ＩＢ９５／００８１７号に、マイクロメカニカルＡＮＤゲートが初めて記載され、これがマイクロメカニックスの新たな端緒を開いた。このようなＡＮＤゲートは、マイクロフォン、音響センサ、触覚センサなどを含む多くの異なる種類のマイクロメカニカル信号処理システムの基本的構成単位としての役割を果たす可能性がある。全ての機械システムはさまざまな性質の損失を受けるので、このような損失を補償し、必要であれば増幅機能を提供するマイクロメカニカル構成単位が必要となる。例えば、機械的に結合されたいくつかのレベルの振動片持ち梁を備えた複雑なマイクロメカニカル音響センサは、特別な損失補償手段がなければ動作しないであろう。したがって本発明の目的は、マイクロメカニカル・システムにおける損失を補償する方法および装置を提供することにある。本発明の目的は、振動する片持ち梁を備えたマイクロメカニカル・システムにおける損失を補償する方法および装置を提供することにある。本発明の目的は、周知のマイクロメカニカル信号処理システムを改良する方法および装置を提供することにある。発明の概要これは、ポンプ振動子のエネルギーをマイクロメカニカル・システムに伝達して損失を補償するような方法でマイクロメカニカル・システムに機械式ポンプ振動子を結合することによって達成される。本発明の基本的構成単位は周波数ｆ３で振動する振動部材であり、その損失は、駆動されて周波数ｆｐ（ｆｐ＞ｆ３）で振動し非線形結合部品を介して振動部材にエネルギーを伝達するマイクロメカニカル・ポンプ振動子によって補償される。実施例によってはポンプ振動子の他にアイドル振動子が必要となる。このアイドル振動子も前記振動部材に結合され、周波数ｆｉ＝ｆｐ−ｆ３で振動する。前記基本的構成単位を使用して、損失補償付きマイクロメカニカルＡＮＤゲートを得ることができる。このＡＮＤゲートは、周波数ｆ１で振動する第１の片持ち梁および周波数ｆ２で振動する第２の片持ち梁を備える。これらの２つの片持ち梁は、周波数ｆ１およびｆ２の振動の線形重ね合わせが起こるように線形結合部品によって結合される。前記基本的構成単位の振動部材は、前記片持ち梁のうちの第１の片持ち梁がｆ１で振動し、第２の片持ち梁がｆ２で振動する場合にその共振周波数ｆ３が刺激されるように、非線形結合部品を介して前記２つの片持ち梁に結合される。前述のとおり前記振動部材は、その損失が補償され、必要ならばその振動が増幅されるようにポンプ振動子に結合される。このようなＡＮＤゲートを基にして、多くの異なる種類のマイクロメカニカル・システムを実現することができる。図面の説明次に、以下の概略図を参照して本発明を詳細に説明する。第１図は、本発明に基づく片持ち梁の透視図である。第２図は、本発明に基づくブリッジの透視図である。第３図は、本発明に基づく膜の透視図である。第４図は、本発明に基づく基本的構成単位の第１の実施例の概略上面図である。第５図は、本発明に基づく基本的構成単位の第２の実施形態の概略上面図である。第６図は、同時係属特許出願ＰＣＴ／ＩＢ９５／００８１７号に記載され、特許請求されている２つの振動を線形に重ね合わせるための機械システムの概略上面図である。第７図は、本発明の第３の実施例の概略上面図である。第８図は、本発明の第４の実施例の概略上面図である。第９図は、非線形結合部品の実施態様の説明に使用する概略図である。一般説明本発明のさまざまな実施形態を説明する前にそれらの基本部品について述べる。片持ち梁：片持ち梁は、製作が容易な周知のマイクロメカニカル部品である。これには、従来の半導体製造方法を使用することができる。要点を述べる。微細機械加工手法を使用して別個の片持ち梁および片持ち梁のアレイを作り出す。複雑な構造が必要な場合には、フォーカスト・イオンミリング（focussed ion-milling）と呼ばれる手法を使用することができる。ただしこの手法は大量生産にあまり適していない。この手法では加工する基板を、ベース圧力約２．３×１０^-6ｍｂａｒの真空チャンバ内に封入する。イオン源からのガリウム（ｇａ）イオンを、高電圧（１０〜３０ｋＶ）によって加速し、ターゲットに集中させる。１２〜３００ｐＡの電流を使用してターゲット・スポットのところの材料を腐食させる。塩化物分子のストリームをターゲット領域に導くことによってこの方法の効率を高めることができる。この方法を適用することによって、異なる種類の全てのマイクロメカニカル構造を快適に形成することができる。フォーカスト・イオンミリング装置は市販されている。片持ち梁の大きさを決めるときには、片持ち梁が形成される基板に使用する材料の具体的パラメータを考慮しなければならない。片持ち梁および片持ち梁のアレイは通常、（１００）配向または（１１１）配向のシリコン基板の部分をエッチングで切り離すことによって製作される。（１００）配向のシリコンは例えば、エチルジアミンピロカテコール溶液またはＫＯＨ溶液を使用したウェット・エッチングでエッチングすることができる。ウェット・エッチング手法は一般に基板の結晶学的方位に左右される。例えば、（１００）配向のシリコンは、（１１１）面のエッチング速度が非常に遅く、そのため、（１１１）軸に沿った方向のエッチングの止まりがよく、（１００）から５４．７°の角度を有するよく画定されたエッチング平面を生成する。代替方法では、例えば反応性イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＥ）、化学支援イオン・ビーム・エッチング、またはマイクロ波支援プラズマ・エッチングなどのドライ・エッチング手法を利用する。特にＲＩＥ法は、単一装置またはアレイのバッチ製造によく適している。前述のフォーカスト・イオンミリング法も片持ち梁構造を製作する方法の１つである。プロセス条件によっては寸法の制御に優れる深い異方性構造が得られる。エッチングする構造を画定するためにマスクを使用することができる。使用する片持ち梁の形状は、フォトリソグラフィ、エッチング、およびフォーカスト・イオン・ミリングで得られるものであればどんな形状でもよい。断面形状は例えば、長方形、円形、楕円形、多角形などにすることができる。本発明とともに使用することができる片持ち梁１０を第１図に示す。同図に示すとおり基板１２が層１１で覆われている。この層１１および基板１２をエッチングして片持ち梁１０を形成する。この片持ち梁は溝１３の中に延びている。この図には基板の配向＜１００＞が示されている。ピーターセン（K.E．Petersen）著「dynamic Micromechnics on Silicoｎ: Te chniques and Devices」，IEEE Transactions on Electronic Devices，Vol．ED 25，No．10，1978，pp.1241-1249に報告されているように、ガリウムヒ素などのその他の半導体材料も片持ち梁の製造に適する。片持ち梁の設計を適当にすることによって、ある周波数に感応するマイクロメカニカル部材を得ることができる。適正な形状、長さおよび材料を選択することによって、力、例えば十分な振幅（強度）を有する特定の周波数の音響信号が印加されると強く振動し始める部材を得ることができる。この振動は、片持ち梁を担持する基板内の音波または超音波によっても励起される。振動は、機械的刺激によっても生じる。本発明によれば、片持ち梁の共振周波数は、この特定の片持ち梁で検出しようとする周波数にほぼ一致するように選択される。第１の機械的共振は、から計算することができる。上式で、κは補正率（約１）で、片持ち梁材料の密度、ヤング率Ｅ（薄いＳｉＯ₂ではＥ＝６．７×１０¹⁰Ｎ／ｍ²）、およびその他の構造上の詳細によって決まる。ｌは片持ち梁の長さ、ｔは片持ち梁の厚さ、 ρは密度である。現在までのところ単純なシリコン片持ち梁で観察された最も高い共振周波数は約１．２５ＭＨｚである。これについては、ピーターセン（K.E ．Petersen）著「Silicon as Mechanical Material」Proceedings of the IEEE ，Vol．70，No．５，May 1982，p.447を参照されたい。人間の耳は、２００００Ｈｚまでの周波数に感応するが、これは、現在のマイクロメカニカル片持ち梁で検出できる周波数の約１／６０でしかない。ブリッジ：ブリッジは、ギターの弦のように両端が固定された梁である。一例を第２図に示す。基板２２の上に層２１が形成されている。基板および層は、溝２３の上にブリッジ２０が形成されるようにして例えばリソグラフィーおよびエッチングによって構造化される。解析によって解くことができ、共振周波数とブリッジの所与の張力を与える引力との間の関係を表す潜在的な力−周波数式となる微分方程式が存在する。力が小さいときにはこの式は、で近似することができる。上式で、ｆは負荷時の共振周波数、ｆ₀は無負荷時の共振周波数、Ｆは引力、Ｅはヤング率、ｌはブリッジの長さ、ｔはブリッジの厚さ、ｂはブリッジの幅である。上の式（２）は、感度などのブリッジの特性を計算するのに有用である。例えば本発明に基づく音響検出器に使用する場合、このようなブリッジの正確な形状は、音波またはその他の力が固定梁に作用する方法を考慮して慎重に選択しなければならない。さらなる詳細は例えば、Ｆ．Ｒ．ブロム（F．R．Blom）他「Resonating Silicon Beam Force Sensor」Sensors and Actuators，17，1989，pp.513-519.に示されている。膜：前述のブリッジを使用する代わりに、２つ以上のコーナを固定した膜状マイクロメカニカル部材３０を使用することができる。一例を第３図に示す。膜３０は、基板３２およびこれを覆う層３１を適当に構造化することによって形成される。膜３０の下にはエッチング溝３３がある。２つのコーナが固定された正方形の膜の場合には以下の式を使用して共振周波数を計算することができる。上式で、ｆ₀は面内応力がない場合の基本共振周波数、Ｅはヤング率、νはポアソン比、ｔは膜厚、ａは膜の側面の長さである。さらなる詳細は、Ｒ．Ｐ．リード（R．P．Ried）他「Modulation of Micromachined-Microphone Frequency Res ponse Using an On-Diaphragm Heater」，DSC-Vol．46，Micromechanical Syste ms，ASME（American Society of Mechanical Engineers）1993，pp.7-12に示されている。前記の全ての部品、すなわち片持ち梁、ブリッジおよび膜を本明細書では、マイクロメカニカル部材、マイクロメカニカル振動子、または振動部材と呼ぶ。前記マイクロメカニカル部材の形状を、ある種の必要性に合致するように最適化することができる。そのためには例えば、１．片持ち梁の端部における追加の保証質量（延長端部質量）、２．感度を増大させるための他よりも幅広いセクション、３．適当な断面などを提供する。前記ブリッジおよび膜が高周波用検出器としてよく適していることは注目に値する。この片持ち梁を例えばらせん形に丸めて、低周波に感応する部材を得ることができる。マイクロメカニカル部材のアレイ：マイクロメカニカル部材のアレイが得られるように前記部材同士を隣り合わせに配置することができる。これには、さまざまな組合せおよび配置が考えられる。このようなアレイは高精度、高再現性で製作することができる。適切に設計すれば、アレイを低コストかつ高歩留りで大量生産することができる。本発明によれば、前記マイクロメカニカル部材および各部材の共振周波数を、ある周波数に感応する部品が得られるように選択する必要がある。周囲環境、例えば質量負荷、ダスト、水吸着、腐食などとマイクロメカニカル部材との物理的および化学的相互作用に起因する共振周波数の偏移を回避するためには、個々のマイクロメカニカル部材またはアレイ全体を適当にカプセル化すると有利である。ある状況下では、マイクロメカニカル部材を排気されたハウジング内に置くことが推奨される。これによって部材の汚染を防ぐことができるだけでなく、機械的なＱ（quality factor）を高くすることができる。これを達成するため該部材を、例えばマイクロキャビティ内に置いてもよい。場合によっては、例えば音響信号によって生じた外力が特定のマイクロメカニカル部材に直接に作用しないようにすることが重要となる。特定のマイクロメカニカル部材が望ましくない方法で刺激されるのを防ぐのに使用できる手段にはさまざまなものがある。それぞれのマイクロメカニカル部材を例えば９０ °回転させて、例えば音響信号などの力によって刺激される部材とは直角に振動するようにしてもよい。音響信号のターゲットとして機能する表面のサイズを小さくすることによって、例えば音響信号などに対する感度を低くすることができる。最後に、マイクロメカニカル部材を遮蔽するか、またはハウジング内に封入することができる。機械式または静電気式の制動手段を提供することも可能である。片持ち梁に静電引力（または磁力）が作用すると片持ち梁の共振周波数は小さくなる。マイクロメカニカル部材およびハウジングの設計または前記部材を封入するキャビティによっては、気体を導入することによって機械的なＱを下げることができる（共振周波数はＱに一次で反比例することに留意されたい）。マイクロメカニカル部材を硬くすると共振周波数が高くなり、質量負荷は共振周波数を低くする。これらの効果を使用して、それぞれのマイクロメカニカル部材を微調整することができる。適当な気体を充てんすることができるキャビティの中に１つまたは複数の部材を入れて制動効果を得ることができる。マイクロメカニカル部材のアレイに、それぞれ排気されているかまたは気体を充てんしたこのようなキャビティをいくつか持たせてもよい。気体の圧力が１ｍｂａｒ未満であると通常、共振周波数の重大な偏移は起こらないが、実際の効果は、キャビティまたはハウジングのサイズ、マイクロメカニカル部材の形状、材料およびその他のパラメータ、ならびに導入する気体の種類によって決まることに留意されたい。例えば製造のばらつきをならすために質量負荷を使用して共振周波数を偏移させることもできる。質量負荷の問題点は、質量を追加するのは可能だが、除去するのは容易でないということである。しかし、ある種の気体は振動子上に（水蒸気のように）凝結する。これによって質量が追加される。振動子を加熱すれば気体（液体）が放出され、質量が再び除去される。密閉箱内ではこの効果は可逆的である。例えば樹脂の小滴または薄い酸化物層を使用して、マイクロメカニカル部材に荷重を追加することができる。フォーカスト・イオン・ミリングによって特定の片持ち梁の質量を除去することができると考えられるが、これは非常に複雑で費用がかかる。ポンプ振動子：前述の受動振動部材の他に、駆動されてある周波数で振動する「能動」マイクロメカニカル部材が必要である。これらの「能動」マイクロメカニカル部材を以後、ポンプ振動子と呼ぶ。このようなポンプ振動子は、片持ち梁およびアクチュエータを備え、アクチュエータをポンプ周波数ｆｐで片持ち梁の振動を刺激するように配置することができる。圧電アクチュエータの場合には、適当な駆動電気信号がアクチュエータを作動させ、アクチュエータは片持ち梁の振動を刺激する。２つ以上のアクチュエータを使用する場合には、片持ち梁の振動動作を複雑にすることができる。ポンプ振動子の自由端が例えば円運動をしてもよい。一般的なアクチュエータの例を以下に示す。図を簡単にするためこれらのアクチュエータは図面に記載しない。アクチュエータ：ポンプ振動子などの「能動」マイクロメカニカル部材は振動を刺激するアクチュエータを備える。トランスデューサとも呼ばれる集積圧電アクチュエータで実施できる例示的な振動方式についてはＰＣＴ特許出願公告ＷＯ８９／０７２５６号の第３４図ないし第３７図に示されている。その他の種類のアクチュエータおよび振動部材の例は当技術分野で周知である。Ｒ．Ｔ．ハウ（R．T．Howe）他の論文「Silicon Micromechanics: Sensors an d Actuators on a Chip」，IEEE Spectrum，1990年7月，pp.29-35には微振動梁が記載されている。アイドル振動子：いくつかの場合にはいわゆる「アイドル振動子」が必要となる。アイドル振動子はその共振周波数ｆｉが、ポンプ振動子のポンプ周波数ｆｐおよび損失を補償する振動部材の共振周波数ｆ３によって決まるマイクロメカニカル部材である。このようなアイドル振動子は共振周波数ｆｉ＝ｆｐ−ｆ３を有する。アイドル振動子は、アイドル周波数ｆｐ−ｆ３の振動エネルギーを反射して増幅回路に戻す働きをする。このエネルギーの逆反射は、周波数ｆ３での増幅を実施するのに必要である。駆動回路：駆動回路を含むある種の手段および適当な配線が必要である。これらの手段を実施するのに、既存の工具と半導体およびソリッドステート産業に共通のプロセスを使用することができる。これらの駆動電子回路を、本明細書で特許請求し開示したマイクロメカニカル構造に組み込んでもよい。線形および非線形結合：本発明によれば、２つ以上のマイクロメカニカル部材を線形的および／または非線形的方法で結合しなければならない。「線形結合部品」という表現は、２つの振動の線形重ね合わせを行うのに適した一切の手段を包含する。第６図に関連して後に述べるような２つの片持ち梁間のマイクロメカニカル・ブリッジは単純な線形結合部品である。以後に使用する非線形結合部品とは、２つ以上のマイクロメカニカル部材を、前記部材の第１の部材の運動が、前記マイクロメカニカル部材の第２の部材に非線形的方法で伝達されるように結合するのに適した部品である。非線形結合部品による結合は例えば、２次元的でもよいし３次元的でもよい。以下に概示するように非線形結合はマイクロメカニカル部品のみによって達成されるわけではない。・非線形結合は例えば、高粘度の流体でマイクロメカニカル部材を包み込むことによっても達成することができる。マイクロメカニカル部材の下のエッチング溝（キャビティ）を流体の容器となるように設計してもよい。この場合、これらの部材はこの溝の中に配置され、流体によって部分的にまたは完全に包み込まれる。さらに流体によって２つの片持ち梁が相互作用するようにギャップを設計する必要がある。・同様に、２つのマイクロメカニカル部材間の狭いギャップに適当な気体を満たし非線形結合部品として使用することができる。・静電的な非線形結合部品を利用することができる。マイクロメカニカル部材に適当な電極を設けることによって、これらの電極間に電圧を印加したときに誘導される力でそれぞれの部材を非線形結合する。この方法の１つの利点は、印加電圧を変化させることによって結合効率、すなわちばね定数を調整できることである。・マイクロメカニカル部材を非線形的な方法で結合するのに使用できるその他の一切の手段も適当である。前記方法を組み合せて使用することができることは明白である。本発明に基づく線形結合部品および非線形結合部品を振動子とともに形成してもよい。同様に、振動子の材料とは異なるその他の材料からできた結合部品を例えば振動子にはんだボンディングして利用してもよい。非線形結合部品の目的は、２つ以上の入力信号（すなわち振動子の振動）を結合して、前の信号の単純な加法重ね合わせではない出力信号を生成することである。非線形結合部品の非線形動作によって周波数混合が実施される。周波数混合とは、それぞれの入力周波数を整数倍した倍数の和および差に相当する周波数を有する追加の信号が出力チャネルに生成されることを意味する。結合された振動子のシステムにおける非線形効果は通常、このシステムを大きな振幅で駆動させ、機械的停止機構で線形結合部品の動きを制限することによって得られる。振動子間の非線形結合を実現する別の方法を第９図に示す。同図で、ばね（ｋ_ln）によって線形に結合された入力振動子（１〜ｎ）と出力振動子は直交する方向に振動する。追加のばね（ｋ_c）が出力振動子を線形入力結合子と結合する。これらの振動が直交しているため、出力振動子は、入力振動の振幅Ｚ_nの和Ｚ_sの２乗に比例する駆動力Ｆによって励起される。設計を適当にすることによって、このシステムの非線形結合を小さな振動振幅に対して有効なものにすることができる。さらにこのシステムは、全ての構成部品がその通常の線形弾性性能レジームで動作するので、効率および信頼性に関して有利である。本発明の第１の実施例を第４図に示す。周波数ｆ３でｘ−ｙ平面上を矢印で示すように振動する振動部材４０を備えるマイクロメカニカル・システムが示されている。この振動部材４０は基板４１に形成される。損失のために、この振動部材４０の振動は短時間で停止する。本発明の目的は、これらの損失を補償する手段を提供することである。これを実現するために、マイクロメカニカル・ポンプ振動子４２が基板４３に形成される。このポンプ振動子は、駆動されると周波数ｆｐ（ｆｐ＞ｆ３）で振動する。この例では、このポンプ振動子もｘ−ｙ平面上で振動するが、振動部材の振動方向とは垂直に振動する。ポンプ振動子４２は、前記ポンプ振動子４２のエネルギーが非線形結合部品４４を介して前記振動部材４０に伝達されるように、前記非線形結合部品４４を介して振動部材４０に結合される。すなわちポンプ振動子４２は、ポンプ・ソースまたはポンプ・バッテリの働きをする。基本的に２つの異なる状態が存在する。１）振動部材４０が振動しない場合、前記ポンプ振動子４２から前記振動部材４０に伝達されるエネルギーはわずかであり、振動部材は振動しないままである。２）振動部材４０が周波数ｆ３で振動する場合、損失は、ポンプ振動子４２によって供給されるエネルギーによって補償される。ポンプ・ソースから振動部材４０に伝達されるエネルギーの量によってはこの部材の振動が増幅されることもある。この実施例では、２つの振動子４０および４２が次の式ｆｐ＝２×ｆ３を満足するように設計されるのでアイドル振動子は必要ない。本発明に基づく第２の実施例を第５図に示す。第４図と同様に、振動部材５０およびポンプ振動子５２を備えたマイクロメカニカル・システムが示されている。ポンプ振動子５２は、非線形結合部品５４を介して前記振動部材５０に損失が補償されるように結合される。第２の実施例は、ｆｐ＞ｆ３であること以外に制限がないので第１の実施例よりも一般的である。このようなシステムを適切に動作させるためにはアイドル振動子５６が必要である。この例では、アイドル振動子５６が別個の非線形結合部品５５を介して前記振動部材５０に結合される。アイドル振動子は、周波数ｆｉ＝ｆｐ−ｆ３で振動するように設計されていなければならない。アイドル振動子５６およびポンプ振動子５２がともにｙ−ｚ平面上で振動するのに対して、振動部材５０はｘ−ｙ平面上で振動することに留意されたい。より一般的な第２の実施例から第１の実施例を導くことができる。ｆｐ＝２× ｆ３の場合、上式はｆｉ＝ｆ３であるときにのみ満たされる。すなわち、ポンプ振動子が周波数ｆｐ＝２×ｆ３で動作する場合にはアイドル振動子は必要ない。同時係属特許出願ＰＣＴ／ＩＢ９５／００８１７号に記載され特許請求されているように、２つの振動ｆｉおよびｆ２を、第６図に示すように線形結合部品６１によって機械的に重ね合わせることができる。この同時係属特許出願およびこれに記載された詳細は参照によって本明細書に組み込まれる。第６図には、２つの片持ち梁６０．１および６０．２が示されている。これらの２つの片持ち梁６０．１および６０．２は基板６０に形成される。第１の片持ち梁６０．１の共振周波数はｆ１、第２の片持ち梁６０．２の共振周波数はｆ２である。これらの片持ち梁の自由端は線形結合部品６１によって相互接続される。第１の片持ち梁６０．１が周波数ｆ１で振動するするように刺激され、第２の片持ち梁が周波数ｆ２で振動するように刺激されると、線形結合部品６１のところで２つの周波数の線形重ね合わせが起こる。第７図に示すように、このマイクロメカニカル・システムを非線形結合部品７３を介して振動部材７０に結合してもよい。振動部材７０の共振周波数ｆ３が、線形結合部品６１での線形重ね合わせの周波数項の１つと一致する場合、振動部材７０は非線形結合部品７３を介して刺激され、周波数ｆ３で振動し始める。部品６０．１、６０．２、６１、７０、７３を備えたマイクロメカニカル・システムはＡＮＤゲートのように動作する。すなわち、２つの信号ｆ１およびｆ２が「検出」されると信号ｆ３が供給される。前述の特許出願に記載され特許請求されているこのような機械式ＡＮＤゲートには、損失のために振動部材７０の振動が短時間で停止するという欠点がある。非線形結合部品７４を介して振動部材７０を、周波数ｆｐ＝２×ｆ３で振動するポンプ振動子７２に結合するとこれらの損失は補償される。すなわち、損失補償付きのマイクロメカニカルＡＮＤゲートが提供される。既に述べたように、振動を増幅すること、すなわち利得を有するＡＮＤゲートを実現することができる。これは、振動部材７０に伝達されたエネルギーの量が損失を過補償する場合にのみ可能である。第７図に示した損失補償付きＡＮＤゲートが本発明の第３の実施例である。他の実施例を第８図に示す。この図に示したマイクロメカニカル・システムは、刺激されると周波数ｆ１で振動する第１の片持ち梁８０．１を備える。第２の片持ち梁８０．２は刺激されると周波数ｆ２で振動する。これらの２つの片持ち梁８０．１および８０．２は線形結合部品８１を介して結合される。さらに、ポンプ振動子８２およびアイドル振動子８６が同じ線形結合部品８１に結合される。振動部材８０は非線形結合部品８３を介して接続される。第１の片持ち梁８０．１および第２の片持ち梁８０．２が周波数ｆ１およびｆ２でそれぞれ振動すると、部材８０はその共振周波数ｆ３で振動し始める。同じ線形結合部品８１および非線形結合部品８３を介して振動部材８０にエネルギーが、少なくともその損失が補償されるように伝達される。ポンプ振動子８２の振動周波数ｆｐが式ｆｐ＝２×ｆ３を満たさない場合、アイドル振動子８６が必要となる。アイドル振動子８６は周波数ｆｉ＝ｆｐ−ｆ３で動作する。アイドル振動子自体が信号発振器の役割を果たしてもよい。すなわち、アイドル振動子から直接に出力信号をとってもよい。これによって、本発明の他の実施態様が実現可能となる。基本部品を多くの異なる方法で配置することができることを理解されたい。使用する線形および非線形結合部品の種類、ならびに選択する周波数の特定の範囲によっては、マイクロメカニカル・システム全体を共通の基板上に集積することができる。これまでに述べた異なる構成単位、すなわち、・２つ（またはそれ以上）の振動の線形重ね合わせを実施するマイクロメカニカル・システム（例えば第６図参照）、・ＡＮＤゲート（第７図参照）、・損失補償付きＡＮＤゲート（第７図参照）、および・利得を有するＡＮＤゲートに基づいて、より複雑なマイクロメカニカル・システムを実現することができる。以下にいくつかの例を示す。前述の部品を使用して音響信号処理システムを実施することができる。このような音響信号処理システムのいくつかの詳細については前述の特許出願に記載されている。本発明に基づいて損失が補償される限りは、いくつかの構成単位を相互に簡単に接続することができる。これによって、音の周波数パターンまたは複雑な周波数パターンを認識することが可能となる。この処理の一部または全体を機械的に実施することができる。前記構成単位、特に、損失補償および増幅手段を使用して、これまで知られているものとは異なる音声認識システム、マイクロフォン・アセンブリ、補聴器、雑音除去器などを実現することができる。前記構成単位によって、マイクロメカニカル計算器またはマイクロメカニカル・コンピュータを実現することも可能である。前記構成単位は、従来のコンピュータの実施に使用される電子部品よりも低速ではあるが、これらの機械式構成単位を並列度の高い演算に使用するとこの欠点は容易に克服される。一般に、計算器またはコンピュータにサービスするこのようなマイクロメカニカル・システムは、いくつかの入力状態（振動）に応じて特定の出力状態（振動）を提示する。前記構成単位が３次元構造に配置される場合には、非常に複雑な演算を小さなボリュームの中で実施することができる。これらの機械式信号処理システムはさまざまな利点を有する。いくつかの利点を挙げると、これらのシステムは信頼性が高く、製作が容易で、価格が安く、核衝突後の電磁的衝撃波などの電磁気による外乱に無感応である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヘーベルレ、ヴァルタースイス国ヴェーデンスヴィル、ビュルグリパルク 15

Claims

【特許請求の範囲】１．・周波数ｆ３で振動するように設計された振動部材（４０；５０；７０；８０）、・駆動されるとｆｐ＞ｆ３である周波数ｆｐで振動するマイクロメカニカル・ポンプ振動子（４２；５２；７２；８２）、および・前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（４２；５２；７２；８２）を前記振動部材（４０；５０；７０；８０）に結合する非線形結合部品（４４；５４；７４；８３）を備え、これらが、前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（４２；５２；７２；８２）のエネルギーが前記非線形結合部品（４４；５４；７４；８３）を介して前記振動部材（４０；５０；７０；８０）に伝達されるように配置され、前記周波数ｆ３で振動する前記振動部材の損失が補償される、マイクロメカニカル信号処理システム。２．前記振動部材（５０；８０）に非線形的な方法で結合されたアイドル振動子（５６；８６）をさらに備え、前記アイドル振動子（５６；８６）が周波数ｆｉ＝ｆｐ−ｆ３で振動するように設計される、請求項１に記載の信号処理システム。３．前記周波数ｆ３で振動し始めるように前記振動部材を機械的に刺激する手段を備える、請求項１または２に記載の信号処理システム。４．前記機械的刺激手段が、周波数ｆ１で振動するように設計された第１の片持ち梁（６０．１；８０．１）、周波数ｆ２で振動するように設計された第２の片持ち梁（６０．２；８０．２）、ならびに、前記第１および第２の片持ち梁（６０．１、６０．２；８０．１、８０．２）の振動の線形重ね合わせを実施する線形結合部品（６１；８１）を備える、請求項３に記載の信号処理システム。５．前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子が、この振動子の前記周波数ｆｐでの振動を能動的に刺激する駆動手段を備える、請求項１に記載の信号処理システム。６．前記駆動手段が、適当な信号によって駆動された場合に前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子の振動運動を刺激する圧電アクチュエータを備える、請求項５に記載の信号処理システム。７．前記駆動手段が、適当な信号によって駆動された場合に前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子の円運動を刺激する少なくとも２つの圧電アクチュエータを備える、請求項５に記載の信号処理システム。８．請求項１ないし７に記載のマイクロメカニカル信号処理システムを少なくとも１つ備える信号処理システム。９．音響信号を処理または検出しあるいはその両方を実施するように設計されている、請求項８に記載の信号処理システム。１０．機械的信号を処理するように設計されている、請求項８に記載の信号処理システム。１１．いくつかの入力状態が検出された場合に特定の出力状態が提示されるように配置され、相互接続された請求項１ないし１０に記載のいくつかのマイクロメカニカル信号処理システムを備える、マイクロメカニカル・コンピュータまたは計算器。