TW201600860A - 用於形成、提供、和使用面內單塊慣性裝置以決定旋轉和加速度的系統和方法 - Google Patents

Abstract

一慣性裝置被揭示。於一實施例中，該裝置包括一支撐結構及被耦接至該支撐結構的第一與第二彈簧質量系統。該第一彈簧質量系統包括第一及第二時域數位觸發器，其被建構成分別測量該支撐結構繞著第一軸線之旋轉及沿著一正交之第二軸線的位移。該第二彈簧質量系統包括第三及第四時域數位觸發器，其被建構成分別測量該支撐結構繞著第二軸線之旋轉及沿著該第一軸線的位移。

Description

用於形成、提供、和使用面內單塊慣性裝置以決定旋轉和加速度的系統和方法

此申請案對2012年3月21日提出、標題為“用於提供具有整合計時器之面內慣性裝置的設備和方法”之美國專利申請案序號第13/425,631號主張優先權，其係全部以引用的方式併入本文中。此申請案係有關2007年7月19日提出、標題為“用於以MEMS為基礎之設備的雙避震系統和用於製造該雙避震系統之方法”的美國專利第7,767,483號，其全部以引用的方式併入本文中。

傳統以質量/彈簧為基礎之慣性感測裝置、諸如加速度計或迴轉儀測量沿著單一軸線的力量或旋轉。既然大部份應用在三維空間中發生，三個正交導引之加速度計及三個正交導引的迴轉儀被需要。以便減少成本、尺寸及複雜性，其將為想要的是在同一平面中使用相同標準之MEMS半導體處理技術製成所有該等感測器。亦為了減少成本及 尺寸，其將為想要的是使用該最小數目之圈套式檢測質量作成該六個量測。加速度計需要一於被測量力量之方向中具有動作之方向的圈套式檢測質量。以檢測質量為為基礎之迴轉儀需要一正交於測量的自旋軸線運動之振盪檢測質量、以及在該振盪檢測質量上之彈簧檢測質量，以測量藉由旋轉所造成之科氏力。對於可測量所有六個軸線及能被製造在相同基板上之裝置存在有一需要。

於第一態樣中，慣性裝置被揭示。於一實施例中，該慣性裝置包括(i)支撐結構，(ii)第一彈簧質量系統，及(iii)第二彈簧質量系統。該第一彈簧質量系統被耦接至支撐結構，且被建構成(i)基於第一時域觸發器測量該支撐結構繞著第一軸線之旋轉；且(ii)基於第二時域觸發器測量該支撐結構沿著第二軸線之加速度。該第二彈簧質量系統亦被耦接至該支撐結構。再者，該第二彈簧質量被建構成(i)基於第三時域觸發器測量該支撐結構繞著第二軸線之旋轉；且(ii)基於第四時域觸發器測量該支撐結構沿著第一軸線之加速度。

於一變型中，該慣性裝置包括一單塊整合式慣性裝置。第一及第二彈簧質量系統係成圈套地耦接至該支撐結構。該第一彈簧質量系統被建構成使用配合地耦接在第一驅動質量與第一感測質量間之第一時域數位觸發器，以測量該支撐結構繞著第一軸線之旋轉。該第一彈簧質量系統 被進一步建構成使用操作地耦接於該支撐結構與該第一驅動質量間之第二時域數位觸發器，以在第二方向中測量該支撐結構的加速度，該第二方向對應於沿著第二軸線之方向，該第二軸線係正交於該第一軸線。該第二彈簧質量系統被建構成使用操作地耦接在第二驅動質量與第二感測質量間之第三時域數位觸發器，以測量該支撐結構繞著第二軸線之旋轉。該第二彈簧質量系統被進一步建構成使用操作地耦接在該支撐結構與該第二驅動質量間之第四時域數位觸發器，以在第一方向中測量該支撐結構的加速度，該第一方向對應於沿著該第一軸線之方向。

於第三態樣中，測量支撐結構繞著第一軸線之旋轉及該支撐結構沿著第二軸線的加速度之方法被揭示。於一實施例中，該方法包括：(i)驅動一驅動質量之振盪，該等振盪係相對於該支撐結構沿著該第二軸線，該等振盪在第一開關中造成第一觸發器事件；(ii)允許一感測質量沿著第三軸線相對於該第一驅動質量運動，該感測質量之運動在第二開關中造成第二觸發器事件；(iii)監視該等開關上的連續觸發器事件間之時間間隔；(iv)至少基於對應於該第二觸發器事件的時間間隔，測量該支撐結構繞著該第一軸線之旋轉；(v)至少基於對應於該第一觸發器事件的時間間隔，測量該支撐結構沿著該第二軸線之加速度。

於一或多個變型中，除了别的以外，該方法另包括測量用於該第一、第二、及第三軸線之任一者或所有的旋轉 及加速度。

於第四態樣中，形成單塊裝置之方法被揭示，該裝置被建構成至少測量繞著第一軸線之旋轉及沿著第二軸線的加速度。於一實施例中，該方法包括：(i)在該第一及第二軸線之平面中由基板形成一支撐結構；(ii)於該平面中形成第一彈簧質量結構，及(iii)形成分別對於該第一驅動質量及該第一感測質量之運動敏感的第一及第二時域開關。該第一彈簧質量結構包括：(i)第一驅動質量，被建構成沿著該第二軸線相對於該支撐結構遭受傳動振盪；及(ii)第一感測質量，被建構成沿著第三軸線運動。

於一變型中，該彈簧質量結構另包括被建構成沿著該第一方向運動的第二感測質量。

於一或多個變型中，除了别的以外，該方法另包括形成雙重感測質量結構、加速度計、及/或雙重諧振器質量。

參考所附圖面及示如在下面所給與之範實施例的詳細敘述，本發明之其他特色及優點將馬上被普通熟諳該技藝者所認知。

10‧‧‧慣性裝置

12‧‧‧支撐結構

14‧‧‧第一彈簧質量系統

16‧‧‧第二彈簧質量系統

18‧‧‧第一時域數位觸發器

20‧‧‧第二時域數位觸發器

22‧‧‧第三時域數位觸發器

24‧‧‧第四時域數位觸發器

26‧‧‧第一驅動質量

28‧‧‧第一感測質量

30‧‧‧第二驅動質量

32‧‧‧第二感測質量

34‧‧‧第一尖端

36‧‧‧第二尖端

38‧‧‧第三尖端

40‧‧‧第四尖端

42‧‧‧介電間隔件

44‧‧‧間隙

46‧‧‧第一驅動質量驅動器

48‧‧‧第二驅動質量驅動器

50‧‧‧彈簧構件

52‧‧‧彈簧構件

54‧‧‧雙元件彈簧

56‧‧‧第三感測質量

58‧‧‧第五時域數位觸發器

60‧‧‧彈簧構件

62‧‧‧加速度計

64‧‧‧雙重質量諧振器

66‧‧‧第四感測質量

68‧‧‧第六時域數位觸發器

70‧‧‧加速度計驅動器

71‧‧‧諧振器驅動器

72‧‧‧振盪器質量

74‧‧‧振盪器質量

75‧‧‧第七時域數位觸發器

76‧‧‧相對位置開關半部

78‧‧‧相對位置開關半部

遍及該數個視圖，相像元件使用相像參考數字被參考。該等圖面中之元件係不按照一定比例描繪，且一些尺寸為清楚故被誇大。

圖1係面內、單塊整合、慣性裝置之俯視圖說明。

圖2A-2C係電子穿隧近接開關在多數參考位置的側視圖圖解。

圖3係該慣性裝置之另一實施例的立體圖。

圖4係雙重質量彈簧質量系統之立體圖。

圖5係該慣性裝置之另一實施例的立體圖。

圖6A係加速度計之立體圖。

圖6B係加速度計之立體、截面視圖。

圖7A係雙重質量諧振器之立體圖。

圖7B係雙重質量諧振器之立體、截面視圖。

在此中所敘述者係一面內、單塊整合、慣性裝置，其能夠測量結構繞著多數軸線(高達力量之三正交方向及旋轉之三正交軸線)之位移及旋轉。該慣性裝置及其零組件可使用相同之製造製程被製成在相同基板上。

圖1描述一面內、單塊整合、慣性裝置10。該慣性裝置10可在任何三維空間中被使用於任何定向。用以易於敘述，該慣性裝置10之各種零組件的旋轉及加速度在此中係參考x-y-z互相正交的坐標系敘述。該慣性裝置10包括一支撐結構12及第一與第二彈簧質量系統14及16，該等彈簧質量系統皆係單塊整合進入該支撐結構12及成圈套地耦接至該支撐結構12。該第一及第二彈簧質量系統14及16兩者可被敘述為以震動檢測質量為基礎之 迴轉儀。該慣性裝置10可在任何比例被製成。譬如，於一實施例中，該慣性裝置10可為單塊整合進入微機電系統(MEMS)裝置。該支撐結構12可為任何尺寸及形狀，且被由能夠對於該慣性裝置10提供堅固的支撐之任何材料所製成，使得該支撐結構12當暴露至該慣性裝置10之橫側及旋轉式加速度時不會顯著地伸縮及/或變形。

於各種措施中，元件可使用諸如那些在2007年7月19日提出、標題為“用於以MEMS為基礎之設備的雙避震系統和用於製造該雙避震系統之方法”的美國專利第7,767,483號中所揭示之架構及技術被動力地耦接，該專利事先全部以引用的方式併入本文中。如在其中所討論，形成在基板(例如CMOS等)上之雙避震系統可被使用於耦接一或多個質量間之動作。然而，其將被了解其他系統可被實施。

該第一彈簧質量系統14被建構成使用第一時域數位觸發器18，以測量該支撐結構12繞著該x軸之旋轉。該第一彈簧質量系統14亦被建構成使用第二時域數位觸發器20，以測量該支撐結構12於該y方向中之加速度。該第二彈簧質量系統16被建構成使用第三時域數位觸發器22，以測量該支撐結構12繞著該y軸之旋轉。該第二彈簧質量系統16亦被建構成使用第四時域數位觸發器24，以測量該支撐結構12於該x方向中之加速度。

該第一彈簧質量系統14包括第一驅動質量26及第一 感測質量28。該第一觸發器18***作地耦接於該第一驅動質量26及該第一感測質量28之間。該第二觸發器20***作地耦接於該支撐結構12及該第一驅動質量26之間。該第二彈簧質量系統16包括第二驅動質量30及第二感測質量32。該第三觸發器22***作地耦接於該第二驅動質量30及該第二感測質量32之間。該第四觸發器24***作地耦接於該支撐結構12及該第二驅動質量30之間。

該第一驅動質量26可為成圈套地耦接至該支撐結構12，使得該第一驅動質量26相對於該支撐結構12的運動實質上被限制於在該y方向中之運動，如藉由該第一驅動質量26上之雙向箭頭所示。該第一驅動質量26被驅動，以相對於該支撐結構12於該y方向中振盪。該第一感測質量28可為成圈套地耦接至該第一驅動質量26，使得在指示進出該頁面之運動的第一感測質量28之上，該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26的運動實質上被限制於在該z方向中之運動，如在圖1中藉由該二圓所描述(一圓在其中具有一點，且另一圓在其中具有“X”)。該第二驅動質量30可為成圈套地耦接至該支撐結構12，使得該第二驅動質量30相對於該支撐結構12的運動實質上被限制於在該x方向中之運動，如藉由在該第二驅動質量30之上的雙向箭頭所示。該第二驅動質量30被驅動，以相對於該支撐結構12於該x方向中振盪。該第二感測質量32可為成圈套地耦接至該第二驅動質量30，使得在 指示進出該頁面之運動的第二感測質量32之上，該第二感測質量32相對於該第二驅動質量30的運動實質上被限制於在該z方向中之運動，如在圖1中藉由該二圓所描述(一圓在其中具有一點，且另一圓在其中具有“X”)。

該等時域數位觸發器之每一者可為能夠產生對應於該二質量的各種相對位置之數位信號的任何設備，每一時域數位觸發器被耦接於該二質量之間。於該二對應質量之每一相對振盪期間，該等時域數位觸發器之每一者被建構成通過至少一關閉狀態及至少一打開狀態，而該給定的時域數位觸發器係耦接至該二對應的質量。當作範例，考慮該第一數位觸發器18，當該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26通過各種參考位置時，該第一數位觸發器能夠產生數位信號。該第一數位觸發器18以該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26之每一振盪通過關閉及打開狀態。每次該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26通過第一參考位置，該第一數位觸發器18通過一關閉狀態。如此，由該第一感測質量28之第一參考位置相對於該第一驅動質量26的位移可藉由監視該第一數位觸發器18之狀態所發現。

該等時域數位觸發器的每一者基於該二對應質量之相對位置變化經歷一於狀態中之變化，該給定之時域數位觸發器係耦接至該二對應質量。每次時域數位觸發器係於一關閉狀態中之對應參考位置可為零力量位置或任何另一想要之參考位置。該時域數位觸發器之目的係相對於另一質 量局部化一質量之位置，使得精確之加速度獨立相位測量可被施行--藉由增加鎖相迴圈閉合之穩定性與減少該慣性裝置10之全部相位噪聲與顫動。

時域觸發器之合適範例包含能夠產生一有限寬度電流脈衝的任何近接開關。近接開關之合適範例係電子穿隧近接開關，其包括至少一對電子穿隧尖端--一尖端被安裝在一質量上，且另一尖端被安裝在一不同質量上。在此配置之下，該二尖端係彼此對齊，使得當一質量相對於該另一質量運動時，該二尖端在彼此極為貼近內通過(彼此未實體接觸)，使得電流脈衝可通過該等尖端之間。當電流脈衝通過該二尖端之間時，該電子穿隧近接開關被視為在關閉狀態中。該電流脈衝本身能經由跨阻抗放大器被放大至該等機匣，且該脈衝之前緣及或後緣可被使用來局部化該等質量的其中一者相對於該另一質量之位置。這如何能被施行之更詳細的敘述可被發現於2011年10月19日提出之美國專利申請案13/276,948中、標題為“使用時域開關之具有減少的加速度敏感性及相位噪聲之諧振器”，其係全部以引用的方式併入本文中。近接開關之其他範例包含電容式開關、光學快門開關、及磁性開關。此外，在一質量相對於另一質量的單一振盪時期期間，該等近接開關之任一者可被建構成通過對應於多數參考位置的多數關閉狀態。

於各種實施例中，用於近接開關的技術及架構被實施，其被揭示在2009年10月1日提出之美國專利申請案 序號第12/571,958號、標題為“奈米機電穿隧電流開關系統”、現在為美國專利第8,338,728號，其係全部以引用的方式併入本文中。如在其中所討論，除了别的以外，懸臂式奈米線(例如奈米碳管等)被使用於閘控電路。然而，將了解用於近接切換的其他方式可被利用。

圖2A-2C說明一電子穿隧近接開關的實施例，其被建構成通過對應於該二質量之多數參考位置的多數關閉狀態，該近接開關係在單一振盪時期間耦接至該二質量。於圖2A-2C中，該電子穿隧近接開關之敘述係參考該第一數位觸發器18作成。然而，其將被了解在此中所敘述的一般原理可被應用至該等時域數位觸發器之任一者。於圖2A-2C所示之第一數位觸發器18的實施例中，該第一數位觸發器18包括被安裝在該第一驅動質量26上之z方向堆疊式第一及第二電子穿隧尖端34及36。該第一及第二尖端34及36係於該z方向中彼此對齊，且於該z方向中彼此分開達一段距離d1。於此實施例中，該第一數位觸發器18亦包括被安裝至該第一感測質量28之第三及第四z方向堆疊式電子穿隧尖端38及40。該第三及第四尖端38及40係於該z方向中彼此對齊，且於該z方向中彼此分開達一段距離d1。該第一及第二尖端34及36與該第三及第四尖端38及40能藉由介電間隔件42被彼此分開。該第一、第二、第三、及第四尖端34、36、38及40係相對於彼此定位，使得當該第一感測質量28係於該第一參考位置時，諸如在圖2A中所描述者，一電流脈衝由 第一及第二尖端34及36在間隙44之上分別通過至該第三及第四尖端38及40。該第一數位觸發器18之此實施例亦包括該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26的第二及第三參考位置。當該第一感測質量28係由第一參考位置於該z方向中位移達該距離-d1時，該第一感測質量28係於該第二參考位置中，諸如在圖2B中被顯示。於該第二參考位置中，該第一數位觸發器18係於一關閉狀態中，使得電流脈衝可由第一尖端34通過至該第四尖端40。當該第一感測質量28係於該z方向中位移達該距離+d1時，該第一感測質量28係於該第三參考位置中，諸如在圖2C中被顯示。於該第三參考位置中，該第一近接開關18係於一關閉狀態中，使得電流脈衝由該第二尖端36通過至該第三尖端38。

圖3係該慣性裝置10之實施例的立體圖。於此實施例中，該第一彈簧質量系統14另包括第一驅動質量驅動器46，且該第二彈簧質量系統16另包括第二驅動質量驅動器48。該第一驅動質量驅動器46被建構，以造成該第一驅動質量26相對於該支撐結構12於該y方向中振盪。 該第二驅動質量驅動器48被建構，以造成該第二驅動質量30相對於該支撐結構12於該x方向中振盪。該第一感測質量28係成圈套地耦接至該第一驅動質量26，使得該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26的運動實質上被限制於該z方向中之運動。該第二感測質量32係成圈套地耦接至該第二驅動質量30，使得該第二感測質量32 相對於該第二驅動質量30的運動實質上被限制於該z方向中之運動。如此，該第一及第二感測質量28及32係分別由第一及第二驅動質量26及30於該感測方向中(亦即，該z方向中)退耦合。回應於來自該支撐結構12繞著該x軸之旋轉的科氏力，該第一感測質量28於該z方向中相對於該第一驅動質量26運動。回應於來自該支撐結構12繞著該y軸之旋轉的科氏力，該第二感測質量32於該z方向中相對於該第二驅動質量30運動。

每次該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26通過第一參考位置，該第一時域數位觸發器18通過一關閉狀態。如此，該第一感測質量28之第一參考位置相對於該第一驅動質量26的位移可藉由監視該第一時域數位觸發器18之狀態所發現。每次該第二感測質量32相對於該第二驅動質量30通過第一參考位置，該第三時域數位觸發器22通過一關閉狀態。如此，該第二感測質量32之第一參考位置相對於該第二驅動質量30的位移可藉由監視該第三時域數位觸發器22之狀態所發現。

該第一驅動質量26可被以任一方式耦接至該支撐結構12，其限制該第一驅動質量26相對於該支撐結構12於該x及z方向中之運動與繞著該x-y-z軸線旋轉，但又允許該第一驅動質量26相對於該支撐結構12於該y方向中彈性地運動。該第二驅動質量30可被以任何方式耦接至該支撐結構12，其限制該驅動質量相對於該支撐結構12於該y及z方向中之運動與繞著該x-y-z軸線旋轉，但 又允許該第二驅動質量30相對於該支撐結構12於該x方向中彈性地運動。

圖3所示慣性裝置10之實施例描述該第一驅動質量26，如藉由柔順彈簧構件50被耦接至該支撐結構12，該等彈簧構件被設計成僅只於該y方向中伸縮。反之該第二驅動質量30係藉由柔順彈簧構件52耦接至該支撐結構12，該等彈簧構件被設計僅只於該x方向中伸縮。該第一及第二驅動質量驅動器46及48可為任何設備，其能夠相對於該支撐結構12分別在該y方向中及該x方向中，造成該第一及第二驅動質量26及30分別在任何想要之頻率振盪。驅動質量驅動器之合適範例包含、但不限於諸如靜電梳齒驅動器(諸如在圖3中所描述)之可變面積作動器、諸如平行板作動器之可變間隙作動器、及作動之另一電磁或壓電機件。該第一及第二驅動質量26及30可使用連續之振盪力或藉由周期性“δ函數”力量而分別與該第一及第二驅動質量26及30之諧波共振同步地被驅動。

該第一感測質量28可被以任何方式耦接至該第一驅動質量26，其限制該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26於該x及y方向中之運動及繞著該x-y-z軸線旋轉，但又允許該第一感測質量28相對於該第一驅動質量26在該z方向中彈性地運動。該第二感測質量32可被以任何方式耦接至該第二驅動質量30，其限制該第二感測質量32相對於該第二驅動質量30於該x及y方向中運動及繞著該x-y-z軸線旋轉，但又允許該第二感測質量32相 對於該第二驅動質量30在該z方向中彈性地運動。圖3所示慣性裝置10之實施例描述該第一及第二感測質量28及32，如藉由單塊整合式雙元件彈簧54分別被耦接至該第一及第二驅動質量26及30，該等彈簧被設計成僅只於該z方向中伸縮。

圖4係該第二彈簧質量系統16之另一實施例的立體圖。於此實施例中，該第二彈簧質量系統16另包括第三感測質量56及第五時域數位觸發器58。該第二彈簧質量系統16被進一步建構成使用該第五時域數位觸發器58，其係操作地耦接於該第二驅動質量30及該第三感測質量56之間，以測量該支撐結構12繞著該z軸線之旋轉。該第三感測質量56係成圈套地耦接至該第二驅動質量30，使得該第三感測質量56相對於該第二驅動質量30的運動實質上被限制在該y方向中之運動。如此，該第三感測質量56被建構成回應於來自該支撐結構12繞著該z軸之旋轉的科氏力，在該y方向中相對於該第二驅動質量30運動。

於圖4中，該第三感測質量56被顯示為藉由柔順彈簧構件60耦接至該第二驅動質量30。該第五時域數位觸發器58係一耦接於該第二驅動質量30及該第三感測質量56間之近接開關。每次該第三感測質量56係相對於該第二驅動質量30在一參考位置中，該第五時域數位觸發器58被建構成於關閉狀態中。該第五時域數位觸發器58可為能夠相對於該第二驅動質量30產生對應於該第三感測 質量56之各種位置的數位信號之任何設備。換句話說，該第五時域數位觸發器58可為能夠基於該第三感測質量56相對該第二驅動質量30的位置變化經歷狀態中之變化的任何裝置。於圖4所描述的第二彈簧質量系統16之實施例中，該第五時域數位觸發器58被顯示為包括四個電子穿隧尖端。該參考位置可為零力量位置或任何另一想要之參考位置，其中該第五時域數位觸發器58係於關閉狀態中。該支撐結構12繞著該z軸之旋轉可藉由監視該第五時域數位觸發器58之狀態所決定。超過一個時域數位觸發器可被加至每一感測質量，以提供備份及/或增加該慣性裝置10之準確性。譬如，於圖4中，有二個耦接於該第二感測質量32及該第二驅動質量30之間的第三數位觸發器22，並有二個耦接於該第二驅動質量30及該支撐結構12之間的第四數位觸發器24。如此，該第二彈簧質量系統16之此實施例提供一具有單一驅動質量及二感測質量(在其個別感測方向中去耦)的迴轉儀，而被建構成測量二正交之旋轉式力量。

圖5顯示該慣性裝置10之另一實施例。於此實施例中，除了該第一彈簧質量系統14及該第二彈簧質量系統16之雙重感測質量實施例以外，該慣性裝置10另包括加速度計62及被整合進入該支撐結構12的雙重質量諧振器64。該加速度計62被建構成測量該支撐結構12於該z方向中之加速度。該雙重質量諧振器64被建構成提供一實質上穩定之計時器信號，其具有減少的相位噪聲及對至該 支撐結構12的外部微擾及/或其他現象有最小敏感性。 該支撐結構12、該第二彈簧質量系統16之雙重感測質量實施例、該第一彈簧質量系統14、該加速度計62、及該雙重質量諧振器64可於二包封晶圓之間被密封在一真空中。

圖6A係該加速度計62之實施例的立體圖。該加速度計62包括第四感測質量66及第六時域數位觸發器68。 該第四感測質量66可為以任何方式成圈套地耦接至該支撐結構12，倘若該第四感測質量66相對於該支撐結構12的運動實質上被限制於在該z方向中之運動。於圖6A所示加速度計62之實施例中，該第四感測質量66係經由單塊整合式雙重元件彈簧54成圈套地耦接至該支撐結構12。該第六時域數位觸發器係一耦接於該第四感測質量66及該支撐結構12間之近接開關，使得每次該第四感測質量66係相對於該支撐結構12在一參考位置中，該第六時域數位觸發器68被建構成由打開狀態切換至關閉狀態。

圖6B顯示該加速度計62的一實施例之截面立體圖，該加速度計另包括一加速度計驅動器70，其被建構成驅動該第四感測質量66，以於該z方向中在該第四感測質量66之諧振頻率振盪。該加速度計驅動器70可為能夠造成該第四感測質量66相對於該驅動質量12在該z方向中之控制下的運動之任何裝置。該加速度計驅動器70之合適範例包含、但不限於諸如靜電梳齒驅動器之可變面積作 動器、諸如平行板作動器之可變間隙作動器、以及作動之其他電磁或壓電機件。譬如，該加速度計驅動器70可在該第四感測質量66之任一側面上包括對稱對的上及下重疊電容式電極，諸如在圖6B中被描述者，其能於該第四感測質量66中被使用於建立一速率向量。

圖7A-7B描述該雙重質量諧振器64之實施例的立體圖。該雙重質量諧振器64係單塊整合進入該機架12，且包括一諧振器驅動器71、第一及第二振盪器質量72及74、與第七時域數位觸發器75。該第七時域數位觸發器75包括第一及第二相對位置開關半部76及78。該諧振器驅動器71驅動該第一振盪器質量72，以在該第一振盪器質量之諧振頻率振盪。該雙重質量諧振器64被建構，使得當該第一振盪器質量72相對於該機架12振盪時，於該第一及第二振盪器質量72及74之間有相對動作。譬如，該第二振盪器質量74可被建構成與該第一振盪器質量72異相地振盪。該第一及第二相對位置開關半部76及78係以任何組構分別安裝至該第一及第二振盪器質量72及74，使得在該第一振盪器質量72之每一振盪期間，當該第一及第二相對位置開關半部76及78通過彼此時，該第七時域數位觸發器75通過一關閉狀態。實質上具有相同之諧振頻率之第一及第二振盪器質量72及74被設計成實質上以對至該機架12的外部微擾相同之方式反應。關於雙重質量諧振器的進一步細節可被發現於保羅D.斯旺森在2011年10月19日提出的美國專利申請案 13/276,948、“使用時域開關而具有減少之加速度敏感性及相位噪聲的諧振器”中，其內容係全部以引用的方式併入本文中。

藉由測量該對應時域數位觸發器的連續觸發器事件(亦即，關閉狀態)間之時間間隔，來自該雙重質量諧振器64之計時器信號可被使用來計算該支撐結構12之旋轉及/或位移的量值。

由該慣性裝置10的上面敘述，其清楚的是各種技術亦可被使用於實施慣性裝置10之概念，而不會由其範圍脫離。所敘述之實施例將在所有方面被考慮為說明性及非限制性。其亦將被了解該慣性裝置10不被限制於在此中所敘述之特別實施例，但係能夠有很多實施例，而不會由該等申請專利之範圍脫離。

10‧‧‧慣性裝置

12‧‧‧支撐結構

14‧‧‧第一彈簧質量系統

16‧‧‧第二彈簧質量系統

62‧‧‧加速度計

64‧‧‧雙重質量諧振器

Claims (36)

1. 一種慣性裝置，包含：支撐結構；第一驅動質量，被耦接至該支撐結構；第一感測質量，被耦接至該第一驅動質量；第一電容性開關，被耦接在該第一驅動質量和該支撐結構之間；第二電容性開關，被耦接在該第一驅動質量和該第一感測質量之間；第二驅動質量，被耦接至該支撐結構；第二感測質量，被耦接至該第二驅動質量；第三電容性開關，被耦接在該第二驅動質量和該支撐結構之間；和第四電容性開關，被耦接在該第二驅動質量和該第二感測質量之間。
2. 如申請專利範圍第1項之慣性裝置，其中：該第一電容性開關被建構用於每當該第一驅動質量在關於該支撐結構的第一參考位置中時，產生第一電流脈衝；該第二電容性開關被建構用於每當該第一感測質量在關於該第一驅動質量的第二參考位置中時，產生第二電流脈衝；該第三電容性開關被建構用於每當該第二驅動質量在關於該支撐結構的第三參考位置中時，產生第三電流脈 衝；和該第四電容性開關被建構用於每當該第二感測質量在關於該第二驅動質量的第四參考位置中時，產生第四電流脈衝。
3. 如申請專利範圍第2項之慣性裝置，另外包含雙質量諧振器，其被建構用於產生計時器信號，用於量測各電流脈衝之間的時間間隔。
4. 如申請專利範圍第3項之慣性裝置，其中該雙質量諧振器包括：第一振盪器質量，被耦接至該支撐結構；第二振盪器質量，被耦接至該支撐結構；和第五電容性開關，被耦接在該第一振盪器質量和該第二振盪器質量之間。
5. 如申請專利範圍第4項之慣性裝置，其中該第五電容性開關被建構用於每當該第一振盪器質量在關於該第二振盪器質量的第五參考位置中時，產生第五電流脈衝。
6. 如申請專利範圍第1項之慣性裝置，其中：該第一驅動質量被耦接至該支撐結構，以致於關於該第一驅動質量之該支撐結構的運動，被實質地限制於沿著第二軸線的運動；和該第一感測質量被耦接至該第一驅動質量，以致於關於該第一感測質量之該第一驅動質量的運動，被實質地限制於沿著第三軸線的運動。
7. 如申請專利範圍第6項之慣性裝置，其中： 該第二驅動質量被耦接至該支撐結構，以致於關於該第二驅動質量之該支撐結構的運動，被實質地限制於沿著第一軸線的運動；和該第二感測質量被耦接至該第二驅動質量，以致於關於該第二感測質量之該第二驅動質量的運動，被實質地限制於沿著該第三軸線的運動。
8. 如申請專利範圍第7項之慣性裝置，其中該第一軸線實質地正交於該第二軸線；和其中該第三軸線實質地正交於該第一軸線和該第二軸線。
9. 如申請專利範圍第1項之慣性裝置，其中：該第一電容性開關被建構用於每當該第一驅動質量在關於該支撐結構的第一參考位置中時，產生第一最大電容；該第二電容性開關被建構用於每當該第一感測質量在關於該第一驅動質量的第二參考位置中時，產生第二最大電容；該第三電容性開關被建構用於每當該第二驅動質量在關於該支撐結構的第三參考位置中時，產生第三最大電容；和該第四電容性開關被建構用於每當該第二感測質量在關於該第二驅動質量的第四參考位置中時，產生第四最大電容。
10. 如申請專利範圍第9項之慣性裝置，另外包含雙 質量諧振器，其被建構用於產生計時器信號，用於量測各最大電容之間的時間間隔。
11. 如申請專利範圍第10項之慣性裝置，其中該雙質量諧振器包括：第一諧振器質量，被耦接至該支撐結構；第二諧振器質量，被耦接至該支撐結構；和第五電容性開關，被耦接在該第一諧振器質量和該第二諧振器質量之間。
12. 如申請專利範圍第11項之慣性裝置，其中該第五電容性開關被建構用於每當該第一諧振器質量在關於該第二諧振器質量的第五參考位置中時，藉由產生第五最大電容來產生該計時器信號。
13. 一種形成慣性裝置的方法，包含：形成支撐結構；形成第一驅動質量，其被耦接至該支撐結構；形成第一感測質量，其被耦接至該第一驅動質量；形成第一電容性開關，其被耦接在該第一驅動質量和該支撐結構之間；形成第二電容性開關，其被耦接在該第一驅動質量和該第一感測質量之間；形成第二驅動質量，其被耦接至該支撐結構；形成第二感測質量，其被耦接至該第二驅動質量；形成第三電容性開關，其被耦接在該第二驅動質量和該支撐結構之間；和 形成第四電容性開關，其被耦接在該第二驅動質量和該第二感測質量之間。
14. 如申請專利範圍第13項之形成慣性裝置的方法，其中：該第一電容性開關被建構用於每當該第一驅動質量在關於該支撐結構的第一參考位置中時，產生第一電流脈衝；該第二電容性開關被建構用於每當該第一感測質量在關於該第一驅動質量的第二參考位置中時，產生第二電流脈衝；該第三電容性開關被建構用於每當該第二驅動質量在關於該支撐結構的第三參考位置中時，產生第三電流脈衝；和該第四電容性開關被建構用於每當該第二感測質量在關於該第二驅動質量的第四參考位置中時，產生第四電流脈衝。
15. 如申請專利範圍第14項之形成慣性裝置的方法，另外包含雙質量諧振器，其被建構用於產生計時器信號，用於量測各電流脈衝之間的時間間隔。
16. 如申請專利範圍第15項之形成慣性裝置的方法，其中該雙質量諧振器包括：第一振盪器質量，被耦接至該支撐結構；第二振盪器質量，被耦接至該支撐結構；和第五電容性開關，被耦接在該第一振盪器質量和該第 二振盪器質量之間。
17. 如申請專利範圍第16項之形成慣性裝置的方法，其中該第五電容性開關被建構用於每當該第一振盪器質量在關於該第二振盪器質量的第五參考位置中時，產生第五電流脈衝。
18. 如申請專利範圍第13項之形成慣性裝置的方法，其中：該第一驅動質量被耦接至該支撐結構，以致於關於該第一驅動質量之該支撐結構的運動，被實質地限制於沿著第二軸線的運動；和該第一感測質量被耦接至該第一驅動質量，以致於關於該第一感測質量之該第一驅動質量的運動，被實質地限制於沿著第三軸線的運動。
19. 如申請專利範圍第18項之形成慣性裝置的方法，其中：該第二驅動質量被耦接至該支撐結構，以致於關於該第二驅動質量之該支撐結構的運動，被實質地限制於沿著第一軸線的運動；和該第二感測質量被耦接至該第二驅動質量，以致於關於該第二感測質量之該第二驅動質量的運動，被實質地限制於沿著該第三軸線的運動。
20. 如申請專利範圍第19項之形成慣性裝置的方法，其中該第一軸線實質地正交於該第二軸線；和其中該第三軸線實質地正交於該第一軸線和該第二軸 線。
21. 如申請專利範圍第13項之形成慣性裝置的方法，其中：該第一電容性開關被建構用於每當該第一驅動質量在關於該支撐結構的第一參考位置中時，產生第一最大電容；該第二電容性開關被建構用於每當該第一感測質量在關於該第一驅動質量的第二參考位置中時，產生第二最大電容；該第三電容性開關被建構用於每當該第二驅動質量在關於該支撐結構的第三參考位置中時，產生第三最大電容；和該第四電容性開關被建構用於每當該第二感測質量在關於該第二驅動質量的第四參考位置中時，產生第四最大電容。
22. 如申請專利範圍第21項之形成慣性裝置的方法，另外包含雙質量諧振器，其被建構用於產生計時器信號，用於量測各最大電容之間的時間間隔。
23. 如申請專利範圍第22項之形成慣性裝置的方法，其中該雙質量諧振器包括：第一諧振器質量，被耦接至該支撐結構；第二諧振器質量，被耦接至該支撐結構；和第五電容性開關，被耦接在該第一諧振器質量和該第二諧振器質量之間。
24. 如申請專利範圍第23項之形成慣性裝置的方法，其中該第五電容性開關被建構用於每當該第一諧振器質量在關於該第二諧振器質量的第五參考位置中時，藉由產生第五最大電容來產生該計時器信號。
25. 一種使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，該方法包含：關於支撐結構，驅動第一驅動質量；使用耦接在該第一驅動質量和該支撐結構之間的第一電容性開關，來量測該慣性裝置沿著第二軸線的加速度；使用耦接在該第一驅動質量和第一感測質量之間的第二電容性開關，來量測該慣性裝置繞著第一軸線的旋轉；關於該支撐結構，驅動第二驅動質量；使用耦接在該第二驅動質量和該支撐結構之間的第三電容性開關，來量測該慣性裝置沿著該第一軸線的加速度；使用耦接在該第二驅動質量和第二感測質量之間的第四電容性開關，來量測該慣性裝置繞著該第一軸線的旋轉。
26. 如申請專利範圍第25項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中：該第一電容性開關被建構用於每當該第一驅動質量在關於該支撐結構的第一參考位置中時，產生第一電流脈衝；該第二電容性開關被建構用於每當該第一感測質量在 關於該第一驅動質量的第二參考位置中時，產生第二電流脈衝；該第三電容性開關被建構用於每當該第二驅動質量在關於該支撐結構的第三參考位置中時，產生第三電流脈衝；和該第四電容性開關被建構用於每當該第二感測質量在關於該第二驅動質量的第四參考位置中時，產生第四電流脈衝。
27. 如申請專利範圍第26項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中量測加速度和旋轉包含使用雙質量諧振器，以量測該等電流脈衝之間的時間間隔。
28. 如申請專利範圍第27項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中該雙質量諧振器包括：第一振盪器質量，被耦接至該支撐結構；第二振盪器質量，被耦接至該支撐結構；和第五電容性開關，被耦接在該第一振盪器質量和該第二振盪器質量之間。
29. 如申請專利範圍第28項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中該第五電容性開關被建構用於每當該第一振盪器質量在關於該第二振盪器質量的第五參考位置中時，產生第五電流脈衝。
30. 如申請專利範圍第25項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中：該第一驅動質量被耦接至該支撐結構，以致於關於該 第一驅動質量之該支撐結構的運動，被實質地限制於沿著第二軸線的運動；和該第一感測質量被耦接至該第一驅動質量，以致於關於該第一感測質量之該第一驅動質量的運動，被實質地限制於沿著第三軸線的運動。
31. 如申請專利範圍第30項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中：該第二驅動質量被耦接至該支撐結構，以致於關於該第二驅動質量之該支撐結構的運動，被實質地限制於沿著該第一軸線的運動；和該第二感測質量被耦接至該第二驅動質量，以致於關於該第二感測質量之該第二驅動質量的運動，被實質地限制於沿著該第三軸線的運動。
32. 如申請專利範圍第31項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中該第一軸線實質地正交於該第二軸線；和其中該第三軸線實質地正交於該第一軸線和該第二軸線。
33. 如申請專利範圍第25項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中：該第一電容性開關被建構用於每當該第一驅動質量在關於該支撐結構的第一參考位置中時，產生第一最大電容；該第二電容性開關被建構用於每當該第一感測質量在 關於該第一驅動質量的第二參考位置中時，產生第二最大電容；該第三電容性開關被建構用於每當該第二驅動質量在關於該支撐結構的第三參考位置中時，產生第三最大電容；和該第四電容性開關被建構用於每當該第二感測質量在關於該第二驅動質量的第四參考位置中時，產生第四最大電容。
34. 如申請專利範圍第33項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，另外包含雙質量諧振器，其被建構用於產生計時器信號，用於量測各最大電容之間的時間間隔。
35. 如申請專利範圍第34項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中該雙質量諧振器包括：第一諧振器質量，被耦接至該支撐結構；第二諧振器質量，被耦接至該支撐結構；和第五電容性開關，被耦接在該第一諧振器質量和該第二諧振器質量之間。
36. 如申請專利範圍第35項之使用慣性裝置來決定加速度和旋轉的方法，其中該第五電容性開關被建構用於每當該第一諧振器質量在關於該第二諧振器質量的第五參考位置中時，藉由產生第五最大電容來產生該計時器信號。