Метод проектирования микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа Текст научной статьи по специальности «Физика»

E-mail: [email protected].

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 8(8634)371-629.

Кафедра радиотехнической электроники.

.

Chervykov Georgiy Georgievich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: [email protected].

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 8(8634)371-629.

Department of Electronic Devices.

Chair of the department.

Osadchiy Evgeniy Nikolaevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: andron @fep.tsure.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 8(8634)371-629.

Department of Electronic Devices.

Associate professor.

УДК 621.3.049.77

HJ. Лысенко МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ И ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ LL-ТИТТА

Описаны метод проектирования микромехантеского гироскопа-акселерометра с двумя осями чувствительности LL-muna. Предложено уравнение движения чувствительных элементов ММГА.

Метод; проектирование; конструкция; микроэлектромеханические системы; сенсор; гироскоп; акселерометр.

I.E. Lysenko DESIGN METHOD OF MICROMACHINED GYROSCOPE-ACCELEROMETER LL-TYPE

Design method of two-axis micromechanical gyroscope-accelerometer is described. Gyroscope-accelerometer model are developed.

Method; design; microelectromechanical systems; sensor; gyroscope; accelerometer.

Микромеханические сенсоры угловых скоростей, или микромеханиче-( ),

систем, отличающихся от других сложностью их функционирования. В мик-ромеханических гироскопах энергия первичных колебаний инерционной массы (ИМ), обусловленная действием сил, создаваемые актюаторными элементами, преобразовывается в энергию вторичных колебаний, обусловленную действием переносной угловой скорости. Это преобразование осуществляется вследствие воздействия на чувствительный элемент сенсора инерции Кориолиса. Амплитуда вторичных колебаний ИМ очень мала, поэтому требуется усиление ее в форме совмещения частот первичных и вторичных колебаний с резонансной частотой колебаний упругого подвеса инерционных масс микромеханического гироскопа. Микромеханические гироскопы ЬЬ-типа характеризуются возвратно-поступательным перемеще-

, ( ),

в режиме чувствительности (РЧ) [1-4].

Микромеханические сенсоры линейных ускорений, или микромехани-( ),

. Ь-

типа характеризуются линейным перемещением инерционной массы под действием внешнего линейного ускорения [1, 5].

Проведенный анализ принципов построения микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений [1-6] позволяет сделать следующие выводы:

♦ 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;

♦ для повышения степени интеграции конструкции микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений должны изготавливаться в рамках технологии поверхностной микрообра-

;

♦ актуальной является разработка подходов к построению функционально интегрированных микромеханических гироскопов-

( ), -ростей 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.

ЬЬ- [1-4]:

♦ наличие квадратурной ошибки, возникающей вследствие технологических погрешностей изготовления электростатических приводов и усиленной за счет совпадения частоты квадратурного сигнала с их

;

♦ согласованность первичных и вторичных колебаний инерционных

.

движение инерционной массы вдоль оси РЧ будут усилены и окажут существенное влияние на амплитуду вторичных колебаний.

Если первичные и вторичные колебания ИМ будут независимыми, то влияние вынужденных колебаний инерционной массы вдоль оси РЧ будет . -чительно технологическими погрешностями изготовления электростатиче-,

инерционной массы [2].

Для обеспечения независимости первичные и вторичные колебания ИМ были предложены принципы построения микромеханических гироскопов LL-типа 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 - квадратурная ошибка, влияющая на РЧ в РД, обусловленная технологическими погрешностями изготовления электростатических приводов и наличие в конструкции ММГ одной инерционной массы [2].

Достоинством конструкций ММГ с ISOD-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].

LL-

выделения полезного сигнала, обусловленного действием сил инерции Ко, ,

вторичных колебаний инерционной массы. Введение второй инерционной

,

, , -ные действием угловых скоростей и линейных ускорений [1, 6].

На основе принципов построения одномассовых микромеханических LL- ISOD- L-

типа с параллельным подвесом, в данной работе разработана и исследована конструкция интегрального двухмассового микромеханического сенсора

ISOD-

чувствительности, топология которого приведена на рис.1 [7].

Микромеханический гироскоп-акселерометр содержит подложку 1, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений 2-27, неподвижные гребенчатые электроды электростатических приводов 28-31, подвижные гребенчатые электроды электростатических приводов 32-35, упругие балки 36-51, опоры 52-57, инерционные массы 58 и 59.

Как видно на рис.1 особенностью разработанного ММГА является изготовление в одном структурном слое упругого подвеса, инерционных масс, подвижных и неподвижных гребенчатых электродов электростатических , -щений. Использование опор 53 и 56 позволяет исключить взаимное влияние первичных и вторичных колебаний чувствительных элементов ММГА друг .

При выводе уравнения движения инерционных масс ММГА были сделаны следующие предположения: упругие элементы подвеса имеют конечную жесткость на изгиб в направлениях осей X, У, 2; колебания упругих подвесов инерционных масс ММГА не оказывают влияния друг на друга.

На основе вышесказанного, рассмотрим упругие подвесы чувствительных элементов ММГА отдельно. 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, Ц,, С12. Векторы измеряемых линейных ускорений и угловых скоростей направлены вдоль осей X и 2.

На рис. 2 представлена система координат упругого подвеса подвижных гребенчатых электродов электростатических приводов ММГА. На рис. 3 представлена система координат инерционных масс сенсора.

Рис. 1. Топология интегрального ММГА с двумя осями чувствительности

Рис. 2. Система координат упругого подвеса подвижных гребенчатых электродов электростат ических приводов ММГА

Рис.3. Система координат инерционных масс ММГА

Система координат ХПУП2П, оси которой параллельны осям X, У, 2, определяет положение геометрического центра упругого подвеса подвижного электрода (точка Оп), определенного координатами у и z, обусловленных конечной жесткостью на изгиб упругих элементов подвеса. Система координат X'ПУ'п2'п, оси которой параллельны осям X, У, 2П, определяет положение центра масс упругого подвеса подвижных электродов (точка 0'п), определенного координатами 8Х, 8у, 8z обусловленных технологическими и температур.

Представленная система координат упругого подвеса подвижных электродов электростатических актюаторов ММГА одной инерционной массы будет аналогична для второго чувствительного элемента.

С геометрическими центрами первой и второй инерционной массы (соответственно точки С>1 и 02) связаны системы координат X!, Уь 2! и Х2, У2, 22, положения которых определены координатами хь уь z1 и х2, у2, z2, соответственно. Причем координаты у1 и у2 обусловлены перемещениями под действием электростатических сил, а координаты хь z1 и х2, z2 - перемещениями под действием линейных ускорений и угловых скоростей.

С центрами масс ИМ (точки 0'1 и 0'2), положения которых в системах координат Х1У121 и Х2У222 определены координатами 8х1, 8у1, 8^ и 8х2, 8у2, 8z2 ( ), связаны системы координат Х'1У'12'1 и Х'2У'22'2, соответственно.

Уравнение движения ММГА, получаемое на основе уравнения Лагранжа второго рода [1] будет иметь следующий вид:

(mi + mi )

y ( Qx +Qz )y Qxz

+ mj

± yj ± Qzx^ Qxzj ± I qX + ■qX )yj

'(1)

kyy-dWW ~Pyy+Fy ± ^;

dy

(mn + mi )

--kzz dz

X.

xz

ezz+Fz ;

z -Q xz + Q xy dW

+ mj

± && ±Q xi ±Qxz/

(х)

mj

x. -Q (y. ± y)-Q x. + Q Q (z. ±z)±Q z

i zXJiJJ z i x zy i ’ x

dW

(3)

k .x.

xj j dx.

i

в .x. + F .; 'Xi i xi ’

m;.

У± У. + Q x. -Q (z. ±z) + fQX + QX |(y±y.)

J Ji z i xv I ’ [ x z г 'r

dW

(4)

— - k y. -------- в . y . + F . ;

У^1 dyi у1 i у1

zi ± z-qX(zi ± z) + Qx(yi ±y) + QxQzxi

—-k ,z, -

dW

zi i 3zi

-в z + F .(5)

^zi i zi

zi'

где тт т1 - массы подвижных электродов и ИМ, соответственно; к ,& -

.У г

коэффициенты жесткости упругого подвеса подвижных электродов электростатических приводов; к ■,к ■,к ■ - коэффициенты жесткости упругого

XI у1

подвеса ИМ; рУ, рг - коэффициенты демпфирования для упругого подвеса подвижных электродов электростатических приводов; рхЬ ру1, р^ - коэффициенты демпфирования для упругого подвеса ИМ; I =1, 2 - номер инерционной массы.

Предложенные метод построения ММГА ЬЬ-типа и уравнение движения его чувствительных элементов могут использоваться при проектировании

- -

.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Распопое В.Я. Микромеханические приборы. - М.: Машиностроение. - 2007.

- 400 с.

2. PalaniapanM. 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.

1XX

6. Балычев В.H., Зотов CA., Морозова Е.С., Прокопьев ЕЛ., Тимошенков С.П. 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: [email protected].

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: [email protected].

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 8(8634)311-584.

УДК 621.3.049.77

HJ. 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; гироскоп; акселерометр.

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-