RU2810694C1 - Dual-axis micromechanical accelerometer with capacitive displacement transducer - Google Patents
Dual-axis micromechanical accelerometer with capacitive displacement transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810694C1 RU2810694C1 RU2023126564A RU2023126564A RU2810694C1 RU 2810694 C1 RU2810694 C1 RU 2810694C1 RU 2023126564 A RU2023126564 A RU 2023126564A RU 2023126564 A RU2023126564 A RU 2023126564A RU 2810694 C1 RU2810694 C1 RU 2810694C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inertial mass
- capacitors
- accelerometer
- inputs
- axis
- Prior art date
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных ускорений по двум взаимно ортогональным осям путем измерения электрической емкости конденсаторов, образованных подвижным электродом на инерционной массе и неподвижным электродом на неподвижном основании.The proposed invention relates to measuring technology and is intended for measuring linear accelerations along two mutually orthogonal axes by measuring the electrical capacitance of capacitors formed by a movable electrode on an inertial mass and a stationary electrode on a stationary base.
Известно большое количество двухосевых и трех осевых акселерометров, в которых используется две или три инерционные массы, которые подвешены относительно корпуса прибора на упругих подвесах, оснащенные гребенчатыми конденсаторами, в которых изменяется расстояние между электродами за счет перемещения инерционной массы относительно корпуса акселерометра. В одноосевых акселерометрах инерционные массы подвешиваются к корпусу через упругие пластины, двух или трех осевые акселерометры в этом случае реализуются размещением двух или трех подобных акселерометров с индивидуальной массой в одном корпусе. Также известно крепление инерционной массы на упругом подвесе в дополнительной рамке, закрепленной относительно корпуса на дополнительном упругом подвесе.There are a large number of two-axis and three-axis accelerometers that use two or three inertial masses, which are suspended relative to the device body on elastic suspensions, equipped with comb capacitors, in which the distance between the electrodes changes due to the movement of the inertial mass relative to the accelerometer body. In single-axis accelerometers, inertial masses are suspended from the housing through elastic plates; two or three-axis accelerometers in this case are implemented by placing two or three similar accelerometers with individual masses in one housing. It is also known to mount the inertial mass on an elastic suspension in an additional frame, fixed relative to the body on an additional elastic suspension.
Акселерометр по патенту RU 2693030 С1 принят нами за прототип. В нем применяется преобразователь с питанием постоянным напряжением. По двум осям выполнен на одной подложке из двух идентичных гребенчатых емкостных преобразователей, оснащенных инерционной массой, которая на четырех Ω-образных упругих элементах подвешена к рамке, которая жестко закреплена на подложке через анкерные элементы. Также инерционная масса через четыре другие Ω-образных упругие элементы соединена с промежуточной рамкой, которая оказывается подвешенной на упругих элементах относительно инерционной массы и через третью четверку упругих элементов подвешена к наружной рамке, совершающей движение по оси ортогональной оси движения инерционной массы и которая через анкерные элементы жестко соединена с подложкой. Промежуточная рамка введена с целью исключения перекрестной связи между двумя взаимно ортогональными измерительными осями. Акселерометр оснащен гребенчатыми конденсаторами, одна группа электродов, которых жестко соединена с инерционной массой, а вторая группа жестко соединена с подложкой. Гребенчатые электроды образуют две конденсаторные пары. Разность емкостей в конденсаторной паре преобразовывается в два информационных сигнала, несущих информацию о ускорении по двум независимым осям. При этом в качестве преобразователей могут выступать как схемы с фазочувствительными выпрямителями и питанием резистивно-емкостных мостов переменным напряжением с постоянной частотой, так и резонансные схемы, у которых частота питания резистивно-емкостных мостов подстраивается под резонанс. Последние преобразователи содержат генератор частоты, управляемый напряжением, которое определяется фазочувствительным выпрямителем. Преобразователи, в которых резистивно-емкостные мосты (RC-цепочка) питаются переменным напряжением требуют соответствующие источники питания, что ограничивает их применение. Поэтому чаще применяют схемы с питанием резистивно-емкостных мостов напряжением постоянного тока. При этом в таких схемах обеспечивается заряд конденсаторов и их разряд, подключением параллельно конденсаторам, транзистора, управляемого кварцованным генератором тактовых импульсов. При этом используется инерционное свойство RC-цепочки, в которой постоянная времени заряда зависит от емкости T=RC, C - емкость конденсатора. При этом емкость преобразовывается в длительность импульсов, которые затем с помощью низкочастотных фильтров преобразовываются в напряжение постоянного тока. Такие преобразователи гораздо проще преобразователей, работающих на переменном напряжении, и поэтому нашли более широкое применение. Тем не менее их точность гораздо ниже преобразователей с питанием переменным напряжением.We adopted the accelerometer according to patent RU 2693030 C1 as a prototype. It uses a DC power converter. In two axes it is made on one substrate of two identical comb capacitive transducers equipped with an inertial mass, which is suspended on four Ω-shaped elastic elements to a frame that is rigidly fixed to the substrate through anchor elements. Also, the inertial mass, through four other Ω-shaped elastic elements, is connected to an intermediate frame, which is suspended on the elastic elements relative to the inertial mass and through the third four elastic elements is suspended to the outer frame, which moves along an axis orthogonal to the axis of motion of the inertial mass and which, through the anchor elements rigidly connected to the substrate. An intermediate frame was introduced to eliminate cross-connection between two mutually orthogonal measuring axes. The accelerometer is equipped with comb capacitors, one group of electrodes of which is rigidly connected to the inertial mass, and the second group is rigidly connected to the substrate. The comb electrodes form two capacitor pairs. The difference in capacitances in a capacitor pair is converted into two information signals carrying information about acceleration along two independent axes. In this case, both circuits with phase-sensitive rectifiers and power supply of resistive-capacitive bridges with alternating voltage at a constant frequency, and resonant circuits in which the power supply frequency of resistive-capacitive bridges is adjusted to the resonance can act as converters. The latest converters contain a frequency generator controlled by a voltage that is detected by a phase-sensitive rectifier. Converters in which resistive-capacitive bridges (RC circuit) are powered by alternating voltage require appropriate power supplies, which limits their use. Therefore, circuits powering RC bridges with DC voltage are more often used. At the same time, in such circuits, the charging of capacitors and their discharge are ensured by connecting in parallel with the capacitors a transistor controlled by a quartz clock generator. This uses the inertial property of the RC circuit, in which the charge time constant depends on the capacitance T=RC, C is the capacitance of the capacitor. In this case, the capacitance is converted into pulse duration, which is then converted into DC voltage using low-pass filters. Such converters are much simpler than converters operating on alternating voltage, and therefore have found wider application. However, their accuracy is much lower than AC-powered converters.
Целью предлагаемого изобретения является исключение промежуточной рамки и большого числа упругих элементов. Второй целью является повышение точности преобразования разности емкостей без усложнения схемы преобразователя.The purpose of the present invention is to eliminate the intermediate frame and a large number of elastic elements. The second goal is to increase the accuracy of converting the difference in capacitance without complicating the converter circuit.
Указанные цели достигаются размещением двух идентичных одноосевых рамочных преобразователей в этажерке и введением преобразователя разности емкостей в скважность импульсов. При этом в известном рамочном акселерометре с питанием RC-цепочки напряжением постоянного тока и коммутацией пары емкостей, производится сравнение напряжения с пары емкостей с опорным напряжением на компараторе, полученные импульсы с выходов двух компараторов сравниваются на логическом элементе «исключающее или» и тем самым на его выходе образуются импульсы с переменной скважностью, которая определяется соотношением длительности импульса и периода кварцованного генератора тактовых импульсов. Причем акселерометр оснащен двумя S-образными упругими элементами, которые обеспечивают прямолинейное движение инерционной массы.These goals are achieved by placing two identical single-axis frame converters in a stack and introducing a capacitance difference converter into pulse duty cycle. In this case, in the known frame accelerometer with an RC circuit powered by DC voltage and switching a pair of capacitors, the voltage from the pair of capacitors is compared with the reference voltage on the comparator, the received pulses from the outputs of the two comparators are compared on the “exclusive or” logical element and thereby on its The output produces pulses with a variable duty cycle, which is determined by the ratio of the pulse duration and the period of the quartz clock generator. Moreover, the accelerometer is equipped with two S-shaped elastic elements that ensure the rectilinear movement of the inertial mass.
Для объяснения работы акселерометра приведены три фигуры.Three figures are provided to explain the operation of the accelerometer.
На фигуре 1 приведена схематически конструкция одноосевого акселерометра.Figure 1 shows a schematic design of a single-axis accelerometer.
На фигуре 2 дано размещение двух одноосевых акселерометров в этажерке.Figure 2 shows the placement of two single-axis accelerometers in a stack.
На фигуре 3 приведена схема одного канала преобразователей.Figure 3 shows a diagram of one channel of the converters.
На фигуре обозначены: рамка 1, инерционная масса 2 с платой преобразователя, упругий подвес 3 в виде S-образных упругих балок, неподвижные электроды конденсаторов 4, подвижные электроды конденсаторов 5.The figure shows: frame 1, inertial mass 2 with the converter board, elastic suspension 3 in the form of S-shaped elastic beams, fixed electrodes of capacitors 4, movable electrodes of
На фигуре 2 обозначены: корпус этажерки 6, одноосевые акселерометры 7, электрический разъем 8.Figure 2 shows: the
На фигуре 3 обозначены: кварцованный генератор тактовых импульсов 9, резисторы 10, которые совместно с конденсатором 11 образуют RC-цепочки, транзистор 12, который переводит RC-цепочки из состоянии заряда в состояние сброса напряжения, компараторы 13, логический элемент «исключающее или» 14, усилитель тока 15, для передачи информации в линию.Figure 3 shows: quartz clock generator 9,
Предложен двухосевой акселерометр, состоящий из двух одноосевых акселерометров. Однако, в отличие от принятого планарного размещения одноосевых акселерометров, применяется их этажерочное размещение. При этом в качестве преобразователя емкости предложен, преобразователь, выходом которого является скважность импульсов, пропорциональная разности емкостей пары конденсаторов, емкости которых при движении инерционной массы изменяются разнонаправлено.A dual-axis accelerometer consisting of two single-axis accelerometers is proposed. However, in contrast to the accepted planar arrangement of single-axis accelerometers, their stacked arrangement is used. At the same time, as a capacitance converter, a converter is proposed, the output of which is the duty cycle of the pulses, proportional to the difference in the capacitances of a pair of capacitors, the capacitances of which change in different directions when the inertial mass moves.
RC-цепочки подключаются к стабилизированному источнику постоянного напряжения через индивидуальный резистор и параллельно конденсатору подключается транзистор разряда емкости. Этот транзистор управляется тактовым кварцованным генератором. Каждый конденсатор заряжается до напряжения, которое сравнивается с опорным напряжением на компараторе. Поскольку длительность заряда конденсатора до опорного напряжения зависит от произведения емкости и сопротивления, то на выходе компаратора образуется импульс, ширина которого определяется величиной его емкости. Соотношение ширины этого импульса с временем между тактовыми импульсами тактового генератора определяет скважность импульсов. Тем самым значение емкости преобразуется в скважность импульсов. Описанный преобразователь позволяет преобразовывать емкость конденсаторов, лежащую в диапазоне от нескольких пикофарад в скважность импульсов, если частоту тактового генератора выбрать в диапазоне нескольких сотен КГц. Описанный выше преобразователь является широтно-импульсным (ШИМ). Импульсы с ШИМ-преобразователя конденсаторов, изменение которых при перемещении инерционной массы разнонаправлено, сравниваются на логических элементах «исключающее или», тем самым определяется разность между шириной импульсов. Фактически применение ШИМ преобразования значения емкости в скважность импульсов и сравнение ширины импульсов на элементе «исключающее или» реализует дифференциальный сигнал, пропорциональный разности между емкостями двух конденсаторов. Этот сигнал пропорционален перемещению инерционной массы, а значит и линейному ускорению корпуса датчика, поскольку перемещению массы, соответствует перемещение упругого подвеса, создающего компенсирующую силу для перемещения инерционной массы. Выходные сигналы с логических элементов «исключающее или» усиливаются по току для обеспечения требуемый длины линии связи с потребителем. При этом преобразователь может быть выполнен на ситаловой подложке по технологии гибридной интегральной схемы и жестко размещен на инерционной массе.RC circuits are connected to a stabilized constant voltage source through an individual resistor, and a capacitance discharge transistor is connected in parallel with the capacitor. This transistor is controlled by a quartz clock oscillator. Each capacitor is charged to a voltage that is compared to a reference voltage on the comparator. Since the duration of charging the capacitor to the reference voltage depends on the product of capacitance and resistance, a pulse is formed at the output of the comparator, the width of which is determined by the value of its capacitance. The ratio of the width of this pulse to the time between clock pulses of the clock generator determines the duty cycle of the pulses. Thus, the capacitance value is converted into the duty cycle of the pulses. The described converter allows you to convert capacitor capacitance ranging from several picofarads to pulse duty cycle if the clock generator frequency is selected in the range of several hundred KHz. The converter described above is a pulse-width converter (PWM). Pulses from the PWM converter of capacitors, the change of which is multidirectional when moving the inertial mass, are compared on the “exclusive or” logical elements, thereby determining the difference between the width of the pulses. In fact, the use of PWM conversion of the capacitance value into the duty cycle of the pulses and comparison of the pulse width on the “exclusive or” element implements a differential signal proportional to the difference between the capacitances of the two capacitors. This signal is proportional to the movement of the inertial mass, and therefore to the linear acceleration of the sensor body, since the movement of the mass corresponds to the movement of the elastic suspension, which creates a compensating force for the movement of the inertial mass. The output signals from the “exclusive or” logic elements are current amplified to ensure the required length of the communication line with the consumer. In this case, the converter can be made on a glass-ceramic substrate using hybrid integrated circuit technology and rigidly placed on an inertial mass.
Общими признаками с прототипом являются:Common features with the prototype are:
- выполнение акселерометра в виде рамки с инерционной массой, подвешенной через упругие элементы,- making the accelerometer in the form of a frame with an inertial mass suspended through elastic elements,
- оснащение акселерометра гребенчатыми конденсаторами,- equipping the accelerometer with comb capacitors,
- питание резистивно-емкостного моста напряжением постоянного тока,- power supply of the resistive-capacitive bridge with DC voltage,
- применение коммутации моста транзисторами, которые управляются кварцованным генератором- use of bridge switching with transistors controlled by a quartz oscillator
Отличительными признаками являются:Distinctive features are:
- выполнение подвеса инерционной массы на двух S-образных упругих элементов- suspension of the inertial mass on two S-shaped elastic elements
- размещение одноосевых акселерометров в этажерке,- placement of single-axis accelerometers in a shelf,
- преобразование разности емкостей конденсаторных пар, емкость которых изменяется разно направленно, в скважность импульсов и тем самым обеспечение передачи информацию в линию в виде скважности импульсов. Потребитель может эти импульсы преобразовать в цифровой код применением известных преобразователей. Например, заполняя информационные импульсы, импульсами более высокой частоты и определяя число этих импульсов.- converting the difference in capacitance of capacitor pairs, the capacitance of which varies in different directions, into the duty cycle of pulses and thereby ensuring the transmission of information to the line in the form of duty cycle of pulses. The consumer can convert these pulses into digital code using known converters. For example, filling information pulses with pulses of a higher frequency and determining the number of these pulses.
За счет общих и отличительных признаков уменьшены габариты двухосевого акселерометра. Поскольку существенно уменьшилось число упругих элементов, упростилась конструкция акселерометра. За счет преобразования разности емкостей в скважность импульсов, уменьшилось число электронных элементов, что позволяет предложенный преобразователь выполнить в гибридном исполнении с размещением платы преобразователя на инерционной массе, что также приводит к уменьшению габаритов. К тому же, поскольку в конечном итоге применена дифференциальная схема преобразования разности емкостей в скважность импульсов, то повышена точность преобразования. Размещение одноосевых акселерометров в единой этажерке, которая одновременно выполняет роль корпуса прибора, которая выполняется металлической, обеспечивает достойную экранизацию прибора от внешних помех.Due to common and distinctive features, the dimensions of the two-axis accelerometer have been reduced. Since the number of elastic elements has been significantly reduced, the design of the accelerometer has been simplified. By converting the difference in capacitances into the duty cycle of the pulses, the number of electronic elements has decreased, which allows the proposed converter to be designed in a hybrid design with the converter board placed on an inertial mass, which also leads to a reduction in dimensions. In addition, since a differential circuit is ultimately used to convert the capacitance difference into the duty cycle of the pulses, the conversion accuracy is increased. Placing single-axis accelerometers in a single shelf, which simultaneously serves as the device’s body, which is made of metal, provides adequate shielding of the device from external interference.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2810694C1 true RU2810694C1 (en) | 2023-12-28 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU1259815C (en) * | 1984-10-03 | 1994-09-30 | Рыбинский Авиационный Технологический Институт | Three-component accelerometer |
RU2191390C2 (en) * | 1999-10-04 | 2002-10-20 | Балаковский институт техники, технологии и управления | Accelerometer |
WO2008051677A2 (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-02 | Custom Sensors & Technologies, Inc. | Dual axis rate sensor |
SU1840697A1 (en) * | 1963-06-17 | 2008-12-10 | Государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. акад. Н.А.Пилюгина" | Compensation pendular accelerometer with frequency output |
RU2528119C2 (en) * | 2012-12-26 | 2014-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Thermal invariant meter of linear acceleration |
RU2693030C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-07-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Two-axis micromechanical accelerometer |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1840697A1 (en) * | 1963-06-17 | 2008-12-10 | Государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. акад. Н.А.Пилюгина" | Compensation pendular accelerometer with frequency output |
RU1259815C (en) * | 1984-10-03 | 1994-09-30 | Рыбинский Авиационный Технологический Институт | Three-component accelerometer |
RU2191390C2 (en) * | 1999-10-04 | 2002-10-20 | Балаковский институт техники, технологии и управления | Accelerometer |
WO2008051677A2 (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-02 | Custom Sensors & Technologies, Inc. | Dual axis rate sensor |
RU2528119C2 (en) * | 2012-12-26 | 2014-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Thermal invariant meter of linear acceleration |
RU2693030C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-07-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Two-axis micromechanical accelerometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3262013B2 (en) | Capacitive sensor interface circuit | |
US6278283B1 (en) | Capacitance detecting circuit | |
JP4178658B2 (en) | Capacitive physical quantity detector | |
EP0385917A1 (en) | Pulse-driven accelerometer arrangement | |
JP3125675B2 (en) | Capacitive sensor interface circuit | |
Petkov et al. | A fully differential charge-balanced accelerometer for electronic stability control | |
US7423568B2 (en) | Sigma delta modulator | |
JP2003121457A (en) | Capacitance type physical quantity sensor | |
US20200041537A1 (en) | Accelerometers | |
KR101839660B1 (en) | Semiconductor device and sigma-delta loop mems acquisition | |
US10983141B2 (en) | Excitation circuit, system including excitation circuit and capacitive transducer, and method | |
JP5104936B2 (en) | Acceleration and angular velocity detection device | |
JP6087927B2 (en) | Surface charge reduction technology for capacitive sensors | |
JPH04503713A (en) | Sensor signal processing device | |
RU2810694C1 (en) | Dual-axis micromechanical accelerometer with capacitive displacement transducer | |
JP2022096642A (en) | Inductive sensing method, device, and system | |
US8316710B2 (en) | Physical quantity measuring apparatus | |
JP2005017216A (en) | Three-axes acceleration sensor | |
KR20180058636A (en) | Capacitive accelerometer | |
US10712360B2 (en) | Differential charge transfer based accelerometer | |
JP5135956B2 (en) | Capacitance change detection device | |
RU2282149C1 (en) | Two-channel device for measuring movements of conducting body | |
US20240186971A1 (en) | Dc restore scheme for capacitive sensing amplifiers with optimal noise filtering | |
RU2272298C1 (en) | Capacity transformer of movements | |
RU2175114C2 (en) | Body motion meter |