专利名称：加速度计应变消除结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及悬挂装置和方法，更具体地说，本发明涉及用于安装力/位移传感器的结构，借此外部应力源与有源传感器部件隔离。
背景技术：
加速度计通常通过被直接安装于加速主体的表面上而测量施加于主体上的加速力。一种普通类型的加速度计使用一个或多个用于测量加速的力对位移或“力/位移”传感器。使用两个力/位移传感器而不是使用必需的最低一个传感器的加速度计获得了显著优点。如果这两个传感器以推挽式模式工作的话，那么诸如热驱动效应或漂移等许多误差源都可作为普通模式被抑制，同时差信号表示期望的加速度测量。偶而，使用两个力/位移传感器的设计包括两个完全分离的检测质量块，这基本形成两个加速度计，每个加速度计都具有其自己的传感器，但是沿相反的方向操作。然而，由于多种原因，双检测质量块方案不是优选的。相反，在一个加速度计中只具有一个检测质量块通常是有利的。
在图1A和1B中示出了现有技术的显微机械加工的双传感器/单检测质量块加速度计的典型示例，通常称其为矩形设计。图1A和1B中所示的加速度计10是通过传统显微机械加工技术用半导体材料的衬底12制成的微型结构。衬底12是由单晶硅材料以基本为平面的结构形成的，即，具有基本平坦和平行的相对偏移的上下表面。如美国专利5,948,981中所示出和描述的，硅衬底12通常包括通过绝缘层18或施加于活性层14上的绝缘层与下面衬底16电绝缘的上部硅或活性层14，所述美国专利5,948,981是1999年9月7日所申请的授权给本申请受让人的题为“振杆式加速度计”的专利，在这里合并参考其全部内容。绝缘层18可为例如约0.1到10微米的氧化物(诸如氧化硅)薄层。硅衬底12通常是通过氧化活性层14和下面衬底16构造成的，并将这两层粘附在一起。可去除活性层14的一部分以使得活性层14具有期望的厚度。氧化硅层18在较宽的温度范围内保持其绝缘特性，从而确保在大约100摄氏度的高操作温度下的有效的机械谐振器性能。另外，在制造过程中绝缘层18抑制了活性层14的不合需要的蚀刻。
显微机械加工加速度计10包括加速度传感器机构20，所述加速度传感器机构20具有一个或多个弯曲部分22，所述弯曲部分22以可弯曲的方式将检测质量块24从内部传感器框架或板26中悬挂下来以使得检测质量块24可沿垂直于检测质量块24的输入轴线I移动。弯曲部分22在靠近于下面衬底16或在下面衬底16的中心处(即，基本居于下面衬底16的相对的上下表面之间的中心)最好被蚀刻。任选地，可通过在适合的蚀刻剂(诸如氢氧化钾(KOH))中各向异性地蚀刻而形成弯曲部分22。弯曲部分22限定了铰链轴H，检测质量块24随着外加力(诸如加速主体的加速度)关于铰链轴H移动，所述加速主体例如为加速度计10安装于其上的交通工具、飞行器或其他移动主体等。传感器机构20包括连接于检测质量块24和传感器框架26之间用于测量施加于检测质量块24上的力的一对力/位移传感器28。力/位移传感器28为例如由活性硅层14形成的作为双端音叉(DETF)力传感器的机械谐振器。
图1C中所示并且上述合并的美国专利5,948,981中所描述的一种已知振荡器电路在机械谐振器28的谐振频率下驱动机械谐振器28。图1C示出了其中传感器28的振梁作为谐振器的典型振荡电路50。转移阻抗放大器52将从振梁中接收到的传感电流转换为电压。所述电压由减少噪音的带通滤波器54过滤，并且电压振幅由限幅器56控制。所得到的信号与来自于求和点60中的DC源58的输出或DC偏压相结合。DC偏压在力/位移传感器28的电极和梁之间产生力。来自于限幅器56的信号调制所述力，使得传感器28的梁在其谐振频率下横向振动。该横向梁移动又产生传感电流。输出缓冲器62使得振荡器与连接于振荡电路50输出端64的外部电路绝缘。这增进了振荡电路50维持力/位移传感器28的梁的振荡。
随着外加力，检测质量块24绕着铰链轴H旋转，导致(压缩的或张拉的)轴向力被施加到机械谐振器28。轴向力改变机械谐振器28的振动频率，并且所述改变的量级起到外加力或加速度的测量的作用。换句话说，力/位移传感器28作为检测质量块24位移的函数测量施加的加速度力。
在敏感加速度传感器机构20中，例如通过加速度计传感器框架26与硅盖板30的机械连接可引起不合需要的外应力和应变，所述硅盖板30通常又与陶瓷或金属安装板32相连接。传感器框架26中出现的任何应变都不仅仅被传输到检测质量块24，而且还通过检测质量块24被传输到双DETF谐振器28。由于该系统中唯一较具有应变性能的是传感DETF谐振器28本身，几乎全部应变都表现为来自于DETF谐振器28的误差输出。因此，在DETF谐振器28中从与所测量的加速度无关的输入中产生了不合需要的误差。由于通过DETF谐振器28的应变性能必须较低以便于以足够的精确度检测加速度以用于实用系统中，因此这些误差可能较大。
因此显微机械加工加速度计中的应变绝缘是良好性能(即，精确度)的重要价值。应变绝缘将机构与制造和装配期间所引起的机械应力相分离，从而减少加速度计机构的双振动梁力传感部分的梁之中的谐振中的变化。应变绝缘还将机构与操作环境中的震动、振动以及温度变化引起的外部应力相分离。
已知有许多方法用于将敏感加速度传感器机构20与所述不合需要的应力和应变相隔离。典型地，提供了悬臂类型的隔离结构，其中用弯曲部分36将传感器框架26从第二外部框架部分34中悬挂下来，所述弯曲部分36是由通过衬底12折叠狭缝38和40而形成的。因此如文中所结合参考的美国专利5,948,981中所示出和描述的，传感器框架26能够相对于外部框架34移动。所述隔离使得传感器框架26的扭曲变形最小化，从而降低机械谐振器28上的外部应力和应变的影响。
图1B是沿谐振器28通过显微机械加工加速度计10所截的横截面图。如上所述以及如图1B中所示的，根据牛顿定律的原理F＝ma，当受到沿输入轴线I的加速度时检测质量块24能够绕着弯曲部分22自由旋转。该旋转被如所示的位于机构表面上的示为DETF谐振器的双力/位移传感器28的作用抑制。由于当使得检测质量块24相对于传感器机构20的平面移动时，一个DETF谐振器28处于压缩之下而另一个处于张拉之下，因此这些双振动梁力传感器28提供了推挽式可变频率输出信号。两个频率之间的差异表示所测量的加速度。另一方面，由诸如温度、机械应力或偏移等不期望的原因引起的共模频率偏移作为误差被抑制了。因此图1A和1B显示了现有技术提供的悬臂类型的隔离结构。
现有技术设计已有效地使用了悬臂类型的应变隔离结构，新应用不断减少加速度计可使用的空间。新约束条件被置于加速度计中用于应变隔离结构的可用空间之上。这些新空间限制不允许现有技术悬臂类型的隔离。因此加速度计设计者受到在最小空间中提供充分应变隔离的挑战。

发明内容
本发明克服了现有技术在提供在模上的(on-die)应变隔离方面的尺寸限制，所述尺寸限制是将加速度计机构与外部诱发应力和合成应变相隔离的临界值，所述合成应变包括在制造和装配、盖板连接、顶盖安装的期间以及操作期间的环境条件诱发的应变。本发明的H形梁应变隔离结构使得模外部诱发的应变冲击最小化。H形梁应变隔离结构还提供了对称的应变隔离系统，这减少了诸如偏心所导致的非线性效应。H形梁应变隔离结构还使得应变所导致的排列旋转误差最小化。
依照本发明的一个方面，提供了一种悬挂结构，所述悬挂结构具有第一细长弯曲部分和第二细长弯曲部分，第一细长弯曲部分具有被构造成用于与支撑结构相连接的第一和第二端，第二细长弯曲部分具有被构造成用于与隔离于支撑结构的结构相连接的第一和第二端。位于其第一和第二端中间的第二弯曲部分的一部分与位于其第一和第二端中间的第一弯曲部分的一部分互相连接。
依照本发明的另一个方面，悬挂结构的第一和第二弯曲部分以间隔并通过连接于第一弯曲部分的中间部分与第二弯曲部分的中间部分之间的相互连接结构相互连接。
依照本发明的另一个方面，悬挂结构的每个第一和第二弯曲部分都被形成于具有平行的相对偏移的上下表面的衬底中，第一和第二弯曲部分被穿过上下表面之间的衬底所形成的多个狭缝限定。
依照本发明的另一个方面，在无约束的条件下，悬挂结构的每个第一和第二弯曲部分在其相应的第一和第二端之间基本上是直的。在无约束的条件下，悬挂结构的第一和第二弯曲部分可以间隔并且基本上相互平行，并且具有连接于它们之间的相互连接结构。
依照本发明的另一个方面，本发明的悬挂结构还可包括被悬挂的结构和至少部分地围绕所述被悬挂的结构并与之相隔的支撑结构。第一弯曲部分的第一和第二端与支撑结构相连接，第二弯曲部分的第一和第二端与被悬挂的结构相连接，所述被悬挂的结构可为加速度计传感器机构。
依照本发明的其他方面，提供了用于悬挂和隔离加速度设备的方法。


结合附图参照下面的详细描述，可更容易明白同时更好地理解本发明的前述方面和许多附带优点，在附图中图1A是通常被称为矩形设计的典型现有技术双传感器/单检测质量块加速度计的平面图；图1B是图1中所示的加速度计的横截面图；图1C是用于在其谐振频率下驱动双传感器/单检测质量块加速度计的机械谐振器的已知振荡器电路的视图；图2是代表本发明H形梁隔离结构的加速度计机构模的平面图，所述H形梁隔离结构使得施加于加速度计机构模的端部扭矩最小化和局部化；图3示出了体现为H形梁隔离结构的本发明的悬挂机构，并且还示出了其操作；以及图4示出了体现为X形梁隔离结构的本发明的悬挂机构。
具体实施例方式
在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
本发明涉及用于悬挂加速度传感器的设备和方法，所述悬挂设备包括第一细长弯曲部分，所述第一细长弯曲部分具有被构造成用于与支撑结构相连接的第一和第二端；以及第二细长弯曲部分，所述第二细长弯曲部分具有被构造成用于与隔离于支撑结构的结构相连接的第一和第二端，位于其第一和第二端中间的第二弯曲部分的一部分与位于其第一和第二端中间的第一弯曲部分的一部分互相连接。
图2示出了本发明悬挂结构和方法的一个实施例，所述实施例提供了用于使得施加于加速度计机构模的端部扭矩最小化和局部化的隔离结构。本发明的结构悬挂加速度计传感器机构，同时将其与外部诱发应变相隔离。外部框架中的应变通过隔离结构被传输为均等并且相对的力矩。因此，通过隔离结构施加于加速度计机构模的端部扭矩沿反方向操作。因此图2中所示的H形梁隔离结构的几何形状确保了只有一种合成的张拉或压缩载荷被施加于加速度计机构上。现有技术的悬臂类型隔离结构的一个缺点在于，悬臂类型隔离结构具有横轴效应或双梁悬挂隔离结构，这趋向于“测定出水层位”或平面的模板留孔。是通过确保只有一种合成的张拉或压缩载荷被施加于加速度计机构上的本发明的H形梁隔离结构的几何形状特征消除所述平面的模板留孔趋向的。因此本发明的H形梁隔离结构的几何形状提供了超越于现有技术的悬臂类型隔离结构的独特优点。
在图2中，本发明的显微机械加工加速度计100包括与文中合并参考的文献中所描述的加速度传感器机构基本相同的加速度传感器机构102。所述加速度传感器机构102包括，例如一个或多个弯曲部分104，所述弯曲部分104以可弯曲的方式将检测质量块106从内部传感器框架或板108中悬挂下来以使得检测质量块106沿垂直于检测质量块106的输入轴线I移动。图2中所示的示范性检测质量块106是题为“Compensation of Second-Order Non-Linearity in SensorsEmploying Double-Ended Tuning Forks”的美国专利6,282,959中所描述的类型的检测质量块，在这里合并参考所述专利全文，并且所述专利已授权给本申请的受让人。因此图2中所示的检测质量块106包括，例如布置于弯曲部分104相对侧部上的第一板部分106a和第二末端部分106b。如本领域普通技术人员将理解的，本发明的悬挂/隔离机构几何形状是与其他加速度计设计一样可行的，所述其他加速度计设计包括(但不局限于)美国专利6,282,959中所描述的那些其他加速度计设计。
弯曲部分104最好在基本处于下面衬底110的相对上下表面之间的中心的位置处被蚀刻，所述下面衬底110是依照现有技术形成的具有基本平坦和平行的相对偏移的上下表面并包括上部硅或活性层的衬底，绝缘层使得所述活性层与下面衬底电绝缘。任选地，通过在适合的蚀刻剂(诸如氢氧化钾(KOH))中各向异性地蚀刻而形成弯曲部分104。弯曲部分104限定了铰链轴H，检测质量块106随着外加力(诸如加速主体的加速度)关于铰链轴H移动，所述加速主体例如为加速度计100安装于其上的交通工具、飞行器或其他移动主体等。传感器机构102包括连接于检测质量块106和传感器框架108之间用于测量施加于检测质量块106上的力的一对力/位移传感器112。力/位移传感器112为例如文中合并参考的现有技术中描述的由活性硅层14形成的作为双端音叉(DETF)力传感器28的机械谐振器，或另一种适合的力/位移传感器。
振荡器电路例如图1C中所示并且上述合并的美国专利5,948,981中所描述的振荡器电路50被连接，以便于在机械谐振器112的谐振频率下驱动机械谐振器112。如文中所述的，力/位移传感器112在推挽模式下工作，以便于作为随着沿输入轴线I所施加的力的检测质量块106位移的函数测量所施加的加速度力。
穿过衬底110形成有多个分离狭缝114和116，所述分离狭缝114和116几乎将内部传感器框架108与第二外部框架部分118相分离。狭缝114、116是沿内部传感器框架108的圆周形成的，并且共存于相互连接于内部与外部传感器框架108和118之间的本发明的多个悬挂机构120a、b、c和d之中。本发明的多个悬挂机构120a、b、c和d是内部与外部传感器框架108和118之间的唯一的机械相互连接部分。因此多个悬挂机构120a、b、c和d围绕传感器机构102的内部传感器框架108并使得内部传感器框架108从外部框架118中悬挂下来，所述悬挂机构120a、b、c和d同时使得传感器机构102与外部框架118中的应变相隔离。
图3示出了体现为一个H形梁隔离结构120a的本发明的悬挂机构。其他的H形梁隔离结构120b、c和d也具有相同的机构。在图2中，H形梁隔离几何形状120a是通过一对内部和外部狭缝122和124形成的，所述狭缝122和124是通过衬底110并在内部与外部传感器框架108和118之间折叠一部分狭缝114和116而形成的。
H形梁隔离弯曲部分120a的内部和外部狭缝122和124被形成于分离狭缝114和116的相对端部上。换句话说，内部狭缝122是穿过内部传感器框架108形成的，而外部狭缝124是穿过外部框架118形成的。在狭缝122和124的末端处可形成有键孔128以提供应力消除。内部狭缝122和外部狭缝124为例如布置得略微远离分离狭缝114和116并且基本上与之平行的又长又窄的狭缝。在内部狭缝122与分离狭缝114和116的部分重叠处形成有细长内部弯曲部分130，并且在外部狭缝124与分离狭缝114和116的部分重叠处形成有细长外部弯曲部分132。当内部和外部狭缝122和124相互对齐并且具有基本相同的长度时，内部和外部弯曲部分130、132也相互对齐并且在长度上基本相同。
H形梁隔离结构120a包括垂直于传感器衬底110的表面形成并通过内部和外部弯曲部分130、132相互连接于内部与外部传感器框架108和118之间的窄梁126。梁126以这种方式位于两个弯曲部分130、132的中心上，即，使得梁126在位于相应内部和外部狭缝122和124的键孔部分128处的其相应端点之间以位于中间的方式互连于每个内部和外部弯曲部分130、132。由于内部和外部狭缝122和124以及由内部和外部狭缝122和124重叠的分离狭缝114和116的部分都基本是直的并且相互平行，因此内部和外部弯曲部分130、132可基本为直的。在内部和外部弯曲部分130、132基本为直的情况中，中间内连梁126以H形结构连接两对弯曲部分130、132。
如上所述，H形梁隔离结构120a、b、c和d是由具有被构造成用于与外部框架结构118相连接的第一和第二端的外部细长弯曲部分132和具有被构造成用于与内部传感器框架结构108相连接的第一和第二端的内部细长弯曲部分130形成的，所述内部传感器框架结构108将与外部框架结构118相隔离。其第一和第二端中间的内部弯曲部分130的一部分通过梁126与其第一和第二端中间的外部弯曲部分132的一部分相互连接。
然而，也可将H形梁隔离结构120a、b、c和d描述为由彼此间隔的一对内部弯曲部分130a、130b和一对外部弯曲部分132a、132b形成的，其中每个弯曲部分130a、130b和外部弯曲部分132a、132b的近端都通过梁126相互连接。内部弯曲部分130a、130b的端部远离与内部传感器框架结构108相互连接的互连梁126，外部弯曲部分132a、132b的端部远离与外部框架结构118相互连接的互连梁126。
H形梁弯曲部分130、132的弯曲量被确定为H形梁狭缝122、124的长度连同连接它们的梁126的宽度以及从分离狭缝114和116的侧面复位的函数。因此可与从分离狭缝114和116的侧面凹部(set-back)相结合选择内部和外部H形梁狭缝122、124的长度和互连梁126的宽度，从而为加速度计机构100提供预定动态特性。H形梁弯曲部分130、132延伸衬底110的整个厚度，因此它们沿加速度计装置100的输入轴线I非常硬，同时它们的相对薄度使得它们在衬底110的平面中较柔顺。本领域普通技术人员将明白的是，越长、越薄的弯曲部分130、132将会越柔顺，从而导致越低的系统频率，而越短、越厚的弯曲部分130、132将会越硬，从而形成具有更高频率谐振的系统。实际上，内部和外部弯曲部分130、132长度和宽度可与加速度计机构100的其他特征结合选择，例如，使用有限元计算机程序以获得与专门应用相近的系统特征。
H形梁隔离结构120在内部和外部框架108、118之间的传感器机构120周围重复。例如，H形梁隔离结构120在正方形或矩形(如所示的)内部传感器框架108的所有四个角处重复。H形梁隔离结构120可随意地在所有四个方位基点(即，正方形或矩形内部传感器框架108的顶部、底部或两侧)处重复。如果内部传感器框架是另一种形状，诸如圆形或椭圆形，H形梁隔离结构120又在方位基点处重复，或者在预定角度(例如，特征所示的45度)下旋转。图2中所示的H形梁隔离结构120的四点对称为传感器机构102提供了宽阔的稳定支撑。然而，三点对称，例如将三个H形梁隔离结构120以对称的方式布置于圆形内部传感器框架108周围也是一种选择。
H形梁弯曲部分130、132之间的分离狭缝114、116的部分被构造成足够宽，以允许内部和外部弯曲部分130、132的弯曲。因此分离狭缝114、116提供了内部传感器框架108和外部框架118之间垂直于H形梁弯曲部分130、132的相对移动的空间。因此H形梁隔离结构120允许内部传感器框架108在最小空间中的最大量的面内线性平移。然而可将分离狭缝114、116的选定部分构造成足够窄以局限或限制内部传感器框架108的相对移动，从而使得弯曲部分130、132不会由于过量弯曲而损坏。或者，可随意地将H形梁隔离结构120外部的围绕内部传感器框架108圆周的狭缝114、116的部分选择为限制内部传感器框架108相对于外部框架118的移动，从而防止弯曲部分130、132过量弯曲。狭缝114、116的窄部分所提供的限制还可防止加速度计传感器机构102由于施加于横轴上的外部冲击载荷所导致的损坏。
如图2中所示的，将H形梁隔离结构120a、b、c和d相对于加速度计传感器机构102的铰链轴H以对称的方式定位。然而，依照本发明的不同实施例，以不同的角度定位不同的H形梁隔离结构120a、b、c和d，即，使得不同H形梁隔离结构120a、b、c和d的图案重合在加速度计传感器机构102的一个点处。将H形梁隔离结构120a、b、c和d的图案定位得重合在一个点处可用于使得偏心效果最小化。例如，在高振动应用中，可随意地将H形梁隔离结构120a、b、c和d的图案定位得重合在检测质量块106的震动中心处以限制偏心效果。在其他应用中，可随意地将H形梁隔离结构120a、b、c和d的图案定位得重合在检测质量块106的质量中心或重心处。
依照另一个实施例，H形梁隔离结构120中的每个弯曲部分130、132都是不同长度的。虽然具有基本相同长度的弯曲部分130、132有助于对称性，但是期望产生的谐振频率可指定差别的弯曲长度。
可使用深度反应离子蚀刻技术(DRIE)随意地制造构成H形梁弯曲部分130、132的H形梁狭缝122、124和分离狭缝114、116，所述深度反应离子蚀刻技术(DRIE)可在几乎垂直壁之间蚀刻非常窄的狭缝。DRIE允许精密地控制H形梁隔离弯曲部分130、132的宽度、长度和厚度，从而应变隔离结构的限定水平和相应的谐振可制造成加速度计100的结构。
图3示出了涉及与加速度计机构模相结合的H形梁隔离结构120a的操作的本发明的方法。在图3中，如箭头所示的，示出了与加速度计机构100相结合的H形梁隔离结构120a的延展移动。由另一个H形梁隔离结构120c经历同等的和相对的压缩移动。当在外部框架元件118中引起应变时，H形梁隔离弯曲部分130、132的面内柔顺允许它们在衬底110的平面中弯曲，同时沿加速度计机构100的输入轴线I保持相对刚性和不可弯曲性。从而H形梁隔离结构120吸收外部框架元件118中所出现的应变同时保持内部传感器框架108和传感器机构102与外部框架元件118的共面性。
此外，H形梁隔离弯曲部分130、132的弯曲使得施加于加速度计机构模100上的端部扭矩最小化和局部化。外部框架元件118中的应变通过互连梁126被传输到形成于外部框架元件118中的外部弯曲部分132中、并且被传输到形成于内部传感器框架108上的内部弯曲部分130中。因此外部弯曲部分132与互连梁126操作以使得外部框架元件118中的应变被施加于两个悬臂式的弯曲部分130a和130b的内端处，即，内部弯曲部分130的中心处。所述应变被转换成传输到悬臂式的弯曲部分130a和130b的两个力矩臂上的力矩并且在内部传感器框架108中在各个弯曲部分130a和130b与内部传感器框架108相互连接的端部处产生扭矩T1和T2。
然而，由于通过两个对称形成的弯曲部分130a和130b之间的梁126施加了外应变，因此由两个弯曲部分130a和130b中的每一个施加了同等并且相反的力矩。这些同等并且相反的力矩导致了产生于内部传感器框架108中弯曲部分130a和130b的端部处的同等并且相反的扭矩T1和T2，因此只有一个合成的压缩或张拉载荷(示出)被施加于加速度计传感器机构102。
当内部传感器框架108的相对角上的H形梁隔离结构120a被延伸时，H形梁隔离结构120c以相似但又相反的方式被压缩。H形梁隔离结构120c弯曲以使得施加于加速度计机构模100上的端部扭矩最小化和局部化。与H形梁隔离结构120a处于拉伸中相似，H形梁隔离结构120c在处于压缩下操作以便于将外部产生的应变转换为形成于内部传感器框架108主体中的弯曲部分极端处的同等并且相反作用的扭矩。内部传感器框架108中所产生的这些同等并且相反的扭矩导致将压缩载荷施加到加速度计传感器机构102。
图4示出了体现为X-梁隔离结构150的本发明悬挂结构，所述X-梁隔离结构150在构造和操作上都与文中所述的H-梁隔离结构120相似。然而与上述H-梁实施例相比，X-梁隔离结构150需要更多的实际空间以构成和操作。根据X-梁隔离结构150，沿内部传感器框架108的圆周形成有分离狭缝152、154，并且共存于连接于内部和外部传感器框架108和118之间的窄梁156中。梁156在衬底110的整个厚度上垂直于传感器衬底110的平面。多个梁156是内部和外部传感器框架108和118中仅有的机械互连部分。X-梁隔离弯曲部分150的内部和外部狭缝158、160被形成于分离狭缝152、154的相对侧上并且部分地交迭分离狭缝152、154，其中互连梁156形成于内部和外部狭缝158、160的中间。换句话说，内部狭缝158是通过内部传感器框架108的外圆周边缘形成的，而另一个外部狭缝160是通过外部传感器框架118的内圆周边缘形成的。在狭缝158、160的极端处可形成有键孔162以提供应力消除。内部狭缝158和外部狭缝160为例如布置得略微远离交迭狭缝152和154的又长又窄的狭缝，以使得两个细长弯曲部分164和166分别形成于其间。将狭缝152和154布置得使得梁156以X形状连接两对弯曲部分164和166。
还可将X-梁隔离结构150描述为由一对内部弯曲部分164a、164b和一对与之间隔的外部弯曲部分166a、166b构造成的，其中每个弯曲部分164a、164b和外部弯曲部分166a、166b的近端都通过梁156相互连接。内部弯曲部分164a、164b的端部远离与内部传感器框架结构108相互连接的互连梁156，外部弯曲部分166a、166b的端部远离与外部框架结构118相互连接的互连梁156。
与本发明的H-梁实施例相似，X-梁隔离结构150的弯曲量为X形梁狭缝158、160的长度连同连接它们的梁156的宽度以及从分离狭缝152和154的侧面复位的函数。因此可与从分离狭缝152和154的侧面复位相结合选择X形梁狭缝158、160的长度和连接它们的梁156的宽度，从而为加速度计机构100提供预定动态特性。
体现为X-梁隔离结构150的悬挂发明的隔离结构几何形状沿延展移动方式操作，同时由相对侧或内部传感器框架108的角上的另一个X-梁隔离结构150经历同等并且相对的压缩移动。当在外部框架元件118中引起应变时，X形梁弯曲部分164、166的面内柔顺允许它们在衬底110的平面中弯曲，同时沿加速度计机构100的输入轴线I保持相对刚性和不可弯曲性。从而X形梁隔离结构120吸收外部框架元件118中所出现的应变同时保持内部传感器框架108和传感器机构102与外部框架元件118的共面性。
X形梁弯曲部分164、166的弯曲使得施加于加速度计机构模100上的端部扭矩最小化和局部化。外部框架元件118中的应变通过互连梁156被传输到形成于外部框架元件118中的弯曲部分166a、166b中，并且被传输到形成于内部传感器框架108上的弯曲部分164a、164b中。因此两个弯曲部分166a、166b与互连梁156操作以使得外部框架元件118中的应变被施加于两个悬臂式的弯曲部分164a和164b的内端处。所述应变被转换成传输到悬臂式的弯曲部分164a和164b的两个力矩臂上的力矩并且在内部传感器框架108中在弯曲部分164a和164b与内部传感器框架108相互连接的端部处产生同等和相反的扭矩。这些同等和相反的力矩导致在内部传感器框架108中在弯曲部分164a和164b的端部处产生同等和相反的扭矩，以使得只有一种合成的压缩和张拉载荷被施加于加速度计传感器机构102。
本领域中普通技术人员将明白的是，当内部框架108与盖板32相连接以便于安装加速度计100时，本发明的隔离结构同样可用于将形成于外部框架118之中或之上的传感器机构102与施加于内部框架108的外部应变相隔离。
虽然已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是应该理解的是，在不脱离本发明精神和保护范围的情况下可作出各种改变。
权利要求
1.一种悬挂结构，所述悬挂结构包括第一细长弯曲部分，所述第一细长弯曲部分具有被构造成用于与支撑结构相连接的第一和第二端；和第二细长弯曲部分，所述第二细长弯曲部分具有被构造成用于与隔离于支撑结构的结构相连接的第一和第二端，位于其第一和第二端中间的第二弯曲部分的一部分与位于其第一和第二端中间的第一弯曲部分的一部分互相连接。
2.如权利要求1中所述的结构，其特征在于，第一和第二弯曲部分以间隔并通过连接于第一弯曲部分的中间部分与第二弯曲部分的中间部分之间的相互连接结构相互连接。
3.如权利要求1中所述的结构，其特征在于，每个第一和第二弯曲部分都被形成于具有平行相对偏移上下表面的衬底中，第一和第二弯曲部分被穿过上下表面之间的衬底所形成的多个狭缝限定。
4.如权利要求1中所述的结构，其特征在于，在无约束的条件下，每个第一和第二弯曲部分在其相应的第一和第二端之间基本上是直的。
5.如权利要求4中所述的结构，其特征在于，在无约束的条件下，第一和第二弯曲部分可以间隔并且基本上相互平行，并且具有连接于它们之间的相互连接结构。
6.如权利要求1中所述的结构，其特征在于，还包括被悬挂的结构；至少部分地围绕所述被悬挂的结构并与之相隔的支撑结构；并且其特征在于，第一弯曲部分的第一和第二端与支撑结构相连接，并且第二弯曲部分的第一和第二端与被悬挂的结构相连接。
7.如权利要求6中所述的结构，其特征在于，所述被悬挂的结构还包括加速度计传感器机构。
8.一种加速度计悬挂设备，所述设备包括用于测量沿输入轴线施加的加速度的装置；用于支撑加速度测量装置的装置；连接于支撑装置与加速度测量装置之间的装置，所述装置用于将加速度测量装置从支撑装置中悬挂下来以便于限制沿基本垂直于输入轴线的平面中的移动，所述悬挂装置包括多个第一弯曲装置，每个弯曲装置都具有用于互连于支撑装置的间隔的互连装置，多个第二弯曲装置，每个弯曲装置都具有用于互连于加速度测量装置的间隔的互连装置，以及用于将多个第一弯曲装置的每个与多个第二弯曲装置的相应一个在基本处于各个间隔互连装置中间的位置处互连的装置。
9.如权利要求8中所述的设备，其特征在于第一个互连装置被布置于加速度测量装置的第一侧上；并且第二个互连装置被布置于加速度测量装置的第二侧上，与第一个互连装置相对。
10.如权利要求8中所述的设备，其特征在于，加速度测量装置、支撑装置，以及每个互连装置都形成于衬底中，所述衬底具有在基本平行地间隔的表面之间延伸的厚度。
11.如权利要求10中所述的设备，其特征在于，多个互连装置中的每个的第一和第二弯曲装置都基本上穿过衬底的间隔的表面之间的整个厚度。
12.如权利要求8中所述的设备，其特征在于，用于互连于加速度测量装置的多个第二弯曲装置的每个的间隔的互连装置还包括用于将由各个第二弯曲装置传输的应变转换为扭矩的装置。
13.如权利要求12中所述的设备，其特征在于，每个间隔的互连装置处的应变-扭矩转换装置还包括用于将应变转换为同等和相反扭矩的装置。
14.一种悬挂结构，所述结构包括衬底，所述衬底具有基本平行并且间隔的上表面和下表面；形成于衬底中的内部框架元件；形成于衬底中的外部框架元件，所述外部框架元件与内部框架元件相隔并基本上围绕所述内部框架元件；形成于内部和外部框架元件之间的分离狭缝，所述分离狭缝由内部框架元件的外侧壁和与内部框架元件的外侧壁相隔的外部框架元件的内侧壁限定并且与之邻近；形成于衬底中的分离狭缝中的围绕内部框架元件外圆周周围的隔开位置处的多个梁，每个梁都互连于内部和外部框架元件之间；形成于内部框架元件的外圆周中并且与其外侧壁邻近但又相隔的内部狭缝，所述内部狭缝具有基本等距离地布置于第一梁相对侧上的第一和第二间隔的端部；以及形成于外部框架元件的内圆周中并且与其内侧壁邻近但又相隔的外部狭缝，所述外部狭缝具有基本等距离地布置于第一梁相对侧上的第一和第二间隔的端部。
15.如权利要求14中所述的悬挂结构，其特征在于，所述内部和外部狭缝是基本邻近地形成的。
16.如权利要求14中所述的悬挂结构，其特征在于，所述内部狭缝以基本平行于分离狭缝的方式形成，并且内部狭缝的第一和第二端彼此间隔预定的细长距离，以使得内部弯曲部分形成于内部狭缝与分离狭缝之间。
17.如权利要求14中所述的悬挂结构，其特征在于，所述外部狭缝以基本平行于分离狭缝的方式形成，并且外部狭缝的第一和第二端彼此间隔预定的细长距离，以使得外部弯曲部分形成于外部狭缝与分离狭缝之间。
18.如权利要求14中所述的悬挂结构，其特征在于，还包括形成于内部框架元件的外圆周中并且与其外侧壁邻近但又相隔的第二内部狭缝，所述内部狭缝具有基本等距离地布置于第二梁相对侧上的第一和第二间隔的端部；以及形成于外部框架元件的内圆周中并且与其内侧壁邻近但又相隔的第二外部狭缝，所述外部狭缝具有基本等距离地布置于第二梁相对侧上的第一和第二间隔的端部。
19.如权利要求18中所述的悬挂结构，其特征在于第一梁、第一内部狭缝和第一外部狭缝被形成于内部框架元件第一侧上的第一位置处；以及第二梁、第二内部狭缝和第二外部狭缝被形成于内部框架元件第二侧上的第二位置处，与第一梁、第一内部狭缝和第一外部狭缝相对。
20.如权利要求19中所述的悬挂结构，其特征在于第一梁、第一内部狭缝和第一外部狭缝共同形成第一弯曲部分，所述第一弯曲部分沿穿过第一梁的直线可操作；第二梁、第二内部狭缝和第二外部狭缝共同形成第二弯曲部分，所述第二弯曲部分沿穿过第二梁的直线可操作；并且第一和第二弯曲部分被定位得使得它们沿基本平行的各个第一和第二直线可操作。
21.如权利要求20中所述的悬挂结构，还包括形成于内部框架元件中的加速度传感机构。
22.如权利要求21中所述的悬挂结构，其特征在于，所述加速度传感机构还包括检测质量块，所述检测质量块形成于衬底中并且从内部框架元件上悬挂下来以便于相对旋转；以及连接于检测质量块与内部框架元件之间的多个力/位移传感器；并且第一和第二弯曲部分被定位得使得它们沿基本穿过震动中心、质量中心以及检测质量块重心中一个的各个直线可操作。
23.一种设备，所述设备包括硅衬底，所述硅衬底形成有基本平坦的并且平行的相对偏移的上表面和下表面；形成于衬底中的外部框架结构；形成于衬底中的内部框架结构，所述内部框架结构至少部分地由外部框架结构围绕并且与之相隔一个空间；以及多个隔离结构，所述隔离结构形成于衬底中并且在其上下表面之间延伸，每个隔离结构都包括一对内部弯曲部分和一对与之间隔的外部弯曲部分，每个内部和外部弯曲部分的近端都互连，内部弯曲部分的远端与内部框架结构互连，外部弯曲部分的远端与外部框架结构互连。
24.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，这对内部弯曲部分与这对外部弯曲部分通过分离内部框架元件与外部框架元件的空间相隔。
25.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，所述内部和外部弯曲部分在其相应的近端和远端之间延长。
26.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，所述多个隔离结构中的每个还包括形成于衬底中并在其上下表面之间延伸的梁，所述梁互连于每个内部和外部弯曲部分的近端之间。
27.如权利要求26中所述的设备，其特征在于，所述多个隔离结构中的每个的各对内部和外部弯曲部分都由互连于其间的梁以间隔。
28.如权利要求27中所述的设备，其特征在于，所述多个隔离结构中的每个的各对内部和外部弯曲部分基本上都是平行的。
29.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，所述多个隔离结构中的两个被布置于内部框架结构的相对侧上。
30.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，外部框架结构还包括所述多个隔离结构中的每个的这对外部弯曲部分。
31.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，内部框架结构还包括所述多个隔离结构中的每个的这对内部弯曲部分。
32.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，所述内部框架结构还包括由一个或多个弯曲部分从内部框架结构上悬挂下来的检测质量块；以及连接于检测质量块和内部框架结构之间用于测量施加于检测质量块的力的一对力/位移传感器。
33.如权利要求23中所述的设备，其特征在于，所述力/位移传感器还包括形成为双端音叉(DETF)力传感器的机械谐振器。
34.一种加速度计，所述加速度计包括硅衬底，所述硅衬底具有基本平行的并且间隔的上表面和下表面；加速度计传感器机构，所述加速度计传感器机构具有内部传感器框架和形成于衬底中的检测质量块，所述检测质量块通过一个或多个弯曲部分以摆锤方式从内部传感器框架中悬挂下来，并且两个机械谐振器以推挽式的方式互连于检测质量块与内部传感器框架之间；外部框架，所述外部框架形成于衬底之间并且基本上围绕加速度计传感器机构并与加速度计传感器机构相隔；以及多个应变-隔离悬挂元件，所述应变-隔离悬挂元件被布置于加速度计传感器机构与外部框架之间的空间中，并且所述应变-隔离悬挂元件连接于加速度计传感器机构与外部框架之间，成对应变-隔离悬挂元件被布置于加速度计传感器机构的相对侧上，每个应变-隔离悬挂元件都被形成于衬底中并且包括具有连接于外部框架内壁的第一和第二端的第一又薄又细长的弯曲部分；以及具有连接于外部框架内壁的第一和第二端的与第一弯曲部分相对的第二又薄又细长的弯曲部分，位于其第一和第二端中间的第二弯曲部分的一部分与位于其第一和第二端中间的第一弯曲部分的一部分互相连接。
35.如权利要求34中所述的加速度计，其特征在于，多个应变-隔离悬挂元件中的每个的第一弯曲部分的第一和第二端都沿一部分与外部框架的内壁相连接，所述部分基本上延伸衬底上下表面之间的整个距离。
36.如权利要求34中所述的加速度计，其特征在于，多个应变-隔离悬挂元件中的每个的第二弯曲部分的第一和第二端都沿一部分与内部框架的外壁相连接，所述部分基本上延伸衬底上下表面之间的整个距离。
37.如权利要求34中所述的加速度计，其特征在于，多个应变-隔离悬挂元件中的每个还包括互连第一和第二弯曲部分的梁，所述梁被连接于其第一和第二端中间的第一弯曲部分的部分与其第一和第二端中间的第二弯曲部分的部分之间。
38.如权利要求34中所述的加速度计，其特征在于，多个应变-隔离悬挂元件中的每个的第二弯曲部分都与其相应的第一弯曲部分相隔并与之基本平行地对齐。
39.如权利要求34中所述的加速度计，其特征在于，布置于加速度计传感器机构相对侧上的这对应变-隔离悬挂元件中的一个还被对齐得通过质量块的震动中心作用。
40.如权利要求34中所述的加速度计，其特征在于，布置于加速度计传感器机构相对侧上的这对应变-隔离悬挂元件中的一个还被对齐得通过质量块的质量中心作用。
41.如权利要求34中所述的加速度计，其特征在于，布置于加速度计传感器机构相对侧上的这对应变-隔离悬挂元件中的一个还被对齐得通过质量块的重心作用。
42.用于悬挂和隔离一种设备的方法，所述方法包括通过形成于外部框架元件的内圆周边缘与内部框架的外圆周边缘之间的狭缝与之相隔的外部框架基本围绕内部框架元件；互连围绕外部框架元件的内圆周边缘隔开的多个第一弯曲部分；在与第一弯曲部分相对应的位置处互连围绕内部框架元件的外圆周边缘隔开的多个第二弯曲部分；以及将每个第二弯曲部分的中心部分与相对应的第一弯曲部分的中心部分互连。
43.如权利要求42中所述的方法，还包括将第一对第一和第二互连弯曲部分布置于内部框架元件的第一侧上；以及将第二对第一和第二互连弯曲部分布置于内部框架元件的第二侧上，与第一对第一和第二互连弯曲部分相对。
44.如权利要求42中所述的方法，其特征在于，还包括在衬底中形成每个内部框架元件、外部框架元件以及每个第一和第二弯曲部分并且使其在衬底的基本平行的间隔表面之间延伸。
45.如权利要求44中所述的方法，其特征在于，还包括形成每个第一和第二弯曲部分，以使其基本穿过衬底的间隔表面之间的整个厚度。
46.如权利要求42中所述的方法，其特征在于，还包括将每个第一和第二弯曲部分所传输的应变转换为扭矩。
47.如权利要求46中所述的方法，其特征在于，将每个第一和第二弯曲部分所传输的应变转换为扭矩的方法还包括在第二弯曲部分的相对端处将应变转换为同等和相反扭矩。
48.如权利要求42中所述的方法，其特征在于，还包括将内部框架元件的部分提供为用于测量沿输入轴线施加的加速度的装置。
全文摘要
本发明提供了一种用于对一种结构进行悬挂和应变隔离的设备和方法，所述设备具有第一细长弯曲部分和第二细长弯曲部分，所述第一细长弯曲部分具有被构造成用于连接于支撑结构的第一和第二端，所述第二细长弯曲部分具有被构造成用于连接于与支撑结构相隔离的结构的第一和第二端。位于其第一和第二端中间的第二弯曲部分的一部分与位于其第一和第二端中间的第一弯曲部分的一部分互相连接。应变消除结构可用在加速度计中。该结构可具有H或X形状，其中支腿表示细长弯曲部分。
文档编号G01P15/10GK1656382SQ02814200
公开日2005年8月17日 申请日期2002年4月5日 优先权日2001年5月15日
发明者D·马拉梅茨 申请人:霍尼韦尔国际公司