Патент на изобретение №2300773

(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. Сущность изобретения: в интегральный микромеханический гироскоп введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, одна внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, две дополнительные торсионные балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью двух дополнительных торсионных балок, и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы. Техническим результатом изобретения является возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа. 2 ил.

Gредлагаемое 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, с.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.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный микромеханический гироскоп [В.Я.Распопов. Микромеханические приборы, Учебное пособие, Тул. гос. университет, Тула, 2002, с.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, выполненных из полупроводникового материала и расположенных 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.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.

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 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 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.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, расположенной перпендикулярно 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, подвижный электрод с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон, упругие балки и инерционная масса, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность измерения величины угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки.

Задача предполагаемого изобретения – возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X, расположенных в плоскости подложки, и Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величины угловой скорости вокруг осей X, расположенных в плоскости подложки, и Z, расположенной перпендикулярно 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, одной внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью двух дополнительных торсионных балок, и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы.

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 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, четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, одна внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, две дополнительные торсионные балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью двух дополнительных торсионных балок, и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы.

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, 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 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 четырех упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке 17, а другими – к подвижному электроду 12, инерционную массу 22, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 плоские конденсаторы, соединенную с внутренней рамкой 17 с помощью двух торсионных балок 23, 24, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе 22, а другими – к внутренней рамке 17.

Работает устройство следующим образом.

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 22 в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y) за счет изгиба 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 неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 22, соответственно, не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамкой 17 и неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 22, соответственно, одинаковы.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционная масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет кручения торсионных балок 23, 24. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 22, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и внутренней рамки 17, соответственно, одинаковы.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания вдоль плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21. 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 преобразователях перемещений, образованных электродами 4, 5 и инерционной массой 22, соответственно, одинаковы.

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

Введение двух дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, одной внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью двух дополнительных торсионных балок, и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, позволяет измерять величину угловой скорости вокруг осей X, расположенных в плоскости подложки, и Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки, 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 X, расположенным в плоскости подложки, и Z, расположенной перпендикулярно 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, 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 в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон из полупроводникового материала 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 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, образующую с расположенными на полупроводниковой подложке двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры, четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, одна внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, две дополнительные торсионные балки, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью двух дополнительных торсионных балок, и образующая с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы.

РИСУНКИ