(57)【要約】加速度および他の物理力を感知する装置および方法。この装置は、内側部分および外側部分を有し、該内側部分は突出した複数の離隔電極（１６）を具備して形成されて空間（２８）を画定するカバー板（１２、２０４）と、プルーフ・マス（２０２）とを備え、プルーフ・マス（２０２）は、突出した複数の離隔電極（２４）を具備して形成されて空間（３０）を画定する内側部分と、前記電極が前記カバー板電極から電気的に絶縁された状態で前記カバー板の前記外側部分に結合した外側部分とを備えており、前記プルーフ・マス電極および空間は、プルーフ・マス（２０８）の内側部分（２０６）が前記カバー板に向かって偏向した場合に前記プルーフ・マスの電極が前記カバー板の電極（１６）間に移動するように、前記カバー板電極および空間に位置合せされており、前記装置はさらに、内部プルーフ・マス部分と外部プルーフ・マス部分の間に結合されている可撓性懸架部材（３８）を備えている。
2004530897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理力感知装置であって、該装置は、
内側部分および外側部分を有し、該内側部分は突出した複数の第１離隔電極を具備して形成されて第１空間を画定する、カバー板と、
プルーフ・マスと、
を備え、
前記プルーフ・マスは、
突出した複数の第２離隔電極を具備して形成されて第２空間を画定する内側部分と、
前記第２電極が前記第１電極から電気的に絶縁された状態で前記カバー板の前記外側部分に結合した外側部分と、を備えており、前記第２電極および空間は、前記プルーフ・マスの前記内側部分が前記カバー板の前記内側部分に向かって偏向した場合に前記第２電極が前記第１空間内に移動し前記第１電極が前記第２空間内に移動するように、前記第１電極および空間に位置合せされており、前記プルーフ・マスはさらに、
該内側部分と該外側部分の間に結合された可撓性懸架部材を備えている、物理力感知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記可撓性懸架部材はさらに、環状撓み部を備えた、物理力感知装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記可撓性懸架部材は、その中に形成された複数の通路をさらに備えた、物理力感知装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記カバー板およびプルーフ・マスの前記外側部分は、対応する各内側部分を実質的に包囲する環状輪部をさらに備えた、物理力感知装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記カバー板およびプルーフ・マスの各内側部分は、実質的に丸い領域をさらに含む、物理力感知装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、前記第１および第２離隔電極はそれぞれ、複数の同心輪状部をさらに含む、物理力感知装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、前記カバー板および前記プルーフ・マスは、前記第２の電極および空間を前記第１の電極および空間に位置合せする協働構造をさらに含む、物理力感知装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、該装置は、
内側部分および外側部分を有し、該内側部分は突出した複数の第３離隔電極を具備して形成されて第３空間を画定する、第２カバー板を、
さらに備え、
前記プルーフ・マスが
第１面および第２面を有し、該第１面は、前記複数の第２離隔電極を具備して形成され、該第２面は、突出した複数の第４離隔電極を具備して形成されて第４空間を間に画定し、該第２および第４電極は、相互に電気的に絶縁されており、
前記プルーフ・マスはさらに、
前記第４電極が前記第３電極から電気的に絶縁された状態で前記第２カバー板の前記外側部分に結合した外側部分を備えており、前記第４電極および空間は、前記プルーフ・マスの前記内側部分が前記第２カバー板の前記内側部分に向かって偏向した場合に前記第４電極が前記第３空間内に移動し前記第３電極が前記第４空間内に移動するように、前記第３電極および空間に位置合せされている、物理力感知装置。
【請求項９】
物理力感知装置であって、
実質的に平坦で平行に対向する偏移した第１および第２表面を有し、該第１表面は周縁部により実質的に包囲された離間電極からなる第１直立パターン構造体を含む、カバー板と、
実質的に平坦で平行に対向する偏移した第１および第２表面を有し、該第１表面は周縁部により実質的に包囲され周縁部から隔膜撓み部により懸架された離間電極からなる第２直立パターン構造体を含み、該第２パターン構造体の該離間電極は前記第１パターン構造体の前記離間電極間を通るように構成された、プルーフ・マスと、
前記カバー板の前記周縁部と前記プルーフ・マスの前記周縁部とを結合する接着材と、
を備えた物理力感知装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、前記接着材は、前記第１電極と第２電極間の電気的絶縁体をさらに含む、物理力感知装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置であって、前記カバー板および前記プルーフ・マスのそれぞれの前記周縁部が、直立環状隆起部をさらに備えた、物理力感知装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の装置であって、第１離間電極からなる前記第１パターン構造体および第２離間電極からなる前記第２パターン構造体はそれぞれ、協働する同心離隔輪状電極からなる第１および第２のパターン構造体をさらに備えた、物理力感知装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の装置であって、該装置は、
実質的に平坦で平行に対向する偏移した第１および第２表面を有し、該第１表面は周縁部により実質的に包囲された離間電極からなる第３直立パターン構造体を含む、第２カバー板と、
前記第２カバー板の前記周縁部と前記プルーフ・マスの前記第２表面の周縁部とを結合する接着材と、
をさらに備え、
前記プルーフ・マスの前記第２表面は、前記第２表面の周縁部により実質的に包囲され前記第２表面の周縁部から隔膜撓み部により懸架された第２離間電極からなる第４直立パターン構造体を含み、該第４パターン構造体の該離間電極は、前記第３パターン構造体の前記離間電極間を通るように構成された、物理力感知装置。
【請求項１４】
物理力センサであって、
直立電極からなる第１パターン構造体と直立電極からなる第２パターン構造体とを電気的に絶縁する手段と、
前記第１電極が前記第２電極間の凹部内に移動するために、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して懸架する手段と、
前記第１電極と第２電極間に容量を生成する手段と、
前記第１電極パターン構造体の前記第２電極パターン構造体に対する変位の関数として容量の変化を測定する手段と、
を備えた物理力センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のセンサであって、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対する移動のために懸架する前記手段は、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して位置合せする手段をさらに備えた、物理力センサ。
【請求項１６】
請求項１４に記載のセンサであって、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して位置合せする前記手段は、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して横方向に位置合せする手段をさらに備えた、物理力センサ。
【請求項１７】
請求項１４に記載のセンサであって、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して位置合せする前記手段は、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して回転方向に位置合せする手段をさらに備えた、物理力センサ。
【請求項１８】
請求項１４に記載のセンサであって、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対する移動のために懸架する前記手段は、実質的に測定軸に沿った前記第１電極パターン構造体の移動を制限する手段をさらに備えた、物理力センサ。
【請求項１９】
請求項１４に記載のセンサであって、該センサは、前記第１電極パターン構造体の前記第２電極パターン構造体に対する移動を制限する手段をさらに備えた、物理力センサ。
【請求項２０】
請求項１４に記載のセンサであって、該センサは、
直立電極からなる第３パターン構造体と直立電極からなる第４パターン構造体とを電気的に絶縁する手段を、
さらに備えており、
前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して懸架する前記手段は、前記第３電極が前記第４電極間の凹部内に移動するために、前記第３電極パターン構造体を前記第１電極パターン構造体と合せて前記第４電極パターンに対して懸架する手段をさらに備え、
前記第１電極と第２電極間に容量を生成する前記手段は、前記第３電極と第４電極間に容量を生成する手段をさらに備え、
前記第１電極パターン構造体の前記第２電極パターン構造体に対する変位の関数として容量の変化を測定する前記手段は、前記第３電極パターン構造体の前記第４電極パターン構造体に対する変位の関数として容量の変化を測定する手段をさらに備えた、物理力センサ。
【請求項２１】
２層式物理力センサであって、
実質的に平坦で平行に対向する偏移した上面および下面をそれぞれが有する実質的に丸い第１および第２の半導体基板と、
前記第１基板に形成された下部カバー板であって、
前記上面の中央部から突き出た直立離隔電極からなるパターン構造体、および、
前記上面の周縁部から突き出た直立環状隆起部
を含む下部カバー板と、
前記第２基板に形成されたプルーフ・マスであって、
前記下面の周縁部から突き出ており、前記下部カバー板の前記隆起部に固定された協働直立環状隆起部、
前記環状隆起部から柔軟に懸架された中央部、および、
前記下面の前記中央部から突き出た直立離隔電極からなり、前記下部カバー板の前記上面の前記電極パターン構造体に対して偏移しており、それにより、前記プルーフ・マスの前記協働環状隆起部が前記下部カバー板の前記上面の前記環状隆起部に係合した場合に自身が前記下部カバー板の前記電極パターン構造体間を移動する、協働パターン構造体、
を含むプルーフ・マスと、
を備えた２層式物理力センサ。
【請求項２２】
請求項２１に記載のセンサであって、前記プルーフ・マスは、前記環状隆起部から前記中央部を懸架する環状撓み部をさらに備えた、２層式物理力センサ。
【請求項２３】
請求項２１に記載のセンサであって、前記下部カバー板の前記上面の前記電極パターン構造体および前記プルーフ・マスの前記下面の前記協働電極パターン構造体はそれぞれ、円形電極の同心パターン構造体を備えた、２層式物理力センサ。
【請求項２４】
請求項２１に記載のセンサであって、該センサは、前記プルーフ・マスの前記下面の前記協働環状隆起部を、前記下部カバー板の前記上面の前記環状隆起部に固定する絶縁接着材をさらに備えた、２層式物理力センサ。
【請求項２５】
請求項２１に記載のセンサであって、該センサは、
実質的に平坦で平行に対向する偏移した上面および下面を有する実質的に丸い第３半導体基板と、
前記第３基板に形成された上部カバー板であって、
前記下面の中央部から突き出た直立離隔電極からなるパターン構造体、および、
前記下面の周縁部から突き出た直立環状隆起部
を含む上部カバー板と、
をさらに備え、
前記プルーフ・マスは、
前記上面の周縁部から突き出ており、前記上部カバー板の前記下面の前記隆起部に固定された協働直立環状隆起部と、
前記上面の中央部から突き出た直立離隔電極からなり、前記上部カバー板の前記下面の前記電極パターン構造体に対して偏移しており、それにより、前記プルーフ・マスの前記上面の前記協働環状隆起部が前記上部カバー板の前記下面の前記環状隆起部に係合した場合に自身が前記上部カバー板の前記電極パターン構造体間を移動する、協働電極パターン構造体と、をさらに含む、２層式物理力センサ。
【請求項２６】
請求項２５に記載のセンサであって、前記上部カバー板の前記下面の前記電極パターン構造体および前記プルーフ・マスの前記上面の前記協働電極パターン構造体はそれぞれ、円形電極の同心パターン構造体をさらに備えた、２層式物理力センサ。
【請求項２７】
請求項２５に記載のセンサであって、該センサは、前記プルーフ・マスの前記上面の前記協働環状隆起部を前記上部カバー板の前記下面の環状隆起部に固定する絶縁接着材をさらに備えた、２層式物理力センサ。
【請求項２８】
３層式物理力センサであって、
それぞれが、実質的に平坦で平行に対向する偏移した第１および第２の表面を有する実質的に丸い第１および第２の半導体基板に形成された第１および第２のカバー板であって、そのそれぞれの該第１および第２表面の一方は、
環状接合領域、および、
前記環状接合領域内に配置され、突き出た複数の直立離隔電極を有する中央部
を含む、
第１および第２のカバー板と、
前記第１カバー板の前記第１表面と前記第２カバー板の前記第１表面の間に配置されたプルーフ・マスであって、プルーフ・マスは、実質的に平坦で平行に対向する偏移した第１および第２の表面を有する実質的に丸い第３の半導体基板に形成され、該第１および第２表面のそれぞれは、
環状接合領域を含み、前記第１および第２のプルーフ・マス表面の前記環状接合領域のそれぞれが、前記第１および第２カバー板の一方の前記環状接合領域に接合され、該第１および第２表面のそれぞれはさらに、
前記環状接合領域内に配置され、突き出た複数の直立離隔電極を有する中央部を含み、前記プルーフ・マスの第１面から突き出た前記電極のそれぞれは、前記第１カバー板の前記表面から突き出た前記離隔電極間に形成された隙間に位置合せされており、前記プルーフ・マスの第２面から突き出た前記電極のそれぞれは、前記第２カバー板の前記表面から突き出た前記離隔電極間に形成された隙間に位置合せされており、該第１および第２表面のそれぞれはさらに、
前記環状接合領域から前記中央部を懸架する一体環状懸架部材を含む、
プルーフ・マスと、
を備えた３層式物理力センサ。
【請求項２９】
請求項２８に記載のセンサであって、前記第１および第２のカバー板から突き出た前記複数の直立離隔電極はそれぞれ、第１および第２の複数の直立離隔同心輪状電極をさらに備え、
前記プルーフ・マスの前記第１および第２表面から突き出た前記複数の直立離隔電極はそれぞれ、前記第１および第２カバー板の前記第１および第２の複数の直立離隔同心輪状電極と協働するように構成された第３および第４の複数の直立離隔同心輪状電極をさらに備えた、３層式物理力センサ。
【請求項３０】
測定軸に沿って入力された物理力を測定する方法であって、
直立電極からなる第１のパターン構造体と直立電極からなる第２のパターン構造体とを電気的に絶縁するステップと、
前記第１電極が前記第２電極間の凹部内に移動するために、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して懸架するステップと、
前記第１電極と第２電極の間で容量を生成するステップと、
前記第１電極パターン構造体の前記第２電極パターン構造体に対する変位の関数として容量を変化させるステップと、
前記容量変化を測定するステップと、
を含む方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法であって、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対する移動のために懸架するステップは、実質的に測定軸に沿った移動のために、前記第１電極パターン構造体を懸架するステップをさらに含む、方法。
【請求項３２】
請求項３０に記載の方法であって、該方法は、前記第１電極パターン構造体の前記第２電極パターン構造体に対する移動を制限するステップをさらに含む、方法。
【請求項３３】
前請求項３０に記載の方法であって、記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対する移動のために懸架するステップは、前記第１電極パターン構造体の移動を実質的に測定軸に沿った移動に限定するステップをさらに含む、方法。
【請求項３４】
請求項３０に記載の方法であって、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対する移動のために懸架するステップは、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して位置合せするステップをさらに含む、方法。
【請求項３５】
請求項３０に記載の方法であって、該方法はさらに、
直立電極からなる第３パターン構造体と直立電極からなる第４パターン構造体とを電気的に絶縁するステップと、
前記第３電極が前記第４電極間の凹部内に移動するために、前記第３電極パターン構造体を前記第１電極パターン構造体と合せて前記第４電極パターン構造体に対して懸架するステップと、
前記第３電極と第４電極間に容量を生成するステップと、
前記第３電極パターン構造体の前記第４電極パターン構造体に対する変位の関数として容量を変化させるステップと、
前記第３電極パターン構造体の前記第４電極パターン構造体に対する変位に起因する容量変化を測定するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理力および加速度測定用の装置および方法に関し、特に、高ピックオフ感度を有する小型で堅牢な装置内で円形輪状隔膜撓み部を用いたマイクロ加工式電気機械センサ（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｈａｌ  ｓｅｎｓｏｒ）型の物理力および加速度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ加工式電気機械センサ（ＭＥＭＳ）型の物理力および加速度測定装置の製品は、一般にさまざまな用途で知られている。いくつかの用途では、高精度の測定が可能な装置が必要となり、他の用途では、極度に強い衝撃及び振動環境に耐える装置が必要となる。
【０００３】
ある用途では、極端に強い動的環境で物理力を測定することが必要となる。たとえば、銃砲で発射する投射物で、移動体搭載式の加速度感知が必要となる場合、感知を行う加速度計は、ピックアップ感度が高く、かつ高Ｇ衝撃耐久特性により高Ｇ範囲で動作できる必要がある。銃砲発射の用途の加速度計はまた、交差軸感度特性が低くなければならない。これらの特徴すべてが、低コストで小型の加速度計装置に備わっていなければならない。あいにく、公知の加速度計装置は、上記の特徴が１つまたはそれ以上欠如している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の概要）
本発明では、従来技術の装置および方法とは異なり、環状懸架部材で懸架した離間歯状電極を備えたプルーフ・マス（ｐｒｏｏｆ  ｍａｓｓ）を有する容量ピックオフ物理力センサを実現することによって、センサ高Ｇ衝撃環境で動作可能な、高Ｇ入力範囲で高いピックオフ感度を有する安価な物理力測定装置を提供する。本発明の装置では、入力範囲とピックオフ感度との特性折合い設定を、環状懸架部材のエッチング時間を変えることにより容易に作製時に修正可能である。あるいは、入力範囲とピックオフ感度は、環状懸架部材の面積を広げるか狭めることで特性折合い設定が可能である。
【０００５】
本発明の装置および方法により提供される１つの物理力感知装置は、カバー板およびプルーフ・マスを備え、該カバー板は、内側部分および外側部分を有し、該内側部分は、突出した複数の第１離隔電極を具備して形成されて第１空間を画定し、前記プルーフ・マスは、突出した複数の第２離隔電極を具備して形成されて第２空間を画定する内側部分と、前記第２電極が前記第１電極から電気的に絶縁された状態で前記カバー板の前記外側部分に結合した外側部分とを備えており、前記第２電極および空間は、前記プルーフ・マスの前記内側部分が前記カバー板の前記内側部分に向かって偏向した場合に前記第２電極が前記第１空間内に移動し前記第１電極が前記第２空間内に移動するように、前記第１電極および空間に位置合せされており、前記プルーフ・マスはさらに、該内側部分と該外側部分の間に結合された可撓性懸架部材を備えている、物理力感知装置である。
【０００６】
本発明の一態様によると、本発明の物理力感知装置は、協働する複数の重なり型同心輪部として構成された、カバー板およびプルーフ・マスの環状撓み部および電極を備えて具現化される。
【０００７】
本発明の別の態様によると、本発明により具現化する物理力感知装置は、２層式物理力センサであって、実質的に平坦で平行に対向する偏移した上面および下面をそれぞれが有する実質的に丸い第１および第２の半導体基板と、前記第１基板に形成された下部カバー板であって、前記上面の中央部から突き出た直立離隔電極からなるパターン構造体、および、前記上面の周縁部から突き出た直立環状隆起部を含む下部カバー板と、前記第２基板に形成されたプルーフ・マスであって、前記下面の周縁部から突き出ており、前記下部カバー板の前記隆起部に固定された協働直立環状隆起部、前記環状隆起部から柔軟に懸架された中央部、および、前記下面の前記中央部から突き出た直立離隔電極からなり、前記下部カバー板の前記上面の前記電極パターン構造体に対して偏移しており、それにより、前記プルーフ・マスの前記協働環状隆起部が前記下部カバー板の前記上面の前記環状隆起部に係合した場合に自身が前記下部カバー板の前記電極パターン構造体間を移動する、協働パターン構造体、を含むプルーフ・マスとを備えた２層物理力センサである。
【０００８】
本発明の別の態様によると、プルーフ・マスは、環状隆起部から中央部を懸架する環状撓み部として形成される。
本発明の別の態様によると、下部カバー板の上部表面の電極パターン構造体と、プルーフ・マスの下部表面の協働電極パターン構造体はそれぞれさらに、円形電極の同心パターン構造体として形成される。
【０００９】
本発明の別の態様によると、プルーフ・マスの下部表面の協働環状隆起部は、下部カバー板の上面の環状隆起部に絶縁性接着材で固定されている。
本発明の別の態様によると、本発明により具現化する物理力感知装置は、閉ループ動作用の第１カバー板と第２カバー板の間に配置されたプルーフ・マスを有する３層式物理力センサである。したがって、この３層式物理力センサは、それぞれが、実質的に平坦で平行に対向する偏移した第１および第２の表面を有する実質的に丸い第１および第２の半導体基板に形成された第１および第２のカバー板であって、そのそれぞれの該第１および第２表面の一方は、環状接合領域、および、前記環状接合領域内に配置され突き出た複数の直立離隔電極を有する中央部、を含む第１および第２のカバー板と、前記第１カバー板の前記第１表面と前記第２カバー板の前記第１表面の間に配置されたプルーフ・マスであって、プルーフ・マスは実質的に平坦で平行に対向する偏移した第１および第２の表面を有する実質的に丸い第３の半導体基板に形成され、該第１および第２表面のそれぞれは環状接合領域を含み、前記第１および第２のプルーフ・マス表面の前記環状接合領域のそれぞれが前記第１および第２カバー板の一方の前記環状接合領域に接合され、該第１および第２表面のそれぞれはさらに、前記環状接合領域内に配置され突き出た複数の直立離隔電極を有する中央部を含み、前記プルーフ・マスの第１面から突き出た前記電極のそれぞれは、前記第１カバー板の前記表面から突き出た前記離隔電極間に形成された隙間に位置合せされており、前記プルーフ・マスの第２面から突き出た前記電極のそれぞれは、前記第２カバー板の前記表面から突き出た前記離隔電極間に形成された隙間に位置合せされており、該第１および第２表面のそれぞれはさらに、前記環状接合領域から前記中央部を懸架する一体環状懸架部材を含む、プルーフ・マスとを備えた３層式物理力センサである。
【００１０】
本発明の別の態様によって提供される、測定軸に沿って入力された物理力を測定する方法は、直立電極からなる第１のパターン構造体と直立電極からなる第２のパターン構造体とを電気的に絶縁するステップと、前記第１電極が前記第２電極間の凹部内に移動するために前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対して懸架するステップと、前記第１電極と第２電極の間で容量を生成するステップと、前記第１電極パターン構造体の前記第２電極パターン構造体に対する変位の関数として容量を変化させるステップと、前記容量変化を測定するステップと
を含む方法である。
【００１１】
本発明の方法の別の態様では、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対する移動のために懸架するステップは、実質的に測定軸に沿った移動のために前記第１電極パターン構造体を懸架するステップをさらに含んでいる。
【００１２】
本発明の方法の別の態様では、前記第１電極パターン構造体を前記第２電極パターン構造体に対する移動のために懸架するステップは、前記第１電極パターン構造体の移動を実質的に測定軸に沿った移動に限定するステップをさらに含んでいる。
【００１３】
本発明の方法の別の態様では、前記方法は、前記第１電極パターン構造体の前記第２電極パターン構造体に対する移動を制限するステップをさらに含んでいる。
本発明の方法の別の態様では、前記方法は、直立電極からなる第３パターン構造体と直立電極からなる第４パターン構造体とを電気的に絶縁するステップと、前記第３電極が前記第４電極間の凹部内に移動するために、前記第３電極パターン構造体を前記第１電極パターン構造体と合せて前記第４電極パターンに対して懸架するステップと、前記第３電極と第４電極間に容量を生成するステップと、前記第３電極パターン構造体の前記第４電極パターン構造体に対する変位の関数として容量を変化させるステップと、前記第３電極パターン構造体の前記第４電極パターン構造体に対する変位に起因する容量変化を測定するステップとをさらに含んでいる。
【００１４】
なお、本発明の上記の態様および付随する利点の多くは、用意に理解されるものであり、添付の図面と共に、下記の詳細な説明を参照すれば、よく深く理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図中、同じ番号は、同じ要素を示す。
本発明は、高Ｇ衝撃環境に耐えその中で動作できる、高Ｇ入力範囲でピックオフ感度の高い安価な物理力測定装置に関する装置および方法である。すなわち、図１に示すように、また下記に詳細に説明するように、本発明は、開ループで動作する低コストで２層の物理力または加速度感知装置１０として実施されている。図１の加速度計装置１０は、実質的に円形の基部またはカバー板１２を含んでおり、円形の基部またはカバー板１２は、パターン構造体１６を備えた実質的に平坦な半導体基板１４に形成されており、パターン構造体１６は、諸平坦表面の一表面の中央部から外側に延びる離隔され導電性の複数のピックオフ部材または電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、〜、１６ｎからなる。カバー板１２の周縁部の環状隆起部１８は、接合面として構成されている。
【００１６】
実質的に円形のプルーフ・マス２０が、第２のパターン構造体２４を備えた実質的に平坦な別の半導体基板２２に形成されており、第２のパターン構造体２４は、諸平坦表面の一表面の中央部から外側に延びる離隔され導電性の複数のピックオフ部材または電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、〜、２４ｎからなる。ピックオフ電極からなる第２パターン構造体２４は、カバー板１２に形成されたピックオフ電極からなる第１パターン構造体１６に対して偏移するように構成されている。したがって、ピックオフ電極からなる第２パターン構造体２４は、カバー板１２上に形成されたピックオフ電極１６と協働するように構成されている。プルーフ・マス２０の周縁部には、接合面として構成された環状隆起部２６が設けられており、環状隆起部２６は、周縁結合面１８と協働して、プルーフ・マス上のピックオフ電極２４がカバー板１２上のピックオフ電極１６に対して偏移した形態で、カバー板１２にプルーフ・マスを固定する。
【００１７】
周縁部１８、２６は、カバー板１２およびプルーフ・マス２０の一方または双方の対応するピックオフ電極１６、２４の下方に凹部形成されており、この凹部形成は、カバー板１２上の各第１ピックオフ電極１６間をプルーフ・マス２０上の第２ピックオフ電極２４が通過して、２つの櫛の歯が重なる形で該第１ピックオフ電極１６に重なるようになされる。加速度または別の物理力によりプルーフ・マス２０がカバー板１２に向かってまたはカバー板１２から離れるように偏向すると、第１ピックオフ電極１６と第２ピックオフ電極２４の間に形成される容量が変化し、入力された物理力または加速度を示すアナログ信号が、電気信号配線（図示せず）のパターン（これはカバー板１２またはプルーフ・マス２０の周縁隆起部１８、２６に取付けた通常の手段により形成される）へ出力される。
【００１８】
図１で、物理力感知装置１０は、半導体材料から通常のマイクロ加工技法で作製したマイクロ加工型で電気機械センサ（ＭＥＭＳ）式の物理力または加速度測定装置である。カバー板１２およびプルーフ・マス２０は、対応する基板１４、２２に形成され、これらの基板は、どちらも単結晶シリコン材料から実質的にプレーナ構造で形成される、すなわちそれらの上面と下面は実質的に平坦かつ平行であり偏移して向かい合っている。
【００１９】
図１の実施形態によると、ピックオフ電極からなる、２つの協働パターン構造体１６、２４はそれぞれ、カバー板１２およびプルーフ・マス２０から突起した歯からなる複数の同心離隔環状に形成される。カバー板１２およびプルーフ・マス２０は、ピックオフ電極からなる協働同心円形パターン構造体１６、２４（これらは組み立てると重なり合う）を形成するようにＤｅｅｐ−Ｒｅａｃｔｉｏｎ−Ｉｏｎ−Ｅｔｃｈｉｎｇ（ＤＲＩＥ：深掘反応性イオンエッチング）技法を用いて作製される。組み立てると、プルーフ・マス２０上の同心環状ピックオフ電極２４ａ〜２４ｎは、カバー板１２上の同心環状ピックオフ電極１６間に形成された凹部２８ａ、２８ｂ、２ｃ、〜、２８ｎからなる同心パターン構造体２８に嵌り、カバー板１２上の同心環状ピックオフ電極１６は、プルーフ・マス２０上の同心環状ピックオフ電極２４間に形成された凹部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、〜、３０ｎからなる同心パターン構造体３０に嵌る。このように、２組の同心環状ピックオフ電極１６ａ〜１６ｎと２４ａ〜２４ｎはそれぞれ、１対の櫛の歯が重なり合うように凹部３０ａ〜３０ｎと２８ａ〜２８ｎとの間に嵌合して重なり合う。
【００２０】
カバー板１２またはプルーフ・マス２０はそれぞれ、２組のピックオフ電極１６、２４を対応する凹部３０、２８に位置合せするための相互固定用（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ）機構または目標体を含んでいる。位置合せ用小孔、位置合せ用小片、または他の相互固定用機構が、正確な位置合せ（すなわち、組立て時およびカバー板１２とプルーフ・マス２０の接合時における２組のピックオフ電極１６、２４の分離間隔）を実現し維持するために設けられる。たとえば、プルーフ・マス２０の環状隆起部２６は、間欠した複数の突出部および陥没部からなるパターン構造体３２が設けられており、これらの突出部および陥没部は、カバー板１２の環状隆起部１８上の間欠した複数の突出部および陥没部からなる整合パターン構造体３４に対合して、それにより、プルーフ・マス２０上のピックオフ電極２４がカバー板１２に形成されたピックオフ電極１６に対して偏移した形で位置合せされるようになる。図１のように構成すると、間欠突出／陥没部からなる整合パターン構造体３２、３４によって、横方向すなわち交差方向軸に沿った位置合せと回転方向の位置合せ双方が可能である。間欠突出／陥没部からなる整合パターン構造体３２、３４の構成は、噛合い歯車の歯として作用して、間欠突出部と間欠陥没部との交差軸方向の相互連結が実質的にすべての横方向に対して与えられ、それにより横方向および回転方向の位置合せが可能になる。
【００２１】
カバー板１２とプルーフ・マス２０は、相互に電気的絶縁を維持した状態で、たとえば接着材を用いて結合される。公知の接着材３６でカバー板１２とプルーフ・マス２０の間を電気的に絶縁してもよい。たとえば、接合用パッドが、カバー板１２およびプルーフ・マス２０の外縁部１８、２６の周囲で、間欠突出／陥没部からなる、互いに対向パターン構造体３２、３４内に配置される。接着材は、たとえば、相互に電気的絶縁しながら実質的に恒久的に接着する、隔離板絶縁用充填材ボールで充填されたプリフォーム材またはガラスフリット材である。プルーフ・マス２０とカバー板１２との接合は、２組のピックオフ電極１６、２４の相互の相対位置合せ状態を実質的に恒久的に固定する。
【００２２】
プルーフ・マス２０には、ピックオフ電極１６が突き出る中央部４０と周縁部上の環状隆起部２６との間で結合された環状懸架部材３８が設けられている。懸架部材３８は、環状隔膜撓み部４２を備えている。この撓み部４２は、中央部４０ならびに環状隆起部２６に一体化されるようにＤＲＩＥを用いて作製された薄い材料の環状領域として形成される。この材料の幅および厚さによって、隔膜撓み部４２のコンプライアンスまたは弾性率が決まる。また、場合によっては、複数の浮彫り型孔４４を、隔膜撓み部４２の深さを通してＤＲＩＥを用いて形成し、初期の大まかなコンプライアンスを設定する。
【００２３】
動作中、環状隔膜撓み部４２により良好な設計対象性が与えられ、これにより入力感度は極めて高く、交差軸感度は極めて低くなるが、このことは、動的な程度が高い用途で重要である。環状懸架部材３８の周縁部が大きいことで、交差軸感度を犠牲にすることなく、コンプライアンス（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）を変えることによる感度と入力された物理力またはＧ範囲性能間の特性折合い設定（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）が可能になる。さらに、懸架部材３８の環状構造は、懸架部材の面内で比較的硬くなっており、それにより装置１０が横方向の高い衝撃負荷を受けた際の損傷を防止する。
【００２４】
場合によっては、カバー板１２またはプルーフ・マス２０（図示）の一方または双方が、高い衝撃負荷を受ける場合に備えて調節可能な衝撃阻止部４６を有していている。これによって可能になる衝撃防止の程度は、衝撃阻止ピン４６の端部と反対面の止め部４８（カバー板１２上に示す）との間の直線距離を減じるあるいは増やすことにより、強まりあるいは弱まる。止め部４８は、場合によっては、カバー板１２の表面から衝撃阻止ピン４６に向かって上方に突き出している。衝撃阻止ピン４６と止め部４８の間の間隙５０は、電極１６、２４の端面と、対向面の対応する凹部３０、２８との間の間隙よりも小さくなっている。このため、中央衝撃阻止ピン４６および止め部４８は協働して、カバー板１２に対するプルーフ・マス２０の移動を制限し、銃砲発射された弾薬の制御案内用途など衝撃耐性が重要である用途で衝撃耐久性を高める。
【００２５】
ピックオフ電極１６、２４は、シリコン基板１４、２２それぞれのピックオフ電極１６、２４上のエピタキシャル表面層を導電的にドーピングする等の通常の処理工程により導電性が付与される。シリコン基板１４、２２は、たとえば、対応する下側基板から絶縁層で電気的に絶縁された導電性のドープされた上部シリコン層または活性層を含んでおり、または、米国特許５，９４８，９８１号（「Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ」という名称で、１９９９年９月７日発行され、本出願の譲受人に譲渡された。この特許の全体は本明細書に参照として組み込まれる）に図示し記載されているように絶縁層が活性層に付着している。絶縁層は、薄い層であってよく、たとえば、約０．１〜１０．０μｍの酸化物（酸化シリコン）である。シリコン基板１４、２２は、活性層および下地基板を酸化し、２つの層同士を接合することにより形成してよい。活性層の一部を除去して、その層を所望の厚さにしてもよい。シリコン酸化物層は、広い温度範囲に渡ってその絶縁性が保たれており、１００℃程度の高い動作温度で有効な機械共振器性能を保証する。さらに、この絶縁層は、製造時に活性層が不要にエッチングされるのを防止する。
【００２６】
あるいは、ピックオフ電極１６、２４の非ドープのシリコン表面に対して、金などの導電材料をスパッタ被覆するか、あるいは他の方法で堆積する。
ピックオフ電極１６、２４の導電部は、カバー板１２およびプルーフ・マス２０の一方または双方の周縁隆起部１８、２６上に形成された電気信号配線に結合される。動作中、信号配線を使用してカバー板１２およびプルーフ・マス２０に付勢信号が供給され、それにより、ピックオフ電極１６、２４の導電部間に容量が形成される。
【００２７】
図２で示すように、重なり型円形ピックオフ電極１６、２４の接続列のそれぞれは、壁間の間隔Ｓおよび重なり長Ｌで構成されており、これにより、寄生容量または漂遊容量を最小に抑えながら所望の正負入力（＋／−Ｇ）範囲に渡って最適な線形ピックオフ感度を実現する。導電エピタキシャル層または材料の一部をピックオフ電極１６、２４の端面から除去して、寄生容量または漂遊容量をさらに小さくしてもよい。ピックオフ電極１６、２４の凹部２８、３０は、間に嵌るピックオフ電極１６、２４よりもほんの僅か広くなっており、それにより、重なり型ピックオフ電極１６、２４間の間隔は、凹部２８、３０の深さにくらべてかなり小さくなっている。たとえば、定格の重なり長Ｌは、重なり型ピックオフ電極１６、２４間の壁間間隔Ｓの１０倍から１００倍の範囲にある。したがって、ピックオフ電極１６、２４の縁端部の寄生容量または漂遊容量を最小化できるようになっており、また、プルーフ・マス２０をカバー板１２に向かってまたはそれから離れるように偏向させる正負の印加加速度または他の物理力に応答してピックオフ電極１６、２４が凹部２８、３０に向かって前進しまたはそれから後退すると、交互に配置されたカバー板とプルーフ・マスのピックオフ電極１６、２４の対向面間に形成される容量は、実質的に線形に変化することになる。容量が線形に変化することにより、入力物理力または加速度を示す実質的に線形のアナログ信号出力が実現される。
【００２８】
重なり型同心円形ピックオフ電極１６、２４のパターンによって、全体的に比較的小さいパッケージで線形容量ピックオフ感度を最大に高めるような大きなピックオフ面積が実現する。ただし、本発明では、重なり型ピックオフ電極１６、２４の別の構成も企図されている。たとえば、相互に嵌り合う多側面ピンからなる互いに対向する偏移格子、あるいは、対向部分の対合孔に嵌合しカバー板１２またはプルーフ・マス２０の一方に設けられた多側面ピンからなる格子も、本発明で企図されており、これらは、本明細書に記載した重なり型同心円形ピックオフ電極の均等物とみなされる。
【００２９】
Ｄｅｅｐ−Ｒｅａｃｔｉｏｎ−Ｉｏｎ−Ｅｔｃｈｉｎｇ（ＤＲＩＥ：深掘反応性イオンエッチング）または好適なエッチング技法を用いてすべての形状を形成すると、大掛かりなマスク変更なしに加工工程を変更することにより、感度、測定範囲、および最大測定範囲を容易に調節できるようになる。上述したように、寸法および構成上の制御を利用して、感度測定範囲および最大測定範囲を調節するが、これは、隔膜撓み部４２の配置、幅および厚さ、ならびに浮彫り型孔４４の配置、個数および寸法を利用して懸架部材３８の可撓性を設定することによって行われる。重なり型電極１６、２４の導電表面の長さ、幅および面積、ならびに凹部２８、３０の幅によって、対応するピックオフ電極１６、２４間の間隔Ｓおよび重なり長Ｌが決まる。中央衝撃阻止ピン４６の長さおよび協働する止め部４８の長さによって、それらの間隔と、プルーフ・マス２０がカバー板１２に向かう最大偏向が決まる。カバー板１２とプルーフ・マス２０は双方とも、応力集中領域を狭める最終等方エッチングにさらすことにより、より耐性が強められる。
【００３０】
電気信号配線のパターン（図示せず）が、装置１０を駆動し出力信号を読み取るために、ピックオフ電極１６、２４とカバー板１２またはプルーフ・マス２０の外部表面との間に形成される。
【００３１】
図３は、やはり開ループで動作する低コストで２層の別の物理力感知装置または加速度計装置１００として実施された本発明の安価な物理力測定装置を示している。図３の実施形態によれば、装置１００は、図１および２に示した装置１０と同様に形成される。ただし、装置１００は、実質的に一方向性の測定装置である。図示のように、装置１００は、基部またはカバー板１０２、およびプルーフ・マス１０４を含んでいる。カバー板１０２は、複数のピックオフ電極１０６（その間には形成された凹部１０８と交互に配置される）からなるパターン構造体を含んでいる。プルーフ・マス１０４は、凹部１１２と交互に配置された複数のピックオフ電極１１０からなる協働パターン構造体を含んでいる。プルーフ・マス１０４のピックオフ電極１１０および凹部１１２は、組立て後、カバー板１０２のピックオフ電極１０６および凹部１０８に対して偏移して配置される。上述したように、カバー板１０２およびプルーフ・マス１０４はそれぞれ、対応する環状隆起部１１４および１１６を備えており、この環状隆起部１１４および１１６は、周縁部に沿って配置されており、また、ピックオフ電極１１０、１０６を位置合せして、噛合い状態にすると、対向するピックオフ電極１１０、１０６間の凹部１１２、１０８内に達するようにする手段を備えている。
【００３２】
図１および図２の実施形態とは対照的に、ピックオフ電極１０６および１１０はそれぞれ、環状隆起部１１４および１１６と同一高さに形成されるか、または環状隆起部１１４および１１６の下方に凹部形成され、その結果、ピックオフ電極１０６、１１０は、通常は対向部材の凹部１１２、１０８に対して非噛合い状態になっている、すなわち、それらの間には入り込まない状態である。したがって、動作中は、加速度または他の物理力が印加されてプルーフ・マス１０４がカバープレート１０２に向かって偏向する前は、ピックオフ電極１０６、１１０は、対向部材の噛合い凹部１１２、１０８の口またはその周辺に位置付けられるものの、それらの凹部には入り込むことはない。ピックオフ電極１０６、１１０の外壁と対応する凹部１１２、１０８の内壁の間に形成された容量は、最小化されている。懸架部材３８を撓ませて、プルーフ・マス１０４をカバー板１０２に向かって偏向させる物理力が印加すると、ピックオフ電極１０６、１１０はそれぞれ、対向部材の凹部１１２、１０８に向かってその中へ移動する。プルーフ・マス１０４の偏向量が増大すると、ピックオフ電極１０６、１１０と対応する凹部１１２、１０８の間との重なりが形成されてその重なり量が増大する。プルーフ・マス１０４がカバー板１０２に向かう偏向量は、加速度または他の印加偏向力の関数として増大する。一方、後退力または反偏向力の関数として、プルーフ・マス１０４がカバー板１０２から離れるように後退すると、ピックオフ電極１０６、１１０と凹部１１２、１０８の間の既存の間隙が増大するだけであり、容量値が大きく変わることはない。
【００３３】
容量値は、物理力が印加されない場合の定格最小値から増大しており、またプルーフ・マス１０４がカバー板１０２に向かって偏向する場合のみ増大するので、装置１００は、実質的に一方向の測定装置となる。
【００３４】
図４には、両面式の導電重なり型ピックオフ電極と閉ループの高性能動作用の動作素子とを有する３層の物理力または加速度感知装置２００として実施した本発明を示している。図４は、下部カバー板１２と両面式プルーフ・マス２０２と追加の上部カバー板２０４とを含む３つの層の断面図と、高性能用途向け装置２００の差動閉ループ動作用電子機能とを示す。
【００３５】
下部カバー板１２は、基板１４に形成されたその円形形状を保持しており、その周縁に沿って形成された環状隆起部１８を有している。環状隆起部１８は、上述の間欠突出／陥没部からなるパターン構造体３４を含んでおり、これにより、プルーフ・マス２０２の下側のピックオフ電極２４が、下部カバー板１２から突き出た容量性ピックオフ電極１６に対して偏移した形で、かつその間に形成された凹部２８内で位置合せされる。
【００３６】
上部カバー板２０４は、下部カバー板１２と実質的に同じ構成であり、やはりシリコン基板１４に形成された円形構成である。上部カバー板２０４は、その中央部から両面式プルーフ・マス２０２に向かって突き出た容量性ピックオフ電極１６からなるパターン構造体を含んでいる。環状隆起部１８は、上部カバー板２０４の周縁部に沿って形成されている。環状隆起部１８は、上述の間欠突出／陥没部からなるパターン構造体３４を含んでおり、これにより、プルーフ・マス２０２の上側のピックオフ電極２４が、下部カバー板１２から突き出た容量性ピックオフ電極１６に対して偏移した形で、かつその間に形成された凹部２８内で位置合せされる。
【００３７】
プルーフ・マス２０２は、第２の環状隆起部２０８から懸架した中央部２０６を含んでおり、第２環状隆起部２０８は、その間に形成されそれと一体化した懸架部材３８によってプルーフ・マス２０２の周縁部に沿って形成される。懸架部材３８は、環状隔膜撓み部４２を含んでおり、場合によって用いられそこに形成された複数の浮彫り型孔４４の環状パターンの一部またはすべてを有していてもよい。外側輪状部が懸架部材３８によって設けられていることにより、高い交差軸方向の硬さが高まり、これにより装置２００は、交差軸方向に対する感度が極めて低くなる。この特徴は、高いＧ入力の動的な３軸方向の用途では特に有効である。
【００３８】
プルーフ・マスの中央部２０６は、下部カバー板１２に向かって一方の側から突き出ており凹部３０が間に形成された容量性ピックオフ電極２４からなる第１パターン構造体を含んでいる。また、中央部２０６は、上部カバー板２０４に向かって反対の側から突き出ており間に形成された凹部３０の第２の組を有する容量性ピックオフ電極２４からなる第２パターン構造体を含んでいる。ピックオフ電極２４および凹部３０の第２の組は、上部カバー板２０４のピックオフ電極１６および凹部２８に対して偏移した形で構成されており、それにより、ピックオフ電極１６、２４が対向部材間の凹部３０、２８に噛合って嵌り込むようになっている。
【００３９】
プルーフ・マス２０２の環状隆起部２０８は、その下面および上面に、上述の間欠突出／陥没部からなる目標パターン構造体３２を有している。目標パターン構造体３２は、下部および上部カバー板１２、２０４の周縁部に沿って整合パターン構造体３４と対合する。上述のように、隆起部２０８の下面および上面の目標パターン構造体３２は、下部および上部カバー板１２、２０４の整合目標パターン構造体３４と協働して、プルーフ・マス２０２の下面および上面のピックオフ電極２４および凹部３０を、下部および上部カバー板１２、２０４の凹部２８およびピックオフ電極１６に対してそれぞれ位置合せする。
【００４０】
場合によっては、先に図示し説明したように、衝撃阻止ピン４６をプルーフ・マス２０２の上面および下面に形成し、衝撃止め部４８を対向する下部および上部カバー板１２、２０４に形成する。あるいは、衝撃止め部４８をプルーフ・マス２０２の両側に形成し、衝撃阻止ピン４６を下部および上部カバー板１２、２０４の対向面に形成する。衝撃阻止ピン４６と止め部４８の間の間隙５０は、電極１６、２４の端面と対向面の対応する凹部３０、２８の底面との間の間隙よりも小さくなっている。したがって、中央衝撃阻止ピン４６および止め部４８は協働して、下部および上部カバー板１２、２０４に対してプルーフ・マス２０２が移動するのを制限する。
【００４１】
３層式物理力感知装置の上記３つの部分、すなわちプルーフ・マス２０２と下部および上部カバー板１２、２０４は、追加の層を考慮した修正と共に公知の絶縁接着材３６と上述の技法とを用いて接合されて１つの高密度単体にされる。上述のように、接合処理工程はやはり、プルーフ・マス２０２の導電面と下部および上部カバー板１２、２０４それぞれの導電面との間の電気的絶縁を保証するものである。
【００４２】
組立て後の装置２００では、プルーフ・マス２０２は、下部および上部カバー板１２、２０４間で実質的に中心合せされ、それにより、中央部２０６の対向面から突き出た容量性ピックオフ電極２４からなる第１および第２構造体が、対応する上部および下部カバー板１２、２０４から突き出た容量性ピックオフ電極１６と同一程度に重なり合うようになっており、そのため、プルーフ・マス２０２が静止状態にあるときは、下部カバー板１２のピックオフ電極１６とプルーフ・マス２０２の下面のピックオフ電極２４との間の容量が、上部カバー板２０４のピックオフ電極１６とプルーフ・マス２０２の上面のピックオフ電極２４との間の容量と実質的に等しくなっている。したがって、組立て後の装置２００は、両面式プルーフ・マス２０２の中心を通る水平軸Ｈに対して実質的に対称な構成となっている。
【００４３】
電気信号配線のパターン（図示せず）は、装置１０を駆動し、出力信号を読み取るために、ピックオフ電極１６、２４とカバー板１２またはプルーフ・マス２０の外表面との間に形成される。
【００４４】
組立て後の装置は、各キャパシタに時間変化電圧を印加する一般に知られた種類の回路を用いて操作され、それによって、キャパシタを通る電流を、下部および上部カバー板１２、２０４に形成されたキャパシタ電極板間の中間位置からプルーフ・マス２０２が偏向することに起因する容量差の測度として用いることが可能にされる。下部および上部カバー板１２、２０４の電極１６の導電表面により形成されたキャパシタ電極板は、プルーフ・マス２０２の位置を検知する感知回路の一部を構成している。
【００４５】
したがって、加速度計は、上部および下部カバー板１２、２０４に対するプルーフ・マス２０２の位置を感知する感知回路と、プルーフ・マス２０２の一方の表面上にある電極２４の導電面上に形成した第１キャパシタ電極板と、上部および下部カバー板１２、２０４の内の一方の上にある電極１６の隣接導電面上に形成した第２キャパシタ電極板とを備えている。第３キャパシタ電極板が、プルーフ・マス２０２の他方の面上にある電極２４の導電面上に形成されており、第４キャパシタ電極板が、上部および下部カバー板１２、２０４内の他方の上にある電極１６の隣接導電面上に形成されている。感知回路により、第１電極板と第２電極板の間、ならびに第３電極板と第４電極板の間の容量が測定される。感知回路で測定された容量変化は、プルーフ・マス２０２が上部および下部カバー板１２、２０４に対して移動することによって生ずるものであり、装置２００に印加された物理力または加速度の測度となる。
【００４６】
図４に示した３層式物理力または加速度センサの閉ループ動作は、プルーフ・マス２０２の平衡復帰（ｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ）により実現する。外側カバー板１２、２０４およびそのピックオフ電極１６は、反対に動作する。カバー板１２、２０４の一方は、同相の時間変化または交流付勢力で付勢され、他方は、別位相の時間変化または交流付勢力で付勢され、また、一方のカバー板は、正の直流バイアス電圧＋ＶＤＣが与えられ、他方のカバー板は、負の直流バイアス電圧−ＶＤＣが与えられる。プルーフ・マス２０２の対向面のそれぞれは、対応する下部または上部カバー板１２、２０４からの同相または別位相の付勢信号の一方に対する信号採取部（ｐｉｃｋｕｐ）となる。たとえば、プルーフ・マスの電気的ゼロの状態では、ピックオフ信号は平衡状態にあり、変調信号はゼロ（０ボルト）となる。加速度または物理力の入力に応じて、プルーフ・マス２０２は変位し、これにより、プルーフ・マス２０２の対向面で採取された付勢信号に不平衡が生じ、変調された誤差信号が生じる。誤差信号は増幅され、また、応答信号が、正または負の電圧を付与する通常の電気回路を用いて形成されるが、これは、外部カバー板１２、２０４に与えられた正負の直流バイアスと相まって差動プッシュプル式の静電平衡復帰力をもたらすものである。平衡復帰力によりプルーフ・マス２０２は、ほぼゼロ状態に戻り、また、プルーフ・マス２０２をゼロ位置に維持するのに要する電荷または電圧の測定値は、センサ２００に印加した加速度または物理力の記録となる。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態を図示し説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなくさまざまな変更が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】２層開ループ型の物理力または加速度センサとして実施された本発明を示す図である。
【図２】寄生容量または漂遊容量を最小に抑えながら所望の正負入力範囲に渡って最適な線形ピックオフ感度を与える壁間隔よりもはるかに長い重なり長さで構成された重なり円形ピックオフ電極の同心列を示す図である。
【図３】２層開ループ型で一方向性の物理力または加速度測定装置として実施された本発明を示す図である。
【図４】３層閉ループ型の物理力または加速度センサとして実施された本発明を示す図である。
【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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