(57)【要約】【解決手段】２軸の加速度検知及び１軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサである。このマルチセンサは、堅固な加速度計フレームと、第１の慣性質量と、第２の慣性質量とを備える。基板は、基板の面内の２つの関連した加速度軸と、この加速度軸に垂直な１つの関連した回転軸とを有する。慣性質量は、回転軸に垂直な共通の振動軸を有する。このマルチセンサは更に、慣性質量を逆相で振動させるための駆動電極構造体と、加速度軸の一方に沿って配設された加速度検知電極構造体の第１の対と、他方の加速度軸に沿って配設された加速度検知電極構造体の第２の対とを有する。このマルチセンサは、それぞれの検知電極対によって与えられる検知信号を加算して、加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出し、またそれぞれの検知電極対によって与えられる検知信号の差を加算して、回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出する。
2006524825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチセンサであって、
実質的に平面的な加速度計フレームと、
このフレームに結合された第１の慣性質量と、
前記フレームに結合された第２の慣性質量と、
前記フレームに結合されると共に、第１の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第１の対と、
前記フレームに結合されると共に、第１の加速度軸に垂直な第２の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第２の対とを備え、
第１及び第２の慣性質量は、振動軸に沿って逆相で振動するように構成され、この振動軸は、加速度軸によって規定される面内にあり、
各加速度検知電極構造体は、それぞれの加速度検知信号を生成するように構成され、各検知信号は、残りの検知信号から電気的に独立していることを特徴とするマルチセンサ。
【請求項２】
第１の慣性質量と第２の慣性質量を弾性的に結合する弾性部材を更に備える請求項１に記載のマルチセンサ。
【請求項３】
第１及び第２の軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出すると共に、第１及び第２の軸に垂直な回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出するように構成された信号処理ユニットを更に備える請求項１に記載のマルチセンサ。
【請求項４】
加速度検知電極構造体の第１の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第１の検知信号を生成するように構成された第１の増幅器と、加速度検知電極構造体の第１の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第２の検知信号を生成するように構成された第２の増幅器とを更に備える請求項１に記載のマルチセンサ。
【請求項５】
第１及び第２の検知信号を受信すると共に第１及び第２の検知信号の和である第３の検知信号を生成するように構成された第３の増幅器を更に備え、第３の検知信号は、第１の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項４に記載のマルチセンサ。
【請求項６】
加速度検知電極構造体の第２の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第１の検知信号を生成するように構成された第１の増幅器と、加速度検知電極構造体の第２の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第２の検知信号を生成するように構成された第２の増幅器とを更に備える請求項１に記載のマルチセンサ。
【請求項７】
第１及び第２の検知信号を受信すると共に第１及び第２の検知信号の和である第３の検知信号を生成するように構成された第３の増幅器を更に備え、第３の検知信号は、第２の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項６に記載のマルチセンサ。
【請求項８】
加速度検知電極構造体の第１の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第１の検知信号を生成するように構成された第１の増幅器と、加速度検知電極構造体の第１の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第２の検知信号を生成するように構成された第２の増幅器と、加速度検知電極構造体の第２の対の一方から差分検知信号を受信すると共に第３の検知信号を生成するように構成された第３の増幅器と、加速度検知電極構造体の第２の対の他方から差分検知信号を受信すると共に第４の検知信号を生成するように構成された第４の増幅器とを更に備える請求項１に記載のマルチセンサ。
【請求項９】
第１及び第２の検知信号を受信すると共に第１及び第２の検知信号の差である第５の検知信号を生成するように構成された第５の増幅器と、第３及び第４の検知信号を受信すると共に第３及び第４の検知信号の差である第６の検知信号を生成するように構成された第６の増幅器とを更に備える請求項８に記載のマルチセンサ。
【請求項１０】
第５及び第６の検知信号を受信すると共に第５及び第６の検知信号の和である第７の検知信号を生成するように構成された第７の増幅器を更に備え、第７の検知信号は、回転軸に対する角速度検知に属する情報を含み、この回転軸は、第１及び第２の加速度軸に垂直である請求項９に記載のマルチセンサ。
【請求項１１】
速度検知信号を生成するように構成された速度検知電極構造体を更に備え、速度検知信号は、第１及び第２の慣性質量の振動速度と同相であり、且つ第１及び第２の慣性質量の線形加速度と非同期である請求項１０に記載のマルチセンサ。
【請求項１２】
第７の検知信号及び速度検知信号を受信すると共に回転軸に対する角速度検知に属する情報を含んだ第８の検知信号を生成するように構成された位相復調器を更に備える請求項１１に記載のマルチセンサ。
【請求項１３】
少なくともフレームと第１及び第２の慣性質量は、基板上に微細加工され、第１及び第２の加速度軸は、この基板の面内にある請求項１に記載のマルチセンサ。
【請求項１４】
マルチセンサを動作させる方法であって、
加速度計フレームに結合された第１の慣性質量と第２の慣性質量を駆動電極構造体によって振動軸に沿って逆相で振動させる工程と、
前記フレームに結合されると共に、第１の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第１の対によって、それぞれの第１の加速度計検知信号を生成する工程と、
前記フレームに結合されると共に、第１の加速度軸に垂直な第２の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第２の対によって、それぞれの第２の加速度計検知信号を生成する工程とを備え、
第１及び第２の生成する工程で生成される各検知信号は、残りの検知信号から電気的に独立していることを特徴とする方法。
【請求項１５】
信号処理ユニットによって第１及び第２の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出する工程と、信号処理ユニットによって第１及び第２の加速度軸に垂直な回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出する工程とを更に備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第１の増幅器によって加速度検知電極構造体の第１の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第１の増幅器によって第１の検知信号を生成する工程と、第２の増幅器によって加速度検知電極構造体の第１の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第２の増幅器によって第２の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
第３の増幅器によって第１及び第２の検知信号を受信する工程と、第３の増幅器によって第１及び第２の検知信号の和である第３の検知信号を生成する工程とを更に備え、第３の検知信号は、第１の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第１の増幅器によって加速度検知電極構造体の第２の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第１の増幅器によって第１の検知信号を生成する工程と、第２の増幅器によって加速度検知電極構造体の第２の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第２の増幅器によって第２の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
第３の増幅器によって第１及び第２の検知信号を受信する工程と、第３の増幅器によって第１及び第２の検知信号の和である第３の検知信号を生成する工程とを更に備え、第３の検知信号は、第２の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を含むものである請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第１の増幅器によって加速度検知電極構造体の第１の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第１の増幅器によって第１の検知信号を生成する工程と、第２の増幅器によって加速度検知電極構造体の第１の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第２の増幅器によって第２の検知信号を生成する工程と、第３の増幅器によって加速度検知電極構造体の第２の対の一方から差分検知信号を受信する工程と、第３の増幅器によって第３の検知信号を生成する工程と、第４の増幅器によって加速度検知電極構造体の第２の対の他方から差分検知信号を受信する工程と、第４の増幅器によって第４の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
第５の増幅器によって第１及び第２の検知信号を受信する工程と、第５の増幅器によって第１及び第２の検知信号の差である第５の検知信号を生成する工程と、第６の増幅器によって第３及び第４の検知信号を受信する工程と、第６の増幅器によって第３及び第４の検知信号の差である第６の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
第７の増幅器によって第５及び第６の検知信号を受信する工程と、第７の増幅器によって第５及び第６の検知信号の和である第７の検知信号を生成する工程とを更に備え、第７の検知信号は、回転軸に対する角速度検知に属する情報を含み、この回転軸は、第１及び第２の加速度軸に垂直である請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
速度検知電極構造体によって速度検知信号を生成する工程を更に備え、速度検知信号は、第１及び第２の慣性質量の振動速度と同相であり、且つ第１及び第２の慣性質量の加速度と非同期である請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
位相復調器によって第７の検知信号及び速度検知信号を受信する工程と、位相復調器によって回転軸に対する角速度検知に属する情報を含んだ第８の検知信号を生成する工程とを更に備える請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
少なくともフレームと第１及び第２の慣性質量を基板上に微細加工する工程を更に備え、第１及び第２の加速度軸は、この基板の面内にある請求項１４に記載の方法。
【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、「２軸の加速度検知及び１軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサ」なる名称で２００３年４月２８日に出願された米国仮出願第６０／４６６，１２６号の優先権を主張する。
【０００２】
連邦補助研究又は開発に関する表明
適用なし
【０００３】
背景技術
本発明は、一般的に集積化された加速度及び角速度センサ（“マルチセンサ”）に関し、特に２軸の加速度検知及び１軸の角速度検知を与えることが可能なシリコン微細加工マルチセンサに関する。
【０００４】
シリコン微細加工マルチセンサは、単一のセンサ装置で加速度検知及び／又は角速度検知の示度を与えるための少なくとも１つの加速度計を備えるものとして知られている。従来のシリコン微細加工マルチセンサ、例えば「微細加工加速度計ジャイロスコープ」なる名称で１９９５年２月２８日に発行された米国特許第５，３９２，６５０号に開示されているシリコン微細加工マルチセンサは、一対の加速度計を備え、各加速度計は、それぞれの加速度計フレームと、複数の撓み体によってフレームから懸架されたそれぞれの慣性質量（プルーフマス）とを有する。従来の微細加工マルチセンサは、それに関連した単一の加速度検知軸と、この加速度軸に垂直な単一の回転検知軸とを有する。更に従来の微細加工マルチセンサは、それぞれの慣性質量を、加速度及び回転軸に垂直な振動軸に沿って逆相で振動させるように構成されている。
【０００５】
典型的な動作のモードにおいて、従来の微細加工マルチセンサは、それぞれの慣性質量に加わる線形加速度の力を、加速度軸に沿った慣性質量の線形加速度の関数である電気的復元力の第１の組によってバランスさせる。従来の微細加工マルチセンサは更に、それぞれの慣性質量に加わるコリオリの力を、回転及び振動軸に垂直な軸に沿った慣性質量のコリオリ加速度の関数である電気的復元力の第２の組によってバランスさせるように構成されている。慣性質量の各々のコリオリ加速度は、振動軸に沿った慣性質量の振動と、回転軸を中心とした慣性質量の加えられた角回転との組み合わせから生ずる。
【０００６】
従来のシリコン微細加工マルチセンサに含まれた慣性質量は、典型的に逆相で振動するように作られているので、線形加速度に対する慣性質量の応答は同相になるが、コリオリ加速度に対する慣性質量の応答は逆相になる。従って、従来の微細加工マルチセンサは、それぞれの加速度計の出力を加算して、線形加速度に対応する情報（即ち、加速度検知情報）を抽出すると共に、それぞれの加速度計の出力を減算して、コリオリ加速度に対する対応する情報（即ち、角速度検知情報）を抽出するように構成されている。
【０００７】
上述した従来の微細加工マルチセンサは、典型的にその電子回路とは別に、バルク微細加工として知られるプロセスによって製造されている。このプロセスは、微細加工装置を製造するための比較的高価なプロセスである。バルク微細加工よりも一般に高価でない他の微細加工製造プロセス、例えば集積電子回路を伴う表面微細加工もある。例えば、従来の表面微細加工ジャイロスコープが、「微細加工ジャイロ」なる名称で２０００年９月２６日に発行された米国特許第６，１２２，９６１号に記載されている。この従来の微細加工ジャイロスコープ装置は、そのコリオリ加速度計の出力を加算や減算して、基板の面内の線形加速度の軸（即ち、傾き）と、基板面に垂直なジャイロスコープ軸（即ち、ヨー）とを生じるように構成され得る。
【０００８】
しかしながら、上述した従来の表面微細加工ジャイロスコープもまた欠点を有する。例えば、そこに含まれた慣性質量は、別々の加速度計フレームから懸架されている。この結果、典型的に少なくとも僅かなミスマッチがそれぞれの慣性質量の共振周波数に存在して、検出可能なコリオリ加速度を得るに足りる高速度で慣性質量を振動させるための十分な推進力を発生することを困難にする。更に、微細加工マルチセンサ装置に別々の加速度計フレームを持つことは、その装置をダイの上に中心決めすることを難しいものにする。ダイ表面積内の歪みは、それ故、マルチセンサ装置に対して非対称となり、マルチセンサ全体の性能を劣化させる。もう１つの欠点は、この装置が一般に１軸の加速度計傾斜検知及び／又は１軸のジャイロスコープ的ヨー検知だけを与える点である。しかしながら、単一のセンサ装置で１軸より多い加速度及び／又は速度検知を有することはしばしば有利である。
それ故、１軸より多い加速度検知及び／又は角速度検知を与えると共に、上述した従来の微細加工マルチセンサの欠点を回避するシリコン微細加工マルチセンサを有することが望ましい。
【０００９】
発明の簡単な要約
本発明によれば、２軸の加速度検知及び１軸の角速度検知を、ダイ上に中心決めすることが比較的容易な装置構成に与える微細加工マルチセンサが開示される。ここで開示される微細加工マルチセンサは、電気的に独立した検知信号を与えると共に、共通の加速度計フレームと共通の振動軸を共有する少なくとも一対の加速度計を有する。
【００１０】
１つの実施形態の微細加工マルチセンサは、堅固な加速度計フレームと、第１の慣性質量と、第２の慣性質量と有し、各質量はシリコン基板上に形成される。この基板は、基板の面内で相互に直交した２つの関連した加速度検知軸と、この２つの加速度軸に垂直な１つの関連した回転検知軸とを有する。第１及び第２の慣性質量は、回転軸に垂直な振動軸に沿う共通の対称軸を有する。更に、第１及び第２の慣性質量は、振動軸に沿って互いに弾性的に結合されている。第１及び第２の慣性質量は、それぞれの複数の第１の撓み体によって堅固なフレームから懸架され、そして堅固なフレームは、複数の第２の撓み体によって第１の基板に固定されている。第１及び第２の撓み体は、第１及び第２の慣性質量が堅固なフレームに対して実質的に振動軸の方向にだけ移動するように、また堅固なフレームが基板に対して実質的に線形及び回転挙動で移動するように強制するものとして構成されている。
【００１１】
ここに開示された実施形態において、微細加工マルチセンサは、第１及び第２の慣性質量を振動軸に沿って逆相で振動させるように構成された駆動電極構造体を有する。微細加工マルチセンサは更に、堅固なフレームに結合されると共に第１の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第１の対と、堅固なフレームに結合されると共に第２の加速度軸に沿って配設された正反対に対向する加速度検知電極構造体の第２の対とを有する。微細加工マルチセンサは、（１）第１の加速度検知電極対によって与えられた検知信号を合計して、第１の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出するように、また（２）第２の加速度検知電極対によって与えられた検知信号を合計して、第２の加速度軸に沿った加速度検知に属する情報を抽出するように、更に（３）第１の加速度検知電極対によって与えられた検知信号の差と、第２の加速度検知電極対によって与えられた検知信号の差を加算して、回転軸に対する角速度検知に属する情報を抽出するように構成されている。
【００１２】
微細加工マルチセンサを、シリコン基板の面内で相互に直交した２つのそれぞれの加速度軸に沿う電気的に独立した２対の検知信号を与えるように構成し、これら検知信号を好適に加算及び／又は減算することによって、２軸の加速度検知並びに１軸の角速度検知が得られる。更に、微細加工マルチセンサを、第１及び第２の慣性質量が共通の振動軸に沿って逆相で信号すると共に共通の加速度計フレームから懸架されるように構成することにより、マルチセンサ装置は、２つの直交ミラー対称性を有し、従って、より簡単にダイ上に中心決めされ得る。このようにして、ダイ表面積歪みの有害な影響は低減される。
この発明の他の特徴、機能及び形態は、後続の発明の詳細な説明から明らかになる。
【００１３】
図面の簡単な説明
この発明は、図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明を参照することによって、より十分に理解される。図面において、
図１は、本発明に係るシリコン微細加工マルチセンサの概念的斜視図、
図２は、図１のシリコン微細加工マルチセンサに含まれたセンサの平面図、
図３は、図１のシリコン微細加工マルチセンサの模式図、
図４は、図１のシリコン微細加工マルチセンサを動作させる方法のフロー図である。
【００１４】
発明の詳細な説明
「２軸の加速度検知及び１軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサ」なる名称で２００３年４月２８日に出願された米国仮出願第６０／４６６，１２６号は、参照によりここに組み込まれる。
【００１５】
２軸の加速度検知及び１軸の角速度検知を単一のマルチセンサ装置に与える微細加工マルチセンサが開示される。ここで開示される微細加工マルチセンサは、ダイ上に対称的に置かれ、これにより歩留まりを改良すると共に、マルチセンサ装置全体の性能を改良することができる。
【００１６】
図１は、本発明による微細加工マルチセンサ１００の概念図を示している。ここに開示されたマルチセンサ１００は、シリコン基板のような基板１０２を備える。この基板は、任意の好適なバルク微細加工プロセスを経て、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）のマルチセンサ装置を形成する。図１に示されるように、ＭＥＭＳマルチセンサ１００は、センサ１０１を有し、このセンサは、基板１０２の面内に配設された２つの関連する相互に直交した加速度検知軸Ｘ及びＹと、この加速度軸Ｘ及びＹに垂直な１つの関連する回転検知軸Ｚとを有している。マルチセンサ１００は、それぞれの加速度軸Ｘ及びＹに沿った加速度検知の２つの示度と、回転軸Ｚに対する角速度検知の１つの示度を与えるように構成されている。
【００１７】
図２は、微細加工マルチセンサ１００に含まれたセンサ１０１（図１参照）の図解的実施形態２０１を図示している。この図解的実施形態のセンサ２０１は、基板２０２上に形成された堅固な加速度計フレーム２３０と、慣性質量２３２．１〜２３２．２及び２３４．１〜２３４．２とを有する。慣性質量２３２．１〜２３２．２は、それぞれ共振器撓み体２３６．１〜２３６．２によって堅固なフレーム２３０から懸架されている。また、慣性質量２３４．１〜２３４．２は、それぞれ共振器撓み体２３８．１〜２３８．２によって堅固なフレームから懸架されている。更に、堅固なフレーム２３０は、基板２０２上に対角的に配設された加速度計撓み体２４４．１〜２４４．４によって基板に固定されている。
【００１８】
センサ２０１は更に、駆動電極構造体２４６．１〜２４６．２及び２４８．１〜２４８．２と、加速度検知電極構造体Ａ〜Ｄとを有する。図２に示されているように、駆動電極構造体２４６．１〜２４６．２及び２４８．１〜２４８．２は、互いに平行で噛み合わされたそれぞれの複数の駆動電極（“指”）を有する。交流電圧である駆動信号（図示せず）に応答して、駆動電極構造体２４６．１〜２４６．２は、それぞれ静電力を慣性質量２３２．１〜２３２．２に加えるように構成され、また駆動電極構造体２４８．１〜２４８．２は、それぞれ静電力を慣性質量２３４．１〜２３４．２に加えるように構成されている。ここで理解されるべき点は、駆動電極構造体２４６．１〜２４６．２及び２４８．１〜２４８．２は、その代わりに、交流電流信号に応答して、それぞれ電磁力を慣性質量２３２．１〜２３２．２及び２３４．１〜２３４．２に加えるように構成された電磁駆動構造体でもよい、ということである。
【００１９】
図２に更に示されているように、加速度検知電極構造体Ａ〜Ｄは、互いに平行に噛み合わされたそれぞれの複数の検知電極（“指”）を有する。具体的に、検知電極構造体Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤは、堅固なフレーム２３０に一体的に結合された検知指のそれぞれの第１の組と、基板２０２に固定された検知指の対応する第２の組とを有する。例えば、センサ２０１が線形及び／又は回転運動を受ける場合、結果として生ずる線形加速度及び／又はコリオリの力に応答して、堅固なフレーム２３０は基板２０２に対し偏向する。堅固なフレーム２３０と、検知電極構造体Ａ〜Ｄに関連した検知指の第１の組（例えば、検知電極構造体Ｂに関連した検知指２５０を参照されたい）は、堅固なフレーム２３０が偏向するときにそれと共に移動するが、このとき検知指の第２の組（例えば、検知電極構造体Ｂに関連した検知指２５２を参照されたい）は、基板２０２に固定されたままなので、検知電極構造体Ａ〜Ｄは、検知指の第１及び第２の組の相対移動を検知することによってフレーム２３０の偏向を検知して、その偏向の大きさに比例した大きさの検知信号Ａ’〜Ｄ’（図３参照）を生成する。ここで認められるべき点は、検知電極構造体Ａ，Ｃ及びＤは、検知電極構造体Ｂの指構成と同様の指構成を有する、ということである。
【００２０】
センサ２０１は更に、堅固なフレーム２３０から懸架された複数のレバー２４０．１〜２４０．４と、レバー２４０．１〜２４０．４用の駆動電極構造体２４０．５〜２４０．６とを有する。具体的に、レバー２４０．１は慣性質量２３２．１とレバー２４０．３との間に弾性的に結合され、レバー２４０．２は慣性質量２３２．２とレバー２４０．４との間に弾性的に結合され、レバー２４０．３は慣性質量２３２．１とレバー２４０．１との間に弾性的に結合され、レバー２４０．４は慣性質量２３２．２とレバー２４０．２との間に弾性的に結合されている。更に、駆動電極構造体２４０．５〜２４０．６は、平行に配設されると共に互いに噛み合わされたそれぞれの複数の駆動指を有する。駆動電極構造体２４０．５はレバー２４０．１及び２４０．３に静電力を加えるように構成され、また駆動電極構造体２４０．６はレバー２４０．２及び２４０．４に静電力を加えるように構成されている。ここで理解されるべき点は、駆動電極構造体２４０．５〜２４０．６は、その代わりに、それぞれの電磁駆動構造体でもよい、ということである。ここでまた理解されるべき点は、いくつかの駆動電極が、駆動電極用フィードバック並びにコリオリ信号処理用の基準を与える速度信号を出力する代替用途におかれてもよい、ということである。
【００２１】
慣性質量２３２．１は慣性質量２３２．２と機械的に結合され、その結果、慣性質量２３２．１〜２３２．２は実質的に一緒になって単一の質量として移動する、という点に留意されたい。同様に、慣性質量２３４．１は慣性質量２３４．２と機械的に結合され、その結果、慣性質量２３４．１〜２３４．２は実質的に一緒になって単一の質量として移動する。更に、慣性質量２３２．１〜２３２．２を堅固なフレーム２３０から懸架している撓み体２３６．１〜２３６．２の構成は、慣性質量２３２．１〜２３２．２がフレーム２３０に対して実質的に軸Ｘの方向にのみ移動するように強制するものである。同様に、慣性質量２３４．１〜２３４．２を堅固なフレーム２３０から懸架している撓み体２３８．１〜２３８．２の構成は、慣性質量２３４．１〜２３４．２がフレーム２３０に対して実質的に軸Ｘの方向にのみ移動するように強制するものである。レバー２４０．１〜２４０．４は、慣性質量２３２．１〜２３２．２及び２３４．１〜２３４．２の運動を結合して、それらが単一の共振として振動するように構成されている。そのような結合を与える利点は、「微細加工装置における複式質量用の結合」なる名称で１９９７年６月３日に発行された米国特許第５，６３５，６３８号、並びに「回転振動型質量を有する微細加工装置」なる名称で１９９７年６月３日に発行された米国特許第５，６３５，６４０号に記載されているが、これら先行特許に記載された結合の具体的な機械化は、図２に示されているセンサ２０１のそれとは異なる。堅固なフレーム２３０を基板２０２に固定している撓み体２４４．１〜２４４．４の構成は、堅固なフレーム２３０が基板２０２に対するフレーム２３０のコリオリ検知用回転移動を許容するように強制するものである。
【００２２】
対角的撓み体２４４．１〜２４４．４は、折り畳まれた対を形成する。この結果、それらは、対角的スポークとして配置された単一の撓み体とは異なり、ある程度の平行移動運動を許容する。これは、表面微細加工に使用される堆積膜の応力を軽減すると共に、Ｘ及びＹ軸に沿った線形加速度検知を許容するためである。コリオリ加速度は、検知される線形加速度よりも一般にはるかに小さいので、撓み体２４４．１〜２４４．４を、Ｘ及びＹ軸に沿うよりも回転運動に対して従順にさせることが望ましい。望ましいコンプライアンスの比は、折り目分離線に対する撓み体長さの適切な比を使用することによって作ることができる。
【００２３】
ここで更に留意されるべき点は、堅固なフレーム２３０と、慣性質量２３２．１〜２３２．２及び２３４．１〜２３４．２と、駆動電極構造体２４６．１〜２４６．２，２４８．１〜２４８．２及び２４０．５〜２４０．６と、加速度検知電極構造体Ａ〜Ｄと、レバー２４０．１〜２４０．２と、撓み体２３６．１〜２３６．２，２３８．１〜２３８．２及び２４４．１〜２４４．４は、センサ２０１の横対称軸の各側に、また縦対称軸の各側に、鏡像式に配置されている、ということである。従って、センサ２０１は、対称的にダイ（図示せず）上で中心決めされて、ダイ表面歪みの有害な影響を低減することができる。更に、単一の堅固なフレーム２０３をセンサ２０１に使用することで、マルチセンサ装置全体のサイズを減少させる。
【００２４】
図３は、本発明に係る微細加工マルチセンサ１００（図１参照）の図解的実施形態３００の模式図である。この図解的実施形態のマルチセンサ３００は、センサ３０１と、トランスレジスタンス増幅器３０４と、複数の差動増幅器３０６，３０８，３１０，３１２，３１６及び３２０と、複数の加算増幅器３１４，３１８及び３２２と、位相復調器３２４とを備える。上述したように、慣性質量２３２．１〜２３２．２（図２参照）は互いに結合されて単一の質量として移動する。同様に、慣性質量２３４．１〜２３４．２（図２参照）は互いに結合されて単一の質量として移動する。従って、センサ３０１は、堅固なフレーム２３０（図２参照）を表す堅固な加速度計フレーム３３０と、慣性質量２３２．１〜２３２．２を表す第１の慣性質量３３２と、慣性質量２３４．１〜２３４．２を表す第２の慣性質量３３４とを有する。
【００２５】
具体的に、第１の慣性質量３３２は、撓み体２３６．１〜２３６．２（図２参照）を表す共振器撓み体３３６によって堅固なフレーム３３０から懸架され、また第２の慣性質量３３４は、撓み体２３８．１〜２３８．２（図２参照）を表す共振器撓み体３３８によって堅固なフレーム３３０から懸架されている。更に、堅固なフレーム３３０は、複数の加速度計撓み体（例えば、撓み体２４４．１〜２４４．４、図２を参照）によって基板（例えば、基板２０２、図２を参照）に固定されている。
【００２６】
センサ３０１（図３参照）は更に、レバー及び駆動電極構造体２４０．１〜２４０．２（図２参照）を表す弾性部材３４０を有する。この弾性部材３４０は、第１の慣性質量３３２と第２の慣性質量３３４を弾性的に相互接続する。更に、センサ３０１は、慣性質量３３２及び３３４を振動させるための駆動電極構造体（例えば、駆動電極構造体２４６．１〜２４６．２及び２４８．１〜２４８．２、図２を参照）と、図２の検知電極構造体Ａ〜Ｄを表す加速度検知電極構造体Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤとを有する。
【００２７】
具体的に、駆動電極構造体は、それぞれの第１及び第２の慣性質量３３２及び３３４を同時に機械的共振で振動させるように構成されている。また弾性部材３４０は、慣性質量３３２及び３３４を振動軸に沿って逆相で（即ち、１８０°位相ずれして）移動させるように構成されている。この振動軸は、ここで開示されている実施形態では加速度軸Ｘに対して平行である。正反対に対向する加速度検知電極構造体Ａ〜Ｂは、加速度軸Ｙに沿って配設され、また堅固なフレーム３３０に結合されている。正反対に対向する加速度検知電極構造体Ｃ〜Ｄは、加速度軸Ｘに沿って配設され、また堅固なフレーム３３０に結合されている。それぞれの検知電極構造体Ａ〜Ｄは、それぞれ電気的に独立した検知信号Ａ’，Ｂ’，Ｃ’及びＤ’を生成するように構成されている。
【００２８】
当業者が認めるように、慣性質量３３２及び３３４が振動軸に沿って振動する一方で、堅固なフレーム３３０が回転軸Ｚを中心に回転するときに、慣性質量３３２及び３３４の各々は、加速度軸Ｘ及びＹによって規定される面内でコリオリ加速度を受ける。更に、慣性質量３３２及び３３４は逆相で振動するので、それぞれの慣性質量３３２及び３３４はコリオリ加速度を逆方向に受ける。この結果、見かけ上のコリオリの力は、慣性質量３３２及び３３４に加えられて、加速度軸Ｘ及びＹによって規定される面内で慣性質量３３２及び３３４を逆方向に偏向する。
【００２９】
従って、回転軸Ｚに関するコリオリ加速度に対して慣性質量３３２及び３３４の応答は逆相になるが、加速度軸Ｘ及びＹに関する線形加速度に対して慣性質量３３２及び３３４の応答は同相になる。それ故、電気的に独立した検知信号Ａ’，Ｂ’，Ｃ’及びＤ’は、好適に加算及び／又は減算されて、線形加速度に対応する情報（即ち、加速度検知情報）を抽出し、またコリオリ加速度に対応する情報（即ち、角速度検知情報）を抽出する。例えば、電気的復元力の第１の組（図示せず）は、線形加速度の力をバランスさせることに使用でき、また電気的復元力の第２の組（図示せず）は、コリオリ加速度の力をバランスさせることに使用できる。更に、それぞれの検知電極構造体Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤは、電気的に独立した検知信号Ａ’，Ｂ’，Ｃ’及びＤ’を、電気的復元力の大きさに基づいて生成するように構成され得る。
【００３０】
この代わりに、フレームを基板に取り付ける撓み体２４４．１〜２４４．４の偏向によるスプリング力を使用して、コリオリの力と、それらの偏向を検知することに使用される構造体Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤとをバランスさせることができる。表面微細加工に使用される構造膜がポリシリコンである場合、撓み体の偏向は、これらの力に対して線形に関係するので、電気的復元力の複雑性を導入することは不経済である。
【００３１】
具体的に、差動増幅器３０６は、差分検知信号Ｂ’を検知電極構造体Ｂから受信して、対応する検知信号ｂを加算増幅器３１４と差動増幅器３１６に与えるように構成されている。同様に、差動増幅器３０８は、差分検知信号Ａ’を検知電極構造体Ａから受信して、対応する検知信号ａを加算増幅器３１４と差動増幅器３１６に与えるように構成されている。更に、差動増幅器３１０は、差分検知信号Ｄ’を検知電極構造体Ｄから受信して、対応する検知信号ｄを加算増幅器３１８と差動増幅器３２０に与えるように構成されている。また、差動増幅器３１２は、差分検知信号Ｃ’を検知電極構造体Ｃから受信して、対応する検知信号ｃを加算増幅器３１８と差動増幅器３２０に与えるように構成されている。
【００３２】
加算増幅器３１４は、検知信号ａ及びｂを加算して、加速度軸Ｘに沿った加速度検知に属する情報（“Ｘ−加速度”）を含んだ検知信号の和ａ＋ｂを生成するように構成されている。同様に、加算増幅器３１８は、検知信号ｃ及びｄを加算して、加速度軸Ｙに沿った加速度検知に属する情報（“Ｙ−加速度”）を含んだ検知信号の和ｃ＋ｄを生成するように構成されている。
【００３３】
更に、差動増幅器３１６は、検知信号ａ及びｂを減算して、検知信号の差ａ−ｂを加算増幅器３２２に与えるように構成されている。同様に、差動増幅器３２０は、検知信号ｃ及びｄを減算して、検知信号の差ｃ−ｄを加算増幅器３２２に与えるように構成されている。更に、加算増幅器３２２は、検知信号ａ−ｂ及びｃ−ｄを加算して、和ａ＋ｃ−ｂ−ｄを位相復調器３２４に与えるように構成されている。検知信号ａ＋ｃ−ｂ−ｄは、回転軸Ｚに対する角速度検知に属する情報（“Ｚ−角速度”）を含んでいる。しかしながら、ここで留意されるべき点は、検知信号ａ＋ｃ−ｂ−ｄが加速度軸Ｘ及びＹの一方又は双方に沿った加速度検知に属する少なくともある程度の情報を含むことがある、ということである。従って、位相復調器３２４は、ジャイロスコープ的検知信号ａ＋ｃ−ｂ−ｄ内の加速度情報を抑制するように構成されている。
【００３４】
具体的に、位相復調器３２４は、ジャイロスコープ的検知信号ａ＋ｃ−ｂ−ｄを速度検知信号Ｖに対して復調する。この速度検知信号は、慣性質量３３２及び３３４の振動速度と同相であり、且つ慣性質量の加速度と非同期である。図３に示されているように、センサ３０１は、トランスレジスタンス増幅器３０４に対して速度検知信号Ｖ（電流信号）を与えるように構成された速度検知電極構造体３４２を有する。トランスレジスタンス増幅器は、その電流信号を対応する電圧信号ｖに変換するものである。速度検知電極構造体３４２は、慣性質量３３２及び３３４に結合された電極と基板に固定された電極の相対移動を検知することによって、慣性質量３３２及び３３４の振動速度を検知し、そして振動速度と同相の速度検知信号Ｖを生成する。次に、トランスレジスタンス増幅器３０４は、電圧信号ｖを位相基準として位相復調器３２４に与える。速度検知信号Ｖは加速度信号ａ＋ｂ及びｃ＋ｄと非同期であるので、加算増幅器３２２の出力における加速度情報は位相復調器３２４によって抑制され、これにより位相復調器出力におけるジャイロスコープ的信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加する。
【００３５】
ここで認められるべき点は、差動容量によって加速度電極Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤの静的偏向を検知するために、交流電圧がフレーム３３０に与えられ、その電圧に対して信号が同期復調される、ということである。そのような復調は、差動増幅器３０６，３０８，３１０及び３１２、又は加算増幅器３１４，３１８及び３２２のいずれかにおいて行われる。感度を改善するために、交流電圧は、実際にそうであるように高い周波数である。相対周波数ドリフトによる誤差を防止するために、交流電圧は、位相同期ループを使用して、速度信号に関係付けられることが好ましい。ここでまた留意されるべき点は、ここでは説明を容易にするために種々の増幅器が離散的に示されているが、これら増幅器は、その代わりに、それら全体の機能を保存しながら、集積回路におけるトランジスタのより効率的な配置中に組み合わされ得るということである。具体的には、連続的時間（即ち、増幅器ベース）の実施が使用される場合、プロセスの一体性は、差分信号経路を位相復調器まで遠くに維持することによって保存される。離散的時間（即ち、デジタル）の解決法が使用される場合、加算、減算、復調、及びフィルタ処理を併合することがより効率的になる。
【００３６】
ここに開示されたシリコン微細加工マルチセンサを動作させる方法が、図４を参照することによって図解されている。ステップ４０２に示されているように、マルチセンサに含まれた２つの慣性質量は、振動軸に沿って逆相で振動させられる。このとき、マルチセンサは回転軸を中心として回転させられる。ここで理解されるべき点は、振動軸はマルチセンサの基板の面内にあり、そして回転軸は振動軸及びマルチセンサ基板の双方に垂直である、ということである。次に、マルチセンサの加速度検知電極構造体Ａ及びＢによって生成された差分検知信号Ａ’及びＢ’は、ステップ４０４に示されるように、それぞれ検知信号ａ及びｂに変換される。同様に、加速度検知電極構造体Ｃ及びＤによって生成された差分検知信号Ｃ’及びＤ’は、ステップ４０６に示されるように、それぞれ検知信号ｃ及びｄに変換される。加速度検知電極構造体Ａ及びＢは、基板の面内にあると共に振動軸に垂直な加速度軸Ｘに沿って配設されている。更に、加速度検知電極構造体Ｃ及びＤは、基板の面内にあると共に加速度軸Ｘに垂直な加速度軸Ｙに沿って配設されている。それからステップ４０８に示されるように、検知信号ａ及びｂは加算され、加速度軸Ｘに沿った加速度検知に属する情報（Ｘ−加速度）を含んだ検知信号の和ａ＋ｂを生成する。同様にステップ４１０に示されるように、検知信号ｃ及びｄは加算され、加速度軸Ｙに沿った加速度検知に属する情報（Ｙ−加速度）を含んだ検知信号の和ｃ＋ｄを生成する。次にステップ４１２に示されるように、検知信号ａ及びｂは減算され、検知信号の差ａ−ｂを生成する。同様にステップ４１４に示されるように、検知信号ｃ及びｄは減算され、検知信号の差ｃ−ｄを生成する。それからステップ４１６に示されるように、検知信号ａ−ｂ及びｃ−ｄは加算され、回転軸Ｚに対する角速度検知に属する情報（Ｚ−回転）を含んだ検知信号の和（ａ−ｂ）＋（ｃ−ｄ）を生成する。最後に、ステップ４１８に示されるように、ジャイロスコープ的検知信号ａ＋ｃ−ｂ−ｄに含まれることがある加速度情報は随意的に抑制されて、ジャイロスコープ的ＳＮＲを増加する。
【００３７】
信号処理の当業者によって認められるように、図４に示されたアルゴリズムは、所望の結果を生じさせる唯一のものではなく、他の好適な離散的時間の実施も使用できる。例えば、ステップ４１２，４１４，４１６及び４１８に示された加算、減算、及び復調の順序は好適に相互変換又は併合され得る。
【００３８】
上述した２軸の加速度検知及び１軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサに対する修正や変形は、ここに開示された発明の概念を逸脱することなくなされる。従って、この発明は、添付の請求の範囲の精神及び範囲による以外には限定されるものではない、とみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るシリコン微細加工マルチセンサの概念的斜視図
【図２】図１のシリコン微細加工マルチセンサに含まれたセンサの平面図
【図３】図１のシリコン微細加工マルチセンサの模式図
【図４】図１のシリコン微細加工マルチセンサを動作させる方法のフロー図
【符号の説明】
【００４０】
１００                        微細加工マルチセンサ
１０２，２０２                基板
１０１，２０１                センサ
２３０                        加速度計フレーム
２３２．１〜２３２．２、２３４．１〜２３４．２
慣性質量
２４０．５〜２４０．６        駆動電極構造体
Ａ〜Ｄ                        加速度検知電極構造体
【図１】
2006524825.tif 000003
【図２】
2006524825.tif 000004
【図３】
2006524825.tif 000005
【図４】
2006524825.tif 000006
【国際調査報告】
2006524825.tif 000007