RU181219U1 - SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPE - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа. Повышение надежности и улучшение метрологических показателей чувствительного элемента микромеханического гироскопа достигается за счет снабжения контактных поверхностей полностью регулярным микрорельефом (ПРМР) IV вида и наноструктурированием методом ионно-плазменной обработки. 2 ил.The utility model relates to measuring technique and can be used in vibration-type integrated gyroscopes. Improving the reliability and improving the metrological indicators of the sensitive element of the micromechanical gyroscope is achieved by supplying the contact surfaces with a fully regular microrelief (PMR) of type IV and nanostructuring by the ion-plasma treatment method. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа.The utility model relates to measuring technique and can be used in vibration-type integrated gyroscopes.

Известен чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа, содержащей четыре подвижных массы, выполненные на пластине кремния. Упругие подвесы подвижных масс расположены крестообразно и закреплены в точке пересечения на струне, вдоль которой действует измеряемая угловая скорость. Принудительные колебания подвижным массам задаются в плоскости пластины, причем направления движений осуществляются в попарно-противоположных направлениях. В результате колебаний механические напряжения в точке закрепления всегда равны нулю, что повышает добротность чувствительного элемента. Возникающие знакопеременные кориолисовы силы действуют на подвижные массы в направлении, перпендикулярном плоскости пластины (см. Yamashita; Mitsuhiro (Hirakata, JP), Esashi; Masayoshi (Sendai, JP). Angular rate sensor and acceleration sensor. US Patent №5952572, 14.09.1999, кл. G01C 19/56; G01P 15/125; G01P 15/08; G01P 009/00). Недостатком известного устройства является его низкая точность, обусловленная тем, что возбуждаемые колебания происходят в плоскости чувствительного элемента, а измерительные колебания перпендикулярно к этой плоскости, следовательно, трудно обеспечить условие резонансной настройки в обеих плоскостях колебаний, т.к. жесткости определяются разными технологическими факторами, а для многих материалов (например, кремний) и различными физическими свойствами, а также потерями в проводниках (металлических проводящих элементах).A known element of a microelectromechanical gyroscope containing four moving masses made on a silicon plate. The elastic suspensions of the moving masses are located crosswise and are fixed at the intersection point on the string along which the measured angular velocity acts. Forced vibrations of the moving masses are set in the plane of the plate, and the directions of motion are carried out in pairwise opposite directions. As a result of oscillations, the mechanical stresses at the fixing point are always zero, which increases the quality factor of the sensitive element. The arising alternating Coriolis forces act on the moving masses in the direction perpendicular to the plane of the plate (see Yamashita; Mitsuhiro (Hirakata, JP), Esashi; Masayoshi (Sendai, JP). Angular rate sensor and acceleration sensor. US Patent No. 5952572, 09/14/1999 , CL G01C 19/56; G01P 15/125; G01P 15/08; G01P 009/00). A disadvantage of the known device is its low accuracy, due to the fact that the excited oscillations occur in the plane of the sensing element, and the measuring oscillations are perpendicular to this plane, therefore, it is difficult to ensure the condition of the resonant tuning in both vibration planes, because stiffnesses are determined by different technological factors, and for many materials (for example, silicon) and various physical properties, as well as losses in conductors (metal conductive elements).

Известен чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, рамку, центр, соединенный двумя растяжками с рамкой, четыре подвижные массы и четыре упругих элемента, каждый из которых соединяет соответствующую подвижную массу с центром, при этом в устройство дополнительно введены две растяжки, соединяющие центр с рамкой и расположенные перпендикулярно к имеющимся четыре упругих элемента, каждый из которых соединяет соответствующую массу с центром, жестко соединенным с основанием, и четыре группы упругих элементов, каждая из которых состоит из шести упругих элементов, соединяющих соответствующую массу с рамкой, при этом все упругие элементы имеют Г-образную форму. Упругие подвесы имеют в сечении вытянутую форму, при этом своим вытянутым направлением сечение перпендикулярно плоскости подвижной массы. Электрические проводники проходят по одной из сторон подвесов и растяжек (см. Былинкин С.Ф., Вавилов В.Д., Миронов С.Г. Чувствительный элемент микромеханического гироскопа. Заявка на изобретение РФ №2002118648. 20.03.2004, кл. G01C 19/56; G01P 9/04). Недостатком изобретения является нестабильность электрического сопротивления и энергетические потери в проводниках (металлических проводящих элементах).A sensitive element of a micromechanical gyroscope is known, comprising a base, a frame, a center connected by two stretch marks with a frame, four movable masses and four elastic elements, each of which connects the corresponding moving mass to the center, while two stretch marks connecting the center to the frame are additionally introduced into the device and located perpendicular to the existing four elastic elements, each of which connects the corresponding mass to a center rigidly connected to the base, and four groups of elastic elements , Each of which comprises six elastic elements connecting the corresponding weight with a frame, with all the elastic members have a T-shape. Elastic suspensions have an elongated shape in cross section, while with their elongated direction, the cross section is perpendicular to the plane of the moving mass. Electrical conductors run along one side of suspensions and extensions (see Bylinkin S.F., Vavilov V.D., Mironov S.G. Sensitive element of a micromechanical gyroscope. Application for invention of the Russian Federation No. 2002118648. 03.20.2004, class G01C 19 / 56; G01P 9/04). The disadvantage of this invention is the instability of electrical resistance and energy losses in conductors (metal conductive elements).

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является конструкция чувствительного элемента микромеханического гироскопа, которая содержит основание с электропроводящими металлическими контактными площадками, рамку, центр, соединенный двумя растяжками с рамкой, четыре подвижные массы и четыре упругих подвеса, а также две растяжки, соединяющими центр с рамкой и расположенными перпендикулярно двум имеющимся растяжкам, четыре упругих подвеса, каждый из которых соединяет соответствующую массу с центром, жестко соединенным с основанием, и четыре группы упругих подвесов, каждая из которых состоит из шести упругих подвесов, соединяющих соответствующую массу с рамкой, при этом упругие подвесы имеют Г-образную форму и являются электропроводящими металлическими элементами с функцией проводников магнитоэлектрического преобразователя, проводников положительной обратной связи магнитоэлектрического генератора возбуждения колебаний подвижной массы, проводников индукционного преобразователя перемещений, проводников магнитоэлектрического преобразователя отрицательной обратной связи по информационному каналу (см. Былинкин С.Ф., Вавилов В.Д., Миронов С.Г. Чувствительный элемент микромеханического гироскопа. Патент РФ №2222780. Бюл. №3, 27.01.2004, кл. G01C 19/56; G01P 9/04). Недостатком прототипа является то, что данная система закрепления требует тщательной балансировки чувствительного элемента, так как в процессе изготовления последнего из-за неоднородности травления, а также из-за неравнотолщинности монокристаллических пластин кремния, из которых изготавливаются чувствительные элементы микромеханических гироскопов, происходит разбаланс масс и возникает неоднородность жесткости подвесов соответствующих масс, что приводит к резкому снижению добротности системы. И только очень трудоемкая балансировка может позволить свести к нулю все нежелательные моменты.Closest to the proposed utility model is the design of the sensitive element of the micromechanical gyroscope, which contains a base with electrically conductive metal pads, a frame, a center connected by two extensions with a frame, four moving masses and four elastic suspensions, as well as two extensions connecting the center with the frame and located perpendicular to the two existing stretch marks, four elastic suspensions, each of which connects the corresponding mass to the center, rigidly connected to the base eat, and four groups of elastic suspensions, each of which consists of six elastic suspensions connecting the corresponding mass to the frame, while the elastic suspensions are L-shaped and are electrically conductive metal elements with the function of conductors of a magnetoelectric converter, conductors of positive feedback of a magnetoelectric excitation generator oscillations of the moving mass, the conductors of the induction displacement transducer, the conductors of the magnetoelectric transducer are negative th traffic channel feedback (see. Bylinkin S.F., Vavilov V.D., Mironov S.G. Sensitive element of a micromechanical gyroscope. RF patent No. 2222780. Bull. No 3, 01/27/2004, class G01C 19/56; G01P 9/04). The disadvantage of the prototype is that this fixing system requires careful balancing of the sensitive element, since during the manufacturing process of the latter due to the heterogeneity of the etching, as well as due to the uneven thickness of the single-crystal silicon wafers from which sensitive elements of micromechanical gyroscopes are made, mass imbalance occurs and occurs heterogeneous stiffness of suspensions of the corresponding masses, which leads to a sharp decrease in the quality factor of the system. And only a very time-consuming balancing can allow to reduce to zero all undesirable moments.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в общей стабилизации электрических характеристик и снижении энергетических потерь при коммутации электропроводящих металлических элементов устройства (а именно проводников четырех типов назначения и двенадцати контактных площадок).The problem solved by the proposed utility model is the general stabilization of electrical characteristics and reduction of energy losses during switching of electrically conductive metal elements of the device (namely, conductors of four types of purpose and twelve contact pads).

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении надежности и улучшении метрологических показателей чувствительного элемента микромеханического гироскопа.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing reliability and improving metrological indicators of the sensitive element of the micromechanical gyroscope.

Данный технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе микромеханического гироскопа, содержащем основание, рамку, центр, соединенный двумя растяжками с рамкой, четыре подвижные массы и четыре упругих подвеса, каждый их которых соединяет соответствующую подвижную массу с центром, при этом в устройство дополнительно введены две растяжки, соединяющие центр с рамкой и расположенные перпендикулярно двум имеющимся растяжкам, четыре упругих подвеса, каждый из которых соединяет соответствующую массу с центром, жестко соединенным с основанием, и четыре группы упругих подвесов, каждая из которых состоит из шести упругих подвесов, соединяющих соответствующую массу с рамкой, при этом все тридцать два упругих подвеса имеют Г-образную форму и являются электропроводящими металлическими элементами, выполняющими помимо роли упругих подвесов роль проводников четырех типов, а именно проводников магнитоэлектрического преобразователя, проводников положительной обратной связи магнитоэлектрического генератора возбуждения колебаний подвижной массы, проводников индукционного преобразователя перемещений, проводников магнитоэлектрического преобразователя отрицательной обратной связи по информационному каналу, также электропроводящими металлическими элементами чувствительного элемента микромеханического гироскопа являются двенадцать контактных площадок, новым является то, что поверхность всех электропроводящих металлических элементов снабжена полностью регулярным микрорельефом (ПРМР) IV вида и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки.This technical result is achieved by the fact that in the sensitive element of the micromechanical gyroscope containing the base, frame, center, connected by two stretch marks with the frame, four moving masses and four elastic suspensions, each of which connects the corresponding moving mass to the center, while additionally introduced into the device two extensions connecting the center with the frame and perpendicular to the two existing extensions, four elastic suspensions, each of which connects the corresponding mass to the center, rigidly dynamically suspended from the base, and four groups of elastic suspensions, each of which consists of six elastic suspensions connecting the corresponding mass to the frame, while all thirty-two elastic suspensions are L-shaped and are electrically conductive metal elements that perform, in addition to the role of elastic suspensions, the role of conductors four types, namely, conductors of a magnetoelectric converter, conductors of positive feedback of a magnetoelectric generator for exciting oscillations of a moving mass, conductors there are twelve contact pads, also the surface of all electrically conductive metal elements is equipped with a completely regular microrelief (IVMR) of the IV type and is nanostructured by the ionic method of ion-induced displacement transducer, conductors of the magnetoelectric transducer of negative feedback through the information channel - plasma processing.

При совокупном использовании вышеперечисленных особенностей (наличие полностью регулярного микрорельефа и наноструктурированных контактных поверхностей проводников) в предлагаемой полезной модели чувствительного элемента микромеханического гироскопа проявляются новые свойства, такие как стабильность контактного сопротивления, малая рассеиваемая мощность (низкие потери энергии), что приводит к повышению надежности и улучшению метрологических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Наличие полностью регулярного микрорельефа обеспечивает прогнозируемое и гарантированное число точек контакта в зоне контактирования электропроводящих металлических элементов. Наличие наноструктурированных контактных поверхностей гарантирует стабильность электрического сопротивления даже при высоких коммутируемых мощностях.With the combined use of the above features (the presence of a completely regular microrelief and nanostructured contact surfaces of the conductors) in the proposed utility model of the sensitive element of the micromechanical gyroscope, new properties appear, such as the stability of contact resistance, low power dissipation (low energy loss), which leads to increased reliability and improved metrological characteristics of a sensitive element of a micromechanical gyroscope. The presence of a fully regular microrelief provides a predictable and guaranteed number of contact points in the contact zone of electrically conductive metal elements. The presence of nanostructured contact surfaces ensures the stability of electrical resistance even at high switched powers.

Устройство чувствительного элемента микромеханического гироскопа изображено на фиг. 1 (вид сверху) и фиг. 2 (в сечении по А-А). Устройство содержит внешнюю жесткую рамку 1, Г-образный упругий подвес (всего тридцать два подвеса) 2, проводник магнитоэлектрического преобразователя силы 3, первую подвижную массу 4, проводник положительной обратной связи магнитоэлектрического генератора возбуждения колебаний подвижной массы 5, четвертую подвижную массу 6, проводник индукционного преобразователя перемещений (на чертеже показан пунктиром) 7, несущую жесткую растяжку (всего четыре растяжки) 8, жесткий центр 9, контактную площадку (всего 12 контактных площадок) 10, вторую подвижную массу 11, третью подвижную массу 12, проводник магнитоэлектрического преобразователя отрицательной обратной связи по информационному каналу (на чертеже показан пунктиром) 13, полюс магнита 14, основание (стекло) 15.The sensor element of the micromechanical gyroscope is shown in FIG. 1 (top view) and FIG. 2 (section A-A). The device comprises an external rigid frame 1, an L-shaped elastic suspension (thirty-two total suspensions) 2, a magnetoelectric force transformer conductor 3, a first movable mass 4, a positive feedback conductor of a magnetoelectric oscillation excitation generator 5, a fourth movable mass 6, an induction conductor displacement transducer (shown in dashed lines in the drawing) 7, bearing a rigid stretch (four stretch marks in total) 8, a rigid center 9, a contact pad (a total of 12 contact pads) 10, the second zhnuyu mass 11, the third mobile mass 12, the magnetoelectric transducer negative feedback conductor traffic channel (shown in phantom in the figure) 13, magnet pole 14, the base (glass) 15.

Поверхностные слои проводников 3, 5, 7, 13 (всего 32 электропроводящих металлических элемента) и контактных площадок 10 (всего 12 электропроводящих металлических элементов) обладают новыми физико-химическими свойствами, отличными от свойств материала элементов в их внутреннем объеме, за счет регуляризации поверхностного слоя (ПРМР IV вида) и последующего наноструктурирования методом ионно-плазменной обработки.The surface layers of conductors 3, 5, 7, 13 (a total of 32 electrically conductive metal elements) and contact pads 10 (a total of 12 electrically conductive metal elements) possess new physicochemical properties different from the properties of the material of the elements in their internal volume due to the regularization of the surface layer (PMR type IV) and subsequent nanostructuring by ion-plasma treatment.

Все четыре подвижные массы 4, 6, 11 и 12 являются одинаковыми, и каждая состоит из пяти квадратных пластин, как показано на фиг. 1. Подвижные массы выполнены как одно целое с внешней рамкой 1, жестким центром 8 и упругими подвесами 2 из пластины кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости 100 (возможно также применение плоскости 110). Все тридцать два упругих подвеса являются одинаковыми, имеют большую жесткость в направлении, перпендикулярном плоскости чувствительного элемента (ось z), и малую жесткость в направлении осей х и у. В связи с этим подвижные массы 4, 6, 11 и 12 имеют возможность перемещаться только в плоскости пластины. Своей средней частью жесткий центр 8 крепит весь чувствительный элемент к неподвижному основанию 15 прибора.All four moving masses 4, 6, 11, and 12 are the same, and each consists of five square plates, as shown in FIG. 1. The moving masses are made integrally with the outer frame 1, the rigid center 8 and the elastic suspensions 2 of a silicon wafer oriented in the crystallographic plane 100 (it is also possible to use the plane 110). All thirty-two elastic suspensions are the same, have great rigidity in the direction perpendicular to the plane of the sensing element (z axis), and low rigidity in the direction of the x and y axes. In this regard, the moving masses 4, 6, 11 and 12 have the ability to move only in the plane of the plate. With its middle part, the rigid center 8 attaches the entire sensing element to the fixed base 15 of the device.

На одной из сторон упругих подвесов 2 выполнены проводники 5 положительной обратной связи и проводники 3 преобразователя силы, а на противоположные стороны других упругих подвесов 2 нанесены аналогичные проводники 7 съема информации и проводники 13 отрицательной обратной связи, расположенные под прямым углом к проводникам 3 и 5 первой стороны подвесов 2. Чувствительный элемент в сборе размещается в магнитной системе параллельно полюсам 14 постоянного магнита (см. фиг. 2).On one side of the elastic suspensions 2, conductors 5 of positive feedback and conductors 3 of the force transducer are made, and on the opposite sides of other elastic suspensions 2 there are similar conductors 7 of information collection and conductors 13 of negative feedback located at right angles to the conductors 3 and 5 of the first side of suspensions 2. The sensor assembly is placed in the magnetic system parallel to the poles 14 of the permanent magnet (see Fig. 2).

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа работает следующим образом. Пусть на проводник 3 магнитоэлектрического преобразователя силы подан положительный импульс с генератора возбуждения. Силовые проводники 3, находящиеся в однородном магнитном поле, расположены на подвижных массах 4, 6, 11 и 12 так (см. фиг. 1), что первая масса 4 перемещается в отрицательном направлении оси х, вторая масса 11 и четвертая 6 - положительном и третья 12 - отрицательном направлении. При смене знака импульса в проводниках 3 направление движения подвижных масс 4, 6, 11 и 12 меняется на противоположное, таким образом, подвижные массы 4, 6, 11 и 12 приводятся в принудительные колебания на резонансной частоте. Все четыре подвижные массы 4, 6, 11 и 12 и их упругие подвесы 2 выполнены одинаковыми, поэтому амплитуды колебаний каждой отдельной массы равны между собой.The sensitive element of the micromechanical gyroscope works as follows. Let the positive impulse from the excitation generator be applied to conductor 3 of the magnetoelectric force transducer. Power conductors 3 located in a uniform magnetic field are located on the moving masses 4, 6, 11 and 12 so (see Fig. 1) that the first mass 4 moves in the negative direction of the x axis, the second mass 11 and the fourth 6 - positive and third 12 - negative direction. When changing the sign of the pulse in the conductors 3, the direction of motion of the moving masses 4, 6, 11, and 12 changes to the opposite, thus, the moving masses 4, 6, 11, and 12 are forced into oscillations at the resonant frequency. All four moving masses 4, 6, 11 and 12 and their elastic suspensions 2 are made the same, therefore, the vibration amplitudes of each individual mass are equal to each other.

Таким образом, поверхность электропроводящих металлических элементов чувствительного элемента микромеханического гироскопа, снабженная ПРМР IV вида и наноструктурированная методом ионно-плазменной обработки позволяет стабилизировать ток в силовом проводнике 3, электродвижущую силу в проводнике 5, снизить сопротивление в проводнике 7, увеличить и стабилизировать ток в проводнике информационного канала 13, а также обеспечить надежную коммутацию через двенадцать контактных площадок 10, что приводит к повышению надежности и улучшению метрологических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа.Thus, the surface of the electrically conductive metal elements of the sensitive element of the micromechanical gyroscope, equipped with type IV PMR and nanostructured by the method of ion-plasma processing, makes it possible to stabilize the current in power conductor 3, electromotive force in conductor 5, reduce resistance in conductor 7, increase and stabilize the current in the information conductor channel 13, as well as provide reliable switching through twelve pads 10, which leads to increased reliability and improved met ologicheskih characteristics of the sensor element of a micromechanical gyroscope.

Claims (1)

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание с электропроводящими металлическими контактными площадками, рамку, центр, соединенный двумя растяжками с рамкой, четыре подвижные массы и четыре упругих подвеса, а также две растяжки, соединяющие центр с рамкой и расположенные перпендикулярно двум имеющимся растяжкам, четыре упругих подвеса, каждый из которых соединяет соответствующую массу с центром, жестко соединенным с основанием, и четыре группы упругих подвесов, каждая из которых состоит из шести упругих подвесов, соединяющих соответствующую массу с рамкой, при этом упругие подвесы имеют Г-образную форму и являются электропроводящими металлическими элементами с функцией проводников магнитоэлектрического преобразователя, проводников положительной обратной связи магнитоэлектрического генератора возбуждения колебаний подвижной массы, проводников индукционного преобразователя перемещений, проводников магнитоэлектрического преобразователя отрицательной обратной связи по информационному каналу, отличающийся тем, что поверхность всех электропроводящих металлических элементов снабжена полностью регулярным микрорельефом (ПРМР) IV вида и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки.A sensitive element of a micromechanical gyroscope containing a base with electrically conductive metal pads, a frame, a center connected by two extensions to a frame, four moving masses and four elastic suspensions, as well as two extensions connecting the center to the frame and located perpendicular to two existing extensions, four elastic suspensions , each of which connects the corresponding mass with a center rigidly connected to the base, and four groups of elastic suspensions, each of which consists of six elastic p the overalls connecting the corresponding mass to the frame, while the elastic suspensions are L-shaped and are electrically conductive metal elements with the function of conductors of the magnetoelectric converter, conductors of positive feedback of the magnetoelectric generator for exciting oscillations of the moving mass, conductors of the induction transducer of movement, conductors of the magnetoelectric converter of negative feedback on the information channel, characterized in that the surface of the sun The ex-conductive metal elements are equipped with a fully regular microrelief (PMR) of type IV and are nanostructured by the method of ion-plasma processing.

Images