Моделирование двухосевого микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа

В настоящее время одним из перспективных направлений развития микросистемной техники является разработка и исследование многоосевых функционально интегрированных микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений [1−5].

Функционально интегрированных микромеханические сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений находят широкое применение в современных технических средствах различного назначения: от специализированных изделий аэрокосмической техники и оборонных систем до бытовых приборов, таких как сотовые телефоны и игровые платформы нового поколения [1−6].

На основе предложенного метода [7] разработана конструкция интегрального двухосевого микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа, защищенного патентом РФ на изобретения [8].

Интегральный сенсор содержит подложку, неподвижные латеральные и плоские электроды емкостных преобразователей перемещений, неподвижные гребенчатые электроды электростатических приводов, опоры, подвижный гребенчатый электрод электростатического привода, упругие балки, внутреннюю рамку, инерционную массу и торсионные балки [8].

На основе разработанных уравнений движения [7] микромеханического сенсора и моделей жесткостей их упругих подвесов, предложенных критериев согласованности частот колебаний в режимах движения и чувствительности, и критериев оценки электродов электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений [9] было разработано параметризуемое VHDL-AMS описание микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа.

На рис. 1−2 представлены результаты моделирования сенсора LR-типа при изменении угловых скоростей и линейных ускорений в полном динамическом диапазоне.

микромеханический сенсор сигнал скорость Как видно на рис. 1, длительность воздействия угловых скоростей и линейных ускорений составляет по 20 мс, длительности переднего и заднего фронтов — по 1 мс. Последовательность действия на сенсор угловых скоростей и линейных ускорений выбрана таким образом, чтобы не было их перекрытия по одной и той же оси чувствительности.

Как видно на рис. 2, при подаче управляющих напряжений чувствительные элементы сенсоров начинают совершать противофазные вынужденные колебания с амплитудой 7,7 мкм. Время установления вынужденных колебаний составляет 5 мс.

При действии угловых скоростей Щ_х, Щ_z внутренние рамки и инерционные массы совершают противофазные колебания вдоль осей Z и Х, соответственно. Амплитуда колебаний внутренних рамок пропорциональна величине внешнего воздействия и составляет 464 нм по оси Х. Угол вращательных колебаний инерционных масс под действием угловой скорости, направленной вдоль оси Z, составляет 0,06⁰. Направление действия угловых скоростей будет определять фазу колебаний внутренних рамок и инерционных масс сенсоров.

Рис. 2. — Перемещения подвижных электродов электростатических приводов, внутренних рамок и инерционных масс сенсора в полном динамическом диапазоне

При действии линейного ускорения а_х внутренние рамки совершают синхронные перемещения вдоль осей Х с амплитудой 274 нм. При действии линейного ускорения а_z инерционные массы совершают синхронное вращение перпендикулярно плоскости подложки. Амплитуда вращения инерционных масс пропорциональна величине действующего воздействия и составляет 0,03⁰. Направление действия линейных ускорений будет определять фазу перемещений внутренних рамок и углов поворота инерционных масс. Время действия переходных процессов по оси чувствительности Х — менее 2 мс, а оси Z — менее 1 мс.

Как видно из результатов моделирования, предложенная конфигурация конструкции сенсора угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа с двумя осями чувствительности позволяет выделить сигналы, несущие информацию исключительно о колебаниях элементов сенсора под действием угловых скоростей и о перемещениях чувствительных элементов под действием линейных ускорений по двум осям чувствительности [11].

Полученные результаты моделирования могут использоваться при проектировании функционально интегрированных микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с двумя осями чувствительности.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (шифр проекта «8.5757.2011»).

• 1. Распопов, В. Я. Микромеханические приборы [Текст]: учебное пособие / В. Я. Распопов. — Тула: Тульский государственный университет, 2007. — 400 с.
• 2. Варадан, В. ВЧ МЭМС и их применение [Текст] / В. Варадан, К. Виной, К. Джозе.- М.: Техносфера, 2004. 528с.
• 3. Вернер, В. Д. Современные тенденции развития микросистемной техники [Текст] / В. Д. Вернер, П. П. Мальцев, А. А. Резнев, А. Н. Сауров, Ю. А. Чаплыгин // Нанои микросистемная техника.- 2008. № 8. С. 2−6.
• 4. Лысенко, И. Е. Теория микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки.- Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. № 1. С.123−128.
• 5. Пат. 2 300 773 РФ, МКИ7 G 01 P 15/08. Интегральный микромеханический гироскоп [Текст] / Б. Г. Коноплев (Рос. Федерация), И. Е. Лысенко (Рос. Федерация) — № 2 006 103 063/28; Заяв. 02.02.2006; Опубл. 10.06.2007, Бюл. № 16; Приоритет 02.02.2006. — 10 с.: ил. УДК 621.3.049.77.