МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 2006 года по МПК G01C19/56 G01P9/04 

Предлагаемое устройство относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа.

В настоящее время разработаны и широко используются микромеханические гироскопы вибрационного типа. Они включают в себя подвижную массу (ПМ), систему измерения перемещений ПМ по двум осям, систему возбуждения колебаний на резонансной частоте подвеса (Fрез) по одной оси, которые иногда называют первичными. При действии кориолисового ускорения по другой оси (ортогональной к первой) возникают колебания ПМ, называемые вторичными [Распопов В.Я. Микромеханические приборы, Тул.Гос. Университет. Тула, 2002 г. 392 стр]. По осям движения ПМ располагают неподвижные электроды (или статоры). Эти статоры с проводящей ПМ образуют конденсаторы, емкости которых зависят от положения ПМ.

Известны микромеханические гироскопы с различными схемами измерения перемещения ПМ (одной или нескольких) или ротора, построенных на основе преобразователей емкость-напряжение. Один из примеров реализации преобразователя емкость-напряжение приведен в книге Распопова на рис.6.31.

В гироскопе ADXRS150 на ПМ подается постоянное напряжение, а статора оси первичных колебаний подключены ко входам усилителя тока, статора оси вторичных колебаний подключены ко входам усилителя заряда [J.A.Geen et al. Single - chip surface - micromachined Integrated Gyroscope with 50/hour root Allan Variance IEEE Journal of Solid-State Circuits, v.37, № 12, December 2002, pp1860-1868, fig.2].

В гироскопе, описанном в патенте США №5672949, используются по одному зарядовому усилителю, каждый из которых подключен к статорам, расположенным по разным осям, при этом между ПМ и статорами действует постоянное напряжение.

Варианты построения преобразователей емкость-напряжение приведены в патенте США № 6253612, fig3. Эти преобразователи могут быть построены с напряжением возбуждения постоянного или переменного (частоты f) тока, на усилителе с одним входом, усилителях с двумя входами или двух усилителях. Отметим здесь, что схемы с возбуждением на постоянном токе проще, однако имеют значительно меньший коэффициент преобразования емкости в напряжение, чем схемы с возбуждением на переменном токе. Он меньше в f/Fрез (f - частота напряжения возбуждения, Fрез - резонансная частота подвеса ПМ) раз. При типичных значениях Fрез=10 кГц и f=0,1-1 МГц получаем различие на 1-2 порядка. Однако и схемы с возбуждением на переменном напряжении имеют значительный недостаток, если используются два усилителя в одном канале. В этом случае требование к стабильности коэффициента усиления и вносимому фазовому сдвигу значительно выше, чем для схем, в которых электроды подключены к одному (как правило, инвертирующему) входу усилителя (см. Патент США № 6253612, fig3b).

Пример электронной части микромеханического гироскопа с со схемами преобразования, выполненными на одном инвертирующем усилителе, приведен в патенте США № 6626039, fig8. Здесь к электродам каждого канала подключен инвертирующий вход дифференциального усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по выходному напряжению. При таком включении дифференциального усилителя вносимые им фазовый сдвиг, его нестабильность могут влиять только на коэффициент передачи преобразователя емкость-напряжение, но не вносит смещение нуля. Допустимой оказывается нестабильность фазового сдвига на уровне 0,5°, при которой нестабильность коэффициента передачи преобразователя емкость-напряжение не превосходит 1%. Однако включение двух таких схем в случае наличие гальванической связи между ними недопустимо, т.к. входы двух дифференциальных усилителей окажутся соединенными. Для исключения электрических связей между входами дифференциальных усилителей разных каналов в микромеханическом гироскопе вводятся специально изолирующие канавки, как это показано в патенте США № 6626039, fig9, что, конечно, усложняет изготовление датчика. Однако это позволяет исключить гальванические связи между разными каналами измерения и управления в гироскопе [см. патент США № 6626039, fig13] и применить более точные преобразователи емкость-напряжение.

Таким образом, применение усилителей заряда или тока при возбуждении преобразователей емкость-напряжение (т.е. при подаче на ПМ постоянного напряжения) упрощает схемную реализацию этих преобразователей и может использоваться в простых конструкциях гироскопов, но применимо при относительно высоких частотах колебаний ПМ, применение преобразователей емкость-напряжение на основе одного дифференциального усилителя применимо только для гироскопов с изолирующими канавками, что усложняет механическую часть гироскопа, но позволяет работать на низких резонансных частотах.

За прототип принят микромеханический гироскоп, описанный в патенте США № 6626039, в котором обеспечены возможность работы при низкой частоте колебаний ПМ и получение приемлемой точности. Недостатком прототипа является сложность технологии изготовления и конструкции, т.к. возможность получения приемлемой точности работы гироскопа в нем обеспечена за счет введения изолирующих канавок, что позволило применять в качестве преобразователей емкость-напряжение потенциально наиболее точные схемы на основе одного дифференциального усилителя.

Задачей изобретения является снижение стоимости, упрощение конструкции и технологии изготовления микромеханическим гироскопа вибрационного типа при сохранение его точности.

Поставленная задача решается тем, что в микромеханический гироскоп, содержащий подвижную массу, подвешенную над основанием, емкостной датчик измерения перемещений подвижной массы, состоящий из трех конденсаторов, первый и второй из которых образованы электродами, расположенными в плоскости вторичных колебаний, и подвижной массой, а третий - одним из электродов статора и подвижной массой, два источника переменного напряжения с противофазными выходами, подключенные к выводам первого и второго конденсаторов, другие выводы которых представляют собой проводящую подвижную массу, два усилителя, охваченные обратной связью с помощью резисторов, первый из усилителей выполнен как дифференциальный и его инвертирующий вход соединен с подвижной массой, и два источника питания усилителей, один из которых является общим, а второй - источником питания второго усилителя, отличающийся тем, что в него введен источник постоянного напряжения, который включен между неинвертирующим входом дифференциального усилителя и общим выводом источника питания этого усилителя, при этом второй усилитель выполнен как усилитель тока и его инвертирующий вход подключен к статору, являющемуся выводом третьего конденсатора, а неивертирующий вход соединен с общим проводом общего источника питания.

По существу, в предлагаемом микромеханическом гироскопе предложено использовать два типа преобразователей емкость-напряжение, первый - тот, который используется в прототипе, а второй - построенный на усилителе заряда или тока. Техническая возможность одновременного использования двух этих схем обеспечивается введением источника постоянного напряжения, но подключенного не непосредственно к ПМ, что сделало бы невозможным работу первого типа преобразователя, а через неинвертирующий вход дифференциального усилителя.

При этом, конечно, предельно достижимая точность измерения положения ПМ обеспечивается по одному каналу, (представляется, что ее достижение предпочтительней по выходному каналу, т.е. каналу вторичных колебаний).

Заявляемое устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен вариант конструкции ММГ.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ, (в данном варианте конструкции - ротор)

2 - основание

3 - электроды, расположенные в плоскости вторичных колебаний на основании 2

4 - электроды, расположенные в плоскости первичных колебаний

На фиг.2 приведен вариант электродной структуры 4.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ (в данном варианте конструкции - ротор с гребенками)

5 - статоры, расположенные в плоскости первичных колебаний

6 - торсионы подвеса ПМ

7 - опора, закрепленная на основании

На фиг.3 приведено эквивалентная электрическая схема электродной структуры, ПМ1 и электродами.

На фиг.3 приняты следующие обозначения

8 - ПМ1, которая показана в виде проводника электрического тока

9 - один из электродов 3, расположенных на основании 2

10 - второй из электродов 3, расположенных на основании 2

11, 12 - электроды, образованные парой рядом расположенных статоров 5

13, 14 - электроды, образованные другой парой рядом расположенных статоров 5.

На фиг.4 показана упрощенная схема двухканального преобразователя емкость-напряжение.

На фиг.4 приняты следующие обозначения

8 - ПМ1, которая показана в виде проводника электрического тока

15 - конденсатор, образованный электродом 9 и ПМ1

16 - конденсатор, образованный электродом 10, и ПМ1

17 - конденсатор, образованный электродом 13, и ПМ1

18, 19 - источники переменного напряжения с противофазными выходами

20, 21 - соответственно первый и второй усилители

22 - сопротивление, включенное между выходом усилителя 20 и его инвертирующим входом

23 - сопротивление, включенное между выходом усилителя 21 и его инвертирующим входом

24 - общий источник питания усилителей 20, 21

25 - источник постоянного напряжения для питания второго усилителя

26 - введенный источник постоянного напряжения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Микромеханический гироскоп вибрационного типа в простейшем случае представляет собой ПМ1 (на фиг.1 показан диск), подвешенную над основанием 2, под диском на основании сформированы электроды 3. ПМ1 с помощью системы электродов 4 за счет действия электростатических сил начинает колебаться на резонансной частоте подвеса. Колебания происходят в плоскости, параллельной основанию 1. При вращении основания вокруг оси чувствительности гироскопа ПМ1 совершает колебательные движения вокруг оси, ортогональной к первым двум осям, приближаясь и удаляясь от электродов 3.

Вариант выполнения электродной структуры 4, необходимой для возбуждения первичных колебаний, показан на фиг.2. Несколько однотипных статоров 5 с гребенками размещены на основании (через изолирующий слой). На ПМ1 также имеются гребенки. ПМ1 на торсионах 6 подвешена на опоре 7, установленной на основании 2. ПМ1 является проводником и от нее сделан вывод для подключения электрических цепей. Более подробное описание конструкция на фиг.2 можно найти в патенте США №№ 5025346, 6626039.

На фиг.3 приведено эквивалентная электрическая схема электродной структуры. Проводящая ПМ1, показанная на фиг.4 как проводник, вместе с электродами 9-14 образует конденсаторы, емкость которых изменяется в зависимости от перемещений ПМ1 в двух ортогональных направлениях, которые на фиг.3 условно обозначены Δx и Δу. При подаче переменного напряжения на электроды 11, 12 ПМ1 совершает перемещения Δx (колебания), которые могут быть измерены путем измерения изменений емкости конденсаторов, образованных ПМ1 и электродом 13 или 14. Аналогично перемещения Δу могут быть измерены путем измерения изменений емкости конденсаторов, образованных ПМ1 и электродами 9, 10.

Предлагаемый двухканальный преобразователя емкость-напряжение включает в себя емкостной датчик измерения перемещений ПМ1, состоящий из трех конденсаторов 15, 16, 17, первый и второй из которых (соответственно 15 и 16) образованы электродами, расположенными в плоскости вторичных колебаний, и подвижной массой, а третий (17) - одним из электродов статора (например 13) и подвижной массой. К выводам конденсаторов 15, 16 подключены противофазные источники напряжения 18, 19, а другие выводы конденсаторов представляет собой проводящую ПМ1, которая подключена к инвертирующему входу усилителя 20. Конденсатор 17 подключен к инвертирующему входу усилителя 21. Усилители 20 и 21 охвачены обратной связью с помощью резисторов 22, 23. Источник напряжения 24 питает усилители 20, 21. Источник 25 является вторым источником питания усилителя 21. Неинвертирующий вход усилителя 21 соединен с общим проводом источника 24, а между неинвертирующим входом усилителя 20 и общим проводом источника 24 введен дополнительный источник напряжения 26.

Вследствие того, что оба усилителя охвачены резистивной обратной связью, они выполняют функцию преобразователя входного тока в напряжение. Поэтому усилитель 20 преобразует разность токов, протекающих через конденсаторы 15, 16 в напряжение.

Полагая, что напряжения источников 18, 19 изменяются в соответствие с выражением

получим, что амплитуда выходного напряжения усилителя 20 (U₂₀) может быть найдена из выражения:

где С₁₅, C₁₆, R₂₂ соответственно емкости конденсаторов 15, 16 и сопротивление резистора 22.

Из (2) для изменений C₁₅, C₁₆ на 1фФ, приняв следующие значения для Uв=5 B, f=1 МГц, R₂₂=100 кОм, получим достаточно большую величину U₂₀=7 мВ.

Усилитель 20 в схеме на фиг.4 имеет на обоих входах одинаковое напряжение (это справедливо при большом усилении, которое имеет место в современных высокочастотных операционных усилителях). Поэтому на ПМ1 или выводе 8 постоянное напряжение равно напряжению источника 26 (U₂₆). Поскольку на неинвертирующем входе усилителя 21 напряжение равно нулю, то и на выводе конденсатора 17, подключенном к неинвертирующему входу усилителя 21, напряжение также равно 0. Таким образом, постоянное напряжение на конденсаторе 17, емкость которого меняется при колебаниях ПМ1, оказывается равным величине U₂₆. Для изменений С₁₇ на 1пФ, и U₂₆=5 В, Fрез=10 кГц, R₂₂=1 МОм получим достаточно большую величину U₂₁=0,3 В.

Таким образом, при реальных значениях параметров схемы на фиг.4 возможно получение приемлемой точности измерения перемещения ПМ по обоим направлениям без использования сложных технологических приемов обработки кристалла кремния.

Изобретение относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа. Микромеханический гироскоп содержит подвижную массу, систему измерения перемещений подвижной массы, которая включает в себя электроды, расположенные на первой и второй осях перемещения подвижной массы, источник переменного напряжения с противофазными выходами, которые подключены к противоположным электродам первой оси перемещения подвижной массы, усилители, один из которых выполнен как дифференциальный и его инвертирующий вход соединен с подвижной массой, источник питания усилителя, источник постоянного напряжения, включенный между неивертирующим входом дифференциального усилителя и общим выводом источника питания усилителя, при этом второй усилитель выполнен как усилитель тока и его вход подключен к электродам второй оси перемещения подвижной массы. Техническим результатом является упрощение конструкции и технологии изготовления микромеханическим гироскопа вибрационного типа. 4 ил.

Микромеханический гироскоп, содержащий подвижную массу, подвешенную над основанием, емкостной датчик измерения перемещений подвижной массы, состоящий из трех конденсаторов, первый из которых образован электродом, расположенным в плоскости вторичных колебаний на основании, и подвижной массой, второй - электродом, расположенным в плоскости первичных колебаний, и подвижной массой, а третий - одним из электродов, образованных одной из пар рядом расположенных статоров, два источника переменного напряжения с противофазными выходами, подключенные к выводам первого и второго конденсаторов, другие выводы которых представляют собой проводящую подвижную массу, два усилителя, охваченные обратной связью с помощью резисторов, один из усилителей выполнен как дифференциальный и его инвертирующий вход соединен с подвижной массой, и два источника питания усилителей, один из которых является общим, а второй - источником питания дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в него введен источник постоянного напряжения, который включен между неинвертирующим входом дифференциального усилителя и общим выводом источника питания этого усилителя, при этом второй усилитель выполнен как усилитель тока и его инвертирующий вход подключен к третьему конденсатору, а неинвертирующий вход соединен с общим проводом общего источника питания.