Чувствительный элемент датчика угловой скорости

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических гироскопах для систем управления подвижных объектов различного назначения. Задачами, на решение которых направлена настоящая полезная модель, являются повышение точности. Чувствительный элемент датчика угловых скоростей, выполнен на подложке монокристаллического кремния. Содержит дополнительные опорные рамки, раздельно для первого и второго кольца - внешнюю и внутреннюю. Внешняя опорная рамка закреплена на основании через площадки крепления. Площадки крепления расположены в углах внешней опорной рамки. Между площадками крепления и внешней опорной рамкой сформированы сквозные щели.

Полезная модель 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.

Известен датчик угловых скоростей с чувствительным элементом, выполненным в виде кольцевого резонатора. Чувствительный элемент выполнен из монокристаллического, каждый резонатор содержит 6 мм 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 [3].

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.

Известен чувствительный элемент датчика угловой скорости, выполненном на подложке монокристаллического кремния, в котором дополнительно введен чувствительный элемент кольцевого типа, а возбуждение колебаний обоих чувствительных элементов осуществляется одновременно в противофазе со стабилизацией амплитуды [4]. Недостатком данного устройства является то, опорная рамка является источником потери энергии данной колебательной системой. Так как, деформационные силы в точке закрепления опорной рамки к основанию, не совсем равны нулю и деформируют упругие подвесы. Это увеличивает нулевой сигнал датчика - снижая точность. Увеличивая габаритные размеры опорной рамки можно свести к нулю напряжения. Однако это значительно увеличивает габариты чувствительного элемента, то есть невозможно обеспечить максимальную добротность колебательной системы, которой определяется точность прибора в целом.

Другим недостатком данного устройства является то, что при возбуждении колебаний в обоих кольцах объемная волна от обоих колец через упругие торсионы колец вызывает время-переменную деформацию опорной рамки, являющуюся опорой для обоих колец. Тем самым оказывается влияние на стабильность колебаний обоих колец. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.

Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, являются повышение точности измерения угловой скорости.

Для достижения этого в чувствительном элементе датчика угловой скорости, выполненном на подложке из монокристаллического кремния, содержащем дополнительно чувствительный элемент кольцевого типа, содержит дополнительные опорные рамки, раздельно для первого и второго кольца - внешнюю и внутреннюю, причем внешняя опорная рамка закреплена на основании через площадки крепления, расположенные в углах. внешней опорной рамки, между площадками крепления и внешней опорной рамкой сформированы сквозные щели с обеих сторон каждой площадки крепления.

Признаком, отличающим, предложенный чувствительный элемент датчика угловых скоростей от известного является то, что в чувствительном элементе датчика угловых скоростей, выполненном на подложке монокристаллического кремния содержится две опорные рамки. И именно раздельно для первого и второго кольца - внешнюю и внутреннюю. Таким образом, исключается связь между двумя кольцами через опорную рамку. При возбуждении колебаний в обоих кольцах объемная волна от обоих колец через упругие торсионы колец вызывает время-переменную деформацию своей опорной рамки и не передается друг другу. Тем самым не оказывает влияние на стабильность колебаний обоих колец и, как следствие, повышает точность прибора. Внешняя опорная рамка закреплена на основании через площадки крепления, которые расположены в углах внешней опорной рамки. Такое расположение площадок крепления и такое закрепление на основании уменьшает связь колебательной системы с основанием и резко уменьшает потери энергии данной колебательной системой, повышая точность прибора. Между площадками крепления и внешней опорной рамкой сформированы сквозные щели с обеих сторон каждой площадки крепления. Любая деформация основания от воздействия внешних факторов передается на внешнюю рамку через площадки крепления. Сформированные сквозные щели между площадками крепления и внешней опорной рамкой существенно уменьшают влияние вредных внешних факторов. Так при воздействии положительных и отрицательных температур - сквозные щели сужаются или расширяются - препятствуя, воздействую деформации от внешних факторов. При действии вибрации на основание сквозные щели отсекают возникающие объемные волны и препятствуют прохождению их через опорную рамку на кольцо тем самым уменьшая погрешность, следовательно увеличивая точность.

На фиг.1 изображен чувствительный элемент датчика угловой скорости где:

1 - первое кольцо,

2 - второе кольцо,

3 - упругие подвесы первого кольца,

4 - упругие подвесы второго кольца,

5 - внутренняя опорная рамка,

6 - площадки крепления,

7 - внешняя опорная рамка,

8 - сквозные щели.

Чувствительный элемент датчика угловых скоростей, выполненный из монокристалла кремния содержит первое кольцо 1, соединенное с внешней опорной рамкой 7 через упругие подвесы первого кольца 3. Внешняя опорная рамка 7 прикреплена к основанию (не показано) через площадки крепления 6, расположенные в углах внешней рамки 7. Между площадками крепления 6 и внешней опорной рамкой 7 сформированы сквозные щели 8 с обеих сторон каждой площадки крепления 6. Второе кольцо 2 через упругие подвесы второго кольца 4 соединено с внутренней опорной рамкой 5, прикрепленное к основанию (не показано).

Чувствительный элемент датчика угловой скорости работает следующим образом.

При подаче переменного напряжения на первое и второе кольца 1, 2 в магнитном поле кольца начинают попарно колебаться в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента датчика угловой скорости относительно оси, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента, на первое и второе кольца 1, 2 начинает действовать кориолисовы силы, которые возбуждают колебания в направлении измерительной оси, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости. Разделение опорной рамки на внешнюю 7 и внутреннюю 5 исключает связь между двумя кольцами 1, 2. Объемная волна от обоих колец 1, 2 через упругие торсионы колец 3, 4 вызывает время-переменную деформацию обеих опорных рамок 5 и 7 и не передается друг другу. Тем самым не оказывает влияние на стабильность колебаний обоих колец 1, 2 и, как следствие, повышает точность прибора. Внешняя опорная рамка 7 закреплена на основании через площадки крепления 6, которые расположены в углах внешней опорной рамки 7. Такое расположение площадок крепления 6 и такое закрепление на основании уменьшает связь колебательной системы с основанием и резко уменьшает потери энергии данной колебательной системой, повышая точность прибора. Между площадками крепления 6 и внешней опорной рамкой 7 сформированы сквозные щели 8 с обеих сторон каждой площадки крепления 6. Любая деформация основания от воздействия внешних факторов передается на внешнюю рамку 7 через площадки креплении 6. Сформированные сквозные щели 8 между площадками крепления 6 и внешней опорной рамкой 7 существенно уменьшают влияние вредных внешних факторов. Так при воздействии положительных и отрицательных температур - сквозные щели 8 сужаются или расширяются - препятствуя, воздействую деформации от внешних факторов. При действии вибрации на основание сквозные щели 8 отсекают возникающие объемные волны и препятствуют прохождению их через опорную рамку 7 на кольцо 1 тем самым уменьшая погрешность, следовательно увеличивая точность.

Источники информации:

1. Патент РФ 2301969

2. Патент США 5911156

3. Hopkin I. Performance and Design of Silicon Micromachined Gyro//Symposium Gyro Technology, Germany. - 1997. - P. 1.0-1.10.

4. Патент РФ 2379630 - прототип.

Чувствительный элемент датчика угловой скорости, выполненный на подложке из монокристаллического кремния, содержащий дополнительно чувствительный элемент кольцевого типа, отличающийся тем, что содержит дополнительные опорные рамки, раздельно для первого и второго кольца - внешнюю и внутреннюю, причем внешняя опорная рамка закреплена на основании через площадки крепления, расположенные в углах внешней опорной рамки, между площадками крепления и внешней опорной рамкой сформированы сквозные щели с обеих сторон каждой площадки крепления.

РИСУНКИ