(57)【要約】本願発明の装置は、基板およびＭＥＭデバイスを備える。ＭＥＭは、コーム・コンデンサおよびコーム・コンデンサの一方の電極に物理的に接続される磁気要素を含む。磁気要素は、コーム・コンデンサの静電容量を変更する態様で、一方の電極を移動できる。装置は、磁気要素を基板に物理的に接続する少なくとも１つのばねも備える。
2009511907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
コーム・コンデンサと前記コーム・コンデンサの一方の電極に物理的に接続される磁気要素とを含むＭＥＭデバイスとを備え、前記磁気要素は、前記コーム・コンデンサの静電容量を変更する態様で、前記一方の電極を移動でき、さらに、
前記磁気要素を前記基板に物理的に接続する少なくとも１つのばねを備える装置。
【請求項２】
前記磁気要素は、回転するように構成され、前記回転が、前記一方の電極の前記移動を引き起こすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのばねは、前記磁気要素の回転が、前記コーム・コンデンサのフィンガの互いに入り込む量を変更することができるように、前記磁気要素を保持することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コーム・コンデンサは、前記一方の電極の表面に対向する固定表面から突出する固定フィンガを有する固定電極を備え、前記一方の電極は、前記固定フィンガと互いに入り込むフィンガを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コーム・コンデンサは、前記一方の電極の第２の表面に対向する第２の固定表面から突出する第２の固定フィンガを有する第２の固定電極をさらに備え、前記第２の表面は、前記第２の固定フィンガと互いに入り込むフィンガを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
磁界内に装置を配置するステップを含み、前記装置は、コーム・コンデンサを有するＭＥＭデバイスと、前記コーム・コンデンサの一方の電極に物理的に接続される磁気要素と、前記磁気要素を前記装置の基板に物理的に接続する少なくとも１つのばねとを備え、さらに、
前記磁界を変化させるステップを含み、それによって、前記磁気要素が、前記コーム・コンデンサの静電容量を変更する態様で前記一方の電極を移動させることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記磁界を変化させるステップは、前記磁気要素を回転させ、前記回転は、前記一方の電極の前記移動を生じさせる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記磁気要素を前記ＭＥＭデバイスの基板に物理的接続する少なくとも１つのばねは、前記一方の電極の前記移動に対抗する請求項６に記載の方法。
【請求項９】
電圧が、前記磁気要素にトルクを生成するように、前記コーム・コンデンサの両端に電圧を印加する請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
コーム・コンデンサと前記コーム・コンデンサに物理的に接続されるばねとを同時に形成するために基板をエッチングするステップと、
前記コーム・コンデンサの一方の電極に磁気要素を物理的に接続するステップとを含み、前記磁気要素は、前記コーム・コンデンサの静電容量を変更するために前記一方の電極を移動するように構成されることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に磁界を測定するためのデバイス、ならびにそのようなデバイスを使用しかつ製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界の測定は、ナビゲーション、セキュリティ環境における金属検出、ならびに油および鉱物の探査などの多くの用途がある。大きな範囲にわたる磁界内の小さな変化を検出するための安価な低電力装置の長年の必要性がある。既存の装置は、１つ以上のこれら望ましい特徴が不十分である。
【特許文献１】米国特許第６６６７８２３号
【特許文献２】米国特許第５９６３３６７号
【特許文献３】米国特許第６１２２９６１号
【特許文献４】米国特許第６７１３３６７号
【特許文献５】米国特許第６９２５７１０号
【特許文献６】米国特許第５５０１８９３号
【非特許文献１】Ｂｏｌｌｅ、Ｎａｔｕｒｅ、３９９、４３−４６頁、１９９９年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば、ある種の微小電子機械（ＭＥＭ）磁力計は、小さな範囲の強度にわたる磁界における変化を測定するだけである。したがって、それぞれ異なる範囲の磁界に対して調整される複数の磁力計が、所望の範囲を包含するために必要であった。また、いくつかの磁力計は、磁界強度における変化に対して非線形で応答する。したがって、広範囲にわたる複雑な較正が、これら磁力計を使用するために必要とされる。他の例において、磁力計の構成要素は、磁界における変化に応答して移動時に歪まされることがあり、それによって、磁力計自体の物理的または電気的応答を変える。さらに他の場合に、磁力計の製造は、複雑でありかつ高価である。
【０００４】
同様に、磁束ゲート磁力計または探索コイルなどの他の磁力計は、高い感度を達成するために大きな寸法の電気コイルを必要とする。それらは、測定の間に大電流がコイルを通過する必要もあり、それによって大きな電力消費を引き起こす。
【０００５】
超伝導量子干渉デバイスなどの他の磁力計は、非常に高感度の磁力計であるが、動作するために極低温を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つ以上の上記で議論された欠陥を対処するために、本発明の一実施形態は、装置である。装置は、基板およびＭＥＭデバイスを備える。ＭＥＭデバイスは、コーム・コンデンサおよびコーム・コンデンサの一方の電極に物理的に接続される磁気要素を含む。磁気要素は、コーム・コンデンサの静電容量を変更する態様で、一方の電極を移動できる。装置は、さらに、磁気要素を基板に物理的に接続する少なくとも１つのばねを備える。
【０００７】
他の実施形態は、使用方法である。方法は、磁界内に前述の装置を配置するステップと、磁気要素を、コーム・コンデンサの静電容量を変更する態様で一方の電極を移動させるために磁界を変化させるステップとを含む。
【０００８】
さらに他の実施形態は、製造方法からなる。方法は、前述のＭＥＭデバイスおよびばねを同時に形成するために基板をエッチングするステップを含む。方法は、さらにコーム・コンデンサの一方の電極に磁気要素を物理的に接続するステップを含み、磁気要素は、コーム・コンデンサの静電容量を変更するために一方の電極を移動するように構成される。
【０００９】
様々な実施形態は、添付の図面を読むと、以下の詳細な記載から理解される。様々な特徴は、一定の縮尺で描かれないことがあり、議論の明快性のために寸法を恣意的に拡大または縮小されることがある。次に、添付の図面を関連して行われる以下の記載を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
様々な実施形態は、磁界強度および方向の測定を容易にするために、コーム・コンデンサを有するＭＥＭデバイスを使用する。本明細書で使用されるとき用語コーム・コンデンサは、少なくとも２つの電極を有する構造として規定され、各電極は、電極の対向する表面から突出する複数の実質的に平行のフィンガを有する。２つの電極は、一方の電極のフィンガが、他方の電極のフィンガと互いに入り込むように構成される。例示的なコーム・コンデンサ設計は、それらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許第６６６７８２３号、米国特許第５９６３３６７号、米国特許第６１２２９６１号、米国特許第６７１３３６７号、および米国特許第６９２５７１０号に示される。
【００１１】
図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、異なるＭＥＭデバイス１０５、１０６、１０７を有する装置１００の例示的実施形態の平面図を示す。図１Ａを見ると、装置１００は、ＭＥＭデバイス１０５を備える。ＭＥＭデバイス１０５は、コーム・コンデンサ１１０、１つ以上のばね要素１３０、ハブ１２２、および磁気要素１１５を含む。磁気要素１１５は、コーム・コンデンサ１１０の静電容量を変更する態様で、コーム・コンデンサ１１０の一方の電極１１７を移動することができる。本明細書で使用されるとき用語ＭＥＭデバイスは、寸法において約数マイクロメータ（例えば、少なくとも約１マイクロメータから２マイクロメータ）である寸法を有する、少なくとも１つの構成要素を有する構造を言及する。例えば、いくつかの好ましい実施形態において、一方の電極１１７は、幅１２０において３ミクロンから６ミクロンのフィンガを有する。
【００１２】
コーム・コンデンサ１１０は、第１の電極１１７および第２の電極１４０を含む。可動電極１１７は、コーム・コンデンサ１１０の固定電極１４０の固定フィンガ１３５と互いに入り込むフィンガ１３３を有する。電極１１７は、開口１５７内を移動することができる。固定フィンガ１３３は、可動電極１１７の表面１４４に対向する固定電極１４０の固定表面１４２から突出する。したがって、各電極１１７、１４０は、他方の電極１１７、１４０のフィンガ１３３、１３５と物理的に互いに入り込む導電フィンガ１３３、１３５のアレイを有する。１つ以上のばね要素１３０が、ハブ１２２を基板１２５に可撓性に取り付ける。１つ以上のばね１３０は、例えば、基板１２５のアンカー１３２に接続することができる。１つ以上のばね１３０の実施例は、バー、１つ以上のサーペンタインばね、およびばね要素の他の組合せを含む。磁気要素１１５は、ハブ１２２に固定され、ハブ１２２は、次にコーム・コンデンサ１１０の一方の電極１１７に堅固に接続される。ＭＥＭデバイス１０５は、基板１２５の一表面の近く、例えば基板１２５の開口１２７内に配置されることができる。
【００１３】
磁気要素１１５の移動は、例えば、１つ以上のばね１３０が基板１２５に提供する可撓性接続に起因して、図１Ａに示される図の面内で変位されることによって、ハブ１２２を移動させることができる、この移動は、電極１１７の移動に起因してコーム・コンデンサ１１０の静電容量における変化を測定することによって測定されることができる。
【００１４】
装置１００は、装置の安定性、感度、および精度を改善するために追加の特徴を組み込むことができる。例えば、装置１００は、ＭＥＭデバイスに複数の前述の構成要素を組み込むことができ、いくつかの場合において、これらの構成要素は対称の様式で配置される。実施例が、代替のＭＥＭデバイス１０６、１０７を示す装置１００の平面図を示す図１Ｂおよび図１Ｃに示される。同様の参照符号が、図１Ａに示される要素と類似する要素を示すために使用される。図１Ｂに示されるように、ＭＥＭデバイス１０６のいくつかの好ましい実施形態に関して、ばね１３０およびコーム・コンデンサ１１０は、磁気要素１１５の対向する側に対称に配置される。
【００１５】
図１Ｃに示される装置１００に関して、ばね要素１３０は、可動要素１１７の回転移動を容易にするように構成される。例えば、２つのばね要素１３０は、ハブ１２２の周りに対称に配置される。そのような実施形態において、ハブ１２２は、１つ以上のばね要素１３０が、基板１２５に提供する可撓性接続に起因して軸１２４の周りを回転１２３できる。
【００１６】
当業者は、上述の変位および回転を可能にするために所望の剛性を有する１つ以上のばね要素１３０をどのように作るかを理解するであろう。回転の軸１２４は、例えば、基板１２５の表面にほぼ垂直であることができる。磁気要素１１５は、ハブ１２２に実質的に堅固に固定されるので、ハブ１２２の回転１２３は、磁気要素１１５の対応する回転１２３に関連付けられる。磁気要素１１５およびハブ１２２の回転１２３は、フィンガ１３５、１３３の互いに入り込む量を増大または低減し、それによってコーム・コンデンサ１１０の静電容量を変化する態様で電極１１７を移動する。
【００１７】
図１Ａ〜図１Ｃを続いて参照すると、ＭＥＭデバイス１０５、１０６、１０７において、磁気要素１１５は、局所的に印加される磁界Ｈおよび１つ以上のばね要素１３０に起因する力を受ける。磁気要素１１５は、印加される磁界Ｈが、トルクＴを及ぼすように磁気モーメントＭを有し、ここで、磁気要素１１５でＴＭ＝ＭｘＨである。磁界Ｈに応答して、磁気要素１１５は、磁界Ｈの方向にその磁気モーメントＭを揃えようと移動する。１つ以上のばね要素１３０は、トルクＴＳを印加し、トルクＴＳは、磁気要素１１５を、例えばＭＥＭデバイス１０７を回転させようとさせる傾向を有する。１つ以上のばね要素１３０が、Ｈｏｏｋｉａｎである実施形態において、トルクＴＳは、小さな値の回転角度θに対してほぼ−Ｋθで表現されることができる。ここで、Ｋは、１つ以上のばね要素１３０の弾性剛性マトリクスである。平衡において、磁気トルクと弾性トルクは、ＭｘＨが、＋Ｋθにほぼ等しいように互いに相殺する。したがって、印加された磁界Ｈの値における変化は、磁気要素１１５の回転角度θの値における変化を生じる。回転角度θの値における変化は、フィンガ１３３、１３５の互いに入り込む量の変化を引き起こし、したがって、コーム・コンデンサ１１０の静電容量を変化させる。互いに入り込むフィンガ間の重なる面積を増大させる回転は、コーム・コンデンサ１１０の静電容量も増大する。互いに入り込むフィンガ間の重なる面積を低減させる回転は、コーム・コンデンサ１１０の静電容量も低減する。
【００１８】
しばしば、コーム・コンデンサ１１０の静電容量は、互いに入り込むフィンガ１３３、１３５間の重なる量にほぼ線形に依存する。したがって、磁気要素１１５の回転角度Θにおける変化は、コンデンサ１１０の静電容量における変化にほぼ線形に関連付けることができる。
【００１９】
いくつかの好ましい実施形態において、ＭＥＭデバイス１０５、１０６、１０７は、磁界Ｈにおける変化を検出するように構成される。磁界Ｈにおける変化を検知することによって、装置１００は、金属検出器または磁力計として機能することができる。
【００２０】
上記で議論されたように、コーム・コンデンサ１１０の静電容量は、互いに入り込む量に線形に依存し、より詳細には、電極１１７、１４０の隣接するフィンガ１３３、１３５間の重なる面積に線形に依存することができる。線形依存性は、磁界要素１１５によって生じる電極１１７の移動と、静電容量における変化との間の関係の決定を容易にする。
【００２１】
好ましくは、隣接する互いに入り込むフィンガ１３３、１３５間の間隔１４５は、電極１１７の移動を通じて一定のままである。図１Ｃに示されるように、フィンガ１１３、１３５は、一方の電極１１７が回転するとき、一定の間隔１４５を維持することを助けるように円弧形状であり得る。一定の間隔１４５を維持するように構成されたコーム・コンデンサ１１０の使用は、従来のＭＥＭ磁力計で使用されるいくつかのコンデンサとは対照的であり、従来のＭＥＭ磁力計では、静電容量は、コンデンサの電極間の間隔の寸法を調整することによって変更される。これは、好ましくない。なぜなら、静電容量のおける変化は、電極間の間隔における変化に非線形に依存するからである。非線形性は、望ましくない。なぜなら、複雑な較正が、磁気要素の移動と静電容量のおける変化との間の関係を決定するために必要であるからである。
【００２２】
図１Ａ〜図１Ｃに示されるように、静電容量を測定するために、交流電圧（ＡＣＶ）が、電源１５０を介して一方の電極、例えば可動電極１１７に印加される。例えば、ＡＣＶは、アンカー１３２に印加されることができ、アンカー１３２は、次に、ばね１３０およびハブ１２２を介して電極１１７に結合される。ＡＣＶが、一方の電極に印加されると、コンデンサ１１０の電荷は、印加された電圧に比例して変化する。これは、交流電流（ＡＣ）をコンデンサ１１０内へまたはコンデンサ１１０から外へ流れさせる。ＡＣは、コンデンサ１１０の静電容量に比例する。ＡＣは、他方の電極、例えば固定電極１４０に結合された演算増幅器１５２を使用して測定されることができる。いくつかの実施形態において、ＡＣは、約０ナノアンペアから約２ナノアンペアの範囲に及ぶ。
【００２３】
図１Ｃに示されるなどＭＥＭデバイス１０７の実施形態において、磁気要素１１５によって移動される電極１１７は、少なくとも１度の回転角度θまで回転することができる。他の実施形態において、回転角度θは、少なくとも１０度であり得る。さらに他の実施形態において、回転角度θは、少なくとも約９０度であり得る。これは、ある種の従来のＭＥＭ磁力計とは対照的であり、従来のＭＥＭ磁力計のコンデンサ構成要素は、非常により小さな範囲にわたって（例えば、１度未満およびしばしば０．１度未満）回転するように構成される。コンデンサ１１０の実施形態の回転の比較的より大きな範囲は、より大きな範囲の静電容量を提供する。これは、装置１００によって測定される磁界Ｈのダイナミック・レンジまたは感度を増大するために使用されることができる。
【００２４】
いくつかの好ましい実施形態において、磁気要素１１５の移動に応答する回転角度θは、約０度から約１８０度に及ぶ。他の実施形態において、回転角度θは、約０度から約５度に及び、他の例において約１度から約５度に及ぶ。
【００２５】
可動電極１１７によって横切られる回転角度θは、機械的ストッパ１６０を設けることによって制限されることができる。例えば、図１Ｃに示されるように、ストッパ１６０は、電極１１７の端部１６２上に配置されることができる。基板１２５は、その内のストッパ１６０を含むために開口１６５を提供するように構成されることができ、それによって、電極１１７の回転角度θを制限する。ストッパ１６０は、電極１１７のフィンガ１３３が固定表面１４２と接触することを妨げることができる。これは、接触が、装置１００を動作不能にする短絡を引き起こすことができる例において望ましい。他の方向、例えば側方変位への移動を制限するために、より多いストッパを追加することが可能である。
【００２６】
また図１Ａ〜図１Ｃに示されるように、電源１５０は、コーム・コンデンサ１１０の一方の電極１１７、１４０へ直流電圧（ＤＶＣ）を印加するように構成されることができる。例えば、電源１５０は、固定電極１４０にＤＣＶを印加するように構成された駆動回路１７２を備えることができる。装置１００のいくつかの実施形態において、ＤＣＶは、約０ボルトから約２０ボルトに及び、他の場合において、約０ボルトから約５ボルトに及ぶ。ＤＣＶは、固定電極１４０へ可動電極１１７を引き付けるように構成されることができる。
【００２７】
図１Ｃに示されるように、コーム・コンデンサ１１０は、第２の固定表面１８４から突出する第２の固定フィンガ１８２を有する第２の固定電極１８０をさらに含むことができる。ＤＣＶは、可動電極１１７を一方または他方の固定電極１４０、１８０に引き付けるように構成されることができる。例えば、ＤＣＶは、固定電極１４０に向かってかつ第２の固定電極１８０から離れて可動電極１１７を回転することができる。
【００２８】
また図１Ｃに示されるように、第２の固定表面１８４は、移動する一方の電極１１７の第２の表面１８６に対向し、かつフィンガ１８８は、第２の表面１８６から突出することができる。フィンガ１８８は、第２の固定フィンガ１８２と互いに入り込む。フィンガ１３３、１８８が、等しい数で、可動電極１１７の周囲に対称に配置されることが有利である。そのような例において、互いに入り込むフィンガの第１の対１３３、１３５と第２の対１８２、１８８との間の重なる量は、電極１１７が、固定電極１４０、１８０の一方に向かって移動するのと等しくかつ反対である。コーム・コンデンサ１１０は、対向するコームが、重なりにおいて等しくかつ反対の変化を生じるように初期の重なりを有することができる。そのような例において、互いに入り込むフィンガの第１の対１３３、１３５と第２の対１８２、１８８との間の重なる量における変化は、電極１１７が、固定電極１４０、１８０の一方に向かって移動するのと等しくかつ反対である。
【００２９】
電極１１７が、第１の固定電極１４０に向かって移動する場合、互いに入り込むフィンガの第１の対１３３、１３５間の重なる量を増大する。したがって、互いに入り込むフィンガの第１の対１３３、１３５間の静電容量は増大する。同時に、電極１１７は、第２の固定電極１８０から離れて移動する。したがって、互いに入り込むフィンガの第２の対１８２、１８８間の重なる量は低減し、これら２つのフィンガ間の静電容量における低減を引き起こす。互いに入り込むフィンガの第１の対１３３、１３５と、互いに入り込むフィンガの第２の対１８２、１８８との間の静電容量における差は、磁気要素１１５の移動を決定するために比較されることができる。これは、コーム・コンデンサ１１０の基準較正を実施する必要性を取り除くことができる。
【００３０】
印加されたＤＣＶは、磁界Ｈによって引き起こされる磁気要素１１５の移動の量を測定するために使用されることができる。この測定を容易にするために、電源１５０は、磁界Ｈによって引き起こされる磁気要素１１５へのトルクとは反対方向である磁界要素１１５へのトルクを生成するために、ＤＣＶを印加するように構成されることができる。ＤＣＶは、可動電極１１７は、その元の位置に、すなわち磁気要素１１５によって移動される前の位置に戻るように調整されることができる。そのような状況の下、コーム・コンデンサの静電容量は、同様にその元の値に戻る。なぜなら、電極１１７の移動は、互いに入り込むフィンガ１３３、１３５間の元の重なる量を回復するからである。この目的のために適切なＤＣＶを決定するための１つの方法は、ＡＣがその元の値に戻るまで、ＤＣＶを調整することができる。
【００３１】
互いに入り込むフィンガの第１の対１３３、１３５と第２の対１８２、１８８との間の重なる量における変化から生じる静電容量変化は、それらを加えるまたは平均化することによって操作されることができ、それによって、回転角度θの測定精度を改善する。さらに、対称に配置されたコンデンサ１１０からの静電容量を加えるまたは平均化することは、側方変位などのコンデンサの移動に起因する静電容量における望ましくない変化を補償することができる。結果として、磁界Ｈの強度および方向は、単一の対の互いに入り込むフィンガを有するコーム・コンデンサを使用するより正確に決定されることができる。
【００３２】
電源１５０がＤＶＣを印加するために使用される実施形態において、互いに入り込むフィンガの第１の対１３３、１３５と第２の対１８２、１８８との間の静電容量における変化は、ともに加えられることができる。いくつかの場合において例えば、印加されるＤＣＶは、変化した静電容量の合計がゼロに等しくなるまで調整される。
【００３３】
装置のさらに他の実施形態は、図２に示される。図２は、図１Ａ〜図１Ｃに示される類似する構造を示すために同一の参照符号を使用する。明瞭性のために、装置２００のＭＥＭデバイス１０５と他の構成要素との間の選択された電気接続だけが示される。上記で議論されかつ図１Ａ〜図１Ｃで示される装置の任意の様々な実施形態は、図２に示される装置２００に組み込まれることができる。
【００３４】
図２に示されるように、ＭＥＭデバイス１０５は、磁気要素１１５を基板１２５に物理的に接続する複数のばね１３０を備える。複数のばね１３０を使用することは、有利に、ＭＥＭデバイス１０５を安定化し、それによってそれをより大きな衝撃抵抗にする。さらに、複数のばね１３０の使用は、印加されるまたは変化する磁界Ｈに対するＭＥＭデバイス１０５の応答の間に、不所望の寸法でデバイス構成要素の曲がりを良好に妨げる。図２に示されるように、ばね１３０を、中心に配置された磁気要素１１５および円形ハブ１２２周りに対称に配置することが好ましい。また図２に示されるように、各ばね１３０は、蛇行するまたはサーペンタインばねであり得る。当業者は、それらの剛性を所望の値に増大または低減するために、ばね１３０のビーム２０２の数、ビームの長さ２０４、およびビームの幅２０６、または他の物理的特性をどのように調整するかを理解するであろう。例えば、いくつかの好ましい実施形態において、各ばね１３０は、１本から５本のビーム２０２を備え、各ビーム２０２は、約１００ミクロンから１ミリメートルの長さ２０４、および約２マイクロメートルから１０マイクロメートルの幅２０６を有する。
【００３５】
また図２に示されるように、ＭＥＭデバイス２０５は、複数のコーム・コンデンサ１１０を備えることができる。ばね１３０と同様に、コーム・コンデンサ１１０が、中心に配置される磁気要素１１５およびハブ１２２の周囲に対称に配置されることが望ましい。例えば、複数のコーム・コンデンサ１１０の各可動電極１１７は、ハブ１２２を通して磁気要素１１５に物理的に接続されることができる。図２に示されるように、８個の対称に配置されたコーム・コンデンサ１１０が存在することができる。しかしながら、代替実施形態において、少なくとも４個の対称に配置されたコーム・コンデンサ１１０が存在する。４個以上の対称に配置されたコーム・コンデンサを有するＭＥＭデバイス２０５は、有利である。なぜなら、これは、装置２００の可動構成要素の望ましくない側方移動および回転を補償することを可能にするからである。
【００３６】
磁気要素１１５が、印加されたまたは変化する磁界Ｈに応答して移動するとき、電極１１７は、各コーム・コンデンサ１１０の静電容量を変化させる態様で移動する。複数のコーム・コンデンサ１１０からの静電容量における変化は、磁界Ｈの強度または方向のより正確な測定を提供するために、例えば加えることまたは平均化することによって操作されることができる。例えば平均をとることによって、ハブ１２２または可動電極１１７の側方変位など、ＭＥＭデバイスにおける望ましくない移動に生じる静電容量における変化を最小化することができる。
【００３７】
また図２に示されるように、コーム・コンデンサ１１０は、さらに第２の固定電極１８０を含む。示されるように、選択された固定電極１８０は、基板１２５のリング２２５に物理的に接続される。リング２２５は、磁気要素１１５を囲む。リング２２５への接続は、固定電極１８０の共通電気接続を容易にする。
【００３８】
本発明のさらなる態様は、使用方法である。図３〜図６は、様々な使用段階での例示的装置３００の平面図を示す。図３〜図６は、図１Ａ〜図１Ｃに示される類似する構造を示すために同一の参照符号を使用する。しかしながら、上記で議論されかつ図１Ａ〜図１Ｃおよび図２に示される装置の任意の様々な実施形態が、方法で使用されることができる。
【００３９】
図３に示されるように、装置３００は、コーム・コンデンサ１１０を有するＭＥＭデバイス２０５と、コーム・コンデンサ１１０の一方の電極１１７に物理的に接続された磁気要素１１５とを備える。装置３００は、基板１２５および１つ以上のばね１３０を含み、ばね１３０は、基板１２５に磁気要素を物理的に接続する。
【００４０】
図３は、装置３００を磁界Ｈ内に配置した後の装置３００を示す。磁界Ｈの源３０５は、遊星の磁界、あるいは永久磁石、一時的な磁石、または電磁石からの磁界であり得る。源３０５が地球の磁界Ｈであるときなどいくつかの場合において、磁界の強度は、約３×１０−４ガウスから約６×１０−４ガウスに及ぶ。
【００４１】
図３への参照を維持しながら次に図４を参照すると、磁界Ｈの変化後の装置３００が示される。磁界における変化は、強度、方向、またはそれらの両方における変化であり得る。いくつかの場合において、変化は、磁界Ｈの強度における変化の約１パーセントから１０パーセントに対応する。他の場合において、磁界Ｈにおける変化は、約１×１０−６ガウスまたはより良好な精度で測定されることができる。磁界Ｈにおける変化は、例えば、装置３００に近接する金属を含む物体３１０の移動に起因して一時的であり得る。例えば、金属を含む物体３１０が、装置１００に近接して通過するとき、地球の磁界は、装置３００によって検知される磁界Ｈ内に変化を引き起こす態様で歪まされる。いくつかの場合において、金属を含む物体３１０は、約１ｃｍから約１ｋｍに及ぶ距離３１５だけ装置３００から分離される。他の場合において、金属を含む物体３１０は、約１ｃｍ未満の距離３１５未満だけ装置３００から分離される。代わりに、磁界における変化は、源３０５自体の磁気特性における変化に起因することがある。
【００４２】
上記で議論されたように、磁界Ｈにおける変化は、磁気要素１１５が、その静電容量を変更する態様でコーム・コンデンサ１１０の電極１１７を移動させる。図４に示される装置３００実施形態に関して、変化する磁界Ｈは、磁気要素１１５を時計方向に回転させる。回転は、固定電極１４０に向かう電極１１７の移動を引き起こし、結果として静電容量における増大を生じる。当然、他の例において、磁界Ｈにおける変化は、磁気要素１１５を反時計方向に回転させ、結果として静電容量における低減を生じさせることができる。
【００４３】
方法の好ましい実施形態は、磁界Ｈにおける変化の強度または方向を決定するステップをさらに含む。いくつかの好ましい実施形態において、この決定は、コーム・コンデンサの変更された静電容量の測定に基づく。上記で議論されるように、静電容量における変化は、コーム・コンデンサ１１０を通過する電流の変化を測定することによって決定されることができる。
【００４４】
方法のいくつかの好ましい実施形態において、電極１１７の回転角度θを推定するために変更された静電容量を使用することが望ましい。回転角度θは、次に、磁界Ｈ強度または方向における変化に関連付けられることができる。
【００４５】
図１〜図６に示されるなどの装置の実施形態に関して、回転角度θは、ハブ１２２の軸１２４を通って延びる電極１１７の長軸に沿った寸法３２０（図３）の角度における変化を参照する。図４は、磁界Ｈにおける変化の前３２０および後４０５の寸法を示す。上記で議論されたように、一方の電極１１７の回転角度θは、コーム・コンデンサ１１０の互い入り込むフィンガ１３３、１３５間の重なりの量に線形に関連する。したがって、コーム・コンデンサ１１０の静電容量における変化は、電極１１７の回転角度θに線形に関連することができる。上述された線形関係は、静電容量における変化を、磁界Ｈにおける変化によって生じた磁気要素１１５の移動に対して静電容量に関連付けることを容易にする。
【００４６】
いくつかの場合において、基板１２５へ磁気要素１１５を接続するばね１３０は、電極１１７の移動に対抗する。例えば、ばね１３０は、磁気要素１１５の回転に対抗するように構成されることができ、したがって、電極１１７の回転に対抗する。これは、磁界Ｈにおける変化が、ＭＥＭデバイス１０５の特定の構成によって可能にされた最大回転角度θへ、磁気要素１１５が電極１１７を移動させるのに十分に大きい状況において望ましいことであり得る。
【００４７】
図５に戻って、方法のいくつかの好ましい実施形態において、ＤＣＶが、磁気要素１１５およびばね１３０にトルクを生成するように、ＤＣＶが、コーム・コンデンサ１１０の両端に印加される。ＤＣＶは、トルクが、例えば電極の回転に対抗することによって電極１１７の移動に対抗するように調整されることができる。図５に示されるように、印加されるＤＣＶは、磁気要素１１５をその移動の前のその元の位置に戻すように調整されることができる。いくつかの場合において、回転角度θは、磁気要素１１５をその元の位置に戻すのに必要な印加電圧の二乗（ＤＣＶ２）に線形に関連する。
【００４８】
当業者は、磁気要素１１５の磁気モーメント、ばね１３０の剛性、電極１１７の回転角度θ、および印加されたＤＣＶなどのパラメータの値を考慮することによって、磁界Ｈの強度および方向をどのように推定するかを理解するであろう。磁界Ｈを決定するための代替方法は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、ＢｏｌｌｅらのＮａｔｕｒｅ、３９９、４３−４６頁、１９９９年に議論されるような、ＭＥＭデバイスの共振周波数におけるシフトを測定することを含む。さらに、当業者は、磁界Ｈの異なるベクトル成分を測定するために、２つ以上の装置３００をどのように組み合わせるかを理解するであろう。
【００４９】
本発明の他の実施形態は、製造方法である。図６は、本発明の装置を製造する例示的方法における選択された段階を示す流れ図を示す。
【００５０】
基板は、ステップ６１０で提供される。基板は、プレーナ・シリコン・オン・シリコン・ウェハなどの高電圧電子装置で使用される基板を含むことができる。当業者は、適切な支持フレームまたは支持構造を提供するために使用されることができる他のタイプの基板または多層基板を良く知っている。
【００５１】
従来のフォトレジスト層が、例えば、ステップ６２０で基板の前面を覆って形成され、ステップ６３０において、フォトレジスト層の部分は、従来のフォトリソグラフィ手順を使用して露光されかつ取り除かれる。フォトレジストの露光された部分は、図１〜図５のいずれかに示されるＭＥＭデバイスの平面図に類似するレイアウトを画定する。
【００５２】
ステップ６４０において、基板は、コーム・コンデンサおよびコーム・コンデンサに物理的に接続されたばねなどのＭＥＭデバイス構成要素を同時に形成するために、マスクとしてフォトレジストの残る部分を使用してエッチングされる。この同じエッチング・ステップにおいて、ＭＥＭデバイスの好ましい実施形態の他の構成要素を形成することが好ましい。任意の従来のエッチング剤およびエッチング・プロセスが、ステップ６４０を達成するために使用されることができる。方法のいくつかの好ましい実施形態において、エッチングは、ディープ・イオン・エッチ（ＤＲＩＥ）を含む。特に、エッチングされる構造に垂直方向の側壁を与えるＤＲＩＥプロセスを使用することが望ましい。適切なＤＲＩＥプロセス、つまりＢｏｓｃｈプロセスの実施例は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許第５５０１８９３号に示される。
【００５３】
基板が、ＳＯＩウェハを含む場合において、基板をエッチングすることは、ステップ６４２において、シリコンの上部層を酸化物層までエッチングすることと、エッチ・ストップとして酸化物層を使用することとを含むことができる。いくつかの例において、基板をエッチングすることは、ステップ６４４において裏側エッチをさらに含むことができる。例えば、基板はＳＯＩウェハを含むとき、裏側エッチは、下側シリコン層、例えばハンドル・シリコン・ウェハの部分を取り除くために行われることができる。
【００５４】
さらに他の場合において、プロセスは、基板からのコーム・コンデンサなどの表面ＭＥＭデバイスの構成要素を解放するステップ６４６も含むことができる。基板がＳＯＩウェハを含み、かつコーム・コンデンサが、上方シリコン層のエッチング部分によって形成される状況を再び考慮する。ステップ６４６において、コーム・コンデンサは、部分的に構成された装置を弗化水素酸浴に晒すことによって、基板から解放されることができる。コーム・コンデンサの下にある酸化物層の部分は、溶解され、それによって、基板からコーム・コンデンサの底部表面を開放する。同一のプロセスが、基板からＭＥＭデバイスの他の構成要素を解放するために使用されることができる。
【００５５】
ステップ６５０において、ＭＥＭデバイスの構成要素などの装置の構成要素は、電源に電気的に接続される。例えば、コーム・コンデンサの固定電極は、従来のワイヤ・ボンディング、フリップ・チップ・ボンディング、または電子機械取付けを達成するための他の従来の技術によって、電源に接続されることができる。
【００５６】
ステップ６６０において、磁気要素は、コーム・コンデンサの可動電極などのＭＥＭデバイスに物理的に接続される。図１Ａ〜図１Ｃに関連して上記で議論されたように、磁気要素は、コーム・コンデンサの静電容量を変更するために一方の電極を移動するように構成される。いくつかの好ましい実施形態において、磁気要素は、可動電極に接続されるハブに結合される。いくつかの場合において、磁気要素は、ハブに接着によって結合される。他の場合において、磁気要素は、ハブに電気めっきされることによって結合される。磁気要素は、磁気モーメントを有することができる任意の材料から構成されることができる。いくつかの場合において、磁気要素は、硬質磁石である。好ましい組成は、ＳｍＣｏまたはＮｄＦｅＢを含む。
【００５７】
図６に関連して議論されたプロセスにおける所定のステップをさらに示すために、図７〜図１２は、製造の選択された段階での例示的な装置７００の断面図を示す。図７、図９、および図１１に示される断面図は、図１Ａに示される装置に類似する装置の視線７−７に対応する。図８および図１０に示される断面図は、図１Ａに示される装置に類似する装置の視線８−８に対応する。図７〜図１１は、図１Ａに示される類似する構造を示すために同一の参照符号を使用する。上記で議論されかつ図１〜図５に示される装置の任意の様々な実施形態は、図７〜図１２に示されかつ本明細書で議論されるように製造される装置７００に組み込まれることができる。
【００５８】
図６を参照し続けて、図７は、ＭＥＭデバイス１０５のためのレイアウトを形成するために、基板１２５を提供し、フォトレジスト７０５を付着しかつ露光するためのステップ６１０、６２０、６３０を行った後の部分的に構成された装置７００を示す。
【００５９】
図７は、ステップ６４２に従ってＭＥＭデバイス１０５の構成要素を形成するために、基板１２５をエッチングするステップ６４０の一部を完了した後の装置７００も示す。図６においてステップ６４０に関連して上記で議論された任意のプロセスは、基板エッチングを達成するために使用されることができる。図７は、コーム・コンデンサ１１０を形成するために、ステップ６４２で記載された前側エッチを実行した後の装置を示す。互いに入り込むフィンガおよび固定電極などの、線７−７に沿って見えないコーム・コンデンサ１１０の他の構成要素は、可動電極１１７に関して示されたものに類似して、基板をエッチングすることによって形成される。
【００６０】
示される実施形態において、基板１２５は、ＳＯＩウェハであって、シリコンの頂部層７１０、酸化物の中間層７２０、およびシリコンの底部層７３０を含む。いくつかの好ましい実施形態において、ＳＯＩ基板１２５は、約３５ミクロンから４５ミクロンに及ぶ厚み７４０を有する頂部層７１０、約１ミクロンから約２ミクロンの厚み７５０を有する中間層７２０、および約５００ミクロンから約１０００ミクロンの厚み７６０を有する底部層７３０を含む。したがって、いくつかの実施形態において、可動電極１１７、ハブ１２２、およびばね１３０は、頂部層７１０の厚み７４０と実質的に同じである厚みを有する。
【００６１】
図８に戻ると、図６〜図７への参照を維持しながら、図７に示される製造プロセスにおける同一点での部分的に構成された装置７００が示される。装置は、コーム・コンデンサ１１０に物理的に接続されたばね１３０を形成するために、基板１２５、この場合は頂部層７１０を前側エッチした後で示される。図８に示される部分的に完成した装置７００に関して示されるように、ばね１３０は、ハブ１２２およびアンカー１３２に物理的に接続され、ハブ１２２は、コーム・コンデンサ１１０の可動電極１１７に物理的に接続される。したがって、ばね１３０は、コーム・コンデンサ１１０に物理的に接続される。図７〜図８に示すように、方法の好ましい実施形態において、コーム・コンデンサ１１０、ハブ１２２、ばね１３０、アンカー１３２、および他のＭＥＭデバイス１０５の構成要素は、エッチ・ストップとして中間層７２０を使用して、頂部層７１０の前側エッチによって同時に全て形成される。
【００６２】
図６〜図８への参照を維持しながら、ステップ６４４に従って、基板１２５の裏側エッチを実行した後の部分的に構成された装置７００が、図９および図１０に示される。図９〜図１０は、フォトレジストを取り除いた後の部分的に構成された装置７００も示す。裏側エッチは、移動するように構成されたＭＥＭデバイス１０５のそれら構成要素の下のシリコンの底部層７３０の一部を取り除く。例えば、図９〜図１０に示されるように、シリコンの底部層７３０は、可動電極１１７、ハブ１２２、およびばね１３０のすぐ下で取り除かれる。
【００６３】
図７〜図８への参照を続けながら、図１１は、コーム・コンデンサ１１０の表面１１１０を基板１２５の酸化物層７２０から解放した後の、図７に類似する断面図を示す。図１２は、ステップ６４６に従って、ばね１３０の表面１２１０を基板１２５の酸化物層７２０から解放した後の、図８に類似する断面図を示す。図１１および図１２の両方は、酸化物層７２０から解放された後のハブ１２２の表面１１２０を示す。図６におけるステップ６４６に関連して上記で議論された任意のプロセスは、表面１１１０、１１２０、１２１０を解放するために使用されることができる。
【００６４】
図７〜図１０への参照を続けながら、図１１は、ステップ６６０に従って、ＭＥＭデバイス１０５への磁気要素１１５の物理的な接続の後の図７に類似する断面図も示す。図１１に示される実施形態に関して、磁気要素１１５は、ハブ１２２への取付けによって可動電極１１７へ接続される。図１２は、ハブ１２２への磁気要素１１５の取付けの後の図８に類似する断面図も示す。磁気要素１１５は、ハブ１２２に接着されることができる。もちろん、図６においてステップ６６０に関連して上記で議論されたような他の方法が、磁気要素１１５を取り付けるために使用されることができる。
【００６５】
本発明は、詳細に記載されたが、当業者は、それらが、本発明の範囲から逸脱することなく本明細書において様々な変更、置換、および代替を行うことができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１Ａ】異なるＭＥＭデバイスを有する装置の例示的な実施形態の平面図を示す。
【図１Ｂ】異なるＭＥＭデバイスを有する装置の例示的な実施形態の平面図を示す。
【図１Ｃ】異なるＭＥＭデバイスを有する装置の例示的な実施形態の平面図を示す。
【図２】装置の他の例示的実施形態の平面図を示す。
【図３】選択された使用段階での装置の例示的実施形態の平面図を示す。
【図４】選択された使用段階での装置の例示的実施形態の平面図を示す。
【図５】選択された使用段階での装置の例示的実施形態の平面図を示す。
【図６】装置を製造する例示的方法における選択された段階を示すフロー図を示す。
【図７】製造の選択された段階での装置の例示的実施形態の断面図を示す。
【図８】製造の選択された段階での装置の例示的実施形態の断面図を示す。
【図９】製造の選択された段階での装置の例示的実施形態の断面図を示す。
【図１０】製造の選択された段階での装置の例示的実施形態の断面図を示す。
【図１１】製造の選択された段階での装置の例示的実施形態の断面図を示す。
【図１２】製造の選択された段階での装置の例示的実施形態の断面図を示す。
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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