Акселерометр с улучшенной стабильностью смещения
Группа изобретений относится к области измерения ускорений. Сущность изобретений заключается в том, что акселерометр содержит электроды датчика, электроды обнаружения, которые выполнены с возможностью определения конкретного соотношения между первой электростатической силой и отклонением массивного тела датчика для по меньшей мере двух разных подстроечных напряжений и с возможностью определения из этого нейтральной точки для отклонения, в которой соответствующие первые электростатические силы равны для разных подстроечных напряжений. Акселерометр выполнен с возможностью регулировки напряжений, приложенных к первым подстроечным электродам, вторым подстроечным электродам, электродам датчика и/или электродам обнаружения таким образом, чтобы установить отклонение массивного тела датчика относительно нейтральной точки посредством электродов датчика и электродов обнаружения. Технический результат – повышение точности измерения ускорений, осуществляемых акселерометром. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам измерения ускорения с высокой стабильностью смещения устройства измерения.
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.
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 2016/120319 A1 раскрывает акселерометр, в котором подстроечное напряжение может быть приложено для компенсации сил пружины, действующих на массивное тело датчика.
JP 2000/180180 A и US 2005/0001275 A1 раскрывают использование подстроечных электродов в акселерометрах.
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.
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.
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.
Эта задача решается изобретением по независимым пунктам формулы изобретения.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Соотношение между первой электростатической силой и отклонением может быть определено через соотношение между текущим рабочим циклом и разницей емкостей.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Фиг.1 показывает схематическое изображение акселерометра.
Фиг.2 показывает схематическое изображение зависимости силы, измеренной акселерометром, от отклонения его массивного тела датчика при разных подстроечных напряжениях.
Фиг.3 показывает схематическое изображение другого акселерометра.
Фиг.4 схематично показывает технологическую схему способа установки отклонения массивного тела датчика акселерометра в положение со стабильным смещением.
Фиг.1 показывает схематическое изображение акселерометра.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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».
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Таким образом, возможно определить измеренные значения, которые необходимы для получения графика силового пути, для каждого приложенного подстроечного напряжения и, из этого, нейтральную точку.
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.
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.
Таким образом, нейтральная точка может быть достигнута и поддерживаться простым способом.
На фиг.4 схематично показана технологическая схема способа установки нейтральной точки, который может выполняться акселерометром с эквивалентной конструкцией датчика, как описано выше.
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.
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.
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.
1. Акселерометр (100), содержащий:
массивное тело (120) датчика, которое расположено на подложке (110) посредством пружинных элементов (130) с возможностью перемещения вдоль оси (x) перемещения;
первые подстроечные электроды (140), которые соединены с массивным телом (120) датчика;
электроды (160) датчика, которые соединены с массивным телом (120) датчика;
вторые подстроечные электроды (150), которые соединены с подложкой (110) и связаны с первыми подстроечными электродами (140);
электроды (170) обнаружения, которые соединены с подложкой (110) и связаны с электродами (160) датчика, при этом
электроды (160) датчика и электроды (170) обнаружения выполнены с возможностью отклонения массивного тела (120) датчика вдоль оси (x) перемещения посредством приложенного напряжения и с возможностью измерения отклонения и первой электростатической силы (Fd), которая действует на массивное тело (120) датчика посредством электродов (160) датчика и электродов (170) обнаружения, для определения соотношения между первой электростатической силой (Fd) и отклонением массивного тела (120) датчика;
при отклонении массивного тела (120) датчика вдоль оси (x) перемещения пружинные элементы (130) выполнены с возможностью создания силы (Ff) сжатия пружины, действующей на массивное тело (120) датчика;
акселерометр (100) выполнен с возможностью создания, путем приложения подстроечного электрического напряжения между первыми подстроечными электродами (140) и вторыми подстроечными электродами (150), второй электростатической силы (Ft), действующей на массивное тело (120) датчика, которую добавляют к силе (Ff) сжатия пружины, чтобы она стала эффективной силой сжатия пружины;
электроды (160) датчика и электроды (170) обнаружения выполнены с возможностью определения конкретного соотношения между первой электростатической силой и отклонением массивного тела (120) датчика для по меньшей мере двух разных подстроечных напряжений и с возможностью определения из этого нейтральной точки для отклонения, в которой соответствующие первые электростатические силы равны для разных подстроечных напряжений; и
акселерометр (100) выполнен с возможностью регулировки напряжений, приложенных к первым подстроечным электродам (140), вторым подстроечным электродам (150), электродам (160) датчика и/или электродам (170) обнаружения таким образом, чтобы установить отклонение массивного тела датчика относительно нейтральной точки посредством электродов (160) датчика и электродов (170) обнаружения.
2. Акселерометр (100) по п.1, в котором
после установки отклонения относительно нейтральной точки подстроечное напряжение регулируют таким образом, чтобы вторая электростатическая сила частично или полностью компенсировала силу сжатия пружины.
3. Акселерометр (100) по любому из предыдущих пунктов, в котором
электроды (160) датчика и электроды (170) обнаружения разделены на первые пары электродов (160) датчика и электродов (170) обнаружения и вторые пары электродов (160) датчика и электродов (170) обнаружения;
первые пары и вторые пары расположены в разных местоположениях вдоль оси (x) перемещения;
заранее заданное напряжение попеременно прикладывают к электродам (160) датчика и электродам (170) обнаружения первых пар и к электродам (160) датчика и электродам (170) обнаружения вторых пар с рабочим циклом; и
обеспечена возможность изменения первой электростатической силы путем изменения рабочего цикла.
4. Акселерометр (100) по п.3, в котором
емкость конденсаторов, сформированных электродами (160) датчика и электродами (170) обнаружения, определяют во время приложения заранее заданного напряжения к соответствующим электродам (160) датчика и электродам (170) обнаружения;
отклонение массивного тела (120) датчика определяют через разницу емкостей между первыми парами электродов (160) датчика и электродов (170) обнаружения и вторыми парами электродов (160) датчика и электродов (170) обнаружения; и
соотношение между первой электростатической силой и отклонением определяют через соотношение между текущим рабочим циклом и разницей емкостей.
5. Акселерометр (100) по п.4, в котором
обеспечена возможность изменения рабочего цикла в каждом случае для подстроечного напряжения, а разницу емкостей определяют для каждого рабочего цикла; и,
чтобы установить отклонение относительно нейтральной точки, рабочий цикл устанавливают таким образом, чтобы одинаковая разница емкостей возникала для каждого из разных подстроечных напряжений.
6. Акселерометр (100) по любому из предыдущих пунктов, в котором
напряжения, приложенные к первым подстроечным электродам (140), вторым подстроечным электродам (150), электродам (160) датчика и/или электродам (170) обнаружения, автоматически регулируют контуром управления таким образом, чтобы управлять отклонением относительно нейтральной точки.
7. Акселерометр (100) по любому из предыдущих пунктов, в котором
напряжения, приложенные к первым подстроечным электродам (140) и вторым подстроечным электродам (150), автоматически регулируют контуром управления таким образом, чтобы вторая электростатическая сила частично или полностью компенсировала силу сжатия пружины.
8. Акселерометр (100) по любому из предыдущих пунктов, в котором
установка массивного тела (120) датчика относительно нейтральной точки представляет собой приближение отклонения массивного тела (120) датчика к нейтральной точке или установку отклонения массивного тела (120) датчика от нейтральной точки.
9. Способ установки отклонения массивного тела (120) датчика акселерометра (100) по любому из предыдущих пунктов, включающий:
приложение напряжений к первым подстроечным электродам (140), вторым подстроечным электродам (150), электродам (160) датчика и/или электродам (170) обнаружения акселерометра (100);
определение конкретного соотношения между первой электростатической силой (Fd) и отклонением массивного тела (120) датчика для по меньшей мере двух разных подстроечных напряжений;
определение нейтральной точки для отклонения (n), в которой соответствующие первые электростатические силы равны для разных подстроечных напряжений, из соотношений между первой электростатической силой (Fd) и отклонением (n) массивного тела (120) датчика и
регулировку напряжений, приложенных к первым подстроечным электродам (140), вторым подстроечным электродам (150), электродам (160) датчика и/или электродам (170) обнаружения таким образом, чтобы установить отклонение массивного тела (120) датчика относительно нейтральной точки.
