RU30972U1

RU30972U1 - Микромеханический гироскоп

Info

Publication number: RU30972U1
Application number: RU2003102790/20U
Authority: RU
Inventors: В.А. Бурцев; П.Б. Дергачев; А.П. Карелин; А.М. Лестев; М.А. Лестев; И.В. Попова; А.А. Семенов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Гирооптика"
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2003-07-10

Description

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения 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, вьшолненный 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 Збруцкий А.В., Апостолюк В.А. Динамика чувствительного элемента микромеханического гироскопа с дополнительной рамкой / Гироскопия и навигация, .№3(22), 1998, с. 13-23, содержащий корпус, вьшолненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений.

г о о 1 о г « о

МПК G01C 19/56

опорные элементы, рамку, инерционную массу, вьтолненнзпю 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, электронную схему обработки сигналов.

Известный микромеханический гироскоп обладает следующим недостатком.

Упругие перемычки работают и на изгиб и на кручение и не обеспечивают линейную зависимость силы упругости (момента сил упругости) во всем рабочем диапазоне перемещений подвижных элементов устройства. Данное обстоятельство в конечном итоге служит причиной снижения точности микромеханического гироскопа. Кроме того, нелинейная зависимость сил упругости или момента сил упругости от перемещений подвижных элементов устройства может приводить к срывам вынужденных колебаний и потере устойчивости 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 опорные элементы, рамку, 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, и электронную схему обработки сигналов, упругие перемычки образуют внутренний и наружный подвесы. Внутренний подвес может содержать четьфе упругие перемычки, связанные одними концами с инерционной массой, а другими концами с рамкой. Наружный подвес может содержать четыре упругие перемычки, связанные одними концами с рамкой, а другими концами через опорные элементы с корпусом. Упругие перемычки, образующие внутренний и наружный подвесы, могуг быть выполнены изогнутыми. Инерционная масса, упругие перемычки, рамка, опорные элементы, подвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы и датчика силы и датчика перемещений могут быть выполнены единым элементом методом

анизотропного травления кремния. При исполнении микромеханического гироскопа, у которого упругие перемычки, образующие внутренний и наружный подвесы, выполнены изогнутыми, обеспечивается линейная зависимость выходной характеристики и тем самым повышается точность измерения зтловой скорости.

Перечень фигур чертежей:

фиг. 1 - конструктивная схема микромеханического гироскопа;

фиг. 2 - инерционная масса с упругими перемычками, рамкой, опорными

элементами, подвижными электродами датчика силы и датчика перемещений.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема гироскопа;

на фиг. 2 - инерционная масса с упругими перемычками, рамкой, опорными

Микромеханический гироскоп (фиг. 1) содержит корпус 1, вьшолненный в виде платы из диэлектрического материала. В корпусе 1 размещена инерционная масса 8, выполненная в виде пластины из кремния со сквозньми отверстиями 9 (фиг. 2). Инерционная масса 8 подвещена в рамке на четырех упругих перемычках 10, образующих вн}пфенний подвес. Рамка 7 подвещена в корпусе на четырех упр)тих перемычках 11, образующих наружный подвес.

Упругие перемычки 10 и И обеспечивают перемещение инерционной массы 8 вдоль осей Х-Х и Y-Y соответственно, совпадающих с осями симметрии инерционной массы 8 и лежащих в ее плоскости. Ось чувствительности Z-Z располагается перпендикулярно плоскости инерционной массы 8. Гребенчатый электростатичесьсий датчик силы 3 содержит неподвижный 5 и подвижный 13 электроды. Гребенчатый электростатический датчик перемещений содержит неподвижный 4 и подвижный 12 электроды. Возбуждение колебаний инерционной массы 8 осуществляется от внещнего генератора либо используется схема автогенератора.

Для обеспечения необходимой точности в устройстве применена резонансная настройка. Требуемая полоса пропускания устройства обеспечивается применением обратной связи. Гребенчатый электростатический датчик 3 служит датчиком силы в контуре обратной связи.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При включенном питании инерционная масса 8 соверщает возвратнопоступательные движения относительно рамки 7 в направлении оси Х-Х. При вращении корпуса 1 с угловой скоростью со вокруг оси чувствительности Z-Z, перпендикулярной плоскости инерционной массы 8, возникают кориолисовы силы

инерции, приложенные к инерционной массе 8. Под действием этих сил инерционная масса 8 вместе с рамкой 7 совершает вдоль оси Y-Y колебания, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости (о. Сигнал пропорциональный амплитуде колебаний рамки 7, снимается емкостным датчиком перемещений 2, а затем преобразуется электронной схемой обработки сигналов. Изогнутые упругие перемычки 10 и 11 работают только на изгиб и обеспечивают линейную зависимость силы упругости от перемещений подвижных элементов устройства во всем рабочем диапазоне.

Таким образом, может быть 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 и датчика перемещений, опорные элементы, рамку, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, электронную схему обработки сигналов, отличающийся тем, что упругие перемычки образуют внутренний и наружный подвесы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний подвес содержит четыре упругие перемычки, связанные одними концами с инерционной массой, а другими концами с рамкой.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что наружный подвес содержит четыре упругие перемычки, связанные одними концами с рамкой, а другими концами через опорные элементы с корпусом.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что упругие перемычки, образующие внутренний и наружный подвесы, выполнены изогнутыми.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инерционная масса, упругие перемычки, рамка, опорные элементы, подвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.