KR20210013152A - 정전 용량 센서 - Google Patents
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Abstract
동작에 대한 저항 및 최소의 힘을 이동 전극에 부과하는 동적 정전 용량 센서 구성이 개시된다. 이동 전극은, 임의 수준의 컴플라이언스에도 불구하고, 동기 인입 불안정성과 같은 큰 바이어스 전압의 악영향을 방지한다. 이러한 구성은 동작에 대한 저항력이 가장 적은 고도의 호환성 및 박형의 전극 재료를 용이하게 통합한다. 이러한 유형의 재료는 소리 감지에 특히 유용하다. 동작에 영향을 주지 않고 예를 들어 400볼트의 큰 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 소리에 대한 전기적 감도는 통상적인 음향 센서보다 두 자리수가 더 크다, 예를 들어 약 0.5 볼트/파스칼로 높다.
Description
본 기술은 정전 용량 센서의 분야에 관한 것이다.
정전 용량의 변화에 의존하는 센서는 매우 많은 중요한 전자 제품 및 시스템에 사용된다. 동작 또는 소리를 검출하기 위한 정전 용량 센서는 통상적으로 고정 전극과 함께 경량성 가동 전극을 이용한다. 이러한 두 전극 사이에 인가된 바이어스 전압은 그의 상대 운동으로 인한 정전 용량의 변화를 검출할 수 있다. 작은 동작, 유동, 또는 음압을 검출하는 경우, 센서의 성능은 일반적으로 이동 전극과 고정 전극 사이의 유효 강성이 감소될 때 향상된다. 감응성 마이크에서, 가능한 작은 질량 및 강성을 갖는 고도의 호환성 이동 전극을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 상황에서, 정전력의 영향을 최소화하기 위해 용량성 전극을 설계할 때 주의해야 한다.
평행판 정전 용량을 사용하는 정전 용량 동작 센서의 설계에서는 이동 전극의 기계적 강성이 바이어싱 전극에 대해 붕괴를 방지할 정도로 충분히 커야 한다는 점은 주지되어 있다. 이는 정전력이 정적 평형 위치에 대한 작은 동작에 대해 음의 강성으로 작용하기 때문이다. 바이어스 전압이 충분히 높으면, 이러한 음의 강성의 크기가 기계적 강성의 크기를 초과하여 불안정성을 초래할 수 있다. 다른 전극 설계를 통해 정전력은 바이어스 전압이 증가함에 따라 전체 시스템 강성을 증가시키는 양의 강성으로 작용할 수 있다. 이 경우, 너무 높은 바이어스 전압은 감소된 응답성을 초래하여 감도를 감소시킬 것이다. 응답도는 검출기 시스템의 입력-출력 이득을 측정한다. 정전기 강성이 양수인지 음수인지에 관계없이, 정전력으로 인한 강성이 센서의 성능을 저하시키는 효과가 있다는 점은 대체로 사실이다.
정전기 센서가 두 전극을 갖는 경우, 이동 전극의 위치가 변경되면 통상적으로 정전기 위치 에너지가 변경된다. 전기장에 의해 가해지는 유효력은 이동 전극의 위치에 대한 이러한 위치 에너지의 도함수와 같을 것이다. 이동 전극 상의 정전력을 최소화하기 위해, 시스템의 총 위치 에너지가 이동 전극의 위치 변화에 따라 대략 일정하게 유지되도록 추가적인 고정 전극을 통합할 수 있다. 총 위치 에너지는 거의 일정하여 작은 정전력 및 상응하는 강성을 발생시키지만, 두 고정 전극은 이동 전극의 위치 변화에 따라 서로 다른 전하를 겪을 것이다. 이러한 두 고정 전극을 개별적으로 감지하면 센서에는 그의 동작에 대해 크게 감소된 정전력의 영향을 미친다.
전극이 이동할 때 총 정전기 위치 에너지가 대략 일정하게 유지되는 설계를 추구하는 것 외에, 또한 큰 동작에 대해 절대적인 안정성을 얻는 것이 바람직하다. 이는 이동 전극의 정전력이 모든 가능한 동작에 대해 공칭 평형 위치로 복원되도록 항상 작용하는 경우에 달성될 수 있다.
그래핀과 같은 초박형의 호환성 재료는 이러한 감지 전극을 구성하는 데 이용 가능하다[1], [2]. 그러나, 이러한 구조는 그 동작이 정전력에 의해 크게 영향을 받지 않으면 종래의 마이크 설계에 통합되기 어려운 낮은 굽힘 강성을 갖고; 음향 감지에 사용하려면 전극 설계에 대해 새로운 접근법이 필요하다.
고도의 호환성 재료는 음향 감지에 대한 상당한 가능성을 보여주었다. 거미줄과 같은 미세 섬유는 음장에서 공기의 움직임을 매우 정확하게 나타내는 것으로 밝혀졌다[3], [4]. 고도의 호환성 전극을 통합하는 문제로 인해 광학 감지를 통합한 마이크가 창출되었다[5]-[7]. 광학 마이크는 설계자가 기계 요소에 적용되는 힘에 대한 감지 메커니즘의 영향을 고려할 필요성을 없애는 목표를 달성하지만, 아직 대용량 저비용 장치에서 경쟁력이 입증되지 않았다. 또한, 압전 재료의 사용은 호환성 마이크 다이어프램에 대한 정전 용량 감지 문제를 피할 수 있는 가능성을 보여주었다[8]. 평행판 정전 용량 감지 방식을 피하기 위한 또 다른 유도는 전극 사이의 유동에 의해 야기되는 점성 댐핑이 소형 마이크에서 열 잡음의 주요 원천이라는 점이 언급되어야 한다[9].
도 1a 내지 도 1d는 종래의 정전 용량 감지 방식을 도시하고 있다. 도 1a는 음향 압력에 따라 달라지는 갭으로 분리된 평행판을 도시하고 있다. 도 1b는 갭으로 분리된 평행판을 도시하고 있으며, 그 판에 평행한 평면에서의 중첩은 음향 압력에 따라 달라짐을 도시하고 있다. 도 1c는 중앙판과 각 외판 사이의 거리가 음향 압력에 따라 달라지는 삼중의 평행판을 도시하고 있다. 도 1d는 하나의 판이 음향 압력에 따라 판의 평면에 평행하게 이동하여, 인접하고 동일 평면에 있으며 갭으로 분리되는 다른 두 판의 차등 중첩을 야기하는 삼중의 평행판을 도시하고 있다.
물론, 정전기 감지 방식에서 가능한 수많은 전극 기하학적 구조가 있다. 특정 감지 적용 분야에 대해 이동 전극에서 허용되는 질량, 강성 및 댐핑의 양에 따라, 기존의 접근법은 다양한 양의 정전력 및 강성을 얻을 수 있다. 4개의 일반적인 구성이 도 1에 도시되어 있다[10]. 도 1a 및 1b의 좌측에 도시된 2개는 두 전극으로 구성되고 도 1c 및 1d의 우측에서는 3개의 전극을 포함한다. 도 1a 및 1c에서, 전극은 그의 평행한 평면을 가로질러 이동하는 반면, 도 1b 및 1d에서 동작은 전극 평면에 평행하다. 도 1a의 구성은 이동 전극이 압력 감지 다이어프램을 포함하는 음향 센서에서 가장 일반적이다. 이들 각각은 평행판의 정전 용량에 대해 주지된 식을 사용하여 대략적으로 분석될 수 있다. 이러한 근사치는 평면 표면 사이의 거리가 다른 모든 치수에 비해 충분히 작아서 전기장이 평면 표면에 직각이고 직선인 필드 라인에 의해 지배되는 것으로 가정한다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 4개의 감지 구성의 각각에 대한 정전기 위치 에너지, 힘, 및 유효 강성에 대한 근사식이 고려된다. 도시된 각 패널에서의 제2 전극은 이동 전극이고 나머지 전극은 정지된 상태로 유지되는 것으로 가정한다. x를 공칭 위치에 대한 이동 전극의 변위라고 한다. 각 패널은 전극이 도 1a 내지 도 1d의 평면에 직교하는 치수 L을 통해 일정한 단면을 갖는 것으로 가정되는 단면을 나타낸다. 또한, 전극(2)은 일정한 전압 V 2로 바이어싱되는 반면, 다른 전극은 제로(0) 전위로 유지된다고 가정한다.
도 1a의 구성의 위치 에너지는 
(1)이고
ε = 8.854 pF/m은 매체의 유전율이다. 좌표 x와 연관된 유효 정전력은 평형 위치라고 가정할 x에서 평가되는 V a 의 도함수일 것이다[11], 
(2)
이러한 힘은 항상 이동 전극을 고정 전극으로 당기는 작용을 한다. 평형 지점 x에 대한 작은 섭동의 경우, 이러한 힘은 이러한 비례 상수의 음수가 등가 정전기 강성 k a 인 동작에 비례할 것이다,
따라서, 도 1a의 정전력은 x의 실현 가능한 값에 대해 항상 음수이다. 이는 거의 모든 압력 감지 마이크의 전극 구성이다.
도 1b에 도시된 구성의 정전기 에너지, 힘, 및 강성을 추정하기 위해 유사한 접근법을 취할 수 있다, 
(4)
유효 정전력은 
(5)이다
이러한 근사치에서, 힘은 x와 무관하며 이동 전극을 그의 공칭 위치로 당기는 작용도 한다. 이러한 일정한 힘의 경우, 유효 강성은 제로(0), k b 
0이다. 이러한 구성은 깍지형 손가락 또는 핀을 사용하여 실현될 수 있으며 일부 음향 압력 센서에 성공적으로 통합되었다[12]. 이러한 구성의 보다 상세한 정전기 분석은 x가 W에 비해 작지 않을 때 정전기 강성이 양수가 되는 것으로 나타남을 유의해야 한다[13]. 불안정성은 피할 수 있지만, 정전력은 전극 동작을 방해할 수 있다.
도 1c의 정전기 위치 에너지는 
(6)이다
이러한 식은 두 항에 따라 좌우되는 데, 하나는 x에 따라 증가하는 반면 다른 하나는 감소한다. 유효 정전력은 
(7)이다
유효 정전기 강성은 
(8)이다
도 1d에서, x = 0 일 때, 전극(2)이 두 고정 전극의 교차점 중앙에 위치되어 이들 각각과의 중첩이 폭 W/2를 갖는 것으로 가정할 것이다. 그리고, 도 1d에서 3개의 전극 구성의 정전기 위치 에너지는 다음과 같다
에너지가 x와 무관하기 때문에, 유효 정전력 및 강성은 제로(0), f d = 0, k d = 0이다. 이는 센서에서 매우 바람직하지만, 용량성 마이크에서는 구현하기가 어렵다. 다음에 제시된 전극 구성은 도 1d에 도시된 바와 같이 이동 전극이 그의 평면에 평행하기 보다는 그의 평면에 수직한 방향으로 변위되는 도 1d에 대한 근사치를 실현하려는 시도로 볼 수 있다. 시스템의 추가 분석은 Miles, R.N., "Notes on Electrostatics", State University of New York, Binghamton, NY 13902-6000에서 제공되며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참조로서 명시적으로 원용된다.
3931469; 3935397; 3941946; 3942029; 3944756; 3946422; 3958662; 3961202; 3980838; 3992585; 4006317; 4014091; 4034332; 4037062; 4046974; 4063050; 4081626; 4085297; 4093884; 4122302; 4149095; 4151480; 4160882; 4170721; 4188513; 4207442; 4215249; 4225755; 4246448; 4246449; 4249043; 4281221; 4288735; 4289936; 4302634; 4311881; 4323736; 4329547; 4360955; 4401858; 4403117; 4409441; 4414433; 4420790; 4429189; 4429191; 4429192; 4429193; 4434327; 4436648; 4439641; 4439642; 4461931; 4489278; 4491697; 4492825; 4515997; 4524247; 4533795; 4541112; 4542264; 4558184; 4567445; 4582961; 4615105; 4621171; 4764690; 4767973; 4790021; 4796725; 4802227; 4849050; 4849071; 4922471; 4977590; 4993072; 5014322; 5038459; 5054081; 5097224; 5161128; 5206914; 5208789; 5214709; 5335210; 5392358; 5452268; 5471540; 5490220; 5570428; 5573679; 5590212; 5600610; 5712598; 5745438; 5802198; 5854846; 5862239; 5870482; 5978491; 6075867; 6125189; 6145186; 6175636; 6178249; 6188772; 6201874; 6218883; 6243474; 6249075; 6304662; 6308398; 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20140307885; 20140307909; 20140318395; 20140341402; 20140369530; 20140376749; 20150001647; 20150003643; 20150003646; 20150003660; 20150010174; 20150014797; 20150016635; 20150023529; 20150031160; 20150035091; 20150049886; 20150055799; 20150061458; 20150063608; 20150071466; 20150078587; 20150078589; 20150078592; 20150082917; 20150088008; 20150102435; 20150110333; 20150125003; 20150131820; 20150137834; 20150139453; 20150162883; 20150163594; 20150181352; 20150189443; 20150189446; 20150202656; 20150208176; 20150228265; 20150230010; 20150230027; 20150245123; 20150256913; 20150256914; 20150264465; 20150264498; 20150271586; 20150289046; 20150296303; 20150304777; 20150311870; 20150318829; 20150319538; 20150326978; 20150336790; 20150341720; 20150341721; 20150350760; 20150373446; 20150380636; 20150381078; 20150381782; 20150382091; 20160014521; 20160014528; 20160014529; 20160029110; 20160029126; 20160029129; 20160037257; 20160037263; 20160041211; 20160044396; 20160050475; 20160057532; 20160065152; 20160066099; 20160073212; 20160087606; 20160091378; 20160105748; 20160107884; 20160111954; 20160134967; 20160134973; 20160142829; 20160149542; 20160155532; 20160156319; 20160157017; 20160157022; 20160157025; 20160165355; 20160165356; 20160167946; 20160173967; 20160173992; 20160173993; 20160173994; 20160176704; 20160182989; 20160183008; 20160192084; 20160192086; 20160192511; 20160218688; 20160219374; 20160219378; 20160221822; 20160241958; 20160241965; 20160255441; 20160255442; 20160277844; 20160295333; 20160304337; 20160309264; 20160330550; 20160336013; 20160337751; 20160340173; 20160344360; 20160345097; 20160352294; 20160360304; 20160360322; 20160362292; 20160373864; 20160373874; 20160377569; 20170034634; 20170041708; 20170041716; 20170048634; 20170059433; 20170064449; 20170070816; 20170078798; 20170078801; 20170094436; 20170099549; 20170102276; 20170127189; 20170135592; 20170142519; 20170142525; 20170155365; 20170156002; 20170160337; 20170164105; 20170164119; 20170166437; 20170180853; 20170180864; 20170180900; 20170195788; 20170215006; 20170217765; 20170223450; 20170230750; 20170238108; 20170245035; 20170245059; 20170245061; 20170247248; 20170251302; 20170251303; 20170257093; 20170260044; 20170265005; 20170265009; 20170275152; 20170280237; 20170280263; 20170284825; 20170289678; 20170318385; 20170318393; 20170318394; 20170332178; 20170355594; 20170363493; 20170366898; 20170374469; 20180002159; 20180002160; 20180002161; 20180002167; 20180002168; 20180007474; 20180012588; 20180027338; 20180035206; 20180035228; 20180035229; 20180044167; 20180050900; 20180059708; 20180062588; 20180063644; 20180066980; 20180067005; 20180077499; 20180091900; 20180091903; 20180091906; 20180103325; 20180103326; 및 RE40860을 참조하고, 이들 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 명시적으로 원용된다.
동작에 대한 저항 및 최소의 힘을 이동 전극에 부과하기 위한 동적 정전 용량 센서 구성이 제공된다. 동기 인입 불안정성과 같은 큰 바이어스 전압의 악영향을 받지 않고 임의 수준의 컴플라이언스를 갖는 이동 전극의 사용을 가능하게 하는 것이 목표이다. 이러한 구성은 동작에 대한 저항력이 가장 적은 고도의 호환성 및 박형의 전극 재료를 용이하게 통합한다. 이러한 유형의 재료는 소리 감지에 특히 유용하다. 측정된 결과는, 본 명세서에서 검토된 고도의 호환성 음향 센서 설계의 경우, 그 동작에 영향을 주지 않고 400볼트의 큰 바이어스 전압을 인가할 수 있음을 보여준다. 소리에 대한 전기적 감도는 통상적인 음향 센서보다 두 자리수가 더 큰 약 0.5 볼트/파스칼로 밝혀졌다.
본 기술의 일 양태는 마이크 성능에 대한 정전기 강성의 영향을 최소화할 수 있는 정전 용량 센서용 전극 설계를 제공하는 것을 추구한다. 이것이 달성될 수 있다면, 이동 전극은 정전력으로 인한 제약에 의해 제한되지 않고 최대 성능을 위해 설계될 수 있다.
본 기술의 다른 양태는 모든 작동 조건에서 안정적인 전극 설계를 제공하는 것을 추구한다. 본 명세서에 설명된 전극 배열은 거의 일정한 위치 에너지 및 보장된 안정성을 유지하는 목표를 달성한다.
본 기술의 또 다른 양태는 음장에서의 미세한 압력 및 풍속 변동에 적절하게 반응하기 위하여 이동 감지 전극이 기계적 강성 및 질량을 가능한 한 적게 갖는 마이크 설계를 제공한다.
본 접근법은 반발식 정전 액추에이터 및 센서에 대한 이전 작업을 따른다[14], [15]. 이러한 설계는, 이동 및 감지 전극이 편재하는 평행판 구성에서처럼 서로를 향해 이동하는 대신, 바이어스 전압이 증가함에 따라 멀어지게 하는 전극 구성을 사용했다. 반발식 정전기 장치는 동기 인입 불안정성을 방지하지만, 달성 가능한 성능을 제한하는 정전기 강화를 겪지 않는 전극 설계를 달성하는 것은 여전히 어렵다.
다음의 사항에서, 음향 압력에 쉽게 반응하기 위해 경량의 호환성 용량형 전극 구성이 제공된다.
바람직한 실시예는 이동 요소가 기압 또는 기류의 변화에 반응하고 이동 요소의 위치가 감지되는 마이크이다. 그러나, 센서 설계는 마이크에 국한되지 않고, 가속도계, MEMS 자이로스코프, 변위 센서, 진동계, 충격 센서 등으로 더 일반적으로 유용하다. 또한, 기본 설계는 네거티브 피드백 트랜스임피던스 증폭기에 의해 가상 접지에서 유지되는 한 쌍의 고정 전극을 제공하지만, 이는 기술의 제한이 아니다. 예를 들어, 전극 표면 중 하나의 전압 전위가 다른 것과 다른 전압으로 유지되면, 이때 하전 이동 요소가 경험하는 전기장은 비대칭일 것이며, 요소의 세장형 축에 평행하게 작용하는 법선력보다는, 강제된 변위가 존재할 것이다. 따라서, 하전 요소는 예를 들어 변위에 대한 아날로그 제어 및 위치 유지를 위한 피드백 제어와 함께 디지털 미러 장치의 액추에이터로서 작용할 것이다. 이러한 동일 구현은 또한 편향 위치로부터 하전 요소의 변위에 반응하는 출력을 생성한다. 경사진 요소의 정전력은 센서 이동 요소의 유효 강성과 상호 작용하기 때문에, 그 결과 전극의 불균형 및 하전 요소의 전압 전위에 따라 감도가 제어 가능한 센서가 생성된다.
다른 실시예에서, 이동 요소는 전극에 의해 발생된 시변 정전기장에 의해 의도적으로 진동된다. 예를 들어, 다이어프램이나 섬유가 특수 화학 재료로 코팅된 경우 화학 선택적 센서가 가능하다. 관심있는 종이 이동 요소에 흡수됨에 따라, 그의 질량이 변화되어 결과적으로 진동하는 전기장에 대한 반응을 변경시킨다.
추가 실시예에서, 이동 요소는 열적으로 반응하며, 예를 들어 기계적 특성 또는 치수가 변화된다. 이는 결과적으로 진동 전기장과 같은 섭동에 대한 하전 요소의 주파수 및/또는 선형 또는 비선형 반응을 변경할 것이다.
이동 하전 요소의 공칭 상태의 리포지셔닝은 다른 센서 특성에 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 하전 요소는 불균일한 매체에 위치될 수 있다. 그러므로, 하전 요소의 이동은 다른 작동 환경을 초래할 것이다.
일부 경우에, 3개보다 많은 전극은 단일 이동 요소와 상호 작용할 수 있다. 다이어프램의 경우, 이는 비틀림을 유발하거나 감지할 수 있다. 두 축을 따라 이동하기 위해 매달린 다른 구조의 섬유 또는 필라멘트의 경우, 더 많은 수의 전극이 다양한 이동 축을 검출할 수 있다.
일부 경우에, 하나보다 많은 이동 요소가 제공될 수 있다. 이들은 다양한 방식으로 전극과 그리고 서로 상호 작용할 수 있다. 예를 들어, 이들은 서로 다른 축(다축 센서)을 따라 이동이나 효과를 감지할 수 있고, 여기 조건에서 공간적 변화를 검출하거나 처리할 수 있다.
일부 경우에, 센서는 액체 매체에서 작동할 수 있다. 정전기 센서의 경우, 이는 통상적으로 고유전성 액체를 의미하며, 일부 경우에 물을 포함한 이온성 액체 또는 저유전성 액체를 이용할 수 있다. 예를 들어, 본 기술에 따른 장치를 물에 침지하고 전압 전위가 물의 가수 분해 전위 아래에서 유지되면, 그 결과 ~10-7인 물의 자연 pKa(pH)로 인해 하전 요소로부터 전극으로의 누설 전류가 있을 것이다. 이러한 이온화 양에 의해 실시예는 실격되지 않는다. 다른 액체는 누출이 적다. 예를 들어, 광유, 탄화수소, 실리콘, 수소불화탄소, 극저온 액화 가스 등이 있다.
다른 실시예에서, 전극에 대한 전압 전위로 인해 하전 요소의 신장이 없다는 추정은 엄격하게 유효하지 않다. 그러므로, 요소의 길이 및 그의 전극과의 거리는 인가 전압에 따라 달라질 것이다. 통상적으로, 센서가 동기 인입을 경험하는 것을 원하지는 않지만, 특정 센서 유형에서, 이는 이동 요소를 제자리에 고정하기 때문에 정확히 추구하는 효과이다.
기본 시스템의 다른 수정도 가능하다. 다음의 특허 및 공개된 특허 출원은-이들 각각이 그 전체가 본 명세서에 참조로서 명시적으로 원용됨- 본 기술에 따른 감지 기술이 구현될 수 있는 다양한 구현 기술, 적용 분야 및 상황 정보를 개시하고: 5948981; 6104492; 6312393; 6360601; 6480645; 6529652; 6544193; 6549692; 6591029; 6625399; 6642067; 6745627; 6768181; 6784500; 6798796; 6847036; 7041063; 7054519; 7091715; 7100446; 7123111; 7157712; 7159441; 7208729; 7212487; 7214298; 7260980; 7275433; 7282709; 7284430; 7286743; 7294503; 7305880; 7308827; 7351376; 7403805; 7421898; 7448995; 7469834; 7481111; 7482589; 7485100; 7521257; 7622081; 7640803; 7652752; 7654957; 7714278; 7756559; 7791027; 7804374; 7809417; 7818871; 7822510; 7826629; 7827864; 7836765; 7939021; 7990539; 8022779; 8037756; 8051698; 8061201; 8129176; 8136385; 8164588; 8193869; 8220318; 8226236; 8252539; 8257666; 8263336; 8319177; 8322213; 8333112; 8339014; 8367426; 8391517; 8427249; 8427657; 8445210; 8451068; 8461936; 8482300; 8488973; 8556428; 8580597; 8586918; 8592153; 8592154; 8592215; 8627511; 8650955; 8658367; 8658368; 8669771; 8677821; 8686802; 8698212; 8742469; 8742770; 8746039; 8746048; 8748947; 8766327; 8774885; 8776573; 8787117; 8793811; 8800369; 8822205; 8822906; 8844340; 8875576; 8912580; 8914089; 8928203; 8953414; 8994076; 8994954; 9072429; 9146109; 9182454; 9200887; 9209746; 9217641; 9233395; 9238250; 9267923; 9270281; 9372154; 9389079; 9395317; 9411000; 9423254; 9448069; 9515676; 9535137; 9575089; 9611139; 9618475; 9618533; 9638617; 9645166; 9658247; 9668035; 9680414; 9702992; 9719847; 9740003; 9774276; 9778282; 9780435; 9800019; 9804264; 9810775; 9810786; 9812838; 9823353; 9857468; 9864846; 9869754; 9874635; 9905992; 9910061; 9910062; 9915520; 9927393; 9944981; 9958414; 9958415; 9958545; 9966966; 20020049389; 20020068370; 20030033850; 20030071686; 20030139687; 20030142934; 20030179791; 20030196489; 20040039297; 20040039298; 20040060355; 20040237626; 20050009197; 20050020926; 20050068612; 20050104675; 20050147017; 20050167508; 20050199047; 20050274888; 20060032308; 20060032309; 20060033588; 20060158662; 20060158666; 20060196266; 20060233498; 20070016074; 20070024840; 20070034005; 20070115440; 20070119258; 20070142718; 20070194239; 20070287923; 20070289382; 20080007693; 20080190198; 20080190200; 20080191132; 20090036761; 20090064781; 20090174885; 20090229020; 20090289606; 20090301193; 20100000289; 20100024546; 20100024560; 20100078564; 20100137143; 20100145180; 20100155883; 20100194374; 20100213791; 20100253332; 20100267164; 20100301398; 20100308930; 20100313657; 20110006196; 20110028807; 20110040161; 20110138891; 20110167908; 20110170108; 20110194711; 20110194857; 20110227448; 20110248320; 20110275522; 20110281737; 20110281741; 20120006114; 20120009713; 20120013392; 20120032747; 20120068776; 20120086307; 20120112056; 20120168605; 20120172256; 20120187983; 20120192647; 20120194107; 20120227498; 20120261274; 20120265474; 20120304341; 20120325683; 20120326213; 20120326767; 20120327368; 20120329043; 20120329044; 20120329192; 20130001653; 20130004948; 20130004949; 20130009214; 20130017642; 20130025368; 20130064035; 20130071915; 20130119243; 20130139285; 20130180333; 20130201316; 20130210128; 20130210182; 20130217004; 20130231870; 20130247669; 20130271123; 20130302932; 20140000344; 20140028997; 20140062619; 20140093881; 20140104618; 20140113828; 20140144230; 20140147337; 20140159748; 20140159826; 20140176958; 20140185054; 20140194301; 20140194302; 20140194303; 20140224971; 20140230547; 20140235452; 20140235463; 20140251017; 20140265720; 20140287958; 20140301167; 20140324376; 20140331367; 20140360272; 20140372057; 20150029490; 20150043002; 20150065837; 20150085249; 20150091477; 20150143905; 20150166332; 20150168344; 20150171595; 20150177272; 20150293243; 20150304741; 20150308829; 20150377622; 20150377623; 20150377916; 20150377917; 20150377918; 20160003868; 20160006414; 20160033448; 20160035314; 20160054400; 20160061772; 20160062112; 20160069686; 20160072472; 20160079953; 20160087551; 20160139176; 20160187289; 20160223319; 20160298963; 20160329682; 20160341758; 20160341761; 20160341762; 20160341765; 20160344368; 20160374703; 20170003314; 20170003316; 20170025736; 20170059530; 20170067856; 20170068319; 20170074640; 20170078400; 20170126206; 20170146484; 20170153319; 20170155225; 20170164839; 20170176596; 20170184644; 20170185954; 20170194985; 20170199277; 20170201059; 20170205223; 20170219521; 20170219622; 20170258320; 20170271610; 20170272878; 20170272886; 20170276723; 20170277125; 20170277138; 20170277902; 20170278226; 20170278447; 20170278465; 20170278480; 20170278733; 20170278874; 20170278878; 20170278973; 20170280041; 20170280265; 20170281083; 20170285404; 20170285815; 20170285871; 20170286588; 20170287127; 20170287228; 20170287293; 20170287414; 20170287943; 20170288023; 20170288125; 20170288670; 20170289678; 20170289702; 20170290097; 20170293155; 20170293156; 20170293171; 20170294543; 20170295325; 20170295434; 20170297895; 20170297899; 20170299494; 20170299721; 20170300162; 20170301391; 20170301699; 20170308216; 20170309856; 20170310743; 20170316487; 20170316713; 20170317610; 20170318388; 20170318394; 20170319179; 20170320726; 20170323481; 20170323892; 20170323908; 20170325025; 20170325081; 20170328702; 20170328931; 20170329162; 20170329439; 20170331899; 20170332170; 20170334187; 20170336205; 20170336396; 20170336903; 20170337888; 20170338107; 20170338108; 20170338353; 20170338818; 20170340396; 20170343874; 20170344114; 20170347886; 20170348095; 20170352233; 20170352540; 20170352746; 20170354031; 20170355591; 20170355599; 20170356928; 20170357113; 20170357144; 20170357365; 20170359113; 20170359536; 20170359658; 20170359669; 20170362648; 20170363493; 20170363906; 20170364154; 20170365224; 20170365234; 20170365451; 20170365648; 20170366104; 20170366235; 20170366898; 20170367578; 20170370869; 20170372114; 20170372542; 20170372669; 20170373196; 20170374441; 20170374442; 20170374457; 20170374469; 20170374473; 20170374474; 20180000344; 20180002159; 20180002160; 20180002161; 20180002162; 20180002167; 20180002168; 20180004047; 20180004282; 20180004701; 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20180053459; 20180055159; 20180055625; 20180058967; 20180059318; 20180059466; 20180059690; 20180061344; 20180061638; 20180061639; 20180063647; 20180067005; 20180067303; 20180067373; 20180067586; 20180069064; 20180069367; 20180070821; 20180072033; 20180074592; 20180075924; 20180076195; 20180076231; 20180076232; 20180076332; 20180076333; 20180076385; 20180076394; 20180076507; 20180076893; 20180077408; 20180077497; 20180077499; 20180079429; 20180081449; 20180081536; 20180082102; 20180082118; 20180083048; 20180083074; 20180084245; 20180084365; 20180085593; 20180085859; 20180086628; 20180087984; 20180088068; 20180088236; 20180088776; 20180090602; 20180090616; 20180090621; 20180091906; 20180092313; 20180093117; 20180095127; 20180095336; 20180095502; 20180095504; 20180096177; 20180096735; 20180096971; 20180096979; 20180097040; 20180097275; 20180097516; 20180097622; 20180097983; 20180098001; 20180098139; 20180098143; 20180099867; 20180099868; 20180100721; 20180101359; 20180101388; 20180101422; 20180101715; 20180101965; 20180102086; 20180102420; 20180102442; 20180102586; 20180102667; 20180102981; 20180103029; 20180103132; 20180103320; 20180103323; 20180103324; 20180103325; 20180104407; 20180105270; 20180106759; 20180107221; 20180107280; 20180107303; 20180107333; 20180107353; 20180107382; 20180107849; 20180107908; 20180108002; 20180108172; 20180108227; 20180108440; 20180108760; 20180109061; 20180109180; 20180109267; 20180109676; 20180109710; 20180109724; 20180109751; 20180109752; 20180109835; 20180109869; 20180109875; 20180109892; 20180109947; 20180110148; 20180110466; 20180111824; 20180112837; 20180112887; 20180113138; 20180113304; 20180113305; 20180113501; 20180113512; 20180113566; 20180113607; 20180114047; 20180114386; 20180114942; 20180115116; 20180115579; 20180115755; 20180115756; 20180115811; 20180115836; 20180115837; 20180115838; 20180115864; 20180115867; 20180116514; 20180116535; 20180116561; 20180116728; 20180116904; 20180117341; 20180117436; 20180118560; 20180120172; 20180120264; 20180120265; 20180120433; 20180120436; 20180120902; 20180120930; 20180120948; 20180121067; 20180121671; 20180121703; 20180121738; 20180121796; 20180122356; 20180122506; 20180122831; 20180123224; 20180123379; 20180123402; 20180123412; 20180124181; 20180124225; 20180124230; 20180124495; 20180124514; 20180124521; 20180124564; 20180124601; 20180124846; 20180125363; 20180125366; 20180125404; 20180125584; 20180126075; 20180126273; 20180127265; 20180127266; 20180128783; 20180128851; 20180128896; 20180129112; 20180129170; 20180129290; 20180129409; 20180129459; 20180129511; 20180129831; 20180129849; 20180130318; 20180130320; 20180130434; 20180130441; 20180130483; 20180130484; 20180130539; 20180130861; 20180130940; 20180130967; 20180131091; 20180131201; 20180131478; 20180131543; 20180131664; 20180131797; 20180131804; 20180131858; 20180131869; 20180131873; 20180132023; 20180132024; 20180132031; 20180132043; 20180132048; 20180132116; 20180132171; 20180132192; 20180132815; 20180133431; 20180133504; 20180133507; 20180133583; 20180133801; 20180134385; 20180134546; 20180136321; 20180136363; 20180136712; 20180136715; 20180136801; 20180136819; 20180136899; 20180137467; 20180137488; 20180137498; 20180138102; 20180138155; 20180138201; 20180138283; 20180138391; 20180138416; 20180138882; 20180139389; 20180139398; 20180139431; 20180139534; 20180139536; 20180139543; 20180139544; 20180139545; 및 20180139862를 참조하고; 이들 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 명시적으로 원용된다.
다양한 유형의 미세 전자 기계 정전 액추에이터가 공지되어 있다. 6128122; 6164134; 6201629; 6273544; 6309048; 6312114; 6353492; 6360035; 6378989; 6408878; 6424466; 6433911; 6439689; 6439699; 6443558; 6450628; 6474781; 6481835; 6491362; 6508546; 6517197; 6531668; 6538799; 6547371; 6554410; 6572220; 6575566; 6588882; 6592207; 6594057; 6598964; 6623108; 6634735; 6641273; 6644793; 6652082; 6666548; 6698867; 6733116; 6742873; 6746108; 6786573; 6793328; 6793753; 6798729; 6799835; 6805435; 6805454; 6808253; 6824257; 6827428; 6827429; 6832828; 6848181; 6851796; 6860590; 6863378; 6863384; 6866369; 6880235; 6880922; 6883904; 6883906; 6886915; 6890059; 6891240; 6899137; 6899416; 6902255; 6905195; 6905620; 6913347; 6916087; 6916091; 6918655; 6921150; 6922118; 6923526; 6929030; 6929350; 6938989; 6938991; 6938994; 6949756; 6955428; 6974206; 6988785; 6988789; 6988790; 6991318; 6994424; 6994426; 6994430; 6998278; 7001007; 7004563; 7004577; 7006720; 7014296; 7014298; 7014785; 7025324; 7028474; 7032992; 7032997; 7034854; 7040338; 7048868; 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20120091374; 20120105535; 20120105548; 20120105549; 20120105550; 20120105553; 20120268525; 20120268527; 20120268528; 20120268529; 20120268530; 20120268531; 20120299998; 20120299999; 20120300000; 20120300001; 20120307211; 20120319303; 20120328834; 20130059396; 20130068131; 20130070031; 20130072614; 20130199730; 20130235101; 20130235102; 20130249982; 20130249983; 20130249984; 20130249985; 20130252234; 20130257991; 20130257992; 20130257994; 20130257996; 20130257997; 20130258002; 20130278677; 20130278689; 20130280831; 20130286108; 20130286109; 20130302785; 20130328976; 20130328977; 20130330475; 20130342597; 20140009523; 20140015878; 20140015879; 20140015880; 20140015893; 20140015901; 20140021343; 20140084390; 20140126762; 20140212917; 20140220621; 20140262972; 20140273408; 20140308770; 20140322489; 20140363678; 20150043002; 20150183633; 20150213996; 20150266726; 20150276089; 20150294838; 20160091479; 20160103174; 20160172197; 20160173001; 20160202286; 20160243827; 20160268084; 20160324564; 20170001195; 20170146364; 20170303383; 20180075994; 및 20180079640을 참조하고; 이들 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 명시적으로 원용된다.
센서를 제공하는 것이 목적으로, 본 센서는 전기장 내에 적어도 2개의 전극; 및 충전되도록 구성되고, 전기장 내에서 적어도 2개의 전극에 근접하게 배치되고, 적어도 10의 종횡비를 갖는 세장형 변위 가능 요소를 포함하고, 요소는 적어도 2개의 전극의 각각과 상호 작용하여 세장형 축을 따라 적어도 95% 인장된 요소 내에 복합력을 생성하도록 구성되어, 조건에 의해 변위될 때 요소가 조건의 크기에 대응하는 적어도 2개의 전극에 전하 재분배를 유도하고, 조건 또는 동기 인입 불안정성에 대한 전하 재분배의 반응도를 실질적으로 변경하지 않는다.
또한, 센서를 제공하는 것이 목적으로, 본 센서는 충전되도록 구성되고, 전기장 내에서 적어도 2개의 전극에 근접하게 배치되는 요소를 포함하고, 요소는 적어도 2개의 전극의 각각과 상호 작용하여 적어도 95% 인장된 요소 내에 복합력을 생성해서, 조건에 의해 공칭 위치로부터 변위될 때 요소가 조건의 크기에 대응하는 적어도 2개의 전극에 전하 재분배를 유도한다. 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극은 선형 갭에 의해 분리된 한 쌍의 고정 도체를 포함할 수 있으며, 한 쌍의 고정 도체의 각각은 각각의 전위로 유지될 수 있고, 전하 재분배에 기반하여 한 쌍의 고정 도체 위의 공간에서 전기장을 감지할 수 있다. 축은 선형 갭을 가로지르는 벡터 성분을 갖는 것이 바람직하고, 하전 요소에 대한 순 힘은 감지 조건에 반응하여 하전 요소의 변위 상태에 둔감하다.
또한, 정전 용량 차이를 감지하기 위한 방법이 목적으로, 본 방법은 감지 조건에 반응하여 축을 따라 움직임을 갖는, 전기장에 하전 요소를 제공하는 단계; 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 도체를 제공하는 단계로서, 도체의 각각은 전기장과 상호 작용하고, 전기장의 섭동을 전기적으로 감지하기 위해 각각의 전극을 갖고, 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 도체는 축에 수직한 하전 요소에 순 힘을 생성하는, 단계; 및 조건에 반응하여 축을 따라 하전 요소의 이동에 의해 야기된 전기장의 섭동을 감지하는 단계를 포함하고, 하전 요소의 이동 범위에 걸쳐, 전기장에서 하전 요소의 위치는 실질적으로 조건에 대한 변위 가능 요소의 반응도를 변경하지 않거나 또는 동기 인입 불안정을 유발하지 않는다.
적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 도체는 선형 갭에 의해 분리된 한 쌍의 고정 도체를 포함할 수 있으며, 한 쌍의 고정 도체의 각각은 각각의 전위로 유지될 수 있고, 전하 재분배에 기반하여 한 쌍의 고정 도체 위의 공간에서 전기장을 감지할 수 있고, 하전 요소에 대한 순 힘은 감지 조건에 반응하여 하전 요소의 변위 상태에 둔감하다.
하전 요소는 음향 진동에 반응할 수 있고, 감지 섭동은 음향 진동을 정량적으로 나타낸다.
하전 요소는 세장형 축을 가지며, 일단에 매달려 있고, 하전 요소를 공칭 위치로 복귀시키는 경향이 있는 복원력을 가질 수 있고, 공칭 위치에서 하전 요소의 자유 단은 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극에 근접한다. 하전 요소와 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극 사이의 순 힘의 벡터는 세장형 축으로부터 5도 미만으로, 예를 들어 4도, 3도, 2도, 1도 등으로 벗어날 수 있다.
정전 용량 센서를 제공하는 것이 추가적인 목적으로, 본 정전 용량 센서는 적어도 하나의 공간 갭에 의해 서로 격리된 적어도 2개의 도체로서, 적어도 2개의 도체 및 적어도 하나의 공간 갭에 근접한 영역을 차지하는 정전기장과 상호 작용하는 각각의 도체는 정전기장의 섭동에 전기적으로 반응하는, 적어도 2개의 도체; 및 감지 조건에 선택적으로 반응하여 공간 갭을 가로지르는 방향성 성분을 갖는 변위 축을 따라 이동하도록 구성되고, 이동에 대응하여 정전기장을 섭동시키는 변위 가능 요소를 포함하고, 변위 가능 요소의 이동 범위에 걸쳐, 정전기장은 감지 조건에 대한 변위 가능 요소의 반응도를 실질적으로 변경하지 않거나 동기 인입 불안정성을 유발하지 않는다.
적어도 2개의 도체는 선형 공간 갭에 의해 분리된 한 쌍의 고정 도체를 포함할 수 있으며, 한 쌍의 고정 도체의 각각은 각각의 전위로 유지되어, 한 쌍의 고정 도체의 각각의 전위 사이의 차이에 따라 선형 공간 갭을 가로지르는 주요 필드 벡터 성분을 갖는 한 쌍의 고정 도체 위의 공간에서 정전기장을 생성하고, 변위 가능 요소는 선형 공간 갭을 가로지르는 벡터 성분을 갖는 변위 축으로 구성된 하전 요소를 포함할 수 있어, 정전기장으로 인해 변위 가능 요소에 부과된 힘은 감지 조건에 반응하여 변위 가능 요소의 변위 상태에 둔감하다.
변위 가능 요소는 적어도 하나의 에지에서 지지되지 않는다.
변위 가능 요소는 약 10㎛ 미만의 두께를 갖는 금속 또는 금속화된 폴리머 다이어프램; 섬유; 메쉬; 탄소 나노튜브 및 그래핀 시트 중 적어도 하나; 및/또는 일렉트릿, 박형 금속 시트, 폴리실리콘, 또는 임의의 도핑된 반도체를 포함할 수 있다.
변위 가능 요소는 2개의 상이한 감지 축을 따라 변위되도록 구성될 수 있고, 적어도 2개의 도체는 적어도 3개의 도체를 포함한다.
변위 가능 요소는 다이어프램을 포함할 수 있고, 적어도 2개의 고정 도체는 다이어프램과 적어도 2개의 고정 도체 중 하나 사이의 전위차의 변화가 실질적으로 변위 축에 대한 다이어프램의 유효 강성을 변위시키거나 변경하지 않도록 함께 구성된다.
정전 용량 센서는 각각의 도체로부터 출력 신호를 생성하도록 구성된 각각의 트랜스임피던스 증폭기를 더 포함할 수 있다.
변위 가능 요소는 다이어프램에 걸쳐 압력 차이를 유지하도록 충분히 격리된 대향 측면을 갖는 미세 기계가공된 실리콘 다이어프램을 포함할 수 있고, 각각의 환경 포트로부터 미세 기계가공된 실리콘 다이어프램의 각각의 측면으로 유체 매체에 대해 적어도 하나의 경로를 선택적으로 형성하여 미세 기계가공된 실리콘 다이어프램의 각각의 측면 상의 압력을 선택적으로 변경하도록 구성된 하우징을 더 포함한다.
변위 가능 요소는 관성 상태의 변화에 동적으로 반응하는 움직임을 가질 수 있다. 변위 가능 요소는 공기역학적 영향에 동적으로 반응하는 움직임을 가질 수 있다. 변위 가능 요소는 화학적 또는 생화학적 과정에 동적으로 반응하는 움직임을 가질 수 있다.
변위 가능 요소와 도체 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 1V, 예를 들어 3V, 5V, 10V, 15V, 20V, 30V, 50V, 100V, 200V, 300V, 400V, 또는 500V일 수 있다. 변위 가능 요소와 도체 중 적어도 하나 사이의 전기장은 적어도 0.1 V/㎜, 예를 들어, 0.5V/㎜, 1V/㎜, 2V/㎜, 3V/㎜, 4V/㎜, 5V/㎜, 10V/㎜, 25V/㎜, 50V/㎜, 75V/㎜, 100V/㎜, 200V/㎜, 300V/㎜, 400V/㎜, 500V/㎜, 750V/㎜, 1000V/㎜, 1500V/㎜, 2000V/㎜, 2500V/㎜ 등이다. 일부 경우에, 절연 매체의 절연 내력에서 전위가 설정될 수 있다. 예를 들어, 공기는 약 3000V/㎜의 절연 내력을 갖는다.
그러므로, 정전 용량 센서를 제공하는 것이 목적으로, 본 정전 용량 센서는 갭에 의해 분리된 한 쌍의 동일 평면 표면; 동일 평면 표면에 수직인 평면에 배치되고, 갭에 수직이고 동일 평면 표면에 평행한 축을 따라 이동하도록 구성된 다이어프램으로서, 다이어프램 및 한 쌍의 동일 평면 표면은 함께 구성되어 전도성 다이어프램과 한 쌍의 동일 평면 전도성 표면 중 하나 사이의 전압 차이는 실질적으로 다이어프램의 유효 강성을 편향시키거나 변경하지 않는, 다이어프램; 및 한 쌍의 동일 평면 표면의 각각 및 다이어프램과 전기 연통하고, 다이어프램의 전위에 의해 한 쌍의 동일 평면 표면 사이에 유도된 차동 전하를 결정하도록 구성된 전극 세트를 포함한다.
또한, 진동 또는 소리를 감지하는 방법을 제공하는 것이 목적으로, 본 방법은 갭에 의해 분리된 한 쌍의 동일 평면 표면, 및 동일 평면 표면에 수직인 평면에 배치되고, 갭에 수직이고 동일 평면 표면에 평행한 축을 따라 굴곡되도록 구성된 다이어프램을 제공하는 단계; 한 쌍의 동일 평면 표면에 대해 다이어프램에 전압 전위를 유도하는 단계; 및 수직 축을 따라 다이어프램의 굴곡으로 인해 한 쌍의 동일 평면 표면 상의 유도 전하의 변화를 감지하는 단계를 포함하고, 다이어프램 및 한 쌍의 동일 평면 표면은 전압 전위가 다이어프램의 유효 강성을 실질적으로 편향시키거나 변경하지 않도록 함께 구성된다.
센서는 차동 전하를 증폭하도록 구성된 트랜스임피던스 증폭기를 더 포함할 수 있다. 동일 평면 표면의 각각에서의 전위는 각각의 트랜스임피던스 증폭기에 의해 접지 전위로 유지될 수 있으면서 다이어프램의 이동에 의해 각각의 동일 평면 표면에 전하 변화가 유도된다.
다이어프램은 예를 들어 <10㎛, <7.5㎛, <5㎛, <3㎛, <2㎛, <1㎛의 두께를 갖는 예를 들어 금속화된 폴리머 멤브레인 또는 미세 기계가공된 실리콘을 포함할 수 있다.
다이어프램은 전기계, 가속도계, 충격 센서, 유량 센서, 또는 다른 유형의 전기 또는 기계식 센서로 작동할 수 있지만, 예를 들어 사람의 말에 의해 생성된 소리 또는 전기장 변화와 같은 음향 진동에 반응하여 진동하도록 구성되는 것이 바람직하다.
센서는 음향 진동을 환경 포트로부터 다이어프램의 일측으로, 또는 한 쌍의 환경 포트의 각각으로부터 다이어프램의 각각의 측면으로 선택적으로 지향시키거나, 또는 환경 포트로부터 편향 가능 요소의 일측으로 유체 매체에 형성된 경로를 제공하도록 구성된 하우징을 더 포함할 수 있다.
다이어프램은 음장 내에서 공기 이동에 근접하는 움직임을 가질 수 있다.
다이어프램은 최저 공진 주파수 이동을 가지며, 최저 공진 주파수보다 큰 주파수를 갖는 음장 내에서 공기의 이동에 반응하여 음향파의 음향 속도와 거의 위상이 동일하게 구성될 수 있다. 최저 공진 주파수는 예를 들어 <250㎐, <200㎐, <150㎐, <100㎐, <80Hz, <50㎐, <35㎐, <24㎐, <20㎐, <15㎐, 또는 <10㎐일 수 있다.
다이어프램과 동일 평면 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 예를 들어 >400V, >200V, >100V, >50V, >24V, >12V, >10V, >6V, 또는 >5V일 수 있다.
또한, 정전 용량 센서를 제공하는 것이 목적으로, 본 정 전 용량 센서는 적어도 하나의 비전도성 갭에 의해 분리되고, 각각은 연관된 정전기장을 갖고, 함께 복합력 벡터를 야기하는 적어도 2개의 고정 전도성 표면; 및 복합력 벡터에 수직인 축을 따라 이동하도록 구성되고, 감지 조건에 대응하는 이동의 진폭을 갖는 편향 가능 요소를 포함하고, 요소는 한 쌍의 고정 전도성 표면의 각각의 연관된 정전기장과 정전기적 상호 작용을 갖도록 구성되고, 축을 따른 요소의 이동 범위에 걸쳐 복합력 벡터는 편향 가능 요소의 편향을 실질적으로 변경하지 않는다. 정전 용량 센서는 마이크일 수 있으며, 감지 조건은 음향파를 포함한다.
편향 가능 요소는 다이어프램, 예를 들어 캔틸레버 지지형 다이어프램, 대향 에지에서 지지되는 다이어프램 또는 빔(지지체 사이에서 자유롭게 굴곡됨), 천공형 다이어프램, 중실 다이어프램, 또는 금속화된 폴리머 다이어프램을 포함할 수 있다. 편향 가능 요소는 섬유, 섬유 메쉬, 섬유 매트, 또는 금속화된 전기 방사 섬유를 포함할 수 있다. 편향 가능 요소는 중실 에지, 예를 들어 기계적 다이어프램의 고유 부분, 또는 중실 보더 요소를 갖는 섬유 메쉬를 가질 수 있다. 편향 가능 요소는 탄소 나노튜브, 그래핀, 실리콘, 미세 기계가공된 실리콘 또는 기타 재료, 및/또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 편향 가능 요소는 금속화, 도핑된 반도체, 또는 일렉트릿일 수 있다. 센서는 적층 제조 공정, 감산 제조 공정, 또는 각각의 양태를 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 반도체 제조는 통상적으로 증착 및 에칭을 모두 이용한다. 제조 공정은 단일 센서 또는 센서 어레이를 생산하도록 맞춤화될 수 있다.
2개의 자유 에지를 갖는 대향 단부에서 지지되는 빔 또는 판을 나타내는 이동 전극이 제공될 수 있다. 이러한 두 에지는 도 2에 도시된 것과 유사한 고정 전극 쌍에 인접할 수 있다. 이러한 구성은 리본 마이크와 매우 유사하며, 모든 리본 마이크에서와 같이 전기역학이 아닌 용량성 변환을 허용한다. 용량성 변환을 사용하면 소형화가 가능하며, 이는 전기역학적 변환에서는 매우 어렵다.
편향 가능 요소는 음향 진동에 반응하여 진동하도록 구성될 수 있다.
편향 가능 요소는 단일 축을 따라, 두 축을 따라 진동 또는 음향파에 반응하여 편향되도록 구성될 수 있거나, 또는 더 많은 자유도(예를 들어, 회전, 내부 진동 및 조파, 굴곡 등)를 갖도록 구성될 수 있다.
적어도 2개의 고정 전도성 표면은 동일 평면이거나 다른 평면에 있을 수 있다. 적어도 2개의 고정 전도성 표면은 적어도 3개의 전도성 표면을 포함할 수 있다.
편향 가능 요소는 다이어프램을 포함할 수 있고, 적어도 2개의 고정 전도성 표면은 다이어프램과 적어도 2개의 고정 전도성 표면 중 하나 사이의 전압 차이가 실질적으로 다이어프램의 유효 강성을 편향시키거나 변경하지 않도록 함께 구성된다.
정전 용량 센서는 편향 가능 요소의 이동 사이에 유도된 전하 재분배를 결정하도록 구성된, 적어도 두 쌍의 전도성 표면의 각각과 전기적으로 연통하는 전극 세트를 더 포함할 수 있다.
각각의 전도성 표면으로부터 출력 신호를 생성하도록 구성된 각각의 트랜스임피던스 증폭기가 제공될 수 있다.
정전 용량 센서는 음향 진동을 환경 포트로부터 편향 가능 요소의 일측으로 선택적으로 지향시키거나, 또는 음향 진동을 한 쌍의 환경 포트의 각각으로부터 편향 가능 요소의 각각의 측면으로 선택적으로 지향시키도록 구성된 하우징을 구비할 수 있다. 하우징은 한 쌍의 환경 포트의 각각으로부터 편향 가능 요소의 각각의 측면으로 유체 매체로부터 형성된 경로 세트를 선택적으로 제공하도록 구성될 수 있다.
편향 가능 요소는 편향 가능 요소를 둘러싸는 음장 내에서 공기 이동에 근접하는 움직임을 가질 수 있다. 편향 가능 요소는 편향 가능 요소의 관성 상태, 즉 가속도, 각도 회전 등에 대응하는 움직임을 가질 수 있다.
편향 가능 요소는 약 10㎛, 7.5㎛, 5㎛, 3㎛, 또는 1㎛ 미만의 두께를 갖는 다이어프램을 포함할 수 있다. 편향 가능 요소는 약 1㎛, 800㎚ 미만, 750㎚, 700㎚, 600㎚, 550㎚, 500㎚, 400㎚, 300㎚, 250㎚, 225㎚, 200㎚, 175㎚. 150㎚, 125㎚, 100㎚, 80㎚, 75㎚, 60㎚ 또는 50㎚의 직경을 갖는 섬유를 포함할 수 있다. 다이어프램 또는 섬유는 예를 들어 < 100㎚, 90㎚, 80㎚, 75㎚, 70㎚, 60㎚, 50㎚, 40㎚, 30㎚, 25㎚, 20㎚, 15㎚, 또는 10㎚의 금 코팅으로 금속화될 수 있다.
편향 가능 요소는 예를 들어 250㎐, 200㎐, 175㎐, 150㎐, 125㎐, 100㎐, 80㎐, 75㎐, 70㎐, 65㎐, 60㎐, 55㎐, 50㎐, 45㎐, 40㎐, 35㎐, 30㎐, 25㎐, 20㎐, 15㎐, 또는 10㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 갖는다. 편향 가능 요소는 음향파의 음향 속도와 위상이 같은 최저 공진 주파수보다 큰 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 대응하는 기압의 변화에 반응하여 이동하도록 구성될 수 있다.
편향 가능 요소와 전도성 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 400V, 300V, 240V, 200V, 150V, 120V, 100V, 75V, 48V, 24V, 12V, 10V, 6V, 5V, 3.3V, 3V, 2.5V, 2V, 1.5V, 1V 또는 0.5V일 수 있다.
편향 가능 요소는 250㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가질 수 있으며, 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성된다. 편향 가능 요소는 150㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가질 수 있으며, 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성된다. 편향 가능 요소는 80㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가질 수 있으며, 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성된다. 편향 가능 요소는 50㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가질 수 있으며, 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성된다. 편향 가능 요소는 25㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가질 수 있으며, 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성된다. 편향 가능 요소는 최저 공진 주파수를 가질 수 있으며, 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 공기 중의 압력 변화에 반응하여 90도 미만의 위상 지연으로 이동할 수 있다.
전도성 표면의 각각에서의 전위는 각각의 트랜스임피던스 증폭기에 의해 접지 전위로 유지될 수 있으면서 편향 가능 요소의 이동에 의해 각각의 전도성 표면에 전하 변화가 유도된다.
또한, 진동을 감지하는 방법을 제공하는 것이 목적으로, 본 방법은 적어도 2개의 분리된 전도성 표면 및 편향 가능 요소를 제공하는 단계로서, 편향 가능 요소는 적어도 2개의 분리된 전도성 표면에 의해 생성된 편향 가능 요소 상의 힘에 수직인 편향 축을 갖는, 단계; 적어도 2개의 전도성 표면에 대해 편향 가능 요소 상에 전압 전위를 유도하는 단계; 및 편향 축을 따라 편향 가능 요소의 편향으로부터 발생하는 적어도 2개의 전도성 표면 상의 유도 전하의 변화를 감지하는 단계를 포함하며, 적어도 2개의 분리된 전도성 표면에 의해 생성된 편향 가능 요소 상의 힘은 편향 가능 요소의 편향을 실질적으로 변경하지 않는다. 유도 전하의 변화는 적어도 하나의 트랜스임피던스 증폭기에 의해 감지될 수 있다. 편향 가능 요소는, 표준 온도와 압력, 및 20% 상대 습도에서 공기 중의 음향파에 반응하여, 편향 가능 요소를 둘러싸는 음장 내에서 공기 이동에 근접하는 움직임을 가질 수 있다.
편향 가능 요소는 최저 공진 주파수를 가질 수 있으며, 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 공기 중의 음향파에 반응하여 90도 미만의 위상 지연으로 이동할 수 있다. 최저 공진 주파수는 예를 들어 250㎐이다. 편향 가능 요소의 이동은 외력, 점성 항력, 압력 차이 등에 대응할 수 있다. 편향 가능 요소의 이동은 외력, 예를 들어 편향 가능 요소의 응력 또는 변형, 팽창, 수축, 팽윤, 가열, 냉각 등의 변화에 대응할 수 있다.
전도성 표면의 각각에서의 전위는 각각의 트랜스임피던스 증폭기에 의해 접지 전위로 유지될 수 있으면서 편향은 편향 가능 요소의 이동을 유발하여 각각의 전도성 표면에서 전하의 변화를 유도한다.
정전 용량 감지 방법을 제공하는 것이 추가적인 목적으로, 본 방법은 연관된 전기장을 갖는 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 및 연관된 전기장 내의 하전 요소를 제공하는 단계로서, 하전 요소는 하전 요소와 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력에 직교하는 감지 조건에 반응하여 이동 축을 갖고, 하전 요소와 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력의 크기에 기계적으로 반응하지 않는, 단계; 이동 축을 따라 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극에 대한 하전 요소의 이동을 유도하는 단계; 하전 요소의 이동의 결과로서 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극의 각각에서 유도 전하를 감지하는 단계; 및 이동에 대응하는 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 감지 조건은 소리일 수 있다.
하전 요소는 일단에 매달려 있을 수 있고 세장형 축을 가질 수 있으며 하전 요소를 공칭 위치로 복귀시키는 경향이 있는 복원력을 가질 수 있고, 공칭 위치에서 하전 요소의 자유 단은 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극에 근접하고, 하전 요소와 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력은 세장형 축에 평행하다.
하전 요소는 세장형 축을 가질 수 있으며 탄성 캔틸레버에 의해 지지될 수 있고, 세장형 축은 정전력에 평행하고 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 갭으로 향한다.
적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극의 각각은 이동 축을 따라 하전 요소에 힘 성분을 가할 수 있고, 이동 축을 따라 하전 요소에 가해지는 힘 성분의 중첩은 이동 축을 따라 순 힘을 상쇄시킨다.
하전 요소는 약 1미크론 미만의 직경을 갖는 필라멘트를 포함할 수 있다. 하전 요소는 약 550㎚ 미만의 직경을 갖는 필라멘트 또는 전도성 필라멘트를 포함할 수 있다. 공기에서의 이동은 점성 항력에 의해 지배되는 250㎐보다 높은 주파수에서 음향 진동에 반응할 수 있다.
하전 요소는 전도성 천공판을 포함할 수 있고, 전도성 천공판은 이동 축을 따라서만 전도성 천공판의 이동을 지지하는 캔틸레버 지지체를 갖는다. 하전 요소는 점성 항력에 의해 지배되는 100㎐보다 높은 주파수에서 음향 진동에 반응하여 공기에서의 움직임을 가질 수 있다.
하전 요소는 세장형 프로파일 및 세장형 축을 가질 수 있고, 세장형 축은 약 3도, 2도 미만, 1도 미만, 또는 0.5도 미만의 정전력의 벡터에 대한 각도를 갖는다.
하전 요소는 세장형 프로파일 및 이동 축에 수직인 세장형 축을 가질 수 있고, 이동 축을 따른 정전력의 힘 성분은 세장형 축을 따른 정전력의 힘 성분보다 적어도 -18 dB, -20 dB, -24 dB, -28dB, -30dB, -33dB. -36dB, 또는 -40dB 낮다.
하전 요소는 정전력에 평행한 세장형 축을 가질 수 있고, 인장 강성을 가질 수 있으며, 하전 요소는 정전력이 인장 강성을 초과하기 전에 정전력에 의해 동기 인입을 받지 않는다.
적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극은 하전 요소에 대해 대칭일 수 있고, 신호는 각각의 전극에 트랜스임피던스 증폭기를 제공하고, 각각의 트랜스임피던스 증폭기의 출력의 전압 차이에 기반하여 결정된 하전 요소의 이동에 의해 생성될 수 있다.
방향성 마이크 또는 센서를 제공하는 것이 또 다른 목적으로, 본 방향성 마이크 또는 센서는 연관된 전기장을 갖는 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극; 연관된 전기장 내의 하전 요소로서, 하전 요소는 고정 위치를 중심으로 이동 축을 갖고, 하전 요소와 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력에 직교하는 이동 축을 따라, 예를 들어 소리에 반응하여, 이동하도록 구성되는, 하전 요소; 및 이동에 따른 출력을 생성하고 하전 요소에 편향력을 생성하여 하전 요소의 이동 축을 변경하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. 입력부는 하전 요소의 원하는 이동 축을 형성하는 신호를 수신할 수 있다.
또한, 파, 예를 들어 소리 또는 진동의 전파 벡터를 결정하는 방법을 제공하는 것이 목적으로, 본 방법은 연관된 전기장을 갖는 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극; 및 연관된 전기장 내의 하전 요소를 제공하는 단계로서, 하전 요소는 고정 위치를 중심으로 이동 축을 갖고 하전 요소와 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력에 직교하는 이동 축을 중심으로 이동하도록 구성되는, 단계; 축을 따른 이동에 따라 제1 출력을 생성하는 단계; 연관된 전기장을 변경하여 하전 요소를 편향시키기 위한 신호를 수신해서 이동 축을 제2 이동 축으로 변경하는 단계; 제2 축을 따른 이동에 따라 제2 출력을 생성하는 단계; 및 진동의 벡터 전파 특성을 결정하기 위해 제1 출력 및 제2 출력을 분석하는 단계를 포함한다.
또한, 센서를 제공하는 것이 목적으로, 본 센서는 적어도 2개의 전극을 갖는 전기장 내에 배치되는 하전(또는 충전 가능) 요소를 포함하고, 인장만 있는 하전 요소 내에서 복합력을 생성하기 위해 적어도 2개의 전극의 각각과 상호 작용하는 하전 또는 충전 가능 요소는 하전 요소의 공칭 위치에서 편향 경향이 없어, 공칭 위치로부터 편향될 때 하전 요소는 감지될 수 있는 적어도 2개의 전극에 전하 재분배를 유도한다.
편향은 다양한 효과에 의해 발생될 수 있다. 예를 들어, 마이크 실시예에서, 소리는 압력 변화 또는 벌크 유동 패턴(예를 들어, 점성 항력)에 대응하는 이동 패턴으로 이를 대체하기 위해 하전 요소에 작용할 수 있다.
가속도계 실시예에서, 하전 요소는 증명 질량 또는 관성 질량에 대응하는 움직임이거나 또는 이를 가질 수 있다.
충격 센서에서, 관성 질량은 시간이 지남에 따라 기계적으로 통합되거나 시간이 지남에 따라 출력이 전기적으로 통합되어 임펄스 크기를 결정한다.
유사하게, 자이로스코프(예를 들어, MEMS 자이로스코프)에서, 하전 요소는 코리올리 힘 또는 자이로스코프 반력에 직접 또는 간접적으로 반응할 수 있다.
하전 요소는 예를 들어 비대칭 굽힘 효과를 감지할 수 있는 마이크로 캔틸레버 빔일 수 있다. 예를 들어, 빔의 일측이 화학적 반응 재료로 코팅되고 타측이 코팅되지 않거나 일측이 반응하는 화학 물질에 선택적으로 노출되는 경우, 편향을 측정할 수 있다. 통상적으로, 장치의 저주파 응답(<1㎐ 또는 0.1㎐)은 낮거나 잡음이 있을 수 있으므로, 하전 요소는 진동하도록 유도될 수 있다. 이 경우, 진동은 하전 요소의 오프셋 위치의 주파수 변조로 작용할 것이다.
마이크로 캔틸레버는 또한 선택적 화학 흡착제로 코팅될 수 있으며, 이는 특정 유형의 화학 종에 대한 노출량에 기반하여 하전 요소의 질량을 변화시키는 효과를 갖는다. 이 경우, 마이크로 캔틸레버를 진동시키고 동적 특성을 감지하여 하전 요소의 질량 변화를 감지하는 것이 유용한 경우가 많다. 예를 들어, 마이크로 캔틸레버는 탄성 마운트를 구비하며, 하전 요소의 공진 주파수는 질량에 따라 좌우될 것이다. 비공진 시스템에서, 정의된 힘에 반응하여 유도된 하전 요소의 관성은 하전 요소의 질량에 따라 변경될 것이다.
일부 경우에, 하전 요소의 마운트는 감지 조건에 따라 달라지는 관련 물리적 특성을 갖는다. 예를 들어, 마운트는 열 반응 재료일 수 있다. 따라서, 마운트의 온도가 변함에 따라, 하전 요소의 장착의 기계적 특성을 감지할 수 있다. 이는 편향, 감쇠 계수, 스프링력 등일 수 있다.
하전 요소는 또한 하전 요소가 침지된 매체의 유체 역학적 특성에 대한 센서로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 서브미크론 섬유와 같이 벌크 유동에 대한 반응에서 유체 항력이 지배적인 요소인 섬유를 제공하는 대신 천이 영역 범위에 있는 더 큰 섬유가 제공된다. 그러므로, 매체 내에서 표준화된 진동에 반응하는 섬유의 움직임은 매체의 특성에 기반하여 변경될 것이다. 매체가 균일하고 일정한 온도와 압력이면, 질량 및/또는 점도의 변화가 하전 요소의 반응에 반영될 것이다.
일부 경우에, 센서 어레이가 제공될 수 있다. 예를 들어, 어레이는 음파와 같은 조건에서 공간적 또는 용적 차이를 감지할 수 있다. 하전 요소는 방향성이 있을 수 있으며 결과적으로 공간 및 용적 센서는 전파 벡터, 산란 및 기타 영향에 대한 정보를 생성할 수 있음을 유의한다. 다른 경우에, 센서 어레이는 원하지 않는 신호 성분을 무효화하거나 상쇄하고 원하는 신호 성분을 선택하거나 반응하도록 구성 또는 처리될 수 있다.
센서를 제공하는 것이 또 다른 목적으로, 본 센서는 적어도 2개의 전극을 갖는 전기장 내에 배치되어 충전되도록 구성된 요소를 포함하고, 요소는 인장만 있으며 공칭 위치에서 편향 경향이 없는 요소 내에서 복합력을 생성하기 위해 적어도 2개의 전극의 각각과 상호 작용하여, 공칭 위치로부터 편향될 때 요소는 적어도 2개의 전극에 전하 재분배를 유도한다.
요소는 예를 들어 가속도, 코리올리 힘, 비대칭 굽힘력, 매체와 요소의 표면의 화학적 상호 작용, 매체와 요소의 표면의 생물학적 상호 작용, 또는 매체와 요소의 표면의 화학 물질 상호 작용에 반응하는 움직임 또는 편향을 가질 수 있다. 센서는 기계적 통합기를 더 포함할 수 있고, 요소는 충격에 반응하는 움직임을 갖는다.
복합력은 진동할 수 있으며, 요소는 적어도 진동하는 복합력에 반응하는 편향을 가질 수 있다.
센서는 요소의 편향에 대응하는 신호를 생성하도록 구성된 전자 증폭기를 더 포함할 수 있다.
센서는 요소의 편향의 시간-응답을 분석하여 결정하도록 구성된 전자 장치를 더 포함할 수 있다.
시간 응답은 진동 주파수, 공진 주파수, 또는 위상 지연을 포함할 수 있다.
요소의 편향은 예를 들어 요소를 둘러싸는 유체의 온도, 압력, 조명, 및/또는 점도에 반응할 수 있다.
센서는 요소를 회동식으로 지지하는 요소용 탄성 마운트를 더 포함할 수 있다. 요소의 편향은 탄성 마운트의 물리적 특성의 변화에 반응할 수 있다. 요소의 편향은 주변 매체와 탄성 마운트의 화학적 상호 작용에 반응할 수 있다.
요소는 연관된 촉매를 가질 수 있고, 요소의 편향은 연관된 촉매에 대한 기질의 양에 반응한다.
센서 어레이를 제공하는 것이 또 다른 목적으로, 본 센서 어레이는 공간 어레이로 배열된 복수의 요소를 포함하고, 복수의 요소는 전기적으로 충전되도록 구성되고, 공간의 각각의 요소는 적어도 2개의 각각의 전극에 의해 제어되는 전기장 내에 배치되고, 각각의 요소는 적어도 2개의 각각의 전극의 각각과 상호 작용하여 각각의 요소 내에 복합 인장력을 생성하며 복합력으로 인해 공칭 위치로부터 편향 경향이 없어, 각각의 요소는 편향 시 적어도 2개의 각각의 전극에 전하 재분배를 유도한다. 공간 어레이는 복수의 요소의 3차원 어레이를 제공할 수 있다. 센서 어레이는 복수의 요소를 둘러싸는 외부 조건 구배를 더 포함할 수 있다. 센서 어레이는 복수의 요소에서 열 구배를 생성하도록 구성된 열 제어부를 더 포함할 수 있다. 센서 어레이는 이미지를 공간 어레이에 투영하도록 구성된 광학 시스템을 더 포함할 수 있다. 각각의 요소는 복수의 각각의 상이한 선택적 화학 반응을 가질 수 있다.
범위에서 통상적으로 점진적으로 변화하는 차이 조건을 제공하기 위해 센서의 환경이 제어되는 어레이가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 서로 다른 온도에서 유지되는 선형 센서 어레이가 제공될 수 있다. 이는 어레이의 일단에서 열원에 의한 온도 구배를 제공하는 것처럼 간단할 수 있다. 그리고, 어레이는 온도 범위에서 매체의 특성을 감지할 수 있다. 유사하게, 조명 또는 다른 전자기 복사, 자기장, 회전 축으로부터의 거리 등과 같은 다른 구배가 부과될 수 있다.
전술한 바와 같이, 화학 센서가 사용될 수 있고, 어레이는 센서, 감지 환경, 또는 감지될 매체의 점진적으로(또는 이와 달리) 다양한 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 센서는 매체의 분석물과 선택적으로 상호 작용하는 촉매(무기, 유기, 효소 등)를 포함할 수 있다. 이는 다양한 효과를 생성할 수 있지만, 종종 열(열 에너지) 또는 산화 환원 전위의 변화를 이용할 수 있다. 열을 감지하기 위해, 정적 특성(편향 위치) 또는 동적 특성(진동 주파수, 진동 진폭 등)을 측정할 수 있다.
산화 환원 변화는 하전 요소의 전압(전하)을 변경하는 데 사용될 수 있으므로, 변조된 전하에 따라 출력을 생성하기 때문에 특히 흥미롭다. 산화 환원 변화는 전기 전도도 및 기타 특성을 변경할 수도 있다. 예를 들어, 산화 환원 변화는 레이저 또는 발광 다이오드(반도체 또는 유기 반도체)와 같은 광학 시스템과 상호 작용할 수 있는 비색계 산화 환원 표시기로 측정될 수 있다. 그 결과 온도가 변할 수 있다. 그러나, 펄스 조명 시스템에서, 하전 요소와 펄스의 결합은 광 흡수에 따라 달라질 수 있으므로, 벌크 온도의 큰 변화없이 동적 응답을 측정할 수 있다.
일부 경우에, 센서는 유체 감지 기능을 제공할 수 있다. 통상적으로, 일부 액체는 유전체이고 비전도성이지만 많은 액체가 전도성이고 하전 요소의 전하를 추출하기 때문에, 감지 전극과 전하 요소 사이에 액체가 있으면 문제가 있다. 그러나, 수용액 및 생물학적 분석물을 고려할 때, 통상적으로 관련 전기장이 감지될 공간에 대해서는 금지되며 이러한 영역의 높은 습도조차도 신뢰할 수 있는 감지에 문제가 될 수 있다. 하나의 해결책은 <1.23V(물의 가수 분해 전위)에서 작동하는 센서를 제작하고 방전된 전하를 보충하는 하전 요소에 전류를 공급하는 것이다. 이러한 센서는 전극 사이에서 분할되는 전류 흐름이 위치에 따라 좌우되는 전도성 센서로 작동할 수 있음을 유의한다. 그러나, 일부 경우에, 전류 흐름에 관계없이 힘은 전하 및 거리에 따라 달라지기 때문에, 전극과 하전 요소 사이의 인력은 여전히 관련이 있을 수 있다.
대안으로는 벽이 있는 유체 공간에 분석물을 제공하고 벽의 반대편에 있는 유체 공간 외부에 하전 요소를 장착하는 것이다. 전기적 또는 열역학적 팩터를 변경하는 유체 공간의 변화는 벽을 통해 감지될 수 있으며, 하전 요소(들)의 전기적(전하) 또는 기계적 특성의 변화에 반영된다. 예를 들어, 포도당 센서는 유체 공간에서 고정된 포도당 산화 효소에 의해 구현될 수 있다. 포도당 산화 효소는 포도당에서 글루코노락톤으로의 전환을 촉매하고, FAD는 FADH2로 환원되며, 이는 산화 환원 매체에 의해 FAD로 다시 산화되고, 전극 반응에 의해 산화된다. (물론, 이러한 전위는 직접 측정될 수 있다). 이 경우, 전극은 하전 요소에 연결되고 하전 요소의 전하는 포도당 산화에 좌우된다. 하전 요소가 이동하도록 유도되면, 신호의 진폭은 포도당 산화에 의해 하전 요소에 유도된 전하에 따라 좌우될 것이다. 다른 효소 결합 반응도 유사하게 감지될 수 있다. 이러한 실시예의 한 가지 장점은 수성 매체와 전자 장치의 전기적 절연을 달성한다는 점이다. 또 다른 장점은 개입 조건과 중첩 효과에 잠재적으로 반응한다는 점이다. 예를 들어, 두 효소가 경쟁 또는 병렬 반응에 관여하면, 반응의 출력이 합산되거나 다를 수 있다.
하전 요소는 감지된 효과에 의해 직접적으로 이동하도록 유도되거나 다른 기계적 요소와 결합되어 간접적으로 이동하도록 유도될 수 있다. 마찬가지로, 감지된 효과에 의한 이동의 변조는 감지 상호 작용의 직접적인 효과일 수도 있고, 개입 요소를 통한 간접적일 수도 있다.
이미징 센서, 예를 들어, 변위 또는 진동이 자외선, 가시 광선, 적외선, 원적외선, 테라헤르츠 방사선 등에 의한 조명에 의해 변조되는 요소의 공간 어레이 및 감지를 위해 어레이에 이미지를 투영하는 광학 시스템이 구현될 수 있다. 반도체 CCD 또는 포토다이오드 이미저에서 비교적 어려운 장파장 감지는 특히 매력적인 적용 분야이다. 감지 전극은 그 이동 범위에 걸쳐 이동 요소의 세장형 축과 정렬되는 전기장을 갖도록 설계되어 동기 인입 효과를 피할 수 있지만; 이는 "후면" 조명이 가능하도록 구현될 수 있다, 즉 이미지가 장치의 전극 측을 통해 어레이(또는 단일 요소 센서)에 투영된다. 이동 요소의 진동은 예를 들어 감지 전극을 변조하거나 추가 "구동" 전극 시스템을 제공하는 것과 같이 이동 요소 주위에 시변 전기장을 제공함으로써 유도될 수 있다. 임의의 경우에, 전기장이 변조되는 경우, 전자 장치는 일반적으로 부과된 신호를 복조하면서 변조를 필터링하거나 보상한다.
센서를 사용하는 시스템은 휴대폰(스마트폰) 또는 기타 소비자 전자 장치, 자동차 또는 그의 구성요소, 비행 물체 또는 드론, 전화, 컴퓨터, 디스플레이 장치, 군수품, 장난감 등일 수 있다. 이러한 센서는 다양한 적용 분야에서 기존 유형의 정전 용량 센서를 대체할 수 있으며, 이로 인해 새로운 적용 분야가 가능하다.
본 기술을 이용하기 위해 수정될 수 있는 다양한 센서 및 이러한 센서의 사용은 공지되어 있다. 6199575; 6621134; 6670809; 6749568; 6848317; 6889555; 6926670; 6935165; 6994672; 7036372; 7046002; 7073397; 7077010; 7078796; 7093494; 7109859; 7143652; 7164117; 7169106; 7204162; 7205173; 7260980; 7260993; 7340941; 7368312; 7397421; 7402449; 7425749; 7451647; 7474872; 7518493; 7518504; 7539532; 7539533; 7543502; 7558622; 7562573; 7663502; 7677099; 7689159; 7694346; 7732302; 7733224; 7748272; 7775215; 7775966; 7784344; 7786738; 7795695; 7810394; 7849745; 7878075; 7915891; 7923999; 7950281; 7977635; 7984648; 8000789; 8016744; 8020440; 8037757; 8061201; 8103333; 8108036; 8118751; 8121673; 8121687; 8129802; 8130986; 8136385; 8143576; 8146424; 8171794; 8187795; 8215168; 8235055; 8268630; 8278919; 8323188; 8323189; 8328718; 8338896; 8344322; 8347717; 8352030; 8368154; 8371166; 8390916; 8397579; 8418556; 8425415; 8427177; 8434160; 8434161; 8449471; 8461988; 8464571; 8467133; 8472120; 8475368; 8477425; 8477983; 8482859; 8488246; 8500636; 8516905; 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20170217765; 20170223450; 20170254831; 20170257093; 20170258386; 20170258585; 20170260044; 20170265287; 20170284882; 20170295434; 20170297895; 20170318385; 20170318393; 20170331899; 20170336205; 20170343350; 20170344114; 20170347886; 20180000545; 20180002162; 20180008356; 20180008357; 20180017385; 20180034912; 20180035206; 20180035228; 20180035229; 20180035888; 20180038746; 20180080954; 20180085605; 20180086625; 20180092313; 20180108440; 20180124181; 20180124521; 및 20180134544를 참조하고, 이들 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 명시적으로 원용된다.
이동 요소는 예를 들어 정의된 주파수의 진폭을 변경하거나 주파수 또는 시간 지연(위상) 특성을 변경함으로써 감지된 효과가 변조되는 반송파 여기를 정의하기 위해 작동 모드에서 사용될 수 있다. 이는 베이스밴드(DC) 신호를 센서가 더 높은 감도, 더 낮은 노이즈 등과 같은 더 양호한 특성을 표시하는 범위로 이동시키는 데 특히 유용하다.
그 주변의 전기장을 변경함으로써 이동 요소의 의도적인 이동을 다양한 목적으로 사용할 수 있다. 일 경우에, 센서를 열악한 환경 조건으로부터 보호하기 위해 동기 인입 응답이 필요할 수 있으며, 이에 따라 이동 요소는 의도적으로 위험을 피해 변위된다. 다른 경우에, 이동 요소가 작동하는 공간은 불균일할 수 있고, 이동 요소의 이동은 공간의 탐색을 가능하게 한다.
전술한 바와 같이, 센서는 높은 방향성을 가질 수 있으며, 예를 들어 카디오이드 반응 패턴을 가질 수 있다. 이동 요소를 공칭 위치로부터 편향시킴으로써, 효과의 벡터 방향에 관한 정보를 결정할 수 있다. 또한, 이러한 편향은 방향성 성분을 갖는 여기와 무방향성인 여기 또는 잡음을 구별할 수 있다. 편향은 이진수일 필요가 없으며, 광섬유 센서의 경우 3개 이상의 전극을 사용하여 두 축을 감지할 수 있다. 더 많은 수의 전극을 가진 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 이동 요소의 세장형 축이 전극 사이의 갭으로 향하는 대신(2 전극, 대칭 센서의 공칭 설계), 두 측방향 전극 사이에 배치된 제3 전극은 두 측방향 전극이 서로 다른 전위로 유지되고 중앙 전극이 중간 전위로 유지될 때 구배를 평탄화할 수 있다(즉, 천이 및 이에 따른 이동 전극의 응답을 선형화함).
이동 요소는 전극의 전위에 의해 제어되는 위치를 갖는 요소를 둘러싸는 매체에 대해 밸브 또는 유량 제어 베인으로 작용할 수 있다.
유체가 난류 임계 값 근처에 있는 매체에서, 하나 이상의 요소의 위치
이동 요소의 편향, 특히 상당한 편향은 센서의 유효 강성을 변경하여 응답의 진폭과 공진 주파수를 모두 변경할 수 있다. 이들 각각은 다양한 유형의 센서에서 유용할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 정전 용량 감지 방식을 도시하고 있다.
도 2는 호환성 정전기 센서를 도시하고 있다.
도 3은 도 2에 따른 물리적 설정의 사진을 나타내고 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 전극 구성에 대한 이동 전극의 팁 변위의 함수로서 위치 에너지 및 전하 감도의 추정된 1차 및 2차 도함수를 도시하고 있다.
도 5는 특성화 설정에 대한 개략도를 나타내고 있다.
도 6a 내지 도 6d는 도 2의 전극 구성에 대한 측정 결과를 도시하고 있다.
도 7a 내지 도 7b는 도 2의 전극 구성에 대한 측정 결과 대 주파수를 도시하고 있다.
도 8a는 본 발명의 천공판 다이어프램 실시예를 도시하고 있다.
도 8b는 본 발명의 섬유 메쉬 이동 요소 실시예를 도시하고 있다.
도 2는 호환성 정전기 센서를 도시하고 있다.
도 3은 도 2에 따른 물리적 설정의 사진을 나타내고 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 전극 구성에 대한 이동 전극의 팁 변위의 함수로서 위치 에너지 및 전하 감도의 추정된 1차 및 2차 도함수를 도시하고 있다.
도 5는 특성화 설정에 대한 개략도를 나타내고 있다.
도 6a 내지 도 6d는 도 2의 전극 구성에 대한 측정 결과를 도시하고 있다.
도 7a 내지 도 7b는 도 2의 전극 구성에 대한 측정 결과 대 주파수를 도시하고 있다.
도 8a는 본 발명의 천공판 다이어프램 실시예를 도시하고 있다.
도 8b는 본 발명의 섬유 메쉬 이동 요소 실시예를 도시하고 있다.
도 2는 본 기술에 따른 호환성 정전기 센서를 도시하고 있다.
본 명세서에서 검토된 바람직한 실시예에 따른 이동 전극은 그의 평면 표면에 수직한 방향으로 매우 유연한 박형 시트의 재료로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이 지지 라인을 중심으로 쉽게 회전하거나 굽혀질 수 있도록 하나의 에지를 따라 지지된다. 도면은 시스템의 2차원 단면을 나타낸 것으로, 이는 이러한 단면에 수직인 치수 전체에 걸쳐 변경되지 않는다. 이동 전극은 각도 α만큼 수평 방향에 대해 편향된 길이 L 2 및 두께 H 2의 박형 가요성 요소로 구성된다. 이동 전극은 그의 부착 지점을 중심으로 회동하는 직선 중실체로 도시되어 있다. 또한, 도 2에 도시된 것과 유사한 방식으로 자유롭게 회전하는 충분히 작은 굽힘 강성을 갖는 일단에 매달린 가요성 빔 또는 스트링으로 구성될 수 있다.
고정 전극은 이동 전극의 평면에 직각인 평면 표면을 생성하도록 지향된다. 고정 및 이동 전극의 표면이 직각이 되도록 고정 및 이동 전극을 지향시키면 전기장이 항상 도체의 표면에 수직이기 때문에 이동 전극의 순 정전력을 최소화하는 데 도움이 된다. 이러한 전극의 위치와 방향을 적절하게 배열하면, 이동 전극의 평면 표면에 작용하는 정전력이 효과적으로 상쇄되어 자유 에지에 수직으로 가해지는 비교적 작은 힘을 남길 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 이동 전극은 각도 α만큼 수평 방향에 대해 편향된 길이 L 2 = 6.2 및 두께 H 2 = 5㎛의 박형 가요성 요소로 구성된다. 길이가 L 1 = L 3 = 2.5㎜이고 두께가 H 1 = H 3 = 200㎛인 2개의 수직한 고정 전극은 이동 전극의 우측에 도시되어 있다. 이동 전극과 두 고정 전극 사이의 수평 갭은 g = 300㎛이다. 이들은 수직 방향으로 g y = 50㎛의 갭으로 분리되며 동일한 전위로 유지된다.
이동 전극의 위치를 감지하는 것은 고정 전극을 전극(1 및 3)으로 표시된 두 표면으로 분할함으로써 달성되며, 둘 모두는 동일한 전압으로 유지된다. 이러한 두 고정 전극의 전하는 이동 전극의 위치에 따라 달라질 것이다. 실질적인 치수를 갖는 전극의 경우, 전극의 탄성 특성과 연관된 것과 비교하여 정전력을 무시할 수 있는 정도로 이루어질 수 있음이 밝혀졌다.
길이가L 1 및 L 3이고 두께가 H 1 및 H 3인 2개의 수직한 고정 전극은 도 2에서 이동 전극의 우측에 도시되어 있다. 이동 전극이 회전함에 따라, 이러한 전극 세트에 대한 전하 분포 및 순 정전 용량이 변경된다. 이동 전극에 인가되는 전압은 전압 공급원인 V 2에 의해 설정될 것이다. 두 고정 전극은 V = 0의 전압으로 설정될 것이다. 이러한 예에서, 계산을 단순화하기 위해 이동 전극은 직선의 형태를 유지하여 그의 부착 지점을 중심으로 자유롭게 회동하는 강성 진자로 이동한다고 가정할 것이다. 굽힘으로 인한 이러한 직선 형태로부터의 작은 편차는 결과를 크게 변경하지 않을 것이다. 이동 전극의 길이 L 2 = 6.2㎜ 및 두께 H 2 = 5㎛는 전극이 고도의 호환성이 되게 한다. 그 값은 아래에 설명된 측정 구성에 대응하도록 선택되었다.
제작된 장치의 사진은 도 3에 도시되어 있다. 3개의 전극은 전극(2)이 전극(1 및 3)을 분리하는 라인에 가깝게 위치되게 하는 미세 조작기에 부착된 절연 블록에서 지지된다. 전극 사이의 거리와 전체 치수는 현미경을 사용하여 광학적으로 결정되었다.
실현 가능한 이동 전극의 기계적 강성을 매우 대략적으로 추정하기 위해, 고정 경계에 의해 지지되는 캔틸레버 빔의 강성을 고려할 수 있다. 이러한 전극은 E = 2×109 N/m2의 영의 탄성 계수를 갖는 폴리머로 구성된 것으로 가정한다. 전극이 전도성을 갖기 위해, 초박형의 알루미늄 층으로 코팅되며, 이는 상당한 강성을 추가하지 않을 정도로 충분히 얇은 것으로 간주된다. 길이를 따라 균일하게 가해지는 힘을 고려할 때, 단위 폭당 동등한 기계적 강성은 k 
8EI/L 3/2(I=H 3/2/12)에 의해 근사화될 수 있다. L 2 = 6.2×10-3 m 및 H 2 = 5×10-6 m이므로, 단위 폭당 기계적 강성은 k 
0.7 N/m2이다. 이는 매우 대략적인 추정치이지만, 아래 결과는 정전력으로 인한 유효 강성이 이러한 기계적 강성보다 훨씬 작으므로 동작에 대해 무시할 정도의 영향을 미칠 것임을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 개념을 실현하는 데 사용되는 물리적 설정의 사진을 나타내고 있다. 전극(1 및 3)은 전극(2)의 좌측 자유 단 근처에 수직으로 정렬된 박형의 구리 테이프 스트립을 사용하여 형성된다. 전극(2)은 그의 우측 단에서 클램핑된다. 음장은 전극(2)의 평면에 수직한 방향에서 보이는 것처럼 입사된다.
도 2의 전극 구성은 평행판 정전 용량 센서처럼 단순한 설계식에 의한 분석에 적합하지 않지만, 주어진 인가 전극 전압 세트에 대한 전하 분포를 수치적으로 추정할 수 있다. 여기서, 다음의 적분식에 수치 해법을 제공하는 경계 요소 접근법이 이용된다:
여기서,
는 전극의 표면 상의 두 지점인 
과 
사이의 거리이고, 
는 각 위치 
에 지정된 주어진 표면 전압이고, 
는 미지의 표면 전하 밀도이다. ε = 8.854 pF/m은 매체의 유전율이다. 영역이 2차원이면, 식(10)은 다음과 같이 된다[16]
표면을 유한 수의 영역으로 이산화하면 주어진 전극 기하학적 구조에 대한 전하 분포를 해결할 수 있다. 이동 전극의 다양한 위치에 대한 전하 밀도를 알면 전극 위치의 함수로서 정전기 위치 에너지를 계산할 수 있다. 그 후, 이러한 데이터는 주어진 동작과 연관된 정전력 및 유효 강성을 제공하는 1차 및 2차 도함수를 추정하기 위해 수치적으로 미분될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 전극 구성에 대한 이동 전극의 팁 변위의 함수로서 위치 에너지의 추정된 1차 및 2차 도함수를 도시하고 있다. 유효 정전력은 도 4a에 도시된 위치 에너지의 1차 도함수에 비례하고, 정전기 강성은 도 4b에 도시된 2차 도함수의 음수에 비례한다. 추정된 힘은 항상 전극을 x = 0에서 평형 위치로 복귀시키도록 작용하므로 항상 인력이고 강화된다. 이동 전극에 인가되는 바이어스 전압은 V = 400볼트이고 두 고정 전극은 0볼트라고 가정한다. 도 4c에 도시된 전하 감도의 최대 크기는 약 4×10-8 쿨롱/미터이다.
영역은 2차원으로 간주되기 때문에, 결과는 도 2의 평면에 수직한 방향에서의 단위 길이에 대한 것이다. 도 2는 힘이 항상 전극을 x = 0에서 단일의 평형 위치로 복원시키는 인력인 것을 도시하고 있다. 정전기 에너지의 2차 도함수는 평형 위치에서 유효 정전기 강성을 제공한다. 이러한 정전기 강성은 전술한 바와 같은 캔틸레버 빔의 기계적 강성의 추정치와 비교될 수 있다. 정전기 강성은 약 0.4 N/m2로 밝혀졌다. 기계적 강성은 위에서 k 
0.7 N/m2로 추정된다. 이러한 정전기 강성은 바이어스가 400볼트의 큰 값을 갖는 이동 전극에 적용된 것으로 추정됨을 유의한다. 이러한 바이어스 전압은 전극 동작에 거의 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다. 이러한 전압은 소형 마이크 설계에서 실제적인 수준을 능가한다. 그러나, 정밀 마이크(예를 들어, 아래에서 사용된 Bruel and Kjaer 4138)는 일반적으로 200볼트 바이어스를 이용한다. 이러한 다소 극단적인 전압의 사용은 이러한 전극 설계가 실제로 사용될 가능성이 있는 바이어스 전압에 의해 악영향을 받지 않는다는 증거를 제공한다.
세 전극의 각각 상에서 i = 1, 2, 3에 대한 총 전하 Q i 는 모든 표면인 S i 상의 전하 밀도 ρ를 알고 계산될 수 있다,
센서의 출력은 전극(1 및 3) 사이의 전하 차이인 것으로 간주될 것이다.
도 4c는 이동 전극(2)의 변위 범위에 대한 차이 Q 1 - Q 3을 알고 계산된 장치의 예측된 전하 감도를 도시하고 있다.
그리고, 전극(2)의 팁의 변위에 대한 이러한 전하 차이의 도함수를 계산하여 도 4c에 도시된 바와 같이 쿨롱/미터 단위의 감도를 제공한다.
전체 센서 감도는 쿨롱/미터 단위의 S Q 로 표시된 전하 감도, 볼트/쿨롱 단위의 전기적 감도 Se, 및 미터/파스칼 단위의 기계적 감도 S m 의 조합으로 표현될 수 있다. 그리고, 전반적인 모든 감도는 다음과 같을 것이다:
아래에 제시된 실험 결과에서, 트랜스임피던스 또는 전하 증폭기는 전자 출력을 얻는 데 사용된다. 이는 이득이 주로 유효 피드백 정전 용량 C f 를 통해 설정되는 범용 연산 증폭기를 사용하여 달성된다. 그리고, 전기적 감도는 다음 식에 의해 근사화될 수 있다:
물론, 기계적 감도 S m 은 이동 전극(2)의 기계적 특성에 따라 좌우될 것이다. 대략적인 근사치로, 가상의 '이상적인' 센서에서, 전극(2)의 평균 동작은 [3]에서 논증된 것과 같이 음장에서 공기의 평균 동작과 거의 동일하도록 추구된다. 음장을 일 방향으로 이동하는 평면파로 구성하면, 음향 입자 속도는 U = P/(ρ 0 c)로 주어지며, ρ 0 은 공칭 공기 밀도이고 c는 음향파의 전파 속도이다. 양 ρ 0 c는 매체의 특성 음향 임피던스이다[17]. 전극은 그의 고정 단을 중심으로 회전하는 것으로 가정되기 때문에, 감지가 일어나는 자유 단은 평균 변위의 약 두 배로 이동할 것이고, 이는 중앙에서 일어날 것이다. 주파수 ω에서 조파의 경우, 이러한 이상화된 케이스에서 전극의 자유 단의 변위의 기계적 감도는 다음 식에 의해 근사화될 수 있다:
도 2의 전극 시스템에 대한 실험 결과를 얻기 위해, 박형의 알루미늄 층으로 금속화 된 5㎛ 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 막을 사용하여 전극(2)을 생성했다(Goodfellow.com part No. ES301855). 고정 전극(1 및 3)은 2.5㎜ 폭 구리 테이프의 두 스트립을 사용하여 구성되었다. 조립체는 고정 전극에 대한 이동 전극의 공칭 위치를 조정할 수 있도록 미세 조작기에서 지지되었다. 이동 전극은 대략 1미터 떨어진 확성기에 의해 음향적으로 구동되었다. 측정은 무향실에서 수행되었다. 도 5는 특성화 설정에 대한 개략도를 나타내고 있다.
전극(1 및 3)에 연결된 트랜스임피던스 회로를 사용하여 전자 출력을 얻었다. 이러한 회로는 성능에 최적화되지 않았으며 1GΩ 피드백 저항기를 사용하는 범용 TL074 쿼드 연산 증폭기를 사용했다. 이러한 고가 저항기의 임피던스는 저항과 병렬로 통상적으로 C f = 1 pF 정도의 기생 정전 용량에 의해 상당한 영향을 받는 경우가 많으며, 이는 광범위한 주파수에 걸쳐 임피던스를 지배할 수 있다. 회로는 기생 정전 용량에 영향을 미칠 수도 있는 프로토타입 회로 기판 상의 관통홀 구성요소를 사용하여 실현되었다.
도 5는 특성화 설정에 대한 개략도를 나타내고 있다. 전극 동작은 레이저 진동계를 사용하여 검출되었다. 확성기에 의해 생성된 음장은 Bruel and Kjaer 4138 기준 마이크를 사용하여 측정되었다. 전자 출력은 전하/트랜스임피던스 증폭기를 사용하여 측정되었다. 모든 신호는 National Instruments PXI-1033 데이터 수집 시스템을 사용하여 기록되었다.
이동 전극의 속도는 Polytec OFV-534 컴팩트 센서 헤드 및 Polytec OFV-5000 진동계 컨트롤러로 구성된 Polytec 레이저 진동계를 사용하여 또한 측정되었다. 이동 전극 근처의 음압은 1/8인치 직경의 압력 감지 다이어프램을 갖는 Bruel and Kjaer 4138 정밀 마이크를 사용하여 측정되었다. American Power Designs의 M5-1000 DC-DC 컨버터를 사용하여 V 2 = 400볼트의 바이어스 전압을 전극(2)에 인가하였다.
도 6a 내지 도 6d는 도 2의 전극 구성에 대한 측정 결과를 도시하고 있다. 이동 전극에 인가되는 바이어스 전압은 V = 400볼트이고 두 고정 전극은 0볼트에 있다. 이동 전극은 약 1파스칼의 진폭을 갖는 확성기에 의해 생성된 250㎐ 톤으로 구성된 음장에 의해 구동되었다. 도 6a는 Bruel and Kjaer 4138 기준 마이크로 측정된 것으로 이동 전극의 위치에서 측정된 음압(파스칼)을 도시하고 있다. 도 6b는 레이저 진동계를 사용하여 얻은 것으로 이동 전극의 클램핑 단과 자유 단 사이의 중간에서 측정된 속도(㎜/s)를 도시하고 있다. 속도는 음장이 평면파로 전파될 때 발생함에 따른 압력에 거의 비례하고 그 압력과 위상이 거의 같다. 이러한 설계는 제1 공진 주파수보다 큰 빔 반응을 사용하여 이용될 수 있다. 그리고 빔은 '고도의 호환성', 즉 강성이 지배적인 것과는 대조적으로 질량이 지배적이기 때문에, 빔 속도는 음향 속도와 위상이 같을 것으로 예상된다.
도 6c 및 도 6d는 전극(1 및 3) 상의 전하에 반응하는 간단한 트랜스임피던스 증폭기를 이용하는 검출 회로에 의해 생성된 출력 전압을 도시하고 있다. 이러한 신호는 이동 전극이 고정 전극 중 하나를 향해 이동할 때 다른 전극으로부터 멀어진다는 점을 감안할 때 예상되는 바와 같이 서로 대략 위상이 다를 것으로 보여진다. 그 후, 두 출력을 감산해서 증가된 감도와 향상된 검출을 얻을 수 있다. 출력 전압은 약 250㎷의 진폭을 가지므로 차이 출력은 약 0.5 볼트/파스칼의 감도를 가질 것이다. 전극(2)에 인가되는 DC 바이어스 전압은 도 6a 내지 도 6d에 도시된 데이터에 대해 400볼트이다.
도 6a 내지 도 6d에 도시된 속도에 대응하는 변위는 약 1파스칼의 음압에 대해 약 2.5미크론이다. 이러한 변위는 전극의 클램핑 단과 자유 단 사이의 중간 지점에서 측정됨을 유의한다. 그리고, 자유 단의 변위가 1파스칼 음장에 대해 약 5미크론이 될 것으로 추정할 수 있다. 그리고, 유효 기계적 감도는 S m 
5×10-6 미터/파스칼인 것으로 간주될 수 있다. 이러한 측정 결과는 ρ c 
415 파스칼-초/미터 및 ω = 2π250인 식 (16)에 제공된 대략적인 추정치와 비교될 수 있다. 그 후, 식 (16)은 측정 결과와 합리적으로 일치하는 S m 
3×10-6 미터/파스칼을 제공한다.
도 4c에 도시된 추정된 전하 감도는 약 S Q 
40 나노쿨롱/미터이다. 식 (15)에 주어진 전기적 감도는 전술한 바와 같이 Cf 
1 pF로 추정되는 유효 정전 용량 C f 에 따라 좌우된다. 식 (14)에서의 항은 다음과 같이 평가된다:
측정된 전기 출력은 도 6c 및 6d에 도시된 신호의 차이로 간주될 수 있으며 1파스칼 음장에 대해 약 0.5볼트의 피크 전압을 갖는 측정된 신호를 제공할 수 있는 데, 이는 대략 0.12볼트의 근사치보다 크지만 이에 합리적으로 근접한 범위 내에 있다.
도 6a 내지 도 6d에서의 데이터는 센서가 음향 여기로 인해 상당한 크기의 전자 출력을 생성할 수 있음을 나타내고 있다. 이는 400볼트의 이동 전극에 인가되는 넉넉한 바이어스 전압을 사용하기 때문이다. 고도의 호환성 전극에 이러한 큰 바이어스 전압을 사용하면 일반적으로 그의 동작에 현저한 영향을 미칠 것으로 예상될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 전극 구성에 대한 측정 결과 대 주파수를 도시하고 있다. 이러한 결과는 바이어스 전압이 전극의 동작에 대해 무시할 정도로 영향을 미치는 반면 전기적 감도는 도 7a에 따라 광범위한 주파수에 걸쳐 바이어스 전압에 대략 비례한다는 것을 보여준다. 주파수 함수로서 측정된 전극 변위 진폭은 0볼트, 200볼트, 및 400볼트의 바이어스 전압에 대한 바이어스 전압과 무관하다. 또한, 1파스칼 평면 음파에 대해 예측된 공기 변위 진폭이 도시되어 있다. 이는 전극이 도 7b에 따라 적어도 평면파에서의 공기만큼 이동한다는 것을 보여준다. 전기적 감도는 이동 전극에서 음압의 진폭에 대한 전극(1 및 3)으로부터 얻은 출력 전압의 차이로 간주된다. 이는 예상대로 바이어스 전압이 두 배가 될 때 감도가 대략 두 배가 됨을 보여준다.
다소 큰 바이어스 전압을 사용함에도 불구하고, 도 7a 내지 도 7b에 도시된 결과는 전기장이 이동 전극의 동작을 강화(또는 연화)하지 않음을 나타낸다. 도면은, 입사 음압에 대한 전극(1 및 3)(도 2에 도시됨)으로부터 얻은 출력 전압의 차이(도 7b)로 정의된, 측정된 전기적 감도와 함께 주파수 함수로 측정된 전극 변위 진폭(도 7a)을 보여준다. 0볼트, 200볼트, 및 400볼트의 바이어스 전압에 결과가 도시되어 있다. 주파수 함수로서의 반응은 고정 장치로부터 및 이동 전극의 공진으로부터의 사운드 반사 효과로 인해 이상적이지는 않지만(즉, 편평하지 않음), 측정된 전극 속도는 본질적으로 바이어스 전압의 큰 변화에 의해 영향을 받지 않는다는 점은 분명하다. 이는 도 4a 내지 도 4c의 데이터로부터 예상한 대로, 정전력이 전극에 작용하는 다른 기계적 힘에 비해 무시할 정도임을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7b는 또한 평면파 음장에서 변동하는 공기 변위의 예측된 진폭을 도시하고 있다. 이는 소리로 인해 측정된 전극 변위가 일반적으로 평면 음파에 대해 예측된 것보다 더 높음을 나타낸다. 이는 또한 전극이 고도로 호환성이고 그 동작이 정전기 또는 기계적 힘 또는 강성에 의해 방해받지 않음을 시사한다.
이러한 박형 전극이 음장에서 공기의 변위와 유사한 변위로 이동할 수 있다는 관찰은 박형의 가요성 벽의 소리 유도 동작에 대해 예측된 것과 유사하다[18]. 수많은 추가 효과가 본 명세서에서 검토된 전극의 동작에 영향을 미치고 벽을 통한 소리 전달을 예측하는 문제와 거의 비슷하지는 않지만, 박형의 경량 멤브레인이 음장에서 공기와 함께 이동할 수 있다는 점은 분명하다. 입사 음을 멤브레인의 평면에 수직하게 전파하는 주파수 ω에서 조파라고 간주하면, 멤브레인을 통해 전송되는 음파의 복소 진폭 p t 대 입사 압력의 복소 진폭 p 1 의 비율을 계산할 수 있고[18],
ρ w 는 멤브레인 재료의 질량 밀도이고, h는 두께이고, ρ 0 c 
415 pascal-s/m은 공칭 공기 밀도 ρ 0 와 음속 c의 곱이다. 평면 음파에서, 압력 대 음향 입자 속도의 비율은 ρ 0 c와 같으며, 이는 다음의 식을 유발할 수 있고:
u 1 은 입사 평면파의 음향 입자 속도의 복소 진폭이다. 식 (18) 및 (19)는 멤브레인이 존재하지 않는 경우에 음향 매체의 속도에 대한 멤브레인 속도의 비율을 제공한다,
두 속도 U w 및 U 1은 동일한 팩터 
에 의해 대응 변위와 관련이 있기 때문에, 식 (20)에서의 비율도 변위의 비율과 같을 것이다. 이러한 비율은 팩터(ρ w hω/2ρ 0 c)에만 좌우된다. 본 명세서에 사용된 금속화된 폴리머 전극의 경우, 밀도는 ρ w 
1380 kg/m3로 추정되고 두께는 h 
5㎛이다. 도 7a 내지 도 7b에 도시된 주파수 범위에서, 이러한 팩터는 50㎐에서 약 0.003으로부터 20 kHz에서 1까지 다양하다. 이러한 주파수 범위에서, 이러한 박형 전극이 음장에서 공기의 변위와 유사한 변위로 이동할 수 있음은 타당하다.
물론, 전극이 고도의 호환성이 있다는 점은 이러한 정전 용량 감지 방식으로 그 동작을 쉽게 검출하는 주된 이유이다. 고도의 호환성 전극을 사용하는 것은 감지 구성 그 자체가 동작에 영향을 미칠 상당한 정전력을 도입하지 않는 한 효과적일 수 있다.
측정된 전기적 감도는 도 7b에 도시되어 있다. 다시, 주파수 반응은 기계적 공진으로 인해 이상적이지 않지만 감도는 도시된 더 낮은 주파수 범위에서 0.1과 1 볼트/파스칼 사이의 범위에 있다. 최적화된 전극 설계 및 더 정제된 판독 회로는 의심할 여지없이 이러한 측정에 대해 개선된 결과를 제공할 것이다.
도 7a 및 7b를 비교하면 바이어스 전압의 증가는 바이어스 전압 변화에 비례하여 거의 모든 주파수에서 감도를 증가시키는 반면 측정된 동작에 대해서는 뚜렷한 영향이 미치지 않음을 보여준다. 따라서, 본 명세서에서 검토된 전극 구성은 전극의 기계적 설계로부터 감지 접근법의 분리를 이루고; 전기장에 의해 가해지는 힘을 견딜 수 있도록 전극을 설계할 필요가 없다. 설계자는 정전력이 불안정성을 유발하거나 동작을 방해할 것이라는 우려없이 주어진 감도를 달성하기 위해 원하는 대로 이동 전극을 호환적으로 구성할 수 있다.
전술한 사항에서, 이동 전극은 편평한 평면 부재로 구성되는 것으로 가정하였다. 그러나, 일부 경우에, 자유 에지는 만곡되는 것이 유리할 수 있다. 추가적으로, 이동 부재의 평면은 고정 전극 사이의 갭에 평행하지 않도록 지향될 수도 있다. 이 경우, 전극의 동작은 고정 전극 중 하나와의 중첩 영역을 증가시킬 것이고 다른 고정 전극과의 중첩 영역을 감소시킬 것이다. 이는 고정 전극 상의 전하가 도 1c에서와 같이 거리보다는 중첩 영역에 좌우되는 도 1d에 도시된 실시예와 매우 유사하게 기능하게 한다. 그러나, 이 경우, 중첩 영역은 이동 전극의 평면 표면보다는 이동 전극의 자유 에지에 의해서만 형성된다. 동작은 도 1d에 도시된 바와 같이 평행이 아닌 고정 전극에 일반적으로 직교하는 방향으로 일어난다. 이전에 설명된 다른 상황에서와 같이, 큰 동작은 감소된 힘이 평형 위치로 되돌려져 시스템이 전체적으로 안정되게 한다. 편평한 평면 이동 전극을 사용하고 고정 전극 사이의 갭을 도 2의 평면에 수직한 방향으로 평행하지 않거나 직선이 아니게 만듦으로써 이러한 효과를 얻을 수도 있다.
도 3을 살펴보면, 전극(2)의 프로토타입 실시예의 자유 단은 완전히 직선이 아니다. 이는 데이터에서 보여지는 정전기 강성 부족에 기여할 수 있다.
이동 요소가 작은 힘으로 구동되는 것이 매우 바람직하고 이에 따라 가능한 최소의 저항을 제공하고 이어서 가능한 최대 변위로 반응하도록 가능한 경량이고 호환적이어야 하는 수많은 감지 적용 분야가 있다. 이동 요소가 정전 용량 센서에서의 전극인 경우, 전기장과 연관된 힘이 동작 및 후속 센서 성능에 악영향을 미치지 않도록 주의해야 한다. 본 전극 기하학적 구조는 동작 방향으로 작용하는 정전력을 최소화한다.
본 명세서에서 검토된 전극 설계에서, 정전기 위치 에너지는 전극 동작의 함수로 간주된다. 전극이 이동할 때 위치 에너지가 대략 일정하다면, 이러한 보존력의 경우 힘은 위치 에너지의 도함수와 같기 때문에 힘은 작아지는 경향이 있을 것이다. 고정 전극을 2개의 요소로 분할함으로써, 전극 변위에 대한 위치 에너지의 둔감도를 유지하면서 두 고정 전극 상의 전하 차이를 감지할 수 있다. 그 결과 동작에 영향을 미치는 상당한 정전력을 부여하지 않고도 동작을 감지할 수 있다.
관심있는 동작 범위에 대해 거의 일정한 위치 에너지를 유지하도록 센서를 설계하는 외에, 전기장이 도체의 표면에 직각이기 때문에, 이동 전극이 박형이고 고정 전극에 직각으로 지향된다는 점은 이들 사이의 힘이 작아지게 한다. 이동 전극의 공칭 위치에 대해 기하학적 대칭을 유지함으로써, 그 표면에 수직으로 가해지는 정전력은 거의 상쇄될 것이다. 이는 동작의 주요 방향으로 완전히 무시할 수 있는 기계적 강성을 갖는 이동 전극의 설계를 가능하게 한다. 회전 저항이 거의 없는 힌지로 이동 전극을 지지하거나 또는 무시할 수 있는 굽힘 저항을 갖는 초박형 재료로 이동 전극을 제조함으로써 무시할 수 있는 강성을 얻을 수 있다. 재료가 충분히 얇으면, 지지 구조에 완전히 고정되고 타단은 자유인 캔틸레버 빔과 유사하게 구성할 수 있다. 기계적 복원 강성은 중력과 같이 이에 작용할 수 있는 다른 환경적 힘에 저항하기에 충분하면 된다.
정전력은 동작에 영향을 미치지 않기 때문에, 이동 전극에 인가되는 바이어스 전압을 높은 값으로 설정하여 전반적인 전기적 감도를 향상시킬 수 있다. 본 명세서에 제공된 결과에서, 음향 압력에 반응하여 쉽게 이동하는 고도의 호환성 이동 전극이 사용된다. 전극 구성은 400볼트의 비교적 큰 바이어스 전압의 사용을 가능하게 하면서 전극 동작에 대해 무시할 정도의 영향을 미친다. 이는 약 0.5 볼트/파스칼의 출력 전기적 감도를 생성한다.
정전 용량 센서의 다른 바람직한 특성은 가능한 동작 및 바이어스 전압의 전체 범위에 대한 안정성의 보장이다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 이동 전극이 큰 동작을 겪을 때, 복원력은 항상 평형 위치로 복귀되도록 작용하여, 평형 위치로부터 작은 편위에 대한 저항이 매우 작음에도 불구하고 전체적인 안정성을 보장한다.
이동 전극의 동작은 본질적으로 바이어스 전압의 변화에 의해 영향을 받지 않는 반면, 소리에 대한 전반적인 전기적 출력 감도는 예상대로 증가한다.
센서는 20 dBA의 등가 음향 압력 노이즈 플로어를 달성하는 마이크로 설계될 수 있으며, 주파수 반응은 20㎐ 내지 20 kHz의 주파수 범위에서 평탄 ±3데시벨이다.
캔틸레버 판형 요소는 위에서 공기 중의 음파를 전하의 기계적 동작으로의 변환 요소로 설명되었지만, 하나 이상의 섬유를 이용할 수도 있으며, 이는 질량 비율에 대한 높은 공기역학적 항력의 이점을 갖는다. 본 기술에 따르면, 감지판과 이동 요소의 정전기적 상호 작용이 요소를 실질적으로 편향시키지 않거나 그 강성을 실질적으로 변경하지 않기 때문에, 이 기술을 사용하면, 보다 통상적으로 측정된 바와 같은 판의 압력 차이 유도 편향과 비교할 때, 점성 항력에 의해 섬유를 둘러싼 공기 중의 대략적인 입자 동작을 감지할 수 있다. 또한, 센서는 단일 섬유에 국한되지 않으므로, 감지 전극과 각각 상호 작용하는 독립적으로 이동하는 평행 요소로 복수의 섬유가 제공될 수 있거나 또는 헐거운 매트 또는 메쉬로 형성되어 모든 섬유가 함께 움직일 수 있다. [4, 30, 41, 42, 3] 참조. 예를 들어, 섬유는 80㎚ 금으로 코팅된 거미줄 또는 전기 방사 폴리 메틸 메타크릴레이트일 수 있다.
점성 항력 이동 요소의 작동은 그의 두 평면에 작용하는 평면 이동 음향파로부터의 압력 차이에 기반하여 분석될 수 있다. 이동 요소를 탄성 빔으로 간주하여 대략적인 정성적 모델을 구성할 수 있다. 단일 주파수 ω에서의 반응에 주의를 집중하면서, 시간 t에서 그의 길이 x에 따른 지점에서의 빔 편향인 w(x, t)는 다음의 표준 편미분 식을 해결함으로써 계산될 수 있고,
E는 영의 탄성 계수이고, I는 면적 관성 모멘트이고, ρ는 재료의 밀도이고, b는 폭이고, h는 두께이고, P는 평면파 음압 진폭이고, k = ω/c는 파동수로서 c는 파동 전파 속도이고, d는 소리가 빔의 두 평면 표면 사이를 이동하는 유효 거리이고, C는 점성 감쇠 계수이다. U는 음향 입자 속도의 복소 진폭이다.
빔이 충분히 얇아짐에 따라(즉, h 및 b가 작아짐에 따라), C는 다른 모든 항보다 h 및 b에 대한 의존성이 훨씬 약하기 때문에 식 (21)에서의 모든 항은 점성 감쇠력 
[4]에 비해 무시할 정도가 된다. 또한, 절연 섬유 또는 빔의 경우, 유효 이격 거리 d는 b와 거의 같으므로 우측의 제1 항인 음압 차이 항도 작아진다. 결과적으로, 점성 항이 지배적인 이러한 제한적인 경우에, 섬유와 공기 사이의 상대 동작은 무시할 정도가 되어 
[4]를 유발한다. 그러므로, 점성력이 지배하도록 감지 요소를 적절하게 설계하면, 감지 요소는 음향 매체와 함께 이동할 것이다.
그래핀[1, 2], 및 탄소 나노튜브 또는 나노튜브 얀과 같은 초박형의 호환성 재료는 이러한 감지 전극을 구성하는 데 널리 이용 가능하다. 유동 감지는 전기 방사 폴리머 섬유로 달성되기도 한다[41]. 그러나, 이러한 초박형 구조는 그 동작이 장축에 수직으로 발생하는 정전력에 의해 강하게 영향을 받지 않으면 종래의 용량성 마이크 설계에 통합될 수 없는 낮은 굽힘 강성을 갖는다. 도 8a는 개구의 어레이를 갖는 평면 다이어프램을 도시하고 있다. 이러한 설계는 다이어프램을 통해 공기를 이동시키는 항력을 감지하지만, 이러한 설계는 상당한 강성을 가지고 있으므로 식 (21)에서의 모든 항이 점성 항력 항에 의해 완전히 지배된다는 추정은 일반적으로 만족되지 않는다. 그러나, 일부 경우에, 천공형 다이어프램은 허용 가능한 센서를 나타낸다. 일 예에서, 다이어프램은 다층 그래핀으로 형성될 수 있다. 이러한 다이어프램은 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 설계에서 다결정 실리콘 또는 실리콘 질화물로 형성될 수도 있다. 다이어프램은 금 층과 같이 본질적으로 전도성이거나 금속화될 수 있다. 다이어프램, 또는 보다 일반적으로 이동 요소는 일렉트릿 재료로 형성될 수 있다.
박형의 속도 감지막을 생성하는 통상적인 실리콘 미세 가공 공정은 습식 산화를 통해 1미크론 산화물이 성장하는 베어 실리콘 웨이퍼로 시작된다. 이러한 산화막은 막 뒤에 열린 공기 공간을 생성하는 데 사용되는 관통 웨이퍼 에칭을 위한 에칭 정지 기능을 제공한다. 그 후, 약 0.5미크론 두께를 갖는 실리콘 질화막은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 퍼니스를 사용하여 증착된다. 실리콘 질화물은 광학 리소그래피를 통해 패턴화되어 홀을 형성해서 다공성을 달성하고 전극 에지를 형성한다. 질화막의 일부는 LPCVD 공정을 사용하여 인 도핑된 실리콘의 박형(약 80㎚) 층을 증착하고 패터닝함으로써 전도성이 되도록 이루어진다. 그 후, 막은 다결정 실리콘을 형성하기 위해 어닐링된다. 관통 웨이퍼 후면 반응성 이온 에칭(RIE)을 수행하여 실리콘 전극의 후면을 노출시킨다. 전극은 완충된 불화 수소산을 사용하여 열 산화물을 제거함으로써 해제된다. 감지 전극의 제조는 이동 전극의 주변에 전도성 막을 증착하여 수행된다.
도 8b는 일반적으로 섬유에 대해 공기를 이동시키는 점성 항력에 의해 단위로 이동하는 헐거운 판을 형성하는 섬유 메쉬 요소를 도시하고 있다. 메쉬는 평면에서 벗어난 힘(예를 들어, 음향 유동으로 인한 힘)이 가해질 때 높은 컴플라이언스를 가지면서 메쉬의 평면에 가해진 힘으로 인해 높은 강성을 갖도록 설계된다. 메쉬는 다수의 헐겁게 배열된 개별 섬유로 구성되기 때문에, 감지 전극에 가장 가까운 에지에서의 치수 정밀도 및 평면 내 강성은 감지 전극에 근접한 섬유가 자유로운 경우를 보장하기 어렵다. 이는 결과적으로 반복 가능한 감도 및 평면 내 정전기 인력에 대한 저항을 손상시킨다. 그러므로, 박형의 중실 프레임 또는 바인딩은 감지 전극에 가장 가까운 에지에서 메쉬에 부착되어 제공될 수 있다. 적합한 섬유는 금속화된 전기 방사 PMMA 및 탄소 나노튜브, 또는 둘 모두의 조합을 포함한다.
섬유는 1 μ 미만일 수 있으며, 예를 들어 약 500㎚ 직경일 수 있다.
본 기술에 따른 장치는 센서뿐만 아니라 액추에이터로 사용될 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 작은 시변 차동 전압을 전극에 인가하여 널 위치에 대한 시스템의 평형 위치를 효과적으로 변조할 수 있다. 이동 요소 전극에 인가되는 전압은 정전기 강성을 원하는 거의 임의의 값으로 조정하는 값으로 설정될 수 있으며, 이동 전극의 기계적 강성 및 질량에 의해서만 동작이 제한되도록 할 수 있다.
예를 들어 그래핀과 같은 초호환성이며 경량인 이동 전극 재료를 사용하면 매우 작은 구동 전압으로 작동을 가능하게 할 것이다. 이러한 구성은 구동 전압의 작은 변화의 함수로서 평형 위치의 광범위한 조정을 가능하게 한다. 전압 변화에 대한 이동 전극의 반응은 평행판 액추에이터에서 예상되는 것처럼 2차가 아닌 선형적이다. 또한, 전술한 바와 같은 2개 대신 3개의 정적 전극을 갖는 4-전극 실시예에서 사용될 수도 있다. 이 경우, 추가 전극은 이동 전극의 유효 정전기 강성을 조정하는 추가 기능을 제공한다. 위에서 다양한 실시예에서 논의된 바와 같이 힘은 인력이기보다는 반발력일 수 있음을 유의한다.
전술한 다양한 실시예는 추가 실시예를 제공하기 위해 조합될 수 있다. 이러한 변경 및 다른 변경은 전술한 상세한 설명을 감안하여 실시예에 대해 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구범위에서, 사용되는 용어는 명세서 및 청구범위에 개시된 특정 실시예로 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 이러한 청구범위가 부여되는 그와 같은 등가물의 전체 범위와 함께 가능한 모든 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 청구범위는 개시내용에 의해 제한되지 않는다.
참고문헌
다음 사항의 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 명시적으로 원용된다.
Claims (132)
- 정전 용량 센서로서,
적어도 하나의 공간 갭에 의해 서로 격리된 적어도 2개의 도체로서, 상기 적어도 2개의 도체 및 상기 적어도 하나의 공간 갭에 근접한 영역을 차지하는 정전기장과 상호 작용하는 각각의 도체는 상기 정전기장의 섭동에 전기적으로 반응하는, 적어도 2개의 도체; 및
감지 조건에 선택적으로 반응하여 상기 공간 갭을 가로지르는 방향성 성분을 갖는 변위 축을 따라 이동하도록 구성되고, 상기 이동에 대응하여 상기 정전기장을 섭동시키는 변위 가능 요소를 포함하고, 상기 변위 가능 요소의 이동 범위에 걸쳐, 상기 정전기장은 상기 감지 조건에 대한 상기 변위 가능 요소의 반응도를 실질적으로 변경하지 않거나 동기 인입 불안정성을 유발하지 않는, 정전 용량 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 2개의 도체는 선형 공간 갭에 의해 분리된 한 쌍의 고정 도체를 포함하며, 상기 한 쌍의 고정 도체의 각각은 각각의 전위로 유지되어, 상기 한 쌍의 고정 도체의 각각의 전위 사이의 차이에 따라 상기 선형 공간 갭을 가로지르는 주요 필드 벡터 성분을 갖는 상기 한 쌍의 고정 도체 위의 공간에서 상기 정전기장을 생성하고,
상기 변위 가능 요소는 상기 선형 공간 갭을 가로지르는 벡터 성분을 갖는 상기 변위 축으로 구성된 하전 요소를 포함하여, 상기 정전기장으로 인해 상기 변위 가능 요소에 부과된 힘은 상기 감지 조건에 반응하여 상기 변위 가능 요소의 변위 상태에 둔감한, 정전 용량 센서. - 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 캔틸레버 지지형 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 적어도 하나의 에지에서 지지되지 않는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 대향 에지에서 지지되는 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 천공형 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 중실 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 금속화된 폴리머 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 약 10㎛ 미만의 두께를 갖는 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 약 7.5㎛ 미만의 두께를 갖는 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 약 5㎛ 미만의 두께를 갖는 다이어프램을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 섬유를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 섬유 메쉬를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 섬유 매트를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 금속화된 전기 방사 섬유를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 중실 보더 요소를 갖는 섬유 메쉬를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 탄소 나노튜브를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 그래핀을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 실리콘을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 실리콘 질화물을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 금속화된, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 도핑된 반도체를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 일렉트릿을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 단일 축을 따른 진동에 반응하여 편향되도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 두 축을 따른 진동에 반응하여 편향되도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 도체는 동일 평면에 있는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 도체는 적어도 3개의 도체를 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 다이어프램을 포함하고, 상기 적어도 2개의 도체는 상기 다이어프램과 상기 적어도 2개의 도체 중 하나 사이의 전압 차이가 실질적으로 상기 이동 축에 대한 상기 다이어프램의 유효 강성을 실질적으로 편향시키거나 변경하지 않도록 함께 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소의 이동 사이에 유도된 전하 재분배를 결정하도록 구성된, 적어도 두 쌍의 전도성 표면의 각각과 전기적으로 연통하는 전극 세트를 더 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 각각의 전도성 표면으로부터 출력 신호를 생성하도록 구성된 각각의 트랜스임피던스 증폭기를 더 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 미세 기계가공된 실리콘을 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 진동하도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제32항에 있어서, 환경 포트로부터 상기 변위 가능 요소의 일측으로 유체 매체에 형성된 경로를 선택적으로 제공하도록 구성된 하우징을 더 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제32항에 있어서, 한 쌍의 환경 포트의 각각으로부터 상기 변위 가능 요소의 각각의 측면으로 유체 매체로부터 형성된 경로 세트를 선택적으로 제공하도록 구성된 하우징을 더 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 상기 센서의 움직임에 근접하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 외력에 대응하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 회전 속도에 대응하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 생물학적 과정에 대응하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 공기역학적 과정에 대응하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 화학 과정에 대응하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 400V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 200V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 100V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 50V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 24V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 12V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 동일 평면 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 5V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 동일 평면 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 3V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 동일 평면 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 2V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 전도성 동일 평면 표면 중 적어도 하나 사이의 전위는 적어도 1V인, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 표면의 각각에서의 전위는 각각의 트랜스임피던스 증폭기에 의해 접지 전위로 유지되면서 상기 변위 가능 요소의 이동에 의해 상기 각각의 전도성 표면에 전하 변화가 유도되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 상기 다이어프램에 걸쳐 압력 차이를 유지하도록 충분히 격리된 대향 측면을 갖는 미세 기계가공된 실리콘 다이어프램을 포함하고, 각각의 환경 포트로부터 상기 미세 기계가공된 실리콘 다이어프램의 각각의 측면으로 유체 매체에 대해 적어도 하나의 경로를 선택적으로 형성하여 상기 미세 기계가공된 실리콘 다이어프램의 각각의 측면 상의 압력을 선택적으로 변경하도록 구성된 하우징을 더 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 관성 상태의 변화에 동적으로 반응하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 화학적 또는 생물학적 과정에 동적으로 반응하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소와 상기 도체 중 적어도 하나의 사이의 전위는 적어도 3V이고, 상기 변위 가능 요소와 상기 도체 중 적어도 하나 사이의 전기장은 적어도 1 V/㎜인, 정전 용량 센서.
- 제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정전 용량 센서는 마이크를 포함하고, 상기 변위 가능 요소는 음향파에 대응하는 이동 진폭을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제56항에 있어서, 환경 포트로부터 상기 변위 가능 요소의 일측으로 음향 진동을 선택적으로 지향시키도록 구성된 하우징을 더 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제31항에 있어서, 한 쌍의 환경 포트의 각각으로부터 상기 변위 가능 요소의 각각의 측면으로 음향 진동을 선택적으로 지향시키도록 구성된 하우징을 더 포함하는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 상기 변위 가능 요소를 둘러싸는 음장 내에서 공기 이동에 근접하는 움직임을 갖는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 250㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가지며, 상기 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 150㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가지며, 상기 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 80㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가지며, 상기 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 50㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가지며, 상기 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 변위 가능 요소는 25㎐ 미만의 최저 공진 주파수 이동을 가지며, 상기 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 음장 내에서 음향파에 반응하여 공기 이동의 90도 미만의 위상 지연을 갖는 속도를 갖도록 구성되는, 정전 용량 센서.
- 진동을 감지하는 방법으로서,
적어도 2개의 분리된 전도성 표면 및 편향 가능 요소를 제공하는 단계로서, 상기 편향 가능 요소는 상기 편향 가능 요소 상의 상기 적어도 2개의 분리된 전도성 표면에 의해 생성된 힘에 수직인 편향 축을 갖는, 단계;
상기 적어도 2개의 전도성 표면에 대해 상기 편향 가능 요소 상에 전압 전위를 유도하는 단계; 및
상기 편향 축을 따라 상기 편향 가능 요소의 편향으로부터 발생하는 상기 적어도 2개의 전도성 표면 상의 유도 전하의 변화를 감지하는 단계를 포함하며, 상기 편향 가능 요소 상의 상기 적어도 2개의 분리된 전도성 표면에 의해 생성된 힘은 상기 편향 가능 요소의 편향을 실질적으로 변경하지 않는, 진동을 감지하는 방법. - 제65항에 있어서, 상기 유도 전하의 변화를 감지하는 단계는 적어도 하나의 트랜스임피던스 증폭기에 의해 수행되는, 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 미세 기계가공된 실리콘을 포함하는, 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 진동에 반응하여 진동하는, 방법.
- 제68항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 상기 편향 가능 요소의 관성 상태에 대응하는 움직임을 갖는, 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 금속화된 폴리머를 포함하는, 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 최저 공진 주파수를 가지며, 상기 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 상기 편향 가능 요소의 이동의 여기에 반응하여 90도 미만의 위상 지연으로 이동하는, 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 전도성 표면의 각각에서의 전위는 각각의 트랜스임피던스 증폭기에 의해 접지 전위로 유지되면서 상기 편향은 상기 편향 가능 요소의 이동을 유발하여 상기 각각의 전도성 표면에서 전하의 변화를 유도하는, 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 사람의 말에 의해 생성되는 소리에 반응하여 진동하는, 방법.
- 제73항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 상기 편향 가능 요소를 둘러싸는 음장 내에서 공기 이동에 근접하는 움직임을 갖는, 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 편향 가능 요소는 최저 공진 주파수를 가지며, 상기 최저 공진 주파수보다 높은 주파수를 갖는 공기 중의 압력 변화에 반응하여 90도 미만의 위상 지연으로 이동하는, 방법.
- 정전 용량 감지 방법으로서,
연관된 전기장을 갖는 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 및 상기 연관된 전기장 내의 하전 요소를 제공하는 단계로서, 상기 하전 요소는 상기 하전 요소와 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력에 직교하는 감지 조건에 반응하여 이동 축을 갖고, 상기 하전 요소와 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력의 크기에 기계적으로 반응하지 않는, 단계;
상기 이동 축을 따라 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극에 대한 상기 하전 요소의 이동을 유도하는 단계;
상기 하전 요소의 이동의 결과로서 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극의 각각에서 유도 전하를 감지하는 단계; 및
상기 이동에 대응하는 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 정전 용량 감지 방법. - 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 일단에 매달려 있고 세장형 축을 가지며 상기 하전 요소를 공칭 위치로 복귀시키는 경향이 있는 복원력을 갖고, 상기 공칭 위치에서 상기 하전 요소의 자유 단은 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극에 근접하고, 상기 하전 요소와 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력은 상기 세장형 축에 평행한, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 세장형 축을 가지며 탄성 캔틸레버에 의해 지지되고, 상기 세장형 축은 상기 정전력에 평행하고 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 갭으로 향하는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극의 각각은 상기 이동 축을 따라 상기 하전 요소에 힘 성분을 가하고, 상기 이동 축을 따라 상기 하전 요소에 가해지는 힘 성분의 중첩은 상기 이동 축을 따라 순 힘을 상쇄시키는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 약 1미크론 미만의 직경을 갖는 필라멘트를 포함하는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 약 550㎚ 미만의 직경을 갖는 전도성 필라멘트를 포함하는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 필라멘트를 포함하고, 주변 매체에 의한 점성 항력에 의해 지배되는 움직임을 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 전도성 천공판을 포함하고, 상기 전도성 천공판은 상기 이동 축을 따라서만 상기 전도성 천공판의 이동을 지지하는 캔틸레버 지지체를 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 세장형 프로파일 및 세장형 축을 가지며, 상기 세장형 축은 약 3도 미만의 정전력의 벡터에 대한 각도를 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 세장형 프로파일 및 세장형 축을 가지며, 상기 세장형 축은 약 2도 미만의 정전력의 벡터에 대한 각도를 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 세장형 프로파일 및 세장형 축을 갖고, 상기 세장형 축은 약 1도 미만의 정전력의 벡터에 대한 각도를 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 세장형 프로파일 및 상기 이동 축에 수직인 세장형 축을 갖고, 상기 이동 축을 따른 상기 정전력의 힘 성분은 상기 세장형 축을 따른 상기 정전력의 힘 성분보다 적어도 -20 dB 낮은, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 세장형 프로파일 및 상기 이동 축에 수직인 세장형 축을 갖고, 상기 이동 축을 따른 상기 정전력의 힘 성분은 상기 세장형 축을 따른 상기 정전력의 힘 성분보다 적어도 -24 dB 낮은, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 세장형 프로파일 및 상기 이동 축에 수직인 세장형 축을 갖고, 상기 이동 축을 따른 상기 정전력의 힘 성분은 상기 세장형 축을 따른 상기 정전력의 힘 성분보다 적어도 -30 dB 낮은, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 상기 정전력에 평행한 세장형 축을 갖고, 인장 강성을 가지며, 상기 하전 요소는 상기 정전력이 상기 인장 강성을 초과하기 전에 상기 정전력에 의해 동기 인입을 받지 않는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극은 상기 하전 요소에 대해 대칭이고, 상기 신호는 각각의 전극에 트랜스임피던스 증폭기를 제공하고, 상기 각각의 트랜스임피던스 증폭기의 출력의 전압 차이에 기반하여 상기 하전 요소의 이동을 결정함으로써 생성되는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 약 1미크론 미만의 직경을 갖는 필라멘트를 포함하고, 점성 항력에 의해 지배되는 250㎐보다 높은 주파수에서 음향 진동에 반응하여 공기 중에서 움직임을 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 약 550㎚ 미만의 직경을 갖는 전도성 필라멘트를 포함하고, 점성 항력에 의해 지배되는 250㎐보다 높은 주파수에서 음향 진동에 반응하여 공기 중에서 움직임을 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 약 550㎚ 미만의 직경을 갖는 필라멘트를 포함하고, 점성 항력에 의해 지배되는 250㎐보다 높은 주파수에서 음향 진동에 반응하여 공기 중에서 움직임을 갖는, 방법.
- 제76항에 있어서, 상기 하전 요소는 전도성 천공판을 포함하고, 상기 전도성 천공판은 상기 이동 축을 따라서만 상기 전도성 천공판의 이동을 지지하는 캔틸레버 지지체를 갖고, 상기 하전 요소는 점성 항력에 의해 지배되는 100㎐보다 높은 주파수에서 음향 진동에 반응하여 공기 중에서 움직임을 갖는, 방법.
- 방향성 센서로서,
연관된 전기장을 갖는 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극;
상기 연관된 전기장 내의 하전 요소로서, 상기 하전 요소는 고정 위치를 중심으로 이동 축을 갖고, 상기 하전 요소와 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력에 직교하는 상기 이동 축을 따라 이동하도록 구성되는, 하전 요소; 및
상기 이동에 따른 출력을 생성하고 상기 하전 요소에 편향력을 생성하여 상기 하전 요소의 이동 축을 변경하도록 구성된 전자 회로를 포함하는, 방향성 센서. - 제96항에 있어서, 상기 센서는 마이크이고, 상기 하전 요소는 소리에 반응하여 상기 이동 축을 따라 이동하도록 구성되는, 방향성 센서.
- 제96항에 있어서, 상기 하전 요소의 원하는 이동 축을 형성하는 신호를 수신하도록 구성된 입력부를 더 포함하는, 방향성 센서.
- 진동의 전파 벡터를 결정하는 방법으로서,
연관된 전기장을 갖는 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극; 및 상기 연관된 전기장 내의 하전 요소를 제공하는 단계로서, 상기 하전 요소는 고정 위치를 중심으로 이동 축을 갖고 상기 하전 요소와 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연된 전극 사이의 정전력에 직교하는 상기 이동 축을 따라 이동하도록 구성되는, 단계;
상기 축을 따른 이동에 따라 제1 출력을 생성하는 단계;
상기 연관된 전기장을 변경하여 상기 하전 요소를 편향시키기 위한 신호를 수신해서 상기 이동 축을 제2 이동 축으로 변경하는 단계;
상기 제2 축을 따른 이동에 따라 제2 출력을 생성하는 단계; 및
상기 진동의 벡터 전파 특성을 결정하기 위해 상기 제1 출력 및 상기 제2 출력을 분석하는 단계를 포함하는, 진동의 전파 벡터를 결정하는 방법. - 적어도 2개의 전극을 갖는 전기장 내에 배치되어 충전되도록 구성된 요소를 포함하되, 상기 요소는 인장만 있으며 공칭 위치에서 편향 경향이 없는 상기 요소 내에서 복합력을 생성하기 위해 상기 적어도 2개의 전극의 각각과 상호 작용하여, 상기 공칭 위치로부터 편향될 때 상기 요소는 상기 적어도 2개의 전극에 전하 재분배를 유도하는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소는 가속에 반응하는 움직임을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 기계적 통합기를 더 포함하고, 상기 요소는 충격에 반응하는 움직임을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소는 코리올리 힘에 반응하는 편향을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소는 비대칭 굽힘력에 반응하는 편향을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소는 매체와 상기 요소의 표면의 화학적 상호 작용에 반응하는 편향을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소는 매체와 상기 요소의 표면의 생물학적 상호 작용에 반응하는 편향을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소는 매체와 상기 요소의 표면의 화학 물질 상호 작용에 반응하는 편향을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 복합력은 진동하며, 상기 요소는 적어도 상기 진동하는 복합력에 반응하는 편향을 갖는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소의 편향에 대응하는 신호를 생성하도록 구성된 전자 증폭기를 더 포함하는, 센서.
- 제109항에 있어서, 상기 시간 응답은 공진 주파수를 포함하는, 센서.
- 제109항에 있어서, 상기 요소의 편향의 시간-응답을 분석하여 결정하도록 구성된 전자 장치를 더 포함하는, 센서.
- 제111항에 있어서, 상기 시간 응답은 진동 주파수를 포함하는, 센서.
- 제111항에 있어서, 상기 시간 응답은 위상 지연을 포함하는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소의 편향은 온도에 반응하는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소의 편향은 압력에 반응하는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소의 편향은 조명에 반응하는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소의 편향은 상기 요소를 둘러싸는 유체의 점도에 반응하는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소를 회동식으로 지지하는 상기 요소용 탄성 마운트를 더 포함하는, 센서.
- 제118항에 있어서, 상기 요소의 편향은 상기 탄성 마운트의 물리적 특성의 변화에 반응하는, 센서.
- 제119항에 있어서, 상기 요소의 편향은 주변 매체와 상기 탄성 마운트의 화학적 상호 작용에 반응하는, 센서.
- 제100항에 있어서, 상기 요소는 연관된 촉매를 갖고, 상기 요소의 편향은 상기 연관된 촉매에 대한 기질의 양에 반응하는, 센서.
- 센서 어레이로서,
공간 어레이로 배열되는 복수의 요소를 포함하고, 상기 복수의 요소는 전기적으로 충전되도록 구성되고,
상기 공간의 각각의 요소는 적어도 2개의 각각의 전극에 의해 제어되는 전기장 내에 배치되고, 상기 각각의 요소는 상기 적어도 2개의 각각의 전극의 각각과 상호 작용하여 상기 각각의 요소 내에 복합 인장력을 생성하며 상기 복합력으로 인해 공칭 위치로부터 편향 경향이 없어, 상기 각각의 요소는 편향 시 상기 적어도 2개의 각각의 전극에 전하 재분배를 유도하는, 센서 어레이. - 제122항에 있어서, 상기 공간 어레이는 상기 복수의 요소의 3차원 어레이를 제공하는, 센서 어레이.
- 제122항에 있어서, 상기 복수의 요소를 둘러싸는 외부 조건 구배를 더 포함하는, 센서 어레이.
- 제122항에 있어서, 상기 복수의 요소에서 열 구배를 생성하도록 구성된 열 제어부를 더 포함하는, 센서 어레이.
- 제122항에 있어서, 이미지를 상기 공간 어레이에 투영하도록 구성된 광학 시스템을 더 포함하는, 센서 어레이.
- 제122항에 있어서, 상기 각각의 요소는 복수의 각각의 상이한 선택적 화학 반응을 갖는, 센서 어레이.
- 센서로서,
전기장 내의 적어도 2개의 전극; 및
충전되도록 구성되고, 상기 전기장 내의 적어도 2개의 전극에 근접하게 배치되고, 적어도 10의 종횡비를 갖는 세장형 변위 가능 요소를 포함하고,
상기 요소는 상기 적어도 2개의 전극의 각각과 상호 작용하여 세장형 축을 따라 적어도 95% 인장된 상기 요소 내에 복합력을 생성해서, 조건에 의한 상기 세장형 변위 가능 요소의 변위는 상기 조건의 크기에 대응하는 상기 적어도 2개의 전극에 전하 재분배를 유도하고, 상기 조건 또는 동기 인입 불안정성에 대한 상기 전하 재분배의 반응도를 실질적으로 변경하지 않는, 센서. - 정전 용량 감지 방법으로서,
조건에 반응하여 축을 따라 이동 가능한, 전기장에 하전 요소를 제공하는 단계;
적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극을 제공하는 단계로서, 상기 전극의 각각은 상기 전기장의 섭동을 전기적으로 감지하기 위해 상기 전기장과 상호 작용하고, 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극은 상기 축에 적어도 95% 수직한 상기 하전 요소에 순 힘을 생성하는, 단계; 및
상기 조건에 반응하여 상기 축을 따라 상기 하전 요소의 이동에 의해 야기된 상기 전기장의 섭동을 감지하는 단계를 포함하고, 상기 하전 요소의 이동 범위에 걸쳐, 상기 전기장에서 상기 하전 요소의 위치는 실질적으로 상기 조건에 대한 상기 변위 가능 요소의 반응도를 변경하지 않거나 또는 동기 인입 불안정을 유발하지 않는, 정전 용량 감지 방법. - 제129항에 있어서,
상기 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극은 선형 갭에 의해 분리된 한 쌍의 고정 도체를 포함하며, 상기 한 쌍의 고정 도체의 각각은 각각의 전위로 유지되고, 전하 재분배에 기반하여 상기 한 쌍의 고정 도체 위의 공간에서 상기 전기장을 감지하고,
상기 축은 상기 선형 갭을 가로지르는 벡터 성분을 가지며, 상기 하전 요소에 대한 순 힘은 상기 감지 조건에 반응하여 상기 하전 요소의 변위 상태에 둔감한, 방법. - 제129항에 있어서, 상기 하전 요소는 음향 진동에 반응하고, 상기 감지 섭동은 상기 음향 진동을 정량적으로 나타내는, 방법.
- 제129항에 있어서,
상기 하전 요소는 세장형 축을 가지며, 일단에 매달려 있고, 상기 하전 요소를 공칭 위치로 복귀시키는 경향이 있는 복원력을 갖고, 상기 공칭 위치에서 상기 하전 요소의 자유 단은 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극에 근접하고,
상기 하전 요소와 상기 적어도 2개의 전기적으로 절연되고 분리된 전극 사이의 순 힘의 벡터는 상기 세장형 축으로부터 5도 미만으로 벗어난, 방법.
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