ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 2014 года по МПК G01C19/5712 

Изобретение относится к измерительной технике и интегральной электронике и может быть использовано для одновременного измерения величин двух угловых скоростей.

Известен интегральный микромеханический гироскоп [S.E.Alper, T.Akin, A Planar Gyroscope Using a Standard Surface Micromachining Process, The 14th European Conference on Solid-State Transducers (EUROSENSORS XIV), 2000, p.387, fig.1], содержащий подложку с расположенными на ней шестью электродами, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, образующую с парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор и связанную с внешним подвесом с помощью упругих балок, которые одними концами прикреплены к инерционной массе, а другими - к внешнему подвесу, образующему с двумя другими парами расположенных на подложке электродов плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов. Внешний подвес расположен с зазором относительно подложки с помощью системы упругих балок и опорных элементов.

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

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.

Известен интегральный микромеханический гироскоп [В.П.Тимошенков, С.П.Тимошенков, А.А.Миндеева. Разработка конструкции микрогироскопа на основе КНИ-технологии. Известия вузов. Электроника, 1999, №6, стр.49, рис.2], содержащий диэлектрическую подложку. На диэлектрической подложке напылены четыре электрода и закреплена инерционная масса, которая выполнена в виде пластины из полупроводникового материала, образующая с парой напыленных на подложку электродов плоский конденсатор. Инерционная масса связана 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. Внутренняя колебательная система выполнена из полупроводникового материала и образует с другой парой напыленных на подложку электродов плоский конденсатор, используемый в качестве электростатического привода. 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.

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.

Известен интегральный микромеханический гироскоп [В.Я.Распопов. Микромеханические приборы, Учебное пособие, Тул. гос. университет, Тула, 2002, стр.32, рис.1.26], выбранный в качестве прототипа, содержащий диэлектрическую подложку, на которой закреплены гребенчатые структуры. На гребенчатых структурах расположены пластины электродов электростатического вибропривода. Прямоугольная рама закреплена на диэлектрической подложке через четыре торсиона и расположена с зазором относительно диэлектрической подложки.

Две инерционные массы подвижны относительно диэлектрической подложки и выполнены в виде пластин с гребенчатыми структурами, на которых расположены пластины электродов электростатического вибропривода. Гребенчатые структуры выполнены с возможностью электростатического взаимодействия с пластинами электродов, расположенными неподвижно на диэлектрической подложке, образуя при этом электростатический вибропривод.

На инерционных массах закреплены пластины электродов, образующие с пластинами электродов, закрепленными на диэлектрической подложке, плоские конденсаторы, которые являются датчиками колебаний инерционных масс относительно диэлектрической подложки.

Инерционные массы связаны с рамой через упругие элементы, которые одними концами жестко соединены с инерционными массами, а другими - с рамой. Упругие элементы выполнены с возможностью совершения поступательных колебаний инерционных масс в плоскости диэлектрической подложки, за счет геометрических размеров упругих элементов.

Гребенчатые структуры электростатического вибропривода расположены на диэлектрической подложке и выполнены из полупроводникового материала.

Две инерционные массы, упругие элементы и рама расположены с зазором относительно диэлектрической подложки и выполнены из полупроводникового материала.

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

Недостатком конструкции этого гироскопа является невозможность одновременного измерения двух угловых скоростей вокруг осей X и Y, расположенных в плоскости диэлектрической подложки гироскопа.

Задачей предлагаемого изобретения является создание интегрального микромеханического гироскопа, позволяющего проводить измерения угловых скоростей вокруг двух, взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости подложки.

Поставленная задача достигается за счет того, что интегральный микромеханический гироскоп, так же как в прототипе, содержит две инерционные массы, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами, на которых расположены пластины электродов. Каждая инерционная масса с помощью упругих элементов закреплена в раме. Рама закреплена на диэлектрической подложке через торсионы, которые одними концами жестко соединены рамой, а другими с диэлектрической подложкой. На диэлектрической подложке закреплены гребенчатые структуры, на которых установлены пластины электродов вибропривода, а также гребенчатые структуры с пластинами электродов датчиков колебаний инерционных масс относительно диэлектрической подложки. Инерционные массы, рама, упругие элементы и гребенчатые структуры, закрепленные на раме и на двух инерционных массах, расположены с зазором относительно диэлектрической подложки.

Согласно изобретению упругие элементы размещены с возможностью совершения поступательных колебаний инерционных масс вдоль двух взаимно перпендикулярных осей, расположенных в плоскости диэлектрической подложки. На инерционных массах закреплены гребенчатые структуры, на которых расположены пластины электродов, образующие с пластинами электродов, закрепленными на гребенчатых структурах диэлектрической подложки, плоские конденсаторы, являющиеся датчиками колебаний инерционных масс относительно диэлектрической подложки. На раме закреплены гребенчатые структуры, на которых установлены пластины электродов, образующие с пластинами электродов, закрепленными на гребенчатых структурах диэлектрической подложки, плоские конденсаторы, являющиеся электростатическим виброприводом.

Инерционные массы, рама, торсионы, упругие элементы, гребенчатые структуры, закрепленные на раме, и гребенчатые структуры, закрепленные на двух инерционных массах, выполнены из полупроводникового материала.

Предложенное расположение вибропривода и датчиков колебаний инерционных масс, а также крепление одной из инерционных масс приводит к изменению направления колебаний этой инерционной массы, что позволяет измерять величины угловых скоростей поворота основания вокруг осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости диэлектрической подложки.

На фиг.1 приведена топология и сечение предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа.

Интегральный микромеханический гироскоп содержит две инерционные массы 1 и 2, выполненные в виде пластин. Инерционные массы 1 и 2 подвижны относительно диэлектрической подложки 3.

Прямоугольная рама 4 расположена с зазором относительно диэлектрической подложки 3.

Инерционная масса 1 закреплена в раме 4 с помощью упругих элементов 5 и 6, которые жестко прикреплены одними концами к внутренней раме 4, а другими - к инерционной массе 1. Упругие элементы 5 и 6 размещены в интегральном микромеханическом гироскопе с возможностью совершения поступательных колебаний инерционной массы 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости диэлектрической подложки 3 за счет геометрических размеров упругих элементов 5, 6.

Инерционная масса 2 закреплена в раме 4 с помощью упругих элементов 7 и 8, которые жестко прикреплены одними концами к внутренней раме 4, а другими - к инерционной массе 2. Упругие элементы 7 и 8 размещены в интегральном микромеханическом гироскопе с возможностью совершения поступательных колебаний инерционной массы 2 вдоль оси X, расположенной в плоскости диэлектрической подложки 3 за счет геометрических размеров упругих элементов 7, 8.

На инерционной массе 1 закреплены гребенчатые структуры 9 и 10, на которых соответственно расположены пластины электродов 11 и 12.

На инерционной массе 2 закреплены гребенчатые структуры 13 и 14, на которых соответственно расположены пластины электродов 15 и 16.

На диэлектрической подложке 3 закреплены гребенчатые структуры 17, 18, 19, 20, на которых соответственно расположены пластины электродов 21, 22, 23, 24.

Пластины электродов 21 и 22 выполнены с возможностью соответственного электростатического взаимодействия с пластинами электродов 11 и 12, образуя при этом датчик колебаний инерционной массы 1 относительно диэлектрической подложки 3.

Пластины электродов 23 и 24 выполнены с возможностью соответственного электростатического взаимодействия с пластинами электродов 15 и 16, образуя при этом датчик колебаний инерционной массы 2 относительно диэлектрической подложки 3

Рама 4 закреплена на диэлектрической подложке 3 с помощью четырех торсионов 25, 26, 27, 28, которые жестко прикреплены одними концами к раме 4, а другими - к диэлектрической подложке 3.

На раме 4 с двух противоположных сторон закреплены гребенчатые структуры 29 и 30, на которых соответственно установлены пластины электродов 31 и 32.

На диэлектрической подложке 3 закреплены гребенчатые структуры 33 и 34, на которых соответственно установлены пластины электродов 35 и 36, образующие с пластинами электродов 31 и 32, закрепленными на раме 4, плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатического вибропривода.

Инерционные массы 1, 2, рама 4, упругие элементы 5, 6, 7, 8, гребенчатые структуры 9, 10, 13, 14, 29, 30, на которых расположены пластины электродов 11, 12, 15, 16, 31, 32, расположены с зазором относительно диэлектрической подложки 3.

Инерционные массы 1, 2, рама 4, упругие элементы 5, 6, 7, 8, гребенчатые структуры 9, 10, 13, 14, 29, 30, на которых расположены пластины электродов 11, 12, 15, 16, 31, 32, торсионы 25, 26, 27, 28, выполнены из поликристаллического или монокристаллического кремния.

Диэлектрическая подложка 3 может быть изготовлена из боросиликатного стекла.

Работает устройство следующим образом.

При подаче на пластины электродов 31, 32 и 35, 36 электростатического вибропривода переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга на 180°, между пластинами электродов 31, 35 и 32, 36 возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний рамы 4 и инерционных масс 1, 2 в плоскости, перпендикулярной диэлектрической подложке 3 вдоль оси Z, за счет изгиба торсионов 25, 26, 27, 28. При этом колебаний инерционных масс 1, 2 относительно рамы 4 не происходит. Напряжения, генерируемые на датчиках колебаний, образованных пластинами электродов 11 и 21, 12 и 22, 15 и 23, 16 и 24, соответственно одинаковы.

При возникновении вращения (угловой скорости) диэлектрической подложки 3 вокруг оси X, расположенной в плоскости диэлектрической подложки 3, под действием силы Кориолиса инерционная масса 1 начинает совершать колебания относительно диэлектрической подложки 3 за счет изгиба упругих элементов 5, 6. Разность напряжений, генерируемых на датчиках колебаний, образованных пластинами электродов 11 и 12, расположенных на инерционной массе 1, а также пластинами электродов 21 и 22, расположенных на диэлектрической подложке 3, характеризует величину измеряемой угловой скорости. Амплитуда этих колебаний является мерой угловой скорости, а фаза говорит о направлении скорости. Напряжения, генерируемые в датчиках колебаний, образованных электродами 15 и 23, а так же 16 и 24, не изменяются.

При возникновении вращения (угловой скорости) диэлектрической подложки 3 вокруг оси Y, расположенной в плоскости диэлектрической подложки 3, под действием силы Кориолиса инерционная масса 2 начинает совершать колебания относительно диэлектрической подложки 3 за счет изгиба упругих элементов 7, 8. Разность напряжений, генерируемых на датчиках колебаний, образованных пластинами электродов 15 и 23, расположенных на раме инерционной массе 2, а также пластинами электродов 16 и 24, расположенных на диэлектрической подложке 3, характеризует величину измеряемой угловой скорости. Амплитуда этих колебаний является мерой угловой скорости, а фаза говорит о направлении скорости. Напряжения, генерируемые в датчиках колебаний, образованных электродами 11 и 21, а так же 12 и 22, не изменяются.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп, позволяющий одновременно измерять величины угловых скоростей вокруг осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости диэлектрической подложки 3.

Изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Гироскоп содержит две инерционные массы, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами, на которых расположены пластины электродов, образующие с пластинами электродов, закрепленных на гребенчатых структурах диэлектрической подложки, плоские конденсаторы, являющиеся датчиками колебаний инерционных масс относительно диэлектрической подложки. Каждая инерционная масса закреплена в раме с помощью упругих элементов, которые размещены с возможностью совершения поступательных колебаний инерционных масс вдоль двух взаимно перпендикулярных осей, расположенных в плоскости диэлектрической подложки. Рама закреплена на диэлектрической подложке через торсионы, которые одними концами жестко соединены с рамой, а другими - с диэлектрической подложкой. Инерционные массы, рама, упругие элементы и гребенчатые структуры, закрепленные на раме и двух инерционных массах, расположены с зазором относительно диэлектрической подложки. Изобретение обеспечивает возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости диэлектрической подложки гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Интегральный микромеханический гироскоп, содержащий две инерционные массы, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами, на которых расположены пластины электродов, каждая инерционная масса с помощью упругих элементов закреплена в раме, которая закреплена на диэлектрической подложке через торсионы, которые одними концами жестко соединены с рамой, а другими с диэлектрической подложкой, на которой закреплены гребенчатые структуры, на которых установлены пластины электродов вибропривода, при этом на диэлектрической подложке закреплены гребенчатые структуры с пластинами электродов датчиков колебаний инерционных масс относительно диэлектрической подложки, причем инерционные массы, рама, упругие элементы и гребенчатые структуры, закрепленные на раме и двух инерционных массах, расположены с зазором относительно диэлектрической подложки, отличающийся тем, что упругие элементы размещены с возможностью совершения поступательных колебаний инерционных масс вдоль двух взаимно перпендикулярных осей, расположенных в плоскости диэлектрической подложки, на инерционных массах закреплены гребенчатые структуры, на которых расположены пластины электродов, образующие с пластинами электродов, закрепленными на гребенчатых структурах диэлектрической подложки, плоские конденсаторы, являющиеся датчиками колебаний инерционных масс относительно диэлектрической подложки, на раме закреплены гребенчатые структуры, на которых установлены пластины электродов, образующие с пластинами электродов, закрепленных на гребенчатых структурах диэлектрической подложки, плоские конденсаторы, являющиеся электростатическим виброприводом.

2. Интегральный микромеханический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что инерционные массы, рама, торсионы, упругие элементы, гребенчатые структуры, закрепленные на раме, и гребенчатые структуры, закрепленные на двух инерционных массах, выполнены из полупроводникового материала.