CC BY
84
УДК 621.3.049.77
И.Е. Лысенко
МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДВУХОСЕВЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ И ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ
RR-ТИПА*
Актуальной задачей является разработка подходов к построению функционально интегрированных микромеханических гироскопов-акселерометров, обеспечивающих измерение угловых скоростей и линейных ускорений по нескольким осям чувствительности, обладающих высокой степенью интеграции и позволяющих снизить массогабаритные характеристики микросистем за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого интегрального сенсора. В конструкциях гироскопов и акселерометров применяются схожие конструктивные элементы, поэтому для их разработки могут быть применены одни и те же схемы построения. В данной работе описан метод проектирова-
- RR- -сти. Разработано уравнение движения чувствительных элементов устройства.
Метод; проектирование; конструкция; микроэлектромеханические системы; сенсор; ; .
I.E. Lysenko DESIGN METHOD OF TWO-AXIS MICROMACHINED GYROSCOPE-ACCELEROMETER RR-TYPE
Actual problem is working out of approaches to construction of functionally integrated micromechanical gyroscopes-accelerometer providing measurement of angular speeds and linear accelerations on several axis of sensitivity, possessing high degree of integration and allowing to lower masses characteristics of microsystems, at the expense of reduction of the substrate area used under placing of each integrated sensor. In designs of gyroscopes and accelerometers similar constructive elements are applied, therefore the same schemes of construction can be applied to their working out. Design method of two-axis micromechanical gyroscope-accelerometer RR-type is described. Gyroscope-accelerometer model are developed.
Method; design; microelectromechanical systems; sensor; gyroscope; accelerometer.
В микромеханических сенсорах угловых скоростей энергия первичных колебаний инерционной массы (ИМ) преобразовывается в энергию вторичных колебаний. Это преобразование осуществляется вследствие воздействия на чувствительный элемент сенсора сил 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 чувствительного элемента сенсора. Инерционные массы микромеханических гироскопов RR-типа совершают угловые колебания в обоих режимах работы. Со,
,
сил инерции Кориолиса (гироскопического момента) [1-4].
Микромеханические сенсоры линейных ускорений, или микромеханические акселерометры (ММА), являются одними из первых компонентов микроэлектро-. R- -
ся угловым перемещением инерционной массы под действием внешнего линейного ускорения [1, 5].
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственный контракт от 27.08.2009 г. № П1224).
Краткие сообщения
Проведенный анализ принципов построения микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений [1-5] 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;
♦
сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений должны изготавливаться в рамках технологии поверхностной микрообработки;
♦
интегрированных микромеханических гироскопов-акселерометров
( ), -корений по двум или трем осями чувствительности, обладающих высокой степенью интеграции с компонентами микроэлектромеханических систем и интегральных схем и позволяющих снизить массогабаритные характеристики микросистем, за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого интегрального сенсора.
- , -ные электроды емкостных преобразователей перемещений, неподвижных гребенчатых электродов электростатических приводов, внешнюю рамку, среднюю рамку, жесткие элементы подвеса, внутреннюю рамку, гребенчатые подвижные электроды электростатических приводов, опору, упругие балки, инерционные массы, торсионные балки [6].
При выводе уравнения движения чувствительного элемента гироскопа-акселерометра были сделаны следующие предположения: упругие элементы подвеса ротора имеют конечную жесткость на изгиб и кручение относительно осей X, У; упругие элементы подвеса инерционных масс имеют бесконечную жесткость на изгиб и конечную жесткость на кручение относительно своих продольных осей.
Уравнение движения предложенного микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений, получаемое на основе уравнения Лагранжа второго рода [1], с учетом совпадения центра масс с геометрическим центом ротора и , :
ч2 / \2"
M
z — z
р+п
У
-О. а-
x
■ау
+
+
у + П +П а-
‘ x у
-а/?
= Q
z
(1)
(Бр -Ср) + £2{а-у)м р
— ^ Ар + Mz 2^ 0у—й у ^ Ар + Mz 2^ (у+ й x + й уа—а0)+
+ й
x
Бр + Mz 21 0+ й у — й ха)+Г Бр — Mz 21<э
ау
=а
а
(2)
Бр — Ср — М12 ^ау+^ Бр + Сру2 + М12^ 0—
— Ср (а+й х0—0+ й у И'й X +
+а^ Ар + М12^ (у+й х+й уа—а0)= а0;
(3)
[д + Mz2yy-Pa)-{$ + &y-QxaJ^Bp -Mz2 jd-
(4)
(5)
где Ар, Вр Ср, Ам, Вм, См - главные моменты инерции ротора и ИМ; кг - коэффициенты жесткости упругого подвеса ротора; ка, ко, ку,кф - угловые ко-
эффициенты жесткости подвеса ротора и ИМ, соответственно; Д - коэффициент демпфирования для упругого подвеса ротора при его движениях по обобщенной координате г; Дь Рр, в у, вр - коэффициенты демпфирования для ротора и инерционной массы при их вращении по обобщенным координатам а, в, у, ф, соответственно; Ох, Оу, - проекции угловых скоростей на оси ХУ7; I =1, 2 - но-
мер чувствительного элемента ММГА; _/ =1, 2 - номер инерционной массы.
Предложенные метод построения ММГА ЬЬ-типа и уравнение движения его чувствительных элементов могут использоваться при проектировании микромеха-нических гироскопов-акселерометров КЯ-типа.
1. Распопое В.Я. Микромеханические приборы. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.
2. Palaniapan M. Integrated surface micromachined frame microgyroscopes. - University of California, Berkeley, 2002. - 168 p.
3. . . -
рений LR-типа // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2009. - № 1 (90) . - С. 123-128.
4. . ., . . -
нического гироскопа-акселерометра // Известия вузов. Электроника. - 2009. - № 4.
5. Yazdi N., Ayazi F., Najafi K. Micromachined inertial sensors // Proceeding of the IEEE.
- 1998. - Vol. 86, № 8. - P. 1640-1659.
6. . . // 2293337,
2007. Бюл. № 4.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. Е.А. Рындин.
Лысенко Игорь Евгеньевич
Общество с ограниченной ответственностью «Центр нанотехнологий».
E-mail: [email protected].
347922, . , . , 2.
Тел.: 88634311584.
.
Lysenko Igor Evgenievich
«Nanotechnology center».
E-mail: [email protected].
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347922, Russia.
Phone: +78634311584.
Director.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- С. 48-55.
