本發(fā)明涉及包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)械預(yù)加載懸架彈簧的mems結(jié)構(gòu)，特別地但非排他地，涉及包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)械預(yù)加載懸架彈簧的慣性mems傳感器和用于機(jī)械預(yù)加載mems傳感器中的一個(gè)或多個(gè)懸架彈簧的方法。
背景技術(shù)：
：：地震傳感器網(wǎng)絡(luò)用于地震成像，以提供允許詳細(xì)檢查地球的結(jié)構(gòu)和油氣儲(chǔ)藏的定位的三維圖像。對(duì)于確定鉆井的優(yōu)化位置和增加儲(chǔ)藏中的油或氣的提取而言，準(zhǔn)確成像是關(guān)鍵的。在地震行業(yè)中，由于地震檢波器(無(wú)源慣性速率傳感器)良好的靈敏度(典型地，在5hz和30hz之間，優(yōu)于)、低成本和耐久性，其成為最廣泛使用的傳感器。但是，如在baeteng.等人2013年的“theuseoflowfrequenciesinfull-waveforminversionandimpedanceinversionlandseismiccasestudy”(geophysicalprospecting61701)中描述的，現(xiàn)在作為目標(biāo)的深層土壤成像中的較高的分辨率需要在低頻(1-5hz)下的低噪聲振動(dòng)感測(cè)，由于在檢驗(yàn)質(zhì)量塊懸掛的自然頻率以下，標(biāo)準(zhǔn)地震檢波器的響應(yīng)以40db/十倍頻(db/decade)下降，所以用標(biāo)準(zhǔn)地震檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)該較高的分辨率是有挑戰(zhàn)性的。原理上，較好的信噪比可以是能用較低(<10hz)自然頻率地震檢波器實(shí)現(xiàn)的，但是能實(shí)現(xiàn)的機(jī)械參數(shù)制造容差(tolerance)越差，對(duì)部署角度的機(jī)械響應(yīng)的靈敏度越大并且失真圖越大，這被視為是主要缺點(diǎn)。替代地，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中一般使用10hz地震檢波器的陣列。出于這些原因，已經(jīng)基于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)技術(shù)開(kāi)發(fā)出慣性傳感器。典型地，這些mems傳感器包括由彈簧懸掛的檢驗(yàn)質(zhì)量塊并且可以通過(guò)電容讀出(readout)方案來(lái)檢測(cè)質(zhì)量塊的移動(dòng)。可以通過(guò)將靜電力致動(dòng)器集成在芯片結(jié)構(gòu)中來(lái)實(shí)現(xiàn)力平衡閉環(huán)配置。典型地，間隙改變和線性配置兩者時(shí)交織指狀結(jié)構(gòu)的梳被用于感測(cè)和致動(dòng)(參見(jiàn)us5563343中的示例)。mems的主要優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是平坦至dc(flat-to-dc)的幅值和相位頻率響應(yīng)、非常低的失真以及獨(dú)立于對(duì)部署傾斜角度的響應(yīng)。原理上，mems還適于低成本、大量生產(chǎn)?，F(xiàn)在可用的是在3hz(石油勘探應(yīng)用能感測(cè)的)以上分辨率優(yōu)于的自噪聲樣(self-noisewise)、商業(yè)mems地震傳感器，如例如在lainej.、mougenotd.的2014年的文章“ahigh-sensitivitymems-basedaccelerometer”(theleadingedge331234)中描述的。但是，為了提高地震成像的質(zhì)量，低頻處更好的噪聲性能將是期望的。mems慣性傳感器的分辨率首先受到懸掛布朗噪聲(browniannoise)限制，懸掛布朗噪聲的水平是通過(guò)檢驗(yàn)質(zhì)量塊的大小以及通過(guò)芯片中發(fā)生的機(jī)械耗散現(xiàn)象設(shè)置的。(等式1)給出加速度布朗噪聲譜abr的通用表達(dá)式其中，m是檢驗(yàn)質(zhì)量塊的質(zhì)量，kb是玻爾茲曼常數(shù)，t是溫度，d是粘滯阻尼系數(shù)(單位：kg/s)，k是對(duì)懸掛剛度(stiffnessofsuspension)的彈性貢獻(xiàn)(elasticcontribution)，是內(nèi)部摩擦損耗角度并且f是頻率?？梢酝ㄟ^(guò)在低壓下封裝mems來(lái)強(qiáng)烈地減輕由于氣體拖曳和擠壓膜效應(yīng)導(dǎo)致的粘滯阻力；現(xiàn)代基于吸氣劑(getter)的溶液能實(shí)現(xiàn)低至1毫托的穩(wěn)定且可靠的真空水平。在這些壓力下，可以達(dá)到由于彈簧的內(nèi)部摩擦(對(duì)于單晶硅，)及其與芯片襯底的錨定導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)上的阻力限制?，F(xiàn)有技術(shù)的mems地震傳感器通過(guò)根據(jù)芯片設(shè)計(jì)和封裝壓力使用從1至30毫克的檢驗(yàn)質(zhì)量塊來(lái)實(shí)現(xiàn)以下的布朗噪聲水平(參見(jiàn)milligand.j.等人2011年的“anultra-lownoisememsaccelerometerforseismicimaging”(proc.ieeesensor20111281))。通過(guò)讀出噪聲(例如通過(guò)內(nèi)置電容傳感器能檢測(cè)到的最小檢驗(yàn)質(zhì)量塊位移)來(lái)設(shè)置對(duì)分辨率的其它限制。如果xn是電容讀出的等效位移噪聲譜密度，則(等式2)給出對(duì)應(yīng)的加速度噪聲譜ard其中，f0是傳感器自然頻率。在f<f0時(shí)，等式2簡(jiǎn)單地化簡(jiǎn)為an≈(2πf0)2xn。因此，可以通過(guò)減小f0或xn來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻下的靈敏度增強(qiáng)。降低自然頻率需要降低懸掛彈簧的剛度和/或增加檢驗(yàn)質(zhì)量塊的質(zhì)量。然而，這些參數(shù)取決于mems技術(shù)，并且在不顯著增加設(shè)計(jì)和/或制造工藝的復(fù)雜度的情況下變化這些參數(shù)的空間很小。特別地，在其它方向上維持高剛度時(shí)，沿著所期望的軸創(chuàng)建具有低剛度的mems結(jié)構(gòu)是有挑戰(zhàn)性的；不期望在測(cè)量頻帶內(nèi)存在寄生波模(spuriousmode)，并且為此原因，現(xiàn)有技術(shù)的裝置被設(shè)計(jì)為具有幾百hz的自然頻率。通過(guò)利用間隙改變感測(cè)/致動(dòng)電容結(jié)構(gòu)的靜電非線性，可以對(duì)質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的剛度進(jìn)行電控制，如在us5852242中描述的。在這樣的方案中，通過(guò)有效彈簧常數(shù)km+ke確定質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，其中，km是機(jī)械彈簧常數(shù)，并且其中，ke是具有負(fù)值的靜電彈簧常數(shù)。在us5852242的實(shí)際實(shí)施方式中，出于以上提到的原因，以數(shù)百hz的自然頻率處理mems慣性傳感器結(jié)構(gòu)。只有通過(guò)使用電容結(jié)構(gòu)中的非常窄的間隙結(jié)合施加到傳感器檢驗(yàn)質(zhì)量塊的大靜電力，才可以用所描述的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種機(jī)械系統(tǒng)的剛度的顯著減小。可以通過(guò)考慮由具有彈性剛度km(和自然頻率f0)的彈簧懸掛的質(zhì)量塊m上的平行板靜電致動(dòng)器(具有間隙d和電容c)的效應(yīng)來(lái)簡(jiǎn)單闡明該限制：通過(guò)在致動(dòng)器板之間施加電壓v，質(zhì)量塊上的靜電力為f＝cv2/2d，而靜電負(fù)剛度為ke＝2f/d。通過(guò)將f表達(dá)為懸掛的質(zhì)量塊重量的倍數(shù)(例如，f＝nmg)，并且km＝2πmf02，則(等式3)給出靜電-彈性剛度比率例如，在f0＝1000hz時(shí)，該比率近似為0.5n/d(d的單位為微米)(等式4)。因此，在這種情況下，實(shí)現(xiàn)甚至僅2倍的剛度減小將需要實(shí)現(xiàn)例如具有2μm間隙的電容結(jié)構(gòu)并且將兩倍于檢驗(yàn)質(zhì)量塊本身重量的靜力施加到mems傳感器的檢驗(yàn)質(zhì)量塊。通過(guò)相對(duì)復(fù)雜的制造工藝可以創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)，如同在us6871544b1中描述的結(jié)構(gòu)，在us6871544b1中，不同的晶片堆疊在彼此上，以實(shí)現(xiàn)所期望的質(zhì)量塊-彈簧和電極配置。另外，需要小間隙意指只能基于閉環(huán)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器。典型地，這樣的商用傳感器的分辨率的范圍是量級(jí)。代替于如上述示例中的減小檢驗(yàn)質(zhì)量塊懸掛的剛度，如wo2010/107436中描述的電容讀出可以被用于增加mems傳感器的靈敏度。讀出與用于限制布朗運(yùn)動(dòng)幅度的相對(duì)大的檢驗(yàn)質(zhì)量塊(約30mg)相結(jié)合，允許實(shí)現(xiàn)量級(jí)的靈敏度。可以通過(guò)在開(kāi)環(huán)配置下操作mems并且通過(guò)使用相對(duì)剛度的懸掛系統(tǒng)(例如，自然頻率為幾百赫茲)來(lái)得到這樣的性能。在us2008028857中描述了改進(jìn)電容讀出的噪聲系數(shù)(noisefigure)的替代手段。mems慣性傳感器的分辨率的進(jìn)一步改進(jìn)可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)基于集成的光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)的讀出系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室裝置中已被證明但仍然需要復(fù)雜和昂貴的制造工藝，這使得該技術(shù)目前并不適于大的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。綜上所述，在本
技術(shù)領(lǐng)域：
：中需要改進(jìn)的慣性mems傳感器，改進(jìn)的慣性mems傳感器利用傳統(tǒng)的電容電橋讀出，在低至1hz時(shí)具有優(yōu)于的靈敏度，并且是魯棒的并且在批量處理中容易以高產(chǎn)量進(jìn)行制造。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是減少或消除現(xiàn)有技術(shù)中已知的缺陷中的至少一個(gè)。自然頻率是具有移動(dòng)(機(jī)械)部件的mems裝置的設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)，因?yàn)樽匀活l率確定mems傳感器對(duì)機(jī)械刺激的靈敏度。在傳統(tǒng)mems裝置中，柔性機(jī)構(gòu)(compliantmechanisms)的設(shè)計(jì)限于懸臂彈簧的組合；這一方面與可用的微加工處理所帶來(lái)的限制(最小特征大小、寬高比等)一起使得在不顯著增加傳感器設(shè)計(jì)或制造的復(fù)雜度的情況下難以實(shí)現(xiàn)具有低自然頻率(<100hz)的結(jié)構(gòu)，而這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)于低加速度(微g以下)檢測(cè)是高度期望的。通過(guò)使用具有機(jī)械預(yù)加載彈簧的mems結(jié)構(gòu)來(lái)解決這些問(wèn)題。機(jī)械預(yù)加載彈簧使得能將自然頻率調(diào)諧為所期望的較低值，而不顯著增加傳感器設(shè)計(jì)或制造工藝的復(fù)雜度。在第一方面，本發(fā)明可以涉及一種mems傳感器，該mems傳感器優(yōu)選為慣性mems傳感器，包括：mems支承結(jié)構(gòu)；多個(gè)連接到所述支承結(jié)構(gòu)的懸掛彈簧；以及被所述懸掛彈簧柔性地懸掛的檢驗(yàn)質(zhì)量塊；其中，所述懸掛彈簧中的至少一個(gè)被機(jī)械預(yù)加載有壓縮力，用于減小所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的自然頻率。因此，本發(fā)明提供了一種機(jī)械彈簧加載機(jī)構(gòu)，該機(jī)械彈簧加載機(jī)構(gòu)優(yōu)選為片上型，可以被用于mems傳感器并且能夠以完全被動(dòng)的方式改進(jìn)附接到檢驗(yàn)質(zhì)量塊的懸掛彈簧的剛度減小。機(jī)械彈簧加載機(jī)構(gòu)可以被激活一次，此后可以在傳感器芯片的剩余壽命內(nèi)維持懸掛彈簧上的靜態(tài)壓縮力。機(jī)械彈簧加載機(jī)構(gòu)提供了用于減小懸掛彈簧的剛度(并且因而減小自然頻率)的非常魯棒且低噪聲的手段。在用于形成mems傳感器的剩余部分(例如，懸掛彈簧和檢驗(yàn)質(zhì)量塊)的相同處理步驟中，可以靠近懸掛彈簧在片上簡(jiǎn)單地制造機(jī)械彈簧加載機(jī)構(gòu)。慣性傳感器的機(jī)械預(yù)加載系統(tǒng)提供了純粹被動(dòng)的并且不依賴于緊密間隙強(qiáng)靜電致動(dòng)器的負(fù)剛度機(jī)構(gòu)。在這一方面，機(jī)械抗彈簧(anti-spring)是一種突破，因?yàn)樵谠砩?，自然頻率可以被任意地降低，維持沿著交叉軸(即，與傳感器的靈敏方向垂直的軸)的加速度被非常強(qiáng)地排斥。在使用傳統(tǒng)的懸臂彈簧的面內(nèi)檢驗(yàn)質(zhì)量塊懸掛中，沿著面外軸的剛度取決于懸梁的寬高比。為了減小自然頻率，只能使用較長(zhǎng)的梁。結(jié)果是，面外剛度也減小。在具有機(jī)械預(yù)加載的抗彈簧的系統(tǒng)中并非如此，因?yàn)閷?duì)于抗彈簧，機(jī)械的面外剛度是未壓縮狀態(tài)下的懸掛的面外剛度。機(jī)械預(yù)加載的抗彈簧系統(tǒng)使得能夠減小自然頻率而不犧牲檢驗(yàn)質(zhì)量塊的沿著其它軸的懸掛剛性。在一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器還可以包括至少一個(gè)致動(dòng)器，該致動(dòng)器優(yōu)選為電-熱致動(dòng)器，用于向所述懸掛彈簧中的至少一個(gè)機(jī)械地施加所述壓縮力，優(yōu)選地，所述致動(dòng)器包括被引導(dǎo)的致動(dòng)器梁，致動(dòng)器梁連接到所述懸掛彈簧和/或與所述懸掛彈簧接合，用于向所述懸掛彈簧施加壓縮力。在一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器還可以包括鎖定機(jī)構(gòu)，該鎖定機(jī)構(gòu)優(yōu)選為機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)，用于維持對(duì)于所述懸掛彈簧的預(yù)定的壓縮力。因此，一旦致動(dòng)器被去激活，則防止彈簧釋放壓縮力。在一個(gè)實(shí)施例中，所述鎖定機(jī)構(gòu)可以被配置用于將所述懸掛彈簧從非壓縮狀態(tài)切換為一種或多種壓縮狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述鎖定機(jī)構(gòu)可以包括至少一個(gè)棘齒和棘爪，棘齒包括分別與一個(gè)或多個(gè)壓縮狀態(tài)關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)棘齒位置。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述鎖定機(jī)構(gòu)可以包括兩狀態(tài)鎖定彈簧系統(tǒng)，兩狀態(tài)鎖定彈簧系統(tǒng)連接到所述懸掛彈簧，用于將所述懸掛彈簧在非壓縮狀態(tài)和壓縮狀態(tài)之間切換。因此，可以使用不同的機(jī)械mems結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)所期望的鎖定機(jī)構(gòu)。當(dāng)使用棘齒和棘爪類型的鎖定機(jī)構(gòu)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)與懸掛彈簧的多種不同的壓縮狀態(tài)關(guān)聯(lián)的多種鎖定狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)懸掛彈簧的至少一部分可以被配置為懸掛彎曲梁。在非壓縮狀態(tài)下具有彎曲形狀的梁非常適于與機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)組合使用。在一個(gè)實(shí)施例中，質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率可以被控制在f0和0.05×f0之間，優(yōu)選地在f0和0.1×f0之間，更優(yōu)選地在f0和0.2×f0之間。因此，本發(fā)明使得能夠通過(guò)僅僅在預(yù)加載彈簧時(shí)控制致動(dòng)器在寬范圍的參數(shù)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的剛度抵消。在其它實(shí)施例中，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊可以被配置為基本平面的元件，其中，所述壓縮力的方向在所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的平面上。在一個(gè)實(shí)施例中，所述懸掛彈簧中的至少兩個(gè)可以連接到所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的相對(duì)側(cè)，并且其中所述至少兩個(gè)懸掛彈簧被預(yù)加載有幅度基本相似的壓縮力。這樣，當(dāng)預(yù)加載懸掛彈簧時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位置不受影響。在一個(gè)實(shí)施例中，懸梁可以被配置用于當(dāng)在所述懸梁上施加預(yù)加載力時(shí)將檢驗(yàn)質(zhì)量塊保持在平衡位置。在一個(gè)實(shí)施例中，懸梁被配置用于當(dāng)檢驗(yàn)質(zhì)量塊的感測(cè)方向具有沿著重力方向的分量時(shí)補(bǔ)償重力。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)所述懸掛彈簧連接在相對(duì)于所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的預(yù)定的取向上，優(yōu)選地，所述取向包括由第一方向和第二方向限定的初始偏移角其中第一方向與所述預(yù)加載力關(guān)聯(lián)，第二方向由第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)限定，所述第一連接點(diǎn)將所述懸掛彈簧的第一端連接到所述支承結(jié)構(gòu)并且所述第二連接點(diǎn)將所述懸掛彈簧的第二端連接到所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊。在一個(gè)實(shí)施例中，所述懸掛彎曲彈簧可以相對(duì)于檢驗(yàn)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)合適的小角度，以被動(dòng)補(bǔ)償重力效應(yīng)。這樣，可以實(shí)現(xiàn)mems傳感器的豎直取向配置或加爾佩林(galperin)配置(偏離豎直方向(即重力方向)54.7度)。因此，通過(guò)改變懸掛彈簧相對(duì)于機(jī)械預(yù)加載力的方向的取向，mems傳感器可以優(yōu)選地配置為水平地、豎直地或者沿著相對(duì)于重力方向的任何不同傾斜度的方向測(cè)量加速度。這樣，在不消耗電力的情況下，能實(shí)現(xiàn)頻率減小和重力補(bǔ)償兩者。在一個(gè)實(shí)施例中，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊還可以包括用于檢測(cè)所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)的電容元件。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用包括v形懸掛導(dǎo)電梁的電-熱致動(dòng)器來(lái)機(jī)械預(yù)加載所述懸掛彈簧的至少一個(gè)，其中，所述v形懸掛導(dǎo)電梁的頂部隨著流過(guò)所述導(dǎo)電梁的電流的變化而在預(yù)定的方向上位移?？梢酝ㄟ^(guò)例如絕緣體上硅(soi)襯底的硅器件層的單個(gè)蝕刻步驟來(lái)形成電-熱致動(dòng)器。在其它方面，如以上描述的，本發(fā)明可以涉及一種用壓縮力來(lái)機(jī)械預(yù)加載mems傳感器(優(yōu)選為慣性mems傳感器)的至少一個(gè)懸掛彈簧的方法，其中，所述方法可以包括：激活連接到所述至少一個(gè)懸掛彈簧或者與所述至少一個(gè)懸掛彈簧接合的致動(dòng)器，其中，在激活之前，所述懸掛彈簧處于非壓縮狀態(tài)；以及通過(guò)將所述激活的致動(dòng)器的位移轉(zhuǎn)換為所述懸掛彈簧中的壓縮力來(lái)機(jī)械預(yù)加載所述懸掛彈簧。因此，方法使得能夠?qū)覓鞆椈蛇M(jìn)行簡(jiǎn)單的片上預(yù)加載，以將質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率調(diào)諧為期望值。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還可以包括：如果所述位移激活了用于維持所述懸掛彈簧上的預(yù)定的壓縮力的鎖定機(jī)構(gòu)，則去激活所述致動(dòng)器，優(yōu)選地，所述懸梁被配置為懸掛彎曲梁。在一個(gè)實(shí)施例中，所述致動(dòng)器可以被配置為包括v形懸掛導(dǎo)電梁的電-熱致動(dòng)器，其中，所述方法可以包括：通過(guò)使預(yù)定的電流通過(guò)所述v形懸掛導(dǎo)電梁來(lái)激活所述致動(dòng)器，其中，所述v形懸掛導(dǎo)電梁的頂部隨著所述電流的變化而位移。將參照附圖進(jìn)一步例示本發(fā)明，附圖將示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)該理解，本發(fā)明不以任何方式限于這些具體實(shí)施例。附圖說(shuō)明圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的mems結(jié)構(gòu)。圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于mems結(jié)構(gòu)中的壓縮彈簧結(jié)構(gòu)。圖3a和圖3b描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的mems慣性傳感器。圖4a至圖4c描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于mems結(jié)構(gòu)中的機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)的示意圖和圖片。圖5a至圖5c描繪了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于mems結(jié)構(gòu)中的機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)的示意圖和圖片。圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的慣性mems傳感器的至少一部分的俯視圖。圖7a和圖7b描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于mems傳感器中的電-熱致動(dòng)器。圖8a和圖8b描繪了描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于mems傳感器中的壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的模型。圖9a和圖9b描繪了對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)慣性mems傳感器的壓縮與自然頻率的關(guān)系的圖像。圖10a至圖10e描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括懸梁和適于部分或完全補(bǔ)償靜態(tài)重力加速度的壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的mems慣性傳感器。圖11描繪了現(xiàn)有技術(shù)的慣性mems傳感器的讀出噪聲和具有可變自然頻率的慣性mems傳感器的讀出噪聲之間的比較。圖12描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例構(gòu)建有可變自然頻率的慣性mems傳感器的所測(cè)量的輸出噪聲。具體實(shí)施方式圖1描繪了根據(jù)實(shí)施例的包括機(jī)械預(yù)加載彈簧系統(tǒng)100的mems結(jié)構(gòu)的示意圖。具體地，圖1描繪了mems結(jié)構(gòu)的俯視圖，mems結(jié)構(gòu)包括懸掛質(zhì)量塊101(即平面的材料片)，使用數(shù)個(gè)懸梁將懸掛質(zhì)量塊101保持為懸掛狀態(tài)。懸梁表現(xiàn)為如同由彈簧常數(shù)表征的彈簧。圖1中的彈簧可以具有任何合適的幾何形狀，包括蜿蜒(meandering)和/或曲折(serpentine)的彈簧設(shè)計(jì)。圖1的mems結(jié)構(gòu)可以包括將質(zhì)量塊連接到支承結(jié)構(gòu)106的主懸掛彈簧102和一個(gè)或多個(gè)機(jī)械預(yù)加載懸掛彈簧1041、1042。這樣，檢驗(yàn)質(zhì)量塊形成由懸掛彈簧連接到mems支承結(jié)構(gòu)的懸掛質(zhì)量塊。在這一特定實(shí)施例中，主懸掛彈簧(沿著y軸對(duì)準(zhǔn))可以具有彈簧常數(shù)k，并且兩個(gè)預(yù)加載懸掛彈簧(沿著x軸對(duì)準(zhǔn))可以具有彈簧常數(shù)kc。這兩個(gè)橫向彈簧可以基于外部的壓縮力fc被機(jī)械預(yù)加載?？梢允褂弥聞?dòng)器108將該力施加到懸掛彈簧，致動(dòng)器108可以被配置為將彈簧在檢驗(yàn)質(zhì)量塊的平面上的方向(在本示例中為x方向)上壓縮，其中，壓縮力近似等于δx×kc(δx是彈簧沿著x方向的壓縮變形)。這樣的預(yù)加載彈簧的長(zhǎng)度可以被限定為l(δx)＝l0-δx，其中l(wèi)0為靜止長(zhǎng)度(restlength)。施加到第一橫向彈簧和第二橫向彈簧的壓縮力可以具有基本相同的幅度并且可以具有相反的符號(hào)，所以它們?cè)跈z驗(yàn)質(zhì)量塊的平面上的總(矢量)和為零，并且使得在彈簧被致動(dòng)器預(yù)加載時(shí)檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位置將不受影響。如果質(zhì)量塊經(jīng)受沿著y方向的外力df1，則質(zhì)量塊將沿著y方向位移距離dy。由于位移dy，預(yù)加載彈簧將略微傾斜，使得預(yù)加載彈簧中的壓縮力fc的y分量將在與df1相同的方向上生成凈力df3≈2fc·dy/l。兩個(gè)力df1和df3將被彈簧力df2抵消，彈簧力df2等于彈簧常數(shù)k乘以質(zhì)量塊位移dy。因此，預(yù)加載懸掛彈簧中的壓縮力有效地導(dǎo)致彈簧常數(shù)k沿著y方向減小(并且因而導(dǎo)致其剛度減小)，其中，由于在系統(tǒng)的典型實(shí)施例中δx/l0<<1，所以減小量近似等于2fc/l0。因此，由于橫向預(yù)加載彈簧，質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的有效彈簧常數(shù)可以由表達(dá)式(等式5)給出：因此，通過(guò)控制彈簧中的壓縮力(例如，使用致動(dòng)器)，可以控制mems結(jié)構(gòu)的總彈簧常數(shù)并且因而控制mems結(jié)構(gòu)的自然頻率。如以下將描述的，自然頻率是在設(shè)計(jì)任何mems裝置時(shí)非常重要的方面。如以下將更詳細(xì)地示出的，具有可控的自然頻率的mems質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)可以特別用于mems傳感器中，尤其是mems慣性傳感器中。在一個(gè)實(shí)施例中，可以用傳統(tǒng)的非彎曲懸梁得到參考圖1描述的剛度減小。替代地，在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用如圖2中所示的彎曲懸梁。特別地，圖2描繪了被壓縮力預(yù)加載的長(zhǎng)度為l的彎曲彈性懸梁(彎曲懸臂梁或彎曲懸掛彈簧)。在非壓縮狀態(tài)下，彎曲梁具有預(yù)定的非應(yīng)變彎曲形狀θi(l)，其中，l是沿著梁的曲線位置坐標(biāo)，并且θ是相對(duì)于(全局)x軸的梁取向。彎曲梁可以包括底部(l＝0)和頂部(l＝l)，其中底部固定到mems結(jié)構(gòu)的部分(例如，如參考圖1描述的檢驗(yàn)質(zhì)量塊)，頂部可以連接到致動(dòng)器梁。當(dāng)向彎曲梁施加力時(shí)，可以用函數(shù)θ(l)來(lái)描述梁的曲線的改變(形狀的改變)。圖2描繪了梁的頂部(一側(cè))可以經(jīng)受沿著x軸的壓縮力fx和沿著y軸的外力fy的系統(tǒng)。在所關(guān)注的低頻下，相較于梁的本征模，fy可以被描述為由mems結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)質(zhì)量塊與框架之間的位移引起的反應(yīng)力(該位移轉(zhuǎn)而可以由框架沿著y軸的加速度造成)。在該情況下，可以由以下給出的等式(等式6)描述梁的曲線：其中，e表示刮刀梁(bladebeam)材料的楊氏模量，i(l)＝w(l)t(l)3/12是梁橫截面的面積的二階矩，其中t和w分別為梁厚度和梁寬度，總體上，t和w兩者可以取決于l和θi(l)，其中，θi(l)是初始未應(yīng)變梁相對(duì)于(全局)x軸的梁取向。因此，在該特定情況下，彈性梁在非壓縮狀態(tài)下可以具有特定的彎曲形狀θi(l)，并且在壓縮狀態(tài)下可以具有特定的彎曲形狀θ(l)?；谠摰仁?，可以估計(jì)預(yù)加載彈性構(gòu)件的有效彈簧常數(shù)。如圖2中所示的彎曲梁配置具有能夠既使用例如(電-熱)致動(dòng)器以壓縮力預(yù)加載梁又使用機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)“鎖定”由此被預(yù)加載的梁的優(yōu)點(diǎn)。如以下將更詳細(xì)地描述的，機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)可以是與mems傳感器的彈簧和例如檢驗(yàn)質(zhì)量塊相同的mems結(jié)構(gòu)的部分。雖然圖2中的預(yù)加載力是沿著x方向提供的，但是在其它實(shí)施例中，還預(yù)見(jiàn)了預(yù)加載力的其它方向(例如，y軸或者x和y軸兩者)。圖3a和圖3b描繪了根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的慣性mems傳感器。特別地，圖3a描繪了包括通過(guò)懸掛彈簧3061-4連接到支承結(jié)構(gòu)302的檢驗(yàn)質(zhì)量塊304的慣性mems傳感器。特別地，各懸掛彈簧3061-4的第一端可以在第一連接點(diǎn)305處連接到支承結(jié)構(gòu)，并且懸掛彈簧的第二端可以在第二連接點(diǎn)307處連接到檢驗(yàn)質(zhì)量塊。在這一示例中，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)方向(感測(cè)方向)是沿著y方向。可以通過(guò)引導(dǎo)圍繞檢驗(yàn)質(zhì)量塊(未示出)的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)方向的控制。mems傳感器可以包括用于(片上)預(yù)加載懸掛彈簧的致動(dòng)器3081-4。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用參考圖2描述的彎曲懸梁作為懸掛彈簧。連接到致動(dòng)器3081的致動(dòng)器梁303可以連接到懸掛彈簧3061的第一端。致動(dòng)器可以將致動(dòng)器梁在與檢驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)方向基本垂直的方向上前后移動(dòng)。附接到mems支承結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)310可以確保致動(dòng)器梁可控地在預(yù)定方向(在這一示例中為與檢驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)方向垂直的方向)上向懸掛彈簧施加壓縮力。彎曲懸梁可以連接到支承結(jié)構(gòu)和檢驗(yàn)質(zhì)量塊，使得當(dāng)預(yù)加載彈簧時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊保持平衡，從這方面來(lái)說(shuō)，相較于如圖3a中描繪的未壓縮狀態(tài)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位置和取向沒(méi)有顯著改變?？梢赃x擇檢驗(yàn)質(zhì)量塊和懸掛彈簧的尺寸和幾何形狀，使得當(dāng)壓縮彈簧處于其未壓縮狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)具有一定的自然頻率f0。引導(dǎo)結(jié)構(gòu)和致動(dòng)器可以是支承結(jié)構(gòu)的部分或者可以剛性連接到支承結(jié)構(gòu)?？梢约せ钪聞?dòng)器從而可控地向如圖3b中所示的彈性梁施加壓縮力。由于壓縮力，彈性梁將被以與參考圖2描述的相似的方式預(yù)加載，由此有效地減小慣性傳感器的質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的總剛度。檢驗(yàn)質(zhì)量塊可以包括用于形成電容感測(cè)元件312的電極，電容感測(cè)元件312可以用于檢測(cè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊相對(duì)于框架的因一定的低頻帶寬內(nèi)的框架振動(dòng)造成的移動(dòng)，并且可以用于在閉環(huán)操作中施加反饋力?？梢允褂枚鄠€(gè)電容致動(dòng)元件將有可能導(dǎo)致較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡伺服動(dòng)作的作用分開(kāi)。平衡致動(dòng)器可以提供補(bǔ)償，用于：處理不準(zhǔn)確性、熱-彈性效應(yīng)、本地重力加速度的差異、重力的完全補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)mems傳感器的全方位配置。因此，在圖3b的mems慣性傳感器結(jié)構(gòu)中，可以使用致動(dòng)器在相反方向上向懸掛彈簧施加壓縮力，使得施加到彈簧的壓縮力不影響質(zhì)量塊的位置。施加到致動(dòng)器梁和引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的力將造成彈性梁變形，使得在懸梁中形成壓縮力?？梢酝ㄟ^(guò)控制致動(dòng)器的位移來(lái)控制壓縮力的幅度。這樣，可以以可控方式來(lái)機(jī)械預(yù)加載懸掛彈簧，由此有效地減小懸掛彈簧的彈簧常數(shù)，并且因而減小質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率。預(yù)加載懸掛彈簧將有效地使檢驗(yàn)質(zhì)量塊從環(huán)境解耦，使得慣性感測(cè)的響應(yīng)性可以顯著增加。對(duì)一些加速度的響應(yīng)性增大可以導(dǎo)致慣性傳感器的靈敏度增大。在一個(gè)實(shí)施例中，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)310可以包括機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)，機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)防止如果例如致動(dòng)器力被釋放，預(yù)加載彈簧移回其初始(未加載)狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)可以包括與非加載懸掛彈簧關(guān)聯(lián)的第一鎖定狀態(tài)和與預(yù)加載懸掛彈簧關(guān)聯(lián)的第二鎖定狀態(tài)。當(dāng)致動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)，鎖定結(jié)構(gòu)可以允許彈簧從非壓縮的第一位置移向壓縮的第二位置。這樣，即使當(dāng)致動(dòng)器本身移回其初始位置時(shí)，懸掛彈簧也可以被預(yù)加載有預(yù)定的壓縮力。在一個(gè)實(shí)施例中，彈簧可以被不可逆地移向壓縮的第二位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)可以包括多種鎖定狀態(tài)，其中，鎖定機(jī)構(gòu)的一種狀態(tài)與未壓縮狀態(tài)下的懸掛彈簧關(guān)聯(lián)，并且至少兩種或更多種狀態(tài)與懸掛彈簧的不同壓縮狀態(tài)關(guān)聯(lián)。因此，在這一實(shí)施例中，致動(dòng)器可以被用于將懸掛彈簧機(jī)械地設(shè)置在與懸掛彈簧的不同壓縮狀態(tài)關(guān)聯(lián)的兩個(gè)或更多個(gè)位置中的一個(gè)。圖4a至圖4c描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于mems結(jié)構(gòu)中的機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)的示意圖和圖片。具體地，在圖4a中，描繪了機(jī)械mems鎖定結(jié)構(gòu)，其中，連接到致動(dòng)器404的致動(dòng)器梁402包括一個(gè)或多個(gè)棘爪406(例如，彈性梁)，這一個(gè)或多個(gè)棘爪406與一個(gè)或多個(gè)棘齒408接合，一個(gè)或多個(gè)棘齒408形成在mems支承結(jié)構(gòu)409中或mems支承結(jié)構(gòu)409上。致動(dòng)器梁還連接到懸掛彈簧412的端部410。連接到mems支承結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)元件414可以確保致動(dòng)器梁在所期望的方向上移動(dòng)并且壓縮力在該方向上被施加到彈性梁?？梢酝ㄟ^(guò)不對(duì)稱形成的鋸齒的線性布置形成棘齒。如圖4b中所示，由于棘齒的鋸齒形式，所以附接到致動(dòng)器梁的一個(gè)或多個(gè)彈性棘爪梁可以在一個(gè)或多個(gè)棘齒上滑動(dòng)，由此允許致動(dòng)器梁在朝向懸掛彈簧的方向上連續(xù)線性運(yùn)動(dòng)。然而，在相反方向上，彈性棘爪梁將與棘齒位置接合，由此防止致動(dòng)器梁在偏離懸掛彈簧的方向上移動(dòng)。這樣，棘齒和棘爪結(jié)構(gòu)確保懸掛彈簧被不可逆地預(yù)加載。因此，通過(guò)在棘齒上移動(dòng)彈性棘爪梁并且將彈性棘爪梁定位在預(yù)定的棘齒位置，懸掛彈簧可以被機(jī)械預(yù)加載預(yù)定的壓縮力。各棘齒位置可以對(duì)應(yīng)于彈簧的預(yù)定的壓縮(預(yù)加載)狀態(tài)。圖4c描繪了包括機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)的mems結(jié)構(gòu)的示例的圖片，機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)包括致動(dòng)器梁、與形成在mems支承結(jié)構(gòu)中的(兩個(gè))棘齒結(jié)構(gòu)接合的(兩個(gè))彈性棘爪梁。用于生產(chǎn)諸如棘齒-棘爪系統(tǒng)的機(jī)械mems元件的方法是已知的并且例如在us8480302中和pham等人的文章“singlemask,simplestructuremicrorotatioalmotordrivenbyelectrostaticcomb-driveactuators”(2012，j.micormech.microeng.22(2012)015008)中有所描述。圖5a至圖5c描繪了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于mems結(jié)構(gòu)中的機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)的示意圖和照片。具體地，在圖5a中，描繪了機(jī)械mems鎖定結(jié)構(gòu)，其中，致動(dòng)器梁502通過(guò)兩狀態(tài)機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)506連接到mems支承結(jié)構(gòu)516。致動(dòng)器梁還可以連接到懸掛彈簧512的端部510。連接到mems支承結(jié)構(gòu)516的引導(dǎo)元件514可以確保致動(dòng)器梁正在所期望的方向上移動(dòng)并且壓縮力在該方向上被施加到彈性梁。機(jī)械開(kāi)關(guān)可以包括一個(gè)或多個(gè)彎曲的所謂雙穩(wěn)定(bistable)梁506，雙穩(wěn)定梁506連接在mems支承結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對(duì)側(cè)之間并且連接到致動(dòng)器梁。用于生產(chǎn)機(jī)械mems元件(諸如雙穩(wěn)定梁)的方法是已知的并且例如在us200302970中有所描述。這樣的結(jié)構(gòu)可以有兩個(gè)穩(wěn)定位置，即，彈性梁的第一位置(如圖5a中所示)和彈性梁的第二位置(如圖5b中所示)?？梢酝ㄟ^(guò)激活致動(dòng)器以在懸掛彈簧512的方向上推動(dòng)由引導(dǎo)元件514引導(dǎo)的致動(dòng)器梁來(lái)實(shí)現(xiàn)切換到第二位置。在某個(gè)時(shí)刻，致動(dòng)器會(huì)用力將彈性梁推到其第二穩(wěn)定位置，如圖5b中所示。在該情況下，通過(guò)由機(jī)械開(kāi)關(guān)維持的(靜態(tài))壓縮力來(lái)預(yù)加載懸掛彈簧。圖5c描繪了包括兩狀態(tài)機(jī)械開(kāi)關(guān)的mems結(jié)構(gòu)的示例的圖片。在該特定示例中，致動(dòng)器梁連接到懸掛彈簧和中間質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，中間質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)允許使用懸掛彈簧來(lái)穩(wěn)定懸掛檢驗(yàn)質(zhì)量塊。如果致動(dòng)器僅可以推而不可以拉，則不能恢復(fù)原始的未應(yīng)變狀態(tài)。在該情況下，這還可以被用作抗反轉(zhuǎn)(anti-reverse)系統(tǒng)。圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的慣性mems傳感器的至少部分的俯視圖。特別地，圖6描繪了包括檢驗(yàn)質(zhì)量塊602的mems慣性傳感器的俯視圖，檢驗(yàn)質(zhì)量塊602由懸掛彈簧604懸掛到mems支承結(jié)構(gòu)606。懸掛彈簧的一端可以經(jīng)由致動(dòng)器梁610連接到致動(dòng)器608。在該特定示例中，懸掛彈簧可以具有1000×5×25微米的尺寸，熱致動(dòng)器可以具有1700×10×25微米的尺寸，雙穩(wěn)定梁對(duì)可以具有400(或600)×5×25微米的尺寸，檢驗(yàn)質(zhì)量塊可以具有3000×3000×25微米的尺寸。根據(jù)該系統(tǒng)的所期望的性質(zhì)，可以在1000微米和5000微米之間選擇梁長(zhǎng)度l。致動(dòng)器梁還可以連接到機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)612(如例如參考圖4和圖5詳細(xì)描述的)，以維持懸掛彈簧上的壓縮力。檢驗(yàn)質(zhì)量塊可以包括電容耦接構(gòu)件614、616，例如交叉指電容器(interdigitatedcapacitor)構(gòu)件，其可以被用于感測(cè)懸掛的檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位移或者致動(dòng)懸掛的檢驗(yàn)質(zhì)量塊。接觸焊盤6181-3可以用于接觸(例如，通過(guò)引線鍵合)mems傳感器的元件。例如，接觸焊盤6181,2可以用于施加通過(guò)電-熱致動(dòng)器608的電流并且接觸焊盤6183可以用于向電容器電極中的一個(gè)施加偏置電壓。圖7a和圖7b描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于mems傳感器中的電-熱致動(dòng)器。在該特定的實(shí)施例中，電-熱致動(dòng)器可以被實(shí)現(xiàn)為包括具有一定的導(dǎo)電率的懸掛的(略微)v形硅梁702(還參見(jiàn)圖5c中的致動(dòng)器梁502)的mems結(jié)構(gòu)，梁702可以形成在其中還可以形成有包括檢驗(yàn)檢驗(yàn)質(zhì)量塊、懸掛彈簧和鎖定機(jī)構(gòu)的所有其它mems元件的相同的硅層中。梁可以連接到用于施加通過(guò)該梁的電流的鍵合焊盤7041,2。另外，v形梁的頂部706可以連接到或接近于與懸掛彈簧(如例如710)連接的致動(dòng)器梁708。當(dāng)施加通過(guò)懸掛的v形梁的電流i時(shí)，將出現(xiàn)焦耳熱并且梁的熱膨脹將導(dǎo)致v形的頂部沿著x方向的位移dx，如圖7b中所示。梁的位移將沿著x方向推動(dòng)致動(dòng)器梁，使得懸掛彈簧被機(jī)械預(yù)加載一定的壓縮力。例如，當(dāng)施加通過(guò)1700×10×25微米的v形硅梁的0和15ma之間的電流時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0和20微米量級(jí)的位移dx。雖然圖7a和圖7b例示了結(jié)合圖5的鎖定機(jī)構(gòu)的電-熱致動(dòng)器，但還預(yù)見(jiàn)到有或沒(méi)有鎖定機(jī)構(gòu)的其他實(shí)施例?？梢酝ㄟ^(guò)使用圖8a至圖8b中描繪的模型參考圖2、圖3a和圖3b對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行簡(jiǎn)化的分析數(shù)學(xué)描述。圖8a描繪了被兩個(gè)彎曲的兩端固支梁(clamped-clampedbeams)懸掛的檢驗(yàn)質(zhì)量塊，其中兩端固支梁初始(未壓縮)地沿著x伸出長(zhǎng)度l0。此后，對(duì)單個(gè)懸梁的計(jì)算完成，并且可以將其直接推廣于并行作用的多個(gè)梁。在外力fy(每個(gè)梁)的作用下，檢驗(yàn)質(zhì)量塊被從平衡處拉動(dòng)距離y。對(duì)于小的偏離，各懸梁的初始剛度k0接近直梁的初始剛度(等式7)，其中，e是梁材料的楊氏模量，并且i是其面積的二次矩。等效地，可以按(等式8)來(lái)定義相對(duì)于梁底部的梁頂部轉(zhuǎn)動(dòng)剛度其中并且其中m＝fyl0是作用于梁支承框架的力矩。如圖8a中配置的質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率是其中，m是每個(gè)梁的懸掛質(zhì)量。圖8b描繪了在已經(jīng)向懸梁施加壓縮力fx之后的質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)。這樣的力對(duì)作用于梁支承框架的力矩有貢獻(xiàn)，在某質(zhì)量塊位移y處，作用于梁支承框架的力矩變?yōu)?等式9)m＝fyl+fxy＝αk0ly其中，α是對(duì)初始梁彎曲剛度k0的校正因子。通過(guò)懸梁的幾何參數(shù)，校正因子隨著fx的變化而變化，并且可以通過(guò)對(duì)等式6的數(shù)值積分或者通過(guò)有限元建模(fem)來(lái)計(jì)算校正因子。根據(jù)等式9可以求解y，從而得到每個(gè)梁的減小的剛度(等式10)在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，l～l0。壓縮狀態(tài)下的質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率是表1：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的mems慣性傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)的示例傳感器1傳感器2質(zhì)量(mg)0.4530彈簧數(shù)量416l0(μm)9601660每個(gè)梁的未壓縮剛度k0(n/m)0.551.1未壓縮頻率f0(hz)355122校正因子α0.850.85梁壓縮(μm)1932.9壓縮力fx(μn)4231465壓縮后的頻率f1(hz)8428表1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、基于圖8a至圖8b中描繪的模型的mems慣性傳感器設(shè)計(jì)的兩個(gè)示例。圖9a至圖9b描繪了測(cè)量的mems慣性傳感器的自然頻率的圖像，mems慣性傳感器包括如參考圖3a至圖3b描述的預(yù)加載懸掛彈簧。圖9a描繪了對(duì)包括0.45mg的檢驗(yàn)質(zhì)量塊的mems傳感器的兩個(gè)樣本進(jìn)行的測(cè)量。作為參考，還展示了fem模型的結(jié)果。如圖像中所示的，可以通過(guò)控制懸掛彈簧上的壓縮力來(lái)變化自然頻率f0。這里，以彈簧的壓縮變形δx表達(dá)壓縮力。因此，例如，通過(guò)控制致動(dòng)器引起mems-2的懸掛彈簧約9微米的壓縮變形，質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率可以從290hz減小至近似為190hz。彈簧壓縮變形進(jìn)一步增大至達(dá)14微米導(dǎo)致自然頻率約為130hz，即，小于mems傳感器在其非預(yù)加載狀態(tài)下的自然頻率的一半，由此提供有效的片上剛度抵消，從而導(dǎo)致傳感器的靈敏度增大。梁壓縮進(jìn)一步增大至達(dá)19微米使得自然頻率進(jìn)一步減小至70hz(對(duì)應(yīng)于相對(duì)于原樣處理(as-processed)狀態(tài)的17倍剛度減小)。必須注意到，相同裝置的面外(z軸)自然頻率為1300hz，與壓縮狀態(tài)無(wú)關(guān)。圖9b描繪了對(duì)包括30mg的檢驗(yàn)質(zhì)量塊的mems傳感器進(jìn)行的相同測(cè)量。在這種情況下，原樣處理的自然頻率是100hz。通過(guò)片上抗彈簧機(jī)構(gòu)將自然頻率降至28hz，對(duì)應(yīng)于相較于mems傳感器的原樣處理狀態(tài)的14倍剛度減小。懸梁的進(jìn)一步壓縮可以導(dǎo)致低于裝置的20hz操作自然頻率。因此，該圖像表明，本發(fā)明使得能夠?qū)|(zhì)量塊-彈簧mems結(jié)構(gòu)的自然頻率進(jìn)行有效的片上控制。通過(guò)向懸掛彈簧施加壓縮力，質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率可以被控制在f0和0.1·f0之間，優(yōu)選地在f0和0.2·f0之間，更優(yōu)選地在f0和0.3·f0之間。圖10a至圖10e描繪了根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的慣性mems傳感器。具體地，圖10a描繪了與參考圖3a至圖3b描述的傳感器相似的慣性mems傳感器，從這一方面來(lái)說(shuō)，mems傳感器包括通過(guò)多個(gè)懸梁10041-4連接到支承結(jié)構(gòu)1007的檢驗(yàn)質(zhì)量塊1005。mems傳感器可以包括對(duì)懸梁進(jìn)行片上預(yù)加載的致動(dòng)器10021-4。在一個(gè)實(shí)施例中，如參考圖2描述的彎曲懸梁可以被用作懸掛彈簧。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用剛性懸梁?？梢酝ㄟ^(guò)致動(dòng)器在預(yù)定的方向上對(duì)懸梁進(jìn)行壓縮，其中致動(dòng)器包括致動(dòng)梁1008，并且可選地包括引導(dǎo)結(jié)構(gòu)1003。支承結(jié)構(gòu)可以設(shè)置有端部止動(dòng)結(jié)構(gòu)10091-4，端部止動(dòng)結(jié)構(gòu)10091-4用于限制檢驗(yàn)質(zhì)量塊沿著mems傳感器的靈敏軸(y)(即，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)軸)的位移。在圖10a中，mems表面處于水平取向，梁處于未壓縮狀態(tài)。當(dāng)與圖3a和圖3b進(jìn)行比較時(shí)，圖10a中的mems傳感器包括彎曲懸梁，彎曲懸梁包括相對(duì)于檢驗(yàn)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向(在該特定示例中為x方向)的初始偏置角1013。可以在制造工藝期間在結(jié)構(gòu)中引入該預(yù)定的偏置角。如此后將更詳細(xì)地描述的，初始偏置角提供了補(bǔ)償當(dāng)在豎直位置(例如，檢驗(yàn)質(zhì)量塊沿著z方向移動(dòng)的位置)使用mems傳感器時(shí)可能出現(xiàn)的重力效應(yīng)的手段。當(dāng)與圖3a至圖3b中描繪的實(shí)施例進(jìn)行比較時(shí)，在圖10a的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)在梁與檢驗(yàn)質(zhì)量塊的連接點(diǎn)之間引入了相對(duì)于梁與支承結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)的偏置，而檢驗(yàn)質(zhì)量塊相對(duì)于電容感測(cè)和致動(dòng)結(jié)構(gòu)10061,2保持居中。偏置沿著檢驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)方向并且關(guān)于與壓縮結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)以一角度(初始偏置角度)縮放?？梢赃x擇檢驗(yàn)質(zhì)量塊和彎曲懸掛彈簧的尺寸和幾何形狀，使得當(dāng)懸掛彈簧處于其非壓縮狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)具有一定的自然頻率f0。此后，可以通過(guò)內(nèi)置的致動(dòng)器來(lái)壓縮彎曲懸掛彈簧，直到達(dá)到所期望的壓縮狀態(tài)。作為初始偏置角度(偏置)的效果，當(dāng)梁被壓縮時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊將沿著y軸移動(dòng)，直到它們被推抵端部止動(dòng)件10091,2。在圖10b中描繪了處于水平狀態(tài)的mems傳感器的該中間壓縮狀態(tài)。隨后，mems傳感器在豎直位置上取向。在該情況下，由于重力的效果，所以檢驗(yàn)質(zhì)量塊將移回其初始位置，使得它相對(duì)于感測(cè)和致動(dòng)結(jié)構(gòu)居中。在圖10c中描繪了mems傳感器的該最終配置。在該狀態(tài)下，通過(guò)(如參考圖10a詳細(xì)描述的)懸掛的初始(未壓縮狀態(tài))剛度并且通過(guò)施加到懸掛彈簧的預(yù)加載力確定mems慣性傳感器的自然頻率f1。因此，綜上所述，通過(guò)改變懸掛彈簧相對(duì)于機(jī)械預(yù)加載力的方向的取向，mems傳感器可以優(yōu)選地被配置為水平地、豎直地或者沿著相對(duì)于重力方向的任何不同傾斜度的方向測(cè)量加速度。這樣，在不消耗電力的情況下能實(shí)現(xiàn)頻率減小和重力補(bǔ)償兩者?？梢酝ㄟ^(guò)使用圖10d至圖10e中描繪的模型來(lái)簡(jiǎn)單描述圖10a至圖10b的實(shí)施例。圖10d描繪了由兩個(gè)彎曲梁懸掛的質(zhì)量塊，其中該彎曲梁初始(未壓縮)地沿著x伸出長(zhǎng)度l0。在圖10d中，y軸水平地取向。由于彈簧具有初始轉(zhuǎn)動(dòng)角度所以檢驗(yàn)質(zhì)量塊沿著y的位置相對(duì)于懸掛彈簧和懸掛彈簧的支承結(jié)構(gòu)之間的連接點(diǎn)的移動(dòng)量為y0。圖10e描繪了在已經(jīng)向懸掛彈簧施加壓縮力fx之后并且系統(tǒng)的y軸已經(jīng)豎直取向之后的質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)。檢驗(yàn)質(zhì)量塊的新平衡位置相對(duì)于初始配置的移動(dòng)量為y。參考等式9，由(等式11)給出支承結(jié)構(gòu)上的力矩m通過(guò)求解等式11，可以按(等式12)確定y使y＝0，則通過(guò)求解等式12，可以計(jì)算出y0的值(并且因而可以計(jì)算出的值)為(等式13)通過(guò)微分等式12確定最終剛度(每個(gè)彈簧)k1為(等式14)，與等式10相同。最終狀態(tài)下的質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)的自然頻率是必須注意到，通過(guò)對(duì)等式6進(jìn)行數(shù)值積分或者通過(guò)有限元建模(fem)，對(duì)懸掛幾何參數(shù)和預(yù)加載力進(jìn)行更精確的確定。舉例而言，根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，通過(guò)在傳感器1和傳感器2中分別引入y0＝2.5微米和y0＝83微米，表1中示出的設(shè)計(jì)參數(shù)還可以用于豎直mems慣性傳感器。本發(fā)明的該實(shí)施例允許設(shè)計(jì)低自然頻率豎直mems慣性傳感器，其中通過(guò)向懸掛彈簧施加合適的預(yù)加載，被動(dòng)地補(bǔ)償檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位置上的重力的靜態(tài)效果。在芯片制造之后，重力補(bǔ)償系統(tǒng)在芯片的壽命內(nèi)接合一次，并且在傳感器操作期間不需要施加任何靜電場(chǎng)。這樣將導(dǎo)致較好的噪聲性能和較低的功耗?？梢酝ㄟ^(guò)電容致動(dòng)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整適應(yīng)由于處理不準(zhǔn)確性、重力的本地幅度或者熱-彈性效果導(dǎo)致的殘余豎直不平衡。可以通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)于重力有不同取向的mems傳感器的替代配置(如galperi，偏離豎直z軸54.7度)。圖11例示了示出使用優(yōu)化的閉環(huán)讀出方案(在該情況下參考us7484411b2的公開(kāi)結(jié)果)的現(xiàn)有技術(shù)的mems地震傳感器和數(shù)個(gè)mems慣性傳感器的讀出噪聲的加速度噪聲貢獻(xiàn)之間的比較的圖像，其中mems慣性傳感器具有20倍大的位移噪聲，并且具有不同的較低的自然頻率。如在圖像中示出的，自然頻率為90hz并且位移噪聲差20倍的慣性傳感器的噪聲水平與最佳的可用的mems傳感器基本相同。當(dāng)將自然頻率從70降至30hz時(shí)，讀出噪聲降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，低至幾接近系統(tǒng)的布朗噪聲水平。這些圖像表明減小自然頻率對(duì)傳感器的靈敏度的顯著影響。圖12描繪了示出包括參照?qǐng)D3a至圖3b描述的預(yù)加載懸掛彈簧的慣性mems傳感器的測(cè)量的噪聲水平作為自然頻率的函數(shù)的圖像。用安裝在真空中超靜平臺(tái)上的mems傳感器來(lái)執(zhí)行測(cè)量，其中該平臺(tái)在3hz以上的殘余加速度優(yōu)于mems傳感器具有檢驗(yàn)質(zhì)量塊，檢驗(yàn)質(zhì)量塊為30mg并且在未壓縮狀態(tài)下的自然頻率為102hz。通過(guò)將傳統(tǒng)的離散組件電荷放大器連接到mems電容感測(cè)結(jié)構(gòu)來(lái)讀取檢驗(yàn)質(zhì)量塊相對(duì)于支承結(jié)構(gòu)的位置。測(cè)量的位置讀出噪聲為在圖像中示出的所有數(shù)據(jù)集中，調(diào)節(jié)真空水平從而使布朗噪聲水平貢獻(xiàn)可忽略：具體地，在100毫托下執(zhí)行f0＝102hz和f0＝50.7hz的測(cè)量，而在10毫托下執(zhí)行f0＝28hz的測(cè)量。圖像示出如何通過(guò)利用抗彈簧機(jī)構(gòu)減小mems傳感器的自然頻率來(lái)使低頻下測(cè)量的背景信號(hào)水平減小。實(shí)現(xiàn)了量級(jí)的噪聲水平。必須注意，圖像中示出的3hz以下的噪聲是由于測(cè)試平臺(tái)的殘余運(yùn)動(dòng)，并不是mems傳感器輸出的特征，對(duì)此，根據(jù)等式1和等式2，預(yù)期水平的分辨率擴(kuò)展低至非常低的頻率(幾乎dc)?？梢酝ㄟ^(guò)使用熟知的半導(dǎo)體處理技術(shù)(包括光刻、蝕刻和沉積技術(shù))來(lái)制造本申請(qǐng)中描述的mems結(jié)構(gòu)。可以通過(guò)使用例如適于與cmos集成的玻璃上硅(sog)或絕緣體上硅(soi)技術(shù)來(lái)制造mems結(jié)構(gòu)。在連結(jié)到玻璃襯底的硅襯底中形成內(nèi)sogmems結(jié)構(gòu)。相似地，可以在10微米和50微米之間(優(yōu)選為20微米和40微米之間)的硅器件層中形成內(nèi)soimems結(jié)構(gòu)，其中該硅器件層連結(jié)到被厚度為1微米和5微米之間的絕緣介電層(例如，sio2層)覆蓋的硅支承晶片，硅支承晶片在200微米和400微米之間。機(jī)械抗彈簧在僅僅單個(gè)蝕刻步驟和單個(gè)晶片中實(shí)現(xiàn)了等效交叉軸抑制比。通過(guò)蝕刻硅器件層并且去除sio2層的在蝕刻的結(jié)構(gòu)之下的部分，可以在硅器件層中實(shí)現(xiàn)自由懸掛的mems結(jié)構(gòu)。這些mems結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)為使得本申請(qǐng)中描述的懸掛檢驗(yàn)質(zhì)量塊、懸掛彈簧和鎖定結(jié)構(gòu)都在相同的硅器件層中實(shí)現(xiàn)。這樣，可以用不需要復(fù)雜的多層處理的相對(duì)簡(jiǎn)單的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)非常靈敏的慣性mems傳感器。本文中使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施例的目的，并非意在限制本發(fā)明。如本文中使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”意在也包括復(fù)數(shù)，除非文中另有清楚指示。還應(yīng)該理解，當(dāng)在本說(shuō)明書中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包括了”指明存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其組。以下權(quán)利要求中的所有裝置或步驟所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)作和等同物加上功能元件意在包括用于結(jié)合具體要求保護(hù)的其它要求保護(hù)的元件的執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動(dòng)作。出于例示和描述的目的，已經(jīng)給出了本發(fā)明的說(shuō)明書，但本說(shuō)明書不意在是排他性的或者限于所公開(kāi)的形式的本發(fā)明。在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，許多修改和變形將是明了的。選擇并且描述實(shí)施例從而最佳地解釋本發(fā)明和實(shí)際應(yīng)用的原理，并且使本領(lǐng)域的其他普通技術(shù)人員理解本發(fā)明的各種實(shí)施例，其中各種實(shí)施例適于所構(gòu)想的具體使用進(jìn)行了各種修改。當(dāng)前第1頁(yè)12當(dāng)前第1頁(yè)12