RU2778282C1

RU2778282C1 - Accelerometer with improved bias stability

Info

Publication number: RU2778282C1
Application number: RU2021130486A
Authority: RU
Inventors: Стефан КЁНИГ; Маркус Руф
Original assignee: Нортроп Грумман Литеф Гмбх
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2022-08-17

Abstract

FIELD: accelerations measuring.

SUBSTANCE: inventions group relates to the field of measuring accelerations. The substance of the invention lies in the fact that the accelerometer contains sensor electrodes, detection electrodes, which are configured to determine a specific relationship between the first electrostatic force and the deviation of the massive body of the sensor for at least two different tuning voltages and with the possibility of determining from this a neutral point for deviation, in which the corresponding first electrostatic forces are equal for different tuning voltages. The accelerometer is configured to adjust the voltages applied to the first trimmer electrodes, the second trimmer electrodes, the sensor electrodes and/or the detection electrodes so as to set the deviation of the massive sensor body relative to the neutral point by means of the sensor electrodes and the detection electrodes.

EFFECT: increasing the accuracy of measuring accelerations carried out by the accelerometer.

9 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам измерения ускорения с высокой стабильностью смещения устройства измерения.The present invention relates to devices and methods for measuring acceleration with high bias stability of the measuring device.

Электрические акселерометры для измерения ускорения используются в различных приложениях. В этом процессе компонент массивного тела часто располагается на подложке посредством пружинных элементов, и его отклонение измеряется в случае наличия ускорения. Помимо сил, создаваемых пружинными элементами, на массивное тело датчика также могут действовать различные электростатические силы. В частности, в дополнение к электродам, необходимым для управления массивным телом датчика и/или необходимым для считывания эффективного ускорения, также могут присутствовать так называемые подстроечные электроды, которые служат для влияния на эффективную жесткость пружины системы путем регулирования напряжения, приложенного между подстроечными электродами. Таким образом, подстроечные электроды могут воздействовать на массивное тело датчика электростатической силой, которая противодействует силе сжатия пружины и компенсирует ее в первом приближении (т.е. при малых отклонениях массивного тела датчика). Затем перемещение массивного тела датчика происходит так, как если бы сила восстановления пружины фактически отсутствовала.Electrical accelerometers for measuring acceleration are used in a variety of applications. In this process, a massive body component is often positioned on the substrate by means of spring members, and its deflection is measured in case of acceleration. In addition to the forces generated by the spring elements, various electrostatic forces can also act on the massive body of the sensor. In particular, in addition to the electrodes necessary to drive the massive sensor body and/or necessary to read the effective acceleration, so-called trimmer electrodes may also be present, which serve to influence the effective spring rate of the system by adjusting the voltage applied between the trimmer electrodes. Thus, the trimming electrodes can act on the massive body of the sensor with an electrostatic force that opposes the compression force of the spring and compensates for it in the first approximation (ie, with small deviations of the massive body of the sensor). Then the movement of the massive body of the sensor occurs as if the spring recovery force was virtually absent.

WO 2015/052487 A1 раскрывает акселерометр, в котором массивное тело датчика может быть переведено в положение, в котором электростатическая сила сжатия пружины будет идентична механической силе сжатия пружины.WO 2015/052487 A1 discloses an accelerometer in which a massive sensor body can be moved to a position where the electrostatic spring force is identical to the mechanical spring force.

WO 2016/120319 A1 раскрывает акселерометр, в котором подстроечное напряжение может быть приложено для компенсации сил пружины, действующих на массивное тело датчика.WO 2016/120319 A1 discloses an accelerometer in which a trimming voltage can be applied to compensate for spring forces acting on a massive sensor body.

JP 2000/180180 A и US 2005/0001275 A1 раскрывают использование подстроечных электродов в акселерометрах.JP 2000/180180 A and US 2005/0001275 A1 disclose the use of trim electrodes in accelerometers.

Из-за производственных допусков, старения или влияний окружающей среды, таких как колебания температуры, соответствующие подсистемы, которые вызывают различные силы, действующие на массивное тело датчика, могут иметь разные положения в свободном состоянии. Например, отклонение массивного тела датчика, при котором не возникает сила сжатия пружины, может отличаться от отклонения, при котором подстроечные электроды и/или электроды управления/считывания не воздействуют электростатическими силами. Это может привести к предварительной нагрузке на пружинные элементы во время работы акселерометра, которая воспринимается электродами управления/считывания, и которая может исказить результат измерения. Это смещение измерения необходимо скорректировать для получения правильных результатов.Due to manufacturing tolerances, aging, or environmental influences such as temperature fluctuations, the respective subsystems, which cause different forces acting on the massive body of the sensor, may have different free positions. For example, deflection of the massive body of the sensor, in which no spring force is generated, may be different from deflection, in which the trimming electrodes and/or control/sensing electrodes are not affected by electrostatic forces. This can lead to a preload on the spring elements during accelerometer operation, which is taken up by the control/sensing electrodes, and which can distort the measurement result. This measurement bias must be corrected for correct results.

Поэтому, с одной стороны, предпочтительна работа акселерометра таким образом, чтобы рабочая точка массивного тела датчика, т.е. отклонение массивного тела датчика во время работы, было как можно более симметрично к конструкции остальных компонентов датчика, чтобы снизить смещение. Кроме того, желательно, чтобы смещение оставалось постоянным в течение более длительных периодов времени, чтобы избежать постоянной регулировки коррекций, необходимых из-за смещения.Therefore, on the one hand, it is preferable to operate the accelerometer in such a way that the operating point of the massive body of the sensor, i.e. deflection of the massive body of the sensor during operation, was as symmetrical as possible to the design of the remaining components of the sensor in order to reduce displacement. In addition, it is desirable that the offset remain constant for longer periods of time to avoid constantly adjusting the corrections required due to the offset.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание акселерометра и способа его работы, которые позволяют акселерометру работать в рабочей точке, в которой смещение является как можно меньшим и как можно более стабильным.Therefore, it is an object of the present invention to provide an accelerometer and a method of its operation that allow the accelerometer to operate at an operating point where the displacement is as small as possible and as stable as possible.

Эта задача решается изобретением по независимым пунктам формулы изобретения.This problem is solved by the invention according to independent claims.

Акселерометр может включать в себя: массивное тело датчика, которое расположено на подложке посредством пружинных элементов с обеспечением возможности перемещения вдоль оси перемещения, первые подстроечные электроды, которые соединены с массивным телом датчика, и электроды датчика, которые соединены с массивным телом датчика. Акселерометр может, кроме этого, включать в себя: вторые подстроечные электроды, которые соединены с подложкой и связаны с первыми подстроечными электродами, и электроды обнаружения, которые соединены с подложкой и связаны с электродами датчика. В этом процессе электроды датчика и электроды обнаружения выполнены с возможностью отклонения массивного тела датчика вдоль оси перемещения и с возможностью измерения отклонения и первой электростатической силы, которая действует на массивное тело датчика, посредством электродов датчика и электродов обнаружения. Когда массивное тело датчика отклоняется вдоль оси перемещения, сила сжатия пружины, действующая на массивное тело датчика, создается пружинными элементами. Вторая электростатическая сила, действующая на массивное тело датчика, создается путем приложения подстроечного электрического напряжения между первыми подстроечными электродами и вторыми подстроечными электродами. Соотношение между первой электростатической силой и отклонением массивного тела датчика определяется электродами датчика и электродами обнаружения для по меньшей мере двух разных подстроечных напряжений, и из этого определяется нейтральная точка для отклонения, в которой соответствующие первые электростатические силы равны для разных подстроечных напряжений. Отклонение массивного тела датчика относительно нейтральной точки затем устанавливается посредством электродов датчика и электродов обнаружения.The accelerometer may include: a massive body of the sensor, which is located on the substrate by means of spring elements with the possibility of movement along the axis of movement, the first trimming electrodes, which are connected to the massive body of the sensor, and the sensor electrodes, which are connected to the massive body of the sensor. The accelerometer may further include: second trimmer electrodes that are connected to the substrate and coupled to the first trimmer electrodes, and detection electrodes that are coupled to the substrate and coupled to the sensor electrodes. In this process, the sensor electrodes and the detection electrodes are configured to deflect the sensor massive body along the movement axis and to measure the deflection and the first electrostatic force that acts on the sensor massive body by means of the sensor electrodes and the detection electrodes. When the massive body of the sensor deviates along the axis of movement, the spring compression force acting on the massive body of the sensor is generated by the spring elements. The second electrostatic force acting on the massive body of the sensor is created by applying a trimmer voltage between the first trimmer electrodes and the second trimmer electrodes. The relationship between the first electrostatic force and the deflection of the sensor massive body is determined by the sensor electrodes and the detection electrodes for at least two different trim voltages, and from this a neutral point for the deflection is determined at which the respective first electrostatic forces are equal for different trim voltages. The deviation of the massive body of the sensor relative to the neutral point is then set by means of the sensor electrodes and the detection electrodes.

В таком акселерометре на массивное тело датчика действуют три типа сил. Сила восстановления пружины действует на массивное тело датчика через пружинные элементы. Электроды датчика и электроды обнаружения, предусмотренные для управления массивным телом датчика и/или считывания эффективного ускорения, создают первую электростатическую силу, в то время как подстроечные электроды создают вторую электростатическую силу. В этом процессе эффекты силы сжатия пружины и второй электростатической силы можно рассматривать в комбинации как эффективную силу сжатия пружины, которая должна быть равна первой электростатической силе, считываемой датчиком, для положения покоя массивного тела датчика.In such an accelerometer, three types of forces act on the massive body of the sensor. The spring recovery force acts on the massive body of the sensor through the spring elements. The sensor electrodes and detection electrodes provided for driving the massive sensor body and/or reading the effective acceleration generate a first electrostatic force, while the trimming electrodes generate a second electrostatic force. In this process, the effects of the spring compression force and the second electrostatic force can be considered in combination as the effective spring compression force, which should be equal to the first electrostatic force read by the sensor for the resting position of the sensor massive body.

Изменение подстроечного напряжения, которое приводит к возникновению второй электростатической силы, изменяет величину этой эффективной силы сжатия пружины. Таким образом, изменение подстроечного напряжения приводит к изменению воспринимаемой эффективной жесткости пружины комбинированной системы пружинных элементов и подстроечных электродов в первом порядке, т.е. для малых отклонений.Changing the trimmer voltage, which results in a second electrostatic force, changes the amount of this effective spring force. Thus, a change in the trimmer voltage leads to a change in the perceived effective spring constant of the combined system of spring elements and trimmer electrodes in the first order, i.e. for small deviations.

Для заданного подстроечного напряжения, т.е. для заданной эффективной жесткости пружины, определяется зависимость первой электростатической силы, т.е. силы, действующей на массивное тело датчика и обнаруженной электродами обнаружения акселерометра, от отклонения массивного тела датчика. Следовательно, эта сила приводит к измерению отклонения. Для малых отклонений, около механической точки покоя системы пружинный элемент - массивное тело датчика, это соотношение принимает форму прямой линии, наклон которой соответствует эффективной жесткости пружины.For a given trimmer voltage, i.e. for a given effective spring stiffness, the dependence of the first electrostatic force is determined, i.e. force acting on the massive body of the sensor and detected by the accelerometer detection electrodes, from the deflection of the massive body of the sensor. Therefore, this force results in a deflection measurement. For small deviations, near the mechanical rest point of the system spring element - a massive body of the sensor, this relationship takes the form of a straight line, the slope of which corresponds to the effective spring constant.

Если теперь изменить подстроечное напряжение и снова измерить соотношение между эффективной измеренной силой и отклонением, получится другая прямая линия с другим наклоном. Точка пересечении этих двух прямых линий представляет одну и ту же вторую электростатическую силу для разных подстроечных напряжений при одном и том же отклонении. Фактически, все прямые линии, определенные для разных подстроечных напряжений, пересекаются в одной точке, которая в первом приближении далее будет называться «нейтральной точкой», т.е. для отклонений, при которых вторая электростатическая сила, создаваемая подстроечными электродами, изменяется линейно с отклонением.If we now change the trimmer voltage and again measure the ratio between the effective measured force and the deflection, we get another straight line with a different slope. The point of intersection of these two straight lines represents the same second electrostatic force for different trimmer voltages at the same deviation. In fact, all straight lines defined for different trimming voltages intersect at one point, which, in the first approximation, will be called the "neutral point", i.e. for deflections where the second electrostatic force generated by the trimming electrodes varies linearly with the deflection.

Эта нейтральная точка устойчива к колебаниям приложенного подстроечного напряжения, поскольку такие колебания не влияют на силу, действующую на массивное тело датчика. Таким образом, смещение нейтральной точки стабилизируется относительно изменений, влияющих на подстроечные электроды.This neutral point is resistant to fluctuations in the applied trimmer voltage, since such fluctuations do not affect the force acting on the massive body of the sensor. In this way, the displacement of the neutral point stabilizes against changes affecting the trimming electrodes.

Кроме того, смещение нейтральной точки особенно мало, поскольку массивное тело датчика расположено симметрично относительно конструкции датчика. Это можно понять следующим образом. Если сила сжатия пружины обозначена Ff, первая электростатическая сила Fd и вторая электростатическая сила, создаваемая подстроечными электродами, Ft, то к равновесию сил применимо следующее:In addition, the offset of the neutral point is particularly small because the massive body of the sensor is symmetrical with respect to the structure of the sensor. This can be understood in the following way. If the spring compression force is Ff, the first electrostatic force is Fd, and the second electrostatic force generated by the trimming electrodes is Ft, then the following applies to the balance of forces:

Fd=- Ff - Ft.Fd=-Ff-Ft.

Согласно определению нейтральной точки, первая электростатическая сила в нейтральной точке n должна быть одинаковой для разных подстроечных напряжений U1 и U2. Кроме того, массивное тело датчика имеет заданное отклонение «n» в нейтральной точке. Следовательно, сила, прикладываемая пружинными элементами, также одинакова в нейтральной точке для разных подстроечных напряжений. Отсюда следует, что вторая электростатическая сила также должна быть одинаковой для разных подстроечных напряжений:According to the definition of the neutral point, the first electrostatic force at the neutral point n must be the same for different trimmer voltages U1 and U2. In addition, the massive body of the sensor has a predetermined deviation "n" at the neutral point. Therefore, the force applied by the spring elements is also the same at the neutral point for different trimming voltages. It follows that the second electrostatic force must also be the same for different tuning voltages:

Fd(U1,n)=Fd(U2,n); Ff(U1,n)=Ff(U2,n);=>Ft(U1,n)=Ft(U2,n).Fd(U1,n)=Fd(U2,n); Ff(U1,n)=Ff(U2,n);=>Ft(U1,n)=Ft(U2,n).

Таким образом, массивное тело датчика в нейтральной точке должно быть симметрично относительно подстроечных электродов, поскольку в противном случае условие Ft(U1,n)=Ft(U2,n) не может быть выполнено. Если, например, подстроечные электроды расположены как пары плоских конденсаторов, из этого даже следует, что вторая электростатическая сила в нейтральной точке равна нулю, поскольку все силы нейтрализуют друг друга из-за симметричной конструкции.Thus, the massive body of the sensor at the neutral point must be symmetrical with respect to the trimming electrodes, since otherwise the condition Ft(U1,n)=Ft(U2,n) cannot be met. If, for example, the trimming electrodes are arranged as pairs of flat capacitors, it even follows that the second electrostatic force at the neutral point is zero, since all forces cancel each other out due to the symmetrical design.

Следовательно, возможна работа акселерометра с малым и относительно стабильным смещением, как только массивное тело датчика будет размещено в начальном положении рядом с нейтральной точкой или даже в нейтральной точке.Therefore, it is possible to operate the accelerometer with a small and relatively stable offset as soon as the massive sensor body is placed in the initial position near the neutral point, or even at the neutral point.

После установки отклонения относительно нейтральной точки таким образом, подстроечное напряжение может быть отрегулировано так, чтобы вторая электростатическая сила частично или полностью компенсировала силу сжатия пружины. В этом случае соотношение между первой электростатической силой и отклонением аппроксимируется горизонтальной линией, т.е., по существу, одинаковая эффективная сила возникает для всех отклонений. Таким образом, малое изменение положения относительно нейтральной точки, как и изменение подстроечного напряжения, приводит только к незначительному изменению силы, измеряемой датчиком и электродами обнаружения, и, следовательно, к смещению. Таким образом, стабильность смещения также увеличивается.After setting the offset from the neutral point in this way, the trimmer voltage can be adjusted so that the second electrostatic force partially or completely compensates for the spring compression force. In this case, the relationship between the first electrostatic force and the deflection is approximated by a horizontal line, i.e. essentially the same effective force occurs for all deflections. Thus, a small change in position relative to the neutral point, as well as a change in the trimmer voltage, leads to only a slight change in the force measured by the sensor and the detection electrodes, and therefore to a displacement. Thus, the bias stability is also increased.

Электроды датчика и электроды обнаружения могут быть разделены на первые пары электродов датчика и электродов обнаружения и вторые пары электродов датчика и электродов обнаружения. В этом процессе первые пары и вторые пары могут быть расположены в разных местоположениях вдоль оси перемещения, и заранее заданное напряжение может попеременно прикладываться к электродам датчика и электродам обнаружения первых пар и к электродам датчика и электродам обнаружения вторых пар с рабочим циклом. Затем можно изменить первую электростатическую силу путем изменения рабочего цикла.The sensor electrodes and detection electrodes can be divided into first sensor and detection electrode pairs and second sensor and detection electrode pairs. In this process, the first pairs and the second pairs may be located at different locations along the movement axis, and a predetermined voltage may be alternately applied to the sensor electrodes and detection electrodes of the first pairs and to the sensor electrodes and detection electrodes of the second pairs with a duty cycle. You can then change the first electrostatic force by changing the duty cycle.

Путем пространственного разделения электродов датчика и обнаружения вдоль оси перемещения можно изменять первую электростатическую силу попеременно прикладывая одно постоянное напряжение к пространственно разделенным парам электродов. Например, если рабочий цикл составляет 50/50 для идентично сконфигурированных первых и вторых пар электродов, то первая электростатическая сила отсутствует. Если рабочий цикл изменяется в одном направлении, например, до 70/30, первая электростатическая сила будет расти в одном направлении оси перемещения, а при изменении в другом направлении, например, до 30/70, электростатическая сила будет действовать в обратном направлении. Таким образом, напряженность электростатического поля может регулироваться посредством количества раз, когда один набор пар воздействует на другие пары в заданную единицу времени. В принципе, это также допускает асимметричную конструкцию пар, поскольку всегда можно найти рабочий цикл, для которого достигается усредненная свобода от сил. Таким образом, можно просто изменять эффективную или вторую электростатическую силу, используя одно заранее заданное напряжение, благодаря чему процесс поиска нейтральной точки упрощается.By spatially separating the sensor electrodes and detecting along the axis of movement, it is possible to vary the first electrostatic force by alternately applying one constant voltage to the spatially separated pairs of electrodes. For example, if the duty cycle is 50/50 for identically configured first and second pairs of electrodes, then there is no first electrostatic force. If the duty cycle is changed in one direction, for example, to 70/30, the first electrostatic force will increase in one direction of the axis of movement, and when changing in the other direction, for example, to 30/70, the electrostatic force will act in the opposite direction. Thus, the strength of the electrostatic field can be controlled by the number of times one set of pairs affects other pairs in a given unit of time. In principle, this also allows for an asymmetric construction of pairs, since it is always possible to find a duty cycle for which an average freedom from forces is achieved. Thus, it is possible to simply change the effective or second electrostatic force using one predetermined voltage, thereby simplifying the process of finding the neutral point.

Когда заранее заданное напряжение приложено к соответствующим электродам датчика и электродам обнаружения, можно определить емкость конденсаторов, сформированных электродами датчика и электродами обнаружения, и можно определить отклонение массивного тела датчика через разницу емкостей между первыми парами электродов датчика и электродов обнаружения и вторыми парами электродов датчика и электродов обнаружения.When a predetermined voltage is applied to the respective sensor electrodes and detection electrodes, it is possible to determine the capacitance of the capacitors formed by the sensor electrodes and the detection electrodes, and it is possible to determine the deflection of the sensor massive body through the capacitance difference between the first pairs of sensor electrodes and detection electrodes and the second pairs of sensor electrodes and detection electrodes detection.

Соотношение между первой электростатической силой и отклонением может быть определено через соотношение между текущим рабочим циклом и разницей емкостей.The relationship between the first electrostatic force and the deflection can be determined from the relationship between the current duty cycle and the capacitance difference.

Когда заранее заданное напряжение прикладывается к соответствующим парам электродов датчика и обнаружения поток заряда к конденсатору, сформированному этими электродами, может быть измерен, например, через соответствующий усилитель. Поскольку приложенное напряжение известно, из него может быть определена общая емкость электродов, к которым приложено это напряжение. Поскольку емкость зависит от расстояния между электродами, разница общих емкостей двух парных групп является мерой отклонения массивного тела датчика. Следовательно, соответствующая калибровка позволяет получить отклонение на основе измерения емкостей.When a predetermined voltage is applied to the respective pairs of sensor and detection electrodes, the charge flow to the capacitor formed by these electrodes can be measured, for example, through a suitable amplifier. Since the applied voltage is known, the total capacitance of the electrodes to which this voltage is applied can be determined from it. Since the capacitance depends on the distance between the electrodes, the difference in the total capacitances of the two paired groups is a measure of the deflection of the massive sensor body. Therefore, an appropriate calibration allows you to get a deviation based on the measurement of capacitances.

Однако аналогичным образом можно определить соотношение между первой электростатической силой и отклонением массивного тела датчика непосредственно как соотношение между рабочим циклом изменения прикладываемого напряжения и разницей емкостей. Под нейтральной точкой понимается конкретная разница емкостей, для которой рабочий цикл одинаков для разных подстроечных напряжений.However, in a similar way, the relationship between the first electrostatic force and the deflection of the massive body of the sensor can be directly defined as the relationship between the duty cycle of the applied voltage change and the capacitance difference. The neutral point refers to a specific capacitance difference for which the duty cycle is the same for different trimmer voltages.

Для этого рабочий цикл в каждом случае может быть изменен для подстроечного напряжения, а разница емкостей определяется для каждого рабочего цикла. Рабочий цикл, который требуется для установки отклонения в направлении нейтральной точки, устанавливается таким образом, чтобы одна и та же разница емкостей возникала для каждого из разных подстроечных напряжений. Таким образом, отклонение относительно нейтральной точки может быть легко установлено простым способом без необходимости калибровки или преобразования измеренных значений.To this end, the duty cycle can be changed for the trimmer voltage in each case, and the capacitance difference is determined for each duty cycle. The duty cycle required to set the deflection towards the neutral point is set so that the same capacitance difference occurs for each of the different trimmer voltages. In this way, the deviation from the neutral point can be easily established in a simple way without the need for calibration or conversion of the measured values.

Напряжения, приложенные к первым подстроечным электродам, вторым подстроечным электродам, электродам датчика и/или электродам обнаружения, могут автоматически регулироваться контуром управления таким образом, чтобы управлять отклонением относительно нейтральной точки. Для этого рабочим циклом можно, например, управлять таким образом, чтобы разница емкостей достигалась в нейтральной точке. Требуемая разница емкостей в нейтральной точке может определяться непрерывно путем модуляции напряжений, приложенных к подстроечным электродам. Это позволяет автоматически отслеживать массивное тело датчика в направлении нейтральной точки, даже если оно должно сместиться со временем или из-за влияний окружающей среды.The voltages applied to the first trimmers, the second trimmers, the sensor electrodes and/or the detection electrodes can be automatically adjusted by the control loop so as to control the deviation from the neutral point. To this end, the operating cycle can, for example, be controlled in such a way that the capacitance difference is reached at the neutral point. The required capacitance difference at the neutral point can be determined continuously by modulating the voltages applied to the trimming electrodes. This allows the massive sensor body to be automatically tracked in the direction of the neutral point, even if it must move over time or due to environmental influences.

Напряжения, приложенные к первым подстроечным электродам и вторым подстроечным электродам, могут автоматически регулироваться другим контуром управления таким образом, чтобы вторая электростатическая сила частично или полностью компенсировала силу сжатия пружины. Это гарантирует, что массивное тело датчика в нейтральной точке или рядом с ней не подвергается действию какой-либо (или приблизительно какой-либо) эффективной силы сжатия пружины, даже если параметры датчика изменяются со временем или из-за влияний окружающей среды.The voltages applied to the first trimmer electrodes and the second trimmer electrodes can be automatically adjusted by another control loop so that the second electrostatic force partially or completely compensates for the spring compression force. This ensures that the massive sensor body at or near the neutral point is not subjected to any (or approximately any) effective spring force, even if the sensor parameters change over time or due to environmental influences.

Установка массивного тела датчика относительно нейтральной точки может быть приближением отклонения массивного тела датчика к нейтральной точке или установкой отклонения массивного тела датчика от нейтральной точки. Как уже обсуждалось выше, это увеличивает стабильность смещения.Setting the sensor massive body relative to the neutral point can be an approximation of the sensor massive body deviation to the neutral point or setting the sensor massive body deviation from the neutral point. As discussed above, this increases bias stability.

Способ установки отклонения массивного тела датчика в акселерометре, как описано выше, может включать: определение соотношения между первой электростатической силой и отклонением массивного тела датчика для по меньшей мере двух разных подстроечных напряжений; определение нейтральной точки для отклонения, в которой для разных подстроечных напряжений соответствующие первые электростатические силы равны, из соотношений между первой электростатической силой и отклонением массивного тела датчика; и установку отклонения массивного тела датчика относительно нейтральной точки.The method for setting the sensor body deflection in the accelerometer as described above may include: determining a relationship between the first electrostatic force and the sensor body deflection for at least two different trimmer voltages; determining a neutral point for the deflection at which, for different trimmer voltages, the respective first electrostatic forces are equal from the ratios between the first electrostatic force and the deflection of the sensor massive body; and setting the deviation of the massive body of the sensor relative to the neutral point.

Изобретение будет описано в качестве примера в нижеследующем тексте со ссылкой на чертежи. Однако изобретение не предназначено для ограничения нижеследующими примерами, оно определяется исключительно формулой изобретения.The invention will be described by way of example in the following text with reference to the drawings. However, the invention is not intended to be limited by the following examples, but is defined solely by the claims.

Фиг.1 показывает схематическое изображение акселерометра.1 shows a schematic representation of an accelerometer.

Фиг.2 показывает схематическое изображение зависимости силы, измеренной акселерометром, от отклонения его массивного тела датчика при разных подстроечных напряжениях.2 shows a schematic representation of the force measured by the accelerometer versus the deflection of its massive sensor body at different trimmer voltages.

Фиг.3 показывает схематическое изображение другого акселерометра.3 shows a schematic representation of another accelerometer.

Фиг.4 схематично показывает технологическую схему способа установки отклонения массивного тела датчика акселерометра в положение со стабильным смещением.4 schematically shows a process flow diagram of a method for setting the deviation of the massive body of the accelerometer sensor to a position with a stable offset.

Акселерометр 100 включает в себя подложку 110. Массивное тело 120 датчика расположено на подложке 110 посредством пружинных элементов 130 так, чтобы оно перемещалось вдоль оси x перемещения. Пружинные элементы 130 с одной стороны прочно соединены с подложкой 110, а с другой стороны прочно соединены с массивным телом 120 датчика. Пружинные элементы 130 обеспечивают возможность отклонять массивное тело 120 датчика вдоль оси x перемещения. Например, пружинные элементы 130 могут быть выполнены в виде гибких стержневых пружин, проходящих перпендикулярно оси x перемещения и, таким образом, обеспечивающих возможность перемещения только вдоль оси x перемещения, тогда как перемещение, перпендикулярное оси x перемещения, невозможно. Однако пружинные элементы 130 также могут иметь любую другую форму, которая вызывает отклонение массивного тела 120 датчика вдоль оси x перемещения.The accelerometer 100 includes a substrate 110. The massive sensor body 120 is positioned on the substrate 110 by spring members 130 so as to move along the x-axis of movement. Spring elements 130 on the one hand are firmly connected to the substrate 110, and on the other hand are firmly connected to the massive body 120 of the sensor. The spring elements 130 make it possible to deflect the massive sensor body 120 along the x-axis of movement. For example, the spring elements 130 may be in the form of flexible rod springs extending perpendicular to the x-axis of movement and thus only allow movement along the x-axis of movement, while movement perpendicular to the x-axis of movement is not possible. However, the spring elements 130 can also be of any other shape that causes the massive sensor body 120 to deviate along the x-axis of movement.

Первые подстроечные электроды 140 соединены с массивным телом 120 датчика. В этом процессе первые подстроечные электроды 140 прочно соединены с массивным телом 120 датчика, например, массивное тело 120 датчика и первые подстроечные электроды 140 могут быть сформированы как единое целое, т.е. первые подстроечные электроды 140 являются неотъемлемым компонентом массивного тела 120 датчика.The first trimming electrodes 140 are connected to the massive body 120 of the sensor. In this process, the first trimming electrodes 140 are firmly connected to the sensor massive body 120, for example, the sensor massive body 120 and the first trimming electrodes 140 can be integrally formed, i. the first trimming electrodes 140 are an integral component of the massive body 120 of the sensor.

Вторые подстроечные электроды 150 соединены с подложкой 110 и связаны с первыми подстроечными электродами 140. В этом процессе вторые подстроечные электроды 150 прочно соединены с подложкой 110. Например, вторые подстроечные электроды 150 могут быть неотъемлемыми компонентами подложки 110.The second trimmer electrodes 150 are connected to the substrate 110 and associated with the first trimmer electrodes 140. In this process, the second trimmer electrodes 150 are firmly connected to the substrate 110. For example, the second trimmer electrodes 150 may be integral components of the substrate 110.

Пары первых подстроечных электродов 140 и вторых подстроечных электродов 150 сформированы таким образом, чтобы в заданном положении массивного тела 120 датчика никакая сила, создаваемая первыми подстроечными электродами 140 и вторыми подстроечными электродами 150, не действовала на массивное тело 120 датчика. Однако при отклонении от этого положения создается электростатическая сила Ft, которая действует на массивное тело 120 датчика через подстроечные электроды 140, 150.The pairs of first trimmer electrodes 140 and second trimmer electrodes 150 are formed such that at a predetermined position of the sensor massive body 120, no force generated by the first trimmer electrodes 140 and the second trimmer electrodes 150 acts on the sensor massive body 120. However, when deviating from this position, an electrostatic force Ft is created, which acts on the massive body 120 of the sensor through the trimming electrodes 140, 150.

Первые подстроечные электроды 140 и вторые подстроечные электроды 150 необязательно должны быть расположены на массивном теле 120 датчика или подложке 110 симметрично. Например, все первые подстроечные электроды 140 могут быть расположены по одну сторону массивного тела 120 датчика или на одном конце массивного тела 120 датчика.The first trimming electrodes 140 and the second trimming electrodes 150 need not be symmetrically positioned on the massive sensor body 120 or the substrate 110. For example, all of the first trimming electrodes 140 may be located on one side of the massive body 120 of the sensor or at one end of the massive body 120 of the sensor.

При отклонении массивного тела 120 датчика вдоль оси x перемещения пружинные элементы 130 создают силу Ff сжатия пружины, которая перемещает массивное тело 120 датчика обратно в начальное положение, в котором силы, создаваемые отдельными пружинными элементами 130, компенсируются, или в котором эти силы исчезают (механическая нулевая точка). В то же время, прикладывая подстроечное электрическое напряжение между первыми подстроечными электродами 140 и вторыми подстроечными электродами 150, можно создать электростатическую силу Ft, действующую на массивное тело 120 датчика, которая добавляется к силе Ff сжатия пружины, чтобы она стала эффективной силой сжатия пружины.When the sensor massive body 120 deviates along the x-axis of movement, the spring elements 130 generate a spring compression force Ff that moves the sensor massive body 120 back to the initial position, in which the forces generated by the individual spring elements 130 cancel out, or in which these forces disappear (mechanical zero point). At the same time, by applying a trimmer voltage between the first trimmer electrodes 140 and the second trimmer electrodes 150, it is possible to generate an electrostatic force Ft acting on the sensor bulk body 120, which is added to the spring compression force Ff to become an effective spring compression force.

Следовательно, можно свободно устанавливать жесткость пружины или устойчивость акселерометра 100 через подстроечное напряжение, приложенное между первыми подстроечными электродами 140 и вторыми подстроечными электродами 150. Таким образом, например, сила Ff сжатия пружины и электростатическая сила Ft могут быть полностью скомпенсированы так, что, когда массивное тело 120 датчика отклоняется, сила восстановления больше не возникает. Однако электростатическая сила Ft также может чрезмерно компенсировать, т.е. превышать силу Ff сжатия пружины так, что даже в случае лишь незначительного отклонения массивного тела 120 датчика электростатическая сила Ft увеличивает отклонение массивного тела 120 датчика до большего значения. Поскольку это может привести к немедленному чрезмерному управлению массивным телом 120 датчика, акселерометр 100, таким образом, должен работать только с дополнительной электроникой сброса в замкнутом контуре.Therefore, it is possible to freely set the spring stiffness or stability of the accelerometer 100 through the trimmer voltage applied between the first trimmer electrodes 140 and the second trimmer electrodes 150. Thus, for example, the spring compression force Ff and the electrostatic force Ft can be fully compensated so that when a massive the sensor body 120 is deflected, the recovery force no longer occurs. However, the electrostatic force Ft can also overcompensate, i.e. exceed the spring compression force Ff so that even in the case of only slight deflection of the sensor massive body 120, the electrostatic force Ft increases the deflection of the sensor massive body 120 to a larger value. Since this can lead to immediate over-control of the massive sensor body 120, the accelerometer 100 thus only needs to operate with additional closed-loop reset electronics.

Акселерометр 100 дополнительно включает в себя электроды 160 датчика для считывания ускорения, которые соединены с массивным телом 120 датчика и которые связаны со схематично изображенными электродами 170 обнаружения, которые соединены с подложкой 110. Напряжение между электродами 160 датчика и электродами 170 обнаружения генерирует электростатическую силу Fd, действующую на массивное тело 120 датчика, которая может использоваться для отклонения массивного тела 120 датчика. Для фиксированного напряжения между электродами 160 датчика и электродами 170 обнаружения заряд или емкость, которая может быть получена из него, зависят от отклонения массивного тела 120 датчика вдоль оси x перемещения. Это позволяет определять отклонение массивного тела 120 датчика через электроды 160 датчика и электроды 170 обнаружения.The accelerometer 100 further includes acceleration sensing sensor electrodes 160 that are connected to the sensor massive body 120 and that are connected to the schematically depicted detection electrodes 170 that are connected to the substrate 110. The voltage between the sensor electrodes 160 and the detection electrodes 170 generates an electrostatic force Fd, acting on the massive body 120 of the sensor, which can be used to deflect the massive body 120 of the sensor. For a fixed voltage between the sensor electrodes 160 and the detection electrodes 170, the charge or capacitance that can be obtained from it depends on the deflection of the massive sensor body 120 along the x-axis of movement. This allows the deflection of the massive sensor body 120 to be determined via the sensor electrodes 160 and the detection electrodes 170 .

Если массивное тело 120 датчика находиться в состоянии покоя, то различные силы, действующие на него, должны быть уравновешены, т.е. Fd+Ft+Ff=0. Если первая электростатическая сила Fd понимается как сила, измеренная акселерометром 100, а комбинация силы Ff сжатия пружины и второй электростатической силы Ft понимается как эффективная сила сжатия пружины, то для малых отклонений возникает линейное соотношение между первой электростатической силой и отклонением, а наклон линейного соотношения на графике зависит от приложенного подстроечного напряжения.If the massive body 120 of the sensor is at rest, then the various forces acting on it must be balanced, i.e. Fd+Ft+Ff=0. If the first electrostatic force Fd is understood as the force measured by the accelerometer 100, and the combination of the spring compression force Ff and the second electrostatic force Ft is understood as the effective spring compression force, then for small deviations, a linear relationship between the first electrostatic force and the deflection occurs, and the slope of the linear relationship by graph depends on the applied trimmer voltage.

Это схематично показано на фиг.2, где представлены графики зависимости первой электростатической или эффективной измеренной силы Fd от отклонения вдоль оси x перемещения для разных подстроечных напряжений. Каждая из прямых линий представляет собой характеристическую линию силового пути системы для заданного подстроечного напряжения. Эти характеристические линии могут быть определены для заданного подстроечного напряжения в каждом случае путем регулирования различных сил, прикладываемых электродами 170 обнаружения к электродам 160 датчика, с последовательным считыванием результирующих отклонений.This is shown schematically in FIG. 2, which plots the first electrostatic or effective measured force Fd against deflection along the x-axis of displacement for various trimmer voltages. Each of the straight lines is a characteristic line of the power path of the system for a given trimmer voltage. These characteristic lines can be determined for a given trimmer voltage in each case by adjusting the various forces applied by the detection electrodes 170 to the sensor electrodes 160, reading the resulting deviations in sequence.

Если это измерение выполняется по меньшей мере дважды для разных подстроечных напряжений, то точка N на графике, где первая электростатическая сила Fd приводит к одинаковому отклонению «n» для всех подстроечных напряжений, получается, как пересечение всех прямых линий. Это отклонение называется «нейтральной точкой».If this measurement is carried out at least twice for different trimmer voltages, then point N on the graph, where the first electrostatic force Fd results in the same deviation "n" for all trimmer voltages, is obtained as the intersection of all straight lines. This deviation is called the "neutral point".

Путем соответствующего изменения подстроечного напряжения и напряжений между электродами 160 датчика и электродами 170 обнаружения можно определить нейтральную точку для отклонения в акселерометре 100 и выбрать ее в качестве стартовой точки для измерений ускорения. Изменения подстроечного напряжения не влияют на силы, действующие на массивное тело 120 датчика в этой точке. Таким образом, смещение, действующее на измерение ускорения, устойчиво к таким изменениям, в результате чего надежность датчика увеличивается в течение длительного времени работы. Таким образом, если массивное тело 120 датчика приведено в начальное положение, которое приближается или соответствует нейтральной точке, то стабильность смещения может быть увеличена.By suitably changing the trimmer voltage and the voltages between the sensor electrodes 160 and the detection electrodes 170, a neutral point for deflection in the accelerometer 100 can be determined and selected as the starting point for acceleration measurements. Changes in the trimmer voltage do not affect the forces acting on the massive sensor body 120 at that point. Thus, the bias acting on the acceleration measurement is resistant to such changes, with the result that the reliability of the sensor is increased over a long operating time. Thus, if the sensor massive body 120 is brought to an initial position that approaches or corresponds to the neutral point, then the bias stability can be increased.

Кроме этого, после того, как начальное положение массивного тела датчика приблизилось к нейтральной точке или совпало с ней, подстроечное напряжение может быть изменено таким образом, чтобы вторая электростатическая сила Ft частично или даже полностью компенсировала силу Ff сжатия пружины. Это отмечено стрелкой A на фиг.2. Таким образом, подстроечное напряжение изменяется до тех пор, пока не будет (почти) достигнута ровная, т.е. горизонтальная прямая H на фиг.2. При такой конфигурации смещение также устойчиво к малым колебаниям нейтральной точки, поскольку не происходит изменения сил, действующих на массивное тело 120 датчика. Это также увеличивает долговременную стабильность и, кроме того, может быть выгодным для работы акселерометра 100 в условиях вибрации.In addition, after the initial position of the massive body of the sensor has approached or coincided with the neutral point, the trimmer voltage can be changed so that the second electrostatic force Ft partially or even completely compensates for the spring compression force Ff. This is marked with arrow A in FIG. 2. Thus, the trimmer voltage is changed until (almost) flat is reached, i.e. horizontal line H in Fig.2. With this configuration, the offset is also resistant to small fluctuations in the neutral point, since there is no change in the forces acting on the massive body 120 of the sensor. This also increases long-term stability and, in addition, may be beneficial for the operation of the accelerometer 100 under vibration conditions.

Как установка отклонения относительно нейтральной точки, так и регулировка подстроечного напряжения, которое полностью или частично компенсирует силу Ff сжатия пружины, могут быть достигнуты путем автоматического управления напряжениями, прикладываемыми к подстроечным электродам 140, 150, электродам 160 датчика и электродам 170 обнаружения. Таким образом, можно удерживать акселерометр 100 в нейтральной точке и также стабилизировать смещение. Кроме того, такое управление может предоставлять данные, касающиеся изменения положения нейтральной точки с течением времени, которые могут предоставлять информацию о функциональных возможностях акселерометра 100.Both setting the deviation from the neutral point and adjusting the trimmer voltage that fully or partially compensates for the spring compression force Ff can be achieved by automatically controlling the voltages applied to the trimmer electrodes 140, 150, the sensor electrodes 160, and the detection electrodes 170. Thus, it is possible to keep the accelerometer 100 at the neutral point and also stabilize the offset. In addition, such control may provide data regarding the change in the position of the neutral point over time, which may provide information about the functionality of the accelerometer 100.

Понятно, что, в зависимости от конкретного варианта осуществления подстроечных электродов 140, 150, электродов 160 датчика и электродов 170 обнаружения, первая электростатическая сила Fd, вторая электростатическая сила Ft и отклонение массивного тела 120 датчика могут быть сформированы и считаны различными путями. Конкретную возможность для этого следует обсудить в качестве примера, используя акселерометр 100, схематически показанный на фиг.3.It will be understood that, depending on the particular embodiment of the trimming electrodes 140, 150, the sensor electrodes 160, and the detection electrodes 170, the first electrostatic force Fd, the second electrostatic force Ft, and the deflection of the sensor massive body 120 may be generated and read in various ways. The specific possibility for this should be discussed as an example using the accelerometer 100 shown schematically in FIG.

В акселерометре 100 на фиг.3 первые подстроечные электроды 140 сформированы в виде электродных пластин, каждая из которых расположена между двумя вторыми подстроечными электродами 150 и вместе с ними образует плоские конденсаторы. В этом процессе вторая электростатическая сила является результатом сил, действующих на центр первого подстроечного электрода 140 от двух внешних вторых подстроечных электродов 150. Таким образом, при центральном положении первых подстроечных электродов 140, на них не действуют никакие силы.In the accelerometer 100 of FIG. 3, the first trimmer electrodes 140 are formed as electrode plates, each of which is located between two second trimmer electrodes 150 and together forms plate capacitors. In this process, the second electrostatic force is the result of forces acting on the center of the first trimmer 140 from the two outer second trimmers 150. Thus, when the first trimmers 140 are in the center position, they are not affected by any forces.

Электроды 160 датчика и электроды 170 обнаружения сформированы как гребенчатые электроды с взаимодействующими электродными пальцами. Электроды 160 датчика и электроды 170 обнаружения разделены вдоль оси х перемещения на две группы пар. На фиг.3 электроды, расположенные на левом конце массивного тела датчика, представляют первую пару, в то время как электроды, расположенные на правом конце, представляют вторую пару.The sensor electrodes 160 and the detection electrodes 170 are formed as comb electrodes with cooperating electrode fingers. The sensor electrodes 160 and the detection electrodes 170 are divided along the x-axis of movement into two groups of pairs. 3, the electrodes located at the left end of the massive sensor body represent the first pair, while the electrodes located at the right end represent the second pair.

Если заранее заданное напряжение теперь прикладывается только к одной из двух групп пар, то результат является силой, относящейся только к электродам этих пар. Если попеременно менять группу пар, на которую прикладывается напряжение, то результирующая первая электростатическая сила зависит от того, как долго к группе пар приложено напряжение. В этом случае рекомендуется быстрое изменение пары для подавления эффектов инерции или эффектов гистерезиса насколько это возможно. Таким образом, рабочий цикл для изменения напряжения от одной группы пар к другой определяет, определена ли и в каком направлении первая электростатическая сила сгенерирована за усредненное время.If the predetermined voltage is now applied to only one of the two groups of pairs, then the result is a force applied only to the electrodes of those pairs. If you alternately change the group of pairs to which the voltage is applied, then the resulting first electrostatic force depends on how long the voltage is applied to the group of pairs. In this case, a quick pair change is recommended to suppress the effects of inertia or hysteresis effects as much as possible. Thus, the duty cycle for changing the voltage from one group of pairs to another determines whether and in which direction the first electrostatic force is generated in an average time.

В примере на фиг.3 пары электродов 160 датчика и электродов 170 обнаружения идентичны по конструкции. Таким образом, приложение заранее заданного напряжения только к левым парам приводит к противоположной силе, чем при приложении заранее заданного напряжения только к правым парам. Если одинаковое напряжение прикладывается влево и вправо в течение эталонного периода, т.е., если установлен рабочий цикл 50/50, то не будет никаких результирующих силы за усредненное время. Путем изменения рабочего цикла можно регулировать первую электростатическую силу, действующую на массивное тело 120 датчика, за усредненное время. В этом процессе фактическая сила естественным образом зависит от конкретной конструкции датчика и может быть рассчитана. Таким образом, заранее заданный извне рабочий цикл позволяет заранее установить первую электростатическую силу снаружи.In the example of FIG. 3, the pairs of sensor electrodes 160 and detection electrodes 170 are identical in design. Thus, applying a predetermined voltage to only the left pairs results in the opposite force than applying a predetermined voltage to only the right pairs. If the same voltage is applied left and right during the reference period, i.e. if the duty cycle is set to 50/50, then there will be no resultant force over the average time. By changing the duty cycle, it is possible to adjust the first electrostatic force acting on the massive sensor body 120 in an average time. In this process, the actual force naturally depends on the particular design of the sensor and can be calculated. Thus, the externally predetermined duty cycle allows the first electrostatic force to be predetermined from the outside.

В то же время емкость конденсаторов, сформированных электродами, может, когда заранее заданное напряжение прикладывается к электродам, быть определена из потока заряда, известным способом, например, путем измерения потока заряда через массу и усилитель конденсатора. Для левой группы пар на фиг.3 это приводит к той же величине, что и для правой группы пар. Поскольку емкости зависят от расстояния между соответствующими электродами, они являются мерой отклонения массивного тела 120 датчика. Следовательно, разница емкостей между левой и правой парами может быть считана. Затем, из этого можно определить отклонение массивного тела 120 датчика.At the same time, the capacitance of the capacitors formed by the electrodes can, when a predetermined voltage is applied to the electrodes, be determined from the charge flow in a known manner, for example, by measuring the charge flow through the capacitor ground and amplifier. For the left group of pairs in FIG. 3, this results in the same value as for the right group of pairs. Since the capacitances depend on the distance between the respective electrodes, they are a measure of the deflection of the massive body 120 of the sensor. Therefore, the capacitance difference between the left and right pairs can be read. Then, the deflection of the sensor massive body 120 can be determined from this.

Таким образом, возможно определить измеренные значения, которые необходимы для получения графика силового пути, для каждого приложенного подстроечного напряжения и, из этого, нейтральную точку.In this way, it is possible to determine the measured values, which are necessary to obtain a force path graph, for each applied trimming voltage and, from this, a neutral point.

В качестве альтернативы, также возможно дозировать первую электростатическую силу с использованием рабочего цикла и отклонение с использованием разницы емкостей, и возможно использовать эти параметры непосредственно для установки нейтральной точки.Alternatively, it is also possible to dose the first electrostatic force using the duty cycle and the deflection using the capacitance difference, and it is possible to use these parameters directly to set the neutral point.

Для этого различные рабочие циклы применяются для каждого подстроечного напряжения, а соответствующая разница емкостей измеряется для каждого рабочего цикла. Результирующие графики рабочий цикл - разница емкостей пересекаются в точке, где рабочий цикл для каждого подстроечного напряжения приводит к одной и той же разнице емкостей. Затем регулировка относительно этой разницы емкостей эквивалентна установлению отклонения относительно нейтральной точки. Таким образом, нейтральная точка может быть определена путем непосредственной регулировки или считывания параметров, а отклонение массивного тела (120) датчика можно приблизить или предпочтительно установить в нейтральную точку. В частности, можно управлять разницей емкостей.To do this, different duty cycles are applied for each trimmer voltage, and the corresponding capacitance difference is measured for each duty cycle. The resulting duty cycle - capacitance difference curves intersect at the point where the duty cycle for each trimmer voltage results in the same capacitance difference. Then adjusting with respect to this capacitance difference is equivalent to setting a deviation with respect to the neutral point. Thus, the neutral point can be determined by direct adjustment or reading of the parameters, and the deviation of the massive body (120) of the sensor can be approximated or preferably set to the neutral point. In particular, the capacity difference can be controlled.

Таким образом, нейтральная точка может быть достигнута и поддерживаться простым способом.In this way, the neutral point can be reached and maintained in a simple way.

На фиг.4 схематично показана технологическая схема способа установки нейтральной точки, который может выполняться акселерометром с эквивалентной конструкцией датчика, как описано выше.FIG. 4 is a schematic flow diagram of a neutral point setting method that can be performed by an accelerometer with an equivalent sensor design as described above.

На этапе S100 определяют соотношение между первой электростатической силой Fd и отклонением массивного тела (120) датчика для по меньшей мере двух разных подстроечных напряжений. В частности, линейные графики силового пути могут быть определены для двух или более подстроечных напряжений.At step S100, the relationship between the first electrostatic force Fd and the deflection of the massive body (120) of the sensor is determined for at least two different trimmer voltages. In particular, force path line graphs can be defined for two or more trimmer voltages.

На этапе S110 нейтральную точку для отклонения определяют из соотношения между первой электростатической силой Fd и отклонением массивного тела (120) датчика, при этом в нейтральной точке соответствующие первые электростатические силы Fd равны для разных подстроечных напряжений. В частности, эта нейтральная точка может быть определена из пересечения определенных графиков силовых путей.In step S110, the neutral point for deflection is determined from the relationship between the first electrostatic force Fd and the deflection of the sensor massive body (120), wherein at the neutral point, the corresponding first electrostatic forces Fd are equal for different trim voltages. In particular, this neutral point can be determined from the intersection of certain force path graphs.

На этапе S120 отклонение массивного тела датчика устанавливают относительно нейтральной точки. В частности, отклонение устанавливают в окрестности нейтральной точки или предпочтительно в нейтральной точке. Это позволяет акселерометру работать в рабочей точке с повышенной длительной стабильностью смещения.At step S120, the deviation of the massive body of the sensor is set relative to the neutral point. In particular, the deviation is set in the vicinity of the neutral point, or preferably at the neutral point. This allows the accelerometer to operate at its operating point with improved long-term bias stability.

Claims

1. Accelerometer (100), containing:

a massive body (120) of the sensor, which is located on the substrate (110) by means of spring elements (130) with the ability to move along the axis (x) of movement;

the first trimming electrodes (140), which are connected to the massive body (120) of the sensor;

electrodes (160) of the sensor, which are connected to the massive body (120) of the sensor;

second trimming electrodes (150) that are connected to the substrate (110) and associated with the first trimming electrodes (140);

detection electrodes (170), which are connected to the substrate (110) and connected to the sensor electrodes (160), wherein

the sensor electrodes (160) and the detection electrodes (170) are configured to deflect the massive body (120) of the sensor along the axis (x) of movement by means of the applied voltage and to measure the deflection and the first electrostatic force (Fd) that acts on the massive body (120 ) a sensor by means of the sensor electrodes (160) and the detection electrodes (170) to determine the relationship between the first electrostatic force (Fd) and the deflection of the sensor massive body (120);

when the massive body (120) of the sensor deviates along the axis (x) of movement, the spring elements (130) are configured to create a force (Ff) of compression of the spring acting on the massive body (120) of the sensor;

the accelerometer (100) is configured to create, by applying a trimmer voltage between the first trimmer electrodes (140) and the second trimmer electrodes (150), a second electrostatic force (Ft) acting on the massive body (120) of the sensor, which is added to the force ( Ff) compressing the spring so that it becomes an effective spring compression force;

the sensor electrodes (160) and the detection electrodes (170) are configured to determine a specific relationship between the first electrostatic force and the deflection of the massive sensor body (120) for at least two different trim voltages and to determine from this neutral point for the deflection at which the corresponding first electrostatic forces are equal for different tuning voltages; and

the accelerometer (100) is configured to adjust the voltages applied to the first trimmer electrodes (140), the second trimmer electrodes (150), the sensor electrodes (160) and/or the detection electrodes (170) so as to set the deviation of the massive sensor body relative to the neutral points through sensor electrodes (160) and detection electrodes (170).

2. Accelerometer (100) according to claim 1, in which

after setting the deviation from the neutral point, the trimming voltage is adjusted so that the second electrostatic force partially or completely compensates for the spring compression force.

3. Accelerometer (100) according to any one of the preceding claims, wherein

the sensor electrodes (160) and detection electrodes (170) are divided into first pairs of sensor electrodes (160) and detection electrodes (170) and second pairs of sensor electrodes (160) and detection electrodes (170);

the first pairs and the second pairs are located at different locations along the axis (x) of movement;

a predetermined voltage is alternately applied to the sensor electrodes (160) and the detection electrodes (170) of the first pairs and to the sensor electrodes (160) and the detection electrodes (170) of the second pairs with a duty cycle; and

the possibility of changing the first electrostatic force by changing the operating cycle is provided.

4. Accelerometer (100) according to claim 3, in which

the capacitance of the capacitors formed by the sensor electrodes (160) and the detection electrodes (170) is determined at the time of applying a predetermined voltage to the respective sensor electrodes (160) and the detection electrodes (170);

the deviation of the massive body (120) of the sensor is determined through the difference in capacitance between the first pairs of electrodes (160) sensor and electrodes (170) detection and the second pairs of electrodes (160) sensor and electrodes (170) detection; and

the relationship between the first electrostatic force and the deflection is determined by the relationship between the current operating cycle and the capacitance difference.

5. Accelerometer (100) according to claim 4, in which

the possibility of changing the operating cycle in each case for the tuning voltage is provided, and the difference in capacitances is determined for each operating cycle; and,

in order to set the deviation from the neutral point, the duty cycle is set so that the same capacitance difference occurs for each of the different trimmer voltages.

6. Accelerometer (100) according to any one of the preceding claims, wherein

the voltages applied to the first trimming electrodes (140), the second trimming electrodes (150), the sensor electrodes (160) and/or the detection electrodes (170) are automatically adjusted by the control loop so as to control the deviation from the neutral point.

7. Accelerometer (100) according to any one of the preceding claims, wherein

the voltages applied to the first trimming electrodes (140) and the second trimming electrodes (150) are automatically adjusted by the control loop so that the second electrostatic force partially or completely compensates for the spring compression force.

8. Accelerometer (100) according to any one of the preceding claims, wherein

setting the massive body (120) of the sensor relative to the neutral point is the approximation of the deviation of the massive body (120) of the sensor to the neutral point or setting the deviation of the massive body (120) of the sensor from the neutral point.

9. The method of setting the deviation of the massive body (120) of the accelerometer sensor (100) according to any of the previous paragraphs, including:

applying voltages to the first trimmer electrodes (140), second trimmer electrodes (150), sensor electrodes (160), and/or detection electrodes (170) of the accelerometer (100);

determining a specific relationship between the first electrostatic force (Fd) and the deflection of the massive body (120) of the sensor for at least two different trimmer voltages;

determination of the neutral point for deflection (n) at which the respective first electrostatic forces are equal for different trim voltages, from the ratios between the first electrostatic force (Fd) and the deflection (n) of the massive body (120) of the sensor and

adjusting the voltages applied to the first trimming electrodes (140), the second trimming electrodes (150), the sensor electrodes (160) and/or the detection electrodes (170) so as to set the deviation of the massive sensor body (120) relative to the neutral point.