ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВИБРАЦИОННОГО ГИРОСКОПА
INTEGRATED SENSITIVE ELEMENT OF VIBRATION GYROSCOPE

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах резонаторного типа.
Известен вибрационный гироскоп, содержащий чувствительный элемент из четырех упругих стержней квадратного сечения, расположенных симметрично в виде консолей на плате [1].
Консоли приводятся в резонансные попарно-противофазные изгибные колебания посредством пьезокерамических преобразователей, причем попарно-перекрестные свободные концы консолей расходятся или сходятся.
Внешнее вращение консолей относительно продольной оси приводит к возникновению знакопеременных кориолисовых сил, действующих на свободные концы консолей перпендикулярно к направлению их принудительного перемещения и к направлению вектора внешней угловой скорости.
Известен также микрогироскоп, содержащий четыре подвижные массы, выполненные на пластине кремния. Принудительные колебания подвижным массам задаются в плоскости пластин, причем направления движений осуществляются в попарно-противоположных направлениях. Возникающие знакопеременные кориолисовы силы действуют на подвижные массы в направлении, перпендикулярном плоскости пластин [2].
Недостатком известных устройств является низкая чувствительность к измеряемой скорости, высокая чувствительность к удару и вибрации, низкая точность, обусловленная тем, что возбуждение колебаний происходит в плоскости чувствительного элемента, а измерительные колебания перпендикулярно к этой плоскости. Следовательно, трудно обеспечить условие резонансной настройки в обеих плоскостях, так как жесткости определяются разными технологическими факторами, а для многих материалов (например, кремний) и различными физическим свойствами. Наиболее близким по технической сущности является устройство, которое представляет собой резонатор в виде кольца. Конструктивно резонатор содержит 6 мм кремниевое кольцо, поддерживаемое восемью радиально податливыми спицами, которые прикреплены к опорной рамке 10×10 мм, токопроводящие проводники осаждены только на верхней поверхности, а площадки для присоединения провода расположены на внешней опорной рамке. Кристалл анодно соединяется с опорной стеклянной структурой, которая температурно согласована с кремнием. Имеется восемь идентичных проводящих контуров, каждый из которых следует схеме: контактная площадка - по длине опоры - вокруг 1/8 сегмента кольца - по длине следующей опоры - контактная площадка. Таким образом, каждая опора содержит два проводника, каждый из которых относится к соседствующим контурам, и в дополнении третий проводник, лежащий между ними, для уменьшения емкостной связи [3].
Недостатком известного устройства является низкая точность и высокий температурный дрейф из-за высокой связи с основанием, так как основная часть энергии передается кремниевой пластине, а следовательно основанию, что приводит к снижению добротности и большему воздействию возмущающих факторов на кольцевой чувствительный элемент, что приводит к снижению точности. Наличие радиальных спиц искажает моды колебаний кольцевого чувствительного элемента, что соответственно изменяет форму и, следовательно, точность выходного сигнала. Последнее существенно ухудшает точность прибора в целом. Наличие магнитной системы возбуждения и съема сигнала не только увеличивает габариты чувствительного элемента. Свойства постоянных магнитов в рабочем диапазоне температур существенно изменяются. Поэтому для обеспечения стабильности индукции необходимо введение корректирующих устройств, например термошунтирование, что усложняет схему прибора.
Магнитоэлектрический съем сигнала не обеспечивает должного уровня выходного сигнала. Для повышения мощности требуются дополнительные усилительно-преобразующие устройства. Введение последних вносит дополнительную погрешность и усложняет прибор в целом.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микромеханического устройства.
Эта задача решается за счет того, что интегральный чувствительный элемент вибрационного гироскопа, содержащий, стеклянное основание, чувствительный элемент-резонатор, схему возбуждения и съема сигнала, согласно изобретению выполнен в виде тонкостенного цилиндра из низкоомного монокристаллического кремния. А возбуждающие и съемные преобразователи емкостного типа выполнены в виде гребенок, расположенных на внешней стороне тонкостенного цилиндра, равномерно по его периметру и внутренней стороне возбуждающих и съемных электродов.
Изготовление чувствительного элемента из монокристаллического кремния в виде тонкостенного цилиндра позволяет свести к минимуму искажение первой и второй мод колебаний, так как в колебательное движение приводится верхняя кромка тонкостенного цилиндра, свободная от упругих связей в плоскости колебаний, что существенно повышает точность прибора в целом. Кроме того, закрепление резонатора в нижней центральной части его, а в прототипе по внешней стороне резонатора, увеличивает добротность и компенсирует влияние вредных воздействующих факторов, что повышает точность измерения полезного сигнала. Применение низкоомного монокристаллического кремния позволяет упростить технологию формирования систем возбуждения и съема сигнала. Это позволяет исключить операции диффузии, которые существенно могут повлиять на геометрию электродов, в частности на их взаимопарралельнолсть, что существенно влияет на точность прибора. Применение емкостных преобразователей возбуждения и съема сигнала повышает точность измерения за счет отсутствия дополнительных корректирующих устройств, вносящих погрешность измерения, например в рабочем диапазоне температур. Конфигурация электродов в виде гребенки позволяет эффективнее использовать площадь электродов. То есть при равных геометрических размерах гребенки возбуждения и съема сигнала (гребенки взаимно входят друг в друга) увеличивают полезную площадь, тем самым увеличивая силу возбуждения, и увеличивают уровень полезного измеряемого сигнала по отношению к уровню помех, что повышает точность прибора в целом.
На фиг.1 изображен предложенный чувствительный элемент вибрационного гироскопа в интегральном исполнении, причем на фиг.1а) показан вид на чувствительный элемент сверху,
где:
1 - чувствительный элемент-резонатор в виде кремниевого тонкостенного цилиндра;
2, 3, 5 - электроды возбуждения и съема сигнала;
4 - контактная площадка для подвода напряжения к резонатору-цилиндру;
6 - стеклянная пластина (основание);
7 - контактные площадки для подвода напряжения возбуждения и съема сигнала,
а на фиг.1б) в разрезе по А-А.
На фиг.2 изображены примеры выполнения чувствительного элемента-резонатора 1.
Чувствительный элемент-резонатор изготовлен ионно-плазменным травлением из низкоомного монокристаллического кремния и анодно соединен со стеклянным основанием 6. По внешней стороне резонатора 1 и напротив нее известным способом выполнены электроды возбуждения и съема сигнала 2, 3. 5. Через контактные площадки 4 и 7 осуществляют подвод напряжения для возбуждения и съема сигнала.
Для обеспечения изоляции электродов друг от друга, после анодной посадки на основание 6, перемычки в местах 8 выжигаются.
Устройство работает следующим образом.
На электроды-гребенки емкостного преобразователя 2, 3, 5 через контактные площадки 4 и 7 подается сигнал от встроенного генератора, который формирует эллиптическую моду вибрации верхней кромки цилиндра. Верхняя кромка выполнена тонкой, что обеспечивает неискаженную моду колебаний. Отсутствие радиальных спиц в рабочей плоскости мод устраняет их искажение и препятствует потери энергии, тем самым повышая добротность всего цилиндрического вибрационного гироскопа (ЦВГ). При вращении вибрирующего чувствительного элемента в результате действия кориолисовых сил происходит расщепление частот основной моды колебаний, приводящее к прецессии стоячей волны относительно резонатора и относительно инерциального пространства, которое фиксируется электродами соответствующих пар.
Положительный эффект устройства был проверен на изготовленных макетных образцах предприятия. Изготовление данного устройства упрощает техпроцесс его реализации в промышленности с увеличением точности измерения параметров движения объекта.
Источники информации
1. Leger P. Quapason - A New Low-Cost Vibrating Gyroscope//3rd Saint Petersburg International Conference of Integrated Navigation Systems.- SPb.: CSRI «Elektoropribor», 1996. - Part 1. - P.143-149.
2. Патент США №5952572, МПК G01Р 9/00.
3. Hopkin I. Performance and Design of Silicon Micromachined Gyro // Symposium Gyro Technology, Germany. - 1997. - P.1.0-1.10. (прототип).