Simulation of the rate-integrating mode of operation of a micro-electro-mechanical gyroscope

Abstract

Gyroscopes based on microelectromechanical systems, MEMS gyroscopes, are miniaturized variants of Coriolis vibratory gyros (CVG). Miniaturization is when a vibrating structure is made of a thin film of different materials. Because MEMS technology was borne inside the semiconductor integrated circuit industry, they are, first of all, silicon, polysilicon, amorphous silicon, and quarts materials which are usually deposited as thin films. Apart from these, silicon-compatible materials like silicon dioxides, silicon nitrides, carbides, glasses, and metals such as aluminum, titanium, tungsten, and copper are also used. Moreover, polymers such as photoresist and polyimide and other new materials appearing in new designs suitable for different applications are actively used in this industry, as well. MEMS gyroscope’s sensing elements (SE) look like microcircuits and are amenable to mass production, borrowing technological processes from the semiconductor industry. Mass production of such gyros gives low-cost and miniature size expands applications and initiates big sales, even if the performances are moderate. There are many practical implementations of the MEMS gyros, which can be used to produce a gyroscope as a rate sensor. However, it is expedient to overview in this section three types of them – tuning fork as one of the popular designs, flat highly symmetric vibrating ring designs, and as a modern technological achievement vibrating shell designs. By correct design of a highly symmetric shell or ring resonator, it is possible to overcome problems of its resonator sensitivity to imperfect mounting it to the casing experienced by more simple oscillators and thus improve bias performance, and greatly reduce sensitivity to shock and vibration. As a device for measuring the angular rate of moving objects, the gyroscope is widely used in civil and military areas, such as aerospace, automobile, consumer electronics, ship navigation, and guided ammunition. Motivated by high performance large-scale gyroscopes, with the emergences and developments of micro-electro-mechanical system (MEMS) and micro-opto-electro-mechanical (MOEMS) system technologies, a new generation of the micro-gyroscope based on such MEMS technologies has become one of the focused development directions in the academic and industrial areas. MEMS/MOEMS gyroscopes have developed rapidly since the Draper Laboratory produced the first non-rotor silicon micromechanical gyroscopes in 1988. In the past several years, with the continuous developments of MEMS processing technologies, the performances of silicon MEMS gyroscopes based on different principles, structures, and materials have been greatly improved, mainly including the mechanical micro-gyroscopes based on Coriolis principles or angular momentum conservation.

Гіроскопи на основі мікроелектромеханічних систем, MEMS-гіроскопи, є мініатюрними варіантами вібраційних гіроскопів Коріоліса (CVG). Мініатюризація – це коли вібраційна конструкція складається з тонкої плівки різних матеріалів. Оскільки технологія MEMS була впроваджена в промисловість напівпровідникових інтегральних схем, це, перш за все, кремній, полікремній, аморфний кремній і кварти, які зазвичай осаджують у вигляді тонких плівок. Окрім них, також використовуються матеріали, сумісні з кремнієм, такі як діоксид кремнію, нітрид кремнію, карбіди, скло та метали, такі як алюміній, титан, вольфрам і мідь. Крім того, в цій галузі також активно використовуються полімери, такі як фоторезист і поліімід, а також інші нові матеріали, що з’являються в нових конструкціях, придатних для різних застосувань. Чутливі елементи (СЕ) MEMS-гіроскопа мають вигляд мікросхем і піддаються масовому виробництву, запозичуючи технологічні процеси в напівпровідниковій промисловості. Масове виробництво таких гіроскопів забезпечує низьку вартість і мініатюрний розмір, розширює застосування та ініціює великі продажі, навіть якщо продуктивність помірна. Існує багато практичних реалізацій гіроскопів MEMS, які можна використовувати для створення гіроскопа як датчика швидкості. Проте в цьому розділі доцільно розглянути три їх типи – камертон як одну з популярних конструкцій, плоскі високосиметричні вібраційні кільцеві конструкції та як сучасне технологічне досягнення віброоболонкові конструкції. Завдяки правильній конструкції високосиметричного корпусного або кільцевого резонатора можна подолати проблеми чутливості його резонатора до недосконалого кріплення його до корпусу, з якими стикаються більш прості осцилятори, і таким чином покращити продуктивність зміщення та значно зменшити чутливість до ударів і вібрації. Як пристрій для вимірювання кутової швидкості рухомих об’єктів гіроскоп широко використовується в цивільних і військових областях, таких як аерокосмічна промисловість, автомобільна промисловість, споживча електроніка, навігація суден і керовані боєприпаси. Мотивований високопродуктивними великомасштабними гіроскопами, з появою та розвитком мікроелектромеханічних систем (MEMS) і мікрооптико-електромеханічних (MOEMS) системних технологій, нове покоління мікрогіроскопів на основі таких MEMS технології стали одним із цілеспрямованих напрямків розвитку в академічній та промисловій сферах. Гіроскопи MEMS/MOEMS швидко розвивалися після того, як у 1988 році лабораторія Дрейпера виготовила перші нероторні кремнієві мікромеханічні гіроскопи. За останні кілька років, завдяки безперервному розвитку технологій обробки MEMS, продуктивність кремнієвих гіроскопів MEMS, заснованих на різних принципах, структурах , і матеріали були значно вдосконалені, головним чином включаючи механічні мікрогіроскопи на основі принципів Коріоліса або збереження кутового моменту.