RU2630542C1

RU2630542C1 - Integral micro-mechanical gyroscope

Info

Publication number: RU2630542C1
Application number: RU2016124405A
Authority: RU
Inventors: Тамара Георгиевна Нестеренко; Алексей Николаевич Коледа; Евгений Сергеевич Барбин; Сергей Евгеньевич Вторушин; Владимир Анатольевич Колчужин
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-09-11

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: integral micromechanical gyroscope, made of a semiconductor material, contains a frame fixed on a dielectric base in fixed anchors through elastic bridges (4). There are comb structures of a vibratory drive on the frame. The first intermediate body (7) is fixed to elastic bridges (9) inside the frame. The first inertial body (11) is located on the elastic bridges (12) inside the first intermediate body (7) and is connected to the fixed anchors (13) through the elastic bridges (14). On the first inertial body (1) movable parts of sensor electrodes (15) are made. Their fixed parts are attached to the dielectric base. Anchors, fixed parts of the vibratory drive, fixed parts of sensor electrodes are fixed on the dielectric base. Inside the frame, the second intermediate body (8) is additionally arranged, which is connected to the frame via elastic bridges (10). The second inertial body (16) is located inside the second intermediate body (8) and is connected to it through the elastic bridges (17), and is also connected with the fixed anchors (18) through the elastic bridges (19). Under the second inertial body (16) there is a fixed planar electrode fixed to the dielectric base.

EFFECT: invention makes it possible to measure two components of the angular velocity.

1 dwg

Description

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к датчикам угловой скорости, основанным на Кориолисовых силах, и может быть использовано для измерения угловой скорости.The invention relates to gyroscopic devices, namely to angular velocity sensors based on Coriolis forces, and can be used to measure angular velocity.

Известен интегральный микромеханический гироскоп [CN 103398708 В, МПК G01C 19/5733, опубл. 21.10.2015], содержащий рамку, закрепленную на подложке при помощи упругих перемычек, с расположенными на ней гребенчатыми структурами вибропривода. Два промежуточных тела, расположенные внутри рамки на упругих перемычках, предназначенных для развязки первичных и вторичных колебаний. Внутри каждого промежуточного тела расположено инерционное тело, подвешенное на упругих перемычках. На каждом инерционном теле присутствуют сенсорные электроды для детектирования полезного сигнала. Колебания инерционных тел, представляющих собой полезный сигнал, возникают вследствие действия сил Кориолиса на промежуточные тела при наличии угловой скорости. Конструкция гироскопа имеет две степени свободы, что позволяет измерять одну составляющую угловой скорости.Known integrated micromechanical gyroscope [CN 103398708, IPC G01C 19/5733, publ. 10.21.2015], comprising a frame fixed to the substrate by means of elastic jumpers, with comb-mounted vibration drive structures located on it. Two intermediate bodies located inside the frame on elastic jumpers designed to decouple primary and secondary vibrations. Inside each intermediate body there is an inertial body suspended on elastic jumpers. On each inertial body there are sensor electrodes for detecting a useful signal. Oscillations of inertial bodies, which are a useful signal, arise due to the action of Coriolis forces on intermediate bodies in the presence of angular velocity. The gyro design has two degrees of freedom, which makes it possible to measure one component of the angular velocity.

Известен интегральный микромеханический гироскоп [ЕР 1309834 В1, МПК G01C 19/56, опубл. 14.05.2003], содержащий гребенчатый привод, соединенный с промежуточным телом через упругие перемычки таким образом, что он может совершать только первичные колебания. Сенсорные электроды соединены с промежуточным телом упругими перемычками таким образом, что могут совершать только вторичные колебания. Движение сенсорных электродов возникает при колебаниях промежуточного тела в двух плоскостях вследствие действия на него силы Кориолиса при вращении основания. Гироскоп способен измерять одну составляющую угловой скорости, так как конструкция гироскопа обладает двумя степенями свободы.Known integrated micromechanical gyroscope [EP 1309834 B1, IPC G01C 19/56, publ. 05/14/2003], containing a comb drive connected to the intermediate body through elastic jumpers in such a way that it can only perform primary vibrations. The sensor electrodes are connected to the intermediate body by elastic jumpers in such a way that they can perform only secondary vibrations. The movement of the sensor electrodes occurs when the intermediate body oscillates in two planes due to the action of the Coriolis force upon rotation of the base. The gyroscope is capable of measuring one component of the angular velocity, since the design of the gyroscope has two degrees of freedom.

Наиболее близким аналогом является интегральный микромеханический гироскоп [US 6691571 В2, МПК G01C 19/5747, опубл. 02.10.2003], выполненный из полупроводникового материала и содержащий закрепленную на диэлектрическом основании при помощи упругих перемычек рамку, с расположенными на ней гребенчатыми структурами вибропривода, промежуточное тело, закрепленное на упругих перемычках внутри рамки, и инерционное тело, которое расположено на упругих перемычках внутри промежуточного тела, а также закреплено через упругие перемычки в неподвижных анкерах. Для детектирования полезного сигнала используются сенсорные электроды, подвижные части которых расположены на инерционном теле, а неподвижные зафиксированы на диэлектрическом основании. Упругий подвес гироскопа имеет такую конструкцию, что рамка может совершать только первичные колебания, а инерционное тело только вторичные. Обеспечение двух степеней свободы конструкции позволяет гироскопу измерять только одну составляющую угловой скорости.The closest analogue is an integrated micromechanical gyroscope [US 6691571 B2, IPC G01C 19/5747, publ. 02.10.2003], made of a semiconductor material and containing a frame fixed on a dielectric base with elastic jumpers, with comb structures of a vibrodrive located on it, an intermediate body fixed on elastic jumpers inside the frame, and an inertial body located on elastic jumpers inside the intermediate body, and also fixed through elastic jumpers in fixed anchors. To detect the useful signal, sensor electrodes are used, the moving parts of which are located on the inertial body, and the stationary ones are fixed on the dielectric base. The elastic suspension of the gyroscope has such a design that the frame can only perform primary oscillations, and the inertial body can only secondary. Providing two degrees of freedom of design allows the gyroscope to measure only one component of the angular velocity.

Недостатком данных гироскопов является невозможность измерения двух составляющих угловой скорости.The disadvantage of these gyroscopes is the inability to measure two components of the angular velocity.

Задача предлагаемого изобретения - обеспечение измерения двух составляющих угловой скорости.The objective of the invention is the provision of measurement of two components of the angular velocity.

Предложенный интегральный микромеханический гироскоп, так же как в прототипе, выполнен из полупроводникового материала и содержит рамку, закрепленную в неподвижных анкерах через упругие перемычки (4). На рамке выполнены гребенчатые структуры вибропривода. Первое промежуточное тело (7) закреплено на упругих перемычках (9) внутри рамки, а первое инерционное тело (11) расположено на упругих перемычках (12) внутри первого промежуточного тела (7) и связано с неподвижными анкерами (13) через упругие перемычки (14). На первом инерционном теле (11) выполнены подвижные части сенсорных электродов (15), неподвижные части которых закреплены на диэлектрическом основании. Анкеры, неподвижные части вибропривода, неподвижные части сенсорных электродов зафиксированы на диэлектрическом основании.The proposed integrated micromechanical gyroscope, as in the prototype, is made of a semiconductor material and contains a frame fixed in fixed anchors through elastic jumpers (4). On the frame, comb structures of the vibrodrive are made. The first intermediate body (7) is mounted on elastic jumpers (9) inside the frame, and the first inertial body (11) is located on elastic jumpers (12) inside the first intermediate body (7) and is connected to fixed anchors (13) through elastic jumpers (14) ) On the first inertial body (11), the movable parts of the sensor electrodes (15) are made, the fixed parts of which are fixed on a dielectric base. Anchors, fixed parts of the vibrator, fixed parts of the sensor electrodes are fixed on a dielectric base.

Согласно изобретению внутри рамки дополнительно расположено второе промежуточное тело (8), которое связано с рамкой через упругие перемычки (10). Второе инерционное тело (16) расположено внутри второго промежуточного тела (8) и связано с ним через упругие перемычки (17), а также связано с неподвижными анкерами (18) через упругие перемычки (19). Под вторым инерционным телом (16) расположен неподвижный планарный электрод, закрепленный на диэлектрическом основании.According to the invention, a second intermediate body (8) is additionally located inside the frame, which is connected to the frame through elastic jumpers (10). The second inertial body (16) is located inside the second intermediate body (8) and is connected with it through elastic jumpers (17), and is also connected with fixed anchors (18) through elastic jumpers (19). Under the second inertial body (16) there is a stationary planar electrode mounted on a dielectric base.

Рамка, инерционные и промежуточные тела, а также упругие перемычки и подвижные части гребенчатых структур расположены с зазором относительно диэлектрического основания и выполнены из полупроводникового материала.The frame, inertial and intermediate bodies, as well as elastic jumpers and moving parts of the comb structures are located with a gap relative to the dielectric base and are made of semiconductor material.

Предложенный вариант конструкции интегрального микромеханического гироскопа, который содержит дополнительно второе промежуточное тело и второе инерционное тело позволяет устройству измерять две составляющие угловой скорости.The proposed design of the integrated micromechanical gyroscope, which additionally contains a second intermediate body and a second inertial body, allows the device to measure two components of the angular velocity.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема интегрального микромеханического гироскопа.In FIG. 1 is a schematic diagram of an integrated micromechanical gyroscope.

Интегральный микромеханический гироскоп, выполненный из полупроводникового материала, содержит рамку 1, закрепленную на диэлектрическом основании 2 в неподвижных анкерах 3 через упругие перемычки 4. На рамке 1 расположены подвижные части гребенчатых структур 5 и 6 вибропривода. Неподвижные части вибропривода закреплены на диэлектрическом основании 2. Внутри рамки расположены первое 7 и второе 8 промежуточные тела. Первое промежуточное тело 7 связано с рамкой 1 через упругие перемычки 9. Второе промежуточное тело 8 связано с рамкой 1 через упругие перемычки 10. Первое инерционное тело 11 расположено внутри первого промежуточного тела 7 и связано с ним через упругие перемычки 12, а также связано с неподвижными анкерами 13 через упругие перемычки 14. На первом инерционном теле 11 выполнены подвижные части сенсорных электродов 15, неподвижные части которых закреплены на диэлектрическом основании 2. Второе инерционное тело 16 расположено внутри второго промежуточного тела 8 и связано с ним через упругие перемычки 17, также связано с неподвижными анкерами 18 через упругие перемычки 19. Под вторым инерционным телом 16 расположен неподвижный планарный электрод 20.An integrated micromechanical gyroscope made of a semiconductor material contains a frame 1 mounted on a dielectric base 2 in fixed anchors 3 through elastic jumpers 4. On the frame 1 are the moving parts of the comb structures 5 and 6 of the vibrodrive. The fixed parts of the vibrator are fixed on the dielectric base 2. Inside the frame are the first 7 and second 8 intermediate bodies. The first intermediate body 7 is connected to the frame 1 through the elastic jumpers 9. The second intermediate body 8 is connected to the frame 1 through the elastic jumpers 10. The first inertial body 11 is located inside the first intermediate body 7 and is connected with it through the elastic jumpers 12, and is also connected with fixed anchors 13 through elastic jumpers 14. On the first inertial body 11, movable parts of the sensor electrodes 15 are made, the fixed parts of which are fixed on the dielectric base 2. The second inertial body 16 is located inside the second intermediate body 8 and is connected with it through elastic jumpers 17, is also connected with fixed anchors 18 through elastic jumpers 19. Under the second inertial body 16 there is a stationary planar electrode 20.

Неподвижные анкеры 3, 13 и 18, неподвижные части 5 и 6 вибропривода, неподвижные части сенсорных электродов 15 и планарный электрод 20 зафиксированы на диэлектрическом основании 2.The fixed anchors 3, 13 and 18, the stationary parts 5 and 6 of the vibrator, the fixed parts of the sensor electrodes 15 and the planar electrode 20 are fixed on the dielectric base 2.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Рамка 1 вместе с промежуточными телами 7 и 8 совершают первичные колебания, вектор мгновенной скорости которых направлен вдоль оси Y. Первичные колебания возбуждаются электростатическими силами, действующими со стороны вибропривода 5 и 6. При наличии угловой скорости Ω_z вектор мгновенной скорости промежуточного тела 7 не совпадает с направлением оси Y, а имеет проекцию на ось X вследствие действия на него силы Кориолиса. Вследствие большой жесткости упругих перемычек 12 в направлении оси X инерционное тело 11 совершает колебания, вектор мгновенной скорости которых направлен вдоль оси X и равен по величине проекции мгновенной скорости промежуточного тела 7 на ось X. При этом амплитуда перемещений инерционного тела 11 пропорциональна угловой скорости Ω_z. Вследствие малой жесткости упругих перемычек 12 и большой жесткости упругих перемычек 14 в направлении оси Y инерционное тело 11 не участвует в первичном движении. Для регистрации перемещений инерционного тела 11 предусмотрены сенсорные электроды 15.Frame 1 together with the intermediate bodies 7 and 8 perform primary oscillations, the instantaneous velocity vector of which is directed along the Y axis. The primary oscillations are excited by electrostatic forces acting from the side of the vibrator 5 and 6. In the presence of an angular velocity Ω _z, the instantaneous velocity vector of the intermediate body 7 does not coincide with the direction of the Y axis, and has a projection onto the X axis due to the action of the Coriolis force on it. Due to the high rigidity of the elastic bridges 12 in the direction of the X axis, the inertial body 11 oscillates, the instantaneous velocity vector of which is directed along the X axis and is equal in magnitude to the projection of the instantaneous speed of the intermediate body 7 on the X axis. Moreover, the amplitude of the inertial body 11 is proportional to the angular velocity Ω _z . Due to the low stiffness of the elastic bridges 12 and the high stiffness of the elastic bridges 14 in the direction of the Y axis, the inertial body 11 is not involved in the primary motion. To register the movements of the inertial body 11, sensor electrodes 15 are provided.

При наличии угловой скорости Ω_x вектор мгновенной скорости промежуточного тела 8 не совпадает с направлением оси Y, а имеет проекцию на ось Z вследствие действия на него силы Кориолиса. Вследствие большой жесткости упругих перемычек 17 в направлении оси Z инерционное тело 16 совершает колебания, вектор мгновенной скорости которых направлен вдоль оси Z и равен по величине проекции мгновенной скорости промежуточного тела 8 на ось Z. При этом амплитуда перемещений инерционного тела 16 пропорциональна угловой скорости Ω_x. Вследствие малой жесткости упругих перемычек 17 и большой жесткости упругих перемычек 19 в направлении оси Y инерционное тело 16 не участвует в первичном движении. Для регистрации перемещений инерционного тела 16 предусмотрен планарный электрод 20, подвижной частью сенсорной емкости является само инерционное тело 16.In the presence of an angular velocity Ω _x, the instantaneous velocity vector of the intermediate body 8 does not coincide with the direction of the Y axis, but has a projection onto the Z axis due to the Coriolis force acting on it. Due to the high stiffness of the elastic jumpers 17 in the direction of the Z axis, the inertial body 16 oscillates, the instantaneous velocity vector of which is directed along the Z axis and is equal in magnitude to the projection of the instantaneous speed of the intermediate body 8 onto the Z axis. Moreover, the amplitude of the inertial body 16 is proportional to the angular velocity Ω _x . Due to the low stiffness of the elastic bridges 17 and the high stiffness of the elastic bridges 19 in the direction of the Y axis, the inertial body 16 is not involved in the primary motion. To register the movements of the inertial body 16, a planar electrode 20 is provided, the moving part of the sensor capacitance is the inertial body 16 itself.

Наличие в конструкции двух инерционных тел 11 и 16 позволяет устройству измерять две составляющие угловой скорости Ω_z и Ω_x.The presence in the design of two inertial bodies 11 and 16 allows the device to measure two components of the angular velocity Ω _z and Ω _x .

Claims

An integrated micromechanical gyroscope made of a semiconductor material contains a frame fixed to a dielectric base in fixed anchors through elastic jumpers (4), comb structures of a vibrodrive are made on the frame, the first intermediate body (7) is mounted on elastic jumpers (9) inside the frame, and the first inertial body (11) is located on the elastic bridges (12) inside the first intermediate body (7) and is connected to the fixed anchors (13) through the elastic bridges (14), on the first inertial body (11) movable parts of the sensor electrodes (15), the fixed parts of which are fixed on the dielectric base, while the anchors, the fixed parts of the vibrodrive, the fixed parts of the sensor electrodes are fixed on the dielectric base, characterized in that the second intermediate body (8) is additionally located inside the frame, which is connected with a frame through elastic bridges (10), the second inertial body (16) is located inside the second intermediate body (8) and is connected with it through elastic bridges (17), and is also connected with the fixed anchors mi (18) through the elastic jumpers (19), under the second inertial body (16) is a stationary planar electrode mounted on a dielectric base.