Микрогироскоп на поверхностных акустических волнах

Микрогироскоп на поверхностных акустических волнах. Полезная модель может быть использована для измерения величины угловой скорости подвижного объекта с помощью гироскопического эффекта. Решена задача разработки микрогироскопа на ПАВ, в котором уменьшен уровень потерь полезного (информативного) сигнала за счет использования энергии второй бегущей вторичной ПАВ. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое устройство содержит генератор 1, подключенный к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах, который состоит из двух отражателей 2 и двух встречно-штырьевых преобразователей 3, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки 4, между которыми нанесена матрица навесных элементов 5, двух автогенераторов, каждый из которых состоит из усилителя 6, 7, согласующих элементов 8, 9 и линии задержки на поверхностных акустических волнах 10, 11, каждая из которых состоит из двух ВШП и включена в цепь положительной обратной связи усилителей 6 и 7 соответственно, при этом выходы автогенераторов подключены через смеситель 12 и фильтр нижних частот 13 ко входу регистратора 14. Достигаемый технический результат - уменьшение уровня потерь полезного (информативного) сигнала за счет учета энергии второй бегущей вторичной ПАВ.

Полезная модель может быть использована для измерения величины угловой скорости подвижного объекта с помощью гироскопического эффекта.

Из работы [Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тул. гос. университет, Московский гос. технологический ун-т им. К.Э.Циолковского. - Тула: Гриф и К, 2004. - 476 с., ил.] известен микрогироскоп с использованием двух инерционных масс (ИМ), крепящихся к основанию с помощью упругих подвесов, обеспечивающих им необходимые степени свободы. Для возбуждения колебаний ИМ и съема сигнала используются гребенчатые структуры.

Недостатком такого устройства является наличие элементов подвеса инерционных масс. Это обстоятельство ограничивает виброустойчивость и ударопрочность микромеханического гироскопа, с одной стороны, и требует использования сложных микротехнологий, с другой.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к данной полезной модели является микрогироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Enhanced Sensitivity of Novel Surface coustic Wave Microelectromechanical System-Interdigital Transducer Gyroscope. W. Wang, H. Oh, K. Lee, S. Yoon, S. Yang // JJAP. 2009. 48], содержащий генератор, подключенный к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах, который состоит из двух отражателей и двух встречно-штырьевых преобразователей (ВШП), нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, между которыми нанесена матрица навесных элементов, и два автогенератора, каждый из которых содержит усилитель и линию задержки на поверхностных акустических волнах, состоящей из двух встречно-штырьевых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, при этом выходы автогенераторов подключены через смеситель и фильтр нижних частот ко входу регистратора. Каждый автогенератор состоит из усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи через линию задержки (ЛЗ) на поверхностных акустических волнах, состоящую из двух ВШП, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки (фиг.1).

При отсутствии угловой скорости вокруг оси x (=0) автогенераторы работают на собственных частотах f ₀₁ и f₀₂ (фиг.1), разнос которых определяется неизбежными погрешностями изготовления ЛЗ.

При наличии угловой скорости (0) за счет эффекта Кориолиса матрица навесных элементов ПАВ-резонатора возбуждает в противоположных направлениях две вторичные бегущие поверхностные акустические волны, амплитуда которых пропорциональна вектору угловой скорости . Таким образом, осуществляется первичное преобразование измеряемой угловой скорости в информативный параметр - амплитуду первой и второй вторичных ПАВ, которые распространяются в противофазе ортогонально первичной стоячей ПАВ в противоположные стороны от матрицы навесных элементов. Далее первая вторичная поверхностная акустическая волна проходит через преобразующую линию задержки (ЛЗ), которая вместе с усилителем формирует первый автогенератор на частоте, близкой к частоте ПАВ-резонатора. В области пересечения вторичной поверхностной акустической волны с волной, бегущей в преобразующей ЛЗ, происходит их интерференция, что инициирует изменение фазовой скорости бегущей в преобразующей ЛЗ волны и, как следствие, вызывает сдвиг частоты f первого автогенератора: f₁=f₀₁±f. Следовательно, вторичным преобразованием является трансформация амплитуды индуцированной вторичной бегущей поверхностной акустической волны в вариации частоты первого автогенератора. Сигнал с его выхода поступает на вход смесителя, на второй вход которого подается сигнал второго автогенератора, образованного реперной ЛЗ и усилителем. При этом его частота остается не изменой, т.е. f₂=f ₀₂. На выходе смесителя выделяются сигналы на разностной f₁-f₂=f₀₁±f-f₀₂ и суммарной f₁+f₂ =f₀₁±f+f₀₂ частотах.

Установленный на выходе смесителя фильтр нижних частот подавляет суммарный сигнал (который при необходимости может быть использован для температурной стабилизации) и на выход микрогироскопа поступает сигнал разностной частоты, пропорциональный угловой скорости .

Недостатком этого устройства является значительная величина потерь полезного (информативного) сигнала (50%).

Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка микрогироскопа на ПАВ, в котором уменьшен уровень потерь полезного (информативного) сигнала за счет использования энергии второй бегущей вторичной ПАВ.

Для решения поставленной задачи предлагаемый микрогироскоп, также как и известный, содержит генератор, подключенный к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах. Последний состоит из двух отражателей и двух встречно-штырьевых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, между которыми нанесена матрица навесных элементов. Помимо этого предлагаемый микрогироскоп, также как и известный, содержит два автогенератора, каждый из которых содержит усилитель и линию задержки на поверхностных акустических волнах, состоящей из двух встречно-штырьевых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки. При этом выходы автогенераторов подключены через смеситель и фильтр нижних частот ко входу регистратора. Но в отличие от известного, в предлагаемом устройстве линии задержки расположены с противоположных сторон двухвходового резонатора.

Достигаемый технический результат - уменьшение уровня потерь полезного (информативного) сигнала за счет учета энергии второй бегущей вторичной ПАВ.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - схема предлагаемого микрогироскопа.

Предлагаемый микрогироскоп состоит из генератора 1, подключенного к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах, который состоит из двух отражателей 2 и двух встречно-штырьевых преобразователей 3, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки 4, между которыми нанесена матрица навесных элементов 5, двух автогенераторов, каждый из которых состоит из усилителя 6, 7, согласующих элементов 8, 9 и линии задержки на поверхностных акустических волнах 10, 11, каждая из которых состоит из двух ВШП и включена в цепь положительной обратной связи усилителей 6 и 7 соответственно, при этом выходы автогенераторов подключены через смеситель 12 и фильтр нижних частот 13 ко входу регистратора 14.

При воздействии угловой скорости вокруг оси x за счет эффекта Кориолиса возбуждаются две вторичные ПАВ А и Б, распространяющиеся в противоположные стороны. При этом их фазовые скорости V за счет смещения соседних рядов элементов в матрице 2 (фиг.1) приобретают противоположные по знаку приращения ±V. В области пересечения вторичных поверхностных акустических волн А и Б с волнами В и Г, бегущими в ЛЗ 10 и 11 соответственно, происходит их интерференция (А-В и Б-Г соответственно), что инициирует изменения фазовых скоростей бегущих в ЛЗ волн и, как следствие, вызывает смещение собственных частот f автогенераторов на величину ±f.

Сигналы с двух автогенераторов поступают на входы смесителя 12, на выходах которого выделяются разностная и суммарная частоты. Последняя подавляется с помощью фильтра нижних частот 13. Таким образом, разностная частота пропорциональна измеряемой угловой скорости и фиксируется регистратором 14.

При отсутствии угловой скорости частоты двух автогенераторов, образованных двумя усилителями 6, 7, согласующими элементами 8, 9 и двумя линиями задержки 10, 11, являющимися частотозадающими элементами двух автогенераторов, равны (f₁=f₂ =f₀), а выходной сигнал микрогироскопа равен нулю. При наличии угловой скорости, частоты двух автогенераторов приобретают дифференциальные сдвиги f, равные по величине и противоположные по знаку:

f₁=f₀+f, f₂=f₀-f.

В результате этого на выходе смесителя 12 формируется сигнал разностной частоты f₁-f ₂=2f, пропорциональный измеряемому параметру. При этом, необходимо отметить, что в прототипе выходным сигналом была просто разностная частота, т.е. f. Таким образом, в предлагаемом устройстве величина потерь полезного (информативного) сигнала уменьшится вдвое (на 50%).

Техническим результатом является уменьшение уровня потерь полезного (информативного) сигнала по причине использования энергии второй бегущий вторичной ПАВ и, как следствие, повышение точности и линейности его выходной характеристики.

Микрогироскоп на поверхностных акустических волнах, содержащий генератор, подключенный к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах, который состоит из двух отражателей и двух встречно-штырьевых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, между которыми нанесена матрица навесных элементов, и два автогенератора, каждый из которых содержит усилитель и линию задержки на поверхностных акустических волнах, состоящей из двух встречно-штырьевых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, при этом выходы автогенераторов подключены через смеситель и фильтр нижних частот ко входу регистратора, отличающийся тем, что линии задержки расположены с противоположных сторон двухвходового резонатора.