FI119078B - Kiihtyvyysanturi - Google Patents

Description

1 119078

KIIHTYVYYSANTURI

KEKSINNÖN YMPÄRISTÖ 5 Tämä keksintö liittyy yleisesti mikroelektromekaanisiin järjestelmiin (micro-electromechanical systems, MEMS) ja erityisesti mikromekaanisen kiihtyvyysanturin rakenteeseen ja toimintaan.

KEKSINNÖN TAUSTA

10

Nykyään pyritään kohti yhä pienempiä ja pienempiä komponentteja elektronisille laitteille. Näin ollen mikro-elektromekaaniset (MEM) järjestelmät ja mikrojärjestelmäteknologia (microsystems technology, MST) ovat kehittyneet nopeasti viimevuosina. MEMS/MST teknologian etuja ovat luotettavuus, pieni 15 koko, kevyt paino ja alhaiset kustannukset. MEMS tunnetaan luultavasti parhaiten antureistaan ja ohjaimistaan.

Mikroelektronisten piirien tuotannossa yleisimmin käytetty alustamateriaali on pii (Si). Muiden käytettyjen sopivien materiaalien joukkoon kuuluvat piidioksidi 20 (S1O2), piinitridi (SiN), monikiteinen pii ja kvartsi.

Kuvio 1a on räjäytyskuva tunnetun tekniikan kiihtyvyysanturista, joka perustuu piin hitausmassan inertiaan. Kiihtyvyysanturilla on monikerroksinen rakenne, .v. joka käsittää piikerrokset 101, 111, 121 ja lasieristekerrokset 102, 122, joista .·/: 25 ensin mainittu sijaitsee piikerrosten 101 ja 111 välissä ja jälkimmäinen • · · piikerrosten 111 ja 121 välissä. Rakenne edelleen käsittää kaksi paikallaan V*! pysyvää kondensaattorilevyä, joista ensimmäinen levy (ei näy kuviossa) on • » · sijoitettu lasieristekerroksen 102 ja piikerroksen 111 väliin ja toinen levy 124 on sijoitettu piikerroksen 111 ja lasieristekerroksen 122 väliin. Piin hitausmassa 30 104 on kiinnitetty runkoon 111 kahdella elastisella piijousella 105.

\'\· Hitausmassan ja kunkin lasieristeen välissä on tyypillisesti yhden mikrometrin :***: väli.

··· • · • · ·

Kun kiihtyvyysanturi altistetaan kiihtyvyydelle, elastiset jouset 105 • · *·;·’ 35 tasapainottavat hitausmassan inertiaa joustamalla. Suhteellisen pieni inertiamassan siirtymä mitataan vertaamalla toisen levyn 124 ja hitausmassan tuottamaa kapasitanssia kapasitanssiin, jonka tuottaa ensimmäinen levy ja • · · hitausmassa. Sähköliitännät, joita tarvitaan edellä mainitun vertailun 2 119078 toteuttamiseksi, muodostetaan metallikaivoilla 103, 113, 123, jotka ovat sovitettuja kunkin piikerroksen vastaavalle ulommalle pinnalle.

Kiihtyvyysmittari, kuten esimerkiksi kuviossa 1a kuvailtu, voidaan helposti 5 valmistaa mittaamaan haluttua kiihtyvyysaluetta. Kuitenkin niiden huonoja puolia ovat valmistuksen kalleus ja vaatimus monimutkaisesta mittauselektroniikasta, joka tarvitsee virtalähteen.

Kuvio 1b esittää ylhäältä katsottuna tunnettua tekniikkaa lukittavasta 10 kiihtyvyysmittarista, joka mekaanisesti tallentaa iskuja ilman virtalähteen tarvetta. Tällaista lukkiutuvaa kiihtyvyysmittaria voidaan käyttää iskun piikki-arvon tallentamiseen alueella, joka kattaa 60 g - 3500 g (missä g on painovoiman kiihtyvyys) 15 Kiihtyvyysmittarin tärkeimmät osat ovat alusta 151, joustava uloke 153, jonka toinen pää on kiinnitetty alustaan, inertiamassa 152 keskellä uloketta, ja joukko koloja 154 - 158, jotka muodostavat kaaren. Ulokkeen liike estetään läheisillä lasi- ja/tai piipinnoilla (159 ja 160) ulokkeen kummalla tahansa puolella paperin kanssa yhdensuuntaisessa tasossa.

20

Kun kiihtyvyysmittaria altistetaan kiihtyvyydelle, inertiamassa taittaa ulokkeen päätä 158. Kiihtyvyyden määrästä riippuen pää liikkuu kololta toiselle.

Esimerkiksi, jos pään alkuperäinen sijainti on kolojen 155 ja 156 välissä, se voi :Y: siirtyä kolojen 154 ja 155 väliin tai vaihtoehtoisesti kolojen 156 ja 157 väliin.

.·. : 25 * · · • · .···. Elastisen ulokkeen jousivoima (ulottuvuudet ovat tyypillisesti: pituus 1 mm ja paksuus 5 μιτι) ei ole riittävän vahva palauttamaan päätä alkuperäiseen * · · l..’t asentoon. Ylimääräisiä pysäyttäjiä 161 ja 162 voidaan sovittaa siten, että ne ’*·** mahdollistavat lisäkynnysarvojen tallentamisen.

30 • · · ’ *.** Vaikka tällainen kiihtyvyysmittari on riittävä moneen tarkoitukseen, tyypillisesti • · · osoittamaan kovakätisen käsittelyn kuljetuksissa, kuten artikkelissa Electronic

Design Magazine 23.6.1997, ss. 28-31 kerrotaan, että mekaanisella .··*·. lukitukseen perustuvalla kiihtyvyysmittarilla on useita puutteita. Kitkasta johtuen • · 35 on vaikeaa hallita kiihtyvyyden kynnysarvoja tarkasti, ja vaihtelut yksittäisten : **· kappaleiden välillä ovat suuret. Lisäksi inertiamassa osoittaa kiihtyvyyden vain • · · yhdellä tasolla.

3 119078

Suurin osa kehitetyistä MEMS- kiihtyvyysmittareista perustuu hitausmassan inertiaan, joka toimii jousena tai jousina, ja mittaukseen taipumisesta alkuperäiseen sijaintiin verrattuna. Esimerkiksi kapasitiivinen piirielementti voidaan tehdä muuttamaan kapasitanssia taipumasta riippuen. 5 Autojen ilmatyynyjen (Air-Bag) kiihtyvyysmittarit käyttävät tyypillisesti tällaista mittausmenetelmää ja niistä on kehitetty luotettavia, massatuotettavia, halpoja laitteita.

Mikromekaanisia sivuttaiskenttäemitterejä, jotka on sovitettu taipuviin 10 ulokkeisiin, käytetään joissakin kiihtyvyysantureissa.

Tällaisissa antureissa virran voimakkuus perustuu ulokkeen taipumiseen, mikä poikkeuttaa sivuttaiskenttäemitterejä vastustamasta toisiaan. Molemmat tunnetun tekniikan kiihtyvyysanturit tarvitsevat avustavaa elektroniikkaa. Tämä 15 kuitenkin kasvattaa tuotannon kustannuksia, mikä ei ole hyväksyttävää monissa tapauksissa.

Tunnetun tekniikan kiihtyvyysanturit ovat yleensä erillisiä laitteita, missä anturi ja mittauselektroniikka on toteutettu erillisille siruille. Viimeaikoina joitain 20 mikrotyöstettyjä kiihtyvyysantureita on suunniteltu, missä anturi ja mittauselektroniikka on toteutettu yhdellä puolijohdesirulla. Tällaiset anturit on tyypillisesti pakattu yksittäisen sirun moduuleihin (single chip module, SCM) tai ##*j* usean sirun moduuleihin (multichip modules, MCM) joiden ominaisuuksiin :*·*· kuuluu, että sekä anturi että mittauselektroniikka on samassa pakkauksessa.

Λ*: 25 • ··

Yhtenä ongelmana on se, että nykyisellään ei ole kaupallisesti tarjolla tällaisia antureita, jotka sopisivat massatuotettuihin kannettaviin päätelaitteisiin, kuten elektronisiin kirjoihin, ja jotka kykenisivät rekisteröimään tai varoittamaan * · **··* päätelaitteen kärsittyä kiihtyvyyden iskuista. Lisäksi tunnetun tekniikan 30 antureille ei ole menetelmää etälukemiseen tai iskun tapahtuma-ajan • · · : *.·' rekisteröintiin.

• · · • m • · ··· .·!·. Normaalikäytännön mukaan yritykset antavat tuotteilleen, kuten elektronisille .*·*' laitteille, takuun. Mikäli virheitä tai puutteita esiintyy takuuaikana, asiakkaalla on i « 35 oikeus vaatia viallisen laitteen korjausta tai vaihtamista maksutta. Kuitenkaan ei • « : *·· ole olemassa menetelmää, jonka avulla voitaisiin selvittää, onko asiakas käsitellyt elektronista laitetta liian kovakouraisesti vai oliko laite jo saataessa valmiiksi viallinen. Yleensä tuote ei itsessään millään tavoin ilmoita käyttäjälle 4 119078 tai korjaajalle väärinkäytöstä, mikäli näkyviä fyysisiä vauriota ei löydy. Väärinkäytöstä johtuvat tarpeettomat takuukorjaukset ovat nykyisin yleisiä, johtuen siitä, että rikkoutumisen tai vahingoittumisen syytä ei voida jäljittää. Valmistajien ja kauppiaiden kannalta tämä on turhauttavaa ja usein hyvin 5 epätaloudellista. Väärinkäyttöä voitaisiin minimoida, jos tuote tavalla tai toisella varoittaisi käyttäjää kovasta käytöstä, joka voi vahingoittaa laitetta.

Tämän lisäksi oikeudettomia takuuvaatimuksia voitaisiin välttää, jos tuote itsessään voisi ilmaista väkivaltaisen käytön. Myös vuokrattavien laitteiden 10 väärinkäyttöä voitaisiin välttää, jos lainaaja tietäisi, että laitteen väärinkäyttö voitaisiin varmistaa laitetta palautettaessa.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

15 Keksinnön tavoitteena on toteuttaa edullinen rikkoutuva inertiaali kynnysarvoanturi, joka hyödyntää pääasiassa piin mikrotyöstöteknologiaa. Keksinnön muina tavoitteina on, että anturi soveltuu massatuotantoon, on pieni kooltaan, pintaliitettävä ja sille on mahdollista rekisteröidä kiihtyvyyden kynnysarvojen tasoja. Anturin avulla voidaan tarkistaa onko laite, kuten mobiili 20 päätelaite, kärsinyt pudotuksesta tai muusta kiihtyvyysiskusta. Tällä hetkellä ei ole olemassa tällaiseen käyttöön soveltuvia antureita.

··· Anturi valmistetaan piikiekolle tai muulle hauraalle materiaalille MEMS

• ·« · prosessin mukaisesti. Anturi koostuu ensimmäisestä ja toisesta runko-osasta, 25 yhdistävästä elementistä, joka yhdistää ensimmäisen runko-osan ja toisen • * · runko-osan, ja havainnointivälineistä indikoimaan, mikäli toinen runko-osa ;**. vahingoittaa havainnointivälineitä.

• · · • · ··* *···* Keksinnön eräässä suoritemuodossa anturi käsittää vähintään yhden 30 inertiamassan, jolla on vähintään yksi pieni rikkoutuva uloke, kuten kannatin, ·· · : palkki tai tanko, jonka toinen pää on liitetty inertiamassaan ja toinen pää on liitetty tukirunkoon. Ulokkeen koko on melko pieni verrattuna inertiamassaan.

.•V Kun anturiin kohdistuu kiihtyvyyttä, inertiamassa aiheuttaa rasitusta ulokkeelle, • · M mikä aiheuttaa murtumisen rasituksen tietyillä tasoilla.

35 : *·· Tietoja rikkoutuvasta anturista voidaan mitata esimerkiksi muutoksista sähköisessä impedanssissa. Joko anturi on päällystetty ainakin osittain jollain johtavalla materiaalilla, joka rikkoutuu palkin mukana, tai vaihtehtoisesti 5 119078 inertiamassan liike rikkoo johtavan johtimen. Muut keinot havaita rikkoutunut palkki on mitata inertiamassan vastetta mekaanisten tai sähkömagneettisten välineiden vaikutuksiin. Koska rikkoutuneen laitteen vaste on erilainen kuin rikkoutumattoman, kapasitatiivista lukemaa voidaan soveltaa. 5 Konduktanssin mittaus on kuitenkin edullisin menetelmä.

Johtavan johtimen rikkoutuminen ja sen tapahtuma-aika sekä kiihtyvyyden suunta voidaan tallentaa ja lukea joko aktiivisesti tai passiivisesti, riippuen käytetystä tavasta. Useita antureita, jotka reagoivat eri voimiin, voidaan 10 toteuttaa samassa tuotteessa. Anturin tila on luettavissa joko suoraan tai muistista. On olemassa useita vaihtoehtoja anturin tilan lukemiselle, kuten itsenäisen testauksen lukeminen, suoraluku ja etäluku. Vaikka anturiryhmien liitännät on minimoitu, anturijoukon antureiden tila voidaan lukea yhtäaikaisesti, kun tarkistetaan, onko yksi vai useampi anturi rikkoutunut.

15

LYHYT KUVAUS KUVIOISTA

Keksintö on kuvattu tarkemmin viitaten liitteenä oleviin kuvioihin, joissa 20 kuvio 1a esittää esimerkin tunnetun tekniikan kiihtyvyysanturista, kuvio 1b esittää esimerkin tunnetun tekniikan mekaaniseen lukitsemiseen perustuvasta kiihtyvyysmittarista, >(*l· kuvio 2 esittää esimerkin anturin inertiamassan perusrakenteesta, kuviot 3a-c esittävät joitakin esimerkkejä anturin inertiamassan • » 25 perusrakenteesta, .·*·. kuvio 4a on tyypillinen jännitys-rasitusgraafi monikiteisilie materiaaleille ja ,·**. metalleille, kuvio 4b on tyypillinen jännitys-rasitusgraafi yksikiteisille materiaaleille, kuten • « ***** yksikiteinen pii, 30 kuvio 5 esittää yhtä esimerkkiä rakenteesta, johon kuuluu useampi kuin yksi : *.*’ inertiamassa syövytettynä samalle piirille, ··· 5,..: kuvio 6 esittää mikromekaanisen inertia-anturin tuotannon prosessin kulun, .·!·. kuviot 7a-b esittävät poikkileikkauksen, ylä- ja etupuolen näkymän tuotannon ,··*. esimerkistä prosessin kulun mukaisesti, • · *" 35 kuviot 8a-c esittävät yhden esimerkin rikkoutuvasta kiihtyvyysanturista, • · : *·· kuvio 9 esittää änturipiirien lukemisen, kuvio 10 on esimerkkinä etämittauksesta RF-resonanssipiirejä käytettäessä, 6 119078

Kuviot 11a-b esittävät esimerkin, kiihtyvyysanturin prosessoinnista, joka hyödyntää sekä massamekaanisia että pinnan mikromekaanisia tekniikoita, ja kuviot 12a-b esittävät kiihtyvyysanturijärjestelmän alustalla.

5 YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS EDULLISESTA SUORITUSMUODOSTA

Keksinnön mukaista pientä rikkoutuvaa inertiakynnysarvoanturia käytetään varmistamaan onko tuote tai laite, kuten mobiilipääte kärsinyt pudotuksesta tai muusta kiihtyvyysiskusta. Anturin toiminta perustuu yksinkertaiseen faktaan, 10 jonka mukaan kun anturia kiihdytetään, anturin inertiamassa, joka on liitetty tukirunkoon ainakin yhdellä palkilla, vastustaa liikettä. Kun vastustava inertiavoima on tarpeeksi suuri, palkki rikkoontuu.

Seuraavassa tarkastellaan yksityiskohtaisesti, esimerkkien avulla kuvioissa 2-15 11, pientä rikkoontuvaa inertiakynnysarvoanturia, joka on valmistettu mikrotyöstötekniikaila. On merkillepantavaa, että komponenttien suhteelliset mitat kuviossa voivat vaihdella todellisuudessa. Inertiakynnysarvoanturista käytetään jatkossa nimitystä kiihtyvyysanturi tai lyhyesti anturi.

20 Ensimmäiseksi tarkastellaan yksityiskohtaisesti inertiamassaa, jolla on vähintään yksi ulokepalkki irti tukirungosta.

>t·:· Kuvio 2 esittää esimerkkiä anturin inertiamassan perusrakenteesta. Rakenne on kuutiomainen käsittäen kaksi pientä ulokepalkkia symmetrisesti • · : 25 kuutiomaisen massan saman reunan vastakkaisissa kulmissa. Inertiamassa on • · · muutamia satoja mikrometrejä paksu ja se on valmistettu kaupallisesti * · saatavasta eristepiistä (Silicon On Insulator, SOI), joka on komposiittirakenne *..* sisältäen kaksi piikerrosta 200, joiden välissä on ohut eristekerros (esim.

*··** piioksidi Si02) 203. Tässä esimerkissä ylempi piikerros on päällystetty 30 johtavalla materiaalilla 204, joka päällystää myös ulokepalkkien ylimmän : V kerroksen, kuten kuviossa 2 on esitetty. Esimerkkeinä muista eristeistä voidaan käyttää piinitridiä ja piin eristäviä esiintymismuotoja. Johtava kerros voi olla monikiteistä piitä, metallia tai mitä tahansa muuta sopivaa rikkoutuvaa johtavaa .···. materiaalia.

’*:** 35 ·· : '·· Ulokepalkki on toisesta päästään liitetty inertiamassaan ja toisesta päästään *·· runkoon (ei näy kuviossa 2). Ulokepalkki on melko pieni verrattaessa inertiamassaan. Täten, kun anturiin kohdistuu riittävä ulkoinen kiihtyvyys, 7 119078 kiihtyvyys aiheuttaa inertiamassaan liikettä, jonka aiheuttama rasitus murtaa ainakin yhden ulokepafkin, ja samanaikaisesti johtava johdin rikkoutuu. Tietoja rikkoutuvasta varokeanturista voidaan mitata esimerkiksi muutoksista johtavan osan johtimen impedanssissa.

5

Anturin inertiamassa määrää sen vasteen kiihtyvälle voimalle. Esimerkiksi rakenne kuviossa 2 on herkin voimille, jotka vaikuttavat siihen z-akselin suuntaisesti ja se on vähemmän herkkä voimille, jotka vaikuttavat siihen y-akselin suuntaisesti. Tarkasti ottaen vääntömomentin T z-komponentti on 10 suurempi kuin x- ja y-komponentit.

Yleisesti ottaen jäykällä kappaleella on liikkeen suhteen kolme vapaata tasoa, yksi jokaisessa koordinaatiston akselin suunnassa. Vastaavasti sillä on kolme vapaata kulmaa, jonka suhteen se voi pyöriä, yksi kunkin koordinaattiakselin 15 ympäri. Jotta kappale olisi tasapainotilassa, tulee kaikkien vaikuttavien voimien summan olla nolla, kuten myös vääntömomenttien summan.

Anturin herkkyyttä voidaan säätää toivotulle tasolle muuttamalla ulokepalkin ja/tai massan dimensioita. Anturin herkkyys riippuu myös ulokepalkkien 20 sijainnista, kuten myös niiden muodoista. Lisäksi ulokepalkkien määrällä on vaikutusta herkkyyteen. Ulokepalkin repeämiskohta voidaan laskea ja sitä voidaan säätää muuntelemalla ulokepalkin parametreista pituutta I, leveyttä b . ·:· tai paksuutta h ja inertiamassan dimensioita.

* · • · # • · # : 25 Kuviot 3a-3c esittävät joitakin esimerkkejä anturin inertiamassan .···! perusrakenteesta. Vaikka inertiamassa ulokepalkkeineen on esitetty kuvioissa • « irrallaan rungosta, on huomattava, että ne voidaan kaikki syövyttää SOI levylle (tätä tutkitaan myöhemmin tarkemmin) siten, että rajapinta ulokepalkkien ja **··’ rungon välillä on rikkoutumaton.

30 ·* » ; *.·* Keksinnön mukainen anturi käsittää inertiamassan, vähintään yhden • · · rikkoutuvan ulokepalkin ja rungon, joka kannattaa inertiamassaa ulokepalkin ,v. toisesta päästä. Ulokepalkki sijaitsee edullisesti inertiamassan reunan ,···. kulmassa, kuten on esitetty kuvioissa 3a ja 3b. Vaatimuksista riippuen • · '1' 35 ulokepalkit voidaan kuitenkin sijoittaa minne tahansa inertiamassassa (kuvio • · : *·· 3c), symmetrisesti tai epäsymmetrisesti. Tietysti vaadittu kiihtyvyyden • · · kynnysarvon taso määrittää käytetyn inertiamassan koon, muodon ja painon, kuten myös käytettyjen ulokepalkkien 301 määrän ja sijainnin. Kiihtyvyyden . 119078 Ο kynnysarvon taso voi olla väliltä 500g-10000g, missä g on putoamiskiihtyvyys. Esimerkiksi, jos levossa oleva kappale pudotetaan yhden metrin korkeudelta ja sen pysähtymismatka on yksi millimetri, kappaleeseen kohdistuva hidastuvuus on noin 1000g. On huomattava, että yllämainitut 5 kynnysarvojen tasojen rajat ovat vain ohjeellisia;

Olettaen, että kuvioissa 3a-3c anturin inertiamassa on valmistettu kaupallisesti tarjolla olevasta eristepiistä (SOI), joka on komposiittirakenne käsittäen kaksi piikerrosta 300 ja eristekerroksen 303. Eristekerrosta ei kuitenkaan välttämättä 10 vaadita valmistusprosessissa, esimerkiksi, kun inertiamassa on syövytetty, eristekerros vain helpottaa prosessia. Ainakin osa anturin ulommasta pinnasta on peitetty jollakin rikkoutuvalla johtavalla materiaalilla (ei esitetty kuviossa 3). Kuten yllä on kuvattu, ulokepalkki rikkoutuu, jos anturiin kohdistuva kiihtyvyys on riittävä kallistamaan inertiamassaa. Toisin sanoen, kun inertiamassan 15 kallistuskulma Θ kasvaa, ulokepalkin ja inertiamassan poikkeavuusrasitus τ kasvaa, johtaen rakenteen murtumiseen (katso kuvio 2).

MEM-prosessin mukaisesti yhdelle ja samalle piikiekolle voidaan valmistaa lukuisia pienikokoisia, edullisia kiihtyvyysantureita suuntautuneina eri suuntiin.

20 Vaikka yksikiteinen pii on paras materiaali kiekolle, muitakin rikkoutuvia aineita voi tulla kysymykseen, kuten piidioksidi (Si02), piinitridi (SiN), monikiteinen pii, kvartsi, safiiri tai rakennelma sellaisista materiaaleista, jotka pääosin ·:· muodostavat kerrosrakenteen. Täten voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa • · · · haurasta materiaalia.

• · · • · .· · 25 • · ·

Kuvio 4 esittää tyypillisen rasitus-jännitysgraafin monikiteisille materiaaleille ja kuvio 4b yksikiteiselle materiaalille kuten yksikiteiselle piille. Kuvio 4a esittää, *;./ että myötörajan jälkeen materiaali muovimaisesti venyy, kunnes se murtuu • · *···’ rasituksen tason pysyessä suhteellisen vakiona. Materiaalin deformoitunut 30 muoto pysyy, kun aiheutettu venyttävä rasitus vapautetaan. Kuvio 4b esittää, ·· · : että kun venyttävä rasitus vapautetaan yksikiteinen materiaali palautuu s’*.*: alkuperäiseen muotoonsa eli deformaatiosta tai hystereesistä ei löydy jälkiä.

,v. Murtumispiste näkyy siinä kohdin, missä materiaali murtuu. Jännitys ε • · · määritellään s=AL/L, missä L esittää kappaleen pituutta ja AL on pituuden *:*’ 35 muutos.

• · * · • · · *

Edut, jotka tekevät piistä parhaan materiaalin MEM-prosessin mukaisesti valmistetulle anturille ovat seuraavat: pii on taloudellinen, murtuu ilman 9 119078 muotoutumista, on yksinkertainen valmistaa pienikokoiseksi (alue noin 1 mm2) ja se soveltuu massatuotantoon.

Pii on ei-metallinen elementti, jota on runsaasti tarjolla. Sillä on timanttinen 5 kidehila. Erityisesti yksikiteinen pii on suositeltavaa, koska sen murtumispisteet ovat helposti ennustettavissa kiderakenteesta. Tämä ei kuitenkaan estä käyttämästä amorfista piitä (ei kiteinen merkittävällä tavalla), joka on huomattavasti edullisempi materiaali kuin yksikiteinen pii.

10 Käytetty prosessi mahdollistaa kolmiulotteisten kiihtyvyysanturien valmistamisen käyttämällä pintakiihtyvyysantureita samalla piikiekolla.

Sähkökemiallinen syövyttäminen on yksi käytetty tekniikka piikiekon pinnan pinnoittamiseksi ja kuvioimiseksi. kahta erilaista syövyttämistekniikkaa 15 ehdotetaan materiaalin poistoon, märkä- ja kuivasyövytys. Yksinkertaisimmat piikiekolle muodostettavissa olevat rakenteet ovat V-muotoiset urat tai reiät, joilla on suorakulmaiset kulmat ja kaltevat seinät.

Kuvio 5 esittää yhden esimerkin rakenteesta, johon kuuluu useampi kuin yksi 20 inertiamassa syövytettynä samalle piirille. Tämän esimerkin rakenne on mikrotyöstetty piikiekolle ja sillä on L-kirjaimen muoto, ja se koostuu rungosta 500 ja kahdesta kuutiomaisesta inertiamassasta 501 ja 502, joista kummallakin ··· on kaksi pientä ulokepalkkia 503 sijoitettuna symmetrisesti inertiamassan • · · · saman reunan vastakkaisiin kulmiin. Ainakin osa esitellystä rakenteesta on 25 päällystetty johtavalla kerroksella 504.

• · · • · ««· ♦ · ;*’! L-rakenteen kummassakin ulokkeessa on onkalo suorakulmaisen kulman ja • · * suorien seinämien kanssa. Kussakin onkalossa on yksi inertiamassa.

• · ’···* Ulokepalkin toinen pää on kiinnitetty inertiamassaan ja toinen pää onkalon 30 seinämään. Inertiamassan 501 ulokepalkit ovat x-akselin suuntaisia ja • · · : V inertiamassan 502 ulokepalkit ovat y-akselin suuntaisia, kuten on esitetty :[[[: kuviossa 5. Kuten yllä mainittiin, kuviossa esitettyjen komponenttien .V. suhteelliset dimensiot voivat vaihdella todellisuudessa. Esimerkiksi, ulokepalkit • ♦ · M ovat hyvin pieniä verrattuna inertiamassaan. Liitäntä ulokepalkin ja rungon ’*:·* 35 välillä, kuten myös liitäntä ulokepalkin ja inertiamassan välillä on rikkoutumaton, koska mainitut rakenteet on syövytetty samalle piirille. Ulokepalkki voi tietysti olla myös erillinen osa, joka on jollakin sopivalla tavalla kiinnitetty inertiamassaan ja runkoon.

10 1 1 9078

Rakenteesta ainakin osa on peitetty rikkoutuvalla johtavalla materiaalilla 504. Sen muotoa ja sijaintia ei ole rajoitettu edellyttäen, että johtava materiaali on sovitettu sillä tavoin, että se rikkoontuu, kun uloke rikkoontuu. Kuvion 5 mukaan 5 alue 505 rungon yläpinnasta on varattu elektronisille piireille.

Yleisesti ottaen rakenteen herkkyys kasvaa verrannollisesti sellaisten inertiamassojen määrään nähden, joilla on erilaiset kiihtyvyyskynnysarvojen tasot ja kallistussuunnat. Keksintö sisältää useita tapoja toteuttaa esitellyt 10 inertiamassat suuntaamalla niitä eri suuntiin. Esimerkiksi jossain tapauksissa kuusi inertiamassaa voidaan sovittaa muodostamaan kuusikulmainen rakenne tai kolme inertiamassaa voidaan suunnata siten, että toinen inertiamassa on käännetty 45 asteen kulmaan ensimmäisen inertiamassan suhteen ja kolmas on käännetty 45 asteen kulmaan toisen suhteen.

15

Kuvio 6 esittää lohkokaavion esimerkillisestä valmistusmenetelmästä inertia-anturille.

Kuvatussa valmistusprosessissa käytetään SOI-kiekkoa 600. Ensiksi, 20 peitekerros levitetään kiekolle pyörivällä valulla tai muiden menetelmien mukaisesti vaiheessa 601. Peitekerros kehitetään sitten fotolitografian avulla muodostamaan avoimia alueita johtavalle johtimelle. Peitekerroksen kehityksen ··· jälkeen johtava kerros levitetään kiekolle vaiheessa 602. Tämän jälkeen • · · · peitekerros poistetaan kiekolta ja johtava johdin on muodostettu kiekolle 25 vaiheessa 603.

• ·· • · ··· • ·

Prosessin seuraavassa vaiheessa 604 levitetään peitekerrokset syväsyövytystä • · « varten kiekon molemmin puolin. Aukot peitekerroksessa syväsyövytystä varten • · *···’ prosessoidaan vaiheessa 605. Tämän jälkeen muodostetaan inertiamassa 30 kiekon kahvakerroksesta syväsyövyttämällä kiekon takapuolesta prosessin ·· · : V vaiheessa 606. Ulokepalkit muodostuvat kiekon laitekerroksesta syövyttämällä kiekon etupuolta vaiheessa 607. Ennen laitteen vapauttamista peitekerrokset .v, poistetaan kiekon etu- ja takapuolista prosessin vaiheessa 608. Ja lopuksi • · · vaiheessa 609 laite vapautetaan syövyttämällä eriste avoimilta alueilta, joissa *·:*' 35 inertiamassa on kiinni.

·· • · * ·» ·'

Kuviot 7a-b esittävät poikkileikkauksen SOI-kiekon etu- ja takapuolista prosessin kunkin vaiheen jälkeen. Prosessin kulun vaiheet 700-709 kuvioissa 11 119078 7a-b vastaavat prosessin vaiheita 600-609 kuviossa 6 ja ne kuvataan tarkemmin seuraavaksi.

SOI-kiekko koostuu kahdesta piikerroksesta 70D ja 70H (laite- ja kahvakerros) 5 ja eristekerroksesta (SiO) 71 vaiheessa 700. Peitekerros 72 levitetään piikerrokselle 70D. Vaiheessa 701 avoin alue 74 johtavalle johtimelle nähdään etupuolen kuviossa. Metalli (jalo) 73 höyrytetään (tai levitetään millä tahansa sopivalla tavalla) peitekerrokselle 72 (vaiheessa 702) siten, että kun peitekerros poistetaan vaiheessa 703, kuvio, joka koostuu höyrytetystä metallista 73, säilyy 10 kiekon pinnalla 70D. Seuraavassa vaiheessa 704 peitekerros 72 on levitetty molemmille piikerroksille eli kerroksille 70D ja 70H. Ensimmäinen kerros 70H syväsyövytetään (vaihe 706) muodostamaan inertiamassa 75. Sen jälkeen kerros 70D syövytetään muodostamaan kaksi ulokepalkkia 76 vaiheessa 707. Materiaalin poisto tapahtuu kuivasyövytystekniikalla, kuten reaktiivisen ionin 15 syövyttämisellä, mikä on yleisin kuivasyövytyksen muoto mikrotyöstön sovelluksissa. Laite on nyt muodostettu SOI-kiekosta ja se on kiinni eristekerroksessa 71 kahva- ja laitekerroksien, eli kerroksien 70D ja 70H välissä. Peitekerrokset 72 poistetaan (vaihe 708) ja eristekerros 71 syövytetään pois avoimilta alueilta 77 vaiheessa 709.

20

Kuvio 8 esittää yhtä esimerkkiä rikkoutuvasta kiihtyvyysanturista. Kuviossa 8a on eristepiitä (SOI) kuten voidaan todeta edellä olevasta, koostuen kahdesta piikerroksesta 800 ja 809, ja piioksidikerros 807 näiden välissä.

• ·· · • · • * * ♦ * ♦ 25 Kuvio 8b esittää saman SOI:n kuivasyövytystekniikalla tapahtuneen materiaalin • · * I./ poiston jälkeen (osa kerroksista 807 ja 809). Luotu kuviointi on monimuotoinen käsittäen kaksi aluetta 801 ja 802, jotka nousevat piialustasta 800, * · · inertiamassan 804 oleellisesti erillään mainitusta piialustasta, pienen ulokepalkin 805, jonka toinen pää on liitettynä inertiamassaan ja toinen pää 30 alueeseen 801, ja sillan 806, joka sisältää johtavaa materiaalia ja liittää mainitut • · · • *.·* alueet. Piioksidikerros poistetaan muutoin SOI:lta läpikotaisin paitsi, että sitä jätetään alueiden 801 ja 802 alle.

• · • · · * * *

Inertiamassa on tietyllä etäisyydellä sillasta, eikä niiden väillä ole esteitä, joten **:** 35 kun anturia kiihdytetään riittävästi, inertiamassa toimii kuin vasara rikkoen sillan j**.. 806. Rikkoutumispiste 808 on esitetty pisteympyrällä kuviossa 8b. Sillan rikkoutuminen havaitaan helposti kun sähköinen johtavuus mitataan kahdesta päätteestä 802, josta toinen on alueella 801 ja toinen alueella 802.

12 119078

Kuvio 8c esittää poikkileikkauksen rakenteesta kuviossa 8b tarkasteltuna y-suunnassa pisteviivan 810 kohdalla. Tässä kuviossa on helposti nähtävissä, että molemmat, sekä inertiamassa 804 että ulokepalkki 805, ovat irrallaan 5 piialustasta 800.

Kuvio 9 esittää tyypillistä sulautettua tietokonejärjestelmää käsittäen prosessorin 901, näytön 902, muistin 903, reaaliaikaisen kellon 904, signalointiväiineet 905 signaloimaan käynnistyksen ja sulkemisen prosessorille, 10 sekä tiedonvaihtovälineet 906. Ainakin osa muistista 903 on katoamatonta ja toinen osa on varattu ohjeille, joita prosessori tulkitsee.

Kuvion 9 mukainen esimerkkijärjestelmä, joka on sovitettu mittaamaan kiihtyvyysanturin varokesilmukoita, käsittää ensimmäisen silmukan 911, 15 toiminnallisesti liitettynä ensimmäisen kiihtyvyysanturin 921 läpi prosessoriin 901, rekisteröintivälineet 907 rekisteröimään signaalit, jotka saapuvat ensimmäisestä silmukasta, lukuvälineet 908 lukemaan dataa 909 rekisteröintivälineistä ja keskeytysvälineet 910 keskeyttämään mainittuun muistiin 903 tallennetun ohjelman mainittuhen ohjeiden normaalin 20 täytäntöönpanon..

Ensimmäinen silmukka 911 on edullisesti puskuroitu puskurilla 920 ennen kuin mainittu silmukka on lukittu rekisteriin 907. Tämä rekisteri tyypillisesti .*!*. tyhjennetäänkun data 909 on luettu lukemisvälinein 908.

• » t 25 !..* Vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa puskuri 920 samoin kuin • rekisteröintivälineet 907 voidaan jättää pois, jolloin signaali ensimmäisestä • · φ silmukasta on suoraan yhteydessä prosessoriin. Tällainen yhteys on esitetty myös kahdelle täydentävälle silmukalle, eli toiselle silmukalle 912 ja 30 kolmannelle silmukalle 913. Toinen silmukka on toiminnallisesti liitetty toisen j*\: kiihtyvyysanturin 922 läpi prosessorille 901. Vastaavasti kolmas silmukka on toiminnallisesti liitetty prosessoriin kierrättämällä kolmas silmukka kolmannen φ.\# kiihtyvyysanturin 923 ja anturin 922 läpi. Kiihtyvyysanturit ovat esimerkiksi edellä kuvatun kaltaisia.

35 :**·· Silmukan 911 rikkoutuminen raportoidaan keskeytyksen pyyntösignaalilla 910.

Vaihtoehtoisesti silmukka tutkitaan määräajoin kyselemällä. Kysely on edullisinta tehdä käynnistyksen ja sulkemisen yhteydessä.

13 119078

Eri silmukoiden tilat, kuten silmukoiden 911, 912, ja 913 kuviossa 9, tilat edullisesti päätellään kyselemällä itsenäisen testausprosessin aikana käynnistyksen ja sulkemisen yhteydessä. Tämän hetkinen tila aikaleimataan ja 5 rekisteröidään muistiin käyttämällä hyväksi reaaliaikaisen kellon 904 aikatietoa.

Tyypillisesti vain kaksi viimeistä aikaleimattua sulkemisen ja käynnistyksen tilan tapahtumaa on rekisteröitynä katoamattomassa muistissa kullekin silmukalle ja kukin aikaleimattu data kirjoittaa yli aiemmin rekisteröidyn aikaleimatun datan, 10 jos itsetestin tulos on sama kuin aiemmin. Täten muistia ei hukata turhaan, mutta mikä tahansa kiihtyvyystapahtuma, joka aiheuttaa silmukan rikkoutumisen, saa identiteettinsä aikaleimatuksi joko tarkalla rikkoutumisajalla tai kahden aikaleiman välisenä aikana. Nämä aikaleimat ovat sammutustapahtuma ennen rikkoutumista ja käynnistystapahtuma 15 myöhemmin, kun silmukan rikkoutuminen on havaittu, esimerkiksi kyselemällä käynnistyksen itsenäisen testausproseduurin aikana, joka tarkistaa eri silmukoiden tiloja.

Prosessissa suoritettava ohjelma voi informoida käyttäjää 20 kiihtyvyystapauksesta ja sen seurauksista hyödyntämällä näyttöä 902, mutta tämä riippuu sovelluksesta ja siitä, onko näyttö käytettävissä.

•j. Resistanssi eri silmukoissa voidaan mitata käyttämällä sisäistä analogisesta *·· digitaaliseen muuntajaa (ADC) prosessorissa 901 tai jossain muussa 25 järjestelmän resurssissa ja mitattua arvoa verrataan aiemmin rekisteröityyn • · · t*..* arvoon. Jos muutos ylittää ennalta määrätyn minimiarvon, tulos aikaleimataan ;*·, ja rekisteröidään. Edullisesti käytetään vain jännitetasoa indikoimaan silmukan • · · tilaa ja binaarinen muutos aiheuttaa sen, että tulos aikaleimataan ja *···’ rekisteröidään.

30 : V Sovitettaessa sopivia testikohtia myös eri silmukoiden resistanssia voidaan mitata paikalla tapahtuvan kunnossapidon toimesta käyttämällä sopivaa voltti-ohmi-mittaria (VOM). Tämä on edullista, mikäli prosessori on lakannut * « * toimimasta.

35 ·**.. Joissakin tapauksissa, erityisesti kun käytetään useampaan kiihtyvyysanturia, voi olla edullista käyttää kahta rinnakkaista rikkoutuvaa johdinta, joita jatkossa 14 119078 kutsutaan varokkeiksi, kiihtyvyysanturin läpi, kuten on esitetty kiihtyvyysanturissa 922 kuviossa 9.

Yleisesti ottaen rinnakkaisvarokkeiden käyttö minimoi erilaisten 5 lukemismetodien keskinäistä vaikutusta. Esimerkiksi yksi sarja silmukoista voi olla yhdistettynä prosessorin digitaaliseen syöttöporttiin ja muut rikkoutuvat varokkeet voivat olla yhdistettynä rinnakkain ennen yhdistämistä analogiseen syöttöporttiin. Jos kussakin näistä rinnakkaisista silmukoista on resistori Saijassa varokkeen kanssa, ja resistorin arvon tultua valituksi binaarisarjasta, 10 on mahdollista päätellä tarkalleen, mitkä esimerkiksi 32 anturista ovat rikkoutuneet ja mitkä eivät ole. Jos kullakin rinnakkaisista varokkeista on resistori sarjaan liitettynä, valittuina binaarisessa järjestyksessä konduktanssin mukaan, on mahdollista päätellä tuloksena saatavasta resistanssista, mitkä varokkeista ovat rikki ja mitkä varokkeet ovat säilyneet koskemattomina. 15 Resistanssiarvo voidaan lukea jopa yksinkertaisella monimittarilla, jos sopivat kontaktialustat on sovitettu mahdollistamaan mittauksen. Jopa standardin mukaiselle 2% resistoreille on mahdollista päätellä, tarkalleen esimerkiksi mitkä 32:$ta anturista ovat rikkoutuneet ja mitkä eivät.

20 On edullista käyttää ainakin yhtä silmukkaa, jota voidaan lukea vaikka prosessori 901 ei olisi toimintakykyinen, johtuen esimerkiksi virranpuutteesta. Rinnakkaisia rikkoutuvia varokkeita voidaan täten hyödyntää silloin, kun on toivottua, että jotkin silmukoista ovat etäluettavissa. Tämä tekniikka kuvataan tarkemmin myöhemmin.

• · i : *. 25 • · · *;./ Sen sijaan, että olisi useita rikkoutuvia varokkeita, voidaan käyttää • · ';··] rekisteröintivälineissä 907 ylimääräisiä yksinkertaisia kombinatorisia logiikoita päättelemään, kuuluuko rikkoutunut varoke siihen joukkoon varokkeita jotka • · · aiheuttavat varoituksen, tai siihen joukkoon varokkeita. jotka indikoivat, että 30 laitteen takuu on menetetty.

·· · • · · • φ • · :*“♦ Koska keksityt anturit ovat herkkiä useassa tasossa ja epäherkkiä vain ·«· varokkeen varren suunnassa, vain muutamia antureita tarvitaan antamaan * · t ‘•[l monisuuntainen iskujen peitto. Kuviossa 9 anturit 922 ja 923 ovat 90 asteen • m *...* 35 suhteellisessa asemassa. Tämä antaa hyvän monikulmaisen peiton, mutta kolmen anturin käyttö delta- tai Y-asettelussa on optimaalinen käytännölliselle ·***; suuntaepäherkkyydelle.

·*· 15 119078

Yleisesti ottaen inertiamassan taipuminen kiihtyvyysanturissa riippuu sekä kiihtyvyydestä että inertiamassan mekaanisesta ominaisresonanssista. Jopa pienen amplitudin värähtelyt, jotka tapahtuvat systeemin ominaisresonanssitaajuudella, aiheuttavat suuria taipumia, jotka rikkovat 5 ulokepalkit. Tämä pitää ottaa huomioon järjestelmää suunniteltaessa.

Ympäristön aiheuttama värähtelyn amplitudi, jonka taajuus on yli muutaman kilohertsin, jota esiintyy esimerkiksi erilaisissa ajoneuvoissa, on kuitenkin merkityksetön verrattuna kiihtyvyysiskuihin, joita keksityt kiihtyvyysanturit on 10 suunniteltu havaitsemaan. Ominaisresonanssin taajuus keksityille antureille on korkeassa kilohertsitasossa, tyypillisesti 6kHz.

Kuvio 10 esimerkillistää etähavainnoinnin hyödyntäen RF-resonanssipiirejä. Kuviossa 10 kukin rikkoutuva varoke 951, 952 ja 953 on kaksinkertainen 15 varoke. Yhtä kaksinkertaisista varokkeista käytetään muodostamaan sarjaan kytketty itsetestaussilmukka 950. Tämä silmukka on toiminnallisesti yhdistetty prosessoriin 901 ja prosessori 901 voi lukea sitä, kuten aiemmin on kuvattu.

Loput kolme varoketta kaksinkertaisista varokkeista on kukin erikseen sarjaan 20 kytketty kondensaattoriin 961, 962 ja 963 kuten ne on myös kytketty rinnakkain keskenään ja kondensaattorin 960 kanssa sekä induktiivisen silmukkaan 981. Mikäli ainutkaan varoke ei ole rikkoutunut, kaikki neljä kondensaattoria 960, 961, 962 ja 963 ovat rinnakkain ja induktiivisen silmukan 981 induktanssi φ · :.v muodostaa resonanssipiirin. Jos jokin kondensaattoreista 961, 962 tai 963 on 25 poistettu resonanssipiiristä, tyypillisesti kun vastaava varoke on rikki, :***: resonanssipiirin, jonka nyt muodostavat induktiivinen silmukka 981 ja ··· kondensaattori 960 rinnakkain jäljelle jääneiden anturikondensaattoreiden .···. kanssa, resonanssitaajuus kasvaa. Jos kondensaattorit 961, 962 ja 963 valitaan sopivasta sarjasta, resonanssitaajuus kullekin yhdistelmälle :v 30 rikkoutuneita ja ehjiä varokkeita on erilainen.

• · • · • · · φ φ *·;·’ On edullista sisällyttää kondensaattori 960, koska se takaa mitattavissa olevan :V: ulostulotaajuuden, vaikka kaikki varokkeiset linkit ovat rikkoutuneet. Muulloin :***: siinä tapauksessa, että kaikki varokkeet ovat rikkoutuneet, säilyy epävarmuus φ φ φ 35 siitä, onko mittausmenetelmä itsessään toiminnassa.

φ φ φ φ φ φ »·« *·..* Mainittu resonanssitaajuus voidaan etälukea, jos resonanssipiiri aktivoidaan ulkopuolelta. Tämä on edullinen menetelmä, kun laitteisto tuodaan 16 119078 takuuhuoltoon, koska rikkoutuvien varokkeitten tila, tai ainakin niiden, jotka suoraan vaikuttavat takuuseen, voidaan päätellä avaamatta laitteistoa. Mikäli laitteisto avataan, vaihtoehtoinen menetelmä on mitata silmukan 950 resistanssi käyttämällä ulkoista VOM:ia (voltti-ohmi-mittaria) 975, joka on liitetty 5 käytettävänä oleviksi sovitettuihin portteihin 971 ja 972. Huonona puolena on se, että ei voida tarkkaan päätellä, mikä varokkeista on rikkoutunut, mutta useimmissa tapauksissa tällä ei ole merkitystä.

Aktivoitaessa mainittuja resonanssipiirejä ulkokautta oleellisesti samanlainen 10 induktiivinen silmukka 983 tuodaan sisäisen induktiivisen silmukan 981 ulottuville 982. Induktiivinen silmukka 983 on toiminnallisesti liitetty joko pyyhkäisyoskillaattoriin 993, melulähteeseen 993, tai pulssigeneraattoriin 993. Yksinkertaisin tapa mitata resonanssitaajuutta resonanssipiiristä, joka sisältää induktanssisilmukan 981 on pyyhkäistä läpi mahdollisen taajuusalueen ja 15 tarkkailla AC-volttimittarista 991 resonanssipiikkejä, jotka tapahtuvat tietyillä taajuuksilla, kuten taajuusanalysaattori 992 tai jokin muu taajuusmittari indikoi. Jos taajuudet, jotka vastaavat kaikkia mahdollisia yhdistelmiä rikkoutuneista varokkeista, on listattu etukäteen laitteen valmistajan toimesta, on kenttähuollon yksinkertaista päätellä, mikä varoke tai mitkä varokkeet ovat 20 rikkoutuneet.

Edistyneempi menetelmä on käyttää melu- tai pulssigeneraattoria ...T pyyhkäisygeneraattorin 993 sijaan. Resonanssitaajuuksia voidaan tällöin tarkkailla taajuusanalysaattorilla 992 ja rikkoutuneet varokkeet voidaan päätellä 25 käyttäen samoja listoja kuin aiemmin. Jos portit 973 ja 974 ovat käytettävissä, induktiivinen silmukka 983 ei ole edes tarpeen: koska portit 994 ja 995 t * · aktivoivassa generaattorissa voidaan suoraan liittää portteihin 973 ja 974 .··*! resonanssipiirissä.

• · ··· ... 30 Kuvio 11a-b on esimerkki kiihtyvyysanturista, joka on valmistettu käyttäen sekä • · · massamikromekaanisia että pintamikromekaanisiatekniikoita. Valmistus *···* voidaan toteuttaa käyttämällä eristepiikiekkoa (Silicon On Insulator Wafer) :Y: (kuten kuvissa 11a-b), mutta myös perinteiset piikiekot tulevat kysymykseen.

9 9 • · ♦ • · • · „·' 35 Kuvio 11a on poikkileikkausnäkymä kiihtyvyysanturista valmistettuna • · : " eristepiikiekolle. Kuutiomainen piin inertiamassa 1100 on liitetty runkoon 1101 monikiteisestä piistä koostuvalla johtimella, joka tekee inertiamassasta yhtenäisen rungon kanssa. Mainittu johdin peittää myös osan inertiamassan 17 119078 pinnasta ja osan mainitusta rungosta. Eristekerros 1103 eristää monikiteisen piijohtimen piirungosta. Kaksi metallisovitinta on valmistettu monikiteiseen piijohtimeen. Kiihtyvyysanturi on liitetty lukemiselektroniikkaosaan näillä sovittimilla.

5

Kuvio 11b on sama kiihtyvyysanturi nähtynä yläpuolelta, eli suunnasta, joka on kohtisuorassa monikiteisen piijohtimen pinnan kanssa.

Kun kiihtyvyysanturi altistuu kiihtyvyydelle, joka ylittää ennalta määrätyn 10 kynnysarvon tason, monikiteinen piijohdin rikkoutuu kohdissa 1102, esitettynä pisteympyröinä kuvioissa 11a ja 11b. Sovittimet on sijoitettu monikiteiseen piijohtimeen siten, että sähköinen johtavuus ja johtamattomuus sovittimien välillä indikoi, että yhteys inertiamassan ja rungon välillä on ehjä tai rikkoutunut.

15 Kuvio 12 esittää sivunäkymän anturijärjestelmästä. Tällainen anturijärjestelmä voi olla itsenäinen moduuli, monisiruinen moduuli (multichip module, MCM) tai järjestelmä sirulla (system on a chip, SoC) -muodossa oleva integroitu piiri.

Kuvio 12a esimerkillistää anturijärjestelmän 611 alustalle 620. Inertiamassa 20 esitetään elementtinä 612. Eristekerros 613 eristää metallikerroksen 615, joka muodostaa rikkoutuvan varokkeen ulokepalkin 614 päälle. Varoke on yhdistetty sovittimien 616, kiinnitysjohdon 617 ja sovittimien 618 kautta alustaan ja hyödyntämällä johtavia uria sovittimilta 618 mittaus- ja :V: rekisteröintipiirin 611 sovittimille 621. Tämä piiri voi olla joko itsenäinen 25 järjestelmä tai osa isäntäjäijestelmää. Mikä tahansa sarja tai rinnakkais-kommunikointikanava voidaaan muodostaa käyttämällä lisäsovittimia.

·*«

Sovittimet 623 alustassa mahdollistavat mittaukset suoraan käyttämällä VOM- ,···[ mittaria.

· ·*· . 30 Kuvio 12 b esittää tilannetta, jossa mittauspiiri 622 sisältyy anturiin itseensä.

• · ·

Mittauspiiristö on nyt sisällytetty alueelle 622 kuviossa 12b. Tämä on vastaava • · *···* alue kuin aiemmin käsitelty piirialue 505 kuviossa 5. Sovittimia 618 voidaan käyttää sovittamaan sopiva rinnakkais- tai sarjakommunikointikanava ja • ;***. silmukat voidaan tuoda ylimääräisten sovittimien avulla mittaussovittimille 613.

* · · 35 Induktiivinen silmukka 981 voi olla vastaavalla tavalla edullisesti sovitettu uraksi • · zmt[* alustalle 620, jos dimensiot ovat sellaiset, että on epäkäytännöllistä sovittaa *···' sitä anturijärjestelmään 611.

18 119078

Useita antureita, joilla on erilaiset inertiakynnysarvot, voidaan sijoittaa tuotteeseen tai laitteeseen. Esimerkiksi yhdellä antureista voi olla alhaisempi kynnysarvo (esim. 100g) kuin muilla, jolloin se antaa ennakoivan varoituksen käyttäjälle, jotta laitetta käsiteltäisiin varovaisemmin. Kuitenkin, jopa silloin, kun 5 laite on jo valmiiksi rikki, se voi indikoida käyttäjälle tai korjaajalle, milloin ja miten rikkoutuminen tapahtui. Tietoa rikkoutumisesta, kuten ajankohdasta ja kiihtyvyyden suuruudesta, tallennetaan katoamattomaan rekisteriin. Jos rikkoutuminen on niin vakava, että se estäää laitteen kaiken normaalin käytön, varokkeitten tila voidaan lukea vaihtoehtoisesti passiivisesti. Korjauksen jälkeen 10 voi olla mahdollista palauttaa lisää tietoa rikkoutumisesta.

Vaikka keksintö on yllä kuvattu viitaten liitettyjen kuvioiden esimerkkeihin, on itsestään selvää ammattilaiselle, että keksintöä voi muokata poistumatta edellä esitellyn keksinnöllisen idean ja oheen liitettyjen patenttivaatimusten piiristä. 15 Esimerkiksi anturi ja anturin varokkeitten lukemismenetelmät ovat soveliaita käytettäväksi kaikenlaisissa tuotteissa, erityisesti elektronisissa laitteissa, kuten matkapuhelimissa, mikrofoneissa ja sähköisissä kirjoissa. Kiihtyvyysanturia voidaan käyttää tiedottamaan asiakasta siitä, että tuote on kärsinyt kiihtyvyysiskusta, ja pyytää, että tuote tulisi tarkistuttaa korjaamolla. Anturi voi 20 myös varoittaa käyttäjää siitä että tuote on altistettu kiihtyvyysiskulle, joka on lähellä takuurajaa. Tai positiivisemmin, se voi todistaa, että laitteisto ei ole kärsinyt kiihtyvyysiskuja ollessaan tilapäiskäytössä jollakin toisella.

« * · * • · · · : Y: Muita sovelluskohteita löytyy logistisesta ketjusta: pakettien ja astioiden huonon 25 kohtelun jäljittäminen, lähettipalvelut jne, kuten myös takaamaan, että asiakas • vastaanottaa virheettömän laitteen.

• · · • · • « · • · · .···,* Koska keksitty kiihtyvyysanturi voidaan valmistaa mille tahansa alustalle, joka • · sopii MEMS:lle, ne voidaan integroida muun elektroniikan kanssa, eikä niiden 30 tarvitse olle edes erillisiä laitteita.

• · · • · • · * · · :—! Ominainen toistettavuus ja mahdollisuus mitata kiihtyvyyttä missä tahansa suunnassa tekee keksityistä kiihtyvyysantureista räätälöitäviä. Ne voidaan • · ;···. valmistaa aistimaan merkityksellisiä suuntia missä tahansa laitteessa.

··» 35 * ·

Tyypillisesti keksittyä anturia voidaan käyttää nystykomponentti- tai pallohila-*···: (Ball Grid Array, BGA) pakkauksissa, ja muissa LGA (Land Grid Array)- pakkauksissa, jotka pinta-asennuksen avulla takaavat hyvän mekaanisen 19 119078 kytkennän tarkkailtavaan kohteeseen. Mutta kun keksityt anturit ovat osana suurempaa piiriä, anturit käyttävät olemassaolevia liitäntätekniikoita.

Yllämainitut johtavat materiaalit voivat vaihtoehtoisesti olla rikkoutumattomia, 5 mutta tehtynä rakenteeseen siten, että sähköistä virtaa ei havaita mikäli anturi on rikki. Esimerkiksi havainnointivälineet käsittävät vähintään liittävässä elementissä johtavanjohtimen, liuskan, johdon, seostettua piitä tai monikiteistä piitä.

• · · ♦ ··· • · • « · • · I • · • · • I · • · · • I» • · • · ··· • · • · · • M • · ··· • · • · ··· ·« · · · • · • · • · · · • · ··· * • · • · · • · « • · « · · · • · • * · • · • · • · · 1 • · • ·

• M

Claims (22)

1. Kiihtyvyysanturi, joka käsittää ensimmäisen runko-osan (500), ja vähintään yhden toisen runko-osan (501, 502), sekä yhdistävän elementin (503), joka 5 yhdistää ensimmäisen runko-osan ja vähintään yhden toisen runko-osan, ja havainnointivälineitä antamaan indikaation, kun toinen runko-osa vahingoittaa havainnointivälineitä, tunnettu siitä, että kiihtyvyysanturi käsittää katoamattoman muistin (903), joka on sovitettu siten, että sille voidaan rekisteröidä kaksi viimeistä aikaleimattua sulkemis- tai käynnistystapahtuman 10 havainnointivälineen tilaa kirjoittamalla yli aiemmin rekisteröity aikaleimattu data niin kauan kuin havainnointivälineen tila on sama kuin aiemmin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että havainnointivälineet käsittävät johtavan johtimen, liuskan tai johdon 15 (504) sovitettuna vähintään yhdistävään elementtiin (503).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on t u n n e 11 u siitä, että havainnointivälineet käsittävät johtavan seostetun tai monikiteisen piikerroksen (504) vähintään yhdistävässä elementissä (503).

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että yhdistävä elementti (503) on sovitettu rikkoutumaan, kun kiihtyvyysanturin toiseen runko-osaan (501, 502) vaikuttava ulkoinen voima ylittää ennaltamäärätyn kynnysarvon tason, missä yhdistävän elementin (503) • · « 25 rikkoutuminen aiheuttaa johtavan johtimen, liuskan, johdon tai kerroksen (504) rikkoutumisen.

• * • · • * · ·*· * *· " 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu ·♦· siitä, että havainnointivälineet käsittävät johtavan johtimen, liuskan, tai johdon 30 (504) sovitettuna tietylle etäisyydelle toisesta runko-osasta (501, 502), missä :j‘: kiihtyvyysanturin toinen runko-osa liikkuu ja rikkoo johtavan johtimen, liuskan, ;1: tai johdon, kun toiseen runko-osaan vaikuttava ulkoinen voima ylittää • · y..' ennaltamäärätyn kynnysarvon tason. • · «

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu :j]: siitä, että havainnointivälineet muodostavat osan ainakin yhdestä sähköisestä :1: havainnointisilmukasta (911,912,913). ··· 119078

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että indikaatio talletetaan muistiin (903).

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, 5 että indikaatio voidaan etälukea.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on t u n n e 11 u siitä, että kiihtyvyysanturi on valmistettu mikrotyöstötekniikalla käyttäen pintaliitettävää haurasta materiaalia. 10

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että hauras materiaali on yksikiteistä piitä.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu 15 siitä, että hauras materiaali on monikiteistä piitä.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että indikaatio käsittää vähintään informaatiota identifioimaan havainnointisilmukan (911, 912, 913), joka on rikkoutunut ulkoisesta 20 kiihtyvyysvoimasta.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että indikaatio käsittää vähintään informaatiota identifioimaan "!·*. havainnointisilmukan (911, 912, 913), joka on rikkoutunut ulkoisesta • · · 25 kiihtyvyysvoimasta, ja ajan jolloin indikaatio annettiin. * · • t

• ·· • « *;·*.’ 14. Patenttivaatimuksen 1 tai 7 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on • · · tunnettu siitä, että kiihtyvyysanturin tila on luettavissa välittömästi tai muistista (903). 30 j.:**;*

15. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että ryhmän minkä tahansa anturin kiihtyvyys on etäidentifioitavissa. ··» • *

16. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvyysanturi joka on tunnettu 35 siitä, että mainittu ryhmä antureita on integroitu samaan yhteen kappaleeseen. • · · « · * ···

17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että mainittu ryhmä antureita on integroitu samalle yhdelle kappaleelle 119078 yhdessä tallennusvälineiden kanssa, jotka tallentavat indikaatiota sisältäen vähintään ajan, jolloin indikaatio annettiin, ja havainnointivälineen identifikaation.

18. Patenttivaatimuksen 15 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että mainittu ryhmä antureita on integroitu samalle monisiruiselle moduulille yhdessä tallennusvälineiden kanssa, jotka tallentavat indikaatiota sisältäen vähintään ajan, jolloin indikaatio annettiin, ja havainnointivälineen identifikaation. 10

19. Patenttivaatimuksen 15 mukainen kiihtyvyysanturi, joka on tunnettu siitä, että mainittu ryhmä antureita on integroitu samalle integroidulle piirille yhdessä tallennusvälineiden kanssa, jotka tallentavat indikaatiota sisältäen vähintään ajan, jolloin indikaatio annettiin, ja havainnointivälineen 15 identifikaation.

20. Kannettava päätelaite, jossa on kiihtyvyysanturi, joka käsittää ensimmäisen runko-osan (500), ja vähintään yhden toisen runko-osan (501, 502), sekä yhdistävän elementin (503), joka yhdistää ensimmäisen runko-osan ja 20 vähintään yhden toisen runko-osan, joka kiihtyvyysanturi käsittää havainnointivälineitä antamaan indikaation kun toinen runko-osa vahingoittaa havainnointivälineitä, . tunnettu siitä, että että kiihtyvyysanturi käsittää katoamattoman muistin (903), joka on sovitettu siten, että sille voidaan .v. rekisteröidä kaksi viimeistä aikaleimattua sulkemis- tai käynnistystapahtuman • · · 25 havainnointivälineen tilaa kirjoittamalla yli aiemmin rekisteröity aikaleimattu • f I *..1 data niin kauan kuin havainnointivälineen tila on sama kuin aiemmin. · • • i»

· • · “ 21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen kannettava päätelaite, joka on *··.1 tunnettu siitä, että se käsittää kiihtyvyysanturin, joka kuuluu ryhmään 30 samanlaisia kiihtyvyysantureita mainitussa päätelaitteessa, mainittujen • $ :,· · kiihtyvyysantureiden ollessa sovitettuja indikoimaan päätelaitetta kun kiihtyvyysvoima, joka vaikuttaa mainittuun kiihtyvyysanturiin ylittää ennaltamäärätyn kynnysarvon, ja että päätelaite on sovitettu näyttämään • · t1’\ käyttäjälle varoituksen, jos mainittu indikoiminen on aktiivinen päätelaitteen 35 ollessa kytkettynä päälle. • · · • · · ·«·

20 1 1 9078

22. Menetelmä kiihtyvyysanturissa, missä kiihtyvyysanturi käsittää ensimmäisen runko-osan (500), ja vähintään yhden toisen runko-osan (501, 119078 502), sekä yhdistävän elementin (503), joka yhdistää ensimmäisen runko-osan ja vähintään yhden toisen runko-osan, jossa menetelmässä annetaan indikaatio, jos toinen runko-osa vahingoittaa havainnointivälineitä, tunnettu siitä, että rekisteröidään katoamattomalle muistille (903) kaksi 5 viimeistä aikaleimattua sulkemis- tai käynnistystapahtuman havainnointivälineen tilaa kirjoittamalla yli aiemmin rekisteröity aikaleimattu data niin kauan kuin havainnointivälineen tila on sama kuin aiemmin. M» * ···· • t • · · « * · « · • · • « · • «· • · ··» • · • « ··· • · • · · • ·· • f • «f • · • · <·· • · • · I • * · ··* · ··* • · • · ··· ··· • · * · ·*· • · • · · « « · «·« • « * · • · • · « 119078