NO339398B1 - Akselerometer med redusert bakgrunnsvibrasjon på grunn av forbedret returbevegelse - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører mikromaskinerte akselerometre hvor bevegelser i grunnen kan måles for geofysiske formål (seismisk kartlegging av undergrunnen).

Oppfinnelsen vedrører særlig akselerometre hvor det benyttes et masse-fjær-system, særlig hvor massen er i form av en serie av fingre som er i inngrep med tilsvarende fingre på en fast del.

I denne type innretninger danner hvert par av motliggende fingre en målekondensator.

Det skal også nevnes at fingrene som danner kondensatorene, kan benyttes ikke bare for måling av forskyvning ved å måle kapasitansvariasjonen, men også for tilbakeføring av massen til dens opprinnelige stilling, idet det tilveiebringes en elektrostatisk kraft i den enkelte på denne måten tilformede kapasitans. Den elektrostatiske returkraft kan styres ved hjelp av den tidligere foretatte kapasitive måling av forskyvningen.

Det foran nevnte er beskrevet tidligere, særlig i FR 2 769 369.

Ved denne akselerometertype blir fagpersonen typisk konfrontert med tilstedeværelsen av støy som overlagres målingen.

Når det dreier seg om akselerometre som innbefatter en serie av elektroder med innbyrdes fingerinngrep, har man funnet at en del av støyen skyldes vibrasjon som på uønsket måte oppstår ved den enkelte finger. Opphavet til denne støyen kan variere, men skyldes særlig ytre påkjenninger, hvis frekvensspekter dekker vibrasjonsfrekvensen til fingrene.

Når det særlig dreier seg om akselerometre med retur av den bevegede del, særlig akselerometre med styrt relagring, kan denne vibrasjonen i tillegg forsterkes av relagringskrefter som gjentatt virker på massen. I et slikt tilfelle vil vibrasjonen gi en amplitudemodulasjon av relagringskreftene, hvilket medfører uønsket støy i det aktuelle båndet.

Tilstedeværelsen av støy som skyldes én eller flere av disse ulike årsaker, utgjør et første problem.

Et andre problem er det faktum at fingrene har vist seg å være skjøre under bøyepåkjenning. Hva enten de vibrerer i resonans eller bare er utsatt for kraftige akselerasjoner, er fingrene utsatt for skader som følge av utbøyningen.

For å løse ett eller begge problemer foreslås det ifølge oppfinnelsen et akselerometer med en bevegbar masse og en fast del, hvor variasjoner i kapasitansen benyttes for detektering av massens bevegelse, idet en første serie av elektroder som er fast forbundet med massen, er i fingerinngrep med en serie av elektroder som er fast forbundne med den faste del, idet hver bevegbar elektrode sammen med en hosliggende fast elektrode danner en variabel kapasitans som varierer som en funksjon av stillingen til den bevegbare masse, hvilket akselerometer videre innbefatter en elektronisk krets beregnet for detektering av variasjonen til minst én kapasitans mellom den bevegbare masse og den faste del som en indikator for forskyvningen av den bevegbare masse, og også beregnet for tilveiebringelse av en elektrostatisk kraft for tilbakeføring av den bevegede masse til dens opprinnelige stilling, idet den elektroniske krets er anordnet for tilveiebringelse av den elektrostatiske returpåkjenning på en slik måte at den automatisk styres av en tidligere forskyvningsmåling, kjennetegnet ved at den derved tilveiebrakte returpåkjenning spesifikt velges slik at dens mekaniske energifrekvensspektrum vil ha en i hovedsaken nullenergisone ved den mekaniske resonansfrekvensen til elektrodene på den bevegelige masse og/eller den faste del.

Andre trekk, hensikter og fordeler med oppfinnelsen vil gå frem av den etterfølgende detaljerte beskrivelse, under henvisning til tegningen hvor: Fig. 1 skjematisk viser en særlig utførelse av en akselerasjonssensor ifølge oppfinnelsen; Fig. 2a-2c er grafer som viser frekvensspektrene til den støy som relaterer seg til masserelagringsspenningen, idet figurene viser en transformasjonsfunksjon for energi spenningen, med og uten resonans av fingrene, og den resulterende energi, med og uten resonans av fingrene; Fig. 3 viser frekvensspekteret til en pulset styrespenning og et firkantbølgesignal som åpner for spenningen; Fig. 4 viser elektroder i fingerinngrep ifølge en alternativ utførelse av oppfinnelsen; Fig. 5 viser elektroder i fingergrep ifølge nok en alternativ utførelse av oppfinnelsen.

Den i fig. 1 viste akselerasjonssensor innbefatter følgende komponenter, i ett og samme halvledende substrat 1: - en fast armatur 2; - to serier av faste elektroder 3 og 7 som er fast forbundet med armaturen 2; - en serie av elektroder 4 som bæres av en bevegbar plate 5; - fjærer 6 som forbinder den bevegbare plate 5 med armaturen 2 (bare én fjær er vist for ikke å overbelaste tegningsfiguren).

De bevegbare elektroder 4 er elektrisk isolert relativt de faste elektroder 3 og 7.

Elektrodene 3 danner en kondensator Cl hvor elektrodene 4 vender mot hverandre. Elektrodene 7 danner en kondensator C2 hvor elektrodene 4 vender mot hverandre.

Når den bevegbare masse forskyves i forhold til den faste delen, vil verdiene til Cl og C2 variere i motsatt retning. Dette muliggjør en måling av den relative stillingen til den bevegbare massen. I tillegg, i foreliggende utførelseseksempel, vil en spenning som legges på terminalene til Cl gi en elektrostatisk kraft som tenderer til å bringe elektrodene 3 og 4 nærmere hverandre, slik at derved den bevegbare masse forskyves i én retning, mens derimot en spenning som legges på terminalene til C2, vil ha en tendens til å forskyve den bevegbare masse i den andre retningen.

En elektronisk krets, som ikke er vist her, men som er kjent for fagverdenen, er forbundet med hver serie av faste elektroder 3 og 7 og med serien av de bevegbare elektroder 4.

Denne krets, fordelaktig av den svitsjede kondensatortype, tidsreguleres med en klokke, og den legger syklisk, i suksessive faser, en målespenning på terminalene til den enkelte kondensator, slik at deres kapasitans (differensialmåling av to hosliggende kapasitanser) kan måles. Den målte forskyvningen er indikativ for forskyvningen av den bevegbare plate 5 som følge av den selektive akselerasjon. Varigheten av fasen for tilføring av en målespenning, benevnt Tc og også benevnt belastningstid, eller varigheten av detekteringsfasen, er meget mindre enn systemets resonansperiode (og derfor mindre enn grunnens vibrasjonsperiode).

Den styring som her er anordnet, innbefatter en kansellering av massens 5 relative bevegelse ved at det tilføres en kraft mellom serien av de bevegbare elektroder og den ene eller andre av seriene med faste elektroder (Cl eller C2). Dette er en elektrostatisk kraft og dette er aktiveringsfasen når sistnevnte brukes på en måte som er temporært atskilt fra detekteringsfasen.

Fortrinnsvis er det den samme elektroniske kretsen som alternativt måler stillingen til den bevegbare masse og tenderer til å bringe denne tilbake til utgangsstillingen ved tilføring av egnede spenninger på terminalene til kondensatorene Cl og/eller C2.

Kretsen gir således en multipleksing mellom måling og feedback, fordelaktig med en utladning av kondensatorene mellom disse to trinn.

Multipleks-frekvensområdet er eksempelvis 100-500 ganger systemets resonansfrekvens.

I en annen utførelse kan returbevegelsen av den bevegbare masse skje samtidig med målingen av forskyvningen.

Den mekaniske innretningen har typisk en respons ved 500 Hz. Resonansfrekvensen, fortrinnsvis valgt så nært opptil grunnens vibrasjonsfrekvens som mulig, innstilles ved setting av en elektrostatisk stivhet ke i foreliggende utførelseseksempel. Denne stivheten overlagres den mekaniske stivhet og innstilles med varigheten av ladningstrinnet for måling av kapasitanser.

Den elektrostatiske stivhet velges her for senkning av systemets resonansfrekvens. Den mekaniske stivhet velges bevisst høyere enn toppfrekvensen til det aktuelle bånd.

Dette mulige arrangement, som er kjent fra FR 2 769 309, gjør det mulig å begrense kollaps, redusere avstanden mellom elektrodene og gjør det derfor mulig å benytte kraftige elektriske felt (stor elektrostatisk stivhet).

Dette arrangement muliggjør videre en optimalisering av ytelsene i den anvendbare båndbredde og en kompensasjon av spredningen i den mekaniske stivheten til fjærene som holder den bevegbare plate, en spredning som typisk observeres i vanlige fremstillingsprosesser.

Den elektrostatiske stivhet medfører at den tilsynelatende frekvens bringes tilbake til 140 Hz, for derved best å kunne redusere støyen i den utnyttbare båndbredde (0-200 Hz).

De faste og bevegbare elektroder har form av "fingre", vanligvis parallellepipediske silikonbj eiker som er forbundet med hverandre på samme måte som i en hårkam. Hver av disse fingrene har en resonansfrekvens som svarer til den i den utragende bjelke.

I det foreliggende tilfellet var resonansfrekvensen til fingrene typisk 90 kHz, og den endret seg til 585 kHz etter at det ble foretatt en første modifikasjon som beskrevet nærmere nedenfor.

Oppfinnerne har funnet at disse fingrene har en tendens til en betydelig resonans, med desto større amplitude når det omgivende trykk er meget lavt inne i innretningen.

Det er den resulterende bevegelse som gir foldingen av basisbåndet, ved frekvenstransposisjon av støyen i styreenergien, og derfor den globale støydegradering i geofonen, særlig når den maksimale kompenserbare akselerasjon (Amax) økes med aktivatoren.

Spektralkomponentene til det respektive retursignal til massen, vil bli analysert nedenfor.

For en diskusjon av midlene for begrensning av fingrenes resonans, skal det først her nevnes den observasjon at den gjentatte styrekraft F, som virker på den bevegbare plate 5, uttrykkes som F = (e.S.V<2>)/(2.d<2>), hvor S er elektrodenes motliggende overflateareal, V er spenningen mellom elektrodene og d er avstanden mellom elektrodene. Varierer V og d over tid, så kan man skrive F(t) = Fl(t).F2(t), hvor Fl(t) = V(t)<2>og F2(t) = e.S/2.d(t)<2>.

En temporær multiplikasjon gir en konvolusjon i frekvensområdet, og man får da F(f) = Fl(f)<8> F2(f).

Fl (f) er vist i fig. 2a, med kurven 10 (i fravær av et aksel erasjonssignal), og F2(f) er vist i fig. 2b (kurve 20: resonansfingre, kurve 30: ikke-resonansfingre).

Det kan observeres en øking av den uønskede støy i basisbåndet som følge av fingrenes resonans.

Med andre ord, fingrene går i resonans fordi deres egenfrekvens er sterkt representert i energi spekteret til den gjentatte styrekraft som benyttes i denne type akselerometer.

Det skal nevnes at på grunn av samplingen, blir spekteret gjentatt uendelig med en tilbakevendende Fe, samplingsfrekvensen, slik det er vist med henvisningstallet 60 i fig. 3.

Det er av interesse å observere at da denne tilbakestillingskraften har form av gjentatte pulser med en bredde Ta og ikke som Dirac-pulser (null bredde), blir spekteret 60 multiplisert med en hovedsinusfunksjon som har en første nullfrekvens på l/Ta.

I fig. 3 representerer kurven 60 frekvensstyrespekteret med kortvarige pulser (Dirac-pulser) mens kurven 80 representerer virkelige pulser med en varighet Ta og derfor med relativt store soner med så godt som ingen energi. Størrelsen til styrekraften Fkontroii er avsatt på ordinaten, som en funksjon av frekvensen f.

I fig. 3 er kurven 70, frekvenstransformeringen av signalet med pulser av varigheten Ta, en hovedsinusfunksjon av typen sinus (Pi.T.Fa)/(Pi.Fa.Ta). (Med et første nullpunkt ved frekvensen l/Ta).

Kurven 80 er derfor resultatet av en multiplikasjon av kurven 60 med kurven 70.

Hvordan disse hittil ikke utnyttede energi synkinger kan utnyttes, vil bli beskrevet nedenfor.

Det utvikles en matching mellom ett av disse energisynkene og fingrenes resonansfrekvens.

Et første, foretrukket arrangement er å velge en posisjon av hovedsinusen for derved å legge en retur til nullenergi i fingrenes resonansfrekvens. Det spektrum som oppstår av produktet, vil ha en retur til null ved resonans.

Denne posisjoneringen skjer eksempelvis ved å velge en egnet verdi av Ta, slik at verdien l/Ta blir plassert i fingrenes resonansfrekvens. På samme måten kan andre returer til null for hovedsinusen 70 benyttes.

Det skal nevnes at forutsetningen er at fingrenes frekvens er høyere enn Fe og at Ta ikke kan være > Te (Te er samplingsperioden).

Ved å velge et spektrum som er plassert på denne måten, kan det oppnås en signifikant forsterkning av støynivået i akselerometeret.

Ifølge et annet arrangement er de faste og/eller bevegbare fingre 3 og 4 utformet slik at deres resonans bringes tilbake til den naturlige energi synking, en synking som skyldes utøvelsen av kreftene under varigheten Ta i aktiveringsfasen, flankert av returer til null for relagringskraften. Den foretrukne frekvens for fingrenes resonans er den som er lik l/Ta, svarende til den første nullpasseringen til kardinal sinusen, transformeringen av firkantbølgesignalet.

Typisk er Ta lik 14/32 Te, og derfor 1/Ta=585 kHz for Fe=256 kHz.

I den parallellepipediske utgave vil det for en øking av fingrenes resonansfrekvens i et forhold på 6,5 uten redusering av lengden i forholdet til kvadratroten av (6,5), være nødvendig med fingre som har en lengde på 160 nm. Dette er ikke kompatibelt med spenningsmulighetene til elektronikken (for aktivering av massen kreves det høye spenninger).

For å endre resonansfrekvensen til fingrene, er det som vist i fig. 4 fordelaktig benyttet en trapesformet profil.

Med fingre med en lengde på 240 nm, en bredde L ved bunnen eller forankringen på 20 nm og en bredde I ved toppen på 4 nm, oppnås det typisk en resonansfrekvens på 585 kHz.

En annen utførelsesform, vist i fig. 5, er en hvor det er benyttet en form med suksessive brå breddeendringer mot den frie enden.

En slik utførelse medfører tilleggsfordeler fordi den lett kan fremstilles ved hjelp av enkelt stanseutstyr. En slik fingerform krever ingen skråskj æringer, hvilket letter stansingen.

Bruk av en bred basis for den avsmalnende form, reduserer avbøyningsmassen og øker den mekaniske styrken ved basisen. Resonansfrekvensen ved bøyning økes meget betydelig. Dessuten reduseres svingeamplitudene vesentlig. De overflater som er rettet mot hverandre mellom hosliggende fingre, vil imidlertid forbli tilnærmet uendret, slik at det i praksis ikke skjer noen påvirkning av kondensatorenes elektriske egenskaper.

Den trapeslignende form foretrekkes, da den ikke har noen rettlinjet sub-del og derfor er særlig lokal fleksibel.

En alternativ fingerform med krummede kanter, eksempelvis med en ytre konveks krumning, en krumning som også kan være konkav, med en i hovedsaken avrundet trapesform, er også mulig. En slik form har man funnet er mer kompakt og har en til og med høyere resonansfrekvens.

Selv om en fingerform med avtagende bredde mot den frie enden er gunstig med hensyn til bøyestyrken, så vil det kunne være fordelaktig å benytte en annen form, særlig for å forskyve resonansfrekvensen mot en høyere frekvens.

Det skal nevnes at de geometriske endringer med hensyn til fingrenes resonansfrekvens som er nevnt her med referanse til en intern vibrasjonskilde, gjør det mulig å unngå bruk av andre typer vibrasjonskilder.

Når det dreier seg om ikke-styrte akselerometre, og også når det dreier seg om ikke-multipleksede akselerometre (dvs. særlig slike hvor relagringen skjer samtidig med målingen) vil det ved å endre fingrenes resonansfrekvens være mulig å unngå bruk av belastningsfrekvenser fra eksterne kilder.

Resonansfrekvensene til fingrene legges således utenfor frekvensområdene til vibrasjoner fra eksterne kilder, som ellers ville kunne virke påvirkende.

Det skal nevnes at jo høyere resonansfrekvensen er, desto lavere vil bevegelsesamplituden være.

Claims (14)

1. Akselerometer med bevegbar masse (5) og en fast del (2), hvor variasjoner i kapasitansen (3, 4) benyttes for detektering av massens (5) bevegelse, idet en første serie av elektroder (4) som er fast forbundet med massen (5), er i fingerinngrep med en serie av elektroder (3, 7) som er fast forbundet med den faste del (2), idet hver bevegbar elektrode (4) sammen med en hosliggende fast elektrode (3, 7) danner en variabel kapasitans som varierer som en funksjon av stillingen til den bevegbare masse (5), hvilket akselerometer videre innbefatter en elektronisk krets beregnet for detektering av variasjonen til minst én kapasitans mellom den bevegbare masse (5) og den faste del (2) som en indikator for forskyvningen av den bevegbare masse (5), og også for tilveiebringelse av en elektrostatisk kraft for tilbakeføring av den bevegbare masse (5) til dens utgangsstilling, idet den elektroniske krets er utformet for tilveiebringelse av en elektrostatisk returkraft styrt av en tidligere forskyvningsmåling, karakterisert vedat en på denne måten tilveiebrakt gjentatt returkraft er spesifikt valgt slik at dens mekaniske energifrekvensspektrum (10, 20) har en i hovedsaken nullenergisone ved den mekaniske resonansfrekvensen til elektrodene (4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2).

2. Akselerometer ifølge krav 1, karakterisert vedat styremidler bevirker gjentatt retur av den bevegbare masse i tidsavsnitt (Ta), og at frekvenstransformering (20) av et tilsvarende firkantbølgesignal (20) har en retur til i hovedsak null ved resonansfrekvensen til elektrodene (3, 4) på den bevegbare del (5) og/eller den faste del (2).

3. Akselerometer ifølge krav 2, karakterisert vedat den gjennomsnittlige avsnittstid (Ta) bestemmes slik at frekvenstransformeringen (20) av firkantbølgesignalet (20) har en retur til i hovedsak null (l/Ta) ved resonansfrekvensen til elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2).

4. Akselerometer ifølge krav 3, karakterisert vedat et gjennomsnittlig avsnittstid (Ta) velges slik at dens frekvenstransformering (20) av firkantbølgesignalet (20) har en første retur til null (l/Ta) ved resonansfrekvensen til elektrodene (4) på den bevegbare del (5) og/eller den faste del (2).

5. Akselerometer ifølge et av kravene 1-4, karakterisert vedat den elektrostatiske returkraft virker i tidsavsnitt med en gjennomsnittlig bredde Ta, og at Ta velges i samsvar med forholdet l/Ta = F, hvor F er resonansfrekvensen til elektrodene (4) på den bevegbare del (5) og/eller den faste del (2).

6. Akselerometer ifølge foregående krav, karakterisert vedat frekvenstransformeringen av firkantbølgesignalet har form av en hovedsinus.

7. Akselerometer ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat elektroden eller elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2) hver har et avsnitt viss bredde varierer mot den frie enden.

8. Akselerometer ifølge krav 7, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2) har i det minste én del med en kontinuerlig endret bredde.

9. Akselerometer ifølge et av kravene 7 eller 8, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegelige masse (5) og/eller den faste del (2) har i det minste én del hvis bredde har trinnvise endringer.

10. Akselerometer ifølge et av kravene 7-9, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2) har i det minste én del hvis bredde avtar mot den relevante elektrodes frie ende.

11. Akselerometer ifølge et av kravene 7-10, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2) har en trapesform med avtagende bredde (L, I) mot den frie enden.

12. Akselerometer ifølge et av kravene 7-11, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2) innbefatter en del hvis bredde varierer med partier med konstant bredde, idet bredden (L, I) endrer seg brått mellom hvert parti.

13. Akselerometer ifølge et av kravene 7-12, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2) innbefatter en del hvis bredde gradvis avtar mot elektrodens frie ende, ved at elektroden har minst én avrundet sidekant.

14. Akselerometer ifølge et av kravene 7-13, karakterisert vedat elektrodene (3) på den faste del (2) har en form som er komplementær til gapet mellom to hosliggende elektroder (4) på den bevegbare masse (5).