專利名稱：基于介電泳的二維適應(yīng)性加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度測(cè)量領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的介電泳加速度計(jì)(dielectrophoretic accelerometer)，涉及加速度計(jì)在可攜式攝錄機(jī)內(nèi)的用途，涉及加速度計(jì)在便攜式音頻播放器內(nèi)的用途，還涉及一種通過(guò)介電泳加速度計(jì)來(lái)測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的方法，一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，和一種程序元件。

背景技術(shù)：
常規(guī)加速度計(jì)基于檢驗(yàn)質(zhì)量塊或試驗(yàn)質(zhì)量塊，該檢驗(yàn)質(zhì)量塊或試驗(yàn)質(zhì)量塊懸掛于某種彈簧減震器系統(tǒng)中。該彈簧減震器系統(tǒng)用作恢復(fù)機(jī)制。該檢驗(yàn)質(zhì)量塊與初始位置的偏差(其可能以各種方式測(cè)量)與所施加的加速度成比例。特別是小的，(例如)微米大小的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)難于制造，其需要復(fù)雜的微加工來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膹椈上到y(tǒng)。
因?yàn)橘|(zhì)量塊和彈簧是固定的，所以常規(guī)加速度計(jì)不具有適應(yīng)性，即，一旦傳感器被制造之后，可測(cè)量的加速度范圍不可改變。而且，它們通常近似成線性，這在需要較大動(dòng)態(tài)范圍的情況下可能是不利的。
可能仍需要改進(jìn)的加速度測(cè)定。


發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，可提供用于測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的介電泳加速度計(jì)，該加速度計(jì)包括充滿介質(zhì)的空腔，用于產(chǎn)生非均勻力場(chǎng)的源，適于在介質(zhì)內(nèi)移動(dòng)并經(jīng)受該力場(chǎng)的試驗(yàn)質(zhì)量塊，和適于檢測(cè)該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)的檢測(cè)器，其中該加速度計(jì)適于基于該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)來(lái)測(cè)定該加速度計(jì)的加速度。
因此，提供一種加速度計(jì)，其通過(guò)測(cè)定由于作用于該試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速力所造成的該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)來(lái)測(cè)量該試驗(yàn)質(zhì)量塊的加速度，該實(shí)驗(yàn)質(zhì)量塊(例如)自由地浮于介質(zhì)中。特別地，這種介電泳加速度計(jì)可能易于制造并且用于較寬的動(dòng)態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該非均勻力場(chǎng)是電場(chǎng)，其中該源包括第一數(shù)目的第一電極和第二數(shù)目的第二電極，其中在每個(gè)第一電極與每個(gè)第二電極之間存在相應(yīng)電位差，并且其中第一電極和第二電極適于形成空腔并且用于產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，可能通過(guò)個(gè)別正電極和負(fù)電極的排列來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)，使得電場(chǎng)具有特定分布。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，每個(gè)電極被排列于上水平面或下水平面中。
因此，可能使用標(biāo)準(zhǔn)光刻來(lái)產(chǎn)生這些電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該介質(zhì)具有第一介電常數(shù)并且該試驗(yàn)質(zhì)量塊具有不同于該第一介電常數(shù)的第二介電常數(shù)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，當(dāng)試驗(yàn)質(zhì)量塊由于非均勻電場(chǎng)的原因從穩(wěn)定的中性位置移位時(shí)，介電泳力可能作用于該試驗(yàn)質(zhì)量塊上。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該檢測(cè)器適于電容性地檢測(cè)(capacitively detect)該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)。
舉例說(shuō)來(lái)，該檢測(cè)器可能適于測(cè)量不同電極之間的電容，該電容由于該試驗(yàn)質(zhì)量塊在電極之間的移動(dòng)而變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該檢測(cè)器適于基于差分測(cè)量(differential measurement)來(lái)檢測(cè)該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)，其中通過(guò)測(cè)量第一電極對(duì)的第一電容和第二電極對(duì)的第二電容并且比較該第一電容與第二電容來(lái)檢測(cè)該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，可提供加速度測(cè)量的高靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該檢測(cè)器適于通過(guò)檢測(cè)該試驗(yàn)質(zhì)量塊在第一方向的第一移動(dòng)以及該試驗(yàn)質(zhì)量塊在第二方向的第二移動(dòng)和該試驗(yàn)質(zhì)量塊在第三方向中的第三移動(dòng)中的至少一個(gè)來(lái)執(zhí)行二維或三維測(cè)量。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，可能測(cè)量在所有三個(gè)空間方向中的加速度。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該試驗(yàn)質(zhì)量塊是球形粒子。
這可(例如)提供對(duì)稱測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該源適于控制第一電極與第二電極之間的電位差，在該試驗(yàn)質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí)導(dǎo)致作用于該試驗(yàn)質(zhì)量塊上的力的調(diào)整。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，該加速度計(jì)可能根據(jù)測(cè)量的個(gè)別要求來(lái)構(gòu)造。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該力場(chǎng)的非均勻性導(dǎo)致在該試驗(yàn)質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí)作用于該試驗(yàn)質(zhì)量塊上的力的對(duì)數(shù)響應(yīng)(logarithmicresponse)，導(dǎo)致將要被測(cè)量的加速度的較寬的動(dòng)態(tài)范圍。
因此，利用同一加速度計(jì)可能測(cè)量較小加速度和較大加速度。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，可利用該源將該響應(yīng)從非線性響應(yīng)切換到線性響應(yīng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，該加速度計(jì)可能根據(jù)外部條件而個(gè)別地調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該試驗(yàn)質(zhì)量塊包括聚苯乙烯、膠乳、硅、第一流體和第一氣體中的一個(gè)，并且該介質(zhì)包括水、油、第二流體和第二氣體中的一個(gè)。
舉例說(shuō)來(lái)，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，該試驗(yàn)質(zhì)量塊是置于水中的膠乳或者聚苯乙烯球。另一示例是油中的硅球或流體中的氣泡。此外，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范性實(shí)施例，該試驗(yàn)質(zhì)量塊可能是水中的小油滴或者在某些其它第二流體中的任何其它流體。此外，該試驗(yàn)質(zhì)量塊可能是置于第二氣體(作為介質(zhì))中的第一氣體。
這可能提供適于不同配置和要求的很多種不同的加速度計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，該加速度計(jì)可能用于可攜式攝錄機(jī)內(nèi)用于視頻攝像機(jī)，以測(cè)量可攜式攝錄機(jī)(camcorder)或該視頻視頻攝像機(jī)內(nèi)的加速度。
此外，該加速度計(jì)可能用于便攜式音頻播放器內(nèi)，諸如，便攜式HDD MP3播放器并且可能適于檢測(cè)該音頻播放器何時(shí)下落以能夠在它撞擊地面之前將它關(guān)閉使得該裝置更可能免于損壞。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，可能提供一種通過(guò)介電泳加速度計(jì)來(lái)測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的方法，該方法包括以下步驟利用源來(lái)產(chǎn)生非均勻力場(chǎng)，利用檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)適于在介質(zhì)內(nèi)移動(dòng)并經(jīng)受該力場(chǎng)的試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)，以及基于該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)來(lái)測(cè)定該加速度計(jì)的加速度。
這可提供改進(jìn)的加速度測(cè)定。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，可能提供一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中存儲(chǔ)通過(guò)介電泳加速度計(jì)來(lái)測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，其適于執(zhí)行上述方法步驟。
此外，本發(fā)明涉及一種通過(guò)介電泳加速度計(jì)來(lái)測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的程序元件，其可能存儲(chǔ)于該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上。該程序元件可能適于執(zhí)行上述步驟。
該程序元件可能優(yōu)選地被載入到數(shù)據(jù)處理器的工作存儲(chǔ)器內(nèi)?？赡苋绱伺鋫湓摂?shù)據(jù)處理器以執(zhí)行本發(fā)明方法的示范性實(shí)施例。該計(jì)算機(jī)程序可能以任何適當(dāng)?shù)木幊陶Z(yǔ)言來(lái)編寫(諸如，C++)并且可能存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上(諸如CD-ROM)。而且，該計(jì)算機(jī)程序可能從網(wǎng)絡(luò)提供，諸如萬(wàn)維網(wǎng)，它可能從網(wǎng)路下載到圖像處理單元或處理器內(nèi)或者任何適當(dāng)計(jì)算機(jī)內(nèi)。
本發(fā)明的示范性實(shí)施例的要點(diǎn)可能被視作提供一種加速度計(jì)，其通過(guò)測(cè)定由于作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速力所造成的該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)來(lái)測(cè)量該試驗(yàn)質(zhì)量塊的加速度，該試驗(yàn)質(zhì)量塊自由地浮于介質(zhì)中。根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，該試驗(yàn)質(zhì)量塊是浮于流體中的球形粒子并且具有不同于該流體的介電泳常數(shù)。非均勻電場(chǎng)提供在零位(當(dāng)沒(méi)有加速度作用于其上時(shí)試驗(yàn)質(zhì)量塊所處的位置)的最小電位(能量下降)。當(dāng)該試驗(yàn)質(zhì)量塊由于加速度的作用從零位推開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生拉回力使得可將該試驗(yàn)質(zhì)量塊的非零位用作加速度強(qiáng)度的量度。



通過(guò)下文所介紹的實(shí)施例并且通過(guò)參考這些實(shí)施例進(jìn)行闡述，本發(fā)明的這些方面和其它方面將變得顯而易見(jiàn)。
現(xiàn)將參看附圖來(lái)在下文中介紹本發(fā)明的示范性實(shí)施例。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的介電泳加速度計(jì)的截面圖的示意性圖示。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的頂電極和底電極的平面圖的示意性圖示。
圖3示出了系統(tǒng)模型的示意性圖示。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例的頂電極和底電極的平面圖的示意性圖示。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例的介電泳加速度計(jì)的截面圖的示意性圖示。
圖6A示出了基于電潤(rùn)濕原理的加速度計(jì)的截面圖的示意性圖示。
圖6B示出了對(duì)應(yīng)于圖6A的加速度計(jì)的頂視圖的示意性圖示。
圖7示出了用于較大動(dòng)態(tài)范圍加速度計(jì)的頂電極和底電極的平面圖的示意性圖示。
圖8示出了基于電潤(rùn)濕原理的圖6的加速度計(jì)的備選加速度計(jì)的截面圖的示意性圖示 圖9示出了用于控制彈簧系統(tǒng)控制和移位測(cè)量的測(cè)量設(shè)定。
圖10示出了適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實(shí)施例的處理裝置的示范性實(shí)施例。
在附圖中的圖示是示意性的。在不同的附圖中，類似或相同的元件以相同的參考標(biāo)記提供。

具體實(shí)施例方式 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的介電泳加速度計(jì)的截面圖的示意性圖示。圖2示出了根據(jù)圖1所描繪的示范性實(shí)施例的頂電極和底電極的平面圖的示意性圖示。
如從圖1和圖2可見(jiàn)，該介電泳加速度計(jì)100包括底電極101、102、103、104、105和頂電極106。在底電極101至105與頂電極106之間設(shè)有流體107，該流體107的密度為ρm且介電常數(shù)為εm。此外，密度為ρp且介電常數(shù)為εp的球形粒子109設(shè)于流體107中底電極101至105與頂電極106之間。
在電極101至104與電極105至106之間施加電位差，得到非線性電場(chǎng)，其用電場(chǎng)線108表示。
加速度計(jì)100基于介電泳作為恢復(fù)機(jī)制。根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，其可能適用作二維加速度計(jì)，該二維加速度計(jì)能夠同時(shí)測(cè)量在兩個(gè)不同方向中的加速度(例如，在垂直于圖1的圖像平面的第一方向和在沿著圖1中的水平線的第二方向，這兩個(gè)方向皆位于圖2的圖像平面中)。
這種二維功能性(或者甚至三維功能性)可能通過(guò)頂電極和底電極101到106(和甚至其它的電極)的各自排列而實(shí)現(xiàn)使得能夠檢測(cè)并且逆轉(zhuǎn)該試驗(yàn)質(zhì)量塊109的二維或甚至三維移動(dòng)。
介電泳(DEP)是由于空間非均勻電場(chǎng)所造成的材料或?qū)ο蟮囊苿?dòng)。響應(yīng)空間非均勻電場(chǎng)，中性但易極化的粒子經(jīng)歷凈力，根據(jù)粒子和介質(zhì)的物理性質(zhì)，該凈力隨著場(chǎng)強(qiáng)增加或減小而集中到某些位置。在第一種情況下，該力被稱作正介電泳，而在第二種情況下該力被稱作負(fù)介電泳。
完全不同于電泳現(xiàn)象，僅當(dāng)該對(duì)象相對(duì)于它的周圍環(huán)境具有不同的變成電極化的傾向時(shí)產(chǎn)生DEP。如果該對(duì)象比它的周圍環(huán)境更易極化，那么它將被拉向更高的場(chǎng)區(qū)(這種效果被稱作正DEP)。相反，如果它較不易極化，那么它被排斥向較弱的場(chǎng)區(qū)(這種效果被稱作負(fù)DEP)。由于外加電場(chǎng)而作用于球形粒子上的DEP力可被寫成 其中，r為粒子半徑，ERMS為該電場(chǎng)的RMS值(假設(shè)正弦時(shí)間依賴性)，而且α是所謂Clausius-Mosotti向量的實(shí)部，其以下式給出 其中，星號(hào)(＊)表示介電常數(shù)是復(fù)數(shù)。
DEP可用于將一種材料集中于較小腔室的中心，該腔室充滿兩種具有不同介電常數(shù)ε的材料。實(shí)施例的示例在圖1和圖2中描繪，其中示出腔室111被具有多個(gè)電極101至106的壁封閉。這些電極可能與腔室111內(nèi)的介質(zhì)107、109電隔離。然而，應(yīng)注意的是電極101至106并不必須與腔室111內(nèi)的介質(zhì)107、109電隔離。
具有相關(guān)聯(lián)電極101至106的腔室111可能易于生產(chǎn)(并因此較為廉價(jià))。舉例說(shuō)來(lái)，電極101至105位于第一水平面中且頂電極106位于第二水平面中并且因此可使用標(biāo)準(zhǔn)光刻處理技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。
舉例說(shuō)來(lái)，具有低介電常數(shù)εr和高于1000kg/m3(這是水的密度)的密度ρ的球形粒子被水(其具有值為80的高εr)包圍。當(dāng)向電極101至104施加負(fù)電位并且向電極105和106施加正電位時(shí)，形成所謂的DEP籠，其將粒子109截獲于腔室111的中部。因此該介電泳力實(shí)現(xiàn)在常規(guī)加速度計(jì)中所用的彈簧的功能。
應(yīng)注意的是在介電泳加速度計(jì)具有較小(微型)大小的情況下，腔室111甚至可能不必被封閉外殼包圍，因?yàn)樵陔姌O101至106之間的流體107通過(guò)它的表面能量而存儲(chǔ)在適當(dāng)位置。
還應(yīng)注意的是電極101至105和106不必在各自的平面中排列而是可能排列于不同的排列中并且可能具有與圖2所描繪的形狀不同的形狀。舉例說(shuō)來(lái)，頂電極106可能不是平面，從而增加電場(chǎng)108的非線性。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的頂電極和底電極的平面圖的示意性圖示。如從圖2可以看出，頂電極106可能是矩形。底電極101至105的排列不變，是相應(yīng)矩形但由五個(gè)不同的電極101至105構(gòu)成。在電極101至104與電極105至106之間存在電位差。此外，電極101至105通過(guò)溝110(或任何其它隔離形式)而彼此電隔離。
圖3所描繪的系統(tǒng)可能近似該加速度計(jì)，其中質(zhì)量塊301(m)是粒子109的質(zhì)量塊與等體積的周圍流體的質(zhì)量塊之間的差(因?yàn)殡S著粒子的位置改變，等體積的流體移位)，即，m＝(ρ粒子-ρ流體)＊體積。
彈簧常數(shù)302(k)表示介電泳力(自恢復(fù)機(jī)制)。阻尼常數(shù)303(c)表示流體粘度。X304是粒子在該腔室中的位置，而Y306是該腔室在(固定的)世界305中的位置。
這個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是 因此，隨所施加的加速度(a＝s2y)變化的粒子位置由下式給出 這種模型與介紹常規(guī)加速度計(jì)的模型并沒(méi)有什么不同。然而，與常規(guī)加速度計(jì)相比，可通過(guò)僅改變電極之間的電位差來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整k。這可允許易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整成不同的加速度范圍的加速度計(jì)。
使用具有不同電位的多個(gè)電極，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致非線性(例如對(duì)數(shù))響應(yīng)的指數(shù)場(chǎng)梯度，這允許加速度計(jì)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。這種電極配置的一個(gè)示例在圖4中示出。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的頂電極和底電極的平面圖的示意性圖示。如從圖4可以看出，電極1031到1033、1011到1013、1021到1023、1041到1043和電極105到106之間的電位差對(duì)于更靠近腔室中心的電極可能降低，這是因?yàn)橄蛲怆姌O提供了比內(nèi)電極更低的(例如，負(fù)性更強(qiáng))的電位。應(yīng)注意的是，在電極1031到1033、1011到1013、1021到1023、1041到1043具有比電極105至106更高的電位情況下，可能向外電極提供比內(nèi)電極更高的(例如，正性更強(qiáng))的電位。
應(yīng)用具有所希望粘度的流體可能允許控制阻尼值c?？赏ㄟ^(guò)應(yīng)用具有所希望的密度和體積的粒子和具有所希望的密度的流體來(lái)控制質(zhì)量塊m?？稍谥圃鞄щ姌O的腔室之后插入粒子與流體。根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，隨著在電極上施加電壓時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)地自身對(duì)準(zhǔn)(即，彈簧系統(tǒng)的啟動(dòng))，粒子可能被隨便地投入到腔室中。粒子與流體的特定組合的選擇并不影響該腔室的設(shè)計(jì)，因此同樣的腔室可能用于產(chǎn)生具有不同響應(yīng)的加速度計(jì)，即，可能生產(chǎn)定制型加速度計(jì)。
在下文中更具體地介紹加速度測(cè)量程序。
位置x(對(duì)于低頻)與所施加的加速度成比例地相關(guān)。然而，根據(jù)電極排列的幾何形狀和電極的各自的電位，在位置x與所施加的加速度之間可能存在其它關(guān)系。
可使用上文所討論的同樣的電極來(lái)測(cè)量粒子從體積中心的移位x。
通過(guò)施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該機(jī)械系統(tǒng)的截止頻率的交流電壓并且隨后測(cè)量電流，可測(cè)量相對(duì)電極(頂部與底部)之間的電容和之間的介電。當(dāng)所施加的加速度造成粒子在電極之間移動(dòng)時(shí)，電容器的介電常數(shù)改變，因此改變不同的電容器值?？赡芡ㄟ^(guò)比較電極對(duì)101與106、102與106、103與106、104與106所形成的電容器與電極對(duì)105與106所形成的電容器的值來(lái)執(zhí)行差分測(cè)量。這使得可能與電容器的絕對(duì)值無(wú)關(guān)地進(jìn)行這種測(cè)量。
假設(shè)高度為g＝1mm的體積。為了獲得適當(dāng)腔室，電極的長(zhǎng)度和寬度可能在與腔室的高度相同的數(shù)量級(jí)。當(dāng)使所有尺寸相同時(shí)，可使用下式來(lái)計(jì)算電極對(duì)之間的電容 那么由于在水(εr＝80)中的聚苯乙烯粒子(εr＝2.5)的移位所造成的最大電容變化是 ΔC＝dΔεrε0＝1·10-3·(80-2.5)·8.85·10-12＝0.69pF 即，Cmax＝0.708pF和Cmin＝0.022pF。當(dāng)使用10MHz的頻率時(shí)，這對(duì)應(yīng)于從723kOhm到22.47kOhm的最大阻抗變化。
在下文中，將進(jìn)一步介紹本發(fā)明的示范性實(shí)施例。
根據(jù)第一實(shí)施例，該加速度計(jì)包括在水中的膠乳或聚苯乙烯球。假設(shè)在d＝100μm(＝腔室高度加上底電極的長(zhǎng)度和寬度)的腔室中在水(ρ＝1000kg/m2，粘度10-3Pas，εr＝80)中的聚苯乙烯球(ρ＝1060kg/m2，εr＝2.5，r＝40μm)。另外假設(shè)在頂電極106與底電極101至104之間所施加的直流電壓是1V，而底電極105具有與頂電極106相同的電位。因此最大電場(chǎng)是1V/100μm＝104V/m。最小場(chǎng)(在腔室的中心)是0V/m。在底電極的中心之間的距離是100μm，其或多或少地為場(chǎng)最大值與場(chǎng)最小值之間的距離以及粒子的最大移位。那么該正方形場(chǎng)(squared field)的梯度是108/10-4＝1012。
這在圖5中描繪。
考慮到穩(wěn)態(tài)情形，即，施加恒定加速度的情形，可計(jì)算獲得粒子從中心位置的最大移位(例如，100μm)所需的加速度(即，可測(cè)量的加速度范圍)。在穩(wěn)態(tài)情況下，介電泳力等于由加速度所造成的粒子上的力。
Facc＝ma＝(ρ1-ρ2)va＝(ρ1-ρ2)(4/3)πr3a Facc＝FDEP 由此可以得出 應(yīng)注意的是可測(cè)量的加速度并不取決于粒子大小，只是與密度和介電常數(shù)相關(guān)。對(duì)于實(shí)際測(cè)量，粒子大小是重要的，因?yàn)樗_定最大電容變化。然而，只要實(shí)現(xiàn)可測(cè)量的電容變化，使用差分測(cè)量技術(shù)使得大小再次變得無(wú)關(guān)緊要。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，在油中使用硅球。在這個(gè)實(shí)施例中，僅在電極105與106之間存在電位差。這可能導(dǎo)致硅球(ρ＝2330kg/m3，εr＝12)向腔室中心(在這里場(chǎng)最高)吸引。
應(yīng)注意的是大量懸浮于油(ρ＝800kg/m3，粘度1Pas，εr＝2.2)中的球和電極101至104與106之間的電位差同樣適用。在這種情況下這些球被吸引遠(yuǎn)離該中心。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，使用兩種流體作為試驗(yàn)質(zhì)量塊和介質(zhì)。舉例說(shuō)來(lái)，在水(ρ＝1000kg/m3，粘度10-3Pas，εr＝80)中的油滴(例如，ρ＝800kg/m3，粘度1Pas，εr＝2.2)。
根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，可使用在流體中的氣體。例如，可使用在水(ρ＝1000kg/m3，粘度10-3Pas，εr＝80)中的空氣泡(ρ＝1.3kg/m3，粘度17.1μPas，εr＝l)。空氣較低的εr將導(dǎo)致空氣泡向腔室的中心移動(dòng)，而較大的密度差異將導(dǎo)致氣泡在所施加的加速度的方向中移位。
根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，可能使用兩種氣體。舉例說(shuō)來(lái)，這個(gè)實(shí)施例可能還提供溫度傳感器，因?yàn)闅怏w可能隨著溫度升高而擴(kuò)散(或混合)，這可能得到共模信號(hào)(所有電容同時(shí)變化)，共模信號(hào)是絕對(duì)溫度的量度。
可能使用電潤(rùn)濕原理來(lái)將該試驗(yàn)質(zhì)量塊集中于腔室中部。電潤(rùn)濕效果被定義為由于在固體與電解質(zhì)之間所施加的電位差而造成的固體電解質(zhì)接觸角的變化。電潤(rùn)濕基本上是一種現(xiàn)象，借此電場(chǎng)可能使與絕緣電極接觸的小液滴的潤(rùn)濕行為改性。如果非均勻地施加電場(chǎng)，那么會(huì)形成表面能量梯度，其可用于操縱夾于兩個(gè)板之間的小液滴。
在圖6A與圖6B中示出了與絕緣層111接觸的小液滴的有利實(shí)施例。在這個(gè)示例中，以截面圖(圖6A)和頂視圖(圖6B)示出了在水(ρ＝1000kg/m3，粘度10-3Pas，εr＝80)中的小油滴(例如，ρ＝800kg/m3，粘度1Pas，εr＝2.2)。當(dāng)在電極1至4與頂電極6之間施加(直流或交流)電位差時(shí)，電潤(rùn)濕原理使小油滴集中于腔室中部，其中電極1至4通過(guò)諸如聚對(duì)二甲苯的隔離層111與水隔離，頂電極6與(傳導(dǎo)的)水接觸。即，水中的偶極將朝向底電極1至4移動(dòng)并因此小油滴朝向腔室中心移位。
非必須地，疏水層112可用于進(jìn)一步改進(jìn)該電潤(rùn)濕效果。
因此，電潤(rùn)濕實(shí)現(xiàn)了在常規(guī)加速度計(jì)中使用的彈簧的功能。
類似于上文所介紹，可通過(guò)圖3所描繪的系統(tǒng)來(lái)近似該加速度計(jì)，其中質(zhì)量塊m是小油滴的質(zhì)量塊與相等體積的周圍水的質(zhì)量塊之間的差(隨著小液滴位置變化，等體積的水移位)，即，m＝(ρ油-ρ水)v。
彈簧常數(shù)k表示電潤(rùn)濕力(自恢復(fù)機(jī)制)。阻尼常數(shù)c表示水的粘度。X是小油滴在腔室中的位置，而y是腔室的位置。
與常規(guī)加速度計(jì)相反，可通過(guò)僅改變電極之間的電位差而動(dòng)態(tài)地調(diào)整彈簧系數(shù)K。這允許可易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整成不同的加速度范圍的加速度計(jì)。
使用具有不同電位的多個(gè)電極，可以實(shí)現(xiàn)非線性(例如，對(duì)數(shù))響應(yīng)，其允許具有較大的動(dòng)態(tài)范圍的加速度計(jì)。在圖7中示出這種電極配置的一個(gè)示例。該電極配置類似于在圖4中所介紹的電極配置，除了缺少底電極105。如早在如4的實(shí)施例中所表示，對(duì)于位于更靠近腔室中心的電極，電極的電位應(yīng)減小。
使用具有所希望粘度的非水的周圍流體混合物(但也具有高εr)允許阻尼值c的控制。
可通過(guò)應(yīng)用具有所希望的密度和體積的小液滴(小油滴)和具有所希望的密度的周圍流體混合物來(lái)控制質(zhì)量塊m。為了獲得較大的密度差異和因此對(duì)加速度更高的靈敏度，水與空氣泡組合的使用是有利的(不同實(shí)施例)。
在制造帶電極的腔室之后，插入小液滴和周圍流體。隨著在電極上施加電壓時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)地自身對(duì)準(zhǔn)(即，彈簧系統(tǒng)的啟動(dòng))，可將小液滴隨便地投入到該腔室中?？赏ㄟ^(guò)在底電極的上方應(yīng)用疏水層112(例如，特氟綸)而在某種程度上幫助這種初始化過(guò)程，如在圖6A中示出。
小液滴與周圍流體的特定組合的選擇并不影響腔室的設(shè)計(jì)，因此同樣的腔室可能用于生產(chǎn)具有不同響應(yīng)的加速度計(jì)，即，可以制造“客戶定制型”加速度計(jì)。
在上述實(shí)施例中，使用同樣的電極來(lái)控制彈簧(即，通過(guò)施加交流和/或直流電位差)并測(cè)量移位(即，通過(guò)測(cè)量由于施加交流電位差而造成的流經(jīng)電容器的交流電流)。
在圖8中的備選實(shí)施例中，通過(guò)在中心電極(5)和頂電極(6)上施加電壓，小水滴集中于充滿油的腔室中。在這種情況下，電極5和6控制彈簧系統(tǒng)，而使用底電極1至4和電極6來(lái)執(zhí)行移位測(cè)量。
圖9具體地示出了彈簧系統(tǒng)的控制和移位測(cè)量。測(cè)量電流幅度，其表示該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移位。
圖10描繪了根據(jù)本發(fā)明用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理裝置400的示范性實(shí)施例。在圖10中描繪的數(shù)據(jù)處理裝置400包括中央處理單元(CPU)或處理器401，其被連接到用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器402。數(shù)據(jù)處理器401可能被連接到多個(gè)輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)或診斷裝置，諸如加速度計(jì)。數(shù)據(jù)處理器401還可被連接到顯示裝置403，例如，計(jì)算機(jī)監(jiān)視器，用于顯示在數(shù)據(jù)處理器401中所計(jì)算或調(diào)適的信息。操作者或使用者可能經(jīng)由鍵盤404和/或其它輸出裝置(其在圖10中并未描繪)與數(shù)據(jù)處理器401相互作用(例如)用于調(diào)整電壓并且因此調(diào)整(現(xiàn)場(chǎng))加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍(例如從線性調(diào)整為對(duì)數(shù))。
根據(jù)本發(fā)明的加速度計(jì)可用于測(cè)量可攜式攝錄機(jī)內(nèi)的加速度以能夠從錄制中移除使用者的顫抖。另一實(shí)施例旨在檢測(cè)裝置下落以能夠在它撞擊地面之前將它關(guān)閉使得該裝置更可能免于損壞(便攜式HDDMP3播放器)。
該加速度計(jì)還可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
舉例說(shuō)來(lái)，其可在用于(家庭)康復(fù)的位置傳感中使用。該加速度計(jì)可能用于確定患者的肢體在空間中如何移動(dòng)以便在家庭康復(fù)期間控制患者是否進(jìn)行正確的移動(dòng)。之后可以決定該康復(fù)是否有效。
或者，該加速度計(jì)可用于醫(yī)療器械的位置傳感，例如用于微創(chuàng)外科，可確定醫(yī)療器械的絕對(duì)位置并與成像技術(shù)組合，諸如MRI。
應(yīng)注意的是術(shù)語(yǔ)“包括”并不排除其它元件或步驟的存在并且“一”并不排除多個(gè)。而且，可能組合結(jié)合不同實(shí)施例介紹的元件。
還應(yīng)注意的是在權(quán)利要求書中的參考標(biāo)記不應(yīng)被視作限制權(quán)利要求書的范疇。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的介電泳加速度計(jì)，所述加速度計(jì)包括
-充滿介質(zhì)的空腔；
-用于產(chǎn)生非均勻力場(chǎng)的源；
-試驗(yàn)質(zhì)量塊，其適于在介質(zhì)內(nèi)移動(dòng)并經(jīng)受所述力場(chǎng)；
-檢測(cè)器，其適于檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)；
其中所述加速度計(jì)適于基于所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的所述移動(dòng)來(lái)測(cè)定所述加速度計(jì)的加速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述非均勻力場(chǎng)是電場(chǎng)；
所述源包括第一數(shù)目的第一電極和第二數(shù)目的第二電極；
在每個(gè)第一電極與每個(gè)第二電極之間存在相應(yīng)電位差；且所述第一電極與第二電極適于產(chǎn)生所述非均勻電場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
每個(gè)電極排列于上部水平面和下部水平面中的一個(gè)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述介質(zhì)具有第一介電常數(shù)；
所述試驗(yàn)質(zhì)量塊具有不同于所述第一介電常數(shù)的第二介電常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述檢測(cè)器適于電容檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的所述移動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述檢測(cè)器適于基于差分測(cè)量來(lái)檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)；以及
通過(guò)測(cè)量第一電極對(duì)的第一電容和第二電極對(duì)的第二電容并且通過(guò)比較所述第一電容與所述第二電容來(lái)檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的所述移動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述檢測(cè)器適于通過(guò)檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊在第一方向的第一移動(dòng)以及所述試驗(yàn)質(zhì)量塊在第二方向中的第二移動(dòng)和所述試驗(yàn)質(zhì)量塊在第三方向中的第三移動(dòng)中的至少一個(gè)來(lái)執(zhí)行二維或三維測(cè)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述試驗(yàn)質(zhì)量塊是球形粒子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述源適于控制第一電極與第二電極之間的電位差，導(dǎo)致通過(guò)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)使作用于所述試驗(yàn)質(zhì)量塊上的力的調(diào)整。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
通過(guò)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)，使所述力場(chǎng)的非均勻性導(dǎo)致作用于所述試驗(yàn)質(zhì)量塊上的所述力的對(duì)數(shù)響應(yīng)，得到將要被測(cè)量的所述加速度的寬的動(dòng)態(tài)范圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述源適于將所述響應(yīng)從非線性響應(yīng)切換到線性響應(yīng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，
所述試驗(yàn)質(zhì)量塊包括聚苯乙烯、膠乳、硅、第一流體和第一氣體中的一種；并且所述介質(zhì)包括水、油、第二流體和第二氣體中的一種。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述試驗(yàn)質(zhì)量塊可基于電潤(rùn)濕效果來(lái)移動(dòng)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述第二電極中的一個(gè)或多個(gè)設(shè)有電絕緣層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的加速度計(jì)，其特征在于，在所述電絕緣層上存在疏水層。
16.一種如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)在可攜式攝錄機(jī)內(nèi)用于測(cè)量所述可攜式攝錄機(jī)內(nèi)的加速度的用途。
17.一種如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)在便攜式音頻播放器內(nèi)用于檢測(cè)所述音頻播放器何時(shí)下落的用途。
18.一種如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的用途。
19.一種通過(guò)介電泳加速度計(jì)來(lái)測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的方法，所述方法包括以下步驟
-通過(guò)源產(chǎn)生非均勻力場(chǎng)；
-通過(guò)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)，所述試驗(yàn)質(zhì)量塊適于在介質(zhì)內(nèi)移動(dòng)并經(jīng)受所述力場(chǎng)；
-基于所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)來(lái)測(cè)定所述加速度計(jì)的加速度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，
所述非均勻力場(chǎng)是電場(chǎng)；
所述源包括第一數(shù)目的第一電極和第二數(shù)目的第二電極；
在每個(gè)第一電極與每個(gè)第二電極之間存在相應(yīng)電位差；以及
所述第一電極和第二電極適于產(chǎn)生所述非均勻電場(chǎng)。
21.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(402)，其中存儲(chǔ)通過(guò)介電泳加速度計(jì)來(lái)測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序被處理器(401)執(zhí)行時(shí)，其適于執(zhí)行以下步驟
-通過(guò)源來(lái)產(chǎn)生非均勻力場(chǎng)；
-通過(guò)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)，所述試驗(yàn)質(zhì)量塊適于在介質(zhì)內(nèi)移動(dòng)并經(jīng)受所述力場(chǎng)；
-基于所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的所述移動(dòng)來(lái)測(cè)定所述加速度計(jì)的加速度。
22.一種通過(guò)介電泳加速度計(jì)來(lái)測(cè)定作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速度的程序元件，當(dāng)所述程序元件被處理器(401)執(zhí)行時(shí)，所述程序元件適于執(zhí)行以下步驟
-通過(guò)源來(lái)產(chǎn)生非均勻力場(chǎng)；
-通過(guò)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)，所述試驗(yàn)質(zhì)量塊適于在介質(zhì)內(nèi)移動(dòng)并經(jīng)受所述力場(chǎng)；
-基于所述試驗(yàn)質(zhì)量塊的所述移動(dòng)來(lái)測(cè)定所述加速度計(jì)的加速度。
全文摘要
常規(guī)加速度計(jì)基于試驗(yàn)質(zhì)量塊，該試驗(yàn)質(zhì)量塊懸掛于某種彈簧減震器系統(tǒng)中。根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，提供一種基于介電泳的二維適應(yīng)性加速度計(jì)，其通過(guò)測(cè)定由于作用于試驗(yàn)質(zhì)量塊上的加速力所造成的該試驗(yàn)質(zhì)量塊的移動(dòng)來(lái)測(cè)量自由地浮于介質(zhì)中的該試驗(yàn)質(zhì)量塊的加速度。提供非均勻電力場(chǎng)用于較寬和可調(diào)整的動(dòng)態(tài)范圍。
文檔編號(hào)G01P15/125GK101268375SQ200680034552
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2006年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
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