SE441127B

SE441127B - ACCELEROMETER

Info

Publication number: SE441127B
Application number: SE8400365A
Authority: SE
Inventors: B Hok; L Jonsson
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1984-01-25
Filing date: 1984-01-25
Publication date: 1985-09-09
Also published as: SE8400365L; EP0151957A3; EP0151957A2; JPS60164253A; SE8400365D0

Description

10 15 20 25 30 84003 65-6 dessa storheter kan omformas till elektriska eller optiska signaler genom en rad olika fysikaliska fenomen, t ex kapacitiv lägesbestämning, piezo- elektrisk eller piezoresistiv töjningsmätning, resp geometriskt optisk eller interferometrisk lägesbestämning samt fotoelastisk töjningsmätning. 10 15 20 25 30 84003 65-6 these quantities can be converted into electrical or optical signals by a variety of physical phenomena, such as capacitive positioning, piezo electrical or piezoresistive strain measurement, or geometric optical or interferometric position determination and photoelastic elongation measurement.

Mass-fjädersystemet enligt ovan är alltid behäftat med mekaniska resonans- fenomen, vilka begränsar systemets dynamiska egenskaper. Vanligen utnyttjas endast frekvensområdet under den fundamentala (lägsta) resonansfrekvensen.The mass spring system as above is always encumbered with mechanical resonant phenomena, which limit the dynamic properties of the system. Usually used only the frequency range below the fundamental (lowest) resonant frequency.

För optimal amplitud- och faskarakteristik bör då denna resonans dämpas ge- nom införande av ett dämpelement av något slag. En lösning av detta problem är införande av ett visköst mekaniskt resistanselement, vanligen baserat på en vätska för att få tillräckligt hög viskositet. Detta för dock med sig kapslingsproblem samt risk för bubbelbildning i samband med temperatur- och tryckvariationer, vilket för med sig otillförlitlig funktion hos dämp- elementet. En helt annan lösning av problemet är att utnyttja elektroniska filter, eventuellt t o m adaptiva filter, vars parametrar kan styras av signalens frekvensinnehåll. I denna lösning kvarstår emellertid en annan viktig problematik, nämligen sensorns slagtålighet. Direkta slag mot sensor- kroppen, t ex vid fall mot hårt underlag, ger, om sensorn är mekaniskt odäm- pad, upphov till kraftiga resonanssvängningar på grund av excitationens stora bandbredd. Detta kan ofta leda till plastiska deformationer eller knäckningsskador, vilka i sin tur orsakar svårtolkade felfunktioner.For optimal amplitude and phase characteristics, this resonance should then be attenuated by by introducing a damping element of some kind. A solution to this problem is the introduction of a viscous mechanical resistance element, usually based on a liquid to obtain a sufficiently high viscosity. However, this brings with it encapsulation problems and the risk of bubble formation in connection with temperature and pressure variations, which results in unreliable function of the damping the element. A completely different solution to the problem is to use electronic filters, possibly even adaptive filters, the parameters of which can be controlled by the frequency content of the signal. In this solution, however, another remains important problem, namely the impact resistance of the sensor. Direct blows to sensor the body, for example in the case of a hard surface, provides, if the sensor is mechanically pad, giving rise to sharp resonant oscillations due to excitation large bandwidth. This can often lead to plastic deformations or buckling damage, which in turn causes difficult-to-interpret malfunctions.

Föreliggande uppfinning går ut på en lösning av ovannämnda och andra härmed sammanhängande problem, och kännetecknas därav, att accelerometern därutöver innehåller ett dämpelement, bestående av en gasfylld kavitet, bildad av två väsentligen parallella ytor, varav den ena tillhör masselementet och den andra ytan tillhör sensorkroppen eller del i stum förbindelse därmed, varvid ytornas längd, bredd och inbördes avstånd givits sådana värden, att den funda- mentala resonansen för svängningsrörelser mellan masselementet och sensorkrop- pen blir i huvudsak kritiskt dämpad. Uppfinningen består alltså av ett meka- niskt dämpelement med sådan geometrisk utformning att en gas, t ex luft vid normala tryck, kan utnyttjas som visköst medium- Kaviteten kan alltså helt enkelt bestå av luft mellan två parallella ytor. Genom denna dämpning elimi- neras samtliga ovannämnda nackdelar. Dämpelementen kan realiseras i en rad olika system och med flera alternativa metoder, inkluderande integrerad tek- nik lämpad för parallell "batch-processing". Accelerometern kan ha optisk eller elektrisk utsignal baserad på geometriskt optisk eller interferomet- *Jï 10 15 20 25 30 8400365-6 risk ljusmodulation, alternativt piezoelektrisk eller kapacitiv signal- omvandling.The present invention is based on a solution of the above and others herein related problems, and is characterized by the accelerometer in addition contains a damping element, consisting of a gas-filled cavity, formed by two substantially parallel surfaces, one of which belongs to the mass element and the the second surface belongs to the sensor body or part in dumb connection therewith, wherein the length, width and mutual distance of the surfaces have been given such values that it mental resonance for oscillating movements between the mass element and the sensor body the pen is essentially critically attenuated. The invention thus consists of a mechanical damping element with such a geometric design that a gas, eg air at normal pressures, can be used as a viscous medium- The cavity can thus be completely easily consist of air between two parallel surfaces. This damping eliminates all the above disadvantages. The damping elements can be realized in a row different systems and with several alternative methods, including integrated nik suitable for parallel batch processing. The accelerometer may have optical or electrical output signal based on geometric optical or interferometric * Jï 10 15 20 25 30 8400365-6 risk light modulation, alternatively piezoelectric or capacitive signaling conversion.

Uppfinningen är exemplifierad i bifogade figurer, av vilka fig 1, 3 och 6 visar olika utförandeformer på accelerometrar med optisk utsignal, fig 2 illustrerar dämpelementets principiella funktion samt fig U och 5 utförande- former med elektrisk utsignal.The invention is exemplified in the accompanying figures, of which Figures 1, 3 and 6 shows different embodiments of accelerometers with optical output signal, Fig. 2 illustrates the principal function of the damping element and Figs. shapes with electrical output.

I fig 1 matas en sensor med optisk excitationsenergi via en optisk fiber 7, i vars ände en s k GRIN-lins 8 (graded index) är stumt monterad både mot fi- bern och mot en sensorkropp 1, vilken av tillverkningsmässiga skäl är två- delad med ett delningsplan 9, som innehåller fiberändytan. I delningsplanet 9 är även inlagd en tunn skiva av ett fotoluminiscerande material 10, t ex en skiktsstruktur av GaAs-AlxGa1_XAs, av skäl som bl a beskrivits i svensk patentansökan 8203296-2 (430 825). Materialet 10 är inlagt så att det genom fibern 7 ínfallande ljuset endast delvis absorberas och reemitteras i form av fotoluminiscens. Resterande ljus passerar genom GRIN-linsen 8, vilken parallelliserar strålknippet, som intill fiberändytan är divergent. På sen- sorkroppen 1 finns vidare själva sensorelementet 12, bestående av ett mass- element 2, ett elastiskt element 3, såsom en fjäder, samt ett dämpelement U.In Fig. 1, a sensor with optical excitation energy is fed via an optical fiber 7, at the end of which a so-called GRIN lens 8 (graded index) is dumbly mounted both against the and against a sensor body 1, which for manufacturing reasons is two divided by a dividing plane 9, which contains the fiber end surface. In the division plane 9, a thin sheet of a photoluminescent material 10, e.g. a layer structure of GaAs-AlxGa1_XAs, for reasons described in Swedish patent application 8203296-2 (430 825). The material 10 is inlaid so that it passes through the fiber 7 incident light is only partially absorbed and re-emitted in shape of photoluminescence. Remaining light passes through the GRIN lens 8, which parallelizes the beam, which is divergent adjacent the fiber end face. In late the sensor body 1 further comprises the sensor element 12 itself, consisting of a mass element 2, an elastic element 3, such as a spring, and a damping element U.

Fjäderelementet 3 består i utförandeexemplet av en fast inspänd balk, an- bringad på ett distanselement 11. Dämpelemenﬂet eller som det även kallas kaviteten kan vara luft mellan två ytor. Masselementet 2 är fast anbringat på balken och så utformat, att två väsentligen parallella ytor 5 och 6 bil- das mellan masselementet och sensorkroppen. Vidare är sensorelementet 12 en god reflektor av den optiska energi, som infaller via GRIN-linsen 8.In the exemplary embodiment, the spring element 3 consists of a fixed clamped beam, brought on a spacer element 11. The damping element or as it is also called the cavity may be air between two surfaces. The mass element 2 is fixedly mounted on the beam and so designed that two substantially parallel surfaces 5 and 6 between the mass element and the sensor body. Furthermore, the sensor element is 12 a good reflector of the optical energy incident on the GRIN lens 8.

Sensorns funktion är följande: När sensorkroppen 1 utsätts för acceleration i samma riktning som den op- tiska fiberns 7 utbredningsriktning uppstår på grund av masselementets 2 tröghet och fjäderelementets 3 motverkande kraft en relativ rörelse mellan sensorelementet 12 och sensorkroppen 1. Detta ger upphov till en vinkeländ- ring, vilken i sin tur orsakar en variation i den ljusintensitet som sensor- elementet 12 reflekterar tillbaka in i Fibern 7. Fotoluminiscensen från materialet 10 avger en optisk referenssignal, oberoende av mätsignalen, för att bortkompensera eventuella optiska förluster utmed fibern 7 eller eventuella sknrvdon. *'41 9 i F åï a: y^ﬁ ffttm 10 15 20 25 30 8400365-6 Fig 2 ger en närmare illustration av dämpelementets 4 funktion. Masselemen- tet 2 är utformat så att en gasfylld kavitet uppstår mellan tvâ väsentligen parallella ytor 5 och 6, varav den ena 5 tillhör sensorkroppen och den andra 6 tillhör masselementet 2. Då hela sensorelementet 12 inkluderande massele- mentet 2 och den elastiska delen 3 försätts i vibration uppstår tryckvaria- tioner i kaviteten H, vilka måste utjämnas genom ett gasflöde in resp ut ur kaviteten. Flödesresistansen bestäms av mediets (gasens) viskositet, avstån- det mellan ytorna 5 och 6 och dessas storlek och form. Flödesresistansens storlek bestämmer i sin tur dämpningen av sensorelementets 12 mekaniska reso- nans. Man kan således genom dimensionskontroll teoretiskt och empiriskt ut- forma kaviteten H så, att optimala dämpegenskaper uppnås. Detta sker vid s k kritisk dämpning enligt känd teori för andra ordningens system och kan enkelt verifieras genom uppmätning av accelerometerns frekvenskarakteristik.The function of the sensor is as follows: When the sensor body 1 is subjected to acceleration in the same direction as the the direction of propagation of the optical fiber 7 arises due to the mass element 2 inertia and the counteracting force of the spring element 3 a relative movement between the sensor element 12 and the sensor body 1. This gives rise to an angular end which in turn causes a variation in the light intensity of the sensor the element 12 reflects back into the Fiber 7. The photoluminescence from the material 10 emits an optical reference signal, independent of the measurement signal, to compensate for any optical losses along the fiber 7 or any screws. * '41 9 in F åï a: y ^ ﬁ ffttm 10 15 20 25 30 8400365-6 Fig. 2 gives a more detailed illustration of the function of the damping element 4. Mass elemental tet 2 is designed so that a gas-filled cavity arises between two essentially parallel surfaces 5 and 6, one of which 5 belongs to the sensor body and the other 6 belongs to the mass element 2. When the entire sensor element 12 including the mass element the element 2 and the elastic part 3 are put into vibration, pressure variation occurs cavities H, which must be equalized by a gas flow in and out of, respectively the cavity. The flow resistance is determined by the viscosity of the medium (gas), the distance it between surfaces 5 and 6 and their size and shape. Flow resistance size in turn determines the attenuation of the mechanical resonance of the sensor element 12. nans. One can thus, by dimensional control, theoretically and empirically shape the cavity H so that optimal damping properties are achieved. This happens at so-called critical attenuation according to known theory for second-order systems and can easily verified by measuring the frequency characteristics of the accelerometer.

Ett specifikt analytiskt samband kan härledas för fallet fast inspänd balk med jämnt distribuerad massa och rektangulär form: h2d3(Ep)1/2 n l2b2 Q: resonansens Q-värde balkens tjocklek Youngs modul densitet avstånd mellan ytorna 5 och 6 gasens viskositet balkens längd balkens bredd Ul-JJQ-'OCXIITID Fig 3 visar en modifierad utförandeform av den fiberoptiska accelerometern enligt fig 1, där sensorelementet 12 utformats som en integrerad struktur, tillverkad med metoder hämtade från halvledarteknologin. Sensorelementet 12 är tillverkat ur ett monolitiskt, enkristallint material, t ex en GaAs- -AlXGa1_xAs-struktur, innehållande ett GaAs-substrat 20 med epitaxiella skikt 21 av GaAs och A1 Ga As. Genom mönsteretsning med känd fotolitogra- fisk teknik kan en geomštrisš utformning enligt fig 3b tillverkas. Massele- mentet 2 är här förenat med stödelementet 20 via två elastiska element 3, 22. Dessa är placerade så att rörelser hos masselementet 2 vinkelrätt mot den normala riktningen förhindras. Vidare ger masselementets 2 placering nära infästningen mot stödelementet 20 en mekanisk förstärkning av sensor- elementets 12 rörelse i den fria änden genom hävstångsverkan. 15 20 25 30 8400365-6 Fig H visar en utförandeform av en accelerometer elektrisk utsignal. Sen- sorn är i detta fall uppbyggd av två piezoelektriska plattor 31, 32, t ex Pb(ZrxTi1_x)O3 som ett s k bimorft element, där plattorna 21 och 32 har metallskikt 30, 33, 3H och motriktad polarisation. Böjningar i elementet ger direkt en elektrisk utspänning mellan ytterskiktet 30, 33. Denna utsignal kan avledas med hjälp av elektriska trådförbindelser 35, 36, 37 till för- stärkaranordningar och signalbehandlingsenheter. I den beskrivna utförande- formen utgör de piezoelektriska plattorna 31, 32 med metallskikten 30, 33, 3ü distribuerade masselement och elastiska element. Dämpelementet H bildas genom kontroll av plattornas 31, 32 form och dimensioner samt avståndet mel- lan ytorna 33 och 5. Omgivande gas bestämmer viskositetsvärdet såsom tidi- gare beskrivits i anslutning till fig 2.A specific analytical relationship can be deduced for the case of a fixed clamped beam with evenly distributed mass and rectangular shape: h2d3 (Ep) 1/2 n l2b2 Q: the Q value of the resonance beam thickness Youngs module density distance between surfaces 5 and 6 the viscosity of the gas beam length the width of the beam Ul-JJQ-'OCXIITID Fig. 3 shows a modified embodiment of the fiber optic accelerometer according to Fig. 1, where the sensor element 12 is designed as an integrated structure, made with methods derived from semiconductor technology. The sensor element 12 is made of a monolithic, single-crystalline material, such as a GaAs -AlXGa1_xAs structure, containing a GaAs substrate 20 with epitaxial layer 21 of GaAs and A1 Ga As. By pattern etching with known photolithographic fish technique, a geometric design according to Fig. 3b can be manufactured. Massele- the element 2 is here connected to the support element 20 via two elastic elements 3, 22. These are positioned so that movements of the mass element 2 perpendicular to the normal direction is prevented. Furthermore, the mass element 2 provides location near the attachment to the support member 20 a mechanical reinforcement of the sensor movement of the element 12 at the free end by lever action. 15 20 25 30 8400365-6 Fig. H shows an embodiment of an accelerometer electrical output signal. Late- sorn is in this case made up of two piezoelectric plates 31, 32, e.g. Pb (ZrxTi1_x) O3 as a so-called bimorph element, where the plates 21 and 32 have metal layers 30, 33, 3H and reverse polarization. Bends in the element give directly an electrical output voltage between the outer layer 30, 33. This output signal can be diverted by means of electrical wire connections 35, 36, 37 to amplifier devices and signal processing units. In the described embodiment the mold constitutes the piezoelectric plates 31, 32 with the metal layers 30, 33, 3ü distributed mass elements and elastic elements. The damping element H is formed by checking the shape and dimensions of the plates 31, 32 and the distance between surfaces 33 and 5. Ambient gas determines the viscosity value as previously described in connection with Fig. 2.

I fíg 5 visas en elektrisk accelerometer i integrerat utförande. Sensor- kroppen 1 är gjord i enkristallint kisel med indiffunderat mönster med bor- dopning 40. Ovanpå denna skiktnivå H1 har ytterligare kisel H2 deponerats genom epitaxiell tillväxt, varefter denna yta oxiderats, vilket resulterat i ett tunt skikt SiO2 H3 med god vídhäftning och goda mekaniska egenskaper.Fig. 5 shows an electric accelerometer in an integrated design. Sensor- body 1 is made of single crystalline silicon with indiffused pattern with boron doping 40. On top of this layer level H1, additional silicon H2 has been deposited by epitaxial growth, after which this surface was oxidized, resulting in a thin layer of SiO2 H3 with good dimensional adhesion and good mechanical properties.

Detta skikt, liksom epitaxiskiktet 42, har selektivt bortetsats på de stäl- len, där en bor-diffusion tidigare utförts. Tekniken för detta är känd, t ex genom KE Petersen, Proc IEEE, Vol 70 (1982) H20-H57. Genom detta förfarande kan således balkelementet H4 i S10 integreras på kiselsubstrat. 2 Balkelementet 44 är på ovansidan belagt med ett metallskikt, eventuellt med en lokaliserad massa 47. En kapacitiv koppling av det inbördes läget mellan ytan H0 och balkelementet HU är således möjlig, och de genom den kapacitiva kopplingen alstrade signalerna kan överföras via metallskikt 45, H6 till förstärkarelement, som företrädesvis är integrerade på samma kisel- substrat. Dämpelementet U utbildas på analogt sätt enligt tidigare beskriv- ning mellan ytorna NO och HU.This layer, like the epitaxial layer 42, has been selectively etched away at the len, where a boron diffusion has previously been performed. The technique for this is known, e.g. by KE Petersen, Proc IEEE, Vol 70 (1982) H20-H57. Through this procedure thus, the beam element H4 in S10 can be integrated on silicon substrate. 2 The beam element 44 is coated on top with a metal layer, optionally with a localized mass 47. A capacitive coupling of the mutual position between the surface H0 and the beam element HU is thus possible, and those through it the capacitive coupling generated signals can be transmitted via metal layer 45, H6 to amplifier elements, which are preferably integrated on the same silicon substrate. The damping element U is formed in an analogous manner as previously described. between the surfaces NO and HU.

Fig 6 är en alternativ utformning av en fiberoptisk accelerometer, utnytt- jande en s k Fabry-Perot-kavitet för interferometrisk ljusmodulation genom accelerationspåverkan. Uppbyggnaden är fysiskt mycket lik den i fig 1. Av- vikelsen är att ytorna 5 och 6 är halvreflekterande genom t ex tunna för- ångade metallskikt. Om avståndet mellan ytorna 5 och 6 understiger halva koherenslängden för det ljus som infaller genom fibern 7 via GRIN-linsen 8 uppstår interferens, vilket innebär att den reflekterade ljusintensiteten æooza 93%?Fig. 6 is an alternative embodiment of a fiber optic accelerometer, using using a so-called Fabry-Perot cavity for interferometric light modulation by acceleration effect. The structure is physically very similar to that in Fig. 1. the deviation is that the surfaces 5 and 6 are semi-reflective through, for example, thin steamed metal layers. If the distance between surfaces 5 and 6 is less than half the coherence length of the light incident on the fiber 7 via the GRIN lens 8 interference occurs, which means that the reflected light intensity æooza 93%?

Claims

8400365-6 is modulated by very small variations in the surface distance 5, 6. Sensors with this construction have very high sensitivity and signal resolution. The cavity between the surfaces 5 and 6 can in this, as in other cases, be made closed, which can have advantages if the surrounding gas medium has large pressure variations. The gas viscosity is, at normal air pressure and normal temperatures, not very strongly dependent on these environmental parameters, but in extreme cases a control may be necessary by hermetically encapsulating the sensor body. The invention can be varied in many ways within the scope of the following claims. PATENT REQUIREMENTS

Accelerometer with optical or electrical output signal, representing the acceleration of a sensor body (1), containing at least one mass element (2) and at least one elastic element (3), connected to the sensor body (1), the optical or electrical output signal being arranged to be generated as a result of the relative movement of the mass element (2) relative to the sensor body, or as a result of internal mechanical strains in the mass element (2) or the elastic element (3), characterized in that the accelerometer additionally contains a damping element, consisting of a gas-filled cavity (Ä), formed by two substantially parallel surfaces (5, 6), one of which belongs to the mass element (2) and the other surface belongs to the sensor body (1) or part in dumb connection therewith, the length, width and width of the surfaces mutual distances (5, 6) are given such values that the fundamental resonance for oscillating movements between the mass element (2) and the sensor body (1) is substantially critically attenuated.

Accelerometer according to claim 1, characterized in that the mass element (2) and the elastic element (3) consist of a fixed clamped beam.

Accelerometer according to claim 1, characterized in that the movement of the mass element (2) or part in fixed connection thereto is arranged to be detected by modulation of light incident on at least one optical fiber (7). 8400365-6

H. Accelerometer according to claim 1, characterized in that the movement of the mass element (2) or part in fixed connection thereto is arranged to be detected as capacitance variations between two electrically conductive surfaces (H0, MH).

Accelerometer according to claim 1, characterized in that the mass element (2) or the elastic element (3) is at least partly built up of a piezoelectric material, for example Pb (ZrxTi1_X) 03.

Accelerometer according to claim 1, characterized in that the gas contained in the cavity (H) is hermetically separated from the environment.

Accelerometer according to claim 1, characterized in that the mass element (2) and the elastic element (3) are built up by integration from a substrate part (20) and at least one layer part (21).

Accelerometer according to claim 1, characterized in that the distance between the surfaces (5, 6) is defined by the thickness of at least one spacer element (11, 20) or at least one deposited layer (H2).

Accelerometer according to claim 1, 3 or N, characterized in that the detected movement is amplified by mechanical lever action from a part (12) projecting on the mass element.

Accelerometer according to claim 1, characterized in that the mass element (2) and the elastic element (3) consist of distributed parameters along an evenly thick element (30, 31, 32, 33, 3ü).

Accelerometer according to claims 1 and 3, characterized in that the sensor part (12) is at least partially light-reflecting and so placed in relation to optical fiber elements (7) and lens elements (8) present in the sensor that geometric variations in the mass element (2) mode gives variations in reflected light into the fiber (7).

Accelerometer according to claims 1 and 3, characterized in that the cavity (4) additionally constitutes a so-called Fabry-Perot cavity, the surfaces (5, 6) of which are coated with partially reflective, thin layers, e.g. layer. * Pga-l? O