МИКРОГИРОСКОП НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель может быть использована для измерения величины угловой скорости подвижного объекта с помощью гироскопического эффекта.
Из работы [Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тул. гос. университет, Московский гос. технологический ун-т им. К.Э.Циолковского. - Тула: Гриф и К, 2004. - 476 с, ил.] известен микрогироскоп с использованием двух инерционных масс (ИМ), крепящихся к основанию с помощью упругих подвесов, обеспечивающих им необходимые степени свободы. Для возбуждения колебаний ИМ и съема сигнала используются гребенчатые структуры.
Недостатком такого устройства является наличие элементов подвеса инерционных масс. Это обстоятельство ограничивает виброустойчивость и ударопрочность микромеханического гироскопа, с одной стороны, и требует использования сложных микротехнологий, с другой.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к данной полезной модели является микрогироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Enhanced Sensitivity of Novel Surface Acoustic Wave Microelectromechanical System-Interdigital Transducer Gyroscope. W.Wang, H.Oh, K.Lee, S.Yoon, S.Yang // JJAP. 2009. №48], содержащий генератор, подключенный к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах, который состоит из двух отражателей и двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП), нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, между которыми нанесена совокупность навесных элементов и два автогенератора, каждый из которых содержит усилитель и линию задержки (ЛЗ) на поверхностных акустических волнах, состоящую из двух встречно-штыревых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, при этом выходы автогенераторов подключены через смеситель и фильтр нижних частот ко входу регистратора.
01
02
При отсутствии угловой скорости вокруг оси x (Ω=0) автогенераторы работают на собственных частотах f и f, разнос которых определяется неизбежными погрешностями изготовления ЛЗ.
1
01
2
02
1
2
01
02
1
2
01
02
При наличии угловой скорости (Ω≠0) за счет эффекта Кориолиса совокупность навесных элементов ПАВ-резонатора возбуждает вторичную бегущую поверхностную акустическую волну, амплитуда которой пропорциональна вектору угловой скорости . Таким образом, осуществляется первичное преобразование измеряемой угловой скорости в информативный параметр - амплитуду вторичной ПАВ, которая распространяются ортогонально первичной стоячей ПАВ. Далее поверхностная акустическая волна проходит через преобразующую ЛЗ, которая вместе с усилителем и согласующими элементами формирует первый автогенератор на частоте, близкой к частоте ПАВ-резонатора. В области пересечения вторичной поверхностной акустической волны с волной, бегущей в преобразующей ЛЗ, происходит их интерференция, что инициирует изменение фазовой скорости бегущей в преобразующей ЛЗ волны и, как следствие, вызывает сдвиг частоты Δf первого автогенератора: f=f±Δf. Следовательно, вторичным преобразованием является трансформация амплитуды индуцированной вторичной бегущей поверхностной акустической волны в вариации частоты первого автогенератора. Сигнал с его выхода поступает на вход смесителя, на второй вход которого подается сигнал второго автогенератора, образованного реперной ЛЗ, согласующими элементами и усилителем. При этом его частота остается неизменной, т.е. f=f. На выходе смесителя выделяются сигналы на разностной f-f=f±Δf-f и суммарной f+f=f±Δf+f частотах.
Установленный на выходе смесителя фильтр нижних частот подавляет суммарный сигнал (который при необходимости может быть использован для температурной стабилизации), и на выход микрогироскопа поступает сигнал разностной частоты, пропорциональный угловой скорости Ω.
Недостатком этого устройства является малая величина смещения навесных элементов ПАВ-резонатора, что, в свою очередь, приводит к малой величине амплитуды вторичной волны.
Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка микрогироскопа на ПАВ, в котором увеличена амплитуда вторичной ПАВ.
1
2
1
2
Для решения поставленной задачи предлагаемый микрогироскоп, также как и известный, содержит генератор, подключенный к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах. Последний состоит из двух отражателей и двух встречно-штыревых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, между которыми нанесена совокупность навесных элементов. Помимо этого предлагаемый микрогироскоп, также как и известный, содержит два автогенератора, каждый из которых содержит усилитель и линию задержки на поверхностных акустических волнах, состоящей из двух встречно-штыревых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки. При этом выходы автогенераторов подключены через смеситель и фильтр нижних частот ко входу регистратора. Но в отличие от известного, в предлагаемом устройстве навесные элементы выполнены в виде последовательности полуволновых пластин, каждая из которых имеет длину, равную апертуре встречно-штыревого преобразователя, ширину λ/2 и каждый четный смещен относительно нечетного на λ/2, где λ - длина волны, возбуждаемой в резонаторе на поверхностных акустических волнах, λ - длина возбуждаемой волны, направление распространения которой ортогонально направлению распространения волны в резонаторе на поверхностных акустических волнах.
Достигаемый технический результат - увеличение амплитуды вторичной ПАВ за счет использования иных навесных элементов.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - схема предлагаемого микрогироскопа.
Предлагаемый микрогироскоп состоит из генератора 1, подключенного к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах, который состоит из двух отражателей 2 и двух встречно-штыревых преобразователей 3, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки 4, между которыми нанесена совокупность навесных элементов 5, двух автогенераторов, каждый из которых состоит из усилителя 6, 7, согласующих элементов 8, 9 и линии задержки на поверхностных акустических волнах 10, 11, каждая из которых состоит из двух ВШП и включена в цепь положительной обратной связи усилителей 6 и 7 соответственно, при этом выходы автогенераторов подключены через смеситель 12 и фильтр нижних частот 13 ко входу регистратора 14.
1
2
0
При отсутствии угловой скорости частоты двух автогенераторов, образованных двумя усилителями 6, 7, согласующими элементами 8, 9 и двумя линиями задержки 10, 11, являющимися частотозадающими элементами двух автогенераторов, равны (f=f=f), а выходной сигнал микрогироскопа равен нулю.
При наличии угловой скорости вокруг оси x за счет действия эффекта Кориолиса на совокупность навесных элементов 5 возбуждается вторичная ПАВ А, амплитуда которой пропорциональна вектору угловой скорости .
При этом ее фазовая скорость V за счет смещения соседних элементов в совокупности 5 (фиг.1) приобретает противоположные по знаку приращения ±ΔV. В области пересечения вторичной поверхностной акустической волны А с волной Б, бегущей в ЛЗ 10, происходит их интерференция, что инициирует изменения фазовой скорости бегущей в ЛЗ волны и, как следствие, вызывает смещение собственной частоты f автогенератора, образованного ЛЗ 10, согласующими элементами 8 и усилителем 6, на величину ±Δf.
1
01
01
2
02
1
2
01
02
1
2
01
02
В результате частота этого автогенератора принимает значение f=f±Δf, где f - частота автогенератора в отсутствии угловой скорости, Δf - приращение за счет интерференции вторичной ПАВ А из ПАВ-резонатора и ПАВ Б, распространяющейся в ЛЗ 10, знак «±» зависит от направления вращения. Сигнал с выхода автогенератора поступает на вход смесителя 12, на второй вход которого подается сигнал второго автогенератора, образованного реперной ЛЗ 11, согласующими элементами 9 и усилителем 7. Частота этого автогенератора остается неизменной при воздействии угловой скорости , т.е. f=f. На выходе смесителя 12 выделяются сигналы на разностной f-f=f-f±Δf и суммарной f+f=f+f±Δf частотах. Последняя подавляется с помощью фильтра нижних частот 13, а разностная частота пропорциональна измеряемой угловой скорости и фиксируется регистратором 14. Этот сигнал является информативным сигналом микрогироскопа.
Таким образом, информативный сигнал формируется в результате последовательности из двух преобразований:
1. Из угловой скорости в амплитуду вторичной ПАВ А за счет действия эффекта Кориолиса на совокупность навесных элементов;
2. Из амплитуды вторичной ПАВ А в сдвиг частоты автогенератора за счет интерференции вторичной ПАВ А с ПАВ Б, распространяющейся в ЛЗ 10.
В предлагаемом устройстве конфигурация совокупности навесных элементов отличается от прототипа, что должно обеспечить повышение эффективности первичного преобразования. Для оценки полезного эффекта проведем следующие расчеты.
K
K
K
Амплитуда вторичной ПАВ определяется смещениями Δ навесных элементов, происходящими под действиями силы Кориолиса F. При этом Δ=ε·l, где l - длина навесного элемента, ε - величина деформации, значение которой можно найти из выражения ε=σ/E (σ - напряжение). Величина напряжнения определяется из выражения σ=F/S, где S=b·h - площадь малой боковой грани навесного элемента (b - его ширина, h - толщина), F=2·Ω·V·m, m - масса одного навесного элемента, V - максимальная скорость вертикального движения частиц, V=10 м/с. Смещения, рассчитанные по приведенным формулам для навесных элементов прототипа и предлагаемого устройства, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Длина ИМ l
Ширина ИМ b
Деформация ε
Напряжение σ, Па
Смещение Δ, м
Устройство
50 λ<sub>1</sub>
λ<sub>1</sub>/2
4,91·10<sup>-8</sup>
3,44·10<sup>3</sup>
1,21·10<sup>-10</sup>
Прототип
λ<sub>1</sub>/4
λ<sub>1</sub>/4
2,46·10<sup>-10</sup>
1,72·10<sup>1</sup>
3,03·10<sup>-15</sup>
Из таблицы 1 видно, что эффективность использования иных навесных элементов в предлагаемом устройстве на 5 порядков выше, чем в прототипе.
Таким образом, в предлагаемом устройстве смещение навесных элементов значительно увеличивается (на 5 порядков).
Техническим результатом является значительное увеличение амплитуды вторичной ПАВ по причине использования навесных элементов больших размеров.