KR102628619B1 - 가속도계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 가속도계용 센싱 구조체로서, 지지체 및 상기 지지체에 가요성 레그들에 의해 장착된 검증 질량체로서; 상기 검증 질량체는 상기 센싱 방향에 수직인 이동 전극 핑거들을 포함하는, 상기 지지체 및 상기 검증 질량체; 및 상기 센싱 방향에 수직인 고정 커패시터 전극 핑거들을 갖는 적어도 4개의 고정 커패시터 전극을 포함하고; 상기 고정 커패시터 전극 핑거들은 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리고; 상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체의 중심선 상의 앵커에 의해 상기 지지체에 장착된, 상기 가속도계용 센싱 구조체에 관한 것이다. 상기 검증 질량체는 상기 고정 커패시터 전극들을 둘러싸는 외부 프레임을 갖는다. 상기 가요성 레그들은 상기 검증 질량체로부터 상기 앵커로 측방향 내측으로 연장된다. 상기 고정 커패시터 전극들은 2개의 내부 전극, 즉 상기 검증 질량체 중심선의 각 측에 하나씩 2개의 내부 전극, 및 2개의 외부 전극, 즉 상기 검증 질량체 중심선의 각 측에 하나씩 2개의 외부 전극을 포함한다. 각각의 내부 전극은 상기 기판에 앵커된 앵커 부분, 및 상기 앵커 부분으로부터 상기 중심선으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 전극 핑거들이 장착된 외팔보 아암을 포함한다. 각각의 외부 전극은 내부 고정 커패시터 전극의 상기 외팔보 아암과 상기 센싱 방향으로 오버랩되는 위치에서 상기 기판에 앵커되는 앵커 부분, 및 상기 앵커 부분으로부터 상기 중심선으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 고정 커패시터 전극 핑거들이 장착된 외팔보 아암을 포함한다. 따라서 상기 앵커 부분은 핑거들과 동일한 축 방향 범위를 차지하지 않도록 범위가 감소된다. 인접한 외부 고정 전극의 앵커 부분은 상기 중심선 및 상기 검증 질량체 앵커에 더 가깝게 이동되어, 상기 센싱 구조체에 걸쳐 온도 구배의 효과를 감소시킨다.
Description
본 발명은 가속도계용 센싱 구조체, 특히 가속도계용 정전용량형 센싱 구조체에 관한 것이다.
가속도계는 움직임 및/또는 진동으로 인한 가속력을 측정할 수 있는 전기 기계 장치이다. 가속도계는 지진 센싱, 진동 센싱, 관성 센싱 및 기울어짐 센싱을 포함하는 다양한 응용 분야에서 사용된다. 정전용량형 가속도계는 일반적으로 실리콘으로 제조되고, 마이크로 전기 기계 시스템(Micro Electromechanical System: MEMS) 구조체로 구현된다. 일반적인 MEMS 정전용량형 센싱 구조체는 지지체에 대해 이동 가능하게 장착된 검증 질량체(proof mass)를 포함한다. 검증 질량체로부터 연장되는 이동 전극 핑거(movable electrode finger)들의 세트는 고정 전극 핑거(fixed electrode finger)들의 하나 이상의 세트와 상호 엇물려(interdigitated), 전극 핑거들 사이의 차동 정전용량을 측정하여 센싱 방향으로 검증 질량체의 편향을 검출할 수 있다. 센싱 구조체를 포함하는 가속도계는 구동 신호 및 픽오프(pickoff) 신호를 위한 적절한 전자 장치를 포함한다.
검증 질량체는 일반적으로 가요성 장착 레그(flexible mounting leg)들에 의해 기판 상의 앵커 포인트(anchor point)에 장착되는데, 이 가요성 장착 레그들에 의해 검증 질량체는 센싱 방향으로 이동할 수 있게 된다. 고정 커패시터 핑거들이 또한 기판에 장착된다. 고정 용량성 핑거들의 여러 상이한 세트가 있을 수 있으며, 각각의 세트는 자체 전극으로부터 연장되고, 각각의 세트는 기판에 개별적으로 장착된다. 이들 상이한 핑거 세트는 상이한 핑거 배열(예를 들어, 핑거 간격 및 오프셋) 및 상이한 구동 배열을 가능하게 한다. 그러나, 각각의 전극은 다른 전극과 전기적으로 절연되어야 하므로, 각각의 전극은 기판에 대해 자체 장착 앵커를 필요로 한다.
WO 2004/076340 및 WO 2005/083451은 MEMS 장치의 센싱 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는 복수의 상호 엇물린 고정 전극 핑거 및 이동 전극 핑거를 포함하는 정전용량형 가속도계의 예를 제공한다. 이동 전극 핑거들과 고정 전극 핑거들 및 검증 질량체 조립체는 예를 들어 깊은 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching: DRIE)을 사용하여 단일 실리콘 기판으로 형성된다. 실리콘 기판은 일반적으로 요소들이 이동하는 유리의 예비 공동(pre-cavitation)을 갖는 유리 지지체에 양극 접합(anodically bonded)된다. 결합 및 DRIE 후에 캡 유리 웨이퍼(cap glass wafer)가 추가되어 가스 매체가 내부에 갇힌 상태로 밀폐 조립체가 형성된다. 대기압 가스(일반적으로 아르곤)는 검증 질량체가 이동할 때 검증 질량체에 임계 압착 필름 댐핑(critical squeeze film damping)을 제공한다. 유리 지지체의 상부 표면으로부터 활성 실리콘 요소로 전기적 연결을 만들기 위해 다운 홀 비아(down hole via)가 추가된다. 유리 지지체는 높은 전기 절연성을 제공하지만, 유리의 유형에 따라 열 팽창 계수에 불일치(mismatch)가 있다. 예를 들어, SD2 유리(규산알루미늄)는 파이렉스(Pyrex)(붕규산염)보다 우수한 열적 일치를 제공한다. 유리는, 접지로의 표유 정전용량(stray capacitance)을 감소시키기 때문에 지지체에 실리콘(예를 들어, 산화물 상에 결합된 실리콘 기술)에 우선하여 사용된다.
가속도계의 종래 기술의 예는 WO 2012/076837에 기술되어 있다. 이 센싱 구조체에서, 검증 질량체는 한 쌍의 고정 커패시터 전극의 양측(opposite sides)에 배열된 제1 및 제2 질량체 요소로 분할된다. 질량체 요소들은 단일 이동 검증 질량체를 형성하기 위해 브레이스 바(brace bar)에 의해 견고하게 상호 연결될 수 있다. 질량체 요소들은 별도의 상부 및 하부 앵커 포인트들에 연결되는 4개의 가요성 레그의 세트에 의해 하부 지지체에 장착된다. 앵커 포인트들과 고정 전극 핑거들의 2개의 세트는 하부 유리 지지체에 양극 접합된다. 이 설계의 문제는 온도 변화가 있을 때 유리 지지체와 실리콘 기판 사이에 차등 팽창이 발생한다는 것이다. 열 팽창이 균일한 경우에, 2개의 고정 전극은 2개의 검증 질량체 앵커 포인트에 대해 대칭으로 (예를 들어, 바깥쪽으로) 이동하여, 전극 핑거 갭들이 변함에 따라 스케일 팩터(scale factor)에 시프트(shift)를 일으킨다. 장치에 걸쳐 온도 구배(thermal gradient)가 있는 경우 2개의 고정 전극이 서로에 대해 비대칭으로 이동하여, 바이어스(bias) 시프트를 유발한다. 개 루프(open loop)에서 동작하는 경우, 이러한 장치의 감도는 일반적으로 (30g 범위의 경우) 30 nm/g이므로, 상대적 움직임이 30 pm이면 1 mg의 바이어스 시프트가 유발된다. 지지체 유리의 응력은 열 팽창/구배에 기인하거나 또는 장치 패키지에 사용된 다이 결합(diebond)에 의해 유도될 수 있다. 다이 결합은 보통 일반적으로 높은 열 팽창 계수를 갖는 낮은 영률(Young's modulus)을 갖고 또한 노화 영향(ageing effect)을 겪을 수 있는 엘라스토머 재료이다. 패키지로부터 MEMS로의 응력을 최소화하기 위해 대안적인 다이 결합 재료가 또한 사용될 수 있다.
WO2015/124910은 온도 영향의 문제를 해결하기 위해 상기 구조체에 대해 개선을 기술한다. 첫째, 검증 질량체는, 온도 구배가 존재할 때 고정 전극 핑거에 대해 크게 이동할 것 같지 않도록 하나의 중심 앵커에 의해 기판에 앵커된다. 둘째, 고정 핑거와 이동 핑거의 4개의 세트를 사용하여 이중 차동 정전용량 방식을 이용하여 온도 구배 효과를 상쇄시킬 수 있다.
MEMS 센서 다이는 일반적으로 유리 위의 실리콘(silicon-on-glass) 배열 또는 실리콘 위의 실리콘(Silicon-on-Silicon) 배열로 형성된다. 전자의 경우의 배열에서, 실리콘 MEMS 구조체는 상부 유리 기판과 하부 유리 기판 사이에 샌드위치되고, 조립체 내에 MEMS 구조체를 밀봉하도록 기판에 양극 접합(또는 프릿(frit) 결합)된다. 후자의 경우의 배열에서, 유리 기판 대신에 실리콘 기판이 사용된다. 유리의 CTE는 예를 들어 도핑에 의해 실리콘의 CTE에 합리적으로 근접하도록 종종 조절될 수 있다. 그러나 달성될 수 있는 CTE 일치에는 한계가 있기 때문에 결과로 나타나는 응력에 따라 여전히 차이가 있을 수 있다. 더 높은 정밀도가 추구됨에 따라 이러한 잔류 차이는 더욱 더 중요해지고 있다.
기존의 유사한 MEMS 가속도계는 모든 환경(동작 온도, 수명 등)에 걸쳐 약 1 mg(1000분의 1g)의 바이어스 안정성(bias stability)을 달성하였다. 이것은 온도, 수명 등에서 예상되는 모든 변동에 따라 바이어스가 1 mg을 초과하는 만큼 변하지 않을 것으로 예상된다는 것을 의미한다. 그러나 이것을 개선하는 것이 요구된다.
본 발명에 따르면, 가속도계용 센싱 구조체로서,
지지체, 및 상기 지지체에 가요성 레그들에 의해 장착되고 센싱 방향을 따라 인가된 가속도에 응답하여 평면 내에서 이동하기 위한 검증 질량체로서;
상기 검증 질량체는 상기 센싱 방향에 실질적으로 수직이고 상기 센싱 방향으로 이격되어 연장되는 복수의 이동 전극 핑거를 포함하는, 상기 지지체 및 검증 질량체; 및
적어도 4개의 고정 커패시터 전극으로서, 각각의 고정 커패시터 전극은 상기 센싱 방향에 실질적으로 수직이고 상기 센싱 방향으로 이격되어 연장되는 고정 커패시터 전극 핑거들의 세트를 포함하는, 상기 적어도 4개의 고정 커패시터 전극을 포함하고;
상기 고정 커패시터 전극 핑거들의 각 세트는 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고;
상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체의 중심선(centre line) 상에 위치된 검증 질량체 앵커에 의해 상기 지지체에 장착되며;
상기 검증 질량체는 상기 적어도 4개의 고정 커패시터 전극을 둘러싸는 외부 프레임의 형태를 취하고, 상기 가요성 레그들은 상기 검증 질량체로부터 상기 검증 질량체 앵커로 측방향 내측으로 연장되고;
상기 적어도 4개의 고정 커패시터 전극은 상기 검증 질량체의 상기 중심선의 각 측에 하나씩 2개의 내부 고정 커패시터 전극, 및 상기 검증 질량체의 상기 중심선의 각 측에 하나씩 2개의 외부 고정 커패시터 전극을 포함하며;
상기 2개의 내부 고정 커패시터 전극 각각은 상기 기판에 앵커된 앵커 부분(anchored part), 및 상기 앵커 부분으로부터 상기 중심선으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 고정 커패시터 전극 핑거들이 장착된 외팔보 아암(cantilevered arm)을 포함하고;
상기 2개의 외부 고정 커패시터 전극 각각은, 내부 고정 커패시터 전극의 상기 외팔보 아암과 상기 센싱 방향으로 오버랩(overlap)되는 위치에서 상기 기판에 앵커된 앵커 부분, 및 상기 앵커 부분으로부터 상기 중심선으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 고정 커패시터 전극 핑거들이 장착된 외팔보 아암을 포함하는, 상기 가속도계용 센싱 구조체가 제공된다.
상기 앵커 부분으로부터 연장되는 외팔보 아암에 상기 내부 고정 커패시터 전극 핑거들을 장착함으로써 상기 앵커 부분은 핑거들과 (센싱 축을 따라) 동일한 축 방향 범위를 차지하지 않는 정도로 범위가 줄어들 수 있다. 이것은 인접한 외부 고정 전극의 상기 앵커 부분이 (센싱 축을 따라) 축 방향으로 상기 중심선에 더 가깝게 이동할 수 있게 하여서 상기 검증 질량체 앵커에 더 가깝게 이동할 수 있게 한다. 상기 앵커 포인트들을 서로 더 가깝게 이동시키면 상기 앵커 포인트들의 말단들 사이의 온도 차이가 더 작아지기 때문에 상기 센싱 구조체에 걸쳐 온도 구배의 영향이 줄어든다. 상기 내부 전극과 외부 전극의 상기 외팔보 아암들은 상기 앵커 포인트들과 같이 하부 기판에 직접 고정되지 않아서, 이전 설계에서 이 핑거들이 겪었던 열 응력으로부터 실질적으로 차단된다. 상기 내부 전극 상의 외팔보 아암에 핑거들을 장착하면 또한 여전히 동일한 재료(일반적으로 실리콘)로 형성할 수 있으면서 상기 외팔보 아암과 나란히 상기 외부 전극의 앵커 포인트를 배치할 공간을 만들 수 있다. 상기 외부 전극의 외팔보 아암에 상기 외부 핑거들을 장착하면 또한 이 핑거들을 상기 센서 구조체의 외부 말단에서 이전에 발생되었던 열 응력으로부터 실질적으로 차단할 수 있다. 따라서, 상기 내부 전극과 외부 전극에 대한 상기 앵커 포인트들을 서로 그리고 상기 검증 질량체 앵커에 더 가깝게 그룹화함으로써, 즉 모든 앵커 포인트를 상기 센서 구조체의 중심에 가깝게 그룹화함으로써, 열의 영향이 감소되고 가속도계 바이어스의 변동이 감소된다. 따라서 장치의 바이어스 안정성이 향상되어 가속도계 출력의 정확도가 향상된다. 이 향상된 설계로 가속도계는 이전 설계의 1 mg의 바이어스 안정성에 비해 0.1 mg의 바이어스 안정성을 달성할 수 있는데, 즉 10배의 성능 향상을 달성할 수 있다. 이것은 길이방향 온도 구배로 인해 및 장기간 바이어스 시프트 및 다이 결합 노화 효과를 유발하는 다이 결합의 장기간 크리프(creep)와 같은 다이 결합 효과로 인해 MEMS의 응력의 영향을 줄임으로써 달성된다.
이전의 설계에서 상기 검증 질량체 앵커는 상기 센싱 축을 따라 중간에서 상기 중심선의 중심에 및 이 중심선의 중심에 모두 위치되었다. 이것은 상기 가요성 레그들이 상기 검증 질량체 앵커로부터 상기 검증 질량체 프레임으로 바깥쪽으로 연장될 수 있는 공간을 제공하였다. 그러나, 본 발명의 바람직한 예에서는, 상기 검증 질량체 앵커는 제1 검증 질량체 앵커 및 제2 검증 질량체 앵커를 포함하고, 상기 제1 검증 질량체 앵커 및 제2 검증 질량체 앵커는 이들 사이에 갭이 형성된 상태로 상기 검증 질량체의 상기 중심선 상에 모두 위치되고, 상기 2개의 내부 고정 커패시터 전극 각각은 상기 갭 내에 적어도 부분적으로 위치된 앵커 부분을 갖는다.
상기 제1 및 제2 검증 질량체 앵커가 여전히 상기 중심선 상에 위치되기 때문에, 열 응력 면에서 장점이 유지된다. 그러나 상기 2개의 검증 질량체 앵커 부분 사이의 중심에 갭을 형성하면 상기 내부 전극들의 앵커 포인트들이 상기 중심선에 더 가깝게 이동될 수 있어 상기 검증 질량체 앵커들과 오버랩될 수 있다. 이것은 상기 검증 질량체 앵커 포인트들 및 상기 내부 고정 전극 앵커 포인트들에 의해 경험되는 온도차를 더 감소시켜, 상기 프레임 상의 상기 이동 전극들과 상기 내부 고정 전극들 상의 상기 고정 전극들 사이의 열 응력을 감소시킨다. 또한, 상기 외부 전극 앵커가 상기 내부 전극의 상기 외팔보 아암과 오버랩된 상태에서, 상기 외부 전극 앵커 포인트들은 또한 상기 중심선에 더 가깝게 가게 되고 또한 상기 검증 질량체 앵커 포인트들에 더 가깝게 가게 되어, 열 응력의 영향을 더 감소시켜, 구조체의 바이어스 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 검증 질량체 앵커가 제1 및 제2 검증 질량체 앵커로 분리되어 이들 사이에 갭이 있는 상태에서, 상기 가요성 레그들에 이전에 사용된 공간은 상기 검증 질량체 앵커들에 의해 적어도 부분적으로 점유된다. 그리하여, 바람직하게는 상기 가요성 레그들은 상기 프레임의 크기를 증가시키지 않으면서 상기 가요성 레그들에 충분한 길이를 허용하도록 상기 검증 질량체 앵커의 내측(프레임으로부터 가장 먼 측)에 부착된다. 이것은 상기 가요성 레그들이 상기 중심선으로부터 먼 상기 제1 및 제2 검증 질량체 앵커의 측들에 위치될 수 있게 한다(바람직하게는, 중심선의 양측에, 즉 각 측면에 하나씩, 2개의 가요성 레그가 각각의 검증 질량체 앵커 상에 있다).
상기 검증 질량체 앵커 구조체를 변경하는 것은 또한 상기 제1 및 제2 검증 질량체 앵커를 동일한 전기 전위에 유지하는 것과 관련하여 문제를 제기한다. 이것은 상기 프레임의 양측에 일관된 정전용량 측정값을 보장하는 데 바람직하다. 그리하여, 일부 예에서, 상기 제1 검증 질량체 앵커와 상기 제2 검증 질량체 앵커는 상기 중심선을 따라 얇은 연결 구조체에 의해 함께 연결되어, 2개의 구조체는, (프레임의 평면에 수직인, 위로부터 보았을 때) I-형상을 갖는 단일 구조체로 전기적으로 함께 연결된다. 상기 얇은 연결 구조체는 상기 내부 전극 앵커들이 배치될 수 있는 상기 중심선에 가까운 정도를 줄이기 때문에 적절한 전기적 연결을 달성하는데 필요한 만큼 얇은 것이 바람직하다. 대안적인 예에서, 상기 제1 검증 질량체 앵커 및 상기 제2 검증 질량체 앵커는 별개의 구조체로서 형성된다. 이들 검증 질량체 앵커는 여전히 상기 지지 레그들과 상기 검증 질량체의 프레임을 통해 전기적으로 연결되지만, 원한다면, 이들 검증 질량체 앵커는 각 검증 질량체 앵커에 대해 하나의 비아씩 2개의 비아 사이의 트레이스(trace)와 같은 별도의 전기적 연결에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 이 전기적 연결은 많은 고정 전극에 대해 이동 검증 질량체의 단 하나의 정전용량만이 측정되는 것을 보장한다. 이러한 배열이 2개의 검증 질량체 앵커 사이에 적절한 전기적 연결을 제공하는 경우, 얇은 연결 구조체는 필요 없어서, 이에 의해, 상기 내부 전극 앵커들이 이들 사이에 전기적 접촉 없이 가능한 한 상기 중심선에 가깝게 갈 수 있게 한다.
일반적인 센서 구조체에서, 각각의 고정 전극은 2개의 반대 방향으로 센싱 방향에 수직으로 연장되는 (즉, 센싱 방향에 평행한 정중선(mid-line)으로부터 멀어지는 양 방향으로 연장되는) 전극 핑거들을 갖는다. 이것은 일반적으로 각 내부 전극의 각 측에 외팔보 아암(즉, 정중선의 일측에 하나의 아암 및 정중선의 타측에 다른 아암)을 필요로 하여서, 상기 내부 전극은 C-형상을 갖고 'C'의 평행한 아암들은 외팔보 아암이고 'C'의 연결 백본(backbone)은 앵커 부분이 된다. 인접한 외부 전극의 앵커 부분은 'C' 내측에, 즉 2개의 평행한 외팔보 아암 사이에 위치될 수 있다.
상기 내부 전극들 및 상기 외부 전극들의 외팔보 아암(들)은 바람직하게는 상기 센싱 방향에 평행하게 연장되어, 각 전극의 앵커 부분보다 센싱 방향을 따라 전극 핑거들을 위한 장착 구조체를 더 제공하는 것으로 이해된다. 동시에, 고정 커패시터 전극 핑거들의 각 세트의 핑거들 중 적어도 일부는 내부 고정 전극 또는 외부 고정 전극의 외팔보 아암 상에 외팔보 방식으로 장착된다. 상기 전극 핑거들은 상기 센싱 방향에 수직으로 연장된다. 따라서, 상기 전극 핑거들의 적어도 일부는 2개의 수직 외팔보에 의해 이중 외팔보 방식으로 각각의 전극 앵커 포인트에 연결된다.
상기 검증 질량체는 임의의 적절한 개수의 가요성 레그에 의해 상기 지지체에 장착될 수 있다. 하나의 세트의 예에서, 상기 외부 프레임의 양측은 한 쌍의 가요성 레그에 의해 상기 검증 질량체 앵커에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 한 쌍의 가요성 레그는 상기 검증 질량체 앵커의 양측으로부터 연장된다. 그러나 상기 검증 질량체를 2개 이상의 분리된 가요성 레그 쌍에 의해 상기 지지체에 장착하면 평면 외(out-of-plane)로의 회전 강성이 향상될 수 있다. 이것은 센싱 구조체가 원치 않는 평면 외 모드에 대해 더 높은 공진 주파수를 제공할 수 있게 한다. 전술한 바와 같이, 상기 검증 질량체 앵커가 제1 및 제2 검증 질량체 앵커로 분리되고 이들 사이에 갭이 있는 경우에, 상기 2개 이상의 분리된 가요성 레그 쌍은 바람직하게는 상기 가요성 레그에 대해 충분한 길이를 허용하도록, 상기 검증 질량체 앵커들 중 하나의 검증 질량체 앵커의 내측(센싱 방향에 평행한 정중선에 가장 가까운 측)에 부착된다.
본 발명의 많은 예에서, 상기 검증 질량체 및 상기 고정 커패시터 전극들은 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘 기판으로 일체로 형성될 수 있다. 상기 검증 질량체의 외부 프레임(및 다른 모든 특징부는 고정 전극들을 포함함)은 깊은 반응성 이온 에칭(DRIE)과 같은 에칭 프로세스에 의해 반도체 기판으로부터 제조될 수 있다. 이것은 단일 단계 에칭으로 수행될 수 있다. MEMS 구조체에서, 상기 검증 질량체 및 상기 고정 커패시터 전극들은 동일한 평면에 형성될 수 있다. 중심 앵커들은 하부 전기 절연성 지지체(예를 들어, 유리)에 고정적으로 결합될 수 있는데, 예를 들어, 양극 접합될 수 있다.
본 명세서에 개시된 센싱 구조체를 포함하는 가속도계는 상호 엇물린 용량성 전극 핑거들에 댐핑 효과를 제공하기 위해 임의의 적절한 가스 매체를 더 포함할 수 있다. 상기 가스 매체는 공기, 질소, 아르곤, 헬륨 또는 네온 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나 (예를 들어, 아르곤보다는) 네온이 더 높은 점성으로 인해 댐핑 인자를 증가시키기 위해 선택될 수 있다. 따라서, 상기 가속도계는 이동 검증 질량체 구조체의 적어도 임계 댐핑을 달성하기 위해 상호 엇물린 전극 핑거들에 댐핑을 제공하기 위해 네온 가스를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 예에서, 상기 센싱 구조체는 MEMS의 형태, 특히 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘 기판으로 형성된 MEMS의 형태를 취할 수 있다. 상기 지지체는 상기 반도체 기판을 지지하는 전기 절연체, 예를 들어, 유리 베이스로 구성될 수 있다. 이 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 양극 접합이 사용될 수 있다. 상기 반도체 기판을 전기 절연체, 예를 들어, 유리 베이스에 양극 접합시키면 접지 평면으로부터 상호 엇물린 전극 핑거들의 정전용량을 전기적으로 절연시키는 장점이 있다. 작은 정전용량의 변화라도 정전용량형 가속도계의 센싱 구조체의 정확도에 매우 중요하다.
이동 전극 핑거 및 고정 전극 핑거는 빗살(comb) 모양의 형태로 이격되도록 상기 검증 질량체 또는 고정 커패시터 전극으로부터 측방향으로, 즉 옆 방향으로 각각 연장될 수 있다.
"이동"이라는 용어는 상기 검증 질량체가 상기 가요성 레그들에 의해 장착된 것으로 인해 상기 지지체에 대해 전체적으로 이동 가능한 것에 의해 상기 핑거들이 상기 지지체에 대해 및 상기 지지체에 고정된 임의의 전극에 대해 이동할 수 있는 것을 나타내는데 사용되는 것으로 이해된다. 물론, 개별 이동 전극 핑거들이 상기 검증 질량체에 대해 이동할 수는 없다.
본 발명의 다른 양태들은 전술한 바와 같은 센싱 구조체(이는 또한 전술한 바람직한 특징들 또는 선택적인 특징들 중 임의의 것을 선택적으로 포함함)를 포함하는 가속도계로 확장된다.
일부 바람직한 예에서, 상기 센싱 구조체는 상기 중심선의 일측에 제1 내부 고정 전극 및 제1 외부 고정 전극을 포함하고, 상기 중심선의 반대측에 제2 내부 고정 전극 및 제2 외부 고정 전극을 포함하고; 상기 제1 내부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선(median line)으로부터 일 방향으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고; 상기 제2 내부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선으로부터 반대 방향으로 대칭적으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 서로 엇물리도록 배열되고; 상기 제1 외부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선으로부터 일 방향으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고; 상기 제2 외부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선으로부터 반대 방향으로 대칭적으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고; 상기 가속도계는 상기 제2 내부 전극과 동위상으로 상기 제1 외부 전극을 구동하도록 배열되고, 상기 제2 외부 전극과 동위상으로 상기 제1 내부 전극을 구동하도록 배열된다. 따라서 상기 4개의 고정 전극은 상기 검증 질량체에 차동 정전용량 출력을 제공하도록 2개의 세트를 형성한다.
개 루프 동작을 위해, 2쌍의 고정 전극을 구동하는데 역위상 구형파(anti-phase square wave)(예를 들어, 제1 내부 고정 전극 및 제2 외부 고정 전극에 대해 하나의 구형파 및 제2 내부 고정 전극 및 제1 외부 고정 전극에 대해 역위상 구형파)가 사용된다. 폐 루프(closed loop) 동작의 경우 구형파는 역위상 PWM(Pulse Width Modulation) 구동으로 대체된다. 출력 신호는 상기 검증 질량체에서 픽업되고, 전치 증폭기는 오프셋 정전용량을 센싱하기 위해 이것에 연결된다.
본 발명의 예에서, 상기 센싱 구조체는 가속도계를 형성하기 위해 적절한 구동 및 픽오프 전자 장치에 연결될 수 있다. 상기 가속도계에서, 고정 커패시터 전극들의 각 쌍(하나의 내부 전극 및 중심선의 반대측에 있는 하나의 외부 전극을 갖는 쌍)은 개 루프 또는 폐 루프 구성으로 구동될 수 있다. 개 루프 구성에서, 예를 들어, 개 루프 전자 장치는 제1 쌍 및 제2 쌍을 역위상으로 구동하도록 배열된다. 다시 말해, 상기 개 루프 전자 장치는 바람직하게는 상기 제1 내부 전극 및 상기 제1 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열되고, 상기 제2 내부 전극 및 상기 제2 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열된다. 상기 개 루프 전자 장치는 사인파 또는 구형파 구동 신호를 인가할 수 있다. 개 루프 동작에서, 상기 검증 질량체는 가속 상태에서 자유로이 이동하여, 고정 전극 핑거들의 내부 세트 및 이에 인접한 외부 세트 사이의 정전용량의 차동 변화(출력으로 검증 질량체에서 센싱됨)는 상기 검증 질량체의 편향에 비례한다. 이들 예에서 픽오프 신호는 (예를 들어, 저역 통과 필터링 후에) 출력 상에 나타나는 복조 전압일 수 있다. 개 루프 가속도계의 동작은 WO 2004/076340에 보다 상세히 기술되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 병합된다.
폐 루프 구성에서, 예를 들어, 폐 루프 전자 장치는 고정 전압 PWM 구동의 마크(하나의 쌍)와 공간(다른 쌍)을 사용하여 고정 전극들의 쌍(일측에 내부 고정 전극 및 중심선의 반대측에 외부 고정 전극을 갖는 쌍)을 역위상으로 구동하도록 배열된다. 다시 말해, 폐 루프 전자 장치는 제1 내부 전극 및 제1 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열되는 것이 바람직하며, 제2 내부 전극 및 제2 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열된다. 상기 구동 전자 장치는 상기 전극에 가변적인 정전기력을 제공하여 상기 검증 질량체가 널(null) 위치에 유지되도록 힘을 균형 있게 유지하여 PWM 비율이 가속도에 선형 비례하도록 한다. 폐 루프 동작에서 일반적으로 상기 PWM 전압은 구동 전압 및 센싱 전압을 형성한다. 센싱은 일반적으로 각각의 절반의 사이클(half cycle) 동안 PWM 전이에 후속하여 단기간(예를 들어, 하나의 특정 예에서 2 마이크로초)에 수행된다(센싱 기간은 일반적으로 위 예에서 20 마이크로초일 수 있는 사이클의 길이에 비해 짧다).
디지털 접근법에서, 펄스 폭 변조(PWM) 신호는 주파수 영역에서 여기(excitation) 신호와 피드백(feedback) 신호를 분리함으로써 구동 및 센싱에 적용될 수 있다. 예를 들어, 약 1 kHz 내지 3 kHz의 공진 주파수를 갖는 검증 질량체의 경우, PWM 구동 신호는 약 50 kHz의 주파수에 있을 수 있다. 일부 예에서, 상기 폐 루프 전자 장치는, 상기 검증 질량체에 가해지는 정전 복원력(electrostatic restoring force)을 변화시키기 위해 조절 가능한 마크:공간 비(mark:space ratio)를 가질 수 있는 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 인가할 수 있다. 이 예에서 픽오프 신호는 PWM 구동 신호를 사용하여 검증 질량체로부터 취해진다. 폐 루프 가속도계의 동작은 WO 2005/083451에 보다 상세히 기술되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 병합된다.
이제 하나 이상의 비 제한적인 예를 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서만 설명한다.
도 1은 종래 기술의 가속도계를 도시한 도면;
도 2는 외팔보 고정 핑거들을 갖는 가속도계의 제1 실시예를 도시한 도면;
도 3은 외팔보 고정 핑거들을 갖는 가속도계의 제2 실시예를 도시한 도면;
도 4는 가속도계의 단면을 도시한 도면.
도 1은 종래 기술의 가속도계를 도시한 도면;
도 2는 외팔보 고정 핑거들을 갖는 가속도계의 제1 실시예를 도시한 도면;
도 3은 외팔보 고정 핑거들을 갖는 가속도계의 제2 실시예를 도시한 도면;
도 4는 가속도계의 단면을 도시한 도면.
도 1은 기존의 가속도계 설계를 도시한다. 가속도계(100)는 직사각형 프레임 형태의 검증 질량체(102)를 포함한다. 검증 질량체(102)는 기판에 부착된 (예를 들어, 기판에 양극 접합된) 중심 마운트(104)로부터 연장되는 가요성 레그(106)를 통해 하부 기판에 장착된다.
또한, 4개의 고정 전극(108, 110, 112, 114)이 기판에 장착된다. 각각의 고정 전극은 파선으로 표시된 각각의 앵커(109, 111, 113, 115)에서 기판에 결합된다. 각각의 고정 전극은 센싱 축에 수직인 양 방향으로 연장되는 (그리고 센싱 축에 평행한 정중선 주위로 대칭으로 연장되는) 고정 전극 핑거(116)들을 갖는다. 이들 고정 전극 핑거(116)는, 검증 질량체(102) 상에 형성되고 이 검증 질량체로부터 내측으로 연장되는 이동 전극 핑거(118)들과 상호 엇물린다.
(양방향 화살표(103)로 표시된) 센싱 방향으로 가속 상태에서 검증 질량체(102)는 기판에 대해 및 그리하여 고정 전극 핑거(108, 110, 112, 114)에 대해 센싱 방향으로 이동하며, 상호 엇물린 고정 커패시터 핑거(116) 및 이동 커패시터 핑거(118) 사이의 갭을 변화시킨다.
4개의 고정 전극은 제1 외부 고정 전극(108), 제1 내부 고정 전극(110), 제2 내부 고정 전극(112), 및 제2 외부 고정 전극(112)으로 식별될 수 있다. 제1 외부 고정 전극(108) 및 제1 내부 고정 전극(110)은 센싱 축(103)에 수직인 중심선(120)의 일측에 있는 반면, 제2 내부 전극(112) 및 제2 외부 전극(114)은 중심선(120)의 반대측에 있다. 가속도계(100)는 중심선(120)에 대해 대칭이다.
고정 전극 핑거(116) 및 이동 전극 핑거(118)는 균일하게 상호 엇물려 있지 않고, 인접한 고정 전극 핑거들 사이의 중선으로부터 오프셋되어 있다. 따라서, 검증 질량체(102)가 가속 상태에 있지 않을 때, 2개의 인접한 고정 커패시터 핑거(116) 사이에 상호 엇물려 있는 이동 전극 핑거(118)는 다른 것보다, 고정 커패시터 핑거들 중 하나의 고정 커패시터 핑거에 더 가깝다. 오프셋의 방향은 상이한 고정 전극(108, 110, 112, 114)에 대해 상이하다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 이동 커패시터 핑거(118)는 제1 외부 전극(108)의 고정 커패시터 핑거(116)에 대해서는 일 방향으로 오프셋되어 있으나, 제1 내부 전극(110)의 고정 커패시터 핑거(116)들에 대해서는 반대 방향으로 오프셋되어 있다. 전술된 바와 같이, 가속도계(100)는 중심선(120)에 대해 대칭이다. 따라서, 제1 외부 전극(108)의 고정 핑거(116)는 제2 내부 전극(112)의 것과 동일한 오프셋을 갖고, 가속 상태에서 동일한 정전용량 변화를 겪는다(따라서 제1 고정 전극 쌍을 형성한다). 유사하게, 제1 내부 전극(110)의 고정 핑거(116)는 제2 외부 전극(114)의 것과 동일한 오프셋을 갖고, 가속 상태에서 동일한 정전용량 변화를 겪는다(따라서 제2 고정 전극 쌍을 형성한다). 가속 상태에서, 제1 쌍의 고정 전극(108, 112)은 제2 쌍의 고정 전극(110, 114)에 비해 반대의 정전용량의 변화를 겪어서 하나의 쌍의 정전용량은 증가하는 반면 다른 쌍의 정전용량은 감소하거나 또는 그 반대일 수 있다. 2개의 쌍의 고정 전극 핑거를 역위상 신호들로 구동함으로써, 센싱 축(103)을 따라 변위되는 양에 비례하는 차동 정전용량 신호가 검증 질량체에서 센싱되어, 가속도계 출력을 제공할 수 있다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 고정 전극(108, 110, 112, 114)의 앵커 포인트(109, 111, 113, 115), 즉, 고정 전극들이 하부 기판에 결합된 영역들은 센싱 축을 따라 상당히 멀리 이격되어 있다. 온도 구배 하에서, 제1 외부 고정 전극(110)의 앵커 포인트(109)가 겪는 응력은 제2 외부 고정 전극(114)의 앵커 포인트(115)가 겪는 응력과 상이할 수 있다. 앵커 포인트(109, 115)가 더 멀수록 이 응력 차이가 더 커진다. 응력의 차이는 가속도계 출력에 바이어스를 발생시킨다.
도 2는 고정 전극(110, 112, 114, 116)의 앵커 포인트(109, 111, 113, 115) 사이의 거리가 감소된 가속도계(100)의 개선된 배열을 도시한다.
외부 고정 전극(108, 114)의 앵커 패드(anchor pad)(109, 115)를 함께 더 가깝게 (그리고 중심선(120)에 가깝게) 가져가기 위해, 내부 고정 전극(110, 112)은 C-형상으로 형성된다. 제1 내부 전극(110)을 예로 들면, 앵커 패드(111)는 C-형상의 배면을 형성하는 한편, C-형상의 아암(131)은 앵커 패드(111)로부터 멀어지는 방향으로 외팔보 방식으로 센싱 방향으로 연장된다. 이들 외팔보 아암(131)은 그 자체는 하부(또는 상부) 기판에 결합되지 않고 앵커 패드(111)를 통해서만 연결된다. 고정 커패시터 핑거(116)는 평소와 같이 아암(131)으로부터 외측으로 연장된다. 고정 전극 핑거(116)는 외팔보 방식으로 통상 (즉, 또한 도 1에서와 같이) 장착되지만, 이 예에서는 이중 외팔보 방식으로 장착되는데, 즉, 고정 전극 핑거(116)는 앵커 패드(111)에서 외팔보로 형성된 아암(131)에서 외팔보로 형성되는 것으로 이해된다. 고정 전극 핑거(110)의 C-형상은 제1 외부 고정 전극(108)의 앵커 패드(109)가 형성될 수 있는 외팔보 아암(131) 사이의 영역을 제공한다. 이것은 앵커 패드(109)가 이전의 설계에서보다 중심선(120)에 훨씬 더 가깝게 이동될 수 있게 하는데, 즉 인접한 제1 내부 전극(110)의 앵커 패드(111)에 훨씬 더 가깝게 이동될 수 있게 하여, 검증 질량체(102)의 앵커 패드(104a, 104b)에 훨씬 더 가깝게 이동될 수 있게 한다(아래에서 더 논의됨). 앵커 패드(109)를 이렇게 새로운 위치에 배치하는 것으로 인해, 제1 외부 고정 전극(108)의 고정 전극 핑거(116) 각각은, 하부(또는 상부) 기판에 결합되지 않고 앵커 패드(109) 상에 외팔보 방식으로 장착된 제1 외부 고정 전극(108)의 영역(132)으로부터 외팔보 방식으로 장착되기 때문에, 이들 고정 전극 핑거(116)는 또한 이제 이중 외팔보 방식으로 장착된다.
중심선(120)의 타측에 대칭으로 형성된 제2 내부 전극(112) 및 제2 외부 전극(114)에 대해서도 동일한 배열이 사용되므로 여기서는 더 이상 설명하지 않는다.
또한 중심 앵커 패드(104)를 2개의 앵커 패드, 즉 제1 앵커 패드(104a)와 제2 앵커 패드(104b)로 분리함으로써 앵커 패드(109, 111, 113, 115)의 위치 설정을 더욱 향상시킬 수 있다. 각각의 앵커 패드는 기판에 결합(예를 들어, 양극 접합)된다. 제1 및 제2 앵커 패드(104a, 104b)는 여전히 중심선(120) 상에 형성되지만, 이제 이들 사이에 (즉, 앵커 패드(104a, 104b)의 내부를 향하는 표면들 사이에) 갭(130)이 존재한다. 앵커 패드(104a, 104b) 사이에 이 갭(130)을 형성하면 앵커 패드(111, 113)는 갭(130) 내로 그리고 중심선(120)에 더 가깝게 이동될 수 있다. 이것은 앵커 패드(111, 113) 사이의 거리를 감소시켜, 외부 고정 전극(108, 114)의 앵커 패드(109, 115) 사이의 거리를 감소시킨다. (검증 질량체 앵커(104)를 분리시켜 갭(130)을 형성하는) 이 추가적인 개선은 또한 도 2에 도시되어 있지만, 검증 질량체 앵커(104)가 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 중심에 형성된 앵커로 유지되고 C-형상의 내부 전극(110, 112)을 갖는 것으로 형성된 예에서도 여전히 상당한 개선이 달성될 수 있는 것으로 이해된다.
도 2의 배열에서, 검증 질량체 앵커가 제1 앵커 패드(104a)와 제2 앵커 패드(104b)로 분리된 상태에서, 앵커 패드(104a, 104b)와 검증 질량체 프레임(102) 사이의 거리가 크게 줄어든 것을 볼 수 있다. 따라서, 상기 가요성 레그(106)가 도 1에 도시된 바와 같이 앵커 패드(104)의 외부 표면으로부터 프레임(102)으로 더 이상 간단히 연장될 수는 없는데 그 이유는 이것이 검증 질량체(102) 및 이동 핑거(118)가 이동할 수 있을 만큼 충분한 굴곡을 제공하지 못할 것이기 때문이다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 가요성 장착 레그가 앵커 패드(104a, 104b)와 프레임(102) 사이에 가능한 길게 연장되도록 가요성 장착 레그(106)는 프레임(102)으로부터 각 앵커 패드(104a, 104b)의 최내측(134)으로 연장된다. 도 1의 배열에 비해, 이것은 가요성 레그(106)가 앵커 패드(104a, 104b)의 측면으로 연장되는 것, 즉 센싱 방향으로 앵커 패드(104a, 104b)의 양 측면으로 연장되는 것을 요구하여, 센싱 방향(103)으로 가속도계에 요구되는 길이를 약간 증가시킬 것을 요구한다. 그러나, 이러한 증가는 문제가 되지 않으며, 고정 전극(108, 110, 112, 114)의 앵커 패드(109, 111, 113, 115)의 위치를 이렇게 설정하는 장점이 훨씬 더 현저한 개선이다.
도 3은 도 2의 배열의 변형예를 도시한다. 동일한 참조 부호가 사용되고 여기서 추가적인 설명은 생략될 것이다. 도 2의 예에서, 2개의 검증 질량체 앵커 패드(104a, 104b)는 가요성 레그(106) 및 검증 질량체 프레임(102)을 통해 전기적으로만 연결된다. 이것은 전체 검증 질량체 구조체에 걸쳐 균일한 전위를 보장하기 위해 적절한 전기적 연결을 제공할 수 있다. 그러나, 가요성 레그(106) 및 프레임(102)과 같은 구조체 부분이 특히 얇게 형성되거나 또는 불균일한 전압이 나타날 수 있게 하는 결함을 갖는 경우, 제1 검증 질량체 앵커 패드(104a) 및 제2 검증 질량체 앵커 패드(104b) 사이에 추가적인 전기적 연결을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 센서 구조체의 외부에 별도의 전기적 연결을 제공함으로써, 예를 들어, 각각의 앵커 패드(104a, 104b)에 하나씩 2개의 비아를 형성하고 이들 사이에 외부 전기적 연결을 제공함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 도 3은 제1 검증 질량체 앵커 패드(104a)와 제2 검증 질량체 앵커 패드(104b) 사이의 전기적 연결이 중심선(120)을 따라 이들을 연결하는 얇은 빔(136)을 통해 유지되는 대안적인 해결책을 도시한다. 이러한 얇은 빔(136)은, 2개의 내부 고정 전극 앵커 패드가 이제 얇은 빔(136)의 양측에 놓여야 하기 때문에 (및 이로부터 전기적으로 분리되어야 하기 때문에) 2개의 내부 고정 전극 앵커 패드(111, 113)가 가능한 한 서로 가깝게 위치되는 이상적인 배치를 방해한다. 그러나, 검증 질량체 앵커 패드(104a, 104b) 사이의 전기적 연결을 달성하기 위해 빔(136)의 두께가 많이 필요하지 않기 때문에, 고정 전극 앵커 패드(111, 113)는 여전히 서로 매우 가깝게 위치될 수 있으며, 이러한 배치와 관련된 상당한 장점이 있다.
따라서, 고정 전극 앵커 패드(109, 111, 113, 115)를 서로 더 가깝게, 센싱 방향으로 검증 질량체 앵커 패드(104a, 104b)에 더 가깝게, 그리고 중심선(120)에 더 가깝게 배열함으로써, (온도 구배로부터 발생하는 응력과 같은) 앵커 패드(104a, 104b, 109, 111, 113, 115)를 통해 전달되는 응력이 감소된다. 이것의 효과는 이러한 응력으로부터 발생하는 바이어스가 감소되고 가속도계(100)의 전체 바이어스 안정성이 개선된다는 것이다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예에서는 10배의 바이어스 안정성의 개선이 달성될 수 있어서, 0.1 mg 이상의 바이어스 안정성을 달성하는 것으로 밝혀졌다.
도 4는 센싱 축을 따라 도 2 또는 도 3의 것과 유사한 설계의 가속도계(100)를 통해 그리고 검증 질량체 앵커 패드(104a) 중 하나의 검증 질량체 앵커 패드를 통해 취해진 단면도를 도시한다. 가속도계(100)의 구조는 제1 기판(200), 제2 기판(202)(일반적으로 유리), 및 제1 기판(200)과 제2 기판(202) 사이에 샌드위치된 실리콘 층(203)을 포함하는 것을 볼 수 있다. 검증 질량 프레임(102)의 앵커(104a)는 제1 기판(200)에 공동(206)을 형성함으로써 형성된 돌출부(204)에서 제1 기판(200)에 (일반적으로 양극 접합에 의해) 부착된다. 공동(208)은 또한 제2 기판(202)에도 형성되고, 이들 공동(206, 208)은 고정 핑거(116)와 이동 핑거(118)를 자유로이 이동할 수 있게 한다.
Claims (14)
- 가속도계용 센싱 구조체로서,
지지체 및 상기 지지체에 가요성 레그(flexible leg)들에 의해 장착되고 센싱 방향을 따라 인가된 가속도에 응답하여 평면 내에서 이동하기 위한 검증 질량체(proof mass)로서;
상기 검증 질량체는, 상기 센싱 방향에 실질적으로 수직이고 상기 센싱 방향으로 이격되어 연장되는 복수의 이동 전극 핑거(moveable electrode finger)를 포함하는, 상기 지지체 및 상기 검증 질량체; 및
적어도 4개의 고정 커패시터 전극으로서, 각각의 고정 커패시터 전극은 상기 센싱 방향에 실질적으로 수직이고 상기 센싱 방향으로 이격되어 연장되는 고정 커패시터 전극 핑거들의 세트를 포함하는, 상기 적어도 4개의 고정 커패시터 전극을 포함하되;
상기 고정 커패시터 전극 핑거들의 각 세트는 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고;
상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체의 중심선 상에 위치된 검증 질량체 앵커(anchor)에 의해 상기 지지체에 장착되고, 상기 중심선은 상기 센싱 방향에 수직으로 연장하며;
상기 검증 질량체는 상기 적어도 4개의 고정 커패시터 전극을 둘러싸는 외부 프레임의 형태를 취하고, 상기 가요성 레그들은 상기 검증 질량체로부터 상기 검증 질량체 앵커로 측방향 내측으로 연장되고;
상기 적어도 4개의 고정 커패시터 전극은 상기 검증 질량체의 상기 중심선의 각 측에 하나씩 2개의 내부 고정 커패시터 전극, 및 상기 검증 질량체의 상기 중심선의 각 측에 하나씩 2개의 외부 고정 커패시터 전극을 포함하며;
상기 2개의 내부 고정 커패시터 전극 각각은 기판에 앵커된 앵커 부분, 및 상기 앵커 부분으로부터 상기 중심선으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 고정 커패시터 전극 핑거들이 장착된 외팔보 아암(cantilevered arm)을 포함하고;
상기 2개의 외부 고정 커패시터 전극 각각은 내부 고정 커패시터 전극의 상기 외팔보 아암과 상기 센싱 방향으로 오버랩되는 위치에서 상기 기판에 앵커되는 앵커 부분, 및 상기 앵커 부분으로부터 상기 중심선으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 고정 커패시터 전극 핑거들이 장착된 외팔보 아암을 포함하는, 센싱 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 검증 질량체 앵커는 제1 검증 질량체 앵커 및 제2 검증 질량체 앵커를 포함하고, 상기 제1 검증 질량체 앵커 및 제2 검증 질량체 앵커는 이들 사이에 갭이 형성된 상태로 상기 검증 질량체의 상기 중심선 상에 위치되고, 상기 2개의 내부 고정 커패시터 전극 각각은 상기 갭 내에 적어도 부분적으로 위치되는 앵커 부분을 갖는, 센싱 구조체.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 검증 질량체 앵커와 상기 제2 검증 질량체 앵커는 상기 중심선을 따라 얇은 연결 구조체에 의해 함께 연결되는, 센싱 구조체.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 검증 질량체 앵커와 상기 제2 검증 질량체 앵커는 별개의 구조체로 형성되고, 별개의 전기적 연결부에 의해 전기적으로 연결되는, 센싱 구조체.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가요성 레그들은 상기 제1 검증 질량체 앵커 및 상기 제2 검증 질량체 앵커의 내측에 부착되는, 센싱 구조체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정 커패시터 전극 핑거들의 각 세트는 내부 고정 전극 또는 외부 고정 전극의 외팔보 아암 상에 외팔보 방식으로 장착되는, 센싱 구조체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 내부 고정 커패시터 전극은 앵커 부분으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 2개의 실질적으로 평행한 외팔보 아암을 포함하는 C-형상으로 형성된, 센싱 구조체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검증 질량체는 2개 이상의 별개의 쌍의 가요성 레그들에 의해 상기 검증 질량체 앵커에 연결되는, 센싱 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 센싱 구조체는 MEMS인, 센싱 구조체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지체는 유리로 제조된, 센싱 구조체.
- 제1항의 센싱 구조체를 포함하는 가속도계.
- 제9항에 따른 가속도계로서, 상기 센싱 구조체는 상기 중심선의 일측에 제1 내부 고정 전극 및 제1 외부 고정 전극을, 그리고 상기 중심선의 반대측에 제2 내부 고정 전극 및 제2 외부 고정 전극을 포함하고,
상기 제1 내부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선(median line)으로부터 일 방향으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 제2 내부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선으로부터 반대 방향으로 대칭적으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되며;
상기 제1 외부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선으로부터 일 방향으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 제2 외부 전극 상의 상기 고정 전극 핑거들은 중선으로부터 반대 방향으로 대칭적으로 오프셋된 상태로 상기 이동 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되며;
상기 가속도계는 상기 제2 내부 전극과 동위상으로 상기 제1 외부 전극을 구동하도록 배열되고, 상기 제2 외부 전극과 동위상으로 상기 제1 내부 전극을 구동하도록 배열되는, 가속도계. - 제11항 또는 제12항에 있어서, 개 루프 전자 장치는 상기 제1 내부 전극 및 상기 제1 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열되고, 상기 제2 내부 전극 및 상기 제2 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열되는, 가속도계.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 폐 루프 전자 장치는 상기 제1 내부 전극 및 상기 제1 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열되고, 상기 제2 내부 전극 및 상기 제2 외부 전극을 역위상으로 구동하도록 배열되는, 가속도계.
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