(57)【要約】      （修正有）【課題】時間領域センシング装置およびそれを使用するための方法を提供する。【解決手段】試験質量を有する力センサーであって、その上に一またはそれ以上のセンシング電子トンネル電極を有する力センサーと、一またはそれ以上の基準電子トンネル電極を備えるフレームとを備える。センサーベース上に配置された導電性プレートと、キャッピングウェーハとにより、試験質量の振動が誘導される。センシングおよび基準電極の対が対向する構成で配置され、これにより、一またはそれ以上の閉状態によって特徴付けられるデジタルスイッチを形成する。閉状態において、スイッチは、トリガ事象を作成し、質量位置を示すデジタル出力をセンシング装置が作成することが可能になる。連続的なトリガ事象の間の時間周期が、外部励振に起因する質量偏向を得るために使用される。トリガ事象の間の時間的離間は、物理的寸法に基づいており、継続的なセンサー較正が不要となる。【選択図】図１
2015187613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の側面を備える試験質量、
前記試験質量上に配置される少なくとも１つの位置センシング電極、および
前記試験質量の複数の側面の第１の側面上に配置され、かつ接地面に連結された接地レベルエレメント、を備える第１の構造と、
電極を画定する少なくとも１つの位置、および
第２の構造の第１の側面に沿って配置される第１の容量プレート、を備える第２の構造と、
前記第１の容量プレートおよび前記接地面に電気的に連結され、かつ前記少なくとも１つの位置規定電極に対して第１の周波数で前記試験質量の振動運動を誘導するように構成される駆動回路と、
前記少なくとも１つの位置規定電極および前記少なくとも１つの位置センシング電極に連結され、前記少なくとも１つの位置規定電極と前記少なくとも１つの位置センシング電極との間の少なくとも１つの所定の空間構成を示す信号を出力するように構成されるセンシング回路を備える第２の構造と、
を備える振動時間領域力センシング装置であって、
前記信号が、第１の時間値と関連付けられる第１のパルスと、第２の時間値と関連付けられる第２のパルスとを少なくとも含み、
前記第２の時間値と前記第１の時間値との間の差が、前記第１の周波数と、前記慣性力に起因する前記試験質量の変位とに少なくとも基づくように構成される振動時間領域力センシング装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの位置規定電極が、第１の位置規定電極および第２の位置規定電極を備え、
前記少なくとも１つの所定の空間構成が、
（ｉ）前記第１の位置規定電極と前記少なくとも１つの位置センシング電極との間の第１の空間構成と、（ｉｉ）前記第２の位置規定電極と前記少なくとも１つの位置センシング電極との間の第２の空間構成とを含み、
前記信号は、少なくとも、第３の時間値と関連付けられる第３のパルスと、第２の時間値と関連付けられる第４のパルスとをさらに含み、前記第３および前記第４のパルスは、前記第２の空間構成に少なくとも部分的に基づいて生成される請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの位置規定電極が、第１の位置規定電極および第２の位置規定電極を備え、
前記少なくとも１つの位置センシング電極が、第１の位置センシング電極および第２の位置センシング電極を備え、
前記少なくとも１つの所定の空間構成が、（ｉ）前記第１の位置規定電極と前記第１の位置センシング電極との間の第１の空間構成、および、前記第２の位置規定電極と前記第２の位置センシング電極との間の第１の空間構成と、（ｉｉ）前記第２の位置規定電極と前記第１の位置センシング電極との間の第２の空間構成と、（ｉｉｉ）前記第１の位置規定電極と前記第２の位置センシング電極との間の第３の空間構成と、を含み、
前記信号が、
少なくとも、第３の時間値と関連付けられた第３のパルスと、第２の時間値と関連付けられた第４のパルスであって、前記第３および前記第４のパルスが、前記第２の空間構成に少なくとも部分的に基づいて作成される第３および第４のパルスと、
少なくとも、第５の時間値と関連付けられた第５のパルスと、第６の時間値と関連付けられた第６のパルスであって、前記第５および前記第６のパルスが、前記第３の空間構成に少なくとも部分的に基づいて作成される第５のパルスおよび第６のパルスと、
をさらに含む請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記第２の構造が、前記第２の構造の、前記第１の側面に実質的に対向している第２の側面に沿って配置される第２の容量プレートを備え、
前記駆動回路が、前記第２の容量プレートに電気的に連結され、そして
前記駆動回路が、第１の駆動信号を前記第１の容量プレートへ提供し、かつ第２の駆動信号を前記第２の容量プレートへ提供するように構成され、前記第２の駆動信号が、前記第１の駆動信号に対して位相シフトしている請求項１記載の装置。
【請求項５】
マイクロスケール振動子と、
前記振動子と通信する駆動回路と、
前記振動子と通信するスイッチ回路と、
を備える振動微小電気機械センサー（ＭＥＭＳ）装置であって、
前記装置が、外部から適用される影響に少なくとも部分的に関連する、実質的にデジタルの出力信号を作成し、および
前記デジタル出力信号の正確性が、前記マイクロスケール振動子の使用に少なくとも部分的に基づいており、時間の関数として実質的にドリフトまたは変化しない装置。
【請求項６】
振動子と、
前記振動子と通信する駆動回路と、
前記振動子と通信するスイッチ回路と、
を備える振動子装置であって、
前記装置が、外部から適用される影響に少なくとも部分的に関連する、実質的にデジタルの出力信号を作成し、および
前記デジタル出力信号の正確性が、前記振動子の一またはそれ以上の物理的特性における経時的な変化の関数として実質的にドリフトまたは変化しない装置。
【請求項７】
振動子と、
前記振動子と通信する駆動回路と、
前記振動子と通信するスイッチ回路と、
を備える振動センサー装置であって、
前記装置が、外部から適用される影響に少なくとも部分的に関連する、実質的にデジタルの出力信号を作成し、および
前記駆動回路が、前記振動子の振動振幅を変化させるために前記振動子へ適用された駆動信号を変化させるように構成され、前記振幅を変動が前記センサー装置のダイナミックレンジの変化を可能にする装置。
【請求項８】
基準位置に対する振動運動を行うことが可能な振動子を用いて外部パラメータを測定するための、前記運動が第１の時間周期によって特徴付けられ、そして、スイッチが少なくとも第１の閉状態によって特徴付けられる方法であって、
前記振動子に振動運動を誘導する工程、および
前記スイッチが少なくとも前記第１の閉状態、ならびに第１の事象および第２の事象にあることを示すための信号を出力するために、前記スイッチに連結されたセンシング回路を使用する工程であって、前記第２の事象は、第２の時間周期だけ前記第１の事象から離間され、前記第２の時間周期は、前記第１の時間周期および前記外部パラメータに少なくとも部分的に関連する工程を含む方法。
【請求項９】
前記第１の時間周期が、前記振動子の固有振動周波数に実質的に整合する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記振動子の振動運動が実質的に非正弦波である請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記誘導する工程が、前記振動子に正弦波駆動力を第１の時間間隔のあいだ適用する工程を含む請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記誘導する工程が、実質的に間欠的な駆動力を前記振動子へ適用する工程を含む請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記センシング回路を使用する工程が、
前記スイッチの少なくとも１つの側面をスイッチの別の側面に対してより高い電位に帯電させる工程と、
第２の時間間隔のあいだ前記スイッチの電気的特性を測定する工程と、を含む請求項記載８の方法。
【請求項１４】
前記測定するステップが、第１の測定および第２の測定を含み、前記第１および前記第２の測定両方が、前記第１の時間間隔のうちの１つ内で起こる請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
振動デバイスを動作させる方法であって、
駆動信号を用いて前記デバイスの振動子に振動を誘導する工程、および
少なくとも第１および第２の電極を用いて前記デバイスから実質的にデジタルな出力を作成する工程であって、前記出力は、クロック信号に少なくとも部分的に基づいて作成され、前記クロック信号は所定のジッターを有する工程を含み、
前記ジッターが、前記出力のエイリアシングを実質的に排除する方法。
【請求項１６】
センシング回路を、少なくとも１つの基準エレメントと少なくとも１つのセンシングエレメントとに連結する工程であって、前記少なくとも１つのセンシングエレメントは、前記少なくとも１つの基準エレメントに相対する振動運動を行うことが可能であり、前記振動運動は、第１の時間周期および基準位置によって特徴付けられる工程と、
前記少なくとも１つのセンシングエレメントが、前記少なくとも１つの基準エレメントに相対して第１の位置に配置されていることを示す信号を出力するように前記センシング回路を構成する工程と、を含む方法によって動作可能にされるセンサー。
【請求項１７】
前記信号が、第１のパルスおよび第２のパルスを含み、前記第２のパルスは、第２の時間周期だけ前記第１のパルスから離間され、および
前記第２の時間周期が、前記第１の時間周期と、前記基準位置からの前記少なくとも１つのセンシングエレメントの変位とに少なくとも関連する請求項１６記載のセンサー。
【請求項１８】
前記センサーが力センサーを備え、および、前記振動運動が、前記少なくとも１つのセンシングエレメントと関連付けられる振動子への駆動力の適用によって少なくとも部分的に誘導され、前記駆動力が、感知される外部から適用される力とは異なっている請求項１６記載のセンサー。
【請求項１９】
前記駆動力が、実質的にパルス状であるか間欠的である請求項１８記載のセンサー。
【請求項２０】
前記駆動力が、実質的に連続的かつ正弦波の様式で適用される請求項１８記載のセンサー。
【請求項２１】
パラメータをセンシングする方法であって、
振動子に振動を誘導する工程と、
前記振動子上に影響を誘導するために、前記パラメータを前記振動子へ適用する工程と、
前記振動子と関連付けられる電極から信号を作成する工程であって、前記信号は、時間の関数として前記電極の位置に対応し、前記位置は、前記影響に少なくとも部分的に関連している工程と、
前記作成された信号に少なくとも部分的に基づいて前記パラメータを推定する工程と、を含む方法。
【請求項２２】
振動デバイスを動作させる方法であって、
駆動信号を用いて前記デバイスの振動子に振動を誘導する工程と、
前記駆動信号内にジッターを意図的に誘導する工程と、
少なくとも第１および第２の電極を用いて前記デバイスから実質的にデジタルな出力を作成する工程であって、前記出力は、クロック信号に少なくとも部分的に基づいて作成され、前記クロック信号は、それと関連付けられる意図的に誘導されるジッターを有し、前記作成する工程が、信号の平均化工程を含む工程と、を含み、
前記ジッターが、量子化誤差を実質的に排除することにより、前記デジタル出力の正確性を実質的に増加させる方法。
【請求項２３】
変化するダイナミックレンジにわたってパラメータを感知することが可能なように振動子装置を動作させる方法であって、
前記装置の振動子に第１の振動を誘導する工程であって、前記振動が、それと関連付けられる第１の振幅を有する工程と、
第１の影響を前記振動子に誘導するために第１の値の前記パラメータを前記振動子へ適用する工程と、
前記振動子と関連付けられた電極から第１の信号を作成する工程であって、前記信号は、時間の関数としての前記電極の位置に対応し、前記位置は、前記第１の影響に少なくとも部分的に関連している工程と、
前記作成された第１の信号に少なくとも基づいて前記第１の値を推定する工程と、
前記振動子に第２の振動を誘導する工程であって、前記振動子が、それと関連付けられる第２の振幅を有する工程と、
その上に第２の影響を誘導するために前記振動子へ第２の値の前記パラメータを適用する工程であって、前記第１の振幅が適用されたとき、前記第２の値は、前記振動子のダイナミックレンジ内に存在しない工程と、
前記振動子と関連付けられた電極から第２の信号を作成する工程であって、前記信号は、時間の関数として前記電極の位置に対応し、前記位置は、前記第２の影響に少なくとも部分的に関連している工程と、
前記作成された第２の信号に少なくとも基づいて前記第２の値を推定する工程と、を含む方法。
【請求項２４】
外部から適用されるパラメータを振動デバイスを用いて推定する方法であって、
駆動信号を用いて前記デバイスの振動子に振動を誘導する工程と、
少なくとも第１および第２の電極を用いて前記デバイスからの出力を作成する工程であって、前記出力が、複数の変位値に関連している工程と、
前記適用されるパラメータの値を前記出力から推定する工程であって、前記複数の変位値が、所定の数学的関数に適合される工程と、を含む方法。
【請求項２５】
前記所定の関数が、実質的に正弦波関数を含む請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記所定の関数が、実質的に非正弦波関数を含む請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権および関連出願
本出願は、２０１１年６月２４日に出願された、同じ発明の名称を有する、同時係属中の米国特許出願第１３／１６８，６０３号に基づき優先権を主張するものであり、その全部は参照によって本明細書中に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、「ＮＡＮＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ  ＣＵＲＲＥＮＴ  ＳＷＩＴＣＨ  ＳＹＳＴＥＭＳ」と題される、２００９年１０月１日に出願された、米国特許出願第１２／５７１，９５８号に関連し、その全部もまた参照によって本明細書中に組み込まれる。
【０００３】
発明の分野
本発明は、センシングへの応用において用いられる振動装置に主に関し、より具体的には、ある例示的態様において時間領域センシング装置およびそれを使用するための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
パラメータ（例えば、力など）の正確な測定は、多種多様な応用においてしばしば必要とされる。例えば、加速度計などの微小電気機械センサー（Micro-electromechanical sensors）（ＭＥＭＳ）デバイスは、例えば、動的距離および速度測定、傾斜、機械振動、建物および構造の監視、製造時における部品配置、プロセス制御システムおよび安全装置の導入などにおいて広範に用いられてきた。角回転速度ＭＥＭＳ（ジャイロスコープまたは速度センサーとも称される）は、とりわけ、ナビゲーション、自動車（例えば、電子安定制御）、娯楽（例えば、ゲーム機のためのユーザの動きの検出）、写真撮影（例えば、画像安定化）、動物行動の研究、および他の多数の応用において有用である。圧力センサーも同様に、天候、産業監視および制御、航空機および自動車、石油およびガス探査、フローセンシング、音響などへの応用において広範に用いられている。多くの他のパラメータ測定の応用が存在する（例えば、ナビゲーションおよび鉱物探査において用いられる磁力測定、または顕微鏡法において用いられる静電気力測定など）。
【０００５】
しかし、所定の応用に十分な分解能をもつ現在入手可能な慣性センサーの大部分は高価であるため、それらの使用および幅広い採用は制限されている。逆に、より低価格の慣性センサーという現在得られる解決法は、例えば、産業用測定などの多くの応用に必要とされる十分な精度および安定性を提供しない。既存のセンサーという解決法（より高価なまたはより安価な種類にかかわらず）はまた、周期的な再較正および専用の信号調整回路を必要とし、そして一般的にノイズ干渉の影響を受けやすく、したがって、設置の適応性が制限される。
【０００６】
これらの先行技術の解決法におけるさらに別の欠点は、それらの限定されたダイナミックレンジに関連する。一般的に、２つまたはそれ以上の別個のセンサーが、顕著に異なる振幅を有するパラメータ値のセンシングまたは測定のために必要であり、これによって広範なダイナミックレンジにわたる測定を行うことが可能なシステムのコストおよび複雑性がさらに高まる。
【０００７】
力測定と関連して、典型的な先行技術の力センサーは、試験質量に作用する力を評価するために、バネによって懸下された試験質量の変位（しばしば「偏向（deflection）」とも称される）を測定する。このような偏向を測定する方法は、実装の精度、変動性およびコストの点で異なる。試験質量の偏向を決定するため、例えば、容量センシング、ピエゾ抵抗センシング、電子トンネリングを用いたセンシング、および光学干渉法などの様々な測定アプローチが用いられ得る。これらのアプローチの全てにおいて、偏向（したがって力）は、測定される電圧（または電流）の関数として推論され、したがって必然的に、とりわけ熱的および電磁的ノイズに起因する、測定誤差が生じやすい。その結果、既存の力センサーの問題解決法の大部分は、センサーの経年劣化（例えば、「バネ（spring）」および／または試験質量の物理的性質または特性の経時的変化などを含む）および電気部品のドリフトを考慮に入れるために、周期的な再較正に加えて、極めて正確な信号調整回路（例えば、精密増幅器、フィルタ、電圧基準など）を必要とする。
【０００８】
よって、向上したダイナミックレンジを有する、改良型の高精度かつ高分解能の力センシング装置であって、同時に、既存の解決法と比較してより低価格でありかつ複雑度も低い装置の顕著な必要性が存在する。理想的には、このような改良型のセンシング装置はまた、較正の必要性を軽減するかまたは完全に排除し（すなわち、「自己較正（self-calibrating）」性である）、そして、多種多様なパラメータのセンシング、測定または他への適用において用いられ得るであろう。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、特に時間領域センシング装置およびそれを使用するための方法を提供することにより、前述の必要性を満たすものである。
【００１０】
本発明の第１の態様において、振動センシング装置が開示される。一実施態様において、前記装置は、振動装置と、振動装置を駆動するように構成される駆動回路と、第１のエレメントおよび第２のエレメントを備える少なくとも１つのスイッチ装置であって、少なくとも第１の閉状態によって特徴付けられるスイッチ装置と、少なくとも１つのスイッチに連結されるセンシング回路とを備える。
【００１１】
ある変形例において、駆動回路は、振動装置を実質的にパルス駆動する。別の変形例において、駆動回路は、振動装置を、駆動周波数を用いて実質的に連続的に駆動する。
【００１２】
別の変形例において、センシング回路は、振動装置の振動のあいだ、実質的にデジタルの出力信号を作成する。
【００１３】
さらなる変形例において、少なくとも１つのスイッチ装置は、単電子トンネルチップ対を備え、前記対は第１のおよび第２のエレメントから構成される。あるいは、少なくとも１つのスイッチ装置は、複数の電子トンネルチップ対を含み、前記複数の対の一つが第１のエレメントおよび第２のエレメントから構成される。
【００１４】
さらに別の変形例において、装置は、微小電気機械センサー（ＭＥＭＳ）ベースの装置を備える。
【００１５】
別の実施態様において、装置は、振動子と、振動子を駆動するように構成される駆動回路と、第１のエレメントおよび第２のエレメントを備えるスイッチ装置と、スイッチに連結されたセンシング回路とを備える。ある変形例において、第１のエレメントまたは第２のエレメントの少なくとも一つは振動子上に配置され、そして、センシング回路は、第１の閉状態を示す実質的にデジタルな信号を出力するように構成されており、前記第１の閉状態は、第１および第２のエレメントが整列するような第１の基準位置に実質的に配置されている振動子に対応する。信号は、第１の事象および第２の事象を含み、第２の事象は、第１の時間周期によって第１の事象から分離され、第１の時間周期は、振動子の振動周波数および適用される力に少なくとも部分的に関連する。
【００１６】
ある変形例において、適用される力は実質的に不規則であり、そして、振動運動の振動は、実質的に非線形の復元力によって特徴付けられる。
【００１７】
本発明の別の態様において、時間領域力センシング装置が開示される。一実施態様において、装置は、第１の構造であって、複数の側面を備える試験質量と、前記試験質量上に配置される移動可能な少なくとも１つの電極と、前記試験質量の複数の側面のうちの第１の側面上に配置され、そして接地面に連結される接地レベルエレメントとを備える第１の構造、ならびに、第２の構造であって、少なくとも１つの基準電極と、第２の構造の第１の側面に沿って配置される第１の導電性エレメントと、第１の導電性エレメントおよび接地面に電気的に連結され、そして基準電極に対する試験質量の振動運動を第１の周波数で誘導するように構成されている駆動回路と、少なくとも１つの基準電極および少なくとも１つの移動可能な電極に連結されるセンシング回路であって、少なくとも１つの基準電極と少なくとも１つの移動可能な電極との間の少なくとも１つの所定の空間構成を示す信号を出力するように構成されているセンシング回路とを備える第２の構造を備える。
【００１８】
ある変形例において、信号は、第１の時間値と関連付けられる第１のパルスと、第２の時間値と関連付けられる第２のパルスとを少なくとも含み、第２の時間値と第１の時間値との間の差は、少なくとも部分的には、前記第１の周波数と慣性力に起因する試験質量の変位とに基づいて構成される。
【００１９】
本発明の別の態様において、振動子を用いて外部パラメータを測定するための方法が開示される。一実施態様において、振動子は、基準位置に対して振動運動を受けることが可能であり、その運動は第１の時間周期によって特徴付けられ、そしてスイッチは少なくとも第１の閉状態によって特徴付けられる。本方法は、振動子内に振動運動を誘導する工程と、スイッチが少なくとも第１の閉状態にあることおよび第１の事象および第２の事象を示す信号を出力するためにスイッチに連結されたセンシング回路を使用する工程であって、第２の事象が、第２の時間周期によって第１の事象から分離され、第２の時間周期が、第１の時間周期および外部パラメータに少なくとも部分的に関連している工程とを含む。
【００２０】
前記方法の一変形例において、第１の時間周期は、振動子の固有振動周波数に実質的に整合する。
【００２１】
別の変形例において、振動子の振動運動は、実質的に、非線形の復元力に起因する。
【００２２】
別の変形例において、誘導するための工程は、第１の時間間隔のあいだに正弦波駆動力を振動子へと適用する工程を含む。
【００２３】
あるいは、誘導する工程は、振動子に実質的に断続的な駆動力を適用する工程を含む。
【００２４】
本発明の別の態様において、センサーが開示される。一実施態様において、センサーは、センシング回路を、少なくとも１つの基準エレメントにおよび少なくとも１つのセンシングエレメントに連結する工程であって、前記少なくとも１つのセンシングエレメントが、少なくとも１つの基準エレメントに対する振動運動能力をもち、前記振動運動が、第１の時間周期および基準位置によって特徴付けられる工程、および、少なくとも１つのセンシングエレメントが少なくとも１つの基準エレメントに対して第１の位工程を含む方法によって動作可能にされる。
【００２５】
本発明のさらなる態様において、パラメータを感知するための方法が開示される。一実施態様において、前記方法は、振動子に振動を誘導する工程、影響をそこに及ぼすために振動子にパラメータを適用する工程、振動子と関連付けられる電極から信号を作成する工程であって、前記信号が、時間の関数としての、電極の位置に対応し、前記位置が、前記影響に少なくとも部分的に関連している工程、および、作成される信号に少なくとも基づいて、パラメータを推定する工程を含む。
【００２６】
本発明の別の態様において、振動装置が開示される。一実施態様において、装置は、駆動信号に少なくとも部分的に基づいて振動するように構成される振動子と、少なくとも第１のセンシングエレメントおよび第２のセンシングエレメントを備えるスイッチとを備える。
【００２７】
ある変形例において、振動子が第１の位置にある場合、装置は、第１の実質的にデジタルの出力信号を作成し、振動子が第２の位置にある場合、装置は、第２の実質的にデジタルの出力信号を作成する。
【００２８】
別の変形例において、第１のセンシングエレメントおよび第２のセンシングエレメントは、一対のトンネル電極を構成する。
【００２９】
第２の実施態様において、振動装置は、駆動信号に少なくとも部分的に基づいて振動するように構成される振動子と、少なくとも第１のセンシングエレメントおよび第２のセンシングエレメントを備えるスイッチとを備える。振動子の位置は、スイッチによって作成される出力信号に基づく時間の関数として決定され得る。
【００３０】
ある変形例において、振動子は、少なくとも１つのカンチレバーと、それと関連付けられる試験質量とを備える。
【００３１】
さらに別の実施態様において、振動装置は、振動子と、振動子と通信する駆動回路と、振動子と通信するスイッチ回路とを備える。装置は、外部から適用される影響に少なくとも部分的に関連する実質的にデジタルの出力信号を作成し、そして、前記デジタル出力信号の精度は、振動子の一またはそれ以上の物理的特性の経時的な変化の関数として実質的に変動または変化しない。別の実施態様において、装置は、振動子と、振動子と通信する駆動回路と、振動子と通信するスイッチ回路とを備え、前記装置は、外部から適用される影響に少なくとも部分的に関連する実質的にデジタルの出力信号を生成し、そして、前記駆動回路は、振動子の振動の振幅を変化させるために振動子に適用される駆動信号を変化させるように構成されており、振幅の変動はセンサー装置のダイナミックレンジの変化を可能にする。
【００３２】
本発明のさらなる態様において、振動デバイスを動作させる方法が開示される。一実施態様において、方法は、デバイスの振動子に駆動信号を用いて振動を誘導する工程と、少なくとも第１の電極および第２の電極を用いてデバイスから実質的にデジタルの出力を作り出す工程とを含み、前記出力は、少なくとも部分的にクロック信号に基づいて作成され、前記クロック信号は、所定のジッターを有する。ジッターは実質的に、出力のエイリアシングを排除する。
【００３３】
別の実施態様において、方法は、デバイスの振動子に駆動信号を用いて振動を誘導する工程と、駆動信号中にジッターを意図的に誘導する工程と、少なくとも第１の電極および第２の電極を用いてデバイスから実質的にデジタルの出力を作り出す工程とを含み、前記出力は、少なくとも部分的にクロック信号に基づいて作成され、前記クロック信号は、それに関連付けられて意図的に誘導されたジッターを有し、前記作り出す工程は、信号の平均化を含む。ジッターは、量子化誤差を実質的に排除することにより、デジタル出力の精度を実質的に向上させる。
【００３４】
本発明の別の態様において、振動微小電気機械センサー（ＭＥＭＳ）装置が開示される。一実施態様において、装置は、マイクロスケール振動子と、振動子と通信する駆動回路と、振動子と通信するスイッチ回路とを備える。前記装置は、外部から適用される影響に少なくとも部分的に関連する実質的にデジタルの出力信号を作成し、そして、前記デジタル出力信号の精度は、少なくとも部分的にマイクロスケール振動子の使用に基づく時間の関数として実質的に変動または変化しない。
【００３５】
本発明のさらなる態様において、さまざまなダイナミックレンジにわたってパラメータを感知できるように振動装置を動作させる方法が開示される。一実施態様において、前記方法は、装置の振動子に第１の振動を誘導する工程であって、前記振動が、それに関連付けられる第１の振幅を有する工程と、それに第１の影響を誘導するために振動子に第１の値のパラメータを適用する工程と、振動子と関連付けられる電極から第１の信号を作成する工程であって、前記信号が、時間の関数としての電極の位置に対応し、前記位置が、第１の影響に少なくとも部分的に関連している工程と、作成される第１の信号に少なくとも基づいて第１の値を推定する工程とを含む。前記方法はさらに、振動子に第２の振動を誘導する工程であって、前記振動が、それに関連付けられる第２の振幅を有する工程と、それに第２の影響を誘導するために振動子に第２の値のパラメータを適用する工程であって、前記第２の値が、第１の振幅が適用される際に振動子のダイナミックレンジ内にない工程と、振動子と関連付けられる電極から第２の信号を作成する工程であって、前記信号が、時間の関数としての電極の位置に対応し、前記位置が、第２の影響に少なくとも部分的に関連している工程と、作成される第２の信号に少なくとも基づいて第２の値を推定する工程とを含む。
【００３６】
本発明の別の態様において、振動デバイスを用いて、外部から適用されるパラメータを推定する方法が開示される。一実施態様において、前記方法は、駆動信号を用いてデバイスの振動子に振動を誘導する工程と、少なくとも第１の電極および第２の電極を用いてデバイスからの出力を作成する工程であって、前記出力が複数の変位値に関連する工程と、出力から適用されたパラメータの値を推定する工程であって、複数の変位値が、所定の数学関数に適合している工程とを含む。
【００３７】
ある変形例において、所定の関数は、実質的な正弦波関数を含む。あるいは、所定の関数は、実質的な非正弦波関数を含んでいてもよい。
【００３８】
本発明のさらなる特徴、その本質および多様な利点は、添付の図面および以下の詳細な説明からより明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
本発明の特徴、目的および利点は、以下に記載される詳細な説明を図面と併用することにより、より明らかになる。
【００４０】
【図１】外部励振が無い場合にトリガ事象を用いて振動子位置を検出するための方法の一実施態様を示すプロットである。
【図１Ａ】外部励振が有る場合にトリガ事象を用いて振動子位置を検出するための方法の一実施態様を示すプロットである。
【図１Ｂ】時間変動する外部励振が存在する場合におけるある例示的な振動子軌跡を示すプロットである。
【図１Ｃ】ランダムノイズが存在する場合にトリガ事象を用いて振動子位置を検出するための方法の一実施態様を示すプロットである。
【図１Ｄ】ランダムノイズが存在する場合にトリガ事象を用いて振動子位置を検出するための方法の一実施態様を示すプロットである。
【図２】は、本発明の時間領域センシング方法の一実施態様による、加速度の関数としての加速度測定相対誤差の例示的なシミュレーションを示すプロットである。
【図２Ａ−１】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−２】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−３】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−４】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−５】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−６】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−７】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−８】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ａ−９】本発明の一実施態様による、種々の値の振動振幅およびトリガ位置離間のための加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示す一連のプロットである。
【図２Ｂ】本発明の一実施態様による、種々の値の共振周波数およびクロック分解能についての加速度の関数としての加速度測定相対誤差のシミュレーションを示すプロットである。
【図３】本発明による、トンネル位置インジケータスイッチを備える時間領域センシング装置の一実施態様の上面斜視図である。
【図３Ａ】図３のトンネル位置インジケータスイッチの３つの例示的な基準状態を例示する。
【図３Ｂ−１】本発明の時間領域センシング装置と共に用いられるスイッチ空間構成の多様な実施態様を示す上部平面図である。
【図３Ｂ−２】本発明の時間領域センシング装置と共に用いられるスイッチ空間構成の多様な実施態様を示す上部平面図である。
【図３Ｃ】本発明の時間領域センシング装置と共に用いられるトリガポイント構成の多様な実施態様を示す側部断面図である。
【図３Ｄ】本発明による双対電極スイッチを備える時間領域センシング装置の一実施態様を示す側部断面図である。
【図３Ｅ】本発明による双対電極スイッチを備える時間領域センシング装置の別の実施態様を示す側部断面図である。
【図３Ｆ】本発明による、懸下された試験質量アセンブリおよび２組の双対電極スイッチを備える時間領域センシング装置の一実施態様を示す側部断面図である。
【図３Ｇ】本発明による、デュアルカンチレバー試験質量アセンブリおよび２組の双対電極スイッチを備える時間領域センシング装置の一実施態様の側部断面図である。
【図３Ｈ】本発明による、懸下された試験質量アセンブリおよび複数組の双対電極スイッチを含む時間領域センシング装置の別の実施態様の上部平面図である。
【図３Ｉ】本明細書中に記載される多様な時間領域センシング装置の実施態様と共に有用に用いられる複数の異なる電極チップの実施態様を示す１組の上面図および断面図である。
【図４】本発明による時間領域力センシング装置の一実施態様を示すブロック図である。この時間領域力センシング装置は、２つの双対電極スイッチと、バイポーラドライバ装置とを備える。
【図４Ａ】図４の実施態様のセンシング装置によって作成されたトンネル電流パルスの増幅を図示する。
【図４Ｂ】本発明による時間領域力センシング装置の一実施態様を示すブロック図である。この時間領域力センシング装置は、２つの双対電極スイッチと、ユニポーラドライバ装置とを備える。
【図４Ｃ】図４および図４Ｂの時間領域センシング装置のための例示的なトリガ事象および双対電極スイッチ位置を図示する。
【図５】本発明の時間領域センシング装置を用いたシステムの一実施態様の機能ブロック図である。
【図６】図５の時間領域力センシングシステムの例示的な操作手順を示すタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
ここで、図面が参照されるが、図面全般を通じて、類似の参照符号は、類似の部分を示している。
本明細書中で用いられる場合、「コンピュータ（computer）」、「コンピューティングデバイス（computing device）」および「コンピュータ化されたデバイス（computerized device）」との用語は、例えば、メインフレームコンピュータ、ワークステーション、サーバ、デスクトップ、ラップトップもしくは他のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）およびミニコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ハンドヘルドコンピュータ、内蔵コンピュータ、プログラム可能論理デバイス、デジタル信号プロセッサシステム、パーソナル通信機器、タブレットコンピュータ、ポータブルナビゲーションエイド、Ｊ２ＭＥ付きデバイス、セルラー電話、スマートフォン、パーソナル統合通信もしくは娯楽デバイス、または、一連の命令を実行することおよび受信データ信号を処理することが可能である事実上任意の他のデバイスを含むが、これらに限定される訳ではない。
【００４２】
本明細書中で用いられる場合、「コンピュータプログラム（computer program）」または「ソフトウェア（software）」との用語は、任意のシークエンスまたはヒトまたは機械が認識できる工程であって関数を実行する工程を含むものであることを意味する。このようなプログラムとしては、例えば、Ｃ／Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｆｏｒｔｒａｎ、ＣＯＢＯＬ、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）、ＰＡＳＣＡＬ、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｖｅｒｉｌｏｇ、ＶＨＤＬ、アセンブリ言語、マークアップ言語（例えば、ＨＴＭＬ、ＳＧＭＬ、ＸＭＬ、ＶｏＸＭＬ）などを含むほぼ任意のプログラミング言語または環境、および、例えば、共通オブジェクトリクエストブローカーアーキテクチャ（ＣＯＲＢＡ）、Ｊａｖａ（登録商標）（例えば、Ｊ２ＭＥ、ＪａｖａＢｅａｎｓなど）、バイナリランタイム環境（例えば、ＢＲＥＷ）などのオブジェクト指向の環境が示され得る。
【００４３】
本明細書中で用いられる場合、「メモリ（memory）」との用語は、任意の種類の集積回路、または、これらに限定される訳ではないが、例えばＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ／２  ＳＤＲＡＭ、ＥＤＯ／ＦＰＭＳ、ＲＬＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、「フラッシュ（flash）」メモリ（例えば、ＮＡＮＤ／ＮＯＲなど）、メモリスタメモリおよびＰＳＲＡＭなどのデジタルデータを記憶するように適合された他の記憶装置を含む。
【００４４】
本明細書中で用いられる場合、「マイクロプロセッサ（microprocessor）」および「デジタルプロセッサ（degital processore）」との用語は、一般的に、これらに限定される訳ではないが、例えばデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、汎用（ＣＩＳＣ）プロセッサ、マイクロプロセッサ、ゲートアレイ（例えば、ＦＰＧＡなど）、ＰＬＤ、リコンフィギュラブルコンピュートファブリック（ＲＣＦ）、アレイプロセッサ、セキュアマイクロプロセッサ、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などを含む全ての種類のデジタル処理デバイスをを含むものであることが意図される。このようなデジタルプロセッサは、単一の一体型ＩＣダイ上に設けられてもよく、または複数のコンポーネント上にわたって広がっていてもよい。
【００４５】
本明細書中で用いられる場合、「試験質量（proof mass）」との用語は、一般的に、そして非限定的に、外部からの影響（例えば、力など）に起因する振動運動用に構成され、そして回復性の影響に付されるセンサーアセンブリを指す。
【００４６】
本明細書中で用いられる場合、「振動子（oscillator）」および「振動質量（oscillating mass）」との用語は、一般的に、そして非限定的に、基準位置に対する周期的なまたは非周期的な変位用に構成されたアセンブリを指す。
【００４７】
本明細書中で用いられる場合、「上（top）」、「下（bottom）」、「側面（side）」、「上方（up）」、「下方（down）」、「左（left）」、「右（right）」などの用語は、１つコンポーネントの別のコンポーネントに対する相対的な位置またはジオメトリを単に指しているにすぎず、そして絶対的な座標系またはいかなる必須の方向性をも示すものではない。例えば、コンポーネントの「上」部は、コンポーネントが別のデバイスに（例えば、ＰＣＢの下側に）取り付けられている場合、実際には「下」部の下側に存在するしているかもしれない。
【００４８】
本明細書中で用いられる場合、「バネ（spring）」との用語は、一般的に、そして非限定的に、振動子または振動質量に回復性の力を提供するように構成されるエレメントを指す。
【００４９】
概論
本発明は、ある主要な態様において、ロバストな、低コストの、および高分解能の振動装置（例えば、センシングまたは測定への適用に利用され得るもの）ならびにそれを実施あるための方法および使用するための方法を提供する。
【００５０】
ある例示的な実施態様において、振動装置は、（一つ（またはそれ以上の）閉スイッチ状態を形成する、少なくとも１つの第１のエレメントおよび少なくとも１つの第２のエレメントを有する）スイッチ装置へと連結された制御振動子と、駆動回路と、センシング回路とを備える。駆動回路は、振動運動を誘導するように構成されており、次に、一つ（またはそれ以上の）の第２のエレメントに対して一つ（またはそれ以上の）第１のスイッチエレメントを変位させる駆動信号を提供する。
【００５１】
あるアプローチにおいて、駆動信号は、（例えば、周期的に）オンおよびオフにされる時間ゲート（または「ピング（pinged）」）信号を含む。別のアプローチにおいて、振動子は、連続的に、例えば時変波動関数を介して駆動される。
【００５２】
第１のエレメントが、スイッチの第２のエレメントと一列に並べられる場合、トリガ信号が、センシング回路によって作成され、これは閉スイッチ状態を示している。ある例示的な実施において、２つの電子トンネル電極（１つは固定されており、そして１つは可動である）がスイッチとして使用され、そして、電極が閉スイッチ位置において一列に並べられている場合、信号は極めて近接した電極チップによって引き起こされるトンネル放電パルスを含む。連続するトリガ事象（基準位置を通過する振動子を示す）間の時間間隔を測定することにより、振動の周期が決定され、そしてこれにより、装置に作用する外力が導出され得る。
【００５３】
別の実施において、さらなるトンネル電極が、いつ振動子がさらなるトリガ位置を通過するかを示すために使用される。連続するトリガ位置を通過する振動子に対応する周期を組み合わせることにより、振動子の運動の周期および振幅が見積もられ、したがって、有利に、振動振幅から独立したパラメータ（例えば、力など）の測定を可能にする。
【００５４】
例示的な時間領域振動装置は、アナログ信号出力ではなく、デジタル（時間ベースの）出力を提供するように構成される。このような構成は、デバイスの精度が、トリガ事象の一貫性、振動特性（調和かまたは代替的に非調和かを問わない）、および近傍のトリガ事象の時間測定の正確性のみに依存することを確実なものとする。トリガ事象は、製造のあいだに確立される物理的寸法に基づくため、提案される配置は、有利には、継続的な較正を必要としない（すなわち、「自己較正型（self-calibrating）」である）。
【００５５】
さらに、例示的なデバイスはまた、有利には、広範なダイナミックレンジにおける様々なパラメータを測定することができる。ある変形例において、このような広範なダイナミックレンジ能力は、駆動信号の変動を通じて達成され（そして、さまざまな振動振幅をもたらす）、より大きな振幅振動は、より大きな外部影響（例えば、力など）の測定を可能にする。このような方法により、本発明の単一の振動センサーは、広範囲の値を測定するために使用され得、これにより、先行技術において見られるような特定の（より狭い）範囲に適合された複数のセンサーの使用を不要なものとする。
【００５６】
デバイスの精度を向上させるためのジッター使用のための方法および装置もまた開示される。
【００５７】
例示的な実施態様の詳細な説明
本発明の装置および方法の多様な実施態様および変形例の詳細な説明を以下に記載する。電子トンネルセンシングチップエレメントを備えた例示的な微小電気機械センサー（ＭＥＭＳ）デバイスに関して主に説明がなされるが、本明細書中で記載される装置および方法論はこれに限定される訳ではないことが理解されるであろう。実際、本明細書中で記載される振動装置および方法論（ＭＥＭＳなど）は、例えば、これらに限られる訳ではないが、光学パラメータ、磁気パラメータ、圧電パラメータ、熱パラメータ、容量パラメータ、化学パラメータおよび生物パラメータのセンシング、ならびに信号領域変換などのさまざまな種々な状況および応用に使用され得る。
【００５８】
センシング方法
センシング方法の一実施態様が、図１を参照して説明される。図１の例示的な時間領域ベースの方法は、力のセンシングに関連しており、そして、周波数ｆｄｒｖで駆動されている試験質量／バネベースの振動子の偏向（バイアスとも称される）の測定に依存する。ある構成において、振動子の振動は実質的に調和型である。あるいは、振動は、実質的に非調和型であるかまたは（例えば、完全な正弦波ではない）。
【００５９】
ところで、古典力学においては、調和振動子とは、その平衡の位置から変位された場合、以下の式１：
【数１】
2015187613.tif 000003
で示される、変位ｘに比例する引き戻しの力Ｆを受けるシステムである。
【００６０】
引き戻し力が振動子システムに作用する唯一の力である場合、システムは、単調和振動子と称され、そして、平衡ポイント周囲の正弦波振動によって特徴付けられ、一定の振幅および（振幅に依存しない）一定の周波数ｆ０：
【数２】
2015187613.tif 000004
式中、ｋは、バネ定数であり、
ｍは、振動子質量であり、
ｆ０は、振動子共振周波数であり、
Ｔ０は、対応する振動の周期である、
を有する単調和運動を受ける。
【００６１】
図１の方法（「調和（harmonic）」変形例）において、駆動周波数ｆｄｒｖは、図１のトレース１０２によって示されるように、試験質量の正弦波運動を引き起こす、試験質量／バネベースの調和振動子の固有振動周波数ｆ０に整合するように構成される。システムによって引き起こされる共振は典型的には、高い品質係数（Ｑ）の振動試験質量システムを必要とする。しかしながら、この実施態様において、振動子を共振状態で維持する駆動信号であれば、文字通り任意の駆動信号を用いることが可能であることが理解されるであろう。
【００６２】
別の実施態様（図示せず）において、振動子の試験質量は、「非共振（off-resonance）」状態で駆動され、これは特に、振動周期の正確な制御、したがってセンサー精度の制御を提供する。非共振駆動システムは、より低Ｑ値の振動子を通常必要とする。
【００６３】
いかなる外部からの力も存在しない場合、試験質量軌跡は、図１に示されるように、基準位置１０４を中心とする。試験質量の振動運動は、質量が所定の物理的位置に対応するトリガポイントを通過する際に発生する「トリガ（triggering）」事象を用いて測定される。図１の実施態様において、これらの位置は、（ｉ）中性（ゼロの力（zero-force）とも称される）ポイント１０４、（ｉｉ）正のトリガポイント１０６、および（ｉｉｉ）負のトリガポイント１０８を含む。図１の実施態様において、トリガ位置１０６、１０８は、基準位置１０４から同じ所定の距離ｄ０１０５（トリガギャップまたはトリガ間隔とも称される）離間して構成される。当業者であれば理解するように、例えば、非対称のおよび／または複数組の正のおよび／または負のトリガポイント１０６および１０８などの他のトリガ構成も本発明に適合する。ある特定の変形例において、単一のトリガ位置（例えば、基準位置１０４など）が用いられる。
【００６４】
図１の実施態様において、（図１のゼロの力のトレース１０２によって例えば示されるような）試験質量の調和振動は、質量振動のそれぞれの全周期ごとに、それぞれのトリガポイント１０４、１０６、１０８に、それぞれ円形１１０、三角形１１２および四角形１１４によって示される一対のトリガ事象を引き起こす。
【００６５】
トリガ事象１１０、１１２、１１４のタイミングは、同一の基準クロックを用いて測定され、そして、それぞれのトリガポイントの連続的な交差のあいだの周期が算出される。すなわち、周期Ｔｒ１（矢印１１６によって示される）は、連続的なトリガ事象１１０（基準トリガポイント１０４の質量交差に対応する）の回数を差し引きすることによって決定される。周期Ｔｒ２（矢印１１８によって示される）は、連続的なトリガ事象１１２（基準トリガポイント１０６の質量交差に対応する）の回数を差し引きすることによって決定される。周期Ｔｒ３（矢印１２０によって示される）は、連続的なトリガ事象１１４（基準トリガポイント１０８の質量交差に対応する）の回数を差し引きすることによって決定される。
【００６６】
試験質量が、周波数ｆｅｘｔ＜ｆｄｒｖである外力Ｆｅｘｔに付される場合、試験質量調和振動の平衡ポイントが基準ゼロ力位置から変化する。すなわち、試験質量に作用する低周波数力は、平衡ポイントの低周波数シフト（偏向とも称される）をもたらす。適用される慣性力が単調和振動子のＤＣバイアスに影響を及ぼすため、それは調和振動子に連結され得る他のゼロ平均周波数には本質的に影響されず、すなわち、平均値（例えば、ゼロ）を中心とする任意の高周波数振動は、当該平均値まで平均化されるであろう。
【００６７】
図１Ａのトレース１２２によって示されるように、外部励振の存在下における試験質量の振動は、ゼロ力振動軌跡から変化する。その結果、強制振動トレース１２２は、基準ポイント１０４から偏向している基準位置（ライン１２４により示される）を中心とされる。
【００６８】
図１を参照して説明された質量運動と同様に、外部励振の存在下における試験質量の調和振動（例えば、図１Ａのトレース１２２など）は、質量振動のそれぞれの全周期ごとに、それぞれのトリガポイント１０４〜１０８に、それぞれ円形１３０、三角形１３２および四角形１３４によって示される一対のトリガ事象を引き起こす。外力は、以下に説明するように、連続的なトリガポイント（例えば、図１Ａにおけるポイント１３０、１３２、１３４など）間の周期の測定によって検出されるオフセット（バイアス）を振動子中に発生させるように作用する。
【００６９】
トリガ事象１３０の測定タイミングは、質量振動の上方スイング時の基準トリガポイント１０４の強制質量交差に対応する周期Ｔ１（矢印１３８によって示す）を計算するために使用される。周期Ｔ２（矢印１３６によって示される）は、連続的なトリガ事象１３２の回数を差し引きすることによって決定され、そして、Ｔ２は、正のトリガポイント１０６の質量交差に対応する。周期Ｔ３（矢印１４０によって示される）は、連続的なトリガ事象１３４の回数を差し引きすることによって決定され、そして、基準ポイント１０８の質量交差に対応する。周期Ｔ４（矢印１４２によって示される）は、連続的なトリガ事象１３０の回数を差し引きすることによって決定され、そして、図１Ａに示されるように、質量振動の下方スイング時の基準トリガポイント１０４の強制質量交差に対応する。
【００７０】
ある例示的なアプローチにおいて、連続的なトリガ事象の間の測定された周期（すなわち、Ｔ１〜Ｔ４）は、基準ポイントからの試験質量偏向ｄ（図１Ａの矢印１４４により示される）の推定値を得るために使用される。振動最大を中心とする試験質量偏向ｄ＋は、上方スイング基準ポイント交差周期Ｔ１および正のトリガポイント１０６交差周期Ｔ２を以下の式；
【数３】
2015187613.tif 000005
式中、ｄ０は、基準トリガポイントと正のトリガポイントとの間の距離（トリガギャップ）であって、
Ａ＋は、振動最大における振動振幅、
Ｐは、Ｐ＝Ｔ１＋Ｔ３によって規定される振動周期、
ｄ＋は、振動最大を中心とする試験質量偏向推定値、
Ｔ１は、上方スイング基準ポイント交差周期、および
Ｔ２は、正のトリガポイント交差周期である
のように組み合わせることによって得られる。
【００７１】
同様に、振動最小を中心とする試験質量偏向ｄ＿は、上方スイング基準ポイント交差周期Ｔ３および負のトリガポイント交差周期Ｔ４を以下の式；
【数４】
2015187613.tif 000006
式中、ｄ０はトリガギャップ、
Ａ＿は、振動最小における振動振幅、
Ｐは、Ｐ＝Ｔ１＋Ｔ３によって規定される振動周期、
ｄ＿は、振動最小を中心とする試験質量偏向推定値、
Ｔ３は、下方スイング基準ポイント交差周期、および
Ｔ４は、負のトリガポイント交差周期である
のように組み合わせることによって得られる。
【００７２】
ある変形例において、２つの独立した推定値であるｄ＋およびｄ＿は、振動の各周期に二回（半周期ごとである場合もあれば、そうでない場合もある）の偏向測定を提供するために使用され、これによってセンサー周波数応答を向上させる。別の変形例において、独立した推定値ｄ＋およびｄ＿は、平均偏向を得るために組み合わされ、これにより、測定短期誤差を低減させる。さらに別の変形例において、可変長さの平均化法が、測定精度をさらに向上させるために使用される。
【００７３】
式３および４による偏向推定において、振動Ｐの周期は、振動周期ごとに測定され、Ｔ１〜Ｔ４の周期は図１Ａに規定される。計算された偏向は、振動振幅から独立している点に留意されたい。
【００７４】
加速力測定において有用な一実施態様において、式３および４から導出される偏向に対応する加速度は、以下の式： 
【数５】
2015187613.tif 000007
にしたがって得られる。
【００７５】
式３および４の導出は、外力がＴ１〜Ｔ４の測定を通じて一定であると仮定しており、これは、これらの方程式を用いて正確に解くことが可能な外力の最高周波数に制限を加える。したがって、連続的な駆動信号の場合、予測される強制周波数の最大値よりも高い駆動周波数ｆｄｒｖを選択する必要がある（すなわち、ｆｅｘｔ＜ｆｄｒｖ）。
【００７６】
式３および４に示されるように、偏向推定値は、基準事象Ｔ１〜Ｔ４のあいだの測定された周期と強制振動の周期Ｐとの比を利用する。これらの時間間隔の全てが同じ基準クロックを用いて得られるとするならば、最終偏向（および、したがって力）の推定値は、有利には、クロックシステム誤差、例えば、経年劣化、温度または他の環境的変化に起因する変化などに対して非感受性となる。式３および４の計算方法はまた、温度または他の環境的影響を有する、共振周波数における変化に対しても非感受性である。
【００７７】
本発明の別の実施態様において、クロックジッターまたは変動（例えば、一回の実施において半クロックサイクルを超えない程度のもの）が、センサーに適用される低周波数慣性力が時間と共に平均化され得るように、基準クロック中に意図的に導入される。公知のように、量子化ノイズまたは誤差は平均化することができないため、このようなジッターの導入は、有利にこのような量子化誤差を軽減または排除し、これにより、有効な平均化を可能とする（および、その結果デバイスの精度が向上する）。
【００７８】
図１Ｂは、外部励振の存在下における振動（この場合は調和）の１つの例示的な場合を示す。図１Ｂのトレース１５２は、時変外部励振を示し、そして、トレース１５０は振動子軌跡を示し、これは、振動子高周波数一定振幅振動および可変振幅励振の重ね合わせである。トレース１５４、１５６はそれぞれ、振動子運動の最上方および最下方を示す。上側および下側のトリガポイント１０６、１０８間の長さを超えるように試験質量駆動振幅を選択することにより、偏向大きさが（矢印１５８によって示すように）トリガポイント間の間隔よりも小さい場合でさえも、外部励振に起因する試験質量偏向の測定が可能となる点に留意されたい。
【００７９】
図１Ｃおよび１Ｄは、本発明の実施態様による、高周波数加法性ホワイトノイズの存在下における試験質量偏向測定を示す。図１Ｃのトレース１６０は、正弦波入力（加速）力信号上に重ね合わされたランダムノイズ信号を含む例示的な入力を示す。上述したように、振動子のための駆動力は、デバイスを共振状態に維持する任意のものであり得る。トレース１６２は、連続的な「トリガ」事象間のタイミングにおける変化に基づく測定アルゴリズムの出力を示す。入力１６０がランダム変動を顕著に有する場合でさえも、当初入力された力は、（出力１６２によって示されるように）正確に再構築される点に留意されたい。
【００８０】
別のアプローチにおいて、一般化回帰手法が、時変振幅Ａ（ｔ）および周期Ｐである正弦波振動の式に適用される。ある例示的な実施における適合方程式は、以下のように規定される。
【数６】
2015187613.tif 000008
式中、
ｄは、基準トリガポイントからの偏向、
Ａ（ｔ）は、時変振動振幅、
Ｐは、振動周期、
ｘｉは、時間ｔｉにおける振動子の位置、および
jは位相シフトである。
【００８１】
式７は、一般的な方程式であり、これより本明細書中の式３〜６が導かれ得る。
【００８２】
当業者であれば、時間Ａ（ｔ）による振幅の変化を記載している、多数の特定の「曲線適合（curve fitting）」モデル、これらに限定される訳ではないが例えば、指数、三角、多項式またはそれらの任意の組み合わせなどが本発明と矛盾することなく使用され得ることを理解するであろう。これらは、とりわけ、例えば、「ジャーク（jerk）」（高速の非線形の加速事象）または振動子の減衰などによる影響を考慮するために使用され得る。
【００８３】
さらに、式１〜７は線形調和振動子について記載しているが、上記の手法は、非調和振動子にまで拡張することが可能である。例えば、このような非調和振動子の一つは、例えば以下の式： 
【数７】
2015187613.tif 000009
ｘは、振動子変位、および
Ｇ（ｘ）は、変位の非線形関数である
などの非線形の運動方程式に準拠し得る。
【００８４】
式３〜４の手法と同様に、非線形の運動方程式（式８）は、を多項式（または別の関数）を用いて近似され、そして、周期の関数としての振動子偏向が得られる。
【００８５】
図２〜２Ｂは、式３〜４の試験質量偏向測定方法の一実施態様を示している、時間領域加速力センシングの正確性に関連するシミュレーションデータを示す。図２は、式５〜６の時間領域加速度測定方法および時間領域振動子の以下のモデルパラメータ、トリガギャップｄ０５０ｎｍ、駆動周波数１０００Ｈｚ、駆動振幅５００ｎｍ、およびクロック分解能１０ｐｓを用いて計算された、加速度の関数としての模擬相対誤差を示す。図２の加速度は、標準重力ｇ０＝９．８ｍ／ｓ２を単位にして表され、１０−４ｇ０〜約１ｇ０の範囲にある。トレース２００は、２´１０−４ｇ０の大きさである入力信号における２´１０−８の相対的測定誤差（矢印２０２で示されている）から、上方の加速度範囲における１ｇ０入力信号（または２１．５ビット）での約３´１０−７の相対的測定誤差（矢印２１４で示されている）までの相対的測定誤差を示す。
【００８６】
誤差ロールオフは以下の式：
【数８】
2015187613.tif 000010
ライン２０６によって示されるように、式中、
Ａは、振動子振幅、
wは、振動子共振周波数２pｆ０、および
Dｔは、クロック分解能である
を用いて近似される。
【００８７】
式９から明らかなように、より大きな振動振幅Ａは、より大きな加速度、すなわちより大きな力の測定を可能にする。
【００８８】
図２のシミュレーションにおいて用いられる方法の分解能は、より低い加速度範囲においては２５．６ビットであると推定され（矢印２０２によって示される）、それぞれ矢印２１２、２１４によって示されるように、より大きな加速度において、２１．５ビット〜３５．５ビットの範囲にある。ライン２０４、２０６、２１０によって形成される三角形内の領域２１６は確率領域と称され、測定された周期がどれだけ厳密にクロックサイクルの整数倍であるかを示す。一般的に、トリガ状態は、所定のクロックサイクル内の任意の時間において起こり得、これは、測定された周期が１回のクロックサイクルの最大値によってオフにされ得ることを示している。トリガ事象がクロックサイクルと一致する場合、誤差は、式３〜６中によって示される余弦関数を正確に計算する能力によって限定される。一般的に、任意の所定の測定周期は、はゼロ（０）および一つ（１）のクロックサイクルのあいだの誤差をもたらし、したがって、三角形２１６内のいずれかにあるであろう。
【００８９】
図２Ａ−１〜２Ａ−９は、振動振幅Ａおよびトリガギャップｄ０に対する相対誤差感度に関連するデータを示す。図２Ａのデータは、固定振動周波数１０００Ｈｚおよびサンプリングクロック分解能１０ピコ秒（ｐｓ）に対して得られている。矢印２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、２３４、２３６および２３８それぞれによって示されている図２Ａ−１〜図２Ａ−９のラインは以下のように計算される：
-  図２Ａ−１〜２Ａ−３は、振動振幅が１００ｎｍおよびトリガギャップがそれぞれ５０ｎｍ、２０ｎｍおよび１０ｎｍに対応する、
-  図２Ａ−４〜２Ａ−６は、振動振幅が２００ｎｍおよびトリガギャップがそれぞれ５０ｎｍ、２０ｎｍおよび１０に対応する、および、
-  図２Ａ−７〜２Ａ−９は、振動振幅が５００ｎｍおよびトリガギャップがそれぞれ５０ｎｍ、２０ｎｍおよび１０ｎｍに対応する。
【００９０】
図２Ａ−１〜２Ａ−９に示されているデータから明らかなように、より狭い電極間隔ｄ０は、一般的に、より大きな相対誤差に対応し（例えば、図２Ａ−８の曲線２３６に相対して上方にシフトしている図２Ａ−９中の曲線２３８によって示されるように）、一方、より狭い振動振幅は、より小さい相対誤差およびより小さい加速度範囲に対応する（例えば、図２Ａ−９の曲線２３８に相対して下方および左方向にシフトしている図２Ａ−１の曲線２２２によって示されるように）。
【００９１】
図２Ｂは、振動周波数ｆｄｒｖおよび基準クロック分解能に対する相対誤差感度に関連する例示的なシミュレーションデータに示す。図２Ｂのデータは、固定トリガ間隔５０ｎｍおよび固定振動振幅１００ｎｍに対して得られたものである。図２Ｂの種々のライン（矢印２４２〜２５８で示されている）は、以下のように計算された：
−矢印２４２、２４４、２４６で示されているラインは、振動周波数が１００Ｈｚおよびクロック分解能がそれぞれ１０ｐｓ、１ｎｓおよび１００ｎｓに対応する。
−矢印２４８、２５０、２５２で示されているラインは、振動周波数が１ｋＨｚおよびクロック分解能がそれぞれ１０ｐｓ、１ｎｓおよび１００ｎｓに対応する。
−矢印２５４、２５６、２５８で示されているラインは、振動周波数が１０ｋＨｚおよびクロック分解能がそれぞれ１０ｐｓ、１ｎｓおよび１００ｎｓに対応する。
【００９２】
図２Ｂに示されているデータから明らかなように、より高いクロック分解能は、一般的に、より低い相対誤差に対応し（例えば、曲線２５８に対して下方にシフトしている曲線２５４によって示されるように）、一方、より低い振動周波数は、より低い相対誤差およびより小さい加速度範囲に対応する（例えば、曲線２５８に対して下方および左側にシフトしている曲線２５２によって示される）。
【００９３】
式５〜６を用いて、振動子振幅Ａおよび周期への加速度依存性が以下の式： 
【数９】
2015187613.tif 000011
ａは、加速度であり、
Ａは、振動子振幅であり、
Ｐは、振動周期であり、
ｄ０は、トリガギャップであり、
wは、振動のラジアル周波数であり、２p／Ｐによって表され、
Ｔ１は、上方スイング基準ポイント交差周期であり、および
Ｔ２は、正のトリガポイント交差周期である。
のように表され得る。
【００９４】
式１０から明らかなように、より大きい振動振幅は、（同じ周波数において）より大きな加速度が作り出す。より低い振動子周波数は、より小さな力、したがってより小さな加速度が振動子の所定の変位を作成するために必要とされることを意味している。センサーによって測定される力の最大値は、振動子振幅とトリガ間隔との間のずれに基づく。よって、最大許容加速度範囲は、その他のモデルパラメータが一定に保たれている場合、振動子周波数によって変化する。
【００９５】
式３〜６および１０によって示される例示的な時間領域センシング装置は、有利に、動的に調節可能な測定システムを提供できる点に留意されたい。具体的には、センサーのダイナミックレンジ（例えば、式（１０）中の測定可能な加速度の範囲）は、振動子運動の振幅を変化させることにより、例えば、駆動信号を調節することなどによって、動的に調節することができる。
【００９６】
図１および１Ａに関して上述された例示的な実施態様は、力の推定値を（式３〜６を介して）得るために、３つの異なるトリガ位置（例えば、図１Ａ中の１０４、１０６、１０８）を用いているが、任意の数の公知のトリガポイントが、本発明の原理と一致して用いられてもよいことにさらに留意されるべきである。例えば、あるアプローチにおいて、単一のトリガポイントが用いられ、そして、振動振幅が一定であると仮定され、そして調和駆動力Ｆｄｒｖの大きさから推定される。振動子の損失が低い（高いＱ値）のであれば、このような実施は、類似のサイズ、帯域幅および電力消費である現在入手可能のセンサーをはるかに超えた精度を提供することができる。ある実施において、増幅されたトンネルパルスの幅は、単一トリガポイントアプローチの正確性をさらに向上させるために使用される。増幅されたトンネルパルスの幅は、一般的に、トンネルチップ対間の固定間隔と同じ目的を果たし、したがって、振動振幅から独立している測定を提供するような単一のトンネルチップ構成を可能にする。
【００９７】
さらに、駆動された試験質量の偏向を測定するための他の様々な技術（例えば複数組のトリガポイントを含む）が、本発明の時間領域力センシング方法と共に用いることができる。
【００９８】
センシング装置
ここで図３を参照して、本発明の時間領域慣性力センシング装置の一実施態様を図示および記載する。図３の例示的なセンシング装置３００は、フレーム３０２、および、ある変形例においては金熱圧縮ウェーハ接合技術を用いて、ベース３０５とキャッピングウェーハ３０６との間に密封される、カンチレバー型試験質量アセンブリ３０４を含む。当業者であれば理解するであろうように、多数の他の製造方法、例えばこれらに限定される訳ではないが、金／スズ共晶または他の共晶、ガラスフリット接合、溶融接合、静電接合などが用いられてもよい。
【００９９】
フレームおよび試験質量はそれぞれ、図３の挿入図（拡大図）３１３に示されるデジタルスイッチ構造３１０を共に形成する電子トンネル電極アセンブリを備える。この実施態様において、スイッチ構造は、例えばフレーム３０２上に配置される基準電極アセンブリ３１８および試験質量アセンブリ３０４上に配置されるセンシング電極アセンブリ３２０などの、対向する電子トンネル電極の一またはそれ以上の対によって形成される。外部励振が無い場合に（ゼロ力状態）、アセンブリ３１８の上部電極３１４は、アセンブリ３２０の上部電極３１４と一列となるように構成される。アセンブリ３１８の下部電極３１２は、図３の挿入図３１３に示されるように、アセンブリ３２０の下部電極３１２と一列となるように構成される。
【０１００】
電極３１２、３１４は、図３に示されるように、絶縁層３１６（例えば、酸化ケイ素または絶縁体上のシリコンなど）によって分離されている導電性材料の層（例えば、ドープされた多結晶シリコン、または、例えば、プラチナ、クロム、アルミニウム、タングステンなどの薄いメタライゼーションなど）を備える。基準電極アセンブリ３１８は、シリコンフレーム３０２のバルクシリコンエレメント上に配置され、そして、センシング電極アセンブリ３２０は、試験質量アセンブリ３０４のバルクシリコンエレメント３２８上に配置される。
【０１０１】
本開示に接した当業者であれば理解するように、本発明と一致して用いられ得る、例えば、種々の厚さ、材料、位置および／または形状である電極３１２および３１４などの広範な他の多様な電極アセンブリ構成が存在する。
【０１０２】
ゼロ力位置において、電極対３１２、３１４は、水平方向に一列に並べられ、そして狭いギャップによって離間されている。図３の実施態様において、ギャップ３２２の幅は、１ナノメートル（ｎｍ）のオーダーである。１つの変形例において、ギャップは、約１ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲内に収まるように選択される。しかしながら他の値が代わりに使用されてもよい。
【０１０３】
各電極対３１２、３１４におけるきわめて近接した電極は、ギャップを横切る電子トンネル放電を引き起こす。ところで、電子トンネルは当初、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）において使用するために開発された。ＳＴＭでは、鋭利な金属チップが、金属表面上、約１０オングストロームに位置される。電子トンネルは、依然は慣性測定に適用されてきた。トンネリンングベースの加速度計は通常、固定カンチレバー走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を含み、ここでカンチレバーは試験質量として作用する。トンネルデバイスは、試験質量偏向を測定するために、トンネル電流とチップ／表面間距離との間の関係を有利に利用する。ＤＣ電圧バイアスがチップと表面との間に印加されると、約１ナノアンペア（ｎＡ）のトンネル電流が測定され得る。チップ／表面間分離における小さな変動（１オングストローム）は、トンネル電流において大きな変動（例えば、１０〜８０％）として現れる。
【０１０４】
ここで図３の実施態様を参照して、トンネルスイッチを作成するために、対向するスイッチ側のトンネル電極が、種々の電位に付される。すなわち、基準電極アセンブリ３１８のトンネル電極３１４、３１２が、センシング電極アセンブリ３２０の各電極３１４、３１２のＤＣ電位とは異なるＤＣ電位（ＤＣチャージ）に付される。ある変形例において、センシング電極アセンブリ３２０の電極３１２、３１４は接地され（ゼロ電位）、そして、基準アセンブリの電極は、特定の正の電圧、例えば３０Ｖなどまで充電される。典型的には、電極３１２、３１４を横切る電圧差は５０Ｖ未満であるが、１ｎｍ〜５０ｎｍのあいだの範囲のギャップを横切るパルス電流を生成するためには十分である。
【０１０５】
本開示に接した当業者であれば、（ｉ）接地された基準電極および帯電されたセンシング電極、または（ｉｉ）正に帯電された１つの電極および負に帯電された１つの電極などの他の帯電構成が本発明に適合することが理解されるであろう。
【０１０６】
さらに、ギャップ幅および電極材料の選択が一般的に、充電電圧の動作範囲に影響を及ぼすであろうこと、より大きなギャップは、より大きな電位差を必要とすることが留意される。
【０１０７】
ある実施において、センサーキャビティ（ベースとキャッピングウェーハとの間の体積）は、少なくとも部分的に排気され、これによって少なくとも部分的な真空状態が作り出される。本発明の実施における要件では決してないが、真空は試験質量の減衰を減少させ、これにより振動子のＱ値が上昇する。代わりの実施において、センサーキャビティには、例えば、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスが再注入されてもよい。
【０１０８】
電極電位の上述した差は、帯電された電極チップ対を形成する。これらの帯電したチップ端が基準位置（例えば、ゼロ力ポイント）を通過するたびに、高電界領域が、帯電したチップ間に一時的に形成され、トンネルギャップ３２２を横切る電気放電を引き起こす。電極３１２、３１４に誘導される対応するトンネル電流は、電極チップアライメントの高精度インジケータとして機能し、したがって、外部励振を測定する機序として機能する。外部励振の大きさは、これらに限定されるわけではないが、例えば、図１〜２Ａに関して記載された方法などの多様な方法を用いて見積もられ得る。例えば、一実施態様において、力は、試験質量の共振周波数周期をゼロ力ポイントに対応するパルス間の測定時間で除算することにより計算される。
【０１０９】
図３に示される慣性センシング装置の実施態様において、トンネル効果は、振動する試験質量がいつトリガポイントを通過するのかを示すための、（電極対３１２、３１４が一列に並んだ際にトンネル電流を生成する）トリガ機構としてのみ用いられることに留意されたい。しかしながら、他のアプローチも同様に使用されるかもしれない。
【０１１０】
試験質量（したがってセンシング電極アセンブリ３２０）は、（図３の矢印３１１によって示される）センサー３００の面に対して実質的に垂直である方向に振動するように構成される。図３の図示された電極構成は、装置が電極チップ間の実際の距離を測定する必要が無いため、有利に、電極チップ間におけるはるかにより広い分離（１ｎｍに対し、１〜１０オングストローム）を可能にする。より広いギャップはさらに、偶発的なチップ間接触を防止し、これにより、デバイスのロバスト性および寿命が向上する。さらに、このような電極構成の場合は、電極変位をオングストロームレベルに限定せず、したがって、とりわけ先行技術のトンネルセンサーと比較した場合に、慣性センシングデバイスのダイナミックレンジ（および有用性）が顕著に向上する。
【０１１１】
さらに、デバイスの適切な動作のために、いかなる種類のフィードバックループ閉鎖も不要である。導電性層のより大きな横方向への広がり（例えば、図３の矢印３０７で示されている方向の大きさ）に主に起因する、電極３１２、３１４のより広い表面積が、有利に、典型的なＳＴＭ、例えば、ニードル型センシング電極を用いた使用するものなどと比較して、より大きなトンネル電流をもたらす。トンネル機構は、図３のセンシング装置中のスイッチとして用いられるため、トンネル電流が、ある例示的な変形例においては３×１０−１５Ａであるフロントエンド増幅器のノイズレベルを上まわっているならば、トンネルチップの劣化による影響も受けない。
【０１１２】
センシング応用へのセンサー適用の特定の要求に応じて、励振周波数は、約１００Ｈｚ〜約２００ｋＨｚの範囲にある。試験質量振動の対応する最大振幅は、約１０ｎｍ〜約５０μｍのあいだにある。
【０１１３】
例示的なセンシングデバイス３００のサイズは、これらに限定されるわけではないが例えば、共振周波数、熱ノイズレベル、センサーダイナミックレンジ、消費電力、構成（例えば、１軸、２軸）およびコストなどの多様な仕様または動作パラメータに基づいて選択される。一実施態様において、試験質量アセンブリは、幅が５０μｍ〜５００μｍのあいだにあり、長さが１００μｍ〜９ｍｍのあいだにある。センサーフレームは、ウェーハレベル接合および電気的相互接続を可能にしつつ（通常、試験質量の周囲において追加で１００〜５００μｍを必要とする）、試験質量を収容するために充分な大きさを有するように構築される。
【０１１４】
上記の例示的な寸法は、本発明のさらにもう一つの利点、すなわち、空間的に非常に限られたフォームファクター内における非常に高い性能を浮き彫りにしている。これは、ホストデバイスがより小さくかつより低コストで作製されることを可能にするだけでなく、空間的に効率の良い様式での多数のセンサーの集合的な（例えば、アレイ状で）使用を可能にする。
【０１１５】
それでも、当業者であれば、上記の寸法はひとえに例示的なものであり、センシングデバイスは、適用または他の考慮事項によって必要とされるようにより大型またはより小型で作製され得ることが理解されるであろう。
【０１１６】
ここで図３Ａを参照して、図３のセンシング装置３００の電極トリガ構成の一実施態様を図示および記載する。図３に関連して述べられたように、力センシング装置は、（ｉ）振動子（試験質量アセンブリ３０４）と、（ｉｉ）（フレーム３０２上に配置された）双対チップ基準電極アセンブリ３１８および（試験質量アセンブリ上に配置された）双対チップセンシング電極アセンブリ３２０によって形成される双対チップスイッチ３１０とを含む。
【０１１７】
本明細書中に記載される種類のスイッチアセンブリは、多様な構成で力センシング装置内に配置することができる。図３Ａの実施態様において、（電極対３１２、３１４を備える）単双対チップスイッチ３１０が、図３Ｂ−１により詳細に示されるように、フレームに対して質量取り付けポイント３３３から反対側にある試験質量の横方向縁部に沿って配置される。このようなスイッチ配置は、動作中のセンシング電極アセンブリ３２０の変位を有利に最大化する。
【０１１８】
他の実施態様において、センシング装置３３６、３３８、３３９は、図３Ｂ１および３Ｂ２に示される多様な構成に配置される複数組のスイッチ３１０を含む。このような代替の実施態様において、力センサー３３９は、試験質量カンチレバー３０４の周囲に沿って配置されるスイッチのアレイを備える。アレイ内の各スイッチは、図３Ｃのセンサーの実施態様３４６に示されるように、互いに積層され、そして距離ｄ０の誘電体によって離間されている複数のトンネルチップを備え得る。
【０１１９】
図３Ｃは、本発明の時間領域振動装置に有用なスイッチの多様な実施態様の断面図である。最初に図示されている振動装置３４６の図示されているスイッチ３４７は、同一の距離によって離間されているトンネル電極の３つの層（上層３１４、中間層３１５および下層３１２）を備える。
【０１２０】
さらに他の実施態様において、振動装置３５０は、基準電極アセンブリ（センサーフレーム上に取り付けられている）の電極３１２、３１４の間に、センシング電極アセンブリ（カンチレバー型試験質量アセンブリ上に取り付けられた）の間隔３４９と比較して、異なる電極間隔３４７を有するスイッチ３４８を備える。あるこのような実施において、振動装置３５６は、２つの基準電極および単一のセンシング電極を用いるスイッチ３５３を備える。別のこのような実施において、装置３５８は、図３Ｃに示されるように、単一の基準電極および単一のセンシング電極を用いるスイッチ３５７を備える。
【０１２１】
図３Ｂに示されるスイッチアレイのいくつかの実施態様（例えば、センサー３００、３３６、３３８、３３９）は、カンチレバー型試験質量アセンブリ３０４を備える。別のアプローチにおいて、センサー３４０、３４２、３４４、３４５は、バネ支持部３５４を使用することによって懸下される試験質量構造３５１を備える。図３Ｂに示されるように、支持部３５４は、振動構造３５５の周囲に多様な構成で構成することができる。図３Ｃは、バネ支持部エレメント３５４を介して懸下される試験質量３５１を備えるセンサー装置３５２の断面図である。振動子を作成するためのさらに他の機構またはアプローチ（試験質量ベースのものまたは別のもの）もまた、本開示に接した当業者により理解されるであろう。
【０１２２】
ただ一つの電極が、力センシング装置（例えば、図３Ａの装置３３０）の動作のために必要とされるが、追加の電極セットは冗長性を提供し、これにより、追加のデータの提供およびセンサー信頼性の向上によって、センサー分解能、正確性および精度が向上する。さらに、トンネルチップの非常に小さなサイズ（ある例示的な実施態様において、厚さ１ｎｍ〜５０ｎｍ、および、幅１００ｎｍ〜１０μｍ）を考慮すると、振動子１つあたり数十または数百個のトンネルチップが容易に製造される。当業者であれば、本開示に接したならば、例えば、電極間に種々の垂直空間を有するスイッチセットを利用することなど、多様な他のスイッチ構成が使用されてもよいことを理解するであろう。これらの追加のチップのセットおよび／または構成によって提供される追加の情報は、力センシング装置のダイナミックレンジを拡張するのに役立ち、そして、力センシング装置のデジタル化誤差を低下させることを補助する。
【０１２３】
ここで図３Ａを参照して、外部励振が存在しない場合、電極対３１２、３１４は、一列に並べられた位置に配置され、そして、２つのトンネルトリガ接合３２２を形成する。このような配置は、基準またはゼロ力ポイント３３０と称され、図１および１Ａに関して記載された基準トリガポイント１０４に対応する。
【０１２４】
以下により詳述されるように、試験質量アセンブリ３０４は、試験質量に基準ポイント３３０に相対する調和振動を引き起こす振動信号によって駆動される。試験質量３０４が、基準位置３３０から距離ｄ０（電極３１２および３１４間の垂直間隔３３１に対応する）だけ下方方向に変位した場合、センシングアセンブリ３２０の上部電極３１４は、基準アセンブリ３１８の底部電極３１２と一列に並べられ、これにより、単トンネルトリガ接合３２６が形成される。このような構成は、第１の既知較正ポイント３３２と称され、そして、図１および１Ａに関して記載された負のトリガポイント１０８に対応する。
【０１２５】
同様に、試験質量３０４が、基準位置３３０から距離ｄ０だけ上方方向に変位した場合、センシングアセンブリ３２０の底部電極３１２は、基準アセンブリの上部電極３１４と一列に並べられ、これにより、単トンネルトリガ接合３２４が形成される。このような構成は、第２の既知の較正ポイント３２８と称され、図１および１Ａに関して記載された正のトリガポイント１０６に対応する。
【０１２６】
試験質量が振動すると、電極３１２、３１４は、３つのトリガ構成３２８、３３０、３３２を通過し、これによって、例えば、図１Ａ関して記載されたトリガ事象１３０、１３３、１３４などのトリガ事象が発生が生じる。
【０１２７】
図３Ｄは、本発明による時間領域センシング装置の別の実施態様の断面図である。図３Ｄのセンサー３６０は、フレーム３０２と、カンチレバー型試験質量アセンブリ３０４とを備える。試験質量アセンブリは、一端部上のフレームエレメント３０２＿１へ固定される梁構造３２８と、梁３２８の反対方向の端部上に配置される試験質量３７８とを備える。フレーム３０２および試験質量アセンブリ３０４は、中間構造３７２を使用して、ベースウェーハ３０５とキャッピングウェーハ３０６との間において密封される。図示の実施態様においては、カンチレバー型アプローチが試験質量を「懸下（suspend）」し、そしてその振動を持続させるために用いられるが、多くの数の異なるアプローチまたは機構が、所望の振動機能性を提供するために代わりに使用され得、カンチレバーはあくまで１つの選択肢に過ぎないことが理解されるであろう。例えば、図３Ｂおよび図３Ｃに関して記載されたように、バネ支持部を用いて懸下される試験質量アセンブリも同様に使用され得る。
【０１２８】
ある変形例において、梁３２８は、導電性材料を用いて製造され、（キャッピングウェーハ３０６を貫通する）導電性エレメント３８０および金複合材料接合層３７２＿２を介してセンサー接地パッド３８２へと電気的に連結される。梁３２８は、非導電性層３７６＿２によって、試験質量３７８およびフレームエレメント３０２＿１から絶縁される。導電性梁３２８は、試験質量接地面として機能し、以下の２つの機能を提供する：（ｉ）試験質量の振動を発生させるための接地を提供すること、および（ｉｉ）トンネル放電のための接地電位を提供すること。
【０１２９】
別の変形例において、導電性エレメント３７０は、梁３２８の上面上に配置される。導電性エレメント３７０は、（キャッピングウェーハ３０６を貫通する）導電性エレメント３８０および金複合材料接合層３７２＿２を介してセンサー接地パッド３８２へと電気的に連結される。この変形例において、絶縁層３７６＿２は省略されてもよい。
【０１３０】
センシング装置３６０は、図３Ｄに示されるように試験質量アセンブリ３０４の振動する端部の近接に配置されるデジタルスイッチアセンブリ３１０を備える。スイッチ３１０は、図３〜３Ａに関して詳述したように、センシング電極アセンブリ３２０および基準電極アセンブリ３１８を備える。センシング電極アセンブリ３２０の電極３１２、３１４は、導体３８３を介して試験質量接地面へと電気的に連結される。基準電極アセンブリ３１８の底部電極３１２は、導電性エレメント３９０に電気的に連結され、そして、続いて、（キャッピングウェーハ３０６を貫通する）導電性エレメント３８８および金複合材料接合層３７２＿４を介して、第１のセンサー充電パッド３８６へと連結される。基準電極アセンブリ３１８の上部電極３１４は、（キャッピングウェーハ３０６を貫通する）導体３８９および導体部３８９＿１を介して、第２のセンサー充電パッド３８７に電気的に連結される。上部電極および底部電極３１２、３１４は、非導電性層３１６によって分離されている。非導電性層３７６は、基準電極アセンブリをセンサーフレーム３０２から絶縁するために使用される。
【０１３１】
充電パッド３８６、３８７ならびに接地パッド３８２は、充電電圧を提供するため、および、センサー作動時のあいだにトンネル電流を感知するために用いられる。
【０１３２】
センサー３６０は、図３Ｄに示されるように、、ベース層およびキャッピングウェーハを貫通する導電性エレメント３６６を介してセンサー駆動パッド３６４、３６５に連結される上部３６２および底部３６３の駆動電極を備える。図示される実施態様における駆動電極は、本明細書中の他で詳述されるように、電極３６２へ適用される信号が、電極３６３に適用される駆動信号と９０°位相がずれるように、周波数ｆｄｒｖの調和駆動信号を用いて駆動される。試験質量が接地されているため、接地面３７０と電極３６２、３６３との間の容量結合が、センサー３６０の試験質量に駆動周波数ｆｄｒｖでの周期的な振動を強制する静電引力を生み出す。
【０１３３】
図３Ｅに示される代替の実施態様において、ただ一つの駆動電極（上部電極３６２）が、試験質量の振動を誘導させるために使用される。センサー３６１は、キャッピングウェーハおよび統合されたフレーム／ベース層ウェーハアセンブリ３０２＿１を備える。上部駆動電極３６２が図３Ｅに示されているが、単一の電極センサー構成において、底部に取り付けられた駆動電極（例えば、３６３、図示せず）が使用されてもよい。
【０１３４】
ここで図３Ｆ〜３Ｉを参照して、本発明の時間領域振動装置の多様な代替の実施態様が示される。図３Ｆに示される装置３６７は、バネ支持部（図示せず）および２組のスイッチ（例えば、双対チップスイッチ３１０）を介してフレーム３０２内で懸下される非接地試験質量３５１を備える。
【０１３５】
図３Ｇに示される装置３６９は、（２つのカンチレバー３２８間に「挟まれている（sandwiched）」）試験質量３７８と、２組のスイッチ３１０とを備えるデュアルカンチレバー試験質量アセンブリ３７１を備える。
【０１３６】
図３Ｈに示される装置３７３は、バネ支持部３５４を介してフレーム３０２内に懸下される非接地浮遊型試験質量３５１、および、複数組のスイッチ（例えば、双対チップスイッチ３１０など）を備える。
【０１３７】
図３Ｉは、本発明において有用な電極チップの種々の例示的な実施態様を示す。図３〜３Ｈの実施態様の電極チップは、直角柱形状（例えば、図３Ｉのチップ３７５など）を有するように図示されているが、チップは、適用要件に基づいて選択される多様な形状で形成され得る。一般的に、幅狭のチップ（例えば、三角形、円錐または台形など）は、トンネルギャップに近接するチップ量を減少させる。三角形形状の電極チップ３７４は、（図３Ｉの矢印３１１によって参照される振動運動の方向にある）チップの垂直方向量を減少させる。よって、このような構成は、そこでトンネル放電が起こり得る垂直方向量をが減少させ、したがって、試験質量位置測定の再現性が向上する。
【０１３８】
（図３Ｉの矢印３７７によって示される）種々の実施態様において、電極チップは、運動方向（例えば、図３の矢印３０７によって示される方向）に対して垂直である方向において横方向の三角形形状を備える。横方向の三角形チップ３７７は、矩形形状チップ３７５と同じ厚さを有している一方で、トンネル放電領域を減少させ、したがって、トンネリングの位置が変化するであろう確率を減少させる。全体として、幅狭のチップ（例えば、三角形形状チップ３７４、３７７）は、横方向に定義されていても垂直方向に定義されていても、トンネリングの位置の局所化に役立つ傾向がある。
【０１３９】
しかしながら、トンネリングがより小さな表面積に制限されるため、三角形形状チップは、特定の場合において最大トンネル電流を制限する。トンネル電流を増加させるための１つのアプローチは、運動方向（すなわち、図３の矢印３０７によって示される方向に平行）に対して垂直である方向にチップの大きさを広げることである。追加で、より高いＤＣバイアス電圧および／またはより高い感度増幅器が、三角形形状または類似の形状のチップの減少した表面積を補償するために使用されてもよい。矩形形状のチップがより大きなトンネル電流（同じ横方向チップ寸法に対して）を支持する一方、矩形チップにおけるトンネリングは、チップの垂直方向（高さ）を横切る任意のポイントで起こり得る。トンネリングのポイントが時間または他のパラメータにより変化するかもしれず、スイッチの安定性または正確性を変化させるかもしれないため、これは、望ましくない可能性がある。
【０１４０】
ここで図４を参照して、時間領域慣性センシング装置（例えば、装置３００または３４０）での使用のための振動子および電極システム４００の一実施態様の機能ブロック図が図示されている。システム４００は、２組の双対チップ（例えば、図３Ａのスイッチ３１０）スイッチを備える。単一のセットのスイッチのみがシステム４００の動作のためには必要であるが、追加のスイッチはとりわけ冗長性を提供し、そのため、図３Ｂに関して先に記載されているように、追加のデータを提供しおよびセンサー信頼性を向上させることによって、センサー精度を向上させる。
【０１４１】
各双対チップスイッチ４１０は、フレーム４０２上に配置される基準双対チップ電極アセンブリ４１８と、試験質量アセンブリ４０４上に配置されるセンシング双対チップ電極アセンブリ４２０とを備える。各スイッチアセンブリ４１８、４２０は、絶縁材料４１６の層によって離間されている一対の電極４１２、４１４を備える。
【０１４２】
試験質量アセンブリ４０４は、試験質量シリコンエレメント４２８の上側および底部側上に配置される２つの導電性層４０６、４７１（接地面として機能する）を備える。別の実施態様（図示せず）において、シリコンエレメント４２８は導電性であり、そして接地面として機能する。各センシング電極アセンブリ４２０の電極４１２、４１４は、センサー接地４８２に連結される、上部接地面４０６に電気的に連結される。電位は、ＤＣ源４２１から基準電極アセンブリ３２０の上部電極４１４および底部電極４１２それぞれに印加される。
【０１４３】
2015187613.tif 000012
【０１４４】
特定のセンサー要件に依存して、駆動周波数は、約１００Ｈｚ〜約２００ｋＨｚの範囲にある。試験質量振動の対応する最大振幅は、１０ｎｍ〜約５０μｍのあいだである。
【０１４５】
別の実施態様において、（図示されていない）試験質量の振動は、調和振動を開始させるための段階的な静電気力を用いることによって引き起こされる。静電気力は、振動子の共振周波数と比較して周期が短く、これゆえ、振動子を共振状態に維持する「押圧（pushing）」の促進を提供する。この力は、振動子の振幅が、別の静電パルスまたは「ピング」が適用される点である最小値を上回っていることを確実とするために必要に応じて周期的に繰り返される。
【０１４６】
試験質量振動の各サイクルにおいて、電極４１２、４１４が、３つの、一列に並べられている配置（例えば、図３Ａ関して記載された配置３２８〜３３２）のうちいずれかにあるときはいつでも、トンネル放電電流（矢印４１５、４１７によって示されている）は、一つまたは両方の電極対のギャップ４２３を横切って誘導される。上部および／または底部電極によって作成されるこれらの放電電流は、図４Ａに関してさらに詳細に以下に図示および記載されるように、低ノイズ電流増幅器４２２、４２４それぞれによって感知および増幅される短い電流パルスを誘導する。
【０１４７】
トンネル放電パルスの幅は、以下の式１１： 
【数１０】
2015187613.tif 000013
Ｉは、出力電流であり、
Ｕは、印加されたトンネルバイアス電圧であり、
ｄは、トンネルギャップ幅であり、
Ｋは、供給源および供給先の両方の利用可能な状態の密度を示す定数であり、
bは、電子を真空電位へ解放するために必要な電子仕事関数またはエネルギーを記述する定数である
によって与えられる量子トンネル効果の指数関数的挙動に起因する極めて短い周期であり得る。
【０１４８】
この極めて短いインパルスは、振動する質量が基準位置を通過する際の正確な瞬間を正確に示すのに役立ち、これは、本発明の顕著な優位性（すなわち、振動エレメントの位置を時間の関数として的確に正確に示す能力）を強調する。
【０１４９】
図４Ａに示されるように、試験質量電極アセンブリが基準電極：―ｄ０、＋ｄ０に続く位置に、および、ゼロ力ポイント（図３Ａおよび４Ａのポイント３２８〜３３２それぞれ）にある場合に、トンネル放電パルス４５２〜４５６が作成される。パルス４５２〜４５６は、例えば印加されるトンネル電圧（電圧ノイズ）および／またはトンネル距離の変動などによりその振幅が異なり得るので、低ノイズ電流増幅器４２２、４２４が、実質的に矩形形状を示す、増幅されたパルス４５８〜４６２を作り出すために、レール（センシング回路の最大電流レベル値である）まで放電パルス４５２〜４５６を増幅させるために使用される。振幅情報は失われるが、増幅された矩形波パルス４５８〜４６２は、例えば図４の制御論理４３４およびカウンター４３６などのデジタル回路、および／または、さらに他の、例えばデジタル信号プロセッサなどのより高度なデバイスとの相互作用するために有利に適している。
【０１５０】
さらに、増幅器（例えば、増幅器４２２、４２４など）が一定の時間遅延（ゼロ時間遅延を含んでいてもよい）によって特徴付けられているならば、増幅されたパルス（例えば、図４Ａのパルス４５８〜４６２など）の相対的なタイミングが保存される。カウンター４３６は、ある変形例においてコンパレーター回路を用いて増幅されたパルスの立ち上がりエッジを検出にともなって、トグルオン／オフされるが、本開示に接した当業者であれば、他の解決法も容易に認識されるであろう。カウンター４３６がトグルオンされると、シークエンスのカウントが開始され、それは次の入力パルスが受信され、そしてカウンターが読み出されるおよび／またはトグルオフされるまで継続する。「オン」状態のあいだ、カウンターは、基準タイミングユニット（ＴＵ）４３８によって作成される基準クロック信号によって提供されるタイミングパルスをカウントする。カウンターの出力は、システム４００のある実施において、外部インターフェースによる使用のためにチャネル４４０上で利用することができる。
【０１５１】
図４の実施態様において、バイポーラ駆動機構が、試験質量の調和振動を誘導するために使用される。このような構成は、駆動電圧のより柔軟な制御を可能にし、同時に、振動子上における帯電蓄積の影響も低減する。帯電蓄積をさらに低減するために、試験質量接地層４０６が、センサー接地４８２に電気的に連結される。
【０１５２】
図４Ｂに示される別の実施態様において、センサーシステム４７０は、ユニポーラ駆動回路を備える。すなわち、駆動電極（プレート４６３）のうち１つは、接地４６５に連結される一方、他の駆動電極（プレート４６２）は、正弦波駆動信号で駆動される。図４Ｂに示される構成は、センサー駆動回路を簡略化する。
【０１５３】
力センシングシステム４００、４７０（それぞれ図４および図４Ｂ）において用いられる電気駆動される振動子は、例えば電圧供給におけるノイズ、多様なコンポーネント（例えば、コントローラ４３０など）によって作成されているデジタルパルスなどにより、ほぼ必然的に作動中に好ましくない電磁放射を作成する。電気ノイズのトンネル電流（しｔがって力）の測定への結合を防ぐために、パルス駆動機構が用いられる。
【０１５４】
力センシングシステム４００、４７０の試験質量（ＰＭ）コントローラ４３０は、正弦波駆動信号を短期間オンおよびオフにし、これにより、正弦波振動のそれぞれのＮサイクルが、非駆動であるＭサイクルによって分離されているパルス列を発生させる。駆動信号が短期間オンにされると、試験質量振動が強められる。駆動信号のデューティサイクル（Ｎ／（Ｎ＋Ｍ）として決定される）は、センサーに特異的な設計パラメータ（例えば、振動子減衰など）に基づいて選択され、そして、典型的には０．００１〜０．１の範囲内である。試験質量振動子の低い減衰特性は、振動振幅が駆動パルス事象のあいだに実質的に低下しないことを確実なものとする。さらに、３つのトリガポイント（例えば、図１Ａのポイント１０４、１０６、１０８など）の使用は、振動振幅と無関係に、試験質量偏向の正確な測定を可能にする（振動振幅が、トリガポイント１０６より上に、かつトリガポイント１０８より下に保たれている限り）が、これは、１０〜１０００振動子サイクル毎に１つの極めて短いパルスの駆動デューティサイクルにより容易に達成可能である。理想的には、パルスはインパルスであるため、幅狭であるものがより好ましい。パルス頻度が高いほど、振動子の振幅を大きくできる。振動子位置測定は、振動子への駆動信号がオフになる時に力センサーシステム４００、４７０によって行われ、そのため、ノイズは、電気的駆動回路からセンサー装置の位置センシング回路へとつなげられない。ドライバ構成（例えば、図４および図４Ｂに関して示されおよび記載されたもの）は、外力の実際の測定のあいだ、フィードバック力が試験質量アセンブリに適用される必要がないことを確実なものとする。
【０１５５】
当業者が認識するであろうように、上記の例示的な駆動およびセンシング構成は、本明細書中において、ひとえに本発明のより広範な原理を図示するために提供される。多様な他のセンサー駆動構成、例えば、機械的「ピング」による共振の手動励起、または、正弦波機械駆動力による振動子の駆動なども利用され得る。電気振動子システムの場合、負のフィードバックが、振動子を作動可能に維持するために使用される。
【０１５６】
図４および４Ｂの実施態様において、制御論理４３４は、入来パルスが上部の、底部のまたは両方の増幅器チャンネル４２２、４２４に達するかに基づいて入来トンネルパルス間を識別し、したがって、図３Ａの試験質量位置３２８〜３３２にそれぞれ対応するように構成される。ある変形例において、制御論理は、コンパレーターを用いて入来パルスを検出する。図４Ｃおよび表１は、試験質量振動の完全な１サイクルを含む、トンネルパルス作成の例示的なシークエンスを示す。図４Ｃの振動プロファイル上の白丸４５２は、電流のための導電性経路が確立される（すなわち、コンパレーター出力が論理「１」である）チップ位置を示す。網掛けの丸４５４は、導電性電流が無い（すなわち、コンパレーター出力は論理「０」である）位置に対応する。
【０１５７】
試験質量がゼロ力位置３３０（符号１、７、１３で示される）にある場合、電極アセンブリ４１８および４２０の両方の電極が一列に並べられ、これにより、表１のそれぞれＩＴおよびＩＢとラベルされている列中の数値１によって示されるように、増幅器チャンネル４２２および４２４の両方上に電流パルスをもたらす。試験質量が負の変位位置３３２（符号３、５で示される）にある場合、基準電極アセンブリ４１８のスイッチ４１０の底部電極４１２は、以下の表１のＩＢとラベルされている列中の数値１によって示されるように、底部増幅器チャンネル４２４上に電流パルスをもたらす。同様に、試験質量が正の変位位置３２８（符号９、１１で示される）にある場合、基準電極アセンブリ４１８のスイッチ４１０の上部電極４１２は、表１のＩＴとラベルされている列中の数値１によって示されるように、上部増幅器チャンネル４２２上に電流パルスをもたらす。試験質量が符号２、４、６、８、１０および１２で示される位置にある場合、電流パルスは電極４１２、４１４によって作成されない。
【０１５８】
【表１】
2015187613.tif 000014
【０１５９】
試験質量位置５、７、９は、図１〜１Ａに関して記載されたトリガ事象１１４、１１０、１１２にそれぞれ対応する。トリガ事象１１０、１１２、１１４が発生するときはいつでも（すなわち、パルス４５２〜４５６がカウンター４３４を切り替えるときはいつでも）、カウンターは、基準クロック信号のパルスを数え始める。
【０１６０】
図４Ａに示すように、周期Ｔ１〜Ｔ４は以下のように計算される：
−Ｔ１は、第２の基準トリガポイント事象（試験質量位置７）におけるカウンター値から、第１の基準トリガポイント事象（試験質量位置１）におけるカウンター値を減算した値である。
−Ｔ２は、第２の負のトリガポイント事象（試験質量位置５）におけるカウンター値から、第１の負のポイントトリガ事象（試験質量位置３）におけるカウンター値を減算した値である。
−Ｔ３は、第２の正のトリガポイント事象（試験質量位置１１）におけるカウンターから、第１の正のポイントトリガ事象（試験質量位置９）におけるカウンター値を減算した値である。
−Ｔ４は、第３の基準トリガポイント事象（試験質量位置１３）におけるカウンター値から、第２の基準ポイントトリガ事象（試験質量位置７）におけるカウンター値を減算した値である。
【０１６１】
図４Ｃおよび上記の式３および４から明らかなように、双対チップスイッチ（例えば、４つの電極を備える図４のスイッチ４１０など）は、３つの所定のトリガポイント（１１０、１１２、１１４）を提供し、これにより、センシングシステム４００が各周期ごと（または１サイクルに２回）の振動子偏向（したがって力）の２つの推定値を得ることを可能とする。このようなスイッチ構成は、センサーシステム周波数応答を向上させるために、または、連続的な測定を平均化し、そして測定の不確実性を低下することによって、センサーシステム精度を向上させるために、使用され得る。２つのトリガポイント（例えば、図３Ｃの３つの電極スイッチ３４８）を備えるスイッチは、周期ごとに一回の振動子偏向測定を可能にする。上記の測定構成（例えば、スイッチ３１０、３４８を用いて、など）の両方が、有利なことに振動子振幅に対して非感受性である。
【０１６２】
（例えば、工場出荷時較正表に関連する振動子変位を供給される駆動電圧に用いることになどより）振動子振幅が既知であると仮定した場合、単一の電極対を備えるスイッチが、振動子偏向を評価するために使用され得る。このアプローチは、試験質量振幅についての正確な知見に依存しているが、最も実際的な条件下において、現在利用可能なセンサー評価をはるかに上回る測定性能を提供する。さらに、双対電極スイッチ構成（例えば、図４のスイッチ４１０など）と同様に、単一の電極対センサーは、増幅されたパルス４５８〜４６２の幅４６４（これは、図４Ａに示されるように立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとのあいだ）の時間である）を電極厚さと組み合わせて利用し、これにより、振動振幅から独立した振動子変位測定を得るために必要とされる追加のタイミング情報が得られる。この場合、パルス幅は、例えば図３、３Ａ、３Ｄに示される双対電極スイッチの実施態様の電極間隔ｄ０と同じ目的を有効に果たしている。すなわち、カウンターオン／オフを切り替えるために用いられる２つの事象間の固定距離が提供される。
【０１６３】
システムの一実施態様において、図５に関して図示および記載されるように、４つの別個のカウンターは、周期Ｔ１ 〜Ｔ４を測定するために使用される。時間領域慣性センサー制御ブロック５００は、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイＦＰＧＡ、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、マイクロコントローラ、または、機械により読み取りが可能なコードを実行するように構成される任意の他のコンピュータ化された装置などのプログラム可能な論理装置５０２（図５に点線パターンで満たされた多角形によって示される）を備える。ある変形例において、制御論理は、内蔵マイクロプロセッサまたはデジタルプロセッサ５０４をサポートするＦＰＧＡ内において実行される。装置５０２は、駆動サブブロック５１０、センシングサブブロック５３０および基準クロック５１２を備える。駆動サブブロック５１０は、駆動クロック信号５１６を作成するように構成される遅延ロックループ／位相ロックループ（ＤＬＬ／ＰＬＬ）モジュール５１４を備える。直接デジタル合成器／電源（ＤＤＳ／ＰＳ）モジュール５１８は、増幅器５２０によって増幅される駆動波形（例えば、図２の波形２０２など）を生成する。増幅器５２０は、調和振動信号５２２を」駆動電極（例えば、図４の電極４６２、４６３など）へ提供する。
【０１６４】
図４Ａに関して既述したように、駆動信号からトンネル電流測定への電位ノイズクロスカップリングを最小化するために、駆動正弦波信号５２２がパルスされる、すなわち、短期間オンおよびオフされる。信号５２２が短期間オンにされると、試験質量の振動が強められる。駆動パルシングは、本実施態様における制御信号経路５２４を介して制御論理モジュール５０４によって制御される。
【０１６５】
ＤＤＳ／ＰＳモジュール５１８による波形生成は、経路５２６を介して制御論理モジュール５０４によって制御される。ゲイン制御モジュール５２８は、振動子の振幅を調節するために増幅器のゲインを制御する。
【０１６６】
センシングサブブロック５３０は、振動試験質量の位置を決定するように構成される。センシングサブブロック５３０は、上部４２２および底部４２４電流増幅器の出力チャンネル５３４、５３６に連結されるコンパレーターバンク５３２を備える。コンパレーター５３２の論理状態は、カウンター有限状態機械（ＦＳＭ）５３８へと送られ、後者であるカウンター有限状態機械（ＦＳＭ）５３８は、図１Ａおよび４Ｃの周期Ｔ１〜Ｔ４それぞれに対応する４つの周期カウンター５４２〜５４８の動作を制御する。カウンター出力は、Ｔ１〜Ｔ４の周期長カウントをそれぞれ保管するように構成されている４つのレジスタ５５２〜５５８に連結される。これら４つのレジスタ５５２〜５５８は、。試験質量上に作用する外力無しでは、質量は、ゼロ偏位バイアスを伴って振動する。試験質量上に作用する外力がある場合、質量の振動軌跡は、（図１Ａに示すように）非ゼロ偏位バイアスに起因して変化する。センシングサブブロックは、種々のトリガポイント事象（例えば、図１の事象１１０〜１１２など）を用いて試験質量偏位を検出し、そして上述の式３〜６を用いて力を決定するように構成される。
【０１６７】
図４Ａに関して上述されたように、コンパレーターバンク５３２のコンパレーターは、トンネル電流パルスの存在を検出するために使用される。コンパレーター５３２の論理状態のトンネル電極チップ位置との関係に関する真理値表を表１に示す。数値「１」はトンネル電流が生成されたことを示し、そして数値「０」は電流なしに対応することに留意されたい。
【０１６８】
図４Ａに示され、そして図５に示される実施態様の例示的な力センサーにおいて用いられる質量振動に対応する例示的な計数シークエンスを図６に示す。コンパレーターバンク５３２は、試験質量の基準トリガ位置（図４Ｃのポイント１）に対応する、チャンネル５３４、５３６両方上の電流パルス６３０を検出する。この場合、カウンター状態機械５３８は、チャンネル６００上において有効信号ＥＮ１を高く（エッジ６１２）設定することにより、カウンター５４２を開始する。トンネル電流パルス６３２が、負のトリガポイント事象（例えば、図４Ａの試験質量位置３など）に対応するコンパレーターバンク５３２によって底部チャンネル５３６上に受信されると、カウンター５４４が、チャンネル６０２上の有効信号ＥＮ２を高く（エッジ６１４）設定することにより開始される。例えば図４Ａの試験質量位置５に対応する次の負のトリガポイント事象がコンパレーター５３２によって検出されると（すなわち、パルス６３４がチャンネル５３６上で受信されると）、有効信号６０２が低く設定され（エッジ６１６）、そして、カウンター５４４が停止される。その後、カウンター５４４の容量（周期Ｔ２に対応する）がレジスタ５５４中に保存され、そしてカウンター５４４がリセットされる。
【０１６９】
第２の基準ポイントトリガ事象が、チャンネル５３４、５３６（例えば、図４Ａの試験質量位置７に対応する事象）の両方上の電流パルス６３６を感知することによって、コンパレーターバンクにより検出されるとき、カウンター５４２は、ＥＮ１信号６００を低く（エッジ６１８）設定することにより、停止され、そして、カウンター５４６は、ＥＮ３信号６０４を高く（エッジ６２０）設定することにより、開始される。カウンター５４２の内容（周期Ｔ１に対応する）がレジスタ５５２中に保存され、そしてカウンター５４２がリセットされる。
【０１７０】
トンネル電流パルス６３８がコンパレーター５３２によって上部チャンネル５３４上で受信される場合（正のトリガ事象に対応するものであり、例えば図４Ａの試験質量位置９に対応する）、カウンター５４８は、ＥＮ４信号６０６を高く（エッジ６２２）設定することにより、開始される。
【０１７１】
次の正のトリガポイント事象が、チャンネル５３４上のパルス６４０を受信するコンパレーター５３２によって検出される場合（例えば、図４Ａの試験質量位置１１に対応する）、カウンター５４８は、ＥＮ４信号６０６を低く（エッジ６２４）設定することにより停止され、カウンター５４８の内容（周期Ｔ４に対応する）がレジスタ５５８中に保存され、そしてカウンター５４８がリセットされる。
【０１７２】
コンパレーターがチャンネル５３４、５３６両方上で電流パルス６４２を受信する時に次の基準トリガポイント事象が検出される場合（例えば、図４Ａの試験質量位置１３に対応する事象）、カウンター５４６は、ＥＮ３信号６０４を低く（エッジ６２６）設定することにより、停止される。カウンターの内容（周期Ｔ３に対応する）はレジスタ５５６中に保存され、そしてカウンター５４６がリセットされる。次の計数シークエンスが開始されることが予定されている場合、カウンター５４２が開始される。システム５００のタイミング動作はクロック５１６によって制御され、リセット信号５０８は、図６の計数シークエンスを開始する（またはリセットする）ために使用される。
【０１７３】
別の実施態様（図示せず）において、単一のカウンターインスタンス（例えば、カウンター５４２）が全ての計数操作について用いられ、そしてメモリバッファとして機能するいくつかのレジスタと組み合わせられる。この実施において、例えば、計数シークエンスは、カウンター５４２による基準トリガポイント事象の受信と共に開始される。第１の負のトリガ事象が受信された場合（例えば、図４Ａの試験質量位置３に対応する）、シークエンスカウントの電流値が負のトリガ事象−開始レジスタ中に保存される。第２の負のトリガ事象が受信された場合（例えば、図４Ａの試験質量位置５に対応する事象）、カウンター５４２のシークエンスカウントの電流値が負のトリガ事象−終了レジスタ中に保存される。第２のゼロ基準レベルトリガ事象が受信された場合（例えば、図４Ａの試験質量位置７に対応する）、シークエンスカウントの電流値が基準トリガ事象−終了レジスタ中に保存される。同様に、試験質量位置９、１１に対応するカウンターシークエンス値もそれぞれのレジスタ中に保存される。例えばそれぞれの入来パルスの間の計数シークエンスの停止および開始などの、他の変形例も可能である。
【０１７４】
ここで図６を参照して、図５の時間領域力センシングシステムのための例示的な操作順序を示すタイミング図が図示されている。
【０１７５】
センシングシステム４００または４７０によって作成される力測定の精度は、クロックレートの精度によって大部分決定される。周期Ｔ１〜Ｔ４がより正確に分解されるほど、偏向ｄそしてしたがって調和振動子上に作用する準静的力はより正確に決定される。
【０１７６】
周期Ｔ１〜Ｔ４は、トリガ事象間のクロックサイクルを追跡し続けるデジタルカウンターを用いて測定されるため、センサーの正確性、安定性および精度は、カウンターへの入力クロックレートおよびクロック源の長期安定性に実質的に依存する。他のデジタルセンシングデバイスとの類似性により、センサーシステム４００の分解能およびダイナミックレンジは、調和振動子の１周期内に含まれる有効なクロックサイクルの合計数に関連付けられる多数のビットによって記述され得る。
【０１７７】
いくつかのトリガ事象がクロックサイクルの間で起こり得、これにより、測定された周期の精度に影響が出る可能性がある。これらのタイミング誤差は、センサーの分解能および精度を限定するが、安定性または正確性は制限しない量子化ノイズをもたらし得る。センサー分解能を向上させるために、いくつかの技法が本発明と合致して使用され得る。あるアプローチにおいて、時間量子化ノイズは、当該分野において公知種類のバーニア補間器の使用を通じて低減される。別のアプローチにおいて、基準クロック中に意図的なジッターを導入する（例えば、半クロックサイクルのオーダーで）ディザリング技術が、センサーに適用される低周波数慣性力が時間と共に平均化され得るように適用される。図４Ｃに関して記載されるように、周期Ｔ１〜Ｔ４が連続的なカウンター値の間の差を用いて計算されることから、基準クロックの絶対精度（ドリフト）がキャンセルされ、これにより、図４の実施態様のセンシング装置は長期のクロックドリフト誤差に左右されなくなる。
【０１７８】
一方、バイアス不安定性は、クロック源の不安定性によって最終的に決定される。これは、任意の他の機械的不安定性が、調和振動子は適用外力の非存在下では常にゼロ平均を有するであろうという事実に基づいて説明され得るためである。例えば試験質量の帯電などによる電気的ドリフトは、振動子に対する正および負の「ピング」を交互に行い、これによって正味のゼロ帯電を提供することによって、排除または少なくとも大幅に軽減され得る。追加で、位置の任意の測定が、適用される電気力が存在しない場合の周期のあいだに行われてもよい。
【０１７９】
センシング装置の較正
所定の物理的ギャップｄ０によって離間された、トンネルチップのデュアルセット（例えば、図３Ａの電極アセンブリ３１８、３２０の電極３１４、３１２など）は、慣性センシング装置（例えば、図３の装置３００など）のその場（in situ）較正のための簡便な構成を提供する。この場合、ｄ０はトンネルチップ間の物理的間隔であり、そして、製造プロセスのあいだに正確に画定される。電極間隔の最終測定は、デバイスの工場較正時に行われる。間隔ｄ０は、物理的デバイス構成（層の積層）に基づいており、振動子の動的特性には基づいていないため、有利には経時的に変化しない。よって、較正はセンサーの動作の中に有効に「内蔵（built-in）」され、その後の較正は行われる必要が無い。加速度を測定するために必要とされる全てのパラメータは、固定されている（例えば、ｄ０）か、または、振動周期（例えば、Ｔ１〜Ｔ４およびＰ）ごとに測定される。よって、ドリフトし得るパラメータが無くなり、そして、再較正の必要が無くなる。ドリフトし得るであろうパラメータは、各周期毎に測定される。これもまた、先行技術に対する本発明によるさらなる別の顕著な有利性である。
【０１８０】
例示的な使用および応用
本明細書中に記載される時間領域振動（ＴＤＯ）装置および方法は、従来技術のＭＥＭＳデバイスにより典型的に提供されるアナログ信号出力に対して、デジタルの時間ベース出力を有利に提供する。よって、本発明のＴＤＯデバイスの正確性は、トリガ事象の不変性、振動特性（例えば、試験質量の調和振動など）およびトリガ事象のタイミング測定の正確性にのみ依存する。トリガ事象間の時間間隔は、製造のあいだに確立される物理的寸法に基づくため、本発明の実施態様のセンシング装置は、上述されるように、継続的な較正を必要としない。
【０１８１】
さらに、本明細書中に記載される多様な例示的な実施態様によって用いられるセンシングは、振動子とセンサーフレームとの間にいかなる物理的接触も生じない、非接触トリガ事象に基づく。このアプローチは、有利に、振動子の減衰および摩耗を低減させ、センサー寿命および長期正確性を向上させ、そして、消費電力を低下させる（低減される減衰低減により、振動子がより低い電力で駆動され得るため）。外力の測定は、試験質量エレメントに適用される任意の静電またはフィードバック力無しに行われ、これにより、センサー複雑性を低減しつつ、測定精度が向上する。
【０１８２】
大部分の既存の慣性ＭＥＭＳセンサーは、外部励振の効果を測定するために、センシング装置の動的特性（例えば、振動周波数ｆ０または振幅Ａなど）に依存している。これらの動的性質は、センサーの経年劣化、カンチレバーの「焼鈍（annealing）」などに起因して時間とともに変化するセンサーパラメータ（例えば、弾性定数ｋなど）に依存する。このような変化は、時間とともに低下するセンサー精度につながり、そして周期的な較正を必要とする。
【０１８３】
これに対し、本明細書中に記載の原理に従って構築される時間領域装置の精度は、（センサー製造プロセスによって画定される）センシングエレメントの物理的間隔のみに依存するため、センサーの長期の安定性、正確性を飛躍的に向上させ、そして再較正の必要性を取り除く。その結果、本明細書中に記載される振動装置の正確性および安定性は、所与のデバイスサイズ、製造精度、センサー作動帯域幅およびセンサーコスト目標について、任意の入手可能なデバイス（ＭＥＭＳまたは別のもの）の精度を大幅に上回る。さらに、振動の振幅を変更することにより、本発明の振動装置のダイナミックレンジは動的に調節され、そしてユーザ−またはコントローラによって選択可能とすることさえできる。
【０１８４】
従来技術のトンネリングベースの加速度計は、トンネル電流とチップから表面までの距離との間の関係を用いて試験質量偏位を測定するため、それらのダイナミックレンジは制限される。対照的に、本発明の原理に従って構築される例示的な力センシング装置は、トリガ事象を生じさせるためだけにトンネル放電を用いる。従って、これは有利に、これまでに入手可能な力センシングトンネリングデバイスと比較して、顕著に増大された測定のダイナミックレンジ（例えば、１つの固定振幅振動子の一回の実施において１´１０−４ｇ０から２ｇ０へ）を提供する。さらに、動的振動振幅の調節は、先に示したような、ダイナミックレンジのさらなる増大を可能にさせる。
【０１８５】
上述記されるように、本明細書中に記載される特定のセンサー実施態様は、クロック周波数の試験質量振動周波数に対する比に基づいて力を測定し、これにより、センサーの正確性をクロックドリフトに非感受性に（一次まで）させる。追加で、複数の振動サイクルにわたって平均化された測定が、不要なノイズの除去を可能にする。
【０１８６】
電子トンネルセンシングチップエレメントに関連して主に説明がなされてきたが、本発明はこれに限定されるわけではない。実際、これらに限定される訳ではないが例えば、光学的（例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源と例えば光子検出器などの光検出器との間の整列性に基づく）、磁気的（例えばリードスイッチ中などの２つの鉄エレメント間の整列性に基づく）、圧電性、熱的、容量性、化学的、生物学的などの、多数の他の物理的切り換え機構が、本明細書中に記載されるセンサー装置および手法と共に用いられるのに有用である。
【０１８７】
本発明の特定の態様が、方法の工程の特定の順序において記載されているが、これらの記載は、本発明のより広範な方法の単なる例示であり、そして、特定の適用に応じて改変されてもよいことが理解されるであろう。特定の状況下において、特定の工程が不要または任意的となり得る。さらに、特定の工程または機能性が開示された実施態様に付加されてもよく、また、２つまたはそれ以上の工程の実施順序が並べ替えられてもよい。全てのこのような変形は、本明細書中に開示されかつ特許請求の範囲中に記載される発明中に包含されると理解される。
【０１８８】
上記において詳細な説明を多様な実施態様に適用される本発明の新規な特徴として図示、記載および指摘してきたが、当業者であれば、本発明から逸脱することなく、記載のデバイスまたはプロセスの形態および詳細における多様な省略、置換および変更を行うことが可能であることが理解されるであろう。上記の記載は、本発明を実行するための現在考えられる最良の態様である。この記載は、限定的なものとしてではなく、本発明の一般的な原理を例示するものとして理解されるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲に基づいて決定されるべきである。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図２Ａ−１】
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【図２Ａ−２】
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【図２Ａ−３】
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【図２Ａ−４】
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【図２Ａ−５】
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【図２Ａ−６】
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【図２Ａ−７】
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【図２Ａ−８】
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【図２Ａ−９】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ−１】
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【図３Ｂ−２】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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