(57)【要約】一実施形態では、集積磁力計は、変形可能導電性ビームを有しており、このビームは、基板の上に取り付けられ、その基板に対して振動するように適合されている。振動ビームが磁界にさらされると、その磁界によって、ビームに沿って発振電気信号を生成する発振起電力が誘導される。この磁力計は、検出回路を有しており、この検出回路は、その発振電気信号を検出し、その検出結果に基づいて磁界強度および／または磁界勾配を決定する。
2009531714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器と、
その長さに沿って電気通路を有するビームであって、磁界中で振動する前記ビームに応答して前記通路に発振電気信号が生成されるよう、前記発振器が前記ビームを機械的に振動させるように構成されたビームと、
前記通路に電気結合された、前記発振電気信号に基づいて磁界の測度を生成するように構成された検出回路と
を備えた装置。
【請求項２】
前記ビームの一部の近傍に配置された基板をさらに備え、前記発振器が、駆動回路およびコンデンサを備え、前記コンデンサが、前記基板の上に第１の電極を有し、前記ビームの上に第２の電極を有し、前記駆動回路が、前記コンデンサの両端間に交番電圧を印加することによって前記ビームを振動させることができる、請求項１に記載の発明。
【請求項３】
前記検出回路が、
前記発振電気信号に対応する入力信号を受け取り、
前記交番電圧に対応する基準信号を受け取り、
前記基準信号に対する前記入力信号の位相感応検出に基づいて前記測度を生成する
ために接続された検出器を備えた、請求項２に記載の発明。
【請求項４】
前記駆動回路が、
前記基板に取り付けられ、前記ビームの近傍に配置されたもう１つの電極と、
前記第１の電極と前記もう１つの電極を結合し、前記交番電圧を生成するように適合された電気ループであって、増幅器および前記増幅器に直列に接続された位相器を備えた電気ループと
を備えた、請求項２に記載の発明。
【請求項５】
前記検出回路が、それぞれ前記第１の電極と前記第２の電極を結合している第１および第２の補償経路のうちの少なくとも一方を備え、
前記第１の補償経路が、前記交番電圧と検出される信号との間の、前記コンデンサを介したこれらの信号間の容量結合に起因する電気クロストークを小さくするように適合され、
前記第２の補償経路が、前記検出される信号に対する地球の磁界の寄与を考慮するように適合された
請求項２に記載の発明。
【請求項６】
前記ビームが、
個々の末端で前記基板に物理的に固定された第１のビーム部材と、
個々の末端で前記基板に物理的に固定された第２のビーム部材と、
前記第１および第２のビーム部材の中間部分を機械的に接続している電気絶縁ブリッジであって、前記第２の電極が前記第１のビーム部材の上に位置し、前記通路が前記第２のビーム部材の上に位置している電気絶縁ブリッジと
を備えた、請求項２に記載の発明。
【請求項７】
前記電気通路が、導電トラックを備え、
前記導電トラックの少なくとも１つのセクションが、前記ビームの上に位置し、
前記発振電気信号が、前記導電トラックに沿って生成され、
前記少なくとも１つのセクションが、絶縁材料層によって下方のビーム構造から電気絶縁され、
前記導電トラックが、うず巻線の形を有し、
前記うず巻線の別々の回に属する前記導電トラックの少なくとも２つのセクションが、互いに隣り合うように、前記ビームの上に位置している
請求項１に記載の発明。
【請求項８】
前記ビームが、
個々の末端で基板に物理的に固定された第１のビーム部材と、
個々の末端で（ｉ）前記基板に物理的に固定され、（ｉｉ）前記第１のビーム部材のそれぞれの末端に物理的に固定された第２のビーム部材であって、それにより前記第１のビーム部材と第２のビーム部材の間に開口が形成される第２のビーム部材と
を備え、
前記発振器が、
前記基板に取り付けられ、前記第１および第２のビーム部材の近傍の前記開口内に配置された駆動回路および電極であって、前記駆動回路が、前記第１および第２のビーム部材の振動を誘導するために、駆動信号を生成して、前記駆動信号を前記電極に印加するように適合された駆動回路および電極と、
第１の導電トラックと
を備え、
前記導電トラックの少なくとも１つのセクションが、前記第１および第２のビーム部材のうちの少なくとも一方の上に位置し、
前記発振電気信号の少なくとも一部が、前記導電トラックに沿って生成される
請求項１に記載の発明。
【請求項９】
第２の導電トラックをさらに備え、
前記第１および第２の導電トラックが、互いに直列に接続されるように適合され、
前記発振電気信号が、前記直列に接続された導電トラックに沿って生成され、
前記装置が、前記第１および第２の導電トラックの別々の接続構成に基づいて電磁界強度および磁界勾配の両方の測定をサポートするように適合された
請求項８に記載の発明。
【請求項１０】
磁界の測度を生成する方法であって、
ビームを支持している基板に対して前記ビームを振動させるステップと、
前記ビームを振動させている間、前記ビームに沿った電気通路に前記磁界によって発振電気信号が生成されるよう、前記ビームを前記磁界にさらすステップと、
前記磁界の前記測度を生成するために前記発振電気信号を測定するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００４年７月１３日に出願された「Magnetometer Having an Electromechanical Resonator」という名称の米国特許出願第１０／８８９，９７０号に関し、これは、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、磁力計に関し、より具体的には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく磁力計に関する。
【背景技術】
【０００３】
磁力計は、地球外探査、工業用プロセス・センサ、医療用撮像機器、科学機器、ならびに鉱床および沈没船の発見など、さまざまな用途に広範囲にわたって使用されている。磁力計の設計および開発における現在の傾向は、所望の性能特性のセットに対して、より小さいサイズ、より少ない電力消費、およびより少ないコストへと向かっている。従来技術による小型磁力計の例については、米国特許第５，９９８，９９５号、第５，７３１，７０３号、および第５，６４４，２３０号に見出すことができ、それらのすべての教示は、参照により本明細書に組み込まれている。
【０００４】
従来技術による小型磁力計が抱えている問題の１つは、通常、永久磁石であれ、あるいは電磁石であれ、それらが強力な微小磁石を備えていることである。永久微小磁石には、従来の微小製造技法では処理および磁力計構造への統合がどちらかと言えば困難である磁性（たとえば強磁性および／または磁気ひずみ）材料が必要である。微小電磁石は、その製造は比較的容易であるが、電流を流す必要があり、それが場合によっては過度の加熱および／または許容できない量の電力消費の原因になっている。さらに、複数の磁気センサを有する磁力計の場合、これらのセンサの永久磁石または電磁石が互いに干渉し、そのため、これらのセンサの各々によって生成される測定結果がひずむことがある。
【特許文献１】米国特許出願第１０／８８９，９７０号
【特許文献２】米国特許第５，９９８，９９５号
【特許文献３】米国特許第５，７３１，７０３号
【特許文献４】米国特許第５，６４４，２３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの従来技術の問題には、基板の上に支持され、その基板に対して振動するように適合された変形可能導電性ビームを有する磁力計のさまざまな実施形態によって対処する。振動ビームが磁界にさらされると、その磁界によって、ビームに沿って発振電気信号を生成する発振起電力が誘導される。この磁力計は、検出回路を有しており、この検出回路は、その発振電気信号を検出し、その検出結果に基づいて磁界強度および／または磁界勾配を決定する。
【０００６】
一実施形態では、本発明による磁力計には、２つの平行ビーム部材を有するＭＥＭＳデバイスが組み込まれており、これらの平行ビーム部材はそれぞれ、その個々の末端で基板に物理的に固定されており、また、ビーム部材とビーム部材の間に開口が画定されるよう、他のビーム部材のそれぞれの末端に固定されている。ビーム部材の近傍のこの開口内に配置された駆動電極に印加される周期駆動信号によって、両方のビーム部材の振動が誘導される。デバイス表面の２つのうず巻線形導電トラックは、第１のトラックの少なくとも２つのセクション（これらのセクションは、この第１のトラックのうず巻線の別々の回に属している）が第１のビーム部材の上に互いに並んで位置し、また同様に、第２のトラックの少なくとも２つのセクション（これらのセクションは、この第２のトラックのうず巻線の別々の回に属している）が第２のビーム部材の上に位置するように構成されている。一配線構成では、磁界が存在している場合に、振動ビーム部材によって、接続されたトラックの末端終端間にその磁界の強度を表す発振電気信号が誘導されるように、第１および第２の導電トラックが互いに直列に接続される。他の配線構成では、磁界が存在している場合に、振動ビーム部材によって、接続されたトラックの末端終端間にその磁界の勾配を表す発振電気信号が誘導されるように、第１および第２の導電トラックが互いに直列に接続される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態によれば、本発明は、（Ａ）発振器と、（Ｂ）その長さに沿って電気通路を有するビームであって、磁界中で振動するビームに応答して電気通路に発振電気信号が生成されるよう、発振器がビームを機械的に振動させるように構成されたビームと、（Ｃ）電気通路に電気結合された、発振電気信号に基づいて磁界の測度を生成するように構成された検出回路とを備えた装置である。
【０００８】
別の実施形態によれば、本発明は、磁界の測度を生成する方法であり、この方法は、（Ａ）ビームを支持している基板に対してそのビームを振動させるステップと、（Ｂ）ビームを振動させている間、ビームに沿った電気通路に磁界によって発振電気信号が生成されるよう、ビームを磁界にさらすステップと、（Ｃ）磁界の測度を生成するために発振電気信号を測定するステップとを含む。
【０００９】
本発明の他の態様、特徴、および利点については、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面から、より完全に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態による磁力計１００のブロック図を示したものである。磁力計１００は、駆動および検出（ＤＤ）回路１０４に結合された磁界センサ１０２を備えている。センサ１０２は、センサの静止部分に対して機械的に振動させるためにＤＤ回路１０４によって駆動することができる導体（図示せず）を有している。移動（たとえば振動）導体が磁界Ｂの中に置かれると、その磁界によって、その磁界成分の大きさに比例した電圧が導体の両端間に誘導されることは知られている。ＤＤ回路１０４は、誘導された電圧を測定し、次に、出力信号１０６を介して測定結果を外部プロセッサ（図示せず）に出力するように構成されている。外部プロセッサは、次に、出力信号に基づいて、導体の配向に対応する磁界成分の大きさおよび磁界に対する運動ベクトルを引き出すことができる。代替実施形態では、ＤＤ回路１０４は、その磁界成分の強度を直接示す（たとえばディジタル形態で）出力信号１０６を生成するように適合された内部プロセッサ（図示せず）を有している。
【００１１】
一実施形態では、センサ１０２は、３つの異なる方向（たとえば互いに直交する方向）に沿って振動させるためにＤＤ回路１０４によって駆動されるように適合された３つの別様に配向された導体（図示せず）を有している。したがってこれらの３つの導体の各々は、他の２つの導体が敏感ではない磁界成分に対して敏感である。ＤＤ回路１０４は、これらの３つの導体の両端間に誘導される３つの電圧の各々を測定し、測定結果を内部または外部のプロセッサに提供するように適合されている。プロセッサは、次に、これらの測定結果、導体の幾何構造および振動振幅に基づいて磁界Ｂの強度および配向を引き出す。
【００１２】
図２は、本発明の一実施形態による磁力計１００のセンサ１０２として使用することができるＭＥＭＳデバイス２０２の上面図を示したものである。デバイス２０２は、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウェーハ２１０を使用して製造されている。ウェーハ２１０は、（ｉ）２つのケイ素層（図２にはそのうちの１つ、つまり上部層２１６しか示されていない）、および（ｉｉ）上部層２１６と第２のケイ素層（つまり基板層）との間に配置された酸化ケイ素層２１４を有している（この酸化ケイ素層２１４は、デバイスの縁の周辺のその層の細長い部分を除き、図２には良好に示されていない）。基板層は、デバイス構造のためのサポートを提供し、酸化ケイ素層２１４は、上部層２１６と基板層の間の電気絶縁を提供している。上部層２１６は、デバイスの特定の構造エレメントを画定するために使用される。以下、これらの構造エレメントの各々についてより詳細に説明する。
【００１３】
デバイス２０２は、コンタクト・パッド２２４ａ〜ｂの間に取り付けられた導電性変形可能ビーム２２０を備えている。ビーム２２０およびパッド２２４ａ〜ｂは、上部層２１６から形成されている。より詳細には、ビームを解放し、デバイス構造の残りの部分に対する移動を可能にするために、ビーム２２０の近傍およびビーム２２０の真下に位置している酸化ケイ素層２１４および基板層の一部が除去されている。コンタクト・パッド２２４ａ〜ｂの各々は、上部層を貫通して酸化ケイ素層２１４までエッチ除去されたトレンチ２２２ａ〜ｂのうちのそれぞれ対応する１つによって上部層２１６の中に画定されている。トレンチ２２２ａ〜ｂおよび層２１４によって提供される電気絶縁のため、ビーム２２０およびパッド２２４ａ〜ｂは、デバイス構造の残りの部分から電気的に分離されている。パッド２２４ａ〜ｂに取り付けられた一対の配線２２６ａ〜ｂは、ビーム２２０をＤＤ回路、たとえば図１に示されているＤＤ回路１０４に接続するための検出線を形成している。一実施形態では、ビーム２２０およびパッド２２４ａ〜ｂの頂部表面は、導電率をより良好にするために、薄い金属（たとえば金）の膜で覆われている。
【００１４】
デバイス２０２は、さらに、トレンチ２２２ａ〜ｂと同様のトレンチ２３２ａ〜ｃのうちの対応する１つによって上部層２１６の中にそれぞれ画定された３つの電極２３４ａ〜ｃを備えている。これらの電極２３４ａ〜ｃの各々は、デバイス構造の残りの部分から電気的に分離されているため、個々の電極をたとえばビーム２２０に対して個々にバイアスすることができる。したがって、これらの電極２３４ａ〜ｃのうちの任意の１つを使用して、たとえば図１に示されているＤＤ回路１０４から駆動信号を受け取ることができる。図２には、説明用として、駆動信号配線２３６が電極２３４ｂに取り付けられた構成が示されている。別法としては、電極２３４ａまたは電極２３４ｃに配線２３６を取り付けることも可能である。１つまたは複数の駆動信号が複数の電極に印加される配線構成も可能である。
【００１５】
周期（たとえば正弦波）駆動信号がこれらの電極２３４ａ〜ｃのうちの選択された１つに印加されると、その電極とビーム２２０の間に振動引力が生成され、そのためにビームがその引力の時間平均値に対応する平衡位置の周りで振動する。この引力は、電極２３４とビーム２２０の間の電圧差の二乗に比例するため、極性が交番する駆動信号によって生成される時間平均力値は、通常、ゼロではなく、ビームの振動は、その駆動信号の第二高調波を有している。一方、極性が固定された周期駆動信号（たとえばバイアスされた正弦波信号）が使用されると、ビーム２２０は、通常、その駆動信号の周波数で振動する。
【００１６】
図３は、本発明の一実施形態による磁力計１００のＤＤ回路１０４として使用することができるＤＤ回路３０４のブロック図を示したものである。図に示されているＤＤ回路３０４は、説明用として、図２に示すデバイス２０２に接続されている。しかしながら、図３に示されているデバイス２０２の配線構成は、図２に示されているデバイス２０２の配線構成とは異なっていることに留意されたい。より詳細には、図３に示されている構成では、ＤＤ回路３０４は、電極２３４ａおよび２３４ｃに接続されており、一方、図２に示されている構成では、対応するＤＤ回路は、電極２３４ｂに接続されている。
【００１７】
ＤＤ回路３０４は、回路の動作モードを制御するスイッチＳ１を有している。より詳細には、開ループ・モードを可能にするために、スイッチＳ１は、電極２３４ａを外部交流源（図示せず）に結合するように構成されている。別法としては、閉ループ・モードを可能にするために、スイッチＳ１は、帰還ループ３１０を介して電極２３４ｃを電極２３４ａに結合するように構成されている。以下、ＤＤ回路３０４のこれらの動作モードの各々についてより詳細に説明する。
【００１８】
最初に、ＤＤ回路３０４の開ループ・モードを参照すると、外部交流源から受け取った基準交流信号３０８が可変利得増幅器Ａ１を使用して増幅される。得られた増幅信号がバイアス電圧Ｖ１を使用して適切にバイアスされ、極性が固定された駆動信号として電極２３４ａに印加される。ビーム２２０に対して直角の外部磁界が存在していると、駆動信号によって誘導されるビームの振動により、コンタクト・パッド２２４ａ〜ｂ間に発振電圧差が出現する。既に上で説明したように、この発振電圧差の振幅は、その磁界の強度を表している。コンタクト・パッド２２４ａ〜ｂに接続されている増幅器３３０は、パッドでピック・アップされた信号を増幅し、得られた増幅信号３３２がロックイン検出器３４０に印加される。増幅器Ａ１が受け取る入力信号は、検出器３４０における信号３３２のロックイン検出を可能にするために分岐され、基準信号３２２としてロックイン検出器に印加されている。検出器３４０は、信号３２２を使用して信号３３２中の対応する周波数成分の振幅を測定し、測定した結果をたとえば図１に示されている出力信号１０６に類似した出力信号３０６として出力する。一実施形態では、検出器３４０は、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ在所のＳｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社から商用的に入手することができるＳＲ８３０ロックイン増幅器である。
【００１９】
ＤＤ回路３０４は、さらに、２つの任意選択補償経路を備えており、第１の補償経路は、可変利得増幅器Ａ３および移相器ＰＳ３を有し、また、第２の補償経路は、可変利得増幅器Ａ２および移相器ＰＳ２を有している。第１の補償経路は、信号３３２と駆動信号の間の電気クロストークを小さくするように構成されている。より詳細には、ビーム２２０と駆動電極２３４ａの間の容量結合のため、ビームおよび駆動電極によって形成されるコンデンサを介して駆動信号が「リーク」し、たとえ磁界が存在せず、かつ／またはビームが振動していない場合であっても、信号３３２中に存在することになる背景信号成分が生成される。第１の補償経路は、（ｉ）駆動信号を可変利得増幅器Ａ３で適切に増幅し、（ｉｉ）容量性位相シフトを考慮し、かつ、リークした信号とは位相外れの信号を生成するべく、その結果を移相器ＰＳ３で９０度だけ位相をシフトさせ、かつ、（ｉｉｉ）パッド２２４ａ〜ｂからピック・アップされる信号に位相外れ信号を加えることにより、その背景成分を実質的に相殺している。
【００２０】
第２の補償経路は、信号３３２に対する地球の磁界の寄与を小さくするように、あるいは別法として、信号３３２が地球の磁界強度の局部変化により敏感になるように構成されている。より詳細には、増幅器Ａ２の利得は、基準磁界強度のパッド２２４ａ〜ｂからピック・アップされる信号の振幅に実質的に等しい振幅を有する出力信号を生成するように設定されている。この出力信号は、パッド２２４ａ〜ｂからピック・アップされる信号とは位相外れになるよう、移相器ＰＳ３で適切に位相シフトされ、かつ、対応する量だけ信号３３２の振幅を小さくするために増幅器３３０の入力に印加される。この第２の補償経路により、信号３０６は、実質的に、磁界強度が基準磁界強度から逸脱する範囲まで、その磁界強度の存在を示すことができる。基準磁界強度が所与の地理上の位置における「標準」の地球の磁界強度（この磁界強度は、南米および南アフリカの大部分における約３０マイクロテスラから、北カナダおよびオーストラリアの南部の磁極付近における約６０マイクロテスラを超える範囲に及んでいる）になるように選択される場合、信号３０６は、この「標準」磁界強度からの周囲の磁界強度の逸脱の測度になる。
【００２１】
次に、ＤＤ回路３０４の閉ループ・モードを参照すると、スイッチＳ１が閉ループ構成にフリップされると、可変利得増幅器Ａ５、移相器ＰＳ５、振幅制限器３１８および可変利得増幅器Ａ１を有する電気経路を介して、電極２３４ｃおよび２３４ａが結合される。増幅器Ａ１およびＡ５の累積利得は、（ｉ）ビーム２２０と電極２３４ｃおよび２３４ａによって形成されるコンデンサと、（ｉｉ）上で明記したこれらの電極の間の電気経路とを含む閉ループが、たとえば熱雑音によって自励になりがちな実効信号発生器として作用するだけの十分な大きさの値に設定されている。閉ループの電気特性は、この実効信号発生器によって電極２３４ａに印加される駆動信号の周波数とビーム２２０の共振振動周波数が比較的近くなるように選択される。
【００２２】
ビーム２２０の振動のため、ビームおよび電極２３４ｃによって形成されるコンデンサ（以下、知覚コンデンサと呼ぶ）の容量は時間依存性になる。電極２３４ｃをバイアス電圧Ｖ２に接続している抵抗器Ｒ１および増幅器Ａ５の入力インピーダンスの両方の抵抗が比較的大きい場合、知覚コンデンサに蓄積される電荷は、実質的に時間独立性である。時間依存型知覚コンデンサに蓄積される実質的に一定の電荷により、この知覚コンデンサの両端間の電圧がビーム２２０の振動周波数と同じ周波数で発振する。信号３１２のラベルが振られているこの発振電圧が増幅器Ａ５を使用して増幅され、信号３１６が生成される。上に挙げた、本発明の譲受人が所有している米国特許出願第１０／８８９，９７０号により詳細に説明されているように、信号３１６の位相は、通常、駆動信号の位相より９０度だけ遅れている。この位相遅れは、移相器ＰＳ５を介して信号３１６を通過させることによって除去される。得られた位相シフト信号は、通過する信号の大きさが一定の固定値を超えている場合に、その通過信号をクリップするように構成された振幅制限器３１８を通過する。振幅制限器３１８の基本的な効果は、電極２３４ａに印加される駆動信号を整形し、かつ、その信号の振幅を制限することである。振幅制限器３１８によって生成された出力信号は、増幅器Ａ１を使用して増幅され、バイアス電圧Ｖ１を使用してバイアスされた後、電極２３４ａに印加される。
【００２３】
ＤＤ回路３０４は、さらに、可変利得増幅器Ａ４を有し、かつ、信号３１２と駆動信号の間の電気クロストークを小さくするように構成された第３の任意選択補償経路を備えている。より詳細には、電極２３４ａ、ビーム２２０および電極２３４ｃは、駆動信号と信号３１２の間に容量結合を提供する、直列に接続された２つのコンデンサを形成している。したがって、これらのコンデンサを介して駆動信号が「リーク」し、信号３１２中に寄生信号成分が生成される。第３の補償経路は、駆動信号を可変利得増幅器Ａ４で適切に増幅し、かつ、得られた信号を信号３１２に加えることにより、その寄生成分を実質的に相殺している。直列に接続された２つのコンデンサを介してリークするこの寄生成分は、駆動信号に対して位相が１８０度シフトしているため、増幅器Ａ４によって生成される信号により、その寄生成分が実質的に相殺される。
【００２４】
ＤＤ回路３０４のこの閉ループ構成の場合も、パッド２２４ａ〜ｂからピック・アップされる信号の検出は、開ループ構成の場合の検出と実質的に類似している。したがってこの回路の検出部分の機能の説明は、ここでは省略する。開ループ構成の場合と同様、上で説明した第１および／または第２の補償経路をこの閉ループ構成に使用して、（ｉ）信号３３２と増幅器Ａ１によって電極２３４ａに印加される駆動信号との間の電気クロストークを小さくし、かつ／または（ｉｉ）信号３３２を周囲の磁界強度の局部変化に対してより敏感にすることができる。
【００２５】
図４Ａ〜Ｂは、本発明の他の実施形態による磁力計１００のセンサ１０２として使用することができるＭＥＭＳデバイス４０２を示したものである。より詳細には、図４Ａは、デバイス４０２の上面図を示したものであり、また、図４Ｂは、このデバイスのビーム部材ブリッジ４２０の側断面図を示したものである。一実施形態では、デバイス４０２は、図２に示されているウェーハ２１０と同様のＳＯＩウェーハ４１０を使用して製造されている。ウェーハ４１０は、（ｉ）２つのケイ素層、すなわち上部層４１６および基板層４１２（図４Ｂ参照）、および（ｉｉ）層４１２と４１６の間に配置された酸化ケイ素層４１４を有している。基板層４１２は、デバイス構造のためのサポートを提供し、酸化ケイ素層４１４は、層４１２と４１６の間の電気絶縁を提供している。上部層４１６は、デバイスの特定の構造エレメントを画定するために使用される。
【００２６】
デバイス４０２は、２つの導電性変形可能ビーム部材、すなわち駆動ビーム部材４３０および知覚ビーム部材４４０を備えており、これらのビーム部材は、ブリッジ４２０によって機械的に結合されている。ビーム部材４３０および４４０は、これらのビーム部材の近傍およびビーム部材の真下に位置している酸化ケイ素層４１４および基板層４１２の一部を除去することによって上部層４１６から形成されている。しかしながら、ブリッジ４２０に対応する基板層４１２の一部は、図４Ｂに示されているように、ビーム部材４３０と４４０の間に機械的なリンク４２６を形成するために、そのままの状態で残されている。ブリッジ４２０は、ビーム部材４３０および４４０を機械的に結合しているが、このブリッジは、同時に、これらのビーム部材の間の電気絶縁を提供している。より詳細には、層４１６および４１４を貫通してブリッジ材料中にエッチングされたトレンチ４２８が、上部層４１６内のビーム部材４３０と４４０の間の電気絶縁を提供し、一方、酸化ケイ素層４１４の下側の部分がリンク４２６によるビーム部材の電気短絡を防止している（図４Ｂ参照）。
【００２７】
デバイス４０２内の駆動電極４３４は、デバイス２０２（図２）内の電極２３４ｂに実質的に類似している。したがって、電極４３４と駆動ビーム部材４３０の間に印加される周期駆動電圧によって、デバイス２０２内のビーム２２０と同様に駆動ビーム部材が振動する。知覚ビーム部材４４０は、ブリッジ４２０によって提供される機械的なリンクのため、駆動ビーム部材と共に振動する。磁界が存在している場合、知覚ビーム部材４４０のこの振動により、知覚ビーム部材の末端が電気接続されているコンタクト・パッド４４４ａ〜ｂの間に発振電圧が生成される。この発振電圧は、たとえば図３に示されているＤＤ回路３０４の開ループ構成を使用してピック・アップし、かつ、検出することができ、それによりその磁界の強度を決定することができる。
【００２８】
ブリッジ４２０によって提供される、機械的に結合されたビーム部材４３０と４４０の間の電気絶縁は、デバイス４０２に印加される駆動信号とそのデバイスによって生成される出力信号との間の電気クロストークを、デバイス２０２における対応する電気クロストークと比較して小さくすることができる点で、場合によっては有利である。この電気クロストークのリダクションは、主として、（ｉ）知覚ビーム部材４４０と駆動電極４３４の間の間隔が比較的広く、そのため、デバイス４０２に接続されている駆動線と検出線の間の容量結合が比較的弱いこと、および（ｉｉ）知覚電極と、駆動電極および駆動ビーム部材４３０によって形成されるコンデンサとの間に直接的な電気接続が存在しないことによるものである。デバイス４０２内に生成される比較的小さい電気クロストークは、たとえば図３に示されているＤＤ回路３０４の第１の補償経路（増幅器Ａ３および移相器ＰＳ３を有している）を使用した比較的有効な補償に適していることは当業者には理解されよう。
【００２９】
図５Ａ〜Ｄは、本発明のさらに他の実施形態による磁力計１００のセンサ１０２として使用することができるＭＥＭＳデバイス５０２を示したものである。より詳細には、図５Ａは、デバイス５０２の上面図を示したものであり、図５Ｂ〜Ｃは、デバイスの部分５５０および５６０の拡大上面図を示したものであり、また、図５Ｄは、デバイス内の知覚ビーム部材５４０の側断面図を示したものである。デバイス５０２の構造は、デバイス４０２（図２）の構造に概ね類似している。詳細には、デバイス５０２は、駆動電極５３４、駆動ビーム部材５３０、知覚ビーム部材５４０、および駆動ビーム部材と知覚ビーム部材の間のブリッジ５２０を有しており、これらは、デバイス４０２の駆動電極４３４、駆動ビーム部材４３０、知覚ビーム部材４４０およびブリッジ４２０にそれぞれ類似している。しかしながら、デバイス４０２と５０２の相違の１つは、デバイス５０２が追加材料層を有していること、つまり、ＳＯＩウェーハのケイ素上部層の上に付着された窒化ケイ素層５１８を有していることである。窒化ケイ素は絶縁体であるため、層５１８は、駆動電極５３４に駆動信号を引き渡すために使用することができる金属めっき開口（ビア）５３６を有している。デバイス４０２と５０２のもう１つの相違は、デバイス５０２が、窒化ケイ素層５１８の上に配置された複数の導電トラックを有していることである。より詳細には、駆動ビーム部材５３０は、駆動ビーム部材の導電率を改善するように作用する金属トラック５３２を有している。同様に、知覚ビーム部材５４０は、うず巻線形の金属トラック５４２の２つのセクションを有しており、以下、そのレイアウトおよび機能についてより詳細に説明する。
【００３０】
図５Ｂに示されているように、金属トラック５４２は、コンタクト・パッド５４４ａを出発点とし、そのコンタクト・パッドから知覚ビーム部材５４０の左側の終端までトラック・セクション５４２ａおよび５４２ｂが展開している。トラック・セクション５４２ｂは、知覚ビーム部材５４０の左側の終端でトラック・セクション５４２ｃに接続されている。トラック・セクション５４２ｃは、知覚ビーム部材５４０に沿って知覚ビーム部材の右側の終端まで展開し、そこで、図５Ｃから分かるように、トラック・セクション５４２ｄに接続されている。トラック・セクション５４２ｄは、デバイス５０２の静止部分の上方を知覚ビーム部材５４０に平行に展開しているトラック・セクション５４２ｅに接続されている（図５Ａ〜Ｃ参照）。トラック・セクション５４２ｅはトラック・セクション５４２ｆに接続されており、トラック・セクション５４２ｆは、図５Ｂに示されているように、トラック・セクション５４２ｂに平行に展開している。トラック・セクション５４２ｆは、知覚ビーム部材５４０の左側の終端まで展開し、そこでトラック・セクション５４２ｇに接続されている。トラック・セクション５４２ｇは、知覚ビーム部材５４０に沿ってトラック・セクション５４２ｃに平行に知覚ビーム部材の右側の終端まで展開し（図５Ｂおよび５Ｄ参照）、そこで、図５Ｃに示されているようにトラック・セクション５４２ｈに接続されている。最後に、トラック・セクション５４２ｈは、コンタクト・パッド５４４ｂで終端しているトラック・セクション５４２ｉに接続されている（図５Ｃ参照）。図５に示されている実施形態では、金属トラック５４２は、知覚ビーム部材５４０に沿って展開している２つの平行セクションを有しているが、異なる実施形態では、知覚ビーム部材に沿って展開しているうず巻線の別々の回に属する３つ以上の平行セクションを有し、かつ、金属トラック５４２に沿ってコンタクト・パッド５４４ａからコンタクト・パッド５４４ｂに向かって引かれる線が、常に、知覚ビーム部材に沿って同じ方向、たとえば図５Ａの場合、知覚ビーム部材の左側の終端から知覚ビーム部材の右側の終端へ向かう方向に展開するように他のトラック・セクションに接続するために、内側に向かってうずをなす方法で金属トラック５４２を配置することができる。
【００３１】
うず巻線形のトラック５４２をデバイス５０２内に有する目的の１つは、知覚ビーム部材５４０の上にうず巻線トラック・セクションを存在させることにより、同様のサイズのデバイス４０２の場合と比較して、知覚ビーム部材の実効長を少なくとも２倍にすることである。デバイスによって生成される発振信号の振幅は、通常、知覚ビーム部材の長さに比例する点で、実効長は長いほど有利である。したがって、うず巻線トラック５４２の２つの平行セクションを知覚ビーム部材５４０の上に有するデバイス５０２は、同様の構成のデバイス４０２によって生成される信号の振幅の約２倍の大きさの振幅を有する信号を生成することができる。うず巻線トラック５４２の３つ以上の平行セクションを知覚ビーム部材５４０の上に有するデバイス５０２の実施形態を使用して、さらに大きい振幅を有する信号を達成することができる。
【００３２】
図６は、本発明のさらに他の実施形態による磁力計１００のセンサ１０２として使用することができるＭＥＭＳデバイス６０２を示したものである。デバイス６０２は、デバイス６０２が（ｉ）ＳＯＩウェーハのケイ素上部層の上に付着された窒化ケイ素層６１８（この層を使用してデバイス６０２が形成される）、および（ｉｉ）窒化ケイ素層の上に配置された金属トラックを有している点で、図５に示されているデバイス５０２に類似している。しかしながら、デバイス６０２および５０２は、それらの駆動電極の形状および位置が異なっており、また、それらの振動ビームの形状が異なっている。より詳細には、デバイス６０２内のビーム構造は、振動端で一体に結合され、かつ、フォーク・ハンドルを使用してデバイスの静止部分に固定された一対の音叉に類似している。駆動電極６３６は、ビーム構造の内部開口内に配置されている。駆動電極６３６は、それぞれ対応する電極端とデバイス６０２の静止部分の間に取り付けられた２つの三脚形支持構造６３８ａ〜ｂによって開口の中に支持されている。一実施形態では、支持構造６３８ａ〜ｂは、ＳＯＩウェーハの基板層を使用して形成されている。支持構造６３８ａ〜ｂの頂部とビーム構造の底部の間に配置された中間酸化ケイ素層の一部は、ビーム構造をアンダーカットし、フォーク・ハンドル部分でのみデバイス６０２の静止部分に取り付けるためにエッチ除去されていることに留意されたい。
【００３３】
デバイス６０２は、さらに、それぞれデバイス５０２の電極５３４に構造的に類似した２つの電極６３４ａ〜ｂを有している。電極６３４ａ〜ｂの各々は、たとえば図２および３に示されている知覚電極２３４ｃに類似した知覚電極として使用することができる。しかしながら、図６に示されているデバイス配線構成の場合、知覚電極６３４ａのみがＤＤ回路に接続するために配線されており、電極６３４ｂは浮遊した状態で残されている。
【００３４】
デバイス６０２内のビーム構造は、それぞれ対応する金属トラックのセクションがその上に配置された２つの変形可能ビーム部材６４０ａ〜ｂを有している。より詳細には、ビーム部材６４０ａは、うず巻線形金属トラック６４６ａのセクションを有しており、ビーム部材６４０ｂは、うず巻線形金属トラック６４６ｂのセクションを有している。金属トラック６４６ａ〜ｂは、実質的にまったく同じレイアウトを有しており、図６の場合、駆動電極６３６の中心に位置し、トラックのレイアウトの対称の中心を表す点Ａの周りに金属トラック６４６ａのレイアウトを１８０度回転させることにより、金属トラック６４６ｂのレイアウトを得ることができる。この対称性に鑑みて、以下、金属トラックの一方のレイアウト、すなわち金属トラック６４６ｂのレイアウトについてのみ、図６を使用して詳細に説明する。
【００３５】
金属トラック６４６ｂは、コンタクト・パッド６４４ａを出発点とし、ビーム構造の左側のフォーク・ハンドルを越えてビーム部材６４０ｂの上へ展開している。金属トラック６４６ｂは、次に、ビーム部材６４０ｂの外側のリムに沿って展開し、ビーム構造の右側のフォーク・ハンドルを越えてビーム構造から離れる。金属トラック６４６ｂは、次に、電極６３４ｂおよびコンタクト・パッド６４４ａの周りを、輪を描いて廻り、ビーム構造の左側のフォーク・ハンドルを越えて再びビーム構造に入る。金属トラック６４６ｂは、次に、ビーム部材６４０ｂの内側のリムに沿って展開し、ビーム構造の右側のフォーク・ハンドルを越えてビーム構造から離れる。最後に、金属トラック６４６ｂは、コンタクト・パッド６４４ｂで終端する。
【００３６】
金属トラック６４６ａ〜ｂは、配線６４８を使用してコンタクト・パッド６４４ｂ〜ｃを電気接続することによって一体に配線されている。コンタクト・パッド６４４ａおよび６４４ｄは、図２に示されている配線２２６ａ〜ｂによって形成された検出線に類似した検出線に接続されている。この方法で配線されたデバイス６０２は、次に、デバイス２０２と実質的に同じ方法でＤＤ回路３０４に結合することができる（図３参照）。
【００３７】
周期駆動信号が駆動電極６３６に印加されると、その駆動信号によってビーム部材６４０ａ〜ｂが互いに逆方向へ移動するように振動する。たとえば、ビーム部材６４０ａが内側へ、つまり電極６３６に向かって偏向すると、ビーム部材６４０ｂも内側へ偏向し、したがってビーム部材６４０ａの方向とは逆の方向へ移動する。同様に、ビーム部材６４０ａが外側へ、つまり電極６３６から遠ざかる方向に偏向すると、ビーム部材６４０ｂも外側へ偏向し、したがってこの場合もビーム部材６４０ａの方向とは逆の方向へ移動する。磁界が存在している場合、ビーム部材６４０ａ〜ｂは互いに逆方向に移動するため、（ｉ）パッド６４４ａと６４４ｂの間、および（ｉｉ）パッド６４４ｄと６４４ｃの間に生成される電圧差は、互いに逆の極性を有することになる。しかしながら、パッド６４４ｂがパッド６４４ｃに電気接続された図６の配線構成の場合、これらの電圧差は、互いに相殺する代わりに、互いに加えられることになる。図５に示されているデバイス５０２の場合と同様、デバイス６０２は、知覚ビーム部材の実効長が比較的長いため、磁界を測定するための比較的高い感度／精度をもたらしている。
【００３８】
図７は、本発明の一実施形態によるデバイス６０２の他の配線構成を示したものである。より詳細には、図７の配線構成の場合、直列に接続された３本の配線７４８ａ〜ｃを使用してコンタクト・パッド６４４ｂおよび６４４ｄを電気接続することによって金属トラック６４６ａ〜ｂが一体に配線され、一方、コンタクト・パッド６４４ａおよび６４４ｃは検出線に接続されている。ビーム部材６４０ａおよび６４０ｂの磁界強度が同じである場合、図７の配線構成では、（ｉ）パッド６４４ａと６４４ｂの間、および（ｉｉ）パッド６４４ｄと６４４ｃの間に生成される電圧差が実質的に互いに相殺され、したがって零（ヌル）検出信号が生成される。しかしながら、ビーム部材６４０ａと６４０ｂの間に磁界勾配が存在している場合、金属トラック６４６ａ〜ｂによって生成される電圧差が互いに相殺されず、その磁界の勾配の測度である信号が検出線に出現する。図７の配線構成は、場合によっては、たとえば、周囲の磁界を著しくひずませ、比較的強い磁界勾配を生成する埋設強磁性ワイヤを検出する場合に有用である。このようなワイヤ検出のアプリケーションの１つは、磁気バー・コードとして機能するワイヤ・ベース・ラベルの読取り装置におけるアプリケーションである。
【００３９】
図８は、本発明のさらに他の実施形態による磁力計１００のセンサ１０２として使用することができるＭＥＭＳデバイス８０２を示したものである。デバイス８０２は、それぞれデバイス６０２（図６および７）のビーム構造に類似した４つのビーム構造を実質的に積み重ね、かつ、それぞれ図４に示されているブリッジ４２０に類似した３つのブリッジ８２０を使用してこれらのビーム構造を機械的に結合することによって形成されている。デバイス８０２は、それぞれデバイス６０２の駆動電極６３６に類似した４つの駆動電極８３６ａ〜ｄを有している。駆動電極８３６ａおよび８３６ｃは、周期駆動信号を受け取るために一体に配線されており、また、同様に、駆動電極８３６ｂおよび８３６ｄも、その周期駆動信号の１８０度位相シフト・バージョンを受け取るために一体に配線されている。ビーム構造の各々の上に配置された金属トラックは、図６に示されているデバイス６０２の配線構成と同様、個々のビーム構造を磁界強度に対して敏感にするうず巻線の形状を有している。異なるビーム構造の金属トラックは、デバイス８０２によって検出線に印加される信号が単一のビーム構造を有するデバイスによって生成されるであろう信号と比較して実質的に４倍になるよう、互いに直列に接続されている。デバイス６０２と同様、デバイス８０２も、磁界の強度に対してではなく、磁界の勾配に対して敏感になるように再配線することができる。
【００４０】
以上、本発明について、実例実施形態を参照して説明したが、以上の説明を、本発明を制限する意味で解釈してはならない。上で説明した実施形態に対するさまざまな改変ならびに本発明の他の実施形態は、これらは本発明に関連する当業者には明らかであると思われるが、特許請求の範囲に明確に記述されている本発明の原理および範囲に包含されるものとする。
【００４１】
本発明によるＭＥＭＳデバイスについて、ケイ素／酸化ケイ素ＳＯＩウェーハのコンテキストの中で説明したが、ゲルマニウム補償ケイ素などの他の適切な材料を同様に利用することも可能である。当分野で知られているように、材料を適切にドープすることができる。導電率を改善するために、たとえば金属を付着させることによってさまざまな表面を修正することができ、あるいは機械的強度を改善するためにイオンを注入することによってさまざまな表面を修正することができる。本発明の範囲および原理を逸脱することなく、さまざまな形状の電極、パッド、トラック、トレンチ、開口および支持構造を実施することができる。たとえば、図５に示されているうず巻線トラック５４２に類似したうず巻線トラックを、その回の一部が形成され、かつ、他の回の頂部が適切に絶縁されたコイルとして実施することができる。このコイルは、うず巻線トラック５４２として同様の機能を発揮する一方で、うず巻線トラック５４２の実質的に平らな構造の代わりに三次元構造を有することになる点で、うず巻線トラック５４２とは異なることになる。変形可能ビームおよびビーム部材は、異なる形状およびサイズを有することができ、「ビーム」という用語は、一般に、ひずんだ後にその元の形状を回復することができる適切な任意の弾性構造を意味している。ビーム自体の材料は、導電性であってもなくてもよい。後者の場合、ビームの電気機械的励起および／または周囲の磁界による発振信号の誘導を可能にするために、ビームに沿って、たとえば導電トラックの形態の個別の電気通路が提供される。ビームの材料が導電性の場合、電気通路として機能するようにビーム自体を構成することができる。さまざまなタイプの発振器をビームおよび／または前記電気通路に結合し、ビームを振動させるための手段を提供することができる。本発明によるデバイスには、本発明の範囲および原理を逸脱することなく、異なる数の電極を使用することができる。必要に応じておよび／または当業者には明らかなように、本発明による複数のデバイスを他の回路、たとえばＤＤ回路と共にアレイ化し、かつ／またはチップ上に集積することができる。磁力計がさまざまな配向の磁界を知覚することができるよう、本発明によるさまざまな配向の複数のデバイスを磁力計に組み込むことができる。ロックイン検出の代わりに異なるタイプの位相感応信号検出を使用することができる。
【００４２】
本明細書の目的のために、ＭＥＭＳデバイスは、互いに対して移動するように適合された複数の部分を有するデバイスであり、その運動は、機械的、熱的、電気的、磁気的、光学的および／または化学的な相互作用などの適切な任意の相互作用または複数の相互作用の組合せに基づいている。ＭＥＭＳデバイスは、場合によっては、必ずしもそれらに限定されないが、（ｉ）たとえばセルフ・アセンブリング・モノレイヤ、所望の化学物質に対する高い親和性を有する化学コーティング、およびダングリング化学結合の生成および飽和を使用したセルフ・アセンブリ技法、および（２）たとえばリソグラフィ、化学気相成長、材料のパターニングおよび選択的エッチング、および表面の処理、整形、めっきおよびテクスチャリングを使用したウェーハ／材料処理技法を始めとする、微小、またはより小形の製造技法（超微小製造技法を含む）を使用して製造される。ＭＥＭＳデバイス内の特定のエレメントのスケール／サイズは、量子効果の表明を許容するようなスケール／サイズにすることができる。ＭＥＭＳデバイスの実施例には、それらに限定されないが、ＮＥＭＳ（超微小電気機械システム）デバイス、ＭＯＥＭＳ（微小光電気機械システム）デバイス、マイクロマシン、マイクロシステム、およびマイクロシステム技術またはマイクロシステム・インテグレーションを使用して製造されたデバイスがある。
【００４３】
本発明について、ＭＥＭＳデバイスとしての実施態様のコンテキストの中で説明したが、本発明は、理論的には、マイクロ・スケールより大きいスケールを含む任意のスケールで実施することができる。
【００４４】
特に明確に言及されていない限り、個々の数値および範囲は、その数値または範囲の値の前に「約」または「ほぼ」という語が先行しているものとして、近似値として解釈されたい。
【００４５】
また、当業者には、本発明の性質を説明するために上で説明し、かつ、図に示した部分の細部、材料および構造に対して、特許請求の範囲に明確に記述されている本発明の範囲を逸脱することなく、さまざまな変更を加えることができることは理解されよう。
【００４６】
本明細書において説明した例示的方法の各ステップは、必ずしも上で説明した順序で実施する必要はないことを理解すべきであり、このような方法の各ステップの順序は、単に例示的なものにすぎないことを理解されたい。同様に、追加ステップをこのような方法に含めることも可能であり、また、特定のステップを省略し、あるいは本発明によるさまざまな実施形態に矛盾しない方法に組み込むことも可能である。
【００４７】
特許請求の範囲に方法請求項が存在している場合、その方法請求項のエレメントは、対応するラベル付けを使用して特定のシーケンスで記載されているが、これらのエレメントの一部またはすべてを実施するための特定のシーケンスであることをその請求項がほのめかしていない限り、これらのエレメントは必ずしもその特定のシーケンスでの実施に限定されない。
【００４８】
本明細書における「一実施形態」または「実施形態」という表現の参照は、その実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造または特性を本発明による少なくとも１つの実施形態の中に含めることができることを意味している。本明細書のさまざまな部分で使用されている「一実施形態では」という表現は、必ずしもそれらのすべてが同じ実施形態を指しているわけではなく、また、個別の実施形態または代替実施形態が必ずしも他の実施形態を互いに排他するものでもない。「実施態様」という用語についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態による磁力計のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスの上面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、図１に示す磁力計に使用することができる駆動および検出（ＤＤ）回路のブロック図である。
【図４Ａ】本発明の他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図４Ｂ】本発明の他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図５Ａ】本発明のさらに他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図５Ｂ】本発明のさらに他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図５Ｃ】本発明のさらに他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図５Ｄ】本発明のさらに他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスおよびその配線構成を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態による、図６に示すデバイスのための他の配線構成を示す図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による、図１に示す磁力計のセンサとして使用することができるＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図１】
2009531714.tif 000003
【図２】
2009531714.tif 000004
【図３】
2009531714.tif 000005
【図４Ａ】
2009531714.tif 000006
【図４Ｂ】
2009531714.tif 000007
【図５Ａ】
2009531714.tif 000008
【図５Ｂ】
2009531714.tif 000009
【図５Ｃ】
2009531714.tif 000010
【図５Ｄ】
2009531714.tif 000011
【図６】
2009531714.tif 000012
【図７】
2009531714.tif 000013
【図８】
2009531714.tif 000014
【国際調査報告】
2009531714.tif 000015
2009531714.tif 000016