Патент на изобретение №2293337

(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения величины угловой скорости вокруг осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки гироскопа. Сущность изобретения: технический результат изобретения достигается за счет введения двух дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, двух дополнительных инерционных масс, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, шести дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем внешняя рамка выполнена в виде кольца и соединена со средней рамкой с помощью четырех дополнительных соединительных элементов, инерционные массы располагаются между внешней и средней рамками и соединены с ними с помощью торсионных балок. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости.

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.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса и упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вдоль двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный микромеханический гироскоп [В.Я.Распопов. Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тул. госуниверситет, 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.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционные массы и 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.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси Y, расположенной перпендикулярно оси Х в плоскости подложки.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический гироскоп [Материалы VI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», СПб., 2005, стр.138, рис.4], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, восемь неподвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, внешнюю рамку, выполненную из полупроводникового материала в виде прямоугольника и расположенную с зазором относительно подложки, среднюю рамку, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно подложки, соединенную с внешней рамкой с помощью двух торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к средней рамке, а другими – к внешней рамке, и расположенных с зазором относительно подложки, внутреннюю рамку, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно подложки, соединенную со средней рамкой с помощью четырех подвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами по обеим их сторонам, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке, а другими – к средней рамке, и расположенные с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, опору, выполненную из полупроводникового материала и расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке, соединенную с внутренней рамкой с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к опоре, а другими – к внутренней рамке, две инерционные массы, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки на противоположных сторонах внешней рамки, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.

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 опора, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, внешняя рамка, средняя рамка, внутренняя рамка, торсионные балки, подвижные электроды электростатических приводов с гребенчатыми структурами по обеим их сторонам, упругие балки и инерционные массы, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси Y, расположенной перпендикулярно оси Х в плоскости подложки.

Задача предлагаемого изобретения – возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки гироскопа.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величины угловой скорости вокруг осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки гироскопа.

Технический результат достигается за счет введения двух дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, двух дополнительных инерционных масс, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, шести дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четырех дополнительных соединительных элементов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем внешняя рамка выполнена в виде кольца и соединена со средней рамкой с помощью четырех дополнительных соединительных элементов, инерционные массы располагаются между внешней и средней рамками и соединены с ними с помощью торсионных балок.

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, восемь неподвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводниковых материалов и расположенных непосредственно на подложке, внешнюю рамку, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, среднюю рамку, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно подложки, две торсионные балки, выполненные из полупроводникового материала, внутреннюю рамку, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно подложки, четыре подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами по обеим их сторонам, выполненных из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, опору, выполненную из полупроводникового материала и расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, две инерционные массы, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, образующие с расположенными на подложке двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, две дополнительные инерционные массы, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, шесть дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четыре дополнительных соединительных элемента, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем внешняя рамка выполнена в виде кольца и соединена со средней рамкой с помощью четырех дополнительных соединительных элементов, инерционные массы располагаются между внешней и средней рамками и соединены с ними с помощью торсионных балок.

На Фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа и показаны сечения. На Фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа.

Интегральный микромеханический гироскоп (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, выполненными из полупроводникового материала, восемь неподвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке 1, внешнюю рамку 14, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, среднею рамку 15, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, соединенную с внешней рамкой с помощью четырех соединительных элементов 16, 17, 18, 19, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к средней рамке 15, а другими – к внешней рамке 14, и расположенных с зазором относительно подложки 1, внутреннюю рамку 20, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно подложки 1, соединенную со средней рамкой 15 с помощью четырех подвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами по обеим их сторонам 21, 22, 23, 24, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке 20, а другими – к средней рамке 15, и расположенных с зазором относительно подложки 1 с возможностью электростатического взаимодействия с неподвижными электродами электростатических приводов 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, опору 25, выполненную из полупроводникового материала и расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке 1, соединенную с внутренней рамкой 20 с помощью четырех упругих балок 26, 27, 28, 29, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к опоре 25, а другими – к внутренней рамке 20, четыре инерционные массы 30, 31, 32, 33, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки 1, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5 плоские конденсаторы и соединенные с внешней рамкой 14 и средней рамкой 15 с помощью восьми торсионных балок 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внешней и средней рамкам 14, 15, соответственно, а другими – к инерционным массам 30, 31, 32, 33, и расположенных с зазором относительно подложки 1.

Работает устройство следующим образом.

При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов электростатических приводов 21, 22, 23, 24, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний инерционных масс 30, 31, 32, 33, расположенных между внешней 14 и средней 15 рамками, соединенных между собой соединительными элементами 16, 17, 18, 19, в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вокруг оси Z), за счет изгиба упругих балок 26, 27, 28, 29, соединяющих внутреннею рамку 20 с опорой 25. Зазор между неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5 и инерционными массами 30, 31, 32, 33 не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 4 и 3, 5 и инерционными массами 30, 32 и 31, 33, соответственно, одинаковы.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционные массы 31, 33 под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 в противофазе друг другу, за счет кручения торсионных балок 34, 35, 38, 39. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 3, 5 и инерционными массами 31, 33, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 2, 4 и инерционными массами 30, 32, соответственно, одинаковы.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Y), инерционные массы 30, 32 под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 в противофазе друг другу за счет кручения торсионных балок 36, 37, 40, 41. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 4 и инерционными массами 30, 32, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 3, 5 и инерционными массами 31, 33, соответственно, одинаковы.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп, позволяющий измерять величину угловой скорости вокруг осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки гироскопа.

Введение двух дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, двух дополнительных инерционных масс, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, шести дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четырех дополнительных соединительных элементов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем внешняя рамка выполнена в виде кольца и соединена со средней рамкой с помощью четырех дополнительных соединительных элементов, инерционные массы располагаются между внешней и средней рамками и соединены с ними с помощью торсионных балок, позволяет измерять величину угловой скорости вокруг осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки гироскопа, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величины угловой скорости.

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 Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, используется только один интегральный микромеханический гироскоп.

Формула изобретения

Интегральный микромеханический гироскоп, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, восемь неподвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводниковых материалов и расположенных непосредственно на подложке, внешнюю рамку, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, среднюю рамку, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно подложки, две торсионные балки, выполненные из полупроводникового материала, внутреннюю рамку, выполненную из полупроводникового материала в виде кольца и расположенную с зазором относительно подложки, четыре подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами по обеим их сторонам, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, опору, выполненную из полупроводникового материала и расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, две инерционные массы, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, образующие с расположенными на подложке двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, две дополнительные инерционные массы, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, шесть дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, четыре дополнительных соединительных элемента, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем внешняя рамка выполнена в виде кольца и соединена со средней рамкой с помощью четырех дополнительных соединительных элементов, инерционные массы располагаются между внешней и средней рамками и соединены с ними с помощью торсионных балок.

РИСУНКИ