(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度計システムであって、
第１電極構成と、第２電極構成と、前記第１および第２電極構成間の慣性質量とを備えた加速度計センサであって、加速度計センサに関連する３つの直交する中央平面の各々に対して対称的に構成された加速度計センサと、
前記第１および第２電極構成の各々に、等しくかつ互いに逆の振幅を有する第１及び第２の電圧に関連する複数の制御信号を印加して前記第１および第２電極構成間のヌル位置に前記慣性質量を維持する力を与えるように構成された加速度計コントローラであって、前記加速度計コントローラはさらに、前記第１および第２電極構成にそれぞれ関連付けられ、前記ヌル位置に対する前記慣性質量の変位を示す第１ピックオフ信号および第２ピックオフ信号を測定し、前記第１および第２ピックオフ信号に基づいて加速度を計算するように構成されている、前記加速度コントローラと、
実装用インターポーザであって、前記加速度計センサと実装用インターポーザとを分離する第１平面に沿って設けられた機械的に適合した接着剤を介して前記加速度計センサが実装用インターポーザ上に実装されており、前記接着剤が前記第１平面に直交する２つの直交平面に対して対称なパターンで配置されている、前記実装用インターポーザとを備える加速度計システム。
【請求項２】
前記第１電極構成は、第１のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ層から製造され、前記第２電極構成は、第２のＳＯＩウェハ層から製造され、前記慣性質量は、半導体ウェハ層から製造されている、請求項１に記載の加速度計システム。
【請求項３】
前記第１電極構成および前記第２電極構成の各々は、前記第１電極構成および前記第２電極構成に対して実質的に均一な電荷分布を形成するように配置された電気接続部を備える、請求項１に記載の加速度計システム。
【請求項４】
前記第１電極構成および前記第２電極構成の各々は、前記慣性質量の変位に応じて前記第１および第２電極構成の周辺に向かう空気の流れを形成するようにそれぞれの電極構成にエッチングされた溝のパターンを備える、請求項１に記載の加速度計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概してセンサシステムに関し、より詳細には、加速度計センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、加速度計などの力平衡検知機器では、機器の出力信号が検知対象の入力の条件に比例することが一般に、望ましい。このため、多くのタイプの静電力および電磁力平衡検知器では、機器出力と検知入力との線形関係を得るために特別な技術が必要とされる。静電および電磁機器では、機器フォーサ（forcer）によって加えられる力は、そのフォーサに供給されるフィードバック電圧または電流に対して線形性を有していない。機器自体の最適動作のためには、フィードバック制御回路によって加えられるフィードバック力が、検知入力に対して線形の関係を有することが好ましい。したがって、このような線形性を得るために特別な技術が採用されている。
【０００３】
一例として、静電力平衡型加速度計では、閉ループシステムにおける静電力は慣性質量またはプルーフマスからの出力を位置決めし取得するために使用される。静電力システムは、シリコン基板からエッチングされた振り子部材の各側に容量性ピックオフ電極を使用する。そして、一定量の電荷を各電極に順次印加するために制御パルスが用いられる。各プレート上に電荷が残される時間（例えば、デューティサイクル）を変化させることによって慣性質量に可変の力が適用される。各プレート上に電荷が残される時間はヌル位置に対する慣性質量の変位に基づく。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、所与の加速度計機構におけるフィードバックシステムは、慣性質量の両側で、測定される静電容量を等しくして慣性質量をヌル位置に維持するように設計される。その結果、プルーフマスは、支持部に対してどれだけの変位が生じるかにかかわらず、測定される静電容量を等しくするために必要な位置に移動される。典型的には、慣性質量の両側で静電容量が等しい場合、加速度計は一対の平行平板コンデンサを形成すると仮定される。しかしながら、多くの機械的および電気的要因により、慣性質量のいずれかの側において不均一な電荷分布および／またはピックオフ電極での有効印加電荷の大きさにおける誤差が生じ、その結果、加速度などの外部の影響によって慣性質量に入力される特定の力の測定に誤差が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態は、加速度計システムを含む。加速度計システムは、第１および第２電極構成と、前記第１および第２電極構成間の慣性質量とを備えた加速度計センサを含む。前記加速度計センサは、３つの直交する中央平面の各々に対して対称的な配置で構成されている。前記加速度計システムは、前記第１および第２電極構成の各々に制御信号を印加して前記第１および第２電極構成間のヌル位置に前記慣性質量を維持する力を与えるように構成された加速度計コントローラも含む。前記加速度計コントローラは、前記第１および第２電極構成にそれぞれ関連付けられ、前記ヌル位置に対する前記慣性質量の変位を示し得る第１ピックオフ信号および第２ピックオフ信号を測定して、前記第１および第２ピックオフ信号に基づいて加速度を計算するように構成し得る。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、加速度計システムを含む。加速度計システムは、第１電極構成と、第２電極構成と、前記第１および第２電極構成間の慣性質量とを備える加速度計センサとして構成された集積回路（ＩＣ）チップを含む。また、前記加速度計システムは、前記第１および第２電極構成の各々に制御信号を印加して前記第１および第２電極構成間のヌル位置に前記慣性質量を維持する力を与えるように構成された加速度計コントローラを含む。前記加速度計コントローラは、前記第１および第２電極構成にそれぞれ関連付けられ、前記ヌル位置に対する前記慣性質量の変位を示す第１ピックオフ信号および第２ピックオフ信号を測定して、前記第１および第２ピックオフ信号に基づいて加速度を計算するようにさらに構成されている。また、前記加速度計システムは実装用インターポーザを含む。前記ＩＣチップは、前記ＩＣチップと実装用インターポーザとを分離する第１平面に沿って設けられた機械的に適合した接着剤を介して実装用インターポーザ上に実装されており、前記接着剤は、前記第１平面に直交する２つの直交平面に対して対称なパターンで配置されている。前記加速度計システムはさらに、前記ＩＣチップと前記加速度計コントローラと前記実装用インターポーザとを少なくとも部分的に包囲する加速度計ケースを含む。前記実装用インターポーザは、前記ＩＣチップと前記加速度計ケースとを相互接続するように、前記機械的に適合した接着剤を介して前記加速度計ケースの表面上に実装されている。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、加速度を計算する方法を含む。方法は、加速度計センサに関連付けられ、慣性質量に対向するように配置された第１電極アセンブリおよび第２電極アセンブリの各々に対し、正の振幅を有する第１電圧に基づいて電荷を供給することを含む。また、前記方法は、第１測定サイクルにおいて、前記第１および第２電極アセンブリに関連付けられた第１ピックオフ電圧を測定することを含む。また、前記方法は、前記第１電圧に等しい逆の振幅を有する第２電圧に基づいて、前記第１および第２電極アセンブリに対し電荷を供給することを含む。また、前記方法は、第２測定サイクルにおいて、前記第１および第２電極アセンブリに関連付けられた第２ピックオフ電圧を測定することを含む。また、前記方法は、前記第１および第２測定サイクルのそれぞれに関連する前記第１および第２ピックオフ電圧間の差の平均を計算することを含む。前記方法はさらに、前記加速度に起因する前記慣性質量の変位を計算することを含む。
【０００８】
本発明の更に別の実施形態は、加速度計システムを含む。加速度計システムは、第１電極構成と、第２電極構成と、前記第１および第２電極構成間の慣性質量とを備える加速度計センサを含む。また、前記加速度計システムは加速度計コントローラを含む。前記加速度計コントローラは、入力電圧に応答して前記第１電極構成上に第１電荷を供給するための第１電圧を生成するように構成された第１電荷増幅器システムと、前記入力電圧に応答して前記第２電極構成上に第２電荷を供給するための第２電圧を生成するように構成された第２電荷増幅器システムとを備え、前記第１および第２電極構成間のヌル位置に前記慣性質量を維持するように構成された信号発生器を含む。前記第１および第２電荷増幅器システムの各々は、カスケード配置された第１増幅器と第２増幅器を含む。また、前記加速度計コントローラは、前記第１電荷に関連する第１ピックオフ信号と前記第２電荷に関連する第２ピックオフ信号とに基づいて加速度を計算するように構成された加速度プロセッサを含む。前記第１および第２ピックオフ信号は、前記ヌル位置に対する前記慣性質量の変位を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】加速度計システムの例を示す図。
【図２】ウェハアセンブリの例示図。
【図３】加速度計センサの例を示す図。
【図４】加速度計センサの一部の例示図。
【図５】加速度計センサの一部の他の例示図。
【図６】加速度計システムの他の例を示す図。
【図７】加速度計センサ実装システムの例示図。
【図８】加速度計システムの別の他の例を示す図。
【図９】信号発生器システムの一部の例を示す図。
【図１０】加速度計システムの誤差を低減するアルゴリズムの例を示す図。
【図１１】加速度を計算する方法の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この開示は、概してセンサシステムに関し、特に、加速度計センサシステムに関する。加速度計センサシステムは、慣性質量（例えば、プルーフマス）と電極構成（例えば、慣性質量のいずれかの側に設けられる）とを備えるセンサを含み得る。センサは、慣性質量および／または電極に供給される（例えば、制御電荷として供給される）制御信号に応答して、ピックオフ信号（例えば、加速度フィードバック信号）を供給し得る。ピックオフ信号は、外部加速によってもたらされる慣性質量の変位を示す。加速度計センサシステムはさらに、加速度計システムに作用する入力加速度の大きさをピックオフ信号に基づいて算出するように構成された加速度コントローラを含む。加速度計コントローラは、制御信号を生成するように構成された信号発生器と、ピックオフ信号を測定するように構成された測定システムとを含む。
【００１１】
各電極構成は、印加された電荷をピックオフ信号に対応する電圧として測定することが可能な慣性質量に対する平行平板コンデンサに相当する。この電圧は、各電極構成に関連する平行平板コンデンサの静電容量および慣性質量に基づくことができる。したがって、電極構成に対し慣性質量の両側で静電容量が等しい場合、慣性質量は（例えば、第１および第２電極構成に対して）その慣性質量の各側の等しい電圧に対応する電気的ヌル位置にあると仮定される。しかしながら、多くの機械的および電気的要因が、慣性質量のいずれかの側の電極構成において電荷の不均一な分布をもたらし得る。その結果、慣性質量の両側の静電容量の測定に誤差が生じ得る。そのような誤差は、ヌル位置からの慣性質量の変位の適切な測定を阻害し、外部加速度の成分として現れ得る。
【００１２】
加速度計システムは、電極構成上の電荷の不均一な電荷分布を実質的に低減するために種々の特徴を有し得る。一例として、加速度計センサは、３つの直交する中央平面の各々に対して対称的に配置可能な多層シリコン構造（例えば、集積回路）として製造することができる。電極構成は、その電極構成にわたって実質的に均一な電荷分布を提供するために同じく対称性を有する電気接続部を備え得る。また、加速度計システムは、２つの直交平面に対して対称なパターンで配置された接着剤を介して、加速度計センサのＩＣと加速度計ケースとの間に実装用インターポーザを実装することなどに基づいて機械的および熱的応力を実質的に緩和するように製造することができる。また、同様に実質的に誤差を低減するために、電極構成間におけるピックオフ信号の差が平均化された交互の正および負の電圧（例えば、互いに等しくゼロに対して反対の振幅）に基づいて、電極構成に供給される電荷を順次提供することができる。また、信号発生器は、第１および第２電荷増幅器システムを含み得る。第１および第２電荷増幅器はそれぞれ、一対のカスケード接続された増幅器として設けられ、第１および第２電荷増幅器システムのそれぞれの入力に対し入力電圧を順次供給する切り替えシステムなどに基づいて加速度計センサの電極構成に電荷を供給する。このため、不均一な電荷分布に起因する誤差の原因を実質的に低減することができる。
【００１３】
図１は、本発明の一態様による加速度計システム１０の一例を示す。加速度計システム１０は、ナビゲーションシステムおよび／またはガイダンスシステムなどの様々な任意のアプリケーションに実装可能である。一例として、加速度計システム１０は、ナビゲーションシステムに対応する計器ブロックの一部として加速度計ケース内に配置することができる。加速度計システム１０は、図１の例では信号ＡＣＣとして示されている加速度計システム１０に作用する外部入力加速度を測定するように構成することができる。本開示において、外部加速度または入力加速度は、加速度計システム１０に加えられる外力に起因する加速度計システム１０の加速度として定義され、重力だけでなく、他の外力に起因する加速度を含み得る。本開示において、加速度計システム１０は、不均一な電荷分布などに関連する誤差を実質的に低減するように外部加速度ＡＣＣを算出するように構成することができる。
【００１４】
加速度計システム１０は、加速度計センサ１２を含む。一例として、加速度計センサ１２は、集積回路（ＩＣ）として構成することができ、加速度計センサ１２は、チップとして製造することができる。加速度計センサ１２は、慣性質量１４、第１電極構成１５、および第２電極構成１６を含み、慣性質量１４が電極構成１５，１６間に配置されている。慣性質量１４は、外部加速度とは反対の方向に力を受けるように配置され得る。加速度計コントローラ１８は、信号発生器２０、測定システム２２、および加速度プロセッサ２４を含む。信号発生器２０は、力を再平衡化するように実質的な電気的ヌル位置に慣性質量１４を維持するべく各電極構成１５，１６に供給される制御信号ＳＩＧを生成するように構成されている。測定システム２２は、図１の例では、慣性質量１４に対する各電極構成１５，１６の静電容量に関連する信号ＰＯとして示されたピックオフ信号を測定するように構成されている。これにより、測定システム２２は、信号ＰＭとして示された慣性質量１４の変位の指標を加速度プロセッサ２４に提供することができる。したがって、加速度プロセッサ２４は、信号発生器２０を制御し、制御信号ＳＩＧの振幅、極性、持続時間、およびデューティサイクルのうちの１つまたは複数を調整するなどして、慣性質量１４の力再平衡化を図ることができる。これにより、加速度プロセッサ２４は、慣性質量１４のヌル位置への力再平衡化に基づき慣性質量１４に作用する力に応じて、加速度計システム１０の入力加速度ＡＣＣを算出するように構成することができる。
【００１５】
一例として、信号発生器２０は、実質的に等しい逆の振幅の電荷パルス（例えば、電流パルス）を生成することができる。加速度プロセッサ２４は、その電荷パルスを電極構成１５，１６に所定の順で供給することにより、慣性質量１４をそれぞれのヌル位置に向かって（例えば、慣性質量１４を再平衡させるように）加速させる静電力を発生させる。例えば、加速度プロセッサ２４は、信号発生器２０によって生成された電荷パルスを第１電極構成１５に供給した後に第２電極構成１６に交互に供給することで、交互に逆極性となる静電力を生成することができる。その結果、慣性質量１４は第１および第２の方向に交互に加速されて、各電荷パルス印加時に慣性質量１４がヌル位置に向けて位置決めされる。加速度プロセッサ２４は、外力に応答して、より大きな再平衡化力を慣性質量１４の一側に適用するように、制御信号ＳＩＧに対応する電流パルスのデューティサイクルをパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で変化させることができる。
【００１６】
各電極構成１５，１６と慣性質量１４との間の容量性結合の結果として、慣性質量１４の相対変位の指標であるピックオフ信号ＰＯが電極構成１５，１６において生成される。これにより、ピックオフ信号ＰＯは、各電極構成１５，１６に対する慣性質量１４の変位（例えば容量性ギャップ）に応じたものとなり得る。したがって、ピックオフ信号ＰＯは、慣性質量１４の相対変位の大きさの指標を提供することができる。測定システム２２は、このピックオフ信号Ｐ０に基づいて、慣性質量１４の変位に相当する信号ＰＭおよび／または慣性質量１４の変位の時間積分を、外部加速の結果として生成することができる。したがって、加速プロセッサ２４は、出力信号ＰＭに基づいて外部加速度ＡＣＣの大きさを算出するように構成することができる。
【００１７】
加速度計システム１０の動作は、前述したように、理想的な製造条件および動作条件に基づいている。しかしながら、典型的な加速度計システムでは、所与の加速度計センサの幾何学的形状や、慣性質量を安定化するフィードバック方法（閉ループ力平衡加速度計）および／または慣性質量の変位を測定する方法（開ループ加速度計）に関して、不適切な仮定がしばしば示される。面外タイプの加速度計の例において、最も一般的な仮定は電極と慣性質量との界面が平行平板コンデンサを形成することである。この仮定は機器の解析に関わる計算の大幅な簡略化をもたらし、加速度計の性能特性の合理的な一次推定を提供することができる。しかし、プルーフマスと電極のフラットな平行平面の仮定は誤りである可能性がある。所与の加速度計センサの物理的幾何学の高精度測定は、並列性の仮定がしばしば非常に貧弱であることを明らかにし得る。一例として、慣性質量と電極との間のギャップに対する個々の加速度計センサの歪みは公称ギャップの１０％以上となり得る。この歪みは、所与の加速度計センサの容量性ギャップにおける平行平板の仮定を実質的に無効にし得る。チップレベルでの歪みの原因には、撓みや、反りや、厚さばらつきなどのウェハ製造公差だけでなく、製造プロセスに起因するウェハ内残留応力が含まれ得る。チップレベルでの歪みの他の原因には、チップを構成する材料（例えば、シリコンと二酸化シリコン）間の熱膨張係数の不一致が含まれ得る。
【００１８】
所与の加速度計センサの歪みは、バイアス誤差をもたらすなどの、電気的ヌルの不一致を招き得る。さらに、この歪みは、電極および慣性質量上の電荷分布を変更し、各電極上の電荷分布の不均一などを招き得る。このような不均一な電荷分布は、均一な電荷分布を有する平行で平らな表面と比較して、電極全体における単位電荷当たり（または単位電圧当たり）の印加静電力の変化を招き得る。さらに、この不均一な電荷分布は（力再平衡型の加速度計で）印加された力に加えられる正味の印加トルクにおいて電極とプルーフマスとの間で不均一な力分布を招き得る。さらには、種々の材料間の熱膨張係数の差は、温度に依存したチップの歪みを招いて、単位電荷当たりに慣性質量に加えられるトルクや力の温度依存変化を生じさせるだけでなく、加速度計システムの検知軸方向の変化を招き得るものとなり、温度に対する位置ずれを生じさせる。したがって、これらの要因はすべて、測定された加速度の誤差の原因となり得る。本開示において、加速度計システム１０は、測定された加速度ＡＣＣにおける誤差を実質的に低減することができる種々の特徴を含み得る。
【００１９】
図２は、ウェハアセンブリ５０の例示的な図を示す。ウェハアセンブリ５０は、図１に例示される加速度計センサ１２などの加速度計センサの製造における初期段階に相当し得る。ウェハアセンブリ５０は、第１ウェハ層５２、第２ウェハ層５４、および第３ウェハ層５６を含む。第１ウェハ層５２は、第１電極構成１５を含む加速度計センサ１２の第１部分に相当し得る。第２ウェハ層５４は、第２電極構成１６を含む加速度計センサ１２の第２部分に相当し得る。第３ウェハ層５６は、慣性質量１４を含む加速度計センサ１２の部分に相当し得る。
【００２０】
図２の例では、ウェハアセンブリ５０は、Ｙ−Ｚ平面における断面図で示されている。図２の例では、第１および第２ウェハ層５２，５４は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ層として製造される。例えば、第１ウェハ層５２は、第１シリコン層５８、酸化物層６０、第２シリコン層６２、および二酸化シリコン層６４を含む。同様に、第２ウェハ層５４は、第１シリコン層６６、酸化物層６８、第２シリコン層７０、および二酸化シリコン層７２を含む。したがって、第２ウェハ層５４は第１ウェハ層５２に対して反転して示される。第３ウェハ層５６は、第１の二酸化シリコン層７６と第２の二酸化シリコン層７８とを相互接続する半導体（例えば、シリコン）層７４を含む。ウェハ層５２，５４，５６は、加速度計センサ１２を形成するようにエッチングおよび／または他の処理が行われる。本開示において、ウェハアセンブリ５０は、加速度計センサに対応するＩＣチップを形成するように製造され得る。
【００２１】
図３は、加速度計センサ１００の一例を示す。この加速度計センサ１００は、完成した加速度計センサを製造するべくエッチングおよび／または他の処理ステップを経たウェハアセンブリ５０に対応し得る。加速度計センサ１００は、エッチングおよび／または処理された第１ウェハ層５２に相当し得る第１の層１０２と、エッチングおよび／または処理された第２ウェハ層５４に相当し得る第２の層１０４と、エッチングおよび／または処理された第３ウェハ層５６に相当し得る第３の層１０６とを含む。一例として、加速度計センサ１００は、図１の例における加速度計センサ１２に対応し得る。このため、加速度計センサ１００は、ＩＣチップとして製造することができる。したがって、以下の図３の例の説明では、図１および図２に付された符号を参照する。
【００２２】
加速度計センサ１００は、慣性質量１０８、第１電極構成１１０、および第２電極構成１１２を含む。第１および第２電極構成１１０，１１２は、慣性質量１０８と対向する面に設けられている。本開示においては、第１および第２電極構成１１０，１１２の各々が単一の電極または複数の電極セットとして配置され得るように電極構成は１つまたは複数の電極に対応し得る。慣性質量１０８は一組の撓み部１１６を介して加速度計センサ１００のフレーム１１４に結合される。フレーム１１４は、第１の層１０２、第２の層１０４、および第３の層１０６の各々の部分に対応し得る。図３の例では、撓み部１１６は、２つの直交する中央平面に対して対称となるように慣性質量１０８の各周面に設けられた一組の撓み部として構成されている。このため、入力軸１１８に沿った慣性質量１０８の上下の動きは、フレーム１１４に対して実質的に面移動を維持し得るものとなり、第１および第２電極構成１１０，１１２に対して慣性質量１０８がなす角度が見掛け上ゼロとなり、この角度が、加速度計センサ１００のスケールファクタおよび／またはバイアスに影響を及ぼし得るくさび効果を実質的に回避するように実質的に一定に維持され得る。一例として、慣性質量１０８、第１電極構成１１０、および第２電極構成１１２は、（例えば、それぞれウェハ層５２，５４，５６を用いた）第１〜第３の層１０２，１０４，１０６のエッチングおよび／または製造プロセスに基づいて、実質的に互いにプロセスマッチングされたコンポーネントとして製造することができる。
【００２３】
図４は、加速度計センサ１５２の一部分の例示的な図１５０を示す。この加速度計センサ１５２の一部分は、第１視１５４および第２視１５６で示されている。第１視１５４および第２視１５６は、ＸＹ平面内の（Ｚ軸に対して）互いに逆側の面を示している。この加速度計センサ１５２の一部分は、図３の例における加速度計センサ１００の第１および第２の層１０２，１０４のうちの１つ、すなわち、エッチングおよび／または処理された第１および第２ウェハ層５２，５４のうちの１つに対応し得る。このため、以下の図４の例の説明では、図３に示された符号を参照する。
【００２４】
第１視１５４は、加速度計センサ１５２の一部分の上部カバー１５８を示し、第２視１５６は、第１および第２電極構成１１０，１１２のうちの１つに対応し得る電極構成１６０を示している。加速度計センサ１５２の一部分は、制御信号ＳＩＧの供給および／またはピックオフ信号Ｐ０の測定などを行うために加速度計コントローラ１８に電気的に接続され得る複数の電気接続部１６２を含む。図４の例では、電気接続部１６２は、上部カバー１５８の両方に示されており、加速度計センサ１５２の一部分を貫通している。一例では、電気接続部１６２は、加速度計センサ１５２の一部分を貫通する固体金属導体、または複数のシリコン層（例えば、第１および第２シリコン層５８，６２）を介して導電的に接続されたシリコンに直接接続される接続部分とすることができる。図４の例では、電気接続部１６２は、上部カバー１５８に関して加速度計センサ１５２の一部分の複数層の上に示されており、電気接続部１６２は、異なる複数のシリコン層（例えば、第１および第２シリコン層５８，６２）の上に配置され得るものとなっている。電気接続部１６２は、図４の例においては加速度計センサ１５２の一部分の中央を通るＸＺ平面およびＹＺ平面として示された加速度計センサ１５２の一部分の２つの直交する中央平面に対して対称的な配置でまとめて示されている。
【００２５】
第２視１５６は、加速度計センサ１５２の上記一部分と実質的に同じ中心を有する電極構成１６０を示す。上述のように、電極構成１６０は第１および第２電極構成１１０，１１２のうちの１つに対応し得る。従って、この電極構成１６０に制御信号ＳＩＧを介して電荷が供給されることで、慣性質量（例えば、慣性質量１０８）に対して静電力が与えられる。電気接続部と同様に、電極構成１６０は、加速度計センサ１５２の一部分の２つの直交する中央平面に対して対称的な配置で示されている。また、図４の例では、電極構成１６０は、電極構成上の電荷が時間に応じて実質的に均一な分布となるように電気接続部１６２に対して配置されている。また、図４の例では、電極構成１６０は、図３の例における慣性質量１０８などの慣性質量に対して実質的に対称的に配置されてもよい。加速度計センサ１５２の一部分および慣性質量に対する電極構成１６０の配置の構造的な対称性は、容量性ギャップ歪みに対する熱膨張の影響を効果的に対称化する。これにより、電極構成１６０および電気接続部１６２の対称性および配置に基づいて、加速度計センサ１５２の一部分を含む加速度計センサ（例えば、加速度計センサ１００）の動作における不均一な電荷分布に関連する誤差を実質的に低減することができる。
【００２６】
また、図４の例では、図示されるように、電極構成１６０は、溝１６４のパターンを含む。溝１６４のパターンは、図４の例では２つの直交する軸に沿って延びる平行な溝１６４として示されているが、種々の異なる方法（例えば、単一軸に沿った平行な溝）で配置し得ることが理解される。溝１６４のパターンは、相対的に狭い容量性ギャップから溝１６４へと流れた後、慣性質量（例えば、慣性質量１０８）の変位に応じて電極構成１６０の周辺へと流れる空気の流れを形成するように電極構成１６０においてエッチングされ得る。この溝１６４のパターンは、実質的な加速動作を必要とする最終用途で望ましいものとなるように、関連する加速度計センサ（例えば、加速度計センサ１００）がガス減衰された場合のスクイーズ膜ガス減衰を低減する手段として設けられる。これにより、溝１６４のパターンは、典型的なガス減衰加速度計システムで行われるような慣性質量に孔をエッチングするのとは対照的に、感応性質量の小さな増加をもたらし、加速度計システム１００を実質的に低ノイズ動作において（例えば、スクイーズ膜減衰効果から生じる慣性質量（例えば、慣性質量１０８）のブラウン運動に関連するノイズを周波数帯域（Ｈｚ）の平方根当たり４マイクロｇ以下に低下させるように）減衰を低減することができる。したがって、溝１６４のパターンは、加速度計システム１００の動作を実質的に改善することができる。
【００２７】
図５は、加速度計センサ２０２の一部分の別の例示的な図２００を示す。この加速度計センサ２０２の一部分は、図３の例における慣性質量１０８を含む加速度計センサ１００の第３の層１０６、すなわち、エッチングおよび／または処理された第３ウェハ層５６に対応し得る。この加速度計センサ２０２の一部分はＸＹ平面で示されており、図４の例における加速度計センサ１５２の２つの部分とともに（例えば、Ｚ軸に関してこの加速度計センサ２０２の一部分の上下に配置されることで）最終的な加速度計センサ（例えば、加速度計センサ１００）を形成し得る。このため、以下の図５の例の説明では、図３および図４に示された符号を参照する。
【００２８】
この加速度計センサ２０２の一部分は、複数の撓み部２０８を介してフレーム２０６に接続された慣性質量２０４を含む。フレーム２０６は、図２の例において隣接する二酸化シリコン層６４，７６や隣接する二酸化シリコン層７２，７８など、相互接続されている二酸化シリコン層をエッチング除去するなどに基づいて、加速度計センサ１５２の一部分の（Ｚ軸上に）上下に配置された加速度計センサ１５２の各部分に接続され得る。撓み部２０８は、図５の例においては、慣性質量２０４の各周面に、２つの直交する中央平面に対して対称的に配置された一組の撓み部として構成されている。このため、慣性質量２０４の平面に直交する入力軸（例えば、入力軸１１８）に沿った慣性質量２０４の上下移動は、フレーム２０６に対し実質的に面移動を維持し得るものとなり、第１および第２電極構成（例えば、Ｚ軸に沿って慣性質量２０４の上下に位置する電極構成１６０）に対して慣性質量２０４がなす角度が見掛け上ゼロとなり、この角度が、加速度計センサのスケールファクタおよび／またはバイアスに影響を及ぼし得るくさび効果などの、振り子運動の欠点を実質的に回避するように実質的に一定に維持され得る。一例として、慣性質量２０４および各電極構成１６０は、（例えば、それぞれウェハ層５２，５４，５６を用いた）第１〜第３の層１０２，１０４，１０６のエッチングおよび／または製造プロセスに基づいて、実質的に互いにプロセスマッチングされたコンポーネントとして製造することができる。
【００２９】
また、加速度計センサ２０２の一部分は、加速度計コントローラ１８と電気的に接続され得る低電圧レール（例えば、グランド）接続部などの複数の電気接続部２１０を含む。図５の例において、電気接続部２１０は、加速度計センサ２０２の一部分を貫通する状態で加速度計センサ２０２の一部分の両側に配置され得る。一例として、電気接続部２１０は、加速度計センサ２０２の一部分を貫通する固体金属導体、またはシリコンに直接接続される接続部分とすることができる。慣性質量２０４、フレーム２０６、撓み部２０８、および電気接続部２１０は、図５の例においては加速度計センサ２０２の一部分の中央を通るＸＺ平面およびＹＺ平面として示された加速度計センサ２０２の一部分の２つの直交する中央平面に対して対称的な配置でまとめて示されている。このため、加速度計センサ１５２の一部分の（Ｚ軸上に）上下に加速度計センサ１５２の各部分を組み合わせて得られる加速度計センサ（例えば、加速度計センサ１００）は、３つの直交する中央平面（ＸＹ平面、ＸＺ平面、およびＹＺ平面）の全てに対して完全に対称的な配置を有し得るものとなる。
【００３０】
図３〜図５の例では、加速度計センサ１００の対称配置に基づいて、加速度の算出における種々の誤差を実質的に低減することができる。例えば、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、および／または加速度計センサ１００の任意の他の材料間の熱膨張係数の不一致などに起因する、チップ自己歪みの一次バイアス効果を実質的に低減することができる。別の例として、加速度計センサ１００の対称性は、ＩＣチップの種々の層（例えば、層１０２，１０４，１０６のサブ層）における厚さを均一化して自己歪みの温度依存性を最小にすることができる。別の例として、加速度計センサ１００の対称性は、フレーム１１４に比べて電極構成１１０，１１２の剛性を低減して、加速度計センサ１００の温度に依存した自己歪みを受ける状況下での駆動力をさらに低減することができる。別の例として、加速度計センサ１００の対称性は、フレーム１１４の全体の剛性を最大にし、それによって自己歪み応力（温度勾配を含む）や印加応力に対する感度を最小にするように、フレーム１１４に対する電極構成１１０，１１２のエッチング領域を最小にすることができる。
【００３１】
さらに、別の例として、加速度計センサ１００の対称性は、グランドに対する慣性質量の面積よりも電極に対する慣性質量の面積を増加させることによって、浮遊容量に対する検知容量の比（例えば、慣性質量とグランドとの間の静電容量に対する慣性質量と電極との間の静電容量の比）を増加させることができる。このような構成では、例えば、熱成長させる二酸化シリコン（例えば、隣接する二酸化シリコン層６４，７６および隣接する二酸化シリコン層７２，７８）において慣性質量と電極との間のギャップを約１μｍとすることにより、慣性質量１０８とグランドとの間の静電容量を変更することなく、慣性質量１０８と電極構成１１０，１１２との間の静電容量を増加させることができる。これにより、慣性質量１０８の変位の測定においてグラウンド面ノイズの影響を低減し、測定された加速度ＡＣＣのノイズを減少させることができる。慣性質量１０８における酸化物は、所与のフルスケール範囲で慣性質量１０８を作動させるのに必要な電圧を低減する追加の効果をもたらし得る。したがって、図３〜図５に例示された加速度計センサ１００の配置は、加速度ＡＣＣの測定誤差を実質的に低減することができる。
【００３２】
なお、図３〜図５に示された加速度計センサ１００の物理的配置は一例である。実質的に誤差を低減しつつ加速度ＡＣＣの測定を行うために、３つの直交する中央平面に対して対称性を有する加速度計センサ１００を提供し得る種々の他のタイプの配置を、図３〜図５の例に代えて実施することができる。
【００３３】
図６は、加速度計システム２５０の別の例を示す。加速度計システム２５０は、図１の例における加速度計システム１０に対応し得るものであるが、加速度計システム２５０の物理的な実装構成の詳細な例を示す。従って、以下の図６の例の説明では、図１〜図５に示された符号を参照する。加速度計システム２５０は、図２〜図５に例示されているものと同じ座標系での断面図で示されている。
【００３４】
加速度計システム２５０は、加速度計センサ２５２を含む。図６の例では、加速度計センサ２５２は、図３〜図５に例示された配置などによるＩＣチップとして構成されている。したがって、加速度計センサ２５２は慣性質量と２つの電極構成を含み、２つの電極構成の間に慣性質量が配置されている。また、加速度計システム２５０は、図１の例における加速度計コントローラ１８と実質的に同様に構成される加速度計システム２５０の電子システムに相当する加速度計コントローラ２５４を含む。したがって、加速度計コントローラ２５４は、信号発生器、測定システム、および加速プロセッサを含み得る。図６の例では、加速度計コントローラ２５４は、双方向矢印２５６によって示される加速度計センサ２５２と電気的に接続されており、制御信号ＳＩＧを提供するとともに、慣性質量に対する加速度計センサ２５２の電極構成の静電容量に関連する対応するピックオフ信号Ｐ０を測定する。このため、加速度計コントローラ２５４は、ヌル位置への慣性質量の力再平衡に基づき、加速度計センサ２５２の慣性質量に作用する力に応じて、加速度計システム２５０の入力加速度ＡＣＣを計算するように構成することができる。
【００３５】
加速度計センサ２５２および加速度計コントローラ２５４は、加速度計ケース２５８内に少なくとも部分的に囲まれるように配置されている。一例として、加速度計ケース２５８は、図１の例における加速度計システム１０を配置するとともに囲む少なくとも部分的な筐体とすることができる。図６の例では、加速度計センサ２５２は、加速度計ケース２５８の内面に実装された実装用インターポーザ２６０に実装されている。また、図６の例では、実装用インターポーザ２６０は、機械的に適合した接着剤２６２を介して加速度計ケース２５８に実装されており、同様に、加速度計センサ２５２は、機械的に適合した接着剤２６２を介して実装用インターポーザ２６０に実装されている。一例として、実装用インターポーザ２６０は、加速度計ケース２５８の表面の２つの直交する中央平面に対して対称となるように実装することができ、加速度計センサ２５２は、実装用インターポーザ２６０の２つの直交する中央平面に対して対称となるように実装することができる。また、機械的に適合した接着剤２６２は、加速度計ケース２５８の表面や実装用インターポーザ２６０の２つの直交する中央平面に対してそれぞれ対称となる接着パターンで配置することができる。
【００３６】
図７は、加速度計センサ実装システムの例示的な図３００を示す。図３００は、加速度計センサ３０２、実装用インターポーザ３０４、および加速度計ケース３０６の表面を（例えば、Ｚ軸に沿って）上方から視た図を示す。一例として、加速度計センサ３０２、実装用インターポーザ３０４、および加速度計ケース３０６は、図６の例における加速度計センサ２５２、実装用インターポーザ２６０、および加速度計ケース２５８にそれぞれ対応し得る。このため、以下の図７の例の説明では、図６に付された符号を参照する。
【００３７】
図７の例において、加速度計センサ３０２は、加速度計ケース３０６の表面上に実装された実装用インターポーザ３０４上に実装されている。図７に例示されるように、加速度計センサ３０２は、実装用インターポーザ３０４の２つの直交する中央平面（ＸＺ平面およびＹＺ平面）に対して対称となるように実装されている。また同様に、実装用インターポーザ３０４は、加速度計ケース３０６の表面の２つの直交する中央平面（ＸＺ平面およびＹＺ平面）に対して対称となるように実装されている。さらに、図３００は、加速度計センサ３０２を実装用インターポーザ３０４に接合する機械的に適合した接着剤の接着パターンを点線の丸３０８で示す。一例として、機械的に適合した接着剤３０８は、厚さを制御するために、関連する加速度計システム（例えば、加速度計システム２５０）の最大動作温度よりもわずかに高い硬化温度を有するものとすることができる。機械的に適合した接着剤３０８の接着パターンは、図示されるように、実装用インターポーザ３０４の２つの直交する中央平面（ＸＺ平面およびＹＺ平面）に対して対称的に配置されている。同様にして、機械的に適合した接着剤の他の層は、加速度計ケース３０６の表面に実装用インターポーザ３０４を同様な接着パターン等で同様に接合することができる。なお、機械的に適合した接着剤３０８は４つの「丸」による接着パターンで示されているが、これに代えて、２つの直交する中央平面に対して対称となる種々の他の接着パターンを用いることもできる。
【００３８】
実装用インターポーザ３０４に加速度計センサ３０２を対称的に実装し、加速度計ケース３０６の表面に実装用インターポーザ３０４を対称的に実装し、機械的に適合する接着パターンを対称的な配置とすることによって、外部加速度ＡＣＣの計算（例えば、図６の例における加速度計コントローラ２５４を介した計算）における多くの誤差を実質的に低減することができる。一例として、図７の例における加速度計センサ実装システムの配置は、加速度計システム２５０の動作範囲内における所与の温度での応力を低減するとともに、非対称実装方式によって生じ得る実装アライメントの温度依存性を（例えば、１次まで）実質的に低減することができる。さらには、実装用インターポーザ３０４と加速度計ケース３０６の表面との間の熱膨張の不一致に起因して、加速度計ケース３０６の表面を介して実装用インターポーザ３０４に伝達される機械的応力を実質的に低減することができる。また、同様に、加速度計センサ３０２と実装用インターポーザ３０４との間の熱膨張の不一致に起因して、実装用インターポーザ３０４を介して加速度計センサ３０２に伝達される機械的応力も同様に実質的に低減することができる。
【００３９】
図６の例に戻ると、図示されるように、加速度計コントローラ２５４は、機械的に適合した接着剤２６２を介して加速度計ケース２５８の内面に実装されている。一例として、機械的に適合した接着剤２６２は、図７に例示される接着パターンと同様な接着パターンで配置することができる。このため、図７の例にて上述した場合と同様に、加速度計コントローラ２５４の電子部品と加速度計ケース２５８との間の熱膨張の不一致による影響を実質的に軽減し、バイアスおよび／またはスケールファクタ誤差に関する加速度ＡＣＣの計算に与える悪影響を実質的に軽減することができる。また、図示されるように、加速度計ケース２５８は、機体や車体フレームなどに実装されるナビゲーションおよび／またはアビオニクスシステム（例えば、追加の加速度計システム、磁力計システム、および／またはジャイロスコープシステムを含む）に対応し得る計器ブロック２６４に実装されている。
【００４０】
一例として、実装用インターポーザ２６０は、加速度計センサ２５２の熱膨張特性と実質的に等しい熱膨張特性を示し得る非導電性材料から製造することができる。例えば、実装用インターポーザ２６０は、シリカ材料から製造することができる。別の例として、加速度計ケース２５８は、計器ブロック２６４と同じ材料、または計器ブロック２６４の熱膨張特性と実質的に等しい熱膨張特性を示す材料から形成することができる。実装用インターポーザ２６０の熱膨張特性と加速度計センサ２５２の熱膨張特性とが実質的に一致し、かつ加速度計ケース２５８の熱膨張特性と計器ブロック２６４の熱膨張特性とが実質的に一致していることにより、加速度ＡＣＣの計算における誤差を実質的に低減することができる。例えば、実装用インターポーザ２６０の熱膨張特性と加速度計センサ２５２の熱膨張特性とが実質的に一致していることにより、所与の温度で慣性質量（例えば、慣性質量１０８）に加えられる温度依存性を実質的に減少させることができる。別の例として、加速度計ケース２５８の熱膨張特性と計器ブロック２６４の熱膨張特性とが実質的に一致していることにより、例えば、加速度計ケース２５８と計器ブロック２６４との熱膨張の不一致などに起因する加速度計ケース２５８の温度による歪みを実質的に（例えば、１次まで）低減することができる。これにより、加速度計システム２５０の材料における熱膨張の不一致による加速度計センサ２５２の機械的歪みなどに起因する不均一な電荷分布、および他の関連する誤差（例えば、バイアスおよびスケールファクタ）を実質的に低減して、加速度ＡＣＣのより正確な計算を実現することができる。
【００４１】
図８は、加速度計システム３５０のさらに別の例を示す。この加速度計システム３５０は、図１の例における加速度計システム１０の部分に対応し得る。この加速度計システム３５０は、図３（さらには、図４および図５）の例における加速度計センサ１００に対応し得る加速度計センサ３５２を含む。また、加速度計システム３５０は、図１の例における加速度計コントローラ１８の信号発生器２０および測定システム２２にそれぞれ対応し得る信号発生器３５４および測定システム３５６を含む。したがって、以下の図８の例の説明では、図１に付された符号を参照する。
【００４２】
信号発生器３５４は、第１スイッチ３６０および第２スイッチ３６２を含むスイッチングシステム３５８を含む。本開示において、第１および第２スイッチ３６０，３６２は、物理スイッチやトランジスタスイッチとして構成することができ、あるいは実際の物理的スイッチに限定されず、プロセッサからの別々の出力や、可変電圧を供給するプロセッサからの同一出力としてもよく、図８の例では単に概略的に示されている。第１スイッチ３６０は、第１スイッチング信号ＳＷ１に応答して、正電圧Ｖ＋および負電圧Ｖ−のうちの一方を電圧Ｖ＋／−として供給するように構成されている。一例として、正電圧Ｖ＋および負電圧Ｖ−は、ゼロの電圧振幅に対してほぼ等しく互いに逆の振幅を有する電圧とすることができる。例えば、正電圧Ｖ＋および負電圧Ｖ−は、１つまたは２つの電源により生成することができる。第２スイッチ３６２は、第２スイッチング信号ＳＷ２に応答して、第１電荷増幅器システム３６４および第２電荷増幅器システム３６６のうちの１つに電圧Ｖ＋／−を供給するように構成されている。第１電荷増幅器システム３６４は、加速度計センサ３５２に関連する第１電極構成３６８に電圧Ｖ１を供給するように構成され、第２電荷増幅器システム３６６は、加速度計センサ３５２に関連する第２電極構成３７０に電圧Ｖ２を供給するように構成されている。一例として、第１および第２電荷増幅システム３６４，３６６は互いにほぼ同じ構成とすることができる。
【００４３】
一例として、電圧Ｖ１，Ｖ２は、図１の例における制御信号ＳＩＧに対応し得る。例えば、電圧Ｖ１，Ｖ２は、実質的に等しく互いに逆の振幅を有する（例えば、電圧Ｖ＋，Ｖ−に基づいた）電荷パルス（例えば、電流パルス）に相当し得る。電圧Ｖ１，Ｖ２は、スイッチング信号ＳＷ１，ＳＷ２に基づいた所定の順で交互に電極構成３６８，３６８に供給されることにより、慣性質量３７２（例えば、慣性質量１００に対応する）をヌル位置に向かって（例えば、慣性質量３７２を再平衡させるように）加速させる静電力を発生させる。一例として、第１測定サイクル中（例えば、第１スイッチング信号ＳＷ１に基づく）において、電圧Ｖ＋／−は、正電圧Ｖ＋に対応し得るものとなり、この正電圧Ｖ＋は、まず、第１電荷増幅器システム３６４により電圧Ｖ１として増幅されて第１電極構成３６８に供給され、次いで、正電圧Ｖ＋は第２電荷増幅器システム３６６により電圧Ｖ２として増幅されて（例えば、第２スイッチング信号ＳＷ２に基づいて）第２電極構成３７０に供給される。したがって、第２測定サイクル中（例えば、第１スイッチング信号ＳＷ１に基づく）において、電圧Ｖ＋／−は、負電圧Ｖ−に対応し得るものとなり、この負電圧Ｖ−は、まず、第１電荷増幅器システム３６４により電圧Ｖ１として増幅されて第１電極構成３６８に供給され、次いで、負電圧Ｖ−は第２電荷増幅器システム３６６により電圧Ｖ２として増幅されて（例えば、第２スイッチング信号ＳＷ２に基づいて）第２電極構成３７０に供給される。
【００４４】
その結果、慣性質量３７２は、第１および第２測定サイクルの各々で第１および第２の方向に交互に加速され、各電荷パルス印加時にヌル位置に向けて位置決めされる。加速度プロセッサ（例えば、加速度プロセッサ２４）は、外力に応答して、例えば電荷パルスのパルス幅を変化させるなどして、電荷パルスのデューティサイクルを変化させるように第２スイッチング信号ＳＷ２を調整することで、慣性質量３７２の一側に対して、より大きな再平衡力を適用するように構成することができる。各電極構成３６８，３７０と慣性質量３７２との間の容量性結合の結果として、測定システム３５６は、電圧Ｖ１，Ｖ２を、慣性質量３７２の相対変位を示すピックオフ信号ＰＯとして生成することができる。したがって、電圧Ｖ１，Ｖ２の振幅は、電極構成３６８，３７０に対する慣性質量３７２の変位（例えば、容量性ギャップ）に比例し得る。すなわち、電圧Ｖ１，Ｖ２の振幅は、慣性質量３７２の相対変位の大きさに相当し得る。このように、測定システム３５６は、外部加速度による電圧Ｖ１，Ｖ２に基づき、慣性質量３７２の変位および／または慣性質量３７２の変位の時間積分に相当する信号ＰＭを生成するように構成することができる。加速度プロセッサ２４は、信号ＰＭに基づいて外部加速度ＡＣＣの大きさを計算するように構成することができる。
【００４５】
図９は、信号発生器システム４００の一部分の例を示す。信号発生器システム４００の一部分は、図８の例における信号発生器システム３５４の一部分に対応し得る。図９の例では、信号発生器システム４００の一部分は、図８の例における第１電荷増幅システム３６４および第２電荷増幅システム３６６にそれぞれ対応し得る第１電荷増幅システム４０２および第２電荷増幅システム４０４を含む。したがって、以下の図９の例の説明では、図８に付された符号を参照する。
【００４６】
第１および第２電荷増幅システム４０２，４０４は、互いにほぼ同じ構成である。第１および第２電荷増幅器システム４０２，４０４の各々は、カスケード配置された第１増幅器４０６および第２増幅器４０８を含む。第１増幅器４０６は、電圧Ｖ＋／−を受信する非反転入力とフィードバック電圧ＶＦＢを受信する反転入力とを含む。フィードバック電圧ＶＦＢは、第１および第２電荷増幅器システム４０２，４０４のそれぞれの出力電圧に関連付けられており、それぞれの電圧Ｖ１，Ｖ２が、第１および第２電荷増幅器システム４０２，４０４の各々に関連付けられたそれぞれの抵抗Ｒ１を介して供給される。第１増幅器４０６は、電圧Ｖ＋／−および電圧ＶＦＢに応答して電圧ＶＳＴＢを出力する。電圧ＶＳＴＢは、第２増幅器４０８の非反転入力に供給される。また、第２増幅器４０８は、フィードバック電圧ＶＦＢを反転入力において受け取る。したがって、第２増幅器４０８は、電圧ＶＳＴＢおよびフィードバック電圧ＶＦＢに基づいて、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２のうちの１つを供給する。
【００４７】
第１および第２増幅器４０６，４０８は、異なる動作特性を示す増幅器として構成することができる。一例として、第１増幅器４０６は、電圧ＶＳＴＢおよびフィードバック電圧ＶＦＢに応答する第２増幅器４０８において高い安定性特性が得られる電圧ＶＳＴＢを生成する高安定増幅器として構成することができる。別の例として、第２増幅器４０８は、電圧ＶＳＴＢおよびフィードバック電圧ＶＦＢに基づいて電圧Ｖ１または電圧Ｖ２が急峻な変化および高いダイナミックレンジを示すものとなるような高帯域幅および高スルーレート増幅器として構成することができる。結果として、第１および第２増幅器４０６，４０８は、典型的には個々の増幅器において競合する特性を集合的に実現することができる。したがって、第１および第２電荷増幅器システム４０２，４０４は、正電圧Ｖ＋と負電圧Ｖ−との迅速なスイッチングに応答して振幅および極性が迅速に変化し得る安定した（例えば、確定時間を低減する）電圧Ｖ１，Ｖ２を供給することができる。その結果、ヌル位置に対する慣性質量３７２の変位、つまり加速度ＡＣＣを、電荷を印加する制御信号ＳＩＧの安定性欠如に起因するノイズを実質的に低減して計算することが可能となる。
【００４８】
図８の例に戻ると、電圧Ｖ１，Ｖ２の生成に際し第１および第２電荷増幅器システム３６４，３６６の高安定性、高帯域幅、および高スルーレートの集約的特性を得るべく、スイッチングシステム３５８は、各出力において電極間で切り換えられる単一の電荷増幅器システムを実現する信号発生器とは対照的に、第１および第２電荷増幅器システム３６４，３６６の入力に設けることができる。例えば、スイッチングシステム３５８を第１および第２電荷増幅器システム３６４，３６６の入力に設けることにより、慣性質量と電極との間の静電容量に対し並列に示され得る寄生容量を実質的に低減することができる。さらには、典型的な信号発生器の電荷増幅器の出力でのスイッチの抵抗に基づいて典型的な信号発生器の電荷増幅器によって供給される電圧に対し、スイッチ内の固有の抵抗に基づき、電圧Ｖ１，Ｖ２を実質的に低減された振幅で供給することができる。その結果、浮遊容量に起因する変位感度への影響を実質的に低減することができる。したがって、信号発生器３５４は、電圧Ｖ１，Ｖ２による低電荷注入を実現することができ、信号発生器３５４を特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に組み込むことが可能となる。
【００４９】
上述したように、スイッチングシステム３５８は、第１および第２電荷増幅器システム３６４，３６６にそれぞれ正電圧Ｖ＋および負電圧Ｖ−を順次供給することによって、電極構成３６８，３７０に対して電圧Ｖ１，Ｖ２による電荷を順次適用する。図１０は、加速度計システムにおける誤差を低減するためのアルゴリズムの例示的な図４５０を示す。このアルゴリズムは、図１の例では加速度プロセッサ２４によって実行され、電子機器および／または加速度計センサ（例えば、加速度計センサ１００）のシリコンと二酸化シリコンとの界面の電荷における低周波および／またはＤＣノイズやドリフトなどに起因する誤差を実質的に低減するように加速度ＡＣＣを計算することができる。図１０の例のアルゴリズムは、加速度プロセッサ２４により、スイッチング信号ＳＷ１，ＳＷ２に基づいて、電圧Ｖ１，Ｖ２に対応するピックオフ信号ＰＯを信号ＰＭによってモニタすることにより実現することができる。したがって、以下の図１０の例の説明では、図８に付された符号を参照する。図１０の例では、時間を示す矢印４５２によって示されるように、アルゴリズムのステップは、上から順に時間順に実施される。なお、時間の尺度は一定の縮尺ではない。
【００５０】
第１スイッチング信号ＳＷ１の立ち上がりエッジに応答して、正電圧Ｖ＋が（例えば、第１スイッチング信号ＳＷ１によって規定される）第１測定サイクル中に第１スイッチ３６０を介して電圧Ｖ＋／−として供給される。さらに、第２スイッチング信号ＳＷ２の立ち上がりエッジに応答して、電圧Ｖ＋／−が第２スイッチ３６２を介して第１電荷増幅器システム３６４の入力に供給される。このように、第１および第２スイッチング信号ＳＷ１，ＳＷ２のそれぞれの論理ハイ状態で、正電圧Ｖ＋がスイッチングシステム３５８を介して第１電荷増幅器システム３６４の入力に供給される。ステップ４５４では、正電圧Ｖ＋に関連する電荷が電極構成３６８に印加され、電圧Ｖ１が測定システム３５６によって測定される。図１０の例においては、第１電極構成３６８と慣性質量３７２との間の容量性ギャップに関連する測定システム３５６によって測定されるピックオフ電圧は、電子機器および／または加速度計センサ３５２での電荷ドリフトなどに起因した誤差電圧ＶＥを含み得る。したがって、誤差電圧ＶＥは第１電荷増幅システム３６４の出力に現れるものとなり、第１測定サイクル中に、電圧Ｖ１に誤差電圧ＶＥを加えた値に対応するピックオフ電圧「Ｖ１＿１＋ＶＥ」として示される。したがって、測定システム３５６は、ステップ４５４においてピックオフ電圧Ｖ１＿１＋ＶＥを測定することができる。
【００５１】
上述したように、第１スイッチング信号ＳＷ１の論理ハイ状態の間、したがって第１測定サイクル中に、正電圧Ｖ＋は第１スイッチ３６０を介して電圧Ｖ＋／−として供給される。第２スイッチング信号ＳＷ２の立ち下がりエッジに応答して、電圧Ｖ＋／−は第２スイッチ３６２を介して第２電荷増幅器システム３６６の入力に供給される。したがって、正電圧Ｖ＋はスイッチングシステム３５８を介して第２電荷増幅器システム３６６の入力に供給される。ステップ４５６では、正電圧Ｖ＋に関連する電荷が第２電極構成３７０に供給され、電圧Ｖ２が測定システム３５６によって測定される。図１０の例において、誤差電圧ＶＥは、第１および第２電極構成３６８，３７０の両方で均一でない可能性があるため、第２電極構成３７０には作用しないものとして示されている。したがって、第２電極構成３７０と慣性質量３７２との間の容量性ギャップに関連する測定システム３５６によって測定されるピックオフ電圧は、第１測定サイクル中に、電圧Ｖ２に対応するピックオフ電圧「Ｖ２＿１」として示される。したがって、測定システム３５６は、ステップ４５６においてピックオフ電圧Ｖ２＿１を測定することができる。ピックオフ電圧Ｖ２＿１の測定に誤差電圧ＶＥが存在しないものとしたが、ピックオフ電圧Ｖ１＿１＋ＶＥの代わりに、ピックオフ電圧Ｖ２＿１に誤差電圧ＶＥが現れるものとしてもよく、両方のピックオフ電圧が同じまたは異なる誤差電圧を含むものとすることができる。
【００５２】
ステップ４５８では、加速度プロセッサ２４は、ピックオフ電圧Ｖ１＿１＋ＶＥとピックオフ電圧Ｖ２＿１との差を計算して、第１の電圧差項「（Ｖ１＿１＋ＶＥ）−Ｖ２＿１」を得るように構成することができる。第１の電圧差項（Ｖ１＿１＋ＶＥ）−Ｖ２＿１は、第１測定サイクル中の電気的ヌル位置に対する慣性質量３７２の相対変位に相当し得る。理想的には、第１の電圧差項（Ｖ１＿１＋ＶＥ）−Ｖ２＿１がゼロに等しい場合には、加速度プロセッサ２４は、慣性質量３７２が電気的ヌルの位置にあると特定し得る。しかしながら、誤差電圧ＶＥのために、加速度プロセッサ２４は、慣性質量３７２の相対変位を正確に特定することができず、誤差電圧ＶＥに基づいて電気的ヌルからずれた位置に対して電荷（例えば、電圧Ｖ１，Ｖ２）を適用することにより、慣性質量３７２に対する力の再平衡化を試みる。
【００５３】
第１スイッチング信号ＳＷ１の立ち下がりエッジに応答して、第２測定サイクル中に、負電圧Ｖ−が第１スイッチ３６０を介して電圧Ｖ＋／−として供給される。さらに、第２スイッチ信号ＳＷ２の立ち上がりエッジに応答して、電圧Ｖ＋／−が第２スイッチ３６２を介して第１電荷増幅器システム３６４の入力に供給される。したがって、第１スイッチング信号ＳＷ１の論理ロー状態と第２スイッチング信号ＳＷ２の論理ハイ状態で、負電圧Ｖ−がスイッチングシステム３５８を介して第１電荷増幅器システム３６４の入力に供給される。ステップ４６０において、負電圧Ｖ−に関連する電荷が第１電極構成３６８に供給され、電圧Ｖ１が測定システム３５６によって測定される。上述のように、図４００は、第１電極構成３６８に関連する誤差電圧ＶＥを示す。このため、誤差電圧ＶＥは第１電荷増幅器システム３６４の出力に現れるものとなり、第２測定サイクル中に、電圧Ｖ１から（電圧Ｖ１の極性の変化に起因する）誤差電圧ＶＥを引いた値に対応するピックオフ電圧「−Ｖ１＿２−ＶＥ」として示される。したがって、測定システム３５６は、ステップ４６０においてピックオフ電圧−Ｖ１＿２−ＶＥを測定することができる。
【００５４】
上述したように、第１スイッチング信号ＳＷ１の論理ロー状態の間、したがって第２測定サイクル中に、負電圧Ｖ−は第１スイッチ３６０を介して電圧Ｖ＋／−として供給される。第２スイッチング信号ＳＷ２の立ち下がりエッジに応答して、電圧Ｖ＋／−は第２スイッチ３６２を介して第２電荷増幅器システム３６６の入力に供給される。したがって、負電圧Ｖ−はスイッチングシステム３５８を介して第２電荷増幅器システム３６６の入力に供給される。ステップ４６２では、負電圧Ｖ−に関連する電荷が第２電極構成３７０に供給され、電圧Ｖ２が測定システム３５６によって測定される。上述したように、誤差電圧ＶＥは図１０の例における第２電極構成３７０には現れていない。したがって、第２電極構成３７０と慣性質量３７２との間の容量性ギャップに関連する測定システム３５６によって測定されるピックオフ電圧は、第２測定サイクル中において、電圧Ｖ２に対応するピックオフ電圧「−Ｖ２＿２」として示される。したがって、測定システム３５６は、ステップ４６２においてピックオフ電圧Ｖ２＿２を測定することができる。
【００５５】
ステップ４６４では、加速度プロセッサ２４は、ピックオフ電圧−Ｖ１＿２−ＶＥとピックオフ電圧−Ｖ２＿１との差を計算して、第２の電圧差項「（−Ｖ１＿２−ＶＥ）−（−Ｖ２＿１）」を得るように構成することができる。第２の電圧差項（−Ｖ１＿２−ＶＥ）−（−Ｖ２＿１）は、第２測定サイクル中の電気的ヌル位置に対する慣性質量３７２の相対変位に相当し得る。ステップ４６６において、加速度プロセッサ２４は、第１および第２の電圧差項の平均を計算して平均項「（（Ｖ１＿１−Ｖ１＿２）＋（Ｖ２＿２−Ｖ２＿１））／２」を得るように構成することができる。正電圧Ｖ＋に基づいて第１および第２電極構成３６８，３７０に電圧Ｖ１，Ｖ２が順次印加されることに関連して得られる第１の電圧差項（Ｖ１＿１＋ＶＥ）−Ｖ２＿１と、負電圧Ｖ−に基づいて第１および第２電極構成３６８，３７０に電圧Ｖ１，Ｖ２が順次印加されることに関連して得られる第２の電圧差項（−Ｖ１＿２−ＶＥ）−（−Ｖ２＿１）とを平均化することに基づいて、誤差電圧ＶＥが数学的にキャンセルされる。したがって、平均項（（Ｖ１＿１−Ｖ１＿２）＋（Ｖ２＿２−Ｖ２＿１））／２を、慣性質量３７２の変位に対応する信号ＰＭとして供給することができる。したがって、加速度プロセッサ２４によって実行される図４００に示されたアルゴリズムは、第１および第２測定サイクルにおけるピックオフ電圧に対してハイパスフィルタとして働き、電子機器および／または加速度計センサ３５２におけるノイズおよび／または電荷ドリフトから生じる低周波ノイズを実質的に低減することができる。加速度プロセッサ２４は、スイッチング信号ＳＷ１，ＳＷ２のデューティサイクルを制御して慣性質量３７２の力平衡をフィードバック制御することにより、低周波誤差の要因を実質的になくすように加速度ＡＣＣを算出することができる。
【００５６】
上述した構造的および機能的な特徴を考慮した本発明の種々の態様による方法は、図１１を参照することでさらに理解することができる。説明の簡略化のために、図１１の方法は順番に実行されるものとして図示され説明されているが、本発明は図示された順序に限定されず、本発明に従って幾つかの処理は異なる順序でおよび／または図示され説明されたものとは異なる処理と同時に行うこともできる。また、図示された特徴の全てが本発明の一態様による方法を実施するために必要とされるわけではない。
【００５７】
図１１は、加速度（例えば、加速度ＡＣＣ）を計算するための方法５００の一例を示す。ステップ５０２において、正の振幅を有する第１電圧（例えば、正電圧Ｖ＋）に基づいて、加速度計センサ（例えば、加速度計センサ１２）に関連する第１電極アセンブリ（例えば、第１電極アセンブリ１５）と第２電極アセンブリ（例えば、第２電極アセンブリ１６）との各々に電荷が供給される。第１および第２電極アセンブリは、慣性質量（例えば、慣性質量１４）の両側に配置され得る。ステップ５０４において、第１および第２電極アセンブリに関連する第１ピックオフ電圧（例えば、電圧Ｖ１＿１および電圧Ｖ２＿１）が第１測定サイクルで測定される。ステップ５０６において、第１の電圧に等しく逆の振幅を有する第２電圧（例えば、負電圧Ｖ−）に基づいて、第１および第２電極アセンブリに電荷が供給される。ステップ５０８において、第１および第２電極アセンブリに関連する第２ピックオフ電圧（例えば、電圧Ｖ１＿２および電圧Ｖ２＿２）が第２測定サイクルで測定される。ステップ５１０において、第１および第２測定サイクルの各々に関連する第１および第２ピックオフ電圧間の差の平均が計算される。ステップ５１２において、加速度によって生じる慣性質量の変位が計算される。
【００５８】
本開示は以下に付記する実施形態を包含する。
［付記１］
加速度計システムであって、
第１電極構成と、第２電極構成と、前記第１および第２電極構成間の慣性質量とを備えた加速度計センサであって、加速度計センサに関連する３つの直交する中央平面の各々に対して対称的に構成された加速度計センサと、
前記第１および第２電極構成の各々に制御信号を印加して前記第１および第２電極構成間のヌル位置に前記慣性質量を維持する力を与えるように構成された加速度計コントローラと、を備え、前記加速度計コントローラはさらに、前記第１および第２電極構成にそれぞれ関連付けられ、前記ヌル位置に対する前記慣性質量の変位を示す第１ピックオフ信号および第２ピックオフ信号を測定し、前記第１および第２ピックオフ信号に基づいて加速度を計算するように構成されている、加速度計システム。
［付記２］
前記第１電極構成は、第１のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ層から製造され、前記第２電極構成は、第２のＳＯＩウェハ層から製造され、前記慣性質量は、半導体ウェハ層から製造されている、付記１に記載の加速度計システム。
［付記３］
前記第１電極構成および前記第２電極構成の各々は、前記第１電極構成および前記第２電極構成に対して実質的に均一な電荷分布を形成するように配置された電気接続部を備える、付記１に記載の加速度計システム。
［付記４］
前記第１電極構成および前記第２電極構成の各々は、前記慣性質量の変位に応じて前記第１および第２電極構成の周辺に向かう空気の流れを形成するようにそれぞれの電極構成にエッチングされた溝のパターンを備える、付記１に記載の加速度計システム。
［付記５］
加速度計システムであって、
第１電極構成と、第２電極構成と、前記第１および第２電極構成間の慣性質量とを備える加速度計センサとして構成された集積回路（ＩＣ）チップと、
前記第１および第２電極構成の各々に制御信号を印加して前記第１および第２電極構成間のヌル位置に前記慣性質量を維持する力を与えるように構成された加速度計コントローラであって、前記第１および第２電極構成にそれぞれ関連付けられ、前記ヌル位置に対する前記慣性質量の変位を示す第１ピックオフ信号および第２ピックオフ信号を測定して、前記第１および第２ピックオフ信号に基づいて加速度を計算するようにさらに構成された加速度計コントローラと、
実装用インターポーザであって、前記ＩＣチップと実装用インターポーザとを分離する第１平面に沿って設けられた機械的に適合した接着剤を介して前記ＩＣチップが実装用インターポーザ上に実装されており、前記接着剤が前記第１平面に直交する２つの直交平面に対して対称なパターンで配置されている、実装用インターポーザと、
前記ＩＣチップと前記加速度計コントローラと前記実装用インターポーザとを少なくとも部分的に包囲する加速度計ケースであって、前記実装用インターポーザが前記ＩＣチップと前記加速度計ケースとを相互接続するように前記機械的に適合した接着剤を介して前記加速度計ケースの表面上に実装されている、加速度計ケースと、
を備える加速度計システム。
［付記６］
前記実装用インターポーザは、前記ＩＣチップと実質的に等しい熱膨張特性を有する非導電性材料から製造されている、付記５に記載の加速度計システム。
［付記７］
前記ＩＣチップは、前記ＩＣチップと前記実装用インターポーザとを分離する第１平面に沿って、前記実装用インターポーザに対し、前記第１平面に直交する２つの直交平面に対して実質的に対称となるように実装されている、付記５に記載の加速度計システム。
［付記８］
前記実装用インターポーザは、前記実装用インターポーザと前記加速度計ケースとを分離する第１平面に沿って接着剤を介して前記加速度計ケースに実装されており、前記接着剤は前記第１平面に直交する２つの直交平面に対して対称なパターンで配置されている、付記５に記載の加速度計システム。
［付記９］
前記実装用インターポーザは、前記実装用インターポーザと前記加速度計ケースとを分離する第１平面に沿って、前記加速度計ケースに対し、前記第１平面に直交する２つの直交平面に対して実質的に対称となるように実装されている、付記５に記載の加速度計システム。
［付記１０］
前記加速度計ケースは計器ブロックに実装されており、前記加速度計ケースは前記計器ブロックと同じ材料で形成されている、付記５に記載の加速度計システム。
［付記１１］
加速度を計算する方法であって、
加速度計センサに関連付けられ、慣性質量に対向するように配置された第１電極アセンブリおよび第２電極アセンブリの各々に対し、正の振幅を有する第１電圧に基づいて電荷を供給すること、
第１測定サイクルにおいて、前記第１および第２電極アセンブリに関連付けられた第１ピックオフ電圧を測定すること、
前記第１電圧に等しい逆の振幅を有する第２電圧に基づいて、前記第１および第２電極アセンブリに対し電荷を供給すること、
第２測定サイクルにおいて、前記第１および第２電極アセンブリに関連付けられた第２ピックオフ電圧を測定すること、
前記第１および第２測定サイクルのそれぞれに関連する前記第１および第２ピックオフ電圧間の差の平均を計算すること、
前記加速度に起因する前記慣性質量の変位を計算すること、
を備える方法。
［付記１２］
前記第１および第２電極アセンブリの各々に対し前記電荷を供給することは、第１電荷増幅器アセンブリおよび第２電荷増幅器アセンブリをそれぞれ介して前記第１および第２電極アセンブリの各々に対し前記電荷を順番に供給することを備える、付記１１に記載の方法。
［付記１３］
前記電荷を順番に供給することは、前記第１および第２電荷増幅器アセンブリの各々の入力に設けられたスイッチングシステムを介して、スイッチング信号に応答して前記第１および第２電極アセンブリの各々に対し前記電荷を順番に供給することを備える、付記１２に記載の方法。
［付記１４］
前記電荷を順番に供給することは、
前記第１電荷増幅器アセンブリの第１増幅器の第１入力に前記第１および第２電圧のうちの１つを供給することであって、前記第１増幅器は、前記第１および第２電圧のうちの１つに関連する増幅器フィードバック電圧を受信するように構成された第２入力と、前記第１電荷増幅器アセンブリの第２増幅器の第１入力に接続された出力とを有し、前記第２増幅器は、前記第１および第２電圧のうちの１つに応答して前記第１電極アセンブリに前記電荷を供給するように構成された出力を有する、前記第１電荷増幅器アセンブリの第１増幅器の第１入力に前記第１および第２電圧のうちの１つを供給すること、
前記第１電荷増幅器アセンブリと実質的に同様に構成された前記第２電荷増幅器アセンブリの第１増幅器の第１入力に前記第１および第２電圧のうちの１つを供給することであって、前記第２電荷増幅器アセンブリの第２増幅器は、前記第１および第２電圧のうちの１つに応答して前記第２電極アセンブリに前記電荷を供給するように構成された出力を有する、前記第２電荷増幅器アセンブリの第１増幅器の第１入力に前記第１および第２電圧のうちの１つを供給すること、
を備える、付記１２に記載の方法。
［付記１５］
前記第１ピックオフ電圧を測定することは、前記第１電荷増幅器アセンブリの出力において前記第１ピックオフ電圧を測定することを備え、前記第２ピックオフ電圧を測定することは、前記第２電荷増幅器アセンブリの出力において前記第２ピックオフ電圧を測定することを備える、付記１２に記載の方法。
［付記１６］
加速度計システムであって、
第１電極構成と、第２電極構成と、前記第１および第２電極構成間の慣性質量とを備える加速度計センサと、
加速度計コントローラであって、
入力電圧に応答して前記第１電極構成上に第１電荷を供給するための第１電圧を生成するように構成された第１電荷増幅器システムと、前記入力電圧に応答して前記第２電極構成上に第２電荷を供給するための第２電圧を生成するように構成された第２電荷増幅器システムとを備え、前記第１および第２電極構成間のヌル位置に前記慣性質量を維持するように構成された信号発生器であって、前記第１および第２電荷増幅器システムの各々がカスケード配置された第１増幅器と第２増幅器を含む、信号発生器と、
前記ヌル位置に対する前記慣性質量の変位を示す第１および第２ピックオフ信号であって、前記第１電荷に関連する前記第１ピックオフ信号と前記第２電荷に関連する前記第２ピックオフ信号とに基づいて加速度を計算するように構成された加速度プロセッサと、を備える加速度計コントローラと、
を備える加速度計システム。
［付記１７］
前記加速度計コントローラは、前記第１および第２電荷増幅器システムの各々に前記入力電圧を順番に供給するように構成されたスイッチングシステムをさらに備える、付記１６に記載の加速度計システム。
［付記１８］
前記スイッチングシステムは、スイッチング信号に応答して前記第１および第２電荷増幅器システムの各々に前記入力電圧を順番に供給することにより前記第１および第２ピックオフ信号を供給するように構成されたスイッチを備える、付記１７に記載の加速度計システム。
［付記１９］
前記スイッチは第１スイッチング信号に応答する第１スイッチであり、前記スイッチングシステムは、第２スイッチング信号に応答して、前記入力電圧を、第１測定サイクルおよび第２測定サイクルでそれぞれ互いに等しくゼロ電圧に対して反対となる正電圧および負電圧として順番に供給するように構成された第２スイッチをさらに備え、前記加速度計システムは、前記第１および第２測定サイクルの各々で前記第１および第２電極構成にそれぞれ関連する前記第１および第２ピックオフ信号を測定するように構成された測定システムをさらに備え、前記加速度計コントローラの前記加速度プロセッサは、前記第１測定サイクルにおける前記第１および第２ピックオフ信号間の第１の差と、前記第２測定サイクルにおける前記第１および第２ピックオフ信号間の第２の差との平均を計算して、前記平均に基づいて前記加速度を計算するように構成されている、付記１８に記載の加速度計システム。
［付記２０］
前記第１および第２電荷増幅器システムの各々の前記第１増幅器は、前記第１および第２電圧のうちの１つに関連するフィードバック信号を第１入力で受信し、前記入力電圧を第２入力で受信するように構成されており、前記第２増幅器は、前記フィードバック信号を第１入力で受信し、前記第１増幅器に関連する出力信号を第２入力で受信して、前記第１および第２電圧のうちの１つを出力で生成するように構成されている、付記１７に記載の加速度計システム。
以上の説明は本発明の一例である。本発明を説明する上で、構成または方法のあらゆる組み合わせを説明することは可能でないが、当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせや置換が可能であることを認識し得る。したがって、本発明は、特許請求の範囲の思想および範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図される。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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