CC BY
159
6. Балычев В.Н., Зотов С.А., Морозова Е.С., Прокопьев ЕЛ., Тимошенков СЛ. Передаточные функции чувствительного элемента микромеханического вибрационного гироскопа LL-типа // Нано- и микросистемная техника.- 2007.- №9.- С. 32-34.
7. Коноплев Б.Г., Лысенко И.Е. Интегральный микромеханический гироскоп // Патент России №2266521, 2005. Бюл. №35.
Лысенко Игорь Евгеньевич
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: igor@fep.tsure.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 8(8634)311-584.
Lysenko Igor Evgenievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: igor@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)311-584.
УДК 621.3.049.77
И.Е. Лысенко ТЕОРИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ И ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ LR-ТИПА
Описаны принцип функционирования и интегральная конструкция двухосевого микромеханического гироскопа-акселерометра с двумя осями чувствительности LR -. элементов ММГА.
Метод; конструкция; микроэлектромеханические системы; сенсор; ги; .
I.E. Lysenko
THEORY OF MICROMACHINED GYROSCOPE-ACCELEROMETER
LR-TYPE
Principle of operation and design of two-axis micromechanical gyroscope-accelerometer LR-type is described. Gyroscope-accelerometer model are developed.
Method; design; microelectromechanical systems; sensor; gyroscope; accelerometer.
Одним из направлений развития инерциальных навигационных систем является применение в них микросистем. Интегрированные в подвижный объект микросистемы должны обеспечивать возможность регистрации всех пара-
метров движения объекта и обладать малыми массой и габаритными размерами [1-4].
Улучшить массогабаритные характеристики навигационных систем и обеспечить возможность регистрации параметров движения подвижного объекта по трем осям, можно применением интегральных многоосевых компо-.
только одноосевые микромеханические компоненты навигационных систем, то разработка интегральных многоосевых микроэлектромеханических гироскопов-акселерометров, с технической и экономической точек зрения, является значительной и актуальной задачей.
Микромеханические гироскопы (ММГ) LR(RL)-™na совмещают различные комбинации возвратно-поступательного и вращательного движений .
интегральной технологии изготовления микросистемной техники на одной подложке совместно с элементами интегральных схем [1-6].
Микромеханические сенсоры линейных ускорений, или микромеханиче-( ), -. R- -
рактеризуются угловым (вращательным) перемещением инерционной массы под действием внешнего ускорения вдоль оси чувствительности [1, 5].
Проведенный анализ принципов построения и конструкций микромеха-
LR- R-
[1-6] :
♦ в конструкциях интегральных микромеханических гироскопов и акселерометров применяются схожие конструктивные элементы (инерционные массы, упругие подвесы) и, следовательно, для их разработки могут быть применены одни и те же принципиальные схемы построения;
♦
сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений должны изготавливаться в рамках технологии поверхностной микрообработки;
♦ актуальной является разработка подходов к построению функционально интегрированных микромеханических гироскопов-
акселерометров (ММГА), обеспечивающих измерение угловых скоростей и линейных ускорений по двум или трем осями чувствитель-,
микроэлектромеханических систем и интегральных схем и позволяющих снизить массогабаритные характеристики микросистем, за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого интегрального сенсора.
Для обеспечения независимости первичные и вторичные колебания ИМ были предложены принципы построения микромеханических гироскопов с конфигурациями упругих подвесов, названных IDOS (Inside drive outside sense) и ISOD (Inside sense outside drive) [2].
Достоинством конструкций ММГ с IDOS-подвесом является независимость первичных и вторичных колебаний инерционной массы, а недостатками
- , , -
скими погрешностями изготовления электростатических приводов и наличие в конструкции ММГ одной инерционной массы [2].
Достоинством конструкций ММГ с КОБ-подвесом является значительное снижение влияния квадратурной ошибки, обусловленной технологическими погрешностями изготовления электростатических приводов на вторичные колебания ИМ. Недостатком является факт совершения колебаний инерционной массой в режиме движения, что оказывает влияние на выходной сигнал емкостных преобразователей перемещений за счет изменения площади взаимного перекрытия ИМ и латеральных неподвижных электродов [2].
Общим недостатком двухмассовых ММГ ЬЬ-типа, является независимость упругих подвесов инерционных масс и, следовательно, сложность обеспечения равенства частот их собственных колебаний и синхронности противофазных первичных и вторичных колебаний [1-4].
На основе принципов построения микромеханических гироскопов ЬЬ-типа с КОБ-подвесом и ЬЯ-типа, сенсоров линейных скоростей Я-типа с торсионами в данной работе разработана и исследована конструкция интегрального одномассового микромеханического гироскопа-акселерометра ЬЯ -типа с КОБ-подвесом и двумя осями чувствительности (рис. 1) [7].
г у 1Д. цв IX
х1 8 19 2 12 24 20 9
\ г Г г / ^д-
«-] п\ \ п О3
ц______\ \ \ ц
и/ 1а/ я/ Уз_ \23\22\21\1s Пг ГТГ Гг
Рис. 1. Топология интегрального ММГА ЬЯ-типа с двумя осями чувствительности
Интегральный ММГА содержит подложку 1, неподвижные латеральные и плоские электроды емкостных преобразователей перемещений 2-5, неподвижные гребенчатые электроды электростатических приводов 6 и 7, опоры 8-11 и 18-21, подвижный гребенчатый электрод электростатического привода 12, упругие балки 13-16, внутреннюю рамку 17, инерционную массу 22, торсионные балки 23 и 24.
При выводе уравнения движения чувствительного элемента гироскопа-акселерометра были сделаны следующие предположения: упругие элементы подвеса подвижного гребенчатого электрода электростатических приводов и внутренней рамки имеют конечную жесткость на изгиб в направлениях осей
Известия ЮФУ. Технические науки
X, У, 2; упругие элементы подвеса инерционной массы имеют бесконечную жесткость на изгиб и конечную жесткость на кручение относительно оси X.
На рис. 2 представлена система координат упругого подвеса подвижного гребенчатого электрода электростатических приводов ММГА. На рис. 3 представлена система координат упругого подвеса внутренней рамки сенсора. На рис. 4 представлена система координат упругого подвеса инерционной массы ММГА.
С подложкой устройства связана система координат X, У, 2. Подложка жестко соединена с корпусом, который поступательно перемещается с ускорением, имеющим в системе координат X, У, 2 проекции ах, ау, а2. Кроме того, происходит вращение микромеханического устройства вокруг осей X, У, 2 с некоторыми угловыми скоростями С2Х, С12. Векторы измеряемых линейных
ускорений и угловых скоростей направлены вдоль осей X и 2.
Рис. 2. Система координат упругого подвеса подвижного гребенчатого электрода электростат ических приводов ММГА
Рис. 3. Система координат упругого подвеса внутренней рамки ММГА
2,
а
л\ ' \ °п2^Ла
1 \ і —) ►
х-г,хг.,
Рис. 4. Система координат упругого подвеса инерционной массы ММГА
Система координат Хп1Уп12п1, оси которой параллельны осям X, У,
2, определяет положение геометрического центра упругого подвеса (точка Оп1), определенного координатами у! и г1, обусловленных конечной жесткостью на изгиб упругих элементов подвеса подвижного гребенчатого электрода электроста-.
Система координат Х'п1У'п12'п1, оси которой параллельны осям Хп1, Уп1, 2п1, определяет положение центра масс упругого подвеса (точка О'пО, координатами 8хпЬ 8упЬ 8Ш1 обусловленных технологическими и
.
С геометрическим центром внутренней рамки (точка Оп2) связана система координат Хп2,Уп2,2п2, положение которой определено координатами х2, у2, г2. Причем координаты уі и у2 обусловлены перемещениями под действием электростатических сил, а координаты хь г1 и х2, z2 - перемещениями под действием линейных ускорений и угловых скоростей.
С центром масс внутренней рамки (точка 0'п2), положение которой определено координатами 6хп2, 6^п2, 8ш2 (обусловленных действием технологических и температурных погрешностей), связана система координат X'п2У'п22'п2.
( 2)
координат Хм,Ум,2м, положение которой определено угловой координатой а, обусловленной вращением ИМ под действием линейных ускорений и угловых . ( ' ), координатами 5Х, 5^ 5& связана система координат Х'мУ'м2'м.
Уравнение движения предложенного микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений, получаемое на основе уравнения Лагранжа второго рода [1] имеет следующий вид:
(т + т+т )(Уі-а Ї)+(т + т )(Уо-а +а х0)-
4 1 2 м'^і - V 4 2 м'4-72 - 2 г 2/
а2+а2) [(ті+т2+тм) Уі+(т2+тм) У21
(1)
-т
м
(іі+Ї2)а- (^і + г2)(а+а ^а)+
2
+-2а2а(а—+а)+(Уі+У2)(2а —а+а )
ву 1;
(т + т2 + тм )(г1 + а ху1) + (т2 + тм )(г2 + а—а 2х2 + а ху2)
-а2|(т + т + т )г + (т + т )г Л1Ч1 2 м' 1 у 2 м'
т
м
2
2 2 2 2 (г + г 2)(а +а а + 2а а) - (у, + у2)(а а+а)
12 г х 12 г
(^1 + у2)а+ (—2а- —2а)а
= в
(2)
г1’
(т1 + тм)[х2 -аг(У1 + У2)-ахаг(г1 +г2)]"
-аі
(т + т )х^ + т х„, а* у 1 м' 2 м 2
+
а[( [ + у2)а+(г1 + г2)]+
+4 [ + у 2)а х +(& + і 2)
= в
х2
(т1 + ты) (у1 + у2)"(а2 +а2Ь’1 + У2) + ах(г1 +г2)-аЛ
т
м
22
( ^ + г 2 )(а - а г а) + (Ї1 + і 2 )а+ (У1 + у 2 )(а + 2а ^ а) -
- (а +а)х2аа
= в
(3)
(4)
у2
г
(m1 + mM )
+m
(z1 + z2) - Qx(z1 + z2) + а x(У + y2 + а zx2)
+
м
2 2 2 2 (У1 + У2)(а + аa) - (zi + z2)(a + 2Qxa+Qa )
-Q z (a&'2 -ax2) +(У&1 + y2)a
(3)
= Qz 2;
A a + m
M M
a
( Уг + y2)2 +(z1 + z2)2
- (y + y2)(z1 + z2) +(z1 + z2)(y1 + y2)
B + m
M M
(У + z2)2 + x22.
+ mM а z
y Уг + У2)[
2
а a +
y x + a) x2 + (z1 + ^)а z J- x2( z1 + z2) + x2(z1 + z2)]= Q
(б)
a
где Qyl, Qzl, Qx2, Qy2, Qz2, ^ - обобщенные силы.
Предложенные метод построения ММГА ЬЯ-типа и уравнение движения его чувствительных элементов могут использоваться при проектировании
- -
.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. РаспопоеВ.Я. Микромеханические приборы. - М.: Машиностроение.- 2007. - 400 с.
2. Palaniapan M. Integrated surface micromachined frame microgyroscopes.- University of California, Berkeley, 2002.- 168 p.
3. Clark W.A. Micromachined vibratory rate gyroscopes.- University of California, Berkeley, 1997. - 155 p.
4. Xie H. Gyroscope and micromirror design using vertical-axis CMOS-MEMS actuation and sensing.- Carnegie Mellon university, 2002.- 246 p.
5. Yazdi N., Ayazi F., Najafi K. Micromachined inertial sensors // Proceeding of the IEEE-1998.- vol.86, №8. - p. 1640-1659.
6. . ., . ., . .
- // -сийские нанотехнологии.- 2006.- №1-2. - C.233-239.
7. . ., . . //
2300773. 2007. . 16.
Лысенко Игорь Евгеньевич
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: igor@fep.tsure.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 8(8634)311-584.
Lysenko Igor Evgenievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: igor@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)311-584.
