ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа. Известен чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий четыре подвижные массы, выполненные на пластине кремния [1]. Упругие подвесы подвижных масс расположены крестообразно и закреплены в точке пресечения на струне, вдоль которой действует измеряемая угловая скорость. Принудительные колебания подвижным массам задаются в плоскости, причем направления движений осуществляется в попарно-противоположных направлениях. В результате колебаний механические напряжения в точке закрепления всегда равны нулю, что повышает добротность чувствительного элемента. Возникающие знакопеременные кориолисовы силы действуют на подвижные массы в направлении, перпендикулярном плоскости пластины.
Недостатком известного устройства является его низкая точность, обусловленная тем, что возбуждаемые колебания происходят в плоскости чувствительного элемента, а измерительные колебания перпендикулярно к этой плоскости, следовательно, трудно обеспечить условие резонансной настройки в обеих плоскостях колебаний, так как жесткости определяются разными технологическими факторами, а для многих материалов, например кремния, и различными физическими свойствами.
Известен чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя переходами, внутренняя рамка с четырьмя жесткими растяжками выполнена с крестообразным поперечным сечением и дополнительно содержит перемычки, соединяющие упругие Г-образные подвесы с внутренней рамкой и растяжками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с внутренней рамкой и растяжками [2].
Недостатком данного устройства является то, что дополнительные перемычки, соединяющие упругие Г-образные подвесы с внутренней рамкой и растяжками, предназначенные для балансировки чувствительного элемента микромеханического гироскопа позволяют устранять неоднородность жесткости подвесов соответствующих масс в ограниченном диапазоне. Так, например, удаляя перемычку, можно только уменьшить жесткость. Увеличение жесткости невозможно. Таким образом, точно свести частоты невозможно. Это приводит к разночастотности колебательных контуров и дополнительному снижению добротности системы, следовательно, снижению точности. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности микромеханического гироскопа.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического гироскопа, содержащем основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижных массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя переходами, внутренняя рамка с четырьмя жесткими растяжками выполнена с крестообразным поперечным сечением, сформированы профилированные жесткие балки между внутренней рамкой и упругими Г-образными подвесами, между четырьмя жесткими растяжками и упругими Г-образными подвесами, сформированы тонкие мембраны, соединяющие упругие Г-образные подвесы с профилированными жесткими балками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с профилированными жесткими балками.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент микромеханического гироскопа от известного, является то, что сформированы профилированные жесткие балки между внутренней рамкой и упругими Г-образными подвесами, между четырьмя жесткими растяжками и упругими Г-образными подвесами, сформированы тонкие мембраны, соединяющие упругие Г-образные подвесы с профилированными жесткими балками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с профилированными жесткими балками. Сформированные профилированные жесткие балки позволяют дополнительно регулировать разночастотность контуров. Так как в прототипе удалением перемычек регулировка жесткости упругих Г-образных подвесов осуществляется в ограниченном диапазоне - только уменьшение жесткости. Сформированные профили на профилированных жестких балках позволяют увеличивать жесткость упругих Г-образных подвесов. Так, вначале балансировка осуществляется за счет подрезки мембраны, тем самым, уменьшая жесткость.
Далее для более точного сведения частот возможно частичное увеличение жесткостей некоторых упругих Г-образных подвесов за счет нанесения в профили вязкого клея, который увеличивает жесткость регулируемого упругого Г-образного подвеса. Клей, нанесенный в профиль, не растекается по профилированной жесткой балке и одновременно шунтирует упругий Г-образный подвес в месте расположения данного профиля. Для согласования коэффициентов линейного расширения клея и материала чувствительного элемента, наполнитель клея может быть выполнен из материала этого чувствительного элемента. Кроме того, в прототипе удалением перемычек изменяется шунтирование упругих Г-образных подвесов с внешней рамкой, причем неравномерно по всему периметру. Таким образом, даже при сбалансированных колебательных контурах внутренняя рамка является источником потери энергии всей колебательной системы, так как появляется несимметрия внутренней рамки относительно ее закрепления с внешней рамкой, а далее с основанием. Сформированная тонкая мембрана, соединяющая упругие Г-образные подвесы с профилированными жесткими балками, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов с профилированными жесткими балками не шунтируют внутреннюю рамку в отличие от прототипа. Раздельная профилированная жесткая балка и тонкая мембрана позволяет балансировать колебательную систему в широком диапазоне, повышая ее добротность, а, следовательно, повышая точность при этом, не изменяя свойств колебательной системы, а именно уменьшение добротности.
Предложенный чувствительный элемент микромеханического гироскопа представлен на фиг. 1,
где:
1 - подвижная масса.
2 - внешняя рамка,
3 - внутренняя рамка,
4 - профилированная жесткая балка.
5 - жесткая растяжка,
6 - профиль.
7 - тонкая мембрана.
8 - упругий Г-образный подвес.
9 - центр,
10 - переход.
На фиг. 2 изображен вид А-А.
Чувствительный элемент микромеханического гироскопа содержит основание (не показано), прямоугольную внутреннюю рамку 3, центр 9, соединенный четырьмя жесткими растяжками 5 с внутренней рамкой 3. Четыре подвижных массы 1, каждая из которых соединена с центром 9 двумя упругими Г-образными подвесами 8, а с внутренней рамкой 3 шестью упругими Г-образными подвесами 8. Внешняя рамка 2 соединена с внутренней рамкой 3 четырьмя переходами 10. Внутренняя рамка 3 с четырьмя жесткими растяжками 5 выполнена с крестообразным поперечным сечением.
Профильные жесткие балки 4 сформированы между внутренней рамкой 3 и упругими Г-образными подвесами 8, между четырьмя жесткими растяжками 5 и упругими Г-образными подвесами 8. Сформированы тонкие мембраны 7, соединяющие упругие Г-образные подвесы 8 с профилированными жесткими балками 4, расположенными в углах, местах сопряжения упругих Г-образных подвесов 8 с профилированными жесткими балками 4.
Чувствительный элемент микромеханического гироскопа работает следующим образом.
При включении прибора, постоянное магнитное поле от постоянных магнитов (не показаны) воздействует на переменный ток, протекающий по проводникам (не показаны), нанесенным на подвижные массы 1 и упругие Г-образные подвесы 8 с одной стороны чувствительный элемент микромеханического гироскопа. Подвижные массы 1 начинают попарно колебаться по оси X в противофазе друг другу на резонансной частоте. При воздействии угловой скорости относительно оси Z на подвижные массы 1 начинает действовать кориолисово ускорение, направление которого зависит от направления линейной скорости подвижных масс 1, а величина определяется величиной угловой скорости. Кориолисово ускорение преобразуется в знакопеременную кориолисову силу, которая перемещает каждую подвижную массу 1 в направлении, перпендикулярном действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и воздействующей внешней угловой скорости. При этом в преобразователе перемещения, образующими другими проводниками (не показано), нанесенными с другой стороны чувствительного элемента микромеханического гироскопа наводится э.д.с, пропорциональная внешней угловой скорости.
Источники информации:
1. Патент США №5952572.
2. Патент РФ №2423668 - прототип.