Микромеханические гироскопы

Запишем отношение амплитуд ускорений:

а_у / а_Ку=εp/2Ω_z

из которого следует, что  при одинаковом порядке ускорения  точность соблюдения перпендикулярности между направлениями РД и РЧ должна быть очень высокой. Например, при Ω_z = 0,05 рад/с, р = 10⁵ рад/с, а_у = а_Ку=1 допустимое значение угла   ε   = 10^-6 рад, что практически обеспечить не удается.

Квадратурный сигнал имеет  ту же частоту, что и привод. Это  делает затруднительным фильтрацию помехи. Однако, из-за сдвига на 90° квадратурный сигнал может быть частично исключен с помощью фазочувствительного детектора. Эффективность такой фильтрации зависит от того, насколько точно фазовое соотношение может поддерживаться электроникой.

Следует обратить внимание на то, что в МГ с одномассовым ЧЭ трудно отделить полезный сигнал, обусловленный ускорением Кориолиса, от сигнала, вызванного линейным ускорением, вектор которого имеет составляющую вдоль оси вторичных колебаний (выходная ось).

На рис. 2 в дополнение к рис. 1 приведены принципиальные схемы ЧЭ, которые применены в большинстве известных конструкций одномассовых МГ. В схеме ЧЭ по рис. 2 а подвес ИМ 1 относительно основания 5 выполнен в виде упругих элементов 3, 4 расположенных вне контура ИМ. В отличие от схемы ЧЭ по рис. 1, где все упругие элементы подвеса связаны между собой через ИМ, ЧЭ, выполненный по схеме рис. 2, а, имеет сопряженные с помощью жестких элементов 2 пары упругих элементов подвеса.

В схеме по рис. 2, б ЧЭ содержит ИМ 7, которая упругими элементами 3 соединена с элементом 2 подвеса в форме рамки, а он упругими элементами 4 связан с основанием 5.

Во всех схемах ЧЭ измерительной  является ось z, вокруг которой действует измеряемая угловая скорость Ω_z. В схемах

по рис. 2, а, б РД может

быть организован вдоль любой из осей X и Y. Если РД организован вдоль оси X, то ось Y является осью РЧ и простейшие уравнения движения имеют вид

тẍ + b_хẋ + G_xx = F₀ sin pt;

(m₁ + m₂) ӱ + b_yẏ + G_yy = -2m₁Ω_zv (2)

где m₁ - масса ИМ 1, m₂- суммарная масса элементов 2 по схеме 2 , а или масса рамки 2 по схеме 2, б b_х - коэффициент демпфирования ИМ 1 вдоль оси X; b_у - то же, всей структуры вдоль оси Y; G_x - суммарная жесткость элементов 3 в направлении оси X; G_y - то же, элементов 4 в направлении оси Y (остальные обозначения введены ранее).

Уравнения движения для случая РД, организованного вдоль оси Y и осью РЧ вдоль оси X, имеют вид

(m₁ + m₂) ӱ + b_yẏ + G_yy = F₀sin pt

тẍ + b_хẋ + G_xx = -2m₁Ω_zv (3)

где обозначения соответствуют системе (2).

 

 

Заметим, что системы уравнений (2), (3) записаны без учета квадратурных возмущающих сил, которые в реальных конструкциях МГ должны иметь место, и для их компенсации предусматриваются специальные электронные средства.

Увеличенные массы (m₁ + m₂) приводят, очевидно, к затянутым переходным процессам по соответствующим осям и режимам (чувствительности или движения).

Для трех схем ЧЭ (рис.1;2, a, 6) после завершения переходных процессов перемещения ИМ в РЧ описываются одинаковыми по структуре зависимостями, простейший вид которых, например из второго уравнения системы (1), имеет форму

y=2mvΩ_z/G_y (4)

Отсюда следуют зависимость  перемещений ИМ в РЧ от измеряемой угловой скорости Ω_z основания, параметров ЧЭ и важность измерения в РД скорости v перемещений ИМ и поддержания ее стабильности.

Важнейшими параметрами  МГ являются собственные частоты ИМ в

РД и РЧ, их стабильность, а также  возможность

частотной настройки между  режимами.

В простейшем случае собственные  частоты

колебаний ИМ соответсвующие, например,

системе (2) рассчитывается по формулам

ω_x0=(G_x/m₁)^1/2                ω_y0=G_y/(m₁+m₂))^1/2 (5)

из которых видна, в  частности, зависимость собственных частот колебаний от конструктивных особенностей ЧЭ.

Рассмотрим ЧЭ по схеме, представленной на рис. 2, в. В этой схеме подвес ИМ 7 относительно основания 5 выполнен в виде упругих элементов 3 и 4, Упругие элементы 4 обеспечивают также подвес элемента 6. "Точка" сопряжения  элементов 3 и 4 делит последний на два отрезка длиной l₁ и l₂. РД выполняется вдоль оси X, и перемещения ИМ 7 обеспечиваются упругими элементами 3. Элемент 6 при этом остается неподвижным. При появлении угловой скорости Ω_z силы инерции Кориолиса вызывают перемещение ИМ 1 вдоль оси Y на величину у₁- Эти силы преодолевают силы упругости элементов 4, обусловленные их жесткостью и длиной элемента l₂, а также инерционные и силы демпфирования. Элемент б при этом перемещается на величину

y₂=y₁(1 + l₁ /l₂).          (6)

пропорционально   которой   может  быть сформирован выходной сигнал МГ.

Упрощенные   уравнения   движения ИМ имеют вид

(7)

где m₁  m₂ - массы элементов 1 и 6 соответственно; b_х - коэффициент демпфирования ИМ 1 в направлении оси X; G_x -суммарная жесткость элементов подвеса в направлении оси Х ; b_y1 b_У2 — коэффициенты демпфирования элементов 1 и 6 в направлении оси Y; G_y - суммарная жесткость элементов подвеса в направлении оси Y.

Для установившегося режима колебаний в соответствии с выражениями (6) и (7) имеем перемещения кинематического элемента по выходной оси:

y₂=[-2m₁Ω_zv (1 + l₁ /l₂)]/G_y          (8)

Отсюда следует принципиальная возможность увеличения выходного  сигнала с помощью кинематической передачи, выполняющей функцию механического усилителя.

Полезно обратить внимание на то, что если в схеме 2, в считать неподвижным, соединенным с основанием элемент 6, то получаемая структура по кинематике аналогична ЧЭ по рис.1. Разница заключается во взаимном расположении ИМ и подвеса. На рис. 1 элементы подвеса окружают ИМ, а на рис.2 подвес находится внутри контура ИМ. Рассмотрим некоторые конструкции МГ, ЧЭ которых выполнены по рис.1  и 2. Принципиальная схема МГ фирмы Nippondenso Co. (Япония), соответствующая схеме  по рис. 1.,  приведена на рис. 3. ЧЭ представляет собой ИМ 7 в форме   квадрата   со   стороной   длиной 100 мкм и толщиной 2 мкм, выполненную заодно с упругими элементами 2 подвеса и электродами гребенчатых структур 4 и 5.   Места   "излома"   упругих   элементов усилены   некоторым   количеством   материала. Вся эта структура с помощью анкеров 3 укреплена на основании на расстоянии 1.. .2 мкм от него.

Неподвижные электроды структур 4, 5 с помощью анкерных элементов закреплены на основании. Каждая пара электродов электростатического привода работает на притяжение. Электростатический привод обеспечивает РД ИМ со скоростью v в направлении оси X. При появлении переносной угловой скорости Ω_z вокруг оси Z возникает сила инерции Кориолиса, обеспечивающая РЧ в направлении оси Y. Измерение перемещений ИМ в РЧ осуществляется емкостными измерителями перемещений 5. Каждый электрод структур 4 и 5 имеет габаритные размеры ~ 100x1x2 мкм.

Принципиальная схема  МГ фирмы The Charles Stark Draper Laboratory, кинематика которого аналогична ЧЭ по рис. 2, а, приведена на рис. 4.

ИМ 2, выполненная в виде рамочной структуры, имеет подвес относительно анкеров 5, связанных с подложкой, состоящий из упругих элементов 3 и 4 (по 4 шт.), каждая пара которых разделена жестким недеформируемым элементом 1. ИМ 2 способна перемещаться вдоль оси X со скоростью v с помощью электростатических приводов, неподвижные, гребенчатые структуры 8 которых связаны с подложкой, а подвижные электроды являются частью ИМ 2.

Для измерения перемещений  ИМ 2 в РД служит емкостный измеритель 9, гребенчатая структура которого является частью ИМ 2, а две неподвижные структуры электродов 10 соединены с подложкой.

Появление угловой скорости Ω_z вокруг оси Z вызывает перемещение ИМ 2 вместе с элементами 1 под действием сил инерции Кориолиса вдоль оси У (РЧ), Перемещения в РЧ измеряются двумя емкостными измерителями перемещений с двух сторон ИМ 2, которые состоят из неподвижных электродов 6, связанных с подложкой, и подвижных 7, являющихся частью ИМ 2. Заметим, что элементы 1 выполняют функцию усиления жесткости в местах соединения элементов 3 и 4. На рис. 5 аналогичная задача выполнена некоторым избыточным количеством материала в местах соединения упругих элементов. Фирма Analog Devices (США) в 2002 г. приступила к производству МГ на базе технологии MEMS и в настоящее время серийно выпускает гироскопы ADXRS 150 и ADXRS 300 соответственно с диапазоном измерения 150 и 300 ^o/c. Гироскопы имеют полосу пропускания частот 40 Гц и изготовляются в корпусах с габаритными размерами 7x7x3 мм. Масса МГ < 0,5 г, и при номинальном напряжении 5 В потребляемый ток составляет 5 мА. Впервые в коммерчески доступных гироскопах данного класса имеется встроенная система автотестирования механических и электронных параметров без отключения прибора.

Гироскоп ADXRS  представляет собой  интегральную   микросхему,  выполненную на одном кристалле кремния, которая  содержит все  необходимые электронные компоненты формирования выходного сигнала. В  центре микросхемы находятся две микромеханические структуры, являющиеся ЧЭ, выполненными из поликристаллического  кремния.  Принципиальная схема МГ, соответствующая схеме по рис. 2, б, приведена на рис.5.

МГ включает в себя две  ИМ, выполненные в виде внутренней 1 и наружной 2 рамок. Рамка 1 относительно рамки 2 смонтирована на упругих элементах 5, пара из которых расположена в каждом из углов рамки 1, а два других — посередине двух сторон рамки.

Рамка 2, имеющая по периметру  квадратные отверстия для уменьшения собственной массы, вместе с рамкой 1 посредством упругих элементов 4 и дополнительных элементов конструкции связана с анкерами 3, расположенными симметрично относительно двух сторон рамки 2. Анкеры обеспечивают размещение всех подвижных элементов конструкции ЧЭ на некотором расстоянии от подложки-основания.

Рамка 1 относительно рамки 2 приводится в колебательное движение вдоль оси X (РД) с помощью гребенчатых структур электростатического   привода 6.  Информация о параметрах РД считывается емкостными измерителями перемещений 7 и используется в контуре управления РД. При появлении переносной угловой скорости Ω_z под действием силы инерции Кориолиса 2m₁vΩ_z (т₁ — масса рамки 7; v = ẋ - скорость m₁ в РД) обе рамки суммарной массой m₁+ т₂ (т₂ — масса рамки 2) начинают движение в направлении оси Y (РЧ), информация о котором считывается емкостными измерителями перемещений 8, В микроструктурах направления колебаний ЧЭ в режимах движения и чувствительности взаимно перпендикулярны.  Это дает возможность избежать влияния постоянного и виброускорения на выходной сигнал гироскопа.

 

 

Высокочастотный сигнал, полученный с емкостных измерителей (датчиков) перемещений, поступает на каскады усиления и демодуляции, преобразующие его в выходное напряжение, пропорциональное измеряемой угловой скорости. В состав микросхемы входит датчик температуры для компенсации температурных погрешностей и калибровки, а также прецизионный источник опорного напряжения.

Гироскопы ADXRS имеют стабильный выходной сигнал при ускорениях до 2000 g и могут использоваться, например, как автомобильные датчики переворота. Кроме того, их можно применять в интегрированных с GPS системах навигации, в системах стабилизации различных подвижных объектов и во многих других случаях.

Принципиальная схема  МГ фирмы Samsung Electro Mechanics (США), аналогичная схеме по рис. 2, б, приведена на рис. 6.

МГ выполнен в виде планарной  конструкции на кремниевой подложке и включает в себя наружную 1 и внутреннюю 2 ИМ, между которыми находятся четыре упругих элемента 7 подвеса, обеспечивающих возможность перемещений

ИМ 2 в направлении оси Y. Четыре упругих элемента 6 подвеса, размещенных между анкерными элементами 3 и ИМ 1, гарантируют совместное перемещение ИМ в направлении оси X. Электростатические приводы расположены вдоль оси Y симметрично относительно ИМ 1 и содержат гребенчатые структуры 9, объединенные с ИМ 1, и аналогичные структуры электродов, являющиеся частью анкерных элементов 8.

Электростатический привод обеспечивает в РД перемещения обеих  ИМ со скоростью v в направлении оси X. Появление угловой скорости Ω_z приводит к вибрационным перемещениям ИМ 2 под    действием сил инерции Кориолиса в направлении оси Г (РЧ). В РЧ перемещения    ИМ 2 фиксируются четырьмя емкостными измерителями перемещений, гребенчатые структуры 4 электродов которых являются частью ИМ 2 и частью анкерных элементов 5.                                                       

По схеме рис. 2, б выполнена одна из разработок института HSG-IMIT (ФРГ) -гироскоп MARS-LL, схема которого показана на рис. 7. МГ изготовлен по планарной технологии, и все его элементы располагаются над подложкой в одной плоскости. ИМ 1 размещается внутри paмочной ИМ 2. Упругие элементы 7 подвеса обеспечивают возможность перемещений ИМ 7 и 2 в направлении оси x.

Упругие элементы подвеса  замыкаются на анкеры 4 через жесткие (недеформируемые) элементы 3. Электростатические приводы с гребенчатыми структурами электродов 5 обеспечивают РД обеих ИМ. Появление переносной угловой скорости Ω_z приводит к возникновению сил инерции Кориолиса, вызывающих движение ИМ 7 в РЧ, которое фиксируется емкостными измерителями перемещений б.

Принципиальная схема  МГ фирмы Bosch (Германия), соответствующая схеме по рис. 2, а приведена на рис.8. МГ выполнен по планарной, кремниевой технологии, и вся микроструктура расположена на некотором расстоянии над подложкой. ИМ 7 имеет четыре упругих элемента 3 подвеса, которые обеспечивают возможность ее перемещения в направлении оси X относительно опорных рамок 6, 9. Последние, в свою очередь, могут перемешаться в направлении оси У благодаря малой жесткости упругих элементов 11 связанных с подложкой через анкеры 10.

Гребенчатые структуры электродов 2, 7 могут использоваться в одном из двух режимов.

В первом режиме обе структуры  исполняют   функцию   привода,   обеспечивающего движение ИМ 7 со скоростью v вдоль оси X (РД). В этом случае напряжение  попеременно  поступает  каждой из структур   и   подвижные  электроды,  являющиеся частью ИМ 7, притягиваются неподвижными электродами, связанными с подложкой анкерами 8.

Во втором режиме одна из структур электродов 2, 7 может выполнять  функцию привода ИМ 7, обеспечивающего РД, а другая - функцию емкостного измерителя перемещений ИМ 7, информация о которых может использоваться в контуре привода.