МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 2009 года по МПК G01C19/56 G01P9/04 

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, 325-462 стр]. По осям движения ПМ располагают неподвижные электроды (или статоры). Эти статоры с проводящей ПМ образуют конденсаторы, емкости которых зависят от положения ПМ.

На силовые 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, А.М.Shkel, Structurally decoupled micromachined gyroscopes with post-release capacitance enhancement, Journal of Micromechanics and Microengineerig 15, (2005) р.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 сигналы, величину которых 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, являющемся диэлектриком (см. М.Е.Ash et al. Micromechanical Inertial Sensor Development at Draper Laboratory With Recent Test Results. Symposium Gyro Technology 1999, Stuttgart, Germany, р.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 конструкции ММГ, выполненной целиком на кристалле кремния и имеющей большое количество электродов на одной подложке, можно привести ММГ фирмы Bosch, в которой и силовые электроды канала возбуждения первичных колебаний, и измерительные 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. XII 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 измерительные 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 измерительными 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 силовых электродов драйва, что увеличивает шумы и помехи на выходе демодулятора в этом канале. Кроме того, сигналы, поступающие на силовые электроды или электроды обратной связи, также могут проходить через паразитные емкости на вход преобразователя емкость-напряжение. В конечном счете, это ухудшает точность ММГ.

В качестве прототипа выбран ММГ, описанный в упомянутой работе Пешехонова [Пешехонов В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г. стр.268-274]. 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, 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 легированный кремний 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 основание и крышка сварены по периметру, электронный блок с источником питания, при этом сигнальные выводы электронного блока соединены с выводами от статоров, ротора и электродов, в нем введены выводы, по крайней мере, от кремния основания или крышки, которые соединены с общим выводом источника питания. Кроме того, поставленная задача решается тем, что на наружную поверхность кремния крышки и/или основания нанесен слой металлизации, который соединен с общим выводом источника питания.

По существу в предлагаемом микромеханическом гироскопе предложено за счет соединения кремния основания и крышки с общим выводом источника питания уменьшить влияние силовых электродов на измерительные. Дополнительный эффект от этого проявляется в том, что электроды и диск экранируются проводящим кремнием и дополнительным слоем металлизации крышки и основания.

Заявляемое устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен вариант конструкции ММГ. На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - основание;

2 - опора;

3 - торсионы;

4 - подвижная масса (ПМ);

4 - 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.

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;

9 - кремний основания 1;

10 - кремний крышки;

14 - выход электронного блока ММГ;

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

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

23 - конденсаторы, образованные электродами 7, 6 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 1;

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 источника 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 слой металлизации сверху кремния крышки 10;

38 - дополнительный слой металлизации снизу кремния основания 9;

39 - дополнительный вывод от кремния основания 9;

40 - дополнительный вывод от кремния крышки 10.

41 - источник управляющего напряжения.

42 - ток от источника управляющего напряжения 41.

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 установлены на основании 1 из кремния 9 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 крышке. 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 кремния крышки 11 величины паразитных емкостей оказываются примерно в 4 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. В предложенном устройстве от кремния крышки 10 и основания 9 сделан дополнительный вывод 39 и 40 соответственно, который соединен с общим выводом 34 источника 33. Дополнительный эффект уменьшения паразитных связей достигается за счет нанесения дополнительного слоя металлизации 37 и 38 по всей поверхности кремния крышки 10 и основания 9, что приводит к значительному уменьшению эквивалентных резисторов 25 и 26. Также дополнительный слой металлизации 37 и 38 выступает как экран для электродов и ПМ 4 от электромагнитных воздействий окружающей среды.

На фиг.4 показано прохождение тока 42 от источника управляющего напряжения 41 на входы электронного блока 32 через измерительные электроды.

Благодаря введенному слою металлизации 38 и 37, который приводит к уменьшению сопротивлений 25 и 26 и дополнительным выводам 39 и 40 от кремния, соединенным с общим выводом 34, доля тока от источника U1, проходящего через резистор 26, увеличивается, а доля тока, проходящего на электронный блок 32, уменьшается. Таким образом уменьшается влияние паразитных связей и уровень помех в предлагаемом ММГ.

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

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, и крышку из кремния с нанесенным на нем изолирующим слоем, на котором расположены электроды, и электронный блок с источником питания. Основание и крышка сварены по периметру. Сигнальные выводы электронного блока соединены с выводами от статоров, ротора и электродов, выводы, по крайней мере, от кремния основания или крышки соединены с общим выводом источника питания. Кроме того, на наружную поверхность кремния крышки и/или основания нанесен слой металлизации. Введение дополнительного вывода от кремния основания и/или крышки, а также нанесение дополнительного слоя металлизации на наружную поверхность кремния крышки и/или основания позволяют уменьшить влияние паразитных связей между силовыми и сигнальными электродами ММГ. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. 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 основание и крышка сварены по периметру, электронный блок с источником питания, при этом сигнальные выводы электронного блока соединены с выводами от статоров, ротора и электродов, отличающийся тем, что в нем введены выводы от кремния основания и/или крышки, которые соединены с общим выводом источника питания.2. Микромеханический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что предварительно на наружную поверхность кремния крышки и/или основания нанесен слой металлизации, который соединен с общим выводом источника питания.