(57)【要約】１つ以上の固定感知電極が使用され、マス／電極の平面内と、その平面に垂直な軸に沿ってとの双方のマスの運動を感知する。この平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を測定するために、リファレンス容量が、固定感知フィンガーと下に横たわる導電平面との間で測定され、測定容量が、マスと下に横たわる導電平面との間で測定される。Ｃｖ−ＫＣｆの値が計算され得る。ここで、Ｃｆはリファレンス容量、Ｃｖは測定容量、および、Ｋは所定の定数である。本発明の特定の実施形態に従うと、平面内でのマスの運動を測定する標準の単軸または二軸加速度センサが、その平面に垂直な軸におけるマスの運動を測定するためにも使用され得る。
2008509405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイス平面内に方向付けられた複数の感知エレメントを有する加速度センサであって、該感知エレメントは、少なくとも１つの固定感知電極と、該デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、該デバイス平面に垂直な軸に沿って、該少なくとも１つの固定感知電極に対して移動可能となるように懸架されたマスとを含む、加速度センサと、
該デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、該デバイス平面に垂直な軸に沿っての該マスの運動を感知するために、動作可能なように結合されたコントローラであって、該コントローラは、少なくとも１つの固定電極から形成されたプレートと、該マスとともに運動する表面によって形成されたプレートとを有する少なくとも１つのコンデンサを用いて、該デバイス平面内の該マスの運動を感知し、該コントローラは、測定コンデンサおよびリファレンスコンデンサを用いて、該デバイス平面に垂直な軸に沿った該マスの運動を感知し、該測定コンデンサは、該マスによって形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有し、該リファレンスコンデンサは、該デバイス平面内の該マスの運動を感知するために使用される少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、該下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する、コントローラと
を備える、装置。
【請求項２】
前記加速度センサは、前記デバイス平面内の２つの直交する軸のそれぞれに沿った前記マスの運動を感知する固定感知電極の個別のセットを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記少なくとも１つの固定感知電極と前記導電平面との間のリファレンス容量を測定することと、前記マスと該導電平面との間の測定容量を測定することとによって、前記デバイス平面に垂直な軸に沿った該マスの運動を感知するために動作可能なように結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラは、Ｃｖ−ＫＣｆの値を計算し、ここで、Ｃｆは前記リファレンス容量、Ｃｖは前記測定容量、および、Ｋは所定の定数である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
Ｋは、前記マスのゼロ加速度位置を相殺するために調整される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
Ｋは、前記リファレンス容量と前記測定容量との大きい方を読むために使用されるクロックエッジをスケーリングすることによって決定される、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記コントローラは、シングルクロックエッジ上でＣｖ−ＫＣｆの値を読むために、動作可能なように結合される、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記リファレンスコンデンサの前記プレートは、前記デバイス平面内の前記マスの運動を感知するために使用される複数の固定感知電極から集合的に形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記リファレンスコンデンサの前記プレートは、各セットからの少なくとも１つの固定感知電極を含む複数の固定感知電極から集合的に形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記リファレンス容量および前記測定容量を測定するための固定バイアスまたはブートストラップ信号から前記導電平面への接続を外すために、動作可能なように結合される、請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
デバイス平面内に方向付けられた複数の感知エレメントを有する加速度感知装置であって、該感知エレメントは、少なくとも１つの固定感知電極と、該デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、該デバイス平面に垂直な軸に沿って、該少なくとも１つの固定感知電極に対して移動可能となるように懸架されたマスとを含む、加速度感知装置において、加速度を感知する方法であって、該方法は、
少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、該マスとともに運動する表面によって形成されたプレートとを有する少なくとも１つのコンデンサを用いて、該デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿った該マスの運動を感知することと、
測定コンデンサおよびリファレンスコンデンサを用いて、該デバイス平面に垂直な軸に沿った該マスの運動を感知することであって、該測定コンデンサは、該マスによって形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有し、該リファレンスコンデンサは、該デバイス平面内の該マスの運動を感知するために使用される少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、該下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する、ことと
を包含する、方法。
【請求項１２】
前記複数の感知エレメントは、前記デバイス平面内の２つの直交する軸のそれぞれに沿った前記マスの運動を感知する固定感知電極の個別のセットを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記デバイス平面に垂直な軸に沿った前記マスの運動を感知することは、
前記少なくとも１つの固定電極と前記導電平面との間のリファレンス容量を測定することと、
前記マスと該導電平面との間の測定容量を測定することと
を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記デバイス平面に垂直な軸に沿った前記マスの運動を感知することは、Ｃｖ−ＫＣｆの値を計算することをさらに包含し、ここで、Ｃｆは前記リファレンス容量、Ｃｖは前記測定容量、および、Ｋは所定の定数である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
Ｋは、前記マスのゼロ加速度位置を相殺するために調整される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
Ｋは、前記リファレンス容量と前記測定容量との大きい方を読むために使用されるクロックエッジをスケーリングすることによって決定される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記Ｃｖ−ＫＣｆの値は、シングルクロックエッジ上で読まれる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記リファレンスコンデンサの前記プレートは、前記デバイス平面内の前記マスの運動を感知するために使用される複数の固定感知電極から集合的に形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記リファレンスコンデンサの前記プレートは、各セットからの少なくとも１つの固定感知電極を含む複数の固定感知電極から集合的に形成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記リファレンス容量および前記測定容量を測定することは、固定バイアスまたはブートストラップ信号から前記導電平面への接続を外すことを包含する、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
デバイス平面内に方向付けられた複数の感知エレメントを有する加速度センサとともに用いる装置であって、該感知エレメントは、少なくとも１つの固定感知電極と、該デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、該デバイス平面に垂直な軸に沿って、該少なくとも１つの固定感知電極に対して移動可能となるように懸架されたマスとを含む、装置であって、該装置は、
少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、該マスとともに運動する表面によって形成されたプレートとを有する少なくとも１つのコンデンサを用いて、該デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿った該マスの運動を感知する手段と、
測定コンデンサおよびリファレンスコンデンサを用いて、該デバイス平面に垂直な軸に沿った該マスの運動を感知する手段であって、該測定コンデンサは、該マスによって形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有し、該リファレンスコンデンサは、該デバイス平面内の該マスの運動を感知するために使用される少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、該下に横たわる導電平面を形成するプレートとを有する、手段と
を備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に慣性センサに関する。より特定的には、本発明は、加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度計およびジャイロスコープのような慣性センサは、運動を感知するセンサとして使用されることが多い。運動は、１つ以上の軸における直線方向で、あるいは、１つ以上の軸に対する回転として感知され得る。慣性センサは、広範な用途に利用される。
【０００３】
一部のマイクロマシン加速度計は、固定感知フィンガーと噛み合うフィンガー構造を有する可動マス（ｍａｓｓ）を含む。マス、固定感知フィンガーおよび他のセンサエレメント（例えば、マス用サスペンション構造）は、典型的には、同一のウェハから製造され、こうして、名目上は同一平面に方向付けられる。これらエレメントの一部（例えば、固定感知フィンガーおよびサスペンション構造の固定部分）は、固定感知フィンガーおよびマスが、ある程度の距離（本明細書では、以下、「スペーサギャップ」と称する）だけ基板から離れるように、下に横たわる基板に据え付けられる。平面内のマスの運動は、典型的には、平面内の横加速度を反映するマスフィンガーと固定感知フィンガーとの間の容量変化を測定することによって感知される。平面内において、マスの運動は、単一の軸（すなわち、Ｘ軸またはＹ軸）、あるいは、２つの軸（すなわち、Ｘ軸およびＹ軸）に沿って感知され得る。
【０００４】
上述されたタイプの例示的なマイクロマシン加速度計は、マサチューセッツ州ＮｏｒｗｏｏｄのＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．によって市販され、一般的に、ＡＤＸＬ１０３／ＡＤＸＬ２０３  Ｓｉｎｇｌｅ／Ｄｕａｌ  Ａｘｉｓ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒのデータシートに記載されている。このデータシートは、その全体を本明細書に参考として援用する。
【０００５】
一部のマイクロマシン加速度計は、基板の平面に垂直な軸（すなわち、Ｚ軸）に沿った運動を感知し、Ｘ軸またはＹ軸に沿った軸の運動を感知しないように設計される。一部の例示的Ｚ軸加速度計は、いわゆるトランポリン、ピストンまたはシーソーのメカニズムを用いて、Ｚ軸の運動を感知する。
【０００６】
しばしば、望ましいのは、これら３つの軸全ての運動を感知することである。しばしば、これは、異なる軸に沿って方向付けられた複数の単軸または二軸加速度計を用いて達成され得る。例えば、３つの単軸加速度計のそれぞれは、これら軸の異なる１つに沿って方向づけされ得る。
【０００７】
３つの軸全ての運動を感知可能な加速度計が開発されてきている。例示的な三軸加速度計は、米国特許（特許文献１）に記載されており、この米国特許は、本明細書に、その全体を参考として援用される。この三軸加速度計において、基板から伸びるポストによって、マス／フィンガー平面の上に保持された個別の導体（ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、マスのＺ軸運動を感知するために使用される。一方、より従来型のフィンガーは、Ｘ軸およびＹ軸に沿ったマスの平面内運動を感知するために使用される。
【特許文献１】米国特許第５，４８７，３０５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の概要）
本発明の実施形態において、マス／フィンガーの平面内と、その平面に垂直な軸に沿ってとの双方のマスの運動を感知するとき、１つ以上の固定感知電極が使用される。この平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を測定するために、リファレンス容量が、固定感知フィンガーと下に横たわる導電平面との間で測定され、測定容量が、マスと下に横たわる導電平面との間で測定される。Ｃｖ−ＫＣｆの値が計算され得る。ここで、Ｃｆはリファレンス容量、Ｃｖは測定容量、および、Ｋは所定の定数である。本発明の特定の実施形態に従うと、平面内でのマスの運動を測定する標準の単軸または二軸加速度センサが、その平面に垂直な軸におけるマスの運動を測定するためにも使用され得る。
【０００９】
本発明の一局面に従うと、デバイス平面に方向付けられた複数の感知エレメントを有する装置が提供される。この感知エレメントは、少なくとも１つの固定感知電極と、デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、デバイス平面に垂直な軸に沿って、少なくとも１つの固定感知電極に対して移動可能となるように懸架されたマスとを含む。この装置は、デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、デバイス平面に垂直な軸に沿ってのマスの運動を感知するために、動作可能なように結合されたコントローラをさらに含む。コントローラは、少なくとも１つの固定電極から形成されたプレートと、マスとともに運動する表面によって形成されたプレートとを有する少なくとも１つのコンデンサを用いて、デバイス平面内のマスの運動を感知する。コントローラは、測定コンデンサおよびリファレンスコンデンサを用いて、デバイス平面に垂直な軸に沿った該マスの運動を感知する。測定コンデンサは、マスによって形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する。リファレンスコンデンサは、デバイス平面内のマスの運動を感知するために使用される少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する。
【００１０】
本発明の別の局面に従うと、デバイス平面内に方向付けられた複数の感知エレメントを有する加速度計において、加速度を感知する方法が提供される。これらの感知エレメントは、少なくとも１つの固定感知電極と、デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、デバイス平面に垂直な軸に沿って、少なくとも１つの固定感知電極に対して移動可能となるように懸架されたマスとを含む。この方法は、少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、マスとともに運動する表面によって形成されたプレートとを有する少なくとも１つのコンデンサを用いて、デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿ったマスの運動を感知することを包含する。この方法は、また、測定コンデンサおよびリファレンスコンデンサを用いて、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知するも包含する。測定コンデンサは、マスによって形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する。リファレンスコンデンサは、デバイス平面内のマスの運動を感知するために使用される少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する。
【００１１】
本発明の別の局面に従うと、デバイス平面内に方向付けられた複数の感知エレメントを有する加速度センサとともに使用される装置が提供される。これらの感知エレメントは、少なくとも１つの固定感知電極と、デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、および、デバイス平面に垂直な軸に沿って、少なくとも１つの固定感知電極に対して移動可能となるように懸架されたマスとを含む。この手段は、少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、マスとともに運動する表面によって形成されたプレートとを有する少なくとも１つのコンデンサを用いて、デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿ったマスの運動を感知する手段を含む。この装置は、また、測定コンデンサおよびリファレンスコンデンサを用いて、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知する手段も含む。測定コンデンサは、マスによって形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する。リファレンスコンデンサは、デバイス平面内のマスの運動を感知するために使用される少なくとも１つの固定感知電極から形成されたプレートと、下に横たわる導電平面によって形成されたプレートとを有する。
【００１２】
様々な実施形態において、マスの運動は、デバイス平面内の２つの直交する軸に沿って、また、デバイス平面に垂直な軸に沿って感知され得る。デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知することは、少なくとも１つの固定感知電極と下に横たわる導電平面との間のリファレンス容量を測定することと、マスと下に横たわる導電平面との間の測定容量を測定することとを包含し得る。デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知することは、Ｃｖ−ＫＣｆの値を計算することをさらに包含し得る。ここで、Ｃｆはリファレンス容量、Ｃｖは測定容量、および、Ｋは所定の定数である。Ｋは、前記マスのゼロ加速度位置を相殺するために調整され得、リファレンス容量と測定容量との大きい方を読むために使用されるクロックエッジをスケーリングすることによって決定され得る。Ｃｖ−ＫＣｆの値は、シングルクロックエッジ上で読まれ得る。複数の固定感知電極が、リファレンスコンデンサを形成するために、集合的に使用され得る。下に横たわる導電平面は、ファレンス容量および測定容量を測定するために、固定バイアスまたはブートストラップ信号から接続を外され得る。
【００１３】
本発明の上記事項および利点は、以下の添付図面を参照するとともに、以下のさらなる本発明の記述から、より十分に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（特定の実施形態の詳細な説明）
定義。この説明および添付の請求項において使用されるとき、以下の用語は、文中に特記がない限り、指示される意味を有する。
【００１５】
「デバイス平面」は、可動マスおよび固定感知電極のような様々なセンサエレメントが名目上、方向付けられた平面である。
【００１６】
「導電平面」は、電気的に別個の材料からなる層（単数または複数）で、この層は、センサエレメントの下に横たわり、１つ以上のコンデンサプレートを形成する。導電平面は、特定の感知エレメントが添付された基板であり得るか、あるいは、基板から離れ得る。導電平面は、典型的には、デバイス平面と平行であり、デバイス平面からある程度の距離（本明細書では、「スペーサギャップ」と称する）離れている。導電平面は、必ずしも接地される必要はなく、あるいは、必ずしも一定または固定電位と接続される必要もない。
【００１７】
「測定コンデンサ」は、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知するのに使用されるコンデンサである。測定コンデンサは、典型的には、マスによって形成された一方のプレートと、下に横たわる導電平面によって形成された他方のプレートとからなる。測定コンデンサは、下に横たわる面からのマスへの距離とともに変動する容量を有する。
【００１８】
「リファレンスコンデンサ」は、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知するのに使用されるコンデンサである。リファレンスコンデンサは、典型的には、少なくとも１つの固定感知電極によって形成された一方のプレートと、下に横たわる導電平面によって形成された他方のプレートとからなる。本発明の実施形態に従うと、リファレンスコンデンサは、マスの運動を感知しないが、その代わりに、所定のエラーに対して補正するために使用されるリファレンス容量を提供する。
【００１９】
本発明の実施形態において、マス／フィンガーの平面（本明細書では「デバイス平面」と称される）内でのマス（「ビーム」とも称される）の運動と、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動との双方を感知するとき、１つ以上の固定感知電極（本明細書では、フィンガーと称される）が使用される。デバイス平面内において、マスの運動は、単一の軸（すなわち、Ｘ軸またはＹ軸）、あるいは、２つの軸（すなわち、Ｘ軸およびＹ軸）に沿って感知され得る。マスの運動は、また、デバイス平面に垂直な軸（すなわち、Ｚ軸）に沿っても感知される。このように、ＸＹＺセンサ、あるいは、ＸＺセンサまたはＹＺセンサは、全ての軸によって共有される単一のプルーフマス（ｐｒｏｏｆ  ｍａｓｓ）を用いて形成され得る。さらに、以下に記載されるように、一次元または二次元の加速度測定で一般的に使用されている標準の加速度センサ（例えば、（マサチューセッツ州ＮｏｒｗｏｏｄのＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．によって市販の）ＡＤＸＬ２０３  ＸＹ加速度計で使用される加速度センサ）は、様々な感知エレメントと下に横たわる導電平面との間のスペーサギャップの製造変動を補正することも含め、３つの軸に沿った加速度を感知するために使用され得る。
【００２０】
本発明の典型的な実施形態に従うと、マス、固定感知フィンガー、および他のセンサエレメント（例えば、マス用のサスペンション構造）は、同一のウェハから製造され、こうして、名目上は同一平面に方向付けられる。これらエレメントの一部（例えば、固定感知フィンガーおよびサスペンション構造の固定部分）は、下に横たわる基板に据え付けられ得る。このマスは、典型的には、固定感知フィンガーと噛み合うフィンガーを含む。
【００２１】
図１は、第一の例示的な二軸加速度センサ１００の平面図を示す。このセンサは、特に、一体的なフィンガーを有するマス１０２と、懸架バネ（１０４、１０６、１０８、１１０）と支持アーム（１１２、１１４、１１６、１１８）を含むマス支持構造と、固定感知フィンガー（１２０、１２２、１２４、１２６）を含む。固定感知フィンガー（１２０、１２２、１２４、１２６）はマスフィンガーと噛み合う。このマスフィンガーは、典型的には、各マスフィンガーの各側に固定フィンガーを有する。
【００２２】
この実施形態において、４つの支持アーム（１１２、１１４、１１６、１１８）は、これらの４つの支持アームが合う点に置かれる単一の正方形アンカー１２８によって基板（図示せず）に据え付けられる十字形の構成として構成される。とりわけ、正方形アンカーは支持アームによって発生するトルクによってアンカーに関する曲げ量またはねじれ量を減少させる。本発明は、単一のアンカー、または、マスの質量中心での据付（アンカリング）に決して限定されないことに留意されるべきである。
【００２３】
図２は第二の例示的な二軸加速度センサ１１００の平面図を示す。この加速度センサは、とりわけ、一体的なフィンガーを有するマス１１０２と、懸架バネ（１１０４、１１０６、１１０８、１１１０）および支持アーム（１１１２、１１１４、１１１６、１１１８）を含むマス支持構造と、固定感知フィンガー（１１２０、１１２２、１１２４、１１２６）とを含む。固定感知フィンガー（１１２０、１１２２、１１２４、１１２６）はマスフィンガーと噛み合う。典型的には、２つの固定感知フィンガーは、各対のマスフィンガー間にある。この実施形態において、４つの支持アーム（１１１２、１１１４、１１１６、１１１８）は、それぞれアンカー１１２８、１１３０、１１３２および１１３４によって個別に基板に据え付けられている。
【００２４】
図３は、第一の例示的な単軸加速度センサ７００の平面図を示す。このセンサのマス支持構造は、本発明の実施形態に従う「Ｈ」型構成に構成される。加速度センサ７００は一体的なフィンガーを有するマス７０２と、「Ｈ」型構成の中央に置かれる単一のアンカー７１０によって基板（図示せず）に据え付けられたマス支持構造７０４と、基板に取り付けられた感知フィンガー７０６および７０８を含む。マス７０２はそれぞれの支持アームの端部において懸架バネにより支持される。
【００２５】
図４は、第二の例示的な単軸加速度センサ１２００を示す。このセンサにおいて、全ての構造をフレーム１２０２内に懸架することによってオフセットが低減される。フレーム１２０２は、外周と、内周を規定する空洞と、内周の一部に沿った複数の細長い感知フィンガー１２０４とを有する。マス１２０６は、フレーム１２０２の内周の中に置かれる。マス１２０６は感知フィンガー１２０４の実質的に横側に置かれた複数の細長いフィンガー１２０８を含む。マス１２０６は、ブリッジ１２１４および１２１６で、それぞれフレーム１２０２に接続された２つのバネ１２１０および１２１２によって、両端においてフレーム１２０２から懸架される。感知フィンガー１２０４を有するフレーム１２０２、フィンガー１２０８を有するマス１２０６、バネ１２１０および１２１２、ならびに、ブリッジ１２１４および１２１６を含む全体構造は単一ウェハから典型的には形成され、それ自身、ブリッジ１２１８で他のコンポーネントから懸架される。フレーム１２０２の中のコンポーネントを図示の軸に垂直に方向付けられ得ることに留意すべきである。
【００２６】
マスのＸ軸運動および／またはＹ軸運動（すなわち、デバイス平面内）は、マスと固定感知フィンガーとの間の容量を測定することによって感知される。このとき、容量変化が、平面内の側面加速度を反映する。マスのＺ軸運動は、（１）固定感知フィンガーと下に横たわる導電平面との間のリファレンス容量（Ｃｆ）と、（２）マスと下に横たわる導電平面との間の測定容量（Ｃｖ）とを測定し、それとともに、Ｚ軸加速度を反映する２つの値の間の差における変化を求めて、感知される。本質的には、こうして、固定フィンガーから下に横たわる導電平面への容量は、スペーサギャップを反映するリファレンス容量を形成し、一方で、マスから下に横たわる導電平面への容量は、Ｚ加速度から生じるＺ変移の測定である。
【００２７】
本発明の例示的な実施形態に従うと、Ｚ軸加速度は、固定感知フィンガーと下に横たわる導電平面との間のリファレンス容量（Ｃｆ）を測定することと、マスと下に横たわる導電平面との間の測定容量（Ｃｖ）を測定することと、Ｃｖ−ＫＣｆを計算することとで定量化され得る。ここで、Ｋは、マスのゼロ加速度位置を取り除くために調整される。一般的に言えば、たとえ、ＣｆがＺ軸加速度とともに幾分か変動しても、この変動は、一般的にスケールファクタに小さな影響を有するだけである。この方法は、ＣｆとＣｖとの双方が、典型的には、同じ誘電率かつ構築からなるため、安定なゼロリファレンスを提供する。また、双方がスペーサギャップを反映するので、非常に大きなオフセット調整範囲を有する必要が一般的にはない（オフセットは、一般的に、適度に近く予測可能である）。
【００２８】
Ｋは、大容量（通常Ｃｖ）を読むために使用されるクロックエッジをスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）することによって形成され得る。全ての固定フィンガーがリファレンス測定に関与することが望ましい。そして、可能なら、Ｃｖにできるだけ近いＣｆを得ることが望ましい。また、単一のクロックエッジで、（Ｃｖ−ＫＣｆ）を読むことが望ましい。これは、この差のみが処理されるようにするためである（この差は、いずれのピース単独よりも、通常は、かなり小さい信号である。）こうして、各項に適用されるスケールファクタ（Ｋに対する項を除く）を同一にすることを確保し、大量測定での差によって生じる困難を避けることができる。
【００２９】
図５は、本発明の実施形態に従う加速度計の部分断面図の説明を示す。明確にするために、側面固定フィンガーの１軸のみしか示されていない。上記で議論したように、固定フィンガー５０２およびビーム（マス）５１０は、実質的に同じデバイス平面に方向付けられている。このデバイス平面は、下に横たわる導電平面５０６の上にあり、その導電平面に平行である。ビーム５１０は、デバイス平面内の少なくとも１つの軸に沿って、また、およびデバイス平面に垂直なＺ軸（矢印で示される)内を運動し得る。デバイス平面内のビーム５１０の側面運動を感知するために、容量５０８（すなわち、固定フィンガー５０２とビーム５１０との間）が測定される。ビーム５１０のＺ軸運動を感知するために、リファレンス容量Ｃｆ５０４（すなわち、固定フィンガー５０２と導電平面５０６との間）および測定容量Ｃｖ５１２（すなわち、ビーム５１０と導電平面５０６との間）が測定される。一般的に言えば、導電平面の容量Ｃｓ５１４は、Ｃｆ５０４またはＣｖ５１２よりも著しく大きい。こうして、Ｃｓ５１４は、Ｃｆ５０４およびＣｖ５１２の感度内であり得るが、導電平面の容量Ｃｓ５１４は、Ｃｆ５０４とＣｖ５１２とに等しく影響を与え、オフセットに影響を与えないはずである。
【００３０】
図６は、本発明の実施形態に従って、Ｚ軸加速度を測定する例示的な技術を示す。Ｃｆは、一般的にＣｖより小さく、固定フィンガーは、典型的には、クロックドライバに既に接続されているので、ΔＶ１（すなわち、デルタＶ１）は、標準のクロックステップ（≒Ｖｄｄ）に設定される。Ｚ測定の固定フィンガー部分をクロックすることは、タイミングを設定することで、典型的には実行される。これは、全ての固定フィンガー（双方の横軸の双方の位相）が一度に同じ方向にステップで進むようにするためである。
【００３１】
Ｃｖを測定するためには、反対の方向への小さいステップが、ビームに付与されねばならない。これは、例えば、Ｖｍｉｄ＋ΔＶ２に接続された第二のビームのリセットスイッチ、あるいは、（唯一の）リセットスイッチにＶｍｉｄまたはＶｍｉｄ＋ΔＶ２のいずれかを選択し得るスイッチを用いて行われる。ΔＶ２タップが選択され、リセットスイッチは、エッジを得るために、アクティブになる。
【００３２】
下に横たわる導電平面は、固定バイアス（Ｖｍｉｄ）またはブートストラップ信号（バッファ付きビーム）のいずれかに、通常は接続されるべきである。この平面から正味の差（Ｃｖ−ＫＣｆ）を読むと、導電平面は、その通常のフィードから接続を外され、この平面に現れるステップが、読まれる（すなわち、増幅および復調される）。
【００３３】
図７は、本発明の実施形態に従う例示的な加速度感知システムの関連コンポーネントを
示す。とりわけ、加速度感知システムは、加速度センサ７０２およびコントローラを含む。加速度センサ７０２は、典型的には、とりわけ、導電平面と、導電平面に実質的に平行なデバイス平面に方向付けられた複数の感知エレメントとを含む。感知エレメントは、とりわけ、マスおよび少なくとも１つの固定感知電極を含む。少なくとも１つの固定感知電極は、デバイス平面内の軸に沿ったマスの運動を感知するために使用され、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知するために使用されるリファレンス容量を測定するために使用される。コントローラ７０４は、固定感知電極、導電平面およびマスへの電気的接続を構成するロジック（例えば、ハードウェアおよび／またはソフトウェア）を含む。これは、デバイス平面内の軸に沿ったマスの運動を感知し、また、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知するためであり、これには、固定感知電極と導電平面との間のリファレンス容量を測定し、マスと導電平面との間の測定容量を測定することも含む。上述のように、コントローラ７０４は、デバイス平面に垂直な軸に沿ったマスの運動を感知し得る。これは、固定感知電極と導電平面との間のリファレンス容量Ｃｆを測定することと、マスと導電平面との間の測定容量Ｃｖを測定することと、Ｃｖ−ＫＣｆを計算することとによってである。ここで、Ｃｆはリファレンス容量、Ｃｖは測定容量、Ｋは所定の定数である。コントローラ７０４は、加速度センサ７０２とは別個のコンポーネントおよび／または加速度センサ７０２と一体化したコンポーネントを含み得る。
【００３４】
本発明の実施形態では、マスの運動による容量の変化を使用して、加速度を検出するために、様々な構成で電気的に結合される。さらに、マイクロマシン加速度センサは、シリコンウェハ、シングルスタックの絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウェハ、および、マルチスタックのＳＯＩウェハを含む異なるタイプのウェハから製造され得る。マイクロマシン加速度センサが接地層を含むＳＯＩウェハから製造されるとき、固定感知フィンガーは、それらに何らかの電気的接続を作るために接地層に据え付けられる。
【００３５】
ＡＤＸＬ２０３加速度計で使用されている加速度センサは、例示的なタイプの加速度センサとして、本明細書では議論されていることに留意すべきである。しかしながら、他のシングルマスの加速度センサも、所望の結果を得るために、議論された方法を修正または使用し得ることは、当業者には理解されるべきである。したがって、本発明の様々な実施形態は、ＡＤＸＬ２０３加速度計で使用された加速度センサの特定の詳細に限定されない。この議論は、単に例示的な目的のためであるに過ぎない。
【００３６】
上述の議論は本発明の様々な例示的な実施形態を開示しているが、当業者は、本発明の真なる範囲から逸脱することなく、本発明の一部の利点を達成する様々な修正をなし得ることは明らかである。記載された実施形態は、あらゆる点において、単に例示的なものであり、拘束的なものでないと、考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従う第一の例示的な二軸加速度計の平面図を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従う第二の例示的な二軸加速度計の平面図を示す。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従う第一の例示的な単軸加速度計の平面図を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従う第二の例示的な単軸加速度計の平面図を示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従う加速度計の部分断面図の説明を示す。
【図６】図６は、本発明の実施形態に従って、Ｚ軸加速度を測定する例示的な技術を示す。
【図７】図７は、本発明の実施形態に従う加速度感知システムの関連コンポーネントを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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