(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブストレート中に設けられ、基準電圧端子に接続されているビームで、第１の端部及び第２の端部がサブストレートに固定され、測定しようとする物理量の大きさに応じた正または負の張力を前記ビームの第１の端部と第２の端部間に受け、その張力の大きさに応じて変化する共振周波数を有し、その共振周波数が物理量の大きさを指示するビームと；
前記ビームが振動して、その振動中、そのビームとの間の距離に従って第１のキャパシタンスが変化するようビームの第１の側に設けた第１の電極と；
前記ビームの第１の側の設けられていて、そのビームとの間の距離がビームと前記第１の電極との間の距離に比例して変化し、ビームとの間の第２のキャパシタンスが前記第１のキャパシタンスと同相で変化する第２の電極と；
入力が前記第２の電極に接続され、出力が前記第１の電極に接続された増幅手段と；
を具備したトランジスタ共振一体化マイクロビーム構造であって、
前記増幅手段は：
前記第２の電極に接続された第１の端子、前記基準電圧端子に接続された第２の端子、及び第３の端子を有する第１のトランジスタと；
入力端子が前記トランジスタの第３の端子に接続され、出力端子が前記第１の電極に接続された付加段と；
を具備することを特徴とするトランジスタ共振一体化マイクロビーム構造。
【請求項２】
サブストレート中に設けられ、基準電圧端子に接続された第１のビームで、第１の端部及び第２の端部がそのサブストレートに固定され、測定しようとする物理量の大きさに応じた正または負の張力を前記ビームの第１の端部と第２の端部間に受け、その張力の大きさに応じて決まる共振周波数を有し、その共振周波数が前記物理量の大きさを指示する第１のビームと；
その第１のビームに近接して設けられ、その基準電圧端子に接続された第２のビームで、第１の端部及び第２の端部が第１のビームの第１及び第２の端部に固定され、第１のビームと平行にかつ第１のビームから一定距離を隔てて配置され、第１のビームと同様の正または負の張力をその第１の端部と第２の端部間に受け、第１のビームが振動すると、その第１のビームと同じ共振周波数で振動し、かつ第１のビームに対して位相が１８０度ずれて振動するようにして第１のビームに機械的に結合された第２のビームと；
その第２のビームに近い側である前記第１のビームの第２の側と反対の第１のビームの第１の側に近接して設けられた第１の電極で、第１のビームが振動するとき第１のビームに対して変化する第１の距離を有し、第１のビームの共振周波数で前記第１の距離に逆比例して変化する第１のビームとの間の第１のキャパシタンスを有する第１の電極と；
前記第１のビームに近い側である前記第２のビームの第２の側と反対の第２のビームの第１の側に近接して設けられた第２の電極で、第２のビームが振動するとき第２のビームに対して変化する第２の距離を有し、第２のビームの共振周波数で前記第２の距離に逆比例して変化する第２のビームとの間の第２のキャパシタンスを有する第２の電極と；
入力が前記第２の電極に接続され、出力が前記第１の電極に接続された増幅手段と；
を具備したトランジスタ共振一体化マイクロビーム構造であって、
前記増幅手段が：
前記第２の電極に接続された第１の端子、前記基準電圧端子に接続された第２の端子、及び第３の端子を有する第１のトランジスタと；
その第１のトランジスタの第３の端子に接続された第１の端子及び第１の電圧端子に接続された第２の端子を有する負荷インピーダンスと；
入力端子が第１のトランジスタの第３の端子に接続され、出力端子が前記第１の電極に接続された増幅器と；
を具備することを特徴とするトランジスタ共振一体化マイクロビーム構造。
【請求項３】
サブストレート中に設けられた振動することが可能な第１のビームと；
そのサブストレート中に第１のビームに近接して設けられた振動することが可能な第２のビームと；
前記サブストレート中に前記第２のビームに近接して設けられた振動することが可能な第３のビームと；
前記第１のビームに近接し、第１のビームに対して第１のビームの振動運動に応じて変化する値のキャパシタンスを有する第１の電極と；
前記第２のビームに近接し、第２のビームに対して第２のビームの振動運動に応じて変化する値のキャパシタンスを有する第２の電極と；
前記第３のビームに近接し、第３のビームに対して第３のビームの振動運動に応じて変化する値のキャパシタンスを有する第３の電極と；
入力が前記第１及び第３の電極に接続され、出力が前記第２の電極に接続された増幅手段と；
を具備し、
前記第１、第２及び第３のビームの端部が前記サブストレートに固定され、かつ基準電圧端子に接続されており、前記第１、第２及び第３のビームの端部に加えられるある大きさを有する物理量によって生じる正または負の張力の大きさに応じて変化する共振周波数を有し、その共振周波数が物理量の大きさを指示する；
トランジスタ共振一体化マイクロビーム構造。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、共振センサに関し、特に共振一体化マイクロビームセンサ（ＲＩＭＳ）に関する。より詳しくは、本発明は一体化されたトランジスタ及びＲＩＭＳ発振器に関する。
シングルトランジスタ共振マイクロビームデバイスは、１９６０年代に狭帯域フィルタ用として開発され、「共振ゲートトランジスタ」または“ＲＧＴ”と呼ばれた。ＲＧＴの場合は、一体型発振器（自己共振型）がデモ製品として出されたが、同じ周波数に同調をとった２つのＲＧＴデバイスを使用することが必要であった。それらの両方のデバイスが共振点で９０°の位相偏移を示し、一方のデバイスの駆動電極ではなく、ビームに信号を印加することによって、さらに１８０°の位相偏移が得られた。この共振ゲートトランジスタに関する解析は基本的に本発明に適用可能であり、トランジスタ共振マイクロビームペアの実際の電圧利得が１より小さくても、振動子の静電駆動及び容量性検出が本質的に共振周波数で入力電圧をＱの倍率で増幅するので、全開ループ利得は１より大きくなり得る。
発明の概要
本発明は、チップ上でＲＩＭＳデバイスのすぐ隣に作り込むことが可能な単一のトランジスタを用いた。共振点で共振一体化マイクロビームセンサを駆動するための簡単で安価な手段にある。マイクロビームは導通状態にあり、かつアース電位になっており、ドライブ及びセンス電極は通常共振マイクロビームの両側に置かれる。
本発明は、自己共振のためにループを閉じる代わりに、駆動電極に入力電圧を印加し、ドレインまたはコレクタで出力を取ることによって狭帯域通過フィルタとしても使用することができる。本発明のデバイスの長所は、トランジスタと共振マイクロビームが同時に、しかも各々にとって最適化されたプロセスで作り込まれるということである。本発明と従来のＲＩＭＳデバイス（１９９４年１月４日発行のＺｏｏｋ他による米国特許第５，２７５，０５５号、参照によって本願に編入される）との主な相違点は、駆動電極及びセンス電極がビームに関して互いに反対側に置かれているので、一方の電極のキャパシタンスが減少するとき他方の電極のキャパシタンスが増加するようになっており、これによって自己共振が可能であるということである。本発明の構成によれば、１より大きい利得を利用して共振歪みトランスデューサを実現し、これを適切な超小型構造により補って、圧力、加速度、力及びその他の印加刺激を測定することができるということである。
従来のＲＩＭＳセンサは、圧電抵抗器を用いてマイクロビームのたわみを検出するという原理に基づくものであった。本発明は、トランジスタを用いてマイクロビーム変位の容量性検出を行うという原理に基づいており、トランジスタは他方ではビームを駆動して自己共振を維持するために用いられる。（本願明細書においては、「マイクロビーム」と「ビーム」という用語は同義に使用する場合もある）。また、高直流インピーダンスフィードバック抵抗器を用いて、増幅器を線形領域にバイアスする。トランジスタＲＩＭＳデバイスは、トランジスタを共振マイクロビームと同じチップ上に同時に作り込む必要があるが、その製造プロセス全体は、圧電抵抗器が省かれるので、圧電抵抗型ＲＩＭＳ構造に比べて決して複雑ではない。
本発明は、はるかに簡単なポリシリコンプロセスを用いることに特徴があり、センス電流がないため、ビームのｉ2Ｒ加熱がないという長所がある。これは、圧電抵抗方式に比べて容量駆動／センス方式が持つ一般的特徴である。
要約すると、本発明のデバイスは、機械振動部材、２つの電極及びトランジスタ構造で構成された超小型電気機械発振器で、発振器の周波数が機械振動子の振動周波数によって決まるようになっている。２つの電極は、好ましくは振動ビームまたは振動部材に対して互いに反対側に配置する。その一方の電極はトランジスタの入力に接続し、もう一方の電極はトランジスタの出力に接続する。静電駆動と容量性検出を同時に行って、共振マイクロビーム歪み検出素子をその共振周波数で動作させる。
共振一体化マイクロセンサによって、センサ技術はディジタルエレクトロニクスの技術の遅れを取り戻すことができる。ほとんど全ての信号処理をディジタル化させた基本的な考え方は、２つの状態のどちらか一方を取る情報すなわちディジタル情報の方がアナログ信号よりも扱いやすく、情報精度を保ちやすいというものであった。ＲＩＭＳデバイスは、この目標を、検出された変数をスイッチングされた信号に直接変換することによって、アナログ回路によって生じるドリフトの形の誤差をなくすことにより達成するものである。検出される情報はスイッチング周波数の形で記憶される。
このようなセンサの一例がＲＩＭＳセンサである。ミクロ機械加工技術による３次元シリコン微細構造の形成における最近の進歩の結果、真空封入マイクロビームの形成が可能となった。マイクロビームの共振周波数はその幾何学的特性及び機械特性によって決まり、その電気特性とは無関係である。しかしながら、共振周波数は、楽器の弦の調子が弛緩や緊張の程度によって変化するのとほぼ同様に、ビーム上の歪みが変わると変化する。センサ構造を通じてマイクロビームに結合される歪みは、全てセンサ出力の周波数の変化を生じさせる。この疑似ディジタル信号は、緩衝増幅された後、複雑なアナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換を介することなく制御システムに直接供給される。マイクロビームとモノリシク状に形成される微細構造の設計によって誘導歪みは圧力、加速度、温度気流または湿度によって生じ得るが、必ずしもこれらのみによって生じるとは限らない。
シリコン共振マイクロビーム法では、優れた精度、安定性及びダイナミックレンジを達成することができる。ＲＩＭＳデバイスは、１００，０００を超える極めて高いクォリティ（Ｑ）係数、及び長期にわたる周波数安定性（数年経過後でも数ｐｐｍ（１００万分の１）を示すと言うことが実証されている。さらに、この種のセンサは、印加歪みによって大きな周波数遷移を示し（Δｆ／ｆ＞１４００＊Δｌ／ｌ）、そのために優れたセンサ応答性が確保される。従って、ＲＩＭＳセンサは、高い感度と空前の長期間の安定性でもって広いダイナミックレンジにわたり多数の物理変数及び環境変数を検出するために用いることができ、しかもディジタル回路への直接入力信号が得られる。ＲＩＭＳ発振器では、周波数出力が直接得られるが、これは高性能ディジタルセンサにとって非常に望ましいことである。電気的周波数からディジタルデータへの変換はダイレクトカウンタ及び基準クロックによって行うことができる。この組合せは、一般に最も簡単で、最も正確かつ最も費用効果の高いアナログ−ディジタル変換プロセスであると考えられている。さらに、可変周波数出力を、様々な距離にわたってエラーなしで伝送することができ、しかもドリフト、歪み及び外部干渉がほとんどない。共振センサは、本来的に検出変数を周波数に変換するので、従来のＡ／Ｄ変換方式に比べて簡単性、信頼性及び弁別性も改善される。固有のディジタル読み出し装置は、今日のディジタル制御システムに全く好適である。
共振センサは、長年にわたって高精度測定を行うために使用されてきた。ＲＩＭＳ方式は、ＲＩＭＳ構造は完全なモノリシックシリコン構造であって、付随的に他の材料（すなわち圧電材料、磁性材料または金属）を有しないので、水晶発振器のような他の共振センサに比して顕著な長所がある。ＲＩＭＳ構造は、通常高温（たとえば≒摂氏９５０℃）でアニール加工されて、通常のセンサ動作温度（−５０℃乃至＋１５０℃）以上の温度でクリープや応力緩和を生じることがなく、完全に安定になる。
【図面の簡単な説明】
図１ａは、シングルビーム、シングルトランジスタＲＩＭＳの電子回路の概略回路図である。
図１ｂは、図１ａの電子回路の等価回路の回路図である。
図１ｃは、バイポーラトランジスタを組み込んだトランジスタＲＩＭＳの電子回路の概略回路図である。
図２ａは、シリコン一体化回路に作り込まれたシングルトランジスタ・シングルビームＲＩＭＳの上面図である。
図２ｂは、図２ａのデバイスのビームエレメントの側面図である。
図３は、ＲＩＭＳのビームの運動と電子信号との間の位相関係を示す波形図である。
図４は、アースに容量結合された中心タップを有するフィードバック抵抗器を示す。
図５ａ及び５ｂは、フィードバック抵抗器の他の２つの変形態様を示す。
図６は、翼状共振ビームを示す。
図７は、軽結合デュアルビーム共振器を示す。
図８ａ及び８ｂは、１本のビームの同じ側に配置されたセンス電極及び駆動電極の電子回路の概略回路図である。
図９ａ及び９ｂは、デュアルビームＲＩＭＳの構造及び電子回路を示す。
図１０ａ乃至１０ｄは、トリプルビームＲＩＭＳの構造及び電子回路を示す。
図１１ａ乃至１１ｃは、カンチレバービーム構造を示す。
図１２ａは、閉ループカンチレバービーム構造の電子回路の概略回路図である。
図１２ｂは、開ループカンチレバービーム構造の電子回路の概略回路図である。
図１２ｃは、閉ループカンチレバーデュアルビーム構造の電子回路の概略回路図である。
図１２ｄは、開ループカンチレバーデュアルビーム構造の電子回路の概略回路図である。
実施形態の説明
図１ａは、トランジスタＲＩＭＳデバイス１０の概略回路図である。その等価回路を図１ｂに示す。共振マイクロビーム１４は、基準電圧端子またはアースに電気的に接続されているので、接地ビーム構造として図示してある。ビーム１４の両側には静電駆動電極１６及び容量性センス電極１８が配置されている。センス電極１８は、ビーム１４とセンス電極１８の間のキャパシタンスの変化を通してビーム１４の運動または振動を検出する。その際、電極１８とビーム１４は、実際上、ビーム１４の振動時にビーム１４と電極１８との間の距離に従って変化するキャパシタンスＣsの電極を形成する。ビーム１４と電極１８の間の関係を示す信号がＦＥＴ２６のゲート２８に供給される。駆動電極１６はドレイン２４に接続されている。ドレイン２４は回路１０の出力３５を構成している。出力３５は、ビーム１４を静電的に駆動して運動させ、その共振周波数での振動を持続させるように、駆動信号を電極１６に供給する。駆動電極１６の構造及びそのビーム１４との関係並びにこれに対応するキャパシタンスＣdは、ビーム１４とセンス電極１８との関係に似ている。ＦＥＴ２６のドレイン２４は、負荷抵抗器３２と負荷コンデンサ３４が並列に接続されて構成された負荷インピーダンスの一端に接続されている。負荷インピーダンスの他端は電圧源Ｖ＋３３に接続されている。負荷抵抗器３２と負荷コンデンサ３４の値は、ビーム１４の共振周波数範囲と関係し、この共振周波数範囲は、ビームに加わる正及び／または負の張力に一部左右される。回路１０の出力３５の信号はゲート２８に供給されるその入力と位相が１８０度ずれている。これは、電極１８と１６がビーム１４の反対側にあって、実際上の容量性電極対１４及び１６と１４及び１８との距離関係が位相で１８０度ずれているからである。ＦＥＴ２６のソース３６は基準端子またはアース３１に接続されている。フィードバックインピーダンス３８は、一端がＦＥＴ２６のドレイン２４に、他端がＦＥＴ２６のゲート２８にそれぞれ接続されている。フィードバックインピーダンス３８は、ＦＥＴ２６がその性能特性の所望の範囲内で動作するように、一定の負帰還を与えて、ＦＥＴ２６のゲートバイアスを安定化させる。フィードバック抵抗器３８は、たとえば約１０8オームのオーダーの値を有する抵抗器を用いればよい。本発明は、電界効果トランジスタとの関連で説明する。しかしながら、本発明は、バイポーラトランジスタによっても、あるいは電界効果トランジスタとバイポーラトランジスタの組合せを用いても実施することが可能である。
図１ｃは、図１ａと同様の回路１５を示しており、回路１５は、ＦＥＴ２６ではなくバイポーラトランジスタ２５を有するという点が、図１の回路と異なっている。すなわち、ＦＥＴ２６のゲート２８、ドレイン２４及びソース３６の代わりに、バイポーラトランジスタ２５のベース２９、コレクタ２３及びエミッタ２７がそれぞれ設けられている。
図２ａは、トランジスタＲＩＭＳのレイアウト３０の上面図を示し、図２ｂは、ｎ形導電ビーム１４、サブストレートまたは下層のエピタキシャルアイテム２２中のｐ−ｎ接合駆動電極１６、及びシェル中のイオン注入センス電極１８を有するＲＩＭＳ構造２０の断面を示す。これら２つの電極１６及び１８の役割は互いに取り替えることができるが、図２ａ及び２ｂの構成が選ばれたのは、電極１６及びサブストレート２２のアースに対するキャパシタンスがより大きく、従ってこの構成がビーム１４を駆動するのにより適切であるためである。負荷キャパシタンス３４は、大きなドレイン電極２４を用いることによって意図的に大きくしてある。センス電極１８は、アースに対するキャパシタンスを小さくすべきで、図示のように、隣接トランジスタのゲートに結合されたドープされないポリシェル中の注入が浅くなっている。ポリシリコンの直流漏れ抵抗は、ドレイン２４の電位でゲート２８に直流バイアスを与えるが、負帰還によって交流利得を低下させるようなフィードバックキャパシタンスは与えない。ソース３６及びドレイン２３については、それぞれ拡散が行われる。
図２ａ及び２ｂに示す構成の特徴は、導電ビーム１４がセンス電極と駆動電極１６との間に接地平面を形成すると言うことである。この接地平面の遮蔽作用によって、ビーム１４の力学的運動と無関係な振動を生じさせる原因になると思われる容量結合による直接的電圧フィードバックが防止される。理想的に接地されたビーム１４においては、ビーム１４の物理的運動だけがセンスキャパシタンスを変化させ、ゲート２８に交流電圧を生じさせる。
図３は、様々な構成部分における主要信号間の位相関係を示す。フィードバック抵抗器３８はドープされていないポリシリコンで形成することができ、約１０8オームという非常に大きい抵抗値を有し、トランジスタがその性能曲線の高利得領域におけるスレッショルドに近い低電流レベルでオンになるようにゲート２８の直流電圧を設定する。変位ｘは、ビーム１４が駆動電極１６に向けて図２６の下方に）変位したとき、正変位とする。正変位ｘは、センスコンデンサのギャップが増大するので、センスキャパシタンスの減少を意味する。図３には、ＲＩＭＳ発振器の様々な物理的、電気的作用の位相関係が示されている。曲線４０は、変位ｘを表し、曲線４１は速度ｘを表す。センスキャパシタンスに関する容量変化は曲線４２によって表されている。ここでは、振動期間中電荷が一定に保たれるよう、センス／ゲート電極のアースに対する交流インピーダンスは非常に高いものと仮定されている。従って、曲線４２によって表されるキャパシタンスＣsの減少は曲線４３によって表されるセンス電圧の増加を意味する。容量性負荷がない場合（ＣL＝０）、曲線４５によって表されるドレイン２４の電圧、すなわち駆動電圧ＶDは、曲線４３によって表されるセンス電圧と同じであるゲート電圧に対して１８０度位相がずれることになる。また、このような条件下では、駆動電圧４５は、曲線４４によって表される駆動電流に対して位相が１８０度ずれる。しかしながら、実際のデバイスにおいては、容量性負荷３４はゼロではないため、駆動電圧４５は位相が遅れる。従って、曲線４６によって表される駆動電圧４５の容量成分は、ビーム１４の速度４１と同相になっており、ビーム１４の振動を維持するために必要な条件に適う。図１ｂは、本発明の解析のための等価回路を示す。
この等価回路で使用される記号の意味は下記の通りである。
0003694028.tif 000002
0003694028.tif 000003
Ｖs＝直流センス電圧
Ｖd＝直流駆動電圧
0003694028.tif 000004
0003694028.tif 000005
Ｃg＝有効ゲートキャパシタンス
ＣL＝負荷キャパシタンス
Ｇd＝ドレインコンダクタンス
ＧL＝負荷コンダクタンス
Ｙf＝フィードバックアドミタンス（極微小）
ｍ＝マイクロビームの実効質量
ｋ＝マイクロビームの機械的剛性
0003694028.tif 000006
ｑs＝センス電極上の電荷
ｑd＝駆動電極上の電荷
ｑg＝ゲート電極上の電荷
Ｉm＝複素数の虚部
ｈb＝ビームの厚さ
基礎方程式は下記のように表される。
0003694028.tif 000007
0003694028.tif 000008
0003694028.tif 000009
0003694028.tif 000010
ｑg＝−ｑs（ほぼ保存電荷に等しい）
0003694028.tif 000011
最小Ｑでの解析においては、小信号の場合と仮定し、方程式１をｅjωt項で表すことにより、共振の条件を導出することができる。
0003694028.tif 000012
虚数項は次式で表される。
0003694028.tif 000013
次に、上式（２）、（３）及び（４）を結合して、次式を得る。
0003694028.tif 000014
共振のための条件を得るには、ω＝ω0及び
0003694028.tif 000015
と置くと、
0003694028.tif 000016
ｘ0＜＜  ｈdと置くと、次式によりＱの必要最小値が得られる。
0003694028.tif 000017
0003694028.tif 000018
（方程式（５）では、Ｙf＝ドレイン−ゲート間アドミタンスを介しての電気的フィードバックは無視されていると言うことに留意すべきである。）
以下に、方程式（５）の数値解の例を示す。
Ｃg＝Ｃs＝Ｃd＝Ｃo
0003694028.tif 000019
ｈd＝ｈs＝ｈb＝ｈ
Ｖdo＝Ｖso＝Ｖo
ｋ＝ｍω02＝ρＡbｈbω02
0003694028.tif 000020
Ｇd＋ＧL＝ωＣL＝ｇo，
0003694028.tif 000021
ｈ＝１μm、Ｖ0＝１Ｖとすると、
0003694028.tif 000022
従って
0003694028.tif 000023
0003694028.tif 000024
μ＝１０とすると、Ｑmin＝６，０７０となる。
もう一つの例では、Ｌ／ｈb＝２５０、μ＝0.1とすると、Ｑmin＝１６，０００となる。この例は、トランジスタの電圧利得が１より小さくなり得、その場合でも、トランジスタの電力利得は１より大きいので、デバイスは自己共振することができるということを示している。
前記の式の展開において、添字ｓ及びｄはそれぞれセンス電極１８及び駆動電極１６を示す。力学的な基礎方程式は、運動方程式１で、ビーム１４上の力が駆動電極１６及びセンス電極１８上の電荷によって書かれている。これらの電荷は電極上の電圧を決定する。電荷が保存されると言う仮定によって、センス電圧を変位振幅Ｘ1と関連づける方程式３が導かれる。その次の一群の方程式は、発振を維持するのに必要な力学的クォリティ係数Ｑの最小値を表す方程式を直接導く仕方を示したものである。方程式５は、ギャップ間隙ｈs及びｈdを小さくし、トランジスタの相互コンダクタンスを大きくし、電極バイアス電圧Ｖdo及びＶsoを高くすると、Ｑの必要最小値が小さくなるということを示している。その次には、この方程式の利用例が示されている。
本発明においては種々の構成が実施可能である。図５ａ乃至５ｂはフィードバック抵抗器３８のいくつかの等価回路の例を示したものである。図５ａのフィードバック抵抗器３８は、約１０8オームで、無ドープポリシリコンを用いて実装することができ、好ましくは、アースへの高インピーダンス直流パスを避ける、特に高温における高インピーダンス直流パスの形成を避けるために、ポリシリコンを窒化物膜によって分離することが望ましい、ドレイン−ゲートのフィードバックを防ぐために、アースへの低交流インピーダンスパスを形成すべきである。窒化物膜のキャパシタンスは、図５ｂに示すような分布キャパシタンス４８を形成するが、図４に示すように、別途に負荷キャパシタンスを設けることが必要な場合もある。
顕著な利点を得ることが可能なもう一つのビーム構成５２を図６に示す。構成５２は、飛行機の翼のように両側にサイドブレーキ５６及び５３を配置して取り付けたビーム５４のねじりまたは曲げモードを利用するものである。駆動電極１６及びセンス電極１８は同じ側を向くように（すなわち、両方とも翼５６及び５３の上または下を向くように）配置されており、一方の側のコンデンサの容量が減少するときは、他方の側のコンデンサの容量が増加するようになっている。従って、位相関係は、図２におけるように電極１６と１８がビームの上下に配置されている場合と同じである。ビーム５４及びビーム５４の上部のシェルの局在領域は接地され、駆動電極１６とセンス電極１８との間またはゲート２８とドレイン２４との間に、所期の通りに、十分な電気的絶縁が確保されるようになっている。前記の解析は構成５２の場合にも当てはまる。潜在的に考えられる構成５２の長所は、ビームの下側にｐ−ｎ接合が不要であり、シェル上の同一平面電極がＦＥＴに接続しやすく、駆動またはセンス電極キャパシタンスの所与の変化に対するビームの歪みエネルギーが小さく（歪み感度は低くなるが）、最終損失が小さくなる結果よりＱが高くなるということである。
もう一つの実施形態５５は、図７に示すように共面状の駆動電極１６及びセンス電極１８を用いたものである。この構成５５では、音叉のように、端部の支持部を介して互いに弱く結合された２本のビーム５７及び５９が用いられる。反対称振動モードによって、一方のビームが上方に動くときは、他方のビームは下方に動き、また逆に一方のビームが下方に動くときは、他方のビームは上方に動くようになっている。すなわち、両ビームは互いに位相が１８０度ずれている。この場合にも前記の解析は当てはまり、センス電極１８からの信号を増幅し、駆動電極１６に供給することによって、１つのトランジスタによって共振を維持することができる。
図８ａには、もう一つの実施形態６０が示されている。この実施形態においては、駆動電極１６とセンス電極１８がビーム６２の同じ側に配置されており、駆動電極１６とセンス電極１８の２つのキャパシタンスが互いに同相で変化するようになっている。共振器６０の駆動電圧は、前記のいくつかの実施形態の場合と位相が逆になっている。付加段６４は、駆動電極１６に必要な反転信号を得るためのものである。トランジスタ６６及び６８は、さらに１８０度の位相変化を与える電流ミラーを有するｐ−チャンネル金属酸化物半導体（ＰＭＯＳ）デバイスである。トランジスタ２６は、同種のプロセスになるｎ−チャンネルトランジスタである。アースとトランジスタ６８の間には負荷抵抗器及びコンデンサが接続されており、トランジスタ６８と負荷抵抗器／コンデンサ７０の間には駆動電極が接続されている。デバイス６０の製造プロセスでは、相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いることも可能である。基本的なＣＭＯＳプロセスでは、ｎ−チャンネル金属酸化物半導体（ＮＭＯＳ）技術プロセスに比べて余分の製造ステップが必要であるが、より高度の設計フレキシビリティが得られる。
センス電極１８と駆動電極１６と間の位相の同相性は、図８ｂの構成６１におけるソースフォロワ１８０によって達成することができる。ソースフォロワ回路１８０の電圧利得は、この回路の電流利得または電力利得は、十分高いＱを有する発振器にとって十分である。非常に高い値を有するバイアス抵抗器１８２が、トランジスタ１８０のドレインとゲートの間に接続され、これによってゲートバイアスを得ている。負荷抵抗器１８４は、負帰還を与えてバイアスを安定させる。負荷コンデンサ１８６は、発振に十分な正しい位相でビーム６２を駆動するために遅相電圧成分を与える。トランジスタ１８０のゲートには、容量性センス電極１８が、ソースには静電駆動電極１６がそれぞれ接続されている。
図９ａは、ダブルビーム共振一体化マイクロビームセンサ８０の側断面図である。図示のデバイス８０と前述のマイクロビームの実施形態との最も顕著な相違点は、複数ビーム構造にある。デバイス８０はポリシリコンフィルムを用いてミクロ機械加工することができる。サブストレート８２中には駆動電極７６が設けられている。サブストレート８２に近接しては、下部キャビティ８４があり、キャビティ８４に近接しては、シリコン８２の一体部分としてその両端部が固定された第１のマイクロビーム７２が設けられている。また、第１のマイクロビーム７２と平行に、ビーム７２に背負わせた第２のマイクロビーム７４が設けられている。マイクロビーム７４は、マイクロビーム７２と同じシリコン片からミクロ機械加工された状態で両端部が固定されている。スリット状の中間キャビティ８６がビーム７２と７４の間に形成されている。ビーム７４に近接しては、電極７８とビーム７４を覆うシェル９０の一体部分をなすセンス電極７８が設けられている。センサ７８とビーム７４との間には上部キャビティ８８が設けられている。シェル９０は、キャビティ８８に完全な密封性を与える。キャビティ８４、８６及び８８は排気されて、共通の真空チャンバを形成する。
図９ｂは、ダブルビームＲＩＭＳ８０の電子シフトレジスタを示す。駆動電極７６は、マイクロビーム７２をその共振周波数のあるモードで振動させる駆動電圧信号を有する。ビーム７４はビーム７２との機械的結合を介して同じ周波数で振動する。ビーム７２及び７４はアースに接続されている。共振周波数の値は、ビーム７２及び７４に作用する縦方向張力の大きさを示し、圧力、加速度あるいはその他の物理量の測定値を示すことができる。センス電極７８はマイクロビーム７４に近接して設けられており、マイクロビーム７４の振動を電気的に検出し、振動指示信号をｎ−チャンネルトランジスタ９２へ送る。トランジスタ９２は、振動指示信号を増幅し、その増幅された信号は、カップリングコンデンサ９４によってｐ−チャンネルトランジスタ９６及びｎ−チャンネルトランジスタ９８を有するプッシュプル増幅器に結合される。トランジスタ９６のドレインを及びトランジスタ９８のドレインの共振接続点が出力１０８になっており、この出力１０８は駆動電極７６に接続されている。トランジスタ９２のゲートは高インピーダンスフィードバック抵抗器１０２の一端に接続されている。抵抗器１０２の他端は、トランジスタ９２のドレインに接続されている。抵抗器１０２の値は、トランジスタ９２のバイアスが線形範囲に維持されるような値になっている。負荷抵抗器１０４及び負荷コンデンサ１０６は互いに並列に接続されていて、トランジスタ９２のドレインを正（５〜１２ボルト）電源Ｖ＋に接続する。抵抗器１０４及びコンデンサ１０６の値は、マイクロビーム７２及び７４の共振周波数によって決まる。
図１０ａ乃至１０ｄは、トリプル共振一体化マイクロビームセンサ１００を示す。図１０ａはＲＩＭＳ１００の構造の側面図である。デバイス１００はシリコンまたは他の同様の加工可能材料からミクロ機械加工によって製造することができる。サブストレート１１０中には、センタービーム１２０に近接して、これを駆動する駆動線または電極１１６が設けられている。また、サブストレート１１０中にはエッジビーム１２２に近接して、これを検出するセンス電極１１４、及びエッジビーム１２４に近接して、これを検出するセンス電極１１８が設けられている。これらの電極は、断面図の切断位置の故に図１０ａには示されていないが、図１０ａを９０度回転させて切断した断面図である１０ｂには描かれている。駆動及びセンス線１１４、１１６及び１１８の近傍には下部キャビティ１２６が形成されている。センス線に近接してその上部には、同じシリコン層または面１３２中にあるマイクロビームセグメント１２０、１２２及び１２４が設けられている。ビーム１２０は図１０ａに図示されている。図１０ｂ及び１０ｃは、ビーム１２０、１２２及び１２４の物理的関係を示す。ビーム１２０、１２２及び１２４に近接しては、上部キャビティ１２８が設けられている。これらの全体、すなわち下部キャビティ１２６及び上部キャビティ１２８の上部には、これらを密閉し、ビーム１２０、１２２及び１２８を封止するシェル１３０が設けられている。キャビティ１２６及び１２８は真空に保たれる。ビーム１２０、１２２及び１２４は、各トリプルマイクロビームの両端部が固定されている。センタービーム１２０は、通常エッジビーム１２２及び１２４の各々の幅の２倍の幅を有する。ビーム１２０、１２２及び１２４は、スリット１３４によって互いに、また部分的に層１３２と分離されている。エッジビーム１２２及び１２４は互いに同相に、またセンタービーム１２０と１８０度の位相ずれをもって振動する。エッジビーム１２２及び１２４はセンタービーム１２０からの振動を機械的に結合する。ビーム１２０、１２２及び１２４の共振周波数はこれらのビームの取付端部を介してこれらのビームに作用する張力によって変化する。この張力は測定しようとする物理現象の大きさと関係し、ビームの共振周波数の値によって指示される。
図１０ｄは、トリプルビームＲＩＭＳ１００の電子回路の概略回路図である。センス電極１１４及び１１８はｎ−チャンネルトランジスタ１３６のゲートに接続されている。駆動電極１１６はトランジスタ１３６の出力及びドレインに接続されている。トランジスタ１３６のゲートとドレインの間には高抵抗フィードバック抵抗器１３８が接続されている。負荷抵抗器１４０は負荷コンデンサ１４２と並列に接続されている。抵抗器１４０及びコンデンサ１４２は、トランジスタ１３６のドレインを正電圧電源Ｖ＋に接続し、可変の出力レベルを設定する。
図１１ａ及び１１ｂは、一端だけがサブストレート１５２に結合された構造のマイクロビーム１４４を示す。このようなマイクロビーム構造１５０は、マイクロビーム構造１５０の共振周波数がその温度との関係で変化するので、温度センサとしての用途を有する。マイクロビーム構造１５０は、前述の電気機械式フィルタとしても用いることができる。サブストレート１５２中には、カンチレバービーム１４４を駆動するための駆動電極１４６が設けられている。カンチレバービーム１４４はアースに接続されていて、駆動電極１４６と関係したキャパシタンスを有する電極を形成し、このキャパシタンスはビーム１４４と電極１４６の間の距離に応じて変化する。この距離はビーム１４４が運動あるいは振動するに従って変化する。ビーム１４４は、層１５４と同じ材料でギャップ１５６を置いて形成されている。ビーム１４４と駆動電極１４６との間には下部キャビティ１５８が設けられている。ビーム１４４の上部には、上部キャビティ１６４と共にシェル１６２が設けられている。ビーム１４４は上部キャビティ１６４及び下部キャビティ１５８の空間の真空中に置かれている。センス電極１４８はシェルに配置されていて、ビーム１４４と関係したキャパシタンスを有し、このキャパシタンスはビーム１４４と電極１４６との間の距離に応じて変化する。図１１ａは、ビーム１４４の上のシェル１６２を除いて層１５４の面を示したもので、カンチレバービーム１４４を形成するギャップ１５６が示されている。
図１１ｃは、ギャップ１７０によって形成され、サブストレート１７２上に互いに側方に配置された２本のカンチレバービーム１６６及び１６８を有する構成１６０を示す。これらの対状のカンチレバービーム１６６及び１６８は、互いに機械的に結合されていて、駆動電極１７６がビーム１６６を駆動すると、ビーム１６６はその振動をビーム１６８に結合し、ビーム１６８が振動して、その振動がセンサ電極１７８によって検出される。電極１７６及び１７８はサブストレート１７２中に設けられている。図１１ｃの構成１６０は、図１１ａ及び１１ｂの構成１５０と同様のシェルと上部及び下部チャンバを有する。
図１２ａは、温度センサとして用いられるシングルカンチレバービーム１４４に付随した電子回路の概略回路図である。この電子回路は、図１ａの電子回路と類似している。ビーム１４４は駆動電極１４６によって駆動され、その振動が電極１４８によって検出される。ビーム１４４の共振周波数が、温度に応じて弾性率の僅かな変化により変化するので、温度指示器として用いられる。
図１２ｂのデバイスはビーム１４４の共振周波数のフィルタである。濾波しようとする信号は駆動電極１４６に供給されて、ビーム１４４を励振する。ビーム１４４の共振周波数以外の周波数を有する信号はほとんどビーム１４４を振動させず、従ってセンス電極１４８により検出される信号は無視できるほど弱い。ビーム１４４の共振周波数である周波数を有する信号はビーム１４４を容易に駆動して共振させ、センス電極によって有意の信号が検出され、付随の電子回路によって増幅される。
図１２ｃは、デュアルカンチレバービームとその付随電子回路の概略回路図を示す。図示の電子回路の出力は、ビーム１６６をビーム１６６の装置温度に応じて変化する共振周波数で駆動する。ビーム１６６の振動は、機械的結合を介してビーム１６８を駆動し、ビーム１６６と同じ周波数で共振させる。ビーム１６８の駆動はセンス電極１７８によって検出され、センス電極１７８は電子回路にその信号を入力する。電子回路の出力は駆動電極１７６に送られてビーム１６６の振動を、従ってビーム１６８の振動を持続させる。電極１７６及び１７８はビーム１６６及び１６８の同じ側にある。ビーム１６６及び１６８は互いに１８０度の位相差で振動し、検出された信号は単に増幅されるだけでなく、反転されて駆動電極１７６へ送られる。
図１２ｄには、デュアルマイクロビームフィルタセンサが示されている。このビーム構成は、駆動電極１７６が濾波しようとする信号を受け取るという点で電子回路と電極１７６及び１７８との接続関係が異なる以外は、図１２ｃの構成と同様である。このデバイスはビーム１６６の共振周波数のフィルタである。濾波しようとする信号は駆動電極１７６に供給されてビーム１６６を駆動する。ビーム１６６の共振周波数以外の周波数を有する信号はほとんどビーム１６６を振動させず、従って機械的結合を介してのビーム１６８の振動は無視可能なほど弱いか、存在せず、センス電極１７８によって検出される信号は無視できるほど弱いか、あるいは全く検出されない。ビーム１６６の共振周波数である周波数を有する信号はビーム１６６を容易に駆動して共振させ、その振動がビーム１６８に結合されて、共振させる。その振動はセンス電極１７８によって検出され、その検出された信号はトランジスタ２６のゲートに入力されて増幅される。ドレイン２４に生じる出力は通過帯域の信号で、ビーム１６６及び１６８の共振周波数の信号である。図１２ａ及び１２ｃの温度検出構成の電子回路は図１ａの構成１０の電子回路と同様である。図１２ｂ及び１２ｄのフィルタ構成の電子回路も、同様に図１ａの構成１０の電子回路と類似しているが、ただし、図１２ｂ及び１２ｄの電子回路は単なるビームの検出振動の増幅器であって、ビームの振動を維持するための発振器は不要であるから、負荷コンデンサ３４は不要であり、組み込まれていない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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