JP2012159494A - ピエゾ電気駆動部を備えるｍｅｍｓ振動ビーム加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】高温度環境で使用可能な加速度計のドライブ機構を提供する。
【解決手段】駆動要素は、少なくとも１つの歯４０−１、４２−１の表面に取り付けられ、２つの電気トレース１２６，１３４の間に少なくとも部分的に挟まれる少なくとも１つのピエゾ電気トレース１３０−１、１３０−２を含む。歯の少なくとも１つは、駆動要素が配置されるドープシリコンベース１２０を含む。ピエゾ電気トレースの一方１３０−１は、ドープシリコンベース１２０に電気的に接続され、ピエゾ電気トレースの他方１３０−２は、ドープシリコンベース１２０から電気的に絶縁される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ピエゾ電気駆動部を備えるＭＥＭＳ振動ビーム加速度計に関する。

[0001]加速度計は、たとえば、オイル、ガス、地熱などで、下方穴ドリル操作に使用され、ドリルを垂直外の方向へ案内する。含まれる深さにより、これらの加速度計の動作温度は非常に高温であり、オイルおよびガスの場合は２００℃を超えることがあり、地熱ドリルの場合３００℃を超えることがある。

必要とされる性能が２００℃から３００℃の間の動作となり得る加速度計のドライブ機構の開発は困難である。微小電気機械システム（MicroElectro-Machanical Systems, MEMS）振動ビーム装置は、必要とされる高温度での正確さおよび安定性を提供するが、減衰の要求により、電気的な静的な手段を用いるこれらの装置の動作、高電圧静電櫛ドライブを必要とする。典型的には、必要な電圧は２００Ｖに達することがある。この高電圧を達成する必要がある電子機器は、この高温度環境で信頼性がない。

[0002]本発明は、高温度ドライブおよび検出機構、両端閉鎖音叉（double-ended tuning fork, DETF）を提供する。ＤＥＴＦは、端部が接続される第１および第２の歯、および歯の少なくとも１つの少なくとも１つの表面に取り付けられる駆動要素を含む。駆動要素は、少なくとも１つのピエゾ電気トレースおよび少なくとも１つの電気トレースを含む。歯は、電気トレースのペアの間に配置される少なくとも１つのピエゾ電気トレースを備えるドープされたシリコンベースを含む。電気トレースのペアの１つは、ドープシリコンベース電気的に接続され、またはこれを含み、また、他の電気的トレースは、ドープシリコンベースから電気的に絶縁される。

[0003]ＤＥＴＦは、振動ビーム加速度計（vibrating-beam accelerometer, VBA）、圧力センサ、または、駆動される共振歯が望まれる他の装置のような、様々な装置に用いることができる。

[0004]以下に、本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が添付図面を参照しながら説明される。添付図面は以下の通りである。

加速度計に用いられる両端閉鎖音叉の一例の斜視図である。 本発明の一実施形態による両端閉鎖音叉の例示的な歯のペアの斜視断面図である。 図１の両端閉鎖音叉に用いられる例示的な歯の側面断面図である。 本発明の一実施形態により形成される歯の材料の例示的なパターンを示す図である。 本発明の実施形態により形成される例示的な歯の一部の斜視図である。 本発明の実施形態により形成される例示的なトレースのパターンの上面図である。

[0011]図１は、例示的なＤＥＴＦ３２を示し、これは、第１および第２ベース区域４６、４８、および２つのベース４６、４８の間に取り付けられるシリコンベースの歯４０、４２のペアを含む。この実施形態において、第１歯４２は、ピエゾ電気材料を備える駆動要素を含み、また、第２ベース区域４６に配置される電気パッド５２−１、５２−２に電気的に接続される電極（すなわち電気トレース）を含む。第２歯４０は、ピエゾ電気材料および電極を含む検出要素を含む。第２歯４０上の電極は、ベース区域４６上に配置される検出電極５０−１、５０−２に接続される。

[0012] 歯４２に駆動力を発生させるために、ドライブ要素電気トレースにわたって電圧が付与される。駆動要素のピエゾ電気材料は、歯４２の表面上に特定のパターンで堆積され歯４２に直接的に接続される薄いフィルムである。検出要素は、同様に構成される。ピエゾ電気材料に隣接する電気トレースは、駆動部に±１０Ｖまたはそれ以下のオーダーの電圧を付与する。この低い電圧は、高温度電子機器（たとえば、シリコンオンオキサイド（Silicon-on-oxide, SOI）要素を備えるオシレータ回路）の設計に有利である。駆動電圧は、ピエゾ電気材料の形状を変化させ、これは、歯４２上のひずみ誘導負荷を生じさせて振動を発生させる。シリコンビーム（すなわち歯４２）上でのピエゾ電気材料の適切なパターニング、および適切な駆動電圧の付与により、ビームの共振が発生する。

[0013]制御電子機器（図示せず）は、検出要素のピエゾ材料にわたる電圧の変化により振動シリコンビームの共振ひずみを検出する。関連する電極を介してピエゾ電気検出要素にわたる検出された電圧変化に基づいて、制御電子機器は、駆動要素のパターン化されたピエゾ電気の薄いフィルム材料に駆動信号を提供し、共振周波数でのビームの振動を維持する。

[0014]ベース４６、４８の一方に付与される力は、振動するシリコンビーム（歯４０、４２）の共振周波数に影響を与え、振動の周波数を増加または減少させる。制御電子機器は、この共振周波数の変化を追跡し、付与された力によるシリコンビーム内に誘導されたひずみの直接的な測定を提供する。

[0015]電気的トレースを介してピエゾ電気トレースに付与される駆動電圧は、基本モードでビーム（歯４０、４２）を振動させる周期的な時間の関数である。一実施形態において、検出ピエゾ電気トレースは、電気的リードを介して検出電圧を提供し、これはビームの振動周波数を表すシヌソイドの時間関数である。ＤＥＴＦｓが受ける軸方向の負荷は、ＤＥＴＦの一方の基本周波数を増加させ、ＤＥＴＦの他方の基本周波数を減少させる。

[0016]制御電子機器は、駆動ピエゾ電気トレースのために駆動電圧の時間関数を発生させる。この電圧関数は、接地電圧またはビームまたはビーム（歯）に接続される電気リードの中間電圧の上および下に、２つの電圧の間を周期的に変化する。これは、この接地電圧または中間電圧に対する差電圧を形成し、これは同一の大きさのプラス（＋）またはマイナス（−）のピークを備える。ピエゾ電気トレースは、ビームの表面に垂直に拡張または収縮し、また、反対に、ピエゾ電気効果および電気リードを介して付与される差電圧に基づいてトレースはビームの表面に平行に収縮および拡張する。このピエゾ電気トレースの平行な拡張および収縮は、ビームに軸方向のひずみを生じさせる。ビームの長手方向の曲げ中立軸からトレースが側方にオフセットされる場合、この軸ひずみは、ビームに曲げを生じさせる。ピエゾ電気トレースに付与される電圧を周期的に変化させることで、ビームが振動する。また、ビームの振動は、検出ピエゾ電気トレースにビームの表面に平行なひずみを生じさせ、ピエゾ電気効果を通じて、電気リードを介する検出電圧を提供する。検出電圧は、ビームの振動周波数を表すシヌソイド時間関数であり、また、ビームの基本振動モードを維持するために適切なゲインおよびフェーズの駆動電圧を生成すために制御電子機器に使用される。

[0017]図２−４は、電気トレースおよびＤＥＴＦ３２−１の歯４０−１、４２−１上のピエゾ電気材料の例示的なパターンの様々な図を示している。第１歯４０−１は、ドープシリコンベース１２０を含み、これは頂部表面（振動方向に垂直な法線を備える）のほとんどまたは全てが、絶縁層１４４（たとえば、Ｓｉ シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）、アルミニウム三酸化物（Ａｌ２Ｏ_３）、タンタル五酸化物（Ｔａ２Ｏ_５）、シリコン窒化物（Ｓｉ_３Ｎ_４））により覆われる。絶縁層１４４の一部の頂部上には下電極層１２６（たとえば、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）＋Ｍｏ、Ｃｒ＋プラチナ（Ｐｔ））がある。他の電極材料を使用することもできる。

[0018]２つのピエゾ電気トレース１３０−１、１３０−２は、下電極層１２６の上に隣り合って付与される。２つのピエゾ電気トレース１３０−１、１３０−２に使用される例示的な材料は、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）である。上電極層１３６、１３４は、ピエゾ電気トレース１３０−１、１３０−２上に付与される。上電極層１３６、１３４は、下電極層１２６に類似する。第２歯４２−１は、第１歯４０−１のように、絶縁層１４４−１、下および上電極層１２６−１、１３６−１、１３４−１、およびピエゾ電気トレース１３０−３、１３０−４を含む。

[0019]絶縁層、電極層、およびピエゾ電気トレースは、スパッタまたは蒸気堆積のような適合的な微小電気機械システム（MicroElectro-Mechanical Systems, MEMS）堆積プロセスを用いて付与および接合される。これらの層のいくつかまたは全ては、適合的なＭＥＭＳプロセスによりエッチングされる。

[0020]図３に示されるように、下電極層１２６（１２６−１）は、絶縁層を通る金属されたビア１４６により、ドープシリコンベース１２０に電気的に接続される。上電極層は、図４に示されるように、絶縁層１４４に接続され、ピエゾ電気トレース１３０−１、１３０−２により下電極層１２６、１２６−１から絶縁されるトレース１４０、１４２に取り付けられる。ＤＥＴＦのベース区域に位置するパッドは、同様に構成される。第１パッド（図示せず）は、上電極層１３６に接続されるリードまたはトレースに直接的に接続される。第１パッドは、ＤＥＴＦのベース区域においてドープシリコンベースから電気的に絶縁される。第２パッドは、第１パッドから電気的に絶縁され、また、たいてい絶縁層１４４を通るビアによりドープシリコンベース１２０に電気的に接続される。

[0021]一実施形態において、第１および第２のピエゾ電気トレース（１つは駆動トレース、他方は検出トレース）は、図２に示されるようにＤＥＴＦの１つの歯の表面上に配置され、または１つの歯にだけ配置される。

[0022]他の実施形態において、ピエゾ電気トレースは、上表面の代わりにシリコンビームの側部上に取り付けられる。
[0023]他の実施形態において、図５に示されるように、ＤＥＴＦ２００のための歯２０２は、上表面上に堆積される２つのピエゾ電気電極サンドイッチトレース２０６、２０８を含み、また、歯２０２の下表面上に堆積される２つのピエゾ電気電極サンドイッチトレース２１２、２１４を含む。４つのサンドイッチトレース２０６、２０８、２１２、２１４は、多くの異なる方法で検出要素または駆動要素として使用することができる。たとえば、トレース２０６、２１２は駆動要素として機能し、トレース２０８、２１４は検出要素として機能する。

[0024]他の実施形態において、図６に示されるように、駆動要素（ピエゾ電気材料および電気トレース）は、２つの電極内のピエゾ電気材料の第１のサンドイッチを含み、これはＤＥＴＦの歯３００の中間区域の１つの側部に配置される。電極内のピエゾ電気材料の第２および第３のサンドイッチ３０４、３０６は、歯３００の反対側の側部上に配置され、サンドイッチの電極は、歯３００上のリードを介して接続される。このような構成は、歯３００内に張力を提供し、歯３００が平面において側方に曲がる。図示のものに類似する第２駆動部は、歯３００上に含まれるが、歯３００の表面上の反対側の位置であり、または、ＤＥＴＦの反対側の歯（図示せず）上に含まれる。

[0025]他の実施形態において、検出要素は、ピエゾ電気装置以外の装置とすることができる。たとえば、検出要素は、ピエゾ抵抗装置、櫛状キャパシタ装置、または、単純なキャパシタ装置、あるいはＤＥＴＦ歯の運動を検出することができる他の装置を含むことができる。

Claims (3)

1. 両端閉鎖音叉（ＤＥＴＦ）装置であって、
   第１端部で第１ベースに取り付けられ、第２端部で第２ベースに取り付けられる、第１および第２の歯（４０−１、４２−１）と、
   前記歯の少なくとも１つの少なくとも１つの表面に取り付けられ、前記歯の長手方向の曲げ中立軸から側方にオフセットされる駆動要素と、を有し、
   前記駆動要素は、少なくとも１つのピエゾ電気トレース（１３０−１、１３０−２）と、
   少なくとも１つの電気トレース（１２６、１３４、１３６）と、を有し、
   前記ＤＥＴＦ装置はさらに、前記歯の少なくとも１つの少なくとも１つの表面に取り付けられ、長手方向の曲げ中立軸から側方にオフセットされる、検出要素を有し、
   前記検出要素は、少なくとも１つのピエゾ電気トレース（１３０−３、１３０−４）と、
   少なくとも１つの電気トレース（１２６−１、１３４−１、１３６−１）と、を有し、
   前記歯の少なくとも１つは、ドープシリコンベース（１２０）を有し、前記少なくとも１つの駆動要素は、第１および第２の電気トレース（１２６、１３４）を有し、
   前記少なくとも１つのピエゾ電気トレース（１３０−１）は、前記第１および第２の電気トレースの間に配置され、
   前記第１電気トレースは、前記ドープシリコンベースに電気的に接続され、前記第２電気トレースは、前記ドープシリコンベースから電気的に絶縁される、両端閉鎖音叉（ＤＥＴＦ）装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記駆動要素は、少なくとも１つのピエゾ電気トレースおよび少なくとも１つの電気トレースを備える第１サブ要素と、少なくとも１つのピエゾ電気トレースおよび少なくとも１つの電気トレースを備える第２サブ要素と、を有し、前記第１および第２のサブ要素の前記電気トレースは電気的に接続され、前記第１サブ要素（３０２）は、前記歯の長手方向の中間の長さに配置され、また、前記長手方向の曲げ中立軸から側方にオフセットされ、前記第２サブ要素（３０４、３０６）は、前記第１サブ要素の端部付近から前記歯の端部付近まで、少なくとも１つの長手方向長さ上に配置され、また、前記第１のサブ要素の長手方向の曲げ中立軸から反対側の側方にオフセットされる、装置。
3. ２つの歯を備える両端閉鎖音叉（ＤＥＴＦ）を駆動する方法であって、前記方法は、
   前記ＤＥＴＦの少なくとも１つの歯上に配置される少なくとも１つの駆動ピエゾ電気トレースにわたる電圧を周期的に変化させ、前記ＤＥＴＦの前記歯を、共振周波数で平面内方向に振動させるステップと、
   検出装置から検出信号を受け取るステップと、を有し、前記検出信号は、前記ＤＥＴＦの前記歯の運動に関連付けられており、
   受け取った検出信号に基づいて、前記少なくとも１つの駆動ピエゾ電気トレースに付与される電圧を変更して、前記ＤＥＴＦの前記歯を共振周波数で振動させるように駆動するステップと、
   検出信号を受け取るステップは、電極のペアに関連付けられる少なくとも１つのピエゾ電気トレースに付与される力に応じて変化する容量電圧を受け取るように構成される電極のペアから検出信号を受け取るステップ、または、少なくとも１つの前記歯上に配置されるピエゾ抵抗要素から検出信号を受け取るステップ、を有し、前記ピエゾ抵抗要素は、前記少なくとも１つの歯に付与される力に応じて変化する抵抗を提供するように構成される、方法。

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