Патент на изобретение №2315265

(54) МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

(57) Реферат:

Изобретение относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа. ММГ содержит основание из кремния с установленными на нем через изолирующие слои статорами и опорой, на которой с помощью торсионов подвешен ротор, крышку из кремния с нанесенным на нем изолирующим слоем, на котором расположены электроды, и электронный блок с источником питания, при этом сигнальные выводы электронного блока соединены с выводами от статоров, ротора и электродов. По периметру основания и крышки нанесены слои металлизации, свариваемые между собой при сборке гироскопа, выводы от статоров, ротора и электродов. Наличие дополнительного вывода от слоя металлизации, соединенного с источником питания, позволяет уменьшить влияние паразитных связей между каналами возбуждения первичных колебаний и преобразования выходного сигнала. 5 ил.

Предлагаемое устройство относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа.

В настоящее время разработаны и широко используются ММГ вибрационного типа. Они включают в себя подвижную массу (ПМ), систему измерения перемещений ПМ по двум осям, систему возбуждения колебаний на резонансной частоте подвеса (Fрез) по одной оси, которые иногда называют первичными и ось соответственно осью первичных колебаний. При действии кориолисового ускорения по другой оси (ортогональной к первой) возникают колебания ПМ, называемые вторичными [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г., стр.268-274, рис.1, Распопов В.Я. Микромеханические приборы, 2-е издание. Тул. Гос. Университет, Тула, 2004 г., 475 стр, стр.325-462]. По осям движения ПМ располагают неподвижные электроды (или статоры). Эти статоры с проводящей ПМ образуют конденсаторы, емкости которых зависят от положения ПМ.

На электроды, расположенные по оси возбуждения первичных колебаний в ММГ, поступают переменные напряжения, создающие с помощью электрического поля силы или моменты на резонансной частоте подвеса ПМ, которые могут рассматриваться как силовые напряжения. Уровень их может составлять от 0,1 до 10 В, в зависимости от добротности подвеса. В ММГ уровень силовых сигналов превышает уровень измеряемых сигналов на три и более порядка.

При использовании в ММГ в качестве основания проводящего кремния, как это показано на фиг.13а статьи (С.Acar, A.M.Shkel, “Stucturally decoupled micromachined gyroscopes with post-release capacitance enhancement”, Journal of Micromechanics and Microengineerig 15, (2005) pp.1092-1101) между электродами, на которые поступают силовые напряжения, и электродами, образующими емкостные датчики перемещения ПМ, возникают паразитные связи, эквивалентная схема которых представляет собой последовательное соединение конденсаторов и резистора. Для уменьшения влияния этих паразитных связей можно использовать компенсирующие поправки, которые определяют экспериментально. Однако вводить такие поправки при большом числе электродов оказывается затруднительно из-за сложной процедуры определения численных значений этих поправок. Кроме того, при изменении параметров окружающей среды (например, температуры) параметры эквивалентной цепи, описывающей эти паразитные связи, могут изменяться.

Для уменьшения влияния паразитных связей электроды ММГ могут размещаться на основании, являющимся диэлектриком (см. М.Е.Ash et al. Micromechanical Inertial Sensor Development at Draper Laboratory With Recent Test Results. Symposium Gyro Technology 1999, Stuttgart, Germany, pp.3.0-3.12, fig.2, fig.3). На этих фигурах показано, что ММГ собирается из двух частей («вафель»), для изготовления одной из которых используется стекло, а другой – кремний. Однако такая конструкция является нетехнологичной, т.к. предполагает применение двух разных типов материалов.

В качестве примера серийно выпускаемой конструкций ММГ, выполненной целиком на кристалле кремния и имеющего большое количество электродов на одной подложке, можно привести ММГ фирмы Bosch, в которой и электроды канала возбуждения первичных колебаний, и электроды выходного канала располагаются на подложке (см. книгу Распопова, стр.344-345).

В качестве другого примера можно привести ММГ, описанный в [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. 12 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г., стр.268-274]. Конструкция ММГ показана на рис.2,3, а технология изготовления – на рис.5. В отличие от ММГ фирмы Bosch электроды выходного канала расположены не на основании, а на крышке ММГ. Однако и такое размещение не избавляет от прохождения помех, обусловленных силовыми напряжениями. Это обусловлено тем, что и в этой конструкции есть связь между основанием и крышкой ММГ через слои металлизации, наносимые по периметру кристалла кремния (см. упомянутый рис.5, где белым цветом выделены на рис.5ж и 5з слои металлизации). И хотя под слоем металлизации на крышке расположен изоляционный слой, в качестве которого используется диоксид кремния, связь между верхним и нижним кристаллами кремния (между основанием и крышкой) на переменном токе существует и имеет значительную величину – на уровне десятков пикофарад.

Наличие емкостной связи между основанием и крышкой с электродами, которые образуют емкостной датчик перемещения ПМ по выходному каналу, приводит к тому, что на входы преобразователей емкость – напряжения, например, трансрезистивных усилителей (см. рис.6 упомянутой статьи Пешехонов и др.) поступают помимо тока высокой частоты и токи на резонанасной частоте подвеса ПМ с электродов драйва, что увеличивает шумы и помехи на выходе демодулятора в этом канале. В конечном счете это ухудшает точность ММГ.

В качестве прототипа выбран ММГ, описанный в упомянутой работе Пешехонова В.Г. Этот ММГ содержит основание из кремния с установленными на нем через изолирующие слои статорами и опорой, на которой с помощью торсионов подвешен ротор, крышку из кремния с нанесенным на нем изолирующим слоем, на котором нанесены электроды, при этом по периметру основания и крышки нанесены слои металлизации, которые при сборке гироскопа свариваются между собой, выводы от статоров, ротора и электродов, электронный блок и его источник питания, при этом сигнальные выводы электронного блока соединены с выводами от статоров, ротора и электродов, а выводы питания электронного блока соединены с выводами источника питания, в том числе и с общим выводом.

Недостатком ММГ является недостаточно высокая точность, обусловленная прохождением силовых сигналов из канала драйва (напряжений на электродах гребенчатого двигателя) в выходной канал ММГ через кристаллы легированного кремния, слои металлизации и тонкие слои окиси кремния.

Задачей изобретения является повышение точности ММГ.

Поставленная задача решается тем, что микромеханический гироскоп, содержащий основание из кремния с установленными на нем через изолирующие слои статорами и опорой, на которой с помощью торсионов подвешен ротор, крышку из кремния с нанесенным на нем изолирующим слоем, на котором расположены электроды, при этом по периметру основания и крышки нанесены слои металлизации, свариваемые между собой при сборке гироскопа, выводы от статоров, ротора и электродов, электронный блок с источником питания, при этом сигнальные выводы электронного блока соединены с выводами от статоров, ротора и электродов, дополнительно содержит вывод от слоя металлизации, соединенный с источником питания.

По существу, в предлагаемом микромеханическом гироскопе предложено как бы ввести так называемое охранное кольцо, защищающее входы электронного блока от попадания на них силовых сигналов (токов). Дополнительный эффект от этого проявляется в том, что электроды и диск экранируются проводящим кремнием крышки и основания. Более подробные сведения об экранировании и влиянии охранных колец можно найти в технической литературе (см., например, “Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC”. Под ред. У.Томпкинса и Дж.Уэбстера, Москва, «Мир», 1992, стр.67, рис.2.3, Дж.Барнс “Электронное конструирование: методы борьбы с помехами”, М, «Мир», 1990 г. (стр.125, 126 рис.12.6), И.Достал “Операционные усилители”, М, «Мир», 1982, 512 стр., стр.382-383, рис.11.29).

Заявляемое устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен вариант конструкции ММГ.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 – основание

2 – опора

3 – торсионы

4 – ПМ (в данном варианте конструкции – диск)

5 – статоры, расположенные в плоскости первичных колебаний

На фиг.2 показаны электроды и выводы от них.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

2 – опора

5 – статоры, расположенные в плоскости первичных колебаний

6 – пара диаметрально расположенных на крышке электродов

7 – другая пара диаметрально расположенных на крышке электродов

8 – электрические выводы от элементов конструкции ММГ (электродов, статоров и опоры)

На фиг.3 приведена конструкция микромеханической части ММГ.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:

4 – ПМ

9 – кремний основания 1

10 – кремний крышки

11 – изоляционный слой, нанесенный на основание 1

12 – слой металлизации

13 – изоляционный слой между слоем металлизации и кремнием крышки

14 – крышка

На фиг.4 показана упрощенная эквивалентная электрическая схема ММГ.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:

4 – ПМ, которая показана в виде проводника электрического тока

8 – электрические выводы от элементов конструкции ММГ

14 – крышка

15-18 – конденсаторы, образованные электродами 6, 7 и ПМ 4

19-22 – конденсаторы, образованные статорами 5 и ПМ 4

23 – конденсаторы, образованные электродами 6, 7 и кремнием крышки 10

24 – конденсаторы, образованные статорами 5 и кремнием основания 9

25 – эквивалентные резисторы, представляющие сопротивления между областью кремния крышки 10 вблизи изоляционного слоя, на котором размещены электроды 7, 8, и областью кремния крышки вблизи слоя металлизации 12

26 – эквивалентные резисторы, представляющие сопротивления между областью кремния основания вблизи изоляционного слоя 11, на котором размещены статоры 5, и областью кремния основания вблизи наружной поверхности основания

27 – эквивалентные резисторы, представляющие сопротивления между областями кремния крышки вблизи изоляционных слоев, на которых размещены электроды 7, 8

28 – эквивалентные резисторы, представляющие сопротивления между областями кремния основания вблизи изоляционных слоев, на которых размещены статоры 5

29 – конденсатор, образованный опорой 2 и кремнием основания 9

30 – эквивалентный резистор, представляющий сопротивление между областью кремния основания вблизи изоляционного слоя, на котором размещена опора 2, и областью кремния основания вблизи наружной поверхности основания

31 – эквивалентный резистор, представляющий омическое сопротивление торсионов

32 – электронный блок ММГ

33 – источник питания электронного блока ММГ

34 – общий вывод источник питания 33

35 – конденсатор, образованный кремнием крышки 10, изоляционным слоем 13 и слоем металлизации 12

36 – конденсатор, образованный кремнием основания 9, изоляционным слоем 11, находящимся по периметру основания 1, и слоем металлизации 12

37 – дополнительный вывод от слоя металлизации 12

На фиг.5 показана упрощенная эквивалентная электрическая схема ММГ.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:

20 – один из конденсаторов, образованных статором 5 и ПМ1

23 – конденсатор, образованный электродом 7 и кремнием крышки 10

24 – конденсатор, образованный статором 5 и кремнием основания 9

25 – эквивалентный резистор, представляющий сопротивления между областью кремния крышки 10 вблизи изоляционного слоя, на котором размещены электроды 6, и областью кремния крышки вблизи слоя металлизации 12

26 – эквивалентный резистор, представляющий сопротивления между областью кремния основания вблизи изоляционного слоя 11, на котором размещены статоры 5, и областью кремния основания вблизи наружной поверхности основания

30 – эквивалентный резистор, представляющий сопротивление между областью кремния основания вблизи изоляционного слоя, на котором размещена опора 2, и областью кремния основания вблизи наружной поверхности основания

35 – конденсатор, образованный кремнием крышки 10, изоляционным слоем 13 и слоем металлизации 12

36 – конденсатор, образованный кремнием основания 9, изоляционным слоем 11 находящимся по периметру основания 1, и слоем металлизации 12

37 – дополнительный вывод от слоя металлизации 12

38 – источник силового сигнала

39 – резистор

40 – операционный усилитель

41 – источник напряжения высокой частоты

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Для изготовления ММГ вибрационного типа используются две кремниевые пластины, первая из которых является (см. фиг.1) основанием 1, на котором установлена опора 2. На этой опоре 2 подвешена с помощью торсионов 3 ПМ 4 (выполнена в виде диска). На основании также установлены статоры 5. ПМ 4 и статоры 5 имеют гребенчатую структуру, образуя гребенчатый двигатель и датчик углового перемещения ПМ 4 в плоскости первичных колебаний.

Электроды 6 (см. фиг.2), используемые для измерения перемещений ПМ 4 в плоскости вторичных колебаний, нанесены на второй кремниевой пластине (крышке). Электроды 7, которые могут использоваться для введения обратной связи и подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний, также сформированы на крышке. Выводы 8 от статоров 5, электродов 6, 7 и опоры 2 позволяют подавать на них электрические сигналы от электронного блока, обеспечивающего функционирование ММГ.

Опора 2, на которой подвешена ПМ 4, и статоры 5 к основанию 1 из кремния 9 соединяются через изолирующий слой оксида кремния 11 (см. фиг.3). Крышка, выполненная из кремния 10, крепится к основанию путем сварки слоев металлизации 12, предварительно нанесенных на основание и на крышку. Слой металлизации 12 на крышке наносится после формирования на периферии крышки изоляционного слоя 13.

В результате описанных технологических операций в микромеханическом узле ММГ формируются гребенчатый двигатель и емкостные датчики перемещения ПМ 4, которые на упрощенной электрической схеме связей между разными узлами микромеханического узла ММГ представляют собой (см. фиг.4) конденсаторы 19-22, образованные ПМ 4 и статорами 5, и конденсаторы 15-18, образованные ПМ 4 и электродами 6, 7. Вывод 8 через сопротивление торсионов 3 (резистор 31) связан с ПМ 4. Электрическим сопротивлением самой опоры по сравнению с сопротивлением тонких торсионов можно пренебречь. Помимо этих элементов и связей, которые могут считаться полезными, в микромеханическом узле ММГ есть паразитные связи, которые изображены конденсаторами 23, 24, 29 и 35 и резисторами 25-28, 30. Конденсаторы образованы проводящими слоями кремния, из которого состоят статоры 5, электроды 6, 7 и опора 2, или слоями металлизации 12 и слоями оксида кремния 11, 13 между проводниками. Необходимо отметить, что диэлектрическая постоянная оксида кремния в 3,9 раза выше вакуума. Поэтому при одинаковых величинах зазора между ПМ 4 и электродами 6, 7 и толщины этого оксидного слоя между электродами и кремнием крышки 11 величины паразитных емкостей оказываются примерно в четыре раза больше полезных. Так, например, если емкость конденсатора 15 равна 2 пФ, то емкость конденсатора 23 будет примерно 8 пФ. Отметим, что при меньших величинах толщины оксидного слоя (как правило, он выбирается равным 0,5 мкм) эти паразитные емкости оказываются соответственно больше, что еще в большей степени увеличивает уровень помех. Суммарная площадь слоев металлизации 12, расположенных по периметру кристалла, также велика, что с учетом диэлектрической постоянной оксида кремния дает величину порядка 15-20 пФ, т.е. значительно больше емкости электродов. К выводам 8, показанным на фиг.2, подключен в ММГ электронный блок 32, который выводами питания соединен с источником напряжения 33, который имеет два вывода, например, 5 В и общий вывод 34. Для того чтобы не загромождать схему соединений на фиг.3 показаны не все связи выводов 8 с соответствующими входами и выходами блока 32. Более подробно они описаны в источнике с прототипом. В предложенном устройстве от слоев металлизации 12 сделан дополнительный вывод 37, который соединен с общим выводом 34 источника 33.

На фиг.5 источник высокочастотного сигнала 41 соединен через вывод 8 и резистор 31 с ПМ 4, источник силового сигнала 38 соединен с одним из статоров 5 (конденсатор 20), вход операционного усилителя 40 соединен инвертирующим входом с электродом 6 (конденсатор 16). Резистор 39 включен между выходом усилителя 40 и его инвертирующим входом. К общему выводу 34 источника питания 33 подключены неинвертирующий вход операционного усилителя 40, выводы источников 41, 38 и дополнительный вывод 37. Элементы 38, 39, 40, 41 являются частью электронного блока 32. С помощью элементов 41, 16, 39 и 40 сформирован емкостной датчик перемещения ПМ 4. При перемещении ПМ 4 вокруг торсионов 3 (например, под действием кориолисового ускорения) изменяется емкость конденсатора 16. Это вызывает изменение тока, поступающего от источника 41 на вход усилителя 40. Входной ток, протекая через резистор 39, преобразуется в напряжение, которое оказывается пропорционально изменению емкости конденсатора 16. Если бы дополнительный вывод 37 отсутствовал, то поступающее переменное напряжение от источника 38 обусловило бы протекание тока через паразитные конденсатор 24, резистор 26, конденсатор 35, резистор 25 и конденсатор 23. Источник напряжения 38 в ММГ используется для возбуждения первичных колебаний на резонансной частоте подвеса. При одинаковых величинах напряжений источников 41 и 38 и одинаковых величинах емкостей 24 и 16 величина тока низкой частоты (помеха от источника 38) будет меньше величины тока высокой частоты (полезный сигнал) в отношении этих частот (fн/fв) раз, которое может составлять примерно 100. Однако с учетом того, что в ММГ необходимо измерять перемещения ПМ 4 на уровне 10^-4-10^-5 от величины зазора, соответственно и измеряемые величины тока оказываются на 2-3 порядка ниже уровня помехи, что и вызывает ухудшение точности ММГ.

Наличие же вывода 36, соединенного с общим выводом источника 34, исключает попадание тока, обусловленного напряжением, поступающим на гребенчатый двигатель, на вход усилителя, осуществляющего преобразование перемещения ПМ 4 под действием кориолисового ускорения в электрический сигнал. Отметим, что это справедливо при малой величине сопротивления резистора 31, что имеет место на практике.

Таким образом, в предложенном устройстве по сравнению с прототипом достигается повышение точности.

Формула изобретения

Микромеханический гироскоп, содержащий основание из кремния с установленными на нем через изолирующие слои статорами и опорой, на которой с помощью торсионов подвешен ротор, крышку из кремния с нанесенным на нем изолирующим слоем, на котором расположены электроды, при этом по периметру основания и крышки нанесены слои металлизации, свариваемые между собой при сборке гироскопа, выводы от статоров, ротора и электродов, электронный блок с источником питания, при этом сигнальные выводы электронного блока соединены с выводами от статоров, ротора и электродов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вывод от слоя металлизации, соединенный с источником питания.

РИСУНКИ