JP5965934B2 - 改善されたオフセットおよびノイズ性能を有する傾斜モード加速度計 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は、一般に、傾斜モードタイプのＭＥＭＳ加速度計に関連し、その傾斜モードタイプのＭＥＭＳ加速度計において、２つの傾斜モードＭＥＭＳ加速度計が、単一の基板上に作成される。

（発明の背景）
加速度計は、加速度を電気信号に変換するタイプの変換器である。加速度計は、広範な種々のデバイスにおいて、広範な種々の用途のために使用される。例えば、加速度計は、しばしば、例えばエアバッグ展開および転覆検出のための種々の自動車システムに含まれる。加速度計はまた、しばしば、例えば運動に基づいた感知（例えば、落下検出）および制御（例えば、ゲームを行うための、運動に基づいた制御）のための種々のコンピュータデバイスに含まれる。

微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」、「ＭＥＭＳデバイス」とも称される）は、膨大な数の用途において使用される特定のタイプの集積回路である。例えば、ＭＥＭＳは、現在、航空機のピッチ角を検出するためにジャイロスコープとして実装され、自動車におけるエアバッグを選択的に展開するために加速度計として実装されている。簡単に言うと、そのようなＭＥＭＳデバイスは、典型的に、基板の上方に懸架された可動構造と、関連した回路とを有し、その関連した回路は、懸架された構造の運動を感知することと、感知された運動のデータを１つまたは複数の外部デバイス（例えば外部コンピュータ）に送達することとの両方を行う。外部デバイスは、感知されたデータを処理することにより、測定された特性（例えば、ピッチ角または加速度）を計算する。

一般的に言って、ＭＥＭＳ加速度計は、典型的に、とりわけ、プルーフマスと、外部加速度によって誘導されたプルーフマスの運動または位置の変化を感知するための１つまたは複数のセンサーとを含む。加速度計は、１つの軸の加速度、２つの軸の加速度、３つの軸の加速度、またはさらに多くの軸の加速度を感知するように構成され得る。典型的に、プルーフマスは、事前決定されたデバイス平面において構成され、受感軸は、一般に、このデバイス平面との関係で称される。例えば、デバイス平面に平行な軸に沿って感知される加速度は、典型的に、Ｘ軸加速度またはＹ軸加速度と称される一方、デバイス平面に垂直な軸に沿って感知される加速度は、典型的に、Ｚ軸加速度と称される。単軸加速度計は、Ｘ軸加速度またはＹ軸加速度だけ、またはＺ軸加速度だけを検出するように構成され得る。２軸加速度計は、Ｘ軸加速度およびＹ軸加速度を検出するように構成され得るか、またはＸ軸加速度およびＺ軸加速度を検出するように構成され得る。３軸加速度計は、Ｘ軸加速度、Ｙ軸加速度、およびＺ軸加速度を検出するように構成され得る。

Ｚ軸加速度計の１つのカテゴリーは、「傾斜モード」構成において構成されるプルーフマスを使用し、その「傾斜モード」構成において、プルーフマスは、プルーフマスがＺ軸加速度のもと、基板に対して回転するように、基板から支持される。プルーフマスの下方（例えば、下にある基板上）、またはプルーフマスの上方と下方との両方に配置された感知電極（多くのタイプの加速度計において、プルーフマスと容量結合される）は、プルーフマスのそのような回転を感知し、それによってＺ軸加速度を感知するために使用される。

本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
単一の軸に沿った加速度を測定するための単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造であって、該単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造は、
該単一の軸に実質的に垂直な平面を規定している上面を有する基板であって、該基板は、第１の端と第２の端とを有する、基板と、
該基板の上方に懸架された第１の非対称形状マスであって、該第１の非対称形状マスは、該第１の端と該第２の端との間に位置する第１の旋回軸まわりに旋回可能である、第１の非対称形状マスと、
該基板の上方に懸架された第２の非対称形状マスであって、該第２の非対称形状マスは、該第１の端と該第２の端との間に位置する第２の旋回軸まわりに旋回可能である、第２の非対称形状マスと、
該基板上および該第１の非対称形状マスの下方に配置された電極の第１の組と、
該基板上および該第２の非対称形状マスの下方に配置された電極の第２の組と
を含む、単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目２）
前記第１の非対称形状マスのための前記第１の旋回軸は、前記基板の前記第１の端と前記第２の端との間の中心に置かれ、該基板の前記平面に実質的に平行である、上記項目に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目３）
前記第２の非対称形状マスのための前記第２の旋回軸は、前記基板の前記第１の端と前記第２の端との間の中心に置かれ、該基板の前記平面に実質的に平行である、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目４）
前記第１の非対称形状マスおよび前記基板に機械的に結合された第１のねじりばねをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目５）
前記第２の非対称形状マスおよび前記基板に機械的に結合された第２のねじりばねをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目６）
前記基板の前記第１の端および前記第２の端に対して中心に配置された第１のアンカーであって、該第１のアンカーは、前記第１の非対称形状マスに機械的に結合されている、第１のアンカーと、
該基板の該第１の端および該第２の端に対して中心に配置された第２のアンカーであって、該第２のアンカーは、前記第２の非対称形状マスに機械的に結合されている、第２のアンカーと
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目７）
前記第１のマスは、１つのアンカーを使用して前記基板の上方に懸架されている、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目８）
前記第２のマスは、１つのアンカーを使用して前記基板の上方に懸架されている、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目９）
前記第１のマスおよび前記第２のマスは、各々、別個の傾斜モード加速度計を規定している、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１０）
前記電極の第１の組は、前記基板において前記第１の旋回軸から等しく配置された複数の電極を含む、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１１）
前記電極の第２の組は、前記基板において前記第２の旋回軸から等しく配置された複数の電極を含む、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１２）
前記第１の旋回軸および前記第２の旋回軸は、同等である、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１３）
前記電極の第１の組は、少なくとも２つの電極を含み、該少なくとも２つの電極は、各々、前記旋回軸に関して対向する側に等しく配置され、前記電極の第２の組は、少なくとも２つの電極を含み、該少なくとも２つの電極は、各々、該旋回軸に関して対向する側に等しく配置され、該電極の第１の組のうちの１つの電極は、該旋回軸に関して反対側における、該電極の第２の組のうちの１つの電極と交差結合されている、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１４）
前記電極の第１の組および前記電極の第２の組は、差動モードで電気的に結合されている、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１５）
第１の軸および第２の横軸を規定している上面を有する基板であって、該上面は、該第１の軸の方向に規定された長さと、該第２の軸の方向に規定された幅とを有する、基板と、
アンカーによって該基板に結合された非対称形状マスを有する第１の傾斜モードセンサーであって、該アンカーは、該基板の該長さの実質的に中心に置かれている、第１の傾斜モードセンサーと、
アンカーによって該基板に結合された非対称形状マスを有する第２の傾斜モードセンサーであって、該アンカーは、該基板の該長さの中心に置かれている、第２の傾斜モードセンサーと
を含む、単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１６）
前記第１の傾斜モードセンサーのプルーフマスは、前記第２の軸に沿った前記アンカーまわりに回転し、該プルーフマスは、該第２の軸について非対称である、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１７）
前記第１の傾斜モードセンサーの前記アンカーは、外部刺激に応答した前記第１の軸まわりの回転を低減するように配置されている、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１８）
電極の第１の組と、電極の第２の組と、前記第１のマスと、前記第２のマスとに電気的に結合された回路をさらに含み、
該回路は、該第１のマスと対応する前記電極の第１の組との間の静電容量の変化によって、Ｚ軸加速度によってもたらされた該第１のマスの回転運動を感知することと、該第２のマスと対応する前記電極の第２の組との間の静電容量の変化によって、Ｚ軸加速度によってもたらされた該第２のマスの回転運動を感知することとを行うように構成されている、上記項目のいずれかに記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
（項目１９）
単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造を使用する方法であって、該方法は、
該微小電気機械加速度計構造を外部刺激にさらすことと、
該外部刺激が、該微小電気機械加速度計構造の基板に結合された、非対称形状マスを有する第１の傾斜モードセンサーを、中心に位置するアンカー点まわりに回転させることと、
電極において、該第１の傾斜モードセンサーの該非対称形状マスと該電極との間の静電容量の変化を表す第１の電気信号を受信することと、
該外部刺激が、該微小電気機械加速度計構造の該基板に結合された、非対称形状マスを有する第２の傾斜モードセンサーを、中心に位置するアンカー点まわりに回転させることと、
第２の電極において、該第２の傾斜モードセンサーの該非対称形状マスと該第２の電極との間の静電容量の変化を表す第２の電気信号を受信することと、
該第１の電気信号と第２の電気信号とを組み合わせることにより、加速度信号を生成することと
を含む、方法。
（項目２０）
前記加速度信号は、差動信号である、上記項目のいずれかに記載の方法。

（摘要）
単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。その構造は、第１の端と第２の端とによって規定された上面を有する基板を含む。基板の上方に懸架された第１の非対称形状マスが基板に結合され、その第１の非対称形状マスは、第１の端と第２の端との間の基板に対する第１の旋回点まわりに旋回可能であり、基板の上方に懸架された第２の非対称形状マスが基板に結合され、その第２の非対称形状マスは、第１の端と第２の端との間の基板に対する第２の旋回点まわりに旋回可能である。その構造はまた、基板上および第１の非対称形状マスの下方に配置された電極の第１の組と、基板上および第２の非対称形状マスの下方に配置された電極の第２の組とを含む。

（本発明の種々の実施形態の概要）
単一の軸についての加速度を測定するための単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造および使用方法が開示される。一実施形態において、加速度計構造は、その単一の軸に実質的に垂直な平面を規定する上面を有する基板を含み、基板は、第１の端と第２の端とを有する。加速度計構造は、基板の上方に懸架された複数の非対称形状マスを含む。第１の非対称形状マスは、第１の端と第２の端との間に位置する第１の旋回軸まわりに旋回可能であり、第２の非対称形状マスは、第１の端と第２の端との間に位置する第２の旋回軸まわりに旋回可能である。各非対称形状マスは、電極の組を含む。電極の第１の組は、基板上および第１の非対称形状マスの下方に配置される。電極の第２の組は、基板上および第２の非対称形状マスの下方に配置される。

本発明の特定の実施形態において、第１の非対称形状マスのための第１の旋回軸は、基板の第１の端と第２の端との間の中心に置かれ、基板の平面に実質的に平行である。第２の非対称形状マスのための第２の旋回軸は、基板の第１の端と第２の端との間の中心に置かれ、基板の平面に実質的に平行であり得る。

加速度計構造は、第１の非対称形状マスおよび基板に機械的に結合された第１のねじりばねを含み得、加速度構造はまた、第２の非対称形状マスおよび基板に機械的に結合された第２のねじりばねを含み得る。加速度計構造はまた、１つまたは複数のアンカーを有し得る。例えば、第１のアンカーは、基板の第１の端および第２の端に対して中心に配置され、第１の非対称形状マスに機械的に結合され得る。同様に、第２のアンカーは、基板の第１の端および第２の端に対して中心に配置され、第２の非対称形状マスに機械的に結合され得る。

加速度計構造の実施形態は、単一のアンカーによって懸架された各マスを有し得る。各マスが、自身のシーソー式加速度計を形成し得ること、および加速度計の各々が、独立して、または単一の加速度計として同時に動作し得ることが、認識されるはずである。

特定の実施形態において、電極の第１の組は、基板において第１の旋回軸から等しく配置された複数の電極を含む。他の実施形態において、電極の第２の組は、基板において第２の旋回軸から等しく配置された複数の電極を含む。他の実施形態において、第１の旋回軸および第２の旋回軸は、同等である。

加速度計構造の実施形態は、少なくとも２つの電極を有する電極の第１の組であって、少なくとも２つの電極は、各々、旋回軸に関して対向する側に等しく配置される、電極の第１の組と、少なくとも２つの電極を有する電極の第２の組であって、少なくとも２つの電極は、各々、旋回軸に関して対向する側に等しく配置される、電極の第２の組とを含み得、電極の第１の組からの１つの電極は、旋回軸に関して反対側における電極の第２の組からの１つの電極と交差結合される。電極の結合は、差動モードであり得る。

別の実施形態において、単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造が開示される。加速度計構造は、第１の軸および第２の横軸を規定している上面を有する基板を含み、上面は、第１の軸の方向に規定された長さと、第２の軸の方向に規定された幅とを有する。そのうえ、加速度計構造は、アンカーによって基板に結合された非対称形状プルーフマスを有する第１の傾斜モードセンサーを含み、アンカーは、基板の長さの実質的に中心に置かれる。最後に、加速度計構造は、アンカーによって基板に結合された非対称形状プルーフマスを有する第２の傾斜モードセンサーを含み、アンカーは、基板の長さの中心に置かれる。

第１の傾斜モード加速度計のプルーフマスは、第２の軸に沿ったアンカーまわりに回転し得、第１の傾斜モード加速度計のプルーフマスは、第２の軸について非対称である。第１の傾斜モードセンサーのアンカーは、外部刺激に応答した第１の軸まわりの回転を低減するように配置され得る。加速度計構造は、電極の第１の組と、電極の第２の組と、第１のマスと、第２のマスとに電気的に結合された回路をさらに含み得、回路は、第１のマスと対応する電極の第１の組との間の静電容量の変化によって、Ｚ軸加速度によってもたらされた第１のマスの回転運動を感知することと、第２のマスと対応する電極の第２の組との間の静電容量の変化によって、Ｚ軸加速度によってもたらされた第２のマスの回転運動を感知することとを行うように構成される。

本開示は、単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造を使用する方法も開示する。微小電気機械加速度計構造は外部刺激にさらされる。外部刺激は、微小電気機械加速度計構造の基板に結合された、非対称マスを有する第１の傾斜モードセンサーを、中心に位置するアンカー点まわりに回転させる。第１の傾斜モードセンサーのプルーフマスと電極との間の静電容量の変化を表す第１の電気信号が、電極において受信される。外部刺激は、微小電気機械加速度計構造の基板に結合された、非対称マスを有する第２の傾斜モードセンサーを、中心に位置するアンカー点まわりに回転させる。第２の電極において、第２の傾斜モードセンサーのマスと第２の電極との間の静電容量の変化を表す第２の電気信号が、受信される。第１の電気信号および第２の電気信号は、組み合わせられることにより、加速度信号を生成する。生成される加速度信号は、差動信号であり得る。

本発明の上述の特徴は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解される。

図１Ａ〜図１Ｂは、釣り合いのとれた傾斜モード加速度計を示す。 図２Ａは、非対称形状マスを有する傾斜モード加速度計の側面図を概略的に示し、ここで、非対称性は、Ｚ方向についてである。 図２Ｂは、非対称形状マスを有する傾斜モード加速度計の側面図を概略的に示し、ここで、非対称性は、平面図にある。 図３Ａは、中心にない旋回軸／アンカーを有する傾斜モード加速度計のレイアウト図を示す。 図３Ｂは、基板に対して中心に配置されたアンカーと、非対称形状マスとを有する傾斜モード加速度計のレイアウト図を示す。 図４は、２つの傾斜モード加速度計が単一のダイ上に配置されるレイアウトを示す。 図４Ａは、ＭＥＭＳダイの象限レイアウトを示す。 図５は、質量中心の方へ、非旋回軸に沿って、図４のＭＥＭＳ傾斜モード加速度計のアンカーを再配置することを示す。 図６Ａは、ＭＥＭＳ加速度計の実施形態のレイアウト図を示し、そこで、４つのセンサーが単一のダイ上に対称に配置される。 図６Ｂは、ＭＥＭＳ加速度計の別の実施形態のレイアウト図を示し、そこで、複数のセンサーが単一のダイ上に対称に配置される。

（特定の実施形態の詳細な説明）
本明細書において規定される場合、用語「電極」は、文脈が別様に規定しないかぎり、信号を感知するための感知電極か、または信号を駆動するための駆動電極かのいずれかを表し得る。そのうえ、用語「アンカー」は、マスを懸架するための「懸架構造」の一部を表すものとする。懸架構造は、マスが回転軸まわりに回転することを可能にするねじりばねのような、１つまたは複数の屈曲部を含み得る。懸架構造のアンカーは、ＭＥＭＳデバイスの基板と機械的に結合する。

図１Ａ〜図１Ｂは、本発明の例証的な実施形態に従って構成された例示的な傾斜モード加速度計１０を概略的に示す。図に示された実施形態は、上面に概して垂直な方向の加速度を決定するための微小構造を有する単一のダイとして実装される。そのために、図１Ａおよび図１Ｂに示されたダイは、電極２４および２８を有する基板２１の上方に懸架されたマス２０を含む。電極２４および２８は、懸架されたマス２０に容量的に結合し、それによって、マス２０の運動を感知するための感知電極として働き得る。下記に論じられるように、適切に指向された加速度をマス２０に加えることは、マスが回転軸まわりに回転することをもたらし、その回転軸は、参照数字「２２」によって図面において識別される。２つの側端２０ｃ、２０ｄの間の、回転軸２２の両側における、懸架されたマス２０の２つの区分２０ａおよび２０ｂは、例証的な実施形態において、回転軸２２に対して実質的に対称である。

図１Ａ〜図１Ｂは、傾斜モード加速度計１０の動作の原理を示すために使用され得る。図１Ａは、外部加速度のない条件下のデバイスを示し、そこで、デバイスの０Ｇ点を較正するために、静電容量が、感知電極２４、２８において測定される。電極２４、２８がまた、駆動電極であり得、懸架されたマスが感知電極である電極を含むことが、当業者によって理解されるはずである。示されるような例示的な図において、測定された静電容量が等しくない場合、デバイスは、バイアスまたはオフセットを有し、そのバイアスまたはオフセットは、補正されなければならない。図１Ａにおいて、ビーム質量の非対称性は、ブロック２９によって表現されている。この非対称性は、質量オフセットが存在することを保証し、それによって、回転が、Ｚ方向の線形加速度に応答して生じる。

図１Ｂは、矢印の方向（正のＺ方向）の外部加速度を受ける同一のＭＥＭＳ加速度計１０を示す。懸架されたマスの部分２０ｂよりも大きな、部分２０ａにおけるマスによってもたらされた慣性モーメントが原因で、反時計回りのトルクが、回転軸２２まわりに生成され、マスを示されるように回転させる。反対方向の加速度は、反対方向の回転をもたらす。両方向の回転は、電極２４、２８における変動静電容量として検出され、電極２４は、懸架されたマス２０により近づき、電極２８は、懸架されたマス２０からより遠ざかる。マスの角度の偏り、それゆえの静電容量の変動のサイズは、計算され得るかまたは較正され得る対象の範囲を超える、おおよそ線形の変換関数に従った加速度の大きさに関連する。従って、従来の回路（示されず）は、電極２４、２８から測定されたそれぞれの静電容量を加速度の大きさに変換するために、変換関数を適用し得る。典型的に、この大きさは、ダイまたはチップパッケージにおける出力電圧信号として具体化され、その出力電圧信号は、受信／検出された加速度を示す。出力ミリボルトの数と、加速度の測定されたＧの数との間を変換するために、比例定数が、提供される。以前のセクションが加速度計からのアナログ出力を説明していることが、当業者によって認識されるはずである。本発明は、アナログ実施形態に限定されず、デジタル信号が、本発明の本質を変化させることなく、加速度計によって生成され得、そこで、適切なデジタル回路が採用される。

オンチップ回路またはオフチップ回路は、例えば、これらの変化した静電容量信号に基づいて、加速度計１０によって感知された加速度の正確な量を決定し得る。例えば、オフチップ回路は、加速度計１０と同一のパッケージ内または別のパッケージにおける特定用途向け集積回路（ＡＩＳＣ）として実装された別のダイを含み得る。いくつかの実施形態は、ＡＳＩＣダイが加速度計ダイ上にキャップを形成する態様で、加速度計ダイとＡＳＩＣダイとを組み合わせ得る。あるいは、またはそのうえ、オフチップ回路はまた、別々の要素および／または複数の回路チップを含み得る。

留意されるように、加速度計１０は、典型的に、その脆弱な微小構造を保護するためにいくつかの装置を有する。従って、留意されるように、加速度計１０は、従来の半導体パッケージ（例えば、セラミックキャビティパッケージ、予成形リードフレームパッケージ、キャリアパッケージ、またはたのいくつかのパッケージレベルデバイス）内に配置され得る。パッケージは、好ましくは、種々の実施形態において、密閉され、微小構造をさらに保護するために、緩衝ガスおよび／または酸化緩和ガスを含む。

他の実施形態は、回路ダイ（例えば、上記に示されたＡＳＩＣ）か、または不活性キャップかのいずれかを用いてダイを単にキャップする。いずれのタイプのパッケージング方法（つまり、とりわけ、パッケージレベルパッケージ、またはダイレベルパッケージ）もまた、例えば、相互接続リードまたはパッドを含み、それによって、加速度計１０は、パッケージの外部にあるデバイスと通信し得る。例えば、パッケージは、プリント回路基板に装着され（例えば、表面実装、スルーホール接続、または他のタイプの接続）、そのプリント回路基板は、自動車エアバッグ制御システムまたは携帯電話のような、より大きなシステム内にあり得る。

ＭＥＭＳ傾斜モード加速度計は、回転軸まわりのトルクを測定することによって、好ましい方向の加速度を測定する。図２Ａは、ＺＹ平面におけるＭＥＭＳ傾斜モード加速度計の側面図を示す。プルーフマス２００は、基板２１０の上方に懸架され、プルーフマスは、基板の中心に置かれるが、プルーフマスは、中心旋回点（アンカー取り付け点）２２０以外に、中心から外れた質量中心を有し、それによって、ブロック２３０によって表現されるように、軸に関して片側よりも大きな質量が、もう片側にある。プルーフマスは、ねじり棒またはねじりばねを含む懸架構造によって、基板の上方に懸架され得、棒／ばねは、基板に結合された１つまたは複数のアンカーによって支持される。ブロック２３０は、プルーフマスの右側よりも大きな質量がプルーフマスの左側に存在するように、描かれる。図２Ｂは、典型的な半導体製造工程を容易にするように、好ましくは平面図にあるブロック２３０によって表現されるような、追加の質量を示す。そのような構成の上から見た図が、図３Ｂに示され、図３Ｂにおいて、プルーフマスは、Ｘ軸に沿って延びる。この不均一な質量の分布は、回転軸まわりの慣性モーメントをもたらす。加速度が、基板２１０に垂直な、Ｚ軸に沿った方向に生成されると、慣性モーメントは、回転軸２２０まわりのトルクをもたらし、懸架されたマス２００を回転させる。懸架における応力によってもたらされた有効ばね定数は、トルクを釣り合わせ、その結果、一定の加速度のもと、固定角が、短時間後に獲得される。それから、回転の角度、それゆえの加速度の大きさが、測定され得る。

基板と懸架されたマスとの間の距離は、しばしば、回転マス２００と、基板２１０上に配置された１つまたは複数の静止電極２４、２８との間の静電容量を感知することによって測定される。これらの電極２４、２８は、回転軸に関して対向する側に等距離に離間され、その結果、静電容量は、マスが回転すると、各電極に対して逆に変化する。加速度計は、異なる電圧を１つまたは複数の駆動電極に印加することにより、回転軸まわりに静電気力を生成することによって、非ゼロ加速度に対して較正され得る。懸架されたマス２００は、特定の距離たわむが、懸架されたマス２００は、有効機械的ばね定数の存在により、さらなるたわみに抵抗する。

多くの他のＭＥＭＳデバイスと同様に、加速度計は、複数の電極からパッケージの中心までの異なる距離のため、製造後、非対称の応力を経験する。これらの応力は、加速度が実際に存在せず、意図しないオフセットバイアスをもたらす場合、望まれない出力読み取りをもたらし得る。この不利点は、基板の中心線まわりにセンサーを対称に配置することによって対処される。そのうえ、ＭＥＭＳ「傾斜モード」加速度計の設計において、基板（「ダイ」）の中心に、回転軸に沿って単一のアンカーを有することが望ましい。なぜなら、一様でない応力をもたらす通常の処理技術により、基板自身が、不均一な（つまり、平らでない）傾向があるからである。ダイの中心に旋回点を配置することによって、旋回点の両側の不均一性は、統計的に相殺され、旋回点まわりの、Ｚ軸方向の実質的に等しい機械的な運動を可能にする。ビームのための１つよりも多いアンカー点が存在し、かつ、基板が不均一である場合、アンカーは、加速度計に加えられる不必要なトルクをもたらし得、従って、不正確な加速度測定結果を生成する。

図３Ａは、基板３１０のおよその長さに延びる長方形のプルーフマス３００を示す。アンカー３３０および回転軸３２０は、縁３１１と縁３１２との間の中間で、基板３１０の中心線を中心に配置される。アンカーが基板のおよその長さの中心に位置する場合に、プルーフマスの旋回軸まわりの慣性モーメントを提供するために、好ましくは、質量非対称を有するプルーフマス３００が、作成される。プルーフマスのための均一な材料を想定すると、プルーフマスの第１の側３００Ａとプルーフマスの第２の側３００Ｂとの間に、この質量非対称（慣性モーメント）を提供するために、プルーフマスの第１の側は、第２の側３００Ｂよりも長くされる。アンカーが基板の中心あたりに配置されることを要求することによって、基板の一部は、使用されない。

図３Ｂは、「Ｌ」のような形状の質量非対称を有するプルーフマスを示す。第３の次元「Ｚ」に関して、半導体成層工程が理由で、プルーフマスは、「Ｚ」方向に実質的に均一な厚さであると想定される。従って、本構成において、非対称性は、（示されるように）Ｘ軸についてであるか、またはＹ軸についてであり得る。

非対称性がＸ−Ｙ平面にあるＭＥＭＳ傾斜モード加速度計において、例えば、図３Ｂに示されるように、基板の有意な部分は、使用されず、「デッドスペース」３５０であるとみなされ得る。そのような構成において、一般に、プルーフマス３０１は、基板３０３のおおよそ半分の上に存在する。従って、基板の大部分３５０は、使用されない。

図４に示されるような１つの構成において、第２のＭＥＭＳ傾斜モード加速度計が、作成されて、ダイの全体のサイズを増加させる必要なしに、ダイに追加され得る。空間を２つのセンサー４０６、４１０で占めることによって、各センサーは、他のセンサーの質量非対称の反対側の使用されない空間を利用し得る。２つの加速度計４０６、４１０は、一緒に、（差動的に）並列に電気的に結合され得、従って、プルーフマスの全体の面積を増加させる。本構成において、２つのセンサーは、１つの大きなセンサーとして動作する。そのような構成において、第１のセンサー４０６の電極４０１、４０２は、第２のセンサーの電極４１１、４１２に電気的に交差結合される。一実施形態において、電極４０１は、電極４１２に結合され、電極４０２は、電極４１１に結合され、それによって、回転軸についての対称性が存在し、従って、さらなる製造工程が原因の誤差を低減する。図４Ａは、ダイが、４つの別個の象限に分割された場合にどのように視覚化され得るかを示す。図４に戻ると、Ｘ方向とＹ方向との両方における、４つの象限についての対称性は、加速度計構造に対する引張応力および圧縮応力の低減を提供する。ダイにおける引張／圧縮応力が、ダイの中心について対称であることが認識されるはずである。象限１において経験される引張／圧縮応力は、象限４における引張／圧縮応力によって相殺される。同様に、象限２における引張／圧縮応力は、象限３における引張／圧縮応力によって相殺される。従って、単一のダイ上の複数の電気的に結合された加速度計間の対称な特性を有する加速度計システム設計は、機械的応力効果と、大気（例えば、湿度および温度）による応力効果との両方に対して鈍感である。対称性がない場合、ダイの表面微小機械加工が原因の固有の変形は、２つのＭＥＭＳ加速度計の感知における差を作成し、従って、より正確でない加速度計システムを作成する。

その結果、全体の性能（感度）は、増加させられ得、それによって、２つの組み合わせられた加速度計は、同一の全プルーフマスサイズの単一のセンサーに匹敵する性能を有するが、より小さなノイズおよび低減されたブラウンノイズを有する。本発明のいくつかの実施形態において、ダイ上の２つまたはそれより多い加速度計センサーの電極は、コモンモードで動作し得るか、または電極は、差動モード信号を提示するように結合され得る。

２つの加速度計が、差動モードで動作させられる場合、信号−ノイズ比は、信号と比べた場合のノイズのランダム性が理由で改善され得る。従って、信号は、相関関係にあり、ノイズは、相関関係がなく、相殺されるはずである。当業者によって理解されるように、情報は、ダイ上の２つまたはそれより多い加速度計センサーからの複数の信号間の差によってのみ送信される。

ＭＥＭＳ構造の極端に小さなサイズを仮定すると、構造自身のまわりのランダムな分子運動は、ブラウンノイズ（例えば、経時的なプルーフマスのランダム運動）を作成し得る。ブラウンノイズは、プルーフマス構造の全体の質量に関連する。従って、以前は単一の対称形状傾斜モードセンサーによって占有されていた領域に、２つの非対称形状傾斜モードセンサーを採用することによって、プルーフマスの全体の質量が２倍になり、それによって、有効なブラウンノイズを低減する。

プルーフマスが、懸架構造によって基板の上方に懸架されることが、理解されるはずである。懸架構造は、懸架構造を基板に結合するアンカーと、基板とプルーフマスとの間に結合された１つまたは複数のねじりばねまたは他の機械的構造とを含む。上記に述べられたように、好ましくは、単一のアンカー点が存在する。加速度計システムのさらなる改良は、各アンカーを非旋回軸に関連した質量中心のより近くに移動させることによって達成され得る。図５に示されるように、傾斜モード加速度計は、Ｘ軸まわりに旋回する。従って、アンカーは、Ｘ方向に関連した質量中心のより近くに移動させられ得る。図５を参照すると、アンカー５００が、「ｏ」マークにおいて、Ｙ軸に関して中心に置かれ、アンカー５００は、好ましくは、「ｘ」マークの方へ、ダイの中心の方へ（つまり、Ｘ軸に関する質量中心の方へ）移動させられる。アンカーを移動させることによって、Ｙ軸まわりの加速度中に生じる力、つまりトルクは、低減され、潜在的に排除され、加速度計システムをＹ軸まわりの加速度に対してより感度のないものにし得る。

図６Ａおよび図６Ｂは、ＭＥＭＳ加速度計システムのいくつかの代替実施形態を示し、そこで、複数のセンサーが、同一のダイに取り付けられ、センサーのレイアウトに関連して、１つまたは複数の軸についての対称性が存在する。図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、単一のダイ上に２つより多い加速度センサーが存在し得る。図６Ａは、４つのＬ形状プルーフマスを示す。「Ｌ形状」プルーフマスが、例示的な目的のために示され、他の非対称形状がプルーフマスのために使用され得ることが、当業者によって理解されるはずである。図６Ａにおいて、プルーフマス（６１０と６２０）および（６３０と６４０）は、互いに対称であり、対称性は、プルーフマス構造に対してＸ軸とＹ軸との両方について存在する。図６Ｂは、４つのセンサーが単一のダイ上に配置された実施形態を示す。本構成において、図６Ａのように、対称性は、プルーフマス構造６５０、６６０、６７０、および６８０に対してＸ軸とＹ軸との両方について存在する。軸について対称であることによって、引張力および圧縮力からの応力は、その軸のまわりで釣り合う。

上記に説明された本発明の実施形態は、単に例示的であるように意図され、数多くの変形および変更が、当業者にとって明白である。すべてのそのような変形および変更は、添付の特許請求の範囲において規定される本発明の範囲内にあることが意図される。

１０ 傾斜モード加速度計
２０ マス
２１ 基板
２２ 回転軸
２４ 電極
２８ 電極
２９ ブロック

Claims (19)

1. 単一の軸に沿った加速度を測定するための単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造であって、該単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造は、
   該単一の軸に実質的に垂直な第１の平面を規定している上面を有する基板であって、該基板は、第１の端と第２の端とを有する、基板と、
   該基板の上方に懸架された第１の非対称形状マスであって、該第１の非対称形状マスは、第１の旋回軸まわりに旋回可能であり、かつ、第１の非旋回軸まわりに非対称であり、該第１の非対称形状マスは、該第１の端と該第２の端との間に位置し、該第１の旋回軸および該第１の非旋回軸は、該第１の平面に平行な第２の平面内にある、第１の非対称形状マスと、
   該基板の上方に懸架された第２の非対称形状マスであって、該第２の非対称形状マスは、該第１の端と該第２の端との間に位置する第２の旋回軸まわりに旋回可能である、第２の非対称形状マスと、
   該基板上および該第１の非対称形状マスの下方に配置された第１の組の電極と、
   該基板上および該第２の非対称形状マスの下方に配置された第２の組の電極と
   を含み、
   該第１の非対称形状マスおよび該基板は、該第１の非対称形状マスの該第１の旋回軸に沿った該第１の非旋回軸まわりにある質量中心に配置された第１の懸架構造を介して機械的に結合されており、
   該電極の各々は、該加速度計構造を較正するためにそれぞれの電圧入力を受信するように構成されている、単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
2. 前記第１の非対称形状マスのための前記第１の旋回軸は、前記基板の前記第１の端と前記第２の端との間の中心に置かれ、該基板の前記第１の平面に実質的に平行である、請求項１に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
3. 前記第２の非対称形状マスのための前記第２の旋回軸は、前記基板の前記第１の端と前記第２の端との間の中心に置かれ、該基板の前記第１の平面に実質的に平行である、請求項２に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
4. 前記第１の非対称形状マスおよび前記基板に機械的に結合された第１のねじりばねをさらに含む、請求項２に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
5. 前記第２の非対称形状マスおよび前記基板に機械的に結合された第２のねじりばねをさらに含む、請求項４に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
6. 前記基板の前記第１の端および前記第２の端に対して中心に配置された第１のアンカーであって、該第１のアンカーは、前記第１の非対称形状マスに機械的に結合されている、第１のアンカーと、
   該基板の該第１の端および該第２の端に対して中心に配置された第２のアンカーであって、該第２のアンカーは、前記第２の非対称形状マスに機械的に結合されている、第２のアンカーと
   をさらに含む、請求項１に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
7. 前記第１のマスは、１つのアンカーを使用して前記基板の上方に懸架されている、請求項１に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
8. 前記第２のマスは、１つのアンカーを使用して前記基板の上方に懸架されている、請求項１に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
9. 前記第１のマスおよび前記第２のマスの各々は、別個の傾斜モード加速度計を規定している、請求項１に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
10. 前記第１の組の電極は、前記基板上に前記第１の旋回軸から等しく配置された複数の電極を含む、請求項２に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
11. 前記第２の組の電極は、前記基板上に前記第２の旋回軸から等しく配置された複数の電極を含む、請求項３に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
12. 前記第１の旋回軸および前記第２の旋回軸は、同等である、請求項３に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
13. 前記第１の組の電極は、少なくとも２つの電極を含み、該少なくとも２つの電極の各々は、前記旋回軸に関して対向する側に等しく配置され、前記第２の組の電極は、少なくとも２つの電極を含み、該少なくとも２つの電極の各々は、該旋回軸に関して対向する側に等しく配置され、該第１の組の電極のうちの１つの電極は、該旋回軸に関して反対側で該第２の組の電極のうちの１つの電極と交差結合されている、請求項１２に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
14. 前記第１の組の電極および前記第２の組の電極は、差動モードで電気的に結合されている、請求項１に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
15. 第１の軸および第２の横軸を規定している上面を有する基板であって、該上面は、該第１の軸の方向に規定された長さと、該第２の軸の方向に規定された幅とを有する、基板と、
    アンカーによって該基板に結合された非対称形状マスを有する第１の傾斜モードセンサーであって、該アンカーは、該基板の該長さの実質的に中心に置かれている、第１の傾斜モードセンサーと、
    アンカーによって該基板に結合された非対称形状マスを有する第２の傾斜モードセンサーであって、該アンカーは、該基板の該長さの中心に置かれている、第２の傾斜モードセンサーと、
    該基板上および第１の非対称形状マスの下方に配置された第１の組の電極と、
    該基板上および第２の非対称形状マスの下方に配置された第２の組の電極と
    を含み、
    該第１の傾斜モードセンサーのプルーフマスは、該第２の軸に沿った該アンカーまわりに回転し、かつ、該第１の軸まわりに非対称であり、該第１の傾斜モードセンサーのアンカーは、該第２の軸に沿った該第１の軸のまわりにある質量中心に配置されており、
    該電極の各々は、該加速度計構造を較正するためにそれぞれの電圧入力を受信するように構成されている、単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
16. 前記第１の傾斜モードセンサーの前記アンカーは、外部刺激に応答した前記第１の軸まわりの回転を低減するように配置されている、請求項１５に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
17. 前記第１の組の電極と前記第２の組の電極と前記第１のマスと前記第２のマスとに電気的に結合された回路をさらに含み、
    該回路は、該第１のマスと対応する該第１の組の電極との間の静電容量の変化によって、Ｚ軸加速度によってもたらされた該第１のマスの回転運動を感知することと、該第２のマスと対応する該第２の組の電極との間の静電容量の変化によって、Ｚ軸加速度によってもたらされた該第２のマスの回転運動を感知することとを行うように構成されている、請求項１５に記載の単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造。
18. 単軸傾斜モード微小電気機械加速度計構造を使用する方法であって、該方法は、
    該微小電気機械加速度計構造を外部刺激にさらすことと、
    該外部刺激が、該微小電気機械加速度計構造の基板にアンカーによって結合された、非対称形状マスを有する第１の傾斜モードセンサーを、中心に位置するアンカー点まわりに該アンカーを介して回転させることであって、該非対称形状マスは、旋回軸まわりに旋回可能であり、かつ、非旋回軸まわりに非対称であり、該旋回軸および該非旋回軸は、該基板の上面によって規定される第２の面に平行な第１の平面内にある、ことと、
    第１の電極において、該第１の傾斜モードセンサーの該非対称形状マスと該第１の電極との間の静電容量の変化を表す第１の電気信号を受信することと、
    該外部刺激が、該微小電気機械加速度計構造の該基板に結合された、非対称形状マスを有する第２の傾斜モードセンサーを、中心に位置するアンカー点まわりに回転させることと、
    第２の電極において、該第２の傾斜モードセンサーの該非対称形状マスと該第２の電極との間の静電容量の変化を表す第２の電気信号を受信することと、
    該第１の電気信号と第２の電気信号とを組み合わせることにより、加速度信号を生成することと、
    該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも一方において、該加速度計構造を較正するためにそれぞれの電圧入力を受信することと
    を含み、
    該アンカーは、該旋回軸に沿った該非旋回軸まわりにある質量中心に配置される、方法。
19. 前記加速度信号は、差動信号である、請求項１８に記載の方法。

Images