(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱加速度センサを備えた熱加速度計であって、
前記熱加速度センサは、基板と、前記基板に形成された少なくとも１つの空洞と、前記空洞内に配設された流体と、前記空洞上に懸架された少なくとも１つのヒータ要素と、熱伝達を検出する機構と、ヒータ電力調整回路とを有し、
前記熱伝達を検出する機構は、第１、第２、第３並びに第４の温度検知要素を含み、前記第１及び第２の温度検知要素は、前記ヒータ要素から互いに逆側に等距離離れて、前記基板の平面内に配設されており、そして、前記第３、第４の温度検知要素は、前記ヒータ要素から互いに逆側に前記ヒータ要素に隣接して配設されており、
前記第１及び第２の温度検知要素は、前記基板の平面に直交する方向に加わる加速度に応答して第１の温度を検出すると共に、検出された前記第１の温度を表す第１の出力信号を与えるように動作し、前記第１の温度は、前記第１及び第２の温度検知要素のそれぞれによって測定された電圧レベルの平均を用いて得られる共通モードの温度であり、前記第１の出力信号は、共通モードの出力信号であり、
前記ヒータ電力調整回路は、前記ヒータ要素に対して特定の電力を供給するように動作することで、前記第１の出力信号が、前記基板の平面に直交する方向に加わる加速度を示すようにしてあり、
前記ヒータ電力調整回路は、更に、前記第３、第４の温度検知要素の１つの端子における電圧レベルが、内部基準電圧を用いて得られる調整可能なヒータ制御基準電圧に等しくなるようにして、前記特定の電力を制御するように動作しており、
前記第１の出力信号を増幅するように動作する増幅回路によって、前記基板の平面に直交して加わる加速度を示す増幅された信号を与え、
前記増幅された信号は、それに関連したＤＣオフセットを有しており、
前記増幅回路は、調整可能なＤＣオフセットゼロ調整電圧に基づいて前記ＤＣオフセットのレベルを調整するように動作するものであり、
前記ヒータ制御基準電圧と前記内部基準電圧とに基づいて前記調整可能なＤＣオフセットゼロ調整電圧を発生するように構成されているＤＣオフセット調整回路を設けることにより、
前記増幅回路からの前記ＤＣオフセットを最小にするように構成されていることを特徴とする熱加速度計。
【請求項２】
前記第３及び第４の温度検知要素は、前記ヒータ要素から互いに逆側に等距離離れて、前記基板の平面内に配設されている請求項１に記載の熱加速度計。
【請求項３】
前記第３及び第４の温度検知要素は、前記基板の平面に沿った方向に加わる加速度に応答して差温度を検出すると共に、検出された前記差温度を表す差出力信号を与えるように動作するものであり、前記差出力信号は、前記基板の平面に沿って加わる加速度を示すものである請求項２に記載の熱加速度計。
【請求項４】
前記第１及び第２の温度検知要素は、第１の軸に沿って配設され、前記第３及び第４の温度検知要素は、第２の軸に沿って配設され、前記第１の軸は、前記第２の軸と直交している請求項３に記載の熱加速度計。
【請求項５】
前記第１及び第２の温度検知要素は、更に、前記基板の平面に沿った方向に加わる加速度に応答して差温度を検出すると共に、検出された前記差温度を表す差出力信号を与えるように動作するものであり、前記差出力信号は前記基板の平面に沿って加わる加速度を示すものである請求項１に記載の熱加速度計。
【請求項６】
前記熱加速度センサは、集積回路内に実装されている請求項１に記載の熱加速度計。
【請求項７】
前記熱伝達を検出する機構は、更に、
前記空洞を横切って配設された第１のブリッジと、
前記空洞を横切って配設された少なくとも１つの第２のブリッジとを備え、
前記ヒータ要素は、前記第１のブリッジ上に配設され、
前記少なくとも１つの第２のブリッジは、前記第１のブリッジと直角に交差し、
前記第１及び第２の温度検知要素は、前記ヒータ要素から互いに逆側に等距離離れて、前記少なくとも１つの第２のブリッジ上に配設されている請求項１に記載の熱加速度計。
【請求項８】
前記ヒータ要素から前記第１及び第２の温度検知要素の選択された一方までの、前記少なくとも１つの第２のブリッジの第１の部分は、第１の熱抵抗を有し、
前記第１及び第２の温度検知要素の選択された前記一方から前記基板までの、前記少なくとも１つの第２のブリッジの第２の部分は、第２の熱抵抗を有し、前記第１の熱抵抗は、前記第２の熱抵抗と同じ温度係数を有する請求項７に記載の熱加速度計。
【請求項９】
前記熱加速度センサは、集積回路内に実装されている請求項８に記載の熱加速度計。
【請求項１０】
前記熱伝達を検出する機構は、更に、
前記空洞を横切って配設された第１及び第２のブリッジと、
前記空洞を横切って配設された第３のブリッジとを備え、
前記第１及び第２の温度検知要素は、それぞれ、前記第１及び第２のブリッジ上に配設され、
前記ヒータ要素は、前記第３のブリッジ上に配設され、
前記第１、第２及び第３のブリッジは、互いに平行である請求項１に記載の熱加速度計。
【請求項１１】
前記第１及び第２の温度検知要素は、それぞれ、サーミスタである請求項１０に記載の熱加速度計。
【請求項１２】
前記熱加速度センサは、集積回路内に実装されている請求項１１に記載の熱加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、Ｚ軸熱加速度計なる名称で２００４年６月９日に出願された米国仮特許出願第６０／５７８，２７３号の優先権を主張する。
［連邦補助研究または開発に関する表明］
適用なし
【背景技術】
【０００２】
本願は、一般的に微細加工された対流加速度計に関し、特には複数軸に沿って加速度を検出可能な熱加速度計に関する。
【０００３】
熱加速度計は、多軸に沿って加速度を検出する能力を有するものとして知られている。例えば、米国特許第６，１８２，５０９号（以下、５０９号特許）は、２軸の加速度を検出するように構成された熱加速度計デバイスを開示している。この５０９特許に開示されているように、２軸熱加速度計は、空洞がエッチングされている基板と、構造体とを備え、構造体は、小さなヒータ板と、空洞上に懸架された４つの温度センサとを含んでいる。ヒータ板は、懸架された構造体の中心に位置決めされている。この中心は、ＸおよびＹ軸によって規定される平面内にある。さらに、４つの温度センサの２つは、ヒータ板からＸ軸に沿って互いに逆側に等距離離れて配設されているのに対し、他の２つ温度センサは、ヒータ板からＹ軸に沿って互いに逆側に等距離離れて配設されている。典型的な動作モードでは、ヒータ板に通電されると、ヒータ板は周囲の空気を加熱して、ＸおよびＹ軸の双方に対称的な温度勾配を生じる。ＸおよびＹ軸上に配設された温度センサのそれぞれの対は、ヒータ板から等距離にあるので、各対の温度センサ間の差温度は、初めはゼロである。しかしながら、このデバイスに対し、Ｘ−Ｙ平面と平行な方向に加速力が加わると、空気の温度分布がシフトする。具体的には、Ｘ方向に加速度が加わると、Ｘ軸上に配設された温度センサによって差温度が検出される。同様に、Ｙ方向に加速度が加わると、Ｙ軸上に配設された温度センサによって差温度が検出される。検出された差温度を表す信号を発生するために、ブリッジ回路と差動増幅器が使用される。差温度は、それぞれの軸に沿って加わる加速度に比例する。５０９号特許によると、２軸温度加速度計は、既知のＣＭＯＳまたはバイポーラプロセスを使用して組み立てられる。これにより加速度計は、信号調節回路と共に比較的低コストで集積化される。
【０００４】
５０９号特許に記載されている２軸温度加速度計の１つの欠点は、３軸の加速度検知を必要とする応用を満足させるようには、容易に構成され得ない点である。例えば、加速度を３次元で検知するために、５０９号特許は、少なくとも２つの熱加速度計が互いに直角に方位付けされ、その結果として３次元加速度計デバイス構造を生じさせることを示している。そのような３次元デバイス構造は、典型的にはマザーボードと少なくとも１つのドーターボードとを使用して実装される。しかしながら、３軸熱加速度計を複数の印刷回路基板に実装することは、デバイスのコストおよび複雑さを有意に増加すると共に信頼性を低下させて、熱加速度計が多くの消費者電子機器および自動車応用に使用されることを不適切なものにする。
それ故、３軸までの加速度検知を提供するように構成され得る低コストの熱加速度計を有することは望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明により、３軸までの加速度検知を可能にする熱加速度計デバイスが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで開示される熱加速度計は、ＸおよびＹ軸によって規定された平面内に配設された２次元構造を備える。この熱加速度計は、ヒータ要素から互いに逆側に等距離離れてＸおよび／またはＹ軸上に配設された温度検知要素によって検出される差温度を使用して、Ｘおよび／またはＹ方向の加速度の表示を与える。さらに、この熱加速度計は、ヒータ要素に隣接してＸ−Ｙ平面内に配設された少なくとも１つの温度検知要素によって検出された共通モードの温度を使用して、Ｘおよび／またはＹ軸に直交したＺ軸に沿う加速度の表示を与える。この熱加速度計は、デバイスの感度をＺ方向で増加するように構成された増幅回路を有する。
【０００７】
１つの実施形態では、熱加速度計は、ＸおよびＹ軸によって規定される実質的に平坦な表面を有した基板を含む熱加速度センサと、この基板に形成された少なくとも１つの空洞と、少なくとも１つのヒータ要素と、第１及び第２の温度検知要素と、内部基準電圧とを備える。ヒータ要素は、空洞上でＸ−Ｙ平面内に懸架され、また第１及び第２の温度検知要素は、このヒータ要素からＸ軸およびＹ軸に沿って互いに逆側に等距離離れて配設されている。熱加速度計は更に、第１及び第２の温度検知要素によって検出された差温度を表す信号を受信するように動作する増幅回路を備える。この差温度は、ＸまたはＹ方向で検知された加速度を示す。この増幅回路は更に、第１及び第２の温度検知要素によって検出された共通モード温度を表す信号を受信するように動作する。この共通モード温度は、Ｚ方向で検知された加速度を示す。増幅回路は、それぞれの軸に沿う加速度の大きさを表す出力電圧を発生する。増幅回路は、内部基準電圧によって導入されたＤＣオフセットとドリフトの双方を低減するように構成されている。これにより、Ｚ方向の加速度検知の感度を増加する。熱加速度計は、ＣＭＯＳおよびバイポーラプロセスと互換性のある組み立て技術を使用して実装されるので、高レベルの信頼性を確保しながら、製造コストは低減される。
この発明の他の特徴、機能及び形態は、後続する発明の詳細な説明から明らかとなる。
【０００８】
「図面の簡単な説明」
この発明は、図面に関連してなされる発明の詳細な説明を参照することにより更に充分に理解される。
図１：  ヒータ要素および一対の熱電対を有した本発明に係る熱加速度センサの断面図であり、ヒート要素によって発生された等温輪郭を示している。
図２：  図１の熱加速度センサとＺまたは“垂直”方向の加速度検知の感度を増加するための増幅回路とを有した本発明に係るｚ軸熱加速度計の模式図である。
図３：  図２の増幅回路に含まれた調整可能なＤＣオフセットゼロ調整電圧を与えるための回路の模式図である。
図４：  図１の熱加速度センサの実例的実施形態の斜視図であり、この熱加速度センサは、図３の調整可能なＤＣオフセットゼロ調整電圧回路の性能を強化するように構成された単軸構造を有する。
図５：  図１の熱加速度センサの第１の代替実施形態の斜視図であり、熱加速度センサは、図３の調整可能なＤＣオフセットゼロ調整電圧回路の性能を強化するために、ヒータ要素から互いに逆側に等距離離れて配設された２つのサーミスタを有する。
図６：  図１の熱加速度センサの第２の代替実施形態の斜視図であり、熱加速度センサは、３軸の合計加速度のベクター和を表す信号を与えるように構成されている。
図７：  図１の熱加速度センサの第３の代替実施形態の斜視図であり、熱加速度センサは、基板に形成された複数の空洞と、それぞれの空洞を横切って配設された複数のヒータ要素とを有する。
図８：  図１の熱加速度センサの第４の代替実施形態の平面図であり、熱加速度センサは、Ｚ軸およびＸ／Ｙ軸に沿う加速度をそれぞれ表す信号を与えるように構成された２組の熱電対を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
Ｚ軸熱加速度計なる名称で２００４年６月９日に出願された米国仮特許出願第６０／５７８，２７３号は、参照によりここに組み入れられる。
３軸までの加速度検知を与える熱加速度計デバイスが開示される。ここで開示される熱加速度計は、そのデバイスのＸ−Ｙ平面内に配設された温度検知要素によって検出された差温度を使用して、Ｘおよび／またはＹ方向の加速度の表示を与える。さらに、熱加速度計は、温度検知要素によって検出された共通モードの温度を使用して、Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸に沿った加速度の表示を与える。熱加速度計は、加速度検知の感度をＺ方向で増加するように動作する増幅回路を有する。
【００１０】
図１は、本発明に係る熱加速度センサ１０１の実例的実施形態を示す。図示の実施形態において、熱加速度センサ１０１は、実質的に平坦な基板１０２と、この基板１０２に形成された空洞１０３と、この空洞１０３上に懸架されたヒータ要素１０４と、第１および第２の温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂとを備える。第１および第２の温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂの各々は、基板１０２の表面に取り付けられた冷接点をその一端に、また空洞１０３上に懸架された熱接点をその他端に有する。熱加速度センサ１０１は更に、空洞１０３内に配設された流体を有する。これは、対流熱伝達が空洞１０３の近傍で起こることを可能にするためである。ヒータ要素１０４は、この流体内に複数の等温輪郭１０８によって表されるような温度勾配を作るように動作する。
【００１１】
図１に示されているように、等温輪郭１０８は、ヒータ要素１０４によって作られた温度勾配が、Ｘまたは“水平”方向に対称的であることを示している。ここで理解される点は、温度勾配はまた、図１の図面用紙中に延びるＹ軸の水平方向にも対称的であるということである。これに対し、温度勾配は、Ｚまたは“垂直”方向には非対称である。例えば、等温輪郭１０８は、ヒータ要素１０４の下側では空洞１０３内で互いに接近しているが、ヒータ要素１０４の上側では空洞１０３から連続して遠ざかるように離れている。従って、温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂの各熱接点における温度勾配は、Ｚ方向の熱的非対称性とヒータ要素１０４に対する熱接点の位置の双方に依存する大きさを持った垂直成分を有する。
【００１２】
好ましい実施形態では、温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂは、ヒータ要素１０４から実質的に等距離に配設されているので、Ｘ軸に沿った対称的温度勾配は、熱加速度センサ１０１が休止中に、温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂ間の差温度をゼロにする。熱加速度センサ１０１にＸ方向の加速力が加わった場合は、温度分布はシフトする。これにより、加えられた加速度に比例した非ゼロ差温度が、温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂによって検知される。ここで理解される点は、Ｙ方向に加えられた加速度に応答して、非ゼロ差温度は、ヒータ要素１０４から互いに逆側に等距離離れてＹ軸に沿って配設された温度検知要素（図示せず）によっても検出されるということである。熱加速度センサ１０１にＺ方向の加速力が加わった場合、温度分布は再度シフトするが、シフトする温度分布は、温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂの双方に同様に影響する。その結果、温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂによって検知される共通モード温度は変化し、この温度変化の大きさは、Ｚ方向に加えられた加速力の大きさに比例する。一般に、一定のヒータ電力下では、温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂの熱接点の共通モード温度は、Ｚまたは垂直方向の加速度を示す。
【００１３】
１つの実施形態では、基板１０２はシリコン製である。さらに、各温度検知要素１０６ａ〜１０６ｂは熱電対として実装され、ヒータ要素１０４はヒータ抵抗として実装され、空洞１０３内で対流熱伝達を与える流体は一定量の空気である。当業者は、熱電対１０６ａ〜１０６ｂとヒータ抵抗１０４が、既知のＣＭＯＳまたはバイポーラプロセスを使用して、２次元構造体の一部として組み立てられることを認めるであろう。さらには、好ましい微細加工技術を使用して、基板１０２の表面をエッチングすることによって、あるいは微細加工することによって、空洞１０３は形成され得る。
【００１４】
図２は、本発明に係るｚ軸熱加速度計２００の実例的実施形態を示している。図示の実施形態では、ｚ軸熱加速度計２００は、熱加速度センサ２０１と、ヒータ電力調整回路２２０と、ＤＣオフセット調整回路２１２と、Ｚ軸に沿う加速度の大きさを表す出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−を与えるための増幅回路２１４とを備える。ここで留意される点は、図１の熱加速度センサ１０１は、図２の熱加速度センサ２０１の単純化された表示であるということである。
【００１５】
図２に示されるように、熱加速度センサ２０１は、実質的に平坦な基板２０２と、基板２０２に形成された空洞２０３と、空洞２０３上に懸架されたヒータ要素２０４と、第１及び第２の温度検知要素２０６ａ〜２０６ｂとを有する。熱加速度センサ２０１は更に、ヒータの温度を測定するために、ヒータ要素２０４の近くまたは上に配設された第３、第４の温度検知要素２０５ａ，２０５ｂを有する。図示の実施形態では、第１、第２、第３並びに第４の温度検知要素２０６ａ〜２０６ｂ，２０５ａ，２０５ｂは、それぞれの熱電対を備え、またヒータ要素２０４は、ヒータ抵抗として実装されている。さらには、空洞２０３は、基板２０２をエッチングすることによって形成され、空洞２０３を横切る基板材料のブリッジ（図示せず）を残し、その上にヒータ抵抗２０４と熱電対２０５ａ，２０５ｂの接点とが配設される。ここで留意される点は、基板材料のブリッジ（例えば、図４の要素４３２ａ〜４３２ｂを参照）もまた空洞２０３を横切って形成され、その上に熱電対２０６ａ〜２０６ｂの接点が配設されているということである。加えて、ヒータ電力調整回路２２０は、第１の分圧器２１０と、バッファー２１１と、入力抵抗Ｒｉｎｔおよび帰還容量Ｃｉｎｔを有する集積回路２１６と、ヒータ変調器２１８とを備え、ＤＣオフセット調整回路２１２は、第２の分圧器を有し、また増幅回路２１４は、差動出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−をそれぞれ与えるための２つのコンバータまたは“チョッパー”増幅器Ａ〜Ｂを有する。
【００１６】
ここで認められるべき点は、基板２０２がＸおよびＹ軸によって規定される実質的に平坦な表面を有しているということ、並びに熱電対２０６ａ〜２０６ｂがヒータ抵抗２０４からＸ軸に沿って互いに逆側に等距離離れて配設されているとうことである。熱加速度センサ２０１は、それ故、単一の水平軸（Ｘ軸）に沿って、また垂直軸（Ｚ軸）に沿って、加速度を検知する能力を有する。しかしながら、ここで理解される点は、熱加速度センサ２０１はまた、一対の熱電対（図示せず）をヒータ抵抗２０４からＹ軸に沿って互いに逆側に等距離離れて動作するように配設することにより、Ｙ方向の加速度を検知するように構成できるということである。このようにして、熱加速度センサ２０１は、３軸までの加速度検知を与えるように構成できる。
【００１７】
熱加速度センサ２０１に含まれる熱電対２０５ａ〜２０５ｂ，２０６ａ〜２０６ｂの各々は、内部基準電圧Ｖｂｓに接続された第１の端子を有する。ここで開示されている実施形態では、基準電圧Ｖｂｓはバンドギャップ基準電圧である。この基準電圧Ｖｂｓは、ｚ軸熱加速度計２００内でアナログ共通基準点として、および／または、そこに含まれたバイアス回路に対しては電源電圧（図示せず）と無関係に使用される。熱電対２０５ａ〜２０５ｂ，２０６ａ〜２０６ｂの各々はまた、第２の端子を有する。具体的には、熱電対２０５ａ〜２０５ｂは電圧レベルＶ１を与えるそれぞれの第２の端子を有し、熱電対２０６ａは電圧レベルＶ２＋を与えるそれぞれの第２の端子を有し、熱電対２０６ｂは電圧レベルＶ２−を与えるそれぞれの第２の端子を有する。
【００１８】
上述したように、熱加速度センサ２０１は、Ｘ及びＺ方向の加速度を検知する能力を有する。そのため、熱電対２０６ａ〜２０６ｂによって検出される差温度の表示は、電圧レベルＶ２＋およびＶ２−の差を取ることによって得られる。さらに、熱電対２０６ａ〜２０６ｂによって検出される共通モード温度の表示は、電圧レベルＶ２＋およびＶ２−の平均を取ることによって得られる。差温度はＸ方向で検知された加速度を示し、共通モード温度はＺ方向で検知された加速度を示す。
【００１９】
例えば、電圧レベルＶ２＋およびＶ２−の平均は、図２に示されるように、熱電対２０６ａ〜２０６ｂの第２の端子（Ｖ２＋，Ｖ２−）を互いに接続することによって容易に得ることができる。しかしながら、そのような回路構成は、電圧レベルＶ２＋およびＶ２−の差の決定を許さない。水平及び垂直方向の双方で加速度検知が望まれる場合、電圧レベルＶ２＋およびＶ２−の平均は、その代わりに、差動計装増幅器と、加算回路と、および／または他の好適な回路構成または技術を使用することによって得ることができる。さらに、電圧レベルＶ２＋およびＶ２−の差は、ブリッジ回路と、差動増幅器と、および／または他の好適な回路構成または技術を使用することによって得ることができる。図２に示されるように、熱電対２０６ａ〜２０６ｂの第２の端子（Ｖ２＋，Ｖ２−）は互いに接続され、またチョッパー増幅器Ａに含まれた演算増幅器（オペアンプ；番号付けされていない）の非反転入力に結合された入力抵抗Ｒ１に接続されている。ここで留意される点は、増幅回路２１４は、Ｖ２＋およびＶ２−の平均の測定を促進するために、差動出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−を与えるように構成されているということである。
【００２０】
また、上述したように、熱電対２０５ａ〜２０５ｂは、ヒータの温度を測定するために、ヒータ抵抗２０４の近くまたはその上に配設されている。ここで開示される実施形態では、ヒータ温度は、熱電対２０５のそれぞれの第２の端子における電圧レベルＶ１に比例している。図２に示されるように、電圧レベルＶ１は、ヒータ電力調整回路２２０に対し、具体的には、集積回路２１６に含まれたオペアンプ（番号付けされていない）の反転入力に結合された入力抵抗Ｒｉｎｔに対し与えられる。さらに、第１の分圧器２１０とバッファー２１１は、ヒータ制御基準電圧Ｖｒｅｆを集積回路２１６に含まれたオペアンプの反転入力に与える。分圧器２１０は、内部基準電圧Ｖｂｓと接地電位との間に直列接続された一対の抵抗を有し、そして直列接続された抵抗の共通モード接続部は、バッファー２１１の入力に結合されている。好ましい実施形態では、分圧器２１０は、所望の電圧レベルＶｒｅｆを集積回路２１６に与えるように調整可能である。ヒータ変調器２１８は、集積回路２１６の出力とヒータ抵抗２１４との間に動作可能に接続されている。例えば、ヒータ変調器２１８は、ヒータの温度を制御するために、パルス密度変調（ＰＤＭ）、パルス幅変調（ＰＷＭ）、または他の好適な変調技術を使用する。集積回路２１６とヒータ変調器２１８は、ヒータ抵抗２０４の電力を直接調整するように動作して、強制的に電圧レベルＶ１がヒータ制御基準電圧Ｖｒｅｆのレベルと等しくなるようにする。
【００２１】
ＤＣオフセット調整回路２１２に含まれた第２の分圧器は、差動出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−からのＤＣオフセット電圧を最小化することに使用される調整可能な基線電圧Ｖａを増幅回路２１４に与える。第２の分圧器２１２は、ヒータ制御基準電圧Ｖｒｅｆと内部基準電圧Ｖｂｓとの間に直列に接続された一対の抵抗を有する。さらに、直列接続された抵抗の共通モード接続部は、増幅回路２１４に対し、具体的には、チョッパー増幅器Ｂに含まれたオペアンプの非反転入力に結合された入力抵抗Ｒ１に対し接続される。好ましい実施形態では、分圧器２１２は、所望の電圧レベルＶａを増幅回路２１４に与えて、ＤＣオフセットを最小化するように調整可能である。
【００２２】
熱電対２０５ａ〜２０５ｂ，２０６ａ〜２０６ｂおよびヒータ抵抗２０４は、既知のＣＭＯＳまたはバイポーラプロセスを使用して２次元構造の一部として製作できるので、熱加速度センサ２０１とヒータ電力調整回路２２０とＤＣオフセット調整回路２１２と増幅回路２１４とを含んだｚ軸熱加速度計２００は、１つの集積回路（ＩＣ）内に実装できる。これにより、消費者電子回路および／または自動推進応用に使用される、低コストで信頼性の高い１〜３軸熱加速度計を提供することができる。
【００２３】
ここで留意される点は、内部基準電圧Ｖｂｓの変動によって導入されるＤＣオフセットおよびドリフトのレベルは、自動車環境で観察される典型的な温度範囲にわたって比較的高いものとなる。例えば、ＣＭＯＳプロセスでは、バンドギャップ基準電圧のレベルは、典型的な自動車の温度範囲にわたって数Ｇｓに比例したドリフトを有する。さらに、そのようなバンドギャップ基準電圧によって導入される初期ＤＣオフセットは、約１００Ｇｓの標準偏差によって特徴付けられる。基準電圧Ｖｂｓのそのような変動は、ホイートストンブリッジ回路構成を使用することによって効果的に相殺され、調整可能なＤＣオフセットゼロ調整電圧Ｖａを与えることができる。
【００２４】
図３は、事実上ホイートストンブリッジとして動作して、ＤＣオフセットゼロ調整電圧Ｖａを与える実例的回路３０１を示している。図示の実施形態では、事実上のホイートストンブリッジ回路３０１は、分圧器２１２の抵抗Ｒ１〜Ｒ２と、熱抵抗θ１〜θ２とを有する。ここで、θ１はヒータ抵抗２０４から熱電対２０６ａまたは２０６ｂの熱接点までの熱抵抗を表し、またθ２は熱電対の熱接点から基板２０２までの熱抵抗を表す（図２も参照されたい）。具体的に、熱抵抗θ１〜θ２は、ヒータ制御基準電圧Ｖｒｅｆと内部基準電圧Ｖｂｓとの間に直列に接続されている。さらに、熱電対の熱接点は、熱抵抗θ１〜θ２の共通ノードにおける電圧レベルＶｃｏｍを与える。電圧レベルＶａとＶｃｏｍの差をとることによって、基準電圧Ｖｂｓのレベルに生じる小さな変動を効果的に相殺しながら、Ｚ方向で検知された加速度を表す信号が得られる。基準電圧Ｖｂｓの小さな変動は効果的に相殺されるので、ｚ軸熱加速度計２００の出力電圧のドリフトは最小化される。加えて、安定したＶｂｓを発生するための設計要求は、有意に低減される。
【００２５】
好ましい実施形態では、熱抵抗θ１は、熱抵抗θ２と同じ温度特性、即ち同じ温度係数を有して、関心のある温度範囲にわたるドリフトを最小化する。しかしながら、当業者が認めるように、実際の回路構成では、ヒータブリッジの異なる面積密度と熱電対２０６ａ〜２０６ｂのそれぞれのブリッジとに起因して、またヒータブリッジおよび熱電対ブリッジの異なる組成に起因して、熱抵抗θ１〜θ２は通常同じにならない。例えば、ヒータブリッジから熱電対２０６ａまたは２０６ｂの熱接点までの面積密度は、通常熱電対ブリッジの面積密度よりも小さい。さらには、熱電対ブリッジには典型的に何らかの金属が存在するが、ヒータブリッジには存在しない。熱加速度センサ２０１の単一水平軸構造は、熱抵抗θ１の温度係数を熱抵抗θ２の温度係数と実質的に等しくさせる利点を有する。
【００２６】
図４は、熱加速度センサ２０１（図２参照）のそれと同様の単軸構造を有する熱加速度センサ４０１の詳細な斜視図を示している。図示の実施形態では、熱加速度センサ４０１は、基板４０２と、基板４０２にエッチングされた空洞４０３と、空洞４０３を横切って配設されたヒータブリッジ４３０と、ヒータブリッジ４３０上に配置されたヒータ抵抗４０４と、空洞４０３を横切って配設された熱電対ブリッジ４３２ａ〜４３２ｂと、熱電対ブリッジ４３２ａ〜４３２ｂ上に配置されたそれぞれの加速度検知熱電対４０６ａ〜４０６ｂとを備える。図４に示されるように、熱電対ブリッジ４３２ａ〜４３２ｂは、ヒータブリッジ４３０を約９０°の角度で横切る。この結果、ヒータブリッジ４３０から熱電対４０６ａまたは４０６ｂの熱接点までの面積密度は、この熱電対の熱接点から空洞４３０のエッジまでの面積密度とほぼ等しいレベルまで増加され、これにより熱抵抗θ１は、熱抵抗θ２と実質的に等しくされる。
【００２７】
図５は、熱加速度センサ２０１（図２参照）の第１の代替実施形態５０１を示している。この代替実施形態では、熱加速度センサ５０１は、基板５０２と、基板５０２にエッチングされた空洞５０３と、空洞５０３を横切って配設されたヒータブリッジ５３０と、ヒータブリッジ５３０上に配置されたヒータ抵抗５０４とを備える。熱加速度センサ５０１は更に、空洞５０３を横切って配設されたブリッジ５３２ａ〜５３２ｂと、ブリッジ５３２ａ〜５３２ｂ上に配置されたそれぞれの加速度検知サーミスタ５０７ａ〜５０７ｂとを備える。熱加速度センサ２０１と同様に、熱加速度センサ６０１は、既知のＣＭＯＳまたはバイポーラプロセスを使用して、２次元構造の一部として製作することができる。
【００２８】
図５に示されるように、サーミスタブリッジ５３２ａ〜５３２ｂは、ヒータブリッジ５３０と実質的に平行である。ここで留意される点は、サーミスタ５０７ａ〜５０７ｂは、ヒータブリッジ４３０と直交した熱電対ブリッジ４３２ａ〜４３２ｂ上に配設された熱電対４０６ａ〜４０６ｂの熱接点の代わりに（図４参照）、熱加速度センサ５０１中で使用されているということである。図５の実施形態において、θ１はヒータ抵抗５０４からサーミスタ５０７ａまたは５０７ｂまでの熱抵抗を表し、またθ２はサーミスタ５０７ａまたは５０７ｂから基板５０２までの熱抵抗を表している。ヒータブリッジ５３０と直交したサーミスタブリッジは、図５の実施形態では必要とされないので、熱加速度センサ５０１は増加された熱効率を提供する。
【００２９】
図６は、熱加速度センサ２０１（図２参照）の第２の代替実施形態６０１を示している。この代替実施形態では、熱加速度センサ６０１は、基板６０２と、基板６０２にエッチングされた空洞６０３と、空洞６０３を横切って配設された第１のブリッジ６３４と、第１のブリッジ６３４に対して実質的に９０°の角度で空洞６０３を横切って配設された第２のブリッジ６３６と、第１および第２のブリッジ６３４および６３６の交差部に配置されたヒータ要素６０４と、ヒータ要素６０４に接続されたヒータリード６４０ａ〜６４０ｂとを備える。熱加速度センサ２０１は、水平方向の加速度を示す差温度と垂直方向の加速度を示す共通モード温度とを検出するように構成されているが、熱加速度センサ６０１は、３軸に沿った合計加速度のベクター和を検出するように構成されている。熱加速度センサ２０１と同様に、熱加速度センサ６０１は、既知のＣＭＯＳまたはバイポーラプロセスを使用して、２次元構造の一部として製作することができる。
【００３０】
好ましい実施形態では、ヒータ要素６０４は、熱加速度センサ６０１の総合的構造に対して小さなサイズを有する点ヒータである。さらに、ヒータリード６４０ａ〜６４０ｂは、オンチップのヒータ変調器または調整回路（例えば、図２の要素２１８を参照のこと）に接続されている。この代わりに、ヒータリード６４０ａ〜６４０ｂは、オフチップのヒータ電源に接続されることもある。熱加速度センサ６０１の全体構造は、密閉封止されたパッケージ６５０内に包囲され、その封止されたパッケージ内には空気のような流体が配設される。典型的なモードの動作では、熱加速度センサ６０１に対して何らかの加速度（重力を含む）も加わらないときは、点ヒータ６０４からパッケージ６０５への熱伝達のメカニズムは、伝導のみである。熱加速度センサ６０１に対して加速度が加わるときの点ヒータ６０４からパッケージ６０５への熱伝達のメカニズムは、伝導と対流の双方になる。
【００３１】
従って、一定のヒータ電力では、温度の低下は、加わる加速度の存在下、点ヒータ６０４で検出される。図示の実施形態では、点ヒータ６０４の近くまたは上にサーミスタが設けられて、この温度変化を測定する。この温度変化は、Ｘ、ＹおよびＺ軸に沿った合計加速度のベクター和を示している。この代わりに、点ヒータ６０４の温度変化は、点ヒータ６０４の抵抗値の対応する変化を測定することによって決定される。点ヒータ６０４の温度変化は、点ヒータ６０４の近くまたは上に配置された熱電対を使用することによっても測定される。また、点ヒータ６０４に一定のヒータ電力が供給されていない場合、点ヒータ６０４に加わった加速度によって増加した熱損失は、加速度の存在下で点ヒータ６０４を一定温度に維持するに必要な電力の量を決定することによって測定される。
【００３２】
図７は、熱加速度センサ２０１（図２参照）の第３の代替実施形態７０１を示している。この代替実施形態では、熱加速度センサ７０１は、基板７０２と、基板７０２にエッチングされた複数の空洞７０３．１〜７０３．４を有する空洞アレイと、空洞７０３．１〜７０３．４をそれぞれ横切って配設されたヒータブリッジ（番号付けされていない）上の複数のヒータアレイ７０４．１〜７０４．４とを備える。ここで理解されるべき点は、空洞アレイが基板７０２にエッチングされた２以上の空洞を有することができること、並びにヒータアレイ７０４．１〜７０４．４の各々がそれぞれの空洞７０３．１〜７０３．４を横切って配設された２以上のヒータ要素を有することができるということである。ここでまた理解される点は、熱加速度センサ７０１は、ヒータアレイ７０４．１〜７０４．４の近くに動作可能に配設された温度検知要素（図示せず）を備えて、加えられる加速力が存在する場合に、空洞７０３．１〜７０３．４内の差温度の変化を検出するということである。温度検知要素は、明瞭化の目的のために熱加速度センサ７０１の図面からは省略されている。
【００３３】
図８は、熱加速度センサ２０１（図２参照）の第４の代替実施形態８０１を示している。この代替実施形態では、熱加速度センサ８０１は、基板４０と、基板４０にエッチングされた空洞６０のような複数の空洞と、空洞上に懸架されたブリッジ４４を含むブリッジ構造と、ヒータ要素５０と、第１の組の熱電対２０，２２，２４，２６と、第２の組の熱電対３０，３２，３４，３６とを備える。図８に示されるように、ヒータ要素５０と、第１の組の熱電対２０，２２，２４，２６と、第２の組の熱電対３０，３２，３４，３６は、ブリッジ構造のそれぞれの部分に配設されている。ヒータ要素５０は、ブリッジ構造のほぼ中央に配置されている。各熱電対２０，２２および３０，３２の部材は、ヒータ要素５０からＸ軸に沿って互いに逆側にほぼ等距離離れて配設されている。また、各熱電対２４，２６および３４，３６の部材は、ヒータ要素５０からＹ軸に沿って互いに逆側にほぼ等距離離れて配設されている。
【００３４】
図示の実施形態では、熱電対２０，２２および３０，３２は、ＸおよびＹ方向の加速度をそれぞれ検知するように動作する。さらには、熱電対３０，３２，３４，３６は、（図面に直交する）Ｚ方向で検知された加速度を表す信号を与えるように動作する。Ｘ／Ｙ方向およびＺ方向の加速度検知は独立したグループの熱電対によって与えられるので、Ｘ／Ｙ方向およびＺ方向で検知された加速度を表す信号は、独立して最適化される。例えば、熱加速度センサ８０１は、熱電対２０，２２および２４，２６に対して最適位置を与えて、Ｘ／Ｙ方向に対応した信号を最適化するように、また熱電対３０，３２，３４，３６に対して最適位置を与えて、Ｚ方向に対応した信号を最適化するように構成することができる。また、ヒータ要素５０用のヒータ制御回路（図示せず）は、Ｘ軸に沿って配設された熱電対２０，２２の共通モード信号を使用したり、および／またはＹ軸に沿って配設された熱電対２４，２６を制御点として使用するように構成できる。この共通モード信号を一定に固定することによって、使用可能なＺ信号を依然として維持しながら、安定したＸ／Ｙ信号が達成できる。
【００３５】
当業者によって認められる点は、ここに開示された発明概念から逸脱することなしに、上述したｚ軸熱加速度計の別の変形および代替がなされるということである。従って、この発明は、添付された請求の範囲の精神および範囲によらなければ限定されないとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ヒータ要素および一対の熱電対を有した本発明に係る熱加速度センサの断面図。
【図２】図１の熱加速度センサとＺまたは“垂直”方向の加速度検知の感度を増加するための増幅回路とを有した本発明に係るｚ軸熱加速度計の模式図。
【図３】図２の増幅回路に含まれた調整可能なＤＣオフセットゼロ調整電圧を与えるための回路の模式図。
【図４】図１の熱加速度センサの実例的実施形態の斜視図。
【図５】図１の熱加速度センサの第１の代替実施形態の斜視図。
【図６】図１の熱加速度センサの第２の代替実施形態の斜視図。
【図７】図１の熱加速度センサの第３の代替実施形態の斜視図。
【図８】図１の熱加速度センサの第４の代替実施形態の平面図。
【符号の説明】
【００３７】
１０１              熱加速度センサ
１０２              基板
１０３              空洞
１０４              ヒータ要素
１０６ａ〜１０６ｂ  第１および第２の温度検知要素
【図１】
0004617206.tif 000002
【図２】
0004617206.tif 000003
【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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