ВИБРАЦИОННЫЙ ВАКУУМНЫЙ МИКРОГИРОСКОП
VIBRATORY VACUUM MICROGYROSCOPE

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопии, и может быть использовано в приборостроении, авиакосмической отрасли, в машиностроении.
Известен вибрационный резонансный датчик [1 - Европейский патент №0141621 А2 от 25.10.84 г., G01C 9/56], который содержит герметичный корпус из металлического кожуха и крышки, встроенные в крышку через межслойные соединения металлические однопроводниковые (одиночные) и коаксиальные гермовыводы. В крышке выполнено отверстие для обезгаживания внутренней полости и расположена герметизирующая заглушка и геттер для поддержания вакуума после окончательной герметизации полости корпуса. Соединения элементов конструкции герметичного корпуса между собой выполнены пайкой.
Недостаток известной конструкции состоит в том, что она спроектирована под герметизацию пайкой и содержит паяные швы. Для вакуумных приборов, не содержащих внутри корпуса геттер, но с жесткими требованиями по натеканию и остаточному давлению, наличие полуды по периметру паяного шва снижает качество обезгаживания внутренней полости герметичного корпуса, а последующая герметизация пайкой, характеризующаяся остаточной пористостью паяных швов, ограничивает ресурс работы гироскопического прибора.
Известна конструкция микроэлектромеханических систем (МЭМС-изделий), таких как кварцевый кольцевой микромеханический (КМГ) и микромеханический вибрационный (ММВГ) гироскопы, описанных в работе [2  Бритков О.М. Разработка конструкций и технологий изготовления микроэлектромеханических приборов в герметичном исполнении. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., МИЭМ, 2009 г., 25-26, 34 с.]. Известная конструкция содержит корпус (или основание) с металлостеклянными гермовыводами, крышку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора с подвесами и электропроводящими шинами и контактными площадками, установленного на прокладку из стекла (опора кремниевого резонатора), магнитную систему в составе верхнего магнитопровода, магнита, заглушки и нижнего магнитопровода. Для обеспечения пониженного давления внутри корпуса микрогироскоп герметизируется лазерной сваркой и вакуумируется через отверстие или впаянный штенгель.
Основным недостатком известной конструкции является сложность выполнения процесса сборки и взаимного позиционирования элементов гироскопической и магнитной систем, необходимых для симметрирования магнитных полей элементов магнитной системы, что требует специальных приспособлений, увеличивающих трудоемкость сборки и снижающих технологичность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности является вибрационный гироскоп [3 - Патент США №5932804 от 03 августа 1999, МКИ G01P 9/04, НКИ 73/50413 (Пат. GB 2322196)], который содержит заполненный газом герметичный корпус с соединительными контактами (гермовыводами), внутри корпуса установлена гироскопическая система, состоящая из чувствительного элемента - кремниевого резонатора с подвесом и магнитоэлектрическими приводом и датчиком, а также магнитная система в составе магнита и двух магнитопроводов, кольцевого и дискового. В собранном состоянии магнитная система содержит полости, ограниченные поверхностями магнитопроводов и магнита с зазорами, сообщающимися с общей внутренней полостью гироскопа. Кремниевый резонатор сварен с немагнитной (кремниевой или стеклянной) опорой резонатора и вместе с магнитной частью гироскопа установлен на немагнитный элемент, также образуя частично замкнутую полость между нижней (по рисунку прототипа) поверхностью кремниевого резонатора и верхней поверхностью немагнитного элемента.
Недостатки данного вибрационного гироскопа заключаются в следующем. Во-первых, наличие зазоров между поверхностями элементов магнитной системы и гироскопической системы, усложняет выставку и симметрирование верхнего магнитопровода относительно кольцевого резонатора. Во-вторых, внутренние полости, образованные поверхностями элементов магнитной системы и поверхностями кремниевого резонатора и немагнитного элемента и служащие источником интенсивного газовыделения, ухудшают условия откачки воздуха из зазоров и процесс обезгаживания, а это снижает технологичность изготовления и влияет на характеристики гироскопа.
Герметичный корпус в описании условно показан цельным, не содержащим составных частей. Хотя в действительности корпус должен иметь как минимум две детали: основание (или корпус) с размещенными на ней элементами, составляющими гироскопическую часть прибора и крышку, которые на заключительном этапе сборки должны быть состыкованы и загерметизированы, например сваркой или пайкой, как более дешевым методом.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении технологичности изготовления гироскопа.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в вибрационном вакуумном микрогироскопе, содержащем основание с металлостеклянными гермовыводами и размещенные на основании немагнитную подложку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора и опоры резонатора, магнитную систему с входящими в нее магнитом и верхним и нижним магнитопроводами, крышку с отбортовкой, магнитная система содержит немагнитное центрирующее кольцо, установленное на магните, верхний магнитопровод установлен по посадке на немагнитное центрирующее кольцо, опора кремниевого резонатора установлена на немагнитную подложку по посадке с нижним магнитопроводом, при этом поверхности магнита, центрирующего кольца, нижнего и верхнего магнитопроводов, немагнитной подложки, кремниевого резонатора и опоры резонатора собраны без образования внутренних полостей.
На фиг.1 представлен общий вид гироскопа, на фиг.2 показан вид гироскопической системы, на фиг.3 показан вид магнитной системы.
В вибрационном вакуумном гироскопе (фиг.1) на основании 1 с металлостеклянными гермовыводами 2 установлена немагнитная подложка 3 и соединена с основанием 1, например, с помощью сварки или клеевого соединения. Соединение элементов гироскопической и магнитной систем в блоки, а также соединение полученных блоков с основанием (или «посадка в корпус») может быть выполнено несколькими способами, в зависимости от конкретных требований: диффузионной или анодной сваркой, эвтектической пайкой или склеиванием. Конкретный способ соединения в данном изобретении не рассматривается.
Гироскопическая система в составе соединенных между собой кольцевого кремниевого резонатора 6 и опоры 7, установлена на немагнитную подложку 3 соосно с центрирующим кольцом 11 и соединена с немагнитной подложкой 3. Размеры опоры резонатора 7 и немагнитной подложки 3 рассчитаны на исключение образования внутренних полостей (фиг.2).
Магнитная система образована блоком в составе магнита 8, нижнего магнитопровода 9, верхнего магнитопровода 10 и центрирующего кольца 11. Центрирующее кольцо 11 должно быть выполнено из немагнитного материала.
Магнит 8 соединен с нижним магнитопроводом 9 и центрирующим кольцом 11 в отдельный сборочный блок. Этот сборочный блок установлен на немагнитную подложку 3 и соединен с ней. Конструкция и размеры магнитопровода 9 и опоры резонатора 7 рассчитаны на исключение образования внутренних полостей. Верхний магнитопровод 10 выполнен цилиндрическим с кольцевой проточкой по внешнему диаметру и установлен на магнит 8 до упора в осевом направлении и в радиальном направлении по скользящей посадке на центрирующее кольцо 11. Центрирующее кольцо 11 предназначено для прецизионного позиционирования магнитопровода 10 в радиальном направлении (фиг.3) и обеспечивает симметричное и строго фиксированное положение магнитопровода 10 относительно кольца резонатора 6, исключающее его смещение в радиальном направлении. Кроме того, размеры центрирующего кольца 11 согласованы с размерами верхнего магнитопровода 10 и магнита 8 таким образом, что исключено образование закрытых внутренних полостей.
Собранный и выставленный верхний магнитопровод 10 соединяют с блоком магнитной системы после балансировки и проверки параметров гироскопа.
Коммутация между контактными площадками на кремниевом резонаторе 6 и гермовыводами 2 выполнена соединительными проводниками 12.
Основание 1 закрыто крышкой 4 и гироскоп загерметизирован по отбортовке под сварку 5 с помощью шовной лазерной сварки в вакууме.
Необходимость применения в конструкции микрогироскопа центрирующего кольца 11 обусловлена следующими факторами. Исследования магнитной системы микрогироскопа и, в частности, компьютерное моделирование методом конечных элементов характера изменения параметров магнитного поля свидетельствует о неравномерности магнитной индукции в рабочем зазоре, минимальный градиент которой наблюдается в центральной области рабочего зазора. Протяженность этой области b составляет от 0,2 до 0,3 от толщины а цилиндрической части верхнего магнитопровода 10, т.е. b ≈ (0,2 - 0,3)·а.
Центрирующее кольцо 11 позволяет установить верхний магнитопровод 10 соосно с осью кольца резонатора 6, таким образом, чтобы центральная область рабочего зазора b с минимальным градиентом магнитной индукции находилась над кольцом резонатора 6. В результате магнитное поле, образованное магнитом 8, нижним 9 и верхним 10 магнитопроводами и перпендикулярное плоскости кольца резонатора 6, концентрируется своей центральной частью в области b с минимальным градиентом магнитной индукции на кольце резонатора 6, что увеличивает полезный сигнал и снижает шумы, вызванные движением токопроводящих дорожек на упругих элементах резонатора 6.
Кроме этого, наличие немагнитного центрирующего кольца 11 позволяет производить многократную сборку и разборку магнитной системы (что необходимо при балансировке резонатора), сохраняя симметричность магнитной системы и кольца резонатора без применения сложных приспособлений, повышая технологичность конструкции гироскопа.
Заявленный микрогироскоп является вакуумным прибором, внутренние поверхности составляющих деталей которого подвергаются обезгаживанию с последующим вакуумированием прибора. Наличие внутренних полостей, а тем более, изолированных от общего пространства прибора, не только увеличивает продолжительность обезгаживания, но и не позволяет обезгазить с требуемым качеством. Отсутствие закрытых полостей в данной конструкции обеспечивает качественное обезгаживание и вакуумирование гироскопа.
Микрогироскоп работает следующим образом. С помощью магнитоэлектрических датчиков возбуждаются колебания резонатора 6 на резонансной (основной) частоте. При наличии угловой скорости вокруг вертикальной оси кольца резонатора 6 возникает вторая мода колебаний, повернутая на 45 градусов относительно первой. Амплитуда колебаний второй моды пропорциональна угловой скорости и измеряется с помощью датчиков съема. Симметрирование магнитной системы, при которой кольцевой резонатор 6 располагается в центральной области рабочего зазора b с минимальным градиентом магнитной индукции, позволяет оптимизировать резонансные характеристики, снижает разночастотность и разнодобротность по модам колебаний, обеспечивает требуемую крутизну выходного сигнала.
Предлагаемая конструкция вибрационного вакуумного гироскопа технологична и обеспечивает снижение трудоемкости изготовления.
Источники информации
1. Европейский патент №0141621 А2 от 25.10.84 г., G01C 19/56.
2. Бритков О.М. Разработка конструкций и технологий изготовления микроэлектромеханических приборов в герметичном исполнении. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., МИЭМ, 2009 г., с.25-26, 34 с.
3.  Патент США №5932804 от 03 августа 1999, МКИ G01P/04, НКИ 73/504.13 (Пат. GB 2322196).