JP2000506260A - 微小加工された集積面磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微小加工された磁力計が、基板（１２）と平行な軸に沿って磁化された強磁性体（５４）が被着された回転可能な微小加工された構造体（１０）から形成される。強磁性体の磁気モーメントの方位に応じてＸ軸またはＹ軸に沿う外部磁界を検出するため、Ｚ軸の周囲に回転可能な構造体を用いることができる。Ｚ軸に沿う外部磁界を検出するため、Ｘ軸またはＹ軸の周囲に回転可能な構造体を用いることができる。かかる構造体の２つまたは３つを組合わせることにより、２軸または３軸の磁力計が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 微小加工された集積面磁力計発明の分野 本発明は、電気機械的な微小加工された構造体（micromachined structure） の分野に関し、特に微小加工された磁力計に関する。発明の背景 多くの目的のために、磁界を正確に計測できることが望ましい。磁力計は、コ ンパスとして使用することができ、かつバーチャル・リアリティ装置、電子ゲー ムおよび自動車製品を含む多くの領域において有用である。 磁界を検知する従来の方法は、ホール効果、磁束変化、磁気抵抗、あるいは巨 大磁気抵抗を計測する諸装置を含む。かかる方法は有効であり得るが、これらの 従来装置を改善し得る多くの領域がある。例えば、かかる装置における温度係数 およびオフセット安定度を改善すること、高い動的レンジにおける非常に高い感 度を得ること、総合磁界感度の代わりに真の傾斜感度を得ること、より高い線形 性を得ること、アナログあるいはディジタル出力におけるオンチップ信号処理を 提供すること、単一装置における多軸の磁界を計測できること、およびかかる装 置のサイズを減じることが有利となろう。また、磁力計を加速度計あるいは偏揺 れレート・センサ（ｙａｗ ｒａｔｅ ｓｅｎｓｏｒ）の如き微小加工された慣 性センサと統合化できることが有利となろう。発明の概要 本発明は、磁力計として用いられる微小加工された構造体を目的とする。磁界 Ｂを磁気モーメントｍを持つ物質へ印加すると、この物質に磁界と磁気モーメン トとの相互積に基くトルクを与えさせる。換言すれば、この物質はトルクＬ＝ｍ ×Ｂを受ける。 微小加工されたシリコン構造は、差動可変コンデンサの使用により加速度を検 出し計測するのにしばしば用いられる。このようなセンサにおいて は、一方のコンデンサが一方の板と質量により形成され第２のコンデンサが第２ の板と質量により形成されるように、可動質量が２つの板間に配置される。この 原理に基く加速度計およびかかる加速度計を作るプロセスは、参考のため本文に 援用される同じ譲受人に譲渡された米国特許第５，３４５，８２４号、同第５， ３２６，７２６号および同第５，３１４，５７２号に記載されている。 本発明によれば、強磁性体を回転運動を検出するため設計された微小機械的構 造体へ付加することによって単一軸磁力計が得られる。望ましい実施の形態にお いて、１つ以上の軸における磁界を計測するために１つの装置が用いられる。３ つの直交軸における磁界に感応する装置を、加速度計あるいは他の微小加工した 慣性センサおよび分解回路と共に１つのチップ上に配置することができる。 望ましい実施の形態において、微小機械的構造体は、構造体の回転運動が各差 動コンデンサの中心電極を差動コンデンサの２つの固定電極の１つに接近し更に 他の固定電極から遠去るよう運動させるように構成された差動可変コンデンサを 用いる。結果として生じる差動キャパシタンスの変化は運動量に比例し、この運 動量は更に構造体に加えられる角加速度に比例する。 強磁性体は、微小機械的構造体の可動中心電極に対して被着されて構造体に磁 気モーメントｍを与える。当該構造体は、構造体を運動させようとする外部の機 械的な付角振動に対する構造体の感度を最小化するように小さな慣性モーメント を有することが望ましい。典型的な微小機械的構造体においては、中心電極の慣 性モーメントは、通常の用途では機械的振動が充分な運動を磁力計の機能性と干 渉させない程度に低い。 基板の面と直角をなす軸の周囲に回転する（即ち、Ｚ軸の周囲に回転する）構 造体は、強磁性体がＹ軸と整列された磁気モーメントを持つならば、Ｘ軸に沿っ た磁界に感応する。同様に、かかる構造体は、強磁性体がその磁気モーメントが Ｘ軸と整列されたならば、Ｙ軸に沿った磁界に感応する。 直交する（例えば、Ｘ軸およびＹ軸に整合された）磁気モーメントを持 つ構造体は、種々の手法により得ることができる。１つの技術においては、強磁 性体は２つの構造体の長く薄い帯片で添付される。この帯片は、第１の構造体に おけるＸ軸と第２の構造体のＹ軸とに沿って配向される。磁界は、Ｘ軸から４５ °で装置に対して印加される。このことは、第１の構造体においては磁気ダイポ ールをＸ軸に沿って、かつ第２の構造体においてはＹ軸に沿って形成させる。 第２の技術においては、硬質の強磁性体が一方の構造体上に被着され、軟質の 強磁性体は他方の構造体上に被着される。磁界は装置に対して第１の方向に印加 され、両方の強磁性体を磁化する。次いで、磁界が第１の方向に対して直角の第 ２の方向に印加される。硬質の強磁性体の磁化に影響を及ぼすことなく第２の方 向に軟質の強磁性体を再磁化するには、弱い磁界で充分である。 Ｚ軸に沿った磁界に対して感応する構造体は、Ｘ軸またはＹ軸のいずれかに回 転し得るように、構造体上方に懸架された板から形成される。差動可変コンデン サは、懸架された板のいずれかの側における固定板から形成される。強磁性体は 、懸架板が回転し得る軸と直角をなす軸の周囲に配向される磁気モーメントで懸 架板に対して印加される。 これらの板構造体の一方とＺ軸周囲に回転する構造体の一方とを用いることが 、両方の構造体の磁気モーメントが同じ軸に沿って配向される２重軸磁力計（du al-axis magnetometer）の設計を可能にする。図面の簡単な説明 図１は、本発明の一実施形態の微小加工された磁力計の俯瞰図、 図２は、２つの異なる軸に沿って２つの磁力計構造体を磁化する方法を示す本 発明の２重軸磁力計の平面図、 図３は、２つの異なる軸に沿って２つの磁力計構造体を磁化する第２の方法を 示す本発明の２重軸磁力計の平面図、 図４は、本発明の第２の実施の形態の微小加工された磁力計の平面図、 図５は、図４に示された微小加工された磁力計の側面図、 図６は、本発明の第３の実施の形態の微小加工された磁力計の側面図、 図７は、本発明による磁力計に使用される回路の部分ブロック概略図、 図８は、本発明による磁力計に使用される第２の回路の部分ブロック概略図で ある。望ましい実施の形態の詳細な説明 Ｘ軸またはＹ軸に沿った磁界を計測する構造体が図１に示される。磁力計構造 体(magnetometer structure)１０は、シリコン基板１２上に懸架された２マイク ロメートルの厚さのポリシリコン構造体である。磁力計構造体１０は、磁力計構 造体１０の周囲に対称的に配置されるアンカー１６で基板１２に接続する。アン カー１６もまた、ポリシリコンから形成される。ディスク２０は磁力計構造体１ ０の中心にある。ビーム２４が、ディスク２０をリング２２に接続している。デ ィスク２０とリング２２間の間隙は、磁力計構造体１０の慣性モーメントを低減 するのに役立ち、構造体を回転させようとする外部の機械力に対する構造体の感 度を最小化する。望ましくは、検出可能な回転運動が生じる前に１０００ラジア ン／秒²程度の機械的擾乱が要求される。 懸架アーム２８がリング２２から延長し、長いセグメント３０、３２、３４と 短いセグメント３６とを含んでいる。長いセグメント３０、３２、３４は、撓む ことができ、磁力計構造体１０がＺ軸の周囲に回転することを許容する。 ビーム・フィンガ４０もまたリング２２から延長している。固定フィンガ４２ は、各ビーム・フィンガ４０に対して反時計方向に平行に位置し、固定フィンガ ４４は、各ビーム・フィンガ４０に対して時計方向に平行に位置する。アンカー ４６、４８は、基板１２に対して固定フィンガ４２、４４をそれぞれ接続してい る。各固定フィンガ４２は、基板１２における拡散セグメントにより電気的に接 続されている。同様に、各固定フィンガ４４は、基板１２における拡散セグメン トによって電気的に接続されている。ビーム・フィンガ４０と固定フィンガ４２ 、４４と共に、差動可変コンデンサを形成する。明瞭にするため、ビーム・フィ ンガ４０と固定フィ ンガ４２、４４とからなる４個のセルのみが図１に示されている。しかし、比較 的大きな感度を得るには、２０個以上のこのようなセルが用いられることが望ま しい。 磁力計構造体１０の反時計方向の回転運動が、ビーム・フィンガ４０を固定フ ィンガ４２へ近づけ固定フィンガ４４からは遠ざける。このことは、ビーム・フ ィンガ４０と固定フィンガ４２により形成されたコンデンサ６０の容量を増し、 ビーム・フィンガ４０と固定フィンガ４４により形成されたコンデンサ６２の容 量を減じる。同様に、磁力計構造体１０の時計方向の回転運動は、ビーム・フィ ンガ４０を固定フィンガ４４に対して近づけ固定フィンガ４２からは遠ざける。 このことは、コンデンサ６２の容量を増し、コンデンサ６０の容量を減じる。 あるいはまた、固定フィンガ４２および４４は、固定フィンガ４２、４４の中 心がビーム・フィンガ４０の中心のいずれかの側に変位された状態でビーム・フ ィンガ４０の上方または下方にあり得る。このような構成により、磁力計構造体 １０の回転運動が、コンデンサ６０、６２の容量面積を変化させることによって これらコンデンサの容量を変化させる。 ディスク２０は直径が約１００マイクロメートルであり、リング２２は直径が 約２００マイクロメートルである。懸架アーム２８の長いセグメント３０は約２ ００マイクロメートルの長さと２マイクロメートルの幅であり、長いセグメント ３２、３４は約１５０マイクロメートルの長さと約２マイクロメートルの幅であ る。ビーム・フィンガ４０は約１００マイクロメートルの長さであり、固定フィ ンガ４２、４４は約１００マイクロメートルの長さである。ビーム・フィンガ４ ０、４２、４４は各々約３．５マイクロメートルの幅であり、各ビーム・フィン ガ４０とその隣接する固定フィンガ４２、４４との間の間隙が１．２マイクロメ ートルである。 強磁性体５４は、ディスク２０上に矩形状に被着されている。強磁性体５４は 、バリウムヘキサフェライド（ｂａｒｉｕｍ ｈｅｘａｆｅｒｒｉｄｅ）または コバルトプラチナクロームから作られることが望ましい。しかし、ニッケルまた は他の強磁性体を使用することもできる。強磁性体５ ４は、ディスク２０上に１０００オングストローム程度の厚さでスパッタリング されることが望ましい。あるいはまた、電気メッキ法を用いることもできる。 磁力計構造体１０をＹ軸に沿って配向された磁界に対して感応させるために、 強磁性体５４が（図１に示されるように）Ｘ軸に沿って配向された磁気モーメン トを持つように磁化され、あるいはまた、磁力計構造体１０をＸ軸に沿って配向 された磁界に対して感応させるために、強磁性体５４がＹ軸に沿って配向された 磁気モーメントを持つように磁化される。強磁性体５４の長い側が、強磁性体５ ４が磁化される軸に平行に配向されることが望ましい。 これら磁力計構造体の２つは、２重軸磁力計を得るため１つのチップ上に形成 することができる。これら構造体の２つを用いる２重軸磁力計の場合、第１の磁 力計構造体１０における強磁性体５４は、１つの軸に沿って配向された磁気モー メントを持ち、第２の磁力計構造体１０における強磁性体５４は、第２の軸に沿 って配向された磁気モーメントを持っている。 図２に示されるように、図１に示された２つの構造体を用いる２重軸磁力計（ 構造体の中心部分のみが図２に示される）は、一連の強磁性体条片（strip）１ ００をＸ軸に沿って磁力計構造体１１０のディスク１２０上に被着させ、かつ一 連の強磁性体条片１０５をＹ軸に沿って磁力計構造体１１５のディスク１２５上 に被着させることによって作ることができる。磁化軸は、（ディスク１２０に対 してはＸ軸に沿い、ディスク１２５ではＹ軸に沿って）強磁性体を多結晶形態あ るいは非晶質形態で被着させることによって条片の長手方向に沿って確保される 。 外部磁界Ｂは、線１３０により示されるように、Ｘ軸から約４５°の角度で２ つの磁力計構造体１１０、１１５へ印加される。これは、磁気ダイポールをＸ軸 に沿ってディスク１２０上の強磁性体条片１００に形成させ、磁気ダイポールを ディスク１２５上の強磁性体にＹ軸に沿って形成させる。磁力計構造体１１０は Ｙ軸に沿って印加された磁界に感応し、磁力計構造体１１５はＸ軸に沿って印加 された磁界に感応する。 処理のばらつきが磁気ダイポールをＸ軸および（または）Ｙ軸から偏らせる程 度に従って、薄膜抵抗をトリミングすることにより、あるいは当技術で周知の他 の方法によって、磁界のＸ軸およびＹ軸に沿う強さを正確に反映する出力を得る ように処理回路（以下に述べる）を調整することができる。 あるいはまた、図３に示されるように、２つのディスクに異なる磁気強さの２ つの強磁性体を被着させることによって、図１に示された２つの構造体を用いる ２重軸磁力計を作ることができる。強磁性体２００は、磁力計構造体２１０のデ ィスク２２０上に被着され、強磁性体２０５は磁力計構造体２１５のディスク２ ２５上に被着される。強磁性体２００は、強磁性体２０５よりも強く、より高い 飽和保磁力を有する。更に、強磁性体２００は、強磁性体２０５よりも高いキュ ーリー温度を有する。 外部磁界Ｂは、Ｘ軸に沿って強磁性体２１０および２１５に印加される。磁界 Ｂは、強磁性体２００の保磁力より大きい。その結果、強磁性体２００、２０５ は、Ｙ軸に沿って磁化される（即ち、ある磁気ダイポールが形成される）。 磁界Ｂは次に除去され、強磁性体２１０、２１５が強磁性体２０５のキューリ ー温度より高いが強磁性体２００のキューリー温度より低い温度に加熱される。 これが、強磁性体２０５から磁気ダイポールを除去する。 磁力計構造体２１０、２１５を冷却した後、外部磁界Ｂ'がＹ軸に沿って磁力 計構造体２１０、２１５へ印加される。外部磁界Ｂ'は、強磁性体２０５の保磁 力より高いが強磁性体２００の保磁力より低い。結果として、磁気ダイポールが Ｙ軸に沿って強磁性体２０５に形成されるが、強磁性体２００における磁気ダイ ポールはＸ軸に沿って残る。あるいはまた、この方法は、強磁性体２００に影響 を及ぼすことなく強磁性体２０５を消磁し次いで再磁化するために外部磁界を用 いることによって、磁力計構造体２１０、２１５を加熱することなく用いること ができる。 Ｚ軸に沿う磁界を計測する構造体が図４に示される。ポリシリコン磁力計構造 体３１０は、約２マイクロメートルの厚さであり、基板３１２上に 懸架された板３２０を含んでいる。板３２０の長い側は約２５０マイクロメート ルの長さであり、板３２０の短い側は約１５０マイクロメートルの長さである。 長い側はＸ軸に沿って延在し、短い側はＹ軸に沿って延在する。磁力計構造体３ １０は、磁力計構造体３１０の反対側でアンカー３１６で基板３１２に接続して いる。アンカー３１６もまたポリシリコンから作られる。懸架アーム３２８は、 Ｙ軸に沿って板３２０の長い側の中間からアンカー３１６まで延在する。懸架ア ーム３２８はそれぞれ、約４０マイクロメートルの長さと約２マイクロメートル の幅であり、板３２０がＹ軸の周囲に時計方向または反時計方向に回転するよう にＹ軸の周囲に捩ることができる。 図４および図５に示されるように、固定板３４２が板３２０の片側の下方に配 置され、固定板３４４は板３２０の他の側の下方に配置される。固定板３４２、 ３４４は、約０．５マイクロメートルの厚さであり、基板３１２に被着されたポ リシリコンから形成される。 板３２０、固定板３４２および固定板３４４は一緒に、差動可変コンデンサを 形成する。磁力計構造体３１０の反時計方向の回転は、板３２０を固定板３４２ に近づけ固定板３４４から遠ざける。これは、板３２０および固定板３４２によ り形成されたコンデンサ３６０の容量を増し、板３２０および固定板３４４によ り形成されたコンデンサ３６２の容量を減じる。同様に、磁力計構造体３１０の 時計方向の回転は、板３２０を固定板３４４に近づけ固定板３４２から遠ざける 。これは、コンデンサ３６２の容量を増し、コンデンサ３６０の容量を減じる。 強磁性体３５４は、板３２０上に被着されてＸ軸に沿って配向された磁気モー メントを持つように磁化される。あるいはまた、磁力計構造体３１０は、その長 い側および強磁性体３５４の磁気モーメントをＹ軸に沿って配向させることがで きる。 Ｚ軸に沿う磁界を計測する構造体もまた、固定板を片持ち梁の自由端の上下に 置いた片持ち梁構造に基くものにすることができる。図６に示されるように、磁 力計構造体４１０は、アンカー４１６に接続された懸架アー ム４２８により基板４１２上に懸架されたポリシリコン板４２０を含む。磁力計 構造体４１０は、図４および図５の磁力計構造体３１０に類似しているが、懸架 アーム３２８の左側に対する板３２０の部分が省かれ固定板および強磁性体が動 かされる。 磁力計構造体４１０は、Ｙ軸に沿って回転することができる。付加的なポリシ リコン層から形成された固定板４４２は、板４２０の自由端上に延在する。基板 ４１２上に被着されたポリシリコンから形成された固定板４４４は、板４２０の 自由端の下方に配置される。 板４２０、固定板４４２および固定板４４４は一緒に差動可変コンデンサを形 成する。磁力計構造体４１０の反時計方向回転は、板４２０を固定板４４２に近 づけ固定板４４４から遠ざける。これは、板４２０および固定板４４２により形 成されるコンデンサ４６０の容量を増し、板４２０および固定板４４４により形 成されるコンデンサ４６２の容量を減じる。同様に、磁力計構造体４１０の時計 方向回転は、板４２０を固定板４４４に近づけ固定板４４２から遠ざける。これ は、コンデンサ４６２の容量を増しコンデンサ４６０の容量を減じる。 強磁性体４５４は、板４２０上に被着され、Ｘ軸に沿って配向された磁気モー メントを持つように磁化される。あるいはまた、磁力計構造体４１０は、その長 い側および強磁性体４５４の磁気モーメントがＹ軸に沿って配向させることがで きる。 先に述べた回転可能な構造体は、当技術において知られる面微小加工法（surf ace micromachining technique)により作ることができる。面微小加工法は、例 えば米国特許第５，３１４，５７２号に示されている。 Ｚ軸に沿う磁界を検知する磁力計構造体は、２重軸磁力計を得るためＸ軸また はＹ軸に沿う磁界を検知するための磁力計構造体として同じチップ上に形成する ことができる。これらの磁力計構造体の２つを用いる時、各磁力計構造体の磁気 モーメントが構造体の磁化を簡素化するため同じ軸に沿うことが望ましい。 同じチップにおけるＸ軸に沿う磁界に感応する磁力計構造体、Ｙ軸に沿 う磁界に感応する磁力計構造体およびＺ軸に沿う磁界に感応する磁力計構造体か ら、３軸磁力計(three-axis magnetometer)を形成することができる。２軸磁力 計を磁化する先に述べた方法は、３軸磁力計に対しても用いることができる。例 えば、帯条の各磁力計構造体に対して強磁性体を添付することができる。Ｚ軸に 沿う磁界を計測するセンサにおける帯条は、回転可能な板の長い側と整合される 。あるいは、第２の強磁性体を第３のセンサ上に被着させて、１つの強磁性体を Ｚ軸センサおよび他のセンサの１つの上に被着することができる。 通常の使用において、外部磁界Ｂが磁力計に対して印加される時、磁界Ｂと回 転可能な構造体に被着された強磁性体の磁気モーメントｍの相互積に基いて、ト ルクＬが生成される。即ち、 Ｌ＝ｍ×Ｂ このトルクの大きさは、外部磁界の方向と関連する磁気ダイポールの配向に依 存する。即ち、 ｜Ｌ｜＝｜ｍ×Ｂ｜＝ｍ・Ｂ・ｓｉｎ α 但し、αは外部磁界Ｂの方向と関連する磁気ダイポールの方位角である。このト ルクは、磁力計構造体を回転させようとするが、構造体の懸架により生じる回転 トルクにより対抗される。この戻りトルク(restoring torque)は、下式による構 造体の角変位θに基く。即ち、 Ｌ＝Ｋ・θ 但し、Ｋは、構造体の回転ばね定数である。 平衡状態では、トルクは等しい。即ち、 Ｌ＝Ｋ・θ＝ｍ・Ｂ・ｓｉｎα θについて解くと、下式を得る。 θ＝（ｍ・Ｂ・ｓｉｎα）／Ｋ このように、固定磁気モーメントｍおよび回転ばね定数Ｋが与えられると、構 造体の角変位は外部磁界Ｂおよびｓｉｎαに正比例する。また、１つの軸に沿っ て整合される磁気モーメントが与えられると、角変位は磁気モーメントの軸と直 角をなす軸に沿う外部磁界の強さに正比例する。従っ て、構造体の角変位を決定することにより、所与の軸に沿う磁界の強さを決定す ることができる。 望ましい実施の形態において、強磁性体が、その磁気モーメントｍが１０^-6ｅ ｍｕ程度となるように、かつ構造体の回転ばね定数Ｋが略々０．０１ないし１． ０ダイン−ｃｍの範囲内にあるように磁化される。本発明による典型的な磁力計 は、１０^-10ラジアン程度の角変位と１ミリガウス以上程度の磁界とを解析する ことが可能である。 先に述べた梯子登りの差動可変コンデンサは、角変位θを検知するために用い られる。開ループ回路形態を示す図７に示されるように、２つのキャリア信号５ ０２、５０４が差動可変コンデンサ５１０の固定電極５０６、５０８へ印加され る。固定電極５０６、５０８は、例えば、図１に示された固定フィンガ４２、４ ４と、図４に示された固定板３４２、３４４と、図６に示された固定板４４２、 ４４４とに対応している。キャリア信号５０２、５０４は、同じ周波数にあり、 相互に１８０°だけ位相が異なる。典型的には、キャリア信号５０２、５０４は 、約１００ＫＨｚないし１ＭＨｚの範囲内にある。異なるＤＣオフセットもまた 、固定電極５０６、５０８に印加される。 回転可能な構造体が外部磁界に露呈されないその静位置にある時、回転可能な 構造体の一部である中心電極５２０は、固定電極５０６、５０８間の中心に置か れる。中心電極５２０と固定電極５０６により形成されるコンデンサ５２２の容 量は、中心電極５２０と固定電極５０８とにより形成されたコンデンサ５２４の 容量と等しい。中心電極５２０は、例えば、図１に示されたビーム・フィンガ４ ０に対応し、あるいは図４に示された板３２０に対応し、あるいは図６に示され た板４２０に対応している。コンデンサ５２２、５２４の容量が等しい状態では 、キャリア信号５０２、５０４によって中心電極５２０に信号が誘起されない。 回転可能な構造体および中心電極５２０が外部磁界により生じる外部トルクに より回転される時、コンデンサ５２２、５２４の容量は反対方向に変化する。例 えば、中心電極５２０が固定電極５０６に近づく（かつ固定 電極５０８から遠ざかる）ように回転するならば、コンデンサ５２２の容量は増 しコンデンサ５２４の容量は減じる。かかる異なる変化は、中心電極５２０にキ ャリア信号５０２、５０４の周波数における信号を誘起する。誘起信号の振幅は 、中心電極５２０および回転可能な構造体の回転運動に比例する。 前記の差信号は、バッファ５３０の入力へ印加される。バッファ５３０の出力 は復調器５３２の入力に印加されて、ベースバンド変位信号を得る。復調器５３ ２の出力は増幅器５３４に印加され、この増幅器の出力は感応軸(sensitive axi s)に沿う外部磁界の角変位と大きさとに比例する。感応軸は、両回転軸と直角を なす軸であり、強磁性体が磁化される軸である。 薄膜抵抗５３６、５３８は、増幅器５３４の出力と接地５４０との間に直列に 接続される。出力信号Ｖｏは、抵抗５３６と５３８間のノードから得られる。抵 抗５３６、５３８の信号Ｖｏの一方または両方をトリミング(trimming)すること により、装置は処理のばらつきあるいは他の校正に対して調整することができる 。 あるいはまた、閉ループ形態を用いることができる。例えば、図８に示される ように、出力信号１６を抵抗５４２を介して中心電極５２０へフィードバックす ることができる。抵抗５４２は、典型的に３メガオームである。閉ループ形態に おいては、異なるＤＣオフセットが固定電極５０６、５０８へ印加されることが 望ましい。バッファ５３０、復調器５３２、増幅器５３４および抵抗５３６、５ ３８、５４２を含む回路要素は、従来の集積回路製造技術により全て基板に形成 されることが望ましい。 開ループおよび閉ループ形態に対する回路については、米国特許第５，３４５ ，８２４号において更に記載されている。 典型的な実施の形態においては、回転可能な各構造体（即ち、各感度軸）ごと に別個の回路が用いられる。 本発明の事例について示し記述したが、当業者には、請求の範囲に記載される 如き本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更および修正が可能であること が明らかであろう。従って、本発明は、請求の範囲および相 当事項によってのみ制限される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年１月９日（１９９８．１．９） 【補正内容】 明細書 微小加工された集積面磁力計発明の分野 本発明は、電気機械的な微小加工された構造体(micromachined structure)の 分野に関し、特に微小加工された磁力計に関する。発明の背景 多くの目的のために、磁界を正確に計測できることが望ましい。磁力計は、コ ンパスとして使用することができ、かつバーチャル・リアリティ装置、電子ゲー ムおよび自動車製品を含む多くの領域において有用である。 磁界を検知する従来の方法は、ホール効果、磁束変化、磁気抵抗、あるいは巨 大磁気抵抗を計測する諸装置を含む。かかる方法は有効であり得るが、これらの 従来装置を改善し得る多くの領域がある。例えば、かかる装置における温度係数 およびオフセット安定度を改善すること、高い動的レンジにおける非常に高い感 度を得ること、総合磁界感度の代わりに真の傾斜感度を得ること、より高い線形 性を得ること、アナログあるいはディジタル出力におけるオンチップ信号処理を 提供すること、単一装置における多軸の磁界を計測できること、およびかかる装 置のサイズを減じることが有利となろう。また、磁力計を加速度計あるいは偏揺 れレート・センサ（ｙａｗ ｒａｔｅ ｓｅｎｓｏｒ）の如き微小加工された慣 性センサと統合化できることが有利となろう。 ＣＨ６７９３４１は、誘導（Ｂ）の測定装置を開示しており、軸上で傾斜可能 な板と、基板およびスペーサとを含む担体とを持つセンサ要素を呈示している。 前記板は、軸を形成する帯材(strip)により担体(carier)におけるスペーサの凹 部上に配置される。この板は層中の磁化可能材料からなっており、計測されるべ き誘導（Ｂ）により軸にトルクを生じる永久磁化（Ｍ）を呈する。前記帯材は、 板が 反らされ、板の反りに逆らうように働くトルクが発生したときに該トルクに比例 する捩りを生じるように固定される。発明の概要 本発明は、磁力計として用いられる微小加工された構造体を目的とする。磁界 Ｂを磁気モーメントｍを持つ物質へ印加すると、この物質に磁界と磁気モーメン トとの相互積に基くトルクを与えさせる。換言すれば、この物質はトルクＬ＝ｍ ×Ｂを受ける。 微小加工されたシリコン構造は、差動可変コンデンサの使用により加速度を検 出し計測するのにしばしば用いられる。このようなセンサにおいては、一方のコ ンデンサが一方の板と質量により形成され第２のコンデンサが第２の板と質量に より形成されるように、可動質量が２つの板間に配置される。 請求の範囲 １．基板（１２）上に懸架され、少なくとも１つの回転可能な構造体フィンガ（ ４０）を有する回転可能構造体（２０、２２、２４）と、 各々が基板に接続された第１の端部（１６）と前記回転可能構造体に接続され た第２の端部とを有する少なくとも１つの懸架アーム（２８）と、 各々が前記回転可能構造体フィンガの１つの第１の側に隣接している、前記基 板に接続された少なくとも１つの第１の固定フィンガ（４２）と、 各々が前記回転可能構造体フィンガの１つの第２の側に隣接している、前記基 板に接続された少なくとも１つの第２の固定フィンガ（４４）と、 磁気モーメントを持ち、前記回転可能構造体に接続された強磁性体（５４）と を備える微小加工された電気機械的装置。 ２．前記回転可能構造体が少なくとも２個の回転可能構造体フィンガ（４０）を 持ち、前記回転可能構造体フィンガが前記回転可能構造体の回転軸の周囲に略々 対称的に配置される請求項１記載の装置。 ３．前記回転可能構造体が中心部分（２０）を持ち、各回転可能構造体フィンガ が該中心部分から略々半径方向に延在する請求項１記載の装置。 ４．前記強磁性体が前記回転可能構造体の中心部分に接続される請求項３記載の 装置。 ５．前記強磁性体がバリウムヘクサフェライドを含む請求項１記載の装置。 ６．前記強磁性体がコバルトプラチナクロームを含む請求項１記載の装置。 ７．基板（４１２）上に懸架され、回転可能な電極（４２０）を持ち、軸の周囲 に回転可能な構造体（４１０）と、 前記基板に接続された第１の端部と前記回転可能構造体に接続された第２の端 部と、を有する懸架アーム（４２８）と、 前記基板に接続され、第１の電極を有する第１の固定板（４４４）と、 該第１の電極は回転可能電極の下方に配置され、第１の電極と回転可能電極と が第１のコンデンサを形成し、前記軸の周囲における第１の方向の前記構造体の 回転運動が、前記第１のコンデンサの容量を増し、前記軸周囲における第２の方 向の前記構造体の回転運動が前記第１のコンデンサの容量を減じることと、 前記基板に接続され、第２の電極を有する第２の固定板（４４２）と、 該第２の電極は回転可能電極の上方に配置され、第２の電極と回転可能電極と が第２のコンデンサを形成し、前記軸周囲における第１の方向の構造体の回転運 動が前記第２のコンデンサの容量を減じ、前記軸の周囲における第２の方向の構 造体の回転運動が前記第２のコンデンサの容量を増すことと、 磁気モーメントを有し、前記回転可能な構造体に接続された、強磁性体（４５ ４）と、 を備える微小加工された電気機械的装置。 ８．前記基板に形成され、回転可能電極（５２０）に電気的に接続された入力と 、出力とを有するバッファ（５３０）と、 前記基板に形成され、前記バッファの出力に接続された入力と、出力とを有す る復調器（５３２）と、 前記基板に形成され、前記復調器の出力に接続された入力と、出力とを有する 増幅器（５３４）と を更に備える請求項７記載の装置。 ９．各々が、 基板（１２、３１２、４１２）上に懸架され、回転可能な電極（４０、３２ ０、４２０）を有する、軸の周囲に回転可能な第１の構造体（２０、２２、２４ ；３２０、４２０）と、 各々が前記基板に接続された第１の端部（１６、３１６、４１６）と、前記 回転可能構造体に接続された第２の端部と、を有する少なくとも１つの懸架アー ム（２８、３２８、４２８）と、 前記基板に接続され、第１の電極を有する第１の固定板（４２、３４２、４ ４２）と、 該第１の電極と前記回転可能電極とが第１のコンデンサを形成し、前記構造体の 前記軸周囲における第１の方向の回転運動が前記第１のコンデンサの容量を増し 、前記軸周囲における第２の方向の前記構造体の回転運動が前記第１のコンデ ンサの容量を減じることと、 前記基板に接続され、第２の電極を有する第２の固定板（４４、３４４、４ ４４）と、 該第２の電極と回転可能電極とが第２のコンデンサを形成し、前記軸周囲にお ける第１の方向の前記構造体の回転運動が前記第２のコンデンサの容量を減じ、 前記軸周囲における第２の方向の前記構造体の回転運動が前記第２のコンデンサ の容量を増すことと、 磁気モーメントを持ち、前記回転可能構造体に接続された強磁性体（１００ 、１０５；２００、２０５；３５４；４５４）と、 を含む複数の磁力計（図２ないし図４） を備える微小加工された電気機械的装置。 １０．前記複数の磁力計の第１の磁力計（１１０、１１５；２１０、２１５）が 第１の軸の周囲に回転可能であり、該複数の磁力計の第２の磁力計（３１０、４ １０）が前記第１の軸と直角をなす第２の軸の周囲に回転可能である請求項９記 載の装置。 １１．前記複数の磁力計の第１の磁力計の磁気モーメントと、該複数の磁力計の 第２の磁力計の磁気モーメントとが、共に第１の方向に配向される請求項１０記 載の装置。 １２．前記複数の磁力計の第１の磁力計（１１０、２１０）が第１の軸の周囲に 回転可能であり、該複数の磁力計の第２の磁力計（１０５、２０５）が前記第１ の軸と平行をなす第２の軸の周囲に回転可能である請求項９記載の装置。 １３．前記複数の磁力計の第１の磁力計の磁気モーメントが前記第１の軸と直角 をなす第３の軸に沿って配向され、前記複数の磁力計の第２の磁力計の磁気モー メントが前記第１の軸と直角をなしかつ前記第３の軸と直角をなす第４の軸に沿 って配向される請求項１２記載の装置。 １４．前記複数の磁力計の第３の磁力計（３１０、４１０）が前記第３の軸の周 囲に回転可能である請求項１３記載の装置。 １５．前記複数の磁力計の第３の磁力計の磁気モーメントが前記第４の軸に沿っ て配向される請求項１４記載の装置。 １６．前記基板上に懸架された可動質量と複数の懸架アームとを有する加速度計 を更に備え、各懸架アームが前記基板に接続された第１の端部と前記可動質量に 接続された第２の端部とを有する請求項９記載の装置。 １７．微小加工された電気機械的装置を製造する方法において、 各々が略々第１の軸に沿って配向される第１の複数の条片の強磁性体（１００ ）を第１のセンサ構造（１１０）上に被着させるステップと、 各々が略々第２の軸に沿って配向される第２の複数の条片の強磁性体（１０５ ）を第２のセンサ構造（１１５）上に被着させるステップと、 磁界（１３０）を装置に印加するステップと を含み、前記磁界が前記第１の軸と前記第２の軸とにより形成される面内の第１ の方向に沿って配向され、前記第１の方向が前記第１の軸から約４５°の角度で あり、前記磁界の印加が、前記第１の軸に沿って前記第１の複数の帯条に磁気ダ イポールを形成させ、前記第２の軸に沿って前記第２の複数の帯条に磁気ダイポ ールを形成させる 方法。 １８．微小加工された電気機械的装置を製造する方法において、 第１の保磁力を持つ第１の強磁性体（２０５）を第１のセンサ構造（２１５） 上に被着させるステップと、 前記第１の保磁力より大きな第２の保磁力を持つ第２の強磁性体（２００）を 第２のセンサ構造（２１０）上に被着させるステップと、 前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体とが第１の方向に磁化されるように 、前記装置に対して、前記第２の保磁力より大きく前記第１の方向に配向された 第１の磁界（Ｂ）を印加するステップと、 前記第１の強磁性体が前記第２の方向に磁化されるように、前記装置に対して 、前記第１の保磁力より大きく前記第２の保磁力より小さな第２の磁界（Ｂ'） を前記第１の方向と略々直角をなす第２の方向に印加するステップと を含む方法。 １９．前記第１の強磁性体が第１のキューリー温度を持ち、前記第２の強磁性体 が前記第１のキューリー温度より高い第２のキューリー温度を持ち、 前記第１の強磁性体が消磁されるように、前記第１の磁界を印加した後で、か つ前記第２の磁界を印加する前に、前記装置を前記第１のキューリー温度より高 くかつ前記第２のキューリー温度より低い温度に加熱するステップ を更に含む請求項１８記載の方法。 ２０．前記第１のセンサ構造が第１の軸の周囲に回転可能であり、かつ前記第２ のセンサ構造が第２の軸の周囲に回転可能であるように、該第１のセンサ構造と 該第２のセンサ構造とを解放するステップを更に含む請求項１８記載の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板上に懸架され、少なくとも１つの回転可能な構造体フィンガを有する回 転可能構造体と、 各々が基板に接続された第１の端部と回転可能構造体に接続された第２の端部 とを有する少なくとも１つの懸架アームと、 各々が前記回転可能構造体フィンガの１つの第１の側に隣接している、前記基 板に接続された少なくとも１つの第１の固定フィンガと、 各々が前記回転可能構造体フィンガの１つの第２の側に隣接している、前記基 板に接続された少なくとも１つの第２の固定フィンガと、 磁気モーメントを持ち、回転可能構造体に接続された強磁性体と を備える微小加工電気機械的装置。 ２．前記回転可能構造体が少なくとも２個の回転可能構造体フィンガを持ち、前 記回転可能構造体フィンガが前記回転可能構造体の回転軸の周囲に略々対称的に 配置される請求項１記載の装置。 ３．前記回転可能構造体が中心部分を持ち、各回転可能構造体フィンガが該中心 部分から略々半径方向に延在する請求項１記載の装置。 ４．前記強磁性体が前記回転可能構造体の中心部分に接続される請求項３記載の 装置。 ５．前記強磁性体がバリウムヘクサフェライドを含む請求項１記載の装置。 ６．前記強磁性体がコバルトプラチナクロームを含む請求項１記載の装置。 ７．基板上に懸架されて回転可能な電極を持つ軸の周囲に回転可能な構造体と、 各々が前記基板に接続された第１の端部と前記回転可能基板に接続された第２ の端部とを持つ少なくとも１つの懸架アームと、 前記基板に接続され、第１の電極を有する第１の固定板と を備え、該第１の電極と前記回転可能電極とが第１のコンデンサを形成し、前記 軸の周囲における第１の方向の前記構造体の回転運動が、前記第１の コンデンサの容量を増し、前記軸周囲における第２の方向の前記構造体の回転運 動が前記第１のコンデンサの容量を減じ、 前記基板に接続され、第２の電極を有する第２の固定板 を備え、前記第２の電極と回転可能電極とが第２のコンデンサを形成し、前記軸 周囲の第１の方向における構造体の回転運動が前記第２のコンデンサの容量を減 じ、前記軸の周囲の第２の方向における構造体の回転運動が前記第２のコンデン サの容量を増し、 磁気モーメントを有し、前記回転可能な構造体に接続された強磁性体を備える 微小加工電気機械的装置。 ８．前記基板に形成され、前記回転可能電極に電気的に接続された入力と、出力 とを有するバッファと、 前記基板に形成され、前記バッファの出力に接続された入力と、出力とを有す る復調器と、 前記基板に形成され、前記復調器の出力に接続された入力と、出力とを有する 増幅器と を更に備える請求項７記載の装置。 ９．各々が 基板上に懸架され回転可能な電極を有する、軸の周囲に回転可能な第１の構 造体と、 各々が前記基板に接続された第１の端部と前記回転可能構造体に接続された 第２の端部とを有する少なくとも１つの懸架アームと、 前記基板に接続され、第１の電極を有する第１の固定板と を有し、該第１の電極と前記回転可能電極とが第１のコンデンサを形成し、前記 構造体の前記軸周囲の第１の方向における回転運動が前記第１のコンデンサの容 量を増し、前記軸周囲の第２の方向における前記構造体の回転運動が前記第１の コンデンサの容量を減じ、 前記基板に接続され、第１の電極を有する第１の固定板を含み、該第１の電 極と回転可能電極とが第１のコンデンサを形成し、前記軸周囲の第１の方向にお ける前記構造体の回転運動が前記第１のコンデンサの容量を 増し、前記軸周囲の第２の方向における前記構造体の回転運動が前記第１のコン デンサの容量を減じ、 前記基板に接続され、第２の電極を有する第２の固定板を含み、該第２の電 極と回転可能電極とが第２のコンデンサを形成し、前記軸周囲の第１の方向にお ける前記構造体の回転運動が前記第２のコンデンサの容量を減じ、前記軸周囲の 第２の方向における前記構造体の回転運動が前記第２のコンデンサの容量を増し 、 磁気モーメントを持ち、前記回転可能構造体に接続された強磁性体を含む複 数の磁力計 を備える微小加工電気機械的装置。 １０．前記複数の磁力計の第１の磁力計が第１の軸の周囲に回転可能であり、該 複数の磁力計の第２の磁力計が前記第１の軸と直角をなす第２の軸の周囲に回転 可能である請求項９記載の装置。 １１．前記複数の磁力計の第１の磁力計の磁気モーメントと、該複数の磁力計の 第２の磁力計の磁気モーメントとが、共に第１の方向に配向される請求項１０記 載の装置。 １２．前記複数の磁力計の第１の磁力計が第１の軸の周囲に回転可能であり、該 複数の磁力計の第２の磁力計が前記第１の軸と直角をなす第２の軸の周囲に回転 可能である請求項９記載の装置。 １３．前記複数の磁力計の第１の磁力計の磁気モーメントが前記第１の軸と直角 をなす第３の軸に沿って配向され、前記複数の磁力計の第２の磁力計の磁気モー メントが前記第１の軸と直角をなしかつ前記第３の軸と直角をなす第４の軸に沿 って配向される請求項１２記載の装置。 １４．前記複数の磁力計の第３の磁力計が前記第３の軸の周囲に回転可能である 請求項１３記載の装置。 １５．前記複数の磁力計の第３の磁力計の磁気モーメントが前記第４の軸に沿っ て配向される請求項１４記載の装置。 １６．前記基板上に懸架された可動質量と複数の懸架アームとを有する加速度計 を更に備え、各懸架アームが前記基板に接続された第１の端部と前 記可動質量に接続された第２の端部とを有する請求項９記載の装置。 １７．微小加工電気機械的装置を製造する方法において、 各々が略々第１の軸に沿って配向される第１の複数の帯条の強磁性体を第１の センサ構造上に被着させるステップと、 各々が略々第２の軸に沿って配向される第２の複数の帯条の強磁性体を第２の センサ構造上に被着させるステップと、 磁界を装置に印加するステップと を含み、前記磁界が前記第１の軸と前記第２の軸とにより形成される面内の第１ の方向に沿って配向され、前記第１の方向が前記第１の軸から約４５°の角度で あり、前記磁界の印加が、前記第１の軸に沿って前記第１の複数の帯条に磁気ダ イポールを形成させ、前記第２の軸に沿って前記第２の複数の帯条に磁気ダイポ ールを形成させる 方法。 １８．微小加工電気機械的装置を製造する方法において、 第１の保磁力を持つ第１の強磁性体を第１のセンサ構造上に被着させるステッ プと、 前記第１の保磁力より大きな第２の保磁力を持つ第２の強磁性体を第２のセン サ構造上に被着させるステップと、 前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体とが第１の方向に磁化されるように 、前記装置に対して、前記第２の保磁力より大きく前記第１の方向に配向された 第１の磁界を印加するステップと、 前記第１の強磁性体が前記第２の方向に磁化されるように、前記装置に対して 、前記第１の保磁力より大きく前記第２の保磁力より小さな第２の磁界を前記第 １の方向と略々直角をなす第２の方向に印加するステップとを含む方法。 １９．前記第１の強磁性体が第１のキューリー温度を持ち、前記第２の強磁性体 が前記第１のキューリー温度より高い第２のキューリー温度を持ち、前記第１の 強磁性体が消磁されるように、前記第１の磁界を印加した後で、かつ前記第２の 磁界を印加する前に、前記装置を前記第１のキューリ ー温度より高くかつ前記第２のキューリー温度より低い温度に加熱するステップ を更に含む請求項１８記載の方法。 ２０．前記第１のセンサ構造が第１の軸の周囲に回転可能であり、かつ前記第２ のセンサ構造が第２の軸の周囲に回転可能であるように、該第１のセンサ構造と 該第２のセンサ構造とを解放するステップを更に含む請求項１８記載の方法。