ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа.
Известен интегральный микромеханический гироскоп, 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 (см. 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). Недостатком данной конструкции является низкая надежность и склонность к залипанию электродов плоского конденсатора.
Известен интегральный микромеханический гироскоп, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней тридцатью двумя неподвижными электродами, выполненными из металла, опору, выполненную из металла и расположенную непосредственно на полупроводниковой подложке, упругое кольцо, выполненное из металла и расположенное с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующее с неподвижными электродами конденсатор, соединенную с опорой с помощью восьми упругих балок, выполненных из металла в виде полукруга и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, которые одними концами жестко соединены с опорой, а другими - с упругим кольцом (см. Huikai Xie, G.K. Fedder, Integrated micromechanical gyroscopes, Journal of aerospace engineering, April, 2003, p. 73, fig. 15).
Недостатком конструкции является низкая надежность, особенно при работе во влажном морском климате, склонность к коррозии электродов и короблению подложки.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сути является конструкция интегрального микромеханического гироскопа, содержащая две подвижные инерциальные массы (ИМ) с электродами, четыре упругих элемента, два дугообразных элемента, две растяжки на анкерах, соединенные с кремниевой подложкой, снабженной неподвижными электродами, (см. В.Я. Распопов. Микромеханические приборы. 2007, стр. 60, рис. 1.45). Недостатком прототипа является возможность коробления пластин, а также склонность к электростатическому залипанию пластин ИМ при плоскопараллельном перемещении электродов измерителей, что в целом приводит к снижению надежности прототипа.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении надежности и улучшении эксплуатационных свойств интегрального микромеханического гироскопа.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в устранении эффектов коробления, коррозии, электростатического залипания и спекания подвижных и неподвижных электродов и в общей стабилизации электрических характеристик интегрального микромеханического гироскопа, что обусловлено наличием полностью регулярного микрорельефа IV вида (ПРМР IV вида) поверхности электродов и ее наноструктурированием методом ионно-плазменной обработки.
Данный технический результат достигается за счет того, что в интегральном микромеханическом гироскопе, содержащем две подвижные массы, четыре упругих элемента, два дугообразных элемента, две растяжки на анкерах, соединенные с подложкой, изготовленной из моно- или поликристаллического кремния, при этом имеются подвижные электроды гребенчатой структуры электростатических приводов являются частью инерциальной массы, а неподвижные электроды измерителей перемещений связаны с подложкой анкерами, новым является то, что рабочие поверхности подвижных и неподвижных электродов снабжены полностью регулярным микрорельефом (ПРМР IV вида) и наноструктурированы методом ионно-плазменной обработки.
Общим недостатком всех двухмассовых вибрационных интегральных гироскопов, имеющих независимые упругие подвесы каждой ИМ является сложность обеспечения равенства их собственных частот и синхронизации противофазных колебаний. Регуляризация поверхностной структуры подвижных и неподвижных электродов способствует стабилизации упругих характеристик, в частности механического гистерезиса, что позволяет лучше стабилизировать и синхронизировать интегральный микромеханический гироскоп при противофазных колебаниях. К снижению надежности интегрального микромеханического гироскопа ведут также процессы коробления пластин и коррозия подвижных и неподвижных электродов в конструкции аналогов и прототипа, тогда как в предлагаемой конструкции интегрального микромеханического гироскопа, за счет наличия полностью регулярного микрорельефа (ПРМР IV вида) и наноструктурирования рабочих поверхностей электродов, удается полностью устранить коррозию подвижных электродов с гребенчатой структурой и неподвижных электродов, связанных с подложкой анкерами, что особенно актуально при работе во влажном морском климате в навигационных корабельных устройствах. Плоскопараллельное перемещение электродов измерителей, особенно при малых (1…3 мкм) зазорах между ними, в прототипе приводит к электростатическому залипанию платин ИМ. Естественный путь устранения этого недостатка - увеличение жесткости подвеса. Однако при этом уменьшается чувствительность к измеряемой угловой скорости и изменяются частотные характеристики интегрального микромеханического гироскопа, а демпфирование оказывается более интенсивным и менее предсказуемым из-за сжимаемости и разряжения газового слоя по сравнению с микрогироскопами, в которых эти перемещения параллельны подложке, как в прототипе. Предлагаемая конструкция интегрального микромеханического гироскопа устраняет эффект электростатического залипания и возможного спекания электродов, что стабилизирует электрические характеристики и повышает точность измерений.
Таким образом, совокупное использование вышеперечисленных особенностей (наличия полностью регулярного микрорельефа поверхностей электродов и их наноструктурирования методом ионно-плазменной обработки) приводит к появлению новых электромеханических свойств конструкции интегрального микромеханического гироскопа, что позволяет повысить надежность и улучшить эксплуатационные характеристики.
Экспериментальные исследования заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом показали, что заявленная модель обеспечивает устранение залипания и спекания подвижных и неподвижных электродов интегрального микромеханического гироскопа.
Схема интегрального микромеханического гироскопа изображена на фиг.
Интегральный микромеханический гироскоп содержит две ИМ 1 в форме квадрата с длиной стороны 200 мкм, которые четырьмя упругими элементами 2, двумя дугообразными элементами 3 радиусом 140 мкм и двумя растяжками 4 длиной 280 мкм, на анкерах 5 соединены с подложкой, изготовленной из моно- или поликристаллического кремния. Соединение элементов 3 и 4 выполнено на серединах их длин. Подвижные электроды, рабочая поверхность которых снабжена полностью регулярным микрорельефом (ПРМР IV вида) и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки, гребенчатых структур 6 электростатических приводов являются частью ИМ, а неподвижные электроды, рабочая поверхность которых снабжена ПРМР IV вида и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки, связаны с подложкой анкерами 7.
y
В режиме движения ИМ 1 совершают противофазные движения со скоростью v, вдоль оси X, и это движение контролируется емкостными измерителями перемещений 9, соединенными с подложкой анкером 10. При появлении угловой скорости Ω, вокруг оси У противофазные силы инерции Кориолиса вызывают виброперемещения ИМ вдоль оси Z, фиксируемые емкостными измерителями перемещений, подвижные электроды которых расположены на ИМ 1, а неподвижные 8 - на подложке.