RU2344374C1

RU2344374C1 - Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions)

Info

Publication number: RU2344374C1
Application number: RU2007128022/28A
Authority: RU
Inventors: Яков Анатольевич Некрасов (RU); Яков Анатольевич Некрасов
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-01-20

Abstract

FIELD: physics; measurement.

SUBSTANCE: present invention pertains to devices for measuring angular velocity, and in particular, to micromechanical gyroscopes. In the electrode structure of a micromechanical gyroscope, comprising movable and immovable electrodes, the movable electrode has an opening, the width of which is close to the value 2Δx (Δx - amplitude of "ПМ" oscillations on the axis of primary oscillations). The edge of at least one of the immoveable electrodes is put above or under the opening in the moveable electrode. In a micromechanical gyroscope with such an electrode structure, where electrodes are placed above the opening, the outputs of voltage sources are connected and a capacitor to voltage converter is employed, which is connected to at least one of the electrodes placed above the opening.

EFFECT: increased accuracy of the micromechanical gyroscope due to suppression of quadrature noises and shorter warm-up time and dimensions of the micromechanical gyroscope, achieved by reducing the surface area occupied by interdigitated-finger electrodes.

7 cl, 9 dwg

Description

Предлагаемые устройства и способ относятся к приборам, измеряющим угловую скорость, в которых для измерения перемещений подвижной массы (ПМ) или подвижного механического элемента и формирования силовых сигналов используются электростатические датчики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ).The proposed device and method relate to devices measuring angular velocity, in which electrostatic sensors are used, in particular, micromechanical gyroscopes (MMG) to measure the movements of a moving mass (PM) or a moving mechanical element and generate power signals.

В настоящее время разработаны и широко используются микромеханические устройства, содержащие ПМ, электростатический задатчик силы и датчик перемещения. Такие микромеханические элементы используются в микромеханических акселерометрах, гироскопах, датчиках давления и т.д. (см. В.Я.Распопов. Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тул. гос. университет, Тула, 2002, 392 с.).Currently developed and widely used micromechanical devices containing PM, electrostatic force adjuster and displacement sensor. Such micromechanical elements are used in micromechanical accelerometers, gyroscopes, pressure sensors, etc. (see V.Ya.Raspopov. Micromechanical devices. Textbook. Tula. State University, Tula, 2002, 392 pp.).

Для формирования задатчиков силы или момента и датчиков перемещения ПМ в этих устройствах используются разные электродные структуры, позволяющие измерять перемещения ПМ и обеспечивающие формирование сил и или моментов, действующих в разных направлениях. В частности, в работе [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г. стр.268-274, рис.2, 3] приведены ММГ RR-типа и его электродная структура, в которой в качестве подвижного электрода используется ПМ, а группа неподвижных электродов расположена на крышке ММГ. Подвес ПМ в этом ММГ осуществляется с помощью торсионов. И подвижный, и неподвижные электроды образованы симметрично расположенными идентичными частями секторов, подвижный электрод имеет зубцы на сторонах, расположенных на радиальных направлениях, а неподвижные электроды размещаются в ММГ вне зубцовой зоны подвижного электрода. Эта электродная структура позволяет измерять перемещения ПМ по оси вторичных колебаний ПМ и формировать момент вокруг этой же оси.For the formation of force or moment adjusters and PM displacement sensors, these devices use different electrode structures that allow measuring the displacements of the PM and ensuring the formation of forces and or moments acting in different directions. In particular, in the work [Peshekhonov et al. Results of the development of a micromechanical gyroscope. XII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems May 23-25, 2005, pages 268-274, Figs. 2, 3] shows MMRs of the RR type and its electrode structure, in which a PM is used as a moving electrode, and the group fixed electrodes located on the cover of the MMG. PM suspension in this MMG is carried out using torsion bars. Both the movable and stationary electrodes are formed by symmetrically located identical parts of the sectors, the movable electrode has teeth on the sides located in radial directions, and the stationary electrodes are placed in the MMG outside the tooth zone of the movable electrode. This electrode structure allows you to measure the movement of the PM along the axis of the secondary vibrations of the PM and form a moment around the same axis.

Однако эта электродная структура не позволяет подавлять квадратуру в микромеханическом узле ММГ. Поэтому ПМ в этом ММГ совершает колебания вокруг оси вторичных колебаний и при нулевой угловой скорости основания, что вызывает появление на выходе емкостного датчика на оси вторичных колебаний сигнала, фаза которого сдвинута на 90° по отношению к сигналу, соответствующему измеряемой угловой скорости. Для подавления квадратурного сигнала ММГ в этом случае может применяться синхронное детектирование и/или компенсация, как это выполняется, например, в устройстве по пат. России №2274833.However, this electrode structure does not allow suppressing the quadrature in the micromechanical node MMG. Therefore, the PM in this MMG oscillates around the axis of secondary oscillations even at a zero angular velocity of the base, which causes a signal at the output of the capacitive sensor on the axis of secondary oscillations, whose phase is shifted by 90 ° with respect to the signal corresponding to the measured angular velocity. To suppress the quadrature signal MMG in this case, synchronous detection and / or compensation can be used, as is done, for example, in the device according to US Pat. Russia №2274833.

Недостатком такого способа подавления помехи является то, что перемещения ПМ под действием сил или моментов, вызывающих появление квадратурной помехи, остаются в ММГ. Наличие этих перемещений уменьшает динамический диапазон работы ММГ, обусловленные ПМ.The disadvantage of this method of suppressing interference is that the movement of the PM under the action of forces or moments that cause the appearance of quadrature interference, remain in the MMG. The presence of these movements reduces the dynamic range of MMG operation due to PM.

Для подавления квадратурной помехи методом компенсации сил, вызывающих этот тип помехи, в ММГ используют более сложную электродную структуру и/или вводят дополнительные источники напряжения, которые определенным образом подключают к электродам.To suppress quadrature interference by compensating the forces causing this type of interference, MMGs use a more complex electrode structure and / or introduce additional voltage sources that are connected to the electrodes in a certain way.

Например, в пат. США №5992233 (фиг.7, 13, 9) показано, как за счет изменения напряжений на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний, можно добиться снижения квадратурной помехи в ММГ LL-типа.For example, in US Pat. US No. 5992233 (Fig.7, 13, 9) shows how, by changing the voltages at the electrodes located along the axis of the secondary vibrations, it is possible to reduce quadrature interference in LL-type MMGs.

В ММГ LL-типа по патенту США №7213458 (фиг.2) введены дополнительные электроды, которые расположены на основании под зубцами ПМ (зубцами гребенчатой двигателя или датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний). Когда ПМ перемещается по оси первичных колебаний (т.е. вдоль основания), вместо зубцов над частью дополнительного электрода оказывается поверхность ПМ. Поэтому площадь перекрытия между ПМ и дополнительным электродом может изменяться почти в два раза. При подаче напряжений на этот электрод и перемещениях ПМ из-за изменений площади перекрытия между ПМ и дополнительными электродами возникает сила, частота изменения которой равна частоте колебаний ПМ, при этом сила действует на ПМ по нормали к направлению первичных колебаний ПМ. При соответствующем выборе напряжения создаваемые силы компенсируют силы, вызывающие квадратурную помеху. При полной компенсации этих сил отклонения ПМ по оси вторичных колебаний вызываются только кориолисовым ускорением и на выходе ММГ квадратурный сигнал отсутствует. Величина создаваемой силы этим дополнительным электродом определяется допустимым напряжением между ПМ и дополнительным электродом и изменением площади перекрытия между зубцами ПМ и дополнительным электродом. К достоинству такой электродной структуры можно отнести то, что дополнительный электрод не увеличивает габариты ММГ. К недостаткам можно отнести то, что величина создаваемой силы для компенсации квадратурной помехи относительно невелика, что не позволяет подавить эту помеху в 100% образцов.In the LL-type MMG, according to US patent No. 7213458 (figure 2), additional electrodes are introduced, which are located on the base under the PM teeth (teeth of the comb engine or PM motion sensor along the axis of primary vibrations). When the PM moves along the axis of the primary vibrations (i.e., along the base), instead of the teeth, the surface of the PM appears above the part of the additional electrode. Therefore, the overlap area between the PM and the additional electrode can vary almost twice. When voltages are applied to this electrode and PM displacements due to changes in the overlap area between the PM and additional electrodes, a force arises whose frequency of change is equal to the PM oscillation frequency, while the force acts on the PM normal to the direction of the primary PM oscillations. With the appropriate choice of voltage, the generated forces compensate for the forces that cause quadrature interference. When these forces are fully compensated, PM deviations along the axis of secondary oscillations are caused only by Coriolis acceleration and there is no quadrature signal at the MMG output. The magnitude of the generated force by this additional electrode is determined by the allowable voltage between the PM and the additional electrode and the change in the overlap area between the PM teeth and the additional electrode. The advantage of such an electrode structure can be attributed to the fact that the additional electrode does not increase the dimensions of the MMG. The disadvantages include the fact that the magnitude of the generated force to compensate for the quadrature interference is relatively small, which does not allow suppressing this interference in 100% of the samples.

В пат. США №6067858 (фиг.20) приведена электродная структура двухосного ММГ RR-типа, в которой подвижный электрод имеет форму диска, образованного двумя концентрическими окружностями, который дополнен прямоугольными областями (элементы 340 a, b, c, d), а группа неподвижных электродов дополнена прямоугольными площадками (элементы 390) под этими элементами. При вибрации ПМ вокруг оси первичных колебаний изменяется площадь перекрытия элементами 340 элементов 390. При наличии разных напряжений на близко расположенных элементах 390 (например, элементы 390 а', 390 b') вибрация ПМ вызывает появление момента, который при определенных величинах напряжений может полностью подавить квадратурную помеху. К недостаткам этой электродной структуры можно отнести то, что она значительно увеличивает площадь (примерно в два раза, судя по фиг.20) кристалла кремния, необходимую для изготовления ММГ и тем самым уменьшает количество ММГ, получаемых с одной пластины, и соответственно приводит к увеличению стоимости ММГ.In US Pat. USA No. 6067858 (Fig. 20) shows the electrode structure of a biaxial MMR of the RR type, in which the movable electrode has the form of a disk formed by two concentric circles, which is supplemented by rectangular regions (elements 340 a, b, c, d), and a group of stationary electrodes complemented by rectangular pads (elements 390) under these elements. When the PM vibrates around the axis of primary vibrations, the overlap area of the elements 340 of the elements 390 changes. If there are different voltages on the closely located elements 390 (for example, the elements 390 a ', 390 b'), the PM vibration causes the appearance of a moment that can completely suppress at certain voltage values quadrature interference. The disadvantages of this electrode structure include the fact that it significantly increases the area (approximately two times, judging by FIG. 20) of the silicon crystal necessary for the production of MMG and thereby reduces the number of MMG obtained from one plate, and accordingly leads to an increase MMG value.

Таким образом, задача подавления квадратурной помехи в ММГ может решаться разными способами, возможности применения которых определяется используемыми в ММГ электродными структурами. Можно выделить три способа:Thus, the problem of suppressing quadrature interference in an MMG can be solved in different ways, the applicability of which is determined by the electrode structures used in the MMG. Three methods can be distinguished:

- компенсация квадратурного сигнала и его подавление в электронном узле ММГ (см. пат. России №2274833). Основным недостатком этого способа является то, что при нулевом ускорении Кориолиса в ММГ имеет место перемещение ПМ по оси вторичных колебаний;- compensation of the quadrature signal and its suppression in the electronic node MMG (see US Pat. No. 2274833). The main disadvantage of this method is that at zero Coriolis acceleration in the MMG, the PM moves along the axis of the secondary vibrations;

- компенсация сил (моментов), вызывающих появление квадратурной помехи, за счет подачи на электроды специально сформированных в электронном узле ММГ напряжений (см. пат. США №6553833 фирмы Robert Bosch GmbH. Более подробное описание электродной структуры и подвеса ПМ в ММГ RR-типа фирмы Robert Bosch GmbH приведены в пат. США №6062082). Недостатком этого способа является относительная сложность достижения точной компенсации сил, т.к. необходимо точно подстроить два параметра компенсирующего электрического сигнала, подаваемого на электроды (амплитуду и фазу). В противном случае составляющая компенсирующего сигнала может вызвать колебания ПМ, синфазные с полезным сигналом;- compensation of forces (moments) causing the appearance of quadrature interference due to the supply of voltages specially formed in the MMG electronic node to the electrodes (see US Pat. No. 6553833 from Robert Bosch GmbH. A more detailed description of the electrode structure and PM suspension in RR-type MMG Robert Bosch GmbH is disclosed in US Pat. No. 6,062,082). The disadvantage of this method is the relative complexity of achieving accurate compensation of forces, because it is necessary to fine-tune the two parameters of the compensating electrical signal supplied to the electrodes (amplitude and phase). Otherwise, the component of the compensating signal can cause PM oscillations in phase with the useful signal;

- компенсация сил (моментов), вызывающих появление квадратурной помехи, за счет использования специально сконструированных электродных структур (см. пат. США №6067858 и №7213458), которые позволяют осуществлять эту компенсацию путем подачи на электроды постоянных напряжений. При этом компенсационные силы оказываются переменными во времени, их частота равна частоте колебаний ПМ. Однако известные электродные структуры ММГ RR-типа занимают значительную часть площади кристалла кремния по сути вспомогательными электродами, используемыми только для подавления квадратурной помехи, что в конечном счете уменьшает выход ММГ с пластины (вафли) и увеличивает стоимость ММГ. Кроме того, эти вспомогательные электроды увеличивают линейные размеры ПМ, что может уменьшить надежность, особенно при воздействии вибраций и ударов. А недостатком известных электродных структур ММГ LL-типа является то, что создаваемые компенсирующие квадратурную помеху силы относительно малы, т.к. изменение площади перекрытия примерно в два раза меньше площади дополнительного электрода. Возможность увеличения компенсирующих сил за счет увеличения разности напряжений между ПМ и дополнительным электродом ограничена допустимым напряжением в зазоре между ними.- compensation of forces (moments) causing the appearance of quadrature interference due to the use of specially designed electrode structures (see US Pat. No. 6067858 and No. 7213458), which allow this compensation to be performed by applying constant voltage to the electrodes. In this case, the compensation forces turn out to be variable in time; their frequency is equal to the PM oscillation frequency. However, the known electrode structures of RR-type MMGs occupy a significant part of the silicon crystal area by essentially auxiliary electrodes used only to suppress quadrature interference, which ultimately reduces the MMG output from the wafer (wafer) and increases the cost of the MMG. In addition, these auxiliary electrodes increase the linear dimensions of the PM, which can reduce reliability, especially when exposed to vibrations and shocks. A disadvantage of the known electrode structures of MMG LL-type is that the forces created to compensate for the quadrature interference are relatively small, because the change in the overlap area is approximately half the size of the additional electrode. The possibility of increasing the compensating forces by increasing the voltage difference between the PM and the additional electrode is limited by the permissible voltage in the gap between them.

В конечном счете, все известные способы компенсации вредных сил или моментов в ММГ основаны на формировании определенной формы подвижного электрода, которым является ПМ, или использовании этой формы или конфигурации за счет введения дополнительных неподвижных электродов, с помощью которых реализуются потенциальные возможности конфигурации ПМ.Ultimately, all known methods of compensating for harmful forces or moments in MMG are based on the formation of a certain form of a movable electrode, which is a PM, or the use of this form or configuration by introducing additional stationary electrodes with which the potential possibilities of PM configuration are realized.

Особенности конфигурации ПМ используются в ММГ не только для подавления квадратурной помехи, но также и для достижения других положительных эффектов. Например, отверстия в роторе ММГ, описанном в работе [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г., стр.268-274, рис.2, 3], используются для формирования зазора между ротором и основанием.PM configuration features are used in MMG not only to suppress quadrature interference, but also to achieve other positive effects. For example, the holes in the MMG rotor described in [Peshekhonov et al. Results of the development of a micromechanical gyroscope. The XII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems May 23-25, 2005, pp. 268-274, Fig. 2, 3], are used to form a gap between the rotor and the base.

В других ММГ эти отверстия могут использоваться для уменьшения демпфирования воздухом перемещений ПМ в плоскости, перпендикулярной первичным колебаниям, или для изменения массы ПМ, жесткости и резонансной частоты подвеса ПМ [патент США US №6978673, столбец 6 описания, строки 10-15]. В этом патенте описано, как за счет изменения размеров отверстий, их положения и числа в ПМ получить изменение одного из важных параметров - резонансной частоты подвеса. Однако предложенные в ней формы отверстия в ПМ, их расположения не обеспечивают подавление квадратурной помехи в ММГ, что можно отнести к недостаткам описанного в заявке ММГ и его электродной структуры.In other MMGs, these holes can be used to reduce air damping of the PM movements in a plane perpendicular to the primary vibrations, or to change the mass of the PM, stiffness and resonance frequency of the PM suspension [US patent US No. 6978673, description column 6, lines 10-15]. This patent describes how, by changing the size of the holes, their position and number in the PM, to obtain a change in one of the important parameters - the resonant frequency of the suspension. However, the holes in the PM proposed in it and their location do not suppress quadrature interference in the MMG, which can be attributed to the disadvantages of the MMG described in the application and its electrode structure.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей электродной структуры, которое бы позволило простыми средствами обеспечивать подавление квадратурной помехи и измерение перемещений ПМ.The objective of the invention is to expand the functionality of the electrode structure, which would allow simple means to provide suppression of quadrature interference and the measurement of the displacements of the PM.

Кроме того, задачей изобретения является повышение точности ММГ RR- и LL-типа за счет подавления квадратурной помехи.In addition, the object of the invention is to improve the accuracy of MMR RR- and LL-type by suppressing quadrature interference.

Кроме того, задачей изобретения является упрощение конструкции ММГ RR- и LL-типа и уменьшение площади кристалла кремния, используемого для формирования системы возбуждения первичных колебаний в ММГ.In addition, the object of the invention is to simplify the construction of MMG of the RR and LL type and to reduce the area of the silicon crystal used to form the primary vibration excitation system in the MMG.

Поставленная задача решается тем, что в электродной структуре для микромеханического гироскопа, содержащей подвижный и неподвижные электроды, при этом подвижный электрод имеет отверстия и может колебаться по первой и второй осям относительно неподвижных электродов, расположенных над или под подвижным электродом, причем по первой оси подвижный электрод может колебаться с амплитудой Δх, по крайней мере одно из отверстий имеет ширину, близкую к величине 2Δх, а край по крайней мере одного из неподвижных электродов расположен над или под отверстием.The problem is solved in that in the electrode structure for a micromechanical gyroscope containing a movable and fixed electrodes, while the movable electrode has holes and can oscillate along the first and second axes relative to the stationary electrodes located above or below the movable electrode, and the movable electrode along the first axis can oscillate with amplitude Δx, at least one of the holes has a width close to 2Δx, and the edge of at least one of the stationary electrodes is located above or below the hole a haste.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что отверстия шириной, близкой к величине 2Δх, расположены вдоль линии, нормальной (перпендикулярной) к направлению первичных колебаний, являются сквозными, при этом суммарная площадь отверстий больше той площади подвижного электрода, которая находится над краем неподвижного электрода.In addition, the problem is solved in that the holes with a width close to 2Δx are located along a line normal (perpendicular) to the direction of the primary vibrations, they are through, and the total area of the holes is larger than the area of the movable electrode located above the edge of the fixed electrode .

Кроме того, поставленная задача решается тем, что подвижный электрод может совершать поступательные перемещения, электроды и отверстие или отверстия имеют прямоугольную форму, при этом их ширина равна 2Δх, а пара неподвижных электродов расположена на первой оси симметрично относительно середины отверстия вдоль линии, нормальной к направлению первичных колебаний.In addition, the problem is solved in that the movable electrode can make translational movements, the electrodes and the hole or holes are rectangular in shape, their width being 2Δx, and a pair of fixed electrodes located on the first axis symmetrically with respect to the middle of the hole along a line normal to the direction primary fluctuations.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что подвижный электрод может совершать по первой оси угловые перемещения, электроды и отверстие или отверстия имеют форму секторов, ограниченных радиусами и двумя концентрическими окружностями, при этом ширина отверстия равна 2Δх, а пара неподвижных электродов расположена на первой оси, симметрично относительно середины отверстия.In addition, the problem is solved in that the movable electrode can make angular displacements along the first axis, the electrodes and the hole or holes have the form of sectors limited by radii and two concentric circles, the width of the hole being 2Δx, and a pair of fixed electrodes located on the first axis symmetrically with respect to the middle of the hole.

Кроме того, поставленная задача решается тем, в микромеханическом гироскопе RR-типа, содержащем основание, опору, установленную на основание, проводящий ротор, связанный с основанием с помощью двухосного резонансного подвеса и имеющий форму симметрично расположенных секторов с зубцами на боковых поверхностях, при этом ротор имеет сквозные отверстия, крышку с нанесенными на ней электродами, которая скреплена с основанием, статоры, установленные на основании, имеющие зубцы, которые с зубцами ротора образуют гребенчатую структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, вход и выход которого соединены со статорами, последовательно включенные преобразователь емкость - напряжение и устройство преобразования сигнала, при этом вход преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами крышки, ротор выполнен с отверстиями, расположенными на оси симметрии, нормальной осям первичных и вторичных колебаний, электроды крышки включают в себя пару дополнительных электродов, расположенных над отверстиями в роторе симметрично относительно середины отверстий, при этом часть площади этой пары электродов расположена над отверстием, и в микромеханический гироскоп введены источники напряжения, с которыми соединены электроды крышки, расположенные в зоне отверстий.In addition, the task is solved by the fact that in an RR-type micromechanical gyroscope containing a base, a support mounted on a base, a conductive rotor connected to the base using a biaxial resonant suspension and having the form of symmetrically located sectors with teeth on the side surfaces, the rotor has through holes, a cover with electrodes deposited on it, which is fastened to the base, stators installed on the base, having teeth, which with the teeth of the rotor form a comb structure, in the excitation of primary oscillations, the input and output of which are connected to the stators, the capacitor-voltage converter and the signal conversion device connected in series, the capacitor-voltage converter input connected to the electrodes of the cover, the rotor made with holes located on the axis of symmetry normal to the primary and secondary vibrations, the cover electrodes include a pair of additional electrodes located above the holes in the rotor symmetrically relative to the middle of the holes, while The areas of this pair of electrodes are located above the hole, and voltage sources are introduced into the micromechanical gyroscope, to which are connected the cover electrodes located in the area of the holes.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе LL-типа, содержащем основание, подвижную проводящую массу прямоугольной формы с зубцами на торцевых боковых поверхностях, подвешенную над основанием с помощью двухосного резонансного подвеса, при этом подвижная проводящая масса имеет сквозные отверстия, электроды, расположенные на основании под подвижной проводящей массой, статоры с зубцами, образующими с зубцами подвижной проводящей массы гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, вход и выход которого соединены со статорами, последовательно включенные преобразователь емкость - напряжение и устройство преобразования сигнала, при этом вход преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами основания, подвижная проводящая масса выполнена с отверстиями прямоугольной формы, ось симметрии которых совпадает с осью симметрии подвижной проводящей массы, нормальной к осям первичных и вторичных колебаний, электроды на основании включают в себя пару дополнительных электродов, расположенных под отверстиями в роторе, при этом часть площади этой пары электродов расположена под отверстиями, и в микромеханический гироскоп введены источники напряжения, с которыми соединены дополнительные электроды крышки.In addition, the problem is solved in that in an LL-type micromechanical gyroscope containing a base, a rectangular conductive mass with teeth on the end side surfaces, suspended above the base using a biaxial resonant suspension, while the movable conductive mass has through holes, electrodes located on the base under the movable conductive mass, stators with teeth forming a comb electrode structure with teeth of the movable conductive mass, the primary excitation device oscillations, the input and output of which are connected to the stators, the capacitor-voltage converter and the signal conversion device connected in series, while the capacitor-voltage converter input is connected to the base electrodes, the moving conductive mass is made with rectangular holes, the symmetry axis of which coincides with the axis of symmetry moving conductive mass normal to the axes of primary and secondary vibrations, the base electrodes include a pair of additional electrodes located under Holes in the rotor, while part of the area of this pair of electrodes is located under the holes, and voltage sources are connected to the micromechanical gyroscope, to which additional cover electrodes are connected.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе, содержащем основание, подвижную проводящую массу с зубцами на торцевых боковых поверхностях, подвешенную над основанием с помощью двухосного резонансного подвеса, электроды на основании, статоры с зубцами, образующими с зубцами подвижной проводящей массы гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, выход которого соединен со статорами, последовательно включенные первый преобразователь емкость - напряжение и первое устройство преобразования сигнала, при этом вход первого преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами основания, подвижная проводящая масса имеет сквозные отверстия, расположенные вблизи оси симметрии подвижной проводящей массы, нормальной к осям первичных и вторичных колебаний, а электроды расположены на основании так, что часть площади электродов расположена под отверстиями, а устройство возбуждения первичных колебаний выполнено в виде последовательно включенных второго преобразователя емкость - напряжение и второго устройства преобразования сигнала, при этом вход второго преобразователя емкость - напряжение соединен по крайней мере с одним из неподвижных электродов, расположенных под отверстием.In addition, the problem is solved in that in a micromechanical gyroscope containing a base, a movable conductive mass with teeth on the end side surfaces, suspended above the base with a biaxial resonant suspension, electrodes on the base, stators with teeth forming a comb with teeth of a movable conductive mass electrode structure, a device for exciting primary oscillations, the output of which is connected to the stators, the first capacitor-voltage converter and the first device are connected in series This is a signal conversion property, while the input of the first capacitance-voltage converter is connected to the base electrodes, the moving conductive mass has through holes located near the axis of symmetry of the moving conductive mass, normal to the axes of primary and secondary vibrations, and the electrodes are located on the base so that part of the area electrodes are located under the holes, and the primary oscillation excitation device is made in the form of a second capacitor-voltage converter and a second signal conversion means, wherein the input of the second capacitance-voltage converter is connected to at least one of the stationary electrodes located under the hole.

Заявляемое устройство поясняется чертежами.The inventive device is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведен вариант конструкции прототипа - ММГ LL-типа.Figure 1 shows a design variant of the prototype - MMG LL-type.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:In figure 1, the following notation:

1 - ПМ1 - PM

2 - ленточные торсионы2 - tape torsion bars

3 - балки3 - beams

4 - основание4 - base

5 - торсионы5 - torsion bars

6 - статоры6 - stators

7 - зубцы на торцевых поверхностях ПМ 17 - teeth on the end surfaces of PM 1

8 - электроды на основании (показаны пунктирной линией)8 - electrodes on the base (shown by a dashed line)

9 - отверстия в ПМ 19 - holes in the PM 1

На фиг.2 показан вариант выполнения предложенной электродной структуры для ММГ LL-типа.Figure 2 shows an embodiment of the proposed electrode structure for MM-LL-type.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:In figure 2, the following notation:

1, 3, 7, 9 - те же элементы, что и на фиг.11, 3, 7, 9 - the same elements as in figure 1

10 - отверстия в ПМ 110 - holes in the PM 1

11, 12 - электроды, расположенные под отверстиями 1011, 12 - electrodes located under the holes 10

13, 14 - электроды, расположенные под ПМ 113, 14 - electrodes located under the PM 1

На фиг.3 показан другой вариант выполнения предложенной электродной структуры для ММГ LL-типа.Figure 3 shows another embodiment of the proposed electrode structure for MMG LL-type.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:In figure 3, the following notation:

1, 3, 7, 9, 11-14 - те же элементы, что и на фиг.21, 3, 7, 9, 11-14 - the same elements as in figure 2

15 - отверстие в ПМ 115 - hole in PM 1

На фиг.4 показана подвижная масса или ротор ММГ RR-типа с предложенной электродной структурой.Figure 4 shows the moving mass or rotor MMG RR-type with the proposed electrode structure.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:In figure 4, the following notation:

16 - опора16 - support

17 - торсионы17 - torsion bars

18 - ротор18 - rotor

19 - отверстия в роторе19 - holes in the rotor

21-24 - зубцы на торцевых поверхностях ротора 1821-24 - teeth on the end surfaces of the rotor 18

На фиг.5 показана конфигурация неподвижных электродов в двухосном ММГ RR-типа.Figure 5 shows the configuration of the stationary electrodes in a biaxial MMR RR-type.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:In figure 5, the following notation:

25-28 - электроды, расположенные над отверстиями ротора 1825-28 - electrodes located above the holes of the rotor 18

29-34 - электроды, расположенные вне зоны отверстий ротора 1829-34 - electrodes located outside the area of the holes of the rotor 18

На фиг.6 показана блок-схема варианта предложенного ММГ.Figure 6 shows a block diagram of a variant of the proposed MMG.

На фиг.6 приняты следующие обозначения:Figure 6 adopted the following notation:

35 - источник напряжения высокочастотный35 - high-frequency voltage source

36, 37 - конденсаторы, образованные зубцами 21, 22 ротора 18 и соответствующими зубцами статоров36, 37 - capacitors formed by the teeth 21, 22 of the rotor 18 and the corresponding teeth of the stators

38, 39 - конденсаторы, образованные соответственно электродами 29, 30 и ротором 18 и электродами 31,32 и ротором 1838, 39 — capacitors formed respectively by electrodes 29, 30 and rotor 18 and electrodes 31.32 and rotor 18

40-43 - конденсаторы, образованные электродами 25-28 и ротором 1840-43 - capacitors formed by electrodes 25-28 and rotor 18

44, 45 - соответственно первый и второй дифференциальные трансрезистивные усилители44, 45 - respectively, the first and second differential transresistance amplifiers

46, 47 и 49 - соответственно первый, второй и третий демодуляторы46, 47 and 49 - respectively, the first, second and third demodulators

48 - фазовращатель48 - phase shifter

50 - интегратор50 - integrator

51 - перемножитель51 - multiplier

52 - схема автоматического регулирования усиления (АРУ)52 is a diagram of automatic gain control (AGC)

53-56 - источники постоянного напряжения53-56 - DC voltage sources

На фиг.7 показана блок-схема емкостного датчика перемещения ПМ 1 по оси первичных колебаний ММГ.Figure 7 shows a block diagram of a capacitive displacement sensor PM 1 along the axis of the primary oscillations MMG.

На фиг.7 приняты следующие обозначения:In Fig.7, the following notation:

57 - источники постоянного напряжения57 - DC voltage sources

58, 59 - конденсаторы, образованные ротором 18 и электродами 25, 28 соответственно58, 59 - capacitors formed by the rotor 18 and electrodes 25, 28, respectively

60, 61, 64 - резисторы60, 61, 64 - resistors

62, 63 -разделительные конденсаторы62, 63 separation capacitors

65 - операционный усилитель65 - operational amplifier

На фиг.8 показана модификация блок-схемы емкостного датчика перемещения ПМ 1 по оси первичных колебаний ММГ.On Fig shows a modification of the block diagram of a capacitive displacement sensor PM 1 along the axis of the primary oscillations MMG.

На фиг.8 приняты следующие обозначения:In Fig.8, the following notation:

58 - конденсатор, образованный ротором 18 и электродом 2558 is a capacitor formed by the rotor 18 and the electrode 25

66 - источник постоянного напряжения66 - constant voltage source

67 - резистор67 - resistor

68 - операционный усилитель68 - operational amplifier

69 - демодулятор69 - demodulator

70 - перемножитель70 - multiplier

71 - фильтр низших частот (ФНЧ)71 - low-pass filter (low-pass filter)

На фиг.9 показан чувствительный элемент ММГ-типа с предложенной электродной структуройFigure 9 shows the sensor element MMG type with the proposed electrode structure

На фиг.9 приняты следующие обозначения:In Fig.9, the following notation:

Элементы 2-7 обозначены также, как и на фиг.1, элемент 16 - также, как и на фиг.3.Elements 2-7 are denoted as in FIG. 1, element 16 is also indicated in FIG. 3.

72, 73 - подвижные массы72, 73 - moving masses

74-77 - электроды, расположенные на основании под подвижными массами 72, 7374-77 - electrodes located on the base under the moving masses 72, 73

78-81 - электроды, расположенные на основании в зоне отверстий в подвижных массах 72, 7378-81 - electrodes located on the base in the area of the holes in the moving masses 72, 73

Предлагаемые устройства функционируют следующим образом.The proposed device operates as follows.

В приведенном на фиг.1 варианте конструкции ММГ LL-типа две ПМ1 подвешены на ленточных торсионах 2, которые прикреплены к балкам 3. Балки 3 подвешены к основанию 4 с помощью торсионов 5. Статоры 6 установлены на основании и имеют зубцы. ПМ 1 с боков на торцевых поверхностях имеют зубцы 7. На основании 4 под каждой из ПМ 1 расположен электрод 8. Каждая из ПМ 1 имеет отверстия, расположенные на периферии ПМ 1 вдоль балок 3.In the embodiment shown in FIG. 1, LL-type MMGs, two PM1 are suspended on tape torsion 2, which are attached to the beams 3. The beams 3 are suspended on the base 4 using torsions 5. The stators 6 are mounted on the base and have teeth. PM 1 from the sides on the end surfaces have teeth 7. On the base 4 under each of PM 1 is an electrode 8. Each of PM 1 has holes located on the periphery of PM 1 along the beams 3.

Прототип - ММГ LL-типа работает следующим образом. На статоры 6 подается переменное напряжение, например, на половинной резонансной частоте подвеса, выполненного на элементах 2-5, либо сумма постоянного и переменного (на резонансной частоте этого подвеса), под действием которых ПМ 1 колеблются во встречных направлениях вдоль оси, параллельной балкам 3 (оси первичных колебаний). Под действием кориолисова ускорения, которое возникает при повороте ММГ вокруг оси чувствительности, ПМ 1 смещаются относительно основания в разных направлениях. Эти отклонения измеряются с помощью дифференциального емкостного датчика, образованного подвижными электродами, которыми являются ПМ 1, и электродами 8. За счет изменения размеров отверстий 9 в этом ММГ осуществляется подстройка резонансных частот подвеса.The prototype - MM-type LL works as follows. The stators 6 are supplied with alternating voltage, for example, at the half resonant frequency of the suspension made on elements 2-5, or the sum of constant and variable (at the resonant frequency of this suspension), under the influence of which PM 1 oscillate in opposite directions along an axis parallel to the beams 3 (axis of primary vibrations). Under the action of Coriolis acceleration, which occurs when the MMG is rotated around the sensitivity axis, PM 1 are shifted relative to the base in different directions. These deviations are measured using a differential capacitive sensor formed by movable electrodes, which are PM 1, and electrodes 8. By adjusting the size of the holes 9 in this MMG, the resonance frequencies of the suspension are adjusted.

На фиг.2 элементы 1, 3, 7, 9 аналогичны элементам, показанным на фиг.1. Центры отверстий 10 в ПМ 1 расположены на оси симметрии ПМ 1, которая параллельна стороне ПМ 1 с зубцами. Электрод под ПМIn figure 2, the elements 1, 3, 7, 9 are similar to the elements shown in figure 1. The centers of the holes 10 in the PM 1 are located on the axis of symmetry of the PM 1, which is parallel to the PM 1 side with teeth. PM electrode

1 выполнен разделенным в виде четырех электродов 11-14, при этом электроды 11, 12 расположены так, что один из их краев находится под отверстиями.1 is made divided in the form of four electrodes 11-14, while the electrodes 11, 12 are located so that one of their edges is located under the holes.

При колебаниях ПМ 1 в направлении, поперечном оси симметрии ПМ 1, на которой находятся центры отверстий, изменяются площади тех частей ПМ 1, которые находятся над электродами 11, 12. Это направление совпадает с осью первичных колебаний ПМ 1 в ММГ. Поэтому, если на электроды 11, 12 будут поданы разные по величине напряжения, которые обозначим соответственно U₁₁, U₁₂, то, например, при U₁₁>U₁₂, смещение ПМ 1 в сторону электрода 11 приведет к уменьшению силы, действующей со стороны электродов на ПМ 1, а при перемещении ПМ 1 в противоположном направлении - ее увеличению. Таким образом, в такой электродной структуре, в которой подвижный электрод имеет отверстия над краем или краями неподвижных электродов, может быть создана сила, синфазная с перемещениями ПМ 1.With vibrations of PM 1 in the direction transverse to the axis of symmetry of PM 1, on which the centers of the holes are located, the areas of those parts of PM 1 that are above the electrodes 11, 12 change. This direction coincides with the axis of primary vibrations of PM 1 in MMG. Therefore, if different voltages are applied to the electrodes 11, 12, which we denote by U ₁₁ , U ₁₂ , respectively, then, for example, when U ₁₁ > U ₁₂ , the PM 1 displacement towards the electrode 11 will lead to a decrease in the force acting from electrodes on PM 1, and when moving PM 1 in the opposite direction, its increase. Thus, in such an electrode structure in which the movable electrode has openings above the edge or edges of the stationary electrodes, a force in phase with the movements of the PM 1 can be created.

Для создания максимально возможной силы целесообразно, чтобы ширина отверстий совпадала с удвоенной амплитудой перемещения ПМ 1.To create the maximum possible force, it is advisable that the width of the holes coincide with the doubled amplitude of movement of the PM 1.

На фиг.3 элементы 1, 3, 7, 9, 11-14 аналогичны элементам, показанным на фиг.2. В этой электродной структуре отверстие имеет прямоугольную форму, его ширина равна удвоенной величине перемещения ПМ 1 (которое обозначим Δх) в направлении, поперечном большей стороны отверстия, т.е. в направлении первичных колебаний.In figure 3, the elements 1, 3, 7, 9, 11-14 are similar to the elements shown in figure 2. In this electrode structure, the hole has a rectangular shape, its width is equal to twice the amount of movement of PM 1 (which we denote Δx) in the direction transverse to the larger side of the hole, i.e. in the direction of the primary oscillations.

В электродной структуре, которая образована ПМ 1 с отверстием 10 и электродами 11-14, площадь проекции отверстия на электроды 11, 12 меняется на величину, равную 2bΔx (b - длина отверстия) при перемещениях ПМ 1 от начального положения на величину ±2Δх. В случае разной величины напряжений на электродах 11, 12 в такой электродной структуре на ПМ 1 действует сила, величина (ΔF) которой пропорциональна перемещениям ПМ1. Эта сила может быть определена из выраженияIn the electrode structure, which is formed by the PM 1 with the hole 10 and the electrodes 11-14, the projection area of the hole on the electrodes 11, 12 changes by an amount equal to 2bΔx (b is the length of the hole) when the PM 1 moves from the initial position by ± 2Δx. In the case of different voltages at the electrodes 11, 12 in such an electrode structure, a force acts on PM 1 whose magnitude (ΔF) is proportional to the movements of PM1. This force can be determined from the expression

где z - зазор между ПМ1 и электродами 11-14,where z is the gap between PM1 and electrodes 11-14,

ε - диэлектрическая постоянная среды в этом зазоре,ε is the dielectric constant of the medium in this gap,

ω - угловая частота колебаний ПМ1.ω is the angular vibration frequency of PM1.

Подвижный электрод ММГ RR-типа, которым является ротор 18, с помощью торсионов 17 подвешен на опоре 16 (см. фиг.4). На боковых поверхностях ротора 18 имеются зубцы 21-24, которые с зубцами статоров в ММГ образуют гребенчатую электродную структуру, позволяющую формировать гребенчатый двигатель или емкостной датчик перемещения. В роторе 18 имеются два отверстия, имеющих форму секторов, ограниченных радиусами и двумя концентрическими окружностями, при этом ширина отверстия равна удвоенной величине углового перемещения ротора 18 вокруг оси первичных колебаний. (2Δх).The mobile electrode MMR of the RR type, which is the rotor 18, is suspended by a torsion bar 17 on a support 16 (see figure 4). On the lateral surfaces of the rotor 18 there are teeth 21-24, which, with the teeth of the stators in the MMH, form a comb electrode structure, which makes it possible to form a comb motor or a capacitive displacement sensor. In the rotor 18 there are two holes in the form of sectors bounded by radii and two concentric circles, the width of the hole being equal to twice the angular displacement of the rotor 18 around the axis of the primary vibrations. (2Δx).

Неподвижные электроды ММГ RR-типа 25-32 приведены на фиг.5. Две пары электродов 25, 26 и 27, 28 расположены в ММГ над отверстиями 19 в роторе 18, при этом края этих электродов находятся над серединой отверстий 19.Fixed electrodes MMG RR-type 25-32 are shown in figure 5. Two pairs of electrodes 25, 26 and 27, 28 are located in the MMG above the holes 19 in the rotor 18, while the edges of these electrodes are above the middle of the holes 19.

При подаче напряжений на одну (25, 26 или 27, 28) или на две эти пары электродов разных напряжений при изменении положения ротора 18 относительно опоры 16 действующий на ротор со стороны электродов 25-28 момент изменяется пропорционально углу поворота ротора вокруг опоры. В ММГ RR-типа, в котором ротор колеблется вокруг оси первичных колебаний, выражение для момента, действующего на ротор со стороны электродов 25-28, имеет тот же вид, что и правая часть выражения (1).When applying voltage to one (25, 26 or 27, 28) or two of these pairs of electrodes of different voltages when the rotor 18 is positioned relative to the support 16, the moment acting on the rotor from the electrodes 25-28 changes proportionally to the angle of rotation of the rotor around the support. In the MMR of the RR type, in which the rotor oscillates around the axis of primary vibrations, the expression for the moment acting on the rotor from the side of electrodes 25-28 has the same form as the right-hand side of expression (1).

Эта электродная структура может использоваться и в двухосном ММГ RR-типа и обеспечивать в нем подавление квадратурной помехи по обеим осям чувствительности. Для этого в роторе 18 (фиг.4) необходимо выполнить отверстия также и вдоль горизонтальной оси симметрии ротора, а группу неподвижных электродов (фиг.5) дополнить аналогичной группой электродов, которая может быть получена поворотом группы электродов 29-32 на 90°.This electrode structure can also be used in a biaxial MMR of the RR type and provide suppression of quadrature interference in both sensitivity axes in it. For this, in the rotor 18 (Fig. 4), it is necessary to make holes also along the horizontal axis of symmetry of the rotor, and the group of stationary electrodes (Fig. 5) should be supplemented with a similar group of electrodes, which can be obtained by rotating the group of electrodes 29-32 by 90 °.

На фиг.6 показана блок-схема варианта предложенного ММГ RR-типа с электродной структурой, показанной на фиг.4, 5. В ней первый выход источника напряжения высокочастотного 35 соединен с ротором 18, который на фиг.6 показан как общая точка конденсаторов 36-43. Другие выводы конденсаторов 36, 37, которые образованы зубцами статоров и ротора, соединены с входами первого дифференциального трансрезистивного усилителя 44. Выводы конденсаторов 38, 39, которые образованы соответственно электродами 29, 30 и ротором 18 и электродами 31, 32 и ротором 18, соединены с входами второго дифференциального трансрезистивного усилителя 45. Выходы дифференциальных трансрезистивных усилителей 44, 45 соединены с входами первого и второго демодуляторов (элементы 46, 47 соответственно). Входы для опорного сигнала демодуляторов 46, 47 соединены со вторым выходом источника напряжения 35, фаза которого сдвинута на 90° относительно фазы напряжения на первом выходе этого источника. Выход демодулятора 46 через фазовращатель 48 и выход демодулятора 47 непосредственно соединены с входами демодулятора 49, выход которого является выходом ММГ.Figure 6 shows a block diagram of a variant of the proposed MMR RR-type with the electrode structure shown in figures 4, 5. In it, the first output of the high-frequency voltage source 35 is connected to the rotor 18, which in Fig.6 is shown as a common point of capacitors 36 -43. Other outputs of the capacitors 36, 37, which are formed by the teeth of the stators and the rotor, are connected to the inputs of the first differential transresistive amplifier 44. The outputs of the capacitors 38, 39, which are formed respectively by the electrodes 29, 30 and the rotor 18 and the electrodes 31, 32 and the rotor 18, are connected to the inputs of the second differential transresistive amplifier 45. The outputs of the differential transresistive amplifiers 44, 45 are connected to the inputs of the first and second demodulators (elements 46, 47, respectively). The inputs for the reference signal of the demodulators 46, 47 are connected to the second output of the voltage source 35, the phase of which is shifted 90 ° relative to the voltage phase at the first output of this source. The output of the demodulator 46 through the phase shifter 48 and the output of the demodulator 47 are directly connected to the inputs of the demodulator 49, the output of which is the MMG output.

Входы интегратора 50 и схемы автоматического регулирования усиления (АРУ) 52 соединены с выходом демодулятора 46. Выходы элементов 50, 52 соединены с входами перемножителя 51, выход которого соединен со статорами гребенчатого двигателя. Источники постоянного напряжения 53-56 соединены соответственно с выводами конденсаторов 39-43, которые являются выводами от электродов 25-28 соответственно.The inputs of the integrator 50 and the automatic gain control circuit (AGC) 52 are connected to the output of the demodulator 46. The outputs of the elements 50, 52 are connected to the inputs of the multiplier 51, the output of which is connected to the stators of the comb motor. The DC voltage sources 53-56 are connected respectively to the terminals of the capacitors 39-43, which are the terminals from the electrodes 25-28, respectively.

В ММГ на фиг.6 на входы дифференциальных трансрезистивных усилителей 44, 45 поступает переменный ток, величина которого определяется емкостями конденсаторов 36-39. Разности токов, протекающих через конденсаторы 36, 37 и 38, 39, пропорциональны углам отклонения ротора от центрального положения соответственно по осям первичных и вторичных колебаний. Усилители 44, 45 выделяют указанные разности токов, а демодуляторы 46, 47 выделяют огибающие выходных сигналов этих усилителей.In MMG in Fig.6 at the inputs of differential transresistive amplifiers 44, 45 receives alternating current, the value of which is determined by the capacitance of the capacitors 36-39. The differences of the currents flowing through the capacitors 36, 37 and 38, 39 are proportional to the angles of deviation of the rotor from the central position, respectively, along the axes of the primary and secondary vibrations. Amplifiers 44, 45 emit the indicated current differences, and demodulators 46, 47 emit envelopes of the output signals of these amplifiers.

В выходной сигнал демодулятора 46 с помощью интегратора 50 вносится фазовый сдвиг, равный 90 градусов, который через перемножитель 51 поступает к электродам гребенчатого двигателя. Автоматическая регулировка уровня сигнала на выходе перемножителя 51 осуществляется с помощью схемы АРУ 52. С помощью элементов 50-52 в контуре возбуждения первичных колебаний ММГ достигается баланс фаз и амплитуд, необходимых для возбуждения устойчивых автоколебаний на резонансной частоте подвеса ротора.Using the integrator 50, a phase shift of 90 degrees is introduced into the output signal of the demodulator 46, which, through the multiplier 51, enters the electrodes of the comb engine. Automatic adjustment of the signal level at the output of the multiplier 51 is carried out using the AGC circuit 52. Using elements 50-52 in the excitation circuit of the primary oscillations of the MMG, a balance of phases and amplitudes is necessary to excite stable self-oscillations at the resonant frequency of the rotor suspension.

Сигнал на частоте несущей, огибающая которого определяется измеряемой ММГ угловой скоростью, поступает с выхода демодулятора 47 на вход демодулятора 49. Опорный сигнал демодулятора 49 поступает на соответствующий вход элемента 49 с выхода демодулятора 46. Фаза опорного сигнала регулируется с помощью элемента 48, она определяется величиной разности резонансных частот подвеса ротора 18. При большой расстройке между резонансными частотами подвесов ротора фазовращатель 48 должен сдвигать сигнал на 90 градусов, а при совпадении частот - на 0. Величины напряжений источников 53-56 выбираются таким образом, что создаваемый электродами 25-28 момент, действующий на ротор 18, компенсировал моменты, вызывающие появление квадратурной помехи.The signal at the carrier frequency, the envelope of which is determined by the measured MMG angular velocity, is supplied from the output of the demodulator 47 to the input of the demodulator 49. The reference signal of the demodulator 49 is fed to the corresponding input of the element 49 from the output of the demodulator 46. The phase of the reference signal is adjusted using the element 48, it is determined by the value the difference of the resonant frequencies of the suspension of the rotor 18. With a large detuning between the resonant frequencies of the suspensions of the rotor, the phase shifter 48 should shift the signal by 90 degrees, and when the frequencies coincide - by 0. Values The voltage sources 53-56 are selected in such a way that the moment created by the electrodes 25-28 acting on the rotor 18 compensates for the moments causing the appearance of quadrature noise.

На фиг.7 источник постоянного напряжения 57 соединен через резисторы 60, 61 с выводами конденсаторов 58, 59 и разделительных конденсаторов 62, 63.7, a constant voltage source 57 is connected through resistors 60, 61 to the terminals of capacitors 58, 59 and isolation capacitors 62, 63.

Другие выводы разделительных конденсаторов 62, 63 соединены со входом операционного усилителя 65, между выходом и входом которого включен резистор 64.Other outputs of the isolation capacitors 62, 63 are connected to the input of the operational amplifier 65, between the output and the input of which a resistor 64 is connected.

Напряжение источника 57 через резисторы 60, 61 поступает на электроды 25, 28. При перемещениях ротора 18 вокруг оси первичных колебаний отверстия 19 оказываются под электродами 25, 28 или под другой парой электродов 26, 27. В первом случае момент, действующий на ротор 18, уменьшается, а во втором - возрастает. Путем подбора величины напряжения источника 57 можно достичь подавления квадратурной помехи. В случае, когда подача напряжений на эту пару электродов приводит к возрастанию квадратурной помехи, источник 57 может быть подключен к паре электродов 26, 27.The voltage of the source 57 through the resistors 60, 61 is supplied to the electrodes 25, 28. When the rotor 18 moves around the axis of the primary oscillations, the holes 19 are under the electrodes 25, 28 or under another pair of electrodes 26, 27. In the first case, the moment acting on the rotor 18, decreases, and in the second - increases. By selecting the voltage value of the source 57, quadrature interference suppression can be achieved. In the case where the supply of voltages to this pair of electrodes leads to an increase in quadrature noise, the source 57 can be connected to a pair of electrodes 26, 27.

Изменения емкостей 58, 59 вызываются как перемещениями ротора 18 вокруг оси первичных колебаний, так и вокруг оси вторичных колебаний. Емкости разделительных конденсаторов 62, 63 на порядок и более превышают емкости конденсаторов 58, 59. Поэтому можно считать, что напряжения в точках соединения конденсаторов 58, 62 и 59, 63 остаются постоянными при малых изменениях межэлектродных емкостей, как это имеет место в ММГ. Изменение емкостей конденсаторов 58, 59 приводит к изменению величин зарядов на них и соответственно протеканию переменного тока через конденсаторы 62, 63, который поступает на вход усилителя 65.Changes in capacities 58, 59 are caused both by displacements of the rotor 18 around the axis of primary vibrations, and around the axis of secondary vibrations. The capacitances of the separation capacitors 62, 63 exceed the capacitances of the capacitors 58, 59 by an order of magnitude or more. Therefore, we can assume that the voltages at the connection points of the capacitors 58, 62, and 59, 63 remain constant with small changes in the interelectrode capacitances, as is the case in MMG. Changing the capacitance of the capacitors 58, 59 leads to a change in the magnitude of the charges on them and, accordingly, the flow of alternating current through the capacitors 62, 63, which is fed to the input of the amplifier 65.

Изменения токов, протекающих через конденсаторы 58,59, обусловлены перемещениями ПМ 1 как по оси первичных, так и вторичных колебаний. Однако эти изменения, вызванные вторичными колебаниями ПМ 1, противоположны и поэтому они взаимно подавляются и в выходном сигнале устройства 65 не присутствуют, тогда как изменения токов, вызванные первичными колебаниями ПМ 1, совпадают по фазе или знаку и поэтому суммируются на входе устройства 65. Можно показать, что суммарная величина токов, поступающих на вход усилителя 65 через конденсаторы 62, 63, пропорциональна величине ΔxCos(ωt), т.е. амплитуде первичных колебаний. Таким образом, предложенная электродная структура позволяет не только подавлять квадратурную помеху в ММГ, но и формировать емкостной датчик перемещений ротора вокруг оси первичных колебаний без использования традиционной гребенчатой структуры электродов.Changes in currents flowing through capacitors 58.59 are due to the displacements of PM 1 both along the axis of the primary and secondary oscillations. However, these changes caused by the secondary oscillations of PM 1 are opposite and therefore they are mutually suppressed and are not present in the output signal of the device 65, while the changes in currents caused by the primary vibrations of PM 1 coincide in phase or sign and are therefore summed at the input of the device 65. You can show that the total value of the currents supplied to the input of the amplifier 65 through the capacitors 62, 63 is proportional to ΔxCos (ωt), i.e. the amplitude of the primary oscillations. Thus, the proposed electrode structure allows not only to suppress quadrature interference in the MMG, but also to form a capacitive sensor for rotor displacements around the axis of primary vibrations without using the traditional comb structure of the electrodes.

В схеме на фиг.8 первый выход источника напряжения 35 соединен с выводом конденсатора 58, которым в ММГ является ротор 18. Другой вывод конденсатора 58 (электрод 25) соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 68. С его неинвертирующим входом соединен выход источника постоянного напряжения 66. Резистор 67 включен между выходом операционного усилителя 68 и его инвертирующим входом. Демодулятор 69, образованный перемножителем 70 и фильтром низших частот 71, подключен входами к второму выходу источника напряжения 35 и выходу операционного усилителя 68.In the circuit of Fig. 8, the first output of the voltage source 35 is connected to the output of the capacitor 58, which in the MMG is the rotor 18. The other output of the capacitor 58 (electrode 25) is connected to the inverting input of the operational amplifier 68. The output of the constant voltage source 66 is connected to its non-inverting input A resistor 67 is connected between the output of the operational amplifier 68 and its inverting input. A demodulator 69 formed by a multiplier 70 and a low-pass filter 71 is connected by inputs to the second output of the voltage source 35 and the output of the operational amplifier 68.

В этой схеме напряжение на входе усилителя 68 и соответственно на электроде 25 равно напряжению источника 66. Выбором величины напряжения этого источника можно добиться компенсации квадратурной помехи в ММГ. Сигнал на выходе демодулятора 69 содержит две составляющие, обусловленные перемещениями ротора 18 вокруг осей первичных и вторичных (α) колебаний (Δx+α). В аналогичной схеме при использовании электрода 28 сигнал на выходе будет пропорционален величине (Δx - α). Очевидно, что, используя две схемы, идентичные схеме на фиг.8, в которых используются пара противоположных электродов, можно выделить сигнал о перемещении ротора вокруг оси первичных колебаний.In this circuit, the voltage at the input of the amplifier 68 and, accordingly, at the electrode 25 is equal to the voltage of the source 66. By selecting the voltage value of this source, it is possible to compensate for the quadrature noise in the MMG. The signal at the output of the demodulator 69 contains two components due to the movements of the rotor 18 around the axes of the primary and secondary (α) vibrations (Δx + α). In a similar scheme, when using electrode 28, the output signal will be proportional to (Δx - α). Obviously, using two circuits identical to the circuit in Fig. 8, in which a pair of opposite electrodes are used, a signal can be distinguished about the movement of the rotor around the axis of the primary oscillations.

В ММГ на фиг.9 отличие от ММГ на фиг.1 заключается в выполнении подвижных масс 72, 73 (они выполнены с отверстиями, имеющими прямоугольную форму) и электродов под этими подвижными массами (они выполнены разделенными на две пары электродов). Одна пара электродов 78, 80 расположены так, что их края находятся под отверстием 16 подвижной массы 72, а другая пара (74, 76) под остальной частью этой подвижной массы. Аналогично выполнены электроды 75, 77, 79, 81, находящиеся под подвижной массой 73.In MMG in Fig. 9, the difference from MMG in Fig. 1 is to make the moving masses 72, 73 (they are made with holes having a rectangular shape) and the electrodes under these moving masses (they are made divided into two pairs of electrodes). One pair of electrodes 78, 80 is arranged so that their edges are under the opening 16 of the moving mass 72, and the other pair (74, 76) under the rest of this moving mass. Similarly made electrodes 75, 77, 79, 81, located under the moving mass 73.

Наличие электродов под отверстиями 16 позволяет и в ММГ LL-типа сформировать схемы, аналогичные представленным на фиг.6-8, которые обеспечивают подавление квадратурной помехи и измерение перемещений подвижных масс по оси первичных колебаний без использования гребенчатых электродов (статоров 6 и зубцов 7).The presence of electrodes under the openings 16 allows also in LL-type MMGs to generate circuits similar to those shown in Figs. 6-8, which provide suppression of quadrature interference and measurement of movements of moving masses along the axis of primary oscillations without the use of comb electrodes (stators 6 and teeth 7).

Последнее позволяет использовать гребенчатую структуру только для формирования моментов, вызывающих первичные колебания ПМ или ротора и тем самым уменьшить время готовности ММГ или уменьшить габариты ММГ за счет исключения части электродов гребенчатой формы.The latter allows the use of the comb structure only for the formation of moments that cause primary oscillations of the PM or rotor and thereby reduce the MMG standby time or reduce the dimensions of the MMG due to the exclusion of part of the comb-shaped electrodes.

Таким образом, показано, что предложенная электродная структура позволяет за счет формирования напряжений (постоянных или переменных) на электродах над отверстиями в ПМ добиться подавления квадратурной помехи в ММГ и сформировать емкостные датчики перемещения ПМ или ротора по оси первичных колебаний без использования гребенчатых электродов. Понятным для специалистов в области ММГ является и возможность формирования блоков преобразования сигналов как с использованием аналоговых, так и цифровых элементов, в которых алгоритмы преобразования сигналов реализуются с помощью программных средств.Thus, it is shown that the proposed electrode structure allows, by generating voltages (constant or variable) on the electrodes above the openings in the PM, suppression of quadrature noise in the MMG and the formation of capacitive sensors for moving the PM or rotor along the primary axis without the use of comb electrodes. Understandable for specialists in the field of MMG is the ability to form signal conversion blocks using both analog and digital elements, in which signal conversion algorithms are implemented using software.

Claims

1. The electrode structure for a micromechanical gyroscope containing a movable and fixed electrodes, while the movable electrode has holes and can oscillate along the first and second axes relative to the stationary electrodes located above or below the movable electrode, and on the first axis the movable electrode can oscillate with amplitude Δx characterized in that at least one of the holes has a width close to 2Δx, and the edge of at least one of the stationary electrodes is located above or below the hole.

2. The electrode structure according to claim 1, characterized in that the holes with a width close to 2Δx are located along a line normal (perpendicular) to the direction of the primary oscillations, are through, the total area of the holes being larger than the area of the movable electrode located above the edge stationary electrode.

3. The electrode structure according to claim 1 or 2, characterized in that the movable electrode can make translational movements, the electrodes and the hole or holes have a rectangular shape, while their width is 2Δx, and a pair of stationary electrodes is located on the first axis symmetrically relative to the middle of the hole along a line normal to the direction of the primary oscillations.

4. The electrode structure according to claim 1 or 2, characterized in that the movable electrode can make angular displacements along the first axis, the electrodes and the hole or holes have the form of sectors limited by radii and two concentric circles, the width of the hole being 2Δx, and the pair fixed electrodes located on the first axis, symmetrically with respect to the middle of the hole.

5. RR-type micromechanical gyroscope containing a base, a support mounted on the base, a conductive rotor connected to the base using a biaxial resonant suspension and having the form of symmetrically arranged sectors with teeth on the side surfaces, the rotor having through holes, a cover with on it are electrodes, which is fastened to the base, stators installed on the base, having teeth, which with the teeth of the rotor form a comb structure, a device for exciting primary oscillations, input and output for which are connected to the stators, a capacitor-voltage converter and a signal conversion device connected in series, the capacitor-voltage converter input connected to the electrodes of the cover, characterized in that the rotor is made with holes located on the axis of symmetry normal to the axes of primary and secondary vibrations, the cover electrodes include a pair of additional electrodes located above the holes in the rotor symmetrically relative to the middle of the holes, while part of the area of this pair of elec of the rods is located above the hole, and voltage sources are introduced into the micromechanical gyroscope, to which are connected the cover electrodes located in the area of the holes.

6. LL-type micromechanical gyroscope containing a base, a movable conductive mass of a rectangular shape with teeth on the end side surfaces, suspended above the base using a biaxial resonant suspension, while the movable conductive mass has through holes, electrodes located on the base under the movable conductive mass , stators with teeth forming a comb electrode structure with teeth of a movable conducting mass, a primary oscillation excitation device, the input and output of which are connected to with capacitors, a series-connected capacitor-voltage converter and a signal conversion device, while the capacitor-voltage converter input is connected to the base electrodes, characterized in that the movable conductive mass is made with rectangular holes, the symmetry axis of which coincides with the symmetry axis of the movable conductive mass, normal to the axes of primary and secondary vibrations, the electrodes on the base include a pair of additional electrodes located under the holes in the rotor, while st area of this electrode pair is located below the holes, and in a micromechanical gyroscope administered voltage sources, which are connected to additional cap electrodes.

7. A micromechanical gyroscope containing a base, a movable conductive mass with teeth on the end side surfaces, suspended above the base with a biaxial resonance suspension, electrodes on the base, stators with teeth, which form a comb electrode structure with primary teeth, a primary oscillation excitation device, the output of which is connected to the stators, the first capacitor-voltage converter and the first signal conversion device are connected in series, the input being of the capacitor-voltage transducer is connected to the base electrodes, characterized in that the movable conductive mass has through holes located near the axis of symmetry of the movable conductive mass normal to the axes of primary and secondary vibrations, and the electrodes are located on the base so that part of the area of the electrodes is located under holes, and the device for exciting primary oscillations is made in the form of series-connected second capacitance-voltage converter and a second signal conversion device ala, wherein the second transducer input capacitance - voltage is connected to at least one of the fixed electrodes located under the opening.