Гироскоп на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижных объектов, и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах. Гироскоп содержит пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера ПАВ (поверхностной акустической волны) и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ, отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей. Параллельно пластине пьезоэлектрика на расстоянии не более 10 мкм и без соприкосновения с ней установлена полупроводниковая пластина, к которой подключен источник напряжения, а между встречно-штыревыми преобразователями чувствительного элемента колебаний ПАВ подключено не менее одного диода, а пластина пьезоэлектрика выполнена в виде мембраны толщиной 0,1-10 мкм, что обеспечивает повышение точности и чувствительности измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижных объектов, и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах.

Известные волоконно-оптические и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Несмотря на их улучшенные характеристики они, тем не менее, объемны и дороги. Применения, требующие гироскопов менее дорогих и меньшего размера, появились в системах автомобильной безопасности (системы против скольжения, системы камер), потребительских товарах (видеокамеры, GPS, спортивное оборудование), промышленных товарах (роботы, управление оборудованием), медицинских изделиях (хирургические инструменты).

Волоконно-оптические и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах. / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283].

В настоящее время известны микромеханические гироскопы на основе кремния [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах. / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283]. Такие гироскопы представляют собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Этот гироскоп приводится в колебательное движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса, создающая колебания относительно измерительной оси. При этом зазор между подвижной массой микромеханического гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей величины емкости. Измеряя изменение величины емкости, можно определить изменение угловой скорости вращения микромеханического гироскопа.

Однако вышеуказанные гироскопы имеют низкую точность и низкую механическую прочность.

Известен также «Виброгироскоп» (Патент РФ №2123219, Н01L 41/08, 1998, 12,10), содержащий твердотельный элемент из сигнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, с двумя парами сплошных и двумя парами встречно-штыревых электродов. Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цепям второго и третьего генератора. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход которого подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

Стабильность и помехоустойчивость позволяет применять его в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами.

Однако этот гироскоп имеет ограничения по рабочим характеристикам из-за принципа действия, который основан на вибрации подвешенных механических структур. Кроме того, эта подвешенная механическая структура очень чувствительна к внешним ударам и вибрации, т.к. она не может быть жестко присоединена к подложке из-за резонансной вибрации. Это ограничивает диапазон его применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп [Патент US №6,516,665. "Микроэлектромеханический гироскоп" / Varadan V.K., Pascal В. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V. Varadan. 2003].

Гироскоп включает в себя пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностной акустической волны (ПАВ) и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ, отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Этот гироскоп работает на основе принципа поверхностной акустической волны, распространяющейся на пьезоэлектрической подложке.

В отличие от других гироскопов этот имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным.

Недостатком этого гироскопа является низкая точность и, соответственно, невозможность использования его для высокоточных применений вследствие малой амплитуды колебаний и пролезания паразитного сигнала с ВШП драйвера на ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ.

Вышеизложенные факты приводят к снижению точности оценивания угловой скорости, что и является недостатком прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка гироскопа с улучшенными характеристиками для детектирования силы Кориолиса.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что гироскоп на поверхностных акустических волнах, содержащий пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера ПАВ и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ, отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей, отличается тем, что параллельно пластине пьезоэлектрика на расстоянии не более 10 мкм и без соприкосновения с ней установлена полупроводниковая пластина, к которой подключен источник напряжения, а между встречно-штыревыми преобразователями чувствительного элемента колебаний ПАВ подключено не менее одного диода, причем пластина пьезоэлектрика может быть выполнена в виде мембраны.

Технический результат достигается за счет того, что предлагаемая конструкция гироскопа работает на основе принципа поверхностной акустической волны (ПАВ) на пьезоэлектрической подложке с увеличенной амплитудой колебаний и разделением частот драйвера и чувствительного элемента колебаний ПАВ. Резонатор на ПАВ создает стоячие ПАВ между встречно-штыревыми преобразователями. Частицы в пучностях стоячей волны испытывают вибрации большой амплитуды, перпендикулярные плоскости подложки, которые служат в качестве начального (базового) вибрационного перемещения для этого гироскопа. Некоторое количество металлических точек (инерционные массы) размещаются в пучностях так, чтобы эффект силы Кориолиса из-за вращения усиливал амплитуду ПАВ, генерируемой в ортогональном направлении. Наличие тока в полупроводнике, расположенном в непосредственной близости от пластины пьезоэлектрика, приводит к увеличению амплитуды колебаний [1], а диоды, присоединенные к ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ, выделяют удвоенную частоту.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, гироскопа на поверхностных акустических волнах, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время авторам не известны гироскопы на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, идеальный для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция гироскопа.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема гироскопа на поверхностных акустических волнах;

на фиг.2 - схема взаимного расположения пластин пьезоэлектрика и полупроводниковой пластины;

На фиг.3 представлены характеристики наиболее распространенных в акустоэлектронике материалов - кварца и ниобата лития.

Введены следующие обозначения:

1 - пластина пьезоэлектрика;

2 - встречно-штыревые преобразователи драйвера ПАВ;

3 - встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ;

4 - дополнительные инерционные массы;

5 - отражающие структуры;

6 - полупроводниковая пластина;

7 - источник напряжения;

8 - диод.

Гироскоп состоит из пластины (подложки) пьезоэлектрика 1, выполненной, например, в виде мембраны из кварца [1].

На поверхности пластины пьезоэлектрика 1 в горизонтальном направлении по обе стороны относительно оси сформированы отражающие структуры 5 и встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера ПАВ 2, а в вертикальном направлении - встречно-штыревые преобразователи (ВШП) чувствительного элемента колебаний ПАВ 3.

В центральной части гироскопа расположены дополнительные инерционные массы 4.

За ВШП драйвера ПАВ 2 нанесены отражающие структуры 5. Параллельно пластине пьезоэлектрика 1 на расстоянии не более 10 мкм, но без соприкосновения с ней, установлена полупроводниковая пластина 6, к которой подключен источник напряжения 7.

Между ВШП каждого чувствительного элемента колебаний ПАВ 3 подключен диод 8.

Первостепенное влияние на точностные характеристики гироскопа на ПАВ имеет выбор материала пластины пьезоэлектрика 1. Поскольку чувствительность увеличивается с увеличением частоты, то, как следует из фиг.3, целесообразно в качестве материала подложки использовать ниобат лития.

Дополнительные инерционные массы 4 могут быть выполнены, например, в виде параллелепипедов или цилиндров из металла.

Полупроводниковая пластина 6 может быть выполнена, например, из кремния [2].

Источник напряжения 7 реализуется по любой схеме, например, приведенной в [3].

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии вращения основания гироскопа на ВШП драйвера ПАВ 2 от внешнего генератора (на фиг.1 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой.

В случае, если пластина пьезоэлектрика 1 выполнена из ниобата лития, электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.

При отсутствии вращения основания гироскопа сила Кориолиса не возникает, поэтому не возникает и вторичных ПАВ, распространяющихся не параллельно ПАВ, создаваемых ВШП драйвера ПАВ 2.

Следовательно, при отсутствии вращения основания гироскопа отсутствуют и ПАВ в месте расположения ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 3.

Микроколебания ПАВ генерируются встречно-штыревыми преобразователями драйвера ПАВ 2. Эти колебания распространяются по пластине пьезоэлектрика 1, приводя в движение дополнительные инерционные массы 4. Источник напряжения 7 создает ток в полупроводниковой пластине 6. Ток, протекающий в полупроводниковой пластине 6, взаимодействует с зарядами, образующимися в пластине пьезоэлектрика 1, что приводит к увеличению амплитуды колебаний ПАВ.

Распространяясь дальше, ПАВ взаимодействуют с отражающими структурами 5. Взаимное расположение ВШП драйвера ПАВ 2 и отражающих структур 5 выбрано таким образом, чтобы образовалась стоячая волна.

При наличии угловой скорости вращения основания гироскопа появляется сила Кориолиса. В результате влияния силы Кориолиса на ПАВ и дополнительные инерционные массы 4 возникают вторичные колебания ПАВ в направлении, не параллельном направлению распространения ПАВ, возбуждаемых ВШП драйвера ПАВ 2.

Вторичные ПАВ распространяются в область расположения ВШП чувствительных элементов колебаний ПАВ 3. Подключенные к ВШП чувствительных элементов колебаний ПАВ 3 диоды 8 выпрямляют напряжение, образующееся на ВШП чувствительных элементов колебаний ПАВ 3, что приводит к появлению удвоенной частоты. Т.о. осуществляется частотное разделение каналов драйвера и измерения параметров.

Параметры вторичных ПАВ измеряют, например, анализатором спектра [1].

Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике гироскопа.

Дополнительный технический результат заключается в широкой полосе частоты измерений, простоте конструкции, в отсутствие подвижных конструктивных элементов и в низкой стоимости.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнялись следующие условия:

- средство, воплощающие устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Литература

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

2. Физическая акустика. / Под ред. У.Мэзона. М.: Мир, 1969.

3. Богданович Б.М., Ваксер Э.Б. Краткий радиотехнический справочник. Минск: Изд-во Беларусь, 1976. 335 с.

1. Гироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера ПАВ и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ, отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей, отличающийся тем, что параллельно пластине пьезоэлектрика на расстоянии не более 10 мкм и без соприкосновения с ней установлена полупроводниковая пластина, к которой подключен источник напряжения, а между встречно-штыревыми преобразователями чувствительного элемента колебаний ПАВ подключено не менее одного диода.

2. Гироскоп на поверхностных акустических волнах по п.1, отличающийся тем, что пластина пьезоэлектрика выполнена в виде мембраны.