SE441127B - Accelerometer - Google Patents

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)

8400365-6 moduleras av mycket små variationer i ytavståndet 5, 6. Sensorer med denna uppbyggnad får mycket hög känslighet och signalupplösning. Kaviteten mellan ytorna 5 och 6 kan i detta, liksom i andra, fall göras sluten, vilket kan ha fördelar om det omgivande gasmediet uppvisar stora tryckvariationer. Gasviskositeten är, vid normalt lufttryck och normala temperaturer, inte särskilt kraftigt beroende av dessa omgivningsparametrar, men i extremfall kan en kontroll vara nödvändig genom hermetisk kapsling av sensorkroppen. Uppfinningen kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav. PATENTKRAV

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