RU2556334C1 - Sensitive element of microsystem gyroscope - Google Patents
Sensitive element of microsystem gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556334C1 RU2556334C1 RU2014113142/28A RU2014113142A RU2556334C1 RU 2556334 C1 RU2556334 C1 RU 2556334C1 RU 2014113142/28 A RU2014113142/28 A RU 2014113142/28A RU 2014113142 A RU2014113142 A RU 2014113142A RU 2556334 C1 RU2556334 C1 RU 2556334C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- frame
- movable
- external
- internal
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 9
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в интегральных гироскопах вибрационного типа.The invention relates to measuring technique and may find application in vibration-type integrated gyroscopes.
Известен чувствительный элемент планарного инерциального датчика [1], содержащий слоистую структуру стекло-кремний-стекло, причем подвижный узел выполнен из монокремния и состоит из двух рамок: внешней, подвижной, подвешенной к несущей пластине на двух торсионах, и внутренней, подвижной, подвешенной на двух торсионах к внешней. Несущая пластина крепится жестко к неподвижному основанию с помощью электростатической сварки.A known sensitive element of a planar inertial sensor [1], containing a layered glass-silicon-glass structure, wherein the movable assembly is made of monosilicon and consists of two frames: external, movable, suspended from the carrier plate on two torsion bars, and internal, movable, suspended on two torsion bars to the outside. The carrier plate is fixed rigidly to the fixed base by electrostatic welding.
Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная потерями колебательной энергии рамок, отдаваемой в корпусную пластину.The disadvantage of this device is the low accuracy due to the loss of vibrational energy of the frames given to the body plate.
Наиболее близким к заявляемому изобретению может служить чувствительный элемент микросистемного гироскопа [2], содержащий корпусную кремниевую пластину, симметрично расположенные внутри друг друга и разделенные равномерными зазорами внешнюю и внутреннюю подвижные рамки, при этом внешняя рамка соединена с корпусной кремниевой пластиной посредством первой пары упругих торсионов и одновременно посредством второй пары упругих торсионов соединена с внутренней рамкой, причем продольные слои каждой пары торсионов взаимно перпендикулярны, между корпусной кремниевой пластиной и подвижными рамками образован посредством сквозного анизотропного травления зазор, с одной стороны корпусной кремниевой пластины жестко присоединена изоляционная обкладка с нанесенными на нее неподвижными проводящими электродами силового преобразователя, возбуждающего первичные колебания внутренней рамки, пьезоэлектрические датчики перемещения, расположенные на второй паре упругих торсионов снимают информацию о первичных колебаниях внутренней рамки для подстройки их частоты, а пьезоэлектрические датчики перемещения, расположенные на первой паре упругих торсионов, снимают информацию о вторичных колебаниях внешней и внутренней рамок, которые появляются во время воздействия вдоль оси, перпендикулярной плоскости корпусной кремниевой пластины, переносной угловой скорости.Closest to the claimed invention can serve as a sensitive element of a microsystem gyroscope [2], containing a silicon case wafer, external and internal movable frames symmetrically located inside each other and separated by uniform gaps, while the outer frame is connected to the silicon wafer by means of a first pair of elastic torsions and at the same time, by means of a second pair of elastic torsion bars connected to the inner frame, and the longitudinal layers of each pair of torsion bars are mutually perpendicular , a gap is formed between the silicon wafer and the movable frames through anisotropic etching; on one side of the silicon wafer there is a rigidly insulated sheath with fixed conductive electrodes of the power transducer that excites primary vibrations of the internal frame, piezoelectric displacement sensors located on the second pair of elastic torsions take information on the primary vibrations of the internal frame to adjust their frequency, and the piezoelectric The displacement transducers located on the first pair of elastic torsions take information about the secondary vibrations of the external and internal frames that appear during the action along the axis perpendicular to the plane of the silicon wafer, the angular velocity.
Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная тем, что в нем нет полной компенсации момента от кориолисовых сил моментом обратной связи, а также невозможно достижение заданной точности, достигаемой преобладанием жесткости электрической пружины над механической жесткостью упругих торсионов.A disadvantage of the known device is the low accuracy due to the fact that it does not fully compensate for the moment from Coriolis forces by the feedback moment, and it is also impossible to achieve the specified accuracy achieved by the predominance of the stiffness of the electric spring over the mechanical stiffness of the elastic torsion bars.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микросистемного гироскопа.The problem to which the invention is directed, is to increase the accuracy of the microsystem gyroscope.
Технический результат - компенсирование кориолисова момента и выполнение отношения жесткости электрической пружины к жесткости механического подвеса с заданной величиной, необходимой для достижения точности измерений.The technical result is the compensation of the Coriolis moment and the implementation of the ratio of the stiffness of the electric spring to the stiffness of the mechanical suspension with a predetermined value necessary to achieve measurement accuracy.
Этот технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе микросистемного гироскопа, содержащем корпусную кремниевую пластину, симметрично расположенные внутри друг друга и разделенные равномерными зазорами внешнюю и внутреннюю подвижные рамки, при этом внешняя рамка соединена с корпусной кремниевой пластиной и с внутренней рамкой посредством упругих торсионов, продольные оси каждой пары торсионов взаимно перепендикулярны, между корпусной кремниевой пластиной и подвижными рамками образован посредством сквозного анизотропного травления зазор, на одну сторону корпусной кремниевой пластины жестко присоединена изоляционная обкладка с нанесенными на нее неподвижными проводящими электродами электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамке, на обе стороны корпусной кремниевой пластины жестко присоединены изоляционные обкладки, на которые нанесены электроды электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамке, электроды емкостного преобразователя перемещений и электроды силового электростатического преобразователя обратной связи, внешняя подвижная рамка является подвижным проводящим электродом электростатического силового преобразователя обратной связи, компенсирующего момент от действия кориолисовой силы, и подвижным проводящим электродом емкостного преобразователя перемещений.This technical result is achieved by the fact that in the sensitive element of the microsystem gyroscope containing the silicon housing plate, the outer and inner movable frames symmetrically located inside each other and separated by uniform gaps, while the outer frame is connected to the silicon shell plate and to the inner frame by means of elastic torsions, the longitudinal axes of each pair of torsion bars are mutually perpendicular, between the silicon wafer and the movable frames formed by a through nizotropic etching a gap, on one side of the silicon case plate is rigidly connected an insulation plate with fixed conductive electrodes of an electrostatic power converter applied to it, which sets the oscillations of the internal frame, the insulation plates on which electrodes of the electrostatic power converter are applied are rigidly connected forcing forced oscillations of the inner frame, capacitive transducer electrodes eremescheny electrodes and the electrostatic force feedback transducer, external movable frame is movable conductive electrode electrostatic force feedback transducer, the compensating moment of action of the Coriolis force, and the movable conductive electrode capacitance displacement transducer.
По сравнению с известным происходит компенсирование кориолисова момента и выполнение отношения жесткости электрической пружины к жесткости механического подвеса с заданной величиной, площадь внешней рамки выполнена по требованию создания момента силовой отработки, достаточного для компенсирования момента кориолисовой силы, возникающей на внутренней рамке, и одновременно момент силовой отработки превосходит момент от сил упругости на величину, достаточную для обеспечения заданной точности.Compared with the known one, the Coriolis moment is compensated and the stiffness of the electric spring to the rigidity of the mechanical suspension is fulfilled with a predetermined value, the area of the outer frame is made at the request of creating a moment of power working out, sufficient to compensate for the moment of Coriolis force arising on the inner frame, and at the same time the time of power working out exceeds the moment from the elastic forces by an amount sufficient to ensure a given accuracy.
Предлагаемый чувствительный элемент микросистемного гироскопа иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2. На фиг.1 показан вид в плане подвижного узла чувствительного элемента, а на фиг.2 показана одна из двух изоляционных обкладок с нанесенными на ее поверхности проводящими электродами.The proposed sensor element of the microsystem gyroscope is illustrated by the drawings shown in figures 1 and 2. Figure 1 shows a plan view of the movable node of the sensor element, and figure 2 shows one of two insulating plates with conductive electrodes deposited on its surface.
Чувствительный элемент микросистемного гироскопа содержит (фиг.1) корпусную кремниевую пластину 1. Внутри корпусной кремниевой пластины 1 выполнены симметрично расположенные друг в друге подвижные внешняя рамка 2 и внутренняя рамка 3. Внешняя рамка 2 подвешена к корпусной пластине 1 с помощью торсионов 4, а внутренняя рамка 3 подвешена к внешней рамке 2 посредством торсионов 5. Продольные оси каждой пары торсионов 4 и 5 размещены перпендикулярно друг к другу. От корпусной кремниевой пластины 1 внешняя рамка 2, за исключением мест присоединения торсионов 5, отделена сквозными зазорами, получаемыми при анизотропном травлении. Также отделена внутренняя рамка 3 от внешней рамки 2 сквозными зазорами за исключением мест присоединения торсионов 4.The sensitive element of the microsystem gyroscope contains (Fig. 1) a case silicon wafer 1. Inside the case of silicon wafer 1, movable outer frame 2 and inner frame 3 are symmetrically arranged in each other. The outer frame 2 is suspended from the casing plate 1 using torsion bars 4, and the inner one frame 3 is suspended from the outer frame 2 by means of torsion bars 5. The longitudinal axis of each pair of torsion bars 4 and 5 are placed perpendicular to each other. From the silicon wafer 1, the outer frame 2, with the exception of the attachment points of the torsion bars 5, is separated by through gaps obtained by anisotropic etching. Also, the inner frame 3 is separated from the outer frame 2 through the gaps with the exception of the places of connection of the torsion bars 4.
Две одинаковые изоляционные обкладки (фиг.2) крепятся жестко с разных сторон к корпусной кремниевой пластине 1 посредством анодного соединения. Изоляционная обкладка 6 выполнена из ионосодержащего стекла или из непроводящего монокремния. На каждой пластине выполнены методом вакуумного напыления следующие проводящие электроды: электроды 7 электростатического силового преобразователя; электроды 8 емкостного преобразователя перемещений; электроды 9 для возбуждения принудительных колебаний внутренней рамки. Через контактные площадки электроды 7, 8 и 9 включаются соответственно в электрическую схему. Между корпусной кремниевой пластиной 1 и электродами на изоляционной обкладке 6 при их соединении выполняют зазор h. В зависимости от предела измерений микросистемного гироскопа этот зазор выбирают от 5 до 25 микрометров.Two identical insulating plates (Fig. 2) are fixed rigidly from different sides to the silicon case plate 1 by means of an anode connection. The insulating lining 6 is made of ion-containing glass or non-conductive monosilicon. The following conductive electrodes are made on each plate by vacuum deposition:
Внешняя подвижная рамка 2 в данной конструкции выполняет роль гирочувствительного узла, а внутренняя 3 - функции гиромотора, и приводится в принудительные колебания относительно оси у с помощью электростатического автогенератора. Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. При отсутствии угловой скорости Ω внутренняя рамка 3 совершает колебательные движения относительно оси у и не имеет их относительно оси х. Кориолисова ускорения при этом не возникает, момент силовой отработки, электростатического силового преобразователя должен превосходить величину упругого момента торсионов на величину обратного значения требуемой суммарной погрешности:The external movable frame 2 in this design acts as a gyro-sensitive unit, and the internal 3 as a gyromotor, and is forced into oscillations about the y axis using an electrostatic oscillator. The operation of the claimed device is as follows. In the absence of angular velocity Ω, the inner frame 3 oscillates with respect to the y axis and does not have them with respect to the x axis. Coriolis acceleration does not occur, the moment of power testing, of the electrostatic power converter must exceed the value of the elastic moment of the torsion bars by the reciprocal of the value of the required total error:
где
где ω - частота принудительных колебаний внутренней рамки; Ωmax - максимальное значение (предел) измеряемой угловой скорости.where ω is the frequency of forced vibrations of the inner frame; Ω max - the maximum value (limit) of the measured angular velocity.
При наличии поворотной скорости Ωz на внешней рамке 2 возникает знакопеременный гироскопический момент, возбуждающий в ней колебания относительно оси х. Частота этих колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний внутренней рамки 3, а амплитуда колебаний является пропорциональной поворотной скорости.In the presence of a rotational speed Ω z on the outer frame 2, an alternating gyroscopic moment arises, exciting in it oscillations about the x axis. The frequency of these oscillations coincides with the frequency of the forced oscillations of the inner frame 3, and the amplitude of the oscillations is proportional to the rotational speed.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №4598585, МПК G01P 15/02, НКИ 73/505, опубл. 08 июля 1986.1. US patent No. 4598585, IPC G01P 15/02, NKI 73/505, publ. July 08, 1986.
2. Патент США №5488862, МПК G01P 9/04, НКИ 73.504.02, опубл. 06 февраля 1996.2. US patent No. 5488862, IPC G01P 9/04, NKI 73.504.02, publ. February 06, 1996.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014113142/28A RU2556334C1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Sensitive element of microsystem gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014113142/28A RU2556334C1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Sensitive element of microsystem gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2556334C1 true RU2556334C1 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014113142/28A RU2556334C1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Sensitive element of microsystem gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2556334C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5488862A (en) * | 1993-10-18 | 1996-02-06 | Armand P. Neukermans | Monolithic silicon rate-gyro with integrated sensors |
RU2400708C1 (en) * | 2009-06-25 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ) | Micromechanical gyroscope |
US7805994B2 (en) * | 2007-06-01 | 2010-10-05 | Beijing Walkang Science And Technology Limited Company | Silicon micromechanical gyroscope |
RU2466354C1 (en) * | 2011-06-20 | 2012-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Microsystem gyroscope |
-
2014
- 2014-04-03 RU RU2014113142/28A patent/RU2556334C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5488862A (en) * | 1993-10-18 | 1996-02-06 | Armand P. Neukermans | Monolithic silicon rate-gyro with integrated sensors |
US7805994B2 (en) * | 2007-06-01 | 2010-10-05 | Beijing Walkang Science And Technology Limited Company | Silicon micromechanical gyroscope |
RU2400708C1 (en) * | 2009-06-25 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ) | Micromechanical gyroscope |
RU2466354C1 (en) * | 2011-06-20 | 2012-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Microsystem gyroscope |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9574879B2 (en) | MEMS angular inertial sensor operating in tuning fork mode | |
RU2580879C2 (en) | Microelectromechanical system for angular velocity sensor | |
US8739626B2 (en) | Micromachined inertial sensor devices | |
EP2063223B1 (en) | Angular velocity sensor | |
JP4288071B2 (en) | Yaw rate sensor | |
JP5123455B2 (en) | Microfabricated tuning fork gyroscope and associated triaxial inertial measurement system for detecting out-of-plane rotation | |
JP3061864B2 (en) | Micro mechanical rotation speed sensor | |
CN105556242B (en) | Gyroscope arrangement with improved quadrature compensation and gyroscope | |
EP2462408A2 (en) | Micromachined inertial sensor devices | |
JP2005292117A (en) | Gyro sensor, and sensor unit using same | |
JP2009530603A (en) | Biaxial vibratory gyroscope | |
RU2632264C1 (en) | Sensor with mobile sensitive component working in mixed vibration and pendular mode, and methods of controlling such sensor | |
US11835541B2 (en) | MEMS accelerometric sensor having high accuracy and low sensitivity to temperature and aging | |
KR20000075419A (en) | Microgyrocrope | |
RU2556334C1 (en) | Sensitive element of microsystem gyroscope | |
JP2017509878A (en) | Micromechanical component having split motion structure with galvanic isolation and driving method thereof | |
US9631929B2 (en) | Inertial sensor with nested seismic masses and method for manufacturing such a sensor | |
RU2466354C1 (en) | Microsystem gyroscope | |
RU2334197C1 (en) | Method of angular speed measurement and vibration gyro to this effect | |
RU2353903C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope | |
RU2573616C1 (en) | Inertial element | |
RU64787U1 (en) | VIBRATION GYROSCOPE FOR MEASURING ANGULAR SPEED | |
JP5193541B2 (en) | Angular velocity detector | |
RU2490592C1 (en) | Prof vavilov's microgyro | |
JP2007199077A (en) | Oscillation-type angular velocity sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160404 |