RU148254U1

RU148254U1 - SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPE

Info

Publication number: RU148254U1
Application number: RU2014129477/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Тимошенков; Сергей Геннадьевич Миронов; Алексей Сергеевич Тимошенков
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижных массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя переходами, внутренняя рамка с четырьмя жесткими растяжками выполнена с крестообразным поперечным сечением, отличающийся тем, что сформированы профилированные жесткие балки между внутренней рамкой и упругими Г-образными подвесами, между четырьмя жесткими растяжками и упругими Г-образными подвесами сформированы тонкие мембраны, соединяющие упругие Г-образные подвесы с профилированными жесткими балками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с профилированными жесткими балками.A sensitive element of a micromechanical gyroscope containing a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid extensions to the inner frame, four moving masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with an internal frame by six elastic L-shaped suspensions, the outer frame connected to the inner frame by four transitions, the inner frame with four rigid stretch marks is made with a cross-shaped cross section, characterized in that thin-walled rigid beams between the inner frame and elastic L-shaped suspensions, thin membranes are formed between four rigid extensions and elastic L-shaped suspensions connecting elastic L-shaped suspensions with profiled rigid beams located in the corners of the junctions of elastic L-shaped suspensions with profiled rigid beams.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа. Известен чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий четыре подвижные массы, выполненные на пластине кремния [1]. Упругие подвесы подвижных масс расположены крестообразно и закреплены в точке пресечения на струне, вдоль которой действует измеряемая угловая скорость. Принудительные колебания подвижным массам задаются в плоскости, причем направления движений осуществляется в попарно-противоположных направлениях. В результате колебаний механические напряжения в точке закрепления всегда равны нулю, что повышает добротность чувствительного элемента. Возникающие знакопеременные кориолисовы силы действуют на подвижные массы в направлении, перпендикулярном плоскости пластины.The utility model relates to measuring technique and can be used in vibration-type integrated gyroscopes. A known element of a micromechanical gyroscope containing four moving masses made on a silicon plate [1]. The elastic suspensions of the moving masses are located crosswise and are fixed at the point of suppression on the string along which the measured angular velocity acts. Forced vibrations of the moving masses are set in the plane, and the directions of motion are carried out in pairwise opposite directions. As a result of oscillations, the mechanical stresses at the fixing point are always zero, which increases the quality factor of the sensitive element. The arising alternating Coriolis forces act on the moving masses in the direction perpendicular to the plane of the plate.

Недостатком известного устройства является его низкая точность, обусловленная тем, что возбуждаемые колебания происходят в плоскости чувствительного элемента, а измерительные колебания перпендикулярно к этой плоскости, следовательно, трудно обеспечить условие резонансной настройки в обеих плоскостях колебаний, так как жесткости определяются разными технологическими факторами, а для многих материалов, например кремния, и различными физическими свойствами.A disadvantage of the known device is its low accuracy, due to the fact that the excited oscillations occur in the plane of the sensing element, and the measuring oscillations are perpendicular to this plane, therefore, it is difficult to ensure the condition of the resonant tuning in both vibration planes, since the stiffness is determined by different technological factors, and for many materials, such as silicon, and various physical properties.

Известен чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя переходами, внутренняя рамка с четырьмя жесткими растяжками выполнена с крестообразным поперечным сечением и дополнительно содержит перемычки, соединяющие упругие Г-образные подвесы с внутренней рамкой и растяжками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с внутренней рамкой и растяжками [2].A known element of a micromechanical gyroscope is known, containing a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid extensions to the inner frame, four movable masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with an internal frame by six elastic L-shaped suspensions , the outer frame connected to the inner frame by four transitions, the inner frame with four rigid stretch marks is made with a cross-shaped cross section and further comprises emychki connecting L-shaped elastic suspensions with the inner frame and braces arranged at the corners of the elastic coupling locations T-shaped hangers with the inner frame and stretch marks [2].

Недостатком данного устройства является то, что дополнительные перемычки, соединяющие упругие Г-образные подвесы с внутренней рамкой и растяжками, предназначенные для балансировки чувствительного элемента микромеханического гироскопа позволяют устранять неоднородность жесткости подвесов соответствующих масс в ограниченном диапазоне. Так, например, удаляя перемычку, можно только уменьшить жесткость. Увеличение жесткости невозможно. Таким образом, точно свести частоты невозможно. Это приводит к разночастотности колебательных контуров и дополнительному снижению добротности системы, следовательно, снижению точности. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности микромеханического гироскопа.The disadvantage of this device is that the additional jumpers connecting the elastic L-shaped suspensions with the inner frame and braces designed to balance the sensitive element of the micromechanical gyroscope can eliminate the inhomogeneity of the stiffness of the suspensions of the corresponding masses in a limited range. So, for example, removing the jumper, you can only reduce the stiffness. An increase in stiffness is not possible. Thus, it is impossible to precisely reduce the frequencies. This leads to a different frequency of the oscillatory circuits and an additional decrease in the quality factor of the system, therefore, a decrease in accuracy. The task to which the utility model is directed is to increase the accuracy of the micromechanical gyroscope.

Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического гироскопа, содержащем основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижных массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя переходами, внутренняя рамка с четырьмя жесткими растяжками выполнена с крестообразным поперечным сечением, сформированы профилированные жесткие балки между внутренней рамкой и упругими Г-образными подвесами, между четырьмя жесткими растяжками и упругими Г-образными подвесами, сформированы тонкие мембраны, соединяющие упругие Г-образные подвесы с профилированными жесткими балками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с профилированными жесткими балками.To achieve this, in a sensitive element of a micromechanical gyroscope containing a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid stretch marks with an internal frame, four movable masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with an internal frame by six elastic Г -shaped suspensions, the outer frame connected to the inner frame by four transitions, the inner frame with four rigid stretch marks made with a cross-shaped cross section, formed profiled rigid beams between the inner frame and elastic L-shaped suspensions, between four rigid stretch marks and elastic L-shaped suspensions, thin membranes are formed connecting elastic L-shaped suspensions with profiled rigid beams located in the corners of the junctions of elastic L-shaped suspensions with profiled rigid beams.

Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент микромеханического гироскопа от известного, является то, что сформированы профилированные жесткие балки между внутренней рамкой и упругими Г-образными подвесами, между четырьмя жесткими растяжками и упругими Г-образными подвесами, сформированы тонкие мембраны, соединяющие упругие Г-образные подвесы с профилированными жесткими балками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с профилированными жесткими балками. Сформированные профилированные жесткие балки позволяют дополнительно регулировать разночастотность контуров. Так как в прототипе удалением перемычек регулировка жесткости упругих Г-образных подвесов осуществляется в ограниченном диапазоне - только уменьшение жесткости. Сформированные профили на профилированных жестких балках позволяют увеличивать жесткость упругих Г-образных подвесов. Так, вначале балансировка осуществляется за счет подрезки мембраны, тем самым, уменьшая жесткость.Signs that distinguish the proposed sensitive element of the micromechanical gyroscope from the known one are that profiled rigid beams are formed between the inner frame and elastic L-shaped suspensions, between four rigid stretch marks and elastic L-shaped suspensions, thin membranes connecting elastic L-shaped suspensions are formed with profiled rigid beams located in the corners, the interface between the elastic L-shaped suspensions with profiled rigid beams. The formed profiled rigid beams allow you to additionally adjust the different frequency of the contours. Since in the prototype by removing the jumpers, the stiffness of the elastic L-shaped suspensions is adjusted in a limited range - only the stiffness is reduced. Formed profiles on profiled rigid beams allow increasing the stiffness of elastic L-shaped suspensions. So, initially balancing is carried out by trimming the membrane, thereby reducing stiffness.

Далее для более точного сведения частот возможно частичное увеличение жесткостей некоторых упругих Г-образных подвесов за счет нанесения в профили вязкого клея, который увеличивает жесткость регулируемого упругого Г-образного подвеса. Клей, нанесенный в профиль, не растекается по профилированной жесткой балке и одновременно шунтирует упругий Г-образный подвес в месте расположения данного профиля. Для согласования коэффициентов линейного расширения клея и материала чувствительного элемента, наполнитель клея может быть выполнен из материала этого чувствительного элемента. Кроме того, в прототипе удалением перемычек изменяется шунтирование упругих Г-образных подвесов с внешней рамкой, причем неравномерно по всему периметру. Таким образом, даже при сбалансированных колебательных контурах внутренняя рамка является источником потери энергии всей колебательной системы, так как появляется несимметрия внутренней рамки относительно ее закрепления с внешней рамкой, а далее с основанием. Сформированная тонкая мембрана, соединяющая упругие Г-образные подвесы с профилированными жесткими балками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с профилированными жесткими балками не шунтируют внутреннюю рамку в отличие от прототипа. Раздельная профилированная жесткая балка и тонкая мембрана позволяет балансировать колебательную систему в широком диапазоне, повышая ее добротность, а, следовательно, повышая точность при этом, не изменяя свойств колебательной системы, а именно уменьшение добротности.Further, for more accurate frequency reduction, a partial increase in the stiffness of some elastic L-shaped suspensions is possible due to the application of viscous glue in the profiles, which increases the stiffness of the adjustable elastic L-shaped suspension. The glue applied in the profile does not spread over the profiled rigid beam and at the same time shunts the elastic L-shaped suspension at the location of this profile. To match the linear expansion coefficients of the adhesive and the material of the sensitive element, the adhesive filler can be made of the material of this sensitive element. In addition, in the prototype, the removal of jumpers changes the shunting of the elastic L-shaped suspensions with an external frame, moreover, unevenly around the perimeter. Thus, even with balanced oscillatory circuits, the inner frame is a source of energy loss of the entire oscillatory system, as there is an asymmetry of the inner frame relative to its fastening with the outer frame, and then with the base. The formed thin membrane connecting the elastic L-shaped suspensions with shaped rigid beams located in the corners, the junctions of the elastic L-shaped suspensions with shaped rigid beams do not shunt the inner frame, unlike the prototype. Separate profiled rigid beam and thin membrane allows balancing the oscillatory system in a wide range, increasing its quality factor, and, therefore, increasing accuracy while not changing the properties of the oscillatory system, namely, a decrease in the quality factor.

Предложенный чувствительный элемент микромеханического гироскопа представлен на фиг. 1,The proposed micromechanical gyroscope sensing element is shown in FIG. one,

где:Where:

1 - подвижная масса.1 - moving mass.

2 - внешняя рамка,2 - outer frame

3 - внутренняя рамка,3 - inner frame

4 - профилированная жесткая балка.4 - profiled rigid beam.

5 - жесткая растяжка,5 - tight stretch,

6 - профиль.6 - profile.

7 - тонкая мембрана.7 - thin membrane.

8 - упругий Г-образный подвес.8 - elastic L-shaped suspension.

9 - центр,9 - center

10 - переход.10 - transition.

На фиг. 2 изображен вид А-А.In FIG. 2 shows a view AA.

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа содержит основание (не показано), прямоугольную внутреннюю рамку 3, центр 9, соединенный четырьмя жесткими растяжками 5 с внутренней рамкой 3. Четыре подвижных массы 1, каждая из которых соединена с центром 9 двумя упругими Г-образными подвесами 8, а с внутренней рамкой 3 шестью упругими Г-образными подвесами 8. Внешняя рамка 2 соединена с внутренней рамкой 3 четырьмя переходами 10. Внутренняя рамка 3 с четырьмя жесткими растяжками 5 выполнена с крестообразным поперечным сечением.The sensitive element of the micromechanical gyroscope contains a base (not shown), a rectangular inner frame 3, a center 9 connected by four rigid stretch marks 5 with an internal frame 3. Four moving masses 1, each of which is connected to the center 9 by two elastic L-shaped suspensions 8, and with the inner frame 3 by six elastic L-shaped suspensions 8. The outer frame 2 is connected to the inner frame 3 by four transitions 10. The inner frame 3 with four rigid stretch marks 5 is made with a cross-shaped cross section.

Профильные жесткие балки 4 сформированы между внутренней рамкой 3 и упругими Г-образными подвесами 8, между четырьмя жесткими растяжками 5 и упругими Г-образными подвесами 8. Сформированы тонкие мембраны 7, соединяющие упругие Г-образные подвесы 8 с профилированными жесткими балками 4, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов 8 с профилированными жесткими балками 4.Profile rigid beams 4 are formed between the inner frame 3 and elastic L-shaped suspensions 8, between four rigid stretch marks 5 and elastic L-shaped suspensions 8. Thin membranes 7 are formed connecting elastic L-shaped suspensions 8 with shaped rigid beams 4 located in corners, mating places of elastic L-shaped suspensions 8 with profiled rigid beams 4.

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа работает следующим образом.The sensitive element of the micromechanical gyroscope works as follows.

При включении прибора, постоянное магнитное поле от постоянных магнитов (не показаны) воздействует на переменный ток, протекающий по проводникам (не показаны), нанесенным на подвижные массы 1 и упругие Г-образные подвесы 8 с одной стороны чувствительный элемент микромеханического гироскопа. Подвижные массы 1 начинают попарно колебаться по оси X в противофазе друг другу на резонансной частоте. При воздействии угловой скорости относительно оси Z на подвижные массы 1 начинает действовать кориолисово ускорение, направление которого зависит от направления линейной скорости подвижных масс 1, а величина определяется величиной угловой скорости. Кориолисово ускорение преобразуется в знакопеременную кориолисову силу, которая перемещает каждую подвижную массу 1 в направлении, перпендикулярном действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и воздействующей внешней угловой скорости. При этом в преобразователе перемещения, образующими другими проводниками (не показано), нанесенными с другой стороны чувствительного элемента микромеханического гироскопа наводится э.д.с, пропорциональная внешней угловой скорости.When you turn on the device, a constant magnetic field from permanent magnets (not shown) affects the alternating current flowing through conductors (not shown) applied to the moving masses 1 and elastic L-shaped suspensions 8 on the one hand, the sensitive element of the micromechanical gyroscope. The moving masses 1 begin to oscillate in pairs along the X axis in antiphase to each other at the resonant frequency. When the angular velocity relative to the Z axis affects the moving masses 1, Coriolis acceleration begins to act, the direction of which depends on the direction of the linear velocity of the moving masses 1, and the value is determined by the magnitude of the angular velocity. Coriolis acceleration is converted into an alternating Coriolis force, which moves each moving mass 1 in the direction perpendicular to the current linear excitation velocity and the external angular velocity acting. In this case, in the displacement transducer, forming other conductors (not shown), deposited on the other side of the sensitive element of the micromechanical gyroscope, an emf proportional to the external angular velocity is induced.

Источники информации:Information sources:

1. Патент США №5952572.1. US Patent No. 5952572.

2. Патент РФ №2423668 - прототип.2. RF patent No. 2423668 - prototype.

Claims

A sensitive element of a micromechanical gyroscope containing a base, a rectangular inner frame, a center connected by four rigid extensions to the inner frame, four moving masses, each of which is connected to the center by two elastic L-shaped suspensions, and with an internal frame by six elastic L-shaped suspensions, the outer frame connected to the inner frame by four transitions, the inner frame with four rigid stretch marks is made with a cross-shaped cross section, characterized in that thin-walled rigid beams between the inner frame and elastic L-shaped suspensions, thin membranes are formed between four rigid extensions and elastic L-shaped suspensions connecting elastic L-shaped suspensions with profiled rigid beams located in the corners of the junctions of elastic L-shaped suspensions with profiled rigid beams.