CN109642915A - 复合振动平面内加速度计 - Google Patents

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Abstract

本文描述用于检测和测量惯性参数(例如加速度)的系统和方法。具体而言，所述系统和方法涉及实现时域感测技术的振动惯性传感器。在复合质量块传感器系统内，感测质量块可以以与其致动频率不同的频率振荡，从而在将传感器集成到驱动系统中时允许灵活性而不牺牲灵敏度。

Description

复合振动平面内加速度计
技术领域
本发明一般涉及用于检测和测量惯性参数(例如加速度)的系统和方法。具体而言，所述系统和方法涉及实现时域感测技术的振动惯性传感器。
背景技术
振动惯性传感器通常以已知的驱动频率振荡感测质量块并测量感测质量块的扰动以检测惯性力和参数。但是，有时候需要，特别是在使用具有用于多个传感器的单个驱动机构的系统时，以可能并非其最佳感测频率的频率驱动感测质量块。允许感测质量块以其驱动频率之外的频率响应于加速度对于保持传感器对惯性力的灵敏度可能是重要的。
发明内容
因此，本文描述了利用感测质量块以与其驱动频率不同的频率测量惯性参数的系统和方法。诸如振动惯性传感器的系统可包括机械地联接到驱动质量块的感测质量块。感测质量块可以被配置为以第一频率在第一方向上响应于惯性力，而驱动质量块被配置为以第二频率在第一方向上被驱动。第一时域开关可以被配置为基于第一电流来生成输出电压，第一电流部分地通过感测质量块的运动来生成。输出可以是第一输出电压。系统可包括与第一时域开关进行信号通信的逻辑电路，并且被配置为基于输出电压确定时间间隔。
在一些示例中，感测质量块的共振频率不同于驱动质量块的共振频率。在一些示例中，第一频率是感测质量块的共振频率，并且第二频率是驱动质量块的共振频率。在一些示例中，第二频率可以高于第一频率。在一些示例中，驱动质量块可利用在第一方向上柔性的联接弹簧机械地联接到感测质量块。
在一些示例中，该系统还可包括刚性地联接到支撑结构的锚结构，并且驱动质量块可利用驱动弹簧机械地联接到锚结构。在一些示例中，联接弹簧的弹簧常数可以高于驱动弹簧的弹簧常数。
在一些示例中，该系统还可包括臂，臂具有沿径向从锚结构穿过到达驱动质量块的主轴。在一些示例中，驱动弹簧可以联接到臂并被配置为使得当臂围绕与第一方向和主轴限定的平面垂直的轴线旋转时驱动质量块基本上在第一方向上移动。在一些示例中，第一方向基本上与臂的旋转相切。在一些示例中，联接弹簧在高振荡频率下可具有高弹簧常数，并且在低振荡频率下具有低弹簧常数。在一些示例中，驱动质量块可利用梳状驱动驱动。
在一些示例中，时域开关包括联接到感测质量块的第一半部分和联接到支撑结构的第二半部分，以及电流在所述第一半部分与所述第二半部分之间生成。在一些示例中，时域开关包括多个时域开关。在一些示例中，第二时域开关可以被配置为基于第二电流来生成第二电压，第二电流部分地通过感测质量块生成。在一些示例中，第一电流与第二电流异相。逻辑还可以被配置为将从第一时域开关生成的信号与从第二时域开关生成的信号线性组合。在示例中，逻辑可以进一步被配置为至少部分地基于时间间隔来确定惯性参数。
本文描述的另一个示例是一种用于确定惯性参数的方法，利用感测质量块以第一频率在第一方向上响应于惯性力，以第二频率在第一方向上驱动机械地联接到感测质量块的驱动质量块，基于部分地通过感测质量块的运动生成的第一电流来从第一时域开关生成输出；以及基于输出确定时间间隔。输出可以是输出电压。驱动和响应的步骤可以同时发生。
在一些示例中，该方法可包括以感测质量块的共振频率利用该感测质量块响应于惯性力，以驱动质量块的共振频率驱动该驱动质量块，并且感测质量块的共振频率可以不同于驱动质量块的共振频率。在一些示例中，振荡感测质量块还可包括利用在第一方向上柔性的联接弹簧将驱动质量块机械地联接到感测质量块。在一些示例中，驱动该驱动质量块还可包括利用驱动弹簧将驱动质量块机械地联接到锚结构，并且其中锚结构刚性地联接到支撑结构。在一些示例中，将感测质量块机械地联接到驱动质量块以及将驱动质量块机械地联接到支撑结构还包括将联接弹簧的弹簧常数设置为低于驱动弹簧的弹簧常数。
在一些示例中，驱动质量块由梳状驱动驱动。在一些示例中，生成输出电压还可包括，其中时域开关包括联接到感测质量块的第一半部分和联接到支撑结构的第二半部分，并且在第一半部分和第二半部分之间生成电流。在一些示例中，该方法还可包括基于部分地通过感测质量块生成的第二电流从第二时域开关生成第二电压，并且其中第一电流与第二电流异相。在一些示例中，该方法还包括将从第一时域开关生成的信号与从第二时域开关生成的信号线性组合。
在一些示例中，该方法可包括至少部分地基于时间间隔来确定惯性参数。在一些示例中，该方法还可包括至少部分地基于时间间隔来确定加速度。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细描述，本公开的主题的进一步特征、性质和各种优点将变得显而易见，其中，相同的附图标记始终表示相同的部件，并且其中：
图1描绘根据本发明的说明性实施方式的复合质量块加速度计的俯视图；
图2描绘根据另一个说明性实施方式的复合质量块加速度计的俯视图；
图3描绘根据说明性实施方式将四个复合质量块加速度计集成到单个驱动系统中；
图4描绘根据说明性实施方式将四个复合质量块加速度计与四个陀螺仪集成到单个驱动系统中；
图5描绘根据说明性实施方式的复合质量块加速度计的驱动质量块的振荡频率和感测质量块共振频率的示例；
图6描绘三个视图，每个视图示出根据说明性实施方式的多个时域开关(TDS)结构的可移动元件和固定元件的示意图；
图7描绘根据说明性实施方式的复合质量块加速度计的感测质量块振荡的概念示意图；
图8是示出根据示例性实施方式的由TDS结构产生的感测质量块振荡的同相和异相电容响应的曲线图；
图9描绘根据说明性实施方式的同相和异相TDS结构；
图10描绘根据说明性实施方式的用于从TDS结构提取惯性信息的处理；
图11是表示根据示例性实施方式的从复合质量块惯性加速度计导出的模拟信号与感测质量块的位移之间的关系的曲线图；
图12是描绘根据示例性实施方式的外部扰动对复合质量块加速度计的输出信号的影响的曲线图；
图13是描绘根据说明性实施方式的对于感测质量块的位移的电流响应的曲线图；
图14是描绘根据说明性实施方式从图13所示的电流信号的过零时间产生的矩形波信号的曲线图；
图15是描绘根据说明性实施方式从非过零参考水平产生的时间间隔的曲线图；
图16是描绘根据示例性实施方式的作为复合质量块惯性加速度计的感测质量块的位移的函数的电容的曲线图；
图17是描绘根据说明性实施方式的作为复合质量块加速度计的感测质量块的位移的函数的电容的第一空间导数的曲线图；
图18是描绘根据说明性实施方式的作为复合质量块加速度计的感测质量块的位移的函数的电容的第二空间导数的曲线图；
图19是描绘根据说明性实施方式的作为位移的函数的电容性电流的时间导数的曲线图；
图20描绘根据说明性实施方式的用于从非线性周期信号中提取惯性参数的方法的流程图；
图21描绘根据说明性实施方式的用于基于非线性周期信号确定两个值之间的转变时间的方法的流程图；以及
图22描绘根据说明性实施方式的用于从时间间隔计算惯性参数的方法的流程图。
具体实施方式
为了提供对本公开的全面理解，下面描述某些说明性实施方式，包括用于通过感测质量块以与其驱动频率不同的频率响应于加速度来测量惯性参数的系统和方法。
振动传感器利用测得的振荡感测质量块的扰动来确定惯性参数以及作用在传感器上的力。这些测得的扰动可以是来自中性平衡的感测质量块的物理扰动。因为传感系统的机电特性，这些扰动被转换成模拟电信号。因为感测质量块的物理运动转化为它的输出模拟信号，所以感测质量块的物理振荡频率与惯性传感器的灵敏度直接相关。
一种类型的振动惯性传感器是加速度计，其中振荡感测质量块可以限于在单个轴上的运动。作为输入加速度或惯性力的结果，感测质量块可能在该单个振荡轴中被扰动，并且其静止振荡与扰动振荡之间的差异用于确定惯性参数。因此在振动加速度计中，单个振荡轴也可以是其惯性力的单个检测轴。
通过以恒定时间间隔产生电信号，振动加速度计的架构和系统也可以用作参考时钟，参考时钟可以相应地用于校准其他测量。通过响应于输入驱动频率以固定或可调共振频率振荡，振动加速度计的架构和系统也可以用作滤波器，例如带通滤波器。通过这种方式，振动加速度计滤除输入信号中的所有其他频率，产生与其共振频率相对应的输出模拟电信号。可以并行使用被调整到不同共振频率并响应于相同输入信号的多个振动加速度计，以增加滤波的带宽。
在时域感测方法的特定情况下，感测质量块的振荡频率以及因此其位移的变化率影响用于计算惯性参数或任何其他感兴趣的时变变量的测得的时间间隔的分辨率。与例如在振动陀螺仪中使用的较高振荡频率相反，在加速度计中，具有较低的振荡频率允许测得的时间值更好地反映感测质量块运动。提高测得的时间间隔的分辨率也提高了扰动感测质量块振荡的惯性参数的测量精度。
但是，有时候可能需要以并非其最佳频率的频率驱动感测质量块，以实现趋于处在低频的加速度的高信噪比测量。例如，当振动加速度计集成到更大的驱动系统中时可能发生这种情况，该驱动系统可能包括对其而言高得多或低得多的驱动频率为最佳的传感器或其他装置。因此，允许振动加速度计以与其驱动频率不同的频率响应于加速度可能是期望的。
为了允许感测质量块以与其驱动频率不同的频率响应于扰动，可以将感测质量块的共振频率设置为希望检测的扰动范围内的频率。为了固定共振频率并允许其独立于驱动质量块进行响应，可以用弹簧将感测质量块机械地联接到驱动质量块，弹簧具有称为弹簧常数的固有值。弹簧常数是弹簧的内在特性，它描述了弹簧对外力的相对柔性。因此，具有低弹簧常数的弹簧与具有高弹簧常数的弹簧相比扩展更多或者更加顺应外力。在本文所述的复合质量块加速度计中，弹簧常数可以完全由弹簧的几何形状限定。弹簧可包括均匀的各向同性材料，例如掺杂硅或未掺杂硅。此外，弹簧可具有诸如变化的宽度、片段、片段长度和转动惯量这样的材料特性，以调整弹簧的各部分并实现弹簧常数的期望变化。感测质量块与驱动质量块之间的弹簧的弹簧常数将部分地限定感测质量块的共振频率，并允许通过驱动质量块来驱动感测质量块，同时还通过监测驱动质量块的运动，独立地以在其他情况下不可检测的频率响应于加速度。下面参考图1和图2更详细地描述感测质量块共振频率与这些弹簧的弹簧常数之间的关系。
图1描绘根据本发明的说明性实施方式的复合质量块加速度计100的俯视图。复合质量块加速度计100可以测量惯性参数，惯性参数由作用在其上或与其联接的系统上的惯性力生成。该参数可以是速度、加速度、加加速度或任何其他运动导数。复合质量块加速度计100具有锚104a和104b，它们将加速度计稳定并连接到复合质量块加速度计的固定层，例如底层(未示出)、盖层(未示出)、或底层和盖层两者。锚104a和104b将第一组驱动弹簧108a和108b以及第二组驱动弹簧110a和110b分别连接到驱动质量块106。然后驱动质量块106通过第一组连接弹簧112a和112b以及第二组连接弹簧114a和114b连接到感测质量块102。时域开关(TDS)结构114的第一半部分联接到感测质量块，虽然TDS结构116的第二半部分示出为刚性地联接到复合质量块加速度计的底层，但是也可以刚性地连接到盖层，或底层和盖层两者。TDS结构可具有与图1所示不同的齿数。驱动质量块106由驱动结构118、120、122和124驱动进入振荡。复合质量块加速度计100可以整体集成。
复合质量块加速度计100包括三个层：包含图1所示特征的装置层、底层(未示出)和盖层(未示出)。底层和盖层可通过与装置层不同的晶片制成。装置层的一个或多个特征可通过包含底层和/或盖层的晶片制成。底层与盖层之间的空间可以处于低于大气压的恒定压力。底层与盖层之间的空间可以是局部真空。可将像钛或铝这样的吸气材料沉积在空间内部，以随时间保持更低的压力。
图1中将驱动质量块106示出为包围感测质量块102的框架。驱动质量块106也可以采用能够将驱动振荡均匀传递给感测质量块102的任何形式。此外，驱动质量块106可以驱动其他传感器或需要致动的任何装置(未示出)。弹簧108a、108b、110a、110b、112a、112b、114a和114b用“U”形弯曲126示出，但是也可以采用能够将运动限制于单个线性轴(在图1中示出为x轴)的任何拓扑。弹簧108a、108b、110a、110b、112a、112b、114a和114b的常见形式也可以是蛇形弹簧、直梁弹簧、蟹腿弹簧等。因为仅在x轴上基本上是柔性的，在y轴和z轴上都是刚性的，弹簧108a、108b、110a、110b、112a、112b、114a和114b确保驱动质量块106和感测质量块102仅在图1所示的x轴上振荡。可以理解，复合质量块加速度计100可以在x-y平面中旋转，以沿x-y平面内的任何线性方向振荡。
图1中将驱动结构118、120、122和124示出为电容性梳状驱动。电容性梳状驱动可具有一组固定齿，其刚性地连接到底层、盖层、或底层和盖层两者，而第二组交叉齿连接到驱动质量块106。驱动结构118、120、122和124也可以是能够驱动所述驱动质量块进入振荡的任何装置。控制驱动结构118、120、122和124的电信号可以是通过反馈电路生成的恒定电信号，以维持驱动质量块106的共振。此外，反馈电路可以调节驱动电压，以驱动结构118、120、122和124直到幅度达到期望的设定点，例如与感测质量块的共振频率相关联的幅度。控制信号的另一个例子可以是打开和关闭的周期性“pinged”信号，生成阶梯式静电力以启动谐波振荡。“pinged”信号可以在驱动质量块106的相对侧上的驱动结构(例如图1所示的驱动结构118和122)之间协同，从而在驱动质量块106上生成“推/拉”静电力。响应于用户启动或关闭移动装置上的应用，驱动结构可以打开或关闭。振荡惯性装置的启动时间范围可以从10毫秒到多秒，这取决于共振器的品质因数和其他设计因素。
驱动弹簧108a、108b、110a和110b可具有相同的弹簧常数，表示为kD。联接弹簧112a、112b、114a和114b可具有相同的弹簧常数，表示为kC，其中kD可大于kC。驱动质量块106的共振频率表示为fD，感测质量块102的共振频率表示为fS，它们可以不同。共振频率fD和fS可以部分地取决于kD和kC的弹簧常数值以及驱动质量块和感测质量块两者的质量(分别表示为MD和MS)。这些变量之间的关系如下：
因此如等式(1)和(2)所示，弹簧常数kC和kD的值以及驱动质量块MD和感测质量块MS的质量将限定两个质量块(在图1中分别示出为106和102)的共振频率。因此可以调整这些变量以获得特定应用可能需要的频率或频率比。可以理解，在某些情况下，fD可以大于fS，但是fD也可以小于或等于fS。kC的典型值范围可以从10N/m到1000N/m。kD的典型值范围可以从10N/m到1000N/m。MD的典型值范围可以从10μg到1mg。MS的典型值范围可以从10μg到1mg。驱动频率fD的范围可以从10kHz到30kHz，最佳值为25kHz。感测频率fS的范围可以从1kHz到10kHz，最佳值为4kHz。
kD、MD、kC和MS的值以及驱动频率的选择也可以影响感测质量块102与驱动质量块106之间是否存在相对运动。假定kC的值小或者MS与MD之间的差异大，那么对于感测质量块102而言就可能相对于驱动质量块106振荡。在这种情况下，作为替代，可将固定的TDS齿116合并到驱动质量块106中，使得通过TDS结构114和116生成的输出信号记录感测质量块102与驱动质量块106之间的相对运动。然后，该TDS信号将像本文所述的任何其他TDS信号一样用于根据时间间隔确定惯性参数。
感测质量块的线性位移与输入加速度的比率描述感测质量块102所产生的信号(表示为Saccel)检测加速度的能力，具有以下关系：
因此可以理解，为了提高复合质量块传感器对加速度的灵敏度，最好是将fS的值最小化。Q因子、寄生电容、封装变形、以及与振荡频率无关的其他因素也会影响输出信号，但是对fS的依赖性是加速度计灵敏度的主要因素。
虽然等式(1)和(2)将驱动和联接弹簧刚度示出为常数，但是也可以设计在一定频率范围内具有非线性刚度的弹簧。这种非线性可通过弹簧的拓扑或材料设计来实现。因此，联接弹簧在较高频率下可具有较高的kC有效值，在较低频率下具有较低的kC有效值。这可能意味着，例如在传感器的启动时间内以高频率驱动所述驱动质量块将导致感测质量块大致以与驱动质量块相同的频率振荡(因为弹簧联接两者会很刚性，并且两个质量块会表现得大致像一个质量块)。然后，降低驱动质量块的驱动频率将减小两个质量块之间的联接(kC值)，从而允许感测质量块以不同于驱动质量块的频率响应于加速度，并降低其共振频率。这种设计可通过快速使感测质量块达到其工作频率来减少复合质量块加速度计的启动时间，而不是经由两者之间较弱的联接弹簧逐渐由驱动质量块建立感测质量块中的动量。驱动弹簧也可具有kD的非线性值。
图2描绘根据说明性实施方式的复合质量块加速度计200的俯视图。锚结构208a、208b和202刚性地固定于复合质量块加速度计200的底层(未示出)、盖层(未示出)、或底层和盖层两者，其稳定加速度计的振荡。驱动弹簧210a、210b、220a和220b将驱动质量块206连接到锚208a和208b。然后，驱动质量块经由联接弹簧212a、212b、218a和218b连接到感测质量块204。感测质量块经由锚定弹簧214和216相应地连接到中心锚202。TDS结构222的第一半部分联接到感测质量块204，而TDS结构224的第二半部分刚性地锚定于复合质量块加速度计的底层。驱动结构226、228、232和230驱动所述驱动质量块206进入振荡。该振荡相应地使得感测质量块204振荡。两个质量块都被示出为框架结构，但是可以采用能够进行正则谐波振荡的任何几何形状。
图2中将驱动结构226、228、232和230示出为电容性梳状驱动，其中一组交叉指刚性地联接到复合质量块结构的底层，第二组交叉指联接到驱动质量块206。参考图1更详细地讨论其他驱动结构和驱动信号。
用一组对齐的齿示出包括可移动元件和固定元件222和224的TDS结构。在感测质量块204与复合质量块加速度计200的底层之间可以联接一个以上TDS结构。TDS结构可具有与222和224所示不同的齿对齐。TDS结构可具有与图2所示不同的齿数量。相对于复合质量块加速度计200的底层或任何其他锚定参考结构，TDS结构可以采用能够感测所述感测质量块的运动的任何取向。参考图6和图9更详细地描述TDS结构。
锚定弹簧214和216可具有相同的弹簧常数，表示为kA，并提供附加调整选项，用于设置驱动质量块206和感测质量块204的共振频率，分别表示为fD和fS。联接弹簧212a、212b、218a和218b可具有相同的弹簧常数，表示为kC。驱动弹簧210a、210b、220a和220b可具有相同的弹簧常数，表示为kD。共振频率fD和fS将是驱动质量块的质量(表示为MD)、感测质量块的质量MS、以及弹簧常数kA、kC和kD的函数。
kC的典型值范围可以从10N/m到1000N/m。kD的典型值范围可以从10N/m到1000N/m。MD的典型值范围可以从10μg到1mg。MS的典型值范围可以从10μg到1mg。驱动频率fD的范围可以从10kHz到30kHz，最佳值为25kHz。感测频率fS的范围可以从1kHz到10kHz，最佳值为4kHz。
锚定结构202将感测质量块204的振荡锚定于复合质量块加速度计200的底层、盖层、或底层和盖层两者。因此，该锚定可以帮助将感测质量块的振荡频率稳定于单个频率。此外，该锚定可以帮助确保感测质量块在单个轴(在图2中示出为x轴)上振荡。
图3描绘根据说明性实施方式将四个复合质量块加速度计集成到单个驱动系统300中。中心锚302使系统300稳定并将其刚性地连接到单个驱动系统的底层(未示出)、盖层(未示出)、或底层和盖层两者。然后中心锚302被连接到中心驱动框架330，径向臂306、332、334和336由其延伸。这些径向臂306、332、334和336分别联接到驱动结构338、340、342和344，但是固定组件(例如304)也可以刚性地连接到盖层、或底层和盖层两者。图3中将驱动结构338、340、342和344示出为分别将固定组件(例如304)刚性地锚定于驱动系统的底层，并将可移动组件(例如346)联接到径向臂。当在驱动结构338、340、342和344的固定组件和可移动组件之间施加电压时，驱动结构338、332、334和336在x-y平面内围绕中心锚302旋转振荡中心驱动框架330，如图3所示。该电压可以是通过反馈电路生成的恒定电信号，以维持复合质量块加速度计318 320、322和324的驱动质量块、以及中心驱动框架330、径向臂306、332、334和336、与这些驱动结构相关联的任何其他结构的共振。反馈电路可以调节驱动电压，直到振荡幅度达到期望的设定点。控制信号也可以是“pinged”信号或“push/pull”信号。
径向臂306、332、334和336以及中心驱动框架330是刚性的，并将它们的旋转运动传送给复合质量块结构318、320、322和324。然后，径向臂306、332、334和336分别联接到旋转至线性运动弹簧(例如308)。
旋转至线性运动弹簧基本上将中心驱动框架330和径向臂306、332、334和336的旋转振动传送给x或y方向上的检验质量块的线性振荡，如图3所示。在一些示例中，检验质量块的运动的剩余旋转分量是线性分量的100ppm。在一些示例中，旋转分量可以低至线性分量的10ppm。因此，对于垂直定向臂上围绕原点旋转并在x方向上具有1微米的振荡的检验质量块而言，检验质量块仅在y方向上移动0.1纳米(对应于100ppm)或者小至0.01纳米(相当于10ppm)。
因此，图3所示的旋转至线性运动弹簧确保复合质量块加速度计320和324基本上只在y方向上振荡，而复合质量块加速度计322和318基本上只在x方向上振荡。可以理解，单个驱动系统可以在x-y平面的任何方向上旋转，如图所示，并且复合质量块加速度计320和324将在垂直于复合质量块加速度计322和318的方向上振荡。驱动框架(例如310)的振荡经由联接弹簧(例如316a、316b、314a和314b)将来自旋转至线性运动弹簧的振荡传送给感测质量块(例如图3所示的312)。联接弹簧允许感测质量块312、348、350和352以既不同于其相关联的驱动框架(例如310)的频率，也不同于中央驱动框架330的频率的频率响应于加速度。参考图1和图2更详细地描述对此频率差异起作用的因素。
径向臂306、332、334和336的长度将分别影响复合质量块加速度计318、320、322和324的感测质量块312、348、350和352的振荡幅度和位移。增加径向臂306、332、334和336的长度将导致感测质量块更高的振幅和更大的位移，这相应地通过增加信号强度来提高加速度计的信噪比。根据将以角速度ω围绕轴线旋转的物体的切向速度v与其到旋转轴的径向距离r相关的一般等式(4)，可以理解这种关系：
v＝rω (4)
因此，随着径向臂的长度r增加，切向速度v(部分转换为单轴振荡和感测质量块的位移)也会增加，不需要增加驱动系统的驱动速度ω。因此，通过使用径向臂306、332、334和336，可以将小的驱动速度ω“放大”到更大的位移，从而降低驱动系统的功耗。这也意味着可将杠杆臂的长度用于调整复合感测质量块318、320、322和324的期望位移、信号输出、以及振荡。这样允许精确和稳定地调整加速度计的振荡幅度，因为它们将部分地由加速度计的制造几何形状决定。
TDS结构的第一半部分328联接到振荡感测质量块，第二半部分326刚性联接到单个驱动系统300的底层、盖层、或底层和盖层两者。TDS结构可以检测并测量单个驱动系统的加速度。如图3所示，复合质量块加速度计322和318可以测量x方向上的加速度，而复合质量块加速度计320和324可以测量y方向上的加速度。
可以通过附加的径向臂将附加的传感器(包括陀螺仪、共振器、或需要致动振荡的任何其他传感器)添加到中央驱动框架330。这些附加传感器可具有与加速度计不同长度或彼此不同长度的杠杆臂。这样可以在传感器之间建立不同的振荡幅度比。
图4示出这种系统的示例。图4描绘根据说明性实施方式将四个复合质量块加速度计与四个陀螺仪集成到单个驱动系统400中。中心锚302锚定系统400并刚性地连接到底层(未示出)。径向臂(例如306)从中心驱动框架330延伸到八个传感器318、320、322、324、416、418、420和422的每一个。这些径向臂通过驱动结构(例如338)来驱动，在图4中将驱动结构示出为梳状驱动。驱动结构(例如338)使xy平面内的单个驱动系统围绕中心锚302振荡。旋转至线性运动弹簧(例如308)将这个中心旋转振荡转换成图4所示的每个传感器318、320、322、324、416、418、420和422的线性振荡。陀螺仪传感器416、418、420和422分别以基本上是中央驱动框架330以及延伸到它们中每一个的径向臂的驱动频率的频率振荡。在该系统中充当加速度计的复合质量块加速度计318、320、322、332、324分别具有驱动质量块(例如310)和驱动弹簧(例如316a、316b、314a和314b)，它们将驱动框架330的振荡传送给感测质量块(例如312)。感测质量块(例如312)可以以不同于陀螺仪感测质量块或中心驱动框架330以及径向臂(例如306)的驱动频率的频率响应于加速度。
复合质量块加速度计324和320将基本上在y轴上振荡，而复合质量块加速度计318和322将基本上在x轴上振荡。因此，可将320和324实现为能够感测惯性参数的加速度或任何y轴分量的y轴加速度计，并且可将318和322实现为能够感测惯性参数的加速度或任何x轴分量的x轴加速度计。
陀螺仪416、418、420和422附接到基座结构414，基座结构414稳定单个驱动系统400。陀螺仪416、418、420和422连接到该基座结构，悬架弹簧位于陀螺仪两侧，如412a和412b所示。这些悬架弹簧允许陀螺仪416、418、420和422响应于驱动频率而振动以及响应于科里奥利力而振荡。图4中的陀螺仪被示出为具有与加速度计相同长度的杠杆臂，但是它们可以具有不同的长度，以在传感器之间建立不同的振荡幅度比。
如等式(3)所示，图4所示的复合质量块加速度计318、320、322、332、324的灵敏度将随着它们的感测质量块312、348、350和352的振荡频率的下降而提高。但是对于振动陀螺仪416、418、420和422而言，它们的灵敏度将随着它们的振荡频率的增加而提高。因此，通过将复合质量块加速度计318、320、322和324合并到图4的单个驱动系统中，振动陀螺仪432、434、436和438、中央驱动框架428、以及驱动结构可以以高频率驱动，不会损害系统400检测加速度或其他惯性参数的灵敏度。
如图4所示，单个驱动系统有若干好处。传感器(例如加速度计)的设计考虑是要减少系统占用的空间和功耗这两者。驱动电子设备消耗的功率通常是振荡惯性装置消耗的总功率的最大部分。为驱动电子设备供电所需的能量通常远大于振荡共振器所需的动能。造成这种差异的一个原因是驱动电子设备中的泄漏消耗了大量电能。因此，用单个振荡驱动来驱动多个惯性传感器通过减少驱动电子设备的系统数量来降低总功耗。
此外，振荡惯性传感器通常不连续操作，只是在需要其输出时打开和关闭。例如，这可以是用户在其移动装置上开始可能需要惯性感测的移动装置的导航或虚拟现实应用时。因此，可能需要振荡共振器频繁启动和停止。将多个传感器合并到单个驱动中则自动协同其启动和停止时间，无需附加的同步控制。
多个传感器之间的同步对于减少多个传感器之间的电子漂移或其他噪声源的影响也是有用的。因为所有惯性传感器都由相同的旋转驱动结构驱动，所以驱动电子设备中的任何漂移都将按照相同的方式影响惯性传感器的频率、相位和幅度。同样，由于温度、封装变形或其他力所致的漂移将按照相同的方式影响所有惯性传感器。因为惯性传感器在同一驱动框架内位置相互靠近，所以惯性传感器的任何层中的封装变形将趋于同等地影响所有传感器，从而减少传感器之间的相对运动。温度和其他噪声源也是如此。因此，在单个驱动系统内，多个传感器可以机械同步。
图5描绘根据说明性实施方式的复合质量块加速度计的驱动质量块的振荡频率和感测质量块共振频率的示例。在该示例中，曲线510可以表示感测质量块在其共振频率下的位移，而曲线512可以表示驱动质量块的位移。感测质量块在其共振频率下的振荡周期可以在时间间隔524示出，而驱动质量块在其驱动频率处的振荡周期可以在时间间隔522示出。给定为1/(时间间隔524)的感测质量块的共振频率明显被示出为小于给定为1/(时间间隔522)的驱动质量块的振荡频率。在点514、516、518和520所示的交叉点，两个质量块将具有相同的位移。但是，因为对加速度的响应发生在感测质量块的较低频率响应处，所以更容易将其由外部扰动(例如加速度)引起的频率响应的部分与其由驱动频率引起的频率响应隔离。此外，因为曲线510所示的较低频率是感测质量块的共振频率，所以它对该频率范围内的外部扰动的响应将被放大，从而增加输出信号并改善惯性参数的测量。
图6描绘三个视图，每个视图示出根据说明性实施方式的多个TDS结构的可移动元件和固定元件的示意图。复合质量块加速度计的感测质量块可以联接到可移动元件602，而固定元件604可以刚性地联接到复合质量块加速度计的底层、盖层、或底层和盖层两者。可移动元件602和固定元件604分别包括多个交叉的等间隔梁。在图6中，固定元件604包括梁606a、606b和606c(统称为梁606)。可移动元件602包括梁608a和608b，并且在x方向上与固定元件604分开一个距离632。当在x方向上可移动元件602相对于固定元件604振荡时，距离632将增大和缩小。距离632被选择为当可移动元件602处于静止位置时将寄生电容最小化，同时还考虑制造结构600的容易性。视图660示出由视图630的矩形640指出的感兴趣区域。图630是在600所示的立体图的俯视图。
梁606和608的每一个包括多个子结构或齿，其在与梁的长轴(在图6中分别示为y轴和x轴)垂直的轴线中突出。梁606b包括齿610a、610b和610c(统称为齿610)。梁608b包括齿612a、612b和612c(统称为齿612)。梁上的相邻齿按照间距662等距隔开。齿610和612的每一个具有由线宽666限定的宽度以及由沟深668限定的深度。相对的齿由齿隙664分开。当可移动梁606b相对于固定梁606b沿轴线601振荡时，齿隙664保持不变。
固定梁606b与联接到感测质量块的可移动梁608b之间可存在电容。随着可移动梁608b相对于固定梁606b沿轴601振荡，该电容将改变。当齿610a、610b和610c分别与相对的齿612a、612b和612c对齐时，电容将增加。随着这些相对齿组在沿x轴的任一方向上移动，它们变得相互不太对齐，电容将减小。在视图660所示的位置，当齿610与齿612对齐时，电容最大。当可移动梁602沿轴601单调移动时，电容将首先逐渐减小，然后随着第N个移动齿变为与第N个固定齿不太对齐，接着与第(N±i)(其中i＝1,2,3,4...imax)个固定齿对齐，电容逐渐增加。对于第N个齿在整个运动范围内重复此过程，其中振荡器位移的最小值发生在第(N-imax)个固定齿，振荡器位移的最大值发生在第(N+imax)个固定齿。
电容可以是简并的，这意味着在可移动梁608b的多个位移处发生相同的电容值。例如，第N个移动齿与第(N+1)个固定齿对齐时的电容值可以和第N个移动齿与第(N+2)个固定齿对齐时的电容值相同。因此，当可移动梁608b从其静止位置移动等于间距662的距离时，电容与可移动梁608b处于静止位置时的电容相同。
图7描绘根据说明性实施方式的复合质量块700的感测质量块振荡的概念示意图。感测质量块718附接到弹簧720和722，弹簧720和722可以联接到驱动质量块，并且当感测质量块718沿着位移轴724振荡时，每个弹簧压缩或延伸。弹簧720和722的弹簧常数将确定检测质量的力延伸关系。这可以通过胡克定律建模，由此施加于感测质量块的力F根据以下关系导致位移Δx：
F＝kΔx (5)
因此，当惯性力施加于感测质量块时，它将以位移Δx响应，位移Δx可通过电容或者将物理位移与可测量的输出相关的任何其他电信号的变化来测量。惯性加速度计的k值由弹簧的几何形状确定，弹簧的几何形状可以设计为一定值，并参考图1和图2更详细地讨论。
图8是描绘根据说明性实施方式的由TDS结构生成的感测质量块振荡的同相和异相电容响应的曲线图。图8示出感测质量块的线性位移转化为非线性电信号。可通过使感测质量块静止位置处的电容最大化的TDS几何形状生成同相信号804。可通过使感测质量块静止位置处的电容最小化的TDS几何形状生成异相信号802。同相和异相信号可分开一个90度的相位差，如图8所示，也可以是期望的任何其他相位差。同相信号804和异相信号802可以由相同感测质量块的位移生成，使得生成信号804和802的TDS结构的可移动组件都联接到相同的感测质量块。同相信号和异相信号也可以由驱动质量块和感测质量块之间的相对运动生成。同相信号804和异相信号802可以相减、取平均、或者组合，以生成反映检测质量位移的单个测量结果。同相信号804的周期806可以完全由TDS齿的几何形状确定。同相信号804和异相信号802可以具有与808、812和814所示相同的过零。
图9描绘根据说明性实施方式的同相和异相时域切换。两个可移动元件926和930被示出为都处于其静止平衡状态，而没有惯性力或者作用于它们任何一个的驱动力。齿932之间的间距或距离限定了电容峰值之间的距离，或者所得非线性电容信号的相位。在固定元件924与可移动元件926之间以及固定元件928与可移动元件930之间可以施加电压。固定元件924与可移动元件926之间的距离936限定了与最大电容相对应的齿之间的最小距离。固定元件928与可移动元件930之间的距离934限定了与最小电容相对应的齿之间的最大距离。当可移动元件934和936沿着轴938线性振荡时，齿之间的电容将在齿之间的距离为936的最小“对齐”状态与齿之间的距离为934的非对齐状态之间振荡。这将相应地生成电信号，如参考图8详细所述。可移动元件926和930可以联接到相同的感测质量块，使得在元件924与926以及928与930之间生成的电信号将与相同的物理位移相对应。固定元件928和924可以刚性地联接到支撑结构或其他锚定结构。
从相位结构924和926以及异相结构928和930生成的信号可以线性组合，以生成差分信号。可通过从928和930所生成的信号中减去924和926所生成的信号来生成差分信号。该差分信号可以消除由寄生电容、温度变化、封装变形、接地环路、电压偏置漂移生成的共模噪声，或任何其他可能影响两种信号的电噪声源。
图10描绘根据说明性实施方式的用于从时域切换器提取惯性信息的处理。图10包括复合质量块惯性加速度计1000，其经历外部扰动1001。驱动信号1010使加速度计1000的可移动部分振荡。加速度计1000的这个可移动部分可以是感测质量块。与TDS结构的可移动元件的固定元件电连接的模拟前端(AFE)测量它们之间的电容并基于该电容输出信号。AFE可以测量电容性电流或电荷。当AFE输出信号暂时具有零量级时，发生AFE输出信号的过零。来自复合质量块惯性加速度计1000的输出信号的过零在1002和1004生成，并在1006组合成为组合信号。信号处理模质量块1008处理组合的模拟信号，以确定惯性信息。一个或多个处理可将组合的模拟信号转换为矩形波形1012。这可以使用比较器，通过将模拟信号放大到轨道或通过其他方法来实现。
矩形波形1012具有高值和低值，它们之间的转变不要花费大量时间。高低值之间的转变对应于组合模拟信号的过零。当感测质量块的位移1018越过参考水平1014和1016时，发生高低值之间的转变以及过零。参考水平1014和1016对应于沿着感测质量块的运动路径的物理位置。因为过零与特定物理位置相关联，所以能够可靠地确定位移信息而不受漂移、蠕变和其他因素的影响，这些因素会降低惯性传感器的性能。
图11是表示根据示例性实施方式从复合质量块惯性传感器的感测质量块的位移导出的模拟信号之间的关系的曲线图，例如复合质量块传感器100、200、318、320、322、324和312，分别如图1、图2、图3和图4所示。曲线图1100表示从振荡器得到的信号，其中相对的齿在静止位置处对齐，如参考图9更详细所述。该振荡器可以是联接到TDS结构的复合质量块加速度计的感测质量块。曲线图1100包括曲线1102、1104和1106。曲线1102表示AFE(例如跨阻放大器(TIA))的输出。因为TIA输出的信号与其输入电流成比例，所以曲线1102表示在复合质量块加速度计的可移动元件与固定元件之间测量的电容性电流。曲线1106表示施加于加速度计的输入加速度。曲线1106所表示的输入加速度在20Hz下是15g的加速度。曲线1104表示复合质量块加速度计的感测质量块的位移。
图11包括指示曲线1102过零的点的方形符。因为电容性电流1102与电容的一阶导数成比例，所以电流中的这些过零表示复合质量块加速度计的可移动元件与固定元件之间的电容的局部最大值或最小值(极值)。图11包括指示曲线1104上与曲线1102过零的时间相对应的点的圆形符。圆形符指示复合质量块加速度计的可移动元件的物理位置与信号1102的输出的过零时间之间的相关性。
在时间1118，曲线1102过零，因为振荡器的可移动元件的位移1104处于最大值并且振荡器瞬间处于静止状态。这里，电容达到局部极值，这是因为可移动元件的速度为零，并不一定是因为振荡器的齿或梁与相对的齿或梁对齐。在时间1120，TIA输出曲线1102过零，因为振荡器位移到达+d0位置1108。+d0位置1108与正方向上等于间距距离的位移相对应，并且是将相对的齿或梁对齐来生成最大电容的点。
在时间1122，TIA输出曲线1102过零，因为振荡器的可移动元件处于齿反对齐的位置。这发生在可移动元件的齿处于与固定元件的齿之间的间隙中心对齐的位置时，导致电容最小。该最小电容发生在+d0/2位置1110，与正方向上等于间距距离一半的位移相对应。
在时间1124，TIA输出曲线1102过零，因为可移动元件的齿与固定元件的齿对齐，生成最大电容。时间1124对应于可移动元件处于静止位置的时间，由曲线1104上的零位移1112指示。在时间1126，TIA输出1102过零，因为可移动元件的齿再次与固定元件的齿反对齐，生成局部最小电容。这种反对齐发生在-d0/2位移1114处，与负方向上等于间距距离一半的位移相对应。
在时间1128，TIA输出1102过零，因为可移动元件的齿相对于固定元件的齿处于对齐位置，从而生成局部最大电容。该局部电容最大值发生在-d0位移1116处，与负方向上等于间距距离的位移相对应。在时间1130，TIA输出曲线1102过零，因为可移动元件在其反转方向时瞬时速度为零。这种方向的反转由位移曲线1104示出。在时间1118，当可移动元件的速度为零时，电容不随时间变化，因此电流和TIA输出(与电容的一阶导数成比例)为零。
图12是描绘根据说明性实施方式的外部扰动对复合质量块加速度计的输出信号的影响的曲线图。曲线图1200包括TIA输出曲线1202、位移曲线1204以及输入加速度曲线1206。图12还示出参考间距位置+d0 1208、+d0/2 1210、0 1212、-d0/2 1214和-d0 1216，其中d0是TDS结构的齿之间的间距，如参考图6和图9更详细所述。曲线图1200示出图11的曲线图1100所示的相同信号，其中1200的x轴表示相比于曲线图1100中所示更长的持续时间。在这个时间尺度上更容易辨别输入加速度曲线1206的周期性。此外，在曲线图1200中可以辨别出最大位移交叉点1220和最小位移交叉点1222经历相似的周期性。与幅度随时间变化的最大位移交叉点1220和最小位移交叉点1222相反，在位置+d0 1208、+d0/2 1210、0 1212、-d0/2 1214和-d0 1216通过固定元件以及可移动元件的对齐或反对齐触发的TIA输出信号1202的过零是时不变的。这些幅度在时间上稳定的参考交叉点提供稳定的、与漂移无关的振荡器位移指示，并且可用于提取惯性参数。
图13是描绘根据说明性实施方式的对于感测质量块的振荡的电流响应的曲线图。曲线图1300包括电流曲线1302和位移曲线1304。电流曲线1302表示TIA的输入信号。TIA可以响应于复合质量块加速度计的感测质量块的位移，生成输出信号，例如图11所示的TIA输出曲线1102。电流曲线1302是响应于位移1304在复合质量块加速度计的固定元件与可移动元件之间生成的电容性电流。电流曲线1302在很多时间过零，包括时间1324、1326、1328和1330。在时间1324和时间1330，可移动元件具有位移-d0，其中d0可以对应于TDS结构的齿之间的间距。在时间1326和时间1328，可移动元件具有位移+d0。
曲线图1300包括两个时间间隔T43 1332和T61 1334。时间间隔T43 1332对应于时间1326与时间1328之间的时间差。时间间隔T61 1334对应于时间1324与时间1330之间的时间差。因此，时间间隔T61 1334对应于-d0 1316位置的后续交叉点之间的时间，而时间间隔T431332对应于+d0 1308位置的后续交叉点之间的时间间隔。用于确定时间间隔T43 1332和T611334的方法可用于确定其他时间间隔，例如在+d0 1308的交叉点与-d0 1316水平的下一个后续交叉点之间、在-d0 1316水平与+d0 1308水平的下一个交叉点之间、在时间1330与+d01308水平的下一个交叉点之间、在0 1312水平的交叉点之间、在由于最大位移或最小位移所致的过零之间、或者在电流曲线1302的过零或者与电流曲线1302相对应的TIA输出信号的任何其他组合之间。
图14是描绘根据说明性实施方式从图13所示的电流信号的过零时间生成的矩形波信号的曲线图。曲线图1400包括矩形波形曲线1436。矩形波形曲线1436基本上有两个值：高值和低值。虽然矩形波形曲线1436在高值与低值之间转变时可以有中间值，但是在中间值处花费的时间远小于在高值和低值处花费的组合时间。
可通过各种方法生成矩形波形曲线1436，包括使用比较器来检测输入信号的变化、通过将输入信号放大到放大器的极限从而使放大器饱和(放大到轨道)、通过使用模数转换器等。一种从图13所示的电流曲线1302生成这个矩形波形曲线1436的方法是使用比较器来检测电流曲线1302的过零。当电流曲线1302具有大于参考电平(例如零)的值时，比较器输出高值，而当电流曲线1302具有小于参考电平(例如零)的值时，比较器具有低值。当电流曲线1302从负值转变为正值时，比较器的输出从低转变为高，而当电流曲线1302从正值转变为负值时，比较器的输出从高转变为低。因此，矩形波形曲线1436的上升沿时间对应于电流曲线1404的负到正过零时间，而矩形波形曲线1436的下降沿对应于电流曲线1302的正到负过零时间。在时间1424可以看到这种情况，其中矩形波形曲线1436从负值转变为正值，对应于图13中在1324的过零。在对应于过零1328的时间1428可以看到相同的情况。矩形波形曲线1436在时间1426和时间1430从正值转变为负值，分别对应于图13中在1326和1330的过零。
矩形波形曲线1436包括与电流曲线1302相同的时间间隔1432和1434。将电流曲线1302转换为矩形波形信号(例如矩形波形曲线1436)的一个好处是，在矩形波形信号中上升沿和下降沿更加陡峭。陡峭的上升沿和下降沿提供更精确的边沿定时分辨率和更低的定时不确定性。另一个好处是，矩形波形信号适合于数字处理。
图15是描绘根据说明性实施方式从非过零参考水平生成的时间间隔的曲线图。曲线图1500包括时间1536和1538。曲线图1500包括时间间隔T94 1540和时间间隔T76 1542，它们分别表示参考水平1508和参考水平1516的位移曲线1504的交叉时间。时间间隔T94 1540对应于时间1528与时间1538之间的时间间隔。时间间隔T76 1542对应于时间1530与时间1536之间的时间间隔。图形1500还包括时间间隔T43 1532和T61 1534，它们分别对应于时间1526与时间1528之间的时间间隔以及时间1524与时间1530之间的时间间隔。在1508、1512和1516示出的参考水平可以是感测质量块的位移范围内的任何值。参考水平1508、1512和1516可以预先确定，并且可以对应于TDS结构的物理几何形状，例如齿之间的间距距离。
如参考图12所见，位移曲线1204所示的振荡器位移经历与加速度曲线1206所示的输入加速度相关的偏移。因此，检测振荡器的位移的变化并因此检测输入加速度的变化的一种方法是比较振荡器所生成的位移曲线的过零时间的相对位置。如图15所示，时间间隔T43 1532与T94 1540的总和表示振荡周期，周期T61 1534与T36 1542的总和也表示振荡周期。在比较周期的子集时，例如将时间间隔T43 1532与T43 1532和T94 1540的总和进行比较表示振荡器在大于+d0 1508的位移所花费的时间的比例。这个比例从参考比例开始的增加指示与参考相比在正方向上的加速度更大。同样，这个比例从参考比例开始的减少指示在负方向上的加速度更大。可将其他时间间隔用于计算其他比例以及加速度的变化。
在一些示例中，可以使用本文所述系统和方法对矩形波形的部分进行积分，以确定过零时间的相对位置，从而确定加速度、旋转和/或速度。在其他示例中，使用等式(6)、(7)和(8)，可以根据图15所示的时间间隔来确定振荡器的位移。
Pm1＝T61+T76 (7)
Pm2＝T43+T94 (8)
可以使用胡克定律将振荡器的位移转换为加速度。对于振荡器的每个半周期，可以递归地计算振荡器的位移。使用这个信息，可以记录振荡器的位移作为时间的函数。这样允许计算具有零漂移和较低宽带噪声的外部扰动。
图16是描绘根据示例性实施方式的作为复合质量块惯性加速度计的感测质量块的位移的函数的电容的曲线图。图16包括电容曲线1602，它是周期性的并且基本上是正弦的。因此，可移动元件的单调运动(例如参考图6和图9所述)生成随位移非单调变化的电容。这种非单调变化是参考图6和图9所示的TDS结构的几何形状以及激励复合质量块加速度计的方式的函数。
图17是描绘根据说明性实施方式的作为复合质量块加速度计的感测质量块的位移的函数的电容的第一空间导数的曲线图。图17包括dC/dx曲线1702，它是周期性的并且基本上是正弦的。dC/dx曲线1702是电容曲线1602的一阶导数。因此，当电容曲线1602经历局部极值时，dC/dx曲线1702过零。电容性电流与电容的一阶导数成比例，因此与dC/dx曲线1702成比例，并与dC/dx曲线1702共享过零。
图18是描绘根据说明性实施方式的作为复合质量块加速度计的感测质量块的位移的函数的电容的第二空间导数的曲线图。图18包括d2C/dx2曲线1802。d2C/dx2曲线1802是dC/dx曲线1702的一阶导数，因此在dC/dx曲线1702的局部极值处具有零值。d2C/dx2曲线1802指示dC/dx曲线1702的斜率，因此指示电流最快速变化的位置。在一些实施方式中，希望将d2C/dx2曲线1802的幅度最大化，从而将电流曲线的陡度最大化。这样降低了解决电流过零定时的不确定性。降低过零时间的不确定性会导致系统噪声降低、抖动减小、以及系统所需的增益降低。抖动减少导致外部扰动的分辨率提高。在一些实施方案中，希望将可变寄生电容的影响最小化，可变寄生电容是随振荡器运动而变化的寄生电容。
图19是描绘根据说明性实施方式的作为位移的函数的电容性电流的时间导数的曲线图。图19包括dI/dt曲线1902。用于确定dI/dt曲线1902的电容性电流是通过在用于生成电容曲线1602的电容器两端施加固定电压而获得的。dI/dt曲线1902表示电容性电流随时间变化的速率，从而提供当前斜率的陡度指标。dI/dt信号的高量级指示快速变化的电流和高电流斜率。因为用于生成图16至图19所示曲线的振荡器关于零位移振荡并在+15μm和–15μm的位移处反转方向，所以振荡器的速度在其位移的极值处最低。在这些位移极值处，电流变化得也不那么快，因此dI/dt曲线1902具有较低的量级。使用dI/dt曲线1902具有大值的过零导致更高的定时分辨率和更小的抖动。这些过零发生在振荡器范围的中心附近。
图20描绘根据说明性实施方式的用于从非线性周期信号中提取惯性参数的方法的流程图。在步骤2002，接收第一非线性周期信号。在步骤2004，可选地接收第二非线性周期信号。第一非线性周期信号和可选的第二非线性周期信号可通过本文所述任何TDS结构生成，并在信号处理电路处接收，信号处理电路被配置为从一个或多个非线性周期信号中提取惯性参数。
在步骤2006，可选地，将第一非线性周期信号和第二非线性周期信号组合成组合信号。这可以通过图10所示的元件1006来实现。如果省略步骤2004和步骤2006，那么方法2000从步骤2002直接进行到步骤2008。
在步骤2008，通过信号处理电路将信号转换为二值信号，信号处理电路可包括比较器和/或高增益放大器。二值信号可以是基本上只有两个值的信号，但是可以在两个值之间快速转变。这个二值信号可以是数字信号，例如从数字电路元件输出的数字信号。在一些示例中，通过使用高增益放大器将组合信号或者第一非线性信号和第二非线性信号的其中一个放大来生成二值信号。可将该技术称为“放大到轨道”。二值信号可以是图10所示的信号1012。可以基于阈值确定二值信号，使得如果组合信号、第一信号或第二信号高于阈值，那么二值信号采用第一值，如果组合信号、第一信号或第二信号低于阈值，那么二值信号采用第二值。
在步骤2010，确定二值信号两个值之间的转变时间。在一些示例中，可以使用时间-数字转换器(TDC)或通过模数转换器和数字信号处理来确定这些时间。通过这种方式确定的时间间隔可以是图15所示间隔1532、1534、1540和1542的其中一个或多个。
在步骤2014，将三角函数应用于所确定的时间间隔。三角函数可以是正弦函数、余弦函数、正切函数、余切函数、正割函数和余割函数。三角函数也可以是反三角函数中的一个或多个，例如反正弦函数、反余弦函数、反正切函数、反余切函数、反正割函数和反余割函数。应用三角函数可包括将三角函数应用于基于所确定的时间间隔的变量。
在步骤2016，从应用三角函数的结果中提取惯性参数。提取惯性参数可包括曲线拟合和计算结果的导数。惯性参数可以是传感器加速度、传感器速度、传感器位移、传感器旋转速率、传感器旋转加速度、以及线性或旋转加速度的高阶导数(例如加加速度、加加加速度、加加加加速度、加加加加加速度)的其中一个或多个。
图21描绘根据说明性实施方式的用于基于非线性周期信号确定两个值之间的转变时间的方法的流程图。可将方法2100用于进行方法2000的步骤2002、2004、2006、2008和2010的其中一个或多个。
在步骤2102，在信号处理电路处接收第一非线性周期信号的第一值，信号处理电路可包括TDC或数字电路。在步骤2104，可选地在TDC或数字电路处接收第二非线性周期信号的第二值。第一值和第二值是第一信号和第二信号在时间的特定时刻的值，并且可以是模拟值或数字值。方法2100的第一非线性周期信号和第二非线性周期信号可以与方法2000的相同。
在步骤2106，可选地将第一值和第二值组合成组合值。可以使用图10所示的元件1006来组合这些值，元件1006可包括求和放大器、差分放大器、模拟乘法器、和/或模拟分频器。组合可包括将值求和、求差、相乘或相除。如果省略可选步骤2104和步骤2106，那么方法2100从步骤2102直接进行到步骤2108。
在步骤2108，将第一值或组合值与阈值进行比较。如果这个值高于阈值，那么方法2100进行到步骤2110。
在步骤2110，为当前时间指派高值。如果这个值不高于阈值，那么方法2100进行到步骤2112。在步骤2112，为当前时间指派低值。步骤2108、步骤2110和步骤2112可用于从输入信号生成具有高值和低值的二值信号。方法2100的二值信号可以与方法2000的相同。
在步骤2114，将当前时间的信号值与就在之前时间的信号值进行比较。如果两个值相同，那么方法2100进行到步骤2116，在步骤2116，方法2100终止。如果两个值不同，那么发生转变并且方法进行到步骤2918。
在步骤2118，确定转变的意义(转变是上升沿还是下降沿)。如果当前时间的值大于先前时间的值，就将上升沿指派给转变。
如果当前时间的值不大于先前时间的值，那么方法2100进行到步骤2122。在步骤2122，将下降沿指派给转变。因此，检测到具有转变的时间并将其分类为具有上升沿或下降沿。在步骤2124，确定转变与另一个转变之间的时间间隔。这些转变时间之间的时间间隔可通过获得转变时间之间的时间差来确定。
图22描绘根据说明性实施方式的用于从时间间隔计算惯性参数的方法的流程图。在步骤2202，在信号处理电路处接收第一时间间隔和第二时间间隔，信号处理电路可包括TDC或数字电路。可以使用图21所示方法2100来确定第一时间间隔和第二时间间隔。
在步骤2204，使用诸如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)的数字信号处理电路来计算第一时间间隔与第二时间间隔的总和。总和可以是等式(7)和等式(8)所述的测量周期。在步骤2206，计算第一时间间隔与总和的比率。比率可以是形成等式(6)中余弦函数变量的一部分的比率中的一个或多个。
在步骤2208，使用数字信号处理电路的比率来计算变量。变量可以是等式(6)的余弦函数的一个或多个变量。
在步骤2210，通过数字信号处理电路将三角函数应用于变量。三角函数可以是参考方法2100的步骤2104所述的任何三角函数。
在步骤2212，数字信号处理电路使用一个或多个几何参数并使用应用三角函数的结果来计算位移。可以使用等式(6)计算位移。计算位移可以涉及计算一个以上三角函数，并且可包括除了在步骤2208计算的变量之外的变量作为一些三角函数的变量。
在步骤2214，数字信号处理电路使用位移计算一个或多个惯性参数。所计算的惯性参数可以是参考方法2000的步骤2016所述的任何惯性参数。可通过获得位移相对于时间的一个或多个导数来计算惯性参数。可使用所计算的位移的偏移来提取惯性参数以确定外部加速度。通过这种方式，根据时间间隔计算惯性参数。
可以使用MEMS和微电子制造工艺(例如光刻、沉积和蚀刻)来制造本文所述系统。将MEMS结构的特征用光刻图案化，并通过蚀刻去除选定部分。这种蚀刻可包括深反应离子蚀刻(DRIE)和湿蚀刻。在一些示例中，沉积一个或多个中间金属、半导体和/或绝缘层。基础晶片可以是掺杂半导体，例如硅。在一些示例中，可将离子注入用于增加光刻所限定的区域中的掺杂水平。在衬底硅晶片中可以限定弹簧系统，然后将衬底硅晶片接合到也由硅制成的顶盖和底盖晶片。通过这种方式包裹弹簧系统允许将围绕质量块的体积抽空。在一些示例中，将诸如钛的吸气剂材料沉积在抽空的体积内，以在装置的整个寿命期间保持低压。这种低压提高了共振器的品质因数。从MEMS结构开始，使用诸如溅射或物理气相沉积(PVD)的金属沉积技术来沉积导电迹线。这些导电迹线将MEMS结构的有源区域电连接到微电子电路。类似的导电迹线可用于将微电子电路相互电连接。可以用包括引线键合和倒装芯片封装的半导体封装技术来封装所制造的MEMS和微电子结构。
如本文所使用的，术语“存储器”包括适于存储数字数据的任何类型的集成电路或其他存储装置，包括但不限于ROM、PROM、EEPROM、DRAM、SDRAM、DDR/2SDRAM、EDO/FPMS、RLDRAM、SRAM、闪存(例如AND/NOR、NAND)、记忆电阻存储器、以及PSRAM。
如本文所使用的，术语“处理器”通常意味着包括所有类型的数字处理装置，包括但不限于数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)、通用(CISC)处理器、微处理器、门阵列(例如FPGA、PLD、可重新配置的计算结构(RCF)、阵列处理器、安全微处理器、以及ASIC)。这种数字处理器可以包含在单个整体集成电路管芯上，或者分布在多个组件上。
从以上对系统的描述可以明显看出，在不脱离其范围的情况下，可以使用各种技术来实现系统的概念。在一些示例中，可将本文所述任何电路实现为没有移动部件的印刷电路。此外，可将系统的各种特征实现为要在处理装置(例如通用处理器、ASIC、FPGA等)上执行的软件例程或指令。所述实施例在所有方面都被视为说明性而非限制性的。此外应当理解，系统不限于本文所述的特定示例，在不脱离权利要求范围的情况下可以在其他示例中实现。
类似地，虽然在附图中以特定顺序示出操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或按照连续顺序进行这些操作或者进行所有示出的操作来实现期望结果。

Claims (15)

1.一种复合质量块系统，包括：
感测质量块，其中所述感测质量块以第一频率在第一方向上响应于惯性力；
驱动质量块，所述驱动质量块机械地联接到所述感测质量块，其中所述驱动质量块以第二频率在所述第一方向上被驱动；
第一时域开关，所述第一时域开关被配置为基于第一电流来生成输出电压，所述第一电流部分地通过所述感测质量块生成；以及
逻辑，所述逻辑与所述第一时域开关进行信号通信并且被配置为基于所述输出电压确定时间间隔。
2.根据权利要求1所述的复合质量块系统，其中，所述第一频率是所述感测质量块的共振频率，并且所述第二频率是所述驱动质量块的共振频率，并且
所述第二频率高于所述第一频率。
3.根据任一项前述权利要求所述的复合质量块系统，其中，所述驱动质量块利用在所述第一方向上柔性的联接弹簧机械地联接到所述感测质量块。
4.根据权利要求3所述的复合质量块系统，还包括锚结构，所述锚结构刚性地联接到支撑结构，并且其中所述驱动质量块利用驱动弹簧机械地联接到所述锚结构。
5.根据权利要求4所述的复合质量块系统，其中，所述联接弹簧的弹簧常数低于所述驱动弹簧的弹簧常数。
6.根据权利要求4所述的复合质量块系统，还包括臂，所述臂具有沿径向从所述锚结构穿过到达所述驱动质量块的主轴，并且其中所述驱动弹簧联接到所述臂并被配置为使得当所述臂围绕与所述第一方向和所述主轴限定的平面垂直的轴线旋转时所述驱动质量块基本上在所述第一方向上移动。
7.根据权利要求6所述的复合质量块系统，其中，所述第一方向基本上与所述臂的旋转相切。
8.根据权利要求3-7中的任一项所述的复合质量块系统，其中，所述联接弹簧在高振荡频率下具有高弹簧常数，并且在低振荡频率下具有低弹簧常数。
9.根据任一项前述权利要求所述的复合质量块系统，其中，所述驱动质量块由梳状驱动驱动。
10.根据任一项前述权利要求所述的复合质量块系统，其中，所述时域开关包括联接到所述感测质量块的第一半部分和联接到所述支撑结构的第二半部分，并且所述电流是在所述第一半部分与所述第二半部分之间生成的。
11.根据任一项前述权利要求所述的复合质量块系统，其中，所述时域开关包括多个时域开关。
12.根据任一项前述权利要求所述的复合质量块系统，还包括第二时域开关，所述第二时域开关被配置为基于第二电流来生成第二电压，所述第二电流部分地通过所述感测质量块生成，并且其中所述第一电流与所述第二电流异相。
13.根据权利要求12所述的复合质量块系统，其中，所述逻辑还被配置为将从所述第一时域开关生成的信号与从所述第二时域开关生成的信号线性组合。
14.根据任一项前述权利要求所述的复合质量块系统，其中，所述逻辑还被配置为至少部分地基于所述时间间隔来确定加速度。
15.一种用于确定惯性参数的方法，包括：
利用感测质量块以第一频率在第一方向上响应于惯性力；
以第二频率在所述第一方向上驱动机械地联接到所述感测质量块的驱动质量块；
基于部分地通过所述感测质量块生成的第一电流来从第一时域开关生成输出电压；以及
基于所述输出电压确定时间间隔。
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