本发明专利技术公开了一种使用平面内悬挂几何结构的加速计或地震仪，该悬挂几何结构具有悬浮板以及至少一个固定电容板。悬浮板由单一件形成，并且包括外部框架、一对柔性件、以及位于柔性件之间的集成的检测质块。柔性件使得检测质块在悬挂平面内沿灵敏方向运动，同时限制沿所有离轴方向的运动。检测质块的离轴运动通过使用在柔性件内或其间支出的中间框架而最小化。中间框架可以包括运动止动件，以防止在过载情况下的进一步相对运动。设备可以包括阻尼结构，诸如弹簧或气体结构，其包括梯形活塞和对应的气缸，以在无源状态下提供阻尼。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及地震仪。具体地说，本专利技术涉及一种可以用于地震仪(速度计)、加速计、或其它类似装置中的具有完整检测质块(proofmass)的改进的微机械悬浮板及其制造方法。
技术介绍
题为“微机械加速计”的美国专利申请No.10/058,210于2002年1月5日提交，其公布了加速计或地震仪的一种新颖结构，其利用具有悬浮板和至少一个固定电容板的平面内悬挂几何结构。与利用弹簧将一独特的检测质块支撑在外框架上的传统地震仪相对照，微机械悬浮板由一种材料制成，包括外框架、一对挠性件、以及设置在挠性件之间的完整检测质块。挠性件使得检测质块在悬挂平面内沿一个方向(敏感方向)运动，同时尽可能地限制在所有其它离轴方向上的运动。新的平面内设计还包括用于确定检测质块的相对运动的位移传感器。传感器包括优选地位于检测质块上的精确设定的驱动电极以及位于固定电容板上的相应的拾取电极(pickup electrode)。用于低噪声地震仪的这种设计的优选实施例使得系统的生产具有大约10Hz的共振频率。但是，为了在大约100Hz的带宽上利用此类设计，希望确保寄生共振(spurious resonance)频率在灵敏方向和离轴方向(即，平面内正交方向和平面外正交方向)上都被反馈系统抑制，或在该系统中不存在。否则，它们将在全带宽上干涉系统的正确操作。这些考虑同样适用于其它类型的速度和加速度传感器，通常沿任何方向在传感器带宽的顶部与第一寄生谐振之间具有较大的希望边缘。已知技术可以用于抑制在离轴方向上以寄生模式的检测质块的任何信号或振荡。遗憾的是，多数这些已知技术影响了驱动和拾取电极的几何形状、位移和位置。而且，虽然这些技术可以进行稳定操作，但它们仍可能在系统的振幅和相位响应方面导致不期望的假象。因此，需要一种替换方法，以确保在想得到的带宽范围内不存在其它谐振。此外，美国专利申请No.10/058,210中公布的平面结构要求必须小心地控制驱动和拾取电极之间的间隙。这预示着检测质块的平面外运动已被尽可能地抑制。对于沿量测轴线(sensitive axis)和离轴线同样被抑制的加速度，离轴位移与量测轴线位移有关，是基本频率与任何离轴模式的最低频率之比的平方。因此，希望保持这两个频率的比值尽可能低，以使离轴方向上的不期望位移最小。此外，美国专利申请No.10/058,210中所描述的平面内结构由于过度的外部冲击或振动可能造成断裂或损坏。当设备未加电源以及反馈电子装置未使用(这种情况下没有系统的有效阻尼)时，该问题经常出现。例如，在此类设备的包装和运输期间，或在已经完成弹簧质量块的几何形状之后的制造过程中，可能发生这种问题。尽管充气腔室的使用可以提供一些阻尼效果，仅此可能不足以使此类外部冲击或振动的影响最小。因此，希望有一种无源阻尼系统(dampening system)，其可以使系统处于无源/非运转状态时可能出现的冲击对系统的影响最小。
技术实现思路
在本专利技术中，检测质块的离轴运动通过中间框架的使用而得以最小化。因此，通过使用在挠性件内或其间支出的中间框架，以生产离轴模式频率尽可能是系统共振频率的倍数的系统，同时使沿量测轴线的寄生模式频率方面的减少最小，从而本专利技术改进了美国专利申请No.10/058,210中提出的设计。这在更大的带宽范围内消除了任何寄生模式，使得可以生产在这种带宽上具有平坦响应的设备。这种解决方案在悬浮板的优选实施例中易于实现，而对系统中使用的电子装置的设计没有任何影响或使其更加复杂。增加平面外刚性的结果是，这些框架使固定和检测质块电极之间的变频器(transducer)间隙中的变化最小。所使用的框架的数量作为要消除寄生模式的期望带宽和系统的期望操作参数的函数而确定。具体地说，随着框架数量的增加，离轴寄生共振模式在频率上提高，从而增加了设备可以在该总有效带宽范围内运转而不会出现任何寄生共振频率的总有效带宽。但是，随着框架数量的增加，由于框架的附加质量使得沿量测轴线的寄生模式频率减小。因此，运转时，离轴线的期望消除与轴线上寄生共振频率之间的平衡受到破坏。中间框架可以设置有运动止动件，从而过载情况下框架彼此接合，防止了在挠性件进行任何接触或过载之前的进一步相对运动。这样，这些止动件使断裂的几率或挠性件部分的不可逆的表面结合(静摩擦)最小化。本专利技术还优选地包括阻尼结构，其在无源/非运转状态(即，当反馈控制系统未加电源且不提供任何阻尼时)期间极为有效。优选地，该阻尼结构包括构造成在无源状态下提供阻尼的弹簧/气体阻尼结构。在优选实施例中，该结构优选地包括梯形活塞和对应的接合气缸。阻尼结构被定位成随着弹簧过载而在最外部中间框架与外框架之间接合。这样，并且如前所述，活塞或气缸被置于横向距离处，该距离延伸得比任何中间柔性件更远，使得其可以不与这些柔性件中的任一个相接触。活塞或气缸面向外部，并且对应的气缸或活塞随后被定位在悬浮板的外框架的内表面上，面向朝向检测质块的内部。随着最外部的中间框架接近悬浮板的外框架的内表面，活塞将接合气缸，从而在中间框架可以接触悬浮板的外框架的表面之前，提供了阻尼效果。在悬浮板被容纳并浸没在气体环境内的优选实施例中，随着活塞进一步移动进入气缸，在气缸的限定空间内气体的压力将增加。所得到的粘性气体流将起到阻尼力的作用，减慢外部中间框架远离悬浮板外框架的运动。在不使用气体的可替换实施例中，活塞和气缸可以利用设置在活塞与气缸之间的损耗材料而结合，使得材料在活塞进一步移动进入气缸内时被压缩，从而提供了可以减慢外部中间框架朝向外框架运动的阻尼力。附图说明图1示出了具有悬浮板和两个电容板的地震仪的横截面图，具有由已知现有技术的微机械平面内悬浮板几何结构中使用的每一侧上的柔性件支撑的位于中心的检测质块；图2示出了用于微机械平面内悬浮板几何结构的优选实施例中的检测质块、柔性件和中间框架；图3示出了在检测质块的每一侧上具有六个柔性件的优选实施例中，随着中间框架数量增加的用于轴上和轴外模式的寄生模式抑制比(rejection rate)；图4示出了在检测质块的每一侧上具有24个柔性件的优选实施例中，随着中间框架数量增加的用于轴上和轴外模式的寄生模式抑制比；图5示出了根据本专利技术优选实施例的具有弹簧/气体阻尼结构510的悬浮板500的透视图；图6示出了弹簧/气体阻尼结构的优选实施例的特写视图；图7示出了在弹簧/气体阻尼结构的可替换实施例中使用的活塞的特写视图；图8示出了在弹簧/气体阻尼结构的可替换实施例中使用的可替换活塞的另一特写视图；以及图9示出了被故意偏压使得柔性件在平放时被“预拉伸”的掩膜组。具体实施例方式如前所述，题为“微机械加速计”的美国专利申请No.10/058,210公布了一种可以用于加速计、地震仪(速度计)和/或其它类似装置中的改进的微机械悬浮板。悬浮板由改进的平面内悬浮几何结构形成并包括之，而不是传统的弹簧设计。具体地说，悬浮板是微机械的，以形成中心检测质块和位于检测质块的相对侧上的柔性件。图1示出了具有悬浮板2和两个电容板3a-b的地震仪1(可替换地，该设备可以具有一个电容板)的横截面图，具有由已知现有技术的微机械平面内悬浮板几何结构中使用的柔性件6支撑的位于中心的检测质块8，如美国专利申请No.10/058,2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种地震仪，包括：至少一个固定电容板；第一电容传感器阵列，位于所述固定电容板的表面上，所述第一电容传感器阵列具有导电元件的周期图案；悬浮板，具有由多个柔性件支撑的检测质块，所述柔性件能够将所述检测质块的运动限制在一个轴线上，具有位于所述柔性件内或之间的至少一个中间框架，所述中间框架消除了寄生频率，并提供了所述地震仪的更宽的有效操作带宽；第二电容传感器阵列，位于所述检测质块的表面上，具有导电元件的周期图案，所述导电元件在与分开的相对位置中的所述第一电容传感器阵列中的所述导电元件平行的周期性的公共方向上对齐；电连接件，连接至所述固定电容板上的所述第一电容传感器阵列，使得来自外部元件的周期激励可以通过所述第一电容传感器阵列的所述周期图案耦合至所述第二电容传感器阵列的所述周期图案，所述耦合在零至百分百范围内，并且相对于所述固定板是所述检测质块的周期位置测量；电连接件，连接至向外部电子装置传输信号的所述检测质块传感器阵列，所述信号由所述固定板传感器阵列与所述检测质块传感器阵列的所述耦合产生，所述外部电子装置确定所述第一电容传感器阵列与所述第二电容传感器阵列之间的所述耦合的百分比，以便转换所述检测质块相对于所述固定板的位置。...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：威廉托马斯派克，艾安斯坦德利，理查德西姆斯，
申请(专利权)人：凯恩迈特里克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。