BR112015004404B1

BR112015004404B1 - sensor inercial e método de medir aceleração fora de plano utilizando o sensor inercial

Info

Publication number: BR112015004404B1
Application number: BR112015004404-2A
Authority: BR
Inventors: Ashwin Arunkumar Seshia; Pradyumna Thiruvenkatanathan; Xudong Zou
Original assignee: Cambridge Enterprise Limited
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2021-01-26
Also published as: BR112015004404A8; US9310391B2; CN104781677B; GB2505875A; CA2883200A1; SA515370337B1; WO2014037695A3; EP2893362A2; EP2893362B1; US20150226762A1; CA2883200C; WO2014037695A2; CN104781677A; GB201215750D0; SA515360107B1; BR112015004404A2

Abstract

SENSORES INERCIAIS DE EIXO DUPLO E TRIPLO E MÉTODOS DE DETECÇÃO INERCIAL Um sensor inercial compreendendo: uma armação; uma massa de prova suspensa a partir da armação; um par de primeiros elementos ressonantes acoplados eletricamente à massa de prova, ou a um componente intermediário acoplado mecanicamente à massa de prova, cada primeiro elemento ressonante acoplado a um lado oposto da massa de prova ao outro, os primeiros elementos ressonantes sendo substancialmente idênticos entre si e tendo acoplamento eletrostático substancialmente idêntico com a massa de prova quando o sensor não está acelerando; em que os primeiros elementos ressonantes e a massa de prova estão situados substancialmente em um plano, e em que o movimento da massa de prova em relação aos primeiros elementos ressonantes ortogonais ao plano, altera o acoplamento eletrostático entre a massa de prova e os primeiros elementos ressonantes; meio de acionamento acoplado aos primeiros elementos ressonantes para vibrar cada um dos primeiros elementos ressonantes; e um conjunto de sensor para detectar uma mudança na frequência ressonante de cada um dos primeiros elementos ressonantes; e meio de processamento para somar as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida de aceleração da massa de prova (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere aos sensores inerciais e aos métodos de detecção inercial utilizando sensores inerciais mecânicos microscópicos. Especificamente, a informação se refere aos sensores inerciais que podem ser fabricados prontamente e são capazes de detectar em duas ou três direções ortogonais utilizando apenas uma única massa de prova suspensa.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Osciladores baseados em ressonadores mecânicos microscópicos ligeiramente amortecidos são bem conhecidos devido à sua capacidade em produzir saídas de frequência de baixo ruído, estáveis. Embora essas características tornem os mesmos valiosos nos sistemas de comunicação como referências de temporização/frequência estáveis, eles também são atraentes para uso como sensores. Um sensor ressonante, por definição, é um oscilador cuja frequência de saída é uma função de um resultado de medição de entrada. Em outras palavras, a saída de um sensor ressonante corresponde à mudança em frequência ressonante de uma microestrutura mecânica que se torna sintonizada de acordo com uma mudança em uma quantidade física/química a ser medida. A natureza quase digital do sinal de saída em tais sensores, em conjunto com a elevada sensibilidade e estabilidade dos sinais de saída de frequência alterada, tem resultado em utilização bem difundida de tais sensores ressonantes micro usinados para várias aplicações variando de diagnósticos biomoleculares e químicos, a força de elevada precisão, massa, tensão e até mesmo detecção de carga.

[0003] Como um caso específico de sensores ressonantes, tem havido um maior interesse nos últimos anos no desenvolvimento de micro-acelerômetros ressonantes micro-usinados de alta precisão “todo de silício”. Vide, por exemplo: US5969249; US4851080; US2011/0056294; CN101303365. Esse interesse foi despertado devido ao recente crescimento em demanda por sensores de movimento de alta precisão miniaturas dentro dos mercados aeroespacial, automotivo e até mesmo de eletrônica de consumidor. Os micro-acelerômetros ressonantes fabricados utilizando técnicas de micro usinagem de silício apresentam algumas vantagens significativas, a maior delas sendo a economia. Esses micro-acelerômetros ressonantes de silício não apenas intensificam a sensitividade e resolução aperfeiçoadas em relação às suas contrapartes baseadas na detecção capacitiva tradicional com espaços ocupados de dispositivos, similares, mas também têm mostrado que proporcionam faixa dinâmica aperfeiçoada tornando os mesmos candidatos ideais para aplicação potencial em diversas aplicações de detecção de movimento dentro dos mercados identificados.

[0004] Contudo, a maioria desses sensores ainda permanece uniaxial ou biaxial, conseqüentemente limitando a sua funcionalidade e aplicabilidade prática àquelas aplicações que não demandam controle de movimento tridimensional (3D) sofisticado. Embora os micro- acelerômetros ressonantes ortogonalmente orientados, uniaxiais possam ser empregados potencialmente para leitura de movimento/aceleração de frequência alterada tridimensional, precisa, tais implementações aumentam correspondentemente o custo, as exigências de tamanho e energia do dispositivo.

[0005] Um objetivo da presente invenção é o de prover um acelerômetro ressonante de silício micro usinado que permite leitura de aceleração bi e tridimensional utilizando apenas uma única massa de prova suspensa.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0006] A invenção é definida nas reivindicações independentes anexas, às quais se deve fazer referência. Características opcionais são apresentadas nas reivindicações dependentes.

[0007] Em um primeiro aspecto da invenção, é provido um sensor inercial compreendendo: uma armação; uma massa de prova suspensa a partir da armação; um par de primeiros elementos ressonantes acoplados eletricamente à massa de prova, ou a um componente intermediário acoplado mecanicamente à massa de prova, cada primeiro elemento ressonante acoplado a um lado oposto da massa de prova ao outro, os primeiros elementos ressonantes sendo substancialmente idênticos entre si e tendo acoplamento eletrostático substancialmente idêntico com a massa de prova quando o sensor não está acelerando; em que os primeiros elementos ressonantes e a massa de prova estão situados substancialmente em um plano, e em que o movimento da massa de prova em relação aos primeiros elementos ressonantes ortogonais ao plano, altera o acoplamento eletrostático entre a massa de prova e os primeiros elementos ressonantes; meio de acionamento acoplado aos primeiros elementos ressonantes para vibrar cada um dos primeiros elementos ressonantes; e um conjunto de sensor para detectar uma mudança na frequência ressonante de cada um dos primeiros elementos ressonantes; e meio de processamento para somar as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida de aceleração da massa de prova paralela a um primeiro eixo, o primeiro eixo sendo ortogonal ao plano.

[0008] Qualquer mudança no acoplamento eletrostático entre a massa de prova e um elemento ressonante resulta em uma mudança na rigidez efetiva daquele elemento ressonante, que muda a frequência ressonante do elemento ressonante. Nesse contexto, “detectar uma mudança na frequência ressonante” deve ser entendido como incluindo ambas, detectar diretamente uma mudança na frequência ressonante e detectar indiretamente uma mudança na frequência ressonante mediante detecção de uma mudança em outro aspecto da resposta ressonante do elemento ressonante.

[0009] Somando-se as mudanças de frequência ressonante é removida qualquer contribuição a partir do movimento no plano da massa de prova em direção ou se afastando dos elementos ressonantes, de modo que aceleração fora do plano pode ser desacoplada e determinada. Como cada um dos primeiros elementos ressonantes é montado em lados opostos da massa de prova, qualquer movimento no plano resultará em uma mudança de magnitude igual, mas em direção oposta em cada elemento ressonante. Preferivelmente, a massa de prova e os elementos ressonantes são configurados de tal modo que o movimento da massa de prova tangencial aos primeiros elementos ressonantes não altera o acoplamento eletrostático. Por exemplo, os lados da massa de prova aos quais os primeiros elementos ressonantes são acoplados podem ter espessura uniforme e se estender paralelos à direção tangencial, além dos primeiros elementos ressonantes na direção tangencial.

[0010] Quaisquer elementos ressonantes adequados podem ser usados, tais como os ressonadores de diapasão de extremidade dupla.

[0011] O sensor pode compreender ainda um segundo elemento ressonante acoplado à massa de prova, o segundo elemento ressonante configurado para permitir a detecção de aceleração paralela a um segundo eixo, ortogonal ao primeiro eixo; em que o meio de acionamento é acoplado ao segundo elemento ressonante para vibrar o segundo elemento ressonante, e o conjunto de sensor detecta uma mudança na frequência ressonante do segundo elemento ressonante. O segundo elemento ressonante preferivelmente é acoplado mecanicamente à massa de prova.

[0012] O sensor inercial pode compreender ainda um terceiro elemento ressonante acoplado à massa de prova, o terceiro elemento ressonante configurado para permitir a detecção da aceleração paralela a um terceiro eixo, em que o terceiro eixo é ortogonal ao primeiro eixo e ao segundo eixo; em que o meio de acionamento é acoplado ao terceiro elemento ressonante para vibrar o terceiro elemento ressonante, e o conjunto de sensor detecta uma mudança na frequência ressonante do terceiro elemento ressonante. O terceiro elemento ressonante preferivelmente é acoplado mecanicamente à massa de prova.

[0013] O segundo e o terceiro elementos ressonantes permitem aceleração no plano da massa de prova a ser medida. A combinação do primeiro, segundo e terceiro elementos ressonantes fornece um acelerômetro de eixo trilho utilizando apenas uma única massa de prova suspensa.

[0014] O sensor pode compreender um par de terceiros elementos ressonantes, cada terceiro elemento ressonante posicionado em um lado oposto da massa de prova ao outro, os terceiros elementos ressonantes sendo idênticos entre si, e um par de segundos elementos ressonantes, cada segundo elemento ressonante posicionado em um lado oposto da massa de prova ao outro, os segundos elementos ressonantes sendo idênticos entre si. Mediante provisão de pares idênticos de elementos ressonantes, uma leitura diferencial pode ser usada de modo que flutuações de frequência resultantes de fatores ambientais tais como as variações de temperatura e de pressão, podem ser eliminadas a partir da medição de aceleração no plano.

[0015] Além disso, uma leitura de modo comum a partir de um ou de ambos os pares de segundos e terceiros elementos ressonantes pode fornecer uma saída que é indicativa da temperatura com uma rejeição de variações de primeira ordem em frequência devido à aceleração. Pegando- se as leituras de soma (modo comum) e de diferença (diferencial), um sensor de múltiplos parâmetros é provido. A capacidade de determinar a temperatura, ou mudanças em temperaturas, é de interesse em muitas aplicações nas quais os acelerômetros são usados. A medição de temperatura também pode ser usada em combinação com a leitura de aceleração para proporcionar uma determinação mais exata da aceleração. A relação entre frequência ressonante e temperatura pode ter termos de segunda ordem ou termos de ordem superior e a medição de temperatura pode ser usada para calcular quaisquer termos de segunda ordem ou de ordem superior, que são então considerados ao se calcular a aceleração a partir das mudanças de frequência ressonante, detectadas.

[0016] O sensor inercial pode compreender ainda um estágio mecânico entre a massa de prova e a armação, o estágio mecânico configurado para desacoplar o movimento da massa de prova em duas direções ortogonais no plano, em que os segundos ou terceiros elementos ressonantes, ou ambos, os segundos e terceiros elementos ressonantes, são acoplados mecanicamente ao estágio mecânico. Isso permite sensibilidade de eixo transversal reduzida e como consequência, processamento mais simples das saídas a partir do sensor.

[0017] O sensor inercial pode compreender ainda um quarto elemento ressonante, em que o quarto elemento ressonante é substancialmente idêntico aos primeiros elementos ressonantes e não é acoplado eletricamente à massa de prova. O quarto elemento ressonante, ou um par de quartos elementos ressonantes, pode ser usado para prover uma leitura diferencial com o primeiro par de elementos ressonantes, para eliminar os fatores ambientais tais como temperatura e pressão, a partir da medição de aceleração fora do plano.

[0018] O sensor inercial pode compreender ainda pelo menos uma alavanca de amplificação acoplada entre a massa de prova ou estágio mecânico entre uma extremidade dos primeiros, segundos ou terceiros elementos ressonantes. A alavanca de amplificação é projetada para ser um amplificador de força quando acoplada aos segundos e terceiros elementos ressonantes para ampliar a força inercial comunicada aos elementos ressonantes para uma determinada aceleração induzida, e como consequência aumentar o fator de escala do dispositivo. A armação, a massa de prova e os elementos ressonantes podem ser todos formados a partir de silício usinado.

[0019] A invenção proporciona um acelerômetro ressonante de silício micro usinado que oferece as vantagens principais de sensibilidade aperfeiçoada e faixa dinâmica como no caso da maior parte dos acelerômetros ressonantes reportados até o presente, mas também permite uma leitura de aceleração de frequência alterada tridimensional, com rejeição de eixo transversal aperfeiçoada, utilizando apenas uma única massa de prova suspensa. Tal implementação permite uma redução nos custos de fabricação de tais sensores, e permite uma redução no tamanho e conseqüentemente no espaço ocupado do dispositivo - outro fator determinante essencial de custos de instalação em várias aplicações, especialmente dentro da eletrônica de consumidor.

[0020] Em outro aspecto, a invenção proporciona um método de medir a aceleração fora do plano utilizando um sensor inercial plano micro usinado, o sensor inercial compreendendo: uma armação; uma massa de prova suspensa a partir da armação; um par de primeiros elementos ressonantes acoplados eletricamente à massa de prova, cada primeiro elemento ressonante acoplado a um lado oposto da massa de prova ao outro, os primeiros elementos ressonantes sendo substancialmente idênticos entre si e tendo acoplamento eletrostático substancialmente idêntico com a massa de prova quando o sensor não está acelerando; em que os primeiros elementos ressonantes e a massa de prova estão situados substancialmente em um plano, e em que o movimento da massa de prova em relação aos primeiros elementos ressonantes ortogonal ao plano altera o acoplamento eletrostático entre a massa de prova e os primeiros elementos ressonantes; e meio de acionamento acoplado aos primeiros elementos ressonantes para vibrar cada um dos primeiros elementos ressonantes; o método compreendendo: detectar uma mudança na frequência ressonante de cada um dos primeiros elementos ressonantes; e somar as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida da aceleração da massa de prova paralela ao primeiro eixo, o primeiro eixo sendo ortogonal ao plano.

[0021] Em um aspecto adicional, a invenção proporciona um sensor inercial compreendendo: uma armação; um estágio mecânico suspenso a partir da armação, uma massa de prova suspensa a partir do estágio mecânico, o estágio mecânico operativo para movimento de desacoplamento da massa de prova em duas direções ortogonais; um primeiro elemento ressonante acoplado a uma primeira porção do estágio mecânico, a primeira porção do estágio mecânico livre para se deslocar paralela a um primeiro eixo; um segundo elemento ressonante acoplado a uma segunda porção do estágio mecânico, a segunda porção do estágio mecânico livre para se deslocar em paralelo a um segundo eixo, o segundo eixo sendo ortogonal ao primeiro eixo; meio de acionamento acoplado aos elementos ressonantes para vibrar cada um dos elementos ressonantes; e um conjunto de sensor para detectar uma mudança na frequência ressonante de cada um do primeiro e segundo elementos ressonantes.

[0022] A combinação de um estágio que desacopla o movimento de eixo X e Y da massa de prova com detecção ressonante de aceleração proporciona um acelerômetro de eixo duplo efetivo e exato, não dispendioso utilizando apenas uma única massa de prova suspensa.

[0023] O sensor inercial pode compreender ainda pelo menos uma alavanca de amplificação, tal como uma alavanca de amplificação de força mecânica, acoplada entre o estágio mecânico e um dos primeiro e segundo elementos ressonantes.

[0024] O sensor inercial pode compreender um par de primeiros elementos ressonantes, cada um dos primeiros elementos ressonantes disposto em lados opostos do estágio mecânico e sendo substancialmente idênticos uns aos outros. O sensor inercial pode compreender um par de segundos elementos ressonantes, cada um dos segundos elementos ressonantes dispostos em lados opostos do estágio mecânico e sendo substancialmente idênticos entre si. Mediante provisão de pares idênticos de elementos ressonantes uma leitura diferencial pode ser usada de modo que flutuações de frequências resultantes de fatores ambientais, tal como variações de temperatura e pressão, podem ser eliminadas a partir da medição de aceleração no plano. Além disso, uma leitura de modo comum a partir de um ou dos dois pares de segundos e terceiros elementos ressonantes pode proporcionar uma saída que seja indicativa de temperatura, com uma rejeição das variações de primeira ordem em frequência devido à aceleração. Pegando-se ambas as leituras, de soma (modo comum) e de diferença (diferencial), um sensor de múltiplos parâmetros é provido.

[0025] O sensor inicial pode incluir ainda pelo menos um terceiro elemento ressonante acoplado de forma eletrostática à massa de prova ou estágio mecânico, em que a aceleração da massa de prova em uma direção ortogonal ao primeiro e ao segundo eixo altera o acoplamento eletrostático entre o terceiro elemento ressonante e a massa de prova ou estágio mecânico. Qualquer alteração no acoplamento eletrostático resultante da aceleração ao longo do primeiro ou do segundo eixo pode ser calculada a partir do sinal resultando do primeiro e segundo elemento ressonante, ou pode ser cancelada utilizando-se um par de terceiros elementos ressonantes opostamente montados, de acordo com o primeiro aspecto da invenção.

[0026] A armação, massa de prova e elementos ressonantes podem ser todos formados a partir de silício usinado.

[0027] Em um aspecto adicional da invenção, é provido um sensor inercial compreendendo: uma armação; uma massa de prova suspensa a partir da armação; um par de primeiros elementos ressonantes acoplados à massa de prova, ou a um componente intermediário acoplado à massa de prova, cada primeiro elemento ressonante acoplado a um lado oposto da massa de prova ao outro, os primeiros elementos ressonantes sendo substancialmente idênticos entre si e tendo acoplamento substancialmente idêntico com a massa de prova quando o sensor não estiver acelerando; em que um movimento da massa de prova em direção ou se afastando dos primeiros elementos resultantes altera a rigidez efetiva dos primeiros elementos ressonantes; meio de acionamento acoplado aos primeiros elementos ressonantes para vibrar cada um dos primeiros elementos ressonantes; um conjunto de sensor para detectar uma mudança na frequência ressonante ou rigidez efetiva de cada um dos primeiros elementos ressonantes; e meio de processamento para somar as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida da temperatura.

[0028] O meio de processamento pode ser configurado para proporcionar uma diferença entre as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida da aceleração em uma direção. Preferivelmente, a massa de prova e os elementos ressonantes são configurados de tal modo que o movimento da massa de prova tangencial aos primeiros elementos ressonantes não altera o acoplamento eletrostático.

[0029] O meio de processamento pode compreender um misturador que tem uma entrada conectada ao conjunto de sensor e uma saída conectada a um primeiro filtro e a um segundo filtro, o primeiro filtro configurado para proporcionar uma saída que é uma soma das mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar a medida de temperatura, o segundo filtro configurado para proporcionar uma saída que é uma diferença entre as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar a medida de aceleração em uma direção.

[0030] Em um aspecto ainda adicional da invenção, é provido um método de medir a aceleração e a temperatura utilizando um único sensor inercial, o sensor inercial compreendendo: uma armação; uma massa de prova suspensa a partir da armação; um par de primeiros elementos ressonantes acoplados à massa de prova ou a um componente intermediário acoplado à massa de prova, cada um do primeiro elemento ressonante acoplado a um lado oposto da massa de prova ao outro, os primeiros elementos ressonantes sendo substancialmente idênticos entre si e tendo acoplamento substancialmente idêntico com a massa de prova quando o sensor não estiver acelerando; em que o movimento da massa de prova em direção ou se afastando dos primeiros elementos ressonantes altera a rigidez efetiva dos primeiros elementos ressonantes; meio de acionamento acoplado aos primeiros elementos ressonantes para vibrar cada um dos primeiros elementos ressonantes; e um conjunto de sensor para detectar uma mudança na frequência ressonante de cada um dos primeiros elementos ressonantes, o método compreendendo as etapas de: somar as mudanças em frequência ressonante dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida da temperatura; e calcular uma diferença nas mudanças de frequência ressonante dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida da aceleração.

[0031] Deve ser evidente que as características descritas em relação a um aspecto da invenção podem ser igualmente usadas em outros aspectos da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0032] Modalidades da presente invenção serão descritas agora, apenas como exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática de um acelerador de eixo duplo de acordo com a invenção; A Figura 2 é uma vista plana, esquemática de um acelerador de eixo duplo do tipo mostrado na Figura 1, incorporando adicionalmente micro alavancas de amplificação de força e ilustrando eletrodos de acionamento e detecção; A Figura 3 é uma vista plana esquemática de um acelerômetro de eixo triplo de acordo coma invenção; A Figura 4 é uma ilustração esquemática da eletrônica de acionamento e detecção que pode ser usada com o acelerômetro de eixo triplo mostrado na Figura 3; A Figura 5 ilustra a eletrônica de processamento usada para derivar uma aceleração de eixo Z utilizando o acelerômetro ilustrado na Figura 3; e A Figura 6 é uma ilustração esquemática de um sensor proporcionando uma medição de aceleração de eixo único e uma medição de temperatura, de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0033] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um sensor inercial de eixo duplo de acordo com uma modalidade da invenção. O sensor compreende uma única massa de prova de silício, suspensa mantida dentro de um estágio de eixo duplo. O estágio de eixo duplo compreende quatro plataformas 14 que são acopladas à massa de prova 10 em cada canto da massa de prova, mediante flexuras 12. As plataformas 14 são acopladas a uma armação circundante 20 mediante flexuras 16. O estágio é projetado de tal modo que ele permite movimento desacoplado, porém simétrico da massa de prova suspensa em ambos os eixos, X e Y, com interferência mecânica reduzida entre os dois eixos. O estágio é projetado para limitar o movimento das plataformas 14 para um grau de liberdade, isto é, ao longo do eixo X ou Y, conforme mostrado, enquanto permitindo que a massa de prova suspensa dentro do estágio se desloque com dois graus de liberdade, isto é, ao longo de ambos os eixos, X e Y. Isso permite que saídas desacopladas sejam conectadas às plataformas 14 para transduzir a aceleração da massa de prova em cada um dos dois eixos ortogonais. As flexuras de suspensão 12, 14 são projetadas para ser estruturalmente idênticas ao longo de ambos os eixos, X e Y, para apresentar uma rigidez efetiva igual ao longo de ambos os eixos. Essa simetria reduz a interferência mecânica entre os eixos X e Y, e também permite sensibilidade de eixo duplo idêntica. O sensor da Figura 1 é fabricado vantajosamente inteiramente de uma única pastilha semicondutora, tal como uma pastilha de silício sobre isolador (SOI) e pode ser fabricada utilizando-se técnicas convencionais de fabricação MEMS, tal como micro usinagem de superfície e gravura.

[0034] As plataformas 14 são individualmente acopladas mecanicamente aos ressonadores de diapasão de extremidade dupla, vibratórios 22. Cada ressonador 22 é orientado perpendicular à plataforma 14 a qual ele é conectado. A aceleração da massa de prova resulta em tensão nos ressonadores, alterando a sua frequência ressonante. As acelerações X e Y são desacopladas pelo estágio para proporcionar saídas X e Y, separadas.

[0035] Na modalidade ilustrada na Figura 1, ressonadores idênticos 22 são fixados em lados diametralmente opostos da massa de prova 10, ao longo dos dois eixos no plano de sensibilidade (ilustrado pelas linhas pontilhadas na Figura 1). Qualquer movimento da massa de prova conseqüentemente é convertido em uma magnitude igual de tensão em cada um dos ressonadores opostamente posicionados, porém de polaridade oposta. Em outras palavras, um ressonador é submetido a um esforço de tração axial enquanto que o outro é submetido a um esforço compressivo axial. Consequentemente, a tensão induzida em cada um dos ressonadores de diapasão resulta em uma mudança de sua frequência ressonante em uma magnitude igual, mas em uma direção oposta. Uma medição diferencial a partir dos dois ressonadores diametralmente opostos pode ser então usada para proporcionar um cancelamento de modo comum de primeira ordem de quaisquer flutuações de frequência que surgem a partir das variações ambientais, tais como flutuações de temperatura e pressão. Uma descrição mais detalhada do processamento elétrico das saídas a partir dos ressonadores é provida com referência à Figura 4.

[0036] A Figura 1 é apenas um exemplo de um modelo de estágio mecânico que pode ser usado em conjunto com os ressonadores de acordo com a Figura 1. Qualquer estágio mecânico baseado em flexura, apropriado pode ser usado de acordo com a presente invenção se ele efetivamente desacoplar o movimento da massa de prova ao longo de dois eixos ortogonais.

[0037] Diferentes topologias de ressonador podem ser usadas em vez dos ressonadores de diapasão de extremidade dupla, mostrados na Figura 1. Qualquer elemento ressonante adequado proporcionando uma saída indicativa de aceleração da massa de prova, com base em uma mudança no comportamento ressonante dos elementos ressonantes, pode ser usado.

[0038] Adicionalmente, alavancas de amplificação de força podem ser acopladas entre o estágio e os ressonadores para ampliar o esforço aplicado sobre os ressonadores. A Figura 2 é uma vista plana esquemática de um sensor de eixo duplo do tipo mostrado na Figura 1, com alavancas de amplificação de força posicionadas entre as plataformas 14 e os ressonadores 22. A Figura 2 ilustra também os eletrodos de acionamento e detecção usados para acionar os ressonadores e detectar uma saída.

[0039] As micro-alavancas 24 são posicionadas entre as plataformas 14 e os elementos ressonantes 22 e giram em torno de fulcros 26. Cada fulcro 26 é posicionado de modo a ampliar o esforço sobre o elemento ressonante 22. Alavancas desse tipo são descritas em maior detalhe em US5969249, cujos conteúdos são aqui incorporados mediante referência.

[0040] A Figura 2 mostra também que cada um dos elementos ressonantes inclui um par de eletrodos de acoplamento 28. Eletrodos de acionamento e detecção 30, 32 são posicionados adjacentes aos eletrodos de acoplamento 28. Um sinal de acionamento pode ser aplicado a cada elemento ressonante através do eletrodo de acionamento 30 e um sinal de saída detectado pelo eletrodo de detecção 32. Esse arranjo é mostrado em mais detalhe na Figura 4. Alternativamente, eletrodos de transdução adicionais podem ser posicionados para permitir a transdução aperfeiçoada dos elementos ressonantes.

[0041] O acelerômetro de eixo duplo, mostrado nas Figuras 1 e 2, pode ser usado como parte de um modelo de acelerômetro de eixo triplo, conforme mostrado na Figura 3. Na Figura 3, os mesmos numerais de referência são usados para indicar elementos idênticos àqueles mostrados na Figura 2. A modalidade ilustrada na Figura 3 incorpora dois pares adicionais de ressonadores de diapasão mecanicamente idênticos 40 e 42 e 50 e 52. Cada um dos primeiros ressonadores 40, 42 é acoplado eletrostaticamente à plataforma 14 e posições diametralmente opostas. Os primeiros ressonadores incluem chapas de acoplamento capacitivas 44 para acoplamento de forma capacitiva as duas plataformas 14 (mostradas pelas setas pontilhadas) e aos eletrodos de acionamento 46. Como uma alternativa à configuração mostrada na Figura 3, os ressonadores 40, 42 poderiam ser acoplados eletrostaticamente à massa de prova mais propriamente do que à plataforma 14. O outro par de ressonadores 50, 52 não é acoplado eletricamente à massa de prova ou ao estágio 14 uma vez que a mesma voltagem CD é aplicada aos ressonadores 50, 52 e à massa de prova e plataforma. Os ressonadores 50 e 52 têm uma construção idêntica ao primeiro par de ressonadores 40, 42 incluindo chapas de acoplamento capacitivo, e são posicionados próximos ao primeiro par de ressonadores 40, 42 de modo que eles são submetidos substancialmente às mesmas condições ambientais. No exemplo mostrado na Figura 3 eles são posicionados entre a plataforma 14 e a massa de prova 10, de uma maneira semelhante ao primeiro par de ressonadores 40, 42.

[0042] Qualquer aceleração induzida da massa de prova ao longo do eixo Z deslocará a massa de prova e conseqüentemente as plataformas 14, por uma distância, cuja magnitude depende da rigidez oferecida pelo estágio ao longo do eixo Z. Qualquer deslocamento de eixo Z da massa de prova ou plataformas 14 muda a área capacitiva entre o primeiro par de ressonadores 40, 42 e as plataformas 14, resultando em uma variação em suas frequências ressonantes de operação.

[0043] A magnitude da mudança em frequência ressonante é dependente da mudança na área de acoplamento capacitivo. O par eletricamente desacoplado de ressonadores 50, 52 experimenta nenhuma variação de frequência como um resultado do deslocamento da massa de prova ao longo do eixo Z. O par desacoplado de ressonadores 50, 52 pode ser usado para cancelar qualquer variação em frequência ressonante que seja devida aos fatores ambientais, tal como variações em temperatura e pressão.

[0044] Mediante medição da soma de mudanças de frequências experimentadas pelos ressonadores acoplados 40 e 42 e, então, realizando-se um cálculo diferencial com a saída somada dos ressonadores 50 e 52, uma medição direta do deslocamento do estágio ao longo do eixo Z pode ser obtida, a qual pode ser usada para determinar a aceleração ao longo do eixo Z. Medições simultâneas das variações no capacitor de chapas paralelas formadas entre a massa de prova e a camada de silício de substrato poderiam ser usadas para proporcionar a polaridade de aceleração. Arranjos mecânicos alternativos como técnicas de detecção de aceleração de eixo Z capacitiva com base em acionamento combinado podem ser usadas em conjunto com o mecanismo de leitura ressoante para proporcionar informação de polaridade no caso de processos de fabricação específica onde o substrato subjacente é gravado.

[0045] Evidentemente, qualquer deslocamento ao longo do eixo X também resulta em uma modulação de lacuna capacitiva entre os elementos ressonantes acoplados 40, 42 e a plataforma 14. Além disso, desde que as lacunas de acoplamento capacitivo sejam projetadas de modo a serem idênticas, qualquer flutuação em frequência, que surja de um movimento do estágio ao longo do eixo X, será da mesma magnitude, mas de polaridade oposta para os elementos ressonantes 40 e 42. Consequentemente, a soma das saídas dos ressonadores 40 e 42, resulta em um cancelamento de qualquer variação como um resultado do movimento no eixo X. Assim, ao contrário da medição diferencial direta das frequências ressonantes dos ressonadores axialmente acoplados para monitorar a aceleração ao longo dos eixos X e Y, a medição do eixo Z é obtida mediante monitoração da saída somada das mudanças de frequência ressonante dos ressonadores eletricamente acoplados 40 e 42. A subtração de quaisquer mudanças de frequência obtidas a partir da soma dos sinais a partir dos ressonadores não acoplados 50 e 52 pode ser então usada para corrigir quaisquer fatores ambientais indesejados.

[0046] A Figura 4 ilustra uma modalidade de eletrônica de leitura que pode ser usada em conjunto com o acelerômetro de eixo triplo mostrado na Figura 3.

[0047] A eletrônica de leitura exigida para acelerações de eixo X e de eixo Y é idêntica e assim apenas a leitura de eixo X será descrita em detalhe. Cada um dos elementos ressonantes 22 é acionado por uma voltagem alternada aplicada ao eletrodo 30. A frequência de oscilação do ressonador 22 é lida a partir do eletrodo 32. Oscilações sustentadas são mantidas utilizando-se circuito de oscilador com controle de ganho automático, o qual retorna para o eletrodo de acionamento 30. O circuito de oscilador inclui um amplificador de trans-resistência 33, um filtro passa faixa 35 e um comparador 37.

[0048] O misturador 55 é usado para fornecer uma soma e diferença das saídas a partir dos ressonadores diametralmente opostos 22. A saída a partir do misturador 55 passa através de um filtro passa baixa 57 para proporcionar o sinal de diferença, o qual é uma saída proporcional à aceleração de eixo X.

[0049] Conforme descrito acima, uma configuração idêntica é usada para fornecer a saída de eixo Y, e numerais de referência idênticos foram usados para rotular os componentes eletrônicos para o eixo Y.

[0050] Um filtro passa alta também pode ser conectado ao misturador 55 em qualquer uma das saídas de eixo X e de eixo Y para proporcionar uma medida da temperatura. A Figura 4 mostra um filtro passa alta 59, conectado apenas à saída de eixo Y. O filtro passa alta 59 remove o sinal de diferença a partir da saída do misturador 55 deixando apenas o sinal de soma (também referido como saída de modo comum). Na saída de modo comum, mudanças de frequência devido à aceleração são canceladas deixando uma saída predominantemente sensível aos fatores ambientais, o mais significativo dos quais é a temperatura. Desse modo um sensor de silício único, usinado pode proporcionar ambas as saídas, de aceleração e de temperatura. A medição de temperatura a partir do filtro passa alta 59 também pode ser usada para refinar a medição de aceleração a partir do filtro passa baixa 57, uma vez que a medição de aceleração é ainda sensível a qualquer componente de segunda ordem da relação entre a frequência ressonante e a temperatura.

[0051] O arranjo de acionamento e detecção para os elementos ressonantes de eixo Z é similar àquele dos elementos ressonantes X e Y. Um sinal de acionamento é aplicado aos eletrodos de acionamento 46, 60 e à saída lida a partir dos eletrodos de detecção 48, 62, posicionados na base dos elementos ressonantes. Um circuito de oscilador, incluindo um amplificador trans-resistência, um filtro passa faixa e um elemento de controle de ganho automático/comparador, é usado para sustentar a oscilação dos elementos ressonantes 40, 42 e 50, 52.

[0052] A Figura 5 ilustra o processamento de sinal para aceleração de eixo Z, mais claramente. O misturador 70 é usado para fornecer a soma e diferença das saídas dos ressonadores eletricamente acoplados 40, 42. A saída a partir do misturador 70 é subsequentemente filtrada no modo passa alta pelo filtro 72 para proporcionar o sinal de soma. Similarmente as saídas a partir dos ressonadores não acoplados 50, 52 são somadas e subtraídas pelo misturador 80 e filtradas no modo passa alta pelo filtro 82. O misturador 90 é usado para proporcionar um sinal de soma e de diferença a partir das saídas do filtro 72 e do filtro 82. Essa saída é filtrada pelo filtro passa baixa 92 para proporcionar uma saída de frequência proporcional à aceleração de eixo Z. Eletrodos de detecção adicionais também podem ser incorporados para facilitar a área de transdução maior para cada um dos ressonadores, para reduzir conseqüentemente a resistência relativa ao movimento e aperfeiçoar a resolução limitada de ruído eletrônico do oscilador.

[0053] A sensibilidade do sensor das Figuras 3 e 4 à aceleração de eixo Z depende da rigidez dos elementos ressonantes e das flexuras de massa de prova. Qualquer deslocamento do estágio de eixo duplo/massa de prova por uma distância (Z) ao longo do eixo Z devido a uma aceleração az resulta em uma modulação eletrostática da rigidez de cada um dos ressonadores que são acoplados eletro-elasticamente à massa de prova. Isso pode ser expresso como:

[0054] Onde ΔV representa a diferença em potencial entre o estágio e cada um dos ressonadores; ε0 denota a permissividade do ar; l, o comprimento das chapas de acoplamento capacitivo entre o ressonador e as plataformas de estágio de eixo duplo; h, a espessura da plataforma; Mz e Kz representam a massa efetiva e rigidez da massa de prova ao longo do eixo Z e g, a lacuna de acoplamento capacitivo antes de qualquer deslocamento induzido do estágio de eixo duplo/massa de prova. O deslocamento relativo na frequência ressonante de cada ressonador de diapasão é então dado por:

[0055] Onde k se refere à rigidez do diapasão no modo de operação. Como a saída corresponde ao componente somado dos deslocamentos de frequência que surgem a partir de dois ressonadores estruturalmente idênticos subtraída pela soma dos deslocamentos de frequência que surgem a partir de duas forquilhas de sintonia que permanecem eletricamente desacopladas ao movimento da massa de prova, a sensibilidade líquida ao longo do eixo Z pode ser expressa como:

[0056] O fator de escala do dispositivo, ao longo dos eixos X e Y, pode ser escrito como uma proporção do deslocamento de frequência diferencial nominal entre os dois sensores de força de diapasão, ressonantes projetados para leitura de aceleração ao longo dos eixos X e Y. Isso pode ser expresso como:

[0057] Onde Ai representa o fator de ampliação líquida das alavancas de força mecânica ao longo dos dois eixos ortogonais;

Li, o ressonador de diapasão ao longo dos eixos sensíveis; E, o módulo de Young, t a espessura do ressonador de diapasão; wi a largura do ressonador de diapasão; M a massa de prova submetida à aceleração ao longo dos eixos X e Y; a a entrada de aceleração ao longo do eixo de ordem i.

[0058] Deve ser evidente que a modalidade na Figura 4 é apenas um exemplo de um acelerômetro de acordo com a invenção. Também é possível prover um acelerômetro que opere com os mesmos princípios utilizando, entre outras coisas, uma massa de prova de formato diferente, uma construção de flexura diferente para o plano de estágio, diferentes posições para os quartos elementos ressonantes, diferentes tipos de elemento ressonante, diferentes posições para os eletrodos de acionamento e detecção para cada elemento ressonante e diferentes circuitos de oscilador.

[0059] Também deve ser evidente que a ideia de fornecer uma medição de temperatura a partir da saída de modo comum de um par de elementos ressonantes acoplados aos lados opostos de uma única massa de prova pode ser aplicada a um modelo de acelerômetro de eixo único ou de eixo duplo, da mesma maneira como descrito com referência à Figura 4.

[0060] A Figura 6 é uma ilustração esquemática de um acelerômetro de eixo único com detecção simultânea de temperatura. Uma massa de prova de silício 110 é suspensa a partir de uma armação por intermédio de flexuras 116. Um par de elementos ressonantes 122 é montado em lados opostos da massa de prova, cada um deles acoplado mecanicamente à massa de prova por intermédio de micro alavancas de amplificação de força 124. Os elementos ressonantes 122 são acionados por uma voltagem alternada aplicada ao eletrodo 130. A frequência de oscilação de cada ressonador 122 é lida a partir do eletrodo correspondente 132. Oscilações sustentadas são mantidas utilizando um circuito de oscilador com controle de ganho automático, o qual realimenta para o eletrodo de acionamento 130. O circuito de oscilador inclui um amplificador de trans-resistência 133, um filtro passa faixa 135 e um comparador 137, conforme descrito com referência à Figura 4.

[0061] O misturador 155 é usado para fornecer a soma e a diferença das saídas a partir dos elementos ressonantes opostos 122. A saída a partir do misturador 155 passa através de um filtro passa baixa 157 para proporcionar o sinal de diferença. Qualquer mudança na frequência ressonante devido ao movimento da massa de prova 110 no eixo de sensibilidade será igual para cada elemento ressonante, mas de polaridade oposta. Mudanças na frequência ressonante devido às mudanças de temperatura serão iguais para os dois elementos ressonantes e da mesma polaridade. Assim o sinal de diferença proporcionará uma saída que é proporcional à aceleração. Um filtro passa alta 159 também é conectado ao misturador. O filtro passa alta 159 remove o sinal de diferença a partir da saída do misturador 155 deixando apenas a saída somada. Na saída somada, mudanças de frequência devido à aceleração são canceladas deixando uma saída sensível à temperatura.

[0062] Desse modo um único sensor de silício usinado pode proporcionar ambas as saídas, de aceleração e de temperatura. Conforme descrito com referência à Figura 4, a medição de temperatura a partir do filtro passa alta 159 também pode ser usada para refinar a medição de aceleração a partir do filtro passa baixa 157, uma vez que a medição de aceleração é ainda sensível a qualquer componente de segunda ordem da relação entre a frequência ressonante e a temperatura.

[0063] Na modalidade da Figura 8, os elementos ressonantes 122 são montados em lados opostos da massa de prova, individualmente acoplados mecanicamente à massa de prova mediante micro alavancas de amplificação de força 124. Contudo, deve ser evidente que os elementos ressonantes podem ser acoplados eletrostaticamente à massa de prova como uma alternativa. No caso de acoplamento eletrostático, amplificadores de deslocamento podem ser usados em vez das micro-alavancas de amplificação de força 124.

Claims

1. Sensor inercial compreendendo: uma armação (20); uma massa de prova (10) suspensa a partir da armação; um par de primeiros elementos ressonantes (40, 42) acoplados eletricamente à massa de prova (10), ou a um componente intermediário (14) acoplado mecanicamente à massa de prova, cada primeiro elemento ressonante (40, 42) acoplado a um lado oposto da massa de prova ao outro, os primeiros elementos ressonantes sendo idênticos entre si e tendo acoplamento eletrostático idêntico com a massa de prova quando o sensor não está acelerando; caracterizado pelo fato de que os primeiros elementos ressonantes e a massa de prova estão situados em um plano, e em que o movimento da massa de prova em relação aos primeiros elementos ressonantes ortogonais ao plano, alteram o acoplamento eletrostático entre a massa de prova e os primeiros elementos ressonantes; meio de acionamento (46) acoplado aos primeiros elementos ressonantes para vibrar cada um dos primeiros elementos ressonantes; e um conjunto de sensor (48) para detectar uma mudança na frequência ressonante de cada um dos primeiros elementos ressonantes; e meio de processamento (33, 35, 37, 70) para somar as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida de aceleração da massa de prova paralela a um primeiro eixo, o primeiro eixo sendo ortogonal ao plano.

2. Sensor inercial, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um segundo elemento ressonante (22) acoplado à massa de prova (10), o segundo elemento ressonante configurado para permitir a detecção de aceleração paralela a um segundo eixo, ortogonal ao primeiro eixo; em que o meio de acionamento (30) é acoplado ao segundo elemento ressonante para vibrar o segundo elemento ressonante, e o conjunto de sensor (32) detecta uma mudança na frequência ressonante do segundo elemento ressonante.

3. Sensor inercial, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o segundo elemento ressonante (22) preferivelmente ser acoplado mecanicamente à massa de prova.

4. Sensor inercial, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um terceiro elemento ressonante (22) acoplado à massa de prova (10), o terceiro elemento ressonante configurado para permitir a detecção da aceleração paralela a um terceiro eixo, em que o terceiro eixo é ortogonal ao primeiro eixo e ao segundo eixo; em que o meio de acionamento é acoplado ao terceiro elemento ressonante para vibrar o terceiro elemento ressonante, e o conjunto de sensor detecta uma mudança na frequência ressonante do terceiro elemento ressonante.

5. Sensor inercial, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o terceiro elemento ressonante (22) ser acoplado mecanicamente à massa de prova (10).

6. Sensor inercial, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de compreender um par de terceiros elementos ressonantes (22), cada terceiro elemento ressonante posicionado em um lado oposto da massa de prova ao outro, os terceiros elementos ressonantes sendo idênticos entre si.

7. Sensor inercial, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a saída em ambos, um modo comum e um modo diferencial, ser lida a partir do par de terceiros elementos ressonantes (22), a saída de modo comum proporcionando uma medida da temperatura e a saída diferencial proporcionando uma medida de aceleração.

8. Sensor inercial, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 7, caracterizado pelo fato de compreender um par de segundos elementos ressonantes (22), cada segundo elemento ressonante posicionado em um lado oposto da massa de prova ao outro, os segundos elementos ressonantes sendo idênticos entre si.

9. Sensor inercial, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um estágio mecânico entre a massa de prova e a armação, o estágio mecânico configurado para desacoplar o movimento da massa de prova em duas direções ortogonais no plano, em que os segundos ou terceiros elementos ressonantes, ou ambos, os segundos e terceiros elementos ressonantes, são acoplados mecanicamente ao estágio mecânico.

10. Sensor inercial, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um quarto elemento ressonante, em que o quarto elemento ressonante é idêntico aos primeiros elementos ressonantes e não é acoplado eletricamente à massa de prova.

11. Sensor inercial, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos uma alavanca de amplificação acoplada entre a massa de prova ou estágio mecânico e um dentre os primeiros, segundos e terceiros elementos ressonantes para amplificar mecanicamente a força comunicada.

12. Sensor inercial, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um ou mais dos elementos ressonantes é um ressonador de diapasão de extremidade dupla.

13. Sensor inercial, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a armação, a massa de prova e os elementos ressonantes podem ser todos formados a partir de silício usinado.

14. Método de medir aceleração fora de plano utilizando um sensor inercial plano micro usinado conforme definido na reivindicação 1, o sensor inercial compreendendo: uma armação; uma massa de prova suspensa a partir da armação; um par de primeiros elementos ressonantes acoplados eletricamente à massa de prova, cada primeiro elemento ressonante acoplado a um lado oposto da massa de prova ao outro, os primeiros elementos ressonantes sendo idênticos entre si e tendo acoplamento eletrostático idêntico com a massa de prova quando o sensor não está acelerando; em que os primeiros elementos ressonantes e a massa de prova estão situados em um plano, e em que o movimento da massa de prova em relação aos primeiros elementos ressonantes ortogonal ao plano altera o acoplamento eletrostático entre a massa de prova e os primeiros elementos ressonantes; e meio de acionamento acoplado aos primeiros elementos ressonantes para vibrar cada um dos primeiros elementos ressonantes; o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: detectar uma mudança na frequência ressonante de cada um dos primeiros elementos ressonantes; e somar as mudanças de cada um dos primeiros elementos ressonantes para proporcionar uma medida da aceleração da massa de prova paralela ao primeiro eixo, o primeiro eixo sendo ortogonal ao plano.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o sensor inercial compreende um elemento ressonante adicional, em que o elemento ressonante adicional é idêntico ao primeiro elemento ressonante e não é acoplado eletricamente à massa de prova, o método compreendendo adicionalmente as etapas de: medir uma mudança na frequência ressonante ou uma mudança em rigidez efetiva do elemento ressonante adicional, e modificar a medida de aceleração da massa de prova paralela ao primeiro eixo com base na mudança na frequência ressonante do elemento ressonante adicional.