JPH04504003A - モノリシック加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 モノリシック加速度計 １皿り公！ 本発明は加速度検知の分野に関する。より詳細には、全てが同一の基板上にある 信号調節回路を有するモノリシック加速度検知器に関する。

兄曹しど１皇 加速度は、しばしば検知あるいは測定されなければならない物理量である０例え ば、加速度は力又は質量を測定するために、あるいはあ８種類の制御系を作動す るためにしばしば検知される。自動車環境においては、加速度は制動システムを 制御するためにあるいは衝突の際にエアバッグ等の安全デバイスを起動するため に検知され得る１本発明は、係る自動車システムにおける使用に意図されている が、他の多くの状況においても明らかに有用である。

どの加速度測定の心臓部にも加速度検知エレメント又はトランスジューサがある 。このトランスジューサはしばしば機械的又は電気機械的であり（例えば、圧電 材料、圧電抵抗材料又は歪ゲージ）、有用な出力信号を供給するための電気信号 調節回路に接続され得る。「加速度計」という用語は、トランスジューサと信号 ｍＨ器の組合せに言及するのにしばしば用いられる。特定の個人はまたトランス ジューサ又は検知器自体を加速度計として言及するが、ここに採用されている協 定は「加速度計ｊの用語の使用を上記の組合せに限定するものである。

加速度計の設定には種々の要因が入っており、幾つかは検知器に関し幾つかは回 路に関する。これらの要因の中には、寸法、コスト、所要電力、信頼性、感度、 直線性、精度、周波数応答、全規模範囲、及び温度及び電源感度がある。これら の要因の相対的重要性は加速度計が如何に用いられるかに依存する０例えば、高 周波数応答は、大きなパルス状の力によって作用される非常に小さな質量の加速 度を測定する時に重要であるが、斯かる高周波数応答は大きな質量が無視できる 高周波数成分を有する小さな力によってのみ励起されている場合は恐らく重要で ない。

現在、１％の全規模直線性及び５％の精度を有する巨視的に組み立てられた１０ ｙ加速度計は約３００ドルのコストである。これうはステンレス鋼ビームとシリ コン歪ゲージから構成されており、シリコンオイルによって湿らされる。

１０ｙを超える衝撃に供されると、これらのデバイスは破壊されやすい、この特 性及びそのコストは斯かるデバイスの有用性を大幅に限定している。

自動車のエアバッグを制御するのに用いられる加速度計のための最も重要な使用 の中には、そのコスト、その環境における長期信頼性、初期精度、温度安定性及 び直線性がある。先行のエアバッグ制御システムは幾つかの機械的検知器を用い て自動車の衝突を表わす大きな減速度を検出している。信頼性のある制御システ ムの作動を保証するのに多数の尺長検知器が通常用いられる。長期にわたるそれ らの信頼性あるいは初期設置後の任意の時間におけるそれらの信頼性を証明する 方法はなく、それらの精度は時間に対して保証できない、更に、衝突についての 加速度対時間プロフィールデータ等の「シグナチュア」データを提供する加速度 計を用いると都合がよいが、斯かる加速度計は斯かる種類の応用に対しては高価 すぎる。自動車応用に用いられるこれらの機械的検知器は斯かる能力を有してい ない。

アール、ティー、ハウ他による最近の論文「シリコンミクロ機械工学、チップク トル、第２７巻、３０−３５頁）は、幾つかの型式のシリコン加速度計が開発さ れたことを示している。Ｒ初の型式の加速度計はシリコンビームによって懸下さ れた嵩ミクロ機械加工されたシリコン質量体を組み込んでいる。！９下ビーム上 のイオン注入された圧電抵抗が質量体の運動を検知する。第２の型式の加速度計 はキャパシタンス変化を用いて質量体の運動を検出する。第３の型式のシリコン 加速度計は物理的負荷のシフトを用いて構造体の共鳴周波数のシフトを生成する 。

上記の第２の型式の加速度計の一例として、力平衡構造においてコンデンサの２ 枚の板の間の固定軸を中心に回転するシリコン質量体を用いる容量性シリコン加 速度検知器が文献に報告されている。エム・パンバエメルによる「容量性加速度 計のためのインターフェース回路Ｊ　（１９８９年５月１７日）第１７巻、第３ 号及び４号、６２９−６３７頁、この論文から再現された第１図は、この検知器 装置を暗示している。ここに示されているように、質量体には軸３を中心に回転 し得る。この質量体はコンデンサ板３ａ及び４ｂの間に懸下されており、これに より板３ａと質量体との間の第１キヤパシタンスＣ１及び質量体と板３ｂとの間 の第２キヤパシタンスＣ２を画定している。外部加速度によって質量体は移動し 、キャパシタンスＣ１及びＣ２を変化せしめる。これらのキャパシタンスを測定 するには、電圧が印加され、静電モーメントを誘起する。測定回路は基本的に、 サンプル及び保持回路がその後に続く切替コンデンサ加算回路を含んでいる。か なり非直線的であるこの加速度計の出力を直線化するために、複雑なフィードバ ック回路を第２図に示されているように加えなければならない。

第１図の検知器の構造の詳細についてはこの論文には与えられていないが、モノ リシック的に構成されているようには見えない、その長期の信頼性も問題がある 。

校正された出力は多くの応用において所望されている故、加速度計（特に機械的 検知器を有する加速度計）は一般的に、それらの出力が適当な値に調整されるよ うにするために製造の期間中校正された「ｆＪ力に供されなければならない。

これにより製造プロセスにかなりな経費が加えられる。

従って、本発明の目的は改良された加速度検知器を提供することにある。

本発明の別の目的は、モノリシック加速度検知器及び関連の信号調節回路を含む 改良された加速度計を提供することにある。

更に別の目的は、安価な加速度計を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、その作動状態が現場で試験することができる加速度検 知器を提供することにある。

更に別の目的は、加速度プロフィールを提供することのできる安価な加速度計を 提供することにある。

本発明の更なる目的は、校正された機械的’ｇＪ力の適用なしに校正することが できる加速度計を提供することにある。

光」胆ΩＪＬ杓 本発明のこれら及び他の諸口的は、モノリシック的に（即ち同一の基板上に）構 成された加速度検知器及び信号処理回路を含む加速度計において達成される。

検知器は一対のコンデンサによって形成された差動コンデンサ構成を含んでいる 。

各コンデンサは２つの電極を有している。これらの電極の一方は静止的であり、 他方の電極は適用された加速度に応答して移動可能である。可動電極は構造的に 且つ電気的に接続されている。これらの電極は全て、シリコン基板の上に懸下さ れたポリシリコン部材から形成されている。基板が加速されると、これらの可動 電極はコンデンサの一方のコンデンサのキャパシタンスが増大して一方、他方の コンデンサのキャパシタンスが減少するように移動する。これら２つのコンデン サはこの差動キャパシタンスを対応の電圧に変換する信号調節回路に接続されて いる。開ループ作動と力平衡作動の両方が図示されている。

これらのコンデンサの各々は電気的に並列に接続され且つ調和して移動するよう に機械的に接続されている複雑の対の板セグメントから形成されている。

この加速度計は、約±５％内の精度を有する出力を達成するために、ウェファレ ベルトリムプロセス（響ａｆｅｒ−１ｅｖｅｌ　ｔｒｉｍ　）を用いて、’ｆＪ 力が適用されることなく校正することが出来る。

この検知器は、これらのコンデンサに静電的に力を適用し、これらのコンデンサ が意図されたように移動している場合に生じる蓄積された電荷の変化を検出する ことにより試験することができる。

本発明は、以下に与えられた詳細な説明からより詳細に理解されるが、この詳細 な説明は添付図面に関連して読まれるべきである。

区匡Ｑ間巣皇説朋 図において。

第１図は、先行技術の容量性加速度検知器の図であり、第２図は、第１図の検知 器を用いる先行技術の加速度計信号調節器のブロック図であり、 第３図は、本発明に係る差動コンデンサ加速度計の第１実施例の高レベルブロッ ク図であり、 第４図は、本発明に係る例示作動コンデンサ加速度検知器の簡易平面図であり、 第５図は、多重キャパシタンスセルを有する、第４図に係る検知器の一部分の簡 易平面図であり、 第６図は、第４図又は第５図の構造体の右側面図であり、第７図は、第３図に前 に図示された加速度計の第１例示実施例の部分ブロック部分略図路面であり、 第８図は、本発明に係る加速度計の第２実施例の部分線図部分略回路モデルであ り、 第９図は、第８図の実施例のための部分ブロック部分略図路面であり、第１０図 は、所定インタバルにわたって加速度プロフィールを言ｎするための任意抽出シ ステムのブロック図であり、第１１図乃至１４図は、本発明に係る差動コンデン サ検知器を構成するための一連の段階の図であり、 第１５図は、本発明に係る加速度計構造を削るのに用いられる回路アーキテクチ ャアの簡易略図であり、そして 第１６図は、トリミングプロセスの期間中加速度計トランスジューサに適用され る相対的搬送波振幅を変化するための回路の簡易略図である。

詳」Ｅヶ」【朋 ここで第３図について説明すると、本発明に係る差動コンデンサ加速度計１０の 高レベルブロック図が図示されている。加速度計１０は信号源１２、第１及び第 ２差動コンデンサ１４及び１６を有する検知器１３、及び信号分解器１８を含ん でいる。差動コンデンサ１４及び１６は、力が適用された時に各々の一方の電極 が移動して一方のキャパシタンスが増大し他方のキャパシタンスが減少するよう に構成されている。信号源１２は等しい周波数、位相及び振幅を有しているが反 対の極性の正弦波信号でもってコンデンサ１４．１６を駆動する。その結果、差 動コンデンサの接合点１つにおける信号の振幅及び位相は、キャパシタンスの差 の関数となり、これは加速度によるコンデンサ電極の力誘起変位（ｆｏｒｃｅ　 −１ｎｃｌｕｅｅｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｎｅｎｔ）に直接関係する。信号分解器 は、この信号を処理して、この信号からアセンブリの基板及びパッケージに対し て相対的なコンデンサ板の加速度に比例する信号を発生する。

本発明に係る差動コンデンサ検知器の電極の各々は各コンデンサが複数の並列に 接続されたより小さなキャパシタンスの「セル」から構成されるように構成され ている複数のセグメントから形成されている。第４図は、本発明に係る例示作動 コンデンサ検知器２０の平面図を示しているが、発明の概念の不必要な不明瞭を 避けるために唯１つのキャパシタンスセルが図示されているだけである。シリコ ン基板２２の上には、懸下されたポリシリコン「ビーム」２４が形成されている 。（この懸下された構造体を形成する方法が以下に論じられる。）ビーム２４は 図面において「Ｘ」の記号によって示される４本のポスト即ちアンカ２６Ａ−２ ６Ｄの上の基板の表面の上に載置されている。ビーム２４は全体的にＨ形であり 、２本の延びた細い足２８及び３２、並びにそれらの間に懸下されている横断中 心部材３４を有している。中心部材３４は足２８及び３２よりも一般的にかなり 硬く且つより質量を有している。中心部材３４がら一対のビームフィンガ３６及 び３８が並列配向に、ビームの軸４０を横断するように垂れ下がっている。

フィンガ３６は静止部材４２をその対向電極、即ち板として有している並列板コ ンデンサの一方の電極を形成している。同様に、フィンガ３８は静止部材４４を その対向板として有している第２並列板コンデンサの一方の電極を形成している 。

フィンガ３６及び３８は物理的に且つ電気的に接続されており、従って共通の電 極であることに注意せよ。

フィンガ３６及び３８に対して電気的接続がｎ＋を多量にドープされた領域５２ 及びポリシリコンブリッジ自体を経由してなされる。板４２に対して電気的接続 がｎ＋を多量にドープされた領域５４を経由してなされ、板４４への接続が同様 の領域５６を経由してなされる。以下に示されているように、領域５４及び５６ は、他のキャパシタンスセルの同様の部材を並列に接続するために延設され得る 。

これらのキャパシタンスセルを含むポリシリコンブリッチ構造体の全体の下には 、ｎ＋トド−ング領域６０がまた、ビームがら基板への寄生キャパシタンスを減 少するためのブートストラップ拡散として配設されている。これは、セル当りの キャパシタンスの非常に低い値によって、少なくとも一部必要とされる。ここに 与えられた寸法を用いている第４図及び第５図の例において、各コンデンサは約 ０．００２　ｐＦの公称キャパシタンスを有している。５６個のセルが並列にな っているため、静止している全キャパシタンスは約０．１　ｐＦのみである。検 知器が開ループで作動している時全規模測定は各コンデンサの値の約８％の変化 しかもたらさず、当然、閉ループ作動においてこの変化は約１７１０である。

第４図の検知器アーキテクチュアの多重セルへの拡大が４セルの場合として第５ 図に示されており、これら４つのセルは６２Ａ−６２Ｄとして示されている。

以下の近似寸法は斯かる検知器を構成するのに用いられ、これらの寸法ラベルは 第４図に示されている特性に属く。

ａ、＝３００マイクロメートル ｄ、＝２．０マイクロメートル ｄｚ　＝　４０マイクロメートル ｄ４　≠４５０マイクロメートル ｄｓ””１２５マイクロメートル ｄ、　＝　８マイクロメートル ｄ、　；　５マイクロメートル ｄ、；　３マイクロメートル 以下の論述における参照の目的のために、多量にドーピングされたあるいは金属 化領域５２，５４，５６．及び６０がそれぞれ端子７２，７４，７６、及び８０ において終端している状態で図示されているが、これら物理的定位には実際の接 続端子は何ら存在する必要がないことを了解すべきである。

力が基板２２にＸ方向に適用されると、基板及び板はこの方向に移動し、一方ビ ーム３４はその前の状態に届まる傾向を示す。ビームの基板に対する相対的な運 動は、足２８及び３２が絶対的に剛性ではなく僅かに撓むという事実によって許 容される。力が正のＸ方向の時、フィンガ３６と板４２との間の分離が増大し、 それらが形成しているコンデンサのキャパシタンスを減少せしめ、逆に、フィン ガ３８と板４４との間の分離が減少して、それらが形成しているコンデンサのキ ャパシタンスを増大せしめる。

第４図（又は第５図も等しく）の構造体の右側面図が第６図に、基板２２の上の ポリシリコンビーム２４の懸下を更によく示すために図示されている。ビーム及 び板４２及び４４がポスト２６Ａ等のポスト即ちアンカの上に載置されている。

ポリシリコンは、妥当に予知可能な加速度の下でもたるんだり又は歪んだりして 基板表面に接触しないように十分に合成を有している。

第７図は加速度計のための第４図及び第５図の検知器に用いられる信号１１節回 路の第１（Ｗ１ループ）実施例をより詳細に示している部分ブロック部分略回路 図を与える。発振器ｌＯＯは約０４Ｈ２の正弦波信号を搬送波発生器１０２に供 給する。搬送波発生器はそこから互いに１８０度位相が興る２つのｘＭＨｚを正 弦波出力信号を供給し、斯くして、これらの出力信号はＶｎ　５ｉｎＷｔ及び− Ｖｎ　５ｉｎＷｔであり、ここでＷは発振器出力信号の角周波数である。第１搬 送波信号は検知器２０の端子７４に供給され、一方第２搬送波信号は端子７６に 供給される。検知器出力端子７２はバッファ増幅器１０４の非反転入力に接続さ れている。バッファ増幅器の出力は検知器端子８０、即ちブートストラップ拡散 接点に接続されている。この接続を通して、寄生キャパシタンスが共通ノード７ ２を負荷しないように防止されている。大抵抗１０６（例えば３Ｍ）が基準電源 電圧ＶＸとバッファ１０４の非反転入力の間に接続されており、これによりブリ ッジのためのｄｃ作動点を確立する。

バッファの出力は同期スイッチング復調器１１０に供給される。復調器は発振器 １００の出力に接続され且つこの出力に応答するスイッチング回路を含んでいる 。復調器からの両路端出力はバッファ増幅器１２０によって単終端出力■０に変 換される。Ｖｏの値は公式Ｖｏ　＝Ｖｃ＋＋＋ａＧ／Ｋｍｄｏによって与えられ 、ここで■ｃ搬送波の振幅であり、ｎｌはブリ・ソジの質量であり、ａは加速度 であり、ｋ−はビームの機械的ばね定数であり、ｄｏは公称コンデンサギャップ であり、そしてＧはバッファ、復調器、出力増幅器利得の基になる比例因子であ る。

第８図に行くと、第４図及び第５図の検知器を用いている信号調節回路のための 第２実施例が図示されている。第７図の開ループ技術と対比して、第Ｓ図の装置 は閉ループ力平衡加速度計である。力平衡原理を更に良く説明するために、この ブリッジ／差動コンデンサアセンブリは、第１コンデンサ板１２４と第２コンデ ンサ板１２６との間に懸下されている導電性質量体１２２として模されており、 この質量体は第１及び第２差動キヤパシタンスを確立し、この後者のキャパシタ ンスはそれぞれコンデンサ１４及び１６として図示されている。力平衡構成にお いて、コンデンサ１４及び１６は２つの目的を果している。第１に、これらのコ ンデンサは、静電平衡力が加速度周波数において質量体１２２に適用されるため の手段を提供する。第２に、これらのコンデンサは質量体（即ちブリッジ質量体 ）の変位Ｘが搬送波周波数において差動キャパシタンスによって測定されるよう にする。負のワイドパックループはＸ＝０となるように且つブリッジに適用され る慣性力が適用される正味の静電力と等しくなるように出力電圧ｖＯをｉＩ１節 する。この力平衡式は以下の通りである。

ここでｍはブリッジの質量であり、 ε０は空気の誘電率であり、 Ａはコンデンサ板面積であり（各コンデンサ、公称）、ｄｏは静止しているコン デンサ板の公称離隔であり、Ｘはコンデンサ板離隔の変化（即ち、適用された力 によってブリッジが移動する距離）、 ■、は可動板に適用される基準又はｄｅオフセット電圧であり、モしてｖｏは出 力電圧である。

Ｘ＜＜ｄｏの場合、大ループ利得において、加速度に因る出力電圧■。は以下の 通りである。

出力電圧は構造体のばね定数ＫＩＩに敏感ではなく、これはブリッジが撓まない 状態を保持するからである。プロセス変化に因る公称値から変化するｍ、ｄｏ及 びＡの値を補償するための全規模調節は抵抗Ｒ１及びＲ２をトリミング（ｔｒｉ ａｎｉｎｇ）することによりなされる。

ビームの幾何は、始めに中心を離れて構成されたビームが全規模静電力の少しの パーセンテージによって自動的に中心付けられるように機械的ばね定数に鵬を最 小限にするように設計されている。これにより、所望のゼロ’ＩＦＪ出力電圧レ ベルが相対的搬送波振幅をトリミングすることにより確立することができる。限 界までくると、質量体は浮上して自己中心性すると考慮されるが、機械的ばね定 数によって質量体は搬送波信号に応答することがない。

第８図の力平衡加速度計のより詳細な設計が第９図に示されている０発振器１０ ０、搬送波発生器１０２．バッファ１０４．及び復調器１１０は第７図の対応の エレメントと同じである。しカルながら搬送波発生器はコンデンサ１３２及び１ ３４を通して検知器にａｃ糖結合れている。コンデンサ１３２及び１３４はＩＭ Ｈｚ搬送波周波数において低インピーダンスを示すためにそれぞれ約３０〜５０ ｐＦとなるのが通常である。検知器コンデンサ板の上に正味の静電力を確立する ために、入力端子７４及び７６がそれぞれ抵抗１３６及び１３８を通して正及び 負のオフセット（即ち基準）電源ｖ、ｌ及び−■。に接続されており、これらの 抵抗はそれぞれ通常的３００にオームである。検知器コンデンサ１４及び１６は 暮しい時（即ち加速度がゼロ）、これらのコンデンサの両端の靜ｔｔ１位は平衡 化され等しくなる。対照的に、加速度によってこれらのコンデンサは異なった値 を有し且つこれらのコンデンサの静電電位は等しくならず、正味の不平衡力を生 じる。復調器は、増幅器１０４の非反転入力における信号の変化をもたらすこの 不平衡を検出し、抵抗１０６を通してフィードバック信号を供給し、これにより 正味の静電力を形成して慣性力を等しくする。斯して、力平衡を与えるフィード バック信号は、抵抗１０６とトランジスタ１０８のベースにおける第２復調器信 号入力の接合点を固定源ｖＸの代わりに出力バッファ１２０の出力に接続するこ とにより供給される。

必要に応じて、第９図の回路はまたノード７４とアースとの間に直列に接続され た抵抗１４０及びスイッチ１４２を有する。スイッチの閉鎖によってノード７４ 及び７６に適用される入力信号が不平衡になり、これにより瞬間的な静電力がブ リッジに適用され出力の対応するシフトが生成されブリッジを最中心付けする。

１つ又は両方のコンデンサが故障した場合（即ちブリッジが解放−破壊−あるい はブリッジが動けなくなる）、出力は異なる。斯くして、スイッチの閉鎖ヲ用い ることにより検知器と回路の両方の適切な作動を試験することができる。

加速又は減速プロフィール（例えば衝突プロフィール）を与えるために、第１０ 図に図示のようなシステムが用いられ得る。この加速度計の出力Ｖ０は周期的に 抽出されディジタイザ１４４によってデジタル化され得る。デジダル化されたサ ンプルは所定寸法のメモリ１４６に記憶される。有用な型式のメモリは所定期間 を表わすサンプルを記憶するのに十分な容量を有するＦＩＦＯ（先入れ先出し１ スタツクであり得る。衝突の際、このメモリは衝突の前に最後のセグメント（例 えば３０秒）を網羅する減速プロフィールを含む。

第３図乃至１ｏ図は現在我々の好ましい実施例を表わしているが、他の回路を用 いて２つ又はそれ以上のコンデンサの間の差動キャパシタンスを検出することが できることを了解されよう０例えば、全ブリッジ回路を用いてキャパシタンス変 化に直接関連する信号を発生することもでき、加速度に比例する信号を派生する ために付加的な回路を加えることができる。

検知器の構成は第１１図−１４図に広く示されている一連の幾つかの段階を含ん でいる。シリコン等の基板１５０（第１１図参照）がら始まり、低温度酸化物（ ＬＴＯ）層１５２がその表面上に成長する。酸化物はパターン化され選択的に除 去されて１５４及び１５６等の穴を残す（第１２図）。ポリシリコン層１５８が 析出される。（第１３図）ポリシリコンの導電性は燐等の適切な物質をそこに多 量にドーピングすることにより上昇する。この「導電性」ポリシリコンは穴１５ ４及び１５６を満たし、更にＬＴＯに対して平面的な被覆を行う、ポリシリコン １５８は次にパターン化される０次に、ＬＴＯは湿式エツチングを用いて除去さ れる。湿式エツチング段階の後、この構造体は第１４図にしめされているように なり、平面ポリシリコン層は１６２及び１６４等のポスト即ちアンカの上に支持 又は懸下される。

構成プロセスの上記の説明は簡略化されていること及びプロセスの全体の性質を 不明瞭にしないようにこの説明から幾つかの段階が省略されていることを了解さ れよう。

上記に示された差動コンデンサ構成はキャパシタンスを変えるために板離隔の変 化に依存する。キャパシタンスは板面積を差動的に変化せしめるかあるいは誘電 率を差動的に変化せしめることにより変化することもできる。

上記に示されている加速度計の各々、及びそれらの機能的な等傷物は１つの軸に 沿ってのみの加速度を検出するだけである。し、かしながら直交的に配置された 検知器を組み合わせることにより多重軸検知を達成することができる。実際、第 技術水準内に十分入っている程小さいものである。軸を外れた加速度を検出し排 除するために且つ問題外の加速度成分を訂正するために補助ビームを配設するこ ともできる。

本発明書に開示されている検知器及び回路は良好な低コストの「完全な」加速度 計を提供する。これは、通常の半導体処理装置及び技術（製造方法の実際の段階 は新しいが）を用いてモノリシック的に構成される。これらの検知器は小さく、 信号処理回路は複雑でないため、多重加速度計を同一の基板上に作ることができ る６機械的「１」力を適用する必要性なし、に１校正は製造中に通常のウエフＴ 探査ｆ？−動の一部として可能である。検知器変換は一次直線的であり、コンデ ンサは圧電抵抗デバイスよりもかなり温度感度が低い、加速度計の操作性を任意 の時間において確認できるようにするために自己テストが容易に実施される。加 速度計の出力は加速度と共に直線的に変１ヒする（一時的に）を気信号であるた め、アナログ信号として記録されるかあるいは周期的に描出され、所定インタバ ルにわたる加速度値はメモリ（例えば不揮発性ＲＡＭ）にデジタル的に記憶され 得る。これにより衝突の前のある時間にわたる加速度の程度−即ち衝突プロフィ ールの記録が与えられる。これらの特性は、個別的に且つ種々の組合せで、上記 の諸口的を実質的に満たす。

理想的には、検知器及び信号調節回路は校正が不必要な程の精密な公差で製造さ れる。しかしながら、実際問題として、現在の製造技術を用いると、約±１０− １５％しかない精度帯域が未校正デバイスに達成されるだけである。理想からの 逸脱の主な原因はコンデンサギャップの変化である。内部寸法値の適切な選択及 びコンデンサギャップ寸法への比較的強い依存性を有する数学的表現によるそれ らの使用によって、このギャップの値はチップ毎に推論することができる。

次に、全規模加速度出力は主にコンデンサキャップの関数でもあることを知って いるため、出力増幅器利得は、出力電圧の理想的な値が特定の全規模加速度入力 に対して近づくことができるように適切にトリミングすることができる。

閉ルーブカ平衡アーキテクチュアの場合の、後段増幅を無視して、加速度による 出力電圧の変化は次式によって与えられる。

ここでｄはコンデンサギャップであり、Ａｐはコンデンサ面積であり、そして Ｖｒはｄｃｔ圧である。

出力電圧の変化はコンデンサキャップの二乗の関数である。ギャップ寸法はエツ チングプロセスによって制御される。ループ利得が１０の場合、ビームのばね定 数への依存がかなり二次的であるためビームのばね定数に依存する項を除去する ためにこの公式が簡略化されていることに注意せよ。

加速度計をトリミングするための好ましいプロセスが第１５図に言及して説明さ れており、第１５図は開ループ測定のための回路アーキテクチュアを示している 。先ず、電圧■、の統計値が試験点１８０Ａに適用され、検知器ビームに正味の 静電力を生じる。ビームはビームの機械的回復力Ｆｍが静電力Ｆｅにちょうど等 しくなるまで、即ちＦｍ＝Ｆｅになるまで撓む、Ｆｍ＝Ｋｍ△Ｘ（ここで△Ｘは 撓みであり、Ｆｅは公式１３０の表現（適切な符号変化を有する）に等しい、） を適用すると、以下の式を書くことができる。

Ｋ・ΔＸ＝μ並（■二血巴−−■虻り旦−）２ｄ２．　（１−Δｘ／ｄ）”　（ １＋△ｘ／ｄ）”（式１８１） （勿論、慣性力の不在は含まれている）Ｖｒは容易に測定され、■、はコンデン サ板電圧の平均に対して相対的にかけられるため既知であり、Δ■。も同じ量に 対して相対的に測定される。Δ■ｏは試験点１８０Ｂにおいて測定される。コン デンサ面積ＡｐはｔＸｌ（ここでｔはポリシリコンの厚さであって既知であり、 そしてｒはコンデンサの長さであって既知である）に等しいことに注意せよ。

上記から、 ここでＧは幾つかの成分を有している。

Ｇ＝ＫＩ　ＳＡＩ　Ａ２　Ｖｃである。に１＝　（ＣＩ＋Ｃ２）／（ＣＩ＋Ｃ２ ＋ＣＬ）はビームの負荷因子である。Ｓは搬送波周波数因子であり、矩形波に対 してはＳ＝１であり正弦波に対してはＳ＝　２／３．１４である。■ｏは搬送波 の振幅である。ＡＨははバッファ、復調器利得、及び復調器切換えと搬送波との 間のタイミング非理想性に因る信号の損失を考慮に入れた利得因子である。Ａ２ は出力増幅器に本質的な利得である。Ｇは搬送波の相対的振幅を変化せしめ、有 効Δｘ／ｄｏ値を形成することにより直接測定することができる。搬送波の相対 的振幅を変化せしめるための１つの方法が第１６図に示されている。スイッチＳ Ｗ１はその状態に応じて等しい振幅搬送波又は等しくない振幅搬送波を許容する リレーであり得る。

式１８２を式１８１に代入すると、以下の式ができる。

（式１８４） 式１８４における未知数はに、、ｄ、及びＡｐ（又はより精度にはｔ）である。

ビームばね定数に、はビーム共鳴周波数ｆ。の関数であり、ｆｏは測定すること が斯くして、Ｋｍ　＝ｆｏ　（２ｙｒ）　２ｍ　（式１８６）式１８６を式１８ ４に代入すると以下の式ができる。

ここでｍ＝ＤＷＡｍであり、Ｄはポリシリコンの密度であり、Ｗはポリシリコン の厚さであり、ＡＢはビーム面積である。Ｚは式１８４における中括弧内におけ る量である。式１８８を式１８６に代入すると次の式が得られる。

ここでβは全ギャップ長さであり、これは処理によってそれ程変化するものでは ない。式１９０はｒ（１」に対して解かれる。量ｆ、、Δ■。（、Ｖ　ｒ　、　 ＶＢ　及びＧは測定によってめられる。Ｄ、ε。、ｌ　は不変量である。Ａ、及 びＷは実際コンデンサキャップの開において小さな潜在的な誤差を与えるが、こ れらは式の両辺から消される　ｒｄＪが解かれると、出力増幅器の利得は全規模 加速度信号に対しての出力電圧の適切な値までトリミングすることができる。

勿論他の校正技術も用いることができる。上記の技術の利点は、校正された機械 的加速力の適用が避けられることである。

本発明の基本的概念をこのように述べてきたが、上記の詳細な開示は例示のみの ために与えられるように意図されており、限定的ではないことが当業者には容易 に明白となろう。種々の変化、改良、及び修正が行なわれ、当業者に対して意図 されるが、本明細書には明示されていない、これらの修正、変化、及び改良はに ある。従って、本発明は以下の請求の範囲及びその等傷物のみによって限定され る。

ＦＩＧ、　１　先哲玖歯 ＦＩＧ、２　先１１伎住１ ２６Ｃ３２ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、１０ ＦＩＧ、１５ 要約を 加速度検知器とモノシリツク的に構成された信号処理回路を含でいる加速度計。

該検出器は一対のコンデサによって形成された差動コンデンサを含む。各コンデ ンサは２つの電極を有し、一方は他のコンデンサに電気的に共通である。一方の 電極（即ち、共通電極）は移動可能であり、適用された加速度に応答して他方の 電極は静止的である。これらの電極は全て、シリコン基板の上に浮遊されたポリ シリコン部材から形成されている。コンデンサの各々は電気的に並列に接続され た複数の対の電極セグメントで形成され、移動可能電極の場合には調和して移動 するように機械的に接続されている。基板が加速されると、これらの可動電極は コンデンサの一方のコンデンサのキャパシタンスが増大して一方、他方のコンデ ンサのキャパシタンスが減少するように移動する。これら２つのコンデンサはこ の差動キャパシタンスを対応の電圧に変換する信号調節回路に接続されている。

開ループ作動と力平衡動作の両方が図示されている。

国際調査報告 １＋＋＋＋＋＋１＋＋＋−ム＋ｂ１１＋Ｎ＋ＰＣＴ／υ５９１１０５８５１１ｓ ＋ｅ＋＊ｍ＋、、、ｄ　Ａ、、１ｉｃａ＋１　！”ＣＴ／ＬＩＳ　９１１０５８ ５１

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．第１及び第２コンデンサであり、各々が１対の電極を有し、各々のコンデン サの電極の一方が他方のコンデンサの電極の一方に電気的に接続されており、こ れにより差動コンデンサ構成を形成している第１及び第２コンデンサを含むキャ パシタンス型加速度検知器であって、上記コンデンサの各々において、上記電極 の一方が静止的であり、上記電極の他方が適用された加速度に応答して移動可能 であり、これらの電極は全てシリコン基板上に懸下されたポリシリコン部材から 形成されていることを特徴とするキャパシタンス型加速度検知器。
2. ２．上記コンデンサ電極の全てが物理的に並列に配向されており、上記可動電極 が上記可動電極と上記基板の間に上記電極によって画成された軸に対して垂直な 軸に沿って適用された力に応答して可動であることを特徴とする請求項１の加速 度検知器。
3. ３．上記コンデンサ電極の各々が多数のセクションから形成されていることを特 徴とする請求項１又は２の加速度検知器。
4. ４．上記電極セクションが並列に配向されていることを特徴とする請求項３の加 速度検知器。
5. ５．加速度計において、 ａ．第１及び第２コンデンサであり、該コンデンサの各々が１対の電極を有し、 各々のコンデンサの電極の一方が他方のコンデンサの電極の一方に電気的に接続 されておりしこれにより差動コンデンサ構成を形成している第１及び第２コンデ ンサを有するキャパシタンス型加速度検知器であって、上記コンデンサの各々に おいて、上記電極の一方が静止的であり、上記電極の他方が適用された加速度に 応答して移動可能であり、これらの電極は全てシリコン基板上に懸下されたポリ シリコン部材から形成されていることと、ｂ．上記検知器のコンデンサに互いに 位相が１８０度ずれている第１及び第２搬送波信号を適用するための手段と、及 びｃ．上記検知器の出力信号を分解するための手段と、を含むことを特徴とする 加速度計。
6. ６．上記検知器からの出力信号を分解するための手段が上記検知器を力平衡モー ドで作動せしめるための手段を含むことを特徴とする請求項５の加速度計。