BRPI0822112B1

BRPI0822112B1 - sensor inercial capacitivo, método para detecção de movimento em um eixo geométrico e método para produzir o referido sensor

Info

Publication number: BRPI0822112B1
Application number: BRPI0822112A
Authority: BR
Inventors: George Hartwell Peter; G Walmsley Robert
Original assignee: Hewlett Packard Development Co
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2018-12-04
Also published as: RU2469336C2; CN102047126B; BRPI0822112A2; RU2010143549A; BRPI0822112A8; EP2257821B1; CN102047126A; WO2009120193A1; EP2257821A1; US20110018561A1; EP2257821A4

Abstract

sensor, método para detecção e método para produzir um sensor. um sensor capacitivo inclui primeiro e segundo conjuntos de eletrodos de capaci tor variável, dispostos respectivamente sobre urna superfície suporte plana e urna massa de prova que é deslocável complacentemente ao longo de um primeiro eixo geométrico substancialmente paralelo à superfície suporte plana. o primeiro conjunto de eletrodos produz urna variação cíclica de capaci tância através de deslocamento da massa de prova ao longo do primeiro eixo geométrico, e o segundo conjunto de eletrodos produz urna variação de capaci tância absoluta através de toda a faixa de deslocamento ao longo do primeiro eixo geométrico .

Description

(54) Título: SENSOR INERCIAL CAPACITIVO, MÉTODO PARA DETECÇÃO DE MOVIMENTO EM UM EIXO GEOMÉTRICO E MÉTODO PARA PRODUZIR O REFERIDO SENSOR (73) Titular: HEWLETT-PACKARD DEVELOPMENT COMPANY, L.P.. Endereço: 11445 COMPAQ CENTER DRIVE WEST, HOUSTON, TX 77070, ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA(US) (72) Inventor: PETER GEORGE HARTWELL; ROBERT G. WALMSLEY.

Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 04/12/2018, observadas as condições legais

Expedida em: 04/12/2018

Assinado digitalmente por:

Liane Elizabeth Caldeira Lage

Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados

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SENSOR INERCIAL CAPACITIVO, MÉTODO PARA DETECÇÃO DE MOVIMENTO EM UM EIXO GEOMÉTRICO E MÉTODO PARA PRODUZIR O

REFERIDO SENSOR

Antecedentes da invenção [001] No campo de dispositivos de medição eletrônicos, é frequentemente desejável determinar quando um aparelho é movido ou acelerado fisicamente por uma força externa. Também pode ser desejável determinar a magnitude e direção de tal força. Para fazer estes tipos de medições, dispositivos detectores de movimento ou de aceleração podem ser posicionados em ou incluídos dentro de um aparelho. Em particular, sensores tipo MEMS têm sido desenvolvidos para inclusão em circuitos microeletrônicos, permitindo sensores muito pequenos e de movimento preciso serem produzidos muito economicamente.

[002] Os dispositivos MEMS são uma combinação de sistemas micromecânicos e microeletrônicos. Um dispositivo MEMS compreende tipicamente uma estrutura micromecânica móvel e microeletrônicos baseados em silício que são fabricados usando os mesmos tipos de processos de fabricação que são usados para circuitos integrados. Um tipo de sensor MEMS conhecido é um transdutor MEMS capacitivo. Tais transdutores são usados em uma variedade de aplicações, tais como em sistemas automotivos de airbags . A estrutura mecânica neste tipo de transdutor compreende uma placa ou eletrodo capacitivo, a qual é ligada a uma massa de prova e suspensa adjacente a uma outra placa ou eletrodo capacitivo. À medida que a massa se move, uma mudança na capacitância é causada pelo deslocamento dos eletrodos capacitivos suspensos. Esta

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2/24 mudança de capacitância é detectada pelos microeletrônicos e indica uma magnitude de aceleração. Sensores tipo MEMS têm sido desenvolvidos para detectar movimento em um, dois e até mesmo três dimensões.

[003] Foi descoberto que a performance é melhorada com um arranjo de eletrodos de superfície cíclica, de passo fino, para um sensor MEMS tipo lateral. Entretanto, para dispositivos com uma grande faixa dinâmica, a massa de prova pode viajar além de um passo do arranjo de eletrodos, resultando em uma perda de determinância posicionai, se baseada somente na capacitância do sensor do arranjo. Isto pode tornar difícil determinar deslocamento baseado somente na mudança de capacitância.

Descrição resumida dos desenhos [004] Várias características e vantagens da presente divulgação serão aparentes a partir da descrição detalhada que segue, tomada em conjunção com os desenhos anexos, os quais juntos ilustram, para fins de exemplo, características da presente divulgação, e onde:

A figura 1 é uma vista de seção transversal, lateral, de um sensor tendo um par de eletrodos de capacitor com sobreposição variável;

A figura 2 é uma vista em perspectiva de um sensor de movimento tendo um eletrodo de capacitor montado em uma massa de prova móvel e sobrepondo parcialmente um eletrodo estático montado em um suporte estacionário;

A figura 3 é uma vista em perspectiva de um sensor de movimento tendo múltiplos eletrodos de capacitor dinâmicos montados em uma massa de prova e sobrepondo parcialmente eletrodos estáticos;

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A figura 4 é uma vista de seção transversal de uma configuração de um sensor capacitivo tipo mems;

A figura 5 é uma vista em planta mostrando arranjos de eletrodos cíclicos em uma configuração de um sensor capacitivo tipo mems bidimensional;

A figura 6 é uma vista em perspectiva de uma configuração de um sistema de sensor capacitivo tendo múltiplos conjuntos de eletrodos arranjados para detectar movimento em um único eixo geométrico;

A figura 7 é uma vista em planta de uma outra configuração de um sistema de sensor capacitivo tendo um conjunto de eletrodo absoluto e um conjunto de eletrodo cíclico arranjados para detectar movimento em um único eixo geométrico;

A figura 8 é um gráfico de capacitância como uma função de deslocamento mostrando os respectivos valores de capacitância para um conjunto de eletrodos cíclicos e um conjunto de eletrodos absolutos;

A figura 9 é uma vista em planta de uma outra configuração de um sistema de sensor capacitivo tendo um conjunto de eletrodos absolutos e dois conjuntos de eletrodos cíclicos arranjados para detectar movimento em um único eixo geométrico;

A figura 10A é uma vista de seção transversal de uma configuração de porções estacionária e de massa de prova de um sensor de movimento capacitivo tendo um conjunto de eletrodos cíclicos com eletrodos substancialmente alinhados em uma posição inicial;

A figura 10A é uma vista de seção transversal de uma configuração de porções estacionária e de massa de prova de

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4/24 um sensor de movimento capacitivo tendo um conjunto de eletrodos cíclicos com eletrodos deslocados aproximadamente 90° em uma posição inicial;

A figura 11 é um gráfico de capacitância como uma função de deslocamento, mostrando os respectivos valores de capacitância para dois conjuntos de eletrodos cíclicos que estão deslocados por 90°, e um conjunto de eletrodos absolutos; e

A figura 12 é uma vista em planta de uma configuração de um sistema de sensor capacitivo tendo um conjunto de eletrodos absolutos e um conjunto de eletrodos cíclicos arranjados para detectar movimento em cada um de dois eixos geométricos.

Descrição detalhada da invenção [005] Referência será feita agora a configurações exemplares ilustradas nos desenhos, e linguagem especifica será usada aqui para descrever as mesmas. Contudo será entendido que nenhuma limitação do escopo da presente divulgação é desta forma intencionada. Alterações e modificações adicionais das características ilustradas aqui, e aplicações adicionais dos princípios ilustrados aqui, que ocorrerão a alguém experiente na técnica relevante e tendo a posse desta divulgação, devem ser consideradas dentro do escopo desta divulgação.

[006] Como notado acima, transdutores MEMS capacitivos têm sido desenvolvidos e são usados em uma variedade de aplicações. Estes sensores tipicamente incluem um ou mais pares de eletrodos capacitivos, que produzem uma mudança de capacitância à medida que uma massa de prova se move. Sensores tipo MEMS têm sido desenvolvidos para

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5/24 detectar aceleração e movimento em uma, duas e até mesmo três dimensões.

[007] Um exemplo de um sensor de capacitância variável é mostrado nas figs. 1 e 2. Ao invés de empregar uma folga de placa de capacitor variável, que pode limitar a faixa dinâmica do dispositivo, este sensor emprega uma sobreposição de placas de capacitor variável para detectar movimento. Este sensor inclui um substrato fixo 10 e uma massa de prova 12 que é móvel ao longo de um eixo geométrico, designado como o eixo geométrico x, em uma direção que é substancialmente paralela à superfície superior 14 do substrato. O substrato e a massa de prova podem ser folhados de silício que são fabricados usando técnicas de fabricação de circuito integrado. A figura 1 é uma vista de seção transversal parcial, enquanto a figura 2 é uma vista em perspectiva com a massa de prova mostrada como se ela fosse transparente, para mostrar as posições relativas dos eletrodos. A massa de prova tem uma posição inicial (isto é, uma posição na qual ela está em descanso quando nenhuma força é aplicada a ela), e pode se mover em qualquer direção ao longo de seu eixo geométrico de movimento, dependendo da direção da força que é aplicada à estrutura sobre a qual o sensor está montado.

[008] Este tipo de sensor pode ser fabricado usando técnicas de ligação de folhado que permitem o uso de eletrodos de superfície. Um eletrodo de superfície fixo 16 é ligado à superfície superior 14 do substrato 10, e um eletrodo de superfície móvel 18 é ligado à superfície inferior 20 da massa de prova 12. A massa de prova e substrato podem ser de material de silício, e podem incluir

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6/24 circuitagem (não mostrada) para interconectar os eletrodos do substrato e massa de prova à circuitagem (não mostrada) para receber e interpretar sinais a partir do sensor.

[009] Os dois eletrodos de superfície 16, 18 são separados por uma folga d, e operam como placas de capacitor de um capacitor variável. Como mostrado na figura 2, o eletrodo móvel tem uma largura w (medida perpendicular ao eixo geométrico de movimento). Dependendo da posição da massa de prova 12, alguma porção do eletrodo variável será posicionada diretamente sobre o eletrodo fixo. Na figura 1, o eletrodo variável se sobrepõe ao eletrodo fixo por uma distância x. Os dois eletrodos portanto têm uma área de sobreposição A que é igual a:

A = w x (1) [0010] Esta área de sobreposição é indicada pela área hachurada 22 na figura 2. Com as placas de capacitor neste arranjo, o sensor provê uma capacitância variável que é proporcional à área de sobreposição A dos eletrodos. A capacitância, C, é aproximada pela equação:

C « (e A) / d (2) onde e é a constante dielétrica do material na folga, d é a dimensão da folga entre os eletrodos, e A é a área de sobreposição das placas. Uma vez que o movimento da massa de prova é em uma direção que é perpendicular à folga, a folga d será fixa, e a capacitância mudará em proporção à sobreposição A dos eletrodos de superfície, ao invés de uma mudança na distância da folga.

[0011] Deve ser apreciado que a faixa dinâmica deste sensor é limitada pela extensão dos eletrodos na direção x. Por esta razão, as placas de eletrodo são tipicamente

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Ί/2Λ produzidas para serem compridas o suficiente tal que o percurso na direção x positiva ou negativa, em resposta a uma força externa, nunca faça as placas se sobreporem completamente, ou nunca se sobreporem ao todo. Qualquer faixa de movimento na qual exista uma sobreposição completa ou nenhuma sobreposição resultará em uma capacitância que não muda com o movimento.

[0012] Para melhorar a sensibilidade deste tipo de sensor, uma grande mudança de capacitância em relação a um movimento (deslocamento) pequeno é desejada. Isto é, é desejável que a mudança em A seja relativamente grande para uma dada mudança em x. Isto pode ser conseguido usando eletrodos de superfície de passo fino. Uma vista em perspectiva de um sensor de capacitância variável 30 tendo um arranjo de eletrodos de superfície de passo fino 32, 34 é mostrado na figura 3. Para aumentar o delta A em relação ao deslocamento x da massa de prova, a largura w dos eletrodos é efetivamente aumentada adicionando conjuntos de placas de eletrodo ao substrato fixo 36 e à massa de prova 38, respectivamente, como mostrado na figura 3. Estes eletrodos são conectados eletricamente em paralelo, tal que o grupo de eletrodos fixos 32 atuem como um único eletrodo, e o grupo de eletrodos móveis 34 atuem juntos como um único eletrodo. A configuração de sensor mostrada na figura 3 tem o triplo da largura de eletrodo w que teria com somente um conjunto de eletrodos, e portanto tem um delta A que é aproximadamente três vezes tão grande para um dado deslocamento x.

[0013] Embora três conjuntos de eletrodos sejam mostrados na figura 3, aproximadamente qualquer número de

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8/24 eletrodos podem ser usados sob esta solução. Placas adicionais podem ser adicionadas para cobrir a área da massa de prova, e estas podem ser orientadas em diferentes direções para detectar movimento em múltiplos eixos geométricos, como discutido em maiores detalhes abaixo. Com referência à figura 4, é mostrada uma configuração de um sensor 100 que inclui três camadas, ou folhados. Em particular, o sensor 100 inclui um folhado de eletrônicos 103, um folhado de massa de prova 106, e um folhado de capa 109. Eletrônicos CMOS 113 podem ser incluídos dentro do folhado de eletrônicos 100, e podem ser acoplados eletricamente a vários componentes elétricos no folhado de massa de prova 106 e no folhado de capa 109. Também, os eletrônicos CMOS 113 podem prover portas de saída para acoplamento a componentes eletrônicos externos ao sensor 100 como pode ser apreciado. Em alguns casos, o calor gerado nos eletrônicos CMOS 113 pode ser inaceitável, em cujo caso os eletrônicos CMOS podem ser localizados em uma pastilha de eletrônicos separada mas próxima, etc.

[0014] O folhado de massa de prova 106 inclui o suporte 116 que é acoplado mecanicamente a uma massa de prova 119. Embora a vista de seção transversal do sensor 100 seja mostrada, de acordo com uma configuração, o suporte 116 tem uma porção do folhado de massa de prova 106 que envolve a massa de prova 119. Consequentemente, em uma configuração, o folhado de eletrônicos 103, o suporte 116, e o folhado de capa 109 formam uma cavidade dentro da qual a massa de prova 119 é suspensa.

[0015] Juntos, o folhado de eletrônicos 103, o suporte 116, e o folhado de capa 109 provêem uma estrutura suporte

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9/24 à qual a massa de prova 119 é ligada via um acoplamento complacente de acordo com várias configurações da presente invenção. A este respeito, o acoplamento complacente pode compreender elementos de suspensão de flexão de alta razão de aspecto 123, como são conhecidos por aqueles experientes na técnica.

[0016] O sensor 100 inclui adicionalmente um primeiro arranjo de eletrodos 126 que é disposto sobre a massa de prova 119. Em uma configuração, o primeiro arranjo de eletrodos 126 é localizado sobre uma superfície da massa de prova 119 que é oposta à superfície superior do folhado de eletrônicos 103. A superfície da massa de prova 119 sobre a qual o primeiro arranjo de eletrodos 126 é disposto é uma superfície substancialmente plana como pode ser apreciado.

[0017] Um segundo arranjo de eletrodos 129 é disposto sobre uma superfície do folhado de eletrônicos 102 voltado para o lado oposto do primeiro arranjo de eletrodos 126 disposto na massa de prova 119. Devido à maneira na qual a massa de prova 12 6 é suspensa sobre o folhado de eletrônicos 103, uma folga substancialmente uniforme 133 é formada entre o primeiro arranjo de eletrodos 126 e o segundo arranjo de eletrodos 129. O tamanho da folga 133 é denotado pela distância d. A distância d pode compreender, por exemplo, qualquer ponto de 1 a 3 micrômetros, ou ela pode ser qualquer outra distância que seja considerada apropriada.

[0018] A massa de prova 119 é suspensa acima do folhado de eletrônicos 103 de maneira tal que o primeiro arranjo de eletrodos 126 e o segundo arranjo de eletrodos 129 caiam substancialmente em planos que são paralelos

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10/24 entre si, tal que a folga 133 seja substancialmente uniforme através de toda a sobreposição inteira entre o primeiro e segundo arranjos de eletrodos 126 e 129. Alternativamente, os arranjos de eletrodos 126, 129 podem ser colocados sobre outras superfícies ou estruturas no folhado de eletrônicos 103 ou na massa de prova 119, como possa ser considerado apropriado. Os eletrodos também podem ser colocados sobre outras porções da massa de prova e a estrutura folhada ligada, em adição ao primeiro e segundo arranjos de eletrodos. Por exemplo, terceiro e quarto arranjos de eletrodos 150 e 152 podem ser posicionados sobre uma superfície superior da massa de prova e uma superfície oposta do folhado superior 109, como mostrado na figura 4. Outras configurações também podem ser usadas.

[0019] Os elementos de suspensão de flexão de alta razão de aspecto 123 oferecem um grau de submissão que permite a massa de prova 119 se mover em relação à estrutura suporte do sensor 100. Devido ao design dos elementos de suspensão de flexão 123, o deslocamento da massa de prova 119 a partir de uma posição de descanso é substancialmente restrito a uma direção que é substancialmente paralela ao segundo arranjo de eletrodos 129, o qual está disposto sobre a superfície superior do folhado de eletrônicos 103. Os elementos de suspensão de flexão 123 são configurados para permitir uma quantidade pré-definida de movimento da massa de prova 119 em uma direção paralela ao segundo arranjo de eletrodos 129 tal que a folga 133 permaneça substancialmente uniforme através de todo o movimento inteiro na máxima extensão possível. O design dos elementos de suspensão de flexão 123 provê uma

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11/24 quantidade mínima de movimento da massa de prova 119 em uma direção ortogonal ao segundo arranjo de eletrodos 129, embora permitindo uma quantidade desejada de movimento na direção paralela ao segundo arranjo de eletrodos 129.

[0020] A seguir, uma breve discussão sobre a operação do sensor 100 para detectar aceleração, por exemplo, é fornecida. Em particular, o sensor 100 é fixado a uma estrutura ou veículo que experimenta aceleração que alguém deseja quantificar. O sensor 100 é fixado à estrutura ou dispositivo tal que a direção da aceleração esteja em linha com a direção do movimento permitido da massa de prova 119 como provido pelos elementos de suspensão de flexão 123 como discutido acima. Uma vez que a estrutura ou veículo experimenta aceleração, a massa de prova 119 se moverá como descrito acima. Devido ao fato que o primeiro arranjo de eletrodos 126 e o segundo arranjo de eletrodos 12 9 estão dispostos sobre a massa de prova 119 e o folhado de eletrônicos 103, então uma ou mais capacitâncias entre o primeiro e segundo arranjos de eletrodos 126 e 129 variarão com o deslocamento dos arranjos entre si.

[0021] Os eletrônicos CMOS 113 e/ou eletrônicos externos podem ser empregados para detectar ou sentir o grau da mudança nas capacitâncias entre os arranjos de eletrodos 126 e 129. Baseado na mudança nas capacitâncias, tal circuitagem pode gerar sinais apropriados que são proporcionais à aceleração experimentada pelo sensor 100. Alternativamente, um circuito de loop fechado pode ser empregado para manter a massa de prova 119 em um local prédefinido durante a aceleração. Tal circuito compreende um loop fechado que aplica sinais de atuação para fazer a

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12/24 massa de prova 119 ficar no local pré-definido baseado em feedback de posição a partir do primeiro e segundo arranjos de eletrodos 126 e 129.

[0022] Embora o movimento da massa de prova 119 seja substancialmente restrito dentro de um plano que é substancialmente paralelo ao segundo arranjo de eletrodos 129, dado que os elementos de suspensão de flexão 123 são complacentes por natureza, então é possível que a massa de prova 119 possa experimentar deslocamento em relação ao segundo arranjo de eletrodos 129 em uma direção ortogonal ao segundo arranjo de eletrodos 129. Registrado de outra forma, movimento indesejado da massa de prova 119 pode ocorrer resultando em uma mudança indesejável na folga 133. De acordo com várias configurações da presente invenção, normalização pode ser empregada para cancelar quaisquer mudanças nas capacitâncias cruzadas desejadas entre o primeiro e segundo arranjos de eletrodos 126 e 129 devido a uma mudança na folga 133 como será descrito.

[0023] Com referência à figura 5, são mostradas vistas dos respectivos primeiro e segundo arranjos de eletrodos 12 6 e 12 9 de acordo com uma configuração da presente invenção. Como mostrado, existem realmente múltiplos primeiros arranjos de eletrodos 126 e múltiplos segundos arranjos de eletrodos 129. Por exemplo, na configuração mostrada, pode haver quatro pares de primeiro e segundo arranjos de eletrodos 12 6 e 12 9. Dado que o primeiro e segundo arranjos de eletrodos 126 e 129 são orientados como mostrado na figura 5, o movimento da massa de prova 119 em duas dimensões dentro de um plano que é paralelo ao segundo arranjo de eletrodos 129 pode ser detectado.

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Consequentemente, em uma configuração, os elementos de suspensão de flexão 123 são configurados para permitir o movimento da massa de prova 119 em duas dimensões. Alternativamente, os elementos de suspensão de flexão podem ser configurados para permitir o movimento em uma única dimensão, onde o primeiro e segundo arranjos de eletrodos 12 6 e 12 9 são situados em uma orientação única para detectar tal movimento unidimensional.

[0024] Cada arranjo de eletrodos individual compreende uma pluralidade de eletrodos. Em particular, os primeiros arranjos de eletrodos 12 6 são cada um constituído de uma pluralidade de primeiros eletrodos 143 e os segundos arranjos de eletrodos 129 são constituídos de uma pluralidade de segundos eletrodos 14 6. Para cada um dos primeiros arranjos de eletrodos 126, existe um correspondente segundo arranjo de eletrodos 129. Cada um dos primeiros arranjos de eletrodos 126 é menor em tamanho que o correspondente segundo arranjo de eletrodos 129 para levar em conta o fato que os primeiros arranjos de eletrodos 126 são móveis. Consequentemente, apesar dos primeiros arranjos de eletrodos 126 se moverem em relação aos respectivos segundos arranjos de eletrodos 129, sempre existe sobreposição substancialmente similar entre os respectivos pares de primeiros e segundos arranjos de eletrodos através de toda a faixa inteira de movimento da massa de prova 119.

[0025] Cada um de os primeiros e segundos eletrodos 143 e 146 compreende condutores retangulares que são dispostos adjacentes entre si. A distância entre um ponto comum em cada um dos eletrodos 143 e 146 para um respectivo

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14/24 arranjo de eletrodos é chamada o passo do arranjo de eletrodos. Embora os eletrodos 143 e 146 sejam mostrados como condutores retangulares, é entendido que condutores de outros formatos e tamanhos podem ser empregados como desejado de acordo com os princípios descritos aqui. Adicionalmente, os eletrodos podem ser dispostos em configurações outras que em arranjos retangulares como representados. Por exemplo, os eletrodos podem ser dispostos em um arranjo circular para uso na detecção de aceleração e deslocamento angulares.

[0026] Será aparente que para as configurações de sensor mostradas nas figs. 3-5, para obter um valor absoluto de capacitância que indique diretamente deslocamento, os limites de percurso da massa de prova serão restringidos tal que as placas mantenham alguma sobreposição em todos os momentos, e também nunca se sobreponham completamente. Este fator tende a limitar a faixa dinâmica do dispositivo. Alternativamente, se a faixa dinâmica do dispositivo for maior que o passo dos eletrodos (isto é a massa de prova pode viajar além de um passo dos eletrodos), isto resultará em uma saída cíclica. Isto é, o sinal de capacitância subirá e cairá à medida que a massa de prova se desloca, com os eletrodos da massa de prova passando sobre e então além de um primeiro eletrodo fixo, então sobre e além de um segundo eletrodo fixo, e assim por diante. Quando a regra de limite de percurso é quebrada, a capacitância não mais será uma linha reta através da faixa de movimento, mas será cíclica e parecerá senoidal. Foi descoberto que a performance (isto é, a sensibilidade) é melhorada indo para uma configuração de eletrodos cíclica.

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Entretanto, o sistema	não tem	mecanismo	para	saber a
posição absoluta da	massa	de prova.	Eletrônicos
especializados têm sido	usados	em sistemas	com	sensores
cíclicos para rastrear a	posição	absoluta contando	o número

de ciclos de deslocamento dos eletrodos, mas isto acrescenta complexidade e custo a tais sistemas.

[0027] Vantajosamente os inventores desenvolveram uma configuração de sensor inercial capacitivo com dois conjuntos independentes de eletrodos para medir movimento no mesmo eixo geométrico. Uma configuração de tal sensor é mostrada na figura 6. Este sensor 200 inclui um primeiro conjunto de eletrodos cíclicos de passo fino 202 que são conectados em paralelo (como discutido acima com relação à figura 3) e um segundo conjunto de eletrodos 204 que são posicionados adjacentes ao conjunto cíclico e têm um passo maior, criando um sensor absoluto de performance mais baixa. Cada conjunto de eletrodos inclui pelo menos um eletrodo no substrato fixo 206, e pelo menos um eletrodo correspondente na massa de prova 208. Os eletrodos da massa de prova podem estar na mesma massa de prova, ou eles podem estar sobre pedaços conectados da mesma massa se movendo na mesma direção.

[0028] Devido ao par de sensores absolutos 204 não quebrar a regra de sobreposição através de toda a faixa de percurso, o segundo conjunto de eletrodos provê uma indicação da posição absoluta da massa de prova 206. Embora o segundo conjunto não tenha o nível de resolução do conjunto de eletrodos cíclicos, o sensor absoluto não tem resolução suficiente para indicar em qual período cíclico está. A combinação dos dois sensores, portanto, habilita um

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16/24 sensor inercial de grande faixa dinâmica, alta performance.

[0029] O tamanho, formato e número de eletrodos em tanto o primeiro quanto segundo conjuntos de eletrodos 202, 204 podem variar, e o número de eletrodos na massa de prova 208 pode diferir do número de eletrodos no substrato fixo 206. Na configuração mostrada na figura 6, o conjunto de eletrodos cíclicos 202 inclui três pares de eletrodos, e o conjunto de eletrodos de passo grande 204 inclui só um par de eletrodos. Uma outra configuração de um sensor 250 é mostrada em vista de planta na figura 7, na qual o conjunto de eletrodos de passo grande 252 inclui um par de eletrodos, e o conjunto cíclico 254 inclui cinco eletrodos 254a na massa de prova e nove eletrodos 254b no substrato fixo.

[0030] A figura 7 também ilustra parte da faixa de movimento dos eletrodos da massa de prova em relação aos eletrodos fixos. O conjunto de sensor absoluto 252 é configurado tal que pelo menos alguma porção do eletrodo de massa de prova 252a sobreponha o correspondente eletrodo fixo 252b em todos os momentos. Isto permite este conjunto de eletrodos fornecer uma indicação de deslocamento absoluto. Em um limite máximo de percurso do conjunto de eletrodos absolutos a partir da posição inicial, mostrada em linhas tracejadas em 256 e indicado pela dimensão de deslocamento +X1, o eletrodo de massa de prova 252a não sobrepõe completamente o correspondente eletrodo fixo 252b. Uma vez que os eletrodos tanto absolutos quanto cíclicos 252a e 254a estão ligados à mesma massa de prova, o deslocamento para cada um será igual. Assim, os eletrodos cíclicos 254a também se deslocarão pela mesma dimensão +X1

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17/24 quando o eletrodo absoluto 252a fizer isto, como indicado pelas linhas tracejadas 260. No outro limite de percurso a partir da posição inicial correspondente a um deslocamento de dimensão -XI (isto é, na direção oposta a +X1), mostrado em linhas tracejadas em 258, o eletrodo da massa de prova ainda sobrepõe o eletrodo fixo por alguma quantidade. Novamente, os eletrodos cíclicos se deslocarão na mesma direção pela mesma quantidade (-X1), como indicado pelas linhas tracejadas em 262.

[0031] Também é desejável que os conjuntos de eletrodos cíclicos sigam uma regra similar, com a faixa total de movimento da massa de prova nunca colocando quaisquer eletrodos da massa de prova totalmente além da faixa do conjunto de eletrodos fixos. Vendo a figura 7, se um dos cinco eletrodos cíclicos de massa de prova 254a percorresse além da sobreposição com qualquer dos correspondentes eletrodos fixos 254b, a magnitude do pico de onda senoidal seria diminuída devido à perda de um eletrodo. Isto alteraria o sinal de capacitância, e poderia portanto alterar a medição do deslocamento. Alternativamente, o sistema pode ser configurado para permitir um ou mais dos eletrodos da massa de prova passarem completamente além da faixa dos eletrodos fixos. Em tal caso, o sistema pode ser programado para compensar a mudança de capacitância resultante baseada na leitura de sensor absoluta. É acreditado que este tipo de solução provavelmente degradará a sensibilidade em proporção ao número corrente de eletrodos sobrepostos dividido pelo número total original de eletrodos sobrepostos.

[0032] A saída comparativa a partir dos conjuntos de

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18/24 sensores absoluto e cíclico é ilustrada no gráfico da figura 8. Nesta figura, o sinal de capacitância, representado pela curva 300 produzida pelo conjunto de sensor cíclico, é uma onda senoidal, com a capacitância subindo e caindo à medida que os eletrodos cíclicos na massa de prova passam sobre um e então um outro dos eletrodos cíclicos fixos, e também passam sobre o espaço entre os eletrodos fixos. Os inventores descobriram que uma boa resposta senoidal a partir do conjunto de sensor cíclico é obtida quando a razão do passo, P, do conjunto de eletrodos cíclicos (mostrado na figura 7) dividida pela folga d (mostrada na figura 1) entre os conjuntos de eletrodos fixos e móveis é aproximadamente igual a 1,6 (isto é, P/d « 1,6). À medida que P/d aumenta além de 1,6, o teor harmônico aumentará à medida que a variação da capacitância se aproxime mais proximamente de uma onda triangular. Contudo, este teor harmônico adicional pode ser facilmente administrado. Em geral, uma dimensão menor para a folga d provê melhor performance do sensor. A folga d mínima pode ser limitada por controle de folga (quão pequena uma folga não interferente pode ser confiavelmente produzida) e limites de largura de linha litográfica em P. À medida que P/d diminui abaixo de 1,6, a performance do sensor é degradada como um resultado de uma mudança menor em capacitância por unidade de deslocamento linear. Para o sensor cíclico, P pode ser selecionado baseado na mínima folga d produzível, a menos que limitada litograficamente.

[0033] Embora o sinal de capacitância produzido pelo conjunto de sensor cíclico seja uma onda senoidal, o conjunto de eletrodos absolutos produz um sinal de

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19/24 capacitância substancialmente linear, representado pela curva substancialmente linear 302, através de toda a faixa de movimento. O conjunto de sensor cíclico produz um sinal de precisão mais alta porque a mudança na área de sobreposição de capacitor A por unidade de deslocamento linear x da massa de prova é maior, provendo portanto um sinal posicionai relativo de alta precisão. O conjunto de eletrodos absolutos, por outro lado, provê uma indicação da posição absoluta na curva de capacitância cíclica para permitir a interpretação correta do sinal de eletrodo cíclico, embora com menos precisão porque a mudança em A por mudança unitária em x é menor.

[0034] Será aparente consultando a figura 8 que a sensibilidade (inclinação da curva de capacitância) do conjunto de sensor cíclico não é constante. Uma solução para lidar com isto é mostrada na figura 9. Um segundo conjunto de eletrodos cíclicos 402 é adicionado no qual o conjunto de eletrodos fixos, 402b, é deslocado por Passo/4 em relação ao primeiro conjunto cíclico fixo, 400b, na direção do movimento do sensor. Os dois conjuntos móveis, 400a e 402a devem ser alinhados em fase entre si na direção do movimento sobre a superfície da massa de prova, 404. Uma vista de seção transversal na figura 10 ilustra o alinhamento requerido entre os dois conjuntos de eletrodos.

[0035] A configuração múltipla de eletrodos cíclicos mostrada nas figs. 9 e 10 produz um conjunto de curvas de capacitância similares àquelas mostradas na linha cheia 420 na figura 11. O segundo conjunto de eletrodos cíclicos produz a curva de capacitância cíclica mostrada pela linha tracejada 422 na figura 11. O conjunto de eletrodos

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20/24 absolutos (408 na figura 9) produz a curva substancialmente linear 424 mostrada em uma linha cheia. As curvas cíclicas 420 e 422 são deslocadas rotacionalmente entre si por π/2 radianos (ou 90°) correspondentes a um relacionamento senocosseno. Tal par de sinais é rotineiramente combinado para produzir um sinal de saída de posição com uma sensibilidade uniforme equivalente à sensibilidade máxima de um sinal sozinho. Exemplos de tais circuitos de interpolação são lugar comum para codificadores óticos incrementais senocosseno. Tais circuitos podem manter contagens relativas de ciclos e subciclos. Entretanto, para precisão posicionai absoluta, uma contagem de ciclos inicial deve ser fornecida. Vantajosamente, no sensor divulgado aqui, o sinal de sensor produzido pelo sensor absoluto, sinal 424 da figura 11, pode prover a contagem de ciclos absoluta requerida. Em adição, com configurações anteriores, taxas de amostragem para os eletrônicos de interpolação devem ser rápidas o suficiente para garantir que um ciclo completo de deslocamento possa ocorrer entre amostras de medições. Com a presente invenção, por outro lado, este requisito é relaxado para os eletrônicos de sensor que combinam os três sinais 420, 422 e 424.

[0036] Os dois conjuntos de sensores também podem ser usados individualmente em um número de tarefas de autoteste e calibração. Por exemplo, as placas de capacitor podem ser forçadas a criar uma força no plano para mover a massa de prova. Isto pode permitir aos usuários atuar um conjunto de eletrodos, e medir a resposta no outro. Combinando estas medições com inclinação do dispositivo para cima e medindo a resposta à gravidade, o alinhamento, folga e outros

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21/24 parâmetros do sensor podem ser determinados. Outras tarefas de autoteste e calibração também podem ser executadas.

[0037] Deve ser entendido que embora a configuração mostrada e descrita com relação às figs. 9-11 represente dois conjuntos de eletrodos cíclicos que são deslocados por 90°, mais que dois conjuntos de eletrodos cíclicos podem ser providos para um dado eixo geométrico de movimento, e estes podem ser deslocados por quantidades diferentes. Por exemplo, três conjuntos de eletrodos cíclicos podem ser providos, e estes podem ser deslocados por 60° entre si.

[0038] O uso de múltiplos conjuntos de eletrodos para um eixo geométrico de movimento pode ser estendido para múltiplos eixos geométricos, e estes podem usar a mesma massa de prova ou chip. Uma configuração de um sensor capacitivo 500 com múltiplos conjuntos de eletrodos por eixo geométrico para detectar movimento em 2 eixos geométricos ortogonais (X e Y) é mostrada na figura 12. Nesta configuração um primeiro conjunto de eletrodos absolutos 502 e primeiro conjunto de eletrodos cíclicos 504 são providos para detectar movimento da massa de prova na direção x. Um segundo conjunto de eletrodos absolutos 506 e segundo conjunto de eletrodos cíclicos 508 também são providos, e estes são orientados perpendiculares aos primeiros conjuntos de eletrodos, para detectar movimento da massa de prova na direção y.

[0039] Na configuração da figura 12 os eletrodos fixos para todos os conjuntos de eletrodos, tanto cíclicos quanto absolutos, têm uma largura w que é selecionada tal que nenhum par de eletrodos experimente deslocamento lateral que mude a respectiva leitura de capacitância. Por exemplo,

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22/24 o primeiro conjunto de eletrodos cíclicos 504, que detecta deslocamento ao longo do eixo geométrico x, tem eletrodos fixos 510 que são largos o suficiente tal que o deslocamento dos correspondentes eletrodos de massa de prova 512 na direção y não fará uma extremidade de um dos correspondentes eletrodos de massa de prova se estender além da extremidade do eletrodo fixo, mudando desta forma a sobreposição. Deste modo, um deslocamento na direção y não afetará a leitura do deslocamento na direção x, e viceversa .

[0040] Em adição a sua aplicação como um acelerômetro, este tipo de sistema também pode ser aplicado a outros usos das placas de capacitor cíclico para detecção. Por exemplo, este tipo de sensor capacitivo pode ser usado para detectar movimento do eixo geométrico de sentido em um giroscópio. Este tipo de dispositivo também pode ser usado para microposicionar dispositivos para microscopia eletrônica.

[0041] O sistema divulgado aqui portanto provê um sensor inercial tipo mems tendo dois conjuntos de eletrodos de capacitor medindo deslocamento na mesma direção com sensibilidades substancialmente diferentes. Um conjunto de eletrodos é um conjunto de eletrodos cíclicos de precisão mais alta, e o outro é um sensor absoluto de precisão mais baixa. O conjunto de eletrodos cíclicos provê um sinal posicionai relativo de alta precisão, enquanto o conjunto de eletrodos absolutos provê uma indicação da posição absoluta na curva de capacitância cíclica para permitir a interpretação correta do sinal de eletrodo cíclico. Sensores deste tipo podem ser configurados para detectar deslocamento através de uma ampla faixa. Por exemplo, os

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23/24 inventores projetaram sensores deste tipo que podem medir deslocamentos até cerca de 50 pm (50 x 10^-6 m) com uma resolução que é menor que 1 pm (1 x 10^-12 m) . Múltiplos conjuntos de eletrodos cíclicos e absolutos podem ser providos, e estes podem ser configurados para detectar deslocamento em múltiplos eixos geométricos. Ter dois conjuntos de eletrodos no mesmo eixo geométrico habilita um sensor inercial de alta performance com uma grande faixa dinâmica. Ele também habilita a operação em loop fechado de um sensor cíclico, se desejado.

[0042] Este tipo de sistema de sensor capacitivo pode ser fabricado usando métodos de fabricação de MEMS que são conhecidos na técnica. A configuração do eletrodo de superfície pode ser produzida em um processo de ligação de folhado, no qual os eletrodos são fabricados sobre a superfície de dois folhados e então colados entre si, face com face. Um folhado é então gravado (antes ou após a colagem) para definir a estrutura móvel. Este dispositivo também pode ser produzido usando um processo de microusinagem de superfície.

[0043] O eletrodo cíclico combinado com um sensor absoluto também permite que as tolerâncias de fabricação para alinhamento de folhados sejam relaxadas. Isto é, a posição inicial pode ser determinada pelo sensor absoluto, enquanto o sensor cíclico mantém performance total independente da posição absoluta. Isto pode habilitar um processo de fabricação potencialmente mais barato. Por exemplo, fabricar um sensor capacitivo deste tipo tipicamente requer bom alinhamento durante a fabricação, e pode ser de difícil obtenção consistentemente.

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Vantajosamente, o sistema de eletrodos cíclicos divulgado aqui tolera um grau maior de desalinhamento desde que as partes móveis não se movam para fora dos eletrodos fixos no limite de percurso. Usando dois conjuntos de eletrodos deslocados e um sensor absoluto (como representado na figura 9), este sistema pode prover resolução que é substancialmente constante através de toda a faixa de percurso. Nesta configuração a posição inicial se torna irrelevante - não existe melhor posição relativa dos eletrodos. Esta configuração pode portanto tolerar desalinhamento maior durante a fabricação sem afetar adversamente a operação do sensor.

[0044] Deve ser entendido que os arranjos referenciados acima são ilustrativos da aplicação dos princípios divulgados aqui. Será aparente àqueles de experiência ordinária na técnica que numerosas modificações podem ser feitas sem se desviar dos princípios e conceitos desta divulgação, como registrados nas reivindicações.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sensor inercial capacitivo (200), caracterizado pelo fato de compreender:

primeiro e segundo conjuntos de eletrodos de capacitor variável (204, 202), dispostos respectivamente sobre uma superfície suporte plana (206) e uma massa de prova (208) que é deslocável ao longo de um primeiro eixo geométrico paralelo à superfície suporte plana;

o primeiro conjunto de eletrodos (204) produzindo uma variação de capacitância absoluta através de uma faixa de deslocamento da massa de prova (208) ao longo do primeiro eixo geométrico; e o segundo conjunto de eletrodos (202) produzindo uma variação de capacitância cíclica através de toda a faixa de deslocamento ao longo do primeiro eixo geométrico.
2. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do segundo conjunto de eletrodos (202) compreender pelo menos dois pares de eletrodos (254) alongados orientados perpendiculares ao primeiro eixo geométrico e tendo um passo de eletrodos (P), a faixa de deslocamento sendo maior que o passo.
3. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do primeiro conjunto de eletrodos (204) compreender um par de eletrodos (252) incluindo um eletrodo estacionário (252b) e um eletrodo de massa de prova (252a), o eletrodo de massa de prova (252a) sendo orientado para sempre sobrepor parcialmente o eletrodo estacionário (252b) através de toda a faixa de deslocamento.

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4. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um terceiro conjunto de eletrodos de capacitor variável (402), disposto sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), respectivamente, produzindo uma variação de capacitância cíclica através de uma faixa de deslocamento da massa de prova ao longo do primeiro eixo geométrico.
5. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato do segundo e terceiro conjuntos de eletrodos de capacitor variável (202, 402) terem eletrodos que estão posicionalmente deslocados entre si.
6. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do segundo e terceiro conjuntos de eletrodos de capacitor variável (202, 402) terem eletrodos que estão posicionados para produzir sinais de salda (420, 422) que são deslocados em cerca de

90° entre si.
7. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente:

terceiro e quarto conjuntos de eletrodos de capacitor variável (508, 506), dispostos sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), respectivamente, a massa de prova (208) sendo deslocável ao longo de um segundo eixo geométrico que é ortogonal ao primeiro eixo geométrico e paralelo à superfície suporte (206);

o terceiro conjunto de eletrodos (508) produzindo uma variação cíclica de capacitância através de uma faixa de

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3/7 deslocamento da massa de prova (208) ao longo do segundo eixo geométrico; e o quarto conjunto de eletrodos (506) produzindo uma variação de capacitância absoluta através de toda a faixa de deslocamento ao longo do segundo eixo geométrico.
8. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de cada um dos conjuntos de eletrodos incluir eletrodos estáticos, ligados à superfície suporte (206), tendo larguras selecionadas para impedir uma mudança de capacitância devido a deslocamento dentro da faixa de deslocamento ao longo de um eixo geométrico que é ortogonal ao respectivo eixo geométrico de detecção.
9. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o segundo e terceiro conjuntos de eletrodos de capacitor variável (202, 508) compreenderem subconjuntos de eletrodos que estão deslocados posicionalmente entre si a uma distância suficiente para produzir sinais de capacitância que estejam rotacionalmente deslocados entre si por cerca de 90°.
10. Sensor inercial capacitivo (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a faixa de deslocamento ser menor que cerca de 50 pm.
11. Método para detecção de movimento em um eixo geométrico com um sensor inercial capacitivo (200) , conforme definido por qualquer uma das reivindicações 1 a 9, o dito método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:

deslocar uma massa de prova (208) ao longo de um primeiro eixo geométrico paralelo a uma superfície suporte

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A/Ί plana;

obter um primeiro valor de capacitância cíclica a partir de um primeiro arranjo de capacitor variável (204) compreendendo múltiplos eletrodos de capacitor dispostos sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), respectivamente;

obter um segundo valor de capacitância absoluta a partir de um segundo capacitor variável (202) compreendendo um eletrodo de capacitor disposto sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208); e determinar uma magnitude do deslocamento baseado no primeiro e segundo valores de capacitância.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente as etapas de:

obter um terceiro valor de capacitância cíclica a partir de um terceiro arranjo de capacitor variável (402) compreendendo múltiplos eletrodos de capacitor dispostos sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), respectivamente; e determinar a magnitude de deslocamento baseado no primeiro, segundo e terceiro valores de capacitância.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o terceiro valor de capacitância cíclica ser deslocado por cerca de 90° do primeiro valor de capacitância cíclica.
14. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente as etapas de:

deslocar a massa de prova (208) ao longo de um segundo

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5/7 eixo geométrico ortogonal ao primeiro eixo geométrico e paralelo à superfície suporte plana (206);

obter um terceiro valor de capacitância cíclica a partir de um terceiro arranjo de capacitor variável (508) compreendendo múltiplos eletrodos de capacitor dispostos sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), respectivamente e orientados perpendiculares ao primeiro arranjo de capacitor variável (204);

obter um quarto valor de capacitância absoluta a partir de um quarto arranjo de capacitor variável (506) compreendendo um eletrodo de capacitor disposto sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208) e orientado perpendicular ao segundo arranjo de capacitor variável (202); e determinar uma magnitude do deslocamento ao longo do primeiro e segundo eixos geométricos baseado no primeiro, segundo, terceiro e quarto valores de capacitância.
15. Método para produzir um sensor inercial capacitivo (200), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:

prover uma superfície suporte (206);

prover uma massa de prova (208), deslocável ao longo de um primeiro eixo geométrico paralelo à superfície suporte (206);

prover um primeiro arranjo de eletrodos de capacitor variável ciclicamente (204) sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208);

prover um segundo arranjo de eletrodos de capacitor variável (202) sobre a superfície suporte (206) e a massa

Petição 870180139102, de 08/10/2018, pág. 37/40 sn de prova (208), o segundo arranjo de eletrodos (202) produzindo uma variação de capacitância absoluta através de toda uma faixa de deslocamento da massa de prova (208) .
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a etapa de:

prover um terceiro arranjo de eletrodos de capacitor variável ciclicamente (402) sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), o terceiro arranjo de eletrodos (402) produzindo uma variação cíclica de capacitância que é deslocada da variação cíclica produzida pelo primeiro arranjo.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de a etapa de prover o terceiro arranjo de eletrodos de capacitor variável ciclicamente (402) compreender prover uma série de eletrodos que produzem variação de capacitância que é deslocada em cerca de 90° da variação cíclica produzida pelo primeiro arranjo.
18. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de a etapa de prover o primeiro arranjo de eletrodos de capacitor variável ciclicamente (202) compreender fabricar, sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208) , pelo menos dois pares de eletrodos alongados (254) orientados perpendiculares ao primeiro eixo geométrico e tendo um espaçamento que é menor que a faixa de deslocamento; e a etapa de prover um segundo arranjo de eletrodos de capacitor variável (202) compreender fabricar, sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), um único par de eletrodos (252) orientados para sempre se sobreporem

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7/7 parcialmente através de toda a faixa de deslocamento.
19. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de a massa de prova (208) ser deslocável ao longo de um segundo eixo geométrico que é ortogonal ao primeiro eixo geométrico, e compreender adicionalmente as etapas de:

prover terceiro e quarto conjuntos de eletrodos de capacitor variável (508, 506), sobre a superfície suporte (206) e a massa de prova (208), respectivamente;

o terceiro conjunto de eletrodos (508) produzir uma variação cíclica de capacitância através de uma faixa de deslocamento da massa de prova (208) ao longo do segundo eixo geométrico; e o quarto conjunto de eletrodos (506) produzir uma variação de capacitância absoluta através de toda a faixa de deslocamento ao longo do segundo eixo geométrico.

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