RU2790042C1 - Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor - Google Patents
Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Abstract
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
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
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
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
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
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)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790042C1 true RU2790042C1 (en) | 2023-02-14 |
Family
ID=
Cited By (1)
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)
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)
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)
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 |