МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП-АКСЕЛЕРОМЕТР

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-акселерометр, конструктивно выполненный в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием посредством взаимно перпендикулярных торсионов. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента [патент РФ №2064682, МКИ G01P 15/08, 1993].
Недостатком данного устройства является значительный разброс в пространстве колеблющихся элементов, что приводит при работе в обычной газовой среде к появлению больших сил демпфирования. Кроме того, предложенное устройство не включает блок электроники и не является самостоятельным элементом монтажа.
Известно техническое решение, в котором в качестве инерциальных датчиков - гироскопов и акселерометров применены микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры, содержащие чувствительные элементы, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации, при этом основание блока выполнено в виде параллелепипеда с базовыми плоскостями по его граням и внутренней полостью, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации выполнены непосредственно на основании, а основание закреплено на подложке, содержащей микросборки сервисной электроники (патент РФ №2058534, МКИ G01С 21/00, 1993 г.).
Недостатком данного устройства являются большие габариты и сложность конструкции.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является инерциальный измерительный блок, содержащий защитный корпус с двухсторонней разводкой выводов микросборок сервисной электроники в плоскости, параллельной плоскости большей торцевой грани основания с размещенными на других его гранях микромеханическими гироскопами и акселерометрами, причем в корпусе размещена плата из диэлектрика, на которой закреплено указанное основание и схема обработки измерительной информации с чувствительных элементов (патент РФ №2162203, МКИ G01С 21/00, 2000 г.).
Недостатком подобного устройства является сложность конструкции, невысокая точность и недостаточная надежность, а также большие габариты и масса.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности работы устройства, а также уменьшение его массогабаритных параметров.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе-акселерометре, содержащем корпус, в котором размещены микромеханический чувствительный элемент угловой скорости, микромеханический элемент линейного ускорения, коммутационная плата и электронный блок, электронный блок может быть выполнен в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы и установлен в углублении корпуса на его нижнем уровне. Корпус может быть выполнен из керамики, снабжен крышкой и вакуумирован. Коммутационная плата может быть установлена в корпусе над электронными блоком, закреплена по периферии и может иметь прорези, расположенные над контактами интегральной схемы.
Микромеханический чувствительный элемент угловой скорости и микромеханический чувствительный элемент линейного ускорения могут быть размещены на коммутационной плате и выполнены герметичными в виде капсул.
При исполнении микромеханического гироскопа-акселерометра в виде совокупности измерительных каналов, позволяющей использовать пространственную сборку интегральной схемы и капсулированных чувствительных элементов в одном герметизированном корпусе, достигается повышение точности измерений. Предложенная конструкция обеспечивает:
- тепловую развязку между интегральной схемой и капсулами;
- минимальные значения длин микропроволочных выводов, выдерживающих значительные механические воздействия;
- малое емкостное влияние коммутационной платы с установленными капсулами на элементы интегральной схемы;
- малые значения паразитных утечек;
- компенсацию влияния линейного ускорения на измерительный канал угловой скорости;
- надежность работы капсулированных чувствительных элементов в части долговременного сохранения глубины вакуума;
- минимальные массогабаритные характеристики. Габаритные размеры устройства могут составлять в плоскости монтажа 16,5×16,5 мм и по высоте 4,8 мм.
На фиг.1 представлена компоновка устройства в разрезе.
На фиг.2 представлена схема монтажа чувствительных элементов на коммутационной плате.
Микромеханический гироскоп-акселерометр содержит корпус 1, в котором размещены микромеханический чувствительный элемент угловой скорости 2, микромеханический чувствительный элемент линейного ускорения 3, коммутационная плата 4 с прорезями 5 и электронный блок 6, выполненный в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы. Корпус 1 снабжен крышкой 7. Электронный блок 6 установлен в углублении корпуса 1 на его нижнем уровне. Коммутационная плата 4 установлена в корпусе 1, закреплена по периферии и имеет прорези 5, обеспечивающие доступ к контактам 8 интегральной схемы 6. Соединения между контактами 8 интегральной схемы 6, коммутационной платой 4 и контактами 8 чувствительных элементов 2 и 3 осуществляются микропроволокой 9.
Предложенное устройство работает следующим образом. При действии линейного ускорения в направлении оси чувствительности с выхода капсулированного микромеханического чувствительного элемента линейного ускорения 3 снимается сигнал, пропорциональный действующему ускорению. При вращении корпуса 1 вокруг оси чувствительности капсулированного микромеханического чувствительного элемента угловой скорости 2 с угловой скоростью Ω с его выхода снимается сигнал, пропорциональный величине угловой скорости Ω. Оба выходных сигнала поступают на вход специализированной сверхбольшой интегральной схемы 6 типа "система на кристалле", обеспечивающей аналого-цифровую и логическую обработку массивов данных в реальном масштабе времени. Наличие в интегральной схеме связанных единым алгоритмом обработки сигналов программируемого процессорного элемента, массива памяти, цифровых и аналоговых узлов с "жесткой" логикой и схемотехникой позволяет придавать микроэлектромеханической информационно-управляющей системе дополнительные функциональные возможности, такие как фильтрация сигнала, коррекция, обнаружение отказа, линеаризация передаточной характеристики, реконфигурация измерительных каналов и другое. Интегральная схема 6 также предусматривает возможность одновременной обработки информационных сигналов акселерометрического и гироскопического измерительных каналов, которая позволяет скомпенсировать негативное влияние ускорения на гироскопический чувствительный элемент, вызванное неидеальностью его формы (дебаланс).
В состав интегральной схемы 6 могут входить следующие функциональные блоки:
- входные усилители сигналов емкостных датчиков перемещения микромеханических акселерометров и гироскопов;
- аналого-цифровые преобразователи сигналов микромеханических акселерометров и гироскопов, а также температурного датчика;
- цифро-аналоговые преобразователи управления приводом инерционной массы микромеханического гироскопа;
- цифровой сигнальный процессор;
- микроконтроллер;
- энергонезависимая память;
- система внутренних и внешних интерфейсов;
- источник опорного напряжения;
- генератор тактовой частоты;
- супервизор.
Таким образом, заявленный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет повысить точность и надежность работы устройства, а также достичь минимальных массогабаритных характеристик.