Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр

Изобретение относится к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр дополнительно содержит восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, шесть дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, два подвижных электрода электростатических приводов, восемь неподвижных электродов электростатических приводов, двенадцать дополнительных опор, шестнадцать П-образных систем упругих балок, четыре Г-образные системы упругих балок, дополнительную инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки. Технический результат – измерение величин линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области микроэлектромеханических систем, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и линейного 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 конденсатор в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов.

Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного 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.

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости подложки и величин угловой скорости.

Функциональным аналогом заявляемого объекта 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 конденсаторы в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, используемые в качестве емкостных преобразователей перемещений.

Данный акселерометр позволяет измерять величины линейного ускорения вдоль осей X 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 емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке.

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин угловой скорости.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический акселерометр [Б.Г. Коноплев, И.Е. Лысенко, Интегральный микромеханический акселерометр-клинометр, патент РФ на изобретение №2279092, опубликовано 27.06.2006, Бюл. №18], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, и четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующие конденсаторы с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой с помощью восьми упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, а другими - с четырьмя опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке, инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки, связанную с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки.

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

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

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин угловой скорости.

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

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

Технический результат достигается за счет введения шести дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки, четырех дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с перфорацией и с гребенчатыми структурами с обеих сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, так, что он образует конденсатор с неподвижными электродами емкостного преобразователя перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, двух подвижных электродов электростатических приводов, выполненных из полупроводникового материала в виде перфорированных рамок с гребенчатыми структурами и расположенными с зазором относительно полупроводниковой подложки, восьми неподвижных электродов электростатических приводов, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки, так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, двенадцати дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки, шестнадцати «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четырех «Г»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительной инерционной массы с перфорацией, причем шесть подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон, два неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны, а инерционная масса выполнена с перфорацией.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, и четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующие конденсаторы с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой с помощью восьми упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, а другими - с четырьмя опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке, инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки, связанную с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки введены шесть дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки, четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией и с гребенчатыми структурами с обеих сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, так, что он образует конденсатор с неподвижными электродами емкостного преобразователя перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, два подвижных электрода электростатических приводов, выполненные из полупроводникового материала в виде перфорированных рамок с гребенчатыми структурами и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, восемь неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки, так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, двенадцать дополнительных опор, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки, шестнадцать «П»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, четыре «Г»-образных системы упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительную инерционную массу с перфорацией, причем шесть подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон, два неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны, а инерционная масса выполнена с перфорацией.

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 двенадцатью неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, выполненными из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны, два неподвижных электрода емкостного преобразователя перемещений 14, 15, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке 1, шесть подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений 16, 17, 18, 19, 20, 21, выполненные в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон и образующие конденсаторы с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, соединенные с одной стороны двенадцатью «П»-образными системами упругих балок 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, выполненными из полупроводникового материала и расположенными с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, с другой - двенадцатью упругими балками 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, выполненными из полупроводникового материала и расположенными с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые соединены с восьмью опорами 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, двенадцать «П»-образных систем упругих балок 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 так же соединены с шестью опорами 54, 55, 56, 57, 58, 59, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, восемь неподвижных электродов электростатических приводов 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки 1, образующие конденсаторы с подвижными электродами электростатических приводов 68, 69, выполненными из полупроводникового материала в виде перфорированных рамок с гребенчатыми структурами и расположенными с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, четыре «П»-образные системы упругих балок 70, 71, 72, 73, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами электростатических приводов 68, 69, а другими - с опорами 74, 75, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, инерционные массы 76, 77, выполненные в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие с расположенными на полупроводниковой подложке 1 неподвижными электродами емкостного преобразователя перемещений 14, 15, плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, и связанные с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 16, 17, 18, 19, 20, 21 с помощью шести упругих балок 78, 79, 80, 81, 82, 83, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, а с четвертой стороны связанные с помощью упругих балок 84, 85, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, с пластинами жесткости упругого подвеса 86, 87, выполненные в виде небольших пластин с перфорацией из полупроводникового материала, расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, соединенные с помощью упругих балок 88, 89, 90, 91, выполненных из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, с опорами 47, 48, 51, 52, «Г»-образные системы упругих балок 92, 93, 94, 95, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, соединенные с пластинами жесткости 86, 87 с одной стороны и подвижными электродами электростатических приводов 68, 69, с другой стороны, соединенными с опорами 47, 48, 51, 52 с помощью упругих балок 96, 97, 98, 99, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1.

Работает устройство следующим образом.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 76, 77 под действием сил инерции начинают перемещаться вдоль оси X в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 36, 37, 38, 39, 42, 43, 44, 45, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 17, 18, 20, 21, а другими - с опорами 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, соответственно, упругих балок 78, 81, 85, 86 и «П»-образных систем упругих балок 24, 25, 26, 27, 30, 31, 32, 33, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 17, 18, 20, 21, а другими - с опорами 55, 56, 58, 59. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 2 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 17, 18, 20, 21, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 76, 77 под действием сил инерции начинают перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 34, 35, 40, 41, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 16, 19, а другими - с опорами 45, 46, 49, 50, соответственно, упругих балок 79, 80, 82, 84, и «П»-образных систем упругих балок 22, 23, 28, 29, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 16, 19, а другими - с опорами 54, 57. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 3, 4, 9, 10 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 16, 19, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 76, 77 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85 и кручения упругих балок 34, 35, 36, 37, 88, 89, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 90, 91. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещений, образованного неподвижными электродами емкостного преобразователя перемещений 14, 15 и инерционными массами 76, 77, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризуют величину линейного ускорения.

При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 60, 61, 66, 67 и 62, 63, 64, 65 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов 68, 69 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению противофазных колебаний подвижных электродов 68, 69 в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X за счет изгиба упругих балок 96, 97, 98, 99 и «П»-образных систем упругих балок 70, 71, 72, 73, связанных с опорами 74, 75. Через «Г»-образные системы упругих балок 92, 93, 94, 95 колебания передаются пластинами жесткости упругого подвеса 86, 87, что вызывает противофазные колебания инерционным массам 76, 77 в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 3, 4, 9, 10 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 16, 19, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину перемещений инерционных масс 76, 77 под действием электростатических сил.

При возникновении угловой скорости вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 76, 77 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать противофазные колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователя перемещений 14, 15 и инерционных масс 76, 77, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.

При возникновении угловой скорости вдоль оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 76, 77 и подвижные электроды емкостных преобразователей перемещений 17, 18, 20, 21 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 17, 18, 20, 21, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.

Опоры 47, 48, 51, 52 выполняют роли ограничителей движения инерционных масс 76, 77 в плоскости полупроводниковой подложки 1.

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

Введение четырех дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки так, что он образует конденсатор с подвижными электродами емкостного преобразователя перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четырех дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки, так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки, восьми дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, четыре неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений объединены в один, а инерционная масса выполнена с перфорацией, позволяет измерять величины угловой скорости и линейного ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, и X, Y, расположенных в плоскости подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин угловой скорости и линейного 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 линейного ускорения, так как для измерения величин линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки используется только один интегральный микромеханический сенсор.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, и четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны, двенадцать упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки, отличающийся тем, что в него введены восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, шесть дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде Т-образных пластин с перфорацией и с гребенчатыми структурами с обеих сторон из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что он образует конденсатор с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, два подвижных электрода электростатических приводов, выполненных из полупроводникового материала в виде перфорированных рамок с гребенчатыми структурами и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, восемь неподвижных электродов электростатических приводов, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, двенадцать дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, соединенных шестнадцатью дополнительными упругими балками, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, шестнадцать П-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, четыре Г-образные системы упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, соединенные одними концами с двумя пластинами жесткости, выполненные с перфорацией из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительная инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно полупроводниковой подложки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам изготовления устройств для измерений сейсмического или акустического сигналов. Техническим результатом является повышение жесткости конструкции преобразующего элемента и его неподвижности относительно корпуса.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения сейсмической съемки. Описано устройство для сейсмической съемки, содержащее корпус, ускоряемую массу, по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью обнаружения перемещения ускоряемой массы относительно корпуса, электронную схему, соединенную с упомянутым по меньшей мере одним датчиком и выполненную с возможностью получения и обработки выходного сигнала этого датчика, и источник питания, выполненный с возможностью подачи электрической энергии в электронную схему и представляющий собой составную часть ускоряемой массы.

Изобретение относится к области измерительной и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величин ускорения. Акселерометр содержит полуизолирующую подложку, основание неподвижного электрода, основание электростатического актюатора, якорную область подвижного электрода, технологический слой в области неподвижного электрода, технологический слой в области электростатического актюатора, упругий подвес, контактную область неподвижного электрода, контактную область электростатического актюатора, контактную область подвижного электрода, инерционную массу, неподвижный электрод, неподвижный электрод электростатического актюатора, контакт к подвижному электроду, подвижный электрод электростатического актюатора, подвижный электрод.

Изобретения относятся к измерительной технике объективного контроля мастерства спортсменов и могут быть использованы в различных видах спорта, например футболе. Предложены способ и устройство для реализации воспроизведения эталонного удара по мячу в футболе с конкретной точки поля по ускорению пробивающей по мячу ноги, фиксируемого с помощью датчика ускорения, установленного на голеностопе.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры раскаленных газовых потоков, включая пламена.

Группа изобретений относится к датчику с электростатическим маятниковым акселерометром и к способу управления таким датчиком. Акселерометрический датчик содержит по меньшей мере один электростатический маятниковый акселерометр, имеющий первый и второй неподвижные электроды, закрепленные на корпусе и соединенные со схемой возбуждения, и третий электрод, установленный на маятнике, соединенном с корпусом, с возможностью перемещения и связанный с детекторной схемой.

Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к приборам для измерения величины линейного ускорения. Интегральный датчик ускорения содержит выполненные из полупроводникового материала за одно целое опорную рамку и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу, при этом датчик дополнительно содержит пару упругих торсионных элементов, расположенных на противоположных плечах опорной рамки перпендикулярно упругим консольным элементам и соединенных с инерционной массой, при этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами.

Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа относится к измерительной технике. Способ основан на использовании цифровой обратной связи, реализуемой микроконтроллером, в котором программным способом реализован ШИМ; ШИМ формирует последовательность рабочих импульсов, длительность которых равна τраб(n⋅T0), а таймер микроконтроллера формирует два равных по величине вспомогательных импульса длительностью τвсп и две равные по величине паузы длительностью τпауз.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана заключается в том, что подсчитывается количество шагов N, сделанных одной ногой спортсмена на движущейся со скоростью ν (м/с) в противоположную сторону бега спортсмена дорожке тредбана, за отсчитанный секундомером отрезок времени t, чтобы удержаться на начальной точке отсчета, по замеренным параметрам которых рассчитывается частота передвижения ноги ω в единицу времени: гдеω - частота передвижения ног (рад/сек);N - количество шагов, сделанных ногой за отрезок времени t;t - время, затраченное спортсменом на прохождение N шагов, при этом перед включением движения дорожки на голеностоп одной из ног спортсмена устанавливается датчик ускорения, сигнал которого поступает на вход спектроанализатора с предварительно установленным в нем полосовым фильтром с центральной угловой частотой ω, к выходу которого подключен цифровой вольтметр, показание которого «u» будет соответствовать величине ускорения датчика на угловой частоте ω, рассчитанной по формуле: гдеν - скорость движения дорожки тредбана (м/сек);а - ускорение датчика на частоте ω (в ед.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения заключается в поднятии штока, имеющего свободный или скользящий ход по отношению к трубке, внутри которой он движется, на высоту Н.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к пульсоксиметру, использующему акселерометр для обнаружения пульса субъекта. Пульсометр для обнаружения пульса субъекта в соответствии со способом, содержит: основу, причем основа выполнена с возможностью расположения соответствующих вертикальных осей (ZR) и (ZL) акселерометров (41R) и (41L) перпендикулярно поверхности тела субъекта и расположения соответствующих продольных осей (XR) и (XL) и соответствующих поперечных осей (YR) и (YL) акселерометров (41R) и (41L) параллельно поверхности тела субъекта, многоосевые акселерометры (41R, 41L), прикрепленные к основе для генерирования сигналов (AZR, AZL) отличающихся режимов, отражающих измерение акселерометрами физиологического движения субъекта, создаваемого системой кровообращения, относительно осей (42R, 42L) измерения ускорения для генерирования сигналов (AXR, AXL, AYR, AYL) общего режима, отражающих измерение акселерометрами (41R, 41L) постороннего движения субъекта, характеризующего движение тела или части тела субъекта, возникающее вследствие приложения силы, источник которой является посторонним по отношению к телу, относительно осей (42R, 42L) измерения ускорения, причем основа содержит носовой зажим, выполненный с возможностью установки акселерометров (41R, 41L) на носу субъекта, причем носовой зажим дополнительно включает поворотный носовой зажим, конструктивно выполненный с возможностью прикрепления акселерометров (41R, 41L) к правой и левой сторонам переносицы субъекта, посредством чего расположенная ниже носовая кость жестко поддерживает угловую ориентацию акселерометров (41R, 41L) относительно друг друга и относительно носа; и детектор пульса, функционально соединенный с многоосевыми акселерометрами (41R, 41L) для генерирования сигнала (PS) пульса как функции вертикальной ориентации осей (42R, 42L) измерения ускорения посредством суммирования сигналов (AZR, AZL) отличающихся режимов и удаления сигналов (AXR, AXL, AYR, AYL) общего режима, с возможностью использования векторов ускорения силы тяжести по осям (42R) и (42L) XYZ для определения угла между акселерометрами (41R) и (41L) или относительно отдельных базовых осей. Устройство для кардиотерапии, содержит: пульсометр и монитор пульса, функционально соединенный с детектором пульса для мониторинга пульса субъекта в ответ на сигнал (PS) пульса. Группа изобретений обеспечивает различение пульса субъекта от помех движения, возникающих вследствие постороннего движения субъекта, характеризующего движения тела или части тела субъекта, возникающего вследствие приложения силы, источник которой является посторонним по отношению к телу. 3 н.п. ф-лы., 9 з.п. ф-лы., 9 илл.

Изобретение относится к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр дополнительно содержит восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, шесть дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, два подвижных электрода электростатических приводов, восемь неподвижных электродов электростатических приводов, двенадцать дополнительных опор, шестнадцать П-образных систем упругих балок, четыре Г-образные системы упругих балок, дополнительную инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки. Технический результат – измерение величин линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки. 2 ил.

Наверх