RU2304273C1

RU2304273C1 - Carbon nano-tubes based integral micro-mechanical gyroscope

Info

Publication number: RU2304273C1
Application number: RU2006122379/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Коноплев (RU); Борис Георгиевич Коноплев; Игорь Евгеньевич Лысенко (RU); Игорь Евгеньевич Лысенко; Александр Александрович Федотов (RU); Александр Александрович Федотов
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-08-10

Abstract

FIELD: measuring technique; integral members for measuring angular speed.

SUBSTANCE: when semiconductor substrate l begins to rotate around axis, disposed in plane of substrate, inertial masses 28 and 30 begin to oscillate in plane being perpendicular to substrate due to torsion of torsion beam 29. When semiconductor substrate begins to rotate around axis, disposed in perpendicular to substrate, inertial masses begin to oscillate along plane of substrate due to curve of flexible beams 18-21 made of carbon nano-tubes. Value of angular speed can be measured around axis X disposed within plane of substrate, and of axis Z, disposed in perpendicular to plane of gyro's substrate.

EFFECT: improved precision of measurement.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости.The present invention relates to the field of measuring technology and microsystem technology, 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.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.Signs of an analogue that coincide with the essential features are inertial mass, elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки.The reasons preventing the achievement of the technical result is the impossibility of measuring the angular velocity along the X axis located in the plane of the substrate.

Функциональным аналогом заявляемого объекта 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 с одной стороны, 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.A functional analogue of 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 two fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on the one hand, made of semiconductor material and located on a dielectric substrate on the outer sides of the inertial masses, with the possibility of electrostatic interaction with inertial masses in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other with comb electrodes .

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

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционные массы, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры и неподвижные электроды электростатических приводов с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке.Signs of an analogue that coincide with the essential features are inertial masses, elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports and fixed electrodes of electrostatic drives with a comb structure on one side, made of semiconductor material and located directly on the substrate.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.The reasons hindering the achievement of the technical result is the impossibility of measuring the angular velocity around the Z axis located perpendicular to the plane of the substrate.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический гироскоп [A.S.Plani, A.A.Seshia, M.Palaniapan, R.T.Howe, J.Yasaitis, Coupling of resonant modes in micromechanical vibratory rate gyroscopes, NSTI-Nanotech 2004, vol.2, 2004, p.335, fig.1], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, один подвижный электрод электростатического привода, выполненного из полупроводникового материала в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон и расположенного с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с двумя неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, соединенного с опорами с помощью первых четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к подвижного электроду, а другими - к опорам, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, образующую с расположенными на полупроводниковой подложке двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры, соединенную с подвижным электродом с помощью вторых четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к подвижному электроду.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical gyroscope [ASPlani, AASeshia, M. Palaniapan, RTHowe, J. Yasaitis, Coupling of resonant modes in micromechanical vibratory rate gyroscopes, NSTI-Nanotech 2004, vol. 2 , 2004, p.335, fig.1], containing a semiconductor substrate with two fixed electrodes of capacitive displacement transducers located on it, made of a semiconductor material, two fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on one side made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, one movable electrode of an electrostatic drive made of semiconductor material in the form of a rectangular frame with comb structures on two opposite sides and located with a gap relative to the substrate with the possibility of electrostatic interaction with two stationary electrostatic electrodes drives in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other by comb of electrodes connected to supports using the first four elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, which are fixed at one end to the movable electrode and the other to supports, an inertial mass made of a semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, forming with two indentations located on the semiconductor substrate the capacitive displacement transducer electrodes are flat capacitors in the plane of their plates through lateral gaps connected to the movable electrode using the second four elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, which are rigidly attached to the inertial mass at one end and to the other movable electrode.

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

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений, неподвижные электроды электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны и опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, подвижный электрод электростатического привода в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон, упругие балки и инерционная масса, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.Signs of the prototype that coincide with the essential features are a semiconductor substrate, fixed electrodes of capacitive displacement transducers, fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on one side and supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, a moving electrode of an electrostatic drive in the form of a rectangular frame with comb structures on two opposite sides, elastic beams and inertial mass, made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate.

Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, расположенной 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 located perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope.

Технический результат достигается за счет введения двух дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительной инерционной массы, выполненной из полупроводникового материала и расположенной на инерционной массе, торсионной балки, выполненной на основе углеродной нанотрубки и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, шести элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполненные на основе углеродных нанотрубок, соединенные одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью двух элементов крепления - с подвижным электродом.The technical result is achieved by introducing two additional stationary electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material and located directly on the substrate, an internal frame made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, an additional inertial mass made of semiconductor material and located on inertial mass of a torsion beam made on the basis of a carbon nanotube located with a gap relative to the semiconductor substrate, six fasteners made of semiconductor material, the inertial mass being located in the inner frame and connected to it using a torsion beam, the ends of which are rigidly connected to the inner frame using two fastening elements, and the central part of the torsion beam attached to the inertial mass with the help of an additional inertial mass and forms capacitive AC transformers with two additional stationary electrodes They are flat capacitors, with the second four elastic beams located with a gap relative to the substrate, made on the basis of carbon nanotubes, connected at one end with two fasteners with an internal frame, and with the other ends with two fasteners with a movable electrode.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, один подвижный электрод электростатического привода, выполненного из полупроводникового материала в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон и расположенного с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с двумя неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, соединенного с опорами с помощью первых четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к подвижному электроду, а другими - к опорам, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительная инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная на инерционной массе, торсионная балка, выполненная на основе углеродной нанотрубки и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, шесть элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполнены на основе углеродных нанотрубок и соединены одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижным электродом.To achieve the required technical result, an integrated micromechanical gyroscope containing a semiconductor substrate with two fixed electrodes of capacitive displacement transducers located on it made of semiconductor material, two fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on the one hand, made of semiconductor material and located directly on the semiconductor material substrate, four supports made of semiconductor ma of the material and located directly on the semiconductor substrate, one movable electrode of the electrostatic drive made of a semiconductor material in the form of a rectangular frame with comb structures on two opposite sides and located with a gap relative to the substrate with the possibility of electrostatic interaction with two stationary electrodes of electrostatic drives in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other by comb of electrodes connected to using the first four elastic beams made of a semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, which are rigidly attached to the movable electrode at one end and the supports with the other ends, the inertial mass made of the semiconductor material and located with the gap relative to the substrate, two additional fixed electrode of capacitive displacement transducers made of semiconductor material and located directly on the substrate, the inner frame, in made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, an additional inertial mass made of semiconductor material and located on the inertial mass, a torsion beam made on the basis of a carbon nanotube and located with a gap relative to the semiconductor substrate, six fasteners made of semiconductor material moreover, the inertial mass is located in the inner frame and connected to it using a torsion beam, to the ends of which are rigidly connected to the inner frame using two fastening elements, and the central part of the torsion beam is attached to the inertial mass using an additional inertial mass and forms flat capacitors with two additional fixed electrodes of the capacitive displacement transducers, the second four elastic beams located with a gap with respect to the substrates are made on the basis of carbon nanotubes and are connected at one end using two fasteners with an internal frame and the other ends with four fastening elements - with a movable electrode.

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

Интегральный микромеханический гироскоп (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и двумя дополнительными неподвижными электродами 4, 5, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 6, 7, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке 1, четыре опоры 8, 9, 10, 11, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1, один подвижный электрод электростатического привода 12, выполненного из полупроводникового материала в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон и расположенного с зазором относительно полупроводниковой подложки 1 с возможностью электростатического взаимодействия с двумя неподвижными электродами электростатических приводов 6, 7 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, соединенного с опорами 8, 9, 10, 11 с помощью первых четырех упругих балок 13, 14, 15, 16, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к подвижного электроду 12, а другими - к опорам 8, 9, 10, 11, внутреннюю рамку 17, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 плоские конденсаторы в плоскости их пластин и через боковые зазоры, соединенную с подвижным электродом 12 с помощью вторых четырех упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных на основе углеродных нанотрубок, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, одни концы которых с помощью двух элементов крепления 22, 23, выполненных из полупроводникового материала, жестко соединены с внутренней рамкой 17, а другие с помощью четырех элементов крепления 24, 25, 26, 27 - с подвижным электродом 12, инерционную массу 28, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 плоские конденсаторы и соединенную с внутренней рамкой 17 с помощью торсионной балки 29, выполненной на основе углеродной нанотрубки, концы которой с помощью двух элементов крепления 22, 23, выполненных из полупроводникового материала, жестко соединены с внутренней рамкой 17, а центральная часть торсионной балки 29 с помощью дополнительной инерционной массы 30, выполненной из полупроводникового материала, жестко соединена с инерционной массой 28.The integrated micromechanical gyroscope (Figure 1) contains a semiconductor substrate 1 with two fixed electrodes of capacitive displacement transducers 2, 3 and two additional stationary electrodes 4, 5 made of a semiconductor material located on it, two fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on one side 6, 7 made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1, four supports 8, 9, 10, 11 made of semiconductor ovodnodnogo material and located directly on the semiconductor substrate 1, one movable electrode of the electrostatic drive 12, made of a semiconductor material in the form of a rectangular frame with comb structures on two opposite sides and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1 with the possibility of electrostatic interaction with two stationary electrodes of electrostatic drives 6, 7 in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other children of electrodes connected to supports 8, 9, 10, 11 using the first four elastic beams 13, 14, 15, 16, made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, which at one end are rigidly attached to the movable electrode 12, and others - to the supports 8, 9, 10, 11, the inner frame 17, made of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming with two stationary electrodes capacitive displacement transducers 2, 3 flat capacitors in the plane of their plates and through lateral gaps connected to the movable electrode 12 using the second four elastic beams 18, 19, 20, 21, made on the basis of carbon nanotubes located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, one ends of which with two elements the fasteners 22, 23 made of a semiconductor material are rigidly connected to the inner frame 17, and the other using four fastening elements 24, 25, 26, 27 with a movable electrode 12, the inertial mass 28 made of a semiconductor material terial and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, which forms flat capacitors with two additional fixed electrodes of the capacitive displacement transducers 4, 5 and connected to the inner frame 17 using a torsion beam 29 made on the basis of a carbon nanotube, the ends of which with two fastening elements 22 , 23 made of a semiconductor material, are rigidly connected to the inner frame 17, and the Central part of the torsion beam 29 using an additional inertial mass 30, you olnennoy of semiconductor material, rigidly connected to the inertial mass 28.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 6 и 7 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижного электрода электростатического привода 12, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний инерционной массы 28 и дополнительной инерционной массы 30 в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y) за счет изгиба первых четырех упругих балок 13, 14, 15, 16, соединяющих подвижный электрод 12 с опорами 8, 9, 10, 11. Зазор между неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамкой 17 и дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамкой 17 и дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28, соответственно, одинаковы.When alternating voltages are applied to the stationary electrodes of electrostatic drives 6 and 7, phase shifted 180 ° relative to each other, relative to the movable electrode of the electrostatic drive 12, an electrostatic interaction occurs between them, which leads to oscillations of the inertial mass 28 and an additional inertial mass 30 v the plane of the semiconductor substrate 1 (along the Y axis) due to the bending of the first four elastic beams 13, 14, 15, 16 connecting the movable electrode 12 with the supports 8, 9, 10, 11. The gap between the fixed my electrodes of capacitive displacement transducers 2, 3 and the inner frame 17 and additional stationary electrodes of capacitive displacement transducers 4, 5 and inertial mass 28, respectively, does not change. The voltages generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by the fixed electrodes of the capacitive displacement transducers 2, 3 and the inner frame 17 and additional stationary electrodes of the capacitive displacement transducers 4, 5 and the inertial mass 28, respectively, are the same.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционная масса 28 и дополнительная инерционная масса 30, под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет кручения торсионной балки 29, закрепленной на внутренней рамке 17 с помощью двух элементов крепления 22, 23. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамки 17 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), the inertial mass 28 and the additional inertial mass 30 begin to oscillate perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 due to the torsion beam torsion under the influence of the Coriolis forces 29, mounted on the inner frame 17 using two fastening elements 22, 23. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducers formed by stationary ele trodes capacitive displacement transducers 4, 5 and the inertial mass 28, respectively, by changing the size of the gap therebetween, characterizes the magnitude of the angular velocity. The voltages generated in the capacitive displacement transducers formed by the fixed electrodes of the capacitive displacement transducers 2, 3 and the inner frame 17, respectively, are the same.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 28 и дополнительная инерционная масса 30 под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания вдоль плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет изгиба вторых упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных на основе углеродных нанотрубок и закрепленных с помощью шести элементов крепления 22, 23, 24, 25, 26, 27. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамкой 17 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователей перемещений, образованных дополнительными неподвижными электродами 4, 5 и инерционными массами 28, 30 соответственно, одинаковы.When the rotation of the semiconductor substrate 1 (angular velocity) occurs around an axis perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 (Z axis), the inertial mass 28 and the additional inertial mass 30 under the influence of Coriolis forces begin to oscillate along the plane of the semiconductor substrate 1 due to the bending of the second elastic beams 18, 19, 20, 21, made on the basis of carbon nanotubes and secured with six fasteners 22, 23, 24, 25, 26, 27. The voltage difference generated by capacitive converters displacements formed by the fixed electrodes of capacitive displacement transducers 2, 3 and the inner frame 17, respectively, due to a change in the gap between them, characterizes the magnitude of the angular velocity. The voltages generated in the capacitive displacement transducers formed by additional stationary electrodes 4, 5 and inertial masses 28, 30, respectively, are the same.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп, позволяющий измерять величину угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, расположенной 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 located perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope.

Введение двух дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительной инерционной массы, выполненной из полупроводникового материала и расположенной на инерционной массе, торсионной балки, выполненной на основе углеродной нанотрубки и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, шести элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполненные на основе углеродных нанотрубок, соединенные одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижным электродом, позволяет измерять величину угловой скорости вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величины угловой скорости.Introduction of two additional stationary electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material and located directly on the substrate, an internal frame made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, an additional inertial mass made of semiconductor material and located on the inertial mass of the torsion beam made on the basis of a carbon nanotube and located with a gap relative to the floor a conductor substrate, six fasteners made of semiconductor material, the inertial mass being located in the inner frame and connected to it using a torsion beam, the ends of which are rigidly connected to the inner frame using two fastening elements, and the central part of the torsion beam is attached to the inertial mass with the help of an additional inertial mass, it forms flat capacitors with two additional stationary electrodes of capacitive displacement transducers, the second four elastic beams located with a gap relative to the substrate, made on the basis of carbon nanotubes, connected at one end with two fasteners with an internal frame, and with the other ends with four fasteners with a movable electrode, it allows to measure the angular velocity around the X axis, located in the plane of the substrate, and the Z axis located perpendicular to the plane of the substrate, which allows the use of the invention as an integral measuring element ranks 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 - оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки, используется только один интегральный микромеханический гироскоп.Thus, in comparison with similar devices, the proposed micromechanical gyroscope allows you to reduce the substrate area used for the placement of the measuring elements of the angular velocity, since to measure the angular velocity along two axes - the X axis located in the plane of the substrate, and the Z axis, located perpendicular to the plane of the substrate, only one integrated micromechanical gyroscope is used.

Claims

Интегральный микромеханический гироскоп, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, один подвижный электрод электростатического привода, выполненного из полупроводникового материала в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон и расположенного с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с двумя неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, соединенного с опорами с помощью первых четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к подвижному электроду, а другими - к опорам, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительная инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная на инерционной массе, торсионная балка, выполненная на основе углеродной нанотрубки и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, шесть элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполнены на основе углеродных нанотрубок и соединены одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижным электродом.An integrated micromechanical gyroscope containing a semiconductor substrate with two fixed electrodes of capacitive displacement transducers located on it made of semiconductor material, two fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on one side made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four supports made made of semiconductor material and located directly on the semiconductor an egg substrate, one movable electrode of an electrostatic drive made of a semiconductor material in the form of a rectangular frame with comb structures on two opposite sides and located with a gap relative to the substrate with the possibility of electrostatic interaction with two fixed electrodes of electrostatic drives in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other into each other by comb of electrodes connected to supports with the help of the first four elastic beams made x of a semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, which are rigidly fixed at one end to the movable electrode and the other to supports, inertial mass made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, characterized in that two additional fixed electrode capacitive displacement transducers made of a semiconductor material and located directly on the substrate, the inner frame made of semiconductor new material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, an additional inertial mass made of semiconductor material and located on the inertial mass, a torsion beam made on the basis of a carbon nanotube and located with a gap relative to the semiconductor substrate, six fasteners made of semiconductor material, and the inertial mass is located in the inner frame and connected to it using a torsion beam, the ends of which are rigidly connected s with an internal frame using two fastening elements, and the central part of the torsion beam is attached to the inertial mass using an additional inertial mass and forms flat capacitors with two additional fixed electrodes of capacitive displacement transducers, the second four elastic beams located with a gap relative to the substrate, made based on carbon nanotubes and connected at one end using two fasteners with an internal frame, and at the other ends using four e fastening elements - with a movable electrode.