ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП-АКСЕЛЕРОМЕТР
INTEGRATED MICROMECHANICAL ACCELEROMETER GYROSCOPE

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.
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 два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольная рамка, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, электрод, расположенный непосредственно на подложке.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг взаимно перпендикулярных осей X, Y, расположенных в плоскости подложки и ускорения по осям X, Y, Z.
Функциональным аналогом заявляемого объекта является 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 четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор и связанную с внешним подвесом с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к внешнему подвесу, выполненному из полупроводникового материала и образующему с другой парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор, используемый в качестве электростатического привода, причем внешний подвес соединен с опорами с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с внешним подвесом, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и два электрода, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке с зазором относительно внешнего подвеса так, что образуют плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов.
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 два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольная рамка, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений, выполненный из полупроводникового материала, расположенный на подложке, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг взаимно перпендикулярных осей X, Y, расположенных в плоскости подложки и ускорения по осям X, Y, Z.
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.l], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя планарными неподвижными электродами, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода 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, прямоугольную рамку, выполненную из полупроводникового материала, соединенную с опорами с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к прямоугольной рамке, а другими - к опорам, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, образующую с расположенными на полупроводниковой подложке двумя планарными неподвижными электродами плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры, соединенную с прямоугольной рамкой с помощью других четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к прямоугольной рамке.
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 с расположенными на ней планарными неподвижными электродами, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольная рамка, выполненная из полупроводникового материала, соединенная с опорами с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, другие четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг взаимно перпендикулярных осей X, Y, расположенных в плоскости подложки и ускорения по осям X, Y, Z.
Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величин угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин угловой скорости и ускорения вокруг осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра.
Технический результат достигается за счет введения двух подвижных электродов, выполненных из полупроводникового материала в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительного неподвижного электрода, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, четырех дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем планарные неподвижные электроды образуют плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры с прямоугольной рамкой.
Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней планарными неподвижными электродами, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода 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, прямоугольную рамку, выполненную из полупроводникового материала, соединенную с опорами с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, другие четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, введены два подвижных электрода, выполненных из полупроводникового материала в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительный неподвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке, четыре дополнительные упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем планарные неподвижные электроды образуют плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры с прямоугольной рамкой.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
На фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра и показаны сечения. На фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра.
Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр (фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней двумя планарными неподвижными электродами 2, 3 и неподвижным электродом 4, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны 5, 6, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке 1, два подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 7, 8, выполненных в виде пластин из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующих электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами 5, 6 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 9, 10, 11, 12, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с подвижными электродами электростатических приводов 7, 8, а другими - с опорами 13, 14, 15, 16, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, прямоугольную рамку 17, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с двумя неподвижными электродами 2, 4 плоские конденсаторы в плоскости их пластин и через боковые зазоры, соединенную с подвижными электродами 7, 8 с помощью четырех упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к прямоугольной рамке 17, а другими - к подвижным электродам 7, 8, инерционную массу 22, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с неподвижным электродом 3 плоский конденсатор, соединенную с прямоугольной рамкой 17 с помощью четырех упругих балок 23, 24, 25, 26, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе 22, а другими - к прямоугольной рамке 17.
Работает устройство следующим образом.
При подаче на неподвижные электроды 5, 6 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов 7, 8 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний последних в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y) за счет s-образного изгиба упругих балок 9, 10, 11, 12, соединяющих подвижные электроды 7, 8 с опорами 13, 14, 15, 16. Колебания подвижных электродов 7, 8 передаются прямоугольной рамке 17 через упругие балки 18, 19, 20, 21, а колебания прямоугольной рамки 17 передаются инерционной массе 22 через упругие балки 23, 24, 25, 26. Зазор между планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционной масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 23, 24, 25, 26. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 соответственно, одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси X) за счет s-образного изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостном преобразователе перемещений, образованном электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно, одинаковы.
При подаче на планарные неподвижные электроды 2, 3 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно прямоугольной рамки 17 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний последней в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси X) за счет s-образного изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21, соединяющих прямоугольную рамку 17 с подвижными электродами 7, 8. Колебания прямоугольной рамки 17 передаются инерционной массе 22 через упругие балки 23, 24, 25, 26. Зазор между неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно не изменяется. Зазор между неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 и неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно, одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Y), инерционной масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 23, 24, 25, 26. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Зазор между неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно не изменяется.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y). Колебания инерционной массы 22 передаются прямоугольной рамке 17 через упругие балки 23, 24, 25, 26, а колебания прямоугольной рамки, в свою очередь, передаются подвижным электродам 7, 8 через упругие балки 18, 19, 20, 21 соответственно. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Зазор между планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно, одинаковы.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 22, жестко прикрепленная к прямоугольной рамке 17 при помощи упругих балок 23, 24, 25, 26, под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси X в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21, которые одними концами жестко соединены с прямоугольной рамкой 17, а другими - с подвижными электродами 7, 8 соответственно. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину ускорения.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 22 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 9, 10, 11, 12, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами 7, 8, а другими - с опорами 13, 14, 15, 16 соответственно. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину ускорения.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 22 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 23, 24, 25, 26. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 за счет изменения величины зазора между ними, характеризуют величину ускорения.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величины угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра.
Введение двух подвижных электродов, выполненных из полупроводникового материала в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительного неподвижного электрода, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, четырех дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем планарные неподвижные электроды образуют плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры с прямоугольной рамкой, позволяет измерять величины угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин угловой скорости и ускорения.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и ускорения, так как для измерения величин угловой скорости и ускорения по трем осям X, Y, Z используется только один интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр.