SE441127B - Accelerometer - Google Patents
AccelerometerInfo
- Publication number
- SE441127B SE441127B SE8400365A SE8400365A SE441127B SE 441127 B SE441127 B SE 441127B SE 8400365 A SE8400365 A SE 8400365A SE 8400365 A SE8400365 A SE 8400365A SE 441127 B SE441127 B SE 441127B
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- mass element
- accelerometer according
- accelerometer
- sensor body
- mass
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up
Description
10
15
20
25
30
84003 65-6
dessa storheter kan omformas till elektriska eller optiska signaler genom
en rad olika fysikaliska fenomen, t ex kapacitiv lägesbestämning, piezo-
elektrisk eller piezoresistiv töjningsmätning, resp geometriskt optisk
eller interferometrisk lägesbestämning samt fotoelastisk töjningsmätning.
Mass-fjädersystemet enligt ovan är alltid behäftat med mekaniska resonans-
fenomen, vilka begränsar systemets dynamiska egenskaper. Vanligen utnyttjas
endast frekvensområdet under den fundamentala (lägsta) resonansfrekvensen.
För optimal amplitud- och faskarakteristik bör då denna resonans dämpas ge-
nom införande av ett dämpelement av något slag. En lösning av detta problem
är införande av ett visköst mekaniskt resistanselement, vanligen baserat på
en vätska för att få tillräckligt hög viskositet. Detta för dock med sig
kapslingsproblem samt risk för bubbelbildning i samband med temperatur-
och tryckvariationer, vilket för med sig otillförlitlig funktion hos dämp-
elementet. En helt annan lösning av problemet är att utnyttja elektroniska
filter, eventuellt t o m adaptiva filter, vars parametrar kan styras av
signalens frekvensinnehåll. I denna lösning kvarstår emellertid en annan
viktig problematik, nämligen sensorns slagtålighet. Direkta slag mot sensor-
kroppen, t ex vid fall mot hårt underlag, ger, om sensorn är mekaniskt odäm-
pad, upphov till kraftiga resonanssvängningar på grund av excitationens
stora bandbredd. Detta kan ofta leda till plastiska deformationer eller
knäckningsskador, vilka i sin tur orsakar svårtolkade felfunktioner.
Föreliggande uppfinning går ut på en lösning av ovannämnda och andra härmed
sammanhängande problem, och kännetecknas därav, att accelerometern därutöver
innehåller ett dämpelement, bestående av en gasfylld kavitet, bildad av två
väsentligen parallella ytor, varav den ena tillhör masselementet och den
andra ytan tillhör sensorkroppen eller del i stum förbindelse därmed, varvid
ytornas längd, bredd och inbördes avstånd givits sådana värden, att den funda-
mentala resonansen för svängningsrörelser mellan masselementet och sensorkrop-
pen blir i huvudsak kritiskt dämpad. Uppfinningen består alltså av ett meka-
niskt dämpelement med sådan geometrisk utformning att en gas, t ex luft vid
normala tryck, kan utnyttjas som visköst medium- Kaviteten kan alltså helt
enkelt bestå av luft mellan två parallella ytor. Genom denna dämpning elimi-
neras samtliga ovannämnda nackdelar. Dämpelementen kan realiseras i en rad
olika system och med flera alternativa metoder, inkluderande integrerad tek-
nik lämpad för parallell "batch-processing". Accelerometern kan ha optisk
eller elektrisk utsignal baserad på geometriskt optisk eller interferomet-
*Jï
10
15
20
25
30
8400365-6
risk ljusmodulation, alternativt piezoelektrisk eller kapacitiv signal-
omvandling.
Uppfinningen är exemplifierad i bifogade figurer, av vilka fig 1, 3 och 6
visar olika utförandeformer på accelerometrar med optisk utsignal, fig 2
illustrerar dämpelementets principiella funktion samt fig U och 5 utförande-
former med elektrisk utsignal.
I fig 1 matas en sensor med optisk excitationsenergi via en optisk fiber 7,
i vars ände en s k GRIN-lins 8 (graded index) är stumt monterad både mot fi-
bern och mot en sensorkropp 1, vilken av tillverkningsmässiga skäl är två-
delad med ett delningsplan 9, som innehåller fiberändytan. I delningsplanet
9 är även inlagd en tunn skiva av ett fotoluminiscerande material 10, t ex
en skiktsstruktur av GaAs-AlxGa1_XAs, av skäl som bl a beskrivits i svensk
patentansökan 8203296-2 (430 825). Materialet 10 är inlagt så att det genom
fibern 7 ínfallande ljuset endast delvis absorberas och reemitteras i form
av fotoluminiscens. Resterande ljus passerar genom GRIN-linsen 8, vilken
parallelliserar strålknippet, som intill fiberändytan är divergent. På sen-
sorkroppen 1 finns vidare själva sensorelementet 12, bestående av ett mass-
element 2, ett elastiskt element 3, såsom en fjäder, samt ett dämpelement U.
Fjäderelementet 3 består i utförandeexemplet av en fast inspänd balk, an-
bringad på ett distanselement 11. Dämpelemenflet eller som det även kallas
kaviteten kan vara luft mellan två ytor. Masselementet 2 är fast anbringat
på balken och så utformat, att två väsentligen parallella ytor 5 och 6 bil-
das mellan masselementet och sensorkroppen. Vidare är sensorelementet 12
en god reflektor av den optiska energi, som infaller via GRIN-linsen 8.
Sensorns funktion är följande:
När sensorkroppen 1 utsätts för acceleration i samma riktning som den op-
tiska fiberns 7 utbredningsriktning uppstår på grund av masselementets 2
tröghet och fjäderelementets 3 motverkande kraft en relativ rörelse mellan
sensorelementet 12 och sensorkroppen 1. Detta ger upphov till en vinkeländ-
ring, vilken i sin tur orsakar en variation i den ljusintensitet som sensor-
elementet 12 reflekterar tillbaka in i Fibern 7. Fotoluminiscensen från
materialet 10 avger en optisk referenssignal, oberoende av mätsignalen,
för att bortkompensera eventuella optiska förluster utmed fibern 7 eller
eventuella sknrvdon.
*'41
9
i
F
åï
a:
y^fi
ffttm
10
15
20
25
30
8400365-6
Fig 2 ger en närmare illustration av dämpelementets 4 funktion. Masselemen-
tet 2 är utformat så att en gasfylld kavitet uppstår mellan tvâ väsentligen
parallella ytor 5 och 6, varav den ena 5 tillhör sensorkroppen och den andra
6 tillhör masselementet 2. Då hela sensorelementet 12 inkluderande massele-
mentet 2 och den elastiska delen 3 försätts i vibration uppstår tryckvaria-
tioner i kaviteten H, vilka måste utjämnas genom ett gasflöde in resp ut ur
kaviteten. Flödesresistansen bestäms av mediets (gasens) viskositet, avstån-
det mellan ytorna 5 och 6 och dessas storlek och form. Flödesresistansens
storlek bestämmer i sin tur dämpningen av sensorelementets 12 mekaniska reso-
nans. Man kan således genom dimensionskontroll teoretiskt och empiriskt ut-
forma kaviteten H så, att optimala dämpegenskaper uppnås. Detta sker vid
s k kritisk dämpning enligt känd teori för andra ordningens system och kan
enkelt verifieras genom uppmätning av accelerometerns frekvenskarakteristik.
Ett specifikt analytiskt samband kan härledas för fallet fast inspänd balk
med jämnt distribuerad massa och rektangulär form:
h2d3(Ep)1/2
n l2b2
Q:
resonansens Q-värde
balkens tjocklek
Youngs modul
densitet
avstånd mellan ytorna 5 och 6
gasens viskositet
balkens längd
balkens bredd
Ul-JJQ-'OCXIITID
Fig 3 visar en modifierad utförandeform av den fiberoptiska accelerometern
enligt fig 1, där sensorelementet 12 utformats som en integrerad struktur,
tillverkad med metoder hämtade från halvledarteknologin. Sensorelementet 12
är tillverkat ur ett monolitiskt, enkristallint material, t ex en GaAs-
-AlXGa1_xAs-struktur, innehållande ett GaAs-substrat 20 med epitaxiella
skikt 21 av GaAs och A1 Ga As. Genom mönsteretsning med känd fotolitogra-
fisk teknik kan en geomštrisš utformning enligt fig 3b tillverkas. Massele-
mentet 2 är här förenat med stödelementet 20 via två elastiska element 3,
22. Dessa är placerade så att rörelser hos masselementet 2 vinkelrätt mot
den normala riktningen förhindras. Vidare ger masselementets 2 placering
nära infästningen mot stödelementet 20 en mekanisk förstärkning av sensor-
elementets 12 rörelse i den fria änden genom hävstångsverkan.
15
20
25
30
8400365-6
Fig H visar en utförandeform av en accelerometer elektrisk utsignal. Sen-
sorn är i detta fall uppbyggd av två piezoelektriska plattor 31, 32, t ex
Pb(ZrxTi1_x)O3 som ett s k bimorft element, där plattorna 21 och 32 har
metallskikt 30, 33, 3H och motriktad polarisation. Böjningar i elementet ger
direkt en elektrisk utspänning mellan ytterskiktet 30, 33. Denna utsignal
kan avledas med hjälp av elektriska trådförbindelser 35, 36, 37 till för-
stärkaranordningar och signalbehandlingsenheter. I den beskrivna utförande-
formen utgör de piezoelektriska plattorna 31, 32 med metallskikten 30, 33,
3ü distribuerade masselement och elastiska element. Dämpelementet H bildas
genom kontroll av plattornas 31, 32 form och dimensioner samt avståndet mel-
lan ytorna 33 och 5. Omgivande gas bestämmer viskositetsvärdet såsom tidi-
gare beskrivits i anslutning till fig 2.
I fíg 5 visas en elektrisk accelerometer i integrerat utförande. Sensor-
kroppen 1 är gjord i enkristallint kisel med indiffunderat mönster med bor-
dopning 40. Ovanpå denna skiktnivå H1 har ytterligare kisel H2 deponerats
genom epitaxiell tillväxt, varefter denna yta oxiderats, vilket resulterat
i ett tunt skikt SiO2 H3 med god vídhäftning och goda mekaniska egenskaper.
Detta skikt, liksom epitaxiskiktet 42, har selektivt bortetsats på de stäl-
len, där en bor-diffusion tidigare utförts. Tekniken för detta är känd, t ex
genom KE Petersen, Proc IEEE, Vol 70 (1982) H20-H57. Genom detta förfarande
kan således balkelementet H4 i S10 integreras på kiselsubstrat.
2
Balkelementet 44 är på ovansidan belagt med ett metallskikt, eventuellt
med en lokaliserad massa 47. En kapacitiv koppling av det inbördes läget
mellan ytan H0 och balkelementet HU är således möjlig, och de genom den
kapacitiva kopplingen alstrade signalerna kan överföras via metallskikt 45,
H6 till förstärkarelement, som företrädesvis är integrerade på samma kisel-
substrat. Dämpelementet U utbildas på analogt sätt enligt tidigare beskriv-
ning mellan ytorna NO och HU.
Fig 6 är en alternativ utformning av en fiberoptisk accelerometer, utnytt-
jande en s k Fabry-Perot-kavitet för interferometrisk ljusmodulation genom
accelerationspåverkan. Uppbyggnaden är fysiskt mycket lik den i fig 1. Av-
vikelsen är att ytorna 5 och 6 är halvreflekterande genom t ex tunna för-
ångade metallskikt. Om avståndet mellan ytorna 5 och 6 understiger halva
koherenslängden för det ljus som infaller genom fibern 7 via GRIN-linsen 8
uppstår interferens, vilket innebär att den reflekterade ljusintensiteten
æooza 93%?
Claims (12)
1. Accelerometer med optisk eller elektrisk utsignal, representerande acce- lerationen av en sensorkropp (1), innehållande minst ett masselement (2) och minst ett elastiskt element (3), anslutet till sensorkroppen (1), varvid den optiska eller elektriska utsignalen är anordnad att genereras som följd av masselementets (2) relativa rörelse gentemot sensorkroppen, eller såsom följd av inre mekaniska töjningar i masselementet (2) eller det elastiska elementet (3), k ä n n e t e c k n a d därav, att accelerometern därutöver innehåller ett dämpelement, bestående av en gasfylld kavitet (Ä), bildad av två väsentligen parallella ytor (5, 6), varav den ena tillhör masselementet (2) och den andra ytan tillhör sensorkroppen (1) eller del i stum förbind- else därmed, varvid ytornas längd, bredd och inbördes avstånd (5, 6) givits sådana värden, att den fundamentala resonansen för svängningsrörelser mel- lan masselementet (2) och sensorkroppen (1) blir i huvudsak kritiskt dämpad.
2. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att masselementet (2) och det elastiska elementet (3) består av en fast inspänd balk.
3. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att masselementets (2) eller del i fast anslutning därtill rörelse är anordnat att detekteras genom modulation av ljus, infallande genom minst en optisk fiber (7). 8400365-6
H. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att masselementets (2) eller del i fast anslutning därtill rörelse är anordnat att detekteras såsom kapacitansvariationer mellan två elektriskt ledande ytor (H0, MH).
5. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att masselementet (2) eller det elastiska elementet (3) åtminstone delvis är uppbyggt av ett piezoelektriskt material, t ex Pb(ZrxTi1_X)03.
6. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den i kaviteten (H) innehållna gasen är hermetiskt åtskild från omgiv- ningen.
7. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att masselementet (2) och det elastiska elementet (3) är uppbyggda genom integrering från en substratdel (20) och minst en skiktdel (21).
8. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att avståndet mellan ytorna (5, 6) är definierade av tjockleken på minst ett distanselement (11, 20) eller minst ett deponerat skikt (H2).
9. Accelerometer enligt patentkrav 1, 3 eller N, k å n n e t e c k n a d därav, att den detekterade rörelsen är förstärkt genom mekanisk hävstångs- verkan från en på masselementet utskjutande del (12).
10. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att masselementet (2) och det elastiska elementet (3) utgöres av distri- buerade parametrar utefter ett jämntjockt element (30, 31, 32, 33, 3ü).
11. Accelerometer enligt patentkrav 1 och 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att sensordelen (12) åtminstone delvis är ljusreflekterande och så placerad i förhållande till i sensorn befintliga optiska fiberelement (7) och linselement (8) att geometriska variationer i masselementets (2) läge ger variationer i reflekterat ljus in i fibern (7).
12. Accelerometer enligt patentkrav 1 och 3, k ä n n e L e c k n n d därav, att kaviteten (4) därutöver utgör en s k Fabry-Perot-kavítet, vars ytor (5, 6) belagts med delvis reflekterande, tunna skikt, t ex metall- skikt. * Pga-l? o
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE8400365A SE441127B (sv) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | Accelerometer |
EP85100499A EP0151957A3 (de) | 1984-01-25 | 1985-01-18 | beschleunigungsmesser |
JP999085A JPS60164253A (ja) | 1984-01-25 | 1985-01-24 | 加速度計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE8400365A SE441127B (sv) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | Accelerometer |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE8400365D0 SE8400365D0 (sv) | 1984-01-25 |
SE8400365L SE8400365L (sv) | 1985-07-26 |
SE441127B true SE441127B (sv) | 1985-09-09 |
Family
ID=20354449
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE8400365A SE441127B (sv) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | Accelerometer |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0151957A3 (sv) |
JP (1) | JPS60164253A (sv) |
SE (1) | SE441127B (sv) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5058960A (en) * | 1989-08-07 | 1991-10-22 | Tekonsha Engineering Company | Pendulum-type accellerometer for electrically-actuated braking systems |
CA2149933A1 (en) * | 1994-06-29 | 1995-12-30 | Robert M. Boysel | Micro-mechanical accelerometers with improved detection circuitry |
CH711448A1 (fr) * | 2015-08-25 | 2017-02-28 | Sercalo Microtechnology Ltd | Capteur d'accélération de type optique. |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3417626A (en) * | 1965-05-25 | 1968-12-24 | Gen Precision Inc | Single-axis accelerometer |
US3453457A (en) * | 1967-04-03 | 1969-07-01 | Electra Scient Corp | Wide band accelerometer |
DE2624884C3 (de) * | 1976-06-03 | 1980-08-07 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8000 Muenchen | Beschleunigungsmesser |
JPS5613719U (sv) * | 1979-07-13 | 1981-02-05 | ||
SE436936B (sv) * | 1981-01-29 | 1985-01-28 | Asea Ab | Integrerad kapacitiv givare |
SE430825B (sv) * | 1982-05-27 | 1983-12-12 | Asea Ab | Fiberoptisk givare for metning av dynamiska rorelser |
-
1984
- 1984-01-25 SE SE8400365A patent/SE441127B/sv not_active IP Right Cessation
-
1985
- 1985-01-18 EP EP85100499A patent/EP0151957A3/de not_active Withdrawn
- 1985-01-24 JP JP999085A patent/JPS60164253A/ja active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS60164253A (ja) | 1985-08-27 |
EP0151957A2 (de) | 1985-08-21 |
SE8400365D0 (sv) | 1984-01-25 |
EP0151957A3 (de) | 1986-10-29 |
SE8400365L (sv) | 1985-07-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10859596B2 (en) | Mechanically-isolated in-plane pendulous vibrating beam accelerometer | |
US10866258B2 (en) | In-plane translational vibrating beam accelerometer with mechanical isolation and 4-fold symmetry | |
US10724909B2 (en) | Microelectromechanical scalable bulk-type piezoresistive force/pressure sensor | |
CA1078217A (en) | Force transducing cantilever beam and pressure transducer incorporating it | |
Leung et al. | Micromachined accelerometer based on convection heat transfer | |
US7181972B2 (en) | Static and dynamic pressure sensor | |
US7605391B2 (en) | Optically coupled resonator | |
US5404749A (en) | Boron doped silicon accelerometer sense element | |
US10823754B2 (en) | Accelerometer with strain compensation | |
EP0239703B1 (en) | Force-sensitive flow sensor | |
US5689107A (en) | Displacement-based opto-electronic accelerometer and pressure sensor | |
US4890480A (en) | Relating to devices for measuring fluid density | |
CA2130677A1 (en) | Soi actuators and microsensors | |
CN100570755C (zh) | 一种低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器 | |
KR20090094809A (ko) | 고 감도 압저항 소자 | |
US20030005768A1 (en) | Sensor | |
EP3835794B1 (en) | Resonator including one or more mechanical beams with added mass | |
US6553836B2 (en) | Surface acoustic wave (SAW) accelerometer | |
IT201900017546A1 (it) | Dispositivo a pulsante mems resistente all'acqua, dispositivo di ingresso comprendente il dispositivo a pulsante mems e apparecchio elettronico | |
SE434434B (sv) | Fiberoptisk luminiscensgivare med interferens i tunna skiktstrukturer | |
SE436800B (sv) | Optiskt sensorelement av fast material for avkenning av fysikaliska storheter, sasom tryck, vilket exciteras optiskt och avger fotoluminiscens | |
US20070086502A1 (en) | Optically Coupled Sealed-Cavity Resonator and Process | |
US5569856A (en) | Differential pressure transducer wherein a bridge connects two pressure diaphragms | |
EP0855583B1 (en) | Device for measuring a pressure | |
SE441127B (sv) | Accelerometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |
Ref document number: 8400365-6 Effective date: 19891201 Format of ref document f/p: F |