RU2423668C1 - Detecting element of micromechanical gyroscope - Google Patents

Detecting element of micromechanical gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2423668C1
RU2423668C1 RU2009144202/28A RU2009144202A RU2423668C1 RU 2423668 C1 RU2423668 C1 RU 2423668C1 RU 2009144202/28 A RU2009144202/28 A RU 2009144202/28A RU 2009144202 A RU2009144202 A RU 2009144202A RU 2423668 C1 RU2423668 C1 RU 2423668C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inner frame
shaped
suspensions
frame
rigid
Prior art date
Application number
RU2009144202/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Петрович Тимошенков (RU)
Сергей Петрович Тимошенков
Сергей Федорович Былинкин (RU)
Сергей Федорович Былинкин
Вадим Григорьевич Рубчиц (RU)
Вадим Григорьевич Рубчиц
Виктор Владимирович Калугин (RU)
Виктор Владимирович Калугин
Олег Николаевич Глазков (RU)
Олег Николаевич Глазков
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ)
Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория ИТМЭ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ), Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория ИТМЭ" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ)
Priority to RU2009144202/28A priority Critical patent/RU2423668C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2423668C1 publication Critical patent/RU2423668C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: detecting element of the micromechanical gyroscope has a base, a rectangular inner frame, a centre joined by four rigid tie-rods with an inner frame, four movable masses, each joined to the centre by two elastic inverted L shaped suspensions, and with the inner frame by six elastic inverted L shaped suspensions, an inner frame joined with the inner frame by four joints. The element also has jumpers which join the inverted L shaped suspensions with the inner frame and rigid tie-rods lying at corners where the inverted L shaped suspensions are interfaced with the inner frame and rigid tie-rods. The inner frame with four rigid tie-rods has an X shaped cross section. ^ EFFECT: high accuracy of the gyroscope. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа.The invention relates to measuring technique and can be used in vibration-type integrated gyroscopes.

Известен чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа, содержащий четыре подвижных массы, выполненные на пластине кремния [1]. Упругие подвесы подвижных масс расположены крестообразно и закреплены в точке пересечения на струне, вдоль которой действует измеряемая угловая скорость. Принудительные колебания подвижным массам задаются в плоскости пластины, причем направления движений осуществляются в попарно-противоположных направлениях. В результате колебаний механические напряжения в точке закрепления всегда равны нулю, что повышает добротность чувствительного элемента. Возникающие знакопеременные кориолисовы силы действуют на подвижные массы в направлении, перпендикулярном плоскости пластины.A known element of a microelectromechanical gyroscope containing four moving masses made on a silicon plate [1]. The elastic suspensions of the moving masses are located crosswise and are fixed at the intersection point on the string along which the measured angular velocity acts. Forced vibrations of the moving masses are set in the plane of the plate, and the directions of motion are carried out in pairwise opposite directions. As a result of oscillations, the mechanical stresses at the fixing point are always zero, which increases the quality factor of the sensitive element. The arising alternating Coriolis forces act on the moving masses in the direction perpendicular to the plane of the plate.

Недостатком известного устройства является его низкая точность, обусловленная тем, что возбуждаемые колебания происходят в плоскости чувствительного элемента, а измерительные колебания перпендикулярно к этой плоскости, следовательно, трудно обеспечить условие резонансной настройки в обеих плоскостях колебаний, т.к. жесткости определяются разными технологическими факторами, а для многих материалов (например, кремний) и различными физическими свойствами.A disadvantage of the known device is its low accuracy, due to the fact that the excited oscillations occur in the plane of the sensing element, and the measuring oscillations are perpendicular to this plane, therefore, it is difficult to ensure the condition of the resonant tuning in both vibration planes, because stiffnesses are determined by different technological factors, and for many materials (for example, silicon) and various physical properties.

Известен также чувствительный элемент микромеханического гироскопа, который содержит жесткую внешнюю рамку и центр, соединенный с неподвижным основанием и рамкой четырьмя несущими жесткими растяжками, расположенными крестообразно [2]. Между рамкой и центром на тридцати двух Г-образных подвесах подвешены четыре одинаковых подвижных массы, каждая из которых состоит из пяти квадратных пластин. Упругие подвесы имеют в сечении вытянутую форму, своими вытянутыми направлениями перпендикулярны плоскости подвижных масс. По одной из сторон каждого из подвесов и растяжек проходят проводники, которые привариваются к электрическим контактным площадкам, расположенным в центре закрепления чувствительного элемента к неподвижному основанию. Подвижные массы могут колебаться только в одной плоскости, чем исключается влияние перекрестных угловых скоростей.Also known is a sensitive element of a micromechanical gyroscope, which contains a rigid outer frame and a center connected to a fixed base and frame by four supporting rigid stretch marks located crosswise [2]. Between the frame and the center, on thirty-two L-shaped suspensions, four identical moving masses are suspended, each of which consists of five square plates. The elastic suspensions are elongated in cross section, their elongated directions are perpendicular to the plane of the moving masses. On one side of each of the suspensions and stretch marks are conductors that are welded to the electrical pads located in the center of fixing the sensing element to a fixed base. Moving masses can fluctuate only in one plane, which excludes the influence of cross angular velocities.

Недостатком данного устройства является то, что данная система закрепления требует тщательной балансировки чувствительного элемента, так как в процессе изготовления последнего из-за неоднородности травления, а также из-за неравнотолщинности монокристаллических пластин кремния, из которых изготавливаются чувствительные элементы микромеханических гироскопов, происходит расбаланс масс и неоднородность жесткости подвесов соответствующих масс, что приводит к резкому снижению добротности системы. И только очень трудоемкая балансировка может позволить свести к нулю все нежелательные моменты. Наиболее близким по технической сути является чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, чувствительный элемент дополнительно содержит внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя перемычками, расположенными по осям симметрии чувствительного элемента, по одной перемычке по каждой стороне рамок, и соединенную с основанием через четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки [3]. Недостатком данного устройства является то, что прямоугольная рамка с четырьмя растяжками является источником потери энергии данной колебательной системой, так как деформационные силы в точке закрепления Г-образных подвесов и внутренней рамки и растяжек, не совсем равны нулю и деформируют рамку и растяжки. Увеличивая ширину внутренней рамки и растяжек можно свести к нулю напряжения. Однако это значительно увеличивает габариты чувствительного элемента, то есть невозможно обеспечить максимальную добротность колебательной системы, которой определяется точность прибора в целом.The disadvantage of this device is that this fixing system requires careful balancing of the sensitive element, since during the manufacturing process of the latter, due to the heterogeneity of the etching, as well as due to the uneven thickness of the single-crystal silicon wafers from which sensitive elements of micromechanical gyroscopes are made, mass imbalance and heterogeneous stiffness of suspensions of the corresponding masses, which leads to a sharp decrease in the quality factor of the system. And only a very time-consuming balancing can allow to reduce to zero all undesirable moments. The closest in technical essence is a sensitive element of a micromechanical gyroscope containing a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid stretch marks with an internal frame, four movable masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and six by an internal frame elastic L-shaped suspensions, the sensing element further comprises an external frame connected to the internal frame by four jumpers located along the axes of symmetry of the senses an active element, one jumper on each side of the frames, and connected to the base through four mounting pads located in the corners of the outer frame [3]. The disadvantage of this device is that a rectangular frame with four stretch marks is a source of energy loss for this oscillatory system, since the deformation forces at the fastening point of the L-shaped suspensions and the inner frame and stretch marks are not completely zero and deform the frame and stretch marks. Increasing the width of the inner frame and stretch marks can reduce stress to zero. However, this significantly increases the dimensions of the sensitive element, that is, it is impossible to ensure the maximum quality factor of the oscillatory system, which determines the accuracy of the device as a whole.

Другим существенным недостатком является то, что в прототипе отсутствует балансировка. А так как из-за неоднородности травления происходит расбаланс масс и неоднородность жесткости подвесов соответствующих масс, что приводит к разночастотности колебательных контуров и дополнительному снижению добротности системы.Another significant drawback is that in the prototype there is no balancing. And since due to the heterogeneity of the etching, an imbalance of masses and heterogeneity of the stiffness of the suspensions of the corresponding masses occur, which leads to a different frequency of the oscillatory circuits and an additional decrease in the quality factor of the system.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микромеханического гироскопа.The problem to which the invention is directed, is to increase the accuracy of the micromechanical gyroscope.

Эта задача решается за счет того, что в чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двум упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя перемычками, внутренняя рамка с четырьмя жесткими растяжками выполнена с Х-образным поперечным сечением и дополнительно содержит перемычки, соединяющие Г-образные подвесы с внутренней рамкой и жесткими растяжками, расположенными в углах, местах сопряжения Г-образных подвесов с внутренней рамкой и жесткими растяжками.This problem is solved due to the fact that the sensitive element of the micromechanical gyroscope contains a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid extensions with an internal frame, four movable masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with the inner frame with six elastic L-shaped suspensions, the outer frame connected to the inner frame by four jumpers, the inner frame with four rigid extensions is made with an X-shaped cross section and up to additionally contains jumpers connecting the L-shaped suspensions with the inner frame and rigid extensions located in the corners, the places of interfacing of the L-shaped suspensions with the internal frame and rigid extensions.

Повышению добротности колебательной системы чувствительного элемента способствует то, что заявленный чувствительный элемент имеет внутреннюю рамку с четырьмя жесткими растяжками в виде X-образного профиля, ориентированного по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния. Такая ориентация торсионов по отношению к осям кристаллографической решетки кремния обеспечивает наибольшую жесткость к изгибным деформациям по сравнению с другими профилями при одинаковых габаритных размерах. Таким образом, потери энергии данной колебательной системой равны нулю, добротность предложенного чувствительного элемента является достаточно высокой по сравнению с прототипом, что, естественно, повышает и точность измерения.The quality factor of the oscillatory system of the sensitive element is enhanced by the fact that the claimed sensitive element has an internal frame with four rigid stretch marks in the form of an X-shaped profile oriented in the direction (111) of the crystallographic lattice of single-crystal silicon. This orientation of the torsion with respect to the axes of the crystallographic lattice of silicon provides the greatest rigidity to bending deformations in comparison with other profiles with the same overall dimensions. Thus, the energy loss of this oscillatory system is zero, the quality factor of the proposed sensitive element is quite high compared to the prototype, which, of course, increases the measurement accuracy.

Повышение точности обусловлено тем, что в местах сопряжения Г-подвесов с внутренней рамкой и растяжками дополнительно выполнены перемычки, соединяющие Г-образные подвесы с внутренней рамкой и растяжками. Перемычки шунтируют Г-образные подвесы, увеличивая их жесткость. Измеряя известным способом собственные частоты отдельных контуров колебательной системы в различных направлениях, удалением перемычек регулируется и сводится к нулю разночастотность обеих контуров. Тем самым с большой точностью сводятся собственные частоты, обеспечивая высокую чувствительность и точность.The increase in accuracy is due to the fact that in the places where the G-hangers are interfaced with the inner frame and extensions, jumpers are additionally made connecting the L-shaped suspensions with the internal frame and extensions. Jumpers bypass the L-shaped suspensions, increasing their rigidity. By measuring the eigenfrequencies of the individual loops of the oscillatory system in various directions in a known manner, by removing the jumpers, the different frequencies of both loops are regulated and reduced to zero. Thus, natural frequencies are reduced with great accuracy, providing high sensitivity and accuracy.

На фиг.1 показан вид сверху чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Цифровые позиции на чертежах имеют следующие обозначения:Figure 1 shows a top view of the sensitive element of the micromechanical gyroscope. Digital positions in the drawings have the following notation:

1 - внешняя рамка;1 - outer frame;

2 - подвижная масса (всего 4 массы);2 - moving mass (total 4 masses);

3 - внутренняя рамка чувствительного элемента;3 - inner frame of the sensing element;

4 - перемычки для балансировки;4 - jumpers for balancing;

5 - центр;5 - center;

6 - жесткая растяжка (всего четыре растяжки);6 - rigid stretching (four stretches in total);

7 - Г-образный упругий подвес (всего тридцать два).7 - L-shaped elastic suspension (thirty-two in total).

Все четыре подвижные массы 2 являются одинаковыми и каждая состоит из пяти квадратных пластин, как показано на чертеже фиг.1. Внешняя рамка 1 связана с внутренней рамкой 3 жесткими переходами, которые расположены по осям симметрии чувствительного элемента. Все 32 упругих подвеса являются одинаковыми, имеют большую жесткость в направлении, перпендикулярном плоскости чувствительного элемента (ось z), и малую жесткость в направлении осей х и у. В связи с этим подвижные массы 2 имеют возможность перемещаться только в плоскости пластины. По углам внешней рамки 1 расположены четыре площадки для жесткого крепления внешней рамки 1 к неподвижному стеклянному основанию (на чертеже не показаны). Растяжки 6 соединяют центр 5 чувствительного элемента с каждой из четырех сторон внутренней рамки 3. Шунтирующие перемычки 4 соединяют Г-образные подвесы 7 с внутренней рамкой 3 и жесткими растяжками 6, расположенными в углах, местах сопряжения Г-подвесов 7 с внутренней рамкой 3 и жесткими растяжками 6. На фиг.2 показан профиль внутренней рамки и растяжек.All four movable masses 2 are the same and each consists of five square plates, as shown in the drawing of figure 1. The outer frame 1 is connected to the inner frame 3 by hard transitions, which are located along the symmetry axes of the sensing element. All 32 elastic suspensions are the same, have great rigidity in the direction perpendicular to the plane of the sensing element (z axis), and low rigidity in the direction of the x and y axes. In this regard, the moving masses 2 have the ability to move only in the plane of the plate. At the corners of the outer frame 1 there are four pads for rigidly fastening the outer frame 1 to a fixed glass base (not shown in the drawing). Stretch marks 6 connect the center 5 of the sensing element to each of the four sides of the inner frame 3. Shunt jumpers 4 connect the L-shaped suspensions 7 to the inner frame 3 and rigid stretch marks 6 located in the corners of the junctions of the G-suspensions 7 with the inner frame 3 and rigid stretch marks 6. Figure 2 shows the profile of the inner frame and stretch marks.

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа работает следующим образом.The sensitive element of the micromechanical gyroscope works as follows.

При подаче на прибор питания подвижные массы 2 начинают попарно колебаться по оси Х в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента относительно оси Z на подвижные массы 2 начинает действовать кориолисово ускорение, направление которого зависит от направления от направления линейной скорости, а величина определяется величиной угловой скорости. Кориолисово ускорение преобразуется в знакопеременную кориолисову силу, которая перемещает каждую подвижную массу 2 в направление, перпендикулярное действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и воздействующей внешней угловой скорости, при этом в преобразователе перемещения наводится э.д.с., пропорциональная внешней угловой скорости.When applying to the power device, the moving masses 2 begin to oscillate in pairs along the X axis in antiphase to each other at the resonant frequency. When the sensitive element rotates about the Z axis, Coriolis acceleration begins to act on the moving masses 2, the direction of which depends on the direction of the linear velocity direction, and the value is determined by the magnitude of the angular velocity. Coriolis acceleration is converted into an alternating Coriolis force, which moves each moving mass 2 in the direction perpendicular to the current linear excitation velocity and the external angular velocity acting, while an emf proportional to the external angular velocity is induced in the displacement transducer.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №5952572, выдан 14.09.1999 г. МПК G01P 9/00,1. US Patent No. 5952572, issued September 14, 1999, IPC G01P 9/00,

2. Патент РФ №2222780, опубликован 27.01.2004 г. МПК G01C 19/56, G01P 9/04.2. RF patent No. 2222780, published on January 27, 2004. IPC G01C 19/56, G01P 9/04.

3. Патент РФ №2301969, опубликован 27.06.2007 г. МПК G01C 19/56, G01P 9/04 (прототип)3. RF patent No. 2301969, published on June 27, 2007. IPC G01C 19/56, G01P 9/04 (prototype)

Claims (1)

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой - шестью упругими Г-образными подвесами, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя переходами, отличающийся тем, что дополнительно содержит перемычки, соединяющие Г-образные подвесы с внутренней рамкой и жесткими растяжками, расположенными в углах, местах сопряжения Г-образных подвесов с внутренней рамкой и жесткими растяжками, а внутренняя рамка с четырьмя жесткими растяжками выполнена с Х-образным поперечным сечением. A micromechanical gyroscope sensitive element containing a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid extensions to the inner frame, four movable masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with an internal frame - six elastic L-shaped suspensions , an outer frame connected to the inner frame by four transitions, characterized in that it further comprises jumpers connecting the L-shaped suspensions with the inner frame and rigid extensions, ra laid in the corners of the ground mating T-shaped hangers with the inner frame and rigid extensions and the inner frame with four rigid braces made with an X-shaped cross section.
RU2009144202/28A 2009-12-01 2009-12-01 Detecting element of micromechanical gyroscope RU2423668C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009144202/28A RU2423668C1 (en) 2009-12-01 2009-12-01 Detecting element of micromechanical gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009144202/28A RU2423668C1 (en) 2009-12-01 2009-12-01 Detecting element of micromechanical gyroscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2423668C1 true RU2423668C1 (en) 2011-07-10

Family

ID=44740405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009144202/28A RU2423668C1 (en) 2009-12-01 2009-12-01 Detecting element of micromechanical gyroscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2423668C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10371521B2 (en) 2016-05-26 2019-08-06 Honeywell International Inc. Systems and methods for a four-mass vibrating MEMS structure
US10696541B2 (en) 2016-05-26 2020-06-30 Honeywell International Inc. Systems and methods for bias suppression in a non-degenerate MEMS sensor
RU2807466C1 (en) * 2022-12-16 2023-11-15 Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" Sensing element of micromechanical gyroscope

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10371521B2 (en) 2016-05-26 2019-08-06 Honeywell International Inc. Systems and methods for a four-mass vibrating MEMS structure
US10696541B2 (en) 2016-05-26 2020-06-30 Honeywell International Inc. Systems and methods for bias suppression in a non-degenerate MEMS sensor
US11390517B2 (en) 2016-05-26 2022-07-19 Honeywell International Inc. Systems and methods for bias suppression in a non-degenerate MEMS sensor
RU2807466C1 (en) * 2022-12-16 2023-11-15 Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" Sensing element of micromechanical gyroscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2788718B1 (en) Inertial angular sensor of balanced mems type and method for balancing such a sensor
US7093486B2 (en) Isolated resonator gyroscope with a drive and sense plate
EP2006636B1 (en) Angular velocity detecting device
WO2017113911A1 (en) Silicon-based micromechanical vibratory gyroscope with i-shaped structure
JP5773844B2 (en) Vibration type gyro with excellent output stability
CN101363731B (en) Rock quartz micro mechanical gyroscope based on shear stress detection and method for making same
JP2002022445A (en) Motion sensor
RU2423668C1 (en) Detecting element of micromechanical gyroscope
RU2379630C1 (en) Sensitive element of angular speed sensor
CN105953781A (en) Tuning-fork micromechanical gyroscope sensor applied to wireless sensor network
CN112833869B (en) Decoupling type double-mass silicon micromechanical vibration gyroscope structure
RU2301969C1 (en) Sensor for micro-mechanical gyroscope
US9303994B2 (en) Planar Coriolis gyroscope
RU2453812C1 (en) Integrated sensitive element of vibration gyroscope
RU2234679C2 (en) Angular velocity micromechanical sensor
RU2222780C1 (en) Sensitive element of micromechanical gyroscope
RU148254U1 (en) SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPE
JP2012202799A (en) Vibration gyro improved in bias stability
RU181219U1 (en) SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPE
RU2807466C1 (en) Sensing element of micromechanical gyroscope
RU161310U1 (en) SENSITIVE ELEMENT OF ANGULAR SPEED SENSOR
KR100319920B1 (en) Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal
CN115235442A (en) Decoupling type double-mass silicon micromechanical gyroscope structure with tuning fork type driving mechanism
KR19990011743A (en) Resonant Micro Gyroscope and Manufacturing Method Thereof and Angular Velocity Measurement Method Using the Same

Legal Events

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

Effective date: 20161202