PL244583B1

PL244583B1 - MEMS accelerometer with possibility of precise auto-calibration

Info

Publication number: PL244583B1
Application number: PL437535A
Authority: PL
Inventors: Sergiusz Łuczak
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2024-02-12
Also published as: PL437535A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest akcelerometr typu MEMS zawierający masę sejsmiczną (1) w kształcie podłużnej warstwy, na której przeciwległych końcach zamocowano zawieszenie sprężyste (2a) i (2b) trwale połączone z nieruchomą podstawą akcelerometru w punktach połączenia (3a) i (3b), jednocześnie do warstwy masy sejsmicznej (1) dołączono ruchomą okładkę pomiarową (4) a po obu stronach ruchomej okładki pomiarowej (4) umieszczono nieruchome okładki pomiarowe (5a) i (5b), charakteryzujący się tym, że do warstwy masy sejsmicznej (1) dołączono ruchomą elektrodę detekcyjną (6), a do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono pierwszą nieruchomą elektrodę detekcyjną (7a) tworząc z ruchomą elektrodą detekcyjną (6) pierwszy detektor wykrywania centralnego położenia masy sejsmicznej, oraz do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono drugą nieruchomą elektrodę detekcyjną (7b) i umieszczono w pobliżu pierwszej nieruchomej elektrody detekcyjnej (7a), przy czym druga nieruchoma elektroda detekcyjna (7b) tworzy z ruchomą elektrodą detekcyjną (6) drugi detektor wykrywania wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej, oraz do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono trzecią nieruchomą elektrodę detekcyjną (7c) i umieszczono ją w pobliżu pierwszej nieruchomej elektrody detekcyjnej (7a), przy czym trzecia nieruchoma elektroda detekcyjna (7c) tworzy z ruchomą elektrodą detekcyjną (6) trzeci detektor wykrywania wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej, przy czym ruchoma elektroda detekcyjna (6) i nieruchome elektrody detekcyjne (7a, 7b, 7c) mają wydłużony kształt i zaostrzoną końcówkę.The subject of the application is a MEMS accelerometer containing a seismic mass (1) in the shape of a longitudinal layer, on the opposite ends of which elastic suspensions (2a) and (2b) are mounted, permanently connected to the stationary base of the accelerometer at the connection points (3a) and (3b), simultaneously to a movable measuring plate (4) is attached to the seismic mass layer (1), and stationary measuring plates (5a) and (5b) are placed on both sides of the movable measuring plate (4), characterized by the fact that a movable electrode is attached to the seismic mass layer (1) detection electrode (6), and the first stationary detection electrode (7a) was attached to the stationary base of the accelerometer, creating, together with the movable detection electrode (6), the first detector for detecting the central position of the seismic mass, and the second stationary detection electrode (7b) was attached to the stationary base of the accelerometer and placed in near the first stationary detection electrode (7a), wherein the second stationary detection electrode (7b) together with the movable detection electrode (6) forms a second detector for detecting the specified position of the seismic mass, and a third stationary detection electrode (7c) is attached to the stationary base of the accelerometer and placed near the first stationary detection electrode (7a), wherein the third stationary detection electrode (7c) forms with the movable detection electrode (6) a third detector for detecting the specified position of the seismic mass, wherein the movable detection electrode (6) and the stationary detection electrodes (7a, 7b, 7c) have an elongated shape and a sharpened tip.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest akcelerometr typu MEMS (ang. Micro-Electro-Mechanical Systems) o strukturze umożliwiającej precyzyjną auto-kalibrację podczas jego działania.The subject of the invention is a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) accelerometer with a structure enabling precise auto-calibration during its operation.

Powszechnie wiadomym jest, że jedną z najsłabszych cech akcelerometrów typu MEMS jest ich mała dokładność, wynikająca m.in. z niestabilności ich parametrów użytkowych, powodowana przykładowo dryfami termicznymi i czasowymi oraz skutkami starzenia się struktury akcelerometru. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność kalibrowania akcelerometru typu MEMS przed jego użyciem w przypadku, gdy pożądana jest większa dokładność jego wskazań, kiedy to nie można korzystać z uśrednionych wartości parametrów użytkowych podawanych w katalogach. Właśnie dlatego zaproponowano różne rozwiązania techniczne usprawniające i ułatwiające proces kalibrowania akcelerometrów typu MEMS przez użytkownika. Np. przedmiotem polskiego zgłoszenia patentowego nr P.425929 jest czujnik odchylenia od pionu, wykorzystujący trójosiowy akcelerometr typu MEMS, którego obudowa wykorzystywana jest do kalibrowania zastosowanego akcelerometru.It is widely known that one of the weakest features of MEMS accelerometers is their low accuracy, resulting from, among others, from the instability of their operational parameters, caused, for example, by thermal and temporal drifts and the effects of aging of the accelerometer structure. An additional difficulty is the need to calibrate the MEMS accelerometer before its use if greater accuracy of its indications is desired and it is not possible to use the average values of operating parameters given in catalogues. That is why various technical solutions have been proposed to improve and facilitate the process of calibrating MEMS accelerometers by the user. For example, the subject of Polish patent application No. P.425929 is a vertical deviation sensor using a three-axis MEMS accelerometer, the housing of which is used to calibrate the accelerometer used.

Innym podejściem jest rozbudowa mechanicznej struktury krzemowej samego akcelerometru. Znane są już od dawna akcelerometry posiadające np. wbudowane sensory temperatury, umożliwiające kompensacje błędów termicznych. Zaproponowano także zastosowanie zewnętrznych mikro-grzejników umożliwiających utrzymanie stałej - podwyższonej temperatury całego akcelerometru. Niektóre firmy stosują przechowywanie w pamięci akcelerometru uśrednionych charakterystyk prognozujących skutki starzenia się struktury akcelerometru w celu wyeliminowania błędów związanych z tym zjawiskiem. Kolejną propozycją, zasugerowaną przez autora wniosku w jednej z publikacji naukowych, jest zastosowanie dodatkowych akcelerometrów pracujących statycznie i o stałej orientacji, których sygnały służą do wyznaczania parametrów użytkowych akcelerometru roboczego; jednak wielką trudnością jest tutaj znalezienie kilku akcelerometrów typu MEMS o zbliżonych właściwościach, a główną wadą znaczne skomplikowanie urządzenia pomiarowego. Jeszcze inną propozycją jest wbudowanie funkcji autotestowania (ang. „self-test”), umożliwiającej zasymulowanie działania przyspieszenia zewnętrznego w celu przetestowania prawidłowości reakcji akcelerometru na działanie takiego przyspieszenia. Niestety funkcja autotestowania nie jest realizowana z wystarczająco wysoką precyzją i dlatego nie nadaje się do dokładnej kalibracji akcelerometru bez dodatkowych modyfikacji.Another approach is to expand the mechanical silicon structure of the accelerometer itself. Accelerometers with, for example, built-in temperature sensors that enable compensation for thermal errors have been known for a long time. It was also proposed to use external micro-heaters to maintain a constant - elevated temperature of the entire accelerometer. Some companies store average characteristics in the accelerometer memory that predict the effects of aging of the accelerometer structure in order to eliminate errors related to this phenomenon. Another proposal, suggested by the author of the application in one of the scientific publications, is the use of additional accelerometers operating statically and with constant orientation, the signals of which are used to determine the operational parameters of the working accelerometer; However, it is very difficult to find several MEMS accelerometers with similar properties, and the main disadvantage is the significant complexity of the measurement device. Yet another proposal is to build in a self-test function, which allows simulating the operation of external acceleration in order to test the correct response of the accelerometer to such acceleration. Unfortunately, the self-test function is not implemented with sufficiently high precision and is therefore not suitable for accurate calibration of the accelerometer without additional modifications.

Wynalazek przedstawia koncepcję zmodyfikowanej mechanicznej struktury krzemowej pojemnościowego akcelerometru typu MEMS o dowolnej liczbie osi czułości - przy założeniu, że możliwe jest rozbudowanie każdej osi czułości o dodatkowe detektory (omówione w dalszej części opisu) - umożliwiającą realizację precyzyjnej auto-kalibracji akcelerometru podczas jego działania. Oś czułości to kierunek działania mierzonego przyspieszenia; ponieważ przyspieszenie jest wielkością wektorową, trzeba je mierzyć w konkretnej osi. Aby dokonać pomiaru dowolnie zorientowanego wektora przyspieszenia, w ogólnym przypadku konieczne są 3 kartezjańskie osie czułości. Liczba osi czułości (zazwyczaj 1 do 3) jest jednym z podstawowych parametrów metrologicznych akcelerometru.The invention presents the concept of a modified mechanical silicon structure of a capacitive MEMS accelerometer with any number of sensitivity axes - assuming that it is possible to expand each sensitivity axis with additional detectors (discussed later in the description) - enabling precise auto-calibration of the accelerometer during its operation. The sensitivity axis is the direction of action of the measured acceleration; since acceleration is a vector quantity, it must be measured on a specific axis. To measure an arbitrarily oriented acceleration vector, in general, 3 Cartesian sensitivity axes are necessary. The number of sensitivity axes (usually 1 to 3) is one of the basic metrological parameters of the accelerometer.

Kalibracja jest możliwa dzięki zastosowaniu dodatkowych detektorów położenia masy sejsmicznej. W przypadku produkcji masowej znamiennej dla mikrourządzeń typu MEMS, zaproponowana modyfikacja nieznacznie zwiększy koszt wyprodukowania akcelerometru, jednak umożliwi dużą poprawę dokładności jego wskazań. Oprócz tego, możliwe będzie także wyeliminowanie niektórych obwodów elektronicznych akcelerometru (np. rezygnacja z układów kompensacji błędów temperaturowych, poprawek na efekty starzenia), co w przypadku uruchomienia produkcji całkiem nowego typu akcelerometru może wręcz obniżyć sumaryczny koszt jego produkcji.Calibration is possible thanks to the use of additional seismic mass position detectors. In the case of mass production of MEMS microdevices, the proposed modification will slightly increase the cost of producing the accelerometer, but will significantly improve the accuracy of its indications. In addition, it will also be possible to eliminate some of the accelerometer's electronic circuits (e.g. resignation from temperature error compensation systems, corrections for aging effects), which in the event of launching the production of a completely new type of accelerometer may even reduce the total cost of its production.

W przypadku tanich akcelerometrów typu MEMS proces ich kalibracji musi przeprowadzać sam użytkownik. Z kolei w przypadku akcelerometrów fabrycznie skalibrowanych rośnie ich cena, a oprócz tego istnieje duże ryzyko, że uśrednione wartości fabrycznych parametrów wzorcowania nie zawsze pokrywają się z wartościami rzeczywistymi, co powoduje spadek dokładności wskazań akcelerometru. Idea działania zmodyfikowanego akcelerometru polega na tym, że podczas jego standardowej p racy wykorzystuje się moment chwilowego zajęcia przez masę sejsmiczną wyszczególnionych położeń określanych z dużą dokładnością, dzięki zastosowaniu dodatkowych detektorów (działających np. na zasadzie zjawiska prądu tunelowego). Odczytanie sygnału wyjściowego akcelerometru przypisanego do danej osi czułości w tych wyszczególnionych położeniach umożliwia jego auto-kalibrację z bardzo dużą dokładnością. W przypadku, gdy masa sejsmiczna wykonuje drgania (co ma miejsce zazwyczaj) o odpowiednio dużej amplitudzie (nie mniej niż np. 50% zakresu pomiarowego) auto-kalibracja może być powtarzana z dużą częstotliwością, a dzięki temu można wyeliminować wiele istotnych błędów wskazań akcelerometru (dryfy czasowe, dryfy termiczne, efekty starzenia). W celu zwiększenia prawdopodobieństwa zajęcia przez masę sejsmiczną odpowiedniego położenia wykorzystywanego do autokalibracji, można zastosować większą liczbę proponowanych detektorów wyszczególnionych położeń, które mogą być rozmieszczone w różnych częściach zakresu pomiarowego, włącznie z położeniem centralnym. Budowa detektorów musi być dostosowana do konstrukcji mechanicznej struktury akcelerometru. Odpowiednie ich skonstruowanie umożliwi dokładną detekcję wyszczególnionego położenia w każdym przypadku, pomimo rozrzutu parametrów elektrycznych i mechanicznych poszczególnych akcelerometrów w wyprodukowanej serii. Proponowana modyfikacja daje możliwość uzyskania bardzo dużej dokładności wskazań akcelerometrów typu MEMS. Dodatkowo umożliwia wyeliminowanie wybranych obwodów elektronicznych.In the case of cheap MEMS accelerometers, the calibration process must be carried out by the user himself. In turn, in the case of factory-calibrated accelerometers, their price increases, and there is a high risk that the averaged values of the factory calibration parameters do not always coincide with the real values, which causes a decrease in the accuracy of the accelerometer readings. The idea behind the operation of the modified accelerometer is that during its standard operation, the moment of momentary occupation of the seismic mass at specified positions is used, determined with high accuracy thanks to the use of additional detectors (e.g. operating on the principle of the tunnel current phenomenon). Reading the output signal of the accelerometer assigned to a given sensitivity axis in these specified positions allows its auto-calibration with very high accuracy. If the seismic mass vibrates (which is usually the case) with a sufficiently large amplitude (not less than e.g. 50% of the measurement range), auto-calibration can be repeated with high frequency, and thus many significant errors in accelerometer readings can be eliminated ( time drifts, thermal drifts, aging effects). In order to increase the probability of the seismic mass occupying the appropriate position used for auto-calibration, a larger number of the proposed detectors of specified positions can be used, which can be located in different parts of the measurement range, including the central position. The design of the detectors must be adapted to the mechanical design of the accelerometer. Their appropriate construction will enable accurate detection of the specified position in each case, despite the dispersion of electrical and mechanical parameters of individual accelerometers in the manufactured series. The proposed modification makes it possible to obtain very high accuracy of MEMS accelerometer readings. Additionally, it allows you to eliminate selected electronic circuits.

Akcelerometr typu MEMS zawierający masę sejsmiczną w kształcie podłużnej warstwy, na której przeciwległych końcach zamocowano zawieszenie sprężyste trwale połączone z nieruchomą podstawą akcelerometru w punktach połączenia, jednocześnie do warstwy masy sejsmicznej dołączono ruchomą okładkę pomiarową, a po obu stronach ruchomej okładki pomiarowej umieszczono nieruchome okładki pomiarowe, charakteryzuje się tym, że do warstwy masy sejsmicznej dołączono ruchomą elektrodę detekcyjną a do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono pierwszą nieruchomą elektrodę detekcyjną tworząc z ruchomą elektrodą detekcyjną pierwszy detektor wykrywania centralnego położenia masy sejsmicznej, oraz do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono drugą nieruchomą elektrodę detekcyjną i umieszczono w pobliżu pierwszej nieruchomej elektrody detekcyjnej, przy czym druga nieruchoma elektroda detekcyjna tworzy z elektrodą detekcyjną drugi detektor wykrywania wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej, przy czym ruchoma elektroda detekcyjna i nieruchome elektrody detekcyjne mają wydłużony kształt i zaostrzoną końcówkę.MEMS accelerometer containing a seismic mass in the shape of an elongated layer, on the opposite ends of which an elastic suspension is mounted, permanently connected to the fixed accelerometer base at the connection points, at the same time, a movable measuring plate is attached to the seismic mass layer, and stationary measuring plates are placed on both sides of the movable measuring plate, characterized by the fact that a movable detection electrode is attached to the seismic mass layer and a first stationary detection electrode is attached to the stationary base of the accelerometer, forming with the movable detection electrode the first detector for detecting the central position of the seismic mass, and a second stationary detection electrode is attached to the stationary base of the accelerometer and placed nearby a first stationary detection electrode, wherein the second stationary detection electrode forms with the detection electrode a second detector for detecting the specified position of the seismic mass, the movable detection electrode and the stationary detection electrodes having an elongated shape and a pointed tip.

Korzystnie, do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono trzecią nieruchomą elektrodę detekcyjną i umieszczono ją w pobliżu pierwszej nieruchomej elektrody detekcyjnej, przy czym trzecia nieruchoma elektroda detekcyjna tworzy z elektrodą detekcyjną trzeci detektor wykrywania wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej, przy czym nieruchoma elektroda detekcyjna ma wydłużony kształt i zaostrzoną końcówkę.Preferably, a third stationary detection electrode is attached to the stationary base of the accelerometer and placed adjacent to the first stationary detection electrode, wherein the third stationary detection electrode forms with the detection electrode a third detector for detecting the specified location of the seismic mass, the stationary detection electrode having an elongated shape and a pointed tip. .

Korzystnie, do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono kolejne nieruchome elektrody detekcyjne i umieszczono je równolegle względem siebie w pobliżu pierwszej nieruchomej elektrody detekcyjnej, przy czym każda kolejna nieruchoma elektroda detekcyjna tworzy z ruchomą elektrodą detekcyjną kolejny detektor wykrywania wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej.Preferably, further stationary detection electrodes are attached to the stationary base of the accelerometer and placed parallel to each other near the first stationary detection electrode, each subsequent stationary detection electrode forming, together with the movable detection electrode, another detector for detecting the specified location of the seismic mass.

Korzystnie, do warstwy masy sejsmicznej dołączono kolejne ruchome elektrody detekcyjne a do nieruchomej podstawy akcelerometru dołączono kolejne nieruchome elektrody detekcyjne tworzące z tymi kolejnymi ruchomymi elektrodami detekcyjnymi dodatkowe detektory wykrywania wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej.Advantageously, further movable detection electrodes are attached to the seismic mass layer and further stationary detection electrodes are attached to the stationary base of the accelerometer, forming with these further movable detection electrodes additional detectors for detecting the specified position of the seismic mass.

Korzystnie, wyszczególnione położenie masy sejsmicznej stanowi 50% zakresu pomiarowego akcelerometru.Preferably, the specified seismic mass location is 50% of the accelerometer measurement range.

Korzystnie, zawiera układ kalibracji, do którego dołączony jest pierwszy detektor wykrywania centralnego położenia masy sejsmicznej, drugi i trzeci detektor wykrywania wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej.Preferably, it includes a calibration system to which are coupled a first detector for detecting the central position of the seismic mass, second and third detectors for detecting the specified position of the seismic mass.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat struktury mechanicznej akcelerometru, fig. 2 - zajęcie wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej pod działaniem przyspieszenia (a) skierowanego w lewo, fig. 3 - zajęcie wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej pod działaniem przyspieszenia (a) skierowanego w prawo a fig. 4 - schemat blokowy przedstawiający główne moduły akcelerometru.The subject of the invention in an embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the mechanical structure of the accelerometer, Fig. 2 - the specific position of the seismic mass under the action of acceleration (a) directed to the left, Fig. 3 - the specific position of the seismic mass under the action of by the action of acceleration (a) directed to the right and Fig. 4 - a block diagram showing the main modules of the accelerometer.

Do realizacji procesu autokalibracji konieczne jest zastosowanie odpowiedniej struktury mechanicznej akcelerometru, jak na Fig. 1.To carry out the auto-calibration process, it is necessary to use an appropriate mechanical structure of the accelerometer, as in Fig. 1.

Standardowa struktura akcelerometru typu MEMS składa się z masy sejsmicznej (1), zawieszenia sprężystego (2a) i (2b), trwale połączonego z nieruchomą podstawą akcelerometru w punktach (3a), (3b), ruchomej okładki pomiarowej (4) i nieruchomych okładek pomiarowych (5a) i (5b), tworzących układ różnicowego kondensatora pomiarowego, umożliwiającego analogowy pomiar położenia masy sejsmicznej (1), a dzięki temu pomiar działającego na nią przyspieszenia liniowego. W punktach 3a i 3b występuje trwałe zespolenie masy sejsmicznej i zawieszenia sprężystego z podstawą; w pozostałym obszarze masa sejsmiczna i zawieszenie sprężyste są ponad podstawą, a pomiędzy tymi elementami istnieje szczelina powietrzna. W rozwiązaniu według wynalazku, standardową strukturę rozbudowano o jedną ruchomą elektrodę detekcyjną (6) oraz trzy nieruchome elektrody detekcyjne (7a), (7b), (7c), tworząc w ten sposób trzy detektory wyszczególnionych położeń masy sejsmicznej (1), tzn.: 1. położenia centralnego - elektroda (6) i (7a); 2. położenia odpowiadającego np. 50% zakresu pomiarowego elektroda (6) i (7b) albo (6) i (7c). Wskazana wartość 50% zakresu pomiarowego to przykładowa wartość kalibracyjna. Zastosowanie większej liczby nieruchomych i ruchomych elektrod detekcyjnych pozwala na zwiększenie dokładności i efektywności kalibracji.The standard structure of a MEMS accelerometer consists of a seismic mass (1), elastic suspension (2a) and (2b), permanently connected to the stationary accelerometer base at points (3a), (3b), a movable measuring plate (4) and stationary measuring plates (5a) and (5b), forming a differential measurement capacitor system enabling analog measurement of the position of the seismic mass (1), and thus measurement of the linear acceleration acting on it. At points 3a and 3b there is a permanent connection of the seismic mass and elastic suspension with the base; in the remaining area, the seismic mass and spring suspension are above the base, and an air gap exists between these elements. In the solution according to the invention, the standard structure was expanded with one movable detection electrode (6) and three stationary detection electrodes (7a), (7b), (7c), thus creating three detectors of specific positions of the seismic mass (1), i.e.: 1. central position - electrode (6) and (7a); 2. a position corresponding to e.g. 50% of the measuring range of electrode (6) and (7b) or (6) and (7c). The indicated value of 50% of the measurement range is an example calibration value. The use of a larger number of stationary and moving detection electrodes allows for increased calibration accuracy and efficiency.

Pomiar przyspieszenia liniowego a polega na wykorzystaniu następującej zależności: a = (U-SS)/WS, gdzie U jest napięciem pomiarowym wynikającym z chwilowych wartości pojemności kondensatora różnicowego składającego się z okładek nieruchomych (5a) i (5b) oraz ruchomej (4), SS jest składową stałą napięcia pomiarowego wyrażoną w woltach [V], WS jest współczynnikiem skalowania napięcia pomiarowego wyrażonym w woltach na g [V/g], gdzie g oznacza przyspieszenie ziemskie (około 10 m/s²). Parametry SS i WS wyznaczane są podczas kalibracji lub autokalibracji akcelerometru typu MEMS.The measurement of linear acceleration a involves the use of the following relationship: a = (U-SS)/WS, where U is the measurement voltage resulting from the instantaneous values of the capacity of the differential capacitor consisting of stationary plates (5a) and (5b) and movable plate (4), SS is the direct component of the measurement voltage expressed in volts [V], WS is the scaling factor of the measurement voltage expressed in volts per g [V/g], where g is the acceleration due to gravity (approximately 10 m/s ² ). The SS and WS parameters are determined during calibration or auto-calibration of the MEMS accelerometer.

Zasada działania detektorów wyszczególnionych położeń masy sejsmicznej polega na tym, że wykrywają one jedynie sytuację, gdy odpowiednia nieruchoma elektroda detekcyjna: (7a) lub (7b) lub (7c), znajduje się bardzo blisko ruchomej elektrody detekcyjnej (6). Taki efekt można uzyskać np. wykorzystując występowanie prądu tunelowego. Inaczej mówiąc, umożliwiają one precyzyjne wyznaczenie trzech wyszczególnionych położeń masy sejsmicznej, odpowiadających działaniu znanej wartości mierzonego przyspieszenia liniowego. W przypadku, gdy masa sejsmiczna znajdzie się w jednym z tych trzech wyszczególnionych położeń, odczytywane i zapamiętywane jest wskazanie akcelerometru realizowane za pomocą ruchomej okładki pomiarowej (4) i nieruchomych okładek pomiarowych (5a) i (5b), tworzących układ różnicowego kondensatora pomiarowego. Na podstawie zapamiętanych wskazań akcelerometru dla dwóch różnych wyszczególnionych położeń masy sejsmicznej możliwe jest dokonanie autokalibracji akcelerometru, polegającej na obliczeniu dwóch kluczowych parametrów użytkowych: składowej stałej SS oraz współczynnika skalowania WS sygnału wyjściowego. Zakładając, że detektor (7a) odpowiada działaniu przyspieszenia o zerowej wartości, a detektory (7b) i (7c) odpowiadają działaniu przyspieszenia równego 50% zakresu pomiarowego ZP akcelerometru (wyrażonego jako wielokrotność g, gdzie g oznacza przyspieszenie ziemskie - około 10 m/s²), to parametry SS i WS obliczamy według zależności: 1. w przypadku gdy zapamiętano wskazanie akcelerometru Ub odpowiadające pokryciu się elektrod (6) oraz (7b) - co przedstawiono na Fig. 3 i wskazanie akcelerometru Ua odpowiadające pokryciu się elektrod (6) i (7a) - co przedstawiono na Fig. 1: SS = Ua i WS = 2(Ub - Ua)/ZP; 2. W przypadku gdy zapamiętano wskazanie akcelerometru Uc odpowiadające pokryciu się elektrod (6) oraz (7c) - co przedstawiono na Fig. 2 oraz wskazanie akcelerometru Ua odpowiadające pokryciu się elektrod (6) i (7a) - co przedstawiono na Fig. 1: SS = Ua i WS = 2(Ua - Uc)/ZP; 3. w przypadku gdy zapamiętano wskazanie akcelerometru Ua odpowiadające pokryciu się elektrod (6) oraz (7b) - co przedstawiono na Fig. 3 oraz wskazanie akcelerometru Uc odpowiadające pokryciu się elektrod (6) i (7c) - co przedstawiono na Fig. 2: SS = (Ub + Uc)/2 i WS = (Ub - Uc)/ZP. ‘The principle of operation of detectors of specific seismic mass positions is that they only detect the situation when the appropriate stationary detection electrode: (7a) or (7b) or (7c) is very close to the movable detection electrode (6). This effect can be achieved, for example, by using the tunnel current. In other words, they enable the precise determination of three specific positions of the seismic mass, corresponding to the action of a known value of the measured linear acceleration. If the seismic mass is in one of these three specified positions, the accelerometer reading is read and stored using the movable measuring plate (4) and the stationary measuring plates (5a) and (5b), forming a differential measurement capacitor system. Based on the stored accelerometer readings for two different specified positions of the seismic mass, it is possible to auto-calibrate the accelerometer, which involves calculating two key operational parameters: the constant component SS and the scaling factor WS of the output signal. Assuming that the detector (7a) corresponds to the action of zero acceleration, and the detectors (7b) and (7c) correspond to the action of acceleration equal to 50% of the ZP measurement range of the accelerometer (expressed as a multiple of g, where g is the acceleration due to gravity - about 10 m/s ² ), then the SS and WS parameters are calculated according to the relationship: 1. when the accelerometer reading Ub corresponding to the overlap of electrodes (6) and (7b) is remembered - as shown in Fig. 3 and the accelerometer reading Ua corresponding to the overlap of electrodes (6) and (7a) - as shown in Fig. 1: SS = Ua and WS = 2(Ub - Ua)/ZP; 2. If the accelerometer reading Uc corresponding to the overlap of electrodes (6) and (7c) is remembered - as shown in Fig. 2, and the accelerometer reading Ua corresponding to the overlap of electrodes (6) and (7a) - as shown in Fig. 1: SS = Ua and WS = 2(Ua - Uc)/ZP; 3. when the accelerometer reading Ua corresponding to the overlap of electrodes (6) and (7b) is remembered - as shown in Fig. 3, and the accelerometer reading Uc corresponding to the overlap of electrodes (6) and (7c) - as shown in Fig. 2: SS = (Ub + Uc)/2 and WS = (Ub - Uc)/ZP. '

Autokalibracja umożliwia kalibrację osi czułości akcelerometru typu MEMS podczas jego działania bez dodatkowych przyrządów.Auto-calibration enables calibration of the sensitivity axis of the MEMS accelerometer during its operation without additional devices.

Zasada działania detektorów wyszczególnionych położeń masy sejsmicznej polega na tym, że w momencie, kiedy na akcelerometr działa ustalone wcześniej przyspieszenie o ścisłej wartości (np. równe np. 50% zakresu pomiarowego), to dany detektor generuje maksymalną wartość sygnału wyjściowego w wyniku wystąpienia minimalnej odległości pomiędzy elektrodą ruchomą i odpowiednią elektrodą nieruchomą - jest to np. maksymalna wartość prądu tunelowego. W momencie wygenerowania takiego sygnału odczytywane jest napięcie generowane przez główny przetwornik elektroniczny akcelerometru i zapisywane w pamięci układu autokalibracji. Następnie w sposób rekurencyjny, przy zastosowaniu przytoczonych wcześniej wzorów i wykorzystaniu wartości odpowiednich napięć zapamiętanych w poprzednim kroku, w układzie autokalibracji obliczane są wartości parametrów SS (składowa stała) i WS (współczynnik skalowania) i przesyłane do układu przetwarzania i kalibracji sygnału wyjściowego, gdzie są one przechowywane w pamięci tego układu w celu wyznaczania wartości mierzonego przyspieszenia zwiększą precyzją.The principle of operation of detectors of specific seismic mass locations is that when the accelerometer is subjected to a previously determined acceleration of a precise value (e.g. equal to e.g. 50% of the measurement range), the detector generates the maximum value of the output signal as a result of the minimum distance between the moving electrode and the appropriate stationary electrode - this is e.g. the maximum value of the tunnel current. When such a signal is generated, the voltage generated by the main electronic transducer of the accelerometer is read and saved in the memory of the auto-calibration system. Then, recursively, using the previously mentioned formulas and using the values of appropriate voltages stored in the previous step, the values of the SS (constant component) and WS (scaling factor) parameters are calculated in the auto-calibration system and sent to the output signal processing and calibration system, where they are they are stored in the memory of this system in order to determine the value of the measured acceleration, which will increase the precision.

Schemat budowy warstwy elektronicznej akcelerometru przedstawiono na Fig. 4. W głównym torze pomiarowym akcelerometru mierzone przyspieszenie a zamieniane jest na przemieszczenie masy sejsmicznej s, potem to przemieszczenie na zmianę pojemności kondensatorów różnicowych C, z kolei pojemność na napięcie U, które jest odpowiednio przetwarzane, konwertowane i kalibrowane. Mierzone przyspieszenie a oddziałuje także na detektory wyszczególnionych położeń masy sejsmicznej, które generują maksymalną wartość sygnału wyjściowego (np. prądu) w sytuacji, kiedy przyspieszenie przyjmie ściśle ustaloną wartość.The structure diagram of the electronic layer of the accelerometer is shown in Fig. 4. In the main measurement track of the accelerometer, the measured acceleration a is converted into a displacement of the seismic mass s, then this displacement is converted into a change in the capacitance of differential capacitors C, and in turn the capacitance into voltage U, which is appropriately processed and converted and calibrated. The measured acceleration a also affects detectors of specific positions of the seismic mass, which generate the maximum value of the output signal (e.g. current) when the acceleration assumes a precisely determined value.

W przypadku, kiedy akcelerometr będzie pracował w warunkach termicznych odmiennych od tych, dla których ustalono wartość przyspieszenia odpowiadającego generowaniu maksymalnego sygnału przez detektory wyszczególnionych położeń masy sejsmicznej, niezbędne jest skonstruowanie sprężystego zawieszenia masy sejsmicznej w taki sposób, żeby jego sztywność była niezależna od temperatury. Można to uzyskać dzięki kompensacji temperaturowej tego elementu konstrukcyjnego polegającej na takim doborze kształtu, wymiarów oraz materiału zawieszenia sprężystego masy sejsmicznej, żeby zmiany wartości modułu sprężystości kompensowane były zmianami wymiarów zawieszenia. Tak skonstruowane zawieszenie sprężyste masy sejsmicznej cechuje się stałą wartością sztywności w wystarczająco szerokim zakresie zmian temperatury.If the accelerometer will operate in thermal conditions different from those for which the acceleration value corresponding to the generation of the maximum signal by detectors of the specified positions of the seismic mass was determined, it is necessary to construct an elastic suspension of the seismic mass in such a way that its stiffness is independent of temperature. This can be achieved thanks to temperature compensation of this structural element, which involves selecting the shape, dimensions and material of the elastic suspension of the seismic mass so that changes in the value of the elastic modulus are compensated by changes in the dimensions of the suspension. The elastic suspension of the seismic mass constructed in this way is characterized by a constant stiffness value in a sufficiently wide range of temperature changes.

Opcjonalnie, w celu przeprowadzenia procesu autokalibracji wykorzystać można zmodyfikowaną funkcjonalność autodiagnostyki (ang. „self-test”), cechującą się tym, że napięcie doprowadzane do siłownika elektrostatycznego narasta na tyle wolno, że możliwe jest zarejestrowanie maksymalnego sygnału z któregoś z detektorów wyszczególnionego położenia masy sejsmicznej z dużą precyzją. Dzięki takiej modyfikacji proces autokalibracji można wykonać na żądanie w dowolnym momencie, pod warunkiem, że w danej osi czułości nie działa przyspieszenie o wartości powodującej pracę poza wyszczególnionym położeniem masy sejsmicznej, np. większe niż 50% zakresu pomiarowego ZP.Optionally, in order to carry out the self-calibration process, a modified self-diagnosis functionality ("self-test") can be used, characterized by the fact that the voltage supplied to the electrostatic actuator increases slowly enough to record the maximum signal from one of the detectors of the specified ground position. seismic with high precision. Thanks to this modification, the auto-calibration process can be performed on demand at any time, provided that in a given sensitivity axis there is no acceleration of a value causing work outside the specified location of the seismic mass, e.g. greater than 50% of the ZP measurement range.

Lista oznaczeń odsyłającychList of referencing markings

Masa sejsmicznaSeismic mass

2a, 2b Zawieszenie sprężyste2a, 2b Spring suspension

3a, 3b Punkty połączenia zawieszenia sprężystego z nieruchomą podstawą akcelerometru3a, 3b Connection points of the elastic suspension with the stationary base of the accelerometer

Ruchoma okładka pomiarowaMovable measuring cover

5a, 5b Nieruchome okładki pomiarowe5a, 5b Fixed measuring covers

Ruchoma elektroda detekcyjnaMovable detection electrode

7a, 7b, 7c Nieruchome elektrody detekcyjne7a, 7b, 7c Fixed detection electrodes

Claims

1. MEMS accelerometer containing a seismic mass (1) in the shape of an elongated layer, on the opposite ends of which elastic suspensions (2a) and (2b) are attached, permanently connected to the stationary base of the accelerometer at the connection points (3a) and (3b), simultaneously to the layer a movable measuring plate (4) is attached to the seismic mass (1), and on both sides of the movable measuring plate (4) there are stationary measuring plates (5a) and (5b), characterized in that a movable detection electrode is attached to the seismic mass layer (1). 6) and the first stationary detection electrode (7a) was attached to the stationary base of the accelerometer, forming with the movable detection electrode (6) the first detector for detecting the central position of the seismic mass, and the second stationary detection electrode (7b) was attached to the stationary base of the accelerometer and placed near the first stationary detection electrode (7a), wherein the second stationary detection electrode (7b) together with the detection electrode (6) forms a second detector for detecting the specified position of the seismic mass, wherein the movable detection electrode (6) and the stationary detection electrodes (7a, 7b) have an elongated shape and a sharpened tip.

2. Accelerometer according to claim 1, characterized in that a third stationary detection electrode (7c) is attached to the stationary base of the accelerometer and placed near the first stationary detection electrode (7a), wherein the third stationary detection electrode (7c) together with the detection electrode (6) forms a third detector for the detection of the specified the position of the seismic mass, where the stationary detection electrode (7c) has an elongated shape and a sharpened tip.

3. Accelerometer according to claim 2, characterized in that subsequent stationary detection electrodes are attached to the stationary base of the accelerometer and placed parallel to each other near the first stationary detection electrode (7a), each subsequent stationary detection electrode together with the detection electrode (6) forming another detector for detecting the specified mass position seismic.

4. Accelerometer according to claim 1 or 2 or 3, characterized in that subsequent movable detection electrodes are attached to the seismic mass layer (1) and further immovable detection electrodes are attached to the stationary base of the accelerometer, which together with these subsequent movable detection electrodes constitute additional detectors for detecting the specified position of the seismic mass, corresponding to the action of acceleration of value other than 50% of the measurement range.

5. MEMS type accelerometer according to claim. 1, characterized in that the specified location of the seismic mass is 50% of the accelerometer measurement range.

6. MEMS type accelerometer according to claim. 1, characterized in that the specified location of the seismic mass is the value of the accelerometer measurement range ranging from 10 to 50% or from 50% to 100%.

7. Accelerometer according to claim. 1 or 2 or 3 or 4 or 5 or 6, characterized in that it comprises a calibration system to which a first detector for detecting the central position of the seismic mass, a second and a third detector for detecting the specified position of the seismic mass are connected.