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, 1999, №6, 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 две инерционные массы, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды электростатических приводов, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на подложке.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величины 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, выполненного из полупроводникового материала и образующего 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 две инерционные массы, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды электростатических приводов, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на подложке.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величины 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 [В.Я.Распопов, Микромеханические приборы, Учебное пособие. Тул. гос. университет, Тула, 2002, стр.32, рис.1.26], содержащий диэлектрическую подложку с расположенными на ней металлическими электродами емкостных преобразователей перемещений, две инерционные массы, расположенные с зазором относительно диэлектрической подложки и выполненные в виде пластин из полупроводникового материала, образующие с расположенными на диэлектрической подложке электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы, и связанные с диэлектрической подложкой через систему упругих балок, которые одними концами соединены с инерционными массами, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными на диэлектрической подложке, один неподвижный электрод электростатического привода с гребенчатыми структурами по обеим его сторонам, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке между инерционными массами, с возможностью электростатического взаимодействия с инерционными массами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на диэлектрической подложке по внешним сторонам инерционных масс, с возможностью электростатического взаимодействия с инерционными массами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.
Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка с расположенными на ней электродами емкостных преобразователей перемещений, две инерционные массы, расположенные с зазором относительно подложки и выполненные в виде пластин из полупроводникового материала, образующие с электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры и неподвижные электроды электростатических приводов, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на подложке.
Недостатком конструкции данного гироскопа является невозможность измерения величины угловой скорости вокруг осей Y, расположенной в плоскости подложки и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки и ускорения по осям X, Y, Z.
Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величины 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 величины 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 двадцати четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных на подложке так, что они образуют с инерционными массами плоские конденсаторы за счет частичного перекрытия взаимопроникающих друг в друга гребенок электродов, одного дополнительного неподвижного электрода электростатического привода с гребенчатой структурой, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами, выполненных в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки так, что они образуют электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, и двух дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.
Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий подложку с расположенными на ней электродами емкостных преобразователей перемещений, две инерционные массы, расположенные с зазором относительно подложки и выполненные в виде пластин из полупроводникового материала, образующие с электродами емкостных преобразователей перемещений плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды электростатических приводов, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на подложке, введены двадцать четыре дополнительных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на подложке так, что они образуют с инерционными массами плоские конденсаторы за счет частичного перекрытия гребенок электродов, один дополнительный неподвижный электрод электростатического привода с гребенчатой структурой, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на подложке, четыре дополнительные подвижные электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки с возможностью электростатического взаимодействия с неподвижными электродами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие гребенки электродов, две дополнительные опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.
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 двадцать шестью электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, выполненные из полупроводникового материала, четыре неподвижных электрода электростатических приводов 28, 29, 30, 31, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке 1, четыре подвижных электрода электростатических приводов 32, 33, 34, 35, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами электростатических приводов 28, 29, 30, 31 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с подвижными электродами электростатических приводов 32, 33, 34, 35, а другими с опорами 44, 45, 46, 47, 48, 49, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, две инерционные массы 50, 51, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала, расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, с электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 плоские конденсаторы за счет частичного перекрытия взаимопроникающих друг в друга гребенок электродов, и связанных с подвижными электродами электростатических приводов 32, 33, 34, 35 с помощью упругих балок 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, выполненных из полупроводникового материала.
Работает устройство следующим образом.
При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 28, 29 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов электростатических приводов 32, 33 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний последних в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси X), за счет s-образного изгиба упругих балок 36, 37, 38, 39, соединяющих подвижные электроды 32, 33 с опорами 44, 45, 46, 47. Колебания подвижных электродов 32, 33 передаются инерционной массе 50, через упругие балки 52, 53, 54, 55. Зазор между электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и инерционной массой 50 не изменяется. В парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и инерционной массой 50 происходит одинаковое изменение площади взаимного перекрытия. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 2 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и инерционной массой 50 одинаковы.
При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 30, 31 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов электростатических приводов 34, 35 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 40, 41, 42, 43, соединяющих подвижные электроды 34, 35 с опорами 46, 48, 47, 49. Колебания подвижных электродов 34, 35 передаются инерционной массе 51, через упругие балки 56, 57, 58, 59. Зазор между электродами емкостных преобразователей перемещений 3, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 и инерционной массой 51 не изменяется. В парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 16, 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22, 23 и 24, 25 и 26, 27 и инерционной массой 51 происходит одинаковое изменение площади взаимного перекрытия. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 3 и 16, 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22, 23 и 24, 25 и 26, 27 и инерционной массой 51 одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X) инерционная масса 51 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 56, 57, 58, 59 и кручения упругих балок 40, 41, 42, 43. Напряжения, генерируемые на емкостном преобразователе перемещений, образованные электродом 3 и инерционной массой 51, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных 16, 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22, 23 и 24, 25 и 26, 27, и инерционной массой 51 одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Y) инерционная масса 50 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 52, 53, 54, 55 и кручения упругих балок 36, 37, 38, 39. Напряжения, генерируемые на емкостном преобразователе перемещений, образованные электродом 2 и инерционной массой 50, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и инерционной массой 50 одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 50 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1, направленные вдоль оси Y за счет s-образного изгиба упругих балок 52, 53, 54, 55. Инерционная масса 51 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1, направленные вдоль оси Х за счет s-образного изгиба упругих балок 56, 57, 58, 59. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и инерционными массами 50, 51, соответственно, одинаковы. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и инерционной массой 50, а также 16, 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22, 23 и 24, 25 и 26, 27 и инерционной массой 51, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 51 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 56, 57, 58, 59, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами электростатических приводов 34, 35, а другими - с инерционной массой 51, соответственно. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 16, 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22, 23 и 24, 25 и 26, 27, и инерционной массой 51 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 50 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 52, 53, 54, 55, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами электростатических приводов 32, 33, а другими - с инерционной массой 50 соответственно. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15, и инерционной массой 50 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, инерционные массы 50, 51 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59 и кручения упругих балок 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 соответственно. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и инерционными массами 50, 51 соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризуют величину ускорения.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величину угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра.
Введение двадцати четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, одного дополнительного неподвижного электрода электростатического привода с гребенчатой структурой, четырех дополнительных подвижных электродов электростатических приводов с гребенчатыми структурами и двух дополнительных опор, причем подложка и электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала, позволяет измерять величину 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 величины 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 величины угловой скорости и ускорения, так как для измерения величины угловой скорости и ускорения по трем осям X, Y, Z используется только один интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр.