(57)【要約】ＭＥＭＳデバイスは、可動ビームと、可動ビームの変位に応じて移動し、かつ２つの静止電極間に配置される、可動電極を有する差動コンデンサと、第１の静止電極に第１の電圧を印加し、第２の静止電極に第２の電圧を印加し、可動電極に第３の電圧を印加するための電圧回路とを有する。ＭＥＭＳデバイスはまた、可動ビームの変位を監視するように可動ビームと動作可能に結合される、モニタも有する。いくつかの実施形態において、モニタは、可動電極と静止電極のうちの少なくとも１つとの間の距離を監視してもよい。ＭＥＭＳデバイスはさらに、モニタ、可動電極、および静止電極と動作可能に結合される、電圧低減回路を有する。電圧低減回路は、可動ビームの変位が閾値以上であるとモニタが検出した時に、第３の電圧と静止電極上の電圧との差を低減する。
2011523906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動ビームおよび可変コンデンサを有する、ＭＥＭＳデバイスのための静電捕獲軽減方法であって、該可変コンデンサは、第２の電極と、該可動ビームの変位に応じて移動する可動電極とを備え、該可動電極は、関連付けられた第１の電圧を有し、該第２の電極は、関連付けられた第２の電圧を有し、該方法は、
少なくとも１つの軸に沿った該可動ビームの該変位を監視することと、
該可動ビームの該変位が、第１の所定の閾値距離を超過した場合に、該可動電極と該第２の電極との間の電圧差を低減することと
を含む、方法。
【請求項２】
低減することは、前記電圧差を、実質的にゼロボルトまで低減することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電圧を低減することはさらに、固定時間の間、低減されたレベルで電圧を維持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも、前記ビームの前記変位が、前記第１の所定の閾値距離以下の距離に減少させられるまで、低減されたレベルで前記電圧差を維持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも、前記ビームの前記変位が、第２の所定の閾値距離未満になるまで、低減されたレベルで前記電圧差を維持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の所定の閾値距離は、前記第２の所定の閾値距離よりも大きい、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＭＥＭＳデバイスは、複数の可変コンデンサを備え、
前記電圧差を低減することは、該複数の可変コンデンサのうちの少なくとも２つの間の該電圧差を低減することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ビーム変位が閾値距離を超過するかどうかを決定するように、ＭＥＭＳデバイスの出力を監視するための検出器であって、検出器出力を有する、検出器と、
複数の電極駆動信号を生成することが可能であり、駆動回路入力および電極駆動出力を有する、駆動回路であって、該駆動回路入力は、該検出器出力に結合される、駆動回路と
を備える、電極駆動部。
【請求項９】
前記駆動回路は、第１の電圧源に動作可能に結合される第１のトランジスタと、第２の電圧源に動作可能に結合される第２のトランジスタとを備える、請求項８に記載の電極駆動部。
【請求項１０】
前記駆動回路はさらに、前記検出器出力に応じて、複数の電極駆動信号のうちの１つを、前記電極駆動出力に動作可能に結合するためのセレクタを備える、請求項８に記載の電極駆動部。
【請求項１１】
前記セレクタは、スイッチを備える、請求項１０に記載の電極駆動部。
【請求項１２】
前記セレクタは、トランジスタを備える、請求項１０に記載の電極駆動部。
【請求項１３】
少なくとも１つの軸に沿って可動である、可動ビームと、
少なくとも１つの軸に沿った該可動ビームの変位に応じて、第２の電極に対して移動する可動電極を備える、可変コンデンサと、
該可動電極に第１の電圧信号を印加し、該第２の電極に第２の電圧信号を印加するための電圧回路と、
モニタ出力を有するモニタであって、少なくとも１つの軸に沿った該ビームの該変位を監視する、モニタと、
該モニタ出力と、該可動電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つとに動作可能に結合される、電圧低減回路であって、該ビームの該変位が所定の閾値以上であることを示す、該モニタ出力上の信号に応じて、該第１の電圧信号と該第２の電圧信号との間の差を低減する、電圧低減回路と
を備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１４】
前記差動コンデンサはさらに、前記可動電極が前記第２の電極と第３の電極との間に位置付けられるように、第３の電極を備え、前記電圧回路は、該第３の電極に第３の電圧信号を印加する、請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１５】
前記電圧低減回路は、前記ビームの前記変位が所定の閾値以上であることを示す、前記モニタ出力上の信号に応じて、前記第１の電圧信号と前記第３の電圧信号との間の差を低減する、請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１６】
前記可動電極に結合される出力処理回路をさらに備え、該出力処理回路は、前記モニタ出力と無関係である出力を提供する、請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１７】
可動ビームと、
該可動ビームの変位に応じて第２の電極に対して移動する、可動電極を備える、可変コンデンサと、
該可動電極に第１の電圧信号を印加し、該第２の電極に第２の電圧信号を印加するための電圧回路と、
該ビームの該変位を決定するための手段と、
該ビームの該変位が、所定の閾値距離以上である時に、該可動電極と該第２の電極との間の電圧差を低減するための手段と
を備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１８】
前記決定する手段は、前記ＭＥＭＳデバイスの出力信号で動作する回路を備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１９】
前記決定する手段は、前記可動電極のその公称位置からの前記変位を測定する回路を備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項２０】
前記可変コンデンサはさらに、第３の電極を備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項２１】
前記電圧回路はさらに、前記第３の電極に第３の電圧信号を印加するための回路を備える、請求項２０に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（本発明の分野）
本発明は、概して、マイクロマシンデバイスに関し、より具体的には、本発明は、マイクロマシンデバイスの性能および頑健性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
（本発明の背景）
一部の微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ：「ＭＥＭＳ」または「ＭＥＭＳデバイス」）は、加速（例えば、加速度計）または回転（例えば、ジャイロスコープ）等の動きを検出するために使用され得る。一部のＭＥＭＳデバイスは、ＭＥＭＳデバイスの別の部分（例えば、基板）に対して可動であり、かつ動きに応じて変位する、質量（または「ビーム」）を含んでもよい。ＭＥＭＳデバイスの動きは、ＭＥＭＳデバイス内の１つ以上のコンデンサのキャパシタンスの変化によって検出されることができ、キャパシタンスは、ビームの変位の関数として変化する。例えば、ビームは、基板上の電極上方に懸架されてもよく、ビームおよび基板電極は、そのキャパシタンスの変化が、ビームと基板電極との間の間隙を検出するために使用され得るように、コンデンサを形成してもよい。
【０００３】
一部のＭＥＭＳデバイスは、可動質量の変位を検出するために、１つ以上の差動コンデンサを用いる。差動コンデンサは、少なくとも２つの電極を備える。具体的には、１つの電極は、ＭＥＭＳデバイスの基板または他の部分に対して定位置にあり、一方では、可動電極はビームの一部であり、ビームとともに移動する。コンデンサは、その固定電極と可動電極との間の間隙によって、部分的に定義される。
【０００４】
一種類のマイクロマシンデバイスにおいて、ビームは、支持テザーによって基板上で懸架される（例えば、特許文献１参照）。支持テザーはバネとして作用するため、ＭＥＭＳデバイスが外力／外部加速を受けた時に、可動質量は、軸に沿って基板に対し横方向に移動することが可能である。支持テザーはまた、通常、ビームをその公称位置に戻す、外力に反する復元力も印加する。通常動作において、変位は少なく、テザーのバネ力は、ビームをその公称、中央位置に復元させる。
【０００５】
ビームは、軸に沿って伸長してもよく、ビームの伸長軸に垂直で、かつ基板に平行である方向に、ビームから離れて延びる多数のフィンガーを有してもよい。ビームおよびフィンガーは、軸に沿った加速に応じて、軸に沿って基板に対して横方向に変位してもよい。これらの可動フィンガーの各々は、質量の面にあり、かつＭＥＭＳデバイスの基板または他の何からの部分に対して固定される、２つのフィンガー間に位置付けられてもよい。各可動フィンガーは電極であり、各固定フィンガーは電極であり、可動フィンガーおよび固定フィンガーはともにコンデンサを形成する。３つの電極は、ともに差動コンデンサセルを形成する。
【０００６】
感度軸に沿った外力／加速に応じて、可動フィンガーを有するビームは、一方または他方の固定フィンガーに向かって移動する。個々のコンデンサのキャパシタンスは、可動フィンガーの変位に従って変化する。
【０００７】
種々の手法は、かかる差動コンデンサを用いて、ビームの変位を感知するために使用され得る。いくつかの手法は、例えば、特許文献２等に記載されている。
【０００８】
一種類の従来技術加速度計において、例えば、差動コンデンサにおける２つの固定フィンガーは、好ましくは互いに１８０度位相がずれた正弦波または方形波等の、ＡＣキャリア信号で駆動される。ビームが、その公称位置から変位しない場合、信号は、固定フィンガー上の信号からビーム上に誘発されない。しかしながら、例えば、加速によって、ビームがその公称位置から変位した場合、上述のキャパシタンスの変化により、固定電極からの信号は、ビーム上に現れる。ビーム上の信号の振幅は、キャパシタンスの関数（例えば、ビーム上の可動電極と静止フィンガー電極との間隙の関数）であり、その信号の位相は、最も近い固定電極上の周期信号の位相である。故に、ビーム上に現れる信号は、ビームの変位を決定するために処理されてもよい。この種類の加速度計は、「開ループ」加速度計として知られ得る。
【０００９】
ビーム上の信号は、種々の方法で復調されてもよい。ビーム上の信号を復調する１つの方法は、スイッチトコンデンサ復調器の使用である。
【００１０】
別の種類の加速度計は、フィードバックを用いる。この技術を使用する加速度計は、閉ループ、またはフォースフィードバック、あるいはフォースバランス加速度計として知られ得る。フォースバランス加速度計において、加速度計の出力電圧は、ビームにフィードバックされて、加速によって誘発される変位に対抗する。フィードバック電圧は、ＭＥＭＳデバイスの加速を表す。
【００１１】
開ループ加速度計のように、ビーム上のフィンガーは、２つの固定フィンガー間の中央に位置する。フォースバランス加速度計において、２つの固定フィンガーは、異なるＤＣ電位であり、好ましくは互いに１８０度位相がずれたＡＣキャリア信号で駆動される。ＤＣオフセットがビームに印加され、結果としてビームと各固定フィンガーとの間の電圧差に繋がる。ＤＣオフセットは、好ましくは、２つの固定フィンガーのＤＣ電位間の中央に位置する。
【００１２】
可動フィンガーと固定フィンガーとの間の電圧差は、２つのフィンガーを互いに引き寄せ得る静電力に繋がる。引き付け静電力は概して、以下の式によって表される。
力＝εＡＶ２／２ｄ２
式中、
（ｉ）εは、板間の空間の誘導率であり、かつフィンガー間の物質に依存する物理定数である；
（ｉｉ）Ａは、フィンガーの表面積である；
（ｉｉｉ）Ｖは、フィンガー間の電力差である；
（ｉｖ）ｄは、フィンガー間の距離である。
この前述の式は、平行板コンデンサに対して正確であり、本明細書に記載のフィンガー型コンデンサに対しておよそ正確である。静電力は、引き付け力があり、フィンガー間の電圧差の２乗に比例し、かつフィンガー間の距離の２乗に反比例する。フィンガー間の間隙が低減するにつれて、静電力は増加する。従って、静電力は、変位に対して非線形である。
【００１３】
上述したもの等の加速度計におけるビームは、多くの力を受ける。加速下において、力は、ニュートンの法則Ｆ＝ＭＡに従ってビームを変位させるように作用する。この力への対抗は、テザーのバネ力であり、それぞれのテザーは、質量を再び中央に位置させるように作用する。バネ力は、バネ定数（Ｋ）の関数、かつ質量（Ｘ）の変位：Ｆ＝ＫＸ（フックの法則として知られ得る）である。加えて、２つの固定電極は、ビームに静電力を印加するが、しかし反対方向に印加する。
【００１４】
一実施例として、（１）上述のような加速度計のビームの電位が確立され、（２）一方の固定フィンガーの電位が、ビームの電位上方にあり、（３）他方の固定フィンガーの電位がビーム下方で等量である場合、２つの静電引力は、ビームが中央に位置する時に、つまり、その公称位置にある時に、相互に平衡を保つ。しかしながら、ビームが変位する場合、ビームから固定フィンガーのうちの１つへの距離は低減し、固定フィンガーおよびビームを引き付ける静電力を増加させる。逆に、ビームおよび他方の固定フィンガー間の距離が増加すると、それらを引き付ける静電力の減少に繋がる。
【００１５】
通常動作において、正味の静電力はバネ力よりも小さいため、テザーの力は、加速力が除去され次第、その公称位置に戻るのに十分な力である。
【００１６】
加速下において、加速力に対抗する際に復元バネ力を補完するために、（フィードバックを使用する記載のデバイスの）フィードバックループは、最も遠い固定電極上のバイアス電圧を増加させながら、最も近い電極上のバイアス電圧を減少させるように、フィードバック電圧を調整する。出力端末での信号は、ビームを再び中央に位置させるのに必要な力の尺度であり、したがって、加速に比例する。
【００１７】
故に、力平衡配列において、差動コンデンは２つの目的に役立つ。第１に、差動コンデンは、差動キャパシタンスを介してビームの変位を測定することを可能にする。第２に、差動コンデンは、静電力を印加して、ビームの平衡を保つ。
【００１８】
開ループおよび力平衡デバイスの両方において、ビームと１つ以上の固定フィンガーとの間に電位差があり、その差は、一部の状況下においては問題となり得る。
【００１９】
通常動作において、本発明者らは、所与の開ループ加速度計を用いて、例えば、ビームの変位は、原寸で、約１パーセントから１０パーセントのキャパシタスの変化をもたらすことを決定した。閉ループ動作において、変化は僅かである。従って、通常動作におけるビームの動きは、予想の範囲内である。しかしながら、大きな加速または物理的衝撃は、公称動作よりもビームを変位させ得る。かかる変位は、差動コンデンサの間隙のうちの１つが、著しく低減することを意味する。静電力式（上記）に示すように、静電力は、距離に対して非線形である。間隙が低減するにつれ、力は増加する。ある時点で、静電気引力は、ビームをその公称位置に戻すように作用する力を超過し得る。その場合、ビームが、対抗する固定フィンガーに捕獲され、さらには対抗する固定フィンガーと接触し得、かつその通常動作位置に戻ることができなくなるほど、静電力が大きくなるまで、ビームは移動し続け得る。この状況は、「静電捕獲」として当業者には既知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】米国特許第６，２２３，５９８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３４５，８２４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従来技術において、静電捕獲を防止する１つの方法は、ビームの変位を物理的に制限する機械的ストッパーを使用することによる。しかしながら、かかるデバイスは、ストッパーを収容できるほど大きなコンデンサ間隙を有さなければならず、かかる間隙は、デバイスの感度を低減させ、かつ信号対雑音比を低下させる。別の手法は、部材上でより低い電圧を使用することであろうが、それも、デバイスの感度を低減させ、かつ信号対雑音比を低下させるであろう。
【００２２】
あるいは、静電捕獲は、ＭＥＭＳデバイスへの電力を完全に切ることによって回避または解放されることができ、故に、静電捕獲を与える電圧差をなくし得る。しかしながら、この技術は、ＭＥＭＳデバイスへの電力を遮断することが必要であり、所望されない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
（本発明の概要）
本発明の一実施形態によると、静電捕獲の危険性を最小化する、または静電捕獲に対抗する一方法は、可動部材の変位が閾値レベルを超過した時に、電極間の電圧差を低減または解消することである。差動コンデンサの全ての３つの電極上の電圧が等しい場合、可動電極を引き付けまたは捕獲する静電力は存在しない。電圧低減または解消の持続時間は、固定時間であってもよく、または、部材間の距離または部材間の電圧差の関数であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明の前述の利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明からより明白となる。
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術差動コンデンサセルを概略的に例示する。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの従来技術差動コンデンサセルの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の例示的実施例による、フィンガー電極および固定フィンガー電極を有する可動ビームの交互配列を概略的に例示する。
【図３】図３は、従来技術開ループ加速度計を概略的に例示する。
【図４】図４は、従来技術フォースバランス加速度計を概略的に例示する。
【図５】図５は、従来技術機械的ストッパーを概略的に例示する。
【図６】図６は、本発明の例示的実施例による、スイッチトコンデンサ復調器を概略的に例示する。
【図７】図７は、本発明の例示的実施例による、図６のスイッチトコンデンサ復調器からの例示的波形を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の例示的実施例による、電極バイアス駆動回路を概略的に例示する。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の例示的実施例による、駆動電極を共通電圧に接続することが可能な駆動部を概略的に例示する。
【図９】図９は、本発明の実施形態による、加速度計システムを概略的に例示する。
【図１０】図１０は、本発明の例示的実施例による、静電捕獲を防止する方法を概略的に例示する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（例示的な実施形態の説明）
本発明の一部の例示した実施形態は、ＭＥＭＳデバイスの固定電極と可動電極との間の電圧差を、それらの分離がある規定の距離を下回った後に、低減する。本発明の他の例示した実施形態は、第２の一式の電極の分離が、ある規定の距離を下回った後に、ＭＥＭＳデバイスの固定電極と可動電極との間の電位差を低減する。従って、本電圧低減は、相応に静電力を低減するはずであり、故に、静電捕獲の可能性を低減する。詳細を後述する。
【００２６】
加速度計およびジャイロスコープ等の多くのＭＥＭＳデバイスは、少なくとも１つの可動電極および少なくとも１つの静止電極によって形成されるコンデンサを用いるが、種々のかかるデバイスは、本発明の利益を享受してもよい。マイクロマシン加速度計は、例示目的のために説明する。
【００２７】
図１Ａは、加速度計において使用され得る従来技術差動コンデンサ１００の単一セルを概略的に例示する。コンデンサ１００は、基板１０２（図示せず）の上方に、かつ基板１０２と実質的に平行に懸架されるビーム１０１を有する。ビーム１０１は、軸１０３に沿って可動である。ビーム１０１は、ビームとともに移動する少なくとも１つのフィンガー１０４を備える。可動フィンガー１０４は、電極であり、複数のかかる可動フィンガーは、より大きな可動電極を形成するように相互に接続されてもよい。ビームに隣接するのは固定フィンガー１０５および１０６であり、それらは、例示的実施例において、電気的に無関係である。可動フィンガー１０４および固定フィンガー１０５から形成される第１のコンデンサ１０７と、可動フィンガー１０４および固定フィンガー１０６から形成される第２のコンデンサ１０８とを備える差動コンデンサ１０９を形成するために、固定フィンガー１０５および１０６は、可動フィンガー１０４とかみ合っている、または互いに入り込んでいる。
【００２８】
軸１０３に沿って、基板１０２に力が印加されると、基板１０２ならびに固定フィンガー１０５および１０６は、印加される力の方向に移動し、一方で、ビーム１０１は、最初は、その前の位置に慣性的に留まる。力が一方向にある時、可動フィンガー１０４と固定フィンガー１０５との分離は増加し、第１のコンデンサ１０７のキャパシタンスを減少させる。逆に、可動フィンガー１０４と固定フィンガー１０６との分離が減少すると、第２のコンデンサ１０８のキャパシタンスを増加させる。基板１０２への力が反対方向にある時、第１および第２のコンデンサ１０７および１０８への影響は逆になる。
【００２９】
種々の実施形態は、異なる可変コンデンサを有するＭＥＭＳデバイスに適用されることに留意すべきである。例えば、例示は、１つの固定版および１つの可動板を有する可変コンデンサに適用されてもよい。２つの固定版を有するシステムに関する説明は、例示のためであり、限定を意図するものではない。
【００３０】
図１Ａの差動コンデンサセルの一部分の斜視図を、図１Ｂに示す。全ての構造は図示されていない。両矢印１１０は、基板１０２上方の、ビーム１０１の懸架と、固定フィンガー１０５および１０６の高さを概略的に例示する。
【００３１】
ビーム２０１と、例示的可動フィンガー２１０および２１３と、固定フィンガー２０６、２０７、２０８および２０９の交互配列２００を、図２に概略的に例示する。ビーム２０１は矩形であり、バネ２０４および２０５によって、それぞれアンカー２０２および２０３から基板２１６（図示せず）上方に懸架される。可動フィンガー２１０および２１３は、ビームの内壁の側面から延びる。静止フィンガー２０６、２０７、２０８および２０９は、基板２１６に固定され、かつビーム２０１の面にある。可動フィンガー２１０とともに、固定フィンガー２０６および２０７は、第１のコンデンサ２１１および第２のコンデンサ２１２をそれぞれ形成する。同様に、固定フィンガー２０８および２０９、ならびに可動フィンガー２１３は、コンデンサ２１４および２１５をそれぞれ形成する。  
【００３２】
例示的開ループ加速度計３００を、図３に概略的に例示する。加速度計３００は、方形波発生器３０２が、互いに１８０度位相がずれた２つの方形波信号を供給する、差動コンデンサセル３０１を備える。第１のキャリア信号は、第１の固定フィンガー３０３に結合され、一方で、他方のキャリア信号は、第２の固定フィンガー３０４に結合される。ビーム３０５が、第１および第２の固定フィンガー３０３および３０４の間の中央に位置する場合、ビーム３０５への方形波の正味の結合は存在しない。しかしながら、ビーム３０５が、中央から第１の固定フィンガー３０３の近くに変位する場合、方形波は、ビーム３０５に結合し、かつビーム３０５上に現れる。ビーム３０５上の信号は、第１の固定フィンガー３０３上の信号と同じ位相を有する方形波であり、その振幅は、固定フィンガーとビームとの間の間隙の関数である。ビームの変位に比例するＤＣ信号を生成するために、ビーム３０５上の方形波信号は、復調器（図示せず）によって処理され得る。
【００３３】
開ループ加速度計とは対照的に、図４は、差動コンデンサセル４０１を有する、フォースバランス加速度計４００を概略的に例示する。具体的には、加速度計４００は、＋Ｖにバイアスされる第１の固定フィンガー４０２と、−Ｖにバイアスされる第２の固定フィンガー４０３とを有する。ビーム４０４は、＋Ｖと−Ｖとの間の中央に位置する電位４０８にバイアスされる。方形波は、方形波発生器４０７から、差動コンデンサセルの２つのコンデンサ４０５および４０６を通過する。ビーム４０４が、固定フィンガー４０２と４０３との間の中央に位置する場合、ビーム４０４への方形波の正味の結合は存在しない。しかしながら、ビーム４０４が、中央から（例えば）第１の固定フィンガー４０２の近くに変位する場合、方形波は、ビーム４０４に結合し、かつビーム４０４上に現れる。この例示において、ビーム４０４上の信号は、第１の固定フィンガー４０２上の信号と同じ位相を有する方形波であり、その振幅は、固定フィンガーとビーム４０４との間の間隙の関数である。加速度計４００の出力で、ビーム４０４の変位に比例するＤＣ信号を生産するために、ビーム４０４上の結果として生じる信号は、復調器（図示せず）によって処理され得る。
【００３４】
しかしながら、ビーム４０４が、固定フィンガー４０２または４０３のうちの１つの近くに移動するにつれて、ビームとその固定フィンガー間の静電気引力は増加する。静電捕獲の危険性を低減するため、加速度計４００の出力は、ビーム４０４上のバイアス４０８を緩和するフィードバックループ（図示せず）に入力される。固定フィンガー４０２および４０３上のバイアス電圧は異極性であるため、ビーム４０４上のバイアスを変化させることは、ビーム４０４と固定フィンガー電極のうちの１つとの間の電位差を低減することに繋がり、一方では、ビームと固定フィンファー電圧のうちのもう１つとの間の電位差を増加させる。フィードバック信号は、ビーム４０４と、最も近い固定フィンガーとの間の静電力を低減し、かつビームと他方の固定フィンガーとの間の静電力を増加させるはずであり（つまり、ビーム変位の反対方向に）、故に、静電捕獲の危険性を低減する。当然ながら、加速の大きさまたは機械的衝撃の程度によっては、ビーム４０４は最も近い固定電極に向かって移動し続け得るため、静電捕獲はいずれにせよ生じ得る。
【００３５】
図５は、静電捕獲に対応するための従来技術装置を用いるシステム５００を概略的に例示する。機械的ストッパー５０１は、ビーム５０２と固定部材５０３との間に介在して製作される。例えば、ビーム５０２が、（例えば、矢印で示すような）固定部材５０３の方向に移動する時に、１つ以上の機械的ストッパー５０１は、ビーム５０２が固定部材５０３と接触するのを物理的に防止する。しかしながら、機械的ストッパー５０１自体が、静電捕獲の危険性を提示し得うるため、機械的ストッパー５０１は、概して、ビーム５０２に提示される表面積を最小化するように、製作工程（つまり、最小特徴分離）によって許容される範囲の最小サイズ近くに作成され、それによって、静電力を最小化する。１つ以上の機械的ストッパー５０１の使用は、概して、固定部材５０３とビーム５０２との間の公称間隙が、機械的ストッパー５０１を収容できるほど大きく、さらに、ビーム５０２の十分な可動域を許容することを決定づける。大きな間隙は、感度を低減させ、結合された信号における信号対雑音比を低下させる。機械的ストッパー手法はまた、部分的な解決にしかならない−ビーム５０２と固定部材５０３との間の電圧差が多大である場合、ビーム５０２は、いずれにせよ捕獲され得る。
【００３６】
図６は、方形波によって駆動される場合に、差動コンデンサセル６０１からの信号を復調するために、相関２重サンプリングを使用するスイッチトコンデンサ復調器６００を概略的に例示する。ビーム６０２からの信号は、演算増幅器６０４の反転ノード６０３に入力される。ＤＣレベル（「Ｖｍｉｄ」）は、増幅器６０４の非反転ノード６０５に入力される。ＤＣレベルは、好ましくは、差動コンデンサ６０１の固定フィンガーを駆動する方形波の最小値と最大値の中間である。増幅器６０４の出力は、ビーム６０２上の方形波に比例する方形波を生成する。増幅器６０４の出力信号は、コンデンサ６０６の第１の端末に結合される。コンデンサ６０６の第２の端末は、ノード６０７に接続される。
【００３７】
例示的実施形態において、スイッチトコンデンサ復調器６００は、二相サイクルで動作し、２つの位相は、差動コンデンサセル６０１の固定フィンガーを駆動する方形波の交互位相に相当する。例示目的のため、図７に例示するように、ビーム６０２上の信号は、動作の第１の位相の間はその低い電圧（Ｖａ）にあり、動作の第２の位相ではその高い電圧（Ｖｂ）に遷移する。
【００３８】
第１の位相において、第１のスイッチ６０８は、ノード６０７をＶｍｉｄに等しい電圧に接続するために閉鎖され、そして第２のスイッチ６０９は、開放される。図６の回路は、この構成で例示する。故に、第１の位相において、ノード６０７は、Ｖｍｉｄに設定される。
【００３９】
動作の第２の位相において、第１のスイッチ６０８は開放され、そして、電流が第１のコンデンサ６０６に流入することができないため、第１のノード６０７での電圧は、第１のノード６０７での電圧がＶｍｉｄ＋Ｖｂ−Ｖａとなるように、ＶｂとＶａとの差によって増大する。次いで、第２のスイッチ６０９は閉鎖され、電流は、第１のコンデンサ６０６から第２のコンデンサ６１０に流入する。第１のコンデンサ６０６および第２のコンデンサ６１０が等しい値である場合、かつ第２のコンデンサ６１０が初めは未変化の場合、電流フローは、それらの２つのコンデンサ６０６および６１０に等しく電荷を分配する（つまり、平衡に達するまで）。第２のコンデンサ６１０が初めは未変化の場合、第２のノード６１１での初期電圧は、Ｖｍｉｄである。復調器６００の動作の第１のサイクルにおいて、第２のコンデンサ６１０への電荷の付加は、ＶｍｉｄとＶｍｉｄ＋Ｖｂ-Ｖａとの中間まで、第２のノード６１１での電荷を増大させる。
【００４０】
ビーム６０２の変位が一定のままである場合、復調器６００の各連続するサイクルは、第２のコンデンサ６１０に電荷を付加し、その結果、第２のノード６１１での電荷はＶｍｉｄ＋Ｖｂ-Ｖａに近づく。最終的に、コンデンサ６１０を通した電圧は、ビーム６０２（Ｖｂ−Ｖａ）上の方形波のピーク間電圧に接近し、従って、第２のノード６１１での電圧は、ビーム６０２の変位に比例するピーク間電圧（ＶｍｉｄからのＤＣバイアスを含み得るが）を表す。
【００４１】
第２のノード６１１での電圧は、比較器６１２に入力され、閾値電圧６１４と比較される。閾値電圧６１４は、静電捕獲の危険性が、システム設計者の定める容認可能な耐性を超過する、ビーム６０２の変位を表す。ビーム変位を表すノード６１１での電圧が、閾値電圧６１４を超過した時に、比較器６１２は、無効信号６１３を発生する。図６の回路は、キャパシタンスがＭＥＭＳビームの変位の関数として変化する、コンデンサと併せて使用される場合、ＭＥＭＳビームの変位を監視する方法の一実施例である。一部の実施形態において、下記により詳細に例示するように、無効信号６１３は、１つ以上の駆動回路の動作を制御するために使用されてもよい。
【００４２】
上述のように、図７は、図６のスイッチトコンデンサ復調器６００からの例示的波形を示す。上部の波形７０１は、増幅器６０４の例示的出力を例示的に示し、最小電圧Ｖａおよびピーク電圧Ｖｂでの、ビーム６０２からの方形波の一サイクルを示す。第２の波形７０２は、第１のスイッチ６０８の閉鎖および開放を制御する開閉信号を示し、高信号がスイッチを閉鎖する。第３の波形７０３は、第２のスイッチ６０９の閉鎖および開放を制御する開閉信号を示し、この場合もまた、高信号がスイッチを閉鎖する。点線は、第１の位相および第２の位相における、それぞれ第１のスイッチ６０８および第２のスイッチ６０９の閉鎖時を例示する。このタイミングは例示にすぎない。
【００４３】
本発明の例示的実施例による差動コンデンサ（例えば、図１の差動コンデンサ１００）において、固定フィンガー（例えば、図１のフィンガー１０５）を駆動するために使用される例示的電極駆動回路８００を、図８Ａに概略的に示す。第１のトランジスタ８０１および第２のトランジスタ８０２は、第１の電圧レール８０７と第２の電圧レール８０８との間に直列に配列される。第１のトランジスタ８０１のゲートは、ＡＮＤゲート８０３からの入力方形波によって駆動され、一方で、第２のトランジスタ８０２のゲートは、ＡＮＤゲート８０４とともにインバータ８１２によって作成される、その入力方形波の補完によって駆動される。トランジスタは、駆動回路８００の出力である、ノード８０５で接続される。通常動作において、入力方形波８０６は、出力ノード８０５を、交互に、第１の電圧レール８０７、次いで他方の電圧レール８０８に交互に結合させる。故に、通常動作において、駆動部８００の出力ノード８０５は、入力方形波８０６と同相で、しかし、第１のレール８０７と第２のレール８０８との間に振幅が延びる状態で、方形波を生成する。同様の回路は、差動コンデンサの他方の固定フィンガーを駆動してもよいが、その回路の出力は、好ましくは、上述の第１の駆動部の出力の逆である（または、１８０度位相がずれる）。
【００４４】
例示的実施形態において、可動電極（例えば、図１のフィンガー１０４）と固定電極（例えば、図１のフィンガー１０５）との間の距離が、所定の閾値距離未満である時に静電力を最小化するため、駆動部８００は、可動ビーム（例えば、図１のビーム１０１）上の電圧により近い、好ましくは、同じである（例えば、Ｖｍｉｄ）電圧まで、固定電極を駆動する。この目的のため、第３のトランジスタ８０９は、例示的にＶｍｉｄに結合される。無効信号８１０が高くなった時に、駆動部８００の出力は、第３のトランジスタ８０９を通じてＶｍｉｄを出力ノード８０５に結合することによって、Ｖｍｉｄに設定され得る。好適な実施形態において、無効信号８１０は、例えば、スイッチトコンデンサ復調器６００によって、生成される出力信号６１３等の（システム設計者の定める）固定フィンガーに容認できないほど近く移動したことを示す。
【００４５】
インバータ８１１に起因して、無効信号８１０の逆が、ＡＮＤゲート８０３およびＡＮＤゲート８０４で低くなることから、第１のトランジスタ８０１および第２のトランジスタ８０２は無効となる。このように、差動コンデンサの固定フィンガー（例えば、１０５）の電位は、Ｖｍｉｄに設定され得る。可動フィンガー（例えば、１０４）は、すでに例示的にＶｍｉｄにバイアスされているため、固定フィンガー（例えば、１０５）をＶｍｉｄに設定することで、それらの間の電位差から生じる静電力を解消する。言い換えれば、部材の電圧差が除去される。好適な実施形態において、各固定フィンガーは、その独らの駆動部を有するであろう。
【００４６】
あるいは、最も近い固定フィンガーのバイアスのみが、Ｖｍｉｄに設定され得、これは、主要静電力を解消し、一方で、他方の固定フィンがーからの対抗する静電力を残して、可動ビームをそれらの公称位置の方向に戻すように作用する。
【００４７】
代替的実施形態において、部材間の電圧差が、いかなる瞬間もゼロである、またはゼロに近くなるように、同一信号が、差動コンデンサの他方の部材に与えられる限りは、  駆動出力は、任意の信号に設定され得る。
【００４８】
図８Ｂは、一般的な電極駆動回路８５０を概略的に例示し、フィンガー駆動部８５１の出力は、通常、フィンガー８５５に接続されるが、その出力は、スイッチ８５２によって妨げられ得る。スイッチ８５２は、無効信号８５４により制御され、そして、出力８５５を、無効信号８５４が低い場合はフィンガー駆動部８５１に接続し、無効信号８５４が高い場合は共通電圧または信号８５３に接続する。
【００４９】
本発明の好適な実施形態による加速度計システム９００の一部を、図９に概略的に例示する。その性質上、加速度計システム９００は、第１の復調器９０２等の復調器を使用して、可動ビーム（図示せず）の変位を測定するため、本発明の例示的実施形態は、第１の復調器９０２の出力を監視することによって履行され得る。しかしながら、可動フィンガーの出力９０１を処理する第２の復調器９０３は、第１の復調器９０２を使用するより優れた利点をもたらし得る。例えば、第２の復調器９０３は、ビームの過度の変位をより早急に認識し、かつ反応するために、より早い速度、またはより大きい帯域幅で動作するように作製され得る。
【００５０】
差動コンデンサにおいて、可動フィンガーは、２つの固定フィンガーのいずれか一方に容認できないほど近く接近し得る。従って、差動コンデンサの各固定フィンガーは、復調器により監視され得るか、または単一復調器の出力は、２つの比較器により監視され得る―比較器の一方は、一方向への変位を検出するためであり、他方は、反対方向への変位を検出するためである。それ故に、１つの軸においてのみ加速を計測する加速度計は、２つの検出器を有し得る。同様に、２つの軸において加速を計測する加速度計は、４つの検出器を有し得、３つの軸において加速を計測する加速度計は、６つの検出器を有し得る。
【００５１】
検出器が無効信号を発生する場合、システムは、問題の原因である差動コンデンサのみを無効にし得るか、または、システムは、全ての差動コンデンサもしくはそれらの任意のサブセットを無効にし得る。差動コンデンサの全て（またはそれらの全てのサブセット）を無効にすることは有益であり、例えば、ビームが１つより多い方向に移動することが可能な場合、一方向への容認できない変位は、別の方向への容認できない変位を意味してもよい。例えば、本発明者らは、機械的衝撃が一方向への変位をもたらす場合、その衝撃の影響は、複数の軸上に現れる可能性があることを発見した。本発明者らはまた、機械的衝撃が１つの軸に変位をもたらす場合、ビームは、前後に振動する（または螺旋状に進む）可能性があるため、好適な手法は、少なくともしばらくの期間、全ての差動コンデンサを無効にすることであることも発見した。いずれの場合も、１つの軸が容認できない変位を受けている場合、差動コンデンサのいずれかによる測定が信頼性の高い結果を提供するとは考えにくいため、好適な手法は、全ての差動コンデンサのいずれか１つが容認できない変位を受けている場合、全ての差動コンデンサを無効にすることである。この目的のため、加速度計システムが複数の検出器を備える場合、任意の検出器が容認できない変位を示す場合に、無効信号が発生されるように、一部の実施形態における検出器の出力は、論理ＯＲ関数に制約されてもよい。
【００５２】
本発明の別の代替的実施形態において、１つの可変コンデンサは、ビームの過度の変位を監視するために使用され得、次いで、１つ以上の他のコンデンサの電極上の電圧は、変位の関数として変化し得る。言い換えれば、監視回路が、１つの可変コンデンサを使用して、ビームの容認できない変位を検出した時、１つ以上の他のコンデンサの電圧差の低減をもたらし得る。例えば、一実施形態において、二軸加速度計は、Ｘ軸におけるビームの変位を感知するために、１つの差動コンデンサを有してもよく、かつＹ軸におけるビームの変位を感知するために、第２の差動コンデンサを有してもよい。かかる加速度計において、Ｘ軸感知コンデンサが、容認できない変位を検出した場合、加速度計は、Ｘ軸感知コンデンサおよびＹ軸感知コンデンサの両方の電圧差の低減をもたらし得る。
【００５３】
別の実施例において、可変コンデンサは、そのコンデンサ自体は静電捕獲の危険にさらされていないとしても、ビームの変位を監視することに専用化し得る。かかる実施形態において、専用の可変コンデンサの板間の公称距離（つまり、ビームがその公称位置から変位しない時の板間の距離）は、ＭＥＭＳデバイスの他の差動コンデンサの電極間の公称距離よりも大きくなり得る。このように、専用の可変コンデンサの板は、ＭＥＭＳデバイスの他の差動コンデンサが近過ぎる、またはさらには静電捕獲の犠牲となる場合でさえ、分離されたままである。かかる専用の可変コンデンサの板上の電圧は、ＭＥＭＳデバイスの他の差動コンデンサの電極上の電圧が低減された場合でさえ、維持され得る。このように、専用の可変コンデンサは、ＭＥＭＳデバイスの他の差動コンデンサのうちの１つ以上が作動していない間でさえ、ビームの変位を監視し続けてもよい（つまり、変位感知器として作用してもよい）。
【００５４】
本発明の一実施形態による静電捕獲を防止する方法１０００を、図１０に示す。ステップ１００１において、可動ビームの変位が検出される。ステップ１００２において、変位が閾値と比較される。測定された変位が、閾値を超過した場合、差動コンデンサの３つの電極上の電圧は、ステップ１００３において等しく設定される。動作ステップ１００４において、変位が、通常動作条件が復元される容認可能な範囲に戻るまで、変位は監視される。一部の実施形態において、ビームの変位を感知するために使用される可変コンデンサは、電圧差が低減されるコンデンサと同じコンデンサである。他の実施形態において、ビームの変位を感知するために使用される可変コンデンサは、電圧差が低減されるコンデンサとは異なるコンデンサである。
【００５５】
容認できない変位が検出された後に生じるビームの変位の監視は、種々の方法でなされてもよい。一実施形態において、固定時間後、ビームの変位が、依然として閾値を超過するかどうかを手短に検出するために、電圧差が印加される。その場合、電圧は再度除去される。そうでない場合、通常動作条件が復元される。別の実施形態において、電圧は、所定期間の間除去される。期間は、システム設計者によって確立されてもよく、または動作条件によって決定されてもよい。一部の実施形態において、監視コンデンサは、他の可変コンデンサが無効の間、アクティブのままであってもよい。
【００５６】
代替的実施形態において、電力が除去される時間は、ローパスフィルタを使用して決定される。復調器９０３等の復調器は、それらと関連する時定数を有してもよい。従って、オーバーレンジ変位の場合には、固定および可動フィンガー間の電位はゼロに設定され、これは、指数関数的にゼロまで復調器出力を減少させ、結果的に、閾値未満に入る。
【００５７】
一部の実施形態において、通常動作を復元するための閾値は、通常動作を無効にするための閾値とは異なってもよい。
【００５８】
電極間の電圧差をゼロに設定するのではなく、一部の実施形態は、電圧差を低電圧まで、好ましくはゼロ近くまで低減する。このように、静電力は低減し、デバイスの動作は向上するが、電圧差を完全に解消する必要はない。
【００５９】
上記の説明は、本発明の種々の例示的実施形態を開示するが、当業者は、本発明の真の範囲から逸脱することなく、本発明の利点の一部を達成する種々の修正をなし得ることは明白であろう。
【図１Ａ】
2011523906.tif 000003
【図１Ｂ】
2011523906.tif 000004
【図２】
2011523906.tif 000005
【図３】
2011523906.tif 000006
【図４】
2011523906.tif 000007
【図５】
2011523906.tif 000008
【図６】
2011523906.tif 000009
【図７】
2011523906.tif 000010
【図８Ａ】
2011523906.tif 000011
【図８Ｂ】
2011523906.tif 000012
【図９】
2011523906.tif 000013
【図１０】
2011523906.tif 000014
【国際調査報告】
2011523906.tif 000015
2011523906.tif 000016