RU2790042C1 - Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor - Google Patents

Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2790042C1
RU2790042C1 RU2022129761A RU2022129761A RU2790042C1 RU 2790042 C1 RU2790042 C1 RU 2790042C1 RU 2022129761 A RU2022129761 A RU 2022129761A RU 2022129761 A RU2022129761 A RU 2022129761A RU 2790042 C1 RU2790042 C1 RU 2790042C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
frame
total internal
internal reflection
wedge
Prior art date
Application number
RU2022129761A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Игоревич Бусурин
Станислав Олегович Васецкий
Сергей Георгиевич Штек
Максим Александрович Жеглов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2790042C1 publication Critical patent/RU2790042C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: velocity sensors.
SUBSTANCE: microptoelectromechanical angular velocity sensor is designed to measure the angular velocity of moving objects and can be used, for example, in control systems of aircraft, ships, cars, and others. The proposed sensor includes a substrate made of a dielectric material, a frame located with a gap relative to the substrate, connected to the support elements, and an inertial mass located with a gap relative to the substrate and connected to the frame through elastic elements. The vibration excitation system consists of fixed electrodes fixed on the substrate and movable electrodes fixed on the outer side of the frame, an information retrieval system consisting of two optical reading units, an optical radiation source, photodetectors, an optical modulator made in the form of two total internal reflection prisms , the reflection surfaces of which are located at an angle of 90º to each other, and a wedge-shaped optical element fixed on the outer side of the frame opposite the total internal reflection prisms. The size of the symmetrical gaps between the reflecting surfaces of the total internal reflection prisms and the edges of the wedge-shaped optical element is uniform and does not exceed the wavelength of the optical radiation source. Each wedge-shaped optical element has a silicon dioxide coating on its surface, and each total internal reflection prism is made of planar silicon dioxide technology.
EFFECT: increased noise immunity and sensitivity.
3 cl, 3 dwg

Description

Микрооптоэлектромеханический датчик предназначен для измерения угловой скорости подвижных объектов, и может быть использован, например, в системах управления самолетов, кораблей, автомобилей и прочих.The micro-optoelectromechanical sensor is designed to measure the angular velocity of moving objects, and can be used, for example, in control systems of aircraft, ships, cars, and others.

Известен «Микромеханический гироскоп» (патент № 2400706, МПК G01C 19/56 (2006/01), опубликован 27.09.2010 г.), выбранный в качестве прототипа, выполненный на диэлектрической подложке, содержащий опорные элементы, закрепленные на подложке с противоположных сторон, рамку, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами через упругие перемычки, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с рамкой через упругие элементы, раму, расположенную внутри инерционной массы с зазором относительно подложки и связанную с инерционной массой через дополнительные упругие перемычки, систему возбуждения колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке, и подвижных электродов, выполненных в раме, систему емкостного съема выходных колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке, и подвижных электродов, выполненных в инерционной массе Known "Micromechanical gyroscope" (patent No. 2400706, IPC G01C 19/56 (2006/01), published on September 27, 2010), selected as a prototype, made on a dielectric substrate, containing supporting elements fixed on the substrate from opposite sides, a frame located with a gap relative to the substrate and connected to the supporting elements through elastic bridges, an inertial mass located with a gap relative to the substrate and connected to the frame through elastic elements, a frame located inside the inertial mass with a gap relative to the substrate and connected to the inertial mass through additional elastic jumpers, a vibration excitation system consisting of fixed electrodes fixed on a substrate and movable electrodes made in a frame, a system for capacitive pickup of output vibrations, consisting of fixed electrodes fixed on a substrate and movable electrodes made in an inertial mass

Принцип действия данного датчика основан на измерении емкости между электродами съема выходных колебаний, возникающих из-за воздействия угловой скорости на инерционную массу. The principle of operation of this sensor is based on measuring the capacitance between the electrodes for picking up the output oscillations that occur due to the impact of the angular velocity on the inertial mass.

Недостатком датчика является низкая чувствительность, связанная с его высокой шумовой характеристикой, вызванной единой физической природой системы съема выходных колебаний и системы возбуждения колебаний, и как следствие, малая величина детектируемого сигнала.The disadvantage of the sensor is its low sensitivity associated with its high noise characteristic caused by the unified physical nature of the system for picking up the output oscillations and the oscillation excitation system, and as a result, the small value of the detected signal.

Целью настоящего изобретения является разработка датчика с высокой чувствительностью. The aim of the present invention is to develop a sensor with high sensitivity.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности датчика.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the sensor.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известном микрооптоэлектромеханическом датчике угловой скорости, содержащем подложку из диэлектрического материала, рамку, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с рамкой через упругие элементы, систему возбуждения колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке, и подвижных электродов, закрепленных на внешней стороне рамки, и системы съема выходных колебаний, согласно заявляемому изобретению, система съема выходных колебаний выполнена в виде двух узлов оптического считывания, расположенных на подложке напротив середины свободных от электродов сторон рамки, каждый из которых содержит источник оптического излучения, оптический модулятор и два фотоприемника, связанные по оптическому лучу, выходы фотоприемников соединены со входами блока обработки, при этом, каждый из оптических модуляторов выполнен в виде двух призм полного внутреннего отражения, поверхности отражения которых расположены под углом 90° друг к другу, и клиновидного оптического элемента, закрепленного на наружной стороне рамки напротив призм полного внутреннего отражения, причем величина симметричных зазоров между поверхностями отражения призм полного внутреннего отражения и гранями клиновидного оптического элемента является равномерной и не превышает величину длины волны источника оптического излучения.The claimed technical result is achieved by the fact that in a known micro-optoelectromechanical angular velocity sensor containing a substrate made of a dielectric material, a frame located with a gap relative to the substrate and connected to the support elements, an inertial mass located with a gap relative to the substrate and connected to the frame through elastic elements, the system excitation of vibrations, consisting of fixed electrodes fixed on the substrate, and movable electrodes fixed on the outer side of the frame, and a system for picking up output vibrations, according to the claimed invention, the system for picking up output vibrations is made in the form of two optical readout nodes located on the substrate opposite the middle of the free from the electrodes of the sides of the frame, each of which contains a source of optical radiation, an optical modulator and two photodetectors connected along the optical beam, the outputs of the photodetectors are connected to the inputs of the processing unit, while each of the optical modulators in made in the form of two prisms of total internal reflection, the reflection surfaces of which are located at an angle of 90 ° to each other, and a wedge-shaped optical element mounted on the outer side of the frame opposite the prisms of total internal reflection, and the size of the symmetrical gaps between the reflection surfaces of the prisms of total internal reflection and faces wedge-shaped optical element is uniform and does not exceed the value of the wavelength of the source of optical radiation.

В частном случае на поверхность клиновидного оптического элемента может быть нанесено тонкопленочное покрытие диоксида кремния.In a particular case, a thin-film coating of silicon dioxide can be deposited on the surface of the wedge-shaped optical element.

В частном случае каждая призма полного внутреннего отражения выполнена по планарной технологии из диоксида кремния.In a particular case, each prism of total internal reflection is made of silicon dioxide using a planar technology.

Благодаря использованию оптического метода для съема выходных колебаний на основе оптического туннельного эффекта, повышается помехозащищенность датчика, т.к. в системе возбуждения колебаний и системы съема выходных колебаний используются сигналы различной физической природы, и, как следствие, происходит повышение чувствительности датчика.Due to the use of the optical method for picking up output oscillations based on the optical tunnel effect, the noise immunity of the sensor is increased, because in the system of excitation of vibrations and the system of removal of output vibrations, signals of various physical nature are used, and, as a result, there is an increase in the sensitivity of the sensor.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого микрооптоэлектромеханического датчика угловой скорости. Предлагаемый датчик содержит подложку из диэлектрического материала 1, систему возбуждения колебаний 2, рамку 3, узлы оптического считывания 4, инерциальную массу 5.In FIG. 1 shows the design of the proposed micro-optoelectromechanical angular velocity sensor. The proposed sensor contains a substrate made of a dielectric material 1, an oscillation excitation system 2, a frame 3, optical readout units 4, and an inertial mass 5.

На фиг. 2 показана конструкция узла оптического считывания 4 и связь с блоком обработки 9. Узел оптического считывания 4 содержит источник оптического излучения 6, оптический модулятор 7, фотоприемники 8, связанные по оптическому лучу. Выходы фотоприемников соединены со входами блока обработки 9.In FIG. Figure 2 shows the design of the optical readout unit 4 and the connection with the processing unit 9. The optical readout unit 4 contains an optical radiation source 6, an optical modulator 7, and photodetectors 8 connected via an optical beam. The outputs of the photodetectors are connected to the inputs of the processing unit 9.

На фиг. 3 показана конструкция оптического модулятора 7. Оптический модулятор 7, выполнен в виде двух призм полного внутреннего отражения 10, выполненных по планарной технологии из диоксида кремния, поверхности отражения 11 которых расположены под углом 90° друг к другу, и клиновидного оптического элемента 12, закрепленного на наружной стороне рамки 3 напротив призм полного внутреннего отражения 10, причем величина симметричных зазоров между поверхностями отражения 11 призм полного внутреннего отражения 10 и гранями клиновидного оптического элемента 12 является равномерной и не превышает величину длины волны источника оптического излучения. На поверхности клиновидного оптического элемента 12 имеется покрытие из диоксида кремния.In FIG. 3 shows the design of the optical modulator 7. The optical modulator 7 is made in the form of two total internal reflection prisms 10 made of silicon dioxide according to planar technology, the reflection surfaces 11 of which are located at an angle of 90° to each other, and a wedge-shaped optical element 12 fixed on the outer side of the frame 3 opposite the total internal reflection prisms 10, and the size of the symmetrical gaps between the reflection surfaces 11 of the total internal reflection prisms 10 and the edges of the wedge-shaped optical element 12 is uniform and does not exceed the wavelength of the optical radiation source. On the surface of the wedge-shaped optical element 12 there is a coating of silicon dioxide.

Предлагаемый микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости содержит подложку 1 из диэлектрического материала, рамку 3, расположенную с зазором относительно подложки 1 и связанную с опорными элементами, инерционную массу 5, расположенную с зазором относительно подложки 1 и связанную с рамкой 3 через упругие элементы. Систему возбуждения колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке 1, и подвижных электродов, закрепленных на внешней стороне, два узла оптического считывания 4, содержащие источник оптического излучения 6, оптический модулятор 7, два фотоприемника 8, связанные по оптическому лучу. Каждый оптический модулятор 7, детектирующий колебания, индуцированные инерциальными смещениями, выполнен в виде двух призм полного внутреннего отражения 10, поверхности отражения 11 которых расположены под углом 90° друг к другу, и клиновидного оптического элемента 12, закрепленного на наружной стороне рамки напротив призм полного внутреннего отражения 10, причем величина симметричных зазоров между отражающими поверхностями 11 призм полного внутреннего отражения 10 и гранями клиновидного оптического элемента 12 является равномерной и не превышает величину длины волны источника оптического излучения. На поверхности клиновидного оптического элемента 12 имеется тонкопленочное покрытие диоксида кремния, а призмы полного внутреннего отражения 10 выполнены по планарной технологии из диоксида кремния.The proposed micro-optoelectromechanical angular velocity sensor contains a substrate 1 made of a dielectric material, a frame 3 located with a gap relative to the substrate 1 and connected to the supporting elements, an inertial mass 5 located with a gap relative to the substrate 1 and connected to the frame 3 through elastic elements. An oscillation excitation system consisting of fixed electrodes fixed on the substrate 1 and movable electrodes fixed on the outer side, two optical readout units 4 containing an optical radiation source 6, an optical modulator 7, two photodetectors 8 connected by an optical beam. Each optical modulator 7, which detects oscillations induced by inertial displacements, is made in the form of two total internal reflection prisms 10, the reflection surfaces 11 of which are located at an angle of 90° to each other, and a wedge-shaped optical element 12, fixed on the outer side of the frame opposite the total internal reflection prisms. reflection 10, and the size of the symmetrical gaps between the reflective surfaces 11 of the total internal reflection prisms 10 and the edges of the wedge-shaped optical element 12 is uniform and does not exceed the wavelength of the optical radiation source. On the surface of the wedge-shaped optical element 12 there is a thin-film coating of silicon dioxide, and the total internal reflection prisms 10 are made of silicon dioxide using a planar technology.

Устройство работает следующим образом. Первичные колебания рамки 3 вдоль оси OX создаются путем приложения переменного напряжения к системе возбуждения колебаний 2, соответствующей резонансной частоте колебаний рамки 3. В отсутствие угловой скорости, амплитуда колебаний рамки вдоль оси OY равна нулю. При внешнем вращении с угловой скоростью Ω вокруг оси OZ возникает сила Кориолиса, формирующая вторичные колебания рамки 3 вдоль оси OY. Амплитуда колебаний рамки 3 вдоль оси OY пропорциональна Ω. Эти колебания детектируются узлами оптического считывания 4. При этом, равномерный зазор между клиновидным оптическим элементом 12 и двумя призмами внутреннего отражения 10 изменяется по гармоническому закону. Изменение величины равномерного зазора приводит к изменению отражательной способности области, разделяющей поверхности отражения 11 призм полного внутреннего отражения 10 и клиновидного оптического элемента 12, что приводит к изменению мощности оптического излучения, поступающего на фотоприемник 8, и затем, после детектирования к формированию электрического сигнала, используемого в блоке обработки 9.The device works as follows. The primary oscillations of frame 3 along the OX axis are created by applying an alternating voltage to the oscillation excitation system 2 corresponding to the resonant frequency of oscillations of the frame 3. In the absence of angular velocity, the amplitude of oscillations of the frame along the OY axis is zero. During external rotation with an angular velocity Ω around the OZ axis, a Coriolis force arises, which forms secondary vibrations of the frame 3 along the OY axis. The oscillation amplitude of frame 3 along the OY axis is proportional to Ω. These fluctuations are detected by optical readout units 4. In this case, the uniform gap between the wedge-shaped optical element 12 and two internal reflection prisms 10 changes according to the harmonic law. A change in the value of the uniform gap leads to a change in the reflectivity of the region separating the reflection surfaces 11 of the total internal reflection prisms 10 and the wedge-shaped optical element 12, which leads to a change in the power of the optical radiation supplied to the photodetector 8, and then, after detection, to the formation of an electrical signal used in processing unit 9.

Таким образом, изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости объекта с повышенными помехозащищенностью и чувствительностью.Thus, the invention can be used to measure the angular velocity of an object with increased noise immunity and sensitivity.

Claims (3)

1. Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости, содержащий подложку из диэлектрического материала, рамку, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с рамкой через упругие элементы, систему возбуждения колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке, и подвижных электродов, закрепленных на внешней стороне рамки, и системы съема выходных колебаний, отличающийся тем, что система съема выходных колебаний выполнена в виде двух узлов оптического считывания, расположенных на подложке напротив середины свободных от электродов сторон рамки, каждый из которых содержит источник оптического излучения, оптический модулятор и два фотоприемника, связанные по оптическому лучу, выходы фотоприемников соединены с входами блока обработки, при этом каждый из оптических модуляторов выполнен в виде двух призм полного внутреннего отражения, поверхности отражения которых расположены под углом 90° друг к другу, и клиновидного оптического элемента, закрепленного на наружной стороне рамки напротив призм полного внутреннего отражения, причем величина симметричных зазоров между поверхностями отражения призм полного внутреннего отражения и гранями клиновидного оптического элемента является равномерной и не превышает величину длины волны источника оптического излучения.1. Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor containing a substrate made of a dielectric material, a frame located with a gap relative to the substrate and connected to the support elements, an inertial mass located with a gap relative to the substrate and connected to the frame through elastic elements, an oscillation excitation system consisting of fixed electrodes fixed on the substrate, and movable electrodes fixed on the outer side of the frame, and a system for picking up output vibrations, characterized in that the system for picking up output vibrations is made in the form of two optical readout units located on the substrate opposite the middle of the sides of the frame free from electrodes, each of which contains a source of optical radiation, an optical modulator and two photodetectors connected along an optical beam, the outputs of the photodetectors are connected to the inputs of the processing unit, while each of the optical modulators is made in the form of two prisms of total internal reflection, a reflection surface which are located at an angle of 90 ° to each other, and a wedge-shaped optical element fixed on the outer side of the frame opposite the total internal reflection prisms, and the size of the symmetrical gaps between the reflection surfaces of the total internal reflection prisms and the edges of the wedge-shaped optical element is uniform and does not exceed the wavelength source of optical radiation. 2. Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность клиновидного оптического элемента нанесено тонкопленочное покрытие диоксида кремния.2. Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor according to claim 1, characterized in that a thin-film coating of silicon dioxide is deposited on the surface of the wedge-shaped optical element. 3. Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости по п. 1, отличающийся тем, что каждая призма полного внутреннего отражения выполнена по планарной технологии из диоксида кремния.3. Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor according to claim 1, characterized in that each total internal reflection prism is made of silicon dioxide using planar technology.
RU2022129761A 2022-11-16 Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor RU2790042C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2790042C1 true RU2790042C1 (en) 2023-02-14

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2806242C1 (en) * 2023-09-06 2023-10-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU98120397A (en) * 1998-11-11 2000-08-27 АОЗТ НПК "Электрооптика" METHOD FOR ADJUSTING AND ASSEMBLING A SYMMETRIC LASER GYROSCOPE WITH PRIZES OF FULL INTERNAL REFLECTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
CN202836572U (en) * 2012-07-30 2013-03-27 西安北方捷瑞光电科技有限公司 Total reflection prism type laser gyroscope resonant cavity optical combination component
RU2589450C1 (en) * 2015-06-05 2016-07-10 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Fibre-optic gyroscope

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU98120397A (en) * 1998-11-11 2000-08-27 АОЗТ НПК "Электрооптика" METHOD FOR ADJUSTING AND ASSEMBLING A SYMMETRIC LASER GYROSCOPE WITH PRIZES OF FULL INTERNAL REFLECTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
CN202836572U (en) * 2012-07-30 2013-03-27 西安北方捷瑞光电科技有限公司 Total reflection prism type laser gyroscope resonant cavity optical combination component
RU2589450C1 (en) * 2015-06-05 2016-07-10 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Fibre-optic gyroscope

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2806242C1 (en) * 2023-09-06 2023-10-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5987986A (en) Navigation grade micromachined rotation sensor system
US4708480A (en) Solid-state optical interferometer
US6886404B2 (en) Fiber optic accelerometer
US5375336A (en) Gyro-compass
Tudor Silicon resonator sensors: interrogation techniques
US10281277B1 (en) Phononic travelling wave gyroscope
CN101576383B (en) Two-path optical interference fine optical micro-electro-mechanical gyroscope
US20200173780A1 (en) Gyroscope, methods of forming and operating the same
RU2790042C1 (en) Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor
JP4112684B2 (en) Vibrating gyro
RU2806242C1 (en) Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor
US5796002A (en) Rotation rate sensor with optical sensing device
US20050028591A1 (en) Vibratory gyroscope
US5044749A (en) Fiber-optic bender beam interferometer rate sensor
KR100203315B1 (en) Two axis navigation grade micromachined rotation sensor system
US11060868B2 (en) Weak value amplification Coriolis vibratory gyroscope
US11073391B2 (en) Coriolis vibratory accelerometer system
JPS62148812A (en) Gyroscope device
US20160377434A1 (en) Systems and methods for a time-based optical pickoff for mems sensors
JPS6291810A (en) Optical system embedded type optical sensor device
JP2869514B2 (en) 1-axis angular velocity / acceleration sensor
EP0206970A1 (en) Rotation induced phase modulation in passive sagnac interferometers
US20230304796A1 (en) Physical Quantity Detection Circuit And Physical Quantity Detection Device
KR100258173B1 (en) Resonance type micro gyroscope and method of manufacturing the same and method of measuring an angular velocity using the same
Filatov et al. Microoptical Gyros Based on Whispering Gallery Mode Resonators