FI119159B - Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne - Google Patents

Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne Download PDF

Info

Publication number
FI119159B
FI119159B FI20030207A FI20030207A FI119159B FI 119159 B FI119159 B FI 119159B FI 20030207 A FI20030207 A FI 20030207A FI 20030207 A FI20030207 A FI 20030207A FI 119159 B FI119159 B FI 119159B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
electrode
electrodes
acceleration sensor
accelerometer
pairs
Prior art date
Application number
FI20030207A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20030207A0 (fi
Inventor
Tuomo Lehtonen
Original Assignee
Vti Technologies Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vti Technologies Oy filed Critical Vti Technologies Oy
Priority to FI20030207A priority Critical patent/FI119159B/fi
Publication of FI20030207A0 publication Critical patent/FI20030207A0/fi
Priority to JP2006502058A priority patent/JP2006517661A/ja
Priority to PCT/FI2004/000047 priority patent/WO2004072656A1/en
Priority to EP04706699A priority patent/EP1592973A1/en
Priority to KR1020057014709A priority patent/KR20050111587A/ko
Priority to CNA2004800039487A priority patent/CN1748147A/zh
Priority to US10/774,691 priority patent/US7398683B2/en
Application granted granted Critical
Publication of FI119159B publication Critical patent/FI119159B/fi

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes

Description

1 119159
XAFASXVXXVni» rcXBTOVTCSftllTQXlXlUtKENNS
Keksinnön ala 5
Keksintö liittyy kiihtyvyyden mittauksessa käytettäviin mittalaitteisiin, ja tarkemmin sanottuna kapasitiivisiin kiihtyvyysantureilla. Keksinnön avulla pyritään tarjoamaan parannettu anturi rakenne, joka mahdollistaa luotettavan ja 10 suorituskykyisen kiihtyvyyden mittauksen erityisesti pienikokoisissa kapasitiivisissa kiihtyvyysanturiratkaisuissa.
Keksinnön taustaa 15 Kapasitiiviseen kiihtyvyysanturiin perustuva mittaus on osoittautunut periaatteeltaan yksinkertaiseksi ja luotettavaksi tavaksi kiihtyvyyden mittauksessa. Kapasitanssi-mittaus perustuu anturin elektrodiparin kahden pinnan väliseen raon muutokseen. Pintojen välinen kapasitanssi 20 eli sähkövarauksen säilytyskapasiteetti riippuu pintojen pinta-alasta sekä pintojen välisestä etäisyydestä. Kapasi-tanssimittausta voidaan käyttää jo varsin alhaisilla kiih- • φ : ’·' tyvyyden mittausalueilla.
· · • · • * • · · • · :.'*i 25 Tunnettua tekniikkaa selostetaan seuraavassa viitaten esi- • ·· merkinomaisesti oheisiin kuviin, joista: • kuva 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista kiihtyvyys- anturin elektrodiparin rakennetta perspektiivikuvana, ja :Y: 30 kuva 2 esittää tunnetun tekniikan mukaista kiihtyvyys- • · anturin translaatioliikkeeseen perustuvan elekt- • · · ' rodiparin toiminnallista rakennetta sivusta *:!:* kuvattuna.
• · • · »·· ··· 35 Kuvassa 1 on esitetty tunnetun tekniikan mukaisen kiihty-vyysanturin elektrodiparin rakenne perspektiivikuvana.
2 119159
Tunnetun tekniikan mukainen kiihtyvyysanturin elektrodi-pari käsittää liikkuvan elektrodin 1, joka liikkuu kiihtyvyyden mukaan sekä kiinteän elektrodin 2. Liikkuva elektrodi 1 on kiihtyvyysanturin kiihtyvyyteen reagoiva osa 1, 5 joka kiihtyvyyden seurauksena liikkuu suhteessa kiinteään elektrodiin 2. Liikkuva elektrodi 1 ja kiinteä elektrodi 2 muodostavat elektrodiparin, joka muuttaa kiihtyvyyden sähköisesti mitattavaksi suureeksi, kapasitanssiksi. Kiihtyvyysanturin liikkuva elektrodi 1 on kuvassa tuettu pis- 10 teistä 3 ja 4. Yleensä tunnetun tekniikan mukainen kiihtyvyysanturi käsittää myös toisen elektrodiparin liikkuvan elektrodin 1 vastakkaisella puolella, jota kuvassa ei ole selkeyden vuoksi esitetty.
15 Kiihtyvyysanturi voidaan toteuttaa joko elektrodiparin liikkuvan elektrodin translaatioliikkeeseen tai rotaa- ' tioliikkeeseen perustuen.
Kuvassa 2 on esitetty tunnetun tekniikan mukaisen kiihty- 20 vyysanturin translaatioliikkeeseen perustuvan elektrodiparin toiminnallinen rakenne sivusta kuvattuna. Tunnetun tekniikan mukainen kiihtyvyysanturin elektrodipari käsit- • 1·· tää liikkuvan elektrodin 1 sekä kiinteän levyosan 2. Kiih- :*[1: tyvyysanturin liikkuvan elektrodin 1 tukipiste on esitetty 25 pisteellä 4. Kun kiihtyvyysanturin liikkuva elektrodi 1 on yläasennossa, muodostuu kapasitanssi liikkuvan elektrodin 1 alapinnan ja levyosan 2 yläpinnan välille. Kapasitanssin • · .***. suuruus riippuu pintojen 1, 2 pinta-alasta sekä pintojen • «f 1, 2 välisestä etäisyydestä. Kun kiihtyvyysanturin liikku- .1.1. 30 va elektrodi 1 liikkuu ala-asentoon pintojen 1, 2 välinen • · « .···. kapasitanssi kasvaa huomattavasti pintojen 1, 2 välisen ·] etäisyyden pienentyessä.
• · · • · « ··· :···: Keksinnön mukaisen kiihtyvyysanturin elektrodiparin liik- 35 kuvan elektrodin tuentajärjestelyjä sekä elektrodien ··· · 3 119159 rakennetta on kuvattu tarkemmin hakijan samanaikaisesti jätetyssä patenttihakemuksessa.
Keksinnön yhteenveto 5
Keksinnön päämääränä on aikaansaada sellainen parannettu anturirakenne, jolla saavutetaan symmetriaetuja, ja joka mahdollistaa luotettavan ja suori tuskykyi s en kiihtyvyyden mittauksen erityisesti pienikokoisissa kapasitiivisissa 10 kiihtyvyysanturiratkaisuissa.
Keksinnön ensimmäisen piirteen mukaan tarjotaan kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, joka käsittää ainakin yhden elektrodiparin siten, että kukin elektrodipari 15 käsittää kiihtyvyyteen reagoivan liikkuvan elektrodin ja ainakin yhden kiinteän levyosan siten, että kukin elektrodipari käsittää lisäksi oleellisesti saman akselin muodostavan rotaatioakselin siten* että - kiihtyvyysanturin liikkuva elektrodi on tuettu 20 kiinteästi rotaatioakselista siten, että liikkuva elektrodi pääsee kiertymään rotaatioliikkeellä rotaatioakselin ympäri, ja että • · :- kiihtyvyysanturissa on käytetty useampia elektrodipare- *···* ja.
:/*l 25 ««· ·...· Edullisesti, elektrodiparien sijainti on valittu ·· · : V symmetrisesti symmetria-akselien suhteen. Edullisesti, • · * elektrodiparien elektrodien muoto on valittu elektrodiparien määrään nähden sopivasti. Edullisesti, : : : 30 kiihtyvyysanturissa on käytetty ainakin kahta elektrodiparia.
• · · * · · V.lm Vaihtoehtoisesti, kiihtyvyysanturissa on käytetty kahta elektrodiparia. Edullisesti, käyttämällä kahta 35 elektrodiparia on toteutettu yhden akselin kiihtyvyys-anturi. Edullisesti, käyttämällä kahta elektrodiparia on 4 119159 toteutettu kahden akselin kiihtyvyysanturi. Edullisesti, elektrodiparit on sijoitettu siten, että muodostuu kaksi symmetria-akselia. Edullisesti, kummankin liikkuvan elektrodin painopisteen ja painopisteiden välisen janan 5 pituus tulee olla pienensi kuin minkä tahansa eri liikkuvien elektrodien tukipisteiden välille piirretty suora.
Edullisesti, kiihtyvyysanturissa on käytetty kolmea 10 elektrodiparia. Edullisesti, käyttämällä kolmea elektrodiparia on toteutettu yhden akselin kiihtyvyysanturi. Vaihtoehtoisesti, käyttämällä kolmea elektrodiparia on toteutettu kahden akselin kiihtyvyysanturi. Vaihtoehtoisesti, käyttämällä kolmea 15 elektrodiparia on toteutettu kolmen akselin kiihtyvyysanturi. Edullisesti, elektrodiparit on sijoitettu siten, että muodostuu kolme symmetria-akselia.
Edullisesti, elektrodiparit sijaitsevat anturissa siten, että jokaisen liikkuvan elektrodin positiivinen suuntavek-20 tori on 120° ja 240° kulmassa kahden muun liikkuvan elektrodin positiivisen suuntavektorin kanssa. Edullisesti, ,, liikkuvien elektrodien negatiiviset suuntavektorit φ · leikkaavat oleellisesti yhdessä pisteessä.
• · • · ··· • · • · · 25 Vaihtoehtoisesti, kiihtyvyysanturissa on käytetty neljää *···' elektrodiparia. Edullisesti, käyttämällä neljää
M I
: elektrodiparia on toteutettu yhden akselin kiihty- • e · vyysanturi. Vaihtoehtoisesti, käyttämällä neljää elektrodiparia on toteutettu kahden akselin kiihty- :.v 30 vyysanturi. Vaihtoehtoisesti, käyttämällä neljää elektrodiparia on toteutettu kolmen akselin kiihty- .1*. vyysanturi. Edullisesti, elektrodiparit on sijoitettu • · « ,···. siten, että muodostuu neljä symmetria-akselia.
• » ··· «· 35 Edullisesti, elektrodiparit sijaitsevat anturissa siten, että jokaisen liikkuvan elektrodin positiivinen suuntavek- . 119159 5 tori on 90°« 180° ja 270° kulmassa kolmen muun liikkuvan elektrodin positiivisen suuntavektorin kanssa.
Edullisesti, liikkuvien elektrodien negatiiviset suuntavektorit leikkaavat oleellisesti yhdessä pisteessä.
5
Vaihtoehtoisesti, kiihtyvyysanturissa on käytetty kahdeksaa elektrodiparia. Edullisesti, käyttämällä kahdeksaa elektrodiparia on toteutettu yhden akselin kiihtyvyysanturi. Vaihtoehtoisesti, käyttämällä kahdeksaa 10 elektrodiparia on toteutettu kahden akselin kiihtyvyysanturi.
Vaihtoehtoisesti, käyttämällä kahdeksaa elektrodiparia on toteutettu kolmen akselin kiihtyvyysanturi. Edullisesti, 15 elektrodiparit on sijoitettu siten, että muodostuu neljä symmetria-akselia. Edullisesti, eri elektrodiparit on sovitettu mittaukseen eri kiihtyvyysalueille. Edullisesti, jotkin kiihtyvyysanturin elektrodiparit ovat redundant te ja elektrodipareja. Edullisesti, joitakin kiihtyvyysanturin 20 elektrodipareja käytetään kapasitanssimuutoksen linear!sointiin.
·· • ♦ • ··
Piirustusten lyhyt selitys • · • 1 ··· ♦ « « · t 25 Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia toteutustapoja • » selostetaan yksityiskohtaisesti viitaten esimerkinomaises- • · · ti oheisiin kuviin, joista; • · *···1 kuva 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista kiihtyvyys anturin elektrodiparin rakennetta perspektiiviku- • · ν.Σ 30 vana, • e1 kuva 2 esittää tunnetun tekniikan mukaista kiihtyvyys- ; anturin translaatioliikkeeseen perustuvan elekt- ··· .**·. rodiparin toiminnallista rakennetta sivusta ··· kuvattuna, « t • i ··· · 6 119159 kuva 3 esittäÄ keksinnön mukaista kiihtyvyysanturin elektrodiparin toiminnallista rakennetta sivusta kuvattuna, kuva 4 esittää keksinnön mukaista kiihtyvyysanturin 5 elektrodiparin rakennetta perspektiivikuvana, kuva 5 esittää keksinnön mukaista kiihtyvyysanturin elektrodiparin kapasitanssin prosentuaalista muutosta elektrodiparin pintojen välisen etäisyyden muuttuessa, 10 kuva 6 esittää keksinnön mukaista kiihtyvyysanturia kahdella elektrodiparilla toteutettuna, kuva 7 esittää keksinnön mukaista kiihtyvyysanturia kolmella elektrodiparilla toteutettuna, kuva 8 esittää keksinnön mukaista kiihtyvyysanturia neliö jällä elektrodiparilla toteutettuna, kuva 9 esittää keksinnön mukaista kiihtyvyysanturia kahdeksalla elektrodiparilla toteutettuna, kuva 10 esittää keksinnön mukaista vaihtoehtoista kiihtyvyysanturia neljällä elektrodiparilla toteutettu-20 na, kuva 11 esittää keksinnön mukaista toista vaihtoehtoista kiihtyvyysanturia neljällä elektrodiparilla i *** toteutettuna.
• it • · • · *99 • 1 25 Kuvat 1-2 on esitetty edellä. Seuraavassa keksintöä ja sen ··· edullisia toteutustapoja selostetaan viitaten kuviin 3-11.
·· · • · · • · • ·
Keksinnön yksityiskohtainen selitys ;V: 30 Kuvassa 3 on esitetty keksinnön mukaisen kiihtyvyysanturin elektrodiparin toiminnallinen rakenne sivusta kuvattuna.
»M
. [·, Keksinnön mukainen kiihtyvyysanturin elektrodipari käsit- « · · '.V. tää liikkuvan elektrodin 5, kiinteän elektrodin 6 sekä • | *!1 rotaatioakselin 7.
35 · 7 119159
Kiihtyvyysanturin liikkuva elektrodi 5 on tuettu kiinteästi rotaatioakselista 7 siten, että liikkuva elektrodi 5 pääsee kiertymään rotaatioliikkeellä rotaatioakselin 7 ympäri. Rotaatioliikkeessä oleva liikkuva elektrodi 5 on 5 kiihtyvyysanturin kiihtyvyyteen reagoiva osa, joka kiihtyvyyden seurauksena suorittaa rotaatioliikettä rotaatio-akselin 7 ympäri.
Kun kiihtyvyysanturin liikkuva elektrodi 5 ennen rotaatio-10 liikettä on yläasennossa, muodostuu kapasitanssi liikkuvan elektrodin 5 alapinnan ja kiinteän elektrodin 6 yläpinnan välille. Kapasitanssin suuruus riippuu pintojen 5, 6 pinta-alasta sekä pintojen 5, 6 välisestä etäisyydestä.
Kun kiihtyvyysanturin liikkuva elektrodi 5 kiertyy rotaa-15 tioliikkeen jälkeen ala-asentoon pintojen 5, 6 välinen kapasitanssi kasvaa pintojen 5, 6 välisen etäisyyden pienentyessä .
Keksinnön mukaisessa kiihtyvyysanturin elektrodiparissa 20 pintojen 5, 6 välinen kapasitanssi jakautuu epätasaisesti pinnoille 5 ja 6, sillä pintojen 5, 6 välinen etäisyys vaihtelee. Keksinnön mukainen kiihtyvyysanturi voi myös *· * *" käsittää toisen elektrodiparin liikkuvan elektrodin 5 at· vastakkaisella puolella.
• · ·. ·: 25 ···
Keksinnön mukaisessa kiihtyvyysanturissa elektrodiparin • '/· muodolla suurennetaan rotaatioliikkeessä olevan liikkuvan elektrodin kapasitanssin muutosta verrattuna nelikulmion muotoiseen elektrodipariin. Kapasitanssin muutoksen suure-:V: 30 neminen perustuu rotaatioliikkeen aikaansaaman elektrodi- :***: välin epätasaisuuteen.
• et • · · IV. Rotaatioliikkeessä olevan liikkuvan elektrodin kärjen • · Ί’* sijainti on rotaatiokulman maksimiarvoa rajoittava tekijä.
·« 35 Kiinteän elektrodin päällä on yleensä puskurirakenne, johon liikkuvan elektrodin osuessa elektrodipari saavuttaa 8 119159 maksimikapasitanssinsa. Liikkuvan elektrodin kärjessä on myös kapasitanssin muutoksen kannalta herkin alue, koska siellä elektrodiparin etäisyys muuttuu kaikkein eniten.
5 Rotaatiokulman maksimiarvo riippuu liikkuvan elektrodin maksimietäisyydestä rotaatioakselista kun taas liikkuvan elektrodin kärjessä muodostuneen kapasitanssin suuruus riippuu elektrodiparin leveydestä. Kuormittamattoman elektrodiparin kapasitanssi riippuu vain elektrodiparin 10 pinta-alasta.
Keksinnössä elektrodipari muotoillaan joko liikkuvan, kiinteän tai kummankin elektrodin avulla siten että elektrodiparin pinta-alasta merkittävä osuus on mahdollisimman 15 etäällä kiinteän elektrodin rotaatioliikkeen akselista.
Keksinnön mukaisia elektrodiparin muotoja ovat esimerkiksi kolmiota, pisaraa tai vasaraa muistuttavat elektrodiparit. Keksinnön mukaisella rakenteella suurin osa elektrodiparin synnyttämästä kapasitanssista syntyy alueella, jossa 20 elektrodiparin etäisyys muuttuu paljon.
Kuvassa 4 on esitetty keksinnön mukaisen kiihtyvyysanturin ·« : ’·· elektrodiparin rakenne perspektiivikuvana. Keksinnön • se mukainen kiihtyvyysanturin elektrodipari käsittää muotoil- • « 25 lun liikkuvan elektrodin 8, joka liikkuu kiihtyvyyden ϊ,.*ί mukaan sekä muotoillun kiinteän elektrodin 9. Liikkuva Γ·*: elektrodi 8 on kiihtyvyysanturin kiihtyvyyteen reagoiva osa 8, joka kiihtyvyyden seurauksena liikkuu suhteessa • es levyosaan 9. Liikkuva elektrodi 8 ja kiinteä elektrodi 9 ·*:*: 30 muodostavat elektrodiparin, joka muuttaa kiihtyvyyden säh- • s köisesti mitattavaksi suureeksi, kapasitanssiksi. Kiihty- • se \ vyysanturin liikkuva elektrodi 8 on kuvassa tuettu rotaa- • · · "f tioakselin pisteistä 10 ja 11.
• · • · ··· ·· 35 Vaihtoehtoisia elektrodiparin muotoja ovat esimerkiksi "**; kolmiota, pisaraa tai vasaraa muistuttavat elektrodiparit.
9 119159 Tällaisella rakenteella suurin osa elektrodiparin synnyt· tämästä kapasitanssista syntyy alueella, jossa elektrodi· parin etäisyys muuttuu paljon.
5 Kuvassa 5 on esitetty keksinnön mukaisen kiihtyvyysanturin elektrodiparin kapasitanssin prosentuaalinen muutos elektrodiparin pintojen välisen etäisyyden muuttuessa. Vaaka-akselilla on kuvattu elektrodiparin pintojen välinen etäisyys (d). Vastaavasti pystyakselilla on kuvattu elektrodi-10 parin kapasitanssin prosentuaalinen muutos (%c change).
Käyrä 12 kuvaa tavallisen pinnoiltaan suorakaiteen muotoisen translaatioliikkeisen elektrodiparin kapasitanssin prosentuaalista muutosta elektrodiparin pintojen välisen etäisyyden muuttuessa. Vastaavasti käyrä 13 kuvaa pinnoil-15 taan suorakaiteen muotoisen rotaatioliikkeisen elektrodi-parin kapasitanssin prosentuaalista muutosta elektrodiparin pintojen välisen etäisyyden muuttuessa.
Voidaankin havaita että rotaatioliikkeisen elektrodiparin 20 mittaukseen käytettävä kapasitanssin muutos ei ole yhtä suuri kuin tavallisella pinnoiltaan suorakaiteen muotoisella translaatioliikkeisellä elektrodiparilla. Tätä mit- • e • *·· taukseen tarvittavaa muutosherkkyyttä voidaan kompensoida elektrodiparin muotoilulla. Käyrä 14 kuvaa pinnoiltaan 25 kolmion muotoisen rotaatioliikkeisen elektrodiparin kapa-sitanssin prosentuaalista muutosta elektrodiparin pintojen :***: välisen etäisyyden muuttuessa.
« t
Ml • « * ♦ ·*·
Keksinnön mukaisen kiihtyvyysanturin elektrodiparin liik-.·.*. 30 kuvalla elektrodilla on oleellisesti kaksi tukipistettä, joihin liittyvät jouset mahdollistavat liikkuvalle elekt- • · *. rodille rotaatiovapausasteen tukipisteiden kautta piirre- • se ;;f tyn suoran ympäri.
• · • · • ta e ·**): 35 Liikkuvat elektrodit voidaan rajoittaa sellaisiksi, joiden *:**: kiihtyvyydelle herkkä suunta ei ole elektrodi tason suun- 10 119159 täinen Elektroditasolla käsitetään tässä elektrodin pienimmän neliösumman menetelmällä muodostettua tasoa. Tällöin liikkuvan elektrodin painopiste projisoituna liikkuvan elektrodin elektroditason normaalin suunnassa liik-5 kuvan elektrodin elektroditason suuntaiselle tasolle, joka kulkee liikkuvan elektrodin tukipisteiden kautta, ei ko. projisoidun liikkuvan elektrodin tule olla liikkuvan elektrodin tukipisteiden välille piirretyllä suoralla.
10 Keksinnön mukaisessa kiihtyvyysanturissa voidaan käyttää useampia elektrodipareja. Tällöin voidaan mitata kiihtyvyyttä useamman eri akselin suhteen. Elektrodiparien sijainti valitaan symmetrisesti symmetria-akselien suhteen, jolloin elektrodiparien käyttäytyminen lämpökuormi-15 tuksen tai muun symmetrisen kuorman alaisena on samanlais ta.
Kiihtyvyysanturin elektrodiparien elektrodien muoto valitaan elektrodiparien määrään nähden sopivasti, jolloin 20 massojen muodon ja sijoituksen avulla saadaan optimaalinen pakkaustiheys elektrodipareille. Keksinnön mukaisen kiihtyvyysanturin elektrodiparin liikkuvan elektrodin tuenta- • * : *·· järjestelyjä sekä elektrodien rakennetta on kuvattu tar- kemmin hakijan samanaikaisesti jätetyssä patenttihakemuk-25 sessa.
··· • • · ···
Kuvassa 6 on esitetty keksinnön mukainen kiihtyvyysanturi • · :***: kahdella elektrodiparilla toteutettuna. Kuvassa on kolmion ··· muotoisen liikkuvan elektrodin lisäksi merkitty symmetria- ·*.*. 30 akselit, jousien kiinnityspisteet, rotaatioakseli sekä • * .*·*. anturin ulkoseinä. Käyttämällä useampia elektrodipareja ja ··· *. valitsemalla tukipisteet sopivasti voidaan • * · vaihtoehtoisesti toteuttaa yhden tai kahden akselin • · kiihtyvyysanturi. Kuvassa kahta elektrodiparia käyttämällä ees 35 on toteutettu kahden akselin kiihtyvyysanturi.
*”*l Elektrodiparit on sijoitettu siten, että saadaan kaksi U 119159 symnetria-akselia. Keksinnön mukaisessa kiihtyvyysanturissa kummankin liikkuvan elektrodin painopisteen ja painopisteiden välisen janan pituus tulee olla pienempi kuin minkä tahansa eri liikkuvien elektrodien 5 tukipisteiden välille piirretty suora.
Kuvassa 7 on esitetty keksinnön mukainen kiihtyvyysanturi kolmella elektrodiparilla toteutettuna. Kuvassa on kolmion muotoisen liikkuvan elektrodin lisäksi merkitty symmetria-10 akselit, jousien kiinnityspisteet, rotaatioakseli sekä anturin ulkoseinä. Käyttämällä useampia elektrodipareja ja valitsemalla tukipisteet sopivasti voidaan vaihtoehtoisesti toteuttaa yhden, kahden tai kolmen akselin kiihtyvyysanturi. Kuvassa kolmea elektrodiparia 15 käyttämällä on toteutettu kolmen akselin kiihtyvyysanturi. Elektrodiparit on sijoitettu siten, että saadaan kolme symmetria-akselia. Keksinnön mukaisessa kiihtyvyysanturissa positiivisella suunnalla käsitetään liikkuvan elektrodin tukiakselista painopistettä kohti 20 oleva suunta ja negatiivisella suunnalla käsitetään tälle päinvastainen suunta. Keksinnön mukaisessa kiihtyvyysanturissa elektrodiparit sijaitsevat anturissa siten, ·· : *** että jokaisen liikkuvan elektrodin positiivinen suuntavek- ··· • · ***** tori on 120° ja 240° kulmassa kahden muun liikkuvan elekt- • · • # · '* '· 25 rodin positiivisen suuntavektorin kanssa, ja että liikku- ***** vien elektrodien negatiiviset suuntavektorit leikkaavat •e · : V oleellisesti yhdessä pisteessä.
• · t · ···
Kuvassa 8 on esitetty keksinnön mukainen kiihtyvyysanturi • · vV 30 neljällä elektrodiparilla toteutettuna. Kuvassa on kolmion :<(<* muotoisen liikkuvan elektrodin lisäksi merkitty symmetria- . ]·, akselit, jousien kiinnityspisteet, rotaatioakseli sekä • · · .···, anturin ulkoseinä. Käyttämällä useampia elektrodipareja ja • · ]·* valitsemalla tukipisteet sopivasti voidaan *···| 35 vaihtoehtoisesti toteuttaa yhden, kahden tai kolmen * * akselin kiihtyvyysanturi. Kuvassa neljää elektrodiparia h 119159 käyttämällä on toteutettu kolmen akselin kiihtyvyysanturi. Elektrodiparit on sijoitettu siten, että saadaan neljä symmetria-akselia. Keksinnön mukaisessa kiihtyvyysanturissa elektrodiparit sijaitsevat anturissa siten, 5 että jokaisen liikkuvan elektrodin positiivinen suuntavek-tori on 90®, 180° ja 270° kulmassa kolmen muun liikkuvan elektrodin positiivisen suuntavektorin kanssa ja liikkuvien elektrodien negatiiviset suuntavektorit leikkaavat oleellisesti yhdessä pisteessä.
10
Kuvassa 9 on esitetty keksinnön mukainen kiihtyvyysanturi kahdeksalla elektrodiparilla toteutettuna. Kuvassa on kolmion muotoisen liikkuvan elektrodin lisäksi merkitty symmetria-akselit, jousien kiinnityspisteet, 15 rotaatioakseli sekä anturin ulkoseinä. Käyttämällä useampia elektrodi paareja ja valitsemalla tukipisteet sopivasti voidaan vaihtoehtoisesti toteuttaa yhden, kahden tai kolmen akselin kiihtyvyysanturi. Kuvassa kahdeksaa elektrodiparia käyttämällä on toteutettu kolmen akselin 20 kiihtyvyysanturi. Elektrodiparit on sijoitettu siten, että saadaan neljä symmetria-akselia.
·« : ** Keksinnön mukaisen kiihtyvyysanturin eri elektrodipareilla ··· voidaan mitata eri kiihtyvyysalueita. Jotkin kiihtyvyys- • e \*·: 25 anturin elektrodiparit voivat myös olla redundantteja elektrodipareja. Edelleen joitakin kiihtyvyysanturin j V elektrodipareja voidaan käyttää kapasitanssirauutoksen i.„· linearisointiin.
:Y: 30 Kuvassa 10 on esitetty keksinnön mukainen vaihtoehtoinen kiihtyvyysanturi neljällä elektrodiparilla toteutettuna.
. !\ Keksinnön mukaisessa vaihtoehtoisessa kiihtyvyysanturissa • · · ,···. elektrodiparit sijaitsevat anturissa siten, että jokaisen • · • « · liikkuvan elektrodin positiivinen suuntavektori on 90°, • · • · 35 180° ja 270° kulmassa kolmen muun liikkuvan elektrodin positiivisen suuntavektorin kanssa ja liikkuvien elektro- • i 13 119159 dien negatiiviset suuntavektorit leikkaavat oleellisesti yhdessä pisteessä asennelman keskellä. Liikkuvien elektrodien elektrodi tasot ja tukipisteet ovat symmetrisiä neljän akselin suhteen elektrodi tasolla.
5
Kuvassa 11 on esitetty keksinnön mukainen toinen vaihtoehtoinen kiihtyvyysanturi neljällä elektrodiparilla toteutettuna. Keksinnön mukaisessa toisessa vaihtoehtoisessa kiihtyvyysanturissa elektrodiparit sijaitsevat anturissa 10 siten, että jokaisen liikkuvan elektrodin positiivin»! suuntavektori on 90°, 180° ja 270° kulmassa kolmen muun liikkuvan elektrodin positiivisen suuntavektorin kanssa ja liikkuvien elektrodien negatiiviset suuntavektorit leikkaavat oleellisesti yhdessä pisteessä asennelman keskellä. 15 Liikkuvien elektrodien elektroditasot ja tukipisteet ovat symmetrisiä neljän akselin suhteen elektroditasolla.
Keksinnön mukaisella kiihtyvyysanturirakenteella saavutetaan symmetriaetuja, ja se mahdollistaa luotettavan 20 ja suorituskykyisen kiihtyvyyden mittauksen erityisesti pienikokoisissa kapasitiivisissa .. kiihtyvyysanturiratkaisuissa.
• · ··· • · e · «·· • · « e e • «e • · • · • e • se ·♦ · • · · e · e « • es * e * · ··· • · • e • s · • · ··· • • · ««· * » · · • · · «·1 ··· e 1 • e ··· * ··· • e e · ·♦· e

Claims (16)

1. Kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, joka käsittää ainakin neljä elektrodiparia siten, että kukin elektrodipari 5 käsittää kiihtyvyyteen reagoivan liikkuvan elektrodin (5) ja ainakin yhden kiinteän levyosan (6), ja että kukin elektrodipari käsittää lisäksi oleellisesti saman akselin muodostavan rotaatioakselin (7) siten, että kiihtyvyysanturin liikkuva elektrodi (5) on tuettu kiinteästi rotaa-10 tioakselista (7) siten, että liikkuva elektrodi (5) pääsee kiertymään rotaatioliikkeellä rotaatioakselin (7) suhteen, tunnettu siitä, että elektrodiparien sijainti on valittu symmetrisesti symmetria-akselin tai -akselien suhteen, ja että 15 - ainakin neljän elektrodiparin liikkuvien elektrodien negatiiviset suuntavektorit leikkaavat oleellisesti yhdessä pisteessä.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kapasitiivinen kiihty-20 vyysanturi, tunnettu siitä, että elektrodiparien elektrodien muoto on valittu elektrodiparien määrään näh- :*.t> den sopivasti. »** 9 9 9 * • · ;\j
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kapasitiivinen « · ;***· 25 kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että kiihty- • · · ·’·’· vyysanturissa on käytetty neljää elektrodiparia. 9 m • 99 • 9 9 * • · ·
4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kapasitiivinen kiih- :V: tyvyysanturi, tunnettu siitä, että käyttämällä 30 neljää elektrodiparia on toteutettu yhden akselin kiihty- 9 . vyysanturi. • · · ··· 999 9 9 9 9 999
5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kapasitiivinen kiih- • · · • · tyvyysanturi, tunnettu siitä, että käyttämällä • * 35 neljää elektrodiparia on toteutettu kahden akselin kiihtyvyysanturi. is 119159
6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että käyttämällä neljää elektrodiparia on toteutettu kolmen akselin kiihty- 5 vyysanturi.
7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 3-6 mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että elektrodiparit on sijoitettu siten, että muodostuu 10 neljä symmetria-akselia.
8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 3-7 mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että elektrodiparit sijaitsevat anturissa siten, että 15 jokaisen liikkuvan elektrodin positiivinen suuntavektori on 90°, 180° ja 270° kulmassa kolmen muun liikkuvan elektrodin positiivisen suuntavektorin kanssa.
9. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kapasitiivinen 20 kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että kiihty vyysanturissa on käytetty kahdeksaa elektrodiparia. • · • · • M
:***: 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kapasitiivinen kiih- • · # * • · ί/.j tyvyysanturi, tunnettu siitä, että käyttämällä • · · 25 kahdeksaa elektrodiparia on toteutettu yhden akselin ** · • *.ϊ kiihtyvyysanturi. • · · • · • ·
11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kapasitiivinen kiih- • * V,· tyvyysanturi, tunnettu siitä, että käyttämällä • * *...· 30 kahdeksaa elektrodiparia on toteutettu kahden akselin : kiihtyvyysanturi. ··· • · · * · • t • m •
12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kapasitiivinen kiih- • f • · tyvyysanturi, tunnettu siitä, että käyttämällä 35 kahdeksaa elektrodiparia on toteutettu kolmen akselin kiihtyvyysanturi. ie 119159
13. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 9-12 mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että elektrodiparit on sijoitettu siten, että muo- 5 dostuu neljä symmetria-akselia.
14. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-13 mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että eri elektrodiparit on sovitettu mittaukseen 10 eri kiihtyvyysalueille.
14 119159
15. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-14 mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että jotkin kiihtyvyysanturin elektrodiparit ovat 15 redundantteja elektrodipareja.
16. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-15 mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että joitakin kiihtyvyysanturin elektrodipareja 20 käytetään kapasitanssimuutoksen linearisointiin. • · • · • ·· ··· • · • · «»· • · • · · • ·« • · ··« • · • · ··· M * • · · • · • · • 1« • · • · ··· « · • · · f « · • · ··· • · • · *·· • · ♦ • · f *·* ··· • · • · ··· 1 • · · • » f • · • * 119159
FI20030207A 2003-02-11 2003-02-11 Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne FI119159B (fi)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20030207A FI119159B (fi) 2003-02-11 2003-02-11 Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne
JP2006502058A JP2006517661A (ja) 2003-02-11 2004-01-30 容量型加速度センサー
PCT/FI2004/000047 WO2004072656A1 (en) 2003-02-11 2004-01-30 Capacitive accelaration sensor
EP04706699A EP1592973A1 (en) 2003-02-11 2004-01-30 Capacitive accelaration sensor
KR1020057014709A KR20050111587A (ko) 2003-02-11 2004-01-30 용량형 가속도 센서
CNA2004800039487A CN1748147A (zh) 2003-02-11 2004-01-30 电容性加速度传感器
US10/774,691 US7398683B2 (en) 2003-02-11 2004-02-10 Capacitive acceleration sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20030207A FI119159B (fi) 2003-02-11 2003-02-11 Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne
FI20030207 2003-02-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FI20030207A0 FI20030207A0 (fi) 2003-02-11
FI119159B true FI119159B (fi) 2008-08-15

Family

ID=8565599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20030207A FI119159B (fi) 2003-02-11 2003-02-11 Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne

Country Status (7)

Country Link
US (1) US7398683B2 (fi)
EP (1) EP1592973A1 (fi)
JP (1) JP2006517661A (fi)
KR (1) KR20050111587A (fi)
CN (1) CN1748147A (fi)
FI (1) FI119159B (fi)
WO (1) WO2004072656A1 (fi)

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101064285B1 (ko) 2005-04-15 2011-09-14 매그나칩 반도체 유한회사 일축 가속도 측정 소자 및 이를 이용한 가속도 측정 센서
FI118930B (fi) 2005-09-16 2008-05-15 Vti Technologies Oy Menetelmä kiihtyvyyden mikromekaaniseen mittaamiseen ja mikromekaaninen kiihtyvyysanturi
US7934423B2 (en) 2007-12-10 2011-05-03 Invensense, Inc. Vertically integrated 3-axis MEMS angular accelerometer with integrated electronics
US8952832B2 (en) 2008-01-18 2015-02-10 Invensense, Inc. Interfacing application programs and motion sensors of a device
US8250921B2 (en) 2007-07-06 2012-08-28 Invensense, Inc. Integrated motion processing unit (MPU) with MEMS inertial sensing and embedded digital electronics
US8462109B2 (en) 2007-01-05 2013-06-11 Invensense, Inc. Controlling and accessing content using motion processing on mobile devices
KR100921814B1 (ko) * 2007-04-26 2009-10-16 주식회사 애트랩 포인팅 장치 및 이의 움직임 제어 방법
CN101755215A (zh) * 2007-07-24 2010-06-23 Nxp股份有限公司 确定线性或角向移动的位移、速度和加速度的多轴传感器
US8042394B2 (en) 2007-09-11 2011-10-25 Stmicroelectronics S.R.L. High sensitivity microelectromechanical sensor with rotary driving motion
DE102007046017B4 (de) * 2007-09-26 2021-07-01 Robert Bosch Gmbh Sensorelement
US7793542B2 (en) * 2007-12-28 2010-09-14 Freescale Semiconductor, Inc. Caddie-corner single proof mass XYZ MEMS transducer
IT1391973B1 (it) 2008-11-26 2012-02-02 St Microelectronics Rousset Giroscopio microelettromeccanico mono o biassiale con aumentata sensibilita' al rilevamento di velocita' angolari
ITTO20090489A1 (it) 2008-11-26 2010-12-27 St Microelectronics Srl Circuito di lettura per un giroscopio mems multi-asse avente direzioni di rilevamento inclinate rispetto agli assi di riferimento, e corrispondente giroscopio mems multi-asse
IT1391972B1 (it) 2008-11-26 2012-02-02 St Microelectronics Rousset Giroscopio microelettromeccanico con movimento di azionamento rotatorio e migliorate caratteristiche elettriche
IT1392741B1 (it) 2008-12-23 2012-03-16 St Microelectronics Rousset Giroscopio microelettromeccanico con migliorata reiezione di disturbi di accelerazione
US8833165B2 (en) * 2009-02-17 2014-09-16 Agency For Science, Technology And Research Miniaturized piezoelectric accelerometers
IT1394007B1 (it) 2009-05-11 2012-05-17 St Microelectronics Rousset Struttura microelettromeccanica con reiezione migliorata di disturbi di accelerazione
US8322216B2 (en) * 2009-09-22 2012-12-04 Duli Yu Micromachined accelerometer with monolithic electrodes and method of making the same
CN102038508B (zh) * 2009-10-10 2014-04-16 卓越进科技(深圳)有限公司 睡眠窒息检测仪
ITTO20091042A1 (it) 2009-12-24 2011-06-25 St Microelectronics Srl Giroscopio integrato microelettromeccanico con migliorata struttura di azionamento
ITTO20110806A1 (it) 2011-09-12 2013-03-13 St Microelectronics Srl Dispositivo microelettromeccanico integrante un giroscopio e un accelerometro
US9404747B2 (en) 2013-10-30 2016-08-02 Stmicroelectroncs S.R.L. Microelectromechanical gyroscope with compensation of quadrature error drift
US11231441B2 (en) * 2015-05-15 2022-01-25 Invensense, Inc. MEMS structure for offset minimization of out-of-plane sensing accelerometers
US10295558B2 (en) 2015-05-15 2019-05-21 Invensense, Inc. Offset rejection electrodes
US9952252B2 (en) 2015-05-15 2018-04-24 Invensense, Inc. Offset rejection electrodes
US10712360B2 (en) 2017-09-27 2020-07-14 Azoteq (Pty) Ltd Differential charge transfer based accelerometer

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH642461A5 (fr) 1981-07-02 1984-04-13 Centre Electron Horloger Accelerometre.
JPS6199382A (ja) * 1984-10-19 1986-05-17 Komatsu Ltd 圧力センサの製造方法
US4736629A (en) * 1985-12-20 1988-04-12 Silicon Designs, Inc. Micro-miniature accelerometer
GB8718004D0 (en) * 1987-07-29 1987-12-16 Marconi Co Ltd Accelerometer
DE3741036A1 (de) 1987-12-03 1989-06-15 Fraunhofer Ges Forschung Mikromechanischer beschleunigungsmesser
US5095762A (en) * 1988-07-14 1992-03-17 University Of Hawaii Multidimensional force sensor
JP2773495B2 (ja) * 1991-11-18 1998-07-09 株式会社日立製作所 三次元加速度センサ
JPH08160070A (ja) * 1994-11-30 1996-06-21 Akebono Brake Ind Co Ltd 加速度センサ
US5488864A (en) * 1994-12-19 1996-02-06 Ford Motor Company Torsion beam accelerometer with slotted tilt plate
DE19547642A1 (de) 1994-12-20 1996-06-27 Zexel Corp Beschleunigungssensor und Verfahren zu dessen Herstellung
SE9500729L (sv) * 1995-02-27 1996-08-28 Gert Andersson Anordning för mätning av vinkelhastighet i enkristallint material samt förfarande för framställning av sådan
JP3147789B2 (ja) * 1995-09-04 2001-03-19 株式会社村田製作所 加速度検出素子
EP0762128B1 (en) * 1995-09-04 2000-05-17 Murata Manufacturing Co., Ltd. Acceleration detection device
DE19649715C2 (de) * 1996-11-30 2001-07-12 Telefunken Microelectron Anordnung zur Messung von Beschleunigungen
US5831164A (en) 1997-01-21 1998-11-03 Conrad Technologies, Inc. Linear and rotational accelerometer
US5900550A (en) * 1997-06-16 1999-05-04 Ford Motor Company Capacitive acceleration sensor
JP4056591B2 (ja) * 1997-07-16 2008-03-05 住友精密工業株式会社 加速度センサ
US6000287A (en) * 1998-08-28 1999-12-14 Ford Motor Company Capacitor center of area sensitivity in angular motion micro-electromechanical systems
US6862795B2 (en) * 2002-06-17 2005-03-08 Vty Holding Oy Method of manufacturing of a monolithic silicon acceleration sensor
US6829937B2 (en) * 2002-06-17 2004-12-14 Vti Holding Oy Monolithic silicon acceleration sensor

Also Published As

Publication number Publication date
EP1592973A1 (en) 2005-11-09
WO2004072656A1 (en) 2004-08-26
KR20050111587A (ko) 2005-11-25
CN1748147A (zh) 2006-03-15
US7398683B2 (en) 2008-07-15
FI20030207A0 (fi) 2003-02-11
US20040216523A1 (en) 2004-11-04
JP2006517661A (ja) 2006-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI119159B (fi) Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne
US8079262B2 (en) Pendulous accelerometer with balanced gas damping
CN100483136C (zh) 一种双轴电容式微机械加速度计
CN101118250B (zh) 一种硅mems压阻式加速度传感器
TWI292825B (en) Multiple axis acceleration sensor
FI119528B (fi) Kapasitiivinen kiihtyvyysanturirakenne
JP2008537139A (ja) センサ装置を備える装置
JP2008509390A (ja) 流体の熱対流を利用した加速度及び傾斜角測定装置とその測定方法
CN107091705A (zh) 一种微推力测量方法及装置
CN108981974B (zh) 一种基于重力复摆的超高精度微力测量装置及测量方法
US7155976B2 (en) Rotation sensing apparatus and method for manufacturing the same
CN1844935A (zh) 一种电容式微机械加速度计
CN104459203B (zh) 一种加速度计中的z轴结构及三轴加速度计
CN104764904B (zh) 一种三轴压电加速度计
CN103154746A (zh) 用于测量加速度,压力或类似量的微机械的装置以及相应的方法
CN100559187C (zh) 利用流体热对流测量加速度和/或倾斜角的方法和装置
CN104459204B (zh) 惯性测量模块及三轴加速度计
CN101683965A (zh) 在非对称质量分布情况下具有对称面结构的微机械传感器
CN110040680A (zh) 基于电热预加载具有准零刚度特性的mems微重力传感器芯片
CN202442829U (zh) 一种阵列力传感器
Han et al. Research on tilt sensor technology
CN102507979A (zh) 一种接触式电容微加速度传感器
CN215338344U (zh) 一种离面检测陀螺仪
RU192953U1 (ru) Мэмс-акселерометр
JPH067053B2 (ja) 姿勢センサ

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 119159

Country of ref document: FI

PC Transfer of assignment of patent

Owner name: MURATA ELECTRONICS OY

MM Patent lapsed