RU2521141C2 - Capacitance displacement sensor - Google Patents

Capacitance displacement sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2521141C2
RU2521141C2 RU2012136702/28A RU2012136702A RU2521141C2 RU 2521141 C2 RU2521141 C2 RU 2521141C2 RU 2012136702/28 A RU2012136702/28 A RU 2012136702/28A RU 2012136702 A RU2012136702 A RU 2012136702A RU 2521141 C2 RU2521141 C2 RU 2521141C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
movable electrode
displacement sensor
electrode
measuring
electrodes
Prior art date
Application number
RU2012136702/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012136702A (en
Inventor
Владимир Дмитриевич Вавилов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ)
Priority to RU2012136702/28A priority Critical patent/RU2521141C2/en
Publication of RU2012136702A publication Critical patent/RU2012136702A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2521141C2 publication Critical patent/RU2521141C2/en

Links

Landscapes

  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to micromechanical devices and can be used in integrated accelerometers and gyroscopes. Technical result is achieved due to halving of stationary electrodes and crossover connection of sectors into adjacent legs of differential capacitors. As a result of electrodes' division the sensor has become insensitive to plane parallel component of movements, and there has been provided for the possibility of measuring one component, namely the angular component.
EFFECT: improved accuracy of a capacitance sensor at measuring of angular displacement.
3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано вThe invention relates to measuring devices and can be used in

интегральных акселерометрах и гироскопах.integrated accelerometers and gyroscopes.

Известен аналогичный датчик перемещений, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка [1].A similar displacement sensor is known in which differential capacitances associated with a sensitive element, a synchronous detector and a storage cell are used [1].

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что при наличии двух движений подвижного узла вместе с подвижным электродом, например линейного и углового, эти движения взаимно влияют друг на друга, внося тем самым погрешность в измерения.A disadvantage of the known device is the low accuracy associated with the fact that in the presence of two movements of the movable assembly together with the movable electrode, for example linear and angular, these movements mutually influence each other, thereby introducing an error in the measurements.

В качестве прототипа выбран емкостный преобразователь перемещений, содержащий проводящий подвижный электрод, соединенный с объектом измерения перемещений, например, с маятником акселерометра, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично с зазорами относительно подвижного электрода [2].As a prototype, a capacitive displacement transducer containing a conductive movable electrode connected to an object for measuring displacements, for example, an accelerometer pendulum, and two stationary conductive electrodes made on insulating plates that are placed symmetrically with gaps relative to the movable electrode [2], was chosen.

Недостатком известного устройства является то, что в нем нет разделения составляющих перемещения, например линейного и углового, что в конечном итоге вносит погрешность в измерения.A disadvantage of the known device is that there is no separation of the components of the movement, for example linear and angular, which ultimately introduces an error in the measurement.

Задача, на решение которой направлено изобретение - повышение точности преобразователя перемещений.The problem to which the invention is directed is to increase the accuracy of the displacement transducer.

Задача решается тем, что каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.The problem is solved in that each stationary electrode is divided in half, and the halves on opposite sides of the movable electrode are cross-connected and make up two differentially connected measuring capacitors, which are connected to the input of a pulse-width modulator.

Этот технический результат достигается тем, что в емкостный датчик перемещений, содержащий: широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния и соединенный с объектом измерения перемещений, например, с маятником акселерометра, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, в котором в соответствии с изобретением каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.This technical result is achieved in that in a capacitive displacement sensor, comprising: a pulse-width modulator, a movable electrode made on a conductive monosilicon plate and connected to an object of measurement of displacements, for example, an accelerometer pendulum, and two stationary conductive electrodes made on insulating plates which are placed symmetrically relative to the movable electrode with the same gaps, in which, in accordance with the invention, each stationary electrode is divided in half and half ki with different sides of the movable electrode are interconnected and constitute two cross differentially connected measuring capacitor, which are incorporated at the input of the pulse width modulator.

На фигуре 1 приведена схема, поясняющая устройство заявляемого емкостного датчика перемещений. В состав схемы входят: подвижный электрод 1 на упругом подвесе, выполненный на пластине проводящего монокристаллического кремния, который может быть выполнен для работы как на изгиб, так и на кручение. Ось качания подвижного электрода 1 также может быть выбрана произвольно. В любом случае подвижный электрод 1 совершает сложное движение - линейное х от прогибов и угловое α, от поворотов. Неподвижные изоляционные обкладки 2 и 3, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода 1 и с одинаковыми зазорами. На каждую из неподвижных изоляционных обкладок 2 и 3 нанесены двойные, симметрично относительно оси вращения подвижного электрода 1, проводящие электроды 4 и 5 на обкладке 2 и 6 и 7 на противоположной обкладке 3. Электрод 4 изоляционной обкладки 2 соединен с электродом 7 изоляционной обкладки 3, а электрод 5 изоляционной обкладки 2 с электродом 6 изоляционной обкладки 3. Суммарные емкости электродов 4 и 7, а также электродов 5 и 6 представляют дифференциальные конденсаторы, включенные на вход широтно-импульсного модулятора 8, сигнал с которого подают на вход объекта измерения перемещений.The figure 1 shows a diagram explaining the device of the inventive capacitive displacement sensor. The structure of the circuit includes: a movable electrode 1 on an elastic suspension, made on a plate of conductive single-crystal silicon, which can be made to work both in bending and torsion. The swing axis of the movable electrode 1 can also be arbitrarily selected. In any case, the movable electrode 1 performs a complex motion - linear x from the deflection and angular α, from the turns. Fixed insulating plates 2 and 3, which are placed symmetrically relative to the movable electrode 1 and with the same gaps. On each of the stationary insulating plates 2 and 3 are double, symmetrically relative to the axis of rotation of the movable electrode 1, conductive electrodes 4 and 5 on the plate 2 and 6 and 7 on the opposite plate 3. The electrode 4 of the insulating plate 2 is connected to the electrode 7 of the insulating plate 3, and the electrode 5 of the insulating plate 2 with the electrode 6 of the insulating plate 3. The total capacitance of the electrodes 4 and 7, as well as the electrodes 5 and 6, are differential capacitors connected to the input of the pulse-width modulator 8, the signal from which to the input of the object of measurement of displacements.

Рассмотрим работу емкостного датчика перемещений. На фигуре 1 показано нейтральное положение подвижного электрода. Неподвижные проводящие электроды 4-7 и 5-6 находятся с одинаковыми зазорами h0 от подвижного. В широтно-импульсном модуляторе 8 нет рассогласования в длительностях прямого и инверсного выходов (инверсный выход на схеме показан кружочком). Выходной сигнал с широтно-импульсного модулятора 8 равен нулю.Consider the operation of a capacitive displacement sensor. The figure 1 shows the neutral position of the movable electrode. Fixed conductive electrodes 4-7 and 5-6 are equally spaced from the movable 0 h. In the pulse-width modulator 8 there is no mismatch in the durations of the direct and inverse outputs (the inverse output in the diagram is shown by a circle). The output signal from the pulse width modulator 8 is equal to zero.

Поскольку упругий подвес имеет сложную деформацию, то движение маятника состоит из двух составляющих: плоскопараллельного и углового. Полное движение является нелинейным. Информацию о силе инерции в линейном виде несет только угловое отклонение маятника. На фигуре 2 показана составляющая плоскопараллельного движения. Пусть движение осуществляется справа налево. При этом емкости, формируемые электродами 4 и 5, увеличиваются, а на противоположных электродах 6 и 7 емкости ровно на столько же уменьшаются. Суммарные емкости дифференциальных конденсаторов моста остаются без изменений. Таким образом датчик перемещения не чувствителен к плоскопараллельному движению.Since the elastic suspension has a complex deformation, the movement of the pendulum consists of two components: plane-parallel and angular. Full motion is non-linear. Information on the inertia force in a linear form is carried only by the angular deviation of the pendulum. The figure 2 shows a component of plane-parallel motion. Let the movement be from right to left. In this case, the capacitances formed by the electrodes 4 and 5 increase, and on the opposite electrodes 6 and 7, the capacitances decrease by exactly the same amount. The total capacitance of the differential bridge capacitors remains unchanged. Thus, the displacement sensor is not sensitive to plane-parallel motion.

На фигуре 3 показана составляющая углового движения маятника. Маятник плоскопараллельно смещается и одновременно поворачивается на некоторый угол α. Зазоры между электродами 4 и 7 и подвижным электродом 1 увеличиваются, а емкости уменьшаются. Соответственно между электродами 5 и 6 и подвижным электродом 1 зазоры уменьшаются, а емкости увеличиваются. Таким образом, в дифференциальных конденсаторах плечи изменяются по разному и емкостный датчик перемещения отображает полезную информацию. Этим цель изобретения достигнута.The figure 3 shows the component of the angular motion of the pendulum. The pendulum is plane-parallel shifted and simultaneously rotated by a certain angle α. The gaps between the electrodes 4 and 7 and the movable electrode 1 increase, and the capacitance decreases. Accordingly, between the electrodes 5 and 6 and the movable electrode 1, the gaps decrease, and the capacitances increase. Thus, in differential capacitors, the shoulders vary in different ways and the capacitive displacement sensor displays useful information. This object of the invention is achieved.

Источники информацииInformation sources

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники //Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9.1. Mokrov EA, Papko A.A. Accelerometers of the Research Institute of Physical Measurements - Elements of Microsystems // Microsystem Technology. 2002. No. 1. C.3-9.

2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.2. Vavilov V.D. Integrated Sensors. NSTU Publishing House, 2003, 504 pp.

Claims (1)

Емкостный датчик перемещений, содержащий: широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния и соединенный с объектом измерения перемещений, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, отличающийся тем, что каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора. A capacitive displacement sensor, comprising: a pulse-width modulator, a movable electrode made on a conductive monosilicon plate and connected to an object for measuring displacements, and two fixed conductive electrodes made on insulating plates that are placed symmetrically with respect to the moving electrode with the same gaps, characterized in that each stationary electrode is divided in half, and the halves on opposite sides of the movable electrode are cross-connected to each other and make up two differential newly connected measuring capacitors, which are connected to the input of a pulse-width modulator.
RU2012136702/28A 2012-08-27 2012-08-27 Capacitance displacement sensor RU2521141C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012136702/28A RU2521141C2 (en) 2012-08-27 2012-08-27 Capacitance displacement sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012136702/28A RU2521141C2 (en) 2012-08-27 2012-08-27 Capacitance displacement sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012136702A RU2012136702A (en) 2014-03-10
RU2521141C2 true RU2521141C2 (en) 2014-06-27

Family

ID=50191281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012136702/28A RU2521141C2 (en) 2012-08-27 2012-08-27 Capacitance displacement sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2521141C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2580637C1 (en) * 2014-12-16 2016-04-10 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Capacitive displacement sensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
US6393913B1 (en) * 2000-02-08 2002-05-28 Sandia Corporation Microelectromechanical dual-mass resonator structure
RU2293337C1 (en) * 2005-09-14 2007-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет" (ТРТУ) Integral micromechanical gyroscope
WO2008074538A1 (en) * 2006-12-19 2008-06-26 Robert Bosch Gmbh Acceleration sensor with comb-shaped electrodes
RU113013U1 (en) * 2010-06-28 2012-01-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
US6393913B1 (en) * 2000-02-08 2002-05-28 Sandia Corporation Microelectromechanical dual-mass resonator structure
RU2293337C1 (en) * 2005-09-14 2007-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет" (ТРТУ) Integral micromechanical gyroscope
WO2008074538A1 (en) * 2006-12-19 2008-06-26 Robert Bosch Gmbh Acceleration sensor with comb-shaped electrodes
RU113013U1 (en) * 2010-06-28 2012-01-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2580637C1 (en) * 2014-12-16 2016-04-10 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Capacitive displacement sensor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012136702A (en) 2014-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10330471B2 (en) Triaxial micro-electromechanical gyroscope
CN104807454B (en) A kind of single-chip integration six degree of freedom micro inertial measurement unit and its processing method
RU2469336C2 (en) Capacitive sensor having periodic and absolute electrode unit
EP3268305B1 (en) A microelectromechanical capacitive sensor structure and device
CN108450010B (en) Improved micro-electromechanical accelerometer device
CN104457726A (en) Three-axis micro-electromechanical gyroscope
CN104406579A (en) Micro-electromechanical deformable structure and triaxial multi-degree of freedom micro-electromechanical gyroscope
US20160084871A1 (en) Dual-functional resonant magnetic field sensor
CN204256053U (en) A kind of micro mechanical vibration formula electric-field sensor
RU2521141C2 (en) Capacitance displacement sensor
CN104535797B (en) A kind of monolithic twin shaft butterfly wing type micro-mechanical accelerometer
Tavakoli et al. Designing a new high performance 3-axis MEMS capacitive accelerometer
RU2566655C1 (en) Measurement of apparent acceleration and piezoelectric accelerometer to this end
CN204188169U (en) Micro electronmechanical deformable structure and three axle multiple degrees of freedom micro-electro-mechanical gyroscopes
RU2580637C1 (en) Capacitive displacement sensor
Dong et al. Effects of non-parallel combs on reliable operation conditions of capacitive inertial sensor for step and shock signals
Zhou et al. Consideration of the fringe effects of capacitors in micro accelerometer design
CN102707090B (en) Acceleration transducer
Langfelder et al. High-sensitivity differential fringe-field MEMS accelerometers
RU2338997C2 (en) Method for measurement of clearance between electrodes and moving mass of micromechanical device and device for its realisation
EP3001211B1 (en) Resonant magnetic field sensor
Joshi et al. Characterization of capacitive comb-finger MEMS accelerometers
Ya et al. Novel MEMS fully differential capacitive transducer design and analysis
CN103308721A (en) Capacitance reading circuit of inertia detecting element
Mohammed et al. Modelling and optimization of inertial sensor-accelerometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160828