用于地震仪或其它装置中的微机械悬浮板

摘要

本发明公开了一种用于地震仪或其它装置中的微机械悬浮板。该地震仪或其它装置(例如加速计)使用平面内悬挂几何结构，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。

权利要求

1.一种地震仪，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。

2.根据权利要求1所述的地震仪，其中，所述悬浮板进一步包括弹簧/气体阻尼结构，所述弹簧/气体阻尼结构具有：梯形的活塞，位于最后(最外侧)的中间框架上；以及

对应的接合孔，位于所述悬浮板的内表面上，使得当所述最外侧的中间框架接近所述悬浮板的内表面时，所述活塞将接合并插入到所述接合孔中，从而在所述中间框架可以接触所述悬浮板的所述内表面之前提供阻尼效果。

3.根据权利要求2所述的地震仪，其中，所述活塞包括：

第一半部分；以及

第二半部分，使用小阻尼弹簧结合至所述第一半部分，

使得当所述活塞进一步插入到所述弹簧/气体阻尼结构的所述孔中时，在所述阻尼弹簧提供抵靠所述第二半部分的力的同时，所述活塞的所述第二半部分被推动抵靠并接近所述第一半部分。

4.根据权利要求2所述的地震仪，其中，所述活塞包括：

第一半部分；

第二半部分；以及

阻尼材料，插入在所述第一半部分与所述第二半部分之间，使得当所述活塞进一步插入到所述弹簧/气体阻尼结构的所述孔中时，在所述阻尼材料提供抵靠所述第二半部分的抵抗力和耗散力的同时，所述活塞的所述第二半部分被推动抵靠并接近所述第一半部分。

5.一种微机械悬浮板，用于形成中心检测质块和位于所述检测质块相对侧上的柔性件，所述柔性件使得所述检测质块在悬挂平面内沿一个方向运动，但抑制在所有其它方向的运动，所述微机械悬浮板进一步包括位于所述柔性件内的至少一个中间框架，以便产生第一寄生模式频率至少是系统共振频率的十倍的系统.

6.根据权利要求5所述的悬浮板，进一步包括：

弹簧/气体阻尼结构，其包括：

梯形的活塞，位于最后(最外侧)的中间框架上；以及

对应的接合孔，位于所述悬浮板的外框架的内表面上，使得当所述最外侧的中间框架接近所述悬浮板的内表面时，所述梯形的活塞将接合并插入到所述接合孔中，从而在所述中间框架可以接触所述悬浮板的表面之前提供阻尼效果。

7.根据权利要求6所述的悬浮板，其中，所述弹簧/气体阻尼结构的所述活塞包括：第一半部分；以及

第二半部分，使用小阻尼弹簧结合至所述第一半部分，使得当所述活塞进一步插入到所述弹簧/气体阻尼结构的所述孔中时，在所述阻尼弹簧提供抵靠所述第二半部分的力的同时，所述活塞的所述第二半部分被推动抵靠并接近所述第一半部分。

8.根据权利要求6所述的悬浮板，其中，所述活塞包括：

第一半部分；

第二半部分；以及

阻尼材料，插入在所述第一半部分与所述第二半部分之间，使得当所述活塞进一步插入到所述弹簧/气体阻尼结构的所述孔中时，在所述阻尼材料提供抵靠所述第二半部分的抵抗力的同时，所述活塞的所述第二半部分被推动抵靠并接近所述第一半部分。

9.一种加速计，包括：

微机械悬浮板，用于形成中心检测质块和位于所述检测质块相对侧上的柔性件，所述柔性件使得所述检测质块在悬挂平面内沿一个方向运动，但抑制在所有其它方向的运动，所述微机械悬浮板进一步包括位于所述柔性件内的至少一个中间框架；

变频器，用于通过确定所述固定板表面上的第一电容传感器阵列与所述检测质块表面上的第二电容传感器阵列之间的耦合电容，而确定所述检测质块相对于固定板的位置；

致动器，用于产生和发射动作信号，以便于移动所述检测质块；以及反馈电子装置，使用通过所述变频器确定的所述检测质块位置，以便产生控制所述致动器的反馈信号，从而管理所述动作信号，并在所需的参数范围内控制所述检测质块的运动；

一种装置，用于测量所述动作信号，并确定所述检测质块运动的加速度分量作为其函数。

10.根据权利要求9所述的加速计，其中，所述反馈信号控制所述致动器，以便将所述检测质块维持在所述变频器一个周期内的大约零位置中。

11.根据权利要求9所述的加速计，进一步包括：用于通过测量所述反馈电子装置内的电压并计算作为这种测量值的函数的速度分量，来确定所述检测质块运动的速度分量的装置。

12.根据权利要求9所述的加速计，进一步包括：

限位控制电子装置，用于接收由所述致动器产生的所述动作信号，并且如果所述动作信号超过预设限度，则将所述动作信号临时调零，其中，所述预设限度对应于基本上大于所述变频器的重复距离的一半距离的所述检测质块的运动.

13.根据权利要求9所述的加速计，其中，所述致动器是静电致动器。

14.根据权利要求13所述的加速计，其中，所述静电致动器包括一组致动器板，一个位于所述固定板上，一个位于所述检测质块上，所述板设置成接收所述动作信号并产生足够的力来移动所述检测质块。

15.根据权利要求14所述的加速计，其中，所产生的力作为所述动作信号的线性函数。

16.根据权利要求9所述的加速计，其中，所述致动器是电磁致动器。

17.根据权利要求16所述的加速计，其中，所述电磁致动器包括：固定的外部磁电路，其具有设置在所述检测质块每侧上的两个磁体；

主反馈线圈和积分反馈线圈，位于所述检测质块上；

外部反馈电路，利用由所述变频器确定的所述检测质块位置，所述反馈电路向所述主反馈线圈和所述积分反馈线圈提供单独的反馈电流，以便在所述两个线圈与磁体之间激励电磁交互感应，从而控制所述检测质块的运动和位置，所述主反馈线圈和所述积分反馈线圈使速度输入信号和位置输入信号对于所述变频器无效；以及限位控制电子装置，用于当所述电流超过与大于所述变频器的重复距离的一半的距离的所述检测质块在任一方向上的运动相对应的预设限度时，暂时使提供给所述积分反馈线圈的所述反馈电流为零。

18.根据权利要求17所述的加速计，其中，所述检测质块包括粘结在一起的两个晶片，并且所述积分反馈线圈中心地设置在所述两个晶片之间，以提供对称的动作。

19.根据权利要求17所述的加速计，其中，所述外部反馈电路在跨导构造中驱动所述主反馈线圈和所述积分反馈线圈。

20.一种变频器，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，所述多个柔性件接合多个框架；

第二电容传感器阵列，位于所述检测质块的表面上，所述第二电容传感器阵列包括与所述第一电容传感器阵列具有同样周期的导电元件的周期图案，所述第一和第二电容传感器阵列平行于所述检测质块的运动，所述传感器阵列具有在分开的相对位置中的周期性的公共方向；

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，使得来自外部电子装置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进行所述检测质块的周期位置测量；

电连接件，连接至所述检测质块传感器阵列，所述检测质块传感器阵列向外部电子装置传输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的信号，用于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，以便相对于所述固定板转换所述检测质块的位置。

21.一种加速计，包括：

微机械悬浮板，用于形成中心检测质块和位于所述检测质块相对侧上的柔性件，所述柔性件与多个框架接合，并且使得所述检测质块在悬浮板的平面内沿一个轴线运动；

变频器，用于通过确定所述固定板表面上的第一电容传感器阵列与所述检测质块表面上的第二电容传感器阵列之间的耦合电容，而确定所述检测质块相对于固定板的位置；

致动器，用于产生和发射动作信号，以便于移动所述检测质块；

反馈电子装置，使用通过所述变频器确定的所述检测质块位置，以便产生控制所述致动器的反馈信号，从而管理所述动作信号，并在所需的参数范围内控制所述检测质块的运动；以及一种装置，用于测量所述动作信号，并确定所述检测质块运动的加速度分量作为其函数。

22.根据权利要求21所述的加速计，其中，所述反馈信号控制所述致动器，以便将所述检测质块维持在所述变频器一个周期内的大约零位置中。

23.根据权利要求21所述的加速计，进一步包括：

速度传感器，具有用于通过测量所述反馈电子装置内的电压并计算作为这种测量值的函数的速度分量，为所述检测质块的运动确定速度分量的装置。

24.根据权利要求21所述的加速计，进一步包括：

限位控制电子装置，用于接收由所述致动器产生的所述动作信号，并且如果所述动作信号超过对应于基本上大于所述变频器的重复距离的一半距离的所述检测质块运动的预设限度，则将所述动作信号临时调零。

25.根据权利要求21所述的加速计，其中，所述柔性件允许在平面内沿两条轴线运动，所述平面内运动由周期上与所述两个方向对齐的第二组单独的传感器阵列检测。

26.根据权利要求21所述的加速计，其中，所述致动器是静电致动器。

27.根据权利要求26所述的加速计，其中，所述静电致动器包括一组致动器板，一个位于所述固定板上，一个位于所述检测质块上，所述板设置成接收所述动作信号并产生足够的力来移动所述检测质块。

28.根据权利要求27所述的加速计，其中，所产生的力作为所述动作信号的线性函数。

29.根据权利要求21所述的加速计，其中，所述致动器是电磁致动器。

30.根据权利要求29所述的加速计，其中，所述电磁致动器包括：固定的外部磁电路，其具有设置在所述检测质块每侧上的两个磁体；

主反馈线圈和积分反馈线圈，位于所述检测质块上；

外部反馈电路，利用由所述变频器确定的所述检测质块位置，所述反馈电路向所述主反馈线圈和所述积分反馈线圈提供单独的反馈电流，以便在所述两个线圈与磁体之间激励电磁交互感应，从而控制所述检测质块的运动和位置，所述主反馈线圈和所述积分反馈线圈使速度输入信号和位置输入信号对所述变频器无效；以及限位控制电子装置，用于当所述电流超过与大于所述变频器的重复距离的一半的距离的所述检测质块在任一方向上的运动相对应的预设限度时，临时使提供给所述积分反馈线圈的所述反馈电流为零。

31.根据权利要求30所述的加速计，其中，所述检测质块包括粘结在一起的两个晶片，并且所述积分反馈线圈中心地设置在所述两个晶片之间，以提供对称的动作.

32.根据权利要求30所述的加速计，其中，所述外部反馈电路在跨导构造中驱动所述主反馈线圈和所述积分反馈线圈。

33.根据权利要求26所述的加速计，具有附加静电致动器，以提供标定输入。

34.根据权利要求29所述的加速计，具有附加静电致动器，以提供标定输入。

说明书

技术领域

本发明通常涉及地震仪。具体地说，本发明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。

背景技术

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。

发明内容

在本发明中，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，从而本发明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。
本发明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示出了根据本发明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.10/058,210中所描述和阐述的。
如图1所示，检测质块8位于中心，并由中空腔室4包围。柔性件6从相对方向上延伸，并使得检测质块8可以在悬浮板平面内沿一个方向移动，但抑制检测质块在其它方向上的运动。这些柔性件6表明在用于支撑检测质块的机械悬臂弹簧设计的传统使用方面的重大改进。
这些柔性件6的使用使得可以制造共振频率为10Hz或更小的系统。但是，期望这种设计能够在大约100Hz带宽(即，10x共振频率的带宽)范围内操作。然而，寄生共振频率可能在带宽范围内存在。这些寄生共振频率将对系统的操作具有不利的影响。因此，期望确保寄生模式被抑制，并且在系统中不存在。
存在用于抑制可能由离轴寄生模式导致的任何信号的已知技术。一种此类技术调节驱动和拾取电极的位置，使得在寄生模式中对运动的灵敏性被电极几何图案的设计大大削弱。例如，对称的中心结构可以显示出对扭转运动的很好的抑制。尽管该技术可以进行稳定的操作，但它仍在系统的频率和相位响应方面导致不期望的缺陷。因此，需要一种用于确保在所需的带宽范围内不存在其它机械谐振的可替换方法。
如前所述，图1所示的悬浮板理想地配有用于地震仪、加速计、速度计、或其他类似装置中的至少一个电容板。在这种情况下，电容板优选地构造成包括拾取电极10，并且检测质块设置有驱动电极11。这种平面内结构要求驱动电极和拾取电极对应地隔开，具有相同的周期，以便确保系统操作的精确性。这些电极的周期影响系统的动态和静态范围。
检测质块的平面外下垂必须精确地控制，以便通过确保驱动和拾取电极之间的间隔而生产地震仪位置变频器的合适几何结构。遗憾地是，检测质块将受到重力的正常影响，并且由于重力的任何横轴分量可能经历平面外下垂。类似地，任何离轴加速度可以造成检测质块的不想要的运动。离轴位移与平面内位移有关，是基本频率与寄生平面外模式频率之比的平方。因此，为了使平面外下垂最小，期望保持这两个频率的比值尽可能低，使得寄生模式频率尽可能是基本频率的倍数。
本发明实现了以下目的，即通过利用中间框架使平面外下垂最小的同时，确保在所需的带宽内不存在其它机械谐振，其中中间框架在柔性件内支出，以便生产第一寄生模式的频率优选地是系统共振频率的十倍的系统。
图2示出了根据本发明第一优选实施例的悬浮板，该悬浮板具有由柔性件202支撑的检测质块201，并且还具有介于其间的中间框架204。这些中间框架204的使用在更大的带宽范围内消除了任何寄生模式，并且可以生产在这种带宽区域上具有平坦响应的设备。中间框架204还提供了对检测质块201的附加支撑，并有助于减小平面外下垂。
如图2所示，使用与用于形成柔性件202相同的微机械技术，中间框架204与悬浮板200集成一体，并形成在悬浮板200内。因此，这些中间框架的实施是很容易实现的，而不会对系统的设计或制造有任何影响或额外的复杂性。
在优选实施例中，本发明可以使用任意数量的中间框架，框架的数量作为消除寄生模式的所需带宽以及所需的系统操作参数的函数来确定。具体地说，随着中间框架数量的增加，消除了更宽范围的寄生共振频率，从而增大了设备可以运转而不会出现任何寄生共振频率的总有效带宽。但是，随着中间框架数量的增加，必须在有限空间内减小检测质块的尺寸，从而减小系统的共振频率。此外，框架本身引入了附加的寄生量测轴线模式，该模式的频率相对于悬浮质量块的框架质量的增加而降低。因此，所希望的平衡在从寄生平面外带宽上期望的消除与量测轴线模式之间受到破坏。
在选择中间框架的最优数量以在任何特定系统中使用的第一步骤，是选择系统的基本操作频率。已选择弹簧质量系统的基本操作频率后，非常需要进行的优化是或者沿轴线或者在轴外改变寄生频率分布，由于这增大了设备的可用带宽，可以改变至与弹簧质量系统的基本频率相比的尽可能高的频率。由于每一框架的质量mframe相对于中间框架之间的每一组柔性件的质量mflex增加，轴内第一寄生模式降低/破坏。这种影响的抑制比(Rmassload)由以下经验得出的公式给出：
$R_{\mathrm{massload}}=\frac{1}{1+0.124{(m_{\mathrm{frame}}/m_{\mathrm{flex}})}^{0.82}}$
由于悬挂被进一步细分，mflex必然减小，所以随着中间框架总数量的增加，mframe/mflex变大。因此，随着中间框架数量的增加，轴内寄生频率降低。轴外共振频率由以下公式给出：
$\frac{f_{\mathrm{out}}}{f_{\mathrm{in}}}\infty \frac{1}{\sqrt{{{4n}_{\mathrm{spings}}}^2-1}}$
其中，nspings是每一中间框架之间的每一组柔性件中的柔性件的数量。比例常数几乎完全独立于框架的数量。在这种情况下，随着中间框架数量的增加，nspings减小(对于给定总量的柔性件而言)。随着中间框架数量的增加，轴外寄生频率增大。由于我们的目的在于最高可能的非寄生频率范围，我们可以优化框架的数量，以实现该目的。保持所有其它参数不变，我们现在可以对于一种特定情况描绘出两种效果。
在第一优选实施例中，将假设在检测质块的每一侧上总共有6个柔性件，以便获得所需的频率响应，并且希望确定用于抑制寄生频率的最优或最好的框架数量，给出所需的操作频率。
这6个柔性件可以划分成以下的组号：
  nsets   nsprings   nframes   1   6   0   2   3   1   3   2   2   6   1   5
为此，可以描绘出相对于基本频率的轴内和轴外频率，即所谓的“寄生模式抑制比”。
图3示出了随着中间框架数量增加的用于轴内和轴外频率的寄生模式抑制比。从图3可以看出，为了使用于轴内和轴外频率的抑制比最大，应该包含在设计内的框架的数量为5，6个柔性件的每一个之间有一个框架。由于离轴情况的抑制比的增加比轴上情况的抑制比的下降更陡，所以对于更多框架将有更全面的趋势，以产生更好的性能。
如果以更多柔性件为例，则可以计算更多的数据点，再次观察“轴上”和“离轴”模式的收敛，以给出改进的更全面的抑制比。例如，在第二实施例中，假设具有24个柔性件，以便获得所需的频率响应。在这种情况下，再次描绘相对于基本频率的轴内和轴外频率，即所谓的“寄生模式抑制比”。图4示出了随着中间框架数量增加的用于轴内和轴外频率的寄生模式抑制比。从图4可以看出，为了使抑制比最大，在设计中所使用的框架的最大数量应该大约为23，包含在设计内的每一个中间框架之间有一个。
重要的是应该注意到，在一些设计中，可能希望出于其它系统的考虑而不对轴内和离轴等效寄生模式进行优化，而与轴内模式比较而言，可以允许更低的离轴寄生模式。这可以在例如当离轴模式被位移变频器几何结构抑制而轴内模式没有被抑制时使用。出现的这种技术可以用于任何所需的优化。
本发明还优选地包括阻尼结构，该阻尼结构在无源/非运转状态(即，当反馈控制系统未加电源并且不提供任何阻尼时)其间极为有效.优选地，该阻尼结构包括被构造成在无源状态期间提供阻尼的弹簧/气体阻尼结构.图5示出了根据本发明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.
如图5所示，每一个中间框架501均优选地在长度上大于(长于)设置在每个框架之间的柔性件503，而每个框架横过内部腔室502的较大部分。中间框架也是足够刚性的，但要尽可能轻，以便在抑制寄生共振频率的同时抑制检测质块的平面外运动，而不会断裂或折断。中间框架501设计成在散置于中间框架之间的柔性件503被压缩得足以造成损坏柔性件503之前，彼此物理地接触。
为了防止由于极大的外部冲击或振动而造成断裂和/或损坏，本发明优选地进一步包括专门形成的弹簧/气体阻尼结构510，其在无源状态期间为系统提供了额外的阻尼。
参照图6，示出了弹簧/气体阻尼结构510的优选实施例的特写视图。如图所示，该优选实施例优选地包括一个或多个梯形的活塞601和接合孔602。在优选实施例中，活塞601优选地位于最后(最外侧)的中间框架605上，面向外侧，并且对应的接合孔602位于悬浮板607的外框架的内表面上，面向内侧。由于最外侧的中间框架605靠近悬浮板607的外框架的内表面，活塞601将接合并插入到孔602中，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。
在优选实施例中，悬浮板的腔室优选地充满有非导电气体，诸如空气或氮气。由于最外侧的中间框架605向悬浮板607的外框架的内表面移动，所以活塞601与接合孔602接合，并插入到接合孔602中。由于活塞进一步退入到孔中，所以接合孔内的气体在压力上增加，造成抵靠活塞而施加的力，并可能在弹簧质量系统的多次振荡上减慢了中间框架的运动，直到其停止，从而防止了柔性件的损坏。
可替换地，悬浮板内的腔室可以被抽空。在这种情况下，弹簧/气体阻尼结构优选地包括孔和对应的活塞，其中，活塞实际上由使用小阻尼弹簧结合在一起的两个单独的部分形成。图7是在弹簧/气体阻尼结构中使用的活塞700的可替换实施例的特写视图，其中，活塞由使用小阻尼弹簧结合在一起的两个单独的部分形成。如图所示，活塞包括第一半部分701和第二半部分703，它们通过使用小阻尼弹簧705结合在一起。在正常操作时，当活塞不接合时，这两个弹簧件分离，但由于部分间的接触，它们形成弹簧件。当活塞700进一步插入到弹簧/气体阻尼结构的孔中时，在小阻尼弹簧提供克服第二半部分703的力的同时，活塞的第二半部分703被推动抵靠并接近第一半部分701。当第二半部分703移动得更接近第一半部分701时，来自弹簧的阻力增加。这种弹簧运动既可以用于消散能量，又可以用作能量存储，以使第一和第二半部分脱离接合，防止它们通过静摩擦力“粘在”一起，并且防止了设备不起弹簧质量系统的作用。可替换地，诸如粘弹性聚合物706的层或阻尼材料可以插入到第一半部分701与第二半部分703之间，取代或附加到阻尼弹簧，如图8所示。粘弹性材料块707也可以沉积在弹簧件705的顶部上，以预防弹簧中的阻尼和能量损失。
对于具有悬浮板和两个导电或电容板的地震仪设备的实际生产来说，如美国专利申请10/058,210中所述，非常希望可以用一个设备几何结构来生产灵敏元件的所有这三个部件，即电容板和悬浮板.为了实现这些，所有三个板都优选地设置在“Galperin”方位中，从而每一个均发现相同的重力矢量.由于设备的几何结构，重要的是当暴露于该重力矢量时确保最优操作和设计，而检测质块位于中心.如果制造的悬浮板与电容板分离，那么检测质块上的重力将影响相对于每一个其它电容板而言的检测质块的中心，并且将影响当形成整个设备时对每一个板的读数(readings).
为了确保在制造之后检测质块位于中心，掩膜组被小心地偏压，从而当放平时柔性件被“预拉伸”。这种预拉伸使得当定位在“Galperin”方位或54.7度的角度时，弹簧质量系统位于中心。当通过诸如深活性离子蚀刻(DRIE)的方法去除材料时，弹簧假设中心位置在54.7度的Galperin角度。预拉伸可以或者通过数值分析法或者通过有限元分析法计算，两种技术对本领域技术人员都是众所周知的，使得图案是同样的偏差图案，当承受与定位在Galperin位置的系统相反的幅度和方向的加速度时，该图案可以在释放的对称结构中观察到。这种预拉伸水平将几乎正好均衡在Galperin方位中的重力矢量，从而质量几乎完全地位于中心。图9示出了已经被小心地偏压的掩膜组，从而当放平时柔性件被“预拉伸”。
最后，对于最优性能，检测质块的质量中心和致动器(actuator)作用的中心应该一致。此外，检测质块的运动方向和致动器的力方向应该一致。设备可以生产有位移变频器和磁致动器，二者都形成在设备的一个表面上。这使得工艺成本最小，但允许离轴力的出现和响应。有两种方法用来生产所需的几何结构，还有一种方法用来补偿任何残余的离轴影响。对于第一种方法，在设备的两侧上装配磁致动器。在该设计中，离轴力矩趋于以更复杂制造工艺的成本抵消。对于第二种方法，致动器和变频器装配在检测质块的不同侧上，并且悬挂(框架、弹簧和检测质块)的复制品结合在检测质块的变频器侧上。这种合成的检测质块在其质量的中心处具有致动器，再次付出了更复杂制造工艺的成本。
尽管上述描述针对本发明的特定实施例，可以理解，在不背离本发明精神的前提下，可以进行各种更改。因此，所公布的实施例应该从解释的各方面来考虑，而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由上述描述限定，并且所有的改变均落在权利要求的保护范围内。
参考结合
本申请通过参考尤其包含2002年1月5日提交的题为“微机械(micro-machined)加速计”的相关专利申请No.10/058,210中的主题和全部内容，如下面所完整阐述的。