ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ГИРОСКОПА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С ДРАЙВЕРОМ Российский патент 2009 года по МПК H01L41/08 G01P9/04 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижных объектов, и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах.

Известные волоконнооптические гироскопы и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Преимуществом этих гироскопов является достаточно высокая точность. Недостатком этих гироскопов является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты. К областям применения, требующим гироскопов менее дорогих и меньшего размера, относятся: системы автомобильной безопасности (системы против скольжения, системы камер), потребительские товары (видеокамеры, GPS, спортивное оборудование), промышленные товары (роботы, управление оборудованием), медицинские изделия (хирургические инструменты) [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах // XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 23-25 мая 2005. С.275-283].

В настоящее время известен микромеханический гироскоп на основе кремния [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.И., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах // XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 23-25 мая 2005. С.275-283]. Такой гироскоп представляет собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Пластина приводится в колебательное движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса, изменяющая колебания пластины относительно измерительной оси. При этом зазор между подвижной массой (пластиной) микромеханического гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей величины емкости. Измеряя величину емкости, можно определить изменение угловой скорости вращения микромеханического гироскопа.

Однако вышеуказанные гироскопы имеют низкую точность и низкую механическую прочность.

Известен также «Виброгироскоп» [Патент РФ №2123219, H01L 41/08, 1998.12.10], содержащий твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением с двумя парами сплошных и двумя парами встречно-штыревых электродов. Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цепям второго и третьего генераторов. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход которого подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

Стабильность и помехоустойчивость позволяет применять «Виброгироскоп» в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами.

Однако «Виброгироскоп» имеет ограничения по рабочим характеристикам из-за принципа действия, который основан на вибрации подвешенных механических структур. Кроме того, его подвешенная механическая структура очень чувствительна к внешним ударам и вибрации, т.к. она не может быть жестко присоединена к подложке из-за резонансной вибрации. Это ограничивает диапазон применения «Виброгироскопа».

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Патент US №6,516,665. "Микроэлектромеханический гироскоп" / Varadan V.K., Pascal В.Xavier, William D.Suh, Jose A.Kollakompil, Vasundara V.Varadan. 2003].

Гироскоп-прототип на ПАВ включает в себя пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностной акустической волны, ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Гироскоп-прототип на ПАВ работает на основе измерения параметров поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке.

В отличие от других гироскопов гироскоп-прототип на ПАВ имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным.

Недостатком гироскопа-прототипа на ПАВ является низкая точность и соответственно невозможность использования его для высокоточных измерений вследствие малой амплитуды колебаний, которые воспринимают встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ. Основной причиной низкой точности прототипа является то, что в качестве информационного параметра используется амплитуда колебаний.

Вышеизложенные причины приводят к снижению точности оценивания угловой скорости, что и является недостатком прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка чувствительного элемента гироскопа с улучшенными характеристиками измерения угловой скорости.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с драйвером, содержащем пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы не менее одного преобразователя резонатора на поверхностных акустических волнах и не менее одной отражающей структуры резонатора, в области расположения отражающих структур резонатора дополнительно сформированы канавки, непараллельные отражающим структурам резонатора, при этом канавки пересекаются с отражающими структурами резонатора, а также дополнительно сформированы преобразователи драйвера поверхностных акустических волн не менее чем с одной стороны от отражающих структур резонатора на пути распространения поверхностных акустических волн, сформированных преобразователями резонатора на поверхностных акустических волнах, дополнительно сформированы отражающие структуры драйвера, расположенные за преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, при этом рабочие частоты преобразователя резонатора на поверхностных акустических волнах и преобразователя драйвера поверхностных акустических волн отличаются друг от друга, а канавки могут иметь сквозные отверстия и чередующиеся сужения и расширения.

Технический результат достигается за счет того, что под действием силы Кориолиса деформируются стенки канавок вместе с отражающими структурами резонатора. Относительная скорость частиц поверхности пьезоплаты задается драйвером ПАВ. Отражающие структуры драйвера концентрируют энергию ПАВ в рабочей полости устройства. Деформация отражающих структур приводит к изменению местной скорости ПАВ, а это, в свою очередь, приводит к изменению собственной резонансной частоты чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером. Собственная резонансная частота чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером измеряется при помощи преобразователя резонатора на поверхностных акустических волнах. Наличие канавок позволяет уменьшить жесткость пластины пьезоэлектрика в направлении действия сил Кориолиса. Основным отличием от прототипа является частотный выход предлагаемого чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером. Основной эффект повышения точности предлагаемого устройства достигается за счет того, что в качестве информационного параметра на выходе предлагаемого устройства используется частота.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, чувствительного элемента резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с драйвером отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору не известны чувствительные элементы резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема чувствительного элемента резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с драйвером.

Чувствительный элемент резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером состоит из пластины (подложки) пьезоэлектрика 1, выполненной, например, из кварца или из ниобата лития [1], не менее чем на одной поверхности которой сформированы преобразователи драйвера ПАВ 2, преобразователи резонатора на ПАВ 3, отражающие структуры драйвера 4, канавки 5, отражающие структуры резонатора на ПАВ 6. Преобразователи драйвера ПАВ 2 сформированы не менее чем с одной стороны от отражающих структур резонатора на ПАВ 6 на пути распространения ПАВ, сформированных преобразователями резонатора на ПАВ 3.

Канавки 5 сформированы в области расположения отражающих структур резонатора на ПАВ 6, на пути распространения ПАВ. Канавки 5 не параллельны отражающим структурам резонатора на ПАВ 6 и пересекаются. Канавки 5 могут располагаться на одной стороне с отражающими структурами резонатора на ПАВ 6 на пластине пьезоэлектрика 1 и на разных сторонах с отражающими структурами резонатора на ПАВ 6 на пластине пьезоэлектрика 1.

Преобразователи резонатора на ПАВ 3 и отражающие структуры резонатора на ПАВ 6 образуют резонатор чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером.

Преобразователи драйвера ПАВ 2 и отражающие структуры драйвера 4 образуют резонатор драйвера ПАВ.

Взаимное расположение и геометрические размеры преобразователей резонатора на ПАВ 3, отражающих структур резонатора на ПАВ 6 и канавок 5 выбраны так, чтобы устройство имело резонансные свойства [1].

Во всех случаях должно быть сформировано не менее одного преобразователя резонатора на ПАВ 3 и не менее одной отражающей структуры резонатора на ПАВ 6.

Канавки 5 могут иметь сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика 1. Канавки 5 могут иметь чередующиеся сужения и расширения.

Преобразователи резонатора на ПАВ 3 и преобразователи драйвера ПАВ 2 могут быть выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей (ВШП) ПАВ.

Канавки 5, отражающие структуры резонатора на ПАВ 6 и отражающие структуры драйвера 4, могут быть выполнены в виде канавок методами травления, например ионно-плазменного, ВШП ПАВ могут быть выполнены методами фотолитографии. Отражающие структуры резонатора на ПАВ 6 и отражающие структуры драйвера 4 могут быть выполнены в виде штырей (например, металлизированных).

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии вращения основания чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером на преобразователь резонатора на ПАВ 3 от внешнего анализатора спектра (на фиг.1 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой f₁. В случае если пластина пьезоэлектрика 1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.

На преобразователи драйвера ПАВ 2 от внешнего генератора (на фиг.1 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой f₂. Частоты f₁ и f₂ отличаются друг от друга. Например, может выполняться соотношение f₁=10 f₂.

Преобразователи драйвера ПАВ 2 формируют поверхностную акустическую волну, которая придает относительную скорость частицам поверхности пьезоплаты 1. Отражающие структуры драйвера 4 концентрируют энергию ПАВ в рабочей области резонатора драйвера и, в частности, в области расположения канавок и отражающих структур резонатора на ПАВ.

При отсутствии вращения основания чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером сила Кориолиса не возникает, поэтому не деформируются и стенки канавок 5. Дальнейшая работа устройства происходит аналогично работе резонатора на ПАВ [1], сформированного преобразователями резонатора на ПАВ 3 и отражающими структурами резонатора на ПАВ 6.

Следовательно, при отсутствии вращения основания (пластина пьезоэлектрика 1) чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером собственная (резонансная) частота резонатора чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером будет равна f₁. Собственная (резонансная) частота резонатора чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером определяется как экстремальное значение амплитудно-частотной характеристики чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером при подключении к преобразователям резонатора на ПАВ 3.

При появлении угловой скорости вращения основания гироскопа появляется и сила Кориолиса, определяемая угловой скоростью и линейной скоростью частиц поверхности пьезоплаты 1 в области распространения поверхностной акустической волны, сформированной преобразователями драйвера ПАВ 2. В результате воздействия силы Кориолиса на стенки канавок 5 происходит деформация стенок канавок 5. Соответственно деформируются и отражающие структуры резонатора на ПАВ 6, расположенные между канавками 5. Деформация отражающих структур 6 приводит к изменению местной скорости ПАВ, что в свою очередь приводит к изменению собственной частоты резонатора чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером. При наличии у основания угловой скорости резонансная частота резонатора чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером будет равна частоте f, не равной f₁.

Если отражающие структуры резонатора на ПАВ 6 и канавки 5 расположены на разных сторонах пластины пьезоэлектрика 1, то отсутствуют геометрические и технологические ограничения на топологию (отражающих структур резонатора на ПАВ 6 и канавок 5), которая определяется расчетом, например, в соответствии с [1].

Наличие сквозных отверстий в канавках 5, а также наличие чередующихся сужений и расширений канавок 5 позволяет уменьшить жесткость пластины пьезоэлектрика 1 в направлении действия силы Кориолиса.

Резонансную частоту резонатора чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером измеряют, например, анализатором спектра [1]. Резонансная частота резонатора чувствительного элемента гироскопа на ПАВ с драйвером связана однозначной зависимостью с величиной угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1 [2]. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ с драйвером.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнялись следующие условия:

- средство, воплощающие устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью указанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. 416 с.

2. Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах // XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 23-25 мая 2005. С.275-283.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения угловой скорости. Технический результат: повышение точности измерения угловой скорости. Сущность: чувствительный элемент содержит пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы не менее одного преобразователя резонатора на поверхностных акустических волнах и не менее одной отражающей структуры резонатора. В области расположения отражающих структур сформированы канавки, не параллельные отражающим структурам. Канавки пересекаются с отражающими структурами резонатора. Не менее чем с одной стороны от отражающих структур резонатора сформированы преобразователи драйвера поверхностных акустических волн на пути распространения поверхностных акустических волн, сформированных преобразователями. За преобразователями драйвера сформированы отражающие структуры драйвера. Рабочие частоты преобразователя резонатора на поверхностных акустических волнах и преобразователя драйвера поверхностных акустических волн отличаются друг от друга. Канавки могут иметь сквозные отверстия и чередующиеся сужения и расширения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с драйвером, содержащий пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы не менее одного преобразователя резонатора на поверхностных акустических волнах и не менее одной отражающей структуры резонатора, отличающийся тем, что в области расположения отражающих структур резонатора дополнительно сформированы канавки, непараллельные отражающим структурам резонатора, при этом канавки пересекаются с отражающими структурами резонатора, а также дополнительно сформированы преобразователи драйвера поверхностных акустических волн не менее чем с одной стороны от отражающих структур резонатора на пути распространения поверхностных акустических волн, сформированных преобразователями резонатора на поверхностных акустических волнах, дополнительно сформированы отражающие структуры драйвера, расположенные за преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, при этом рабочие частоты преобразователя резонатора на поверхностных акустических волнах и преобразователя драйвера поверхностных акустических волн отличаются друг от друга.2. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с драйвером по п.1, отличающийся тем, что канавки имеют сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика.3. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с драйвером по п.2, отличающийся тем, что канавки и отражающие структуры резонатора сформированы на разных сторонах пластины пьезоэлектрика.4. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с драйвером по п.3, отличающийся тем, что канавки имеют чередующиеся сужения и расширения.