(57)【要約】  シリコン半導体基板に形成された振子機構プルーフマスを有し、中間の回転軸の周りを回転できるように構成された力検出デバイスに関する装置及び方法であって、プルーフマスは、対向する第１の横方向周辺端部及び第２の横方向周辺端部と、対向する第１の縦方向周辺端部及び第２の縦方向周辺端部とを有する、実質的に矩形形状である。複数のキャパシタコム歯は、プルーフマスの対向する第１の縦方向周辺端部及び第２の縦方向周辺端部、及び第１の縦方向周辺端部及び第２の縦方向周辺端部に隣接する、プルーフマスの対向する第１の横方向周辺端部及び第２の横方向周辺端部に沿って対称に形成され、１つ又はそれ以上の質量軽減開口は、中間ヒンジ軸に対して一方側のプルーフマスの中間領域に形成されている。
2008531991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１の横方向周辺端部及び第２の横方向周辺端部、及び対向する第１の縦方向周辺端部及び第２の縦方向周辺端部を有する実質的に矩形形状であり、対向する前記第１の縦方向周辺端部と前記第２の縦方向周辺端部との間の前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部の実質的に中間に配置された回転軸の周りを回転するように構成されている、シリコン半導体基板に形成された振子機構プルーフマスと、
前記プルーフマスの対向する前記第１の縦方向周辺端部及び第２の縦方向周辺端部に沿って、及び前記プルーフマスの対向する前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部に沿って、対称に形成された複数のキャパシタコム歯と、
前記回転軸に対して一方側の前記プルーフマスの内部に形成された、１つ又はそれ以上の質量軽減開口と、
を備えることを特徴とする力検出デバイス。
【請求項２】
対向する前記プルーフマスの前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部に沿って形成された前記複数のキャパシタコム歯が、前記プルーフマスの対向する前記第１の縦方向周辺端部及び前記第２の縦方向周辺端部に隣接する対象領域に限定され、前記回転軸から間隔をあけて設けられることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記プルーフマスの対向する前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部に沿って前記回転軸に隣接する対向する第１の対称領域及び第２の対称領域を更に備え、前記第１の対称領域及び前記第２の対称領域には前記キャパシタコム歯が無いことを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記プルーフマスが、前記回転軸に対して長さ及び幅において実質的に対称であることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記プルーフマスの質量中心が、前記回転軸から、前記１つ又はそれ以上の質量軽減開口とは反対側の前記プルーフマス上へオフセットされていることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記１つ又はそれ以上の質量軽減開口が、単一の質量軽減開口を備えることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
実質的に前記プルーフマスを取り囲むフレームと、
前記フレームの対向する第１の縦方向内側周辺端部及び第２の縦方向内側周辺端部に沿って対称に形成され、前記プルーフマスの対向する前記第１の縦方向周辺端部及び前記第２の縦方向周辺端部に沿って形成された前記複数のキャパシタコム歯と共に複数の縦方向キャパシタを形成するように配置される、複数のキャパシタコム歯と、
前記フレームの対向する第１の横方向内側周辺端部及び第２の横方向内側周辺端部に沿って対称に形成され、前記プルーフマスの対向する前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部に沿って対称に形成された前記複数のキャパシタコム歯と共に複数の横方向キャパシタを形成するように配置される、複数のキャパシタコム歯と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の慣性デバイス。
【請求項８】
前記プルーフマスと前記フレームとの間に形成される１つ又はそれ以上の撓み部を更に備え、前記回転軸が、１つ又はそれ以上の撓み部の軸から離れて前記プルーフマスの質量中心の方向にオフセットされることを特徴とする請求項７に記載の慣性デバイス。
【請求項９】
フレームと、
前記フレームによって取り囲まれるプルーフマスであって、該プルーフマスの長手方向寸法の実質的に中間に配置された一対の捻り撓み部上を面外回転するように懸垂保持されるプルーフマスと、
前記プルーフマスの外側周辺端部に形成された第１の複数のコム歯と、前記フレームの内側周辺端部上に形成された協働する第２の複数のコム歯との間に形成された第１の複数のキャパシタ及び第２の複数のキャパシタと、
を備え、
前記第１の複数のキャパシタ及び前記第２の複数のキャパシタは、前記プルーフマスの回転中心に関して対称に間隔をあけて設けられていることを特徴とする力検出デバイス。
【請求項１０】
前記第１の複数のキャパシタが、前記フレームの第１の縦方向内側周辺端部及び第２の縦方向内側周辺端部に隣接する前記フレームの対向する第１の横方向内側周辺端部及び第２の横方向内側周辺端部に沿った横方向領域内に配置される第１の複数のコム歯と協働して作動可能な、前記第１の縦方向外側周辺端部及び前記第２の縦方向外側周辺端部の各々に隣接する、前記プルーフマスの対向する前記第１の横方向外側周辺端部及び前記第２の横方向外側周辺端部に沿った横方向領域内に配置される第１の複数のコム歯を更に備え、
前記第２の複数のキャパシタが、前記フレームの第１の縦方向内側周辺端部及び第２の縦方向内側周辺端部に沿った縦方向領域内に配置される第２の複数のコム歯と協働して作動可能な、前記プルーフマスの対向する前記第１の縦方向外側周辺端部及び前記第２の縦方向外側周辺端部に沿った縦方向領域内に配置される第２の複数のコム歯を更に備えることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記横方向領域内に配置される前記第１の複数のコム歯が、前記撓み部から間隔をあけて設けられる前記プルーフマスの前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部の各部に限定され、
前記プルーフマスの対向する第１の横方向外側周辺端部及び第２の横方向外側周辺端部に沿った横方向領域には前記コム歯が無いことを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記撓み部に隣接する前記プルーフマスの対向する第１の横方向周辺端部及び第２の横方向周辺端部に沿った横方向領域が、実質的に、前記撓み部と、前記プルーフマスのそれぞれの対向する前記第１の外側周辺端部及び前記第２の外側周辺端部との間の距離の半分又はそれ以上にわたって延びることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記プルーフマスの前記撓み部に対して一方側の内部に形成された１つ又はそれ以上の質量軽減開口を更に備えることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記プルーフマスの回転中心が、前記プルーフマスを前記フレームから懸垂保持する撓み部によって形成されるヒンジ軸からオフセットされており、
前記プルーフマスが、前記撓み部によって形成されるヒンジ軸からオフセットされると共に前記プルーフマスの回転中心を通る回転軸の周りを回転することを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
実質的に対称な差動信号検出を有する容量性コム歯センサを作る方法であって、該方法は、
半導体シリコン材料で形成され、対向する実質的に平行で間隔をもつ第１の平面及び第２の平面を有する基板において、計算上の回転中心に関して対称に間隔をあけて設けられる複数の容量性コム歯センサを有する実質的に矩形の振子機構プルーフマス構造体を形成する段階であって、前記コム歯センサの第１の縦方向群及び第２の縦方向群が、前記回転軸から遠位のそれぞれ対向する前記プルーフマスの第１の縦方向部及び第２の縦方向部の各々に沿って配置され、前記コム歯センサの第１の横方向群及び第２の横方向群が、対向する縦方向部の各々に隣接した前記プルーフマスのそれぞれの最端部の各々に沿って、前記回転中心から間隔をあけて、前記最端部の中央領域には前記コム歯センサが無いように配置される段階と、
基板において、間隔をあけて前記プルーフマスを取り囲む実質的に矩形の開口を有するフレーム構造体を形成する段階と、
基板において、計算上の回転中心を通る回転軸の周りでフレームに対する前記プルーフマスの面外回転を得るように構成され、前記プルーフマスと前記フレームとの間に前記プルーフマスの長さ寸法の実質的に中間に配置される１つ又はそれ以上の撓み部を形成する段階と、
基板において、前記フレームの第１の縦方向内側周辺端部及び第２の縦方向内側周辺端部のそれぞれに沿った第１の縦方向群及び第２の縦方向群内に、前記プルーフマスの前記コム歯センサの第１の縦方向群及び第２の縦方向群のそれぞれと協働するように配置されると共に、前記フレームの対向する第１の横方向内側周辺端部及び第２の横方向内側周辺端部のそれぞれに沿った第１の横方向群及び第２の横方向群内に、前記プルーフマスの前記コム歯センサの第１の横方向群及び第２の横方向群のそれぞれと協働するように配置される複数のコム歯を形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
実質的に矩形の振子機構プルーフマス構造体を形成する前記段階は、前記１つ又はそれ以上の撓み部に対して一方側に配置される１つ又はそれ以上の質量軽減開口を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
複数のコム歯を前記プルーフマスと前記フレームとの間で前記回転軸に関して実質的に対称に配置する前記段階は、
前記コム歯センサの第１の縦方向群を、前記回転軸の第１の側で該回転軸から離間して配置される前記プルーフマスの第１の縦方向端部に沿って形成する段階と、
前記コム歯センサの第２の縦方向群を、前記回転軸の反対側の第２の側で該回転軸から離間して配置される前記プルーフマスの第２の縦方向端部に沿って、前記コム歯センサの前記第１の縦方向群と対称に形成する段階と、
前記回転軸の前記第１の側に配置される前記プルーフマスの第１の部分に、前記コム歯センサの第１の横方向群及び第２の横方向群を、前記プルーフマスの対向する第１の横方向端部及び第２の横方向端部に沿って、前記回転軸から間隔をあけて、計算上の回転中心に関して実質的に対称に形成する段階と
前記プルーフマスの前記第１の部分とは反対側で、前記回転軸の前記第２の側に配置される前記プルーフマスの第２の部分に、前記コム歯センサの第３の横方向群及び第４の横方向群を、前記回転軸から離間した前記プルーフマスのそれぞれの対向する第１の横方向端部及び第２の横方向端部に沿って、計算上の回転中心に関して実質的に対称に、前記回転軸の前記第１の側の前記コム歯センサの第１の横方向群及び第２の横方向群のそれぞれに関する回転軸に関して対称に形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記回転軸は、前記１つ又はそれ以上の撓み部が通るヒンジ軸からオフセットされており、前記回転軸が１つ又はそれ以上の質量軽減開口の反対側にオフセットされることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記コム歯センサの前記第１の縦方向群及び前記第２の縦方向群の各々が、計算上の回転中心を通る前記プルーフマスの長手方向の中心線の両側で実質的に対称に間隔をあけて設けられる、前記コム歯センサの一対の縦方向群を更に備えることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
コンピュータモデリングによって、複数の容量性コム歯センサを有し、前記プルーフマスの長さ寸法の実質的に中間に配置される１つ又はそれ以上の捻れ撓み部上に回転可能に懸垂保持される、実質的に矩形振子機構プルーフマス構造体に関する、計算上の回転中心及び回転軸を決定する段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００５年２月１８日出願のＲｏｎａｌｄ  Ｂ  Ｌｅｏｎａｒｄｏｓｏｎ及びＤａｖｉｄ  Ｌ  Ｍａｌａｍｅｔｚによる米国仮出願番号６０／６５４，３５８の優先権を請求するものであり、この全ての開示内容は引用によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、加速度計及び他の力検出デバイス、及びこれを形成して組み立てる方法に関し、詳細には、ＭＥＭＳ静電コムドライブ式容量加速度計に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＭＥＭＳは、Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓの略語であり、モノリシックシリコン式加速度計はそのサブセットであり、振動ビーム検出式加速度計は更にそのサブセットである。ＭＥＭＳ振動ビーム検出式加速度計デバイスは一般に良く知られている。
【０００４】
加速度計出力から非線形性が低減されたデータを取得することは、微小ＭＥＭＳ加速度計の設計を大きく妨げる。容量性ピックオフによる検出のための積層型平行キャパシタ電極板に依存する面外加速度計において、キャパシタンスは面外振子式プルーフマスの変位に伴い１／ｄだけ逆に変動するので線形出力を取得するのは困難であった。ここで、ｄは振子式プルーフマス上のキャパシタ電極板と、振子式プルーフマスが懸垂保持される相対固定フレームとの間の距離である。従って、典型的な従来技術のＭＥＭＳ加速度計及び他のデバイスの前述の及び他の制限を解消するための装置及び方法が望まれる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、プルーフマスの実回転中心に関して対称に作動するように配置され、協働的な可動コム歯及び固定コム歯を有する振子式面外加速度計を提供することで、従来技術の制限を解消するＭＥＭＳ加速度計デバイス装置及びそれを作る方法に関し、加速度検出システムの非線形性は実質的に排除され、加速度は線形で検出される。
【０００６】
低コストで高ｇ環境での作動を得るための容量検出ＭＥＭＳ加速度計のデザインは非常に一般的である。これらのデバイスの全体的に小さな形状は、最小寸法を必要とする高ｇパッケージには理想的である。しかしながら、小さな寸法であっても、容量検出ＭＥＭＳ加速度計の非線形作用要因を低減することが大変望ましい。非線形作用要因の低減は、２階方程式を超える対応する数学的モデリングのレベルを大幅に高めることなく、数学的モデル及び対応する係数の高い精度をもたらす。
【０００７】
本発明では、コム歯センサは振子機構の縦方向及び横方向の最端部に取り付けられている。これらのコム歯センサは、実計算回転中心に関して対称に間隔をあけて配置され、優れた差動対称性がもたらされる。
【０００８】
本発明の１つの態様によれば、材料の主要部は、実質的な差動対称性を維持しながら効果的な振子機能を実現するために、プルーフマスの片側から取り除かれる。
【０００９】
本発明の１つの態様によれば、プルーフマスの横方向及び縦方向の最端部に対称にピックオフコム歯を位置決めして、作動時に加速度又は他の力場に晒された場合に最大変位を生じるプルーフマス部分内にピックオフコム歯を配置することによって、優れた差動信号検出を得るようにピックオフコム歯を配置する。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、プルーフマスの縦方向及び横方向の最端部にピックオフコム歯を位置決めして、振子機構の実質的な差動ピックオフ対称性を維持するが、同時にプルーフマス構造体の一方側のセンターから質量を取り除くことにより所望の振子機能を実現する。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、実質的に非線形性が排除された加速度検出デバイスを作る方法は、単一の処理マスクセットのみを用いたプルーフマスの縦方向及び横方向の最端部にピックオフコム歯を位置決めすることよってもたらされる。
【００１２】
前述の態様及び本発明の多くの付随の利点は、容易に理解できるものであり、図面と共に以下の詳細な説明を参照すればより深く理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図面において、同じ参照番号は同じ構成要素を示している。図面には、本発明の加速度計又は他の力検出デバイス、及びこれを作る方法又は組み立てる方法が示されており、該方法は、実質的に矩形の振子機構のプルーフマス構造体を準備する段階を含み、プルーフマス構造体は、実計算回転中心の周りに対称に間隔をあけて設けられる複数の容量コム歯センサを有し、複数のコム歯センサは主としてプルーフマスの横方向及び縦方向の最端部にあり、これにより、ピックオフコム歯は、実質的に対称な差動信号検出を得るために、作動時に加速又は他の力場に晒される場合に大きな変位に直面するプルーフマスの各部分に配置される。
【００１４】
更に、材料の大部分は、回転中心に対して一方側のプルーフマスから取り除かれるので、差動信号検出の対称性を維持しながら、振子機能（ｐｅｎｄｕｌｏｓｉｔｙ）が最大になる。
【００１５】
図１は、実計算回転中心ＣＲに対して対称に間隔をあけて設けられた複数の容量性コム歯センサ１２を有する振子式プルーフマス構造体１０として具現化された本発明を示す。例えば、プルーフマス１０は、中間ヒンジ軸Ｈの周りを回転するように懸垂保持された一般に「シーソー式」プルーフマスと呼ばれる形式のものである。プルーフマス１０は、固定フレーム構造体１６（図２に示す）に対して、１つ又はそれ以上の捻れ撓み部１４上のヒンジ軸Ｈの周りを回転するように懸垂保持されている。
【００１６】
本発明のこの実施形態は、プルーフマス１０のヒンジ軸Ｈに向かい合う第１の長手方向部１８及び第２の縦方向部２０を有しており、第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０の各々は実質的に同一の長さであり、つまり、第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０の各々は実質的にプルーフマス１０の全長Ｌの半分の長さである。更に、本発明のこの実施形態は、プルーフマス１０の中心線ＣＬに向かい合う第１の実質的に対称な幅方向部２２及び第２の実質的に対称な幅方向部２４を有しており、第１の実質的に対称な幅方向部２２及び第２の実質的に対称な幅方向部２４の各々は、実質的に同一の幅であり、つまり、第１の幅方向プルーフマス部２２及び第２の幅方向プルーフマス部２４は、実質的にプルーフマス１０の全幅の半分の幅である。従って、プルーフマス１０は、ヒンジ軸Ｈ及び長手方向中心線ＣＬに沿ってａ、ｂ、ｃ、及びｄの４象限に分割されており、各々は、実質的に同じ長さ及び幅を有している。
【００１７】
複数の容量性コム歯センサ１２は横方向群２６及び縦方向群２８のそれぞれに分けられている。プルーフマスの象限ａ、ｂ、ｃ、及びｄの各々には、横方向群２６及び縦方向群２８の１つが形成されている。図示のように、コム歯センサ１２の横方向群２６及び縦方向群２８は、第１の長手方向プルーフマス部１８及び第２の長手方向プルーフマス部２０の最端部に隣接するプルーフマス１０の周辺端部に沿って配置され、ここでは、固定フレーム１６に対する面外振子式プルーフマス１０の変位は最大になる。例示的であり限定するものではないが、コム歯センサ１２の横方向群２６は、プルーフマス１０のそれぞれの対向する横方向周辺端部３２、３４に沿って配置され、第１のプルーフマス長手方向部１８及び第２のプルーフマス長手方向部２０の最端部でヒンジ軸Ｈから間隔をあけて設けられている。本発明の１つの実施形態において、容量性コム歯センサ１２の横方向群２６は、プルーフマス１０のそれぞれ対向する横方向周辺端部３２、３４の長さの約半分又はそれ以下の領域内に配置される。
【００１８】
コム歯センサ１２は、変位が最小になる、ヒンジ軸Ｈに隣接するプルーフマス１０の第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０のそれぞれの中央長手方向周辺端部、つまり「領域」３６、３８から取り除かれている。第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０のコム歯１２が無い中央周辺端部領域３６、３８は、撓み部１４と、プルーフマス１０のそれぞれの対向する縦方向周辺端部４０、４２との間のプルーフマス１０のそれぞれの対向する横方向周辺端部３２、３４の長さの約半分又はそれ以上である。コム歯センサ１２は、プルーフマスの中央領域３６、３８から除去されているので、平均差動信号は低減せず、変位が最大になるプルーフマス１０の最端部に配置されているコム歯センサ１２の横方向群２６によって信号が最大になることが意図されている。
【００１９】
容量性コム歯センサ１２の複数の縦方向群２８は、プルーフマス１０のそれぞれの対向する縦方向周辺端部４０、４２に配置されているので、ヒンジ軸Ｈから最大の間隔をあけて配置されており、変位が最大になる。容量性コム歯センサ１２の複数の縦方向群２８は、プルーフマス１０の最端部で横方向群２６と合わされ、平均差動信号が最大になるようになっている。
【００２０】
対称性は、第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０の両者上に、プルーフマス１０の対向する横方向周辺端部３２、３４の両者に沿って、実質的に同一のコム歯センサ１２の横方向群２６を設けること、及び第１の幅方向部２２及び第２の幅方向部２４の両者上に、縦方向周辺端部４０、４２のそれぞれに沿って、実質的に同一の容量性コム歯センサ１２の縦方向群２８を設けることで実現される。
【００２１】
本発明の１つの実施形態によれば、プルーフマス１０は不平衡であり、プルーフマス１０の撓み部１４の周りの回転を引き起こす所望の振子機能を実現するようになっている。例示的であり限定するものではないが、プルーフマス１０は、第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０のうちの一方の内部から材料の一部の質量部を取り除き、結果的に１つ又はそれ以上の質量低減開口又は軽減開口４４を形成することによって不均衡にされている。１つ又はそれ以上の軽減開口４４により、ヒンジ軸Ｈに対する一方側のプルーフマス部ａ、ｂがヒンジ軸Ｈに対する反対側のプルーフマス部ｃ、ｄよりもどっしりしたものになる、つまり重くなる。結果として得られた質量の不均衡により、プルーフマス１０は、第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０のそれぞれの対向する横方向周辺端部３２、３４、及び第１の幅方向部２２及び第２の幅方向部２４のそれぞれの対向する縦方向周辺端部４０、４２の両者に沿ったコム歯センサ１２の対称性を維持しながら、所望の振子機能を実現する。ヒンジ軸Ｈと周辺端部４２との間の軽減開口４４の数量、寸法、及び位置は、プルーフマスの所望の振子機能をもたらす質量不均衡を実現するように選択される。質量不均衡を最大にするために、軽減開口４４は大型でヒンジ軸Ｈから最も離れた位置にある。
【００２２】
１つ又はそれ以上の軽減開口４４は、プルーフマス１０の質量中心ＣＭを、中心線ＣＬに沿って、ヒンジ軸Ｈから離れて軽減開口４４を有するプルーフマス長手方向部２０から離れる方向で、変更されていないプルーフマス長手方向部１８に入って縦方向周辺端部４０へ向かう方向に移動させる。プルーフマス質量中心ＣＭが、変更されていないプルーフマス長手方向部１８の縦方向周辺端部４０へ移動すると、ヒンジ軸Ｈから離れ、変更されていないプルーフマス長手方向部１８の縦方向周辺端部４０へ向かうのと同じ方向のプルーフマス１０の実回転軸Ｒの移動がもたらされる。本発明の１つの実施形態において、容量性コム歯センサ１２の横方向群２６はヒンジ軸Ｈから離れた回転軸Ｒの移動を補正して、実回転軸Ｒに関する差動信号検出の対称性を維持するように作動する。前述のように、それぞれの対向する縦方向周辺端部４０、４２に沿った容量性コム歯センサ１２の縦方向群２８の対称性は、結果的にプルーフマス１０の実回転中心ＣＲに関する対称的な作動をもたらすので、力検出又は加速度検出システムの非線形性は実質的に排除され、力検出は、実質的に線形の差動信号検出によってもたらされる。
【００２３】
プルーフマス質量中心ＣＭ、及びプルーフマス１０の実回転中心ＣＲ及び実回転軸Ｒがシフトされ、長手方向中心線ＣＬに沿って、ヒンジ軸Ｈから変更されていないプルーフマス長手方向部１８の縦方向周辺端部４０に向かって離れる量又は距離は、ヒンジ軸Ｈと縦方向周辺端部４２との間の軽減開口４４の数量、寸法、及び位置を含む、プルーフマス１０のコンピュータモデリングにより決定される。従って、本発明の、複数の容量性コム歯センサ１２を有し、センサプルーフマス構造体１０の中間に配置される１つ又はそれ以上の捻れ撓み部１４上を回転するように懸垂保持される、実質的に矩形の振子機構のプルーフマス構造体１０に関する実計算回転中心ＣＲ及び実計算回転軸Ｒは、プルーフマス１０のコンピュータモデリングにより決定される。
【００２４】
図２は、例示的であり限定するものではない、加速度又は他の力を測定するための本発明のセンサ５０を示す。本発明のセンサ５０は、中心部に本発明の振子式プルーフマス構造体１０を有している。本明細書で説明する場合、プルーフマス１０は、固定フレーム１６に対して、１つ又はそれ以上の捻れ撓み部１４上のヒンジ軸Ｈの周りを回転するように懸垂保持されている。捻れ撓み部１４により、プルーフマス１０はヒンジ軸Ｈの周りを回転できる。プルーフマス構造体１０、フレーム構造体１６、及びそれらの間の撓み部１４は、全て従来方式の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術又は深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術によって半導体シリコン材料から作られる単一基板５２に形成され、基板５２は、基板材料の厚さだけ間隔をあけて設けられ、対向する実質的に平行な第１の平面５４及び第２の平面５６（裏面）を有している。プルーフマス１０のａ、ｂ、ｃ、及びｄ象限の各々には、プルーフマス１０のそれぞれの対向する横方向及び縦方向周辺端部３２、３４、及び４０、４２に沿って配置される、複数の容量性コム歯センサ１２の横方向群２６及び縦方向群２８が形成されているが、プルーフマス１０のヒンジ軸Ｈに隣接するそれぞれの中央周辺端部領域３６、３８には、コム歯センサ１２が無い。従って、コム歯センサ１２は、固定フレーム１６に対する面外振子変位が最大になるプルーフマス１０の最端部に隣接して配置されヒンジ軸Ｈの近くでは取り除かれているので、平均差動信号は、変位が最大になるプルーフマス１０の最端部に配置されるコム歯センサ１２の横方向群２６及び縦方向群２８によって減衰するのではなく最大になる。
【００２５】
プルーフマス１０は、フレーム１６の切除部である大きな開口５８内に懸垂保持されている。フレーム開口５８には、プルーフマス１０を取り囲み、プルーフマス１０の対応する横方向周辺端部３２、３４及び縦方向周辺端部４０、４２から実質的に同じ距離だけオフセットした、それぞれの対向する横方向内側周辺端部６０、６２及び縦方向内側周辺端部６４、６６が形成されている。横方向内側周辺端部６０、６２及び縦方向内側周辺端部６４、６６には、およそ対称に間隔をあけた複数の容量性コム歯７０が形成されている。複数の容量性コム歯７０は、それぞれの横方向群７２及び縦方向群７４に分けられている。コム歯７０の横方向群７２の１つ及び縦方向群７４の１つは、プルーフマス象限ａ、ｂ、ｃ、及びｄ上に形成された横方向群２６及び縦方向群２８の各々に一致するように配置されており、個々のフレームコム歯７０は、プルーフマス１０上の対応するコム歯１２と一緒になってキャパシタを形成するように配置されている。コム歯７０は、プルーフマス１０上の対応するコム歯１２だけと一致するように設けられている。横方向プルーフマス２６及びフレーム群７２の一致コム歯１２、７０は、キャパシタ７３の横方向群を形成する。縦方向プルーフマス２８及びフレーム群７４の一致コム歯１２、７０は、キャパシタ７５の縦方向群を形成する。
【００２６】
フレームコム歯７０は、プルーフマス１０の第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０のそれぞれの中央周辺端部領域３６、３８に対応する、それぞれの中央周辺端部７６、７８から取り除かれているので、信号検出は、変位が最小になるヒンジ軸Ｈに隣接する領域から発せられる信号の影響を受けない。
【００２７】
本発明の１つの実施形態において、随意的に、対称性は、容量性コム歯センサ１２の各縦方向群２８の間に挿入される、長手方向中心線ＣＬに沿ったギャップ２９によってもたらされ、そこではそれぞれのプルーフマス１０の対向する縦方向周辺端部４０、４２が露出している。プルーフマス１０上の各縦方向群２８の間に随意的なギャップ２９が存在する場合、このギャップ２９は、フレーム１６上の容量性コム歯７０の各縦方向群７４の間に挿入されるギャップ２９と一致している。各縦方向群２８の間にギャップ２９が存在すると、プルーフマス１０上に同数のコム歯センサ１２が確実に露出するが、同じ数は、コム歯センサ１２とフレーム１６上の縦方向群７４内の容量性コム歯７０との間で維持される。
【００２８】
導電体８０、８２、８４、８６は、駆動信号を入力してプルーフマスのコム歯１２の横方向群２６及び縦方向群２８からの差動信号を読み出すために、表面５４、５６の片面上に設けられている。導電体８０、８２、８４、８６は、撓み部１４の１つ又はそれ以上を経由してプルーフマス１０に接続されている。導電体８０、８２、８４、８６の各々は、フレーム上で、それぞれの結合パッド８８、９０、９２、９４に接触して終端しており、結合パッドには導電線が結合されるようになっている。例えば、結合パッド８８、９０、９２、９４は、従来の金属蒸着法によって蒸着された金又はアルミ等の金属で形成されている。
【００２９】
本明細書に示す本発明の随意的な実施形態によれば、プルーフマス１０は不均衡になっており、質量中心ＣＭをプルーフマス１０の中心線ＣＬに沿ってシフトして、所望の振子機能を実現するようになっている。結果として得られる振子機能により、プルーフマス１０は、撓み部１４上で、ヒンジ軸Ｈから離間すると共にこれに実質的に平行な、回転軸Ｒの周りを回転する。例示的であり限定するものではないが、プルーフマス１０は、そこに形成される複数の質量低減部又は軽減開口４４によって不均衡にされる。軽減開口４４は、第１の長手方向部１８及び第２の長手方向部２０の一方の内部から材料の質量部を取り除くことでもたらされる。ヒンジ軸Ｈと縦方向周辺端部４２との間の軽減開口４４の数量、寸法、及び位置は、プルーフマス１０の所望の振子機能を実現するように選択される。
【００３０】
本発明の１つの実施形態において、容量性コム歯センサ１２の横方向群２６、及び対応する容量性コム歯７０の横方向群７２は、ヒンジ軸Ｈから離れた回転軸Ｒの動きを補償するためにシフトされている。容量性コム歯１２、７０の一致する横方向群１２、７２のこのシフトは、回転軸Ｒに関する差動信号検出の対称性を維持するものである。それぞれの対向するプルーフマス縦方向周辺端部４０、４２及びフレーム開口の縦方向内側周辺端部６４、６６に沿った、容量性コム歯１２、７０の一致する縦方向群２８、７４の対称性は、プルーフマス１０の実回転中心ＣＲに関する対称動作を実現するのに役立ち、これによって力検出又は加速度検出の非線形性は実質的に排除され、検出デバイス５０によってもたらされる力検出は、実質的に線形の差動信号検出となる。
【００３１】
実質的に非線形性が排除された加速度検出デバイス又は他の力検出デバイス５０を作る１つの方法において、この方法は、ヒンジ軸Ｈの片側１８又は２０（図示）に１つ又はそれ以上の質量低減又は軽減開口４４を配置する段階と、単一の処理マスクセットのみを用いて、横方向最端部及び縦方向最端部上にそれぞれピックオフコム歯２６、２８を配置する段階とを含む。
【００３２】
プルーフマスの全長Ｌ及び全幅Ｗ、及び軽減開口４４の数量、寸法、及び位置の関数として、プルーフマスの質量中心ＣＭ、実回転中心ＣＲ、及び回転軸Ｒの実位置をコンピュータモデリングで決定することで、プルーフマス１０、撓み部１４、及びフレーム１６を従来の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又は深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術で単一基板５２に単一の処理マスクセットのみを用いて作ることが可能になる。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態が示されて説明されているが、本発明の精神から逸脱することなく種々の変更を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の１つの実施形態の全体図である。
【図２】図１に示す本発明の実施形態の平面図である。
【図１】
2008531991.tif 000003
【図２】
2008531991.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月23日(2007.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１の横方向周辺端部及び第２の横方向周辺端部、及び対向する第１の縦方向周辺端部及び第２の縦方向周辺端部を有する実質的に矩形形状であり、対向する前記第１の縦方向周辺端部と前記第２の縦方向周辺端部との間の前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部の実質的に中間に配置された回転軸の周りを回転するように構成されている、シリコン半導体基板に形成された振子機構プルーフマスと、
前記プルーフマスの対向する前記第１の縦方向周辺端部及び第２の縦方向周辺端部に沿って、及び前記プルーフマスの対向する前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部に沿って、対称に形成された複数のキャパシタコム歯と、
前記回転軸に対して一方側の前記プルーフマスの内部に形成された、１つ又はそれ以上の質量軽減開口と、
を備えることを特徴とする力検出デバイス。
【請求項２】
実質的に前記プルーフマスを取り囲むフレームと、
前記フレームの対向する第１の縦方向内側周辺端部及び第２の縦方向内側周辺端部に沿って対称に形成され、前記プルーフマスの対向する前記第１の縦方向周辺端部及び前記第２の縦方向周辺端部に沿って形成された前記複数のキャパシタコム歯と共に複数の縦方向キャパシタを形成するように配置される、複数のキャパシタコム歯と、
前記フレームの対向する第１の横方向内側周辺端部及び第２の横方向内側周辺端部に沿って対称に形成され、前記プルーフマスの対向する前記第１の横方向周辺端部及び前記第２の横方向周辺端部に沿って対称に形成された前記複数のキャパシタコム歯と共に複数の横方向キャパシタを形成するように配置される、複数のキャパシタコム歯と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の慣性デバイス。
【請求項３】
フレームと、
前記フレームによって取り囲まれるプルーフマスであって、該プルーフマスの長手方向寸法の実質的に中間に配置された一対の捻り撓み部上を面外回転するように懸垂保持されるプルーフマスと、
前記プルーフマスの外側周辺端部に形成された第１の複数のコム歯と、前記フレームの内側周辺端部上に形成された協働する第２の複数のコム歯との間に形成された第１の複数のキャパシタ及び第２の複数のキャパシタと、
を備え、
前記第１の複数のキャパシタ及び前記第２の複数のキャパシタは、前記プルーフマスの回転中心に関して対称に間隔をあけて設けられていることを特徴とする力検出デバイス。
【請求項４】
実質的に対称な差動信号検出を有する容量性コム歯センサを作る方法であって、該方法は、
半導体シリコン材料で形成され、対向する実質的に平行で間隔をもつ第１の平面及び第２の平面を有する基板において、計算上の回転中心に関して対称に間隔をあけて設けられる複数の容量性コム歯センサを有する実質的に矩形の振子機構プルーフマス構造体を形成する段階であって、前記コム歯センサの第１の縦方向群及び第２の縦方向群が、前記回転軸から遠位のそれぞれ対向する前記プルーフマスの第１の縦方向部及び第２の縦方向部の各々に沿って配置され、前記コム歯センサの第１の横方向群及び第２の横方向群が、対向する縦方向部の各々に隣接した前記プルーフマスのそれぞれの最端部の各々に沿って、前記回転中心から間隔をあけて、前記最端部の中央領域には前記コム歯センサが無いように配置される段階と、
基板において、間隔をあけて前記プルーフマスを取り囲む実質的に矩形の開口を有するフレーム構造体を形成する段階と、
基板において、計算上の回転中心を通る回転軸の周りでフレームに対する前記プルーフマスの面外回転を得るように構成され、前記プルーフマスと前記フレームとの間に前記プルーフマスの長さ寸法の実質的に中間に配置される１つ又はそれ以上の撓み部を形成する段階と、
基板において、前記フレームの第１の縦方向内側周辺端部及び第２の縦方向内側周辺端部のそれぞれに沿った第１の縦方向群及び第２の縦方向群内に、前記プルーフマスの前記コム歯センサの第１の縦方向群及び第２の縦方向群のそれぞれと協働するように配置されると共に、前記フレームの対向する第１の横方向内側周辺端部及び第２の横方向内側周辺端部のそれぞれに沿った第１の横方向群及び第２の横方向群内に、前記プルーフマスの前記コム歯センサの第１の横方向群及び第２の横方向群のそれぞれと協働するように配置される複数のコム歯を形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2008531991.tif 000005
2008531991.tif 000006