Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения. В устройство, содержащее полупроводниковую подложку с двумя опорами, инерционную массу, два торсиона, две упругие балки и подвижный электрод, введены восемь дополнительных опор, внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, два дополнительных торсиона, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, три дополнительных подвижных электрода, двенадцать дополнительных упругих балок, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четыре неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем подвижные электроды выполнены с гребенчатыми структурами с одной стороны и образуют конденсаторы с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов. Изобретение обеспечивает возможность измерения величин угловой скорости вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки гироскопа-акселерометра. 3 ил.

 

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, №6, 1999, 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 два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, рамка, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, электрод, расположенный непосредственно на подложке.

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин ускорения по осям X, Y.

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 два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, рамка, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений, выполненный из полупроводникового материала, расположенный на подложке, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.

Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин ускорения по осям X, Y.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральное микромеханическое устройство [V.Milanovic, M.Last, M.Palaniapan, K.S.J.Pister, Laterally actuated torsional micromirrors for large static deflection, IEEE Photonic technologies letters, vol.15, No. 2, February 2003, p.1, fig.1], содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя опорами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, соединенную с опорами с помощью двух торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к опорам, подвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный с зазором относительно подложки, соединенный с инерционной массой с помощью двух упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к подвижному электроду, а другими - к инерционной массе.

Данное устройство позволяет отклонять инерционную массу перпендикулярно плоскости подложки.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка с расположенными на ней опорами, выполненными из полупроводникового материала, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, соединенная с опорами с помощью торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, подвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный с зазором относительно подложки, соединенный с инерционной массой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки.

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

Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величин угловой скорости вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки гироскопа-акселерометра.

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

Технический результат достигается за счет введения восьми дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных, непосредственно на полупроводниковой подложке, внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, трех дополнительных подвижных электродов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четырех неподвижных электродов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, причем подвижные электроды выполнены с гребенчатыми структурами с одной стороны и образуют конденсаторы с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.

Для достижения необходимого технического результата в интегральное микромеханическое устройство, содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя опорами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, два торсиона, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, подвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный с зазором относительно подложки, две упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, введены восемь дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, два дополнительных торсиона, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, три дополнительных подвижных электрода, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, двенадцать дополнительных упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, четыре неподвижные электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, причем подвижные электроды выполнены с гребенчатыми структурами с одной стороны и образуют конденсаторы с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.

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. На Фиг.3 показано место соединения инерционной массы с упругими балками и торсионами.

Интегральный микромеханический гироскоп (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней двумя неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 2, 3, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны 4, 5, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке 1, два подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 6, 7, выполненных в виде пластин из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующих электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 2, 3 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 8, 9, 10, 11, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с подвижными электродами электростатических приводов 6, 7, а другими - с опорами 12, 13, 14, 15, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, два подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 16, 17, выполненных в виде пластин из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующих электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 4, 5 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с подвижными электродами электростатических приводов 16, 17, а другими - с опорами 22, 23, 24, 25, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, внутреннюю рамку 26, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, соединенную с подвижными электродами 6, 7 с помощью четырех упругих балок 27, 28, 29, 30, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке 26, а другими - к подвижным электродам 6, 7, и связанную с полупроводниковой подложкой 1 с помощью торсионных балок 31, 32, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с внутренней рамкой 26, а другими - с опорами 33, 34, инерционную массу 35, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, соединенную с подвижными электродами 16, 17 с помощью четырех упругих балок 36, 37, 38, 39, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе 35, а другими - к подвижным электродам 16, 17, и связанную с полупроводниковой подложкой 1 с помощью торсионных балок 40, 41, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с инерционной массой 35, а другими - с внутренней рамкой 26.

Работает устройство следующим образом.

При подаче на неподвижные электроды с гребенчатыми структурами с одной стороны 2, 3 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов с гребенчатыми структурами с одной стороны 6, 7 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 8, 9, 10, 11, соединяющих подвижные электроды 6, 7 с опорами 12, 13, 14, 15. Колебания подвижных электродов 6, 7 передаются внутренней рамке 26, через упругие балки 27, 28, 29, 30, что вызывает колебания внутренней рамки 26 за счет кручения торсионных балок 31, 32, соединяющих внутреннюю рамку 26 с опорами 33, 34. Колебания прямоугольной рамки 26 передаются инерционной массе 35 через торсионные балки 40, 41.

При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 35 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 (относительно оси X), за счет кручения торсионных балок 40, 41. Колебания инерционной массы 35 передаются подвижным электродам с гребенчатыми структурами с одной стороны 16, 17 через упругие балки 36, 37, 38, 39, что вызывает колебания подвижных электродов с гребенчатыми структурами с одной стороны 16, 17 в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y), за счет s-образного изгиба упругих балок 19, 20, 21, 22, соединяющие подвижные электроды с гребенчатыми структурами с одной стороны 16, 17 с опорами 22, 23, 24, 25. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 4, 5 и подвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 16, 17, соответственно, за счет изменения величины площади перекрытия между ними, характеризует величину угловой скорости.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, подвижные электроды с гребенчатыми структурами с одной стороны 6, 7 под действием сил инерции начинают перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 8, 9, 10, 11, соединяющих подвижные электроды 6, 7 с опорами 12, 13, 14, 15, внутренняя рамка 26 начинает совершать вращение перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет кручения торсионных балок 31, 32, соединяющих внутреннюю рамку 26 с опорами 33, 34. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 2, 3 и подвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 6, 7, соответственно, за счет изменения величины площади перекрытия между ними, характеризует величину ускорения.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, подвижные электроды с гребенчатыми структурами с одной стороны 16, 17 под действием сил инерции начинают перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21, соединяющих подвижные электроды 16, 17 с опорами 19, 20, 21, 22, инерционная масса 35 начинает совершать вращение перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет кручения торсионных балок 40, 41, соединяющих инерционную массу 35 с внутренней рамкой 26. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 4, 5 и подвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны 16, 17, соответственно, за счет изменения величины площади перекрытия между ними, характеризует величину ускорения.

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

Введение восьми дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, внутренней рамки, выполненной из полупроводникового материала и расположенной с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, трех дополнительных подвижных электродов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четырех неподвижных электродов с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, причем подвижные электроды выполнены с гребенчатыми структурами с одной стороны и образуют конденсаторы с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, позволяет измерять величины угловой скорости вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин 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 величин угловой скорости и ускорения, так как для измерения величин угловой скорости и ускорения по осям X, Y, Z используется только один интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя опорами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, два торсиона, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, подвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный с зазором относительно подложки, две упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, отличающийся тем, что в него введены восемь дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, внутренняя рамка, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки, два дополнительных торсиона, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, три дополнительных подвижных электрода, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двенадцать дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четыре неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, причем подвижные электроды выполнены с гребенчатыми структурами с одной стороны и образуют конденсаторы с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами с одной стороны в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.