ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Российский патент 2007 года по МПК G01C19/56 G01P9/04 

Предлагаемое 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, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.

Причинами, препятствующими 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, 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, 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 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 первых 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 вторых 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 опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, подвижный электрод электростатического привода в виде прямоугольной рамки с гребенчатыми структурами с двух противоположных сторон, упругие балки и инерционная масса, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.

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

Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X, расположенной 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, внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительной инерционной массы, выполненной из полупроводникового материала и расположенной на инерционной массе, торсионной балки, выполненной на основе углеродной нанотрубки и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, шести элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполненные на основе углеродных нанотрубок, соединенные одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью двух элементов крепления - с подвижным электродом.

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 первых 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, введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительная инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная на инерционной массе, торсионная балка, выполненная на основе углеродной нанотрубки и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, шесть элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполнены на основе углеродных нанотрубок и соединены одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижным электродом.

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 двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и двумя дополнительными неподвижными электродами 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 первых 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 вторых четырех упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных на основе углеродных нанотрубок, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, одни концы которых с помощью двух элементов крепления 22, 23, выполненных из полупроводникового материала, жестко соединены с внутренней рамкой 17, а другие с помощью четырех элементов крепления 24, 25, 26, 27 - с подвижным электродом 12, инерционную массу 28, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 плоские конденсаторы и соединенную с внутренней рамкой 17 с помощью торсионной балки 29, выполненной на основе углеродной нанотрубки, концы которой с помощью двух элементов крепления 22, 23, выполненных из полупроводникового материала, жестко соединены с внутренней рамкой 17, а центральная часть торсионной балки 29 с помощью дополнительной инерционной массы 30, выполненной из полупроводникового материала, жестко соединена с инерционной массой 28.

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 28 и дополнительной инерционной массы 30 в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y) за счет изгиба первых четырех 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 дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамкой 17 и дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28, соответственно, одинаковы.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционная масса 28 и дополнительная инерционная масса 30, под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет кручения торсионной балки 29, закрепленной на внутренней рамке 17 с помощью двух элементов крепления 22, 23. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 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 28 и дополнительная инерционная масса 30 под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания вдоль плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет изгиба вторых упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных на основе углеродных нанотрубок и закрепленных с помощью шести элементов крепления 22, 23, 24, 25, 26, 27. 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 преобразователей перемещений, образованных дополнительными неподвижными электродами 4, 5 и инерционными массами 28, 30 соответственно, одинаковы.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп, позволяющий измерять величину угловой скорости вокруг осей X, расположенной 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, внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительной инерционной массы, выполненной из полупроводникового материала и расположенной на инерционной массе, торсионной балки, выполненной на основе углеродной нанотрубки и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, шести элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполненные на основе углеродных нанотрубок, соединенные одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижным электродом, позволяет измерять величину угловой скорости вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси 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 - оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки, используется только один интегральный микромеханический гироскоп.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 вокруг оси, расположенной в плоскости подложки, инерционные массы 28 и 30 начинают колебаться в плоскости, перпендикулярной подложке, за счет кручения торсионной балки 29. При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 вокруг оси, расположенной перпендикулярно подложке, инерционные массы начинают совершать колебания вдоль плоскости подложки за счет изгиба упругих балок 18-21, выполненных на основе углеродных нанотрубок. Таким образом, обеспечивается возможность измерения величины угловой скорости вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа. 2 ил.

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 первых 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, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительная инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная на инерционной массе, торсионная балка, выполненная на основе углеродной нанотрубки и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, шесть элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, причем инерционная масса располагается во внутренней рамке и соединена с ней с помощью торсионной балки, концы которой жестко соединены с внутренней рамкой с помощью двух элементов крепления, а центральная часть торсионной балки прикреплена к инерционной массе с помощью дополнительной инерционной массы и образует с двумя дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, причем вторые четыре упругие балки, расположенные с зазором относительно подложки, выполнены на основе углеродных нанотрубок и соединены одними концами с помощью двух элементов крепления с внутренней рамкой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижным электродом.