RU2301969C1 - Sensor for micro-mechanical gyroscope - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: sensor comprises two rectangular frames and outer frame (1) and inner frame (4) that are interconnected by means of rigid cross-pieces (2) arranged along the axes of symmetry of the sensor. Each of the pair of the sides of frame (1) and frame (4) are interconnected through cross-piece (2). Four areas (5) are arranged in the corners of outer frame (1) for permitting it to be connected with the unmovable base. Frame (4) receives movable masses (3) connected with inner frame (4) and center (7) by means of flexible L-shaped suspensions (9). Center (7) is connected with frame (4) via rigid members (8).

EFFECT: enhanced precision and reduced labor consumption for manufacturing the sensor.

1 dwg

Description

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

Известен чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа [1], 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.A known element of a microelectromechanical gyroscope [1], 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.

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.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.

Известен также чувствительный элемент микромеханического гироскопа [2], который содержит жесткую внешнюю рамку и центр, соединенный с неподвижным основанием и с рамкой четырьмя несущими жесткими растяжками, расположенными крестообразно. Между рамкой и центром на тридцати двух Г-образных подвесах подвешены четыре одинаковые подвижные массы, каждая из которых состоит из пяти квадратных пластин. Упругие подвесы имеют в сечении вытянутую форму и своим вытянутым направлением перпендикулярны плоскости подвижных масс. По одной из сторон каждого из подвесов и растяжек проходят проводники, которые привариваются к электрическим контактным площадкам, расположенным в центре закрепления чувствительного элемента к неподвижному основанию. Подвижные массы могут колебаться только в одной плоскости, чем исключается влияние перекрестных угловых скоростей.Also known is a sensitive element of a micromechanical gyroscope [2], which contains a rigid external frame and a center connected to a fixed base and to the frame by four supporting rigid stretch marks located crosswise. Between the frame and the center, on thirty-two L-shaped suspensions, four identical moving masses are suspended, each of which consists of five square plates. The elastic suspensions are elongated in cross section and, with their elongated direction, are perpendicular to the plane of the moving masses. On one side of each of the suspensions and stretch marks are conductors that are welded to the electrical pads located in the center of fixing the sensing element to a fixed base. Moving masses can fluctuate only in one plane, which excludes the influence of cross angular velocities.

Недостатком данного устройства 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 расбаланс масс и 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.The disadvantage of this device 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 and 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.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микромеханического гироскопа и снижение трудоемкости его изготовления.The problem to which the invention is directed, is to increase the accuracy of the micromechanical gyroscope and reduce the complexity of its manufacture.

Эта задача решается за счет того, что в чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, согласно изобретению дополнительно введена внешняя рамка, соединенная с внутренней рамкой четырьмя перемычками, расположенными по осям симметрии чувствительного элемента, по одной перемычке на каждой стороне рамок, и соединенная с основанием через четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки.This problem is solved due to the fact that the sensitive element of the micromechanical gyroscope contains a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid extensions with an internal frame, four moving masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with according to the invention, an outer frame is additionally connected to the inner frame by four jumpers located along the symmetry axes of the sensitive element, one jumper on each side of the frames, and connected to the base through four mounting sites located in the corners of the outer frame.

Повышению добротности колебательной системы чувствительного элемента способствует то, что заявленный чувствительный элемент имеет дополнительную внешнюю прямоугольную рамку с расположенными на ней в углах площадками для соединения с основанием, а центральная площадка для закрепления отсутствует. Количество и расположение площадок таково, чтобы обеспечить минимальную трудоемкость балансировки с минимальной потерей добротности. При этом расположение перемычек играет важную роль, т.к. обеспечивает распределение деформации на дополнительной рамке таким образом, чтобы свести к нулю их на площадках закрепления, в отличие от прототипа, где максимальную добротность с центральной точкой закрепления невозможно обеспечить существующими методами балансировки. Учитывая, что потери энергии данной колебательной системой определяются работой деформационных сил в точке закрепления, которые, как показал анализ при помощи программы ANSIS, равны нулю, т.к. равны нулю деформации и напряжения, то добротность предложенного чувствительного элемента является достаточно высокой по сравнению с прототипом, что естественно повышает и точность измерения. В целом предложенное изобретение снижает и трудоемкость, т.к. уменьшается балансировка без снижения точности.The increase in the quality factor of the oscillatory system of the sensing element is facilitated by the fact that the claimed sensitive element has an additional external rectangular frame with platforms for connecting to the base located on it in the corners, and there is no central platform for fastening. The number and location of the sites is such as to ensure the minimum complexity of balancing with a minimum loss of quality factor. The location of the jumpers plays an important role, as provides the distribution of deformation on the additional frame in such a way as to reduce them to zero on the fixing sites, in contrast to the prototype, where the maximum figure of merit with a central fixing point cannot be provided by existing balancing methods. Given that the energy loss of this oscillatory system is determined by the work of the deformation forces at the fastening point, which, as analysis using the ANSIS program showed, are equal to zero, equal to zero deformation and stress, the quality factor of the proposed sensitive element is quite high compared to the prototype, which naturally increases the measurement accuracy. In General, the proposed invention reduces the complexity, because balancing decreases without loss of accuracy.

На чертеже показан вид на предложенный чувствительный элемент микромеханического гироскопа сверху. Цифровые позиции на чертежах имеют следующие обозначения:The drawing shows a view of the proposed sensitive element of the micromechanical gyroscope from above. Digital positions in the drawings have the following notation:

1 - дополнительная прямоугольная внешняя рамка;1 - additional rectangular outer frame;

2 - перемычки;2 - jumpers;

3 - подвижная масса (всего четыре массы);3 - moving mass (only four masses);

4 - внутренняя рамка;4 - inner frame;

5 - площадка крепления внешней рамки к основанию (всего четыре площадки);5 - platform for attaching the outer frame to the base (four platforms in total);

6 - контактная площадка (всего двадцать контактных площадок);6 - contact area (twenty contact areas in total);

7 - центр;7 - center;

8 - несущая жесткая растяжка (всего четыре растяжки);8 - bearing rigid stretch (only four stretch marks);

9 - Г-образный упругий подвес (всего тридцать два).9 - L-shaped elastic suspension (thirty-two in total).

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа содержит две прямоугольные, предпочтительно квадратные, рамки: внешнюю 1 и находящуюся внутри внешней рамки 1 внутреннюю рамку 4. Внешняя рамка 1 связана с внутренней рамкой 4 жесткими перемычками 2, которые расположены по осям симметрии чувствительного элемента, причем каждая пара сторон рамок 1 и 4 соединяются одной перемычкой 2. По углам внешней рамки 1 расположены четыре площадки 5 для жесткого крепления внешней рамки 1 к неподвижному стеклянному основанию (на чертеже не показано). Все четыре подвижные массы 3 являются одинаковыми. Вся площадь чувствительного элемента, ограниченная внутренней рамкой 4, четырьмя несущими жесткими растяжками 8 делится на четыре равные части, в каждой из которых расположена одна из четырех подвижных масс 3. Растяжки 8 соединяют центр 7 чувствительного элемента с каждой из четырех сторон внутренней рамки 4. Подвижные массы 3 соединены с центром 7 и с внутренней рамкой 4 тридцатью двумя упругими подвесами 9, имеющими Г-образную форму, причем для соединения подвижных масс 3 с центром 7 служит восемь подвесов 9, а с внутренней рамкой 4 подвижные массы 3 соединяются двадцатью четырьмя подвесами 9 (по шесть подвесов 9 на каждую подвижную массу 3). Все тридцать два упругих подвеса 9 являются одинаковыми, имеют большую жесткость в направлении, перпендикулярном плоскости чувствительного элемента (ось z), и малую жесткость в направлении осей Х и Y. В связи с этим подвижные массы 3 имеют возможность перемещаться только в плоскости пластины. Подвижные массы выполнены за одно с обеими рамками 1 и 4, подвесами 9, растяжками 8 и центром 7 из пластины кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости 100 (возможно также применение плоскости 110). На внутренней рамке 4 расположены контактные площадки 6. Чувствительный элемент микромеханического гироскопа работает следующим образом.The sensor element of the micromechanical gyroscope contains two rectangular, preferably square, frames: the outer 1 and the inner frame 4 located inside the outer frame 1. The outer frame 1 is connected to the inner frame 4 by rigid jumpers 2, which are located along the symmetry axes of the sensor, each pair of sides of the frames 1 and 4 are connected by one jumper 2. At the corners of the outer frame 1 there are four pads 5 for rigidly fastening the outer frame 1 to a fixed glass base (not shown in the drawing). All four moving masses 3 are the same. The entire area of the sensor, limited by the inner frame 4, four bearing rigid stretch marks 8 is divided into four equal parts, each of which is one of the four moving masses 3. Stretch marks 8 connect the center 7 of the sensor to each of the four sides of the inner frame 4. Movable the masses 3 are connected with the center 7 and with the inner frame 4 by thirty two elastic suspensions 9 having a L-shape, moreover, eight suspensions 9 are used to connect the moving masses 3 with the center 7, and the movable masses with the inner frame 4 SSS 3 are connected by twenty-four suspensions 9 (six suspensions 9 for each moving mass 3). All thirty-two elastic suspensions 9 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 3 can only move in the plane of the plate. The moving masses are made in one with both frames 1 and 4, suspensions 9, extensions 8 and the center 7 of a silicon wafer oriented in the crystallographic plane 100 (it is also possible to use the plane 110). On the inner frame 4 are contact pads 6. The sensitive element of the micromechanical gyroscope works as follows.

При подаче на прибор питания подвижные массы 3 начинают попарно колебаться по оси Х в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента относительно оси Z на подвижные массы 3 начинает действовать кориолисово ускорение, направление которого зависит от направления линейной скорости, а величина определяется величиной угловой скорости. Кориолисово ускорение преобразуется в знакопеременную кориолисову силу, которая перемещает каждую подвижную массу 3 в направлении, перпендикулярном действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и воздействующей внешней угловой скорости, при этом в преобразователе перемещения наводится э.д.с., пропорциональная внешней угловой скорости.When applied to the power supply device, the moving masses 3 begin to oscillate in pairs along the X axis in antiphase to each other at the resonant frequency. When the sensitive element rotates about the Z axis, Coriolis acceleration begins to act on the moving masses 3, the direction of which depends on the direction of the linear velocity, and the value is determined by the magnitude of the angular velocity. Coriolis acceleration is converted into an alternating Coriolis force, which moves each moving mass 3 in the direction perpendicular to the current linear excitation velocity and the external angular velocity acting, while the emf proportional to the external angular velocity is induced in the displacement transducer.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США № 5952572, выдан 14.09.1999 г. МПК G01P 9/00, НКИ 73/504.04.1. US patent No. 5952572, issued September 14, 1999 IPC G01P 9/00, NCI 73 / 504.04.

2. Патент РФ № 2222780, опубликован 27.01.2004 г. МПК G01C 19/56, G01P 9/04. (прототип).2. RF patent No. 2222780, published on January 27, 2004. IPC G01C 19/56, G01P 9/04. (prototype).

Claims (1)

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, отличающийся тем, что чувствительный элемент дополнительно содержит внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя перемычками, расположенными по осям симметрии чувствительного элемента, по одной перемычке на каждой стороне рамок, и соединенную с основанием через четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки.A sensitive element of a micromechanical gyroscope containing a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid extensions to the inner frame, four movable masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with an internal frame by six elastic L-shaped suspensions, characterized in that the sensing element further comprises an external frame connected to the inner frame by four jumpers located along the symmetry axes of the sensing element, by bottom jumper on each side of the frames, and connected to the base through four mounting pads located at the corners of the outer frame.