RU2653112C2 - Микромеханический компонент с раздельной, гальванически изолированной активной структурой и способ эксплуатации такого компонента - Google Patents

Микромеханический компонент с раздельной, гальванически изолированной активной структурой и способ эксплуатации такого компонента Download PDF

Info

Publication number
RU2653112C2
RU2653112C2 RU2016131410A RU2016131410A RU2653112C2 RU 2653112 C2 RU2653112 C2 RU 2653112C2 RU 2016131410 A RU2016131410 A RU 2016131410A RU 2016131410 A RU2016131410 A RU 2016131410A RU 2653112 C2 RU2653112 C2 RU 2653112C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrode
axis
substrate
along
voltage
Prior art date
Application number
RU2016131410A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2016131410A3 (ru
RU2016131410A (ru
Inventor
Гюнтер ШПАХЛИНГЕР
Original Assignee
Нортроп Грумман Литеф Гмбх
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 Нортроп Грумман Литеф Гмбх filed Critical Нортроп Грумман Литеф Гмбх
Publication of RU2016131410A3 publication Critical patent/RU2016131410A3/ru
Publication of RU2016131410A publication Critical patent/RU2016131410A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2653112C2 publication Critical patent/RU2653112C2/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/004—Angular deflection
    • B81B3/0045—Improve properties related to angular swinging, e.g. control resonance frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0086—Electrical characteristics, e.g. reducing driving voltage, improving resistance to peak voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0242—Gyroscopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Использование: для создания микромеханического компонента. Сущность изобретения заключается в том, что микромеханический компонент включает в себя подложку и активную структуру, которая выполнена с возможностью отклонения относительно подложки по меньшей мере в одном направлении и которая имеет по меньшей мере один первый участок и второй участок, причем первый участок и второй участок электропроводны, физически жестко соединены друг с другом вдоль первой оси (X) и электрически изолированы друг от друга посредством изолирующего участка, первый электрод, который проходит наружу из первого участка вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и второй электрод, который проходит наружу из первого участка вдоль второй оси (Y) во втором направлении, причем вторая ось (Y) расположена перпендикулярно первой оси (X), и причем второе направление противоположно первому направлению, и третий электрод, который проходит наружу из второго участка вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и четвертый электрод (232), который проходит наружу из второго участка вдоль второй оси (Y) во втором направлении. Технический результат обеспечение возможности регистрации при нулевой частоте и увеличения точности. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к компоненту, в частности микромеханическому, микроэлектромеханическому (МЭМС) или, вернее, микро-оптоэлектромеханическому (МОЭМС) компоненту, имеющему раздельную, гальванически изолированную активную структуру.
Микроэлектромеханические компоненты (МЭМС) или, вернее, микрооптоэлектромеханические компоненты (МОЭМС) часто содержат активные структуры. В этой связи, в частности, под "активной структурой" понимаются, подвижные структуры или структуры, которые имеют равным образом подвижные и оптические компоненты (например, подвижные зеркала). Понятие "активная область" обозначает ту зону или, вернее, объем компонента, в котором располагается или, вернее, перемещается активная структура.
В микромеханических датчиках, таких, как акселерометры и гироскопы, которые основываются на функции механического осциллятора, то есть на перемещении активной структуры, осуществление как приведения в действие осциллятора, так и регистрации отклонения осциллятора возможно посредством подвижных электродов на активной структуре и стационарных электродов компонента. Для этого имеются по существу две возможности:
При реализации способа, основанного на постоянном токе (способе DC), подвижная структура соединена с массой. Для функций приведения в действие и регистрации используются отдельные электроды, причем функция приведения в действие должна учитывать квадратичную зависимость движущей силы от приложенного напряжения. Функция регистрации основывается либо на измерении переноса заряда на электроды, смещенные при приложении постоянного напряжения, либо на измерении емкостей электродов для регистрации. В первом случае регистрация невозможна вследствие дрейфа зарядов при нулевой частоте, которая имеет место, например, при постоянном ускорении в акселерометрах, во втором случае в измерения попадают паразитные емкости, что снижает достижимую точность.
При реализации способа, основанного на несущей частоте, подвижная структура находится на входе усилителя заряда и, тем самым, соединена с виртуальной массой. Усилитель заряда обеспечивает сигнал регистрации. Для приведения в действие и регистрации используются одни и те же электроды, причем приведение в действие и регистрация осуществляются отдельно, например, посредством временного мультиплексирования в двух фазах. В фазе приведения в действие прикладывают постоянное напряжение, а в фазе регистрации к электродам прикладывают напряжение с несущей частотой. Несущая частота в простейшем случае может содержать определенный скачок напряжения и вызывает на подвижном электроде зависящий от перемещения перенос заряда, который после этого регистрируют усилителем заряда. При этом могут возникнуть мешающие взаимные влияния, возникающие между приведением в действие и регистрацией. Для датчиков с несколькими степенями свободы, например, гироскопов или датчиков с двойными осцилляторами, применение сложного временного мультиплексирования может оказаться необходимым для того, чтобы сделать возможным разделение отдельных сигналов регистрации.
В US 2010/134860 раскрывается микроэлектромеханический компонент, содержащий неподвижный электрод, который включает в себя первую группу электродов, и подвижный электрод, выполненный с возможностью перемещения относительно неподвижного электрода при прикладывании напряжения, и содержащий вторую группу электродов, расположенную противоположно первой группе электродов. Кроме того, электроды по меньшей мере одной из первой группы электродов и второй группы электродов соединены резистором.
В US 6078016 А раскрывается полупроводниковый контактный датчик ускорения, содержащий неподвижную часть, имеющую первый управляющий электрод, и подвижную часть, имеющую подвижный корпус, удерживаемый в начальном положении электростатическим притяжением. Подвижный корпус выполнен с возможностью перемещения при действии на датчик достаточно сильного ускорения. Пороговое значение ускорения, подлежащее записи, и дополнительные свойства датчика ускорения легко могут быть установлены.
US 2010/117166 раскрывает способ изготовления компонента, в частности, микромеханического, микроэлектромеханического или микрооптоэлектромеханического компонента, причем компонент имеет активную структуру, вмонтированную в структуру слоя. Токопроводящие дорожки образованы вытравливанием в покрывающем слое первой комбинации слоев первого и второго углубления с первой и второй глубинами травления, отличающимися друг от друга, причем первая комбинация слоев дополнительно содержит подложку и изолирующий слой. Более глубокое углубление используется для изолирования токопроводящей дорожки, а менее глубокое предоставляет пространство для активной структуры, причем пространство соединяется токопроводящей дорожкой.
В US 6067858 А раскрываются микрогироскопы, выполненные с возможностью измерения вращения вокруг оси, параллельной поверхности подложки. Разность напряжений между парами электродных штырьков может быть использована для снижения квадратурной ошибки. Микрогироскоп содержит вибрационную структуру и сцепляющиеся электроды с высоким аспектным отношением.
В US 6291875 В1 раскрывается устройство, содержащее подложку, протравленную для получения механических структур, из которых по меньшей мере некоторые соединены боковыми сторонами с остатками подложки. Электрическая изоляция в точках, в которых механические структуры прикрепляются к подложке, обеспечивается изоляционными желобами с наполнением. Желоба с наполнением могут также изолировать структурные элементы друг от друга в точках, где необходимо механическое крепление структурных элементов. Работа микроэлектромеханических устройств улучшается с помощью 1) высокого аспектного отношения вертикальных и боковых размеров механических элементов, 2) интеграция электроники на ту же подложку, на которой расположены механические элементы, 3) хорошая электрическая изоляция между механическими элементами и переключателями.
Поэтому задачей изобретения является создание такого микромеханического компонента, который устраняет упомянутые недостатки возможных методов приведения в действие и регистрации, а также предоставление способа эксплуатации такого компонента. Кроме того, задача изобретения - создать компонент и соответствующий способ, позволяющие при приведении в действие и регистрации осуществлять функцию самосмешения на рабочей частоте компонента
Задача решена объектом независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации находятся в зависимых пунктах.
Варианты реализации компонента согласно изобретению и способа согласно изобретению в дальнейшем разъясняются более подробно в тексте на основе фигур, причем аналогичные элементы снабжены одними и теми же обозначениями. Кроме того, возможно также комбинирование элементов представленных вариантов реализации любым образом, если не указано обратное.
Фигура 1А показывает компонент согласно варианту реализации в поперечном сечении.
Фигура 1В показывает вид сверху на структурный слой компонента с фигуры 1А.
Фигура 2 показывает активную структуру и относящиеся к ней стационарные электроды по первому варианту реализации компонента в виде сверху.
Фигура 3 схематично показывает расположение электродов и распределение электрических зарядов на электродах по первому варианту реализации компонента согласно изобретению.
Фигура 4 показывает примерный вариант осуществления электродов первого варианта реализации в виде погружаемых гребенчатых электродов.
Фигура 5 схематично показывает расположение электродов и распределение электрических зарядов на электродах по второму варианту реализации компонента согласно изобретению.
Фигура 6 схематично показывает расположение электродов и распределение электрических зарядов на электродах по третьему варианту реализации компонента согласно изобретению.
Фигура 7 схематично показывает расположение электродов и распределение электрических зарядов на электродах по четвертому варианту реализации компонента согласно изобретению.
На фигуре 1 показано поперечное сечение компонента 1 согласно изобретению в варианте реализации. Компонент 1 включает в себя первую подложку 11, первый изолирующий слой 12, структурный слой 13, второй изолирующий слой 14, а также вторую подложку 15. Кроме того, компонент 1 может содержать первый покрывающий слой 16, контактную поверхность 17, нанесенную на структурный слой 13, соединенный с контактной поверхностью 17 контакт 18, а также второй покрывающий слой 19.
Понятие "подложка" описывает структуры, состоящие только из одного материала, например, кремниевую пластину или стеклянную пластину, которые, однако, могут содержать также соединение нескольких слоев и материалов. Следовательно, первая подложка 11 и/или вторая подложка 15 могут быть полностью электропроводными, электропроводными только на некоторых участках или же состоять из электроизолирующего материала или электроизолирующих материалов. В случае, если первая подложка 11 состоит из электроизолирующего материала, возможно также отсутствие первого изолирующего слоя 12. Точно так же можно обойтись без второго изолирующего слоя 14, если вторая подложка 15 состоит из неэлектропроводного материала.
Понятие "структурный слой" также описывает структуры, состоящие только из одного материала, например, слоя кремния, который, однако, может содержать также и соединение нескольких слоев и материалов, при условии что по меньшей мере одна область структурного слоя 13 электропроводна. Электропроводные области структурного слоя 13 позволяют прикладывать или считывать электрический потенциал в заданных областях структурного слоя 13. Структурный слой 13 предпочтительно является полностью электропроводным.
Первый покрывающий слой 16, расположенный на поверхности второй подложки 15, противоположной структурному слою 13, а также второй покрывающий слой 19, расположенный на поверхности первой подложки 11, противоположной структурному слою 13, могут состоять из одного и того же материала, например, металла, или из разных материалов. Они могут служить для экранирования активной области компонента 1 от внешних электрических полей или для защиты от других влияний окружающей среды, например, от влажности. Кроме того, они могут служить для выработки определенного электрического потенциала на первой подложке 11 или на второй подложке 15. Однако первый покрывающий слой 16 и второй покрывающий слой 19 присутствуют по необходимости.
Первая контактная поверхность 17 состоит из электропроводного материала и служит для предоставления или считывания (регистрации) электрического потенциала в определенной области структурного слоя 13. Контакт с контактной поверхностью 17 может осуществляться посредством провода 18, как представлено на фигуре 1А, однако возможны также другие способы создания электрического контакта.
В структурном слое 13 образована активная структура 20, выполненная с возможностью перемещения в активной области 21 по меньшей мере в одном направлении. Активная область 21 реализована, например, в виде первого углубления 111, которое выполнено в обращенной к структурному слою поверхности первой подложки 11, а также второе углубление 151, которое выполнено в обращенной к структурному слою 13 поверхности второй подложки 15. Активная структура 20 включает в себя по меньшей мере один первый участок 22 и второй участок 23, каждый из которых электропроводен и которые физически жестко соединены друг с другом вдоль первой оси. При этом первый участок 22 и второй участок 23 электрически изолированы друг от друга изолирующим участком 24. При этом изолирующий участок 24 проходит на всю глубину структурного слоя 13, то есть он проходит от первой поверхности 131 структурного слоя 13 насквозь до второй поверхности 132 структурного слоя 13. При этом первая поверхность 131 обращена к первой подложке 11, а вторая поверхность 132 обращена ко второй подложке 15. Изолирующий участок 24 может быть выполнен из, например, изолирующего материала и может быть расположен любым образом как относительно горизонтальной плоскости, так и в поперечном сечении и иметь любые формы. То есть изолирующий участок 24 может проходить, например, в горизонтальной проекции прямо или изогнуто, а в поперечном сечении - перпендикулярно первой поверхности 131 и второй поверхности 132 или под определенным углом к этим поверхностям, прямо или изогнуто. Кроме того, ширина изолирующей области 24 в поперечном сечении также может варьироваться, при условии что обеспечивается полная электрическая изоляция первого участка 22 от второго участка 23 структурного слоя 13.
На фигуре 1В показан вид сверху на структурный слой компонента 1 с фигуры 1А, причем представленная на фигуре 1А плоскость разреза обозначена линией А-А. Как видно на фигуре 1В, плоскость разреза А-А проходит вдоль первой оси компонента 1, которая соответствует оси X. На фигуре 1В представлены структурный слой 13, а также расположенные под ним области первой подложки 11 и первого изолирующего слоя 12. Активная структура 20 соединена посредством пружин 25 и 26 с контактными участками 27 и 28 структурного слоя 13, причем контактные участки 27 и 28 прочно соединены с первой подложкой 11 и по меньшей мере в областях также прочно соединены со второй подложкой 15. Первый участок 22 активной структуры 20 соединен посредством первой пружины 25 с первым контактным участком 27 структурного слоя 13, а второй участок 23 активной структуры 20 посредством второй пружины 26 соединен со вторым контактным участком 28 структурного слоя 13. Первая пружина 25 и вторая пружина 26 позволяют совершать перемещение активной структуры 20 по меньшей мере вдоль первой оси, то есть в направлении X, при этом, однако, возможно также перемещение активной структуры 20 вдоль второй оси и/или вдоль третьей оси в трехмерном пространстве, например, в направлении Y или в направлении Z. При этом отдельные оси могут располагаться перпендикулярно друг другу или также под другими углами друг к другу. Кроме того, компонент 1 дополнительно имеет электроды 31, 32, 33 и 34, которые жестко соединены с первой подложкой 11 и/или второй подложкой 15 и служат в качестве возбуждающих, считывающих или возвращающих электродов. Они расположены таким образом, что вдаются в активную область 21 компонента 1 и образуют емкости с определенными участками активной структуры 20, которые более подробно разъясняются ниже.
На фигуре 2 показана активная структура и относящиеся к ней стационарные электроды по первому варианту реализации компонента в горизонтальной проекции, причем для лучшего понимания, наряду с активной структурой 20 показаны также первая пружина 25 и вторая пружина 26, а также первый контактный участок 27 и второй контактный участок 28, какими они представлены на фигуре 1В. Однако изображение активной структуры 20 и соединенные с нею области структурного слоя 13 повернуты на 90° относительно изображения на фигуре 1В. Согласно первому варианту реализации компонента согласно изобретению активная структура 20 включает в себя первый участок 22 и второй участок 23, которые электрически изолированы друг от друга изолирующим участком 24. Кроме того, активная структура 20 включает в себя первый электрод 221, второй электрод 222, третий электрод 231 и четвертый электрод 232. Первый электрод 221 расположен на первом участке 22 и проходит из него наружу вдоль второй оси, то есть оси Y, в первом направлении. Второй электрод 222 расположен также на первом участке 22, но проходит из него наружу вдоль второй оси во втором направлении. При этом второе направление противоположно первому направлению. Вторая ось, то есть ось Y, расположена перпендикулярно к первой оси, то есть к оси X. Третий электрод 231 и четвертый электрод 232 расположены на втором участке 23, причем третий электрод проходит наружу от второго участка 23 вдоль второй оси в первом направлении, а четвертый электрод проходит наружу из второго участка 23 вдоль второй оси во втором направлении.
Согласно первому варианту реализации, компонент 1 включает в себя, кроме того, пятый электрод 41, который прочно соединен с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15 и проходит от нее наружу в активную область 21 вдоль второй оси во втором направлении, причем пятый электрод 41 расположен между первым электродом 221 и третьим электродом 231. Далее, компонент 1 может иметь шестой электрод 51, который прочно соединен с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15, проходит наружу от нее внутрь активной области 21 вдоль второй оси в первом направлении и расположен между вторым электродом 222 и четвертым электродом 232. Таким образом, пятый электрод 41 и шестой электрод 51 в определенном смысле соответствуют электроду 32 или электроду 33, которые представлены на фигуре 1В, причем электроды выполнены и расположены иначе, чем в варианте реализации, представленном на фигуре 1В.
На фигуре 3 схематично показана структура, представленная на фигуре 2, в виде расположения электродов, а также распределение электрических зарядов на электродах в первом варианте реализации компонента согласно изобретению и способа согласно изобретению для эксплуатации такого компонента. Таким образом, на фигуре 3 видны активная структура 20, а также пятый электрод 41 и шестой электрод 51, причем активная структура 20 представлена только первым электродом 221, вторым электродом 222, третьим электродом 231 и четвертым электродом 232, а также изолирующим участком 24. Активная структура механически подпружинена и помещена с возможностью перемещения, как показано на фигуре 2, так что активная структура и вместе с ней электроды 221-232 с первого по четвертый выполнены с возможностью перемещения вдоль первой оси, то есть оси X, обозначенной стрелкой. Посредством представленных на фигуре 2 электропроводных пружин 25 и 26 и относящихся к ним контактных участков 27 и 28 имеется возможность прикладывать к электродам 221-232 определенные потенциалы.
В первом варианте реализации способа эксплуатации компонента 1 к первому электроду 221 и второму электроду 222, то есть к первому участку 22, прикладывают первое напряжение U0, которое представляет собой постоянное напряжение. К третьему электроду 231 и четвертому электроду 232, то есть ко второму участку 23, прикладывают отрицательное первое напряжение, то есть -U0. Таким образом, первый электрод 221 и пятый электрод 41 образуют первую частичную емкость C1, а третий электрод 231 и пятый электрод 41 образуют вторую частичную емкость С2. Частичные емкости C1 и С2 индуцируют заряд Q на пятый электрод 41, причем:
Figure 00000001
.
Пятый электрод 41 соединен с усилителем 60 заряда, который включает в себя операционный усилитель 61 и конденсатор 62 обратной связи. Усилитель 60 заряда преобразует индуцированный на пятом электроде 41 заряд Q в напряжение, которое может быть снято на первом выходе 70. Таким образом, пятый электрод 41 служит в качестве электрода считывания, причем считанный заряд Q пропорционален разности C1-С2, которая является мерой отклонения активной структуры 20, так что имеется возможность измерить это отклонение.
Посредством шестого электрода 51 возможно приложение второго напряжения U1, причем это напряжение U1 представляет собой напряжение приведения в действие или соответственно напряжение возврата. Второе напряжение U1 может представлять собой постоянное напряжение, например, в случае акселерометров, или переменное напряжение, например, в случае гироскопов. С помощью второго напряжения U1 возможно оказание на активную структуру 20 возвратной силы F, причем возвратная сила F пропорциональна первому напряжению U0 и второму напряжению U1. Возвратная сила F рассчитывается как указано ниже:
Figure 00000002
.
Поскольку первое напряжение U0 проявляется как при процессе считывания согласно формуле (1), так и при процессе возврата согласно формуле (2), возможно осуществление с помощью первого напряжения U0 модуляции на стороне приведения в действие и демодуляции на стороне считывания.
Если для описанных до сих пор компонентов для электродов 221, 222, 231, 232, 41 и 51 от первого до шестого используются погружаемые гребни, так что емкости представляют собой линейную функцию от отклонения в направлении X, то не возникает никаких дополнительных сил, зависящих от отклонения. Такой вариант осуществления электродов представлен в качестве примера на фигуре 4. При этом каждый отдельный электрод выполнен в виде гребенчатой структуры, причем каждый электрод включает в себя одну или несколько подструктур, проходящих вдоль направления X. Например, первый электрод 221 включает в себя подструктуры 221а, 221b, 221c и 221d, а пятый электрод 41 включает в себя подструктуры 41а, 41b, 41c и 41d. При этом подструктуры первого электрода 221 погружаются в подструктуры пятого электрода 41, так что подструктуры перекрываются с наложением вдоль оси X. Если активная структура компонента перемещается вдоль оси X, подструктуры первого электрода 221 также перемещаются вдоль оси X, так что длина перекрывания подструктур первого электрода 221 с подструктурами пятого электрода 41 изменяется. То же справедливо для третьего электрода 231 по отношению к пятому электроду 41, а также для второго электрода 222 и четвертого электрода 232 по отношению к шестому электроду 51. Хотя для каждого из электродов представлены по четыре подструктуры, возможно также, что электроды включают в себя другое количество подструктур и/или что количество подструктур для различных электродов различно.
Если же, напротив, имеются конденсаторы с параллельными, сближающимися электродами, как представлено на фигуре 3, в функции зависимости емкости от отклонения появляются члены уравнения второго порядка, в результате чего силы, зависящие от отклонения, проявляются в виде отрицательных коэффициентов жесткости пружины. Эта отрицательная электростатическая пружина действует дополнительно к первой и второй механическим пружинам 25 и 26, которые представлены на фигуре 2. Этот эффект по существу пропорционален суммам усредненных квадратов напряжений, имеющих место между электродами соответствующих конденсаторов. Усреднения зависят от геометрических характеристик каждого отдельного конденсатора. Если конструктивные разновидности одинаковы, то индуцированный коэффициент жесткости пружины на стороне приведения в действие в вышеуказанном примере пропорционален величине
Figure 00000003
.
Этот эффект можно использовать для настройки резонансной частоты активной структуры 20. Однако этот эффект может быть также нежелательным, так как отрицательный коэффициент К жесткости пружины в каждый момент времени зависит от второго напряжения U1 и поэтому может устанавливаться только вместе с возвратной силой, но не отдельно от него.
На фигуре 5 схематично показано расположение электродов и распределение электрических зарядов электродов по второму варианту реализации компонента согласно изобретению и способа согласно изобретению для эксплуатации такого компонента, позволяющее устранять этот негативный эффект.
Второй вариант реализации, который представлен на фигуре 4, отличается от представленного на фигуре 3 первого варианта реализации компонента согласно изобретению тем, что компонент содержит, кроме того, седьмой электрод 52 и восьмой электрод 53. И седьмой электрод 52, и восьмой электрод 53 прочно соединены с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15 и проходят от нее вовнутрь активной области 21 вдоль второй оси в первом направлении. То есть, седьмой электрод 52 и восьмой электрод 53 проходят в том же направлении, что и шестой электрод 51. При этом седьмой электрод расположен такими образом, что второй электрод 222 находится между шестым электродом 51 и седьмым электродом 52, а восьмой электрод 53 расположен так, что четвертый электрод 232 находится между шестым электродом 51 и восьмым электродом 53.
Согласно варианту реализации для эксплуатации компонента во втором варианте реализации к седьмому и восьмому электродам 52, 53 прикладывают третье напряжение U2, служащее для компенсации коэффициентов жесткости первой пружины 25 и второй пружины 26, посредством которых активная структура 20 подвижно соединена с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15. Возвратная сила F и индуцированный на стороне приведения в действие коэффициент K жесткости пружины, которые должны устанавливаться на компоненты и, таким образом, быть заданы, рассчитываются в этом случае следующим образом:
Figure 00000004
.
Figure 00000005
.
Вместе с тем можно ввести параметры α и β, для которых применимо:
Figure 00000006
.
Figure 00000007
.
Если подставить формулы (6) и (7) в формулы (4) и (5), соответственно, то получаем:
Figure 00000008
.
Figure 00000009
.
Таким образом, обработка сигнала, которая служит для регистрации перемещения активной структуры 20 или для управления приложенной силой приведения в действие, или возвратной силы, соответственно, и коэффициентов жесткости пружины, то есть для управления вторым напряжением U1 и третьим напряжением U2, необходимо решить следующие уравнения:
Figure 00000010
.
Figure 00000011
.
Figure 00000012
.
Figure 00000013
.
Осуществление этой обработки сигнала возможно посредством блока 80 управления, который схематично представлен на фигуре 5. Регулятор или другой блок управления системы, которая содержит компонент, предоставляет блоку 80 управления устанавливаемые значения возвратной силы F и коэффициента К жесткости пружины. Кроме того, для проводимых расчетов блоку 80 управления предоставляется первое напряжение U0. Блок 80 управления включает в себя первый блок 81 для расчета параметров α и β в соответствии с формулами (10) и (11), второй блок 82 для расчета второго напряжения U1 в соответствии с формулой (12) и третий блок 83 для расчета третьего напряжения U2 в соответствии с формулой (13). Второе напряжение U1, которое приложено к шестому электроду, устанавливают по значению, рассчитанному вторым блоком 82 по соответствующему ему сигналу. Третье напряжение U2, которое приложено к седьмому электроду 58 и восьмому электроду 53, устанавливают по значению, рассчитанному третьим блоком 83 по соответствующему ему сигналу. Таким образом, это позволяет реализовать управляющую схему для управления вторым напряжением U1 и третьим напряжением U2.
Представленные и описанные выше варианты осуществления способа эксплуатации компонента отличаются тем, что в них к электродам активной структуры 20 прикладывается постоянное напряжение. Однако, как уже указано при описании уровня техники, возможно также приложение к активной структуре переменного напряжения, в результате чего возможно осуществление самосмешивающихся функций приведения в действие и считывания. "Самосмешение" означает, что в гироскопах, функционирующих с рабочей частотой ω0 (резонансная частота), посредством подачи постоянных напряжений на электроды приведения в действие возможно получение возвратной силы с рабочей частотой ω0, а отклонение с рабочей частотой ω0 создает на электродах считывания и соответственно в усилителе заряда значения постоянного напряжения, то есть возвращает их для регистрации.
Ссылаясь на фигуру 6, на которой схематично показана расположение электродов и распределение электрических зарядов электродов в третьем варианте реализации компонента согласно изобретению и способа согласно изобретению эксплуатации компонента, следует описать такой способ. К первому электроду 221 и второму электроду 222, то есть к первой области 22 активной структуры 20, прикладывают первое напряжение U0⋅cos(ω0*t), а ко второй области 23 активной структуры 20, то есть к третьему электроду 231 и четвертому электроду 232, прикладывают смещенное по времени второе напряжение U0⋅sin(ω0⋅t).
Как представлено на фигуре 6, компонент 1 имеет первый пятый электрод 411 и второй пятый электрод 412, которые оба расположены между первым электродом 221 и третьим электродом 231 и в остальном проходят так же, как и пятый электрод 41, описанный со ссылкой на фигуры 3 и 4. Это означает, что первый пятый электрод 411 и второй пятый электрод 412 прочно соединены с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15 и проходят от нее в активную область 21 во втором направлении вдоль второй оси, то есть оси Y.
Кроме того, компонент 1 имеет девятый электрод 42 и десятый электрод 43, каждый из которых соединен с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15 и проходят от нее в активную область 21 во втором направлении вдоль второй оси, то есть оси Y. При этом девятый электрод 42 расположен так, что первый электрод 221 находится между первым пятым электродом 411 и девятым электродом 42, а десятый электрод 43 расположен так, что третий электрод 231 находится между вторым пятым электродом 412 и десятым электродом 43.
Компонент 1 содержит, кроме того, первый блок обработки сигнала и второй блок 72 обработки сигнала. При этом первый пятый электрод 411 и девятый электрод 42 соединены с первым блоком 71 обработки сигнала, который определяет разность между зарядами обоих этих электродов и предоставляет заряд QR или соответствующее ему напряжение на первом выходе 73. Второй пятый электрод 412 и десятый электрод 43 соединены со вторым блоком 72 обработки сигнала, который также определяет разность зарядов и предоставляет заряд QI или соответствующее ему напряжение на втором выходе 74.
Кроме того, компонент 1 имеет первый шестой электрод 511 и второй шестой электрод 512, которые оба расположены между вторым электродом 222 и четвертым электродом 232 и в остальном проходят так же, как и шестой электрод 51, описанный со ссылкой на фигуры 3 и 4. Это означает, что первый шестой электрод 511 и второй шестой электрод 512 прочно соединены с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15 и проходят от нее в активную область 21 в первом направлении вдоль второй оси, то есть оси Y. Кроме того, компонент 1 имеет седьмой электрод 52 и восьмой электрод 53, как они уже были описаны со ссылкой на фигуру 4. Таким образом, второй электрод 222 расположен между первым шестым электродом 511 и седьмым электродом 52, а четвертый электрод 232 расположен между вторым шестым электродом 512 и восьмым электродом 53.
Согласно третьему варианту реализации способа эксплуатации компонента к седьмому электроду 52 прикладывают третье напряжение UR, а к первому шестому электроду 511 прикладывают отрицательное третье напряжение -UR.
Ко второму шестому электроду 512 прикладывают четвертое напряжение UI, а к восьмому электроду 53 прикладывают отрицательное четвертое напряжение -UI.
При этом третье напряжение UR и четвертое напряжение UI представляют собой постоянные напряжения, для которых, однако, возможно периодическое изменение полярности с низкой частотой.
Таким образом, сила, действующая на активную структуру 20, может рассчитываться следующим образом:
Figure 00000014
.
Считанные заряды QR и QI рассчитываются следующим образом:
Figure 00000015
,
Figure 00000016
.
При этом разность емкостей ΔC, которая получается из разности частичных емкостей С2-С1, является мерой отклонения активной структуры 20.
Таким образом возможна корректная обработка как простых, так и квадратичных составляющих как на стороне приведения в действие, так и на стороне считывания.
Для компенсации дрейфа усилителя заряда при ω=0 возможно периодическое, с низкой частотой, изменение полярности подаваемых на активную структуру 20 первого напряжения U0⋅cos(ω0⋅t) и второго напряжения U0⋅sin(ω0⋅t), а также подаваемых на электроды приведения в действие третьего напряжения UR и четвертого напряжения UI. В этом случае считанные заряды QR и QI демодулируют в одном и том же такте.
На фигуре 7 схематично представлены конструкции электродов и распределения электрических зарядов электродов еще одного варианта с самосмешением по четвертому варианту реализации компонента согласно изобретению и способа согласно изобретению эксплуатации компонента. При этом компонент имеет не только два электропроводных изолированных участка активной структуры, физически жестко соединенных друг с другом вдоль первой оси (оси X), но электрически изолированных друг от друга, как это имело место в представленных до сих пор формах реализации, а четыре таких участка.
Как представлено на фигуре 7, активная структура 20 содержит, таким образом, первый участок 22 с первым электродом 221 и вторым электродом 222, второй участок 23 с третьим электродом 231 и четвертым электродом 232, третий участок 250 с пятым электродом 251 и шестым электродом 252, а также четвертый участок 260 с седьмым электродом 261 и восьмым электродом 262. Каждый из отдельных участков 22, 23, 250 и 260 электропроводен, и они физически жестко соединены друг с другом вдоль первой оси. Однако они электрически изолированы друг от друга посредством изолирующих участков 24a, 24b и 24с. В частности, первый участок 22 и второй участок 23 изолированы друг от друга первый изолирующим участком 24а, второй участок 23 и третий участок 250 изолированы друг от друга вторым изолирующим участком 24b, а третий участок 250 и четвертый участок 260 изолированы друг от друга третьим изолирующим участком 24с. В отношении изолирующих участков 24а-24c действительно сказанное выше со ссылкой на фигуру 1А.
Первый электрод 221 проходит от первого участка 22 вдоль второй оси, то есть оси Y, в первом направлении, а второй электрод 222, однако, проходит из него вдоль второй оси во втором направлении, причем второе направление противоположно первому направлению. Третий электрод 231 и четвертый электрод 232 расположены на втором участке 23, причем третий электрод проходит от второго участка 23 вдоль второй оси в первом направлении, а четвертый электрод проходит из второго участка 23 вдоль второй оси во втором направлении. Пятый электрод 251 и шестой электрод 252 расположены на третьем участке 250, причем пятый электрод проходит из третьего участка 250 вдоль второй оси в первом направлении, а шестой электрод проходит из третьего участка 250 вдоль второй оси во втором направлении. Седьмой электрод 261 и восьмой электрод 262 расположены на четвертом участке 260, причем седьмой электрод проходит из четвертого участка 260 вдоль второй оси в первом направлении, а восьмой электрод проходит из четвертого участка 260 вдоль второй оси во втором направлении.
Согласно четвертому варианту реализации компонент содержит, кроме того, девятый электрод 44 и десятый электрод 45, которые прочно соединены с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15 и проходят от нее в активную область 21 вдоль второй оси во втором направлении, причем девятый электрод 44 расположен между первым электродом 221 и третьем электродом 231 и десятый электрод 45 расположен между пятым электродом 251 и седьмым электродом 261. Далее, компонент имеет одиннадцатый электрод 54 и двенадцатый электрод 55, которые прочно соединены с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15 и проходят от нее внутрь активной области 21 вдоль второй оси в первом направлении, причем одиннадцатый электрод 54 расположен между вторым электродом 222 и четвертым электродом 232, а двенадцатый электрод расположен между шестым электродом 252 и восьмым электродом 262.
Активная структура и вместе с ней электроды 221-262, от первого до восьмого, выполнены с возможностью перемещения вдоль первой оси, то есть оси X, как показано стрелкой.
В четвертом варианте осуществления способа эксплуатации компонента к первому электроду 221 и второму электроду 222, то есть к первому участку 22, прикладывают первое напряжение U0⋅cos(ω0⋅t). К третьему электроду 231 и четвертому электроду 232, то есть ко второму участку 23, прикладывают отрицательное первое напряжение, то есть -U0⋅cos(ω0⋅t). Таким образом, первый электрод 221 и девятый электрод 44 образуют первую частичную емкость C1, а третий электрод 231 и девятый электрод 44 образуют вторую частичную емкость С2. Частичные емкости C1 и С2 индуцируют на девятом электроде 44 заряд QR, который может быть усилен с помощью простого усилителя 60а заряда и считан как напряжение на первом выходе 73.
К пятому электроду 251 и шестому электроду 252, то есть к третьему участку 250, прикладывают смещенное по времени второе напряжение U0⋅sin(ω0⋅t). К седьмому электроду 261 и восьмому электроду 262, то есть к четвертому участку 260, прикладывают отрицательное второе напряжение, то есть -U0⋅sin(ω0⋅t). Таким образом, пятый электрод 251 и десятый электрод 45 образуют третью частичную емкость С3, а седьмой электрод 271 и десятый электрод 45 образуют четвертую частичную емкость С4. Частичные емкости С3 и С4 индуцируют на десятом электроде 45 заряд Q1, который может быть усилен с помощью следующего простого усилителя 60b заряда и считан как напряжение на втором выходе 74.
Посредством одиннадцатого электрода 54 возможно приложение третьего напряжения UR, а к двенадцатому электроду 55 прикладывают четвертое напряжение U1. При этом третье напряжение UR и четвертое напряжение U1 представляют собой постоянные напряжения, для которых, однако, возможно периодическое изменение полярности с низкой частотой.
Таким образом, возвратная сила F, которая действует на активную структуру 20, также может рассчитываться по формуле (14). Однако, в отличие от представленного на фигуре 6 третьего варианта реализации, для считывания зарядов QR и QI требуются только простые усилители 60а и 60b заряда.
Представленные варианты реализации компонента согласно изобретению и способа согласно изобретению эксплуатации такого компонента позволяют осуществить полное разделение функций для приведения в действие и регистрации. При этом возможна реализация как несмешивающихся конфигураций, с одним электродом для приведения в действие и одним электродом для регистрации, так и конфигураций с самосмешением, содержащих несколько электродов для приведения в действие и регистрации. Кроме того, для настройки резонансной частоты активной структуры 20 возможно использование отрицательного коэффициента жесткости пружин 25 и 26, посредством которых активная структура 20 соединена с первой подложкой 11 и/или со второй подложкой 15. Однако возможно также устранение влияния отрицательного коэффициента жесткости пружины.
При подаче постоянного напряжения на электроды активной структуры 20 возможна реализация линейной зависимости между силой и напряжением для приведения в действие, причем паразитные емкости не оказывают влияния на регистрацию отклонения активной структуры 20, вследствие чего возможно достижение более высокой точности регистрации. Если используются множественные осцилляторы, то есть активные структуры, состоящие из нескольких структур, подвижно соединенных относительно друг друга, то функции приведения в действие и регистрации могут быть полностью разделены друг от друга, так что нет необходимости во временном мультиплексировании. Кроме того, имеется возможность использовать для приведения в действие незначительные диапазоны напряжения приведения в действие и усилители заряда для регистрации в гироскопах, функционирующих с рабочей частотой ω0.

Claims (87)

1. Микромеханический компонент (1), включающий в себя:
подложку (11, 15) и активную структуру (20), которая выполнена с возможностью отклонения относительно подложки (11, 15) по меньшей мере в одном направлении и которая имеет по меньшей мере один первый участок (22) и второй участок (23), причем первый участок (22) и второй участок (23) электропроводны, физически жестко соединены друг с другом вдоль первой оси (X) и электрически изолированы друг от друга посредством изолирующего участка (24),
первый электрод (221), который проходит наружу из первого участка (22) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
второй электрод (222), который проходит наружу из первого участка (22) вдоль второй оси (Y) во втором направлении, причем вторая ось (Y) расположена перпендикулярно первой оси (X), и причем второе направление противоположно первому направлению, и
третий электрод (231), который проходит наружу из второго участка (23) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
четвертый электрод (232), который проходит наружу из второго участка (23) вдоль второй оси (Y) во втором направлении.
2. Компонент по п. 1, включающий в себя, кроме того, пятый электрод (41), неразрывно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположенный между первым электродом (221) и третьим электродом (231).
3. Компонент по п. 2, отличающийся тем, что пятый электрод (41) соединен с усилителем (60) заряда.
4. Компонент по одному из пп. 1-3, дополнительно включающий в себя шестой электрод (51), неразрывно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположенный между вторым электродом (222) и четвертым электродом (232).
5. Компонент по п. 4, дополнительно включающий в себя:
седьмой электрод (52) и
восьмой электрод (53),
причем седьмой электрод (52) и восьмой электрод (53) неразрывно соединены с подложкой (11, 15) и проходят наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
причем седьмой электрод (52) и восьмой электрод (53) расположены таким образом, что второй электрод (222) расположен между шестым электродом (51) и седьмым электродом (52), а четвертый электрод (232) расположен между шестым электродом (51) и восьмым электродом (53).
6. Компонент по п. 5, отличающийся тем, что компонент содержит блок (80) управления, который соединен с шестым электродом (51), седьмым электродом (52) и восьмым электродом (53) и который предназначен для расчета сигналов управления вторым напряжением (U1), приложенным к шестому электроду (51), и управления третьим напряжением (U2), приложенным к седьмому электроду (52) и восьмому электроду (53), исходя из первого напряжения (U0), приложенного к первому участку (22), из заданной возвратной силы (F) и из заданного коэффициента (K) жесткости пружины.
7. Компонент по п. 5, отличающийся тем, что между вторым электродом (222) и четвертым электродом (232) расположены первый шестой электрод (511) и второй шестой электрод (512), причем второй электрод (222) расположен между первым шестым электродом (511) и седьмым электродом (52), а четвертый электрод (232) расположен между вторым шестым электродом (512) и восьмым электродом (53).
8. Компонент по одному из пп. 2, 3, 5-7, отличающийся тем, что между первым электродом (221) и третьим электродом (231) расположены первый пятый электрод (411) и второй пятый электрод (412), компонент дополнительно содержит девятый электрод (42) и десятый электрод (43), причем девятый электрод (42) и десятый электрод (43) неразрывно соединены с подложкой (11, 15), проходят наружу от подложки (11, 15) во втором направлении вдоль второй оси (Y) и расположены таким образом, что первый электрод (221) находится между первым пятым электродом (411) и девятым электродом (42), а третий электрод (231) находится между вторым пятым электродом (412) и десятым электродом (43).
9. Компонент по п. 8, отличающийся тем, что первый пятый электрод (411) и девятый электрод (42) соединены с первым блоком (71) обработки сигнала, и второй пятый электрод (412) и десятый электрод (43) соединены со вторым блоком (72) обработки сигнала.
10. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что активная структура (20) дополнительно имеет третий участок (250) и четвертый участок (260), причем третий участок (250) и четвертый участок (260) электропроводны и физически жестко соединены вдоль первой оси (X) с первым участком (22) и со вторым участком (23), причем первый участок (22) электрически изолирован от второго участка (23) первым изолирующим участком (24а), и третий участок (250) электрически изолирован от второго участка (23) вторым изолирующим участком (24b), а от четвертого участка (260) - третьим изолирующим участком (24с).
11. Компонент по п. 10, отличающийся тем, что третий электрод (231) проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, а четвертый электрод (232) проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) во втором направлении, пятый электрод (251) проходит наружу от третьего участка (250) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, а шестой электрод (252) проходит наружу от третьего участка (250) вдоль второй оси (Y) во втором направлении, и седьмой электрод (261) проходит наружу от четвертого участка (260) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, а восьмой электрод (262) проходит наружу от четвертого участка (260) вдоль второй оси (Y) во втором направлении.
12. Компонент по п. 11, дополнительно включающий в себя:
девятый электрод (44), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположенный между первым электродом (221) и третьим электродом (231),
десятый электрод (45), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположенный между пятым электродом (251) и седьмым электродом (261),
одиннадцатый электрод (54), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположенный между вторым электродом (222) и четвертым электродом (232), и
двенадцатый электрод (55), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположенный между шестым электродом (252) и восьмым электродом (262).
13. Компонент по п. 12, отличающийся тем, что девятый электрод (44) и десятый электрод (45) соединены каждый с соответствующим усилителем (60а, 60b) заряда.
14. Способ эксплуатации микромеханического компонента (1), содержащего подложку (11, 15) и активную структуру (20), которая выполнена с возможностью отклонения относительно подложки (11, 15) по меньшей мере в одном направлении и которая имеет по меньшей мере один первый участок (22) и второй участок (23), причем первый участок (22) и второй участок (23) электропроводны и физически жестко соединены друг с другом вдоль первой оси (X) и электрически изолированы друг от друга посредством изолирующего участка (24),
согласно которому:
прикладывают первое напряжение (U0) к первому участку (22), причем первое напряжение (U0) представляет собой постоянное напряжение, и
прикладывают отрицательное первое напряжение (-U0) ко второму участку (23).
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что компонент дополнительно включает в себя:
первый электрод (221), который проходит наружу от первого участка (22) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
второй электрод (222), который проходит наружу от первого участка (22) вдоль второй оси (Y) во втором направлении, причем вторая ось (Y) расположена перпендикулярно первой оси (X), а второе направление противоположно первому направлению, и
третий электрод (231), который проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
четвертый электрод (232), который проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) во втором направлении, и
пятый электрод (41), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположенный между первым электродом (221) и третьим электродом (231); и
способ включает в себя определение заряда (q), создаваемого на пятом электроде (41).
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что для определения заряда используют усилитель (60) заряда, который соединен с пятым электродом.
17. Способ по п. 15 или 16, отличающийся тем, что компонент дополнительно включает в себя шестой электрод (51), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположенный между вторым электродом (222) и четвертым электродом (232); и к шестому электроду (51) прикладывают второе напряжение (U1), которое воздействует на активную структуру (20) с усилием, пропорциональным первому напряжению (U0) и второму напряжению (U1).
18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что компонент дополнительно включает в себя седьмой электрод (52) и восьмой электрод (53),
причем седьмой электрод (52) и восьмой электрод (53) прочно соединены с подложкой (11, 15) и проходят наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
причем седьмой электрод (52) и восьмой электрод (53) расположены таким образом, что второй электрод (222) находится между шестым электродом (51) и седьмым электродом (52), а четвертый электрод (232) находится между шестым электродом (51) и восьмым электродом (53); и
к седьмому и восьмому электродам (52, 53) прикладывают третье напряжение (U2), служащее для компенсации коэффициентов жесткости пружин (25, 26), посредством которых активная структура (20) подвижно соединена с подложкой (11, 15).
19. Способ по п. 18, характеризующийся тем, что вторым напряжением (U1) и третьим напряжением (U2) управляют посредством управляющей схемы, причем управляющая схема включает в себя блок (80) управления, который на основе первого напряжения (U0), заданной возвратной силы (F) и заданного коэффициента (К) жесткости пружины рассчитывает сигналы для управления вторым напряжением (U1) и третьим напряжением (U2).
20. Способ эксплуатации микромеханического компонента (1), содержащего подложку (11, 15) и активную структуру (20), которая выполнена с возможностью отклонения относительно подложки (11, 15) по меньшей мере в одном направлении и которая имеет по меньшей мере один первый участок (22) и второй участок (23), причем первый участок (22) и второй участок (23) электропроводны, физически жестко соединены друг с другом вдоль первой оси (X) и электрически изолированы друг от друга посредством изолирующего участка (24),
согласно которому:
прикладывают к первому участку (22) первое напряжение (U0·cos(ω0·t)), причем первое напряжение (U0) представляет собой переменное напряжение, и
прикладывают ко второму участку (23) второе напряжение (U0·sin(ω0·t)), равное первому напряжению (U0*cos(ω0*t)) по величине, однако смещенное по времени.
21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что компонент дополнительно включает в себя:
первый электрод (221), который проходит наружу от первого участка (22) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
второй электрод (222), который проходит наружу от первого участка (22) вдоль второй оси (Y) во втором направлении, причем вторая ось (Y) расположена перпендикулярно первой оси (X), а второе направление противоположно первому направлению,
третий электрод (231), который проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
четвертый электрод (232), который проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) во втором направлении,
первый пятый электрод (411) и второй пятый электрод (412), которые прочно соединены с подложкой (11, 15), проходят наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположены между первым электродом (221) и третьим электродом (231),
первый шестой электрод (511) и второй шестой электрод (512), которые прочно соединены с подложкой (11, 15), проходят наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположены между вторым электродом (222) и четвертым электродом (232),
седьмой электрод (52) и восьмой электрод (53), которые прочно соединены с подложкой (11, 15), проходят наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположены таким образом, что второй электрод (222) находится между первым шестым электродом (511) и седьмым электродом (52), а четвертый электрод (232) находится между вторым шестым электродом (512) и восьмым электродом (53), и
девятый электрод (42) и десятый электрод (43), которые прочно соединены с подложкой (11, 15), проходят наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположены таким образом, что первый электрод (221) находится между первым пятым электродом (411) и девятым электродом (42), а третий электрод (231) находится между вторым пятым электродом (412) и десятым электродом (43);
к седьмому электроду (52) прикладывают третье напряжение (UR), причем третье напряжение (UR) представляет собой постоянное напряжение;
к первому шестому электроду (511) прикладывают отрицательное третье напряжение (-UR);
ко второму шестому электроду (512) прикладывают четвертое напряжение (UI), причем четвертое напряжение (UI) представляет собой постоянное напряжение; и
к восьмому электроду (53) прикладывают отрицательное четвертое напряжение (-UI).
22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что первый пятый электрод (411) и девятый электрод (42) соединены с первым блоком (71) обработки сигнала, и второй пятый электрод (412) и десятый электрод (43) соединены со вторым блоком (72) обработки сигнала, причем в первом блоке (71) обработки сигнала и во втором блоке (72) обработки сигнала определяют разность (ΔQ) соответствующих им зарядов, которая является мерой отклонения активной структуры (20).
23. Способ эксплуатации микромеханического компонента (1), содержащего подложку (11, 15) и активную структуру (20), которая выполнена с возможностью отклонения относительно подложки (11, 15) по меньшей мере в одном направлении и которая имеет один первый участок (22), второй участок (23), третий участок (250) и четвертый участок (260), причем первый участок (22), второй участок (23), третий участок (250) и четвертый участок (260) электропроводны, физически жестко соединены друг с другом вдоль первой оси (X) и электрически изолированы друг от друга посредством изолирующих участков (24а, 24b, 24с),
согласно которому:
прикладывают к первому участку (22) первое напряжение (U0·cos(ω0·t)), причем первое напряжение (U0) представляет собой переменное напряжение,
прикладывают ко второму участку (23) отрицательное первое напряжение (-U0·cos(ω0t)),
прикладывают к третьему участку (250) второе напряжение (U0·sin(ω0t)), равное первому напряжению (U0·cos(ω0t)) по величине, однако смещенное по времени, и
прикладывают к четвертому участку (260) отрицательное второе напряжение (-U0·sin(ω0t)).
24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что компонент дополнительно включает в себя:
первый электрод (221), который проходит наружу от первого участка (22) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
второй электрод (222), который проходит наружу от первого участка (22) вдоль второй оси (Y) во втором направлении, причем вторая ось (Y) расположена перпендикулярно первой оси (X), а второе направление противоположно первому направлению,
третий электрод (231), который проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
четвертый электрод (232), который проходит наружу от второго участка (23) вдоль второй оси (Y) во втором направлении,
пятый электрод (251), который проходит наружу от третьего участка (250) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
шестой электрод (252), который проходит наружу от третьего участка (250) вдоль второй оси (Y) во втором направлении,
седьмой электрод (261), который проходит наружу от четвертого участка (260) вдоль второй оси (Y) в первом направлении, и
восьмой электрод (262), который проходит наружу от четвертого участка (260) вдоль второй оси (Y) во втором направлении,
девятый электрод (44), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположенный между первым электродом (221) и третьим электродом (231),
десятый электрод (45), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) во втором направлении и расположенный между пятым электродом (251) и седьмым электродом (261),
способ для определения первого заряда (QR), создаваемого на девятом электроде (44), и второго заряда (QI), создаваемого на десятом электроде (45).
25. Способ по п. 24, характеризующийся тем, что первый заряд (QR) определяют посредством первого усилителя (60а) заряда, и
второй заряд (QI) определяют посредством второго усилителя (60b) заряда.
26. Способ по п. 24 или 25, отличающийся тем, что компонент дополнительно включает в себя:
одиннадцатый электрод (54), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположенный между вторым электродом (222) и четвертым электродом (232), и
двенадцатый электрод (55), прочно соединенный с подложкой (11, 15), проходящий наружу от подложки (11, 15) вдоль второй оси (Y) в первом направлении и расположенный между шестым электродом (252) и восьмым электродом (262);
к одиннадцатому электроду (54) прикладывают третье напряжение (UR), причем третье напряжение (UR) представляет собой постоянное напряжение, и
к двенадцатому электроду (55) прикладывают четвертое напряжение (UI), причем четвертое напряжение (UI) представляет собой постоянное напряжение.
RU2016131410A 2014-02-25 2015-02-11 Микромеханический компонент с раздельной, гальванически изолированной активной структурой и способ эксплуатации такого компонента RU2653112C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014002823.2 2014-02-25
DE102014002823.2A DE102014002823B4 (de) 2014-02-25 2014-02-25 Mikromechanisches bauteil mit geteilter, galvanisch isolierter aktiver struktur und verfahren zum betreiben eines solchen bauteils
PCT/EP2015/000303 WO2015128062A1 (de) 2014-02-25 2015-02-11 Mikromechanisches bauteil mit geteilter, galvanisch isolierter aktiver struktur und verfahren zum betreiben eines solchen bauteils

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016131410A3 RU2016131410A3 (ru) 2018-03-29
RU2016131410A RU2016131410A (ru) 2018-03-29
RU2653112C2 true RU2653112C2 (ru) 2018-05-07

Family

ID=52472277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016131410A RU2653112C2 (ru) 2014-02-25 2015-02-11 Микромеханический компонент с раздельной, гальванически изолированной активной структурой и способ эксплуатации такого компонента

Country Status (13)

Country Link
US (1) US20160362291A1 (ru)
EP (1) EP3110746B1 (ru)
JP (1) JP6267357B2 (ru)
KR (1) KR101869629B1 (ru)
CN (1) CN106061889B (ru)
AU (1) AU2015222511B2 (ru)
BR (1) BR112016017998B1 (ru)
CA (1) CA2939173C (ru)
DE (1) DE102014002823B4 (ru)
IL (1) IL247017A (ru)
RU (1) RU2653112C2 (ru)
WO (1) WO2015128062A1 (ru)
ZA (1) ZA201605623B (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU192953U1 (ru) * 2018-12-20 2019-10-08 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Мэмс-акселерометр
RU2783481C1 (ru) * 2021-12-09 2022-11-14 Акционерное общество "Виматек" Способ магнитопорошкового контроля труб, устройство для его осуществления и установка на основе такого устройства

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014002824A1 (de) * 2014-02-25 2015-08-27 Northrop Grumman Litef Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
DE102014215038A1 (de) * 2014-07-31 2016-02-04 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Sensor und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors
US11788840B2 (en) * 2021-11-08 2023-10-17 Northrop Grumman Systems Corporation Vibrating-mass sensor system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6067858A (en) * 1996-05-31 2000-05-30 The Regents Of The University Of California Micromachined vibratory rate gyroscope
US6291875B1 (en) * 1998-06-24 2001-09-18 Analog Devices Imi, Inc. Microfabricated structures with electrical isolation and interconnections
US20100117166A1 (en) * 2007-06-29 2010-05-13 Wolfram Geiger Method for the production of a component, and component
US20100134860A1 (en) * 2007-02-19 2010-06-03 Fujitsu Limited Mems device and optical switch
US20110048131A1 (en) * 2009-09-02 2011-03-03 Jochen Reinmuth Micromechanical component
US20130104654A1 (en) * 2011-10-27 2013-05-02 Robert Bosch Gmbh Micromechanical component and method for manufacturing a micromechanical component

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6705151B2 (en) * 1995-05-30 2004-03-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Angular velocity sensor
GB2320571B (en) * 1996-12-20 2000-09-27 Aisin Seiki Semiconductor micromachine and manufacturing method thereof
US5959516A (en) * 1998-01-08 1999-09-28 Rockwell Science Center, Llc Tunable-trimmable micro electro mechanical system (MEMS) capacitor
DE19719779A1 (de) * 1997-05-10 1998-11-12 Bosch Gmbh Robert Beschleunigungssensor
DE19827056A1 (de) * 1998-06-18 1999-12-23 Bosch Gmbh Robert Mikromechanischer Magnetfeldsensor
JP2000018952A (ja) * 1998-07-01 2000-01-21 Aisin Seiki Co Ltd 角速度センサ
JP2000065855A (ja) * 1998-08-17 2000-03-03 Mitsubishi Electric Corp 半導体加速度スイッチ、半導体加速度スイッチの製造方法
US6611168B1 (en) * 2001-12-19 2003-08-26 Analog Devices, Inc. Differential parametric amplifier with physically-coupled electrically-isolated micromachined structures
KR20040080333A (ko) * 2002-01-16 2004-09-18 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 마이크로디바이스
JP4292746B2 (ja) * 2002-02-15 2009-07-08 株式会社デンソー 角速度センサ
DE10350037A1 (de) * 2003-10-27 2005-05-25 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor
KR100513346B1 (ko) * 2003-12-20 2005-09-07 삼성전기주식회사 보정전극을 갖는 정전용량형 가속도계
JP4161950B2 (ja) * 2004-02-27 2008-10-08 セイコーエプソン株式会社 マイクロメカニカル静電アクチュエータ
JP4524571B2 (ja) * 2004-03-25 2010-08-18 株式会社デンソー 振動型角速度センサ
US7444868B2 (en) * 2006-06-29 2008-11-04 Honeywell International Inc. Force rebalancing for MEMS inertial sensors using time-varying voltages
JP2008193638A (ja) * 2007-02-08 2008-08-21 Seiko Epson Corp Ｍｅｍｓ振動子
JP5105949B2 (ja) * 2007-04-27 2012-12-26 キヤノン株式会社 センサ
JP5432440B2 (ja) * 2007-07-04 2014-03-05 キヤノン株式会社 揺動体装置
JP5191939B2 (ja) * 2009-03-31 2013-05-08 スタンレー電気株式会社 光偏向器用アクチュエータ装置
US8373522B2 (en) * 2010-02-03 2013-02-12 Harris Corporation High accuracy MEMS-based varactors
US20110198202A1 (en) * 2010-02-18 2011-08-18 Harris Corporation Mems-based ultra-low power devices
US8726717B2 (en) * 2011-04-27 2014-05-20 Honeywell International Inc. Adjusting a MEMS gyroscope to reduce thermally varying bias
US9496886B2 (en) * 2011-06-16 2016-11-15 Spatial Digital Systems, Inc. System for processing data streams
JP2014011531A (ja) * 2012-06-28 2014-01-20 Seiko Epson Corp 振動デバイス、電子機器
US9046547B2 (en) * 2012-08-13 2015-06-02 Pgs Geophysical As Accelerometer having multiple feedback systems operating on a given proof mass

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6067858A (en) * 1996-05-31 2000-05-30 The Regents Of The University Of California Micromachined vibratory rate gyroscope
US6291875B1 (en) * 1998-06-24 2001-09-18 Analog Devices Imi, Inc. Microfabricated structures with electrical isolation and interconnections
US20100134860A1 (en) * 2007-02-19 2010-06-03 Fujitsu Limited Mems device and optical switch
US20100117166A1 (en) * 2007-06-29 2010-05-13 Wolfram Geiger Method for the production of a component, and component
US20110048131A1 (en) * 2009-09-02 2011-03-03 Jochen Reinmuth Micromechanical component
US20130104654A1 (en) * 2011-10-27 2013-05-02 Robert Bosch Gmbh Micromechanical component and method for manufacturing a micromechanical component

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU192953U1 (ru) * 2018-12-20 2019-10-08 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Мэмс-акселерометр
RU2783481C1 (ru) * 2021-12-09 2022-11-14 Акционерное общество "Виматек" Способ магнитопорошкового контроля труб, устройство для его осуществления и установка на основе такого устройства

Also Published As

Publication number Publication date
IL247017A (en) 2017-02-28
ZA201605623B (en) 2017-09-27
RU2016131410A3 (ru) 2018-03-29
EP3110746A1 (de) 2017-01-04
KR20160112003A (ko) 2016-09-27
CA2939173A1 (en) 2015-09-03
AU2015222511B2 (en) 2017-05-25
JP6267357B2 (ja) 2018-01-24
US20160362291A1 (en) 2016-12-15
EP3110746B1 (de) 2019-07-03
CN106061889B (zh) 2017-12-22
WO2015128062A1 (de) 2015-09-03
CN106061889A (zh) 2016-10-26
KR101869629B1 (ko) 2018-06-20
BR112016017998A2 (pt) 2017-08-08
RU2016131410A (ru) 2018-03-29
CA2939173C (en) 2017-03-07
AU2015222511A1 (en) 2016-09-22
JP2017509878A (ja) 2017-04-06
BR112016017998B1 (pt) 2021-11-23
DE102014002823B4 (de) 2017-11-02
DE102014002823A1 (de) 2015-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2653112C2 (ru) Микромеханический компонент с раздельной, гальванически изолированной активной структурой и способ эксплуатации такого компонента
EP3044541B1 (en) Gyroscope structure and gyroscope with improved quadrature compensation
US9645166B2 (en) Systems and methods for controlling oscillation of a gyroscope
EP2977722B1 (en) Vibrating-mass gyroscope systems and method
JP6627883B2 (ja) 微小電気機械静電容量型センサの構造体およびデバイス
EP3353557B1 (en) Improved microelectromechanical accelerometer device
WO2015124910A1 (en) Accelerometers
US20170003314A1 (en) Z-axis physical proximity switch
EP1914511B1 (en) Tuning fork gyro with sense plate read-out
US5821420A (en) Vibration-type gyro apparatus for calculating angular velocity
US11249106B2 (en) Methods for closed loop operation of capacitive accelerometers
US10284142B2 (en) Electrode for a microelectromechanical device
JP2007108072A (ja) 力学量検出素子及び力学量検出装置
Alves et al. High resolution pull-in inclinometer