RU2234679C2

RU2234679C2 - Angular velocity micromechanical sensor

Info

Publication number: RU2234679C2
Application number: RU2003107857/28A
Authority: RU
Inventors: С.Ф. Былинкин (RU); С.Ф. Былинкин; В.Д. Вавилов (RU); В.Д. Вавилов; С.Г. Миронов (RU); С.Г. Миронов
Original assignee: Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа"
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2004-08-20

Abstract

FIELD: instrumentation engineering.

SUBSTANCE: invention can be used in integrating gyroscopes operating with vibrating masses. Proposed sensor has base 1, four movable masses 1, 6, 9 and 10, L-shaped bars for suspending the masses and central platform 7 to which bars are connected. Each movable mass is suspended from two bars, and central platform 7 is rigidly connected with base. All vibrations of system take place only in one plane.

EFFECT: improved quality factor of instrument vibratory system, increased accuracy and simplified tuning of instrument.

2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах, использующих вибрирующие массы.The invention relates to measuring technique and can be used in integrated gyroscopes using vibrating masses.

Известен вибрационный гироскоп, построенный на основе камертона [1]. Недостатком такого устройства является то, что необходимо точно обеспечить расположение узла волны колебаний в опоре вибратора. Другим недостатком является сложность обеспечения резонанса настройки, вследствие разнородности возбуждающих и сигнальных колебаний.Known vibration gyroscope, built on the basis of a tuning fork [1]. The disadvantage of this device is that it is necessary to accurately ensure the location of the node wave waves in the support of the vibrator. Another disadvantage is the difficulty of providing tuning resonance, due to the heterogeneity of the exciting and signal oscillations.

Известен также вибрационный гироскоп [2], включающий: вибратор, содержащий четыре массы, имеющие по меньшей мере две параллельные плоские поверхности, первые балки для подвеса каждой массы с одного ее конца, главные плоскости которых выполнены перпендикулярно и линейно к плоским поверхностям масс, площадку связи для соединения всех первых балок и вторые балки, прикрепленные определенными фиксированными концами для подвеса первых балок к площадке связи, при этом первые балки расположены Х-образно относительно площадки связи, а центр тяжести всех масс расположен на площадке связи.Also known is a vibration gyroscope [2], including: a vibrator containing four masses having at least two parallel flat surfaces, first beams for suspending each mass from one end thereof, the main planes of which are made perpendicularly and linearly to the flat surfaces of the masses, a communication platform for connecting all the first beams and second beams attached by certain fixed ends to suspend the first beams to the communication platform, while the first beams are X-shaped relative to the communication platform, and the center is All five masses located on the site connection.

Недостатком известного устройства является то, что в известном датчике все три элемента соединяются посредством внешних рамок, что приводит к появлению в площадке связи механических напряжений и деформаций при воздействии изменяющихся внешних факторов, что, в свою очередь, снижает добротность колебательной системы прибора и уменьшает его точность. Другим недостатком данного устройства является то, что движение подвижных масс осуществляется в разных плоскостях, это усложняет настройку прибора.A disadvantage of the known device is that in the known sensor, all three elements are connected by means of external frames, which leads to the appearance of mechanical stresses and strains in the communication site under the influence of changing external factors, which, in turn, reduces the quality factor of the oscillatory system of the device and reduces its accuracy . Another disadvantage of this device is that the movement of moving masses is carried out in different planes, this complicates the setup of the device.

Задачами, на решение которых направлено настоящее изобретение, является повышение добротности колебательной системы прибора и повышение за счет этого точности, а также упрощение настройки прибора.The tasks to which the present invention is directed, is to increase the quality factor of the oscillatory system of the device and increase due to this accuracy, as well as simplifying the configuration of the device.

Эти задачи решаются за счет того, что в микромеханическом датчике угловой скорости, содержащем основание, четыре подвижные массы, имеющие две параллельные плоские поверхности, балки для подвеса подвижных масс и центральную площадку, к которой присоединены балки, согласно изобретению, балки имеют Г-образную форму и каждая подвижная масса подвешена на двух балках, а центральная площадка жестко соединена с основанием.These problems are solved due to the fact that in the micromechanical angular velocity sensor containing the base, four movable masses having two parallel flat surfaces, beams for hanging the movable masses and the central platform to which the beams are attached, according to the invention, the beams are L-shaped and each movable mass is suspended on two beams, and the central platform is rigidly connected to the base.

Совмещение принудительных и измерительных колебаний в одной плоскости упрощает резонансную настройку прибора и уменьшает влияние перекрестных связей, таким образом, повышается точность прибора. Центральное крепление чувствительного элемента приводит к отсутствию деформаций в точке крепления, а следовательно, к уменьшению потерь энергии возбуждения, повышению добротности и точности прибора в целом.The combination of forced and measuring vibrations in one plane simplifies the resonant tuning of the device and reduces the influence of cross-connections, thus increasing the accuracy of the device. The central fastening of the sensing element leads to the absence of deformations at the fastening point, and, consequently, to a decrease in the excitation energy loss, an increase in the quality factor and accuracy of the device as a whole.

На фиг.1 показан вид на датчик сверху, на фиг.2 - сечение по линии А-А фиг.1.In Fig.1 shows a view of the sensor from above, in Fig.2 is a section along the line aa of Fig.1.

Микромеханический датчик угловой скорости содержит четыре подвижные массы 1, 6, 9 и 10, восемь Г-образных балок, каждая из которых состоит из двух элементов 2 и 3, центральную площадку 7, зазоры 5 и 8 между подвижными массами, опору 4 и неподвижное основание 11. Неподвижное основание 11 отделено от подвижных масс 1, 6, 9 и 10 и центральной площадки 7 зазором (фиг.2). В центре площадки 7 расположена опора 4, с помощью которой площадка 7 жестко крепится к неподвижному основанию 11. На периферии квадратной центральной площадки 7 симметрично расположены четыре подвижные массы 1, 6, 9 и 10, по одной с каждой из сторон квадрата площадки 7, причем подвижные массы 1, 6, 9 и 10 отделены от площадки 7 зазорами и соединяются с ней Г-образными балками, при этом каждая масса имеет свою пару балок, каждая из которых состоит из двух упругих элементов 2 и 3, соединенных друг с другом под прямым углом. Все упругие элементы 2 и 3 выполнены так, чтобы иметь большую жесткость в направлении, перпендикулярном плоскости датчика (ось z), и малую жесткость в направлении осей х или у соответствующих подвижных масс. Поэтому подвижные массы имеют возможность свободно перемещаться только в плоскости датчика. Все четыре подвижные массы 1, 6, 9 и 10 являются одинаковыми и представляют собой усеченные треугольники со ступенчатыми сторонами (ступенчатость сторон обусловлена особенностью процесса их получения, т.к. именно такие стороны получаются в процессе анизотропного травления кремния). Друг от друга подвижные массы 1, 6, 9 и 10 отделены ступенчатыми зазорами, из которых на фиг.1 обозначены два: зазор 5 между подвижными массами 1 и 6 и зазор 8 между массами 6 и 9, остальные зазоры аналогичны обозначенным. Все подвижные массы выполнены за одно целое с опорой 4, центральной площадкой 7, упругими элементами 2 и 3 Г-образных балок из пластины монокристаллического кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости [100] или [110]. Электроды для возбуждения колебаний и съема информации (на чертежах не показаны) могут наноситься вакуумным напылением, при этом толщина металлической пленки составит 1-2 мкм. Возбуждение резонансных колебаний подвижных масс, измерение отклика на действие кориолисовых сил и возможная силовая компенсация в заявленном изобретении возможны любым известным способом: магнитоэлектрическим или электростатическим.The micromechanical angular velocity sensor contains four moving masses 1, 6, 9 and 10, eight L-shaped beams, each of which consists of two elements 2 and 3, a central platform 7, gaps 5 and 8 between the moving masses, support 4 and a fixed base 11. The fixed base 11 is separated from the moving masses 1, 6, 9 and 10 and the central platform 7 by a gap (figure 2). In the center of the platform 7, there is a support 4, with which the platform 7 is rigidly attached to the fixed base 11. Four movable masses 1, 6, 9 and 10 are symmetrically located on the periphery of the square central platform 7, one on each side of the square of the platform 7, and the movable masses 1, 6, 9 and 10 are separated from the platform by 7 gaps and are connected with it by L-shaped beams, each mass having its own pair of beams, each of which consists of two elastic elements 2 and 3, connected to each other under a direct angle. All elastic elements 2 and 3 are made so as to have greater rigidity in the direction perpendicular to the plane of the sensor (z axis), and low rigidity in the direction of the x axes or the respective moving masses. Therefore, the moving masses can only move freely in the plane of the sensor. All four moving masses 1, 6, 9, and 10 are the same and are truncated triangles with stepped sides (the stepping of the sides is due to the peculiarity of the process of their preparation, since it is these sides that are obtained in the process of anisotropic etching of silicon). The movable masses 1, 6, 9 and 10 are separated from each other by step gaps, of which two are indicated in FIG. 1: a gap 5 between the moving masses 1 and 6 and a gap 8 between the masses 6 and 9, the remaining gaps are similar to those indicated. All the moving masses are made in one piece with the support 4, the central platform 7, the elastic elements 2 and 3 of the L-shaped beams made of a single-crystal silicon wafer oriented in the [100] or [110] crystallographic plane. The electrodes for excitation of oscillations and information retrieval (not shown in the drawings) can be applied by vacuum deposition, while the thickness of the metal film will be 1-2 microns. Excitation of resonant vibrations of moving masses, measuring the response to the action of Coriolis forces and possible force compensation in the claimed invention are possible by any known method: magnetoelectric or electrostatic.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Подвижные массы 1 и 9 приводятся в принудительные колебания на резонансной частоте в противоположных направлениях с массами 6 и 10. При отсутствии внешней угловой скорости, перпендикулярной к плоскости подвижных масс, кориолисова сила не возникает, и массы перемещаются только по осям х и у. Зазоры 5 и 8 между подвижными массами не изменяются.The moving masses 1 and 9 are forced into oscillations at the resonant frequency in opposite directions with the masses 6 and 10. In the absence of an external angular velocity perpendicular to the plane of the moving masses, the Coriolis force does not arise, and the masses move only along the x and y axes. The gaps 5 and 8 between the moving masses do not change.

При действии внешней угловой скорости на каждую подвижную массу начинают действовать кориолисовы силы, поворачивающие подвижные массы в соответствии с направлением, например, показанным на фиг.1. При этом зазор 5 уменьшается, а зазор 8 увеличивается, это выявляется далее преобразователем перемещений.Under the action of external angular velocity, Coriolis forces begin to act on each moving mass, turning the moving masses in accordance with the direction, for example, shown in Fig. 1. In this case, the gap 5 is reduced, and the gap 8 is increased, this is further detected by the displacement transducer.

Источники информацииSources of information

1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989, 270 с.1. Malov V.V. Piezoresonance sensors. M .: Energoatomizdat, 1989, 270 p.

2. Патент США №5952572, опубликован 14.09.1999 г., МКИ G 01 P 9/00, НКИ 73/504.04 (прототип).2. US Patent No. 5952572, published September 14, 1999, MKI G 01 P 9/00, NCI 73 / 504.04 (prototype).

Claims

A micromechanical angular velocity sensor containing a base, four movable masses having two parallel flat surfaces, beams for hanging movable masses and a central platform to which the beams are attached, characterized in that the beams are L-shaped and each movable mass is suspended on two beams , and the central platform is rigidly connected to the base.