ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических гироскопах для систем управления подвижных объектов различного назначения.
Известен чувствительный элемент датчика угловой скорости, содержащий основание, внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижных массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, и шестью упругими Г-образными подвесами, с внутренней рамкой, внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя перемычками, четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки для соединения с основанием [1].
Недостатком такого устройства является сложность и трудоемкость изготовления чувствительного элемента, а также сложность обеспечения резонансной настройки возбуждаемых и сигнальных колебаний.
Известен также чувствительный элемент датчика угловой скорости, включающий закрепленную на основании несущую рамку, расположенные внутри и соединенные с ней упругими элементами две инерционные массы [2].
Недостатком такого устройства является низкая добротность измерительных колебаний, что вызвано потерями энергии при взаимодействии с основанием.
Известен датчик угловых скоростей с чувствительным элементом, выполненным в виде кольцевого резонатора. Чувствительный элемент выполнен из монокристаллического кремния. Резонатор содержит кремниевое кольцо, поддерживаемое восемью радиально податливыми спицами, которые прикреплены к опорной рамке. Токопроводящие проводники осаждаются и формируются только на верхней поверхности. Кристалл анодно соединяется с опорной стеклянной структурой, которая температурно согласована с кремнием [3].
Недостатком такого устройства является достаточно большая погрешность из-за влияния внешних возмущающих факторов, например повышенной, пониженной температуры и траекторных возмущений. Другим недостатком присущим таким чувствительным элементам является низкая добротность измерительных колебаний, что вызвано потерями энергии при взаимодействии с основанием.
Известен чувствительный элемент датчика угловой скорости, выполненном на подложке монокристаллического кремния, в котором дополнительно введен чувствительный элемент кольцевого типа, соединенный с другим чувствительным элементом упругими подвесами, через опорную рамку, расположенную между ними, а возбуждение колебаний обоих чувствительных элементов осуществляется одновременно в противофазе со стабилизацией амплитуды [4].
Недостатком данного устройства является то, опорная рамка является источником потери энергии данной колебательной системой. Так как, деформационные силы в точке закрепления опорной рамки к основанию, не совсем равны нулю и деформируют упругие подвесы., то добротность этого чувствительного элемента датчика угловой скорости является достаточно низкой. Это увеличивает нулевой сигнал датчика - снижая точность. Увеличивая габаритные размеры опорной рамки можно свести к нулю напряжения. Однако это значительно увеличивает габариты чувствительного элемента, то есть невозможно обеспечить максимальную добротность колебательной системы, которой определяется точность прибора в целом. Другим недостатком данного устройства является то, что при возбуждении колебаний в обоих кольцах объемная волна от обоих колец через упругие торсионы колец вызывает время-переменную деформацию опорной рамки, являющуюся опорой для обоих колец, тем самым оказывается влияние на стабильность колебаний обоих колец. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, являются повышение точности прибора.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромханического датчика угловых скоростей, выполненном на подложке из монокристаллического кремния, содержащем основание, основное кольцо, дополнительное кольцо, соединенное с основным кольцом через опорную рамку, упругие подвесы, дополнительное кольцо идентично основному, оба кольца закреплены на диэлектрической подложке симметрично с противоположных сторон диэлектрической подложки. Признаком, отличающим, предложенный чувствительный элемент микромеханическгого датчика угловых скоростей от известного является то, что в чувствительном элементе микромеханического датчика угловых скоростей, дополнительное кольцо идентично основному. То есть основное и дополнительное кольца одинаковых размеров, с одинаковыми упругими подвесами. Таким образом, возбуждаемые колебания имеют одинаковую амплитуду и одновременно противофазе со стабилизацией амплитуды. Следовательно, имеют равную чувствительность, и внешние факторы действуют на дополнительное и основное кольцо одинаково. Таким образом, при дальнейшей обработке сигнала воздействие этих факторов на основание вычитаются без дополнительных преобразований. Оба кольца закреплены на диэлектрической подложке симметрично с противоположных сторон диэлектрической подложки, которая крепится к основанию. Диэлектрическая подложка является опорой для закрепления основного и дополнительного кольца. Закрепление обеих колец с обеих сторон диэлектрической подложки обеспечивает минимальное влияние объемных волн от обоих колец предающихся через упругие подвесы колец, подложку, являющуюся опорой для обоих колец, тем самым не оказывая влияние на стабильность колебаний обоих колец. В результате чего на выходе датчика уменьшается смещение нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Учитывая, что потери энергии колебательной системы определяются работой деформационных сил в точках закрепления, которые как показал анализ при помощи программы АК818, минимальны, то добротность данной колебательной системы высокая, таким образом, Обеспечивается точность резонансной настройки с идентичной шириной резонансной кривой и, следовательно, минимальную нестабильность резонансной частоты, тем самым увеличивая точность прибора.
На фиг. 1 изображен чувствительный элемент микромеханического датчика угловых скоростей,
где:
1 - основание,
2 - основное кольцо,
3 - дополнительное кольцо,
4 - упругий подвес основного кольца,
5 - диэлектрическая подложка,
6 - гермоввод,
7 - электрические контактные площадки.
8 - опорная рамка основного кольца,
9 - опорная рамка дополнительного кольца,
10 - упругий подвес дополнительного кольца.
Чувствительный элемент микромеханического датчика угловых скоростей содержит основание 1, закрепленную на нем диэлектрическую подложку 5. На диэлектрической подложке 5 с одной стороны закреплена опорная рамка основного кольца 8. Через упругие подвесы основного кольца 4 с опорной рамкой основного кольца 8 закреплено основное кольцо 2. С противоположной стороны диэлектрической подложки 5 закреплена опорная рамка дополнительного кольца 9. Через упругие подвесы дополнительного кольца 10 с опорной рамкой дополнительного кольца 9 закреплено дополнительное кольцо 3. В основание 1 закреплен гермоввод 6 для подключения сигнала возбуждения колебаний и съема полезного сигнала дополнительного кольца 3. Электрические контактные площадки 7 предназначены для подключения основного кольца 2 и дополнительного кольца 3 к схеме возбуждения колебаний и электронному преобразователю полезного сигнала основного и дополнительного колец 2, 3.
Чувствительный элемент микромеханического датчика угловой скорости работает следующим образом.
При подаче переменного напряжения через электрические контактные площадки 7 основное и дополнительное кольца 2, 3 начинают попарно колебаться в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента относительно оси, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента, на подвижные основное и дополнительное кольца 2. 3 начинает действовать кориолисовы силы, которые возбуждают колебания в направлении измерительной оси, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости. Источники информации:
1. Патент РФ №2301969
2. Патент США №5911156
3. Hopkin I. Performance and Design of Silicon Micromachined Gyro // Symposium Gyro Technology, Germany. - 1997. - Р. 1.0-1.10.
4. Патент РФ №2379630 - прототип.