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. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое устройство содержит генератора 1, подключенного к двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах, который состоит из двух отражателей 2 и двух встречно-штыревых преобразователей 3, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки 4, между которыми нанесена совокупность навесных элементов 5, каждый из которых выполнен в виде полуволновой пластины, имеющая длину, равную апертуре встречно-штырьевого преобразователя, ширину ₁/2 и каждый четный смещен относительно нечетного на ₂/2, где ₁ - длина волны, возбуждаемой в резонаторе на поверхностных акустических волнах, ₂ - длина возбуждаемой волны, направление распространения которой ортогонально направлению распространения волны в резонаторе на поверхностных акустических волнах, 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 - увеличение амплитуды вторичной ПАВ за счет использования иных навесных элементов.

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 Acoustic 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-штыревых преобразователей (ВШП), нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, между которыми нанесена совокупность навесных элементов и два автогенератора, каждый из которых содержит усилитель и линию задержки (ЛЗ) на поверхностных акустических волнах, состоящую из двух встречно-штыревых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, при этом выходы автогенераторов подключены через смеситель и фильтр нижних частот ко входу регистратора.

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

При наличии угловой скорости (0) за счет эффекта Кориолиса совокупность навесных элементов ПАВ-резонатора возбуждает вторичную бегущую поверхностную акустическую волну, амплитуда которой пропорциональна вектору угловой скорости . Таким образом, осуществляется первичное преобразование измеряемой угловой скорости в информативный параметр - амплитуду вторичной ПАВ, которая распространяются ортогонально первичной стоячей ПАВ. Далее поверхностная акустическая волна проходит через преобразующую ЛЗ, которая вместе с усилителем и согласующими элементами 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, согласующими элементами и усилителем. При этом его частота остается неизменной, т.е. f₂=f₀₂. 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 малая величина смещения навесных элементов ПАВ-резонатора, что, в свою очередь, приводит к малой величине амплитуды вторичной волны.

Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка микрогироскопа на ПАВ, в котором увеличена амплитуда 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-штыревых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки, между которыми нанесена совокупность 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-штыревых 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 навесные элементы выполнены в виде последовательности полуволновых пластин, каждая из которых имеет длину, равную апертуре встречно-штыревого преобразователя, ширину ₁/2 и каждый четный смещен относительно нечетного на ₂/2, где ₁ - длина волны, возбуждаемой в резонаторе на поверхностных акустических волнах, ₂ - длина возбуждаемой волны, направление распространения которой ортогонально направлению распространения волны в резонаторе на поверхностных акустических волнах.

Достигаемый технический результат - увеличение амплитуды вторичной ПАВ за счет использования иных навесных элементов.

Полезная модель 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-штыревых преобразователей 3, нанесенных на поверхность пьезоэлектрической подложки 4, между которыми нанесена совокупность 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 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 вокруг оси x за счет действия эффекта Кориолиса на совокупность навесных элементов 5 возбуждается вторичная ПАВ А, амплитуда которой пропорциональна вектору угловой скорости .

При этом ее фазовая скорость V за счет смещения соседних элементов в совокупности 5 (фиг.1) приобретает противоположные по знаку приращения ±V. В области пересечения вторичной поверхностной акустической волны А с волной Б, бегущей в ЛЗ 10, происходит их интерференция, что инициирует изменения фазовой скорости бегущей в ЛЗ волны и, как следствие, вызывает смещение собственной частоты f автогенератора, образованного ЛЗ 10, согласующими элементами 8 и усилителем 6, на величину ±f.

В результате частота этого автогенератора принимает значение f₁=f₀₁±f, где f₀₁ - частота автогенератора в отсутствии угловой скорости, f - приращение за счет интерференции вторичной ПАВ А из ПАВ-резонатора и ПАВ Б, распространяющейся в ЛЗ 10, знак «±» зависит от направления вращения. Сигнал с выхода автогенератора поступает на вход смесителя 12, на второй вход которого подается сигнал второго автогенератора, образованного реперной ЛЗ 11, согласующими элементами 9 и усилителем 7. Частота этого автогенератора остается неизменной при воздействии угловой скорости , т.е. f₂=f₀₂. На выходе смесителя 12 выделяются сигналы на разностной f₁-f₂ =f₀₁-f₀₂±f и суммарной f₁+f₂=f₀₁ +f₀₂±f частотах. Последняя подавляется с помощью фильтра нижних частот 13, а разностная частота пропорциональна измеряемой угловой скорости и фиксируется регистратором 14. Этот сигнал является информативным сигналом микрогироскопа.

Таким образом, информативный сигнал формируется в результате последовательности из двух преобразований:

1. Из угловой скорости в амплитуду вторичной ПАВ А за счет действия эффекта Кориолиса на совокупность навесных элементов;

2. Из амплитуды вторичной ПАВ А в сдвиг частоты автогенератора за счет интерференции вторичной ПАВ А с ПАВ Б, распространяющейся в ЛЗ 10.

В предлагаемом устройстве конфигурация совокупности навесных элементов отличается от прототипа, что должно обеспечить повышение эффективности первичного преобразования. Для оценки полезного эффекта проведем следующие расчеты.

Амплитуда вторичной ПАВ определяется смещениями навесных элементов, происходящими под действиями силы Кориолиса F_K. При этом =·l, где l - длина навесного элемента, - величина деформации, значение которой можно найти из выражения =/E ( - напряжение). Величина напряжнения определяется из выражения =F_K/S, где S=b·h - площадь малой боковой грани навесного элемента (b - его ширина, h - толщина), F _K=2··V·m, m - масса одного навесного элемента, V - максимальная скорость вертикального движения частиц, V=10 м/с. Смещения, рассчитанные по приведенным формулам для навесных элементов прототипа и предлагаемого устройства, приведены в таблице 1.

Таблица 1
	Длина ИМ l	Ширина ИМ b	Деформация	Напряжение , Па	Смещение , м
Устройство	50 1	1/2	4,91·10 -8	3,44·103	1,21·10-10
Прототип	1/4	1/4	2,46·10 -10	1,72·101	3,03·10-15

Из таблицы 1 видно, что эффективность использования иных навесных элементов в предлагаемом устройстве на 5 порядков выше, чем в прототипе.

Таким образом, в предлагаемом устройстве смещение навесных элементов значительно увеличивается (на 5 порядков).

Техническим результатом является значительное увеличение амплитуды вторичной ПАВ по причине использования навесных элементов больших размеров.

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 совокупность навесных элементов и два автогенератора, каждый из которых содержит усилитель, согласующие элементы 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 к входу регистратора, отличающийся тем, что навесные элементы выполнены в виде последовательности полуволновых пластин, каждая из которых имеет длину, равную апертуре встречно-штырьевого преобразователя, ширину ₁/2, и каждый четный смещен относительно нечетного на ₂/2, где ₁ - длина волны, возбуждаемой в резонаторе на поверхностных акустических волнах, ₂ - длина возбуждаемой волны, направление распространения которой ортогонально направлению распространения волны в резонаторе на поверхностных акустических волнах.