Электродная структура для микромеханического гироскопа и микромеханический гироскоп с этой структурой (варианты)

Изобретения относятся к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ). В электродной структуре ММГ, содержащей подвижный и неподвижные электроды, в подвижном электроде выполнено отверстие шириной, близкой к величине 2Δх (Δх - амплитуда колебаний ПМ по оси первичных колебаний), а край по крайней мере одного из неподвижных электродов расположен над или под отверстием подвижного электрода. В ММГ с этой электродной структурой с электродами, расположенными над отверстиями, соединены выходы источников напряжения и введен преобразователь емкость - напряжение, который соединен по крайней мере с одним из электродов, расположенным над отверстием. Техническим результатом является повышение точности ММГ за счет подавления квадратурной помехи и уменьшение времени готовности и габаритов ММГ, которые достигаются за счет уменьшения площади, занимаемой гребенчатыми электродами. 4 с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Предлагаемые устройства и способ относятся к приборам, измеряющим угловую скорость, в которых для измерения перемещений подвижной массы (ПМ) или подвижного механического элемента и формирования силовых сигналов используются электростатические датчики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ).

В настоящее время разработаны и широко используются микромеханические устройства, содержащие ПМ, электростатический задатчик силы и датчик перемещения. Такие микромеханические элементы используются в микромеханических акселерометрах, гироскопах, датчиках давления и т.д. (см. В.Я.Распопов. Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тул. гос. университет, Тула, 2002, 392 с.).

Для формирования задатчиков силы или момента и датчиков перемещения ПМ в этих устройствах используются разные электродные структуры, позволяющие измерять перемещения ПМ и обеспечивающие формирование сил и или моментов, действующих в разных направлениях. В частности, в работе [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г. стр.268-274, рис.2, 3] приведены ММГ RR-типа и его электродная структура, в которой в качестве подвижного электрода используется ПМ, а группа неподвижных электродов расположена на крышке ММГ. Подвес ПМ в этом ММГ осуществляется с помощью торсионов. И подвижный, и неподвижные электроды образованы симметрично расположенными идентичными частями секторов, подвижный электрод имеет зубцы на сторонах, расположенных на радиальных направлениях, а неподвижные электроды размещаются в ММГ вне зубцовой зоны подвижного электрода. Эта электродная структура позволяет измерять перемещения ПМ по оси вторичных колебаний ПМ и формировать момент вокруг этой же оси.

Однако эта электродная структура не позволяет подавлять квадратуру в микромеханическом узле ММГ. Поэтому ПМ в этом ММГ совершает колебания вокруг оси вторичных колебаний и при нулевой угловой скорости основания, что вызывает появление на выходе емкостного датчика на оси вторичных колебаний сигнала, фаза которого сдвинута на 90° по отношению к сигналу, соответствующему измеряемой угловой скорости. Для подавления квадратурного сигнала ММГ в этом случае может применяться синхронное детектирование и/или компенсация, как это выполняется, например, в устройстве по пат. России №2274833.

Недостатком такого способа подавления помехи является то, что перемещения ПМ под действием сил или моментов, вызывающих появление квадратурной помехи, остаются в ММГ. Наличие этих перемещений уменьшает динамический диапазон работы ММГ, обусловленные ПМ.

Для подавления квадратурной помехи методом компенсации сил, вызывающих этот тип помехи, в ММГ используют более сложную электродную структуру и/или вводят дополнительные источники напряжения, которые определенным образом подключают к электродам.

Например, в пат. США №5992233 (фиг.7, 13, 9) показано, как за счет изменения напряжений на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний, можно добиться снижения квадратурной помехи в ММГ LL-типа.

В ММГ LL-типа по патенту США №7213458 (фиг.2) введены дополнительные электроды, которые расположены на основании под зубцами ПМ (зубцами гребенчатой двигателя или датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний). Когда ПМ перемещается по оси первичных колебаний (т.е. вдоль основания), вместо зубцов над частью дополнительного электрода оказывается поверхность ПМ. Поэтому площадь перекрытия между ПМ и дополнительным электродом может изменяться почти в два раза. При подаче напряжений на этот электрод и перемещениях ПМ из-за изменений площади перекрытия между ПМ и дополнительными электродами возникает сила, частота изменения которой равна частоте колебаний ПМ, при этом сила действует на ПМ по нормали к направлению первичных колебаний ПМ. При соответствующем выборе напряжения создаваемые силы компенсируют силы, вызывающие квадратурную помеху. При полной компенсации этих сил отклонения ПМ по оси вторичных колебаний вызываются только кориолисовым ускорением и на выходе ММГ квадратурный сигнал отсутствует. Величина создаваемой силы этим дополнительным электродом определяется допустимым напряжением между ПМ и дополнительным электродом и изменением площади перекрытия между зубцами ПМ и дополнительным электродом. К достоинству такой электродной структуры можно отнести то, что дополнительный электрод не увеличивает габариты ММГ. К недостаткам можно отнести то, что величина создаваемой силы для компенсации квадратурной помехи относительно невелика, что не позволяет подавить эту помеху в 100% образцов.

В пат. США №6067858 (фиг.20) приведена электродная структура двухосного ММГ RR-типа, в которой подвижный электрод имеет форму диска, образованного двумя концентрическими окружностями, который дополнен прямоугольными областями (элементы 340 a, b, c, d), а группа неподвижных электродов дополнена прямоугольными площадками (элементы 390) под этими элементами. При вибрации ПМ вокруг оси первичных колебаний изменяется площадь перекрытия элементами 340 элементов 390. При наличии разных напряжений на близко расположенных элементах 390 (например, элементы 390 а', 390 b') вибрация ПМ вызывает появление момента, который при определенных величинах напряжений может полностью подавить квадратурную помеху. К недостаткам этой электродной структуры можно отнести то, что она значительно увеличивает площадь (примерно в два раза, судя по фиг.20) кристалла кремния, необходимую для изготовления ММГ и тем самым уменьшает количество ММГ, получаемых с одной пластины, и соответственно приводит к увеличению стоимости ММГ.

Таким образом, задача подавления квадратурной помехи в ММГ может решаться разными способами, возможности применения которых определяется используемыми в ММГ электродными структурами. Можно выделить три способа:

- компенсация квадратурного сигнала и его подавление в электронном узле ММГ (см. пат. России №2274833). Основным недостатком этого способа является то, что при нулевом ускорении Кориолиса в ММГ имеет место перемещение ПМ по оси вторичных колебаний;

- компенсация сил (моментов), вызывающих появление квадратурной помехи, за счет подачи на электроды специально сформированных в электронном узле ММГ напряжений (см. пат. США №6553833 фирмы Robert Bosch GmbH. Более подробное описание электродной структуры и подвеса ПМ в ММГ RR-типа фирмы Robert Bosch GmbH приведены в пат. США №6062082). Недостатком этого способа является относительная сложность достижения точной компенсации сил, т.к. необходимо точно подстроить два параметра компенсирующего электрического сигнала, подаваемого на электроды (амплитуду и фазу). В противном случае составляющая компенсирующего сигнала может вызвать колебания ПМ, синфазные с полезным сигналом;

- компенсация сил (моментов), вызывающих появление квадратурной помехи, за счет использования специально сконструированных электродных структур (см. пат. США №6067858 и №7213458), которые позволяют осуществлять эту компенсацию путем подачи на электроды постоянных напряжений. При этом компенсационные силы оказываются переменными во времени, их частота равна частоте колебаний ПМ. Однако известные электродные структуры ММГ RR-типа занимают значительную часть площади кристалла кремния по сути вспомогательными электродами, используемыми только для подавления квадратурной помехи, что в конечном счете уменьшает выход ММГ с пластины (вафли) и увеличивает стоимость ММГ. Кроме того, эти вспомогательные электроды увеличивают линейные размеры ПМ, что может уменьшить надежность, особенно при воздействии вибраций и ударов. А недостатком известных электродных структур ММГ LL-типа является то, что создаваемые компенсирующие квадратурную помеху силы относительно малы, т.к. изменение площади перекрытия примерно в два раза меньше площади дополнительного электрода. Возможность увеличения компенсирующих сил за счет увеличения разности напряжений между ПМ и дополнительным электродом ограничена допустимым напряжением в зазоре между ними.

В конечном счете, все известные способы компенсации вредных сил или моментов в ММГ основаны на формировании определенной формы подвижного электрода, которым является ПМ, или использовании этой формы или конфигурации за счет введения дополнительных неподвижных электродов, с помощью которых реализуются потенциальные возможности конфигурации ПМ.

Особенности конфигурации ПМ используются в ММГ не только для подавления квадратурной помехи, но также и для достижения других положительных эффектов. Например, отверстия в роторе ММГ, описанном в работе [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г., стр.268-274, рис.2, 3], используются для формирования зазора между ротором и основанием.

В других ММГ эти отверстия могут использоваться для уменьшения демпфирования воздухом перемещений ПМ в плоскости, перпендикулярной первичным колебаниям, или для изменения массы ПМ, жесткости и резонансной частоты подвеса ПМ [патент США US №6978673, столбец 6 описания, строки 10-15]. В этом патенте описано, как за счет изменения размеров отверстий, их положения и числа в ПМ получить изменение одного из важных параметров - резонансной частоты подвеса. Однако предложенные в ней формы отверстия в ПМ, их расположения не обеспечивают подавление квадратурной помехи в ММГ, что можно отнести к недостаткам описанного в заявке ММГ и его электродной структуры.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей электродной структуры, которое бы позволило простыми средствами обеспечивать подавление квадратурной помехи и измерение перемещений ПМ.

Кроме того, задачей изобретения является повышение точности ММГ RR- и LL-типа за счет подавления квадратурной помехи.

Кроме того, задачей изобретения является упрощение конструкции ММГ RR- и LL-типа и уменьшение площади кристалла кремния, используемого для формирования системы возбуждения первичных колебаний в ММГ.

Поставленная задача решается тем, что в электродной структуре для микромеханического гироскопа, содержащей подвижный и неподвижные электроды, при этом подвижный электрод имеет отверстия и может колебаться по первой и второй осям относительно неподвижных электродов, расположенных над или под подвижным электродом, причем по первой оси подвижный электрод может колебаться с амплитудой Δх, по крайней мере одно из отверстий имеет ширину, близкую к величине 2Δх, а край по крайней мере одного из неподвижных электродов расположен над или под отверстием.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что отверстия шириной, близкой к величине 2Δх, расположены вдоль линии, нормальной (перпендикулярной) к направлению первичных колебаний, являются сквозными, при этом суммарная площадь отверстий больше той площади подвижного электрода, которая находится над краем неподвижного электрода.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что подвижный электрод может совершать поступательные перемещения, электроды и отверстие или отверстия имеют прямоугольную форму, при этом их ширина равна 2Δх, а пара неподвижных электродов расположена на первой оси симметрично относительно середины отверстия вдоль линии, нормальной к направлению первичных колебаний.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что подвижный электрод может совершать по первой оси угловые перемещения, электроды и отверстие или отверстия имеют форму секторов, ограниченных радиусами и двумя концентрическими окружностями, при этом ширина отверстия равна 2Δх, а пара неподвижных электродов расположена на первой оси, симметрично относительно середины отверстия.

Кроме того, поставленная задача решается тем, в микромеханическом гироскопе RR-типа, содержащем основание, опору, установленную на основание, проводящий ротор, связанный с основанием с помощью двухосного резонансного подвеса и имеющий форму симметрично расположенных секторов с зубцами на боковых поверхностях, при этом ротор имеет сквозные отверстия, крышку с нанесенными на ней электродами, которая скреплена с основанием, статоры, установленные на основании, имеющие зубцы, которые с зубцами ротора образуют гребенчатую структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, вход и выход которого соединены со статорами, последовательно включенные преобразователь емкость - напряжение и устройство преобразования сигнала, при этом вход преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами крышки, ротор выполнен с отверстиями, расположенными на оси симметрии, нормальной осям первичных и вторичных колебаний, электроды крышки включают в себя пару дополнительных электродов, расположенных над отверстиями в роторе симметрично относительно середины отверстий, при этом часть площади этой пары электродов расположена над отверстием, и в микромеханический гироскоп введены источники напряжения, с которыми соединены электроды крышки, расположенные в зоне отверстий.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе LL-типа, содержащем основание, подвижную проводящую массу прямоугольной формы с зубцами на торцевых боковых поверхностях, подвешенную над основанием с помощью двухосного резонансного подвеса, при этом подвижная проводящая масса имеет сквозные отверстия, электроды, расположенные на основании под подвижной проводящей массой, статоры с зубцами, образующими с зубцами подвижной проводящей массы гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, вход и выход которого соединены со статорами, последовательно включенные преобразователь емкость - напряжение и устройство преобразования сигнала, при этом вход преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами основания, подвижная проводящая масса выполнена с отверстиями прямоугольной формы, ось симметрии которых совпадает с осью симметрии подвижной проводящей массы, нормальной к осям первичных и вторичных колебаний, электроды на основании включают в себя пару дополнительных электродов, расположенных под отверстиями в роторе, при этом часть площади этой пары электродов расположена под отверстиями, и в микромеханический гироскоп введены источники напряжения, с которыми соединены дополнительные электроды крышки.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе, содержащем основание, подвижную проводящую массу с зубцами на торцевых боковых поверхностях, подвешенную над основанием с помощью двухосного резонансного подвеса, электроды на основании, статоры с зубцами, образующими с зубцами подвижной проводящей массы гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, выход которого соединен со статорами, последовательно включенные первый преобразователь емкость - напряжение и первое устройство преобразования сигнала, при этом вход первого преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами основания, подвижная проводящая масса имеет сквозные отверстия, расположенные вблизи оси симметрии подвижной проводящей массы, нормальной к осям первичных и вторичных колебаний, а электроды расположены на основании так, что часть площади электродов расположена под отверстиями, а устройство возбуждения первичных колебаний выполнено в виде последовательно включенных второго преобразователя емкость - напряжение и второго устройства преобразования сигнала, при этом вход второго преобразователя емкость - напряжение соединен по крайней мере с одним из неподвижных электродов, расположенных под отверстием.

Заявляемое устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен вариант конструкции прототипа - ММГ LL-типа.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ

2 - ленточные торсионы

3 - балки

4 - основание

5 - торсионы

6 - статоры

7 - зубцы на торцевых поверхностях ПМ 1

8 - электроды на основании (показаны пунктирной линией)

9 - отверстия в ПМ 1

На фиг.2 показан вариант выполнения предложенной электродной структуры для ММГ LL-типа.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

1, 3, 7, 9 - те же элементы, что и на фиг.1

10 - отверстия в ПМ 1

11, 12 - электроды, расположенные под отверстиями 10

13, 14 - электроды, расположенные под ПМ 1

На фиг.3 показан другой вариант выполнения предложенной электродной структуры для ММГ LL-типа.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:

1, 3, 7, 9, 11-14 - те же элементы, что и на фиг.2

15 - отверстие в ПМ 1

На фиг.4 показана подвижная масса или ротор ММГ RR-типа с предложенной электродной структурой.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:

16 - опора

17 - торсионы

18 - ротор

19 - отверстия в роторе

21-24 - зубцы на торцевых поверхностях ротора 18

На фиг.5 показана конфигурация неподвижных электродов в двухосном ММГ RR-типа.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:

25-28 - электроды, расположенные над отверстиями ротора 18

29-34 - электроды, расположенные вне зоны отверстий ротора 18

На фиг.6 показана блок-схема варианта предложенного ММГ.

На фиг.6 приняты следующие обозначения:

35 - источник напряжения высокочастотный

36, 37 - конденсаторы, образованные зубцами 21, 22 ротора 18 и соответствующими зубцами статоров

38, 39 - конденсаторы, образованные соответственно электродами 29, 30 и ротором 18 и электродами 31,32 и ротором 18

40-43 - конденсаторы, образованные электродами 25-28 и ротором 18

44, 45 - соответственно первый и второй дифференциальные трансрезистивные усилители

46, 47 и 49 - соответственно первый, второй и третий демодуляторы

48 - фазовращатель

50 - интегратор

51 - перемножитель

52 - схема автоматического регулирования усиления (АРУ)

53-56 - источники постоянного напряжения

На фиг.7 показана блок-схема емкостного датчика перемещения ПМ 1 по оси первичных колебаний ММГ.

На фиг.7 приняты следующие обозначения:

57 - источники постоянного напряжения

58, 59 - конденсаторы, образованные ротором 18 и электродами 25, 28 соответственно

60, 61, 64 - резисторы

62, 63 -разделительные конденсаторы

65 - операционный усилитель

На фиг.8 показана модификация блок-схемы емкостного датчика перемещения ПМ 1 по оси первичных колебаний ММГ.

На фиг.8 приняты следующие обозначения:

35 - источник напряжения высокочастотный

58 - конденсатор, образованный ротором 18 и электродом 25

66 - источник постоянного напряжения

67 - резистор

68 - операционный усилитель

69 - демодулятор

70 - перемножитель

71 - фильтр низших частот (ФНЧ)

На фиг.9 показан чувствительный элемент ММГ-типа с предложенной электродной структурой

На фиг.9 приняты следующие обозначения:

Элементы 2-7 обозначены также, как и на фиг.1, элемент 16 - также, как и на фиг.3.

72, 73 - подвижные массы

74-77 - электроды, расположенные на основании под подвижными массами 72, 73

78-81 - электроды, расположенные на основании в зоне отверстий в подвижных массах 72, 73

Предлагаемые устройства функционируют следующим образом.

В приведенном на фиг.1 варианте конструкции ММГ LL-типа две ПМ1 подвешены на ленточных торсионах 2, которые прикреплены к балкам 3. Балки 3 подвешены к основанию 4 с помощью торсионов 5. Статоры 6 установлены на основании и имеют зубцы. ПМ 1 с боков на торцевых поверхностях имеют зубцы 7. На основании 4 под каждой из ПМ 1 расположен электрод 8. Каждая из ПМ 1 имеет отверстия, расположенные на периферии ПМ 1 вдоль балок 3.

Прототип - ММГ LL-типа работает следующим образом. На статоры 6 подается переменное напряжение, например, на половинной резонансной частоте подвеса, выполненного на элементах 2-5, либо сумма постоянного и переменного (на резонансной частоте этого подвеса), под действием которых ПМ 1 колеблются во встречных направлениях вдоль оси, параллельной балкам 3 (оси первичных колебаний). Под действием кориолисова ускорения, которое возникает при повороте ММГ вокруг оси чувствительности, ПМ 1 смещаются относительно основания в разных направлениях. Эти отклонения измеряются с помощью дифференциального емкостного датчика, образованного подвижными электродами, которыми являются ПМ 1, и электродами 8. За счет изменения размеров отверстий 9 в этом ММГ осуществляется подстройка резонансных частот подвеса.

На фиг.2 элементы 1, 3, 7, 9 аналогичны элементам, показанным на фиг.1. Центры отверстий 10 в ПМ 1 расположены на оси симметрии ПМ 1, которая параллельна стороне ПМ 1 с зубцами. Электрод под ПМ

1 выполнен разделенным в виде четырех электродов 11-14, при этом электроды 11, 12 расположены так, что один из их краев находится под отверстиями.

При колебаниях ПМ 1 в направлении, поперечном оси симметрии ПМ 1, на которой находятся центры отверстий, изменяются площади тех частей ПМ 1, которые находятся над электродами 11, 12. Это направление совпадает с осью первичных колебаний ПМ 1 в ММГ. Поэтому, если на электроды 11, 12 будут поданы разные по величине напряжения, которые обозначим соответственно U₁₁, U₁₂, то, например, при U₁₁>U₁₂, смещение ПМ 1 в сторону электрода 11 приведет к уменьшению силы, действующей со стороны электродов на ПМ 1, а при перемещении ПМ 1 в противоположном направлении - ее увеличению. Таким образом, в такой электродной структуре, в которой подвижный электрод имеет отверстия над краем или краями неподвижных электродов, может быть создана сила, синфазная с перемещениями ПМ 1.

Для создания максимально возможной силы целесообразно, чтобы ширина отверстий совпадала с удвоенной амплитудой перемещения ПМ 1.

На фиг.3 элементы 1, 3, 7, 9, 11-14 аналогичны элементам, показанным на фиг.2. В этой электродной структуре отверстие имеет прямоугольную форму, его ширина равна удвоенной величине перемещения ПМ 1 (которое обозначим Δх) в направлении, поперечном большей стороны отверстия, т.е. в направлении первичных колебаний.

В электродной структуре, которая образована ПМ 1 с отверстием 10 и электродами 11-14, площадь проекции отверстия на электроды 11, 12 меняется на величину, равную 2bΔx (b - длина отверстия) при перемещениях ПМ 1 от начального положения на величину ±2Δх. В случае разной величины напряжений на электродах 11, 12 в такой электродной структуре на ПМ 1 действует сила, величина (ΔF) которой пропорциональна перемещениям ПМ1. Эта сила может быть определена из выражения

где z - зазор между ПМ1 и электродами 11-14,

ε - диэлектрическая постоянная среды в этом зазоре,

ω - угловая частота колебаний ПМ1.

Подвижный электрод ММГ RR-типа, которым является ротор 18, с помощью торсионов 17 подвешен на опоре 16 (см. фиг.4). На боковых поверхностях ротора 18 имеются зубцы 21-24, которые с зубцами статоров в ММГ образуют гребенчатую электродную структуру, позволяющую формировать гребенчатый двигатель или емкостной датчик перемещения. В роторе 18 имеются два отверстия, имеющих форму секторов, ограниченных радиусами и двумя концентрическими окружностями, при этом ширина отверстия равна удвоенной величине углового перемещения ротора 18 вокруг оси первичных колебаний. (2Δх).

Неподвижные электроды ММГ RR-типа 25-32 приведены на фиг.5. Две пары электродов 25, 26 и 27, 28 расположены в ММГ над отверстиями 19 в роторе 18, при этом края этих электродов находятся над серединой отверстий 19.

При подаче напряжений на одну (25, 26 или 27, 28) или на две эти пары электродов разных напряжений при изменении положения ротора 18 относительно опоры 16 действующий на ротор со стороны электродов 25-28 момент изменяется пропорционально углу поворота ротора вокруг опоры. В ММГ RR-типа, в котором ротор колеблется вокруг оси первичных колебаний, выражение для момента, действующего на ротор со стороны электродов 25-28, имеет тот же вид, что и правая часть выражения (1).

Эта электродная структура может использоваться и в двухосном ММГ RR-типа и обеспечивать в нем подавление квадратурной помехи по обеим осям чувствительности. Для этого в роторе 18 (фиг.4) необходимо выполнить отверстия также и вдоль горизонтальной оси симметрии ротора, а группу неподвижных электродов (фиг.5) дополнить аналогичной группой электродов, которая может быть получена поворотом группы электродов 29-32 на 90°.

На фиг.6 показана блок-схема варианта предложенного ММГ RR-типа с электродной структурой, показанной на фиг.4, 5. В ней первый выход источника напряжения высокочастотного 35 соединен с ротором 18, который на фиг.6 показан как общая точка конденсаторов 36-43. Другие выводы конденсаторов 36, 37, которые образованы зубцами статоров и ротора, соединены с входами первого дифференциального трансрезистивного усилителя 44. Выводы конденсаторов 38, 39, которые образованы соответственно электродами 29, 30 и ротором 18 и электродами 31, 32 и ротором 18, соединены с входами второго дифференциального трансрезистивного усилителя 45. Выходы дифференциальных трансрезистивных усилителей 44, 45 соединены с входами первого и второго демодуляторов (элементы 46, 47 соответственно). Входы для опорного сигнала демодуляторов 46, 47 соединены со вторым выходом источника напряжения 35, фаза которого сдвинута на 90° относительно фазы напряжения на первом выходе этого источника. Выход демодулятора 46 через фазовращатель 48 и выход демодулятора 47 непосредственно соединены с входами демодулятора 49, выход которого является выходом ММГ.

Входы интегратора 50 и схемы автоматического регулирования усиления (АРУ) 52 соединены с выходом демодулятора 46. Выходы элементов 50, 52 соединены с входами перемножителя 51, выход которого соединен со статорами гребенчатого двигателя. Источники постоянного напряжения 53-56 соединены соответственно с выводами конденсаторов 39-43, которые являются выводами от электродов 25-28 соответственно.

В ММГ на фиг.6 на входы дифференциальных трансрезистивных усилителей 44, 45 поступает переменный ток, величина которого определяется емкостями конденсаторов 36-39. Разности токов, протекающих через конденсаторы 36, 37 и 38, 39, пропорциональны углам отклонения ротора от центрального положения соответственно по осям первичных и вторичных колебаний. Усилители 44, 45 выделяют указанные разности токов, а демодуляторы 46, 47 выделяют огибающие выходных сигналов этих усилителей.

В выходной сигнал демодулятора 46 с помощью интегратора 50 вносится фазовый сдвиг, равный 90 градусов, который через перемножитель 51 поступает к электродам гребенчатого двигателя. Автоматическая регулировка уровня сигнала на выходе перемножителя 51 осуществляется с помощью схемы АРУ 52. С помощью элементов 50-52 в контуре возбуждения первичных колебаний ММГ достигается баланс фаз и амплитуд, необходимых для возбуждения устойчивых автоколебаний на резонансной частоте подвеса ротора.

Сигнал на частоте несущей, огибающая которого определяется измеряемой ММГ угловой скоростью, поступает с выхода демодулятора 47 на вход демодулятора 49. Опорный сигнал демодулятора 49 поступает на соответствующий вход элемента 49 с выхода демодулятора 46. Фаза опорного сигнала регулируется с помощью элемента 48, она определяется величиной разности резонансных частот подвеса ротора 18. При большой расстройке между резонансными частотами подвесов ротора фазовращатель 48 должен сдвигать сигнал на 90 градусов, а при совпадении частот - на 0. Величины напряжений источников 53-56 выбираются таким образом, что создаваемый электродами 25-28 момент, действующий на ротор 18, компенсировал моменты, вызывающие появление квадратурной помехи.

На фиг.7 источник постоянного напряжения 57 соединен через резисторы 60, 61 с выводами конденсаторов 58, 59 и разделительных конденсаторов 62, 63.

Другие выводы разделительных конденсаторов 62, 63 соединены со входом операционного усилителя 65, между выходом и входом которого включен резистор 64.

Напряжение источника 57 через резисторы 60, 61 поступает на электроды 25, 28. При перемещениях ротора 18 вокруг оси первичных колебаний отверстия 19 оказываются под электродами 25, 28 или под другой парой электродов 26, 27. В первом случае момент, действующий на ротор 18, уменьшается, а во втором - возрастает. Путем подбора величины напряжения источника 57 можно достичь подавления квадратурной помехи. В случае, когда подача напряжений на эту пару электродов приводит к возрастанию квадратурной помехи, источник 57 может быть подключен к паре электродов 26, 27.

Изменения емкостей 58, 59 вызываются как перемещениями ротора 18 вокруг оси первичных колебаний, так и вокруг оси вторичных колебаний. Емкости разделительных конденсаторов 62, 63 на порядок и более превышают емкости конденсаторов 58, 59. Поэтому можно считать, что напряжения в точках соединения конденсаторов 58, 62 и 59, 63 остаются постоянными при малых изменениях межэлектродных емкостей, как это имеет место в ММГ. Изменение емкостей конденсаторов 58, 59 приводит к изменению величин зарядов на них и соответственно протеканию переменного тока через конденсаторы 62, 63, который поступает на вход усилителя 65.

Изменения токов, протекающих через конденсаторы 58,59, обусловлены перемещениями ПМ 1 как по оси первичных, так и вторичных колебаний. Однако эти изменения, вызванные вторичными колебаниями ПМ 1, противоположны и поэтому они взаимно подавляются и в выходном сигнале устройства 65 не присутствуют, тогда как изменения токов, вызванные первичными колебаниями ПМ 1, совпадают по фазе или знаку и поэтому суммируются на входе устройства 65. Можно показать, что суммарная величина токов, поступающих на вход усилителя 65 через конденсаторы 62, 63, пропорциональна величине ΔxCos(ωt), т.е. амплитуде первичных колебаний. Таким образом, предложенная электродная структура позволяет не только подавлять квадратурную помеху в ММГ, но и формировать емкостной датчик перемещений ротора вокруг оси первичных колебаний без использования традиционной гребенчатой структуры электродов.

В схеме на фиг.8 первый выход источника напряжения 35 соединен с выводом конденсатора 58, которым в ММГ является ротор 18. Другой вывод конденсатора 58 (электрод 25) соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 68. С его неинвертирующим входом соединен выход источника постоянного напряжения 66. Резистор 67 включен между выходом операционного усилителя 68 и его инвертирующим входом. Демодулятор 69, образованный перемножителем 70 и фильтром низших частот 71, подключен входами к второму выходу источника напряжения 35 и выходу операционного усилителя 68.

В этой схеме напряжение на входе усилителя 68 и соответственно на электроде 25 равно напряжению источника 66. Выбором величины напряжения этого источника можно добиться компенсации квадратурной помехи в ММГ. Сигнал на выходе демодулятора 69 содержит две составляющие, обусловленные перемещениями ротора 18 вокруг осей первичных и вторичных (α) колебаний (Δx+α). В аналогичной схеме при использовании электрода 28 сигнал на выходе будет пропорционален величине (Δx - α). Очевидно, что, используя две схемы, идентичные схеме на фиг.8, в которых используются пара противоположных электродов, можно выделить сигнал о перемещении ротора вокруг оси первичных колебаний.

В ММГ на фиг.9 отличие от ММГ на фиг.1 заключается в выполнении подвижных масс 72, 73 (они выполнены с отверстиями, имеющими прямоугольную форму) и электродов под этими подвижными массами (они выполнены разделенными на две пары электродов). Одна пара электродов 78, 80 расположены так, что их края находятся под отверстием 16 подвижной массы 72, а другая пара (74, 76) под остальной частью этой подвижной массы. Аналогично выполнены электроды 75, 77, 79, 81, находящиеся под подвижной массой 73.

Наличие электродов под отверстиями 16 позволяет и в ММГ LL-типа сформировать схемы, аналогичные представленным на фиг.6-8, которые обеспечивают подавление квадратурной помехи и измерение перемещений подвижных масс по оси первичных колебаний без использования гребенчатых электродов (статоров 6 и зубцов 7).

Последнее позволяет использовать гребенчатую структуру только для формирования моментов, вызывающих первичные колебания ПМ или ротора и тем самым уменьшить время готовности ММГ или уменьшить габариты ММГ за счет исключения части электродов гребенчатой формы.

Таким образом, показано, что предложенная электродная структура позволяет за счет формирования напряжений (постоянных или переменных) на электродах над отверстиями в ПМ добиться подавления квадратурной помехи в ММГ и сформировать емкостные датчики перемещения ПМ или ротора по оси первичных колебаний без использования гребенчатых электродов. Понятным для специалистов в области ММГ является и возможность формирования блоков преобразования сигналов как с использованием аналоговых, так и цифровых элементов, в которых алгоритмы преобразования сигналов реализуются с помощью программных средств.

1. Электродная структура для микромеханического гироскопа, содержащая подвижный и неподвижные электроды, при этом подвижный электрод имеет отверстия и может колебаться по первой и второй осям относительно неподвижных электродов, расположенных над или под подвижным электродом, причем по первой оси подвижный электрод может колебаться с амплитудой Δх, отличающаяся тем, что по крайней мере одно из отверстий имеет ширину, близкую к величине 2Δх, а край по крайней мере одного из неподвижных электродов расположен над или под отверстием.

2. Электродная структура по п.1, отличающаяся тем, что отверстия шириной, близкой к величине 2Δх, расположены вдоль линии, нормальной (перпендикулярной) к направлению первичных колебаний, являются сквозными, при этом суммарная площадь отверстий больше площади подвижного электрода, находящейся над краем неподвижного электрода.

3. Электродная структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что подвижный электрод может совершать поступательные перемещения, электроды и отверстие или отверстия имеют прямоугольную форму, при этом их ширина равна 2Δх, а пара неподвижных электродов расположена на первой оси симметрично относительно середины отверстия вдоль линии, нормальной к направлению первичных колебаний.

4. Электродная структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что подвижный электрод может совершать по первой оси угловые перемещения, электроды и отверстие или отверстия имеют форму секторов, ограниченных радиусами и двумя концентрическими окружностями, при этом ширина отверстия равна 2Δх, а пара неподвижных электродов расположена на первой оси, симметрично относительно середины отверстия.

5. Микромеханический гироскоп RR-типа, содержащий основание, опору, установленную на основании, проводящий ротор, связанный с основанием с помощью двухосного резонансного подвеса и имеющий форму симметрично расположенных секторов с зубцами на боковых поверхностях, при этом ротор имеет сквозные отверстия, крышку с нанесенными на ней электродами, которая скреплена с основанием, статоры, установленные на основании, имеющие зубцы, которые с зубцами ротора образуют гребенчатую структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, вход и выход которого соединены со статорами, последовательно включенные преобразователь емкость - напряжение и устройство преобразования сигнала, при этом вход преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами крышки, отличающийся тем, что ротор выполнен с отверстиями, расположенными на оси симметрии, нормальной осям первичных и вторичных колебаний, электроды крышки включают в себя пару дополнительных электродов, расположенных над отверстиями в роторе симметрично относительно середины отверстий, при этом часть площади этой пары электродов расположена над отверстием, и в микромеханический гироскоп введены источники напряжения, с которыми соединены электроды крышки, расположенные в зоне отверстий.

6. Микромеханический гироскоп LL-типа, содержащий основание, подвижную проводящую массу прямоугольной формы с зубцами на торцевых боковых поверхностях, подвешенную над основанием с помощью двухосного резонансного подвеса, при этом подвижная проводящая масса имеет сквозные отверстия, электроды, расположенные на основании под подвижной проводящей массой, статоры с зубцами, образующими с зубцами подвижной проводящей массы гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, вход и выход которого соединены со статорами, последовательно включенные преобразователь емкость - напряжение и устройство преобразования сигнала, при этом вход преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами основания, отличающийся тем, что подвижная проводящая масса выполнена с отверстиями прямоугольной формы, ось симметрии которых совпадает с осью симметрии подвижной проводящей массы, нормальной к осям первичных и вторичных колебаний, электроды на основании включают в себя пару дополнительных электродов, расположенных под отверстиями в роторе, при этом часть площади этой пары электродов расположена под отверстиями, и в микромеханический гироскоп введены источники напряжения, с которыми соединены дополнительные электроды крышки.

7. Микромеханический гироскоп, содержащий основание, подвижную проводящую массу с зубцами на торцевых боковых поверхностях, подвешенную над основанием с помощью двухосного резонансного подвеса, электроды на основании, статоры с зубцами, образующими с зубцами подвижной проводящей массы гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, выход которого соединен со статорами, последовательно включенные первый преобразователь емкость - напряжение и первое устройство преобразования сигнала, при этом вход первого преобразователя емкость - напряжение соединен с электродами основания, отличающийся тем, что подвижная проводящая масса имеет сквозные отверстия, расположенные вблизи оси симметрии подвижной проводящей массы, нормальной к осям первичных и вторичных колебаний, а электроды расположены на основании так, что часть площади электродов расположена под отверстиями, а устройство возбуждения первичных колебаний выполнено в виде последовательно включенных второго преобразователя емкость - напряжение и второго устройства преобразования сигнала, при этом вход второго преобразователя емкость - напряжение соединен по крайней мере с одним из неподвижных электродов, расположенных под отверстием.