МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 2003 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания микромеханических поворотно-чувствительных устройств с колеблющимися массами, измеряющих скорость вращения с помощью гироскопического эффекта.

Известен вибрационный гироскоп [1], построенный на основе датчика угловой скорости, учитывающий значение кориолисовой силы.

Недостатком такого устройства является влияние перекрестных связей по всем направлениям, т.к. чувствительный элемент выполнен в виде трезубца, элементы которого являются балками и деформируются при отсутствии полезного сигнала под воздействием перекрестных ускорений.

Известен также микромеханический гироскоп [2], который содержит чувствительный элемент, выполненный в виде сосредоточенной массы, подвешенной с помощью двухрамочной системы упругих подвесов, причем подвесы внешней и внутренней рамок расположены под углом 90^o друг к другу, силовой электростатический преобразователь, сообщающий внешней рамке угловые колебательные движения относительно подвесов, емкостной преобразователь перемещений, выявляющий движения внутренней рамки под действием кориолисовых сил, возникающих в результате воздействия на внутреннюю рамку двух движений: радиальных перемещений и измеряемой угловой скорости.

Роль гирочувствительного узла выполняет внутренняя рамка, совмещенная с сосредоточенной массой, а роль мотора выполняет внешняя рамка, приводимая в принудительные колебательные движения электростатическим преобразователем силы. Осью чувствительности является линия, проходящая через подвесы внутренней рамки. При наличии угловой скорости колебательные движения от внешней рамки передаются внутренней. Частота колебаний внутренней рамки совпадает с частотой внешней рамки, а амплитуда является пропорциональной величине угловой скорости. Выявление колебаний внутренней рамки осуществляется емкостным преобразователем перемещений. Для получения оптимальной чувствительности резонансную частоту внутренней рамки настраивают на частоту внешней.

Недостатком известного устройства является влияние перекрестных составляющих угловой скорости и ускорений на точность измерений по оси чувствительности.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения чувствительности микромеханического гироскопа в режиме измерения угловой скорости.

Для достижения этого технического результата в микромеханическом гироскопе, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде сосредоточенной массы, установленной на упругих подвесах, и служащий подвижным электродом, неподвижные электроды, расположенные по обеим сторонам от подвижного электрода, силовой электростатический преобразователь и чувствительный преобразователь перемещений, включающие в себя подвижный и один из неподвижных электродов, подвесы выполнены в виде плоских прямоугольных пластин, расположенных соосно и соединенных друг с другом крестообразно, а неподвижный электрод, входящий в преобразователь, разделен пополам.

Признаками, отличающими предлагаемый микромеханический гироскоп от известного прототипа, являются особое выполнение упругих подвесов сосредоточенной массы и деление пополам одного из неподвижных электродов. В прототипе подвесы внешней и внутренней рамок расположены под углом 90^o друг к другу, а в заявленном устройстве подвесы расположены соосно на одной прямой, а их плоскости повернуты по отношению друг к другу на 90^o, что позволяет значительно снизить влияние перекрестных составляющих угловой скорости и ускорений на точность измерений по оси чувствительности за счет повышения жесткости по нечувствительным осям подвеса. Деление одного из неподвижных электродов пополам позволяет получить такую конструкцию дифференциального преобразователя перемещений, которая нечувствительна к перемещениям по неизмерительным осям.

Предлагаемый микромеханический гироскоп иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 показан вид в плане чувствительного элемента (ЧЭ) предлагаемого микромеханического гироскопа. ЧЭ содержит корпусную пластину 1 из монокристаллического проводящего кремния, в которой методом анизотропного травления вытравлены упругие подвесы 2, дающие сосредоточенной массе 4 степень свободы вдоль оси z, а также упругие подвесы 3, дающие массе 4 степень свободы вдоль оси x.

Упругие подвесы 2 и 3 представляют собой единую упругую балку, состоящую из двух плоских пластин, расположенных друг к другу крестообразно, т.е. своими плоскостями повернутых по отношению друг к другу на 90^o, и выполненных за одно целое с корпусной пластиной 1 и сосредоточенной массой 4.

На фиг.3 и 4 показаны сечения ЧЭ микромеханического гироскопа по линиям А-А и Б-Б фиг.1 соответственно.

Сквозные травления 5 (фиг.1) позволяют сосредоточенной массе 4, подвешенной на упругих подвесах 2 и 3, перемещаться внутри корпусной пластины 1 по осям x и z. Для совмещения пластины 1 с другими деталями гироскопа на ней имеются квадратные маркеры 6. С обеих сторон к корпусной кремниевой пластине 1 приварены стеклянные крышки (на чертежах условно не показаны) с выполненными на них металлизацией неподвижными электродами 7, 8 и 10, образующими вместе с подвижным электродом 9 силовой электростатический преобразователь и чувствительный преобразователь перемещений, для возбуждения колебаний сосредоточенной массы 4 и выявления ее перемещений.

На фиг.4 приведена электрическая структурная схема предложенного микромеханического гироскопа.

Гироскоп содержит тактовый генератор 11, ключевую схему 12, двухполярный источник 13 опорных напряжений, масштабный усилитель 14, синхронный детектор 15 и фильтр 16 нижних частот. Кроме того, в гироскопе имеются неподвижные электроды 7, 8 и 10 и подвижный электрод 9.

Тактовый генератор 11 предназначен для синхронизации силового электростатического преобразователя и емкостного чувствительного преобразователя перемещений. Прямой q и инверсный выходы генератора 11 соединены с управляющими входами ключевой схемы 12 и с управляющими входами синхронного детектора 15.

Ключевая схема 12 предназначена для коммутации источников опорных напряжений, подводимых к неподвижным электродам 7 и 8. Выходы ключевой схемы 12 соединены с положительным и отрицательным источниками 13 опорных напряжений, в свою очередь положительный источник подключен к неподвижному электроду 7, а отрицательный - к неподвижному электроду 8. Неподвижные электроды 7, 8 и 10 выполнены на стеклянных крышках корпуса гироскопа, причем электроды 7 и 8 расположены с одной стороны корпусной пластины 1, а электрод 10 - с другой.

Электрод 9 выполняет две функции: во-первых, представляет собой сосредоточенную чувствительную массу 4, а во-вторых, является подвижным электродом емкостного датчика перемещений. Выполнен подвижный электрод 9 из проводящего монокремния, входящего в корпусную пластину 1 в виде монолитной конструкции с подвесами 2 и 3. Электрод 9 соединен со входом масштабного усилителя 14, который одновременно является преобразователем высокого сопротивления емкостного моста в низкое выходное сопротивление операционного усилителя для согласования со следующими узлами электрической схемы. Выход усилителя 14 соединен с информационным входом синхронного детектора 15, а выход синхронного детектора 15 подключен ко входу фильтра нижних частот 16, выход фильтра 16 является выходом гироскопа.

Емкости между подвижным электродом 9 и неподвижными 7 и 8 представляют собой измерительные емкости С₁ и С₂, которые при перемещении подвижного электрода 9 по оси х изменяются дифференциально, т.е. одна увеличивается, а другая уменьшается на точно такую же величину. При перемещении подвижного электрода 9 по оси z измерительные емкости С₁ и С₂ изменяются на одинаковую величину.

Неподвижный электрод 10 расположен с противоположной стороны подвижного электрода 9 и соединен с "землей".

Для описания работы предлагаемого устройства рассмотрим три возможных режима:
- угловая скорость по оси чувствительности микромеханического гироскопа отсутствует и действует только помеха в виде линейного ускорения по той же оси;
- по оси чувствительности микромеханического гироскопа действует угловая скорость без помех;
- по оси чувствительности микромеханического гироскопа действует угловая скорость с помехой в виде линейного ускорения по той же оси.

Для всех случаев общим является то, что сосредоточенная масса 4 всегда находится в колебательном движении по оси z, приводимом посредством заряда-разряда межэлектродных емкостей С₁ и C₂, поочередно подключаемых к разнополярным источникам 13 опорных напряжений ключевой схемой 12. Частота колебаний сосредоточенной массы 4 является резонансной и задается тактовым генератором 11. При этом подвесы 2 (фиг.1) работают на изгиб.

При отсутствии угловой скорости вращения корпуса гироскопа кориолисова сила не возникает и подвесы 3 (фиг.1) не деформируются. Деформация их возможна при действии помехи в виде линейного ускорения по оси х. Однако в результате работы двухтактного синхронного детектора 15 при прямом такте на прямой вход фильтра 16 будет подан сигнал, пропорциональный линейному ускорению, и запомнен. При инверсном такте синхронный детектор 15 выдаст на инверсный вход фильтра 16 тот же по величине сигнал о линейном ускорении и с тем же знаком, поскольку ускорение задается внешними воздействиями. В результате вычитания одинаковых сигналов на выходе устройства будет иметь место нулевой сигнал.

При наличии угловой скорости вращения корпуса гироскопа возникает кориолисова сила, которая действует на сосредоточенную массу 4 по оси х. Величина развиваемой кориолисовой силы равна
F_кор = 2mVΩ,
где m - сосредоточенная масса 4 (или масса подвижного электрода 9); V - линейная скорость перемещения сосредоточенной массы 4 по оси z; Ω - измеряемая угловая скорость, направленная по оси у. Поскольку линейная скорость по оси х является знакопеременной, то и кориолисова сила также является знакопеременной. При этом сосредоточенная масса 4 начинает колебаться по оси х с той же частотой, что и по оси z, и с амплитудой, прямо пропорциональной величине кориолисовой силы и в конечном итоге прямо пропорциональной измеряемой угловой скорости. При одновременном действии помехи сигнал помехи вычитается с помощью синхронного детектора 15, а на выходе схемы имеет место чистый сигнал, пропорциональный угловой скорости.

Помехи по перекрестным осям в предлагаемом микромеханическом гироскопе компенсируются. Например, по оси у они сводятся к бесконечно малым значениям за счет большой жесткости подвесов 2, 3 на растяжение-сжатие. По оси z исключение помех осуществляется конструкцией преобразователя перемещений, который выполнен так, что является нечувствительным к перемещениям по оси z (см. фиг.4). Измерительные емкости С₁ и C₂ представляют собой два противоположных плеча дифференциального моста, при перемещении подвижного электрода 9 вдоль оси z обе емкости изменяются на одинаковую величину, не приводя к разбалансу моста.

Чувствительность предложенного микромеханического гироскопа может быть оценена по собственной частоте

где G=4E_[100]c_n ³b_n/a_n ³ - жесткость четырех растяжек подвеса; а_n, b_n, с_n - размеры растяжки подвеса; E_[100] - модуль упругости кремния для [100]-го кристаллографического направления.

Источники информации
1. Sugawara Sumio, Tomikawa Yoshiro. Nihon onkyo gakkaishi, том 55, вып. 7, 1999, с.496-503.

2. Северов Л.А. и др. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития. Известия ВУЗОВ. Приборостроение. 1998. Т.41. 1-2, с.57-73.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания гироскопов с колеблющимися массами. Микромеханический гироскоп содержит чувствительный элемент, установленный на упругих подвесах и служащий подвижным электродом 9, неподвижные электроды 7, 8, 10, расположенные по обеим сторонам от неподвижного электрода 9, силовой электростатический преобразователь и чувствительный преобразователь перемещений, включающие в себя подвижный 9 и неподвижные 7, 8 электроды. Подвесы чувствительного элемента выполнены в виде плоских прямоугольных пластин, расположенных соосно и соединенных друг с другом крестообразно. Такое расположение подвесов позволяет снизить влияние перекрестных составляющих угловой скорости и ускорений на точность измерений по оси чувствительности за счет повышения жесткости по нечувствительным осям подвеса. 4 ил.

Микромеханический гироскоп, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде сосредоточенной массы, установленной на упругих подвесах, и служащий подвижным электродом, неподвижные электроды, расположенные по обеим сторонам от подвижного электрода, силовой электростатический преобразователь и емкостный преобразователь перемещений, включающие в себя подвижный и один из неподвижных электродов, ключевую схему, отличающийся тем, что подвесы выполнены в виде плоских прямоугольных пластин, расположенных соосно и соединенных так, что их плоскости повернуты по отношению друг к другу на 90^o, а неподвижный электрод, входящий в силовой электростатический преобразователь и емкостный преобразователь перемещений, разделен пополам, причем положительный источник подключен через ключевую схему к одной половине неподвижного электрода, а отрицательный к другой.