RU2209394C2

RU2209394C2 - Micromechanical gyroscope

Info

Publication number: RU2209394C2
Application number: RU2001122830/28A
Authority: RU
Inventors: С.Ф. Былинкин; В.Д. Вавилов; С.Г. Миронов
Original assignee: Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа"
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2003-07-27

Abstract

FIELD: measuring equipment, applicable for production of gyroscopes with oscillating masses. SUBSTANCE: the micromechanical gyroscope has a sensing element installed of flexible suspensions and serving as movable electrode 9, fixed electrodes 7,8,10 located on both sides of movable electrode 9, power electrostatic transducer and a sensitive displacement transducer, including movable (9) and fixed (7,8) electrodes. The sensing element suspensions are made in the form of flat rectangular plates positioned coaxially and interconnected in a cruciform. Such an arrangement of suspensions makes it possible to reduce the influence of the cross components of the angular velocity and accelerations on the precision of measurements in the axis of sensitivity due to the increase of stiffness in the non-sensitive axes of the suspension. EFFECT: enhanced precision of measurements. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания микромеханических поворотно-чувствительных устройств с колеблющимися массами, измеряющих скорость вращения с помощью гироскопического эффекта. The invention relates to measuring technique and can be used to create micromechanical rotary-sensitive devices with oscillating masses, measuring the speed of rotation using a gyroscopic effect.

Известен вибрационный гироскоп [1], построенный на основе датчика угловой скорости, учитывающий значение кориолисовой силы. Known vibration gyroscope [1], built on the basis of the angular velocity sensor, taking into account the value of the Coriolis force.

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. The disadvantage of this device is the effect of cross-links in all directions, because the sensitive element is made in the form of a trident, the elements of which are beams and are deformed in the absence of a useful signal under the influence of cross accelerations.

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.Also known is a micromechanical gyroscope [2], which contains a sensitive element made in the form of a concentrated mass suspended using a two-frame system of elastic suspensions, and the suspensions of the external and internal frames are located at an angle of 90 ^{o to} each other, a power electrostatic transducer that communicates angular to the external frame oscillatory movements with respect to suspensions, a capacitive displacement transducer that detects the movements of the internal frame under the influence of Coriolis forces resulting from Via the inner frame of two motions: radial displacements and measured angular velocity.

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. The role of the gyro-sensitive unit is performed by the inner frame, combined with the lumped mass, and the role of the motor is performed by the external frame, driven into forced oscillatory movements by an electrostatic force transducer. The axis of sensitivity is the line through the suspensions of the inner frame. In the presence of angular velocity, oscillatory movements from the outer frame are transmitted to the inner one. The oscillation frequency of the inner frame coincides with the frequency of the outer frame, and the amplitude is proportional to the magnitude of the angular velocity. The oscillations of the inner frame are detected by a capacitive displacement transducer. To obtain optimal sensitivity, the resonant frequency of the internal frame is tuned to the external frequency.

Недостатком известного устройства является влияние перекрестных составляющих угловой скорости и ускорений на точность измерений по оси чувствительности. A disadvantage of the known device is the effect of the cross components of the angular velocity and accelerations on the accuracy of measurements along the sensitivity axis.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения чувствительности микромеханического гироскопа в режиме измерения угловой скорости. The present invention solves the problem of increasing the sensitivity of the micromechanical gyroscope in the mode of measuring angular velocity.

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. To achieve this technical result, in a micromechanical gyroscope containing a sensing element made in the form of a concentrated mass mounted on elastic suspensions and serving as a movable electrode, stationary electrodes located on both sides of the movable electrode, a power electrostatic transducer and a sensitive displacement transducer, including movable and one of the fixed electrodes; suspensions are made in the form of flat rectangular plates located coaxially and soy Inonii with each other crosswise, and the fixed electrode, part of the transducer is divided in half.

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.Signs that distinguish the proposed micromechanical gyroscope from the known prototype are the special implementation of the elastic suspensions of the concentrated mass and the bisection of one of the stationary electrodes. In the prototype, the suspensions of the external and internal frames are located at an angle of 90 ^{o to} each other, and in the claimed device, the suspensions are aligned coaxially on one straight line, and their planes are rotated 90 ^o relative to each other, which can significantly reduce the effect of cross components of angular velocity and accelerations on the accuracy of measurements along the sensitivity axis by increasing stiffness along the insensitive axes of the suspension. Dividing one of the stationary electrodes in half allows one to obtain a design of a differential displacement transducer that is insensitive to displacements along non-measuring axes.

Предлагаемый микромеханический гироскоп иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4. The proposed micromechanical gyroscope is illustrated by the drawings shown in figures 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. Figure 1 shows a plan view of a sensitive element (SE) of the proposed micromechanical gyroscope. The SE contains a case plate 1 of single-crystal conductive silicon, in which elastic suspensions 2, giving the concentrated mass 4 a degree of freedom along the z axis, and elastic suspensions 3, giving the mass 4 a degree of freedom along the x axis, are etched by anisotropic etching.

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.The elastic suspensions 2 and 3 are a single elastic beam, consisting of two flat plates located crosswise to each other, i.e. their planes rotated in relation to each other by 90 ^o , and made in one piece with the body plate 1 and the concentrated mass 4.

На фиг.3 и 4 показаны сечения ЧЭ микромеханического гироскопа по линиям А-А и Б-Б фиг.1 соответственно. Figure 3 and 4 shows a cross section of the SE micromechanical gyroscope along the lines aa and bb of Fig.1, respectively.

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. Through etching 5 (figure 1) allow the concentrated mass 4, suspended on elastic suspensions 2 and 3, to move inside the housing plate 1 along the x and z axes. For alignment of the plate 1 with other parts of the gyroscope, square markers are provided on it 6. On both sides, glass covers (not shown conventionally) are welded to the case silicon plate 1 with metallized fixed electrodes 7, 8, and 10 forming together with the movable the electrode 9 is a power electrostatic transducer and a sensitive displacement transducer, for exciting vibrations of the concentrated mass 4 and detecting its displacements.

На фиг.4 приведена электрическая структурная схема предложенного микромеханического гироскопа. Figure 4 shows the electrical structural diagram of the proposed micromechanical gyroscope.

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. The gyroscope contains a clock generator 11, a key circuit 12, a bipolar reference voltage source 13, a scale amplifier 14, a synchronous detector 15 and a low-pass filter 16. In addition, the gyroscope has stationary electrodes 7, 8 and 10 and a movable electrode 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.The clock generator 11 is designed to synchronize the power electrostatic converter and capacitive sensitive displacement transducer. Direct q and inverse

the outputs of the generator 11 are connected to the control inputs of the key circuit 12 and to the control inputs of the synchronous detector 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. The key circuit 12 is intended for switching sources of reference voltages supplied to the fixed electrodes 7 and 8. The outputs of the key circuit 12 are connected to positive and negative sources 13 of the reference voltage, in turn, the positive source is connected to the fixed electrode 7, and the negative to the fixed electrode 8 The fixed electrodes 7, 8 and 10 are made on the glass covers of the gyroscope housing, with the electrodes 7 and 8 located on one side of the housing plate 1, and the electrode 10 on the other.

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. The electrode 9 performs two functions: firstly, it is a concentrated sensitive mass 4, and secondly, it is a movable electrode of a capacitive displacement sensor. A movable electrode 9 is made of conductive monosilicon, which enters the housing plate 1 in the form of a monolithic structure with suspensions 2 and 3. The electrode 9 is connected to the input of a scale amplifier 14, which is also a high-resistance converter of a capacitive bridge to a low output resistance of an operational amplifier to match the following nodes of the electrical circuit. The output of the amplifier 14 is connected to the information input of the synchronous detector 15, and the output of the synchronous detector 15 is connected to the input of the low-pass filter 16, the output of the filter 16 is the output of the gyroscope.

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.The capacitances between the movable electrode 9 and the stationary 7 and 8 are measuring capacitances C ₁ and C ₂ , which, when the movable electrode 9 is moved along the x axis, change differentially, i.e. one increases and the other decreases by exactly the same amount. When moving the movable electrode 9 along the z axis, the measuring capacitances C ₁ and C ₂ change by the same amount.

Неподвижный электрод 10 расположен с противоположной стороны подвижного электрода 9 и соединен с "землей". The fixed electrode 10 is located on the opposite side of the movable electrode 9 and is connected to the ground.

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.To describe the operation of the proposed device, we consider three possible modes:
- the angular velocity along the sensitivity axis of the micromechanical gyroscope is absent and only interference in the form of linear acceleration along the same axis is valid;
- along the sensitivity axis of the micromechanical gyroscope, the angular velocity acts without interference;
- along the sensitivity axis of the micromechanical gyroscope, the angular velocity acts with interference in the form of linear acceleration along the same axis.

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.It is common for all cases that the concentrated mass 4 is always in oscillatory motion along the z axis, driven by the charge-discharge of interelectrode capacitances C ₁ and C ₂ , which are alternately connected to different-voltage sources of 13 reference voltages by a key circuit 12. The oscillation frequency of the concentrated mass 4 is resonant and is set by the clock generator 11. In this case, the suspensions 2 (Fig. 1) work on bending.

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. In the absence of angular velocity of rotation of the body of the gyroscope, the Coriolis force does not occur and the suspensions 3 (Fig. 1) are not deformed. Their deformation is possible under the action of interference in the form of linear acceleration along the x axis. However, as a result of the operation of the push-pull synchronous detector 15 with a direct cycle, a signal proportional to linear acceleration will be sent to the direct input of the filter 16 and stored. With an inverse cycle, the synchronous detector 15 will provide the inverse input of the filter 16 with the same signal of linear acceleration and with the same sign, since the acceleration is set by external influences. As a result of subtracting the same signals, a zero signal will occur at the output of the device.

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.In the presence of the angular velocity of rotation of the gyroscope body, a Coriolis force arises, which acts on the concentrated mass 4 along the x axis. The value of the developed Coriolis force is equal to
F _cor = 2mVΩ,
where m is the concentrated mass 4 (or the mass of the movable electrode 9); V is the linear velocity of the concentrated mass 4 along the z axis; Ω is the measured angular velocity directed along the y axis. Since the linear velocity along the x axis is alternating, the Coriolis force is also alternating. In this case, the concentrated mass 4 begins to oscillate along the x axis with the same frequency as the z axis, and with an amplitude directly proportional to the value of the Coriolis force and ultimately directly proportional to the measured angular velocity. With the simultaneous action of interference, the interference signal is subtracted using a synchronous detector 15, and at the output of the circuit there is a clean signal proportional to the angular velocity.

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.The cross-axis interference in the proposed micromechanical gyroscope is compensated. For example, along the y axis they are reduced to infinitesimal values due to the high stiffness of suspensions 2, 3 for tension-compression. On the z axis, interference is eliminated by the design of the displacement transducer, which is designed to be insensitive to displacements along the z axis (see Fig. 4). The measuring capacitances C ₁ and C ₂ are two opposite shoulders of the differential bridge, when moving the movable electrode 9 along the z axis, both capacitances change by the same amount, without leading to unbalance of the bridge.

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.The sensitivity of the proposed micromechanical gyroscope can be estimated by its natural frequency

where G = 4E _[100] c _n ³ b _n / a _n ³ is the stiffness of the four suspensions; and _n , b _n , with _n are the dimensions of the suspension extension; E _[100] is the elastic modulus of silicon for the [100] th crystallographic direction.

Источники информации
1. Sugawara Sumio, Tomikawa Yoshiro. Nihon onkyo gakkaishi, том 55, вып. 7, 1999, с.496-503.Sources of information
1. Sugawara Sumio, Tomikawa Yoshiro. Nihon Onkyo Gakkaishi, Volume 55, Issue 7, 1999, pp. 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. 2. Severov L.A. et al. Micromechanical gyroscopes: designs, characteristics, technologies, development paths. University News. Instrument making. 1998.Vol. 41. 1-2, p. 57-73.

Claims

A micromechanical gyroscope containing a sensing element made in the form of a concentrated mass mounted on elastic suspensions and serving as a movable electrode, stationary electrodes located on both sides of the movable electrode, a power electrostatic transducer and a capacitive displacement transducer, including a movable one and one stationary electrodes, a key circuit, characterized in that the suspensions are made in the form of flat rectangular plates arranged coaxially and connected so that their planes are rotated 90 ^° with respect to each other, and the fixed electrode included in the power electrostatic transducer and the capacitive displacement transducer is divided in half, the positive source being connected through the key circuit to one half of the fixed electrode and the negative to the other.