Чувствительный элемент микросистемного гироскопа



Чувствительный элемент микросистемного гироскопа
Чувствительный элемент микросистемного гироскопа
Чувствительный элемент микросистемного гироскопа

 


Владельцы патента RU 2556334:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. Чувствительный элемент микросистемного гироскопа содержит корпусную кремниевую пластину, симметрично расположенные внутри друг друга и разделенные равномерными зазорами внешнюю и внутреннюю подвижные рамки, при этом внешняя рамка соединена с корпусной кремниевой пластиной и с внутренней рамкой посредством упругих торсионов, продольные оси каждой пары торсионов взаимно перпендикулярны, между корпусной кремниевой пластиной и подвижными рамками образован посредством сквозного анизотропного травления зазор, на одну сторону корпусной кремниевой пластины жестко присоединена изоляционная обкладка с нанесенными на нее неподвижными проводящими электродами электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамки, при этом на обе стороны корпусной кремниевой пластины присоединены изоляционные обкладки, на которые нанесены электроды электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамки, электроды емкостного преобразователя перемещений и электроды силового электростатического преобразователя обратной связи, внешняя подвижная рамка является подвижным проводящим электродом электростатического силового преобразователя обратной связи, компенсирующего момент от действия кориолисовой силы, и подвижным проводящим электродом емкостного преобразователя перемещений. Технический результат - повышение точности измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в интегральных гироскопах вибрационного типа.

Известен чувствительный элемент планарного инерциального датчика [1], содержащий слоистую структуру стекло-кремний-стекло, причем подвижный узел выполнен из монокремния и состоит из двух рамок: внешней, подвижной, подвешенной к несущей пластине на двух торсионах, и внутренней, подвижной, подвешенной на двух торсионах к внешней. Несущая пластина крепится жестко к неподвижному основанию с помощью электростатической сварки.

Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная потерями колебательной энергии рамок, отдаваемой в корпусную пластину.

Наиболее близким к заявляемому изобретению может служить чувствительный элемент микросистемного гироскопа [2], содержащий корпусную кремниевую пластину, симметрично расположенные внутри друг друга и разделенные равномерными зазорами внешнюю и внутреннюю подвижные рамки, при этом внешняя рамка соединена с корпусной кремниевой пластиной посредством первой пары упругих торсионов и одновременно посредством второй пары упругих торсионов соединена с внутренней рамкой, причем продольные слои каждой пары торсионов взаимно перпендикулярны, между корпусной кремниевой пластиной и подвижными рамками образован посредством сквозного анизотропного травления зазор, с одной стороны корпусной кремниевой пластины жестко присоединена изоляционная обкладка с нанесенными на нее неподвижными проводящими электродами силового преобразователя, возбуждающего первичные колебания внутренней рамки, пьезоэлектрические датчики перемещения, расположенные на второй паре упругих торсионов снимают информацию о первичных колебаниях внутренней рамки для подстройки их частоты, а пьезоэлектрические датчики перемещения, расположенные на первой паре упругих торсионов, снимают информацию о вторичных колебаниях внешней и внутренней рамок, которые появляются во время воздействия вдоль оси, перпендикулярной плоскости корпусной кремниевой пластины, переносной угловой скорости.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная тем, что в нем нет полной компенсации момента от кориолисовых сил моментом обратной связи, а также невозможно достижение заданной точности, достигаемой преобладанием жесткости электрической пружины над механической жесткостью упругих торсионов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микросистемного гироскопа.

Технический результат - компенсирование кориолисова момента и выполнение отношения жесткости электрической пружины к жесткости механического подвеса с заданной величиной, необходимой для достижения точности измерений.

Этот технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе микросистемного гироскопа, содержащем корпусную кремниевую пластину, симметрично расположенные внутри друг друга и разделенные равномерными зазорами внешнюю и внутреннюю подвижные рамки, при этом внешняя рамка соединена с корпусной кремниевой пластиной и с внутренней рамкой посредством упругих торсионов, продольные оси каждой пары торсионов взаимно перепендикулярны, между корпусной кремниевой пластиной и подвижными рамками образован посредством сквозного анизотропного травления зазор, на одну сторону корпусной кремниевой пластины жестко присоединена изоляционная обкладка с нанесенными на нее неподвижными проводящими электродами электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамке, на обе стороны корпусной кремниевой пластины жестко присоединены изоляционные обкладки, на которые нанесены электроды электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамке, электроды емкостного преобразователя перемещений и электроды силового электростатического преобразователя обратной связи, внешняя подвижная рамка является подвижным проводящим электродом электростатического силового преобразователя обратной связи, компенсирующего момент от действия кориолисовой силы, и подвижным проводящим электродом емкостного преобразователя перемещений.

По сравнению с известным происходит компенсирование кориолисова момента и выполнение отношения жесткости электрической пружины к жесткости механического подвеса с заданной величиной, площадь внешней рамки выполнена по требованию создания момента силовой отработки, достаточного для компенсирования момента кориолисовой силы, возникающей на внутренней рамке, и одновременно момент силовой отработки превосходит момент от сил упругости на величину, достаточную для обеспечения заданной точности.

Предлагаемый чувствительный элемент микросистемного гироскопа иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2. На фиг.1 показан вид в плане подвижного узла чувствительного элемента, а на фиг.2 показана одна из двух изоляционных обкладок с нанесенными на ее поверхности проводящими электродами.

Чувствительный элемент микросистемного гироскопа содержит (фиг.1) корпусную кремниевую пластину 1. Внутри корпусной кремниевой пластины 1 выполнены симметрично расположенные друг в друге подвижные внешняя рамка 2 и внутренняя рамка 3. Внешняя рамка 2 подвешена к корпусной пластине 1 с помощью торсионов 4, а внутренняя рамка 3 подвешена к внешней рамке 2 посредством торсионов 5. Продольные оси каждой пары торсионов 4 и 5 размещены перпендикулярно друг к другу. От корпусной кремниевой пластины 1 внешняя рамка 2, за исключением мест присоединения торсионов 5, отделена сквозными зазорами, получаемыми при анизотропном травлении. Также отделена внутренняя рамка 3 от внешней рамки 2 сквозными зазорами за исключением мест присоединения торсионов 4.

Две одинаковые изоляционные обкладки (фиг.2) крепятся жестко с разных сторон к корпусной кремниевой пластине 1 посредством анодного соединения. Изоляционная обкладка 6 выполнена из ионосодержащего стекла или из непроводящего монокремния. На каждой пластине выполнены методом вакуумного напыления следующие проводящие электроды: электроды 7 электростатического силового преобразователя; электроды 8 емкостного преобразователя перемещений; электроды 9 для возбуждения принудительных колебаний внутренней рамки. Через контактные площадки электроды 7, 8 и 9 включаются соответственно в электрическую схему. Между корпусной кремниевой пластиной 1 и электродами на изоляционной обкладке 6 при их соединении выполняют зазор h. В зависимости от предела измерений микросистемного гироскопа этот зазор выбирают от 5 до 25 микрометров.

Внешняя подвижная рамка 2 в данной конструкции выполняет роль гирочувствительного узла, а внутренняя 3 - функции гиромотора, и приводится в принудительные колебания относительно оси у с помощью электростатического автогенератора. Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. При отсутствии угловой скорости Ω внутренняя рамка 3 совершает колебательные движения относительно оси у и не имеет их относительно оси х. Кориолисова ускорения при этом не возникает, момент силовой отработки, электростатического силового преобразователя должен превосходить величину упругого момента торсионов на величину обратного значения требуемой суммарной погрешности:

где M Э Л = 2 ε ε 0 F L U o n U max h 2 - момент электростатического преобразователя отработки; ε - диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между проводящей подвижной рамкой силового преобразователя и неподвижным электродом силового преобразователя на изоляционной обкладке; ε0 - диэлектрическая постоянная; F - площадь неподвижного электрода силового преобразователя; Uоп - величина опорного напряжения; Umax - максимальное значение выходного напряжения; h - зазор между проводящей подвижной рамкой силового преобразователя и неподвижным электродом силового преобразователя; Мупр - момент сил упругости торсионов; δΣ - требуемая величина суммарной относительной погрешности, внутренняя рамка с обеих сторон металлизирована так, что ее полярный момент инерции определяется следующим соотношением:

где ω - частота принудительных колебаний внутренней рамки; Ωmax - максимальное значение (предел) измеряемой угловой скорости.

При наличии поворотной скорости Ωz на внешней рамке 2 возникает знакопеременный гироскопический момент, возбуждающий в ней колебания относительно оси х. Частота этих колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний внутренней рамки 3, а амплитуда колебаний является пропорциональной поворотной скорости.

Источники информации

1. Патент США №4598585, МПК G01P 15/02, НКИ 73/505, опубл. 08 июля 1986.

2. Патент США №5488862, МПК G01P 9/04, НКИ 73.504.02, опубл. 06 февраля 1996.

Чувствительный элемент микросистемного гироскопа, содержащий корпусную кремниевую пластину, симметрично расположенные внутри друг друга и разделенные равномерными зазорами внешнюю и внутреннюю подвижные рамки, при этом внешняя рамка соединена с корпусной кремниевой пластиной и с внутренней рамкой посредством упругих торсионов, продольные оси каждой пары торсионов взаимно перпендикулярны, между корпусной кремниевой пластиной и подвижными рамками образован посредством сквозного анизотропного травления зазор, на одну сторону корпусной кремниевой пластины жестко присоединена изоляционная обкладка с нанесенными на нее неподвижными проводящими электродами электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамки, отличающийся тем, что на обе стороны корпусной кремниевой пластины присоединены изоляционные обкладки, на которые нанесены электроды электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамки, электроды емкостного преобразователя перемещений и электроды силового электростатического преобразователя обратной связи, внешняя подвижная рамка является подвижным проводящим электродом электростатического силового преобразователя обратной связи, компенсирующего момент от действия кориолисовой силы, и подвижным проводящим электродом емкостного преобразователя перемещений.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение раскрывает устройство и способ изготовления гиродатчика (2), содержащего: чувствительный элемент (4), предназначенный для вибрирования; держатель (8) электродов, на котором могут быть размещены электроды (20) для возбуждения чувствительного элемента (4) и электроды (20) для обнаружения вибрации чувствительного элемента (4); и опорные стержни (16), предназначенные для поддержки держателя (8) электродов; отличающегося тем, что опорные стержни (16) имеют по меньшей мере один выступающий конец (17).

Кориолисов гироскоп (1) включает в себя систему масс, в которой могут возбуждаться колебания параллельно первой оси, при этом может регистрироваться отклонение системы масс вследствие кориолисовой силы вдоль второй оси, которая проходит перпендикулярно первой оси, и по меньшей мере один первый корректировочный модуль (30) и по меньшей мере один второй корректировочный модуль (40), которые соответственно содержат множество неподвижных корректировочных электродов (31, 32, 41, 42) и подвижных корректировочных электродов (24, 25, 26, 27), при этом неподвижные корректировочные электроды (31, 32, 41, 42) проходят в направлении первой оси и жестко соединены с подложкой посредством соответствующих анкерных структур (33, 43), а подвижные корректировочные электроды (24, 25, 26, 27) образуют часть системы масс.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано, например, в системах ориентации и навигации летательных аппаратов. Технический результат - повышение надежности.

Изобретение относится к технологии сборки волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве навигационных приборов и систем для самолетов, катеров, космических аппаратов, бурильных установок.

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано в системах средней точности инерциального управления объектами бескарданного типа. Твердотельный волновой гироскоп содержит цилиндрический резонатор, смонтированный в корпусе, и расположенные на нижней пластине восемь пьезоэлементов, закрепленных с помощью клея.

Предлагаемый способ может быть использован при изготовлении и подготовке к работе волновых твердотельных гироскопов (ВТГ). Определение параметров ВТГ заключается в том, что измеряют амплитуды колебаний резонатора на частотах вблизи резонанса в стационарных режимах, по измеренным значениям амплитуд колебаний и частот формируют вектор и матрицу с линейными относительно амплитуд элементами.

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения основания в электрический сигнал. Микроакустомеханический гироскоп содержит основание, структуру инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, пьезоэлектрические преобразователи и измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой твердотельный волновой гироскоп. Гироскоп имеет вакуумируемый корпус в виде полусферической оболочки с равномерной толщиной, на внешней стороне которого размещены три установочно-закрепительных элемента, разнесенных относительно друг друга на 120°, а на внутренней - три конусных сегментных элемента, смещенных на 60° относительно установочно-закрепительных элементов, для установки комбинированной информационно-возбудительной платы с использованием кольцевой разрезной пружины.

Изобретение относится к гироскопическому датчику (2), содержащему: чувствительный элемент (4), выполненный с возможностью вибрирования; электрододержатель (8), способный поддерживать электроды (20) возбуждения/обнаружения для возбуждения чувствительного элемента (4) и обнаружения вибрации чувствительного элемента (4); и элементы (10, 16) для установки электрододержателя (8); характеризующийся тем, что поддерживающие элементы (10, 16) содержат основание (10), выполненное из материала, имеющего плотность менее чем 5 кг/дм3, и квадратный корень отношения модуля Юнга, деленного на указанную выше плотность больше чем 9 ГПа1/2дм3/2/кг-1/2.

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в которых для повышения точности используется термокомпенсация.

Изобретение относится к балансировке металлических резонаторов твердотельных волновых гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве навигационных приборов различного назначения. Способ балансировки металлического беззубцового цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа включает в себя измерение параметров первых четырех форм массового дефекта резонатора, погружение резонатора в ванну с электролитом и пропускание через его поверхность рассчитанного электрического заряда, регулируемого временем пропускания постоянного тока, величину которого выбирают в зависимости от состава электролита и металла резонатора, при этом цилиндрический резонатор погружают в электролит наклонно, устанавливают величину центрального угла цилиндрического клина погруженной части, равную α, и совмещают угол ориентации обрабатываемой поверхности цилиндрического клина с ориентацией удаляемой формы массового дефекта. Технический результат - уменьшение времени и трудоемкости процесса балансировки беззубцовых металлических цилиндрических резонаторов по первым 4-м формам массового дефекта. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы. Микромеханический вибрационный гироскоп содержит основание, инерционный диск, имеющий одинаковую толщину и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, систему электростатического возбуждения колебаний диска, состоящую из гребенчатых двигателей возбуждения и датчиков углового положения, систему управления выходными колебаниями, состоящую из электродов емкостного съема и электродов управления, расположенных на основании под инерционным диском и закрепленных на площадке, связанной с основанием с помощью упругого подвеса, что способствует синфазным перемещениям электродов и инерционного диска при действии постоянного ускорения или вибрации. Этим обеспечивается постоянство зазора в системе управления выходными колебаниями и неизменность масштабного коэффициента прибора. Техническим результатом является снижение чувствительности гироскопа к постоянным поступательным ускорениям и вибрации, что обеспечивает уменьшение помехи и повышение эксплуатационных характеристик гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области навигационной техники, а именно к конструкции микромеханических вибрационных гироскопов. Вибрационный гироскоп содержит дисковый ротор в упругом подвесе в виде пружины, связывающей ротор с неподвижной опорой, и статоры с электродами привода крутильных колебаний ротора и емкостных датчиков для определения его угловых смещений относительно двух взаимно перпендикулярных осей, ортогональных к оси крутильных колебаний ротора. Ротор, пружина и неподвижная опора выполнены из одной пластины диэлектрического материала с электропроводящим покрытием, при этом пружина соединяет внешнюю часть ротора с неподвижной опорой и выполнена в виде четырехзаходной спирали с ограниченным разворотом витков на угол, примерно равный α=π(1±0,2). В центральной части ротора, свободной от электропроводящего покрытия, выполнено отверстие с 2n (n=2, 3, 4…) зубцами для взаимодействия соответственно с 2n электродами привода крутильных колебаний. Технический результат - повышение точности и упрощение изготовления вибрационного гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к балансировке кварцевых полусферических резонаторов твердотельных волновых гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве навигационных приборов различного назначения. Способ балансировки кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа по предварительно определенным величинам параметров первых четырех форм массового дефекта резонатора заключается в том, что кварцевый полусферический резонатор радиуса R устанавливают в положение, при котором ось его симметрии горизонтальна, а единый нуль окружного угла находится в нижнем положении, поворачивают резонатор вокруг оси симметрии на угол Δφ относительно единого нуля окружного угла и в этом положении частично погружают резонатор в травильный раствор, устанавливая удвоенный зенитный угол сферического сегмента обрабатываемой поверхности 2α, а затем проводят химическое травление в течение времени t. Технический результат - уменьшение времени и трудоемкости процесса балансировки кварцевых полусферических резонаторов по первым 4-м формам массового дефекта. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микросистемным гироскопам камертонного типа. Предложенный камертонный микрогироскоп содержит корпусную монокремниевую пластину и две чувствительные массы, каждая из которых подвешена с помощью упругих растяжек на консолях, которые, в свою очередь, жестко закреплены на центральной балке. На неподвижных обкладках микрогироскопа выполнены проводящие электроды. Поверхности указанных проводящих электродов, а также поверхности чувствительных масс выполнены пористыми. Причем поры заполнены проводящим материалом, значение плотности которого превышает значение плотности пористого материала. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности микромеханического гироскопа. 4 ил.

Изобретение относится к измерениям угловой скорости, а именно к микроэлектромеханической системе (МЭМС) для датчика угловой скорости. МЭМС помещена между первой и второй композитными пластинами типа кремний-изолятор, состоящими из множества структурированных кремниевых элементов, электрически изолированных друг от друга изоляционным материалом. МЭМС содержит монокристаллическую кремниевую подложку, структурированную для формирования детекторной системы и рамки, причем детекторная система полностью отделена от окружающей ее рамки, расположенной между сопряженными с ней поверхностями первой и второй композитных пластин, так что детекторная система герметизирована в полости, сформированной первой и второй композитными пластинами и рамкой. При этом детекторная система содержит две сейсмические массы, каждая из которых имеет переднюю и заднюю поверхности; две приводные перемычки, каждая из которых имеет первый конец, соединенный с сейсмической массой, и второй конец, соединенный с первой и второй композитными пластинами посредством фиксированных пьедесталов, выполненных на кремниевой подложке, и работающую на изгиб пружину, непосредственно соединяющую между собой две сейсмические массы и выполненную с возможностью синхронизации их первичного движения. Каждая сейсмическая масса имеет первую вращательную степень свободы относительно оси, по существу, перпендикулярной плоскости кремниевой подложки, а сейсмические массы и приводные перемычки сформированы с возможностью иметь вторую вращательную степень свободы относительно оси, по существу, совпадающей с продольной осью приводных перемычек. Детекторная система содержит также средство для генерирования и детектирования первичного движения, состоящего в первичных осцилляциях двух сейсмических масс, в противофазе, в соответствии с первой вращательной степенью свободы, и средство для детектирования вторичного движения, состоящего во вторичных осцилляциях двух сейсмических масс, в противофазе, в соответствии со второй вращательной степенью свободы. При этом средство для генерирования и детектирования первичного движения и средство для детектирования вторичного движения сформированы на передней и на задней поверхностях каждой из первой и второй сейсмических масс, а детекторная система выполнена с возможностью возникновения в ней, при придании системе угловой скорости вокруг третьей оси, по существу, лежащей в плоскости кремниевой подложки и перпендикулярной продольной оси перемычек, силы Кориолиса, вызывающей вторичные осцилляции сейсмических масс. Изобретение обеспечивает повышение точности и стабильности измерений. 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения основания в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что на внешней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, размещенный зеркально трапецеидальному выступу на внутренней поверхности несущего основания и совпадающий с ним по форме и размерам, тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленной на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания установлены на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внутренней поверхности несущего основания, дополнительно установлены тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленной на ней регулярной структурой инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания, при этом на боковых поверхностях трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, дополнительно симметрично друг другу установлены активные пьезоэлектрические преобразователи, которые обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания в направлениях, определяемых углом, заданным положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внутренней поверхности несущего основания, и в противофазе по отношению к активным пьезоэлектрическим преобразователям, размещенным на боковых поверхностях трапецеидального выступа на внутренней поверхности несущего основания, выходы измерительных встречно-штыревых преобразователей, размещенных на поверхности малых оснований трапецеидальных выступов, расположенных по обе стороны несущего основания, попарно электрически соединены со входами сумматоров, а выходы последних электрически соединены со входами сумматоров, соответственно для каждого из направлений вращения несущего основания. Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение уровня полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых сигналов. 5 ил.
Наверх