專利名稱：用于地震儀或其它裝置中的具有完整檢測質(zhì)塊的改進微機械懸浮板的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明通常涉及地震儀。具體地說，本發(fā)明涉及一種可以用于地震儀(速度計)、加速計、或其它類似裝置中的具有完整檢測質(zhì)塊(proofmass)的改進的微機械懸浮板及其制造方法。
背景技術(shù)：
題為“微機械加速計”的美國專利申請No.10/058,210于2002年1月5日提交，其公布了加速計或地震儀的一種新穎結(jié)構(gòu)，其利用具有懸浮板和至少一個固定電容板的平面內(nèi)懸掛幾何結(jié)構(gòu)。與利用彈簧將一獨特的檢測質(zhì)塊支撐在外框架上的傳統(tǒng)地震儀相對照，微機械懸浮板由一種材料制成，包括外框架、一對撓性件、以及設置在撓性件之間的完整檢測質(zhì)塊。撓性件使得檢測質(zhì)塊在懸掛平面內(nèi)沿一個方向(敏感方向)運動，同時盡可能地限制在所有其它離軸方向上的運動。
新的平面內(nèi)設計還包括用于確定檢測質(zhì)塊的相對運動的位移傳感器。傳感器包括優(yōu)選地位于檢測質(zhì)塊上的精確設定的驅(qū)動電極以及位于固定電容板上的相應的拾取電極(pickup electrode)。
用于低噪聲地震儀的這種設計的優(yōu)選實施例使得系統(tǒng)的生產(chǎn)具有大約10Hz的共振頻率。但是，為了在大約100Hz的帶寬上利用此類設計，希望確保寄生共振(spurious resonance)頻率在靈敏方向和離軸方向(即，平面內(nèi)正交方向和平面外正交方向)上都被反饋系統(tǒng)抑制，或在該系統(tǒng)中不存在。否則，它們將在全帶寬上干涉系統(tǒng)的正確操作。這些考慮同樣適用于其它類型的速度和加速度傳感器，通常沿任何方向在傳感器帶寬的頂部與第一寄生諧振之間具有較大的希望邊緣。
已知技術(shù)可以用于抑制在離軸方向上以寄生模式的檢測質(zhì)塊的任何信號或振蕩。遺憾的是，多數(shù)這些已知技術(shù)影響了驅(qū)動和拾取電極的幾何形狀、位移和位置。而且，雖然這些技術(shù)可以進行穩(wěn)定操作，但它們?nèi)钥赡茉谙到y(tǒng)的振幅和相位響應方面導致不期望的假象。因此，需要一種替換方法，以確保在想得到的帶寬范圍內(nèi)不存在其它諧振。
此外，美國專利申請No.10/058,210中公布的平面結(jié)構(gòu)要求必須小心地控制驅(qū)動和拾取電極之間的間隙。這預示著檢測質(zhì)塊的平面外運動已被盡可能地抑制。
對于沿量測軸線(sensitive axis)和離軸線同樣被抑制的加速度，離軸位移與量測軸線位移有關(guān)，是基本頻率與任何離軸模式的最低頻率之比的平方。因此，希望保持這兩個頻率的比值盡可能低，以使離軸方向上的不期望位移最小。
此外，美國專利申請No.10/058,210中所描述的平面內(nèi)結(jié)構(gòu)由于過度的外部沖擊或振動可能造成斷裂或損壞。當設備未加電源以及反饋電子裝置未使用(這種情況下沒有系統(tǒng)的有效阻尼)時，該問題經(jīng)常出現(xiàn)。例如，在此類設備的包裝和運輸期間，或在已經(jīng)完成彈簧質(zhì)量塊的幾何形狀之后的制造過程中，可能發(fā)生這種問題。盡管充氣腔室的使用可以提供一些阻尼效果，僅此可能不足以使此類外部沖擊或振動的影響最小。因此，希望有一種無源阻尼系統(tǒng)(dampening system)，其可以使系統(tǒng)處于無源/非運轉(zhuǎn)狀態(tài)時可能出現(xiàn)的沖擊對系統(tǒng)的影響最小。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，檢測質(zhì)塊的離軸運動通過中間框架的使用而得以最小化。因此，通過使用在撓性件內(nèi)或其間支出的中間框架，以生產(chǎn)離軸模式頻率盡可能是系統(tǒng)共振頻率的倍數(shù)的系統(tǒng)，同時使沿量測軸線的寄生模式頻率方面的減少最小，從而本發(fā)明改進了美國專利申請No.10/058,210中提出的設計。這在更大的帶寬范圍內(nèi)消除了任何寄生模式，使得可以生產(chǎn)在這種帶寬上具有平坦響應的設備。這種解決方案在懸浮板的優(yōu)選實施例中易于實現(xiàn)，而對系統(tǒng)中使用的電子裝置的設計沒有任何影響或使其更加復雜。增加平面外剛性的結(jié)果是，這些框架使固定和檢測質(zhì)塊電極之間的變頻器(transducer)間隙中的變化最小。
所使用的框架的數(shù)量作為要消除寄生模式的期望帶寬和系統(tǒng)的期望操作參數(shù)的函數(shù)而確定。具體地說，隨著框架數(shù)量的增加，離軸寄生共振模式在頻率上提高，從而增加了設備可以在該總有效帶寬范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)而不會出現(xiàn)任何寄生共振頻率的總有效帶寬。但是，隨著框架數(shù)量的增加，由于框架的附加質(zhì)量使得沿量測軸線的寄生模式頻率減小。因此，運轉(zhuǎn)時，離軸線的期望消除與軸線上寄生共振頻率之間的平衡受到破壞。
中間框架可以設置有運動止動件，從而過載情況下框架彼此接合，防止了在撓性件進行任何接觸或過載之前的進一步相對運動。這樣，這些止動件使斷裂的幾率或撓性件部分的不可逆的表面結(jié)合(靜摩擦)最小化。
本發(fā)明還優(yōu)選地包括阻尼結(jié)構(gòu)，其在無源/非運轉(zhuǎn)狀態(tài)(即，當反饋控制系統(tǒng)未加電源且不提供任何阻尼時)期間極為有效。優(yōu)選地，該阻尼結(jié)構(gòu)包括構(gòu)造成在無源狀態(tài)下提供阻尼的彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)。
在優(yōu)選實施例中，該結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括梯形活塞和對應的接合氣缸。阻尼結(jié)構(gòu)被定位成隨著彈簧過載而在最外部中間框架與外框架之間接合。這樣，并且如前所述，活塞或氣缸被置于橫向距離處，該距離延伸得比任何中間柔性件更遠，使得其可以不與這些柔性件中的任一個相接觸?；钊驓飧酌嫦蛲獠浚⑶覍臍飧谆蚧钊S后被定位在懸浮板的外框架的內(nèi)表面上，面向朝向檢測質(zhì)塊的內(nèi)部。
隨著最外部的中間框架接近懸浮板的外框架的內(nèi)表面，活塞將接合氣缸，從而在中間框架可以接觸懸浮板的外框架的表面之前，提供了阻尼效果。在懸浮板被容納并浸沒在氣體環(huán)境內(nèi)的優(yōu)選實施例中，隨著活塞進一步移動進入氣缸，在氣缸的限定空間內(nèi)氣體的壓力將增加。所得到的粘性氣體流將起到阻尼力的作用，減慢外部中間框架遠離懸浮板外框架的運動。在不使用氣體的可替換實施例中，活塞和氣缸可以利用設置在活塞與氣缸之間的損耗材料而結(jié)合，使得材料在活塞進一步移動進入氣缸內(nèi)時被壓縮，從而提供了可以減慢外部中間框架朝向外框架運動的阻尼力。


圖1示出了具有懸浮板和兩個電容板的地震儀的橫截面圖，具有由已知現(xiàn)有技術(shù)的微機械平面內(nèi)懸浮板幾何結(jié)構(gòu)中使用的每一側(cè)上的柔性件支撐的位于中心的檢測質(zhì)塊；圖2示出了用于微機械平面內(nèi)懸浮板幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例中的檢測質(zhì)塊、柔性件和中間框架；圖3示出了在檢測質(zhì)塊的每一側(cè)上具有六個柔性件的優(yōu)選實施例中，隨著中間框架數(shù)量增加的用于軸上和軸外模式的寄生模式抑制比(rejection rate)；圖4示出了在檢測質(zhì)塊的每一側(cè)上具有24個柔性件的優(yōu)選實施例中，隨著中間框架數(shù)量增加的用于軸上和軸外模式的寄生模式抑制比；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的具有彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)510的懸浮板500的透視圖；圖6示出了彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例的特寫視圖；圖7示出了在彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的可替換實施例中使用的活塞的特寫視圖；圖8示出了在彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的可替換實施例中使用的可替換活塞的另一特寫視圖；以及圖9示出了被故意偏壓使得柔性件在平放時被“預拉伸”的掩膜組。
具體實施例方式
如前所述，題為“微機械加速計”的美國專利申請No.10/058,210公布了一種可以用于加速計、地震儀(速度計)和/或其它類似裝置中的改進的微機械懸浮板。
懸浮板由改進的平面內(nèi)懸浮幾何結(jié)構(gòu)形成并包括之，而不是傳統(tǒng)的彈簧設計。具體地說，懸浮板是微機械的，以形成中心檢測質(zhì)塊和位于檢測質(zhì)塊的相對側(cè)上的柔性件。圖1示出了具有懸浮板2和兩個電容板3a-b的地震儀1(可替換地，該設備可以具有一個電容板)的橫截面圖，具有由已知現(xiàn)有技術(shù)的微機械平面內(nèi)懸浮板幾何結(jié)構(gòu)中使用的柔性件6支撐的位于中心的檢測質(zhì)塊8，如美國專利申請No.10/058,210中所描述和闡述的。
如圖1所示，檢測質(zhì)塊8位于中心，并由中空腔室4包圍。柔性件6從相對方向上延伸，并使得檢測質(zhì)塊8可以在懸浮板平面內(nèi)沿一個方向移動，但抑制檢測質(zhì)塊在其它方向上的運動。這些柔性件6表明在用于支撐檢測質(zhì)塊的機械懸臂彈簧設計的傳統(tǒng)使用方面的重大改進。
這些柔性件6的使用使得可以制造共振頻率為10Hz或更小的系統(tǒng)。但是，期望這種設計能夠在大約100Hz帶寬(即，10x共振頻率的帶寬)范圍內(nèi)操作。然而，寄生共振頻率可能在帶寬范圍內(nèi)存在。這些寄生共振頻率將對系統(tǒng)的操作具有不利的影響。因此，期望確保寄生模式被抑制，并且在系統(tǒng)中不存在。
存在用于抑制可能由離軸寄生模式導致的任何信號的已知技術(shù)。一種此類技術(shù)調(diào)節(jié)驅(qū)動和拾取電極的位置，使得在寄生模式中對運動的靈敏性被電極幾何圖案的設計大大削弱。例如，對稱的中心結(jié)構(gòu)可以顯示出對扭轉(zhuǎn)運動的很好的抑制。盡管該技術(shù)可以進行穩(wěn)定的操作，但它仍在系統(tǒng)的頻率和相位響應方面導致不期望的缺陷。因此，需要一種用于確保在所需的帶寬范圍內(nèi)不存在其它機械諧振的可替換方法。
如前所述，圖1所示的懸浮板理想地配有用于地震儀、加速計、速度計、或其他類似裝置中的至少一個電容板。在這種情況下，電容板優(yōu)選地構(gòu)造成包括拾取電極10，并且檢測質(zhì)塊設置有驅(qū)動電極11。這種平面內(nèi)結(jié)構(gòu)要求驅(qū)動電極和拾取電極對應地隔開，具有相同的周期，以便確保系統(tǒng)操作的精確性。這些電極的周期影響系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)范圍。
檢測質(zhì)塊的平面外下垂必須精確地控制，以便通過確保驅(qū)動和拾取電極之間的間隔而生產(chǎn)地震儀位置變頻器的合適幾何結(jié)構(gòu)。遺憾地是，檢測質(zhì)塊將受到重力的正常影響，并且由于重力的任何橫軸分量可能經(jīng)歷平面外下垂。類似地，任何離軸加速度可以造成檢測質(zhì)塊的不想要的運動。離軸位移與平面內(nèi)位移有關(guān)，是基本頻率與寄生平面外模式頻率之比的平方。因此，為了使平面外下垂最小，期望保持這兩個頻率的比值盡可能低，使得寄生模式頻率盡可能是基本頻率的倍數(shù)。
本發(fā)明實現(xiàn)了以下目的，即通過利用中間框架使平面外下垂最小的同時，確保在所需的帶寬內(nèi)不存在其它機械諧振，其中中間框架在柔性件內(nèi)支出，以便生產(chǎn)第一寄生模式的頻率優(yōu)選地是系統(tǒng)共振頻率的十倍的系統(tǒng)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的懸浮板，該懸浮板具有由柔性件202支撐的檢測質(zhì)塊201，并且還具有介于其間的中間框架204。這些中間框架204的使用在更大的帶寬范圍內(nèi)消除了任何寄生模式，并且可以生產(chǎn)在這種帶寬區(qū)域上具有平坦響應的設備。中間框架204還提供了對檢測質(zhì)塊201的附加支撐，并有助于減小平面外下垂。
如圖2所示，使用與用于形成柔性件202相同的微機械技術(shù)，中間框架204與懸浮板200集成一體，并形成在懸浮板200內(nèi)。因此，這些中間框架的實施是很容易實現(xiàn)的，而不會對系統(tǒng)的設計或制造有任何影響或額外的復雜性。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明可以使用任意數(shù)量的中間框架，框架的數(shù)量作為消除寄生模式的所需帶寬以及所需的系統(tǒng)操作參數(shù)的函數(shù)來確定。具體地說，隨著中間框架數(shù)量的增加，消除了更寬范圍的寄生共振頻率，從而增大了設備可以運轉(zhuǎn)而不會出現(xiàn)任何寄生共振頻率的總有效帶寬。但是，隨著中間框架數(shù)量的增加，必須在有限空間內(nèi)減小檢測質(zhì)塊的尺寸，從而減小系統(tǒng)的共振頻率。此外，框架本身引入了附加的寄生量測軸線模式，該模式的頻率相對于懸浮質(zhì)量塊的框架質(zhì)量的增加而降低。因此，所希望的平衡在從寄生平面外帶寬上期望的消除與量測軸線模式之間受到破壞。
在選擇中間框架的最優(yōu)數(shù)量以在任何特定系統(tǒng)中使用的第一步驟，是選擇系統(tǒng)的基本操作頻率。已選擇彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的基本操作頻率后，非常需要進行的優(yōu)化是或者沿軸線或者在軸外改變寄生頻率分布，由于這增大了設備的可用帶寬，可以改變至與彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的基本頻率相比的盡可能高的頻率。由于每一框架的質(zhì)量mframe相對于中間框架之間的每一組柔性件的質(zhì)量mflex增加，軸內(nèi)第一寄生模式降低/破壞。這種影響的抑制比(Rmassload)由以下經(jīng)驗得出的公式給出Rmassload=11+0.124(mframe/mflex)0.82]]>
由于懸掛被進一步細分，mflex必然減小，所以隨著中間框架總數(shù)量的增加，mframe/mflex變大。因此，隨著中間框架數(shù)量的增加，軸內(nèi)寄生頻率降低。軸外共振頻率由以下公式給出foutfin∞14nspings2-1]]>其中，nspings是每一中間框架之間的每一組柔性件中的柔性件的數(shù)量。比例常數(shù)幾乎完全獨立于框架的數(shù)量。在這種情況下，隨著中間框架數(shù)量的增加，nspings減小(對于給定總量的柔性件而言)。隨著中間框架數(shù)量的增加，軸外寄生頻率增大。由于我們的目的在于最高可能的非寄生頻率范圍，我們可以優(yōu)化框架的數(shù)量，以實現(xiàn)該目的。保持所有其它參數(shù)不變，我們現(xiàn)在可以對于一種特定情況描繪出兩種效果。
在第一優(yōu)選實施例中，將假設在檢測質(zhì)塊的每一側(cè)上總共有6個柔性件，以便獲得所需的頻率響應，并且希望確定用于抑制寄生頻率的最優(yōu)或最好的框架數(shù)量，給出所需的操作頻率。
這6個柔性件可以劃分成以下的組號

為此，可以描繪出相對于基本頻率的軸內(nèi)和軸外頻率，即所謂的“寄生模式抑制比”。
圖3示出了隨著中間框架數(shù)量增加的用于軸內(nèi)和軸外頻率的寄生模式抑制比。從圖3可以看出，為了使用于軸內(nèi)和軸外頻率的抑制比最大，應該包含在設計內(nèi)的框架的數(shù)量為5，6個柔性件的每一個之間有一個框架。由于離軸情況的抑制比的增加比軸上情況的抑制比的下降更陡，所以對于更多框架將有更全面的趨勢，以產(chǎn)生更好的性能。
如果以更多柔性件為例，則可以計算更多的數(shù)據(jù)點，再次觀察“軸上”和“離軸”模式的收斂，以給出改進的更全面的抑制比。例如，在第二實施例中，假設具有24個柔性件，以便獲得所需的頻率響應。在這種情況下，再次描繪相對于基本頻率的軸內(nèi)和軸外頻率，即所謂的“寄生模式抑制比”。圖4示出了隨著中間框架數(shù)量增加的用于軸內(nèi)和軸外頻率的寄生模式抑制比。從圖4可以看出，為了使抑制比最大，在設計中所使用的框架的最大數(shù)量應該大約為23，包含在設計內(nèi)的每一個中間框架之間有一個。
重要的是應該注意到，在一些設計中，可能希望出于其它系統(tǒng)的考慮而不對軸內(nèi)和離軸等效寄生模式進行優(yōu)化，而與軸內(nèi)模式比較而言，可以允許更低的離軸寄生模式。這可以在例如當離軸模式被位移變頻器幾何結(jié)構(gòu)抑制而軸內(nèi)模式?jīng)]有被抑制時使用。出現(xiàn)的這種技術(shù)可以用于任何所需的優(yōu)化。
本發(fā)明還優(yōu)選地包括阻尼結(jié)構(gòu)，該阻尼結(jié)構(gòu)在無源/非運轉(zhuǎn)狀態(tài)(即，當反饋控制系統(tǒng)未加電源并且不提供任何阻尼時)其間極為有效。優(yōu)選地，該阻尼結(jié)構(gòu)包括被構(gòu)造成在無源狀態(tài)期間提供阻尼的彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的具有彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)510的懸浮板500的透視圖。
如圖5所示，每一個中間框架501均優(yōu)選地在長度上大于(長于)設置在每個框架之間的柔性件503，而每個框架橫過內(nèi)部腔室502的較大部分。中間框架也是足夠剛性的，但要盡可能輕，以便在抑制寄生共振頻率的同時抑制檢測質(zhì)塊的平面外運動，而不會斷裂或折斷。中間框架501設計成在散置于中間框架之間的柔性件503被壓縮得足以造成損壞柔性件503之前，彼此物理地接觸。
為了防止由于極大的外部沖擊或振動而造成斷裂和/或損壞，本發(fā)明優(yōu)選地進一步包括專門形成的彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)510，其在無源狀態(tài)期間為系統(tǒng)提供了額外的阻尼。
參照圖6，示出了彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)510的優(yōu)選實施例的特寫視圖。如圖所示，該優(yōu)選實施例優(yōu)選地包括一個或多個梯形的活塞601和接合孔602。在優(yōu)選實施例中，活塞601優(yōu)選地位于最后(最外側(cè))的中間框架605上，面向外側(cè)，并且對應的接合孔602位于懸浮板607的外框架的內(nèi)表面上，面向內(nèi)側(cè)。由于最外側(cè)的中間框架605靠近懸浮板607的外框架的內(nèi)表面，活塞601將接合并插入到孔602中，從而在中間框架可以接觸懸浮板的外框架的表面之前提供了阻尼效果。
在優(yōu)選實施例中，懸浮板的腔室優(yōu)選地充滿有非導電氣體，諸如空氣或氮氣。由于最外側(cè)的中間框架605向懸浮板607的外框架的內(nèi)表面移動，所以活塞601與接合孔602接合，并插入到接合孔602中。由于活塞進一步退入到孔中，所以接合孔內(nèi)的氣體在壓力上增加，造成抵靠活塞而施加的力，并可能在彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的多次振蕩上減慢了中間框架的運動，直到其停止，從而防止了柔性件的損壞。
可替換地，懸浮板內(nèi)的腔室可以被抽空。在這種情況下，彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括孔和對應的活塞，其中，活塞實際上由使用小阻尼彈簧結(jié)合在一起的兩個單獨的部分形成。圖7是在彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)中使用的活塞700的可替換實施例的特寫視圖，其中，活塞由使用小阻尼彈簧結(jié)合在一起的兩個單獨的部分形成。如圖所示，活塞包括第一半部分701和第二半部分703，它們通過使用小阻尼彈簧705結(jié)合在一起。在正常操作時，當活塞不接合時，這兩個彈簧件分離，但由于部分間的接觸，它們形成彈簧件。當活塞700進一步插入到彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的孔中時，在小阻尼彈簧提供克服第二半部分703的力的同時，活塞的第二半部分703被推動抵靠并接近第一半部分701。當?shù)诙氩糠?03移動得更接近第一半部分701時，來自彈簧的阻力增加。這種彈簧運動既可以用于消散能量，又可以用作能量存儲，以使第一和第二半部分脫離接合，防止它們通過靜摩擦力“粘在”一起，并且防止了設備不起彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的作用。可替換地，諸如粘彈性聚合物706的層或阻尼材料可以插入到第一半部分701與第二半部分703之間，取代或附加到阻尼彈簧，如圖8所示。粘彈性材料塊707也可以沉積在彈簧件705的頂部上，以預防彈簧中的阻尼和能量損失。
對于具有懸浮板和兩個導電或電容板的地震儀設備的實際生產(chǎn)來說，如美國專利申請10/058,210中所述，非常希望可以用一個設備幾何結(jié)構(gòu)來生產(chǎn)靈敏元件的所有這三個部件，即電容板和懸浮板。為了實現(xiàn)這些，所有三個板都優(yōu)選地設置在“Galperin”方位中，從而每一個均發(fā)現(xiàn)相同的重力矢量。由于設備的幾何結(jié)構(gòu)，重要的是當暴露于該重力矢量時確保最優(yōu)操作和設計，而檢測質(zhì)塊位于中心。如果制造的懸浮板與電容板分離，那么檢測質(zhì)塊上的重力將影響相對于每一個其它電容板而言的檢測質(zhì)塊的中心，并且將影響當形成整個設備時對每一個板的讀數(shù)(readings)。
為了確保在制造之后檢測質(zhì)塊位于中心，掩膜組被小心地偏壓，從而當放平時柔性件被“預拉伸”。這種預拉伸使得當定位在“Galperin”方位或54.7度的角度時，彈簧質(zhì)量系統(tǒng)位于中心。當通過諸如深活性離子蝕刻(DRIE)的方法去除材料時，彈簧假設中心位置在54.7度的Galperin角度。預拉伸可以或者通過數(shù)值分析法或者通過有限元分析法計算，兩種技術(shù)對本領域技術(shù)人員都是眾所周知的，使得圖案是同樣的偏差圖案，當承受與定位在Galperin位置的系統(tǒng)相反的幅度和方向的加速度時，該圖案可以在釋放的對稱結(jié)構(gòu)中觀察到。這種預拉伸水平將幾乎正好均衡在Galperin方位中的重力矢量，從而質(zhì)量幾乎完全地位于中心。圖9示出了已經(jīng)被小心地偏壓的掩膜組，從而當放平時柔性件被“預拉伸”。
最后，對于最優(yōu)性能，檢測質(zhì)塊的質(zhì)量中心和致動器(actuator)作用的中心應該一致。此外，檢測質(zhì)塊的運動方向和致動器的力方向應該一致。設備可以生產(chǎn)有位移變頻器和磁致動器，二者都形成在設備的一個表面上。這使得工藝成本最小，但允許離軸力的出現(xiàn)和響應。有兩種方法用來生產(chǎn)所需的幾何結(jié)構(gòu)，還有一種方法用來補償任何殘余的離軸影響。對于第一種方法，在設備的兩側(cè)上裝配磁致動器。在該設計中，離軸力矩趨于以更復雜制造工藝的成本抵消。對于第二種方法，致動器和變頻器裝配在檢測質(zhì)塊的不同側(cè)上，并且懸掛(框架、彈簧和檢測質(zhì)塊)的復制品結(jié)合在檢測質(zhì)塊的變頻器側(cè)上。這種合成的檢測質(zhì)塊在其質(zhì)量的中心處具有致動器，再次付出了更復雜制造工藝的成本。
盡管上述描述針對本發(fā)明的特定實施例，可以理解，在不背離本發(fā)明精神的前提下，可以進行各種更改。因此，所公布的實施例應該從解釋的各方面來考慮，而不是限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是由上述描述限定，并且所有的改變均落在權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種地震儀，包括至少一個固定電容板；第一電容傳感器陣列，位于所述固定電容板的表面上，所述第一電容傳感器陣列具有導電元件的周期圖案；懸浮板，具有由多個柔性件支撐的檢測質(zhì)塊，所述柔性件能夠?qū)⑺鰴z測質(zhì)塊的運動限制在一個軸線上，具有位于所述柔性件內(nèi)或之間的至少一個中間框架，所述中間框架消除了寄生頻率，并提供了所述地震儀的更寬的有效操作帶寬；第二電容傳感器陣列，位于所述檢測質(zhì)塊的表面上，具有導電元件的周期圖案，所述導電元件在與分開的相對位置中的所述第一電容傳感器陣列中的所述導電元件平行的周期性的公共方向上對齊；電連接件，連接至所述固定電容板上的所述第一電容傳感器陣列，使得來自外部元件的周期激勵可以通過所述第一電容傳感器陣列的所述周期圖案耦合至所述第二電容傳感器陣列的所述周期圖案，所述耦合在零至百分百范圍內(nèi)，并且相對于所述固定板是所述檢測質(zhì)塊的周期位置測量；電連接件，連接至向外部電子裝置傳輸信號的所述檢測質(zhì)塊傳感器陣列，所述信號由所述固定板傳感器陣列與所述檢測質(zhì)塊傳感器陣列的所述耦合產(chǎn)生，所述外部電子裝置確定所述第一電容傳感器陣列與所述第二電容傳感器陣列之間的所述耦合的百分比，以便轉(zhuǎn)換所述檢測質(zhì)塊相對于所述固定板的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震儀，其中，所述懸浮板進一步包括彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)，所述彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)具有梯形的活塞，位于最后(最外側(cè))的中間框架上；以及對應的接合孔，位于所述懸浮板的外框架的內(nèi)表面上，使得當所述最外側(cè)的中間框架接近所述懸浮板的內(nèi)表面時，所述活塞將接合并插入到所述孔中，從而在所述中間框架可以接觸腔室的外框架的表面之前提供阻尼效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地震儀，其中，所述活塞包括第一半部分；以及第二半部分，使用小阻尼彈簧結(jié)合至所述第一半部分，使得當所述活塞進一步插入到所述彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的所述孔中時，在所述阻尼彈簧提供抵靠所述第二半部分的力的同時，所述活塞的所述第二半部分被推動抵靠并接近所述第一半部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地震儀，其中，所述活塞包括第一半部分；第二半部分；以及阻尼材料，插入在所述第一半部分與所述第二半部分之間，使得當所述活塞進一步插入到所述彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的所述孔中時，在所述阻尼材料提供抵靠所述第二半部分的抵抗力和耗散力的同時，所述活塞的所述第二半部分被推動抵靠并接近所述第一半部分。
5.一種微機械懸浮板，用于形成中心檢測質(zhì)塊和位于所述檢測質(zhì)塊相對側(cè)上的柔性件，所述柔性件使得所述檢測質(zhì)塊在懸掛平面內(nèi)沿一個方向運動，但抑制在所有其它方向的運動，所述微機械懸浮板進一步包括位于所述柔性件內(nèi)的至少一個中間框架，以便產(chǎn)生第一寄生模式頻率至少是系統(tǒng)共振頻率的十倍的系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的懸浮板，進一步包括彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)，其具有梯形的活塞，位于最后(最外側(cè))的中間框架上；以及對應的接合孔，位于所述懸浮板的外框架的內(nèi)表面上，使得當所述最外側(cè)的中間框架接近所述懸浮板的內(nèi)表面時，所述活塞將接合并插入到所述孔中，從而在所述中間框架可以接觸腔室的外框架的表面之前提供阻尼效果。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的懸浮板，其中，所述彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的所述活塞包括第一半部分；以及第二半部分，使用小阻尼彈簧結(jié)合至所述第一半部分，使得當所述活塞進一步插入到所述彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的所述孔中時，在所述阻尼彈簧提供抵靠所述第二半部分的力的同時，所述活塞的所述第二半部分被推動抵靠并接近所述第一半部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的懸浮板，其中，所述活塞包括第一半部分；第二半部分；以及阻尼材料，插入在所述第一半部分與所述第二半部分之間，使得當所述活塞進一步插入到所述彈簧/氣體阻尼結(jié)構(gòu)的所述孔中時，在所述阻尼材料提供抵靠所述第二半部分的抵抗力的同時，所述活塞的所述第二半部分被推動抵靠并接近所述第一半部分。
9.一種加速計，包括微機械懸浮板，用于形成中心檢測質(zhì)塊和位于所述檢測質(zhì)塊相對側(cè)上的柔性件，所述柔性件使得所述檢測質(zhì)塊在懸掛平面內(nèi)沿一個方向運動，但抑制在所有其它方向的運動，所述微機械懸浮板進一步包括位于所述柔性件內(nèi)的至少一個中間框架；變頻器，用于通過確定所述固定板表面上的第一電容傳感器陣列與所述檢測質(zhì)塊表面上的第二電容傳感器陣列之間的耦合電容，而確定所述檢測質(zhì)塊相對于固定板的位置；致動器，用于產(chǎn)生和發(fā)射動作信號，以便于移動所述檢測質(zhì)塊；以及反饋電子裝置，使用通過所述變頻器確定的所述檢測質(zhì)塊位置，以便產(chǎn)生控制所述致動器的反饋信號，從而管理所述動作信號，并在所需的參數(shù)范圍內(nèi)控制所述檢測質(zhì)塊的運動；一種裝置，用于測量所述動作信號，并確定所述檢測質(zhì)塊運動的加速度分量作為其函數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計，其中，所述反饋信號控制所述致動器，以便將所述檢測質(zhì)塊維持在所述變頻器一個周期內(nèi)的大約零位置中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計，進一步包括速度傳感器，所述速度傳感器包括用于通過測量所述反饋電子裝置內(nèi)的電壓并計算作為這種測量值的函數(shù)的速度分量，來確定所述檢測質(zhì)塊運動的速度分量的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計，進一步包括限位控制電子裝置，用于接收由所述致動器產(chǎn)生的所述動作信號，并且如果所述動作信號超過預設限度，則將所述動作信號臨時調(diào)零，其中，所述預設限度對應于基本上大于所述變頻器的重復距離的一半距離的所述檢測質(zhì)塊的運動。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計，其中，所述致動器是靜電致動器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的加速計，其中，所述靜電致動器包括一組致動器板，一個位于所述固定板上，一個位于所述檢測質(zhì)塊上，所述板設置成接收所述動作信號并產(chǎn)生足夠的力來移動所述檢測質(zhì)塊。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的加速計，其中，所產(chǎn)生的力作為所述動作信號的線性函數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計，其中，所述致動器是電磁致動器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的加速計，其中，所述電磁致動器包括固定的外部磁電路，其具有設置在所述檢測質(zhì)塊每側(cè)上的兩個磁體；主反饋線圈和積分反饋線圈，位于所述檢測質(zhì)塊上；外部反饋電路，利用由所述變頻器確定的所述檢測質(zhì)塊位置，所述反饋電路向所述主反饋線圈和所述積分反饋線圈提供單獨的反饋電流，以便在所述兩個線圈與磁體之間激勵電磁交互感應，從而控制所述檢測質(zhì)塊的運動和位置，所述主反饋線圈和所述積分反饋線圈使速度輸入信號和位置輸入信號對于所述變頻器無效；以及限位控制電子裝置，用于當所述電流超過與大于所述變頻器的重復距離的一半的距離的所述檢測質(zhì)塊在任一方向上的運動相對應的預設限度時，暫時使提供給所述積分反饋線圈的所述反饋電流為零。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的加速計，其中，所述檢測質(zhì)塊包括粘結(jié)在一起的兩個晶片，并且所述積分反饋線圈中心地設置在所述兩個晶片之間，以提供對稱的動作。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的加速計，其中，所述外部反饋電路在跨導構(gòu)造中驅(qū)動所述主反饋線圈和所述積分反饋線圈。
20.一種制造具有檢測質(zhì)塊以及用于懸掛所述檢測質(zhì)塊的柔性件的懸浮板的方法，所述方法包括形成用于蝕刻所述懸浮板的掩膜組；以及小心地偏壓所述掩膜組，從而所述柔性件在放平時被“預拉伸”，使得當定向在“Galperin”方位或54.7度的角度時，彈簧質(zhì)量系統(tǒng)位于中心。
21.一種變頻器，包括至少一個固定電容板；第一電容傳感器陣列，位于所述固定板的表面上，所述第一電容傳感器陣列具有導電元件的周期圖案；懸浮板，具有由多個柔性件支撐的檢測質(zhì)塊，所述柔性件能夠?qū)⑺鰴z測質(zhì)塊的運動限制在一個軸線上，所述多個柔性件接合多個框架；第二電容傳感器陣列，位于所述檢測質(zhì)塊的表面上，所述第二電容傳感器陣列包括與所述第一電容傳感器陣列具有同樣周期的導電元件的周期圖案，所述第一和第二電容傳感器陣列平行于所述檢測質(zhì)塊的運動，所述傳感器陣列具有在分開的相對位置中的周期性的公共方向；電連接件，連接至所述固定電容板上的所述第一電容傳感器陣列，使得來自外部電子裝置的周期激勵可以通過所述第一電容傳感器陣列的所述周期圖案耦合至所述第二電容傳感器陣列的所述周期圖案，所述耦合在零至百分百范圍內(nèi)，并且相對于所述固定板進行所述檢測質(zhì)塊的周期位置測量；電連接件，連接至所述檢測質(zhì)塊傳感器陣列，所述檢測質(zhì)塊傳感器陣列向外部電子裝置傳輸由所述固定板傳感器陣列與所述檢測質(zhì)塊傳感器陣列的所述耦合產(chǎn)生的信號，用于確定所述第一電容傳感器陣列與所述第二電容傳感器陣列之間的所述耦合的百分比，以便相對于所述固定板轉(zhuǎn)換所述檢測質(zhì)塊的位置。
22.一種加速計，包括微機械懸浮板，用于形成中心檢測質(zhì)塊和位于所述檢測質(zhì)塊相對側(cè)上的柔性件，所述柔性件與多個框架接合，并且使得所述檢測質(zhì)塊在懸浮板的平面內(nèi)沿一個軸線運動；變頻器，用于通過確定所述固定板表面上的第一電容傳感器陣列與所述檢測質(zhì)塊表面上的第二電容傳感器陣列之間的耦合電容，而確定所述檢測質(zhì)塊相對于固定板的位置；致動器，用于產(chǎn)生和發(fā)射動作信號，以便于移動所述檢測質(zhì)塊；反饋電子裝置，使用通過所述變頻器確定的所述檢測質(zhì)塊位置，以便產(chǎn)生控制所述致動器的反饋信號，從而管理所述動作信號，并在所需的參數(shù)范圍內(nèi)控制所述檢測質(zhì)塊的運動；以及一種裝置，用于測量所述動作信號，并確定所述檢測質(zhì)塊運動的加速度分量作為其函數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的加速計，其中，所述反饋信號控制所述致動器，以便將所述檢測質(zhì)塊維持在所述變頻器一個周期內(nèi)的大約零位置中。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的加速計，進一步包括速度傳感器，具有用于通過測量所述反饋電子裝置內(nèi)的電壓并計算作為這種測量值的函數(shù)的速度分量，為所述檢測質(zhì)塊的運動確定速度分量的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的加速計，進一步包括限位控制電子裝置，用于接收由所述致動器產(chǎn)生的所述動作信號，并且如果所述動作信號超過對應于基本上大于所述變頻器的重復距離的一半距離的所述檢測質(zhì)塊運動的預設限度，則將所述動作信號臨時調(diào)零。
26.根據(jù)權(quán)利要求26所述的加速計，其中，所述柔性件允許在平面內(nèi)沿兩條軸線運動，所述平面內(nèi)運動由周期上與所述兩個方向?qū)R的第二組單獨的傳感器陣列檢測。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的加速計，其中，所述致動器是靜電致動器。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的加速計，其中，所述靜電致動器包括一組致動器板，一個位于所述固定板上，一個位于所述檢測質(zhì)塊上，所述板設置成接收所述動作信號并產(chǎn)生足夠的力來移動所述檢測質(zhì)塊。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的加速計，其中，所產(chǎn)生的力作為所述動作信號的線性函數(shù)。
30.根據(jù)權(quán)利要求22所述的加速計，其中，所述致動器是電磁致動器。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的加速計，其中，所述電磁致動器包括固定的外部磁電路，其具有設置在所述檢測質(zhì)塊每側(cè)上的兩個磁體；主反饋線圈和積分反饋線圈，位于所述檢測質(zhì)塊上；外部反饋電路，利用由所述變頻器確定的所述檢測質(zhì)塊位置，所述反饋電路向所述主反饋線圈和所述積分反饋線圈提供單獨的反饋電流，以便在所述兩個線圈與磁體之間激勵電磁交互感應，從而控制所述檢測質(zhì)塊的運動和位置，所述主反饋線圈和所述積分反饋線圈使速度輸入信號和位置輸入信號對所述變頻器無效；以及限位控制電子裝置，用于當所述電流超過與大于所述變頻器的重復距離的一半的距離的所述檢測質(zhì)塊在任一方向上的運動相對應的預設限度時，臨時使提供給所述積分反饋線圈的所述反饋電流為零。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的加速計，其中，所述檢測質(zhì)塊包括粘結(jié)在一起的兩個晶片，并且所述積分反饋線圈中心地設置在所述兩個晶片之間，以提供對稱的動作。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的加速計，其中，所述外部反饋電路在跨導構(gòu)造中驅(qū)動所述主反饋線圈和所述積分反饋線圈。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的加速計，具有附加靜電致動器，以提供標定輸入。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的加速計，具有附加靜電致動器，以提供標定輸入。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用平面內(nèi)懸掛幾何結(jié)構(gòu)的加速計或地震儀，該懸掛幾何結(jié)構(gòu)具有懸浮板以及至少一個固定電容板。懸浮板由單一件形成，并且包括外部框架、一對柔性件、以及位于柔性件之間的集成的檢測質(zhì)塊。柔性件使得檢測質(zhì)塊在懸掛平面內(nèi)沿靈敏方向運動，同時限制沿所有離軸方向的運動。檢測質(zhì)塊的離軸運動通過使用在柔性件內(nèi)或其間支出的中間框架而最小化。中間框架可以包括運動止動件，以防止在過載情況下的進一步相對運動。設備可以包括阻尼結(jié)構(gòu)，諸如彈簧或氣體結(jié)構(gòu)，其包括梯形活塞和對應的氣缸，以在無源狀態(tài)下提供阻尼。
文檔編號G01P15/08GK101014879SQ200580016391
公開日2007年8月8日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者威廉·托馬斯·派克, 艾安·斯坦德利, 理查德·西姆斯 申請人:凱恩邁特里克斯公司