ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
SENSITIVE ELEMENT OF ANGULAR SPEED SENSOR

Изобретение 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.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является датчик угловых скоростей с чувствительным элементом, выполненным в виде кольцевого резонатора [3]. Чувствительный элемент выполнен из монокристаллического кремния, каждый резонатор содержит шестимиллиметровое 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.
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.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности прибора, благодаря повышению добротности колебательной системы, а также снижению влияния внешних возмущающих факторов.
Эта задача решается за счет того, что в чувствительном элементе датчика угловой скорости, выполненном на подложке монокристаллического кремния, в котором сформировано кольцо, поддерживаемое радиально податливыми упругими подвесами, которые прикреплены к внешней опорной рамке, дополнительно введен чувствительный элемент кольцевого типа, соединенный с основным чувствительным элементом упругими подвесами, через опорную рамку, расположенную между ними.
Высокая добротность колебательной системы обеспечивается минимальными потерями энергии в точке закрепления чувствительного элемента с неподвижным основанием за счет возбуждения колебаний обоих чувствительных элементов, осуществляемых одновременно в противофазе со стабилизацией амплитуды. При этом главный вектор силы и главный момент в точке закрепления упругих подвесов обеих колец на опорной рамке чувствительного элемента близки к нулю, то есть взаимодействие с основанием отсутствует.
При воздействии внешних возмущающих факторов происходит их вычитание. Тем самым сводится к нулю погрешность измерения и повышается точность прибора в целом.
На чертеже показан вид чувствительного элемента датчика угловой скорости, где 1 - опорная рамка; 2, 3 - упругие подвесы; 4, 5 - кольца (подвижные массы); 6 - неподвижное основание.
Чувствительный элемент датчика угловой скорости содержит опорную рамку 1, закрепленные на ней через упругие подвесы 2 и 3 кольцо (подвижная масса) 4 с одной стороны, и с другой стороны кольцо (подвижная масса) 5, неподвижное основание 6. Упругие элементы 2 и 3 являются одинаковыми. Подвижные массы 4 и 5, равные по величине, выполнены за одно целое с упругими элементами 2 и 3 из пластины монокристаллического кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости 100 (возможно также применение плоскости 110).
Чувствительный элемент датчика угловой скорости работает следующим образом.
При подаче на прибор питания подвижные массы 4 и 5 начинают попарно колебаться в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента относительно оси, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента, на подвижные массы 4 и 5 начинают действовать кориолисовы силы, которые возбуждают колебания в направлении измерительной оси, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости.
Учитывая, что потери энергии данной колебательной системой определяются работой деформационных сил в точке закрепления, которые, как показал анализ при помощи программы ANSIS, равны нулю, т.к. равны нулю деформации и напряжения, то добротность предложенного чувствительного элемента является достаточно высокой по сравнению с прототипом, что естественно повышает и точность измерения. В целом предложенное изобретение снижает и трудоемкость, т.к. уменьшается балансировка без снижения точности.
Источники информации
1. Патент РФ №2301969, МПК G01С 19/56, G01Р 9/04, опубл. 27.06.2007 г.
2. Патент США №5911156, МКИ G01С 19/00, НКИ 73/504.16, опубл. 8.06.1999 г.
3. Hopkin I. Performance and Design of Silicon Micromachined Gyro // Symposium Gyro Technology, Germany. - 1997. - P.1.0-1.10. (прототип).