RU2716869C1

RU2716869C1 - Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer

Info

Publication number: RU2716869C1
Application number: RU2019124741A
Authority: RU
Inventors: Ольга Александровна Ежова; Игорь Евгеньевич Лысенко; Дмитрий Юрьевич Севостьянов; Борис Георгиевич Коноплев
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2020-03-17

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and microsystem equipment. Essence of the invention consists in that the integrated micromechanical gyroscope-accelerometer additionally comprises four fixed electrodes of capacitive displacement transducers, four fixed electrodes of electrostatic drives, eight additional supports, eight additional U-shaped systems of elastic beams, wherein four movable electrodes of capacitive displacement transducers are made in form of T-shaped plates with perforation with comb structures on three sides, connected to inertial mass by means of E-shaped systems of elastic beams, made from semiconductor material and located with a gap relative to semiconductor substrate, four fixed electrodes of capacitive displacement transducers are combined in pairs, and inertial mass is made with perforation and consists of two parts: internal and external, connected by two torsion bars.

EFFECT: possibility of measuring values of angular velocity and linear acceleration along axes Z directed perpendicular to plane of substrate of gyroscope-accelerometer, and X, Y located in plane of device substrate.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и линейного ускорения.The present invention relates to the field of measuring technology and microsystem technology, and more particularly to integrated measuring elements of angular velocity and linear acceleration.

Известен интегральный микромеханический акселерометр [A. Selvakumar, F. Ayazi, K. Najafi, A High Sensitivity Z-Axis Torsional Silicon Accelerometer, Digest, IEEE International Electron Device Meeting (IEDM’96), San Francisco, CA, December 1996, p. 765, fig. 1a], содержащий диэлектрическую подложку и инерционную массу, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой с одной стороны из полупроводникового материала и связанную с подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на диэлектрической подложке, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образует конденсатор в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов.Known integrated micromechanical accelerometer [A. Selvakumar, F. Ayazi, K. Najafi, A High Sensitivity Z-Axis Torsional Silicon Accelerometer, Digest, IEEE International Electron Device Meeting (IEDM’96), San Francisco, CA, December 1996, p. 765, fig. 1a], containing a dielectric substrate and an inertial mass located with a gap relative to the dielectric substrate, made in the form of a plate with a comb structure on one side of a semiconductor material and connected to the substrate using elastic beams made of a semiconductor material, which are rigidly connected to one end with inertial mass, and others with supports made of semiconductor material and located directly on the dielectric substrate, the fixed electrode is capacitive deleterious displacement transducer with a comb structure on the one hand, formed of a semiconductor material and disposed on a dielectric substrate with a gap with respect to the inertia mass so that it forms a capacitor plate in its plane through the side clearances and interpenetrating each other comb electrode.

Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра.This accelerometer allows you to measure the linear acceleration along the Z axis, perpendicular to the plane of the accelerometer substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке.Signs of an analogue that coincide with the essential features are inertial mass, elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, a fixed electrode of a capacitive displacement transducer with a comb structure on one side, made of semiconductor material and located directly on the substrate.

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости подложки и величин угловой скорости.The disadvantage of the design of the accelerometer is the impossibility of measuring linear acceleration along two mutually perpendicular axes X and Y located in the plane of the substrate and the angular velocity.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный микромеханический акселерометр [M.A. Lemkin, B.E. Boser, D. Auslander, J.H. Smith, A 3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers’97), Chicago, June 16-19, 1997, p. 1186, fig. 1], содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, и инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, и связанную с полупроводниковой подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образуют конденсаторы в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, используемые в качестве емкостных преобразователей перемещений.A functional analogue of the claimed object is an integrated micromechanical accelerometer [M.A. Lemkin, B.E. Boser, D. Auslander, J.H. Smith, A 3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers’97), Chicago, June 16-19, 1997, p. 1186, fig. 1], comprising a semiconductor substrate with a fixed electrode located on it, made of a semiconductor material, and an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, forming a flat capacitor with a fixed electrode due to their complete overlap, used in as a capacitive displacement transducer, and connected to the semiconductor substrate using elastic beams made of semiconductor material, which are their ends are rigidly connected to the inertial mass, and the other to supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, and fixed electrodes made of semiconductor material with comb structures and located directly on the substrate with a gap relative to the inertial mass so as to form capacitors in the plane of its plate through lateral gaps and interconnecting electrodes combs, used as capacitive displacement transducers Nij.

Данный акселерометр позволяет измерять величины линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.This accelerometer allows you to measure linear acceleration along the X and Y axes located mutually perpendicular to the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a semiconductor substrate, inertial mass, elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, fixed electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material and located on a semiconductor substrate.

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин угловой скорости.The disadvantage of the design of the accelerometer is the inability to measure angular velocity values.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический акселерометр [Б.Г. Коноплев, И.Е. Лысенко, Интегральный микромеханический акселерометр-клинометр, патент РФ на изобретение №2279092, опубликовано 27.06.2006, Бюл. №18], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, и четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующие конденсаторы с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке, инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки, связанную с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical accelerometer [B. G. Konoplev, I.E. Lysenko, Integrated micromechanical accelerometer-clinometer, RF patent for invention No. 2279092, published June 27, 2006, Bull. No. 18], comprising a semiconductor substrate with four fixed electrodes of capacitive displacement transducers located on it made of semiconductor material and four fixed electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material with comb structures on one side, four movable electrodes of capacitive displacement transducers, made in the form of plates with comb structures on one side of a semiconductor material and is located with a gap relative to the semiconductor substrate, forming capacitors with fixed electrodes of the capacitive displacement transducers in the plane of their plates through the side gaps and interpenetrating with each other by the comb of electrodes, and connected to the semiconductor substrate using elastic beams made of semiconductor material, which are rigidly connected at one end with movable electrodes of capacitive displacement transducers, and others with supports made of semiconductor material and p located directly on the semiconductor substrate, an inertial mass made in the form of a plate of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate, connected with the movable electrodes of capacitive displacement transducers using elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругие балки, подвижные электроды емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке.Signs of the prototype that coincide with the essential features are a semiconductor substrate, inertial mass, elastic beams, moving electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports, fixed electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material and located on semiconductor substrate.

Задачей предполагаемого изобретения является возможность измерения величин угловых скоростей и линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.The objective of the proposed invention is the ability to measure angular velocities and linear acceleration along the X and Y axes located mutually perpendicular to the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин угловых скоростей и линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.The technical result achieved by the implementation of the proposed invention is the ability to measure angular velocities and linear acceleration along the X and Y axes located mutually perpendicular to the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate.

Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке так, что он образует конденсатор с подвижными электродами емкостного преобразователя перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четырех дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки, так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки, восьми дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, два неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, четырех «Ш»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, соединенных с инерционной массой, выполненной с перфорацией, двух торсионов, соединенных с дополнительной инерционной массой, выполненной с перфорацией.The technical result is achieved by introducing four additional fixed electrodes of the capacitive displacement transducers, made in the form of plates with comb structures on one side of the semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate so that it forms a capacitor with the moving electrodes of the capacitive displacement transducer in the plane of their plates through lateral gaps and combs of electrodes interpenetrating each other, four additional fixed electrodes of electrostatic drives made in the form of plates with comb structures on one side of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, so that they form capacitors with moving electrodes of capacitive displacement transducers in the plane of their plates through lateral gaps and combing electrodes interpenetrating each other , eight additional supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor base ki, eight additional "P" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, and four movable electrodes of capacitive displacement transducers are made in the form of "T" -shaped plates with perforation with comb structures on three sides, two fixed electrodes of capacitive displacement transducers, four "Ш" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to a semiconductor substrate connected to an inertial mass made with perforation, two torsion bars connected to an additional inertial mass made with perforation.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, выполненными из полупроводникового материала, четыре неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, образующие конденсаторы с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке, инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки, связанную с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки введены четыре дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки так, что он образует конденсатор с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки, так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь дополнительных опор, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки, восемь дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, два неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, четырех «Ш»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, соединенных с инерционной массой, выполненной с перфорацией, четырех торсионов, соединенных с дополнительной инерционной массой, выполненной с перфорацией.To achieve the required technical result, an integral micromechanical gyroscope-accelerometer containing a semiconductor substrate with four fixed electrodes of capacitive displacement transducers located on it made of semiconductor material, four fixed electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material with comb structures on one side and located directly on a semiconductor substrate, four mobile electric an electrode of capacitive displacement transducers made in the form of plates with comb structures on one side of a semiconductor material and arranged with a gap relative to the semiconductor substrate, forming capacitors with fixed electrodes of capacitive displacement transducers in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other with comb combs of electrodes, and connected to the semiconductor substrate using elastic beams made of a semiconductor material, which one the ends are rigidly connected to the movable electrodes of the capacitive displacement transducers, and the other to the supports made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, the inertial mass made in the form of a plate of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate, connected with the movable electrodes of the capacitive displacement transducers using elastic beams made of semiconductor material and located with a gap Four additional fixed electrodes of capacitive displacement transducers, made in the form of plates with comb structures on one side of the semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate so as to form a capacitor with movable electrodes of capacitive displacement transducers in the plane of their plates through the lateral ones, are introduced in relation to the semiconductor substrate. clearances and combs of electrodes interpenetrating each other, four additional stationary e electrodes of electrostatic drives, made in the form of plates with comb structures on one side of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, so that they form capacitors with moving electrodes of capacitive displacement transducers in the plane of their plates through lateral gaps and interconnecting electrode combs , eight additional supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate eight additional "P" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, and four movable electrodes of capacitive displacement transducers are made in the form of "T" -shaped plates with perforation with comb structures on three sides, two fixed electrodes of capacitive displacement transducers, four "Ш" -shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the floor a conductor substrate connected to an inertial mass made with perforation, four torsion bars connected to an additional inertial mass made with perforation.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.Comparing the proposed device with the prototype, we see that it contains new features, that is, meets the criterion of novelty. Carrying out a comparison with analogs, we conclude that the proposed device meets the criterion of "significant differences", since no new features are revealed in the analogues.

На Фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра и показаны сечения. На Фиг. 2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического гироскопа-акселерометра.In FIG. 1 shows the topology of the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer and sections are shown. In FIG. 2 shows the structure of the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр (Фиг. 1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней восьмью неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, выполненными из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений 10, 55 выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на подложке, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений 11, 12, 13, 14, выполненные в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие конденсаторы с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанные с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 12, 13, 14, а другими - с опорами 23, 24, 25, 26, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, и с помощью «П»-образных систем упругих балок 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 12, 13, 14, а другими - с дополнительными опорами 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, четыре неподвижных электрода электростатических приводов 43, 44, 45, 46, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки 1, образующие конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 12, 13, 14 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, инерционную массу 47, выполненную в виде рамки с перфорацией из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1 и соединенную с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 12, 13, 14 с помощью систем упругих балок 48, 49, 50, 51, выполненных из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, инерционную массу 52, выполненную в виде пластины с перфорацией из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с расположенным на полупроводниковой подложке 1 неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 10 и 55 плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, и связанную с инерционной массой 47 с помощью торсионов 53, 54, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1.The integrated micromechanical gyroscope-accelerometer (Fig. 1) contains a semiconductor substrate 1 with eight fixed electrodes of capacitive displacement transducers 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 located on it, made of semiconductor material with comb structures on one side , fixed electrodes of capacitive displacement transducers 10, 55 made of semiconductor material and located directly on the substrate, four movable electrodes of capacitive displacement transducers 11, 12, 13, 14, made in the form of "T" -shaped plates with perforations with comb structures on three sides of semiconductor material and arranged with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming capacitors with fixed electrodes of capacitive displacement transducers 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9 in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other by comb of electrodes, and connected to the semiconductor substrate 1 using elastic beams 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 made of semiconductor material, which are one their ends are rigidly connected to the movable electrodes of the capacitive displacement transducers 11, 12, 13, 14, and others - with supports 23, 24, 25, 26, made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1, and using "P" - shaped systems of elastic beams 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, made of semiconductor material, which at one end are rigidly connected to the movable electrodes of capacitive displacement transducers 11, 12, 13, 14, and others with additional supports 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42 made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1, four fixed electrodes of electrostatic drives 43, 44, 45, 46, made of semiconductor material with comb structures on one side and located directly on the semiconductor substrate 1, forming capacitors with moving electrodes of capacitive displacement transducers 11 , 12, 13, 14 in the plane of their plates through the lateral gaps and interpenetrating each other with the electrodes, the inertial mass 47, filled in the form of a frame with perforation of a semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate 1 and connected to the movable electrodes of the capacitive displacement transducers 11, 12, 13, 14 using systems of elastic beams 48, 49, 50, 51 made of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, the inertial mass 52, made in the form of a plate with perforation of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate 1 forming flat capacitors with fixed electrodes of capacitive displacement transducers 10 and 55 located on the semiconductor substrate 1 due to their complete overlap, and connected with the inertial mass 47 using torsions 53, 54 made of semiconductor material and arranged with a gap relative to the semiconductor substrate 1.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 47 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси X в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 17, 18, 21, 22, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 12, 14, а другими - с опорами 23, 24, 25, 26, соответственно, «Ш»-образных систем упругих балок 49, 51, и «П»-образных систем упругих балок 27, 28, 31, 32, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 12, 14, а другими - с опорами 35, 36, 39, 40. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 8, 9 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 12, 14, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения.When linear acceleration occurs along the X axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 47 under the action of inertia forces begins to move along the X axis in the plane of the semiconductor substrate 1, due to the bending of elastic beams 17, 18, 21, 22, which are rigidly fixed at one end connected to the movable electrodes of capacitive displacement transducers 12, 14, and others - with supports 23, 24, 25, 26, respectively, of "W" -shaped systems of elastic beams 49, 51, and "P" -shaped systems of elastic beams 27, 28 , 31, 32, which are rigidly connected at one end They are connected with movable electrodes of capacitive displacement transducers 12, 14, and others with supports 35, 36, 39, 40. The voltage difference generated by capacitive displacement transducers formed by fixed electrodes of capacitive displacement transducers 4, 5, 8, 9 and movable capacitive electrodes displacement transducers 12, 14, respectively, by changing the gap between them, characterizes the magnitude of the linear acceleration.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 47 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба упругих балок 15, 16, 19, 20, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 13, а другими - с опорами 23, 24, 25, 26, соответственно, «Ш»-образных систем упругих балок 48, 50, и «П»-образных систем упругих балок 29, 30, 33, 34, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 13, а другими - с опорами 37, 38, 41, 42. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 6, 7 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 13, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения.When linear acceleration occurs along the Y axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 47 under the action of inertia forces begins to move along the Y axis in the plane of the semiconductor substrate 1, due to the bending of the elastic beams 15, 16, 19, 20, which are rigidly fixed at one end connected to the movable electrodes of capacitive displacement transducers 11, 13, and others - with supports 23, 24, 25, 26, respectively, of "W" -shaped systems of elastic beams 48, 50, and "P" -shaped systems of elastic beams 29, 30 , 33, 34, which are rigidly joined at one end are connected with the movable electrodes of the capacitive displacement transducers 11, 13, and others with supports 37, 38, 41, 42. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducers formed by the stationary electrodes of the capacitive displacement transducers 2, 3, 6, 7 and the movable electrodes of the capacitive displacement transducers 11, 13, respectively, by changing the size of the gap between them, characterizes the magnitude of the linear acceleration.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, под действием сил инерции дополнительная инерционная масса 52 начинает совершать угловые колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет кручения торсионов 53, 54, изгиба «Ш»-образных систем упругих балок 48, 49, 50, 51 и кручения упругих балок 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещений, образованного неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 10 и 55 и дополнительной инерционной массой 52, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризуют величину линейного ускорения.When linear acceleration occurs along the Z axis, perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, under the action of inertia forces, the additional inertial mass 52 begins to perform angular oscillations perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, due to the torsion 53, 54, bending of the "Ш" -shaped systems of elastic beams 48, 49, 50, 51 and torsion of the elastic beams 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. The voltage generated by the capacitive displacement transducer formed by the fixed electrodes of the capacitive transducers rooms 10 and 55 and an additional inertial mass 52, respectively, due to a change in the gap between them, characterize the magnitude of the linear acceleration.

При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 43, 45 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов 14, 12 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний инерционной массы 47 в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, за счет изгиба упругих балок 17, 18, 21, 22, «Ш»-образных систем упругих балок 49, 51, и «П»-образных систем упругих балок 27, 28, 31, 32.When electrostatic drives with comb structures are applied to fixed electrodes on one side, 43, 45 alternating voltages are 180 ° phase-shifted relative to each other, relative to the movable electrodes 14, 12, an electrostatic interaction arises between them, which leads to oscillations of the inertial mass 47 the plane of the semiconductor substrate 1 along the X axis, due to the bending of the elastic beams 17, 18, 21, 22, "W" -shaped systems of elastic beams 49, 51, and "P" -shaped systems of elastic beams 27, 28, 31, 32.

При возникновении угловой скорости вдоль оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 47 и подвижные электроды емкостных преобразователей перемещений 11, 13 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, за счет изгиба упругих балок 15, 16, 19, 20, «Ш»-образных систем упругих балок 48, 50 и «П»-образных систем упругих балок 29, 30, 33, 34. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 6, 7 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 13, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.When an angular velocity occurs along the Z axis, perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 47 and the moving electrodes of the capacitive displacement transducers 11, 13 under the influence of the Coriolis inertia forces begin to oscillate in the plane of the semiconductor substrate 1 along the Y axis, due to the bending of the elastic beams 15 , 16, 19, 20, "Ш" -shaped systems of elastic beams 48, 50 and "П" -shaped systems of elastic beams 29, 30, 33, 34. The voltage difference generated by capacitive displacement transducers formed by izhnymi electrodes capacitive displacement transducers 2, 3, 6, 7 and movable electrodes capacitive displacement transducers 11, 13, respectively, by changing the size of the gap therebetween, characterizes the magnitude of the angular velocity.

При возникновении угловой скорости вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 47 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, за счет изгиба «Ш»-образных систем упругих балок 48, 49, 50, 51 и кручения упругих балок 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещений, образованного неподвижным электродом емкостного преобразователя перемещений 10 и инерционной массой 47, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.When an angular velocity occurs along the Y axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 47 under the influence of the Coriolis inertia forces begins to oscillate perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 along the Z axis, due to the bending of the "W" -shaped systems of elastic beams 48, 49, 50, 51 and torsion of the elastic beams 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. The voltage generated by the capacitive displacement transducer formed by the fixed electrode of the capacitive displacement transducer 10 and the inertial mass 47, due to changes value of the gap between them, characterizes the magnitude of the angular velocity.

При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов с гребенчатыми структурами с одной стороны 44, 46 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180°, относительно подвижных электродов 11, 13 между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний инерционной массы 47 в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, за счет изгиба упругих балок 15, 16, 19, 20, «Ш»-образных систем упругих балок 48, 50, и «П»-образных систем упругих балок 29, 30, 33, 34.When electrostatic drives with comb structures are applied to fixed electrodes on one side, 44, 46 alternating voltages are 180 ° phase-shifted relative to each other, relative to the movable electrodes 11, 13, an electrostatic interaction arises between them, which leads to oscillations of the inertial mass 47 the plane of the semiconductor substrate 1 along the Y axis, due to the bending of the elastic beams 15, 16, 19, 20, "Ш" -shaped systems of elastic beams 48, 50, and "П" -shaped systems of elastic beams 29, 30, 33, 34.

При возникновении угловой скорости вдоль оси Z, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 47 и подвижные электроды емкостных преобразователей перемещений 12, 14 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания в плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, за счет изгиба упругих балок 17, 18, 21, 22, «Ш»-образных систем упругих балок 49, 51 и «П»-образных систем упругих балок 27, 28, 31, 32. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5, 8, 9 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 12, 14, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.When an angular velocity occurs along the Z axis, perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 47 and the moving electrodes of the capacitive displacement transducers 12, 14 under the influence of the Coriolis inertia forces begin to oscillate in the plane of the semiconductor substrate 1 along the X axis, due to the bending of the elastic beams 17 , 18, 21, 22, “Ш” -shaped systems of elastic beams 49, 51 and “П” -shaped systems of elastic beams 27, 28, 31, 32. The voltage difference generated by capacitive displacement transducers formed by izhnymi electrodes capacitive displacement transducers 4, 5, 8, 9 and movable electrodes capacitive displacement transducers 12, 14, respectively, by changing the size of the gap therebetween, characterizes the magnitude of the angular velocity.

При возникновении угловой скорости вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 47 под действием сил инерции Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, за счет изгиба «Ш»-образных систем упругих балок 48, 49, 50, 51 и кручения упругих балок 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Напряжение, генерируемое на емкостном преобразователе перемещений, образованного неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 10, 55 и инерционной массой 47, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости.When an angular velocity occurs along the X axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 47 under the influence of the Coriolis inertia forces begins to oscillate perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 along the Z axis, due to the bending of the "W" -shaped systems of elastic beams 48, 49, 50, 51 and torsion of the elastic beams 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. The voltage generated by the capacitive displacement transducer formed by the fixed electrodes of the capacitive displacement transducers 10, 55 and inertial mass 47, due to and changing the gap between them, characterizes the magnitude of the angular velocity.

Опоры 23, 24, 25, 26 выполняют роль ограничителя движения инерционной массы 47 в плоскости полупроводниковой подложки 1.Supports 23, 24, 25, 26 act as a limiter of the movement of the inertial mass 47 in the plane of the semiconductor substrate 1.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр, позволяющий измерять величины угловой скорости и ускорения вдоль осей X, Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.Thus, the proposed device is an integrated micromechanical gyroscope-accelerometer, which allows you to measure the angular velocity and acceleration along the X, Y axes located in the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate.

Введение четырех дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки так, что он образует конденсатор с подвижными электродами емкостного преобразователя перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четырех дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложки, так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восьми дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложки, восьми дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, два неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, четырех «Ш»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, соединенных с инерционной массой, выполненной с перфорацией, четырех торсионов, соединенных с дополнительной инерционной массой, выполненной с перфорацией, позволяет измерять величины угловой скорости и линейного ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, и X, Y, расположенных в плоскости подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального измерительного элемента величин угловой скорости и линейного ускорения.The introduction of four additional stationary electrodes of capacitive displacement transducers, made in the form of plates with comb structures on one side of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate so that it forms a capacitor with moving electrodes of a capacitive displacement transducer in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating each other each other comb electrodes, four additional fixed electrodes of electrostatic drives, filled in the form of plates with comb structures on one side of the semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, so that they form capacitors with moving electrodes of capacitive displacement transducers in the plane of their plates through lateral gaps and interpenetrating electrode combs, eight additional supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, eight additional "P" -shaped systems elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, and four movable electrodes of capacitive displacement transducers are made in the form of "T" -shaped plates with perforations with comb structures on three sides, two stationary electrodes of capacitive displacement transducers, four W "-shaped systems of elastic beams made of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, connected to with a percussion mass of four torsion bars connected with an additional inertial mass made with perforation, it is possible to measure the angular velocity and linear acceleration along the Z axes directed perpendicular to the substrate plane of the gyroscope-accelerometer, and X, Y located in the substrate plane, that allows you to use the present invention as an integral measuring element of the values of angular velocity and linear acceleration.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и линейного ускорения, так как для измерения величин угловой скорости и линейного ускорения по осям X, Y, Z используется только один интегральный микромеханический сенсор.Thus, in comparison with similar devices, the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer allows to reduce the substrate area used for the placement of measuring elements of angular velocity and linear acceleration, since the angular velocity and linear acceleration along the X, Y, Z axes are used only one integrated micromechanical sensor.

Claims

An integrated micromechanical gyroscope-accelerometer containing a semiconductor substrate with four fixed electrodes of capacitive displacement transducers located on it, made of semiconductor material, four fixed electrodes of capacitive displacement transducers made of semiconductor material with comb structures on one side, four movable capacitive transducer electrodes made in the form of plates with comb structures of semi ovodnikovogo material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, forming capacitors with fixed electrodes of capacitive displacement transducers in the plane of their plates through the side gaps and interpenetrating electrode combs connected to the semiconductor substrate using elastic beams made of semiconductor material, which are one ends rigidly connected to the movable electrodes of capacitive displacement transducers, and others - with supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, the inertial mass made in the form of a plate of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate, characterized in that four additional stationary electrodes of capacitive displacement transducers are introduced into it, made in the form of plates with comb structures with one side of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate so that about and form a capacitor with moving electrodes of the capacitive displacement transducers in the plane of their plates through lateral gaps and combing electrodes interpenetrating each other, four additional stationary electrostatic drive electrodes made in the form of plates with comb structures on one side of the semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate so that they form capacitors with moving electrodes of capacitive transducers of displacements in the plane and their plates through lateral gaps and combing electrodes interpenetrating each other, eight additional supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, eight additional U-shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, moreover, four movable electrodes of capacitive displacement transducers are made in the form of T-shaped plates with perforation with comb structures with three sides connected to the inertial mass using U-shaped systems of elastic beams made of semiconductor material and arranged with a gap relative to the semiconductor substrate, four stationary electrodes of capacitive displacement transducers are paired in two, and the inertial mass is made with perforation and consists of two parts: internal and external, connected by two torsions.