TW201807393A - 利用具有多重自由度之振動加速計偵測慣性參數之系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本文描述用於判定一慣性參數之系統及方法。特定言之,該等系統及方法係關於實施時域感測技術之多重自由度慣性感測器。在一多重自由度慣性感測器系統內,感測塊體可回應於具有一個以上自然頻率模式之致動,各自然頻率模式對應於一特性運動。可使用差動感測技術在差動自然頻率模式中進行該慣性參數之量測以移除共模誤差。該慣性參數可為垂直維度上之加速度。該慣性參數可為水平維度上之加速度。
Description
本發明大體係關於用於偵測且量測慣性參數(諸如加速度)之系統及方法。特定言之,系統及方法係關於具有減少之共模誤差之多重自由度慣性感測器。
振動慣性感測器通常使一感測結構按一已知致動頻率振盪且可監測感測結構之擾動以獲得慣性參數或力之量測。共模誤差(源自封裝變形、溫度梯度、寄生電容或其他電雜訊之同調干涉之一形式)可影響慣性感測器之靈敏度。此可在具有多個感測信號之感測器中尤為顯著,其中兩個信號中之共模誤差變為經組合以產生一更大誤差源。
因此,本文描述用於使用具有多重自由度之一慣性裝置來判定一慣性參數之系統及方法。一裝置包括具有一第一自由度之一第一塊體及經機械耦合至該第一感測塊體且具有一第二自由度之一第二感測塊體。一第一時域開關可經耦合至該第一感測塊體,且一第二時域開關可經耦合至該第二感測塊體。一驅動結構可經組態以使該第一感測塊體及該第二感測塊體以一差動頻率模式振盪。該第一時域開關及該第二時域開關可各回應於該第一感測塊體及該第二感測塊體之振盪而產生一電信號。與該第一時域開關及該第二時域開關信號通信之一處理器可經組態以部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定一慣性參數。 在一些實例中,該慣性裝置之該第一感測塊體及該第二感測塊體可在該差動頻率模式中振盪,且該第一時域開關及該第二時域開關可產生一差動信號。在一些實例中,該慣性裝置可進一步包括將該第一感測塊體機械耦合至該第二感測塊體之耦合彈簧,及獨立機械耦合至該第一感測塊體及該第二感測塊體之各者及一中心錨定結構之錨定彈簧。該中心錨定結構可經剛性耦合至一支撐結構。在一些實例中,可使用各自錨定彈簧之一彈簧常數及耦合彈簧之一彈簧常數來判定該慣性參數以降低該差動頻率模式之頻率。 在一些實例中,可從該差動信號實質上消除由該第一時域開關及該第二時域開關所產生之電信號之共模頻率分量。 在一些實例中,該第一自由度及該第二自由度可在一垂直維度上。在一些實例中,該慣性參數可為該垂直維度上之加速度。 在一些實例中,該第一時域開關可進一步包括在該第一感測塊體之一第一徑向距離處之一第一電極及在該第一感測塊體之一第二徑向距離處之一第二電極。當該第一感測塊體及該第二感測塊體按該差動頻率模式振盪時,該處理器可經組態以偵測該第一電極及該第二電極之一電容差動。在一些實例中,該等時間間隔可部分基於電容差動等於零之時間。在一些實例中,該第一感測塊體及該第二感測塊體在該支撐結構上方在該垂直維度上升高及降低。在一些實例中,該第一感測塊體及該第二感測塊體可以圍繞該中心錨定結構之垂直扭轉旋轉而振盪。 在一些實例中,該第一自由度及該第二自由度可在一水平維度上。在一些實例中,該慣性參數可為該水平維度上之加速度。在一些實例中,該第一感測塊體可用一框架機械耦合至該第二感測塊體,且該框架可在該水平維度之平面內隨著該第一感測塊體及該第二感測塊體以差動運動振盪。 在一些實例中,該第一時域開關可包括可產生一第一電容電流之一第一組電容齒(capacitive teeth),且該第二時域開關可包括可產生一第二電容電流之一第二組電容齒。該第一電容電流可與該第二電容電流異相。在一些實例中,該差動信號可為該第一電容電流及該第二電容電流之一線性組合。 本文描述之另一實例係一種用於藉由以下各者使用多重自由度判定一慣性參數之方法:使一第一感測塊體在一第一自由度上振盪;使經機械耦合至該第一感測塊體之一第二感測塊體在一第二自由度上振盪;將一第一時域開關耦合至該第一感測塊體且將一第二時域開關耦合至該第二感測塊體;回應於該第一感測塊體及該第二感測塊體之振盪而從該第一時域開關及該第二時域開關之各者產生一電信號,且其中一驅動結構使該第一感測塊體及該第二感測塊體按一差動頻率模式振盪;及部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定一慣性參數。 在一些實例中,該方法可包含當該第一感測塊體及該第二感測塊體以差動頻率模式振盪時從該第一感測塊體及該第二感測塊體產生一差動信號。在一些實例中,該方法可包含使用耦合彈簧將該第一感測塊體機械耦合至該第二感測塊體,及使用錨定彈簧將該第一感測塊體及該第二感測塊體之各者機械耦合至一中心錨定結構。該中心錨定結構可經剛性耦合至一支撐結構。在一些實例中,該方法可包含使用該等各自錨定彈簧之一彈簧常數及該等耦合彈簧之一彈簧常數來判定該慣性參數且降低該差動頻率模式之頻率。在一些實例中,該方法可包含從該差動信號消除由該第一時域開關及該第二時域開關所產生之該電信號之一共模頻率分量。 在一些實例中,使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪可包含其中該第一自由度及該第二自由度在一垂直維度上。在一些實例中,部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數可包含其中該慣性參數係該垂直維度上之加速度。在一些實例中,回應於該第一感測塊體之振盪而從該第一時域開關產生該電信號可包含:從在該第一感測塊體之一第一徑向距離之一第一電極產生一電容;從在該第一感測塊體之一第二徑向距離之一第二電極產生一電容;及當該第一感測塊體及該第二感測塊體按該差動頻率模式振盪時,偵測該第一電極及該第二電極之一電容差動。 在一些實例中,部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數可包含其中該等時間間隔係部分基於該電容差動等於零之複數個時間。在一些實例中,使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪可包含在該支撐結構上方在該垂直維度上升高及降低該第一感測塊體及該第二感測塊體。在一些實例中,使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪可包含以圍繞該中心錨定結構之垂直扭轉旋轉而振盪。 在一些實例中,使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪可包含其中該第一自由度及該第二自由度係在一水平維度上。在一些實例中,該方法可包含部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數,其中該慣性參數係該水平維度上之加速度。在一些實例中,該方法可包含從包括一第一組電容齒之該第一時域開關產生一第一電容電流,及從包括一第二組電容齒之該第二時域開關產生一第二電容電流,且其中該第一電容電流可與該第二電容電流異相。在一些實例中,部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數可包含判定該第一電容電流及該第二電容電流之一線性組合。
相關申請案之交叉參考 本申請案主張2016年7月27日申請之同在申請中、共同受讓之美國臨時專利申請案第62/367,626號之優先權,該案之內容在此以引用之方式併入本文中。 為提供本發明之總體理解,現將描述特定闡釋性實施方案,包含用於在使用一振動加速計來偵測且量測慣性參數時降低共模誤差之系統及方法。 振動加速計使用一振盪感測塊體之經量測擾動來判定慣性參數及作用於一感測器上之力。此等擾動可為來自一中性平衡之感測塊體之物理擾動,且可由於一感測系統之機電性質而轉換為類比電信號。任何加速計可對溫度改變、長期機械潛變、環境振動、封裝變形、寄生電容、偏壓電壓之漂移、任何內部電壓參考之漂移及其他環境或電雜訊源敏感。在加速計中,此等誤差源將影響感測器之精確度,因此將降低其量測慣性參數及慣性力(諸如一輸入加速度)之能力。 影響加速計之一個形式之誤差為共模誤差。共模誤差係干涉之一形式,例如,同調干涉,其中誤差相等且同相地存在於多個信號路徑中,且因此無法輕易與所要信號資訊區分或隔離,此係由於將信號路徑組合在一起僅將加重或放大誤差。實例包含溫度改變、長期機械潛變、環境振動、封裝變形、寄生電容、偏壓電壓之漂移、任何內部電壓參考之漂移、接地迴路及導致系統性誤差之其他環境或電誤差或雜訊源。 降低此等誤差源之影響之一個方式係採用以信號之線性組合事實上將移除或偵測存在於兩個信號中之系統性誤差之方式產生多個信號作為一單一運動之結果之感測技術。此等技術之一者係「差動感測」,其中計算兩個信號之間的差導致消除存在於兩個信號中之共模誤差,從而留下不具有共模誤差之「真」信號之一純量倍數。例如,可產生兩個信號使得一第一信號與第二信號相位偏移180º。此等「反相」信號接著可彼此相減以移除共模誤差。在另一實例中,可使用正偏壓或負偏壓電極來產生彼此反相之兩個信號,且接著可使該兩個信號彼此相減以移除共模誤差。產生兩個信號之間的差或「差動」之任何其他感測技術可用於實施差動感測。 共模誤差亦可發生在一振動加速計中之一感測塊體振盪之一特定頻率範圍中。雖然可採用差動感測技術,但具有一單一感測塊體之一振動加速計之一缺點在於僅存在一單一運動(回應於擾動從該單一運動產生電信號)且僅存在感測塊體之一單一諧振頻率回應。因此,量測慣性參數之頻率範圍事實上亦可為共模誤差主要駐留之頻率範圍。在此情況中,差動感測技術可無法從經量測輸出信號完全移除共模誤差信號。 然而,在多重自由度慣性感測器中,可將一個以上感測塊體耦合在一起,從而回應於一單一外部擾動或加速產生多個可偵測運動。各感測塊體之運動係慣性感測器系統之一自由度。在其中驅使感測塊體振盪之一振動加速計之內容背景中,各自由度將對應於系統之一額外正常模式頻率回應。例如,在具有皆按一驅動頻率致動之兩個感測塊體之一雙自由度感測結構系統中,系統將按依據驅動頻率、各感測塊體之質量、塊體之間的耦合及其他結構因素而變化之一頻率範圍作出回應。然而,系統將具有兩個「自然頻率模式」,其等對應於系統之運動之方程式之特徵值解。此等自然頻率模式(其等為在無驅動力的情況下系統將振盪之頻率)將係雙自由度系統之諧振頻率。按此等頻率之振盪將放大感測塊體二者之運動,從而導致系統之頻率回應之振幅峰值。針對一N自由度振盪系統,對於對系統之運動方程式之N個特徵值解之各者將存在N個對應自然模式(其中N為任何正整數)。 此等自然模式將對應於感測塊體之一特性頻率及一特性物理運動二者。又,在一典型雙自由度系統之實例中,一個自然模式(一「低」自然模式)將大體上對應於兩個感測塊體之同相、共模運動,其中兩個塊體在相同方向上以相同振幅一起移動。在一典型系統中,此「低」自然模式將處於低於一第二「高」自然模式之一能量或頻率。此第二「高」自然模式將大體上對應於兩個感測塊體之反相、差動運動,當兩個塊體將在相反方向上以相同振幅移動時,彼此異相180º。一典型N自由度系統將具有此相同最小「低」自然模式(其中所有N個塊體彼此同相移動)及一最大「高」自然模式(其中N個塊體之最大數目交替對彼此反相移動)。例如,在一典型四自由度系統中,「高」自然模式將對應於其中塊體1及2彼此異相移動,塊體2及3彼此異相移動且塊體3及4彼此異相移動之運動。 然而,雖然自然頻率模式將始終對應於感測塊體之特性物理運動,但可將結構力引入至系統以更改上文描述之典型對應關係。例如,吾人可產生一系統,其中感測塊體之差動、反相運動實際上對應於多重自由度系統之較低能量、較低頻率自然模式回應。在此情況中,感測塊體之共模或同相運動事實上將處於較高能量、較高頻率自然模式回應。 一多重自由度振動加速計之自然頻率模式係有用的,此係因為其等容許將共模誤差與加速計之同相回應隔離且主要按一第二、反相頻率回應偵測慣性參數,其中共模誤差可經由感測塊體之差動移動消除。使感測與差模隔離因此容許在量測慣性參數時消除共模誤差。系統之多個自然模式頻率回應亦容許在設計系統時之更多靈活性,此係由於其容許吾人將同相頻率回應調諧至共模誤差之一頻率範圍,且將異相、量測頻率回應調諧至所要感測範圍,其事實上可處於系統之第一、較低頻率模式回應。 因此,加速度之感測可主要按差動頻率模式進行,其中多重自由度加速計之感測塊體在較低自然頻率模式回應中彼此反相移動。在此模式中,將藉由使來自各感測塊體之信號相減或組合而從信號消除影響各感測塊體之共模誤差。由於信號彼此異相180º,則將從所得經組合輸出信號消除存在於兩個信號中之任何共模誤差,從而僅留下反映感測塊體之位移之所要信號。 在振動加速計中,因為感測塊體之物理移動轉譯為其輸出類比信號,故感測塊體之振盪之物理頻率具有與慣性感測器之靈敏度之一直接關係。針對加速計,一感測塊體之線性位移與輸入加速度之比(其描述藉由感測塊體產生之一信號(表示為Saccel
)偵測加速度之能力)具有一般關係:(1) 其中fS
係感測塊體之振盪之頻率。如可瞭解,為增大加速計之靈敏度,吾人將理想地最小化fS
之值。因此,藉由將使感測塊體之差動、反相運動對應於較低頻率模式回應之結構力引入至系統中,吾人可完成差動感測、消除共模誤差且仍保持加速計之靈敏度。 圖1描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之一概念模型。圖1將證實可用於從用以量測慣性參數之差模回應剔除或消除慣性感測器之共模回應之幾何選擇。 首先可藉由在兩個感測塊體110及112之自然差動頻率模式中機械驅動其等(意謂在相反方向上按相同振幅,如分別藉由箭頭126a及126b指示)而達成差動感測。彈簧106a、106b及108可經組態使得此差動頻率模式係系統之第一、較低頻率模式回應。彈簧106a、106b及108可經組態使得共模運動(其中感測塊體在相同方向上同相移動)係系統之第二、較高頻率模式回應。感測塊體110及112可藉由將彈簧106a及106b錨定在多重自由度慣性感測器之一底層(未展示)上方而在z軸上自錨102及104懸掛。一耦合彈簧108可將兩個感測塊體110及112機械耦合在一起。彈簧106a、106b及108可僅在x軸上實質上順應,如在圖1中展示。在圖1中展示為時域開關(「TDS」)結構120a及120b之感測結構可將感測塊體110及112之振盪轉換為自感測塊體110及112之位移導出之類比電信號。TDS結構120a及120b各由分別耦合至感測塊體110及112之一組齒122及118及剛性耦合至多重自由度慣性感測器之底層之一第二組齒114及116構成。各塊體可用獨立驅動結構(未展示)彼此反相驅動。 本文描述之驅動結構可為電容式梳狀驅動器。電容式梳狀驅動器可具有經剛性耦合至一多重自由度慣性感測器之底層之一組固定齒,而一第二、交錯組經連接至感測塊體(諸如感測塊體110或112)。驅動結構亦可為能夠驅使感測塊體振盪之任何裝置。控制驅動結構之電信號可為透過回饋電路產生以維持感測塊體110及112之差動頻率模式之一恆定電信號。回饋電路亦可調整至驅動結構之一驅動電壓,直至感測塊體110及112之振盪之振幅達到一所要設定點。此設定點可為與多重自由度慣性感測器之一諧振頻率或自然模式頻率相關聯之一振幅。此設定點可為與多重自由度慣性感測器之一差動頻率模式回應相關聯之一振幅,其發生在系統之第一、較低頻率模式回應處。一控制信號之另一實例可為一週期「pinged」信號,其經開啟且關閉,從而產生一階狀靜電力以起始諧波振盪。「pinged」信號可在x軸上在感測塊體110及112之相對側上之驅動結構之間協調,以產生一「推/拉」靜電力。驅動結構可回應於使用者起始或關閉一行動裝置上之一應用程式而通電或斷電。取決於感測塊體之品質因數及其他設計因數,振盪慣性裝置之起動時間可在10毫秒至數秒之範圍中。 與感測塊體110及112之差動運動組合,亦可用同相及異相TDS結構達成加速度之差動感測,如在120a及120b展示。同相TDS結構具有在其等中性位置中對準之齒122及114,意謂當感測塊體110具有作用於其上之一淨零力時,齒122在y方向上與齒114相距一最小距離,如在圖1中展示。異相TDS結構具有在其等中性位置中反對準之齒118及116,意謂當感測塊體112具有作用於其上之一淨零力時,齒118在y方向上與齒116相距一最大距離。當感測塊體110及112在藉由箭頭126a及126b指示之方向上按彼此異相180º差動地振盪時,經對準或同相TDS結構120a及異相TDS結構120b將各產生自身差動且彼此異相180º之信號。齒122、114及118及116可經組態以視需要產生彼此成任何相移角度之信號。因此,所得類比信號將藉由如在126a及126b展示之差動運動及差動偵測二者產生。來自齒120a及120b之類比信號可視需要彼此線性組合,且將從感測塊體110及112之物理運動及其等位移之電感測二者剔除共模誤差。參考圖21至圖22更詳細論述藉由同相及異相TDS結構產生之信號。在圖1中展示之此等結構亦可由本文描述且例如參考圖8至圖12、圖15及圖21至圖22之感測結構之任一者取代。 錨定彈簧106a及106b以及耦合彈簧108及本文描述之任何彈簧各具有稱為彈簧常數之一固有值。彈簧常數係彈簧之一固有性質,其描述彈簧對外部力之相對順應性。因此,與具有高彈簧常數之彈簧相比,具有低彈簧常數之彈簧對外部力擴張或順應更多。彈簧106a、106b及108及本文描述之任何彈簧之彈簧常數可各僅藉由彈簧之幾何結構及材料定義。彈簧106a、106b及108及本文描述之任何彈簧之勁度可受溫度影響。因此,環境或感測器溫度之改變可導致彈簧勁度之改變,從而導致結構100之諧振頻率之改變。彈簧106a、106b及108可包括一均勻各向同性材料(諸如摻雜或未摻雜矽)。彈簧亦可具有不同寬度、片段、片段長度及慣性矩來定製彈簧之部分且達成所要彈簧常數。彈簧106a、106b及108可經組態以降低與感測塊體之差動運動相關聯之頻率,使得在一雙自由度系統中,第一自然頻率模式回應對應於差動運動,而第二自然頻率模式回應對應於共模、同相運動。 如在圖1中展示之雙自由度系統之自然頻率將取決於兩個感測塊體110及112之質量(表示為M1
及M2
)、錨定彈簧106a及106b之彈簧常數(表示為k1
及k2
)及耦合彈簧之彈簧常數(表示為kC
)。在一典型實例中,其中M1
=M2
及k1
=k2
,在圖1中展示之系統之兩個自然頻率可為:(2)(3) 其中ωD
通常係通常將對應於感測塊體110及112之反相運動之較高差模,且ωC
通常係對應於感測塊體110及112之同相運動之較低共模。此等係在圖1中展示之雙自由度系統之經典頻率解法,且在此處給定為頻率對在圖1中展示之系統中之變量之各者之相依性之實例。然而,可將結構力引入至在圖1中展示之系統中,使得感測塊體之差動運動對應於較低能量、較低頻率自然模式回應。在圖1中展示之系統亦可具有感測塊體110及112之不同質量值及106a及106b之彈簧常數之不同值。在圖1中展示之系統可具有兩個以上感測塊體。在所有此等情況中,系統之自然頻率仍將取決於耦合或錨定彈簧之彈簧常數及感測塊體之質量。針對任何N自由度系統,N個自然模式亦將取決於N個感測塊體之質量及所有耦合及錨定彈簧之彈簧常數。此等變量係可為固定且透過多重自由度慣性感測器之製造判定之所有值,從而意謂自然模式亦將係固定的。 如在方程式(2)及(3)中展示,振盪之共模及差模頻率之值可藉由選擇耦合及錨定彈簧之勁度以及感測塊體110及112之質量而判定。差動頻率模式可在500 Hz與20,000 Hz之間,且較佳為5,000 Hz。 圖2係展示根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之一頻率回應之一實例之一圖。x軸展示驅動頻率,而y軸展示感測塊體之位移振幅。在低頻率區210中,感測塊體回應為近似線性。如在圖2中展示,低頻率差模回應在202處產生一振幅峰值,而較高頻率共模回應在204處產生振幅回應之一第二峰值。在一雙自由度系統中,此兩個振幅峰值對應於系統之兩個自然模式頻率。在202處之較低頻率、差模回應處發生加速度之偵測及感測。可藉由改變多重自由度慣性感測器之彈簧常數或質量值而調整此兩個正常模式回應之間的距離(在212展示)。彈簧常數及質量值亦將定義峰值202及204之振幅及頻率。為將202處之差動頻率回應與204處之共模回應隔離,可增大距離212。在206及208展示之峰值之寬度可藉由多重自由度慣性感測器之Q因數定義。 圖2係具有兩個感測塊體之一雙自由度慣性感測器之頻率回應之一實例,然而可存在任何數目個感測塊體,其中額外自由度將導致振幅回應之相同數目個額外峰值。因此,N自由度慣性感測器跨全頻譜將具有感測塊體振幅回應之N數目個對應峰值。針對一N自由度慣性感測器,將存在一最低共模頻率及一較高差模頻率回應。 圖3描繪根據一闡釋性實施方案之經組態以在一垂直方向上振盪之一多重自由度慣性感測器。圖3係一雙自由度系統之z軸振盪及z軸加速度之感測之圖1中展示之概念圖之一實施方案。圖3包含剛性耦合至多重自由度慣性感測器之一底層326之一中心錨320、用一第一對錨定彈簧316a及316b耦合至錨320之一第一感測塊體310及經由一第二對錨定彈簧314a及314b耦合至中心錨320之一第二感測塊體312。感測塊體310經由耦合彈簧318機械耦合至感測塊體312。感測塊體310及312可在z軸上懸掛在底層326上方。剛性耦合至底層326之感測結構302及304可偵測z軸上之感測塊體310及312運動且將其轉換為一類比電信號。 多重自由度慣性感測器300包括三個層:含有在302、304、306、308、310、312、314a、314b、316a、316b、318、320及322描繪之特徵之一裝置層、一底層326及一罩蓋層(未展示)。底層326及罩蓋層可由不同於裝置層之晶圓製成。裝置層之一或多個特徵可由含有底層326及/或罩蓋層之晶圓製成。底層326與罩蓋層之間的空間可在低於大氣壓力之一恆定壓力下。底層326與罩蓋層之間的空間可處在部分真空下。一吸氣材料(諸如鈦或鋁)可經沈積於空間之內部上以隨時間維持減壓。 錨定彈簧314a、314b、316a及316b在圖3中展示為將感測塊體310及312鉸接至中心錨320之矩形結構。此等彈簧亦可含有「u」形彎頭,可係蜿蜒或呈容許感測塊體310及312在z方向上圍繞中心錨320旋轉振盪之任何組態。參考圖4至圖5進一步詳細描述此運動。耦合彈簧318經展示具有「u」形彎頭,但可係蜿蜒或呈在y或x方向上限制感測塊體310及312之運動使得其等在z軸上振盪之任何組態。彈簧314a、314b、316a、316b及318亦可經組態以促進感測塊體310及312之差動運動優於其等共模運動,其中差動運動之一實例在圖4中展示,且係第一、較低頻率模式,且共模運動之一實例在圖5中展示,且係第二、較高頻率模式。 感測塊體310及312之運動(如在圖4及圖5中描述)可具有z軸上之運動之一旋轉、扭轉分量及一平面外彎曲分量二者。相對於彎曲移動,錨定彈簧314a、314b、316a及316b可具有對扭轉移動之不同勁度回應。彈簧314a、314b、316a及316b可具有回應於扭轉運動之一較低有效彈簧常數及回應於彎曲運動之一較高有效彈簧常數。共模運動可具有大於運動之扭轉分量之運動之一彎曲分量,而差動運動可具有大於運動之彎曲分量之運動之一扭轉分量。由於回應於運動之此兩個分量之彈簧之可變勁度,差動運動可與系統之一較低能量、較低頻率回應相關聯,而共模、同相運動可與系統之一較高能量、較高頻率回應相關聯。其他結構力亦可增大系統對共模運動之勁度回應,有效增大與共模運動相關聯之能量及頻率回應,同時降低與差動運動相關聯之頻率回應。 感測塊體310及312在圖3中展示為具有經移除內部之矩形。感測塊體310及312亦可呈容許對稱、差動運動之任何拓撲,如在圖4中展示。經移除塊體之位置(展示為感測塊體310及312之經移除內部)可經選擇使得感測塊體310及312之質心定位成遠離錨320。因此,使更多質量朝向在圖3中展示為分別與感測結構302及304介接之感測塊體310及312之端部,從而將質心332及330放置成遠離錨320。除從感測塊體310及312移除質量以放置質心332及330外,可調整在z維度上之感測塊體之厚度。位置332及330促進感測塊體310及312之差動運動,以及z方向上之平面外運動。感測塊體310及312之質心因此可在其等y維度上居中(如在332及330展示)且亦在其等x維度上偏移(如在310及312展示)以鼓勵所要振盪運動。質心亦可放置在可產生兩個感測塊體310及312之差動運動之任一處。 感測結構經展示為具有在306及308處分別耦合至感測塊體310及312之一第一組齒。一第二組齒304及302展示為例如在322處與齒306及308交錯,且經剛性耦合至多重自由度慣性感測器之底層326。此等感測結構之齒可經組態使得藉由一個組產生之類比信號將與另一組產生之類比信號異相,因此差動地感測感測塊體310及312之振盪。此等感測結構可為本文描述之TDS結構之任一者,例如,參考圖9至圖13、圖16及圖19至圖20進一步詳細描述之TDS結構。此等結構亦可為用於回應於感測塊體310及312位移及振盪而產生一電信號之任何電容式、光學或一般構件。感測結構亦可為形成於沈積於感測塊體310及312之各者下方之底層326中之電極與感測塊體310及312其等自身之底部之間的平行板電容器,使得感測塊體310及312在z維度上之移動經轉譯為感測塊體310及312與底層326之間的電容之改變。感測塊體之差動驅動及其等振盪之差動感測將從藉由TDS結構產生之電信號實質上消除共模誤差。 圖4描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之差模垂直移動。圖4中展示之移動係雙自由度系統之第一、較低自然頻率模式之移動。在408處展示之一中心錨可將感測塊體404及406連接至一錨定結構(未展示)。如在408處展示之中心錨可包括如在圖3中展示之錨定彈簧314a、314b、316a及316b以及耦合彈簧318。在400,感測塊體404及406具有成如在402處指示之一正高度角之自由端410。在其等振盪中之任何給定時刻,感測塊體404之高度角可與感測塊體406之高度角相同。感測塊體404及406之自由端410可經耦合至TDS結構或任何其他感測結構以將其等位移轉換為一類比電信號。400描繪感測塊體404及406之最大正位移。 在420,兩個感測塊體404及406之自由端410已在負z方向上從其等在400中指示之位置移動,圍繞中心錨408旋轉且減小高度角(如在422展示)。在440,兩個感測塊體404及406之自由端410已在負z方向上進一步移動,且在如在442處指示之水平面中。在此位置440中,感測塊體404及406將平行於多重自由度慣性感測器(未展示)之一底層。此可為感測塊體404及406之中性位置,意謂在無驅動力的情況下其等將處於此位置440。 在460,兩個感測塊體404及406之自由端410已在負z方向上又進一步移動,且現形成如在462處指示之一負高度角。460表示自由端410之一最小位移,意謂自由端410處於其等在z軸上之最低點。 位置400、420、440及460之序列表示感測塊體404及406垂直振盪之半個循環。為完成全循環,感測塊體404及406將在正z方向上從最小位置460移動,從位置460行進至440,至420,且再次到達在400處之其等最大位移。在圖4中展示之位置旨在作為代表性模型且可為清晰起見而放大。 圖5描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之共模垂直移動。圖5中展示之移動係雙自由度系統之第二、較高自然頻率模式之移動。此運動係圖3中展示之感測塊體之不利運動,且可含有藉由此運動產生之所得輸出信號中之共模誤差。在508處展示之一中心錨可將感測塊體502及504連接至一錨定結構(未展示)。在508處展示之中心錨可包括如在圖3中展示之錨定彈簧314a、314b、316a及316b以及耦合彈簧318。此等彈簧可經組態以不利於如在圖5中展示之感測塊體502及504之振盪回應。在500,感測塊體504成如在512a處展示之一正高度角,而感測塊體502成如在512b處展示之一負高度角。此等角度可相等且彼此方向相反。在其等振盪中之任何給定時刻,感測塊體502之高度角之量值與感測塊體504之高度角之量值相同。感測塊體502及504之自由端510可經耦合至TDS結構或任何其他感測結構以將其等位移轉換為一類比電信號。 在520,感測塊體502及504之自由端510分別已在正及負z方向上移動,且在如在522處指示之水平面中。在此位置520中,感測塊體502及504將平行於多重自由度感測器(未展示)之一底層。此可為感測塊體502及504之中性位置,意謂在無驅動力的情況下其等將處於此位置520。 在540,感測塊體502之自由端510已在正z方向上移動,而感測塊體504之自由端510已在負z方向上移動。因此,感測塊體502現形成如在542b處指示之一正高度角,而感測塊體504形成如在542a處指示之一負高度角。最後,在560,在感測塊體502之自由端510在正z方向上進一步移動且感測塊體504之自由端510在負z方向上進一步移動之後,感測塊體504形成如在562b處展示之一負高度角,而感測塊體502形成如在562a處展示之一正高度角。 因此,在如圖5中展示之共模運動中,當感測塊體502及504圍繞中心錨508旋轉時,其等二者作為一單一塊體移動。不存在藉由兩個感測塊體502及504之運動產生之差動。此並非感測塊體502及504之較佳運動,且可將共模誤差與相關聯於此共模運動之頻率回應隔離。 位置500、520、540及560之序列表示感測塊體504及506垂直振盪之半個循環。為完成全循環,感測塊體504及506將在z方向上移動,從位置560行進至540,至520,且返回至500。在圖5中展示之位置旨在作為代表性模型且可為清晰起見而放大。 圖6描繪根據一闡釋性實施方案之經組態用於在一垂直方向上扭轉振盪之一多重自由度慣性感測器。圖6係一雙自由度系統之z軸振盪及z軸加速度之感測之圖1中展示之概念圖之另一實施方案。圖6包含分別機械耦合至感測塊體612及610且剛性耦合至多重自由度慣性感測器600之一底層624之兩個中心錨622及628。錨定彈簧618a及618b將感測塊體612機械連接至中心錨622,而一第二組錨定彈簧618c及618d將感測塊體610機械連接至中心錨628。一耦合彈簧614將感測塊體610機械耦合至感測塊體612。感測結構602及604可偵測z軸上之感測塊體610及612扭轉運動且將其轉換為一類比電信號。機械耦合可意謂多重自由度慣性感測器之元件之間的一實體連接(諸如一彈簧),使得力在其等之間輸送。 多重自由度慣性感測器600包括三個層:含有在602、604、606、608、610、612、614、616、618a、618b、618c、618d、620、622描繪之特徵之一裝置層、一底層624及一罩蓋層(未展示)。底層624及罩蓋層可由不同於裝置層之晶圓製成。裝置層之一或多個特徵可由含有底層624及/或罩蓋層之晶圓製成。底層624與罩蓋層之間的空間可在低於大氣壓力之一恆定壓力下。底層624與罩蓋層之間的空間可為在部分真空下。一吸氣材料(諸如鈦或鋁)可經沈積於空間之內部上以隨時間維持減壓。 在圖6中,錨定彈簧618a、618b、618c及618d展示為分別將感測塊體610及612鉸接至中心錨628及622之矩形結構。此等彈簧亦可含有「u」形彎頭,可係蜿蜒或呈容許感測塊體610在z方向上圍繞一x軸(其之原點在616處居中)扭轉振盪之任何組態。參考圖7至圖8進一步詳細描述此運動。耦合彈簧經展示具有在616處之一彎頭,但可具有「u」形彎頭,係蜿蜒的或呈限制感測塊體610及612之運動以促進感測塊體610及612之差動運動優於其等共模運動之任何組態。感測塊體610及612之差動運動之一實例在圖7中展示,且為系統之第一、較低自然頻率模式,而共模運動之一實例在圖8中展示,且為系統之第二、較高自然頻率模式。 感測塊體610及612之運動(如在圖7及圖8中描述)可具有z軸上之運動之一旋轉、扭轉分量及一平面外彎曲分量二者。相對於彎曲移動,錨定彈簧618a、618b、618c及618d (統稱為618)可具有對扭轉移動之不同勁度回應。彈簧618可具有回應於扭轉運動之一較低有效彈簧常數及回應於彎曲運動之一較高有效彈簧常數。共模運動可具有大於運動之扭轉分量之運動之一彎曲分量,而差動運動可具有大於運動之彎曲分量之運動之一扭轉分量。由於回應於運動之此兩個分量之彈簧之可變勁度,差動運動可與系統之一較低能量、較低頻率回應相關聯,而共模運動可與系統之一較高能量、較高頻率回應相關聯。彈簧618a及618b與彈簧618c及618d之間的距離亦可增大對運動之彎曲分量之勁度回應,從而將共模、異相運動推動至較高自然頻率模式回應中。其他結構力亦可增大系統對共模運動之勁度回應,從而有效增大與共模運動相關聯之能量及頻率回應,同時降低與差動運動相關聯之頻率回應。 感測塊體610及612在圖6中展示為具有經移除內部之矩形。感測塊體610及612亦可呈容許按第一、較低自然頻率模式之對稱差動運動之任何拓撲。感測塊體610之質心可經定位在630及632。經移除塊體之位置(展示為感測塊體610及612之經移除內部)可經選擇使得感測塊體610及612之質心定位成遠離其等各自錨628及622。因此,使更多質量朝向感測塊體612之負y方向,而使更多質量朝向感測塊體610之正y方向。除從感測塊體610及612移除質量以放置質心632及630外,可調整在z維度上之感測塊體之厚度。位置632及630促進感測塊體610及612之差動運動,以及圖7中展示之平面外扭轉旋轉運動。 感測結構634及636經展示為具有在606及608分別耦合至感測塊體610及612之一第一組齒。一第二組齒602及604展示為與第一組齒606及608交錯,且經剛性耦合至多重自由度慣性感測器之底層624。此等感測結構之齒可經組態使得藉由一個組產生之類比電信號將與藉由另一組產生之類比電信號異相,因此差動地感測感測塊體610及612之振盪。此等感測結構可為如參考圖9至圖10及圖16進一步詳細描述之TDS結構。感測結構亦可為形成於沈積於感測塊體610及612之各者下方之底層624中之電極與感測塊體610及612其等自身之底部之間的平行板電容器,使得感測塊體610及612在z維度上之移動經轉譯為感測塊體610及612與底層624之間的電容之改變。此等結構亦可為用於回應於感測塊體610及612位移產生一電信號之任何電容式、光學或一般構件。 圖7描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之差模扭轉移動。圖7中展示之移動係雙自由度系統之第一、較低自然頻率模式之移動。在702處展示之一中心錨可將感測塊體704及706耦合至一錨定結構(未展示)。在702處展示之中心錨可包括如在圖6中展示之錨定彈簧618a、618b、618c及618d以及耦合彈簧614。兩個感測塊體704及706將以圍繞一中心錨702及軸720之垂直扭轉旋轉而振盪。 在700,感測塊體706之自由端714形成如在716處指示之一正高度角。感測塊體706之另一自由端712形成如在718處指示之一相等且相反之高度角。因此,感測塊體706在垂直或z方向上圍繞其中心x軸對稱地「扭轉」或旋轉。感測塊體704圍繞中心軸720對稱「扭轉」以對感測塊體706之運動鏡像。因此,對應於感測塊體706之自由端714之感測塊體704之自由端710形成如在722處指示之一相等且相反之高度角。此角度722與角度718相同。另一自由端708形成如在724處指示之一正高度角。此角度724與角度716相同。因此,在感測塊體704及706之整個垂直旋轉扭轉振盪中,自由端710可形成與自由端712相同之高度角,而自由端708將形成與自由端714相同之高度角。700表示自由端714及708之最大位移,及自由端710及712之最小位移。 在740,自由端710及712已在正z方向上移動,分別形成高度角746及744。自由端708及714已在負z方向上移動,分別形成高度角748及742。因此,角度742、744、746及748皆具有小於角度716、718、722及724之量值。感測塊體706及704圍繞中心軸720旋轉,從而與水平面形成此等經指示角度。 在760,自由端710、708、714及712皆與水平面及彼此齊平。感測塊體706及704之表面因此係平坦的且彼此齊平。760表示感測塊體706及704之振盪之中點。此亦可為感測塊體706及704之靜置位置,使得在無扭轉力或驅動力的情況下,感測塊體706及704將保持在此位置中。在760,感測塊體704及706之表面可平行於多重自由度慣性感測器(未展示)之一底層。 在780,感測塊體706及704已圍繞中心軸720旋轉。感測塊體704之自由端710已在正z方向上移動,而704之自由端708已在負z方向上移動。感測塊體706之自由端714已在負z方向上移動,而感測塊體706之自由端712已在正z方向上移動。因此,自由端712及710二者分別形成相對於水平面之正高度角784及788,而自由端708及714二者分別與水平面形成負高度角782及786。角度782、784、786及788之量值可皆相同。780表示自由端710及712之最大位移,及自由端708及714之一最小位移。 位置700、740、760及780之序列表示感測塊體704及706垂直扭轉旋轉振盪之半個循環。為完成全循環,感測塊體704及706將圍繞軸720旋轉,從位置780行進至760,至740,且返回至700。在圖7中展示之位置旨在作為代表性模型且可為清晰起見而放大。 圖8描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之共模扭轉旋轉移動。圖8中展示之運動係雙自由度系統之較高自然頻率模式之運動。此運動係在圖6中展示之感測塊體610及612之不利運動,且可含有藉由其之運動產生之類比電輸出信號中之共模誤差。感測塊體704及706在其等共模中圍繞旋轉中心軸720串列(in tandem)振盪。 在800,感測塊體704之自由端710及感測塊體706之自由端714與水平面形成分別在816及822處展示之正高度角。感測塊體704之自由端708及感測塊體706之自由端712與水平面形成在818及820處展示之負高度角。在圖8中展示之共模運動中圍繞中心軸720之感測塊體704及706振盪中之任何給定時間,自由端710可形成與自由端714相同之高度角,而自由端708可形成與自由端712相同之高度角。高度角822、816、818及820之量值可為相同的。 在840,自由端710及714已在負z方向上移動,而自由端708及712已在正z方向上移動。自由端710及714分別形成正高度角842及848。自由端708及712分別形成負高度角844及846。高度角842、844、846及848之量值可為相同的。 在860,自由端710及714已在負z方向上進一步移動,而自由端708及712已在正z方向上進一步移動。自由端708、710、712及714與水平面齊平,且因此並未與水平面形成任何高度角。860可為感測塊體704及706之靜置位置,意謂在無驅動力或外部擾動的情況下其等將返回至此位置。在860,感測塊體704及706可平行於多重自由度慣性感測器(未展示)之一底層。 在880,自由端708及712已在正z方向上移動,而自由端710及714已在負z方向上移動。因此,自由端708及712與水平面形成分別在888及884處展示之正高度角。高度角882、884、886及888之量值可為相同的。在880,自由端710及714可在其等最小位移,而自由端708可在其等最大位移。880可為感測塊體702及706之振盪週期中之中途點。為完成全循環,自由端可從位置880移動至860,至840且返回至800。 圖9描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動及振盪之具有凹入可移動樑之一慣性感測器之兩個視圖。系統9描繪一固定元件904及一可移動元件902。固定元件904包含樑906a、906b及906c (統稱為樑906)。可移動元件902包含樑908a、908b、908c及908d (統稱為樑908)。固定樑906具有與固定樑904相同之高度,且可移動樑908比固定樑906及可移動元件902短一距離920。在圖9中展示之樑形成能夠量測時間間隔之一TDS結構。 圖10描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動之具有凹入固定樑之一慣性感測器之兩個視圖。圖10描繪一可移動元件1002及一固定元件1004。可移動元件1002具有可移動樑1008a、1008b、1008c及1008d (統稱為樑1008)。固定元件1004包含固定樑1006a、1006b及1006c (統稱為樑1006)。固定樑1006凹入一距離1020,使得固定樑1006之頂部表面低於固定元件1004之頂部表面及可移動樑1008之頂部表面。在圖9及圖10中描繪之結構可用於實施在圖11中描繪之任何結構。在圖10中展示之樑形成能夠量測時間間隔之一TDS結構。 圖11描繪根據一闡釋性實施方案之可用於一多重自由度慣性感測器中以量測一垂直方向上之擾動之固定及可移動樑之八個組態。圖11包含視圖1100、1102、1104、1106、1108、1110、1112及1114。視圖1100包含一固定樑1116及短於固定樑1116之一可移動樑1118。在靜置時,可移動樑1118之下表面與固定樑1116之下表面對準。當可移動樑向上位移兩個樑之間的高度差之一半時,兩個樑之間的電容器處於最大值。當電容處於最大值時,電容電流為零且可使用如本文描述之一零點交叉偵測器進行偵測。 視圖1102包含一可移動樑1120及一固定樑1122。可移動樑1120比固定樑1122高,且可移動及固定樑之下表面在靜置位置中對準。當可移動樑向下位移等於兩個樑之高度上的一半距離之一距離時,兩個樑之間的電容處於最大值。 視圖1104包含一固定樑1124及短於固定樑1124之一可移動樑1126。可移動樑之中心與固定樑之中心對準,使得在靜置位置中,電容處於最大值。 視圖1106包含一固定樑1128及高於固定樑1128之一可移動樑1130。在靜置時,可移動樑1130之中心與固定樑1128之中心對準,且兩個樑之間的電容處於最大值。 視圖1108包含一固定樑1132及具有與固定樑1132相同之高度之一可移動樑1134。在靜置時,固定樑1132之下表面在可移動樑1134之下表面上方一偏移距離。當可移動樑1134向上移動等於偏移距離之一距離時,兩個樑之間的電容處於最大值,此係因為重疊面積處於最大值。 視圖1110包含一固定樑1138及具有與固定樑1138相同之高度之一可移動樑1136。在靜置位置中,可移動樑1136之下表面在固定樑1138之下表面上方一偏移距離。當可移動樑向下移動等於偏移距離之一距離時,兩個樑之間的重疊處於最大值,且因此兩個樑之間的電容處於最大值。 視圖1112包含一固定樑1140及短於固定樑1140之一可移動樑1142。在靜置位置中,兩個樑之下表面經對準。當可移動樑1142向上移動等於兩個樑之間的高度差之一半之一距離時,兩個樑之間的重疊處於最大值且因此電容處於最大值。 視圖1114包含一固定樑1144及低於固定樑1144之一可移動樑1146。在靜置位置中,可移動樑1146之下表面在固定樑之下表面下方一任意偏移距離。當可移動樑1146向下移動使得可移動樑1146之中心與固定樑1144之中心對準時,重疊面積達到最大值且因此兩個樑之間的電容達到最大值。針對在圖11中描繪之組態之各者,可移動樑之一單調運動產生電容之一非單調改變,從而導致電容之一極值。針對圖11中描繪之所有組態,當兩個樑之間的電容處於最大值時,電容電流為零。在圖11中展示之樑可用於量測零點交叉之間的時間間隔。此等零點交叉可用於判定慣性參數。 圖12描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動之一多重自由度慣性感測器之一個感測塊體之移動及電極之三個交叉視圖。圖12展示多重自由度慣性感測器之底層1202、包括經連接片段1208a、1208b及1208c (統稱為1208)之一感測塊體及感測電極1204a及1204b。感測塊體1208具有一樞轉點1206,感測塊體1208在一垂直方向上圍繞該樞轉點旋轉,如在1220及1240展示。在1200,感測塊體1208可處於平衡,意謂在無驅動力或外部擾動的情況下,其將保持在此位置。在1200,感測塊體可平行於底層1202。 在1206描繪之中心錨可包含耦合彈簧及驅動彈簧以將感測塊體1208機械連接至一多重自由度慣性感測器之一第二感測塊體(未展示)。在1206描繪之中心錨可經剛性耦合至底層1202。感測塊體可藉由定位在底層1202上之感測塊體1208下方,或呈能夠產生在1200、1220及1240展示之振盪之任何其他組態之驅動結構(未展示)驅動。電極1204a及1204b分別與驗證質量之一旋轉樞轉點1206相距半徑1212及1210。半徑1210小於半徑1212。另外,如展示,電極1204b具有小於電極1204a之一面積,且因此1204b具有小於1204a之一標稱電容。電極1204a及1204b可經剛性耦合至底層1202。其等展示為藉由感測塊體1208b之片段分離。 感測塊體之內壁(在1214展示)與感測電極1204a及1204b介接,且可含有電極或電容板,意謂感測電極及感測塊體可在彼此之間形成平行板電容器,從而產生作為其等相對移動之結果之電容電流及電容改變。另外,如展示,第一電極1204b具有小於第二電極1204a之一面積,且因此第一電極具有小於第二電極之一標稱電容。 在1220,由於如藉由箭頭1224指示之其自由端之移動,感測塊體1208已達到其最大垂直位移,從而形成正高度角1222。在1240,由於如藉由箭頭1244指示之其自由端之移動,感測塊體1208已達到其最小垂直位移,從而形成負高度角1242。角度1222可具有相同於角度1242之量值。 當驗證質量在1224及1244指示之方向上旋轉時,第一電極1204b及第二電極1204a之電容二者將從在位置1200展示之最大電容減小。由於第二電極1204a以一較大半徑1212定位,故該電極具有比第一電極1204b增大得更快之相對於傾斜驗證質量的偏移。此亦意謂第二電極1204a之電容比第一電極1204b之電容減小得更快。因而,在驗證質量1208之一旋轉期間,第二電極1204a之電容從大於第一電極1204b之電容之一量值減小至小於第一電極1204b之電容之一量值。因此,在某一特定高度角±ɸ,第一電極1204b及第二電極1204a之電容將係相等的,從而在角度±ɸ給定零之差動電容。參考圖35至圖43進一步詳細展示第一電極1204b與第二電極1204a之間的此電容關係。一演算法(諸如餘弦演算法或如參考圖24描述之任何演算法)能夠使用此等零差動電容點來判定加速度及其他慣性參數。 圖13描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動之在一第二組態中之一多重自由度慣性感測器之一個感測塊體之移動及電極之三個交叉視圖。圖13展示多重自由度慣性感測器之底層1302、包括經連接片段1312a、1312b及1312c (統稱為1312)之一感測塊體及感測電極1306a及1306b。如在圖13中展示,感測塊體1312可具有定位於感測塊體片段1312a之最左端之一樞轉點(未展示),該樞轉點容許其在如在1320及1340展示之垂直方向上振盪。在1300,感測塊體1312可處於平衡,意謂在無驅動力或外部擾動的情況下,其將保持在此位置。在1300、1320及1340,感測塊體可平行於底層1302。 樞轉點可包含耦合彈簧及驅動彈簧以將感測塊體1312機械連接至一多重自由度慣性感測器之一第二塊體(未展示)。樞轉點可經剛性耦合至底層1302。感測塊體1312可藉由定位在底層1302上之感測塊體1312下方,或呈能夠產生在1320及1340展示之振盪之任何其他組態之驅動結構(未展示)驅動。電極1306a具有與電極1306b相同之面積,且電極1306a及1306b可經剛性耦合至底層1302。 在平衡位置1300中,第一電極1306a相對於驗證質量片段1312a向上垂直偏移,且第二電極1306b相對於驗證質量片段1312c向下垂直偏移。片段1312b在左側向下朝向第一電極1306a偏移且在右側向上朝向第二電極1306b偏移。如在圖13中展示,此藉由以下各者來達成:對準驗證質量之底部及電極1306a及1306b之底部;及蝕刻在1304展示之具有距離1310之一間隙。此間隙可約為4 µm深。 在1320,驗證質量1312已在如藉由箭頭1322指示之垂直z方向上移動。在1320,驗證質量1312可已在z方向上達到其最大正位移。在1340,驗證質量1312已在如藉由箭頭1342指示之負z方向上移動。在1340,驗證質量1312可已達到其最小負z位移。當驗證質量1312在z方向上振盪時,其可從位置1320移動至位置1300,至位置1340,且接著返回至1300及1320以完成一全振盪循環。 當驗證質量在1322及1342指示之方向上移動時,一個電極之電容將增大且另一電極之電容將減小。例如,當驗證質量1312降低時,具有一向下偏移之第二電極1306b將在第二電極1306b及驗證質量1312對準時達到一最大電容。當具有一向上偏移之第一電極1306a與驗證質量1312的垂直間隔增大時,該電極將具有一減小電容。當驗證質量1312在正z方向上移動時,反之亦為真。作為一特定向上位置,第一電極1306a之電容將具有最大值,且在一特定向下垂直位置,第二電極1306b將具有最大值。在此等最大值之各者,當驗證質量在z方向上平移時,電容相對於時間之斜率將為零。因為此等零斜率點對應於固定驗證質量位置,故如參考圖12論述之一演算法(諸如餘弦演算法)能夠使用此等點來判定加速度。 圖14描繪根據一闡釋性實施方案之具有封裝變形之一多重自由度慣性感測器之差模垂直移動。圖14中展示之運動係雙自由度系統之第一、較低自然頻率模式之運動。圖14展示經剛性耦合至多重自由度慣性感測器1400之底層1408之一中心錨1406。一第一感測塊體1402及一第二感測塊體1404可使用彈簧(未展示)機械耦合至中心錨1406。封裝變形1420可引起多重自由度慣性感測器之底層1408之一傾斜,藉由角度1418展示。感測電極1410a及1410b可藉由偵測電極1410a及1410b與定位在感測塊體1402及1404之底側上之電極之間的電容之改變分別感測z方向上之感測塊體1402及1404之振盪及擾動。感測塊體1402及1404可用例如如參考圖1更詳細論述之驅動梳(未展示)機械驅動。當各感測塊體1402及1404振盪時,其如在1412展示般在z方向上上下移動,在半個循環中分別從距感測電極1410a及1410b之最小距離1414及1418變成距感測電極1410a及1410b之最大距離1416及1420。感測電極1410a及1410b可為任何TDS結構,且可為能夠感測垂直方向上之振盪及擾動之在圖1至圖13中描述之TDS結構之一者。如在圖14中展示,封裝變形可引起錨定結構1406之一傾斜1418,此可導致感測塊體1402及1404之不均勻振盪。如在圖14中展示,此可導致感測塊體1402具有大於感測塊體1404距感測電極1410b之最小距離1418之距感測電極1410a之一最小距離1414。傾斜角度1418亦可導致感測塊體1402具有大於感測塊體1404距感測電極1410b之最大距離1420之距感測電極1410a之一最大距離1416。感測塊體1402及1404之間的此等最小及最大距離之差可導致作為感測塊體1402及1404之振盪之結果之藉由感測電極1410a及1410b產生之電信號中之共模誤差。 由於感測塊體1402及1404之差動運動,可移除源自傾斜1418之共模誤差,如在圖14中展示。參考圖30及圖31更詳細論述從雙自由度慣性感測器1400之差動運動移除封裝變形或其他共模誤差之實例。 圖15描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測在一水平面中之擾動之一多重自由度慣性感測器之一俯視圖。多重自由度慣性感測器1500展示為具有兩個感測塊體1502及1504,其等之各者分別用耦合彈簧1516a、1516b、1512a及1512b機械耦合至一框架1506及1508。框架1506及1508用錨定彈簧1514a及1514b機械耦合至一中心錨1510。中心錨1510可經剛性耦合至多重自由度慣性感測器1500之一底層(未展示)。感測塊體1502及1504可以如藉由箭頭1520及1518指示之一差模振盪,其中(例如)感測塊體1502可在感測塊體1504在一正y方向上移動的同時在一負y方向上移動。藉由箭頭1518及1520展示之差動運動係雙自由度系統之第一、較低自然模式頻率回應之運動。共模運動(其中感測塊體1502及1504在相同方向上移動)將處在系統之第二、較高自然頻率模式。感測塊體1502及1504可用梳狀驅動器或能夠產生如藉由箭頭1520及1518指示之振盪運動之任何其他驅動結構驅動。參考圖9至圖13及圖16進一步詳細描述之TDS感測器可將感測塊體1502及1504之振盪轉換為能夠感測在水平面中之擾動(諸如多重自由度慣性感測器1500之加速度)之一電信號。 彈簧1516a、1516b、1512a及1512b將各具有一彈簧常數,其連同感測塊體1520及1504之質量及框架1506及1508之質量將定義感測塊體1502及1504之諧振頻率。彈簧1512a、1512b、1516a及1516b之彈簧常數可皆係相同的。彈簧1512a、1512b、1516a及1516b之彈簧常數可低於彈簧1514a及1514b之彈簧常數。可調整多重自由度慣性感測器1500之彈簧常數及質量以降低感測塊體1502及1504之差動頻率模式,以及支持藉由箭頭1520及1518指示之差動運動。彈簧1512a及1512b、1514a、1514b、1516a、1516b可具有低於回應於感測塊體1502及1504之共模、同相運動之有效彈簧常數之回應於感測塊體1502及1504之差動、異相運動之一有效彈簧常數。因此,在圖15中展示之系統之較低、自然頻率模式回應可與感測塊體之差動運動相關聯,而系統之第二、較高自然頻率模式回應可與感測塊體之共模運動相關聯。 框架之一個端部1522可相對於框架之另一端部1524差動地移動,使得當感測塊體1502及1504如藉由箭頭1520及1518指示般差動地振盪時,框架1506及1508將用相同差動運動振盪。因此,當感測塊體1504在正y方向上移動時,端部1522亦將在正y方向上移動。當感測塊體1502在負y方向上移動時,端部1524亦將在負y方向上移動。感測塊體1502及1504之差動運動可用如參考圖16進一步詳細描述之同相及異相TDS結構差動地感測。框架1506、1508及感測塊體1502及1504可用如參考圖1進一步詳細論述之一驅動結構(未展示)驅動。 多重自由度慣性感測器1500容許兩個感測塊體在水平面中之差動運動。如展示之框架1508容許產生具有多個諧振頻率之一系統所需之感測塊體之耦合,同時仍容許感測塊體在水平面中之差動運動。 圖16描繪三個視圖,各視圖展示根據一闡釋性實施方案之用於感測一多重自由度慣性感測器在一水平面中之擾動之複數個時域開關之可移動及固定元件之一示意性表示。一多重自由度慣性感測器之感測塊體可經耦合至可移動元件1602,而固定元件1604可經剛性耦合至多重自由度慣性感測器之底層。可移動元件1602及固定元件1604各包含複數個交錯、等距間隔之樑。在圖16中,固定元件1604包含樑1606a、1606b及1606c (統稱為樑1606)。可移動元件1602包含樑1608a及1608b,且在x方向上與固定元件1604分離一距離1622。距離1622將隨著可移動元件1602在x方向上相對於固定元件1604振盪而增大及減小。選擇距離1622以當可移動元件1602處於靜置位置中時最小化寄生電容,同時亦考量製造結構1600之易度。視圖1640描繪藉由視圖1620之矩形1624注解之一所關注區域。1620係在1600展示之透視圖之一俯視圖。 樑1606及1608之各者包含在垂直於樑之長軸之一軸(在圖16中分別展示為y及x軸)中突出之多個子結構或齒。樑1606b包含齒1648a、1648b及1648c (統稱為齒1648)。樑1608b包含齒1650a、1650b及1650c (統稱為齒1650)。一樑上之相鄰齒按一節距1642等距間隔。齒1648及1650之各者具有藉由線寬度1646定義之一寬度及藉由一波紋深度1652定義之一深度。相對齒藉由一齒間隙1644分離。當可移動樑1608b相對於固定樑1606b沿著軸1610振盪時,齒間隙1644保持不變。 固定樑1606b與經耦合至感測塊體之可移動樑1608b之間可存在一電容。當可移動樑1608b相對於固定樑1606b沿著軸1610振盪時,此電容將改變。當齒1650a、1650b及1650c分別與相對齒1648a、1648b及1648c對準時,電容將增大。接著,當此等相對齒組沿著x軸在任一方向上移動時,電容將隨著該等齒變得彼此較不對準而減小。在視圖1640中展示之位置,當齒1650與齒1648對準時,電容處於最大值。當可移動樑1602沿著軸1610單調移動時,隨著第N個移動齒變得與第N個固定齒較不對準且接著與第(N±i)個固定齒對準,電容將首先逐漸減小且接著逐漸增大,其中i = 1、2、3、4、...、imax
。針對第N個齒之全運動範圍重複此程序,其中感測塊體之位移之最小值發生在第(N – imax
)個固定齒,且感測塊體之位移之最大值發生在第(N + imax
)個固定齒。 電容可衰退,意謂相同值電容發生在可移動樑1608b之多個位移處。例如,當第N個移動齒與第(N+1)個固定齒對準時之電容值可與當第N個移動齒與第(N+2)個固定齒對準時之電容值相同。因此,當可移動樑1608b已從其靜置位置移動等於節距1642之一距離時,電容與可移動樑1608b處於靜置位置中時相同。 圖17描繪根據一闡釋性實施方案之用於從一慣性感測器提取慣性資訊之一程序。圖17包含經歷一外部擾動1701之一代表性慣性感測器1700。此慣性感測器可為一加速計、一迴轉儀、一多重自由度慣性感測器或能夠產生在圖17中展示之信號且能夠偵測一慣性參數之任何其他感測器。一驅動信號1710引起多重自由度慣性感測器1700之一可移動部分振盪。多重自由度慣性感測器1700之此可移動部分可為感測塊體。經電連接至慣性感測器之一TDS結構之一可移動元件及一固定元件之一類比前端(AFE)量測其等之間的電容且基於此電容輸出一信號。AFE可量測電容電流或一電荷。當AFE輸出信號瞬間具有零之一量值時發生AFE輸出信號之零點交叉。來自慣性感測器1700之一輸出信號之零點交叉在1702及1704產生且在1706組合成一組合信號。一信號處理模組1708處理經組合類比信號以判定慣性資訊。一或多個程序可將經組合類比信號轉換為一矩形波形1712。此可藉由將類比信號放大成軌形或藉由其他方法使用一比較器完成。 矩形波形1712具有高值及低值,在高值與低值之間轉變無需大量時間。高值與低值之間的轉變對應於經組合類比信號之零點交叉。當感測塊體之一位移1718與參考位準1714及1716交叉時發生高值與低值之間的轉變及零點交叉。參考位準1714及1716對應於沿著感測塊體之運動路徑之實體位置。因為零點交叉與特定實體位置相關聯,故可獨立於漂移、潛變及傾向於使慣性感測器之效能降級之其他因素可靠地判定位移資訊。 圖18描繪根據一闡釋性實施方案之一個自由度感測塊體的振盪之一概念示意圖。一感測塊體1818經附接至彈簧1820及1822,其等可經耦合至一驅動塊體,且其等各隨著感測塊體1818在位移1824之軸中振盪而壓縮或延伸。彈簧1820及1822之彈簧常數將判定驗證質量之力延伸關係。此可藉由胡克定律模型化,藉此施加至感測塊體之力F
根據以下關係導致位移Δx
:(4) 因此,當施加一慣性力至感測塊體時,感測塊體將以可藉由一電容改變或使實體位移與一可量測輸出相關之任何其他電信號量測之位移Δx
回應。藉由彈簧之幾何結構判定一多重自由度慣性感測器之k
值或彈簧常數。參考圖1至圖8更詳細論述用於判定此彈簧常數之幾何結構及製造考量。 圖19係展示根據一闡釋性實施方案之對藉由一多重自由度慣性感測器之TDS結構產生之一感測塊體振盪之同相及異相電容回應之一圖。圖19證實將一感測塊體之線性位移轉譯為一非線性電信號。可藉由最大化一感測塊體之靜置位置之電容之TDS幾何結構產生一同相信號1904。可藉由最小化一感測塊體之靜置位置之電容之TDS幾何結構產生一異相信號1902。一同相信號及一異相信號可分離開如在圖19中展示之90º之一相位差或任何其他所要相位差。同相信號1904及異相信號1902可源自相同感測塊體之位移,使得產生信號1904及1902之TDS結構之可移動組件二者耦合至相同感測塊體。同相信號1904及異相信號1902可相減、平均化或以其他方式經組合以產生反映一驗證質量位移之一單一量測。此量測可係基於藉由由所展示之TDS結構輸出之一類比電信號之零點交叉產生之時間間隔。可完全藉由TDS齒之幾何結構判定一同相信號1904之週期1906。同相信號1904及異相信號1902可具有如在1908、1912及1914展示之相同零點交叉。 圖20描繪根據一闡釋性實施方案之用於感測一水平面中之擾動之同相及異相TDS結構。在無慣性力或驅動力作用於可移動元件2026及2030之任一者上之情況下,可移動元件2026及2030二者展示為處在其等靜置平衡中。齒之間的節距或距離2032定義電容之峰值之間的距離,或所得非線性電容信號之相位。可在固定元件2024與可移動元件2026之間以及在固定元件2028與可移動元件2030之間施加一電壓。固定元件2024與可移動元件2026之間的距離2036定義對應於電容之最大值之齒之間的一最小距離。固定元件2028與可移動元件2030之間的距離2034定義對應於電容之最小值之齒之間的一最大距離。當可移動元件2026及2030在軸2038中線性振盪時,齒之間的電容將在最小「對準」狀態(其中齒之間的距離為2036)與未對準狀態(其中齒之間的距離為2034)之間振盪。此繼而將產生如參考圖19詳細論述之一電信號。可移動元件2026及2030可經耦合至相同感測塊體,使得在元件2024與2026及2028與2030之間產生之電信號將對應於相同實體位移。固定元件2028及2024可經剛性耦合至一支撐結構或複合質量慣性感測器之其他錨定架構。 從同相結構2024及2026及異相結構2028及2030產生之信號可經線性組合以產生差動信號。可藉由從由2028及2030產生之一信號減去由2024及2026產生之一信號而產生差動信號。此差動信號可消除由寄生電容、溫度變動、封裝變形、接地迴路、電壓偏壓之漂移或可影響兩個信號之任何其他電誤差源所產生之共模誤差。 圖21係表示根據一闡釋性實施方案之從一多重自由度慣性感測器導出之類比信號與一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之間的關係之一圖。圖2100表示從其中相對齒在靜置位置對準之一振盪器導出之信號,如參考圖20進一步詳細描述。此振盪器可為經耦合至一TDS結構之一多重自由度慣性感測器之感測塊體。圖2100包含曲線2102、2104及2106。曲線2102表示一AFE之一輸出(諸如一轉阻放大器(TIA))。由於TIA輸出與其輸入電流成比例之一信號,故曲線2102表示在一多重自由度慣性感測器之可移動元件與固定元件之間量測之一電容電流。曲線2106表示施加至加速計之一輸入加速度。藉由曲線1206表示之輸入加速度展示為在20 Hz之15 g加速度,但可為任何外部擾動、力或加速度。曲線2104表示一複合質量慣性感測器之感測塊體之位移。 圖21包含指示曲線2102與零交叉之點之方形符號。由於電容電流2102與電容之一階導數成比例,故電流中之此等零點交叉表示多重自由度慣性感測器之一可移動元件與一固定元件之間的電容之局部最大值或最小值(極值)。圖21包含指示對應於曲線2102與零交叉之時間之曲線2104上之點之圓形符號。圓形符號指示多重自由度慣性感測器之一可移動元件之實體位置與信號2102之輸出之零點交叉時間之間的關聯。 在時間2118,曲線2102與零交叉,此係因為感測塊體之可移動元件之位移2104處在最大值且振盪器瞬時靜置。此處,電容達到一局部極值,此係因為可移動元件具有零之一速率,而不必因為振盪器之齒或樑與相對齒或樑對準。在時間2120,TIA輸出曲線2102與零交叉,此係因為振盪器位移到達+d0
位置2108。+d0
位置2108對應於等於節距距離之在一正方向上之一位移,且係相對齒或樑經對準以產生最大電容之一點。 在時間2122,TIA輸出曲線2102與零交叉,此係因為振盪器之可移動元件處在齒反對準之一位置。此在可移動元件之齒處於與固定元件之齒之間的間隙之中心對準之一位置中時發生,從而導致電容最小值。此電容最小值在對應於正方向上之一半節距距離之一位移之+d0
/2 1210之一位置處發生。 在時間2124,TIA輸出曲線2102與零交叉,此係因為可移動元件之齒與固定元件之齒對準,從而產生電容最大值。時間2124對應於可移動元件處於靜置位置之一時間,藉由曲線2104上之零位移2112指示。在時間2126,TIA輸出曲線2102與零交叉,此係因為可移動元件之齒再次與固定元件之齒反對準,從而產生電容之局部最小值。此反對準在對應於負方向上之一半節距距離之一位移之–d0
/2 2114之一位移處發生。 在時間2128,TIA輸出曲線2102與零交叉,此係因為可移動元件之齒處於相對於固定元件之齒之一經對準位置中,從而產生電容之局部最大值。電容之此局部最大值在對應於負方向上之節距距離之一位移之–d0
2116之一位移處發生。在時間2130,TIA輸出曲線2102與零交叉,此係因為可移動元件在其反轉方向時具有零之一瞬時速度。此方向反轉藉由位移曲線2104繪示。如在時間2118,當可移動元件具有零之一速度時,電容並不隨時間改變且因此電流及TIA輸出(其等與電容之一階導數成比例)為零。 圖22係繪示根據一闡釋性實施方案之對一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之一電流回應之一圖。圖2200包含一電流曲線2202及一位移曲線2204。電流曲線2202表示一TIA之一輸入信號且可藉由經耦合至一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之TDS結構產生。TIA可回應於一多重自由度慣性感測器之感測塊體之位移產生一輸出信號(諸如如在圖21中展示之TIA輸出曲線2102)。電流曲線2202係回應於位移2204在多重自由度慣性感測器之固定元件與可移動元件之間產生之一電容電流。電流曲線2202在數個時間(包含時間2224、2226、2228及2230)與零交叉。在時間2224及2230,可移動元件具有–d0
之一位移,其中d0
可對應於一TDS結構之齒之間的節距距離。在時間2226及2228,可移動元件具有+d0
之一位移。 圖2200包含兩個時間間隔T43
2232及T61
2234。時間間隔T43
2232對應於時間2226與時間2228之間的時間差。時間間隔T61
2234對應於時間2224與2230之間的時間差。因此,時間間隔T61
2234對應於–d0
2216位置之後續交叉之間的時間,且時間間隔T43
2232對應於+d0
2208位置之後續交叉之間的時間間隔。用於判定時間間隔T43
2232及T61
2234之方法可用於判定其他時間間隔,諸如+d0
2208之一交叉與–d0
2216位準之下一後續交叉之間、–d0
2416位準之一交叉與+d0
2208位準之下一交叉之間的一時間間隔之間、時間2230與+d0
2208位準之下一交叉之間、零2212位準之交叉之間、歸因於位移之最大值或最小值之零點交叉之間或電流曲線2202之零點交叉之任何其他組合之間的時間間隔,或對應於2212之一TIA輸出信號。 圖23係展示根據一闡釋性實施方案之從在圖22中描繪之電流信號之零點交叉時間產生之一矩形波信號之一圖。圖2300包含一矩形波形曲線2336。矩形波形曲線2336具有實質上兩個值:一高值及一低值。雖然矩形波形曲線2336在其在高值與低值之間轉變時可具有中間值,但在中間值所花費的時間遠少於在高值與低值花費之組合時間。 矩形波形曲線2336可藉由各種方法(包含使用一比較器來偵測一輸入信號之改變,藉由將一輸入信號放大至一放大器之極限以便使放大器飽和(放大至軌形),藉由使用一類比轉數位轉換器等)產生。從在圖22中展示之電流曲線2202產生此矩形波形曲線2336之一個方式係使用一比較器來偵測器電流曲線2202之零點交叉。當電流曲線2202具有大於一參考位準(諸如零)之一值時,比較器輸出一高值,且當電流曲線2202具有小於參考位準(諸如零)之一值時,比較器具有一低值。當電流曲線2202從一負值轉變至一正值時,比較器之輸出從低轉變至高,且當電流曲線2202從一正值轉變至一負值時,比較器之輸出從高轉變至低。因此,矩形波形曲線2336之上升邊緣之時間對應於電流曲線2202之負至正零點交叉之時間,且矩形波形曲線2336之下降邊緣對應於電流曲線2202之正至負零點交叉。此在時間2324可見,其中矩形波形曲線2336從一負值轉變至正值,對應於在圖22中之2224之一零點交叉。此在對應於零點交叉2228之時間2328可見。矩形波形曲線2336在時間2326及2330 (分別對應於在圖22之2226及2230之一零點交叉)從一正值轉變至一負值。 矩形波形曲線2336包含與電流曲線2202相同之時間間隔2232及2234。將電流曲線2202轉換為一矩形波形信號(諸如矩形波形曲線2336)之一個益處在於在一矩形波形信號中,上升邊緣及下降邊緣更陡。陡峭上升緣及下降緣提供邊緣之時序之更精確解析度及更低之時序不確定性。另一益處在於矩形波形信號更易於數位處理。 圖24係展示根據一闡釋性實施方案之從非零點交叉參考位準產生之時間間隔之一圖。圖2400包含時間2436及2438。圖2400包含時間間隔T94
2440及時間間隔T76
2442,其等分別表示參考位準2408及2416之位移曲線2404之交叉時間。時間間隔T94
2440對應於時間2428與2438之間的時間間隔。時間間隔T76
2442對應於時間2430與2436之間的時間間隔。圖2400亦包含分別對應於時間2426與2428及2424與2430之間的一時間間隔之時間間隔T43
2432及T61
2434。在2408、2412及2416展示之參考位準可為感測塊體之位移範圍內之任何值。參考位準2408、2412及2416可經預定,且可對應於一TDS結構之實體幾何結構,諸如齒之間的節距距離。 如參考圖25可見,藉由位移曲線2504展示之感測塊體位移經歷與如藉由加速度曲線2506指示之輸入加速度相互關聯之一偏移。因此,偵測一感測塊體之位移之移位及因此輸入加速度之一個方式係比較藉由感測塊體產生之一位移曲線之零點交叉時間之相對位置。如在圖24中展示,時間間隔T43
2432及T94
2440之和表示一振盪週期,且週期T43
2432及T94
2440之和亦表示一振盪週期。在比較週期之一子集中(諸如比較時間間隔T43
2432與T43
2432及T94
2440之和)表示感測塊體在大於+d0
2408之一位移所花費之時間之比例。從一參考比例之此比例增大指示大於參考之一正方向上之一加速度。類似地,從參考之此比例減小指示負方向上之一更大加速度。其他時間間隔可用於計算其他比例及加速度改變。 在一些實例中,可執行使用本文描述之系統及方法對矩形波形之部分求積分以判定零點交叉時間之相對位置及因此加速度、旋轉及/或速度。在其他實例中,可使用方程式(5)、(6)及(7)從圖24中描繪之時間間隔判定一感測塊體之位移。(5)(6)(7) 可使用胡克定律(在方程式(4)中展示)將感測塊體之位移轉換為一加速度。可針對感測塊體之各一半循環遞迴計算感測塊體之位移。使用此資訊,感測塊體之位移可經記錄為時間之一函數。此容許以零漂移及更低寬頻誤差計算外部擾動。 在一些實例中,平面外感測器包含週期電容式感測器,其中感測塊體與感測器之一固定部分之間的電容根據z(t)非單調變化,其表示感測塊體之平面外位移。此非線性電容變化可係已知、可重複且週期性的。可藉由三角或其他週期函數模型化由一單一電極產生之非線性電容。非線性電容可展示為:(8) 其中C 0
及C 1
係可藉由感測電極之幾何結構定義之常數,P
係一週期(諸如藉由方程式(6)及(7)給定之週期),且ωd
係平面外方向上之一振盪頻率。使用方程式(5),吾人可利用電容與位移之間的關係來藉由一週期函數模型化位移,諸如下文:(9) 在方程式(5)中給定之電容之量測因此可容許吾人求解方程式(6)中之變量,諸如頻率ωd
、偏移Δ、振幅A及位移z
(t
)。藉由反復求解此等變量,可相對於時間判定感測塊體之運動之振幅、頻率及偏移。偏移可與所關注量測之外部加速度或其他擾動力成比例。 為獲得此等參數,量測平面外感測器具有電容之預定值之時間。在此等時間,已知感測塊體處於藉由方程式(10)給定之一位置,其中n為一正整數。(10) 已知振盪器處在係P/2之一倍數之一位移,其中P為可藉由追蹤電容等於預定電容之時間之數目例如藉由方程式(6)或(7)而給定之一週期。可追蹤振盪器與P/2之位移交叉之時間之數目以克服電容衰退之問題。特定言之,振盪器位移等於+P/2及–P/2之連續時間(分別為δt及δt-)經量測且用於求解A、ωd
及Δ。方程式(11)展示作為時間間隔之一函數之ωd
之計算。(11) 利用經量測時間間隔之類似性結合所有時間量測均在電容等於已知電容值且振盪器位移等於P/2之整數倍之點取得之事實,可獲得方程式(12)及(13)之系統。(12)(13) 方程式(6)及(7)之差容許如在方程式(14)中判定振幅A。(14) 方程式(6)及(7)之和容許如在方程式(15)中判定偏移Δ。(15) 在一些實例中,激發場自身隨時間變化。例如,一或多個組件經附接至一順應結構,但不主動驅動至振盪。代替地,藉由變化(例如)組件之間的電壓而產生時變信號。外部擾動將作用於順應組件上,從而引起藉由組件產生之時變非線性信號之調變。 可用一組固定的電解耦合結構產生非線性、非單調、時變信號,用該等結構產生具有可變相位之一非線性時變力。可藉由施加具有相等量值及不同相位之電壓至該組結構之各者引起時變力。此在藉由經施加電壓之相位差判定之相位產生信號。 可組合具有相同或不同相位之非線性信號組以形成經量測輸出信號與系統變量(諸如振幅、偏移、溫度及頻率)之間的數學變換。可包含具有相同或不同相位之非線性信號之組合以最小化或消除源自非線性信號之量測之施加於一實體系統上之一時變力。例如,兩個分離信號可以0º及180º相位包含在系統內,使得各信號係彼此之反相。此性質之一例示性信號組為分別針對0º及180º之相位之信號+A*sin(ωt)及–A*sin(ωt)。 可應用週期非線性信號與外部擾動之間的數學關係以提取慣性資訊。例如,可基於系統之頻寬及資料速率以一連續方式應用數學關係。在一些實例中,可以一週期取樣方式應用數學關係。可在時域或頻域中應用數學關係。可在數學上利用藉由感測器產生之諧波來使頻率內容移位以實現較低頻率、漂移引發之雜訊之過濾及移除。諧波亦可用於藉由應用一或多個數學關係以將慣性信號與其他系統變量解耦合而使感測器對此等漂移引發之雜訊源不敏感或免疫。 在一些實施方案中,輔助結構唯一識別外部擾動何時在裝置之實體結構中引起一偏移。偏移可為齒間距之一節距之整數倍或非整數倍。此等輔助結構彼此電隔離且與主非線性週期信號電隔離。 為感測z軸(法向於晶圓之平面)中之外部擾動,可在感測器之一或多個表面上形成波紋。在一些實例中,形成具有高度差之波紋梳指。在一些實例中,在用於x或y軸感測之一自對準平面內結構中形成垂直波紋齒。在一些實例中,添加垂直波紋至一電容器之一或多個板。 在一些實例中,用於形成裝置之材料可在空間上變化以導致源自裝置運動之電容之一時變分量。例如,氧化物、其他介電質、金屬及其他半導體可使用空間變動沈積或圖案化。當感測器之組件相對於彼此移動時,介電常數中之此等空間變動將導致電容之時間變動。在一些實例中,用於形成一驗證質量之矽之頂部及底部表面二者包含垂直波紋。在一些實例中,圍繞矽之裝置層之頂部及底部罩蓋晶圓二者包含垂直波紋。在一些實例中,使用材料中之一或多個空間變動、矽裝置層之頂部之波紋、矽裝置層之底部之波紋、頂部罩蓋晶圓之波紋及底部罩蓋晶圓之波紋形成感測器。在一些實例中,使用一微變電容器結構來形成感測器。 藉由本文描述之系統及方法輸出之信號可包含加速度力、旋轉力、旋轉加速度、壓力改變、系統溫度改變及磁力。在一些實例中,輸出信號係一週期信號之振幅之變動或穩定性之一量測,諸如振盪器位移。在一些實例中,輸出信號係週期信號之頻率之變動或穩定性之一量測。在一些實例中,輸出係週期信號之相位之變動或穩定性之一量測。在一些實例中,輸出信號包含加速度之時間導數之一量測(諸如加加速度(jerk)、加加加速度(snap)、加加加加速度(crackle)、及加加加加加速度(pop)),其等分別為加速度之一階、二階、三階及四階時間導數。 除從時間間隔量測慣性參數外,在一些實例中,利用實體結構中之週期性來藉由追蹤由電容之局部極值所引起之上升邊緣及下降邊緣而偵測結構之一者之相對平移,電容之此等局部極值對應於結構週期性之一半節距之倍數之平移。所計數之邊緣之數目可經轉譯為一外部加速度。在一些實例中,施加一振盪至實體結構,且在其他實例中,不施加振盪力至實體結構。 可使用一非線性最小平方曲線擬合(諸如Levenburg Marquardt曲線擬合)以使週期信號與一週期方程式(諸如方程式(16))擬合。(16) 在方程式(10)中,A表示振幅,B表示頻率,C表示相位,E表示一外部加速度力之偏移且D表示外部加速度力之一階導數或量測之加速度之時變分量。量測週期係振盪循環之一半。另外,可包含針對如在方程式(17)中展示之加速度之高階多項式。(17) 在一些實例中,輸入擾動加速度力可經模型化為如在方程式(18)中展示之餘弦函數,其中D及E分別表示擾動加速度力之振幅及頻率。(18) 若外部擾動加速度相較於振盪器自身之內部加速度係小的,則可使用一線性近似以模型化擾動加速度。在此情況中,相較於所產生之週期信號之總體振幅,偏移調變被視為小的。藉由如此,一單一時間週期之一量測可視為與外部擾動力線性成比例。在一些實例中,多個時間週期可經線性轉換為加速度且接著一起經平均化以獲得較低雜訊底限及較高解析度。 在一些實例中,可基於所產生之非線性信號之週期性質以及其等各自相位執行頻域中之分析。頻域分析可用於剔除共模雜訊。另外,信號之非零週期率可用於濾除低頻雜訊或高通或帶通信號自身以減輕低頻漂移。 圖25係展示根據一闡釋性實施方案之一外部擾動對多重自由度慣性感測器之輸出信號之效應之一圖。圖2500包含TIA輸出曲線2502、一位移曲線2504及一輸入加速度曲線2506。圖25亦描繪參考節距位置+d0
2508、+d0
/2 2510、0 2512、-d0
/2 2514及-d0
2516,其中d0
係一TDS結構之齒之間的節距,如參考圖16進一步詳細描述。圖2500描繪圖24之圖2400中描繪之相同信號,其中2500之x軸表示比在圖2400中展示之持續時間更長之一持續時間。輸入加速度曲線2506之週期性更易在此時間尺度上辨別。另外,可在圖2500中辨別最大位移交叉2520及最小位移交叉2522以經歷一類似週期性。與最大位移交叉2520及最小位移交叉2522 (其等之振幅隨時間變化)相反,藉由固定及可移動元件之齒在位置+d0
2508、+d0
/2 2510、0 2512、-d0
/2 2514及-d0
2516之對準或反對準觸發之TIA輸出信號2502之零點交叉係時間不變的。此等參考交叉(其等之振幅隨時間穩定)提供感測塊體位移之穩定、獨立於漂移之指示且可用於提取慣性參數。 圖26係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之一函數之電容之一圖。圖26包含一電容曲線2602,其係週期性的且實質上正弦。因此,諸如參考圖16描述之可移動元件之單調運動產生隨位移非單調改變之一電容。此非單調改變依據參考圖16展示之TDS結構之幾何結構及激發多重自由度慣性感測器之方式而變化。 圖27係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之一函數之電容之一階空間導數之一圖。圖27包含dC/dx曲線2702,其係週期性的且實質上正弦。dC/dx曲線2702係電容曲線2602之一階導數。因而,當電容曲線2602經歷一局部極值時,dC/dx曲線2702與零交叉。電容電流與電容之一階導數成比例且因此與dC/dx曲線2702成比例且與其共用零點交叉。 圖28係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之一函數之電容之二階空間導數之一圖。圖28包含一d2
C/dx2
曲線2802。d2
C/dx2
曲線2802係dC/dx曲線2702之一階導數且因而在dC/dx曲線2702之局部極值處具有零之值。d2
C/dx2
曲線2802指示dC/dx曲線2702之斜率且因此指示電流最快改變之位置。在一些實施方案中,可期望最大化d2
C/dx2
曲線2802之振幅以最大化電流曲線之陡度。此降低解析電流之零點交叉之時序中之不確定性。降低零點交叉時間之不確定性導致系統誤差減少及抖動減少以及降低系統所需之增益。抖動減少導致外部擾動之改良解析度。在一些實施方案中,可期望最小化可變寄生電容之影響,其為隨感測塊體運動而變化之寄生電容。 圖29係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之一函數之電容電流之時間導數之一圖。圖29包含一dI/dt曲線2902。藉由跨用於產生電容曲線2602之電容器施加一固定電壓而獲得用於判定dI/dt曲線2902之電容電流。dI/dt曲線2902表示電容電流隨時間改變之速率且因此提供電流斜率之陡度之一指示符。dI/dt信號之高量值指示快速改變之電流及高電流斜率。由於用於產生在圖26至圖29中展示之曲線之感測塊體圍繞零位移振盪且在最小及最大位移反轉方向,故感測塊體之速度在其位移之極值處最低。在此等位移極值,電流亦較不快速地改變且因此,dI/dt曲線2902具有一較低量值。使用dI/dt曲線2902具有大值之零點交叉導致時序解析度改良及抖動減少。此等零點交叉發生在感測塊體之範圍之中心附近。 圖30係描繪根據一闡釋性實施方案之作為共模誤差之結果之兩個感測塊體之位移偏移之一圖。如在圖3000中展示,作為兩個感測塊體之振盪之結果,可產生兩個信號3002及3004。信號3002可藉由耦合至一個感測塊體之一TDS結構產生,而信號3004可藉由耦合至一第二感測塊體之一單獨TDS結構產生。圖30描繪共模誤差對從感測塊體振盪而產生之信號3002及3004之影響。如在圖30中展示,共模誤差可導致兩個感測塊體在無慣性或外部力之情況下偏移。此等偏移在圖30中在3006及3008展示,且可對應於感測塊體振盪之實體偏移,如參考圖14展示。源自共模誤差之此等偏移3006及3008亦引起各信號3002及3004之零點交叉點移位,其中零點交叉3010、3012、3014、3016、3018及3020之間的時間間隔變得更短(如在3024展示)或更長(如在3022展示)。若僅使用一單一信號3002或3004來判定一非零慣性參數,則源自偏移3006及3008之經移位時間間隔可引起多重自由度慣性感測器甚至在無任何慣性力或擾動的情況下偵測該慣性參數。針對任何N自由度感測器,可存在從N個振盪感測塊體之各者產生之N個對應信號。信號3002及3004可分別從參考圖14之感測塊體1402及1404產生。因此,偏移可為多重自由度慣性感測器之封裝變形之結果。 圖31係描繪根據一闡釋性實施方案之對一多重自由度慣性感測器之經感測位移之差動感測之結果之一圖。如在圖3100中展示,單一信號3102可源自如參考圖30展示之信號3002及3004之線性組合。信號3102可為從3004減去信號3002之結果。如在圖31中展示,偏移3006及3008 (其等同等地影響各信號路徑)可從所得差動信號3102移除,使得差動信號3102圍繞對應於零慣性力或外部擾動之x軸3112振盪。在圖31中可見,如在3110展示之零點交叉3108、3106、3104之間的時間間隔可為規則間隔。作為任何N個振盪感測塊體之線性組合之結果,可從任何N自由度感測器之差動感測產生信號3102。由於此差動感測,多重自由度慣性感測器可正確地偵測到不存在外部力,儘管作為封裝變形或共模誤差之結果之偏移導致藉由各感測塊體產生之各個別信號。 圖32係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間之一感測塊體之位置之一圖。曲線3202表示一感測塊體圍繞一中心錨之正弦振盪。在圖32中展示之振盪可為本文描述之感測塊體之任一者之振盪。圖32之水平軸表示藉由感測塊體之週期正規化之時間,意謂圖32表示感測塊體之振盪之全週期。圖32中展示之感測塊體具有2 kHz之一諧振頻率及因此500 µs之一週期。 圖33係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間之一感測塊體之速度之一圖。在圖33中描繪之曲線3302表示一感測塊體圍繞一中心錨正弦振盪之速度。在圖33中展示之振盪可為本文描述之感測塊體之任一者之振盪。曲線3302為如在圖32中展示之曲線3202之一階時間導數。 圖34係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間之一感測塊體之加速度之一圖。曲線3402表示一感測塊體圍繞一中心錨正弦振盪之加速度。在圖34中展示之振盪可為本文描述之感測塊體之任一者之振盪。曲線3402係如在圖33中展示之曲線3302之一階時間導數,及如在圖32中展示之曲線3202之二階時間導數。 圖32至圖34展示如在圖32中展示之一感測塊體之位移與分別在圖33及圖34中展示之慣性參數速度及加速度之間的關係。曲線3202、3302及3402可表示除由驅動結構所產生以致動感測塊體之驅動力外無外部擾動的情況下之一感測塊體之振盪。如可見,一個信號之局部極值可轉譯為另一信號中之一零點交叉。 圖35係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之角位置之電容之一圖。圖35表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時一第一電極及第二電極之電容改變。圖35可表示藉由如在圖12中描繪之電極1204a及1204b產生之一輸出信號。可回應於在圖4、圖5、圖7或圖8之任一者中描繪之運動產生信號3502及3504。如在圖12中展示,因為對於相同角位移,定位在較大半徑1212之電極1204a比定位在較小半徑1210之電極1204b在位置上經歷較大改變,故電極1204a亦在電容上經歷較大改變。因此,曲線3502展示電極1204a之電容改變,而曲線3504展示電極1204b之電容改變。在角位置3508及3506,兩個電極之電容相等。如在圖35中描繪,此等角位置為約+/- 0.124°。電容曲線3502及3506之量值可歸因於所施加之偏壓、旋轉質量速度、溫度、電子漂移及其他此等因素而變化,但電容彼此相等之實體、角位置藉由感測塊體1208之幾何結構及電極1204a及1204b之位置界定,且因此在此等外部因素之任何改變下將係不變的。因此,使用差動信號處理(其中曲線3502及3504)可彼此線性組合且相減,位置3508及3506將對應於電容差動等於零之位置。在感測塊體振盪時,可量測差動電容且因此可判定感測塊體通過此等預定角位置之時間。 圖36係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之角位置之電容斜率之一圖。曲線3602及3604表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時藉由第一電極及第二電極產生之電容之電容斜率之改變。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。曲線3602可對應於電極1204a之電容斜率,而曲線3604可對應於電極1204b之電容斜率。如參考圖35描繪,曲線3602係曲線3502之一階空間導數,且曲線3604係曲線3504之一階空間導數。 圖37係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之角位置之電容曲率之一圖。曲線3702及3704表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時藉由第一電極及第二電極產生之電容曲率之改變。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。曲線3702可對應於電極1204a,而曲線3704可對應於電極1204b。如參考圖36描繪,曲線3704係曲線3604之一階空間導數,而曲線3702係曲線3602之一階空間導數。如參考圖35描繪,曲線3702係曲線3502之二階空間導數,而曲線3704係曲線3504之二階空間導數。 圖38係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容之一圖。曲線3802及3804表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時藉由第一電極及第二電極產生之電容曲率之改變。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。曲線3802可藉由電極1204a產生,而曲線3804可藉由電極1204b產生。可藉由一或多個電容轉電壓(C轉V)轉換器量測電容。C轉V轉換器可為一電荷放大器、一開關電容器、具有一般阻抗轉換器(GIC)之一橋接器或產生對應於一經量測電荷或電容之一電壓之另一類比前端。 圖39係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容斜率之一圖。曲線3902及3904表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時藉由第一電極及第二電極產生之電容斜率之改變。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。曲線3902可藉由電極1204a產生,而曲線3904可藉由電極1204b產生。如在圖38中展示,曲線3902係曲線3802之一階時間導數,而曲線3904係曲線3804之一階時間導數。曲線3902及3904可藉由量測電流之一類比前端(諸如一轉阻放大器(TIA))量測。 圖40係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容曲率之一圖。曲線4002及4004表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時藉由第一電極及第二電極產生之電容曲率之改變。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。曲線4002可藉由電極1204a產生,而曲線4004可藉由電極1204b產生。如在圖39中展示,曲線4002係曲線3902之一階時間導數,而曲線4004係曲線3904之一階時間導數。曲線4002係曲線3802之二階時間導數,而曲線4002係曲線3802之二階時間導數。作為二階時間導數,曲線4002及4004表示電容斜率改變之速率。 圖41係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之差動電容之一圖。曲線4102係如參考圖38展示之曲線3802及3804之差。藉由量測第一電極與第二電極之間的電容差而獲得曲線4102。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。此可藉由一差動放大器量測,或電容曲線3802及3804可單獨量測且經由類比或數位信號處理獲得差。曲線4102等於零之時間係在4104展示之零點交叉時間。此等零點交叉時間係第一電極及第二電極之電容相等之時間。此等零點交叉時間對應於兩個電極具有相同電容之預定角位置。在4104展示之時間可經由類比構件偵測且可藉由一時間轉數位轉換器(TDC)轉換為一數位信號。藉由TDC產生之數位信號可為當偵測到零點交叉4104時在高信號與低信號之間轉變之一二進位信號。藉由量測發生零點交叉4104之時間,亦可判定感測塊體處於一預定角位置之時間。 圖42係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之差動電容斜率之一圖。曲線4202表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時一第一電極及第二電極之間的差動電容之斜率之改變。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。曲線4202可藉由來自第一電極及第二電極之電流之一差動量測而獲得。或者,曲線4202可藉由使用數位信號處理微分如在圖41中展示之曲線4102而獲得。曲線4202之極值4204對應於如在圖41中展示之曲線4102之零點交叉。因此,可藉由曲線4202之峰值偵測量測零點交叉4104。可經由類比或數位構件執行此峰值偵測。此外,在圖4202中描繪之電容斜率曲線之量值對應於曲線4102之陡度。在零點交叉時間之一較陡斜率導致零點交叉時間量測之較低時序不確定性。 圖43係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之差動電容曲率之一圖。曲線4302表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時兩個電極之間的差動電容之曲率之改變。電極可為如參考圖12描繪之電極1204a及1204b。曲線4302可藉由使用類比或數位信號處理微分如在圖42中展示之曲線4202而獲得。曲率曲線4302之量值表示曲線4202之斜率之陡度。一較高曲率量值將導致曲線4302之峰值偵測量測之較低時序不確定性。 如關於圖35至圖43描述般判定之零點交叉時間可用於判定在關於圖12描述之一餘弦方法中所使用之時間週期。因此,藉由使用餘弦方法及對應於一感測塊體之預定實體位置之零點交叉時間,可判定感測塊體之振幅、頻率及偏移。多重自由度慣性感測器之慣性參數可從其感測塊體之振幅、頻率及偏移判定。 圖44係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之垂直位置之電容之一圖。圖44表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時一第一電極及第二電極之電容改變。圖44可表示藉由如在圖13中描繪之電極1306a及1306b產生之一輸出信號。感測塊體之振盪可僅需要在垂直方向上之升高及降低,如在圖13中展示。可回應於如在圖13中展示之一感測塊體之運動產生信號4402及4404。因為電極1306a及1306b具有八個高度(如在圖13中之間隙1310展示)且因此在不同垂直位置與包括感測塊體1312之固定電極對準,故電容曲線4402及4404具有在不同垂直位置的局部極值4406及4408。各曲線之局部極值對應於定位在振盪之感測塊體上之移動電極與固定電極對準之垂直位置。對應於局部最大值之垂直位置僅取決於固定電極及移動感測塊體之幾何結構。因此,儘管電容之量值可歸因於偏壓、感測塊體速度、溫度、電子漂移或其他因素而變化,但電容之最大值發生之垂直位置對於各電極保持恆定。藉由判定此等最大值4406及4408發生之時間,可判定感測塊體處於對應垂直位置中之時間。 圖45係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之垂直位置之電容斜率之一圖。曲線4504及4502表示當感測塊體圍繞一中心錨振盪時第一電極及第二電極之電容斜率之改變。電極可為如在圖13中展示之1306a及1306b。如在圖44中展示,曲線4504可為曲線4404之一階空間導數,而曲線4502可為曲線4402之一階空間導數。 圖46係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之垂直位置之電容曲率之一圖。曲線4602及4604表示當感測塊體圍繞一中心錨振盪時第一電極及第二電極之電容曲率之改變。電極可為如在圖13中展示之1306a及1306b。如在圖45中展示,曲線4602可為曲線4502之一階空間導數,而曲線4604可為曲線4504之一階空間導數。 圖47係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容之一圖。曲線4702及4704表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時第一電極及第二電極之電容之改變。電極可為如在圖13中展示之1306a及1306b。電容經歷一局部極值之時間對應於引起電容之一局部最大值之零速度之時間或移動感測塊體與固定電極對準之時間。 圖48係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容斜率之一圖。曲線4802及4804表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時第一電極及第二電極之電容之改變。電極可為如在圖13中展示之1306a及1306b。如在圖47中展示,曲線4802係曲線4702之一階時間導數,而曲線4804係曲線4704之一階時間導數。因此,曲線4802及4804表示電容改變之速率。電容斜率4802及4804可藉由量測電流之一類比前端(諸如一TIA)量測。電容斜率等於零之時間對應於電容處在一局部極值或反曲點之時間。此等時間可對應於引起電容之一局部最大值之一感測塊體處於零速度之時間或感測塊體與固定電極對準之時間。藉由判定電容斜率與零交叉之時間(或零點交叉時間),可判定感測塊體相對於固定電極處於一預定位置之對應時間。 圖49係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容曲率之一圖。曲線4902及4904表示當一感測塊體圍繞一中心錨振盪時第一電極及第二電極之電容曲率之改變。如在圖48中展示,曲線4902係曲線4802之一階時間導數,而曲線4904係曲線4804之一階時間導數。 圖50描繪根據一闡釋性實施方案之用於從一非線性週期信號提取慣性參數之一方法之一流程圖。在5002,接收一第一非線性週期信號。在5004,視情況接收一第二非線性週期信號。第一非線性週期信號及選用第二非線性週期信號可藉由本文描述之任一感測結構(諸如在圖1至圖16、圖18及圖20中描繪之結構)產生。 在5006,視情況將第一非線性週期信號及第二非線性週期信號組合成一組合信號。此可藉由元件1706完成。若省略步驟5004及5006,則方法5000從5002直接進行至5008。 在5008,將信號轉換為一雙值信號。雙值信號可為具有實質上僅兩個值但可在兩個值之間快速轉變之一信號。此雙值信號可為一數位信號,諸如從一數位電路元件輸出之信號。在一些實例中,藉由使用一高增益放大器來放大第一非線性信號及第二非線性信號之組合信號或一者產生雙值信號。此技術可稱為「放大至軌形」。雙值信號可藉由一元件(諸如元件1706)轉換,且可為信號1712或2336之一或多者。可基於一臨限值判定雙值信號,使得若經組合第一或第二信號高於臨限值,則雙值信號採取一第一值且若低於臨限值,則雙值信號採取一第二值。 在5010,判定雙值信號之兩個值之間的轉變之時間。在一些實例中,此等時間可使用一時間轉數位轉換器(TDC) (諸如元件2514及3616之一者或兩者)判定。以此方式判定之時間間隔可為間隔2516、2832、2834、3040及3042之一或多者。 在5014,將一三角函數應用至經判定之時間間隔。三角函數可為正弦函數、餘弦函數、正切函數、餘切函數、正割函數及餘割函數。三角函數亦可為反三角函數之一或多者,諸如反正弦、反餘弦、反正切、反餘切、反正割及反餘割函數。應用三角函數可包含將一三角函數應用至基於經判定之時間間隔之一自變量。 在5016,從應用三角函數之結果提取慣性參數。提取慣性參數可包含曲線擬合及計算結果之導數。慣性參數可為感測器加速度、感測器速度、感測器位移、感測器旋轉速率、感測器旋轉加速度及線性或旋轉加速度之高階導數(諸如加加速度、加加加速度、加加加加速度及加加加加加速度)之一或多者。 圖51描繪根據一闡釋性實施方案之用於基於一非線性週期信號判定兩個值之間的轉變時間之一方法之一流程圖。方法5100可用於執行方法5000之步驟5002、5004、5006、5008及5010之一或多者。 在5102,接收一第一非線性週期信號之一第一值。在5104,視情況接收一第二非線性週期信號之一第二值。第一值及第二值係在特定時刻之第一信號及第二信號之值,且可為類比或數位值。方法5100之第一非線性週期信號及第二非線性週期信號可與方法5000之第一非線性週期信號及第二非線性週期信號相同。 在5106,視情況將第一值及第二值組合成一組合值。可使用元件1706來組合該等值。組合可包含對該等值求和,獲取該等值之差,使該等值相乘或使該等值相除。若省略選用步驟5104及5106,則方法5100從5102直接進行至5108。 在5108,比較第一值或組合值與一臨限值。若該值高於臨限值,則方法5100進行至5110。 在5110,針對當前時間指派一高值。若該值不高於臨限值,則方法5100進行至5112。在5112,針對當前時間指派一低值。步驟5108、5110及5112可用於從一輸入信號產生具有高值及低值之一雙值信號。方法5100之雙值信號可與方法5000之信號相同。 在5114,比較當前時間之信號之值與前一時間之信號之一值。若兩個值相同,則方法5100進行至方法5100終止之5116。若兩個值不同,則已發生一轉變且方法進行至5118。 在5118,判定轉變之感測(轉變是否係一上升邊緣或一下降邊緣)。若當前時間之值大於先前時間之值,則將一上升邊緣指派至轉變。 若當前時間之值不高於先前時間之值,則方法5100進行至5122。在5122,將一下降邊緣指派至轉變。因此,具有轉變之時間經偵測且分類為具有上升或下降邊緣。在5124,判定轉變與另一轉變之間的一時間間隔。此等轉變之間的時間間隔可藉由獲得轉變時間之間的時間值之差來判定。 圖52描繪根據一闡釋性實施方案之用於從時間間隔計算慣性參數之一方法之一流程圖。方法5200可用於執行方法5000之步驟5014及5016之一或多者。 在5202,接收第一時間間隔及第二時間間隔。可使用方法5100來判定第一時間間隔及第二時間間隔。 在5204,計算第一時間間隔及第二時間間隔之和。和可為如藉由方程式6及7描述之經量測週期。在5206,計算第一時間間隔與該和之比。該比可為形成方程式5中之餘弦函數之自變量之部分之一或多個比。 在5208,使用該比計算一自變量。該自變量可為方程式5之餘弦函數之自變量之一或多者。 在5210,將一三角函數應用至自變量。三角函數可為關於方法5000之步驟5004描述之三角函數之任一者。 在5212,使用一或多個幾何參數及應用三角函數之結果來計算一位移。可使用方程式5來計算位移。計算位移可涉及計算一個以上三角函數,且可包含除5208之經計算自變量外之自變量作為一些三角函數之自變量。 在5214,使用位移來計算一或多個慣性參數。經計算之慣性參數可為關於方法5000之步驟5016描述之慣性參數之任一者。可藉由獲得相對於時間之位移之一或多個導數計算慣性參數。可使用經計算位移之一偏移來提取慣性參數以判定一外部加速度。以此方式,從時間間隔計算慣性參數。 可使用MEMS及微電子製造程序(諸如微影術、沈積及蝕刻)來製造本文描述之系統。MEMS結構之特徵使用微影術圖案化且透過蝕刻移除經選擇部分。此蝕刻包含深反應性離子蝕刻(DRIE)及濕式蝕刻。在一些實例中,沈積一或多個中間金屬、半導體及/或絕緣層。基底晶圓可為一摻雜半導體,諸如矽。在一些實例中,離子植入可用於增大藉由微影術界定之區中之摻雜位準。彈簧系統可經界定於一基板矽晶圓中,其接著經接合至頂部及底部罩蓋晶圓(亦由矽製成)。以此方式圍封彈簧系統容許抽空圍繞塊體之體積。在一些實例中,將一吸氣材料(諸如鈦)沈積於經抽空體積內以在裝置之整個壽命中維持一低壓。此低壓增強諧振器之品質因素。從MEMS結構,使用金屬沈積技術(諸如濺鍍或物理氣相沈積(PVD))來沈積導電跡線。此等導電跡線將MEMS結構之作用區域電連接至微電子電路。類似導電跡線可用於將微電子電路彼此電連接。可使用包含線接合及覆晶封裝之半導體封裝技術來封裝經製造之MEMS及微電子結構。 如本文使用,術語「記憶體」包含經調適用於儲存數位資料之任何類型之積體電路或其他儲存裝置,包含(但不限於)ROM、PROM、EEPROM、DRAM、SDRAM、DDR/2 SDRAM、EDO/FPMS、RLDRAM、SRAM、快閃記憶體(例如,AND/NOR、NAND)、憶阻器記憶體及PSRAM。 如本文使用,術語「處理器」一般意在包含所有類型之數位處理裝置,包含(但不限於)數位信號處理器(DSP)、精簡指令集電腦(RISC)、通用(CISC)處理器、微處理器、閘極陣列(例如,FPGA)、PLD、可重組態電腦結構(RCF)、陣列處理器、安全微處理器及ASIC。此等數位處理器可包含在一單一單體式積體電路晶粒或跨多個組件分佈。 從系統之以上描述,明顯可使用各種技術來實施系統之概念而不脫離其範疇。在一些實例中,本文描述之任一電路可經實施為不具有移動部分之一印刷電路。此外,系統之各種特徵可經實施為在一處理裝置上執行之軟體常式或指令(例如,一通用處理器、一ASIC、一FPGA等)。所描述之實施例在所有方面被視為闡釋性且非限制性。亦應理解,系統不限於本文描述之特定實例,但可在不脫離發明申請專利範圍之範疇的情況下在其他實例中實施。 類似地,雖然在圖式中以一特定順序描繪操作,但此不應理解為要求以所展示之特定順序或循序順序執行此等操作,或執行所有經繪示之操作以達成所要結果。
100‧‧‧結構
102‧‧‧錨
104‧‧‧錨
106a‧‧‧彈簧
106b‧‧‧彈簧
108‧‧‧彈簧
110‧‧‧感測塊體
112‧‧‧感測塊體
114‧‧‧齒
116‧‧‧齒
118‧‧‧齒
120a‧‧‧時域開關(TDS)結構
120b‧‧‧時域開關(TDS)結構
122‧‧‧齒
126a‧‧‧箭頭
126b‧‧‧箭頭
202‧‧‧峰值
204‧‧‧峰值
206‧‧‧峰值寬度
208‧‧‧峰值寬度
210‧‧‧低頻率區
212‧‧‧距離
300‧‧‧多重自由度慣性感測器
302‧‧‧感測結構/齒
304‧‧‧感測結構/齒
306‧‧‧齒
308‧‧‧齒
310‧‧‧感測塊體
312‧‧‧感測塊體
314a‧‧‧錨定彈簧
314b‧‧‧錨定彈簧
316a‧‧‧錨定彈簧
316b‧‧‧錨定彈簧
318‧‧‧耦合彈簧
320‧‧‧中心錨
326‧‧‧底層
330‧‧‧質心/位置
332‧‧‧質心/位置
400‧‧‧位置
402‧‧‧正高度角
404‧‧‧感測塊體
406‧‧‧感測塊體
408‧‧‧中心錨
410‧‧‧自由端
420‧‧‧位置
422‧‧‧高度角
440‧‧‧位置
442‧‧‧水平面
460‧‧‧位置
462‧‧‧負高度角
500‧‧‧位置
502‧‧‧感測塊體
504‧‧‧感測塊體
508‧‧‧中心錨
510‧‧‧自由端
512a‧‧‧正高度角
512b‧‧‧負高度角
520‧‧‧位置
522‧‧‧水平面
540‧‧‧位置
542a‧‧‧負高度角
542b‧‧‧正高度角
560‧‧‧位置
562a‧‧‧正高度角
562b‧‧‧負高度角
600‧‧‧多重自由度慣性感測器
602‧‧‧感測結構/齒
604‧‧‧感測結構/齒
606‧‧‧齒
608‧‧‧齒
610‧‧‧感測塊體
612‧‧‧感測塊體
614‧‧‧耦合彈簧
616‧‧‧原點
618a‧‧‧錨定彈簧
618b‧‧‧錨定彈簧
618c‧‧‧錨定彈簧
618d‧‧‧錨定彈簧
620‧‧‧特徵
622‧‧‧中心錨
624‧‧‧底層
628‧‧‧中心錨
630‧‧‧質心
632‧‧‧質心
634‧‧‧感測結構
636‧‧‧感測結構
700‧‧‧位置
702‧‧‧中心錨
704‧‧‧感測塊體
706‧‧‧感測塊體
708‧‧‧自由端
710‧‧‧自由端
712‧‧‧自由端
714‧‧‧自由端
716‧‧‧正高度角
718‧‧‧高度角
720‧‧‧軸
722‧‧‧高度角
724‧‧‧正高度角
740‧‧‧位置
742‧‧‧高度角
744‧‧‧高度角
746‧‧‧高度角
748‧‧‧高度角
760‧‧‧位置
780‧‧‧位置
782‧‧‧高度角
784‧‧‧正高度角
786‧‧‧高度角
788‧‧‧正高度角
800‧‧‧位置
816‧‧‧正高度角
818‧‧‧負高度角
820‧‧‧負高度角
822‧‧‧正高度角
840‧‧‧位置
842‧‧‧正高度角
844‧‧‧負高度角
846‧‧‧負高度角
848‧‧‧正高度角
860‧‧‧位置
880‧‧‧位置
882‧‧‧高度角
884‧‧‧正高度角
886‧‧‧高度角
888‧‧‧正高度角
902‧‧‧可移動元件
904‧‧‧固定元件
906a‧‧‧樑
906b‧‧‧樑
906c‧‧‧樑
908a‧‧‧樑
908b‧‧‧樑
908c‧‧‧樑
908d‧‧‧樑
920‧‧‧距離
1002‧‧‧可移動元件
1004‧‧‧固定元件
1006a‧‧‧固定樑
1006b‧‧‧固定樑
1006c‧‧‧固定樑
1008a‧‧‧可移動樑
1008b‧‧‧可移動樑
1008c‧‧‧可移動樑
1008d‧‧‧可移動樑
1020‧‧‧距离
1100‧‧‧視圖
1102‧‧‧視圖
1104‧‧‧視圖
1106‧‧‧視圖
1108‧‧‧視圖
1110‧‧‧視圖
1112‧‧‧視圖
1114‧‧‧視圖
1116‧‧‧固定樑
1118‧‧‧可移動樑
1120‧‧‧可移動樑
1122‧‧‧固定樑
1124‧‧‧固定樑
1126‧‧‧可移動樑
1128‧‧‧固定樑
1130‧‧‧可移動樑
1132‧‧‧固定樑
1134‧‧‧可移動樑
1136‧‧‧可移動樑
1138‧‧‧固定樑
1140‧‧‧固定樑
1142‧‧‧可移動樑
1144‧‧‧固定樑
1146‧‧‧可移動樑
1200‧‧‧位置
1202‧‧‧底層
1204a‧‧‧電極
1204b‧‧‧電極
1206‧‧‧樞轉點
1208a‧‧‧經連接片段
1208b‧‧‧經連接片段
1208c‧‧‧經連接片段
1210‧‧‧半徑
1212‧‧‧半徑
1214‧‧‧內壁
1220‧‧‧位置
1222‧‧‧正高度角
1224‧‧‧箭頭
1240‧‧‧位置
1242‧‧‧負高度角
1244‧‧‧箭頭
1300‧‧‧平衡位置
1302‧‧‧底層
1304‧‧‧間隙
1306a‧‧‧電極
1306b‧‧‧電極
1310‧‧‧間隙
1312a‧‧‧經連接片段/驗證質量片段
1312b‧‧‧經連接片段/驗證質量片段
1312c‧‧‧經連接片段/驗證質量片段
1320‧‧‧位置
1322‧‧‧箭頭
1340‧‧‧位置
1342‧‧‧箭頭
1400‧‧‧多重自由度慣性感測器
1402‧‧‧第一感測塊體
1404‧‧‧第二感測塊體
1406‧‧‧中心錨/錨定結構
1408‧‧‧底層
1410a‧‧‧電極
1410b‧‧‧電極
1414‧‧‧最小距離
1416‧‧‧最大距離
1418‧‧‧角度/傾斜/最小距離
1420‧‧‧最大距離
1500‧‧‧多重自由度慣性感測器
1502‧‧‧感測塊體
1504‧‧‧感測塊體
1506‧‧‧框架
1508‧‧‧框架
1510‧‧‧中心錨
1512a‧‧‧耦合彈簧
1512b‧‧‧耦合彈簧
1514a‧‧‧錨定彈簧
1514b‧‧‧錨定彈簧
1516a‧‧‧耦合彈簧
1516b‧‧‧耦合彈簧
1518‧‧‧箭頭
1520‧‧‧箭頭
1522‧‧‧框架之端部
1524‧‧‧框架之另一端部
1600‧‧‧結構
1602‧‧‧可移動元件
1604‧‧‧固定元件
1606a‧‧‧樑
1606b‧‧‧樑
1606c‧‧‧樑
1608a‧‧‧樑
1608b‧‧‧樑
1610‧‧‧軸
1620‧‧‧視圖
1622‧‧‧距離
1624‧‧‧矩形
1640‧‧‧視圖
1642‧‧‧節距
1644‧‧‧齒間隙
1646‧‧‧線寬度
1648a‧‧‧齒
1648b‧‧‧齒
1648c‧‧‧齒
1650a‧‧‧齒
1650b‧‧‧齒
1650c‧‧‧齒
1652‧‧‧波紋深度
1700‧‧‧多重自由度慣性感測器
1701‧‧‧外部擾動
1702‧‧‧零點交叉
1704‧‧‧零點交叉
1706‧‧‧元件
1708‧‧‧信號處理模組
1710‧‧‧驅動信號
1712‧‧‧矩形波形/信號
1714‧‧‧參考位準
1716‧‧‧參考位準
1718‧‧‧位移
1818‧‧‧感測塊體
1820‧‧‧彈簧
1822‧‧‧彈簧
1824‧‧‧位移
1902‧‧‧異相信號
1904‧‧‧同相信號
1906‧‧‧週期
1908‧‧‧零點交叉
1912‧‧‧零點交叉
1914‧‧‧零點交叉
2024‧‧‧固定元件
2026‧‧‧可移動元件
2028‧‧‧固定元件
2030‧‧‧可移動元件
2032‧‧‧節距/距離
2034‧‧‧距離
2036‧‧‧距離
2100‧‧‧圖
2102‧‧‧曲線/電容電流/信號
2104‧‧‧曲線
2106‧‧‧曲線
2108‧‧‧+d0 位置
1210‧‧‧+d0 /2位置
2112‧‧‧零位移
2114‧‧‧–d0 /2位置
2116‧‧‧–d0 位置
2118‧‧‧時間
2120‧‧‧時間
2122‧‧‧時間
2124‧‧‧時間
2126‧‧‧時間
2128‧‧‧時間
2130‧‧‧時間
2200‧‧‧圖
2202‧‧‧電流曲線
2204‧‧‧位移曲線
2208‧‧‧+d0 位準
2212‧‧‧零位準
2216‧‧‧–d0 位準
2224‧‧‧時間
2226‧‧‧時間
2228‧‧‧時間
2230‧‧‧時間
2232‧‧‧時間間隔
2234‧‧‧時間間隔
2300‧‧‧圖
2324‧‧‧時間
2326‧‧‧時間
2328‧‧‧時間
2330‧‧‧時間
2336‧‧‧矩形波形曲線/信號
2400‧‧‧圖
2404‧‧‧位移曲線
2408‧‧‧參考位準
2412‧‧‧參考位準
2416‧‧‧參考位準
2424‧‧‧時間
2426‧‧‧時間
2428‧‧‧時間
2430‧‧‧時間
2432‧‧‧時間間隔
2434‧‧‧時間間隔
2436‧‧‧時間
2438‧‧‧時間
2440‧‧‧時間間隔
2442‧‧‧時間間隔
2500‧‧‧圖
2502‧‧‧轉阻放大器(TIA)輸出曲線
2504‧‧‧位移曲線
2506‧‧‧輸入加速度曲線
2508‧‧‧參考節距位置+d0 2510‧‧‧參考節距位置+d0 /2
2512‧‧‧參考節距位置0
2514‧‧‧參考節距位置-d0 /2
2516‧‧‧參考節距位置-d0 2520‧‧‧最大位移交叉
2522‧‧‧最小位移交叉
2602‧‧‧電容曲線
2702‧‧‧dC/dx曲線
2802‧‧‧d2 C/dx2 曲線
2902‧‧‧dI/dt曲線
3000‧‧‧圖
3002‧‧‧信號
3004‧‧‧信號
3006‧‧‧偏移
3008‧‧‧偏移
3010‧‧‧零點交叉
3012‧‧‧零點交叉
3014‧‧‧零點交叉
3016‧‧‧零點交叉
3018‧‧‧零點交叉
3020‧‧‧零點交叉
3022‧‧‧時間間隔
3024‧‧‧時間間隔
3100‧‧‧圖
3102‧‧‧信號
3104‧‧‧零點交叉
3106‧‧‧零點交叉
3108‧‧‧零點交叉
3110‧‧‧時間間隔
3112‧‧‧x軸
3202‧‧‧曲線
3302‧‧‧曲線
3402‧‧‧曲線
3502‧‧‧信號
3504‧‧‧信號
3506‧‧‧角位置
3508‧‧‧角位置
3602‧‧‧曲線
3604‧‧‧曲線
3702‧‧‧曲線
3704‧‧‧曲線
3802‧‧‧曲線
3804‧‧‧曲線
3902‧‧‧曲線
3904‧‧‧曲線
4002‧‧‧曲線
4004‧‧‧曲線
4102‧‧‧曲線
4104‧‧‧零點交叉
4202‧‧‧曲線
4204‧‧‧極值
4302‧‧‧曲線
4402‧‧‧曲線
4404‧‧‧曲線
4406‧‧‧局部極值
4408‧‧‧局部極值
4502‧‧‧曲線
4504‧‧‧曲線
4602‧‧‧曲線
4604‧‧‧曲線
4702‧‧‧曲線
4704‧‧‧曲線
4802‧‧‧曲線
4804‧‧‧曲線
4902‧‧‧曲線
4904‧‧‧曲線
5000‧‧‧方法
5002‧‧‧步驟
5004‧‧‧步驟
5006‧‧‧步驟
5008‧‧‧步驟
5010‧‧‧步驟
5014‧‧‧步驟
5016‧‧‧步驟
5100‧‧‧方法
5102‧‧‧步驟
5104‧‧‧步驟
5106‧‧‧步驟
5108‧‧‧步驟
5110‧‧‧步驟
5112‧‧‧步驟
5114‧‧‧步驟
5116‧‧‧步驟
5118‧‧‧步驟
5120‧‧‧步驟
5122‧‧‧步驟
5124‧‧‧步驟
5200‧‧‧方法
5202‧‧‧步驟
5204‧‧‧步驟
5206‧‧‧步驟
5208‧‧‧步驟
5210‧‧‧步驟
5212‧‧‧步驟
5214‧‧‧步驟
102‧‧‧錨
104‧‧‧錨
106a‧‧‧彈簧
106b‧‧‧彈簧
108‧‧‧彈簧
110‧‧‧感測塊體
112‧‧‧感測塊體
114‧‧‧齒
116‧‧‧齒
118‧‧‧齒
120a‧‧‧時域開關(TDS)結構
120b‧‧‧時域開關(TDS)結構
122‧‧‧齒
126a‧‧‧箭頭
126b‧‧‧箭頭
202‧‧‧峰值
204‧‧‧峰值
206‧‧‧峰值寬度
208‧‧‧峰值寬度
210‧‧‧低頻率區
212‧‧‧距離
300‧‧‧多重自由度慣性感測器
302‧‧‧感測結構/齒
304‧‧‧感測結構/齒
306‧‧‧齒
308‧‧‧齒
310‧‧‧感測塊體
312‧‧‧感測塊體
314a‧‧‧錨定彈簧
314b‧‧‧錨定彈簧
316a‧‧‧錨定彈簧
316b‧‧‧錨定彈簧
318‧‧‧耦合彈簧
320‧‧‧中心錨
326‧‧‧底層
330‧‧‧質心/位置
332‧‧‧質心/位置
400‧‧‧位置
402‧‧‧正高度角
404‧‧‧感測塊體
406‧‧‧感測塊體
408‧‧‧中心錨
410‧‧‧自由端
420‧‧‧位置
422‧‧‧高度角
440‧‧‧位置
442‧‧‧水平面
460‧‧‧位置
462‧‧‧負高度角
500‧‧‧位置
502‧‧‧感測塊體
504‧‧‧感測塊體
508‧‧‧中心錨
510‧‧‧自由端
512a‧‧‧正高度角
512b‧‧‧負高度角
520‧‧‧位置
522‧‧‧水平面
540‧‧‧位置
542a‧‧‧負高度角
542b‧‧‧正高度角
560‧‧‧位置
562a‧‧‧正高度角
562b‧‧‧負高度角
600‧‧‧多重自由度慣性感測器
602‧‧‧感測結構/齒
604‧‧‧感測結構/齒
606‧‧‧齒
608‧‧‧齒
610‧‧‧感測塊體
612‧‧‧感測塊體
614‧‧‧耦合彈簧
616‧‧‧原點
618a‧‧‧錨定彈簧
618b‧‧‧錨定彈簧
618c‧‧‧錨定彈簧
618d‧‧‧錨定彈簧
620‧‧‧特徵
622‧‧‧中心錨
624‧‧‧底層
628‧‧‧中心錨
630‧‧‧質心
632‧‧‧質心
634‧‧‧感測結構
636‧‧‧感測結構
700‧‧‧位置
702‧‧‧中心錨
704‧‧‧感測塊體
706‧‧‧感測塊體
708‧‧‧自由端
710‧‧‧自由端
712‧‧‧自由端
714‧‧‧自由端
716‧‧‧正高度角
718‧‧‧高度角
720‧‧‧軸
722‧‧‧高度角
724‧‧‧正高度角
740‧‧‧位置
742‧‧‧高度角
744‧‧‧高度角
746‧‧‧高度角
748‧‧‧高度角
760‧‧‧位置
780‧‧‧位置
782‧‧‧高度角
784‧‧‧正高度角
786‧‧‧高度角
788‧‧‧正高度角
800‧‧‧位置
816‧‧‧正高度角
818‧‧‧負高度角
820‧‧‧負高度角
822‧‧‧正高度角
840‧‧‧位置
842‧‧‧正高度角
844‧‧‧負高度角
846‧‧‧負高度角
848‧‧‧正高度角
860‧‧‧位置
880‧‧‧位置
882‧‧‧高度角
884‧‧‧正高度角
886‧‧‧高度角
888‧‧‧正高度角
902‧‧‧可移動元件
904‧‧‧固定元件
906a‧‧‧樑
906b‧‧‧樑
906c‧‧‧樑
908a‧‧‧樑
908b‧‧‧樑
908c‧‧‧樑
908d‧‧‧樑
920‧‧‧距離
1002‧‧‧可移動元件
1004‧‧‧固定元件
1006a‧‧‧固定樑
1006b‧‧‧固定樑
1006c‧‧‧固定樑
1008a‧‧‧可移動樑
1008b‧‧‧可移動樑
1008c‧‧‧可移動樑
1008d‧‧‧可移動樑
1020‧‧‧距离
1100‧‧‧視圖
1102‧‧‧視圖
1104‧‧‧視圖
1106‧‧‧視圖
1108‧‧‧視圖
1110‧‧‧視圖
1112‧‧‧視圖
1114‧‧‧視圖
1116‧‧‧固定樑
1118‧‧‧可移動樑
1120‧‧‧可移動樑
1122‧‧‧固定樑
1124‧‧‧固定樑
1126‧‧‧可移動樑
1128‧‧‧固定樑
1130‧‧‧可移動樑
1132‧‧‧固定樑
1134‧‧‧可移動樑
1136‧‧‧可移動樑
1138‧‧‧固定樑
1140‧‧‧固定樑
1142‧‧‧可移動樑
1144‧‧‧固定樑
1146‧‧‧可移動樑
1200‧‧‧位置
1202‧‧‧底層
1204a‧‧‧電極
1204b‧‧‧電極
1206‧‧‧樞轉點
1208a‧‧‧經連接片段
1208b‧‧‧經連接片段
1208c‧‧‧經連接片段
1210‧‧‧半徑
1212‧‧‧半徑
1214‧‧‧內壁
1220‧‧‧位置
1222‧‧‧正高度角
1224‧‧‧箭頭
1240‧‧‧位置
1242‧‧‧負高度角
1244‧‧‧箭頭
1300‧‧‧平衡位置
1302‧‧‧底層
1304‧‧‧間隙
1306a‧‧‧電極
1306b‧‧‧電極
1310‧‧‧間隙
1312a‧‧‧經連接片段/驗證質量片段
1312b‧‧‧經連接片段/驗證質量片段
1312c‧‧‧經連接片段/驗證質量片段
1320‧‧‧位置
1322‧‧‧箭頭
1340‧‧‧位置
1342‧‧‧箭頭
1400‧‧‧多重自由度慣性感測器
1402‧‧‧第一感測塊體
1404‧‧‧第二感測塊體
1406‧‧‧中心錨/錨定結構
1408‧‧‧底層
1410a‧‧‧電極
1410b‧‧‧電極
1414‧‧‧最小距離
1416‧‧‧最大距離
1418‧‧‧角度/傾斜/最小距離
1420‧‧‧最大距離
1500‧‧‧多重自由度慣性感測器
1502‧‧‧感測塊體
1504‧‧‧感測塊體
1506‧‧‧框架
1508‧‧‧框架
1510‧‧‧中心錨
1512a‧‧‧耦合彈簧
1512b‧‧‧耦合彈簧
1514a‧‧‧錨定彈簧
1514b‧‧‧錨定彈簧
1516a‧‧‧耦合彈簧
1516b‧‧‧耦合彈簧
1518‧‧‧箭頭
1520‧‧‧箭頭
1522‧‧‧框架之端部
1524‧‧‧框架之另一端部
1600‧‧‧結構
1602‧‧‧可移動元件
1604‧‧‧固定元件
1606a‧‧‧樑
1606b‧‧‧樑
1606c‧‧‧樑
1608a‧‧‧樑
1608b‧‧‧樑
1610‧‧‧軸
1620‧‧‧視圖
1622‧‧‧距離
1624‧‧‧矩形
1640‧‧‧視圖
1642‧‧‧節距
1644‧‧‧齒間隙
1646‧‧‧線寬度
1648a‧‧‧齒
1648b‧‧‧齒
1648c‧‧‧齒
1650a‧‧‧齒
1650b‧‧‧齒
1650c‧‧‧齒
1652‧‧‧波紋深度
1700‧‧‧多重自由度慣性感測器
1701‧‧‧外部擾動
1702‧‧‧零點交叉
1704‧‧‧零點交叉
1706‧‧‧元件
1708‧‧‧信號處理模組
1710‧‧‧驅動信號
1712‧‧‧矩形波形/信號
1714‧‧‧參考位準
1716‧‧‧參考位準
1718‧‧‧位移
1818‧‧‧感測塊體
1820‧‧‧彈簧
1822‧‧‧彈簧
1824‧‧‧位移
1902‧‧‧異相信號
1904‧‧‧同相信號
1906‧‧‧週期
1908‧‧‧零點交叉
1912‧‧‧零點交叉
1914‧‧‧零點交叉
2024‧‧‧固定元件
2026‧‧‧可移動元件
2028‧‧‧固定元件
2030‧‧‧可移動元件
2032‧‧‧節距/距離
2034‧‧‧距離
2036‧‧‧距離
2100‧‧‧圖
2102‧‧‧曲線/電容電流/信號
2104‧‧‧曲線
2106‧‧‧曲線
2108‧‧‧+d0 位置
1210‧‧‧+d0 /2位置
2112‧‧‧零位移
2114‧‧‧–d0 /2位置
2116‧‧‧–d0 位置
2118‧‧‧時間
2120‧‧‧時間
2122‧‧‧時間
2124‧‧‧時間
2126‧‧‧時間
2128‧‧‧時間
2130‧‧‧時間
2200‧‧‧圖
2202‧‧‧電流曲線
2204‧‧‧位移曲線
2208‧‧‧+d0 位準
2212‧‧‧零位準
2216‧‧‧–d0 位準
2224‧‧‧時間
2226‧‧‧時間
2228‧‧‧時間
2230‧‧‧時間
2232‧‧‧時間間隔
2234‧‧‧時間間隔
2300‧‧‧圖
2324‧‧‧時間
2326‧‧‧時間
2328‧‧‧時間
2330‧‧‧時間
2336‧‧‧矩形波形曲線/信號
2400‧‧‧圖
2404‧‧‧位移曲線
2408‧‧‧參考位準
2412‧‧‧參考位準
2416‧‧‧參考位準
2424‧‧‧時間
2426‧‧‧時間
2428‧‧‧時間
2430‧‧‧時間
2432‧‧‧時間間隔
2434‧‧‧時間間隔
2436‧‧‧時間
2438‧‧‧時間
2440‧‧‧時間間隔
2442‧‧‧時間間隔
2500‧‧‧圖
2502‧‧‧轉阻放大器(TIA)輸出曲線
2504‧‧‧位移曲線
2506‧‧‧輸入加速度曲線
2508‧‧‧參考節距位置+d0 2510‧‧‧參考節距位置+d0 /2
2512‧‧‧參考節距位置0
2514‧‧‧參考節距位置-d0 /2
2516‧‧‧參考節距位置-d0 2520‧‧‧最大位移交叉
2522‧‧‧最小位移交叉
2602‧‧‧電容曲線
2702‧‧‧dC/dx曲線
2802‧‧‧d2 C/dx2 曲線
2902‧‧‧dI/dt曲線
3000‧‧‧圖
3002‧‧‧信號
3004‧‧‧信號
3006‧‧‧偏移
3008‧‧‧偏移
3010‧‧‧零點交叉
3012‧‧‧零點交叉
3014‧‧‧零點交叉
3016‧‧‧零點交叉
3018‧‧‧零點交叉
3020‧‧‧零點交叉
3022‧‧‧時間間隔
3024‧‧‧時間間隔
3100‧‧‧圖
3102‧‧‧信號
3104‧‧‧零點交叉
3106‧‧‧零點交叉
3108‧‧‧零點交叉
3110‧‧‧時間間隔
3112‧‧‧x軸
3202‧‧‧曲線
3302‧‧‧曲線
3402‧‧‧曲線
3502‧‧‧信號
3504‧‧‧信號
3506‧‧‧角位置
3508‧‧‧角位置
3602‧‧‧曲線
3604‧‧‧曲線
3702‧‧‧曲線
3704‧‧‧曲線
3802‧‧‧曲線
3804‧‧‧曲線
3902‧‧‧曲線
3904‧‧‧曲線
4002‧‧‧曲線
4004‧‧‧曲線
4102‧‧‧曲線
4104‧‧‧零點交叉
4202‧‧‧曲線
4204‧‧‧極值
4302‧‧‧曲線
4402‧‧‧曲線
4404‧‧‧曲線
4406‧‧‧局部極值
4408‧‧‧局部極值
4502‧‧‧曲線
4504‧‧‧曲線
4602‧‧‧曲線
4604‧‧‧曲線
4702‧‧‧曲線
4704‧‧‧曲線
4802‧‧‧曲線
4804‧‧‧曲線
4902‧‧‧曲線
4904‧‧‧曲線
5000‧‧‧方法
5002‧‧‧步驟
5004‧‧‧步驟
5006‧‧‧步驟
5008‧‧‧步驟
5010‧‧‧步驟
5014‧‧‧步驟
5016‧‧‧步驟
5100‧‧‧方法
5102‧‧‧步驟
5104‧‧‧步驟
5106‧‧‧步驟
5108‧‧‧步驟
5110‧‧‧步驟
5112‧‧‧步驟
5114‧‧‧步驟
5116‧‧‧步驟
5118‧‧‧步驟
5120‧‧‧步驟
5122‧‧‧步驟
5124‧‧‧步驟
5200‧‧‧方法
5202‧‧‧步驟
5204‧‧‧步驟
5206‧‧‧步驟
5208‧‧‧步驟
5210‧‧‧步驟
5212‧‧‧步驟
5214‧‧‧步驟
在結合隨附圖式考慮以下實施方式之後將顯而易見本發明之標的之進一步特徵、其性質及各種優勢,其中貫穿隨附圖式,相同參考符號係指相同部件,且其中: 圖1描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之一概念模型; 圖2係展示根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之一頻率回應之一實例之一圖; 圖3描繪根據一闡釋性實施方案之經組態以在一垂直方向上振盪之一多重自由度慣性感測器; 圖4描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之差模垂直移動; 圖5描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之共模垂直移動; 圖6描繪根據一闡釋性實施方案之經組態用於在一垂直方向上扭轉振盪之一多重自由度慣性感測器; 圖7描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之差模扭轉移動; 圖8描繪根據一闡釋性實施方案之一多重自由度慣性感測器之共模扭轉旋轉移動; 圖9描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動及振盪之具有凹入可移動樑之一慣性感測器之兩個視圖; 圖10描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動之具有凹入固定樑之一慣性感測器之兩個視圖; 圖11描繪根據一闡釋性實施方案之可用於一多重自由度慣性感測器中以量測一垂直方向上之擾動之固定及可移動樑之八個組態; 圖12描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動之一多重自由度慣性感測器之一個感測塊體之移動及電極之三個交叉視圖; 圖13描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測一垂直方向上之擾動之在一第二組態中之一多重自由度慣性感測器之一個感測塊體之移動及電極之三個交叉視圖; 圖14描繪根據一闡釋性實施方案之具有封裝變形之一多重自由度慣性感測器之差模垂直移動; 圖15描繪根據一闡釋性實施方案之用於量測在一水平面中之擾動之一多重自由度慣性感測器之一俯視圖; 圖16描繪三個視圖,其等各展示根據一闡釋性實施方案之用於感測一多重自由度慣性感測器在一水平面中之擾動之複數個時域開關之可移動及固定元件之一示意性表示; 圖17描繪根據一闡釋性實施方案之用於從一慣性感測器提取慣性資訊之一程序; 圖18描繪根據一闡釋性實施方案之一個自由度感測塊體振盪之一概念示意圖; 圖19係展示根據一闡釋性實施方案之對藉由一多重自由度慣性感測器之TDS結構產生之一感測塊體振盪之同相及異相電容回應之一圖; 圖20描繪根據一闡釋性實施方案之用於感測一水平面中之擾動之同相及異相電容感測結構; 圖21係表示根據一闡釋性實施方案之從一多重自由度慣性感測器導出之類比信號與一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之間的關係之一圖; 圖22係繪示根據一闡釋性實施方案之對一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之一電流回應之一圖; 圖23係展示根據一闡釋性實施方案之從在圖24中描繪之電流信號之零點交叉時間產生之一矩形波信號之一圖; 圖24係展示根據一闡釋性實施方案之從非零點交叉參考位準產生之時間間隔之一圖; 圖25係展示根據一闡釋性實施方案之一外部擾動對多重自由度慣性感測器之輸出信號之效應之一圖; 圖26係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之函數之電容之一圖; 圖27係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之函數之電容之一階空間導數之一圖; 圖28係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之函數之電容之二階空間導數之一圖; 圖29係描繪根據一闡釋性實施方案之作為一多重自由度慣性感測器之一感測塊體之位移之函數之電容電流之時間導數之一圖; 圖30係描繪根據一闡釋性實施方案之作為共模誤差之結果之兩個感測塊體之位移偏移之一圖; 圖31係描繪根據一闡釋性實施方案之對一多重自由度慣性感測器之經感測位移之差動感測之結果之一圖; 圖32係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間之一感測塊體之位置之一圖; 圖33係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間之一感測塊體之速度之一圖; 圖34係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間之一感測塊體之加速度之一圖; 圖35係表示根據一闡釋性實施方案之相對於角位置之電容之一圖; 圖36係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之角位置之電容斜率之一圖; 圖37係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之角位置之電容曲率之一圖; 圖38係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容之一圖; 圖39係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容斜率之一圖; 圖40係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容曲率之一圖; 圖41係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之差動電容之一圖; 圖42係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容斜率之一圖; 圖43係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容曲率之一圖; 圖44係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之垂直位置之電容之一圖; 圖45係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之垂直位置之電容斜率之一圖; 圖46係表示根據一闡釋性實施方案之相對於一感測塊體之垂直位置之電容曲率之一圖; 圖47係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容之一圖; 圖48係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容斜率之一圖; 圖49係表示根據一闡釋性實施方案之相對於時間且回應於一感測塊體之振盪而產生之電容曲率之一圖; 圖50描繪根據一闡釋性實施方案之用於從一非線性週期信號提取慣性參數之一方法之一流程圖; 圖51描繪根據一闡釋性實施方案之用於基於一非線性週期信號判定兩個值之間的轉變時間之一方法之一流程圖;及 圖52描繪根據一闡釋性實施方案之用於從時間間隔計算慣性參數之一方法之一流程圖。
Claims (42)
- 一種用於判定一慣性參數之具有多重自由度之慣性裝置,該慣性裝置包括: 一第一感測塊體,其具有一第一自由度; 一第二感測塊體,其經機械耦合至該第一感測塊體且具有一第二自由度; 一第一時域開關及一第二時域開關,該第一時域開關經耦合至該第一感測塊體,且該第二時域開關經耦合至該第二感測塊體; 一驅動結構,其經組態以使該第一感測塊體及該第二感測塊體在一差動頻率模式中振盪,其中該第一時域開關及該第二時域開關各回應於該第一感測塊體及該第二感測塊體之振盪而產生一電信號;及 一處理器,其與該第一時域開關及該第二時域開關信號通信,且經組態以部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定一慣性參數。
- 如請求項1之慣性裝置,其中當該第一感測塊體及該第二感測塊體在該差動頻率模式中振盪時,該第一時域開關及該第二時域開關產生一差動信號。
- 如請求項2之慣性裝置,其中該慣性裝置進一步包括: 耦合彈簧,其等經機械耦合至該第一感測塊體及該第二感測塊體; 錨定彈簧,其等獨立地機械耦合至該第一感測塊體及該第二感測塊體之各者及一中心錨定結構,且其中該中心錨定結構經剛性耦合至一支撐結構。
- 如請求項3之慣性裝置,其中使用該等各自錨定彈簧之一彈簧常數及該等耦合彈簧之一彈簧常數來判定該慣性參數以降低該差動頻率模式之頻率。
- 如請求項4之慣性裝置,其中從該差動信號實質上消除由該第一時域開關及該第二時域開關所產生之該電信號之一共模頻率分量。
- 如請求項5之慣性裝置,其中該第一自由度及該第二自由度係在一垂直維度上。
- 如請求項6之慣性裝置,其中該慣性參數係該垂直維度上之加速度。
- 如請求項7之慣性裝置,其中該第一時域開關進一步包括: 一第一電極,其在該第一感測塊體之一第一徑向距離; 一第二電極,其在該第一感測塊體之一第二徑向距離;且 當該第一感測塊體及該第二感測塊體按該差動頻率模式振盪時,該處理器經組態以偵測該第一電極及該第二電極之一電容差動。
- 如請求項8之慣性裝置,其中該等時間間隔部分基於該電容差動等於零之時間。
- 如請求項9之慣性裝置,其中該第一感測塊體及該第二感測塊體在該垂直維度上在該支撐結構上方升高且降低。
- 如請求項9之慣性裝置,其中該第一感測塊體及該第二感測塊體以圍繞該中心錨定結構之垂直扭轉旋轉而振盪。
- 一種使用多重自由度來判定一慣性參數之方法,該方法包括: 使一第一感測塊體在一第一自由度中振盪; 使經機械耦合至該第一感測塊體且具有一第二自由度之一第二感測塊體振盪; 將一第一時域開關耦合至該第一感測塊體,且將一第二時域開關耦合至該第二感測塊體; 回應於該第一感測塊體及該第二感測塊體之振盪而從該第一時域開關及該第二時域開關之各者產生一電信號,且其中一驅動結構使該第一感測塊體及該第二感測塊體按一差動頻率模式振盪;及 部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定一慣性參數。
- 如請求項12之方法,其進一步包括當該第一感測塊體及該第二感測塊體在該差動頻率模式中振盪時從該第一感測塊體及該第二感測塊體產生一差動信號。
- 如請求項13之方法,其進一步包括: 使用耦合彈簧將該第一感測塊體機械耦合至該第二感測塊體; 使用錨定彈簧將該第一感測塊體及該第二感測塊體之各者機械耦合至一中心錨定結構,且其中該中心錨定結構經剛性耦合至一支撐結構。
- 如請求項14之方法,其進一步包括使用該等各自錨定彈簧之一彈簧常數及該等耦合彈簧之一彈簧常數來判定該慣性參數且降低該差動頻率模式之頻率。
- 如請求項15之方法,其進一步包括從該差動信號消除由該第一時域開關及該第二時域開關所產生之該電信號之一共模頻率分量。
- 如請求項16之方法,其中使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪進一步包括: 其中該第一自由度及該第二自由度係在一垂直維度上。
- 如請求項17之方法,其中部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數進一步包括:其中該慣性參數係該垂直維度上之加速度。
- 如請求項18之方法,其中回應於該第一感測塊體之振盪而從該第一時域開關產生該電信號包括: 從在該第一感測塊體之一第一徑向距離之一第一電極產生一電容; 從在該第一感測塊體之一第二徑向距離之一第二電極產生一電容;及 當該第一感測塊體及該第二感測塊體按該差動頻率模式振盪時,偵測該第一電極及該第二電極之一電容差動。
- 如請求項19之方法,其中部分藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數進一步包括:其中該等時間間隔係部分基於該電容差動等於零之複數個時間。
- 如請求項20之方法,其中使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪進一步包括: 在該垂直維度上在該支撐結構上方升高及降低該第一感測塊體及該第二感測塊體。
- 如請求項20之方法,其中使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪進一步包括: 使該第一感測塊體以圍繞該中心錨定結構之垂直扭轉旋轉而振盪。
- 一種用於判定一慣性參數之具有多重自由度之慣性裝置,該慣性裝置包括: 一第一感測塊體,其具有一第一自由度; 一第二感測塊體,其經機械耦合至該第一感測塊體且具有一第二自由度; 一第一時域開關及一第二時域開關,該第一時域開關經耦合至該第一感測塊體,且該第二時域開關經耦合至該第二感測塊體; 一驅動結構,其經組態以使該第一感測塊體及該第二感測塊體在一差動頻率模式中振盪,其中該第一時域開關及該第二時域開關各回應於該第一感測塊體及該第二感測塊體之振盪而產生一電信號;及 一處理器,其與該第一時域開關及該第二時域開關信號通信,且經組態以部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定一慣性參數。
- 如請求項23之慣性裝置,其中當該第一感測塊體及該第二感測塊體在該差動頻率模式中振盪時,該第一時域開關及該第二時域開關產生一差動信號。
- 如請求項24之慣性裝置,其中該慣性裝置進一步包括: 耦合彈簧,其等經機械耦合至該第一感測塊體及該第二感測塊體; 錨定彈簧,其等獨立地機械耦合至該第一感測塊體及該第二感測塊體之各者及一中心錨定結構,且其中該中心錨定結構經剛性耦合至一支撐結構。
- 如請求項25之慣性裝置,其中使用該等各自錨定彈簧之一彈簧常數及該等耦合彈簧之一彈簧常數來判定該慣性參數以降低該差動頻率模式之頻率。
- 如請求項26之慣性裝置,其中從該差動信號實質上消除由該第一時域開關及該第二時域開關所產生之該電信號之一共模頻率分量。
- 如請求項27之慣性裝置,其中該第一自由度及該第二自由度係在一水平維度上。
- 如請求項28之慣性裝置,其中該慣性參數係該水平維度上之加速度。
- 如請求項29之慣性裝置,其中該第一感測塊體用一框架機械耦合至該第二感測塊體,且其中該框架在該水平維度之平面內隨著該第一感測塊體及該第二感測塊體以差動運動振盪。
- 如請求項30之慣性裝置,其中該第一時域開關包括產生一第一電容電流之一第一組電容齒,且該第二時域開關包括產生一第二電容電流之一第二組電容齒,且其中該第一電容電流與該第二電容電流異相。
- 如請求項31之慣性裝置,其中該差動信號係該第一電容電流與該第二電容電流之一線性組合。
- 一種使用多重自由度來判定一慣性參數之方法,該方法包括: 使一第一感測塊體在一第一自由度中振盪; 使經機械耦合至該第一感測塊體且具有一第二自由度之一第二感測塊體振盪; 將一第一時域開關耦合至該第一感測塊體,且將一第二時域開關耦合至該第二感測塊體; 回應於該第一感測塊體及該第二感測塊體之振盪而從該第一時域開關及該第二時域開關之各者產生一電信號,且其中一驅動結構使該第一感測塊體及該第二感測塊體按一差動頻率模式振盪;及 部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定一慣性參數。
- 如請求項33之方法,其進一步包括當該第一感測塊體及該第二感測塊體在該差動頻率模式中振盪時從該第一感測塊體及該第二感測塊體產生一差動信號。
- 如請求項34之方法,其進一步包括: 使用耦合彈簧將該第一感測塊體機械耦合至該第二感測塊體; 使用錨定彈簧將該第一感測塊體及該第二感測塊體之各者機械耦合至一中心錨定結構,且其中該中心錨定結構經剛性耦合至一支撐結構。
- 如請求項35之方法,其進一步包括使用該等各自錨定彈簧之一彈簧常數及該等耦合彈簧之一彈簧常數來判定該慣性參數且降低該差動頻率模式之頻率。
- 如請求項36之方法,其進一步包括從該差動信號消除由該第一時域開關及該第二時域開關所產生之該電信號之一共模頻率分量。
- 如請求項37之方法,其中使該第一感測塊體在該第一自由度上振盪及使經機械耦合至該第一感測塊體之該第二感測塊體在該第二自由度上振盪進一步包括: 其中該第一自由度及該第二自由度係在一水平維度上。
- 如請求項38之方法,其中部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數進一步包括:其中該慣性參數係該水平維度上之加速度。
- 如請求項39之方法,其進一步包括: 用一框架將該第一感測塊體機械耦合至該第二感測塊體,且其中該框架在該水平維度之平面內隨著該第一感測塊體及該第二感測塊體以差動運動振盪。
- 如請求項40之方法,其進一步包括: 從包括一第一組電容齒之該第一時域開關產生一第一電容電流; 從包括一第二組電容齒之該第二時域開關產生一第二電容電流;且 其中該第一電容電流與該第二電容電流異相。
- 如請求項41之方法,其中部分基於藉由該電信號產生之時間間隔判定該慣性參數進一步包括: 判定該第一電容電流與該第二電容電流之一線性組合。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI816820B (zh) * | 2018-06-27 | 2023-10-01 | 德商羅伯特博斯奇股份有限公司 | 微機械構件和製造微機械構件的方法 |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101776583B1 (ko) * | 2015-07-01 | 2017-09-11 | 주식회사 신성씨앤티 | 멤스 자이로스코프에 사용되는 멤스 링크 기구 |
WO2017007428A1 (en) * | 2015-07-07 | 2017-01-12 | Agency For Science, Technology And Research | Motion measurement devices and methods for measuring motion |
ITUA20161498A1 (it) * | 2016-03-09 | 2017-09-09 | St Microelectronics Srl | Struttura di rilevamento micromeccanica di un dispositivo sensore mems, in particolare di un giroscopio mems, con migliorate caratteristiche di azionamento |
ITUA20162172A1 (it) * | 2016-03-31 | 2017-10-01 | St Microelectronics Srl | Sensore accelerometrico realizzato in tecnologia mems avente elevata accuratezza e ridotta sensibilita' nei confronti della temperatura e dell'invecchiamento |
US10234477B2 (en) | 2016-07-27 | 2019-03-19 | Google Llc | Composite vibratory in-plane accelerometer |
JP2019066224A (ja) * | 2017-09-29 | 2019-04-25 | セイコーエプソン株式会社 | 物理量センサー、慣性計測装置、移動体測位装置、携帯型電子機器、電子機器および移動体 |
CN108225296B (zh) * | 2018-01-26 | 2019-12-27 | 维沃移动通信有限公司 | 一种mems陀螺仪、电子设备及电子设备的控制方法 |
DE102018210111A1 (de) * | 2018-06-21 | 2019-12-24 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanischer Sensor |
US11415595B2 (en) * | 2019-06-28 | 2022-08-16 | Analog Devices, Inc. | Multiple anchor high frequency accelerometer |
JP7188311B2 (ja) * | 2019-07-31 | 2022-12-13 | セイコーエプソン株式会社 | ジャイロセンサー、電子機器、及び移動体 |
JP7134931B2 (ja) * | 2019-08-28 | 2022-09-12 | 株式会社東芝 | センサ |
CN112067222B (zh) * | 2020-07-31 | 2022-10-28 | 北京工业大学 | 一种多自由度振动平台协同模拟检测方法及检测系统 |
IT202100020504A1 (it) * | 2021-07-30 | 2023-01-30 | St Microelectronics Srl | Giroscopio mems avente una migliorata reiezione all'errore di quadratura |
JP2023066598A (ja) * | 2021-10-29 | 2023-05-16 | セイコーエプソン株式会社 | 物理量センサー及び慣性計測装置 |
JP2023066602A (ja) * | 2021-10-29 | 2023-05-16 | セイコーエプソン株式会社 | 物理量センサー及び慣性計測装置 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6250156B1 (en) * | 1996-05-31 | 2001-06-26 | The Regents Of The University Of California | Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope |
US6848304B2 (en) * | 2003-04-28 | 2005-02-01 | Analog Devices, Inc. | Six degree-of-freedom micro-machined multi-sensor |
US7444868B2 (en) * | 2006-06-29 | 2008-11-04 | Honeywell International Inc. | Force rebalancing for MEMS inertial sensors using time-varying voltages |
US20100071467A1 (en) * | 2008-09-24 | 2010-03-25 | Invensense | Integrated multiaxis motion sensor |
US8427249B1 (en) * | 2011-10-19 | 2013-04-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Resonator with reduced acceleration sensitivity and phase noise using time domain switch |
US8683862B2 (en) * | 2011-11-03 | 2014-04-01 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Oscillation apparatus with atomic-layer proximity switch |
US8650955B2 (en) * | 2012-01-18 | 2014-02-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Time domain switched gyroscope |
US8875576B2 (en) * | 2012-03-21 | 2014-11-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Apparatus and method for providing an in-plane inertial device with integrated clock |
US9194704B2 (en) * | 2013-03-13 | 2015-11-24 | Freescale Semiconductor, Inc. | Angular rate sensor having multiple axis sensing capability |
-
2016
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI816820B (zh) * | 2018-06-27 | 2023-10-01 | 德商羅伯特博斯奇股份有限公司 | 微機械構件和製造微機械構件的方法 |
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