CN105606844B - 具有应变补偿的加速度计 - Google Patents

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Abstract

具有应变补偿的加速度计。在某些示例中，一种设备包括检验质量和被配置成支撑检验质量的支撑底座，其中，所述检验质量被配置成响应于设备的加速度而移位。该设备还包括被配置成将检验质量柔性连接到支撑底座的弯曲部分。该设备还包括被配置成测量支撑底座上的应变量的应变监视设备。

Description

具有应变补偿的加速度计
技术领域
本公开涉及加速度计。
背景技术
加速度计通过检测或防止检验质量在惯性力下的位移而运行。在一个示例中，加速度计可通过连接在检验质量（proof mass）与支撑底座之间的双端音叉（DETF）的频率变化来检测检验质量的位移。在本示例中，DETF的尖齿可由压电材料或硅材料构成。DETF是谐振器，其被具体地设计成与由检验质量在加速度下施加的负荷成比例地改变频率。DETF谐振通过将DETF连接到振荡器的多个电极维持，其向DETF提供满足巴克豪森稳定性准则的能量。
发明内容
一般地，本公开针对可使得设备能够检测加速度计上的应变并补偿加速度计上的应变的设备、系统以及技术。例如，根据本公开的技术配置的加速度计可包括应变监视设备，其可被配置成检测和监视加速度计的应变。在一个示例中，可包括双端音叉（DETF）的应变监视设备可随着加速度计上的应变改变而检测DETF的尖齿的频率变化，并向处理器提供关于频率变化的数据，其使得处理器能够针对加速度计上的变化的应变量补偿来自加速度计的加速度测量结果。
在某些示例中，应变监视设备的频率随着加速度计的应变（例如，张力（tension））增加而增加。相反地，应变监视设备的频率随着加速度计的应变（例如，压缩）减小而减小。在某些示例中，应变监视设备位于由加速度计定义的平面中。在某些示例中，应变监视设备由与加速度计相同的材料制成，使得应变监视设备与加速度计之间的膨胀系数几乎相同。
在一个示例中，本公开针对一种设备，其包括：检验质量；支撑底座，其被配置成支撑检验质量，其中，检验质量被配置成响应于设备的加速度而移位；弯曲部分，其被配置成将检验质量柔性地连接到支撑底座；以及应变监视设备，其被配置成测量支撑底座上的应变量。
在另一示例中，本公开针对一种方法，其包括：由处理器从加速度计接收加速度计上的应变量；由处理器从加速度计接收加速度计的加速度量；由处理器至少部分地基于加速度计上的应变量和加速度量来确定加速度计的已修改加速度值；并且由处理器输出已修改加速度值。
在另一示例中，本公开针对一种制造加速度计的方法，该方法包括：用光致抗蚀剂来掩蔽衬底；从衬底去除材料以形成多个特征，其中，所述多个特征包括检验质量、被配置成支撑该检验质量的支撑底座、被配置成将检验质量柔性地连接到支撑底座的弯曲部分，并且其中，所述多个特征本质上由所述材料构成；以及形成应变监视设备。
在附图和以下描述中阐述了本公开的一个或多个示例的细节。根据描述和附图以及根据权利要求，本公开的其它特征、对象以及优点将是显而易见的。
附图说明
图1是图示出根据本文所描述技术的加速度计系统的示例的框图。
图2是图示出根据本文所描述技术的包括在围绕位于支撑底座上的DETF的一个或多个尖齿的基础层上的一个或多个电极的加速度计的侧视图的框图。
图3—6是图示出根据本文所描述的技术的应变监视设备的示例的概念图。
图7A—7C是图示出根据本文所描述技术的包括应变监视设备的加速度计的示例性形成的框图。
图8是图示出根据本文所描述技术的使用包括应变监视设备的加速度计来补偿应变误差的示例性过程的流程图。
具体实施方式
加速度计测量加速度计本身相对于惯性参考系的加速度。具有双端音叉（DETF）的加速度计与（多个）压电DETF和可移动检验质量相结合地使用电磁场来确定可移动检验质量的位移的变化。检验质量从中性位置的位移量可与入射在加速度计上的加速度的量值成比例。然而，某些加速度计的准确度随时间而漂移。这些不准确性可由偏置不稳定性引起，该偏置不稳定性由于加速度计的物理结构的变化所引起的设备的物理结构的变化而引起。这些变化可由于老化、应变或应变消除和/或时间相关热变化而发生，并且可包括检验质量位置的变化。
在设备构造期间由材料界面的应力消除引起的应变可能与加速度信号不可区别开。已构造并建模的加速度计的持久性问题是加速度计上的应变随着加速度计的构造中的应力消除而随时间改变。由于应变随时间可变，所以由性能算法随时间推移而生成的加速度计性能的模型可能未准确地表示加速度计的性能（behavior）。为了防止应变随时间而变，某些示例性加速度计应用可包含监视温度或具有应变最小化机制的设备，并且该设备可被用来间接地补偿热应变。然而，这些示例性加速度计应用并不直接地测量加速度计上的应变量；此外，该应用未能解决在设备构造期间由材料界面的应力消除而引起的应变以及随时间推移的性能模型算法的累积不准确性。
在本文中公开了可通过至少检测应变并基于检测到的应变来调整生成的加速度值而补偿由于应变所引起的误差的技术和设备，该应变诸如由老化和/或热变化引起的应变。例如，根据本公开的技术配置的加速度计可包括应变监视设备，其可被配置成检测和监视加速度计的应变。在某些示例中，应变监视设备可提供信息，该信息可使得处理器能够调整测量的加速度并补偿加速度计的应变（例如，增加或减小的应变）。此类加速度计可允许更好的性能模型算法，其可使得处理器能够更好地补偿置于加速度计上的应变，并提供更准确的加速度测量结果。
根据本公开的技术配置的加速度计可用单一材料创建，其可减少时间相关热循环和老化的影响，因为整体式（例如，单一材料）加速度计具有一个膨胀系数。也就是说，此类加速度计与常规加速度计相比可更少地经受偏置不稳定性，并且可更加稳定。此外，根据本公开的技术配置的加速度计可允许以较小的轮廓且以降低的成本来创建更准确的加速度计，因为显著地减少了对防止来自构造和附加材料的应变的需要。
图1是图示出根据本文所述技术的加速度计系统20的示例的框图。在图1的示例中，加速度计系统20包括加速度计1和处理器18。在图1的示例中，加速度计1包括检验质量2、尖齿4A—4D（共同地“尖齿4”）、弯曲部分6、应变监视设备8A和8B（共同地“应变监视设备8”）、支撑底座10、系绳12、电极14A和14B以及谐振器16A和16B及连接38A和38B。加速度计1在图1中仅仅出于说明的目的被示为振梁加速度计（VBA），并且应设想应变监视设备8可与任何加速度计设备一起使用，包括但不限于硅振荡加速度计或能够测量加速度的任何其它设备。在某些示例中，加速度计1可以是微机电系统（MEMS）加速度计。
检验质量2被配置成响应于加速度计1的加速度而移位。在某些示例中，检验质量2可由于加速度计1的加速度而绕着由支撑底座10定义的平面移动。在某些示例中，检验质量2由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，检验质量2由硅制成。在某些示例中，检验质量2可由于可选系绳12而仅在由支撑底座10定义的平面中移动。
尖齿4能够实现通过由于尖齿4上的力的变化而引起的其谐振频率的变化来检测加速度计1中的力的量（例如，力的增加或减小）。在某些示例中，尖齿4由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，尖齿4由硅材料制成。在某些示例中，尖齿4可以是谐振器16A和16B的一部分。例如，尖齿4可以是双端音叉（DETF）的一部分。在某些示例中，尖齿4可在被置于由相应的振荡器电路生成的电场中时将振动保持在谐振频率处。在本示例中，在谐振频率下振动的尖齿4在力（例如，压缩或张力）被置于尖齿4上时还可具有频率的变化。在某些示例中，尖齿4被多个电极围绕。例如，所述多个电极可邻近于尖齿4和/或在尖齿4下面。在这些示例中，尖齿4可与相应的振荡器电路相组合地在由所述多个电极提供的电场所支持的其谐振频率下振动。在这些示例中，可将相应的振荡器电路构造成使得谐振器16A和16B可以是频率确定元件。由于每个谐振器16A和16B的频率由于施加于检验质量的加速度而改变，与所述多个电极组合的相应的振荡器电路将该变化作为信号（例如，相应尖齿位置拾取信号）跟踪，该信号可被相应的振荡器电路放大以生成相应的谐振器驱动信号。相应的振荡器电路通过与尖齿振荡同相地向谐振器16A和16B供应相应的谐振器驱动信号来保持谐振。
弯曲部分6将检验质量2柔性地连接到支撑底座10。在某些示例中，弯曲部分6可在支撑底座10内支撑检验质量2。在某些示例中，弯曲部分6由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，弯曲部分6由硅制成。在某些示例中，弯曲部分6可使得检验质量2能够由于加速度计1的加速度而绕着弯曲部分6从由支撑底座10定义的平面枢转出来。
应变监视设备8检测加速度计1的材料的应变（例如，支撑底座10的应变）（例如，应变的增加或减小）。在某些示例中，应变监视设备8由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，应变监视设备8可由硅制成。在某些示例中，应变监视设备8可以是压阻的、结晶石英DETF或者是具有硅构造。
在某些示例中，应变监视设备8可以是（DETF），类似于谐振器16A和16B。在某些示例中，应变监视设备8可以是金属化膜，其中，应变监视设备8的电阻的变化将指示加速度计1上的应变。在某些示例中，应变监视设备8可在每个末端处具有一个或多个悬臂以允许调整应变监视设备8的灵敏度，使得应变监视设备8的频率变化是要调整的施加应变的函数。在某些示例中，应变监视设备8可在一个或多个末端处具有一个或多个弹簧以允许调整应变监视设备8的灵敏度，使得应变监视设备8的频率变化是要调整的施加应变的函数。在某些示例中，应变监视设备8可位于由支撑底座10定义的同一平面中（例如，在平面内）。在某些示例中，应变监视设备8可位于与尖齿4、弯曲部分6、系绳12以及谐振器16A和16B相同的平面中。在某些示例中，应变监视设备8可包括被连接到相应振荡器电路的多个电极。
支撑底座10通过弯曲部分6、谐振器16A和16B以及系绳12向检验质量2提供支撑，并且可包含也可使检验质量2移位的应变。在某些示例中，支撑底座10由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，支撑底座10由硅制成。在某些示例中，支撑底座10可定义其中检验质量2、尖齿４、弯曲部分6、应变监视设备8、系绳12以及加速度设备16A和16B也位于同一平面中的平面。在某些示例中，支撑底座10是一块整体材料，其具有被蚀刻而形成加速度计1的顶层的多个特征。在某些示例中，支撑底座10本质上由石英或硅构成。
系绳12（其是可选的）将检验质量2附着到支撑底座10并可限制检验质量2的运动，同时仍允许检验质量2绕着由弯曲部分6和系绳12创建的轴枢转。在某些示例中，系绳12由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，系绳12由硅制成。在某些示例中，系绳12围绕由支撑底座10定义的平面是柔性的，但在进和出由支撑底座10定义的平面的方向上是硬的。
谐振器16A和16B可以是具有尖齿4的双端音叉（DETF），其可检测检验质量2的旋转。谐振器16A和16B还可包括电极14A和14B，其可部分地围绕尖齿4的一部分。例如，电极14A和14B可邻近于尖齿4或被施加在尖齿4上。谐振器16A和16B中的每一个可被电极14A和14B连接到相应的振荡器电路以维持尖齿4的谐振。
电极14A和14B中的每一个包括多个电极，其驱动尖齿4保持尖齿4的谐振并检测尖齿4的位置。电极14A和14B与相应的振荡器电路相组合地提供图案化电场以引起尖齿4保持尖齿4的谐振。邻近于相应尖齿4的电极14A和14B可将相应尖齿4的位置检测为相应的尖齿位置拾取信号。电极14A和14B可被配置成使用电容、电磁或光学装置来检测相应尖齿4的位置。在某些示例中，与由电极14A和14B检测到的相应的尖齿位置拾取信号相关联的频率可指示尖齿4的谐振频率。电极14A和14B还可将检测到的相应的尖齿位置拾取信号提供给相应的振荡器电路，其将相应的尖齿位置拾取信号放大以创建相应的谐振器驱动信号。相应的振荡器电路可将相应的谐振器驱动信号提供给电极14A和14B以保持尖齿4的谐振（例如，在平面内且异相）。振荡器电路可独立将相应的尖齿位置拾取信号放大，并将相应的尖齿位置拾取信号作为输出提供给处理器。这样，电极14A和14B可通过检测相应的尖齿位置拾取信号来检测检验质量2的旋转，每个相应尖齿位置拾取信号具有指示尖齿4的谐振频率的变化的频率。
电极14A和14B可包括位于尖齿4或基础层（未示出）上的结构。例如，电极14A和14B可包括多个电极，其被汽相沉积在围绕尖齿4的基础层上，或者可以通过将基础层直接熔融结合到支撑底座8来施加。在某些示例中，可通过使用铜焊材料、环氧树脂或粘合剂来将基础层结合到支撑底座8而施加基础层的电极14A和14B。在某些示例中，电极14A和14B可具有经由导线结合来自附着电子装置（例如，振荡器电路等）的电荷，并且可通过真空沉积向电极14A和14B施加金属化图案。
相应的振荡器电路可以是加速度计1的一部分，并且被构造成使得谐振器16A和16B是频率确定元件。随着每个谐振器16A和16B的频率由于施加到检验质量2的加速度而改变，相应的振荡器电路跟踪每个振荡器16A和16B的变化。每个相应振荡器电路通过与尖齿4振荡同相地向谐振器16A和16B供应适当能量而保持谐振器16A和16B的谐振。例如，相应的振荡器电路可通过使用从电极14A和14B检测到的瞬时DETF尖齿位置、例如相应尖齿位置拾取信号并随后将相应的尖齿位置拾取信号放大以创建相应的谐振器驱动信号来保持尖齿4的谐振，所述相应的谐振器驱动信号然后被使用电极14A和14B施加到相应谐振器16A和16B。谐振器16A和16B的频率可以是跨尖齿4施加（例如，通过检验质量2的移动）的负荷的函数。这样，在相应的谐振器驱动信号与相应尖齿位置拾取信号同相的情况下，相应的谐振器驱动信号满足巴克豪森稳定性准则。
连接38A和38B是加速度计1与外壳（未示出）之间的连接区域（例如，由于安装连接而引起的应变区）。在某些示例中，连接38A和38B可以是将加速度计1从外壳隔离的隔离元件。在某些示例中，连接38A和38B可以是其中应变增加或减小的支撑底座10上的任何位置。在某些示例中，连接38A和38B是加速度计的应变变化将具有最大效果的地方。在某些示例中，将应变监视设备8移动成离连接38A和38B更近或远离连接38A和38B将分别地增加和降低应变监视设备8的灵敏度。
处理器18以及本文公开的其它处理器每个可以包括硬件、软件、固件或其任何组合的任何适当布置，以执行归因于本文中的相应的处理器18的技术。例如，处理器18每个可包括任何一个或多个微处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或任何其它等价集成或分立逻辑电路以及此类部件的任何组合。
处理器18从加速度计1接收数据。在某些示例中，处理器18可从加速度计1接收指示加速度计1上的应变量的数据。在某些示例中，处理器18可从加速度计1接收指示加速度计1的加速度量的数据。在这些示例中，处理器18可使用来自加速度计1的数据以基于加速度计1上的应变量和加速度计1的加速度量来确定已修改加速度值。
在图1的示例中，谐振器16A和16B被连接在检验质量2与支撑底座10之间，并且应变监视设备8被邻近于谐振器16A和16B以及弯曲部分6定位。在某些示例中，应变监视设备8的距离应足够接近以检测施加于谐振器16A和16B的应变的变化，但是并非如此接近以致于有害地影响加速度计的运行。例如，等于千分之十英寸或更大的距离应足够防止激励应变补偿器的电场与向处理器18返回加速度信号的（多个）引线相干扰。虽然在图1中未示出，但在某些示例中，外壳结构可围绕加速度计1，并且可被附着到支撑底座10。
应变监视设备8可通过例如监视应变诱发的DETF的频率变化来监视应变加速度计1。在某些示例中，可将应变监视设备8的应变诱发频率变化结合到被用来确定加速度计的测量加速度的性能模型算法中。通过将应变监视设备8的应变诱发频率变化引入到性能算法中，性能可获得附加的自由度，使得加速度计的另一维度（例如，独立参数）是已知的，使得性能算法能够减少或消除由于应变对加速度计1的影响而引起的加速度测量结果的退化。
换言之，通过将应变监视设备8的频率变化结合到确定由加速度计1检测到的加速度的性能算法中，该性能算法具有少了一个的未知变量。在某些示例中，可在没有围绕应变监视设备8的隔离机构的情况下进行应变变化的应变测量的直接测量。在其中期望减小应变监视信号的振幅的情况下，可通过使用一个或多个柔性悬臂和/或弹簧将应变监视设备8隔离到可调整的程度。在其中期望减小应变监视信号的振幅的其它示例中，可通过零标距配置来将应变监视设备8与热效应隔离（例如，其中，应变监视设备8的长度拒绝任何热效应）。
在某些示例中，应变监视设备8的取向（例如，方向）可基于应变最有可能在加速度计1上发生的地方。在图1的示例中，第一应变监视设备8A可在垂直于DETF 16A和16B的阈值度数内（例如，在75°与105°之间，在垂直的加或减15度内等），并且DETF 16A和16B可在相互平行的阈值度数内（例如，在165°与195°之间、在平行的加或减15度内等）。在某些示例中，应变监视设备8的最灵敏方向可精确地垂直于所施加应变。例如，就此角度改变所达到的程度来说，灵敏度将被减小该角的余弦，这可允许进一步调整灵敏度。在某些示例中，第二应变监视设备8B可在平行于DETF 16A和16B的阈值度数内（例如，在165°与195°之间、在平行的加或减15度内等）。在某些示例中，应变监视设备8的灵敏轴的放置和方向可取决于加速度计如何和在哪里被附着到支撑机构和结果得到的应变如何通过加速度计1传播。在某些示例中，基于将加速度计1附着到外壳的方式，可以使用应变图案来对应变监视设备8进行定向。
可根据本公开的技术来配置加速度计以提供更好的性能模型算法，其可使得处理器18能够更好地补偿置于加速度计上的应变。一般地，加速度计1包括安装应变、膨胀系数以及环氧树脂，其可随时间推移而改变其状态。然而，由于安装应变、膨胀系数以及环氧树脂的状态可改变，所以加速度计1的应变也可改变，其可使加速度计的原始模型偏移。通过提供诸如应变监视设备8之类的一个或多个应变监视设备，可存在加速度计校准的量的减小。此外，应变监视设备8可检测加速度计1的材料中的应变，其还可提供实际应变的更准确确定而不是使热应变的效果最小化。
在图1的示例中，加速度计1可被加速，这可引起检验质量2被移位，使得加速度计1能够测量加速度。一旦检验质量2移位，则谐振器16A和16B也移位（例如，随着检验质量2向左按下，谐振器16A具有压缩且谐振器16具有张力），这在每个谐振器16A和16B的尖齿4上生成力。金属化表面围绕每个谐振器16A和16B的尖齿4并被用作电极14A和14B。电极14A和14B可与相应的振荡器电路相组合地提供电场和/或电荷并将尖齿4的位置检测为相应的信号。
在图1的示例中，加速度计1还可在连接38A和38B处具有力，其可引起检验质量2移位，并引起加速度计1检测且指示加速度计1的假加速度。连接38A和38B处的力还可使加速度计1的性能退化，使得加速度计1不提供准确的加速度测量。在某些示例中，加速度计1可具有在构造期间创建的其结构中的任何地方的来自应变的应变消除，这可引起检验质量2移位，并引起加速度计1检测假加速度。该应变消除也可使加速度计1的性能退化，使得加速度计1不提供准确的加速度测量。
一般地，随着在连接38A和/或38B处创建或消除应变，可创建或消除尖齿4上的相应应变，并且尖齿4的谐振频率可改变，并且该变化可指示加速度计1上的应变。随着在加速度计1中的任何地方创建或消除应变，也可创建或消除尖齿4上的应变，并且尖齿4的谐振频率可改变，使得该变化可指示加速度计1上的应变。在其它示例中，尖齿4的谐振频率可不改变，这可以是加速度计1上的应变的指示。
为了减少或消除加速度计1的性能退化，可使用诸如DETF（例如，如图3中所述的DETF 28）或电阻膜（例如，如图4中所述的应变监视设备80B）之类的至少一个应变监视设备8来检测和指示加速度计1的应变（例如，应变的增加或减小）。例如，随着在连接38A和/或38B处创建或消除力，也创建或消除DETF的尖齿4上的相应应变。电极14A和14B的金属化表面围绕DETF的尖齿4并被用作电极（例如，驱动和拾取电极）以提供图案化电场，以支撑尖齿4以其谐振频率振动，并将尖齿4的位置检测为信号。在某些示例中，电极14A和14B可在尖齿4下面。可与来自谐振器16A和16B的加速度的指示（例如，相应的尖齿位置拾取信号）相组合地使用来自应变监视设备8的应变的指示（例如，相应的尖齿位置拾取信号）以补偿加速度计1的加速度测量中的应变或应变消除。在某些示例中，处理器18可与相应的振荡器电路相组合地通过由电极（例如，该电极可类似于电极14A和14B）提供的信号从应变监视设备8接收应变或应变消除的指示。在某些示例中，处理器18可使用性能算法来确定已调整或已修改加速度测量，使得一个自由度（例如，独立参数）是加速度计1的应变的组合指示，并且另一自由度是加速度计1的加速度的组合指示。
图2是图示出根据本文所述技术的包括在围绕位于支撑底座60上的DETF的一个或多个尖齿的基础层64上的一个或多个电极的加速度计50的示例性侧视图的框图。在图2的示例中，加速度计50包括三个双端音叉（DETF）58、66A以及66B，其可分别地对应于如图1中所述的应变监视设备8以及谐振器16A和16B。在图2的示例中，加速度计50还包括支撑底座60，其可对应于如图1中所述的支撑底座10、基础层64、加速度电极68、应变电极70以及台面72A和72B。虽然在图2中未示出，但是在某些示例中，外壳结构可围绕加速度计50，并且可在连接（诸如如图1中所述的连接38A和38B）处被附着到支撑底座60和/或基础层64。
基础层64可用台面72A和72B来向加速度计50的支撑底座60提供支撑。在某些示例中，基础层64由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，基础层64由硅制成。在某些示例中，基础层64可与支撑底座60分开地构造。在某些示例中，可通过铜焊或诸如熔融结合之类的其它附着技术将基础层64附着到支撑底座60。
加速度电极68表示将形成位于DETF 66A和66B的尖齿下面且邻近于该尖齿的电极的基础层64的金属化表面。在某些示例中，可在具有遮罩的真空蒸发器中将加速度电极68金属化到基础层64上。在某些示例中，加速度电极可由诸如金之类的导电金属制成。在某些示例中，与相应的振荡器电路相组合的加速度电极68（例如，加速度电极68A、68B、68C、68D、68E、68F、68G以及68H）可提供图案化电场以引起DETF 66的尖齿以谐振频率振荡（例如，在平面内且异相）。在某些示例中，加速度电极68（例如，加速度电极68A、68B、68C、68D、68E以及68F）可检测指示DETF 66A和66B的尖齿的信号，并且信号的频率可指示尖齿的谐振频率。这样，与相应振荡器电路组合的加速度电极68可被配置成驱动DETF 66A和68B的尖齿并检测由从检验质量的位移接收到的力所引起的尖齿的谐振频率的变化。在某些示例中，加速度电极68可对应于如图1中所述的电极14A和14B。
应变电极70表示将形成位于DETF 58的尖齿下面且邻近于该尖齿的电极的基础层64的金属化表面。在某些示例中，可在具有遮罩的真空蒸发器中将应变电极70金属化到基础层64上。在某些示例中，应变电极70可由金制成。在某些示例中，与振荡器电路组合的应变电极70（例如，应变电极70A—70F）可提供电场以使DETF 58的尖齿在谐振频率下振动（例如，在平面内且异相）。在某些示例中，应变电极70（例如，应变电极70A—70F）可检测到指示DETF 58的尖齿的信号，并且信号的频率可指示尖齿的谐振频率。这样，与振荡器电路组合的应变电极70可被配置成驱动DETF 58的尖齿并检测由从加速度计1中的应变创建或消除接收到的应变所引起的尖齿的谐振频率的变化。在某些示例中，加速度电极68可对应于如图1中所述的电极14A和14B。
台面72A和72B表示 DETF 58、66A和66B的尖齿分别地与加速度电极68和应变电极70之间的必要的距离，因此DETF 58、66A以及66B的尖齿可自由地振动，同时仍保持来自加速度电极68和应变电极70的电场。在一个示例中，台面72A和72B使尖齿与其相应的电极分离千分之二至五英寸的距离。在另一示例中，台面72A和72B可具有等于尖齿厚度的高度。
图3—6是图示出根据本文所述的技术的应变监视设备80A—80D的示例的概念图。在图1的上下文内描述图3。在图3的示例中，应变监视设备80A包括具有尖齿24A和24B（共同地“尖齿24”）的双端音叉（DETF）28，其可对应于如图1中所述的尖齿4，并且可检测到加速度计1的应变（例如，应变的增加或减小）。在某些示例中，DETF 28可对应于如图1中所述的应变监视设备8，并且由压电材料制成，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在其它示例中，DETF 28由硅制成。在某些示例中，DETF 28可以是压阻的、结晶石英DETF或者具有硅构造。在某些示例中，DETF 28可检测到支撑底座10的应变。在某些示例中，DETF 28可类似于如图1中所述的（多个）谐振器16A和16B。在某些示例中，与应变电极70和相应振荡器电路相组合的DETF 28可以向如图1中所述的处理器18提供数字输出。
在某些示例中，DETF 28的取向（例如，方向）可基于应变最有可能发生的地方。在某些示例中，DETF 28A可在垂直于DETF 16A和16B的阈值度数内（例如，在75°与105°之间，在垂直的加或减15度内等），并且DETF 16A和16B可在相互平行的阈值度数内（例如，在165°与195°之间、在平行的加或减15度内等）。在某些示例中，DETF 28B可在平行于DETF 16A和16B的阈值度数内（例如，在165°与195°之间、在平行的加或减15度内等）。在某些示例中，基于将加速度计1附着到外壳的方式，可以使用应变图案来对DETF 28进行定向。DETF 28还可具有诸如状态零之类的应变状态，其中，DETF 28在第一频率下振动。例如，如果对DETF 28施加张力（例如，加速度计1上的应变的增加），则频率从第一频率增加。相反地，如果向DETF28施加压缩（例如，加速度计1上的应变的减小），则频率从第一频率减小。
尖齿24之间的岛（island）包含电极，其将尖齿24的位置检测为信号，使得电场的任何变化是尖齿24上的应变的变化的指示。电极可对应于如图1中所述的电极14A和14B，并且被压电材料支撑，该压电材料诸如石英（SiO2）、块磷铝矿（AlPO4)、磷酸镓（GaPO4）、热盐（thermaline）、钛酸钡（BaTiO3）或锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）或氮化铝（AlN）等。在某些示例中，该岛可在形成多个电极表面（例如，电极）的其表面上具有金属化。在某些示例中，电极可邻近于尖齿24定位，诸如千分之二至五英寸的距离，其可使得尖齿24能够自由地振动，同时与振荡器电路相组合可提供电场以引起尖齿24在其谐振频率下振动。在某些示例中，与振荡器电路相组合的尖齿24下面的电极可提供图案化电场以引起尖齿24在其谐振频率下振动。在其它示例中，在尖齿24下面的电极可将尖齿24的位置检测为信号以便检测尖齿24的谐振频率，并将检测到的信号提供给振荡器电路。在这些示例中，振荡器电路可将检测到的信号放大，并将已放大信号提供给电极以便保持尖齿24的谐振在平面内且异相。在这些示例中，振荡器电路还可独立地将检测到的信号放大并将已放大信号提供给如图1中所述的处理器18。
在图4的示例中，应变监视设备80B可包括电阻膜82的条。在图4的示例中，电阻膜82可以是沉积（例如，通过真空沉积来沉积）在加速度计1的表面上的金属化膜条。在图4的示例中，由应变监视设备80B检测到的应变与应变监视设备80B的电阻成比例。在某些示例中，可在其中需要检测应变的加速度计上的任何地方使用一个或多个应变监视设备80A。例如，可使用两个应变监视设备80B，其中，一个应变监视设备80B可沿着加速度计1的x轴定位，并且另一应变监视设备80A可沿着y轴定位，以检测加速度计1的x和y方向上的应变。
在图5A—5B的示例中，应变监视设备80C可包括具有弹簧84的双端音叉（DETF）86以降低应变灵敏度。在某些示例中，应变测量方法、特别是测量应变的DETF的使用（例如，如图4中所述的DETF 28）过于灵敏（例如，加速度计上的应变可明显大于检验质量上的力）而不能在被直接地安装到加速度计时使用。DETF 86可对应于如在图4中所述的DETF 28。弹簧84是部分地将DETF 86与加速度计隔离的材料（例如，石英或硅）的梁（beam）。在某些示例中，弹簧84可位于应变监视设备80C的一端处以允许调整应变灵敏度并提供指示加速度计上的应变量的被抑制输出。
在图5A的示例中，DETF 86和弹簧84并未处于应变下。在图5B的示例中，DETF 86和弹簧84两者处于应变下，并且弹簧84弯曲以抑制DETF 86上的应变，这降低DETF 86的灵敏度。在某些示例中，可在其中需要检测应变的加速度计上的任何地方使用一个或多个应变监视设备80C。例如，可使用两个应变监视设备80C，其中，一个应变监视设备80C可沿着加速度计1的x轴定位，并且另一应变监视设备80C可沿着y轴定位，以检测加速度计1的x和y方向上的应变。
在图6的示例中，应变监视设备80D可包括具有弹簧84A和84B以用于增加应变灵敏度降低的双端音叉（DETF）86。在某些示例中，应变测量方法、特别是测量应变的DETF（例如，如图4中所述的DETF 28）的使用过于灵敏（例如，加速度计上的应变可明显大于检验质量上的力）而不能在被直接地安装到加速度计时使用。DETF 86可对应于如图4中所述的DETF28。弹簧84A和84B可对应于如图5A—5B中所述的弹簧84。在图6的示例中，弹簧84A和84B可通过进一步抑制指示加速度计上的应变量的DETF 86的输出来降低DETF 86的灵敏度。在图6的示例中，弹簧84A和84B可允许可调谐应变响应以及来自弹簧84A和84B的质量的惯性效应的抵消。在某些示例中，可使用一个或多个应变监视设备80D。例如，可使用两个应变监视设备80D，其中，一个应变监视设备80D可沿着加速度计1的x轴定位，并且另一应变监视设备80D可沿着y轴定位，以检测加速度计1的x和y方向上的应变。
图7A—7C是图示出根据本文所述技术的包括应变监视设备的加速度计的示例性形成的框图。在图7A的示例中，加速度计100A是衬底102A。在某些示例中，衬底102A可由晶体石英或硅构成。
在图7B的示例中，加速度计100B是具有光致抗蚀剂104的掩蔽的衬底102B，其被掩蔽以在衬底102B上限定多个特征。在某些示例中，具有光致抗蚀剂104的掩蔽的衬底102B被暴露到光和/或酸以从衬底102B去除（例如，蚀刻）材料从而形成多个特征。在某些示例中，被蚀刻到衬底102B中的所述多个特征中的一个特征是一个或多个应变监视设备118A和118B（共同地“应变监视设备118”）。在其它示例中，应变监视设备118可以是电阻膜，诸如在图4中所述的电阻膜82。
在图7C的示例中，加速度计100C是被蚀刻衬底102C。在某些示例中，被蚀刻衬底102C的蚀刻可限定多个特征，其可包括支撑底座110、检验质量112、加速度双端音叉（DETF）114A和114B、弯曲部分116、应变监视设备118以及可选系绳122，其可对应于如图1中所述的支撑底座10、检验质量2、谐振器16A和16B、弯曲部分6、应变监视设备8以及可选系绳12。在某些示例中，应变监视设备118可以是被蚀刻为所述多个特征中的一个的DETF。在某些示例中，应变监视设备118可以是电阻膜，其是被真空沉积在被蚀刻衬底102C上的金属化膜。
图8是图示出根据本文所述技术的使用包括应变监视设备的加速度计来补偿应变误差的示例性过程200的流程图。在图1和2的上下文中描述图8。
处理器（例如，如图1中所述的处理器18）可接收加速度计（例如，如图1中所述的加速度计1）上的应变量（202）。在某些示例中，可用加速度计上的一个或多个应变监视设备（例如，如图1中所述的应变监视设备8）来测量加速度计上的应变量。在某些示例中，应变监视设备8可包括与两个或更多谐振器（例如，如图1中所述的谐振器16A和16B）位于平面内的双端音叉（例如，如图4中所述的DETF 28），并且测量应变监视设备的应变可基于测量应变监视设备的谐振频率，并且应变监视设备的谐振频率在加速度计的张力期间增加且在其压缩期间减小。在某些示例中，应变监视设备可包括围绕DETF的尖齿的至少一部分的多个电极表面（例如，类似于如图1中所述的电极14A和14B）。在某些示例中，应变监视设备8可包括电阻膜的条，并且测量应变监视设备的应变可基于测量电阻膜条的电阻。在某些示例中，应变监视设备8可包括DETF和在DETF的末端处的弹簧，并且该弹簧可降低DETF的应变灵敏度。在某些示例中，应变监视设备8可包括电阻膜条，并且测量应变监视设备的应变可基于测量电阻膜条的电阻。
处理器（例如，如图1中所述的处理器18）可接收加速度计（例如，如图1中所述的加速度计1）的加速度量（204）。在某些示例中，可用加速度计上的两个或更多谐振器（例如，如图1中所述的谐振器16A和16B）来测量加速度计的加速度量。在某些示例中，两个或更多谐振器中的至少一个可包括双端音叉，并且测量加速度计的加速度量可基于两个或更多谐振器之间的频率的差。在某些示例中，两个或更多谐振器中的至少一个包括围绕DETF的尖齿的至少一部分的多个电极表面（例如，如图1中所述的电极14A和14B）。
处理器（例如，如图1中所述的处理器18）可至少部分地基于加速度计上的应变量和加速度计的加速度量来确定加速度计的已修改加速度值（206）。处理器18还可输出已修改加速度值（208）。在某些示例中，加速度计可以由整体材料构成，并包括检验质量、支撑底座、弯曲部分以及两个或更多谐振器。在某些示例中，该整体材料可以是石英或硅中的至少一个。
在一个或多个示例中，可用硬件、软件、固件或其任何组合来实现所述功能。如果用软件实现，则可将功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或者通过计算机可读介质发射并被基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括计算机可读存储介质，其对应于诸如数据存储介质之类的有形介质或者包括促进例如根据通信协议将计算机程序从一地传输到另一地的任何介质的通信介质。这样，计算机可读介质一般地可对应于（1）有形计算机可读存储介质，其是非临时的，或者（2）通信介质，诸如信号或载波。数据存储介质可以是可以被一个或多个计算机或一个或多个处理器访问以取回用于实现本公开中所述的技术的指令、代码和/或数据结构的任何可用介质。计算机程序产品可包括计算机可读介质。
作为示例并且并非限制，此类计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘储存器、磁盘储存器或其它磁存储设备、闪速存储器或者可以用来以指令或数据结构的形式存储期望程序代码且可以被计算机访问的任何其它介质。并且，将任何连接适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、扭绞线对、数字订户线（DSL）或诸如红外、无线电以及微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远程源发射指令，则在介质的定义中包括同轴电缆、光纤电缆、扭绞线对、DSL、或者诸如红外、无线电和微波之类的无线技术。然而，应理解的是计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或其它暂态介质，而是替代地针对非暂态、有形存储介质。如本文所使用的磁碟和磁盘包括紧凑式磁盘（CD）、激光磁盘、光盘、数字多功能磁盘（DVD）、软盘和蓝光磁盘，其中，磁碟通常磁性地再现数据，而磁盘用激光光学地再现数据。上面的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
指令可以被一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器（DSP）、通用微处理器、专用集成电路（ASIC）、现场可编程逻辑阵列（FPGA）或其它等价集成或分立逻辑电路。因此，如本文所使用的术语“处理器”可指代前述结构中的任何结构或适合于实现本文所述技术的任何其它结构。另外，在某些方面，可在被配置成用于编码和解码的专用硬件和/或软件模块内提供本文所述的功能，或者将其结合在组合的编解码器中。并且，该技术可完全用一个或多个电路或逻辑元件来实现。
本公开的技术可在各种各样的设备或装置、集成电路（IC）或一组IC（例如，芯片组）中实现。在本公开中描述了各种部件、模块或单元以强调被配置成执行公开技术的设备的功能方面，但不一定要求用不同的硬件单元来实现。更确切地说，如上所述，可将各种单元组合在编解码器硬件单元中，或者用许多互操作硬件单元来提供，包括与适当的软件和/或固件相结合的如上所述的一个或多个处理器。
已描述了本公开的各种示例。这些及其它示例在以下权利要求的范围内。
支撑底座。

Claims (3)

1.一种微机电系统（MEMS）加速度计，包括：
检验质量；
支撑底座，其被配置成支撑所述检验质量，
其中所述加速度计定义第一平面，所述第一平面由第一轴和垂直于第一轴的第二轴定义，
其中所述支撑底座定义由加速度计定义的第一平面内的第二平面，
其中检验质量的第三平面在加速度计定义的第一平面内，并且
其中所述检验质量被配置成响应于加速度计的加速度而在与加速度计相同的第一平面中移位，
并且被限制在进和出第一平面的第三轴的方向上移动；
弯曲部分，其被配置成将检验质量柔性地连接到支撑底座，其中所述检验质量被配置成绕着由第一平面中的弯曲部分创建的轴枢转；以及
谐振器，其被配置成将检验质量连接到支撑底座，其中所述支撑底座、所述谐振器、所述检验质量和所述弯曲部分全部在第一平面内；
与所述谐振器分开的应变监视双端音叉（DETF）设备，其包括位于所述第一平面内的多个尖齿，其中所述应变监视双端音叉（DETF）设备被配置成响应于作用在支撑底座上的应变诱发压力或张力而通过改变多个尖齿的谐振频率来生成指示支撑底座上的应变量的输出，以及
位于应变监视双端音叉（DETF）设备的一端和所述支撑底座之间的弹簧，其中所述检验质量、所述支撑底座、所述应变监视双端音叉（DETF）设备和所述弯曲部分由整体材料构成。
2.根据权利要求1所述的微机电系统（MEMS）加速度计，
其中所述弹簧是位于应变监视双端音叉（DETF）设备的第一端和支撑底座之间的第一弹簧，并且
其中所述应变监视双端音叉（DETF）设备进一步包括位于应变监视双端音叉（DETF）设备的第二端和支撑底座之间的第二弹簧。
3.一种用于加速度测量的方法，包括：
由处理器从微机电系统（MEMS）加速度计接收由位于加速度计的支撑底座上的应变监视设备（8）测量的加速度计上的应变量的指示，
其中所述应变监视设备包括双端音叉，并且弹簧位于应变监视设备的一端和支撑底座之间；并且
响应于作用在支撑底座上的应变诱发压力或张力，应变监视设备通过改变位于支撑底座的平面中的双端音叉的多个尖齿的谐振频率来生成指示支撑底座上的应变量的输出；
由处理器从加速度计接收加速度计的加速度量的指示，其是基于响应于加速度计的加速度而由与支撑底座相同的平面中的检验质量的位移引起的谐振器上的力，其中：
所述支撑底座被配置成支撑检验质量，
所述加速度计定义第一平面，所述第一平面由第一轴和垂直于所述第一轴的第二轴定义，
所述支撑底座定义由加速度计定义的第一平面内的第二平面，
检验质量的第三平面在由加速度计定义的第一平面内，
所述谐振器被配置成将检验质量连接到支撑底座，
所述谐振器与所述应变监视设备分开，并且
所述检验质量被配置成绕着由将检验质量连接到支撑底座的弯曲部分所创建的轴在相同的第一平面中枢转，并且被限制在进和出第一平面的第三轴的方向上移动；
由处理器至少部分地基于加速度计上的应变量的指示和加速度量的指示来确定加速度计的已修改加速度值；以及
由处理器来输出已修改加速度值。
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