RU2351897C1 - Integrated micromechanical accelerometer gyroscope - Google Patents

Integrated micromechanical accelerometer gyroscope Download PDF

Info

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
Application number
RU2007144921/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Георгиевич Коноплев (RU)
Борис Георгиевич Коноплев
Игорь Евгеньевич Лысенко (RU)
Игорь Евгеньевич Лысенко
Елена Викторовна Шерова (RU)
Елена Викторовна Шерова
Original Assignee
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ)
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 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) filed Critical Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ)
Priority to RU2007144921/28A priority Critical patent/RU2351897C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2351897C1 publication Critical patent/RU2351897C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: device contains inertial mass located with backlash concerning substrate with planar immobile electrodes located on it, two immobile electrodes with edge structures on one hand, and also two mobile electrodes of electrostatic drive units executed from semiconductor material in the form of plates with edge structures on the other hand and located with backlash concerning semiconductor substrate. Thus planar immobile electrodes form parallel-plate capacitors in plane of their plates through lateral backlashes with rectangular framework.
EFFECT: possibility of measuring quantities of angular velocity and acceleration along axes X and Y, located crossly perpendicularly in substrate plane, and axis Z guided perpendicularly the substrate plane.
2 dwg

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 semiconductor substrate 1 with two planar fixed electrodes 2, 3 located on it and a fixed electrode 4 made of a semiconductor material, two fixed electrodes with comb structures on one side 5, 6 made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1, two movable electrodes of electrostatic drives with comb structures on one side 7, 8, made in in the form of wafers made of semiconductor material and arranged with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming electrostatic interaction with the stationary electrodes 5, 6 in the plane of their wafers through the side gaps and interpenetrating each other by the comb of electrodes, and connected to the semiconductor substrate 1 by means of elastic beams 9, 10, 11, 12, made of semiconductor material, which are connected at one end to the movable electrodes of electrostatic drives 7, 8, and at the other with supports 13, 14, 15, 16, made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1, a rectangular frame 17 made of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming flat capacitors with two stationary electrodes 2, 4 in the plane of their plates and through the side gaps connected to movable electrodes 7, 8 using four elastic beams 18, 19, 20, 21 made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor of the substrate 1, which at one end are rigidly attached to the rectangular frame 17, and at the other to the movable electrodes 7, 8, an inertial mass 22 made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming a flat capacitor connected to the stationary electrode 3, connected with a rectangular frame 17 using four elastic beams 23, 24, 25, 26 made of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, which are rigidly attached at one end replicated to the inertial mass 22, and others to the rectangular frame 17.

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 stationary electrodes 5, 6, 180 ° phase-shifted relative to each other, relative to the movable electrodes 7, 8, an electrostatic interaction arises between them, which leads to vibrations of the latter in the plane of the semiconductor substrate 1 (along the Y axis) due to the s-shaped bending of the elastic beams 9, 10, 11, 12 connecting the movable electrodes 7, 8 with the supports 13, 14, 15, 16. The oscillations of the movable electrodes 7, 8 are transmitted to the rectangular frame 17 through the elastic beams 18, 19, 20, 21, and the vibrations of the rectangular frame 1 7 are transmitted to the inertial mass 22 through the elastic beams 23, 24, 25, 26. The gap between the planar fixed electrodes 2, 3 and the rectangular frame 17 and the fixed electrode 4 and the inertial mass 22, respectively, does not change. The voltages generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by planar fixed electrodes 2, 3 and a rectangular frame 17 and a fixed electrode 4 and inertial mass 22, respectively, are the same.

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 inertial mass 22 under the influence of Coriolis forces begins to oscillate perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 due to the s-shaped bending of the elastic beams 23, 24 , 25, 26. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducer formed by the stationary electrode 4 and the inertial mass 22, respectively, due to a change in the gap between them, character determines the value of the angular velocity. The voltages generated by the capacitive displacement transducers formed by the electrodes 2, 3 and the rectangular frame 17, respectively, are the same.

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 inertial mass 22 under the influence of Coriolis forces begins to oscillate in the plane of the semiconductor substrate 1 (along the X axis) due to the s-shaped bend elastic beams 18, 19, 20, 21. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducers formed by planar fixed electrodes 2, 3 and a rectangular frame 17, respectively, by changing the magnitude s clearance therebetween, characterizes the magnitude of the angular velocity. The voltages generated in the capacitive displacement transducer formed by the electrode 4 and the inertial mass 22, respectively, are the same.

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 rectangular frame 17, an electrostatic interaction occurs between them, which leads to vibrations of the latter in the plane of the semiconductor substrate 1 (along the X axis) due to s-shaped bending of elastic beams 18, 19, 20, 21 connecting the rectangular frame 17 with the movable electrodes 7, 8. The oscillations of the rectangular frame 17 are transmitted to the inertial mass 22 through the elastic beams 23, 24, 25, 26. The gap between the active electrode 4 and the inertial mass 22, respectively, does not change. The gap between the stationary electrodes 5, 6 and the movable electrodes 7, 8, respectively, does not change. The voltages generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by the fixed electrode 4 and the inertial mass 22 and the fixed electrodes 5, 6 and the movable electrodes 7, 8, respectively, are the same.

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 inertial mass 22 under the influence of Coriolis forces begins to oscillate perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 due to the s-shaped bending of the elastic beams 23, 24 , 25, 26. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducer formed by the stationary electrode 4 and the inertial mass 22, respectively, due to a change in the gap between them, character determines the value of the angular velocity. The gap between the stationary electrodes 5, 6 and the movable electrodes 7, 8, respectively, does not change.

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 inertial mass 22 under the influence of Coriolis forces begins to oscillate in the plane of the semiconductor substrate 1 (along the Y axis). The oscillations of the inertial mass 22 are transmitted to the rectangular frame 17 through the elastic beams 23, 24, 25, 26, and the oscillations of the rectangular frame, in turn, are transmitted to the movable electrodes 7, 8 through the elastic beams 18, 19, 20, 21, respectively. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducers formed by the fixed electrodes 5, 6 and the movable electrodes 7, 8, respectively, due to a change in the gap between them, characterizes the magnitude of the angular velocity. The gap between the planar fixed electrodes 2, 3 and the rectangular frame 17 and the fixed electrode 4 and the inertial mass 22, respectively, does not change. The voltages generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by planar fixed electrodes 2, 3 and a rectangular frame 17 and a fixed electrode 4 and inertial mass 22, respectively, are the same.

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 semiconductor substrate 1 occurs along the X axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 22, rigidly attached to the rectangular frame 17 using elastic beams 23, 24, 25, 26, begins to move along the X axis in the plane under the action of inertia forces semiconductor substrate 1 due to the s-shaped bending of the elastic beams 18, 19, 20, 21, which at one end are rigidly connected to the rectangular frame 17, and the other to the movable electrodes 7, 8, respectively. The voltage difference generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by electrodes 2, 3 and a rectangular frame 17, respectively, due to a change in the gap between them, characterizes the magnitude of the acceleration.

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 semiconductor substrate 1 occurs along the Y axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 22 begins to move along the Y axis in the plane of the semiconductor substrate 1 due to the s-shaped bending of the elastic beams 9, 10, 11, 12, which one ends are rigidly connected to the movable electrodes 7, 8, and the other to the supports 13, 14, 15, 16, respectively. The voltage difference generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by the stationary electrodes 5, 6 and the movable electrodes 7, 8, respectively, due to a change in the gap between them, characterizes the magnitude of the acceleration.

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 semiconductor substrate 1 occurs along the Z axis directed perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 22 begins to move perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 due to the s-shaped bending of the elastic beams 23, 24, 25, 26 under the action of inertia forces. Stresses generated on capacitive displacement transducers formed by a fixed electrode 4 and an inertial mass 22 due to a change in the gap between them, characterize the magnitude of the acceleration.

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)

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, отличающийся тем, что в него 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. An integrated 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 a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four supports made of a 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, 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 a gap relative to the substrate, characterized in that two movable electrodes made of semiconductor material in the form of plates are inserted into it with comb structures on one side and positioned 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 semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, and the planar stationary electrodes form flat capacitors in the plane of their plates through lateral gaps with a rectangular frame.
RU2007144921/28A 2007-12-03 2007-12-03 Integrated micromechanical accelerometer gyroscope RU2351897C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2597951C1 (en) * 2015-06-24 2016-09-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Integral tunnel 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
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
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
RU2300773C1 (en) Integral micro-mechanical 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