RU2649249C1 - Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer - Google Patents
Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2649249C1 RU2649249C1 RU2016144230A RU2016144230A RU2649249C1 RU 2649249 C1 RU2649249 C1 RU 2649249C1 RU 2016144230 A RU2016144230 A RU 2016144230A RU 2016144230 A RU2016144230 A RU 2016144230A RU 2649249 C1 RU2649249 C1 RU 2649249C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- semiconductor material
- electrodes
- additional
- plane
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 115
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 101
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 74
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 13
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 claims description 8
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 8
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 5
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и линейного ускорения.The present invention relates to the field of measuring technology and microsystem technology, and more particularly to integrated measuring elements of angular velocity and linear acceleration.
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 KNI technology, University News, 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 to the internal oscillating system by means of elastic beams made of a semiconductor material, which at one end are rigidly attached to the inertial mass, and at the other to the internal oscillatory system, is made a flat capacitor formed from a semiconductor material forming with another pair of electrodes deposited on a substrate, used as an electrostatic drive, the oscillating system being connected to the external frame using elastic beams made of semiconductor material that are attached to the internal oscillating system at one end and the other to to an external frame made of a semiconductor material and located directly on the dielectric substrate.
Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.This gyroscope allows you to measure the angular velocity along the Z axis directed 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, электрод, расположенный непосредственно на подложке.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, an electrode located directly on the substrate.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.A disadvantage of the gyroscope design is the impossibility of measuring the angular velocity around the X and Y axes located in the plane of the substrate, and the linear accelerations along the X, Y, Z axes.
Функциональным аналогом заявляемого объекта является микромеханический гироскоп [S.E. Alper, T. Akin, A Planar Gyroscope Using a Standard Surface Micromachining Process, The 14th European Conference on Solid-State Transducers (EUROSENSORS XIV), 2000, p. 387, fig. 1], содержащий подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор и связанную с внешним подвесом с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к внешнему подвесу, выполненного из полупроводникового материала и образующего с другой парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор, используемый в качестве электростатического привода, причем внешний подвес соединен с опорами с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с внешним подвесом, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и два электрода, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке с зазором относительно внешнего подвеса так, что образуют плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов.A functional analogue of the claimed object is a micromechanical gyroscope [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], 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 pair of capacitors located on the substrate of the electrodes and connected to the external suspension using elastic beams made of semiconductor material, which at one end are rigidly attached to the inertial mass, and at the other to an external suspension made of semiconductor of a single 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 to the supports using elastic beams made of semiconductor material, which are rigidly connected to the external suspension at one end and to the supports with the other made of semiconductor material and located directly on the substrate, and two electrodes made of semiconductor material and located directly but on a substrate with a gap relative to the external suspension so that they form flat capacitors used as electrostatic drives.
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 электроды, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке.Signs of an analogue that coincide with the essential features are electrodes made of semiconductor material and located directly on the substrate, inertial mass, elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.A disadvantage of the gyroscope design is the impossibility of measuring the angular velocity around the X and Y axes located in the plane of the substrate, and the linear accelerations along the X, Y, Z axes.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический гироскоп [В.Я. Распопов, Микромеханические приборы, Учебное пособие, Машиностроение, Москва, 2007, стр. 59, рис. 1.44], содержащий диэлектрическую подложку с расположенными на ней металлическими электродами емкостных преобразователей перемещений, две инерционные массы, расположенные с зазором относительно диэлектрической подложки и выполненные в виде пластин из полупроводникового материала, образующие с расположенными на диэлектрической подложке электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, и связанные с диэлектрической подложкой через систему упругих балок, которые одними концами соединены с инерционными массами, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными на диэлектрической подложке, один неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами по обеим его сторонам и расположенный непосредственно на диэлектрической подложке между инерционными массами, с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, два неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на диэлектрической подложке по внешним сторонам инерционных масс, с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical gyroscope [V.Ya. Raspopov, Micromechanical devices, Textbook, Mechanical Engineering, Moscow, 2007, p. 59, fig. 1.44], 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 flat capacitors with connected electrodes of capacitive transducers of displacement, and associated with a dielectric substrate through a system of elastic beams, which at one end are connected to inertial masses and others with supports made of a semiconductor material and located on a dielectric substrate, one fixed electrode of an electrostatic drive made of a semiconductor material with comb structures on both sides of it and located directly on the dielectric substrate between inertial masses, with the possibility of electrostatic interaction with them in the plane of their plates through the lateral gaps and interpenetrating each other with comb of electrodes, two stationary electrodes electrostatic drives made with comb structures on one side of the semiconductor material and located directly on the dielectric substrate on the outer sides of the inertial masses, with the possibility of electrostatic interaction with them in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other with comb electrodes.
Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости вдоль оси Y, расположенной в плоскости подложки.This gyroscope allows you to measure the angular velocity along the Y axis located in the plane of the substrate.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются две инерционные массы, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, электроды емкостного преобразователя перемещений, расположенные на подложке, неподвижные электроды электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные на подложке.Signs of the prototype, coinciding with the essential features, are two inertial masses, elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, electrodes of the capacitive displacement transducer located on the substrate, stationary electrodes electrostatic drives made with comb structures of semiconductor material and located on the substrate.
Недостатком конструкции данного гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X, направленной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.The design flaw of this gyroscope is the impossibility of measuring the magnitude of the angular velocity around the X axes directed in the plane of the substrate, and Z directed perpendicular to the plane of the substrate, and linear accelerations along the X, Y, Z axes.
Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величин угловой скорости вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.The objective of the invention is the ability to measure angular velocities along the X and Y axes located in the plane of the substrate, and Z directed perpendicular to the plane of the substrate, and linear accelerations along the X, Y, Z axes.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин угловой скорости вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z.The technical result achieved by the implementation of the present invention consists in the possibility of measuring the angular velocity along the X and Y axes located in the plane of the substrate, and Z directed perpendicular to the plane of the substrate and the values of linear accelerations along the X, Y, Z axes.
Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, девяти дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми «S»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, и двадцати одной дополнительной опоры, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.The technical result is achieved through the introduction of four additional movable electrodes of capacitive displacement transducers, made in the form of plates with perforations with comb structures on both sides of semiconductor material and arranged with a gap relative to the substrate, eight additional stationary electrodes of capacitive displacement transformers made with comb structures from one sides of semiconductor material and located directly on the substrate so that they comfort with additional movable electrodes of capacitive displacement transducers capacitors in the plane of their plates through lateral gaps and combs of electrodes interpenetrating each other, four additional movable electrodes of electrostatic drives, made in the form of perforated plates with comb structures on both sides of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, nine additional fixed electrodes of electrostatic drives made with comb structures on one side of the semiconductor material and located directly on the substrate so that they form an electrostatic interaction with the movable electrodes of the electrostatic drives in the plane of their plates through the side gaps and interpenetrating combs of electrodes, eight "S" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, eight "P" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, and twenty-one additional supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, and two inertial masses are made with perforation, and the substrate and electrodes of 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 с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные на подложке, введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь «S»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь «П»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненная из полупроводникового материала и расположенная непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.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 with comb structures and semiconductor material and located on the substrate, four additional movable electrodes of capacitive displacement transducers are introduced, made in the form of perforated plates with comb structures on both sides of semiconductor material and arranged with a gap relative to the substrate, eight additional stationary capacitive displacement transducer electrodes made with comb structures on the one hand made of semiconductor material and located directly on the substrate so what they form, with additional movable electrodes of capacitive displacement transducers, capacitors in the plane of their plates through lateral gaps and combing electrodes interpenetrating each other, four additional mobile electrodes of electrostatic drives, made in the form of perforated plates with comb structures on both sides of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, nine additional fixed electrodes of electrostatic drives made with gr on the one hand made of semiconductor material and located directly on the substrate so that they form an electrostatic interaction with the movable electrodes of the electrostatic drives in the plane of their plates through the side gaps and the interconnecting electrodes, eight "S" -shaped systems of elastic beams, made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, eight "P" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material materials and located with a gap relative to the substrate, and twenty-one additional support made of semiconductor material and located directly on the substrate, with two inertial masses made with perforation, and the substrate and electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.Comparing the proposed device with the prototype, we see that it contains new features, that is, meets the criterion of novelty. Carrying out a comparison with analogues, we conclude that the proposed device meets the criterion of "significant differences", since no new features are shown in the analogues.
На Фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра и показаны сечения. На Фиг. 2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра.In FIG. 1 shows the topology of the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer and sections are shown. In FIG. 2 shows the structure of the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer.
Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр (Фиг. 1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, выполненные из полупроводникового материала, восемью неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1, двенадцать неподвижных электродов электростатических приводов 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов 24, 25, 26, 27, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами электростатических приводов 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с подвижными электродами электростатических приводов 24, 25, 26, 27, а другими с опорами 36, 37, 38, 39, 40, 41, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, две инерционные массы 42, 43, выполненные в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, связанные с подвижными электродами электростатических приводов 24, 25, 26, 27 с помощью упругих балок 44, 45, 46, 47, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, связанных с инерционными массами 42, 43 с помощью системы упругих балок 52, 53, 54, 55, выполненных из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью «S»-образных систем упругих балок 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 и «П»-образных упругих балок 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, которые одними концами соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51, а другими с опорами 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1.The integrated micromechanical gyroscope-accelerometer (Fig. 1) contains a
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
При возникновении линейного ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 42 под действием сил инерции начинает совершать перемещение в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, за счет изгиба упругих балок 46, 47, «S»-образных систем упругих балок 58, 59, 60, 61, «П»-образных упругих балок 67, 68, 69, 70. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных подвижными электродами 48, 51 и неподвижными электродами 4, 5, 6, 7, соответственно, за счет изменения зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения вдоль оси X.When linear acceleration occurs along the X axis located in the plane of the
При возникновении линейного ускорения вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 43 под действием сил инерции начинает совершать перемещение в плоскости полупроводниковой подложки 1, направленные вдоль оси Y, за счет изгиба упругих балок 44, 45, «S»-образных систем упругих балок 56, 57, 62, 63, «П»-образных упругих балок 64, 65, 66, 71. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных подвижными электродами 49, 50 и неподвижными электродами 8, 9, 10, 11, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения вдоль оси Y.When linear acceleration occurs along the Y axis located in the plane of the
При возникновении линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 42, 43 под действием сил инерции начинают совершать перемещения перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 синхронно, за счет изгиба упругих балок 44, 45, 46, 47 и систем упругих балок 52, 53, 54, 55. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и инерционными массами 42, 43, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения вдоль оси Z.When linear acceleration occurs along the Z axis, perpendicular to the plane of the
При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 12, 14, 16, 17, 19, 22 и 13, 15, 18, 20, 21, 23 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов электростатических приводов 24, 26 и 25, 27, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению противофазных колебаний последних в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, соединяющих подвижные электроды 24, 25, 26, 27 с опорами 36, 37, 38, 39, 40, 41. Колебания подвижных электродов электростатических приводов 24, 25, 26, 27 передаются инерционным массам 42, 43 через упругие балки 44, 45, 46, 47.When applying to the stationary electrodes of
При возникновении угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 42 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 46, 47 и систем упругих балок 52, 53. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованном электродом 2 и инерционной массой 42, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости вдоль оси X.When an angular velocity occurs along the X axis located in the plane of the
При возникновении угловой скорости вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 43 под действием сил инерции Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 44, 45 и систем упругих балок 54, 55. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованном электродом 3 и инерционной массой 43, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости вдоль оси Y.When an angular velocity occurs along the Y axis located in the plane of the
При возникновении угловой скорости вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 42, 43 под действием сил инерции Кориолиса начинают совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 42 вдоль оси X, инерционная масса 43 вдоль оси Y, за счет изгиба упругих балок 44, 45, 46, 47. Колебания инерционных масс 42, 43 через системы упругих балок 52, 53, 54, 55 передаются подвижным электродам емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51, которые совершают колебания за счет изгиба «S»-образных систем упругих балок 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 и «П»-образных систем упругих балок 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, соединяющих подвижные электроды емкостных преобразователей перемещений 48, 49, 50, 51 с опорами 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных подвижными электродами 48, 49, 50, 51 и неподвижными электродами 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости вдоль оси Z.When an angular velocity occurs along the Z axis, perpendicular to the plane of the
Опоры 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78 выполняют роль ограничителей движения инерционных масс 42, 43 в плоскости полупроводниковой подложки 1.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величины угловой скорости вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величины линейного ускорения вдоль осей X, Y, Z.Thus, the proposed device is an integrated micromechanical gyroscope-accelerometer that allows you to measure the angular velocity along the X and Y axes located in the plane of the substrate, and Z directed perpendicular to the plane of the substrate, and the linear acceleration along the axes X, Y, Z.
Введение четырех дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов, выполненных в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, девяти дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненных с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми «S»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, и двадцати одной дополнительной опоры, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, две инерционные массы выполнены с перфорацией, подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала, позволяет измерять величины угловых скоростей вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, величины линейного ускорения вдоль осей X, Y, Z, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин угловой скорости и линейного ускорения.Introduction of four additional movable electrodes of capacitive displacement transducers made in the form of perforated plates with comb structures on both sides of semiconductor material and arranged with a gap relative to the substrate, eight additional stationary electrodes of capacitive displacement transducers made with comb structures on one side of semiconductor material and located directly on the substrate so that they form with additional movable electrode capacitive displacement transducers capacitors in the plane of their plates through the lateral gaps and interpenetrating each other comb electrodes, four additional movable electrodes of electrostatic drives, made in the form of plates with perforation with comb structures on both sides of a semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, nine additional fixed electrodes of electrostatic drives made with comb structures on one side of the semiconductor nickel material and located directly on the substrate so that they form an electrostatic interaction with the movable electrodes of the electrostatic drives in the plane of their plates through the lateral gaps and interpenetrating electrode combs, eight "S" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, eight "P" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the sub of the lining, and twenty-one additional supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, two inertial masses are made with perforation, the substrate and the fixed electrodes of capacitive displacement transducers are made of semiconductor material, and it makes it possible to measure angular velocities along the X and Y axes located in the plane of the substrate, and the Z axis, perpendicular to the plane of the substrate, the linear acceleration along the axes X, Y, Z, which allows you to use the proposed invention as an integral element of the measuring values of angular velocity and linear acceleration.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и линейных ускорений, так как для измерения величин угловой скорости по трем осям X и Y, расположенным в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейного ускорения вдоль осей X, Y, Z используется только один интегральный микромеханический сенсор.Thus, in comparison with similar devices, the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer allows to reduce the substrate area used for the placement of measuring elements of angular velocity and linear accelerations, as for measuring angular velocity along three axes X and Y located in the plane of the substrate , and Z directed perpendicular to the plane of the substrate, and linear acceleration values along the X, Y, Z axes, only one integrated micromechanical sensor is used.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016144230A RU2649249C1 (en) | 2016-11-10 | 2016-11-10 | Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016144230A RU2649249C1 (en) | 2016-11-10 | 2016-11-10 | Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2649249C1 true RU2649249C1 (en) | 2018-03-30 |
Family
ID=61867257
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016144230A RU2649249C1 (en) | 2016-11-10 | 2016-11-10 | Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2649249C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU192953U1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-10-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | MEMS ACCELEROMETER |
| RU2716869C1 (en) * | 2019-08-01 | 2020-03-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6250156B1 (en) * | 1996-05-31 | 2001-06-26 | The Regents Of The University Of California | Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope |
| RU55148U1 (en) * | 2006-04-10 | 2006-07-27 | Закрытое акционерное общество "Гирооптика" | MICROMECHANICAL AXIAL ACCELEROMETER |
| RU2597953C1 (en) * | 2015-06-30 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer |
| RU2597950C1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micro mechanical gyroscope accelerometer |
-
2016
- 2016-11-10 RU RU2016144230A patent/RU2649249C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6250156B1 (en) * | 1996-05-31 | 2001-06-26 | The Regents Of The University Of California | Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope |
| RU55148U1 (en) * | 2006-04-10 | 2006-07-27 | Закрытое акционерное общество "Гирооптика" | MICROMECHANICAL AXIAL ACCELEROMETER |
| RU2597950C1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micro mechanical gyroscope accelerometer |
| RU2597953C1 (en) * | 2015-06-30 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU192953U1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-10-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | MEMS ACCELEROMETER |
| RU2716869C1 (en) * | 2019-08-01 | 2020-03-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8555718B2 (en) | Piezoelectric transducers | |
| KR100363247B1 (en) | Vibrating structure and method for controlling natural frequency of vibrating structure | |
| JP5649972B2 (en) | Yaw rate sensor | |
| US8011247B2 (en) | Multistage proof-mass movement deceleration within MEMS structures | |
| CN107003130B (en) | Micro-electromechanical gyroscope | |
| EP3268305B1 (en) | A microelectromechanical capacitive sensor structure and device | |
| JP6372566B2 (en) | Improved quadrature compensation | |
| JP2002350138A (en) | Detector of both of acceleration and angular velocity | |
| RU2597953C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer | |
| RU2597950C1 (en) | Integral micro mechanical gyroscope accelerometer | |
| RU2649249C1 (en) | Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer | |
| RU2351897C1 (en) | Integrated micromechanical accelerometer gyroscope | |
| RU2351896C1 (en) | Integrated micromechanical accelerometer gyroscope | |
| RU2683810C1 (en) | Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer | |
| RU2716869C1 (en) | Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer | |
| US10753742B2 (en) | Micromechanical yaw rate sensor and method for operating same | |
| RU2543686C1 (en) | Micromechanical accelerometer | |
| RU2266521C1 (en) | Integrating micromechanical gyro | |
| RU2353903C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope | |
| RU2293337C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope | |
| RU2477863C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer | |
| RU2293338C1 (en) | Integral micro-mechanical gyroscope-accelerometer | |
| Shah et al. | Design and analysis of a single-structure three-axis MEMS gyroscope with improved coupling spring | |
| RU2503924C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope | |
| RU2304273C1 (en) | Carbon nano-tubes based integral micro-mechanical gyroscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191111 |