Микромеханический гироскоп

Полезная модель относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в которых для повышения точности используется так называемая самокомпенсация (self-compensation в зарубежной терминологии), и может быть использована для измерения угловой скорости в системах управления подвижных объектов различного назначения, а также в качестве индикаторов движения объектов. Подробно принципы построения ММГ вибрационного типа с одной, двумя и большим числом инерционных масс (ИМ) описаны в ряде публикаций [C.Acar, A. Shkel, MEMS Vibratory Gyroscopes, 2009 Springer Science, 262pp, p.18, 68,82, 05, V. Apostolyuk, Coriolis Vibratory Gyroscopes, Springer International Publishing, pp122, p44,].
Рабочий диапазон температур современных ММГ превосходит, как правило, 100°C. При изменении температуры окружающей среды могут изменяться как нулевой сигнал ММГ, так и его крутизна или масштабный коэффициент. Одним из способов повышения точности ММГ является формирование от датчиков температуры (ДТ) сигналов, которые затем используются для компенсации изменений, вызванных изменениями температуры окружающий среды.
Эти датчики температуры (ДТ) конструктивно могут располагаться вне ММГ, а также быть встроены в специализированную интегральную схему (ИС), предназначенную для работы совместно с микромеханическим чувствительным элементом (ЧЭ) ММГ, как это описано в патенте США № 8476970, МПК H03B1/00, H03K5/00, H04B1/10, опубл. 02.07.2013. К недостаткам этих решений относится то, что в первом случае из-за разных мест расположения ДТ и ММГ их температуры не совпадают и разность температур может изменяться при изменении температуры окружающей среды. Во втором случае, несмотря на то, что ИС размещают достаточно близко к ЧЭ, из-за нагрева ИС (потребляемая ИС мощность составляет 0,1-0,2Вт) температуры ДТ, встроенного в ИС, и ЧЭ не совпадают и разность температур может изменяться как в переходных процессах после подачи напряжения, так и при изменении температуры окружающей среды.
Для исключения отмеченных погрешностей термокомпенсации предложено определять температуру ЧЭ путем измерения зависящих от температуры характеристик конструктивных элементов ЧЭ.
-4
-5
Таким элементом в ЧЭ ММГ является высокодобротный резонансный подвес инерционной массы (ИМ), изменения его резонансной частоты и добротности могут составлять соответственно примерно  10-10%/˚C и (0,1-0,3) %/˚C температуры [I. Prikhodko et al. Compensation of drifts in high-Q MEMS gyroscopes using temperature self-sensing, Sens.Actuators A: Phys. (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.sna2012.12.024, и Lukshonkov R.G., Nekrasov Ya.A.Results from studies of MEMS gyros with thermal self-compensation / Proceedings 22nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. – 2015. – pp. 329-333].
Возможность измерения добротности резонатора в реальном времени в работающем резонаторе показана в патенте РФ №2564699, МПК G01H 13/00, опубл. 10.10.2015. Для этого измеряют выходной сигнал блока (или схемы) автоматического регулирования усиления (АРУ) при возбуждении колебаний в резонаторе. Устройство для измерения добротности резонансного контура содержит цепь положительной обратной связи, выполненную в виде последовательно включенных усилителя и устройства сдвига фазы, цепь отрицательной обратной связи, содержащую источник опорного сигнала и последовательно включенные детектор, дифференциальный усилитель и умножитель. Источник опорного сигнала соединен с входом дифференциального усилителя, вход детектора и второй вход умножителя соединены с выходом устройства сдвига фазы.
Известен ММГ по патенту РФ № 2535248, МПК G01C 19/56, опубл. 10.12.2014, содержащий чувствительный элемент с резонансным подвесом инерционной массы, электроды, расположенные по двум ортогональным осям вокруг инерционной массы, электронный блок, включающий в себя последовательно включенные первый преобразователь емкость-напряжение, блок АРУ, усилитель, и последовательно включенные второй преобразователь емкость-напряжение, демодулятор, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователей емкость-напряжение, а выход - с входом блока температурной коррекции, при этом второй вход блока температурной коррекции соединен с выходом блока АРУ.
На точность температурной коррекции в этом устройстве влияют два основных фактора: изменение характеристик клеевого соединения ЧЭ ММГ с корпусом при изменении температуры и измеряемая ММГ угловая скорости Ω.
Первый фактор обусловлен тем, что в ММГ по патенту РФ № 2535248 используется одна ИМ, для колебания которой с помощью электродов формируются силы, действующие между ИМ и основанием ЧЭ, закрепляемого в корпусе ММГ с помощью клеевого соединения.
Влияние клеевого соединения на добротность подвеса ИМ исследовалось в ряде работ. В частности, в работе [A. Trusov et al, Study of Substrate Energy Dissipation Mechanism in in-Phase and Anti-Phase Micromachined Vibratory Gyroscopes IEEE SENSORS 2008 Conference  pp.168-171] исследовались резонансные свойства подвеса двухмассового ММГ при разных режимах возбуждения первичных колебаний: синфазном, при котором две подвешенные массы колеблются синфазно, т.е. их направления колебаний совпадают, и противофазном, т.е. когда колебания масс имеют встречные направления. Добротность подвеса в режиме синфазных колебаний из-за действия клеевого соединения может снижаться на порядок и более, тогда как в режиме противофазных колебаний двух масс добротность подвеса не изменяется.
Существенное влияние материала крепления ЧЭ к корпусу на характеристики микромеханических датчиков отмечается в ряде работ [S. Fischer et al,  Influence of Materials Data on the Performance Modelling in the Design of MEMS Packages, 9th Int’l Symposium on Advanced Packaging Materials, 2004, pp.57-62., Z. Hou et al, Effect of die attachment on key dynamical parameters of micromachined gyroscopes, Microsyst Technol (2012) 18:pp.507–513, A. Filipe et al, Impact of die-attach materials on MEMS Gyro performance, Inertial Sensors and Systems (ISISS), 2014 International Symposium].
z
Второй фактор обусловлен наличием в ММГ перекрестной связи между каналом вторичных колебаний и каналом первичных колебаний. При вращении ММГ вокруг его оси чувствительности с угловой скоростью Ω, в канале первичных колебаний возникают возмущения, что видно из матричного уравнения движения ИМ [J.Cui et al, Study on the quadrature error under varying ambient pressure for a bulk micromachined Z-axis gyroscope, 9th International Conference on Solid-State and Integrated-Circuit Technology, 2008. ICSICT 2008, pp.2440 - 2443.]:
,
где
- m –масса ИМ;
- x, y - соответственно оси, по которым происходят соответственно первичные и вторичные колебания ИМ;
- ,  - диагональные элементы матрицы демпфирования колебаний;
- ,  - диагональные элементы матрицы жесткости;
- ,  - коэффициенты перекрестного демпфирования;
- , - коэффициенты перекрестной жесткости;
z
- Ω - угловая скорость вращения ММГ вокруг его оси чувствительности.
z
z
z
z
2
В виду того, что амплитуда вторичных колебаний ИМ пропорциональна Ω, упомянутые выше возмущения (силы, обусловленные членом 2Ωmy') содержат составляющие, пропорциональные Ω. и Ω, которые искажают зависимость выходного сигнала блока АРУ от температуры.
z
Это подтверждается результатами эксперимента с ММГ с блоком температурной коррекции по патенту РФ № 2535248, в котором измерялся сигнал на выходе цифрового блока АРУ при многократных изменениях угловой скорости Ω и при постоянной температуре окружающей среды [Lukshonkov R.G., Nekrasov Ya.A.Results from studies of MEMS gyros with thermal self-compensation / Proceedings 22nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. – 2015. – pp. 329-333].
apy
z
apy
z
Полученная в результате экспериментов зависимость выходного сигнала схемы АРУ (U) от Ω имеет вид параболы. Отличие текущих значений выходного сигнала блока АРУ от их медианного значения не превышает ±0,25 относительных единиц, что примерно в 10 раз меньше диапазона изменения U при изменении Ω на ±180˚/с.
При изменении температуры окружающей среды на 130˚С изменение выходного сигнала схемы АРУ составило 100 относительных единиц (о.е.), что соответствует крутизне изменения сигнала на выходе схемы АРУ, равной 1,3˚С/1 о.е. При изменении угловой скорости в пределах ±180˚/с изменения сигнала на выходе схемы АРУ при постоянной температуре окружающей среды доходят до 3 о.е., что в пересчете через крутизну схемы АРУ, рассматриваемого как датчик температуры, составляет около 4˚С.
На основе анализа матричного уравнения (1) и экспериментов в работе [Моисеев Н. В. Микромеханический гироскоп компенсационного типа с расширенным диапазоном измерения, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, С-Петербург, 2015, 123 стр.] показано, что эта погрешность особенно проявляется в широкодиапазонных ММГ.
Таким образом, недостатком аналога по пат. РФ № 2535248, содержащего чувствительный элемент с резонансным подвесом инерционной массы, блок (схему) АРУ и блок температурной коррекции является низкая точность при работе в широком диапазоне измеряемых угловых скоростей и чувствительность к изменениям свойств клеевого соединения ЧЭ с корпусом.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ММГ, приведенный в работе [I. Prikhodko et al. Compensation of drifts in high-Q MEMS gyroscopes using temperature self-sensing, Sens.Actuators A: Phys. (2013), рр. 517–524].
Этот ММГ содержит ЧЭ, в вакуумированной камере которого выполнены опоры резонансного подвеса по крайней мере двух  инерционных масс с элементами механической связи между ними и системой силовых и измерительных электродов, расположенных по осям первичных и вторичных колебаний вокруг и/или внутри инерционных масс, корпус, в котором с помощью клеевого соединения установлен чувствительный элемент, и электронное устройство, включающее в себя блок возбуждения первичных колебаний, содержащий схему АРУ, суммирующее устройство и устройство сдвига фазы входного сигнала, выполненное в виде схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при этом вход и первый выход блока возбуждения, являющийся выходом суммирующего устройства, соединены соответственно с измерительными и силовыми электродами, расположенными по оси первичных колебаний, блок выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний, блок температурной компенсации, входы которого соединены со вторым выходом блока возбуждения первичных колебаний, на который поступает сигнал от схемы ФАПЧ, и выходом блока выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний.
Более подробно конструкция ЧЭ прототипа описана в работе [A. Trusov et al, MEMS Gyroscope with Interchangeable Modalities of Operation pp.168-171].
-6
Недостатком прототипа является то, что в нем для выделения сигнала, пропорционального температуре ЧЭ, необходимо использовать дополнительное устройство - опорный источник стабильной частоты (см. раздел 3.3. Temperature Self-Sensing Accuracy and Precision работы с описанием прототипа). Из-за малой крутизны зависимости резонансной частоты подвеса от температуры для получения погрешности измерения температуры на уровне 0,1˚С нестабильность частоты опорного источника должна быть не хуже 10% во всем температурном диапазоне работы ММГ, который превышает, как правило, 100˚С. В настоящее время таких малогабаритных источников не существует и поэтому основное преимущество ММГ - малые габариты не может быть реализовано с термокомпенсацией, реализованной в прототипе.
Технической проблемой полезной модели является создание микромеханического гироскопа с повышенной точностью при сохранении его габаритов за счет уменьшения влияния изменения измеряемой угловой скорости на точность выработки сигналов, компенсирующих влияние температуры на выходной сигнал и увеличения крутизны сигнала, используемого для компенсации влияния температуры за счет использования зависимости добротности резонансного подвеса ЧЭ от температуры.
Поставленная проблема решается тем, что ММГ, содержащий чувствительный элемент, в вакуумированной камере которого выполнены опоры резонансного подвеса по крайней мере двух инерционных масс с элементом механической связи между ними и системой силовых и измерительных электродов, расположенных по осям первичных и вторичных колебаний вокруг инерционных масс, корпус, в котором с помощью клеевого соединения установлен чувствительный элемент, и электронное устройство, включающее в себя блок возбуждения первичных колебаний, содержащий преобразователь емкость-напряжение, входы которого соединены с измерительными электродами, расположенными по оси первичных колебаний, схему автоматического регулирования усиления (АРУ) и устройство сдвига фазы входного сигнала, входы каждого из которых соединены с выходом преобразователя емкость-напряжение, а первый выход схемы АРУ и выход устройства сдвига фазы входного сигнала через первое суммирующее устройство соединены с силовыми электродами, расположенными по оси первичных колебаний, блок выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний, входы которого соединены с измерительными электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, блок температурной компенсации, входы которого соединены со вторым выходом схемы АРУ и выходом блока выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний, дополнительно содержит блок преобразования входного сигнала и второе суммирующее устройство, выход которого соединен с входом блока температурной компенсации, первый вход второго суммирующего устройства соединен со вторым выходом схемы АРУ, второй вход соединен с выходом блока преобразования входного сигнала, вход которого соединен с выходом блока выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний.
Кроме того, поставленная проблема решается тем, что в ММГ между выходом второго суммирующего устройства и входом блока температурной компенсации введено устройство нелинейной коррекции.
По сравнению с прототипом в предложенном устройстве достигается уменьшение габаритов за счет того, что в нем термокомпенсация достигается за счет использования стандартных элементов, применяемых в цифровой или аналоговой технике, введение  которых не увеличивает габариты специализированной ИС ММГ.
По сравнению с аналогом в предложенном устройстве достигается повышение точности за счет использования многомассового ЧЭ, на работу которого, в том числе и на добротность подвеса, клеевое соединение ЧЭ с корпусом оказывают значительно меньшее влияние, а так же за счет компенсации ошибок при формировании сигнала, пропорционального температуре, за счет дополнительных блока преобразования входного сигнала, в котором формируется полином 2-ой степени от сигнала, пропорционального измеряемой угловой скорости, и второго суммирующего устройства, в котором компенсируется аддитивная помеха, зависящая от измеряемой угловой скорости, и устройства нелинейной коррекции, реализующего нелинейную зависимость выходного сигнала от входного, что в результате обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала устройства нелинейной коррекции от температуры ЧЭ.
Заявляемое устройство и его работа поясняется чертежами, схемами и графическими зависимостями, приведенными на фиг. 1 – фиг. 8, в которых применяются следующие обозначения:
1 - ЧЭ;
2а, 2б - опоры резонансного подвеса;
3а, 3б - торсионы;
4, 5 - первая и вторая ИМ;
6а - 6г, 7а - 7г - электроды гребенчатой электродной структуры;
8а, 8б, 9а, 9б - электроды, расположенные по оси вторичных колебаний;
10 - элемент механической связи между первой и второй ИМ.
11 - корпус;
12 - слой клея между наружной поверхностью основания ЧЭ1 и внутренней поверхностью корпуса 11.
13 - блок возбуждения первичных колебаний;
1
14 -первый преобразователь емкость–напряжение (C/V);
15 - схема АРУ (АРУ);
16 - устройство сдвига фазы входного сигнала (Δφ);
17 - первое суммирующее устройство (Σ1);
18 - блок выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний;
2
19 - второй преобразователь емкость–напряжение (C/V);
20 - демодулятор (ДМ);
21 - блок температурной компенсации;
22 - канал первичных колебаний;
23 - канал вторичных колебаний;
24 - второе суммирующее устройство;
25 - блок преобразования входного сигнала;
26 - устройство нелинейной коррекции.
1
2
На фиг. 1 представлен чертеж чувствительного элемента. На фиг. 2 показано размещение чувствительного элемента в корпусе. На фиг. 3 представлены схемы блока возбуждения первичных колебаний и блока выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний. Блоки 14 - 17, 19, 20 обозначены как C/V, АРУ, Δφ, Σ1, C/V и ДМ соответственно. На фиг.4 показана блок-схема предложенного ММГ. На фиг.5 приведены графики экспериментально полученных изменений выходного сигнала блока АРУ гироскопа ММГ-ЭП-1с резонансной частотой подвеса, равной ≈3 кГц, в зависимости от угловой скорости Ω вокруг оси чувствительности ММГ для многократных изменений угловой скорости при постоянной температуре окружающей среды и график медианного значения этих изменений, обозначенное как "med". На фиг.6 приведены графики медианного значения экспериментально полученных изменений выходного сигнала схемы АРУ в зависимости от угловой скорости Ω вокруг оси чувствительности ММГ фирмы Tronic’s GYPRO3300 с резонансной частотой подвеса, равной ≈ 11 кГц, для многократных изменений угловой скорости при постоянной температуре окружающей среды. Разброс значений выходного сигнала схемы АРУ показан точками вокруг медианного значения. На фиг.7 приведен график зависимости выходного сигнала ММГ от температуры для нескольких термоциклов без компенсации и с компенсацией от встроенного в ASIC термодатчика. На фиг.8 приведен график зависимости выходного сигнала для того же ММГ от выходного сигнала схемы АРУ без компенсации и с компенсацией от схемы АРУ.
ЧЭ 1 (фиг.1) включает в себя две ИМ (4,5), выполненные в виде кольца. Эти ИМ на торсионах 3 подвешены к опоре 2, закрепляемой на основании ЧЭ, находящемся под опорой (на фиг. 1 не показано). Торсионы 3 а, б и опоры 2 а, б ИМ 4, 5 идентичны. Конструкция ЧЭ 1 симметричная относительно горизонтальной оси, проходящей через горизонтально расположенные торсионы 3, и вертикальной оси, проходящей через середину элемента 10 для механической связи ИМ 4, 5. Все элементы 2-10 находятся в вакуумированной камере (на фиг. 1 не показана).
Первичные колебания ИМ 4, 5 происходят вокруг осей, перпендикулярных плоскости чертежа. Ось вторичных колебаний совпадает с горизонтальной осью симметрии ЧЭ. ММГ измеряет угловую скорость Ω вокруг вертикальной оси симметрии. За счет того, что в ЧЭ присутствует элемент 10 резонансные частоты синфазного и противофазного колебаний ИМ 4, 5 разнесены. Это при соответствующем управлении (напряжениях) на электродах гребенчатой электродной структуры позволяет возбуждать противофазные колебания ИМ 4,5.
Электроды 6-7 и 8-9 содержат подвижную часть, которая связана с соответствующей ИМ и неподвижную, закрепленную на основании, которую также называют статор.
Электроды 6-7, образующие гребенчатую электродную структуру предназначены для формирования канала первичных колебаний. Они попарно могут использоваться как измерительные, так и силовые электроды. Параллельно указанным электродам могут быть подключены соответственно электроды, расположенные симметрично относительно горизонтальной оси симметрии. Например, при соединении статоров электродов 6а и 6г, 7а и 7г, образуются дифференциально изменяющиеся емкости в случае вращения ИМ 4, 5 в разных направлениях. При объединении статоров электродов 6б и 6в, 7б и 7в и подачи на них управляющих напряжений будут создаваться моменты, действующие на ИМ 4, 5 в противоположных направлениях.
Конструктивно ЧЭ 1 выполнен как чип, представляющий собой вакуумированную камеру, внутри которой расположены элементы 2-10. Выводы от внутренних элементов ЧЭ (статоров электродов, опоры подвесов) выведены на контактные площадки на наружной поверхности ЧЭ 1, которые соединены проводами с выводами корпуса. Тонкий слой клея 12 обеспечивает фиксацию основания ЧЭ 1 на внутренней поверхности корпуса 11 (фиг.2).
В блоке 13 (фиг. 3) возбуждения первичных колебаний выход преобразователя 14 емкость-напряжение соединен с входом схемы АРУ 15 и входом устройства 16 сдвига фазы. Один выход схемы АРУ 15 и выход устройства 16 сдвига фазы соединены с входами первого суммирующего устройства 17. Другой выход схемы АРУ 15 соединен с входом второго суммирующего устройства 24 (см. фиг.4). Структура схемы АРУ блока возбуждения первичных колебаний ММГ подробно описана в работе [J Cui et al., Transient response and stability of the AGC-PI closed-loop controlled MEMS vibratory gyroscopes, J. Micromech, Microeng. 19 (2009) 125015, 1-17pp].
В ММГ блок 13 возбуждения первичных колебаний соединен входами преобразователя 14 емкость-напряжение с измерительными электродами гребенчатой электродной структуры, например, один вход элемента 13 соединен с электродами 6а,6г, а второй - с электродами 7а,7г. Выходы блока 13 соединены с электродами 6б,6г и 7б,7в.
При таком соединении и сдвиге фазы устройством 16 сдвига фазы входного сигнала, равном 90º, силы электростатического поля, действующие на статоры гребенчатой структуры ИМ 4 и ИМ 5, оказываются противофазными и равными по амплитуде, в ММГ возникают резонансные колебания ИМ 4 и ИМ 5 в противоположных направлениях.
Блок 18 выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний может содержать преобразователь 19 емкость-напряжение, выход которого соединен с входом демодулятора 20 (фиг. 3). В ММГ вход для опорного сигнала демодулятора 20 соединен с выходом устройства 16 сдвига фазы входного сигнала. Входы преобразователя 19 емкость-напряжение соединены со статорами электродов 9а, 8б и 8а, 9б.
Угловые колебания ИМ 4, 5 относительно оси вторичных колебаний в ММГ возникают под действием ускорения Кориолиса при наличии угловой скорости Ώ. Эти колебания преобразователем 19 преобразуются в напряжение на частоте первичных колебаний. В случае, когда расстройка между резонансными частотами первичных и вторичных колебаний составляет 3-5%, сдвиг фазы вторичных колебаний ИМ 4, 5 относительно первичных близок к 90º. В этом случае демодулятор 20 выделяет огибающую напряжения на выходе преобразователя 19, которая пропорциональна измеряемой угловой скорости Ώ, с максимальным коэффициентом передачи. В случае нулевой расстройки между резонансными частотами первичных и вторичных колебаний вход для опорного сигнала демодулятора 20 необходимо соединить с выходом блока 14. Эта связь показана на фиг.3 пунктиром.
Отметим, что различные варианты конструкций ЧЭ, содержащих две и более ИМ, блоков возбуждения первичных колебаний и выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний достаточно подробно описаны в разных публикациях [B. Chaumet et al, A new silicon tuning fork gyroscope for aerospace applications,  symposium gyro technology, 2009 , Y. Bo et al, Research on a New Decoupled Dual-mass Micro-Gyroscope, The Tenth International Conference on Electronic Measurement & Instruments, ICEMI2011, pp. 205-208].
Применение этих и подобных конструкций и блоков возбуждения первичных колебаний и выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний не влияет на сущность полезной модели.
Канал 22 первичных колебаний (фиг. 4), включает в себя блок 13 возбуждения первичных колебаний (фиг.3), ИМ 4, ИМ 5 на торсионном подвесе и гребенчатую электродную структуру, показанные на фиг.1.
Канал 23 вторичных колебаний (фиг.4) включает в себя блок 18 выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний с элементами 19, 20 (фиг. 3), электроды 8а, 8б, 9а, 9б и ИМ 4, ИМ 5 на торсионном подвесе, показанные на фиг.1.
Входы блока 21 температурной компенсации соединены с выходом блока 18, который является выходом канала 23 вторичных колебаний, и выходом второго суммирующего устройства 24 непосредственно или через устройство 26 нелинейной коррекции.
Выходы схемы АРУ 15 и блок 25 преобразования входного сигнала соединены с входами второго суммирующего устройства 24. Выход блока 18 выделения выходного сигнала канала вторичных колебаний соединен с входом блока 25 преобразования входного сигнала.
Предложенный ММГ работает следующим образом. В канале 22 первичных колебаний блоком 13 формируются напряжения на электродах 6,7 гребенчатой структуры. Формируемые этими электродами силы электростатического поля изменяются с частотой, равной резонансной частоте противофазных колебаний ИМ 4, 5. Амплитуды этих сил одинаковы, фазы сдвинуты на 180. Эти силы действуют в противофазе на подвижные и неподвижные электроды. Инерционные массы ИМ 4, 5, с которыми связаны подвижные электроды, колеблются в противофазе с постоянными и равными амплитудами вокруг осей, перпендикулярных плоскости чертежа. Суммарная сила, действующая со стороны неподвижных электродов на вакуумированную камеру, в которой находятся элементы 2 - 10, равна нулю. Поэтому свойства слоя клея 12 не влияют на поведение канала 22 первичных колебаний.
z
z
z
При вращении ММГ вокруг оси чувствительности из-за действия сил Кориолиса возникают колебания ИМ 4, 5 вокруг оси вторичных колебаний (горизонтальная ось на фиг.1) и изменяют емкости электродов 8, 9. Изменения этих емкостей в канале 23 вторичных колебаний преобразуются элементом 19 в электрический сигнал, который демодулятором 20 преобразуется в сигнал, пропорциональный угловой частоте Ω колебаний ММГ. Помимо составляющей, пропорциональной Ω, выходной сигнал демодулятора 20 содержит аддитивную составляющую, которая зависит от температуры окружающей среды. Коэффициент преобразования Ω в выходной сигнал демодулятора 20 также может изменяться при изменении температуры окружающей среды. Для уменьшения влияния температуры на выходной сигнал ММГ в нем используется температурная коррекция.
Температурная коррекция в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом.
2
0
1
2
0
1
2
2
Выходной сигнал схемы АРУ 15 в ММГ зависит от температуры ЧЭ (крутизна этой зависимости составляет (0,1-0,3) %/˚C), и от измеряемой угловой скорости Ω. Этот сигнал содержит составляющую, зависящую от температуры Т (f(T)) и аддитивную составляющую, представляющую собой полином 2-ой степени от измеряемой угловой скорости Ω (Р(Ω)=a+a Ω+a Ω, где a, a, a -постоянные коэффициенты).
1
Обозначим сигнал на выходе канала 23 вторичных колебаний как y, а сигнал на выходе блока 25 преобразования входного сигнала как f(y).
2
1
На входы устройства 24 суммирования поступают сигналы {f(T) + Р(Ω)} от устройства 15 и f(y) от блока 25.
1
2
Выбрав f(y) = -Р(y) и принимая во внимание, что сигнал y на выходе канала 23 вторичных колебаний примерно пропорционален Ω, получим, что сигнал на выходе суммирующего устройства 24 будет представлять собой зависимость только от температуры Т, т.е. f(T).
2
И значения коэффициентов полинома Р(Ω) и зависимость f(T) могут быть определены экспериментально, как показано в работе [Lukshonkov R.G., Nekrasov Ya.A. Results from studies of MEMS gyros with thermal self-compensation / Proceedings 22nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. – 2015. – pp. 329-333]. Для этого ММГ помещают на поворотный стол с термокамерой и измеряют выходные сигналы блоков 15, 18 при разных значениях скорости вращения поворотного стола и температуры.
2
Блок 25, который преобразует входной сигнал y в полином второй степени P(y), может быть реализован с помощью аналоговых (например, аналоговых умножителей и операционных усилителей) или цифровых элементов, применяемых в ASIC (специализированных интегральных схемах). [Справочник по нелинейным схемам: Проектирование устройств на базе аналоговых функциональных модулей и интегральных схем. Под редакцией Д. Шейнголда, М, «Мир», 1977, стр.37, фиг.2.1.1.].
1
2
Во всем диапазоне изменения рабочих температур Т (для многих применений он превышает 100˚С, и зачастую лежит в пределах минус 40-85˚С) для ММГ индустриального класса точности температурные погрешности сигнала y (отличие от величины, пропорциональной Ω) не превышают, как правило, 1%, т.е., например, при диапазоне измерения ММГ ± 200˚/c погрешность определения Ω без использования температурной коррекции оказывается <2˚/c. Такая погрешность определения Ω приводит к погрешности измерения температуры по выходному сигналу схемы АРУ не более 0,01-0,2˚С в случае, когда f(y) = -Р(y).
Как показывают экспериментальные исследования различных ММГ с цифровой специализированной интегральной схемой, максимальные отклонения зависимости выходного сигнала схемы АРУ от квадратичной зависимости в пересчете от условных единиц к температуре находятся на уровне 0,5-3˚С [Lukshonkov R.G., Nekrasov Ya.A. Results from studies of MEMS gyros with thermal self-compensation / Proceedings 22nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. – 2015. – pp. 329-333]. При этом следует отметить, что с повышением резонансной частоты подвеса ИМ от 3 до 11 кГц эта погрешность снижалась примерно в пропорции отношения резонансных частот подвеса ИМ.
2
С учетом того, что у современных ММГ резонансная частота подвеса находится на уровне 20-30 кГц, можно прогнозировать, что в них максимальные отклонения зависимости выходного сигнала схемы АРУ от квадратичной зависимости составит не более 0,1-0,2˚С и соответственно при компенсации составляющей Р(y) ошибка измерения температуры не будет превышать величины 0,2˚С. Соответственно, с такой точностью измерения температуры температурная компенсации ММГ позволит уменьшить смещения нуля ММГ с резонансной частотой 20-30 кГц до 0,004˚/c.
При линейной зависимости выходного сигнала схемы АРУ от температуры Т температурная коррекция блоком 21 осуществляется так же, как и в прототипе. Зависимость, близкая к линейной, имеет место при диапазоне температур на уровне 30-50˚С [Ferguson et al (2005) Effect of temperature on MEMS vibratory rate gyroscope. Aerospace Conference IEEE. pp1-6].
В случае более широкого температурного диапазона эта зависимость представляет собой степенную функцию (в зависимости от глубины вакуумирования ее степень находится в диапазоне от минус 0,5 до минус 3), и тогда целесообразно выполнить нелинейную коррекцию сигнала на выходе устройства 24 суммирования. Для этого между соответствующим входом блока 21 температурной компенсации и выходом устройства 24 суммирования в ММГ введено устройство 26 нелинейной коррекции.
Это устройство может представлять собой вычислительное устройство, которое вычисляет обратную функцию зависимости выходного сигнала устройства 24 суммирования от температуры ЧЭ, оно может быть реализовано, например, в виде элемента памяти, в котором хранятся табличные значения этой зависимости, либо с использованием аналоговых многофункциональных устройств, описываемых в главе 3.5 упомянутой выше книге Д. Шейнголда.
Реализация вводимых в ММГ в соответствии с формулой полезной модели элементов и их связей возможна в рамках специализированной ИС, применяемой для управления ЧЭ, т.к. операции суммирования, вычисления полинома 2-ой степени и степенной функции не вызывают затруднений при использовании цифровой техники.
Таким образом, в предложенном устройстве достигается температурная коррекция сигнала ММГ простыми средствами, реализуемыми в используемой в ММГ специализированной ИС без применения сложного и прецизионного источника частоты, как это имеет место в прототипе. Это позволяет повысить точность и сохранить габариты ММГ.
Достижение технического результата полезной модели подтверждается результатами экспериментов и моделирования, представленными на фиг.5-8.
Экспериментально получены графики изменений выходного сигнала блока АРУ гироскопа ММГ-ЭП-1с резонансной частотой подвеса, равной ≈3 кГц, в зависимости от угловой скорости Ω вокруг оси чувствительности ММГ для многократных изменений угловой скорости при постоянной температуре окружающей среды и график медианного значения этих изменений, обозначенное как "med" (фиг.5).
Зависимость медианного значения выходного сигнала схемы АРУ от угловой скорости описывается полиномом второй степени. Максимальные отличия выходного сигнала схемы АРУ от медианного значения в пересчете от о.е. к градусам не превышают 3 ºС.
Экспериментально получены графики медианного значения изменений выходного сигнала схемы АРУ в зависимости от угловой скорости Ω вокруг оси чувствительности ММГ фирмы Tronic’s GYPRO3300 с резонансной частотой подвеса, равной ≈ 11 кГц, для многократных изменений угловой скорости при постоянной температуре окружающей среды (фиг. 6). Разброс значений выходного сигнала схемы АРУ показан точками вокруг медианного значения.
Как видно из графика на фиг.6 зависимость медианного значения от угловой скорости является квадратичной, разность между медианным значением и реализациями находится на уровне 1 о.е., что соответствует примерно 0,5ºС, при диапазоне изменений медианного значения примерно равному 8 о.е., т.е. на порядок меньше.
Компенсация этой зависимости с помощью устройства 24 суммирования позволяет уменьшить погрешность определения температуры ЧЭ, обусловленную влиянием угловой скорости Ω на порядок (до 0,5 ºС для данного типа ММГ).
Полученные зависимости выходного сигнала ММГ от температуры для нескольких термоциклов без компенсации и с компенсацией от встроенного в ASIC термодатчика показывают, что компенсация уменьшила смещение нуля от 5˚/c до 0,5˚/c, но не изменила ширину петли гистерезиса зависимости смещения нуля, который возникает при изменении температуры в разных направлениях (фиг.7).
Были определены зависимости выходного сигнала для того же ММГ от выходного сигнала схемы АРУ при тех же условиях без компенсации и с компенсацией от схемы АРУ при постобработке выходных сигналов схемы АРУ и канала 23 вторичных колебаний (фиг. 8). В этом случае компенсация позволила уменьшить ширину петли гистерезиса. Изменения выходного сигнала ММГ находятся в пределах 0,1˚/c, т.е. достигается примерно 5-кратное уменьшение погрешности смещения нуля при переходе к предложенному устройству.
Таким образом, эксперименты подтвердили, что вносимая от влияния угловой скорости Ώ ошибка в работу схемы АРУ как измерителя температуры, имеет квадратичную зависимость от Ώ, медианное значение этой зависимости для многократных изменений Ώ с увеличением резонансной частоты подвеса ИМ снижается, что позволяет более точно определять температуру непосредственно ЧЭ по сигналу схемы АРУ и осуществлять эффективную термокомпенсацию смещения нуля и масштабного коэффициента ММГ.
В ряде экспериментов было достигнуто кратное повышение точности ММГ по сравнению с массово применяемой термокомпенсацией от встроенного в специализированную ИС термодатчика.
По сравнению с прототипом в предложенном устройстве достигается приемлемая точность при использовании специализированной ИС той же сложности, что и ранее используемые в ММГ, без использования высокостабильных резонаторов, применение которых приводит к возрастанию габаритов устройства.