NO340343B1 - Mikroelektromekanisk sensor samt fremgangsmåte for drift av en mikroelektromekanisk sensor - Google Patents
Mikroelektromekanisk sensor samt fremgangsmåte for drift av en mikroelektromekanisk sensor Download PDFInfo
- Publication number
- NO340343B1 NO340343B1 NO20090842A NO20090842A NO340343B1 NO 340343 B1 NO340343 B1 NO 340343B1 NO 20090842 A NO20090842 A NO 20090842A NO 20090842 A NO20090842 A NO 20090842A NO 340343 B1 NO340343 B1 NO 340343B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- electrode
- signal
- spring constant
- movable electrode
- readout
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 15
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 7
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011017 operating method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 17
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 101150040074 Aco2 gene Proteins 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
- G01C19/5726—Signal processing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Description
Den foreliggende oppfinnelse vedrører en mikroelektromekanisk sensor samt en fremgangsmåte for drift av en slik sensor.
Mikroelektromekaniske sensorer danner grunnlaget for mange tekniske produkter. Mikroelektromekaniske sensorer har for eksempel vist seg egnet på navigasjons-området hvor disse kommer til innsats som Coriolisgyroskop. I det etterfølgende skal funksjonsmåten til en mikroelektromekanisk sensor som eksempel bli forklart i forbindelse med et Coriolisgyroskop.
Coriolisgyroskoper oppviser et massesystem som kan settes i svingninger. Massesystemet har som regel et antall svingningsmoduser som først er uavhengige av hverandre. I Coriolisgyroskopets driftstilstand (det vil si i driftstilstanden til den mikroelektromekaniske sensor) stimuleres en bestemt svingningsmodus for massesystemet, som i det etterfølgende betegnes "stimuleringssvingning". Når Coriolisgyroskopet dreies opptrer corioliskrefter som tar ut energi fra massesystemets stimuleringssvingning og overfører denne til en annen svingningsmodus for massesystemet, som i det etterfølgende betegnes "utlesningssvingning".
For å påvise dreininger av Coriolisgyroskopet bestemmes utlesningssvingningen, og deretter undersøkes et tilhørende utlesningssignal om det har opptrådt endringer i utlesningssvingningens amplitude, som utgjør et mål på Coriolisgyroskopets dreining. Coriolisgyroskoper kan realiseres både som system med åpen sløyfe og som system med lukket sløyfe. I et system med lukket sløyfe tilbakeføres via aktuelle reguleringskretser utlesningssvingningens amplitude fortløpende til en fast verdi, fortrinnsvis null, og tilbakestillingskreftene måles.
Coriolisgyroskopets (mer generelt den mikroelektromekaniske sensor) massesystem (som i det etterfølgende også betegnes "resonator") kan derved være utformet på de forskjelligste måter. For eksempel er det mulig å anvende et massesystem utformet i ett stykke. Alternativt er det mulig å dele massesystemet opp i to oscillatorer som via et fjærsystem er koplet sammen med hverandre og som kan utføre relative bevegelser i forhold til hverandre.
1 fig 1 er en kjent utførelsesform av et Coriolisgyroskop 20 antydet skjematisk. Coriolisgyroskopet 20 omfatteren ladningsforsterker 1, en analog-digital-omformer 2, en signalskiller 3, demodulatorer 4, 5, et reguleringssystem 6, en modulator7, drivere 8, 9, en resonator 10 samt et elektrodesystem 11 med fire elektroder 11 i - 1U
Resonatoren kan via elektrodene 111-114stimuleres til svingninger. Videre kan resonatorens 10 fjærkonstant via elektrodene 111-114henholdsvis innstilles og endres elektrostatisk. Resonatorens 10 bevegelse påvises ved måling av en ladningsforskyvning Aq på en på resonatoren 10 anbrakt elektrode ("bevegelig midtelektrode"), som bevirkes av bevegelsen av resonatoren 10 i et elektrostatisk felt frembrakt av elektrodene 11i -114. Et signal S7som er proporsjonalt med ladningsforskyvningen avgis ved hjelp av ladningsforsterkeren 1 til analog-digital-omformeren 2 og omformes ved hjelp av denne til et tilsvarende digitalt signal Ss, som tilføres til signalskilleren 3.
Av dette signal frembringes det ved hjelp av reguleringssystemets 6 demodulatorer 4, 5 samt modulatoren 7 og driverne 8, 9 signaler S3- S6, som anbringes på elektrodene 111-114og sørger for at de på grunn av corioliskrefter forårsakede utsvingninger av resonatoren 10 kompenseres. For nøyaktig funksjonsbeskrivelse av Coriolisgyroskopet henvises det for eksempel til DE patentskrift 103 20 675.
Fra annen patentlitteratur vises til US 6250156 B1 og som viseren gyroskopisk sensor for måling av rotasjon om en Z-akse. Sensoren omfatter et substrat, en første masse, en andre masse, et koplingssystem som forbinder den første masse og den andre masse, og et opphengssystem som forbinder den første masse og den andre masse til substratet. Videre vises til WO 2004099716 A1, WO 2004038331 A1 og DE 102004056699 A1 som eksempler på almen kjent teknikk.
Formålet med oppfinnelsen er å angi en mikroelektromekanisk sensor, eksempelvis en kapasitiv sensor eller en piezoelektrisk sensor, som tross lite antall sensor-elektroder oppviser mest mulig vidtgående funksjonalitet.
For løsning av dette formål er det ifølge oppfinnelsen frembrakt en mikroelektromekanisk sensor ifølge krav 1. Videre er det ifølge oppfinnelsen frembrakt en fremgangmåte ifølge krav 11 for drift av en mikroelektromekanisk sensor. Foretrukne utforminger respektiv videreutviklinger av oppfinnelsestanken finnes i de uselv-stendige krav.
Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt en mikroelektromekanisk sensor med -
minst én bevegelig elektrode,
en elektrodeanordning som befinner seg i avstand fra den bevegelige elektrode og som har flere separat styrbare elektroder og som de tilhørende elektrodesignaler kan påtrykkes, hvorved den bevegelige elektrodes kraftpåvirkning, fjærkonstant og utlesningsfaktor er elektrostatisk innstillbar/
foranderlig ved hjelp av elektrodesignalene,
en elektrodesignalgenereringsenhet som er forbundet med elektrodeanordningen og som kan tilføres et kraftpåvirkningssignal, etfjærkonstant-signal og et utlesningsfaktorsignal, hvormed innstillingene og/eller forandringene som skal bevirkes vedrørende kraftpåvirkning, fjærkonstant og
utlesningsfaktor for den bevegelige elektrode erfestlagt,
idet elektrodesignalgenereringsenheten frembringer hvert elektrodesignal avhengig av kraftpåvirknings-, fjærkonstant- samt utlesningsfaktorsignalet og avstemmer elektrodesignalene slik til hverandre at kraftpåvirkningen,
fjærkonstanten samt utlesningsfaktoren for den bevegelige elektrode er innstillbare og/eller foranderlige på bestemte nominelle verdier som er uavhengige av hverandre.
En vesentlig erkjennelse som ligger til grunn for oppfinnelsen er at elektrodesignalene for hver vilkårlig elektrodeanordning lar seg avstemme til hverandre slik at kraftpåvirkningen, fjærkonstanten samt utlesningsfaktoren for den bevegelige elektrode er innstillbare/foranderlige på bestemte nominelle verdier som er uavhengige av hverandre, hvorved det er gitt en maksimal fleksibilitet av fremgangsmåten for drift av den mikroelektromekaniske sensor. "Vilkårlig elektrodeanordning" betyr i denne sammenheng en vilkårlig rommelig anordning av minst tre elektroder.
Som allerede nevnt kan den mikroelektromekaniske sensors massesystem (som i det etterfølgende også blir betegnet "resonator") utformes på de forskjelligste måter. For eksempel er det mulig å anvende et massesystem som er utformet i ett stykke. Alternativt er det mulig å dele massesystemet opp i to oscillatorer, som er koplet sammen med hverandre via et fjærsystem og som kan utføre relative bevegelser i forhold til hverandre.
I en utførelsesform er sensoren ifølge oppfinnelsen utstyrt med en ladningsforskyvningsenhet som detekterer ladeforskyvninger som opptrer på den bevegelige elektrode, hvorved en vurderingsenhet kan fastslå den bevegelige elektrodes momentane bevegelse basert på den detekterte ladningsforskyvning.
I en utførelsesform frembringer elektrodesignalgenereringsenheten hvert elektrodesignal avhengig av kraftpåvirknings-, fjærkonstant- samt utlesningsfaktorsignalet på en slik måte at den på den bevegelige elektrode detekterte ladningsforskyvning bare inneholder ladningsforskyvningsandeler som stammer fra bevegelsen av den bevegelige elektrode og fra verdien av utlesningsfaktoren.
Utlesningsfaktoren skal derved interpreteres som forsterkningsfaktor for utlesningen av den bevegelige elektrodes bevegelse.
Elektrodeanordningen kan bestå av like eller ulike antall elektroder. Videre kan henholdsvis målene på og utformingene av de enkelte elektroder være forskjellige fra hverandre. I en foretrukket utførelsesform inneholder elektrodeanordningen fire (fortrinnsvis like) elektroder, som for eksempel kan være gruppert i to elektrodepar, hvorved elektrodene er utformet aksesymmetrisk i forhold til en første akse, som skiller de to elektrodepar fra hverandre, og aksesymmetrisk i forhold til en andre akse, som skiller elektrodene i de aktuelle elektrodepar fra hverandre. Med fordel er den bevegelige elektrode punktsymmetrisk i forhold til skjæringspunktet mellom de to symmetriakser.
I en utførelsesform hvor den bevegelige elektrode er utformet som del av en resonator lar den bevegelige elektrode seg stimulere til svingninger, og sensoren kan for eksempel anvendes som Coriolisgyroskop.
I en utførelsesform med to bevegelige elektroder, to elektrodeanordninger og to elektrodesignalgenereringsenheter lar begge bevegelige elektroder seg utlese atskilt fra hverandre ved tilsvarende valg av de to utlesningsfaktorer, og bevegelsene (påvirket via kraftpåvirkning) og fjærkonstantene lar seg innstille uavhengige av hverandre.
Oppfinnelsen frembringer videre en fremgangsmåte for drift av en elektromekanisk sensor, som omfatter en bevegelig elektrode og en i avstand i forhold til den bevegelige elektrode anordnet elektrodeanordning med flere separat styrbare elektroder, som kan påtrykkes tilsvarende elektrodesignaler, hvor fremgangsmåten omfatter følgende trinn: frembringelse av elektrodesignalene avhengig av et kraftpåvirkningssignal, et
fjærkonstantsignal og et utlesningssignal hvorigjennom innstillingene og/eller forandringene som skal bevirkes vedrørende bevegelse, fjærkonstant og utlesningsfaktor for den bevegelige elektrode er fastlagt, anbringelse av elektrodesignalene på de tilsvarende elektroder for å innstille
og/eller forandre kraftpåvirkningen, fjærkonstanten og utlesningsfaktoren for
den bevegelige elektrode elektrostatisk,
hvorved hvert elektrodesignal frembringes i avhengighet av kraftpåvirknings-,
fjærkonstant- samt utlesningsfaktorsignalet og elektrodesignalene avstemmes slik til hverandre at den bevegelige elektrodes kraftpåvirkning, fjærkonstant og utlesningsfaktor innstilles og/eller forandres til nominelle verdier som er uavhengige av hverandre.
Eksempler på utførelsesformer av oppfinnelsen vil bli nærmere forklart det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et prinsippriss av en kjent mikroelektromekanisk sensor
(Coriolisgyroskop).
Fig. 2 viser en utførelsesform av en mikroelektromekanisk sensor ifølge
oppfinnelsen med én bevegelig elektrode.
Fig. 3a viser en annen utførelsesform av en mikroelektromekanisk sensor
ifølge oppfinnelsen med to bevegelige elektroder.
Fig. 3b viser et skjematisk tidsforløp for anvendelse av to utlesningsfaktoren Fig. 2 viser et utsnitt av en foretrukket utførelsesform av en mikroelektromekanisk sensor 30 ifølge oppfinnelsen. Utsnittet som er vist i fig 2 kan omtrent sammenlignes med den "samvirkende gruppe" modulator 7, drivere 8, 9, resonator 10 samt elektrodeanordning 11 ^ -114i fig 1. Fig. 2 viser en elektrodeanordning 31, som har avstand i forhold til en bevegelig elektrode 29, som for eksempel kan være del av en (ikke vist) resonator, hvor elektrodeanordningen består av en fra første til fjerde elektrode 311- 314.
Den første og tredje elektrode 31^ 313samt den andre og fjerde elektrode 312, 314danner sammen elektrodepar. Elektrodene i et elektrodepar er anordnet aksesymmetrisk i forhold til en akse A. Dessuten er elektrodeparene aksesymmetrisk atskilt fra hverandre ved en akse B som står vinkelrett på aksen A. Elektroden 29 er for eksempel utformet punktsymmetrisk i forhold til et skjæringspunkt S mellom de to symmetriakser A, B, slik som vist i fig 2.
Videre sees en elektrodesignal- genereringsenhet 32 som kan tilføres et kraft-påpregingssignal S20(også betegnet "f), et fjærkonstantsignal S21(også betegnet "A©") samt et utlesningsfaktorsignal S22(også betegnet "m"). Utlesningsfaktorsignalet S22kvadreres i en kvadreringsenhet 33, og signalet S23som derved oppnås tilføres med negativt fortegn til et første summeringstrinn 34 hvor det adderes til fjærkonstantsignalet S21. Utgangssignalet S24fra summeringstrinnet 34 tilføres til et andre og et tredje summeringstrinn 35, 36. I det andre summeringstrinn 35 adderes signalet S24til signalet S20, mens signalet S20nned negativt fortegn derimot adderes til signalet S24i det tredje summeringstrinn 36. Utgangssignalene S25, S26 fra summeringstrinnene 35, 36 tilføres til rotenheter 37, 38, som av signalene S25, S26bestemmer røttene. Utgangssignalene S27, S28fra rotenhetene 37, 38 tilføres til et fra fjerde til syvende summeringstrinn 39- 42 hvormed hvert av signalene S27, S28adderes til signalet S22og trekkes fra dette signal. Tilsvarende utgangssignaler S29- S32tilføres til digital-analog-omformere 43- 46, som omformer de (hittil digitale) signaler til analoge signaler u0i, u02, uui, uu2og anbringer dem på de tilhørende elektroder 3^ - 314. Signalene u0i, u02, uu1og uu2fremstiller elektrodesignalene i oppfinnelsen og kan i avhengighet av kraftpåvirkningssignalet S20(=f), av fjærkonstantsignalet S21(=Aco) samt av utlesningsfaktorsignalet S22(=m) uttrykkes som følger:
I overensstemmelse med dette fremstiller elektrodesignalene u0i, u02de elektrodesignaler som ligger på de elektroder 311;312som ligger over aksen A, og uu1, uu2de elektrodesignaler som ligger på de elektroder 313, 314som befinner seg under aksen A. Tilkoplingen av den bevegelige elektrode 29 ligger på virtuell masse, målt blir den ladning som flyter ut av den bevegelige elektrode 29. Fig 3 viser hvordan to bevegelige, elektrisk sammenkoplede elektroder 29, 50 kan kombineres ved multipleksmetoden. Styresignalene ithog m2, koplet som vist i fig 3b, gjør avvekslende hver en bevegelig elektrode 29, 50 synlig for ladningsforsterkeren 70. Uavhengig av dette kan kraftinnvirkningene fi og f2samt avstem-ningene Aa>iog Aco2velges. Fig. 3 viser en i avstand i forhold til en andre bevegelig elektrode 50, som er elektrisk forbundet med nevnte minst ene bevegelige elektrode 29, elektrodeanordning 51, bestående av en fra første til en fjerde elektrode 511- 514. Den første og tredje elektrode 511, 513samt den andre og fjerde elektrode 512, 5I4danner hvert sitt elektrodepar. Elektrodene i et elektrodepar er anordnet aksesymmetrisk i forhold til "Aco"
Derved utgjør elektrodesignalene u0l, uo2de elektrodesignaler som ligger på de elektroder 511, 512 som befinner seg over aksen A2og uul, uu2de elektrodesignaler som ligger på elektrodene 513, 514 som befinner seg under aksen A2.
I den etterfølgende beskrivelse skal ytterligere aspekter ved oppfinnelsen bli forklart.
Det er fordelaktig når i drift av (kapasitive) mikroelektromekaniske sensorer for måling av akselerasjon eller dreiehastighet følgende betingelsers kan oppfylles: 1. På en bevegelig elektrode skal en definert elektrostatisk frembrakt kraft kunne utøves (dreiefunksjon). 2. På den samme bevegelige elektrode skal en definert elektrostatisk frembrakt fjærkraft kunne påtrykkes. Fjærkonstanten er som regel negativ og skal gjøre en positiv mekanisk fjær "svakere" i en forutbestemt grad, for derved å muliggjøre en definert avstemming av en mekanisk oscillators egenresonans. 3. Elektrodens utsvinging skal via en innstillbar utlesningsfaktor kunne gjøres målbar (pick-off funksjon). 4. Det skal være mulig at under driften inneholder målesignalet ingen ytterligere komponenter enn de som er avhengige av utsvingningen og utlesningsfaktoren.
La det være gitt en kondensator med én bevegelig elektrode. Elektroden kan på et betjeningspunkt beveges en utsvingning x. Kapasiteten er da avhengig av x: C = C(x). Av energiligningen følger det at ved en på kondensatoren påtrykt spenning U er på betjeningspunktet en elektrostatisk kraft
virksom. Hos differensialkondensatoren dreier det seg om to kondensatorer med felles betjeningspunkt, hvorved følgende gjelder Det er nå tilnærmelsesvis og derved
Dersom det nå på kondensatorene ligger spenningene Ui og U2blir kraften på betjeningspunktet for de bevegelige elektroder: Dersom man setter inn (11) og (12) så blir
Derved setter kraften seg sammen av en del som er uavhengig av x og en andel som er proporsjonal med x og som tilsvarer en fjærkonstant. Delen som er uavhengig av x er proporsjonal med Uf - U22, fjærkonstanten er proporsjonal medUf+U<*>.
Tilsvarende gjelder ved fire kondensatorer med
for kraften: Her er altså det veiuavhengige ledd proporsjonalt med og fjærkonstanten med
Den veiuavhengige del egner seg til innvirkningen av en ønsket kraft (tilbakestilling, dreining), og fjærkonstanten muliggjør i samspill med et fjær- massesystem avstemming av dette til en ønsket resonansfrekvens.
For ladningene gjelder:
Setter man nå inn (15) og (16) blir ved utelatelse av det kvadratiske ledd:
Det første ledd frembringer en krysstale som er uavhengig av x (og er som regel uønsket), mens den andre del er proporsjonal med x og derfor egnet for utlesning av utsvingningen x. Tar man hensyn til det kvadratiske ledd så blir og man ser at dette forsvinner sammen med det konstante ledd (når man gjør krysstalen til null, altså for U0i+ U02+ Uui + UU2<=>0).
Betingelsene 1.) - 3) kan med operasjonsmetoden ifølge oppfinnelsen og sensoren ifølge oppfinnelsen oppfylles uavhengige av hverandre. Det kan altså både påvirkes en kraft uten at det frembringes et utlesningssignal og omvendt også for en fra null forskjellig utlesningsfaktor ingen påvirket kraft må være den nødvendige følge.
For generelle elektrodeanordninger lar det seg stille opp analoge ligningssystemer når det tas hensyn til følgende regler:
Ladningene som befinner seg på alle elektroder er alltid så store at det
1) i sum ikke finnes noen ledd som i sum på ladningsforsterkerinngangen er uavhengig av utsvingningen x, 2) i sum på ladningsforsterkerinngangen finnes en del med innstillbar forsterkningsfaktor avhengig av utsvingningen x, 3) på den bevegelige elektrode finnes en innstilbar kraftvirkning uavhengig av utsvingningen x, 4) på den bevegelige elektrode finnes en elektrostatisk fjær med innstillbare fjærkonstanten
Via den innstilbare utlesningsfaktor lar det seg for eksempel realisere en "nedbland-ende detektor" når for eksempel utlesningsfaktoren utformes som sinusformet bærer med samme frekvens som elektrodesvingningen. Derved blandes svingningen ned til frekvensen null, noe som fører til en faseømfintlig demodulator. Via den innstillbare utlesningsfaktor lar videre utlesningsfunksjoner for flere oscillatorer, hvis bevegelige elektroder er elektrisk forbundet med hverandre, seg utlese ved tidsmultipleks-metoden, idet utlesningsfaktoren for en oscillator alltid bare settes til en verdi som er forskjellig fra null, og derved detekteres i tidsmessig rekkefølge bare en oscillator-bevegelse ved hjelp av den felles ladningsforsterker. Utlesningsfunksjonen som beror på en kapasitetsmåling
fører som regel til at det ved innkoplingen av utlesningsfaktoren via spenningen U ikke bare opptrer en komponent som er avhengig av utsvingningen Ax, men i tillegg samtidig en betraktelig større andel som er avhengig av hvilekapasiteten Co. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen undertrykker denne uønskede andel, slik det i det følgende ved hjelp av nomenklaturen i fig 2 blir vist. Kraften som virker på den bevegelige elektrode 29 er ifølge ligning (18) proporsjonal med Derved er betingelsen 2 oppfylt. Utlesningsfaktoren er ifølge ligning (21) proporsjonal med
Derved er betingelsen 3 oppfylt. Videre er ifølge ligning (22) hvorved endelig betingelse 4 er oppfylt. For en korrekt funksjon må dimensjoneringen foretas slik at følgende alltid gjelder Ifølge oppfinnelsen beskrives derved en driftsmetode for mikroelektromekaniske sensorer (MEMS- sensorer) med delte elektroder. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjør det hos systemer med flere elektrisk koplede, bevegelige elektroder mulig å innstille stimuleringskraft, resonansavstemming og utlesningsfaktor atskilt fra hverandre. Derved er en utlesningsprosess i multiplexdrift fullstendig uavhengig av stimuleringsprosessen (frembringelse av stimuleringssvingningene) og avstemmingsprosessen (for eksempel frekvensavstemming av stimuleringssvingning til utlesningssvingning for å oppnå en dobbelresonant resonator) mulig.
Claims (11)
1. Mikroelektromekanisk sensor (30),karakterisert vedat den omfatter
minst én bevegelig elektrode (29),
en elektrodeanordning (311- 314) som befinner seg i avstand fra den
bevegelige elektrode (29) og som har flere separat styrbare elektroder og som tilhørende elektrodesignaler (u0i, u02, uui, uU2) kan anbringes på, hvorved den bevegelige elektrodes kraftpåvirkning, fjærkonstant og utlesningsfaktor er innstillbar/foranderlig elektrostatisk,
en elektrodesignalgenereringsenhet (32) som er forbundet med elektrode
anordningen (3^ - 314) og som kan tilføres et kraftpåvirkningssignal (f), et fjærkonstantsignal (Aæ) samt et utlesningsfaktorsignal (m), hvorved innstillingene og/eller forandringene som skal bevirkes vedrørende kraftpåvirkning, fjærkonstant og utlesningsfaktor for den bevegelige elektrode er fastlagt,
idet elektrodesignalgenereringsenheten (32) frembringer hvert elektrodesignal
(U01, U02, uui, uu2) i avhengighet av kraftpåvirknings-, fjørkonstant- samt utlesningsfaktorsignalet (f, Aæ, m) og avstemmer elektrodesignalene (u01, uo2, uui, uU2) slik til hverandre at resonatorens kraftpåvirkning, fjærkonstant samt utlesningsfaktor er innstillbare/foranderlige på bestemte nominelle verdier uavhengige av hverandre
2. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med krav 1,karakterisert ved
en ladningsforskyvningsenhet som detekterer ladningsforskyvninger som
opptrer på den bevegelige elektrode (29), og
en vurderingsenhet som bestemmer den bevegelige elektrodes (29)
momentane bevegelse basert på den detekterte ladningsforskyvning.
3. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med krav 2,karakterisert vedat elektrodesignalgenereringsenheten frembringer hvert elektrodesignal (u0i, u02, uui, uU2) i avhengighet av kraftpåvirknings-, fjærkonstant-samt utlesningsfaktorsignalet (f, Aco, m) slik at ladningsforskyvningen bare inneholder ladningsforskyvningsandeler som stammer fra bevegelsen av den bevegelige elektrode (29) og fra verdien av utlesningsfaktoren.
4. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat elektrodeanordningen (311- 314) inneholder fire elektroder.
5. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med krav 4,karakterisert vedat de fire elektroder (31 ^ - 314) er gruppert i to elektrodepar (311, 313; 312, 314) hvorved elektrodene er anordnet aksesymmetrisk i forhold til en første akse (B), som skiller de to elektrodepar (311, 313; 312, 314) fra hverandre, og aksesymmetrisk i forhold til en andre akse (A), som skiller elektrodene i vedkommende elektrodepar (311, 313; 312, 314) fra hverandre.
6. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med krav 5,karakterisert vedat den bevegelige elektrode (29) er anordnet punktsymmetrisk i forhold til skjæringspunktet (S) mellom de to symmetriakser (A, B).
7. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med krav 5,karakterisert vedat elektrodesignalene (u0i, u02, uui, uU2) er gitt ved følgende ligninger:
hvor (Aæ) er verdign av fjærkonstantsignalet, (m) er verdien at utlesningsfaktorsignalet og (f) er verdien av kraftpåvirkningssignalet, (u0i, u02) er verdien av elektrodesignalene som ligger over den andre akse og (uui, uu2) er verdien av elektrodesignalene som ligger under den andre akse.
8. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med krav 7,karakterisert vedat følgende sammenheng gjelder
9. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med et av kravene 1 - 8,karakterisert vedat den bevegelige elektrode (29) er utformet som del av en resonator.
10. Mikroelektromekanisk sensor (30) i samsvar med et av kravene 1 - 9,karakterisert ved
en andre bevegelig elektrode (50) som er elektrisk forbundet med nevnte minst ene bevegelige elektrode (29),
en andre elektrodeanordning (511- 514) med avstand i forhold til den andre
bevegelige elektrode (50) og med ytterligere flere separat styrbare elektroder som de tilhørende elektrodesignaler (u0l,<u>o2, uul, uu2) kan anbringes på,
hvorved kraftpåvirkningen, fjærkonstanten og utlesningsfaktoren for den andre bevegelige elektrode (50) er innstillbar/foranderlig elektrostatisk ved hjelp av elektrodesignalene,
en andre elektrodesignalgenereringsenhet (52) som er forbundet med den
andre elektrodeanordning (511- 514) og som kan tilføres et andre kraftpåvirkningssignal (f2), et andre fjærkonstantsignal (Aa>2) og et andre utlesningsfaktorsignal (m2) hvormed innstillingene/forandringene som skal bevirkes vedrørende kraftpåvirkning, fjærkonstant og utlesningsfaktor for resonatoren er fastlagt,
hvorved den andre elektrodesignalgenereringsenhet (52) frembringer hvert
elektrodesignal (u0l, uo2, uul, uu2) i avhengighet av det andre kraftpåvirknings-, det andre fjærkonstant- samt det andre utlesningsfaktorsignal (f2, Aa>2, rn2) og avstemmer elektrodesignalene (u01, uo2, uu1, uu2) slik til hverandre at den andre kraftpåvirkning, den andre fjærkonstant samt den andre utlesningsfaktor for den andre bevegelige elektrode (50) er innstillbare/foranderlige uavhengige av hverandre samt uavhengige av kraftpåvirkningen, fjærkonstanten samt utlesningsfaktoren for nevnte minst ene bevegelige elektrode (29) til bestemte nominelle verdier.
11. Fremgangsmåte for drift av en mikroelektromekanisk sensor (30) som omfatter minst én bevegelig elektrode (29) samt en elektrodeanordning (311- 314) i avstand fra den bevegelige elektrode (29) og med flere separat styrbare elektroder som kan tilføres tilhørende elektrodesignaler (u0i, uo2, uu1, uu2),karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter følgende trinn: frembringelse av elektrodesignaler (u0i, uo2, uui, uu2) i avhengighet av et
kraftpåvirkningssignal (f), et fjærkonstantsignal (A©) samt et utlesningsfaktorsignal (m), hvormed innstillingen/forandringene som skal bevirkes vedrørende kraftpåvirkning, fjærkonstant og utlesningsfaktor for den bevegelige elektrode (29) er fastlagt, anbringelse av elektrodesignalene (u0i, uo2, uu1, uu2) på de tilhørende
elektroder for å innstille/forandre elektrostatisk den bevegelige elektrodes (29) kraftpåvirkning, fjærkonstant og utlesningsfaktor,
hvorved hvert elektrodesignal (u0i, uo2, uui, uu2) frembringes i avhengighet av kraftpåpregings- (f), fjærkonstant- (A©) samt utlesningsfaktorsignalet (m) og elektrodene avstemmes slik til hverandre at kraftpåvirkningen, fjærkonstanten samt utlesningsfaktoren for den bevegelige elektrode (29) innstilles/forandres uavhengige av hverandre til en bestemt nominell verdi.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102006043412A DE102006043412A1 (de) | 2006-09-15 | 2006-09-15 | Mikroelektromechanischer Sensor sowie Betriebsverfahren für einen mikroelektromechanischen Sensor |
| PCT/EP2007/007028 WO2008031480A1 (de) | 2006-09-15 | 2007-08-08 | Mikroelektromechanischer sensor sowie betriebsverfahren für einen mikroelektromechanischen sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20090842L NO20090842L (no) | 2009-06-10 |
| NO340343B1 true NO340343B1 (no) | 2017-04-03 |
Family
ID=38622548
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20090842A NO340343B1 (no) | 2006-09-15 | 2009-02-23 | Mikroelektromekanisk sensor samt fremgangsmåte for drift av en mikroelektromekanisk sensor |
Country Status (13)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8424382B2 (no) |
| EP (1) | EP2062009B1 (no) |
| JP (1) | JP5259598B2 (no) |
| KR (1) | KR101093883B1 (no) |
| CN (1) | CN101517359B (no) |
| AT (1) | ATE541186T1 (no) |
| AU (1) | AU2007296984B2 (no) |
| CA (1) | CA2661525C (no) |
| DE (1) | DE102006043412A1 (no) |
| NO (1) | NO340343B1 (no) |
| RU (1) | RU2419768C2 (no) |
| WO (1) | WO2008031480A1 (no) |
| ZA (1) | ZA200901501B (no) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009019318A1 (de) * | 2009-04-30 | 2011-03-24 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Verfahren zum präzisen Messbetrieb eines mikromechanischen Drehratensensors |
| EP2547984B1 (de) * | 2010-03-17 | 2014-05-07 | Continental Teves AG & Co. oHG | Verfahren zur entkoppelten regelung der quadratur und der resonanzfrequenz eines mikromechanischen gyroskops |
| CN102893127B (zh) | 2010-03-17 | 2016-02-17 | 大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司 | 采用sigma-delta调制的微机械旋转率传感器正交和共振频率的解耦控制方法 |
| US9010184B2 (en) * | 2011-05-23 | 2015-04-21 | Senodia Technologies (Shanghai) Co., Ltd. | MEMS devices sensing both rotation and acceleration |
| DE102014003640A1 (de) * | 2014-03-14 | 2015-09-17 | Northrop Grumman Litef Gmbh | Verfahren zum optimieren der einschaltzeit eines corioliskreisels sowie dafür geeigneter corioliskreisel |
| DE102014004858A1 (de) | 2014-04-03 | 2014-11-06 | Daimler Ag | Befestigungsanordnung wenigstens eines Lagerelements an einem Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine |
| EP3154986A1 (en) * | 2014-06-16 | 2017-04-19 | Allinky Biopharma | P38 and jnk mapk inhibitors for the treatment and prophylaxis of degenerative diseases of the nervous system |
| KR102286261B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2021-08-04 | 이재철 | 락인 제로 링 레이저 자이로스코프 시스템 및 그 구동 방법 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6250156B1 (en) * | 1996-05-31 | 2001-06-26 | The Regents Of The University Of California | Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope |
| WO2004038331A1 (de) * | 2002-10-18 | 2004-05-06 | Litef Gmbh | Verfahren zur elektronischen abstimmung der ausleseschwingungsfrequenz eines corioliskreisels |
| WO2004099716A1 (de) * | 2003-05-08 | 2004-11-18 | Litef Gmbh | Betriebsverfahren für einen corioliskreisel und dafür geeignete auswerte-/regelelektronik und pulsmodulator |
| DE102004056699A1 (de) * | 2004-11-24 | 2006-06-01 | Litef Gmbh | Verfahren zur Steuerung/Regelung einer physikalischen Größe eines dynamischen Systems, insbesondere eines mikromechanischen Sensors |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5497660A (en) * | 1994-05-31 | 1996-03-12 | Litton Systems, Inc. | Digital force balanced instrument |
| US5992233A (en) * | 1996-05-31 | 1999-11-30 | The Regents Of The University Of California | Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope |
| JP3407689B2 (ja) * | 1999-04-22 | 2003-05-19 | 株式会社村田製作所 | 振動ジャイロ |
| CN2397473Y (zh) * | 1999-09-29 | 2000-09-20 | 中国科学院上海冶金研究所 | 栅型结构电容式微机械谐振陀螺 |
| IL149397A0 (en) * | 1999-11-02 | 2002-11-10 | Ebauchesfabrik Eta Ag | Time base comprising an integrated micromechanical ring resonator |
| US20030033850A1 (en) * | 2001-08-09 | 2003-02-20 | Challoner A. Dorian | Cloverleaf microgyroscope with electrostatic alignment and tuning |
| US20040027033A1 (en) * | 2002-08-08 | 2004-02-12 | Schiller Peter J. | Solid-state acceleration sensor device and method |
| US6934660B2 (en) * | 2003-02-20 | 2005-08-23 | The Regents Of The University Of California | Multi stage control architecture for error suppression in micromachined gyroscopes |
| DE10360963B4 (de) * | 2003-12-23 | 2007-05-16 | Litef Gmbh | Verfahren zur Messung von Drehraten/Beschleunigungen unter Verwendung eines Drehraten-Corioliskreisels sowie dafür geeigneter Corioliskreisel |
-
2006
- 2006-09-15 DE DE102006043412A patent/DE102006043412A1/de not_active Ceased
-
2007
- 2007-08-08 JP JP2009527708A patent/JP5259598B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2007-08-08 CN CN2007800343724A patent/CN101517359B/zh active Active
- 2007-08-08 US US12/310,572 patent/US8424382B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2007-08-08 RU RU2009102521/28A patent/RU2419768C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2007-08-08 EP EP07786628A patent/EP2062009B1/de active Active
- 2007-08-08 KR KR1020097004067A patent/KR101093883B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2007-08-08 AU AU2007296984A patent/AU2007296984B2/en not_active Ceased
- 2007-08-08 WO PCT/EP2007/007028 patent/WO2008031480A1/de active Application Filing
- 2007-08-08 AT AT07786628T patent/ATE541186T1/de active
- 2007-08-08 CA CA2661525A patent/CA2661525C/en not_active Expired - Fee Related
-
2009
- 2009-02-23 NO NO20090842A patent/NO340343B1/no unknown
- 2009-03-03 ZA ZA2009/01501A patent/ZA200901501B/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6250156B1 (en) * | 1996-05-31 | 2001-06-26 | The Regents Of The University Of California | Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope |
| WO2004038331A1 (de) * | 2002-10-18 | 2004-05-06 | Litef Gmbh | Verfahren zur elektronischen abstimmung der ausleseschwingungsfrequenz eines corioliskreisels |
| WO2004099716A1 (de) * | 2003-05-08 | 2004-11-18 | Litef Gmbh | Betriebsverfahren für einen corioliskreisel und dafür geeignete auswerte-/regelelektronik und pulsmodulator |
| DE102004056699A1 (de) * | 2004-11-24 | 2006-06-01 | Litef Gmbh | Verfahren zur Steuerung/Regelung einer physikalischen Größe eines dynamischen Systems, insbesondere eines mikromechanischen Sensors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2008031480A1 (de) | 2008-03-20 |
| AU2007296984B2 (en) | 2010-09-30 |
| CA2661525C (en) | 2013-03-26 |
| US20100186503A1 (en) | 2010-07-29 |
| ATE541186T1 (de) | 2012-01-15 |
| KR20090035616A (ko) | 2009-04-09 |
| US8424382B2 (en) | 2013-04-23 |
| ZA200901501B (en) | 2010-02-24 |
| CN101517359B (zh) | 2011-07-13 |
| WO2008031480A9 (de) | 2009-03-05 |
| NO20090842L (no) | 2009-06-10 |
| EP2062009A1 (de) | 2009-05-27 |
| DE102006043412A1 (de) | 2008-03-27 |
| CN101517359A (zh) | 2009-08-26 |
| RU2419768C2 (ru) | 2011-05-27 |
| KR101093883B1 (ko) | 2011-12-13 |
| RU2009102521A (ru) | 2010-10-20 |
| CA2661525A1 (en) | 2008-03-20 |
| EP2062009B1 (de) | 2012-01-11 |
| JP2010502998A (ja) | 2010-01-28 |
| JP5259598B2 (ja) | 2013-08-07 |
| AU2007296984A1 (en) | 2008-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| NO340343B1 (no) | Mikroelektromekanisk sensor samt fremgangsmåte for drift av en mikroelektromekanisk sensor | |
| US9069006B2 (en) | Self test of MEMS gyroscope with ASICs integrated capacitors | |
| US8056413B2 (en) | Sensor and sensing method utilizing symmetrical differential readout | |
| US9857175B2 (en) | Micro-gyroscope for detecting motions | |
| KR101677954B1 (ko) | ｘ 및/또는 ｙ 및 ｚ축에 대한 회전 움직임들을 측정하기 위한 마이크로자이로스코프 | |
| CN100585331C (zh) | 双质量振动式硅微陀螺仪 | |
| KR101178692B1 (ko) | 코리올리 자이로스코프 | |
| TWI230781B (en) | Microgyroscope tunable for translational acceleration | |
| IT201600081227A1 (it) | Giroscopio mems con regolazione di frequenza e cancellazione elettrostatica dell'errore di quadratura | |
| JP2009530603A (ja) | 二軸振動ジャイロスコープ | |
| EP1618391A2 (en) | Six degree-of-freedom micro-machined multi-sensor | |
| US8584524B2 (en) | Nano-resonator inertial sensor assembly | |
| US20190025056A1 (en) | Electrostatic offset correction | |
| EP2023082A1 (en) | Micro-electro-mechanical gyroscope with open-loop reading device and control method thereof | |
| CN107655453A (zh) | 一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器 | |
| KR20160122225A (ko) | 코리올리 자이로스코프의 스위치 온 시간의 최적화 방법 및 그에 적합한 코리올리 자이로스코프 | |
| Zega et al. | Towards 3-axis FM mems gyroscopes: Mechanical design and experimental validation | |
| Perrier et al. | Gytrix, a novel axisymmetric quartz MEMS gyroscope for navigation purpose | |
| EP4300040A1 (en) | Mems gyroscope with enhanced robustness against vibrations and reduced dimensions | |
| RU2490592C1 (ru) | Микрогироскоп профессора вавилова | |
| Padovani et al. | In-Plane and Out-of-Plane FM Accelerometers with 130 DB Dynamic Range Through Nems-Based Oscillators | |
| Li et al. | Design for the external frame of a resonant accelerometer sensor | |
| US9372085B2 (en) | Microelectromechanical sensor with differentiated performances and method of controlling a microelectromechanical sensor | |
| CN113968570A (zh) | 一种基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器及应用 | |
| Konovalov et al. | Two-axis MEMS angular rate sensor with magnetoelectric feedback torques in excitation and measurement channels |