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KR100274837B1 - 디지탈 가속도계와 가속 검출 방법 - Google Patents

디지탈 가속도계와 가속 검출 방법 Download PDF

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KR100274837B1
KR100274837B1 KR1019930007281A KR930007281A KR100274837B1 KR 100274837 B1 KR100274837 B1 KR 100274837B1 KR 1019930007281 A KR1019930007281 A KR 1019930007281A KR 930007281 A KR930007281 A KR 930007281A KR 100274837 B1 KR100274837 B1 KR 100274837B1
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KR
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acceleration
sensing
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KR1019930007281A
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Inventor
이. 넬슨 윌리엄
Original Assignee
윌리엄 비. 켐플러
텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

디지탈 가속도계는 미소- 기계적인 감지 소자(12)의 어레이(11a-11e)로부터 제조된다. 서로 다른 어레이(11a-11e)의 상기 감지 소자(12)는 다른 방향으로의 가속에 대한 그 응답이 최소로 되도록 특수한 회전 또는 병진 방향으로의 가속을 검출하도록 설계되었다. 더욱이, 상기 감지 소자(12)는 가속에 대한 그 주파수 응답과 진폭 감도를 변화시키기 우해 조정될 수도 있는 크기와 시험 매스의 파라미터를 갖는다. 감지 소자(12)의 어레이(11a-11e)는 주파수 레벨과 각 주파수에서의 진폭범위 검출을 제공한다. 가해진 가속의 알맞는 주파수 및 진폭에서, 감지 소자(12)는 전극(126)에 접촉하기 위해 이동하여 데이터 비트로서 기억될 수 있는 전기 신호를 발생시킨다. 메모리(15)와 처리 장치(16)과 결합하여 사용될 때 상기 감지 소자는 결국 그 제조기술을 디지탈 처리장치에 사용된 것과 호환할 수 있는 지능형 가속도계가 된다.

Description

디지탈 가속도계와 가속 검출 방법
제1a도는 다수의 감지 어레이를 갖는 가속도계를 도시한 도면.
제1b도는 대표적인 감지 소자 및 그것으 접촉부와 리세트 전극을 도시한 도면.
제1c도는 감지 소자와 결합된 메모리셀 및 판독 선택회로의 개략도.
제1d도는 세가지 가능한 상태를 갖는 감지 소자의 출력을 기억하는 래치 회로의 개략도.
제2도는 상향 및 하향 방향의 검출하는 데 사용되는 제1a도 내지 제1d도의 한 어레이의 부분을 도시한 도면.
제3a도 및 제3b도는 제2도에서 하나의 감지 소자를 도시한 도면.
제4도는 제2도의 어레이 제조를 도시한 단면도.
제5도는 가속 주파수 및 진폭 모두를 측정하기 위해 제1a도 및 제1d도에서 어레이의 감지 소자 배열을 도시한 도면.
제6a도 및 제6b도는 좌우방향의 가속을 검출하기 위한 감지 소자를 도시한 도면.
제7도 및 제8도는 전후 또는 좌우 회전 가속을 검출하기 위한 감지 소자를 도시한 도면.
제9도는 다섯가지 유형의 가속도를 검출하기 위한 다수의 감지 소자를 갖는 가속도계를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11a-11e : 어레이 41 : 실리콘 기판
12 : 가속도계 42 : 절연층
21,61,71,81,91 : 감지 소자 44 : 이격층
23,74,83 : 힌지 45 : 박막 금속층
24,62,124 : 매스 46 : 후막 금속층
25, 82 : 빔 63 : 매스 지지 포스트
26 : 재료층 64 : 지지판
31,66,75 : 랜딩 전극 65 : 힌지 지지 포스트
32,67,76 : 리세트 전극 68 : 힌지 소자
33,127 : 메모리 셀 83 : 비틀림 힌지 소자
121 : 경사빔 122 : 힌지부
123 : 고정 연결 부재 125 : 리세트 및 시험 전극
126 : 접촉 전극 128 : 버퍼
129 : 워드선 130 : 비트선
본 발명은 지능형 감지 장치(intelligent sensing devices), 특히 마이크로프로세서가 내장된 디지탈 마이크로-가속도계에 관한 것이다.
위치를 감지하는 가속도계의 기본원리는, 가해지는 가속이 부착된 매스(mass)를 그 감지축(sensitive axis) 방향으로 강제적으로 움직이게 한다는 점이다. 이매스는 스프링, 또는 이 매스의 이동에 반작용하는 이와 유사한 부재에 부착됨으로써 스프링에서 나오는 힘이 가속으로 인해 질량이 받게되는 힘과 균형을 이룰때까지 이동한다. 트랜스듀서의 본체에 대한 상기 매스의 이동량을 측정함으로써 가속 그 자체를 산출하는 것이 가능하게 된다. 다른 가속도계는 응력변형을 측정(strain-measuring)하는 것으로, 관성 질량에 의해 유도된 응력 또는 상기 매스를 지지하는 스프링에 의해 유도된 응력변형을 감지하는 압전 또는 압력에 저항하는 (piezo-resistive) 재료(material)를 갖는다.
가속도계의 용도에는 잠금 방지 브레이크 시스템(antilock breaking systems), 승차 중지 시스템(ride suspension systemes), 비행중 항공기 감시장치(in-flight aircraft monitoring)가 있으며, 상기 모두는 소형이며, 비용이 비싸지 않고 신뢰성있는 장치를 필요로 한다. 실시간(real-time) 감시장치에서는 인라인(in-line) 디지탈 처리장치가 가속도계를 제어하고 그 출력을 해독한다.
대부분의 가속도계는 측정값이 가속 주파수 또는 진폭에 따라 변하는 전류라는 의미에서 아날로그식이다. 그러나, 일부의 가속도계는 가속에 응답하여 "스프링"이 전기적으로 접촉하거나 또는 전기 접촉을 단절시킨다는 의미에서 디지탈식이다. 각각의 감지 소자가 점차적으로 보다 높은 응답 임계값을 각각 갖고 그 임계값에 도달될 때 전기 접촉하도록 일련의 감지 소자가 제공된다. 이와같은 성질을 갖는 디지탈 가속도계는 IEEE Trans.Elec. Devices, ED-19, No. 1(1972년 1월), "집적 회로 기술에 적합한 초소형 일체형 임계값 가속도계(Microminiature Ganged Threshold Accelerometers Compatible with Intergrated Circuit Technology)"라는 명칭의 논문에 설명되어 있다.
기존의 많은 가속도계는 가속도계의 출력을 분석하는 데 사용되온 디지탈 제어기 및 프로세서에 비하여 그 크기가 크다는 점에서 한계가 있다. 디지탈 가속도계에 있어서 특히 중요하게 고려되어야 할 것이 크기인데, 그 해결책은 감지 소자를 어떠한 방식으로 설치하느냐에 달려있다. 또한, 기존의 많은 가속도계를 제작하는 공정은 디지탈 처리 부재용으로서 사용되온 공정에 적합하지 않기 때문에 이들을 디지탈 처리회로와 결합하기 위해서는 하이브리드(hybrid assembly)가 필요하다는 것이다. 따라서 "지능형 가속도계"를 만드는데에 있어서는 제조 비용이 상승된다.
가속도계의 크기를 줄이려는 시도로 결국 실리콘 제조기법을 사용하여 제조될 수 있는 마이크로-가속도계를 제조하게 되었다. 상기 장치는 통상적으로 실리콘의 전기적 성질에 반대되는 기계적 성질을 이용하는 약간의 실리콘으로부터 만들어진 매스와 스프링을 갖는다. 한 가지 유형의 마이크로-가속도계는 가속으로부터 나오는 힘에 의하여 휠 수 있도록 식각된 공동(cavity)위로 연장하는 작은 캔틸레버(cantilever) 빔 구조를 갖는다. 다른 유형의 마이크로-가속도계는 유연성있는 힌지 상에 피스톤과 같은 구조를 사용한다.
기존의 마이크로-가속도계는 많은 제약을 갖고 있다. 감지 소자는 종종 한방향 이상의 이동(motion)을 결합시키므로, 가속 방향을 분석할 수 없었다. 또한, 다른 여기력에 의한 주파수들 각각을 식별하지 못하였다. 게다가, 그 전기 접촉은 "고착(stuck on)" 상태의 영향을 받는다는 것이다.
디지탈 처리회로와 용이하게 일체로 되고, 가속력을 정교하게 분석하며 에러상태를 감소시키는 향상된 마이크로-가속도계가 필요하게 되었다.
본 발명의 한 특징은 병진 또는 회전 가속도, 또는 이들 모두를 검출하는 디지탈 가속도계를 제공하는 것이다. 임의의 가속 유형 및 방향에 대해, 감지 소자들의 어레이는 행과 열로 된 미소-기계적인(micro-mechanical) 감지 소자를 갖는데 이들 소자들 각각은 선정된 가속 주파수 및 크기에 대해 민감하게 반응한다. 각 감지 소자의 감도는 그의 다양한 매스와 크기 파라미터의 함수이다. 가해진 가속이 감지 소자의 감도 범위내에 있으면 감지 소자가 기울어지면서 전기 접촉하게 된다. 이와 같이 감지 소자가 스위치로서의 작용을 하여 메모리 셀내에 신호가 기억된다. 어떤 감지 소자들이 기울어져 있는지를 측정해서 가속 주파수 및 크기를 측정하는 프로세서에 의해서 메모리 셀이 판독될 수 있다.
본 발명의 기술적인 장점은 서로 다른 유형의 감지기 어레이가 제공된다는 것이데, 각 유형의 감지기 어레이는 수평이나 수직면에서의 병진 가속 또는 수평면에 있어서의 회전 가속을 판단한다. 각 어레이 유형의 감지 소자는 다른 어레이에 의해 측정된 가속에 대한 감도를 최소화시키도록 설계되어 있다. 또한, 고착 접촉(stuck contacts)으로 인한 고장을 방지하기 위한 리세트 수단이 제공되어 있다.
각각의 어레이는 각 주파수 레벨에서 가속 진폭은 물론 가속 주파수 레벨의 범위를 검출한다. 메모리와 교류하는 감지기 어레이와 프로세러를 갖는 "지능형 가속도계"는 주파수 및 진폭 데이터 모두에 기초하여 복잡한 기계적 패턴에 대한 분석을 제공한다. 이와같은 장치를 적용한 예로서, 가속도계를 탑재한 자동차를 고의적으로 충둘시켜 시간에 따라 충돌이 진행됨에 따라 모든 방향에서의 진동효과에 대한 모든 스펙트럼을 기록한다. 이러한 기록은 주파수, 진폭 및 시간에 있어서 분명한 특징을 갖는다. 이 분석을 사용하여 기억된 기록을 갖는 지능형 가속도계는 제동장치(restraint systems)의 제동을 향상시키기 위해 사용자의 자동차에 설치될 수 있다.
지능형 가속도계는 눈금 조정을 필요로 하지 않는다. 소정시간의 이벤트(event)에 대한 가속패턴이 실험적으로 산출되거나 또는 얻어질 수 있다. 상기 장치에 대한 제조공정에 의하면, 모든 장치가 비슷하기 때문에 검사장치에 의해 검출된 가소 패턴은 다른 장치에 적용된 인가된 동일한 가속에 반복될 수 있다. 가속도계의 디지탈적인 특징으로 온도 변화의 효과, 열화 또는 다른 형태의 눈금 조정 및 오프셋에 설계상의 장점이 있다.
병진가속의 검출을 포함하는 가속도계의 특징들은 이하 제1a도 내지 제6b도와 관련하여 설명되어 있다. 회전가속을 검출하는 가속도계의 다른 특징은 제7도 내지 제8도와 관련하여 설명되어 있다. 마지막으로, 병진가속은 물론 회전가속을 모두 검출하기 위한 전천후 가속도계가 제9도와 관련하여 설명되어 있다.
제1a도는 다수의 감지 어레이(11a-11c)로 구성된 감지 소자의 층을 갖는 가속도계 장치를 도시한 것이다. 각각의 어레이(11a-11c)는 서로 다른 방향에서의 병진가속을 검출한다. 상기 방향은 세 개의 각 축이 상호 직교하는 종래의 데카르트식 좌표시스템(Cartesian coordinate systems)의 x-y-z축에 대응하는 것으로 표시되어 있다.
가속도계(10)은 가속을 측정하기 위한 3-축 수단(tri-axial)을 제공한다. 각 방향에 속하는 데이터가 얻어질 수 있으며, 합성 가속도값을 산출하는데 벡터 해석이 사용된다. 단지 한 방향에서의 가속의 검출을 바라는 경우에는 어레이(11a-11c)중 단지 하나의 어레이만이 사용될 수 있다.
각각의 어레이(11a-11c)는 미소-기계 감지 소자(12)의 행과 열로 구성되어 있다. 각 어레이(11a-11c)는 세 가지 병진방향중 한 병진방향에서의 감지를 위해 특별히 설계된 유형의 감지 소자(12)를 갖는다. 또한, 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 각 어레이(11a-11c)내의 감지 소자(12)는 구조에 따라 변하므로, 선정된 주파수에서 감지 소자(12)가 공명하며, 선정된 가속 진폭에서 임계 감도를 갖는다.
여러 가지 관점에서 각 어레이(11a-11c)의 감지 소자(12)를 이하에 상세히 설명하지만, 그 구조와 제조는 공간 광 변조 응용을 위한 "변형가능한 미러 장치(Deformable Mirror Devices; DMD)"에 사용된 것과 유사하다. 이와같은 장치는 본 발명의 참조 문헌으로서 사용된 "공간 광 변조기 및 방법(Spatial Light Modulator and Method)"이라는 명칭의 미합중국 특허 제 5,061,049호에 설명되어 있다. 이하에 나타낸 것과 같이, 본 발명에서 설명된 가속도계는 미소-기계 어레이 제조공정을 그 메모리 셀용 CMOS 제조에 적용할 수 있다는 점에서 SLM과 동일한 제조상의 장점이 있다.
제2a도 내지 제6b도와 관련하여 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 각각의 감지 소자(12)는 공진 주파수에서 그리고 진폭 감도의 임계값 이하에서 가속에 영향을 받았는지의 여부에 따라 온 또는 오프(on or off)신호중 어느 한 신호를 발행한다. 특히, 각 감지 소자(12)는 가속될 때 약간 이동되는데, 상당히 이동되게 되면 감지 소자(12)가 전기 접촉부를 클로즈(close)한다. 이와같은 스위칭 작용으로 전기 신호가 발생되는데, 즉 이 전기 신호는 메모리 셀로 전달되어 데이터 비트로서 기억될 수 있다. 각각의 감지 소자(12)는 온 또는 오프상태를 기억하는 적어도 한 개의 메모리 셀과 연통한다. 제1A도에서, 상기 메모리 셀은 감지 소자 메모리(15)를 형성한다.
제1b도는 제2도 내지 제8도와 관련하여 설명될 여러 가지 감지 소자를 대표하는 감지 소자(12)를 도시한 것이다. 일반적으로, 각각의 감지 소자(12)는 어느 정도 경사진 빔(121)을 갖는다. 각각의 빔(121)은 각 자유 단부에 힌지부(122), 강성 접속 부재(123) 및 시험 매스(proof mass)(124)를 갖는다. 이하에 설명되는 바와 같이, 수직 가속을 검출하도록 설계된 감지 소자는, 하나의 자유 단부, 즉 한쪽으로 경사진 위치만을 갖는다. 이것은 감지 소자가 기울어지거나 또는 기울어지지않은 상태중 어느 한 상태를 갖는다는 점에서 "2-상태(bi-state)"의 감지 소자라 할수 있다. 다른 감지 소자는 수평면에서의 변진가속 또는 수평축에 대한 회전가속을 검출하도록 설계되어 있다. 상기 감지 소자는 기울어지지 않은 위치뿐만 아니라 가능한 2개의 기울어진 위치를 갖는다는 점에서 "3-상태(tri-state)"라 할 수 있다.
제1b도의 감지 소자(12)는 세 가지 상태를 가지며, 기울어지지 않은 또는 중립 상태로 도시되어 있다. 점선으로 도시된 편향된 위치는 제2 상태, 즉 시계 반대 방향으로 회전된 것을 나타낸다. 제3 상태는 시계방향으로 회전되는 것이다.
감지 소자(12)의 입/출력 회로는 감지 소자(12)의 각 상태에 대한 리세트/시험 전극(125)와 랜딩(landing) 전극(126)으로 구성되어 있다. 동작은, 어레이(11)에 가해진 소정의 외부적 기계 가속에 소정의 기계적 응답, 즉 각 감지 소자(12)의 기울어짐에 영향을 미치는가 하는 점이다. 각각의 응답은 랜딩 전극(126)을 경유하여 전기적으로 응답에 영향을 미치거나 미치지 않을 수 있다.
프로세서(16)에 의한 순차적인 판독을 위해 각각의 랜딩 전극(126)으로부터의 입력을 기억하는 것이 필요하다. 빔(121)은 마이크로 스위치로서 작용하여 메모리 셀(127)에 데이타를 기록한다. 만약 감지 소자(12)가 제1B도의 경사진 두 가지 상태와 같이 한 개 이상의 경사진 위치를 갖는다면, 각 감지 소자(12)는 각 상태의 데이터를 기억할 수 있는 메모리 셀(127)을 갖는다.
또한, 각 감지 소자(12)가 시험을 위한 선택된 상태로 세트될 수 있도록 각 감지 소자를 어드레스할 수 있는 것이 필요하다. 모든 감지 소자(12)는 선택된 시험상태로 동시에 어드레스될 수도 있으며, 프로세서(16)의 제어하에 무작위(random)어드레싱은 필요하지 않다. 시험적으로 리세트 전극(125)는 소정의 상태로 모든 감지 전극(12)를 공통적으로 통전시키는데 사용된다. 제1C도에서, 시험 및 리세트를 위해, 위상전압(θA및 θB)에 의해 경사진 상태가 제어된다.
세번째 요구되는 기능은 모든 감지 소자(12)가 기울어지지 않은 위치로 리세트될 수 있도록 리세트 펄스를 구현하는 능력이다. 리세트할 경우에, 전압이 너무 높으면 사실상 CMOS 회로내에서는 스위치가 되는 빔(121)에 직접 인가될 수 없다. 그 대신에, 리세트 전극(125)를 거쳐 격리된 공기갭(air gap)부분에 리세트가 인가된다. 리세트 동작은 본 발명의 참조 문헌으로서 사용된 "공간 광 변조기 및 그 방법"이라는 명칭의 미합중국 특허 제 5,096,279호에 기술되어 있다.
제1c도는 감지 소자(12)에 의해 접촉이 발생하거나 또는 발생하지 않는 것을 기억 및 판독하기 위한 메모리 셀(127)의 개략도이다. 감지 소자(12)가 공지된 상태로 프리세트(preset)되고 접촉이 이루어 질 때 다른 상태로 스위치되어야 하기 때문에 감지 소자(12)의 각 경사진 상태에 대해 메모리 셀(127)이 요구된다. 양호한 실시예에서 SRAM(정적 랜덤 억세스 메모리)셀은 이들이 불휘발성의 성질을 갖고 있어서 사용된다.
오랜 기간동안 신뢰성을 보장하기 위하여, 제1c도에 스위치로서 표시된 각 감지 소자(12)는 버퍼(128)에 의해 보호되어 있다. 이렇게 함으로써 감지 소자(12)가 접촉전극(126)과 접촉되어 전류 흐름이 제한 되어 최소 전위차가 발생된다.
메모리 셀(127)은 교차 결합(cross-coupled)된 인버터(Q1-Q4)와 상보 판독-기록 통과 게이트(complementary read-write pass gates)(Q5와 Q6)을 갖는 6-트랜지스터 SRAM 셀이다. 워드선(129)는 시험동작 또는 판독하기 위한 셀을 선택하며, 비트선(130)은 메모리 셀(127)의 상태를 사전 선택하는 것을 가능하게 하며 다음에 그 상태를 판독하는 것을 가능케 한다.
제1d도는 출력을 기억하고 시험 및 리세트 기능을 수행하기 위한 3-상태 래치(133)을 도시한 것이다. 래치(133)은 감지 소자(12) 가 세 개의 가능한 상태를 가질 때 두 개의 메모리 셀(127)을 사용하여 어느 하나를 선택한다. 출력은 노드(A, B)에서 판독된다. 래치(133)는 0,0상태로 프리세트되므로 1,0 또는 0,1출력중 어느 한 출력을 제공하여 두 개의 기울어진 상태중 어느 한 상태를 나타낸다.
다시, 제 1a도를 참조하면, 다른 DRAM 또는 SRAM 메모리 디바이스는 종래의 메모리 장치 제조로 구현되는 것을 포함하는 메모리(15)에 사용될 수 있다. 적합한 메모리(15)의 중요한 특징은 소정의 지점에서 각 감지 소자(12)의 상태를 나타내는 데이터를 수신하기 위한 입력수단을 갖는다는 것과 상기 데이터를 프로세서(16)으로 전달하기 위한 출력 수단을 갖는다는 것이다.
프로세서(16)은 종래의 마이크로프로세서 장치라도 관계없다. 적합한 프로세서(16)의 예는 모토롤라 인코포레이티드(Motorola Inc.)사가 제조한 MC68HC05C9, 또는 텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드사가 제조한 TMS 1000이다. 두 가지 모두 프로세서 버스(16a)를 거쳐 어레이(11a-11c)로부터 데이터를 판독하기 위한 입력수단을 갖는다. 또한, 두 가지 모두는 다이나믹(DRAM) 또는 스태틱(SRAM) 메모리, 또는 두 가지 모두를 포함할 수 있는 온-보드(on-board) 메모리(18)을 갖는다. 프로세서(16)가 온-보드 메모리(18)을 갖는 경우에, 상기 메모리(18)의 일부는 메모리(15)용으로 사용될 수 있다. 프로세서(16)은 디코더(17)에 의해 디코드되며, 판독될 감지 소자(12)의 어레이, 즉, 열 및 행을 나타내는 어드레스를 공급함으로써 메모리(15)를 억세스한다.
소정의 시점에서, 각 감지 소자(12)의 온 또는 오프 상태는 프로세서(16)에 의해 판독된다. 프로세서(16)은 메모리(15)를 통해서 폴(poll)하거나 또는 가속에 의해 중단(interrupted)되어 프로세서로 하여금 메모리(15)를 판독하게 할 수 있다. 그 결과가 소정의 가속 패턴을 포착하는 한 세트의 바이너리 워드가 된다. 이 패턴은 프로세서(16)에 의해 판독 전용 메모리(ROM)의 참조표(look-up table)를 사용하는 것 등에 의해서 메모리(18)내에 이전에 감지되어 기억되어 있는 공지된 패턴과 비교된다. 모든 감지 소자(12)의 상태를 판독하는 것에 대한 다른 실시예로서, 한 세트의 선정된 감지 소자(12)가 판독되고, 그 결과로 나타나는 데이터가 소정 가속의 예상 결과와 비교될 수 있다.
제2도는 캔틸레버 빔형의 감지 소자(21)을 도시하는 어레이(11c)의 일부분에 대한 상부 평면도이다. 상기 감지 소자(21)은 위와 아래로 향하는 힘 즉, z방향의 수직가속에 민감하기 때문에 어레이(11c)에 사용된다. 각각의 감지 소자(21)은 그 자유 단부에 연성 박막 재료로 만들어진 힌지(23)과 시험 매스(proof mass)(24)를 갖는다.
힌지(23)은 제조공정 동안 에칭되거나 혹은 에칭 되지 않는 경우에는 재료(26)의 한 층에 형성되는 두꺼운 빔(25)에 부착된다. 매스(24)는 동일한 층에서 제조될 수 있다. 힌지(23)은 연성재료 층으로부터 에칭되며, 통상적으로 빔(25)와 시험 매스(24)에 사용되는 것보다 더 얇다.
제3a도는 한 감지 소자(21)의 측면도로서 감지 소자(21)의 x-z차원을 도시한 것이다. 각각의 힌지(23)은 두께(t)와 길이(l)을 갖는다. 각 시험 매스(24)는 두께(T)와 길이(L)을 갖는다.
제3b도는 한 감지 소자(21)의 평면도로서 감지 소자(21)의 x-y차원은 도시한 것이다. 힌지(23)은 길이(l)과 폭(w)를 갖는다. 시험 매스(24)는 길이(L)과 폭(W)를 갖는다. 시험 매스의 매스의 값(M)은 밀도뿐만 아니라 치수( T, W 및 L)의 함수이다. 도시된 바와 같이, 시험 매스(24)는 힌지(24)보다 폭이 넓고, 두께가 두꺼우며 그리고 무거운 재료일 수도 있다.
다시 제3a도를 참조하면, 랜딩 전극(31)은 가속에 응답하여 감지 전극(21)의 전기 접촉 수단을 제공한다. 전기 리드(Electrical leads)는 각 감지 전극(21)에 메모리 셀(33)과의 교류(communication)를 제공한다.
리세트 전극(32)는 "고착(stuck on)" 에러 상태를 방지하기 위해 감지 소자(21)을 리세트시키기 위한 수단을 제공한다. 이것은 프로세서(16)의 제어하에 주기적인 간격으로 또는 각각의 가속된 후에 자동적으로 수행될 수도 있다. 별도로 고착(stuck)된 감지 소자를 검출하기 위해 프로세서(16)에 의해 시험 알고리즘이 실행될 수도 있다. 리세트 동작은 각 감지 소자(21)을 편향되지 않은 상태로 복귀시킨다. 이것을 수행하기 위해, 짧은 기간 동안 리세트 전압이 리세트 전극(32)에 인가된다. 리세트 펄스는 리세트 전극(32)쪽을 향해 감지전극을 아래쪽으로 편향시킴으로서 감지 전극(21)내의 전위 에너지를 기억하도록 작용한다. 에너지가 갑자기 방출될 때, 추가의 전위 에너지는 편향되지 않은 상태로 모든 감지 소자(21)의 리세트 동작을 균일하고 신뢰성 있게 한다.
예로서, 전형적인 감지 소자(21)은 각각 거의 25 x 25 x 1 마이크로미터의 폭, 길이 및 두께의 부피를 갖는 매스를 갖는다. 힌지의 부피는 각각 거의 50 x 10 x 0.06 마이크로미터의 길이, 폭 및 두께이다. 그러나 특정 부피의 각 감지 소자(21)은 바람직한 진폭 감도와 가속 주파수의 응답성에 따라 결정된다.
진폭 감도는 주로 각 감지 소자(21)의 세 가지 파라미터 즉, 그것의 힌지 폭(w), 힌지의 두께에 대한 길이 비율의 세 제곱(l/t3) 및 시혐 매스(24)의 값(M)에 좌우된다. 이하에 설명되는 바와 같이, 부수적인 파라미터는 거리(d)이며, 감지 소자(21)의 자유 단부는 그것의 전기 접촉을 폐쇄하도록 이동되어야 한다.
각 감지전극(21)에 알맞는 부피를 결정하기 위해, 공기를 통한 움직임의 결과로서 감폭(damping)은 또 다른 중요한 고려사항이다. 선형조화(linear harmonic)오실레이터에 대한 감폭비(damping ratio)(D.R.)은 다음과 같으며,
D.R.= c/ [2 (m * k)1/2],
여기서, c는 감폭상수(damping constant)이고, m은 감지 소자(21)의 총 질량 값이며, k는 힌지(23)과 결합된 스프링 상수이다. 가속도계(10)이 최적으로 동작하기 위해서는, 미소 감폭(underdamping)이 바람직하므로, 감폭비는 1 미만이다. 만약 가속이 충격력(impulsive force)이라면, 상향 또는 하향 방향중 어느 한 장향에서의 이동이 검출될 수 있다.
주파수에 대한 각 감조 소자(21)의 감도는 감폭되지 않은 본래의 공진 주파수와 가해진 가속에 대한 여기력[F(t)]의 주파수간의 관계에 해한 함수이다. F(t)의 주파수가 감지 소자(21)의 감폭되지않은 본래의 주파수(fo)미만이라면, 그것의 변위는 약 F(t) /k이다. 이와같은 경우는 준-정적(quai-static)이고, "스프링"은 직접 외력의 작용에 이해 왜곡되며, 관성 및 감폭력은 무시할 수 있다. F(t)의 주파수가 fo에 근접함에 따라, 진동 진폭이 커지게 공진된다. F(t)의 주파수가 fo보다 훨씬 클 때, 스프링 및 감폭력은 무시할 수 있으며, F(t)는 관성력과 거의 같고, 저진폭 운동이 발생된다.
일반적으로, 각 감지 소자(12)의 질량(m)이 증가하면 본래의 주파수(fo)가 감소한다. 라디안 주파수는,
Wo= (k / m)1/2
이며, 여기서 k는 선형 복원력에 대한 스프링 상수이다. 스프링 상수(k)가 증가하면 fo가 증가한다.
그리하여, 보다 작은 m값은 보다 고 주파수에서 공진하게 되고, 보다 큰 k값은 동일한 효과를 갖는다. 또한, 보다 작은 m값은 소정의 가속 진폭에 대한 보다 적은 감도로 된다. 감폭비는 m또는 k중 어느 하나가 증가함에 따라 감소한다. 0.5보다 훨씬 작은 감폭비에 대해서는 현저한 공진이 발생한다.
제4도와 관련하여 이하에 설명되는 바와 같이 제조사의 관점에서 보면, 캔틸레버-빔 감지 소자(21)은 두꺼운 빔의 금속성 오버레이 즉, 빔(24)와 결합된 유연성 박막구조(thin flexural structure) 힌지(23)을 사용한다. 가장 쉽게 바뀌는 파라미터는 웨이퍼의 평면에 있는 힌지(23)과 시험 매스(24)의 폭과 길이이다. 힌지(23)의 두께(t)와 시험 매스(24)의 두께(T)는 소정의 웨이퍼 층에 걸쳐 쉽게 변할 수 없다. 또한, 상기 재료의 밀도가 변하여 단지 웨이퍼 레벨에서만 m의 값에 영향을 줄 수 있다. 그리하여, 진폭 감도에서 절대적인 변수(dominant factor)인 값(l/t)3은 제조하는 동안 정확하게 조절된다.
제4도는 세 개의 감지 소자(21)을 나타내는 어레이(11c)의 일부를 도시한 단면도이다. 각각의 감지 소자(21)은 서로 다른 주파수(fo)에서 공진한다. 어레이(11c)는 절연층(42)으로 덮여있는 실리콘 기판(41)에 기초하고 있다. 접촉 전극(31)은 이격층(spacer layer)(44)위에 제조되어 각 감지 소자(21)이 그 하부에 랜딩 전극(31)을 갖는다. 접촉부(25)를 형성하기 위해 이격층(44)가 에칭된 후, 감지 소자(21)하부에는 공기갭이 잔류한다. 각 감지 소자(21)의 힌지(23)를 형성하기 위해 박막 금속층(45)가 사용된다. 후막 금속층(46)은 그것의 시험 매스 및 빔(25)를 형성한다.
감지 소자(21)은 전체적으로 최소의 매스와 최단의 힌지길이(1)를 갖는 감지 소자가 최고의 공진 주파수(fo)를 갖는 힌지 길이의 오름차순이다. 여기서 k가 1, w 및 t의 함수인 임의의 주파수 조정 파라미터(k 또는 m)은 주파수 응답 세트시키는데 사용될 수 있다.
소정의 주파수 감도에 대해, fo를 일정하게 유지하는 동안, 감지 소자(21)의 컴플라이언스의 변화(variation of the compliance)는 여기력 범위에 대한 진폭 감도를 제공한다. 임의의 진폭 감도 변수[w, (l/t)3또는 m]는 fo가 일정하게 유지되는 동안 변할 수 있다. 전형적으로, m은 M의 값을 바꿈으로서 변할 수 있다.
이격층(44)내에 형성된 공기갭의 두깨는 감지 소자(21)로부터 전기적 응답이 검출되었는 지를 결정하는데 관련된 다른 파라미터이다. 다른 말로 표현하면, 가속도계(10)에 의한 검출은 여기(excitation)에 응답하여 감지 소자(21)이 움직이는지의 여부뿐만 아니라 그 움직임이 접촉 전극(25)과의 접촉에 충분한 가에 좌우된다. 여기 가속력에 가장 긴밀하게 공진하는 감지 소자(21)은 진폭을 형성하지만, 만약 그 힘이 너무 작다면, 접촉이 이루어지지 않을 것이며, 그 동작은 검출되지 않을 것이다. 그리하여, 가변 감지 소자(21)의 M 또는 일부 다른 파라미터를 대신하는 것으로서, 이격층의 두께를 바꾸게 되면 보다 작은 공기 갭이 형성되어 접촉부를 폐쇄하는데 보다 적은 힘을 필요로 한다는 점에서 진폭 범위의 검출이 가능하게 된다.
제5도에 도시된 바와 같이, 어레이(11c)는 가속 진폭의 범위에 대해 그 주파수 응답이 동일한 한 세트의 감지 소자(21)는 물론 가변 주파수 스펙트럼 레벨에 응답하도록 설계된 한 세트의 감지 소자(21)을 포함한다. 예로서, 어레이(11c)는 50Hz 스텝으로 1 내지 3 KHz 범위의 주파수 검출과 0.1 중량 스텝으로 0.1 중량 내지 10중량 버무이의 진폭 검출을 제공한다. 그리하여, 어레이(11c)는 감지 소자(21)의 60열과 100행을 갖는다.
어레이(11c)의 각 행은 감지 소자(21)의 한 선이며, 이들 각각은 증가한 보다 높은 주파수(fo)에서 공진한다. 상기 설명된 바와 같이, 주파수 응답은 m 또는 k를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 각각의 주파수 레벨에 대해, 대응하는 열은 감도가 점차적으로 증가하는 즉, 그 임계 응답이 점차적으로 진폭을 낮추는 감지 소자(21)을 갖는다. 진폭 임계값은 그 열에 대해 fo를 일정하게 유지하는 동안 상술된 진폭 파라미터를 바꿈으로써 변한다.
그 부피(L, W 및 T)에 의해 결정되는 시험 매스(24)의 값(M)은 감지 소자(21)의 진폭 감도를 바꾸기 위한 하나의 수단이다. M을 증가시키면 진폭 감도가 증가하지만, 동시에 m이 증가하기 때문에 공진 주파수를 감소시킨다. 따라서, 열내에서, fo를 일정하게 유지하기 위해서, 만약 M이 조정된다면 k 또는 m은 반드시 조정되어야 한다. 한 실시예의 각 열내에서, 소정의 주파수 레벨에 대해, 진폭 감도를 변화시키기 위해 M이 변한다. 동시에 힌지(23)의 길이, 1은 fo를 일정하게 유지하도록 변한다.
특정한 여기 주파수에서, 특정한 열의 모든 감지 소자(21)이 공진한다. 상기 열내에서는 그 감도가 특정한 임계 진폭을 검출하는데 충분한 감지 소자(21)만이 그들의 전극(25)와 접촉한다. 따라서, 예를 들면, 5중량에서 1.5 KHz의 여기 주파수에 대해, 5중량 미만의 감도 임계를 갖는 1.5 KHz 열내의 감지 소자(21)은 "온(on)" 이다. 메모리(15)에 기억되어 있는 "온" 비트의 "스프링"은 자동 에러 검출을 제공한다. 즉 연속성이 유효한 신호 가리킨다. 상기 연속성은 가해진 가속의 진폭에 따라 증가한다.
제6a도 및 제6b도는 어레이(11a와 11b)에 사용되는 것과 같이 x 또는 y방향중 어느 한 방향에서의 수평 가속을 검출하기 위한 감지 소자(61)을 도시한 것이다. 제6a도는 감지 소자(61)의 중심을 관통하는 x-z면에서의 측면도이다. 제6b도는 시험 매스(62)와 매스 지지포스트(mass support post)(63)을 제거한 x-y면에서의 평면도이다. 시험 매스(62)는 매스지지 포스트(63)에 의해 지지판(64)에 부착되어 있다. 지지판(64)는 비틀림 힌지 소자(68)사이에 지지되어 있다. 힌지 지지 포스트(65)는 힌지 소자(68)을 지지한다.
감지 소자(61)이 x축을 따라 가속을 받을 때, 매스(62)가 응답하여 A 또는 B방향으로 이동된다. 이 이동은 지지판(64)이 조금 회전 이동하여 아랫방향으로 기울어진다는 것을 제외하고는 주로 병진 이동이다. 만약 감지 소자(61)에 대한 공진 주파수 및 진폭 감도의 임계값에 도달하면, 지지판(64)가 경사져서 랜딩 전극(66)과 접촉하게 된다.
감지 소자(61)은 x-y면에 힌지 소자(68)의 축을 갖는 어레이(11a와 11b)에서 사용된다. x방향에서의 병진 가속을 검출할 경우는, 힌지축이 x축에 직각이므로 지지판(64)의 기울기는 x축에 나란하다. y방향에서의 병진 가속을 검출할 경우는 힌지축이 어레이의 평면에서, y축에 직각이므로 지지판(64)의 기울기는 y축에 나란하다.
접촉전극(66)과 리세트 전극(67)은 힌지(68)의 축에 평행하게 놓여있다. 리세트 전극(67)은 지지판(64) 양쪽 모두에 리세트 동작이 인가되는 것을 제외하고는 감지 소자(61)의 리세트와 유사하게 감지 소자(61)을 리세트하는데 사용된다.
비틀림 감지 소자(61)에 대해, 공진 주파수는 다음과 같이 주어진다.
fo= 1/2π [ T / (Ie) ]1/2
여기서, I는 관성 모멘트, T는 최고 회전각(θ)에서의 복원 토오크이다. 비율(T / θ)는 스프링 상수(k)에 대응하며, 회전 경도(rotational stiffness)의 측정 수단이다. 따라서 fo는 소정의 회전각에서 관성 모멘트(I)를 감소시킴으로써 또는 복원 토오크(T)를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 지지판(64)의 비틀림 상수는 그 두께의 세 제곱(t3)과 그것의 폭(w)에 비례한다. 관성(I)의 회전 모멘트는 일반적으로 선회 반경에 대해 2차 방정식이다. 힌지(68)의 가변 두께, 폭 및 길이와 결부시켜 시험 매스(62)의 가변 두께, 크기 및 분포에 의해서 감지 소자(61)을 제조함으로써, 각 감지 소자(61)의 주파수 응답 및 진폭 감도가 변할 수 있다.
따라서, 감지 소자(21)과 같이, 감지 소자(61)은 주파수 응담과 진폭 감도가 조정된 부피로 어레이(11a 및 11b)내에 제조된다. 진폭 감도는 지지 포스트(65)의 높이(h)와 시험 매스(62)의 값(M)에 의해서는 물론 각 지지판(64)의 부피에 대한 함수이다. 감지 소자(21)의 경우에서와 같이 상기 변수들은 소정의 주파수 응답에 대해, 변화하는 진폭 감도를 갖는 감지 소자(61)이 제공되도록 변할 수 있다. 어레이(11a와 11b)는 제5도의 어레이와 똑같이 점차적으로 변하는 주파수 응답과 진폭 감도를 갖는 행과 열의 기본적인 구성을 갖는다.
집적회로 기술을 사용하여 감지 소자(61)의 구조와 유사한 미소-기계 소자의 어레이를 제조하는 방법은 본 발명의 참조 문헌으로서 사용된 "공진 미러 및 그 제조 방법"이라는 명칭의 미합중국 특허출원 제 07/811,407호, Docket 제 16310호에 설명되어 있다. 상기 특허 출원에서, 시험 매스(62)보다는 미러가 지지 포스트(63)의 최상부에 놓인다. 일반적으로, 상기 제조 방법은 본 발명에서 가속 주파수에 대한 진폭과 응답 감도에 대하여 각 감지 소자(61)의 부피가 조정된다는 것을 제외하고는 동일하다.
다시 제1도와 제5도를 참조하면, "감지 소자(12)"가 바람직한 실시예중의 감지 소자(21 또는 61)중 어느 한 종류를 가르키는 경우에, 데이터는 감지 소자(12)의 하부 행을 횡단하여 판독함으로써 효과적으로 판독된다. 이 데이터는 진폭 감도의 최하위 비트를 나타낸다. 이 때, 주파수 응답을 나타내는 열은 그것의 최상위 비트로 판독된다. 그 결과는 진폭과 주파수로 가속을 표시하는 한 세트의 데이터 포인트가 된다. 이 판독은 여러 번 수행될 수 있다. 시간, 주파수 및 진폭으로 나타낸 데이터 포인트는 분석용 메모리(18)내의 저장된 참조표와 비교될 수 있다.
응용예로서, 자동차에 설치된 가속도계(10)은 급박한 충돌에 대한 가속 패턴을 인식할 수 있다. 그후에 가속도계는 에어 백(air bag)제어 시스템에 메시지를 전달할 것이다.
감지기 데이터를 메모리(15)에 기록하는 방법의 한 예로서, 각 어레이(11a-11c)의 감지 소자(12)는 블럭으로 그룹화되어 있다. 데이터를 판독하기 위해 다른 여러 가지 방법으로 블럭이 선택될 수도 있다. 첫번째 방법은 블럭단위로 어레이(11a-11c)를 통해 순차적으로 정류하여 감지할 블럭의 소자 제외하고 모든 소자를 디스에이블시키거나 또는 접지시키는 것이다. 선택적으로, 감지할 블럭내의 소자를 제외한 모든 소자(12)는 상술한 특허 출원에서 설명된 DMD 장치의 동작과 유사하게 강제로 "오프상태"로 된다. 본 발명의 예로서, 각 블럭은 여덟개의 감지 소자(12)를 갖는다. 각 블럭(13)으로부터의 출력은 향후 검색하거나 또는 분석하기 위해 프로세서 메모리(18)내의 특정 어드레스에 기억될 수 있는 8-비트 워드이다.
제7도는 x축에 대한 회전을 검출하기 위한 감지 소자(71)의 사시도이다. 각 끝단부에 매스(72)를 갖는 빔(73)은 비틀림 힌지(74)위에 중심이 맞추어져 이것에 의해서 지지된다. x축에 대해 가해진 회전 가속으로 감지 소자(71)이 기울어지게 된다. 선정된 주파수 응답 및 진폭에서, 감지 소자(71)은 하나의 랜딩전극(75)에 접촉된다. 리세트 전극(76)은 상술된 방법과 같이, 감지 소자(71)이 고착되는 것을 방지하는 데 사용된다.
매스(72)는 비틀림 힌지(74)로부터 이탈된 질량 중심을 갖는다. 각 매스 값(M) 또는 힌지(74)로부터의 거리가 증가함에 따라, 감지 소자(71)은 보다 낮은 주파수 응답 및 보다 큰 감도를 갖는다.
제8도는 x축 주위의 회전 가속을 검출하는 데에도 역시 사용될 수 있는 감지 소자(81)의 사시도이다. 감지 소자(81)은 대향 단부에서 비틀림 힌지 소자들(83) 사이에 현수된 빔(72)으로 이루어져 있다. 감지 소자(81)은 지지 포스트(63)과 매스(64)가 없는 것을 제외하면 감지 소자(61)과 유사하다.
감지 소자(71, 81)도 역시 y축에 대한 회전을 검출하는 데 사용될 수 있다. 이와같은 기능을 위해, 각각의 감지 소자(71, 81)은 각 힌지(74, 83)이 y축에 평행하도록 동일한 면에서 90도 회전된다.
일반적으로, 감지 소자(81)은 물론 감지 소자(71)도, 이들이 힌지축으로부터 수직으로 변위된 시험 매스(64)를 갖지 않는다는 것을 제외하면 감지 소자(61)과 유사하다. 이와같은 변위 효과로 감지 소자(61)이 감지 소자(71, 81)보다 병진가속에 대해 더 민감하며, 회전가속에 대해 덜 민감하게 된다. 감지 소자(71, 81)의 경우, 그것의 비틀림 컴플라이언스와 비교하여 비틀림 힌지(74 와 83)의 안장제한(comstraint from the tension)은 회전이동을 증가시키고 병진 이동을 감소시킨다.
감지 소자(71, 81)의 주파수 응답력도 역시 제6A도와 제6B도와 관련하여 설명된 바와 같이 다음식과 같다.
fo= 1/2π [ T / (Ie) ]1/2
상술한 바와 유사한 파라미터 조정방법을 사용함으로써, 감지 소자(71, 81)dml 행과 열이 점차적으로 변하는 주파수 응답과 진폭 감도의 임계값을 갖는 제5도의 어레이(71)과 같이 감지 소자(71과 81)의 어레이가 만들어질 수 있다.
본 발명의 장점은 CMOS 제조 기술에 적용할 수 있는 수단을 사용함으로써 모든 감지 소자(21, 61, 71, 81 및 91)이 제조될 수 있다는 것이다. 이렇게 함으로써 메모리(15)와 프로세서(16) 회로의 상부에서 어레이(11a-11f)를 직접 제조하는 것이 가능하게 된다.
제9도는 각 병진 가속 방향에 대해 그리고 수평면에서의 회전가속에 대해 하나씩, 모두 다섯개의 어레이(11a-11f)를 갖는 가속도계(90)을 도시한다. 가속도계(90)으로부터 이용할 수 있는 데이터는 주파수 진폭 및 일시적인 정보의 총괄적인 범위를 제공한다. 일부 병진 감지 소자도 또한 약간의 회전 가속에 대한 감도를 가질 수 있으며 또한 그것의 역도 성립한다는 사실을 달성하기 위해, 병진 데이터로부터 회전 데이터를 구분할 수 있도록 수학적으로 교정될 수 있다.
비록 본 발명이 특정한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 상기 설명이 한정하려는 의미로 해석되려고 의도된 것은 아니다. 기술분야의 숙련자에게는 대체 실시예는 물론 공개된 실시예에 대한 여러 가지 변형이 가능하다는 것이 명확할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구범위는 본 발명의 참된 영역안에 포함되는 모든 변형을 포괄할 것으로 생각된다.

Claims (22)

  1. 각각의 축이 서로에 대해 직각인 x, y 및 z축을 따라 병진 가속을 검출하는 디지탈 가속도계에 있어서,
    x축을 따라 병진 가속을 검출하는 감지 부재의 제1 어레이로서, 상기 각 감지 부재가 상기 x축과 y축에 의해 정해진 면과 평행한 면에 있는 지지판 위에 부착된 시험 매스(proof mass)를 갖고, 상기 지지판이 상기 감지 부재가 x방향으로 가속될 때 하부 접촉 전극쪽으로 기울어지게 할 수 있는 힌지 소자 상에 현수되어 있으며, 상기 어레이는 행·열 감지 소자를 갖고 있어서, 부피가 조정되어 상기 어레이가 주파수 레벨과 상기 각 주파수 레벨에서 가속 진폭의 범위를 검출하는 감지 부재의 제1 어레이,
    y축을 따라 병진 가속을 검출하는 감지 부재의 제2 어레이로서, 상기 각 감지 부재가 상기 x축과 상기 y축에 의해 정해진 면과 평행한 면에 있는 지지 플랫폼에 부착된 시험 매스를 갖고, 상기 지지판이 상기 감지 부재가 y방향으로 가속될 때 하부 접촉 전극쪽으로 기울어지게 할 수 있는 힌지 상에 현수되어 있으며, 상기 어레이는 행·열 감지 소자를 갖고 있어서, 부피가 조정되어 상기 어레이가 주파수 레벨과 상기 각 주파수 레벨에서 가속 진폭의 범위를 검출하는 감지 부재의 제2 어레이, 및
    z축을 따라 병진 가속을 검출하는 감지 부재의 제3 어레이로서, 상기 각 감지 부재는 상기 감지 부재가 z방향으로 가속될 때 상기 빔이 접촉 전극쪽으로 휘어지도록 하는 유연한 힌지 부분을 갖는 캔틸레버 빔에 부착된 시험 매스를 갖고, 상기 어레이는 행·열 감지 소자를 갖고 있어서, 부피가 조정되어 상기 어레이가 주파수 레벨과 상기 각 주파수 레벨에서 가속 진폭의 범위를 검출하는 감지 부재의 제3 어레이
    를 포함하며,
    상기 모든 어레이의 접촉 전극은 평행한 면에 있는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 감지 소자와 연통하는 한개 이상의 메모리 셀을 갖는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 메모리와 연통하는 마이크로프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 감지 소자를 기울어지지 않은 위치로 복원시키기 위해 상기 제1 어레이 및 제2 어레이의 각 감지 소자와 결합된 한 쌍의 리세트 전극, 및 상기 제3 어레이의 각 감지 소자와 결합된 한 개의 리세트 전극을 더포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 어레이내의 상기 각 감지 소자는 상기 감지 소자가 시계 반대 방향으로 기울어졌는지, 시계방향으로 기울어졌는지 또는 기울어지지 않았는지에 따라 2 가지 기울어진 상태와 기울어지지 않은 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  6. 제5항에 있어서, 각 감지 소자의 각각의 기울어진 상태를 기억할 수 있는 다수의 메모리 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  7. 제5항에 있어서, 각 감지 소자의 각각의 기울어진 상태를 기억하기 위해 각 감지 소자와 결합된 래치 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  8. x 또는 y방향중 어느 한 방향으로 수평면에서의 병진 가속을 검출하는 디지탈 가속도계에 있어서,
    감지 소자의 어레이를 포함하고,
    상기 각 감지 소자는 x축과 y축에 의해 정해진 면과 평행한 면에 있는 지지판에 부착된 시험 매스를 갖고,
    상기 지지판은 선정된 방향에서 가속을 받을 때 선정된 방향과 하부의 접촉 전극쪽으로 기울어지게 하는 힌지 소자상에 현수되어 있으며,
    상기 어레이는 감지소자의 행·열을 갖고 있으며, 그 부피는 상기 어레이가 주파수 레벨과 상기 각 주파수 레벨에서 가속 진폭의 범위를 검출하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  9. x축 또는 y축들 중 하나의 축이 다른 축에 대해 직각인 상기 x 또는 y축에 대한 회전 가속을 검출하기 위한 디지탈 가속도계에 있어서,
    x축 또는 y축 둘레의 회전 가속을 검출하는 감지 소자의 어레이를 포함하고,
    상기 각 감지 소자는 적어도 하나의 비틀림 힌지 소자에 부착된 경사진 빔을 갖고, 상기 빔은 x축과 y축에 의해 정해진 면과 평행한 면에 있으며, 상기 감지 소자가 x 또는 y방향에서 가속을 받을 때 하부의 접촉 전극쪽으로 기울어지며,
    상기 어레이는 감지소자의 행·열을 갖고 있으며, 그 부피는 상기 어레이가 주파수 레벨과 상기 각 주파수 레벨에서의 가속 진폭의 범위를 검출하도록 조정되며, 상기 빔과 상기 어레이의 상기 접촉 전극은 평행한 면에 있으며, 상기 각 감지 소자는 상기 빔이 시계 반대 방향으로 기울어졌는지, 시계방향으로 기울어졌는지 또는 지울어지지 않았는지에 따라 2개의 기울어진 상태와 기울어지지 않은 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 빔은 2가지 방향중 어느 한 방향에서 접촉 전극쪽으로 상기 빔이 기울어지게 할 수 있는 비틀림 힌지위에 중심이 맞추어져 지지되는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  11. 제9항에 있어서, 상기 빔은 2가지 방향중 어느 한 방향에서 접촉 전극쪽으로 상기 빔이 기울어지게 할 수 있는 상기 빔의 각 대향 단부에 한 개씩, 모두 2개의 비틀림 힌지 사이에 현수되어 있는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  12. 제9항에 있어서, x축 또는 y축 둘레의 회전 가속을 검출하기 위해 상기 제1 어레이에 직각으로 위치되어 있는 것을 제외하고 상기 제1 어레이와 구조가 유사한 감지 소자의 제2 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  13. 제9항에 있어서, 상기 감지 소자를 기울어지지 않은 위치로 복원시키기 위해 상기 각 감지 소자와 결합된 한 쌍의 리세트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  14. 제9항에 있어서, 상기 접촉 전극으로부터 나오는 전기 신호가 기억될 수 있도록 각 감지 소자와 결합된 한 개 이상의 메모리 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지탈 가속도계.
  15. 변이 방향에서 가속을 검출하는 방법에 있어서,
    특정한 가속 주파수 및 진폭에 응답하여 각각의 감지 소자가 이동하도록 미소-기계 감지 소자 어레이의 각 감지 소자의 크기 파라미터를 변화시키는 단계,
    상기 감지 소자가 선정된 거리를 이동할 때 전기 신호가 발생되도록 상기 각 감지 소자 하부에 적어도 한 개의 접촉 전극을 배치하는 단계,
    각각의 감지 소자와 결합된 메모리 셀에 상기 전기 신호를 기억시키는 단계, 및
    가속 주파수와 진폭을 결정하기 위해 상기 메모리 셀의 내용을 판독하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 판독 단계는 각각이 서로 다른 공진 주파수를 갖는 감지 소자들의 행의 각 감지 소자로부터 데이타 비트를 얻는 단계, 및
    각각이 가속의 진폭에 대해 서로 다른 감도를 갖는 감지 소자들의 열의 각 감지 소자로부터 데이타 비트를 얻는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 판독 단계는 선택된 감지 소자로부터 데이타 비트를 얻는 단계를 포함하고, 소정의 가속이 발생되었는지를 판단하기 위해 상기 데이타 비트를 기억된 데이타 비트 세트와 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
  18. 제15항에 있어서, 소정의 방향에서의 병진 또는 회전 가속을 검출하기 위해 각각 구성된 상기 다수의 어레이를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 감지 소자는 수직 가속을 검출하기 위한 캔틸레버 빔 감지 소자이고, 상기 크기 파라미터를 변화시키는 단계는 상기 감지 소자의 길이와 질량을 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 감지 소자는 수평면에서의 병진 가속을 검출하는 비틀림 빔 감지 소자이고, 상기 크기 파라미터를 변화시키는 단계는 상기 비틀림 빔에 의해 현수된 지지판의 크기를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 크기 파라미터를 변화시키는 단계는 상기 지지판 상의 시험 매스의 질량을 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 감지 소자는 수평축에 대한 회전 가속을 검출하는 비틀림 빔 감지 소자이고, 크기 파라미터를 변화시키는 단계는 비틀림 힌지에 의해 지지되거나 비틀림 힌지 사이에 현수된 시험 매스의 위치와 크기를 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 가속 검출 방법.
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