CN104685319A - 用于提供具有集成时钟的面内惯性设备的装置和方法 - Google Patents

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CN104685319A CN201380026319.5A CN201380026319A CN104685319A CN 104685319 A CN104685319 A CN 104685319A CN 201380026319 A CN201380026319 A CN 201380026319A CN 104685319 A CN104685319 A CN 104685319A
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保罗·D·史万森
理查德·L·沃特斯
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Abstract

公开了惯性设备。在一种实施方式中，该设备包括支撑结构和与所述支撑结构耦合的第一弹性块***和第二弹性块***。该第一弹性块***包括第一时域数字触发器和第二时域数字触发器，分别被配置成测量所述支撑结构围绕第一轴线的旋转和沿正交的第二轴线的位移。所述第二弹性块***包括第三时域数字触发器和第四时域数字触发器，分别被配置成测量所述支撑结构围绕所述第二轴线的加速度和沿所述第一轴线的位移。

Description

用于提供具有集成时钟的面内惯性设备的装置和方法
优先权及相关的申请
本申请要求于2012年3月21日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR PROVIDING ANIN-PLANE INERTIAL DEVICE WITH INTERGATED CLOCK”的美国专利申请序列号No.13/425,631的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。该申请与于2007年7月19日提交的标题为“Dual-suspension system for MEMS-based devices and method for fabricating the same”的美国专利No.7,767,483有关，该专利的全部内容通过引用合并于此。
背景技术
常规的基于块(mass)/弹性元件的惯性感测设备(例如，加速计或陀螺仪)测量沿单个轴的力或旋转。由于多数应用在三维空间中进行，因此需要三个正交方向的加速计和三个正交方向的陀螺仪。为了降低成本、尺寸和复杂性，期望的是使用相同标准MEMS半导体工艺技术在相同平面上建立所有传感器。此外，为了降低成本和尺寸，期望的是使用最小数目的弹性(springed)检测块来进行六个测量。加速计针对运动方向需要一个弹性检测块，该运动方向朝向测量的力的方向。基于检测块的陀螺仪需要与测量的转动的轴正交移动的振荡检测块，以及在该振荡检测块上的用于测量由旋转引起的科里奥利(Coriolis)力的弹性检测块。存在对能够测量所有六个轴线并且能够在相同的基板上制造的设备的需求。
发明内容
在第一方面，公开了一种惯性设备。在一种实施方式中，该惯性设备包括：(i)支撑结构，(ii)第一弹性块***，以及(iii)第二弹性块***。该第一弹性块***与支撑结构耦合，并且被配置成：(i)基于第一时域触发器测量所述支撑结构围绕第一轴线的旋转；以及(ii)基于第二时域触发器测量所述支撑结构沿第二轴线的加速度。所述第二弹性块***也与所述支撑结构耦合。此外，所述第二弹性块***被配置成：(i)基于第三时域触发器测量所述支撑结构围绕所述第二轴线的旋转；以及(ii)基于第四时域触发器测量所述支撑结构沿所述第一轴线的加速度。
在一种变形中，所述惯性设备包括整体集成的惯性设备。第一弹性块***和第二弹性块***与所述支撑结构弹性耦合。该第一弹性块***被配置成使用在第一驱动块与第一感测块之间协同耦合的第一时域数字触发器来测量所述支撑结构围绕第一轴线的旋转。该第一弹性块***还被配置成使用在所述支撑结构与所述第一驱动块之间有效耦合的第二时域数字触发器来测量所述支撑结构在第二方向上的加速度，所述第二方向对应于沿第二轴线的方向，该第二轴线与所述第一轴线正交。所述第二弹性块***被配置成使用在第二驱动块与第二感测快之间有效耦合的第三时域数字触发器来测量所述支撑结构围绕所述第二轴线的旋转。所述第二弹性块***还被配置成使用在所述支撑结构与所述第二驱动块之间有效耦合的第四时域数字触发器来测量所述支撑结构在第一方向上的加速度，该第一方向对应于沿所述第一轴线的方向。
在第三方面，公开了一种测量支撑结构围绕第一轴线的旋转以及所述支撑结构沿第二轴线的加速度的方法。在一种实施方式中，该方法包括：(i)驱动驱动块振荡，该振荡相对于所述支撑结构沿所述第二轴线；该振荡导致第一开关中的第一触发事件；(ii)允许感测块相对于所述第一驱动块沿第三轴线移动，所述感测块的所述移动导致第二开关中的第二触发事件；(iii)监测所述开关上连续的触发事件之间的时间间隔；(iv)至少基于对应于所述第二触发事件的所述时间间隔，测量所述支撑结构围绕所述第一轴线的所述旋转；(v)至少基于对应于所述第一触发事件的所述时间间隔，测量所述支撑结构沿所述第二轴线的所述加速度。
在一种或多种变形中，该方法还包括(除以上之外)测量针对所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线中的任意或全部的旋转和加速度。
在第四方面，公开了用于形成整体设备的方法，该整体设备被配置成至少测量围绕第一轴线的旋转以及沿第二轴线的加速度。在一种实施方式中，该方法包括：(i)在所述第一轴线和第二轴线的平面中，由基板形成支撑结构；(ii)在所述平面中形成第一弹性块结构，以及(iii)形成第一时域开关和第二时域开关，所述第一时域开关和第二时域开关分别对所述第一驱动块的移动和所述第一感测块的移动敏感。所述第一弹性块结构包括：(i)第一驱动块，被配置成经受相对于所述支撑结构沿所述第二轴线驱动的振荡；以及(ii)第一感测块，被配置成沿第三轴线移动。
在一种变形中，所述弹性块结构还包括第二感测块，被配置成沿所述第一方向移动。
在一种或多种变形中，该方法还包括(除以上之外)形成双感测块结构、加速计、和/或双共振器块。
参考附图和下面给出的对示例性实施方式的详细描述，本领域的普通技术人员将立即理解本发明的其他特征和优势。
附图说明
在一些附图中，使用相似的参考标记来指代相似的元件。附图中的元件未被按比例绘出，并且为了清楚，对一些尺寸进行放大。
图1是面内整体集成的惯性设备的顶视图。
图2A-2C是在多个参考位置中的电子隧道接近开关的侧视图。
图3是惯性设备的另一实施方式的透视图。
图4是双块弹性块***的透视图。
图5是惯性设备的另一实施方式的透视图。
图6A是加速计的透视图。
图6B是加速计的透视横截面图。
图7A是双块共振器的透视图。
图7B是双块共振器的透视横截面图。
具体实施方式
这里描述了面内整体集成的惯性设备，该惯性设备能够测量结构围绕多个轴线的位移和旋转(多达力的三个正交方向、以及旋转的三个正交轴线)。该惯性设备及其组件可以使用相同的制造工艺来相同的基板上被制造。
图1描述了面内整体集成的惯性设备10。该惯性设备10可以在任意三维空间中的任意方向中被使用。为了便于描述，在这里参考x-y-z相互正交的三个轴线坐标系来描述惯性设备10的各个组件的旋转和加速度。惯性设备10包括支撑结构12和第一弹性块***14以及第二弹性块***16，所述第一弹性块***14和第二弹性块***16两者与支撑结构12整体集成，并与该支撑结构12弹性耦合。第一弹性块***14和第二弹性块***16两者可以被描述为基于振动检测块的陀螺仪。惯性设备10可以任意规格来制造。例如，在一种实施方式中，惯性设备10可以与微电子机械***(MEMS)设备整体集成。该支撑结构12可以具有任意尺寸和形状，并且由任意材料制成，该材料能够对惯性设备10提供刚性支撑，以使支撑结构12在被暴露给惯性设备10的侧向加速度和旋转加速度时不显著弯曲和/或变形。
在各种实施中，可以使用如在于2007年7月19日提交的标题为“Dual-suspension systemfor MEMS-based devices and method for fabricating the same”的美国专利No.7,767,483中公开的架构和技术来运动耦合元件，如之前所述，该申请的全部内容通过引用合并于此。如这里讨论的，在基板(例如，CMOS等)上形成的双悬浮***可以用于耦合一个或多个块之间的运动。然而，应当理解的是，其他***可以被实施。
第一弹性块***14被配置成使用第一时域数字触发器18来测量支撑结构12围绕x轴线的旋转。第一弹性块***14还被配置成使用第二时域数字触发器20来测量支撑结构12在y方向上的加速度。第二弹性块***16被配置成使用第三时域数字触发器22来测量支撑结构12围绕y轴线的旋转。第二弹性块***16还被配置成使用第四时域数字触发器24来测量支撑结构12在x方向上的加速度。
第一弹性块***14包括第一驱动块26和第一感测块28。第一触发器18有效耦合在第一驱动块26与第一感测块28之间。第二触发器20有效耦合在支撑结构12与第一驱动块26之间。第二弹性块***16包括第二驱动块30和第二感测块32。第三触发器22有效耦合在第二驱动块30与第二感测块32之间。第四触发器24有效耦合在支撑结构12与第二驱动块30之间。
第一驱动块26可以被弹性耦合至支撑结构12，以使第一驱动块26相对于支撑结构12的移动基本上被限制于在y方向上的移动，如由第一驱动块26上的双向箭头示出的。第一驱动块26被驱动以在y方向上相对于支撑结构12振荡。第一感测块28可以与第一驱动块26弹性耦合，以使第一感测块28相对于第一驱动块26的移动基本上被限制于在z方向上的移动，如图1中由第一感测块28上的两个圆圈(一个在其中有点，另一个在其中有“X”)描绘的，这两个圆圈指示向页面内和外的移动。第二驱动块30可以与支撑结构12弹性耦合，以使第二驱动块30相对于支撑结构12的移动基本上被限制于在x方向上的移动，如由第二驱动块30上的双向箭头示出的。第二驱动块30被驱动以在x方向上相对于支撑结构12振荡。第二感测块32可以与第二驱动块30弹性耦合，以使第二感测块32相对于第二驱动块30的移动基本上被限制于在z方向上的移动，如图1中由第二感测块32上的两个圆圈(一个在其中有点，另一个在其中有“X”)描绘的，这两个圆圈指示向页面内和外的移动。
时域数字触发器中的每个可以是能够产生对应于两个块的各种相对位置的数字信号的任何装置，在所述两个块之间，耦合了每个时域数字触发器。时域数字触发器中的每个被配置成在两个对应的块的每个相对振荡期间经过至少一次关闭状态和至少一次打开状态，给定的时域数字触发器被耦合至所述两个对应的块。例如，将能够产生数字信号的第一数字触发器18认为是第一感测块28经过相对于第一驱动块26的各个参考位置。在第一感测块28相对于第一驱动块26的每次振荡的情况下，第一数字触发器18经过关闭状态和打开状态。每次第一感测块28经过相对于第一驱动块26的第一参考位置时，第一数字触发器18经过关闭状态。因此，从第一感测块28相对于第一驱动块26的第一参考位置的位移可以通过监测第一数字触发器18的状态来被发现。
时域数字触发器中的每个基于给定的时域数字触发器所耦合至的两个对应的块的相对位置变化，经历状态变化。每个时域数字触发器处于关闭状态时的对应的参考位置可以是零力位置，或者任意其他所需的参考位置。时域数字触发器的目的在于对一个块相对于另一个块的位置进行局部化，以使能够执行精确的加速度独立相位测量——从而增加锁相环关闭的稳定性，以及降低惯性设备10的总体相位噪声和抖动。
时域触发器的合适的示例包括任何能够生成有限宽度电流脉冲的接近开关。接近开关的合适的示例是电子隧道接近开关，其包括至少一对电子隧道末端(tip)——一个末端安装在一个块上，而另一个末端安装在不同的块上。在这种配置下，两个末端彼此对齐，以使当一个块相对于另一个块移动时，两个末端彼此靠近地传递(但不物理上相互接触)，以使电流脉冲可以在末端之间通过。当两个末端之间的电流脉冲通过时，电子隧道接近开关被视为处于关闭状态。电流脉冲本身能够经由互阻抗放大器被放大成导轨(rail)，并且脉冲的前沿和/或后沿可以用于对块中的一者相对于另一个块的位置进行局部化。如何执行此操作的更详细的描述可以在于2011年10月19日提交的、题为“Resonator with Reduced AccelerationSensitivity and Phase Noise Using Time Domain Switch”的美国专利申请13/276,948中找到，该申请的全部内容通过引用合并于此。接近开关的其他示例包括电容式开关、光学快门开关、以及磁开关。另外，任意接近开关可以被配置成在一个块相对于另一个的单个振荡周期期间，经过对应于多个参考位置的多个关闭状态。
在各种实施方式中，实施在以下中公开的用于接近开关的技术和架构：于2009年10月1日提交的、题为“Nanoeletromechanicai Tunneling Current Switch Systems”的美国专利申请序列号No.12/571,958(现在为美国专利No.8,338,728)，该申请的全部内容通过引用合并于此。如这里所讨论的，悬浮纳米线(nanofilament)(例如，碳纳米管等)被用在(尤其地)门电路。然而，应当理解的是，可以使用用于接近开关的其他方法。
图2A-2C示出了电子隧道接近开关的实施方式，该电子隧道接近开关被配置成在单个振荡周期期间经过对应于该接近开关所耦合的两个块的多个参考位置的多个关闭状态。在图2A-2C中，参考第一数字触发器18来描述电子隧道接近开关。然而，应当理解的是，这里描述的通用原理可以应用于任何时域数字触发器。在图2A-2C示出的第一数字触发器18的实施方式中，第一数字触发器18包括z方向堆叠的第一电子隧道末端34和第二电子隧道末端36，该第一电子隧道末端34和第二电子隧道末端36被安装在第一驱动块26上。第一电子隧道末端34和第二电子隧道末端36在z方向上彼此对齐，并且在z方向上彼此相隔距离d1。在该实施方式中，第一数字触发器18还包括第三和第四z方向堆叠的电子隧道末端38和40，这二者被安装至第一感测块28。第三末端38和第四末端40在z方向上彼此对齐，并在z方向上彼此相隔距离d1。第一末端34和第二末端36、与第三末端38和第四末端40能够通过介电垫片42彼此相隔。第一末端34、第二末端36、第三末端38和第四末端40相对于彼此设置，以使在第一感测块28处于第一参考位置时(例如，图2A所描绘的)，电流脉冲分别从第一末端34和第二末端36传递、经过间隙44到达第三末端38和第四末端40。第一数字触发器18的这一实施方式还包括第一感测块28相对于第一驱动块26的第二和第三参考位置。在第一感测块28在z方向上从第一参考位置位移距离-d1时，第一感测块28处于第二参考位置，如图2B所示出的。在该第二参考位置中，第一数字触发器18处于关闭状态，以使电流脉冲可以从第一末端34传递到第四末端40。当第一感测块28在z方向上位移距离+d1时，第一感测块28处于第三参考位置，如图2C所示出的。在第三参考位置中，第一接近开关18处于关闭状态，以使电流脉冲从第二末端36传递到第三末端38。
图3是惯性设备10的实施方式的透视图。在该实施方式中，第一弹性块***14还包括第一驱动块驱动器46，以及第二弹性块***16还包括第二驱动块驱动器48。该第一驱动块驱动器46被配置成促使第一驱动块26在y方向上相对于支撑结构12振荡。该第二驱动块驱动器46被配置成促使第二驱动块30在x方向上相对于支撑结构12振荡。第一感测块28与第一驱动块28弹性耦合，以使第一感测块28相对于第一驱动块26的移动基本上被限制于在z方向上的移动。第二感测块32与第二驱动块30弹性耦合，以使第二感测块32相对于第二驱动块30的移动基本上被限制于在z方向上的移动。因此，第一感测块28和第二感测块32分别在感测方向上(即，z方向)与第一驱动块26和第二驱动块30去耦合。响应于来自支撑结构12围绕x轴线的旋转的科里奥利力，第一感测块28相对于第一驱动块26在z方向上移动。响应于来自支撑结构12围绕y轴线的旋转的科里奥利力，第二感测块32相对于第二驱动块30在z方向上移动。
每当第一感测块28经过相对于第一驱动块26的第一参考位置时，第一时域数字触发器18经历关闭状态。因此，从第一感测块28相对于第一驱动块26的第一参考位置的位移可以通过监测第一时域数字触发器18的状态来发现。每当第二感测块32经过相对于第二驱动块30的第一参考位置时，第三时域数字触发器22经历关闭状态。因此，从第二感测块32相对于第二驱动块30的第一参考位置的位移可以通过监测第三时域数字触发器22的状态来发现。
第一驱动块26可以以限制第一驱动块26相对于支撑结构12在x和z方向上的移动、以及围绕x-y-z轴线的旋转，但是还允许第一驱动块26在y方向上相对于支撑结构12弹性移动的任意方式来与支撑结构12耦合。第二驱动块30可以以限制驱动块相对于支撑结构12在y和z方向上的移动、以及围绕x-y-z轴线的旋转，但是还允许第二驱动块30在x方向上相对于支撑结构12弹性移动的任意方式来与支撑结构12耦合。
图3中示出的惯性设备10的实施方式描绘了第一驱动块26通过柔性(compliant)弹性部件50来与支撑结构12耦合，该柔性弹性部件50被设计成仅在y方向上弯曲。然而，第二驱动块30通过柔性弹性部件52来与支撑结构12耦合，该柔性弹性部件52被设计成仅在x方向上弯曲。第一驱动块驱动器46和第二驱动块驱动器48可以是能够分别促使第一驱动块26和第二驱动块30以任意所需的频率分别在y方向和x方向上相对于支撑结构12振荡的任意装置。驱动块驱动器的合适的示例包括但不限于变面积致动器(例如，静电梳齿驱动(例如，图3中描绘的))、变间隙致动器(例如，平行板致动器)、以及其他电磁或压电致动机制。可以使用持续的振荡力或者通过与第一驱动块26和第二驱动块30的谐波共振同相的周期的“脉冲函数(delta function)”力，来分别驱动第一驱动块26和第二驱动块30。
第一感测块28可以以限制第一感测块28相对于第一驱动块26在x和y方向上的移动、以及围绕x-y-z轴线的旋转，但是还允许第一感测块28在z方向上相对于第一驱动块26弹性移动的任意方式来与第一驱动块26耦合。第二感测块32可以以限制第二感测块32相对于第二驱动块30在x和y方向上的移动、以及围绕x-y-z轴线的旋转，但是还允许第二感测块32在z方向上相对于第二驱动块30弹性移动的任意方式来与第二驱动块30耦合。图3中示出的惯性设备10的实施方式描绘了第一感测块28和第二感测块32分别通过整体集成的双元件弹性元件54来与第一驱动块26和第二驱动块30耦合，该整体集成的双元件弹性元件54被设计成仅在z方向上弯曲。
图4是第二弹性块***16的另一实施方式的透视图。在该实施方式中，第二弹性块***16还包括第三感测块56和第五时域数字触发器58。第二弹性块***16还被配置成使用该第五时域数字触发器58，该第五时域数字触发器58有效耦合在第二驱动块30与第三感测块56之间，以测量支撑结构12围绕z轴线的旋转。第三感测块56与第二驱动块30弹性耦合，以使第三感测块56相对于第二驱动块30的移动基本上被限制在y方向上的移动。因此，第三感测块56被配置成响应于来自支撑结构12围绕z轴线的旋转的科里奥利力来在y方向上相对于第二驱动块30移动。
在图4中，示出了第三感测块56通过柔性弹性部件60来与第二驱动块30耦合。第五时域数字触发器58是耦合在第二驱动块30与第三感测块56之间的接近开关。第五时域数字触发器58被配置成每当第三感测块56处于相对于第二驱动块30的参考位置时处于关闭状态。第五时域数字触发器58可以是能够产生对应于第三感测块56相对于第二驱动块30的各个位置的数字信号的任意装置。换句话说，第五时域数字触发器58可以是能够基于第三感测块56相对于第二驱动块30的位置变化而经历状态变化的任意设备。在图4中描绘的第二弹性块***16的实施方式中，第五时域数字触发器58被示出包括四个电子隧道末端。第五时域数字触发器58处于关闭状态时的参考位置可以是零力位置，或者任意其他所需的参考位置。支撑结构12围绕z轴线的旋转可以通过监测第五时域数字触发器58的状态来确定。多于一个的时域数字触发器可以被添加至每个感测块，以提供冗余和/或增加惯性设备10的精度。例如，在图4中，在第二感测块32与第二驱动块30之间耦合了两个第三数字触发器22，以及在第二驱动块30与支撑结构12之间耦合了四个第四数字触发器24。因此，第二弹性块***16的该实施方式向陀螺仪提供单个驱动块和被配置成测量两个正交旋转力的两个感测块(在它们各自的感测方向上未耦合)。
图5示出了惯性设备10的另一实施方式。在该实施方式中，除了第一弹性块***14和第二弹性块***16的双感测块实施方式之外，惯性设备10还包括加速计62和集成到支撑结构12的双块共振器64。加速计62被配置成测量支撑结构12在z方向上的加速度。双块共振器64被配置成向基本上稳定的时钟信号提供降低的相位噪声和对到支撑结构12的外部扰动和/或其他现象的最小敏感度。支撑结构12、第二弹性块***16的双感测块实施方式、第一弹性块***14、加速计62以及双块共振器64可以在两个封顶晶圆之间被密封在真空中。
图6A是加速计62的实施方式的透视图。该加速计62包括第四感测块66和第六时域数字触发器68。第四感测块66可以以任意方式与支撑结构12弹性耦合，条件是第四感测块66相对于支撑结构12的移动被基本上限制于在z方向上的移动。在图6A中示出的加速计62的实施方式中，第四感测块66经由整体集成的双元件弹性元件54与支撑结构12弹性耦合。第六时域数字触发器是耦合在第四感测块66与支撑结构12之间的接近开关，以使第六时域数字触发器68被配置成每当第四感测块66处于相对于支撑结构12的参考位置中时从打开状态切换到关闭状态。
图6B示出了加速计62的实施方式的横截面透视图，该加速计62还包括加速计驱动器70，被配置成驱动第四感测块66以第四感测块66的共振频率在z方向上振荡。加速计驱动器70可以是能够促使第四感测块66在z方向上相对于驱动块12的控制移动的任意设备。加速计驱动器70的合适示例包括但不限于变面积致动器(例如，静电梳齿驱动)、以及变间隙致动器(例如，平行板致动器)、以及其他电磁或压电致动机制。例如，加速计驱动器70可以包括位于第四感测块66的两侧的上重叠电容电极和下重叠电容电极的对称对，如在图6B中描绘的，其能够用于在第四感测块66中创建速度矢量。
图7A-7B描绘了双块共振器64的实施方式的透视图。双块共振器64被整体集成到框架12，并且包括共振器驱动器71、第一振荡器块72和第二振荡器块74、以及第七时域数字触发器75。第七时域数字触发器75包括第一相对位置开关等分(halve)76和第二相对位置开关等分78。共振器驱动器71驱动第一振荡器块72以第一振荡器块的共振频率振荡。双块共振器64被配置以使当第一振荡器块72相对于框架12振荡时，第一振荡器块72和第二振荡器块74之间存在相对运动。例如，第二振荡器块74可以被配置成与第一振荡器块72异相振荡。第一相对位置开关等分76和第二相对位置开关等分78以任意配置分别被安装到第一振荡器块72和第二振荡器块74，以使在第一振荡器块72的每个振荡期间，第七时域数字触发器75在第一相对位置开关等分76和第二相对位置开关等分78经过彼此时经历关闭状态。具有基本上相同的共振频率的第一振荡器块72和第二振荡器块74被设计成以基本上相同的方式对到框架12的外部扰动进行响应。关于双块共振器的进一步的细节可以在于2011年10月19日由保罗D.斯旺森提交的、题为“Resonator with Reduced Acceleration Sensitivity andPhase Noise Using Time Domain Switch”的美国专利申请13/276,948中找到，该申请的全部内容通过引用合并于此。
通过测量对应的时域数字触发器的连续的触发事件(即，关闭状态)之间的时间间隔，来自双块共振器64的时钟信号可以用于计算支撑结构12的旋转幅度和/或位移。
从惯性设备10的上述描述中显而易见的是，各种技术可以用于实施惯性设备10的概念，而不背离其范围。所描述的实施方式在各方面被认为是例证性的，而不是限制性的。还应当理解的是，惯性设备10不限于这里描述的特定实施方式，而是能够具有许多实施方式而不背离权利要求书的范围。

Claims (38)

1.一种惯性设备，该设备包括：
支撑结构；
第一弹性块，与所述支撑结构耦合，该第一弹性块被配置成：
基于第一时域触发确定所述支撑结构围绕第一轴线的旋转；以及
基于第二时域触发确定所述支撑结构沿第二轴线的加速度；以及
第二弹性块，与所述支撑结构耦合，该第二弹性块被配置成：
基于第三时域触发确定所述支撑结构围绕所述第二轴线的旋转；以及
基于第四时域触发确定所述支撑结构沿所述第一轴线的加速度。
2.根据权利要求1所述的惯性设备，其中：
所述第一弹性块包括第一驱动块和第一感测块；
所述第一驱动块与所述支撑结构有效耦合，使得所述第一驱动块相对于所述支撑结构的移动实质上被限于沿所述第二轴线的移动；以及
所述第一感测块与所述第一驱动块有效耦合，使得所述第一感测块相对于所述第一驱动块的移动实质上被限于沿第三轴线的移动。
3.根据权利要求2所述的惯性设备，其中：
所述第二弹性块包括第二驱动块和第二感测块；
所述第二驱动块与所述支撑结构有效耦合，使得所述第二驱动块相对于所述支撑结构的移动实质上被限于沿所述第一轴线的移动；以及
所述第二感测块与所述第二驱动块有效耦合，使得所述第二感测块相对于所述第二驱动块的移动实质上被限于沿所述第三轴线的移动。
4.根据权利要求3所述的惯性设备，其中，所述第一轴线实质上与所述第二轴线正交；并且其中，所述第三轴线实质上与所述第一轴线和所述第二轴线两者正交。
5.一种确定支撑结构围绕第一轴线的旋转以及该支撑结构沿第二轴线的加速度的方法，该方法包括：
驱动驱动块振荡，该振荡相对于所述支撑结构沿所述第二轴线；该振荡导致第一开关中 的第一触发事件；
允许感测块相对于所述第一驱动块沿第三轴线移动，所述感测块的所述移动导致第二开关中的第二触发事件；
监测所述开关上连续的触发事件之间的时间间隔；以及
至少部分地基于所述监测，确定所述旋转和加速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，至少部分地基于所述监测确定所述旋转和加速度包括：
至少部分地基于对应于所述第二触发事件的所述时间间隔，测量所述支撑结构围绕所述第一轴线的所述旋转；以及
至少部分地基于对应于所述第一触发事件的所述时间间隔，测量所述支撑结构沿所述第二轴线的所述加速度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法还包括：
监测对应于至少第三开关和第四开关的第二时间间隔，该第三开关和第四开关分别对第二驱动块和第二感测块的移动敏感；
基于对所述第二时间间隔的所述监测，测量所述支撑结构围绕所述第二轴线的旋转和所述支撑结构沿所述第一轴线的加速度；
其中，所述第二驱动块被驱动相对于所述支撑结构、沿所述第一轴线振荡，以及所述第二感测块被允许相对于所述第二驱动块、沿所述第三轴线移动。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，该方法还包括：
监测对应于第五开关的第三时间间隔，该第五开关对第三驱动块的移动敏感；以及
基于对所述第三时间间隔的所述监测，测量所述支撑结构围绕所述第三轴线的旋转；
其中，所述第三感测块被允许相对于所述第二驱动块、沿所述第二轴线移动。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该方法还包括：
监测对应于第六开关的第四时间间隔，该第六开关对第三驱动块的移动敏感；以及
基于对所述第四时间间隔的所述监测，测量所述支撑结构沿所述第三轴线的加速度；
其中，所述第三驱动块被驱动相对于所述支撑结构、沿所述第三轴线、以所述第三驱动 块的共振频率振荡。
10.根据权利要求6、7或8中任一权利要求所述的方法，其中，该方法还包括：
监测对应于第七开关的第五时间间隔，该第七开关对双块共振器的第一振荡器块和第二振荡器块的相对移动敏感；以及
基于对所述第五时间间隔的所述监测，测量以下中的至少一者的幅度：(i)所述支撑结构的旋转，以及(ii)所述支撑结构的加速度；
其中，所述第一振荡器块被驱动相对于所述支撑结构、沿所述第三轴线、以所述第一振荡器块的共振频率振荡。
11.根据权利要求5、6、7或8中任一权利要求所述的方法，其中，所述感测块中的每个感测块实质上被限制于沿各自的单个轴线移动。
12.根据权利要求5、6、7或8中任一权利要求所述的方法，其中，所述第一轴线、第二轴线和第三轴线相互正交。
13.一种形成整体设备的方法，该整体设备被配置成至少测量围绕第一轴线的旋转和沿第二轴线的加速度，该方法包括：
在所述第一轴线和第二轴线的平面上，由基板形成支撑结构；
在所述平面上形成第一弹性块结构，该第一弹性块结构包括：
第一驱动块，被配置成经历相对于所述支撑结构、沿所述第二轴线驱动的振荡；以及
第一感测块，被配置成沿第三轴线移动；以及
形成第一时域开关和第二时域开关，所述第一时域开关和第二时域开关分别对所述第一驱动块和所述第一感测块的移动敏感。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法还包括：
在所述平面上形成第二弹性块结构，该第二弹性块结构包括：
第二驱动块，被配置成经历相对于所述支撑结构、沿所述第一轴线驱动的振荡；以及
第二感测块，被配置成沿所述第三轴线移动；以及
第三感测块，被配置成沿第二轴线移动；以及
形成第三时域开关、第四时域开关和第五时域开关，所述第三时域开关、第四时域开关和第五时域开关分别对所述第二驱动块、所述第二感测块和第三感测块的移动敏感。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，该方法还包括：
在所述平面上形成加速计，该加速计包括第三驱动块，该第三驱动块被配置成经历相对于所述支撑结构、沿所述第三轴线驱动的振荡；以及
形成第六时域开关，该第六时域开关对所述第三驱动块的移动敏感；
其中，该第三驱动块被配置成以该第三驱动块的共振频率来被驱动。
16.根据权利要求13、14或15中任一权利要求所述的方法，其中，该方法还包括：
在所述平面上，形成双块共振器，该双块共振器包括：
第一振荡器块，被配置成经历驱动的振荡；
第二振荡器块，被配置成相对于所述第一振荡器块移动；以及
形成第七时域开关，该第七时域开关对所述第一振荡器块和第二振荡器块的相对移动敏感。
17.根据权利要求13、14或15中任一权利要求所述的方法，其中，所述第一轴线、第二轴线和第三轴线相互正交。
18.根据权利要求13、14或15中任一权利要求所述的方法，其中，所述整体设备包括基于微电子机械***(MEMS)的设备。
19.一种面内整体集成的惯性设备，该设备包括：
支撑结构；
第一弹性块***，与所述支撑结构弹性耦合，其中，所述第一弹性块***被配置成使用在第一驱动块与第一感测块之间有效耦合的第一时域数字触发器来测量所述支撑结构围绕第一轴线的旋转，并且其中所述第一弹性块***还被配置成使用在所述支撑结构与所述第一驱动块之间有效耦合的第二时域数字触发器来测量所述支撑结构在第二方向上的加速度，该第 二方向对应于沿第二轴线的方向，该第二轴线与所述第一轴线正交；以及
第二弹性块***，与所述支撑结构弹性耦合，其中，所述第二弹性块***被配置成使用在第二驱动块与第二感测块之间有效耦合的第三时域数字触发器来测量所述支撑结构围绕所述第二轴线的旋转，并且其中所述第二弹性块***还被配置成使用在所述支撑结构与所述第二驱动块之间有效耦合的第四时域数字触发器来测量所述支撑结构在第一方向上的加速度，该第一方向对应于沿所述第一轴线的方向。
20.根据权利要求19所述的设备，其中：
所述第一驱动块与所述支撑结构弹性耦合，以使所述第一驱动块相对于所述支撑结构的移动实质上被限于在所述第二方向上的移动，并且其中所述第一驱动块被驱动在所述第二方向上相对于所述支撑结构振荡；以及
所述第一感测块与所述第一驱动块弹性耦合，以使所述第一感测块相对于所述第一驱动块的移动实质上被限于在第三方向上的移动，该第三方向对应于沿第三轴线的方向，该第三轴线与所述第一轴线和第二轴线正交。
21.根据权利要求20所述的设备，其中：
所述第二驱动块与所述支撑结构弹性耦合，以使所述第二驱动块相对于所述支撑结构的移动实质上被限于在所述第一方向上的移动，并且其中所述第二驱动块被驱动在所述第一方向上相对于所述支撑结构振荡；以及
所述第二感测块与所述第二驱动块弹性耦合，以使所述第二感测块相对于所述第二驱动块的移动实质上被限于在所述第三方向上的移动。
22.根据权利要求21所述的设备，其中：
所述第一数字触发器被配置成在每次所述第一感测块处于相对于所述第一驱动块的参考位置中时从打开状态切换到关闭状态；
所述第二数字触发器被配置成在每次所述第一驱动块处于相对于所述支撑结构的参考位置中时从打开状态切换到关闭状态；
所述第三数字触发器被配置成在每次所述第二感测块处于相对于所述第二驱动块的参考位置中时从打开状态切换到关闭状态；以及
所述第四数字触发器被配置成在每次所述第二驱动块处于相对于所述支撑结构的参考 位置中时从打开状态切换到关闭状态。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述第二弹性块***还被配置成使用在所述第二驱动块与第三感测块之间有效耦合的第五时域数字触发器来测量所述支撑结构围绕所述第三轴线的旋转。
24.根据权利要求23所述的设备，其中：
所述第三感测块与所述第二驱动块弹性耦合，以使所述第三感测块相对于所述第二驱动块的移动实质上被限于在所述第二方向上的移动；以及
所述第五数字触发器被配置成在每次所述第三感测块处于相对于所述第二驱动块的参考位置中时从打开状态切换到关闭状态。
25.根据权利要求24所述的设备，该设备还包括加速计，该加速计被配置成测量所述支撑结构在所述第三方向上的加速度，其中，所述加速计包括第四感测块和第六时域数字触发器，其中，所述第四感测块与所述支撑结构弹性耦合，以使所述第四感测块相对于所述支撑结构的移动实质上被限于在所述第三方向上的移动，并且其中所述第六时域数字触发器被配置成在每次所述第四感测块处于相对于所述支撑结构的参考位置中时从打开状态切换到关闭状态。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述数字触发器是多参考位置电子隧道末端接近开关，其中，每个开关在每个接近开关所耦合的各自的元件之间的每个相对振荡的情况下经历至少两次关闭状态。
27.根据权利要求26所述的设备，该设备还包括双块共振器，该双块共振器与所述支撑结构弹性耦合，其中，所述双块共振器被配置成使用第七时域数字触发器来提供时钟信号，并且其中所述双块共振器包括：
第一振荡器块，被配置成相对于所述支撑结构振荡；
第一振荡器驱动器，被配置成驱动所述第一振荡器块以所述第一振荡器块的共振频率、相对于所述支撑结构振荡；
第二振荡器块，该第二振荡器块具有与所述第一振荡器块实质上相同的共振频率，其中， 所述第一振荡器块和第二振荡器块被设计成以实质上相同的方式对到所述支撑结构的外部扰动进行响应；
其中，所述第七数字触发器包括在所述第一振荡器块与所述第二振荡器块之间耦合的第七电子隧道末端开关；以及
其中，在所述第一振荡器块振荡时，所述第一振荡器块与所述第二振荡器块之间存在相对运动，以使所述第七开关在所述第一振荡器块和所述第二振荡器块经过彼此时、在每次振荡时经过关闭状态。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述支撑结构、双感测块陀螺仪、单感测块陀螺仪、所述加速计、所述双块共振器在两个封顶晶圆之间被密封在真空中。
29.一种提供单个整体设备的方法，该设备用于测量支撑结构围绕三轴正交坐标系中的第一轴线、第二轴线和第三轴线的旋转、以及所述支撑结构在第一方向、第二方向和第三方向上的加速度，所述第一方向、第二方向和第三方向分别对应于沿所述第一轴线、第二轴线和第三轴线的方向，该方法包括以下步骤：
驱动第一驱动块在所述第二方向上相对于所述支撑结构振荡；
通过监测来自第一对第三方向堆叠的接近开关的连续触发事件之间的时间间隔来测量所述支撑结构围绕所述第一轴线的旋转，所述第一对第三方向堆叠的接近开关耦合在所述第一驱动块与第一感测块之间，该第一感测块与所述第一驱动块弹性耦合，以使所述第一感测块相对于所述第一驱动块的移动实质上被限于在所述第三方向上的移动；
通过监测来自第二对第二方向堆叠的接近开关的连续触发事件之间的时间间隔来测量所述支撑结构在所述第二方向上的加速度，所述第二对第二方向堆叠的接近开关耦合在所述第一驱动块与所述支撑结构之间；
驱动第二驱动块在所述第一方向上相对于所述支撑结构振荡；
通过监测来自第三对第三方向堆叠的接近开关的连续触发事件之间的时间间隔来测量所述支撑结构围绕所述第二轴线的旋转，所述第三对第三方向堆叠的接近开关耦合在所述第二驱动块与第二感测块之间，该第二感测块与所述第二驱动块弹性耦合，以使所述第二感测块相对于所述第二驱动块的移动实质上被限于在所述第三方向上的移动；
通过监测来自第四对第一方向堆叠的接近开关的连续触发事件之间的时间间隔来测量所述支撑结构在所述第一方向上的加速度，所述第四对第一方向堆叠的接近开关耦合在所述 第二驱动块与所述支撑结构之间；
通过监测来自第五对第二方向堆叠的接近开关的连续触发事件之间的时间间隔来测量所述支撑结构围绕所述第三轴线的旋转，所述第五对第二方向堆叠的接近开关耦合在所述第二驱动块与第三感测块之间，该第三感测块与所述第二驱动块弹性耦合，以使所述第三感测块相对于所述第二驱动块的移动实质上被限于在所述第二方向上的移动；
驱动第四感测块以所述第四感测块的共振频率、在所述第三方向上相对于所述支撑结构振荡；以及通过监测来自第六对第三方向堆叠的接近开关的连续触发事件之间的时间间隔来测量所述支撑结构在所述第三方向上的加速度，所述第六对第三方向堆叠的接近开关耦合在所述第四感测块与所述支撑结构之间。
30.根据权利要求29所述的方法，该方法还包括以下步骤：
驱动第一振荡器块以该第一振荡器块的共振频率相对于所述支撑结构振荡；
通过监测耦合在所述第一振荡器块与第二振荡器块之间的共振器接近开关的每个关闭状态来生成时钟信号，其中，所述第二振荡器块具有实质上与所述第一振荡器块相同的共振频率，并且该第二振荡器块与所述第一振荡器块异相振荡，并且其中所述第一振荡器块和所述第二振荡器块被设计成以实质上相同的方式对到所述支撑结构的外部扰动进行响应，并且其中所述共振器接近开关在每次所述第一振荡器块和所述第二振荡器块处于相对于彼此的参考位置中时从打开状态切换到关闭状态。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述时间间隔基于所述时钟信号来测量。
32.根据权利要求31所述的方法，该方法还包括以下步骤：
基于连续的触发事件之间的对应的时间间隔来计算所述支撑结构的给定旋转的幅度。
33.根据权利要求32所述的方法，该方法还包括以下步骤：
基于连续的触发事件之间的对应的时间间隔计算所述支撑结构在给定方向上的加速度的幅度。
34.一种用于提供整体设备的方法，该设备用于测量该设备围绕相互正交的x、y和z轴线的旋转、以及支撑结构在x、y和z方向上的加速度，所述x、y和z方向分别对应于沿 所述x、y和z轴线的方向，该方法包括以下步骤：
在基板的xy平面上形成支撑结构；
在所述基板的所述xy平面上形成单感测块陀螺仪，该单感测块陀螺仪与所述支撑结构弹性耦合，其中，所述单感测块陀螺仪被配置成使用第一时域数字触发器来测量所述支撑结构围绕所述x轴线的旋转，并且其中所述单感测块陀螺仪还被配置成使用第二时域数字触发器来测量所述支撑结构在所述y方向上的加速度；
在所述基板的所述xy平面上形成双感测块陀螺仪，该双感测块陀螺仪与所述支撑结构弹性耦合，其中，所述双感测块陀螺仪被配置成使用第三时域数字触发器和第五时域数字触发器来分别测量所述支撑结构围绕所述y轴线和所述z轴线的旋转，并且其中所述双感测块陀螺仪还被配置成使用第四时域数字触发器来测量所述支撑结构在所述x方向上的加速度；
在所述基板的所述xy平面上形成加速计，该加速计与所述支撑结构弹性耦合，其中，所述加速计被配置成使用第六时域数字触发器来测量所述支撑结构在所述z方向上的加速度；以及
在所述基板的所述xy平面上形成双块共振器，该双块共振器与所述支撑结构弹性耦合，其中，所述双块共振器被配置成使用第七时域数字触发器来生成时钟信号。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述单块陀螺仪包括：
第一驱动块，与所述支撑结构弹性耦合；
第一驱动块驱动器，被配置成驱动所述第一驱动块仅在近似y方向上相对于所述支撑结构振荡；
第一感测块，与所述第一驱动块弹性耦合，其中，所述第一感测块被配置成响应于来自所述支撑结构围绕所述x轴线的旋转的科里奥利力来仅在近似z方向上相对于所述第一驱动块移动；
其中，所述第一数字触发器包括耦合在所述第一驱动块与所述第一感测块之间的第一对z方向堆叠的接近开关，其中，所述第一数字触发器被配置成在所述第一感测块相对于所述第一驱动块的每个振荡期间从打开状态转到关闭状态至少两次，以使所述支撑结构围绕所述x轴线的旋转和旋转速率可以通过测量所述第一对接近开关的关闭状态之间的时间间隔来确定；以及
其中，所述第二数字触发器包括耦合在所述第一驱动块与所述支撑结构之间的第二对y方向堆叠的接近开关，其中，所述第二数字触发器被配置成在所述第一感测块相对于所述支 撑结构的每个振荡期间从打开状态转到关闭状态至少两次，以使所述支撑结构在所述y方向上的加速度和位移幅度可以通过测量所述第二对接近开关的关闭状态之间的时间间隔来确定。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述双块陀螺仪包括：
第二驱动块，与所述支撑结构弹性耦合；
第二驱动块驱动器，被配置成驱动所述第二驱动块仅在近似x方向上相对于所述支撑结构振荡；
第二感测块，与所述第二驱动块弹性耦合，其中，所述第二感测块被配置成响应于来自所述支撑结构围绕所述y轴线的旋转的科里奥利力来仅在近似z方向上相对于所述第二驱动块移动；
第三感测块，与所述第二驱动块弹性耦合，其中，所述第三感测块被配置成响应于来自所述支撑结构围绕所述z轴线的旋转的科里奥利力来仅在近似y方向上相对于所述第二驱动块移动；
其中，所述第三数字触发器包括耦合在所述第二驱动块与所述第二感测块之间的第三对z方向堆叠的接近开关，其中，所述第三数字触发器被配置成在所述第二感测块相对于所述第二驱动块的每个振荡期间从打开状态转到关闭状态至少两次，以使所述支撑结构围绕所述y轴线的旋转和旋转速率可以通过测量所述第三对接近开关的关闭状态之间的时间间隔来确定；
其中，所述第四数字触发器包括耦合在所述第二驱动块与所述支撑结构之间的第四对x方向堆叠的接近开关，其中，所述第四数字触发器被配置成在所述第二感测块相对于所述支撑结构的每个振荡期间从打开状态转到关闭状态至少两次，以使所述支撑结构在所述x方向上的加速度和位移幅度可以通过测量所述第四对接近开关的关闭状态之间的时间间隔来确定；以及
其中，所述第五数字触发器包括耦合在所述第二驱动块与所述第三感测块之间的第五对y方向堆叠的接近开关，其中，所述第五数字触发器被配置成在所述第三感测块相对于所述第二驱动块的每个振荡期间从打开状态转到关闭状态至少两次，以使所述支撑结构围绕所述z轴线的旋转和旋转速率可以通过测量所述第五对接近开关的关闭状态之间的时间间隔来确定。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述加速计包括：
第四感测块，与所述支撑结构弹性耦合，其中，该第四感测块被配置成响应于所述支撑结构在所述z方向上的加速度来仅在近似z方向上相对于所述支撑结构移动；
加速计驱动器，被配置成驱动所述第四感测块仅在近似z方向上以所述第四感测块的共振频率相对于所述支撑结构振荡；以及
其中，所述第六数字触发器包括耦合在所述第四感测块与所述支撑结构之间的第六对z方向堆叠的接近开关，其中，所述第六数字触发器被配置成在所述第四感测块相对于所述支撑结构的每个振荡期间从打开状态转到关闭状态至少两次，以使所述支撑结构在所述z方向上的加速度和位移幅度可以通过测量所述第六对接近开关的关闭状态之间的时间间隔来确定。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述双块共振器包括：
第一振荡器块，被配置成相对于所述支撑结构振荡；
第一振荡器驱动器，被配置成驱动所述第一振荡器块以所述第一振荡器块的共振频率、相对于所述支撑结构振荡；
第二振荡器块，该第二振荡器块具有与所述第一振荡器块实质上相同的共振频率，其中，所述第一振荡器块和第二振荡器块被设计成以实质上相同的方式对到所述支撑结构的外部扰动进行响应；
其中，所述第七数字触发器包括在所述第一振荡器块与所述第二振荡器块之间耦合的第七接近开关；以及
其中，在所述第一振荡器块振荡时，所述第一振荡器块与所述第二振荡器块之间存在相对运动，以使所述第七开关被配置成在所述第一振荡器块和相对于所述第二振荡器块的每个振荡期间从打开状态转到关闭状态。
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