KR20020064378A - 가속도계 - Google Patents

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배 시스템즈 피엘시
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Abstract

가속도계는 보증 질량체(9)에 대하여 고정 설치되고 보증 질량체와 동일 평면상에 대체로 평면의 판형 지지부재(10)에 보증 질량체(9)와 각각 동일 평면상에 4개 이상의 플렉시블 마운팅 레그(8)에 의하여 설치되는 대체로 평면의 판형 보증 질량체(proof mass)를 갖는 직선형이다. 이런 식으로 상기 보증 질량체(9)는 가속도계에 작용되는 가속도 변화를 감지하기 위하여 보증 질량체(9), 마운팅 레그(8) 및 지지부재(10)를 포함하는 평면에서 감지 방향으로 직선 운동을 위하여 설치된다. 보증 질량체, 마운팅 레그 및 지지부재와 각각 동일 평면상에 적어도 2개의 이격된 대체로 평면의 커패시터 플레이트(11)가, 감지 방향(C)으로 보증 질량체(9)의 직선 운동을 감지하기 위하여 제공된다. 상기 보증 질량체(9), 마운팅 레그(8), 지지부재(10) 및 커패시터 플레이트(11)는 실리콘의 단일 시트로 형성되고 상기 마운팅 레그(8)는 감지 방향(C)에 대체로 수직하게 연장된다. 복귀수단은 보증 질량체(9)를 감지 방향(C)에서 영 위치로 복귀시키기 위하여 제공된다.

Description

가속도계 {ACCELEROMETER}
첨부도면의 도 1에 도시된 종래의 석영(quartz) 및 실리콘 가속도계는 진자의 형태로 그 한 측면에, 보증 질량체(proof mass)(2)와 함께, 힌지(1)를 만들기 위하여 선을 따라서 가늘어지는 전부 기계가공된(습식 에칭된) 석영 또는 실리콘 구조체를 가지고 있다. 상기 구조체는 대개 두개의 고정된 커패시터 플레이트(capacitor plate)(3)로 샌드위치의 형태로 실시되고, 커패시터 플레이트(3)가 설치되는 지지부재(4)로부터 힌지(1)에서 힌지 결합되는 이동 가능한 보증 질량체(2)의 어느 한 측면에 위치된다. 도 1에서 실리콘 또는 석영 웨이퍼 및 보증 질량체(2)의 평면에 수직하는 방향의 가속도로, 상기 보증 질량체는 가속도에 비례하는 양에 의하여 힌지(1)를 중심으로 정확하게 편향된다. 이 운동은 일반적으로 정전기적으로 감지되고 복원력이 보증 질량체에 코일을 감은 와이어를 사용한 전자석 피드백에 의하여 보증 질량체(2)를 바람직하게 영 위치로 복귀하도록 한다. 또한 정전기력은 피드백을 위하여 사용될 수 있다. 피드백은 상기 보증 질량체가 이동되지 않음에 따라 큰 힘에서 스케일 계수 선형성을 향상시킨다. 일반적으로 고 정밀 가속도계는 폐회로이다.
상기한 종래의 가속도계는 고 중력 범위에 걸쳐서 고 정밀도를 제공할 수 있지만 일반적으로 제조 비용이 고가이고 비교적 크기가 크다. 또한 구조체가 흔들리는 구조이므로 상기 보증 질량체(2)의 운동이 진동하에서 가로축(cross axis) 감도를 도입하는 진동 흔들림을 발생시키는 아치형이다. 종래의 가속도계의 이 타입 및 다른 타입에 공통하는 부가적인 문제는 진동 정류(rectification)이다. 이것은 진동이 존재하지만 어떤 정적 중력 하중도 없을 때 상기한 종래의 가속도계는 보증 질량체(2)의 휨을 감지하고 정전 복원력을 주도록 작용하는 2개의 커패시터 플레이트(3) 사이의 불균형에 기인하는 에러 출력 신호를 제공할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 가속도계는 2개의 커패시터 플레이트(3)가 오프셋 위치 및 가속도에 선형으로 비례하는 정전 용량의 차이로 반대 위상에서 작용되는 것을 필요로 한다. 정전기력이 피드백을 위하여 공급된다. 이것은 3가지 특별한 단점을 발생시킨다. 첫째로 정전기력은 가속도에 비례하는 힘을 선형화할 필요가 있으므로 전압의 2차 함수이다. 이것은 정밀한 가속도계의 경우 어려울 수 있다. 둘째로 도 1의 종래의 실리콘 가속도계는 보증 질량체(2)가 증가하는 가속도의 함수로서 곡선 원호로 이동한다는 것을 의미한다. 이 원호 이동은 보증 질량체(2)가 영 위치로부터 멀어질 때 메인 감지축에 직각으로 감도가 있다는 것을 의미한다. 일반적으로 진동-흔들림(vibro-pendulosity)으로 불리는 이 효과는 양 축을 여기시키기 위하여 작용될 때 진동에 대하여 특히 명백한 에러이다. 운동 고주파에서 상기 보증 질량체는 정확하게 영 위치로 복귀되지 않는다. 셋째로, 영 위치로부터 떨어진 보증 질량체(2)의 운동을 검출하기 위하여 별도로 사용되는 2개의 커패시터 플레이트(3)의 값 사이의 임의 오프셋이 바이어스(제로 오프셋) 뿐만 아니라 진동 정류 효과를 발생시킬 수 있다. 그러므로 도 1의 샌드위치 구조체로 하기 어려운 2개의 커패시터 플레이트(3)의 값을 정확하게 조화시킬 필요가 있다. 따라서 전자 오프셋은 널링(nulling) 신호의 임의 편차가 가속도 바이어스(bias)에서 편차를 발생시키므로 바람직하지 못한 임의의 불균형을 영으로 하기 위하여 일반적으로 사용되며, 안정을 유지하기 위한 중요한 파라미터이다.
종래의 가속도계의 제2 타입은 진동 빔(5)을 사용하고 그 진동 주파수가, 스트레인 및 가속도와 함께 변화하는 것으로 첨부도면의 도 2에 도시된다. 상기 진동 빔(5)은 보증 질량체(6)에 부착되어 보증 질량체(6)의 가속력이 압축이나 신장에서 진동 빔(5)의 스트레인을 변화시켜 중력과 함께 변화하는 주파수 출력을 발생시키도록 한다. 일반적으로 진동 빔(5)은 별도로 작동하여 빔 각각의 주파수 증가 및 감소로 일 측면이 압축 상태로 되면 다른 측면은 신장 상태로 된다. 또한 디퍼렌셜 주파수(differential frequency)는 가속도의 충분한 측정이다. 상기 보증 질량체의 운동은 2개의 마운팅 지지부재(7) 사이의 보증 질량체(6)를 실제로 정지시키는 진동 빔(5)과 함께, 도 2에 도시된 바와 같이 감지 방향(B)에 있다.
도 2에 도시된 타입의 종래의 가속도계는 진동 빔(5) 및 보증 질량체(6)를 위하여 석영을 사용할 수 있다. 상기한 가속도계는 도 1의 진자 타입 가속도계 보다 더 작고 약간 값싸게 만들 수 있지만 여전히 제조에 상당히 비용이 많이 들고, 대체로 힘 피드백을 가지지 않고 고 입력 가속도에서 선형성 에러(linearityerror)를 받게될 수 있는 개회로(open loop) 가속도계이다.
따라서 실리콘을 이용하고 도 1 및 도 2에서 도시된 종래의 가속도계의 고유한 앞서 말한 문제점을 적어도 최소화하는 개선된 가속도계가 필요하다.
본 발명은 가속도계에 관한 것으로, 특히 적어도 일부분이 실리콘으로 제조되는 가속도계에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따르지 않은 종래의 진자 실리콘 가속도계의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따르지 않은 종래의 진동 빔 가속도계의 개략적인 평면도이다.
도 3은 실리콘으로 제조된 부분을 나타내는 본 발명의 제1 실시예에 다른 가속도계의 일부 평면도이다.
도 4는 코일 형상을 나타내는 본 발명의 제2 실시에에 따른 가속도계의 일부 평면도이다.
도 5는 자석 어셈블리를 나타내는 도 4의 가속도계의 다른 부분에 대한 평면도이다.
도 6은 도 5의 가속도계 부분의 개략적인 측면도이다.
도 7은 도 3-도 6의 가속도계의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 가속도계의 조립 사시도이다.
도 9는 도 8의 가속도계의 끝면도(end view)이다.
도 10은 도 8의 가속도계의 정면도이다.
도 11은 도 8의 가속도계의 평면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 가속도계용 제어 전류 공급 수단의 회로도이다.
도 13은 본 발명의 가속도계와 함께 사용하기 위한 다른 제어 전류 공급 수단의 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 대체로 평면의 판형 보증 질량체(proof mass),
상기 보증 질량체와 각각 동일 평면상의 4개 이상의 플렉시블 마운팅 레그(mounting leg), 상기 보증 질량체와 동일 평면상 그리고 보증 질량체에 대하여 고정 설치되는 대체로 평면의 링형 지지부재, 적어도 2개의 이격된 대체로 평면의 커패시트 플레이트, 상기 보증 질량체를 영 위치(null position)를 향하여 감지 방향으로 복귀시키는 복귀수단을 포함하고,
각각의 마운팅 레그의 일 단부는 보증 질량체에 연결되고 다른 단부는 지지부재에 연결되어 상기 보증 질량체는 가속도계에 적용되는 가속도계 변화에 대응하여, 이 보증 질량체, 마운팅 레그 및 지지부재를 포함하는 평면에서 감지 방향으로 직선 운동을 위하여 설치되고, 상기 마운팅 레그는 감지 방향에 대체로 수직하게 연장되고,
상기 커패시터 플레이트는 각각 감지 방향에서 보증 질량체의 직선 운동을 감지하기 위하여, 보증 질량체, 마운팅 레그 및 지지부재와 동일한 평면상에 있고, 상기 보증 질량체, 마운팅 레그, 지지부재 및 커패시터 플레이트는 단일의 실리콘 플레이트로 형성되는 가속도계가 제공된다.
바람직하게 상기 보증 질량체, 마운팅 레그, 지지부재 및 커패시터 플레이트는 [111] 또는 [100] 결정 평면에 원점을 둔 실리콘 판으로부터 건식 에칭에 의하여 형성된다.
바람직하게 상기 지지부재는 대체로 직사각형 형상을 가지고 있는 보증 질량체에 위치되는 내부 개방부를 둘러싸는 대체로 직사각 링형 형상을 가지고 있고, 상기 마운팅 레그는, 내부 개방부를 형성하는 지지부재의 제1 내벽과 보증 질량체의 대향하는 제1 외벽 사이에 적어도 2개 구비되고, 내부 개방부를 형성하는 지지부재의 제2 내벽과 보증 질량체의 대향하는 제2 외벽의 사이에 적어도 2개 구비되며, 이격된 어레이에서 감지 방향에 대체로 수직하게 연장된다.
바람직하게 상기 마운팅 레그는 감지 방향에서 고 컴플라이언스(compliance)를 가지고 있고, 다른 방향에서 저 컴플라이언스를 가지고 있다.
바람직하게 가속도계는 상기 지지부재 및 커패시터 플레이트에 고정 설치되는 비전도성 재질의 지지부재 시트를 포함하며, 상기 마운팅 레그 및 보증 질량체는 상기 지지부재 시트로부터 이격된다.
바람직하게 상기 지지부재 시트는 상기 지지부재 및 커패시터 플레이트가 애노드 접합(anodic bonding)에 의하여 고정 설치되는 유리로 이루어진다.
바람직하게 상기 복귀수단은 전자석이다.
바람직하게 각 마운팅 레그가 적어도 하나의 코일 구조 턴의 일부를 지탱하면서, 상기 보증 질량체는 박막 전기 전도성 코일 구조를 지탱한다.
바람직하게 상기 커패시터 플레이트는 상기 지지부재의 내부 개방부에 위치되고, 상기 커패시터 플레이트 중 하나는 보증 질량체의 일측에 있고 다른 하나는보증 질량체의 다른 일측에 있으며 감지 방향에 대체로 가로질러 연장된다.
바람직하게 가속도계는 상기 지지부재로부터 멀리 떨어진 지지부재 시트의 측면에 위치되고 상기 지지부재 시트에 부착되는 구멍이 형성된 유리 프레임을 포함하고, 상기 복귀수단은 보증 질량체에 지탱되는 코일 구조 턴으로 레지스터 내의 자석의 대향 단부에서 서로 이격되어 있는 극부와 함께 유리 프레임 구멍 내에 위치되는 자석 및 두개의 바 극부(bar pole piece)를 포함한다.
바람직하게 상기 지지부재 시트의 인접면은, 상기 바 극부의 일부를 수용하기 위하여 오목하게 형성되고 링크 극부가 두개의 바 극부와 함께 레지스터 내에 및 그 사이에 연장되는 상기 지지부재 시트의 지지부재 측면에 위치된다.
바람직하게 가속도계는 상기 지지부재 시트로부터 멀리 떨어진 측면의 유리 프레임에 부착되어 상기 유리 프레임 구멍 및 링크 극부용 유리 하우징 내에 상기 자석 및 바 극부를 유지하는 시트형 유리 베이스를 포함한다.
바람직하게 상기 자석은 감지 방향으로 극성이 주어진다.
바람직하게 상기 지지부재의 상기 제1 및 제2 내벽으로부터 상기 보증 질량체의 인접한 제1 및 제2 외벽을 향하여 감지 방향에 대체로 수직하게 연장되는 측면으로 이격되는 핑거의 제1 어레이, 및 상기 보증 질량체의 상기 제1 및 제2 외벽으로부터 상기 지지부재의 인접한 제1 및 제2 내벽을 향하여 감지 방향에 대체적으로 수직하게 연장되는 측면으로 이격되는 핑거의 제2 어레이를 포함하는, 공중에서 서로 맞물리는 복수의 핑거를 포함하고,
상기 핑거의 제1 어레이는 지지부재에 대하여 감지 방향으로 보증 질량체의운동에 대한 에어 스퀴즈 감쇠를 제공하기 위하여 인접한 핑거의 제2 어레이와 서로 맞물린다.
바람직하게 상기 서로 맞물리는 핑거는 실리콘 플레이트로부터 건식 에칭에 의하여 형성된다.
바람직하게 상기 서로 맞물리는 핑거는 상기 지지부재 시트와 이격되어 있다.
바람직하게 가속도계는 인접한 커패시터 플레이트와 내부 개방부를 형성하는 지지부재의 인접한 제3 또는 제4 내벽 사이에 각각, 내부 개방부 내에 위치되고 상기 지지부재로부터 상기 커패시터 플레이트를 차폐할 수 있는 적어도 2개의 어스 스크린을 포함하고, 상기 커패시터 플레이트는 어스 스크린과 전기적으로 절연되고, 상기 어스 스크린은 이 어스 스크린이 설치되는 상기 지지부재와 전기적으로 절연된다.
바람직하게 구동수단은 상기 2개의 커패시터 플레이트에 구형파 구동 전압을 반대 위상으로 공급하는 수단을 포함한다.
바람직하게 가속도계는 상기 보증 질량체 코일 구조에 제어 전류를 공급하는 수단을 포함하고, 상기 제어 전류 공급 수단은 가속하에서 커패시터 플레이트의 불균형을 발생시키는 교류(AC) 변조 주파수에서 2개의 커패시터 플레이트 사이의 차이 신호를 보증 질량체 코일 구조로부터 수신하는 프리앰프(pre-amplifier), 상기 프리앰프로부터 출력 신호를 동시에 복조하는 AC 복조기(demodulator), 상기 복조기로부터 출력 신호를 적분하는 적분기(integrator), 상기 적분기로부터 수신된 출력 신호의 안정성을 보장하는 루프 필터(loop filter), 및 상기 루프 필터로부터 출력 신호를 수신하고 상기 보증 질량체 코일 구조에 제어 전류를 공급하는 전류 구동장치를 포함한다.
바람직하게 상기 구동수단은 보증 질량체에 단일 변조 교류(AC)를 공급하며, 각각의 커패시터 플레이트에 출력 신호를 발생시키는 수단을 포함한다.
바람직하게 가속도계는 상기 보증 질량체 코일 구조에 제어 전류를 공급하는 수단을 포함하고,
상기 제어 전류 공급 수단은 그 하나는 커패시터 플레이트 중 하나로부터 출력 신호를 수신하고 다른 하나는 커패시터 플레이트의 다른 하나로부터 출력 신호를 수신하는 2개의 프리앰프, 2개의 상기 프리앰프로부터 출력 신호를 수신하고 보증 질량체의 순 변위에 대응하는 출력 신호로 프리앰프 출력 신호를 변이시키는 디프렌셜 앰프, 및 상기 보증 질량체를 감지 방향에서 영 위치(null position)로 복귀시키기 위하여 보증 질량체에 제어 전류로서 통과용 직류(DC) 출력 신호를 발생하도록 디프렌셜 앰프로부터 출력 신호를 수신하고 상기 디프렌셜 앰프로부터 출력 신호를 동시에 복조하는 AC 복조기를 포함한다.
본 발명의 더 나은 이해를 위하여 그리고 본 발명이 실시되는 방식을 나타내기 위하여, 첨부 도면의 예에 의하여, 참조가 이루어진다.
첨부도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 가속도계는 실리콘 미세 기계가공된 가속도계이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 가속도계는 도 3에 도시된다.본 발명의 제2 실시예에 따른 가속도계는 도 4, 도 5 및 도 6에서 개략적인 형태로 도시되어 있고, 도 7 내지 도 11에서 완전한 형태로 도시되어 있다. 도 3 및 도 4 내지 도 11의 실시예 사이의 유일한 차이는 플렉시블 마운팅 레그(flexible mounting leg)(8)의 개수이다. 도 3의 실시예에서, 3개씩 4 그룹에서 12개의 마운팅 레그(8)가 있고, 도 4 내지 도 11의 실시예에서 2개씩 4 그룹에서 8개의 마운팅 레그(8)가 있다. 그러나, 본 발명에 따라, 4 이상의 상기 레그(8)가 존재할 것이다. 따라서 도 3에서 마운팅 레그(8)의 개수 이외의 모든 특징과 도 4에서 마운팅 레그(8)의 개수 이외의 모든 특징은 2개의 실시예 사이에서 교환될 수 있다. 따라서 도 3의 구조는 반대로 도 4 내지 도 11에 적용할 수 있다. 도 12 및 도 13에 도시된 제어 전류 공급수단은 마운팅 레그(8)의 개수가 4개 이상 제공될지라도 도 3 내지 도 11 중 어느 하나의 본 발명에 따른 가속도계에 똑같게 적용할 수 있다. 도 3 내지 도 13에서 동일한 특징은 동일한 참조번호가 주어질 것이고 일 실시예에 대하여 상세하게 설명된다면 다른 실시예에 대하여 더 상세하게 설명되지 않을 것이다.
본 발명에 따른 가속도계는 첨부도면의 도 3에서 더욱 상세하게 도시된 대체로 평면의 판형 보증 질량체(9)를 가지고 있다. 상기 보증 질량체(9)는 도 4에서 더 개략적으로 상세하게 도시된다. 대체로 평면의 판형 지지부재(10)가 뒤에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 보증 질량체(9) 및 그와 동일한 평면상에 대하여 고정 장착되고 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제공된다. 상기 보증 질량체(9)는 한 단부가 보증 질량체(9)에 연결되고 다른 단부가 지지부재(10)에 연결되는 각 마운팅 레그(8)를 갖는 4개 이상의 플렉시블 마운팅 레그(8)에 의하여 지지부재(10)에 연결되어 상기 보증 질량체(9)가 가속도계에 적용되는 가속도계 변화를 감지하기 위하여 보증 질량체(9), 마운팅 레그(8) 및 지지부재(10)를 포함하는 평면에서 감지 방향(C)으로 직선 운동을 위하여 장착된다. 상기 감지 방향(C)은 도 3에 도시된다. 상기 마운팅 레그(8)는 이 감지 방향(C)에 대체로 수직으로 연장된다.
또한 가속도계는 도 3, 도 12 및 도 13에서 가장 명확하게 도시되고 도 4 내지 도 11에서 명쾌함을 위하여 생략된 적어도 두개의 이격된 실질적 평면의 커패시터 플레이트(capacitor plate)(11)를 포함한다. 이들 커패시터 플레이트(11)는 보증 질량체(9), 마운팅 레그(8) 및 지지부재(10)와 동일 평면상에 있고 감지 방향(C)에서 보증 질량체의 직선 운동을 감지하기 위하여 작용한다. 본 발명의 가속도계의 추가 형성 부분은 보증 질량체(9)를 감지 방향(C)에서 영 위치로 복귀시키기 위한 복귀수단이다. 상기 보증 질량체(9)의 직선 운동은 보증 질량체(9), 마운팅 레그(8), 지지부재(10) 및 커패시터 플레이트(11)를 포함하는 평면에 있는 감지 방향(C)에 있다.
본 발명의 가속도계의 중요한 특징은 보증 질량체(9), 마운팅 레그(8), 지지부재(10) 및 커패시터 플레이트(11)가 [111] 또는 [100] 결정(crystal) 평면에 원점을 둔 단일 실리콘 플레이트로부터 건식 에칭에 의하여 형성된다는 것이다. 동일 평면의 구조는 모든 구성요소가 함께 결합되기를 요구하는 도 1의 종래의 가속도계의 샌드위치 구조와 대조된다. 바람직하게 건식 에칭은 복잡한 형상을 마이크로 기계 가공할 수 있는 디프 트렌치 에칭 공정을 실시한다. 이것은 모든 중요한 특징을 형성하는 단일 차폐층을 포함하는 단일 공정에서 고 정밀도로 행해지고 따라서 미세 기계가공에 의하여 효과에 직접적이다. 디프 트렌치 에칭 공정은 두꺼운 실리콘 구조 내에 마운팅 레그(8)와 같은 한정된 특징의 사용을 허용한다. 컴퓨터 제어가 폴리테트라(polytetra), 플루오로에틸렌(fluoroethylene) 및 등방성 에칭 실리콘과 같은 폴리머를 갖는 실리콘 플레이트의 표면에 보호막을 입히기 위하여 선택적으로 사용된다. 실리콘의 일반적인 두께는 적어도 10:1 깊이 대 폭 비율을 포함하는 10 내지 20 미크론(micron)의 특징 폭을 갖고 200 미크론 내지 400 미크론이다.
[111] 실리콘의 사용은 [100] 평면과 비교하여 등방성 탄성 상수를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 정렬의 관점에서 이득을 갖는다. [111] 실리콘은 [100] 실리콘 보다 더 늦은 에칭율을 갖지만 탄성 상수의 등방성의 이득은 에칭 속도 보다 더 중요할 수 있다. 또한 실리콘의 이득은 작은 크기 및 많은 장치가 한번에 만들어질 수 있는 웨이퍼 스케일 공정의 사용에 따른 저 비용이다.
대신에 [100] 평면 실리콘의 사용은 보증 질량체(9)의 운동이 단일 평면에서 직선일 때 가능하다. 결정체 축이 운동의 평면에 일직선이라면 또한 [100] 평면 실리콘이 만족스럽다. [100] 실리콘의 사용은 프리앰프(pre amplifier)와 같은 칩 전자와 통합의 관점에서 유익하다.
보증 질량체(9), 마운팅 레그(8), 지지부재(10) 및 커패시터 플레이트(11)의 평면 성질은 가속도계의 모든 특징이 동시에 제조되며 그 때문에 높은 수준의 정확성 및 반복성을 주는 것을 보장한다. 일반적으로 200 미크론 두께의 실리콘 웨이퍼를 이용한 건식 에칭 공정의 사용은 고정 커패시터 플레이트(11)와 이동 가능한 보증 질량체(9) 사이에 10 미크론의 간극이 얻을 질 수 있도록 한다. 상기 실리콘은 고 도핑에 의하여 낮은 저항력이 주어진다.
상기 지지부재(10)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 대체로 직사각형 링 형상을 가지고 있으며, 대체로 10mm ×10mm 외형 치수로 이루어지고 상기 지지부재(10)를 위하여 2mm의 벽 폭을 주기 위하여 대체로 6mm ×6mm 치수의 내부 개방부(open area)(12)를 둘러싼다. 상기 개방부(12)에 위치되는 보증 질량체(9)는 대체로 직사각형 형상을 가지고 있고, 2mm 길이, 20 미크론 폭 및 150-200 미크론 두께로 이루어지는 마운팅 레그(8)에 의하여 지지되고 있는 대체로 2mm ×2mm 크기이고, 상기 두께는 보증 질량체(9), 지지부재(10), 마운팅 레그(8) 및 커패시터 플레이트(11)가 형성되는, 도 7의 13으로 개략적으로 도시되는 실리콘 웨이퍼의 두께이다. 상기 마운팅 레그(8)는 감지 방향(C)에서 고 컴플라이언스(compliance) 및 다른 방향에서 저 컴플라이언스를 가지고 있어 다른 모드의 운동은 상당히 더 높은 공진 주파수를 가지고 있다. 상기한 바와 같이, 도 3은 12개의 마운팅 레그를 도시하는 반면 도 4 및 도 5는 8개의 마운팅 레그(8)의 사용을 도시한다. 가능한 마운팅 레그의 최소 개수는 보증 질량체(9)의 각 코너에서 하나 위치되는 4개이다. 바람직하게 플렉시블 마운팅 레그(8)에 의하여 지지되는 상기 보증 질량체(9)는 1 내지 2 kHz, 바람직하게 1kHz 범위의 공진 주파수를 가지고 있다. 상기 마운팅 레그(8)의 개수 증가는 각 마운팅 레그의 폭이 감소될 것을 요구한다. 실제로 48개이상의 마운팅 레그(8)의 개수는 가속도계의 감도를 차례로 제한하는 동일한 공진 주파수를 얻기 위하여 레그의 얇은 폭을 내포하며, 또한 상기 얇은 폭은 제어하기 곤란하다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 보증 질량체(9) 및 마운팅 레그(8)는 내부 개방부(12)에 위치된다. 상기 마운팅 레그(8)는 내부 개방부(12)를 형성하는 지지부재(10)의 제1 내벽(14)과 상기 보증 질량체(9)의 대향 제1 외벽(15) 사이에 적어도 두개를 갖고, 내부 개방부(12)를 형성하는 지지부재(10)의 대향 제2 내벽(16)과 상기 보증 질량체(9)의 대향 제2 외벽(17) 사이에 적어도 두개를 갖고 감지 방향(C)에 대체로 수직하게 연장된다.
상기 보증 질량체(9)의 직사각형 형상은 외부 응력의 개선된 충격 완화에 이르게 한다. 가속도계가 DC 스트레인(strain)에 아래로 작용, 즉 가속될 때, 보증 질량체를 편향시킬 수 있는 임의 질량체에 매우 민감하다. 실례는 고정수단 및 실리콘에 걸쳐서 열 경사도(thermal gradient)에 기인하는 마운팅 스트레인(mounting strain)을 포함한다. 상기 외주 지지부재(10)에 의하여 보증 질량체의 마운팅은 상기 보증 질량체(9)에 올 수 있는 스트레인을 감소시키고 그 때문에 가속도계의 편향 정확도(bias accuracy)를 개선시킨다.
또한 본 발명의 가속도계는 지지부재(10) 및 커패시터 플레이트(11)에 고정 장착되는 비전도성 재질로 이루어진, 지지부재 시트(support sheet)(18)를 포함한다. 바람직하게 상기 지지부재 시트(18)는 상기 지지부재(10) 및 커패시터 플레이트(11)가 상기 지지부재 시트(18)와 이격되어 있는 마운팅 레그(8) 및 보증질량체(9)와 애노드 접합에 의하여 고정 설치되는 유리(glass)로 이루어진다. 보증 질량체(9), 마운팅 레그(7)를 형성하는 실리콘 웨이퍼(13)의 밑면은 디프 트렌치 에칭에 의하여 다시 대체로 10 내지 15 미크론까지 잘려진다. 상기 지지부재 시트(18)에 적합한 유리는 Corning type 7740 유리 또는 HOYATMSD-2 인 PYREXTM이다. 상기 지지부재 시트(18)는 밀폐하여 밀봉될 수 있는 하이브리드 패키지(hybrid package) 내부에서 세라믹 기판(도시 않음)에 접합될 수 있다. 이 방식에서 상기 가속도계는 자기 스크리닝(magnetic screening)을 주고 전기 연결을 허용할 수 있는 금속 밀봉 캔을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 가속도계의 복귀수단은 전자석이다. 이 때문에 상기 보증 질량체(9)는 도 4에 도시된 바와 같이 턴(turn)(19)으로 이루어진 박막 전기 전도성 코일 구조를 지탱한다. 편의를 위하여 상기 코일 구조 턴(19)은 도 3 및 도 5 내지 도 13에 도시되지 않았지만 정확히 도 4에서와 같이 동일한 형식으로 존재한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 각 마운팅 레그(8)는 코일 구조의 한 턴(19)의 적어도 일부를 지탱한다. 이것은 도 3 및 도 5 내지 도 13에 동일하다. 코일 구조의 턴이 많으면 많을수록 보증 질량체를 영 위치로 복귀시키기 위하여 필요한 전류가 더 작아진다. 물론 더 많은 코일 구조의 턴은 마운팅 레그(8)의 개수를 증가시킨다. 바람직하게 가속도계는 가능한 한 많은 코일 턴(10)을 가짐에 의하여 최상의 피드백 스케일 계수를 주기 위하여 48개 레그(8)를 가지고 있다. 바람직하게 상기 코일 구조는 상기 지지부재(10)의 스타트 접착 패드(start bond pad)(20)에서 시작하고 상기 지지부재(10)의 엔드 접착 패드(end bond pad)(21)에서 끝난다. 상기 접착 패드(20, 21)는 도 7 및 도 11에서 약간 다른 위치로 개략적으로 도시된다.
바람직하게 상기 코일 구조는 보증 질량체(9)를 형성하는 그 영역에 걸쳐서 실리콘 웨이퍼(13) 위에 직접적으로 침전되는 얇은 금속 필름으로 형성된다. 일반적으로 실리콘은 절연을 위하여 얇은 산화막으로 코팅된다. 또한 상기 금속은 사진 평판(photolithography)에 의하여 형을 만들고 산화물위에 침전된다. 일반적으로 3미크론 두께의 알루미늄 합금은 낮은 저항을 주기 위하여 사용된다. 전체 48개 마운팅 레그(8)가 12개씩 4그룹에서 제공된다면 상기 마운팅 레그는 대략 폭 10미크론의 각 레그에 침전되는 코일 턴(19)을 형성하는 금속 트래킹(tracking)으로 대략 폭 15미크론이다. 상기 지지부재(10) 및 상기 보증 질량체(9)에 상기 코일 턴(19) 형성 금속의 폭은 전체 코일 저항을 감소시키기 위하여 100미크론까지 증가된다. 2mm 길이의 마운팅 레그(8) 및 지지부재(10)위에 12mm에 7mm의 전체 크기의 코일 구조를 가지고 있는 12개의 마운팅 레그(8)를 가지고 있는 도 3에 도시된 가속도계의 경우에서와 같이 12개의 턴(19)을 갖는 코일 구조에 대하여 저항은 200옴(ohm) 이하이다. 이것은 작은 20g 범위에 걸쳐서 작용하는 일반적인 가속도계에 대하여 스케일 계수가 정상적인 20g 하중하에서 80 밀리 와트의 소비로 8볼트의 공급 전류에 이르게 하는 40mA의 최대 전류 필요조건을 주는 mA/g이라는 것을 의미한다.
각 마운팅 레그(8) 위에 금속 코일 턴(19)은 레그의 중심, 즉 감지 방향(C)의 휨에 대하여 중립축 상에 장착된다. 이것은 사진 평판법에 의하여 주어지는 정확도에 도달될 수 있다. 이것은 각 레그상에 턴(19)의 금속에서 임의의 크리프(creep) 또는 장기 변화가 있다면 레그(8) 및 그 때문에 바이어스 변화(bias shift)로 보이게 되는 보증 질량체(9) 순 휨(net deflection)도 없다는 이점을 가지고 있다. 바람직하게 동일한 마스크가 금속 용착을 위하여 사용되고 레그(8)를 형성하는 디프 트렌치 에칭을 위하여 사용된다.
본 발명에 따른 가속도계에서 커패시터 플레이트(11)가 하나는 보증 질량체(9)의 일측에, 다른 하나는 보증 질량체(9)의 반대측에 지지부재(10)의 내부 개방부(12)에 위치되고 감지 방향(C)에 대체로 가로질러 연장된다. 편의를 위하여 상기 커패시터 플레이트(11)는 도 3에, 도 10에서 개략적으로, 도 12 및 도 13에 도시되어 있지만 나머지 도 4 내지 도 9 및 도 11에 도시되지 않았다. 상기 2개의 커패시터 플레이트(11)는 동시에 동일한 공정으로 동일한 실리콘으로 제조된다. 이것은 진동 정류를 제거하기 위하여 중요한 2개의 커패시터 플레이트 값의 평균의 극도의 고 정확도를 달성할 수 있는 충분한 기회를 준다. 이 후자의 효과는 평면 진동의 존재에서 DC 가속도계 출력을 발생시키고 두개의 커패시터 값이 정확하게 조화될 때 제거된다. 정전 용량 값(capacitance value)의 평균은 진동 정류를 감소시킬 수 있는 1% 이상일 수 있다. 상기 보증 질량체(9)의 4 코너부에 개략적으로 위치되는 마운팅 레그와 함께 지지부재(10)의 사용은 상기 보증 질량체가 감지 방향(C) 및 평면에서 직교하는 운동에 대하여 매우 경직되어 있다는 것을 의미한다. 이것은 부가적으로 감지 방향(C)에서 매우 낮은 가로축 감도에 이르게 한다.
가로축 감도는 부가적으로 감지 방향(C)에서 상대적으로 얇은 마운팅 레그(8)에 비교되는 두꺼운(대체로 150미크론) 실리콘 웨이퍼(13)의 사용에 의하여 낮게 유지된다. 2개의 커패시터 플레이트(11)가 잘 매칭될 때 보증 질량체(9)의 평면에서 벗어난 운동은 특이한 정전 용량을 발생시킨다. 상기 평면에서 벗어난 운동은 감지 방향(C)을 따라서 평면 운동에서 보다 더 작은 적어도 10 인자(factor)이고 1% 이내에서 두개의 커패시터 값의 평균을 맞추고 평면에서 벗어난 감도는 가속도계에 충분한 평면 감도에서의 0.1% 이하이다.
가속도계는 인접한 커패시터 플레이트(11)와 도 3에서 알 수 있는 내부 개방부(12)를 형성하는 지지부재(10)의 인접한 제3 내벽(23) 또는 제4 내벽(24) 사이에서 서로 내부 개방부(12) 내부에 위치되는 적어도 2개의 어스 스크린(earth screen)(22)을 포함한다. 상기 어스 스크린(22)은 지지부재(10)로부터 커패시터 플레이트(11)를 차폐할 수 있다. 이 때문에 각 어스 스크린(22)은 커패시터 플레이트(11)의 자유단을 덮기 위하여 턴오버 단부(turned over end)(25)를 가질 수 있다. 상기 커패시터 플레이터(11)는 어스 스크린(22)과 전기적으로 절연되어 있으며 상기 어스 스크린(22)은 도 3 및 도 7, 도 8 및 도 11에 도시된 접착 패드(26)에 장착되는 지지부재(10)와 전기적으로 절연되어 있다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 각 어스 스크린(22)을 둘러싸는, 바람직하게 10미크론의 간극이 있어 상기 커패시터 플레이트는 어스와 전기적으로 절연되고, 상기 어스는 웨이퍼(13)의 나머지 실리콘과 전기적으로 절연된다. 상기한 어스 스크린(22)의 사용은 커패시터 플레이트(11)에 고 전압이 상기 지지부재(10)의 나머지 실리콘에 도달되지 않는다는 것을 의미한다.
또한 본 발명의 가속도계는 지지부재(10)의 제1 및 제2 내벽(14, 16)으로부터 상기 보증 질량체(9)의 인접한 제1 및 제2 외벽(15, 17)으로 감지 방향(C)에 대체로 수직하게 연장되는 측면으로 이격되는 핑거(finger)의 제1 어레이(array)(27) 및 상기 보증 질량체(9)의 제1 및 제2 외벽(15, 17)으로부터 상기 지지부재(10)의 인접한 제1, 제2 내벽(14, 16)으로 감지 방향(C)에 대체로 수직하게 연장되는 측면으로 이격되는 핑거의 제2 어레이(28)를 포함하는 상태에서 복수의 서로 맞물리게 되는 핑거를 포함한다. 상기 핑거의 제1 어레이(27)는 상기 지지부재(10)에 관하여 감지 방향(C)으로 상기 보증 질량체(9)의 운동에 대한 에어 스퀴즈 감쇠(air squeeze damping)를 제공하기 위하여 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 핑거의 인접한 제2 어레이(28)와 서로 맞물리게 된다. 실제 상기 보증 질량체(9)에 부착되어 있는 핑거의 제2 어레이(28)는 고정되어 있는 상기 지지부재(10)에 고정적으로 부착되어 있는 핑거의 제1 어레이(27)에 관하여 상기 보증 질량체와 함께 이동하여 상기 서로 맞물리게 되는 핑거 사이의 공기가 감지 방향(C)에서 상기 보증 질량체의 직선 운동으로 압축된다. 이것은 보증 질량체(9)의 감쇠를 발생시킨다. 바람직하게 각 어레이(27, 28)에서 핑거의 폭은 10미크론이고 상기 보증 질량체(9)의 영 위치에서 핑거 사이의 간극은 대략 10미크론이다. 서로 맞물리게 되는 핑거 사이의 공기는 대기압 또는 임의의 다른 하강되거나 또는 상승되는 압력일 수 있다.
진공에서 상기 보증 질량체(9)는 1000에서 10000까지의 범위 내 일 수 있는 고 품질 계수(Q)를 갖는 공진 주파수(일반적으로 1kHz와 2kHz 사이에서 설정)를 가진다. 이 높은 Q 공진은 가속도계의 성능에 해로운 효과를 가질 수 있고 스위치가 끄질 때라도 충격 조건하에서 가속도계를 파괴시킬 수 있다. 감지 방향(C)에 대하여 보증 질량체(9)의 양측에서 서로 맞물리는 핑거와 적절한 개수의 핑거 사이에서 대기압을 가짐에 의하여 Q 계수가 1 이하로 되도록 공진을 감쇠하는 것이 결정적으로 가능하다. 이것은 충격 조건하에서 손상이 발생될 것 같지 않다는 것을 의미한다. 바람직하게 2 어레이(27, 28)의 핑거는 실리콘 웨이퍼(13)으로부터, 디프 트렌치 에칭법을 사용함과 같은, 건식 에칭에 의하여 형성되어 마운팅 레그(8), 보증 질량체(9), 지지부재(10)와 커패시터 플레이트(11) 및 어스 스크린(22)과 동일 평면상에 있다. 또한 2 어레이(27, 28)의 서로 맞물리는 핑거는 지지부재 시트(18)와 이격되어 있다.
도 7 내지 도 11에서 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 가속도계는 구멍(30)을 가지고 있는, 구멍형성 유리 프레임(29)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 프레임(29)은 상기 지지부재(10)에서 멀리 떨어진 지지부재 시트(18)의 측면에 위치되고 높은 유리 변화 온도를 갖는 Epotek 360TM과 같은 얇은 접합선과 에폭시 접착제를 사용하여 함께 접착되는 임의의 편리한 방식으로 상기 지지부재 시트(18)에 부착된다.
본 발명의 가속도계의 복귀수단은 바람직하게 사마륨(samarium) 코발트(cobalt) 자석인 자석(31)을 포함한다. 이 자석(31)은 예를 들면, 일 단부(32)에서 남극 및 다른 단부(33)에서 북극을 갖도록 감지 방향(C)을 따라서 정반대이다.
또한 복귀수단의 형성부는 유리 프레임 구멍(30) 내에 위치되는 2개의 바 극부(bar pole piece)(34)이고 상기 바 극부(34)는 보증 질량체(9)에 지지되는 코일 구조 턴(19)과 함께 레지스터(register)에 그리고 자석(31)의 대향 단부에서 이격되어 있다. 이들 턴(19)을 통하여 흐르는 전류는 보증 질량체(9)를 영 위치로 복귀시키는 가속도계하에 보증 질량체(9)의 이동 방향과 반대되는 복귀력을 발생시킨다. 자석(31)용 사마륨 코발트의 사용은 고 보자력(coercivity), 고 잔류자기, 고 귀리 온도 및 상당한 장기 안정성을 제공할 이익을 갖는다.
상기 지지부재 시트(18)의 인접면(35)은 도 7, 도 8 및 도 10에서 자세히 도시된 바와 같이 바 극부(34)의 부분을 수용하기 위하여 리세스(36)에서 오목하게 형성된다. 링크부(37)는 2개의 바 극부(34)와 함께 레지스트리(registry) 내에 그리고 그 사이에 연장되기 위하여 상기 지지부재 시트(18)의 지지부재 측면에 위치되어 제공된다. 상기 자석(31) 및 링크부(37)의 단부에서 이들 바 극부(34)는 대체로 400미크론인 간극에서 실리콘 웨이퍼(13)의 평면에 수직한 강력한 자장을 준다. 적어도 부분적으로 바 극부(34)를 수용하는 상기 지지부재 시트(18)의 리세스(36)는 이 400미크론 간극을 얻는 것을 돕는다. 자장이 보증 질량체(9)의 일 단부로부터 다른 단부까지 반대되고 또한 도 4에서 화살표(38)에 의하여 도시된 바와 같이 코일 턴(19)에서 전류의 감지가 반대될 때 상기 보증 질량체(9)에 대하여 코일 구조 턴(19)이 전체적인 휨에 기여하여, 로렌쯔 힘이 보증 질량체(9)에 대하여 코일 턴(19)의 두 측면에 대하여 동일한 방향이다. 이것은 스케일계수(mA/g)를 개선시킨다.
바람직하게 상기 가속도계는 상기 유리 프레임 구멍(30) 내에 상기 자석(31) 및 바 극부(34)를 유지하기 위하여 상기 지지부재 시트(18)로부터 멀리 떨어진 측면에 상기 유리 프레임(29)에 부착된 PYREXTM과 같은 임의의 적합한 재질로 이루어진 시트형 유리 베이스(sheet-like glass base)(39)를 포함한다. 또한 유리 하우징(40)은 링크 극부(37)를 수용하기 위하여 제공된다. 따라서 상기 자석(31)은 가속도계의 사용기간 내에 그에 임의의 입자가 유입되는 것을 방지하는 유리 내에 들어가게 된다.
바람직하게 상기 링크 극부(37)는 상당한 기계적인 열 안정성을 주는, 유리 하우징(40)에 접착제로 붙여진다. 상기 유리 하우징(40)은 차례로 유리 베이스(39)에 부착되는 유리 프레임(29)에 부착된다. 모든 이들 부품들은 고 유리 전이 온도(high glass transition temperature)를 갖는 Epotek 360TM과 같은 얇은 접착제를 갖는 에폭시 접착제를 사용하여 함께 접착된다. 따라서 실리콘 웨이퍼(13)의 상면은 열적으로 유발된 스트레인을 감소시키기 위하여 직접적으로 그에 접착되는 어떤 것도 갖고 있지 않다. 도 7, 도 8 및 도 11에 도시된 바와 같이, 연결부가 코일 구조 턴(19)의 양 단부용 접착 패드(20, 21)에서 상기 실리콘 지지부재(10)에 제공된다. 또한 상기 지지부재(10)에 어스 접착 패드(26)가 제공된다. 또한 하나의 커패시터 플레이트(11)는 상기 지지부재(10)의 접착 패드(41)에 연결되고 다른 커패시터 플레이트(11)는 전도체(conductor)(10)의 접착패드(42)에 연결된다. 상기 보증 질량체(9)는 이 보증 질량체(9)용 출력 신호에 대한 연결을 제공하기 위하여 상기 지지부재(9)의 접착 패드(43)에 연결된다.
도 3 내지 도 11의 실시예에서 상기 보증 질량체(9)의 코일 구조 턴(19)은 상기에서 설명된 바와 같이 피드백 전류를 전달한다. 바 극부(34)와 링크 극부(37) 사이에 형성된 자장은 전류가 도 4의 화살표(38)에 의하여 도시된 바와 같이 코일 구조(19)를 통하여 흐를 때 감지 방향(C)을 따라서 힘의 가속에 대항하기 위하여 측면의 힘을 제공한다. 코일 구조 턴(19)을 통하여 흐르는 전류는 전자기력이 적용되는 가속도와 동일하고 보증 질량체(9)가 그 평형 또는 영 위치로 복귀될 때 가속도예 비례한다.
본 발명에 따른 가속도계는 2개의 커패시터 플레이트(11)에 구형파(square wave) 구동 전압을 반대 위상으로 공급하는 수단을 포함한다. 이것은 도 12의 수단 또는 도 13의 수단에 따라서 행해질 수 있다. 구형파 구동 전압이 2개의 반대 위상 교류 구동장치(44)를 통하여 2개의 커패시터 플레이트에 작용될 때 커패시터 플레이트 및 보증 질량체(9)를 위하여 사용되는 실리콘이 약간 전도될 때 전장이 2개의 플레이트(11) 사이에 설정된다. 상기 보증 질량체(9)로부터 픽업(pick up)이 접착 패드(43)에서 제거된다. 상기 지지부재(10), 보증 질량체(9) 및 커패시터 플레이트(11)에서 실리콘은 상기 지지부재 시트(18)의 고 절연 유리 위에 장착됨에 의하여 전기적으로 절연된다.
상기 보증 질량체 코일 구조 턴(19)에 제어 전류를 공급하는 수단이 제공되고, 상기 제어 전류 공급수단은 보증 질량체 코일 구조 턴(19)으로부터 가속하에서커패시터 플레이트(11)의 불균형을 발생시키는 교류(AC) 변조 주파수에서 2개의 커패시터 플레이트 사이에 디퍼렌셜 신호(differential signal)를 수신하기 위한 프리앰프를 포함한다. 따라서 감지 방향(C)에서 가속은 차례로 2개의 커패시터 플레이트(11)의 불균형을 발생시키는 보증 질량체(9)의 직선 운동을 일으킨다. 이 불균형은 디퍼렌셜 신호인 에러 신호로서 감지된다. 가속이 없을 때는 커패시터 플레이트의 고정 오프셋(offset)을 상쇄하기 위하여 고정 디퍼렌셜 구동 레벨이 작용된다. 커패시터 플레이트의 오프셋이 장치에서 장치로 변화됨에 따라 눈금 측정이 필요할 것이다. 따라서 폐회로가 어떤 입력 에러를 갖지 않아 발생할 수 있는 전기 오프셋의 결과로서 생기는 편차로 폐회로를 위한 전기 오프셋에 대한 필요가 없다. 저항자 체인(resister chain)은 2개의 커패시터 플레이트(11)의 적절한 구동 레벨을 설정하기 위하여 사용될 수 있어 2개의 커패시터 플레이트(11)의 값의 정밀한 비율을 정확하게 설정하는 것이 가능하다.
따라서 2개의 커패시터 플레이트에 반대 위상의 사용은 폐회로 작동을 위한 에러 신호로서 작용하기 위하여 증폭될 수 있는 보증 질량체(9)로부터 나오는 유일한 단일 신호가 있다는 것을 의미한다. 이 때문에 2개의 커패시터 플레이트(11)에 작용되는 AC 변조는 프리앰프(45)로부터 출력 신호를 복조하는 AC 복조기(demodulator)에 의하여 동시에 복조된다. 적분기(integrator)(47)가 복조기(46)로부터 출력 신호를 적분하기 위하여 제공되고 루프 필터(loof filter)(48)가 상기 적분기(47)로부터 수신하는 출력 신호의 안정성을 보장하기 위하여 제공된다. 바람직하게 상기 루프 필터(48)는 저역필터(low pass filter)이다. 전류 구동장치(49)가 루프 필터(48)로부터 출력 신호를 수신하고 상기 보증 질량체 코일 구조 턴(19)에 제어 전류를 공급하기 위하여 제공된다.
도 12의 제어 전류 공급수단에서 구동장치 전압 공급수단(44)으로부터 2개의 커패시터 플레이트(11)까지 AC 구동장치는 반대 위상이지만 포텐시오미터 체인으로와 같이 임의의 바람직한 방식으로 다른 레벨로 설정된다. 구동 전압의 차이가 설정되어 가속도계에 가속이 없을 때는 커패시터 플레이트로부터 출력이 없다. 실제로 수행되는 것은 2개의 커패시터 플레이트(11) 사이의 임의의 전위 불균형이 변화를 받기 쉬운 바이어스를 유도하지 않고 보증 질량체(9)까지 구동장치에 오프셋을 둠에 의하여 제거된다. 디퍼렌셜 전압이 보증 질량체(9)에 저 전압을 발생시키므로 디퍼렌셜 전압을 2개의 커패시터 플레이터(11)에 적용함에 의하여 출력 신호의 픽오프(pick off)의 문제들이 최소화될 수 있다. 단일 픽오프 프리앰프(45)가 있으므로 2개의 프리앰프가 사용되는 경우와 같이 상대 안정성의 문제가 없다.
도 12의 제어 전류 공급수단 대신에 도 13에 도시된 전류 제어 공급수단이 이용될 수 있다. 도 13의 배치에서 순 변위를 주기 위하여 또한 변이되는 2개의 커패시터 플레이트(11)로부터 2개의 신호를 발생시키는 보증 질량체(9)에 대한 단일 변조가 사용된다. 상기 단일 변조 교류는 교류 전류 공급장치(50)로부터 보증 질량체(9)에 공급된다. 커패시터 플레이트(11)로부터 출력 신호의 하나는 제1 프리앰프(51)에 공급되고 다른 하나는 제2 프리앰프(52)에 공급된다. 2개의 프리앰프(51, 52)로부터 출력 신호가 보증 질량체(9)의 순 변위에 대응하는 출력 신호를 주기 위하여 프리앰프 출력 신호를 변이시키도록 작용하는 디프렌셜앰프(differential amplifier)(53)를 통과하게 된다. 디프렌셜 앰프(53)로부터 출력 신호가 보증 질량체 코일 구조 턴(19)에 대한 제어 전류로서 통과를 위한 직류(DC) 출력 신호를 발생하기 위하여 디프렌셜 앰프(53)로부터 출력 신호를 동시에 복조하는 AC 복조기(54)를 통과하게 된다.
커패시터 플레이트(11)가 유리 지지부재 시트(18)에 애노드 접합되므로 상기 커패시터 플레이트는 실제 지면에 대하여 전기적 잘 절연되어 있다. 2개의 커패시터 플레이트에 반대 위상으로 작용하는 구형파 전압은, 바람직하게 14000Hz인 임의의 주파수에서 대체로 + 또는 -10 볼트로 큰 편이다. 따라서 가속에 기인하는 보증 질량체(9)의 위치에서 임의의 불균형은 전압이 가속에 비례하는 보증 질량체에 나타나도록 작은 전압을 발생시킬 것이다. 고 도핑 레벨(high doping level)로 설정되는, 실리콘의 고 전도성 때문에, 이 전압은 그때 상기 지지부재(10)에 나타날 것이다. 상기 접착 패드(43)는 산화물층을 통하여 절단됨으로써 웨이퍼(13)의 실리콘에 부착되고 이것은 추가 전자 공정에 대한 출력을 형성한다. 프리앰프(45)에서 최대 신호를 얻기 위하여 이 출력 신호는 분류기 공전 정전용량에 의하여 지면에 누설되지 않고 실리콘에 애노드 접합되는 유리의 사용은 최소 공전 정전용량을 발생한다는 것이 중요하다.
본 발명의 가속도계의 평면 구조는 2개의 커패시터 플레이트의 값을 정확하게 조화시킬 수 있는 고 정밀도의 구조물을 제공한다. 이것들이 반대 위상에서 특이한 쌍으로 작용될지라도 가속도계의 바이어스를 감소시키는 값으로 신중히 조화된다는 것이 더욱 중요하다. 커패시터 플레이트의 값의 매칭은 진동 정류 에러를최소화하는 것을 돕는다. 본 발명의 가속도계에서 보증 질량체(9)의 가속도는 가속하에서 직선이다. 이것은 질량체의 중심 및 보증 질량체의 정지 중심이 동일한 점에 존재할 때 근본적으로 어떠한 진동-흔들림 에러도 없다는 것을 보장하여 개회로 동작이 첨부도면의 도 1에 도시되고 설명된 바와 같이 진동 구조 가속도계를 갖는 경우와 같이 아치형이라기 보다는 선형이다. 본 발명의 가속도계의 감도를 정적 가속도 및 스트레인까지 감소시키기 위하여, 보증 질량체(9), 지지부재(10) 및 마운팅 레그(9)가 이루어지는 실리콘 및 지지부재 시트(18)가 이루어지는 유리의 팽창 계수를 매칭시킴에 의하여 최상으로 달성되는 스트레인으로부터 가능한 한 많이 보증 질량체(9) 및 커패시터 플레이트(11)를 분리하는 것이 바람직하다.
전자기력의 사용은 코일 구조 턴(19)의 구동 전류와 적용된 가속력 사이에 고도의 직선 관계를 준다. 상기 보증 질량체(9)에 작용하는 직선력은 일정한 자장에서 코일 구조 턴(19)의 전류에 비례한다. 따라서 가속도계의 출력은 전류이고 이 출력 신호는 열전 효과를 받게되는 전압을 갖는 경우가 아닌 정밀도의 감쇠 또는 하락없이 쉽게 전달될 수 있다.
유리로 이루어지는 커패시터 플레이트(11), 지지부재(10)와 지지부재 시트(18) 사이에 애노드 접합의 사용은 어스에 대하여 커패시터 플레이트의 양호한 전기 절연을 제공한다. 실리콘의 팽창계수에 가까운 팽창계수를 갖는 지지부재 시트(18)용 유리의 사용은 디퍼렌셜 온도가 보증 질량체(9), 커패시터 플레이트(11) 및 지지부재(10)의 실리콘을 가로질러 디퍼렌셜 정전 용량을 달성하지 않는 것을 보장한다. 또한 커패시터 플레이트(11)는 탄력을 잃은 보증 질량체(9)의 공진을감쇠하는 부분에 또한 작용하는 에어 스퀴즈 필름(air squeeze film)을 제공하도록 작용한다. 이것은 동력 및 작용하에 있지 않을 때 충격으로부터 가속도계를 보호한다. 커패시터 플레이트(11)를 어스에 저항으로 연결하는 것이 가능하므로 에러를 또한 발생할 수 있는 정적 충전 조립이 없다.
본 발명은 가속도계에 관한 것으로, 특히 적어도 일부분이 실리콘으로 제조되는 가속도계에 관한 것이다.

Claims (22)

  1. 대체로 평면의 판형 보증 질량체(proof mass),
    상기 보증 질량체와 각각 동일 평면상의 4개 이상의 플렉시블 마운팅 레그(mounting leg),
    상기 보증 질량체와 동일 평면상 그리고 보증 질량체에 대하여 고정 설치되는 대체로 평면의 링형 지지부재,
    적어도 2개의 이격된 대체로 평면의 커패시트 플레이트,
    상기 보증 질량체를 영 위치(null position)를 향하여 감지 방향으로 복귀시키는 복귀수단
    을 포함하고,
    각각의 마운팅 레그의 일 단부는 보증 질량체에 연결되고 다른 단부는 지지부재에 연결되어 상기 보증 질량체는 가속도계에 적용되는 가속도계 변화에 대응하여, 이 보증 질량체, 마운팅 레그 및 지지부재를 포함하는 평면에서 감지 방향으로 직선 운동을 위하여 설치되고, 상기 마운팅 레그는 감지 방향에 대체로 수직하게 연장되고,
    상기 커패시터 플레이트는 각각 감지 방향에서 보증 질량체의 직선 운동을 감지하기 위하여, 보증 질량체, 마운팅 레그 및 지지부재와 동일한 평면상에 있고, 상기 보증 질량체, 마운팅 레그, 지지부재 및 커패시터 플레이트는 단일의 실리콘 플레이트로 형성되는 가속도계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보증 질량체, 마운팅 레그, 지지부재 및 커패시터 플레이트는 [111] 또는 [100] 결정 평면에 원점을 둔 실리콘 플레이트로부터 건식 에칭에 의하여 형성되는 가속도계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지부재는 대체로 직사각형 형상을 가지고 있는 보증 질량체에 위치되는 내부 개방부를 둘러싸는 대체로 직사각 링형 형상을 가지고 있고,
    상기 마운팅 레그는, 내부 개방부를 형성하는 지지부재의 제1 내벽과 보증 질량체의 대향하는 제1 외벽 사이에 적어도 2개 구비되고, 내부 개방부를 형성하는 지지부재의 제2 내벽과 보증 질량체의 대향하는 제2 외벽의 사이에 적어도 2개 구비되며, 이격된 어레이에서 감지 방향에 대체로 수직하게 연장되는 가속도계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마운팅 레그는 감지 방향에서 고 컴플라이언스(compliance)를 가지고 있고, 다른 방향에서 저 컴플라이언스를 가지고 있는 가속도계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지지부재 및 커패시터 플레이트에 고정 설치되는 비전도성 재질의 지지부재 시트를 포함하며,
    상기 마운팅 레그 및 보증 질량체는 상기 지지부재 시트로부터 이격되는 가속도계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지지부재 시트는 상기 지지부재 및 커패시터 플레이트가 애노드 접합(anodic bonding)에 의하여 고정 설치되는 유리로 이루어지는 가속도계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복귀수단이 전자석인 가속도계.
  8. 제7항에 있어서,
    각 마운팅 레그가 적어도 하나의 코일 구조 턴의 일부를 지탱하면서, 상기 보증 질량체는 박막 전기 전도성 코일 구조를 지탱하는 가속도계.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 커패시터 플레이트는 상기 지지부재의 내부 개방부에 위치되고, 상기 커패시터 플레이트 중 하나는 보증 질량체의 일측에 있고 다른 하나는 보증 질량체의 다른 일측에 있으며 감지 방향에 대체로 가로질러 연장되는 가속도계.
  10. 제8항 및 제9항에 있어서,
    상기 지지부재로부터 멀리 떨어진 지지부재 시트의 측면에 위치되고 상기 지지부재 시트에 부착되는 구멍이 형성된 유리 프레임을 포함하고,
    상기 복귀수단은 보증 질량체에 지탱되는 코일 구조 턴으로 레지스터 내의 자석의 대향 단부에서 서로 이격되어 있는 극부와 함께 유리 프레임 구멍 내에 위치되는 자석 및 두개의 바 극부를 포함하는 가속도계.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지지부재 시트의 인접면은, 상기 바 극부의 일부를 수용하기 위하여 오목하게 형성되고, 두개의 바 극부와 함께 레지스터 내 및 그 사이에 연장되는 상기 지지부재 시트의 지지부재 측면에 위치되는 링크 극부를 포함하는 가속도계.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 지지부재 시트로부터 멀리 떨어진 측면의 유리 프레임에 부착되어 상기 유리 프레임 구멍 및 링크 극부용 유리 하우징 내에 상기 자석 및 바 극부를 유지하는 시트형 유리 베이스를 포함하는 가속도계.
  13. 제12항에 있어서.
    상기 자석은 감지 방향으로 극성이 주어지는 가속도계.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 지지부재의 상기 제1 및 제2 내벽으로부터 상기 보증 질량체의 인접한 제1 및 제2 외벽을 향하여 감지 방향에 대체로 수직하게 연장되는 측면으로 이격되는 핑거의 제1 어레이, 및 상기 보증 질량체의 상기 제1 및 제2 외벽으로부터 상기 지지부재의 인접한 제1 및 제2 내벽을 향하여 감지 방향에 대체적으로 수직하게 연장되는 측면으로 이격되는 핑거의 제2 어레이를 포함하는, 공중에서 서로 맞물리는 복수의 핑거를 포함하고,
    상기 핑거의 제1 어레이는 지지부재에 대하여 감지 방향으로 보증 질량체의 운동에 대한 에어 스퀴즈 감쇠를 제공하기 위하여 인접한 핑거의 제2 어레이와 서로 맞물리는 가속도계.
  15. 제14항에 있어서,
    제2항에 부가될 때, 상기 서로 맞물리는 핑거는 실리콘 플레이트로부터 건식 에칭에 의하여 형성되는 가속도계.
  16. 제15항에 있어서,
    제5항에 부가될 때, 상기 서로 맞물리는 핑거는 상기 지지부재 시트와 이격되어 있는 가속도계.
  17. 제3항에 있어서,
    인접한 커패시터 플레이트와 내부 개방부를 형성하는 지지부재의 인접한 제3 또는 제4 내벽 사이에 각각 내부 개방부 내에 위치되고 상기 지지부재로부터 상기 커패시터 플레이트를 차폐할 수 있는 적어도 2개의 어스 스크린을 포함하고,
    상기 커패시터 플레이트는 어스 스크린과 전기적으로 절연되고, 상기 어스 스크린은 이 어스 스크린이 설치되는 상기 지지부재와 전기적으로 절연되는 가속도계.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 커패시터 플레이트에 구형파(square wave) 구동 전압을 반대 위상으로 공급하는 수단을 포함하는 가속도계.
  19. 제8항 및 제18항에 있어서,
    상기 보증 질량체 코일 구조에 제어 전류를 공급하는 수단을 포함하고,
    상기 제어 전류 공급 수단은, 가속하에서 상기 커패시터 플레이트의 불균형을 발생시키는 교류(AC) 변조 주파수에서 2개의 커패시터 플레이트 사이의 디퍼렌셜 신호(differential signal)를 보증 질량체 코일 구조로부터 수신하는 프리앰프(pre-amplifier),
    상기 프리앰프로부터 출력 신호를 동시에 복조하는 AC 복조기(demodulator),
    상기 복조기로부터 출력 신호를 적분하는 적분기(integrator),
    상기 적분기로부터 수신된 출력 신호의 안정성을 보장하는 루프 필터(loopfilter), 및
    상기 루프 필터로부터 출력 신호를 수신하고 상기 보증 질량체 코일 구조에 제어 전류를 공급하는 전류 구동장치를 포함하는 가속도계.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동수단은 보증 질량체에 단일 변조 교류(AC)를 공급하며, 각각의 커패시터 플레이트에 출력 신호를 발생시키는 수단을 포함하는 가속도계.
  21. 제8항 및 제20항에 있어서,
    상기 보증 질량체 코일 구조에 제어 전류를 공급하는 수단을 포함하고,
    상기 제어 전류 공급 수단은 그 하나는 커패시터 플레이트 중 하나로부터 출력 신호를 수신하고 다른 하나는 커패시터 플레이트의 다른 하나로부터 출력 신호를 수신하는 2개의 프리앰프,
    2개의 상기 프리앰프로부터 출력 신호를 수신하고 보증 질량체의 순 변위에 대응하는 출력 신호로 프리앰프 출력 신호를 변이시키는 디프렌셜 앰프, 및
    상기 보증 질량체를 감지 방향에서 영 위치(null position)로 복귀시키기 위하여 보증 질량체에 제어 전류로서 통과용 직류(DC) 출력 신호를 발생하도록 디프렌셜 앰프로부터 출력 신호를 수신하고 상기 디프렌셜 앰프로부터 출력 신호를 동시에 복조하는 AC 복조기를 포함하는 가속도계.
  22. 실질적으로 상기에서 설명되고 첨부도면의 도 3, 도 4 내지 도 11, 도 12 또는 도 13에 도시된 바와 같은 가속도계.
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