RU2518379C1

RU2518379C1 - Vibratory vacuum microgyroscope

Info

Publication number: RU2518379C1
Application number: RU2012150513/28A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Александрович Гребенников; Юрий Анатольевич Минаев; Константин Сергеевич Аксенов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-06-10
Also published as: RU2012150513A

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: in a vibratory vacuum microgyroscope a magnet system comprises a nonmagnetic centring ring installed on a magnet, an upper magnetic conductor is set as per the fit onto the nonmagnetic centring ring, a support of a silicone resonator is installed on a nonmagnetic base as per the fit with the lower magnetic conductor, surfaces of the magnet, the centring ring, upper and lower magnetic conductors, nonmagnetic base, silicone resonator and the resonator support are assembled with no inner cavities formed.

EFFECT: invention makes it possible to improve manufacturability of gyroscope production.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопии, и может быть использовано в приборостроении, авиакосмической отрасли, в машиностроении.The present invention relates to the field of measurement technology, namely to gyroscopy, and can be used in instrumentation, aerospace, in mechanical engineering.

Известен вибрационный резонансный датчик [1 - Европейский патент №0141621 А2 от 25.10.84 г., G01C 9/56], который содержит герметичный корпус из металлического кожуха и крышки, встроенные в крышку через межслойные соединения металлические однопроводниковые (одиночные) и коаксиальные гермовыводы. В крышке выполнено отверстие для обезгаживания внутренней полости и расположена герметизирующая заглушка и геттер для поддержания вакуума после окончательной герметизации полости корпуса. Соединения элементов конструкции герметичного корпуса между собой выполнены пайкой.Known vibrational resonance sensor [1 - European patent No. 0141621 A2 from 10.25.84, G01C 9/56], which contains a sealed casing of a metal casing and covers, metal single-conductor (single) and coaxial pressure outputs integrated into the cover through interlayer connections. A hole is made in the lid for degassing the internal cavity, and a sealing plug and getter are located to maintain the vacuum after the final sealing of the body cavity. Connections of structural elements of the sealed enclosure to each other are made by soldering.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что она спроектирована под герметизацию пайкой и содержит паяные швы. Для вакуумных приборов, не содержащих внутри корпуса геттер, но с жесткими требованиями по натеканию и остаточному давлению, наличие полуды по периметру паяного шва снижает качество обезгаживания внутренней полости герметичного корпуса, а последующая герметизация пайкой, характеризующаяся остаточной пористостью паяных швов, ограничивает ресурс работы гироскопического прибора.A disadvantage of the known design is that it is designed for soldering and contains soldered seams. For vacuum devices that do not contain a getter inside the case, but with strict requirements for leakage and residual pressure, the presence of half a meter around the perimeter of the soldered joint reduces the quality of degassing of the internal cavity of the sealed enclosure, and subsequent sealing by soldering, characterized by the residual porosity of the soldered joints, limits the life of the gyroscopic device .

Известна конструкция микроэлектромеханических систем (МЭМС-изделий), таких как кварцевый кольцевой микромеханический (КМГ) и микромеханический вибрационный (ММВГ) гироскопы, описанных в работе [2 Бритков О.М. Разработка конструкций и технологий изготовления микроэлектромеханических приборов в герметичном исполнении. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., МИЭМ, 2009 г., 25-26, 34 с.]. Известная конструкция содержит корпус (или основание) с металлостеклянными гермовыводами, крышку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора с подвесами и электропроводящими шинами и контактными площадками, установленного на прокладку из стекла (опора кремниевого резонатора), магнитную систему в составе верхнего магнитопровода, магнита, заглушки и нижнего магнитопровода. Для обеспечения пониженного давления внутри корпуса микрогироскоп герметизируется лазерной сваркой и вакуумируется через отверстие или впаянный штенгель.The known design of microelectromechanical systems (MEMS products), such as quartz ring micromechanical (KMG) and micromechanical vibration (MMVG) gyroscopes described in [2 Britkov OM Development of designs and manufacturing techniques for microelectromechanical devices in a sealed design. Abstract for the degree of Ph.D., M., MIEM, 2009, 25-26, 34 S.]. The known construction comprises a housing (or base) with metal-glass pressure glands, a cover, a gyroscopic system consisting of a silicon resonator with suspensions and electrically conductive tires and contact pads mounted on a glass gasket (support of a silicon resonator), a magnetic system as part of the upper magnetic circuit, magnet, and plugs and the lower magnetic circuit. To ensure reduced pressure inside the housing, the microgyroscope is sealed by laser welding and is evacuated through an opening or a soldered plug.

Основным недостатком известной конструкции является сложность выполнения процесса сборки и взаимного позиционирования элементов гироскопической и магнитной систем, необходимых для симметрирования магнитных полей элементов магнитной системы, что требует специальных приспособлений, увеличивающих трудоемкость сборки и снижающих технологичность конструкции.The main disadvantage of the known design is the complexity of the assembly process and the relative positioning of the elements of the gyroscopic and magnetic systems necessary for balancing the magnetic fields of the elements of the magnetic system, which requires special devices that increase the complexity of the assembly and reduce the manufacturability of the structure.

Наиболее близким по технической сущности является вибрационный гироскоп [3 - Патент США №5932804 от 03 августа 1999, МКИ G01P 9/04, НКИ 73/50413 (Пат. GB 2322196)], который содержит заполненный газом герметичный корпус с соединительными контактами (гермовыводами), внутри корпуса установлена гироскопическая система, состоящая из чувствительного элемента - кремниевого резонатора с подвесом и магнитоэлектрическими приводом и датчиком, а также магнитная система в составе магнита и двух магнитопроводов, кольцевого и дискового. В собранном состоянии магнитная система содержит полости, ограниченные поверхностями магнитопроводов и магнита с зазорами, сообщающимися с общей внутренней полостью гироскопа. Кремниевый резонатор сварен с немагнитной (кремниевой или стеклянной) опорой резонатора и вместе с магнитной частью гироскопа установлен на немагнитный элемент, также образуя частично замкнутую полость между нижней (по рисунку прототипа) поверхностью кремниевого резонатора и верхней поверхностью немагнитного элемента.The closest in technical essence is a vibration gyroscope [3 - US Patent No. 5932804 of August 3, 1999, MKI G01P 9/04, NKI 73/50413 (Pat. GB 2322196)], which contains a gas-filled sealed enclosure with connecting contacts (pressure leads) , a gyroscopic system is installed inside the case, consisting of a sensitive element - a silicon resonator with a suspension and magnetoelectric drive and sensor, as well as a magnetic system consisting of a magnet and two magnetic circuits, a ring and a disk one. In the assembled state, the magnetic system contains cavities bounded by the surfaces of the magnetic cores and the magnet with gaps communicating with the common internal cavity of the gyroscope. The silicon resonator is welded with a non-magnetic (silicon or glass) support of the resonator and, together with the magnetic part of the gyroscope, is mounted on a non-magnetic element, also forming a partially closed cavity between the lower (according to the prototype figure) surface of the silicon resonator and the upper surface of the non-magnetic element.

Недостатки данного вибрационного гироскопа заключаются в следующем. Во-первых, наличие зазоров между поверхностями элементов магнитной системы и гироскопической системы, усложняет выставку и симметрирование верхнего магнитопровода относительно кольцевого резонатора. Во-вторых, внутренние полости, образованные поверхностями элементов магнитной системы и поверхностями кремниевого резонатора и немагнитного элемента и служащие источником интенсивного газовыделения, ухудшают условия откачки воздуха из зазоров и процесс обезгаживания, а это снижает технологичность изготовления и влияет на характеристики гироскопа.The disadvantages of this vibration gyro are as follows. Firstly, the presence of gaps between the surfaces of the elements of the magnetic system and the gyroscopic system, complicates the exhibition and symmetry of the upper magnetic circuit relative to the ring resonator. Secondly, the internal cavities formed by the surfaces of the elements of the magnetic system and the surfaces of the silicon resonator and the non-magnetic element and serve as a source of intense gas evolution, worsen the conditions for pumping air out of the gaps and the process of degassing, and this reduces the manufacturability and affects the characteristics of the gyroscope.

Герметичный корпус в описании условно показан цельным, не содержащим составных частей. Хотя в действительности корпус должен иметь как минимум две детали: основание (или корпус) с размещенными на ней элементами, составляющими гироскопическую часть прибора и крышку, которые на заключительном этапе сборки должны быть состыкованы и загерметизированы, например сваркой или пайкой, как более дешевым методом.The sealed enclosure in the description is conventionally shown as one-piece, not containing components. Although in reality the case must have at least two parts: a base (or case) with elements placed on it that make up the gyroscopic part of the device and a cover, which at the final stage of assembly should be docked and sealed, for example by welding or soldering, as a cheaper method.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении технологичности изготовления гироскопа.The technical result of the invention is to improve the manufacturability of the gyroscope.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в вибрационном вакуумном микрогироскопе, содержащем основание с металлостеклянными гермовыводами и размещенные на основании немагнитную подложку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора и опоры резонатора, магнитную систему с входящими в нее магнитом и верхним и нижним магнитопроводами, крышку с отбортовкой, магнитная система содержит немагнитное центрирующее кольцо, установленное на магните, верхний магнитопровод установлен по посадке на немагнитное центрирующее кольцо, опора кремниевого резонатора установлена на немагнитную подложку по посадке с нижним магнитопроводом, при этом поверхности магнита, центрирующего кольца, нижнего и верхнего магнитопроводов, немагнитной подложки, кремниевого резонатора и опоры резонатора собраны без образования внутренних полостей.The specified technical result is ensured by the fact that in a vibrating vacuum microgyroscope containing a base with metal-glass hermetic leads and a non-magnetic substrate placed on the base, a gyroscopic system consisting of a silicon resonator and a resonator support, a magnetic system with a magnet and upper and lower magnetic circuits included in it, a flare cover , the magnetic system contains a non-magnetic centering ring mounted on a magnet, the upper magnetic circuit is installed by landing on a non-magnetic center uyuschee ring, a silicon resonator support is mounted on a nonmagnetic substrate for planting the lower yoke, the magnet surface, the centering ring, the lower and upper magnetic cores, a nonmagnetic substrate, a silicon resonator, and the resonator support assembled without the formation of internal voids.

На фиг.1 представлен общий вид гироскопа, на фиг.2 показан вид гироскопической системы, на фиг.3 показан вид магнитной системы.Figure 1 presents a General view of the gyroscope, figure 2 shows a view of the gyroscopic system, figure 3 shows a view of the magnetic system.

В вибрационном вакуумном гироскопе (фиг.1) на основании 1 с металлостеклянными гермовыводами 2 установлена немагнитная подложка 3 и соединена с основанием 1, например, с помощью сварки или клеевого соединения. Соединение элементов гироскопической и магнитной систем в блоки, а также соединение полученных блоков с основанием (или «посадка в корпус») может быть выполнено несколькими способами, в зависимости от конкретных требований: диффузионной или анодной сваркой, эвтектической пайкой или склеиванием. Конкретный способ соединения в данном изобретении не рассматривается.In a vibrating vacuum gyroscope (Fig. 1), a non-magnetic substrate 3 is mounted on the base 1 with metal-glass hermetic leads 2 and connected to the base 1, for example, by welding or adhesive bonding. The connection of the elements of the gyroscopic and magnetic systems into blocks, as well as the connection of the obtained blocks with the base (or "fit into the case") can be performed in several ways, depending on the specific requirements: diffusion or anode welding, eutectic soldering or gluing. The specific method of connection in this invention is not considered.

Гироскопическая система в составе соединенных между собой кольцевого кремниевого резонатора 6 и опоры 7, установлена на немагнитную подложку 3 соосно с центрирующим кольцом 11 и соединена с немагнитной подложкой 3. Размеры опоры резонатора 7 и немагнитной подложки 3 рассчитаны на исключение образования внутренних полостей (фиг.2).The gyroscopic system comprising interconnected ring silicon resonator 6 and support 7 is mounted on a non-magnetic substrate 3 coaxially with the centering ring 11 and connected to a non-magnetic substrate 3. The dimensions of the support of the resonator 7 and non-magnetic substrate 3 are designed to exclude the formation of internal cavities (figure 2 )

Магнитная система образована блоком в составе магнита 8, нижнего магнитопровода 9, верхнего магнитопровода 10 и центрирующего кольца 11. Центрирующее кольцо 11 должно быть выполнено из немагнитного материала.The magnetic system is formed by a block consisting of a magnet 8, a lower magnetic circuit 9, an upper magnetic circuit 10 and a centering ring 11. The centering ring 11 should be made of non-magnetic material.

Магнит 8 соединен с нижним магнитопроводом 9 и центрирующим кольцом 11 в отдельный сборочный блок. Этот сборочный блок установлен на немагнитную подложку 3 и соединен с ней. Конструкция и размеры магнитопровода 9 и опоры резонатора 7 рассчитаны на исключение образования внутренних полостей. Верхний магнитопровод 10 выполнен цилиндрическим с кольцевой проточкой по внешнему диаметру и установлен на магнит 8 до упора в осевом направлении и в радиальном направлении по скользящей посадке на центрирующее кольцо 11. Центрирующее кольцо 11 предназначено для прецизионного позиционирования магнитопровода 10 в радиальном направлении (фиг.3) и обеспечивает симметричное и строго фиксированное положение магнитопровода 10 относительно кольца резонатора 6, исключающее его смещение в радиальном направлении. Кроме того, размеры центрирующего кольца 11 согласованы с размерами верхнего магнитопровода 10 и магнита 8 таким образом, что исключено образование закрытых внутренних полостей.The magnet 8 is connected to the lower magnetic circuit 9 and the centering ring 11 in a separate assembly unit. This assembly unit is mounted on and connected to the non-magnetic substrate 3. The design and dimensions of the magnetic circuit 9 and the support of the resonator 7 are designed to exclude the formation of internal cavities. The upper magnetic circuit 10 is made cylindrical with an annular groove in the outer diameter and is mounted on the magnet 8 until it stops in the axial direction and in the radial direction along a sliding fit on the centering ring 11. The centering ring 11 is designed for precision positioning of the magnetic circuit 10 in the radial direction (figure 3) and provides a symmetrical and strictly fixed position of the magnetic circuit 10 relative to the ring of the resonator 6, eliminating its displacement in the radial direction. In addition, the dimensions of the centering ring 11 are consistent with the dimensions of the upper magnetic circuit 10 and magnet 8 in such a way that the formation of closed internal cavities is excluded.

Собранный и выставленный верхний магнитопровод 10 соединяют с блоком магнитной системы после балансировки и проверки параметров гироскопа.The assembled and exposed upper magnetic circuit 10 is connected to the block of the magnetic system after balancing and checking the parameters of the gyroscope.

Коммутация между контактными площадками на кремниевом резонаторе 6 и гермовыводами 2 выполнена соединительными проводниками 12.Switching between the contact pads on the silicon resonator 6 and the pressure outputs 2 is made by connecting conductors 12.

Основание 1 закрыто крышкой 4 и гироскоп загерметизирован по отбортовке под сварку 5 с помощью шовной лазерной сварки в вакууме.The base 1 is closed by a cover 4 and the gyroscope is sealed for flanging for welding 5 using seam laser welding in vacuum.

Необходимость применения в конструкции микрогироскопа центрирующего кольца 11 обусловлена следующими факторами. Исследования магнитной системы микрогироскопа и, в частности, компьютерное моделирование методом конечных элементов характера изменения параметров магнитного поля свидетельствует о неравномерности магнитной индукции в рабочем зазоре, минимальный градиент которой наблюдается в центральной области рабочего зазора. Протяженность этой области b составляет от 0,2 до 0,3 от толщины а цилиндрической части верхнего магнитопровода 10, т.е. b ≈ (0,2 - 0,3)·а.The need for the use in the design of a microgyroscope of the centering ring 11 is due to the following factors. Studies of the magnetic system of a microgyroscope and, in particular, computer simulation using the finite element method of the nature of changes in the magnetic field parameters indicates the uneven magnetic induction in the working gap, the minimum gradient of which is observed in the central region of the working gap. The length of this region b is from 0.2 to 0.3 of the thickness a of the cylindrical part of the upper magnetic circuit 10, i.e. b ≈ (0.2 - 0.3)

Центрирующее кольцо 11 позволяет установить верхний магнитопровод 10 соосно с осью кольца резонатора 6, таким образом, чтобы центральная область рабочего зазора b с минимальным градиентом магнитной индукции находилась над кольцом резонатора 6. В результате магнитное поле, образованное магнитом 8, нижним 9 и верхним 10 магнитопроводами и перпендикулярное плоскости кольца резонатора 6, концентрируется своей центральной частью в области b с минимальным градиентом магнитной индукции на кольце резонатора 6, что увеличивает полезный сигнал и снижает шумы, вызванные движением токопроводящих дорожек на упругих элементах резонатора 6.The centering ring 11 allows you to install the upper magnetic circuit 10 coaxially with the axis of the ring of the resonator 6, so that the Central region of the working gap b with a minimum gradient of magnetic induction is located above the ring of the resonator 6. As a result, the magnetic field formed by the magnet 8, the lower 9 and the upper 10 magnetic circuits and perpendicular to the plane of the ring of the resonator 6, is concentrated by its central part in region b with a minimum gradient of magnetic induction on the ring of the resonator 6, which increases the useful signal and reduces It is noise caused by the movement of wirings on elastic elements 6 resonator.

Кроме этого, наличие немагнитного центрирующего кольца 11 позволяет производить многократную сборку и разборку магнитной системы (что необходимо при балансировке резонатора), сохраняя симметричность магнитной системы и кольца резонатора без применения сложных приспособлений, повышая технологичность конструкции гироскопа.In addition, the presence of a non-magnetic centering ring 11 allows multiple assembly and disassembly of the magnetic system (which is necessary when balancing the resonator), while maintaining the symmetry of the magnetic system and the resonator ring without the use of complex devices, increasing the manufacturability of the gyroscope design.

Заявленный микрогироскоп является вакуумным прибором, внутренние поверхности составляющих деталей которого подвергаются обезгаживанию с последующим вакуумированием прибора. Наличие внутренних полостей, а тем более, изолированных от общего пространства прибора, не только увеличивает продолжительность обезгаживания, но и не позволяет обезгазить с требуемым качеством. Отсутствие закрытых полостей в данной конструкции обеспечивает качественное обезгаживание и вакуумирование гироскопа.The claimed microgyroscope is a vacuum device, the inner surfaces of the component parts of which are subjected to degassing, followed by evacuation of the device. The presence of internal cavities, and even more so, isolated from the total space of the device, not only increases the duration of degassing, but also does not allow to degass with the required quality. The absence of closed cavities in this design provides high-quality degassing and evacuation of the gyroscope.

Микрогироскоп работает следующим образом. С помощью магнитоэлектрических датчиков возбуждаются колебания резонатора 6 на резонансной (основной) частоте. При наличии угловой скорости вокруг вертикальной оси кольца резонатора 6 возникает вторая мода колебаний, повернутая на 45 градусов относительно первой. Амплитуда колебаний второй моды пропорциональна угловой скорости и измеряется с помощью датчиков съема. Симметрирование магнитной системы, при которой кольцевой резонатор 6 располагается в центральной области рабочего зазора b с минимальным градиентом магнитной индукции, позволяет оптимизировать резонансные характеристики, снижает разночастотность и разнодобротность по модам колебаний, обеспечивает требуемую крутизну выходного сигнала.Microgyroscope works as follows. Using magnetoelectric sensors, oscillations of the resonator 6 are excited at the resonant (fundamental) frequency. In the presence of angular velocity around the vertical axis of the ring of the resonator 6, a second oscillation mode arises, rotated by 45 degrees relative to the first. The oscillation amplitude of the second mode is proportional to the angular velocity and is measured using pickup sensors. The symmetry of the magnetic system, in which the ring resonator 6 is located in the Central region of the working gap b with a minimum gradient of magnetic induction, allows you to optimize the resonance characteristics, reduces the different frequencies and the multidimensionality of the vibration modes, provides the required slope of the output signal.

Предлагаемая конструкция вибрационного вакуумного гироскопа технологична и обеспечивает снижение трудоемкости изготовления.The proposed design of a vibrating vacuum gyroscope is technologically advanced and reduces the complexity of manufacturing.

Источники информацииInformation sources

1. Европейский патент №0141621 А2 от 25.10.84 г., G01C 19/56.1. European patent No. 0141621 A2 of 10.25.84, G01C 19/56.

2. Бритков О.М. Разработка конструкций и технологий изготовления микроэлектромеханических приборов в герметичном исполнении. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., МИЭМ, 2009 г., с.25-26, 34 с.2. Britkov O.M. Development of designs and manufacturing techniques for microelectromechanical devices in a sealed design. Abstract for the degree of candidate of technical sciences, M., MIEM, 2009, pp. 25-26, 34 pp.

3. Патент США №5932804 от 03 августа 1999, МКИ G01P/04, НКИ 73/504.13 (Пат. GB 2322196).3. US patent No. 5932804 of August 3, 1999, MKI G01P / 04, NKI 73 / 504.13 (Pat. GB 2322196).

Claims

A vibrating vacuum microgyroscope containing a base with metal-glass hermetic leads and a non-magnetic substrate placed on the base, a gyroscopic system consisting of a silicon resonator and a resonator support, a magnetic system with a magnet included in it and upper and lower magnetic circuits, a flare cover, characterized in that the magnetic system contains non-magnetic centering ring mounted on a magnet, the upper magnetoprode is installed by landing on a non-magnetic centering ring, silicon resonator support The ora is mounted on a non-magnetic substrate by landing with the lower magnetic circuit, while the surfaces of the magnet, the centering ring, the lower and upper magnetic circuits, the non-magnetic substrate, the silicon resonator and the cavity support are assembled without the formation of internal cavities.