ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОЛЬЦЕВОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ВИБРАЦИОННОГО ГИРОСКОПА
DETECTING ELEMENT FOR CIRCULAR MICROMECHANICAL VIBRATION GYROSCOPE

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:
1
2
где K и K - 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].
A
где λ и λ - 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,
3
где B - изгибная жесткость, E - модуль Юнга, J=(bh)/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:
1
2
где K и K - 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.