(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の隔置された絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された一対の電極と、
プルーフマスおよび装着部を含むシリコンのプルーフマスアッセンブリと、
各電極と前記プルーフマス間にギャップをもって前記プルーフマスを前記電極間に懸架する手段と、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記電極に結合され前記電極の各々からの差動的容量結合による交流信号を検出する手段と、
検出された前記交流信号に応答し前記プルーフマスに加わる力と対抗する加速度を加える手段と、
前記交流励起信号にバイアスオフセットを加え前記プルーフマスのセンタリングの不完全さの効果及び振動の整流を軽減する手段とを備えたことを特徴とする小型加速度計。
【請求項２】
前記検出された交流信号に応答する手段は、検出された交流信号に線形的に比例する差動的な静電力を、前記電極と前記プルーフマスとの間に加える手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の小型加速度計。
【請求項３】
前記差動的な静電力を加える手段は、検出した交流信号に比例する差動直流電圧を前記電極と前記プルーフマスとの間に加える手段と、前記電極と前記プルーフマスとの間に直流バイアス電圧を加えその間に加えられた静電力を加速度に線形的に比例させる手段とを備えていることを特徴とする請求項２記載の小型加速度計。
【請求項４】
前記プルーフマスは前記絶縁層間に密閉されたシリコン層の一部であることを特徴とする請求項１記載の小型加速度計。
【請求項５】
前記プルーフマスは中央面を形成し、前記シリコン層は懸架した前記プルーフマスの前記中央面において動作する屈曲部を有していることを特徴とする請求項４記載の小型加速度計。
【請求項６】
前記屈曲部は対称的にバランスされたヒンジを用い分割して構成されていることを特徴とする請求項５記載の加速度計。
【請求項７】
前記プルーフマスと前記電極間のギヤップに粘性制動を与えるための気体又は液体の薄い膜を備えていることを特徴とする請求項５記載の小型加速度計。
【請求項８】
シリコンに適合した熱膨張係数を有する材料からなり一対の隔置された絶縁層上に配置された一対の電極と、
シリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスを前記電極間に懸架する手段と、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記電極と前記プルーフマス間の差動的な容量結合に応答し加えられた加速度力に対抗する電気信号を発生する増幅器にバイアスオフセットを加えるバイアス線形手段と、
前記加速度の測定により前記電気信号の値の変化を測定する手段とを備え、
前記電極は加えられた加速度力に応答し、かつ加えられた加速度力に対抗する静電力を前記プルーフマスに加える加力電極手段を含み、
前記加力電極手段と前記プルーフマス間の接触を防止するガード電極手段を備えたことを特徴とする小型加速度計。
【請求項９】
シリコンに適合した熱膨張係数を有する材料からなり一対の隔置された絶縁層上に配置された一対の電極と、
シリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスを前記電極間に懸架する手段と、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記電極と前記プルーフマス間の差動的な容量結合に応答し加えられた加速度力に対抗する電気信号を発生する増幅器にバイアスオフセットを加えるバイアス線形手段と、
前記加速度の測定により前記電気信号の値の変化を測定する手段とを備え、
前記プルーフマスに静電力を加える加力電極金属配線部と、
前記加力電極金属配線部より実質的に厚く前記加力電極手段と前記プルーフマス間の接触を防止するガード電極金属配線部とを備えたことを特徴とする小型加速度計。
【請求項１０】
前記ガード電極金属配線部と前記加力電極金属配線部間の電位差によって生じる過渡的な静電力の変化を軽減させる手段を備えたことを特徴とする請求項９記載の小型加速度計。
【請求項１１】
前記過渡的な静電力の変化を軽減させる手段は前記加力電極金属配線部と前記ガード電極金属配線部間の前記電極層の部分に対向するプルーフマスに、この部分から前記プルーフマスへ加わる静電力の効果を軽減するための溝手段を備えていることを特徴とする請求項１０記載の小型加速度計。
【請求項１２】
前記過渡的な静電力の変化を軽減させる手段は、前記加力電極金属配線部と前記ガード電極金属配線部間の絶縁層の部分に、明確に形成された電位分布を維持する抵抗性コーティング手段を備えていることを特徴とする請求項１０記載の小型加速度計。
【請求項１３】
前記絶縁層の外面に積層され前記電極と前記プルーフマスを外部の電場からシールドする導電性の金属被覆を備えたことを特徴とする請求項１２記載の加速度計。
【請求項１４】
プルーフマス及び隔置された絶縁層上に配置された電極を用いて加速度計を構成し、
前記プルーフマスを前記電極間で平衡位置に懸架し前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加して前記電極と前記プルーフマス間に等しい結合容量を形成し、
前記プルーフマスが加速度によって前記平衡位置から動いたときに前記電極と前記プルーフマスとの間の差動的容量結合を電子的に検知し、
前記交流励起信号にバイアスオフセットを加え、前記電極に加えたときに静電力を生じさせる電気信号を電子的に発生させ前記プルーフマスを前記平衡位置へ動かし、
前記電気信号を前記電極に加え前記プルーフマスに加えられる力に対抗する加速度を生じさせ、
静電力を加力電極から前記プルーフマスに加え、
ガード電極で前記加力電極と前記プルーフマス間の接触を防止し、
前記プルーフマスが受ける加速度の測定により前記平衡位置への回復に必要とされる前記電気信号の大きさと符号を測定することを特徴とする加速度検知方法。
【請求項１５】
前記ガード電極と前記加力電極間の電位差によって生じる過渡的な静電力の変化を軽減させることを特徴とする請求項１４記載の加速度検知方法。
【請求項１６】
前記過渡的な静電力の変化を軽減させるステップは前記プルーフマスと加力電極及びガード用電極間の前記絶縁層との距離を増加させることを含むことを特徴とする請求項１５記載の加速度検知方法。
【請求項１７】
前記過渡的な静電力の変化を軽減させるステップは前記加力電極と前記ガード電極間の絶縁層の部分に、一定の電位分布を維持する抵抗性コーティング手段を施すことを特徴とする請求項１５記載の加速度検知方法。
【請求項１８】
金属配線された電極を有する一対の絶縁層と、
前記絶縁層間で懸架されたシリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスに交流信号を直接印加する手段と、
前記電極に誘導された信号に応答し前記電極に結合され前記電極からの交流信号を検出する手段と、
検出された前記交流信号に応答し前記電極と前記プルーフマス間に検出された前記交流信号に線形的に比例する差動的な静電力を加える手段と、
前記交流信号にバイアスオフセットを加え前記プルーフマスのセンタリングの不完全さの効果及び振動の整流を軽減する手段とを備えたことを特徴とする小型加速度計。
【請求項１９】
前記金属配線された電極は前記プルーフマスを越えて延在していることを特徴とする請求項１８記載の小型加速度計。
【請求項２０】
前記プルーフマスを弾性的に取り付ける手段を備えたことを特徴とする請求項１８記載の小型加速度計。
【請求項２１】
一対の電極層と、
前記絶縁層間で懸架されたシリコンのプルーフマスと、
前記プルーフマスに交流励起信号を直接印加する手段と、
前記プルーフマスと前記電極層間の接触を防止するガード電極手段と、
前記電極層と前記プルーフマス間の差動的な容量結合に応答し加えられた加速度力に対抗する手段と、
前記交流励起信号にバイアスオフセットを加え前記プルーフマスのセンタリングの不完全さの効果及び振動の整流を軽減する手段とを備えたことを特徴とする小型加速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、中程度の正確さを要する用途のための小型加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
戦術用システムで使用するための小さくて安価な加速度計に対する需要がある。一斉射撃用弾薬及び加速度計を大量に消費するような高性能の大砲や迫撃砲の動作において必要とされる小型加速度計などがその例である。このような用途のための戦術用加速度計は中程度の品質の機器であると考えてよいが、しかし、約５桁のダイナミックレンジを有していなければならず、また振動の多い状況下で、かつ広い温度範囲での動作が可能でなければならない。
【０００３】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、一対の電極層、この電極層の間に懸架されたシリコンのプルーフマス、そしてこれに加わる加速度の力に抵抗するために電極層とプルーフマスとの間の差動的な容量結合に応答する手段を含んだ集積回路という形態で小型加速度計を提供することを一般的な目的とする。
【０００４】
別の観点からは、本発明は、一対の電極層の間にプルーフマスを懸架し、この電極層とプルーフマスとの間の差動的な容量結合を検知し、そして検知された結合に応答して加速力に抗するためにプルーフマスに力を加える、という線形の出力で加速度を検知する方法を提供する。
【０００５】
更に本発明の別の目的は、小型加速度計のダイナミックレンジを、従来の技術水準である、ダイナミックレンジが約１００程度のミクロ機械加工で製造された（マイクロマシンによる）加速度計よりも、１００〜１０００倍増大させることである。
【０００６】
本発明の上記の特徴及び利点、その他の特徴及び利点は、添付図面を参照しつつなされる以下の詳細な説明より明らかとなる。
【０００７】
【実施例】
図１は、本発明の小型加速度計１０を示し、これはトランスデューサ１２及び回路部分１４、１４ａを含んでいる。加速度計１０のトランスデューサ１２は部分断面図として示してあり、上部電極３０及び下部電極３２の間の中央の位置に示されたプルーフマス（proofmass ）１６を備えている。プルーフマス１６は、シリコン層２４から一体的に形成された、薄い屈曲部２２によって懸架されたシリコンからなる。屈曲部２２はプルーフマス１６の面の中央に沿った振動の修正を最小にするためにベンドライン（曲がりの中心線）を規定する。これは面の中央の軸２３によって示されている。屈曲部をプルーフマスの面の中央に対して対称となるよう構成することにより、加速度計の振動は修正を誘起せず、この装置は高い線形性を持つ。
【０００８】
シリコン層２４は、上部ガラス層２６と下部ガラス層２８の間に陽極として固定され、上部ガラス層２６と下部ガラス層２８にはそれぞれアルミニウム、金、若しくはその他の導体からなる電極３０、３２が形成されている。加えて、上側の電極ガラス層と底部の電極ガラス層は等しい部材であり、正確な対称性を維持するために、最初に上側の層に適用されそれから底部の層に適用される同一のマスクより製造される。このプルーフマスは非常に対称性が高いので、このデバイスには偏向（バイアス）は誘起されない。このこともまた、線形性が高くダイナミックレンジの値が大きいことに寄与する。
【０００９】
電極３０及び３２は、気化させたアルミニウムから簡便に形成することもできるが、アルミニウムを使用する場合には固有的に存在する水分に対しての何らかの感度がある。というのは、アルミニウムはかなりの表面の水分を吸着し、これが表面の誘電特性を変化させ、測定しようとする容量と区別できない別の容量を加算させることになるからである。従って、水分を吸着しない金属、例えばスパッタリングにより簡便に形成される金などを使用することが望ましい。また、プルーフマス表面の安定性を維持するために、これも金でコーティングすることが望ましい。
【００１０】
加速度計１０は力を平衡させる（力平衡）装置として機能し、プルーフマス１６に加わる加速度の力は、加力部分（forcer）である上部電極及び下部電極３０、３２を通してセンサ回路部１４より及ぼされる適当な電気的な回復力によって平衡状態とされる。必要とされる回復力の大きさは加速度の関数であり、センサ回路部１４の加速度出力３４において測定することができる。
【００１１】
プルーフマス１６には参照電圧源、例えば安定な半導体基準電圧源３５などからデカップリング用の、若しくは交流分離用の抵抗３６を介して直流バイアスが加えられる。
【００１２】
これと並行して、信号源３８から発生された交流信号は結合用コンデンサ４０によってプルーフマスに結合される。コンデンサ４２及び４４は、上部電極３０、下部電極３２とプルーフマス１６との間に生じた容量を差動型ブリッジ回路４６に結合させる。差動型ブリッジ回路４６にはダイオード５０、５２、５４、５６、フィルターコンデンサ５８、及び高インピーダンスで高利得の演算増幅器６０が含まれている。増幅器６０の出力は上部電極３０を直接駆動するのに使用されるとともに、インバータ６２で反転された後に下部電極３２を駆動するのに使用される。
【００１３】
加速度出力３４は増幅器６０及びインバータ６２を経て上部及び下部電極３０、３２に印加され、加速によってプルーフマス１６に加わる力に抵抗するための静電的な回復力をプルーフマスに及ぼす。このような静電的な力は加えられる電圧の２乗に比例するので、通常は非線形となる。安定電圧源３５によって加えられる直流バイアスと、増幅器６０及びインバータ６２から上部電極３０及び下部電極３２に加わる位相のずれた信号は、このような非線形性を除去するよう作用する。
【００１４】
基礎となる運動方程式は非線形であるが、力を加える部分とプルーフマスの電圧のオフセットは、静電力のフィードバックとともに線形出力を与える。基礎となる力の方程式は、
Ｆu ＝ε0ＡＶu2／２ｄu2   及び  Ｆl ＝ε0ＡＶl2／２ｄl2   （１）
であり、ここでＦu は上側の力（Ｆl は下側の力）、Ａは力を加える電極の面積、Ｖu は力を加える部分である上部電極とプルーフマスとの間の電圧、Ｖl は下部電極とプルーフマスとの間の電圧、そしてｄは電極とプルーフマスとの間の間隔である。ここでＶ0 を３４における電圧、Δを固定された電圧、例えば１５Ｖとして、
Ｖu ＝ Ｖ0 − Δ    及び  Ｖl ＝ Ｖ0 ＋ Δ                （２）
と置くことにより、
Ｍa ＝ Ｆu − Ｆl  ＝ −２ε0ＡΔＶ0／ｄ2                 （３）
と示されるように力の方程式が正確に線形化される。ここでＭはプルーフマスの質量であり、ａは加速度である。これよりスケールファクター（比例定数）は、
−２ε0ＡΔ／Ｍd2                                        （４）
となる。Δは電圧源３５によって発生される電圧である。従ってプルーフマスが上部電極３０と下部電極３２の中央に位置している時は、出力電圧３４は加速度に正確に比例する。そしてこの電圧は加速度の測定値として使用することができる。
【００１５】
線形化はまた、プルーフマス１６をゼロバイアスとし、上部電極３０に増幅器の出力と直列に固定バイアス電圧を加えるとともに下部電極３２には増幅器の出力と直列に反対の極性の固定バイアス電圧を加えることによっても可能である。
【００１６】
例えばプルーフマスがギャップの完全な中心にないことなどによるシステムのその他の非線形性は、大きい抵抗（＞２５０ｋΩ）Ｒ３を通して電圧バイアス源Ｖb から増幅器６０に加えられるバイアスオフセットによって軽減することができる。このようなバイアスオフセットを使用することにより、プルーフマスが完全な中心にないこと（センタリングの不完全さ）による効果及び振動の修正（調整）を実質的にゼロにまで低減できる。
【００１７】
上部電極３０及び下部電極３２に加え、上部ガラス層２６及び下部ガラス層２８にはガード用帯状電極６４、６６を設けてもよい。図１に示すように、そして図２に関連して以下で更に述べるように、これらのガード用帯状電極は、プルーフマスが上部電極３０及び下部電極３２に近づかないよう上部電極３０、下部電極３２よりも実質的に厚くすることができる。これにより他の特別の回路がなくても、加速されたときに、閉ループである加速度計１０の動作開始がうまくゆく。
【００１８】
上部ガラス層２６の上部電極３０と上部ガード用帯状電極６４との間のギャップ、及び下部ガラス層２８の下部電極３２と下部ガード用帯状電極６６との間のギャップは、ガラスが帯電することやこれらの間にリーク電流があることに起因する特別の問題を生じる可能性がある。この一方の電極上の電位が変化すると、その間の絶縁体領域若しくはギャップにおけるこの電位もまた、上部ガラス層２６及び下部ガラス層２８におけるリーク電流によって一方の値と他方の値の間で調整がなされる。これらのギャップにおける電位分布は、これらのギャップの絶縁特性が湿度やその他周囲の状況によって変化すると、それに伴って変化する。
【００１９】
これらのギャップにおける電位は、上部電極３０及び下部電極３２の電位の増加分として作用する。
【００２０】
これらのギャップにおける電位の静電力による効果は、上部電極３０及び下部電極３２によって加えられる力と区別することができない。従ってギャップにおいてゆっくりと変化する電位は、動作開始時点において、又は加速度が変化した時点において力の過渡現象を生じる。
【００２１】
説明のために、トランスデューサの力を加える上部電極３０及び下部電極３２だけを感じるプルーフマスを考える。しかしプルーフマスの回りにある動作開始の問題を防ぐためのガード用リング（ガード用帯状電極６４、６６）は、電極３０及び３２と異なった電位となっている。加速度の変化によって電極３０及び３２上の電位が変化するときには、上部の電極３０と６４の間のガラス領域の電位又は底部の電極３２と６６の間のガラス領域の電位も、同様に変化しなければならない。メインの電極とガード用リングの間のガラスは、非常に高い抵抗値を有する素材であると考えることができる。電極３０及び３２の電位が変化すると、これらの電極とそのガード用リングとの間の領域は変化するが、この変化はガラスの高い抵抗値のためにゆっくりしたものとなる。
【００２２】
これらの電極の間のガラス領域からの大きな影響を受けるのを回避する方法は、全ての場所でメインの電極３０及び３２をプルーフマスよりもずっと大きくすることである。しかし、ガード用電極がプルーフマスと接触してプルーフマスが上部ガラス層と下部ガラス層から押圧されるように、４つの小さな場所若しくは指状部分７４、７５、７６、７７にガード用電極を設けなければならない。そこで電極の形状を、これらの指状部分の領域だけでガード用リングがプルーフマスの上に延在するよう配置する。その他の場所では、変化がゆっくりしたガラス領域は、プルーフマスに影響を与える領域の外側にある。それでもこの４つの指状部分７４〜７７があることにより、この４つの指状部分の回りの領域におけるガラスの効果は重要である。このガラスの領域の効果を軽減するために、ガラス上の電荷がゆっくりと変化する場合に、ガラスからプルーフマスまでの距離を増加させることによってプルーフマスを動かそうとする力の効果が最小に抑えられるよう、ガラス領域の下のプルーフマスにＶ字形の溝（Ｖ字溝）２１を設ける。この各溝２１によって図３に示すような柱状部分７８、７９が規定される。これらの柱状部分は、このデバイスが加速度を受けて動作を開始したときに、電極３０、３２をプルーフマスから遠ざけながら電極６４、６６と接触する所にある。この領域でのプルーフマスとガラスとの間のギャップは３ミクロンということはなく、もっと大きくて２０〜３０ミクロンに近い。
【００２３】
このようにして、加速度の過渡現象的な応答時間は軽減されるか又は除去される。図３により詳細に示したように、堀即ちＶ字溝２１は、それぞれ上部及び下部ガラス層２６、２８の上部及び下部電極３０、３２と上部及び下部ガード用帯状電極６４、６６の間のギャップの直下のプルーフマス１６上にエッチングされる。Ｖ字溝２１はこれらの間に、例えば通常の上部ガラス層２６とプルーフマス１６の通常の間隔の１０倍程度の広い空間を与えることにより、ギャップにおける電位のプルーフマス１６に対する効果を軽減する。上部及び下部電極３０、３２は、上部電極３０と上部ガード用帯状電極６４の間のガラスからの電場の効果、及び下部電極３２と下部ガード用帯状電極６６の間のガラスからの電場の効果を最小に抑えられるように、プルーフマス１６を越えるよう延在させることができる。上部と底部のガラス表面２６ａ及び２８ａには金属配線がなされ（metalized ）、これを接地してこのトランスデューサを外部の電場や外部導体の影響からシールドする。
【００２４】
他の方法として、上部及び下部ガラス層２６、２８、特にギャップの部分に、僅かに導電性を持つ表面コーティング（平方当り１０10オーム）を設けてもよい。ギャップの電位効果は除去されないが、ギャップにおける電位分布はほとんど瞬間的に安定して一定に保たれ、表面コーティングの抵抗が検知動作に干渉しない程度に十分大きければ満足のゆく加速度検知動作が可能となる。
【００２５】
ここで図２を参照する。これは加速度計のトランスデューサ１２を部分的に展開した等角図であり、上部ガラス層２６は開いた位置に回転させて、その他の部分は分かりやすく切り欠いて示してある。上で述べたように、上部ガラス層２６上の上部電極３０はアルミニウム又は金の蒸着によって形成されたものである。この上部電極３０の回りにはこれを取り囲むようにガード用帯状電極６４が形成されている。同様に下部ガラス層２８上のガード用帯状電極６６の一部を、シリコン層２４の部分的に切り欠いた所を通して見ることができる。
【００２６】
シリコン層２４上の金属の接合パッド８１は、この層と電気的に接触している。電極３２、６６、３０、６４及び接合パッド８１の端部は、金又はアルミニウムなどからなる１ミル（mil:千分の１インチ）の接合ワイヤによって電気回路１４及び１４ａに接続されている。この接合ワイヤの取り付けは、集積回路産業において周知であるいくつもの方法のうちの一つによってなされている。
【００２７】
上部ガード用帯状電極６４及び下部ガード用帯状電極６６は、上部電極３０及び下部電極３２の厚さに比べて、２倍の厚さの金による金属配線により簡便に形成することができる。この厚くなっている分は、加速度計１０の動作中においてプルーフマス１６を上部電極３０及び下部電極３２から遠ざける役割を果たす。上部及び下部ガード用帯状電極６４、６６は、プルーフマス１６と同じ電位に保たれる。
【００２８】
更に図２から分かるように、上部ガラス層２６と下部ガラス層２８は、製造を簡単にするために等しい設計とすることができる。トランスデューサ１２は機械的応力や特性変化（ドリフト）を軽減するために、可能である部分については対称的に設計され構成されている。上部ガラス層２６及び下部ガラス層２８としては例えばホウ珪酸塩からなるパイレックスガラス７７４０（商品名）という材料が使用できるが、これを、熱膨張を考慮して可能な限りプルーフマス１６の材料と密着させる。また、トランスデューサのサンドイッチ構造の上部及び底部に、適当な絶縁層とともにシリコンを使用することもできる。
【００２９】
図に示すように溝６８及び７０がシリコン層２４の上部表面上に位置しているが、これは上部電極３０及び上部ガード用帯状電極６４がシリコン層２４と接触しないよう確実に分離させるためである。図からは分からないが、同様の絶縁用の溝がシリコン層２４の下側表面にも設けられ、下部ガード用帯状電極６６及び下部電極３２のシリコン層２４との電気的接触を絶縁している。
【００３０】
プルーフマス１６は一部を切り欠いた状態で見えており、屈曲部２２によってシリコン層２４とつながっている。屈曲部２２は、単一のヒンジで接続された構成とすることもできるが、加速度計のトランスデューサ１２の曲がりに起因するプルーフマスのオフセットを最小にするために、図示したようなヒンジ２５、２７からなる、対称的に平衡をとった分離した屈曲部を利用することが望ましい。屈曲部２２には、シリコンの面における力による破損に耐えられる、そして静電的な不安定性に耐えられる最小限の強度が必要とされる。
【００３１】
プルーフマス１６及び屈曲部２２を含む加速度計のトランスデューサ１２は、現在使用可能な集積回路技術及びミクロ機械加工製造技術を用いて構成することができる。周囲のシリコン層２４から屈曲部２２となる限られた物理的な接続部分を残してプルーフマス１６を形成するような技術としては、種々の制御されたエッチング技術を使用することができる。屈曲部２２は、製造中の高いドーピング勾配や濃度による非一様性の応力を軽減するために、例えば１０００℃という高温で数時間にわたってアニールしてもよい。上部及び下部のガラス層２６、２８は、陽極になるようシリコン層２４に接合し、同時に曲がり（歪み）を防ぐようにする。
【００３２】
プルーフマス１６の上側及び下側の表面は、このプルーフマス１６と上部及び下部ガラス層２６、２８との間に約２μｍ程度の適当なギャップが形成されるようシリコン層２４の表面をエッチングして形成される。
【００３３】
ガラス層の表面２６ａ、２８ａは、使用中に明確に規定される電位例えばシステムの接地電位に接続ために、そして誤差を生じさせる外部電場の影響から内部構造をシールドするために、導電性コーティングによって金属被覆することが望ましい。
【００３４】
このトランスデューサは、異なる膨張特性を持つ取り付け表面からの力を軽減するために、また、このような取り付け表面からの振動の伝わりを軽減するために、図２に示すような弾性素材からなるパッド２９上に取り付けることができる。パッド２９は、パッケージの素材と異なる熱膨張によって、又は使用中のパッケージの機械的な歪みによって生じるトランスデューサの曲がりを防止する。このような曲がりはトランスデューサに誤差を生じさせてダイナミックレンジを制限する。この弾性パッドは、層２８の金属被覆した下部表面に簡単に電気的に接続できるよう適当な素材、例えばカーボンブラック又は銀などの粉末を混ぜて電気伝導性とすることが望ましい。
【００３５】
センサ回路部分１４は通常の集積回路製造技術により、加速度計のトランスデューサ１２と物理的に同じパッケージの一部として簡便に形成することができる。加速度計のトランスデューサ１２及びセンサ回路部１４は、気密的に封入されるフラットパック又は他の簡便な混合パッケージ内に収容することができる。
【００３６】
動作時において、プルーフマス１６が中心にある時にプルーフマス１６と上部及び下部電極３０、３２との間に何らかの容量のインバランス（非平衡状態）があると、センサ回路部１４は電気的に発生させた力をプルーフマス１６に加えてこれを中心から外れた位置に動かしその位置に保つことにより、両方の容量をバランスさせる。このように中心から外れた位置へ移動すると、演算増幅器６０に適当なバイアスオフセットを加えて補償するか、又はプルーフマス１６と上部電極３０の間若しくはプルーフマス１６と下部電極３２の間に補償用容量を加えなければ、２次のオーダーの非線形性が生じる。
【００３７】
再び図１を参照するに、信号源３８は、ピーク・トゥ・ピーク、４ボルトで例えば１０MHz にて動作する方形波の交流源などとすることができる。この交流信号は、参照電源３５からの適当な直流バイアスとともにシリコン層２４に加えられ、従ってプルーフマス１６にも加えられる。プルーフマス１６がその中立位置にあるならば、この交流信号は上部電極３０と下部電極３２に等しく結合される。プルーフマス１６と上部及び下部電極３０、３２との間でピックアップされた容量は、差動型ブリッジ回路４６において比較される。
【００３８】
コンデンサ４２及び４４は上部及び下部電極３０、３２とプルーフマス１６との間の容量に比べて十分に大きく、従ってプルーフマス１６の中立位置に対する効果は無視できるという点に留意することが重要である。中立位置ではこれらの値がバランスされていて増幅器６０には差動信号は加えられず、このため上部及び下部電極３０、３２に差動直流信号が加えられることはない。
【００３９】
これらの電極は、適当なギャップを通してプルーフマスから３０へ、そしてプルーフマスから３２へ結合された発振器３８からの高周波（rf）信号、すなわち１０メガヘルツの信号をピックアップする。
【００４０】
この信号の流れをたどってみると、発振器３８からの交流信号はプルーフマスへ結合され、ここで更に空隙のギャップを横切って上部及び下部電極３０及び３２に結合される。上部電極３０からの経路に続いて、この信号は一方では、１０〜３０キロオームの範囲の比較的高いインピーダンスを持っていて増幅器６０からこの信号を分離する抵抗Ｒ１、及びこの信号が容易に通過して４つのダイオードからなるブリッジ（ダイオード・クワッド・ブリッジ）に達するよう高い容量とされたコンデンサ４２を通る。他方では、増幅器６０から来る直流帰還信号が抵抗Ｒ１に達する経路に沿って進む。流れる直流電流はほとんどないので、抵抗Ｒ１の両端の電圧降下は無視でき、これより直流信号は直接的に電極３０に加わる。コンデンサ４２にはダイオード・クワッド・ブリッジからの直流信号を遮断する役割がある。同様に、抵抗Ｒ２及びコンデンサ４４の効果にも同じ議論が適用される。
【００４１】
動作において、加速度が加わると、プルーフマス１６が屈曲部２２の回りに回動しようとして、プルーフマス１６と上部及び下部電極３０、３２との間に相対運動が生じる。プルーフマス１６が動いて一方の電極、例えば下部電極３２に近づくと、信号源３８からの交流信号の容量のピックアップ量が増加し、差動ブリッジ回路４６を通って増幅器６０に加わる電圧を生じさせる。その結果として直流信号電圧が増加するとそれはインバータ６２を通して下部電極３２に加えられ、また低下するとその電圧は増幅器６０から上部電極３０に加えられ、これによってプルーフマス１６に静電力が加わり、加速度の力に抵抗してプルーフマス１６をその中立位置に回復させようとする。インバータ６２に加わる減少した電圧は加速度出力３４においてモニターすることができる。この信号は抵抗を受ける加速度の力に比例するものとなっている。
【００４２】
増幅器６０の十分に大きい利得に対し、加速度が加わったときのギャップ内におけるプルーフマス１６の位置のずれは無視できるものであり、従って線形であると考えられる。大きい利得の増幅器６０を伴う閉ループである加速度計１０の応答の安定性を維持するために、高い周波数において高い利得のロールオフ（roll off）を与える必要がある。高い周波数において利得のロールオフを達成するための特に有利な機構の一つは、例えば図１に示すようにギャップ内の上部及び下部電極３０、３２とプルーフマス１６の間に気体や液体を使用した粘性制動を設けることである。
【００４３】
このようにして、精度に対するフルスケールの比率が優れていて広いダイナミックレンジを持つ、シリコン内でのミクロ機械加工よりなる新規な小型加速度計の設計及び方法が与えられる。そしてこの設計は高い対称性を有している。特にヒンジはプルーフマスの中央面上にあり、曲がりを防ぐようバランスが取れている。これにより、レンジ比に対して良好なバイアス安定性が与えられる。この設計では非常に高いループ利得を有する閉ループとなっており、また振動や静電力と比べると弱いヒンジとなっている。このこともまた、レンジ比に対する良好なバイアス安定性を与えている。高いループ利得と結合させて差動的に力を加えることにより、非線形性による誤差及び振動による誤差を最小に抑えるよう作用する。
【００４４】
本発明の設計においては、ここで開示された種々の特徴によってバイアス誤差を生じる可能性のある２次の乱れが除去された。これらの特徴には、次のものが含まれる。
【００４５】
1)チップの外部を静電シールドすること
2)周縁部の電場が最小となるよう電極を延ばすこと
3)原子レベルでの表面安定性のために電極の金属を選択すること、すなわち湿気や酸化物が成長する可能性の小さいもの
4)周縁部の残留電場の効果を軽減するために溝をエッチングすること
5)電極ギャップにおける帯電分布を安定化するための抵抗を持つコーティングを使用すること
6)構造的な曲がりの効果を軽減するためにヒンジを分割すること
7)異なる膨張特性やその他の外部的な力による曲がりを防ぐための弾性的な取り付け方法を使用すること
加えて、本発明は、プルーフマスに励起を加えることにより、また信号の取り出しと力を加える電極が同じものとなるよう構成することにより、加速度計のサーボ動作を簡単化している。
【００４６】
本発明を、現在のところ好ましいと思われる具体例を参照して説明してきたが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。むしろこのような範囲は、特許請求の範囲及びその全ての均等物よって規定される限りにおいてのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがって構成された小型加速度計を例示したものであり、加速度計のトランスデューサの一部断面図とセンサ回路の概略回路図とを併せて示してある。
【図２】図１における加速度計に使用されるトランスデューサの部品の等角図であり、開いた状態の上部及び一部を断面図で示した下側の部分を示してある。
【図３】図２の３−３で示した領域のプルーフマスの部分を示した平面図である。
【符号の説明】
１０・・・・・・加速度計
１２・・・・・・トランスデューサ
１４・・・・・・センサ回路部
１６・・・・・・プルーフマス
２１・・・・・・Ｖ字溝
２２・・・・・・屈曲部（懸架手段）
２３・・・・・・中央の軸
２４・・・・・・シリコン層
２５、２７・・・・・・ヒンジ
２６、２８・・・・・・ガラス層（絶縁層）
２６ａ、２８ａ・・・・・・ガラス表面
２９・・・・・・パッド
３０、３２・・・・・・一対の電極
３４・・・・・・加速度出力
３５・・・・・・電圧源
３８・・・・・・発振器（信号源）
４６・・・・・・差動型ブリッジ回路
６０・・・・・・増幅器
６４、６６・・・・・・ガード電極
７８、７９・・・・・・柱状部分
６８、７０・・・・・・溝
【図１】
0003672937.tif 000002
【図２】
0003672937.tif 000003
【図３】
0003672937.tif 000004