Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и линейного ускорения.

Известен интегральный микромеханический гироскоп [В.П. Тимошенков, С.П. Тимошенков, А.А. Миндеева, Разработка конструкции микрогироскопа на основе КНИ-технологии, Известия вузов, Электроника, №6, 1999, стр. 49, рис. 2], содержащий диэлектрическую подложку с напыленными на ней четырьмя электродами и инерционную массу, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с парой напыленных на подложку электродов плоский конденсатор и связанную с внутренней колебательной системой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к внутренней колебательной системе, выполненной из полупроводникового материала образующей с другой парой напыленных на подложку электродов плоский конденсатор, используемый в качестве электростатического привода, причем колебательная система соединена с внешней рамкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами прикреплены к внутренней колебательной системе, а другими - к внешней рамке, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на диэлектрической подложке.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, электрод, расположенный непосредственно на подложке.

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является микромеханический гироскоп [S.E. Alper, T. Akin, A Planar Gyroscope Using a Standard Surface Micromachining Process, The 14th European Conference on Solid-State Transducers (EUROSENSORS XIV), 2000, p. 387, fig. 1], содержащий подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор и связанную с внешним подвесом с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к внешнему подвесу, выполненного из полупроводникового материала и образующего с другой парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор, используемый в качестве электростатического привода, причем внешний подвес соединен с опорами с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с внешним подвесом, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и два электрода, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке с зазором относительно внешнего подвеса так, что образуют плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются электроды, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке.

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический гироскоп [В.Я. Распопов, Микромеханические приборы, Учебное пособие, Машиностроение, Москва, 2007, стр. 59, рис. 1.44], содержащий диэлектрическую подложку с расположенными на ней металлическими электродами емкостных преобразователей перемещений, две инерционные массы, расположенные с зазором относительно диэлектрической подложки и выполненные в виде пластин из полупроводникового материала, образующие с расположенными на диэлектрической подложке электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, и связанные с диэлектрической подложкой через систему упругих балок, которые одними концами соединены с инерционными массами, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными на диэлектрической подложке, один неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами по обеим его сторонам и расположенный непосредственно на диэлектрической подложке между инерционными массами, с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, два неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на диэлектрической подложке по внешним сторонам инерционных масс, с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости вдоль оси Y, расположенной в плоскости подложки.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются две инерционные массы, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, электроды емкостного преобразователя перемещений, расположенные на подложке, неподвижные электроды электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные на подложке.

Недостатком конструкции данного гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X, направленной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.

Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величин угловой скорости вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин угловой скорости вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.

Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, девяти дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми «S»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, и двадцати одной дополнительной опоры, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп, содержащий подложку с расположенными на ней электродами емкостных преобразователей перемещений, две инерционные массы, расположенные с зазором относительно подложки и выполненные в виде пластин из полупроводникового материала, образующие с электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, и неподвижные электроды электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные на подложке, введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь «S»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь «П»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненная из полупроводникового материала и расположенная непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.

На Фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра и показаны сечения. На Фиг. 2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр (Фиг. 1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, выполненные из полупроводникового материала, восемью неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1, двенадцать неподвижных электродов электростатических приводов 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов 24, 25, 26, 27, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами электростатических приводов 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с подвижными электродами электростатических приводов 24, 25, 26, 27, а другими с опорами 36, 37, 38, 39, 40, 41, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, две инерционные массы 42, 43, выполненные в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, связанные с подвижными электродами электростатических приводов 24, 25, 26, 27 с помощью упругих балок 44, 45, 46, 47, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, связанных с инерционными массами 42, 43 с помощью системы упругих балок 52, 53, 54, 55, выполненных из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью «S»-образных систем упругих балок 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 и «П»-образных упругих балок 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, которые одними концами соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51, а другими с опорами 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1.

Работает устройство следующим образом.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 42 под действием сил инерции начинает совершать перемещение в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, за счет изгиба упругих балок 46, 47, «S»-образных систем упругих балок 58, 59, 60, 61, «П»-образных упругих балок 67, 68, 69, 70. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных подвижными электродами 48, 51 и неподвижными электродами 4, 5, 6, 7, соответственно, за счет изменения зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения вдоль оси X.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 43 под действием сил инерции начинает совершать перемещение в плоскости полупроводниковой подложки 1, направленные вдоль оси Y, за счет изгиба упругих балок 44, 45, «S»-образных систем упругих балок 56, 57, 62, 63, «П»-образных упругих балок 64, 65, 66, 71. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных подвижными электродами 49, 50 и неподвижными электродами 8, 9, 10, 11, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения вдоль оси Y.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 42, 43 под действием сил инерции начинают совершать перемещения перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 синхронно, за счет изгиба упругих балок 44, 45, 46, 47 и систем упругих балок 52, 53, 54, 55. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и инерционными массами 42, 43, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения вдоль оси Z.

При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 12, 14, 16, 17, 19, 22 и 13, 15, 18, 20, 21, 23 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов электростатических приводов 24, 26 и 25, 27, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению противофазных колебаний последних в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, соединяющих подвижные электроды 24, 25, 26, 27 с опорами 36, 37, 38, 39, 40, 41. Колебания подвижных электродов электростатических приводов 24, 25, 26, 27 передаются инерционным массам 42, 43 через упругие балки 44, 45, 46, 47.

При возникновении угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 42 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 46, 47 и систем упругих балок 52, 53. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованном электродом 2 и инерционной массой 42, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости вдоль оси X.

При возникновении угловой скорости вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 43 под действием сил инерции Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 44, 45 и систем упругих балок 54, 55. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованном электродом 3 и инерционной массой 43, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости вдоль оси Y.

При возникновении угловой скорости вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 42, 43 под действием сил инерции Кориолиса начинают совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 42 вдоль оси X, инерционная масса 43 вдоль оси Y, за счет изгиба упругих балок 44, 45, 46, 47. Колебания инерционных масс 42, 43 через системы упругих балок 52, 53, 54, 55 передаются подвижным электродам емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51, которые совершают колебания за счет изгиба «S»-образных систем упругих балок 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 и «П»-образных систем упругих балок 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, соединяющих подвижные электроды емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51 с опорами 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных подвижными электродами 48, 49, 50, 51 и неподвижными электродами 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости вдоль оси Z.

Опоры 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78 выполняют роль ограничителей движения инерционных масс 42, 43 в плоскости полупроводниковой подложки 1.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величины угловой скорости вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величины линейного ускорения вдоль осей X, Y, Z.

Введение четырех дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, девяти дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми «S»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, и двадцати одной дополнительной опоры, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, две инерционные массы выполнены с перфорацией, подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала, позволяет измерять величины угловых скоростей вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, величины линейного ускорения вдоль осей X, Y, Z, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин угловой скорости и линейного ускорения.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и линейных ускорений, так как для измерения величин угловой скорости по трем осям X и Y, расположенным в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейного ускорения вдоль осей X, Y, Z используется только один интегральный микромеханический сенсор.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий подложку с расположенными на ней двумя электродами емкостных преобразователей перемещений, две инерционные массы, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, три неподвижных электрода электростатических приводов, выполненных с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных на подложке, отличающийся тем, что в него введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь «S»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь «П»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненная из полупроводникового материала и расположенная непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.