МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения и может найти применение в инерциальных системах навигации, ориентации, в автопилотах авиа- и судомоделей, в системах управления подвижных объектов.
Микромеханические гироскопы представляют собой объемные многослойные микроструктуры, изготовленные из кристаллического материала, рабочие процессы в которых поддерживаются электроникой, выполненной по планарной технологии на одном или нескольких из слоев микроструктуры.
Одной из основных причин, вызывающих погрешность измерений микромеханического гироскопа, является изменение температуры окружающей среды.
Известен инерциальный измерительный блок [патент РФ №2162203, МПК G01C 21/00, 2000 г.], содержащий корпус с размещенными на его гранях микромеханическими гироскопами, акселерометрами, а также датчиком температуры, выполненным в виде бескорпусного транзистора и установленным на основании.
Недостатком данного технического решения является невысокая точность измерения температуры. Температура измеряется в одной точке основания на одной из его граней.
Другим, близким по своей технической сущности устройством, является микромеханический гироскоп, описанный в статье [I.P. Prikhodko, А.А. Trusov, and A.M. Shkel. Achieving long-term blas stability in high-Q inertial MEMS by temperature self-sensing with a 0,5 millicelcius precision, Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop Hilton Head Island, South Carolina. June 3-7, 2012, p/ 287-290]. Измерение температуры здесь происходит с достаточно высокой точностью и в том месте, где это необходимо - внутри корпуса гироскопа. Об изменении температуры судят по изменению частоты колебаний инерционной массы гироскопа.
К недостаткам следует отнести сложность устройства. Для его реализации требуются высокоточные схемы измерения частоты колебаний инерционной массы гироскопа. Другим недостатком данного технического устройства является зависимость изменения частоты колебаний инерционной массы в том числе и от внешних воздействий, например, от линейных ускорений основания.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является микромеханический капсулированный гироскоп [патент РФ №53768, МПК G01C 19/56, 2006 г.] содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с нанесенным на нее слоем кремния, крышку, выполненную из диэлектрического материала и скрепленную с корпусом, электростатический датчик силы, датчик перемещений, инерционную массу, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки, генератор, электронную схему обработки сигналов, опорные элементы, токоподводы, размещенные внутри платы.
Недостатком данного технического решения является невысокая точность, обусловленная изменением температуры окружающей среды.
Задачей полезной модели является повышение точности работы микромеханического гироскопа в условиях изменения температуры окружающей среды.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с нанесенным на нее слоем кремния, крышку, выполненную из диэлектрического материала и скрепленную с корпусом, электростатический датчик силы, датчик перемещений, инерционную массу, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки, генератор, электронную схему обработки сигналов, опорные элементы, токоподводы, размещенные внутри платы, может быть введен датчик температуры, выполненный в виде петлеобразной кремниевой дорожки, проложенной по периметру платы в зоне контакта крышки с платой, и подсоединенной своими концами к соответствующим токоподводам. Электростатический датчик силы, датчик перемещений, инерционная масса, упругие перемычки, опорные элементы и датчик температуры могут быть выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.
При введении датчика температуры, выполненного в виде петлеобразной кремниевой дорожки, проложенной по периметру платы в зоне контакта крышки с платой, и подсоединенной своими концами к соответствующим токоподводам, обеспечивается компенсация температурных погрешностей и как следствие - повышение точности работы микромеханического гироскопа в условиях изменения температуры окружающей среды. Предложенный датчик температуры позволяет измерять интегральную температуру капсулы, в которой размещен микромеханический гироскоп, путем измерения величины тока, протекающего по кремниевой дорожке как по тонкопленочному резистору. Электрическое сопротивление кремниевой дорожки зависит от длины и толщины слоя кремния. Длина дорожки может достигать нескольких миллиметров. Толщина слоя кремния может достигать величины 50 микрон. Сопротивление такого резистора может доходить до десятков кОм. Такой датчик температуры прост в изготовлении и является практически безынерционным. Его показания не зависят от линейного или углового ускорения движения основания.
На фиг.1 представлен общий вид микромеханического гироскопа в разрезе.
На фиг.2 представлена конфигурация кремниевой дорожки. Остальные элементы (датчик силы, датчик перемещений, инерционная масса, упругие перемычки, опорные элементы) не показаны.
Микромеханический гироскоп (фиг.1, 2) содержит корпус 1, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с нанесенным на нее слоем кремния, крышку 2, выполненную из диэлектрического материала и скрепленную с корпусом 1 при помощи анодной сварки, электростатический датчик силы, датчик перемещений, инерционную массу 3, расположенную с зазором относительно платы 1 и связанную с ней через упругие перемычки, генератор, электронную схему обработки сигналов, опорные элементы, токоподводы 4, размещенные внутри платы 1, датчик температуры 5, выполненный в виде петлеобразной кремниевой дорожки, проложенной по периметру платы 1 в зоне контакта крышки 2 с платой 1. Датчик температуры 5 подсоединен своими концами к токоподводам 4, размещенным внутри платы 1.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При включении питания инерционная масса 3 совершает возвратно-поступательные движения на частоте генератора. При вращении корпуса 1 с угловой скоростью ϖ вокруг оси чувствительности Z-Z возникают кориолисовы силы инерции, приложенные к инерционной массе 3. Под воздействием этих сил инерционная масса 3 совершает вдоль оси Y-Y колебания, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости. Сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний инерционной массы 3, снимается с выхода датчика перемещений, а затем преобразуется электронной схемой обработки в выходной сигнал. При изменении температуры окружающей среды с датчика температуры 5 снимается электрический сигнал, который подается в электронную схему обработки сигналов для формирования компенсирующего сигнала.
Таким образом может быть осуществлено измерение угловой скорости движения корпуса 1 вокруг оси Z-Z.
Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить точность измерения в условиях изменения температуры окружающей среды.