Чувствительный элемент кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа

Изобретение относится к гироскопическим приборам и может быть использовано в системах управления подвижных объектов различного назначения в качестве индикаторов угловой скорости. Чувствительный элемент кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа состоит из основания, кольцевого резонатора и упругих подвесов. Кольцо резонатора выполнено в виде с переменным по длине сечением, при этом зависимость ширины b и высоты h кольца:

где К₁ и К₂ - постоянные коэффициенты; λ и λ_A - постоянные коэффициенты податливости; Е(θ) - периодическая функция направления (модуль Юнга). Технический результат - компенсация механических анизотропных свойств кремния и повышение точности измерения угловых скоростей резонатора. 3 ил.

 

Изобретение относится к гироскопическим приборам и может быть использовано в системах управления подвижных объектов различного назначения в качестве индикаторов угловой скорости.

На сегодняшний день известны различные конструкции чувствительных элементов кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа, так, например, [1], [2], [3].

Все существующие, на данный момент, конструкции чувствительных элементов кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа имеют в своем составе постоянный по сечению кольцевой резонатор, подвешенный с помощью упругих элементов. При этом для улучшения точностных характеристик прибора крайне необходимо, чтобы частоты первичных и вторичных колебаний совпадали.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является чувствительный элемент (ЧЭ) кольцевого вибрационного гироскопа, который содержит основание, резонатор в виде кремниевого кольца, поддерживаемого восемью радиально упругими подвесами, которые фиксируются в основании. Кольцевой резонатор имеет сечение правильной прямоугольной формы [3].

Известное устройство имеет ряд существенных недостатков.

Конструкция прототипа предполагает его изготовление только в плоскости кремния с ориентацией (111), поскольку у кремния в остальных плоскостях ярко выражена анизотропия механических свойств. Анизотропия механических свойств в свою очередь приводит к изменению жесткости кольцевого резонатора в зависимости от направления, что является следствием существенного различия собственных частот колебаний кольцевого резонатора для рабочей формы колебания. Неравенство частот колебаний кольцевого резонатора приводит к существенному ухудшению точностных характеристик прибора.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа и возможность его изготовления в плоскости кремния (100).

Эта задача решается за счет того, что в чувствительном элементе кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа, включающем основание, кольцевой резонатор, упругие подвесы, согласно изобретению резонатор выполнен в виде кольца с переменным по длине сечением, при этом зависимость ширины b и высоты h кольца:

где K₁ и K₂ - постоянные коэффициенты.

Известно, что анизотропия механических свойств кремния как конструкционного материала приводит к существенной разнице собственных частот первичных и вторичных колебаний кольцевых резонаторов с постоянным по длине сечением, что крайне негативно влияет на точностные свойства гироскопа [4]. Это объясняется тем, что изгибная жесткость B для кольцевого резонатора также будет анизотропна при постоянном сечении резонатора.

Отметим, что модуль Юнга Е анизотропных материалов есть периодическая функция направления, например модуль Юнга Si в плоскости (100) определяется зависимостью , фиг.2 [5].

где λ и λ_A - постоянные коэффициенты податливости.

В предлагаемом изобретении резонатор имеет переменное сечение, при этом сечение меняется таким образом, чтобы изгибная жесткость резонатора оставалась постоянной:

B=E·J=const,

где B - изгибная жесткость, E - модуль Юнга, J=(bh³)/12 - момент инерции сечения, b и h - ширина и высота кольцевого резонатора соответственно.

Таким образом, в предлагаемом гироскопе ширина и высота кольцевого резонатора, изготовленного в плоскости (100), изменяется по закону:

где К - постоянный коэффициент.

При этом один из размеров кольцевого резонатора можно жестко фиксировать, а другой определять в соответствии с зависимостью:

где K₁ и K₂ - постоянные коэффициенты.

На фиг.3 изображен чувствительный элемент микромеханического вибрационного гироскопа, где 1 - кольцевой резонатор с переменным сечением; 2 - упругие подвесы; 3 - основание.

Устройство работает следующим образом.

В кольцевом резонаторе возбуждаются резонансные колебания на второй форме колебаний, так называемые первичные колебания. В результате действия сил Кориолиса появляются колебания относительно оси чувствительности прибора, которая повернута на 45° от оси первоначальных колебаний, так называемые вторичные колебания (фиг.1). Известным способом эти колебания фиксируются и по величине сигнала судят об угловой скорости.

Источники информации

1. США, патент №5555765.

2. США, патент №6978674.

3. США, патент №7267005, (прототип).

4. Зотов С.А. Анализ влияния анизотропных свойств материала на собственные частоты кольцевых резонаторов микромеханических гироскопов. Известия вузов. Электроника 2007 г. №5, с.30.

5. Концевой Ю.А. и др. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. - М.: Машиностроение, 1982. 240 с.

Чувствительный элемент кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа, включающий основание, кольцевой резонатор, упругие подвесы, отличающийся тем, что кольцо резонатора выполнено с переменным по длине сечением, при этом зависимость ширины b и высоты h кольца:


где К₁ и К₂ - постоянные коэффициенты;
λ и λ_A - постоянные коэффициенты податливости;
E(θ) - периодическая функция направления (модуль Юнга).