ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа.

Известен чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа [1], содержащей четыре подвижных массы, выполненные на пластине кремния. Упругие подвесы подвижных масс расположены крестообразно и закреплены в точке пересечения на струне, вдоль которой действует измеряемая угловая скорость. Принудительные колебания подвижным массам задаются в плоскости пластины, причем направления движений осуществляются в попарно-противоположных направлениях. В результате колебаний механические напряжения в точке закрепления всегда равны нулю, что повышает добротность чувствительного элемента. Возникающие знакопеременные кориолисовы силы действуют на подвижные массы в направлении, перпендикулярном плоскости пластины.

Недостатком известного устройства является его низкая точность, обусловленная тем, что возбуждаемые колебания происходят в плоскости чувствительного элемента, а измерительные колебания перпендикулярно к этой плоскости, следовательно, трудно обеспечить условие резонансной настройки в обеих плоскостях колебаний, т.к. жесткости определяются разными технологическими факторами, а для многих материалов (например, кремний) и различными физическими свойствами.

Известен также чувствительный элемент микромеханического гироскопа [2], который содержит жесткую внешнюю рамку и центр, соединенный с неподвижным основанием и с рамкой четырьмя несущими жесткими растяжками, расположенными крестообразно. Между рамкой и центром на тридцати двух Г-образных подвесах подвешены четыре одинаковые подвижные массы, каждая из которых состоит из пяти квадратных пластин. Упругие подвесы имеют в сечении вытянутую форму и своим вытянутым направлением перпендикулярны плоскости подвижных масс. По одной из сторон каждого из подвесов и растяжек проходят проводники, которые привариваются к электрическим контактным площадкам, расположенным в центре закрепления чувствительного элемента к неподвижному основанию. Подвижные массы могут колебаться только в одной плоскости, чем исключается влияние перекрестных угловых скоростей.

Недостатком данного устройства является то, что данная система закрепления требует тщательной балансировки чувствительного элемента, так как в процессе изготовления последнего из-за неоднородности травления, а также из-за неравнотолщинности монокристаллических пластин кремния, из которых изготавливаются чувствительные элементы микромеханических гироскопов, происходит расбаланс масс и неоднородность жесткости подвесов соответствующих масс, что приводит к резкому снижению добротности системы. И только очень трудоемкая балансировка может позволить свести к нулю все нежелательные моменты.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микромеханического гироскопа и снижение трудоемкости его изготовления.

Эта задача решается за счет того, что в чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, прямоугольную внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижные массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой шестью упругими Г-образными подвесами, согласно изобретению дополнительно введена внешняя рамка, соединенная с внутренней рамкой четырьмя перемычками, расположенными по осям симметрии чувствительного элемента, по одной перемычке на каждой стороне рамок, и соединенная с основанием через четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки.

Повышению добротности колебательной системы чувствительного элемента способствует то, что заявленный чувствительный элемент имеет дополнительную внешнюю прямоугольную рамку с расположенными на ней в углах площадками для соединения с основанием, а центральная площадка для закрепления отсутствует. Количество и расположение площадок таково, чтобы обеспечить минимальную трудоемкость балансировки с минимальной потерей добротности. При этом расположение перемычек играет важную роль, т.к. обеспечивает распределение деформации на дополнительной рамке таким образом, чтобы свести к нулю их на площадках закрепления, в отличие от прототипа, где максимальную добротность с центральной точкой закрепления невозможно обеспечить существующими методами балансировки. 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.

На чертеже показан вид на предложенный чувствительный элемент микромеханического гироскопа сверху. Цифровые позиции на чертежах имеют следующие обозначения:

1 - дополнительная прямоугольная внешняя рамка;

2 - перемычки;

3 - подвижная масса (всего четыре массы);

4 - внутренняя рамка;

5 - площадка крепления внешней рамки к основанию (всего четыре площадки);

6 - контактная площадка (всего двадцать контактных площадок);

7 - центр;

8 - несущая жесткая растяжка (всего четыре растяжки);

9 - Г-образный упругий подвес (всего тридцать два).

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа содержит две прямоугольные, предпочтительно квадратные, рамки: внешнюю 1 и находящуюся внутри внешней рамки 1 внутреннюю рамку 4. Внешняя рамка 1 связана с внутренней рамкой 4 жесткими перемычками 2, которые расположены по осям симметрии чувствительного элемента, причем каждая пара сторон рамок 1 и 4 соединяются одной перемычкой 2. По углам внешней рамки 1 расположены четыре площадки 5 для жесткого крепления внешней рамки 1 к неподвижному стеклянному основанию (на чертеже не показано). Все четыре подвижные массы 3 являются одинаковыми. Вся площадь чувствительного элемента, ограниченная внутренней рамкой 4, четырьмя несущими жесткими растяжками 8 делится на четыре равные части, в каждой из которых расположена одна из четырех подвижных масс 3. Растяжки 8 соединяют центр 7 чувствительного элемента с каждой из четырех сторон внутренней рамки 4. Подвижные массы 3 соединены с центром 7 и с внутренней рамкой 4 тридцатью двумя упругими подвесами 9, имеющими Г-образную форму, причем для соединения подвижных масс 3 с центром 7 служит восемь подвесов 9, а с внутренней рамкой 4 подвижные массы 3 соединяются двадцатью четырьмя подвесами 9 (по шесть подвесов 9 на каждую подвижную массу 3). Все тридцать два упругих подвеса 9 являются одинаковыми, имеют большую жесткость в направлении, перпендикулярном плоскости чувствительного элемента (ось z), и малую жесткость в направлении осей Х и Y. В связи с этим подвижные массы 3 имеют возможность перемещаться только в плоскости пластины. Подвижные массы выполнены за одно с обеими рамками 1 и 4, подвесами 9, растяжками 8 и центром 7 из пластины кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости 100 (возможно также применение плоскости 110). На внутренней рамке 4 расположены контактные площадки 6. Чувствительный элемент микромеханического гироскопа работает следующим образом.

При подаче на прибор питания подвижные массы 3 начинают попарно колебаться по оси Х в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента относительно оси Z на подвижные массы 3 начинает действовать кориолисово ускорение, направление которого зависит от направления линейной скорости, а величина определяется величиной угловой скорости. Кориолисово ускорение преобразуется в знакопеременную кориолисову силу, которая перемещает каждую подвижную массу 3 в направлении, перпендикулярном действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и воздействующей внешней угловой скорости, при этом в преобразователе перемещения наводится э.д.с., пропорциональная внешней угловой скорости.

Источники информации

1. Патент США № 5952572, выдан 14.09.1999 г. МПК G01P 9/00, НКИ 73/504.04.

2. Патент РФ № 2222780, опубликован 27.01.2004 г. МПК G01C 19/56, G01P 9/04. (прототип).