RU2296390C1 - Micromechanical transducer sensing element - Google Patents

Micromechanical transducer sensing element Download PDF

Info

Publication number
RU2296390C1
RU2296390C1 RU2005133277/28A RU2005133277A RU2296390C1 RU 2296390 C1 RU2296390 C1 RU 2296390C1 RU 2005133277/28 A RU2005133277/28 A RU 2005133277/28A RU 2005133277 A RU2005133277 A RU 2005133277A RU 2296390 C1 RU2296390 C1 RU 2296390C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
suspension
plane
inertial mass
freedom
electrodes
Prior art date
Application number
RU2005133277/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Александрович Чаплыгин (RU)
Юрий Александрович Чаплыгин
Сергей Александрович Зотов (RU)
Сергей Александрович Зотов
Степан Александрович Анчутин (RU)
Степан Александрович Анчутин
Сергей Петрович Тимошенков (RU)
Сергей Петрович Тимошенков
В чеслав Евгеньевич Плеханов (RU)
Вячеслав Евгеньевич Плеханов
Вадим Григорьевич Рубчиц (RU)
Вадим Григорьевич Рубчиц
Валерий Федорович Шилов (RU)
Валерий Федорович Шилов
Владимир Николаевич Максимов (RU)
Владимир Николаевич Максимов
Вадим Николаевич Лапенко (RU)
Вадим Николаевич Лапенко
Владимир Анатольевич Тихонов (RU)
Владимир Анатольевич Тихонов
Виктор Владимирович Калугин (RU)
Виктор Владимирович Калугин
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электронной техники (технический университет)" (МИЭТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электронной техники (технический университет)" (МИЭТ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электронной техники (технический университет)" (МИЭТ)
Priority to RU2005133277/28A priority Critical patent/RU2296390C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2296390C1 publication Critical patent/RU2296390C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: gravitational-inertial micromechanical devices for controlling miscellaneous mobile objects and for their motion indication.
SUBSTANCE: proposed micromechanical transducer sensing element assembled on single-crystalline silicon substrate positioned in plane 100 has inertia mass suspension in the form of base-mounted overhung flexible components affording two working degrees of freedom for this mass in its translational motion within substrate aligned with plane 100 of silicon crystal lattice, as well as capacitive systems for measuring inertia mass displacement and for applying forces on them in the form of interdigital structures of electrodes. Each of suspension flexible components is made in the form of L-shaped beam assembled of two identical members, one of them being positioned along direction 010 of silicon crystal lattice and other one, along direction 001; suspension has eight identical flexible components disposed in pairs in plane 100 symmetrically relative to geometry center of inertia mass along directions turned through 45 deg. relative to directions 010 and 001 of silicon crystal lattice; width l to length L ratio of interdigital structure electrode pin, as viewed from top, is chosen from condition l/L2 ≥ 10-3ω, where ω is inherent frequency of inertia mass suspension with respect to working degrees of freedom; maximal clearance d2 between opposing pins of interdigital structure electrodes is chosen from condition 1.6d1 < d2 < 3d1, where d1 is minimal clearance between adjacent opposing pins of interdigital structure electrode.
EFFECT: enhanced precision of micromechanical transducer incorporating proposed sensing element.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к гравиинерциальным приборам и может быть использовано в системах управления подвижных объектов различного назначения, а также в качестве индикаторов движения объектов.The invention relates to gravity inertial devices and can be used in control systems of moving objects for various purposes, as well as indicators of movement of objects.

Известны чувствительные элементы (ЧЭ) микромеханических вибрационных гироскопов (ММВГ) и двухкомпонентных микромеханических акселерометров (ММА) [1-3].Sensitive elements (SE) of micromechanical vibration gyroscopes (MMVG) and two-component micromechanical accelerometers (MMA) are known [1-3].

Особенностью ЧЭ является преимущественное изготовление из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет малые габариты и массу приборов, возможность применения групповой технологии изготовления и, следовательно, невысокую стоимость изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.A feature of CE is the predominant manufacture of silicon-based materials using silicon technology, which determines the small size and mass of devices, the possibility of using group manufacturing technology and, consequently, low manufacturing cost in mass production, high reliability in operation.

Наиболее близкими по своей технической сущности к заявляемому изобретению являются ЧЭ микромеханического вибрационного гироскопа LL-типа [2], выполненные из монокристаллического кремния, содержащие подвес инерционной массы в виде закрепленных на основании упругих элементов (УЭ), обеспечивающих ей две степени свободы поступательного перемещения в плоскости подложки. В ЧЭ для измерения перемещений инерционной массы, а также для создания на нее силового воздействия используются емкостные системы, реализованные в виде гребенчатых структур электродов. Аналогичный ЧЭ известен для двухкомпонентного микромеханического акселерометра [3].The closest in their technical essence to the claimed invention are those of LL-type micromechanical vibration gyroscope [2] made of single-crystal silicon, containing an inertial mass suspension in the form of elastic elements (REs) fixed on the basis, providing it with two degrees of freedom of translational movement in the plane the substrate. In CE, for measuring the displacements of the inertial mass, as well as for creating a force action on it, capacitive systems implemented in the form of comb structures of electrodes are used. A similar SE is known for a two-component micromechanical accelerometer [3].

ЧЭ известных ММВГ и ММА обладают следующими существенными недостатками. Назначение УЭ - обеспечение подвеса инерционной массы, при этом параметры УЭ в процессе эксплуатации должны быть стабильными и обеспечивать практическую равночастотность подвеса по полезным степеням свободы, поскольку в ММВГ используется резонансный режим работы и изменение собственной частоты подвеса (например, при изменении температуры) приводит к появлению погрешности, а в двухкомпонентном ММА - к изменению масштабных коэффициентов каналов. В ЧЭ прототипа используется статически неопределенный подвес в виде упругой балки, заделанной своими концами в корпусе. При изменении температуры такого подвеса происходит либо растяжение, либо сжатие балки, что в свою очередь приводит к изменению ее жесткости на прогиб и, соответственно, к изменению собственной частоты подвеса по рабочим степеням свободы.CE known MMVH and MMA have the following significant disadvantages. The purpose of the UE is to ensure the suspension of inertial mass, while the parameters of the UE during operation must be stable and provide practical equal frequency of the suspension according to the useful degrees of freedom, since the MMWG uses a resonant mode of operation and a change in the natural frequency of the suspension (for example, when the temperature changes) leads to errors, and in a two-component MMA - to a change in the scale factors of the channels. In the prototype SE, a statically indefinite suspension is used in the form of an elastic beam embedded at its ends in the body. When the temperature of such a suspension changes, either the beam is stretched or compressed, which in turn leads to a change in its rigidity for deflection and, accordingly, to a change in the natural frequency of the suspension in terms of working degrees of freedom.

Другим недостатком ЧЭ прототипа является возможная произвольная ориентация балок подвеса по отношению к кристаллографическим осям монокристаллического кремния, не обеспечивающая максимально возможного разнесения собственных частот подвеса по "паразитным" и рабочим степеням свободы. Конструкция подвеса должна обеспечивать максимально возможное разнесение собственных частот по "паразитным" и рабочим степеням свободы для уменьшения уровня погрешностей приборов на подвижном основании при наличии его вибраций. Это реализуется за счет максимально возможного увеличения жесткостей по паразитным степеням свободы при одновременном снижении жесткостей по рабочим степеням свободы. Модуль Юнга монокристаллического кремния различен для различных направлений его кристаллографических осей. В общем случае, при произвольной ориентации балок подвеса по отношению к кристаллографическим осям в плоскости кремниевой подложки (как правило, для подобного типа подвесов выбирается плоскость с ориентацией (100)), в которой он выполнен, не обеспечивается максимально возможное разнесение собственных частот подвеса по "паразитным" и рабочим степеням свободы.Another disadvantage of the prototype SE is the possible arbitrary orientation of the suspension beams with respect to the crystallographic axes of single-crystal silicon, which does not provide the maximum possible separation of the natural frequencies of the suspension in “spurious” and working degrees of freedom. The suspension design should provide the maximum possible separation of the natural frequencies between “spurious” and working degrees of freedom to reduce the level of errors of devices on a moving base in the presence of its vibrations. This is realized due to the maximum possible increase in stiffnesses in parasitic degrees of freedom while reducing stiffnesses in working degrees of freedom. Young's modulus of single-crystal silicon is different for different directions of its crystallographic axes. In the general case, with an arbitrary orientation of the suspension beams with respect to the crystallographic axes in the plane of the silicon substrate (as a rule, a plane with orientation (100) is chosen for this type of suspension), in which it is made, the maximum possible separation of the natural frequencies of the suspension in " parasitic "and working degrees of freedom.

Недостатком ЧЭ прототипа являются также неоптимальные в общем случае соотношения геометрических размеров в емкостных гребенчатых структурах с системой эквипотенциальных электродов. Для повышения величины электрической емкости и крутизны ее изменения, необходимых для повышения точности системы съема перемещений и эффективности системы силового возбуждения в ММВГ и ММА, следует увеличивать количество электродов в гребенке и их длину. При ограниченной базовой длине гребенки количество электродов в ней определяется толщиной отдельного электрода в плане и величинами рабочего и нерабочего зазоров. Как правило, величина рабочего зазора является заданной и определяется условиями работы подвеса ЧЭ. Что же касается длины электрода, его толщины в плане, а также величины нерабочего зазора, то величины этих параметров, как правило, оптимальными не являются. Длина и ширина электрода в плане должны быть таковы, чтобы электрод на подвижном элементе подвеса не деформировался при его движении от ускорений и вибраций и не создавал погрешностей в системе съема сигнала перемещений инерционной массы. Величина нерабочего зазора для получения большего количества электродов в гребенке должна быть по возможности минимальной.The disadvantage of the SE of the prototype is also not optimal in the General case, the ratio of the geometric dimensions in capacitive comb structures with a system of equipotential electrodes. To increase the magnitude of the electric capacitance and the steepness of its change, necessary to increase the accuracy of the movement removal system and the efficiency of the power excitation system in the MMWH and MMA, the number of electrodes in the comb and their length should be increased. With a limited base length of the comb, the number of electrodes in it is determined by the thickness of the individual electrode in terms of and the values of the working and non-working gaps. As a rule, the size of the working gap is predetermined and is determined by the operating conditions of the CE suspension. As for the length of the electrode, its thickness in plan, as well as the size of the idle gap, the values of these parameters, as a rule, are not optimal. The length and width of the electrode in the plan should be such that the electrode on the movable suspension element does not deform during its movement from accelerations and vibrations and does not create errors in the pick-up system of the signal of inertial mass displacements. The size of the non-working gap to obtain a larger number of electrodes in the comb should be as small as possible.

Техническим результатом изобретения является повышение точности микромеханического датчика с заявленным чувствительным элементом. Технический результат достигается путем выбора формы и количества УЭ в чувствительном элементе микромеханического датчика, вида их закрепления в корпусе и в инерционной массе, ориентации УЭ по отношению к кристаллографическим осям монокристаллического кремния, а также путем выбора оптимального соотношения между геометрическими размерами гребенчатой структуры электродов емкостных систем съема и силового возбуждения.The technical result of the invention is to improve the accuracy of the micromechanical sensor with the claimed sensitive element. The technical result is achieved by selecting the shape and quantity of REs in the sensitive element of the micromechanical sensor, the type of their fastening in the body and inertial mass, the orientation of the REs relative to the crystallographic axes of single-crystal silicon, and also by choosing the optimal ratio between the geometric dimensions of the comb structure of the electrodes of capacitive removal systems and force excitement.

Для достижения технического результата в чувствительном элементе микромеханического датчика, выполненном на подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100), и содержащем подвес инерционной массы в виде консольно закрепленных на основании упругих элементов, обеспечивающих ей две рабочие степени свободы в поступательном перемещении в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы и для создания на нее силового воздействия, реализованные в виде гребенчатых встречно-штырьевых структур электродов, каждый из упругих элементов подвеса выполнен в виде балки Г образной формы, состоящей из двух идентичных элементов, причем один из этих элементов ориентирован вдоль направления [010] кристаллической решетки кремния, а другой - вдоль направления [001], подвес содержит 8-мь идентичных упругих элементов, расположенных в плоскости (100) попарно симметрично относительно центра геометрии инерционной массы вдоль направлений, повернутых на угол 45° относительно направлений [010] и [001] кристаллической решетки кремния, соотношение между шириной l штыря электрода гребенчатой емкостной структуры в плане и его длиной L выбрано из условия l/L2≥10-3ω, где ω - собственная частота упругого подвеса инерционной массы по рабочим степеням свободы, а максимальная величина зазора d2 между встречными соседними штырями электродов гребенчатых структур выбрана из соотношения 1.6d1<d2<3d1, где d1 - минимальная величина зазора между встречными соседними штырями электродов гребенчатых структур.To achieve a technical result in a micromechanical sensor sensitive element made on a single-crystal silicon substrate oriented in the (100) plane and containing an inertial mass suspension in the form of cantilever mounted on the basis of elastic elements, providing it with two working degrees of freedom in translational movement in the substrate plane coinciding with the plane (100) of the silicon crystal lattice, and capacitive systems for measuring the displacements of the inertial mass and for creating a force on it effects realized in the form of comb-interdigital electrode structures, each of the elastic suspension elements is made in the form of a G-shaped beam consisting of two identical elements, one of these elements being oriented along the [010] direction of the silicon crystal lattice, and the other along direction [001], the suspension contains 8 identical elastic elements located in the (100) plane pairwise symmetrical with respect to the center of inertial mass geometry along directions rotated by an angle of 45 ° relative to ION [010] and [001] crystal lattice of silicon, the ratio between the width l of the electrode pin interdigitated capacitive structure and in terms of its length L chosen from the condition of l / L 2 ≥10 -3 ω, where ω - the natural frequency of the elastic suspension of the inertial mass working degrees of freedom, and the maximum value of the gap d 2 between oncoming adjacent pins of the electrodes of comb structures is selected from the relation 1.6d 1 <d 2 <3d 1 , where d 1 is the minimum size of the gap between the oncoming adjacent pins of electrodes of the comb structures.

При такой форме и виде закрепления УЭ обеспечивается статически определенный подвес, не чувствительный к погрешностям, связанным с изменением температуры ЧЭ, поскольку жесткость такого УЭ не меняется от температурных растяжений-сжатий чувствительного элемента, при этом сохраняется требуемая равножесткость и равночастотность подвеса по рабочим степеням свободы.With this form and type of fixation of REs, a statically defined suspension is provided that is not sensitive to errors associated with changes in the temperature of SEs, since the stiffness of such REs does not change from temperature tensile-compression of the sensing element, while the required equidistance and equal frequency of the suspension are maintained in terms of working degrees of freedom.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.The invention is illustrated in graphic materials.

Фиг.1. Конструктивная схема механической структуры ЧЭ.Figure 1. Structural diagram of the mechanical structure of the CE.

Фиг.2а. Пространственная решетка кристалла монокристаллического кремния с символами граней и направлений.Figa. The spatial lattice of a single-crystal silicon crystal with symbols of faces and directions.

Фиг.2б. Зависимость модуля Юнга монокристаллического кремния в плоскости (100) от угла ориентации от кристаллографической оси [010].Fig.2b. The dependence of the Young's modulus of single-crystal silicon in the (100) plane on the orientation angle on the crystallographic axis [010].

Фиг.3. Топология гребенчатой структуры.Figure 3. The topology of the comb structure.

Фиг.4. График функции k1.Figure 4. Graph of function k 1 .

ЧЭ согласно изобретению содержит (фиг.1) инерционную массу 1, подвешенную посредством консольно закрепленных в корпусе 2 упругих элементов 3. Подвес содержит 8-мь упругих элементов, расположенных в плоскости (100) попарно симметрично относительно центра геометрии инерционной массы вдоль направлений, повернутых на угол 45° относительно направлений [010] и [001] кристаллической решетки кремния. Балки УЭ ориентированы вдоль кристаллографических осей [010], [001] (фиг.2а, б) монокристаллического кремния. Емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы и для создания на нее силового воздействия, реализованные в виде гребенчатых встречно-штырьевых структур электродов 4, 5, 6, 7 (фиг.1), при этом их топология (фиг.3) реализована в соответствии с соотношениями (1), (3).The CE according to the invention contains (Fig. 1) an inertial mass 1 suspended by means of elastic elements cantileverly fixed in the housing 2. The suspension contains 8 elastic elements arranged in a plane (100) symmetrically pairwise with respect to the center of inertial mass geometry along directions rotated by angle of 45 ° relative to the directions [010] and [001] of the silicon lattice. UE beams are oriented along the crystallographic axes [010], [001] (figa, b) of single-crystal silicon. Capacitive systems for measuring the inertial mass displacements and for creating a force action on it, implemented in the form of comb-interdigitated electrode structures 4, 5, 6, 7 (Fig. 1), while their topology (Fig. 3) is implemented in accordance with relations (1), (3).

Модуль Юнга монокристаллического кремния, как видно из фиг.2 [4], симметричен по отношению к направлениям [010], [001] и имеет по этим направлениями наименьшую величину. Ориентация балок УЭ вдоль направлений [010], [001] кристаллической решетки кремния обеспечивает возможно наименьшую величину жесткости по рабочим степеням свободы в плоскости подвеса. При этом обеспечивается отношение собственных частот по паразитным степеням свободы к частотам по рабочим степеням свободы. Следует также отметить, что наименьшая величина модуля Юнга вдоль указанных выше направлений позволяет увеличивать размеры сечения УЭ, при этом снижается относительная геометрическая погрешность при изготовлении ЧЭ (считается, что абсолютная геометрическая погрешность постоянна и определяется технологическим процессом изготовления). Снижение относительной геометрической погрешности снижает погрешность разброса собственных частот изготавливаемых ЧЭ от частоты, заданной при его проектировании.Young's modulus of single-crystal silicon, as can be seen from figure 2 [4], is symmetrical with respect to the directions [010], [001] and has the smallest value in these directions. The orientation of the RE beams along the directions [010], [001] of the silicon crystal lattice provides the smallest possible rigidity in terms of working degrees of freedom in the suspension plane. At the same time, the ratio of natural frequencies in terms of parasitic degrees of freedom to frequencies in terms of working degrees of freedom is ensured. It should also be noted that the smallest Young's modulus along the above directions allows increasing the size of the RE section, while reducing the relative geometric error in the manufacture of CEs (it is believed that the absolute geometric error is constant and is determined by the manufacturing process). Reducing the relative geometric error reduces the error in the spread of the natural frequencies of the manufactured CEs from the frequency specified during its design.

Ширина электрода l в плане и его длина L выбираются из условияThe width of the electrode l in plan and its length L are selected from the condition

Figure 00000002
Figure 00000002

где ω - собственная частота упругого подвеса инерционной массы по рабочим степеням свободы. Условие (1) получаем следующим образом.where ω is the natural frequency of the elastic suspension of the inertial mass according to the working degrees of freedom. We obtain condition (1) as follows.

Известно соотношение для определения циклической частоты ω1 первой формы колебаний упругой балки с односторонней консольной заделкой [5]:There is a relation for determining the cyclic frequency ω 1 of the first oscillation form of an elastic beam with one-sided cantilever embedment [5]:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Е, ρ - соответственно модуль Юнга и плотность материала, из которого изготовлена балка. Заметим, что для того, чтобы при вибрациях и ускорениях инерционной массы в упругом подвесе деформации электрода, представляющего собой балку, не создавали погрешности емкостной системы съема, собственная частота его первой формы колебаний, как известно, должна быть примерно на порядок больше частоты внешних силовых воздействий, а в нашем случае - собственной частоты упругого подвеса инерционной массы. В соотношении (2) для монокристаллического кремния при характерных для него значениях E=1.4÷1.7·1011 Н/м2, ρ=2328 кг/м3 величина А≈104 м/с. Тогда, с учетом сделанного выше замечания получаем соотношение (1). В качестве примера, для собственной частоты подвеса ω=2π 3000=18850 1/с при длине электрода L=400 мкм получаем l≥3 мкм.where E, ρ are, respectively, Young's modulus and density of the material from which the beam is made. Note that in order for vibrations and accelerations of the inertial mass in the elastic suspension to deform the electrode, which is a beam, not to create errors in the capacitive pick-up system, the natural frequency of its first mode of vibration, as is known, should be about an order of magnitude higher than the frequency of external forces , and in our case, the natural frequency of the elastic suspension of the inertial mass. In relation (2) for monocrystalline silicon with characteristic values of E = 1.4 ÷ 1.7 · 10 11 N / m 2 , ρ = 2328 kg / m 3, the value A≈10 4 m / s. Then, taking into account the remark made above, we obtain relation (1). As an example, for the natural suspension frequency ω = 2π 3000 = 18850 1 / s with an electrode length L = 400 μm, we obtain l≥3 μm.

Величина нерабочего зазора (максимальная величина зазора) d2 между встречными соседними штырями электродов гребенчатых структур выбрана из соотношенияThe value of the non-working gap (maximum gap) d 2 between the adjacent adjacent pins of the electrodes of the comb structures is selected from the relation

Figure 00000004
Figure 00000004

где d1 - минимальная величина зазора между встречными соседними штырями электродов гребенчатых структур (величина рабочего зазора).where d 1 - the minimum gap between the adjacent adjacent pins of the electrodes of comb structures (the size of the working gap).

Условие (3) получаем следующим образом. Электрическая емкость С гребенчатой структуры при перемещении инерционной массы на величину х определяется выражениемWe obtain condition (3) as follows. The electric capacitance C of the comb structure when moving the inertial mass by x is determined by the expression

Figure 00000005
Figure 00000005

где ε, ε0 - соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; L0 - базовая длина гребенчатой структуры; S - площадь электрода. Раскладывая соотношение (4) в ряд по перемещению х относительно точки х=0, получимwhere ε, ε 0 are the relative permittivity and absolute permittivity of the vacuum, respectively; L 0 is the base length of the comb structure; S is the area of the electrode. Expanding relation (4) in a series of displacements x relative to the point x = 0, we obtain

Figure 00000006
Figure 00000006

гдеWhere

Figure 00000007
Figure 00000007

Коэффициент k1 в (5) определяет крутизну изменения емкости, и для лучшей чувствительности ММВГ (ММА) его необходимо максимизировать по параметру d2, поскольку остальные параметры в (5) являются заданными. Дифференцируя k1 по d2 и приравнивая полученное выражение к нулю, получим уравнение для определения размера d2:The coefficient k 1 in (5) determines the steepness of the change in capacitance, and for better sensitivity of the MMWH (MMA) it must be maximized by the parameter d 2 , since the remaining parameters in (5) are given. Differentiating k 1 by d 2 and equating the resulting expression to zero, we obtain the equation for determining the size of d 2 :

Figure 00000008
Figure 00000008

Действительный корень данного уравнения определяет оптимальный зазор d2опт The real root of this equation determines the optimal clearance d 2opt

Figure 00000009
Figure 00000009

В разложении до первого порядка малости включительно по параметрам d1 l выражение (6) будет иметь следующий вид:In the expansion to the first order of smallness inclusive in terms of parameters d 1 l, expression (6) will have the following form:

Figure 00000010
Figure 00000010

Следует отметить, что график функции k1 (фиг.4) от величины размера d2 не имеет ярко выраженного максимума вблизи точки d2опт. Как видно на графике, максимум k1 с точностью до 6% достигается при величине зазора d2, выбираемого в соответствии с неравенствомIt should be noted that the graph of the function k 1 (Fig. 4) versus the size d 2 does not have a pronounced maximum near the point d 2 opt . As can be seen in the graph, a maximum of k 1 with an accuracy of 6% is achieved with a gap value of d 2 chosen in accordance with the inequality

Figure 00000011
Figure 00000011

С учетом (6) получаемIn view of (6), we obtain

0.8(2.014d1+0.1744l)<d2<1.5(2.014d1+0.1744l).0.8 (2.014d 1 + 0.1744l) <d 2 <1.5 (2.014d 1 + 0.1744l).

Поскольку на практике d1≈l, последнее соотношение можно заменить неравенством (3), с помощью которого и выбирается оптимальная величина нерабочего зазора, обеспечивающего максимальную величину крутизны изменения емкости при перемещении инерционной массы в подвесе. Следует заметить, что величина силы, развиваемой гребенчатой структурой системы силового возбуждения в направлении перемещения х, прямо пропорциональна крутизне k1. Таким образом, величина оптимального нерабочего зазора d2, выбранная из условия (3), также обеспечивает и максимальную силу, развиваемую гребенчатой структурой системы силового возбуждения.Since in practice d 1 ≈l, the last relation can be replaced by inequality (3), with the help of which the optimal value of the non-working gap is selected, which ensures the maximum value of the slope of the capacitance when the inertial mass moves in the suspension. It should be noted that the magnitude of the force developed by the comb structure of the force excitation system in the direction of movement x is directly proportional to the steepness k 1 . Thus, the value of the optimal non-working gap d 2 selected from condition (3) also provides the maximum force developed by the comb structure of the power excitation system.

ЧЭ в ММВГ работает следующим образом. С помощью электростатической гребенчатой структуры 4 обеспечивается поступательное вибрационное движение инерционной массы вдоль оси ОХ. Контроль и стабилизация параметров вибрационного движения вдоль оси ОХ осуществляется с помощью гребенчатых структур - электростатической 4 и емкостной 5. При наличии угловой скорости вокруг оси OZ появляется переменная сила Кориолиса вдоль оси OY. Перемещения инерционной массы, вызванные этой силой, измеряются с помощью емкостной гребенчатой структуры 6. Компенсационный режим измерения в ММВГ реализуется с помощью электростатической гребенчатой структуры 7.Che in MMVG works as follows. Using the electrostatic comb structure 4, the translational vibrational motion of the inertial mass along the axis OX is provided. Monitoring and stabilization of the parameters of vibrational motion along the OX axis is carried out using comb structures — electrostatic 4 and capacitive 5. In the presence of angular velocity around the OZ axis, a variable Coriolis force appears along the OY axis. The displacements of the inertial mass caused by this force are measured using a capacitive comb structure 6. The compensation mode of measurement in the MMWG is realized using an electrostatic comb structure 7.

ЧЭ в ММА работает следующим образом. При появлении ускорения в плоскости подложки происходят смещения инерционной массы вдоль осей OX, OY из центра подвеса. С помощью емкостных гребенчатых структур 5, 6 эти смещения измеряются. Компенсационный режим измерения в ММА реализуется с помощью электростатических гребенчатых структур 4, 7.CE in MMA works as follows. When acceleration appears in the plane of the substrate, inertial mass shifts along the OX, OY axes from the center of the suspension. With the help of capacitive comb structures 5, 6, these displacements are measured. The compensatory measurement mode in MMA is implemented using electrostatic comb structures 4, 7.

Изготовлены опытные образцы ЧЭ ММВГ и ММА. Испытания опытных образцов подтвердили высокую эффективность предложенных технических решений и повышение точности микромеханических датчиков с заявленными чувствительными элементами.Prototypes of the Chevron MMVG and MMA were manufactured. Tests of the prototypes confirmed the high efficiency of the proposed technical solutions and increased accuracy of micromechanical sensors with the declared sensitive elements.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4598585, G 01 С 15/02, 1986.1. US patent No. 4598585, G 01 C 15/02, 1986.

2. Патент РФ №2085848, G 01 С 19/56, 1995.2. RF patent No. 2085848, G 01 C 19/56, 1995.

3. Патент США №5016072, G 01 Р 9/04,1991.3. US patent No. 5016072, G 01 P 9 / 04,1991.

4. Захаров Н.П., Багдасарян А.В. Механические явления в интегральных структурах. М.: Радио и связь, 1992. - 144 с.: ил.4. Zakharov N.P., Baghdasaryan A.V. Mechanical phenomena in integral structures. M .: Radio and communications, 1992 .-- 144 p.: Ill.

5. Ильин М.М., Колесников К.С., Саратов Ю.С. Теория колебаний. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003, 271 с.5. Ilyin MM, Kolesnikov KS, Saratov Yu.S. Theory of oscillations. - M .: Publishing house of MGTU im. N.E.Bauman, 2003, 271 p.

Claims (1)

Чувствительный элемент микромеханического датчика, выполненный на подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100), и содержащий подвес инерционной массы в виде консольно закрепленных на основании упругих элементов, обеспечивающих ей две рабочие степени свободы в поступательном перемещении в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы и для создания на нее силового воздействия, реализованные в виде гребенчатых встречно-штырьевых структур электродов, отличающийся тем, что каждый из упругих элементов подвеса выполнен в виде балки Г-образной формы, состоящей из двух идентичных элементов, причем один из этих элементов ориентирован вдоль направления [010] кристаллической решетки кремния, а другой - вдоль направления [001], подвес содержит 8 идентичных упругих элементов, расположенных в плоскости (100) попарно симметрично относительно центра геометрии инерционной массы вдоль направлений, повернутых на угол 45° относительно направлений [010] и [001] кристаллической решетки кремния, соотношение между шириной l штыря электрода гребенчатой емкостной структуры в плане и его длиной L выбрано из условия l/L2≥10-3ω, где ω - собственная частота упругого подвеса инерционной массы по рабочим степеням свободы, а максимальная величина зазора d2 между встречными соседними штырями электродов гребенчатых структур выбрана из соотношения 1,6d1<d2<3d1, где d1 - минимальная величина зазора между встречными соседними штырями электродов гребенчатых структур.The sensitive element of the micromechanical sensor, made on a single-crystal silicon substrate oriented in the (100) plane, and containing an inertial mass suspension in the form of cantilever mounted on the basis of elastic elements, providing it with two working degrees of freedom in translational movement in the substrate plane coinciding with the plane ( 100) a silicon lattice of silicon, and capacitive systems for measuring the displacements of the inertial mass and for creating a force action on it, implemented in the form of comb interdigital electrode structures, characterized in that each of the elastic suspension elements is made in the form of a L-shaped beam consisting of two identical elements, one of these elements being oriented along the [010] direction of the silicon lattice, and the other along directions [001], the suspension contains 8 identical elastic elements located in the (100) plane pairwise symmetrical with respect to the center of geometry of the inertial mass along directions rotated by an angle of 45 ° relative to the directions [010] and [001] crista netocrystalline silicon lattice, the ratio between the width l of the electrode pin interdigitated capacitive structure and in terms of its length L chosen from the condition of l / L 2 ≥10 -3 ω, where ω - the natural frequency of the elastic suspension of the inertial mass on the working degrees of freedom, and the maximum value of the gap d 2 between the adjacent adjacent pins of the electrodes of the comb structures is selected from the ratio of 1,6d 1 <d 2 <3d 1 , where d 1 is the minimum gap between the adjacent adjacent pins of the electrodes of the comb structures.
RU2005133277/28A 2005-10-31 2005-10-31 Micromechanical transducer sensing element RU2296390C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005133277/28A RU2296390C1 (en) 2005-10-31 2005-10-31 Micromechanical transducer sensing element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005133277/28A RU2296390C1 (en) 2005-10-31 2005-10-31 Micromechanical transducer sensing element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2296390C1 true RU2296390C1 (en) 2007-03-27

Family

ID=37999282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005133277/28A RU2296390C1 (en) 2005-10-31 2005-10-31 Micromechanical transducer sensing element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2296390C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2453812C1 (en) * 2011-03-01 2012-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Integrated sensitive element of vibration gyroscope
RU173867U1 (en) * 2016-12-15 2017-09-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") LL-type vibratory gyroscope

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2453812C1 (en) * 2011-03-01 2012-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Integrated sensitive element of vibration gyroscope
RU173867U1 (en) * 2016-12-15 2017-09-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") LL-type vibratory gyroscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8011247B2 (en) Multistage proof-mass movement deceleration within MEMS structures
US6860151B2 (en) Methods and systems for controlling movement within MEMS structures
CN108534769B (en) Acceleration and angular velocity resonance detection integrated structure and related MEMS sensor equipment
US6089088A (en) Vibrating microgyrometer
US20100037692A1 (en) Solid-state inertial sensor on chip
JP6044742B2 (en) Capacitive micromechanical acceleration sensor
JP6372566B2 (en) Improved quadrature compensation
KR20050086918A (en) Methods and systems for decelarating proof mass movements within mems structures
CN103901227B (en) Silicon micro-resonance type accelerometer
US20160265916A1 (en) MEMS Sensor for Measuring Z-Axis Angular Rate
IL228048A (en) Spring structure, resonator, resonator array and sensor
EP3835795B1 (en) Vibrating beam accelerometer with pressure damping
EP3617715B1 (en) Vibrating beam accelerometer
GB2577483A (en) Inertial sensor and method of inertial sensing with tuneable mode coupling strength
EP2570770B1 (en) Three-mass coupled oscillation technique for mechanically robust micromachined gyroscopes
US20140238132A1 (en) Mems resonant accelerometer
RU2296390C1 (en) Micromechanical transducer sensing element
US8723611B2 (en) Micromechanical resonator
Shah et al. Design and analysis of a single-structure three-axis MEMS gyroscope with improved coupling spring
EP2775258B1 (en) Microelectromechanical gyroscope
US9303994B2 (en) Planar Coriolis gyroscope
CN105917193A (en) Inertial sensor with nested seismic masses and method for manufacturing the sensor
US20190112181A1 (en) Stabile micromechanical devices
RU2444703C1 (en) Vibration gyroscope
EP4152010A1 (en) Z-axis resonant accelerometer with improved-performance detection structure

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20081101