МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM FOR ANGULAR VELOCITY SENSOR

Область техники
Изобретение относится к измерению угловой скорости. Более конкретно, изобретение относится к полностью симметричной микроэлектромеханической системе (МЭМС) для датчика угловой скорости, выполненной двусторонней, чтобы обеспечить высокую прецизионность и высокую стабильность.
Уровень техники
Имеется существенная потребность в высокопрецизионных и высокостабильных датчиках угловой скорости для различных электронных измерительных систем. Существующие датчики угловой скорости содержат вибрационные измерители угловой скорости, или гироскопы, которые используют вибрирующие компоненты, такие как опорные генераторы частоты ("камертоны"), и конструируются и тестируются в металлическом, кварцевом и кремниевом вариантах. Гироскопы на основе кварца и кремния являются предпочтительными по сравнению с гироскопами на металлической основе, поскольку они допускают миниатюризацию и могут производиться относительно дешево в больших количествах методом изготовления партиями.
Гироскопы с опорными генераторами частоты требуют использования конструкций по меньшей мере с двумя ортогональными степенями свободы. Применительно к таким устройствам в датчике необходимо сгенерировать и поддерживать известное (первичное) движение, соответствующее первой степени свободы. Внешняя угловая скорость, воздействующая на датчик в направлении, перпендикулярном первичному движению, создает осциллирующую кориолисову силу в направлении, соответствующем второй степени свободы. Индуцированная кориолисова сила пропорциональна внешней угловой скорости и амплитуде первичного движения. В связи с этим желательно генерировать и поддерживать первичные осцилляции с большой амплитудой, что наиболее успешно обеспечивается в конструкциях, герметизированных в вакууме и обладающих высокими коэффициентами добротности.
Подобные гироскопы камертонного типа можно выполнить вибрирующими в соответствии с различными сбалансированными модами (формами колебаний), что делает эти устройства нечувствительными к вибрациям и линейным ускорениям. Они могут выполняться с открытым или замкнутым контуром обратной связи или с комбинацией этих контуров.
Некоторые известные устройства используют электростатическое возбуждение вибрирующего элемента и детектируют индуцированное кориолисовой силой движение емкостным методом. С учетом отличных электромеханических свойств кремния, такие устройства обычно изготавливают, используя кремниевые или поликремниевые пластины или пластины типа кремний на диэлектрике. Обычно в гироскопах на базе кремния электростатическое возбуждение осуществляют под прямыми углами к поверхности подложки. Однако известные микромеханические гироскопы, использующие эту схему, например, описанные в US 7325451 В и US 7454971 В, хотя и являются относительно простыми в изготовлении, обладают низкой чувствительностью.
Данная проблема может решаться использованием перемычек, имеющих тенденцию изгибаться в направлении, по существу, параллельном плоскости подложки, и позволяющих получить за счет этого первичные движения с большими амплитудами осцилляции. Такие асимметричные перемычки описаны в ЕР 1467179 А.
Еще одно ограничение, свойственное многим известным устройствам, связано с неоднородностью характеристик и присутствием напряжений, что может приводить к нежелательной чувствительности к внешним механическим и тепловым нагрузкам или к непредсказуемому дрейфу характеристик. Эта проблема ранее решалась использованием структур, пьедесталов или систем перемычек, снимающих напряжения, или тщательным подбором материалов. Так, в ЕР 1096260 А описано микромеханическое устройство, характеризующееся применением пьедесталов, тогда как в US 7454971 В представлено несколько устройств, характеризующихся применением и пьедесталов, и перемычек, снимающих напряжения.
Другое ограничение известных вибрационных гироскопов состоит в присутствии не скомпенсированных квадратичных сигналов.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание датчика угловой скорости, обладающего улучшенной прецизионностью и стабильностью, что обеспечивает надежное и эффективное измерение угловой скорости, и, более конкретно, датчика в форме компактного устройства, значительно менее чувствительного к механическим и тепловым помехам, чем известные решения.
Согласно изобретению создана микроэлектромеханическая система (МЭМС) для датчика угловой скорости, помещенная между первой и второй композитными пластинами типа кремний-изолятор, состоящими из множества структурированных кремниевых элементов, электрически изолированных друг от друга изоляционным материалом. МЭМС содержит монокристаллическую кремниевую подложку, структурированную для формирования детекторной системы и рамки, причем детекторная система полностью отделена от окружающей ее рамки, расположенной между сопряженными с ней поверхностями первой и второй композитных пластин, так что детекторная система герметизирована в полости, сформированной первой и второй композитными пластинами и рамкой. При этом детекторная система содержит две сейсмические массы, каждая из которых имеет переднюю и заднюю поверхности; две приводные перемычки, каждая из которых имеет первый конец, соединенный с сейсмической массой, и второй конец, соединенный с первой и второй композитными пластинами посредством фиксированных пьедесталов, выполненных на кремниевой подложке, и работающую на изгиб пружину, непосредственно соединяющую между собой две сейсмические массы и выполненную с возможностью синхронизации их первичного движения. Каждая сейсмическая масса имеет первую вращательную степень свободы относительно оси, по существу, перпендикулярной плоскости кремниевой подложки, а сейсмические массы и приводные перемычки сформированы с возможностью иметь вторую вращательную степень свободы относительно оси, по существу, совпадающей с продольной осью приводных перемычек. Детекторная система содержит также средство для генерирования и детектирования первичного движения, состоящего в первичных осцилляциях, в противофазе, двух сейсмических масс в соответствии с первой вращательной степенью свободы, и средство для детектирования вторичного движения, состоящего во вторичных осцилляциях двух сейсмических масс, в противофазе, в соответствии со второй вращательной степенью свободы. При этом средство для генерирования и детектирования первичного движения и средство для детектирования вторичного движения сформированы на передней и на задней поверхностях каждой из первой и второй сейсмических масс, а детекторная система выполнена с возможностью возникновения в ней, при придании системе угловой скорости вокруг третьей оси, по существу, лежащей в плоскости кремниевой подложки и перпендикулярной продольной оси перемычек, силы Кориолиса, вызывающей вторичные осцилляции сейсмических масс.
Таким образом, изобретение предлагает конструкцию датчика угловой скорости с использованием двустороннего возбуждения и детектирования, способную обеспечить существенно улучшенную точность и стабильность благодаря использованию, в отличие от известных устройств, нескольких компенсирующих электродов, расположенных правильным образом на противоположных планарных поверхностях сейсмических масс, что позволяет преодолеть проблемы неоднородности характеристик и не скомпенсированных квадратичных сигналов.
В изобретении используются пары специализированных электродов, чтобы добиться соответствия частот первичных и вторичных осцилляций с целью достичь заданной прецизионности. Согласование частот обеспечивается приложением настраиваемого постоянного напряжения между "настроечными" электродами и сейсмическими массами в сочетании с соответствующим алгоритмом, реализованным в ассоциированном электронном контуре
Сопряженная поверхность первой композитной пластины типа кремний-изолятор является зеркальным отражением сопряженной поверхности второй композитной пластины того же типа или точно соответствует ей.
Желательно, чтобы сейсмические массы, пьедесталы и средства для детектирования первичного и вторичного движений были расположены симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей.
Сейсмические массы и приводные перемычки предпочтительно имеют, по существу, идентичные толщины, а главные оси симметрии сейсмических масс, по существу, совпадают с осями симметрии приводных перемычек.
Сейсмические массы предпочтительно имеют идентичную геометрию.
Приводные перемычки и работающая на изгиб пружина предпочтительно имеют, по существу, идентичное поперечное сечение.
Ось симметрии сейсмических масс предпочтительно, по существу, совпадает с третьей осью.
Желательно, чтобы приводные перемычки в своем поперечном сечении были выполнены геометрически асимметричными для обеспечения возможности инициирования первичных осцилляций посредством возбуждающей силы, по существу, перпендикулярной плоскости кремниевой подложки.
Альтернативно, перемычки в своем поперечном сечении выполнены полностью симметричными для обеспечения возможности инициирования первичных осцилляций посредством возбуждающей силы, по существу, параллельной плоскости кремниевой подложки.
Первичные осцилляции предпочтительно генерируются и детектируются емкостным методом с использованием по меньшей мере двух фиксированных "возбуждающих" электродов, расположенных над и под каждой сейсмической массой, тогда как вторичные осцилляции детектируются емкостным методом с использованием по меньшей мере двух фиксированных "детектирующих" электродов, расположенных над и под каждой сейсмической массой.
Датчик угловой скорости предпочтительно содержит средство для настройки частоты осцилляции с обеспечением указанной настройки использованием, по емкостному методу, по меньшей мере двух фиксированных "настроечных" электродов, расположенных над и под каждой сейсмической массой.
Датчик угловой скорости предпочтительно содержит также средство для компенсации паразитных квадратичных осцилляций, с обеспечением указанной компенсации использованием, по емкостному методу, по меньшей мере четырех фиксированных "компенсирующих" электродов, расположенных над и под каждой сейсмической массой.
Желательно, чтобы однотипные электроды были расположены симметрично относительно осей симметрии сейсмических масс и приводных перемычек.
Желательно также сформировать емкостные зазоры выполнением углублений на передней и задней поверхностях сейсмических масс.
Согласно изобретению каждая композитная пластина типа кремний-изолятор содержит монокристаллические кремниевые элементы, разделенные изоляционным материалом. Монокристаллические кремниевые элементы образуют фиксированные электроды конденсаторов и экранирующие электроды, находящиеся в электрическом контакте с подвижными массами. При этом изоляционный материал обеспечивает электрическую изоляцию между электродами. Этим материалом может быть, например, стекло или диоксид кремния.
В идеале, конструкция снабжена внутренними электрическими контактами между электродами покрывающих композитных пластин и элементами кремниевой подложки. Эти внутренние электрические контакты, которые удобно расположить в углублениях, сформированных на обеих поверхностях кремниевой подложки, в типичном варианте содержат по меньшей мере два припрессованных друг к другу металлических слоя, например такие, как Al/Al, Ti/Al или металлические системы, соединенные посредством термокомпрессионного или эвтектического соединения. Конструкция предпочтительно снабжена также средством для формирования внешнего электрического контакта с электродами.
Кроме того, конструкция предпочтительно содержит средства для снятия напряжений, такие как кремниевые пружины. Эти средства могут быть закреплены по меньшей мере на двух противоположных сторонах устройства или расположены между каждым концом работающей на изгиб пружины и примыкающей к этому концу сейсмической массой или между каждой сейсмической массой и примыкающей к ней приводной перемычкой.
Конструкция согласно изобретению предпочтительно содержит геттерный материал, способствующий поддержанию высокого вакуума внутри герметичной полости.
В конструкции согласно изобретению могут иметься также ограничители, выполненные на сейсмических массах и обращенные к электродам первой и второй композитных пластин.
Рамку и детекторную систему желательно выполнить из единственной монокристаллической кремниевой подложки.
Первая и вторая композитные пластины предпочтительно имеют полностью симметричную структуру.
Устройство согласно изобретению может быть использовано для стабилизации платформы, позиционирования, гидирования и навигации.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет описан пример изобретения.
На фиг.1 показана, на виде сверху, МЭМС согласно изобретению.
На фиг.2А и 2В на двух ортогональных видах, в сечении, показан датчик угловой скорости, содержащий МЭМС согласно изобретению.
На фиг.3 показана, в поперечном сечении, асимметричная перемычка.
На фиг.4 показана, в поперечном сечении, прямоугольная перемычка.
На фиг.5 показаны подвижные массы датчика угловой скорости в состоянии первичного (приводного) движения.
На фиг.6 подвижные массы датчика угловой скорости показаны в состоянии вторичного (детектирующего) движения.
На фиг.7 показано, на виде сверху, расположение электродов на датчике угловой скорости.
На фиг.8 показано, на виде сверху, расположение электродов на альтернативном варианте датчика угловой скорости.
На фиг.9 представлен первый пример датчика угловой скорости, в котором применены пружины для снятия напряжений.
На фиг.10 представлен второй пример датчика угловой скорости, в котором применены пружины для снятия напряжений.
На фиг.11 представлен третий пример датчика угловой скорости, в котором применены пружины для снятия напряжений.
Осуществление изобретения
Представленная на фиг.1 МЭМС согласно изобретению для датчика угловой скорости содержит две (предпочтительно идентичные) сейсмические массы 4, 5, соединенные опорными перемычками 6, 7, 8. Перемычки и массы имеют, по существу, равные толщины и предпочтительно сформированы с высоким аспектным отношением в подложке 1 из монокристаллического кремния посредством микрообработки. Геометрия перемычек 6, 7, 8 в данном примере выбрана такой, что перемычки имеют тенденцию изгибаться в направлении, по существу, параллельном плоскости подложки 1.
Массы 4, 5 соединены с двумя опорными перемычками 6, 7, которые действуют как приводные перемычки. Каждая из этих приводных перемычек 6, 7 соединена с двумя композитными пластинами 2, 3 по меньшей мере двумя пьедесталами 9, 10, 11, 12, расположенными в центре обеих (передней и задней) поверхностей кремниевой подложки 1. Массы 4, 5 соединены между собой работающей на изгиб пружиной (пружинящей перемычкой 8), имеющей центральное расположение с целью механической синхронизации первичного движения масс 4, 5.
Как показано на фиг.2А, структура, образованная кремниевыми массами 4, 5 и перемычками 6, 7, 8, герметизирована в объеме между двумя покрывающими ее композитными пластинами 2, 3 со структурой кремний-изолятор (кремний-диэлектрик). Подложка 1 предпочтительно образует также кремниевую рамку 13, расположенную между композитными пластинами 2, 3 и окружающую находящуюся внутри нее структуру. Рамка 13 и пьедесталы 9, 10, 11, 12 прикреплены к композитным пластинам 2, 3 с использованием соответствующей технологии, например на основе анодного, эвтектического, термокомпрессионного, плазменно-химического или прямого соединения. Соответственно, покрывающие композитные пластины 2 и 3 вместе с рамкой 13, которая окружает подвижные структуры, не будучи непосредственно соединена с ними, формируют герметичный объем 31.
Композитные пластины 2, 3 содержат в идеале полностью симметричные паттерны, образованные кремниевыми участками 15, 16, разделенными изоляторными вставками 14, при этом композитные пластины 2, 3 имеют взаимно согласованные сопряженные поверхности, обращенные одна к другой. Другими словами, поверхность первой композитной пластины 2 является зеркальным отражением поверхности второй композитной пластины 3. Кремниевые участки 15, 16 образуют электроды, которые могут быть электрически соединены с массами 4, 5 посредством внутренних электрических контактов 21, 22, находящихся в углублениях 25, 26, образованных в кремниевой подложке 1. Внутренние контакты 21, 22 предпочтительно образованы двумя припрессованными друг к другу металлическими слоями, такими как Al/Al, Ti/Al или металлические системы, соединенные посредством термокомпрессионного или эвтектического соединения.
Изоляторные вставки 14 обеспечивают электрическую изоляцию между кремниевыми электродами, образованными участками 15, 16. На наружных поверхностях кремниевых участков 15, 16 в составе композитных пластин 2, 3 сформированы контактные площадки 29, 30 для обеспечения внешних электрических соединений. Изоляторные вставки 14 предпочтительно выполнены из боросиликатного стекла, которое в сочетании с анодным соединением (используемым для герметизации) способно обеспечивать герметичное уплотнение стыков кремний-стекло, находящихся внутри композитных пластин 2, 3 типа кремний-изолятор. В связи с этим предпочтительной технологией герметизации является анодное соединение, хотя для герметизации могут, разумеется, использоваться и другие технологии. Альтернативно, изоляторные вставки 14 могут быть выполнены из оксида кремния или из других изоляционных материалов.
Из фиг.2В можно видеть, что массы 4, 5 снабжены соответствующими одно другому углублениями 27, 28, сформированными на противоположных, передней и задней, поверхностях кремниевой подложки 1 и служащими емкостными зазорами. На кремниевой подложке 1 в заданных позициях внутри углублений 27, 28 образованы кремниевые ограничители 23, 24 для предотвращения залипания и случайных коротких замыканий.
Массы 4, 5 и перемычки 6, 7, 8 предназначены для обеспечения первой вращательной степени свободы относительно осей 17, 18, проходящих, по существу, перпендикулярно плоскости подложки 1 через центры масс сейсмических масс 4, 5, как это показано, например, на фиг.1, и второй вращательной степени свободы относительно оси 19, которая, по существу, совпадает с продольной осью перемычек 6, 7, 8, как это показано, например, на фиг.1. Такое выполнение, следовательно, позволяет системе функционировать как датчику угловой скорости.
Размеры приводных перемычек 6, 7 выбраны такими, чтобы резонансная частота изгибной формы колебаний в плоскости, по существу, совпадала с резонансной частотой крутильной формы колебаний. Далее изгибная форма будет именоваться "первичной" или "приводной" формой, а крутильная форма - "вторичной" или "детектирующей" формой.
Все перемычки 6, 7, 8 имеют в поперечном сечении, по существу, идентичную и предпочтительно асимметричную геометрию, проиллюстрированную на фиг.3. Однако допустимо и прямоугольное поперечное сечение, показанное на фиг.4.
Как показано на фиг.3, нейтральная ось 32 асимметричных перемычек 6, 7, 8 образует острый (ненулевой) угол α с осью 17 и острый угол с осью 18. Перемычки 6, 7, 8 имеют тенденцию изгибаться в направлении, по существу, параллельном плоскости подложки 1, так что первичные осцилляции могут быть инициированы возбуждающей (приводной) силой, по существу, перпендикулярной плоскости подложки 1. Положение суженной части 33 по отношению к краям перемычек 6, 7, 8 может быть оптимизировано для каждого конкретного применения.
На фиг.4 показано, что в альтернативном варианте изобретения в связи с симметричным поперечным сечением перемычек нейтральная ось 32 каждой из перемычек 6, 7, 8, по существу, совпадает с их нормальными осями 17, 18. Поэтому перемычки 6, 7, 8 имеют тенденцию изгибаться в направлении, по существу, параллельном плоскости подложки 1, так что первичные осцилляции могут быть инициированы электростатической возбуждающей силой, по существу, параллельной плоскости подложки 1.
Электростатическое возбуждение, воздействующее на массы 4, 5, заставляет их вибрировать в противофазе, по существу, параллельно плоскости подложки 1. В результате на массы 4, 5 будут действовать относительно большие гироскопические моменты, когда они приводятся во вращение вокруг оси 20, расположенной в плоскости подложки 1 перпендикулярно перемычкам 6, 7. Электростатическое возбуждение обычно имеет место на резонансной частоте для заданного движения. Чтобы получить точную цифровую меру осцилляции, обусловленную  гироскопическими моментами, используется емкостная схема детектирования.
На фиг.5 массы 4, 5 датчика угловой скорости согласно изобретению показаны в состоянии первичного (приводного) движения, в ходе которого они осциллируют относительно первичных осей 17, 18 (осей возбуждения) соответственно. Датчик угловой скорости возбуждают таким образом, чтобы первичное движение соответствовало осцилляции двух сейсмических масс 4, 5 в противофазе вокруг осей 17, 18 возбуждения.
На фиг.6 массы 4, 5 датчика угловой скорости согласно изобретению показаны в состоянии вторичного (детектирующего) движения, соответствующего осцилляции относительно вторичной (детекторной) оси 19. В присутствии внешней угловой скорости Ω, ориентированной вдоль детекторной оси 20, первичное противофазное движение масс 4, 5 будет генерировать противоположно направленные моменты сил Кориолиса относительно детекторной оси 19.
Амплитуда осцилляций, вызванных внешней угловой скоростью Ω, прямо пропорциональна этой скорости и амплитуде первичных осцилляций. Амплитуда осцилляции, вызванных внешней угловой скоростью, может детектироваться емкостным методом, посредством электродов, расположенных выше и ниже масс 4, 5. Эти электроды соответствуют кремниевым участкам 15, 16 на верхней и нижней композитных пластинах 2, 3.
На фиг.7 показаны электроды 34, 35, 36, 37 в датчике угловой скорости согласно варианту изобретения, в котором перемычки 6, 7, 8 имеют асимметричное поперечное сечение. В этом варианте возбуждение прикладывается посредством компактных электродов в направлении, перпендикулярном плоскости подложки 1.
На фиг.8 показаны электроды 34, 35, 36, 37 в варианте датчика угловой скорости согласно варианту изобретения, в котором перемычки 6, 7, 8 имеют прямоугольное поперечное сечение. В этом варианте возбуждение прикладывается посредством чередующихся электродов в направлении, параллельном плоскости подложки 1.
Возбуждающие электроды 34, по меньшей мере две пары которых сформированы в кремниевых участках 15 верхней композитной пластины 2 и по меньшей мере две пары которых сформированы в кремниевых участках 16 нижней композитной пластины 3, используются для приведения, электростатическим методом, масс 4, 5 в противофазное осциллирующее движение вокруг осей 17, 18. При этом одни и те же возбуждающие электроды 34 используются для управления и отслеживания амплитуды осцилляции посредством электронной замкнутой цепи обратной связи.
Детектирующие электроды 35, по меньшей мере две пары которых сформированы в кремниевых участках 15 верхней композитной пластины 2 и по меньшей мере две пары которых сформированы в кремниевых участках 16 нижней композитной пластины 3, используются для детектирования и управления противофазными массами 4, 5, осциллирующими вокруг детекторной оси 19. Эффективное управление вторичным движением обеспечивается посредством электронной замкнутой цепи обратной связи.
Настроечные электроды 36, по меньшей мере две пары которых сформированы в кремниевых участках 15 верхней композитной пластины 2 и по меньшей мере две пары которых сформированы в кремниевых участках 16 нижней композитной пластины 3, используются для согласования частот возбуждающих и детектирующих осцилляций с целью обеспечения заданной прецизионности. Согласование частот осуществляется приложением настраиваемого постоянного напряжения между настроечными электродами 36 и массами 4, 5.
Компенсирующие электроды 37, по меньшей мере четыре пары которых сформированы в кремниевых участках 15 верхней композитной пластины 2 и по меньшей мере четыре пары которых сформированы в кремниевых участках 16 нижней композитной пластины 3, используются для компенсации квадратичного смещения с целью обеспечения требуемой стабильности смещения. Квадратичное смещение устраняется приложением настраиваемого постоянного напряжения между компенсирующими электродами 37 и массами 4, 5.
В представленном примере конструкции согласно изобретению, электроды 34, 35, 36, 37, служащие для возбуждения, детектирования, настройки по частоте и компенсации квадратичного смещения в сочетании с управлением приводными и детектирующими осцилляциями посредством замкнутой цепи обратной связи, расположены по обе стороны сейсмических масс, по существу, в симметричной конфигурации относительно перпендикулярных осей. Эта полностью симметричная двусторонняя конструкция обеспечивает наилучшие характеристики в отношении линейности, точности, шумов и стабильности осцилляторных гироскопов камертонного типа.
В другом варианте изобретения (проиллюстрированном на фиг.9), чтобы минимизировать, насколько это возможно, негативные эффекты механических и тепловых нагрузок, создаваемых внешними факторами, предусмотрены (по меньшей мере на двух поперечных сторонах устройства) средства для снятия напряжений, такие как пружины 38.
Еще в одном варианте изобретения (проиллюстрированном на фиг.10), чтобы минимизировать, насколько это возможно, негативные эффекты механических и тепловых нагрузок, создаваемых внешними факторами, пружины 39 для снятия напряжений расположены на концах соединительной перемычки 8.
В следующем варианте (проиллюстрированном на фиг.11), чтобы минимизировать, насколько это возможно, негативные эффекты механических и тепловых нагрузок, создаваемых внешними факторами, пружины 40 для снятия напряжений расположены по меньшей мере на одном конце каждой из приводных перемычек 6, 7.
В других вариантах изобретения средства для снятия напряжений, такие как пружины, реализованы, с той же целью, как сочетания рассмотренных вариантов.
Преимущества конструкции датчика угловой скорости по изобретению состоят в сокращении и более эффективном использовании полезного пространства, в простоте и предельно низкой чувствительности к внешним механическим и тепловым нагрузкам.
В дополнение к описанной конструкции, существует и много других вариантов обеспечения двух требуемых степеней свободы, дающих возможность измерения угловых скоростей согласно изобретению. Однако такие альтернативные конструкции являются более габаритными и конструктивно и технологически сложными.
Высокая стабильность датчика угловой скорости достигнута полной симметричностью его конструкции в плоскости и в поперечном сечении в сочетании с правильным подбором кристаллических материалов.