JP4604037B2 - 共振磁力計デバイス - Google Patents

Description

本発明は磁力計に関し、より詳細にはマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）自己共振磁力計に関する。

共振磁力計は周知であり、ＭＥＭＳに基づく最も初期の共振磁力計の１つはＤ.Ｋ.ウィッケンデン外による論文「ＭＥＭＳに基づく共振シロフォンバー磁力計」、ＳＰＩＥ会議議事録−マイクロ機械加工されたデバイスおよびコンポーネントIV、ＳＰＩＥ、第３５１４巻、３５０〜３５８ページ（１９９８年）に記載されている。このウィッケンデン外によるデバイスは、表面がマイクロ機械加工されたバーを備え、このバーは第１共振モードの節において一対の電極に固定されている。使用に際し、バーの共振周波数の交流電流（ＡＣ）がバーに流されるようになっている。磁界の存在下において、ローレンツ力によってバーは共振状態となり、かかる運動の大きさは容量により検出された印加磁界の強度を表示する。

基本的なＭＥＭＳ共振磁力計構造の変形例は、最近では、ザッキ・イズマン、ミカエル・Ｃ.Ｌ.ワード、ケビン・Ｍ・ブルンソンおよびポール・Ｃ・スティーブンによる論文「共振磁力計の開発」、２００３年、ナノテクノロジー会議およびトレードショーの議事録、２月２３〜２７日、サンフランシスコ、第１巻、３４０〜３４３ページ、ＩＳＢＮ ０−９７２８４２２−０−９に記載されている。このイズマン外の共振磁力計はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハから形成されており、２つの組の固定ー固定されたサスペンションを有する振動質量体を備え、サスペンションによって質量体はウェーハの平面にある軸線に沿って移動できるようになっている。サスペンションに沿って、ほぼ振動質量体の共振周波数の周波数を有するＡＣ電流が流され、よって磁界の存在下で質量体は共振状態とされる。質量体には１組の電極が取り付けられており、磁界によって誘導された運動の大きさを容量により測定可能となっている。

共振磁力計におけるＱ増幅率を最大にするために、振動質量体に供給されるＡＣ電流の周波数が質量体の共振周波数に一致させるか、またはそれに十分接近させるように保証しなければならない。ビーム構造体の共振周波数を理論的に予測できるし、および／または測定できるが、共振ビームサスペンションで生じる温度変化、応力によって誘導される効果および／または非線形性からバラツキが生じ得る。共振条件から離れた周波数のＡＣ電流を印加した場合、ローレンツ力のＱ増幅がなくなることに起因し、デバイスの感度は大幅に低下する。

共振ビームが共振状態になるように駆動されることを保証するために、ビームの共振周波数を検出するのに使用される検出回路の出力に応答し、周波数発生器の出力周波数を調節することが知られている。共振ビームの発振周波数の変化を印加されたＡＣの周波数がトラッキングするのを保証するのに、位相ロックループが使用される。しかしながら、これら位相ロックループ回路は常に最適な周波数を探さなければならないので、望ましくない位相ノイズを生じさせ得る。

高感度用途、例えばコンパスなどでは、共振磁力計は約５００〜５０００の間にある機械的なＱ値（Ｑ）および約５００Ｈｚ〜３０ｋＨｚの範囲にある共振周波数を必要とする。この高Ｑ値は、共振ビーム構造体にＡＣ電流を供給するのに使用される周波数発生器の精度は数ｋＨｚにつき１Ｈｚよりも良好となっていなければならないことを意味している。位相ロックループ回路を設ける外に、かかる高分解率の周波数発生器を設けることによって、デバイスを作動させるのに必要な制御電子回路のコストが高くなり、更に複雑となる。

よって、本発明の目的は、上記欠点の少なくとも一部を少なくした共振磁力計デバイスを提供することにある。

本発明の第１の様相によれば、共振磁力計は、振動部材と、該振動部材に交流（ＡＣ）を通過させるための手段とを備え、前記振動部材に、磁界に応じた振動力を加えるための駆動手段が更に設けられていることを特徴とする。

駆動手段により振動部材に対し（例えば静電的に）加えられる振動力は磁界強度から独立しており、使用中、振動部材が連続的に共振状態にされることを保証するのに十分な振幅を有することが好ましい。振動部材を通過するＡＣ電流と前記磁界との相互作用に起因し、磁界を加えるとローレンツ振動力も生じる。上記のようにローレンツ振動力の大きさは所定の振幅のＡＣに対し、振動部材に加える磁界の強度によって決まる。磁界がない場合、振動部材にはローレンツ振動力は与えられない（すなわちローレンツ振動力は振幅がゼロとなる）。

従って、磁界に依存した（すなわちローレンツ）振動力と駆動手段によって加えられる磁界から独立した振動力との組み合わせにより振動部材が共振状態に駆動される共振磁力計が提供される。従って、本発明は従来技術のデバイスと異なり、磁界が印加されない場合でも共振状態に駆動される振動部材を有する磁力計を提供するものである。磁界を加えると振動部材の振動の振幅は検出可能な態様で変化する。

駆動手段を設けることにより、振動部材を連続的に共振状態に駆動できるので、磁界印加時にしか共振状態に駆動されない従来デバイスと比べていくつかの利点が得られる。第１の利点は、振動部材の共振周波数を連続的に測定することが可能であることである。このことは、（例えば異なる温度、圧力などで）共振特性が顕著に変化する種々の異なる環境で磁力計を使用しなければならない場合、有利である。これまで共振周波数のかかる測定は十分強い磁界を加えたときにしかできなかった。第２の利点は、この磁力計は共振を開始させるのに十分な磁界を加えなければならない従来のデバイスよりも磁界強度検出スレッショルドが一般に低くなっていることである。

ＡＣと磁界との相互作用によって生じるローレンツ力と駆動手段によって生じる振動力とは、位相が合ったり、または合わなくなるように配置することが好ましいことに留意すべきである。かかる場合、振動部材の振動の振幅は、印加された磁界の存在下で、磁界の向きに応じて増減する。磁界の向きは振動振幅が増加するか減少するかによって容易に決定できることが認識できよう。

磁力計は、振動部材の屈曲に応じて電気出力手段を発生するための検出手段を備えることが好ましい。

駆動手段は検出手段が発生する電気信号を受けるための正のフィードバック回路を含むことが好ましい。従って、この駆動手段は正のフィードバックループを使用して振動部材を共振状態に駆動するようになっている。換言すれば、検出手段が発生した信号は、正のフィードバック回路により適性に処理（例えば必要に応じて増幅および／または位相シフト）され、更に振動力を（例えば静電的に）発生するよう、駆動手段によって使用される。これにより、駆動手段は振動部材の共振周波数で共振部材に振動力を連続的に加えることができる。換言すれば、振動部材は駆動手段により自己共振駆動できる。デバイスに固有の機械的ノイズおよび駆動回路に固有の電気ノイズは、デバイスの始動時に共振を開始させるのに十分であることが判っている。

駆動手段は、振幅が固定された振動力を発生することが好ましい。換言すれば、駆動手段はいわゆる一定駆動モードで作動し、振動部材に対し（例えば静電駆動電極に対し一定振幅のＡＣ駆動電圧を加えることにより）一定の振動力を与える。磁界がない場合、従ってローレンツ力がない場合、振動部材は一定の振幅で振動する。しかしながら、磁界と振動部材を通過するＡＣとの相互作用により、振動ローレンツ力が発生するが、このローレンツ力は磁界強度に直接関連する値だけ振動部材の振動の振幅を変える。

これとは異なり、駆動手段は調節可能な振幅の振動力を振動部材に与えるようになっており、この場合、振動力の振幅は振動部材の振動の所定の振幅を維持するように使用中に調節される。換言すれば、駆動手段は磁力計がいわゆる一定振幅モードで作動し、振動部材が固定された一定の振幅で共振することを保証するように、駆動手段によって与えられる振動力が十分となるように駆動手段を配置できる。磁界を印加する結果、駆動手段はこの駆動手段が加える振動力の振幅を変え、振動部材の共振の振幅を固定された値に維持する。この場合、駆動手段によって加えられる振動力の振幅は磁界強度の尺度となる。

振動部材にＡＣを通過させるための手段は、検出手段が発生する電気出力信号を受信するようになっているフィードバック回路を含むことが好ましい。従って、振動部材を通過させられるＡＣ電流を発生するための（適当な増幅手段などを含むことができる）フィードバックループが設けられる。ＡＣ電流は振動部材の振動から直接誘導されるので、この電流の周波数は共振周波数に常に等しくなる。従って、ＡＣ電流を発生するために別個の発振電流源を設ける必要はなく、ＡＣ周波数が振動部材の共振周波数をトラッキングすることを保証するために従来の磁力計で使用される位相ロックループ装置は不要となる。従って、この結果得られる磁力計は従来デバイスよりも簡単となり、製造が安価となる。

駆動手段を制御し、振動部材を通過するＡＣを発生させるためにフィードバックループを設けることによって、第１の力の位相と第２の力の位相とを互いに適当に定めることができる。これによって更に磁界測定の精度が高まる。

検出手段は基板上に位置し、振動部材との間で可変容量を有する少なくとも１つのセンサ電極を含むことが好ましい。換言すれば、この検出手段は容量性検出により振動部材の移動を測定する。

検出手段は基板上に位置する複数の細長いセンサ電極を含むことが好ましく、振動部材は前記複数の細長いセンサ電極と互い違いになっている複数の細長い電極を含むことができる。

振動部材の電極は、所定の直流（ＤＣ）の分極電圧に維持できることが好ましい。このような場合、振動部材の電極と基板との間の容量を直接測定できる。

これとは異なり、振動部材の電極に高周波のＡＣ分極電圧（すなわちいわゆるプローブ信号）を加えることが好ましい。高周波のプローブ信号を使用することにより、増幅電子回路の１／ｆノイズが容量ピックオフの質に大きな影響を及ぼさないことを保証できる。この周波数は振動構造体の機械的応答よりもかなり高い。この高周波プローブ信号は、５０ｋＨｚから数十ＭＨｚまでのレンジ内にあることが好ましく、１００ｋＨｚよりも高いことがより好ましく、約１ＭＨｚであることがより好ましい。従って、高周波の容量ピックアップを実現することによって、検出手段が発生する出力電気信号の信号対ノイズが改善される。

２つの電極の組を形成するように複数のセンサ電極を電気的に接続し、これら２つの電極の組で差分容量性ピックオフを行うようにすることが好ましい。より詳細に後述するように、各電極の組によって生じる運動によって誘導された容量信号はこれら信号の位相がずれるようにすることができる。しかしながら、各電極の組によって生じる信号内の駆動回路からのフィードスルーは常に合相状態となる。従って、（信号の差を決定するように）信号を減算するとノイズ効果が減少し、運動で誘導されたよりクリアな信号が得られる。このような差分容量ピックオフにより、直接ピックオフを使った場合に得られるレベルよりもかなりノイズレベルが低くなった出力電気信号が得られる。

振動部材にＡＣを通過させるための手段は、前記ＡＣの振幅を変えるための手段を含むことが好ましい。振動部材に加えられるＡＣの振幅を制御することにより、磁力計の感度を調節することが可能となる。所定の磁界強度に対し、印加されるＡＣを大きくすると、ローレンツ振動力の振幅も大きくなり、振動部材の振幅に対する磁界誘導効果も大きくなる。磁界によって誘導される影響を生じることなく、振動部材の共振特性を評価できるように、印加されるＡＣの振幅をゼロまで低減することも可能である。これによって較正目的のためにＱを測定することが可能となる。

駆動手段は振動部材に振動力を静電的に与えるために基板上に形成された少なくとも１つの駆動電極を含むことが好ましい。これとは異なり、駆動手段は基板に形成された複数の細長い第１駆動電極を含み、振動部材が複数の細長い第２駆動電極を含むことが好ましい。この場合、細長い第１駆動電極と細長い第２駆動電極とは互い違いになっている。換言すれば、かかる櫛歯状駆動部材を設けたことにより、振動部材の変位に対する印加される静電力の依存性が減少し、よって振動部材の運動の歪みが小さくなる。

静電力に基づく駆動手段が好ましいが、この駆動手段の他に、またはこの駆動手段とは別に、熱またはピエゾ電気駆動手段を使用することもできる。振動部材は共振ビームを備えることが好ましい。

振動部材は基板に係止された少なくとも２つの可撓性脚部部分を含むことが好ましく、この場合、前記可撓性脚部部分のうちの少なくとも１つに前記ＡＣが通過させられる。振動部材が振動すると、可撓性脚部部分は屈曲するようになっていることが好ましい。更にこの振動部材は、実質的に剛性なクロスビームを含むことが好ましく、このクロスビームは前記少なくとも２つの脚部部分に対し、実質的に垂直に配置され、かつこれら脚部部分を相互に接続する。このクロスビームはビームから垂直に突出する複数の細長い電極を含むことが好ましい。これら細長い電極は静電駆動手段の一部として、または容量性ピックオフとなるように使用できる。

前記クロスビームが所望する分極電圧を受信するように、振動部材にＡＣ電流（ＡＣ）を通過させるための手段は、前記脚部部分に差分ＡＣ電圧を供給するようになっていることが好ましい。換言すれば、脚部部分の一旦には分極電圧（Ｖ）＋ΔＶが印加され、脚部部分の他端には分極電圧（Ｖ）−ΔＶが印加される。クロスビームが脚部部分に沿った中間に位置していると仮定した場合、クロスビームは分極電圧Ｖに保持される。更に脚部部分の両端の間の電位差は２ΔＶとなる。振動部材の脚部部分を必要なＡＣ電流が流れ、クロスビームが所望する分極電圧に保持されるように交流のΔＶを印加できる。

振動部材は基板の平面に平行な平面内の軸線に沿って振動するようになっていることが好ましい。

多くの理由から、本発明のＭＥＭＳ磁力計のサスペンドされた振動部材内では、応力が生じ得ることに留意すべきである。例えば２つのアンカーポイントにおいて基板に係止されている振動部材は、振動部材の膨張／収縮と異なる基板の熱膨張／収縮（すなわち熱膨張率の不一致）に起因して、アンカーポイントを介し、圧縮または引っ張り応力を受け得る。このことは、特に使用前に基板がパッケージ内に実装されている場合、または磁力計内に温度勾配がある場合に顕著である。従って、磁力計の振動部材は少なくとも１つの応力軽減手段、例えば弾性的に変形可能な応力軽減構造体を含み、ＭＥＭＳ磁力計デバイスのサスペンドされた部分内の応力を減少することが好ましい。かかる応力軽減構造体は振動部材が受ける引っ張り／圧縮力を吸収するためのスプリングとして働くようになっていることが好ましい。このように、振動部材は使用中および／または非作動時に歪んだり、屈曲することが防止される。

更に、複数のアンカーポイントによって基板に固定された振動部材の共振周波数は、振動の振幅と非線形に変化し得ることが判っている。振動振幅を有する共振周波数はこのように変化するので、磁界強度（従って振動振幅）が変化するにつれ導電路に沿って通過するＡＣの周波数を連続的に調節する必要がある。最適なＱ増幅が維持されない場合に、これによって特に急激に変化する磁界に対してデバイスの感度を下げることができる。応力軽減構造体を有する振動部材を設けることにより、非線形効果を減少できる。その理由は、応力軽減構造体のスプリング状の性質によって振動振幅が変化する際の振動部材のわずかな膨張、収縮を可能にできる。

応力軽減構造体は既に種々のＭＥＭＳデバイスに対して既知となっているが、かかる構造体は一般にフォールドバックタイプの構造を備える。共振磁気データ内にかかるフォールドバック構造体を設けた結果、電流は導電路に沿って種々の方向に流れる。例えばフォールドバック構造体の折りたたみ部を通って電流は逆方向に流れる。磁界が存在する場合、順方向に流れる電流領域により誘導されたローレンツ力は、電流が逆方向に流れる領域から生じたローレンツ力と反作用する。したがって、フォールドバック応力軽減構造体を設けた結果、所定の磁界強度に対し、振動部材に与えられる剛性振動力が小さくなり、よって磁力計の全体の感度が低下する。この理由から、当業者であれば、共振磁力計の振動部材内に応力軽減構造体を設けたことによる不可避で、かつ受け入れ不可能な結果としてデバイスの感度が低下することを検討したはずであり、したがって磁力計デバイスに応力軽減構造体を使用することは考慮しなかったはずである。

デバイス性能に対する応力軽減構造体の効果を最小にするために、本発明のデバイスの応力軽減構造体を通過する導電路は、導電路の他の部分に沿った電流の主要方向と反対の方向の電流成分を最小にすることが好ましい。換言すれば、電流を搬送するための導電路を備えた振動部材と、少なくとも１つの弾性変形可能な応力軽減構造体とを有し、前記少なくとも１つの弾性変形可能な応力軽減構造体が前記導電度の一部を形成する導電性部分を有し、前記導電部分は導電路の残りの部分に沿った電流の主要方向と反対の方向の電流成分を最小にするようになっている、ＭＥＭＳ共振磁力計が提供される。

「電流の主要方向」とは、振動部材を通過する電流の主な方向、例えば応力ストレス構造体を通過する導電路を無視した場合の電流の方向を意味するにすぎないことに留意すべきである。最も簡単な例では、応力軽減構造体との間に延びる振動部材の導電路は、第１軸線を構成する実質的に直線状の導電性トラックとなる。この場合、電流の主要方向は導電路の直線状部分に沿った（すなわち第１軸線に沿った）電流の方向となる。この場合、応力軽減構造体は導電路の他の部分に沿った電流と反対の方向の応力軽減構造体を通過する電流を最小にするようになっていることが好ましい。使用の際、磁界が存在する場合に必要な振動力を与えるように、導電路に沿って交流（ＡＣ）が通過され、したがって電流の主要方向は使用時に交互に変化することに留意すべきである。

前記少なくとも１つの応力軽減構造体は導電性部分を備え、電流は前記電流の主要方向から９０度未満または実質的に９０度に等しい角度だけ異なる方向に、この導電性部分を通過して流れる。換言すれば、アンカーポイントとの間ではメイン電流方向と反対の方向の電流成分が実質的にないことが好ましい。

ＡＣが通過する振動部材の導電路は振動部材の振動軸線に実質的に垂直な軸線に沿っていることが好ましい。かかる構造では、印加される磁界は振動部材の振動軸線に沿った振動部材の運動を生じさせる力を与える。したがって、振動部材に与えられるローレンツ力は所定の磁界に対して最大となる。

応力軽減構造体は、折りたたまれた構造体を備え、前記折りたたまれた構造体は電流の前記主要方向にほぼ垂直な方向に延びる複数の細長い弾性的に可撓性のアームを備えることが好ましい。かかる構造体を設けたことにより、電流の主要方向と反対の方向に電流がない応力軽減手段を通る電流路が得られる。かかる応力軽減構造体における電流の大部分は電流の主要方向にほぼ垂直な方向に存在し、かかる構造によって応力軽減構造体を通過する電流は振動部材に与えられる合成振動力に対する効果は無視できるものとなることが保証される。

応力軽減構造体は弾性変形可能なループを含むことが好ましい。１つの応力軽減ループにより、応力軽減手段を通過する２つの電流路が得られ、このループは逆電流が流れるときに通過する折りたたみ部を含まない。実際に、電流の主要方向に沿ったループを通過する電流のかなりの成分が生じる。したがってこのタイプのループ応力軽減構造体は導電路の残りの部分を通過する電流に起因して与えられる振動力に加わる振動力を加える。

振動部材は複数のアンカーポイントで基板に取り付けることが好ましい。アンカーポイントの２１つまたはいくつかの近くに応力軽減部分を形成できるが、各アンカーポイントには１つの応力軽減構造体が関連していることが好ましい。このようにすることにより、構造がより対称的となり、ねじれた、または非対称の振動モードが励起される可能性が少なくなる。

本発明の共振磁力計では、応力軽減手段を設けることが好ましいが、本明細書に記載した応力軽減手段を任意の共振磁力計装置に有利に使用することも可能であることに留意すべきである。従って、振動部材を備えたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振磁力計を提供できる。この場合、前記振動部材は電流を搬送するための導電路を含み、振動部材は少なくともつの弾性変形可能な応力軽減構造体を備え、前記振動部材は少なくとも１つの応力軽減手段を通過する電流によって発生される振動力が導電路の他の部分を通過する電流によって発生される振動力から実質的に減算されないようになっている。

磁力計はマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）として形成することが好ましい。本明細書におけるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）なる用語は、当業者によりマイクロシステムテクノロジー（ＭＳＴ）、マイクロロボティックスおよびマイクロエンジニアリングデバイスなる用語で記述されるものを含む広範な範囲のマイクロ機械センサおよびアクチュエータを含むように使用する。

前記基板および／または前記振動部材はシリコンを含むことが好ましく、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハまたはシリコンオングラス（ＳＯＧ）ウェーハから形成することが好ましい。

本発明の第２の様相によれば、本発明の第１の様相に係わる少なくとも１つの磁力計を含む慣性測定ユニット（ＩＭＵ）が提供される。このＩＭＵは３つの磁力計を備え、これら３つの磁力計の各々は互いに直交する軸線に沿った磁界を検出するようになっていることが好ましい。

次に、添付図面を参照し、単なる例により本発明について説明する。

まず、図１を参照する。ここにはウィッケンデン外によって記述されたタイプ簡単なバータイプの磁力計２が示されている。この磁力計は第１電極６および第２電極８によって支持された共振バー４を備える。第１電極６および第２電極８はバー４の振動の基本モードの節ポイントに位置している。

バー４を通過する電流（Ｉ）が、磁界（Ｂ）と相互作用すると、平面外のローレンツ力（Ｆ）を発生する。使用に際し、第１電極６および第２電極８を介してバー４に交流ＡＣが加えられる。このイオン化されるＡＣの周波数は、共振バー４の共振周波数に一致しているので、平面内磁界（Ｂ）の存在下でデバイスは共振状態とされる。所定の印加電流に対し、共振の大きさは加えられた磁界の大きさを表示している。このローレンツ力効果は、すべての共振磁力計の作動原理となっている。

図２を参照すると、ここにはイザム外によって記述されたタイプの従来の共振磁力計が示されている。このデバイスは、第１脚部１１と、第２脚部１２と、クロスビーム１３とを有するサスペンドされた共振ビーム構造体１０を含む。各脚部の各端部はアンカーポイント１９において基板に固定されている。クロスビーム１３は複数のフィンガー電極１４を備え、これら電極１４はクロスビーム部分１３の各側面から垂直に突出得ると共に、基板の平面に平行となっている平面内にある。サスペンドされたクロスビーム部分１３の両側において、基板内には容量性ピックアップフィンガー電極の第１の組１５および第２の組１６が形成されている。このデバイスはサスペンドされたクロスビーム部分１３のフィンガー電極１４が、基板に形成されたフィンガー電極の第１の組１５および第２の組１６と互い違いとなるように配置されている。

サスペンドされた共振ビーム構造体１０は、基板の平面内の１つの軸線にて（すなわち図２のｙ軸線に沿って）自由に移動できる。使用中、駆動回路１７はサスペンドされた共振ビーム構造対１０の共振周波数でＡＣ電流を発生し、この電流を第１脚部１１に沿って通過させる。基板の（ｘ−ｙ）平面に垂直な方向に加えられた磁界は、共振ビーム構造体１０を共振させる（すなわちｙ軸線に沿って前後に振動させる）ローレンツ力を発生する。共振ビーム構造体１０が変位すると、クロスビーム部分のうちのフィンガー電極の第１の組１５およびフィンガー電極の第２の組１６とフィンガー電極１４に関連する容量が変わる。この容量の変化は容量性ピックアップ回路１８によって測定され、これによって印加された磁界強度を決定できる。

上記のように、図２に示された従来の構造には多数の欠点がある。例えば駆動回路１７は数ｋＨｚにつき１Ｈｚまで正確な周波数でＡＣ電流を発生できる周波数発生器を含んでいなければならない。回路１７によって加えられる駆動周波数が検出回路１８によって測定される共振周波数を常に一致するようにするには、周波数トラッキング回路（図示せず）も必要であり、かかる回路はシステムに電気的なノイズを発生させる原因となり、磁界がビーム構造体を共振状態に駆動したときには、共振周波数の尺度を提供するにすぎない。更に検出電極１５および１６は共振質量体の発信周波数で電気出力を発生するので、駆動回路に起因するノイズを検出し、磁力計の測定精度を低下させる。更に、第１脚部１１および第２脚部１２の固定−固定構造によって、機械的応力が累積することがあり、これによって最良の場合でもデバイスの共振周波数が変わったり、最悪のケースでは構造体全体が屈曲する。

図３（ａ）を参照すると、ここには本発明の自己共振磁力計２０が示されている。この磁力計２０はＳＯＩ基板から形成されたアクティブ領域２２と、関連する制御回路２４とを備える。

アクティブ領域２２は、第１脚部２８、第２脚部３０およびクロスビーム３２を有するサスペンドされた共振ビーム構造体２６（すなわちサスペンドされた質量体）を備える。このクロスビーム３２は、かなりの量の質量体を追加することなく、高度の剛性を提供するためのボックス部分として形成されている。かかるボックス部分のクロスビームを設けることによって、ねじれた振動モードの励起が防止されている。

第１脚部２８の両端は第１アンカーポイント３４および第２アンカーポイント３５のそれぞれにおいて基板に物理的に取り付けられている。同様に、第２脚部３０の両端は、第３アンカーポイント３６および第４アンカーポイント３７のそれぞれにおいて基板に物理的に取り付けられている。第１脚部および第２脚部の各端部には物理的な応力を低減するための応力軽減ループ３８が設けられている。次に、図４を参照し、応力軽減ループの構造および作動についてより詳細に説明する。

サスペンドされた共振ビーム構造体２６のクロスビーム部分３２は、複数のフィンガー電極４０を支持しており、これらフィンガー電極はクロスビーム部分３２の各側面から垂直に突出すると共に、基板の平面内にある。サスペンドされたクロスビーム部分３２の両側にて、基板内には容量性検出フィンガー電極の第１の組４２および第２の組４４が形成されている。このデバイスはサスペンドされたクロスビーム部分３２のフィンガー電極４０がフィンガー電極の第１の組４２および第２の組４４と互い違いとなるように配置されている。後述するように、このような電極構造によってサスペンドされた共振ビーム構造体２６の移動を容量により検出できるようになっている。基板内には一対の駆動電極４６も形成されており、これら電極はクロスビーム部分３２によって支持されたフィンガー電極４７の端部の対の近くに位置している。

使用に際し、デバイスはいわゆる自己共振モードで作動される。サスペンドされた共振ビーム構造体２６は駆動電極４６の対に駆動電圧を印加する静電駆動回路４８によって共振するように、静電力によって駆動される。共振ビーム構造体の移動は、フィンガー電極の第１の組４２および第２の組４４を使用する差動容量の検出によって検出される。この容量検出信号は差動アンプ５０へ送られ、９０度の位相シフト回路５２（または微分回路）を介して静電駆動回路４８へ送られる。このように、共振ビーム構造体２６を静電的に駆動するのに使用される容量検出によって発生される信号により、正の電子フィードバックループ構造が実現される。

差動アンプ５０によって発生される出力信号も、クリッパー電流駆動回路５６を介し、差動駆動回路５８へ送られる。分極電源６０も設けられており、第１アンカーポイント３４を介して第１脚部２８に分極電圧（Ｖ）＋ΔＶを印加し、第２アンカーポイント３５を介して第１脚部２８の他端部に分極電圧（Ｖ）−ΔＶを印加するように差動駆動回路が構成されている。分極電圧（Ｖ）は第３アンカーポイント３７および第４アンカーポイント３８において第２脚部３０の両端に印加される。

電圧源回路であるこの差動駆動装置により、クロスビーム３２を所望する分極電圧（すなわち分極電圧源６０が供給する電圧）に維持しながら、サスペンションの第１脚部をＡＣ電流が流れることができるようになっている。クロスビームを固定された電圧に維持することにより、低ノイズの容量性検出を行うことが可能となっている。サスペンションの抵抗変化に起因する電流の流れの不確実性を潜在的に導入するΔＶのレベルを固定したり、またはこの電流をモニタし、電流の大きさを一定に維持するようにΔＶを変えることができる。

従来技術の磁力計デバイスと異なり、別個の周波数発生電源を使って磁力計２０内で使用されるＡＣ電流を発生しないが、この電流はサスペンドされた共振ビーム構造体２６の振動から直接誘導されていることについて再び強調すべきである。このフィードバック構造はノイズレベルを低減すると共に、Ｑ増幅が常に最大となることを保証する。

共振ビーム構造の振動の大きさは、静電駆動力とローレンツ力との合計に応じて決まることは明らかである。図３に示されている構造では静電駆動の大きさは一定に維持される。すなわち磁力計は、一定の駆動モードで作動される。整流／フィルタ回路５３を通過した後の差動アンプ５０の出力は、信号ライン５４に出力信号を発生するが、この出力信号は運動の大きさに関連しており、従って加えられた磁界の強度を表示している。

一定駆動モードでは、測定すべき最大の磁界が加えられたときにもデバイスが共振状態を維持するように、静電駆動レベルを十分大きく選択しなければならない。換言すれば、印加される磁界および静電駆動機構によって誘導される合成力は、サスペンドされた共振ビームを端部のストッパーに衝突させることなく、共振状態を維持するよう常に十分大きくなっていなければならない。印加される磁界が共振状態を停止させるかまたはビームを端部のストッパーに衝突させた場合でも、デバイスは通常、故障せず、磁界強度またはＡＣ電流を低減したときに（再較正を必要とすることなく）再び正常に作動する。

磁力計は一定駆動モードで作動する代わりに、振動振幅を一定に維持するために静電駆動信号の振幅を変えるための制御ループを含むことができる。すなわち磁力計は一定振幅モードで作動する。

印加される駆動電圧の振幅はデバイスに加えられる磁界強度を表示する。

上記容量ピックオフ装置は、いわゆる変位電流検出器である。かかる構造では、分極電流は適当なＤＣレベルに固定され、増幅電子回路（すなわち差動アンプ５０など）はデバイスの共振周波数で作動する。集積ユニットまたはアプリケーション特定集積回路（ＡＳＩＣ）で一般に使用されるＣＭＯＳのピックオフ増幅器に対し、この作動周波数は増幅器の１／ｆノイズ内にあり、従って、デバイスの信号対ノイズ比は低減される。

これらＩ／ｆノイズ効果を低減するために、高周波（例えば１ＭＨｚ）のプローブ信号を使って容量を検出できる。これに関連し、「高周波」とはアンプのＩ／ｆノイズ領域よりも上にあり、更に振動構造体の機械的応答よりも上にある周波数を意味する。分極電圧源６０によって発生される分極電圧は、高周波プローブ信号となり、適当な利得後の容量ピックオフの出力は復調およびフィルタリングを必要とする。かかるシステムのためのフィードバックループは、９０度の位相シフト回路５２の代わりに１８０度の位相シフト手段（図示せず）を有する上記ベースバンド実施例として完成される。

磁力計をコンパスとして作動させるために必要なＱを得るために、磁力計を低圧環境内にパッケージできる。このＱは圧力におおいに依存し、圧力は感度およびバンド幅に影響する。このデバイスの別の利点は、較正目的のためにＱを直接測定するのにもデバイスを使用できることである。ビーム構造体２６を通過したＡＣ電流がオフにされると、駆動電極４６を介し、静電駆動回路４８によって加えられる静電力のみが、サスペンドされた共振ビーム構造体２６を共振状態に駆動するように働く。かかる場合、振動運動の大きさ（または低振幅モードで作動する場合に加えられる駆動力）は、Ｑに関連する。

１つはＱを測定するために、他方は磁気センサとして使用するように、２つの効果的なデバイスを同時に使用し、双方の測定値を同時に利用できるようにすることも有利である。デバイスのまわりのウェーハ上に平面状コイルを設けることによって較正を行うこともできる。この平面状コイルを通過するように送られる既知の電流はデバイスに既知の磁界を発生する。

上記のように、図３（ａ）に示されたデバイスのサスペンドされた共振ビーム構造体２６は、基板内に形成された一対の駆動電極４６およびクロスビーム部分３２によって支持された対応するペアのフィンガー電極４７を使用して静電的に駆動される。図３（ｂ）は、静電櫛歯駆動構造を使用した別の実施例を示す。図３（ｂ）の構造では、複数のフィンガー電極を備えた電極構造体１４７をクロスビーム３２が支持する。基板には対応する駆動電極１４６が形成され、基板の細長い駆動電極１４６は電極構造体１４７のフィンガー電極と互い違いとなっているので、これらは静電櫛歯駆動体を構成している。この櫛歯駆動構造体は加えられる静電力の変位依存性を低減し、更にサスペンドされたビーム構造体２６の移動の歪みも低減する。当業者であれば、本発明のデバイスで使用できる種々の別の駆動装置についても想到できよう。

図４を参照すると、ここには本発明の磁力計に設けるのに適当な別の容量性ピックアップ構造体が多数示されている。図４（ｂ）は、図３（ａ）のデバイスで使用される構造を示しているが、図４（ａ）および４（ｃ）は別の構造を示している。

図４（ａ）はイザム外が記述したタイプの、いわゆる単一目的のピックアップ構造体を示している。サスペンドされたクロスビーム８０は、基板のフィンガー電極の２つの組８４および８６と互い違いになっている多数のフィンガー電極８２を備える。クロスビーム８０がｙ方向に移動すると、構造体の容量が変化し、クロスビームの変位量を表示する。この構造体の欠点は駆動回路のフィードスルーに起因するビームの移動および周辺電気回路の電気的な影響に起因し、電気信号を分離することが困難なことである。

（上記図３を参照して説明した構造に類似する）図４（ｂ）に示された差動ピックアップ構造体により、低いレベルの関連ノイズでも測定を行うことが可能となっている。互いに横方向にずれているフィンガー電極の２つの組４２と４４との間にはクロスビーム３２が位置する。クロスビーム３２が移動する結果、一組のフィンガー電極、すなわち電極４２から運動によって誘導される信号が発生されるが、この信号は他方の組の電極４４から発生された運動で誘導された信号と位相がずれている。これと対照的に、電極４２および４４の各々によって生じた信号に関連するノイズは明らかに位相が合っている。従って、電極４２および４４によって生じた信号を減算すると、不要なバックグラウンドノイズの大部分が除かれるが、クロスビームの誘導によって誘導された信号が加えられる。この理由から、差動ピックアップ構造体が好ましい。

図４（ｃ）は、基板に形成された２組のフィンガー電極９２と９４の各々が、２つに分割された別の差動ピックアップ構造体を示す。これによって両側が対照的となっており、よってピックアップ回路が発生する静電力をバランスさせ、ねじり運動を与えることを防止する電極構造体が得られている。

図３を参照して説明したように、本発明の磁力計は応力軽減ループを内蔵するサスペンション（すなわちサスペンドされた共振ビーム構造体２６）を含む。次に図５を参照すると、ここには共振磁力計で使用するのに適した２つの機械式応力軽減構造体が示されている。

図５（ａ）は、中心質量体１０２を支持し、アンカーポイント１０４において基板に係止されている共振ビーム１００を示す。サスペンションの各端部には応力軽減ループ１０６が設けられている。図５（ａ）に示された応力軽減ループは、印加磁界によって誘導される力に影響せず、応力を軽減すると共に、サスペンションをより線形な形態で作動できるようにするという２つの利点を有する。

図５（ｂ）に示されるように、ループの代わりに共振ビーム１００の各端部に折りたたみ部１０８を形成できる。これら折りたたみ部１０８は電流が各方向に流れる距離が等しくなるように配置されている。これによって、折りたたみ部１０８に沿って流れる電流と、印加磁界の相互作用に起因して生じるローレンツ力がバランスすることが保証される。

加速度計のような他のＭＥＭＳデバイスでは、これまで種々の応力軽減構造体が使用されてきた。例えば図５（ｃ）は、２つのアンカーポイント１１２にて基板に取り付けられている加速度計のための従来の折りたたみバックビーム１１０を示す。当業者であれば、ローレンツ力は逆方向（すなわち折りたたみ部の上下）に流れる電流に起因してキャンセルするので、磁力計においてかかる折りたたみサスペンションを使用しなかった。

従って、図５（ａ）および５（ｂ）に示されたタイプの応力軽減手段を形成することによって、磁力計デバイス全体および特にイザム外のデバイスに関連する多数の問題が解決された。まず第１に、基板内の応力はビームを屈曲させ、デバイスを故障させ得る。この応力はパッケージとデバイスとの熱のミスマッチによって生じることがあり、更にＳＯＩの製造からの残留応力によっても生じ得る。この応力軽減手段はこのような屈曲が生じるのを防止する。第２に、固定−固定ビームの剛性は振幅と線形ではないので、振動の振幅と共に共振周波数が変化する。応力軽減ループまたは折りたたみ部を設けることによって、このような非線形性が小さくなっている。

図６を参照すると、ここには本発明にかかわるデバイスの製造方法が示されている。

図６（ａ）は機械シリコン層１２０と、犠牲酸化膜１２２と、ハンドルウェーハ１２４とを含むＳＯＩ基板を示す。図６（ｂ）に示されるように、シリコン層１２０上には酸化膜１２４がデポジットされており、この酸化膜はマスクを構成するようにエッチングされている。図６（ｃ）を参照すると、ここにはマスク酸化膜１２６を通って犠牲酸化膜１２２までにどのように機械式シリコン層１２０をエッチングしたかが示されている。次に、金属膜１２８によりブランケットをコーティングし、図６（ｅ）に示されるような低オーミック導線を形成する前に、図６（ｄ）で示されるように犠牲酸化膜の一部を除去することにより、機械式シリコン層１２０内に形成されたサスペンドされた構造体を解放する。

図７は、ＳＯＩウェーハに形成された本発明の磁力計の顕微鏡写真を示す。磁力計の応力軽減構造体は参照番号１３０によって表示されている。

上記概略を述べた金属被覆されたＳＯＩプロセスを適宜使用できるが、このデバイスはＬＩＧＡに類似するプロセスを使って電気形成された金属からも製造できる。実際に当業者であれば本発明の磁力計を製造するのに利用できる多数の技術について想到できよう。

最後に、磁力計は慣性測定ユニット（ＩＭＵ）内で測定するための別の慣性センサとパラレルに製造できると理解すべきである。従って、単一チップは加速度計、磁力計およびジャイロスコープまたはこれら３つの組み合わせを含むことができる。かかる３つのチップはコンパクトなシリコンの自由度が６度のＩＭＵで使用できる。

従来のＭＥＭＳ磁力計の作動の基本原理を示す。 平面内で振動する従来のＭＥＭＳ磁力計の作動を示す。 本発明のＭＥＭＳ磁力計を示す。 本発明のＭＥＭＳ磁力計を示す。 図３に示されたタイプのＭＥＭＳ磁力計で使用できる多数の電極構造を示す。 図３に示されたタイプのＭＥＭＳ磁力計で使用できる多数の電極構造を示す。 図３に示されたタイプのＭＥＭＳ磁力計で使用できる多数の電極構造を示す。 磁力計の性能を改善するための折りたたまれたビームの使用を示す。 磁力計の性能を改善するための折りたたまれたビームの使用を示す。 従来のバック折りたたみビームを示す。 ＭＥＭＳ磁力計を製造するのに使用できるプロセスを示す。 ＭＥＭＳ磁力計を製造するのに使用できるプロセスを示す。 ＭＥＭＳ磁力計を製造するのに使用できるプロセスを示す。 ＭＥＭＳ磁力計を製造するのに使用できるプロセスを示す。 ＭＥＭＳ磁力計を製造するのに使用できるプロセスを示す。 本発明の磁力計のマイクロ写真を示す。

Claims (22)

1. 振動部材と、該振動部材に交流電流（ＡＣ）を通過させるための手段とを備えた共振磁力計において、
   振動部材が少なくとも２つの可撓性脚部部分を備え、前記少なくとも２つの可撓性脚部部分のうちの少なくとも１つを前記交流電流が通過され、
   振動部材が、前記少なくとも２つの脚部部分に対して実質的に垂直に配置され、かつ、これら脚部部分を相互に接続するようになっている実質的に剛性のクロスビームを備え、
   前記振動部材に磁界から独立した振動力を加えるための駆動手段が更に設けられ、
   前記駆動手段は、検出手段からの出力に基づく入力を有する増幅器を含み、前記検出手段は、前記振動部材の屈曲に応じた電気出力信号を発生し、
   前記検出手段が前記基板に設けられ、前記振動部材との間に可変容量を有する少なくとも１つのセンサ電極を含み、
   前記検出手段が基板に位置する複数の細長いセンサ電極を備え、前記振動部材が前記複数の細長いセンサ電極と互い違いになっている複数の細長い電極を含み、
   前記交流電流は、別の周波数発生源を使用することなく、前記振動部材の振動から直接誘導され、前記増幅器は、正のフィードバック自己共振駆動信号を、前記振動部材に実現することを特徴とする共振磁力計。
2. 前記駆動手段が前記検出手段によって発生された電気信号を受信するための正のフィードバック回路を含む請求項１記載の共振磁力計。
3. 前記駆動手段が固定された振幅の振動力を発生する請求項２記載の共振磁力計。
4. 前記駆動手段が調節可能な振幅の振動力を振動部材に与えるようになっており、前記振動部材の振動の所定の振幅を得るように、使用中、前記駆動手段によって印加される振動力の振幅を調節する請求項２記載の共振磁力計。
5. 前記振動部材にＡＣを通過させるための手段が前記検出手段によって発生された電気出力信号を受信するようになっているフィードバック回路を含む請求項１乃至３の何れか１項記載の共振磁力計。
6. 前記振動部材の電極が所定の直流（ＤＣ）分極電圧に維持されている請求項１記載の共振磁力計。
7. 前記振動部材の電極に高周波のＡＣ分極電圧が印加される請求項１記載の共振磁力計。
8. ２つの電極の組を形成するように前記複数のセンサ電極が電気的に接続されており、これら２つの電極の組が差分容量ピックオフ信号を発生するようになっている請求項１乃至７の何れか１項記載の共振磁力計。
9. 振動部材にＡＣを通過させるための手段が前記ＡＣの振幅を変えるための手段を含む請求項１乃至８の何れか１項記載の共振磁力計。
10. 前記駆動手段が前記振動部材に振動力を静電的に制限的に加えるよう、前記基板に形成された少なくとも１つの駆動電極を備える請求項１乃至９の何れか１項記載の共振磁力計。
11. 前記駆動手段が前記基板に形成された複数の細長い第１駆動電極を備え、前記振動部材が複数の細長い第２の駆動電極を備え、第１の細長い駆動電極が第２の細長い駆動電極と互い違いになっている請求項１乃至１０の何れか１項記載の共振磁力計。
12. 前記振動部材が共振ビームを備える請求項１乃至１１の何れか１項記載の共振磁力計。
13. 前記クロスビームがこのビームから垂直に突出する複数の細長い電極を備える請求項１乃至１２の何れか一項に記載の共振磁力計。
14. 前記クロスビームが所望する分極電圧を受けるように、前記振動部材に交流電流（ＡＣ）を通過させるための手段が、前記脚部部分に差分ＡＣ電圧を供給するようになっている請求項１乃至１３の何れか一項に記載の共振磁力計。
15. 前記振動部材が前記基板の平面に平行な平面内の軸線に沿って振動するようになっている請求項１乃至１４の何れか１項記載の共振磁力計。
16. 前記振動部材が少なくとも１つの応力軽減手段を備える請求項１乃至１５の何れか１項記載の共振磁力計。
17. 前記少なくとも１つの応力軽減手段が応力軽減ループを備える請求項１６記載の共振磁力計。
18. 前記磁力計がマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）として形成されている請求項１乃至１７の何れか１項記載の共振磁力計。
19. 前記基板および振動部材がシリコンを含む請求項１乃至１８の何れか１項記載の共振磁力計。
20. 前記基板および振動部材がシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハおよびシリコンオングラス（ＳＯＧ）ウェーハのうちのいずれか１つから形成されている請求項１９記載の共振磁力計。
21. 請求項１乃至２０の何れか１項記載の少なくとも１つの共振磁力計を含む慣性測定ユニット（ＩＭＵ）。
22. ３つの共振磁力計が設けられており、これら３つの共振磁力計のうちの各々が相互に直交する軸線に沿って磁界を検出するようになっている請求項２１記載のＩＭＵ。

Images