(57)【要約】プレート状のプルーフマス（１）と、それぞれがプルーフマス（１）と同一平面上にある可撓取り付け脚（２）と、プルーフマス（１）が可動で取り付けられたリング状の支持体（３）とを有する加速度計であって、それぞれの取り付け脚（２）は一方の端部でプルーフマス（１）に連結され、別の端部で支持体（３）に連結され、取り付け脚（２）は検知方向に実質的に垂直に伸張し、複数の互いにかみ合わされたコンデンサフィンガが、検知方向でプルーフマス（１）の線形移動を検知するため、及び検知方向でプルーフマス（１）のために気体媒質圧搾減衰を提供するために、リング状の支持体（３）の中で気体媒質内に取り付けられ、フィンガ、プルーフマス（１）、取り付け脚（２）及び支持体（３）が同一平面上にあり、単結晶シリコンの単一のプレートから形成され、該フィンガは、検知方向に実質的に垂直に、及び支持体（３）からプルーフマス（１）に向かって伸張する側面方向に離間されたフィンガの固定された第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ、及び第４のアレイ（５、６、７、８）、及びプルーフマス（１）から支持体（３）に向かって検知方向に実質的に垂直に伸張し、プルーフマス（１）に取り付けられた側面方向に離間されたフィンガの可動の第５のアレイ、第６のアレイ、第７のアレイ及び第８のアレイ（１０、１１、１２、１３）とを含み、第１のアレイと第５のアレイ（５、１０）の、及び第３のアレイと第７のアレイ（７、１２）の相互嵌合が、第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイ（５、６、７、８）の隣接するフィンガ間の中線からの検知方向での一方向の第１の偏位であり、第２のアレイと第６のアレイ（６、１１）の、及び第４のアレイと第８のアレイ（８、１３）の相互嵌合が、第１の偏位に等しく、これの反対方向の第２の偏位であり、互いにかみ合わされたフィンガが加速度計に適用される加速、駆動及び変位の減衰に応じて変位のプルーフマスの検知に備えるように、フィンガの第１の偏位アレイ（５、１０、７、１２）に第１の駆動電圧を、フィンガの第２の偏位アレイ（６、１１、８、１３）に等しく、これに対向する第２の駆動電圧を印加するための手段を有する、加速度計。
2006519362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度計であって、
実質的に平面的なプレート状のプルーフマスと、
それぞれが前記プルーフマスと同一平面上にある４本以上の可撓取り付け脚と、
前記プルーフマスが可動で取り付けられた実質的に平面的なリング状の支持体であって、前記プルーフマスを基準にして固定して取り付けられ、これと同一平面上にある支持体と、
前記プルーフマスは、前記加速度計に適用される加速変化に応じて、前記プルーフマス、取り付け脚及び支持体を含む前記平面内で検知方向での線形移動のために取り付けられるように、それぞれの取り付け脚が一方の端部で前記プルーフマスに、もう一方の端部で前記支持体に連結され、前記取り付け脚は前記検知方向に実質的に垂直に伸張し、
前記検知方向での前記プルーフマスの線形移動を検知するため、及び前記検知方向での前記プルーフマスに気体媒質圧搾減衰を提供するために、前記リング状の支持体の中で気体媒質内に取り付けられる、複数の互いにかみ合わされたコンデンサフィンガであって、前記フィンガ、プルーフマス、取り付け脚及び支持体が同一平面上にあり、単結晶シリコンの単一のプレートから形成される、コンデンサフィンガと、
該フィンガは、検知方向に実質的に垂直に、及び前記支持体から前記プルーフマスに向かって伸張する側面方向に離間されたフィンガの固定された第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイを含み、前記第１のアレイ及び第２のアレイは前記プルーフマスの片側に位置し、前記第３のアレイ及び第４のアレイは前記プルーフマスの反対側に位置し、側面方向に離間されたフィンガの可動の第５のアレイ、第６のアレイ、第７のアレイ及び第８のアレイが、前記プルーフマスから前記支持体に向かって検知方向に実質的に垂直に伸張し、前記プルーフマスに取り付けられ、前記第５のアレイ及び第６のアレイは前記プルーフマスの前記片側に位置し、前記第１のアレイと第２のアレイとそれぞれ互いにかみ合わされ、前記第７のアレイ及び第８のアレイは前記プルーフマスの前記反対側に位置し、前記第３のアレイと第４のアレイとそれぞれ互いにかみ合わされ、前記第１のアレイと第５のアレイの、及び第３のアレイと第７のアレイの相互嵌合が、前記第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイの中の隣接するフィンガ間の中線から検知方向で１つの方向で第１の偏位にあり、第２のアレイと第６のアレイの、及び第４のアレイと第８のアレイの相互嵌合が、第１の偏位に等しく、第一の偏位の反対方向にある第２の偏位にあり、
前記互いにかみ合わされたフィンガが、前記加速度計に適用される加速、駆動、及び変位の減衰に応じて変位の前記プルーフマスの検知に備えるように、フィンガの前記第１の偏位アレイに第１の駆動電圧を、フィンガの前記第２の偏位アレイに等しく反対方向にある第２の駆動電圧を提供するための手段と、
を有する、加速度計。
【請求項２】
前記プルーフマス、取り付け脚、支持体及び互いにかみ合わされたフィンガは、［１１１］または［１００］結晶面で正しく配置されるシリコンのプレートからドライエッチングにより形成される、請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
前記支持体は、実質的に矩形形状を有する前記プルーフマスが位置する内部空きスペースを囲む実質的に矩形のリング状の形状を有し、前記取り付け脚が離間されたアレイ内で前記検知方向に実質的に垂直に伸張し、少なくとも２本の取り付け脚が前記内部空きスペースを画定する前記支持体の第１の内壁と、前記プルーフマスの対向する第１の外壁の間にあり、少なくとも２本の取り付け脚が前記内部空きスペースを画定する前記支持体の対向する第２の内壁と、前記プルーフマスの対向する第２の外壁の間にある、請求項１または２に記載の加速度計。
【請求項４】
前記取り付け脚は前記検知方向で高い整合性を有し、他の方向で低い整合性を有する、請求項３に記載の加速度計。
【請求項５】
前記支持体、フィンガの第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイが固定して取り付けられる、非導電性材料の支持体シートを含み、前記取り付け脚、プルーフマス、及びフィンガの第５のアレイ、第６のアレイ、第７のアレイ及び第８のアレイが前記支持体シートから離間される、請求項４に記載の加速度計。
【請求項６】
前記支持体シートは、前記支持体、及びフィンガの第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイが陽極接合によって固定して取り付けられるガラス製である、請求項５に記載の加速度計。
【請求項７】
前記内部空きスペース内に位置する少なくとも４つの接地遮蔽を含み、それぞれの接地遮蔽がフィンガの前記第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイのそれぞれ１つと関連付けられ、フィンガの前記第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイのそれぞれ１つを部分的に取り囲み、前記支持体からフィンガの前記アレイを遮蔽するよう動作可能であり、前記支持体から電気的に絶縁されている、請求項２に従属するときの請求項６に記載の加速度計。
【請求項８】
前記接地遮蔽は、前記ガラス支持体シートの上に陽極接合により固定して取り付けられる、請求項７に記載の加速度計。
【請求項９】
逆位相で前記固定された第１のフィンガアレイ、第２のフィンガアレイ、第３のフィンガアレイ及び第４のフィンガアレイに矩形波駆動電圧を印加するための手段を含み、該手段は、矩形波生成器と、前記矩形波生成器から出力信号を受信するため、及びフィンガの前記第３のアレイに同相信号を供給するための同相装置と、前記矩形波生成器から出力信号を受信するため、及びフィンガの第４のアレイに逆位相信号を供給するための逆位相装置と、前記矩形波生成器から周波数信号を受信するための復調器と、前記プルーフマスに直流バイアス電圧を印加するための装置と、前記プルーフマスから出力信号を受信するためのコンデンサと、前記コンデンサから出力信号を受信するための積分器と、前記積分器から出力信号を受信するための交流利得装置と、前記交流利得装置から出力信号を受信するため、及び前記復調器に出力信号を送るためのバンドパスフィルタと、前記復調器から出力信号を受信するためのループフィルタと、前記ループフィルタから出力信号を受信するための直流利得装置と、前記直流利得装置から出力信号を受信するため、及び正の出力信号をフィンガの前記第２のアレイに送るための正の利得装置と、直流利得装置から出力信号を受信するため、及びフィンガの前記第１のアレイに負の出力信号を送るための負の利得装置とを含む、請求項８に記載の加速度計。
【請求項１０】
前記固定された第１のフィンガアレイ、第２のフィンガアレイ、第３のフィンガアレイ、及び第４のフィンガアレイに矩形波駆動電圧を印加するための手段を含み、該手段は、矩形波生成器と、前記矩形波生成器から出力信号を受信し、フィンガの前記第３のアレイ及び第１のアレイに同相信号を供給するための同相装置と、前記矩形波生成器から出力信号を受信するため、及びフィンガの前記第４のアレイ及び第２のアレイに逆位相信号を供給するための逆位相装置と、前記プルーフマスから出力電流を受け取り、それを出力電圧に変換するための積分器と、前記出力電圧を受け取るためのバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタから出力信号を受信し、それを直流出力信号に変換するための復調器と、前記直流出力信号を受信し、そこから開ループ出力信号を提供するためのローパスフィルタとを含む、請求項８に記載の加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも部分的にシリコン製の容量加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の容量シリコン加速度計は、それぞれがプルーフマス(proof mass)からの小さな空隙にある、２枚の固定されたコンデンサプレートの間に挟まれている振り子を形成するために、通常、薄い懸架装置の上にプルーフマスを備える。加速度計上の加速の影響を受けて、一方の空隙が拡大し、他方の空隙は差動出力信号を出すために縮小する。このような従来の加速度計は、振動矯正などの影響を排除するための２つのコンデンサ空隙の非常に密接した整合を必要とする。通常、プルーフマスの位置をゼロにするために必要とされる静電駆動電圧を線形にするために、直流電圧バイアスがプルーフマスに印加される。
【０００３】
シリコン内でのディープトレンチエッチングの開発により、複雑な構造のジャイロスコープを、シリコンウェハの平面内での１つの工程段階で製造することが可能になった。このような製造技術は加速度計の構造に応用され、非常に高い位置精度を保持し、多数の装置を同時に製造できるようにする一方で、製造費を削減するという利点をもたらした。
【０００４】
偏位され互いにかみ合わされたフィンガの使用を含む、静電力の適用に互いにかみ合わされたフィンガを使用する構造は既知である。偏位され互いにかみ合わされたフィンガはフィンガ間での電圧の印加により静電力を起こすが、多数の互いにかみ合わされたフィンガの使用から引き出される増幅効果は、縁を成すフィールドのために非線形である場合がある。
【発明の開示】
【０００５】
したがって、少なくとも前記不利な点を最小限に抑え、好ましくは印加電圧でフィンガ間の力の線形化を改善し、好ましくは所定の電圧についてプルーフマスの偏向を改善する、偏位され互いにかみ合わされたフィンガを活用する、改善された容量加速度計に対するニーズがある。
【０００６】
本発明の第１の態様によると、実質的に平面的なプレート状のプルーフマスと、それぞれが前記プルーフマスと同一平面上にある４本以上の可撓取り付け脚と、前記プルーフマスがその中に可動で取り付けられる実質的に平面的なリング状の支持体であって、前記プルーフマスを基準にして固定して取り付けられ、これと同一平面上にある支持体と、前記プルーフマスは、前記加速度計に適用される加速変化に応じて、前記プルーフマス、取り付け脚及び支持体を含む平面内で検知方向での線形移動のために取り付けられるように、それぞれの取り付け脚が一方の端部で前記プルーフマスに、もう一方の端部で前記支持体に連結され、前記取り付け脚は前記検知方向に実質的に垂直に伸張し、前記検知方向での前記プルーフマスの線形移動を検知するため、及び前記検知方向での前記プルーフマスに気体媒質圧搾減衰(gaseous medium squeeze damping)を提供するために、前記リング状の支持体の中で気体媒質内に取り付けられた、複数の互いにかみ合わされたコンデンサフィンガであって、前記フィンガ、プルーフマス、取り付け脚及び支持体が同一平面上にあり、単結晶シリコンの単一のプレートから形成されるコンデンサフィンガと、このフィンガは、検知方向に実質的に垂直に、及び前記支持体から前記プルーフマスに向かって伸張する側面方向に離間されたフィンガの固定された第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイを備え、前記第１のアレイ及び第２のアレイは前記プルーフマスの片側に位置し、前記第３のアレイ及び第４のアレイは前記プルーフマスの反対側に位置し、側面方向に離間されたフィンガの可動の第５のアレイ、第６のアレイ、第７のアレイ及び第８のアレイが、前記プルーフマスから前記支持体に向かって検知方向に実質的に垂直に伸張し、前記プルーフマスに取り付けられ、前記第５のアレイ及び第６のアレイは前記プルーフマスの前記片側に位置し、前記第１のアレイと第２のアレイとそれぞれ互いにかみ合わされ、前記第７のアレイ及び第８のアレイは前記プルーフマスの前記反対側に位置し、前記第３のアレイと第４のアレイとそれぞれ互いにかみ合わされ、前記第１のアレイと第５のアレイの、及び第３のアレイと第７のアレイの相互嵌合が、前記第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイの中の隣接するフィンガ間の中線から検知方向で１つの方向で第１の偏位にあり、第２のアレイと第６のアレイの、及び第４のアレイと第８のアレイの相互嵌合が、第１の偏位に等しく、これの反対方向にある第２の偏位にあり、前記互いにかみ合わされたフィンガが、前記加速度計に適用される加速、駆動、及び変位の減衰に応じて変位の前記プルーフマスの検知に備えるように、フィンガの前記第１の偏位アレイに第１の駆動電圧を、フィンガの前記第２の偏位アレイに等しくかつ反対方向にある第２の駆動電圧を提供するための手段と、を有する、加速度計が提供される。
【０００７】
このようにして容量性の力のフィードバックと共に互いにかみ合わされたフィンガを使用する、気体媒質圧搾フィルム減衰を提供することで、低駆動電圧で、出力電圧に比例する入力加速で線形出力を達成することが可能であることを確実にする。
【０００８】
好ましくは、プルーフマス、取り付け脚、支持体及び互いにかみ合わされたフィンガは、［１１１］または［１００］結晶面で正しい位置に置かれるシリコンのプレートから、ドライエッチングにより形成される。
【０００９】
都合の良いことに、支持体は、実質的に矩形の形状を有するプルーフマスが位置する内部空きスペースを取り囲む、実質的に矩形のリング状の形状を有し、そこでは取り付け脚が離間されたアレイの中で検知方向に実質的に垂直に伸張し、少なくとも２本の取り付け脚が、内部空きエリアを画定する支持体の第１の内壁と、プルーフマスの対向する第１外壁の間にあり、少なくとも２本の取り付け脚が、内部空きエリアを画定する支持体の対向する第２の内壁と、対向する第２の外壁プルーフマスの間にある。
【００１０】
有利なことに、取り付け脚は検知方向で高い整合性を有し、他の方向では低い整合性を有する。
【００１１】
好ましくは、加速度計は非導電性材料製の支持体シートを含み、その上には支持体と、取り付け脚を有するフィンガの第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイと、プルーフマスと、支持体シートから離間されているフィンガの第５のアレイ、第６のアレイ、第７のアレイ及び第８のアレイが、固定して取り付けられる。
【００１２】
都合の良いことに、支持体シートは、陽極接合(anodic bonding)によって支持体と、フィンガの第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイが固定して取り付けられるガラス製である。
【００１３】
有利なことに、加速度計は内部空きエリア内に位置する少なくとも４つの接地遮蔽(earth screen)を含み、それぞれはフィンガの第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイのそれぞれ１つと関連付けられ、部分的に取り囲み、支持体からフィンガのアレイを遮蔽するように動作可能であり、支持体から電気的に絶縁されている。
【００１４】
都合の良いことに、接地遮蔽は、陽極接合によってガラス支持体シートに固定して取り付けられる。
【００１５】
好ましくは、加速度計は、逆位相で固定された第３のフィンガアレイと第４のフィンガアレイに矩形波(square wave)駆動電圧を供給するための手段を含み、その手段は、矩形波生成器と、矩形波生成器から出力信号を受信するため、及びフィンガの第３のアレイに同相信号を供給するための同相装置と、矩形波生成器から出力信号を受信するため、及びフィンガの第４のアレイに逆位相信号を供給するための逆位相装置と、矩形波生成器から周波数信号を受信するための復調器と、プルーフマスを通して直流バイアス電圧を供給するための装置と、プルーフマスから出力信号を受信するためのコンデンサと、コンデンサから出力信号を受信するための積分器（integrator）と、積分器から出力信号を受信するための交流利得装置と、交流利得装置から出力信号を受信するため、及び復調器に出力信号を渡すためのバンドパスフィルタと、復調器から出力信号を受信するためのループフィルタと、ループフィルタから出力信号を受信するための直流利得装置と、直流利得装置から出力信号を受信するため、及びフィンガの第２のアレイに正の出力信号を送るための正の利得装置と、直流利得装置から出力信号を受信するため、及びフィンガの第１のアレイに負の出力信号を送るための負の利得装置とを含む。
【００１６】
有利なことに、加速度計は、逆位相で固定された第１のフィンガアレイ、第２のフィンガアレイ、第３のフィンガアレイ及び第４のフィンガアレイに矩形波駆動電圧を供給するための手段を含み、その手段は、矩形波生成器と、矩形波生成器から出力信号を受信するため、及びフィンガの第３のアレイと第１のアレイに同相の信号を供給するための同相装置と、矩形波生成器から出力信号を受信するため、及びフィンガの第４のアレイと第２のアレイに逆位相信号を供給するための逆位相装置と、プルーフマスから出力電流を受け取るため、及びそれを出力電圧に変換するための積分器と、出力電圧を受け取るためのバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタから出力信号を受信し、それを直流出力信号に変換する復調器と、直流出力信号を受信するため、及び開ループ出力信号をそこから提供するためのローパスフィルタとを含む。
【００１７】
本発明をさらによく理解するために、及び本発明がどのように実行に移されるのかを示すために、例示として添付図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
添付図面の図１から図６に描かれているような本発明の第１の実施形態による容量加速度計をまず参照すると、実質的に平面的なプレート状のプルーフマス１と、それぞれがプルーフマス１と同一平面上にある４本以上の可撓取り付け脚２と、プルーフマス１が可動で取り付けられている実質的に平面的なリング状の支持体３とを含み、その支持体３はプルーフマス１を基準にして、及びそれと同一平面上に固定して取り付けられる。各取り付け脚２は、プルーフマス１が加速度計に適用される加速変化に応えてプルーフマス１、取り付け脚２、及び支持体３を含む平面内の検知方向での線形移動のためにプルーフマス１が取り付けられるように、一方の端部でプルーフマス１に連結され、もう一方の端部で支持体３に連結される。取り付け脚２は、図１の４に概して示された検知方向に実質的に垂直に伸張する。
【００１９】
本発明による加速度計は、検知方向４での気体媒質圧搾減衰の線形移動を検知するため、及び検知方向４で気体媒質圧搾減衰を提供するために、リング状の支持体３の中の、好ましくは空気である気体媒質内で取り付けられた互いにかみ合わされた複数のコンデンサフィンガを含み、フィンガ、プルーフマス１、取り付け脚２、支持体３は同一平面上にあり、単結晶シリコンの単一プレートから形成されている。
【００２０】
フィンガは、支持体３からプルーフマス１に向かって検知方向４に実質的に垂直に伸張する側面方向に離間されるフィンガ９の、それぞれ固定された第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイ５、６、７及び８を含む。第１のアレイ及び第２のアレイ５および６はプルーフマス１の片側に位置し、第３のアレイ及び第４のアレイ７、８は、プルーフマス１の反対側に位置する。加速度計は、プルーフマス１から支持体３に向かって検知方向４に実質的に垂直に伸張する、及びプルーフマス１に取り付けられる側面方向に離間されたフィンガ１４の可動の第５のアレイ、第６のアレイ、第７のアレイ及び第８のアレイ１０、１１、１２、及び１３も含む。第５のアレイ及び第６のアレイ１０、１１はプルーフマス１の前記片側に位置し、フィンガ９の第１のアレイ及び第２のアレイ５、６とそれぞれ互いにかみ合わされる。第７のアレイ及び第８のアレイ１２、１３はプルーフマス１の前記反対側に位置し、第３のアレイ及び第４のアレイ７、８とそれぞれ互いにかみ合わされる。第１のアレイと第５のアレイ５と１０の、及び第３のアレイと第７のアレイ７と１２の相互嵌合は、第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイ、５、６、７及び８内の隣接するフィンガ９の間の中線（図示せず）から検知方向４の一方向で第１の偏位ｄ−δにある。第２のアレイと第６のアレイ６と１１の、及び第４のアレイと第８のアレイ８と１３の相互嵌合は、第１の偏位ｄ−δに等しく、検知方向４で第１の偏位ｄ−δに反対方向の第２の偏位ｄ＋δにある。
【００２１】
これは、ここで例えば側面方向に離間されたフィンガ１４、１４ａの互いにかみ合わされた可動の第７のアレイ１２、及び図９の互いにかみ合わされた固定された第３のアレイ７について、添付図面の図１を参照して説明される。距離１５は距離ｄ＋δを表し、距離１６はｄ−δを表す。したがって、アレイ７及び１２について、第１の偏位は実質的にはプルーフマスのアレイ７と１２端部に向かって検知方向４で−δである。
【００２２】
第４の固定アレイ８及び第８の可動アレイ１３を見ると、距離１５は図１上で一番上にあり、互いにかみ合わされたアレイのこの組について第２の偏位を実際上＋δにする。かみ合わされた第３のアレイ７及び第７のアレイ１２をさらに詳細に考えると、静電力Ｆ（ニュートン）は以下により与えられる。
【数１】
2006519362.tif 000003
【００２３】
この場合Ｅは静電界であり、ｅは電荷である。プルーフマス１に固定される２つの可動フィンガ１４及び１４ａは電圧Ｖ１を有し、支持体３に対して固定されるアレイ７の真中のフィンガ９ａは電圧Ｖ２を有する。中心のフィンガ９ａは中間点から量δ分、可動フィンガ１４と１４ａから変位される。中心フィンガ９ａは可変電圧Ｖ２で保持されるが、プルーフマス１は固定電圧Ｖ１で保持される。単一のアセンブリのためにプルーフマス１にかかる力を考えると、  
【数２】
2006519362.tif 000004
【数３】
2006519362.tif 000005
【数４】
2006519362.tif 000006
【００２４】
したがって、  
【数５】
2006519362.tif 000007
【００２５】
である。
【００２６】
したがって、力はこの形のフィンガの組が使用されるときには電圧の二次関数である。実際には、δは正の電圧Ｖ２で正であるｎ個のフィンガ９、１４の集合、及びδが負の電圧Ｖ２で負であるｎ個のフィンガ９、１４の別の集合がある。したがって、すべてのフィンガのための全体的な力は以下により与えられる。
【数６】
2006519362.tif 000008
【００２７】
したがって、バイアス電圧Ｖ１がプルーフマス１に印加され、可変電圧Ｖ２が支持体３に印加される。加速度計のスケール係数はこのようにして、プルーフマスに印加された駆動電圧で設定され、これは、例えば、  
ｎ＝６０
ｄ＝１０ミクロン  
δ＝３ミクロン  
Ｖ１＝１５Ｖ  
Ｖ２が−１５Ｖと＋１５Ｖの間にある。  
ε０＝８．８６  １０−１２（自由空間の誘電率）  
Ａ＝シリコンの深度（１４０ミクロン）＊フィンガの長さ（２ｍｍ）＝２．８ｅ−７ｍ２の場合、最高１００ｇのｇ範囲上で０．１％という典型的なスケール係数精度要件を満たすために、高レベルの精度に設定される必要がある。
【００２８】
これは２．２  １０−３Ｎの力を与える。
【００２９】
プルーフマスの重量が２ミリグラムである場合、１ｇの加速は１．９６ｅ−５Ｎを必要とし、したがって、＋／−１５Ｖでは、１００ｇまで無効にする（ｎｕｌｌ  ｏｕｔ）ことが可能となる。６ミクロンの空隙で１５ミクロンの幅の典型的なフィンガを用いると、５ｍｍ幅のシリコンで１２０個のフィンガを有することができる。
【００３０】
プルーフマス１、取り付け脚２、支持体３及び互いにかみ合わされたフィンガ９、９ａ、１４、及び１４ａは、ドライエッチングによって、好ましくはディープ（ｄｅｅｐ）反応イオンエッチングによって、［１１１］または［１００］結晶面内で正しい位置に置かれるシリコンのプレートから形成される。添付図面の図１から図６より分かるように、支持体３は、好ましくは描かれているように実質的には矩形の形状を有するプルーフマス１がこれの中に位置し、内部空きスペース１７を囲む、実質的には矩形リング状の形状を有し、そこでは少なくとも４本が内部空きスペース１７を画定する支持体３の第１の内壁１８とプルーフマス１の対向する第１の外壁１９の間にあり、少なくとも４本が内部空きスペース１７を画定する支持体３の対向する第２の内壁２０とプルーフマス１の対向する第２の外壁２１の間にある、取り付け脚２が、離間されたアレイの中で検知方向４に実質的に垂直に伸張する。取り付け脚２は、検知方向４で高い整合性を有し、他の方向で低い整合性を有する。
【００３１】
本発明の加速度計は、その上に支持体３、及びフィンガ９の第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイ５、６、７及び８が固定して取り付けられ、非導電性材料の支持体シート２２も含み、取り付け脚２、プルーフマス１、及びフィンガ１４の第５のアレイ、第６のアレイ、第７のアレイ及び第８のアレイ１０、１１、１２及び１３が支持体シート２２から離間される、支持体シート２２は、ウェハ構造を形成するガラス、好ましくはパイレックス（Ｐｙｒｅｘ）（登録商標）ガラスから作られ、フィンガ９の第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイ、５、６、７及び８は、これらへの陽極接合によってガラス支持体シート上に固定して取り付けられる。シリコンをガラス支持体シート２２に陽極接合することは、接地平面から互いにかみ合わされたフィンガの静電容量を電気的に絶縁するという利点がある。小さな静電容量電荷は加速度計の精度にとって非常に重要である。
【００３２】
フィンガ９、９ａ、１４及び１４ａはその長さに沿って吊り下げられ、支持体３の内部空きスペース１７内の支持体シート２２上で支えられるが、支持体３から電気的に絶縁されている。この目的のため、フィンガの各アレイには、描かれている実施形態にはそのうちの４つがある接地遮蔽２３が備えられている。各遮蔽２３は内部空きスペース１７の中に位置し、フィンガの第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイ５、６、７及び８のうちそれぞれ１つと関連付けられ、フィンガの第１のアレイ、第２のアレイ、第３のアレイ及び第４のアレイ５、６、７及び８のうちそれぞれ１つを部分的に取り囲み、フィンガのアレイを支持体３から遮蔽するよう動作可能であり、支持体３から電気的に絶縁されている。この目的のため、遮蔽２３は支持体３から電気的に絶縁される支持体シート２２に取り付けられる。フィンガ９、９ａの第１のアレイと第２のアレイ５、６のための接地遮蔽２３は、通常電気的にゼロ電圧である。これは、支持体３及びプルーフマス１の残り上にある、低レベル信号からの高圧駆動の絶縁を改善する。フィンガ９、９ａの第３のアレイと第４のアレイ７、８と関連付けられる接地遮蔽２３は、支持体３から駆動を絶縁するためにゼロ電圧に設定される。好ましくは、接地遮蔽２３はこれらへの陽極接合によりガラス支持体シート２２上に固定して取り付けられる。
【００３３】
プルーフマス１及び支持取り付け脚２は、内部空きスペース１７内の支持体シート２２の上に吊り下げられる。４本のこのような脚２が描かれているが、プルーフマス１の４つの端部角のそれぞれに１６本、合計で６４本の脚２となるなど任意のさらに大きな数が存在してよい。選ばれる脚の数は、承認されるマスアセンブリ（ｍａｓｓ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）の所望の共振周波数を与えるほどである。脚２は、交差軸加速に対する最大剛性を与えるために、好ましくはプルーフマス１の４つすべての角に取り付けられる。このようにして、描かれている加速度計は、加速度計装置の平面内に検知軸４を有する平面的な加速度計である。
【００３４】
活用されるフィンガ及び脚の数、及びその間の空隙は気体媒質圧搾フィルム減衰による臨界減衰を与えるように選ばれる。この目的のため、加速度計は、典型的な大気圧で内部環境を提供するようにカプセル化されてよい。気体媒質は空気である場合があるが、好ましい媒質は加速度計のカプセル化された内部空きスペース１７を充填するために使用される乾燥窒素であるが、所望される場合にはヘリウムやネオンなどの他の気体が使用できる。好ましくは、気体は加速度計内で形成する結露のリスクを回避するために、加速度計の最低操作可能温度より低い露点を有する。
【００３５】
本発明による加速計は、逆位相で固定された第１のフィンガアレイ、第２のフィンガアレイ、第３のフィンガアレイ及び第４のフィンガアレイ７と８に、矩形波駆動電圧を供給するための手段も含む。添付図面の図７に図示されるような閉ループ構成では、この手段は、フィンガの第３のアレイと第４のアレイ７、８を通してプルーフマス１を駆動する信号を形成する、通常は１００ｋＨｚで本来矩形波出力信号を発生させる矩形波生成器２４を含む。この目的のため、該手段は、矩形波生成器２４から出力信号を受信し、同相の信号を７つのフィンガの第３のアレイに提供するための同相装置２５を含む。逆位相装置２６は、矩形波生成器２４から出力信号を受信するため、及び逆位相信号を第４のアレイ８フィンガに供給するために備えられる。加速度計の利得は駆動電圧に比例するため、プルーフマスは通常このように１５ボルトという高い電圧で駆動される。アレイ７と８は前述されたように反対の偏位(offset)を有し、同じ方向で正味正の力を与える逆位相信号で駆動される。アレイ７と８の周りの接地遮蔽２３はゼロ電圧に設定される。
【００３６】
入力直流バイアス電圧Ｖ１は、閉ループ動作のために入力２９でプルーフマス１に与えられる。該手段は、プルーフマス１にかかる電圧のバイアスを排除するために、プルーフマス１からの出力信号がそれを通して渡されるＤＣ阻止(blocking)コンデンサ３０も含む。コンデンサ３０からの出力信号は、次に中間位置からのプルーフマス１の変位に比例する出力電圧を提供するインテグレータ３１に移動する。プルーフマス１は高導電率シリコンの使用、つまり通常は［１００］平面を使用することにより、支持体３に電気的に接続されているため、出力信号は支持体３（図示せず）上のボンドパッドに対するワイヤボンディングにより取得できる。交流利得装置３２を介してＡＣ利得が信号に適用される。追加の利得は全体的なループ特性を改善するために追加できる。次に、信号は復調器３４での復調の前に望ましくない周波数成分を除去するために、正規の矩形波生成器周波数に中心づけられたバンドパスフィルタ３３を通過する。信号はライン３５を介して信号発生器２４から引き出される基準に対して、正規の周波数で復調器３４で復調される。これは、次にループフィルタ３６を通して送られ、ＤＣ利得装置３７、正の利得装置３８及び負の利得装置３９を介した電圧増幅後に、駆動フィンガの第１のアレイと第２のアレイ５、６に対するフィードバック信号として印加される、中間位置に対するエラー信号を生じさせる。したがって、駆動電圧は適用される加速の基準である。これは、加速をうけてプルーフマス１が静電力によって平衡される慣性力に伴ない移動しないようにループを閉じる働きをする。システムからの出力信号２７は、ＤＣ利得装置３７から取り出される。
【００３７】
添付図面の図８に図示されるような開ループ構成では、類似するパーツは図７に図示される類似する参照番号を与えられ、さらに詳細に説明されない。図８では、生成器２４は１００ｋＨｚという通常の周波数で矩形波を生成し、逆位相で固定された第１のフィンガアレイ、第２のフィンガアレイ、第３のフィンガアレイ及び第４のフィンガアレイ５、６、７、８を通して、プルーフマス１を駆動する。この矩形信号は同相の非反転(non-inverting)増幅器装置２６ａに、及び位相外れの反転(inverting)増幅器装置２５ａに送られる。装置２５ａからの出力信号はフィンガアレイ７と５に与えられ、装置２６ａからの出力信号はフィンガアレイ８と６に与えられる。これらの出力信号の大きさは装置２５ａと２６ａによって正確に設定される。
【００３８】
互いにかみ合わされたフィンガは、取り付け脚２によって支持体３に取り付けられるプルーフマス１から電気的に絶縁される。支持体３は、１００ｋＨｚ信号から１００ｋＨｚでの電圧に電流を変換するトランスインピーダンス増幅器として動作する、積分器（integrator）３１に電気的に接続される。後者の電圧信号は次に、ＡＣ利得段として動作するバンドパスフィルタ３３を通り、次に復調器３４へ送られる。復調器３４は、１００ｋＨｚでのプルーフマス１からの信号を、次にローパスフィルタ３６に送られる直流信号に変換する全波(full wave)整流器として動作する。
【００３９】
フィルタ３６からの出力２７は、加えられたｇ力に比例する開ループ出力信号を形成する。
【００４０】
互いにかみ合わされた駆動フィンガを使用することは、力フィードバックのために適切なレベルの力での容易な駆動のために、気体媒質圧搾フィルム減衰の効果と、大きな静電容量の提供を組み合わせる。これは、機能性を低下させることなくコスト、サイズ及び複雑さを削減することにより誘導加速度計に優る利点を提供する。したがって、本発明の加速度計は、プッシュ−プル(push-pull)出力駆動段の最善の利用により印加される電圧による線形スケール係数を提供し、それにより必要とされる電圧制限を削減する。シリコンと共に陽極接合されたガラスを使用することで、代替策であるシリコン融合ボンディングと比較して、コンデンサフィンガの絶縁の改善を生じさせる。支持脚２を有するプルーフマス１の矩形幾何学的配列は、高いｇ衝撃に対して、及び交差軸加速に対して良好な堅牢さを与える。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態による加速度計の平面図である。
【図２】図１の方向Ａに沿った端面図である。
【図３】図１の線ＢＢに沿った断面図である。
【図４】図１の線ＣＣに沿った断面図である。
【図５】図１の線ＤＤに沿った断面図である。
【図６】図１の線ＥＥに沿った断面図である。
【図７】図１から図６の加速度計と共に使用するための閉ループ構成における逆位相で固定された第３のフィンガアレイ及び第４のフィンガアレイに、矩形波駆動電圧を供給するための手段の概略図である。
【図８】図１から図６の加速度計と共に使用するための開ループ構成における逆位相で固定された第１のフィンガアレイ、第２のフィンガアレイ、第３のフィンガアレイ及び第４のフィンガアレイに、矩形波駆動電圧を供給するための手段の概略図である。
【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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【国際調査報告】
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