ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

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, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, а также дополнительно введенную внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя перемычками, расположенными по осям симметрии чувствительного элемента, по одной перемычке на каждой стороне рамок, и соединенную с основанием через четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки [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, каждый резонатор содержит 6 мм кремниевое кольцо, поддерживаемое восемью радиально податливыми спицами, которые прикреплены к опорной рамке 10×10 мм; Токопроводящие проводники осаждаются и формируются 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 [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, 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. 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 измерения угловой скорости.
Для достижения этого в чувствительном элементе датчика угловой скорости, выполненном на подложке из монокристаллического кремния, содержащем дополнительно чувствительный элемент кольцевого типа, содержит дополнительные опорные рамки, раздельно для первого и второго кольца - внешнюю и внутреннюю, причем внешняя опорная рамка закреплена на основании через площадки крепления, расположенные в углах. внешней опорной рамки, между площадками крепления и внешней опорной рамкой сформированы сквозные щели с обеих сторон каждой площадки крепления.
Признаком, отличающим, предложенный чувствительный элемент датчика угловых скоростей от известного является то, что в чувствительном элементе датчика угловых скоростей, выполненном на подложке монокристаллического кремния содержится две опорные рамки. И именно раздельно для первого и второго кольца - внешнюю и внутреннюю. Таким образом, исключается связь между двумя кольцами через опорную рамку. При возбуждении колебаний в обоих кольцах объемная волна от обоих колец через упругие торсионы колец вызывает время-переменную деформацию своей опорной рамки и не передается друг другу. Тем самым не оказывает влияние на стабильность колебаний обоих колец и, как следствие, повышает точность прибора. Внешняя опорная рамка закреплена на основании через площадки крепления, которые расположены в углах внешней опорной рамки. Такое расположение площадок крепления и такое закрепление на основании уменьшает связь колебательной системы с основанием и резко уменьшает потери энергии данной колебательной системой, повышая точность прибора. Между площадками крепления и внешней опорной рамкой сформированы сквозные щели с обеих сторон каждой площадки крепления. Любая деформация основания от воздействия внешних факторов передается на внешнюю рамку через площадки крепления. Сформированные сквозные щели между площадками крепления и внешней опорной рамкой существенно уменьшают влияние вредных внешних факторов. Так при воздействии положительных и отрицательных температур - сквозные щели сужаются или расширяются - препятствуя, воздействую деформации от внешних факторов. При действии вибрации на основание сквозные щели отсекают возникающие объемные волны и препятствуют прохождению их через опорную рамку на кольцо тем самым уменьшая погрешность, следовательно увеличивая точность.
На фиг.1 изображен чувствительный элемент датчика угловой скорости где:
1 - первое кольцо,
2 - второе кольцо,
3 - упругие подвесы первого кольца,
4 - упругие подвесы второго кольца,
5 - внутренняя опорная рамка,
6 - площадки крепления,
7 - внешняя опорная рамка,
8 - сквозные щели.
Чувствительный элемент датчика угловых скоростей, выполненный из монокристалла кремния содержит первое кольцо 1, соединенное с внешней опорной рамкой 7 через упругие подвесы первого кольца 3. Внешняя опорная рамка 7 прикреплена к основанию (не показано) через площадки крепления 6, расположенные в углах внешней рамки 7. Между площадками крепления 6 и внешней опорной рамкой 7 сформированы сквозные щели 8 с обеих сторон каждой площадки крепления 6. Второе кольцо 2 через упругие подвесы второго кольца 4 соединено с внутренней опорной рамкой 5, прикрепленное к основанию (не показано).
Чувствительный элемент датчика угловой скорости работает следующим образом.
При подаче переменного напряжения на первое и второе кольца 1, 2 в магнитном поле кольца начинают попарно колебаться в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента датчика угловой скорости относительно оси, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента, на первое и второе кольца 1, 2 начинает действовать кориолисовы силы, которые возбуждают колебания в направлении измерительной оси, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости. Разделение опорной рамки на внешнюю 7 и внутреннюю 5 исключает связь между двумя кольцами 1, 2. Объемная волна от обоих колец 1, 2 через упругие торсионы колец 3, 4 вызывает время-переменную деформацию обеих опорных рамок 5 и 7 и не передается друг другу. Тем самым не оказывает влияние на стабильность колебаний обоих колец 1, 2 и, как следствие, повышает точность прибора. Внешняя опорная рамка 7 закреплена на основании через площадки крепления 6, которые расположены в углах внешней опорной рамки 7. Такое расположение площадок крепления 6 и такое закрепление на основании уменьшает связь колебательной системы с основанием и резко уменьшает потери энергии данной колебательной системой, повышая точность прибора. Между площадками крепления 6 и внешней опорной рамкой 7 сформированы сквозные щели 8 с обеих сторон каждой площадки крепления 6. Любая деформация основания от воздействия внешних факторов передается на внешнюю рамку 7 через площадки креплении 6. Сформированные сквозные щели 8 между площадками крепления 6 и внешней опорной рамкой 7 существенно уменьшают влияние вредных внешних факторов. Так при воздействии положительных и отрицательных температур - сквозные щели 8 сужаются или расширяются - препятствуя, воздействую деформации от внешних факторов. При действии вибрации на основание сквозные щели 8 отсекают возникающие объемные волны и препятствуют прохождению их через опорную рамку 7 на кольцо 1 тем самым уменьшая погрешность, следовательно увеличивая точность.
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. - P. 1.0-1.10.
4. Патент РФ №2379630 - прототип.