TWI679406B - 用於轉換旋轉運動為線性運動之系統 - Google Patents

用於轉換旋轉運動為線性運動之系統 Download PDF

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Abstract

本發明揭示用於將旋轉運動轉換為線性運動之系統及方法。一種包括一旋轉驅動器之系統可係藉由包括一耦合彈簧之一第一結構連接至一校樣塊體。一錨定器可係藉由包括一驅動彈簧之一第二結構連接至該校樣塊體。該耦合彈簧及該驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞一第二軸旋轉時，引起該校樣塊體實質上沿一第一軸移動。

Description

用於轉換旋轉運動為線性運動之系統
單晶慣性感測器可含有回應於慣性擾動(諸如加速及旋轉)而移動之校樣塊體。一些慣性感測器含有在振盪中被驅動之校樣塊體。一線性驅動器可在線性振盪中驅動一校樣塊體，且一旋轉驅動器可在旋轉振盪中驅動一校樣塊體。對於在線性振盪中被驅動之校樣塊體，不與量測之主軸對準之運動之任何分量可減小感測器之信雜比。
相應地，本文描述用於將旋轉運動轉換為線性運動之系統及方法。一種系統可包含：一校樣塊體；一旋轉驅動器，其經組態以圍繞一z軸旋轉；及一第一結構，其將該旋轉驅動器連接至該校樣塊體。該第一結構可包含：一長軸，其自一第一錨定器穿至該校樣塊體且在該第一結構靜止時與一y軸對準，該y軸垂直於該z軸；及一耦合彈簧，其具有沿垂直於該長軸之一短軸之一勁度，該勁度不同於沿該長軸之一勁度。該系統可包含一第二結構，其包含具有沿該y軸之一勁度的一驅動彈簧，該勁度不同於沿垂直於該y軸及該z軸之一x軸之一勁度。該系統亦可包含藉由該第二結構連接至該校樣塊體之一第二錨定器。
該耦合彈簧及該驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該z軸旋轉 時引起該校樣塊體實質上沿該x軸移動。該耦合彈簧可經組態以在該旋轉驅動器旋轉時彎曲。
該校樣塊體之一質心可徑向上介於該驅動彈簧至該校樣塊體之一附接點與該耦合彈簧至該校樣塊體之一附接點之間。該驅動彈簧可對該校樣塊體施加實質上防止該校樣塊體圍繞該質心旋轉之一轉矩。
該第一結構可包含一臂。該耦合彈簧沿該短軸之勁度可實質上大於該耦合彈簧沿該長軸之勁度。該驅動彈簧沿該y軸之勁度可實質上大於該驅動彈簧沿該x軸之勁度。
該系統可包含連接至該校樣塊體及一第三錨定器之一第二驅動彈簧，該第二驅動彈簧具有沿該y軸之一勁度，該勁度不同於沿一x軸之一勁度。
該驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器依一第一旋轉向量圍繞該z軸旋轉時擴張及在該旋轉驅動器依與該第一旋轉向量相反之一第二旋轉向量圍繞該z軸旋轉時壓縮。
該第一結構可包含一驅動框架。該耦合彈簧沿該長軸之勁度可實質上大於該耦合彈簧沿該短軸之勁度。該驅動彈簧沿該y軸之勁度可實質上大於該驅動彈簧沿該x軸之勁度。
該校樣塊體可包含經組態以特徵化該校樣塊體沿該x軸之運動的一感測器。該感測器可包含一梳及/或一時域切換結構。該感測器可經組態以判定該系統沿該x軸之一加速度及/或該校樣塊體沿該x軸之一速度。
該系統可包含：一第二校樣塊體，其藉由包含一第二耦合彈簧之一第三結構連接至該旋轉驅動器；及一第三錨定器，其藉由包含一第二驅動彈簧之一第四結構連接至該第二校樣塊體。該第二耦合彈簧及該第二驅動 彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該z軸旋轉時引起該第二校樣塊體實質上沿該y軸移動。
該耦合彈簧可包含：一第一耦合接頭，其連接至該臂之一端；第一撓曲臂及第二撓曲臂，其等連接至該第一耦合接頭；及第一叉及第二叉，其等分別連接至該第一撓曲臂及該第二撓曲臂。該系統可包含：第三撓曲臂及第四撓曲臂，其等分別連接至該第一叉及該第二叉；及一第二耦合接頭，其連接至該第三撓曲臂及該第四撓曲臂及該校樣塊體。
該驅動彈簧可包含：一錨定叉，其連接至該第二錨定器；一錨定臂，其連接至該錨定叉；及一第一驅動叉，其連接至該錨定臂。該驅動彈簧亦可包含：一驅動臂，其連接至該第一驅動叉；及一第二驅動叉，其連接至該驅動臂及該校樣塊體。
該第二驅動彈簧可包含：一第二錨定叉，其連接至該第三錨定器；一第二錨定臂，其連接至該第二錨定叉；及一第三驅動叉，其連接至該第二錨定臂。該第二驅動彈簧亦可包含：一第二驅動臂，其連接至該第三驅動叉；及一第四驅動叉，其連接至該第二驅動臂及該校樣塊體。
該耦合彈簧可包含：一驅動叉，其連接至該驅動框架；第一驅動臂及第二驅動臂，其等連接至該驅動叉；及第一中間叉及第二中間叉，其等分別連接至該第一驅動臂及該第二驅動臂。該耦合彈簧亦可包含：第一中間臂及第二中間臂，其等分別連接至該第一中間叉及該第二中間叉；及一第一從動叉，其連接至該第一中間臂及該第二中間臂。該耦合彈簧亦可包含：一從動臂，其連接至該第一從動叉；及一第二從動叉，其連接至該從動臂及該校樣塊體。
該耦合彈簧可包含：一第一耦合接頭，其連接至該驅動框架；第一 撓曲臂及第二撓曲臂，其等連接至該第一耦合接頭；及第一叉及第二叉，其等分別連接至該第一撓曲臂及該第二撓曲臂。該耦合彈簧亦可包含：第三撓曲臂及第四撓曲臂，其等分別連接至該第一叉及該第二叉；及一第二耦合接頭，其連接至該第三撓曲臂及該第四撓曲臂及該校樣塊體。
該驅動彈簧亦可包含：一錨定叉，其連接至該第二錨定器；一錨定臂，其連接至該錨定叉；及一第一驅動叉，其連接至該錨定臂。該驅動彈簧亦可包含：一驅動臂，其連接至該第一驅動叉；及一第二驅動叉，其連接至該驅動臂及該校樣塊體。
該系統亦可包含：一第二校樣塊體，其藉由包含一第二耦合彈簧之一第三結構連接至該旋轉驅動器；及一第三錨定器，其藉由包含一第二驅動彈簧之一第四結構連接至該第二校樣塊體。該第二耦合彈簧及該第二驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞第二軸旋轉時引起該第二校樣塊體實質上沿第三軸移動。
該系統可包含：一第三校樣塊體，其藉由包含一第三耦合彈簧之一第五結構連接至該旋轉驅動器；及一第四錨定器，其藉由包含一第三驅動彈簧之一第六結構連接至該第三校樣塊體。該第三耦合彈簧及該第三驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時引起該第三校樣塊體實質上沿第一軸移動。
該系統可包含：一第四校樣塊體，其藉由包含一第四耦合彈簧之一第七結構連接至該旋轉驅動器；及一第五錨定器，其藉由包含一第四驅動彈簧之一第八結構連接至該第四校樣塊體。該第四耦合彈簧及該第四驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時引起該第四校樣塊體實質上沿該第三軸移動。
該系統可包含：一第五校樣塊體，其藉由包含一第五耦合彈簧之一第九結構連接至該旋轉驅動器；及一第六錨定器，其藉由包含一第五驅動彈簧之一第十結構連接至該第五校樣塊體。該第五耦合彈簧及該第五驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時引起該第五校樣塊體實質上沿一第四軸移動，該第四軸垂直於該第二軸。
該系統可包含：一第六校樣塊體，其藉由包含一第六耦合彈簧之一第十一結構連接至該旋轉驅動器；及一第七錨定器，其藉由包含一第六驅動彈簧之一第十二結構連接至該第六校樣塊體。該第六耦合彈簧及該第六驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時引起該第六校樣塊體實質上沿該第四軸移動。
該系統可包含：一第七校樣塊體，其藉由包含一第七耦合彈簧之一第十三結構連接至該旋轉驅動器；及一第八錨定器，其藉由包含一第七驅動彈簧之一第十四結構連接至該第七校樣塊體。該系統亦可包含：一第八校樣塊體，其藉由包含一第八耦合彈簧之一第十五結構連接至該旋轉驅動器；及一第九錨定器，其藉由包含一第八驅動彈簧之一第十六結構連接至該第八校樣塊體。該第七耦合彈簧及該第七驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時引起該第七校樣塊體實質上沿一第五軸移動，該第五軸垂直於該第二軸及該第四軸。此外，該第八耦合彈簧及該第八驅動彈簧可經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時引起該第八校樣塊體實質上沿該第五軸移動。
100‧‧‧慣性感測器/系統
101‧‧‧關注區域
102‧‧‧中央錨定器/輸入慣性參數
104‧‧‧驅動梳
106‧‧‧陀螺儀子總成
108‧‧‧時域切換(TDS)子總成
110‧‧‧陀螺儀子總成
112‧‧‧陀螺儀子總成
114‧‧‧陀螺儀子總成
116‧‧‧TDS子總成
118‧‧‧陀螺儀子總成
120‧‧‧陀螺儀子總成
122‧‧‧座標系
203‧‧‧驅動叉
205‧‧‧驅動臂
207‧‧‧驅動叉
209‧‧‧錨定臂
211‧‧‧錨定叉
213‧‧‧錨定器
215‧‧‧驅動叉
217‧‧‧驅動臂
219‧‧‧驅動叉
221‧‧‧錨定臂
223‧‧‧錨定叉
224‧‧‧旋轉彈簧
225‧‧‧驅動彈簧
226‧‧‧臂
227‧‧‧驅動彈簧
228‧‧‧耦合彈簧
229‧‧‧圓形框架
230‧‧‧錨定器
231‧‧‧錨定器
232‧‧‧梳狀感測器
234‧‧‧梳狀感測器
235‧‧‧TDS結構
236‧‧‧可移動樑
238‧‧‧齒
240‧‧‧齒
242‧‧‧固定樑
244‧‧‧固定元件
246‧‧‧校樣塊體
248‧‧‧質心
350‧‧‧關注區域
448‧‧‧耦合接頭
450‧‧‧撓曲臂
452‧‧‧撓曲臂
454‧‧‧叉
456‧‧‧叉
458‧‧‧撓曲臂
460‧‧‧撓曲臂
462‧‧‧耦合接頭
600‧‧‧慣性感測器
601‧‧‧關注區域
602‧‧‧中央錨定器
604‧‧‧旋轉彈簧
605‧‧‧驅動框架
606‧‧‧陀螺儀子總成
608‧‧‧陀螺儀子總成
609‧‧‧校樣塊體
610‧‧‧陀螺儀子總成
611‧‧‧校樣塊體
612‧‧‧陀螺儀子總成
613‧‧‧校樣塊體
614‧‧‧TDS結構
616‧‧‧驅動梳
618‧‧‧驅動梳
620‧‧‧驅動梳
622‧‧‧座標系
624‧‧‧驅動梳
626‧‧‧驅動梳
628‧‧‧驅動梳
630‧‧‧驅動梳
632‧‧‧驅動梳
634‧‧‧驅動感測梳
636‧‧‧驅動感測梳
638‧‧‧驅動感測梳
640‧‧‧驅動感測梳
742‧‧‧耦合彈簧
744‧‧‧耦合彈簧
746‧‧‧驅動彈簧
748‧‧‧驅動彈簧
750‧‧‧驅動彈簧
752‧‧‧驅動彈簧
754‧‧‧錨定器
756‧‧‧固定齒
758‧‧‧可移動齒
954‧‧‧錨定器
956‧‧‧錨定叉
958‧‧‧錨定臂
960‧‧‧中間叉
962‧‧‧驅動臂
964‧‧‧驅動框架
965‧‧‧驅動叉
966‧‧‧校樣塊體
968‧‧‧感測梳
970‧‧‧錨定器
1172‧‧‧驅動叉
1174‧‧‧驅動臂
1176‧‧‧驅動臂
1178‧‧‧中間叉
1180‧‧‧中間叉
1182‧‧‧中間臂
1184‧‧‧中間臂
1186‧‧‧從動叉
1188‧‧‧從動臂
1190‧‧‧從動叉
1300‧‧‧慣性感測器
1302‧‧‧中央錨定器
1304‧‧‧旋轉彈簧
1305‧‧‧驅動框架
1306‧‧‧陀螺儀子總成
1307‧‧‧外緣
1308‧‧‧陀螺儀子總成
1310‧‧‧陀螺儀子總成
1312‧‧‧陀螺儀子總成
1314‧‧‧TDS結構/驅動彈簧
1316‧‧‧驅動彈簧
1318‧‧‧耦合彈簧
1322‧‧‧座標系
1520‧‧‧驅動框架
1524‧‧‧彈簧
1526‧‧‧彈簧
1528‧‧‧錨定器
1630‧‧‧耦合連桿
1632‧‧‧撓曲臂
1634‧‧‧撓曲臂
1636‧‧‧叉
1638‧‧‧叉
1640‧‧‧撓曲臂
1642‧‧‧撓曲臂
1644‧‧‧耦合連桿
1648‧‧‧驅動臂
1650‧‧‧驅動臂
1652‧‧‧叉
1654‧‧‧叉
1656‧‧‧錨定臂
1658‧‧‧錨定臂
1700‧‧‧視圖
1701‧‧‧移動軸
1702‧‧‧可移動元件
1704‧‧‧固定元件
1706a‧‧‧樑
1706b‧‧‧樑
1706c‧‧‧樑
1708a‧‧‧樑
1708b‧‧‧樑
1710a‧‧‧齒
1710b‧‧‧齒
1710c‧‧‧齒
1712a‧‧‧齒
1712b‧‧‧齒
1712c‧‧‧齒
1730‧‧‧視圖
1732‧‧‧距離W0
1740‧‧‧矩形
1760‧‧‧視圖
1762‧‧‧節距
1764‧‧‧齒間隙
1766‧‧‧線寬
1768‧‧‧波紋深度
1800‧‧‧慣性感測器/慣性裝置
1801‧‧‧外部擾動
1802‧‧‧元件
1804‧‧‧元件
1806‧‧‧元件
1808‧‧‧信號處理模組
1810‧‧‧驅動信號
1812‧‧‧矩形波形
1814‧‧‧參考位準
1816‧‧‧參考位準
1818‧‧‧位移
1900‧‧‧圖式
1902‧‧‧跨阻抗放大器(TIA)輸出曲線/信號/TIA輸出
1904‧‧‧位移曲線
1906‧‧‧加速度曲線
1908‧‧‧+d0位置
1910‧‧‧+d0/2位置
1912‧‧‧零位移
1914‧‧‧-d0/2位移
1916‧‧‧-d0位移
1918‧‧‧時間
1920‧‧‧時間
1922‧‧‧時間
1924‧‧‧時間
1926‧‧‧時間
1928‧‧‧時間
1930‧‧‧時間
2000‧‧‧圖式
2002‧‧‧TIA輸出曲線/TIA輸出信號
2004‧‧‧位移曲線
2006‧‧‧輸入加速度曲線
2008‧‧‧+d0位置
2010‧‧‧+d0/2位置
2012‧‧‧0位置
2014‧‧‧-d0/2位置
2016‧‧‧-d0位置
2020‧‧‧最大位移交叉
2022‧‧‧最小位移交叉
2100‧‧‧圖式
2102‧‧‧電流曲線/電流信號
2104‧‧‧位移曲線
2108‧‧‧+d0位準
2112‧‧‧零位準
2116‧‧‧-d0位準
2124‧‧‧時間
2126‧‧‧時間
2128‧‧‧時間
2130‧‧‧時間
2132‧‧‧時間間隔T43
2134‧‧‧週期T61
2200‧‧‧圖式
2236‧‧‧矩形波形曲線
2300‧‧‧圖式
2336‧‧‧時間
2338‧‧‧時間
2340‧‧‧時間間隔T94
2342‧‧‧時間間隔T36
2402‧‧‧電容曲線
2502‧‧‧dC/dx曲線
2602‧‧‧d2C/dx2曲線
2702‧‧‧dI/dt曲線
2800‧‧‧方法
2802‧‧‧步驟
2804‧‧‧步驟
2806‧‧‧步驟
2808‧‧‧步驟
2810‧‧‧步驟
2814‧‧‧步驟
2816‧‧‧步驟
2900‧‧‧方法
2902‧‧‧步驟
2904‧‧‧步驟
2906‧‧‧步驟
2908‧‧‧步驟
2910‧‧‧步驟
2912‧‧‧步驟
2914‧‧‧步驟
2916‧‧‧步驟
2918‧‧‧步驟
2920‧‧‧步驟
2922‧‧‧步驟
2924‧‧‧步驟
3000‧‧‧方法
3002‧‧‧步驟
3004‧‧‧步驟
3006‧‧‧步驟
3008‧‧‧步驟
3010‧‧‧步驟
3012‧‧‧步驟
3014‧‧‧步驟
圖1描繪根據一繪示性實施方案之包括將旋轉運動轉換為線性運動之彈簧系統之一慣性感測器； 圖2描繪根據一繪示性實施方案之圖1中所描繪之一關注區域之一放大圖，其中一時域切換子總成在一順時針方向上自其中立位置位移；圖3描繪根據一繪示性實施方案之一驅動梳已使臂自其中立位置逆時針旋轉時之圖1中所展示之慣性感測器；圖4描繪根據一繪示性實施方案之一耦合彈簧之一放大圖；圖5描繪根據一繪示性實施方案之使一臂自其中立位置順時針旋轉時之圖4中所展示之耦合彈簧；圖6描繪根據一繪示性實施方案之具有將旋轉運動轉換為線性運動之彈簧之一慣性感測器；圖7描繪根據一繪示性實施方案之圖6中所展示之一關注區域之一放大圖；圖8描繪根據一繪示性實施方案之驅動梳已引起一驅動框架圍繞慣性感測器之z軸逆時針旋轉時之圖6中所展示之慣性感測器；圖9描繪根據一繪示性實施方案之驅動梳已使驅動框架圍繞z軸逆時針旋轉時之一驅動彈簧之一放大圖；圖10描繪根據一繪示性實施方案之驅動梳已使驅動框架自其中立位置圍繞z軸順時針旋轉時之圖9中所展示之驅動彈簧；圖11描繪根據一繪示性實施方案之驅動梳已使驅動框架圍繞z軸逆時針旋轉時之圖6中所展示之慣性感測器之一耦合彈簧；圖12描繪根據一繪示性實施方案之驅動梳已使驅動框架自其中立位置圍繞z軸順時針旋轉時之圖11中所展示之耦合彈簧；圖13描繪根據一繪示性實施方案之具有將旋轉運動轉換為線性運動之彈簧之一慣性感測器； 圖14描繪根據一繪示性實施方案之驅動梳已使一驅動框架自其中立位置圍繞慣性感測器之z軸逆時針旋轉時之圖13中所展示之慣性感測器；圖15描繪根據一繪示性實施方案之一驅動框架處於其中立位置中時之圖13中所展示之慣性感測器之一陀螺儀子總成之一放大圖；圖16描繪根據一繪示性實施方案之驅動梳已使驅動框架自其中立位置圍繞慣性感測器之z軸逆時針旋轉時之圖15中所展示之陀螺儀子總成之一視圖；圖17描繪根據一繪示性實施方案之三個視圖，其等各展示一可移動元件及一固定元件之部分之一示意圖；圖18示意性地描繪根據一繪示性實施方案之用於自具有週期性幾何形狀之一慣性感測器提取慣性資訊之一例示性程序；圖19描繪根據一繪示性實施方案之一圖式，其表示源自一慣性感測器之類比信號與一慣性感測器之零交叉時間及位移的關聯性；圖20描繪根據一繪示性實施方案之一圖式，其展示一外部擾動一慣性感測器之輸入信號及輸出信號的影響；圖21描繪根據一繪示性實施方案之一圖式，其繪示對一振盪器位移之呈一電流形式之一回應；圖22描繪根據一繪示性實施方案之一圖式，其展示表示圖21中所描繪之電流信號之零交叉時間的一矩形波形及信號；圖23係根據一繪示性實施方案之一圖式，其繪示圖21中所描繪之位移曲線之額外時間間隔；圖24係根據一繪示性實施方案之一圖式，其描繪圖18中所描繪之慣性感測器之電容與圖17中所描繪之可移動元件之位移之間的關係； 圖25係根據一繪示性實施方案之一圖式，其描繪位移與電容相對於位移之一階導數之間的關係；圖26係根據一繪示性實施方案之一圖式，其描繪位移與電容相對於位移之二階導數之間的關係；圖27係根據一繪示性實施方案之一圖式，其描繪時間、電容電流之變化率及位移之間的關係；圖28描繪根據一繪示性實施方案之用於自一非線性週期性信號提取慣性參數之一方法之一流程圖；圖29描繪根據一繪示性實施方案之用於基於非線性週期性信號來判定兩個值之間的轉變時間之一方法；及圖30描繪根據一繪示性實施方案之用於自時間間隔運算慣性參數之一方法。
為提供本發明之一總體理解，現將描述特定繪示性實施方案，其包含用於將旋轉運動轉換為線性運動之系統及方法。
當使一垂直定向操縱桿圍繞一樞轉點旋轉時，遠離該樞轉點之該操縱桿之端依一弧形走線：其在一圓周方向上移動。當該操縱桿之遠端依弧形走線時，該遠端水平移動且亦在垂直方向上移動。本文所描述之彈簧機構實質上移除此垂直運動分量以將旋轉運動轉換為線性運動。
一些類型之感測器(諸如振動加速度計及柯氏(Coriolis)力振動陀螺儀)需要沿一軸線性振盪一校樣塊體。慣性參數(諸如加速度及旋轉)會影響振盪校樣塊體。在諸如振動加速度計之一些實例中，振盪歸因於一加速度而變得自中立點偏移。為感測沿多個軸作用之慣性參數，一慣性感測設 備需要沿多個軸振盪之校樣塊體。本文所描述之系統及方法將具有沿不同軸振盪之校樣塊體的多個感測器整合成由一單一旋轉驅動器驅動之一單一多軸裝置。此允許各校樣塊體之運動在頻率、相位及振幅上同步。
本文所描述之系統及方法可藉由將旋轉運動轉換為線性運動以允許需要線性校樣塊體運動之慣性感測器由一旋轉驅動器驅動來將具有校樣塊體之多個感測器整合成一單一多軸裝置。慣性感測器之頻率及相位係同步的，因為相同驅動系統致動慣性感測器之各者。
可藉由將慣性感測器放置於旋轉驅動器上之適當方位位置處來實現在正交線性方向上移動之感測器。慣性感測器之各者之振幅由其與旋轉驅動器之樞轉點的距離控制。因為所有慣性感測器由相同驅動器驅動，所以驅動電子器件之任何漂移將依相同方式影響慣性感測器之頻率、相位及振幅。同樣地，歸因於諸如溫度、機械應力或外力之其他因數，漂移亦將依相同方式影響所有慣性感測器。因為慣性感測器定位成在相同驅動框架上彼此相對靠近，所以機械應力(諸如封裝應力，其使慣性感測器之整體封裝變形)將趨向於引起慣性感測器之各種部分之間的略微相對運動。因此，一慣性感測器之驅動振幅與另一慣性感測器之驅動振幅的比率由所製造之慣性裝置之幾何形狀判定且通常不會因任何其他因數而改變。此導致具有含非常穩定振幅比及基本上相同之頻率及相位之感測器的一慣性裝置。因此，慣性裝置之慣性感測器在頻率、相位及振幅比上係機械同步的。
由驅動電子器件消耗之電力通常為由一振盪慣性裝置消耗之總電力之最大分率。對驅動電子器件供電所需之能量通常顯著大於使諧振器振盪所需之動能。因此，使用一單一振盪驅動器來驅動多個慣性感測器藉由減 少驅動電子器件之系統之數目來減少總電力消耗。此外，振盪慣性感測器通常不會連續振盪，而是僅在需要其輸出時振盪。此可發生於(例如)一使用者開始使用需要慣性感測之一行動裝置之一導航或虛擬實境應用程式時。因此，需要振盪諧振器頻繁起動及停止。起動一振盪諧振器需要依一封閉迴路方式調整諧振器之一驅動電壓，直至振盪之振幅增大至一所要設定點。取決於諧振器之品質因數及其他因數，振盪慣性裝置之起動時間可在自10毫秒至數秒之範圍內。當多個感測器由一單一旋轉驅動器驅動時，其等可被一致起動及停止。
慣性裝置中之彈簧可具有特定組態。在一些實例中，純粹藉由彈簧之幾何形狀來達成本文所描述之彈簧之調適勁度及柔度。在一些實例中，彈簧包括諸如摻雜或未摻雜矽之一均質各向同性材料。在其他實例中，彈簧之各種部分中之彈簧材料性質經調適以達成勁度及柔度之所要變動。
使用一旋轉驅動器驅動一校樣塊體可導致歸因於旋轉之校樣塊體之更多非線性運動。本文所描述之彈簧系統可藉由控制及最小化離軸運動來實質上線性化慣性感測器之校樣塊體之運動。彈簧系統可藉由包含在離軸方向上具有較高勁度之彈簧及/或藉由抗衡將寄生離軸運動為轉換軸上方向上之運動之彈簧來達成此目標。在一些實例中，校樣塊體之運動之剩餘離軸(旋轉)分量係軸上(線性)分量之100PPM。在一些實例中，離軸(旋轉)分量係低至軸上(線性)分量之10PPM或高至軸上(線性)分量之1000PPM。因此，對於位於一垂直定向臂上且圍繞原點旋轉且在x方向上具有一1微米振盪之一校樣塊體，該校樣塊體僅在y方向上移動1奈米(對應於1000PPM)、0.1奈米(對應於100PPM)或小至0.01奈米(對應於10PPM)。
圖1描繪包括將旋轉運動轉換為線性運動之彈簧系統之一慣性感測器 100。慣性感測器100包含一中央錨定器102及一驅動梳104。驅動梳104係一旋轉驅動器之一實例。圖1僅描繪驅動梳104之可移動部分，但驅動梳104亦包含圖中未展示之固定部分。慣性感測器100亦包含6個陀螺儀子總成106、110、112、114、118及120。另外，慣性感測器100包含時域切換(TDS)子總成108及116。圖1亦描繪具有與一u-v-z座標系共用一z軸及一原點之一x-y-z座標系的一座標系122。儘管為清楚起見，將座標系122描繪為自慣性感測器100偏移，但座標系122之原點定位於中央錨定器102之中心處。x軸及y軸彼此正交。u軸及v軸彼此正交且分別自x軸及y軸旋轉-45度。圖1亦描繪一關注區域101。
慣性感測器100包括三個層：含有圖1中所描繪之特徵之一裝置層、一底層(圖中未展示)及一蓋層(圖中未展示)。在一些實例中，底層及蓋層由不同於裝置層之晶圓製成。在一些實例中，裝置層之一或多個特徵可由含有底層及/或蓋層之晶圓製成。底層與蓋層之間的區域可處於低於大氣壓力之一壓力。在一些實例中，一吸氣材料(諸如鈦或鋁)經沈積以在製造慣性感測器後之一長時間段內維持減小壓力。
中央錨定器102錨定至底層及蓋層之一或兩者且係慣性感測器100之中心樞轉點。驅動梳104引起各自子總成圍繞中央錨定器102旋轉振盪。此振盪引起陀螺儀子總成106、110、114及118依一驅動速度移動。當使慣性感測器100旋轉時，與旋轉速率成比例之一柯氏力引起陀螺儀子總成106、110、114及118之校樣塊體偏轉。
陀螺儀子總成106、110、114及118提供用於圍繞x軸及y軸之旋轉之差動感測。此處及全文，可藉由簡單旋轉相關座標系來將參考x軸及y軸所描述之旋轉、加速度、位移及其他參數數學地變換為代以參考u軸及v軸， 且反之亦然。此變換可由信號處理電路執行。電容器電極(圖中未展示)定位於陀螺儀子總成106、110、114及118之各者之一各自校樣塊體上方或其下方。電容器電極可定位於一蓋層及/或一底層中。此等電容器電極回應於圍繞x軸、y軸或x-y平面中之另一軸旋轉而偵測各自校樣塊體在z方向上之運動。陀螺儀子總成112及120含有回應於圍繞z軸旋轉而徑向偏轉之校樣塊體。
TDS子總成108及116可用於量測驅動速度、沿u軸之加速度或兩者。對於任一量測，若子總成108及/或116純粹沿u軸振盪，則改良準確度。本文所描述之系統及方法將由驅動梳104賦予之旋轉運動轉換為沿u軸之線性運動。
在一些實例中，慣性感測器100不含一TDS結構(諸如TDS子總成108之TDS結構235，如參考圖2所進一步描述)，而是將一或多個驅動感測梳用於速度量測及驅動梳調節兩者。在一些實例中，慣性感測器100不包含驅動感測梳且將TDS結構(例如235)用於速度量測及驅動梳調節兩者。在一些實例中，慣性感測器100含有TDS結構(例如235)及驅動感測梳兩者且將TDS結構(例如235)用於驅動梳調節及將驅動感測梳用於速度量測。在一些實例中，慣性感測器100將TDS結構(例如235)用於速度量測及將驅動感測梳用於驅動梳調節。
圖2描繪來自圖1之關注區域101之一放大圖，其中TDS子總成108之一校樣塊體246自其中立位置在順時針方向上位移。校樣塊體246具有一質心248。質心248係校樣塊體246之各部分之質量加權位置向量加總為零之點。一物件之質心未必定位於該物件上或該物件內，且在圖2中，質心248其實不定位於校樣塊體246內。
圖2亦描繪一旋轉彈簧224及一臂226。旋轉彈簧224包括複數個近端及複數個遠端。近端連接至錨定點且遠端連接至一圓形框架229。臂226及複數個其他臂包括一近端及一遠端。臂226具有沿其長度運行之一長軸及垂直於該長軸且位於u-v平面中之一短軸。當臂靜止時，長軸與v軸對準且短軸與u軸對準。u軸垂直於z軸及v軸。臂226之近端連接至圓形框架229。旋轉彈簧224允許圓形框架及臂圍繞定位於中央錨定器102之中心處的z軸旋轉。當臂226圍繞z軸旋轉時，臂226之遠端依一弧形行進。若無本文所描述之彈簧系統之任何者，則校樣塊體246亦將依一弧形行進且因此將具有u及v運動分量。然而，本文所描述之彈簧系統之一或多者實質上消除v運動分量以導致校樣塊體246回應於由驅動梳104引起之旋轉而幾乎完全沿u軸移動。
臂226之遠端連接至一耦合彈簧228。耦合彈簧228透過一耦合接頭462將圓周運動(即，垂直於臂226之長軸之運動)傳輸至校樣塊體246。因為耦合彈簧228具有一開心(open center)，所以耦合彈簧228在徑向方向(即，平行於臂226之長軸之方向)上係柔性的。因為耦合彈簧228在圓周方向上係剛性的但在徑向方向上係柔性的，所以校樣塊體246隨臂226一起移動，但校樣塊體246與臂226之遠端之間的間隙會變動。
耦合彈簧228與一對驅動彈簧225及227合作，以將旋轉運動轉換為校樣塊體246之線性運動。驅動彈簧225包括一錨定叉211、一錨定臂209、一驅動叉207、一驅動臂205，及一驅動叉203。錨定臂209在錨定叉211處連接至一錨定器213。錨定器213錨定至底層及/或蓋層且不由驅動梳104移動。驅動臂205在驅動叉207處連接至錨定臂209。驅動臂205係在驅動叉203處連接至校樣塊體246。錨定臂209及驅動臂205在u方向上係柔性的， 但在v方向上係剛性的。因此，儘管錨定叉211與驅動叉203之間之沿u軸的距離會變動，但兩個叉之間之沿v軸的距離不變動。
驅動彈簧227之結構係驅動彈簧225之結構之一鏡像，且包括一驅動叉215、一驅動臂217、一驅動叉219、一錨定臂221，及一錨定叉223。驅動彈簧227在u方向上係柔性的，但在v方向上係剛性的。因此，驅動叉215及錨定叉223可在u方向上彼此相對移動，但無法在v方向上彼此相對移動。驅動臂205及217及錨定臂209及221在u方向上係柔性的，但在v方向及z方向上係勁性的，此係因為其等在u上之尺寸遠小於其等在v及z上之尺寸。因為驅動彈簧225及227不是完美彈簧，所以其等不是完全剛性的，且因此具有有限勁度。因此，驅動彈簧225及227允許校樣塊體246在u方向上稍微運動。然而，儘管驅動彈簧225及227在u方向上係柔性的，但其等在v方向上係勁性的，使得校樣塊體246在v方向上之運動係小量的。因此，耦合彈簧228及驅動彈簧225及227將圍繞z軸的旋轉運動轉換為校樣塊體246實質上沿u軸的線性運動。
本文所描述之彈簧系統(例如驅動彈簧225及227及耦合彈簧228)亦可透過動態效應，將旋轉運動轉換為線性運動。因為質心248係定位於不同於驅動彈簧至校樣塊體246之連接點之距中央錨定器102一半徑處，所以發生動態效應。對於TDS子總成108，驅動彈簧225及227在驅動叉203及215處經附接至校樣塊體246。驅動梳104對臂226及耦合彈簧228施加圍繞中央錨定器102之一轉矩。接著，耦合彈簧228對校樣塊體246施加在+u方向上且透過耦合接頭462作用之一力。可將此力分解成圍繞質心248之一分解轉矩，及透過質心248作用之一分解力。因此，若驅動梳104施加一順時針轉矩，且臂226圍繞中央錨定器102順時針旋轉，則分解轉矩係逆 時針的，且將趨向於使校樣塊體246圍繞質心248逆時針旋轉。質心248之半徑大於耦合接頭462之半徑且小於驅動叉203及215之各自半徑(其中相對於中央錨定器102量測半徑)。然而，因為質心248係徑向上介於耦合接頭462與驅動叉203及215之間，所以驅動叉203及215施加順時針圍繞質心248之一反轉矩。
此反轉矩趨向於使校樣塊體246圍繞質心248順時針旋轉，以因此抵消分解轉矩使校樣塊體246圍繞質心248逆時針旋轉之趨勢。將針對由驅動梳104施加於臂226上之逆時針轉矩，使分解轉矩及反轉矩之方向反向。TDS子總成108之性質會影響分解轉矩及反轉矩之量值。影響此等量值之一些性質包含校樣塊體246之質量、質心248之位置(特定言之，相距於中央錨定器102之徑向距離)、驅動叉203及215之位置(特定言之，相距於中央錨定器102之徑向距離)、驅動彈簧225及227及耦合彈簧228之勁度，及耦合彈簧228之位置。藉由選擇此等及其他性質，使得反轉矩基本上或完全抵消分解轉矩，反轉矩實質上防止校樣塊體246圍繞質心248旋轉。因此，將圍繞z軸的旋轉運動轉換為校樣塊體246實質上沿u軸的運動。
圖2描繪驅動梳104已使臂226自其中立位置逆時針方向旋轉時之慣性感測器100(圖1)之關注區域101(圖1)。耦合彈簧228已將此旋轉之u分量傳輸至校樣塊體246。驅動彈簧225及227已允許校樣塊體246在+u方向上移動，同時防止其在v方向上移動。因為驅動彈簧225及227已防止校樣塊體246在v方向上移動，所以校樣塊體246與臂226之遠端之間的距離已增大。因為耦合彈簧228在v方向上係柔性的，所以校樣塊體246與臂226之遠端之間的距離會改變，同時仍傳輸u方向上之運動。因此，耦合彈簧 228及驅動彈簧225及227已將臂226之旋轉運動轉換為校樣塊體246之線性運動。
圖2亦描繪錨定器230及231及梳狀感測器232及234。錨定器230及231錨定至底層及/或蓋層且不相對於中央錨定器102移動。當校樣塊體246在u方向上移動時，梳狀感測器232及234經歷一電容變化。梳狀感測器232及234可特徵化校樣塊體246沿u軸之運動。在一些實例中，來自梳狀感測器232及234之輸出用於判定校樣塊體246在u方向上之速度。在其他實例中，來自梳狀感測器232及234之輸出用於調節由驅動梳104使臂226振盪之速度。在其他實例中，梳狀感測器232及234之一者之輸出用於調節封閉迴路回饋中之驅動梳104且梳狀感測器232及234之另一者之輸出用於判定校樣塊體246之u方向上之速度。
TDS子總成108包含經組態以特徵化校樣塊體246在u方向上之運動的一TDS結構235。TDS結構235包含一可移動樑236，其包括複數個相等間隔齒238。TDS結構235亦包含一固定元件244，其包括一固定樑242，固定樑242本身包括複數個齒240。固定元件244錨定至底層及/或蓋層且不相對於中央錨定器102移動。TDS結構235可產生用於判定校樣塊體246在u方向上之速度、校樣塊體246沿u方向之振盪之一偏移或兩者的非線性電容信號。參考圖17至圖30所描述之系統及方法可用於判定此速度及偏移。振盪之偏移與在u方向上作用於慣性感測器100之一加速度成比例。
圖3描繪驅動梳104已使臂226自其中立位置逆時針旋轉時之慣性感測器100(圖1)之關注區域101(圖1)。耦合彈簧228已將-u方向之運動傳輸至校樣塊體246。驅動彈簧225及227已允許校樣塊體246在-u方向上移動，同時防止其在v方向上移動。驅動彈簧225略微壓縮，而驅動彈簧227略微 擴張。因為校樣塊體246不在v方向上移動，所以耦合彈簧228在v方向上略微擴張以允許校樣塊體246與臂226之遠端之間的v距離變動。因此，耦合彈簧228及驅動彈簧225及227已將臂226之旋轉運動轉換為校樣塊體246之線性運動。圖3亦描繪一關注區域350。
圖4描繪關注區域350(圖3)之一放大圖，其詳細展示耦合彈簧228。耦合彈簧228包括一耦合接頭448、撓曲臂450、452、458及460、叉454及456及一耦合接頭462。耦合彈簧228在耦合接頭448處連接至臂226之遠端。耦合接頭448連接至撓曲臂450及452。撓曲臂458在叉454處連接至撓曲臂450。撓曲臂460在叉456處連接至撓曲臂452。撓曲臂458及460在耦合接頭462處連接至校樣塊體246。圖4描繪臂226處於其中立位置中時之耦合彈簧228。耦合彈簧228沿長軸(靜止時與v軸對準)係柔性的且沿短軸(靜止時與u軸對準)係勁性的。
圖5描繪一放大關注區域350(圖3)，且特定言之，使臂226自其中立位置順時針旋轉時之耦合彈簧228。耦合彈簧228已將此旋轉之u分量傳輸至校樣塊體246，同時防止校樣塊體246在v方向上移動。耦合彈簧228允許臂226之遠端與校樣塊體246之間的距離之v分量藉由在v方向上變形來增加。耦合彈簧228之此變形引起撓曲臂450、452、458及460彎曲。耦合彈簧228之此變形亦引起叉454移動靠近校樣塊體246，而叉456移動更遠。耦合彈簧228之幾何形狀經偏轉以導致此彎曲。此彎曲行為提供v方向上之柔性與u方向上之剛性的組合。相應地，當使臂226圍繞z軸旋轉時，耦合彈簧之幾何形狀允許校樣塊體246實質上僅在u方向上移動。
圖6描繪具有將旋轉運動轉換為線性運動之彈簧之一慣性感測器600。圖6亦描繪一關注區域601。慣性感測器600包含一中央錨定器602及 一旋轉彈簧604。慣性感測器600亦包含一旋轉驅動器，其包括32個驅動梳，其中8個在圖6中標記為驅動梳616、618、620、624、626、628、630及632。慣性感測器600包含12個驅動感測梳，其中4個在圖6中標記為驅動感測梳634、636、638及640。慣性感測器600包含藉由旋轉彈簧604連接至中央錨定器602之一驅動框架605。圖6亦描繪具有與一u-v-z座標系共用一z軸及一原點之一x-y-z座標系的一座標系622。儘管為清楚起見，將座標系622描繪為自慣性感測器600偏移，但座標系622之原點定位於中央錨定器602之中心處。x軸及y軸彼此正交。u軸及v軸彼此正交且分別自x軸及y軸旋轉-45度。
驅動梳(例如616、618、620、624、626、628、630及632)引起驅動框架605圍繞z軸旋轉。驅動感測梳(例如634、636、638及640)提供可用於驅動梳(例如616、618、620、624、626、628、630及632)之封閉迴路控制、驅動框架605之速度之量測或兩者的輸出信號。在一些實例中，一些驅動感測梳(例如634、636、638及640)用於封閉迴路控制且一些驅動感測梳用於量測驅動框架605之速度。慣性感測器600亦包含TDS結構614。TDS結構614產生用於量測驅動框架605之驅動速度的一非線性電容信號。可使用參考圖17至圖30所描述之系統及方法判定驅動框架605之驅動速度。
慣性感測器600包含陀螺儀子總成606、608、610及612。陀螺儀子總成606及610分別包含校樣塊體966及611，兩者經組態以在使慣性感測器600分別圍繞z軸及y軸旋轉時歸因於柯氏力而在y方向及z方向上偏轉。陀螺儀子總成608及612分別含有校樣塊體609及613，兩者經組態以在使慣性感測器600分別圍繞z軸及y軸旋轉時歸因於柯氏力而在x方向及z方向 上偏轉。
在一些實例中，慣性感測器600不含一TDS結構614或其他TDS結構且將驅動感測梳(例如634、636、638及640)用於速度量測及驅動梳調節兩者。在一些實例中，慣性感測器600不包含驅動感測梳(例如634、636、638及640)且將TDS結構(例如614)用於速度量測及驅動梳調節兩者。在一些實例中，慣性感測器600含有TDS結構614及/或其他TDS結構及驅動感測梳(例如634、636、638及640)兩者且將TDS結構614及/或其他TDS結構用於驅動梳調節及將驅動感測梳(例如634、636、638及640)用於速度量測。在一些實例中，慣性感測器600將TDS結構614及/或其他TDS結構用於速度量測及將驅動感測梳(例如634、636、638及640)用於驅動梳調節。
在一些實例中，慣性感測器600不具有一中央錨定器602。在此等實例中，驅動框架605在一外部位置處錨定至底層及/或蓋層。
圖7描繪關注區域601(圖6)之一放大圖。陀螺儀子總成606位於圖7之中心處。陀螺儀子總成606藉由耦合彈簧742及744及驅動彈簧746、748、750及752連接至驅動框架605。圖7中所描繪之驅動彈簧及耦合彈簧依類似於圖1至圖5中所描繪之驅動彈簧(例如225及227)及耦合彈簧(例如228)之一方式操作，但具有不同幾何形狀。與定位成自校樣塊體246(圖2)徑向向內之耦合彈簧228(圖2)相比，慣性感測器600之耦合彈簧742及744定位成周向相鄰於陀螺儀子總成606。耦合彈簧742及744在x方向上係剛性的但在y方向上係柔性的。因此，耦合彈簧742及744將來自驅動框架605之x方向上之運動轉移至陀螺儀子總成606，同時允許驅動框架605與陀螺儀子總成606之間在y方向上相對運動。驅動彈簧746、748、750及752在y 方向上係剛性的但在x方向上係柔性的。因為驅動彈簧746、748、750及752不是完美彈簧，所以其等不是完全剛性的且因此具有有限勁度。因此，驅動彈簧746、748、750及752允許陀螺儀子總成606在y方向上稍微運動。然而，驅動彈簧746、748、750及752在y方向上具有高勁度，使得陀螺儀子總成606在y方向上之運動係小量的。因此，驅動彈簧746、748、750及752允許陀螺儀子總成606在x方向上移動但實質上防止其在y方向上移動。相應地，具有適當調適幾何形狀、勁度及柔度之耦合彈簧742及744及驅動彈簧746、748、750及752之組合將驅動框架605圍繞z軸之旋轉運動轉換為陀螺儀子總成606實質上沿x軸之線性運動。
圖7亦描繪TDS結構614之細節。TDS結構614包含可移動齒758、固定齒756及一錨定器754。錨定器754錨定至底層及/或蓋層且不相對於中央錨定器602移動。因此，固定齒756亦不相對於中央錨定器602移動。可移動齒758連接至驅動框架605且隨其一起旋轉。當可移動齒758圍繞z軸旋轉時，固定齒756與可移動齒758之間的電容非線性地變動。可使用參考圖17至圖30所描述之系統及方法判定驅動框架605之速度。接著，驅動框架605之速度用於判定作用於慣性感測器600之旋轉速率。
圖8描繪驅動梳已引起驅動框架605圍繞z軸逆時針旋轉時之關注區域601(圖6)之一放大圖。耦合彈簧742及744將x方向上之運動傳輸至陀螺儀子總成606，同時允許陀螺儀子總成606與驅動框架605之間在y方向上相對運動。驅動彈簧746、748、750及752已防止陀螺儀子總成606與驅動框架605之間在y方向上進行任何相對運動，同時允許在x方向上相對運動。驅動彈簧746及748已略微閉合，而驅動彈簧750及752已略微打開。耦合彈簧742至驅動框架605之附接點在-y方向上自耦合彈簧742至陀螺儀子總 成606之附接點偏移。同樣地，耦合彈簧744至驅動框架605之附接點在+y方向上自耦合彈簧744至陀螺儀子總成606之附接點偏移。因為耦合彈簧742及744允許此偏移，所以其等允許在y方向上相對運動。因為耦合彈簧742及744及驅動彈簧746、748、750及752係對稱的，所以其等在驅動框架605順時針旋轉時對稱地運轉。
陀螺儀子總成606含有回應於慣性感測器600之旋轉而由一柯氏力偏轉之一校樣塊體966。當使慣性感測器600圍繞y軸旋轉時，一柯氏力引起校樣塊體966在z方向上偏轉。當使慣性感測器600圍繞z軸旋轉時，一柯氏力引起校樣塊體966在y方向上偏轉。
圖9描繪驅動梳(例如616、618、620、624、626、628、630及632)已使驅動框架605圍繞z軸逆時針旋轉時之陀螺儀子總成606之部分(且特定言之，驅動彈簧746)之一放大圖。圖9描繪錨定至底層及/或蓋層且不相對於中央錨定器602(圖6)移動之錨定器954及970。驅動彈簧746包含一錨定叉956、一錨定臂958、一中間叉960、一驅動臂962及一驅動叉965。錨定器954藉由錨定叉956連接至錨定臂958之近端。錨定臂958之遠端藉由中間叉960連接至驅動臂962之遠端。驅動臂962之近端藉由驅動叉965連接至陀螺儀子總成606之一驅動框架964。叉956、960及965撓曲以允許驅動框架964在-x方向上移動，但臂958及962係剛性的以實質上防止驅動框架964在y方向上移動。
圖9亦描繪一校樣塊體966及一感測梳968。感測梳968經組態以偵測校樣塊體966在y方向上之運動。
圖10描繪驅動梳(例如616、618、620、624、626、628、630及632)已使驅動框架605自其中立位置圍繞z軸順時針旋轉時之陀螺儀子總成606 之部分(且特定言之，驅動彈簧746)之一放大圖。叉956、960及965已撓曲以允許驅動彈簧746略微擴張。驅動彈簧746之此打開允許驅動框架964在x方向上移動。因為臂958及962係剛性的，所以驅動彈簧746防止驅動框架964在y方向上移動。相應地，驅動彈簧746允許陀螺儀子總成606在x方向上移動但實質上防止其在y方向上移動。
圖11描繪驅動梳已使驅動框架964圍繞z軸逆時針旋轉時之陀螺儀子總成606之部分(且特定言之，耦合彈簧742)之一放大圖。耦合彈簧742包含一驅動叉1172、驅動臂1174及1176、中間叉1178及1180、中間臂1182及1184、從動叉1186、從動臂1188及從動叉1190。驅動臂1174及1176之近端藉由驅動叉1172連接至驅動框架605。中間臂1182之遠端藉由中間叉1178連接至驅動臂1174之遠端。驅動臂1176之遠端藉由中間叉1180連接至中間臂1184之遠端。中間臂1182及1184之近端彼此連接且藉由從動叉1186連接至從動臂1188之近端。從動臂1188之遠端藉由從動叉1190連接至驅動框架964。當驅動框架605圍繞z軸旋轉時，叉1172、1178、1180、1186及1190撓曲以允許驅動框架605在y方向上相對於驅動框架964移動。臂1174、1176、1182、1184及1188在x方向上係剛性的以因此將驅動框架605之x旋轉分量傳輸至驅動框架964。因為允許驅動框架之間在y方向上相對運動，所以耦合彈簧742在y方向上係柔性的。因為耦合彈簧742(其將陀螺儀子總成606連接至驅動框架605)在y方向上係柔性的但在x方向上係剛性的，所以耦合彈簧742僅將驅動框架605之x旋轉分量傳輸至陀螺儀子總成606。耦合彈簧742及744(圖7至圖8)具有對稱幾何形狀。
圖12描繪驅動梳(例如616、618、620、624、626、628、630及632)已使驅動框架605自其中立位置圍繞z軸順時針旋轉時之陀螺儀子總成606 之部分(且特定言之，耦合彈簧742)之一放大圖。叉1172、1178、1180、1186及1190已撓曲以允許驅動叉1172在+y方向上相對於從動叉1190移動。從動叉1190不在y方向上移動，而當驅動框架605旋轉時，驅動叉1172之位置依以z軸為中心之一弧形移動。耦合彈簧742僅將沿此弧形之x運動分量傳輸至驅動框架964及陀螺儀子總成606。相應地，耦合彈簧742連同耦合彈簧744及驅動彈簧746、748、750及752將驅動框架605圍繞z軸之旋轉運動轉換為陀螺儀子總成606沿x軸之線性運動。
圖13描繪具有將旋轉運動轉換為線性運動之彈簧之一慣性感測器1300。慣性感測器1300包含一中央錨定器1302，其錨定至圖13中所描繪之慣性感測器1300之一裝置層下方之底層(圖中未展示)及/或蓋層(圖中未展示)。慣性感測器1300包含藉由一旋轉彈簧1304連接至中央錨定器1302之一驅動框架1305。慣性感測器1300包含一旋轉驅動器，其包括引起驅動框架1305圍繞z軸旋轉振盪之複數個驅動梳(圖中未展示)。圖13亦描繪具有與一u-v-z座標系共用一z軸及一原點之一x-y-z座標系的一座標系1322。儘管為清楚起見，將座標系1322描繪為自慣性感測器1300偏移，但座標系1322之原點定位於中央錨定器1302之中心處。x軸及y軸彼此正交。u軸及v軸彼此正交且分別自x軸及y軸旋轉-45度。慣性感測器1300包含TDS結構1314(圖中僅展示其之部分)及驅動感測梳(圖中未展示)以量測驅動框架1305之速度及調節封閉迴路控制中之驅動梳。可使用參考圖17至圖30所描述之系統及方法判定驅動框架1305之運動之速度及振幅。
在一些實例中，慣性感測器1300不含一TDS結構且將驅動感測梳用於速度量測及驅動梳調節兩者。在一些實例中，慣性感測器1300不包含驅動感測梳且將TDS結構用於速度量測及驅動梳調節兩者。在一些實例 中，慣性感測器1300含有TDS結構及驅動感測梳兩者且將TDS結構用於驅動梳調節及將驅動感測梳用於速度量測。在一些實例中，慣性感測器1300將TDS結構用於速度量測及將驅動感測梳用於驅動梳調節。
在一些實例中，慣性感測器1300不具有一中央錨定器1302。在此等實例中，驅動框架在一外部位置處錨定至底層及/或蓋層。
慣性感測器1300包含陀螺儀子總成1306、1308、1310及1312。當使慣性感測器1300圍繞x軸旋轉時，一柯氏力引起陀螺儀子總成1308及1312之校樣塊體在z方向上偏轉。當使慣性感測器1300圍繞z軸旋轉時，一柯氏力引起陀螺儀子總成1306及1310之校樣塊體在y方向上偏轉且陀螺儀子總成1308及1312之校樣塊體在x方向上偏轉。當使慣性感測器1300圍繞y軸旋轉時，一柯氏力引起陀螺儀子總成1306及1310之校樣塊體在z方向上偏轉。安裝於圖13中所描繪之裝置層上方或其下方之電極(圖中未展示)偵測陀螺儀子總成1306、1308、1310及1312之校樣塊體在z方向上之偏轉。此等電極藉由量測一電容變化來量測各自偏轉。錨定至底層及/或蓋層但延伸至裝置層中之電極(圖中未展示)藉由量測一電容變化來量測陀螺儀子總成1306、1308、1310及1312之校樣塊體在x-y平面中之偏轉。慣性感測器1300亦包含經組態以量測陀螺儀子總成1308及1312之校樣塊體沿y軸之運動的TDS結構(圖中未展示)。由TDS結構量測之運動可用於計算驅動框架1305之速度、慣性感測器1300在y方向上之加速度或兩者。
慣性感測器1300包含4個耦合彈簧，其等之一者係一耦合彈簧1318。與慣性感測器100之耦合彈簧228及慣性感測器600之耦合彈簧742及744相比，耦合彈簧1318定位成自陀螺儀子總成1306徑向向外。慣性感測器1300亦包含8個驅動彈簧，其等之兩者係驅動彈簧1314及1316。
圖14描繪驅動梳已使驅動框架1305自其中立位置圍繞z軸逆時針旋轉時之慣性感測器1300。驅動彈簧及耦合彈簧已將驅動框架1305之此旋轉運動轉換為陀螺儀子總成1306在-x方向上之線性運動、陀螺儀子總成1310在+x方向上之線性運動、陀螺儀子總成1308在+y方向上之線性運動及陀螺儀子總成1312在-y方向上之線性運動。
圖15描繪驅動框架1305處於其中立位置中時之陀螺儀子總成1306之一放大圖。圖15描繪錨定至底層(圖中未展示)及/或蓋層(圖中未展示)且不相對於中央錨定器1302移動之一錨定器1528。錨定器1528連接至驅動彈簧1314及1316。驅動彈簧1314及1316具有類似於驅動彈簧225(圖2)、227(圖2)、746(圖7)、748(圖7)、750(圖7)及752(圖7)之一幾何形狀且依類似於驅動彈簧225(圖2)、227(圖2)、746(圖7)、748(圖7)、750(圖7)及752(圖7)之一方式運作。耦合彈簧1318連接至驅動框架1305之一外緣1307。外緣1307剛性地連接至驅動框架1305且隨其一起旋轉。耦合彈簧1318具有類似於耦合彈簧228(圖2)之一幾何形狀且依類似於耦合彈簧228(圖2)之一方式運作。圖15亦描繪允許陀螺儀子總成1306之一校樣塊體在z方向上偏轉之彈簧1524及1526。
圖16描繪驅動梳已使驅動框架1305自其中立位置逆時針旋轉時之陀螺儀子總成1306之一放大圖。圖16亦描繪陀螺儀子總成1306之一驅動框架1520。驅動框架1520接收由耦合彈簧1318傳輸之x方向上之運動且將該x運動傳輸至陀螺儀子總成1306之一校樣塊體。耦合彈簧1318包含耦合連桿1630及1644、撓曲臂1632、1634、1640及1642及叉1636及1638。耦合連桿1630之遠端連接至驅動框架1305之外緣1307。耦合連桿1630之近端連接至撓曲臂1632及1634。撓曲臂1632及1640之左端由叉1636連接，且 撓曲臂1634及1642之右端由叉1638連接。撓曲臂1640之右端及撓曲臂1642之左端藉由耦合連桿1644連接至驅動框架1520。因為使驅動框架1305自其中立位置旋轉，所以撓曲臂1632、1634、1640及1642略微彎曲以允許耦合連桿1630與1644之間在y方向上相對運動，同時藉由耦合連桿1644將旋轉之x分量傳輸至驅動框架1520。
驅動彈簧1314包含一錨定臂1656、一叉1652及一驅動臂1648。驅動彈簧1316包含一錨定臂1658、一叉1654及一驅動臂1650。錨定臂1656及1658之各自近端連接至錨定器1528。錨定臂1656之遠端藉由叉1652連接至驅動臂1648之遠端。同樣地，錨定臂1658之遠端藉由叉1654連接至驅動臂1650之遠端。驅動臂1648及1650之近端藉由各自叉連接至驅動框架1520。
驅動彈簧1314及1316在y方向上係勁性的，但在x方向上係柔性的。因此，當耦合彈簧1318將旋轉之x分量傳輸至驅動框架1520時，驅動彈簧1314及1316防止驅動框架1520在y方向上移動。當驅動框架1305逆時針旋轉時，叉1652撓曲以允許驅動彈簧1314略微閉合且叉1654撓曲，以允許驅動彈簧1316略微打開。此撓曲、打開及閉合允許驅動框架1520在x方向上移動。因為驅動彈簧1314及1316不是完美彈簧，所以其等不是完全剛性的，且因此具有有限勁度。因此，驅動彈簧1314及1316允許驅動框架1520在y方向上稍微運動。然而，驅動彈簧1314及1316在y方向上具有高勁度，使得驅動框架1520在y方向上之運動係小量的。由於耦合彈簧1318及驅動彈簧1314及1316之幾何形狀、勁度及柔度，慣性感測器1300將驅動框架1305的旋轉運動轉換為陀螺儀子總成1306實質上沿x軸的線性運動。
圖17描繪各展示一可移動元件1702及一固定元件1704之部分之一示意圖的三個視圖1700、1730及1760。本文所描述之TDS結構可包含可移動元件1702及固定元件1704。TDS結構之振盪塊體可包含可移動元件1702。圖17中所描繪之可移動元件1702及固定元件1704各包含複數個結構或樑。特定言之，固定元件1704包含樑1706a、1706b及1706c(統稱為樑1706)。圖17中所描繪之可移動元件1702包含樑1708a及1708b(統稱為樑1708)。可移動元件1702與固定元件1704間隔一距離W0 1732。距離W0 1732可隨可移動元件1702相對於固定元件1704振盪而改變。距離W0 1732影響可移動元件1702與固定元件1704之間的寄生電容。距離W0 1732經選擇以最小化可移動元件1702處於靜止位置時的寄生電容，同時維持感測器的可製造性。視圖1760描繪由視圖1730之矩形1740標註之一關注區域。圖17描繪在平行樑上具有齒之TDS結構之一實例。在其他實例中，TDS結構包含其他幾何形狀上之齒。然而，參考圖17至圖30所描述之相同一般原理適用於具有其他幾何形狀之TDS結構。
樑1706及1708之各者包含垂直於樑之長軸突出的多個子結構或齒。樑1706b包含齒1710a、1710b及1710c(統稱為齒1710)。樑1708b包含齒1712a、1712b及1712c(統稱為齒1712)。一樑上之相鄰齒根據一節距1762相等間隔。齒1710及1712之各者具有由線寬1766界定之一寬度及由一波紋深度1768界定之一深度。對置齒間隔一齒間隙1764。當可移動樑1708b相對於固定樑1706b沿移動軸1701振盪時，齒間隙1764保持不變。在一些實例中，製造缺陷引起齒間隔與節距1762出現偏差。然而，若與節距1762之偏差係可忽略的，則偏差不顯著影響感測器之操作，且對本發明而言可忽略。
一電容存在於固定樑1706b與可移動樑1708b之間。當可移動樑1708b相對於固定樑1706b沿移動軸1701振盪時，電容改變。電容在齒1710及1712之對置齒彼此對準時增大，且在對置齒變得彼此不對準時減小。在視圖1760所描繪之位置中，電容處於一最大值，且齒1710處於相對於齒1712之一對準位置中。當可移動樑沿移動軸1701單調移動時，電容非單調改變，此係因為電容之一最大值出現於齒1710及1712處於一對準位置中時。
電容可退化，其意謂：電容之相同值可出現於可移動樑1708b之不同位移處。當可移動樑1708b已自其靜止位置移動等於節距1762之一距離時，電容相同於可移動樑1708b處於靜止位置中時之電容。
圖18示意性地描繪用於自具有週期性幾何形狀之一慣性感測器提取慣性資訊之一例示性程序。圖18包含經歷一外部擾動1801之一慣性感測器1800。慣性感測器1800可包含系統100，且外部擾動1801可包含輸入慣性參數102。一驅動信號1810引起感測器1800之一可移動部分振盪。該可移動部分可為可移動元件1702。電連接至可移動元件1702及固定元件1704之一類比前端(AFE)量測可移動元件1702與固定元件1704之間的電容且基於該電容來輸出一信號。AFE可藉由量測一電容電流或一電荷來完成此量測及輸出。AFE輸出信號之零交叉出現於AFE輸出信號瞬間具有一零振幅時。來自慣性感測器1800之一輸出信號之零交叉產生於1802及1804處且在1806處組合成一組合信號。一信號處理模組1808處理組合類比信號以判定慣性資訊。一或多個程序可將組合類比信號轉換為一矩形波形1812。此可使用一比較器、藉由將類比信號放大至軌道或藉由其他方法來完成。
矩形波形1812包括具有高值及低值之一矩形脈衝流，其中高值與低值之間的轉變實質上不花時間。高值與低值之間的轉變對應於組合類比信號之零交叉。高值與低值之間的轉變及零交叉發生於可移動元件1702之一位移1818與參考位準1814及1816交叉時。參考位準1814及1816對應於感測器1800之可移動部分之實體位置。因為零交叉與特定實體位置相關聯，所以可獨立於漂移、蠕變及趨向於使慣性感測器之效能降級之其他因數而可靠地判定位移資訊。
圖19描繪表示源自慣性感測器1800之類比信號與慣性感測器之零交叉時間及位移之關聯性的一圖式1900。圖式1900表示源自一振盪器之信號，其中對置齒在靜止位置中係對準的。圖式1900包含曲線1902、1904及1906。曲線1902表示諸如一跨阻抗放大器(TIA)之一AFE之一輸出。由於一TIA輸出與其輸入電流成比例之一信號，所以曲線1902表示量測於一慣性裝置(諸如慣性裝置1800)之可移動元件與固定元件之間的一電容電流。曲線1906表示施加於慣性裝置1800之一輸入加速度。由曲線1906表示之輸入加速度係20Hz處之一15g加速度。曲線1904表示慣性裝置1800之可移動元件振盪時之位移。
圖19包含方形記號，其指示曲線1902上之曲線1902與零位準之交叉點。電流中之此等零交叉表示慣性裝置之可移動元件與固定元件之間的電容之局部最大值或最小值(極值)，此係因為電容電流與電容之一階導數成比例。圖19包含圓形記號，其指示曲線1904上之對應於時間之曲線1902與零之交叉點。圓形記號指示振盪器之一可移動元件之實體位置與信號1902之輸出之零交叉時間之間的相關性。
在時間1918處，曲線1902與零交叉，因為振盪器之可移動元件之位 移處於一最大值且振盪器靜止，如由位移曲線1904所指示。此處，電容達到一局部極值，因為可移動元件具有一零速度，未必因為振盪器之齒或樑與對置齒或樑對準。在時間1920處，TIA輸出曲線1902與零交叉，因為振盪器位移到達+d0位置1908。+d0位置1908對應於等於節距距離之一正方向上之一位移且係對置齒或樑經對準以產生最大電容之一點。在時間1922處，TIA輸出曲線1902與零交叉，因為振盪器之可移動元件處於齒係反對準之一位置中。此發生於可移動元件1702(圖17)之齒處於與固定元件1704(圖17)之齒之間的間隙之中心對準的一位置中以導致電容之一最小值時。此電容最小值出現於一+d0/2位置1910處，+d0/2位置1910對應於等於節距距離之一半之正方向上之一位移。
在時間1924處，TIA輸出曲線1902與零交叉，因為可移動元件1702(圖17)之齒與固定元件1704(圖17)之齒對準以產生電容之一最大值。時間1924對應於可移動元件處於靜止位置(由曲線1904上之零位移1912指示)中之一時間。在時間1926處，TIA輸出1902與零交叉，因為可移動元件1702(圖17)之齒與固定元件1704(圖17)之齒反對準以產生電容之一局部最小值。此反對準發生於-d0/2位移1914處，-d0/2位移1914對應於負方向上之節距距離之一半之一位移。
在時間1928處，TIA輸出1902與零交叉，因為可移動元件1702(圖17)之齒在相對於固定元件1704(圖17)之齒之一對準位置中以產生電容之一局部最大值。電容之此局部最大值出現於-d0位移1916處，-d0位移1916對應於等於此距離之負方向上之一位移。在時間1930處，TIA輸出曲線1902與零交叉，因為可移動元件1702(圖17)在其使方向反轉時具有一零速度。此方向反轉由位移曲線1904繪示。如同在時間1918處，當可移動 元件具有一零速度時，電容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)係零。
圖20描繪展示一外部擾動對本文所描述之慣性感測器之輸入信號及輸出信號之影響的一圖式2000。圖式2000包含類似於TIA輸出曲線1902之TIA輸出曲線2002、類似於位移曲線1904之位移曲線2004及類似於輸入加速度曲線1906之輸入加速度曲線2006。圖20亦描繪類似於位置+d0 1908之位置+d0 2008、類似於位置+d0/2 1910之位置+d0/2 2010、類似於位置0 1912之位置0 2012、類似於位置-d0/2 1914之位置-d0/2 2014及類似於位置-d0 1916之位置-d0 2016。圖式2000描繪圖式1900中所描繪之相同信號，且唯一差異係圖式2000表示比圖式1900長之一持續時間。使用圖式2000中所顯示之一較長持續時間來更容易地辨別輸入加速度曲線2006之週期性。另外，可在圖式2000中辨別最大位移交叉2020及最小位移交叉2022經歷一類似週期性。與最大位移交叉2020及最小位移交叉2022(其振幅隨時間變動)相比，由位置+d0 2008、+d0/2 2010、0 2012、-d0/2 2014及-d0 2016處之固定元件1704(圖17)及可移動元件1702(圖17)之齒之對準或反對準觸發之TIA輸出信號2002之零交叉隨時間穩定。此等參考交叉(其振幅隨時間穩定)提供振盪器位移之穩定、漂移獨立式指示且可用於提取慣性參數。
圖21描繪繪示一電流對一振盪器位移之回應的一圖式2100。圖式2100包含一電流曲線2102及一位移曲線2104。電流曲線2102表示一TIA之一輸入信號。TIA可回應性地產生一輸出信號，諸如TIA輸出曲線1902或2002。電流曲線2102係根據位移曲線2104之回應於可移動樑1702(圖17)之位移之固定樑1704(圖17)與可移動元樑1702(圖17)之間的一電容電 流。電流曲線2102在諸多時間(其包含時間2124、2126、2128及2130)處與零交叉。在時間2124及2130處，可移動元件1702(圖17)具有-d0位移，如圖式2100中所展示。在時間2126及2128處，可移動元件1702(圖17)具有+d0位移，如圖式2100中所展示。
圖式2100包含兩個時間間隔T43 2132及T61 2134。時間間隔T43 2132對應於時間2126與時間2128之間的時間差。時間間隔T61 2134對應於時間2124與2130之間的時間差。因此，時間間隔T61 2134對應於-d0位準2116後續交叉之間的時間，且時間間隔T43 2132對應於+d0位準2108之後續交叉之間的時間間隔。用於判定時間間隔T43 2132及T61 2134之方法可用於判定其他時間間隔，諸如+d0位準2108之一交叉與-d0位準2116之下一後續交叉之間的時間間隔、-d0位準2116之一交叉與+d0位準2108之下一交叉之間的時間間隔、時間2130與+d0位準2108之下一交叉之間的時間間隔、零位準2112之交叉之間的時間間隔、歸因於位移之一最大值或最小值之零交叉之間的時間間隔或電流曲線2102或對應於電流曲線2102之一TIA輸出信號之零交叉之任何其他組合之間的時間間隔。
圖22描繪展示一矩形波形信號的一圖式2200，該矩形波形信號表示電流信號2102之零交叉時間。圖式2200包含一矩形波形曲線2236。矩形波形曲線2236具有實質上兩個值：一高值及一低值。儘管矩形波形曲線2236可在其轉變於高值與低值之間時具有中間值，但中間值處所花之時間遠小於高值及低值處所花之組合時間。
矩形波形曲線2236可藉由各種方法產生，該等方法包含使用一比較器偵測一輸入信號之變化、藉由將一輸入信號放大至一放大器之極限以使放大器飽和(放大至軌道)、藉由使用一類比轉數位轉換器及其類似者。自 電流曲線2102產生此矩形波形曲線2236之一方式係使用一比較器偵測電流曲線2102之零交叉。當電流曲線2102具有大於一參考位準(諸如零)之一值時，比較器輸出一高值，而當電流曲線2102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2102自一負值轉變成一正值時，比較器之輸出自低態轉變成高態，而當電流曲線2102自一正值轉變成一負值時，比較器之輸出自高態轉變成低態。因此，矩形波形曲線2236之上升邊緣之時間對應於電流曲線2102之負至正零交叉之時間，且矩形波形曲線2236之下降邊緣對應於電流曲線2102之正至負零交叉。
矩形波形曲線2236包含相同於電流曲線2102之時間間隔2132及2134。將電流曲線2102轉換為一矩形波形信號(諸如矩形波形曲線2236)之一益處係：在一矩形波形信號中，上升邊緣及下降邊緣較陡峭。陡峭上升及下降邊緣提供邊緣之時序之更準確解析且降低時序不確定性。另一益處係：矩形波形信號易於數位處理。
圖23描繪繪示位移曲線2104之額外時間間隔的一圖式2300。除圖式2100中所描繪之時間之外，圖式2300亦包含時間2336及2338。除圖式2100中所描繪之時間間隔之外，圖式2300亦包含時間間隔T94 2340及時間間隔T76 2342。時間間隔T94 2340對應於時間2128與2338(d0位準2108之兩個交叉)之間的時間間隔。時間間隔T76 2342對應於時間2130與2336(-d0位準2116之兩個交叉)之間的時間間隔。
如圖19中可見，由位移曲線1904展示之振盪器位移經歷與由加速度曲線1906指示之輸入加速度相關的一偏移。因此，偵測位移曲線2104之移位且因此偵測輸入加速度之一方式係比較零交叉時間之相對位置。例如，時間間隔T43 2132及T94 2340之一總和表示一振盪週期，時期T61 2134及T76 2342之一總和亦表示一振盪週期。在比較週期之一子集(諸如，比較時間間隔T43 2132與T43 2132及T94 2340之總和)時，T43 2132及T94 2340之總和表示振盪器在大於+d0 2108之一位移處花費之時間之比例。此比例自一參考比例增大指示大於參考之一正方向上之一加速度。同樣地，此比例自參考減小指示負方向上之一較大加速度。其他時間間隔可用於計算加速度之其他比例及變化。
在一些實例中，可執行使用本文所描述之系統及方法來整合矩形波形之部分以判定零交叉時間之相對位置且因此判定加速度、旋轉及/或速度。在其他實例中，可使用方程式1、2及3自圖23中所描繪之時間間隔判定一振盪器之位移。
Figure TWI679406B_D0001
P m1=T 61+T 76 (2)
P m2=T 43+T 94 (3)
可使用虎克(Hooke)定律將振盪器之位移轉換為一加速度。可針對振盪器之各半週期遞歸地計算振盪器之位移。使用此資訊，振盪器之位移可記錄為時間之一函數。此允許計算具有零點漂移及較低寬頻雜訊之外部擾動。
圖24描繪一慣性感測器(例如慣性感測器1800)之電容與一可移動元件(例如可移動元件1702)之位移之間的關係。圖24包含具週期性且實質上呈正弦之一電容曲線2402。因此，可移動元件1702(圖17)之單調運動產生隨位移非單調改變之一電容。此非單調性係感測器100之幾何結構及激發感測器100之方式的一函數。
圖25描繪位移與電容相對於位移之一階導數之間的關係。圖25包含 具週期性且實質上呈正弦之一dC/dx曲線2502。dC/dx曲線2502係電容曲線2402之一階導數。因而，當電容曲線2402經歷一局部極值時，dC/dx曲線2502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2502成比例且與dC/dx曲線2502共用零交叉。
圖26描繪位移與電容相對於位移之二階導數之間的關係。圖26包含一d2C/dx2曲線2602。d2C/dx2曲線2602係dC/dx曲線2502之一階導數且因而在dC/dx曲線2502之局部極值處具有一零值。d2C/dx2曲線2602指示dC/dx曲線2502之斜率且因此指示電流改變最快速之位置。在一些實施方案中，可期望最大化d2C/dx2曲線2602之振幅以最大化電流曲線之陡度。此降低解析電流之零交叉之時序的不確定性。降低零交叉時間之不確定性導致系統雜訊減少及抖動減少以及系統所需之增益降低。減少抖動導致外部擾動之解析度改良。在一些實施方案中，可期望最小化可變寄生電容(其係隨振盪器運動而變動之寄生電容)之影響。
圖27描繪時間、電容電流之變化率及位移之間的一關係。圖27包含一dI/dt曲線2702。藉由橫跨用於產生電容曲線2402之電容器施加一固定電壓來獲得用於判定dI/dt曲線2702之電容電流。dI/dt曲線2702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標。dI/dt信號之高量值指示快速改變電流及高電流斜率。由於用於產生圖24至圖27中所展示之曲線的振盪器圍繞零位移振盪且在位移+15μm及-15μm處使方向反轉，所以振盪器之速度在其位移極值處最低。在此等位移極值處，電流亦改變較慢且因此dI/dt曲線2702具有一較低量值。使用dI/dt曲線2702在該處具有大值之零交叉導致時序解析度改良及抖動減少。此等零交叉出現於振盪器之範圍之中心附近。
圖28描繪用於自一非線性週期性信號提取慣性參數之一方法2800之一流程圖。在2802中，接收一第一非線性週期性信號。在2804中，視情況接收一第二非線性週期性信號。第一非線性週期性信號及選用之第二非線性週期性信號可由圖1至圖16中所描繪之TDS結構之任何者產生且接收於經組態以自一或多個非線性週期性信號提取一慣性參數之信號處理電路處。
在2806中，視情況將第一非線性週期性信號及第二非線性週期性信號組合成一組合信號。此可由元件1806完成。若省略步驟2804及2806，則方法2800自2802直接前進至2808。
在2808中，由可包含一比較器及/或一高增益放大器之信號處理電路將信號轉換為一兩值信號。兩值信號可為實質上僅具有兩個值但可在兩個值之間快速轉變的一信號。此兩值信號可為一數位信號，諸如自一數位電路元件輸出之數位信號。在一些實例中，藉由使用一高增益放大器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來產生兩值信號。此技術可指稱「放大至軌道(amplifying to the rails)」。兩值信號可為信號1812。可基於一臨限值來判定兩值信號，使得若組合信號、第一信號或第二信號高於臨限值，則兩值信號採用一第一值，且若低於臨限值，則兩值信號採用一第二值。
在2810中，判定兩值信號之兩個值之間的轉變時間。在一些實例中，可使用一時間轉數位轉換器(TDC)或由一類比轉數位轉換器及數位信號處理判定此等時間。依此方式判定之時間間隔可為間隔2132、2134、2340及2342之一或多者。
在2814中，將三角函數應用於所判定之時間間隔。三角函數可為一 正弦函數、一餘弦函數、一正切函數、一餘切函數、一正割函數及一餘割函數。三角函數亦可為反三角函數之一或多者，諸如反正弦函數、反餘弦函數、反正切函數、反餘切函數、反正割函數及反餘割函數。應用三角函數可包含：將三角函數應用於基於所判定之時間間隔之一引數。
在2816中，自應用三角函數之結果提取慣性參數。提取慣性參數可包含結果之曲線擬合及計算導數。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更高階導數(諸如加速度之一階導數、二階導數、三階導數及四階導數)之一或多者。
圖29描繪用於基於非線性週期性信號來判定兩個值之間的轉變時間之一方法2900。方法2900可用於執行方法2800之步驟2802、2804、2806、2808及2810之一或多者。
在2902中，在可包含一TDC或數位電路之信號處理電路處接收一第一非線性週期性信號之一第一值。在2904中，視情況在TDC或數位電路處接收一第二非線性週期性信號之一第二值。第一值及第二值係特定時刻處之第一信號及第二信號之值，且可為類比或數位值。方法2900之第一非線性週期性信號及第二非線性週期性信號可相同於方法2800之第一非線性週期性信號及第二非線性週期性信號。
在2906中，視情況將第一值及第二值組合成一組合值。可使用元件1806來組合值，元件1806可包含一加法放大器、一差動放大器、一類比乘法器及/或一類比除法器。組合可包含對值求和、對值做差、使值相乘或使值相除。若省略選用步驟2904及2906，則方法2900自2902直接前進至2908。
在2908中，比較第一值或組合值與一臨限值。若值高於臨限值，則方法2900前進至2910。
在2910中，對當前時間賦予一高值。若值不高於臨限值，則方法2900前進至2912。在2912中，對當前時間賦予一低值。步驟2908、2910及2912可用於自一輸入信號產生具有高值及低值之一兩值信號。方法2900之兩值信號可相同於方法2800之信號。
在2914中，比較當前時間之信號之值與前一最近時間之信號之一值。若兩個值相同，則方法2900前進至2916，在2916中，方法2900終止。若兩個值不相同，則發生一轉變且方法前進至2918。
在2918中，判定轉變之感測(轉變是否為一上升邊緣或一下降邊緣)。若當前時間之值大於前一時間之值，則將一上升邊緣賦予轉變。
若當前時間之值不高於前一時間之值，則方法2900前進至2922。在2922中，將一下降邊緣賦予轉變。因此，具有轉變之時間被偵測且被分類為具有上升邊緣或下降邊緣。在2924中，判定轉變與另一轉變之間的一時間間隔。可藉由獲得轉變時間之間的一時間值差來判定此等轉變時間之間的時間間隔。
圖30描繪用於自時間間隔運算慣性參數之一方法3000。方法3000可用於執行方法2800之步驟2814及2816之一或多者。
在3002中，在可包含一TDC或數位電路之信號處理電路處接收第一時間間隔及第二時間間隔。可使用方法2900判定第一時間間隔及第二時間間隔。
在3004中，使用諸如一專用積體電路(ASIC)或一場可程式化閘陣列 (FPGA)之數位信號處理電路來運算第一時間間隔及第二時間間隔之一總和。該總和可為由方程式2及3描述之量測週期。在3006中，運算第一時間間隔與總和之一比率。該比率可為形成方程式1中之餘弦函數之引數之部分的比率之一或多者。
在3008中，由數位信號處理電路使用比率運算一引數。該引數可為方程式1之餘弦函數之引數之一或多者。
在3010中，由數位信號處理電路將三角函數應用於引數。在一些實例中，使用一查找表應用該三角函數。該三角函數可為參考方法2900之步驟2904所描述之三角函數之任何者。
在3012中，數位信號處理電路使用一或多個幾何參數及使用應用三角函數之結果來運算一位移。可使用方程式1運算該位移。運算位移可涉及運算一個以上三角函數，且可包含除3008之運算引數之外的引數作為該等三角函數之部分之引數。
在3014中，數位信號處理電路使用位移來運算一或多個慣性參數。所運算之慣性參數可為參考方法2800之步驟2816所描述之慣性參數之任何者。可藉由獲得位移相對於時間之一或多個導數來運算慣性參數。可使用運算位移之一偏移來提取慣性參數以判定一外部加速度。依此方式，自時間間隔運算慣性參數。
可使用MEMS及微電子製程(諸如微影、沈積及蝕刻)製造本文所描述之系統。使用微影圖案化MEMS結構之特徵且透過蝕刻移除選定部分。此蝕刻可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層、半導電層及/或絕緣層。基底晶圓可為諸如矽之一摻雜半導體。在一些實例中，離子植入可用於增大藉由微影界定之區域中 之摻雜位準。彈簧系統可界定於一基板矽晶圓中，基板矽晶圓接著接合至亦由矽製成之頂蓋及底蓋晶圓。依此方式包裝彈簧系統允許抽空包圍塊體之容積。在一些實例中，將一吸氣劑材料(諸如鈦)沈積於抽空容積內以在裝置之整個使用期限內維持一低壓。此低壓提高諧振器之品質因數。使用金屬沈積技術(諸如濺鍍或物理氣相沈積(PVD))自MEMS結構沈積導電跡線。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使微電子電路彼此電連接。可使用包含引線接合及覆晶封裝之半導體封裝技術來封裝所製造之MEMS及微電子結構。
如本文所使用，術語「記憶體」包含任何類型之積體電路或經調適以儲存數位資料之其他儲存裝置，其包含(但不限於)ROM、PROM、EEPROM、DRAM、SDRAM、DDR/2 SDRAM、EDO/FPMS、RLDRAM、SRAM、快閃記憶體(例如「及」/「反或」、「反及」)、憶阻器記憶體及PSRAM。
如本文所使用，術語「處理器」一般意謂包含所有類型之數位處理裝置，其包含(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、閘陣列(例如FPGA)、PLD、可重組態電腦織物(RCF)、陣列處理器、安全微處理器及ASIC。此等數位處理器可含於一單一整體積體電路晶粒上或分佈於多個組件中。
自系統之以上描述表明，可在不背離其範疇之情況下使用各種技術來實施系統之概念。在一些實例中，本文所描述之電路之任何者可經實施為不具有移動部件之一印刷電路。此外，系統之各種特徵可經實施為用於在一處理裝置(例如一通用處理器、一ASIC、一FPGA等等)上執行之軟體常式或指令。所描述之實施例在所有方面被視為具繪示性而非限制性。亦 應瞭解，系統不受限於本文所描述之特定實例，而是可在不背離申請專利範圍之範疇的情況下實施於其他實例中。
類似地，儘管在圖式中依一特定順序描繪操作，但此不應被理解為要求依所展示之特定順序或依循序順序執行此等操作或執行所有繪示操作以達成所要結果。
參考軸(如x軸、y軸、z軸、u軸、v軸、長軸及/或短軸)係為了區分不同軸。可在不影響本發明之範疇的情況下使用任何給定軸或不同軸定向之一不同記法。
術語「第一」、「第二」、「第三」、「第四」、「第五」、「第六」、「第七」、「第八」、「第九」等等在本文中用於區分元件、組件等等。除非內文明確指示，否則此等術語在用於本文中時不隱含一序列或順序。

Claims (26)

  1. 一種轉換(converting)旋轉運動為線性運動之系統，其包括：一校樣塊體(proof mass)；一旋轉驅動器，其經組態以圍繞一z軸旋轉；一第一結構，其將該旋轉驅動器連接至該校樣塊體，且包括：一長軸(major axis)，其自一第一錨定器穿至該校樣塊體，且在該第一結構靜止(rest)時與一y軸對準，該y軸垂直於該z軸，及一耦合彈簧，其具有沿垂直於該長軸之一短軸(minor axis)之一勁度(stiffness)，該勁度不同於沿該長軸之一勁度；一第二結構，其包括具有沿該y軸之一勁度之一驅動彈簧，沿該y軸之該勁度不同於沿一x軸之一勁度，該x軸垂直於該y軸及該z軸；及一第二錨定器，其係藉由該第二結構連接至該校樣塊體，其中該校樣塊體之一質心(center of mass)係徑向上介於該驅動彈簧至該校樣塊體之一附接點與該耦合彈簧至該校樣塊體之一附接點之間。
  2. 如請求項1之系統，其中該耦合彈簧及該驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該z軸旋轉時，引起該校樣塊體實質上沿該x軸移動。
  3. 如請求項1之系統，其中該耦合彈簧經組態以在該旋轉驅動器旋轉時彎曲。
  4. 如請求項3之系統，其中該驅動彈簧對該校樣塊體施加實質上防止該校樣塊體圍繞該質心旋轉之一轉矩。
  5. 如請求項1之系統，其中：該第一結構包括一臂；該耦合彈簧沿該短軸之勁度係實質上大於該耦合彈簧沿該長軸之勁度；及該驅動彈簧沿該y軸之勁度係實質上大於該驅動彈簧沿該x軸之勁度。
  6. 如請求項1之系統，進一步包括：一第二驅動彈簧，其經連接至該校樣塊體及一第三錨定器，該第二驅動彈簧具有不同於沿一x軸之一勁度的沿該y軸之一勁度。
  7. 如請求項1之系統，其中該驅動彈簧經組態以：在該旋轉驅動器依一第一旋轉向量圍繞該z軸旋轉時擴張；及在該旋轉驅動器依與該第一旋轉向量相反之一第二旋轉向量圍繞該z軸旋轉時壓縮。
  8. 如請求項1之系統，其中：該第一結構包括一驅動框架；該耦合彈簧沿該長軸之勁度係實質上大於該耦合彈簧沿該短軸之勁度；該驅動彈簧沿該y軸之勁度係實質上大於該驅動彈簧沿該x軸之勁度。
  9. 如請求項1之系統，該校樣塊體進一步包括經組態以特徵化該校樣塊體沿該x軸之運動之一感測器。
  10. 如請求項9之系統，該感測器包括一梳。
  11. 如請求項9之系統，該感測器包括一時域切換結構。
  12. 如請求項9之系統，該感測器經組態以判定該系統沿該x軸之一加速度。
  13. 如請求項9之系統，該感測器經組態以判定該校樣塊體沿該x軸之一速度。
  14. 如請求項1之系統，進一步包括：一第二校樣塊體，其係藉由包括一第二耦合彈簧之一第三結構連接至該旋轉驅動器；及一第三錨定器，其係藉由包括一第二驅動彈簧之一第四結構連接至該第二校樣塊體；其中該第二耦合彈簧及該第二驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該z軸旋轉時，引起該第二校樣塊體實質上沿該y軸移動。
  15. 如請求項5之系統，其中該耦合彈簧包括：一第一耦合接頭，其經連接至該臂之一端；第一撓曲臂及第二撓曲臂，其等經連接至該第一耦合接頭；第一叉及第二叉，其等分別經連接至該第一撓曲臂及該第二撓曲臂；第三撓曲臂及第四撓曲臂，其等分別經連接至該第一叉及該第二叉；及一第二耦合接頭，其經連接至該第三撓曲臂及該第四撓曲臂及該校樣塊體。
  16. 如請求項5之系統，其中該驅動彈簧包括：一錨定叉，其經連接至該第二錨定器；一錨定臂，其經連接至該錨定叉；一第一驅動叉，其經連接至該錨定臂；一驅動臂，其經連接至該第一驅動叉；及一第二驅動叉，其經連接至該驅動臂及該校樣塊體。
  17. 如請求項6之系統，其中該第二驅動彈簧包括：一第二錨定叉，其經連接至該第三錨定器；一第二錨定臂，其經連接至該第二錨定叉；一第三驅動叉，其經連接至該第二錨定臂；一第二驅動臂，其經連接至該第三驅動叉；及一第四驅動叉，其經連接至該第二驅動臂及該校樣塊體。
  18. 如請求項8之系統，其中該耦合彈簧包括：一驅動叉，其經連接至該驅動框架；第一驅動臂及第二驅動臂，其等經連接至該驅動叉；第一中間叉及第二中間叉，其等分別經連接至該第一驅動臂及該第二驅動臂；第一中間臂及第二中間臂，其等分別經連接至該第一中間叉及該第二中間叉；一第一從動叉，其經連接至該第一中間臂及該第二中間臂；一從動臂，其經連接至該第一從動叉；及一第二從動叉，其經連接至該從動臂及該校樣塊體。
  19. 如請求項8之系統，其中該耦合彈簧包括：一第一耦合接頭，其經連接至該驅動框架；第一撓曲臂及第二撓曲臂，其等經連接至該第一耦合接頭；第一叉及第二叉，其等分別經連接至該第一撓曲臂及該第二撓曲臂；第三撓曲臂及第四撓曲臂，其等分別經連接至該第一叉及該第二叉；及一第二耦合接頭，其經連接至該第三撓曲臂及該第四撓曲臂及該校樣塊體。
  20. 如請求項8之系統，其中該驅動彈簧包括：一錨定叉，其經連接至該第二錨定器；一錨定臂，其經連接至該錨定叉；一第一驅動叉，其經連接至該錨定臂；一驅動臂，其經連接至該第一驅動叉；及一第二驅動叉，其經連接至該驅動臂及該校樣塊體。
  21. 如請求項1之系統，進一步包括：一第二校樣塊體，其係藉由包括一第二耦合彈簧之一第三結構連接至該旋轉驅動器；及一第三錨定器，其係藉由包括一第二驅動彈簧之一第四結構連接至該第二校樣塊體；其中該第二耦合彈簧及該第二驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞第二軸旋轉時，引起該第二校樣塊體實質上沿第三軸移動。
  22. 如請求項21之系統，進一步包括：一第三校樣塊體，其係藉由包括一第三耦合彈簧之一第五結構連接至該旋轉驅動器；及一第四錨定器，其係藉由包括一第三驅動彈簧之一第六結構連接至該第三校樣塊體；其中該第三耦合彈簧及該第三驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時，引起該第三校樣塊體實質上沿第一軸移動。
  23. 如請求項22之系統，進一步包括：一第四校樣塊體，其係藉由包括一第四耦合彈簧之一第七結構連接至該旋轉驅動器；及一第五錨定器，其係藉由包括一第四驅動彈簧之一第八結構連接至該第四校樣塊體；其中該第四耦合彈簧及該第四驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時，引起該第四校樣塊體實質上沿該第三軸移動。
  24. 如請求項23之系統，進一步包括：一第五校樣塊體，其係藉由包括一第五耦合彈簧之一第九結構連接至該旋轉驅動器；及一第六錨定器，其係藉由包括一第五驅動彈簧之一第十結構連接至該第五校樣塊體；其中該第五耦合彈簧及該第五驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時，引起該第五校樣塊體實質上沿一第四軸移動，該第四軸係垂直於該第二軸。
  25. 如請求項24之系統，進一步包括：一第六校樣塊體，其係藉由包括一第六耦合彈簧之一第十一結構連接至該旋轉驅動器；及一第七錨定器，其係藉由包括一第六驅動彈簧之一第十二結構連接至該第六校樣塊體；其中該第六耦合彈簧及該第六驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時，引起該第六校樣塊體實質上沿該第四軸移動。
  26. 如請求項25之系統，進一步包括：一第七校樣塊體，其係藉由包括一第七耦合彈簧之一第十三結構連接至該旋轉驅動器；一第八錨定器，其係藉由包括一第七驅動彈簧之一第十四結構連接至該第七校樣塊體；一第八校樣塊體，其係藉由包括一第八耦合彈簧之一第十五結構連接至該旋轉驅動器；及一第九錨定器，其係藉由包括一第八驅動彈簧之一第十六結構連接至該第八校樣塊體；其中：該第七耦合彈簧及該第七驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時，引起該第七校樣塊體實質上沿一第五軸移動，該第五軸係垂直於該第二軸及該第四軸，及該第八耦合彈簧及該第八驅動彈簧經組態以在該旋轉驅動器圍繞該第二軸旋轉時，引起該第八校樣塊體實質上沿該第五軸移動。
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