KR102095475B1 - 가속도계 - Google Patents

가속도계 Download PDF

Info

Publication number
KR102095475B1
KR102095475B1 KR1020187006830A KR20187006830A KR102095475B1 KR 102095475 B1 KR102095475 B1 KR 102095475B1 KR 1020187006830 A KR1020187006830 A KR 1020187006830A KR 20187006830 A KR20187006830 A KR 20187006830A KR 102095475 B1 KR102095475 B1 KR 102095475B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fingers
fixed
damping
movable
capacitive
Prior art date
Application number
KR1020187006830A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180040613A (ko
Inventor
키란 해리시
앨런 맬번
Original Assignee
애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드 filed Critical 애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
Publication of KR20180040613A publication Critical patent/KR20180040613A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102095475B1 publication Critical patent/KR102095475B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0051—For defining the movement, i.e. structures that guide or limit the movement of an element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0059—Constitution or structural means for controlling the movement not provided for in groups B81B3/0037 - B81B3/0056
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
    • G01P15/131—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electrostatic counterbalancing means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0862—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system
    • G01P2015/0882—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system for providing damping of vibrations

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

정전용량형 가속도계(202)는 평면내 센싱 방향(200)으로 선형으로 이동 가능하도록 가요성 지지 레그(250)에 의해, 고정된 기판에 장착된 실질적으로 편평한 검증 질량체(204)를 포함한다. 상기 검증 질량체는 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거를 포함한다. 상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거는 상기 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 전극 핑거(221, 222)와 각각 상호 엇물리도록 배열된다. 이동 가능한 댐핑 핑거(224)의 세트는 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된다. 상기 고정된 기판에 장착된 고정된 댐핑 핑거(222)의 세트는 상기 이동 가능한 댐핑 핑거의 세트와 상호 엇물리고, 상호 엇물린 상기 댐핑 핑거(228, 230)가 전기적으로 공통이도록, 상기 검증 질량체와의 전기적 연결부(260)를 포함한다. 상호 엇물린 상기 댐핑 핑거들은 이들 사이에 상대적인 변위를 방해하는 댐핑 효과를 제공하는 가스 매체 내에 장착된다.

Description

가속도계
본 발명은 가속도계, 특히 정전용량형 가속도계(capacitive accelerometer)에 관한 것이다.
가속도계는 많은 현대 전자 장치에서 발견되며, 가속도를 결정하기 위해 사용된다. 마이크로전기기계 시스템(Microelectromechanical System: MEMS) 기반의 가속도계는 최근 수 년 동안 보편화되었으며, 종종 종래의 거시적인 가속도계보다 훨씬 더 효과적이다.
상호 엇물린 용량성 전극(interdigitated capacitive electrode) "핑거(finger)"를 사용하여 가속도를 센싱하는 것은 이 기술 분야에서 알려져 있다. 이러한 정전용량형 가속도계의 일례는 US 7,047,808에 기술되어 있다. 가속도계가 가속도를 받을 때, 검증 질량체(proof mass)에 부착된 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 세트는 관성 프레임에 부착된 고정된 용량성 전극 핑거들의 세트에 대해 널 위치(null position)로부터 이동하는 경향이 있다.
정전용량형 가속도계는 "개 루프(open loop)" 또는 "폐 루프(closed loop)"로 알려진 것으로 동작될 수 있다. 개 루프 시스템에서, 정전용량형 가속도계는 검증 질량체가 상대적으로 이동하는 것에 의해 야기된 전극 핑거들 사이의 정전용량의 변화를 센싱하도록 배열되는데, 예를 들어, 가속도를 결정하기 위해 소위 "픽오프(pick off)" 전압이 사용된다. 폐 루프 시스템에서, 전극 핑거들은 구동을 위해 및 센싱을 위해 사용된다. 일반적으로 동위상 및 역위상 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 전압 파형들이 고정된 전극 핑거들에 인가되고, PWM 마크/공간 비(mark/space ratio)가 검증 질량체를 널 위치(즉, 가속도를 받지 않았다면 있을 수 있는 위치)로 다시 구동하도록 조절된다. 이 마크/공간 비는 가속도의 선형 척도를 제공한다.
정전용량형 가속도계, 특히 폐 루프에서 동작되는 정전용량형 가속도계는 매우 낮은 진동 정류 에러(vibration rectification error: VRE)를 요구한다. 정전용량형 가속도계의 응답은 움직임에 대해 비선형이기 때문에, 정전기력은 검증 질량체의 위치에 비선형적으로 의존하는 것으로 인해 (정전기력이 전극들 사이의 갭의 제곱에 반비례하는 것으로 인해) 가속도계가 가속도를 받지 않는 경우에도 가속도계는 진동에 의해 DC 가속도 출력을 가져서 상당한 VRE가 발생한다. VRE를 감소시키는 것은 검증 질량체의 잔류 움직임을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 폐 루프에서는 통상 높은 대역폭을 요구하는 루프 주위로 높은 이득을 가짐으로써 잔류 움직임을 감소시킬 수 있다. 그러나, 인가될 수 있는 최대 이득이 제한되고 대역폭은 또한 계산 지연과 MEMS의 공진 주파수로 인해 제한되어서, 어느 정도의 잔류 움직임은 불가피하다. 루프의 임의의 지연은 대역폭을 제한하여 개 루프의 이득을 최대 제한한다.
나아가, 개 루프 시스템 및 폐 루프 시스템에서, 정전용량형 가속도계가 큰 "충격" 가속도를 받는 경우 이동 가능한 전극 핑거들의 세트가 너무 많이 이동하지 않는다는 것을 보장하는 것이 또한 중요하다. 이동 가능한 핑거들의 세트가 너무 멀리 이동하는 경우 이동 가능한 핑거들이 "터치다운(touch down)되는데", 즉 고정된 핑거들의 세트와 물리적으로 접촉하게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 범프 스톱(bump stop)이 제 위치에 설치되지만 가속도 레벨이 높으면 핑거의 굴곡으로 인해 이 터치다운이 여전히 발생할 수 있고 이것은 가속도계의 동작 범위를 제한한다. 충격은 가속도계를 손상시킬 수 있고, 특히 전극 핑거들의 상호 엇물린 세트들이 상이한 전기 전위에 있기 때문에 가속도계를 손상시킬 수 있으며; 예를 들어, 실리콘 센싱(Silicon Sensing)사로부터 구입가능한 MEMS 가속도계의 제미니(Gemini) 범위는 1000g의 동작 충격에서 ± 96g의 동적 범위를 제공한다.
전극 핑거들 사이에는 비교적 작은 공간이 존재하기 때문에, 압착 필름 댐핑(squeeze film damping)으로 알려진 효과가 발생하며, 여기서 전극 핑거들 사이의 가스 매체는 이 가스 매체의 점성으로 인해 핑거들의 움직임을 댐핑시킨다. 그리하여 검증 질량체의 잔류 움직임은 이 압착 필름 댐핑 효과에 의해 어느 정도 댐핑된다. 그러나, 특히 폐 루프 가속도계에서는, 상호 엇물린 전극 핑거들의 기하학적 구조에 고유한 한계가 있는데, 이는 인가된 전압(예를 들어, 35V) 하에서 변형되는 것을 방지하기 위해 핑거들이 충분히 뻣뻣(stiff)해야 하여서 이것이 최소 두께를 필요로 한다는 것이다. 전형적으로, 용량성 전극 핑거들은 기저부(root)에서 20 미크론의 전형적인 폭을 갖는 사다리꼴 형상이며, 첨단부(tip)에서 약 12 미크론의 폭으로 테이퍼진다.
또한, 각 핑거의 양 측에는 충분한 간격이 있을 필요가 있는데, 여기서 연속적인 인접한 용량성 전극 핑거 쌍들 사이에는 오프셋이 존재하여, 임의의 주어진 전극 핑거의 일측에 있는 갭이 타측에 있는 갭보다 더 크다. 상호 엇물린 용량성 전극 핑거들 사이의 전형적인 간격은 작은 갭에서는 약 6 미크론이고 큰 갭에서는 16 미크론일 수 있다. 상호 엇물린 용량성 전극 핑거들의 세트의 결과적인 피치(즉, 세트 내의 핑거 쌍들 사이의 간격)는 전형적으로 약 50 미크론이며, 이는 잔류 움직임을 방해하는 압착 필름 댐핑의 효과를 제한한다.
정전용량형 가속도계에서 검증 질량체의 잔류 움직임을 감소시켜 다양한 장점을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 본 발명은 상기 설명된 단점을 감소시키거나 극복하려는 것이다.
본 발명은, 제1 양태에서 보았을 때, 정전용량형 가속도계로서,
적용된 가속도에 응답하여 평면내(in-plane) 센싱 방향으로 선형으로 이동 가능하도록 가요성 지지 레그(flexible support leg)에 의해, 고정된 기판에 장착된 실질적으로 편평한 검증 질량체로서,
상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들을 포함하는 상기 검증 질량체;
상기 고정된 기판에 장착된 제1 및 제2 고정된 커패시터 전극들로서,
상기 제1 고정된 커패시터 전극은 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하고, 상기 제2 고정된 커패시터 전극은 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하며, 상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되고,
상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들은 사용 시 적용된 가속도를 센싱하기 위해 출력 전압을 제공하도록 배열된 전기적 픽오프 연결부들을 더 포함하고,
상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들에는 상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제1 중간 라인(median line)으로부터 제1 방향으로 제1 비-제로 오프셋(non-zero offset)이 제공되고,
상기 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들에는 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제2 중간 라인으로부터 제2 반대 방향으로 제2 비-제로 오프셋이 제공되고, 상기 제1 및 제2 오프셋은 상기 제1 고정된 커패시터 전극과 상기 제2 고정된 커패시터 전극 사이의 중간 라인에 걸쳐 실질적으로 대칭이고,
상기 검증 질량체는 상기 검출 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트를 더 포함하는, 상기 제1 및 제2 고정된 커패시터 전극들; 및
상기 고정된 기판에 장착되고 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트와 상호 엇물리도록 배열된 고정된 댐핑 핑거들의 세트로서,
상기 고정된 댐핑 핑거들은 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되고,
상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트는 상호 엇물린 상기 고정된 댐핑 핑거들 및 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들이 전기적으로 공통이도록 상기 검증 질량체와의 전기적 연결부를 포함하고,
상호 엇물린 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들 및 상기 고정된 댐핑 핑거들은 상기 검증 질량체가 적용된 가속도에 응답하여 이동하는 경향이 있을 때 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들과 상기 고정된 댐핑 핑거들 사이의 상대적인 변위를 방해하는 댐핑 효과를 제공하는 가스 매체 내에 장착된, 상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트를 포함하는 상기 정전용량형 가속도계를 제공한다.
따라서, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명은 가속도를 센싱하기 위해 사용되는 상호 엇물린 용량성 전극 핑거들과는 별도로 가스 매체 압착 필름 댐핑을 제공하는 상호 엇물린 전용 댐핑 핑거들의 세트를 갖는 가속도계를 제공하는 것임을 이해할 수 있을 것이다.
일부 예에서, 상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 적용된 가속도에 응답하여 입력 전압을 제공하도록 배열된 전기적 연결부들을 더 포함한다. 이러한 예에서, 상기 가속도계는 폐 루프에서 동작될 수 있고, 여기서 전압은 상기 검증 질량체를 널 위치로 구동하도록 인가될 수 있다. 이들 전기적 연결부는 상호 엇물린 이동 가능한 댐핑 핑거들 및 고정된 댐핑 핑거들이 제조된 전도성 MEMS 층에 직접 연결함으로써 달성될 수 있는 것으로 이해된다. 상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 상의 이들 전기적 연결부는 또한 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이 개 루프 동작을 위해 사용될 수 있다.
상기 개시된 가속도계의 개선된 댐핑 특성은 상기 검증 질량체의 잔류 움직임을 감소시키고 이에 다시 상기 가속도계의 VRE를 감소시킨다. 이것은 상기 가속도계가 진동을 받을 때 상기 가속도계의 출력에 원하지 않는 바이어스 전압이 나타나는 것을 방지할 수 있다. 잔류 움직임을 감소시키면 또한 범프 스톱이 전극 핑거들이 터치다운되는 것을 방지하기 전에 더 높은 진동 진폭이 인가될 수 있다. 잔류 움직임이 감소되면 이에 의해 동작 진동 범위가 증가될 수 있다. 나아가, 잔류 움직임이 감소되면, 상기 가속도계가 시간과 온도로 인한 변화 없이 완벽한 비-이동 시스템과 같이 보다 거동할 수 있기 때문에, 바이어스 변화가 감소되는 것을 도울 수 있다.
또한 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 터치다운 이벤트로부터 복구하는데 (즉, 검증 질량체를 널 위치로 복귀시키는데) 시간이 들고 이 시간 동안에는 상기 가속도계가 동작하지 않기 때문에, 터치다운을 방지하는 것이 바람직한 개 루프 및 폐 루프 구현예에서 본 발명에 따른 가속도계가 유리하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나 전술한 바와 같이 잔류 움직임을 댐핑시키는 것은 폐 루프에서 동작하도록 설계된 가속도계에서는 특히 제한되는데, 그 이유는 전극 핑거들을 사용하여, 정전기력을 인가하여, 검증 질량체의 움직임을 널로 가게 할 뿐만 아니라 출력 "픽오프" 전압을 제공하여, 검증 질량체가 널 위치로부터 벗어난 변위를 센싱하여서, 굴곡을 방지하기 위해 핑거들이 뻣뻣할 필요가 있기 때문이다.
본 발명에 따라 제공된 추가적인 댐핑 핑거들은 폐 루프 동작으로 구동되지 않기 때문에 인가된 전압 하에서 변형될 위험이 없어서 댐핑 핑거들은 용량성 전극 핑거들보다 더 작은 크기일 수 있어서 더 작은 피치를 제공할 수 있다. 댐핑 계수(damping factor)는 피치의 3승에 반비례하기 때문에, 증가된 압착 필름 댐핑 효과가 쉽게 달성된다. 물론 종래의 가속도계에서 상호 엇물린 용량성 전극 핑거들은, 35V의 전형적인 HT 전압에 견딜 수 있을 만큼 뻣뻣하게 만들어야 하고 0.5 미크론 이하의 굴곡을 보장해야 하기 때문에, 더 작은 댐핑 핑거들보다 더 작은 양의 고유한 압착 필름 댐핑에 기여한다. 한편, 댐핑 핑거들은 전기적으로 공통이어서, 이들 사이에는 정전기력이 없다.
상기 댐핑 핑거들은 용량성 전극 핑거들보다 더 좁도록 (즉, 센싱 방향으로 더 작은 폭을 갖도록) 제조될 수 있다. 따라서, 일부 세트의 예에서, 상호 엇물린 댐핑 핑거들 각각은 상호 엇물린 용량성 전극 핑거들보다 더 좁다. 핑거들의 깊이는 보통 특정 MEMS 제조 공정에 의해 (일반적으로 약 100 미크론으로) 설정되지만, 제조 동안 에칭된 채널들의 폭은 원하는 폭의 핑거들을 생성하도록 제어될 수 있다. 일부 예에서, 각 댐핑 핑거의 기저부에서의 폭은 15 미크론 이하, 바람직하게는 10 미크론 이하, 더 바람직하게는 8 미크론 이하이다. 이것은 상호 엇물린 전용 댐핑 핑거 세트들이 상호 엇물린 용량성 전극 핑거 세트들보다 더 큰 밀도로 제조될 수 있게 한다.
상기 설명된 바와 같이, 상기 가속도계에 센싱 능력을 제공하는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들은 제1 및 제2 오프셋을 갖게 측방향으로 이격되어 있다 (즉, 임의의 주어진 핑거의 일측 상의 갭이 타측 상의 갭보다 더 넓다). 전형적으로 각각의 작은 갭과 큰 갭의 크기는 각각 6 미크론 및 16 미크론일 수 있다. 그러나, 댐핑 핑거들은 이러한 오프셋을 전혀 필요로 하지 않아서, 일부 예에서는 상호 엇물린 댐핑 핑거들이 센싱 방향으로 균등하게 이격된다. 일부 예에서, 인접한 댐핑 핑거들 사이의 갭은 16 미크론 미만, 바람직하게는 10 미크론 이하, 더 바람직하게는 6 미크론 이하이다. 이것은 또한, 적어도 바람직한 예에서, 댐핑 핑거들의 상호 엇물린 세트들이 용량성 전극 핑거들의 상호 엇물린 세트들보다 더 큰 밀도로 측방향으로 이격되어, 가속도계의 댐핑 계수를 상당히 증가시킨다는 것을 의미한다.
상기 댐핑 핑거들이 서로 더 가까이 이격되고 더 얇아질 수 있기 때문에, 댐핑 핑거들의 최종 피치는 또한 상기 용량성 전극 핑거들의 피치보다 더 작을 수 있고, 이는 전형적으로 50 미크론 정도이다. 일부 예에서, 댐핑 핑거들의 피치는 50 미크론 미만, 바람직하게는 40 미크론 미만, 더 바람직하게는 25 미크론 미만, 예를 들어 20 미크론 이하이다. 본 발명에 따른 예시적인 가속도계는 용량성 전극 핑거들보다 댐핑 핑거들의 수를 2.5배 더 많이 가질 수 있고, 그 결과 댐핑 계수는 약 3 내지 10일 수 있는 반면, 종래의 가속도계와 관련된 댐핑 계수는 전형적으로 약 0.5일 수 있다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 최적의 압착 필름 댐핑을 위해서는 고정된 댐핑 핑거들 및 이동 가능한 댐핑 핑거들이 센싱 방향과 수직으로 (즉, 90도로) 연장되는 것이 바람직하지만, 고정된 댐핑 핑거들 및/또는 이동 가능한 댐핑 핑거들이 센싱 방향에 대해 비스듬한 각도로 연장됨으로써 최적이 아닌 댐핑이 여전히 달성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, "실질적으로 수직"이라는 용어는 고정된 댐핑 핑거들 및/또는 이동 가능한 댐핑 핑거들이 센싱 방향과 수직인 성분을 갖는 방향으로 연장되는 배열을 포함하는 것으로 이해되는데, 즉 고정된 댐핑 핑거들 및/또는 이동 가능한 댐핑 핑거들은 센싱 방향과 0도 초과 90도 이하의 각도를 형성하는 방향으로 연장되는 배열을 포함하는 것으로 이해된다.
상호 엇물린 고정된 댐핑 핑거 세트 및 이동 가능한 댐핑 핑거 세트의 다수의 적절한 구성이 있을 수 있지만, 바람직한 예에서 상기 가속도계는 실질적으로 대칭으로 배열된 복수의 상호 엇물린 댐핑 핑거 세트들을 포함한다. 상기 가속도계에 걸쳐 높은 레벨의 대칭성을 유지하고, 검증 질량체의 질량 중심을 지지부(즉, 지지 레그들)에 대해 중심에 위치시킴으로써 구조물이 센싱 방향과 수직인 방향으로 움직일 위험이 감소하여, 장치가 바람직하지 않게 비틀어지는 것을 방지한다. 예를 들어, 상기 가속도계는 검증 질량체의 일측 상에 장착된 제1 세트의 상호 엇물린 이동 가능한 댐핑 핑거들 및 고정된 댐핑 핑거들, 및 상기 검증 질량체의 타측 상에 장착된 제2 세트의 상호 엇물린 이동 가능한 댐핑 핑거들 및 고정된 댐핑 핑거들을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 세트의 상호 엇물린 댐핑 핑거들은 상기 센싱 방향으로 및/또는 속 센싱 방향의 측방향으로 대칭을 보장하도록 장착될 수 있다.
일부 예에서, 상기 검증 질량체는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들 및 고정된 용량성 전극 핑거들을 둘러싸는 프레임의 형태를 취할 수 있다. 상기 하나 이상의 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트는 상기 검증 질량체의 프레임 내로 연장될 수 있다. 그러나, 대안적으로 (또는 추가적으로) 하나 이상의 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트는 상기 검증 질량체의 프레임의 외부로 연장될 수 있다. 따라서 댐핑 핑거들의 상호 엇물린 세트는 상기 프레임의 외부에 위치될 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 댐핑 핑거들은 센싱 배열의 일부를 형성하지 않아서, 댐핑 핑거들이, 예를 들어, 특정 MEMS 구현예에서 편리한 곳이면 어디든지 위치될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 고정된 댐핑 핑거 세트 및 이동 가능한 댐핑 핑거 세트가 전기적으로 공통이라는 것은 댐핑 핑거들이 실질적으로 동일한 전기 전위(즉, 전압)에 각각 유지되어 임의의 센싱 기능 또는 구동 기능을 제공할 수 없다는 것을 의미한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이것은 댐핑 핑거들 사이에 정전기력이 형성되지 않도록 효과적으로 단락 회로를 제공하는 검증 질량체와 고정된 댐핑 핑거들 사이를 전기적으로 연결하는 전기적 연결부에 의해 보장된다. 이것은 센싱을 위해 및/또는 구동을 위해 이들 사이에 반드시 전위차를 갖는 고정된 및용량성 전극 핑거들 및 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과는 대조적인 것이다. 본 발명의 예에서, 검증 질량체와의 전기적 연결부는 고정된 댐핑 핑거들로부터 이어지는 하나 이상의 금속 트랙을 포함할 수 있다. 고정된 댐핑 핑거들이 고정된 기판(예를 들어, 유리)에 장착됨에 따라 금속 트랙들은 (예를 들어, 실리콘-온-글라스 MEMS 구조에서) 검증 질량체 층과 고정된 기판 층 사이에서 연장되는 다운홀 비아(downhole via)에 의해 검증 질량체(예를 들어, 실리콘)에 연결될 수 있다.
본 출원인은, 특히 압착 필름 댐핑을 제공하기 위해 상호 엇물린 전용 "댐핑" 핑거들을 가짐으로써, 고정된 댐핑 핑거들과 이동 가능한 댐핑 핑거들이 전기적으로 공통이어서, 고정된 댐핑 핑거들과 이동 가능한 댐핑 핑거들 사이에 정전기력이 없는 것을 보장하여, 댐핑의 효과를 높이고 손상의 가능성을 감소시킨다는 것을 발견하였다.
통상적인 구현예에서, 상호 엇물린 용량성 전극 핑거들은 상호 엇물린 댐핑 핑거들과 동일한 가스 매체 내에 장착된다. 예를 들어, 상기 가속도계는, 상기 용량성 전극 핑거들과 상기 댐핑 핑거들을 동일한 가스 매체 내에 장착하는, 밀봉된 유닛의 형태를 취할 수 있다. 상기 가속도계는 압착 필름 댐핑 효과를 제공하기 위해 임의의 적합한 가스 매체를 포함할 수 있다. 상기 가스 매체는 공기, 질소, 아르곤, 헬륨 또는 네온 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 가스 매체는 대기압 또는 상승된 압력으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 가스 매체는 약 10바(bar) 이하의 압력으로 포함될 수 있다. 댐핑 계수는 가스 매체의 압력에 단지 약하게 의존하는 반면, 네온 및 아르곤과 같이 더 높은 점성을 갖는 가스는 공기와 같은 더 낮은 점성을 갖는 가스에 비해 개선된 댐핑 효과를 제공하여서 최적의 댐핑 특성을 달성하는 데 바람직하다.
상기 용량성 전극 핑거들 및/또는 댐핑 핑거들이 취할 수 있는 다수의 가능한 형상 및 구성이 있지만, 일부 예에서 상기 용량성 전극 핑거들 및/또는 댐핑 핑거들은 사다리꼴 형상이다. 핑거의 "기저부"(즉, 표면에 부착된 핑거 단부)가 "첨단부"(즉, 핑거의 타 단부)보다 더 넓은 사다리꼴 형상을 갖는 핑거들을 제공함으로써, 핑거들은 임의의 더 많은 물리적 공간을 요구하지 않으면서 더 큰 강성(stiffness)을 갖는다.
또한 특히 이동 가능한 검증 질량체의 구성과 관련하여 본 발명을 용이하게 적용할 수 있는 다수의 장치 기하 구조들이 존재한다. 일부 세트의 예에서, 검증 질량체는 순응하는 레그들 상의 이동 가능한 프레임, 예를 들어, 직사각형 프레임을 포함한다. 이러한 프레임은 적어도 일부 예에서 고정된 기판에 앵커 배열(anchor arrangement)에 의해 장착될 수 있다. 상기 이동 가능한 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 프레임 내에서 대칭으로 배열될 수 있다.
특정 구현예에 따르면, 상기 고정된 기판은 상이한 형상 및 구조를 취할 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 상기 고정된 기판은 실질적으로 편평하다. 상기 고정된 기판은 검증 질량체의 형상과 일치(match)하기 위해 예를 들어 직사각형일 수 있다. 상기 고정된 기판은 또한 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있지만, 바람직하게는 유리와 같은 절연체로 제조된다. 하나 이상의 세트의 고정된 댐핑 핑거들은 검증 질량체의 지지 레그들 및 고정된 용량성 전극 핑거들과 동일한 프로세스로 유리 기판에 양극이 접합될 수 있다. 상호 엇물린 댐핑 핑거들은 검증 질량체 및 고정된 용량성 전극 핑거들과 동일한 MEMS 층으로 제조되지만, 제조 동안 수행된 에칭 공정으로 인한 깊은 트렌치(trench)에 의해 전기적으로 절연된다.
본 발명의 임의의 예에서, 검증 질량체 및 고정된 전극 핑거들은 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘 기판으로부터 일체형으로 형성될 수 있다. 정전용량형 가속도계는 MEMS 가속도계의 형태를 취할 수 있다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명은 정전용량형 가속도계를 동작시키는 방법으로 확장된다는 것을 이해할 수 있을 것이며, 여기서 상기 정전용량형 가속도계는,
적용된 가속도에 응답하여 평면내 센싱 방향으로 선형으로 이동 가능하도록 가요성 지지 레그들에 의해, 고정된 기판에 장착된 실질적으로 편평한 검증 질량체로서,
상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들을 포함하는 상기 검증 질량체;
상기 고정된 기판에 장착된 제1 및 제2 고정된 커패시터 전극들로서,
상기 제1 고정된 커패시터 전극은 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하고, 상기 제2 고정된 커패시터 전극은 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하며, 상기 제 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되고,
상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제2 세트의 이동 가능 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들은 사용 시 적용된 가속도를 센싱하기 위해 출력 전압을 제공하도록 배열된 전기적 픽오프 연결부들을 더 포함하고,
상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들에는 상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제1 중간 라인으로부터 제1 방향으로 제1 비-제로 오프셋이 제공되고,
상기 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들에는 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제2 중간 라인으로부터 제2 반대 방향으로 제2 비-제로 오프셋이 제공되고, 상기 제1 및 제2 오프셋은 상기 제1 고정된 커패시터 전극과 상기 제2 고정된 커패시터 전극 사이의 중간 라인에 걸쳐 실질적으로 대칭이고,
상기 검증 질량체는 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트를 더 포함하는, 상기 제1 및 제2 고정된 커패시터 전극들; 및
상기 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트와 상호 엇물리도록 배열된 고정된 댐핑 핑거들의 세트로서,
상기 고정된 댐핑 핑거들은 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되고,
상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트는 상호 엇물린 상기 고정된 댐핑 핑거들 및 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들이 전기적으로 공통이도록 상기 검증 질량체와의 전기적 연결부를 포함하고,
상호 엇물린 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들 및 상기 고정된 댐핑 핑거들은 상기 검증 질량체가 적용된 가속도에 응답하여 이동하는 경향이 있을 때 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들과 상기 고정된 댐핑 핑거들 사이의 상대적인 변위를 방해하는 댐핑 효과를 제공하는 가스 매체 내에 장착되는, 상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트를 포함하고,
상기 방법은,
상기 전기적 픽오프 연결부들로부터 상기 출력 전압을 얻고 상기 출력 전압을 처리하여 상기 출력 전압으로부터 상기 적용된 가속도를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 개시된 방법은 개 루프 또는 폐 루프에서 상기 가속도계를 동작시키는데 적합하다. 두 경우에, 전용 댐핑 핑거들에 의해 제공되는 추가적인 압착 필름 댐핑은 (폐 루프 동작에서) 검증 질량체의 잔류 움직임을 감소시키고 (개 루프 동작에서 진동 유발 움직임을 감소시키며), 상기 논의된 장점을 제공한다. 개 루프 동작에서, 출력 전압을 처리하는 단계는 적용된 가속도를 결정하기 위해 상기 출력 전압의 진폭을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 여러 예에서, 상기 방법은 동위상 및 역위상 구동 신호들을 인가함으로써 고정된 용량성 전극 핑거들을 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 개 루프 동작에서 동위상 및 역위상 구형파(square wave)가 두 개의 고정된 전극에 인가되고, 오프셋이 반대인 것으로 인해 차동 정전용량은 적용된 가속도에 따라 변하여 (검증 질량체로부터) 결과적인 픽오프 신호가 (구동 주파수는 알려져 있기 때문에) 복조되고 저역 통과 필터링되어, 검증 질량체의 움직임(즉, 적용된 가속도)에 비례하는 출력 신호가 제공된다.
그러나, 용량성 전극 핑거들에 의해 제공된 고유한 댐핑은 핑거들의 요구되는 강성 및 그리하여 두께에 의해 제한되기 때문에 폐 루프에서 동작되는 가속도계에서 특정 개선이 달성될 수 있다. 폐 루프 동작에서, 구동 신호들은 펄스 폭 변조(PWM) 신호들을 포함할 수 있고, 출력 전압을 처리하는 단계는 전기적 연결부들로부터 획득된 출력 전압을 사용하여, 예를 들어, PWM 구동 신호들의 마크/공간 비를 변화시켜, 적용된 가속도 하에서, 검증 질량체를 널 위치에 유지하도록 검증 질량체의 기계적 관성력을 정전기력에 의해 균형을 이루어 (즉, 검증 질량체로부터 PWM 센싱 신호가 에러 신호로서 작용함) 인가된 PWM 구동 신호의 마크/공간 비는 적용된 가속도와 선형 관계를 갖는 출력을 제공하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 개 루프 동작과 유사하게, 픽오프 신호는 복조되어 구동 신호의 마크/공간 비를 설정하는 데 사용될 수 있다. PWM 구동 신호들은 보통 펄스파 신호(즉, 가변 마크/공간 비를 갖는 직사각파)이며, 고정된 전극들에 인가된다. 본 명세서에 전체 내용이 병합된 WO2005/084351은 이러한 PWM 구동 신호들을 이용하는 폐 루프 전자 제어 회로의 일례를 제공한다. 제어 회로는, 동위상 및 역위상 PWM 신호들로 제1 및 제2 세트의 고정된 전극 핑거들을 각각 구동하여, 적용된 가속도로부터 발생하는 관성력을 상쇄하는 정전기력으로 인해 검증 질량체가 널 위치에 남아 있도록 배열된다. PWM 구동 신호들의 마크/공간 비는 가변 재균형힘을 생성하도록 조절될 수 있다. 정현파는 정전기력이 사이클에 따라 변하게 하기 때문에 정현파는 일반적으로 사용되지 않으며, 정전기력이 마크/공간 비에 선형적이라는 것을 보장하기 위해 일정한 전압이 요구된다.
따라서, 전술한 가속도계의 예에서, 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 구동 전압을 제공하도록 배열된 전기적 연결부들을 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이들 전기적 연결부는 MEMS 층(즉, 통상적인 구현예에서 실리콘 층)과 직접 인터페이스할 수 있다. 폐 루프 동작에서는, 신호 제어기는 2개의 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들에 동위상 및 역위상 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호들을 인가하도록 배열될 수 있다. (즉, 검증 질량체로부터) 전기적 픽오프 연결부로부터 얻은 출력 전압은, PWM 구동 신호들의 마크/공간 비를 변화시키고 검증 질량체를 널 위치에 유지하기 위해 폐 회로 서보를 구동하기 위한 에러 입력 신호로 사용된다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 하나 이상의 비-제한적인 예들을 설명할 것이다.
도 1은 종래의 가속도계를 도시한 도면;
도 2는 도 1의 가속도계에 전형적인 결합된 핑거 배열을 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일례에 따른 가속도계를 도시한 도면;
도 4는 도 3의 가속도계에 전형적인 댐핑 핑거들의 세트를 도시한 도면;
도 5는 도 3의 가속도계를 동작시키기 위한 예시적인 폐 루프 전자 제어 회로의 블록도를 도시한 도면; 및
도 6a 내지 도 6c는 도 3의 가속도계의 폐 루프 동작을 도시하는 일련의 파형을 도시한 도면.
도 1은 이 기술 분야에 그 자체로 알려진 종래의 가속도계(102)를 도시한다. 가속도계(102)는 2개의 앵커 포인트(106, 108)를 통해 유리 기판(도시되지 않음)에 앵커된 이동 가능한 프레임(104)(즉, 검증 질량체)을 포함한다. 가속도계(102)는 또한 기판에 장착된 2개의 전극(110, 112)을 포함한다.
테이퍼진 핑거들의 세트(도 2에 도시됨)가 전극(110, 112) 및 프레임(104)으로부터 모두 연장되고, 상호 엇물린 핑거(121, 122)의 4개의 사분면(114, 116, 118, 120)을 한정한다.
가속도계(102)는 센싱 축(100)을 따라 감응하도록 배열되고, 여기서 이 센싱 축(100)을 따라 발생하는 가속도는 프레임(104)이 지지부에 대해 이동하도록 하여, 프레임(104)으로부터 연장되는 이동 가능한 핑거들이 전극(110, 112)로부터 연장되는 고정된 용량성 전극 핑거들에 대해 선형으로 이동하게 한다. 이러한 이동은 인접한 핑거들의 쌍들 사이의 정전용량이 이들 사이의 거리가 변하는 것으로 인해 변하게 한다. 차동 정전용량의 이러한 변화는 전극(110, 112)에 의해 센싱될 수 있다.
도 2는 도 1의 가속도계(102)에 전형적인 결합된 핑거 배열을 도시한다. 보다 구체적으로, 도 2는 각각의 사분면(114, 116, 118, 120)에서 발견될 수 있는 상호 엇물린 핑거(121, 122)의 확대도를 도시한다. 하나의 세트의 테이퍼진 고정된 핑거(121)는 전극(110, 112)으로부터 연장되고, 이동 가능한 핑거의 다른 세트(122)는 이동 가능한 프레임(104)으로부터 연장된다. 전극(110, 112)으로부터 연장되는 용량성 전극 핑거(121)는 제 위치에 고정되어 있어서, 가속도계(102)에 대해 이동할 수 없다. 프레임(104)으로부터 연장되는 용량성 전극 핑거(122)는 이동할 수 있어서, 이동 가능한 핑거(122)와 고정된 핑거(121) 사이의 갭(124, 126)은 가변적이다.
상호 엇물린 쌍에서 각 핑거의 양측에 있는 갭(124, 126)의 크기에 차이가 있다는 것, 즉 용량성 전극 핑거들 사이에 오프셋이 있다는 것이 주목된다. 가속도계(102)는 좌측 전극(110)에 인접한 2개의 사분면(114, 116)이 앵커 포인트(106)에 가장 가까이에 더 큰 갭(124)을 갖고, 우측 전극(112)에 인접한 다른 2개의 사분면(118, 120)이 앵커 포인트(108)에 가장 가까이에 더 큰 갭(124)을 갖도록 설계된다. 이러한 대칭성(장치를 통과하는 수직선에 걸쳐 대칭임)은 중심 전극(즉, 이동 가능한 용량성 전극 핑거(122)) 및 2개의 사이드 전극(110, 112)을 갖는 차동 커패시터를 제공한다. 이 차동 커패시터 배열에 의해 장치는 센싱 축(100)을 따라 양 방향으로 가속도를 센싱할 수 있다. 프레임(104)(즉, 검증 질량체)이 센싱 축(100)을 따라 이동함에 따라, 중심 전극(122)과 하나의 사이드 전극(110, 112) 사이의 정전용량은 증가하는 반면, 중심 전극과 다른 사이드 전극(110, 112) 사이의 정전용량은 감소할 것이다.
이 특정 예에서, 용량성 전극 핑거(121, 122)의 각각은 전형적으로 기저부에서 20 미크론의 폭이고, 첨단부에서 12 미크론으로 테이퍼진다. 더 큰 갭(124)은 전형적으로 16 미크론인 반면, 더 작은 갭(126)은 전형적으로 6 미크론이어서, 이에 따라 44 미크론의 피치를 야기한다.
도 3은 본 발명의 일례에 따른 가속도계(202)를 도시한다. 가속도계(202)는 가요성 레그(250)에 의해 2개의 앵커 포인트(206, 208)를 통해 유리 기판(도시되지 않음)에 앵커된 이동 가능한 프레임(204)을 포함한다. 가속도계(202)는 또한 기판에 장착된 2개의 고정된 전극(210, 212)을 포함한다.
테이퍼진 핑거들의 세트(도 2에 도시된 것과 유사함)가 고정된 전극(210, 212) 및 이동 가능한 프레임(204)으로부터 모두 연장되고, 상호 엇물린 용량성 전극 핑거(221, 222)의 4개의 사분면(214, 216, 218, 220)을 한정한다.
가속도계(202)는 센싱 축(200)을 따라 감응하도록 배열되고, 여기서 센싱 축(200)을 따라 발생하는 가속도는 이동 가능한 프레임(204)이 지지부에 대해 이동하게 하여, 프레임(204)으로부터 연장되는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들이 고정된 전극(210, 212)으로부터 연장되는 고정된 용량성 전극 핑거들에 대해 이동하게 한다. 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 가속도계(202)는 본질적으로 중심 전극 (즉, 이동 가능한 용량성 전극 핑거) 및 2개의 고정된 사이드 전극(210, 212)으로 차동 커패시터로서 배열되기 때문에, 가속도계(202)는 센싱 축(200)을 따라 양 방향으로 가속도를 센싱하도록 배열된다. 이동 가능한 프레임(204)(즉, 검증 질량체)이 센싱 축(200)을 따라 이동함에 따라, 중심 전극과 하나의 사이드 전극(210, 212) 사이의 정전용량은 증가할 것이고, 중심 전극과 다른 사이드 전극(210, 212) 사이의 정전용량은 감소할 것이다. 이동 가능한 프레임(204)은 적용된 가속도를 센싱하기 위해 가속도계(202)로부터 출력 전압(Vout)을 취하는 데 사용될 수 있는 전기적 픽오프 연결부(도시되지 않음)를 제공한다. 고정된 전극(210, 212)은, 도 5 및 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 보다 상세히 기술된 바와 같이 반대방향 정전기력을 사용하여 검증 질량체(즉, 이동 가능한 프레임(204))를 널 위치에 유지하기 위해 (즉, 폐 루프에서 가속도계(202)를 동작시키기 위해) 구동 전압(V1, V2)을 가속도계(202)에 인가하는 능력을 제공하는 추가적인 전기적 연결부들을 제공한다.
가요성 지지 레그(250)는, 레그(250)에 의해 지지되는 결합된 질량체와 함께, 공진 주파수를 설정하는 특정 길이 및 폭으로 구현되며, 여기서 공진 주파수는 전형적으로 (가속도계의 필요한 감도에 따라) 1 내지 5 kHz의 범위에 있다.
도 5 및 6a 내지 도 6c를 참조하여 더 설명된 바와 같이, 폐 루프에서 동작될 때, 고정된 전극(210, 212)은 가속도에 의해 야기된 임의의 위치 변화에 대항하기 위해 구동 전압(V1, V2)을 고정된 전극(210, 212)에 제공하는데 사용된다. 구동 전압(V1, V2)은 개 루프 동작에서 고정된 전극(210, 212)에도 또한 인가되지만, 이동 가능한 프레임(204)을 다시 널 위치로 복원시키는데는 사용되지 않아서, 폐 루프 동작에서 사용되는 것보다 더 낮은 진폭을 갖는다.
또한 가속도계(202)에는 아래 도 4에 보다 상세히 도시된 두 세트의 전용 댐핑 핑거(228, 230)가 부착되어 있다. 이들 댐핑 핑거(228, 230)는 정전용량을 센싱하기 위해 또는 복원 전압을 인가하기 위해 사용되지 않고, 대신 향상된 압착 필름 댐핑을 제공하기 위해 특별히 적응된다.
전용 댐핑 핑거(228, 230)의 세트는, 개 루프 또는 폐 루프에서 동작될 때 가속도계(202)에 장점을 제공하여, 종래의 가속도계에서 발견되는 것보다 우수한 댐핑 특성을 제공한다.
도 4는 도 3에 도시된 가속도계(202)의 전형적인 댐핑 핑거(228, 230)의 세트를 도시한다. 이들 댐핑 핑거(228, 230)의 세트들은 또한 상호 엇물려 있어, 유리 기판(201)에 장착된 고정된 댐핑 핑거(222)의 세트, 및 프레임(204)으로부터 연장되는 이동 가능한 댐핑 핑거(224)의 세트를 포함한다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 인접한 상호 엇물린 고정된 댐핑 핑거(222) 및 이동 가능한 댐핑 핑거(224) 사이의 간격(226)은 양측에서 동일하다. 이것은 센싱 축(200)을 따라 양 방향으로 균일한 압착 필름 댐핑 효과가 일어나도록 한다.
이러한 특정 예에서, 각각의 댐핑 핑거는 8 미크론의 폭 및 700 미크론의 길이이고, 고정된 핑거(222) 세트와 이동 가능한 핑거(224) 세트 내의 인접한 핑거들 사이의 간격은 6 미크론이다. 이것은 28 미크론의 피치를 야기하며, 이는 센싱하는데 및 폐 루프 동작의 경우 구동하는데 사용되는 용량성 전극 핑거들의 피치보다 훨씬 더 작다. 이것은 이 기술 분야에 알려진 종래의 가속도계에 적형적인 0.5의 댐핑 계수에 비해 가속도계(202)에 약 2.5의 증가된 댐핑 계수를 제공한다.
두 세트의 댐핑 핑거(222, 224)는 댐핑 핑거(222, 224)의 세트들을 서로 전기적으로 공통이 되도록 만드는 역할을 하는 전도성 금속 접촉부(260)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 이것은 압착 필름 댐핑 효과에 대항하는 정전기력이 댐핑 핑거(222, 224) 상에 작용하는 것을 방지하여, 가속도계(202)의 댐핑 계수를 더 향상시킬 수 있다. 본 명세서에서는 파선으로 도시되어 있지만, 금속 접촉부(260)는, 전형적으로 유리 기판(201)의 표면을 따라 고정된 댐핑 핑거(222)의 세트로부터 경로를 따라 이어지고 나서 다운홀 비아에 의해 프레임(204)에 연결되는 하나 이상의 금속 트랙으로 구현된다. 하나 이상의 금속 트랙(260)이 고정된 댐핑 핑거(222)의 세트를 검증 질량체(즉, 프레임(204))에 전기적으로 연결하기 때문에, 상호 엇물린 고정된 댐핑 핑거(222)와 이동 가능한 댐핑 핑거(224)는 전기적으로 공통이다.
도 5는 도 3의 가속도계를 동작시키는 예시적인 폐 루프 전자 제어 회로의 블록도를 도시한다. 펄스 폭 변조(PWM) 구동 전압 발생기(822)는 동위상 및 역위상 전압 신호(V1 및 V2)(예시적인 파형은 도 6a 내지 도 6c에 도시됨)를 제1 및 제2 세트의 고정된 전극(210, 212)에 각각 제공한다. 이동 가능한 프레임(204)으로부터의 출력 전압(Vout)은 전치-증폭기(823)에 제공되고, 그 출력(825)은 복조기(824)에 제공된다. 그 결과 출력(827)은 널 위치로부터 검증 질량체(즉, 이동 가능한 프레임(204))의 변위를 나타낸다. 출력(827)은 적분기/루프 필터(826)를 통과하며, 널 위치로부터의 이동 가능한 프레임(204)이 변위한 것으로 인해 요구되는 복원력을 나타내는, 즉 적용된 가속도에 비례하는 출력(832)을 제공한다.
적분되고 필터링된 출력(832)은 PWM 마크/공간 비 발생기를 포함하는 PWM 구동 전압 제어 회로(834)에 전달되고, 이 제어 회로에서 이동 가능한 프레임(204)이 널 위치에 유지되도록 PWM 구동 전압 발생기(822)를 구동하여 복조기 출력(827)을 널 값으로 구동한다. PWM 마크:공간 비는 복원력을 결정하고 이는 적용된 가속도에 비례한다. 2개의 대안적인 출력 단계(output stage)가 이용 가능한 것을 볼 수 있다. 하나의 옵션은 적분기/루프 필터(826)가 적용된 가속도에 비례하는 적절히 필터링된 신호(832)를 직접 출력(840)에 제공하는 것이다. 이것은 디지털 신호이어서 추가적인 에러를 발생시키지 않고 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 차동 증폭기(829)와 같은 비교기는 PWM 구동 전압(V1 및 V2)을 비교하여 복원력을 측정해서 적용된 가속도에 비례하는 출력을 (831)에 제공할 수 있다. 이 신호(831)는 아날로그 신호이고 이는 시스템의 요구조건에 일치하도록 적절히 필터링되거나 디지털화될 수 있다. 이것은 PWM 전압 발생기(822) 또는 제어 회로(834) 내의 에러를 폐 루프 동작에 의해 억제할 수 있기 때문에 보다 고성능 시스템을 제공할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 3에 도시된 가속도계(202)의 동작을 보여주는, 고정된 전극(210, 212)에 각각 인가되는 전압 신호(V1, V2)의 일련의 PWM 파형을 도시한다. 가속도계(202)는 전극(210, 212)의 각각에 인가되는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 사용하여 동작되며, 이에 의해 전극(210, 212)들 각각에 인가되는 전압들은 역위상이어서 "고" 전압(500)(전형적으로 폐 루프 동작에서 약 35V)이 하나의 전극에 인가되는 한편, "저" 전압(502)(전형적으로 0 볼트)이 다른 전극에 인가된다.
도 6a는 가속도계(202)가 가속도를 받고 있지 않거나 또는 개 루프에서 동작될 때의 PWM 파형을 도시한다. 도 6a는 가속도계(202)가 가속도를 받고 있지 않을 때(즉, 0 g을 나타낼 때) 고정된 전극(210, 212)에 각각 인가되는 전형적인 동위상 및 역위상 전압 신호(V1, V2)를 도시한다. 이 경우, 마크/공간 비(즉, 낮은 전압(502)에 비해 주어진 전극에 제공되는 양의 전압(500)의 길이의 비율)는 50:50이다. 프레임(204)(즉, 검증 질량체)은 널 위치에 있기 때문에, 사분면(214, 216, 218, 220) 각각에 설치된 이동 가능한 용량성 전극 핑거는 모두 또한 널 위치에 있어서, 복원력은 필요하지 않다.
도 6a에 도시된 전압 신호(V1, V2)는 가속도계(202)가 개 루프로 동작될 때 고정된 전극(210, 212)에 인가된 것과 동일한 형태이고, 여기서 마크/공간 비는 변하지 않는다. 개 루프에서 동작될 때, 이들 신호의 고 전압(500)은 전형적으로 약 3V이다. 적용된 가속도에 상관 없이 개 루프에서는 복원력이 인가되지 않기 때문에, 마크/공간 비는 50:50으로 유지된다.
도 6b는 가속도계(202)가 폐 루프로 동작될 때 가속도계(202)가 센싱 축(200)을 따라 음의 방향으로 가속도를 받을 때(즉, 큰 음의 g를 나타낼 때) 고정된 전극(210, 212)에 각각 인가되는 전형적인 전압 신호(V1, V2)를 도시한다. 프레임(204) 및 이에 따라 사분면(214, 216, 218, 220)의 각각에 설치된 이동 가능한 용량성 전극 핑거가 이제 널 위치로부터 변위되기 때문에, 마크/공간 비는, 일측, 예를 들어, 좌측 고정된 전극(210)에는 저전압(502)이 제공되는 것보다 더 오래 고전압(500)이 제공되고, 타측, 예를 들어, 우측 고정된 전극(212)에는 이와 반대로 제공되도록, 제어 회로(834) 및 PWM 전압 발생기(도 5 참조)에 의해 조절된다. 이것은 프레임(204)을 널 위치로 복원시키는 역할을 한다.
도 6c는 가속도계(202)가 폐 루프로 동작될 때 가속도계(202)가 센싱 축(200)을 따라 양의 방향으로 가속도를 받을 때(즉, 큰 양의 g을 나타낼 때) 고정된 전극(210, 212)에 각각 인가되는 전형적인 전압 신호(V1, V2)를 도시한다. 이제 마크/공간 비는, 일측, 예를 들어, 우측 고정된 전극(212)에는 저전압(502)이 제공되는 것보다 더 오래 고전압(500)이 제공되고, 타측, 예를 들어, 좌측 고정된 전극(210)에는 이와 반대로 제공되도록 조절된다. 이것은 다시 한번 프레임(204)을 널 위치로 복원시키는 작용을 하지만, 이제 반대 방향으로 힘을 가함으로써 복원시킨다. 이러한 폐 루프 동작은 WO2005/083451에 보다 상세히 설명되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 병합된다. 가속도계(202)의 폐 루프 동작이 상세히 설명되었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 개시된 가속도계의 향상된 댐핑 성능은 개 루프 가속도계에도 또한 유리하다는 것(즉, 일관된 50:50의 마크/공간 비 및 대략 3V의 전형적인 피크 전압을 갖는 구동 신호가 개 루프 구동 및 센싱을 제공하는데 사용되지만, 도 6a를 참조하여 전술한 바와 같은 복원력을 제공하지는 않는다는 것)을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 댐핑 목적을 위해 별도의 전용 핑거 세트를 포함하는 개선된 가속도계가 본 명세서에서 설명된 것을 볼 수 있다. 특정 예들이 상세히 설명되었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 개시된 본 발명의 원리를 사용하여 많은 변형 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 정전용량형 가속도계이며,
    적용된 가속도에 응답하여 평면내(in-plane) 센싱 방향으로 선형으로 이동 가능하도록 가요성 지지 레그(flexible support leg)에 의해, 고정된 기판에 장착된 실질적으로 편평한 검증 질량체(proof mass)와,
    상기 고정된 기판에 장착된 제1 및 제2 고정된 커패시터 전극들과,
    상기 고정된 기판에 장착된 고정된 댐핑 핑거들의 세트를 포함하고,
    상기 검증 질량체는 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거(capacitive electrode finger)를 포함하고,
    상기 검증 질량체는 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트를 더 포함하고,
    상기 제1 고정된 커패시터 전극은 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하고, 상기 제2 고정된 커패시터 전극은 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하며, 상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되며,
    상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록(interdigitated) 배열되고, 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되며, 상기 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들은 사용 시 적용된 가속도를 센싱하기 위해 출력 전압을 제공하도록 배열된 전기적 픽오프(pick-off) 연결부들을 더 포함하고,
    상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들에는 상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제1 중간 라인(median line)으로부터 제1 방향으로 제1 비-제로 오프셋(non-zero offset)이 제공되고,
    상기 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들은 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제2 중간 라인으로부터 제2 반대 방향으로 제2 비-제로 오프셋이 제공되고, 상기 제1 및 제2 오프셋은 상기 제1 고정된 커패시터 전극과 상기 제2 고정된 커패시터 전극 사이의 중간 라인에 걸쳐 실질적으로 대칭이고,
    상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트는 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트와 상호 엇물리도록 배열되고,
    상기 고정된 댐핑 핑거들은, 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되고,
    상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트는 상호 엇물린 상기 고정된 댐핑 핑거들 및 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들이 전기적으로 공통이도록 상기 검증 질량체와의 전기적 연결부를 포함하고,
    상호 엇물린 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들 및 상기 고정된 댐핑 핑거들은 상기 검증 질량체가 적용된 가속도에 응답하여 이동하는 경향이 있을 때 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들과 상기 고정된 댐핑 핑거들 사이의 상대적인 변위를 방해하는 댐핑 효과를 제공하는 가스 매체 내에 장착된,
    정전용량형 가속도계.
  2. 제1항에 있어서, 상호 엇물린 상기 댐핑 핑거들 각각은 상호 엇물린 상기 용량성 전극 핑거들보다 더 좁은, 정전용량형 가속도계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 댐핑 핑거의 기저부(root)에서의 폭은 15 미크론 이하인, 정전용량형 가속도계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상호 엇물린 상기 댐핑 핑거들은 상기 센싱 방향으로 실질적으로 동일하게 이격된, 정전용량형 가속도계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 인접한 댐핑 핑거들 사이의 갭은 16 미크론 미만인, 정전용량형 가속도계.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 댐핑 핑거들의 상호 엇물린 세트는 상기 용량성 전극 핑거들의 상호 엇물린 세트보다 더 큰 밀도로 측방향으로 이격된, 정전용량형 가속도계.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 댐핑 핑거들의 피치는 50 미크론 미만인, 정전용량형 가속도계.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실질적으로 대칭으로 배열된 복수의 상호 엇물린 댐핑 핑거 세트를 포함하는 정전용량형 가속도계.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검증 질량체는 상기 이동 가능한 용량성 전극 핑거들 및 상기 고정된 용량성 전극 핑거들을 둘러싸는 프레임을 포함하고, 상기 댐핑 핑거들의 상호 엇물린 세트는 상기 프레임의 외부에 위치된, 정전용량형 가속도계.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용량성 전극 핑거들 및/또는 상기 댐핑 핑거들은 사다리꼴 형상인, 정전용량형 가속도계.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용량성 전극 핑거들과 상기 댐핑 핑거들을 동일한 가스 매체 내에 장착하는 밀봉 유닛을 포함하는 정전용량형 가속도계.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 고정된 용량성 전극 핑거들은 구동 전압을 제공하도록 배열된 전기적 연결부들을 포함하는, 정전용량형 가속도계.
  13. 제12항에 있어서, 신호 제어기를 더 포함하되, 상기 신호 제어기는,
    상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들에 동위상 및 역위상 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호들을 인가하고,
    상기 전기적 픽오프 연결부들로부터 얻어진 상기 출력 전압을 사용하여 상기 PWM 구동 신호들의 마크/공간 비(mark/space ratio)를 변경하도록 배열된, 정전용량형 가속도계.
  14. 정전용량형 가속도계를 동작시키는 방법이며,
    상기 정전용량형 가속도계는,
    적용된 가속도에 응답하여 평면내 센싱 방향으로 선형으로 이동 가능하도록 가요성 지지 레그들에 의해, 고정된 기판에 장착된 실질적으로 편평한 검증 질량체와,
    상기 고정된 기판에 장착된 제1 및 제2 고정된 커패시터 전극들과,
    고정된 댐핑 핑거들의 세트를 포함하고,
    상기 검증 질량체는 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들을 포함하고,
    상기 검증 질량체는 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 상기 검증 질량체로부터 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격된 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트를 더 포함하고,
    상기 제1 고정된 커패시터 전극은 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하고, 상기 제2 고정된 커패시터 전극은 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들을 포함하며, 상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되고,
    상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들은 상기 검증 질량체의 상기 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 상호 엇물리도록 배열되며, 상기 제1 및 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들은 사용 시 적용된 가속도를 센싱하기 위해 출력 전압을 제공하도록 배열된 전기적 픽오프 연결부들을 더 포함하고,
    상기 제1 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들에는 상기 제1 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제1 중간 라인으로부터 제1 방향으로 제1 비-제로 오프셋이 제공되고,
    상기 제2 세트의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들에는 상기 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들 중 인접한 전극 핑거들 사이의 제2 중간 라인으로부터 제2 반대 방향으로 제2 비-제로 오프셋이 제공되고, 상기 제1 및 제2 오프셋은 상기 제1 고정된 커패시터 전극과 상기 제2 고정된 커패시터 전극 사이의 중간 라인에 걸쳐 실질적으로 대칭이고,
    상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트는 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들의 세트와 상호 엇물리도록 배열되고, 상기 고정된 댐핑 핑거들은 상기 센싱 방향과 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 센싱 방향으로 측방향으로 이격되고, 상기 고정된 댐핑 핑거들의 세트는 상호 엇물린 상기 고정된 댐핑 핑거들 및 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들이 전기적으로 공통이도록 상기 검증 질량체와의 전기적 연결부를 포함하고,
    상호 엇물린 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들 및 상기 고정된 댐핑 핑거들은 상기 검증 질량체가 적용된 가속도에 응답하여 이동하는 경향이 있을 때 상기 이동 가능한 댐핑 핑거들과 상기 고정된 댐핑 핑거들 사이의 상대적인 변위를 방해하는 댐핑 효과를 제공하는 가스 매체 내에 장착되고,
    상기 정전용량형 가속도계를 동작시키는 방법은,
    상기 전기적 픽오프 연결부들로부터 상기 출력 전압을 얻고 상기 출력 전압을 처리하여 상기 출력 전압으로부터 상기 적용된 가속도를 결정하는 단계를 포함하는,
    정전용량형 가속도계를 동작시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 방법은 동위상 및 역위상 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호들을 상기 제1 및 제2 세트의 고정된 용량성 전극 핑거들에 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 출력 전압을 처리하는 동작은 상기 전기적 픽오프 연결부들로부터 얻어진 상기 출력 전압을 이용하여 상기 PWM 구동 신호들의 마크/공간 비를 변화시키는 동작을 포함하는, 정전용량형 가속도계를 동작시키는 방법.
KR1020187006830A 2015-08-12 2016-08-11 가속도계 KR102095475B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1514319.1 2015-08-12
GBGB1514319.1A GB201514319D0 (en) 2015-08-12 2015-08-12 Accelerometers
PCT/GB2016/052501 WO2017025753A1 (en) 2015-08-12 2016-08-11 Accelerometers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180040613A KR20180040613A (ko) 2018-04-20
KR102095475B1 true KR102095475B1 (ko) 2020-04-01

Family

ID=54200663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187006830A KR102095475B1 (ko) 2015-08-12 2016-08-11 가속도계

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10670623B2 (ko)
EP (1) EP3335052B1 (ko)
JP (1) JP6732012B2 (ko)
KR (1) KR102095475B1 (ko)
GB (1) GB201514319D0 (ko)
WO (1) WO2017025753A1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2570714B (en) * 2018-02-05 2022-03-02 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometers
DE102018210487A1 (de) * 2018-06-27 2020-01-02 Robert Bosch Gmbh Elektrodenanordnung für ein mikroelektromechanisches System, mikroelektromechanisches System, Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Systems
GB2579057A (en) * 2018-11-16 2020-06-10 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometer
GB2593132A (en) * 2019-11-01 2021-09-22 Atlantic Inertial Systems Ltd Methods for closed loop operation of capacitive accelerometers
US11567100B2 (en) * 2019-11-07 2023-01-31 Honeywell International Inc. Vibrating beam accelerometer with additional support flexures to avoid nonlinear mechanical coupling
CN111223671B (zh) * 2020-02-27 2021-02-05 清华大学 兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器及制造方法
DE102020211928A1 (de) 2020-09-23 2022-05-19 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Dämpfungsvorrichtung für mikromechanisches Bauelement

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100881486B1 (ko) * 2006-05-24 2009-02-05 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤 각속도 센서
JP2009168777A (ja) * 2008-01-21 2009-07-30 Hitachi Ltd 慣性センサ
WO2015052487A1 (en) * 2013-10-09 2015-04-16 Atlantic Inertial Systems Limited Accelerometer control

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11118827A (ja) 1997-10-14 1999-04-30 Denso Corp 容量式物理量検出装置
US7047808B2 (en) * 2003-02-28 2006-05-23 Bae Systems Plc Accelerometer
EP1634212A2 (en) 2003-05-28 2006-03-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Hospital information system
FR2858853B1 (fr) * 2003-08-13 2006-01-13 Sercel Rech Const Elect Accelerometre a vibrations parasites reduites par forme des electrodes amelioree
US7267006B2 (en) * 2004-02-27 2007-09-11 Bae Systems Plc Accelerometer
US7069784B1 (en) * 2004-12-29 2006-07-04 Honeywell International Inc. Pendulous in-plane MEMS accelerometer device
WO2007008935A2 (en) 2005-07-11 2007-01-18 Ready Solar, Inc. Solar panel and frame and related methods
KR100899812B1 (ko) 2006-12-05 2009-05-27 한국전자통신연구원 정전 용량형 가속도계
DE102008016004B4 (de) * 2008-03-27 2024-07-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikroelektromechanischer Inertialsensor mit atmosphärischer Bedämpfung
JP5267023B2 (ja) * 2008-10-01 2013-08-21 株式会社村田製作所 複合センサ
GB201020722D0 (en) * 2010-12-07 2011-01-19 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometer
US20140090468A1 (en) 2012-03-16 2014-04-03 Advanced Numicro Systems, Inc. Tri-axial mems inertial sensor
JP5772873B2 (ja) * 2012-06-13 2015-09-02 株式会社デンソー 静電容量式物理量センサ
DE102013007593B4 (de) 2013-05-02 2022-12-29 Northrop Grumman Litef Gmbh Beschleunigungssensor sowie verfahren zur herstellung eines beschleunigungssensors
GB201322918D0 (en) * 2013-12-23 2014-02-12 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometers
GB2523320A (en) * 2014-02-19 2015-08-26 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometers
GB2524245A (en) * 2014-03-17 2015-09-23 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometers

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100881486B1 (ko) * 2006-05-24 2009-02-05 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤 각속도 센서
JP2009168777A (ja) * 2008-01-21 2009-07-30 Hitachi Ltd 慣性センサ
WO2015052487A1 (en) * 2013-10-09 2015-04-16 Atlantic Inertial Systems Limited Accelerometer control

Also Published As

Publication number Publication date
JP6732012B2 (ja) 2020-07-29
WO2017025753A1 (en) 2017-02-16
KR20180040613A (ko) 2018-04-20
EP3335052B1 (en) 2021-04-14
GB201514319D0 (en) 2015-09-23
EP3335052A1 (en) 2018-06-20
JP2018525634A (ja) 2018-09-06
US10670623B2 (en) 2020-06-02
US20180217179A1 (en) 2018-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102095475B1 (ko) 가속도계
US11105829B2 (en) MEMS accelerometer
JP4654668B2 (ja) ジャイロセンサおよびそれを用いたセンサ装置
JP6461993B2 (ja) 加速度計
CN106030314B (zh) 加速度计
KR102628619B1 (ko) 가속도계
US10274511B2 (en) Accelerometers
KR20050107470A (ko) 가속도계
US9688527B2 (en) Micromechanical component and method for producing a micromechanical component
US20200174035A1 (en) Mems accelerometric sensor having high accuracy and low sensitivity to temperature and aging
US20160101975A1 (en) Resonance Frequency Adjustment Module
US10753744B2 (en) MEMS out of plane actuator
US10429406B2 (en) Microelectromechanical structure with frames
EP3376162B1 (en) Mems out of plane actuator
JP2019049434A (ja) 加速度センサ
CN113167582B (zh) 具有衬底和布置在衬底上的机电结构的微机电惯性传感器
JP6080752B2 (ja) 加速度センサ
JP2012247204A (ja) 加速度センサおよび加速度の測定方法
US10126323B2 (en) Capacitive physical quantity sensor
JP5783201B2 (ja) 容量式物理量センサ
KR100880212B1 (ko) 자이로 센서 및 이를 이용하는 센서 장치

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant