特許 5794601 差動容量型センサとその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5794601

(24)【登録日】2015年8月21日

(45)【発行日】2015年10月14日

(54)【発明の名称】差動容量型センサとその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/125 20060101AFI20150928BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20150928BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/125 Z

   H01L29/84 Z

【請求項の数】2

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2009-546386(P2009-546386)

(86)(22)【出願日】2007年12月18日

(65)【公表番号】特表2010-517014(P2010-517014A)

(43)【公表日】2010年5月20日

(86)【国際出願番号】US2007087846

(87)【国際公開番号】WO2008088644

(87)【国際公開日】20080724

【審査請求日】2010年11月22日

【審判番号】不服2014-10734(P2014-10734/J1)

【審判請求日】2014年6月6日

(31)【優先権主張番号】11/655,557

(32)【優先日】2007年1月18日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】504199127

【氏名又は名称】フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】マクニール、アンドリュー シー．

(72)【発明者】

【氏名】リン、イーチェン

(72)【発明者】

【氏名】ミラー、トッド エフ．

【合議体】

【審判長】 酒井 伸芳

【審判官】 清水 稔

【審判官】 樋口 信宏

(56)【参考文献】

【文献】 仏国特許出願公開第２６９４４０３（ＦＲ，Ａ１）

【文献】 米国特許第５８３１１６４（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01P 15/125, H01L 29/84

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置であって、
前記装置は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備え、前記センサは、
可動エレメントの第１の端部と第２の端部との間でオフセットされている回転軸に対して動くように適合され、前記回転軸と前記第１の端部との間に第１の区画を形成し、前記回転軸と前記第２の端部との間に第２の区画を形成する前記可動エレメントであって、前記第１の区画は、前記回転軸から、前記回転軸と前記第２の端部との間の前記第２の区画の長さにほぼ等しい距離だけ離間された延在部を含み、前記可動エレメントは、第１の表面および第２の表面を含む、前記可動エレメントと、
前記可動エレメントの前記第１の表面から離間され、第１の感知電極と、第３の感知電極と、フィードバック動作のための第１のアクチュエーション電極とを含む、第１の固定導電層と、
前記可動エレメントの前記第２の表面から離間され、第２の感知電極と、第４の感知電極と、フィードバック動作のための第２のアクチュエーション電極とを含む、第２の固定導電層と
を含み、前記第１および第２のアクチュエーション電極は、前記延在部と対向し、前記第１及び第２の感知電極は、前記第１の区画と対向し、前記第３及び第４の感知電極は、前記第２の区画と対向し、前記第１のアクチュエーション電極は、前記第１の感知電極と隣接し、前記第２のアクチュエーション電極は、前記第２の感知電極と隣接している、装置。

【請求項2】

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサであって、
可動エレメントの第１の端部と第２の端部との間でオフセットされている回転軸に対して動くように適合され、前記回転軸と前記第１の端部との間に第１の区画を形成し、前記回転軸と前記第２の端部との間に第２の区画を形成する前記可動エレメントであって、前記第１の区画は、前記回転軸から、前記回転軸と前記第２の端部との間の前記第２の区画の長さにほぼ等しい距離だけ離間された延在部を含み、前記可動エレメントは、第１の表面および第２の表面を含む、前記可動エレメントと、
前記可動エレメントの前記第１の表面から離間され、第１の感知電極と、第３の感知電極と、フィードバック動作のための第１のアクチュエーション電極とを含む、第１の固定導電層と、
前記可動エレメントの前記第２の表面から離間され、第２の感知電極と、第４の感知電極と、フィードバック動作のための第２のアクチュエーション電極とを含む、第２の固定導電層と、
を備え、前記第１および第２のアクチュエーション電極は、前記延在部と対向し、前記第１および第２の感知電極は、前記第１の区画と対向し、前記第３および第４の感知電極は、前記第２の区画と対向し、前記第１、第２、第３、および第４の感知電極のそれぞれは、前記可動エレメントの全表面積の２５〜３５パーセントの範囲にある表面積を有し、前記第１のアクチュエーション電極は、前記第１の感知電極と隣接し、前記第２のアクチュエーション電極は、前記第２の感知電極と隣接している、センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主として、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサに関する。より具体的には、本発明は、ＭＥＭＳ差動容量型加速度計に関する。

【背景技術】

【0002】

加速度計は、加速力の測定に一般的に利用されるセンサである。加速力は、一定重力のように静的である場合もあれば、動的である場合もあり、これは、加速度計を移動または振動させることによって引き起こされる。加速度計は、１つ、２つ、または３つの軸、または方向に沿った加速や他の現象を感知することが可能である。この情報から、加速度計が設置されている装置の動きまたは方位を確認することが可能である。加速度計は、慣性誘導システム、自動車のエアバッグ展開システム、様々な装置の保護システム、および他の多くの科学技術システムで使用されている。

【0003】

高重力環境下での小型装置内での動作のために、かつ、比較的低コストであることから、容量感知型ＭＥＭＳ加速度計を設計することが非常に望ましい。容量型加速度計は、加速による電気容量の変化を感知して、通電されている回路の出力を変化させる、加速度計の一般的な形式の１つは、「シーソー」構造を有する２層容量型トランスデューサである。この一般的に利用されているタイプのトランスデューサは、ｚ軸加速下において基板上方で回転する可動エレメントまたは可動プレートを使用している。この加速度計構造は、２つの別個の容量を測定して、差動容量または相対容量を求めることが可能である。

【0004】

図１は、従来のヒンジ型または「シーソー」型センサとして組み立てられた、先行技術の３層容量型加速度計２０の分解側面図を示す。容量型加速度計２０は、一対の固定基板２２および２４を含んでおり、静電基板２２および２４は、それぞれ対向する平行平面を有している。基板２２と２４は互いに離間されており、各基板は、片面に堆積された所定の構造のいくつかの金属電極エレメント２６および２８を有し、それぞれがキャパシタ電極、又は「プレート」を形成している。一例示的事例では、電極エレメント２６は、刺激信号を受け取る励起電極、又は感知電極として動作する。他方の電極エレメント２８は、静電リバランスのためのフィードバック電極として動作する。電極エレメント２６（または２８）の１つのセットは、フィードバック信号が感知信号に重畳された場合には、感知電極およびフィードバック電極の両方として動作する。

【0005】

一般に「プルーフマス」と称されている可動エレメント３０が、回転軸３６のまわりの回転のために、隆起した取り付け点３４に位置する１つまたは複数の回転フレキシャ３２によって、基板２２と基板２４との間で弾力的に浮いており、電極２６および２８とともに、様々なキャパシタセットを形成する。可動エレメント３０は、加速に応じて動き、従って、可動エレメント３０の位置が固定感知電極２６に対して変化する。この位置変化の結果として、キャパシタのセットであって、それらの差、すなわち差動容量が加速を表す、キャパシタのセットが得られる。静電リバランスのための別のキャパシタセットが、可動エレメント３０およびフィードバック電極２８から構成される。フィードバック電極２８は、可動エレメント３０を、感知エレメント２６間で平衡のとれた可動エレメント３０の基準位置まで駆動して、その位置を維持するように機能する。

【0006】

シーソー型加速度計としての動作を意図される場合は、回転軸３６に対して一方の側にある、可動エレメント３０の第１の区画３８が、回転軸３６に対して他方の側にある、可動エレメント３０の第２の区画４０より、比較的重い質量で形成される。第１の区画３８の、より大きな質量は、典型的には、第１の区画３８の延在部４２が回転軸３６から見て遠方に形成されるように、回転軸３６をオフセットすることによって作成される。さらに、電極エレメント２６および２８は、可動エレメント３０の長手方向軸Ｌに対して対称になるようにサイズおよび間隔が決定されている。同様に、電極エレメント２６および２８はさらに、回転軸３６に対して対称になるようにサイズおよび間隔が決定されている。

【0007】

シーソー型構造を有する２層および３層の容量型センサには、いくつかの欠点がある。容量性出力を増やして回路性能を高める（たとえば、雑音を低減する）ためには、シーソー型容量加速度計のプルーフマスを比較的大きくする必要がある。ところが、プルーフマスを大きくするには、ダイ面積を広くとる必要があり、コストおよびパッケージサイズが増える。さらに、プルーフマスは、剛体として回転しなければならない。プルーフマスの変形しやすさや曲がりやすさは、サイズが増えるにつれて大きくなり、特に、高い加速にさらされると大きくなる。このような変形や曲がりは、非線形効果を引き起こし、それによって、センサの精度が低下する。たとえば、この非線形性は、センサ出力においてＤＣオフセットを生成する可能性があり、場合によって、加速度計が配備されているシステムの機能不全を引き起こす可能性がある。プルーフマスと感知電極との間のギャップを小さくしたり、プルーフマスを厚くしたりすると、変形の問題およびそれにともなう非線形効果を軽減することが可能である。しかしながら、より小さいギャップおよび／またはより厚いプルーフマスを製造することは、製造上の問題につながる。

【0008】

図１に示された３層シーソー型構造に固有の問題は、感知電極２６およびフィードバック電極２８の両方が、回転軸３６のそばに密集していることである。この構造は、一般にシールド面積と称される、可動エレメント３０の延在部４２の表面積が使用されないという点で、非効率的である。さらに、電極２６および２８の表面積は、電極２６および２８が回転軸３６のまわりに密集している構造のために、比較的小さい。感知電極２６の表面積が小さいほど、容量性出力は低い。フィードバック電極２８の表面積が小さいほど、アクチュエーションによって与えられる、フィードバック回路（図示せず）から利用可能な電圧レベルが不十分になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】従来のヒンジ型または「シーソー」型センサとして組み立てられた、先行技術の３層容量型加速度計２０の分解側面図である。

【図2】本発明による差動容量型センサの斜視図である。

【図3】本発明による、処理中の差動容量型センサの一部分の拡大断面図である。

【図4】差動容量型センサの上面図である。

【図5】差動容量型センサの部分側面図である。

【図6】差動容量型センサのキャパシタ間の数学的関係を示す表である。

【図7】差動容量型センサを設置することが可能な装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

詳細な説明および請求項を参照し、これらを図面と関連させて考察することにより、本発明のより完全な理解が得られるであろう。各図面を通して、類似の参照符号は類似のアイテムを指している。

【0011】

図２は、本発明による差動容量型センサ５０の斜視図を示す。センサ５０は、たとえば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計または他のＭＥＭＳ感知素子であってよい。このあとの説明のために、以降では、センサ５０を容量型加速度計５０と称する。容量型加速度計５０は、３層のシーソー構造をとり、先行技術の素子より大きな容量性出力を提供し、非剛体変形によって引き起こされる非線形効果を効果的に打ち消し、自己診断および／または「閉ループ」、またはフィードバック設計に使用されるのに十分な静電アクチュエーションを可能にする。

【0012】

容量型加速度計５０は、基板５４上に配置された第１の固定導電層５２を含んでいる。第１の導電層５２の上方に、本明細書では可動エレメント５６と称する別の導電層が形成されている。可動エレメント５６は、ヒンジエレメント５８によって支持されており、ヒンジエレメント５８によって定義されている回転軸６０のまわりを旋回することが可能になっている。可動エレメント５６の上方に、第２の固定導電層６２が配置されている。可動エレメント５６の、回転軸６０のまわりの旋回運動を可能にするために、いくつかのフレキシャ、ヒンジ、および他の回転機構を利用することが可能であることを理解されたい。

【0013】

第１の固定導電層５２は、第１の感知電極６４、第３の感知電極６６、および第１のアクチュエーション電極６８を含む、３つの電気的に隔離された電極またはプレートの形式をとる。第２の固定導電層６２は、基板５４に固定され、第１の導電層５２および可動エレメント５６の上方に配置された、３つの電気的に隔離されたプレート、又は蓋の形式をとる。これらの蓋は、第２の感知電極７０、第４の感知電極７２、および第２のアクチュエーション電極７４を含んでいる。可動エレメント５６のヒンジエレメント５８が見えるように、第４の感知電極７２の一部分が切り取られている。

【0014】

図２は、差動加速度計５０の、１つの可能な構造を示している。しかしながら、差動加速度計５０の３層は、互いに電気的に隔離されている、第１、第２、第３、および第４の感知電極６４、７０、６６、および７２、ならびに第１および第２のアクチュエーション電極６８および７４のそれぞれを保持する、いくつかの形式をとることが可能であることを理解されたい。

【0015】

図３は、本発明による、処理中の差動加速度計５０の一部分の拡大断面図を示す。基板５４は、シリコンからなる半導体ウェハであってよいが、任意の機械的支持基板が利用可能である。基板５４の表面に、絶縁層７６を形成することが可能である。絶縁層７６は、二酸化シリコン、窒化シリコンなどであってよい。絶縁層７６をコンフォーマルに形成し、その後にパターニングおよびエッチングを行うことが可能である。絶縁層７６は、第１の導電層５２を基板５４から絶縁するように動作する。ただし、基板５４が非導電性であれば、絶縁層７６を利用しなくてもよいことを理解されたい。

【0016】

第１の固定導電層５２は、ポリシリコンからなるが、他の導電性材料を用いてもよい。第１の導電層５２は、堆積やスパッタリングなどの既知の方法で形成可能である。基板５４の表面に第１の導電層５２をブランケット層として堆積させることが可能であり、その後にパターニングおよびエッチングを行って、第１の導電層５２の第１の感知電極６４、第３の感知電極６６、および第１のアクチュエーション電極６８を形成することが可能である。後の処理工程時に基板５４を保護すること、ならびに、第１の導電層５２と可動エレメント５６との間の短絡および／または溶着を防ぐことのために、オプションで第１の保護層７８を第１の導電層５２の上に配置し、その後に、必要に応じてパターニングおよびエッチングを行うことが可能である。

【0017】

パターニングおよびエッチングが行われた第１の導電層５２の上に、第１の犠牲層８０を形成することが可能である。ここまでの層と同様に、第１の犠牲層８０もコンフォーマルに形成され、その後に、必要に応じてパターニングおよびエッチングが行われる。当業者には知られているように、第１の犠牲層８０は、リン酸シリケートガラスから形成されてよく、化学気相成長法によって堆積されることが可能である。リン酸シリケートガラスの代わりに他の犠牲材料を用いてもよいことを理解されたい。

【0018】

次の導電層、すなわち、可動エレメント５６は、ポリシリコンからなり、第１の導電層５２の上方に位置するシーソー型構造として形成される。可動エレメント５６は、ヒンジエレメント５８によって、基板５４に機械的に取り付けられている。可動エレメント５６の上に、第２の犠牲層８２（リン酸シリケートガラスなど）をコンフォーマルに形成し、その後、パターニングおよびエッチングを行うことが可能である。可動エレメント５６と第２の固定導電層６２との間の短絡および／または溶着を防ぐために、オプションで第２の保護層８４を第２の犠牲層８２の上に形成することが可能である。

【0019】

第２の固定導電層６２は、パターニングが行われた第２の犠牲層８２の上に形成される。第２の固定導電層６２も、ポリシリコンからなり、コンフォーマルに形成された後にパターニングおよびエッチングが適宜行われて、第２の感知電極７０、第４の感知電極７２、および第２のアクチュエーション電極７４が形成される。第２の固定導電層６２を形成した後に、第２の固定導電層６２を保護するために、保護層８６を形成することが可能である。

【0020】

上述の構造が形成された後に、従来の方法に従って、第１の犠牲層８０および第２の犠牲層８２がそれぞれ除去される。たとえば、第１の固定導電層５２、可動エレメント５６、および第２の固定導電層６２のポリシリコン、または保護層７８、８４、および８６に目立つ損傷を与えることなく、リン酸シリケートガラスの犠牲層を除去することが可能な選択的エッチング液を用いることが可能である。

【0021】

図４は、差動容量型センサ、すなわち、容量型加速度計５０の上面図を示す。可動エレメント５６は、第２の固定導電層６２の第２の感知電極７０、第４の感知電極７２、および第２のアクチュエーション電極７４の下にある。第１の固定導電層５２の第１の感知電極６４、第３の感知電極６６、および第１のアクチュエーション電極６８は、可動エレメント５６の下にあり、図４では見えない。

【0022】

可動エレメント５６は、可動エレメント５６の第１の端部８８と第２の端部９０との間でオフセットされている回転軸６０に対して動くように適合されている。回転軸６０は、可動エレメント５６の長手方向次元９２に対して垂直な方向を向いている。可動エレメント５６の第１の区画９４が、回転軸６０と第１の端部８８との間に形成され、可動エレメント５６の第２の区画９６が、回転軸６０と第２の端部９０との間に形成される。可動エレメント５６の第１の区画９４は、延在部９８が回転軸６０から見て遠方に形成されるように回転軸６０をオフセットすることによって、第２の区画９６より比較的大きい質量を有するように形成されている。一実施形態では、第１の区画９４の延在部９８は、回転軸６０から距離１００だけ離間されており、距離１００は、第２の区画９６の長さ１０２とほぼ同じである。

【0023】

図４および５を参照すると、図５は、差動容量型センサ、すなわち、容量型加速度計５０の部分側面図を示す。可動エレメント５６は、第１の表面１０４および第２の表面１０６を含んでいる。第１の固定導電層５２は、可動エレメント５６の第１の表面１０４から離間されており、第２の固定導電層６２と、第２の表面１０６から離間されている。

【0024】

第１の感知電極６４、第３の感知電極６６、および第１のアクチュエーション電極６８は、可動エレメント５６の第１の表面１０４と対向している。同様に、第２の感知電極７０、第４の感知電極７２、および第２のアクチュエーション電極７４は、可動エレメント５６の第２の表面１０６と対向している。より具体的には、第１の感知電極６４および第２の感知電極７０は、可動エレメント５６の第１の区画９４の相対する表面と、回転軸６０の近傍で対向している。同様に、第３の感知電極６６および第４の感知電極７２は、第２の区画９６の相対する表面と、回転軸６０の近傍で対向している。

【0025】

第１の感知電極６４は、可動エレメント５６の第１の区画９４とともに、第１のキャパシタ１０８を形成しており、第３の感知電極６６は、可動エレメント５６の第２の区画９６とともに、第３のキャパシタ１１０を形成している。さらに、第２の感知電極７０は、可動エレメント５６の第１の区画９４とともに、第２のキャパシタ１１２を形成しており、第４の感知電極７２は、可動エレメントの第２の区画９６とともに、第４のキャパシタ１１４を形成している。

【0026】

第１の感知電極６４および第３の感知電極６６はそれぞれ、回転軸６０に対して対称に配置されており、第２の感知電極７０および第４の感知電極７２は、回転軸６０に対して対称に配置されている。電極６４、６６、７０、および７２のそれぞれは、サイズおよび形状がほぼ同じである。第１のアクチュエーション電極６８は、第１の感知電極６６と隣接しているが、回転軸６０から見て遠方に位置して、第１の区画９４の延在部９８と対向している。同様に、第２のアクチュエーション電極７４は、第２の感知電極７０と隣接しているが、回転軸６０から見て遠方に位置して、第１の区画９４の延在部９８と対向している。第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４はそれぞれ、非平衡プルーフマス実装の未使用シールド面積に有利に組み込まれており、これに伴ってそのような素子のダイ面積が増えることがない。

【0027】

第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４を延在部９８に配置することにより、電極６４、６６、７０、および７２の表面積を広くとることが可能になり、これによって、第１のキャパシタ１０８、第２のキャパシタ１１２、第３のキャパシタ１１０、および第４のキャパシタの容量性出力を、先行技術による設計より大きくすることが可能になる。たとえば、電極６４、６６、７０、および７２のそれぞれの表面積（すなわち、第１の寸法１１６と第２の寸法１１８とを掛け合わせたもの）は、所望の性能を得るために、可動エレメント５６の全表面積（すなわち、長さ９２と幅１２０とを掛け合わせたもの）の約２５〜３５パーセントの範囲にある。可動エレメント５６のそれぞれの側に対して感知電極が２つあるため、第１の表面１０４および第２の表面１０６のそれぞれの約５０〜７０パーセントが、それぞれに対する感知電極６４、６６、７０、および７２によって利用されている。言い換えると、可動エレメント５６の所与の側に対する感知電極のそれぞれは、可動エレメント５６のその所与の側の全表面積の２５〜３５パーセントの範囲にある表面積を備える。

【0028】

さらに、第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４を延在部９８に配置することにより、第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４の表面積を比較的広くとることも可能になる。たとえば、第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４のそれぞれの表面積（すなわち、第３の寸法１２２と第４の寸法１２４とを掛け合わせたもの）は、可動エレメント５６の全表面積の約２０〜２５パーセントの範囲にある。第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４を延在部に配置することは、アクチュエーションにとって望ましい配置である。なぜなら、延在部９８が回転軸６０から遠くにあるため、大きなモーメントが得られるからである。

【0029】

第１および第２のアクチュエーション電極６８および７４は、フィードバック「閉ループ」動作および／または「自己診断」動作のためのアクチュエーションを提供する。フィードバック動作の場合には、これらのアクチュエーション電極は、大きな加速を打ち消す機能を提供する。したがって、フィードバック動作では、可動エレメントの位置をキャパシタンスで感知し、アクチュエーション電極に静電バイアスを与えて、可動エレメントを静止状態に保ったり、特定の周波数レンジでの動きを制限したりするために、第１および第２の電極６８および７４にフィードバック信号を印加することが可能である。たとえば、高い周波数の動きを可能にし、低い周波数の動き（たとえば、パッケージストレスに起因する、温度および／または時間に依存するオフセット）を打ち消すように動きを制限することが可能である。「自己診断」動作の場合には、これらのアクチュエーション電極は、差動加速度計５０の機能を試験するために、大量のアクチュエーションを与えることが可能である。さらに、両方の場合において、アクチュエーションは双方向である。すなわち、可動エレメント５６をどちらかの方向に回転させることが可能である。

【0030】

この構造により、可動エレメント５６の全表面積が有効利用される。さらに、この構造により、キャパシタ１０８、１１２、１１０、および１１４の有効な容量性出力を可能にし、第１および第２のアクチュエーション電極６８および７４それぞれにおける十分なアクチュエーション電圧を可能にしながら、プルーフマス、すなわち可動エレメント５６をより小さくすることが可能になる。

【0031】

図６は、差動加速度計５０（図２）の第１のキャパシタ１０８、第２のキャパシタ１１２、第３のキャパシタ１１０、および第４のキャパシタ１１４の間の数学的関係を示す表１２６である。可動エレメント５６（図５）を、第１の区画９４が第１の感知エレメント６４に接近し、第２の区画９６が第４の感知エレメント７２に接近するように回転軸６０のまわりを旋回させる加速により、第１のキャパシタ１０８および第４のキャパシタ１１４の両方における増加が測定され、第２のキャパシタ１１２および第３のキャパシタ１１０の両方における減少が測定される。このようにして、差動感知機構が形成される。第１のキャパシタ１０８と第４のキャパシタ１１４とが結合され、第２のキャパシタ１１２と第３のキャパシタ１１０とが結合されているため、差動加速度計５０は、所与の加速の下で、従来の２層シーソー型構造に比べて、約２倍の基本キャパシタンスＣ_０と約２倍のデルタキャパシタンスΔＣとを与える。さらに、この差動感知機構は、２層シーソー型設計において見られる、非剛体プルーフマス変形に起因する２次非線形項を打ち消す。

【0032】

図７は、差動加速度計５０を設置することが可能な装置１２８を示す。装置１２８は、慣性誘導システム、自動車のエアバッグ展開システム、様々な装置の保護システム、および他の多くの科学技術システムなどの様々な装置のうちのどれでもよい。装置１２８は、加速度計パッケージ１３０を含んでおり、これに差動加速度計５０が組み込まれている。この例示的状況では、加速度計パッケージ１３０は、回路１３２と通信しており、回路１３２は、たとえば、当業者には知られている従来型のバス構造を介して相互接続されているプロセッサ、ハードディスクドライブ、および他の構成要素を含んでよい。当業者であれば理解されるように、装置１２８は、簡略化のために本明細書では論じられていない他の多くの構成要素を含んでよい。さらに、装置１２８は、本明細書で具体的に記された構造を有しなくてもよい。

【0033】

一般に、回路１３２は、加速度計パッケージ１３０からの信号を監視する。これらの信号は、Ｚ軸方向の加速を含む。加速度計パッケージ１３０の差動加速度計５０は、Ｚ軸加速度（Ａ_Ｚ）１３６を感知する。本発明によれば、Ｚ軸加速度１３６は、図６に関して論じられた第１のキャパシタ１０８、第２のキャパシタ１１２、第３のキャパシタ１１０、および第４のキャパシタ１１４からのキャパシタンスによって生成される。差動加速度計５０からのキャパシタンス信号は、入出力回路チップ１３８の感知回路に伝達され、そこで、当業者には知られている適切な処理を施されてから、回路１３２へ出力される。

【0034】

加速度計パッケージ１３０はさらに、デジタル入力電圧信号１４２の印加のために、回路１３２と通信するアクチュエーション電圧入力ポート１４０を含む。電圧信号１４２は、第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４のそれぞれにアクチュエーション電圧（Ｖ＋およびＶ−）１４６を与えることを、入出力回路チップ１３８のアクチュエーション回路１４４に信号で指示する。差動加速度計５０が「閉ループ」設計として構成されている場合、アクチュエーション電圧１４６は、フィードバック電圧である。このフィードバック電圧を第１の電極６８および第２の電極７４に印加することにより、パッケージストレスに起因する、温度および／または時間に依存するオフセットを打ち消して、可動エレメント５２の位置をほぼ一定にすることが可能である。一方、加速度計パッケージ１３０が自己診断モードになっている場合には、アクチュエーション電圧は、自己診断電圧であってよい。差動加速度計５０の機能を試験するために、自己診断電圧を第１のアクチュエーション電極６８および第２のアクチュエーション電極７４に印加することが可能である。回路１３２はさらに、外部入力信号が回路１３２に伝達されるように、装置１２８の外部にあるポート（図示せず）と通信することが可能である。続いて、回路１３２上のプロセッサソフトウェアまたはハードウェアが電圧信号１４２を生成し、電圧信号１４２は入力ポート１４０へ搬送される。

【0035】

本明細書に記載の一実施形態は、差動容量型センサを含む装置を備える。別の実施形態は、本発明の微小電気機械システム差動容量型センサを組み立てる方法を備える。このセンサは、３層シーソー型構造として組み立てられた差動加速度計であってよい。アクチュエーション電極を、シーソー型構造の回転軸から見て遠方に配置することにより、比較的大きな感知電極を回転軸の近くに密集させることが可能になる。さらに、可動エレメントの回転軸から見て遠方に比較的大きなアクチュエーション電極を配置することにより、可動エレメントの大きなモーメントアームを活用することが可能になる。感知電極およびフィードバック電極のこの構造は、十分なキャパシタンスおよび／または信号レベルを有しながら、パッケージがより小さく、コストがより低いセンサの設計に用いられることが可能な、より小さい可動エレメント（すなわち、プルーフマス）の利用を可能にする。より小さいこのセンサは、プルーフマスの変形がより少ないため、より精度が高い。可動エレメントの位置をキャパシタンスで感知し、アクチュエーション電極に静電バイアスを与えて、非剛体変形に起因する非線形効果を有効に打ち消し、かつ／または、自己診断動作において十分な静電アクチュエーションを与えるために、３層シーソー型構造を、フィードバック「閉ループ」システムとともに用いることも可能である。

【0036】

本発明の好ましい実施形態を図示し、詳細に論じてきたが、当業者には自明であるように、それらに対して、本発明の趣旨または添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正を施すことが可能である。たとえば、アクチュエーションを必要としない応用では、第１および第２のアクチュエーション電極を感知電極として利用することが可能である。そのような場合は、それに応じてキャパシタンス出力の量を増やすことが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】