NO339401B1 - Akselerometer med redusert bakgrunnsvibrasjon grunnet forbedret elektrodeform - Google Patents

Akselerometer med redusert bakgrunnsvibrasjon grunnet forbedret elektrodeform Download PDF

Info

Publication number
NO339401B1
NO339401B1 NO20061114A NO20061114A NO339401B1 NO 339401 B1 NO339401 B1 NO 339401B1 NO 20061114 A NO20061114 A NO 20061114A NO 20061114 A NO20061114 A NO 20061114A NO 339401 B1 NO339401 B1 NO 339401B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
electrodes
fixed part
movable mass
movable
accelerometer according
Prior art date
Application number
NO20061114A
Other languages
English (en)
Other versions
NO20061114L (no
Inventor
Jean-Paul Menard
Maurice Moreau
Original Assignee
Sercel Rech Const Elect
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 Sercel Rech Const Elect filed Critical Sercel Rech Const Elect
Publication of NO20061114L publication Critical patent/NO20061114L/no
Publication of NO339401B1 publication Critical patent/NO339401B1/no

Links

Classifications

    • 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
    • G01P15/125—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 capacitive pick-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/004—Angular deflection
    • B81B3/0045—Improve properties related to angular swinging, e.g. control resonance frequency
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0136—Comb structures
    • 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
    • G01P2015/0805—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0817—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for pivoting movement of the mass, e.g. in-plane pendulum

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

Oppfinnelsen vedrører mikromaskinerte akselerometere hvor bevegelser i grunnen kan måles for geofysiske formål (seismisk kartlegging av undergrunnen).
Oppfinnelsen vedrører særlig akselerometere 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.
US 6151966 A beskriver ulike utførelser av akselerometere i henhold til en generell struktur som beskrevet over. Spesielt beskrives spesifikke elektroder som har åpninger for å redusere vekten av elektrodene og dermed redusere risikoen for å briste når de utsettes for akselerasjon. Løsningen som beskrives i denne publikasjonen løser ikke problemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen som dreier seg om å unngå støy som legges på målinger. I henhold til én utførelse tilveiebringer US 6151966 A en overgang mellom elektrodene og kroppen til akselerometeret som understøtter elektrodene for å unngå å lage et brytningspunkt ved overgangs- og forbindelsesområdet. Imidlertid har resten av elektrodene, i henhold til vesentlige beskrevne trekk ved løsningen, åpninger med et konstant snitt.
US 5554304 A beskriver også ulike utførelser av akselerometere med en bevegelig masse og en fast del som omfatter elektroder i fingerinngrep (engelsk: interdigitated). I henhold til én utførelse illustrert i Figur 10, har et sett med elektroder variabel bredde, slik at avstanden mellom de faste elektrodene og de bevegelige elektrodene varierer med bevegelsen til de bevegelige elektrodene og dermed vil den elektrostatiske kraften variere omvendt med avstanden mellom elektrodene. Den foreslåtte løsningen løser ikke problemet som er beskrevet i forbindelse med den foreliggende oppfinnelsen som er å unngå støy som legges på målingen.
US 6507138 Bl beskriver en annen struktur for et mobilt masseakselerometer og en fast del laget for å tåle høye styringsspenninger. Heller ikke denne foreslåtte løsningen løser problemet som er beskrevet i forbindelse med den foreliggende oppfinnelsen som er å unngå støy som legges på 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 utbøyingen.
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 forbundne til massen, er i fingerinngrep med en serie av elektroder som er fast forbundne med den faste delen, idet hver bevegbar elektrode sammen med en hosliggende fast elektrode danner en variabel kapasitans som varierer som en funksjon av stillingen til den bevegbare massen, hvilket akselerometer videre innbefatter en elektronisk krets beregnet for detektering av variasjonen til minst én kapasitans mellom den bevegbare massen og den faste delen som en indikator for forskyvningen av den bevegbare massen, og også å generere en elektrostatisk returkraft påført den bevegelige massen til sin opprinnelige stilling på en måte som er styrt av en forskyvningsmåling til den bevegelige massen,karakterisert vedat én eller flere elektroder på den bevegbare massen og/eller på den faste delen hver har en fingerform med en bred basis og med en profil som avsmalner i retning mot den frie enden, ved at den elektroniske kretsen er utformet for tilveiebringelse av en gjentatt elektrostatisk returkraft, og at den gjentatte elektrostatiske returkraften velges spesifikt slik at dens mekaniske energifrekvensspektrum har en sone med i hovedsaken null energi ved den mekaniske resonansfrekvensen til elektrodene på den bevegbare massen og/eller den faste del, slik at resonansfrekvensen til elektrodene er i en energisynk til den elektrostatiske returkraften.
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 akselerasjons sensor ifølge oppfinnelsen; Fig. 2a - 2c er grafer som viser frekvens spektrene til den støy som relaterer seg til masserelagringsspenningen, idet figurene viser en transformasjonsfunksjon for energispenningen, 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 de 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 massen 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 massen 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, som er 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 (differens ialmåling 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 500Hz. 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 140Hz, for derved best å kunne redusere støyen i den utnyttbare båndbredde (0-200Hz).
De faste og bevegbare elektroder har form av "fingre", vanligvis parallellepipediske silikonbjeiker 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 90kHz, og den endret seg til 585kHz 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 støy degradering i geofonen, særlig når den maksimale kompensable 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. V og d varierer 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)® F2(f).
Fl (f) er vist i fig. 2a, med kurven 10 (i fravær av et akselerasjonssignal), 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 energispekteret 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 energisynkninger 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 energisenke, en senke 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 kardinalsinusen, transformeringen av firkantbølgesignalet.
Typisk er Ta lik 14/32 Te, og derfor l/Ta=585kHz for Fe=256kHz.
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 160um. 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 240um, en bredde L ved bunnen eller forankringen på 20um og en bredde I ved toppen på 4um, oppnås det typisk en resonansfrekvens på 585kHz.
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 skråskjæringer, 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 forbundne til massen (5), er i fingerinngrep med en serie av elektroder (3, 7) som er fast forbundne med den faste delen (2), idet hver bevegbar elektrode (4) sammen med en hosliggende fast elektrode (3) danner en variabel kapasitans som varierer som en funksjon av stillingen til den bevegbare massen (5), hvilket akselerometer videre innbefatter en elektronisk krets beregnet for detektering av variasjonen til minst én kapasitans mellom den bevegbare massen (5) og den faste delen (2) som en indikator for forskyvningen av den bevegbare massen (5), og også å generere en elektrostatisk returkraft påført den bevegelige massen (5) til sin opprinnelige stilling på en måte som er styrt av en forskyvningsmåling til den bevegelige massen (5), karakterisert vedat én eller flere elektroder (3, 4) på den bevegbare massen (5) og/eller på den faste del (2) hver har en fingerform med en bred basis og med en profil som avsmalner i retning mot den frie enden, ved at den elektroniske kretsen er utformet for tilveiebringelse av en gjentatt elektrostatisk returkraft, og at den gjentatte elektrostatiske returkraften velges spesifikt slik at dens mekaniske energifrekvensspektrum (10, 20) har en sone med i hovedsaken null energi ved den mekaniske resonansfrekvensen til elektrodene (4) på den bevegbare massen (5) og/eller den faste del (2), slik at resonansfrekvensen til elektrodene (3, 4) er i en energisynk til den elektrostatiske returkraften.
2. Akselerometer ifølge krav 1, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare massen (5) og/eller den faste del (2) har i det minste én del med kontinuerlig breddeendring i tverrsnittet.
3. Akselerometer ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare masse (5) og/eller den faste del (2) har i det minste én del hvis tverrsnittsbredde har brå endringer.
4. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 3,karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare massen (5) og/eller den faste delen (2) har i det minste én del hvis tverrsnittsbredde avtar mot den aktuelle elektrodes frie ende.
5. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 4,karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare massen (5) og/eller den faste delen (2) har en trapesform med en bredde (L, I) som avtar mot den frie enden.
6. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 5,karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare massen (5) og/eller den faste delen (2) innbefatter et parti hvis tverrsnittsbredde (L, I) varierer med avsnitt med konstant bredde, idet bredden (L, I) endrer seg trinnvist mellom hvert avsnitt.
7. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 6,karakterisert vedat elektrodene (3, 4) på den bevegbare massen (5) og/eller den faste delen (2) innbefatter en del hvis bredde avtar gradvis mot elektrodens frie ende, idet elektroden har minst én avrundet sidekant.
8. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 7,karakterisert vedat elektrodene (3) på den faste delen (2) har en form som er komplementær til gapet mellom to hosliggende elektroder (4) på den bevegbare massen (5).
9. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 8,karakterisert vedat midlene for styring innbefatter en gjentatt relagring av den bevegbare masse i tidsavsnitt (Ta), og at frekvenstransformeringen (20) av det tilsvarende spaltelignende signal har en retur som i hovedsaken er null ved nivået til resonansfrekvensen til elektrodene (3, 4) på den bevegbare delen (5) og/eller den faste delen (2).
10. Akselerometer ifølge krav 9, karakterisert vedat den gjennomsnittlige varighetstid for avsnittene er forhåndsbestemt slik at frekvenstransformeringen (20) til det spaltelignende signal har en nullgjennomgang (3, 4) ved nivået til resonansfrekvensen til elektrodene (4) på den bevegbare delen (5) og/eller den faste delen (2).
11. Akselerometer ifølge krav 10, karakterisert vedat den gjennomsnittlige varighet for avsnittene (Ta) er valgt slik at frekvenstransformeringen (20) har sin første retur til null (l/Ta) ved nivået til resonansfrekvensen til elektrodene (4) på den bevegbare del (5) og/eller den faste del (2).
12. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 11,karakterisert vedat den elektrostatiske relagringskraft utøves i tidsavsnitt med en gjennomsnittlig bredde Ta, og ved at Ta velges i samsvar med forholdet l/Ta = F, hvor F er resonansfrekvensen til elektrodene (4) på den bevegbare delen (5) og/eller den faste delen (2).
13. Akselerometer ifølge krav 12, karakterisert vedat frekvenstransformeringen til det spaltelignende signal har form av en hovedsinus.
14. Akselerometer ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 13,karakterisert vedat kantene til fingerelektrodene har en krumning mellom null og konveks.
NO20061114A 2003-08-13 2006-03-08 Akselerometer med redusert bakgrunnsvibrasjon grunnet forbedret elektrodeform NO339401B1 (no)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0309899A FR2858853B1 (fr) 2003-08-13 2003-08-13 Accelerometre a vibrations parasites reduites par forme des electrodes amelioree
PCT/FR2004/002123 WO2005017537A1 (fr) 2003-08-13 2004-08-11 Accelerometre a vibrations parasites reduites par forme des electrodes amelioree

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO20061114L NO20061114L (no) 2006-04-20
NO339401B1 true NO339401B1 (no) 2016-12-12

Family

ID=34112750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20061114A NO339401B1 (no) 2003-08-13 2006-03-08 Akselerometer med redusert bakgrunnsvibrasjon grunnet forbedret elektrodeform

Country Status (7)

Country Link
US (1) US7797998B2 (no)
EP (1) EP1660890B1 (no)
JP (3) JP2007501938A (no)
CN (1) CN1836168B (no)
FR (1) FR2858853B1 (no)
NO (1) NO339401B1 (no)
WO (1) WO2005017537A1 (no)

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2881568B1 (fr) * 2005-02-03 2011-01-14 Commissariat Energie Atomique Condensateur a capacite variable et a forme specifique, gyrometre comportant un tel condensateur et accelerometre comportant un tel condensateur
FR2888394A1 (fr) * 2005-07-08 2007-01-12 Commissariat Energie Atomique Dispositif capacitif a volume capacitif optimise
US8042396B2 (en) 2007-09-11 2011-10-25 Stmicroelectronics S.R.L. Microelectromechanical sensor with improved mechanical decoupling of sensing and driving modes
FR2924856B1 (fr) 2007-12-11 2012-02-10 Memscap Condensateur a capacite variable comprenant un peigne mobile et un peigne fixe interdigites, accelerometre et gyrometre comprenant un tel condensateur
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
KR20110129407A (ko) * 2009-03-19 2011-12-01 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피. 3상 용량 기반 감지
IT1394007B1 (it) 2009-05-11 2012-05-17 St Microelectronics Rousset Struttura microelettromeccanica con reiezione migliorata di disturbi di accelerazione
DE102009028924A1 (de) * 2009-08-27 2011-03-03 Robert Bosch Gmbh Kapazitiver Sensor und Aktor
ITTO20091042A1 (it) 2009-12-24 2011-06-25 St Microelectronics Srl Giroscopio integrato microelettromeccanico con migliorata struttura di azionamento
US20120202421A1 (en) * 2011-02-04 2012-08-09 Research In Motion Limited Mobile wireless communications device to detect movement of an adjacent non-radiating object and associated methods
CN103717997B (zh) 2011-08-09 2016-03-02 丰田自动车株式会社 位移量监视电极的构造
CN103140736B (zh) * 2011-08-26 2016-05-11 丰田自动车株式会社 位移量监测电极的构造
ITTO20110806A1 (it) 2011-09-12 2013-03-13 St Microelectronics Srl Dispositivo microelettromeccanico integrante un giroscopio e un accelerometro
FI126199B (en) * 2013-06-28 2016-08-15 Murata Manufacturing Co CAPACITIVE MICROMECHANICAL SENSOR STRUCTURE AND MICROMECHANICAL ACCELEROMETER
US9404747B2 (en) 2013-10-30 2016-08-02 Stmicroelectroncs S.R.L. Microelectromechanical gyroscope with compensation of quadrature error drift
JP6211463B2 (ja) * 2014-05-23 2017-10-11 日立オートモティブシステムズ株式会社 慣性センサ
TWI531806B (zh) * 2014-09-18 2016-05-01 溫瓌岸 兩用共振型磁力計
GB201514319D0 (en) * 2015-08-12 2015-09-23 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometers
ITUA20162172A1 (it) 2016-03-31 2017-10-01 St Microelectronics Srl Sensore accelerometrico realizzato in tecnologia mems avente elevata accuratezza e ridotta sensibilita' nei confronti della temperatura e dell'invecchiamento
IT201900017546A1 (it) 2019-09-30 2021-03-30 St Microelectronics Srl Dispositivo a pulsante mems resistente all'acqua, dispositivo di ingresso comprendente il dispositivo a pulsante mems e apparecchio elettronico
US11287441B2 (en) 2019-11-07 2022-03-29 Honeywell International Inc. Resonator including one or more mechanical beams with added mass
US11634319B2 (en) * 2020-07-02 2023-04-25 National Taiwan University Device and method for monitoring surface condition of contact surface of detected object
CN112035738B (zh) * 2020-08-14 2023-09-26 北京奇艺世纪科技有限公司 一种电子书单推荐方法及装置、电子设备
US20220252636A1 (en) * 2021-02-05 2022-08-11 Kionix, Inc. Accelerometer apparatuses and systems

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5554304A (en) * 1990-02-02 1996-09-10 Nec Corporation Process for producing a micromotion mechanical structure
US6151966A (en) * 1998-05-11 2000-11-28 Denso Corporation Semiconductor dynamical quantity sensor device having electrodes in Rahmen structure
US6497149B1 (en) * 1997-10-08 2002-12-24 Sercel Mobile plate accelerometer with electrostatic feedback motor
US6507138B1 (en) * 1999-06-24 2003-01-14 Sandia Corporation Very compact, high-stability electrostatic actuator featuring contact-free self-limiting displacement

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05134707A (ja) * 1991-11-11 1993-06-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd サーボ制御装置
US5343766A (en) * 1992-02-25 1994-09-06 C & J Industries, Inc. Switched capacitor transducer
US5610335A (en) * 1993-05-26 1997-03-11 Cornell Research Foundation Microelectromechanical lateral accelerometer
JP3216455B2 (ja) * 1994-12-22 2001-10-09 株式会社村田製作所 容量型静電サーボ加速度センサ
JP3348240B2 (ja) * 1996-09-05 2002-11-20 松下電器産業株式会社 デジタルフィルタと、サーボモータ制御装置
US5983718A (en) * 1997-07-14 1999-11-16 Litton Systems, Inc. Signal processing system for inertial sensor
JP4277333B2 (ja) * 1998-09-22 2009-06-10 神鋼電機株式会社 ディジタルフィルタ
JP2000206142A (ja) * 1998-11-13 2000-07-28 Denso Corp 半導体力学量センサおよびその製造方法
US6105428A (en) * 1998-12-10 2000-08-22 Motorola, Inc. Sensor and method of use
JP2001014782A (ja) * 1999-06-30 2001-01-19 Hitachi Ltd 磁気ディスク装置
US6301965B1 (en) * 1999-12-14 2001-10-16 Sandia Corporation Microelectromechanical accelerometer with resonance-cancelling control circuit including an idle state
AU2929601A (en) * 2000-01-05 2001-07-16 Iolon, Inc. Tiltable electrostatic microactuator and method for using same
JP2002040045A (ja) * 2000-07-21 2002-02-06 Denso Corp 力学量センサ
US6508126B2 (en) * 2000-07-21 2003-01-21 Denso Corporation Dynamic quantity sensor having movable and fixed electrodes with high rigidity
JP2002340929A (ja) * 2001-05-18 2002-11-27 Aisin Seiki Co Ltd 加速度センサ
FR2858854B1 (fr) * 2003-08-13 2005-12-16 Sercel Rech Const Elect Accelerometre a vibrations parasites reduites par rappel ameliore

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5554304A (en) * 1990-02-02 1996-09-10 Nec Corporation Process for producing a micromotion mechanical structure
US6497149B1 (en) * 1997-10-08 2002-12-24 Sercel Mobile plate accelerometer with electrostatic feedback motor
US6151966A (en) * 1998-05-11 2000-11-28 Denso Corporation Semiconductor dynamical quantity sensor device having electrodes in Rahmen structure
US6507138B1 (en) * 1999-06-24 2003-01-14 Sandia Corporation Very compact, high-stability electrostatic actuator featuring contact-free self-limiting displacement

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012127971A (ja) 2012-07-05
EP1660890B1 (fr) 2016-03-09
US20080196500A1 (en) 2008-08-21
FR2858853A1 (fr) 2005-02-18
FR2858853B1 (fr) 2006-01-13
JP5442785B2 (ja) 2014-03-12
CN1836168B (zh) 2010-08-25
JP2007501938A (ja) 2007-02-01
NO20061114L (no) 2006-04-20
US7797998B2 (en) 2010-09-21
WO2005017537A1 (fr) 2005-02-24
JP5599832B2 (ja) 2014-10-01
EP1660890A1 (fr) 2006-05-31
CN1836168A (zh) 2006-09-20
JP2012118087A (ja) 2012-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO339401B1 (no) Akselerometer med redusert bakgrunnsvibrasjon grunnet forbedret elektrodeform
NO339398B1 (no) Akselerometer med redusert bakgrunnsvibrasjon på grunn av forbedret returbevegelse
Lu et al. A nonlinear MEMS electrostatic kinetic energy harvester for human-powered biomedical devices
Basset et al. Electrostatic vibration energy harvester with combined effect of electrical nonlinearities and mechanical impact
Andò et al. Nonlinear mechanism in MEMS devices for energy harvesting applications
Lu et al. A batch-fabricated electret-biased wideband MEMS vibration energy harvester with frequency-up conversion behavior powering a UHF wireless sensor node
CN105556242B (zh) 具有改进的正交补偿的陀螺仪结构和陀螺仪
Pike et al. A self-levelling nano-g silicon seismometer
WO2009057990A2 (en) Capacitive area-changed mems gyroscope with adjustable resonance frequencies
US10274511B2 (en) Accelerometers
JPH11311635A (ja) マイクロメカニックなコ―ム構造
Hajhashemi et al. A micromechanical bandpass filter with adjustable bandwidth and bidirectional control of centre frequency
Hoffmann et al. Analysis and characterization of triangular electrode structures for electrostatic energy harvesting
Honma et al. Power enhancement of MEMS vibrational electrostatic energy harvester by stray capacitance reduction
US20200099357A1 (en) Mems frequency-tuning springs
Sassi et al. A square wave is the most efficient and reliable waveform for resonant actuation of micro switches
Vysotskyi et al. Innovative energy harvester design using bistable mechanism with compensational springs in gravity field
EP2570770A2 (en) Three-mass coupled oscillation technique for mechanically robust micromachined gyroscopes
EP3226007A1 (en) A mems accelerometer having high accuracy and low sensitivity to temperature and ageing
Todorov et al. Tuning techniques for kinetic MEMS energy harvesters
Wang et al. A Mems Accelerometer with an auto-tuning system based on an electrostatic anti-spring
Pallay et al. Feasibility study of a micro-electro-mechanical-systems threshold-pressure sensor based on parametric resonance: experimental and theoretical investigations
Le et al. Wide tuning-range resonant-frequency control by combining electromechanical softening and hardening springs
Hajhashemi et al. A differential electrometer based on coupled microresonators
Andò et al. Nonlinear behaviour of a micromachined SOI device for energy harvesting application