JP2010133935A - ダルソンバル運動ｍｅｍｓ加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計および加速度検出方法を提供する。
【解決手段】ハウジング４４と、ねじれ屈曲部４６、４８、５０、５２によりハウジング４４内に吊るされるプルーフマス４２と、ねじれ磁気再平衡要素として、プルーフマス４２上の平面コイル６０および磁石６６を有する。平面コイル６０は、ねじれ屈曲部を中心とするプルーフマス４２の回転軸の両側に延び、磁石６６は、Ｎ−Ｓ軸がプルーフマスの４２回転軸にほぼ垂直になるように方向付けられる。ＭＥＭＳ加速度計内のピックオフの容量の変化を検出し、平面コイルに電流を通じることでＭＥＭＳ加速度計を再平衡させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ダルソンバル運動ＭＥＭＳ加速度計に関する。

いくつかの磁気再平衡の形態を用いる高度に正確な加速度計は、典型的には、かさばり、高価であり、また、完全にはシールされない可動領域を含んでおり、磁石が加速度計システムに追加されるときに粒子による汚染が生じうる。

本発明は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計および加速度検出方法を提供する。

本発明は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計および加速度検出方法を含む。例示的なＭＥＭＳ加速度計は、ハウジング、少なくとも１つのねじれ屈曲部によりハウジング内に吊るされるプルーフマス、およびねじれ磁気再平衡要素を含む。

本発明の一側面によれば、ねじれ磁気再平衡要素は、少なくとも１つのねじれ屈曲部を中心とするプルーフマスの回転軸の両側に延びる、プルーフマス上の少なくとも１つの平面コイル、および、少なくとも１つの磁石を含み、この磁石のＮ−Ｓ軸はプルーフマスの回転軸にほぼ垂直になるように方向付けれられる。

本発明のさらなる側面によれば、本発明の方法は、ＭＥＭＳ加速度計のピックオフのキャパシタンスの変化を検出し、平面コイルに電流を通じることによりＭＥＭＳ加速度計を再平衡させる、ことを含む。

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が以下に図面を参照しながら詳細に説明される。添付図面は以下のとおりである。

本発明の一実施形態により形成される微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計のブロック図である。 本発明の一実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計の上面透視図を示す図である。 本発明のさらなる実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計の上面透視図を示すである。 本発明の一実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計の側面断面図を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態により形成される微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計システム２０のブロック図である。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、加速度計２２および制御ユニット２４を含む。制御ユニット２４は、検出電子機器部品２６および駆動電子機器部品２８を含み、両者はＭＥＭＳ加速度計２２に信号連絡する。また、制御ユニット２４は、検出電子機器部品２６および駆動電子機器部品２８に信号連絡する制御装置３０を含む。一般に、加速度計２２は、少なくとも１つのねじれ屈曲部によりハウジング内に吊るされるプルーフマス、および、少なくとも１つのねじれ屈曲部についてプルーフマスを再平衡させるためのねじれ磁気再平衡要素を含む。ねじれ磁気再平衡要素は、コイルに電流を通じることによるローレンツ力を使用する。コイルは、磁束場内でプルーフマスの回転軸の両側に位置し、回転軸を中心とするダルソンバル式の運動が加速度計２２を再平衡させるのに用いられる。いくつかの実施形態において、複数センサ環境での使用のために、加速度計２２および／または加速度計システム２０の周りに磁気シールドが存在してもよい。加速度計２２の例示的な実施形態のさらなる詳細は、図２−４とともに議論される。

図２は、本発明の一実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計４０の上面透視図である。加速度計４０は、いくつかの実施形態において、加速度計システム２０における加速度計２２の代わりに用いることができる。加速度計４０は、第１ねじれ屈曲部４６、第２ねじれ屈曲部４８、第３ねじれ屈曲部５０、および第４ねじれ屈曲部５２によりハウジング４４内に吊るされるプルーフマス４２を含む。ねじれ屈曲部４６−５２は、プルーフマス４２が、屈曲部４６−５２に平行な回転軸を中心に回転することを許容する。プルーフマス４２は、回転軸の一方の側と回転軸の他方の側との間で質量不均衡を備えるように構成される。図示の例において、回転軸は、プルーフマスの大きな部分が回転軸の一方の側に位置するように位置決めされる。しかし、他の実施形態において、質量不均衡は他のように形成することができ、たとえばプルーフマスの一方の側に穴やキャビティを形成することにより形成してもよい。

第１パッド５４を備える第１容量性ピックオフは、プルーフマス４２の第１側部の第１端部のところに位置決めされる。第１伝導性ピックオフトレース５６は、第１ねじれ屈曲部４６上で、パッド５４を図１に示される検出電子機器部品２６のような検出電子機器に接続する。第１容量性ピックオフのための第２パッド（図示せず）は、プルーフマス４２の上に位置決めされるハウジング４４の一部（図示せず）の内側表面に取り付けられる。第２伝導性ピックオフトレース５８は、第３ねじれ屈曲部５０を通り、プルーフマス４２の第２側面上の、第２容量性ピックオフ（第１ピックオフの背後にあり見えない）に到る。プルーフマス４２の同一の端部の各側部上での容量性ピックオフの使用は、微分測定がなされることを可能にする。他の実施形態において、プルーフマス４２の第２側部上に位置する、および／または回転軸の他の側上のプルーフマス４２の他の端部上に位置する、追加の容量性ピックオフが存在するようにすることもできる。

平面コイル６０はプルーフマス４２の第１側部上に位置し、また、プルーフマス４２の回転軸の両側上に延びる。コイル６０は、例示的な一実施形態において単一層らせんコイルである。例示的な一実施形態において、コイル６０は約１０回巻であり、それぞれ約４５マイクロメートル（ミクロン）の幅、約１５ミクロンの巻間の空間、約０．５ミクロンの厚さである。しかし、異なる巻数、幅、空間、厚さのコイル６０を使用することもできる。コイル６０は、第１伝導性コイルトレース６２および第２伝導性コイルトレース６４により、図１に示される駆動電子機器部品２８のような駆動電子機器に接続される。第１伝導性コイルトレース６２および第２伝導性コイルトレース６４は、それぞれ、第２ねじれ屈曲部４８および第４ねじれ屈曲部５２上を通る。他の例示的な実施形態において、コイル６０に向かうトレースは、共通モード効果を達成するために、単一屈曲部の頂部および底部に渡って通る。これは、屈曲材料および伝導性トレース材料の異なる膨張係数に基づく温度に関係する曲げ効果を低減するのを助ける。明瞭化のために単一のコイル６０だけが図示されているが、プルーフマス４２の第２側部上に位置する第２コイルのような追加のコイルを使用してもよい。磁石６６は、磁石６６のＮ−Ｓ軸がプルーフマスの回転軸にほぼ直交するように方向付けられる。たとえば、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石を用いることができる。明瞭化のために単一の磁石６６だけが図示されているが、プルーフマス４２の第２側部側に位置する磁石６６と同様に方向付けられる第２磁石のような、追加の磁石を用いてもよい。コイル６０と相互作用するほぼ線形の磁束場を生成するために、プルーフマス４２の各側に対称に配置される２つの磁石を用いることができる。

一般に、正の電荷が、コイル６０の右側を通り、図２の頂部に向かう方向に移動し、且つ、磁場が磁石６６のＮ極からＳ極に向かう矢印により示される方向にある場合、このような場合は、正の電荷がコイルトレース６２のところでコイル６０に入り、コイルトレース６４のところでコイル６０を出る場合に発生するが、コイル６０の右側において図２を含む紙面から出る方向に力が生成され、コイル６０の左側において図２を含む紙面に入る方向に力が発生する。これは、屈曲部４６、４８、５０、５２を中心とするトルクを形成する。プルーフマス４２は、屈曲部４６、４８、５０、５２について非対称になるように方向付けられる。これは、加速度計４０がプルーフマス４２の平面に垂直な成分を備える加速を受けるときに、プルーフマス４２上のモーメントを形成する。この加速度は、パッド５４を含む容量性ピックオフに接続される検出電子機器により検出され、駆動電子機器により適切な電流がコイル６０を通じて流され、検出したキャパシタンスに基づくモーメントを打ち消すトルクを発生させる。制御装置３０は、たとえば所定のキャリブレーションおよび検出したキャパシタンスに基づいて、駆動信号を駆動電子機器２８に伝達することができる。プルーフマス４２の平面に垂直な加速度成分は、プルーフマス４２を再平衡させるのに必要な電流レベルに基づいて決定される。

図３は、本発明のさらなる実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計８０の部分透視上面図である。ＭＥＭＳ加速度計８０は図２に示される加速度計４０に類似しているが、追加の容量性ピックオフおよび短い磁石を備える。加速度計８０は、いくつかの実施形態において、加速度計システム２０内の加速度計２２の代わりに用いることができる。加速度計８０は、第１ねじれ屈曲部８６、第２ねじれ屈曲部８８、第３ねじれ屈曲部９０、および第４ねじれ屈曲部９２によりハウジング８４内に吊るされるプルーフマス８２を含む。

第１容量性ピックオフ９４は、プルーフマス８２の第１側部の第１端部のところに位置決めされる。第１伝導性トレース９６は、第１容量性ピックオフ９４の１つのパッドを、第１ねじれ屈曲部８６を越えて、図１に示される検出電子機器２６のような検出電子機器に接続する。追加のトレース（図示せず）は、第１ピックオフ９４の第２パッド（図示せず）を検出電子機器に接続する。また、第２容量性ピックオフ９８は、プルーフマス８２の第１側部の第１端部のところに位置決めされる。第２伝導性トレース１００は、第２容量性ピックオフ９８の１つのパッドを検出電子機器に接続する。第３容量性ピックオフ１０２は、プルーフマス８２の第２側部の第２端部のところに位置決めされる。第３伝導性トレース１０３は、第３容量性ピックオフ１０２の１つのパッドを第１伝導性トレース９６に接続し、第１および第３の容量性ピックオフ９４、１０２を互いに検出電子機器に電気的に接続する。また、第４容量性ピックオフ１０４は、プルーフマス８２の第２側部の第２端部のところで位置決めされる。第４伝導性トレース１０６は、第４容量性ピックオフ１０４の１つのパッドを第２伝導性トレース１００に接続し、第２および第４の容量性ピックオフ９８、１０４を、互いに検出電子機器に電気的に接続する。プルーフマス８２の反対側にピックオフを接続することは、プルーフマスのサグ効果を打ち消すのを助ける。プルーフマス８２の両方の側の各端部に２つのピックオフを使用することにより、検出電子機器は、交流電流（ＡＣ）信号によりそれらを駆動することができ、この交流電流信号は、互いに位相が１８０°ずれており、たとえば、第１ピックオフ９４を第１位相を備える第１ＡＣ信号で駆動し、第２ピックオフ９８を第１位相から１８０°ずれた第２位相を備える第２ＡＣ信号で駆動する。第１ピックオフ９４および第２ピックオフ９８をこのように駆動することは、加速度計８０の加速度に関係しない、軸を横切る力を打ち消すのを助ける。例示的な一実施形態において、各端部のピックオフは、２０キロヘルツ（kHz）から４０キロヘルツの範囲で、互いに位相が１８０°ずれたＡＣ信号で駆動される。明確化のために図示しないが、追加の容量性ピックオフが、図示の４つのピックオフ９４、９８、１０２、１０４のそれぞれからプルーフマス８２の反対側に存在するようにしてもよい。これは、微分測定値を得ることを可能にする。

平面コイル１０８は、プルーフマス８２上にあり、プルーフマス８の回転軸の両側に延びる。コイル１０８は、たとえばそれぞれ第２ねじれ屈曲部８８および第４ねじれ屈曲部９２内を走る第１コイルトレース１１０および第２コイルトレース１１２により、図１に示される駆動電子機器２８のような駆動電子機器に接続される。磁石１１４は、磁石１１４のＮ−Ｓ軸がプルーフマス８２の回転軸にほぼ垂直になるように位置決めされる。明瞭化のために、単一の磁石１１４だけが図示されているが、磁石１１４と同様に方向付けられる、プルーフマス８２の第２の側部に位置する第２の磁石のような追加の磁石を用いることもできる。

図４は、本発明の例示的な実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計２００の断面側面図である。ＭＥＭＳ加速度計２００は、図２および図３に示される加速度計４０および８０に類似しているが、ハウジングの内部の容量性ピックオフの第２のパッド、およびプルーフマスの第２の側部の追加のコイルを示している。加速度計２００は、いくつかの実施形態において図１に示される加速度計システム２０の加速度計２２の代わりに用いることができる。

加速度計２００はウェハ装置層２０１を含み、ウェハ装置層は、第１ねじれ屈曲部２０４および第２ねじれ屈曲部２０６により吊るされるプルーフマス２０２を備える。ウェハ装置層２０１は、第１ハウジング要素２１２および第２ハウジング要素２１４を含むハウジングの間に挟まれる外側フープを含む。プルーフマス２０２は、第１および第２の屈曲部２０４、２０６により外側フープ２０８の内側でハウジング内に吊るされる。第１および第２のねじれ屈曲部２０４、２０６は、ウェハ装置層２０１内の外側フープの他の部分（図示せず）に接続される。プルーフマス２０２の他の部分（図示せず）上に、追加のねじれ屈曲部（図示せず）が存在してもよい。

平面第１コイル２１５が、プルーフマス２０２の第１側部上にある。第１コイル２１５は、屈曲部２０４、２０６を中心に、プルーフマス２０２の回転軸の第１の側２１６および第２の側２１７上に延びる。絶縁層２１８が、第１コイル２１５の一部にわたって延び、導電トレース２１９は第１の内側部分を、たとえば図１に示す駆動電子機器２８のような外部要素（図示せず）に接続できる。第１コイル２１５と同様に、平面第２コイル２２０がプルーフマス２０２の第２側部上にある。第２コイル２２０は、プルーフマス２０２の回転軸の第１側部２２１および第２側部２２２上を延びる。絶縁層２２３は、第２コイルの一部にわたって延び、導電トレース２２４が、第２コイル２２０の内側部分を駆動電子機器２８のような外部要素（図示せず）に接続できる。

第１容量性ピックオフ２２５がプルーフマス２２の第１側部の第１端部に位置する。第１容量性ピックオフ２２５は、プルーフマス上に第１パッド２２６、および第１ハウジング要路２１２の内側表面上の第１パッドに対向する第２パッド２２８を含む。第２容量性ピックオフ２２９がプルーフマス２２の第１側部の第２端部に位置する。第２容量性ピックオフ２２９は、プルーフマス２０２上の第３パッド２３０、および第１ハウジング要素２１２の内側表面上の第２パッド２３０に対向する第４パッド２３２を含む。第３容量性ピックオフ２２３がプルーフマス２０２の第２側部の第１端部に位置する。第３容量性ピックオフ２３３は、プルーフマス２０２上の第５パッド２３４、および第２ハウジング要素２１４の内側表面上の第５パッドに対向する第６パッド２３６を含む。第４容量性ピックオフ２３５は、プルーフマス２０２の第２側部の第２端部に位置する。第４容量性ピックオフ２３５は、プルーフマス２０２上の第７パッド、および２ハウジング要素２１４の内側表面上の第７パッド２３８に対向する第８パッド２４０を含む。例示的に実施形態において、プルーフマスのサグ効果を打ち消すために、第１および第４の容量性ピックオフ２２５、２３５は接続され、また、第２および第３の容量性ピックオフ２２９、２３３は接続される。

第１磁石２６０が、第１磁石２６０のＮ−Ｓ軸がプルーフマス２０２の回転軸にほぼ垂直に向くように位置決めされる。第２磁石２６２が、第１磁石２０６と同様な向きで、第２磁石２６２のＮ−Ｓ軸がプルーフマス２０２の回転軸にほぼ垂直になるように、プルーフマス２０２の第２側部側に位置する。

一般に、加速度計２２、４０、８０、２００は、パターン形成されエッチングされるシリコンウェハから形成され、いくつかのぶらさがったプルーフマスを支持構造に取り付けられたねじれ屈曲部とともに形成する。ウェハは、その後、金属配線を支持する誘電体層を形成するために酸化される。さらに、パターン形成および金属配線ステップが、微分容量性ピックオフおよびらせんコイルのための基本的な要素を形成する。コイルの内側トレースは、らせんコイルにわたる誘電体層の配置を介して提供され、第２金属配線ステップが続く。シリコンウェハと同一の直径を備えるガラスウェハが、パターン形成、エッチングおよび金属配線をして、表面に凹部を形成し、微分容量性ピックオフの第２プレートとして機能し、さらに装置の減衰を制御するために機能する。第１ガラスウェハは、その後、シリコンウェハに整列させられ、下キャパシタプレートを形成するために陽極接続される。このアセンブリは、その後、第２ガラスウェハに陽極接続されて、微分容量性ピックオフのための上キャパシタプレートを形成する。磁石は、上ガラスプレートおよび下ガラスプレートに取り付けられ、らせんコイルが相互作用する磁場を形成する。ウェハアセンブリは、その後ダイシングされ、個別の加速度計は、パーッケージ、試験、および加速度計システムへの統合のためにアクセスできるようになる。

例示的な一実施形態において、図１−４の加速度計２２、４０、８０、２００は、パターンを酸化し、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によりプルーフマスおよびねじれ屈曲部をシリコンウェハ上に形成することにより形成される。次に、らせんコイルおよびピックオフがプルーフマス上で金属で形成される。らせんコイルおよびピックオフは、たとえば金から形成できる。その後、絶縁層がコイルの一部にわたってスパッタリング形成される。次に、追加のトレースが絶縁層を横切って金属配線され、コイルの内側部分への接続部を形成する。その後、たとえばホウケイ酸塩パイレックスのようなガラスで形成できる第１ハウジング部はエッチングされて、キャパシタのための凹部およびプルーフマス上のトレースのためのスルーホールが形成される。その後、第１ハウジング部は、金属が形成されて、容量性ピックオフの一部が形成される。同様に、第２ハウジング部がエッチングされる。第１および第２ハウジング部は、たとえばハウジング部をウェハ層に陽極接続することにより、プルーフマスを含むウェハ層に取り付けられる。その後、磁石が、プルーフマスの両側で、ハウジングの第１部分および第２部分に取り付けられる。第１および第２のハウジング要素がウェハ装置層に取り付けられた後に磁石を取り付けることは、装置をシールし、他の方法で磁石を取り付ける場合に生じ得る汚染から保護する。

本発明の好ましい実施形態が上述のように図示および説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく多くの変更が可能である。たとえば、異なる数の屈曲部を採用することができる。コイルおよび屈曲部を含むトルク材は、トルク材を駆動する電流が屈曲部にわたって等しく分配されるように、伝導性エピタキシャル層（ＥＰＩ）で形成でき、一方で、小さな電流を用いるピックオフトレースは、屈曲部の上の酸化層上の金属上に分配される。代替的に、プルーフマスは、ＥＰＩで形成してもよく。ＥＰＩプルーフマスにより、表面は酸化され、コイルは酸化層の上に形成される。酸化層は１つ以上のパッド領域ではがされ、ピックオフ参照グラウンドを露出させ、これはハウジング内の対応する金属化ガラスキャパシタプレートにわたって配置される。さらに、他の磁石構成を用いることもでき、ハウジングの外側に位置する磁石ではなく、プルーフマスに埋め込まれた複数の磁石を用いることができる。本発明は、添付の特許請求の範囲を参照することにより完全に決定される。

Claims (3)

1. 微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計（４０）であって、
   ハウジング（４４）と、
   少なくとも１つのねじれ屈曲部（４６−５２）により前記ハウジング内に吊るされるプルーフマス（４２）と、
   ねじれ磁気再平衡要素（６０、６６）と、を有し、前記ねじれ磁気再平衡要素は、
   前記プルーフマス上の少なくとも１つのコイルと、
   少なくとも１つの磁石（６６）と、を有し、前記少なくとも１つのコイルは平面コイルであり、前記少なくとも１つの磁石は、
   前記プルーフマスの第１側部近くに位置決めされる第１磁石と、
   前記プルーフマスの第２側部近くに位置決めされる第２磁石と、を有し、前記第１磁石および前記第２磁石は前記ハウジングの外側に位置する、ＭＥＭＳ加速度計。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度計であって、さらに、
   前記プルーフマスの第１側部側に、前記プルーフマスの第１端部に位置する第１容量性ピックオフと、
   前記プルーフマスの第２側部側に、前記プルーフマスの第２端部に位置する第２容量性ピックオフと、を有し、
   前記少なくとも１つのねじれ屈曲部は、前記第１容量性ピックオフと前記第２容量性ピックオフとの間にあり、前記第１ピックオフおよび前記第２ピックオフは電気的に接続され、
   前記ＭＥＭＳ加速度計はさらに、前記第１ピックオフと同じ、前記少なくとも１つのねじれ屈曲部の側部側で、前記プルーフマスの前記第１側部に位置する第３容量性ピックオフと、
   前記第２ピックオフと同じ、前記少なくとも１つのねじれ屈曲部の側部側で、前記プルーフマスの前記第２側部に位置する第４容量性ピックオフと、を有し、前記第１ピックオフおよび前記第２ピックオフは電気的に接続され、前記第３ピックオフおよび前記第４ピックオフは電気的に接続される、ＭＥＭＳ加速度計。
3. 請求項２に記載のＭＥＭＳ加速度計であって、さらに、
   前記プルーフマス上に位置する第１側部、および前記ハウジングの内側部分に位置する第２側部を備える、少なくとも１つのピックオフと、
   前記少なくとも１つのピックオフと信号連絡する検出電子機器要素とを有し、前記検出電子機器要素は、前記少なくとも１つのピックオフの少なくとも１つの容量値に基づく少なくとも１つの検出信号を発生させるように構成され、
   前記ＭＥＭＳ加速度計はさらに、前記少なくとも１つのコイルと信号連絡する駆動電子機器要素と、
   前記検出電子機器要素および前記駆動電子機器要素と信号連絡する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、少なくとも１つの検出信号に基づいて前記少なくとも１つのコイルを通じて電流を送るように、前記駆動電子機器要素に指示する、ように構成され、前記制御装置は、前記加速度計に与えられた加速度を示す出力信号を提供するように構成され、前記出力は、前記少なくとも１つの電流および前記少なくとも１つの検出信号に基づく、ＭＥＭＳ加速度計。

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