Способ электронного измерения угловой скорости (варианты)
Изобретение относится к измерению угловой скорости объектов, например, для управления подвижными транспортными средствами с использованием систем ориентации и навигации и основано на использовании поперечного акустоэлектрического эффекта. Способ предусматривает использование пластины из пьезополупроводника или из слоистой структуры «пьезоэлектрик-полупроводник», на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи не менее чем одного драйвера поверхностной акустической волны, поглотители поверхностной акустической волны, а также электроды и контактные шины чувствительного элемента электрических свойств, по величинам которых судят о величине угловой скорости пластины пьезополупроводника. Техническим результатом является повышение чувствительности и точности измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерению угловой скорости объектов и предназначено, например, для управления подвижными транспортными средствами с использованием систем ориентации и навигации.
Известен способ измерения угловой скорости с использованием информации о параметрах электромагнитных колебаний оптического диапазона. При этом используются волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Преимуществом этого способа является достаточно высокая точность. Недостатком этого способа измерения угловой скорости является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты волоконно-оптических и лазерных гироскопов.
Известен способ измерения одной компоненты входной угловой скорости с использованием двухстепенных гироскопов типа интерферометров. Этот способ является аналогом вышеуказанного способа - измерения угловой скорости с использованием кольцевых лазерных гироскопов, резонаторных волоконно-оптических гироскопов, кольцевых и оболочечных резонаторных гироскопов и других широко известных гироскопических приборов интерферометрического типа [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].
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения угловой скорости, основанный на измерении напряжения, зависящего от амплитуды вторичной поверхностной акустической волны, возникающей в результате рассеянии первичной поверхностной акустической волны двумерной структурой, в которой силы Кориолиса возникают вследствие вибрации масс, вращающихся в пространстве вместе с корпусом [Патент US № 6516665. "Микро-электро-механический гироскоп" / Varadan V.K., Pascal В. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V. Varadan. 2003]. Этот способ предусматривает использование пластины пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностной акустической волны, встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностной акустической волны и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностной акустической волны. Недостатком способа получения информации с использованием для измерений вторичной поверхностной акустической волны является низкая точность, и, соответственно, невозможность использования его для высокоточных измерений вследствие того, что электроды встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностной акустической волны не избирательно воспринимают изменения пьезоэлектрических потенциалов, возникающие при действии разнонаправленных сил Кориолиса, соответствующих разнонаправленным движениям частиц пьезоэлектрической пластины, участвующих в формировании поверхностной акустической волны. Вышеизложенные факты приводят к снижению чувствительности и точности оценивания угловой скорости, что и является недостатками прототипа.
Таким образом, способ измерения угловой скорости с использованием гироскопа-прототипа основан на измерении напряжения, создаваемого вторичной поверхностной акустической волной, возникающей в результате рассеяния первичной поверхностной акустической волны двумерной структурой под действием сил Кориолиса, причем измерения производятся с использованием встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностной акустической волны, расположенных за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностной акустической волны и характеризующихся расстояниями между измерительными электродами, равными четверти периода вторичной поверхностной акустической волны.
Другими словами, измерения разности потенциалов, возникающей под действием вторичной поверхностной акустической волны, производятся встречно-штыревыми преобразователями, пары электродов каждого из которых размещены с одной из сторон области распространения первичной поверхностной акустической волны на расстояниях, равных четверти периода вторичной поверхностной акустической волны.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности при измерениях угловой скорости пьезополупроводниковыми устройствами.
Технический результат достигается тем, что в способе электронного измерения угловой скорости, предусматривающем использование пластины пьезополупроводника, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи не менее чем одного драйвера поверхностной акустической волны, поглотители поверхностной акустической волны, а также электроды и контактные шины чувствительного элемента электрических свойств, по величинам которых судят о величине угловой скорости пластины пьезополупроводника, с помощью электродов и контактных шин измеряют и/или используют для измерения угловой скорости электрические свойства пластины пьезополупроводника, изменяющиеся под действием силы Кориолиса, причем электроды, входящие в состав одной пары электродов чувствительного элемента электрических свойств, размещаются параллельно распространению поверхностной акустической волны на расстояниях, не меньших половины апертуры драйвера поверхностной акустической волны, а расстояния между электродами двух соседних пар электродов, измеренные вдоль направления распространения поверхностной акустической волны, не меньше половины периода поверхностной акустической волны, причем электроды, входящие в одну пару электродов, размещены в областях формирования синфазных участков поверхностной акустической волны, например, на участках, на которых в заданный момент времени отклонения поверхности пьезополупроводниковой пластины характеризуются только положительными значениями, причем электроды соединены под поглотителем поверхностной акустической волны только с той контактной шиной, которая находится у того же края пластины пьезополупроводника, причем апертура одного электрода чувствительного элемента электрических свойств, измеренная вдоль направления распространения поверхностной акустической волны, не превышает половины периода поверхностной акустической волны, а вместо пластины пьезополупроводника может использоваться слоистая структура типа пьезоэлектрик-полупроводник.
В отличие от прототипа в способе электронного измерения угловой скорости параметры, характеризующие электрические свойства пьезополупроводникового материала, могут непосредственно не измеряться, а устройство может соединяться с резонансной схемой для измерения угловой скорости по значению резонансной частоты такого соединения, что обеспечивает повышение точности измерений и снижение влияния шумов. При этом параметры резонансной схемы, в качестве одного из элементов которой может выступать устройство для электронного измерения угловой скорости, непосредственно не зависят от точности измерения таких параметров электрических свойств, как разность потенциалов, поверхностный электрический ток, проводимость на контактных шинах измерителя угловой скорости, так как такие измерения непосредственно не производятся, что способствует дополнительному повышению точности измерения угловой скорости.
В отличие от прототипа, в способе электронного измерения угловой скорости специально не формируется вторичная поверхностная акустическая волна для определения, например, разности потенциалов, а используются для измерения угловой скорости электрические свойства (например, разность потенциалов), изменяющиеся при взаимодействии сил Кориолиса и первичной поверхностной акустической волны, создаваемых драйверами поверхностной акустической волны.
В способе электронного измерения угловой скорости электроды находятся на расстоянии, не меньшем половины апертуры драйвера поверхностной акустической волны, что обеспечивает увеличение по сравнению с прототипом изменений электрических свойств участка пьезополупроводниковой пластины между электродами чувствительного элемента электрических свойств, так как расстояние между ними на порядок превышает расстояние между электродами встречно-штыревого преобразователя, используемого в прототипе.
В отличие от прототипа, в способе электронного измерения угловой скорости измеряются и/или используются для измерения те участки пьезополупроводниковой пластины между электродами чувствительного элемента электрических свойств, на которых электрические свойства под действием встречно-штыревых преобразователей и силы Кориолиса синфазно изменяются, что позволяет повысить показатели чувствительности и точности при измерении угловой скорости пьезополупроводниковой пластины и объекта, на котором указанная пластина закреплена.
В отличие от прототипа, в способе электронного измерения угловой скорости не используется эффект рассеяния первичной поверхностной акустической волны для формирования вторичной поверхностной акустической волны, а используется эффект изменения электрических свойств первичной поверхностной акустической волны в поперечном направлении под действием сил Кориолиса, действующих в том же поперечном направлении. Это позволяет избежать потерь мощности сигнала на рассеяние первичной поверхностной акустической волны и повысить чувствительность устройств, реализующих способ электронного измерения угловой скорости.
В отличие от прототипа, в способе электронного измерения угловой скорости электроды чувствительного элемента электрических свойств отделены от контактных шин поглотителями поверхностной акустической волны, поэтому контактные шины не реагируют на вибрации поверхности пластины пьезополупроводника, вызванные поверхностной акустической волной, что приводит к уменьшению шумов.
В прототипе электроды измерительных встречно-штыревых преобразователей имеют длину, равную нескольким периодам стоячей поверхностной акустической волны, поэтому в формировании разности потенциалов на электродах встречно-штыревых преобразователей участвуют частицы материала, находящиеся под действием разнонаправленных сил Кориолиса, что приводит к уменьшению амплитуды полезного сигнала, а в способе электронного измерения угловой скорости электроды чувствительного элемента электрических свойств имеют длину, измеренную вдоль направления распространения поверхностных волн, не превышающую половины периода поверхностной акустической волны, что позволяет использовать для измерений синфазные изменения (включая экстремальные) электрических свойств (разности потенциалов, поверхностного электрического тока и проводимости), происходящие под действием сил Кориолиса.
Технический результат достигается за счет того, что в способе электронного измерения угловой скорости электроды, которые размещаются со стороны одного края пластины пьезополупроводника, электрически соединены с одной и той же контактной шиной, что позволяет повышать амплитуду измеряемых параметров электрических свойств, увеличивая количество пар электродов вдоль направления распространения поверхностной акустической волны и расстояния между электродами одной пары электродов чувствительного элемента электрических свойств поперек направления распространения первичной поверхностной акустической волны.
Технический результат достигается за счет того, что в способе электронного измерения угловой скорости электрические соединения и контактные шины защищены от воздействия поверхностной акустической волны слоем поглотителя (резиноподобного материала), что способствует снижению уровня шумов в полезном сигнале.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа электронного измерения угловой скорости, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
В настоящее время автору не известны способы измерения угловой скорости, которые обеспечивали бы такую высокую чувствительность и точность, которые обеспечивает предлагаемый способ электронного измерения угловой скорости.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Изобретение основано на использовании поперечного акустоэлектрического эффекта для измерения угловых скоростей подвижных объектов (летательных аппаратов, автомобилей, роботов и их составных частей). Поперечный акустоэлектрический эффект заключается в изменении электрических свойств, например в возникновении разности потенциалов между электродами чувствительного элемента, расположенными параллельно направлению распространения поверхностной акустической волны (ПАВ) в кристалле, под действием внешнего поля (силового или электромагнитного), создающего дрейф носителей заряда [2].
Поперечный акустоэлектрический эффект является одним из проявлений акустоэлектронного взаимодействия: появление ЭДС связано с передачей импульса (и соответствующей энергии) от ПАВ электронам проводимости. Это приводит к направленному движению носителей и изменению потенциала в направлениях, ортогональных направлению распространения ПАВ. Поперечный акустоэлектрический эффект является нелинейным эффектом и аналогичен некоторым другим нелинейным эффектам увлечения, например акустическим течением. Локальные электрические поля, возникающие в пьезополупроводниковом материале под действием ПАВ, захватывают носители заряда, что приводит к увлечению их ПАВ.
В качестве силового поля, вызывающего поперечный акустоэлектрический эффект, в изобретении - в способе электронного измерения угловой скорости - используются силы Кориолиса, воздействующие на вибрирующие частицы материала таким образом, что возникает движение электронов проводимости в направлении, ортогональном к направлению распространения ПАВ.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для реализации способа электронного измерения угловой скорости на пластине пьезополупроводника.
Введены следующие обозначения:
1 - пластина пьезополупроводника;
2 - контактные шины;
3 - поглотители ПАВ;
4 - встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера ПАВ;
5 - электроды чувствительного элемента электрических свойств.
Устройство для реализации способа электронного измерения угловой скорости состоит из основания и выполненных на нем встречно-штыревых преобразователей ПАВ. Использование более одного ВШП может иметь целью повышение амплитуды ПАВ.
Основанием устройства для реализации способа электронного измерения угловой скорости служит пластина пьезополупроводника 1, выполненная, например из CdS, CdSe, ZnO, ZnS или из слоистой структуры типа пьезоэлектрик-полупроводник, например ниобат лития-кремний (LiNbO3-Si) [1, 2].
На краях пластины пьезополупроводника 1 в направлении распространения ПАВ сформированы ВШП 4 драйвера ПАВ, а поперек направления распространения ПАВ по обе стороны от области распространения ПАВ сформированы пары электродов 5 чувствительного элемента электрических свойств, поглотители 3 ПАВ с контактными шинами 2 в последовательности от области существования ПАВ к краям пластины пьезополупроводника 1 поперек направления распространения ПАВ соответственно. Поглотители 3 ПАВ расположены по краям пластины пьезополупроводника между электродами чувствительного элемента электрических свойств и контактными шинами 2. Контактные шины 2 расположены вдоль направления распространения ПАВ и вблизи от краев пластины пьезополупроводника 1.
Поглотители 3 ПАВ выполняются так, чтобы контактные шины 2 были нечувствительны к ПАВ, создаваемым ВШП 4 драйверов ПАВ, что позволяет использовать одну контактную шину для измерения электрических свойств, синхронно изменяющихся под действием сил Кориолиса между электродами 5 одной пары электродов чувствительного элемента электрических свойств.
Устройство работает следующим образом. На ВШП 4 драйвера ПАВ от внешнего генератора (на фиг.1 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. Если пластина пьезополупроводника 1 выполнена из слоистой структуры ниобат лития - кремний, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.
Поверхностная акустическая волна создается на пластине пьезополупроводника 1 встречно-штыревыми преобразователями 4 драйвера ПАВ. Поверхностная акустическая волна распространяется по пластине пьезополупроводника 1 в области, ограниченной поглотителями 3 ПАВ. Взаимное расположение ВШП 4 драйверов ПАВ выбрано таким образом, чтобы создаваемые ими поверхностные акустические волны были синфазными, т.е. образованная ими суммарная ПАВ имела бы увеличенную амплитуду.
При появлении внешнего вращения основания гироскопа к вибрирующим частицам материала пластины пьезополупроводника 1, участвующим в формировании ПАВ, прикладываются силы Кориолиса. В результате действия сил Кориолиса вибрирующие частицы материала пластины пьезополупроводника 1 смещаются в направлении действия силы Кориолиса и, увлекая за собой электроны проводимости, изменяют распределение электрических свойств поперек направления распространения ПАВ.
Так изменяются электрические свойства пластины пьезополупроводника между электродами 5 чувствительного элемента электрических свойств, размещенными у противоположных краев пластины пьезополупроводника в синфазно изменяющихся участках пьезополупроводниковой пластины, находящихся в зоне распространения ПАВ.
Параметры электрических свойств, изменяющиеся вследствие взаимодействия сил Кориолиса и ПАВ, от электродов 4 чувствительного элемента электрических свойств под поглотителями 3 ПАВ передаются на контактные шины 2. Параметры электрических свойств (разность потенциалов, поверхностный электрический ток, проводимость) пластины пьезополупроводника между контактными шинами 2 являются высокочастотными сигналами и могут быть использованы в составе высокочастотных резонансных схем или измерены, например, анализатором спектра [1] (на чертеже не показаны).
По электрическим свойствам пластины пьезополупроводника между контактными шинами 2 судят о величине угловой скорости вращения пластины пьезополупроводника 1.
Угловую скорость пластины пьезополупроводника 1 определяют, например, по градуировочной характеристике устройства или по амплитудно-частотной характеристике резонансной схемы, к которой устройство подключается контактными шинами 2.
При отсутствии внешнего вращения основания устройства силы Кориолиса не возникают, поэтому не изменяются и электрические свойства пластины пьезополупроводника между контактными шинами 2, т.е. электрические свойства между контактными шинами 2 в этом случае будут характеризоваться такими значениями электрических параметров (падения напряжения, поверхностного электрического тока или проводимости), которые соответствуют поступательному движению пластины пьезополупроводника или состоянию ее покоя.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнены следующие условия:
- устройство, воплощающее способ-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 и других известных до даты подачи заявки средств;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.
2. Кмита A.M., Медведь А.В. Поперечный акустоэлектрический эффект в слоистой структуре LiNbO3-Si. "Письма ЖТФ"б, 1971, т.14, в.8, с.455.
1. Способ электронного измерения угловой скорости, предусматривающий использование пластины пьезополупроводника, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи не менее чем одного драйвера поверхностной акустической волны, поглотители поверхностной акустической волны, а также электроды и контактные шины чувствительного элемента электрических свойств, по величинам которых судят о величине угловой скорости пластины пьезополупроводника, отличающийся тем, что с помощью электродов и контактных шин измеряют и/или используют для измерения угловой скорости электрические свойства пластины пьезополупроводника, изменяющиеся под действием силы Кориолиса, причем электроды, входящие в состав одной пары электродов чувствительного элемента электрических свойств, размещаются параллельно распространению поверхностной акустической волны на расстояниях, не меньших половины апертуры драйвера поверхностной акустической волны, а расстояния между электродами двух соседних пар электродов, измеренные вдоль направления распространения поверхностной акустической волны, не меньше половины периода поверхностной акустической волны, причем электроды, входящие в одну пару электродов, размещены в областях формирования синфазных участков поверхностной акустической волны, например, на участках, на которых в заданный момент времени отклонения поверхности пьезополупроводниковой пластины характеризуются только положительными значениями, причем электроды соединены под поглотителем поверхностной акустической волны только с той контактной шиной, которая находится у того же края пластины пьезополупроводника, причем апертура одного электрода чувствительного элемента электрических свойств, измеренная вдоль направления распространения поверхностной акустической волны, не превышает половины периода поверхностной акустической волны.
2. Способ электронного измерения угловой скорости, предусматривающий использование пьезопластины, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи не менее чем одного драйвера поверхностной акустической волны, поглотители поверхностной акустической волны, а также электроды и контактные шины чувствительного элемента электрических свойств, по величинам которых судят о величине угловой скорости пьезопластины, отличающийся тем, что пьезопластина имеет слоистую структуру «пьезоэлектрик-полупроводник», с помощью электродов и контактных шин измеряют и/или используют для измерения угловой скорости электрические свойства пластины пьезопластины, изменяющиеся под действием силы Кориолиса, причем электроды, входящие в состав одной пары электродов чувствительного элемента электрических свойств, размещаются параллельно распространению поверхностной акустической волны на расстояниях, не меньших половины апертуры драйвера поверхностной акустической волны, а расстояния между электродами двух соседних пар электродов, измеренные вдоль направления распространения поверхностной акустической волны, не меньше половины периода поверхностной акустической волны, причем электроды, входящие в одну пару электродов, размещены в областях формирования синфазных участков поверхностной акустической волны, например, на участках, на которых в заданный момент времени отклонения поверхности пьезопластины характеризуются только положительными значениями, причем электроды соединены под поглотителем поверхностной акустической волны только с той контактной шиной, которая находится у того же края пьезопластины, причем апертура одного электрода чувствительного элемента электрических свойств, измеренная вдоль направления распространения поверхностной акустической волны, не превышает половины периода поверхностной акустической волны.
