本发明涉及包括一个或多个机械预加载悬架弹簧的mems结构，特别地但非排他地，涉及包括一个或多个机械预加载悬架弹簧的惯性mems传感器和用于机械预加载mems传感器中的一个或多个悬架弹簧的方法。
背景技术：
：：地震传感器网络用于地震成像，以提供允许详细检查地球的结构和油气储藏的定位的三维图像。对于确定钻井的优化位置和增加储藏中的油或气的提取而言，准确成像是关键的。在地震行业中，由于地震检波器(无源惯性速率传感器)良好的灵敏度(典型地，在5hz和30hz之间，优于)、低成本和耐久性，其成为最广泛使用的传感器。但是，如在baeteng.等人2013年的“theuseoflowfrequenciesinfull-waveforminversionandimpedanceinversionlandseismiccasestudy”(geophysicalprospecting61701)中描述的，现在作为目标的深层土壤成像中的较高的分辨率需要在低频(1-5hz)下的低噪声振动感测，由于在检验质量块悬挂的自然频率以下，标准地震检波器的响应以40db/十倍频(db/decade)下降，所以用标准地震检波器来实现该较高的分辨率是有挑战性的。原理上，较好的信噪比可以是能用较低(<10hz)自然频率地震检波器实现的，但是能实现的机械参数制造容差(tolerance)越差，对部署角度的机械响应的灵敏度越大并且失真图越大，这被视为是主要缺点。替代地，在现场实践中一般使用10hz地震检波器的阵列。出于这些原因，已经基于微机电系统(mems)技术开发出惯性传感器。典型地，这些mems传感器包括由弹簧悬挂的检验质量块并且可以通过电容读出(readout)方案来检测质量块的移动。可以通过将静电力致动器集成在芯片结构中来实现力平衡闭环配置。典型地，间隙改变和线性配置两者时交织指状结构的梳被用于感测和致动(参见us5563343中的示例)。mems的主要优点被认为是平坦至dc(flat-to-dc)的幅值和相位频率响应、非常低的失真以及独立于对部署倾斜角度的响应。原理上，mems还适于低成本、大量生产。现在可用的是在3hz(石油勘探应用能感测的)以上分辨率优于的自噪声样(self-noisewise)、商业mems地震传感器，如例如在lainej.、mougenotd.的2014年的文章“ahigh-sensitivitymems-basedaccelerometer”(theleadingedge331234)中描述的。但是，为了提高地震成像的质量，低频处更好的噪声性能将是期望的。mems惯性传感器的分辨率首先受到悬挂布朗噪声(browniannoise)限制，悬挂布朗噪声的水平是通过检验质量块的大小以及通过芯片中发生的机械耗散现象设置的。(等式1)给出加速度布朗噪声谱abr的通用表达式其中，m是检验质量块的质量，kb是玻尔兹曼常数，t是温度，d是粘滞阻尼系数(单位：kg/s)，k是对悬挂刚度(stiffnessofsuspension)的弹性贡献(elasticcontribution)，是内部摩擦损耗角度并且f是频率。可以通过在低压下封装mems来强烈地减轻由于气体拖曳和挤压膜效应导致的粘滞阻力；现代基于吸气剂(getter)的溶液能实现低至1毫托的稳定且可靠的真空水平。在这些压力下，可以达到由于弹簧的内部摩擦(对于单晶硅，)及其与芯片衬底的锚定导致的结构上的阻力限制。现有技术的mems地震传感器通过根据芯片设计和封装压力使用从1至30毫克的检验质量块来实现以下的布朗噪声水平(参见milligand.j.等人2011年的“anultra-lownoisememsaccelerometerforseismicimaging”(proc.ieeesensor20111281))。通过读出噪声(例如通过内置电容传感器能检测到的最小检验质量块位移)来设置对分辨率的其它限制。如果xn是电容读出的等效位移噪声谱密度，则(等式2)给出对应的加速度噪声谱ard其中，f0是传感器自然频率。在f<f0时，等式2简单地化简为an≈(2πf0)2xn。因此，可以通过减小f0或xn来实现低频下的灵敏度增强。降低自然频率需要降低悬挂弹簧的刚度和/或增加检验质量块的质量。然而，这些参数取决于mems技术，并且在不显著增加设计和/或制造工艺的复杂度的情况下变化这些参数的空间很小。特别地，在其它方向上维持高刚度时，沿着所期望的轴创建具有低刚度的mems结构是有挑战性的；不期望在测量频带内存在寄生波模(spuriousmode)，并且为此原因，现有技术的装置被设计为具有几百hz的自然频率。通过利用间隙改变感测/致动电容结构的静电非线性，可以对质量块-弹簧系统的刚度进行电控制，如在us5852242中描述的。在这样的方案中，通过有效弹簧常数km+ke确定质量块-弹簧系统的动力学，其中，km是机械弹簧常数，并且其中，ke是具有负值的静电弹簧常数。在us5852242的实际实施方式中，出于以上提到的原因，以数百hz的自然频率处理mems惯性传感器结构。只有通过使用电容结构中的非常窄的间隙结合施加到传感器检验质量块的大静电力，才可以用所描述的方法来实现这种机械系统的刚度的显著减小。可以通过考虑由具有弹性刚度km(和自然频率f0)的弹簧悬挂的质量块m上的平行板静电致动器(具有间隙d和电容c)的效应来简单阐明该限制：通过在致动器板之间施加电压v，质量块上的静电力为f＝cv2/2d，而静电负刚度为ke＝2f/d。通过将f表达为悬挂的质量块重量的倍数(例如，f＝nmg)，并且km＝2πmf02，则(等式3)给出静电-弹性刚度比率例如，在f0＝1000hz时，该比率近似为0.5n/d(d的单位为微米)(等式4)。因此，在这种情况下，实现甚至仅2倍的刚度减小将需要实现例如具有2μm间隙的电容结构并且将两倍于检验质量块本身重量的静力施加到mems传感器的检验质量块。通过相对复杂的制造工艺可以创建这样的结构，如同在us6871544b1中描述的结构，在us6871544b1中，不同的晶片堆叠在彼此上，以实现所期望的质量块-弹簧和电极配置。另外，需要小间隙意指只能基于闭环配置来实现传感器。典型地，这样的商用传感器的分辨率的范围是量级。代替于如上述示例中的减小检验质量块悬挂的刚度，如wo2010/107436中描述的电容读出可以被用于增加mems传感器的灵敏度。读出与用于限制布朗运动幅度的相对大的检验质量块(约30mg)相结合，允许实现量级的灵敏度。可以通过在开环配置下操作mems并且通过使用相对刚度的悬挂系统(例如，自然频率为几百赫兹)来得到这样的性能。在us2008028857中描述了改进电容读出的噪声系数(noisefigure)的替代手段。mems惯性传感器的分辨率的进一步改进可以通过实现基于集成的光学干涉测量技术的读出系统来进行，光学干涉测量技术在实验室装置中已被证明但仍然需要复杂和昂贵的制造工艺，这使得该技术目前并不适于大的传感器网络中的应用。综上所述，在本
技术领域：
：中需要改进的惯性mems传感器，改进的惯性mems传感器利用传统的电容电桥读出，在低至1hz时具有优于的灵敏度，并且是鲁棒的并且在批量处理中容易以高产量进行制造。技术实现要素：本发明的目的是减少或消除现有技术中已知的缺陷中的至少一个。自然频率是具有移动(机械)部件的mems装置的设计中的主要参数，因为自然频率确定mems传感器对机械刺激的灵敏度。在传统mems装置中，柔性机构(compliantmechanisms)的设计限于悬臂弹簧的组合；这一方面与可用的微加工处理所带来的限制(最小特征大小、宽高比等)一起使得在不显著增加传感器设计或制造的复杂度的情况下难以实现具有低自然频率(<100hz)的结构，而这样的结构对于低加速度(微g以下)检测是高度期望的。通过使用具有机械预加载弹簧的mems结构来解决这些问题。机械预加载弹簧使得能将自然频率调谐为所期望的较低值，而不显著增加传感器设计或制造工艺的复杂度。在第一方面，本发明可以涉及一种mems传感器，该mems传感器优选为惯性mems传感器，包括：mems支承结构；多个连接到所述支承结构的悬挂弹簧；以及被所述悬挂弹簧柔性地悬挂的检验质量块；其中，所述悬挂弹簧中的至少一个被机械预加载有压缩力，用于减小所述检验质量块的自然频率。因此，本发明提供了一种机械弹簧加载机构，该机械弹簧加载机构优选为片上型，可以被用于mems传感器并且能够以完全被动的方式改进附接到检验质量块的悬挂弹簧的刚度减小。机械弹簧加载机构可以被激活一次，此后可以在传感器芯片的剩余寿命内维持悬挂弹簧上的静态压缩力。机械弹簧加载机构提供了用于减小悬挂弹簧的刚度(并且因而减小自然频率)的非常鲁棒且低噪声的手段。在用于形成mems传感器的剩余部分(例如，悬挂弹簧和检验质量块)的相同处理步骤中，可以靠近悬挂弹簧在片上简单地制造机械弹簧加载机构。惯性传感器的机械预加载系统提供了纯粹被动的并且不依赖于紧密间隙强静电致动器的负刚度机构。在这一方面，机械抗弹簧(anti-spring)是一种突破，因为在原理上，自然频率可以被任意地降低，维持沿着交叉轴(即，与传感器的灵敏方向垂直的轴)的加速度被非常强地排斥。在使用传统的悬臂弹簧的面内检验质量块悬挂中，沿着面外轴的刚度取决于悬梁的宽高比。为了减小自然频率，只能使用较长的梁。结果是，面外刚度也减小。在具有机械预加载的抗弹簧的系统中并非如此，因为对于抗弹簧，机械的面外刚度是未压缩状态下的悬挂的面外刚度。机械预加载的抗弹簧系统使得能够减小自然频率而不牺牲检验质量块的沿着其它轴的悬挂刚性。在一个实施例中，所述传感器还可以包括至少一个致动器，该致动器优选为电-热致动器，用于向所述悬挂弹簧中的至少一个机械地施加所述压缩力，优选地，所述致动器包括被引导的致动器梁，致动器梁连接到所述悬挂弹簧和/或与所述悬挂弹簧接合，用于向所述悬挂弹簧施加压缩力。在一个实施例中，所述传感器还可以包括锁定机构，该锁定机构优选为机械锁定机构，用于维持对于所述悬挂弹簧的预定的压缩力。因此，一旦致动器被去激活，则防止弹簧释放压缩力。在一个实施例中，所述锁定机构可以被配置用于将所述悬挂弹簧从非压缩状态切换为一种或多种压缩状态。在一个实施例中，所述锁定机构可以包括至少一个棘齿和棘爪，棘齿包括分别与一个或多个压缩状态关联的一个或多个棘齿位置。在又一个实施例中，所述锁定机构可以包括两状态锁定弹簧系统，两状态锁定弹簧系统连接到所述悬挂弹簧，用于将所述悬挂弹簧在非压缩状态和压缩状态之间切换。因此，可以使用不同的机械mems结构，以实现所期望的锁定机构。当使用棘齿和棘爪类型的锁定机构时，可以实现与悬挂弹簧的多种不同的压缩状态关联的多种锁定状态。在一个实施例中，所述至少一个悬挂弹簧的至少一部分可以被配置为悬挂弯曲梁。在非压缩状态下具有弯曲形状的梁非常适于与机械锁定机构组合使用。在一个实施例中，质量块-弹簧系统的自然频率可以被控制在f0和0.05×f0之间，优选地在f0和0.1×f0之间，更优选地在f0和0.2×f0之间。因此，本发明使得能够通过仅仅在预加载弹簧时控制致动器在宽范围的参数上进行简单的刚度抵消。在其它实施例中，所述检验质量块可以被配置为基本平面的元件，其中，所述压缩力的方向在所述检验质量块的平面上。在一个实施例中，所述悬挂弹簧中的至少两个可以连接到所述检验质量块的相对侧，并且其中所述至少两个悬挂弹簧被预加载有幅度基本相似的压缩力。这样，当预加载悬挂弹簧时，检验质量块的位置不受影响。在一个实施例中，悬梁可以被配置用于当在所述悬梁上施加预加载力时将检验质量块保持在平衡位置。在一个实施例中，悬梁被配置用于当检验质量块的感测方向具有沿着重力方向的分量时补偿重力。在一个实施例中，每个所述悬挂弹簧连接在相对于所述检验质量块的预定的取向上，优选地，所述取向包括由第一方向和第二方向限定的初始偏移角其中第一方向与所述预加载力关联，第二方向由第一连接点和第二连接点限定，所述第一连接点将所述悬挂弹簧的第一端连接到所述支承结构并且所述第二连接点将所述悬挂弹簧的第二端连接到所述检验质量块。在一个实施例中，所述悬挂弯曲弹簧可以相对于检验质量块的运动方向转动合适的小角度，以被动补偿重力效应。这样，可以实现mems传感器的竖直取向配置或加尔佩林(galperin)配置(偏离竖直方向(即重力方向)54.7度)。因此，通过改变悬挂弹簧相对于机械预加载力的方向的取向，mems传感器可以优选地配置为水平地、竖直地或者沿着相对于重力方向的任何不同倾斜度的方向测量加速度。这样，在不消耗电力的情况下，能实现频率减小和重力补偿两者。在一个实施例中，所述检验质量块还可以包括用于检测所述检验质量块的移动的电容元件。在一个实施例中，可以使用包括v形悬挂导电梁的电-热致动器来机械预加载所述悬挂弹簧的至少一个，其中，所述v形悬挂导电梁的顶部随着流过所述导电梁的电流的变化而在预定的方向上位移。可以通过例如绝缘体上硅(soi)衬底的硅器件层的单个蚀刻步骤来形成电-热致动器。在其它方面，如以上描述的，本发明可以涉及一种用压缩力来机械预加载mems传感器(优选为惯性mems传感器)的至少一个悬挂弹簧的方法，其中，所述方法可以包括：激活连接到所述至少一个悬挂弹簧或者与所述至少一个悬挂弹簧接合的致动器，其中，在激活之前，所述悬挂弹簧处于非压缩状态；以及通过将所述激活的致动器的位移转换为所述悬挂弹簧中的压缩力来机械预加载所述悬挂弹簧。因此，方法使得能够对悬挂弹簧进行简单的片上预加载，以将质量块-弹簧系统的自然频率调谐为期望值。在一个实施例中，所述方法还可以包括：如果所述位移激活了用于维持所述悬挂弹簧上的预定的压缩力的锁定机构，则去激活所述致动器，优选地，所述悬梁被配置为悬挂弯曲梁。在一个实施例中，所述致动器可以被配置为包括v形悬挂导电梁的电-热致动器，其中，所述方法可以包括：通过使预定的电流通过所述v形悬挂导电梁来激活所述致动器，其中，所述v形悬挂导电梁的顶部随着所述电流的变化而位移。将参照附图进一步例示本发明，附图将示意性示出根据本发明的实施例。应该理解，本发明不以任何方式限于这些具体实施例。附图说明图1描绘了根据本发明的一个实施例的包括压缩弹簧结构的mems结构。图2描绘了根据本发明的另一个实施例的用于mems结构中的压缩弹簧结构。图3a和图3b描绘了根据本发明的一个实施例的包括压缩弹簧结构的mems惯性传感器。图4a至图4c描绘了根据本发明的一个实施例的用于mems结构中的机械锁定结构的示意图和图片。图5a至图5c描绘了根据本发明的另一个实施例的用于mems结构中的机械锁定结构的示意图和图片。图6描绘了根据本发明的一个实施例的惯性mems传感器的至少一部分的俯视图。图7a和图7b描绘了根据本发明的一个实施例的用于mems传感器中的电-热致动器。图8a和图8b描绘了描述根据本发明的一个实施例的用于mems传感器中的压缩弹簧结构的模型。图9a和图9b描绘了对于根据本发明的一个实施例的两个惯性mems传感器的压缩与自然频率的关系的图像。图10a至图10e描绘了根据本发明的一个实施例的包括悬梁和适于部分或完全补偿静态重力加速度的压缩弹簧结构的mems惯性传感器。图11描绘了现有技术的惯性mems传感器的读出噪声和具有可变自然频率的惯性mems传感器的读出噪声之间的比较。图12描绘了根据本发明的一个实施例构建有可变自然频率的惯性mems传感器的所测量的输出噪声。具体实施方式图1描绘了根据实施例的包括机械预加载弹簧系统100的mems结构的示意图。具体地，图1描绘了mems结构的俯视图，mems结构包括悬挂质量块101(即平面的材料片)，使用数个悬梁将悬挂质量块101保持为悬挂状态。悬梁表现为如同由弹簧常数表征的弹簧。图1中的弹簧可以具有任何合适的几何形状，包括蜿蜒(meandering)和/或曲折(serpentine)的弹簧设计。图1的mems结构可以包括将质量块连接到支承结构106的主悬挂弹簧102和一个或多个机械预加载悬挂弹簧1041、1042。这样，检验质量块形成由悬挂弹簧连接到mems支承结构的悬挂质量块。在这一特定实施例中，主悬挂弹簧(沿着y轴对准)可以具有弹簧常数k，并且两个预加载悬挂弹簧(沿着x轴对准)可以具有弹簧常数kc。这两个横向弹簧可以基于外部的压缩力fc被机械预加载。可以使用致动器108将该力施加到悬挂弹簧，致动器108可以被配置为将弹簧在检验质量块的平面上的方向(在本示例中为x方向)上压缩，其中，压缩力近似等于δx×kc(δx是弹簧沿着x方向的压缩变形)。这样的预加载弹簧的长度可以被限定为l(δx)＝l0-δx，其中l0为静止长度(restlength)。施加到第一横向弹簧和第二横向弹簧的压缩力可以具有基本相同的幅度并且可以具有相反的符号，所以它们在检验质量块的平面上的总(矢量)和为零，并且使得在弹簧被致动器预加载时检验质量块的位置将不受影响。如果质量块经受沿着y方向的外力df1，则质量块将沿着y方向位移距离dy。由于位移dy，预加载弹簧将略微倾斜，使得预加载弹簧中的压缩力fc的y分量将在与df1相同的方向上生成净力df3≈2fc·dy/l。两个力df1和df3将被弹簧力df2抵消，弹簧力df2等于弹簧常数k乘以质量块位移dy。因此，预加载悬挂弹簧中的压缩力有效地导致弹簧常数k沿着y方向减小(并且因而导致其刚度减小)，其中，由于在系统的典型实施例中δx/l0<<1，所以减小量近似等于2fc/l0。因此，由于横向预加载弹簧，质量块-弹簧系统的有效弹簧常数可以由表达式(等式5)给出：因此，通过控制弹簧中的压缩力(例如，使用致动器)，可以控制mems结构的总弹簧常数并且因而控制mems结构的自然频率。如以下将描述的，自然频率是在设计任何mems装置时非常重要的方面。如以下将更详细地示出的，具有可控的自然频率的mems质量块-弹簧系统可以特别用于mems传感器中，尤其是mems惯性传感器中。在一个实施例中，可以用传统的非弯曲悬梁得到参考图1描述的刚度减小。替代地，在另一个实施例中，可以使用如图2中所示的弯曲悬梁。特别地，图2描绘了被压缩力预加载的长度为l的弯曲弹性悬梁(弯曲悬臂梁或弯曲悬挂弹簧)。在非压缩状态下，弯曲梁具有预定的非应变弯曲形状θi(l)，其中，l是沿着梁的曲线位置坐标，并且θ是相对于(全局)x轴的梁取向。弯曲梁可以包括底部(l＝0)和顶部(l＝l)，其中底部固定到mems结构的部分(例如，如参考图1描述的检验质量块)，顶部可以连接到致动器梁。当向弯曲梁施加力时，可以用函数θ(l)来描述梁的曲线的改变(形状的改变)。图2描绘了梁的顶部(一侧)可以经受沿着x轴的压缩力fx和沿着y轴的外力fy的系统。在所关注的低频下，相较于梁的本征模，fy可以被描述为由mems结构的检验质量块与框架之间的位移引起的反应力(该位移转而可以由框架沿着y轴的加速度造成)。在该情况下，可以由以下给出的等式(等式6)描述梁的曲线：其中，e表示刮刀梁(bladebeam)材料的杨氏模量，i(l)＝w(l)t(l)3/12是梁横截面的面积的二阶矩，其中t和w分别为梁厚度和梁宽度，总体上，t和w两者可以取决于l和θi(l)，其中，θi(l)是初始未应变梁相对于(全局)x轴的梁取向。因此，在该特定情况下，弹性梁在非压缩状态下可以具有特定的弯曲形状θi(l)，并且在压缩状态下可以具有特定的弯曲形状θ(l)。基于该等式，可以估计预加载弹性构件的有效弹簧常数。如图2中所示的弯曲梁配置具有能够既使用例如(电-热)致动器以压缩力预加载梁又使用机械锁定结构“锁定”由此被预加载的梁的优点。如以下将更详细地描述的，机械锁定结构可以是与mems传感器的弹簧和例如检验质量块相同的mems结构的部分。虽然图2中的预加载力是沿着x方向提供的，但是在其它实施例中，还预见了预加载力的其它方向(例如，y轴或者x和y轴两者)。图3a和图3b描绘了根据本发明的各种实施例的惯性mems传感器。特别地，图3a描绘了包括通过悬挂弹簧3061-4连接到支承结构302的检验质量块304的惯性mems传感器。特别地，各悬挂弹簧3061-4的第一端可以在第一连接点305处连接到支承结构，并且悬挂弹簧的第二端可以在第二连接点307处连接到检验质量块。在这一示例中，检验质量块的移动方向(感测方向)是沿着y方向。可以通过引导围绕检验质量块(未示出)的结构来实现对移动方向的控制。mems传感器可以包括用于(片上)预加载悬挂弹簧的致动器3081-4。在一个实施例中，可以使用参考图2描述的弯曲悬梁作为悬挂弹簧。连接到致动器3081的致动器梁303可以连接到悬挂弹簧3061的第一端。致动器可以将致动器梁在与检验质量块的移动方向基本垂直的方向上前后移动。附接到mems支承结构的引导结构310可以确保致动器梁可控地在预定方向(在这一示例中为与检验质量块的移动方向垂直的方向)上向悬挂弹簧施加压缩力。弯曲悬梁可以连接到支承结构和检验质量块，使得当预加载弹簧时，检验质量块保持平衡，从这方面来说，相较于如图3a中描绘的未压缩状态，检验质量块的位置和取向没有显著改变。可以选择检验质量块和悬挂弹簧的尺寸和几何形状，使得当压缩弹簧处于其未压缩状态时，质量块-弹簧系统具有一定的自然频率f0。引导结构和致动器可以是支承结构的部分或者可以刚性连接到支承结构。可以激活致动器从而可控地向如图3b中所示的弹性梁施加压缩力。由于压缩力，弹性梁将被以与参考图2描述的相似的方式预加载，由此有效地减小惯性传感器的质量块-弹簧系统的总刚度。检验质量块可以包括用于形成电容感测元件312的电极，电容感测元件312可以用于检测检验质量块相对于框架的因一定的低频带宽内的框架振动造成的移动，并且可以用于在闭环操作中施加反馈力。可以使用多个电容致动元件将有可能导致较大的输出动态范围的静态和动态平衡伺服动作的作用分开。平衡致动器可以提供补偿，用于：处理不准确性、热-弹性效应、本地重力加速度的差异、重力的完全补偿以实现mems传感器的全方位配置。因此，在图3b的mems惯性传感器结构中，可以使用致动器在相反方向上向悬挂弹簧施加压缩力，使得施加到弹簧的压缩力不影响质量块的位置。施加到致动器梁和引导结构的力将造成弹性梁变形，使得在悬梁中形成压缩力。可以通过控制致动器的位移来控制压缩力的幅度。这样，可以以可控方式来机械预加载悬挂弹簧，由此有效地减小悬挂弹簧的弹簧常数，并且因而减小质量块-弹簧系统的自然频率。预加载悬挂弹簧将有效地使检验质量块从环境解耦，使得惯性感测的响应性可以显著增加。对一些加速度的响应性增大可以导致惯性传感器的灵敏度增大。在一个实施例中，引导结构310可以包括机械锁定结构，机械锁定结构防止如果例如致动器力被释放，预加载弹簧移回其初始(未加载)状态。在一个实施例中，机械锁定结构可以包括与非加载悬挂弹簧关联的第一锁定状态和与预加载悬挂弹簧关联的第二锁定状态。当致动器启动时，锁定结构可以允许弹簧从非压缩的第一位置移向压缩的第二位置。这样，即使当致动器本身移回其初始位置时，悬挂弹簧也可以被预加载有预定的压缩力。在一个实施例中，弹簧可以被不可逆地移向压缩的第二位置。在另一个实施例中，机械锁定机构可以包括多种锁定状态，其中，锁定机构的一种状态与未压缩状态下的悬挂弹簧关联，并且至少两种或更多种状态与悬挂弹簧的不同压缩状态关联。因此，在这一实施例中，致动器可以被用于将悬挂弹簧机械地设置在与悬挂弹簧的不同压缩状态关联的两个或更多个位置中的一个。图4a至图4c描绘了根据本发明的一个实施例的用于mems结构中的机械锁定结构的示意图和图片。具体地，在图4a中，描绘了机械mems锁定结构，其中，连接到致动器404的致动器梁402包括一个或多个棘爪406(例如，弹性梁)，这一个或多个棘爪406与一个或多个棘齿408接合，一个或多个棘齿408形成在mems支承结构409中或mems支承结构409上。致动器梁还连接到悬挂弹簧412的端部410。连接到mems支承结构的引导元件414可以确保致动器梁在所期望的方向上移动并且压缩力在该方向上被施加到弹性梁。可以通过不对称形成的锯齿的线性布置形成棘齿。如图4b中所示，由于棘齿的锯齿形式，所以附接到致动器梁的一个或多个弹性棘爪梁可以在一个或多个棘齿上滑动，由此允许致动器梁在朝向悬挂弹簧的方向上连续线性运动。然而，在相反方向上，弹性棘爪梁将与棘齿位置接合，由此防止致动器梁在偏离悬挂弹簧的方向上移动。这样，棘齿和棘爪结构确保悬挂弹簧被不可逆地预加载。因此，通过在棘齿上移动弹性棘爪梁并且将弹性棘爪梁定位在预定的棘齿位置，悬挂弹簧可以被机械预加载预定的压缩力。各棘齿位置可以对应于弹簧的预定的压缩(预加载)状态。图4c描绘了包括机械锁定机构的mems结构的示例的图片，机械锁定机构包括致动器梁、与形成在mems支承结构中的(两个)棘齿结构接合的(两个)弹性棘爪梁。用于生产诸如棘齿-棘爪系统的机械mems元件的方法是已知的并且例如在us8480302中和pham等人的文章“singlemask,simplestructuremicrorotatioalmotordrivenbyelectrostaticcomb-driveactuators”(2012，j.micormech.microeng.22(2012)015008)中有所描述。图5a至图5c描绘了根据本发明的另一个实施例的用于mems结构中的机械锁定结构的示意图和照片。具体地，在图5a中，描绘了机械mems锁定结构，其中，致动器梁502通过两状态机械开关结构506连接到mems支承结构516。致动器梁还可以连接到悬挂弹簧512的端部510。连接到mems支承结构516的引导元件514可以确保致动器梁正在所期望的方向上移动并且压缩力在该方向上被施加到弹性梁。机械开关可以包括一个或多个弯曲的所谓双稳定(bistable)梁506，双稳定梁506连接在mems支承结构的两个相对侧之间并且连接到致动器梁。用于生产机械mems元件(诸如双稳定梁)的方法是已知的并且例如在us200302970中有所描述。这样的结构可以有两个稳定位置，即，弹性梁的第一位置(如图5a中所示)和弹性梁的第二位置(如图5b中所示)。可以通过激活致动器以在悬挂弹簧512的方向上推动由引导元件514引导的致动器梁来实现切换到第二位置。在某个时刻，致动器会用力将弹性梁推到其第二稳定位置，如图5b中所示。在该情况下，通过由机械开关维持的(静态)压缩力来预加载悬挂弹簧。图5c描绘了包括两状态机械开关的mems结构的示例的图片。在该特定示例中，致动器梁连接到悬挂弹簧和中间质量块结构，中间质量块结构允许使用悬挂弹簧来稳定悬挂检验质量块。如果致动器仅可以推而不可以拉，则不能恢复原始的未应变状态。在该情况下，这还可以被用作抗反转(anti-reverse)系统。图6描绘了根据本发明的一个实施例的惯性mems传感器的至少部分的俯视图。特别地，图6描绘了包括检验质量块602的mems惯性传感器的俯视图，检验质量块602由悬挂弹簧604悬挂到mems支承结构606。悬挂弹簧的一端可以经由致动器梁610连接到致动器608。在该特定示例中，悬挂弹簧可以具有1000×5×25微米的尺寸，热致动器可以具有1700×10×25微米的尺寸，双稳定梁对可以具有400(或600)×5×25微米的尺寸，检验质量块可以具有3000×3000×25微米的尺寸。根据该系统的所期望的性质，可以在1000微米和5000微米之间选择梁长度l。致动器梁还可以连接到机械锁定机构612(如例如参考图4和图5详细描述的)，以维持悬挂弹簧上的压缩力。检验质量块可以包括电容耦接构件614、616，例如交叉指电容器(interdigitatedcapacitor)构件，其可以被用于感测悬挂的检验质量块的位移或者致动悬挂的检验质量块。接触焊盘6181-3可以用于接触(例如，通过引线键合)mems传感器的元件。例如，接触焊盘6181,2可以用于施加通过电-热致动器608的电流并且接触焊盘6183可以用于向电容器电极中的一个施加偏置电压。图7a和图7b描绘了根据本发明的一个实施例的用于mems传感器中的电-热致动器。在该特定的实施例中，电-热致动器可以被实现为包括具有一定的导电率的悬挂的(略微)v形硅梁702(还参见图5c中的致动器梁502)的mems结构，梁702可以形成在其中还可以形成有包括检验检验质量块、悬挂弹簧和锁定机构的所有其它mems元件的相同的硅层中。梁可以连接到用于施加通过该梁的电流的键合焊盘7041,2。另外，v形梁的顶部706可以连接到或接近于与悬挂弹簧(如例如710)连接的致动器梁708。当施加通过悬挂的v形梁的电流i时，将出现焦耳热并且梁的热膨胀将导致v形的顶部沿着x方向的位移dx，如图7b中所示。梁的位移将沿着x方向推动致动器梁，使得悬挂弹簧被机械预加载一定的压缩力。例如，当施加通过1700×10×25微米的v形硅梁的0和15ma之间的电流时，可以实现0和20微米量级的位移dx。虽然图7a和图7b例示了结合图5的锁定机构的电-热致动器，但还预见到有或没有锁定机构的其他实施例。可以通过使用图8a至图8b中描绘的模型参考图2、图3a和图3b对本发明的一个实施例进行简化的分析数学描述。图8a描绘了被两个弯曲的两端固支梁(clamped-clampedbeams)悬挂的检验质量块，其中两端固支梁初始(未压缩)地沿着x伸出长度l0。此后，对单个悬梁的计算完成，并且可以将其直接推广于并行作用的多个梁。在外力fy(每个梁)的作用下，检验质量块被从平衡处拉动距离y。对于小的偏离，各悬梁的初始刚度k0接近直梁的初始刚度(等式7)，其中，e是梁材料的杨氏模量，并且i是其面积的二次矩。等效地，可以按(等式8)来定义相对于梁底部的梁顶部转动刚度其中并且其中m＝fyl0是作用于梁支承框架的力矩。如图8a中配置的质量块-弹簧系统的自然频率是其中，m是每个梁的悬挂质量。图8b描绘了在已经向悬梁施加压缩力fx之后的质量块-弹簧系统。这样的力对作用于梁支承框架的力矩有贡献，在某质量块位移y处，作用于梁支承框架的力矩变为(等式9)m＝fyl+fxy＝αk0ly其中，α是对初始梁弯曲刚度k0的校正因子。通过悬梁的几何参数，校正因子随着fx的变化而变化，并且可以通过对等式6的数值积分或者通过有限元建模(fem)来计算校正因子。根据等式9可以求解y，从而得到每个梁的减小的刚度(等式10)在本发明的典型实施例中，l～l0。压缩状态下的质量块-弹簧系统的自然频率是表1：根据本发明的实施例的mems惯性传感器的设计参数的示例传感器1传感器2质量(mg)0.4530弹簧数量416l0(μm)9601660每个梁的未压缩刚度k0(n/m)0.551.1未压缩频率f0(hz)355122校正因子α0.850.85梁压缩(μm)1932.9压缩力fx(μn)4231465压缩后的频率f1(hz)8428表1示出根据本发明的实施例的、基于图8a至图8b中描绘的模型的mems惯性传感器设计的两个示例。图9a至图9b描绘了测量的mems惯性传感器的自然频率的图像，mems惯性传感器包括如参考图3a至图3b描述的预加载悬挂弹簧。图9a描绘了对包括0.45mg的检验质量块的mems传感器的两个样本进行的测量。作为参考，还展示了fem模型的结果。如图像中所示的，可以通过控制悬挂弹簧上的压缩力来变化自然频率f0。这里，以弹簧的压缩变形δx表达压缩力。因此，例如，通过控制致动器引起mems-2的悬挂弹簧约9微米的压缩变形，质量块-弹簧系统的自然频率可以从290hz减小至近似为190hz。弹簧压缩变形进一步增大至达14微米导致自然频率约为130hz，即，小于mems传感器在其非预加载状态下的自然频率的一半，由此提供有效的片上刚度抵消，从而导致传感器的灵敏度增大。梁压缩进一步增大至达19微米使得自然频率进一步减小至70hz(对应于相对于原样处理(as-processed)状态的17倍刚度减小)。必须注意到，相同装置的面外(z轴)自然频率为1300hz，与压缩状态无关。图9b描绘了对包括30mg的检验质量块的mems传感器进行的相同测量。在这种情况下，原样处理的自然频率是100hz。通过片上抗弹簧机构将自然频率降至28hz，对应于相较于mems传感器的原样处理状态的14倍刚度减小。悬梁的进一步压缩可以导致低于装置的20hz操作自然频率。因此，该图像表明，本发明使得能够对质量块-弹簧mems结构的自然频率进行有效的片上控制。通过向悬挂弹簧施加压缩力，质量块-弹簧系统的自然频率可以被控制在f0和0.1·f0之间，优选地在f0和0.2·f0之间，更优选地在f0和0.3·f0之间。图10a至图10e描绘了根据本发明的各种实施例的惯性mems传感器。具体地，图10a描绘了与参考图3a至图3b描述的传感器相似的惯性mems传感器，从这一方面来说，mems传感器包括通过多个悬梁10041-4连接到支承结构1007的检验质量块1005。mems传感器可以包括对悬梁进行片上预加载的致动器10021-4。在一个实施例中，如参考图2描述的弯曲悬梁可以被用作悬挂弹簧。在另一个实施例中，可以使用刚性悬梁。可以通过致动器在预定的方向上对悬梁进行压缩，其中致动器包括致动梁1008，并且可选地包括引导结构1003。支承结构可以设置有端部止动结构10091-4，端部止动结构10091-4用于限制检验质量块沿着mems传感器的灵敏轴(y)(即，检验质量块的移动轴)的位移。在图10a中，mems表面处于水平取向，梁处于未压缩状态。当与图3a和图3b进行比较时，图10a中的mems传感器包括弯曲悬梁，弯曲悬梁包括相对于检验质量块的运动方向(在该特定示例中为x方向)的初始偏置角1013。可以在制造工艺期间在结构中引入该预定的偏置角。如此后将更详细地描述的，初始偏置角提供了补偿当在竖直位置(例如，检验质量块沿着z方向移动的位置)使用mems传感器时可能出现的重力效应的手段。当与图3a至图3b中描绘的实施例进行比较时，在图10a的设计中，已经在梁与检验质量块的连接点之间引入了相对于梁与支承结构的连接点的偏置，而检验质量块相对于电容感测和致动结构10061,2保持居中。偏置沿着检验质量块的移动方向并且关于与压缩结构的连接点以一角度(初始偏置角度)缩放。可以选择检验质量块和弯曲悬挂弹簧的尺寸和几何形状，使得当悬挂弹簧处于其非压缩状态时，质量块-弹簧系统具有一定的自然频率f0。此后，可以通过内置的致动器来压缩弯曲悬挂弹簧，直到达到所期望的压缩状态。作为初始偏置角度(偏置)的效果，当梁被压缩时，检验质量块将沿着y轴移动，直到它们被推抵端部止动件10091,2。在图10b中描绘了处于水平状态的mems传感器的该中间压缩状态。随后，mems传感器在竖直位置上取向。在该情况下，由于重力的效果，所以检验质量块将移回其初始位置，使得它相对于感测和致动结构居中。在图10c中描绘了mems传感器的该最终配置。在该状态下，通过(如参考图10a详细描述的)悬挂的初始(未压缩状态)刚度并且通过施加到悬挂弹簧的预加载力确定mems惯性传感器的自然频率f1。因此，综上所述，通过改变悬挂弹簧相对于机械预加载力的方向的取向，mems传感器可以优选地被配置为水平地、竖直地或者沿着相对于重力方向的任何不同倾斜度的方向测量加速度。这样，在不消耗电力的情况下能实现频率减小和重力补偿两者。可以通过使用图10d至图10e中描绘的模型来简单描述图10a至图10b的实施例。图10d描绘了由两个弯曲梁悬挂的质量块，其中该弯曲梁初始(未压缩)地沿着x伸出长度l0。在图10d中，y轴水平地取向。由于弹簧具有初始转动角度所以检验质量块沿着y的位置相对于悬挂弹簧和悬挂弹簧的支承结构之间的连接点的移动量为y0。图10e描绘了在已经向悬挂弹簧施加压缩力fx之后并且系统的y轴已经竖直取向之后的质量块-弹簧系统。检验质量块的新平衡位置相对于初始配置的移动量为y。参考等式9，由(等式11)给出支承结构上的力矩m通过求解等式11，可以按(等式12)确定y使y＝0，则通过求解等式12，可以计算出y0的值(并且因而可以计算出的值)为(等式13)通过微分等式12确定最终刚度(每个弹簧)k1为(等式14)，与等式10相同。最终状态下的质量块-弹簧系统的自然频率是必须注意到，通过对等式6进行数值积分或者通过有限元建模(fem)，对悬挂几何参数和预加载力进行更精确的确定。举例而言，根据本发明的该实施例，通过在传感器1和传感器2中分别引入y0＝2.5微米和y0＝83微米，表1中示出的设计参数还可以用于竖直mems惯性传感器。本发明的该实施例允许设计低自然频率竖直mems惯性传感器，其中通过向悬挂弹簧施加合适的预加载，被动地补偿检验质量块的位置上的重力的静态效果。在芯片制造之后，重力补偿系统在芯片的寿命内接合一次，并且在传感器操作期间不需要施加任何静电场。这样将导致较好的噪声性能和较低的功耗。可以通过电容致动系统来调整适应由于处理不准确性、重力的本地幅度或者热-弹性效果导致的残余竖直不平衡。可以通过调节来实现相对于重力有不同取向的mems传感器的替代配置(如galperi，偏离竖直z轴54.7度)。图11例示了示出使用优化的闭环读出方案(在该情况下参考us7484411b2的公开结果)的现有技术的mems地震传感器和数个mems惯性传感器的读出噪声的加速度噪声贡献之间的比较的图像，其中mems惯性传感器具有20倍大的位移噪声，并且具有不同的较低的自然频率。如在图像中示出的，自然频率为90hz并且位移噪声差20倍的惯性传感器的噪声水平与最佳的可用的mems传感器基本相同。当将自然频率从70降至30hz时，读出噪声降低了几个数量级，低至几接近系统的布朗噪声水平。这些图像表明减小自然频率对传感器的灵敏度的显著影响。图12描绘了示出包括参照图3a至图3b描述的预加载悬挂弹簧的惯性mems传感器的测量的噪声水平作为自然频率的函数的图像。用安装在真空中超静平台上的mems传感器来执行测量，其中该平台在3hz以上的残余加速度优于mems传感器具有检验质量块，检验质量块为30mg并且在未压缩状态下的自然频率为102hz。通过将传统的离散组件电荷放大器连接到mems电容感测结构来读取检验质量块相对于支承结构的位置。测量的位置读出噪声为在图像中示出的所有数据集中，调节真空水平从而使布朗噪声水平贡献可忽略：具体地，在100毫托下执行f0＝102hz和f0＝50.7hz的测量，而在10毫托下执行f0＝28hz的测量。图像示出如何通过利用抗弹簧机构减小mems传感器的自然频率来使低频下测量的背景信号水平减小。实现了量级的噪声水平。必须注意，图像中示出的3hz以下的噪声是由于测试平台的残余运动，并不是mems传感器输出的特征，对此，根据等式1和等式2，预期水平的分辨率扩展低至非常低的频率(几乎dc)。可以通过使用熟知的半导体处理技术(包括光刻、蚀刻和沉积技术)来制造本申请中描述的mems结构。可以通过使用例如适于与cmos集成的玻璃上硅(sog)或绝缘体上硅(soi)技术来制造mems结构。在连结到玻璃衬底的硅衬底中形成内sogmems结构。相似地，可以在10微米和50微米之间(优选为20微米和40微米之间)的硅器件层中形成内soimems结构，其中该硅器件层连结到被厚度为1微米和5微米之间的绝缘介电层(例如，sio2层)覆盖的硅支承晶片，硅支承晶片在200微米和400微米之间。机械抗弹簧在仅仅单个蚀刻步骤和单个晶片中实现了等效交叉轴抑制比。通过蚀刻硅器件层并且去除sio2层的在蚀刻的结构之下的部分，可以在硅器件层中实现自由悬挂的mems结构。这些mems结构可以被设计为使得本申请中描述的悬挂检验质量块、悬挂弹簧和锁定结构都在相同的硅器件层中实现。这样，可以用不需要复杂的多层处理的相对简单的处理来实现非常灵敏的惯性mems传感器。本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非意在限制本发明。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数，除非文中另有清楚指示。还应该理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括了”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。以下权利要求中的所有装置或步骤所对应的结构、材料、动作和等同物加上功能元件意在包括用于结合具体要求保护的其它要求保护的元件的执行功能的任何结构、材料或动作。出于例示和描述的目的，已经给出了本发明的说明书，但本说明书不意在是排他性的或者限于所公开的形式的本发明。在不背离本发明的范围和精神的情况下，对于本领域的普通技术人员而言，许多修改和变形将是明了的。选择并且描述实施例从而最佳地解释本发明和实际应用的原理，并且使本领域的其他普通技术人员理解本发明的各种实施例，其中各种实施例适于所构想的具体使用进行了各种修改。当前第1页12当前第1页12