[go: up one dir, main page]

RU2556334C1 - Sensitive element of microsystem gyroscope - Google Patents

Sensitive element of microsystem gyroscope Download PDF

Info

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
Application number
RU2014113142/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Дмитриевич Вавилов
Алексей Александрович Грязев
Сергей Иванович Гайнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ
Priority to RU2014113142/28A priority Critical patent/RU2556334C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2556334C1 publication Critical patent/RU2556334C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation.SUBSTANCE: sensitive element of a microsystem gyroscope comprises a case silicon plate, external and internal movable frames symmetrically located inside each other and separated with even gaps, at the same time the external frame is connected to the base silicon plate and to the internal frame by means of elastic torsions, longitudinal axes of each pair of torsions are mutually perpendicular, between the case silicon plate and the movable frames there is a gap formed by means of through anisotropic etching, to one side the case silicon plate an insulating liner is rigidly attached with applied fixed conducting electrodes of the electrostatic power converter setting forced oscillations of the internal frame, at the same time at both sides of the case silicon plate there are insulation liners attached, onto which electrodes of the electrostatic power converter are applied, which set forced oscillations of the internal frame, electrodes of the capacitance converter of movements and electrodes of the power electrostatic converter of feedback, the external movable frame is a movable conducting electrode of the electrostatic power converter of feedback, compensating the torque from action of Coriolis force, and the movable conducting electrode of the capacitance converter of movements.EFFECT: increased accuracy of measurements.2 dwg

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: electrodes 7 of an electrostatic power converter; electrodes 8 of a capacitive displacement transducer; electrodes 9 for exciting forced vibrations of the inner frame. Through the contact pads, the electrodes 7, 8 and 9 are included respectively in the electrical circuit. Between the silicon wafer 1 and the electrodes on the insulating lining 6, when connected, a gap h is provided. Depending on the measurement limit of the microsystem gyroscope, this gap is selected from 5 to 25 micrometers.

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:

Figure 00000001
Figure 00000001

где M Э Л = 2 ε ε 0 F L U o n U max h 2

Figure 00000002
- момент электростатического преобразователя отработки; ε - диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между проводящей подвижной рамкой силового преобразователя и неподвижным электродом силового преобразователя на изоляционной обкладке; ε0 - диэлектрическая постоянная; F - площадь неподвижного электрода силового преобразователя; Uоп - величина опорного напряжения; Umax - максимальное значение выходного напряжения; h - зазор между проводящей подвижной рамкой силового преобразователя и неподвижным электродом силового преобразователя; Мупр - момент сил упругости торсионов; δΣ - требуемая величина суммарной относительной погрешности, внутренняя рамка с обеих сторон металлизирована так, что ее полярный момент инерции определяется следующим соотношением:Where M E L = 2 ε ε 0 F L U o n U max h 2
Figure 00000002
- the moment of the electrostatic converter; ε is the dielectric constant of the medium in the gap between the conductive movable frame of the power converter and the stationary electrode of the power converter on the insulating lining; ε 0 is the dielectric constant; F is the area of the fixed electrode of the power converter; U op - the value of the reference voltage; U max - the maximum value of the output voltage; h is the gap between the conductive movable frame of the power converter and the stationary electrode of the power converter; M control - the moment of elastic forces of the torsion; δ Σ is the required value of the total relative error, the inner frame on both sides is metallized so that its polar moment of inertia is determined by the following relation:

Figure 00000003
Figure 00000003

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)

Чувствительный элемент микросистемного гироскопа, 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 и с внутренней рамкой посредством упругих торсионов, продольные оси каждой пары торсионов взаимно перпендикулярны, 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 рамки, отличающийся тем, что на обе стороны корпусной кремниевой пластины присоединены изоляционные обкладки, на которые нанесены электроды электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамки, 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. A microsystem gyroscope sensitive element containing a silicon case wafer, external and internal movable frames symmetrically located inside each other and separated by uniform gaps, while the external frame is connected to the silicon wafer and the internal frame by means of elastic torsions, the longitudinal axes of each pair of torsions are mutually perpendicular, between the case silicon wafer and moving frames, a gap is formed through anisotropic etching, on one side of the body A silicon wafer is rigidly connected to an insulating cover with fixed conductive electrodes of an electrostatic power transducer applied to it, which determines the forced vibrations of the internal frame, characterized in that insulating plates are applied to both sides of the silicon wafer, on which electrodes of the electrostatic power transducer are applied, which determine the forced vibrations of the internal frames, electrodes of capacitive displacement transducer and electrodes of power elec of the feedback static converter, the external movable frame is the moving conductive electrode of the electrostatic power feedback converter, compensating for the moment from the action of the Coriolis force, and the moving conductive electrode of the capacitive displacement transducer.
RU2014113142/28A 2014-04-03 2014-04-03 Sensitive element of microsystem gyroscope RU2556334C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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