Микромеханический гироскоп
Использование: в области измерительной техники, для измерения угловых скоростей подвижных объектов, в частности в инерциальных системах навигации.
Сущность изобретения: микромеханический гироскоп содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор, токоподводы, электронную схему обработки сигналов. Токоподводы размещены внутри платы. Крышка, скрепленная с корпусом, придает конструкции форму капсулы, из которой откачиваестя воздух.
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.
Известно техническое решение [Лестев A.M., Попова И.В., Пятышев Е.Н., Лурье М.С., Семенов А.А., Евстифеев М.И. Разработка и исследование микромеханического гироскопа / Гироскопия и навигация, №2 (25), 1999, с.3-10], в котором микромеханический гироскоп содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы, датчик перемещений, две инерционные массы, выполненные в виде пластин из кремния со сквозными отверстиями, расположенные с зазором относительно платы и связанные с ней через упругие перемычки, обеспечивающие угловые и линейные перемещение инерционных масс относительно платы, генератор, электронную схему обработки сигналов.
Недостатком этого решения является ограниченная точность устройства, обусловленная несовпадением центров масс чувствительных элементов с центрами их подвеса. Кроме того, использование угловых перемещений инерционных масс относительно платы ограничивает чувствительность устройства к переносной угловой скорости и снижает добротность такой колебательной системы. Поэтому в конструкциях современных микромеханических гироскопов стараются использовать поступательное движение инерционных масс.
Известно также техническое решение [Патент США №4598585 кл. G 01 C 15/02, 1986 г.], в котором микромеханический гироскоп содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы, датчик перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через
упругие перемычки, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор, токоподводы и электронную схему обработки сигналов.
Известный микромеханический гироскоп обладает следующим недостатком.
Вследствие неизбежной неперпендикулярности осей подвеса инерционной массы и погрешности установки датчика перемещений колебания, возбуждаемые генератором по наружной оси, будут присутствовать непосредственно в колебаниях по внутренней оси и вызывать погрешности измерения. Хотя указанная помеха сдвинута по фазе относительно полезного измеряемого сигнала (в пределе на 90°), требуется выделение малого полезного сигнала на фоне большой помехи. Это является сложной технической задачей и в конечном итоге служит причиной снижения точности микромеханического гироскопа.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп [Свидетельство на полезную модель №23974, G 01 C 19/56, зарегистрированное в Госреестре полезных моделей РФ 20 июля 2002 г.], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор, токоподводы и электронную схему обработки сигналов. Инерционная масса выполнена в форме квадрата, а упругие перемычки образуют внутренний, промежуточный и наружный подвесы.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность из-за демпфирования воздухом колебаний инерционной массы, а также из-за влияния вихревых воздушных потоков на работу устройства. Кроме того, гибкие токоподводы создают паразитные емкости, снижающие точность и надежность работы устройства.
Целью разработки является повышение точности и надежности работы микромеханического гироскопа.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического
материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика, силы и датчика перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор, электронную схему обработки сигналов, токоподводы, введена крышка, выполненная из диэлектрического материала и скрепленная с платой. В плате могут быть размещены токоподводы.
При исполнении микромеханического гироскопа в закрытом виде, т.е. в виде капсулы, из которой откачивается воздух, устраняется демпфирование, а также влияние вихревых потоков на работу устройства и тем самым повышается точность измерения угловой скорости. Размещение токоподводов в плате позволяет снизить уровень паразитных емкостей, упростить конструкцию и повысить надежность работы устройства.
На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического гироскопа.
Микромеханический гироскоп содержит корпус 1, выполненный в виде платы из диэлектрического материала. В корпусе 1 размещена инерционная масса 2, выполненная в виде пластины из кремния. Инерционная масса 2 подвешена в корпусе 1 на упругих перемычках, обеспечивающих перемещение инерционной массы 2 вдоль осей Х-Х и Y-Y, совпадающих с ее осями симметрии и лежащих в плоскости инерционной массы 2. Ось чувствительности Z-Z располагается перпендикулярно плоскости инерционной массы 2. Крышка 3, выполненная из диэлектрического материала, скреплена с корпусом 1 устройства. В плате 1 проделаны отверстия, внутри которых размещены токоподводы 4.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При включенном питании инерционная масса 2 совершает возвратно-поступательные движения на частоте генератора. При вращении корпуса 1 с угловой скоростью 
вокруг оси чувствительности Z-Z, возникают кориолисовы силы инерции, приложенные к инерционной массе 2. Под действием этих сил инерционная масса 2 совершает вдоль оси Y-Y колебания, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости . Сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, снимается с выхода датчика перемещений 7, а затем преобразуется электронной схемой обработки сигналов.
Таким образом, может быть осуществлено измерение угловой скорости движения корпуса 1 вокруг оси Z-Z.
Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить точность измерений и надежность работы.
1. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки, обеспечивающие перемещение инерционной массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, генератор, электронную схему обработки сигналов, токоподводы, отличающийся тем, что введена крышка, выполненная из диэлектрического материала и скрепленная с корпусам микромеханического гироскопа.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что токоподводы размещены внутри платы.
