KR102350270B1 - 가속도계 - Google Patents

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애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
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Abstract

가속도계용 감지 구조로서, 감지 방향을 따라 가해진 가속도에 응답하여 평면-내 이동을 위해 가요성 레그에 의해 지지부에 실장된 검증 질량으로서, 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 감지 방향으로 이격되어 있는 복수의 가동 전극 핑거를 포함하는 검증 질량; 및 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 감지 방향으로 이격되어 있는 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 포함하는 적어도 한 쌍의 고정 커패시터 전극을 포함하고, 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트는 사이의 중앙선으로부터, 각각, 하나의 방향으로 그리고 반대 방향으로 제1 및 제2 오프셋으로 가동 전극 핑거와 깍지 끼되, 검증 질량은 고정 커패시터 전극을 둘러싸는 외측 프레임이고, 가요성 레그는 검증 질량으로부터 중심 앵커로 안쪽으로 측방으로 뻗어있다.

Description

가속도계{ACCELEROMETERS}
본 발명은 가속도계용 감지 구조에 관한 것이고, 구체적으로는 가속도계용 용량성 감지 구조에 관한 것이다.
가속도계는 운동 및/또는 진동에 기인하는 가속력을 측정할 수 있는 전기기계적 디바이스이다. 가속도계는 지진 감지, 진동 감지, 관성 감지 및 기울기 감지를 포함하는 광범위한 각종 응용에서 용도를 찾아내고 있다. 용량성 가속도계는 전형적으로는 실리콘으로 제조되고 미세 전기 기계 시스템(MEMS) 구조로서 구현된다. 전형적 MEMS 용량성 감지 구조는 지지부에 상대적으로 이동가능하게 실장된 검증 질량(proof mass)을 포함한다. 검증 질량으로부터 뻗어있는 가동 전극 핑거 세트는 하나 이상의 고정 전극 핑거 세트와 깍지 끼여 있으며, 감지 방향으로 검증 질량의 편향을 검출하도록 전극 핑거들 간 미분 커패시턴스가 측정가능하다. 감지 구조를 포함하는 가속도계는 구동 및 픽오프 신호에 적합한 전자장치를 포함한다.
WO 2004/076340 및 WO 2005/083451은 MEMS 디바이스의 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 복수의 깍지 끼인 고정 및 가동 전극 핑거를 포함하는 용량성 가속도계의 예를 제공한다. 전극 핑거는, 예를 들어, DRIE(deep reactive ion etching)를 사용하여 단일 실리콘 기판으로부터 형성된다. 실리콘 기판은 전형적으로는 소자가 이동하는 유리의 프리-캐비테이션을 갖는 유리 지지부에 양극 접합된다. 접합 및 DRIE 후에, 캡 유리 웨이퍼는 내측에 갇힌 기체 매질을 갖는 밀봉형 어셈블리를 제공하도록 부가된다. 대기압 기체(전형적으로는 아르곤)는 검증 질량에 그것이 이동할 때 크리티컬 스퀴즈 필름 댐핑을 제공한다. 그 후 다운 홀 비아는 유리 지지부의 상부 표면으로부터 능동 실리콘 소자로 전기 접속하도록 부가된다. 유리 지지부는 높은 전기적 절연을 제공하지만, 유리 유형에 종속하는 열 팽창 계수에서의 부정합이 있다. 예를 들어, SD2 유리(규산 알루미늄)는 파이렉스(붕규산염)보다 더 양호한 열 정합을 준다. 유리는, 그것이 접지에 대한 부유 커패시턴스를 감축하므로, 지지부에 대해 (접합된 실리콘 온 산화물 기술과 같은) 실리콘보다 선호하여 사용된다.
가속도계의 종래 기술 예가 WO 2012/076837에 기술되어 있고 도 1에 보이고 있다. 이러한 감지 구조에서, 검증 질량은 한 쌍의 고정 커패시터 전극의 반대 양측 상에 배열된 제1 및 제2 질량 소자로 분할된다. 질량 소자는 단위 가동 검증 질량을 형성하도록 브레이스 바에 의해 강성 상호연결될 수 있다. 질량 소자는 별개의 상부 및 저부 앵커 포인트에 접속되는 일 세트의 4개의 가요성 레그(flexible leg)에 의해 기저 지지부에 실장된다. 앵커 포인트 및 2개의 고정 전극 핑거 세트는 기저 유리 지지부에 양극 접합된다. 이러한 설계에 대한 문제는 온도 변화가 있을 때 유리 지지부와 실리콘 기판 간 차등 팽창이 생긴다는 것이다. 균일 열 팽창의 경우에, 2개의 고정 전극은 2개의 앵커 포인트에 대해 (예를 들어, 바깥쪽으로) 대칭적으로 이동하여, 전극 핑거 갭이 변화됨에 따라 환산 계수 시프트를 야기한다. 디바이스를 가로지르는 열 경사의 경우에, 2개의 고정 전극은 서로에 대해 비대칭적으로 이동하여, 바이어스 시프트를 초래한다. 개루프에서 동작할 때, 그러한 디바이스의 감도는 전형적으로는 (30g 범위에 대해) 30 nm/g이고, 그래서 30 pm의 상대적 이동은 1 mg의 바이어스 시프트를 야기한다. 지지부 유리의 스트레싱은 열 팽창/경사로부터 초래되거나, 디바이스 패키지에서 사용된 다이본드에 의해 유발될 수 있다. 다이본드는 보통 높은 열 팽창 계수를 갖고 또한 시효 효과로 시달릴 수 있는 낮은 영률을 갖는 탄성중합체 재료이다.
본 발명이 추구하는 것은 위에서 개괄된 단점을 감축 또는 극복하는 것이다.
본 발명의 제1 태양에 의하면, 가속도계용 감지 구조로서,
지지부, 및 감지 방향을 따라 가해진 가속도에 응답하여 평면-내 이동을 위해 가요성 레그에 의해 지지부에 실장된 검증 질량으로서,
감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 감지 방향으로 이격되어 있는 복수의 가동 전극 핑거를 포함하는 검증 질량; 및
감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 감지 방향으로 이격되어 있는 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 포함하는 적어도 한 쌍의 고정 커패시터 전극을 포함하고,
제1 고정 전극 핑거 세트는 사이의 중앙선으로부터 하나의 방향으로 제1 오프셋으로 가동 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열되고, 그리고 제2 고정 전극 핑거 세트는 사이의 중앙선으로부터 반대 방향으로 제2 오프셋으로 가동 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열되되,
검증 질량은 적어도 한 쌍의 고정 커패시터 전극을 둘러싸는 외측 프레임의 형태를 취하고, 가요성 레그는 그 쌍(들)의 고정 커패시터 전극에 대해 중심에 있는 감지 방향을 따른 위치를 갖는 중심 앵커로 검증 질량으로부터 안쪽으로 측방으로 뻗어있는 감지 구조가 제공된다.
그리하여, 본 발명에 의하면 검증 질량은 단일 포인트에서 그 쌍(들)의 고정 커패시터 전극의 중심에 앵커링되는 외측 프레임의 형태를 취한다. 중심 앵커 포인트가 있으면, 검증 질량 프레임은 열 경사의 존재시 고정 전극 핑거에 대해 이동할 가능성이 더 적다. 이것은 검증 질량의 재료(예를 들어, 실리콘)와 지지부 간 팽창률 차이로부터 초래되는 가속도계 바이어스를 감축한다.
일 세트의 예에서, 감지 구조는 적어도 2쌍의 고정 커패시터 전극을 포함한다. 가속도계에서, 각각의 쌍의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트는 서로 역상으로 구동될 수 있다. 검증 질량 앵커는 2개 이상의 쌍의 고정 커패시터 전극에 대해 중심에 있는 감지 방향을 따른 위치를 보유한다. 이것은 한 쌍의 고정 커패시터 전극이 중심 앵커 위에 위치결정될 수 있는 한편 다른 한 쌍의 고정 전극 핑거가 중심 앵커 아래에 위치결정될 수 있다는 것(즉, 감지 방향을 따라 바라볼 때)을 의미한다. 각각의 쌍의 고정 전극에서, 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트는 종래 기술에서와 같이 브레이스 바에 의해 이격되어 있다기보다는 감지 방향을 따라 서로 옆에 놓여 있을 수 있다. 역상으로 구동되는 각각의 쌍의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트는 차동 쌍을 초래한다. 2개의 제1 고정 전극 핑거 세트는 동상으로 전기적으로 접속될 수 있는 한편, 2개의 제2 고정 전극 핑거 세트는 역상으로 접속될 수 있다. 균일 온도 변화의 존재 시, 이러한 이중 차동 기법은 양 쌍의 고정 커패시터 전극이 동일한 양만큼 이동하고 그리하여 어느 바이어스 시프트라도 상쇄해 버리고 환산 계수 시프트를 최소화하게 야기한다. 종래 기술 설계에 비해, 환산 계수 변량은 10배만큼 감축될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 예에서, 감지 구조는 2개보다 많은 쌍의 고정 커패시터 전극을 포함할 수 있다. 감지 구조는 3개의 차동 전극 쌍, 또는 어느 다른 홀수의 고정 커패시터 전극 쌍이라도 포함할 수 있는 것이 가능하다. 하나보다 많은 차동 쌍의 고정 전극 핑거의 어느 배열이라도 균일 온도 변화 하에서 환산 계수의 안정성에서의 개선을 제공할 것이지만, 최적 배열은 짝수의 고정 커패시터 전극 쌍을 사용한다고 계산되었다. 그리하여, 일부 예에서, 감지 구조는 적어도 4, 6, 8 등(또는 어느 짝수라도)의 쌍의 고정 커패시터 전극을 포함할 수 있으며, 각각의 쌍의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트는 역상으로 구동된다. 온도 경사 하에서 개루프 감도에서의 개선은 짝수에 비해 홀수의 차동 전극 쌍을 사용할 때 더 작다고 계산되었다.
검증 질량이 하나 이상의 쌍의 고정 커패시터 전극을 둘러싸는 외측 프레임의 형태를 취하는 경우, 고정 커패시터 전극은 외측 프레임 내에 중심에 배열될 수 있다. 감지 구조에서의 전극의 배열은 감지 방향으로 대칭적이고 그리고/또는 감지 방향에 직각일 수 있다. 각각의 쌍의 고정 커패시터 전극은 검증 질량의 중심 앵커와 측방으로 정렬되는 앵커를 포함할 수 있다. 이것은 가속도계의 다양한 소자 간 공유 전기 접속을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 각각의 쌍의 고정 커패시터 전극은 감지 방향을 따라 검증 질량의 중심 앵커와 정렬된 중심 위치에서 지지부에 앵커링될 수 있다. 각각의 쌍의 고정 커패시터 전극에 대해, 단일 공유 전기 접속부가 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트에 제공될 수 있다. 이것은 필요로 되는 별개의 전기 접속부의 수를 감축할 수 있다. 2개 이상의 쌍의 고정 커패시터 전극이 역상으로 구동되는 경우에, 검증 질량에 대한 제5 전기 접속부와 일직선으로, 각각의 쌍의 고정 커패시터 전극에 대해 하나씩, 적어도 4개의 별개의 전기 접속부가 제공될 수 있다.
제1 세트의 예에서, 감지 구조는 감지 방향을 따라 대칭적으로 배열된 2쌍의 고정 커패시터 전극을 포함하며 중심 앵커의 양측에 한 쌍을 갖는다. 상위 쌍의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트는 하위 쌍의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트와 거울 대칭성을 가질 수 있으며, 대칭축은 중심 앵커를 통과한다. 감지 구조가 대칭적 오프셋을 갖도록 배열된 중심 앵커 아래의 제1 및 제2 하위 고정 전극 핑거 세트 및 중심 앵커 위의 제1 및 제2 상위 고정 전극 핑거 세트를 갖는 2쌍의 고정 커패시터 전극을 포함하는 가속도계에서, 제1 상위 고정 전극 핑거 세트는 제1 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동될 수 있고 그리고 제2 상위 고정 전극 핑거 세트는 제2 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동될 수 있다. 전극 핑거의 대칭적 배열에 기인하여, 균일 온도 변화에 기인하는 미분 커패시턴스 변화는 상쇄되어 버릴 것이다. 더욱, 구동 위상을 반전시키는 것은 신호 감지를 반전시킬 것이고 그래서 복조기 에러를 제거하도록 이중 복조("초핑 안정화")가 가능하다. 이것은 가속도계에서 감지 구조에 접속된 복조기의 전자 오프셋을 제거하도록 사용될 수 있다. 그 전극이 시효 문제로 시달리는 다이 본드에 의해 지지부에 실장되면, 그때는 고온 동작 수명 동안 이전에 관찰된 환산 계수 시프트는 상당히 감축될 수 있다. 이것은 지지부의 표면을 가로지르는 균일 다이 본딩의 존재에 종속한다.
다른 일 세트의 예에서, 2쌍의 고정 커패시터 전극은, 디바이스를 가로지르는 온도 경사로부터 초래되는 불균일 변화를 처리하기 위해, 감지 방향을 따른 거울 대칭성 없이 중심 앵커의 양측에 배열될 수 있다. 그렇지만, 그러한 열 경사의 효과는 균일 온도 변화의 효과보다 훨씬 더 작을 가능성이 있다. 그러한 예에서, 감지 구조는 반대 오프셋을 갖도록 배열된 중심 앵커 아래의 제1 및 제2 하위 고정 전극 핑거 세트 및 중심 앵커 위의 제1 및 제2 상위 고정 전극 핑거 세트를 갖는 2쌍의 고정 커패시터 전극을 포함할 수 있다. 그러한 감지 구조를 포함하는 가속도계에서, 제1 상위 고정 전극 핑거 세트는 제2 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동될 수 있고 그리고 제2 상위 고정 전극 핑거 세트는 제1 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동될 수 있다. 반대 오프셋은 온도 경사 하에서 보상을 제공하도록 배열될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 기저 지지부와 전극 간 불균일 다이 본드에 의해 만들어진 불균일 열 흐름이 있으면, 또는 외부 온도 경사의 존재에 기인하여 발생할 수 있다. 그렇지 않으면, 오프셋 다이 본드는, 예를 들어, 시효에 따른 다이 본드 재료의 차등 릴렉세이션에 기인하여 바이어스를 초래할 수 있다.
위의 예는 2쌍의 고정 커패시터 전극에 관한 경우이지만, 중심 앵커의 양측에 어느 짝수 쌍의 고정 커패시터 전극이라도, 예를 들어 4쌍의 고정 커패시터 전극이 또한 배열될 수 있음을 이해할 것이다. 가속도계에서, 그러한 다수 쌍의 전극은, 위에서 설명된 바와 같이, 대칭적으로 또는 비대칭적으로 구동될 수 있다.
본 발명의 예에서, 감지 구조는 가속도계를 형성하도록 적합한 구동 및 픽오프 전자장치에 접속될 수 있다. 가속도계에서, 각각의 쌍의 고정 커패시터 전극은 개루프 또는 폐루프 구성으로 구동될 수 있다. 개루프 구성에서, 예를 들어, 개루프 전자장치는 역상으로 각각의 쌍의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 구동하도록 배열된다. 개루프 전자장치는 정현파 또는 구형파 구동 신호를 인가할 수 있다. 개루프 동작에서, 검증 질량은 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트 사이에서 가속도 하에 자유롭게 이동하고 커패시턴스에서의 미분 변화는 검증 질량의 편향에 비례한다. 이들 예에서의 픽오프 신호는 (예를 들어, 저역 통과 필터링 후에) 출력 상에 나타나는 정류된 전압일 수 있다. 개루프 가속도계의 동작은 WO 2004/076340에 더 상세히 기술되어 있으며, 그 내용은 참조에 의해 여기에 편입된다.
폐루프 구성에서, 예를 들어, 폐루프 전자장치는 역상으로 각각의 쌍의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 구동하도록 배열된다. 구동 전자장치는 힘 평형을 달성하도록 전극에 가변 정전기력을 제공한다. 검증 질량은 가속도에 기인하는 관성력을 널링하는 정전기력에 의해 제자리에 고정된다. 아날로그 접근법에 있어서, 폐루프 전자장치는 별개의 구동 및 감지 신호를 인가할 수 있다, 즉, 시간 영역에서의 분리. 예를 들어, AC 전압 신호는 가해진 가속도의 관성력을 평형시키는 검증 질량 상의 정전기 복원력으로 전극을 구동하는 피드백 신호를 제공하도록 정전압이 크기가 가변되면서 감지에 사용될 수 있다. 디지털 접근법에 있어서, 펄스 폭 변조(PWM) 신호는 주파수 영역에서 여기 및 피드백 신호를 분리함으로써 구동 및 감지 양자에 대해 인가될 수 있다. 예를 들어, 약 1-3 kHz의 공진 주파수를 갖는 검증 질량에 대해, PWM 구동 신호는 약 100 kHz의 주파수에 있을 수 있다. 일부 예에서, 폐루프 전자장치는 검증 질량 상의 정전기 복원력을 가변하도록 조절가능한 마크:스페이스 비를 가질 수 있는 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 인가할 수 있다. 이들 예에서의 픽오프 신호는 PWM 구동 신호를 사용하여 검증 질량으로부터 취해진다. 폐루프 가속도계의 동작은 WO 2005/083451에 더 상세히 기술되어 있으며, 그 내용은 참조에 의해 여기에 편입된다.
검증 질량은 어느 적합한 수의 가요성 레그에 의해서라도 지지부에 실장될 수 있다. 일 세트의 예에서, 외측 프레임의 반대 양측은 한 쌍의 가요성 레그에 의해 중심 앵커에 연결될 수 있다. 예를 들어, 그 쌍의 가요성 레그는 중심 앵커의 반대 양측으로부터 뻗어있다. 2개 이상의 분리된 쌍의 가요성 레그에 의해 지지부에 검증 질량을 실장하는 것은 평면-외 회전 강성을 개선할 수 있음을 인식하였다. 이것은 감지 구조가 불요 평면-외 모드에 대해 더 높은 공진 주파수를 제공 가능하게 할 수 있다.
가요성 지지 레그는 검증 질량의 공진 주파수를 그리하여 감지 구조 및 가속도계의 감도를 설정한다. 검증 질량은 중심 앵커로 향하여 뻗어있는 복수의 동등하게 이격된 가요성 지지 레그, 예를 들어 2개 또는 4개의 지지 레그에 의해 실장될 수 있다. 각각의 지지 레그는 검증 질량이 가해진 가속도에 응답하여 이동할 때 지지 레그가 휘고 복원력을 가하여 검증 질량이 다시 휴지 위치로 향하게 재촉하도록 가속도계의 감지 방향에 실질적으로 직각 방향으로 뻗어있을 수 있다. 지지 레그가 더 짧을수록, 검증 질량의 공진 주파수는 더 높다. 디바이스의 전 치수를 상당히 증가시키지 않고 공진 주파수를 감축하는 것이 바람직하다. 특히 적합한 세트의 예에 있어서, 지지 레그는 사행 형태를 갖는다. 더욱, 각각의 지지 레그는 적어도 제1 일반적으로 일직선인 섹션, 제2 일반적으로 일직선인 섹션, 및 제1 및 제2 일반적으로 일직선인 섹션을 상호연결하는 일반적으로 U-형상인 형태의 단부 섹션을 포함하되, 단부 섹션의 두께는 제1 및 제2 일반적으로 일직선인 섹션의 양자의 중심 부분의 두께보다 더 큰 것이 개시되어 있다. 지지 레그의 이러한 구성은, 상당한 평면-외 가속도가 가해지는 경우 최고로 스트레싱되는, 단부 섹션에 대해 증가된 두께를 갖는 특히 유익한 사행 형태를 표현한다. 지지 레그는 실질적으로 WO 2013/050752에 기술된 바와 같은 사행 형태를 가질 수 있으며, 그 내용은 참조에 의해 여기에 편입된다.
본 발명의 많은 예에서, 검증 질량 및 고정 커패시터 전극은 반도체 기판, 예를 들어 실리콘 기판으로부터 일체로 형성될 수 있다. 검증 질량의 외측 프레임은 DRIE과 같은 식각 공정에 의해 반도체 기판으로부터 제조될 수 있다. MEMS 구조에 있어서, 검증 질량 및 고정 커패시터 전극은 동일 평면에 형성될 수 있다. 중심 앵커는 기저의 전기적 절연 지지부(예를 들어, 유리)에 고정 접합, 예를 들어 양극 접합될 수 있다.
여기에서 개시되는 바와 같은 감지 구조를 포함하는 가속도계는 깍지 끼인 용량성 전극 핑거에 댐핑 효과를 제공하도록 어느 적합한 기체 매질이라도 더 포함할 수 있다. 기체 매질은 공기, 질소, 아르곤, 헬륨 또는 네온 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그렇지만, 댐핑 계수를 증가시키도록 (예를 들어, 아르곤보다는) 네온이 선택될 수 있다. 따라서, 가속도계는 깍지 끼인 전극 핑거에 댐핑을 제공하도록 네온 기체를 포함하고 있을 수 있다.
여기에서 개시된 예 중 어느 하나에 있어서, 감지 구조는 MEMS, 특히 반도체 기판, 예를 들어 실리콘 기판으로부터 형성된 MEMS의 형태를 취할 수 있다. 지지부는 반도체 기판을 지지하는 전기적 절연, 예를 들어, 유리 베이스로 이루어질 수 있다. 당업계에 주지되어 있는 바와 같이 양극 접합이 사용될 수 있다. 전기적 절연, 예를 들어, 유리 베이스에 반도체 기판을 양극 접합하는 것은 접지면으로부터 깍지 끼인 전극 핑거의 커패시턴스를 전기적으로 격리시키는 이점을 갖는다. 작은 커패시턴스 변화는 용량성 가속도계에서의 감지 구조의 정확도에 매우 중요하다.
가동 및 고정 전극 핑거는 빗-같은 형태로 이격되어 있도록, 각각, 검증 질량 또는 고정 커패시터 전극으로부터 측방으로, 즉, 옆으로 뻗어있을 수 있다.
용어 "가동"은, 검증 질량이 가요성 레그에 의해 실장되는 것에 기인하여 지지부에 상대적으로 전체로서 이동가능하다는 사실에 의해, 핑거가 지지부, 및 지지부에 고정된 어느 전극에라도 상대적으로 이동할 수 있음을 나타내도록 사용된다는 것을 인식할 것이다. 물론 개개의 전극 핑거가 검증 질량에 상대적으로 이동가능하지는 않다.
하나 이상의 비-한정적 예가, 수반 도면을 참조하여, 이제 설명될 것이다:
도 1은 가속도계의 종래 기술 형태도; 및
도 2는 본 발명에 따른 일례의 가속도계.
도 1은 WO 2012/076837에 기술된 것과 유사한 용량성 가속도계(1)의 종래 기술 형태를 도시하고 있다. 가동 검증 질량 및 커패시터 전극은 기저 지지부에 실장된 실리콘 웨이퍼로부터 식각된다. 제1 질량 소자(2)는 제1 가요성 레그(2a, 2b)에 의해 지지부에 실장되고 제2 질량 소자(4)는 제2 가요성 레그(4a, 4b)에 의해 지지부에 실장된다. 상위 가요성 레그(2a, 4a)는 상위 앵커(6)에 연결되는 한편 하위 가요성 레그(2b, 4b)는 하위 앵커(8)에 연결된다. 상위 및 하위 앵커(6, 8)는, 예를 들어, 양극 접합에 의해 지지부에 별개로 배속된다. 단일 쌍의 고정 커패시터 전극은 제1 및 제2 질량 소자(2, 4) 사이에 위치하고 있다. 그 쌍의 고정 커패시터 전극은, 역상으로 구동되는, 제1 상위 고정 전극 핑거 세트(10) 및 제2 하위 고정 전극 핑거 세트(12)를 포함한다. 고정 전극 핑거(10, 12)는 (쌍촉 화살표에 의해 나타낸) 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있고 제1 및 제2 질량 소자(2, 4)로부터 안쪽으로 측방으로 뻗어있는 대응하는 가동 전극 핑거 세트(14, 16)와 깍지 끼여 있다. 검증 질량(2, 4)은 가해진 가속도에 응답하여 평면-내 감지 방향으로 고정 전극(10, 12)에 상대적으로 이동할 수 있다. 상위 및 하위 고정 전극 핑거 세트(10, 12)는 반대 방향으로 검증 질량 핑거(14, 16)로부터 오프셋되어 있어서, 양방향으로의 이동이 발생된 미분 커패시턴스로부터 측정될 수 있다.
이러한 디바이스(1)가 지지부(예를 들어, 유리)에 비해 실리콘 층의 차등 팽창을 야기하는 균일 온도 변화를 경험하면, 그때 상위 및 하위 앵커(6, 8)는 함께/따로 이동하고 상위 및 하위 고정 전극 핑거 세트(10, 12)는 함께/따로 이동한다. 대칭적 팽창은 온도의 함수로서 환산 계수 변량을 야기할 것이다. 실리콘에 대한 양호한 열 팽창 정합을 갖는, SD-2 유리를 지지부에 사용하더라도, 이것은 40 ppm/℃의 환산 계수 시프트를 초래할 수 있다. 더욱, 앵커 포인트(6, 8) 또는 고정 전극(10, 12)이, 예를 들어, 기저 유리 지지부의 스트레싱 또는 열 팽창에 기인하여 비대칭적으로 따로 이동하면, 그때는 바이어스 시프트가 있을 것이다. 이것은 보상되지 않은 바이어스를 1 mg/℃의 차수의 온도의 함수로서 초래할 수 있다. 용량성 가속도계의 온도 안정성을 개선하는 것이 바람직하다.
미분 커패시턴스는 아래에 작성된다:
Figure 112016081048642-pct00001
Figure 112016081048642-pct00002
에 대해,
여기서 x는 가속도에 기인하는 편향이고, d는 초기 핑거 갭이고 δ는 열 유발된 변형이다. 이것은 아래처럼 확장된다:
Figure 112016081048642-pct00003
Figure 112016081048642-pct00004
Figure 112016081048642-pct00005
.
환산 계수는 아래처럼 x에 대한 미분에 의해 주어진다:
Figure 112016081048642-pct00006
.
열 경사 효과의 관점에서, 미분 커패시턴스는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112016081048642-pct00007
,
여기서 d1 = d - δ, d2 = d + δ이고, x는 가속도에 기인하는 오프셋이고, δ는 열 경사에 기인하는 2개의 고정 전극 세트의 이동이다. 도 1로부터, 상위 세트는 위쪽으로 이동하여 갭을 닫고(δ는 음) 그리고 하위 세트는 위쪽으로 이동하여 갭을 증가시킨다(δ는 양).
이것은 다음으로 확장된다:
Figure 112016081048642-pct00008
Figure 112016081048642-pct00009
Figure 112016081048642-pct00010
Figure 112016081048642-pct00011
열 경사 하에서
Figure 112016081048642-pct00012
의 바이어스가 있고 환산 계수 시프트는 없다.
이들 계산은, 다음과 같이, 본 발명에 비교될 수 있다.
외측 프레임의 형태를 취하는 검증 질량(102)을 포함하는 용량성 가속도계(100)는 도 2를 참조하여 개시되어 있다. 검증 질량(102)은 중심 앵커(104)에 의해 기저 지지부에 배속되며, 나머지는 이동이 자유롭다. 한 쌍의 가요성 지지 레그(112)는 검증 질량 프레임(102)과 중심 앵커(104) 사이에 뻗어있다.
2쌍(106, 108)의 고정 커패시터 전극은 검증 질량(102)의 외측 프레임의 내측에 배열된다. 각각의 쌍(106, 108)은, 역상으로 구동되는, 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 포함한다. 고정 전극 핑거는 (쌍촉 화살표에 의해 나타낸) 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있고 검증 질량 프레임(102)으로부터 안쪽으로 측방으로 뻗어있는 대응하는 가동 전극 핑거 세트(110)와 깍지 끼고 있다. 상위 차동 쌍(106)에 있어서, 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트(106a, 106b)는 반대 방향으로 검증 질량 핑거(110)로부터 오프셋되어 있다. 이러한 예에 있어서, 하위 차동 쌍(108)에서의 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트(108a, 108b)는 상위 차동 쌍(106)과 거울 대칭성을 갖는다. 예를 들어, 전기 접속하도록 다운홀 비아로 상위 유리 층 상에 금속 트래킹에 의해 제1 상위 및 하위 고정 전극(106a, 108a)은 함께 결합되고 제2 상위 및 하위 고정 전극(106b, 108b)은 함께 결합된다. 제1 상위 및 하위 고정 전극(106a, 108a)은 동상 구형파(개루프) 또는 동상 PWM 신호(폐루프)에 의해 구동될 수 있고, 제2 상위 및 하위 고정 전극(106b, 108b)은 역상 구형파(개루프) 또는 역상 PWM 신호(폐루프)에 의해 구동될 수 있다. 이것은 균일 온도 변화가, 도 1의 단일 차동 쌍에 비해 미분 커패시턴스 변화가 소거되도록, 모든 4개의 고정 전극 핑거 세트로 하여금 동일 방식으로 이동하여 상쇄해 버리게 한다는 것을 의미한다.
도 2에서는, 4개의 핑거 세트에 대해 4개의 커패시턴스 세트(1, 2, 3, 4)가 있다. 미분 커패시턴스는 아래에 주어진다:
Figure 112016081048642-pct00013
,
여기서 d1 = d + αδ, d2 = d - αδ이고 α는 (106b, 108a)에 비해 핑거 세트(106a, 108b)의 중심으로부터 더 큰 거리를 나타내는 계수(~1.8)이다.
이것은 아래처럼 확장된다:
Figure 112016081048642-pct00014
Figure 112016081048642-pct00015
.
환산 계수는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112016081048642-pct00016
Figure 112016081048642-pct00017
α = 1.5에 대해, 온도 변화에 대한 환산 계수 감도는 도 1의 가속도계에 대해서보다 4배 더 작다.
디바이스를 가로지르는 온도 경사가 있으면, 그때는 여전히 잔차 바이어스 시프트가 있다. 이것은, 예를 들면, 유리 지지부와 실리콘 층 간 다이 본딩이 디바이스의 중심에 대해 대칭적이지 않으면 발생할 수 있다. 예시되지 않은 다른 일례에서, 이것은 최외측 고정 전극(106a, 108b)이 함께 결합되고 최내측 고정 전극(106b, 108a)이 함께 결합됨으로써 보상될 수 있다. 온도 경사 하에서, 상위 고정 전극 핑거(106a, 106b)는 중심 앵커(104)로부터 바깥쪽으로 이동하여 양의 미분 커패시턴스를 주고 그리고 하위 고정 전극 핑거(108a, 108b)는 중심 앵커(104)로부터 바깥쪽으로 이동하여 음의 미분 커패시턴스를 준다. 이러한 기법에서 온도 경사는 이중 미분 커패시턴스에 의해 상쇄될 수 있다. 그렇지만, 그러한 배열은 균일 온도 변화에 민감하다.
열 경사 하에서 미분 커패시턴스는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112016081048642-pct00018
여기서,
Figure 112016081048642-pct00019
.
열 경사 하에서, 고정 세트(106a)는 갭을 증가시키고, 고정 세트(106b)는 갭을 감소시키고, 고정 세트(108a)는 갭을 증가시키고 그리고 고정 세트(108b)는 갭을 감소시킨다.
이것은 다음을 내놓는다:
Figure 112016081048642-pct00020
이것은 다음을 내놓는다:
Figure 112016081048642-pct00021
Figure 112016081048642-pct00022
Figure 112016081048642-pct00023
이러한 경우에 다음의 바이어스가 있다:
Figure 112016081048642-pct00024
면적(A)은 도 1의 디바이스에 대한 면적의 ½이고, 그래서 도 1의 가속도계는 6의 계수를 갖는 한편, 도 2의 디바이스는 2.56의 계수를 갖는다(즉, 약 2배만큼 온도 경사 하에서 더 양호하다).
추가적 예는 2개보다 많은 쌍의 고정 커패시터 전극을 포함할 수 있고, 홀수도 가능하지만, 중심 앵커의 양측에 짝수 쌍이 배열되는 것이 가장 유리하다. 예를 들어, 8개의 고정 전극 핑거 세트를 포함하는 4쌍 기법은 동일한 원리에 기반하여 유사한 이점을 제공할 것이다.
도 2의 예가 2쌍의 고정 전극의 맥락에서 기술되었지만, 도 1의 디바이스에 비해 열 팽창 효과에서의 감축은 또한 중심 앵커의 양측에, 역상으로 구동되는, 단일 쌍의 고정 전극을 배열함으로써 달성될 수 있다. 2개의 외측 앵커 포인트를 디바이스의 중심에서의 단일 앵커 포인트로 교체함으로써, 외측 검증 질량 프레임은 프레임 앵커가 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트 사이에 중심에 위치결정되므로 고정 전극에 대해 이동할 가능성이 더 적다.

Claims (15)

  1. 감지 구조를 포함하는 가속도계로서,
    감지 구조는,
    지지부, 및 감지 방향을 따라 가해진 가속도에 응답하여 평면-내 이동을 위해 가요성 레그(flexible leg)에 의해 상기 지지부에 실장된 검증 질량(proof mass)으로서, 상기 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 상기 감지 방향으로 이격되어 있는 복수의 가동 전극 핑거를 포함하는 상기 검증 질량; 및
    각각 상기 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 상기 감지 방향으로 이격되어 있는 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 포함하는 2쌍의 고정 커패시터 전극을 포함하고,
    상기 제1 고정 전극 핑거 세트는 사이의 중앙선으로부터 하나의 방향으로 제1 오프셋으로 상기 가동 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열되고, 그리고 상기 제2 고정 전극 핑거 세트는 사이의 중앙선으로부터 반대 방향으로 제2 오프셋으로 상기 가동 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열되되,
    상기 검증 질량은 상기 2쌍의 고정 커패시터 전극을 둘러싸는 외측 프레임의 형태를 취하고, 상기 가요성 레그는 상기 2쌍의 고정 커패시터 전극에 대해 중심에 있는 상기 감지 방향을 따른 위치를 갖는 중심 앵커로 상기 검증 질량으로부터 안쪽으로 측방으로 뻗어있고,
    상기 2쌍의 고정 커패시터 전극은, 상기 중심 앵커의 제1측 상에 상기 감지 방향 내의 제1 및 제2 상위 고정 전극 핑거 세트와 상기 중심 앵커의 제2측 상에 상기 감지 방향 내의 제1 및 제2 하위 고정 전극 핑거 세트를 제공하고, 제1 및 제2 상위 고정 전극 핑거 세트와 제1 및 제2 하위 고정 전극 핑거 세트는 대칭적 오프셋을 갖도록 배열되고, 제1 상위 고정 전극 핑거 세트는 제1 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동되고, 제2 상위 고정 전극 핑거 세트는 제2 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동되는, 가속도계.
  2. 감지 구조를 포함하는 가속도계로서,
    감지 구조는,
    지지부, 및 감지 방향을 따라 가해진 가속도에 응답하여 평면-내 이동을 위해 가요성 레그(flexible leg)에 의해 상기 지지부에 실장된 검증 질량(proof mass)으로서, 상기 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 상기 감지 방향으로 이격되어 있는 복수의 가동 전극 핑거를 포함하는 상기 검증 질량; 및
    각각 상기 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 그리고 상기 감지 방향으로 이격되어 있는 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 포함하는 2쌍의 고정 커패시터 전극을 포함하고,
    상기 제1 고정 전극 핑거 세트는 사이의 중앙선으로부터 하나의 방향으로 제1 오프셋으로 상기 가동 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열되고, 그리고 상기 제2 고정 전극 핑거 세트는 사이의 중앙선으로부터 반대 방향으로 제2 오프셋으로 상기 가동 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열되되,
    상기 검증 질량은 상기 2쌍의 고정 커패시터 전극을 둘러싸는 외측 프레임의 형태를 취하고, 상기 가요성 레그는 상기 2쌍의 고정 커패시터 전극에 대해 중심에 있는 상기 감지 방향을 따른 위치를 갖는 중심 앵커로 상기 검증 질량으로부터 안쪽으로 측방으로 뻗어있고,
    상기 2쌍의 고정 커패시터 전극은, 상기 중심 앵커의 제1측 상에 상기 감지 방향 내의 제1 및 제2 상위 고정 전극 핑거 세트와 상기 중심 앵커의 제2측 상에 상기 감지 방향 내의 제1 및 제2 하위 고정 전극 핑거 세트를 제공하고, 제1 및 제2 상위 고정 전극 핑거 세트와 제1 및 제2 하위 고정 전극 핑거 세트는 반대 오프셋을 갖도록 배열되고, 제1 상위 고정 전극 핑거 세트는 제2 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동되고, 제2 상위 고정 전극 핑거 세트는 제1 하위 고정 전극 핑거 세트와 동상으로 구동되는, 가속도계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 짝수의 추가적 쌍의 고정 커패시터 전극을 포함하는, 가속도계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 쌍의 상기 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트는 상기 검증 질량의 상기 중심 앵커와 일직선을 이루는 중심 위치에서 상기 지지부에 앵커링되는, 가속도계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검증 질량에 대한 중심 전기 접속부와 일직선으로 배열된, 각각의 쌍의 상기 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트에 대한 공유 전기 접속부를 포함하는, 가속도계.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검증 질량은 2개 이상의 분리된 쌍의 가요성 레그에 의해 상기 중심 앵커에 연결되는, 가속도계.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 감지 구조는 MEMS인, 가속도계.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 개루프 전자장치는 역상으로 각각의 쌍의 상기 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 구동하도록 배열되는, 가속도계.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폐루프 전자장치는 역상으로 각각의 쌍의 상기 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트를 구동하도록 배열되는, 가속도계.
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