RU2697011C1 - Микроэлектромеханический маятниковый акселерометр, имеющий два диапазона измерения - Google Patents

Микроэлектромеханический маятниковый акселерометр, имеющий два диапазона измерения Download PDF

Info

Publication number
RU2697011C1
RU2697011C1 RU2018121929A RU2018121929A RU2697011C1 RU 2697011 C1 RU2697011 C1 RU 2697011C1 RU 2018121929 A RU2018121929 A RU 2018121929A RU 2018121929 A RU2018121929 A RU 2018121929A RU 2697011 C1 RU2697011 C1 RU 2697011C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
movable electrode
electrodes
voltage
output
control
Prior art date
Application number
RU2018121929A
Other languages
English (en)
Inventor
Венсан РАГО
Дамьен КАРР
Филип УЛЛА
Ален БУТЕЙЮ
Никола БИГУРИ
Original Assignee
Сафран Электроникс Энд Дифенс
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 Сафран Электроникс Энд Дифенс filed Critical Сафран Электроникс Энд Дифенс
Application granted granted Critical
Publication of RU2697011C1 publication Critical patent/RU2697011C1/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
    • G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
    • G01P15/131—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electrostatic counterbalancing means
    • 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
    • G01P15/02—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
    • G01P2015/0822—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 out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825—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 out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828—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 out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

Landscapes

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

Abstract

Группа изобретений относится к микроэлектромеханическим системам (MEMS). Датчик ускорений, содержащий электроды, образующие конденсаторы, емкость которых меняется как функция расстояния между электродами, блок управления выполнен с возможностью измерения емкостей и с возможностью выполнения операции управления, которая содержит выборочно стадию точного управления, на которой прикладывают первое напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, в то время как другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод; и стадию расширенного управления, на которой прикладывают второе напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, а другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод, при этом второе напряжение по абсолютному значению больше, чем первое напряжение. Технический результат – повышение точности определения ускорения, упрощение конструкции датчика ускорения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к определению физической амплитуды посредством инерциального датчика, а более конкретно посредством маятникового датчика ускорений, напр., датчика, относящегося к микроэлектромеханическим системам (MEMS).
Уровень техники
Электростатический маятниковый акселерометр содержит корпус, который соединен с инерционной массой через один или несколько шарниров, которые расположены таким образом, что инерционная масса образует маятник, который может перемещаться относительно корпуса либо поступательно, либо вращательно. Перемещения инерционной массы под действием ускорения обычно детектируют с помощью трех электродов. Первый неподвижный электрод и второй неподвижный электрод прикреплены к корпусу, и они соединены с цепью возбуждения. Третий электрод подвижен, он находится на маятнике и соединен с цепью детектора.
Каждый неподвижный электрод взаимодействует с подвижным электродом, образуя конденсатор, емкость которого зависит от расстояния между ними. При отсутствии какого-либо производственного дефекта и в случае, если датчик не подвергают ускорению вдоль его оси восприятия, маятник остается в нейтральном положении, в котором две емкости равны. Наоборот, когда маятник подвергают ускорению вдоль его оси восприятия, он перемещается, тем самым уменьшая емкость, образованную между подвижным электродом и одним из неподвижных электродов, и увеличивая при этом емкость, образованную между подвижным электродом и другим неподвижным электродом. Это изменение емкости также зависит от деформации корпуса и маятника.
При работе в замкнутом контуре положением маятника управляют с помощью сервопривода, удерживая его в нейтральном положении или заданном положении на полпути между неподвижными электродами, путем приложения электростатического усилия к маятнику. Поэтому электростатическое усилие должно быть способно компенсировать ускорение, приложенное вдоль оси восприятия, тем самым позволяя оценить это ускорение. Электростатическое усилие является результатом напряжений, поданных на электроды для поддержания нулевой разницы между емкостями.
Цель изобретения
Отношение между характеристикой дрейфа датчика и величиной диапазона измерений определяется точностью, с которой выполнена механическая конструкция и электронная цепь датчика.
Чтобы получить датчик, который обладает небольшим дрейфом при большом диапазоне измерений, в настоящее время необходимо использовать механические и электронные конструкции, которые являются точными и, следовательно, дорогими. Изобретение стремится преодолеть это ограничение.
Сущность изобретения
Для этого предложен датчик ускорений, содержащий конструкцию, к которой прикреплено образующее маятник инерционное тело, на котором расположен подвижный электрод, соединенный с блоком управления, который также соединен с двумя неподвижными электродами, прикрепленными к этой конструкции, чтобы взаимодействовать с подвижным электродом, образуя два конденсатора, емкость которых изменяется как функция расстояния между электродами. Блок управления выполнен с возможностью выполнять операции измерения емкостей и операцию управления, зависящую от измеренных емкостей, при этом к электродам прикладывают напряжение, чтобы удерживать маятник в заданном положении. Эти операции выполняют посредством подачи импульсов. В соответствии с изобретением операция управления содержит:
по выбору:
- стадию точного управления, на которой прикладывают первое напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, в то время как другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод; или
- стадия расширенного управления, на которой прикладывают второе напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, а другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод, при этом второе напряжение по абсолютному значению больше, чем первое напряжение.
Таким образом:
- получают оптимальную характеристику смещения, отправляя команды средней амплитуды. Это соответствует "точному" режиму работы;
- в "расширенном" режиме работы могут быть отправлены команды большой амплитуды, что позволяет расширить динамический диапазон в ущерб характеристике смещения.
В общем, весь измерительный диапазон датчика нужен редко, в отличие от ситуации, когда носитель датчика подвергают сильному ускорению или замедлению, напр., во время резкого движения носителя в результате толчка или в результате внезапной остановки носителя. В отличие от этого, обычно во время других стадий перемещения носителя весь измерительный диапазон не используется.
Таким образом, изобретение позволяет:
- гарантировать оптимальную характеристику на небольшом диапазоне измерения во время стадии точного управления; и
- выполнять измерения в расширенном диапазоне с характеристикой, которая возможно ниже, во время стадии расширенного управления.
Таким образом, с помощью изобретения рабочая характеристика датчика в среднем остается оптимальной во время работы, так как стадию расширенного управления обычно применяют редко при штатном использовании (т.е. исключая специальные действия, такие как калибровка или тестирование).
В одном варианте осуществления изобретения, во время стадии точного управления на один из упомянутых неподвижных электродов подают опорный потенциал, а на упомянутый подвижный электрод и на упомянутый другой неподвижный электрод подают второй потенциал, а на стадии расширенного управления на упомянутый один из неподвижных электродов подают опорный потенциал, а также опорный потенциал с противоположной полярностью подают на упомянутый подвижный электрод, а также на упомянутый другой неподвижный электрод.
Этот вариант осуществления изобретения позволяет ограничить число применяемых значений напряжения, тем самым, делая конструкцию датчика более простой, а сам датчик более простым в изготовлении.
Таким образом, предпочтительно, чтобы второй потенциал был равен нулю.
В изобретении также предложен способ детектирования ускорения посредством такого датчика.
Другие признаки и преимущества изобретения будут представлены при прочтении последующего описания определенных, неограничивающих вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Описание ссылается на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан схематический вид датчика в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 показан схематический вид цифро-аналогового преобразователя, используемого в датчике в соответствии с изобретением; и
на фиг. 3 приведена временная диаграмма, показывающая работу датчика в расширенном диапазоне.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на фигуру, датчик ускорений в соответствии с изобретением в этом примере представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS), выполненную путем травления кристаллической пластины или полукристаллического материала, в частности кремния.
Датчик содержит конструкцию 1, содержащую образующее маятник инерционное тело 2, прикрепленное к ней шарнирно, на котором расположен электрод 3, который может перемещаться относительно конструкции 1.
Два неподвижных электрода 4.1 и 4.2 прикреплены к конструкции 1, чтобы взаимодействовать с подвижным электродом 3, образуя два конденсатора, емкость которых меняется как функция расстояний между электродами 4.1 и 3, а также между электродами 4.2 и 3.
Электроды 3, 4.1 и 4.2 соединены с электронным блоком управления, обозначенным в целом позицией 5.
Блок 5 управления содержит электронную цепь управления известной конструкции, содержащую первый вычислитель 6, соединенный с отрицательным входом вычитателя 7, выход которого соединен с входом корректора 8. Корректор 8 имеет первый выход, соединенный с контроллером 9 последовательности, и второй выход, соединенный со вторым вычислителем 10, первый выход которого образует основной выход блока 5 управления, а второй выход которого соединен с положительным входом вычитателя 7.
Блок 5 управления соединен с цифро-аналоговыми преобразователями, обозначенными ссылочными позициями 11.1, 11.2, которые соответственно соединены с неподвижными электродами 4.1, 4.2 через переключатели 12.1, 12.2.
Каждый цифро-аналоговый преобразователь 11.1, 11.2 имеет переключатель 13, управление которым осуществляют посредством блока 5 управления, и у которого имеется первая входная клемма с опорным потенциалом +Vref; вторая входная клемма с потенциалом, обратным опорному потенциалу, т.е. -Vref; третья входная клемма, соединенная с нулевым потенциалом; и выходная клемма, соединенная с цепью 14 согласования полных сопротивлений. Цепь 14 согласования полных сопротивлений известна сама по себе, и она содержит входной резистор 15, соединенный с отрицательным входом операционного усилителя 16, который зациклен посредством конденсатора 17 обратной связи и резистора 18. Емкость конденсатора 17 обратной связи определяет время нарастания и спада, тем самым позволяя управлять токами заряда и разряда, которые прикладывают к конденсаторам соответственно между электродами 4.1 и 3 и между электродами 4.2 и 3.
Цифро-аналоговый преобразователь 11.1 имеет выход V1, соединенный с первой клеммой переключателя 12.1 и с первой клеммой переключателя 12.2. Цифро-аналоговый преобразователь 11.2 имеет выход V2, соединенный со второй клеммой переключателя 12.1 и со второй клеммой переключателя 12.2. Переключатель 12.1 имеет третью клемму Vh, соединенную с первым неподвижным электродом 4.1, а переключатель 12.2 имеет третью клемму Vb, соединенную со вторым неподвижным электродом 4.2. Переключателями 12.1 и 12.2 управляют так, чтобы соединять их третьи клеммы либо с первыми клеммами, либо со вторыми клеммами.
Подвижный электрод 3 имеет выход Vc, соединенный с первой клеммой переключателя 20, имеющего вторую клемму, соединенную с выходом V2 цифро-аналогового преобразователя 11.2, и третью клемму V0, соединенную с инвертирующим входом усилителя 21 нагрузки с конденсатором 22 обратной связи и переключателем 23 обратной связи. Усилитель 21 нагрузки имеет выход Vd, соединенный с аналогово-цифровым преобразователем 24, соединенным с входом первого вычислителя 6.
Контроллер 9 последовательности выдает следующие команды:
- С1 для управления переключателем 13 цифро-аналогового преобразователя 11.1;
- С2 для управления переключателем 13 цифро-аналогового преобразователя 11.2;
- Dh для управления переключателем 12.1;
- Db для управления переключателем 12.2;
- Dc для управления переключателем 20;
- R для управления переключателем 23; и
- S для управления аналогово-цифровым преобразователем 24.
Блок управления устроен так, чтобы выдавать логические сигналы ED1, ED2, приводящие к измерению емкостей между электродами 3 и 4.1, а также между электродами 3 и 4.2, и логический сигнал EC, заставляющий подавать импульсы как функцию измеренных емкостей, чтобы поддерживать маятник в заданном положении, а именно, в положении посередине между неподвижными электродами 4.1 и 4.2.
Операция управления содержит выборочно стадию точного управления и стадию расширенного управления. На стадии точного управления между одним из неподвижных электродов 4.1, 4.2 и подвижным электродом 3 создают первое напряжение, в то время как на другом неподвижном электроде 4.1, 4.2 остается такой же потенциал, как и на подвижном электроде 3. Во время стадии расширенного управления между одним из неподвижных электродов 4.1, 4.2 и подвижным электродом 3 создают второе напряжение, в то время как на другом неподвижном электроде 4.1, 4.2 остается такой же потенциал, как и на подвижном электроде 3. Второе напряжение имеет большую абсолютную величину, чем первое напряжение.
Более точно, на стадии точного управления на упомянутый один из неподвижных электродов 4.1, 4.2 подают опорный потенциал Vref, а на упомянутый подвижный электрод 3 и на упомянутый другой неподвижный электрод 4.1, 4.2 подают второй потенциал, в данном примере нулевой.
Более точно, на стадии расширенного управления опорный потенциал Vref подают на упомянутый один из неподвижных электродов 4.1, 4.2, а опорный потенциал с обратной полярностью подают на упомянутый подвижный электрод 3 и на упомянутый другой неподвижный электрод 4.1, 4.2.
Логические команды Dc, Dh, Db и EC удовлетворяют следующим булевым соотношениям:
Figure 00000001
На временной диаграмме на фиг. 3 показаны различные операции, выполняемые в расширенном диапазоне в течение периода Ts дискретизации, который содержит два периода Td детектирования (соответствующие сигналам ED1 и ED2) и один период Tc управления (соответствующий сигналу EC).
Видно, что в расширенном диапазоне выходы V1, V2 и Vc могут принимать потенциал +Vref или -Vref в зависимости от направления усилия, которое должно воздействовать на маятник. Напряжение, прикладываемое к конденсатору Ch (между электродами 4.1 и 3), составляет (1+bs)Vref, а напряжение, прикладываемое к конденсатору Cb (между электродами 4.2 и 3) равно (1bs)Vref, где bs зависит от направления усилия, которое должно воздействовать на маятник.
Наоборот, в точном диапазоне выходы V1, V2 и Vc могут принимать потенциал +Vref или 0 в зависимости от направления усилия, которое должно воздействовать на маятник. В таких условиях напряжение, прикладываемое к конденсатору Ch (между электродами 4.1 и 3), составляет (1+bs)Vref/2, а напряжение, прикладываемое к конденсатору Cb (между электродами 4.2 и 3) равно (1-bs)Vref/2, где bs зависит от направления усилия, которое должно воздействовать на маятник. Эффективность управляющего импульса в точном диапазоне, таким образом, делят на четыре.
Во время операции детектирования, где Q0 - заряд, подаваемый переключателем 23 при размыкании, а VOS - напряжение смещения на выходе из усилителя 21 нагрузки, выходные напряжения из усилителя 21 нагрузки в два момента отсчета, заданы следующим образом:
Figure 00000002
Разницу между емкостями можно вывести из них следующим образом:
Figure 00000003
До первого порядка положение z представляет собой аффинную функцию от вышеупомянутой разницы.
Блок 5 управления управляет работой устройства, в частности, моментами времени различных операций с частотой Fs (период Ts=1/Fs, см. фиг. 3). Блок 5 управления управляет цифро-аналоговыми преобразователями 11.1, 11.2 и аналогово-цифровым преобразователем 24, а также аналоговыми переключателями 12.1, 12.2 и 20 последовательно и циклично.
В зависимости от логического состояния команды Dc подвижный электрод 3 соединяют с инвертирующим входом усилителя 21 нагрузки или с выходом V2 цифро-аналогового преобразователя 11.2.
В зависимости от логического состояния команды Dh неподвижный электрод 4.1 соединяют с выходом V1 цифро-аналогового преобразователя 11.1 или с выходом V2 цифро-аналогового преобразователя 11.2.
В зависимости от логического состояния команды Db неподвижный электрод 4.2 соединяют с выходом V1 цифро-аналогового преобразователя 11.1 или с выходом V2 цифро-аналогового преобразователя 11.2.
Напряжения Vh, Vc и Vb, подаваемые на электроды 4.1, 3 и 4.2, упорядочивают так, чтобы измерить Ch, измерить Cb, а затем приложить электростатическое усилие, позволяющее так осуществить сервоуправление маятником, чтобы установить его в заданное положение, задаваемое блоком 5 управления.
На стадии детектирования подвижный электрод 3 подключают к инвертирующему входу усилителя 21 нагрузки с обратной связью через емкость Cref конденсатора 22 посредством переключателя 23 в соответствии с командой, заданной логическим сигналом R от контроллера 9 последовательности. Посредством отрицательной обратной связи этот усилитель 21 нагрузки постоянно поддерживает потенциал V0 в окрестности нуля.
Выходное напряжение Vd усилителя 21 нагрузки преобразуют в цифровую величину y с помощью аналогово-цифрового преобразователя 24 под управлением логического сигнала S.
Вычислитель 6 предоставляет оценку
Figure 00000004
перемещения маятника, исходя из величины y.
Вычислитель 10 предоставляет заданное значение Zc, которое позволяет компенсировать смещение вследствие статической асимметрии емкостей между электродами 4.1 и 3 и между электродами 3 и 4.2.
Разницу Zc
Figure 00000005
 посредством сервоуправления сводят к нулю с помощью цифрового корректора 8, который подготавливает команду bs, равную +1 или 1 в зависимости от того, надо ли подтолкнуть или притянуть маятник, чтобы свести вход корректора 8 обратно к нулю.
Если bs=+1, то на электрод 4.1 подают напряжение, которое притягивает к нему маятник.
Если bs=1, то на электрод 4.2 подают напряжение, которое притягивает к нему маятник.
Вычислитель 10 подготавливает оценку
Figure 00000006
ускорения, которое необходимо измерить, а также подготавливает заданную величину Zc.
Контроллер 9 последовательности упорядочивает операции в течение периода дискретизации и от одного периода к другому.
Наконец, блок 5 управления автономно выбирает рабочий диапазон, либо расширенный диапазон, либо точный диапазон, как функцию значения
Figure 00000006
, которое сравнивают с пороговым значением.
Разницы значений времени реакции аналоговых переключателей 12.1, 12.2 и 20 представляют собой основной источник асимметрии импульсов. Чтобы исправить это, операции детектирования (измерение емкостей Ch и Cb, обозначенные через Td на фиг. 3) и операции управления (обозначенные через Tc на фиг. 3) разделяют так называемыми стадиями "релаксации" (обозначенными через Tr а фиг. 3), во время которых позиционируют каждый из переключателей 12.1, 12.2 и 20, в то время как три значения напряжения, поданные на их клеммы, равны. Тем не менее, в течение определенных стадий напряжения, подаваемые на три электрода, необходимо одновременно изменять. Для этого их сначала подключают к цифро-аналоговому преобразователю 11.2, прежде чем его выход изменится. Эти три стадии обозначены на временной диаграмме на фиг. 3 через Ti.
Естественно, изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, и оно охватывает любой вариант, попадающий под объем изобретения, заданный формулой изобретения.
В частности, моменты времени выполнения вышеописанных операций могут отличаться от описанных. Например, число операций переключения, выполняемых в точном диапазоне, можно сократить, либо может быть изменена продолжительность, амплитуды и знаки импульсов. Кроме того, стадии детектирования могут быть переставлены из одного периода в другой, чтобы повысить симметричность работы.
Напряжение в расширенном диапазоне, как вариант, может быть целым кратным напряжения в точном диапазоне.
Низкий потенциал в точном диапазоне может отличаться от нуля.
Пороговое значение, с которым сравнивают оценку ускорения, может быть установлено на заводе-изготовителе, либо оно может меняться как функция условий использования датчика или требуемой характеристики датчика.

Claims (14)

1. Датчик ускорений, содержащий конструкцию, к которой прикреплено образующее маятник инерционное тело, на котором расположен подвижный электрод, соединенный с блоком управления, который также соединен с двумя неподвижными электродами, прикрепленными к конструкции, чтобы взаимодействовать с указанным подвижным электродом, образуя два конденсатора, емкость которых меняется как функция расстояний между электродами, при этом блок управления выполнен с возможностью выполнять операции измерения емкостей и операцию управления, зависящую от измеренных емкостей, при этом к электродам прикладывается напряжение, чтобы поддерживать маятник в заданном положении, причем указанные операции выполняются путем подачи импульсов, отличающийся тем, что операция управления выборочно содержит:
- стадию точного управления, на которой прикладывается первое напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, в то время как другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод; или
- стадию расширенного управления, на которой прикладывается второе напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод, при этом второе напряжение по абсолютному значению больше, чем первое напряжение.
2. Датчик по п. 1, в котором во время стадии точного управления на один из упомянутых неподвижных электродов подается опорный потенциал и второй потенциал подается на упомянутый подвижный электрод и на упомянутый другой неподвижный электрод, а на стадии расширенного управления на упомянутый один из неподвижных электродов подается опорный потенциал, а опорный потенциал с противоположной полярностью подается на упомянутый подвижный электрод и также на упомянутый другой неподвижный электрод.
3. Датчик по п. 2, в котором второй потенциал равен нулю.
4. Датчик по любому из пп. 1-3, в котором блок управления содержит два цифроаналоговых преобразователя, которые соединены с соответствующими неподвижными электродами.
5. Датчик по п. 4, в котором каждый цифроаналоговый преобразователь содержит переключатель, который управляется посредством блока управления и который содержит первую входную клемму, находящуюся под опорным потенциалом, вторую входную клемму, находящуюся под потенциалом, обратным опорному потенциалу, третью входную клемму, находящуюся под нулевым потенциалом, и выходную клемму.
6. Датчик по п. 5, в котором выходная клемма соединена с цепью согласования полных сопротивлений.
7. Датчик по п. 1, в котором подвижный электрод (3) соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя (24), выход которого соединен с входом первого вычислителя (6), соединенного с отрицательным входом вычитателя (7), выход которого соединен с входом корректора (8), первый выход которого соединен с контроллером (9) последовательности, а второй выход которого соединен со вторым вычислителем (10), первый выход которого образует основной выход блока (5) управления, а второй выход которого соединен с положительным входом вычитателя (7); при этом первый вычислитель выполнен с возможностью предоставлять первую оценку перемещения маятника исходя из разницы между указанными емкостями, а второй вычислитель выполнен с возможностью предоставлять вторую оценку указанного перемещения и контрольное заданное значение для компенсации смещения из-за статической асимметрии емкостей, корректор выполнен с возможностью посредством сервоуправления обеспечивать разность между указанным заданным значением и первой оценкой, равной нулю, а контроллер последовательности выполнен с возможностью управлять датчиком.
8. Датчик по п. 7, в котором подвижный электрод (3) соединен с первой клеммой переключателя (20), вторая клемма которого соединена с выходом цифроаналогового преобразователя (11.2), соединенного с одним из неподвижных электродов (4.2), и с третьей клеммой, соединенной с инвертирующим входом усилителя (21) нагрузки с обратной связью через конденсатор (22) и переключатель (23), причем выход усилителя нагрузки соединен с аналогово-цифровым преобразователем (24), соединенным с входом первого вычислителя (6).
9. Способ определения ускорения посредством датчика ускорений, содержащего конструкцию, к которой прикреплено образующее маятник инерционное тело, на котором расположен подвижный электрод, соединенный с блоком управления, который также соединен с двумя неподвижными электродами, прикрепленными к указанной конструкции, чтобы взаимодействовать с подвижным электродом, образуя два конденсатора, емкость которых меняется как функция расстояний между электродами, при этом способ содержит операции измерения емкостей и операцию управления, зависящую от измеренных емкостей, при этом на электроды подают напряжение, чтобы поддерживать маятник в заданном положении, причем указанные операции выполняют путем подачи импульсов, отличающийся тем, что операция управления содержит выборочно:
- стадию точного управления, на которой прикладывают первое напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, в то время как другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод; или
- стадию расширенного управления, на которой прикладывают второе напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод, при этом второе напряжение по абсолютному значению больше, чем первое напряжение; и
- указанную стадию управления выбирают в зависимости от оценки ускорения, полученной из измеренных емкостей.
RU2018121929A 2015-11-16 2016-11-16 Микроэлектромеханический маятниковый акселерометр, имеющий два диапазона измерения RU2697011C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR15/02386 2015-11-16
FR1502386A FR3043786B1 (fr) 2015-11-16 2015-11-16 Capteur acceletometrique pendulaire de type mems a deux plages de mesure
PCT/EP2016/077898 WO2017085142A1 (fr) 2015-11-16 2016-11-16 Capteur accelerometrique pendulaire de type mems a deux plages de mesure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2697011C1 true RU2697011C1 (ru) 2019-08-08

Family

ID=55806385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018121929A RU2697011C1 (ru) 2015-11-16 2016-11-16 Микроэлектромеханический маятниковый акселерометр, имеющий два диапазона измерения

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10866261B2 (ru)
EP (1) EP3377910B1 (ru)
CN (1) CN108351368B (ru)
FR (1) FR3043786B1 (ru)
RU (1) RU2697011C1 (ru)
WO (1) WO2017085142A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3105428B1 (fr) * 2019-12-20 2021-11-26 Safran Electronics & Defense Capteur accélérométrique pendulaire à détection capacitive conditionnelle

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2191390C2 (ru) * 1999-10-04 2002-10-20 Балаковский институт техники, технологии и управления Акселерометр
EP1962063A1 (fr) * 2007-02-21 2008-08-27 EM Microelectronic-Marin SA Procédé de test automatique d'un circuit électronique à capteur capacitif, et circuit électronique pour sa mise en oeuvre
EP2770331A1 (en) * 2013-02-20 2014-08-27 Northrop Grumman Guidance and Electronics Company, Inc. Range-dependent bias calibration of an accelerometer sensor system
US8904868B2 (en) * 2011-05-09 2014-12-09 Richwave Technology Corp. Sensing apparatus

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2760628B2 (ja) * 1990-04-12 1998-06-04 株式会社日立製作所 Ｐｗｍ静電サーボ式加速度計
JPH042927A (ja) * 1990-04-19 1992-01-07 Omron Corp 機械式振動センサ
US5473946A (en) * 1994-09-09 1995-12-12 Litton Systems, Inc. Accelerometer using pulse-on-demand control
KR100513346B1 (ko) * 2003-12-20 2005-09-07 삼성전기주식회사 보정전극을 갖는 정전용량형 가속도계
CN1278124C (zh) * 2004-07-08 2006-10-04 上海交通大学 平面光波导的微重力加速度传感器及测量方法
JP2008039664A (ja) * 2006-08-09 2008-02-21 Hitachi Metals Ltd マルチレンジ加速度センサー
KR100870638B1 (ko) * 2007-05-03 2008-11-26 주식회사 만도 탄성파를 이용하는 가속도계 및 그 제조방법
CN101173958A (zh) * 2007-10-19 2008-05-07 杭州电子科技大学 双向微惯性传感器及其制作方法
CN101149391A (zh) * 2007-10-27 2008-03-26 中北大学 差分电容式传感器检测电路
CN101458118B (zh) * 2008-11-19 2011-05-25 刘广强 变容式高灵敏度振动传感器
CN101539587A (zh) * 2009-04-21 2009-09-23 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 中高量程加速度传感器敏感方向灵敏度的测试方法
CN102253242B (zh) * 2011-04-27 2013-04-10 北京航空航天大学 一种基于双参数加速退化数据的加速度计稳定期确定方法
CN103562730B (zh) * 2011-06-09 2015-09-16 富士通株式会社 下落判定装置和下落判定方法
CN103217553A (zh) * 2012-01-19 2013-07-24 中国科学院电子学研究所 基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器
EP2770332A1 (en) 2013-02-20 2014-08-27 Team Nanotec GmbH Contact probe

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2191390C2 (ru) * 1999-10-04 2002-10-20 Балаковский институт техники, технологии и управления Акселерометр
EP1962063A1 (fr) * 2007-02-21 2008-08-27 EM Microelectronic-Marin SA Procédé de test automatique d'un circuit électronique à capteur capacitif, et circuit électronique pour sa mise en oeuvre
US8904868B2 (en) * 2011-05-09 2014-12-09 Richwave Technology Corp. Sensing apparatus
EP2770331A1 (en) * 2013-02-20 2014-08-27 Northrop Grumman Guidance and Electronics Company, Inc. Range-dependent bias calibration of an accelerometer sensor system

Also Published As

Publication number Publication date
EP3377910A1 (fr) 2018-09-26
US20180335445A1 (en) 2018-11-22
WO2017085142A1 (fr) 2017-05-26
CN108351368B (zh) 2020-07-28
CN108351368A (zh) 2018-07-31
EP3377910B1 (fr) 2021-10-20
FR3043786B1 (fr) 2017-12-01
US10866261B2 (en) 2020-12-15
FR3043786A1 (fr) 2017-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20060273804A1 (en) Capacitive measuring sensor and associated ,measurement method
RU2647983C2 (ru) Датчик с электростатическим маятниковым акселерометром и способ управления таким датчиком
EP2966456B1 (en) Electronic measurement circuit for a capacitive sensor
US20180113147A1 (en) Stiction detection and recovery in a micro-electro-mechanical system device
JP6591535B2 (ja) 加速度計
US20090095080A1 (en) Capacitive detector
JP2018077221A (ja) 加速度計制御
EP3112880A1 (en) Mems sensor devices having a self-test mode
CN113358899A (zh) 加速度计及加速度计的温度自补偿方法
RU2697011C1 (ru) Микроэлектромеханический маятниковый акселерометр, имеющий два диапазона измерения
US7525322B2 (en) Capacitive physical quantity sensor and diagnosis method
US9921249B2 (en) Systems and methods for high voltage bridge bias generation and low voltage readout circuitry
JP6218974B2 (ja) 加速度センサシステム、及び自己診断方法
US10088495B2 (en) Capacitive physical quality detection device
KR20180058636A (ko) 용량성 가속도계
RU2815008C1 (ru) Маятниковый акселерометрический датчик с обусловленным обнаружением емкостей
US11906539B2 (en) Pendular accelerometer sensor with conditional capacitive detection
JP6056636B2 (ja) センサーデバイス
JP5038246B2 (ja) 物理量検出センサと物理量検出装置とサーボ制御回路
JP2003035732A (ja) 微少容量測定方法及び微少容量測定回路
JP6206113B2 (ja) 振動子駆動回路
SU1363134A1 (ru) Импульсный регул тор перемещени пьезодвигател