(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械デバイスであって、
少なくとも１つの一次部分と、少なくとも１つの二次部分と、前記少なくとも１つの一次部分および前記少なくとも１つの二次部分を連結する少なくとも１つの剛性ばねとを備える略平面状準可撓性プルーフマスであって、前記少なくとも１つの剛性ばねは、実質的に、前記デバイスが通常動作範囲にある場合、前記少なくとも１つの一次部分および前記少なくとも１つの二次部分を単一の剛性実体として移動させる略平面状準可撓性プルーフマスと、
前記少なくとも１つの二次部分に連結され、前記準可撓性プルーフマスを懸架構造体に連結する少なくとも１つの主ばねと、
前記少なくとも１つの一次部分を制止させるように構成された少なくとも１つの第１のストッパ構造体と、
前記少なくとも１つの一次部分に取り付けられた移動櫛状電極のフィンガー部とを含み、
前記準可撓性プルーフマスは、前記デバイスが、少なくとも移動軸に沿った方向に前記準可撓性プルーフマスの運動を引き起こす衝撃であって、前記デバイスの前記通常動作範囲を超える力で前記デバイスに衝突する衝撃を受けた場合に、前記少なくとも１つの剛性ばねの撓みによって変形するように構成され、
さらに、前記少なくとも１つの剛性ばねにより、前記準可撓性プルーフマスの前記少なくとも１つの二次部分を、前記衝撃によって生じた前記移動軸に沿った前記運動と反対方向の復元運動させる復元力が生じ、さらに、前記復元運動をしている前記少なくとも１つの二次部分の運動量により、前記少なくとも１つの一次部分が前記少なくとも１つの第１のストッパ構造体から離れ、
前記衝撃による前記移動軸に沿った前記準可撓性プルーフマスの変位が第１の距離を超える場合、前記準可撓性プルーフマスの前記少なくとも１つの一次部分の少なくとも１つは、前記第１のストッパ構造体によって制止するように構成される微小電気機械デバイスであって、
さらに、前記少なくとも１つの二次部分を制止させるように構成された少なくとも１つの第２のストッパ構造体を備え、
前記衝撃による前記移動軸に沿った前記準可撓性プルーフマスの前記二次部分の変位が、前記第１の距離より大きい第２の距離を超える場合、前記準可撓性プルーフマスの前記少なくとも１つの二次部分の少なくとも１つは、前記少なくとも１つの第２のストッパ構造体によって制止するように構成される
微小電気機械デバイス。
【請求項２】
前記微小電気機械デバイスは、さらに、前記移動軸に沿って前記準可撓性プルーフマスの両側に配置された少なくとも２つの第１のストッパ構造体を備え、前記少なくとも２つの第１のストッパ構造体は、衝撃によって生じた前記移動軸に沿って互いに反対方向に起こる前記準可撓性プルーフマスの動きを制止させるように構成される
請求項１に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項３】
前記準可撓性プルーフマスの前記少なくとも１つの二次部分は、前記少なくとも１つの一次部分が制止した後、前記衝撃によって生じた前記移動軸に沿った移動を継続するように構成され、前記衝撃によって生じた前記移動軸に沿った継続的な前記移動により、前記剛性ばねの少なくとも１つが撓み、それにより前記準可撓性プルーフマスが変形する
請求項１または２に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項４】
前記微小電気機械デバイスは、さらに、前記移動軸に沿って前記準可撓性プルーフマスの両側に配置された少なくとも２つの第２のストッパ構造体を備え、前記少なくとも２つの第２のストッパ構造体は、衝撃によって生じた前記移動軸に沿って互いに反対方向に起こる前記準可撓性プルーフマスの動きを制止させるように構成される
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項５】
前記準可撓性プルーフマスは、２以上の移動軸を有するように構成され、前記準可撓性プルーフマスは、前記移動軸の少なくとも１つの方向に変形するように構成される
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項６】
前記準可撓性プルーフマスは、
前記準可撓性プルーフマスの対称軸を挟んで対称に配置された本質的に剛性の矩形フレームを備え、前記対称軸は前記移動軸の前記方向と一致する一次部分と、
前記一次部分内の筐体中に、前記対称軸を挟んで各々対称に配置された２つの二次部分とを備え、
前記二次部分の各々は、前記準可撓性プルーフマスの前記対称軸に対して対称に配置された２つの剛性ばねで前記一次部分に連結されている
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項７】
前記一次部分は、前記準可撓性プルーフマスの全質量の過半を占める
請求項６に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項８】
前記準可撓性プルーフマスは、
前記準可撓性プルーフマスの対称軸の２つの側にある平行位置に本質的に長手方向に配置された２つの一次部分であって、前記対称軸は前記移動軸の前記方向と一致し、各一次部分の両端部から第１の距離だけ離れて配置された前記第１のストッパ構造体によって、前記移動軸の方向において制止するように各々構成された２つの一次部分と、
前記対称軸を挟んで各々対称に配置された２つの二次部分であって、前記二次部分の、前記デバイスの幾何学的中心から離れている側から前記第１の距離より大きい第２の距離だけ離れて配置されたそれぞれの第２のストッパ構造体によって制止するように各々構成された２つの二次部分とを備える、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項９】
前記二次部分は、前記準可撓性プルーフマスの全質量の２０％より多くを占める
請求項８に記載の微小電気機械デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項１の前提部分に定義されているような微小機械デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電子機械システム、すなわちＭＥＭＳは、少なくともいくつかの素子が機械的機能を有する小型の機械的および電気機械的システムとして定義することができる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路を作製するために使用されるツールと同一または類似のツールで作製されるため、マイクロマシンおよびマイクロエレクトロニクスをシリコンの同一部分上に作製することもできる。ＭＥＭＳ構造は、物理的特性の非常に小さな変化を迅速かつ正確に検出するために適用することができる。
【０００３】
ＭＥＭＳ構造は、寸法が非常に小さいが、類似の巨視的構造とは異なった特有の故障機構を有する。
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスで知られる１つの故障機構がスティクションであり、これは構造部品が、互いに、または構造体が作られる材料である基板に付着することを意味する。スティクションは、接触面積が減少するように、例えば反スティクションコーティングを使用するか、または例えばバンプなどの表面構造を衝突面に形成することによって防止してもよい。
【０００５】
別の既知の故障機構は、衝撃によるＭＥＭＳ構造の亀裂または破砕などの破損である。１回の強い衝撃でＭＥＭＳ構造の亀裂または破砕が生じる可能性があり、または、衝撃が数回繰り返されることでＭＥＭＳ構造の疲労が生じ、最終的に構造の破損に至る可能性がある。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１２／０２８０５９１号明細書は、可動素子を備えたＭＥＭＳデバイスであって、可動素子は、二次マスと、二次マスおよび可動素子に相互連結されたばねとを有する二次構造体を有するＭＥＭＳデバイスを提示している。デバイスが機械的衝撃を受けると、二次構造体は、衝突後に可動素子が付着しても離れ得るように二次マスを可動素子に衝突させる。先行技術の米国特許出願公開第２０１２／０２８０５９１号明細書に関する問題は、二次構造体により付着の問題を軽減することはできるが、衝撃によって生じる衝突で可動マスが破損する可能性のあることである。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１４２６０１３号明細書は、衝撃を受けた時にＭＥＭＳ移動構造に対して生じる衝突力を低減し、それによって構造破損のリスクを低減する弾性バンプを提示している。プルーフマス内に二次非可撓性バンプストップが実装される。
【０００８】
構造亀裂のリスクを低減することと、可動プルーフマスの付着を防止する機構を有することの両方が可能な、ＭＥＭＳデバイスの改善された構造が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２８０５９１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４２６０１３号明細書
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、先行技術の欠点を克服するためのデバイスおよび方法を提供することを目的とする。本発明の目的は、請求項１の特徴部分に記載のデバイスによって達成される。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態を従属請求項に開示する。
【００１２】
「デバイスの平面」という用語は、ＭＥＭＳデバイスの可動部分がいかなる外力によっても励振または偏向されない時に可動部分が形成する面を指す。直線移動軸がデバイスの前記平面内に存在してもよく、または、直線移動軸は、デバイスの平面に本質的に直交する軸であってもよい。
【００１３】
本発明は、プルーフマスの形状を変化させるという考えに基づき、これにより、衝突による構造亀裂のリスクを低減するための衝突力の低減と、プルーフマス付着のリスクの低減の両方が可能となる。プルーフマスは、剛性ばねによって相互に連結されている少なくとも２つの部分に分割される。剛性ばねという用語は、ばね係数が高いために、比較的強い力を受けた場合のみ本質的に撓むばねを指す。したがって、プルーフマスは、準可撓性構造体となり、ＭＥＭＳデバイスの通常動作状態で単一のマスとして移動する。プルーフマスの一次部分は、衝撃によりストッパ構造体に衝突し得るが、プルーフマスの二次部分は、剛性ばねによって懸架されているため、ストッパ構造体への衝突が防止されるか、衝突の可能性が低くなる。一次部分という用語は、ここでは、ストッパ構造体に衝突することによって第１の衝突を受け止めるように構成されているプルーフマスの１以上の部分を指す。プルーフマス構造体は、１以上のそのような一次部分を有してもよい。二次部分は、準可撓性プルーフマスの質量の大部分を占めることが好ましく、大部分という用語は、プルーフマスの全質量の２０％以上で、最大５０％をさらに超える割合を示し得る。二次部分は、一次部分の後に第２のストッパ構造体に衝突するように構成されてもよいが、二次部分はまた、プルーフマスの他の部分と、または、部分同士を連結するばねと接触することによって制止するように構成されてもよい。プルーフマスの一次部分と二次部分との間の懸架は、剛性構造とは反対のような可撓性であるが、通常動作状態中に準可撓性プルーフマスの少なくとも２つの部分が単一の剛性プルーフマスとして移動するのに十分硬い。ここで剛性とは、実質的に変形しない構造を指し、準可撓性とは、通常動作状態で変形しない構造を指す。言い換えれば、準可撓性プルーフマスの少なくとも２つの部分間の剛性懸架ばね、別名、連結ばね、または単に剛性ばねは、高いばね定数を有する。通常動作状態を超える衝撃を受けると、一次部分と二次部分との間のこの懸架はばねとして機能し、準可撓性プルーフマスの少なくとも２つの部分が互いに対して移動することを可能にする。通常動作状態とは、プルーフマスが移動しても、プルーフマスの一次部分が、プルーフマスの二次部分と、またはプルーフマスと同じ平面内に存在するデバイスの他の部分、例えば、アンカ、ストッパ、フレーム、櫛状または櫛状フィンガー部などの検知構造体と接触しない状態として定義され得る。通常動作状態では、プルーフマス、およびプルーフマスに取り付けられた検知構造体は、このように、意図された方向に移動することが可能となり、プルーフマスの位置または移動速度に応じて変化する検出信号を提供する。剛性ばねによる一次部分と二次部分との間の準可撓性懸架は、プルーフマスへの衝撃によって生じる瞬発力を低減し、それによって破損のリスクを低減することに加え、復元力を生じさせる。この復元力によって、準可撓性プルーフマスのかなりの部分、すなわち準可撓性プルーフマスの少なくとも二次部分が跳ね返って運動量が増し、これにより、ストッパ構造体との接触から離れるための構造全体の能力が向上し、プルーフマスがその通常動作位置に戻りやすくなる。
【００１４】
「主ばね」という用語は、アンカなどの少なくとも１つの懸架構造体に準可撓性プルーフマスを連結するばねを指す。主ばねは、準可撓性プルーフマスの少なくとも意図された移動方向に可撓性を有するように構成される。主ばねは、さらに、全放勢力をさらに加えることによって、離れる能力に寄与してもよい。主ばねは、準可撓性プルーフマスの意図された移動方向（別名、移動軸）に、剛性ばねより低いばね係数を有する。主ばねおよび剛性ばねは、準可撓性プルーフマスの移動と、準可撓性プルーフマスの一次部分および二次部分の相対移動とをそれぞれ、準可撓性プルーフマスの意図された運動方向と一致する同一の移動軸に沿って可能にするように構成される。言い換えれば、準可撓性プルーフマスの移動は、主ばねによって可能となる移動の軸に沿って起こるように意図され、剛性ばねは、同一の移動軸に沿った（の方向の）移動を可能にするように構成される。
【００１５】
準可撓性プルーフマスを、二次部分に取り付けられた主ばねでアンカなどの懸架構造体の方に連結することは、付着する場合、付着を防止するために特に有益である。付着という用語は、互いに接触している構造体の２つの表面がくっつき得る微小電気機械構造の既知の問題を示す。準可撓性プルーフマスを二次部分から懸架することによって、一次部分と二次部分の両方がストッパ構造体と接触した時に、主ばねおよび剛性ばねによって生じるすべての復元力が、二次部分を接触から離すように作用する。したがって、この構成により、付着が効果的に防止される。主ばねによって生じる復元力は、剛性ばねによって生じる復元力と合わさり、全復元力が二次部分を離すように作用する。さらに、移動している二次部分の運動量は、一次部分を離し、デバイスをその通常動作位置に戻す助けとなる。準可撓性プルーフマスは、平面内に位置する略平面状構造体として形成されることが好ましい。準可撓性プルーフマスの構造部分は、デバイスの平面を備え得る共通平面内に位置することが好ましい。例えば、デバイスの平面内で少なくとも１つの移動軸に沿って撓むことができる準可撓性プルーフマスは、厚さがゼロでない本質的に平面状の均質シリコン材料層からエッチングされた構造を備えてもよい。したがって、製造工程が比較的単純であり、これにより、製造プロセスゲインが増加し、かつ、同一シリコンウェーハ上に作製される多数のデバイスの性能を均一にしやすくなる。準可撓性プルーフマスの材料層の厚さは、範囲から逸脱することなく変えてもよい。プルーフマス構造体の選択領域が、シリコン材料層の水平（ｘｙ面方向）面のどちらかより下方に凹んでいてもよい。準可撓性プルーフマスが設置環境で変形することができるように、準可撓性プルーフマスの材料は、連結剛性ばねを除いた、一次部分と二次部分との間の領域において除去されることが好ましい。
【００１６】
本発明は、準可撓性プルーフマスの変形に基づく解決策が、構造破損とスティクションの両方を防止するための効果的かつ信頼性のある方法であるという利点を有する。準可撓性多次部分プルーフマス構造体は、当業者が知る様々な剛性または可撓性ストッパまたはバンパによる解決策と組み合わされてもよい。
【００１７】
第１の態様によれば、少なくとも１つの一次部分と、少なくとも１つの二次部分と、少なくとも１つの一次部分および少なくとも１つの二次部分を連結する少なくとも１つの剛性ばねとを備える略平面状準可撓性プルーフマスを含む微小電気機械デバイスが提供される。デバイスは、少なくとも１つの二次部分に連結された少なくとも１つの主ばねを備え、主ばねは、準可撓性プルーフマスを懸架構造体に連結する。少なくとも１つの剛性ばねは、実質的に、デバイスが通常動作範囲にある場合、少なくとも１つの一次部分および前記少なくとも１つの二次部分を単一の剛性実体として移動させる。少なくとも１つの第１のストッパ構造体は、少なくとも１つの一次部分を制止させるように構成される。準可撓性プルーフマスは、デバイスが、少なくとも移動軸に沿った方向に準可撓性プルーフマスの運動を引き起こす衝撃であって、デバイスの通常動作範囲を超える力でデバイスに衝突する衝撃を受けた場合に、少なくとも１つの剛性ばねの撓みによって変形するように構成され、さらに、少なくとも１つの剛性ばねにより、準可撓性プルーフマスの少なくとも１つの二次部分を、衝撃によって生じた移動軸に沿った運動と反対方向の復元運動させる復元力が生じ、さらに、復元運動をしている少なくとも１つの二次部分の運動量により、一次部分が少なくとも１つの第１のストッパ構造体から離れる。
【００１８】
第２の態様によれば、衝撃による移動軸に沿った準可撓性プルーフマスの変位が第１の距離を超える場合、準可撓性プルーフマスの少なくとも１つの一次部分の少なくとも１つは、第１のストッパ構造体によって制止するように構成される。
【００１９】
第３の態様によれば、微小電気機械デバイスは、さらに、移動軸に沿って準可撓性プルーフマスの両側に配置された少なくとも２つの第１のストッパ構造体を備える。少なくとも２つの第１のストッパ構造体は、衝撃によって生じた移動軸に沿って互いに反対方向に起こる準可撓性プルーフマスの動きを制止させるように構成される。
【００２０】
第４の態様によれば、準可撓性プルーフマスの少なくとも１つの二次部分は、少なくとも１つの一次部分が制止した後、衝撃によって生じた移動軸に沿った移動を継続するように構成され、衝撃によって生じた移動軸に沿った継続的な移動により、少なくとも１つの剛性ばねの少なくとも１つが撓み、それにより準可撓性プルーフマスが変形する。
【００２１】
第５の態様によれば、微小電気機械デバイスは、少なくとも１つの二次部分を制止させるように構成された少なくとも１つの第２のストッパ構造体を備え、衝撃による移動軸に沿った準可撓性プルーフマスの少なくとも１つの二次部分の変位が、第１の距離より大きい第２の距離を超える場合、準可撓性プルーフマスの少なくとも１つの二次部分は、第２のストッパ構造体によって制止するように構成される。
【００２２】
第６の態様によれば、微小電気機械デバイスは、さらに、移動軸に沿って準可撓性プルーフマスの両側に配置された少なくとも２つの第２のストッパ構造体を備える。少なくとも２つの第２のストッパ構造体は、衝撃によって生じた移動軸に沿って互いに反対方向に起こる準可撓性プルーフマスの動きを制止させるように構成される。
【００２３】
第７の態様によれば、準可撓性プルーフマスは、２以上の移動軸を有するように構成され、準可撓性プルーフマスは、移動軸の少なくとも１つの方向に変形するように構成される。
【００２４】
第８の態様によれば、準可撓性プルーフマスは、準可撓性プルーフマスの対称軸を挟んで対称に配置された本質的に剛性の矩形フレームを備える一次部分を備え、対称軸は移動軸の方向と一致する。準可撓性プルーフマスはまた、一次部分内の筐体中に、対称軸を挟んで各々対称に配置された２つの二次部分を備え、二次部分の各々は、準可撓性プルーフマスの対称軸に対して対称に配置された２つの剛性ばねで一次部分に連結されている。
【００２５】
第９の態様によれば、移動櫛状電極のフィンガー部が、一次部分に取り付けられている。
【００２６】
第１０の態様によれば、一次部分は、準可撓性プルーフマスの全質量の過半を占める。
【００２７】
第１１の態様によれば、準可撓性プルーフマスは、二次部分の領域の外側に配置され、かつ、対称軸を挟んで対称に配置された２つの一次部分を備える。準可撓性プルーフマスはまた、準可撓性プルーフマスの対称軸を挟んで対称に配置された、本質的に剛性の矩形フレームとして形成された二次部分を備え、対称軸は移動軸の方向と一致する。２つの一次部分の各々は、対称軸に対して対称に配置された２つの剛性ばねで二次部分に連結されている。
【００２８】
第１２の態様によれば、移動櫛状電極のフィンガー部が、二次部分に取り付けられている。
【００２９】
第１３の態様によれば、二次部分は、準可撓性プルーフマスの全質量の過半を占める。
【００３０】
第１４の態様によれば、準可撓性プルーフマスは、準可撓性プルーフマスの対称軸の２つの側にある平行位置に本質的に長手方向に配置された２つの一次部分を備え、対称軸は移動軸の方向と一致し、一次部分の各々は、各一次部分の両端部から第１の距離だけ離れて配置された第１のストッパ構造体によって、移動軸の方向において制止するように構成される。準可撓性プルーフマスはまた、対称軸を挟んで各々対称に配置された２つの二次部分を備え、二次部分の各々は、二次部分の、デバイスの幾何学的中心から離れている側から第１の距離より大きい第２の距離だけ離れて配置されたそれぞれの第２のストッパ構造体によって制止するように構成される。
【００３１】
第１５の態様によれば、移動櫛状電極のフィンガー部が、一次部分に取り付けられている。
【００３２】
第１６の態様によれば、二次部分は、準可撓性プルーフマスの全質量の２０％より多くを占める。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
以下、本発明について、添付図面を参照して、好ましい実施の形態に関連してより詳細に説明する。
【図１】一次元に分割されたプルーフマスを有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ構造の第１の概略図である。
【図２】一次元に分割されたプルーフマスを有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ構造の第３の概略図である。
【図３】二次元に分割されたプルーフマスを有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ構造の概略図である。
【図４】フレーム状一次部分を含むプルーフマスを備えた準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ配置の例示的な図である。
【図５ａ】フレーム状一次部分を備えた準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図５ｂ】フレーム状一次部分を備えた準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図６】フレーム状二次部分を含むプルーフマスを備えた準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ配置の例示的な図である。
【図７ａ】フレーム状二次部分を備えた準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図７ｂ】フレーム状二次部分を備えた準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図７ｃ】フレーム状二次部分を備えた準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図８】二重ストッパ構造体を有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ配置の例示的な図である。
【図９ａ】二重ストッパ構造体を有する準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図９ｂ】二重ストッパ構造体を有する準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図９ｃ】二重ストッパ構造体を有する準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。
【図１０】準可撓性プルーフマスの非常に強い衝撃後の動きを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
ＭＥＭＳデバイスは、基板層と、基板層の上方で懸架された機能層とを備えてもよい。機能層の固定または静止構造体が基板層の上方で懸架され、機能層の可動構造体が基板層の上方で移動可能に懸架されている。ＭＥＭＳデバイスの可動構造体の例には、プルーフマス、ばね、および移動フィンガー部電極櫛状などの可動マスがある。
【００３５】
ＭＥＭＳデバイス内のばねは、懸架された構造体の動きを、画定された寸法内に拘束する懸架構造体とみなされてもよい。ばねは、それらが意図される機能に応じて様々な形状を有してもよい。直線梁がばねとして機能してもよく、梁の寸法によって、ばねの特性が決まる。ＭＥＭＳばねは、２以上の直線部分を備え、例えば、折り畳まれたカニ脚形状、Ｕ字形状または蛇行形状を形成してもよい。図１〜図３は、ばねの機能性を機能の点のみにおいて示す。すなわち、ばねの物理的形状は選択されてもよい。設計におけるばねの物理的形状は、特定のばねに設定された要件を満たすように選択されてもよい。ばねのいくつかの物理的形状の例が、図４〜図１０に示される。
【００３６】
「ストッパ構造体」という用語は、弾性または剛性を有する任意の種類のストッパまたはバンパ構造体を指し得る。剛性ストッパ構造体は、衝突によって移動もせず、その形状も変えないが、弾性ストッパ構造体は、ストッパ構造体を変形または移動させるばねなどの可撓性部分を含み、それによって、移動構造体がストッパ構造体に衝突した時に生じる瞬発力が低下する。様々なストッパ構造体が本技術分野において知られており、これらのうちのいずれも、範囲から逸脱することなく、本発明に適用可能であり得る。
【００３７】
図１は、第１の例示的な実施の形態の概略図である。準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ構造は、一次元に分割されているプルーフマス構造体を含む。この例示的な構造における移動軸は、ｘ軸方向にある。移動軸とは、デバイスが通常動作範囲にある場合の準可撓性プルーフマスの一次移動または二次移動の方向を指す。通常動作、通常動作状態および通常動作範囲という用語は、準可撓性プルーフマスが、変形することなく従来の剛性プルーフマスのように移動するデバイスの動作状態を指す。この例では、デバイスの平面と揃うｘ軸に沿って移動が生じる。構造は、２つの一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）と、二次部分（１０２）とを備える準可撓性プルーフマス（１０１ａ、１０１ｂ、１０２）を含む。剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ）が、プルーフマスの一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）と二次部分（１０２）とを互いに連結する。これらの剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ）は、著しく撓む（すなわち、屈曲し、曲がり、またはその他の方法でそれらの形状を変える）ことなく一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）および二次部分（１０２）に沿って移動するため、通常動作状態では明らかに剛性の準可撓性プルーフマスの一部とみなされ、それによってプルーフマスの全振動マスの一部になり得る。プルーフマスの二次部分（１０２）は、主ばね（１０８）で固定懸架構造体（１０３）に連結されている。この懸架構造体（１０３）は、基板に対して動かないように、ＭＥＭＳデバイスの基板層または任意の他の固定層に固定されることが好ましい。そのような固定懸架構造体（１０３）はまた、アンカまたはアンカポイントと呼ばれることが多い。主ばね（１０８）によって、プルーフマスは、基板に取り付けられたアンカポイントに対して移動することができる。プルーフマスの二次部分（１０２）は、プルーフマスの動きの検知またはプルーフマスの静電偏向に使用され得る櫛状構造体（櫛状フィンガー部）を含む。そのようなフィンガー部を用いた検知は、二次部分（１０２）に取り付けられた移動櫛状電極と、ステータ（１００）に取り付けられた固定または静止櫛状電極との間の静電容量の変化を検知することによって生じる。励振は、櫛状の２つの電極間の電界が変化することによって、電極の可動（ロータ）部分に取り付けられたプルーフマスを撓ませるために用いられる力が生じる逆動作とみなされ得る。
【００３８】
この例では、準可撓性プルーフマス（１０１ａ、１０１ｂ、１０２）は、特にｘ軸方向に準可撓性を有するように作られている。通常動作状態では、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）と、二次部分（１０２）と、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ）とを含むプルーフマス全体が、少なくともｘ軸方向に単一の実体として移動する。準可撓性プルーフマスが、通常動作状態に存在する力をはるかに超える力を受けた場合、剛性ばね（１１０ａ、１００ｂ）は、構造に応じて撓み（例えば、圧縮され、ねじれ、または曲がり）得る。以下の説明において、簡単にするために撓むという用語を使用するが、ばねの実際の変化は、ばねの形状に依存するであろうことが理解されるべきである。
【００３９】
衝撃を受けた時の準可撓性プルーフマスの特徴を説明するために、プルーフマスを左、すなわちｘ軸の負に向かって素早く移動させる衝突を引き起こす衝撃が構造に衝突する例を用いる。通常動作状態より明らかに高いプルーフマスへの加速を生じさせる、ｘ軸方向の衝撃またはｘ軸方向の有意成分を有する衝撃の場合には、それぞれの第１の一次部分（１０１ａ）は、それぞれのストッパ構造体（１０５ａ）に衝突する。プルーフマスの全質量のうちの小さい方を有する第１の一次部分（１０１ａ）が、ストッパ構造体（１０５ａ）に衝突した時に制止する場合、それぞれの第１の剛性ばね（１１０ａ）は、圧縮され始め、二次部分（１０２）、さらには第２の一次部分（１０１ｂ）を衝撃方向に引き続き移動させるが、第１の剛性ばね（１１０ａ）は、この移動に対して、増大していく復元力を生じさせる。第１の剛性ばね（１１０ａ）が圧縮されるほど、復元力は強くなる。したがって、まだ移動している部分（１０１ｂ、１０２）およびストッパ構造体（１０５ａ）に向かって生じる衝撃による衝突は低減される。プルーフマスが従来の剛性マスである場合のようにストッパ構造体（１０５ａ）に衝突することでほぼ瞬時に制止するのではなく、ここでは、プルーフマスの大部分は、それぞれの第１の剛性ばね（１１０ａ）の撓みに比例した増大していく復元力に対する運動を継続することが可能であり、その結果、プルーフマスのまだ移動している部分を減速させるための復元力によって行われる仕事が、ゼロでない期間にわたって効果的に分散される。この復元力は、準可撓性プルーフマスのまだ移動している部分（１０１ｂ、１０２）を減速させ、最終的には停止させる。
【００４０】
第２の一次部分（１０１ｂ）が十分に高い運動エネルギーを有する場合、第２の剛性ばね（１１０ｂ）も圧縮され、第２の一次部分（１０１ｂ）に向かう追加の復元力が生じ得る。
【００４１】
準可撓性プルーフマスのすべての部分が制止すると、剛性ばね（１１０ａ）により、二次部分（１０２）に向かう、フックの法則（Ｆ＝−ｋｘ）によるばねの圧縮に比例した力が生じる。したがって、ここで剛性ばね（１１０ａ）によって復元力が生じ、準可撓性プルーフマスの大部分（１０１ｂ、１０２）が、それらの通常動作位置に向かって後方に加速し始める。この復元力により、プルーフマスの前記大部分はかなりの運動量を得、その結果、最終的に、小さい方の一次部分（１０１ａ）を引っ張り、それによって、一次部分（１０１ａ）はストッパ構造体（１０５ａ）との接触から解放される。したがって、ストッパ（１０５ａ）と接触していないプルーフマスの大部分（１０２、１０１ｂ）の運動量により、一次部分（１０１ａ）とそれぞれのストッパ（１０５ａ）との間に付着が生じない可能性が高まる。主ばね（１０８）は、剛性ばね（１１０ａ）の場合と同じ方向にさらなる復元力を生じさせてもよい。衝撃により第２の剛性ばね（１１０ｂ）も撓む場合、第２の一次部分（１０１ｂ）に向かうさらなる復元力が生じる。
【００４２】
構造がｘ軸方向に本質的に対称であるため、ｘ軸の正の方向における衝突からの停止および復元の同様の工程は、当然反対方向に起こる。この場合、一次部分（１０１ｂ）はそれぞれのストッパ構造体（１０５ｂ）に衝突し、剛性ばね（１１０ｂ）により復元力が生じる。
【００４３】
図２は、第２の例示的な実施の形態の概略図である。一次元に分割されたプルーフマスを有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ構造が示される。ここで、プルーフマスの二次部分は、それぞれ剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｃ）によって隣の二次部分に連結された２以上の二次部分（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）に分割され、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｄ）は、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）と、二次部分のうちの少なくともいくつか（１０２ａ、１０２ｃ）とを連結している。この例では、二次部分のちょうど真ん中の１つ（１０２ｂ）が主ばね（１０８）に連結され、主ばね（１０８）は、基板に固定された懸架構造体（１０３）に連結されている。あるいは、２以上の部分が主ばねに連結され得、その場合、２以上の（サブ）主ばねがあり得るであろう。この第３の例示的な実施の形態を、例えば図１に示された第１の例示的な実施の形態と比較すると、プルーフマスをさらなる部分に可撓性を有するように分割することにより、衝撃によって生じる移動を停止させることで生じる減加速度を、より長い時間をかけてさらに分散させてもよい。特定の衝突および復元工程中に剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）が撓む量は、少なくとも、初期衝撃の強さ、衝突方向におけるに剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）のばね係数、およびプルーフマスの各部分の質量によって変わり得る。
【００４４】
理論上、プルーフマスを分割することができる部分の数に制限はないため、プルーフマスを多数の部分にさらに分割することにより、プルーフマスの可撓性を高めてもよい。適切に穿孔されたプルーフマスが、準可撓性プルーフマスの究極の形状とみなされてもよく、このプルーフマスでは、デバイスがその通常動作状態で機能している時に、穿孔されたプルーフマスが単一の剛体のように見えるほど十分硬い限り、穿孔間のデバイス材料は剛性ばね構造体として機能し、プルーフマスの変形は、通常動作状態を超える例外的な衝撃によってのみ生じる。
【００４５】
図３は、プルーフマスが二次元に分割されている準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ構造を備えた第３の例示的な実施の形態の概略図である。主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）は、２つのセグメントに分割され、少なくとも１つの懸架構造体（１０３）に取り付けられている。この特定の例では、ステータ櫛状は、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）と同じ懸架構造体（１０３）に連結されている。プルーフマスの一次部分（１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ）は、ここではｙ軸方向にも分かれており、両方の対（１０１ａ、１０１ｃ；１０１ｂ、１０１ｄ）は、互いに対で一次部分（１０１ａ、１０１ｃ；１０１ｂ、１０１ｄ）を懸架している、さらに別の剛性ばね（１１０ｅ、１１０ｆ）に連結されている。プルーフマスをこのようにさらに分割することで、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ）によりストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）に生じる接触圧力をより均等に分散させることができる。この図には示していないが、ｙ軸方向の動きを制止させるために、ストッパ構造体もその特定の方向に導入してもよい。任意の方向の衝撃によって生じる直線運動をリカバーするために、プルーフマスは、ここでｘ軸方向において示されたのと同じ原理を適用して、先に開示したようなｘ軸方向に加えてｙ軸方向および／またはｚ軸方向に準可撓性を有するように作ってもよい。準可撓性プルーフマス、ならびに第１のストッパ構造体および第２のストッパ構造体の同じ原理を多数の軸に沿って利用してもよい。
【００４６】
図４は、フレーム状一次部分（１０１）を含むプルーフマスを有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ配置の例示的な実施の形態を示す。この種の配置には、準可撓性プルーフマスの一次部分（１０１）が優れたねじれ剛性を有し、それにより、準可撓性プルーフマスの振動安定性が向上し、望ましくないいかなるねじれの動きも減少するという利点がある。この実施の形態はまた、ロータ櫛状が準可撓性プルーフマスの一次部分（１０１）に取り付けられている代替案を示す。したがって、衝撃がデバイスに加わる場合、衝撃後、移動方向に応じて、一次部分（１０１）の移動がストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）により制止すると、櫛状はプルーフマスの一次部分（１０１）と共に制止する。こうして、一次部分（１０１）に取り付けられたロータ櫛状は、それらの通常動作位置から比較的短い距離（ｄ１）を移動するのみであってもよく、静止櫛状フィンガー部と移動櫛状フィンガー部との最小距離を小さくしてもよい。櫛状の小さな撓みは、静電容量ギャップがなくなり、センサ出力への大きく長期的なエラーを発生させ得る短絡が起こることを防止する。最悪の場合、このギャップがなくなると、シリコン面が共に溶接され、永久に付着し得、これによって事実上デバイスは永久に不能となるであろう。
【００４７】
主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）は、プルーフマス内部の筐体内に配置され、同じ筐体内部の少なくとも１つの懸架構造体（１０３ａ、１０３ｂ）に連結されている。主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）は、プルーフマスが移動主軸に沿って移動することを可能にするが、プルーフマスが他の方向に移動するのを防止する。この例では、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）は蛇行形状タイプばねとして形成され、これはプルーフマスがｘ軸方向に移動することを可能にするが、他の方向への移動を防止する。主ばねの各々は、プルーフマスの２つの二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の一方に連結されている。プルーフマスの対称軸の両側に対称に配置された、プルーフマスの一次部分（１０１）と二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）との間の合計４つのＵ字形状剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）が示される。剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）の組み合わされた配置が対称であることから、準可撓性プルーフマスの主な移動方向であるｘ軸とよく一致する復元力が生じ得る。さらに、準可撓性プルーフマスの二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）は、起こり得る一次部分（１０１）または剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）への二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の付着を防止することを目的とするバンプ（黒い半円）を有するように配置されている。ストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）は、衝撃によって生じた移動軸に沿った動きを制止させるために半剛性プルーフマスの両側に配置され、準可撓性プルーフマスの対称軸でもある移動軸（ｘ軸）を挟んで対称に配置されている。２つの対向するストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）の配置は、ストッパ構造体が移動軸に沿ってプルーフマスの両側に位置すると説明されてもよい。準可撓性プルーフマスおよびストッパ構造体は、移動軸（ｘ軸）と一致する対称軸から見て対称であることが好ましい。
【００４８】
図５ａ〜図５ｂは、フレーム状一次部分（１０１）を備えた準可撓性プルーフマスの衝撃後の動きを示す。デバイスに衝撃が加わった結果を見ると、この衝撃は、デバイスの通常動作範囲を明らかに超えており、準可撓性プルーフマスをｘ軸の負に向かって激しく移動させ始める。図５ａは、フレーム状一次部分（１０１）がストッパ構造体（１０５ａ）に衝突する第１の接触を示す。これは、一次部分（１０１）とストッパ構造体（１０５ａ）との間の星（２０１）で示される。この接触まで、準可撓性プルーフマスは、単一の剛性マスとして移動していたとみなされ得る。しかしながら、プルーフマスのかなりの部分、すなわち二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）が同じ方向にまだ移動し続け得るため、ストッパ構造体（１０５ａ）に衝突する一次部分（１０１）の衝突によって生じる力は、完全に非可撓性のプルーフマスがこの瞬間に制止するであろう場合よりも小さい。したがって、ストッパ構造体（１０５ａ）と一次部分（１０１）の両方が破損するリスクが低減される。衝撃が十分に強い場合、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）は、一次部分のこの停止時に残留する運動エネルギーを有する。ここで剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）が撓み始め、この移動に対する復元力（Ｆｒ）が生じ、それによって二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）に減加速度が発生し、その結果、それらの移動速度が低下する。また、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）により、この移動に対する力（Ｆ１、Ｆ２）が生じるが、それらのばね定数が剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｅ）のばね定数より低いため、この力は復元力（Ｆｒ）より多少弱い。二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の移動に対して剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）および主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）の行う仕事が、一次部分（１０２）が制止した時の二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の残留運動エネルギーを超える場合、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の移動は、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）が任意の他の構造体と接触する前に制止する。しかし、衝撃が十分に強ければ、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の少なくとも一方は、準可撓性プルーフマス構造体の他の部分に衝突し得る。図５ｂの例示的な状況では、左端の二次部分（１０２ａ）の二次部分に配置されたバンプ（１０５ｅ）が一次部分（１０１）と接触し、この二次部分（１０２ａ）は制止する。二次部分（１０２ａ）の運動速度は、特に第１のばね（１１０ａ、１１０ｃ）によって生じる復元力（Ｆｒ）で著しく低下しており、その結果、この接触による衝突と、この停止による一次部分（１０１）と二次部分（１０２ａ）の両方の破損のリスクとが、著しく低減される。
【００４９】
さらに、右端の二次部分（１０２ｂ）が、デバイスの構造部分と接触し得る。この例では、バンプの第２のセット（１０５ｆ）が、この目的のために配置されている。この場合、バンプの第２のセット（１０５ｆ）または右端の二次部分（１０１ｂ）のいくつかの他の部分が、剛性ばねと接触し得るであろう。これは、バンプ（１０５ｆ）が実際にそれぞれの剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）に達するほど十分にそれぞれの剛性ばねを屈曲させるのに、右端の二次部分（１０２ｂ）の運動エネルギーが十分であろう場合にのみ起こるであろう。最初の衝撃がそれほど強くなければ、これらの剛性ばね（１０５ｆ）が行う仕事は、右端の二次部分（１０２ｂ）を任意の他の構造体と接触する前に停止させるのに十分であり得るであろう。
【００５０】
剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）は、衝突によって屈曲する時に、衝突からエネルギーを蓄える。このエネルギーが再び放出されると、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）によって生じる力（Ｆ１、Ｆ２）と共に剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）による復元力（Ｆｒ）は、衝撃によって生じた運動と反対の復元運動を二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）にさせる。主ばねによって生じる放勢力（Ｆ１、Ｆ２）と共に復元力（Ｆｒ）により、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）は運動量を得、次いで、一次部分がストッパ構造体（１０５ａ）との接触から離れるように、一次部分（１０１）に向かう放勢力が生じる。したがって、準可撓性プルーフマスは、構造破損のリスクを低減するだけでなく、衝撃により互いに接触したかもしれない一次部分、二次部分および構造体の間の付着のリスクも低減する。
【００５１】
図６は、フレーム状二次部分を含むプルーフマスを有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ配置を示す例示的な実施の形態である。この実施の形態を図４と比較すると、ここで、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）は、二次部分（１０２）によって形成された筐体の外側に配置されていることに気づき得る。この実施の形態では、プルーフマスを基板に懸架している主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）は、二次部分（１０２）に連結されている。通常動作状態を超える衝撃を受けると、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）の一方は、それぞれのストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）に衝突し得る。ここで移動（ロータ）電極の櫛状を含む二次部分は、二次部分（１０２）に沿って移動し続け、二次部分（１０２）は、二次部分（１０２）に向かう復元力（Ｆｒ）も生じさせる剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ；１１０ｃ、１１０ｄ）によって、最終的に制止する。剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ；１１０ｃ、１１０ｄ）は、この例では、いわゆるカニ脚形状タイプであり、これにより、主な移動方向（ｘ軸）の方向に一次部分および二次部分が移動することができる。次いで、復元力（Ｆｒ）により、二次部分（１０２）が、その初期動作位置に向かって加速し始める。この加速は、比較的大きな二次部分（１０２）への運動量を生成し、次いで主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）によって生じる放勢力（Ｆ１、Ｆ２）と共に、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）とそれぞれのストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）との間の付着のリスクを低減する、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）への放勢力を生じさせる。二次部分（１０２）と、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）のどちらかとが、衝撃により互いに接触する場合の付着のリスクを低減するために、二次部分（１０２）と一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）との間にストッパ構造体（１０５ｅ、１０５ｆ）が導入されてもよい。
【００５２】
衝撃により、二次部分（１０２）に取り付けられたロータ櫛状フィンガー部は、二次部分（１０２）に配置されたバンプ（１０５ｅ、１０５ｆ）により制止するまで二次部分（１０２）が移動し得る距離と等しい総距離だけ移動し得る。これらのバンプ（１０５ｅ、１０５ｆ）は、任意選択の特徴であることが理解されるべきであり、これらを二次部分（１０２）の一部とみなすことができる。ロータ櫛状フィンガー部が移動し得る許容総距離は、ストッパ構造体（１０５ａ）と、それぞれの一次部分（１０１ａ）との第１の距離（ｄ１）と、一次部分（１０１ａ）と、平衡位置にある時の二次部分（１０２）との最小距離と等しい第２の距離（ｄ２）との合計として表され得る。ロータ櫛状フィンガー部とそれぞれのステータフィンガー部との最小距離が、この許容総距離より大きい場合、デバイスの重大な故障、または櫛状破砕によるデバイスの永久的な損傷を引き起こし得るであろう、ロータ櫛状フィンガー部がステータフィンガー部と直接接触するリスクはない。この例示的な配置では、二次部分が移動することができる距離は、一次部分（１０１ａ）と二次部分（１０２）との接触面積を減少させるためにさらに配置されている追加のバンプ（１０５ｅ）によって減少し、それによって、これら２つの間の付着のリスクは低減される。静止櫛状フィンガー部と可動櫛状フィンガー部との距離が、衝撃により二次部分（１０２）が可能な総移動量より大きくない場合、二次部分（１０２）に取り付けられたロータ櫛状がそれらの通常動作位置からより長い距離遠ざかれるようにすると、櫛状破砕のリスクが高まり得る。しかしながら、適切な設計をすれば、設計のこの選択は有用である。
【００５３】
図６の実施の形態は、図４および図５ａ〜図５ｂに示された実施の形態と非常に類似した方法で機能する。ここで、衝撃を受けた場合、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）の一方はまず、衝撃によって生じた移動の方向に応じてストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）に衝突するであろう。ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｃ）は硬いため、前記ストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）に衝突する一次部分（１０１ａまたは１０１ｂ）に取り付けられた１対の剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ；１１０ｂ、１１０ｄ）のみが、第１の接触により撓むであろう。そして、残りの準可撓性プルーフマス、すなわち二次部分（１０２）および他方の一次部分（１０１ｂまたは１０１ａ）は、二次部分（１０２）が追加のバンプ（１０５ｅ）に衝突することで恐らく制止するまで、単一のマスとして移動し続ける。二次部分（１０２）が追加のバンプ（１０５ｅ）に衝突する前に、衝撃による移動が制止するであろう場合、二次部分と他方の一次部分（１０１ｂまたは１０１ａ）とを連結する１対の剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ；１１０ｂ、１１０ｄ）は撓まないであろう。
【００５４】
さらに、図７ａ〜図７ｃは、準可撓性プルーフマスをｘ軸の負に向かって激しく移動させる衝撃を受けた時の、図６の実施の形態における構造の挙動を示す。明瞭にするために、図６の参照番号の一部しか図７ａ、図７ｂおよび図７ｃに付していないが、同じ参照番号がこれらの図の対応する構造部分を指すことが理解されるべきである。図７ａは、構造体間の第１の接触を示す。第１の一次部分（１０１ａ）が第１のストッパ構造体（１０５ａ）に衝突し、これにより、第１の一次部分（１０１ａ）は制止する。この衝突は、星（２０１）で示される。残りのプルーフマスが、第１の剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）の懸架能力を超える十分な運動エネルギーを有する場合、これらの剛性ばねは屈曲し始め、可動（ロータ）電極フィンガー部を備えた二次部分（１０２）、および第２の一次部分（１０１ｂ）を含む残りの準可撓性プルーフマスを、同じ元の方向に引き続き移動させる。準可撓性プルーフマスのまだ移動している部分（１０２、１０１ｂ）の運動エネルギーは、撓んでいる剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）によって生じる復元力（Ｆｒ１）とも呼ばれ得る拘束力に対して作用し、これらの部分の運動速度が低下する。また主ばねは、移動に対して、増大していく力（Ｆ１、Ｆ２）を生じさせる。すべての復元力（Ｆｒ１、Ｆ１、Ｆ２）が、プルーフマスのまだ移動している部分を制止させるほど十分ではない場合、二次部分（１０２）は、最終的に一次部分に衝突して制止する。これは、図７ｂにおいて星（２０２）で示される。この実施の形態では、小さなバンプ（１０５ｅ）が、二次部分（１０２）の一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）に対向する面に配置されている。これらの小さなバンプ（１０５ｅ）の目的は、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）と二次部分（１０２）との接触面積を減少させ、それによって、スティクションのリスクを低減することである。これらの小さなバンプ（１０５ｅ）は任意選択であり、二次部分（１０２）の一体部分であるとみなされてもよいことが理解されるべきである。強くない衝撃の場合には、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）によって生じる力（Ｆ１、Ｆ２）と共に第１の剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）の復元力（Ｆｒ１）が、移動および逆工程を制止させ、デバイスを通常動作に戻すのに十分であるため、二次部分が第１の一次部分（１０１ａ）に衝突する前に、二次部分の動きが制止することさえあり得る。
【００５５】
非常に強い衝撃の場合には、二次部分（１０２）が制止した後、第２の一次部分（１０１ｂ）の運動エネルギーは、衝撃によって生じた、第２の一次部分を同じ方向に向かって移動させる運動エネルギーが依然として存在するほど十分に高いことさえあり得る。この場合、剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）は撓み、第２の一次部分（１０１ｂ）の移動に対して復元力（Ｆｒ２）が生じ、第２の一次部分（１０１ｂ）に向かう減加速度が発生する。第２の一次部分（１０１ｂ）は、この力（Ｆｒ２）により制止する場合があり、または、力が第２の一次部分（１０１ｂ）の動きを制止させるほど十分でない場合は、図７ｃにおいて星（２０３）で示されるが、やがて二次部分（１０２）に衝突し、最後は、この方向（ｘ軸の負）の準可撓性プルーフマスのすべての部分の動きを完全に制止させ得る。繰り返すが、二次部分（１０２）の第２の一次部分（１０１ｂ）に面する側にある小さなバンプ（１０５ｅ）は、既に前に説明したように、それら２つの間のスティクションのリスクを低減するために配置されている。
【００５６】
ここで、衝撃によって生じた準可撓性プルーフマスの動きは即座に制止しないため、準可撓性プルーフマスおよびストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）に対する衝撃による衝突は、上で示した配置によって低減されるが、プルーフマスは、２以上の段階中、部分ごとに制止し、プルーフマスのその時移動している部分の速度、ひいては運動エネルギーは、ばねによって生じる復元力（Ｆ１、Ｆ２、Ｆｒ１、Ｆｒ２）により、これらの停止イベント間に低下することが理解し得る。したがって、構造破損のリスクが、プルーフマスとストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）の両方において低減される。
【００５７】
準可撓性プルーフマスが制止した後、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）および主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）の力によって復元運動が開始される。基本的に、この復元運動の段階は、上に記載したものの逆である。第２の一次部分（１０１ｂ）に取り付けられた剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）は、第２の一次部分（１０１ｂ）に向かう復元力（Ｆｒ２）を生じさせ、第２の一次部分（１０１ｂ）が、その初期動作位置に向かって後退し始める。第２の一次部分（１０１ｂ）は運動量を得て、二次部分（１０２）を引っ張る。二次部分（１０２）はまた、二次部分（１０２）に向かう、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）によって生じる復元力（Ｆｒ１）および主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）によって生じる復元力（Ｆ１、Ｆ２）により、同じ方向に押される。したがって、二次部分（１０２）は運動量を得る。ここで、二次部分（１０２）および第２の一次部分（１０１ｂ）は、プルーフマスの通常動作位置に向かう同じ方向に移動するが、これらの運動量は、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）によって生じる復元力（Ｆ１、Ｆ２）と共に、第１の一次部分（１０１ａ）を引っ張る放勢力を生じさせ、第１の一次部分（１０１ａ）が、確実に第１のストッパ（１０５ａ）との接触から解放される。第１の一次部分（１０１ａ）に向かう十分に大きな放勢力を生じさせるためには、二次部分（１０２）が大きいこと、すなわちプルーフマスの全質量の２０％を超えることが、機能にとって重要である。
【００５８】
準可撓性プルーフマスをｘ軸の負の方向に移動させる衝撃による挙動の例について記載してきたが、この例のプルーフマスは、対称的に設計されており、その結果、ｘ軸の正に向かって移動させる衝撃の場合と同じように挙動するであろうことが理解されるべきである。２つの対向するストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）の配置は、ストッパ構造体が移動軸に沿ってプルーフマスの両側に位置すると言うことにより説明されてもよい。準可撓性プルーフマスおよびストッパ構造体は、移動軸（ｘ軸）と一致する対称軸から見て対称であることが好ましい。
【００５９】
図８は、二重ストッパ構造体を有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ配置の例示的な実施の形態を示す。
【００６０】
準可撓性プルーフマスを基板に懸架している主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）が、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）に連結されている。ここで、両方の一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）が、ｘ軸方向の衝撃の場合にまずストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）に衝突するように構成され、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）は、衝撃によって生じる衝突が直線梁で形成された剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１０ｃ、１１０ｄ）の復元能力を超える場合、ストッパ構造体（１０５ｃ、１０５ｄ）のみに衝突する。この例では、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）は、ｘ軸と一致する対称軸の両側に対称的に整列した平行位置に配置されており、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の各々は、垂直に、この対称軸を挟んで対称に配置されている。プルーフマスの構造が移動主軸（この場合、ｘ軸）に対して対称であることにより、ｘ軸方向の直線運動が常に容易になる。移動（ロータ）櫛状は、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）に取り付けられ、静止（ステータ）櫛状フィンガー部は、ＭＥＭＳデバイスの本体に対して移動可能でなく、基板で固定された構造体であるステータ（１００）に連結されている。一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）の外縁部は、それぞれの第１のストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）から第１の距離（ｄ１）だけ離れており、二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の外縁部は、それぞれの第２のストッパ構造体（１０５ｃ、１０５ｄ）から第２の距離（ｄ２）だけ離れている。二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）がストッパ構造体（１０５ｃ、１０５ｄ）に衝突する前に、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）がストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）に衝突するように、第１の距離（ｄ１）は第２の距離（ｄ２）より短い。
【００６１】
追加のバンプ（１０５ｅ）が一次部分に配置されているが、非常に強い衝撃の場合を除き、第２のストッパ構造体（１０５ｃ、１０５ｄ）に恐らく衝突するプルーフマスの二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）は、平衡位置から遠ざかる時に追加のバンプ（１０５ｅ）に衝突するようには構成されていない。
【００６２】
例として、図８で説明したような例示的な実施の形態の準可撓性プルーフマスをｘ軸の負に向かって移動させる衝撃によって生じる衝突について、検討することができる。これは、図９ａ〜図９ｃに示される。繰り返すが、図８のすべての参照番号が図９ａ、図９ｂおよび図９ｃに付されているわけではなく、これらの図は同じ構造を示すため、構造部分のいずれの参照番号も図８に見つけ得ることが理解され得る。衝撃後、図９ａに星（２０１）で示されるように一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）が第１のストッパ構造体（１０５ａ）に衝突するまで、プルーフマス全体はまず、単一の実体として移動する。第１のストッパ構造体（１０５ａ）の形状は、自由に選択されてもよい。この例では、第１のストッパ構造体（１０５ａ）は、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）がｘ軸の負の方向にその平衡位置から第１の距離だけ移動する時に一次部分と接触するように構成されている２つのストッパバンプを備える。一次部分および二次部分を共に懸架している剛性ばねを含むプルーフマス全体は、この時点まで硬い構造として機能したため、プルーフマスの変形は生じなかった。プルーフマスの一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）のみが第１のストッパ構造体（１０５ａ）に衝突するが、プルーフマス全体がストッパ構造体に衝突して直ちに制止するであろう状況と比べて、この衝突の影響は比較的低い。したがって、プルーフマスと第１のストッパ構造体（１０５ａ）の両方の破損のリスクが低減される。衝撃によって生じる加速が十分に大きく、デバイスの通常動作状態を十分に超える場合、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）はここで撓み始め、二次部分（１０２ａ）をｘ軸の負に向かって引き続き移動させる。ここで、プルーフマスのまだ移動している部分の動きに対して、特に二次部分（１０２ａ）に対して、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）によって、そのばね定数に起因する復元力（Ｆｒ１）が生じ、プルーフマスのまだ移動している部分に減加速度が発生し、衝撃によって生じる移動の速度は、この復元力により低下する。剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）によって生じる復元力が、衝撃による衝突およびプルーフマスのまだ移動している部分の残留運動エネルギーと比較して十分に強い場合、二次部分（１０２ａ）が第２のストッパ構造体（１０５ｃ）に達する前に、プルーフマスのまだ移動している部分の動きが制止し得る。そのような場合、プルーフマスが制止した後に、衝撃からの復元運動が始まる。繰り返すが、第２のストッパ構造体の形状は、目的に合うように自由に選択されてもよい。２つの二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）を備えたこの例では、一方の第２のストッパ構造体（１０５ｃ）は、プルーフマスがｘ軸の負の方向に移動する時に第１の二次部分（１０２ａ）を制止させるように構成された２つのバンプを有し、他方の第２のストッパ構造体（１０５ｄ）は、プルーフマスがｘ軸の正の方向に移動する時に第２の二次部分を制止させるように構成された２つのバンプを有する。ストッパ構造体は、固定することもできるであろうし、可撓性をもたせることもできるであろう。
【００６３】
衝撃が強い場合、二次部分（１０２ａ）は、図９ｂに星（２０２）で示されるように第２のストッパ構造体（１０５ｃ）に衝突し得、この衝突により、二次部分（１０２ａ）が制止する。一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）がより早く制止し、準可撓性プルーフマスの運動エネルギーの一部が第１のばね（１１０ａ、１１０ｃ）の張力に変換されるため、一方の二次部分（１０２ａ）のこの停止は、衝撃によるプルーフマスの最初の移動より著しく低い速度から生じており、その結果、二次部分（１０２ａ）が第２のストッパ構造体（１０５ｃ）に衝突する衝突の影響は比較的低い。さらに、プルーフマスの一方の二次部分（１０２ａ）のみが第２のストッパ構造体（１０５ｃ）によって制止し、他方の二次部分（１０２ｂ）は、剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）によって一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）に懸架され、それぞれの剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）を撓ませるのに十分な運動エネルギーを有する場合、まだ移動し続け得る。まだ移動しているマスの質量および速度、ならびに、この第２の段階で制止するプルーフマスのまだ移動している部分の寸法を減少させることによって、プルーフマスまたは第２のストッパ構造体（１０５ｃ）の破損のリスクがさらに低下する。
【００６４】
非常に強い衝撃の場合には、第２の二次部分（１０２ｂ）は、第１の二次部分（１０２ａ）がストッパ構造体（１０５ｃ）によって制止した後に、依然としていくらかの運動エネルギーを有し得、このエネルギーが剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）によって生じる張力を超える場合、第２の二次部分（１０２ｂ）は、ｘ軸の負に向かって移動し続け得るが、再び、運動エネルギーおよび速度が著しく低下する。これは、図９ｃに示される。衝突のエネルギーが十分に大きい場合、第２の二次部分（１０２ｂ）に取り付けられた剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）は撓み、衝撃による衝突に対して作用するさらなる復元力（Ｆｒ２）が生じ得る。極限の状況では、第２の二次部分（１０２ｂ）は、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）の第２の二次部分（１０２ｂ）に面している側に配置された追加のストッパ構造体（１０５ｅ）にも衝突し得る。
【００６５】
全体として、衝撃によって生じた衝突は、このように、それぞれ衝突の一部を伝え、衝撃によって生じた応力を分配する一連のイベントに分けられ得る。各イベントとは、プルーフマスの複数部分の部分的な停止、および、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ；１１０ｂ、１１０ｄ）によって生じる復元力によるプルーフマスの一次部分および二次部分（１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ）の減速である。また、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）は復元力を生じさせ、移動方向に（運動軸に沿って）可撓性を有することが意図されるが、この力は剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ；１１０ｂ、１１０ｄ）によって生じる復元力より明らかに小さい。
【００６６】
剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ；１１０ｂ、１１０ｄ）によって生じる復元力（Ｆｒ１、Ｆｒ２）、および主ばねによって生じる力（Ｆ１、Ｆ２）によって、プルーフマスはその初期位置に向かって戻り始める。このことは、復元運動を、衝撃によって生じる運動の段階と反対のものとして説明することにより、簡単にしてもよい。
【００６７】
第１の二次部分（１０２ａ）に連結された剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）の撓みをかろうじて生じさせるくらいの強い衝撃の場合には、第１の二次部分（１０２ａ）は、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｃ）によってｘ軸の正の方向に生じる復元力（Ｆｒ１）により、復元運動で移動し始める。さらなる放勢力Ｆ１が、主ばね（１０８ａ）によって生じ、第１の二次部分（１０２ａ）を第２のストッパ（１０５ｃ）から引き離す。第１の二次部分（１０２ａ）が準可撓性プルーフマスの全質量のかなりの部分を占めるが、この比較的大きな移動部分の運動量は、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）の放勢力（Ｆ１）と共に、プルーフマスの一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）への放勢力を生じさせ、その結果、プルーフマスは、第１のストッパ（１０５ａ）との接触から効果的に引き離される。したがって、付着のリスクが低減される。
【００６８】
第２の二次部分（１０２ｂ）に取り付けられた剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）さえも撓ませるほど十分に強い、非常に強い衝撃からの復元の場合、これらの剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）は、追加の復元力（Ｆｒ２）をもたらし、第２の二次部分（１０２ｂ）に対して復元する運動量を生じさせ、これによって、残りのプルーフマスに向かう、特に一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）に向かう追加の放勢力が生じ得る。剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）によって生じる復元力（Ｆｒ１、Ｆｒ２）、および復元力（Ｆｒ１、Ｆｒ２）によって生じるプルーフマスの移動部分の運動量により、準可撓性プルーフマス全体は、単一の非可撓性構造体のように見えるその初期の通常動作位置に効果的に戻される。剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）によって生じる復元力（Ｆｒ１、Ｆｒ２）に加えて、主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）は、通常動作位置の復元を容易にする放勢力を生じさせる。しかしながら、主ばねは比較的緩いため、主ばねによって生じる放勢力は、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）によって発生する復元力より著しく弱い。
【００６９】
上記の構造は、プルーフマスをｘ軸の正に向かって移動させる衝撃を受けた場合、同様の方法で機能するであろうことが理解されるべきである。次いで、機能は、上記のものの鏡像になるであろう。第１のストッパおよび第２のストッパ（１０５ａ、１０５ｃ；１０５ｂ、１０５ｄ）を各々備える２つの対向するストッパ構造体の配置は、ストッパ構造体が移動軸に沿ってプルーフマスの両側に位置すると言うことにより説明されてもよい。準可撓性プルーフマスおよびストッパ構造体は、移動軸（ｘ軸）と一致する対称軸から見て対称であることが好ましい。
【００７０】
さらに、プルーフマスをｘ軸の負に向かって移動させる非常に強い衝撃が、図８のデバイスに衝突する場合を検討する。これは、図１０に示される。一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）と第１の二次部分（１０２ａ）の両方が、ストッパ構造体に衝突したために制止し、プルーフマスの第２の二次部分（１０２ｂ）が、依然として衝撃方向に運動エネルギーを有する場合には、第２の二次部分（１０２ｂ）は、ｘ軸の負に向かってさらに移動し、さらなる復元力（Ｆｒ２）が、第２の二次部分（１０２ｂ）に取り付けられた剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）に生じてもよい。図１０に示されるように、これらの剛性ばね（１１０ｂ、１１０ｄ）によって生じる復元力（Ｆｒ２）が十分でないであろう場合、第２の二次部分は、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）の構造に配置された追加のバンプ（１０５ｅ）に衝突し得、最終的に、衝撃によって開始されたｘ軸の負への移動が制止するであろう。繰り返すが、この停止により生じる衝突は、第１のストッパ構造体および第２ストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ）によって、かつ剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）に一時的に蓄えられたエネルギーによって生じる、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）および第１の二次部分（１０２ａ）の初期段階の停止によって生じる減衰により著しく低減され、その結果、追加のストッパ構造、ならびに準可撓性プルーフマスの一次部分および二次部分の破損のリスクが低減される。
【００７１】
この第２の実施の形態の復元移動は、剛性ばね（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）によって生じる復元力によって最初に引き起こされる。復元運動をしている二次部分（１０２ａ、１０２ｂ）の運動量、および主ばね（１０８ａ、１０８ｂ）による放勢力（Ｆ１、Ｆ２）は、第１のストッパ構造体（１０５ａ）との接触から一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）を離しやすくし、それにより、信頼性があり、効果的な方法でデバイスを通常動作位置に戻すことができる。
【００７２】
二重ストッパ構造体を有する準可撓性プルーフマスＭＥＭＳ配置の実施の形態では、移動（ロータ）櫛状電極構造体が、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）に取り付けられていることに気づき得る。したがって、移動櫛状フィンガー部は、一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）が制止するまでの間に限り、衝撃により移動する。この特徴により、第１のストッパ構造体（１０５ａ、１０５ｂ）は、この実施の形態において「櫛状ストッパ」と呼ばれ得る。一次部分（１０１ａ、１０１ｂ）に移動櫛状フィンガー部を取り付けることによって櫛状の移動を最小化することは、前述のように電極の短絡のリスクを低減するため有益である。
【００７３】
上記の構造は、プルーフマスをｘ軸の正に向かって移動させる衝撃を受けた場合、同様の方法で機能するであろうことが理解されるべきである。次いで、機能は、上記のものの鏡像になるであろう。第１のストッパおよび第２のストッパ（１０５ａ、１０５ｃ；１０５ｂ、１０５ｄ）を各々備える２つの対向するストッパ構造体の配置は、ストッパ構造体が移動軸に沿ってプルーフマスの両側に位置するとして説明されてもよい。  準可撓性プルーフマスおよびストッパ構造体は、移動軸（ｘ軸）と一致する対称軸から見て対称であることが好ましい。
【００７４】
上記の例は、主に、ｘ軸方向の原理を示すが、同じ発明原理が任意の方向の移動軸に沿った移動に適用されてもよいことが理解されるべきである。２以上の軸に沿った準可撓性プルーフマスを設計し、かつ、それぞれの２以上の軸に沿って前記プルーフマスの両側に１セットの第１のストッパ構造体および１セットの第２のストッパ構造体を含めることによって、デバイスの衝撃耐性および復元は、２以上の軸に沿って改善され得る。これらの２以上の軸は、相互に直交してもよいが、直交する必要はない。提示された配置は、少なくとも１つの移動軸に沿った直線移動のために構成されたプルーフマスに特に有用である。プルーフマスの直線移動は、例えば、前の実施の形態のｘ軸またはｙ軸に沿うなどのデバイスの平面内に、または、提示された実施の形態におけるｚ軸に沿ったデバイスの平面外に生じてもよい。さらに、準可撓性プルーフマスは、多数の異なる軸に沿った、またはその軸を中心とする運動が意図されたが、プルーフマスは、たった１つの選択された移動軸の方向に準可撓性を有するように構成されてもよい。
【００７５】
技術の進歩に伴い、本発明の基本的な考えが様々な方法で実施され得ることは、当業者に明らかである。よって、本発明およびその実施の形態は、上記例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で変わってもよい。
【図１】
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【図２】
0006562155.tif 000003
【図３】
0006562155.tif 000004
【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
0006562155.tif 000007
【図６】
0006562155.tif 000008
【図７ａ】
0006562155.tif 000009
【図７ｂ】
0006562155.tif 000010
【図７ｃ】
0006562155.tif 000011
【図８】
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【図９ａ】
0006562155.tif 000013
【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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