RU69986U1

RU69986U1 - MICROMECHANICAL SENSITIVE GYROSCOPE ELEMENT

Info

Publication number: RU69986U1
Application number: RU2006116841/22U
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Вавилов; Александр Николаевич Долгов; Альберт Александрович Яковлев
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2008-01-10

Abstract

Решение относится к измерительной технике. Предложен микромеханический чувствительный элемент гироскопа, выполненный из монокристаллического кремния, содержащий корпусную пластину и разделенную зазором консольно укрепленную внутри корпусной пластины жесткую рамку, в которой подвешена на торсионах поворотная рамка, преобразователи перемещения и силы. Такое решение позволяет задать чувствительной массе движение по окружности относительно нейтрального положения чувствительной массы. Это дает выигрыш в точности устройства. Один пункт формулы, две фигуры чертежей.The solution relates to measurement technology. A micromechanical sensitive element of a gyroscope made of monocrystalline silicon is proposed. It contains a body plate and a rigid frame cantilevered inside the body plate separated by a gap, in which a rotary frame, displacement and force transducers are suspended on torsions. This solution allows you to set the sensitive mass circular motion relative to the neutral position of the sensitive mass. This gives a gain in the accuracy of the device. One paragraph of the formula, two figures of the drawings.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных приборах навигации.The invention relates to measuring equipment and can be used in integrated navigation devices.

Известен чувствительный элемент интегрального гироскопа [1], содержащий несущую пластину, выполненную из монокремния, подвижный узел, состоящий из двух рамок: внешней, соединенной с несущей пластиной с помощью двух торсионов, и внутренней, соединенной с внешней рамкой также с помощью двух торсионов.A sensitive element of an integrated gyroscope [1] is known, comprising a carrier plate made of monosilicon, a movable unit consisting of two frames: an external one connected to the carrier plate with two torsion bars, and an internal one connected to the external frame with two torsion bars.

Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная тем, что информационным сигналом является амплитуда механических колебаний рамки, на которые, кроме полезного сигнала, накладываются случайные колебания от мест закрепления.The disadvantage of this device is the low accuracy due to the fact that the information signal is the amplitude of the mechanical vibrations of the frame, which, in addition to the useful signal, are superimposed random vibrations from the fixing points.

Известен также микромеханический чувствительный элемент гироскопа [2], содержащий корпусную пластину в которой подвешена на торсионах поворотная рамка, внутри поворотной рамки подвешена на торсионах чувствительная масса, торсионы которых расположены относительно друг друга под углом 90°. Чувствительная масса приводится в вынужденные колебания относительно подвижной рамки. При наличии угловой скорости начинает качаться подвижная рамка относительно корпусной пластины.Also known is the micromechanical sensitive element of the gyroscope [2], containing a body plate in which a rotary frame is suspended on the torsion bars, a sensitive mass is suspended on the torsion bars, the torsion bars of which are located relative to each other at an angle of 90 °. The sensitive mass is driven into forced oscillations relative to the moving frame. In the presence of angular velocity, the movable frame begins to swing relative to the body plate.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная тем, что в нем нет механического преобразования измеряемой угловой скорости в непрерывный выходной сигнал.A disadvantage of the known device is the low accuracy due to the fact that it does not have a mechanical conversion of the measured angular velocity into a continuous output signal.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микрогироскопа за счет исключения влияния амплитуды колебаний поворотной рамки на точность преобразований. Этот технический результат достигается тем, что в микромеханическом чувствительном элементе гироскопа, содержащем корпусную пластину, в которой подвешена на торсионах поворотная рамка, чувствительная масса подвешена внутри поворотной рамки на упругих Г-образных растяжках с возможностью совершения движения по окружности относительно нейтрального положения.The problem to which the invention is directed is to increase the accuracy of the microgyroscope by eliminating the influence of the oscillation amplitude of the rotary frame on the accuracy of the transformations. This technical result is achieved by the fact that in the micromechanical sensitive element of the gyroscope containing the body plate, in which the rotary frame is suspended on the torsion bars, the sensitive mass is suspended inside the rotary frame on elastic L-shaped stretch marks with the possibility of moving around the circumference relative to the neutral position.

К существенным отличиям заявленного устройства, по сравнению с известным, относится то, что движение чувствительной массы по окружности позволяет получать результат измерения угловой скорости в виде угла отклонения поворотной рамки. В предложенном устройстве поворотная рамка не совершает колебаний относительно корпусной пластины, как в прототипе, а отклоняется на угол, пропорциональный поворотной скорости, т.е. присутствует механическое преобразование угловой скорости в непрерывный выходной сигнал. Это позволило упростить обработку выходной величины и повысить точность микрогироскопа, поскольку исключается преобразование переменного сигнала в среднее значение.Significant differences of the claimed device, compared with the known one, is that the movement of the sensitive mass around the circumference allows you to get the result of measuring the angular velocity in the form of the angle of deviation of the rotary frame. In the proposed device, the rotary frame does not oscillate relative to the body plate, as in the prototype, but deviates by an angle proportional to the rotational speed, i.e. there is a mechanical conversion of the angular velocity into a continuous output signal. This allowed us to simplify the processing of the output value and increase the accuracy of the microgyroscope, since the conversion of the variable signal to the average value is excluded.

Предлагаемый микромеханический чувствительный элемент гироскопа иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2. На фиг.1 показан вид на чувствительный элемент микрогироскопа сверху, а на фиг.2 сечение чувствительного элемента по линии А-А фиг.1.The proposed micromechanical sensitive element of the gyroscope is illustrated by the drawings shown in figures 1 and 2. Figure 1 shows a top view of the sensitive element of the microgyroscope, and figure 2 is a cross section of the sensitive element along the line aa of figure 1.

Микромеханический чувствительный элемент гироскопа содержит (фиг.1) корпусную пластину 7, внутреннюю несущую пластину 2 подвешенную в окне корпусной пластины 7 на консоли 3, поворотную рамку 4, чувствительную массу 5, которая представляет собой четыре квадратных элемента, соединенных центральной площадкой в крестообразную конструкцию, электроды 6 для возбуждения движений чувствительной массы 5, The micromechanical sensitive element of the gyroscope contains (Fig. 1) a body plate 7, an internal carrier plate 2 suspended in the window of the body plate 7 on the console 3, a rotatable frame 4, a sensitive mass 5, which is four square elements connected by a central platform in a cross-shaped structure, electrodes 6 for exciting movements of the sensitive mass 5,

торсионы 7, соединяющие поворотную рамку 4 с внутренней несущей пластиной 2, Г-образные упругие растяжки 8 подвеса чувствительной массы 5 внутри поворотной рамки 4. С обеих сторон корпусной пластины 7 расположены неподвижные обкладки 9 и 10, соединенные с корпусной пластиной 1 жестко. На неподвижной обкладке 10 размещены электроды 11 датчика угловых перемещений. Микромеханический чувствительный элемент гироскопа полностью выполнен из монокремния методом анизотропного травления и соединения между собой отдельных кремниевых элементов, нанесения и спекания дополнительных алюминиевых слоев.torsion bars 7 connecting the rotary frame 4 with the internal carrier plate 2, L-shaped elastic stretch marks 8 of the suspension of the sensitive mass 5 inside the rotary frame 4. On both sides of the housing plate 7 are fixed plates 9 and 10, rigidly connected to the housing plate 1. On the immovable lining 10, the electrodes 11 of the angular displacement sensor are placed. The micromechanical sensitive element of the gyroscope is completely made of monosilicon by the method of anisotropic etching and interconnection of individual silicon elements, deposition and sintering of additional aluminum layers.

Поворотная рамка 4 в данной конструкции выполняет роль гирочувствительного узла, а чувствительная масса 5 внутри поворотной рамки 4 - функции гиромотора и приводится в принудительные движения ее центра тяжести по окружности относительно нейтрального положения центра чувствительной массы с помощью электростатического автогенератора.The rotary frame 4 in this design acts as a gyro-sensitive assembly, and the sensitive mass 5 inside the rotary frame 4 acts as a gyromotor and is driven into forced movements of its center of gravity around the circumference relative to the neutral position of the center of the sensitive mass using an electrostatic oscillator.

Упругие торсионы 7 работают на кручение и обеспечивают угловое движение поворотной рамки 4 относительно оси у. Г-образные упругие растяжки 8 работают на изгиб и обеспечивают чувствительной массе 5 движения в плоскости ху. Движение чувствительной массы 5 в других плоскостях ограничивается тем, что сечение упругих растяжек 8 выполнено с большим отношением ширины растяжки к ее толщине.Elastic torsion 7 work on torsion and provide angular movement of the rotary frame 4 relative to the y axis. L-shaped elastic stretch marks 8 work on bending and provide a sensitive mass 5 of movement in the xy plane. The movement of the sensitive mass 5 in other planes is limited by the fact that the cross section of the elastic stretch marks 8 is made with a large ratio of the width of the stretch to its thickness.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. При отсутствии угловой скорости Ω каждая точка чувствительной массы 5 совершает движения по окружности относительно нейтрального положения в плоскости ху. Такое движение задается посредством последовательности импульсов, подаваемых в 1-й, 2-й, 3-й и 4-й такты на соответствующие электроды 6 возбуждения (фиг.1). Поворотная рамка 4 при этом является неподвижной.The operation of the claimed device is as follows. In the absence of angular velocity Ω, each point of the sensitive mass 5 makes a circular motion relative to the neutral position in the xy plane. This movement is set by means of a sequence of pulses supplied in the 1st, 2nd, 3rd and 4th cycles to the corresponding excitation electrodes 6 (Fig. 1). The pivoting frame 4 is stationary.

При наличии поворотной скорости Ω_х чувствительная масса 5 получает гироскопический момент, который через Г-образные растяжки 8 In the presence of a rotational speed Ω _{x, the} sensitive mass 5 receives a gyroscopic moment, which through the L-shaped stretch marks 8

отклонит поворотную рамку 4 относительно оси у. Величина угла отклонения поворотной рамки прямо пропорциональна поворотной скорости. В статике имеем:deflects the rotary frame 4 relative to the y axis. The deflection angle of the pivot frame is directly proportional to the pivot speed. In statics we have:

где К=Iω/G_k - коэффициент крутизны статической характеристики;where K = Iω / G _k is the slope coefficient of the static characteristic;

I=mr² - полярный момент инерции чувствительного массы; m - чувствительная масса; r - радиус окружности, по которой движется чувствительная масса; ω - частота возбуждения принудительных колебаний; G_k- жесткость торсиона на кручение; Ω - измеряемая поворотная скорость. Из (1) видно, что между углом отклонения поворотной рамки 4 и измеряемой величиной Ω существует линейная зависимость. Повышается точность микромеханического чувствительного элемента гироскопа.I = mr ² is the polar moment of inertia of the sensitive mass; m is the sensitive mass; r is the radius of the circle along which the sensitive mass moves; ω is the frequency of excitation of forced oscillations; G _k - torsion stiffness on torsion; Ω is the measured rotational speed. From (1) it can be seen that there is a linear relationship between the deflection angle of the rotary frame 4 and the measured value Ω. Increases the accuracy of the micromechanical sensitive element of the gyroscope.

Claims

A micromechanical sensitive element of the gyroscope containing a body plate in which a rotary frame is suspended on the torsion bars, and a sensitive mass, characterized in that the sensitive mass is suspended inside the rotary frame on elastic L-shaped stretch marks with the possibility of moving around the circumference relative to the neutral position.