RU179133U1 - Вибрационный гироскоп LL-типа - Google Patents
Вибрационный гироскоп LL-типа Download PDFInfo
- Publication number
- RU179133U1 RU179133U1 RU2017146369U RU2017146369U RU179133U1 RU 179133 U1 RU179133 U1 RU 179133U1 RU 2017146369 U RU2017146369 U RU 2017146369U RU 2017146369 U RU2017146369 U RU 2017146369U RU 179133 U1 RU179133 U1 RU 179133U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- group
- movable
- electrode
- stationary
- Prior art date
Links
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000010360 secondary oscillation Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 12
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 101000987063 Adamsia palliata Phospholipase A2 A2-hormotoxin-Apt1a Proteins 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
- G01C19/5621—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks the devices involving a micromechanical structure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области изделий микромеханики, в частности к вибрационным микромеханическим гироскопам (ММГ) LL-типа, широко применяемым в микросистемной технике (МСТ) для мониторинга параметров движения перемещающихся объектов. Вибрационный гироскоп LL-типа с обратной связью в канале вторичных колебаний содержит первую подвижную массу, включающую внешнюю и инерциальную массу, подвешенную на упругих подвесах, и систему гребенчатых электродов, вторую подвижную массу, включающую инерциальную массу и измерительный резонатор с первой, второй и третьей группами плоскопараллельных электродов и систему управления положением первой и второй подвижных масс, входы и выходы которой соединены с электродами. Система гребенчатых электродов состоит из не менее чем одной группы встречно-направленных неподвижных и подвижных электродов, расстояние между поверхностями близлежащих подвижного и неподвижного электродов, образующих емкостную пару электродов, имеет переменное, чередующееся по длине электрода значение, описываемое периодической функцией, причем изменение указанного расстояния для каждой последующей пары электродов в группе выполнено со сдвигом фаз вышеуказанной периодической функции, кратным количеству пар электродов в группе. Технический результат – повышение удельной ёмкости системы гребенчатых электродов при сохранении линейного характера изменения ёмкости и электростатической силы. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Полезная модель относится к области изделий микромеханики, в частности к вибрационным микромеханическим гироскопам (вибрационный ММГ) LL-типа, широко применяемым в микросистемной технике (МСТ) для мониторинга параметров движения перемещающихся объектов.
Известны конструкции вибрационных ММГ, отличающиеся количеством осциллирующих масс, направлением колебаний, структурой и конструкцией возбуждающих и измерительных узлов, технологией изготовления и материалами [AcarC. MEMS Vibratory Gyroscopes Structural Approaches to Improve Robustness/ C. Acar and A. Shkel // –Springer.–2009. – pp. 262.].
Одной из наиболее актуальных задач является увеличение ёмкости электродных групп, при неизменных массогабаритных параметрах. Однако, из-за особенностей технологии изготовления вибрационных ММГ, увеличить значение ёмкости электродной группы становиться невозможным без увеличения количества электродов (т.е. без увеличения занимаемой электродной группой площади).
При плазменном травлении (основном инструменте формообразования в современных технологических маршрутах) существует взаимозависимость между глубиной и площадью области травления [High aspect ratio sub-micron trenches on silicon-on-insulator and bulk silicon / M. Hermersdorf, C. Hibert, D. Grogg, etc. // J. Microelectronic Engineering. – No.88. – 2011. – pp. 2556-2558.]. Достижимое на сегодняшний день аспектное отношение (отношение глубины травления к ширине полости) составляет примерно 30:1. Поэтому для формирования чувствительных вибрационных ММГ, требующих чтобы их высота составляла порядка сотни мкм, приходится увеличивать зазор между электродами гребенчатых структур до 3÷5 мкм, что приводит к уменьшению удельной электроемкости. (Под удельной емкостью понимается отношение ёмкости к объёму воздушного зазора между электродами.)
Известны решения по уменьшению зазора гребенчатых структур, использующие процессы постобработки и активной настройки [Acar С. Structurally decoupled micromachined gyroscope swith post-release capacitance enhancement / Cenk Acar, Andrei M. Shkel // Journal of Micromechanics and Microengineering. – Vol. 15. – 2005. – pp. 1092–1101.]. В случае активной настройки формируется дополнительная механическая структура с собственным приводом (электростатическим или термическим), смещающим и удерживающим структуру в положении с уменьшенным зазором. Постобработка так же использует дополнительную механическую структуру для изменения зазора, но в тоже время предполагает фиксацию данной структуры после перемещения. Указанные способы увеличивают габариты устройства и неприемлемы для серийного производства изделий по групповой технологии.
Среди различных конструкций вибрационных ММГ LL-типа для увеличения удельной ёмкости и электростатической силы было представлено решение с неоднородными по ширине электродами [пат. US8037757В2, G01C 19/56, опубл. 18.10.2011]. Однако данное решение приводит к изменению удельной ёмкости при движении подвижных масс и не позволяет обеспечить увеличение удельной емкости в статическом состоянии, при том же аспектном отношении.
Задача увеличения удельной емкости электродов (путём увеличения аспектного отношения плазменного травления) для компенсации силы Кориолиса и настройки резонансной частоты подвеса второй подвижной массы решена в устройстве, описанном в работе [пат. РФ № 173867, G01C 19/5621, опубл 15.09.2017], которое выбрано в качестве прототипа.
Этот вибрационный гироскоп LL-типа, содержит первую подвижную массу, включающую внешнюю и инерциальную массу, подвешенную на упругих подвесах и систему гребенчатых электродов, вторую подвижную массу, включающую инерциальную массу и измерительный резонатор с первой, второй и третьей группами плоскопараллельных электродов, систему управления положением первой и второй подвижных масс, входы и выходы которой соединены с электродами. Система гребенчатых электродов представляет собой группы встречно-направленных подвижных и неподвижных электродов, средние расстояния между поверхностями каждого подвижного и близлежащих неподвижных электродов равны. Неподвижные электроды закреплены на основании, подвижные закреплены на внешней рамке. Электроды первой и второй группы включают в себя подвижные и неподвижные электроды, у которых среднее расстояние между поверхностями подвижных и близлежащих неподвижных электродов отличаются в два и более раза. Электроды третьей группы включают в себя подвижный электрод, равноудалённый от поверхностей близлежащих неподвижных электродов. Наименьшее расстояние между поверхностями близлежащих подвижных и неподвижных электродов первой, второй и третьей группы изменяется вдоль электрода по гармоническому закону.
Описанное выше решение позволяет обеспечить увеличение удельной емкости в статическом состоянии для электродов первой, второй и третьей групп. Увеличение удельной ёмкости обеспечивается повышением аспектного отношения при сохранении глубины травления. Однако, использование гребенчатых электродов, в которых расстояние между поверхностями близлежащих подвижных и неподвижных электродов изменяется вдоль электрода по гармоническому закону, для систем электродов, в которых подвижные электроды осуществляют движение вдоль неподвижных электродов, приводит к тому, что создаваемая электростатическая сила будет иметь амплитудо-зависимую характеристику, а удельная ёмкость будет иметь нелинейный характер изменения. Поэтому данный подход не применим для увеличения удельной ёмкости системы гребенчатых электродов, т.к. нелинейный характер изменения ёмкости и электростатической силы приводит к необходимости изменения и усложнения системы управления.
Технической проблемой, решаемой предложенной полезной моделью, является создание вибрационного гироскопа LL-типа с повышенной удельной ёмкостью системы гребенчатых электродов при сохранении линейного характера изменения ёмкости и электростатической силы.
Для решения указанной технической проблемы предложен вибрационный гироскоп LL-типа с обратной связью в канале вторичных колебаний, содержащий первую подвижную массу, включающую внешнюю и инерциальную массу, подвешенную на упругих подвесах, и систему гребенчатых электродов, вторую подвижную массу, включающую инерциальную массу и измерительный резонатор с первой, второй и третьей группами плоскопараллельных электродов и систему управления положением первой и второй подвижных масс, входы и выходы которой соединены с электродами. Система гребенчатых электродов состоит из не менее чем одной группы встречно-направленных неподвижных и подвижных электродов, выполненных с возможностью возвратно-поступательного движения подвижных электродов вдоль неподвижных электродов, средние расстояния между поверхностями каждого подвижного и близлежащих неподвижных электродов равны. Проблема решается тем, что расстояние между поверхностями близлежащих подвижного и неподвижного электродов, образующих емкостную пару электродов, имеет переменное, чередующееся по длине электрода значение, описываемое периодической функцией, причем изменение указанного расстояния для каждой последующей пары электродов в группе выполнено со сдвигом фаз вышеуказанной периодической функции, кратным количеству пар электродов в группе.
В частном случае реализации подвижные электроды могут быть выполнены переменной ширины, причем изменение ширины на каждом последующем подвижном электроде в группе выполнено со сдвигом, кратным количеству подвижных электродов в группе.
В частном случае реализации неподвижные электроды могут быть выполнены переменной ширины, причем изменение ширины на каждом последующем неподвижном электроде в группе выполнено со сдвигом, кратным количеству неподвижных электродов в группе.
Технический результат достигается тем, что при изготовлении ММГ в системе гребенчатых электродов чередуются области с высоким и низким аспектным отношением, в результате чего при плазменном травлении облегчается диффузия травящих компонентов плазмы между электродами. Вследствие этого увеличивается удельная электроемкость. При этом, при работе гироскопа возникающие искажения электростатической силы в системе гребенчатых электродов при движении подвижных электродов вдоль неподвижных электродов взаимно компенсируются за счёт сдвига фазы периодической функции, описывающей переменное значение расстояния между электродами, кратного количеству пар электродов в группе.
На Фиг. 1. изображена схема конструкции вибрационного ММГ LL- типа.
На Фиг. 2 изображён фрагмент группы системы гребенчатых электродов (вид на плане).
На Фиг. 3 изображён объёмный фрагмент группы системы гребенчатых электродов.
На Фиг. 4 изображены зависимости емкости C системы гребенчатых электродов от смещения d, для прямых плоскопараллельных электродов (точечная линия), для подвижных электродов с переменным расстоянием между поверхностями близлежащих электродов (пунктирная линия) и для электродов с переменным расстоянием между поверхностями близлежащих электродов и последовательным сдвигом фаз в группе (сплошная линия).
На Фиг. 5 изображены зависимости изменения электростатической силы F системы гребенчатых электродов от смещения d, для прямых плоскопараллельных электродов (точечная линия), для электродов с переменным расстоянием, выполненным в виде синусоиды без сдвига (пунктирная линия) и для электродов с переменным расстоянием между электродами, выполненным в виде синусоиды со сдвигом фаз (сплошная линия).
На Фиг. 6 изображена фотография изготовленной структуры вибрационного ММГ, сделанная на растровом электронном микроскопе.
На Фиг. 7 представлена фотография встречно направленных неподвижного электрода и подвижного электрода, расстояние между поверхностями которых имеет переменное, чередующееся по длине подвижного электрода значение.
Вибрационный гироскоп LL-типа содержит следующие конструктивные элементы:
1 – внешняя рамка;
2 – инерциальная масса;
3 – измерительный резонатор;
4 – упругий подвес первой массы;
5 – упругий подвес измерительного резонатора;
6 – система гребенчатых электродов;
7 – основание;
8 – первая группа плоскопараллельных электродов;
9 – вторая группа плоскопараллельных электродов;
10 – третья группа плоскопараллельных электродов.
Проекция на плоскость OXY трёхмерной электромеханической системы предложенного ММГ LL-типа, сформированной в кремниевой пластине, фиксированной на стеклянном основании в частном случае реализации представлена на фиг.1.
Конструкция вибрационного гироскопа LL-типа представляет систему связанных подвешенных масс: внешняя рамка 1; инерциальная масса 2; измерительный резонатор 3, и внешняя система управления положением первой (образуемой элементами 1, 2) и второй (образуемой элементами 2, 3) подвижных масс, соединенная с системой 6 гребенчатых электродов и группами плоскопараллельных электродов 8 – 10 (фиг. 1). Внешняя система управления на фигурах не показана.
Первая подвижная масса представляет собой резонатор первичных колебаний, подвешенный на упругих подвесах 4, включающий внешнюю рамку 1, инерциальную массу 2, систему 6 гребенчатых электродов. Упругий подвес 4 закреплен на основании 7. Внешняя рамка 1 и инерциальная масса 2 связаны упругим подвесом, аналогичным подвесу 4, направленным вдоль оси OX, что удовлетворяет условию его высокой жёсткости по оси OX и низкой жёсткости по оси OY. Система 6 гребенчатых электродов представляет собой группы встречно направленных подвижных и неподвижных электродов, средние расстояния между поверхностями каждого подвижного и близлежащих неподвижных электродов равны, при этом, расстояние между поверхностями близлежащих подвижных и неподвижных электродов, образующих емкостную пару электродов, имеет переменное, чередующееся по длине электрода значение, описываемое периодической функцией, причем изменение указанного расстояния для каждой последующей пары электродов в группе выполнено со сдвигом фаз, кратным количеству подвижных электродов в группе. Переменное расстояние между электродами обеспечивается формой профиля электродов системы гребенчатых электродов. Для этого в частном случае реализации подвижные электроды системы 6 гребенчатых электродов выполнены с переменной шириной, причем изменение ширины на каждом последующем подвижном электроде в группе выполнено со сдвигом, кратным количеству подвижных электродов в группе. Неподвижные электроды закреплены на основании 7, подвижные закреплены на внешней рамке 1.
Вторая подвижная масса включает инерциальную массу 2 и измерительный резонатор 3 с группами 8 – 10 плоскопараллельных электродов. Инерциальная масса 2 и измерительный резонатор 3 связаны упругим подвесом, аналогичным подвесу 4, направленным вдоль оси OY, что в данном случае удовлетворяет условию низкой жёсткости по оси OX c высокой жёсткости по оси OY. Измерительный резонатор 3 также подвешен на упругий подвес 5 имеющий высокую жёсткость в направление OX и низкую жесткость в направление OY. Электроды первой 8 и второй группы 9 включают в себя подвижные и неподвижные электроды, расстояние между поверхностями подвижных электродов и близлежащих неподвижных отличаются в два и более раз. Электроды третьей группы 10 включают в себя подвижный электрод, равноудалённый от поверхностей близлежащих неподвижных электродов. Подвижные электроды имеют закрепление на измерительном резонаторе 3, неподвижные имеют закрепление на основании 7.
Для подавления синфазных воздействий предложенная схема может быть объединена в систему из двух вибрационных ММГ, упруго связанных между собой. Система из двух ММГ, известная как камертонная или противофазная, позволяет уменьшить чувствительность ММГ к внешним воздействиям.
Внешняя система управления (не показана на фигурах), является внешним устройством, аналогичным использованному в выбранном прототипе, и описанном в [A New Silicon Tuning Fork Gyroscope for Aerospace Applications/ Bernard Chaumet, Bertrand LeVerrier, Claude Rougeot, etal. // Symposium Gyro Technology, Karlsruhe Germany – 2009] или [Результаты испытаний установочной партии гироскопов RR-типа/В.Г. Пешехонов, Я.А. Некрасов, П. Пфлюгер, и др.// Гироскопия и навигация №1(72),2011]. Входы и выходы внешней системы управления соединены с системой 6 гребенчатых электродов и группами 8 - 10 плоскопараллельных электродов.
Для измерения амплитуды вторичных колебаний формируется первая группа плоскопараллельных электродов 8, включающая в себя подвижные и неподвижные электроды, формирующие конденсатор ёмкостью C. Расстояние между поверхностями подвижных электродов и близлежащих неподвижных электродов отличаются в два и более раз (с противоположных сторон каждого электрода).
Для расширения диапазона измеряемых угловых скоростей формируется вторая группа плоскопараллельных электродов 9, включающая в себя подвижные и неподвижные электроды. Расстояние между поверхностями подвижных электродов и близлежащих неподвижных электродов отличаются в два и более раз (с противоположных сторон каждого электрода). Электроды второй группы обеспечивают обратную электростатическую связь, что компенсирует амплитуду вторичных колебаний.
Для настройки частоты собственных колебаний второй массы 2, 3 формируется третья группа плоскопараллельных электродов 10, включающая в себя подвижные электроды, равноудалённые от поверхностей близлежащих неподвижных электродов. Электроды третьей группы 10 формируют “отрицательную жёсткость”, величина которой определяется электростатической силой.
Принцип работы предложенного вибрационного ММГ основан на преобразовании первичных колебаний в ортогональные им вторичные колебания при действующей внешней угловой скорости.
Внешняя система управления (не показана на фигурах) имеет функцию управления положением первой и второй подвижных масс. Внешняя система управления формирует синусоидальное напряжение управления на системе 6 гребенчатых электродов, что приводит к возникновению электростатической силы между подвижными и неподвижными электродами системы 6 гребенчатых электродов. Под действием электростатической силы первая подвижная масса совершает первичные колебания в направлении оси OX. Первичные колебания внешней рамки 1 передаются на инерциальную массу 2 за счёт связи жёсткой вдоль направления первичных колебаний и податливой в ортогональном направлении. Инерциальная масса 2 имеет две степени свободы в направлении осей OX и OY. Инерциальная масса 2 формирует колебания, вызванные силами Кориолиса (при наличии внешней угловой скорости), и передаёт их на измерительный резонатор 3, имеющий одну степень свободны в направлении оси OY. Таким образом, амплитуда колебаний по оси OY второй подвижной массы, образованной инерциальной массой 2 и измерительным резонатором 3, прямо пропорциональна внешней угловой скорости. Подвижные электроды первой, второй и третьей группы 8-10 совершают колебания вместе с измерительным резонатором 3, что приводит к изменению расстояния между электродами и изменению их электрической ёмкости.
При этом внешняя система управления преобразует измеряемое изменение ёмкости первой группы 8 плоскопараллельных электродов в выходное напряжение. Для расширения диапазона измеряемых угловых скоростей внешняя система управления формирует пропорциональный выходному напряжению сигнал обратной электростатической связи. Сигнал обратной электростатической связи возбуждает электростатическую силу второй группы 9 плоскопараллельных электродов, что компенсирует амплитуду вторичных колебаний. Для настройки частоты собственных колебаний второй массы, образованной элементами 2, 3 внешняя система управления формирует постоянное напряжение на третьей группе 10 плоскопараллельных электродов обеспечивающей “отрицательную жёсткость” величина которой определяется электростатической силой.
Амплитуда вторичных колебаний второй подвижной массы, образованной элементами 2, 3 прямо пропорциональна амплитуде первичных колебаний, формируемых электростатической силой между подвижными и неподвижными электродами системы 6 гребенчатых электродов.
Увеличение значения емкости системы 6 гребенчатых электродов возможно при уменьшении расстояния между поверхностями электродов. Такое уменьшение расстояния ограничено технологическими ограничениями. Проблема решается путем использования электродов переменной ширины, что позволяет в несколько раз уменьшить эквивалентное среднее расстояние между подвижными и неподвижными электродами. Наличие сдвига изменения ширины на каждом последующем подвижном или неподвижном электроде в группе, кратного количеству пар подвижных и неподвижных электродов в группе, обеспечивает взаимную компенсацию нелинейности изменения электростатической ёмкости от перемещения.
Увеличение удельной ёмкости системы 6 гребенчатых электродов приводит к увеличению электростатической силы без увеличения занимаемой площади за счёт увеличения крутизны зависимости ёмкости от амплитуды первичных колебаний. Для гребенчатых электродов системы 6 электростатическая ёмкость C и величина электростатической силы F между электродами определяется как:
где ε0 ≈ 8.85·10−12 Ф/м - электрическая постоянная, S - площадь перекрытия, определяемая длиной x0 перекрытия между подвижными и неподвижными электродами и высотой h электродов, y0 - расстояние между электродами, V – управляющее напряжение и N - общее количество пар электродов (или соответственно подвижных или неподвижных гребенчатых электродов) в системе 6. Высота h электродов определяется технологическим процессом изготовления ММГ и является одинаковой для всех электродов.
На представленной на фиг. 2 проекции фрагмента системы гребенчатых электродов с периодически изменяемым расстоянием между поверхностями электродов, расстояние между поверхностями близлежащих подвижных и неподвижных электродов имеет переменное, чередующееся по длине электрода, значение, описываемое периодической функцией y(x).
Функция y(x) может иметь любую периодическую зависимость и определяется из условия обеспечения требований анизотропного плазменного травления по аспектному отношению, то есть период P вышеуказанной функции изменения расстояния между подвижным и неподвижным электродами больше или равняется минимальному расстоянию между электродами. Примером заявленной конструкции может являться электродная структура, в которой переменное расстояние между поверхностями близлежащих электродов y(x) изменяется по синусоиде.
Изменение указанного расстояния между каждым последующим подвижным электродом и неподвижным электродом путем изменения ширины, например, подвижного электрода, выполнено со сдвигом фазы G(Ni) вышеуказанной периодической функции, кратным количеству пар электродов (соответственно количеству подвижных или неподвижных электродов) в группе:
где Ni– номер пары электродов (или соответственно гребенчатого подвижного или неподвижного электрода), отношение N/n – количество пар электродов (или соответственно подвижных или неподвижных гребенчатых электродов), образующих группу, где N – общее количество пар электродов (или соответственно подвижных или неподвижных гребенчатых электродов) в системе 6, а n – число групп в системе 6 гребенчатых электродов.
Минимальная величина сдвига фазы G(Ni) ограничена разрешающей способностью процессов фотолитографии и плазмохимического травления. При большом количестве пар N электродов, для повышения величины сдвига фазы G(Ni), электроды образуют группы числом n. Для случая, когда количество пар N гребенчатых электродов равно 80, а число групп n равно 10, сдвиг фазы соответствует величине π/4, что соответствует величине сдвига P/8 периодической функции.
Электростатическая ёмкость Ci i-ой пары гребенчатых электродов, общая ёмкость С определяются как:
где ε0 ≈ 8.85·10−12 Ф/м - электрическая постоянная, A – амплитуда изменения периодической функции y(x), x0 – длина перекрытия между электродами, d – перемещение подвижных электродов, h - высота электродов, y0 - расстояние между электродами, G(Ni) –фаза и P – период периодической функции. Высота h электродов определяется технологическим процессом изготовления ММГ (глубиной травления) и является одинаковой для всех электродов (Фиг. 3). Электростатическая сила F определяется из формулы (2).
Зависимость изменения электростатической ёмкости С гребенчатых электродов от величины перемещения d подвижных электродов (фиг. 4) позволяет судить об увеличении значения ёмкости и крутизне зависимости изменения ёмкости и линейности зависимости изменения ёмкости от амплитуды колебаний.
Зависимость, изображённая на Фиг. 4 определялась из формулы (5) для пар гребенчатых электродов количеством N=80 шт., высота электродов: h=100 мкм, расстояние между электродами: y0=3,5 мкм, амплитуда изменения периодической функции y(x): A=1,5 мкм, а период P=5 мкм. Фаза G(Ni) для расстояния между каждым последующим подвижным электродом и неподвижным электродом определялся из формулы (3). При этом число групп n=10, и сдвиг фазы функции y(x) для каждого последующего электрода составляет π/4 (что соответствует величине сдвига периодической функции 0,63 мкм). Данные значения являются характерными для конструкций вибрационных ММГ и удовлетворяют технологическим условиям. Как видно, введение переменного расстояния между электродами (пунктирная линия) приводит к увеличению значения ёмкости по сравнению с плоскопараллельными электродами (точечная линия) более чем в 1,5 раза. Однако при этом на фиг.4 явно виден нелинейный характер зависимости электростатической ёмкости от перемещения. Сдвиг фазы G обеспечивает взаимную компенсацию нелинейности и приводит к линейному характеру изменения электростатической ёмкости от перемещения, сохраняя при этом повышенную величину ёмкости.
Зависимость изменения электростатической силы F(d) гребенчатых электродов от величины перемещения d подвижных электродов (фиг. 5) позволяет судить об увеличении значения электростатической силы и отсутствии зависимости от амплитуды колебаний.
Зависимость, изображённая на Фиг. 5, определялась из формулы (2) для гребенчатых электродов с параметрами, определёнными для Фиг 4 и управляющего напряжения V=10 В. Как видно, введение переменного расстояния между электродами, изменяющегося по периодическому закону (пунктирная линия), приводит к увеличению значения электростатической силы по сравнению с плоскопараллельными электродами (точечная линия) более чем в 1,5 раза. Однако, при этом на фиг. 5 явно видна зависимость силы от перемещений, и её нелинейный характер. Сдвиг фазы G обеспечивает взаимную компенсацию нелинейности и приводит к отсутствию зависимости от перемещения, сохраняя при этом повышенную величину силы. Расчётная максимальная девиация силы составляет 0,1 %. При некратном сдвиге фазы (для примера 3π/2) девиация силы составляет 10 %.
Устройство изготовлено путём глубокого реактивного травления кремния в теле кремниевой пластины (фиг.6, 7). В большинстве случаев это Bosh-процесс, формирующий наиболее вертикальный профиль травления. При формировании вертикального профиля следует учитывать ограничения, накладываемые особенностями технологической операции травления (аспектные соотношения в различных элементах структуры). В ходе травления необходима диффузия компонентов плазмы в вытравливаемые полости между элементами. Уменьшение расстояния между электродами приводит к уменьшению скорости травления вплоть до полной остановки травления.
Расстояние между поверхностями подвижного и неподвижного электродов в широкой части составляет 5 мкм при высоте электродов 100 мкм, а в узкой части существенно меньше (2 мкм). Примером может быть изображенная на Фиг. 7 структура электродов с переменным расстоянием между поверхностями близлежащих электродов, изменяющимся по синусоиде. Период периодической функции должен определяться, исходя из минимального расстояния между электродами для соответствующего аспектного отношения. Иначе говоря, в конструкции гребенчатых электродов системы 6 происходит чередование областей с высоким аспектным отношением и областей с низким аспектным отношением, что позволяет обеспечить большую глубину травления при меньших расстояниях между электродами. Таким образом, возрастает удельное значение ёмкости. В отличие от прототипа, область большего расстояния между электродами обеспечивает диффузию компонентов плазмы в узкую часть структуры. Такие формы расстояния между электродами существенно облегчают изготовление ММГ по технологиям микросистемной техники, а именно – способствует уменьшению диффузионных ограничений на этапе глубокого вертикального плазменного травления кремния.
Достижение цели изобретения подтверждается численным моделированием, представленным на фиг. 4, 5 и экспериментальным исследованием.
В целом, вибрационный гироскоп LL-типа, с системой гребенчатых электродов, состоящей из не менее чем одной группы встречно-направленных неподвижных и подвижных электродов, выполненных с переменным расстоянием между поверхностями близлежащих подвижных и неподвижных, образующих емкостную пару электродов, описываемым периодической функцией, и сдвигом фазы вышеуказанной периодической функции, кратным количеству пар электродов в группе, обеспечивает: высокий уровень величины электростатической силы при сохранении линейной зависимости изменения ёмкости. Увеличение удельной ёмкости системы гребенчатых электродов позволяет увеличить амплитуду первичных колебаний без увеличения управляющего напряжения и снизить требования к системе управления положением первой и второй подвижных масс.
Claims (3)
1. Вибрационный гироскоп LL-типа с обратной связью в канале вторичных колебаний, содержащий первую подвижную массу, включающую внешнюю и инерциальную массу, подвешенную на упругих подвесах, и систему гребенчатых электродов, состоящую из не менее чем одной группы встречно-направленных неподвижных и подвижных электродов, средние расстояния между поверхностями каждого подвижного и близлежащих неподвижных электродов равны, вторую подвижную массу, включающую инерциальную массу и измерительный резонатор с первой, второй и третьей группами плоскопараллельных электродов и систему управления положением первой и второй подвижных масс, входы и выходы которой соединены с электродами, отличающийся тем, что в системе гребенчатых электродов расстояние между поверхностями близлежащих подвижного и неподвижного электродов, образующих емкостную пару электродов имеет переменное, чередующееся по длине электрода значение, описываемое периодической функцией, причем изменение указанного расстояния для каждой последующей пары электродов в группе выполнено со сдвигом фаз, кратным количеству пар электродов в группе.
2. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что подвижные электроды выполнены переменной ширины, причем изменение ширины на каждом последующем подвижном электроде в группе выполнено со сдвигом, кратным количеству подвижных электродов в группе.
3. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что неподвижные электроды выполнены переменной ширины, причем изменение ширины на каждом последующем неподвижном электроде в группе выполнено со сдвигом, кратным количеству неподвижных электродов в группе.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146369U RU179133U1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Вибрационный гироскоп LL-типа |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146369U RU179133U1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Вибрационный гироскоп LL-типа |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU179133U1 true RU179133U1 (ru) | 2018-04-28 |
Family
ID=62105119
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017146369U RU179133U1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Вибрационный гироскоп LL-типа |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU179133U1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040177689A1 (en) * | 2000-07-13 | 2004-09-16 | Dong-Il Cho | Surface/bulk micromachined single-crystalline silicon micro-gyroscope |
| RU2320962C1 (ru) * | 2006-07-04 | 2008-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Электродная структура для микромеханического гироскопа и микромеханический гироскоп на ее основе |
| RU2344374C1 (ru) * | 2007-07-17 | 2009-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Электродная структура для микромеханического гироскопа и микромеханический гироскоп с этой структурой (варианты) |
| US7707886B2 (en) * | 2005-07-05 | 2010-05-04 | Thales | Micro-machined gyrometric sensor for differential measurement of the movement of vibrating masses |
| US8037757B2 (en) * | 2007-12-12 | 2011-10-18 | Honeywell International Inc. | Parametric amplification of a MEMS gyroscope by capacitance modulation |
| RU173867U1 (ru) * | 2016-12-15 | 2017-09-15 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Вибрационный гироскоп LL-типа |
-
2017
- 2017-12-27 RU RU2017146369U patent/RU179133U1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040177689A1 (en) * | 2000-07-13 | 2004-09-16 | Dong-Il Cho | Surface/bulk micromachined single-crystalline silicon micro-gyroscope |
| US7707886B2 (en) * | 2005-07-05 | 2010-05-04 | Thales | Micro-machined gyrometric sensor for differential measurement of the movement of vibrating masses |
| RU2320962C1 (ru) * | 2006-07-04 | 2008-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Электродная структура для микромеханического гироскопа и микромеханический гироскоп на ее основе |
| RU2344374C1 (ru) * | 2007-07-17 | 2009-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Электродная структура для микромеханического гироскопа и микромеханический гироскоп с этой структурой (варианты) |
| US8037757B2 (en) * | 2007-12-12 | 2011-10-18 | Honeywell International Inc. | Parametric amplification of a MEMS gyroscope by capacitance modulation |
| RU173867U1 (ru) * | 2016-12-15 | 2017-09-15 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Вибрационный гироскоп LL-типа |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101067555B (zh) | 力平衡式谐振微机械陀螺 | |
| KR101823325B1 (ko) | 개선된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프 | |
| CN112225170B (zh) | 一种mems器件及其形成方法 | |
| CN104931032A (zh) | 一种单锚定点四质量块mems谐振式陀螺仪 | |
| CN102062604A (zh) | 一种电容式微机械音叉陀螺仪 | |
| US20160265916A1 (en) | MEMS Sensor for Measuring Z-Axis Angular Rate | |
| US20180209791A1 (en) | Motion measurement devices and methods for measuring motion | |
| JP2018514397A (ja) | 微小電気機械静電容量型センサの構造体およびデバイス | |
| RU173867U1 (ru) | Вибрационный гироскоп LL-типа | |
| CN102288172A (zh) | 一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺 | |
| CN105606083A (zh) | 一种外支撑四质量块mems谐振式陀螺仪 | |
| JP2013096801A (ja) | 出力安定性に優れた振動型ジャイロ | |
| CN109737943A (zh) | 高精度mems陀螺仪 | |
| EP2570770B1 (en) | Three-mass coupled oscillation technique for mechanically robust micromachined gyroscopes | |
| KR101087018B1 (ko) | 마이크로메카니컬 운동 센서 | |
| JP2015219233A (ja) | 質量負荷型コリオリ振動ジャイロスコープ | |
| RU2580871C1 (ru) | Камертонный микрогироскоп | |
| CN101514897A (zh) | 改进型音叉式微机械陀螺 | |
| RU179133U1 (ru) | Вибрационный гироскоп LL-типа | |
| JP2010008300A (ja) | 慣性センサ | |
| CN113686325B (zh) | Mems全解耦陀螺仪 | |
| Efimovskaya et al. | Multi-degree-of-freedom MEMS coriolis vibratory gyroscopes designed for dynamic range, robustness, and sensitivity | |
| JP2019215190A (ja) | 静電アクチュエータおよび物理量センサ | |
| CN106705949A (zh) | 力平衡式谐振微机械陀螺 | |
| CN102297689A (zh) | 静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺 |