RU2351897C1 - Integrated micromechanical accelerometer gyroscope - Google Patents
Integrated micromechanical accelerometer gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2351897C1 RU2351897C1 RU2007144921/28A RU2007144921A RU2351897C1 RU 2351897 C1 RU2351897 C1 RU 2351897C1 RU 2007144921/28 A RU2007144921/28 A RU 2007144921/28A RU 2007144921 A RU2007144921 A RU 2007144921A RU 2351897 C1 RU2351897 C1 RU 2351897C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- semiconductor material
- electrodes
- semiconductor
- plane
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.The present invention relates to the field of measuring technology and microsystem technology, and more particularly to integrated measuring elements of angular velocity and acceleration.
Известен интегральный микромеханический гироскоп [В.П.Тимошенков, С.П.Тимошенков, А.А.Миндеева. Разработка конструкции микрогироскопа на основе КНИ-технологии, Известия вузов, Электроника, №6, 1999, стр.49, рис.2], содержащий диэлектрическую подложку с напыленными на ней четырьмя электродами и инерционную массу, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с парой напыленных на подложку электродов плоский конденсатор и связанную с внутренней колебательной системой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к внутренней колебательной системе, выполненной из полупроводникового материала, образующей с другой парой напыленных на подложку электродов плоский конденсатор, используемый в качестве электростатического привода, причем колебательная система соединена с внешней рамкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами прикреплены к внутренней колебательной системе, а другими - к внешней рамке, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на диэлектрической подложке.Known integrated micromechanical gyroscope [V.P. Timoshenkov, S.P. Timoshenkov, A.A.Mindeeva. Development of the design of a microgyroscope based on the KNI technology, University News, Electronics, No. 6, 1999, p. 49, Fig. 2], containing a dielectric substrate with four electrodes sprayed on it and an inertial mass located with a gap relative to the dielectric substrate, made in in the form of a plate of semiconductor material, forming a flat capacitor with a pair of electrodes deposited on the substrate and connected to the internal oscillatory system using elastic beams made of semiconductor material, which the ends are rigidly attached to the inertial mass, and the others to the internal oscillatory system made of a semiconductor material, forming with a different pair of electrodes deposited on the substrate a flat capacitor used as an electrostatic drive, the oscillating system being connected to the external frame using elastic beams, made of semiconductor material, which are attached at one end to the internal oscillatory system, and at the other to an external frame made of semiconductor material and located directly on the dielectric substrate.
Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.This gyroscope allows you to measure the magnitude of the angular velocity while rotating it around the Z axis, perpendicular to the plane of the gyroscope substrate.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольная рамка, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, электрод, расположенный непосредственно на подложке.Signs of an analogue that coincide with the essential features are two fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on one side, four supports made of a semiconductor material and located directly on a semiconductor substrate, a rectangular frame, an inertial mass made of semiconductor material and located with a gap with respect to substrates, elastic beams made of a semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, ele ctrode located directly on the substrate.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг взаимно перпендикулярных осей X, Y, расположенных в плоскости подложки и ускорения по осям X, Y, Z.A design flaw in the gyroscope is the impossibility of measuring the angular velocity around mutually perpendicular axes X, Y located in the plane of the substrate and acceleration along the axes X, Y, Z.
Функциональным аналогом заявляемого объекта является микромеханический гироскоп [S.E.Alper, T.Akin, A Planar Gyroscope Using a Standard Surface Micromachining Process, The 14th European Conference on Solid-State Transducers (EUROSENSORS XIV), 2000, p.387, fig.1], содержащий подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор и связанную с внешним подвесом с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к внешнему подвесу, выполненному из полупроводникового материала и образующему с другой парой расположенных на подложке электродов плоский конденсатор, используемый в качестве электростатического привода, причем внешний подвес соединен с опорами с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с внешним подвесом, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и два электрода, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке с зазором относительно внешнего подвеса так, что образуют плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов.A functional analogue of the claimed object is a micromechanical gyroscope [SEAlper, T.Akin, A Planar Gyroscope Using a Standard Surface Micromachining Process, The 14th European Conference on Solid-State Transducers (EUROSENSORS XIV), 2000, p.387, fig.1], comprising a substrate with four electrodes located on it made of a semiconductor material, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, forming a flat capacitor with a pair of electrodes located on the substrate and connected with an external suspension using elastic beams made of a semiconductor material, which at one end are rigidly attached to the inertial mass, and the other to an external suspension made of a semiconductor material and forming with a different pair of electrodes located on the substrate a flat capacitor used as an electrostatic drive, the external suspension being connected with supports using elastic beams made of semiconductor material, which are rigidly connected to the external suspension at one end and the supports at the other nennymi of semiconductor material and located directly on the substrate, and two electrodes made of semiconductor material and located directly on the substrate with a gap relative to the outer suspension so as to form a flat capacitors which are used as electrostatic actuators.
Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.This gyroscope allows you to measure the magnitude of the angular velocity while rotating it around the Z axis, perpendicular to the plane of the gyroscope substrate.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются два неподвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольная рамка, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений, выполненный из полупроводникового материала, расположенный на подложке, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.Signs of an analogue that coincide with the essential features are two fixed electrodes of electrostatic drives with comb structures on one side, four supports made of a semiconductor material and located directly on a semiconductor substrate, a rectangular frame, an inertial mass made of semiconductor material and located with a gap with respect to substrate, a fixed electrode of a capacitive displacement transducer made of a semiconductor material, Assumption on the substrate, the elastic beams made of semiconductor material and disposed with a gap relative to the substrate.
Недостатком конструкции гироскопа является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг взаимно перпендикулярных осей X, Y, расположенных в плоскости подложки и ускорения по осям X, Y, Z.A design flaw in the gyroscope is the impossibility of measuring the angular velocity around mutually perpendicular axes X, Y located in the plane of the substrate and acceleration along the axes X, Y, Z.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический гироскоп [A.S.Plani, A.A.Seshia, M.Palaniapan, R.T.Howe, J.Yasaitis, Coupling of resonant modes in micromechanical vibratory rate gyroscopes, NSTI-Nanotech 2004, vol.2, 2004, p.335, fig.l], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя планарными неподвижными электродами, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольную рамку, выполненную из полупроводникового материала, соединенную с опорами с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к прямоугольной рамке, а другими - к опорам, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, образующую с расположенными на полупроводниковой подложке двумя планарными неподвижными электродами плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры, соединенную с прямоугольной рамкой с помощью других четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе, а другими - к прямоугольной рамке.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical gyroscope [ASPlani, AASeshia, M. Palaniapan, RTHowe, J. Yasaitis, Coupling of resonant modes in micromechanical vibratory rate gyroscopes, NSTI-Nanotech 2004, vol. 2 , 2004, p.335, fig.l], containing a semiconductor substrate with two planar fixed electrodes located on it made of a semiconductor material, two fixed electrodes with comb structures on one side made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, a rectangular frame made of semiconductor material connected to the supports using four elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, which are rigidly attached at one end to a rectangular frame, and others to supports, inertial mass made of semiconductor material and located with a gap relative the substrate, which forms flat capacitors in the plane of their plates with two planar fixed electrodes located on the semiconductor substrate through the side gaps connected to the rectangular frame using the other four elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, which are rigidly fixed at one end to inertial mass, and others to a rectangular frame.
Данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки.This gyroscope allows you to measure the magnitude of the angular velocity when it rotates around the Z axis, perpendicular to the plane of the substrate.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка с расположенными на ней планарными неподвижными электродами, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольная рамка, выполненная из полупроводникового материала, соединенная с опорами с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, инерционная масса, выполненная из полупроводникового материала и расположенная с зазором относительно подложки, другие четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.Signs of the prototype, coinciding with the essential features, are a semiconductor substrate with planar stationary electrodes located on it made of a semiconductor material, two stationary electrodes with comb structures on the one hand, made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, a rectangular frame, made made of semiconductor material connected to supports using four elastic beams made of semiconductor material and positioned with a gap relative to the substrate, inertial mass made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, the other four elastic beams made of semiconductor material and located with clearance relative to the substrate.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величин угловой скорости вокруг взаимно перпендикулярных осей X, Y, расположенных в плоскости подложки и ускорения по осям X, Y, Z.The reasons hindering the achievement of the technical result is the impossibility of measuring the angular velocity around mutually perpendicular axes X, Y located in the plane of the substrate and acceleration along the axes X, Y, Z.
Задача предлагаемого изобретения - возможность измерения величин угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра.The objective of the invention is the ability to measure angular velocity and acceleration along the X, Y axes located in the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope-accelerometer.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин угловой скорости и ускорения вокруг осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра.The technical result achieved by the implementation of the present invention consists in the possibility of measuring the angular velocity and acceleration around the X, Y axes located in the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope-accelerometer.
Технический результат достигается за счет введения двух подвижных электродов, выполненных из полупроводникового материала в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительного неподвижного электрода, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, четырех дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем планарные неподвижные электроды образуют плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры с прямоугольной рамкой.The technical result is achieved by introducing two movable electrodes made of semiconductor material in the form of plates with comb structures on one side and located with a gap relative to the semiconductor substrate, an additional stationary electrode made of a semiconductor material and located directly on the substrate, four additional elastic beams, made of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, These planar fixed electrodes form flat capacitors in the plane of their plates through lateral gaps with a rectangular frame.
Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней планарными неподвижными электродами, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, прямоугольную рамку, выполненную из полупроводникового материала, соединенную с опорами с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно подложки, другие четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки, введены два подвижных электрода, выполненных из полупроводникового материала в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительный неподвижный электрод, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке, четыре дополнительные упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем планарные неподвижные электроды образуют плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры с прямоугольной рамкой.In order to achieve the required technical result, an integral micromechanical gyroscope-accelerometer containing a semiconductor substrate with planar stationary electrodes located on it made of a semiconductor material, two stationary electrodes with comb structures on one side made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor water substrate, a rectangular frame made of a semiconductor material, connected to supports using four elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, an inertial mass made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, the other four elastic beams, made of a semiconductor material and arranged with a gap relative to the substrate, two movable electrodes made of a semiconductor about the material in the form of plates with comb structures on one side and located with a gap relative to the semiconductor substrate, an additional stationary electrode made of semiconductor material and located directly on the substrate, four additional elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, moreover, planar stationary electrodes form flat capacitors in the plane of their plates through lateral gaps with a straight clay frame.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.Comparing the proposed device with the prototype, we see that it contains new features, that is, meets the criterion of novelty. Carrying out a comparison with analogues, we conclude that the proposed device meets the criterion of "significant differences", since no new features are shown in the analogues.
На фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра и показаны сечения. На фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра.Figure 1 shows the topology of the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer and sections are shown. Figure 2 shows the structure of the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer.
Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр (фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней двумя планарными неподвижными электродами 2, 3 и неподвижным электродом 4, выполненными из полупроводникового материала, два неподвижных электрода с гребенчатыми структурами с одной стороны 5, 6, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке 1, два подвижных электрода электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 7, 8, выполненных в виде пластин из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующих электростатическое взаимодействие с неподвижными электродами 5, 6 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 9, 10, 11, 12, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами соединены с подвижными электродами электростатических приводов 7, 8, а другими - с опорами 13, 14, 15, 16, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, прямоугольную рамку 17, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с двумя неподвижными электродами 2, 4 плоские конденсаторы в плоскости их пластин и через боковые зазоры, соединенную с подвижными электродами 7, 8 с помощью четырех упругих балок 18, 19, 20, 21, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к прямоугольной рамке 17, а другими - к подвижным электродам 7, 8, инерционную массу 22, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с неподвижным электродом 3 плоский конденсатор, соединенную с прямоугольной рамкой 17 с помощью четырех упругих балок 23, 24, 25, 26, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, которые одними концами жестко прикреплены к инерционной массе 22, а другими - к прямоугольной рамке 17.The integrated micromechanical gyroscope-accelerometer (Fig. 1) contains a
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
При подаче на неподвижные электроды 5, 6 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов 7, 8 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний последних в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y) за счет s-образного изгиба упругих балок 9, 10, 11, 12, соединяющих подвижные электроды 7, 8 с опорами 13, 14, 15, 16. Колебания подвижных электродов 7, 8 передаются прямоугольной рамке 17 через упругие балки 18, 19, 20, 21, а колебания прямоугольной рамки 17 передаются инерционной массе 22 через упругие балки 23, 24, 25, 26. Зазор между планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно одинаковы.When alternating voltages are applied to the
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционной масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 23, 24, 25, 26. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 соответственно, одинаковы.When rotation of the semiconductor substrate 1 (angular velocity) occurs around an axis located in the plane of the semiconductor substrate 1 (X axis), the
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси X) за счет s-образного изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостном преобразователе перемещений, образованном электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно, одинаковы.When the rotation of the semiconductor substrate 1 (angular velocity) occurs around an axis perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 (Z axis), the
При подаче на планарные неподвижные электроды 2, 3 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно прямоугольной рамки 17 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний последней в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси X) за счет s-образного изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21, соединяющих прямоугольную рамку 17 с подвижными электродами 7, 8. Колебания прямоугольной рамки 17 передаются инерционной массе 22 через упругие балки 23, 24, 25, 26. Зазор между неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно не изменяется. Зазор между неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 и неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно, одинаковы.When applying to the planar stationary electrodes 2, 3 alternating voltages, 180 ° phase-shifted relative to each other, relative to the
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Y), инерционной масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 23, 24, 25, 26. Разность напряжений, генерируемых на емкостном преобразователе перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Зазор между неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно не изменяется.When the rotation of the semiconductor substrate 1 (angular velocity) occurs around an axis located in the plane of the semiconductor substrate 1 (Y axis), the
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 22 под действием сил Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y). Колебания инерционной массы 22 передаются прямоугольной рамке 17 через упругие балки 23, 24, 25, 26, а колебания прямоугольной рамки, в свою очередь, передаются подвижным электродам 7, 8 через упругие балки 18, 19, 20, 21 соответственно. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Зазор между планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных планарными неподвижными электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 и неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 соответственно, одинаковы.When a rotation of the semiconductor substrate 1 (angular velocity) occurs around an axis perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 (Z axis), the
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 22, жестко прикрепленная к прямоугольной рамке 17 при помощи упругих балок 23, 24, 25, 26, под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси X в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 18, 19, 20, 21, которые одними концами жестко соединены с прямоугольной рамкой 17, а другими - с подвижными электродами 7, 8 соответственно. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами 2, 3 и прямоугольной рамкой 17 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину ускорения.When acceleration of the
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 22 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 9, 10, 11, 12, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами 7, 8, а другими - с опорами 13, 14, 15, 16 соответственно. Разность напряжений, генерируемых в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами 5, 6 и подвижными электродами 7, 8 соответственно за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину ускорения.When acceleration of the
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 22 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 23, 24, 25, 26. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижным электродом 4 и инерционной массой 22 за счет изменения величины зазора между ними, характеризуют величину ускорения.When acceleration of the
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величины угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра.Thus, the proposed device is an integrated micromechanical gyroscope-accelerometer, which allows you to measure the angular velocity and acceleration along the X, Y axes located in the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope-accelerometer.
Введение двух подвижных электродов, выполненных из полупроводникового материала в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, дополнительного неподвижного электрода, выполненного из полупроводникового материала и расположенного непосредственно на подложке, четырех дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем планарные неподвижные электроды образуют плоские конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры с прямоугольной рамкой, позволяет измерять величины угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин угловой скорости и ускорения.The introduction of two movable electrodes made of semiconductor material in the form of plates with comb structures on one side and located with a gap relative to the semiconductor substrate, an additional stationary electrode made of semiconductor material and located directly on the substrate, four additional elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, and planar stationary electrodes in the image T flat capacitors in the plane of their plates through the lateral gaps with a rectangular frame, allows you to measure the angular velocity and acceleration along the X, Y axes located in the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate of the gyroscope-accelerometer, which allows the use of the invention in as an integral measuring element of angular velocity and acceleration.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и ускорения, так как для измерения величин угловой скорости и ускорения по трем осям X, Y, Z используется только один интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр.Thus, in comparison with similar devices, the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer allows to reduce the substrate area used for the placement of measuring elements of angular velocity and acceleration, since only one is used to measure angular velocity and acceleration along three axes X, Y, Z Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007144921/28A RU2351897C1 (en) | 2007-12-03 | 2007-12-03 | Integrated micromechanical accelerometer gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007144921/28A RU2351897C1 (en) | 2007-12-03 | 2007-12-03 | Integrated micromechanical accelerometer gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2351897C1 true RU2351897C1 (en) | 2009-04-10 |
Family
ID=41015034
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007144921/28A RU2351897C1 (en) | 2007-12-03 | 2007-12-03 | Integrated micromechanical accelerometer gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2351897C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2455652C1 (en) * | 2011-01-25 | 2012-07-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Cnt-based integral micromechanical acceleration measuring gyroscope |
RU2477863C1 (en) * | 2011-10-10 | 2013-03-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer |
RU2597953C1 (en) * | 2015-06-30 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer |
RU2597950C1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micro mechanical gyroscope accelerometer |
RU2597951C1 (en) * | 2015-06-24 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral tunnel accelerometer |
-
2007
- 2007-12-03 RU RU2007144921/28A patent/RU2351897C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
PLANI A.S. et al. Coupling of resonant modes in micromechanical vibratory rate gyroscopes, NSTI-Nanotech 2004, v.2, p.335. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2455652C1 (en) * | 2011-01-25 | 2012-07-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Cnt-based integral micromechanical acceleration measuring gyroscope |
RU2477863C1 (en) * | 2011-10-10 | 2013-03-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer |
RU2597950C1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micro mechanical gyroscope accelerometer |
RU2597951C1 (en) * | 2015-06-24 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral tunnel accelerometer |
RU2597953C1 (en) * | 2015-06-30 | 2016-09-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101823325B1 (en) | Improved gyroscope structure and gyroscope | |
CN102788576B (en) | Gyro sensor and electronic equipment | |
US8555718B2 (en) | Piezoelectric transducers | |
US6860151B2 (en) | Methods and systems for controlling movement within MEMS structures | |
KR100476562B1 (en) | Horizontal and tuning fork vibratory micro gyroscope | |
JP6372566B2 (en) | Improved quadrature compensation | |
KR20030067791A (en) | Rotation type MEMS gyroscpoe of a decoupled structure | |
JP2011504585A (en) | Yaw rate sensor | |
RU2351897C1 (en) | Integrated micromechanical accelerometer gyroscope | |
WO2017113911A1 (en) | Silicon-based micromechanical vibratory gyroscope with i-shaped structure | |
RU2351896C1 (en) | Integrated micromechanical accelerometer gyroscope | |
RU2597953C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope-accelerometer | |
JP6632726B2 (en) | Micromechanical yaw rate sensor and method of manufacturing the same | |
RU2649249C1 (en) | Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer | |
JP2001133268A (en) | Angular velocity sensor | |
RU2683810C1 (en) | Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer | |
RU2266521C1 (en) | Integrating micromechanical gyro | |
JP2002213962A (en) | Angular velocity sensor and its manufacturing method | |
RU2543686C1 (en) | Micromechanical accelerometer | |
RU2353903C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope | |
RU2304273C1 (en) | Carbon nano-tubes based integral micro-mechanical gyroscope | |
RU2455652C1 (en) | Cnt-based integral micromechanical acceleration measuring gyroscope | |
RU2293338C1 (en) | Integral micro-mechanical gyroscope-accelerometer | |
RU2503924C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope | |
RU2293337C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20110411 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |