RU28916U1

RU28916U1 - Микромеханический гироскоп

Info

Publication number: RU28916U1
Application number: RU2002127331/20U
Authority: RU
Inventors: В.А. Бурцев; П.Б. Дергачев; А.П. Карелин; А.М. Лестев; И.В. Попова; А.А. Семенов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Гирооптика"
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2003-04-20

Description

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

, 19/56

Изобретение относитея к измерительной технике, в частности, к области нрибороетроения и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств.

Особенностью микромеханических гироскопов является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет: малые габариты и вес гироскопа, возможность применения групповой технологии изготовления, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.

Известно техническое решение Лестев A.M., Попова И.В., Пятышев Е.Н., Лурье М.С., Семенов А.А., Евстифеев М.И. Разработка и исследование микромеханического гироскопа/Гироскопия и навигация, №2(25), 1999, с. 3-10, в котором микромеханический гироскоп содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы, датчик перемещений, две инерционные массы, выполненные в виде пластин из кремния со сквозными отверстиями, расположенные с зазором относительно платы и связанные с ней через упругие перемычки, обеспечивающие угловые и линейные перемещение инерционных масс относительно платы, генератор, электронную схему обработки сигналов.

Недостатком этого решения является ограниченная точность устройства, обусловленная несовпадением центров масс чувствительных элементов с центрами их подвеса. Кроме того, использование угловых перемещений инерционных масс относительно платы ограничивает чувствительность устройства к переносной угловой скорости и снижает добротность такой колебательной системы. Поэтому в конструкциях современных микромеханических гироскопов стараются использовать поступательное движение инерционных масс.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп Патент США №4598585 кл. GO 1C 15/02, 1986г., содержащий корпус, вьшолненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы, датчик перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную

jr-ff-U 2-1 2 -7 5 J 1

S.

с зазором относительно платы и связанную с ней через зшругие перемычки с опорными элементами, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор и электронную схему обработки сигналов.

Известный микромеханический гироскоп обладает следующим недостатком.

При изменении температуры окружающей среды из-за различных значений коэффициентов линейного расширения материалов платы и инерционной массы, а также из-за того, что опорные элементы расположены по периферии устройства, происходит деформация упругих перемычек. При этом изменяются характеристики упругого подвеса и, как следствие, снижается точность микромеханического гироскопа.

Задачей настоящего изобретения является повыщение точности микромеханического гироскопа.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы, датчика перемещений и вибропривода, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки с опорными элементами, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор и электронную схему обработки сигналов, инерционная масса выполнена в форме квадрата, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия, выполненные в форме прямоугольника, размеры диагонали которого не меньше удвоенной величины начального зазора между инерционной массой и платой, а упругие перемычки образуют первый и второй подвесы. В инерционной массе могут быть выполнены сквозные прорези, внутри которых размещены упругие перемычки, образующие первый и второй подвесы.

Опорные элементы могут располагаться в центральной части инерционной массы и могут быть выполнены в виде единого центрального опорного элемента. Первый подвес может содержать восемь упругих перемычек попарно связанных одними концами через центральный опорный элемент с корпусом, а другими концами со средними частями упругих перемычек, образующих второй подвес. Второй подвес

может содержать четыре упругие перемычки, расположениые параллельно сторонам инерционной массы, оба конца каждой из неремычек закреплены на инерционной массе. Подвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы, датчика перемещений и вибропривода могут быть расположены на боковых сторонах инерционной массы. Инерционная масса, упругие перемычки, центральный опорный элемент, подвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы, датчика перемещений и вибропривода могут выполняться единым элементом методом анизотропного травления кремния.

При исполнении микромеханического гироскопа, у которого опорные элементы расположены в центральной части инерционной массы и выполнены в виде единого центрального опорного элемента, устраняется влияние изменения температуры окружающей среды на характеристики упругого подвеса и тем самым повышается точность измерения угловой скорости.

Перечень фигур чертежей:

фиг. 1 - конструктивная схема микромеханического гироскопа;

фиг. 2 - инерционная масса с упругими перемычками и центральным опорным

элементом.

Па фиг. 1 представлена конструктивная схема гироскопа;

на фиг. 2 - инерционная масса с упругими перемычками и центральным

опорным элементом.

Микромеханический гироскоп (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный в виде платы из диэлектрического материала. В корпусе 1 размещена инерционная масса 2, выполненная в виде квадратной пластины из кремния со сквозными отверстиями 3 (фиг. 2). Инерционная масса 2 подвешена в корпусе 1 на упругих перемычках 14 и 15, образующих первый и второй подвесы, соответственно. Первый подвес содержит восемь упругих перемычек 14, попарно связанных одними концами через центральный опорный элемент 16 с корпусом 1, а другими концами со средними частями упругих перемычек 15, образующих второй подвес. В инерционной массе 2 выполнены сквозные прорези 13, внутри которых размещаются упругие перемычки 14 и 15, а также центральный опорный элемент 16. Второй подвес содержит четыре упругие перемычки 15, расположенные параллельно сторонам инерционной массы 2, оба конца каждой из перемычек 15 закреплены на инерционной массе 2.

инерционной массы 2. Ось чувствительности Z-Z располагается перпендикулярно плоскости инерционной массы 2. Гребенчатый электростатический датчик силы 4 содержит неподвижный 6 и подвижный 5 электроды. Гребенчатый электростатический датчик перемещений 7 содержит неподвижный 8 и подвижный 9 электроды. Возбуждение колебаний инерционной массы 2 осуществляется с помощью электронного генератора и вибропривода 10, содержащего неподвижные 12 и подвижные 11 электроды.

Для обеспечения необходимой точности в устройстве осуществлена резонансная настройка. Частота возбуждения колебаний выбрана равной частоте собственных колебаний упругой системы. Требуемая полоса пропускания устройства обеспечивается применением обратной связи. Гребенчатый электростатический датчик 4 служит датчиком силы в контуре обратной связи и содержит подвижные 5 и неподвижные 6 электроды.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При включенном питании под воздействием электростатических сил в зазорах гребенчатых зубцов вибропривода 10 на частоте генератора инерционная масса 2 совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси Y-Y. При вращении корпуса 1 с угловой скоростью (О вокруг оси чувствительности Z-Z, перпендикулярной плоскости инерционной массы 2, возникают кориолисовы силы инерции, приложенные к инерционной массе 2. Под действием этих сил инерционная масса 2 соверщает вдоль оси Х-Х колебания, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости (О. Сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, снимается с датчика перемещений 7, а затем преобразуется электронной схемой обработки сигналов.

Таким образом может бьггь осуществлено измерение угловой скорости движения корпуса 1 вокруг оси Z-Z.

Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить точность измерений.

Claims

1. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы, датчика перемещений и вибропривода, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки с опорными элементами, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор, электронную схему обработки сигналов, отличающийся тем, что инерционная масса выполнена в форме квадрата, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия, выполненные в форме прямоугольника, размеры диагонали которого не меньше удвоенной величины начального зазора между инерционной массой и платой, а упругие перемычки образуют первый и второй подвесы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в инерционной массе выполнены сквозные прорези, внутри которых размещены упругие перемычки, образующие первый и второй подвесы.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что опорные элементы расположены в центральной части инерционной массы и выполнены в виде единого центрального опорного элемента.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что первый подвес содержит восемь упругих перемычек, попарно связанных одними концами через опорный элемент с корпусом, а другими концами - со средними частями упругих перемычек, образующих второй подвес.

5. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что второй подвес содержит четыре упругие перемычки, расположенные параллельно сторонам инерционной массы, оба конца каждой из перемычек закреплены на инерционной массе.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы, датчика перемещений и вибропривода расположены на боковых сторонах инерционной массы.

7. Устройство по пп.1-6, отличающееся тем, что инерционная масса, упругие перемычки, центральный опорный элемент, подвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы, датчика перемещений и вибропривода выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.