RU2266521C1 - Integrating micromechanical gyro - Google Patents

Integrating micromechanical gyro Download PDF

Info

Publication number
RU2266521C1
RU2266521C1 RU2004117283/28A RU2004117283A RU2266521C1 RU 2266521 C1 RU2266521 C1 RU 2266521C1 RU 2004117283/28 A RU2004117283/28 A RU 2004117283/28A RU 2004117283 A RU2004117283 A RU 2004117283A RU 2266521 C1 RU2266521 C1 RU 2266521C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
electrodes
semiconductor material
additional
electrostatic
Prior art date
Application number
RU2004117283/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Б.Г. Коноплев (RU)
Б.Г. Коноплев
И.Е. Лысенко (RU)
И.Е. Лысенко
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет" (ТРТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет" (ТРТУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет" (ТРТУ)
Priority to RU2004117283/28A priority Critical patent/RU2266521C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2266521C1 publication Critical patent/RU2266521C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: measurement engineering; integrated electronics.
SUBSTANCE: device belongs to measuring integrated elements of value of angular velocity. Gyro has substrate, electrodes of movement capacitive converters disposed onto substrate, two inertial masses disposed with a gap to substrate and made in form of semiconductor plates which form flat capacitors with electrodes of capacitive converters due to total overlapping, and motionless electrodes of electrostatic drives made of semiconductor material and disposed onto substrate. Gyro also gas sixteen additional electrodes of capacitive movement converters made of semiconductor material and disposed onto substrate to form flat capacitors with inertial masses due to partial overlapping of rakes of electrodes. Device also has one additional motionless electrode of electrostatic drive having rake-shaped structure which electrode is made of semiconductor material and disposed onto substrate and four additional movable electrode of electrostatic drives having rake-shaped structure made of semiconductor material and disposed to have gap relatively substrate for electrostatic interaction with motionless electrodes at surface of their plates through side spaces and mutually penetrating rakes. Gyro also has two additional supports made of semiconductor material and disposed directly onto substrate. Substrate and electrodes of capacitive converters are made of semiconductor material. Gyro allows measuring value of angular velocity around X axis disposed at surface of substrate and Z axis directed in perpendicular to surface of gyro's substrate.
EFFECT: improved precision of measurement.
3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости.The present invention relates to the field of measurement technology and integrated electronics, and more particularly to integral measuring elements of the angular velocity.

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.Known integrated micromechanical gyroscope [V.P. Timoshenkov, S.P. Timoshenkov, A.A.Mindeeva, Development of the design of a microgyroscope based on the KNI technology, University Bulletin, Electronics, No. 6, 1999, p. 49, Fig. 2] comprising a dielectric substrate with four electrodes deposited on it and an inertial mass located with a gap relative to the dielectric substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, forming a flat capacitor with a pair of electrodes deposited on the substrate and connected with an internal oscillation system using elastic beams made of a semiconductor material, which at one end are rigidly attached to the inertial mass, and the other to an internal oscillating system made of semiconductor material, forming a flat capacitor with another pair of electrodes deposited on the substrate, used as an electrostatic drive moreover, the oscillating system is connected to the outer frame using elastic beams made of semiconductor material, which are attached at one end to internal oscillatory system, and others - to an external frame made of a semiconductor material and located directly on the dielectric substrate.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.This gyroscope allows you to measure the magnitude of the angular velocity while rotating it around the Z axis, perpendicular to the plane of the gyroscope substrate.

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.The disadvantage of the gyro design is the inability to measure the magnitude of the angular velocity around the X axis located in the plane of the substrate.

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, выполненному из полупроводникового материала и образующему 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.A functional analogue of the claimed object is a micromechanical gyroscope [SEAlper, 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], comprising a substrate with four electrodes located on it made of a semiconductor material, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, forming a flat capacitor with a pair of electrodes located on the substrate and connected with an external suspension using elastic beams made of a semiconductor material, which at one end are rigidly attached to the inertial mass, and the other to an external suspension made of a semiconductor material and forming with a different pair of electrodes located on the substrate a flat capacitor used as an electrostatic drive, the external suspension being connected with supports using elastic beams made of semiconductor material, which are rigidly connected to the external suspension at one end and the supports at the other nennymi of semiconductor material and located directly on the substrate, and two electrodes made of semiconductor material and located directly on the substrate with a gap relative to the outer suspension so as to form a flat capacitors which are used as electrostatic actuators.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.This gyroscope allows you to measure the magnitude of the angular velocity while rotating it around the Z axis, perpendicular to the plane of the gyroscope substrate.

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.The disadvantage of the gyro design is the inability to measure the magnitude of the angular velocity around the X axis located in the plane of the substrate.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический гироскоп [В.Я.Распопов, Микромеханические приборы. Учебное пособие, Тул. гос. университет, Тула, 2002, стр.32, рис.1.26], 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 с гребенчатыми структурами по обеим его сторонам, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке между инерционными массами, с возможностью электростатического взаимодействия с инерционными массами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на диэлектрической подложке по внешним сторонам инерционных масс, с возможностью электростатического взаимодействия с инерционными массами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical gyroscope [V.Ya.Raspopov, Micromechanical devices. Textbook, Tool. state University, Tula, 2002, p. 32, Fig. 1.26], containing a dielectric substrate with metal electrodes of capacitive displacement transducers located on it, two inertial masses located with a gap relative to the dielectric substrate and made in the form of plates of semiconductor material forming with flat capacitors on the dielectric substrate by the electrodes of capacitive displacement transducers, and connected to the dielectric substrate through a system of elastic beams, which are at one end with are one with the inertial masses, and others with supports made of a semiconductor material and located on a dielectric substrate, one fixed electrode of an electrostatic drive with comb structures on both sides of it, made of a semiconductor material and located on a dielectric substrate between inertial masses, with the possibility of electrostatic interactions with inertial masses in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating electron combs rows of two stationary electrode electrostatic comb drives structures made of semiconductor material and a dielectric substrate disposed on the outer sides of the inertial mass, with the possibility of electrostatic interaction with inertial masses in the plane of the plates through the side clearances and interpenetrating each other combs electrodes.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки (Фиг.1).This gyroscope allows you to measure the magnitude of the angular velocity when rotating it around the axis X, located in the plane of the substrate (Figure 1).

Недостатком конструкции данного гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.A disadvantage of the design of this gyroscope is the inability to measure the magnitude of the angular velocity around the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate.

Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.The objective of the invention is the ability to measure the magnitude of the angular velocity around the axes X located in the plane of the substrate, and Z directed perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величины угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.The technical result achieved by the implementation of the proposed invention is the ability to measure the magnitude of the angular velocity around the axes X located in the plane of the substrate, and Z directed perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope.

Технический результат достигается за счет введения шестнадцати дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных на подложке так, что они образуют с инерционными массами плоские конденсаторы за счет частичного перекрытия взаимопроникающих друг в друга гребенок электродов, одного дополнительного неподвижного электрода электростатического привода с гребенчатой структурой, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами, выполненных в виде пластин из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки так, что они образуют электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, и двух дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, причем подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.The technical result is achieved by introducing sixteen additional electrodes of capacitive displacement transducers made of a semiconductor material and located on the substrate so that they form flat capacitors with inertial masses due to the partial overlap of the interpenetrating electrodes of one another, one additional stationary electrostatic drive with a comb structure made of semiconductor material and located directly on the substrate, four additional movable electrodes of electrostatic drives with comb structures, made in the form of plates of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate so that they form electrostatic interaction with the stationary electrodes of electrostatic drives in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating combs electrodes, and two additional supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, and the substrate and the electrodes of the capacitive displacement transducers are made of semiconductor material.

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 из полупроводникового материала и расположенные на подложке, введены шестнадцать дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на подложке так, что они образуют с инерционными массами плоские конденсаторы за счет частичного перекрытия гребенок электродов, один дополнительный неподвижный электрод электростатического привода с гребенчатой структурой, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на подложке, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с неподвижными электродами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие гребенки электродов, две дополнительные опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.To achieve the required technical result, an integrated micromechanical gyroscope containing a substrate with electrodes of capacitive displacement transducers located on it, two inertial masses located with a gap relative to the substrate and made in the form of plates of semiconductor material, forming flat capacitors with electrodes of capacitive displacement transducers due to their full overlap, and fixed electrodes of electrostatic drives made of a semiconductor material Ala and located on the substrate, sixteen additional electrodes of capacitive displacement transducers are introduced, made of semiconductor material and located on the substrate so that they form flat capacitors with inertial masses due to the partial overlap of the electrode combs, one additional stationary electrostatic drive with a comb structure made of semiconductor material and located on a substrate, four additional movable electrodes are electrostatic drive with comb structures made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate with the possibility of electrostatic interaction with the stationary electrodes in the plane of their plates through the side gaps and interpenetrating combs of the electrodes, two additional supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, and the substrate and electrodes of capacitive displacement transducers are made of semiconductor material.

На Фиг.1 приведена топология прототипа интегрального микромеханического гироскопа. На Фиг.2 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа и показаны сечения. На Фиг.3 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа.Figure 1 shows the topology of the prototype integrated micromechanical gyroscope. Figure 2 shows the topology of the proposed integrated micromechanical gyroscope and sections are shown. Figure 3 shows the structure of the proposed integrated micromechanical gyroscope.

Интегральный микромеханический гироскоп (Фиг.2) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней восемнадцатью электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, выполненными из полупроводникового материала, четыре неподвижных электрода электростатических приводов 20, 21, 22, 23, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке 1, четыре подвижных электрода электростатических приводов 24, 25, 26, 27, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами электростатических приводов 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 из полупроводникового материала, 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, с электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 плоские конденсаторы за счет частичного перекрытия взаимопроникающих друг в друга гребенок электродов, и связанных с подвижными электродами электростатических приводов 24, 25, 26, 27 с помощью упругих балок 44, 45, 46, 47, выполненных из полупроводникового материала.The integrated micromechanical gyroscope (Figure 2) contains a semiconductor substrate 1 with eighteen electrodes of capacitive displacement transducers 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 located on it , 17, 18, 19, made of semiconductor material, four stationary electrodes of electrostatic drives 20, 21, 22, 23, made of semiconductor material and located on the semiconductor substrate 1, four movable electrodes of electrostatic drives 24, 25, 26, 27, made in the form of plates of a semiconductor mat and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming an electrostatic interaction with the stationary electrodes of the electrostatic drives 20, 21, 22, 23 in the plane of their plates through the lateral gaps and interpenetrating each other with the electrodes, and connected with the semiconductor substrate 1 by means of elastic beams 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, made of semiconductor material, which are connected at one end to the movable electrodes of electrostatic drives 24, 25, 26, 27, and the other with supports 36, 37, 38, 39, 40, 41, made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1, two inertial masses 42, 43, made in the form of plates of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming capacitive electrodes located on the semiconductor substrate 1 displacement transducers 2, 3 flat capacitors due to their complete overlap, with electrodes of capacitive displacement transducers 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 flat cond Sensors due to the partial overlap of the interconnecting electrodes and the electrostatic drives 24, 25, 26, 27 connected to the moving electrodes by means of elastic beams 44, 45, 46, 47 made of semiconductor material.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 20, 23 и 21, 22 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов электростатических приводов 24, 27 и 25, 26, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению противофазных колебаний последних в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y), 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 24, 25, 26, 27 передаются инерционным массам 42, 43 через упругие балки 44, 45, 46, 47. Зазор между электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 и инерционными массами 42, 43 не изменяется. В парах емкостных преобразователей перемещений (Фиг.3), образованных электродами 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18, 19 и инерционными массами 42, 43 соответственно, происходит одинаковое изменение площади взаимного перекрытия. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18, 19 и инерционными массами 42, 43 соответственно, одинаковы.When electrostatic drives 20, 23 and 21, 22 are supplied to the stationary electrodes with alternating voltages, 180 ° phase-shifted relative to each other, relative to the movable electrodes of the electrostatic drives 24, 27 and 25, 26, an electrostatic interaction occurs between them, which leads to antiphase oscillations of the latter in the plane of the semiconductor substrate 1 (along the Y axis), due to the bending of elastic beams 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 connecting the movable electrodes 24, 25, 26, 27 with supports 36, 37 , 38, 39, 40, 41. Oscillations of the movable electrodes 24, 25 , 26, 27 are transferred to the inertial masses 42, 43 through the elastic beams 44, 45, 46, 47. The gap between the electrodes of the capacitive displacement transducers 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 , 14, 15, 16, 17, 18, 19 and the inertial masses 42, 43 are not changed. In pairs of capacitive displacement transducers (Figure 3) formed by electrodes 4, 5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, 13 and 14, 15 and 16, 17 and 18, 19 and inertial masses 42, 43 accordingly, the same change in the area of mutual overlap occurs. Voltages generated in pairs of capacitive displacement transducers formed by electrodes 2, 3 and 4, 5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, 13 and 14, 15 and 16, 17 and 18, 19 and inertial masses 42 , 43, respectively, are the same.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционные массы 42, 43 под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 в противофазе друг другу за счет изгиба упругих балок 44, 45, 46, 47. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и инерционными массами 42, 43 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18, 19 и инерционными массами 42, 43 соответственно, одинаковы.When the rotation of the semiconductor substrate 1 (angular velocity) occurs around an axis located in the plane of the semiconductor substrate 1 (X axis), inertial masses 42, 43 under the influence of Coriolis forces begin to oscillate perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 in antiphase due to bending of the elastic beams 44, 45, 46, 47. The voltage difference generated by capacitive displacement transducers formed by electrodes 2, 3 and inertial masses 42, 43, respectively, due to a change in the gap between it It characterizes the magnitude of the angular velocity. Voltages generated in pairs of capacitive displacement transducers formed by electrodes 4, 5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, 13 and 14, 15 and 16, 17 and 18, 19 and inertial masses 42, 43, respectively are the same.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционные массы 42, 43 под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1, направленные вдоль оси Y в противофазе друг другу за счет изгиба упругих балок 44, 45, 46, 47. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и инерционными массами 42, 43 соответственно, одинаковы. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18, 19 и инерционными массами 42, 43 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.When the rotation of the semiconductor substrate 1 (angular velocity) occurs around an axis directed perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 (Z axis), the inertial masses 42, 43 under the influence of Coriolis forces begin to oscillate in the plane of the semiconductor substrate 1, directed along the Y axis in antiphase to each other due to the bending of elastic beams 44, 45, 46, 47. Stresses generated on capacitive displacement transducers formed by electrodes 2, 3 and inertial masses 42, 43, respectively, are the same. The voltage difference generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by electrodes 4, 5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, 13 and 14, 15 and 16, 17 and 18, 19 and inertial masses 42, 43, respectively due to changes in the gap between them, characterizes the magnitude of the angular velocity.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп, позволяющий измерять величину угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.Thus, the proposed device is an integrated micromechanical gyroscope that allows you to measure the angular velocity around the axes X located in the plane of the substrate, and Z directed perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope.

Введение шестнадцати дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, одного дополнительного неподвижного электрода электростатического привода с гребенчатой структурой, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами и двух дополнительных опор, причем подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала, позволяет измерять величину угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величины угловой скорости.The introduction of sixteen additional electrodes of capacitive displacement transducers, one additional fixed electrode of an electrostatic drive with a comb structure, four additional movable electrodes of electrostatic drives with a comb structure and two additional supports, the substrate and electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material, makes it possible to measure the angular velocity around axes X located in the plane of the substrate, and Z ennoy gyro perpendicular to the substrate plane, that allows to use the proposed invention as an integral element of the measuring values of angular velocity.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величины угловой скорости, так как для измерения величины угловой скорости по двум осям X, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, используется только один интегральный микромеханический гироскоп.Thus, in comparison with similar devices, the proposed micromechanical gyroscope allows to reduce the substrate area used for the placement of measuring elements of the angular velocity, since to measure the angular velocity along two axes X located in the plane of the substrate and Z directed perpendicular to the plane substrate, only one integrated micromechanical gyroscope is used.

Claims (1)

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, три неподвижных электрода электростатических приводов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных на подложке, и четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, отличающийся тем, что в него введены шестнадцать дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных на подложке так, что они образуют с инерционными массами плоские конденсаторы за счет частичного перекрытия гребенок электродов, один дополнительный неподвижный электрод электростатического привода с гребенчатой структурой, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на подложке, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с неподвижными электродами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие гребенки электродов, две дополнительные опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем дополнительные подвижные электроды связаны с подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с указанными подвижными электродами, а другими с опорами, причем подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.An integrated micromechanical gyroscope containing a substrate with electrodes of capacitive displacement transducers located on it, two inertial masses located with a gap relative to the substrate and made in the form of plates of semiconductor material, forming flat capacitors with electrodes of capacitive displacement transducers due to their complete overlap, three stationary electrodes electrostatic drives made of semiconductor material and located on a substrate, and four supports, execution made of semiconductor material and located directly on the substrate, characterized in that sixteen additional electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material and located on the substrate are inserted into it so that they form flat capacitors with inertial masses due to the partial overlap of the electrode combs, one an additional fixed electrode of an electrostatic drive with a comb structure made of semiconductor material and laid on a substrate, four additional movable electrodes of electrostatic drives with comb structures made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate with the possibility of electrostatic interaction with stationary electrodes in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating comb of electrodes, two additional supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, with additional movable electro The dyes are connected to the substrate using elastic beams made of semiconductor material, which are connected at one end to the indicated movable electrodes and the other to supports, the substrate and electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material.
RU2004117283/28A 2004-06-07 2004-06-07 Integrating micromechanical gyro RU2266521C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004117283/28A RU2266521C1 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Integrating micromechanical gyro

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004117283/28A RU2266521C1 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Integrating micromechanical gyro

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2266521C1 true RU2266521C1 (en) 2005-12-20

Family

ID=35869738

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004117283/28A RU2266521C1 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Integrating micromechanical gyro

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2266521C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2442992C1 (en) * 2010-06-30 2012-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Vibration frequency micromechanical accelerometer
RU2490593C1 (en) * 2012-03-14 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего професионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Integral micromechanical gyro
RU2503924C1 (en) * 2012-05-30 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Integral micromechanical gyroscope
RU2521678C1 (en) * 2012-11-26 2014-07-10 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Vacuum microgyroscope manufacturing method
RU2580879C2 (en) * 2010-04-16 2016-04-10 Сенсонор Ас Microelectromechanical system for angular velocity sensor
RU2630542C1 (en) * 2016-06-20 2017-09-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Integral micro-mechanical gyroscope

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
РАСПОПОВ В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тульский гос. университет, Тула, 2003, с.32. ГАЙ Э. Наводящиеся снаряды с инерциальной навигационной системой на микромеханических датчиках, интегрированной с GPS. Гироскопия и навигация, №3 (22), 1998, с.72-75. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2580879C2 (en) * 2010-04-16 2016-04-10 Сенсонор Ас Microelectromechanical system for angular velocity sensor
RU2442992C1 (en) * 2010-06-30 2012-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Vibration frequency micromechanical accelerometer
RU2490593C1 (en) * 2012-03-14 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего професионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Integral micromechanical gyro
RU2503924C1 (en) * 2012-05-30 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Integral micromechanical gyroscope
RU2521678C1 (en) * 2012-11-26 2014-07-10 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Vacuum microgyroscope manufacturing method
RU2630542C1 (en) * 2016-06-20 2017-09-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Integral micro-mechanical gyroscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8555718B2 (en) Piezoelectric transducers
US9689676B2 (en) Yaw-rate sensor
KR100363247B1 (en) Vibrating structure and method for controlling natural frequency of vibrating structure
KR101812971B1 (en) Micro-gyroscope for detecting motions
US6349597B1 (en) Rotation rate sensor with uncoupled mutually perpendicular primary and secondary oscillations
JP2002350138A (en) Detector of both of acceleration and angular velocity
JP2016540972A (en) Improved quadrature compensation
RU2266521C1 (en) Integrating micromechanical gyro
RU2351897C1 (en) Integrated micromechanical accelerometer gyroscope
RU2597950C1 (en) Integral micro mechanical gyroscope accelerometer
RU2597953C1 (en) Integral micromechanical gyroscope-accelerometer
RU2351896C1 (en) Integrated micromechanical accelerometer gyroscope
RU2649249C1 (en) Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer
JP2000074673A (en) Compound movement sensor
RU2716869C1 (en) Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer
RU2683810C1 (en) Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer
RU2293337C1 (en) Integral micromechanical gyroscope
RU2543686C1 (en) Micromechanical accelerometer
RU2304273C1 (en) Carbon nano-tubes based integral micro-mechanical gyroscope
RU2353903C1 (en) Integral micromechanical gyroscope
RU2293338C1 (en) Integral micro-mechanical gyroscope-accelerometer
RU2279092C1 (en) Integral micro-mechanical acceleration meter - clinometer
CN212320730U (en) Three-axis MEMS gyroscope
RU2477863C1 (en) Integral micromechanical gyroscope-accelerometer
RU2251077C1 (en) Integrating micromechanical gyro

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080608