МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств.
Особенностью микромеханических гироскопов является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет: малые габариты и вес гироскопа, возможность применения групповой технологии изготовления, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.
Известен микромеханический гироскоп [Патент на полезную модель №30972, МПК G01C 19/56, 2003], содержащий корпус, рамку, инерционную массу, датчик силы, датчик перемещений, вибропривод, блок электроники и упругие перемычки, образующие внутренний и наружный подвесы. В данном устройстве конструктивно разделены входные и выходные движения при помощи рамки.
Недостатком данного устройства является невысокая точность и нестабильность работы, связанная как с изменениями параметров устройства, так и с изменениями внешних воздействий.
Известно также техническое решение [Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М., "Маширостроение", 2007 г., с.57-58], в котором микромеханический гироскоп содержит корпус, первую и вторую инерционные массы, связанные с корпусом через упругие перемычки, вибропривод, датчик силы, датчик перемещений.
Недостатком данного технического решения является невысокая точность и нестабильность работы, связанная с высокой чувствительностью к изменениям параметров, а также к изменениям внешних воздействий, обусловленная резонансным режимом работы.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп [Cenk Acar, Andrei Shkel. Inherently Robust Micromachined Gyroskopes With 2 - DOF Sense-Mode Oscillator, Journal of Microelektromechanical Systems, vol. 15, №2, April 2006, p.380-387], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, наружную рамку, связанную с платой через упругие перемычки, первую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с наружной рамкой через упругие перемычки, вторую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной рамки из кремния со сквозными отверстиями и расположенную в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы и связанную с ней через упругие перемычки, вибропривод, датчик перемещений и блок электроники.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность и недостаточная надежность работы устройства.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности, надежности и стабильности работы микромеханического гироскопа.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, наружную рамку, связанную с платой через упругие перемычки, первую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с наружной рамкой через упругие перемычки, вторую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной рамки из кремния со сквозными отверстиями и расположенную в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы и связанную с ней через упругие перемычки, вибропривод, датчик перемещений и блок электроники, введен электростатический датчик силы, содержащий подвижные элементы, закрепленные на второй инерционной массе, и неподвижные элементы, закрепленные на плате, первый вход которого через блок электроники подключен к выходу датчика перемещений. В состав гироскопа может быть введено дифференцирующее устройство, вход которого подключен к выходу датчика перемещений, а выход подключен ко второму входу электростатического датчика силы. Кроме того микромеханический гироскоп может быть выполнен в виде капсулы.
При введении дополнительных обратных связей и капсульном исполнении обеспечивается повышение точности, надежности и стабильности работы микромеханического гироскопа.
На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического гироскопа. Микромеханический гироскоп содержит плату 1, выполненную из диэлектрического материала, наружную рамку 2, связанную с платой 1 через упругие перемычки 3, первую инерционную массу 4, выполненную в виде прямоугольной пластины с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно пластины 1 и связанную с наружной рамкой 2 через упругие перемычки 3. Вторая инерционная масса 5 выполнена в виде прямоугольной рамки со сквозными отверстиями, расположена в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы 4 и связана с ней через упругие перемычки 3. Электростатический датчик силы 6 содержит подвижные электроды 7, расположенные на второй инерционной массе 5, и неподвижные электроды, расположенные на плате 1. Датчик перемещений 9 также содержит подвижные элементы, расположенные на второй инерционной массе 5, а неподвижные - на плате 1. Вибропривод 10 обеспечивает вынужденные колебания первой инерционной массы 4 вместе с рамкой 2 в направлении оси OY.
Предложенное устройство работает следующим образом. При включении питания под действием электростатических сил в зазорах вибропривода 10 первая инерционная масса 4 совершает возвратно-поступательные движения в направлении оси OY. За счет упругих перемычек 3 с той же частотой совершают колебания рамка 2 и вторая инерционная масса 5. При вращении основания 1 с угловой скоростью Ω вокруг оси чувствительности, перпендикулярной плоскости инерционных масс 4 и 5, возникают кориолисовы силы инерции, приложенные как к массе 4, так и к массе 5. Под действием этих сил обе массы совершают колебания вдоль выходной оси - ОХ. Амплитуда этих колебаний пропорциональна измеряемой угловой скорости Q. Выходной сигнал снимается с датчика перемещений 9 и используется не только для формирования компенсационной силы в системе обратной связи, но и для формирования демпфирующей силы, действующей в направлении выходной оси ОX.
Таким образом может быть осуществлено измерение угловой скорости основания вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционной массы. Частота работы вибропривода выбирается между частотами резонансных пиков, обусловленных конструкцией устройства.
Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить точность, надежность и стабильность выходного сигнала в условиях изменяющихся параметров окружающей среды и при производственных дефектах.