Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр на основе углеродных нанотрубок

Изобретение относится к области измерительной и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения. Устройство содержит полупроводниковую подложку с пятью неподвижными электродами, четыре подвижных электрода, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами, образующих конденсаторы с неподвижными электродами и связанных с подложкой с помощью упругих балок, выполненных на основе углеродных нанотрубок, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы. Техническим результатом является возможность измерения величин угловой скорости и ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.

Известен интегральный микромеханический акселерометр [A.Selvakumar, F.Ayazi, K.Najafi, A High Sensitivity Z-Axis Torsional Silicon Accelerometer, Digest, IEEE International Electron Device Meeting (IEDM'96), San Francisco, CA, December 1996, p.765, fig.1a], содержащий диэлектрическую подложку и инерционную массу, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой с одной стороны из полупроводникового материала и связанную с подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на диэлектрической подложке, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образует плоский конденсатор в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов.

Данный акселерометр позволяет измерять величину ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величин ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, и угловой скорости по осям X, Y, Z.

Функциональным аналогом заявляемого объекта 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 гребенки 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 гребенки электродов.

Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси X, расположенной в плоскости подложки.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений с гребенчатыми структурами, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг осей Y, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, а также ускорения по осям X, Y, Z.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический акселерометр [M.A.Lemkin, B.E.Boser, D.Auslander, J.H.Smith, A 3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers'97), Chicago, June 16-19, 1997, p.1186, fig.1], содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, и инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, и связанную с полупроводниковой подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образуют плоские конденсаторы в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов.

Данный акселерометр позволяет измерять величину ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность измерения угловой скорости по осям X, Y, Z.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность измерения величин угловой скорости и ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин угловой скорости и ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.

Технический результат достигается за счет введения слоя дополнительной инерционной массы, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на инерционной массе, четырех подвижных электродов, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с неподвижными электродами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, четыре из которых расположены непосредственно на опорах, а четыре других - на четырех дополнительных подвижных электродах, причем упругие балки выполнены на основе углеродных нанотрубок.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, упругие балки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и четыре неподвижных электрода, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенных непосредственно на подложке, введены слой дополнительной инерционной массы, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на инерционной массе, четыре подвижных электрода, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с четырьмя неподвижными электродами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, четыре из которых расположены непосредственно на опорах, а четыре других - на четырех дополнительных подвижных электродах, причем упругие балки выполнены на основе углеродных нанотрубок, четыре из которых соединены одними концами с помощью слоя дополнительной инерционной массы с инерционной массой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижными электродами, а восемь других упругих балок соединены одними концами с помощью этих же четырех элементов креплений с подвижными электродами, а другими концами с помощью других четырех элементов креплений - с опорами.

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 на основе углеродных нанотрубок и показаны сечения. На Фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра на основе углеродных нанотрубок.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр на основе углеродных нанотрубок (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней пятью неподвижными электродами 2, 3, 4, 5, 6, выполненными из полупроводникового материала, четыре подвижных электрода 7, 8, 9, 10, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие конденсаторы с неподвижными электродами 2, 3, 4, 5 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов и связанные с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, выполненных на основе углеродных нанотрубок, которые одними концами жестко соединены при помощи элементов крепления 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, выполненных из полупроводникового материала, с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 7, 8, 9, 10, а другими - с опорами 27, 28, 29, 30, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, инерционную массу 31, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с расположенным на полупроводниковой подложке 1 неподвижным электродом емкостного преобразователя перемещений 6 плоский конденсатор за счет их полного перекрытия и связанную с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 7, 8, 9, 10 с помощью упругих балок 32, 33, 34, 35, выполненных на основе углеродных нанотрубок, одними концами жестко соединенных при помощи элементов крепления 19, 20, 21, 22, выполненных из полупроводникового материала, другими - расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 36.

Работает устройство следующим образом.

При подаче на неподвижные электроды 2 и 4 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов 7 и 9, 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 11, 12, 15, 16, которые одними концами жестко соединены с помощью элементов креплений 19, 21 с подвижными электродами 7, 9, а другими концами с помощью элементов креплений 23, 24, 25, 26 - с опорами 27, 28, 29, 30, соответственно, и упругих балок 33, 35. Колебания подвижных электродов 7, 9 передаются инерционной массе 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 36. Зазор между неподвижными электродами 3, 5 и подвижными электродами 8, 10 соответственно и неподвижным электродом емкостного преобразователя перемещений 6 и инерционной массой 31 не изменяется.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 36 под действием сил Кориолиса совершает колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 32, 33, 34, 35 и кручения упругих балок 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещений, образованном неподвижным электродом емкостного преобразователя перемещений 6 и инерционной массой 31, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 36 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1, направленные вдоль оси Y, за счет s-образного изгиба упругих балок 13, 14, 17, 18, которые одними концами жестко соединены с помощью элементов креплений 20, 22 с подвижными электродами 8, 10, а другими концами с помощью элементов креплений 23, 24, 25, 26 - с опорами 27, 28, 29, 30 соответственно, и упругих балок 32, 34. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами 3, 5 и подвижными электродами 8, 10 соответственно, за счет изменения их площади взаимного перекрытия, характеризует величину угловой скорости.

При подаче на неподвижные электроды 3 и 5 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов 8 и 10, 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 13, 14, 17, 18, 32, 34. Колебания подвижных электродов 8, 10 передаются инерционной массе 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 36. Зазор между неподвижными электродами 2, 4 и подвижными электродами 7, 9 соответственно и неподвижным электродом емкостного преобразователя перемещений 6 и инерционной массой 26 не изменяется.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 36 под действием сил Кориолиса совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 32, 33, 34, 35 и кручения упругих балок 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещений, образованном неподвижным электродом емкостного преобразователя перемещений 6 и инерционной массой 31, 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 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 34 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 11, 12, 15, 16, 33, 35. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами 2, 4 и подвижными электродами 7, 9 соответственно, за счет изменения их площади взаимного перекрытия, характеризует величину ускорения.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 34 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 13, 14, 17, 18, 32, 34. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами 3, 5 и подвижными электродами 8, 10 соответственно, за счет изменения их площади взаимного перекрытия, характеризует величину ускорения.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 31 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 34 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 32, 33, 34, 35 и кручения упругих балок 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещений, образованном неподвижным электродом емкостного преобразователя перемещений 6 и инерционной массой 31, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину ускорения.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величины угловой скорости и ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.

Введение слоя дополнительной инерционной массы, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на инерционной массе, четырех дополнительных подвижных электродов, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с неподвижными электродами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми элементов креплений, причем упругие балки выполнены на основе углеродных нанотрубок, позволяет измерять величины угловой скорости и ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости полупроводниковой подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение не только в качестве интегрального измерительного элемента величины ускорения, но и в качестве измерительного элемента величины угловой скорости.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь полупроводниковой подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и ускорения, так как для измерения этих величин используется только один интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, а также за счет использования упругих балок, выполненных на основе углеродных нанотрубок, обладающих одинаковыми моментами инерции сечения, что в свою очередь позволяет повысить и получить равную чувствительность предложенного измерительного устройства по осям X, Y, Z к угловой скорости и ускорению.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и четыре неподвижные электрода, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке, отличающийся тем, что в него введены слой дополнительной инерционной массы, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на инерционной массе, четыре подвижных электрода, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с четырьмя неподвижными электродами в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь элементов крепления, выполненных из полупроводникового материала, четыре из которых расположены непосредственно на опорах, а четыре других - на четырех подвижных электродах, причем упругие балки выполнены на основе углеродных нанотрубок, четыре из которых соединены одними концами с помощью слоя дополнительной инерционной массы с инерционной массой, а другими концами с помощью четырех элементов крепления - с подвижными электродами, а восемь других упругих балок соединены одними концами с помощью этих же четырех элементов креплений с подвижными электродами, а другими концами с помощью других четырех элементов креплений - с опорами.