Вибрационный гироскоп LL-типа

Полезная модель относится к области изделий микромеханики, в частности к вибрационным микромеханическим гироскопам (ММГ) LL-типа, широко применяемым в микросистемной технике (МСТ) для мониторинга параметров движения перемещающихся объектов.
Известны конструкции вибрационных ММГ, отличающиеся количеством осциллирующих масс, направлением колебаний, структурой и конструкцией возбуждающих и измерительных узлов, технологией изготовления и материалами [Acar C. MEMS Vibratory Gyroscopes Structural Approaches to Improve Robustness/ C. Acar and A. Shkel // - Springer. - 2009. - pp. 262.].
Одной из наиболее актуальных задач является увеличение емкости электродных групп при неизменных массогабаритных параметрах. Однако из-за особенностей технологии изготовления ММГ увеличить значение емкости электродной группы становиться невозможным без увеличения количества электродов (т.е. без увеличения занимаемой электродной группой площади).
При плазменном травлении (основном инструменте формообразования в современных технологических маршрутах) существует взаимозависимость между глубиной и площадью области травления [High aspect ratio sub-micron trenches on silicon-on-insulator and bulk silicon / M. Hermersdorf, C. Hibert, D. Grogg, etc. // J. Microelectronic Engineering. - No. 88. - 2011. - pp. 2556-2558]. Достижимое на сегодняшний день аспектное отношение (отношение глубины травления к ширине полости) составляет примерно 30:1. Поэтому для формирования чувствительных ММГ, требующих, чтобы их высота составляла порядка сотни мкм, приходится увеличивать зазор между электродами гребенчатых структур до 3÷5 мкм, что приводит к уменьшению удельной электроемкости. (Под удельной емкостью понимается отношение емкости к объему воздушного зазора между электродами.)
Известны решения по уменьшению зазора гребенчатых структур, использующие процессы постобработки и активной настройки [Acar C. Structurally decoupled micromachined gyroscope swith post-release capacitance enhancement / Cenk Acar, Andrei M. Shkel // Journal of Micromechanics and Microengineering. - Vol. 15. - 2005. - pp. 1092-1101.]. В случае активной настройки формируется дополнительная механическая структура с собственным приводом (электростатическим или термическим), смещающим и удерживающим структуру в положении с уменьшенным зазором. Постобработка также использует дополнительную механическую структуру для изменения зазора, но в то же время предполагает фиксацию данной структуры после перемещения. Указанные способы увеличивают габариты устройства и неприемлемы для серийного производства изделий по групповой технологии.
Среди различных конструкций ММГ LL-типа широкое распространение получил противофазный ММГ с разделенными первой и второй подвижными массами [Micro-machined gyrometric sensorfor differential measurement of the moment of vibrating masses / Claude Rougeot, Bernard Chaumet, Bertrand LeVerrier, etal. // UnitedStatesPatentUS 7,707,886 B2. - 4 May 2010]. Данная конструкция является прототипом заявленного изобретения.
Вибрационный гироскоп LL-типа содержит подвижную первую массу, подвешенную на упругом подвесе, и систему гребенчатых электродов, вторую подвижную массу с группами плоскопараллельных электродов. Измерение силы Кориолиса осуществляют электроды первой группы, при этом увеличение удельной емкости приводит к увеличению чувствительности ММГ за счет увеличения крутизны зависимости емкости от амплитуды вторичных колебаний. Электроды второй группы обеспечивают компенсацию силы Кориолиса, при этом увеличение удельной емкости приводит к расширению диапазона измерения угловых скоростей за счет увеличения электростатической силы. Настройку собственной частоты второй подвижной массы осуществляют электроды третьей группы, для которых увеличение удельной емкости приводит к расширению диапазона настройки частоты собственных колебаний. Для данной конструкции увеличение емкости невозможно без увеличения массогабаритных параметров групп плоскопараллельных электродов.
Проблема увеличения удельной емкости, то есть увеличение электроемкости при сохранении массогабаритных параметров, решается путем частичного уменьшения зазоров между электродами датчика до одного или менее микрона при высоте структуры 100 мкм. Такое уменьшение щелевого зазора становится возможным благодаря специальной форме боковых поверхностей одного из электродов системы. В частности, эта задача решается для конструкции ММГ LL-типа, хотя ее применение возможно и для ММГ других типов.
Технической проблемой, решаемой предложенной полезной моделью, является повышение удельной емкости групп плоскопараллельных электродов ММГ LL-типа (удельная емкость - отношение электрической емкости к объему воздушного зазора между электродами.).
Для решения указанной технической проблемы предложен ММГ LL-типа, содержащий первую подвижную массу, подвешенную на упругом подвесе, и систему гребенчатых электродов, вторую подвижную массу с группами (первой, второй и третьей) плоскопараллельных электродов, систему управления положением первой и второй подвижной массы. Электроды первой и второй группы включают в себя подвижные и неподвижные электроды, расстояние между поверхностями подвижных электродов и близлежащих неподвижных отличается в два и более раз. Электроды третьей группы включают в себя подвижный электрод, равноудаленный от поверхностей близлежащих неподвижных электродов.
Проблема решается путем использования электродов переменной ширины, где наименьшее расстояние между поверхностями близлежащих электродов имеет переменное, чередующееся по длине электрода, значение. Переменное расстояние позволяет в несколько раз уменьшить эквивалентный средний зазор между зубцами гребенок. Переменное расстояние между поверхностями близлежащих электродов может быть выполнено в виде синусоиды.
Технический результат достигается тем, что области плазменного травления со стандартной шириной щели чередуются с областями узкого зазора, в результате чего облегчается диффузия травящих компонентов плазмы внутрь узкого зазора. Вследствие этого увеличивается удельная электроемкость.
На Фиг. 1. изображена схема конструкции ММГ LL-типа.
На Фиг. 2а. изображен фрагмент первой и второй группы плоскопараллельных электродов (вид на плане).
На Фиг. 2б. изображен фрагмент третьей группы плоскопараллельных электродов.
На Фиг. 3. изображена зависимость изменения емкости электродных групп от смещения, где: сплошная - для преобразователя с переменным профилем электродов; пунктирная - для преобразователя с плоскопараллельными электродами.
На Фиг. 4. изображена фотография ММГ, выполненная в растровом электроном микроскопе.
На Фиг. 5. изображена фотография первой группы плоскопараллельных электродов. Расстояние между поверхностями электродов выполнено переменным, в виде синусоиды.
Вибрационный гироскоп LL-типа содержит следующие конструктивные элементы:
1 - внешняя рамка;
2 - инерциальная масса;
3 - измерительный резонатор;
4 - упругий подвес первой и второй массы;
5 - упругий подвес измерительного резонатора;
6 - система гребенчатых электродов;
7 - основание;
8 - первая группа плоскопараллельных электродов;
9 - вторая группа плоскопараллельных электродов;
10 - третья группа плоскопараллельных электродов.
На Фиг. 1 представлена проекция на плоскость OXY трехмерной электромеханической системы предложенного ММГ LL-типа, сформированной в кремниевой пластине, фиксированной на стеклянном основании.
Конструкция микромеханического гироскопа представляет систему связанных подвешенных масс: внешняя рамка 1; инерциальная масса 2; измерительный резонатор 3 и внешняя система управления положением первой (образуемой элементами 1, 2) и второй (образуемой элементами 2, 3) подвижных масс, соединенная с системой гребенчатых электродов 6 и группами плоскопараллельных электродов 8-10. Внешняя система управления на фигурах не показана.
Первая подвижная масса представляет собой резонатор первичных колебаний, включает внешнюю рамку (элемент 1), инерциальную массу (элемент 2), подвешенную на упругих подвесах 4, и систему гребенчатых электродов 6. Упругий подвес 4 закреплен на основании 7. Внешняя рамка 1 и инерциальная масса 2 связаны упругим подвесом 4, удовлетворяющим условию высокой жесткости по оси ОХ и низкой жесткости по оси OY. Система гребенчатых электродов 6 представляет собой группу встречно-направленных подвижных и неподвижных электродов, в которой каждый электрод равноудален от ближайших электродов. Неподвижные электроды закреплены на основании 7, подвижные закреплены на внешней рамке 1. Вторая подвижная масса включает инерциальную массу 2 и измерительный резонатор 3 с группами плоскопараллельных электродов (элементы 8, 9 и 10). Инерциальная масса 2 и измерительный резонатор 3 связаны упругим подвесом 4, в данном случае удовлетворяющим условию низкой жесткости по оси ОХ и высокой жесткости по оси OY. Измерительный резонатор 3 также подвешен на упругий подвес 5, имеющий высокую жесткость в направление ОХ и низкую жесткость в направление OY. Электроды первой (элемент 8) и второй группы (элемент 9) включают в себя подвижные и неподвижные электроды, расстояние между поверхностями подвижных электродов и близлежащих неподвижных отличается в два и более раз. Электроды третьей группы (элемент 10) включают в себя подвижный электрод, равноудаленный от поверхностей близлежащих неподвижных электродов. Подвижные электроды имеют закрепление на измерительном резонаторе (элемент 3), неподвижные имеют закрепление на основании (элемент 7).
Внешняя система управления (не показана на фигурах), является внешним устройством, аналогичным использованному в выбранном прототипе и описанным в [А New Silicon Tuning Fork Gyroscope for Aerospace Applications/ Bernard Chaumet, Bertrand LeVerrier, Claude Rougeot, etal. // Symposium Gyro Technology, Karlsruhe Germany - 2009] или [Результаты испытаний установочной партии гироскопов RR-типа / В.Г. Пешехонов, Я.А. Некрасов, П. Пфлюгер, и др. // Гироскопия и навигация №1 (72), 2011]. Входы и выходы внешней системы управления соединены с системой гребенчатых электродов 6 и группами плоскопараллельных электродов 8, 9, 10.
Принцип работы предложенного вибрационного ММГ основан на преобразовании первичных колебаний в ортогональные им вторичные колебания при действующей внешней угловой скорости. Основная задача первой подвижной массы - возбуждение первичных колебаний в направлении оси ОХ. Возбуждение первичных колебаний осуществляется за счет подачи переменного напряжения между подвижными и неподвижными электродами системы гребенчатых электродов 6. Первичные колебания передаются на инерциальную массу 2 за счет жесткой связи с внешней рамкой 1 вдоль направления первичных колебаний и податливой связи в ортогональном направлении.
Инерциальная масса 2 имеет функцию формирования колебаний, вызванных силами Кориолиса, и передачи их на измерительный резонатор 3. Жестко связанная с внешней рамкой 1 по оси движения внешней рамки и податливая в направлении, ортогональном движению внешней рамки, инерциальная масса 2 имеет две степени свободы в направлении осей ОХ и OY.
Измерительный резонатор 3 имеет упругую связь с инерциальной массой 2. податливую в направлении возбуждающих колебаний и жесткую в ортогональном направлении. Измерительный резонатор 3 фиксируется к основанию 7 упругим подвесом 5, жестким в направлении возбуждающих колебаний и податливым в направлении колебаний, вызванных силами Кориолиса. Таким образом, измерительный резонатор 3 имеет одну степень свободы.
Для подавления синфазных воздействий предложенная схема может быть объединена в систему из двух ММГ, упругосвязанных между собой. Система из двух ММГ, известная как камертонная или противофазная, позволяет уменьшить чувствительность ММГ к внешним воздействиям.
Амплитуда колебаний второй массы 2, 3 по оси OY прямо пропорциональна внешней угловой скорости. Для измерения амплитуды вторичных колебаний формируется первая группа плоскопараллельных электродов 8, включающая в себя подвижные и неподвижные электроды, формирующие конденсатор емкостью С. Расстояние между поверхностями подвижных электродов и близлежащих неподвижных электродов отличаются в два и более раз (с противоположных сторон каждого зубца гребенок). Подвижный электрод совершает колебания вместе с измерительным резонатором 3, что приводит к изменению зазора и изменению емкости плоскопараллельных электродов первой группы 8. Чувствительность первой группы плоскопараллельных электродов 8 определяется крутизной зависимости емкости от амплитуды вторичных колебаний, определяемой как:
где R - отношение изменения емкости dC к изменению зазора между электродами dy. При этом при малых перемещениях значение R является постоянным.
Для расширения диапазона измеряемых угловых скоростей формируется вторая группа плоскопараллельных электродов 9, включающая в себя подвижные и неподвижные электроды. Расстояние между поверхностями подвижных электродов и близлежащих неподвижных электродов отличается в два и более раз (с противоположных сторон каждого зубца гребенок). Электроды второй группы обеспечивают обратную электростатическую связь, что компенсирует амплитуду вторичных колебаний. Величина обратной связи определяется значением электростатической силы F:
где V - разность потенциалов между подвижными и неподвижными электродами.
Для настройки частоты собственных колебаний второй массы 2, 3 формируется третья группа плоскопараллельных электродов 10, включающая в себя подвижные электроды, равноудаленные от поверхностей близлежащих неподвижных электродов. Электроды третьей группы формируют "отрицательную жесткость", величина которой определяется электростатической силой (2).
Внешняя система управления (не показана на фигурах) имеет функцию управления положением первой и второй подвижных масс. Входы и выходы системы управления соединены с группами плоскопараллельных электродов 8, 9, 10 и системой гребенчатых электродов 6. Внешняя система управления формирует синусоидальное напряжение управления на системе гребенчатых электродов 6, постоянное напряжение на третьей группе плоскопараллельных электродов 10 и напряжение, управляемое обратной электростатической связью второй группы плоскопараллельных электродов 9. При этом внешняя система управления преобразует измеряемое изменение емкости первой группы плоскопараллельных электродов 8 в напряжение.
Характеристика электродов первой, второй и третьей группы 8, 9, 10 определяется параметрами удельной емкости. Увеличение удельной емкости приводит к увеличению чувствительности электродов первой группы 8 за счет увеличения крутизны зависимости емкости от амплитуды вторичных колебаний и к расширению диапазона измерения угловых скоростей и диапазона настройки частоты собственных колебаний второй массы 2, 3 за счет увеличения электростатической силы электродов второй и третьей группы 9, 10 без увеличения занимаемой площади.
Для плоскопараллельных электродов первой, второй и третьей группы электродов 8, 9, 10, электростатическая емкость С между электродами определяется как:
0
0
0
0
-12
где ε≈8.85⋅10 Ф/м - электрическая постоянная, А - площадь перекрытия, определяемая длиной перекрытия между зубцами - x и высотой зубцов - z, y - зазор между электродами и n - количество пар электродов.
На Фиг. 2а, б представлена проекция фрагмента групп плоскопараллельных электродов с периодически изменяемым расстоянием между поверхностями электродов. Фиг. 2а соответствует первой (элемент 8) и второй (элемент 9) группам плоскопараллельных электродов. Фиг. 2б соответствует третьей группе плоскопараллельных электродов (элемент 10). В группах плоскопараллельных электродов (элементы 8-10) наименьшее расстояние между поверхностями близлежащих подвижных и неподвижных электродов имеет переменное, чередующееся по длине электрода, значение.
Увеличение значения емкости первой, второй и третьей группы плоскопараллельных электродов 8-10 возможно при уменьшении зазора между поверхностями электродов. Такое уменьшение зазора ограничено технологическими ограничениями. Проблема решается путем использования зубцов переменной ширины, что позволяет в несколько раз уменьшить эквивалентный средний зазор между зубцами гребенок.
ν
Для структуры групп плоскопараллельных электродов 8-10 с переменным профилем зазора между электродами значение емкости принимает вид функции, переменной по длине электрода - y(x). Значение емкости C определяется зависимостью:
Функция y(x) может иметь любую периодическую зависимость. Периодичность профиля определяется из условия обеспечения требований анизотропного плазменного травления по аспектному отношению, где период больше или равняется минимальному зазору между электродами. Примером заявленной конструкции может являться электродная структура, в которой переменное расстояние, между поверхностями близлежащих электродов y(x), выполнено в виде синусоиды.
0
0
0
Для конструкции ММГ высотой структуры z=100 мкм, в соответствии с особенностями технологических операций, зазор между поверхностями плоскопараллельных электродов 8, 9, 10 равен y=5 мкм при аспектном отношении равном 20. Таким образом, электростатическая емкость групп плоскопараллельных электродов (элементы 8-10) с количеством пар электродов n=40, площадью перекрытия электродов x=170 мкм равняется 1.2 пФ. Для уменьшения зазора в заявленной конструкции используется переменный профиль электродов, то есть зазор определяется в виде функции y(x). Таким образом, емкость гребенчатого преобразователя с переменным профилем, выполненным в виде волнистой линии типа синусоиды с периодом 10 мкм и изменением зазора между электродами 2-5 мкм, равняется 1.9 пФ. Удельная емкость групп плоскопараллельных электродов 8-10 с переменным профилем электродов в 1.6 раза больше емкости плоскопараллельных электродов, что определяет эффективность предложенной конструкции.
На Фиг. 3 изображена зависимость изменения емкости групп электродов 8-10 от смещения для групп электродов с плоскопараллельными электродами (пунктирная линия) и для групп электродов с переменным расстоянием между электродами, выполненным в виде синусоиды (сплошная линия). Зависимость позволяет судить об увеличении значения емкости и крутизне зависимости изменения емкости от амплитуды колебаний.
На Фиг. 4 изображена фотография, сделанная на растровом электронном микроскопе, изготовленной структуры вибрационного ММГ.
Устройство изготовлено путем глубокого реактивного травления кремния в теле кремниевой пластины. В большинстве случаев это Bosh-процесс, формирующий наиболее вертикальный профиль травления. При формировании вертикального профиля следует учитывать ограничения, накладываемые особенностями технологической операции травления (аспектные соотношения в различных элементах структуры). В ходе травления необходима диффузия компонентов плазмы в вытравливаемые полости между элементами. Уменьшение зазора приводит к уменьшению скорости травления вплоть до полной остановки травления.
На Фиг. 5 представлена фотография пары встречных электродов первой 8 и второй 9 групп с переменным расстоянием между поверхностями близлежащих электродов, выполненным в виде синусоиды.
В конструкции измерительной части ММГ предлагается использовать электродные системы, где наименьшее расстояние между поверхностями близлежащих электродов имеет переменное, чередующиеся по длине электрода, значение. Такая конструкция представляет пару ротор-статор, где один из зубьев имеет плоскую поверхность электрода, а противоположный - периодически неоднородную. При этом ширина зазора между двумя соседними зубцами становится переменной. Зазор в широкой части зубца остается прежним (5 мкм, при высоте зубьев 100 мкм), а в узкой части существенно уменьшен (≤2 мкм). Примером может быть изображенная на Фиг. 5 структура электродов с переменным расстоянием между поверхностями близлежащих электродов, выполненным в виде синусоиды. Иначе говоря, в конструкции электродов 8-10 происходит чередование областей с высоким аспектным отношением и областей с низким аспектным отношением, что позволяет обеспечить большую глубину травления при меньших величинах зазора. Таким образом, возрастает удельное значение емкости. В отличие от прототипа, область большего зазора обеспечивает диффузию компонентов плазмы в узкую часть структуры. Такие формы зазора существенно облегчают изготовление ММГ по технологиям микросистемной техники, а именно способствуют уменьшению диффузионных ограничений на этапе глубокого вертикального плазменного травления кремния.
В целом, вибрационный гироскоп LL-типа, выполненный с изолированными двумя подвижными массами, включающими три группы электродов, имеющих переменное, чередующееся по длине электрода, значение, обеспечивает: большую чувствительность к изменению внешней угловой скорости; широкий диапазон измеряемых угловых скоростей и широкий диапазон настройки собственной частоты второй массы. Таким образом, вибрационный гироскоп LL-типа обеспечивает более высокую точность измерения.