RU140605U1

RU140605U1 - SENSITIVE ELEMENT OF MICROMECHANICAL ANGULAR SPEED SENSOR

Info

Publication number: RU140605U1
Application number: RU2013152361/28U
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Чаплыгин; Сергей Петрович Тимошенков; Валерий Федорович Шилов; Сергей Геннадьевич Миронов; Сергей Викторович Киргизов; Степан Александрович Анчутин; Алексей Сергеевич Тимошенков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория Микроприборов"
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-05-10

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических гироскопах для систем управления подвижных объектов различного назначения. Задачами, на решение которых направлено настоящая полезная модель, являются повышение точности. Чувствительный элемент микромеханического датчика угловой скорости, выполненный на подложке монокристаллического кремния содержит основание, основное кольцо, дополнительное кольцо, упругие подвесы. Дополнительное кольцо идентично основному. Оба кольца закреплены на диэлектрической подложке симметрично с противоположных сторон диэлектрической подложки. The utility model relates to measuring technique and can be used in micromechanical gyroscopes for control systems of moving objects for various purposes. The tasks to which the real utility model is directed are to increase accuracy. The sensitive element of the micromechanical angular velocity sensor, made on a single-crystal silicon substrate, contains a base, a main ring, an additional ring, and elastic suspensions. The additional ring is identical to the main one. Both rings are mounted symmetrically on the dielectric substrate from opposite sides of the dielectric substrate.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических гироскопах для систем управления подвижных объектов различного назначения.The utility model relates to measuring technique and can be used in micromechanical gyroscopes for control systems of moving objects for various purposes.

Известен чувствительный элемент датчика угловой скорости, содержащий основание, внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижных массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, и шестью упругими Г-образными подвесами, с внутренней рамкой, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя перемычками, четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки для соединения с основанием [1].A known sensor element of the angular velocity sensor, comprising a base, an internal frame, a center connected by four rigid extensions with an internal frame, four movable masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and six elastic L-shaped suspensions, with an internal frame, an external frame connected to the internal frame by four jumpers, four mounting pads located in the corners of the external frame for connection with the base [1].

Недостатком такого устройства является сложность и трудоемкость изготовления чувствительного элемента, а также сложность обеспечения резонансной настройки возбуждаемых и сигнальных колебаний.The disadvantage of this device is the complexity and complexity of manufacturing a sensitive element, as well as the difficulty of providing resonant tuning of the excited and signal oscillations.

Известен также чувствительный элемент датчика угловой скорости, включающий закрепленную на основании несущую рамку, расположенные внутри и соединенные с ней упругими элементами две инерционные массы [2].A sensing element of the angular velocity sensor is also known, including a supporting frame fixed on the base, two inertial masses located inside and connected to it by elastic elements [2].

Недостатком такого устройства является низкая добротность измерительных колебаний, что вызвано потерями энергии при взаимодействии с основанием.The disadvantage of this device is the low quality factor of the measuring oscillations, which is caused by energy losses during interaction with the base.

Известен датчик угловых скоростей с чувствительным элементом, выполненным в виде кольцевого резонатора. Чувствительный элемент выполнен из монокристаллического кремния. Резонатор содержит кремниевое кольцо, поддерживаемое восемью радиально податливыми спицами, которые прикреплены к опорной рамке. Токопроводящие проводники осаждаются и формируются только на верхней поверхности. Кристалл анодно соединяется с опорной стеклянной структурой, которая температурно согласована с кремнием [3].A known angular velocity sensor with a sensitive element made in the form of a ring resonator. The sensitive element is made of single-crystal silicon. The resonator comprises a silicon ring supported by eight radially pliable spokes that are attached to the support frame. Conducting conductors are deposited and formed only on the upper surface. The crystal is anodically connected to the supporting glass structure, which is temperature-coordinated with silicon [3].

Недостатком такого устройства является достаточно большая погрешность из-за влияния внешних возмущающих факторов, например повышенной, пониженной температуры и траекторных возмущений. Другим недостатком присущим таким чувствительным элементам является низкая добротность измерительных колебаний, что вызвано потерями энергии при взаимодействии с основанием.The disadvantage of this device is a rather large error due to the influence of external disturbing factors, for example, elevated, low temperatures and trajectory disturbances. Another disadvantage inherent in such sensitive elements is the low quality factor of the measuring oscillations, which is caused by energy losses during interaction with the base.

Известен чувствительный элемент датчика угловой скорости, выполненном на подложке монокристаллического кремния, в котором дополнительно введен чувствительный элемент кольцевого типа, соединенный с другим чувствительным элементом упругими подвесами, через опорную рамку, расположенную между ними, а возбуждение колебаний обоих чувствительных элементов осуществляется одновременно в противофазе со стабилизацией амплитуды [4].A known sensor element of the angular velocity sensor, made on a substrate of single-crystal silicon, in which a ring-type sensor is additionally introduced, connected to the other sensor by elastic suspensions, through a support frame located between them, and the vibration of both sensors is excited in antiphase with stabilization amplitudes [4].

Недостатком данного устройства является то, опорная рамка является источником потери энергии данной колебательной системой. Так как, деформационные силы в точке закрепления опорной рамки к основанию, не совсем равны нулю и деформируют упругие подвесы., то добротность этого чувствительного элемента датчика угловой скорости является достаточно низкой. Это увеличивает нулевой сигнал датчика - снижая точность. Увеличивая габаритные размеры опорной рамки можно свести к нулю напряжения. Однако это значительно увеличивает габариты чувствительного элемента, то есть невозможно обеспечить максимальную добротность колебательной системы, которой определяется точность прибора в целом. Другим недостатком данного устройства является то, что при возбуждении колебаний в обоих кольцах объемная волна от обоих колец через упругие торсионы колец вызывает время-переменную деформацию опорной рамки, являющуюся опорой для обоих колец, тем самым оказывается влияние на стабильность колебаний обоих колец. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.The disadvantage of this device is that the support frame is a source of energy loss of this oscillatory system. Since the deformation forces at the point of attachment of the support frame to the base are not completely equal to zero and deform the elastic suspensions., The quality factor of this sensitive element of the angular velocity sensor is quite low. This increases the sensor's zero signal - decreasing accuracy. Increasing the overall dimensions of the support frame can be reduced to zero voltage. However, this significantly increases the dimensions of the sensitive element, that is, it is impossible to ensure the maximum quality factor of the oscillatory system, which determines the accuracy of the device as a whole. Another disadvantage of this device is that when oscillations are excited in both rings, a body wave from both rings through the elastic torsion rings causes a time-variable deformation of the support frame, which is a support for both rings, thereby affecting the stability of oscillations of both rings. As a result, the zero offset increases at the sensor output and, as a result, the accuracy of the device as a whole decreases.

Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, являются повышение точности прибора.The task to which the real utility model is aimed is to increase the accuracy of the device.

Для достижения этого в чувствительном элементе микромханического датчика угловых скоростей, выполненном на подложке из монокристаллического кремния, содержащем основание, основное кольцо, дополнительное кольцо, соединенное с основным кольцом через опорную рамку, упругие подвесы, дополнительное кольцо идентично основному, оба кольца закреплены на диэлектрической подложке симметрично с противоположных сторон диэлектрической подложки. Признаком, отличающим, предложенный чувствительный элемент микромеханическгого датчика угловых скоростей от известного является то, что в чувствительном элементе микромеханического датчика угловых скоростей, дополнительное кольцо идентично основному. То есть основное и дополнительное кольца одинаковых размеров, с одинаковыми упругими подвесами. Таким образом, возбуждаемые колебания имеют одинаковую амплитуду и одновременно противофазе со стабилизацией амплитуды. Следовательно, имеют равную чувствительность, и внешние факторы действуют на дополнительное и основное кольцо одинаково. Таким образом, при дальнейшей обработке сигнала воздействие этих факторов на основание вычитаются без дополнительных преобразований. Оба кольца закреплены на диэлектрической подложке симметрично с противоположных сторон диэлектрической подложки, которая крепится к основанию. Диэлектрическая подложка является опорой для закрепления основного и дополнительного кольца. Закрепление обеих колец с обеих сторон диэлектрической подложки обеспечивает минимальное влияние объемных волн от обоих колец предающихся через упругие подвесы колец, подложку, являющуюся опорой для обоих колец, тем самым не оказывая влияние на стабильность колебаний обоих колец. В результате чего на выходе датчика уменьшается смещение нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Учитывая, что потери энергии колебательной системы определяются работой деформационных сил в точках закрепления, которые как показал анализ при помощи программы АК818, минимальны, то добротность данной колебательной системы высокая, таким образом, Обеспечивается точность резонансной настройки с идентичной шириной резонансной кривой и, следовательно, минимальную нестабильность резонансной частоты, тем самым увеличивая точность прибора.To achieve this, in the sensitive element of the micro-mechanical angular velocity sensor, made on a single-crystal silicon substrate containing a base, a main ring, an additional ring connected to the main ring through a support frame, elastic suspensions, an additional ring is identical to the main one, both rings are symmetrically fixed to the dielectric substrate on opposite sides of the dielectric substrate. A feature that distinguishes the proposed sensitive element of the micromechanical angular velocity sensor from the known one is that in the sensitive element of the micromechanical angular velocity sensor, the additional ring is identical to the main one. That is, the main and additional rings of the same size, with the same elastic suspensions. Thus, the excited oscillations have the same amplitude and at the same time out of phase with amplitude stabilization. Therefore, they have equal sensitivity, and external factors act on the additional and main ring equally. Thus, during further signal processing, the effect of these factors on the base is subtracted without additional transformations. Both rings are mounted on a dielectric substrate symmetrically from opposite sides of the dielectric substrate, which is attached to the base. The dielectric substrate is a support for fixing the primary and secondary rings. The fastening of both rings on both sides of the dielectric substrate provides the minimum influence of body waves from both rings transmitted through the elastic suspensions of the rings, the substrate, which is a support for both rings, thereby not affecting the stability of oscillations of both rings. As a result, the zero offset decreases at the output of the sensor and, as a result, the accuracy of the device as a whole increases. Given that the energy losses of the oscillatory system are determined by the work of the deformation forces at the fastening points, which are shown by analysis using the AK818 program to be minimal, the quality factor of this oscillatory system is high, thus, the accuracy of the resonance tuning with the identical width of the resonance curve is ensured and, therefore, the minimum instability of the resonant frequency, thereby increasing the accuracy of the device.

На фиг. 1 изображен чувствительный элемент микромеханического датчика угловых скоростей,In FIG. 1 shows a sensitive element of a micromechanical angular velocity sensor,

где:Where:

1 - основание,1 - base

2 - основное кольцо,2 - the main ring,

3 - дополнительное кольцо,3 - additional ring,

4 - упругий подвес основного кольца,4 - elastic suspension of the main ring,

5 - диэлектрическая подложка,5 - dielectric substrate,

6 - гермоввод,6 - pressure seal

7 - электрические контактные площадки.7 - electrical contact pads.

8 - опорная рамка основного кольца,8 - supporting frame of the main ring,

9 - опорная рамка дополнительного кольца,9 - supporting frame of the additional ring,

10 - упругий подвес дополнительного кольца.10 - elastic suspension of the additional ring.

Чувствительный элемент микромеханического датчика угловых скоростей содержит основание 1, закрепленную на нем диэлектрическую подложку 5. На диэлектрической подложке 5 с одной стороны закреплена опорная рамка основного кольца 8. Через упругие подвесы основного кольца 4 с опорной рамкой основного кольца 8 закреплено основное кольцо 2. С противоположной стороны диэлектрической подложки 5 закреплена опорная рамка дополнительного кольца 9. Через упругие подвесы дополнительного кольца 10 с опорной рамкой дополнительного кольца 9 закреплено дополнительное кольцо 3. В основание 1 закреплен гермоввод 6 для подключения сигнала возбуждения колебаний и съема полезного сигнала дополнительного кольца 3. Электрические контактные площадки 7 предназначены для подключения основного кольца 2 и дополнительного кольца 3 к схеме возбуждения колебаний и электронному преобразователю полезного сигнала основного и дополнительного колец 2, 3.The sensitive element of the micromechanical angular velocity sensor contains a base 1, a dielectric substrate 5 fixed on it. On the dielectric substrate 5, on one side, a support frame of the main ring is fixed 8. Through the elastic suspensions of the main ring 4 with a support frame of the main ring 8, the main ring 2 is fixed. the supporting frame of the additional ring 9 is fixed on the side of the dielectric substrate 5. Through the elastic suspensions of the additional ring 10 with the supporting frame of the additional ring 9 is fixed to additional ring 3. A pressure input 6 is fixed to the base 1 for connecting the oscillation excitation signal and removing the useful signal of the additional ring 3. Electrical pads 7 are used to connect the main ring 2 and additional ring 3 to the oscillation excitation circuit and the electronic converter of the useful signal of the main and additional rings 2, 3.

Чувствительный элемент микромеханического датчика угловой скорости работает следующим образом.The sensitive element of the micromechanical angular velocity sensor operates as follows.

При подаче переменного напряжения через электрические контактные площадки 7 основное и дополнительное кольца 2, 3 начинают попарно колебаться в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента относительно оси, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента, на подвижные основное и дополнительное кольца 2. 3 начинает действовать кориолисовы силы, которые возбуждают колебания в направлении измерительной оси, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости. Источники информации:When applying alternating voltage through the electrical pads 7, the primary and secondary rings 2, 3 begin to oscillate in pairs in antiphase to each other at the resonant frequency. When the sensitive element rotates about an axis perpendicular to the plane of the sensitive element, the primary and secondary rings 2.3 start to act. Coriolis forces begin to act, which excite oscillations in the direction of the measuring axis, the amplitude of which is proportional to the measured angular velocity. Information sources:

1. Патент РФ №23019691. RF patent No. 2301969

2. Патент США №59111562. US Patent No. 5911156

3. Hopkin I. Performance and Design of Silicon Micromachined Gyro // Symposium Gyro Technology, Germany. - 1997. - Р. 1.0-1.10.3. Hopkin I. Performance and Design of Silicon Micromachined Gyro // Symposium Gyro Technology, Germany. - 1997. - R. 1.0-1.10.

4. Патент РФ №2379630 - прототип.4. RF patent No. 2379630 - prototype.

Claims

A sensitive element of the micromechanical angular velocity sensor, made on a single-crystal silicon substrate, containing a base, a main ring, an additional ring connected to the main ring through a support frame, elastic suspensions, characterized in that the additional ring is identical to the main one, both rings are mounted symmetrically on the dielectric substrate on opposite sides of the dielectric substrate.