RU2632264C1 - Датчик с подвижным чувствительным элементом, работающим в смешанном вибрирующем и маятниковом режиме, и способы управления таким датчиком - Google Patents

Датчик с подвижным чувствительным элементом, работающим в смешанном вибрирующем и маятниковом режиме, и способы управления таким датчиком Download PDF

Info

Publication number
RU2632264C1
RU2632264C1 RU2016124250A RU2016124250A RU2632264C1 RU 2632264 C1 RU2632264 C1 RU 2632264C1 RU 2016124250 A RU2016124250 A RU 2016124250A RU 2016124250 A RU2016124250 A RU 2016124250A RU 2632264 C1 RU2632264 C1 RU 2632264C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
bodies
along
sensitive axis
housing
Prior art date
Application number
RU2016124250A
Other languages
English (en)
Inventor
Ален ЖАНРОЙ
Original Assignee
Сажем Дефанс Секюрите
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 Сажем Дефанс Секюрите filed Critical Сажем Дефанс Секюрите
Application granted granted Critical
Publication of RU2632264C1 publication Critical patent/RU2632264C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802—Details
    • 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
    • G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
    • 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
    • G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
    • G01C19/5656—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams the devices involving a micromechanical structure
    • 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
    • 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
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0888—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values for indicating angular acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • G01P15/0975—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements by acoustic surface wave resonators or delay lines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/14—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of gyroscopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/082—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for two degrees of freedom of movement of a single mass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0848—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration using a plurality of mechanically coupled spring-mass systems, the sensitive direction of each system being different
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0857—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration using a particular shape of the suspension spring

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

Группа изобретений относится к датчику, используемому для обнаружения ускорения, давления или, в целом, любой физической величины, изменение которой может привести к перемещению подвижного тела относительно корпуса. Датчик для измерения давления или ускорения содержит корпус; первое тело, подвижное вдоль чувствительной оси, две пары вторых тел, расположенные симметрично относительно первого тела вдоль чувствительной оси; преобразователи для обнаружения положения первого тела относительно корпуса, сообщения колебаний вторым телам вдоль оси вибрации и обнаружения частоты колебаний вторых тел; и средства поверхностной электростатической связи, связывающие каждое второе тело с первым телом таким образом, чтобы перемещение первого тела относительно корпуса вдоль чувствительной оси приводило соответственно к усилению или к ослаблению электростатической связи для одной и другой из пар вторых тел. Технический результат – повышение точности измерения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к датчику, используемому для обнаружения ускорения, давления или, в целом, любой физической величины, изменение которой может привести к перемещению подвижного тела относительно корпуса. В частности, изобретение находит свое применение для инерциального датчика ускорения и, в частности, для датчика микроэлектромеханической системы (MEMS).
Датчик ускорения с вибрирующим резонатором обычно содержит сейсмическое тело (или чувствительную массу), соединенное с опорой через вибрирующий элемент, как правило, в виде стержня, расположенного вдоль чувствительной оси датчика. Датчик содержит преобразователи для сообщения стержню колебаний на резонансной частоте стержня и для обнаружения изменений частоты колебаний стержня. Под действием ускорения, сообщаемого опоре, сейсмическое тело действует на стержень осевой силой сжатия или растяжения: в результате происходит изменение жесткости стержня и, следовательно, изменение его резонансной частоты.
Таким образом, измерение ускорения определяют на основании слабого изменения собственной частоты стержня, что приводит к относительно большой погрешности измерения. Действительно, под действием ускорения на резонатор действует сила, которая изменяет его резонансную частоту: результирующая деформация является относительно слабой и уподобляется паразитным деформациям, порождаемым изменениями температуры или ослаблением напряжений в соединениях.
Для устранения этой погрешности и других нежелательных эффектов общего порядка (нелинейность, температурная чувствительность...) измерения производят дифференциально, заменив единственный стержень двумя стержнями в виде камертона, подвергающимися воздействию напряжений с противоположными знаками со стороны либо сейсмического тела, общего для обоих стержней, либо двух сейсмических тел, каждое из которых связано с одним из стержней.
Для ограничения этой погрешности измерения было предложено также применять электростатическую жесткость параллельно с механической жесткостью таким образом, чтобы под действием ускорения сейсмическое тело изменяло электростатическую жесткость.
В датчике, выполненном по этому принципу, электростатическую жесткость получают при помощи гребеночных электродов, связанных с каждым из вибрирующих стержней камертона таким образом, чтобы под действием ускорения чувствительное тело изменяло рабочий зазор между гребеночными электродами и, следовательно, электростатическую жесткость, создаваемую указанными электродами. Изменение жесткости приводит к изменению частоты колебаний стержней. Стержни имеют разные частоты колебаний, и разность между двумя частотами и есть измерение ускорения.
При этом увеличение амплитуды изменений обеспечивает уменьшение погрешности измерения.
Настоящее изобретение призвано предложить средство, позволяющее улучшить характеристики датчиков.
Для этого в соответствии с изобретением предложен датчик, содержащий: корпус; первое тело, связанное с корпусом с возможностью перемещения вдоль чувствительной оси при помощи первых средств подвески, образующих плоскость подвески; два резонатора, которые расположены симметрично относительно первого тела вдоль чувствительной оси и каждый из которых содержит пару вторых тел, каждое из которых связано с корпусом при помощи вторых средств подвески с возможностью перемещения вдоль оси вибрации, по существу перпендикулярной к чувствительной оси, и друг с другом при помощи третьих средств подвески; преобразователи, связанные с блоком управления для обнаружения положения первого тела относительно корпуса, сообщения колебаний вторым телам вдоль оси вибрации и обнаружения частоты колебаний вторых тел; и средства поверхностной электростатической связи, связывающие каждое второе тело с первым телом таким образом, чтобы перемещение первого тела относительно корпуса вдоль чувствительной оси приводило к усилению электростатической связи для одной из пар вторых тел и к ослаблению электростатической связи для другой из пар вторых тел.
Таким образом, эти резонаторы имеют относительно большие модальную массу и добротность и относительно низкую резонансную частоту. Когда первое тело перемещается в результате внешнего воздействия, оно приводит к усилению электростатической жесткости одного из резонаторов и к ослаблению электростатической жесткости другого из резонаторов и, тем самым, к повышению резонансной частоты одного из резонаторов и к понижению резонансной частоты другого из резонаторов. Кроме того, возможность изменения электростатической жесткости за счет перемещения делает датчик менее чувствительным к температуре или к ослаблению напряжений соединения, чем если бы это изменение было связано с приложением силы. Выполнение датчика с единственным первым телом, перемещение которого приводит к изменению частоты колебаний резонаторов, позволяет иметь единственный вход и одновременно относительно большую чувствительную массу для каждого из двух резонаторов при таком же габарите. Это выполнение позволяет также получить средства поверхностной электростатической связи, то есть перемещение первого тела будет приводить к изменению поверхности, порождающему изменение электростатической связи, причем это изменение является более линейным для первого порядка, чем изменение рабочего зазора, и, следовательно, его легче использовать. Измерение перемещения первого тела отображает также внешнее воздействие. Заявленный датчик имеет таким образом маятниковый режим работы и вибрирующий режим работы, что обеспечивает, в частности, избыточность измерения. Заявленный датчик обладает таким образом дополнительной функциональностью, обеспечиваемой первым телом в комбинации с преобразователями, которые обеспечивают маятниковый режим работы в открытом контуре, позволяющий получать измерения и улучшить характеристики датчика.
Объектом изобретения является также первый способ управления таким датчиком. Этот способ содержит этап обнаружения перемещения первого тела для определения первого значения измерения и этап обнаружения изменения частоты резонаторов для определения второго значения измерения.
Таким образом, получают два значения при помощи маятникового режима работы для первого и вибрирующего режима работы для второго. Однако эти два режима работы не являются чувствительными к одним и тем же помехам, поэтому приоритет можно отдавать одному или другому режиму работы в зависимости от внешних условий.
Согласно базовому варианту использования этих измеряемых значений,способ содержит этап, на котором в качестве конечного значения измерения берут среднее из первого значения измерения и второго значения измерения.
Объектом изобретения является также второй способ управления датчиком. Этот способ содержит этап, на котором первому телу сообщают заранее определенное движение, и этап, на которомм производят обработку сигнала, поступающего от преобразователей резонаторов, для определения значения измерения.
Таким образом, можно осуществлять калибровку и/или тестирование датчика.
Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничительных конкретных вариантов выполнения изобретения.
Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичный вид сверху датчика в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - увеличенный детальный вид зоны II, показанной на фиг. 1.
Изобретение описано в связи с измерением ускорения. Разумеется, изобретение не ограничивается этим применением.
В данном случае заявленный датчик является датчиком типа MEMS и изготовлен посредством травления пластин ("wafers"), содержащих полупроводниковый слой и электропроводящий слой, разделенных электроизоляционным слоем (пластины называются КНД (кремний на диэлектрике). Этот вариант выполнения сам по себе известен.
Заявленный датчик содержит корпус под общим обозначением 1. Корпус 1 содержит боковую стенку 2 в виде прямоугольной рамки, расположенной над дном 3.
Первое тело 4, которое в данном случае является так называемым сейсмическим телом, установлено на корпусе при помощи первых средств 5 подвески, связывающих тело 4 с боковой стенкой 2 корпуса 1. Средства 5 подвески образуют плоскость P подвески и выполнены таким образом, чтобы тело 4 было подвижным вдоль чувствительной оси X, находящейся в плоскости P подвески.
Тело 4 имеет вид прямоугольной пластины, в которой выполнены две полости 6.1, 6.2 прямоугольной формы, выровненные относительно друг друга вдоль чувствительной оси X и разделенные участком 7.
Два резонатора, обозначенные общими позициями 10.1, 10.2, расположены, каждый, в одной из полостей 6.1, 6.2 и, следовательно, симметрично относительно сейсмического тела 4 вдоль чувствительной оси X.
Каждый резонатор 10.1, 10.2 содержит пару вторых тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2, каждое из которых связано с дном 3 корпуса 1 при помощи вторых средств 13.1, 13.2 подвески. Вторые средства 13.1, 13.2 подвески выполнены таким образом, чтобы каждое из тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 могло вибрировать вдоль оси Y.1, Y.2 вибрации, по существу перпендикулярной к чувствительной оси X. Тела 11.1, 12.1 связаны между собой при помощи третьих средств 14.1 подвески. Тела 11.2, 12.2 связаны между собой при помощи третьих средств 14.2 подвески. Тела и средства подвески выполнены таким образом, что тело 4 и средства 5 подвески имеют собственную частоту порядка от 1 кГц до 3 кГц, и резонаторы 10.1 и 10.2 имеют более высокую собственную частоту, в данном случае составляющую примерно от 10 кГц до 20 кГц.
Средства подвески образованы пластинками, упругодеформирующимися параллельно плоскости P подвески, но имеющими повышенную жесткость вдоль оси, нормальной к плоскости P подвески, чтобы исключить степени свободы тел за пределами плоскости P подвески. Третьи средства 14.1, 14.2 подвески содержат упругодеформирующиеся пластинки 15, расположенные в виде ромба, первая диагональ которого параллельна оси Y вибрации и проходит между первыми вершинами, связанными с телами 11.1, 12.1, и вторая диагональ которого параллельна чувствительной оси X и проходит между вторыми вершинами, связанными с дном 3 корпуса 1 через пластинки 16, образующие тяги, таким образом, чтобы вторые вершины были подвижными только вдоль чувствительной оси X.
Датчик содержит преобразователи, связанные с блоком 8 управления.
Первые преобразователи 9 установлены между боковой стенкой 2 корпуса 1 и первым телом 4 и выполнены, как известно, с возможностью обнаружения положения первого тела 4 относительно корпуса 1 и с возможностью перемещения первого тела 4 относительно корпуса 1. Этими преобразователями можно управлять таким образом, чтобы они поочередно выполняли эти две функции, или можно предусмотреть один преобразователь для функции перемещения и один преобразователь для функции обнаружения.
Вторые преобразователи 17.1, 17.2 установлены между каждым из вторых тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 и дном 3 корпуса 1 и выполнены, как известно, с возможностью сообщения вибрации вторым телам 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 вдоль оси Y.1, Y.2 вибрации и обнаружения частоты колебаний вторых тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2. Этими преобразователями можно управлять таким образом, чтобы они поочередно выполняли эти две функции, или можно предусмотреть один преобразователь для функции сообщения колебаний и один преобразователь для функции обнаружения.
Преобразователи выполнены в виде гребенчатых электродов.
Кроме того, датчик содержит средства поверхностной электростатической связи, связывающие каждое второе тело 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 с первым телом 4 таким образом, чтобы перемещение первого тела 4 относительно корпуса 1 вдоль чувствительной оси X приводило к усилению электростатической связи для одной из пар вторых тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 и к ослаблению электростатической связи для другой из пар вторых тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2.
Средства 18.1, 18.2 поверхностной электростатической связи установлены между указанным участком 7 и вторыми телами 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 и имеют вид гребенчатых электродов, зубья которых расположены параллельно чувствительной оси X. Таким образом, каждое из вторых тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 оснащено одним из гребенчатых электродов, и участок 7 тоже имеет гребенчатый электрод напротив каждого гребенчатого электрода вторых тел 11.1, 12.1, 11.2, 12.2 таким образом, что находящиеся друг против друга зубья гребенчатых электродов заходят один в другой. Находящиеся друг против друга зубья гребенчатых электродов имеют таким образом расположенные друг против друга поверхности, параллельные чувствительной оси X и определяющие значение электростатической связи, обеспечиваемой указанными электродами, когда на них подают электрическое напряжение. В случае перемещения участка 7 относительно корпуса 1 поверхность зубьев, находящихся друг против друга, увеличивается или уменьшается в зависимости от рассматриваемого резонатора, что приводит к усилению или к ослаблению электростатической связи и, следовательно, жесткости рассматриваемого резонатора.
Электроды преобразователей и электроды средств электростатической связи подключены по меньшей мере к одному источнику электрического напряжения при помощи средств соединения, которыми управляет блок 8 управления для выборочной подачи напряжения на указанные электроды. Эти средства соединения и источник напряжения сами по себе известны и их подробное описание опускается.
Понятно, что под действием ускорения, сообщаемого корпусу 1, первое тело 4 будет перемещаться, что приведет к изменению электростатической связи (и, следовательно, к изменению электростатической жесткости резонаторов 10.1, 10.2), что приводит к изменению резонансной частоты резонаторов 10.1, 10.2.
Как известно, блок 8 управления содержит запоминающее устройство, содержащее компьютерную программу, и процессор, выполненный с возможностью исполнения указанной программы. Эта программа позволяет осуществлять способы управления датчиком.
Таким образом, изобретение относится также к способам управления этим датчиком, установленным, например, в транспортном средстве вместе с другими датчиками для передачи измерений в центральный навигационный пост или в центральный пост управления транспортным средством.
Первый из этих способов содержит следующие этапы:
- при помощи первых преобразователей 9 обнаруживают перемещение первого тела 4 для определения первого значения ускорения,
- при помощи вторых преобразователей 17.1, 17.2 обнаруживают изменение частоты резонаторов 10.1, 10.2 для определения второго значения ускорения.
Таким образом, первое значение получают, используя датчик в качестве маятникового акселерометра, а второе значение получают, используя датчик в качестве вибрирующего акселерометра.
В простой версии способ содержит этап, на котором в качестве значения ускорения берут среднее из первого значения ускорения и второго значения ускорения. Следует отметить, что это среднее можно вычислить посредством предварительной установки весовых коэффициентов для первого и второго значений ускорения. Весовые коэффициенты можно зафиксировать раз и навсегда, например, во время этапа калибровки на заводе, чтобы учитывать характеристики, связанные с датчиком в маятниковом режиме и с датчиком в вибрирующем режиме, или их можно изменять в зависимости от параметров окружающей среды, таких как температура. В этом случае рядом с датчиком расположен температурный датчик, связанный с блоком 8 управления, и блок 8 управления содержит запоминающее устройство, содержащее значения коэффициентов в зависимости от температуры.
Изобретение относится также к второму способу управления этим датчиком, который позволяет производить тестирование или калибровку датчика.
Этот способ содержит следующие этапы:
- первому телу 4 сообщают заранее определенное движение при помощи первых преобразователей 9, которое аналогично движению, возникающему при ускорении,
- обрабатывают сигнал, поступающий от вторых преобразователей 17.1, 17.2, для определения значения ускорения.
Зная характеристики заранее определенного движения (следует отметить, что первые преобразователи 9 можно использовать для определения реальных характеристик этого движения), можно определить теоретический сигнал, который должны были бы выдавать вторые преобразователи 17.1, 17.2, и, следовательно, теоретическое значение ускорения. Блок 8 управления запрограммирован таким образом, чтобы вычислять это теоретическое значение ускорения и сравнивать его со значением ускорения, определенным на основании сигнала, реально поступающего от вторых преобразователей 17.1, 17.2. Это позволяет проверять целостность датчика и, в частности, эффективность преобразователей и подвижность тела 4.
Предпочтительно блок 8 управления выполнен таким образом, чтобы в зависимости от разности между двумя значениями определять поправку для применения к значению ускорения, определенному на основании сигналов, выдаваемых вторыми преобразователями 17.1, 17.2. Блок 8 управления выполнен также с возможностью использования результата сравнения для обновления модели погрешности датчика. В варианте результат сравнения используют для осуществления регулировки напряжений, подаваемых на различные электроды датчика, с целью минимизации отмечаемой погрешности.
Предпочтительно блок 8 управления запрограммирован таким образом, чтобы периодически осуществлять этот способ калибровки или тестирования.
Блок 8 управления выполнен также с возможностью управления первыми преобразователями 9 с целью фильтрации помех (таких как вибрации, порождаемые носителем датчика) и реализации, например, активной подвески, осуществляющей управляемое демпфирование первой собственной моды первого тела 4.
Разумеется, изобретение не ограничено описанными вариантами выполнения и охватывает любую версию, не выходящую за рамки объема изобретения, определенные формулой изобретения.
В частности, первое тело может иметь форму, отличную от описанной, например форму пластины, в которой выполнена только одна полость для размещения обоих резонаторов.
Заявленный датчик можно применять для обнаружения любой величины, которая может выражаться в перемещении первого тела относительно корпуса, например ускорения, давления или другой величины.

Claims (8)

1. Датчик для измерения давления или ускорения, содержащий: корпус (1); первое тело (4), связанное с корпусом с возможностью перемещения вдоль чувствительной оси (X) при помощи первых средств (5) подвески, определяющих плоскость (P) подвески; два резонатора (10.1, 10.2), которые расположены симметрично относительно первого тела вдоль чувствительной оси и каждый из которых содержит пару вторых тел (11.1, 12.1, 11.2, 12.2), каждое из которых связано с корпусом при помощи вторых средств (13.1, 13.2) подвески с возможностью перемещения вдоль оси (Y.1, Y.2) вибрации, по существу перпендикулярной к чувствительной оси, и которые связаны друг с другом при помощи третьих средств (14.1, 14.2) подвески; преобразователи (9, 17.1, 17.2), связанные с блоком (8) управления для обнаружения положения первого тела относительно корпуса, сообщения колебаний вторым телам вдоль оси вибрации и обнаружения частоты колебаний вторых тел; и средства (18.1, 18.2) поверхностной электростатической связи, связывающие каждое второе тело с первым телом таким образом, чтобы перемещение первого тела относительно корпуса вдоль чувствительной оси приводило к усилению электростатической связи для одной из пар вторых тел и к ослаблению электростатической связи для другой из пар вторых тел.
2. Датчик по п. 1, в котором резонаторы (10.1, 10.2) расположены с двух сторон от участка (7) первого тела, при этом средства (18.1, 18.2) поверхностной электростатической связи установлены между указанным участком и вторыми телами (11.1, 12.1, 11.2, 12.2).
3. Датчик по п. 2, в котором первое тело (4) содержит две полости (6.1,6.2), которые выровнены относительно друг друга по чувствительной оси (X) и в каждой из которых размещена одна из пар вторых тел (11.1, 12.1, 11.2, 12.2).
4. Датчик по п. 1, в котором третьи средства (14.1, 14.2) подвески содержат по меньшей мере одну упругодеформируемую пластинку (15), выполненную в виде ромба, первая диагональ которого параллельна оси (V) вибрации и проходит между первыми вершинами, связанными с указанными телами (11.1, 12.1, 11.2, 12.2), и вторая диагональ которого параллельна чувствительной оси и проходит между вторыми вершинами, связанными с корпусом (1) через тяги (16) таким образом, чтобы вторые вершины были подвижными только вдоль чувствительной оси.
5. Датчик по п. 1, в котором преобразователи (9) выполнены также с возможностью перемещения первого тела (4).
6. Способ управления датчиком по любому из пп. 1-5, содержащий этап обнаружения перемещения первого тела (4) для определения первого значения измерения и этап обнаружения изменения частоты резонаторов для определения второго значения измерения.
7. Способ по п. 6, содержащий этап, на котором в качестве конечного значения измерения берут среднее из первого значения измерения и второго значения измерения.
8. Способ управления датчиком по п. 5, содержащий этап, на котором первому телу (4) сообщают заранее определенное движение, и этап, на котором производят обработку сигнала, поступающего от преобразователей (17.1, 17.2) резонаторов (10.1, 10.2), для определения значения измерения.
RU2016124250A 2013-11-20 2014-10-21 Датчик с подвижным чувствительным элементом, работающим в смешанном вибрирующем и маятниковом режиме, и способы управления таким датчиком RU2632264C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1361433 2013-11-20
FR1361433A FR3013445B1 (fr) 2013-11-20 2013-11-20 Capteur a element sensible mobile ayant un fonctionnement mixte vibrant et pendulaire, et procedes de commande d'un tel capteur
PCT/EP2014/072580 WO2015074817A1 (fr) 2013-11-20 2014-10-21 Capteur a element sensible mobile ayant un fonctionnement mixte vibrant et pendulaire, et procedes de commande d'un tel capteur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2632264C1 true RU2632264C1 (ru) 2017-10-03

Family

ID=50976681

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016124250A RU2632264C1 (ru) 2013-11-20 2014-10-21 Датчик с подвижным чувствительным элементом, работающим в смешанном вибрирующем и маятниковом режиме, и способы управления таким датчиком

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9519004B2 (ru)
EP (1) EP3071976B1 (ru)
CN (1) CN105917242B (ru)
FR (1) FR3013445B1 (ru)
RU (1) RU2632264C1 (ru)
WO (1) WO2015074817A1 (ru)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6485260B2 (ja) * 2015-07-10 2019-03-20 セイコーエプソン株式会社 物理量センサー、物理量センサー装置、電子機器および移動体
WO2017051243A1 (en) * 2015-09-25 2017-03-30 Murata Manufacturing Co., Ltd. Improved microelectromechanical accelerometer device
US10466053B2 (en) 2017-04-04 2019-11-05 Invensense, Inc. Out-of-plane sensing gyroscope robust to external acceleration and rotation
FR3065800B1 (fr) * 2017-04-27 2019-08-02 Safran Resonateur configure pour etre integre a un capteur angulaire inertiel
US10866258B2 (en) * 2018-07-20 2020-12-15 Honeywell International Inc. In-plane translational vibrating beam accelerometer with mechanical isolation and 4-fold symmetry
FR3102855B1 (fr) * 2019-11-06 2021-12-03 Commissariat Energie Atomique Accelerometre performant presentant un encombrement reduit
CN113175923A (zh) * 2021-05-19 2021-07-27 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 一种mems波动陀螺仪

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030056589A1 (en) * 1997-09-02 2003-03-27 Analog Devices, Inc. Micromachined devices
EP2339293A1 (en) * 2009-12-24 2011-06-29 STMicroelectronics Srl Integrated microelectromechanical gyroscope with improved driving structure
RU2436106C2 (ru) * 2010-02-24 2011-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Частотный датчик линейных ускорений
FR2983574A1 (fr) * 2011-12-06 2013-06-07 Sagem Defense Securite Capteur angulaire inertiel de type mems equilibre et procede d'equilibrage d'un tel capteur

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6230563B1 (en) * 1998-06-09 2001-05-15 Integrated Micro Instruments, Inc. Dual-mass vibratory rate gyroscope with suppressed translational acceleration response and quadrature-error correction capability
JP2003511684A (ja) * 1999-10-13 2003-03-25 アナログ デバイシーズ インコーポレイテッド レートジャイロスコープ用フィードバック機構
JP3870895B2 (ja) * 2002-01-10 2007-01-24 株式会社村田製作所 角速度センサ
KR100476562B1 (ko) * 2002-12-24 2005-03-17 삼성전기주식회사 수평형 및 튜닝 포크형 진동식 마이크로 자이로스코프
JP4433747B2 (ja) * 2003-09-29 2010-03-17 株式会社村田製作所 角速度検出装置
US7377167B2 (en) * 2004-02-27 2008-05-27 The Regents Of The University Of California Nonresonant micromachined gyroscopes with structural mode-decoupling
KR100616641B1 (ko) * 2004-12-03 2006-08-28 삼성전기주식회사 튜닝포크형 진동식 ｍｅｍｓ 자이로스코프
US7421897B2 (en) * 2005-04-14 2008-09-09 Analog Devices, Inc. Cross-quad and vertically coupled inertial sensors
US8113050B2 (en) * 2006-01-25 2012-02-14 The Regents Of The University Of California Robust six degree-of-freedom micromachined gyroscope with anti-phase drive scheme and method of operation of the same
DE102007030119A1 (de) * 2007-06-29 2009-01-02 Litef Gmbh Corioliskreisel
FI20095201A0 (fi) * 2009-03-02 2009-03-02 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
US8322213B2 (en) * 2009-06-12 2012-12-04 The Regents Of The University Of California Micromachined tuning fork gyroscopes with ultra-high sensitivity and shock rejection
DE102009045420B4 (de) * 2009-10-07 2024-01-18 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor, Drehratensensoranordnung und Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors
ITTO20110782A1 (it) * 2011-08-31 2013-03-01 Milano Politecnico Struttura di rilevamento perfezionata per un accelerometro risonante ad asse z
FR3000194B1 (fr) * 2012-12-24 2015-03-13 Commissariat Energie Atomique Gyroscope a calibration simplifiee et procede de calibration simplifie d'un gyroscope

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030056589A1 (en) * 1997-09-02 2003-03-27 Analog Devices, Inc. Micromachined devices
EP2339293A1 (en) * 2009-12-24 2011-06-29 STMicroelectronics Srl Integrated microelectromechanical gyroscope with improved driving structure
RU2436106C2 (ru) * 2010-02-24 2011-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Частотный датчик линейных ускорений
FR2983574A1 (fr) * 2011-12-06 2013-06-07 Sagem Defense Securite Capteur angulaire inertiel de type mems equilibre et procede d'equilibrage d'un tel capteur

Also Published As

Publication number Publication date
CN105917242B (zh) 2018-03-02
EP3071976A1 (fr) 2016-09-28
EP3071976B1 (fr) 2017-09-13
FR3013445A1 (fr) 2015-05-22
FR3013445B1 (fr) 2015-11-20
US9519004B2 (en) 2016-12-13
WO2015074817A1 (fr) 2015-05-28
US20160282382A1 (en) 2016-09-29
CN105917242A (zh) 2016-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2632264C1 (ru) Датчик с подвижным чувствительным элементом, работающим в смешанном вибрирующем и маятниковом режиме, и способы управления таким датчиком
KR101700921B1 (ko) 평형 ｍｅｍｓ 타입 관성 각 센서 및 그러한 센서의 평형을 유지하는 방법
CN102066874B (zh) 振动型微机械角速度传感器
US9689678B2 (en) MEMS balanced inertial angular sensor and method for balancing such a sensor
EP3615945B1 (en) High performance micro-electro-mechanical systems accelerometer with electrostatic control of proof mass
EP2783222B1 (en) Mems inertial sensor and method of inertial sensing
EP3853617B1 (en) Inertial sensor and method of inertial sensing with tuneable mode coupling strength
US20110259101A1 (en) Vibration-type force detection sensor and vibration-type force detection device
US20110100125A1 (en) Acceleration sensor
EP2762893B1 (en) Mems resonant accelerometer
US8601873B2 (en) Angular velocity sensor
CN105917193B (zh) 具有嵌套激振体质量块的惯性传感器和用于制造这样的传感器的方法
EP4024054A1 (en) Mems vibrating beam accelerometer with built-in test actuators
JP2012047537A (ja) 角速度センサ
CN111780736B (zh) 微机械结构驱动幅度校正系统及方法
US11365970B2 (en) Vibration type angular velocity sensor with piezoelectric film
JPH10267663A (ja) 角速度センサ
JP2012202799A (ja) バイアス安定性に優れた振動型ジャイロ
US8549916B2 (en) Angular velocity sensor
JPH10267658A (ja) 振動型角速度センサ
JP4362739B2 (ja) 振動型角速度センサ
RU2761764C1 (ru) Микромеханический вибрационный гироскоп
RU75475U1 (ru) Вибрационный гироскоп
RU2561006C1 (ru) Микромеханический вибрационный гироскоп
JP2008224345A (ja) 加速度検知ユニット及び加速度センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner