Патент на изобретение №2293338

(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП-АКСЕЛЕРОМЕТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к микросистемной технике, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения. Устройство содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней тридцатью тремя неподвижными электродами 2-34, восемь опор 35-42, расположенных непосредственно на подложке, упругое кольцо 43, расположенное непосредственно на подложке и образующее с неподвижными электродами 2-33 конденсатор, соединенное с опорами с помощью двадцати четырех упругих балок 44-67 и расположенное с зазором относительно подложки, восемь из которых 52-59 выполнены в виде символа «Г», а восемь других 60-67 – в виде дуги, инерционную массу 68, расположенную с зазором относительно подложки, образующую с неподвижным электродом 34 плоский конденсатор, соединенную с опорами 35, 37, 39, 41 с помощью упругих балок 69-72. Неподвижные электроды, опора, упругое кольцо и упругие балки выполнены из полупроводникового материала. Техническим результатом является возможность измерения величин угловой скорости и ускорения по оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки. 2 ил.

(56) (продолжение):

CLASS=”b560m”1998, т.41, №1-2, с.57-72. RU 2251077 C1, 27.04.2005. US 6308567 B1, 30.10.2001. US 6626039 B1, 30.09.2003.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.

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 ускорения вдоль оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.

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.

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, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются невозможность измерения величин угловой скорости и ускорения по оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический гироскоп [Huikai Xie, G.K.Fedder, Integrated micromechanical gyroscopes, Journal of aerospace engineering, April, 2003, p.73, fig.15], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней тридцатью двумя неподвижными электродами, выполненными из металла, опору, выполненную из металла и расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке, упругое кольцо, выполненное из металла и расположенное с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующее с неподвижными электродами конденсатор, соединенную с опорой с помощью восьми упругих балок, выполненных из металла в виде полукруга и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, которые одними концами жестко соединены с опорой, а другими – с упругим кольцом.

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

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, является полупроводниковая подложка, неподвижные электроды и опора, расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, упругое кольцо и упругие балки, расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность измерения величины ускорения вдоль оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.

Задача предагаемого изобретения – возможность измерения величин угловой скорости и ускорения по. оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения угловой скорости и ускорения по оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.

Технический результат достигается за счет введения одного дополнительного неподвижного электрода, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, семи дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала в виде символа «Г» и расположенных с зазором относительно подложки, инерционной массы, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно подложки так, что она образует с дополнительным неподвижным электродом плоский конденсатор, причем неподвижные электроды, опора, упругое кольцо и упругие балки выполнены из полупроводникового материала, а упругие балки выполнены в виде дуги.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней тридцатью двумя неподвижными электродами, опору, расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке, упругое кольцо, расположенное с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующее с неподвижными электродами конденсатор, соединенную с опорой с помощью, восьми упругих балок, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, введены один дополнительный неподвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке, семь дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, двенадцать дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восемь дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала в виде символа «Г» и расположенных с зазором относительно подложки, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки так, что она образует с дополнительным неподвижным электродом плоский конденсатор, причем неподвижные электроды, опора, упругое кольцо и упругие балки выполнены из полупроводникового материала, а упругие балки выполнены в виде дуги.

На Фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра и показано сечение. На Фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней тридцатью тремя неподвижными электродами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22,23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, выполненными из полупроводникового материала, восемь опор 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1, упругое кольцо 43, выполненное из полупроводникового материала и расположенное с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующее с неподвижными электродами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 конденсатор, соединенное с опорами с помощью двадцати четырех упругих балок 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, выполненных из полупроводникового материала и расположенное с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, восемь из которых 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59 выполнены в виде символа «Г», а восемь других 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 – в виде дуги, инерционную массу 68, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1 так, что она образует с неподвижным электродом 34 плоский конденсатор, соединенную с опорами 35, 37, 39, 41 с помощью упругих балок 69, 70, 71, 72, выполненных из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1.

Работает устройство следующим образом.

При подаче на неподвижные электроды 2, 3, 17, 18, 19, 33 и 9, 10, 11, 25, 26, 27 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно упругого кольца 43, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к деформации и возникновению колебаний упругого кольца 43 в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет изгиба как упругого кольца 43, так и упругих балок 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, соединенных с опорами 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42. Зазор между неподвижными электродами 6, 14, 22, 30 и упругим кольцом 43 не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами 4, 5 и 7, 8 и 12, 13 и 15, 16 и 20, 21 и 23, 24 и 28, 29 и 31, 32 и упругим кольцом 43 соответственно одинаковы.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, упругое кольцо 43 под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 вокруг оси Z за счет изгиба упругих балок 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами 6, 14, 22, 30 и упругим кольцом 43 за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Зазор между неподвижным электродом 34 и инерционной массой 68 не изменяется.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 68 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 69, 70, 71, 72. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещения, образованном неподвижным электродом 34 и инерционной массой 68 за счет изменения величины зазора между ними, характеризуют величину ускорения. Зазор между неподвижными электродами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и упругим кольцом 43 не изменяется.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величины угловой скорости и ускорения по оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.

Введение одного дополнительного неподвижного электрода, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, семи дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, восьми дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала в виде символа «Г» и расположенных с зазором относительно подложки, инерционной массы, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно подложки так, что она образует с дополнительным неподвижным электродом плоский конденсатор, причем неподвижные электроды, опора, упругое кольцо и упругие балки выполнены из полупроводникового материала, а упругие балки выполнены в виде дуги, позволяет измерять величины угловой скорости и ускорения по оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин угловой скорости и ускорения.

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 ускорения, так как для измерения величин угловой скорости и ускорения по оси Z используется только один интегральный микромеханический гироскоп.

Формула изобретения

Интегральный микромеханический гироскоп, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней тридцатью двумя неподвижными электродами, опору, расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке, упругое кольцо, расположенное с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующее с неподвижными электродами конденсатор, соединенное с опорой с помощью упругих балок, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, отличающийся тем, что в него введены один дополнительный неподвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке, семь дополнительных опор, расположенных непосредственно на подложке, двадцать дополнительных упругих балок, расположенных с зазором относительно подложки, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки так, что она образует с дополнительным неподвижным электродом плоский конденсатор, и соединенная с опорами с помощью четырех упругих балок, причем упругое кольцо соединено с опорами с помощью двадцати четырех упругих балок, восемь из которых выполнены в виде символа «Г», а восемь – в виде дуги, а неподвижные электроды, опоры, упругое кольцо и упругие балки выполнены из полупроводникового материала.

РИСУНКИ