(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳデバイスの作製中及び使用中に生じるスティクションに耐性を有するデバイスが必要とされる。【解決手段】離間された関係で基板の表面の上に位置づけられている可動要素と、可動要素を基板に相互接続させる少なくとも１つのバネ部材であって、可動要素の運動を可能にし、および第１の剛性を示す、少なくとも１つのバネ部材と、可動要素に対向している少なくとも１つの電極と、少なくとも１つの電極と通信状態にある電圧源であって、電圧源はバネ部材の剛性を第１の剛性から第２の剛性にシフトさせるために少なくとも１つの電極にバネ軟化電圧を印加するように構成されており、第２の剛性は第１の剛性よりも小さい電圧源とを備えるＭＥＭＳデバイスを提供する。【選択図】図４
2014153363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
基板と、
離間された関係で前記基板の表面の上に位置づけられている可動要素と、
前記可動要素を前記基板に相互接続させる少なくとも１つのバネ部材であって、前記可動要素の運動を可能にし、および第１の剛性を示す、少なくとも１つのバネ部材と、
前記可動要素に対向している少なくとも１つの電極と、
前記少なくとも１つの電極と通信状態にある電圧源であって、該電圧源は前記バネ部材の剛性を前記第１の剛性から第２の剛性にシフトさせるために前記少なくとも１つの電極にバネ軟化電圧を印加するように構成されており、前記第２の剛性は前記第１の剛性よりも小さい、電圧源とを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つのバネ部材の前記第１の剛性は、前記バネ部材の所定の動作剛性の２倍よりも大きい、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記第２の剛性は前記所定の動作剛性にほぼ等しく、前記所定の動作剛性は入力刺激の大きさに対する前記可動要素の感度を規定する、請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記少なくとも１つのバネ部材の前記第１の剛性は、前記バネ部材の所定の動作剛性よりも２〜６倍大きい範囲内にある、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記可動要素は、前記バネ軟化電圧が前記少なくとも１つの電極に印加されるに際し、入力刺激に応答して運動するように構成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電極と電気的に通信している検出回路であって、前記少なくとも１つの電極からの出力信号に応答して前記可動要素のスティクション状態を検出するように構成されている、検出回路と、
前記少なくとも１つの電極および前記可動要素と通信しているマルチプレクサ回路であって、前記スティクション状態に応答して前記バネ軟化電圧を実質的に除去するために、前記少なくとも１つの電極および前記可動要素の各々を均等な電圧電位に設定するように構成されている、マルチプレクサ回路とをさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
前記可動要素に与えられる入力刺激に応答して電気出力信号を生成するための検知回路であって、前記少なくとも１つの電極と電気的に通信している、検知回路と、
前記可動要素に対向している少なくとも１つのフォースフィードバック電極と、
前記電気出力信号に基づいて前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極に印加されるフィードバック電圧を制御するための静電気的フォースフィードバック回路であって、前記検知回路と前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極との間に置かれている静電気的フォースフィードバック回路とをさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの電極と電気的に通信している検出回路であって、前記少なくとも１つの電極からの出力信号に応答して前記可動要素のスティクション状態を検出するように構成されている、検出回路と、
前記少なくとも１つの電極、前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極、および前記可動要素と通信しているマルチプレクサ回路であって、前記スティクション状態に応答して前記バネ軟化電圧を実質的に除去するために、前記少なくとも１つの電極、前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極、および前記可動要素の各々を均等な電圧電位に設定するように構成されている、マルチプレクサ回路とをさらに備える、請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
前記可動要素は、前記可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置づけられている回転軸に対して運動するように構成されており、前記可動要素の第１の部分は前記回転軸と前記第１の端部との間に形成されており、前記可動要素の第２の部分は前記回転軸と前記第２の端部との間に形成されており、前記第１の部分が有する第１の質量は前記第２の部分の第２の質量よりも大きく、
前記少なくとも１つの電極は、前記可動要素の前記第１の部分に対向している第１の電極と、前記可動要素の前記第２の部分に対向している第２の電極とを含み、前記バネ軟化電圧は、前記第１の電極および前記第２の電極の各々に印加される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを動作させる方法であって、該ＭＥＭＳデバイスは、離間された関係で基板の表面の上に位置づけられている可動要素と、前記可動要素を前記基板と相互接続する少なくとも１つのバネ部材と、前記可動要素に対向している少なくとも１つの電極とを備え、前記少なくとも１つのバネ部材は前記可動要素の運動を可能にし、前記少なくとも１つのバネ部材は第１の剛性を示し、前記方法は、
前記バネ部材の剛性を前記第１の剛性から第２の剛性にシフトさせるために前記少なくとも１つの電極にバネ軟化電圧を印加するステップであって、前記第２の剛性は前記第１の剛性よりも小さい、印加するステップと、
前記少なくとも１つの電極から提供される出力信号から前記可動要素のスティクション状態を検出するステップであって、前記スティクション状態は、前記可動要素が許容可能な運動範囲を超えて運動していることを示す、検出するステップと、
前記バネ部材の前記剛性を前記第２の剛性から前記第１の剛性にシフトさせて、それによって前記可動要素が前記許容可能な運動範囲内の第１の位置に戻ることを可能にするために、前記スティクション状態に応答して前記少なくとも１つの電極から前記バネ軟化電圧を除去するステップとを備える、方法。
【請求項１１】
前記第２の剛性は所定の動作剛性にほぼ等しい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのバネ部材の前記第１の剛性は、前記バネ部材の所定の動作剛性の２倍よりも大きく、前記所定の動作剛性は入力刺激の大きさに対する前記可動要素の感度を規定する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記可動要素に与えられる入力刺激に応じた入力信号を検知するステップをさらに備え、該検知動作は前記バネ軟化電圧が前記少なくとも１つの電極に印加されるに際し実行される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記検出動作は、前記出力信号が過負荷閾値を超えることを判定するステップを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＭＥＭＳデバイスは、前記少なくとも１つの電極と電気的に通信状態にある検知回路と、前記可動要素に対向している少なくとも１つのフォースフィードバック電極と、前記検知回路と前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極との間に置かれている静電気的フォースフィードバック回路とをさらに含み、前記方法は、
前記検知回路において、前記可動要素に与えられる入力刺激に応答して電気出力信号を生成するステップと、
前記フォースフィードバック回路において、前記電気出力信号に基づいてフィードバック電圧を制御するステップと、
前記フォースフィードバック回路から前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極に前記フィードバック電圧を供給するステップとをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記除去する動作は、前記少なくとも１つの電極、前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極、および前記可動要素の各々を均等な電圧電位に設定するステップを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記除去する動作後、前記可動質量部の前記第１の位置への復帰を検出するステップと、
前記バネ部材の前記剛性を前記第１の剛性から前記第２の剛性にシフトさせるために前記少なくとも１つの電極に前記バネ軟化電圧を再び印加するステップとをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記可動要素は、前記可動要素の第１の端部と第２の端部との間に位置づけられている回転軸に対して運動するように構成されており、前記可動要素の第１の部分は前記回転軸と前記第１の端部との間に形成されており、前記可動要素の第２の部分は前記回転軸と前記第２の端部との間に形成されており、前記第１の部分は前記第２の部分の第２の質量よりも大きい第１の質量を有し、前記少なくとも１つの電極は、前記可動要素の前記第１の部分に対向している第１の電極と、前記可動要素の前記第２の部分に対向している第２の電極とを含み、前記印加する動作は、前記第１の電極および前記第２の電極の各々に前記バネ軟化電圧を印加する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
基板と、
離間された関係で前記基板の表面の上に位置づけられている可動要素と、
前記可動要素を前記基板に相互接続させる少なくとも１つのバネ部材であって、前記可動要素の運動を可能にし、および第１の剛性を示す、少なくとも１つのバネ部材と、
前記可動要素に対向している少なくとも１つの電極と、
前記可動要素に対向している少なくとも１つのフォースフィードバック電極と、
前記少なくとも１つの電極と通信状態にある電圧源であって、該電圧源は前記バネ部材の剛性を前記第１の剛性から第２の剛性にシフトさせるために前記少なくとも１つの電極にバネ軟化電圧を印加するように構成されており、前記第２の剛性は前記第１の剛性よりも小さい、電圧源と、
前記可動要素に与えられる入力刺激に応答して出力信号を生成するための検知回路であって、前記少なくとも１つの電極と電気的に通信している検知回路と、
前記出力信号に基づいて前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極に印加されるフィードバック電圧を制御するための静電気的フォースフィードバック回路であって、前記検知回路と前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極との間に置かれている静電気的フォースフィードバック回路と、
前記検知回路と電気的な通信状態にある検出回路であって、前記出力信号に応答して前記可動要素のスティクション状態を検出するように構成されている、検出回路と、
前記少なくとも１つの電極、前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極、および前記可動要素と通信状態にあるマルチプレクサ回路であって、前記スティクション状態に応答して前記バネ軟化電圧を実質的に除去するために、前記少なくとも１つの電極、前記少なくとも１つのフォースフィードバック電極、および前記可動要素を均等な電圧電位に設定する、マルチプレクサ回路とを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのバネ部材の前記第１の剛性は、前記バネ部材の所定の動作剛性の２倍よりも大きく、前記第２の剛性は前記所定の動作剛性にほぼ等しく、前記所定の動作剛性は前記入力刺激の大きさに対する前記可動要素の感度を規定する、請求項１９に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より具体的には、本発明は、スティクションに対する耐性が増強されたＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシニングならびに他の微細加工技法および微細加工処理の進歩は、広範なマイクロ電子および微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの製造を可能にしてきた。ＭＥＭＳの一般的な用途の１つは、センサデバイスの設計および製造である。ＭＥＭＳセンサデバイスは、自動車、慣性誘導システム、家庭用電化製品、さまざまなデバイスのための保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、および工学システムなどの用途に広く使用されている。そのようなＭＥＭＳデバイスは、加速、角速度、圧力、温度などのような物理状態を検知し、検知された物理状態を表す電気信号を提供するために使用されている。
【０００３】
以下の図面と併せて考察して詳細な説明および請求項を参照することによって、より完全に本発明を理解することができる。これらの図面では全般に亘って同様の参照符号は類似の項目を示す。
【０００４】
なお、モノリシック電極を備える加速度計について、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，３２２，２１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
プレートおよびビームなどの懸垂可動微小構造体が、さまざまな微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの製造に一般的に使用されている。懸垂微小構造は、一般的に、剛性が高く比較的大きい表面積を有する。しかしながら、そのような懸垂微小構造のための懸架バネは、用途に応じて相対的に剛性が低い場合がある。加えて、一般的に微小構造は、それらの支持基板から数マイクロメートル（ミクロン）離れて作製される。これらの特性が組み合わさって、ＭＥＭＳデバイスは、懸垂可動微小構造を支持基板に向かって垂直に、および／または包囲構造もしくは側方止め具に向かって側方に偏向させる可能性がある力の影響を受けやすくなる。この偏向力が十分に強い場合、可動部材は下方に存在する基板または側方構造と接触し、一時的にまたは永続的に付着し、それによって出力信号の誤りおよび／またはデバイスの故障が引き起こされる可能性がある。可動構造の意図しない付着をスティクションと称する。
【０００７】
スティクションは、ＭＥＭＳデバイス作製中および通常使用中の両方で発生する可能性がある。通常使用中、機械的衝撃のような外力によって懸垂可動微小構造が一時的にまたは永続的にその基板と接触させられる場合に、スティクションが発生する可能性がある。機械的または物理的衝撃は、たとえば、衝突、落下、蹴撃などによって引き起こされる、突然の加速または減速である。加えて、または代替的に、機械的衝撃は、ＭＥＭＳデバイス内のさまざまな要素の破断または破砕を引き起こし、ＭＥＭＳデバイスの長期的信頼性が永続的に劣化する可能性がある。したがって、機械的衝撃は、ＭＥＭＳデバイスの構造における深刻な信頼性問題を引き起こす可能性がある。
【０００８】
マイクロ電子デバイス産業は、費用およびフォームファクタを低減するためにより一層複数のセンサを単一のデバイスパッケージに統合する方向に向かっている。１つのそのようなマルチ・センサ・デバイス・パッケージにおいて、単一のＭＥＭＳ半導体ダイが加速度計および角速度センサの両方を収容している場合がある。ジャイロスコープとも称する角速度センサは、低電圧動作および高い信号応答に対して高い品質係数Ｑを達成するために、真空雰囲気内で動作することを必要とする。逆に、単一の外力に応答してデバイスの可動要素が複数の振動を受ける可能性がある不足減衰応答を回避するために、加速度計は、減衰モードにおいて、すなわち、非真空環境において動作する必要がある。
【０００９】
２つのタイプのデバイスが異なる圧力要件を有することによって、それらが単一のデバイスパッケージに統合されることに関して重大な問題を示す。たとえば、角速度センサおよび加速度計の両方を含むマルチ・センサ・パッケージにおいて、角速度センサのために高いＱを達成するために必要とされる真空環境の結果として、加速度計が不足減衰モードで動作する可能性がある。加速度計の不足減衰動作モードによって、振動または機械的衝撃に起因する可動要素における振動応答が増強され、それによってスティクション障害の可能性が増大し得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、実施形態は、非給電および給電段階の両方においてスティクションに対する耐性が増強された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供する。特に、実施形態は、ＭＥＭＳデバイスの感度仕様が必要とする公称バネ定数よりも高い機械的バネ定数を用いて設計されているバネ部材によって基板の上に懸垂されている可動要素を有するＭＥＭＳデバイスを提供する。実施形態は、ＭＥＭＳデバイスを動作させるための方法論をさらに提供し、バネ軟化効果によって可動要素の感度を増大させるために、給電段階中に相対的に高い電圧バイアスが検知電極に印加される。給電段階中の可動要素の不足減衰応答に起因する共振ピークを大幅に取り除くために閉ループフィードバック制御を利用することができる。スティクション状態が検出されると、可動要素のスティクション状態からの回復を可能にするために高電圧バイアスを除去することができる。スティクションからの回復を可能にするために、機械的バネ定数をより高くすることによって、非給電段階におけるより大きな復元力を有するより剛性のバネが提供される。加えて、可動要素は、相対的に剛性のバネに起因してより高い固有振動数を有することによって、より高い固有振動数を有していなければ可動要素を共振させることになる環境振動からの干渉の影響を受けにくくなっている。したがって、ＭＥＭＳデバイスの可動要素は、不足減衰応答によって他のデバイスであれば有効に動作することができない真空または低圧環境において有効に動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に応じた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの側面図。
【図２】図１のＭＥＭＳデバイスの上面図。
【図３】図２のＭＥＭＳデバイスを含み得る半導体パッケージの側面図。
【図４】図１のＭＥＭＳデバイスのブロック図。
【図５】ＭＥＭＳデバイスの種々の動作モードによるバネ剛性の変化を示すグラフ。
【図６】通常動作におけるＭＥＭＳデバイスのブロック図。
【図７】スティクション状態におけるＭＥＭＳデバイスのブロック図。
【図８】スティクション状態後の回復事象を受けているＭＥＭＳデバイスのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１および図２を参照すると、図１は一実施形態に応じた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス２０の側面図を示しており、図２はＭＥＭＳデバイス２０の上面図を示している。ＭＥＭＳデバイス２０は、ヒンジまたは「シーソー」型センサとして構築される非対称容量型加速度計であってもよい。したがって、以下の説明において、ＭＥＭＳデバイス２０を以下、容量型加速度計２０と称する。本明細書においては、説明を明瞭かつ容易にするために非対称シーソー型センサについて記載する。しかしながら、本明細書に記載のスティクション耐性を増強するための特徴は、シーソー型センサに限定される必要はなく、代替的に、可動要素と、可動要素に向き合う側方変位固定要素との間でスティクションが発生する可能性がある側方変位センサにおける使用に適用されてもよい。そのため、代替的な実施形態は、スティクションに対する耐性を増強する必要があり得る可動要素を有する複数のＭＥＭＳデバイス設計を含み得ることは明らかであろう。
【００１３】
容量型加速度計２０は基板２２を含み、当該基板は当該基板２２上に形成された２つの検知電極２４および２６の形態のうちの少なくとも１つの電極を有する。容量型加速度計２０は基板２２上に形成されたフォースフィードバック電極２８および３０の形態の追加の電極を含む。一般的に「試験質量部（プルーフマス）」と称される可動要素３２が、本明細書においてはバネ部材３４と称するねじり懸垂要素によって基板２２の上に柔軟に懸垂されている。可動要素３２は、図２において双頭矢印３６によって表されている回転軸を中心として回転する。多数の屈曲部、ヒンジ、および他の回転機構が、回転軸３６を中心とする可動要素３２の旋回運動を可能にするために利用されてもよいことは理解されるであろう。
【００１４】
検知電極２４は検知電極２６から電気的に絶縁されている。同様に、フォースフィードバック電極２８はフォースフィードバック電極３０から電気的に絶縁されている。検知電極２４および２６ならびにフィードバック電極２８および３０は可動要素３２の下方に存在する。したがって、電極が通常は可視されない図２の上面図において、電極２４、２６、２８、および３０は、可動要素３２および回転軸３６に対するこれらの電極の位置を示すために破線によって表されている。
【００１５】
容量型加速度計２０がその検知機能を実行するために、可動要素３２におけるモーメント、または動きであって、回転軸３６を中心とする運動を生成するモーメント、または動きが生成される必要がある。可動要素３２における回転軸３６と可動要素の端部４０との間に延在する部分３８は、可動要素３２における回転軸３６と可動要素３２の反対の端部４４との間に延在する部分４２よりも相対的に大きい質量を有して形成される。回転軸３６を可動要素３２の幾何学的な中心からずらすことによって、より質量の大きい部分３８を形成することができる。代替的な実施形態において、たとえば、部分４２を貫通して延在する開口を形成すること、部分３８に材料を追加すること、および／またはそれらの任意の組合せによって、回転軸３６が中心に置かれるときに部分４２と比較してより大きい質量の部分３８が作成されてもよい。
【００１６】
回転軸３６の片側の質量が不均衡であることに起因して、回転軸３６を中心として可動要素３２を旋回させるように、矢印４６によって表される入力加速度ＡＩＮによって回転モーメントが生成される。可動要素３２が回転すると、検知電極２４および２６ならびにフォースフィードバック電極２８および３０に対する可動要素３２の位置が変化する。回転変化の結果として、可動要素３２と検知電極２４および２６の各々との間の電気容量が変化する。図１に示す、Ｃ１とラベリングされているキャパシタ４８およびＣ２とラベリングされているキャパシタ５０がそれぞれこれらの容量を表している。キャパシタ４８および５０はこの容量を象徴するものであり、加速度計２０の物理的構成要素ではないことを理解されたい。したがって、参照符号４８および５０は以下、容量信号を指す。
【００１７】
それゆえ、対応する検知電極２４および２６と可動要素３２との間に形成される、容量信号４８と容量信号５０との間の差分容量信号を検出することによって、検知機能が実現される。したがって、検知電極２４および２６は検知信号、すなわち、容量信号４８および５０を検出し、これらは関連する特定用途向け集積回路、すなわちＩ／Ｏ回路チップ５２において受信される。
【００１８】
一実施形態において、システムは、可動要素３２の線形動作範囲内においてその基準位置のおおよそ中心に可動要素３２を保持するように機能する閉ループアーキテクチャである。すなわち、ＭＥＭＳデバイス２０は、負フィードバック技法を使用して、容量信号４８、Ｃ１を容量信号５０、Ｃ２に等しく維持するようにする。Ｉ／Ｏ回路チップ５２上の回路によって容量信号４８と５０との間に容量不整合が検出されると、ＶＦＦ＋およびＶＦＦ−とラベリングされているフォースフィードバック電圧５６がフォースフィードバック電極２８および３０に印加される。フォースフィードバック電圧５６は静電気によるフォース（力）を生成し、これは次いで、可動要素３２を回転させて容量信号４８と５０との間の容量不整合を相殺する回転モーメントを生成する。したがって、閉ループシステムが適切に動作しているとき、可動要素３２の位置（すなわち可動要素３２の回転）は固定位置に能動的に調整されている。フィードバックループは可動要素３２の位置を能動的に調整し、それによって、入力加速度４６によって生成されるモーメントが、フォースフィードバック電極２８および３０においてフォースフィードバック電圧５６によって生成されるモーメントによって相殺される。フォースフィードバック信号は適切に処理されて、ＡＯＵＴとラベリングされている出力加速度信号５４が得られる。ＭＥＭＳデバイス２０にフォースフィードバックアーキテクチャを実装することによって、可動要素３２が不安定になり旋回する可能性が低くなる。
【００１９】
たとえば、機械的衝撃に起因する過剰な入力加速度４６が、可動要素３２の公称動作範囲外の過剰な旋回運動を引き起こす可能性がある。可動要素３２のこの旋回運動は、いずれかの部分３８または４２が下方に存在する基板２２に接するとき停止され得る。代替的に、可動要素３２は、可動要素３２の底面の下に延在する止め具（図示せず）を含んでもよい。したがって、可動要素３２のこの旋回運動は、止め具が下方に存在する基板２２に接するとき停止され得る。この下方に存在する基板２２との接触の結果として、スティクションと称される付着であって、可動要素３２の基板２２に対する一時的または永続的な付着が生じる場合がある。
【００２０】
一実施形態に応じて、ＶＳとラベリングされているバネ軟化電圧５８が、Ｉ／Ｏ回路チップ５２から検知電極２４および２６に印加される。概して、バネ部材３４は相対的に剛性である。バネ軟化電圧５８が検知電極２４および２６に印加されて、バネ部材３４の初期剛性（非給電モードにおける）が、当該バネ部材３４の初期剛性よりも小さい動作剛性（給電モードにおける）に変化またはシフトする。したがって、スティクション障害の可能性を低減するために、真空環境内などの不足減衰モードにおいて加速度計２０が動作されるときに、バネ部材３４のこの剛性の変化または低減が容易に実施されることができる。
【００２１】
一実施形態において、ＭＥＭＳデバイス２０は、検知電極において容量信号４８および５０が検出されてバネ軟化電圧５８が印加される検知電極２４および２６を含む。加えて、ＭＥＭＳデバイス２０は、フォースフィードバック電極においてフォースフィードバック電圧５６が印加されるフォースフィードバック電極２８および３０を含む。代替的な実施形態において、検知、バネ軟化、およびフォースフィードバック動作は、たとえば、時間インターリーブによって同じ電極対上で組み合わされてもよい。時間インターリーブのシナリオにおいて、システムは、検知段階、フォース段階、および軟化段階を通じて反復して進行する。
【００２２】
図３は、容量型加速度計２０を含んでもよい半導体パッケージ６０の側面図を示す。半導体パッケージ６０は、加速度計２０がその中に位置してもよい環境を示すために設けられている。概して、半導体パッケージ６０は、加速度計２０および角速度センサ６２が基板に位置する基板２２を含む。キャップ６４が基板２２の表面６６に結合されている。示されている実施形態において、キャップ６４はキャップの中に形成されている空洞（キャビティ）６８を含む。キャップ６４は、空洞６８が密閉され外部環境から分離されるように、基板２２の表面６６に接合または他の様態で結合されている。したがって、空洞６８は、加速度計２０および角速度センサ６２の適切な機能および信頼性を維持するように、水蒸気および／または異物の侵入を大幅に防止するために適切に封止されている。
【００２３】
角速度センサ６２が、たとえば、懸架バネ（図示せず）によって基板２２の上に懸垂されている１つ以上の可動要素を含み得ることは明らかであろう。加えて、角速度センサ６２は付加的に、１つ以上の示されていない固定電極および移動電極を含んでもよい。実際に、角速度センサ６２の特定の構造および構成は変化してもよい。しかしながら、本発明の実施形態を可能にするかまたは完全に説明するために角速度センサ６２の特定の構造および構成の説明は必要ではなく、したがってさらに詳細には説明されない。
【００２４】
上述のように、いくつかのＭＥＭＳデバイスは、低電圧動作および高い信号応答に対して高い品質係数Ｑを達成するために、真空雰囲気内で動作することを必要とする。逆に、単一の外力に応答してデバイスの可動要素が複数の振動を受ける可能性がある不足減衰応答を回避するために、他のＭＥＭＳデバイスは、減衰モードにおいて、すなわち、非真空環境において動作する必要がある。異なる空洞圧力要件を有するこれらのＭＥＭＳデバイスは、それらが同じ空洞内に収容されると重要な問題を示す。たとえば、空洞６８の真空環境は一方のＭＥＭＳデバイスにとっては適切であり得るが、もう一方のＭＥＭＳデバイスにおいては不足減衰応答および不安定性を引き起こす可能性がある。著しい不安定性は、ＭＥＭＳデバイスの可動要素を、下方に存在する基板に接するまで運動させるか、または回転させる可能性があり、結果として可動要素の下方に存在する基板または外側面に対する一時的または永続的な付着、すなわちスティクション障害を引き起こす。したがって、空洞６８の真空環境はいくつかの従来技術のＭＥＭＳデバイスにおいては故障による重大な危険性を示す。
【００２５】
半導体パッケージ６０は、同じ空洞６８内に収容される角速度センサおよび加速度計であって、異なる空洞圧力要件を有する角速度センサ６２および加速度計２０を含む。剛性バネ部材３４、バネ軟化電圧５８によるバネ軟化能力、フォースフィードバック電圧５６を使用した閉ループ制御、およびスティクション状態検出（後述）の機能によって、給電モードまたは非給電モードのいずれにあるときもスティクションに対する耐性が増強されたＭＥＭＳデバイス、たとえば、加速度計２０が提供される。
【００２６】
半導体パッケージ６０は同じ空洞６８内に収容された加速度計２０および角速度センサ６２を示しているが、いくつかのパッケージ設計は、基板の上に各センサが形成されるが、キャップ内に異なる複数の空洞を有し、各センサが異なる空洞内に収容される基板を企図してもよい。それらのセンサが別個の空洞内に収容されるにもかかわらず、ＭＥＭＳデバイスがその中に位置づけられる空洞内の圧力は依然として低く、結果として不足減衰応答を引き起こす場合がある。それにもかかわらず、剛性バネ部材３４、バネ軟化能力、フォースフィードバック電圧を使用した閉ループ制御、およびスティクション状態検出の機能を依然として実装し、給電モードまたは非給電モードのいずれにあるときもスティクションに対する耐性が増強されたＭＥＭＳデバイス、たとえば、加速度計２０を提供することができる。
【００２７】
図４は、図１のＭＥＭＳデバイス、すなわち加速度計２０のブロック図を示す。加速度計２０は、１つ以上の加速度計および１つ以上の角速度センサを含むマルチセンシング慣性センサパッケージ内に含まれてもよい。そのようなマルチセンシング慣性センサパッケージングの構成要素は本明細書においては明瞭にするために示されてはいない。加速度計２０のＩ／Ｏ回路チップ５２は、マルチプレクサ回路７０と、検知回路７２と、検出回路７４と、静電気的フォースフィードバック回路７６とを含む。回路７０、７２、７４、および７６は、説明を容易にするために別個の要素として示されている。要素７０、７２、７４、および７６の機能はさまざまな構成のうちのいずれかに組み合わされてもよいことを当業者であれば理解するであろう。
【００２８】
電圧源７１が、マルチプレクサ回路７０および検知回路７２を通じて検知電極２４および２６と通信している。すなわち、バネ軟化電圧５８が共通モード電圧ＶＩＣＭとして検知回路７２に入力される。一実施形態において、容量信号４８に対応するＶＳＰとラベリングされている検知電圧７８、および容量信号５０に対応するＶＳＮとラベリングされている検知電圧８０は「仮想グランド」である。すなわち、検知回路７２内の増幅器（図示せず）が検知電極２４および２６の検知電圧７８および８０の各々を入力ＶＩＣＭ、すなわちバネ軟化電圧５８と同じ値に保持する。したがって、バネ軟化電圧５８が通常動作モード中に検知電極２４および２６に印加される。バネ軟化電圧５８の印加は図４において、バネ軟化電圧５８を供給する電圧源７１と検知回路７２のＶＩＣＭに対する入力との間のスイッチ要素であって、マルチプレクサ回路７０内のスイッチ要素の左側の位置によって表されている。バネ軟化電圧５８が検知電極２４および２６に印加される結果として、検知電極２４および２６において可動要素３２とは異なる電位が生じる。この異なる電位が、バネ部材３４の剛性、すなわち機械的バネ定数を有効に低減して、バネ部材３４の所定の動作剛性を満たす。ここで、動作剛性は入力刺激、すなわち入力加速度４６の大きさに対する可動要素３２の感度を規定する。
【００２９】
検知回路７２は検知電極２４および２６に電気的に結合されている。検知回路７２は、可動要素３２と下方に存在する検知電極２４および２６との間で生成される容量信号４８および５０を受信するように構成されている。システムは閉ループであるため、Ｉ／Ｏ回路チップ５２は容量信号４８を容量信号５２に等しく維持しようとする。このために、検知回路７２における増幅器は、検知電圧７８および８０（容量信号４８および５０に対応する）をＶＩＣＭ、すなわちバネ軟化電圧５８に等しくなるように駆動する。検知電圧７８および８０は同じ電位に保持されているため、検知電圧７８および８０をバネ軟化電圧５８に保持するために必要とされる電荷の差を測定することによって、ＶＯとラベリングされている出力電圧信号を得ることができる。電圧出力信号８２は、従来通りに適切に処理される信号調整要素８４に通信されて、入力加速度４６に比例する出力信号、たとえば、出力加速度信号５４が生成され得る。
【００３０】
静電気的フォースフィードバック回路７６が検知回路７２とフォースフィードバック電極２８および３０との間に置かれている。フォースフィードバック回路７６は、電圧出力信号８２に応答してフォースフィードバック電極２８および３０に印加されるフォースフィードバック電圧５６（ＶＦＦ＋およびＶＦＦ−）を制御するために実装され、電圧出力信号８２は容量信号４８および５０に基づく、すなわち、容量信号４８および５０信号から導出される。したがって、加速度計２０は、給電されるに際し加速度計２０の共振ピークを大幅に取り除くように構成されている「閉ループ」設計である。加えて、「閉ループ」設計はパッケージ応力によって引き起こされる任意の温度および／または時間に応じたオフセットを大幅に相殺することができ、それによって、可動要素３２の位置は実質的に一定である。
【００３１】
検知回路７２は付加的に検出回路７４に電気的に結合されており、検出回路７４はマルチプレクサ回路７０に電気的に結合されている。電圧出力信号８２、すなわちＶＯが検出回路７４に通信されて、可動要素３２がスティクション状態であるか否かが判定されてもよい。スティクション状態は、回転軸３６を中心とする可動要素３２の旋回運動が運動の所定の限界または範囲を超えるために十分な機械的衝撃または振動を可動要素３２が受けており、それによって、可動要素３２が少なくとも一時的に基板２２に付着しているシナリオを指す。したがって、可動要素３２が基板２２に永続的に付着すると、センサ機能劣化およびその結果としてスティクション状態が故障に寄与する可能性がある。
【００３２】
検出回路７４は、スティクション状態、すなわち、結果としてスティクションを引き起こす機械的衝撃事象から迅速に回復することを保証するように検出および制御を提供する。一実施形態において、検出回路７４は、電圧出力信号８２を基準電圧８６と比較してもよい。電圧差信号８２が所定の時間に亘って基準電圧８６を超えるとき、検出回路７４はスティクション状態を検知し、ディセーブル信号８８をマルチプレクサ回路７０に送る。ディセーブル信号８８は電圧源７１を有効にディセーブルにするか（無効にする）、または機能停止し、それによって、バネ軟化電圧５８が検知電極２４および２６から除去される。特に、電極２４、２６、２８、および３０のすべてが可動要素３２と同じ電位に設定される。バネ軟化電圧５８を除去し、電極２４、２６、２８、および３０ならびに可動要素３２のすべてを均等な電圧電位に設定することは、図４において、マルチプレクサ回路７０内のいくつかのスイッチ要素が右側にスイッチングされることによって明示されており、たとえば、すべての端子２４、２６、２８、３０、および３２がグランドに設定されてもよい。すべての端子２４、２６、２８、３０、および３２を同じ電位に設定することによって、バネ部材３４がその初期の剛性、または非給電剛性に戻ることが可能になり、それによって、可動要素３２がそのデフォルト位置に戻ってスティクション状態から回復することが可能になる。
【００３３】
図５は、ＭＥＭＳデバイス、すなわち加速度計２０（図１）の種々の動作モードによるバネ剛性の変化を示すグラフ９０を示している。より詳細には、グラフ９０は、所定のバネ剛性に対して所定量のバネ変位９４（すなわち、ねじれ）を達成するために必要とされる、加えられる力９２の大きさを示しており、バネ剛性はバネ部材３４のバネ定数によって定義される。加速度計２０の非給電モード９６において、加えられる力９２に応答したバネ変位９４が実線９８によって表されている。加速度計２０の給電モード１００において、加えられる力９２に応答したバネ変位９４が点線１０２によって表されている。グラフ９０は、バネ部材３４に対する使用可能範囲であり、かつ線形範囲内のバネ剛性を表している。極端に変形するとバネ剛性が非線形になることを当業者であれば認識するであろう。
【００３４】
概して、弾性バネ、たとえば、バネ部材３４のバネ定数は、バネに加えられる力とその結果としての変位との比である。当業者には知られているように、これはバネに関するフックの法則に見られる比例定数ｋである。Ｋ１とラベリングされているバネ定数１０４は、バネ軟化電圧５８（図１）が検知電圧２４および２６の各々に印加されていないときの非給電モード９６におけるバネ部材３４の実際の剛性、または初期の剛性を規定する。Ｋ２とラベリングされているバネ定数１０６は、バネ軟化電圧５８（図１）が検知電圧２４および２６の各々に現在印加されているときの給電モード１００におけるバネ部材３４の有効剛性を規定する。
【００３５】
加速度計２０は、公称バネ定数目標、すなわち、加速度計２０の感度仕様に必要とされる所定の動作剛性よりも極めて高い機械的バネ定数を有するバネ部材３４を含むように設計されている。たとえば、バネ定数９８からもたらされるバネ部材３４の初期剛性は、バネ部材３４の所定の動作剛性よりも少なくとも２倍大きい（また、２〜５倍大の範囲内であってもよい）。したがって、バネ部材３４の初期剛性は実線９８によって明示されている。
【００３６】
バネ軟化電圧５８（図１）はバネ部材３４を「軟化」する、すなわち、その剛性をより低くするために十分高い。一実施形態において、非給電９６モードにおけるバネ定数１０４から給電モード１００におけるバネ定数１０６にシフトする、すなわちバネ部材３４の剛性が低減される。一実施形態において、バネ定数１０６は、バネ部材３４の有効剛性が、加速度計２０の感度仕様によって必要とされる所定の動作剛性にほぼ均等であるように低減されることができる。したがって、有効剛性および所定の動作剛性は点線１０２によって明示されている。したがって、グラフ９０は、外部刺激、たとえば、入力加速度４６（図１）からのより低い印加される力９２に応答した、バネ部材３４（図１）のより大きい変位９４を結果として引き起こす、給電モード１００におけるバネ軟化効果１０８を例示している。
【００３７】
図６〜図８を続けて参照すると、図６〜図８は、図１のＭＥＭＳデバイス、すなわち加速度計２０の動作方法を示している。より詳細には、図６は通常動作１１０を受けている加速度計２０のブロック図を示しており、図７はスティクション状態１１２を受けている加速度計２０のブロック図を示しており、図８はスティクション状態１１２後の回復事象１１４を受けている加速度計２０のブロック図を示している。
【００３８】
図６に示す通常動作１１０において、バネ部材３４の剛性をバネ定数１０４（図５）からバネ定数１０６（図５）にシフトするように（この場合はバネ部材３４の剛性を低減するために）バネ軟化電圧５８が、検知回路７２（図４）における共通モード電圧ＶＩＣＭを通じて検知電極２４および２６に印加される。この例において、バネ軟化電圧５８は約７ボルトであってもよい。通常動作１１０中、可動要素３２は基板２２に接していない基準またはデフォルト位置１１６に存在する。入力加速度４６に応答して、可動要素３２を中心としてモーメントが生成され、このモーメントは、その位置を基準位置１１６に維持するためのフォースフィードバック電圧５６によって相殺される。可動要素３２を基準位置１１６に維持するために必要とされるフィードバック電圧５６の量は、入力加速度４６に比例し、出力加速度信号５４を生成するために適切に処理されることができる。したがって、この検知機能は、バネ軟化電圧５８が検知電極２４および２６に印加される際に実行される。
【００３９】
通常動作１１０中、フォースフィードバック電圧５６がフォースフィードバック電極２８および３０に印加される。共振ピーク、すなわち機械的共振は、機械的なシステムの振動の周波数が他の周波数におけるよりも、システムの固有振動数（すなわち、その共振周波数または共鳴周波数）に一致するときにより大きい振幅において応答するという、機械的なシステムの性質である。可動要素３２の共振ピークの結果として、可動要素３２の振動がスティクションを引き起こすために十分な振動になる可能性がある。したがって、フォースフィードバック回路７６（図４）の閉ループ検知アーキテクチャおよびフォースフィードバック電圧５６の印加によって、加速度計２０が給電モード１００（図５）にあるときに可動要素３２の共振ピークを取り除き、スティクションの可能性を低減することができる。
【００４０】
図７に示すスティクション状態１１２は、加速度計２０が、衝撃事象と称され、太い実線１１８によって表されている突然の加速または減速を受けている状況を表している。スティクション状態１１２は、たとえば、衝突、落下、蹴撃などからの機械的または物理的衝撃に応答して加速度計２０が基板２２に接するときに発生する可能性がある。スティクション状態１１２は、スティクション検出、および、スティクション状態１１２が検出されたときに検出回路７４（図４）によってトリガされるリセットを明示するために提供されている。上述のように、スティクション状態１１２は、検知回路７２（図４）において容量信号４８および５０から導出される電圧信号８２（図４）が所定の期間よりも長い時間に亘って過負荷閾値、すなわち、基準電圧８６（図４）を超えるときに判定されることができる。図５に示す過負荷閾値１２０は、バネ部材３４の最大変位を表しており、これを超えると、可動要素３２は適切な動作のために許容可能な運動範囲外に動くことになる。
【００４１】
スティクション状態１１２が検出されるとすべての端子２４、２６、２８、３０、および３２が同じ電位に設定され、検知電極２４および２６からバネ軟化電圧５８が実質的に除去される。バネ軟化電圧５８を除去し、すべての電極２４、２６、２８、および３０を可動要素３２と同じ電位に設定することは、図７においては電極２４、２６、２８、および３０ならびに試験質量部３２に０Ｖを印加することによって示されている。バネ部材３４の剛性をバネ定数１０６（図５）からバネ定数１０４（図５）にシフトするように（この場合はバネ部材３４の剛性を増大させるために）この例では検知回路７２（図４）によって、検知電極２４および２６がグランド、すなわち０Ｖにプルされる。
【００４２】
非給電モード９６においてバネ部材３４の剛性がより大きくなることによって、バネ部材３４のより高いバネ定数１０４の結果生じる復元力１２２（図５参照）が可動要素３２に与えられることが可能になる。このより高い復元力１２２によって、可動要素３２が基準位置１１６（図６）に戻ることが可能になり、それによって、可動要素３２の永続的なスティクション状態に対する耐性が増強される。したがって、バネ軟化を実施する利点は、非給電モード９６におけるバネ定数１０４が給電モード１００におけるバネ定数１０６よりも高いことである。これは、スティクションの確率が低減すること、すなわち、スティクションに対する耐性が増強されること、および非給電構成要素において衝撃耐性がより高くなること、ならびに、給電構成要素におけるスティクション状態１１２からの回復につながる。
【００４３】
図８に示す回復事象１１４は、可動要素３２が基準位置１１６に戻る期間を表している。回復事象１１４の間、フォースフィードバック回路７６（図４）からのフォースフィードバック電圧５６が、フォースフィードバック電極２８および３０に供給されてもよい。フォースフィードバック電圧５６は、電気的減衰を提供することができ、それによって、基準位置１１６に戻る間の可動要素３２の共鳴または振動が抑制される。バネ部材３４の剛性をバネ定数１０４（図５）からバネ定数１０６（図５）にシフトし、すなわち、バネ部材３４の剛性を低減し、それによって加速度計２０を通常動作１１０（図６）に戻すために、バネ軟化電圧５８が検知電極２４および２６に再び印加されることができる。
【００４４】
要約すると、本発明の実施形態は、非給電および給電段階の両方においてスティクションに対する耐性が増強された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供する。特に、実施形態は、ＭＥＭＳデバイスの感度仕様が必要とする公称バネ定数よりも高い機械的バネ定数を用いて設計されているバネ部材によって基板の上に懸垂されている可動要素を有するＭＥＭＳデバイスを提供する。実施形態は、ＭＥＭＳデバイスを動作させるための方法論をさらに提供し、バネ軟化効果によって可動要素の感度を増大させるために、給電段階中に相対的に高い電圧バイアスが検知電極に印加される。給電段階中の可動要素の不足減衰応答に起因する共振ピークを大幅に取り除くために閉ループフィードバック制御を利用することができる。スティクション状態が検出されると、可動要素の過負荷状態からの回復を可能にするために高電圧バイアスを除去する。スティクションからの回復を可能にするために、機械的バネ定数をより高くすることによって、非給電段階におけるより大きな復元力を有するより剛性のバネが提供される。加えて、可動要素は、相対的に剛性のバネに起因してより高い固有振動数を有することによって、より高い固有振動数を有していなければ可動要素を共振させることになる環境振動からの干渉の影響を受けにくくなっている。したがって、ＭＥＭＳデバイスの可動要素は、不足減衰応答によって他のデバイスであれば有効に動作することができない真空または低圧環境において有効に動作することができる。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態が詳細に例示および記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこにさまざまな改変を行うことができることを当業者であれば容易に理解するであろう。すなわち、例示的な実施形態は一例に過ぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することは意図されていないことが理解されるべきである。たとえば、感度仕様によって必要とされるよりも高い機械的バネ定数を有するバネ部材および上述の閉ループシステムは、下方に存在する基板の側方に、すなわち基板に実質的に平行に運動するように構成されている懸垂された可動要素を有するＭＥＭＳデバイス内に実装されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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