FI93579C - Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi - Google Patents

Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI93579C
FI93579C FI933670A FI933670A FI93579C FI 93579 C FI93579 C FI 93579C FI 933670 A FI933670 A FI 933670A FI 933670 A FI933670 A FI 933670A FI 93579 C FI93579 C FI 93579C
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
electrodes
sensitive
electrode
sensor
measuring
Prior art date
Application number
FI933670A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI933670A0 (fi
FI93579B (fi
Inventor
Tapani Ryhaenen
Original Assignee
Vaisala 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 Vaisala Oy filed Critical Vaisala Oy
Priority to FI933670A priority Critical patent/FI93579C/fi
Publication of FI933670A0 publication Critical patent/FI933670A0/fi
Priority to EP94306067A priority patent/EP0639755B1/en
Priority to DE69414783T priority patent/DE69414783T2/de
Priority to CA002130364A priority patent/CA2130364C/en
Priority to NO943069A priority patent/NO309300B1/no
Priority to US08/293,463 priority patent/US5531128A/en
Priority to JP19666094A priority patent/JP3369316B2/ja
Publication of FI93579B publication Critical patent/FI93579B/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI93579C publication Critical patent/FI93579C/fi

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/004—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by the use of counterbalancing forces
    • G01L11/008—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by the use of counterbalancing forces electrostatic or electromagnetic counterbalancing forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring 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
    • G01P15/13—Measuring 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 measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
    • G01P15/131—Measuring 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 measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electrostatic counterbalancing means

Description

93579 Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi
Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen sähköstaattisen 5 voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi.
Keksinnön kohteena on myös menetelmä sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketyn kapasitiivisen anturin aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi.
10 Seuraaviin julkaisuihin viitataan tekniikan tason kuvaamiseksi: USA:n patentit: [pl] U.S. Pat. No. 4,257,274 (Shimada et ai.) 15 [p2] U.S. Pat. No. 4,386,453 (Gianchino et ai.) [p3] U.S. Pat. No. 4,332,000 (Petersen) [p4] U.S. Pat. No. 4,390,925 (Freud) [p5] U.S. Pat. No. 3,397,278 (Pomerantz) [p6] U.S. Pat. No. 4,589,054 (Kuisma) 20 [p7] U.S. Pat. No. 4,628,403 (Kuisma) [p8] U.S. Pat. No. 4,594,639 (Kuisma) [p9] U.S. Pat. No. 4,831,492 (Kuisma) [plO] U.S. Pat. No. 4,996,627 (Zias et ai.) [pii] U.S. Pat. No. 5,019,783 (Cadwell) 25 [pl2] U.S. Pat. No. 5,028,876 (Cadwell) [pl3] U.S. Pat. No. 5,048,165 (Cadwell) [pl4] U.S. Pat. No. 4,679,434 (Stewart) Q)15] U.S. Pat. No. 5,095,750 (Suzuki et ai.) 30 Tieteelliset artikkelit: [ai] K. Warren, Navigation 38, 91 (1991).
[a2] K.D. Wise, in Proceedings of the Workshop Advances in Analogue Circuit Design, Katholieke Universiteit Leuven, April 1993.
93579 2 [a3] Y. de Coulon et ai, Design and Test of a Precision Servoaccelerometer with Digital Output, The Proceedings of the 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, pp.832-835, 1993] 5 Julkaisut [pi - plO] käsittelevät kapasitiivisia paineanturirakenteita, joissa elektrodina toimiva piikalvo taipuu jäykän metallielektrodin suhteen. Patenteissa [pl, plO] käsitellään erityisesti anturirakennetta, jolla mitataan anturin kalvon eri puolille vaikuttavien paineiden eroa. Anturirakennetta nimitetään paine-eroanturiksi.
10 Aikaisemmin esitetyt paine-eroanturirakenteet voidaan jakaa epäsymmetrisiin ja symmetrisiin rakenteisiin. Epäsymmetrisessä rakenteessa [pl, p8] kapasitanssin muutos mitataan ainoastaan paineherkän kalvon ja yhden metallielektrodin väliltä. Symmetrisessä rakenteessa [pl, p4, plO] kapasitanssi mitataan paineherkän kalvon ja sen molemmin puolin sijoitettujen metallielektrodien väliltä, mikä mahdollistaa 15 kapasitanssieron mittauksen.
Rakenteissa, joissa paineherkkä kalvo taipuu paineen vaikutuksen alaisena, lämpötilariippuvuus on karkeasti suoraan verrannollinen kalvon taipumaan. Valtaosa lämpötilariippuvuudesta symmetrisessä paine-eroanturirakenteessa muodostuu 20 piikalvon ja substraatin lämpölaajenemiskerrointen erosta.
Paine-eroanturin mittaukseen on yleisesti käytetty normaalia kapasitanssimittausta. Menetelmiä on useita. Symmetrisen paine-eroanturin mittauksessa saadaan aikaan siirtofunktio, joka on verrannollinen kapasitanssieroon. Etuna on huomattavasti 25 parempi lineaarisuus nollapisteen ympäristössä kuin epäsymmetrisellä rakenteella.
Kiijallisuudessa tunnetaan piimikromekaanisten rakenteiden mittaussysteemejä [pl4, pl5, ai], jotka perustuvat voimatasapainoperiaatteeseen. Anturiin vaikuttava mekaaninen voima kompensoidaan sähköisellä voimalla. Kahden elektrodin välinen 30 sähköinen vetovoima voidaan laskea kaavasta: _ f €0€zU2dA Ji 2d2 3 93579 missä U on elektrodien välinen sähköinen potentiaaliero, d elektrodien välinen etäisyys, dA pinta-alaelementti ja väliaineen dielektrisyysvakio. Jännite/voima-siirtofunktiolle on ominaista sen epälineaarisuus takaisinkytkentäjännitteen suhteen. Symmetrisessä rakenteessa siirtofunktio voidaan kuitenkin linearisoida periaatteessa 5 kahdella eri tavalla. Kun metallielektrodit 74 biasoidaan kuvion 7b mukaisesti jännitteisiin 72 (Vbias) ja 73 (vbUa) sekä kytketään keskimmäiseen elektrodiin 75 takaisinkytkentäjännite 71 (V), saadaan sähköiseksi nettovoimaksi „ . I ( *«eAV-Vbl„)> _ f ϋ,ί,ϊί,
J„ -Jd*- ' Ja -Td*- “ ' Ja -TT
Keskimmäisen elektrodin 75 jännite ohjataan esivahvistimeen edelleen käsiteltäväksi. RC-piiri 78 toimii ylipäästösuotimena.
10
Toinen mahdollisuus on kytkeä kuvion 7a mukaisesti biasjännitteet 72 (Vbiat) ja 73 (-Vbias) metallielektrodeille 74, summata niihin takaisinkytkentäjännite 71 (V), ja kytkeä keskimmäinen elektrodi 75 maapotentiaaliin vastuksen 77 kautta. Tuloksena on täsmälleen sama tulos kuin edellä: sähköinen voima on suoraan verrannollinen 15 elektrodien väliseen jännitteeseen. Esivahvistimen 76 ulostulojännite kytketään säätäjälle (ei esitetty). Säätäjä pyrkii nollaamaan ulostulojännitteen.
Takaisinkytkevä voima voidaan luoda myös passitetulla jännitteellä. Jos pulssien taajuus on selvästi korkeampi kuin anturin dynaamisen kaistan katkaisutaajuus 20 (anturin alin resonanssitaajuus), anturi näkee keskimääräisen voiman c» s ./Ύ2 »Τ’ r ave 2 cl2 Upuiae 1 puis* xpui se missä Up^ on pulssien korkeus, T^ on pulssin leveys ja on pulssijonon taajuus (tiheys). Takaisinkytkentää voidaan säätää pulssien korkeudella, leveydellä ja tiheydellä. Käytettäessä vakiokorkuisia pulsseja ja joko pulssinleveys- tai pulssinti-25 heysmodulaatiota saadaan lineaarinen riippuvuus pulssien leveyden tai tiheyden ja keskimääräisen voiman välille [a3, pl5]. Keksinnön mukaisen anturin takaisinkytkentä voidaan toteuttaa sekä jatkuvalla jännitteellä että passitetulla jännitteellä. Pulssitettu takaisinkytkentä soveltuu erityisesti epäsymmetrisiin rakenteisiin mahdol- 93579 4 listaen lineaarisen siirtofunktion.
Takaisinkytkentää on sovellettu mikromekaanisten kiihtyvyysantureiden mittaamiseen. Samaa periaatetta voidaan soveltaa luonnollisesti paine-eroanturin mittaami-5 seen. Symmetrisellä anturilla voimatasapainossa ulostuleva jännite on vout~ 2e e V ' ^er€0 vbias missä Ap on kalvon yli vaikuttava paine-ero ja g on anturin elektrodien välinen etäisyys. Jos käytettävissä on ± 10 V:n jännitealue ja halutaan mitata ± 500 Pa paine-eroaluetta, tulee elektrodien välimatkan olla alle 2 /im. Käytännössä tarvittavat 10 pienet dimensiot ja pieni paine-eroalue ovat rajoittaneet takaisinkytketyn paine- eroanturin soveltamista. Voimatasapainoperiaatteella toimivan paine-eroanturin etuna on sen lineaarisuus ja pieni lämpötilariippuvuus, koska kalvo on mahdollista pitää suorassa.
15 Yllä oleva kaava pätee toisaalta vain ideaaliselle anturirakenteelle: anturin paineher-kän kalvon 75 ja molempien elektrodien 74 välisten etäisyyksien tulee olla yhtä suuret. Jos elektrodien väliset etäisyyden poikkeavat toisistaan, on seurauksena, että kapasitanssien erotuksen Δ C - Cl - C2 nollakohta ei toteudu kalvon ollessa suorassa. Epäideaalisuus kasvattaa anturin lämpötilariippuvuutta ja epälineaarisuutta.
20
Takaisinkytketylle mikromekaaniselle anturille on käytetty kahta eri metallielektrodia siten, että toista elektrodia on käytetty takaisinkytkentään ja toista kapasitanssimit-taukseen [pl5, a2]. Tällä on pyritty yksinkertaistamaan mittauselektroniikkaa: takaisinkytkentäjännite ja mittaussignaali on erotettu toisistaan.
25 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada aivan uudentyyppinen sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi.
30 Keksintö perustuu siihen, että anturin toiset elektrodit ovat efektiivisiltä pinta- 5 93579 aloiltaan ainakin likimain yhtäsuuria mitattavalle suureelle herkän elimen muodon määrittämiseksi ja tämän pitämiseksi tarkasti määrätyssä geometrisessa tilassa.
Keksinnön mukainen menetelmä puolestaan perustuu siihen, että mitattavalle 5 suureelle herkkä elin pidetään tarkasti määrätyssä geometrisessa tilassa.
Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle anturille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.
10 Keksinnön mukaiselle menetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 12 tunnusmerkkiosassa.
Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.
15 Saatettaessa signaalille herkkä mittauselementti taipumattomaan tilaan, voidaan anturin ei-toivottu herkkyys lämpötilan muutoksille minimoida. Anturin mit-tauselementin muodon mielivaltaisella ohjauksella voidaan aina tarpeen mukaan minimoida dominoivinta virhelähdettä. Keksinnön mukaisella menettelyllä mittaus-jäijestelmän epälineaarisuus on tarkasti toista kertalukua. Keksinnön mukainen 20 aktiivisen elementin muodon ohjauksen mahdollistava jäijestelmä estää myös dielektristen muutosten vaikutuksen takaisinkytketyn järjestelmän geometriseen tilaan.
Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden 25 mukaisten suoritusesimerkkien avulla.
Kuvio 1 esittää yläkuvantona yhtä keksinnön mukaista elektrodijäijestelyä.
Kuvio 2 esittää yläkuvantona toista keksinnön mukaista elektrodijäijestelyä.
Kuvio 3 esittää kaavamaisena sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista symmetristä paineanturirakennetta.
30 93579 6
Kuvio 4 esittää yläkuvantona kolmatta keksinnön mukaista elektrodijäijestelyä.
Kuvio 5a esittää kaavamaisena sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista symmetristä kiihtyvyysanturirakennetta.
5
Kuvio 5b esittää kaavamaisena yläkuvantona kuvion 5a mukaista symmetristä kiihtyvyysanturirakennetta leikattuna yläelektrodien tasolta.
Kuviot 6a-6b esittävät graafisesti keksinnön mukaisten anturien kapasitanssin 10 riippuvuutta anturiin kohdistuvasta paineesta.
Kuviot 7a-7b esittävät lohkokaavioina kahta vaihtoehtoista ratkaisua keksinnön mukaisen symmetrisen anturin takaisinkytkentäelektroniikan toteuttamiseksi.
15 Kuviot 8a-8b esittävät lohkokaavioina kahta vaihtoehtoista ratkaisua keksinnön mukaisen epäsymmetrisen anturin mittauselektroniikan toteuttamiseksi.
Kuviot 9a-9b esittävät sivukuvantoina kahta vaihtoehtoista ratkaisua keksinnön mukaisen matriisielektrodirakenteen toteuttamiseksi.
20
Keksinnön mukaisesti jaetaan anturirakenteen rungossa olevat kiinteät metallielektro-dit kahteen tai useampaan osaan siten, että takaisinkytkentä ohjataan kaikille elektrodin osille yhteisesti ja mittaussignaali eri osille mielivaltaisella keskinäisellä vaihesiirrolla ja amplitudilla. Mittaussignaalin vaiheistuksella ja amplitudilla voidaan 25 toteuttaa siirtofunktio, joka painottaa kalvon eri osien välistä merkitystä. Erikoistapauksena on kalvon jakaminen kahteen samankeskiseen ja pinta-alaltaan yhtäsuureen alueeseen. Kuvioissa 1, 2 ja 3 esitetään tällaiset metallielektrodit ympyrän- ja neliönmuotoisille geometrioille.
30 Kuvion 1 ratkaisu koostuu ympyränmuotoisesta keskielektrodista 2 ja tätä ympäröivästä ympyränkehäelektrodista 1. Elektrodien 1 ja 2 pinta-alat ovat yhtäsuuret. Luonnollisesti pinta-aloissa voi olla poikkeamia valmistustoleranssien puitteissa.
7 93579
Kuvion 2 mukainen ratkaisu taas koostuu neliön muotoisesta keskielektrodista 4 ja tätä ympäröivästä neliökehäelektrodista 3.
Kuviossa 4 on esitetty kolmas keksinnön mukainen elektrodirakenne, jossa kes-5 kielektrodi 22 on kuvion 1 mukaisesti ympyrän muotoinen ja tätä symmetrisesti ympäröivän elektrodin 21 sisäkehä on ympyrän muotoinen ja ulkokehä neliön muotoinen. Tällä ratkaisulla voidaan keskielektrodin 22 herkkyys mitattavalle suureelle maksimoida rakenteessa, jossa elektrodikalvo (ei esitetty) on neliön muotoinen.
10
Kuviossa 3 esitetään mittauskytkentä, jolla saadaan aikaan kolme erilaista siirtofunktiota syöttämällä esitetyn rakenteen elektrodeille mittaussignaali es joko samassa tai vastavaiheessa. Siirtofunktiot ovat seuraavat: t/(1) - C5) ~ (ce+ Cj) out ~ C6 + C5+ c8+ c, t»(2) _ (^6~ ~ (^-7~ ^*5^ _ out ' c6+ C5 + CB+ Cj
Tr(3) = (C6- C5) + (C&- Cj) out c6+ C5+ C8+ c, jossa es on syötettävän signaalin amplitudi. C6 on portin 6 ja ulostulon 10 välinen 15 kapasitanssi. C8 on portin 8 ja ulostulon 10 välinen kapasitanssi. C5 on portin 5 ja ulostulon 10 välinen kapasitanssi. C7on portin 7 ja ulostulon 10 välinen kapasitanssi. Tällöin tapauksessa (1) mittaussignaali kytketään portiin 6 ja 5 samassa vaiheessa sekä portteihin 8 ja 7 vastakkaisessa vaiheessa; tapauksessa 0) kytketään mittaussignaali porteihin 6 ja 7 samassa vaiheessa sekä portteihin 5 ja 8 vastakkaisessa 20 vaiheessa; tapauksessa 0) kytketään mittaussignaali portteihin 6 ja 8 samassa vaiheessa sekä portteihin 5 ja 7 vastakkaisessa vaiheissa.
Vaihtoehtoisesti summataan edellä esitetylle metallielektrodirakenteelle syötettävään takaisinkytkentäsignaaliin erisuuruinen ohjausjännite eri elektrodin osille. Tämä 25 mahdollistaa kalvon muodon mielivaltaisen ohjauksen.
Paineherkkä piikalvo 9 voidaan pitää taipumattomassa tilassa, vaikka kalvon eri 8 93579 puolilla olevien kondensaattoriaukkojen syvyys on erilainen. Samoin rakenne mahdollistaa epäsymmetrisen anturin kalvon ohjauksen. Kalvon ollessa taipumattomassa tilassa anturin lämpötilariippuvuus minimoituu. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti siis metallielektrodit jaetaan kahteen samankeskeiseen pinta-5 alaltaan yhtäsuureen osaan, kuten kuvioissa 1, 2 ja 4 on esitetty. Mittaamalla elektrodirakenteen kapasitanssit Q ja Cs tai C8 ja C7 tiedetään, että kalvo on metallielektrodien tason suuntainen vain, jos kalvon samalta puolelta mitatut kapasitanssit ovat yhtäsuuret. Koska kalvo taipuu paineen vaikutuksesta, keskimmäisen kapasitanssin herkkyys paineen vaikutukselle on huomattavasti suurempi kuin 10 ulommaisen elektrodin ja kapasitanssien erotus on ilmaistavissa.
Kuviossa 6a esitetään kapasitanssit Q, C„ Cs ja C7 sekä erotukset ( C6- Cs) -( C8 - C7) ja ( Ce - Cs ) + ( C8- C7) paine-eron funktiona, kun anturin kondensaat-toriaukot ovat ideaalisesti yhtäsuuret. Kuviossa 6b esitetään sama epäsymmetriselle 15 tapaukselle. Epäsymmetria on 100 nm. Nähdään, että erotus ( C6 - Cs) - ( C8 - C7) nollautuu, kun kalvon taipuma on nolla. Erotuksen (C6-C5) + (Ca-C7) minimiarvo ja derivaatan nollakohta osuu myös tilanteeseen, jolloin kalvon taipuma on nolla. Edellä esitetyn systeemin siirtofunktiot ® ja 0) nollautuvat, jos kalvo on metallielektrodien suuntainen. Siirtofunktio ® on lisäksi yksikäsitteinen ja soveltuu 20 kalvon taipuman indikaattoriksi.
Kuvion mukainen anturi on geometrialtaan neliskulmainen ja metallielektrodit ovat muodoltaan kuvion 2 mukaisia. Anturin kalvon halkaisija on 2,4 mm, kalvon paksuus 10 /xm ja kondensaattoriaukot 2 /xm. Ulommaisen metalloinnin halkaisija on 25 2,2 mm ja sisemmän noin 1,5 mm.
Anturin takaisinkytkennän kannalta kriittisin dimensio on kondensaattoriaukon syvyys. Oletetaan, että käytettävissä on ± 15 V:n jännitealue. Tällöin sellaisella anturirakenteella, jonka kondensaattoriaukkojen syvyys on 2 /xm, voidaan mitata 30 painealue ± 1000 Pa. Painealue on suoraan verrannollinen jännitealueen toiseen potenssiin ja kääntäen verrannollinen kondensaattoriaukon syvyyden toiseen potenssiin. Kondensaattoriaukon syvyyden tulee olla alle 4 /xm, että takaisinkytkentäjännite il 9 93579 voidaan pitää kohtuullisena ja dynaaminen alue riittävänä. Kalvon halkaisija voi vaihdella tyypillisesti alueella 1 mm - 4 mm, ja kalvon paksuus on tyypillisesti alle 40 μπι.
5 Aiemmin esitetyt periaatteet ovat sovellettavissa tietyin geometrian muutoksin myös kiihtyvyysanturin tai minkä tahansa mikromekaanisen liikkuvaan elementtiin perustuvan anturin mittauselektroniikassa. Esimerkkinä voidaan esittää kuvion 5 massaan 36 ja taipuvaan palkkiin 37 perustuvan kiihtyvyysanturirakenteen tapaus. Toisin kuin paine-eroanturin tapauksessa elektrodi on jaettu kahteen yhtäsuureen 10 peräkkäiseen 31, 32 ja 33, 34 osaan. Mittaamalla elektrodien 31, 32, 33, 34 ja massan 36 välistä kapasitanssia ulostulosta 35 tiedetään, että massa 36 on taipumattomassa tilassa, kun massan samalta puolelta mitattujen kahden kapasitanssin (esim.
C3i - C32) erotus on nolla.
15 Kuvion 5b mukaisesti massan 36 samalla puolella olevien elektrodien 31 ja 32 tulee olla symmetrisiä massan pituuskeskiakselin 38 suhteen.
Kuvioissa 7a ja 7b esitetään lohkokaavio takaisinkytketyn piipaine-eroanturin takaisinkytkentäperiaatteesta. Kuvioiden mukaisella elektrodirakenteella, 20 jossa anturikalvon 75 molemmilla puolilla on vain yksi kiinteä elektrodi 74 ei kuitenkaan kyetä toteuttamaan keksinnön mukaista ratkaisua. Niinpä kuviot ovat vain esimerkkejä takaisinkytkentäperiaatteesta. Anturilta detektoidaan jännite, joka on verrannollinen kapasitanssien erotukseen. Jännite syötetään säätäjään, jonka ulostulojännite kytketään takaisin anturille. Voimatasapainossa sähköinen voima 25 kompensoi paine-eron kalvoon aiheuttaman voiman. Periaatetta on tarkemmin kuvattu selitysosan yleisessä osassa.
Kuvion 8a mukaisesti epäsymmetrisen anturin 80 kiinteille elektrodeille 85 ja 84 syötetään vaihtosähkösignaali signaalilähteestä 88. Elektrodeille 84 syötetyn signaa-30 Iin polariteetti käännetään invertoivalla vahvistimella 86. Anturikalvo 83 on kytketty vastuksen 87 kautta maapotentiaaliin. Elektrodien 85 ja 84 sekä anturikalvon 83 kapasitanssien) ilmaistaan vaiheherkällä ilmaisimella ja ulostulo 91 ohjataan säätä- 93579 10 jään (ei esitetty) kalvon 83 geometrian pitämiseksi halutussa tilassa.
Kuvion 8b mukaisesti pulssigeneraattorilla 90 syötetään sähköisiä pulsseja elektrodeille 84 ja 85 siten, että elektrodille 84 syötettyjen pulssien polariteetti käännetään 5 invertoivalla vahvistimella. Kondensaattorien C83>85 ja C83 84 kapasitanssien välinen ero näkyy varauserona varausvahvistimen 89 ulostulossa 91 ja tätä ulostulotietoa käytetään anturin 80 säätöön sähköisien voimien avulla.
Esimerkkinä keksinnön mukaisen tekniikan soveltamisesta monimutkaisemman 10 kalvon muodon generointiin esitetään kuvissa 9a ja 9b aaltoilevan kalvon tapaus, missä tasapaksu kalvo ajetaan aaltoilevaan muotoon. Järjestelmä voidaan toteuttaa periaatteessa kahdella eri tavalla: 1) Anturin kondensaattoriaukot muodostavat periodisen rakenteen, jossa niiden 15 syvyys vaihtelee kuvion 9a esittämällä tavalla. Porteista 93 ja 94 (tai 95 ja 96) mitattujen kapasitanssien yhtäsuuruus toteutuu kalvon 97 taipuessa periodisesti.
Kalvon ohjauksessa säädetään elektrodiryhmille 93 ja 94 sekä 95 ja 96 kytkettävien jännitteiden erotusta. Kuvion 9a tilanne saadaan aikaan kytkemällä suurempi jännite elektrodeihin 94 ja 95 sekä pienempi jännite elekrodeille 93 ja 96. Elektrodien 20 efektiivisten pinta-alojen suhde määräytyy tällöin kondensaattoriaukkojen syvyyksien suhteessa. Kapasitanssien erotuksen mittauksella voidaan ohjata jäijestelmä haluttuun muotoon.
2) Kuviossa 9b on esitetty järjestelmä, jossa on saatu aikaan vastaava tulos säätämäl-25 Iä elektrodien efektiivistä pinta-alaa mittauselektroniikan siirtofunktion avulla.
Takaisinkytkennässä käytetään jännitteiden erotusta, kuten kuvion 9a tapauksessa. Kalvon 97 aaltomaisella rakenteella voidaan kontrolloida kalvon jännitystilaa.
Oletetaan, että kalvo on lähtötilanteessa puristusjännitystilassa. Kalvon 97 aaltomainen taivutus saa aikaan vetojännityksen, joka kompensoi puristusjännitystilan.
30 Jännitys voidaan nollata tai kalvo voidaan saattaa vetojännitystilaan.
Niinpä anturin toisille elektrodeille voidaan määritellä termi efektiivinen pinta-ala.
li.
11 93579
Oletetaan, että kahden kondensaattorin C, ja C2 erotusta mittaavan elektroniikan siirtofunktio on verrannollinen suureeseen aC, - BC2, missä kertoimet a ja β määräytyvät mittauspiirin ominaisuuksista ja kondensaattoriaukkojen syvyydestä. Jos kapasitanssit Ci ja C2 ovat suoraan verrannollisia kondensaattorien pinta-aloihin A, 5 ja A2, määritellään kondensaattorien efektiivisiksi pinta-aloiksi aAj ja BA2. Kuvioiden 1, 2 ja 4 mukaisten kaksiosaisten kondensaattorirakenteiden efektiivisten pinta-alojen yhtäsuuruus toteutuu, kun aC, - BQ = 0.

Claims (14)

93579
1. Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi, joka käsittää 5. runkorakenteen (8), - runkorakenteeseen (8) kiinnitetyn dynaamisen, mitattavalle suureelle herkän elimen, kuten kalvon (9) tai taipuvan palkin (37) varaan ripustetun massan (36), joka on ainakin pinnaltaan johtavaa materiaalia anturin ensimmäisen 10 elektrodin (9, 36) muodostamiseksi, ja - ainakin kaksi oleellisesti mitattavalle suureelle herkän elimen (9, 37) suuntaista kiinteää toista elektrodia (5, 6), jotka on sijoitettu mitattavalle suureelle herkän elimen (9, 37) samalle puolelle, 15 tunnettu siitä, että - toiset elektrodit (5,6) ovat efektiivisiltä pinta-aloiltaan ainakin likimain yhtäsuuria mitattavalle suureelle herkän elimen (9, 37) muodon määrittämi- 20 seksi ja pitämiseksi tarkasti määritellyssä geometrisessa tilassa.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, jossa on oleellisen tasomainen kalvo (9), joka on herkkä sen eri puolille vaikuttavien paineiden erotukselle, tunnettu siitä, että toiset tasomaiset elektrodit (5, 6) ovat oleellisesti samankeskisiä. 25
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen anturi, tunnettu siitä, että toiset tasomaiset elektrodit (5, 6) ovat pinta-aloiltaan ainakin likimain yhtäsuuria.
4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anturi, tunnettu siitä, että 30 toiset tasomaiset elektrodit (1,2) muodostuvat ympyränmuotoisesta keskielektrodista (2) ja ainakin yhdestä tätä ympäröivästä ympyränkehäelektrodista (1). n 93579
5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen anturi, tunnettu siitä, että toiset tasomaiset elektrodit (3, 4) muodostuvat neliön muotoisesta keskielektrodista (4) ja ainakin yhdestä tätä ympäröivästä neliökehäelektrodista (3).
6. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen anturi, tunnettu siitä, että toiset elektrodit (21, 22) muodostuvat ympyrän muotoisesta keskielektrodista (22) ja ainakin yhdestä tätä ympäröivästä elektrodista (21), jonka sisäkehä on ympyrän muotoinen ja ulkokehä neliön muotoinen.
7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anturi, tunnettu siitä, että toiset elektrodit (5, 6 ja 7, 8) on sijoitettu mitattavalle suureelle herkän elimen (9) molemmille puolille.
8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, jossa on taipuvan palkin (37) varaan 15 ripustettu massa (37) ja jossa palkin (37) taipuma on herkkä ripustetun massan kokemalle kiihtyvyydelle, tunnettu siitä, että toiset elektrodit (31, 32) ovat oleellisesti palkin pituuskeskiakselin (38) suhteen symmetrisiä ja peräkkäisiä.
9. Patenttivaatimuksen 1 tai 8 mukainen anturi, tunnettu siitä, että toiset 20 elektrodit (31, 32) ovat efektiivisiltä pinta-aloiltaan ainakin likimain yhtäsuuria.
10. Patenttivaatimuksen 1, 8 tai 9 mukainen anturi, tunnettu siitä, että toiset elektrodit (31, 32 ja 33, 34) on sijoitettu palkin (36) ja massan (37) molemmille puolille. 25
11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, tunnettu siitä, että toiset elektrodit on jaettu hienojakoiseksi matriisirakenteeksi, joka puolestaan on jaettu sähköisesti vähintään kahdeksi efektiiviseltä pinta-alaltaan oleellisesti yhtäsuureksi elektrodiryh-mäksi. 30
12. Menetelmä sellaisen sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketyn kapasitiivi-sen anturin ohjaamiseksi, joka anturi käsittää 93579 - runkorakenteen (8), - runkorakenteeseen (8) kiinnitetyn dynaamisen, mitattavalle suureelle herkän elimen kuten kalvon (9) tai taipuvan palkin (37) varaan ripustetun massan 5 (36), joka on ainakin pinnaltaan johtavaa materiaalia anturin ensimmäsen elektrodin (9) muodostamiseksi, ja - ainakin kaksi oleellisesti mitattavalle suureelle herkän elimen (9, 37) suuntaista kiinteää toista elektrodia (S, 6), jotka on sijoitettu mitattavalle 10 suureelle herkän elimen (9) samalle puolelle, jossa menetelmässä mitattavalle suureelle herkkä elin (9, 37) pyritään pitämään paikallaan 15 tunnettu siitä, että - mitattavalle suureelle herkän elimen (9, 37) muoto määritetään ja tämä pidetään tarkasti määritellyssä geometrisessa tilassa.
13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että anturin aktiivinen elementti (9, 37) pidetään taipumattomassa tilassa mittaamalla tämän muotoja säätämällä mittaustuloksen perusteella aktiivisen elementin (9, 37) ja toisten elektrodien (5, 6) välisiä sähköisiä voimia.
14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toiset elektrodit (5, 6) sovitetaan pinta-alaataan yhtäsuuriksi, mitataan toisten elektrodien (5, 6) ja mitattavalle suureelle herkän elimen (9, 37) väliset kapasitanssit (Cs, C6) ja säädetään nämä yhtäsuuriksi ohjaamalla aktiivisen elementin (9, 37) ja toisten elektrodien (5, 6) välisiä sähköisiä voimia. 11, 93579
FI933670A 1993-08-20 1993-08-20 Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi FI93579C (fi)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI933670A FI93579C (fi) 1993-08-20 1993-08-20 Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi
EP94306067A EP0639755B1 (en) 1993-08-20 1994-08-17 Capacitive transducer feedback controlled by means of electrostatic force and method for controlling the profile of the tranducing element in the transducer
DE69414783T DE69414783T2 (de) 1993-08-20 1994-08-17 Kapazitiver Druckwandler mit Rückkopplung durch eine elektrostatische Kraft und Verfahren zur Profilsteuerung des Messelementes im Wandler
CA002130364A CA2130364C (en) 1993-08-20 1994-08-18 Capacitive transducer feedback-controlled by means of electrostatic force and method for controlling the profile of the transducing element in the transducer
NO943069A NO309300B1 (no) 1993-08-20 1994-08-19 Kapasitiv transduser med tilbakekopling ved elektrostatisk kraftpåvirkning, og fremgangsmåte for styring av profilen av dens aktive transduserelement
US08/293,463 US5531128A (en) 1993-08-20 1994-08-19 Capacitive transducer feedback-controlled by means of electrostatic force and method for controlling the profile of the transducing element in the transducer
JP19666094A JP3369316B2 (ja) 1993-08-20 1994-08-22 容量性トランスデューサとトランスデューサ素子のプロフィールを制御する方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI933670A FI93579C (fi) 1993-08-20 1993-08-20 Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi
FI933670 1993-08-20

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI933670A0 FI933670A0 (fi) 1993-08-20
FI93579B FI93579B (fi) 1995-01-13
FI93579C true FI93579C (fi) 1995-04-25

Family

ID=8538447

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI933670A FI93579C (fi) 1993-08-20 1993-08-20 Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi

Country Status (7)

Country Link
US (1) US5531128A (fi)
EP (1) EP0639755B1 (fi)
JP (1) JP3369316B2 (fi)
CA (1) CA2130364C (fi)
DE (1) DE69414783T2 (fi)
FI (1) FI93579C (fi)
NO (1) NO309300B1 (fi)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI93580C (fi) * 1993-10-08 1995-04-25 Vaisala Oy Menetelmä ja laitteisto epäsymmetrisen paine-eroanturin takaisinkytkemiseksi
FI102783B (fi) * 1994-12-22 1999-02-15 Vaisala Oyj Menetelmä virtausnopeusanturin linearisoimiseksi sekä linearisoitu vir tauksen nopeuden mittauslaitteisto
US5916179A (en) * 1997-04-18 1999-06-29 Sharrock; Nigel System and method for reducing iatrogenic damage to nerves
US20040099061A1 (en) * 1997-12-22 2004-05-27 Mks Instruments Pressure sensor for detecting small pressure differences and low pressures
FI105237B (fi) 1998-06-24 2000-06-30 Valtion Teknillinen Piimikromekaaninen vaaka
FI20000339A (fi) 2000-02-16 2001-08-16 Nokia Mobile Phones Ltd Mikromekaaninen säädettävä kondensaattori ja integroitu säädettävä resonaattori
DE10122912A1 (de) * 2001-05-11 2002-11-21 Infineon Technologies Ag Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer vorbestimmten Positionsbeziehung zweier zueinander beweglicher Elektroden
US6813954B2 (en) * 2001-05-25 2004-11-09 Panametrics, Inc. High sensitivity pressure sensor with long term stability
JP4378617B2 (ja) * 2001-07-17 2009-12-09 Ｓｍｃ株式会社 微小電気機械センサー
EP1382977A1 (en) * 2002-07-19 2004-01-21 IMEC vzw, Interuniversitair Microelectronica Centrum vzw Apparatus and method for determining the performance of micro machines or microelectromechanical devices
ATE389888T1 (de) 2002-05-29 2008-04-15 Imec Vzw Interuniversitair Mic Gerät und verfahren, um die leistung von mikromaschinen oder mikroelektromechanischen bauelementen zu bestimmen
EP1367405B1 (en) * 2002-05-29 2008-03-19 IMEC vzw, Interuniversitair Microelectronica Centrum vzw Apparatus and method for determining the performance of micro machined or microelectromechanical devices
FR2858854B1 (fr) * 2003-08-13 2005-12-16 Sercel Rech Const Elect Accelerometre a vibrations parasites reduites par rappel ameliore
US6877382B1 (en) * 2003-10-20 2005-04-12 Robert D Gourlay Inhalation detector
JP4103877B2 (ja) * 2004-09-22 2008-06-18 セイコーエプソン株式会社 静電型超音波トランスデューサ及び超音波スピーカ
US7141447B2 (en) * 2004-10-07 2006-11-28 Mks Instruments, Inc. Method of forming a seal between a housing and a diaphragm of a capacitance sensor
US7137301B2 (en) 2004-10-07 2006-11-21 Mks Instruments, Inc. Method and apparatus for forming a reference pressure within a chamber of a capacitance sensor
JP5169608B2 (ja) * 2008-08-08 2013-03-27 富士電機株式会社 静電容量式圧力センサおよび静電容量式圧力検出装置
DE102012111533A1 (de) 2012-11-28 2014-05-28 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Druckmesszelle
CN104555882B (zh) * 2013-10-10 2016-03-23 原相科技股份有限公司 微机电元件与微机电补偿结构
FR3054861B1 (fr) * 2016-08-02 2019-08-23 Zodiac Aerotechnics Procede de pilotage d'une pompe a membrane ondulante, et systeme pilote de pompe a membrane ondulante
AT520420B1 (de) * 2017-08-09 2019-07-15 Anton Paar Gmbh Kapazitive Wegmessvorrichtung zum Messen einer Weginformation eines Sondenkörpers
DE102017131066A1 (de) * 2017-12-22 2019-06-27 Endress+Hauser SE+Co. KG Verfahren zum Bereitstellen von kalibrierten Druckmessumformern

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3229530A (en) * 1960-12-12 1966-01-18 North American Aviation Inc Accelerometer
GB1138401A (en) * 1965-05-06 1969-01-01 Mallory & Co Inc P R Bonding
US3602047A (en) * 1969-06-24 1971-08-31 Kistler Instr Corp Servo pressure transducer
JPS5516228A (en) * 1978-07-21 1980-02-04 Hitachi Ltd Capacity type sensor
US4340409A (en) * 1979-04-16 1982-07-20 The Bendix Corporation Method of fabricating a pressure sensor
US4386453A (en) * 1979-09-04 1983-06-07 Ford Motor Company Method for manufacturing variable capacitance pressure transducers
US4332000A (en) * 1980-10-03 1982-05-25 International Business Machines Corporation Capacitive pressure transducer
US4390925A (en) * 1981-08-26 1983-06-28 Leeds & Northrup Company Multiple-cavity variable capacitance pressure transducer
EP0118359B1 (en) * 1983-02-28 1987-05-20 Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (O.N.E.R.A.) Electrostatic accelerometer
FI69211C (fi) * 1984-02-21 1985-12-10 Vaisala Oy Kapacitiv styckgivare
FI74350C (fi) * 1984-02-21 1988-01-11 Vaisala Oy Kapacitiv absoluttryckgivare.
FI71015C (fi) * 1984-02-21 1986-10-27 Vaisala Oy Temperaturoberoende kapacitiv tryckgivare
US4679434A (en) * 1985-07-25 1987-07-14 Litton Systems, Inc. Integrated force balanced accelerometer
FI872049A (fi) * 1987-05-08 1988-11-09 Vaisala Oy Kondensatorkonstruktion foer anvaendning vid tryckgivare.
US5211051A (en) * 1987-11-09 1993-05-18 California Institute Of Technology Methods and apparatus for improving sensor performance
JPH0672899B2 (ja) * 1988-04-01 1994-09-14 株式会社日立製作所 加速度センサ
US5048165A (en) * 1989-01-30 1991-09-17 Dresser Industries, Inc. Method for controlling the sensitivity and linearity of capacitive transducer systems
US5019783A (en) * 1989-01-30 1991-05-28 Dresser Industries, Inc. Precision transducer circuit and linearization method
US4996627A (en) * 1989-01-30 1991-02-26 Dresser Industries, Inc. High sensitivity miniature pressure transducer
US5028876A (en) * 1989-01-30 1991-07-02 Dresser Industries, Inc. Precision capacitive transducer circuits and methods
US5085070A (en) * 1990-02-07 1992-02-04 At&T Bell Laboratories Capacitive force-balance system for measuring small forces and pressures

Also Published As

Publication number Publication date
EP0639755A2 (en) 1995-02-22
FI933670A0 (fi) 1993-08-20
NO309300B1 (no) 2001-01-08
EP0639755B1 (en) 1998-11-25
DE69414783T2 (de) 1999-07-29
JP3369316B2 (ja) 2003-01-20
NO943069D0 (no) 1994-08-19
CA2130364A1 (en) 1995-02-21
JPH0792046A (ja) 1995-04-07
FI93579B (fi) 1995-01-13
CA2130364C (en) 2002-01-22
DE69414783D1 (de) 1999-01-07
EP0639755A3 (en) 1996-01-17
NO943069L (no) 1995-02-21
US5531128A (en) 1996-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI93579C (fi) Sähköstaattisen voiman avulla takaisinkytketty kapasitiivinen anturi ja menetelmä sen aktiivisen elementin muodon ohjaamiseksi
US6496348B2 (en) Method to force-balance capacitive transducers
US5540095A (en) Monolithic accelerometer
USRE36498E (en) Sensor with separate actuator and sense fingers
JP3672937B2 (ja) 小型シリコン加速度計及びその方法
US2999386A (en) High precision diaphragm type instruments
US6167757B1 (en) Single-side microelectromechanical capacitive accelerometer and method of making same
US20020189355A1 (en) Small size, high capacitance readout silicon based MEMS accelerometer
US20100164324A1 (en) Self-sensing dielectric actuator system
CN102057250B (zh) 漂移补偿的惯性旋转传感器
US20010042404A1 (en) Single-side microelectromechanical capacitive accelerometer and method of making same
KR20050107470A (ko) 가속도계
KR20110129407A (ko) 3상 용량 기반 감지
KR100236486B1 (ko) 용량성 가속센서
JPS5952365B2 (ja) 角度測定又は加速度測定に使用できる測定装置
Wang et al. A universal high-sensitivity area-variation capacitive displacement transducer (CDT) based on fringe effect
Scheibner et al. Characterization and self-test of electrostatically tunable resonators for frequency selective vibration measurements
US7055387B2 (en) Apparatus for and method of sensing a measured input
US11002527B2 (en) In-plane sensor misalignment measuring device using capacitive sensing
Wei et al. A silicon MEMS structure for characterization of femto-farad-level capacitive sensors with lock-in architecture
JP2004510984A (ja) マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための方法および装置
IL262462A (en) Accelerometer with closed rim
JPH03293565A (ja) Ｐｗｍ静電サーボ式加速度計
RU2148830C1 (ru) Акселерометр
Kraft et al. Control system design study for a micromachined accelerometer

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Owner name: VAISALA OY

BB Publication of examined application