(57)【要約】  時間領域慣性センサは、ｘ−ｙ−ｚ相互直交座標系のｘ−ｙ平面に平行な電極平面を有する支持構造を備え、支持構造の最も大きな寸法はｘ−ｙ平面内にあり、時間領域慣性センサはさらに、ｘ−ｙ平面に平行な第１の表面を有するプルーフマスを備え、プルーフマスは、空隙によって第１の表面が電極表面から分離されるように支持構造に弾性的に結合され、時間領域慣性センサはさらに、振動の際に空隙が大幅に変動しないように支持構造に対してほぼｘ方向にのみ振動するようにプルーフマスを駆動するように構成される駆動体と、プルーフマスが支持構造に対して第１の参照位置にある度に開いた状態から閉じた状態に切換るように配設される第１の時間領域近接スイッチとを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間領域慣性センサであって、
ｘ−ｙ−ｚ相互直交座標系のｘ−ｙ平面に平行な電極平面を備える支持構造を備え、前記支持構造は前記ｘ−ｙ平面内にある最も大きな寸法を特徴とし、さらに
前記ｘ−ｙ平面に平行な第１の表面を備えるプルーフマスを備え、前記プルーフマスは、空隙によって前記第１の表面が前記電極平面から分離されるように前記支持構造に弾性的に結合され、さらに
前記空隙が振動の際に大幅に変動しないように前記支持構造に対してほぼｘ方向にのみ振動するように前記プルーフマスを駆動するように構成される駆動体と、
前記プルーフマスが前記支持構造に対して第１の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換るように構成される第１の時間領域近接スイッチとを備える、時間領域慣性センサ。
【請求項２】
前記支持構造と前記プルーフマスとはモノリシックに集積され、前記空隙は犠牲材料の除去を介して形成される、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項３】
前記第１の近接スイッチは容量性スイッチである、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項４】
前記支持構造はキャップウェハを備え、前記容量性スイッチの半分は前記キャップウェハに装着される、請求項３に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項５】
前記第１の近接スイッチは、前記プルーフマスに搭載される第１の半分と、前記支持構造に搭載される第２の半分とを備え、前記第１の近接スイッチの前記閉じた状態は、前記第１の半分と第２の半分との間のピーク容量を特徴とするゼロ交差点において発生するように構成される、請求項３に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項６】
前記第１の近接スイッチは光学スイッチである、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項７】
前記第１の近接スイッチは、前記電極平面上の前記支持構造に固く装着されるトンネル端を備える電子トンネル端スイッチであり、
前記電子トンネル端スイッチは、前記プルーフマスが前記第１の参照位置にありかつ前記第１の表面のセクションと前記トンネル端とが前記ｚ方向に整列されると前記第１の表面と前記トンネル端との間の電子トンネリングを可能にするようにさらに構成される、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項８】
前記トンネル端は前記ｚ方向にある厚みに電気めっきされ、前記厚みは、それを通って前記プルーフマスが振動する区域の上にわたって前記トンネル端を支持するのに十分なものである、請求項７に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項９】
前記駆動体は、電気信号を生成して共振に対する動作を維持するように構成されるフィードバック回路構成を備える、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１０】
前記プルーフマス駆動体は容量性櫛駆動を備える、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１１】
複数の時間領域近接スイッチをさらに備え、各々の時間領域近接スイッチは、前記プルーフマスが前記支持構造に対して対応の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換るように構成される、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１２】
前記プルーフマスが前記支持構造に対して第１の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換るように構成される第２の時間領域デジタル近接スイッチをさらに備える、請求項１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１３】
前記プルーフマスの前記第１の表面はＴ字状であり、かつ基部、首部、ならびに第１の自由端および第２の自由端を備え、前記基部は前記支持構造に装着され、前記首部は前記第１の近接スイッチに動作するように結合され、前記第１の自由端は第２の近接スイッチに動作するように結合され、前記第２の自由端は第３の近接スイッチに動作するように結合される、請求項１１に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１４】
時間領域慣性センサであって、
ｘ−ｙ−ｚ相互直交座標系のｘ−ｙ平面に平行な頂面を有する支持構造と、
プルーフマスが実質的に前記ｘ−ｙ平面中でのみ振動するように構成されるように前記支持構造に弾性的に結合されるプルーフマスと、
前記支持構造に対して調和的に振動するように前記プルーフマスを駆動するように構成される駆動体と、
前記プルーフマスの各々の対応のそれぞれのセクションが前記支持構造のセクションの下を通過する際に各々の近接スイッチが開いた状態から閉じた状態に切換るように構成されるように、前記支持構造と前記プルーフマスの複数のそれぞれのセクションとに動作するように結合される複数の近接スイッチとを備える、時間領域慣性センサ。
【請求項１５】
前記複数の近接スイッチはトンネル端スイッチであり、前記プルーフマスがその下を通過する支持構造の前記セクションは、前記支持構造に固く装着されかつ空隙によって前記プルーフマスの頂面から前記ｚ方向に分離される電極であり、前記空隙は前記支持構造からの材料の犠牲層の除去の際に形成され、
前記電子トンネル端スイッチは、前記プルーフマスが前記第１の参照位置にありかつ前記第１の表面のセクションと前記トンネル端とが前記ｚ方向に整列されると前記第１の表面と前記トンネル端との間の電子トンネリングを可能にするようにさらに構成される、請求項１４に記載の慣性センサ。
【請求項１６】
前記プルーフマスの前記頂面は、基部、首部、第１の端、および第２の端を備えるＴ字状であり、
前記駆動体は、前記ｘ方向に振動するように前記首部を駆動するようにさらに構成され、
コリオリ力に応答して、前記第１および第２の端は前記ｙ方向に振動するように構成される、請求項１４に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１７】
前記複数の近接スイッチのうち少なくとも１つは、前記首部、前記第１の端、および前記第２の端の各々に動作するように結合される、請求項１６に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１８】
前記近接スイッチは容量性スイッチであり、各々の容量性スイッチは、前記プルーフマスに搭載される第１の半分と、前記支持構造に搭載される第２の半分とを備え、所与の容量性スイッチの前記閉じた状態は、前記第１の半分と第２の半分との間のピーク容量を特徴とするゼロ交差点で発生するように構成される、請求項１４に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項１９】
前記近接スイッチのうち各々の前記第１の半分は前記プルーフマスの接地された部分を備える、請求項１８に記載の時間領域慣性センサ。
【請求項２０】
慣性を検知する方法であって、
第２の直交する寸法のプルーフマスと支持構造との間の空隙が振動の際に大幅に変動しないように、前記支持構造に対して第１の寸法中でのみ振動するように前記プルーフマスを駆動することと、
前記プルーフマスが前記支持構造に対して第１の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換ることとを備える、方法。
【請求項２１】
時間領域慣性センサであって、
相互に直交する座標系の第１の平面に平行な電極平面を備える支持構造を備え、前記支持構造は前記第１の平面内にある最も大きな寸法を特徴とし、さらに
前記第１の平面に実質的に平行な第１の表面を備えるプルーフマスを備え、前記プルーフマスは、空隙によって前記第１の表面が前記電極表面から分離されるように前記支持構造に弾性的に結合され、さらに
前記空隙が振動の際に大幅に変動しないように前記支持構造に対してほぼ第１の方向にのみ振動するように前記プルーフマスを駆動するように構成される駆動体と、
前記プルーフマスが前記支持構造に対して第１の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換るように構成される第１の時間領域近接スイッチとを備える、時間領域慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
優先権
本願は、２０１１年６月２４日に出願された「振動摂動の時間領域測定のための装置および方法」（海軍事件＃１００８０９）と題された米国出願番号第１３／１６８，６０３号の一部継続出願である、２０１３年３月２０日に出願された「摺動平面近接スイッチを用いた慣性センサ」（海軍事件＃１０１８７５）と題された、同一人に所有されかつ同時継続中の米国出願番号第１３／８４７，５３９号の優先権を主張し、その内容全体が本明細書中に引用により援用される。
【０００２】
連邦支援研究開発
この本願は合衆国政府に譲渡され、商業目的のための使用許諾に供される。使用許諾に関する問合せおよび技術的事項に関する問合せは、９２１５２、カリフォルニア州サンディエゴ、コード７２１２０、太平洋、宇宙海戦システムセンター（Space and Naval Warfare Systems Center）、研究技術応用局（Office of Research and Technical Applications）；音声電話（６１９）５５３−５１１８；ssc_pac_t2@navy.milに対して行なわれ得る。参照海軍事件番号１０１８７５。
【０００３】
背景
本開示は時間領域慣性センサの分野に関する。時間領域慣性センサの一例は、調和的に振動するプルーフマスが予め規定された参照位置を通過する時間を測定することによって慣性加速度を定めることができる振動加速度計である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
要約
開示の１つの局面では、時間領域慣性センサが開示される。１つの実施形態では、センサは、ｘ−ｙ−ｚ相互直交座標系のｘ−ｙ平面に平行な電極平面を備える支持構造を含み、支持構造はｘ−ｙ平面内にある最も大きな寸法を特徴とし、さらにセンサは、ｘ−ｙ平面に平行な第１の表面を備えるプルーフマスを含む。１つの変形では、プルーフマスは、空隙によって第１の表面が電極平面から分離されるように支持構造に弾性的に（springedly）結合され、センサはさらに、振動の際に空隙が大幅に変動しないようにほぼｘ方向にのみ支持構造に対して振動するようにプルーフマスを駆動するように構成される駆動体と、プルーフマスが支持構造に対して第１の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換るように構成される第１の時間領域近接スイッチとを含む。
【０００５】
別の実施形態では、センサは、ｘ−ｙ−ｚ相互直交座標系のｘ−ｙ平面に平行な頂面を有する支持構造と、プルーフマスが実質的にｘ−ｙ平面中でのみ振動するように構成されるように支持構造に弾性的に結合されるプルーフマスと、支持構造に対して調和的に振動するようにプルーフマスを駆動するように構成される駆動体と、プルーフマスの各々の対応のそれぞれのセクションが支持構造のセクション下を通過すると各々の近接スイッチが開いた状態から閉じた状態に切換るように構成されるように、支持構造とプルーフマスの複数のそれぞれのセクションとに動作するように結合される複数の近接スイッチとを含む。
【０００６】
別の実施形態では、センサは、相互に直交する座標系の第１の平面に平行な電極平面を備える構造を含み、構造は第１の平面内にある最も大きな寸法を特徴とし、さらにセンサは、第１の平面に実質的に平行な第１の表面を備えるプルーフマスを含み、プルーフマスは、空隙によって第１の表面が電極平面から分離されるように支持構造に弾性的に結合され、さらにセンサは、振動の際に空隙が大幅に変動しないように支持構造に対してほぼ第１の方向にのみ振動するようにプルーフマスを駆動するように構成される駆動体と、プルーフマスが支持構造に対して第１の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換るように構成される第１の時間領域近接スイッチとを含む。
【０００７】
さらなる局面では、慣性を検知する方法が開示される。１つの実施形態では、方法は、第２の直交する寸法のプルーフマスと支持構造との間の空隙が振動の際に大幅に変動しないように支持構造に対して第１の寸法中でのみ振動するようにプルーフマスを駆動することと、プルーフマスが支持構造に対して第１の参照位置にある場合に開いた状態から閉じた状態に切換ることとを含む。
【０００８】
いくつかの図を通して、同様の要素は同様の参照を用いて参照される。図中の要素は縮尺どおりに描かれておらず、明瞭性のためにある寸法が誇張されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】時間領域慣性センサの実施形態の正面図である。
【図２】時間領域慣性センサの実施形態の斜視図である。
【図３】時間領域慣性センサの実施形態の斜視図である。
【図４Ａ】時間領域慣性センサの製造工程の斜視図である。
【図４Ｂ】時間領域慣性センサの製造工程の斜視図である。
【図５Ａ】時間領域慣性センサの製造工程の斜視図である。
【図５Ｂ】時間領域慣性センサの製造工程の斜視図である。
【図６Ａ】時間領域慣性センサの製造工程の斜視図である。
【図６Ｂ】時間領域慣性センサの製造工程の底面図である。
【図７】時間領域慣性センサの実施形態の斜視図である。
【図８Ａ】時間領域慣性センサの実施形態の上面図である。
【図８Ｂ】時間領域慣性センサの実施形態の底面図である。
【図９Ａ】時間領域慣性センサの実施形態の斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示される時間領域慣性センサのセクションの拡大斜視図である。
【図１０】図９Ａに示される時間領域慣性センサのセクションの拡大斜視図である。
【図１１】時間領域慣性センサの実施形態の斜視図である。
【図１２】接地に保持される、背が高くて狭い片持梁（矩形）のすぐ上方を通る、固定電圧に保持される方形の配線の２寸法（２Ｄ）断面を示す一連のプロットの図である。
【図１３Ａ】図１１に描かれる片持梁と細い配線との間の相対的な変位の関数としての、ピコファラド（ｐＦ）での、容量性近接スイッチの推定容量のプロットの図である。
【図１３Ｂ】片持梁と配線との間の相対的な変位の関数としての、ミクロン（μｍ）あたりピコファラド（ｐＦ）での、容量の推定変化を示すプロットの図である。
【図１３Ｃ】マイクロ秒（μｓ）の時間に対してグラフ化される、マイクロアンペア（μＡ）での、容量性スイッチにおいて誘導される電流ｉを示すプロットの図である。
【図１４Ａ】時間領域慣性センサの実施形態の斜視図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示される時間領域慣性センサのセクションの拡大斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明
図１は、支持構造１２、プルーフマス１４、（図２に示される）駆動体１６、および第１の時間領域近接スイッチ１８を備える時間領域慣性センサ１０の一般化された図の正面表示である。支持構造１２は、ｘ−ｙ−ｚ相互直交座標系のｘ−ｙ平面に平行な電極平面２０を有する。支持構造１２の最も大きな寸法はｘ−ｙ平面内にある。プルーフマス１４は、ｘ−ｙ平面に平行な第１の表面２２を有し、プルーフマス１４は、第１の表面２２が空隙２４によって電極平面２０から分離されるように支持構造１２に弾性的に結合される。駆動体１６は、振動の際に空隙２４が大幅に変動しないように支持構造１２に対してほぼｘ方向にのみ振動するようにプルーフマス１４を駆動するように構成される。第１の近接スイッチ１８は、プルーフマス１４が支持構造１２に対して第１の参照位置にある度に開いた状態から閉じた状態に切換るように配設される。たとえば、図１に示されるセンサ１０の実施形態では、第１の近接スイッチ１８は、支持構造１２の特徴２６の下をプルーフマス１４が通過する度に閉じた状態に切換るように構成されてもよく、この場合、特徴２６の底部が電極平面２０を規定する。
【００１１】
任意の規模で慣性センサ１０を製造してもよい。たとえば、１つの実施形態では、慣性センサ１０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスにモノリシックに集積されてもよい。任意の向きで慣性センサ１０を用いてもよい。ｘ−ｙ−ｚ座標系が図面に描かれかつ本明細書中で参照されるが、本明細書中で用いるような第１、第２、および第３の方向／軸は、任意の３寸法座標系の任意の３つの相互に直交する方向／軸に対応してもよいことを理解すべきである。
【００１２】
支持構造１２は任意の大きさおよび形状であってもよく、慣性センサ１０の横加速度および回転加速度に晒された場合に支持構造１２が大きく屈曲するおよび／または変形することがないように慣性センサ１０のための剛性の支持体を設けることができる任意の材料から作られてもよい。
【００１３】
プルーフマス１４は、プルーフマス１４が慣性センサ１０の横加速度および／または回転加速度に応答して移動するように支持構造１２に弾性的に結合することができる任意の質量体であってもよい。プルーフマス１４の好適な例は、図２に示されるようなものなどの、支持構造１２にモノリシックに集積される片持梁アームを含むが、これに限定されない。
【００１４】
駆動体１６は各々、支持構造１２に対してｘ方向に任意の所望の周波数でプルーフマス１４を振動させることができる任意の装置であってもよい。駆動体１６の好適な例は、（図２に描写されるものなどの）静電櫛駆動（comb drives）などの可変面積アクチュエータ、平行平板アクチュエータなどの可変ギャップ型アクチュエータ、および他の作動の電磁的または圧電的機構を含むが、これらに限定されない。プルーフマス１４は、連続的な振動力を用いてまたはプルーフマスの高調波共振と同相の周期的な「デルタ関数」力によって駆動されてもよい。
【００１５】
第１の近接スイッチ１８は、支持構造１２に対するプルーフマス１４のさまざまな位置に対応するデジタル信号を発生させることができる任意の装置であってもよい。換言すると、第１の近接スイッチ１８は、支持構造１２に対するプルーフマス１４の位置変化に基づいて状態の変化を経ることができる任意のデバイスであってもよい。第１の近接スイッチ１８の好適な例は、電磁トンネルスイッチ、容量性スイッチ、光学シャッタースイッチ、および磁気スイッチを含むが、これらに限定されない。第１の近接スイッチ１８の目的は、正確な加速度独立相測定を行なう−これにより位相ロックループ閉止の安定性を増大させかつ慣性センサ１０の全体的な位相雑音およびジッタを低減させる−ことができるように、支持構造１２に対する、第１の近接スイッチ１８が装着されるプルーフマス１４のセクションの位置を局所化することである。
【００１６】
図２は慣性センサ１０の実施形態の斜視図である。この実施形態では、支持構造１２とプルーフマス１４とはモノリシックに集積される。この実施形態では、第１の近接スイッチ１８が、プルーフマス１４の自由端とトンネル端（tunneling tip）２８とがｚ方向に整列すると第１の表面２２とトンネル端２８との間でトンネリングが起こるように電極平面２０上で支持構造１２に固く装着されるトンネル端２８を備える電子トンネル端スイッチであることも示される。トンネル端２８は、プルーフマス１４がそれを通って振動する区域にわたってトンネル端が自立できるようにｚ方向に十分に電気めっきされてもよい。
【００１７】
図３は、第１の近接スイッチ１８が容量性スイッチである慣性センサ１０の実施形態の斜視図である。この実施形態では、プルーフマス１４は第１の近接スイッチ１８の第１の半分３０として働き、近接スイッチ１８の第２の半分３２が支持構造１２に搭載される。この実施形態では、第１の半分３０と第２の半分３２との間にピーク容量が存在するプルーフマス１４の場所で第１の近接スイッチ１８の閉じた状態が発生する。支持構造１２はキャップウェハを備えてもよく、近接スイッチ１８の第２の半分３２がキャップウェハに装着されてもよい。
【００１８】
図４Ａ〜図７は、慣性センサ１０の振動加速度計実施形態の例示的な製造工程を示す。例示的なプロセスは、２回研磨０．４シリコンウェハ３４で開始する。次に、図４Ａの斜視図に示されるようなシリコンウェハ３４の頂部および底部上に１ミクロン熱酸化物層３６が堆積されてもよい。次に、図４Ｂに示されるように、パターン３８が頂部酸化物層３６中にエッチングされてもよい。次に、図５Ａに示されるように、頂部酸化物層３６の上に３０ｎｍのタングステン層４０が堆積されてもよい。次に、図５Ｂに示されるものなどのように、タングステン層４０の上に１００ｎｍの銅リフトオフが堆積されてもよく、その後、同じフォトレジストマスクを用いて１０ミクロンの銅めっき４２が行なわれてもよい。次に、図６Ａに示されるように、タングステン層４０の露出したセクションを除去してもよい。次に、図６Ｂは、裏面酸化物層３６がどのようにパターニングされ得るか（表から裏への整列）を示し、シリコン基板ウェハ３４は、貫通するように深くエッチングされてもよく、タングステン層４０の任意の露出されたセクションが除去されてもよい。図６Ｂでは、プルーフマス１４の底部およびいくつかのトンネル端２８の底部が見えている。慣性センサ１０の完成した振動加速度計実施形態の斜視図が図７に示される。この実施形態では、片持梁プルーフマス１４は−犠牲タングステン層４０の露出セクションを除去した後に残される−３０ｎｍの空隙によって分離される銅トンネル端２８下で自由に移動することができる。
【００１９】
慣性センサ１０は、図７に示されるものなどの多数の近接スイッチ１８を備えてもよい。調和的に振動するプルーフマス１４がわかっている場所をいつ通過するかを判断するのに複数の近接スイッチを用いてもよく、これにより、時間に対する運動を再構築することができ、かつ調和振動を摂動させる力を定めることができる。近接スイッチ１８が電子トンネルスイッチである場合、極めて重要な寸法は、電子トンネル近接スイッチのトンネルギャップ２４である。半導体ＭＥＭＳデバイスにおいて最も制御可能な寸法は、基板の表面上の堆積された層の厚みである。近接スイッチ１８が電子トンネルスイッチである慣性センサ１０の実施形態では、堆積された（または成長した）層の厚みがトンネリング距離を規定する。これは、単一のチップ上に集積可能な慣性軸の数を限定するが、デバイス作製のコストおよび複雑さを大幅に低減するとともに、トンネル近接スイッチの動作をより均一にするはずである。慣性センサ１０の実施形態では、プルーフマス１４は支持構造１２に搭載されるトンネル端２８の下を摺動し、導電性プルーフマス１４がトンネル端２８の下にある（かつこれに密に近接する）限りトンネリングが発生する。
【００２０】
図４Ａ〜図７に示されるように、濃くドープされた導電性シリコンプルーフマス１４の頂部および導電性固定トンネル端２８の底部を規定する平行平面の分離は、犠牲材料（たとえば、タングステン層４０）の平面堆積によって規定されてもよい。この材料は、固定されたトンネル端２８のパターニングされた堆積の前にシリコン基板ウェハ３４上に堆積される。トンネル端２８は、プルーフマス１４がシリコン基板ウェハ３４の表面の平面内で移動できるようにするように（裏面からエッチングすることによって）完全に除去すべきシリコンの領域の上にわたってパターニングされる。すべての運動が基板ウェハ３４の平面に制約されてもよい。というのも、トンネル端２８がそのちょうど上方に常駐し、かつプルーフマス１４の鉛直方向の運動がトンネル端２８を損傷する可能性があるからである。たとえば、クロス梁を支持構造に固く装着しかつプルーフマスに対して位置決めして、ｚ方向へのプルーフマスの運動を制限してもよい。トンネル端２８とプルーフマス１４との間の適切なトンネリング距離を維持するため、シリコンプルーフマス１４、ばね、および支持構造１２における、ならびに／またはトンネル端２８自体における応力による歪み（warping）を低く保たなければならない。この目的のため、シリコン基板ウェハ３４の片側上に成長するまたは堆積される任意の誘電体は、任意の結果的に生じる応力を相殺するように、他方側に成長するまたは堆積される鏡像誘電体を有してもよい。トンネル端２８は、金属薄片（tinsel）または圧縮応力をほとんどまたは全く呈することがなく、かつ−シリコンウェハ３４を一直線に、鉛直方向壁をドライエッチングするのに用い得る六フッ化硫黄（ＳＦ6）化学においてエッチングしない導電性材料から作られてもよい。この目的に銅を用いてもよい。というのも、これは、フッ素化学で産生物を形成せず、かつ薄い蒸発されたシード層の上にかなりの厚みに容易に電気めっき（応力を誘導しないように最適化された成長速度での室温のプロセス）可能であるからである。
【００２１】
図８Ａ〜図１０Ｂは慣性センサ１０の時間領域ジャイロスコープ−振動加速度計組合せ実施形態を示す。この実施形態は、トンネル端２８を用いて（振動加速度計プルーフマスとしても機能する）ジャイロスコープ駆動質量体の運動をモニタし、トンネル端を用いて片持梁の運動をモニタし、ｚ（鉛直方向）軸周りの回転についてのコリオリ力を測定する。図８Ａおよび図８Ｂはそれぞれ、慣性センサ１０のジャイロスコープ−振動加速度計実施形態の上面図および底面図である。この実施形態では、プルーフマス１４の第１の表面２２はＴ字状であり、それぞれ基部４４、首部４６、ならびに第１および第２の自由端４８および５０を備える。基部４４は支持構造１２に装着され、首部４６は第１の複数の近接スイッチ５２に動作するように結合される。第１の自由端４８は、第２の複数の近接スイッチ５４に動作するように結合され、第２の自由端５０は第３の複数の近接スイッチ５６に動作するように結合される。図９Ａは慣性センサ１０のジャイロスコープ−振動加速度計実施形態の斜視図である。図９Ｂは、第１の自由端４８および第２の複数の近接スイッチ５４の拡大図である。図１０は、首部４６および第１の複数の近接スイッチ５２の拡大図である。図１０は、破線のボックス５８によって指定される図９Ａの区域に対応する。
【００２２】
図１１は慣性センサ１０の別の実施形態の斜視図である。この実施形態では、第１の近接スイッチ１８は、ともに容量性スイッチとして機能する、１本以上の細い配線６０とプルーフマス１４とを備える。容量性スイッチは、短期間の間導体（または半導体）が互いの近くを通過する結果、容量の変化が迅速に発生するという原則に基づいている。次にこの変化する容量は導体中に急激な電流パルスを誘導することができ、これを正確な時間トリガデータとして用いて最接近の瞬間を判断することができる、。図１１に示される実施形態では、プルーフマス１４は、小さな容量性空隙２４が梁と支持構造１２との間に存在するように支持構造１２に装着される片持梁である。梁は、図１１に両方向矢印６２で示されるように支持構造１２の平面に平行にｘ方向に振動できるようにされる。梁は、他の２つの寸法（すなわち、ｙおよびｚ方向）には比較的固い。支持構造１２上に、片持梁が振動の際に通過する場所の下の予め規定された場所に、１本以上の細い配線６０が配置される。梁が一旦振動状態に設定されると、梁がこれらの配線６０を通過する際に急激な容量の変化が起こって、対応の配線６０の中に電流パルスを生成する。
【００２３】
近くの平行配線６０を通過する梁によって生成される電流パルスをモデリングしかつ定量化するため、まずコンデンサ上の電荷についての一般式を微分し得る。
【００２４】
【数１】
2016520811.tif 000003
【００２５】
式中、Ｑ（ｔ）、Ｃ（ｔ）、およびＶ（ｔ）はそれぞれコンデンサ上の経時変化する電荷、その容量、およびその両端の電圧である。この場合、平行平板コンデンサは、基板／支持構造１２上に堆積される配線６０近くを通過する長いシリコン梁の間に形成される。容量の変化が梁の運動（たとえば、梁／配線重なり面積の変化量）によるものであることに注目することにより、かつ梁と配線との間の電圧を固定することにより、以下を推論することができる。
【００２６】
【数２】
2016520811.tif 000004
【００２７】
ｄｘ／ｄｔは配線に対する片持梁の速度であり、ｄＶ／ｄｔは、固定された電圧レベルによりゼロである。
【００２８】
簡略さのため、片持梁の運動（ｘ（ｔ）が振動の際に正弦波でありかつ配線が（ｔ＝０において規定される）梁の振動中心の非常に近くに位置すると仮定することができる。このように、その点近くでの梁の速度を以下のように推定することができる。
【００２９】
【数３】
2016520811.tif 000005
【００３０】
式中、ｘ0は梁の振動の振幅であり、かつωoは梁構造の共振角周波数である。トリガ電流は、式（２）および（３）からの結果を式（１）に代入することによって書くことができる。
【００３１】
【数４】
2016520811.tif 000006
【００３２】
式（４）中のｄＣ／ｄｘ項についての現実的な予測を生成するのに、ＣＯＭＳＯＬ（登録商標）などの有限要素解析ソフトウェアを用いてもよい（図１２−図１３Ｃを参照）。シミュレーションは、狭いシリコン梁が梁と同じ長さの等しい幅の配線を通過すると仮定する。対象物同士が互いに接近しかつ互いの近くを通過すると、非常に急激な二重電流パルスが形成される−第１のものは正のパルスであり、その後すぐに負のパルスが続く（図１３Ｃを参照）。正確なトリガ「瞬間」または近接スイッチの閉じた状態を規定するのに、これらの２つの電流パルスの間のゼロ交差（ｔ＝０における図１３Ｃを参照）を用いる。ゼロ交差点は、電流パルスが極性を反転させる、支持構造１２に対するプルーフマス１４の相対的な位置として規定されてもよい−ｔ＝０で図１３に示されるものなどである。梁の振動振幅および／または周波数に対する変化ならびに固定電圧源に対する任意の変動が出力電流の大きさを変化させる（式４を参照）ことに注目すべきである。しかしながら、ゼロ交差トリガ点の場所は、これらのシステムパラメータの変動とともに一定のままである。
【００３３】
さらに、慣性加速度による片持梁の振動の任意のオフセットは、出力電流の非対称の歪みおよび信号の全体的な大きさの減少を生じさせる。歪みは、対象の間隔にわたる梁の先端の変化する速度によるものである一方で、大きさの減少は、ゼロオフセット近くでのみ発生するピーク速度からの速度の相対的な低下によるものである。しかしながら、これらの変化にも関わらず、ゼロ交差トリガインスタンスの場所は一貫したままであるが、しかしながら、それは、−設計により−（配線と梁とが完全に整列されると）ピーク容量の点で発生することによるものである。容量性スイッチにおけるゼロ交差は、システムパラメータの変動にもかかわらず十分に規定されかつ一貫したパラメータであるので、これは、（電圧源および時間トリガ回路構成における電子雑音によって主に限定される）良好なトリガ機構として働く。
【００３４】
容量性配線６０およびシリコン片持梁（すなわちプルーフマス１４）の作製は、非常によく規定されかつ制御された作製プロセスである。梁と配線との間の物理的空隙２４は、作製の最終工程で除去される、鉛直方向に堆積される膜（犠牲層）によって規定されてもよい。この空隙２４はかなり小さく、かつ十分に制御されることができる。というのも、薄い犠牲膜の厚みを作製の際に十分に制御可能であるからである。
【００３５】
図１２は、接地に保持される、背が高く狭い片持梁（矩形）のすぐ上を通過する、固定電圧に保持される方形の配線の２寸法（２Ｄ）断面を示す一連のプロットである。この算出を用いて、配線と片持梁とが接近しかつ近くで交差する際の系の容量の変化（たとえばｄＣ／ｄｘ）を計算してもよい。時間の流れは左上から下に向かい、次に右上から下に続く。系の容量を計算し、図１３Ａ−図１３Ｃに示されるその後のプロットを生成するのに用いた。
【００３６】
図１３Ａは、図１１に描かれる片持梁と細い配線との間の相対的な変位の関数としての、ピコファラド（ｐＦ）での容量性近接スイッチの推定容量を示すプロットである。この算出は、２ミクロン（μｍ）幅の接地されたシリコン梁を通過する、固定電圧に保持される、２ミクロン（μｍ）幅の配線を有するＭＥＭＳ規模のデバイスを想定する。配線と片持梁との間の間隔取りは、最接近での５０ナノメーター（ｎｍ）と仮定される。達成されるピーク容量は０．２１７ピコファラド（測定可能な量）であり、対象物が互いに対して中心決めされると予測どおりに発生する。配線の幅または長さのいずれかを大きくすることによって、ピーク容量を線形に増大させることができる。幅が広げられれば、プロファイルが広げられるであろう。
【００３７】
図１３Ｂは、片持梁と配線との間の相対的な変位の関数（たとえば、図１１に示されるプロットの導関数）としての、ミクロン（μｍ）あたりのピコファラド（ｐＦ）での容量の推定変化を示すプロットである。
【００３８】
図１３Ｃは、マイクロ秒（μｓ）での時間に対してグラフ化される、マイクロアンペア（μＡ）での、容量性スイッチに誘導される電流ｉを示すプロットである。式４と組合せた図１３Ａ中の空間的容量変化（ｄＣ／ｄｘ）の値を用いて、１００ボルトの固定電圧に保持される配線において誘導される電流が、マイクロ秒（μｓ）での時間の関数として、マイクロアンペア（μＡ）で以上グラフ化される。これは、±２０μｍの固定振幅で振動する１５ｋＨｚの共振周波数を有する片持梁を仮定する。デバイスの動作の必要に応じて「交差の時間」を算出するのに、（ｔ＝０での）この電流出力のゼロ交差を用いることができる。
【００３９】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、慣性センサ１０の別の実施形態の斜視図である。図１４Ｂは、図１４Ａに示される慣性センサ１０のセクションの拡大図である。慣性センサ１０のこの実施形態では、駆動体１６は、プルーフマス１４のいずれかの側上に配設される１対の容量性板を備える。この実施形態の近接スイッチ１８は、図１４Ｂの中に丸で描かれる電極６４を備える。実際には、電極６４は、上のウェハ６６上の犠牲層の上に堆積されかつパターニングされ、次にこれは、下のウェハ７０上の配線トレース６８に接合されてもよい。上のウェハをずっと通る深いシリコンエッチによって片持梁プルーフマス１４が規定されかつ犠牲層が除去されると、犠牲層の厚みは、片持梁プルーフマス１４が電極６４を横切って移動するときの電極６４および片持梁１４の表面からの距離である。
【００４０】
慣性センサ１０の以上の説明から、慣性センサの概念を実現するために、その範囲から逸脱することなくさまざまな技術を用いてもよいことが明らかである。記載される実施形態は、すべての点において制限的ではなく例示的と考えられるべきである。慣性センサは、本明細書中に記載の特定の実施形態に限定されるのではなく、開示の範囲から逸脱することなく多数の実施形態が可能であることも理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ−９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ−１４Ｂ】
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【国際調査報告】
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