RU2282151C1 - Micromechanical gyroscope - Google Patents
Micromechanical gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2282151C1 RU2282151C1 RU2005107602/28A RU2005107602A RU2282151C1 RU 2282151 C1 RU2282151 C1 RU 2282151C1 RU 2005107602/28 A RU2005107602/28 A RU 2005107602/28A RU 2005107602 A RU2005107602 A RU 2005107602A RU 2282151 C1 RU2282151 C1 RU 2282151C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- voltage
- capacitance
- moving mass
- plane
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к устройствам для измерения для измерения угловой скорости и может использоваться в многоканальных микромеханических системах.The proposed device relates to measuring devices for measuring angular velocity and can be used in multi-channel micromechanical systems.
В настоящее время разработаны и широко используются микромеханические гироскопы (ММГ) вибрационного типа. Они включают в себя подвижную массу (ПМ), систему измерения перемещений ПМ по двум осям, систему возбуждения колебаний на резонансной частоте подвеса (Fрез) по одной оси, которые иногда называют первичными. При действии кориолисового ускорения по другой оси (ортогональной к первой) возникают колебания ПМ, называемые вторичными [Распопов В.Я. Микромеханические приборы, Тул. Гос. Университет. Тула, 2002 г., 392 стр]. По осям движения ПМ располагают неподвижные электроды (или статоры). Эти статоры с проводящей ПМ образуют конденсаторы, емкости которых зависят от положения ПМ.Currently developed and widely used micromechanical gyroscopes (MMG) of vibration type. They include moving mass (PM), a system for measuring PM movements along two axes, a system for exciting vibrations at the resonant suspension frequency (Fres) along one axis, which are sometimes called primary. Under the action of Coriolis acceleration along the other axis (orthogonal to the first), PM oscillations arise, called secondary [V. Raspopov. Micromechanical devices, Tool. Gos. University Tula, 2002, 392 pp.]. The motion axes of the PM have fixed electrodes (or stators). These stators with a conductive PM form capacitors whose capacitances depend on the position of the PM.
Известны микромеханические гироскопы с различными схемами измерения перемещения ПМ (одной или нескольких) или ротора, построенных на основе преобразователей емкость - напряжение. Один из примеров реализации преобразователя емкость - напряжение приведен в книге Распопова на рис.6.31.Known micromechanical gyroscopes with various schemes for measuring the displacement of the PM (one or more) or the rotor, built on the basis of converters capacity - voltage. One example of the implementation of the capacitance-voltage converter is given in the book of Raspopov in Fig.6.31.
В гироскопе ADXRS150 фирмы Analog Devices на ПМ подается постоянное напряжение, а статора оси первичных колебаний подключены ко входам усилителя тока, статора оси вторичных колебаний подключены ко входам усилителя заряда [J.A.Geen et al. Single-chip surface - micromachined Integrated Gyroscope with 50/hour root Allan Variance IEEE Journal of Solid-State Circuits, v.37, №12, December 2002, pp.l860-1868, fig.2].In the ADXRS150 gyroscope from Analog Devices, a constant voltage is applied to the PM, and the stator of the primary axis is connected to the inputs of the current amplifier, the stator of the secondary axis is connected to the inputs of the charge amplifier [J.A. Geen et al. Single-chip surface - micromachined Integrated Gyroscope with 50 / hour root Allan Variance IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 37, No. 12, December 2002, pp.l860-1868, fig.2].
В гироскопе, описанном в патенте США №5672949, используется по одному зарядовому усилителю, каждый из которых подключен к статорам, расположенным по разным осям, при этом между ПМ и статорами действует постоянное напряжение.In the gyroscope described in US patent No. 5672949, one charge amplifier is used, each of which is connected to the stators located on different axes, and a constant voltage acts between the PM and the stators.
Варианты построения преобразователей емкость - напряжение приведены в патенте США №6253612, fig.3. Эти преобразователи могут быть построены с напряжением возбуждения постоянного или переменного (частоты f) тока, на усилителе с одним входом, усилителях с двумя входами или двух усилителях. Отметим здесь, что схемы с возбуждением на постоянном токе проще, однако имеют значительно меньший коэффициент преобразования емкости в напряжение, чем схемы с возбуждением на переменном токе. Он меньше в f/Fрез (f - частота напряжения возбуждения, Fрез - резонансная частота подвеса ПМ) раз. При типичных значениях Fрез=10 кГц и f=0,1-1 МГц получаем различие на 1-2 порядка. Однако и схемы с возбуждением на переменном напряжении имеют значительный недостаток, если используются два усилителя в одном канале. В этом случае требование к стабильности коэффициента усиления и вносимому фазовому сдвигу значительно выше, чем для схем, в которых электроды подключены к одному (как правило, инвертирующему) входу усилителя (Патент США №6253612, fig.3b). Пример электронной части микромеханического гироскопа со схемами преобразования, выполненными на одном инвертирующем усилителе, приведен в патенте США №6253612, fig.8. Здесь к электродам каждого канала подключен инвертирующий вход дифференциального усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по выходному напряжению. При таком включении дифференциального усилителя вносимые им фазовый сдвиг, его нестабильность могут влиять только на коэффициент передачи преобразователя емкость - напряжение, но не вносят смещение нуля. Допустимой оказывается нестабильность фазового сдвига на уровне 0,5°, при которой нестабильность коэффициента передачи преобразователя емкость - напряжение не превосходит 1%. Однако включение двух таких схем в случае наличия гальванической связи между ними недопустимо, т.к. входы двух дифференциальных усилителей окажутся соединенными. Для исключения электрических связей между входами дифференциальных усилителей разных каналов в микромеханическом гироскопе вводятся специально изолирующие канавки, как это показано в патенте США №6626039, fig.9, что конечно усложняет изготовление датчика. Однако это позволяет исключить гальванические связи между разными каналами измерения и управления в гироскопе [Патент США №6626039, fig.13] и применить более точные преобразователи емкость - напряжение.Variants of the construction of capacitance-voltage converters are given in US patent No. 6253612, fig.3. These converters can be built with excitation voltage of direct or alternating (frequency f) current, on an amplifier with one input, amplifiers with two inputs or two amplifiers. We note here that circuits with direct current excitation are simpler, however, they have a much lower coefficient of conversion of capacitance to voltage than circuits with direct current excitation. It is smaller in f / Fres (f is the frequency of the excitation voltage, Fres is the resonant frequency of the PM suspension) times. With typical values of Fres = 10 kHz and f = 0.1-1 MHz, we get a difference of 1-2 orders of magnitude. However, alternating voltage excitation circuits have a significant drawback if two amplifiers are used in the same channel. In this case, the requirement for the stability of the gain and the introduced phase shift is much higher than for circuits in which the electrodes are connected to one (usually inverting) input of the amplifier (US Patent No. 6253612, fig.3b). An example of the electronic part of a micromechanical gyroscope with conversion circuits made on a single inverting amplifier is shown in US patent No. 6253612, fig.8. Here, the inverting input of the differential amplifier connected to the negative feedback on the output voltage is connected to the electrodes of each channel. With this inclusion of the differential amplifier, the phase shift introduced by it, its instability can only affect the transfer coefficient of the capacitance-voltage converter, but do not introduce a zero offset. An acceptable is the instability of the phase shift at the level of 0.5 °, at which the instability of the transfer coefficient of the capacitance-voltage converter does not exceed 1%. However, the inclusion of two such schemes in the case of galvanic coupling between them is unacceptable, because the inputs of the two differential amplifiers are connected. To exclude electrical connections between the inputs of the differential amplifiers of different channels in the micromechanical gyroscope, specially insulating grooves are introduced, as shown in US patent No. 6626039, fig.9, which of course complicates the manufacture of the sensor. However, this makes it possible to exclude galvanic connections between different measurement and control channels in a gyroscope [US Patent No. 6626039, fig.13] and apply more accurate capacitance-voltage converters.
Можно отметить, что разрешающая способность серийно выпускаемых таких преобразователей очень высокая, например, у микросхемы ХЕ2004 фирмы Xemics (www.xemics.com) эта величина составляет 0.25·10-18 Ф/√(Hz), а для микросхемы MS3110 фирмы MicroSensors (www.microsensors.com) эта величина равна 4·10-18 Ф/√(Hz).It can be noted that the resolution of commercially available such converters is very high, for example, for Xemics from Xemics (www.xemics.com) this value is 0.25 · 10 -18 F / √ (Hz), and for MS3110 from MicroSensors (www .microsensors.com) this value is 4 · 10 -18 F / √ (Hz).
Поэтому целесообразно применение именно этого типа преобразователей в качестве устройства измерения перемещений ПМ в ММГ, однако в описании микросхемы ХЕ2004 есть указание о невозможности ее использования при отсутствии гальванической развязки между входами: - "The first stage is a capacitance-to-voltage converter. It is based on a floating charge amplifier architecture. This allows the IC to operate only with capacitive sensors that have electrically floating electrodes".Therefore, it is advisable to use this particular type of converter as a device for measuring PM displacements in MMG, however, the description of the XE2004 microcircuit indicates that it cannot be used in the absence of galvanic isolation between the inputs: - "The first stage is a capacitance-to-voltage converter. It is based on a floating charge amplifier architecture. This allows the IC to operate only with capacitive sensors that have electrically floating electrodes ".
За прототип принят микромеханический гироскоп, описанный в патенте США №6253612, который включает в себя емкостные датчики перемещения, образованные подвижным проводящим телом и неподвижными электродами, и преобразователь емкость-напряжение, который включает в себя инвертирующий усилитель и источник возбуждения с противофазными выходами в каждом канале, при этом выходы каждого источника возбуждения соединены с неподвижными электродами соответствующего канала.The prototype is a micromechanical gyroscope described in US Pat. while the outputs of each excitation source are connected to the stationary electrodes of the corresponding channel.
Недостатком прототипа является сложность технологии изготовления и конструкции, т.к. возможность работы двух преобразователей емкость-напряжение, выполненных на инвертирующих операционных усилителях, обеспечена в нем за счет усложнения конструкции ММГ: за счет введения изолирующих канавок.The disadvantage of the prototype is the complexity of manufacturing technology and design, because the possibility of the operation of two capacitance-voltage converters made on inverting operational amplifiers is provided in it due to the complexity of the MMG design: due to the introduction of insulating grooves.
Задачей изобретения является снижение стоимости, упрощение конструкции и технологии изготовления, увеличение точностных характеристик микромеханического гироскопа вибрационного типа или микромеханических устройств другого типа, для работы которых необходимы двух- или многоканальные устройства измерения перемещений подвижного проводящего тела.The objective of the invention is to reduce costs, simplify the design and manufacturing technology, increase the accuracy characteristics of a vibration-type micromechanical gyroscope or another type of micromechanical devices that require two- or multi-channel devices for measuring the movements of a moving conductive body.
Поставленная задача решается тем, что в двухканальном устройстве измерения перемещений подвижного проводящего тела с емкостными датчиками перемещения, образованными подвижным проводящим телом и неподвижными электродами, используются серийно выпускаемые преобразователи повышенной разрешающей способности типа ХЕ2004 или MS3110. Для возможности их применения предлагается использовать конденсаторы, образованные дополнительными электродами. При этом, частоты напряжений источников возбуждения различаются не менее, чем на удвоенную полосу пропускания каждого из каналов.The problem is solved in that in a two-channel device for measuring the displacements of a moving conductive body with capacitive displacement sensors formed by a moving conductive body and fixed electrodes, commercially available high resolution transducers such as XE2004 or MS3110 are used. For the possibility of their application, it is proposed to use capacitors formed by additional electrodes. At the same time, the voltage frequencies of the excitation sources differ by at least twice the passband of each channel.
По существу в предлагаемом устройстве предложено за счет введения конденсаторов, образованных дополнительными электродами, обеспечить гальваническую развязку измерительных входов преобразователей емкость-напряжение, а за счет применения разных частот источников возбуждения осуществлять частотное разделение сигналов двух каналов.In essence, in the proposed device, it is proposed, by introducing capacitors formed by additional electrodes, to provide galvanic isolation of the measurement inputs of the capacitance-voltage converters, and, due to the use of different frequencies of the excitation sources, to carry out frequency separation of the signals of the two channels.
Заявляемое устройство поясняется чертежами.The inventive device is illustrated by drawings.
На фиг.1 приведен вариант конструкции ММГ.Figure 1 shows a design variant MMG.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:In figure 1, the following notation:
1 - Подвижная масса (ПМ). В данном варианте конструкции - ротор1 - Moving mass (PM). In this embodiment, the rotor
2 - Основание.2 - Base.
3 - Группа электродов, расположенных в плоскости вторичных колебаний3 - Group of electrodes located in the plane of secondary vibrations
4 - Группа электродов, расположенных в плоскости первичных колебаний4 - A group of electrodes located in the plane of the primary oscillations
На фиг.2 приведен вариант электродной структуры с дополнительными электродами.Figure 2 shows a variant of the electrode structure with additional electrodes.
На фиг.2 приняты следующие обозначения:In figure 2, the following notation:
3 - Электроды, расположенные в плоскости вторичных колебаний;3 - Electrodes located in the plane of secondary vibrations;
4 - Электроды, расположенные в плоскости первичных колебаний;4 - Electrodes located in the plane of the primary oscillations;
5 - Дополнительные электроды, расположенные ортогонально оси; чувствительности гироскопа.5 - Additional electrodes located orthogonally to the axis; gyro sensitivity.
На фиг.3 приведена эквивалентная электрическая схема электродной структуры ММГ.Figure 3 shows the equivalent electrical circuit of the electrode structure MMG.
На фиг.3 приняты следующие обозначения:In figure 3, the following notation:
1 - Подвижная масса, которая показана в виде проводника электрического тока.1 - Moving mass, which is shown in the form of an electric current conductor.
3а, 3б - Электроды 3, расположенные в плоскости вторичных колебаний.3a, 3b -
4а, 4б - Электроды 4, образованные парой рядом расположенных статоров в плоскости первичных колебаний.4a, 4b -
4в, 4г - Электроды 4, образованные другой парой рядом расположенных статоров.4c, 4d -
5а, 5б - Дополнительные электроды 5, расположенные ортогонально оси чувствительности гироскопа.5a, 5b -
На фиг.4 показана схема подключения ММГ к интегральными микросхемам (ИС) преобразователям емкость-напряжение.Figure 4 shows the connection diagram of MMG to integrated circuits (ICs) capacitors-voltage converters.
На фиг.4 приняты следующие обозначения:In figure 4, the following notation:
1 - Подвижная масса 1, которая показана в виде проводника электрического тока;1 - Moving
6 - Конденсатор, образованный электродом 3а и ПМ 1.6 - Capacitor formed by the electrode 3A and
7 - Конденсатор, образованный электродом 3б и ПМ 1.7 - Capacitor formed by the electrode 3b and
8 - Конденсатор, образованный электродом 4в и ПМ 1.8 - Capacitor formed by the
9 - Конденсатор, образованный электродом 4г и ПМ 1.9 - Capacitor formed by the 4g electrode and
10 - Конденсатор, образованный электродом 5а и ПМ 1.10 - Capacitor formed by the electrode 5A and
11 - Конденсатор, образованный электродом 5в и ПМ 1.11 - Capacitor formed by the electrode 5V and
12, 13 - ИС преобразователи емкость-напряжение типа MS3110.12, 13 - IC capacitors-voltage type MS3110.
На фиг.5 приведены экспериментально полученные напряжения на выходе двух ИС MS3110, подключенных по схеме, аналогичной на фиг.4, при изменении емкости конденсаторов в одном из каналов.Figure 5 shows the experimentally obtained voltage at the output of two MS3110 ICs connected in a circuit similar to that in figure 4, when the capacitance of the capacitors in one of the channels changes.
На фиг.5 приняты следующие обозначения:In figure 5, the following notation:
Uout1 и Uout2 - напряжения на выходе первой и второй ИС соответственно.Uout1 and Uout2 are the voltages at the output of the first and second ICs, respectively.
На фиг.6 приведены экспериментально полученные спектры напряжений на выходе двух ИС MS3110, подключенных к ММГ по схеме, аналогичной на фиг.4, при возбуждении колебаний из-за удара по ММГ в канале драйва и выходном канале.Figure 6 shows the experimentally obtained voltage spectra at the output of two MS3110 ICs connected to the MMG according to a circuit similar to that in Figure 4, upon excitation of vibrations due to impact on the MMG in the drive channel and the output channel.
На фиг.6 приняты следующие обозначения:Figure 6 adopted the following notation:
Uout1 и Uout2 - напряжения на выходе первой и второй ИС соответственно.Uout1 and Uout2 are the voltages at the output of the first and second ICs, respectively.
Предлагаемое устройство в составе ММГ работает следующим образом.The proposed device as part of MMG works as follows.
Микромеханический гироскоп вибрационного типа в простейшем случае представляет собой подвижную массу ПМ 1 (на фиг.1 обозначена номером 1 в виде диска), подвешенную над основанием 2; под диском на основании сформированы электроды 3. ПМ 1 с помощью системы электродов 4 за счет действия электростатических сил начинает колебаться на резонансной частоте подвеса. Колебания происходят в плоскости, параллельной основанию 2. При вращении основания вокруг оси чувствительности гироскопа ПМ 1 совершает колебательные движения вокруг оси, ортогональной к первым двум осям, приближаясь и удаляясь от электродов 3.A vibration-type micromechanical gyroscope in the simplest case is a moving mass PM 1 (indicated in figure 1 by the
На фиг.3 приведена эквивалентная электрическая схема электродной структуры. Проводящая ПМ 1, показанная на фиг.3 как проводник, вместе с электродами 3а, 3б, 4а-4г, 5а, 5б образует конденсаторы, емкость которых изменяется в зависимости от перемещений ПМ 1 в трех ортогональных направлениях, которые на фиг.3 условно обозначены Δх, Δу и Δz. При подаче переменного напряжения на электроды 4а, 4б ПМ 1 совершает перемещения Δх (колебания), которые могут быть измерены путем измерения изменений емкости конденсаторов, образованных ПМ 1 и электродом 4в или 4г. Аналогично, перемещения Δу могут быть измерены путем измерения изменений емкости конденсаторов, образованных ПМ 1 и электродами 3а, 3б.Figure 3 shows the equivalent electrical circuit of the electrode structure. Conducting
Серийно выпускаемые одноканальные преобразователи емкость - напряжение содержат в своем составе синхронный детектор, с помощью которого в них осуществляется преобразование сигнала на несущей в сигнал постоянного тока и подавление высокочастотных сигналов, частота которых отличается от несущей частоты. При значениях емкостей 6-11, равных или близких друг другу, величина тока, поступающего на входы ИС 12, 13, меньше примерно в 6 раз, чем в прототипе, что может привести и к соответствующему уменьшению разрешающей способности преобразователя емкость-напряжение. Однако и в этом случае она остается достаточно высокой.Commercially available single-channel capacitance - voltage converters contain a synchronous detector, with the help of which they convert the signal on the carrier into a DC signal and suppress high-frequency signals whose frequency differs from the carrier frequency. When the values of capacities 6-11 are equal to or close to each other, the amount of current supplied to the inputs of the
Подробно принцип работы ИС MS3110 описан в MS3110 DataSheet rev.2, 2001 г., www.microsensors.com.The operating principle of the MS3110 IC is described in detail in MS3110 DataSheet rev. 2, 2001, www.microsensors.com.
Из приведенных на фиг.5 графиков видно, что изменение емкости в одном из каналов (конденсатор 6, конденсатор 8) не вызывает изменение постоянной составляющей напряжения в другом канале. Это обусловлено тем, что несущая частота в одной из ИС установлена 120 кГц, а во второй - 100 кГц. Соответственно и синхронное детектирование в каждой из микросхем обеспечивает подавление сигналов, частота которых отличается от установленной несущей. Таким образом, экспериментально показана работоспособность предложенного устройства в статическом режиме.From the graphs shown in FIG. 5, it can be seen that a change in capacitance in one of the channels (
Из приведенных на фиг.6 графиков, полученных экспериментально, видны спектры сигнала на резонансной частоте драйва (фиг.6а) и две составляющие на резонансной частоте драйва (так называемая квадратурная помеха) и на резонансной частоте подвеса ПМ 1 по выходной координате. Полученные графики подтверждают возможность работы предложенного устройства и в динамическом режиме.From the graphs obtained in Fig. 6 obtained experimentally, the spectra of the signal are visible at the resonant frequency of the drive (Fig. 6a) and two components at the resonant frequency of the drive (the so-called quadrature interference) and at the resonant frequency of the
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005107602/28A RU2282151C1 (en) | 2005-03-10 | 2005-03-10 | Micromechanical gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005107602/28A RU2282151C1 (en) | 2005-03-10 | 2005-03-10 | Micromechanical gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2282151C1 true RU2282151C1 (en) | 2006-08-20 |
Family
ID=37060671
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005107602/28A RU2282151C1 (en) | 2005-03-10 | 2005-03-10 | Micromechanical gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2282151C1 (en) |
-
2005
- 2005-03-10 RU RU2005107602/28A patent/RU2282151C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7886597B2 (en) | Dynamic amount sensor | |
Xie et al. | Fabrication, characterization, and analysis of a DRIE CMOS-MEMS gyroscope | |
US7051590B1 (en) | Structure for attenuation or cancellation of quadrature error | |
Alper et al. | A high-performance silicon-on-insulator MEMS gyroscope operating at atmospheric pressure | |
Alper et al. | A symmetric surface micromachined gyroscope with decoupled oscillation modes | |
JP2009530603A (en) | Biaxial vibratory gyroscope | |
JP6475332B2 (en) | Inertial sensor | |
JP2019060794A (en) | Physical quantity measurement device, electronic apparatus and moving body | |
Wang et al. | A universal high-sensitivity area-variation capacitive displacement transducer (CDT) based on fringe effect | |
RU2344374C1 (en) | Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions) | |
JP2009198265A (en) | Electrostatic capacitance type detection device and acceleration and angular velocity detection device using the same | |
JPH09196680A (en) | Gyro apparatus and its manufacture | |
RU2282151C1 (en) | Micromechanical gyroscope | |
JP2005017216A (en) | Three-axes acceleration sensor | |
RU2282149C1 (en) | Two-channel device for measuring movements of conducting body | |
RU2296301C1 (en) | Method and device for measuring movement of movable mass of micro-mechanical gyroscope along axis of secondary oscillations | |
RU2466354C1 (en) | Microsystem gyroscope | |
Weidlich et al. | Modular Probecard-Measurement Equipment for Automated Wafer-Level Characterization of High Precision MEMS Gyroscopes | |
JP2013108929A (en) | Vibration type gyro with high accuracy | |
JP2010169522A (en) | Capacitance type detection device and acceleration/angular velocity detection device using same | |
RU2338997C2 (en) | Method for measurement of clearance between electrodes and moving mass of micromechanical device and device for its realisation | |
RU2272994C1 (en) | Micromechanical gyroscope | |
RU2471149C2 (en) | Compensation-type micromechanical gyroscope | |
RU2810694C1 (en) | Dual-axis micromechanical accelerometer with capacitive displacement transducer | |
US20240186971A1 (en) | Dc restore scheme for capacitive sensing amplifiers with optimal noise filtering |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090311 |