RU2269746C1

RU2269746C1 - Micromechanical vibratory gyroscope

Info

Publication number: RU2269746C1
Application number: RU2004135764/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Илларионович Евстифеев (RU); Михаил Илларионович Евстифеев; Леонид Петрович Несенюк (RU); Леонид Петрович Несенюк; Владимир Григорьевич Пешехонов (RU); Владимир Григорьевич Пешехонов; Александр Алексеевич Унтилов (RU); Александр Алексеевич Унтилов
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-02-10

Abstract

FIELD: the invention refers to the field of high-precision instrument-making industry and may be used at manufacturing of such measuring devices of an angular speed of a moving foundation as vibratory gyroscopes.

SUBSTANCE: the gyroscope has a foundation, an inertial disk attached to the foundation with the help of an inner elastic suspension consisting of four direct elastic rods of rectangular section having length and width equal with the height equal to the thickness of the disk and located radially under equal angles to the axle of sensitivity of the device and attached with the inner sides to the foundation, a system of electrostatic excitement of the vibrations of the disk consisting out of engines of excitement and sensors of angular position; a system of electrostatic pick up of output vibrations consisting of electrodes located on the foundation under the inertial disk, elastic bonds placed concentrically to the disk for reducing expanding efforts and providing necessary angular turn of the elastic rods at their deformation. At that nonlinearity of the primary vibrations is sharply reduced.

EFFECT: provides stability of vibrations, increases exploiting characteristics , maximum sensitiveness of the device.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used to create such means of measuring the angular velocity of the base, such as vibration gyroscopes.

Известны микромеханические вибрационные гироскопы (МВГ) [Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. - Sensors and Actuators A, 43,1994, pp 65-71].Known micromechanical vibration gyroscopes (MVG) [Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. - Sensors and Actuators A, 43.1994, pp 65-71].

Принцип действия МВГ состоит в следующем. Инерционный диск, имеющий упругую связь с основанием, совершает первичные угловые колебания (угловые вибрации), создаваемые системой возбуждения, вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Под воздействием угловой скорости основания вокруг оси чувствительности, направление которой лежит в плоскости диска, возникают силы Кориолиса, вызывающие вторичные колебания инерционного диска вокруг ортогональной оси, лежащей в плоскости диска, измеряемые системой съема.The principle of action of the MHG is as follows. The inertial disk, which has an elastic connection with the base, performs primary angular oscillations (angular vibrations) created by the excitation system around an axis perpendicular to the plane of the disk. Under the influence of the angular velocity of the base around the axis of sensitivity, the direction of which lies in the plane of the disk, Coriolis forces arise, causing secondary oscillations of the inertial disk around the orthogonal axis lying in the plane of the disk, measured by the removal system.

Наибольшая чувствительность прибора достигается при обеспечении максимальной амплитуды первичных колебаний и при совмещении собственных частот первичных и вторичных колебаний диска в подвесе. Основные проблемы при возбуждении первичных колебаний заключаются в обеспечении устойчивости этих колебаний при различных условиях эксплуатации, стабилизации их амплитуды и снижении нелинейной зависимости амплитуды колебаний от частоты возбуждения.The greatest sensitivity of the device is achieved by ensuring the maximum amplitude of the primary oscillations and by combining the natural frequencies of the primary and secondary disk vibrations in the suspension. The main problems in the excitation of primary oscillations are to ensure the stability of these oscillations under various operating conditions, stabilize their amplitude and reduce the non-linear dependence of the amplitude of the oscillations on the excitation frequency.

Известна конструкция МВГ [Лестев А.М., Попова И.В., Пятышев Е.Н. и др. Особенности комплексирования объемной микромеханики и БИС в измерительных системах//Материалы Х Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным системам, С-Петербург, 2003. - С.217-225], чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Инерционный диск выполнен из кремниевой пластины одинаковой толщины. Упругий подвес состоит из четырех прямых упругих стержней, имеющих равную длину и ширину, высота стержней равна толщине диска. Упругие стержни расположены радиально в плоскости диска под равными углами к оси чувствительности. Внутренняя часть упругих стержней закреплена на основании, а наружная часть соединена с инерционным диском. Инерционный диск совершает первичные колебания вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Колебания возбуждаются системой электростатического возбуждения колебаний, состоящей из двигателей возбуждения и датчиков углового положения. Измерение выходных колебаний инерционного диска осуществляется системой емкостного съема, состоящей из электродов, расположенных на основании под инерционным диском.The known construction of the MVG [Lestev A.M., Popova I.V., Pyatyshev E.N. and other Features of the integration of volumetric micromechanics and LSI in measuring systems // Materials of the X St. Petersburg International Conference on Integrated Systems, St. Petersburg, 2003. - S.217-225], the sensitive element of which contains a base and an inertial disk mounted on base with an internal elastic suspension. The inertial disk is made of a silicon wafer of the same thickness. An elastic suspension consists of four straight elastic rods having equal length and width, the height of the rods is equal to the thickness of the disk. The elastic rods are located radially in the plane of the disk at equal angles to the axis of sensitivity. The inner part of the elastic rods is fixed to the base, and the outer part is connected to the inertial disk. The inertial disk makes primary oscillations about an axis perpendicular to the plane of the disk. The oscillations are excited by a system of electrostatic excitation of oscillations, consisting of excitation motors and angular position sensors. The measurement of the output oscillations of the inertial disk is carried out by a capacitive pick-up system consisting of electrodes located on the base under the inertial disk.

К недостаткам конструкции относится то, что упругие стержни подвеса имеют жесткое крепление как к основанию, так и к инерционному диску. Вследствие этого при совершении первичных колебаний упругие стержни подвеса кроме изгибных деформаций подвергаются деформациям растяжения, возникающим из-за невозможности смещения опор в радиальном направлении. Наличие усилий растяжения приводит к тому, что характеристика восстанавливающей силы упругости по оси первичных колебаний становится нелинейной и описывается кубической параболой.The disadvantages of the design include the fact that the elastic suspension rods are rigidly attached to both the base and the inertial disk. As a result of this, when performing primary vibrations, the elastic suspension rods, in addition to bending deformations, are subjected to tensile deformations arising from the impossibility of displacement of the supports in the radial direction. The presence of tensile forces leads to the fact that the characteristic of the restoring elastic force along the axis of primary vibrations becomes nonlinear and is described by a cubic parabola.

Особенностью систем с нелинейной восстанавливающей силой является возникновение нескольких устойчивых периодических режимов, при которых одному значению частоты соответствуют различные амплитуды колебаний, и возможность перехода колебательной системы из одного режима в другой. Эти свойства нелинейной системы обуславливают такие явления, как неустойчивость первичных колебаний и нестабильность амплитуды колебаний вследствие несовпадения амплитудно-частотных характеристик при увеличении и уменьшении частоты момента возбуждения.A feature of systems with nonlinear restoring force is the emergence of several stable periodic modes in which different oscillation amplitudes correspond to one frequency value and the possibility of the transition of an oscillatory system from one mode to another. These properties of a nonlinear system cause such phenomena as instability of primary oscillations and instability of the oscillation amplitude due to mismatch of the amplitude-frequency characteristics with increasing and decreasing frequency of the excitation moment.

Известно техническое решение [Fujita Т. et al. Disk-shaped bulk micromachined gyro-scope with vacuum sealing//Sensors and Actuators, 82, 2000, pp.198-204], позволяющее уменьшить растягивающие усилия в упругих стержнях подвеса МВГ. В данном случае упругие стержни выполняются зигзагообразными по форме меандра. Однако при этом существенно увеличивается общая (приведенная) длина стержней подвеса, что приводит к значительному снижению жесткости подвеса по оси чувствительности и повышению чувствительности к линейным и угловым вибрациям.A technical solution is known [Fujita T. et al. Disk-shaped bulk micromachined gyro-scope with vacuum sealing // Sensors and Actuators, 82, 2000, pp.198-204], which allows to reduce tensile forces in the elastic rods of the MVG suspension. In this case, the elastic rods are zigzag in the shape of a meander. However, this significantly increases the total (reduced) length of the suspension rods, which leads to a significant decrease in the suspension stiffness along the sensitivity axis and an increase in sensitivity to linear and angular vibrations.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят МВГ [An S. et al. Dual-Axis Microgyroscope with Closed-Loop Detection// Sensors and Ac-tuators, 73, 1999, pp. 1-6], чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, выполненный в виде кремниевой пластины одинаковой толщины и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Упругий подвес состоит из четырех прямых упругих стержней, имеющих равную длину и ширину, высота стержней равна толщине диска. Упругие стержни расположены радиально под равными углами к оси чувствительности между электродами системы электростатического возбуждения колебаний. Внутренние части упругих стержней подвеса закреплены на основании, а наружные части соединены с прямыми перемычками, связывающими инерционный диск в единую конструкцию. Прямые перемычки используются в качестве упругих элементов, снижающих усилия растяжения в упругих стержнях подвеса и уменьшающих нелинейность характеристики первичных колебаний.As a prototype for the largest number of common essential features adopted MHG [An S. et al. Dual-Axis Microgyroscope with Closed-Loop Detection // Sensors and Ac-tuators, 73, 1999, pp. 1-6], the sensitive element of which contains a base and an inertial disk made in the form of a silicon wafer of the same thickness and fixed to the base using an internal elastic suspension. An elastic suspension consists of four straight elastic rods having equal length and width, the height of the rods is equal to the thickness of the disk. The elastic rods are located radially at equal angles to the axis of sensitivity between the electrodes of the electrostatic excitation system. The inner parts of the elastic suspension rods are fixed on the base, and the outer parts are connected with straight jumpers connecting the inertial disk into a single structure. Direct jumpers are used as elastic elements that reduce tensile forces in the elastic rods of the suspension and reduce the non-linearity of the characteristics of the primary vibrations.

В данном случае устраняется указанный для предыдущего аналога недостаток, связанный с увеличением общей длины стержней подвеса.In this case, the drawback indicated for the previous analogue is eliminated, associated with an increase in the total length of the suspension rods.

Недостатками конструкции-прототипа являются невысокая чувствительность к измеряемой угловой скорости и ограниченная область использования, обусловленные следующими обстоятельствами:The disadvantages of the prototype design are the low sensitivity to the measured angular velocity and the limited area of use, due to the following circumstances:

1) Конструкция инерционного диска вследствие наличия упругих перемычек по существу разделена на четыре части, имеющие упругую связь через стержни подвеса. При этом инерционный диск становится нежестким и его части, играющие роль подвижных электродов системы емкостного съема, могут колебаться с различными частотами, что приводит к значительной погрешности МВГ.1) The design of the inertial disk due to the presence of elastic jumpers is essentially divided into four parts having an elastic connection through the suspension rods. In this case, the inertial disk becomes non-rigid and its parts, which play the role of the movable electrodes of the capacitive pick-up system, can oscillate at different frequencies, which leads to a significant error in the MHG.

2) Выполнение упругих перемычек в виде прямых стержней снижает жесткость и приводит к потере устойчивости конструкции инерционного диска при действии линейных ускорений в плоскости диска.2) The implementation of elastic jumpers in the form of straight rods reduces rigidity and leads to loss of stability of the inertial disk structure under the action of linear accelerations in the plane of the disk.

3) Расположение упругих стержней подвеса между электродами системы электростатического возбуждения колебаний снижает жесткость конструкции по оси, перпендикулярной плоскости диска, и ограничивает возможность совмещения частот первичных и вторичных колебаний посредством изменения углового положения упругих стрежней подвеса в плоскости диска.3) The location of the elastic suspension rods between the electrodes of the electrostatic excitation system reduces the rigidity of the structure along an axis perpendicular to the plane of the disk, and limits the possibility of combining the frequencies of primary and secondary vibrations by changing the angular position of the elastic suspension rods in the plane of the disk.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности и повышение эксплуатационных характеристик МВГ.The task of the invention is to increase the sensitivity and increase the operational characteristics of the MHG.

Согласно изобретению указанная задача решается тем, что каждая из пар прямых упругих стержней внутреннего упругого подвеса соединена с концентричными диску дуообразными упругими перемычками. Концы двух дугообразных перемычек, в свою очередь, соединены с инерционным диском. Основное назначение упругих перемычек, как и в конструкции-прототипе, состоит в снижении растягивающих усилий, действующих на стержни подвеса. Однако закрепление пары стержней подвеса с одной дугообразной перемычкой позволяет значительно увеличить ее длину и, соответственно, податливость, что существенно уменьшает нелинейность первичных угловых колебаний.According to the invention, this problem is solved in that each of the pairs of straight elastic rods of the internal elastic suspension is connected to a duo-shaped elastic jumpers concentric to the disk. The ends of the two arched jumpers, in turn, are connected to the inertial disk. The main purpose of the elastic jumpers, as in the prototype design, is to reduce the tensile forces acting on the suspension rods. However, fixing a pair of suspension rods with one arcuate jumper can significantly increase its length and, accordingly, compliance, which significantly reduces the nonlinearity of the primary angular vibrations.

Упругие перемычки, через которые осуществляется соединение упругих стержней подвеса и инерционного диска, могут быть расположены симметрично относительно оси чувствительности или симметрично относительно оси вторичных колебаний.Elastic jumpers through which the elastic rods of the suspension and the inertial disk are connected can be located symmetrically with respect to the axis of sensitivity or symmetrically with respect to the axis of secondary vibrations.

В инерционном диске выполнены прорези, в которых размещена система электростатического возбуждения колебаний. Упругие перемычки расположены внутри диска, так что упругие стержни, соединенные с ними, не пересекают конструкцию диска. При этом инерционный диск представляет собой монолитную конструкцию, не допуская взаимных колебаний различных частей диска, а угловое расположение упругих стержней подвеса относительно оси чувствительности может варьироваться, позволяя добиваться равенства частот первичных и вторичных колебаний.Slots are made in the inertial disk, in which the system of electrostatic excitation of oscillations is placed. Elastic bridges are located inside the disk, so that the elastic rods connected to them do not intersect the disk structure. In this case, the inertial disk is a monolithic structure, avoiding mutual vibrations of different parts of the disk, and the angular arrangement of the elastic suspension rods relative to the sensitivity axis can vary, allowing us to achieve equal frequencies of primary and secondary vibrations.

Выполнение упругих перемычек в виде дугообразных элементов создает арочную конструкцию, имеющую значительную жесткость. Это повышает устойчивость упругого подвеса и инерционного диска к действию линейных ускорений в плоскости диска и улучшает эксплуатационные характеристики МВГ.The implementation of elastic jumpers in the form of arched elements creates an arched structure with significant rigidity. This increases the stability of the elastic suspension and inertial disk to the action of linear accelerations in the plane of the disk and improves the operational characteristics of the MHG.

Предлагаемая конструкция МВГ сокращает габариты прибора, увеличивает жесткость подвеса инерционного диска, уменьшает возможность его деформаций во время изготовления и эксплуатации, позволяет эффективно уменьшить нелинейность первичных угловых колебаний для достижения максимальной чувствительности МВГ.The proposed design of MVG reduces the dimensions of the device, increases the rigidity of the suspension of the inertial disk, reduces the possibility of its deformation during manufacture and operation, can effectively reduce the nonlinearity of primary angular vibrations to achieve maximum sensitivity MVG.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 и 3, представленных в проекционной связи, обозначены:The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1, 2 and 3, presented in projection communication, are indicated:

1 - ось первичных колебаний;1 - axis of primary vibrations;

2 - ось чувствительности;2 - axis of sensitivity;

3 - ось вторичных колебаний;3 - axis of secondary vibrations;

4 - основание, которое используется как опорная поверхность для крепления инерционного диска 5 и на котором расположены электроды системы электростатического съема выходных колебаний 9;4 - the base, which is used as a supporting surface for mounting the inertial disk 5 and on which the electrodes of the electrostatic removal system of the output oscillations 9 are located;

5 - инерционный диск, который крепится к основанию 4 с помощью упругого подвеса 6;5 - inertial disk, which is attached to the base 4 using an elastic suspension 6;

6 - внутренний упругий подвес, состоящий из четырех упругих прямых стержней, расположенных радиально под равными углами к оси чувствительности 2 и прикрепленных внутренними частями к основанию 4, а наружные части каждой пары стержней прикреплены к упругим перемычкам 10;6 - internal elastic suspension, consisting of four elastic straight rods located radially at equal angles to the axis of sensitivity 2 and attached by internal parts to the base 4, and the outer parts of each pair of rods attached to the elastic jumpers 10;

7 - двигатели возбуждения, закрепленные на основании 4;7 - excitation motors fixed on the basis of 4;

8 - датчики углового положения, закрепленные на основании 4;8 - sensors of angular position, mounted on the base 4;

9 - система электростатического съема выходных колебаний с электродами на основании 4;9 - a system of electrostatic removal of output oscillations with electrodes based on 4;

10 - упругие дугообразные концентричные диску 5 перемычки. Функционирует микромеханический вибрационный гироскоп представленной конструкции следующим образом.10 - elastic arcuate concentric to the disk 5 jumpers. The micromechanical vibration gyroscope of the presented design functions as follows.

Инерционный диск 5 с внутренним упругим подвесом 6 закреплен на основании 4.The inertial disk 5 with an internal elastic suspension 6 is mounted on the base 4.

На двигатели возбуждения 7, закрепленные на основании 4, подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной собственной частоте первичных колебаний, что обеспечивает колебания инерционного диска 5 вокруг оси 1. Датчики углового положения 8, также закрепленные на основании 4, служат для определения амплитуды колебаний и совместно с двигателями возбуждения 7 представляют собой систему электростатического возбуждения первичных колебаний инерционного диска 5. При наличии угловой скорости основания, действующей по оси чувствительности 2, возникают кориолисовы силы, заставляющие инерционный диск 5 колебаться относительно оси выходных колебаний 3. Амплитуда выходных колебаний, величина которой является мерой измеряемой угловой скорости, определяется системой электростатического съема выходных колебаний 9 с электродами на основании 4.The excitation motors 7, mounted on the base 4, are supplied with an alternating electric voltage with a frequency equal to the natural frequency of the primary oscillations, which ensures oscillations of the inertial disk 5 around the axis 1. The angular position sensors 8, also fixed on the base 4, are used to determine the amplitude of the oscillations and together with excitation motors 7 are a system of electrostatic excitation of the primary oscillations of the inertial disk 5. If there is an angular velocity of the base acting along the axis, nosti 2, Coriolis forces occur that force the inertial disk 5 to oscillate about the axis 3. The amplitude of the output waveform of the oscillation output whose magnitude is a measure of the measured angular velocity is determined by the electrostatic pickup system output waveform with the electrodes 9 on the basis of 4.

Представленная конструкция внутреннего упругого подвеса 6 состоит из четырех радиально расположенных упругих стержней, каждый из которых прикреплен к основанию 4. Упругие стержни имеют равную длину и ширину, высота их равна толщине диска 5. Каждая пара стержней соединена с упругими концентричными диску 5 дугообразными перемычками 10, концы которых закреплены на инерционном диске 5. Две упругие перемычки 10 конструктивно могут быть расположены симметрично оси чувствительности 2 (фиг.2) или симметрично оси вторичных колебаний 3 (фиг.3).The presented design of the internal elastic suspension 6 consists of four radially spaced elastic rods, each of which is attached to the base 4. The elastic rods are of equal length and width, their height is equal to the thickness of the disk 5. Each pair of rods is connected with elastic concentric disk 5 arcuate jumpers 10, the ends of which are fixed on the inertial disk 5. Two elastic jumpers 10 can structurally be located symmetrically to the axis of sensitivity 2 (figure 2) or symmetrically to the axis of secondary vibrations 3 (figure 3).

При возбуждении первичных колебаний вокруг оси 1 упругие стержни изгибаются, при этом упругие перемычки 10 допускают разворот и смещение наружной стороны крепления стержней подвеса 6, существенно снижая растягивающие усилия. Этим обеспечивается линейность характеристики и достижение максимальной амплитуды первичных угловых колебаний. Арочная структура упругих перемычек 10 обеспечивает устойчивость к инерционным перегрузкам и повышенные эксплуатационные характеристики МВГ. Благодаря расположению упругих перемычек внутри диска упругие стержни не пересекают конструкцию диска, что допускает изменение углового расположения упругих стержней подвеса относительно оси чувствительности для достижения равенства частот первичных и вторичных колебаний и, соответственно, максимальной чувствительности МВГ.When the primary vibrations are excited around the axis 1, the elastic rods are bent, while the elastic jumpers 10 allow the rotation and displacement of the outer side of the attachment rods of the suspension 6, significantly reducing tensile forces. This ensures the linearity of the characteristic and the achievement of the maximum amplitude of the primary angular oscillations. The arched structure of the elastic jumpers 10 provides resistance to inertial overloads and increased operational characteristics of the MHP. Due to the location of the elastic jumpers inside the disk, the elastic rods do not intersect the disk structure, which allows a change in the angular location of the elastic suspension rods relative to the sensitivity axis in order to achieve equal frequencies of primary and secondary vibrations and, accordingly, the maximum sensitivity of the MHP.

Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень техники и совпадающим в данном случае с прототипом, заключаются в увеличении чувствительности и повышении эксплуатационных характеристик МВГ.Technical appraisal and economic advantages of the invention in comparison with the basic object characterizing the existing level of technology and coinciding in this case with the prototype are to increase the sensitivity and increase the operational characteristics of the MHP.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для МВГ данной конструкции.Currently, technical documentation is being developed for the MVG of this design.

Claims

A micromechanical vibrational gyroscope containing a base, an inertial disk mounted on the base using an internal elastic suspension consisting of four straight elastic rods of rectangular cross section of equal length and width equal to the thickness of the disk radially located in the plane of the disk at equal angles to the axis of sensitivity of the device and attached internally to the base; a system of electrostatic excitation of disk oscillations, consisting of excitation motors and angular position sensors, a system of capacitive removal of output oscillations, consisting of electrodes located on a base under an inertial disk, characterized in that it contains two arc-shaped elastic jumpers concentric to the disk, symmetrical with respect to the axis of sensitivity or the axis of the secondary vibrations of the device, to each of which the outer side of the two elastic suspension rods is attached.