RU2684427C1 - Sensitive element of a microelectromechanical angular speed sensor - Google Patents
Sensitive element of a microelectromechanical angular speed sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2684427C1 RU2684427C1 RU2018119226A RU2018119226A RU2684427C1 RU 2684427 C1 RU2684427 C1 RU 2684427C1 RU 2018119226 A RU2018119226 A RU 2018119226A RU 2018119226 A RU2018119226 A RU 2018119226A RU 2684427 C1 RU2684427 C1 RU 2684427C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inertial mass
- suspensions
- base
- hole
- angular velocity
- Prior art date
Links
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 35
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000010360 secondary oscillation Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
- G01C19/5621—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks the devices involving a micromechanical structure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно, к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости.The invention relates to the field of measuring technology and microsystem technology, namely, to integral measuring elements of the magnitude of the angular velocity.
Известен чувствительный элемент, описанный в полезной модели пол названием «Микромеханический гироскоп-акселерометр» [патент на полезную модель РФ №81799 МПК (2006.01) G01C 19/56, опубликован 27.03.2009 г.], содержащий основание (плата), с закрепленными неподвижными электродами, взаимодействующими с подвижными электродами, образующие гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы (пластины) со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, состоящую из подвесов (упругих балочек), обеспечивающих перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости.A known sensing element is described in the utility model with the name “Micromechanical Gyroscope-Accelerometer” [patent for utility model of the Russian Federation No. 81799 IPC (2006.01) G01C 19/56, published 03/27/2009], containing a base (board), with fixed fixed electrodes interacting with moving electrodes, forming comb systems of excitation and measurement of vibrations, inertial mass made in the form of a board (plate) with a through hole, located with a gap relative to the base and connected with it through a system of elastic suspensions, consisting of suspensions (elastic beams), providing movement of the inertial mass along mutually perpendicular intersecting axes, coinciding with the symmetry axes of the inertial mass and lying in its plane.
Упругие перемычки одними концами прикреплены к инерционной массе, а другими концами через промежуточные элементы к основанию. В инерционной массе по осям ее симметрии выполнены четыре сквозные прорези от периферии пластины к ее центру, внутри которых размещены упругие перемычки, образующие подвес, позволяющий инерционной массе совершать колебания как в плоскости пластины из кремния, так и ортогонально к ней.Elastic jumpers at one end are attached to the inertial mass, and at the other ends through intermediate elements to the base. In the inertial mass along its symmetry axes, four through slots are made from the periphery of the plate to its center, inside of which are placed elastic jumpers forming a suspension, which allows the inertial mass to oscillate both in the plane of the silicon plate and orthogonal to it.
Достоинством известного изобретения является возможность измерения не только угловой скорости, но и линейного ускорения по одной оси за счет введения в конструкцию дополнительных емкостных датчиков перемещений акселерометрического канала.An advantage of the known invention is the ability to measure not only angular velocity, but also linear acceleration along one axis due to the introduction of additional capacitive displacement sensors of the accelerometer channel.
Однако известное устройство имеет ряд недостатков: расположение мест крепления инерционной массы к плате (анкеров) на значительном расстоянии друг от друга, что увеличивает габаритные размеры устройства и погрешности измерения, связанные с дрейфом разности рабочих частот при температурных воздействиях, обусловленным разностью температурных коэффициентов термического расширения материалов платы и инерционной массы. Также кремниевая инерционная масса имеет малые габаритные размеры, что уменьшает девиацию выходного сигнала устройства.However, the known device has several disadvantages: the location of the attachment points of the inertial mass to the board (anchors) at a considerable distance from each other, which increases the overall dimensions of the device and measurement errors associated with the drift of the difference in operating frequencies under temperature effects due to the difference in temperature coefficients of thermal expansion of materials board and inertial mass. Also, the silicon inertial mass has small overall dimensions, which reduces the deviation of the output signal of the device.
Известен чувствительный элемент, описанный в полезной модели под названием «Микромеханический гироскоп» [патент на полезную модель РФ №23974, МПК (2000.01) G01C 19/56, опубликован 20.07.2002 г.], содержащий основание, с закрепленными неподвижными электродами, взаимодействующими с подвижными электродами, образующие гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, состоящую из подвесов, обеспечивающих перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости. Инерционная масса выполнена в форме квадрата, а система упругих подвесов состоит из внутренних, промежуточных и наружных подвесов.A known sensitive element described in a utility model called "Micromechanical Gyroscope" [patent for utility model of the Russian Federation No. 23974, IPC (2000.01) G01C 19/56, published July 20, 2002] containing a base, with fixed stationary electrodes interacting with movable electrodes forming comb systems of excitation and measurement of vibrations, inertial mass made in the form of a board with a through hole, located with a gap relative to the base and connected with it through a system of elastic suspensions, consisting of a suspension in providing the movement of the inertial mass along mutually perpendicular intersecting axes, which coincide with the axes of symmetry of the inertial mass and lying in its plane. The inertial mass is made in the form of a square, and the system of elastic suspensions consists of internal, intermediate and external suspensions.
Достоинством является малый коэффициент перекрестных связей между осями возбуждения и измерения за счет использования оригинальной схемы размещения упругих подвесов.The advantage is the low coefficient of cross-links between the axes of excitation and measurement due to the use of the original layout of the elastic suspensions.
Однако, как и у предыдущего аналога, расположение мест крепления инерционной массы к плате (анкеров) на значительном расстоянии влияют на увеличение габаритных размеров устройства и погрешность измерения, а выполнение кремниевой инерционной массы с малыми габаритными размерами, уменьшают девиацию выходного сигнала устройства.However, as with the previous analogue, the location of the attachment points of the inertial mass to the board (anchors) at a considerable distance affects the increase in the overall dimensions of the device and the measurement error, and the execution of silicon inertial mass with small overall dimensions reduces the deviation of the output signal of the device.
Данное техническое решение выбрано за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.This technical solution is chosen for the prototype, as the closest in technical essence to the claimed.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика угловой скорости., обеспечивающею уменьшение габаритно-массовых характеристик.The problem to which the invention is directed, is to create a sensitive element of a microelectromechanical angular velocity sensor., Providing a decrease in overall mass characteristics.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является увеличение точности, за счет увеличения девиации выходного сигнала, уменьшения коэффициента перекрестных связей между осями возбуждения и измерения, температурного дрейфа разности рабочих частот. Также заявляемое изобретение позволяет уменьшить габаритные размеры чувствительного элемента, за счет его оригинальной компоновки.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase accuracy by increasing the deviation of the output signal, reducing the coefficient of cross-links between the axes of excitation and measurement, temperature drift of the difference in operating frequencies. Also, the claimed invention allows to reduce the overall dimensions of the sensitive element, due to its original layout.
Указанный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, с закрепленными неподвижными электродами, взаимодействующими с подвижными электродами, образующие гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, состоящую из подвесов, обеспечивающих перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, согласно изобретению сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.The specified technical result is achieved in that the sensitive element of the microelectromechanical angular velocity sensor contains a base, with fixed stationary electrodes interacting with the movable electrodes, forming comb systems of excitation and vibration measurement, inertial mass made in the form of a board with a through hole located with a gap relative to the base and associated with it through a system of elastic suspensions, consisting of suspensions, providing the movement of inertial mass according to the invention, the through hole is made in the center of the inertial mass, inside the through hole are a system of elastic suspensions and comb systems of excitation and vibration measurement, the movable electrodes of which are mounted on suspensions some of which are fixed on the base, and others - on the inertial mass.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».The presence in the claimed invention features that distinguish it from the prototype, allows us to consider it appropriate to the condition of "novelty."
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».New features that contain a distinctive part of the claims are not identified in technical solutions for a similar purpose, on this basis we can conclude that the claimed invention meets the condition of "inventive step".
Изобретение иллюстрируется чертежами:The invention is illustrated by drawings:
на фиг. 1 представлен вид сверху на чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости.in FIG. 1 is a top view of a sensitive element of a microelectromechanical angular velocity sensor.
Чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание 1, инерционную массу 2, установленную на системе упругих подвесов, и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний.The sensitive element of the microelectromechanical angular velocity sensor contains a
Инерционная масса 2 выполнена в виде платы со сквозным отверстием, внутри которого расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, расположена с зазором относительно основания 1 и связана с ним через систему упругих подвесов.The
Система упругих подвесов состоит из подвесов 3, позволяющих инерционной массе 2 перемещаться в направлении оси ОХ, подвесов 4, позволяющих инерционной массе 2 перемещаться в направлении оси OY, и компенсирующих подвесов 5, исключающих взаимное влияние перемещений инерционной массы 2 по осям ОХ и OY. Подвесы 3, 4 зафиксированы на основании 1, а компенсирующие подвесы 5 зафиксированы в центре внутренних сторон инерционной массы 2.The system of elastic suspensions consists of
Гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний состоят из электродов возбуждения и измерительных электродов соответственно.Comb systems of excitation and measurement of vibrations consist of excitation electrodes and measuring electrodes, respectively.
Электроды возбуждения имеют треугольную форму с целью увеличения электростатической силы, действующей на инерционную массу 2 при возбуждении вынужденных первичных колебаний. Измерительные электроды необходимы для измерения амплитуды вторичных колебаний и представляют собой дифференциальный емкостный измеритель, позволяющий проводить измерения по мостовой схеме Уитстона. При этом система упругих подвесов сконструирована таким образом, что перекрестная связь между первичными и вторичными колебаниями была минимальной.The excitation electrodes have a triangular shape in order to increase the electrostatic force acting on the
Электроды возбуждения и измерительные электроды состоят из неподвижных 6, 7 и подвижных 8, 9 электродов соответственно. Неподвижные электроды 6, 7 зафиксированы на основании 1, а подвижные электроды 8, 9 установлены на подвесах 3 и 4 и дополнительно на компенсирующих подвесах 5.Excitation electrodes and measuring electrodes consist of fixed 6, 7 and moving 8, 9 electrodes, respectively. The
В местах крепления подвесов 4 к основанию 1 выполнены противоударные упоры 10, ограничивающие амплитуду колебаний по осям ОХ и OY с целью предотвращения слипания измерительных электродов 7 и 9 или заклинивания электродов возбуждения 6 и 8 при нерегламентированных ударных воздействиях.At the points of attachment of the
Принцип действия чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика угловой скорости основан на измерении параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции.The principle of operation of the sensitive element of the microelectromechanical angular velocity sensor is based on measuring vibration parameters caused by the Coriolis inertia forces.
Устройство работает следующим образомThe device operates as follows
На электроды возбуждения 6 и 8 подают синусоидальный электрический сигнал с частотой, равной первой собственной частоте колебаний инерционной массы 2. Под воздействием сигнала инерционная масса 2 совершает с помощью подвесов 4 первичные колебания вдоль оси возбуждения OY.
При воздействии на чувствительный элемент угловой скорости вокруг оси OZ на инерционную массу 2 воздействует сила Кориолиса, под воздействием которой характер движения инерционной массы 2 изменяется с линейного вдоль оси OY на эллиптический - появляется периодическая составляющая движения вдоль оси чувствительности ОХ, то есть инерционная масса 2 за счет подвесов 3 совершает вторичные колебания вдоль оси чувствительности ОХ.When the angular velocity around the OZ axis is affected by the sensor, the
При этом компенсирующие подвесы 5 исключают взаимное влияние перемещений инерционной массы 2 вдоль осей ОХ и OY, то есть при отсутствии воздействия на чувствительный элемент угловой скорости появление вторичных колебаний невозможно, а при действии угловой скорости вторичные колебания не влияют на амплитуду первичных колебаний.At the same time, the compensating
Амплитуда вторичных колебаний фиксируется с помощью измерительных электродов 7 и 9, представляющих собой конденсаторы с воздушным зазором, емкость которых меняется при изменении ширины воздушного зазора за счет движения инерционной массы 2 вдоль оси ОХ. В результате, происходит преобразование угловой скорости в девиацию емкости выходною сигнала.The amplitude of the secondary vibrations is fixed using measuring
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области измерительной и микросистемной техники, а именно в интегральных измерительных элементах величины угловой скорости;- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is intended for use in the field of measuring and microsystem technology, namely in the integral measuring elements of the magnitude of the angular velocity;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;- for the claimed device in the form described in the independent claim, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date has been confirmed;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить увеличение точности измерения угловой скорости и уменьшение габаритно-массовых характеристик.- a tool embodying the claimed invention in the implementation, is able to provide an increase in the accuracy of measuring angular velocity and a decrease in overall mass characteristics.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018119226A RU2684427C1 (en) | 2018-05-24 | 2018-05-24 | Sensitive element of a microelectromechanical angular speed sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018119226A RU2684427C1 (en) | 2018-05-24 | 2018-05-24 | Sensitive element of a microelectromechanical angular speed sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2684427C1 true RU2684427C1 (en) | 2019-04-09 |
Family
ID=66090202
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018119226A RU2684427C1 (en) | 2018-05-24 | 2018-05-24 | Sensitive element of a microelectromechanical angular speed sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2684427C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2774102C1 (en) * | 2021-06-07 | 2022-06-15 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Sensing element of the micromechanical accelerometer |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU23974U1 (en) * | 2001-12-13 | 2002-07-20 | Акционерное общество закрытого типа "ГИРООПТИКА" | MICROMECHANICAL GYROSCOPE |
RU30972U1 (en) * | 2003-02-04 | 2003-07-10 | Закрытое акционерное общество "Гирооптика" | Micromechanical gyroscope |
RU160952U1 (en) * | 2015-03-23 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | RESONATOR MICROMECHANICAL ACCELEROMETER |
US20170108530A1 (en) * | 2015-10-14 | 2017-04-20 | Stmicroelectronics S.R.L. | Microelectromechanical sensor device with reduced stress sensitivity |
-
2018
- 2018-05-24 RU RU2018119226A patent/RU2684427C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU23974U1 (en) * | 2001-12-13 | 2002-07-20 | Акционерное общество закрытого типа "ГИРООПТИКА" | MICROMECHANICAL GYROSCOPE |
RU30972U1 (en) * | 2003-02-04 | 2003-07-10 | Закрытое акционерное общество "Гирооптика" | Micromechanical gyroscope |
RU160952U1 (en) * | 2015-03-23 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | RESONATOR MICROMECHANICAL ACCELEROMETER |
US20170108530A1 (en) * | 2015-10-14 | 2017-04-20 | Stmicroelectronics S.R.L. | Microelectromechanical sensor device with reduced stress sensitivity |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2774102C1 (en) * | 2021-06-07 | 2022-06-15 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Sensing element of the micromechanical accelerometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9874459B2 (en) | Actuation and sensing platform for sensor calibration and vibration isolation | |
EP3044542B1 (en) | Improved gyroscope structure and gyroscope | |
US20060169041A1 (en) | Combined gyroscope and 2-axis accelerometer | |
US11015933B2 (en) | Micromechanical detection structure for a MEMS sensor device, in particular a MEMS gyroscope, with improved driving features | |
US9315376B2 (en) | Planar structure for a triaxial gyrometer | |
EP3353557B1 (en) | Improved microelectromechanical accelerometer device | |
EP3792638B1 (en) | Low-noise multi axis mems accelerometer | |
KR101328642B1 (en) | Mems resonating accelerometer | |
WO2002095331A1 (en) | Counterbalanced silicon tuned multiple accelerometer-gyro | |
Christensen et al. | Hermetically encapsulated differential resonant accelerometer | |
KR101915954B1 (en) | MEMS based 3-axis accelerometer | |
JP6606601B2 (en) | Acceleration sensor | |
RU154143U1 (en) | SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL ACCELEROMETER | |
RU2684427C1 (en) | Sensitive element of a microelectromechanical angular speed sensor | |
RU2543686C1 (en) | Micromechanical accelerometer | |
RU204922U1 (en) | SENSING ELEMENT OF A THREE-AXIS MICROMECHANICAL ACCELEROMETER | |
Nekrasov et al. | MEMS gyro vibration immunity and its measurement with TIRA shaker | |
FI126557B (en) | Improved gyroscope structure and gyroscope | |
RU2774102C1 (en) | Sensing element of the micromechanical accelerometer | |
US11099013B2 (en) | One-axis and two-axis rotation rate sensor | |
US10345105B2 (en) | Simplified time domain switched ring/disk resonant gyroscope | |
RU145145U1 (en) | MICROELECTROMECHANICAL GYROSCOPE | |
RU2800399C1 (en) | Angular accelerometer sensing element | |
RU131875U1 (en) | VIBRATION FREQUENCY MICROMECHANICAL ACCELEROMETER | |
RU2795747C1 (en) | Three-component piezoelectric accelerometer |