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, опорные элементы, рамку, 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, электронную схему обработки сигналов. Упругие перемычки образуют внутренний и наружный подвесы и выполнены изогнутыми.

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 А.М., 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 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 и электронную схему обработки сигналов. Инерционная масса выполнена в форме квадрата, а упругие перемычки образуют внутренний, промежуточный и наружный подвесы. Внутренний подвес содержит четыре упругие перемычки, связанные одними концами с инерционной массой, а другими концами с серединами упругих перемычек, образующих промежуточный подвес. Промежуточный подвес содержит четыре упругие перемычки, образующие квадрат, стороны которого параллельны сторонам инерционной массы, а вершины, являющиеся концами упругих перемычек, закреплены на корпусе. Наружный подвес содержит четыре упругие перемычки, расположенные параллельно сторонам инерционной массы, оба конца каждой из перемычек закреплены на корпусе, а их середины связаны с серединами упругих перемычек, образующих промежуточный подвес, через подвижные электроды

гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений. Электроды гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений размещены по разные стороны инерционной массы в направлении ее осей симметрии.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность из-за влияния первичных колебаний инерционной массы на выходной сигнал микромеханического гироскопа вследствие возможных поворотов инерционной массы вокруг оси чувствительности.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности 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 осей, совпадающих с первой и второй осью симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости промежуточные элементы, генератор, электронную схему обработки сигналов, упругие перемычки образуют внутренний, промежуточный и наружный подвесы. Внутренний подвес может содержать восемь упругих перемычек, связанных одними концами с инерционной массой, а другими концами с промежуточными элементами. В инерционной массе могут быть выполнены четыре сквозные прорези, лежащие на двух параллельных прямых, расположенных по разные стороны первой оси симметрии инерционной массы. Промежуточный подвес может содержать четыре спаренные упругие перемычки, лежащие на двух параллельных прямых, расположенных по разные стороны второй оси симметрии инерционной массы. Наружный подвес может содержать десять упругих перемычек, связанных одними концами с корпусом, а другими концами с промежуточными элементами.

При исполнении микромеханического гироскопа, у которого инерционная масса связана с корпусом упругими перемычками, образующими внутренний, промежуточный и наружный подвесы, устраняется влияние первичных колебаний инерционной массы на выходной сигнал микромеханического гироскопа и тем самым повышается точность измерения угловой скорости.

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 со сквозными отверстиями 3. Инерционная масса 2 подвешена в корпусе 1 на упругих перемычках, образующих внутренний, промежуточный и наружный подвесы. Внутренний подвес содержит восемь упругих перемычек 22, 23, 24, 25, 36, 37, 38, 39. В инерционной массе 2 выполнены четыре сквозные прорези, лежащие на двух параллельных прямых, расположенных по разные стороны первой оси симметрии Х-Х инерционной массы 2. Внутри прорезей размещаются упругие перемычки 22, 23, 24, 25. Промежуточный подвес содержит четыре сдвоенные упругие перемычки 26, 27, 28, 29, лежащие на двух параллельных прямых, расположенных по разные стороны второй оси симметрии Y-Y инерционной массы 2. Наружный подвес может содержать десять упругих перемычек 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 30, 31, связанных одними концами с корпусом 1, а другими концами с промежуточными элементами 10, 11, 12, 13. Упругие перемычки обеспечивают 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. Гребенчатый электростатический датчик силы 4 содержит неподвижный 5 и подвижный 6 электроды.

Для обеспечения необходимой точности в устройстве осуществлена резонансная настройка. Частота возбуждения колебаний выбрана равной частоте собственных колебаний упругой системы. Требуемая полоса пропускания устройства обеспечивается применением обратной связи.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При включенном питании под воздействием электростатических сил в зазорах датчика силы 4 на частоте генератора инерционная масса 2 совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси Х-Х. При вращении корпуса 1 с угловой скоростью вокруг оси чувствительности Z-Z, перпендикулярной плоскости инерционной массы 2, 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 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.

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 осей, совпадающих с первой и второй осью симметрии инерционной массы и лежащих в ее плоскости, промежуточные элементы, генератор, электронную схему обработки сигналов, отличающийся тем, что упругие перемычки образуют внутренний, промежуточный и наружный подвесы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний подвес содержит восемь упругих перемычек, связанных одними концами с инерционной массой, а другими концами с промежуточными элементами.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в инерционной массе выполнены четыре сквозные прорези, лежащие на двух параллельных прямых, расположенных по разные стороны первой оси симметрии инерционной массы.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что промежуточный подвес содержит четыре сдвоенные упругие перемычки, лежащие на двух параллельных прямых, расположенных по разные стороны второй оси симметрии инерционной массы.

5. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что наружный подвес содержит десять упругих перемычек, связанных одними концами с корпусом, а другими концами с промежуточными элементами.