Патент на изобретение №2353903

(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Гироскоп содержит диэлектрическую подложку, на которой закреплено основание и неподвижные гребенчатые структуры в виде пластин электростатического вибропривода. В основании закреплена прямоугольная наружная рама посредством четырех упругих балок. На наружной раме с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей перемещений внутренней рамы относительно наружной рамы и подвижные гребенчатые структуры в виде пластин электростатического вибропривода, которые выполнены с возможностью электростатического взаимодействия с подвижными пластинами вибропривода через боковые зазоры за счет взаимопроникающих друг в друга гребенчатых структур электростатического вибропривода. Внутренняя прямоугольная рама закреплена в основании посредством четырех упругих балок. На внутренней раме с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей перемещений внутренней рамы относительно наружной и два электрода емкостных преобразователей перемещений инерционной массы относительно внутренней рамы. Инерционная масса, выполненная в виде пластины, на которой с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей ее перемещений относительно внутренней рамы, закреплена во внутренней раме с помощью четырех упругих балок, обеспечивающих возможность совершения поступательных колебаний вдоль оси, расположенной в плоскости подложки. Инерционная масса, внутренняя рама, наружная рама и упругие балки выполнены из полупроводникового материала и расположены с зазором относительно подложки. Техническим результатом является обеспечение возможности измерения величины угловой скорости вокруг осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости.

Известен 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 гребенки электродов, два электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами, 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 гребенки электродов.

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

Недостатком конструкции данного гироскопа является невозможность одновременного измерения двух угловых скоростей основания: вокруг осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки гироскопа.

Известен интегральный микромеханический гироскоп [А.В.Збруцкий, В.А.Апостолюк. Динамика чувствительного элемента микромеханического гироскопа с дополнительной рамкой. Гироскопия и навигация 2(22), 1998, с.13-23], содержащий инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки.

Инерционная масса закреплена в рамке с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, которые одними концами жестко прикреплены к рамке, а другими – к инерционной массе.

На инерционной массе, с двух противоположенных сторон закреплены электроды, образующие с двумя электродами, закрепленными на рамке, плоские конденсаторы, которые являются емкостными преобразователями перемещений инерционной массы относительно рамки.

Рамка выполнена из полупроводникового материала и расположена с зазором относительно полупроводниковой подложки.

Рамка закреплена в основании с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, которые одними концами жестко прикреплены к рамке, а другими – к основанию.

На рамке с двух противоположных сторон закреплены гребенчатые структуры электростатического вибропривода, которые имеют возможность электростатического взаимодействия через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов с пластинами электростатического вибропривода закрепленными на основании. Основание расположено непосредственно на подложке и выполнено из полупроводникового материала в виде прямоугольной рамы.

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

Недостатком конструкции данного гироскопа является невозможность одновременного измерения двух угловых скоростей основания вокруг осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки гироскопа.

Известен наиболее близкий к заявляемому объекту интегральный микромеханический гироскоп [патент РФ 2300773, G01P 15/08 (2006.01), опубликованный 10.06.2007 Бюл. 16], который содержит диэлектрическую подложку с расположенными на ней металлическими электродами емкостных преобразователей перемещений, два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре опоры, расположенные непосредственно на подложке. Один подвижный электрод электростатического привода, выполненного в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон и расположенного с зазором относительно полупроводниковой подложки. Подвижный электрод соединен с опорами с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки. Балки одними концами жестко прикреплены к подвижному электроду, а другими – к четырем опорам.

Внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, соединенная с подвижным электродом с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала. Упругие балки расположены с зазором относительно подложки.

Инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, соединенная с внутренней рамкой с помощью двух торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала. Упругие балки расположены с зазором относительно полупроводниковой подложки.

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

Недостатком конструкции данного гироскопа является невозможность одновременного измерения двух угловых скоростей основания: вокруг осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки гироскопа

Задача предлагаемого изобретения – расширение арсенала средств аналогичного назначения за счет возможности измерения угловых скоростей вокруг двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки.

Поставленная задача достигается за счет того, что интегральный микромеханический гироскоп содержит, так же как прототип, диэлектрическую подложку, на которой закреплено основание, неподвижные гребенчатые структуры в виде пластин электростатического вибропривода, при этом в основании закреплена прямоугольная наружная рама посредством четырех упругих балок, а на наружной раме с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей перемещений внутренней рамы относительно наружной рамы и подвижные гребенчатые структуры в виде пластин электростатического вибропривода, выполненные с возможностью электростатического взаимодействия с подвижными пластинами через боковые зазоры за счет взаимопроникающих друг в друга гребенчатых структур электростатического вибропривода, внутренняя прямоугольная рама, закрепленная в основании посредством четырех упругих балок, инерционная масса, выполненная в виде пластины, на которой с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей ее перемещений относительно внутренней рамы, причем инерционная масса закреплена во внутренней раме с помощью двух упругих балок, при этом инерционная масса, внутренняя рама, наружная рама и упругие балки расположены с зазором относительно подложки.

Согласно изобретению для закрепления инерционной массы во внутренней раме введены две дополнительные упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, причем эти упругие балки размещены в микромеханическом гироскопе таким образом, чтобы обеспечивать возможность совершения поступательных колебаний инерционной массы вдоль оси Х, расположенной в плоскости подложки, а на внутренней раме с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей перемещений внутренней рамы относительно наружной и два электрода емкостных преобразователей перемещений инерционной массы относительно внутренней рамы

Введение двух дополнительных упругих балок для закрепления инерционной массы во внутренней раме, электродов емкостных преобразователей перемещений внутренней рамы относительно наружной, а так же двух электродов емкостных преобразователей перемещений инерционной массы относительно внутренней рамы, расположенных на внутренней раме с двух противоположных сторон, позволяет измерять величины угловых скоростей поворота основания вокруг осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки.

На чертеже приведена топология и сечения предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа.

Интегральный микромеханический гироскоп содержит инерционную массу 1, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 2.

Инерционная масса 1 закреплена во внутренней раме 3 с помощью четырех упругих балок 4, 5, 6, 7, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 2. Упругие балки 4, 5,6, 7 размещены в микромеханическом гироскопе таким образом, чтобы обеспечивать возможность совершения поступательных колебаний инерционной массы вдоль оси Х, расположенной в плоскости подложки.

На инерционной массе 1, с двух противоположных сторон закреплены электроды 8, 9, образующие с двумя электродами 10, 11, закрепленными на внутренней раме 3, плоские конденсаторы, которые являются емкостными преобразователями перемещений инерционной массы 1 относительно внутренней рамы 3.

Прямоугольная внутренняя рама 3 выполнена из полупроводникового материала и расположена с зазором относительно полупроводниковой подложки 2.

Внутренняя рама 3 закреплена в наружной раме 12 с помощью четырех упругих балок 13, 14, 15, 16, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 2. Упругие балки одними концами жестко прикреплены к наружной раме 12, а другими – к внутренней раме 3.

На внутренней раме 3, с двух противоположных сторон закреплены электроды 17, 18, образующие с двумя электродами 19, 20, закрепленными на наружной раме 12, плоские конденсаторы, которые являются емкостными преобразователями перемещений внутренней рамы 3 относительно наружной рамы 12.

Прямоугольная наружная рама 12 выполнена из полупроводникового материала и расположена с зазором относительно полупроводниковой подложки 2.

На наружной раме 12, с двух противоположных сторон закреплены подвижные относительно подложки гребенчатые структуры в виде параллельно расположенных пластин 21, 22 электростатического вибропривода.

На основании 25 с двух противоположных сторон закреплены неподвижные относительно подложки гребенчатые структуры в виде параллельно расположенных пластин 23, 24 электростатического вибропривода, которые имеют возможность электростатического взаимодействия с подвижными пластинами 21, 22 через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга пластины электростатического вибропривода.

Основание 25 расположено непосредственно на подложке 2 и выполнено из полупроводникового материала в виде прямоугольной рамы.

Наружная рама 12 закреплена в основании 25 с помощью четырех упругих балок 26, 27, 28, 29, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 2, которые одними концами жестко прикреплены к наружной раме 12, а другими – к основанию 25.

Работает устройство следующим образом.

При подаче на пластины 21, 22 и 23, 24 электростатического привода переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга на 180°, между пластинами 21, 22 и 23, 24 возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний гироскопа в плоскости, перпендикулярной полупроводниковой подложке 2 вдоль оси Z, за счет изгиба упругих балок 26, 27, 28, 29, соединяющих наружную раму 12 с основанием 25.

Зазоры между внутренней рамой 3 и инерционной массой 1, а так же между наружной рамой 12 и внутренней рамой 3 при этом не изменяются. Напряжения, генерируемые на парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 8, 10 и 9, 11, а так же 17, 19 и 18, 20 соответственно одинаковы.

При возникновении вращения (угловой скорости) полупроводниковой подложки 2 вокруг оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 2, под действием силы Кориолиса внутренняя рама 3 вместе с инерционной массой 1 начинают совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 2 за счет изгиба упругих балок 13, 14, 15, 16 относительно наружной рамы 12. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 18 и 20, а также 17 и 19, расположенными на внутренней раме 3 и наружной раме 12 соответственно, за счет изменения величины зазора между ними характеризует величину измеряемой угловой скорости. Амплитуда этих колебаний является мерой угловой скорости, а фаза говорит о направлении скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 8 и 10, а так же 9 и 11, не изменяются.

При возникновении вращения (угловой скорости) полупроводниковой подложки 2 вокруг другой оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 2 (ось Y), под действием силы Кориолиса инерционная масса 1 начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 2 за счет изгиба упругих балок 4, 5, 6, 7 относительно внутренней рамы 3. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 8 и 10, а также 9 и 11, расположенными на внутренней раме 3 и инерционной массе 1 соответственно, за счет изменения величины зазора между ними характеризует величину измеряемой угловой скорости. Амплитуда этих колебаний является мерой угловой скорости, а фаза говорит о направлении скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 17 и 19, 18 и 20, не изменяются.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп, позволяющий измерять величины угловых скоростей вокруг осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки.

Формула изобретения

1. Интегральный механический гироскоп, содержащий диэлектрическую подложку, на которой закреплено основание, неподвижные гребенчатые структуры в виде пластин электростатического вибропривода, при этом в основании закреплена прямоугольная наружная рама посредством четырех упругих балок, а на наружной раме с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей перемещений внутренней рамы относительно наружной рамы и подвижные гребенчатые структуры в виде пластин электростатического вибропривода, выполненные с возможностью электростатического взаимодействия с подвижными пластинами через боковые зазоры за счет взаимопроникающих друг в друга гребенчатых структур электростатического вибропривода, внутренняя прямоугольная рама, закрепленная в основании посредством четырех упругих балок, инерционная масса, выполненная в виде пластины, на которой с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей ее перемещений относительно внутренней рамы, причем инерционная масса закреплена во внутренней раме с помощью двух упругих балок, при этом инерционная масса, внутренняя рама, наружная рама и упругие балки расположены с зазором относительно подложки, отличающийся тем, что для закрепления инерционной массы во внутренней раме использованы две дополнительные упругие балки, обеспечивающие возможность совершения поступательных колебаний инерционной массы вдоль оси, расположенной в плоскости подложки, а на внутренней раме с двух противоположных сторон закреплены электроды емкостных преобразователей перемещений внутренней рамы относительно наружной и два электрода емкостных преобразователей перемещений инерционной массы относительно внутренней рамы.

2. Интегральный микромеханический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что инерционная масса, внутренняя и наружная рамы, основание и упругие балки выполнены из полупроводникового материала.

РИСУНКИ