ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
SENSITIVE ELEMENT OF A MICROELECTROMECHANICAL ANGULAR SPEED SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно, к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости.
Известен чувствительный элемент, описанный в полезной модели пол названием «Микромеханический гироскоп-акселерометр» [патент на полезную модель РФ №81799 МПК (2006.01) G01C 19/56, опубликован 27.03.2009 г.], содержащий основание (плата), с закрепленными неподвижными электродами, взаимодействующими с подвижными электродами, образующие гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы (пластины) со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, состоящую из подвесов (упругих балочек), обеспечивающих перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости.
Упругие перемычки одними концами прикреплены к инерционной массе, а другими концами через промежуточные элементы к основанию. В инерционной массе по осям ее симметрии выполнены четыре сквозные прорези от периферии пластины к ее центру, внутри которых размещены упругие перемычки, образующие подвес, позволяющий инерционной массе совершать колебания как в плоскости пластины из кремния, так и ортогонально к ней.
Достоинством известного изобретения является возможность измерения не только угловой скорости, но и линейного ускорения по одной оси за счет введения в конструкцию дополнительных емкостных датчиков перемещений акселерометрического канала.
Однако известное устройство имеет ряд недостатков: расположение мест крепления инерционной массы к плате (анкеров) на значительном расстоянии друг от друга, что увеличивает габаритные размеры устройства и погрешности измерения, связанные с дрейфом разности рабочих частот при температурных воздействиях, обусловленным разностью температурных коэффициентов термического расширения материалов платы и инерционной массы. Также кремниевая инерционная масса имеет малые габаритные размеры, что уменьшает девиацию выходного сигнала устройства.
Известен чувствительный элемент, описанный в полезной модели под названием «Микромеханический гироскоп» [патент на полезную модель РФ №23974, МПК (2000.01) G01C 19/56, опубликован 20.07.2002 г.], содержащий основание, с закрепленными неподвижными электродами, взаимодействующими с подвижными электродами, образующие гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, состоящую из подвесов, обеспечивающих перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости. Инерционная масса выполнена в форме квадрата, а система упругих подвесов состоит из внутренних, промежуточных и наружных подвесов.
Достоинством является малый коэффициент перекрестных связей между осями возбуждения и измерения за счет использования оригинальной схемы размещения упругих подвесов.
Однако, как и у предыдущего аналога, расположение мест крепления инерционной массы к плате (анкеров) на значительном расстоянии влияют на увеличение габаритных размеров устройства и погрешность измерения, а выполнение кремниевой инерционной массы с малыми габаритными размерами, уменьшают девиацию выходного сигнала устройства.
Данное техническое решение выбрано за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика угловой скорости., обеспечивающею уменьшение габаритно-массовых характеристик.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является увеличение точности, за счет увеличения девиации выходного сигнала, уменьшения коэффициента перекрестных связей между осями возбуждения и измерения, температурного дрейфа разности рабочих частот. Также заявляемое изобретение позволяет уменьшить габаритные размеры чувствительного элемента, за счет его оригинальной компоновки.
Указанный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, с закрепленными неподвижными электродами, взаимодействующими с подвижными электродами, образующие гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, состоящую из подвесов, обеспечивающих перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, согласно изобретению сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлен вид сверху на чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости.
Чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание 1, инерционную массу 2, установленную на системе упругих подвесов, и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний.
Инерционная масса 2 выполнена в виде платы со сквозным отверстием, внутри которого расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, расположена с зазором относительно основания 1 и связана с ним через систему упругих подвесов.
Система упругих подвесов состоит из подвесов 3, позволяющих инерционной массе 2 перемещаться в направлении оси ОХ, подвесов 4, позволяющих инерционной массе 2 перемещаться в направлении оси OY, и компенсирующих подвесов 5, исключающих взаимное влияние перемещений инерционной массы 2 по осям ОХ и OY. Подвесы 3, 4 зафиксированы на основании 1, а компенсирующие подвесы 5 зафиксированы в центре внутренних сторон инерционной массы 2.
Гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний состоят из электродов возбуждения и измерительных электродов соответственно.
Электроды возбуждения имеют треугольную форму с целью увеличения электростатической силы, действующей на инерционную массу 2 при возбуждении вынужденных первичных колебаний. Измерительные электроды необходимы для измерения амплитуды вторичных колебаний и представляют собой дифференциальный емкостный измеритель, позволяющий проводить измерения по мостовой схеме Уитстона. При этом система упругих подвесов сконструирована таким образом, что перекрестная связь между первичными и вторичными колебаниями была минимальной.
Электроды возбуждения и измерительные электроды состоят из неподвижных 6, 7 и подвижных 8, 9 электродов соответственно. Неподвижные электроды 6, 7 зафиксированы на основании 1, а подвижные электроды 8, 9 установлены на подвесах 3 и 4 и дополнительно на компенсирующих подвесах 5.
В местах крепления подвесов 4 к основанию 1 выполнены противоударные упоры 10, ограничивающие амплитуду колебаний по осям ОХ и OY с целью предотвращения слипания измерительных электродов 7 и 9 или заклинивания электродов возбуждения 6 и 8 при нерегламентированных ударных воздействиях.
Принцип действия чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика угловой скорости основан на измерении параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции.
Устройство работает следующим образом
На электроды возбуждения 6 и 8 подают синусоидальный электрический сигнал с частотой, равной первой собственной частоте колебаний инерционной массы 2. Под воздействием сигнала инерционная масса 2 совершает с помощью подвесов 4 первичные колебания вдоль оси возбуждения OY.
При воздействии на чувствительный элемент угловой скорости вокруг оси OZ на инерционную массу 2 воздействует сила Кориолиса, под воздействием которой характер движения инерционной массы 2 изменяется с линейного вдоль оси OY на эллиптический - появляется периодическая составляющая движения вдоль оси чувствительности ОХ, то есть инерционная масса 2 за счет подвесов 3 совершает вторичные колебания вдоль оси чувствительности ОХ.
При этом компенсирующие подвесы 5 исключают взаимное влияние перемещений инерционной массы 2 вдоль осей ОХ и OY, то есть при отсутствии воздействия на чувствительный элемент угловой скорости появление вторичных колебаний невозможно, а при действии угловой скорости вторичные колебания не влияют на амплитуду первичных колебаний.
Амплитуда вторичных колебаний фиксируется с помощью измерительных электродов 7 и 9, представляющих собой конденсаторы с воздушным зазором, емкость которых меняется при изменении ширины воздушного зазора за счет движения инерционной массы 2 вдоль оси ОХ. В результате, происходит преобразование угловой скорости в девиацию емкости выходною сигнала.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области измерительной и микросистемной техники, а именно в интегральных измерительных элементах величины угловой скорости;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить увеличение точности измерения угловой скорости и уменьшение габаритно-массовых характеристик.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».