JP2006524825A - 2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサである。このマルチセンサは、堅固な加速度計フレームと、第1の慣性質量と、第2の慣性質量とを備える。基板は、基板の面内の2つの関連した加速度軸と、この加速度軸に垂直な1つの関連した回転軸とを有する。慣性質量は、回転軸に垂直な共通の振動軸を有する。このマルチセンサは更に、慣性質量を逆相で振動させるための駆動電極構造体と、加速度軸の一方に沿って配設された加速度検知電極構造体の第1の対と、他方の加速度軸に沿って配設された加速度検知電極構造体の第2の対とを有する。このマルチセンサは、それぞれの検知電極対によって与えられる検知信号を加算して、加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出し、またそれぞれの検知電極対によって与えられる検知信号の差を加算して、回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出する。
Description
関連出願との相互参照
この出願は、「2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサ」なる名称で2003年4月28日に出願された米国仮出願第60/466,126号の優先権を主張する。
この出願は、「2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサ」なる名称で2003年4月28日に出願された米国仮出願第60/466,126号の優先権を主張する。
連邦補助研究又は開発に関する表明
適用なし
適用なし
背景技術
本発明は、一般的に集積化された加速度及び角速度センサ(“マルチセンサ”)に関し、特に2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与えることが可能なシリコン微細加工マルチセンサに関する。
本発明は、一般的に集積化された加速度及び角速度センサ(“マルチセンサ”)に関し、特に2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与えることが可能なシリコン微細加工マルチセンサに関する。
シリコン微細加工マルチセンサは、単一のセンサ装置で加速度検知及び/又は角速度検知の示度を与えるための少なくとも1つの加速度計を備えるものとして知られている。従来のシリコン微細加工マルチセンサ、例えば「微細加工加速度計ジャイロスコープ」なる名称で1995年2月28日に発行された米国特許第5,392,650号に開示されているシリコン微細加工マルチセンサは、一対の加速度計を備え、各加速度計は、それぞれの加速度計フレームと、複数の撓み体によってフレームから懸架されたそれぞれの慣性質量(プルーフマス)とを有する。従来の微細加工マルチセンサは、それに関連した単一の加速度検知軸と、この加速度軸に垂直な単一の回転検知軸とを有する。更に従来の微細加工マルチセンサは、それぞれの慣性質量を、加速度及び回転軸に垂直な振動軸に沿って逆相で振動させるように構成されている。
典型的な動作のモードにおいて、従来の微細加工マルチセンサは、それぞれの慣性質量に加わる線形加速度の力を、加速度軸に沿った慣性質量の線形加速度の関数である電気的復元力の第1の組によってバランスさせる。従来の微細加工マルチセンサは更に、それぞれの慣性質量に加わるコリオリの力を、回転及び振動軸に垂直な軸に沿った慣性質量のコリオリ加速度の関数である電気的復元力の第2の組によってバランスさせるように構成されている。慣性質量の各々のコリオリ加速度は、振動軸に沿った慣性質量の振動と、回転軸を中心とした慣性質量の加えられた角回転との組み合わせから生ずる。
従来のシリコン微細加工マルチセンサに含まれた慣性質量は、典型的に逆相で振動するように作られているので、線形加速度に対する慣性質量の応答は同相になるが、コリオリ加速度に対する慣性質量の応答は逆相になる。従って、従来の微細加工マルチセンサは、それぞれの加速度計の出力を加算して、線形加速度に対応する情報(即ち、加速度検知情報)を抽出すると共に、それぞれの加速度計の出力を減算して、コリオリ加速度に対する対応する情報(即ち、角速度検知情報)を抽出するように構成されている。
上述した従来の微細加工マルチセンサは、典型的にその電子回路とは別に、バルク微細加工として知られるプロセスによって製造されている。このプロセスは、微細加工装置を製造するための比較的高価なプロセスである。バルク微細加工よりも一般に高価でない他の微細加工製造プロセス、例えば集積電子回路を伴う表面微細加工もある。例えば、従来の表面微細加工ジャイロスコープが、「微細加工ジャイロ」なる名称で2000年9月26日に発行された米国特許第6,122,961号に記載されている。この従来の微細加工ジャイロスコープ装置は、そのコリオリ加速度計の出力を加算や減算して、基板の面内の線形加速度の軸(即ち、傾き)と、基板面に垂直なジャイロスコープ軸(即ち、ヨー)とを生じるように構成され得る。
しかしながら、上述した従来の表面微細加工ジャイロスコープもまた欠点を有する。例えば、そこに含まれた慣性質量は、別々の加速度計フレームから懸架されている。この結果、典型的に少なくとも僅かなミスマッチがそれぞれの慣性質量の共振周波数に存在して、検出可能なコリオリ加速度を得るに足りる高速度で慣性質量を振動させるための十分な推進力を発生することを困難にする。更に、微細加工マルチセンサ装置に別々の加速度計フレームを持つことは、その装置をダイの上に中心決めすることを難しいものにする。ダイ表面積内の歪みは、それ故、マルチセンサ装置に対して非対称となり、マルチセンサ全体の性能を劣化させる。もう1つの欠点は、この装置が一般に1軸の加速度計傾斜検知及び/又は1軸のジャイロスコープ的ヨー検知だけを与える点である。しかしながら、単一のセンサ装置で1軸より多い加速度及び/又は速度検知を有することはしばしば有利である。
それ故、1軸より多い加速度検知及び/又は角速度検知を与えると共に、上述した従来の微細加工マルチセンサの欠点を回避するシリコン微細加工マルチセンサを有することが望ましい。
それ故、1軸より多い加速度検知及び/又は角速度検知を与えると共に、上述した従来の微細加工マルチセンサの欠点を回避するシリコン微細加工マルチセンサを有することが望ましい。
発明の簡単な要約
本発明によれば、2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を、ダイ上に中心決めすることが比較的容易な装置構成に与える微細加工マルチセンサが開示される。ここで開示される微細加工マルチセンサは、電気的に独立した検知信号を与えると共に、共通の加速度計フレームと共通の振動軸を共有する少なくとも一対の加速度計を有する。
本発明によれば、2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を、ダイ上に中心決めすることが比較的容易な装置構成に与える微細加工マルチセンサが開示される。ここで開示される微細加工マルチセンサは、電気的に独立した検知信号を与えると共に、共通の加速度計フレームと共通の振動軸を共有する少なくとも一対の加速度計を有する。
1つの実施形態の微細加工マルチセンサは、堅固な加速度計フレームと、第1の慣性質量と、第2の慣性質量と有し、各質量はシリコン基板上に形成される。この基板は、基板の面内で相互に直交した2つの関連した加速度検知軸と、この2つの加速度軸に垂直な1つの関連した回転検知軸とを有する。第1及び第2の慣性質量は、回転軸に垂直な振動軸に沿う共通の対称軸を有する。更に、第1及び第2の慣性質量は、振動軸に沿って互いに弾性的に結合されている。第1及び第2の慣性質量は、それぞれの複数の第1の撓み体によって堅固なフレームから懸架され、そして堅固なフレームは、複数の第2の撓み体によって第1の基板に固定されている。第1及び第2の撓み体は、第1及び第2の慣性質量が堅固なフレームに対して実質的に振動軸の方向にだけ移動するように、また堅固なフレームが基板に対して実質的に線形及び回転挙動で移動するように強制するものとして構成されている。
ここに開示された実施形態において、微細加工マルチセンサは、第1及び第2の慣性質量を振動軸に沿って逆相で振動させるように構成された駆動電極構造体を有する。微細加工マルチセンサは更に、堅固なフレームに結合されると共に第1の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第1の対と、堅固なフレームに結合されると共に第2の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第2の対とを有する。微細加工マルチセンサは、(1)第1の加速度検知電極対によって与えられた検知信号を合計して、第1の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出するように、また(2)第2の加速度検知電極対によって与えられた検知信号を合計して、第2の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出するように、更に(3)第1の加速度検知電極対によって与えられた検知信号の差と、第2の加速度検知電極対によって与えられた検知信号の差を加算して、回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出するように構成されている。
微細加工マルチセンサを、シリコン基板の面内で相互に直交した2つのそれぞれの加速度軸に沿う電気的に独立した2対の検知信号を与えるように構成し、これら検知信号を好適に加算及び/又は減算することによって、2軸の加速度検知並びに1軸の角速度検知が得られる。更に、微細加工マルチセンサを、第1及び第2の慣性質量が共通の振動軸に沿って逆相で信号すると共に共通の加速度計フレームから懸架されるように構成することにより、マルチセンサ装置は、2つの直交ミラー対称性を有し、従って、より簡単にダイ上に中心決めされ得る。このようにして、ダイ表面積歪みの有害な影響は低減される。
この発明の他の特徴、機能及び形態は、後続の発明の詳細な説明から明らかになる。
この発明の他の特徴、機能及び形態は、後続の発明の詳細な説明から明らかになる。
図面の簡単な説明
この発明は、図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明を参照することによって、より十分に理解される。図面において、
図1は、本発明に係るシリコン微細加工マルチセンサの概念的斜視図、
図2は、図1のシリコン微細加工マルチセンサに含まれたセンサの平面図、
図3は、図1のシリコン微細加工マルチセンサの模式図、
図4は、図1のシリコン微細加工マルチセンサを動作させる方法のフロー図である。
この発明は、図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明を参照することによって、より十分に理解される。図面において、
図1は、本発明に係るシリコン微細加工マルチセンサの概念的斜視図、
図2は、図1のシリコン微細加工マルチセンサに含まれたセンサの平面図、
図3は、図1のシリコン微細加工マルチセンサの模式図、
図4は、図1のシリコン微細加工マルチセンサを動作させる方法のフロー図である。
発明の詳細な説明
「2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサ」なる名称で2003年4月28日に出願された米国仮出願第60/466,126号は、参照によりここに組み込まれる。
「2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサ」なる名称で2003年4月28日に出願された米国仮出願第60/466,126号は、参照によりここに組み込まれる。
2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を単一のマルチセンサ装置に与える微細加工マルチセンサが開示される。ここで開示される微細加工マルチセンサは、ダイ上に対称的に置かれ、これにより歩留まりを改良すると共に、マルチセンサ装置全体の性能を改良することができる。
図1は、本発明による微細加工マルチセンサ100の概念図を示している。ここに開示されたマルチセンサ100は、シリコン基板のような基板102を備える。この基板は、任意の好適なバルク微細加工プロセスを経て、マイクロ電子機械システム(MEMS)のマルチセンサ装置を形成する。図1に示されるように、MEMSマルチセンサ100は、センサ101を有し、このセンサは、基板102の面内に配設された2つの関連する相互に直交した加速度検知軸X及びYと、この加速度軸X及びYに垂直な1つの関連する回転検知軸Zとを有している。マルチセンサ100は、それぞれの加速度軸X及びYに沿った加速度検知の2つの示度と、回転軸Zに対する角速度検知の1つの示度を与えるように構成されている。
図2は、微細加工マルチセンサ100に含まれたセンサ101(図1参照)の図解的実施形態201を図示している。この図解的実施形態のセンサ201は、基板202上に形成された堅固な加速度計フレーム230と、慣性質量232.1〜232.2及び234.1〜234.2とを有する。慣性質量232.1〜232.2は、それぞれ共振器撓み体236.1〜236.2によって堅固なフレーム230から懸架されている。また、慣性質量234.1〜234.2は、それぞれ共振器撓み体238.1〜238.2によって堅固なフレームから懸架されている。更に、堅固なフレーム230は、基板202上に対角的に配設された加速度計撓み体244.1〜244.4によって基板に固定されている。
センサ201は更に、駆動電極構造体246.1〜246.2及び248.1〜248.2と、加速度検知電極構造体A〜Dとを有する。図2に示されているように、駆動電極構造体246.1〜246.2及び248.1〜248.2は、互いに平行で噛み合わされたそれぞれの複数の駆動電極(“指”)を有する。交流電圧である駆動信号(図示せず)に応答して、駆動電極構造体246.1〜246.2は、それぞれ静電力を慣性質量232.1〜232.2に加えるように構成され、また駆動電極構造体248.1〜248.2は、それぞれ静電力を慣性質量234.1〜234.2に加えるように構成されている。ここで理解されるべき点は、駆動電極構造体246.1〜246.2及び248.1〜248.2は、その代わりに、交流電流信号に応答して、それぞれ電磁力を慣性質量232.1〜232.2及び234.1〜234.2に加えるように構成された電磁駆動構造体でもよい、ということである。
図2に更に示されているように、加速度検知電極構造体A〜Dは、互いに平行に噛み合わされたそれぞれの複数の検知電極(“指”)を有する。具体的に、検知電極構造体A,B,C及びDは、堅固なフレーム230に一体的に結合された検知指のそれぞれの第1の組と、基板202に固定された検知指の対応する第2の組とを有する。例えば、センサ201が線形及び/又は回転運動を受ける場合、結果として生ずる線形加速度及び/又はコリオリの力に応答して、堅固なフレーム230は基板202に対し偏向する。堅固なフレーム230と、検知電極構造体A〜Dに関連した検知指の第1の組(例えば、検知電極構造体Bに関連した検知指250を参照されたい)は、堅固なフレーム230が偏向するときにそれと共に移動するが、このとき検知指の第2の組(例えば、検知電極構造体Bに関連した検知指252を参照されたい)は、基板202に固定されたままなので、検知電極構造体A〜Dは、検知指の第1及び第2の組の相対移動を検知することによってフレーム230の偏向を検知して、その偏向の大きさに比例した大きさの検知信号A’〜D’(図3参照)を生成する。ここで認められるべき点は、検知電極構造体A,C及びDは、検知電極構造体Bの指構成と同様の指構成を有する、ということである。
センサ201は更に、堅固なフレーム230から懸架された複数のレバー240.1〜240.4と、レバー240.1〜240.4用の駆動電極構造体240.5〜240.6とを有する。具体的に、レバー240.1は慣性質量232.1とレバー240.3との間に弾性的に結合され、レバー240.2は慣性質量232.2とレバー240.4との間に弾性的に結合され、レバー240.3は慣性質量232.1とレバー240.1との間に弾性的に結合され、レバー240.4は慣性質量232.2とレバー240.2との間に弾性的に結合されている。更に、駆動電極構造体240.5〜240.6は、平行に配設されると共に互いに噛み合わされたそれぞれの複数の駆動指を有する。駆動電極構造体240.5はレバー240.1及び240.3に静電力を加えるように構成され、また駆動電極構造体240.6はレバー240.2及び240.4に静電力を加えるように構成されている。ここで理解されるべき点は、駆動電極構造体240.5〜240.6は、その代わりに、それぞれの電磁駆動構造体でもよい、ということである。ここでまた理解されるべき点は、いくつかの駆動電極が、駆動電極用フィードバック並びにコリオリ信号処理用の基準を与える速度信号を出力する代替用途におかれてもよい、ということである。
慣性質量232.1は慣性質量232.2と機械的に結合され、その結果、慣性質量232.1〜232.2は実質的に一緒になって単一の質量として移動する、という点に留意されたい。同様に、慣性質量234.1は慣性質量234.2と機械的に結合され、その結果、慣性質量234.1〜234.2は実質的に一緒になって単一の質量として移動する。更に、慣性質量232.1〜232.2を堅固なフレーム230から懸架している撓み体236.1〜236.2の構成は、慣性質量232.1〜232.2がフレーム230に対して実質的に軸Xの方向にのみ移動するように強制するものである。同様に、慣性質量234.1〜234.2を堅固なフレーム230から懸架している撓み体238.1〜238.2の構成は、慣性質量234.1〜234.2がフレーム230に対して実質的に軸Xの方向にのみ移動するように強制するものである。レバー240.1〜240.4は、慣性質量232.1〜232.2及び234.1〜234.2の運動を結合して、それらが単一の共振として振動するように構成されている。そのような結合を与える利点は、「微細加工装置における複式質量用の結合」なる名称で1997年6月3日に発行された米国特許第5,635,638号、並びに「回転振動型質量を有する微細加工装置」なる名称で1997年6月3日に発行された米国特許第5,635,640号に記載されているが、これら先行特許に記載された結合の具体的な機械化は、図2に示されているセンサ201のそれとは異なる。堅固なフレーム230を基板202に固定している撓み体244.1〜244.4の構成は、堅固なフレーム230が基板202に対するフレーム230のコリオリ検知用回転移動を許容するように強制するものである。
対角的撓み体244.1〜244.4は、折り畳まれた対を形成する。この結果、それらは、対角的スポークとして配置された単一の撓み体とは異なり、ある程度の平行移動運動を許容する。これは、表面微細加工に使用される堆積膜の応力を軽減すると共に、X及びY軸に沿った線形加速度検知を許容するためである。コリオリ加速度は、検知される線形加速度よりも一般にはるかに小さいので、撓み体244.1〜244.4を、X及びY軸に沿うよりも回転運動に対して従順にさせることが望ましい。望ましいコンプライアンスの比は、折り目分離線に対する撓み体長さの適切な比を使用することによって作ることができる。
ここで更に留意されるべき点は、堅固なフレーム230と、慣性質量232.1〜232.2及び234.1〜234.2と、駆動電極構造体246.1〜246.2,248.1〜248.2及び240.5〜240.6と、加速度検知電極構造体A〜Dと、レバー240.1〜240.2と、撓み体236.1〜236.2,238.1〜238.2及び244.1〜244.4は、センサ201の横対称軸の各側に、また縦対称軸の各側に、鏡像式に配置されている、ということである。従って、センサ201は、対称的にダイ(図示せず)上で中心決めされて、ダイ表面歪みの有害な影響を低減することができる。更に、単一の堅固なフレーム203をセンサ201に使用することで、マルチセンサ装置全体のサイズを減少させる。
図3は、本発明に係る微細加工マルチセンサ100(図1参照)の図解的実施形態300の模式図である。この図解的実施形態のマルチセンサ300は、センサ301と、トランスレジスタンス増幅器304と、複数の差動増幅器306,308,310,312,316及び320と、複数の加算増幅器314,318及び322と、位相復調器324とを備える。上述したように、慣性質量232.1〜232.2(図2参照)は互いに結合されて単一の質量として移動する。同様に、慣性質量234.1〜234.2(図2参照)は互いに結合されて単一の質量として移動する。従って、センサ301は、堅固なフレーム230(図2参照)を表す堅固な加速度計フレーム330と、慣性質量232.1〜232.2を表す第1の慣性質量332と、慣性質量234.1〜234.2を表す第2の慣性質量334とを有する。
具体的に、第1の慣性質量332は、撓み体236.1〜236.2(図2参照)を表す共振器撓み体336によって堅固なフレーム330から懸架され、また第2の慣性質量334は、撓み体238.1〜238.2(図2参照)を表す共振器撓み体338によって堅固なフレーム330から懸架されている。更に、堅固なフレーム330は、複数の加速度計撓み体(例えば、撓み体244.1〜244.4、図2を参照)によって基板(例えば、基板202、図2を参照)に固定されている。
センサ301(図3参照)は更に、レバー及び駆動電極構造体240.1〜240.2(図2参照)を表す弾性部材340を有する。この弾性部材340は、第1の慣性質量332と第2の慣性質量334を弾性的に相互接続する。更に、センサ301は、慣性質量332及び334を振動させるための駆動電極構造体(例えば、駆動電極構造体246.1〜246.2及び248.1〜248.2、図2を参照)と、図2の検知電極構造体A〜Dを表す加速度検知電極構造体A,B,C及びDとを有する。
具体的に、駆動電極構造体は、それぞれの第1及び第2の慣性質量332及び334を同時に機械的共振で振動させるように構成されている。また弾性部材340は、慣性質量332及び334を振動軸に沿って逆相で(即ち、180°位相ずれして)移動させるように構成されている。この振動軸は、ここで開示されている実施形態では加速度軸Xに対して平行である。正反対に対向する加速度検知電極構造体A〜Bは、加速度軸Yに沿って配設され、また堅固なフレーム330に結合されている。正反対に対向する加速度検知電極構造体C〜Dは、加速度軸Xに沿って配設され、また堅固なフレーム330に結合されている。それぞれの検知電極構造体A〜Dは、それぞれ電気的に独立した検知信号A’,B’,C’及びD’を生成するように構成されている。
当業者が認めるように、慣性質量332及び334が振動軸に沿って振動する一方で、堅固なフレーム330が回転軸Zを中心に回転するときに、慣性質量332及び334の各々は、加速度軸X及びYによって規定される面内でコリオリ加速度を受ける。更に、慣性質量332及び334は逆相で振動するので、それぞれの慣性質量332及び334はコリオリ加速度を逆方向に受ける。この結果、見かけ上のコリオリの力は、慣性質量332及び334に加えられて、加速度軸X及びYによって規定される面内で慣性質量332及び334を逆方向に偏向する。
従って、回転軸Zに関するコリオリ加速度に対して慣性質量332及び334の応答は逆相になるが、加速度軸X及びYに関する線形加速度に対して慣性質量332及び334の応答は同相になる。それ故、電気的に独立した検知信号A’,B’,C’及びD’は、好適に加算及び/又は減算されて、線形加速度に対応する情報(即ち、加速度検知情報)を抽出し、またコリオリ加速度に対応する情報(即ち、角速度検知情報)を抽出する。例えば、電気的復元力の第1の組(図示せず)は、線形加速度の力をバランスさせることに使用でき、また電気的復元力の第2の組(図示せず)は、コリオリ加速度の力をバランスさせることに使用できる。更に、それぞれの検知電極構造体A,B,C及びDは、電気的に独立した検知信号A’,B’,C’及びD’を、電気的復元力の大きさに基づいて生成するように構成され得る。
この代わりに、フレームを基板に取り付ける撓み体244.1〜244.4の偏向によるスプリング力を使用して、コリオリの力と、それらの偏向を検知することに使用される構造体A,B,C及びDとをバランスさせることができる。表面微細加工に使用される構造膜がポリシリコンである場合、撓み体の偏向は、これらの力に対して線形に関係するので、電気的復元力の複雑性を導入することは不経済である。
具体的に、差動増幅器306は、差分検知信号B’を検知電極構造体Bから受信して、対応する検知信号bを加算増幅器314と差動増幅器316に与えるように構成されている。同様に、差動増幅器308は、差分検知信号A’を検知電極構造体Aから受信して、対応する検知信号aを加算増幅器314と差動増幅器316に与えるように構成されている。更に、差動増幅器310は、差分検知信号D’を検知電極構造体Dから受信して、対応する検知信号dを加算増幅器318と差動増幅器320に与えるように構成されている。また、差動増幅器312は、差分検知信号C’を検知電極構造体Cから受信して、対応する検知信号cを加算増幅器318と差動増幅器320に与えるように構成されている。
加算増幅器314は、検知信号a及びbを加算して、加速度軸Xに沿った加速度検知に属する情報(“X−加速度”)を含んだ検知信号の和a+bを生成するように構成されている。同様に、加算増幅器318は、検知信号c及びdを加算して、加速度軸Yに沿った加速度検知に属する情報(“Y−加速度”)を含んだ検知信号の和c+dを生成するように構成されている。
更に、差動増幅器316は、検知信号a及びbを減算して、検知信号の差a−bを加算増幅器322に与えるように構成されている。同様に、差動増幅器320は、検知信号c及びdを減算して、検知信号の差c−dを加算増幅器322に与えるように構成されている。更に、加算増幅器322は、検知信号a−b及びc−dを加算して、和a+c−b−dを位相復調器324に与えるように構成されている。検知信号a+c−b−dは、回転軸Zに対する角速度検知に属する情報(“Z−角速度”)を含んでいる。しかしながら、ここで留意されるべき点は、検知信号a+c−b−dが加速度軸X及びYの一方又は双方に沿った加速度検知に属する少なくともある程度の情報を含むことがある、ということである。従って、位相復調器324は、ジャイロスコープ的検知信号a+c−b−d内の加速度情報を抑制するように構成されている。
具体的に、位相復調器324は、ジャイロスコープ的検知信号a+c−b−dを速度検知信号Vに対して復調する。この速度検知信号は、慣性質量332及び334の振動速度と同相であり、且つ慣性質量の加速度と非同期である。図3に示されているように、センサ301は、トランスレジスタンス増幅器304に対して速度検知信号V(電流信号)を与えるように構成された速度検知電極構造体342を有する。トランスレジスタンス増幅器は、その電流信号を対応する電圧信号vに変換するものである。速度検知電極構造体342は、慣性質量332及び334に結合された電極と基板に固定された電極の相対移動を検知することによって、慣性質量332及び334の振動速度を検知し、そして振動速度と同相の速度検知信号Vを生成する。次に、トランスレジスタンス増幅器304は、電圧信号vを位相基準として位相復調器324に与える。速度検知信号Vは加速度信号a+b及びc+dと非同期であるので、加算増幅器322の出力における加速度情報は位相復調器324によって抑制され、これにより位相復調器出力におけるジャイロスコープ的信号対雑音比(SNR)を増加する。
ここで認められるべき点は、差動容量によって加速度電極A,B,C及びDの静的偏向を検知するために、交流電圧がフレーム330に与えられ、その電圧に対して信号が同期復調される、ということである。そのような復調は、差動増幅器306,308,310及び312、又は加算増幅器314,318及び322のいずれかにおいて行われる。感度を改善するために、交流電圧は、実際にそうであるように高い周波数である。相対周波数ドリフトによる誤差を防止するために、交流電圧は、位相同期ループを使用して、速度信号に関係付けられることが好ましい。ここでまた留意されるべき点は、ここでは説明を容易にするために種々の増幅器が離散的に示されているが、これら増幅器は、その代わりに、それら全体の機能を保存しながら、集積回路におけるトランジスタのより効率的な配置中に組み合わされ得るということである。具体的には、連続的時間(即ち、増幅器ベース)の実施が使用される場合、プロセスの一体性は、差分信号経路を位相復調器まで遠くに維持することによって保存される。離散的時間(即ち、デジタル)の解決法が使用される場合、加算、減算、復調、及びフィルタ処理を併合することがより効率的になる。
ここに開示されたシリコン微細加工マルチセンサを動作させる方法が、図4を参照することによって図解されている。ステップ402に示されているように、マルチセンサに含まれた2つの慣性質量は、振動軸に沿って逆相で振動させられる。このとき、マルチセンサは回転軸を中心として回転させられる。ここで理解されるべき点は、振動軸はマルチセンサの基板の面内にあり、そして回転軸は振動軸及びマルチセンサ基板の双方に垂直である、ということである。次に、マルチセンサの加速度検知電極構造体A及びBによって生成された差分検知信号A’及びB’は、ステップ404に示されるように、それぞれ検知信号a及びbに変換される。同様に、加速度検知電極構造体C及びDによって生成された差分検知信号C’及びD’は、ステップ406に示されるように、それぞれ検知信号c及びdに変換される。加速度検知電極構造体A及びBは、基板の面内にあると共に振動軸に垂直な加速度軸Xに沿って配設されている。更に、加速度検知電極構造体C及びDは、基板の面内にあると共に加速度軸Xに垂直な加速度軸Yに沿って配設されている。それからステップ408に示されるように、検知信号a及びbは加算され、加速度軸Xに沿った加速度検知に属する情報(X−加速度)を含んだ検知信号の和a+bを生成する。同様にステップ410に示されるように、検知信号c及びdは加算され、加速度軸Yに沿った加速度検知に属する情報(Y−加速度)を含んだ検知信号の和c+dを生成する。次にステップ412に示されるように、検知信号a及びbは減算され、検知信号の差a−bを生成する。同様にステップ414に示されるように、検知信号c及びdは減算され、検知信号の差c−dを生成する。それからステップ416に示されるように、検知信号a−b及びc−dは加算され、回転軸Zに対する角速度検知に属する情報(Z−回転)を含んだ検知信号の和(a−b)+(c−d)を生成する。最後に、ステップ418に示されるように、ジャイロスコープ的検知信号a+c−b−dに含まれることがある加速度情報は随意的に抑制されて、ジャイロスコープ的SNRを増加する。
信号処理の当業者によって認められるように、図4に示されたアルゴリズムは、所望の結果を生じさせる唯一のものではなく、他の好適な離散的時間の実施も使用できる。例えば、ステップ412,414,416及び418に示された加算、減算、及び復調の順序は好適に相互変換又は併合され得る。
上述した2軸の加速度検知及び1軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサに対する修正や変形は、ここに開示された発明の概念を逸脱することなくなされる。従って、この発明は、添付の請求の範囲の精神及び範囲による以外には限定されるものではない、とみなされるべきである。
100 微細加工マルチセンサ
102,202 基板
101,201 センサ
230 加速度計フレーム
232.1〜232.2、234.1〜234.2
慣性質量
240.5〜240.6 駆動電極構造体
A〜D 加速度検知電極構造体
102,202 基板
101,201 センサ
230 加速度計フレーム
232.1〜232.2、234.1〜234.2
慣性質量
240.5〜240.6 駆動電極構造体
A〜D 加速度検知電極構造体
Claims (25)
- マルチセンサであって、
実質的に平面的な加速度計フレームと、
このフレームに結合された第1の慣性質量と、
前記フレームに結合された第2の慣性質量と、
前記フレームに結合されると共に、第1の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第1の対と、
前記フレームに結合されると共に、第1の加速度軸に垂直な第2の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第2の対とを備え、
第1及び第2の慣性質量は、振動軸に沿って逆相で振動するように構成され、この振動軸は、加速度軸によって規定される面内にあり、
各加速度検知電極構造体は、それぞれの加速度検知信号を生成するように構成され、各検知信号は、残りの検知信号から電気的に独立していることを特徴とするマルチセンサ。 - 第1の慣性質量と第2の慣性質量を弾性的に結合する弾性部材を更に備える請求項1に記載のマルチセンサ。
- 第1及び第2の軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出すると共に、第1及び第2の軸に垂直な回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出するように構成された信号処理ユニットを更に備える請求項1に記載のマルチセンサ。
- 加速度検知電極構造体の第1の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第1の検知信号を生成するように構成された第1の増幅器と、加速度検知電極構造体の第1の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第2の検知信号を生成するように構成された第2の増幅器とを更に備える請求項1に記載のマルチセンサ。
- 第1及び第2の検知信号を受信すると共に第1及び第2の検知信号の和である第3の検知信号を生成するように構成された第3の増幅器を更に備え、第3の検知信号は、第1の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項4に記載のマルチセンサ。
- 加速度検知電極構造体の第2の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第1の検知信号を生成するように構成された第1の増幅器と、加速度検知電極構造体の第2の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第2の検知信号を生成するように構成された第2の増幅器とを更に備える請求項1に記載のマルチセンサ。
- 第1及び第2の検知信号を受信すると共に第1及び第2の検知信号の和である第3の検知信号を生成するように構成された第3の増幅器を更に備え、第3の検知信号は、第2の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項6に記載のマルチセンサ。
- 加速度検知電極構造体の第1の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第1の検知信号を生成するように構成された第1の増幅器と、加速度検知電極構造体の第1の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第2の検知信号を生成するように構成された第2の増幅器と、加速度検知電極構造体の第2の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第3の検知信号を生成するように構成された第3の増幅器と、加速度検知電極構造体の第2の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第4の検知信号を生成するように構成された第4の増幅器とを更に備える請求項1に記載のマルチセンサ。
- 第1及び第2の検知信号を受信すると共に第1及び第2の検知信号の差である第5の検知信号を生成するように構成された第5の増幅器と、第3及び第4の検知信号を受信すると共に第3及び第4の検知信号の差である第6の検知信号を生成するように構成された第6の増幅器とを更に備える請求項8に記載のマルチセンサ。
- 第5及び第6の検知信号を受信すると共に第5及び第6の検知信号の和である第7の検知信号を生成するように構成された第7の増幅器を更に備え、第7の検知信号は、回転軸に対する角速度検知に属する情報を含み、この回転軸は、第1及び第2の加速度軸に垂直である請求項9に記載のマルチセンサ。
- 速度検知信号を生成するように構成された速度検知電極構造体を更に備え、速度検知信号は、第1及び第2の慣性質量の振動速度と同相であり、且つ第1及び第2の慣性質量の線形加速度と非同期である請求項10に記載のマルチセンサ。
- 第7の検知信号及び速度検知信号を受信すると共に回転軸に対する角速度検知に属する情報を含んだ第8の検知信号を生成するように構成された位相復調器を更に備える請求項11に記載のマルチセンサ。
- 少なくともフレームと第1及び第2の慣性質量は、基板上に微細加工され、第1及び第2の加速度軸は、この基板の面内にある請求項1に記載のマルチセンサ。
- マルチセンサを動作させる方法であって、
加速度計フレームに結合された第1の慣性質量と第2の慣性質量を駆動電極構造体によって振動軸に沿って逆相で振動させる工程と、
前記フレームに結合されると共に、第1の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第1の対によって、それぞれの第1の加速度計検知信号を生成する工程と、
前記フレームに結合されると共に、第1の加速度軸に垂直な第2の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第2の対によって、それぞれの第2の加速度計検知信号を生成する工程とを備え、
第1及び第2の生成する工程で生成される各検知信号は、残りの検知信号から電気的に独立していることを特徴とする方法。 - 信号処理ユニットによって第1及び第2の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出する工程と、信号処理ユニットによって第1及び第2の加速度軸に垂直な回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出する工程とを更に備える請求項14に記載の方法。
- 第1の増幅器によって加速度検知電極構造体の第1の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第1の増幅器によって第1の検知信号を生成する工程と、第2の増幅器によって加速度検知電極構造体の第1の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第2の増幅器によって第2の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項14に記載の方法。
- 第3の増幅器によって第1及び第2の検知信号を受信する工程と、第3の増幅器によって第1及び第2の検知信号の和である第3の検知信号を生成する工程とを更に備え、第3の検知信号は、第1の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項16に記載の方法。
- 第1の増幅器によって加速度検知電極構造体の第2の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第1の増幅器によって第1の検知信号を生成する工程と、第2の増幅器によって加速度検知電極構造体の第2の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第2の増幅器によって第2の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項14に記載の方法。
- 第3の増幅器によって第1及び第2の検知信号を受信する工程と、第3の増幅器によって第1及び第2の検知信号の和である第3の検知信号を生成する工程とを更に備え、第3の検知信号は、第2の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項18に記載の方法。
- 第1の増幅器によって加速度検知電極構造体の第1の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第1の増幅器によって第1の検知信号を生成する工程と、第2の増幅器によって加速度検知電極構造体の第1の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第2の増幅器によって第2の検知信号を生成する工程と、第3の増幅器によって加速度検知電極構造体の第2の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第3の増幅器によって第3の検知信号を生成する工程と、第4の増幅器によって加速度検知電極構造体の第2の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第4の増幅器によって第4の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項14に記載の方法。
- 第5の増幅器によって第1及び第2の検知信号を受信する工程と、第5の増幅器によって第1及び第2の検知信号の差である第5の検知信号を生成する工程と、第6の増幅器によって第3及び第4の検知信号を受信する工程と、第6の増幅器によって第3及び第4の検知信号の差である第6の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項20に記載の方法。
- 第7の増幅器によって第5及び第6の検知信号を受信する工程と、第7の増幅器によって第5及び第6の検知信号の和である第7の検知信号を生成する工程とを更に備え、第7の検知信号は、回転軸に対する角速度検知に属する情報を含み、この回転軸は、第1及び第2の加速度軸に垂直である請求項21に記載の方法。
- 速度検知電極構造体によって速度検知信号を生成する工程を更に備え、速度検知信号は、第1及び第2の慣性質量の振動速度と同相であり、且つ第1及び第2の慣性質量の加速度と非同期である請求項22に記載の方法。
- 位相復調器によって第7の検知信号及び速度検知信号を受信する工程と、位相復調器によって回転軸に対する角速度検知に属する情報を含んだ第8の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項23に記載の方法。
- 少なくともフレームと第1及び第2の慣性質量を基板上に微細加工する工程を更に備え、第1及び第2の加速度軸は、この基板の面内にある請求項14に記載の方法。
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