特許 6773870 集積されたＭＥＭＳ直線および角加速度計

(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】6773870

(24)【登録日】2020年10月5日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】集積されたＭＥＭＳ直線および角加速度計

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/125 20060101AFI20201012BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20201012BHJP

   G01P 15/18 20130101ALI20201012BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20201012BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20201012BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/125 Z

   G01P15/08 101A

   G01P15/18

   B81B3/00

   H01L29/84 Z

【請求項の数】12

【外国語出願】

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2019-196291(P2019-196291)

(22)【出願日】2019年10月29日

(62)【分割の表示】特願2018-149218(P2018-149218)の分割

【原出願日】2018年8月8日

(65)【公開番号】特開2020-52049(P2020-52049A)

(43)【公開日】2020年4月2日

【審査請求日】2019年11月6日

(31)【優先権主張番号】15/673,361

(32)【優先日】2017年8月9日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503062253

【氏名又は名称】アナログ ディヴァイスィズ インク

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】シン・ジャン

【審査官】 谷垣 圭二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２７１６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１４７２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０３９００５４６（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５１８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００６４７８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２１７１６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｐ １５／０８

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｇ０１Ｐ １５／１２５

Ｇ０１Ｐ １５／１８

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

角および直線加速度計であって、
基板に接続された少なくとも１つのアンカーと、
第１の複数のテザーを介して前記少なくとも１つのアンカーに連結されたプルーフマスと、
第２の複数のテザーを介して前記プルーフマスに連結されたシャトルマスと、
前記プルーフマスから少なくとも部分的に形成された第１の感知キャパシタであって、前記第１の感知キャパシタは、前記プルーフマスの角運動に応答して第１の感知信号を発生するように構成されている、第１の感知キャパシタと、
前記シャトルマスから少なくとも部分的に形成された第２の感知キャパシタであって、前記第２の感知キャパシタは、前記シャトルマスの運動に応答して第２の感知信号を発生するように構成されている、第２の感知キャパシタと、を備える、角および直線加速度計。

【請求項2】

前記第２の感知キャパシタは、前記シャトルマスの角運動に応答して前記第２の感知信号を発生するように構成され、
前記第２の複数のテザーは、前記シャトルマスの回転軸を画定し、前記シャトルマスは、前記回転軸に対してオフセットされた重心を有する、請求項１に記載の角および直線加速度計。

【請求項3】

前記シャトルマスは、前記回転軸に対して前記シャトルマスの両端部に配置された第１および第２のマス部分を備え、前記第１および第２のマス部分は異なる重量を有し、
前記第２の感知キャパシタは、前記第１のマス部分および前記基板上に配置された第１の電極から形成され、
前記第２のマス部分および前記基板上に配置された第２の電極から形成された第３の感知キャパシタをさらに備える、請求項２に記載の角および直線加速度計。

【請求項4】

前記第２の感知キャパシタは、前記シャトルマスの直線運動に応答して前記第２の感知信号を発生するように構成され、
前記第２の感知キャパシタは、前記シャトルマスに接続された自由端ビームおよび前記基板に据えつけられた固定電極から形成される、請求項１に記載の角および直線加速度計。

【請求項5】

前記第１の感知キャパシタは、前記プルーフマスに接続された自由端ビームおよび前記基板に据えつけられた固定電極から形成される、請求項１に記載の角および直線加速度計。

【請求項6】

前記プルーフマスは前記シャトルマスよりも重い、請求項１に記載の角および直線加速度計。

【請求項7】

角および直線加速度を感知する方法であって、
第１の複数のテザーを介して、基板に接続された少なくとも１つのアンカーに連結されたプルーフマスから少なくとも部分的に形成された第１の感知キャパシタを通して、前記プルーフマスの角運動に応答して第１の感知信号を発生することによって、前記プルーフマスの角運動を感知することと、
第２の複数のテザーを介して前記プルーフマスに連結されたシャトルマスから少なくとも部分的に形成された第２の感知キャパシタを通して、前記シャトルマスの運動に応答して第２の感知信号を発生することによって、前記シャトルマスの運動を感知することと、を含む、方法。

【請求項8】

前記第２の感知キャパシタは、前記シャトルマスの角運動に応答して前記第２の感知信号を発生するように構成され、
前記第２の複数のテザーは、前記シャトルマスの回転軸を画定し、前記シャトルマスは、前記回転軸に対してオフセットされた重心を有する、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記シャトルマスは、前記回転軸に対して前記シャトルマスの両端部に配置された第１および第２のマス部分を備え、前記第１および第２のマス部分は異なる重量を有し、
前記第２の感知キャパシタは、前記第１のマス部分および前記基板上に配置された第１の電極から形成され、
前記第２のマス部分および前記基板上に配置された第２の電極から形成された第３の感知キャパシタを通して、前記シャトルマスの角運動に応答して第３の感知信号を発生することによって、前記シャトルマスの角運動を感知することをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記第２の感知キャパシタは、前記シャトルマスの直線運動に応答して前記第２の感知信号を発生するように構成され、
前記第２の感知キャパシタは、前記シャトルマスに接続された自由端ビームおよび前記基板に据えつけられた固定電極から形成される、請求項７に記載の方法。

【請求項11】

前記第１の感知キャパシタは、前記プルーフマスに接続された自由端ビームおよび前記基板に据えつけられた固定電極から形成される、請求項７に記載の方法。

【請求項12】

前記プルーフマスは前記シャトルマスよりも重い、請求項７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＥＭＳ加速度計は、加速度を検出するための１つ以上のプルーフマスを含む。例えば、いくつかのＭＥＭＳ加速度計は、プルーフマスの平面内の加速度を検出するために面内で移動するように構成されたプルーフマスを含み、一方、他のＭＥＭＳ加速度計は、プルーフマスの平面に垂直な加速度を検出するために平面外に移動するように構成されたプルーフマスを含む。プルーフマスに連結された静電容量センサーを使用して加速度を検出することができる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本出願の一態様に従って、角および直線加速度計が提供される。角および直線加速度計は、基板に接続された少なくとも１つのアンカーと、複数のテザーを介して前記少なくとも１つのアンカーに連結されたプルーフマスと、プルーフマスの回転運動に応答して第１の感知信号を発生するように構成された第１のキャパシタと、プルーフマスの直線運動に応答して第２の感知信号を発生するように構成された第２のキャパシタと、を備えてもよい。

【0004】

本出願の別の態様に従って、角および直線加速度を感知する方法が提供される。本方法は、第１の感知キャパシタを通して、第１の回転軸周りの角加速度に応答して第１の感知信号を発生することによって、少なくとも１つのアンカーを介して基板に接続されたプルーフマスの回転運動を感知することと、第２の感知キャパシタを通して、第１の軸に沿った直線加速度に応答して第２の感知信号を発生することによって、プルーフマスの直線運動を感知することと、を含んでもよい。

【0005】

さらに本出願の別の態様に従って、角および直線加速度計が提供される。角および直線加速度計は、基板に接続された少なくとも１つのアンカーと、第１の複数のテザーを介して少なくとも１つのアンカーに連結されたプルーフマスと、第２の複数のテザーを介してプルーフマスに連結されたシャトルマスと、プルーフマスから少なくとも部分的に形成された第１の感知キャパシタであって、前記第１の感知キャパシタは、プルーフマスの角運動に応答して第１の感知信号を発生するように構成されている、第１の感知キャパシタと、シャトルマスから少なくとも部分的に形成された第２の感知キャパシタであって、前記第２の感知キャパシタは、シャトルマスの運動に応答して第２の感知信号を発生するように構成されている、第２の感知キャパシタと、を備えてもよい。

【0006】

本出願の様々な態様および実施形態が、以下の図を参照して説明される。図は必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。複数の図に出現する項目は、それらが現れるすべての図において同じ参照番号によって示されている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】いくつかの非限定的実施形態による、角および直線加速度を感知するためのＭＥＭＳ加速度計を模式的に図示する。

【図2】いくつかの非限定的実施形態による、単一のプルーフマスを有する角および直線加速度を感知するための代表的なＭＥＭＳ加速度計を模式的に図示する。

【図3】本出願の一非限定的実施形態による、一端がプルーフマスの内縁に固定されたビームを備える角ｚ感知素子の上面図である。

【図4】本出願の一非限定的実施形態による、角ｚ感知素子によって発生された２つの差動信号の例を図示する。

【図5A】本出願の一非限定的実施形態による、プルーフマス、アンカーおよびｘ感知電極を備える角加速度計のｙｚ平面で取られた側面図である。

【図5B】本出願の一非限定的実施形態による、プルーフマス、アンカーおよびｙ感知電極を備える角加速度計のｘｚ平面で取られた側面図である。

【図5C】本出願の一非限定的実施形態による、ｘ感知電極、ｙ感知電極、およびｚ感知電極を備える角加速度計の上面図である。

【図5D】いくつかの非限定的実施形態による、複数のアンカーを有する角加速度計の一部を図示する上面図である。

【図6A】本出願の一非限定的実施形態による、非対称テザーを模式的に図示する上面図である。

【図6B】本出願の一非限定的実施形態による、対称テザーを模式的に図示する上面図である。

【図7A】本出願の一非限定的実施形態による、図２のＡＡ線に沿って取られた断面図である。

【図7B】いくつかの非限定的実施形態による、直線ｚ軸加速度の存在下での図２のＭＥＭＳ加速度計の側面図である。

【図8A】本出願の一非限定的実施形態による、直線ｙ感知素子の上面図である。

【図8B】本出願の一非限定的実施形態による、直線ｘ感知素子の上面図である。

【図9】いくつかの非限定的実施形態による、プルーフマスおよび複数のシャトルマスを有する代表的なＭＥＭＳ加速度計を模式的に図示する。

【図10A】いくつかの非限定的実施形態による、直線ｘ軸加速度の存在下での図９のＭＥＭＳ加速度計の一部を図示する上面図である。

【図10B】いくつかの非限定的実施形態による、直線ｙ軸加速度の存在下での図９のＭＥＭＳ加速度計の一部を図示する上面図である。

【図11】いくつかの非限定的実施形態による、ＭＥＭＳ加速度計のシャトルマスをプルーフマスに弾性的に連結するためのテザーを図示する。

【図12】いくつかの非限定的実施形態による、直線ｚ感知素子を図示した図９のＭＥＭＳ加速度計の一部の側面図である。

【図13】いくつかの非限定的実施形態による、角ｙ感知素子を図示した図９のＭＥＭＳ加速度計の一部の側面図である。

【図14】いくつかの非限定的実施形態による、角ｚ感知素子を図示した図９のＭＥＭＳ加速度計の一部の上面図である。

【図15】いくつかの非限定的実施形態による、本明細書に記載のタイプの角加速度計を組み込んだシステムのブロック図である。

【図16】いくつかの非限定的実施形態による、図１５のシステムを含む自動車を模式的に図示する。

【図17】いくつかの非限定的実施形態による、角および直線加速度を測定するように構成されたシステムを備えるカテーテルを図示する。

【発明を実施するための形態】

【0008】

出願人は、直線および角加速度の検出が、例えば単一のプルーフマスまた互いに弾性的に接続された複数のマスを有する加速度計として実施され得る単一の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを使用して実行され得ることを認識した。角および直線加速度計が別々のデバイスを形成する従来のシステムと比較して、本明細書に記載されるタイプのＭＥＭＳ加速度計はよりコンパクトであり、そのため、空間の使用（例えば、基板上で使用される空間）およびコストの実質的な削減が可能になる。

【0009】

本明細書に記載されるタイプのＭＥＭＳ加速度計は、角加速度および直線加速度を、またはその欠如を検出することが望ましい様々なシステムで使用し得る。これらのＭＥＭＳ加速度計を組み込んだデバイスは、モノのインターネット（ＩＯＴ）ネットワークで使用されてもよい。例えば、フィットネスセンサーやヘルスケアモニターを含むウェアラブルデバイス、産業用機器および診断用ツール、軍事用機器、およびヘルスケアモニター機器は、本明細書に記載されるタイプの加速度計を採用し得る。

【0010】

本出願のいくつかの態様によれば、ＭＥＭＳ加速度計は、１軸、２軸または３軸周りの角加速度、および１軸、２軸または３軸についての直線加速度を検出するように構成された単一のデバイスを備えてもよい。図１は、ｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸周りの角加速度、およびｘ軸、ｙ軸および／またはｚ軸に平行な方向の直線加速度を検出するように構成されたＭＥＭＳ加速度計１０１を模式的に図示する。そのため、ＭＥＭＳ加速度計１０１は、２軸慣性センサー（例えば、１軸角加速度計および１軸直線加速度計）として、３軸慣性センサー（例えば、２軸角加速度計および１軸直線加速度計、または１軸角加速度計および２軸直線加速度計）として、４軸慣性センサー（例えば、２軸角加速度計および２軸直線加速度計、１軸角加速度計および３軸直線加速度計、または３軸角加速度計および１軸直線加速度計）として、５軸慣性センサー（例えば、３軸角加速度計および２軸直線加速度計、または２軸角加速度計および３軸直線加速度計）として、または本明細書では「６自由度（６ＤＯＦ）加速度計」とも呼ばれる、６軸慣性センサー（例えば、３軸角加速度計および３軸直線加速度計）として、動作するように構成されてもよい。

【0011】

いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳ加速度計１０１は、１つ以上のアンカーを介して下にある基板に接続され得る単一のマスを備える。他の実施形態では、ＭＥＭＳ加速度計１０１は、互いに弾性的に連結された複数のマスを備えてもよい。これらのマスのうちの１つ（プルーフマス）は、１つ以上のアンカーを介して基板に接続され、他のプルーフマス（シャトルマス）は、例えば１つ以上のばねを介してプルーフマスに接続されてもよい。これらの構成の例を以下に提供する。もちろん、本明細書に記載されるタイプのＭＥＭＳ加速度計は、特記しない限り、特定の数のマスに、または特定の配置に限定されない。

【0012】

いくつかの実施形態では、単一のプルーフマスを有するＭＥＭＳ加速度計を使用して、角加速度ならびに直線加速度を検出し得る。ＭＥＭＳ加速度計は、１つ以上のテザーを介して１つ以上のアンカー（下にある基板に接続されている）に接続し得る。テザーは、例えば、直線ならびに角加速度に応答して、例えばトルク、屈曲、変形、伸張または圧縮によって応答し得る。すなわち、テザーは、直線感知素子と角感知素子との間で共有されてもよい。そのような構成の一例が図２に描かれている。

【0013】

図２は、いくつかの非限定的実施形態による、角および直線加速度を検出するためのＭＥＭＳ加速度計を模式的に図示している。図示のように、ＭＥＭＳ加速度計は、単一のプルーフマス２００、固定構造体２３５、ビーム２３６、中央部分２３０、テザー２３２、マス部分２０１、２１１、および２２１、ビーム２１５、角ｚ感知ビーム２１６、直線ｘ感知ビーム２２６、および直線ｙ感知ビーム２２８を備える。

【0014】

プルーフマス２００は、シリコン、ドープシリコン、ポリシリコンまたはドープポリシリコンなどの導電性材料で（少なくとも部分的に）作製されてもよい。シリコンおよび／またはポリシリコンは、いくつかの実施形態では１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^２０ｃｍ^−３、いくつかの実施形態では１０^１８ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３、いくつかの実施形態では５×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３、または任意の適切な値の間、または値の範囲の、ドーピング濃度を有するｎ型ドープおよび／またはｐ型ドープであってもよい。他の値もまた可能である。代わりに、他の導電性材料を使用することもできる。

【0015】

プルーフマス２００は、限定されないが、多角形（例えば、長方形または正方形）、円板または楕円形を含む任意の適切な形状を有し得る。いくつかの実施形態では、プルーフマス２００は、マス部分２０１、２１１、および２２１などの１つ以上のマス部分を備えてもよい。マス部分２１１および２２１は、リング状構成に配備されてもよく、いくつかの実施形態では同心円状リングを形成してもよいが、すべての実施形態がこの点において制限されているわけではない。マス部分２０１は、プルーフマス２００の周辺近くに配置し得る。図２は、３つのマス部分を有するプルーフマス２００を図示している。しかしながら、本出願は、特定の数のマス部分に限定されない。各マス部分は、内縁および外縁を有し得る。各外縁は、それぞれの内縁を備える区域を境界付けてもよい。例えば、マス部分２０１は、内縁２０４を備える区域を境界付ける外縁２０２を有してもよい。様々なマス部分は、支持ビーム２１５のような１つ以上の支持ビームを介して接続されてもよい。図２は、４つの支持ビームを有するプルーフマスを図示しているが、任意の他の適切な数の支持ビームを使用してもよい。支持ビームは、図に示すような長方形の形状、または他の適切な形状を有し得る。

【0016】

いくつかの実施形態では、プルーフマス２００は、中央部分２３０を備えてもよい。中央部分２３０は、いくつかの実施形態では、プルーフマス２００の中心を囲む区域を画定し得る。いくつかの実施形態では、中央部分２３０は、１つ以上のアンカー（図２には示されていない）に接続されてもよい。アンカーは、基板に接続されていてもよい。いくつかの実施形態では、ｘ軸および／またはｙ軸の周りの１つ以上のねじりに応答して、アンカーは、プルーフマス２００のための枢動支点として機能し得る。中央部分２３０は、任意の適切な形状を有してもよい。例えば、中央部分２３０は、正方形、長方形、円形、楕円形、などを有してもよい。

【0017】

いくつかの実施形態では、テザー２３２などの複数のテザーは、中央部分２３０を内側マス部分に接続してもよい。テザーの例は、以下でさらに説明される。いくつかの実施形態では、テザーは、加速度に応答して復元力を提供するように構成されるばねとして働き得る。ばねは、プルーフマスを摂動のない状態に戻すように作用し得る。テザーの弾性定数は、テザーの形状に依存し得る。テザーは、加速に応答してプルーフマス２００の運動を可能にし得る。例えば、プルーフマス２００がｘ軸周りの角加速度を経験するとき、テザーの少なくともいくつかは、平面外にトルクを与え、このため、プルーフマスがｘ軸の周りに傾くことを可能にする。別の例として、プルーフマス２００がｚ軸周りの角加速度を経験するとき、テザーはｘｙ平面内で変形し、このため、プルーフマスの面内回転を可能にする。さらに別の例として、プルーフマス２００がｘ軸に沿った直線加速度を経験するとき、テザーのいくつかはｘ軸に沿って伸張し、テザーのいくつかはｘ軸に沿って収縮し、このため、ｘ軸に沿ったプルーフマスの変位を可能にする。さらに別の例として、プルーフマス２００がｚ軸に沿った直線加速度を経験するとき、テザーは、平面外に屈曲する可能性があり、このため、プルーフマスが下にある基板に接近または基板から離れるように動くことを可能にする。

【0018】

図２のＭＥＭＳ加速度計は、１軸、２軸、または３軸周りの角加速度を検出するように構成し得る。

【0019】

いくつかの実施形態では、プルーフマス２００は、ｚ軸周りのねじりを検出するために、角ｚ感知ビーム２１６のような複数のビームを備えてもよい。本出願では、図２に図示されるタイプの「ビーム」は、代わりに、「フィンガー」、「クランプフリービーム」と呼ばれることがあり、いくつかの実施形態では、カンチレバーとすることがある。いくつかの実施形態では、ビームは、内縁２０４のようなマス部分の内縁に固定し得る。いくつかの実施形態では、ビームは、それらが内縁２０４に接触する領域がそれらの唯一の固定点であるように掛け得る。いくつかの実施形態では、ビームはプルーフマス２００の中心に向かって延在し得る。いくつかの実施形態では、ビームはプルーフマス２００の中心に向かって半径方向に延在し得る。ｚ軸周りのねじりに応答して、ビームは内縁２０４に接触する領域の周りでｘｙ平面上で枢動し得る。以下でさらに説明するように、ビームが動くにつれて、静電容量などのパラメータの変動が検出され得る。プルーフマス２００は、任意の適切な数の角ｚ感知ビームを備え得る。いくつかの実施形態では、プルーフマス２００は、図２に図示するように、マス部分２１１の内縁に接触する第２のビームの組を備え得る。図２は、プルーフマス２００が２つのビームの組を有するものとして図示しているが、本出願は、この点で限定されず、０より大きい任意の他の適切な数のビームの組を使用してもよい。いくつかの実施形態では、ビーム接触マス部分２０１は、ビーム接触マス部分２１１よりも長くてもよい。いくつかの実施形態では、ビーム接触マス部分２０１は、ビーム接触マス部分２１１の角ピッチよりも小さい角ピッチを有してもよい。

【0020】

図３は、本出願の一非限定的実施形態による、一端がプルーフマスの内縁に固定されたビームを備える角ｚ感知素子３００の上面図である。角ｚ感知素子３００は、内縁２０４と接触するビーム２１６を備え得る。いくつかの実施形態では、ビーム２１６は、ｚ軸周りのねじりに応答して、矢印３２０および矢印３２１によって図示されるように、ｘｙ平面内を動くように構成され得る。いくつかの実施形態では、角ｚ感知素子３００は電極３１３を備え得る。電極３１３は、いくつかの実施形態において、ビーム２１６に隣接していてもよい。電極３１３は、いくつかの実施形態において、アルミニウム、銅、ドープシリコン、および／またはドープポリシリコンなどの導電性材料を備え得る。いくつかの実施形態では、電極３１３はポスト３１６に接続されてもよい。ポスト３１６は、基板に接続されてもよい。図３は、１つのポストを介して基板に接続された電極３１３を図示しているが、１つより大きい任意の他の適切な数のポストを使用してもよい。いくつかの実施形態では、電極として電極３１３およびビーム２１６を有するキャパシタＣ_Ａｚ^＋が形成され得る。ビーム２１６がｚ軸周りのねじりに応答して動くとき、ビーム２１６と電極３１３との間の距離が変化し、このため、キャパシタＣ_Ａｚ^＋と関連付けられた静電容量に変化をもたらす。静電容量の変化は、ｚ軸周りのねじりを検出するために使用され得る。

【0021】

いくつかの実施形態では、角ｚ感知素子３００は、ポスト３１８を介して基板に接続され、電極３１３と同じ材料で作られ得る、第２の電極３１４を備え得る。いくつかの実施形態では、電極として電極３１４およびビーム２１６を有するキャパシタＣ_Ａｚ⁻が形成され得る。

【0022】

いくつかの実施形態では、キャパシタＣ_Ａｚ⁻に関連付けられた静電容量の変化は、キャパシタＣ_Ａｚ^＋に関連付けられた静電容量の変化とは反対になるように構成し得る。例えば、ΔＣＡ_ｚが、ｚ軸周りのねじりに応答してキャパシタＣ_Ａｚ⁻に関連付けられた静電容量の変化である場合、キャパシタＣ_Ａｚ^＋に関連付けられた静電容量の変化は、−ΔＣ_Ａｚに等しくなり得る。その結果、ｘｙ平面内での動きは、差動信号の発生につながり得る。

【0023】

図４は、本出願の一非限定的実施形態による、角ｚ感知素子によって発生された差動信号の例を図示する。図４の非限定的な例において、正弦波状ねじれを、プルーフマス２００にｚ軸周りに加え得る。そのようなねじれに応答して、ビーム２１６は、矢印３２０および３２１に従って時間の経過とともに動き、このため、キャパシタＣ_Ａｚ^＋に関連付けられた静電容量に時間の経過に伴う変化をもたらし、それは正弦波で、かつキャパシタＣ_Ａｚ⁻に関連付けられた静電容量の変化とは反対である。２つの静電容量の変化は、図４に図示するように、差動信号４０２および４０４の発生をもたらし得る。いくつかの実施形態では、差動信号を使用する方が、コモンモード信号を抑制するためにシングルエンド信号を使用するよりも好ましい可能性がある。例えば、コモンモード信号は、ｚ軸に関して起こる直線加速度によって、基板の変形によって、および／またはノイズによって引き起こされ得る。別の例では、コモンモード信号は、２つのそれぞれ直交する軸に関連付けられた２つのモード間で起こるクロストークによって引き起こされ得る。

【0024】

ｘ軸およびｙ軸周りのねじりは、感知キャパシタを使用して検出することができ、これらの感知キャパシタの一方の電極を基板上に配置し得る。このようにして、プルーフマスの平面外角運動は、プルーフマスの一部と基板との間の距離の変動を感知することによって検出し得る。図５Ａは、本出願の一非限定的実施形態による、プルーフマス２００、アンカー５０３、および角ｘ感知電極５４１および５４２を備えるＭＥＭＳ加速度計のｙｚ平面で取られた側面図である。いくつかの実施形態では、プルーフマス２００は、基板５０１上に形成された空洞５０２内に配置し得る。例えば、空洞５０２は、基板５０１の一部をエッチングすることによって得てもよい。基板５０１は、いくつかの実施形態ではシリコン基板であってもよい。いくつかの実施形態では、プルーフマス２００は、アンカー５０３を介して基板５０１に接続されてもよい。いくつかの実施形態では、アンカー５０３を中央部分２３０に接続してもよい。プルーフマスの底面と基板の上面との間の距離は、ｚ軸に沿って測定され、いくつかの実施形態では１μｍ〜１０μｍ、いくつかの実施形態では１．５μｍ〜３μｍ、いくつかの実施形態では１．７μｍ〜１．９μｍ、または任意の適切な値の間あるいは値の範囲であってもよい。他の値もまた可能である。プルーフマス２００は、ｚ軸に沿って測定して、いくつかの実施形態では１μｍ〜５０μｍ、いくつかの実施形態では１０μｍ〜２０μｍ、いくつかの実施形態では１５μｍ〜１７μｍ、または任意の適切な値の間あるいは値の範囲の、厚さを有してもよい。他の値もまた可能である。

【0025】

図５Ａは、アンカー５０３の両側の、基板５０１上に配置された角ｘ感知電極５４１および５４２を図示する。いくつかの実施形態では、角ｘ感知電極５４１および５４２は、プルーフマス２００の外縁に対応する位置、例えば外縁２０２に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、角ｘ感知電極５４２およびプルーフマス２００を電極として有するキャパシタＣ_Ａｘ^＋が形成され得る。ｘ軸周りの加速度に応答して、プルーフマス２００は、アンカー５０３を支点として使用してｘ軸周りに枢動し得る。その結果、プルーフマス２００と角ｘ感知電極５４２との間の距離が変化し、このため、静電容量Ｃ_Ａｘ^＋に関連する静電容量の変化を引き起こす。静電容量の変化は、ｘ軸周りのねじりを検出するために使用され得る。

【0026】

いくつかの実施形態では、角ｘ感知電極５４１およびプルーフマス２００を電極として有するキャパシタＣ_Ａｘ⁻が形成され得る。ｘ軸周りの加速度に応答して、プルーフマス２００は、アンカー５０３を支点として使用してｘ軸周りに枢動し得る。その結果、プルーフマス２００と角ｘ感知電極５４１との間の距離が変化し、このため、静電容量Ｃ_Ａｘ⁻に関連する静電容量の変化を引き起こす。静電容量の変化は、ｘ軸周りのねじりを検出するために使用され得る。

【0027】

いくつかの実施形態では、キャパシタＣ_Ａｘ⁻に関連付けられた静電容量の変化は、キャパシタＣ_Ａｘ^＋に関連付けられた静電容量の変化とは反対になるように構成し得る。例えば、ΔＣ_Ａｘが、キャパシタＣ_ｘ⁻に関連付けられた静電容量の変化である場合、キャパシタＣ_ｘ^＋に関連付けられた静電容量の変化は、−ΔＣ_Ａｘに等しくなり得る。その結果、ｙｚ平面内での動きは、差動信号の発生につながり得る。

【0028】

図５Ａは、図３に図示されるような角ｚ感知素子３００の一部であり得る電極３１３をさらに図示する。簡単にするために、１つの電極３１３のみが図５Ａに図示されている。上述のように、電極３１３は、ポスト３１６を介して基板５０１に接続されてもよい。ポスト３１６は、いくつかの実施形態では導電性材料で作られてもよい。いくつかの実施形態では、角ｚ感知電極５４０は基板５０１上に配置されてもよく、ポスト３１６を介して電極３１３と電気的に接触してもよい。いくつかの実施形態では、電極５４０は、基板５０１の上面の下に配置されてもよい。

【0029】

いくつかの実施形態では、角ｘ感知電極５４１は、角ｘ感知電極５４１とアンカー５０３との間の距離が電極３１３とアンカー５０３との間の距離よりも大きいような任意の適切な場所に位置決めされてもよい。同様に、角ｘ感知電極５４２は、角ｘ感知電極５４２とアンカー５０３との間の距離が電極３１３の任意の１つとアンカー５０３との間の距離よりも大きいような任意の適切な場所に位置決めされてもよい。

【0030】

ｙ軸周りの角加速度の検出は、同様に実行し得る。図５Ｂは、本出願の一非限定的実施形態による、プルーフマス２００、アンカー５０３、および角ｙ感知電極５５１および５５２を備えるＭＥＭＳ加速度計のｘｚ平面で取られた側面図である。図示するように、キャパシタＣ_Ａｙ^＋は、プルーフマス２００と角ｙ感知電極５５２との間に形成され、キャパシタＣ_Ａｙ⁻は、プルーフマス２００と角ｙ感知電極５５１との間に形成されてもよい。キャパシタＣ_Ａｙ^＋およびＣ_Ａｙ⁻は、ｙ軸周りの角加速度に応答し、キャパシタＣ_Ａｘ^＋およびＣ_Ａｘ⁻に関連して説明したのと同様に動作し得る。

【0031】

いくつかの実施形態では、角ｙ感知電極５５１は、角ｙ感知電極５５１とアンカー５０３との間の距離が電極３１３とアンカー５０３との間の距離よりも大きいような任意の適切な場所に位置決めされてもよい。同様に、角ｙ感知電極５５２は、角ｙ感知電極５５２とアンカー５０３との間の距離が電極３１３の任意の１つとアンカー５０３との間の距離よりも大きいような任意の適切な場所に位置決めされてもよい。

【0032】

図５Ｃは、本出願の一非限定的実施形態による、角ｘ感知電極、角ｙ感知電極、および角ｚ感知電極を備えるＭＥＭＳ加速度計の上面図である。マス部分２０１の内縁２０４および外縁２０２、マス部分２１１の内縁２１４および外縁２１２に対応する破線は、プルーフマス２００の表面に対応するｘｙ平面上に配置されてもよい。図５Ｃは、２つのマス部分を図示しているが、任意の適切な数のマス部分を使用し得る。

【0033】

いくつかの実施形態では、角ｘ感知電極５４１および５４２は、マス部分２０１に対応する場所で、基板５０１上に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、角ｘ感知電極５４１および５４２は、外縁２０２に対応する場所に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、角ｘ感知電極５４１および５４２は、マス部分２０１の両側に配置されてもよい。角ｘ感知電極５４１は、ワイヤボンディングを介してまたはプローブを通してアクセス可能な、金属パッドＳ_Ａｘ⁻に接続されてもよい。同様に、角ｘ感知電極５４２は、ワイヤボンディングを介してまたはプローブを通してアクセス可能な、金属パッドＳ_Ａｘ^＋に接続されてもよい。いくつかの実施形態では、金属パッド基準は、アンカーに接続されてもよく、かつ基準電圧を提供するように構成されてもよい。

【0034】

いくつかの実施形態では、ｘ軸周りのプルーフマス２００の動きは、金属パッドＳ_Ａｘ⁻と金属パッド基準との間に第１の電圧の発生を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、ｘ軸周りのプルーフマス２００の動きは、金属パッドＳ_Ａｘ^＋と金属パッド基準との間に第２の電圧の発生を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、２つの電圧は２つの差動信号を形成し得る。したがって、プルーフマスがアンカー５０３の周りを枢動すると、角ｘ感知電極５４１に対応するマス部分２０１の部分は、角ｘ感知素子５４１に向かって（または離れて）動いてもよく、一方同時に、角ｘ感知電極５４２に対応するマス部分２０１の部分は、角ｘ感知素子５４２から離れて（または向かって）動いてもよい。

【0035】

いくつかの実施形態では、角ｙ感知電極５５１および５５２は、マス部分２０１に対応する場所で、基板５０１上に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、角ｙ感知電極５５１および５５２は、外縁２０２に対応する場所に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、角ｙ感知電極５５１および５５２は、マス部分２０１の両側に配置されてもよい。角ｙ感知電極５５１は、金属パッドＳ_Ａｙ⁻に接続されてもよく、角ｙ感知電極５５２は、金属パッドＳ_Ａｙ^＋に接続されてもよい。

【0036】

いくつかの実施形態では、図３に関連して説明された角ｚ感知素子３００のような複数の角ｚ感知素子が、内縁２０４に接触してもよい。図５Ｃは、４つの角ｚ感知素子を図示しているが、任意の適切な数の角ｚ感知素子が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、角ｚ感知素子は、端部が内縁２０４に固定されたビーム２１６を備えてもよい。いくつかの実施形態では、角ｚ感知素子は、ビーム２１６の両側に配置された電極３１３および３１４を備えてもよい。電極３１３および３１４は、ポスト３１６を介して、およびポスト３１８を介して、それぞれ基板５０１上に配置された角ｚ感知電極（図５Ｃには図示せず）に接続されてもよい。

【0037】

いくつかの実施形態では、電極３１３に連結された角ｚ感知電極のすべてまたは一部は、図５Ｃに図示されるように相互に接続されてもよい。そのような角ｚ感知電極は、金属パッドＳ_Ａｚ⁻にさらに接続されてもよい。いくつかの実施形態では、電極３１４に連結された角ｚ感知電極のすべてまたは一部は、図５Ｃに図示されるように相互に接続されてもよい。そのような角ｚ感知電極は、金属パッドＳ_Ａｚ^＋にさらに接続されてもよい。いくつかの実施形態では、ｚ軸周りのプルーフマス２００の動きは、金属パッドＳ_ｚ⁻と金属パッド基準との間に第１の電圧の発生を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、ｚ軸周りのプルーフマス２００の動きは、金属パッドＳ_ｚ^＋と金属パッド基準との間に第２の電圧の発生を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、２つの電圧は２つの差動信号を形成し得る。したがって、ビーム２１６が電極３１３および３１４に向かってならびに電極３１３および３１４から離れるように移動すると、キャパシタＣ_Ａｚ⁻およびＣ_Ａｚ^＋に関連付けられた静電容量は変化し、このため、図４に示す差動信号４０２および４０４のような差動信号の発生を引き起こす。

【0038】

上述の実施形態では、プルーフマスを基板に接続するために単一のアンカーが使用されている。他の実施形態では、複数のアンカーを使用してもよい。図５Ｄは、いくつかの非限定的実施形態による、複数のアンカーを有するＭＥＭＳ加速度計の一部を図示する上面図である。図示のように、ＭＥＭＳ加速度計は、図２に関連して先に説明した、中央部分２３０、テザー２３２、アンカー５５３、およびマス部分２２１を接続するビーム５５５を備えてもよい。図５Ｄは、４つのアンカーを有するＭＥＭＳ加速度計を図示しているが、任意の他の適切な数のアンカーを使用してもよい。アンカーは、互いに対して等角度でオフセットしていてもよい。例えば、４つのアンカーが使用される実施形態では、各アンカー５５３は、隣接するアンカーに対して、約９０^０（例えば、８９^０〜９１^０、または８５^０〜９５^０）だけ角度オフセットしてもよい。中心部分２３０の中心とアンカーの場所との間の半径方向の距離は、直線加速度に対する応答と角加速度に対する応答との間の所望のトレードオフを提供するように選択されてもよい。例えば、そのような半径方向の距離を増加させると、角加速度と直線加速度との間のクロストークが減少する可能性がある。しかしながら、半径方向の距離が大きくなると、プルーフマスの実効ねじり剛性が増加するため、角加速度に対する感度の低下を引き起こす可能性もある。

【0039】

いくつかの実施形態では、アンカーは、ビーム５５５を介してプルーフマスに連結されてもよい。例えば、アンカー５５３は、テザー２３２を介して中央部分２３０に連結され、中央部分２３０は、ビーム５５５を介してマス部分２２１に連結されてもよい。ビーム５５５は、いくつかの実施形態ではテザー２３２よりも剛性が強くてもよい。いくつかの実施形態では、各ビーム５５５は、隣接するアンカーに対して、約４５^０（例えば、４４^０〜４６^０、または４０^０〜５０^０）だけ角度オフセットしてもよい。ｚ軸周りの角加速度が起こると、テザー２３２はｘｙ平面内で屈曲し、このためプルーフマスの運動を可能にし得る。同時に、ビーム５５５が平面内で回転して、このためプルーフマスの回転を引き起こし得る。

【0040】

上述したように、テザー２３２は、プルーフマス２００をその摂動のない位置に戻すように構成された弾性定数を提示し得る。いくつかの実施形態では、テザー２３２は、プルーフマス２００内で生じ得る応力を吸収するようにさらに構成されてもよい。したがって、テザーは部分的に可撓性であり、適用される応力に基づいてその形状を調整し得て、プルーフマスの外側部分によって受ける応力を低減する。いくつかの実施形態では、テザーは、対角モードなどの非直交モードを抑制するようにさらに構成されてもよい。テザー２３２は、非対称であっても、または対称であってもよい。

【0041】

図６Ａは、いくつかの非限定的実施形態による、非対称テザー６３２を図示する上面図である。非対称テザー６３２は、テザー２３２のうちの任意の１つとして機能してもよい。いくつかの実施形態では、テザー６３２は、蛇行形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、テザー６３２は、ｓ字形状を有する素子を備えてもよい。テザー６３２は、ｓ字素子を中央部分２３０に接続する第１のビームと、ｓ字素子をマス部分２２１に接続する第２のビームとをさらに備えてもよい。いくつかの実施形態では、テザー６３２は、軸２９５などの、テザーおよびプルーフマスの中心を通過する半径に平行な軸の周りで非対称であってもよい。いくつかの実施形態では、テザー６３２は、点２９７など、中心部分２３０とマス部分２２１との間に位置する点の周りに１８０度回転対称性を有してもよい。いくつかの実施形態では、点２９７は、中央部分２３０の縁部とマス部分２２１の内側縁部との中間点であってもよい。いくつかの実施形態では、テザー６３２は、プルーフマスの中心を通り、テザーの軸に垂直である軸に対して反対側のテザーに対して対称であってもよい。そのような対称性は鏡面対称と呼ばれることがある。

【0042】

非対称であることによって、テザー６３２は、角加速度が加えられなくてもプルーフマスのねじれを生じさせることがある。この挙動は、クロストークにつながる可能性があるため、あまり望ましくない。このため、いくつかの実施形態では、対称テザーが利用され、いくつかの実施形態において望ましくないねじれの影響を受けにくい。非対称テザーとは異なり、対称テザーは、角加速度が加えられていないときにプルーフマスのねじれを防止し得る。図６Ｂは、いくつかの非限定的実施形態による、対称テザー例を図示する。テザー６３３は、テザー２３２のうちの任意の１つとして機能してもよい。図示のように、テザー６３３は、対称軸２８５に対して対称であってもよい。

【0043】

いくつかの実施形態では、テザー６３３を通して１つ以上の穴６３９をエッチングしてもよい。例えば、図６Ｂに図示するように、穴は、対称軸２８５に沿ってエッチングされてもよい。穴の形状および数は、テザー６３３の剛性を所望通りに制御するように選択し得る。例えば、穴のサイズおよび／または数を増加させると、いくつかの実施形態ではテザーの剛性を低下させる可能性がある。

【0044】

角加速度を検出することに加えて、図２に描いたＭＥＭＳ加速度計は、１軸、２軸、または３軸に沿った直線加速度を検出するように構成され得る。

【0045】

ｚ軸に沿った直線加速度は、プルーフマス２００と基板との間の距離の変動を感知することによって検出し得る。例えば、プルーフマス２００がｚ軸に沿った加速度を経験するとき、テザー２３２は、平面外に屈曲する可能性があり、このため、プルーフマスが基板に接近または基板から離れるように動くことを可能にする。プルーフマスと基板との間の距離は、基板上に配置された電極を備え、プルーフマスが第２の電極として機能する、１つ以上のセンスｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚを使用して電気的に感知し得る。

【0046】

いくつかの状況において、基板の形状は、例えば、基板とパッケージとが異なる熱膨張係数を有する事実によって引き起こされる応力に応答して変形され得る。結果として、基板とプルーフマスとの間の距離は、加速度が存在しなくても変化し得る。直線ｚ軸加速度の検出は、少なくともいくつかの実施形態では、プルーフマスと基板との間の距離の検出に基づいている可能性があるので、これらの基板の変形は、そのような加速度を感知する能力を制限し得る。いくつかの実施形態では、基板変形の影響を抑制するために、基準キャパシタを使用し得る。ちょうどｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚと同じように、基準キャパシタは、プルーフマスと基板との間の距離の変動を検出し得る。しかしながら、ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚとは異なり、基準キャパシタは加速度に対して不感応（または弱感応）にし得る。このようにして、基板変形の測量を加速度の存在とは独立して獲得し得る。一例において、基準キャパシタは、図２に図示されている基板と基準ビーム２３６との間に形成される。基準ビーム２３６は、固定構造体２３５に堅固に接続することができ、そのため、直線ｚ軸加速度に対して不感応（または弱感応）となり得る。

【0047】

図７Ａは、図２のＡＡ線に沿って取られた図２のＭＥＭＳ加速度計の断面図である。図示するように、直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚは、プルーフマス２００と直線ｚ感知電極７００との間に形成される。加えて、基準キャパシタＣ_基準は、基準ビーム２３６と基準電極７０２との間に形成され得る。参照ビーム２３６は、固定構造体２３５に接続されてもよく、いくつかの実施形態では片持ちであってもよい。いくつかの実施形態では、基準ビーム２３６は、中央部分２３０に向かって延在する自由端を有してもよい。

【0048】

ｚ軸に平行な加速度ａ_ｚが加えられると、プルーフマス２００は、例えば矢印７１０で示すように動き得る。さらに図７Ｂに示すように、テザー２３２はプルーフマスの平面外運動を可能にすることができ、加速度計がもはや加速下にないときに、プルーフマス２００をその自然な、または静止している位置に復元するように構成し得る。プルーフマス２００が加速に応答してｚ軸内で移動する間、基準ビーム２３６は実質的に静止したままである（例えば、１００ｎｍ未満の変位を有する）。

【0049】

一方、例えばパッケージの応力のために基板が変形した場合、そのような変形は、直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚ、ならびに基準キャパシタＣ_基準によって感知し得る。基準キャパシタの静電容量は、基板の変形に依存し、加速度から実質的に独立しているので、いくつかの実施形態では、基準キャパシタを使用して、基板５０１が変形している程度を感知し得る。直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚの静電容量は、加速度ａ_ｚの大きさ、ならびに基板５０１が変形している程度を反映し得る。したがって、加速度ａ_ｚの大きさは、基板変形の影響を相殺する（または少なくとも制限する）ような方法で、基準キャパシタＣ_基準および直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚで得られた信号を合成することによって感知し得る。いくつかの実施形態では、直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚおよび基準キャパシタＣ_基準に連結された制御／感知回路を使用して信号を合成し得る。制御／感知回路は、基板５０１上または別個の基板上に配置し得る。

【0050】

いくつかの実施形態では、基準キャパシタおよび直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚの静電容量が変化する程度を定量するために、プローブ信号をキャパシタに印加してもよい。いくつかの実施形態では、プローブ信号は、クロック信号（例えば、周期的方形波）であってもよい。いくつかの実施形態では、第１のクロック信号は、直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚを充電するために使用され、第２のクロック信号は、基準キャパシタＣ_基準を充電するために使用され得る。クロック信号は、制御／感知回路を使用して発生し得る。

【0051】

第１のクロック信号は、直線ｚ感知キャパシタＣ_Ｌｚに電荷を生成し得、電荷はその静電容量および第１のクロック信号の電圧振幅（Ｖ_１）に依存する。例えば、電荷は、Ｖ_１Ｃ_Ｌｚによって与えられ得る。同様に、第２のクロック信号は、基準キャパシタＣ_基準に電荷を生成し得、電荷はその静電容量および第２のクロック信号の電圧振幅（Ｖ_２）に依存する。例えば、電荷は、Ｖ_２Ｃ_基準によって与えられ得る。

【0052】

いくつかの実施形態では、基板応力からｚ軸加速度の検出を分離するために、基板変形に応答してキャパシタによって発生される電荷の量は、振幅が実質的に等しく、符号が互いに反対であるように構成され得る。反対の符号は、少なくともいくつかの実施形態では、第１および第２のクロック信号を互いに対して位相がずれる（例えば、１８０度だけ）ように設定することによって得てもよい。同じ量の電荷は、次の関係：Ｖ_１Ｃ_Ｌｚ−Ｖ_２Ｃ_基準＝０に従って、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｃ_基準およびＣ_Ｌｚを設定することによって確保され得る。

【0053】

ｘ軸の直線加速度は、直線ｘ感知ビーム２２６を使用して感知され、ｙ軸の直線加速度は、直線ｙ感知ビーム２２８を使用して感知され得る。図２に図示したように、直線ｘ感知ビーム２２６およびｙ感知ビーム２２８は、プルーフマス２００の外縁２０２に接続されてもよい。例えば、直線ｘ感知およびｙ感知ビームの一端をプルーフマスに接続し、他端を自由にしてもよい。そのようにして、直線ｘ感知およびｙ感知ビームは、概して、プルーフマス２００の中心から離れる方向を指してもよい。他の構成もまた可能であって、直線ｘ感知およびｙ感知ビームを外縁２０２に接続する必要はないことを理解されたい。直線ｘ感知およびｙ感知ビームは、図８Ａおよび図８Ｂにさらに詳細に図示したように、固定ビームを有する感知キャパシタを形成し得る。例えば、直線ｙ感知ビーム２２８は、直線ｙ感知キャパシタＣ_Ｌｙ^＋およびＣ_Ｌｙ⁻を、それぞれ固定電極２２９_１および２２９_２と形成してもよい（図８Ａを参照）。直線ｘ感知ビーム２２６は、直線ｘ感知キャパシタＣ_Ｌｘ^＋およびＣ_Ｌｘ⁻を、それぞれ固定電極２２７_１および２２７_２と形成してもよい（図８Ｂを参照）。直線感知ビームは、加速度に応答して固定電極に対するそれらの距離が減少するとき、反対側の固定電極に対するそれらの距離が増加するように配置され得る。このようにして、加速度に応答して差動信号が発生され得る。

【0054】

図２に描いた構成では、一組のテザーを使用して、直線加速度および角加速度に応答してＭＥＭＳ加速度計の運動を可能にし得る。図２に図示するように、テザー２３２を使用して、プルーフマスの直線変位ならびに角変位を可能にする。しかしながら、いくつかの実施形態では、これらのテザーを位置決めし、整形する様態は、直線加速度に対するプルーフマスの応答を犠牲にしながら角運動に有利になるように最適化してもよい（またはその逆であってもよい）。すなわち、テザーの設計は、直線加速度に対して大きな応答を達成することと角加速度に対して大きな応答を達成することとの間のトレードオフを考慮することよって規定されてもよい。例えば、いくつかの状況では、角加速度に対する応答は、一組のテザーを介して中央部分２３０の中心に取り付けられた単一のアンカーを含むことによって向上させ得る。このようにして、基板内の応力に対する耐性を向上させ得る。一方、直線加速度に対する応答は、中央部分２３０の中心から離れて位置決めされた複数のアンカーと、アンカーをプルーフマスに接続するテザーとを含むことによって向上させ得る。このようにして、角加速度に起因するクロストークを軽減し得る。

【0055】

しかしながら、他の実施形態では、テザーの別個の組を使用してもよい。例えば、第１の組のテザーが、直線加速度に応答してＭＥＭＳ加速度計の運動を可能にし、別の組のテザーが、角加速度に応答してＭＥＭＳ加速度計の運動を可能にしてもよい。このようにして、テザーの組は、独立して設計および／または配備されてもよく、直線および角加速度に対する加速度計の応答は、互いに独立して技術的に扱われてもよい。

【0056】

別個の組のテザーを活かす直線および角加速度を検出するための１つの代表的な構成が図９に図示されている。ＭＥＭＳ加速度計９００は、プルーフマス９０１、シャトルマス９２０および９２２、テザー９２８およびテザー９１２を備えてもよい。ＭＥＭＳ加速度計９００は、１軸、２軸または３軸に沿った直線加速度、および／または１軸、２軸または３軸の周りの角加速度を感知するように構成し得る。テザー９２８を使用して、直線加速度に応答してＭＥＭＳ加速度計の運動を可能にしてもよく、テザー９１２を使用して、角加速度に応答してＭＥＭＳ加速度計の運動を可能にしてもよい。プルーフマス９０１かつシャトルマス９２０および９２２は、下にある基板の上に懸架されてもよい。

【0057】

テザー９１２は、プルーフマス９０１をアンカー９１０に弾性的に連結し得る。テザー９１２は、図６Ａまたは図６Ｂの構成に従って、または任意の他の適切な様態で、配備されてもよい。いくつかの実施形態では、プルーフマス９０１を基板に接続するために複数のアンカーを使用してもよい。複数のアンカーは、例えば、図５Ｄに関連して説明したように配備されてもよい。

【0058】

プルーフマス９０１かつシャトルマス９２０および９２２は、シリコン、ドープシリコン、ポリシリコンまたはドープポリシリコンなどの導電性材料で（少なくとも部分的に）作製されてもよい。シリコンおよび／またはポリシリコンは、いくつかの実施形態では１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^２０ｃｍ^−３、いくつかの実施形態では１０^１８ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３、いくつかの実施形態では５×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３、または任意の適切な値の間または値の範囲の、ドーピング濃度を有するｎ型ドープおよび／またはｐ型ドープであってもよい。他の値もまた可能である。代わりに、他の導電性材料を使用することもできる。

【0059】

いくつかの実施形態では、プルーフマス９０１は、内側部分９１４および外側部分９１６を備えてもよい。内側部分９１４および外側部分９１６は、ビーム９１５を介して互いに接続されてもよい。内側部分９１４は、テザー９１２を介してアンカー９１０に結合されてもよく、外側部分９１６は、少なくともいくつかの実施形態では、その中の内側部分９１４を囲んでもよい。

【0060】

シャトルマス９２０および９２２は、いくつかの実施形態では、内側部分９１４と外側部分９１６との間に配置してもよい。いくつかの実施形態では、シャトルマスは、隣接ビーム９１５の間に配置してもよい。シャトルマス９２０および９２２は、テザー９２８を介してプルーフマス９０１に弾性的に連結されてもよい。テザーは、それぞれのシャトルマスをビーム９１５または外側部分９１６に連結し得る。シャトルマス９２０および９２２は、以下でさらに説明するように、直線加速度を感知するように構成されてもよい。この目的のために、シャトルマス９２０はセンサー９２４を備え、シャトルマス９２２はセンサー９２６を備えてもよい。

【0061】

テザー９２８は、シャトルマスの回転軸を画定し得る。例えば、シャトルマス９２０のうちの１つは、回転軸９２９を有するものとして図示されている。回転軸は、それぞれのシャトルマスを一対のマス部分ＭＰ_１およびＭＰ_２に分割するように構成されてもよい。マス部分ＭＰ_１は、回転軸に対してシャトルマスの一方の側を画定し得る。マス部分ＭＰ_２は反対側を画定し得る。いくつかの実施形態では、マス部分ＭＰ_１およびＭＰ_２は、互いに対し異なる重量を有してもよい。このようにして、ＭＥＭＳ加速度計９００がｚ軸に沿った直線加速度を経験するとき、シャトルマスの重心が回転軸からオフセットしているので、シャトルマスは、対応する回転軸９２９の周りで平面外に回転し得る。

【0062】

最初に、直線ｘ軸加速度の検出について論じる。直線ｘ軸加速度は、少なくともいくつかの実施形態では、基板に対してｘ軸におけるシャトルマス９２０の運動を感知することによって感知し得る。この様態で直線ｘ軸加速度を感知するための一代表的構成を図１０Ａに図示する。明快にするために、シャトルマス９２０とプルーフマス９０１の一部のみが図１０Ａに図示されている。ｘ軸に沿って方向付けられた加速度ａ_ｘの存在下で、シャトルマス９２０は、基板に対して動き得る。いくつかの実施形態では、シャトルマス９２０の重量はプルーフマス９０１の重量よりも小さい。このようにして、運動量保存により、シャトルマスのプルーフマスに対する動きが引き起こされ得る。プルーフマスに対するシャトルマスの運動は、テザー９２８の存在によって可能となり、テザー９２８は自然な位置に対して屈曲し得る。

【0063】

基板に対するシャトルマスの運動は、センサー９２４を使用して感知され得、センサー９２４は、図１０Ａの非限定的な例では、フィンガー９３４および固定電極９３２を備える。固定電極９３２は、基板に据えつけられてもよく、そのため、ｘ軸加速度の存在下でも静止したままであり得る。フィンガー９３４および固定電極９３２は、複数の感知キャパシタを形成し得る。シャトルマス９２０の運動は、感知され、そのようなキャパシタの静電容量の変動を検出し得る。

【0064】

直線ｙ軸加速度ａ_ｙの検出は、図１０Ｂに図示するように、同様に実行し得る。この例では、いくつかの実施形態においてプルーフマス９０１よりも重いシャトルマス９２２が、基板に対してｙ軸に沿って動いてもよい。シャトルマス９２２の運動は、感知され、フィンガー９３８および固定電極９３６によって形成されるキャパシタの静電容量の変動を検出し得る。

【0065】

テザー９２８は、多数の方法のいずれかで実施され得る。例えば、テザー９２８は、加速度に応答してトルクを与えるおよび／または屈曲するように構成された１つ以上のビームを備えてもよい。テザー９２８の１つの可能な実装を図１１に示す。図示のように、テザー９２８は、プルーフマス９０１をシャトルマス９２２に接続するビーム９７０を備えてもよい。シャトルマス９２２は、凹部９７２を備え、ビーム９７０の一端は、凹部内にあるシャトルマスの一部に接続されてもよい。ビーム９７０は、ｙ軸に沿ってシャトルマスの運動を可能にするように屈曲してもよく、および／またはｘ軸周りのシャトルマスの回転を可能にするようにトルクを与えてもよい。

【0066】

図１２に図示するように、直線ｚ軸加速度の検出は、シャトルマスの回転を感知することによって実行されてもよい。図１２は、ｘｚ平面におけるＭＥＭＳ加速度計９００の断面図であって、外側部分９１６、内側部分９１４、およびシャトルマス９２０を含むプルーフマス９０１の一部を図示している。図示のように、回転軸９２９は、シャトルマス９２０をマス部分ＭＰ_１およびＭＰ_２に分離する。この構成では、マス部分ＭＰ_２はマス部分ＭＰ_１よりも重い（ＭＰ_２は、ＭＰ_２に対しより大きい表面を有する）が、反対の構成も可能である。マス部分の重量が異なる実施形態では、シャトルマスの重心は、回転軸９２９に対してオフセットされている。その結果、加速度ａ_ｚが加えられると、シャトルマスは回転軸９２９の周りを回転し得る。この回転は、マス部分のＭＰ１が基板９９０に接近し、マス部分のＭＰ_２が基板９９０から離れる方向に動くことを引き起こし得、または逆も同じである。

【0067】

マス部分と基板との間の距離の変動を感知することによって、シャトルマスの回転を感知し得る。これは、少なくともいくつかの実施形態では、シャトルマスと基板上に配置された電極との間にキャパシタを形成することによって達成し得る。例えば、キャパシタＣ_ＬＺ１は、マス部分ＭＰ_１（第１の電極として機能し得る）と電極９５２との間に形成され得る。同様に、キャパシタＣ_ＬＺ２は、マス部分ＭＰ_２と電極９５０との間に形成され得る。キャパシタＣ_ＬＺ１およびＣ_ＬＺ２は、直線ｚ軸加速度を差動方式で感知するように構成し得る。実際、これらのキャパシタの一方の静電容量が増加すると、他方のキャパシタの静電容量は減少し得る。差動的に配備されているので、キャパシタによって発生された信号は、コモンモード信号（基板の変形に起因して発生された信号など）に不感応となり得る。

【0068】

図１２は、以下にさらに説明するように、角加速度を感知するために使用され得る電極９５４をさらに図示している。いくつかの実施形態では、電極９５４は、電極９５０および／または電極９５２に対してアンカー９１０により近い。

【0069】

いくつかの実施形態では、ｘ軸および／またはｙ軸周りの角加速度の検出は、プルーフマス９０１の平面外運動を感知することによって感知することができる。例えば、ｙ軸周りの角加速度の検出が図１３に図示されている。ｘ軸周りの角加速度の検出は、同様に実行し得ることを理解されたい。ｙ軸周りの角加速度の存在下で、プルーフマス９０１は、一方の側が基板９９０に近づき、反対側が基板９９０から離れる（図１３に示すように）ように回転し得る。プルーフマスの回転は、テザー９１２の存在によってを可能にされ得る。弾性であるので、テザー９１２は、ＭＥＭＳ加速度計がもはや角加速度下にないときに、プルーフマスをその自然な、または静止の、位置に戻すことができる。

【0070】

そのような角加速度は、キャパシタＣ_ａｙ１およびＣ_ａｙ２を使用して感知し得る。キャパシタＣ_ａｙ１は、電極９５４とシャトルマス９２０および／または内側部分９１４との間に形成され得る。同様に、キャパシタＣ_ａｙ２は、電極９５６とシャトルマス９２０および／または内側部分９１４との間に形成され得る。図示するように、キャパシタＣ_ａｙ１の静電容量が増加すると、キャパシタＣ_ａｙ２の静電容量は減少する（またはその逆も同じ）という事実のために、角ｙ軸加速度に応答して差動信号が発生され得る。

【0071】

いくつかの実施形態では、シャトルマス９２０は、ｙ軸周りの角加速度のために、それぞれの回転軸９２９の周りを回転し得ることを理解されたい。しかしながら、これらの回転はコモンモード信号として除かれ得る。例えば、角加速度に応答して、キャパシタＣ_Ｌｚ１、Ｃ_Ｌｚ２、Ｃ_Ｌｚ１^’、およびＣ_Ｌｚ２^’によって生成された信号は、互いを相殺するように合成され、直線ｚ軸加速度に応答して非ゼロ値を出力し得る。

【0072】

ｚ軸周りの角加速度は、フィンガー９１６と固定電極９１８との間に形成されたキャパシタを使用して感知し得る。再び図９を参照して、フィンガー９１６は、プルーフマス９０１の外縁に接続された一端と自由端を有してもよい。自由端は、アンカー９１０から概して離れる方向を指してもよい。固定電極９１８は、基板に据えつけられてもよい。他の実施形態では、図１４の非限定的な例に図示するように、フィンガーは、概してアンカー９１０の方向を指してもよい。この構成では、フィンガー９６０は、プルーフマス９０１の開口部９７０内に形成される。対応する固定電極９６２を、フィンガー９６０に隣接して配置し得る。フィンガー９６０と固定電極９６２との間に形成されるキャパシタの静電容量の変動は、ＭＥＭＳ加速度計が経験する角ｚ軸加速度の指示を提供し得る。

【0073】

本明細書に記載されたタイプのＭＥＭＳ加速度計は、とりわけ、スポーツ、軍事、医療、および産業設定（例えば、機械健全性監視）のような様々な分野のアプリケーションで様々なシステムの一部を形成し得る。様々なシステムは、モノのインターネットネットワークにおいて、その一部を形成するか、または使用されてもよい。そのようなシステムおよびアプリケーションの例をここで説明する。

【0074】

図１５は、２軸慣性センサー、３軸慣性センサー、４軸慣性センサー、５軸慣性センサーおよび／または６軸慣性センサーとして構成し得るシステム１５００を図示するブロック図である。システム１５００は、ＭＥＭＳ加速度計１５０２、電源ユニット１５０４、感知回路１５０６、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１５０８を備え得る。ＭＥＭＳ加速度計１５０２は、上述のＭＥＭＳ加速度計のうちの任意の１つとして実装されてもよい。いくつかの実施形態では、感知回路１５０６およびＭＥＭＳ加速度計１５０２は、シリコン基板などの同じ基板上に配置されてもよい。他の実施形態では、感知回路１５０６およびＭＥＭＳ加速度計１５０２は、互いに接合され、および／または共通のハウジング内にパッケージングされ得る別個の基板上に配置されてもよい。

【0075】

感知回路１５０６は、例えば、静電容量の変動を加速度の大きさにマッピングすることによって、（直線および／または角）加速度を感知するように構成されてもよい。感知回路１５０６は、増幅器、アナログデジタル変換器、メモリ、プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または他のアナログおよび／またはデジタル回路を備えてもよい。

【0076】

システム１５００は、感知された角加速度および／または直線加速度を示す信号を、コンピュータ、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、スマートメガネ、または任意の他の適切な受信デバイスのような外部監視システムに、有線接続または無線を介して、周期的に送信してもよい。Ｉ／Ｏインターフェース１５０８は、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標) Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ（ＢＬＥ）、Ｚｉｇｂｅｅ、Ｔｈｒｅａｄ、ＡＮＴ、ＡＮＴ＋、ＩＥＥＥ ８０２．１５．４、ＩＥＥＥ ８０２．１１．ａｈ、または任意の他の適切な無線通信プロトコルを介してデータを送信および／または受信するように構成されてもよい。代わりに、または追加して、Ｉ／Ｏインターフェース１５０８は、独自接続プロトコルを使用してデータを送信および／または受信するように構成されてもよい。Ｉ／Ｏインターフェース１５０８は、マイクロストリップアンテナのような１つ以上のアンテナを備えてもよい。いくつかの実施形態では、Ｉ／Ｏインターフェース１５０８はケーブルに接続されてもよく、ケーブルを介して信号を送信および／または受信するように構成されてもよい。

【0077】

システム１５００は、電源ユニット１５０４を使用して電力供給されてもよい。電源ユニット１５０４は、感知回路１５０６、Ｉ／Ｏインターフェース１５０８、および／またはＭＥＭＳ加速度計１５０２に電力を供給するように構成し得る。いくつかの実施形態では、電源ユニット１５０４は、１つ以上のバッテリを備えてもよい。システム１５００は、少なくともいくつかの実施形態では、バッテリ電力のみに基づいて、その動作を長期間にわたって可能にするために十分にわずかな電力を消費し得る。バッテリまたはバッテリ（複数）は、いくつかの実施形態では充電式であってもよい。電源ユニット１５０４は、１つ以上のリチウムイオン電池、リチウムポリマー（ＬｉＰｏ）電池、スーパーキャパシタ型電池、アルカリ電池、アルミニウムイオン電池、水銀電池、乾電池、亜鉛炭素電池、ニッケルカドミウム電池、グラフェン電池、または任意の他の適切なタイプのバッテリを含むことができる。いくつかの実施形態では、電源ユニット１５０４は、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する回路を備えてもよい。例えば、電源ユニット１５０４は、Ｉ／Ｏインターフェース１５０８を介してなど、システム１５００の外部の電源からＡＣ電力を受け取り、システム１５００の一部またはすべてのコンポーネントにＤＣ電力を供給してもよい。そのような事例では、電源ユニット１５０４は、整流器、電圧レギュレータ、ＤＣＤＣコンバータ、または電力変換のための任意の他の適切な装置を備えてもよい。

【0078】

電源ユニット１５０４は、いくつかの実施形態では、エネルギーハーベスティングコンポーネントおよび／またはエネルギー蓄積コンポーネントを備えてもよい。エネルギーは、周辺環境から収穫し、必要に応じてシステム１５００に電力を供給するために蓄えられてもよく、それは周期的、ランダムまたは連続的な電力供給を含み得る。実施されるエネルギーハーベスティングコンポーネントのタイプは、システム１５００の予想される環境に基づいて選択されてもよく、例えば、可能な考慮事項の中でも、システム１５００が経験する可能性のある運動の予期される大きさおよび頻度、システムが経験する可能性のあるストレスの量、システムが経験する可能性のある露光量、および／またはシステムが晒される可能性のある温度、に基づく。適切なエネルギーハーベスティング技術の例には、熱電エネルギーハーベスティング、磁気振動ハーベスティング、電気的オーバーストレスハーベスティング、光起電力ハーベスティング、無線周波数ハーベスティング、および運動エネルギーハーベスティングが含まれる。エネルギー蓄積コンポーネントは、いくつかの実施形態ではスーパーキャパシタを含み得る。

【0079】

システム１５００は、とりわけ、スポーツ、医療、軍事、および産業用アプリケーションを含めて、直線および／または角加速度を検出するための様々な設定で展開されてもよい。いくつかの非限定的な例をここで記載する。システム１５００は、スポーツ関連の身体活動およびパフォーマンス、患者の健康状態、軍人の活動、またはユーザの関心のある他のアプリケーションを監視する際に配備されるウェアラブルセンサーであってもよい。

【0080】

１つのそのような設定は、自動車にあり、または船や航空機などの他の乗り物にある。図１６は、本明細書に記載のタイプのセンサーシステムが自動車に採用されている例を図示する。図１６の例では、自動車１６００は、自動車の車載コンピュータ１６０４に有線または無線接続によって連結された制御ユニット１６０１を含む。制御ユニット１６０１は、図１５のシステム１５００を備えてもよい。システム１５００は、自動車１６００の適切な部分に取り付けられたパッケージまたはハウジングを備えてもよい。システム１５００のＭＥＭＳ加速度計は、一例として、駆動方向に沿った加速度および／または駆動方向に垂直な加速度を感知し得る。加えて、または代わりに、ＭＥＭＳ加速度計は、垂直加速度を感知するように構成されてもよく、そうして、例えばサスペンションの状態を監視する。加えて、または代わりに、ＭＥＭＳ加速度計は、例えば自動車の安定性を監視するために角加速度（例えば、ロール、ピッチおよび／または偏揺れ）を感知するように構成されてもよい。制御ユニット１６０１は、直線および／または角加速度を示す情報を運転者に出力する車載コンピュータ１６０４から電力および制御信号を受信してもよい。

【0081】

別の例として、システム１５００をカテーテルに使用してもよい。システム１５００は、カテーテルの端部の近くに配置し得る。カテーテルが被験者に挿入されるかまたは被験者から取り外されると、角および直線加速度は、ＭＥＭＳ加速度計１５０２によって検出され得る。この情報は、一例として、使用されている力の量の指示、および患者に損傷が結果として生じるかどうかを提供し得る。感知回路１５０６は、Ｉ／Ｏインターフェース１５０８を介してカテーテルから検出された加速度を提供し得る。図１７は、患者の心臓１７０１に関連して使用するためのカテーテル１７１０を図示する。カテーテル１７１０は、システム１５００を備え得るデバイス１７１２を備えてもよい。いくつかの実施形態では、デバイス１７１２は、カテーテル１７１０の一端に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、カテーテル１７１０は心臓１７０１と接触して設置され、角ＭＥＭＳ加速度計１５０２を使用して、心臓の運動および／または心拍数を感知するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、カテーテル１７１０は、血管１７０２のような心臓１７０１に通じる血管内に挿入し得る。図１７は、心臓に関連して使用するためのカテーテル１７１０を図示しているが、カテーテル１７１０を使用して任意の他の適切な器官の運動を感知してもよい。

【0082】

本出願の態様は、１つ以上の利点を提供することができ、それらのいくつかは前述した。ここで、そのような利点のいくつかの非限定的な例が説明される。すべての態様および実施形態が、ここで説明される利点のすべてを必然的に提供するわけではないことを理解されたい。さらに、本出願の態様は、ここで説明されるものにさらなる利点を提供し得ることを理解されたい。

【0083】

本出願の態様は、単一のデバイスを用いて直線および角加速度計を感知するように構成されたＭＥＭＳ加速度計を提供する。従来のデバイスと比較して、本明細書に記載されたタイプのＭＥＭＳ加速度計は、よりコンパクトであり、そのため、基板上の地所の必要性を低減する。加えて、本明細書に記載されたタイプのＭＥＭＳ加速度計は、製造工程が直線感知素子と角感知素子との間で共有され得るので、製造コストの低減を可能にし得る。

【符号の説明】

【0084】

１０１ ＭＥＭＳ加速度計
２００ プルーフマス
２０１、２１１、２２１ マス部分
２１５ ビーム
２１６ 角ｚ感知ビーム
２２６ 直線ｘ感知ビーム
２２８ 直線ｙ感知ビーム
２３０ 中央部分
２３２ テザー
２３５ 固定構造体
２３６ ビーム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】