RU84541U1 - MICROMECHANICAL GYROSCOPE - Google Patents

Abstract

1. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, наружную рамку, связанную с платой через упругие перемычки, первую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с наружной рамкой через упругие перемычки, вторую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной рамки из кремния со сквозными отверстиями и расположенную в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы и связанную с ней через упругие перемычки, вибропривод, датчик перемещений и блок электроники, отличающийся тем, что введен электростатический датчик силы, содержащий подвижные элементы, закрепленные на второй инерционной массе, и неподвижные элементы, закрепленные на плате, первый вход которого через блок электроники подключен к выходу датчика перемещений. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введено дифференцирующее устройство, вход которого подключен к выходу датчика перемещений, выход подключен к второму входу электростатического датчика силы. ! 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что микромеханический гироскоп выполнен в виде капсулы.1. A micromechanical gyroscope containing a housing made in the form of a board made of dielectric material, an outer frame connected to the board through elastic jumpers, a first inertial mass made in the form of a rectangular silicon plate with a rectangular slot in the center and through holes, located with a gap relative to boards and connected to the outer frame through elastic jumpers, a second inertial mass made in the form of a rectangular silicon frame with through holes and located in a rectangular space in the plane of the first inertial mass and connected through elastic bridges, a vibration drive, a displacement sensor and an electronics unit, characterized in that an electrostatic force sensor is introduced containing movable elements fixed to the second inertial mass and fixed elements mounted on the board, the first whose input through the electronics is connected to the output of the displacement sensor. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that a differentiating device is introduced, the input of which is connected to the output of the displacement sensor, the output is connected to the second input of the electrostatic force sensor. ! 3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the micromechanical gyroscope is made in the form of a capsule.

Description

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.The invention relates to measuring equipment, in particular, to the field of instrumentation and may find application in inertial systems of moving objects, in autopilots of aircraft and ship models, in vehicle safety systems.

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.A feature of micromechanical gyroscopes is the predominant manufacture of the sensitive elements of these devices from silicon-based materials using silicon technology, which determines the small size and weight of the gyroscope, the possibility of using group manufacturing technology, low cost of production in mass production, and high reliability in operation.

Известен микромеханический гироскоп [Патент на полезную модель №30972, МПК G01C 19/56, 2003], содержащий корпус, рамку, инерционную массу, датчик силы, датчик перемещений, вибропривод, блок электроники и упругие перемычки, образующие внутренний и наружный подвесы. В данном устройстве конструктивно разделены входные и выходные движения при помощи рамки.A micromechanical gyroscope is known [Utility Model Patent No. 30972, IPC G01C 19/56, 2003], comprising a housing, a frame, an inertial mass, a force sensor, a displacement sensor, a vibration drive, an electronics unit, and elastic jumpers forming internal and external suspensions. This device is structurally separated input and output movements using a frame.

Недостатком данного устройства является невысокая точность и нестабильность работы, связанная как с изменениями параметров устройства, так и с изменениями внешних воздействий.The disadvantage of this device is the low accuracy and instability associated with changes in the parameters of the device, as well as with changes in external influences.

Известно также техническое решение [Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М., "Маширостроение", 2007 г., с.57-58], в котором микромеханический гироскоп содержит корпус, первую и вторую инерционные массы, связанные с корпусом через упругие перемычки, вибропривод, датчик силы, датчик перемещений.A technical solution is also known [Raspopov V.Ya. Micromechanical devices. M., "Mashirostroenie", 2007, p.57-58], in which the micromechanical gyroscope contains a housing, the first and second inertial masses associated with the housing through elastic jumpers, a vibration drive, a force sensor, a displacement sensor.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность и нестабильность работы, связанная с высокой чувствительностью к изменениям параметров, а также к изменениям внешних воздействий, обусловленная резонансным режимом работы.The disadvantage of this technical solution is the low accuracy and instability associated with high sensitivity to changes in parameters, as well as to changes in external influences due to the resonant mode of operation.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп [Cenk Acar, Andrei Shkel. Inherently Robust Micromachined Gyroskopes With 2 - DOF Sense-Mode Oscillator, Journal of Microelektromechanical Systems, vol. 15, №2, April 2006, p.380-387], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, наружную рамку, связанную с платой через упругие перемычки, первую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с наружной рамкой через упругие перемычки, вторую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной рамки из кремния со сквозными отверстиями и расположенную в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы и связанную с ней через упругие перемычки, вибропривод, датчик перемещений и блок электроники.Closest in technical essence to the proposed device is a micromechanical gyroscope [Cenk Acar, Andrei Shkel. Inherently Robust Micromachined Gyroskopes With 2 - DOF Sense-Mode Oscillator, Journal of Microelektromechanical Systems, vol. 15, No. 2, April 2006, p.380-387], comprising a housing made in the form of a board made of dielectric material, an outer frame connected to the board through elastic jumpers, a first inertial mass made in the form of a rectangular silicon plate with a rectangular slot in the center and through holes, located with a gap relative to the board and connected with the outer frame through elastic jumpers, the second inertial mass, made in the form of a rectangular frame of silicon with through holes and located in a rectangular slot in a flat ti first flywheel mass and the associated through elastic jumper vibratory drive, the displacement sensor and the electronics unit.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность и недостаточная надежность работы устройства.The disadvantage of this device is the low accuracy and lack of reliability of the device.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности, надежности и стабильности работы микромеханического гироскопа.The present invention is to improve the accuracy, reliability and stability of the micromechanical gyroscope.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, наружную рамку, связанную с платой через упругие перемычки, первую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с наружной рамкой через упругие перемычки, вторую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной рамки из кремния со сквозными отверстиями и расположенную в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы и связанную с ней через упругие перемычки, вибропривод, датчик перемещений и блок электроники, введен электростатический датчик силы, содержащий подвижные элементы, закрепленные на второй инерционной массе, и неподвижные элементы, закрепленные на плате, первый вход которого через блок электроники подключен к выходу датчика перемещений. В состав гироскопа может быть введено дифференцирующее устройство, вход которого подключен к выходу датчика перемещений, а выход подключен ко второму входу электростатического датчика силы. Кроме того микромеханический гироскоп может быть выполнен в виде капсулы.The technical result is obtained due to the fact that in a micromechanical gyroscope containing a housing made in the form of a board made of dielectric material, the outer frame connected to the board through elastic jumpers, the first inertial mass made in the form of a rectangular silicon plate with a rectangular slot in the center and through holes, located with a gap relative to the board and connected with the outer frame through elastic jumpers, the second inertial mass, made in the form of a rectangular frame of silicon with through an aperture and located in a rectangular slot in the plane of the first inertial mass and connected through elastic bridges, a vibration drive, a displacement transducer, and an electronics unit, an electrostatic force transducer is introduced containing movable elements fixed to the second inertial mass and fixed elements fixed to the board, the first input of which is connected via the electronics to the output of the displacement sensor. A differentiating device can be introduced into the gyroscope, the input of which is connected to the output of the displacement sensor, and the output is connected to the second input of the electrostatic force sensor. In addition, the micromechanical gyroscope can be made in the form of a capsule.

При введении дополнительных обратных связей и капсульном исполнении обеспечивается повышение точности, надежности и стабильности работы микромеханического гироскопа.With the introduction of additional feedbacks and capsule performance, the accuracy, reliability and stability of the micromechanical gyroscope are improved.

На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического гироскопа. Микромеханический гироскоп содержит плату 1, выполненную из диэлектрического материала, наружную рамку 2, связанную с платой 1 через упругие перемычки 3, первую инерционную массу 4, выполненную в виде прямоугольной пластины с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно пластины 1 и связанную с наружной рамкой 2 через упругие перемычки 3. Вторая инерционная масса 5 выполнена в виде прямоугольной рамки со сквозными отверстиями, расположена в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы 4 и связана с ней через упругие перемычки 3. Электростатический датчик силы 6 содержит подвижные электроды 7, расположенные на второй инерционной массе 5, и неподвижные электроды, расположенные на плате 1. Датчик перемещений 9 также содержит подвижные элементы, расположенные на второй инерционной массе 5, а неподвижные - на плате 1. Вибропривод 10 обеспечивает вынужденные колебания первой инерционной массы 4 вместе с рамкой 2 в направлении оси OY.The drawing shows a structural diagram of a micromechanical gyroscope. The micromechanical gyroscope contains a board 1 made of a dielectric material, an outer frame 2 connected to the board 1 through elastic jumpers 3, the first inertial mass 4, made in the form of a rectangular plate with a rectangular slot in the center and through holes, located with a gap relative to the plate 1 and connected with the outer frame 2 through elastic jumpers 3. The second inertial mass 5 is made in the form of a rectangular frame with through holes, located in a rectangular slot in the plane of the first inertial th mass 4 and is connected to it through elastic jumpers 3. The electrostatic force sensor 6 contains movable electrodes 7 located on the second inertial mass 5, and stationary electrodes located on the board 1. The displacement sensor 9 also contains movable elements located on the second inertial mass 5, and motionless ones on the board 1. The vibrodrive 10 provides forced vibrations of the first inertial mass 4 together with the frame 2 in the direction of the OY axis.

Предложенное устройство работает следующим образом. При включении питания под действием электростатических сил в зазорах вибропривода 10 первая инерционная масса 4 совершает возвратно-поступательные движения в направлении оси OY. За счет упругих перемычек 3 с той же частотой совершают колебания рамка 2 и вторая инерционная масса 5. При вращении основания 1 с угловой скоростью Ω вокруг оси чувствительности, перпендикулярной плоскости инерционных масс 4 и 5, возникают кориолисовы силы инерции, приложенные как к массе 4, так и к массе 5. Под действием этих сил обе массы совершают колебания вдоль выходной оси - ОХ. Амплитуда этих колебаний пропорциональна измеряемой угловой скорости Q. Выходной сигнал снимается с датчика перемещений 9 и используется не только для формирования компенсационной силы в системе обратной связи, но и для формирования демпфирующей силы, действующей в направлении выходной оси ОX.The proposed device operates as follows. When you turn on the power under the action of electrostatic forces in the gaps of the vibrodrive 10, the first inertial mass 4 makes reciprocating movements in the direction of the OY axis. Due to the elastic jumpers 3, the frame 2 and the second inertial mass 5 oscillate with the same frequency. When the base 1 rotates with an angular velocity Ω around the sensitivity axis perpendicular to the plane of inertial masses 4 and 5, Coriolis inertia forces appear, applied both to mass 4, and to mass 5. Under the action of these forces, both masses oscillate along the output axis — OX. The amplitude of these oscillations is proportional to the measured angular velocity Q. The output signal is taken from the displacement sensor 9 and is used not only to form a compensation force in the feedback system, but also to form a damping force acting in the direction of the output axis OX.

Таким образом может быть осуществлено измерение угловой скорости основания вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционной массы. Частота работы вибропривода выбирается между частотами резонансных пиков, обусловленных конструкцией устройства.In this way, the angular velocity of the base around the axis perpendicular to the plane of inertial mass can be measured. The frequency of operation of the vibrator is selected between the frequencies of the resonant peaks due to the design of the device.

Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить точность, надежность и стабильность выходного сигнала в условиях изменяющихся параметров окружающей среды и при производственных дефектах.The claimed micromechanical gyroscope can improve the accuracy, reliability and stability of the output signal in the conditions of changing environmental parameters and with manufacturing defects.

Claims (3)

1. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, наружную рамку, связанную с платой через упругие перемычки, первую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния с прямоугольной прорезью в центре и сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с наружной рамкой через упругие перемычки, вторую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной рамки из кремния со сквозными отверстиями и расположенную в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы и связанную с ней через упругие перемычки, вибропривод, датчик перемещений и блок электроники, отличающийся тем, что введен электростатический датчик силы, содержащий подвижные элементы, закрепленные на второй инерционной массе, и неподвижные элементы, закрепленные на плате, первый вход которого через блок электроники подключен к выходу датчика перемещений.1. Micromechanical gyroscope containing a housing made in the form of a board made of dielectric material, an outer frame connected to the board through elastic jumpers, the first inertial mass made in the form of a rectangular silicon plate with a rectangular slot in the center and through holes, located with a gap relative to boards and connected to the outer frame through elastic jumpers, a second inertial mass made in the form of a rectangular frame of silicon with through holes and located in a rectangular space in the plane of the first inertial mass and connected with it through elastic jumpers, a vibration drive, a displacement sensor and an electronics unit, characterized in that an electrostatic force sensor is introduced containing movable elements fixed to the second inertial mass and fixed elements fixed to the board, the first whose input through the electronics is connected to the output of the displacement sensor. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введено дифференцирующее устройство, вход которого подключен к выходу датчика перемещений, выход подключен к второму входу электростатического датчика силы.2. The device according to claim 1, characterized in that a differentiating device is introduced, the input of which is connected to the output of the displacement sensor, the output is connected to the second input of the electrostatic force sensor. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что микромеханический гироскоп выполнен в виде капсулы.

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the micromechanical gyroscope is made in the form of a capsule.