Микромеханические гироскопы

При появлении переносной угловой скорости Ω_z, ИМ 7 под действием сил инерции Кориолиса начинает виброперемещения в направлении оси У (РЧ). Благодаря большой жесткости упругих элементов 3 в направлении оси У вместе с ИМ 7 перемещаются и опорные рамки 6, 9, инерционная масса которых увеличивает ИМ 7. Измерение перемещений в РЧ осуществляется   емкостными    измерителями 4, которые могут быть включены в дифференциальную схему. Подвижные электроды измерителей перемещений являются частью структур опорных рамок, а неподвижные электроды, объединенные в единые структуры, связаны с подложкой анкерами 5.

 

Принципиальная схема  МГ фирмы Microsensors (США), аналогичная рис. 2, в, приведена на рис. 9.

МГ содержит две ИМ (1 и 2), соединенные между собой четырьмя парами упругих элементов 6, 7 подвеса. Каждый из элементов 7 связан с кремниевой или

изготовленной из другого  материала подложкой анкером 5. ИМ 1 имеет форму рамки, и ее масса больше, чем ИМ 2. В РД два электростатических привода 3, неподвижные электроды гребенчатых структур которых закреплены на подложке анкерами 4, осуществляют виброперемещения со скоростью v вдоль оси X только ИМ 1. При этом изгибным деформациям подвержены лишь элементы 6.

Появление угловой скорости Ω_z вокруг оси Z приводит к возникновению сил инерции Кориолиса, приложенных к ИМ 7, под их действием начинаются виброперемещения последней вдоль оси Y (РЧ). Эти перемещения из-за большой продольной жесткости элементов 6 вызывают изгибные деформации элементов 7 относительно анкеров 5 и, следовательно, линейные перемещения ИМ 2 вдоль оси Y.

Очевидно, что отношение  линейных перемещений ИМ 2 к ИМ 1 равно отношению длин элемента 7, в котором его делит точка соединения с элементом 8, от точки крепления с ИМ 2 до анкера 5. Это отношение может быть изменено как путем изменения положения точки соединения элементов 6 и 7, так и изменением длины выемок в ИМ 2, в которых расположены элементы 7. Ширина выемок выбирается такой, чтобы они могли служить ограничителями для чрезмерно деформируемых элементов 7.

Линейные перемещения  ИМ 2 вдоль оси Y фиксируются парой емкостных измерителей 10, неподвижные электроды гребенчатых структур которых анкерами 11 скреплены с подложкой.

Контуры компенсации и  настройки, включающие в себя две  гребенчатые структуры 8, неподвижные электроды которых анкерами 9 укреплены на подложке, выполняют две функции: устранение линейных перемещений ИМ 2, обусловленных квадратурной ошибкой ИМ 1; настройку резонансной частоты ИМ 2, если она не обеспечена конструкцией.

МГ имеет также контуры  уравновешивания и тестирования с гребенчатыми

структурам  12, неподвижные электроды которых соединены с подложкой анкерами 13. Контур тестирования при подаче соответствующего  напряжения  на электроды структур 12 обеспечивает калиброванную раскачку ИМ 2 и проверку, например, качества работы измерителей 10. При работе структур 12 в контуре уравновешивания может быть реализован принцип компенсационного измерения угловой скорости Ω_z. В этом случае структуры 12 выполняют функцию электростатического   датчика   силы,   компенсирующей силу, которая раскачивает ИМ 2, т.е. силу инерции Кориолиса, передаваемую на ИМ 2 от ИМ 1 через элементы 6 и 7 подвеса.

Б. Двухмассовые микрогироскопы

Двухмассовые МГ представляют собой, по существу, различные комбинации одномассовых МГ с противофазным перемещением ИМ в РД и РЧ. Рассмотрим две конструкции, иллюстрирующие основные особенности подобных МГ.

Принципиальная схема  МГ разработки фирмы The Charles Stark Draper Laboratory (США) приведена на рис. 10.

МГ имеет две ИМ 1, подвешенные на упругих элементах 3 относительно жестких, базовых элементов 2, которые с помощью анкеров 6 укреплены на некотором расстоянии от подложки (основания) 8. В режиме движения обе ИМ перемещаются в противофазе посредством электростатических приводов 4, 7 (центральный и два боковых) гребенчатой структуры вдоль оси X. При появлении угловой скорости Ωy вокруг оси Y возникают силы инерции Кориолиса,  которые вызывают противофазные  перемещения  ИМ вдоль оси Z с выходом из плоскости XY. Перемещения ИМ в РЧ могут быть измерены емкостными измерителями, неподвижные электроды 5 которых размещены на подложке,  а подвижные  сформированы  на пластинах ИМ.

 

Видоизмененная конструкция  МГ имеет несколько иную конфигурацию подвеса, и его схема приведена на рис 11.

На этом рисунке мгновенные направления векторов сил инерции Кориолиса F₁ и F₂ соответствуют направлению

вектора Ω_y в положительном направлении оси Y и мгновенным направлениям скоростей v ИМ площадью по 4 мм. На подложке-основании могут быть расположены электроды для реализации силовой обратной связи в режиме компенсационного измерения.

 

 

В простейшем случае при  условии равенства ИМ т₁ = т₂ = т полной синхронности противофазных движений в РД и полной симметрии упругих свойств подвеса движение каждой ИМ может быть описано системой уравнений, идентичной системе (1):

тẍ + b_хẋ + G_xx = F₀ sin pt       (9)

mẓ + b_zẑ + G_zz = -2m vΩ_y  ,

где координата х соответствует РД, а координата z - РЧ.

Технология изготовления гироскопа основана на травлении  кремниевой пластины. Структура, получаемая анодной сваркой, прикрепляется к подложке из стекла марки Руrех, на которой размещаются электроды. Для получения конечной структуры используются реактивное ионное травление и диффузия бора.

Серийная технология изготовления гироскопа была передана корпорации Rockwell International (США). Для автомобильных применений гироскоп имеет полосу пропускания частот 50 Гц и диапазон измеряемых скоростей 50...500 °/с.

Принципиальная схема  МГ фирмы Analog Devices (США) приведена на рис.12.

МГ содержит две ИМ 1 в форме квадрата с длиной стороны 200 мкм, которые четырьмя упругими элементами 2, двумя дугообразными элементами 3 радиусом 140 мкм и двумя растяжками 4, длиной 280 мкм на анкерах 5 соединены с подложкой, изготовленной из моно- или поликристаллического кремния. Соединение элементов 3 и 4 выполнено на серединах их длин. Подвижные электроды гребенчатых структур 6 электростатических приводов являются частью ИМ, а неподвижные связаны с подложкой анкерами 7.

В режиме движения ИМ совершают  противофазные движения со скоростью  v, вдоль оси X, и это движение контролируется емкостными измерителями перемещений 9, соединенными с подложкой анкером 10. При появлении угловой скорости Ω_У вокруг оси Y противофазные силы инерции Кориолиса вызывают виброперемещения ИМ вдоль оси Z, фиксируемые емкостными измерителями перемещений, подвижные электроды которых расположены на ИМ, а неподвижные 8 - на подложке.

Общим недостатком двухмассовых гироскопов, имеющих независимые  упругие подвесы каждой ИМ, является сложность обеспечения равенства их собственных частот и синхронности противофазных колебаний. Возможно коробление пластин. Плоскопараллельное перемещение электродов измерителей, особенно при малых (1...3 мкм) зазорах между ними, может привести к электростатическому залипанию пластин ИМ. Естественный путь устранения этого недостатка — увеличение жесткости подвеса. Однако при этом уменьшается чувствительность к измеряемой угловой скорости и изменяются частотные характеристики МГ, так как у двухмассовых МГ перемещение пластин ИМ перпендикулярно к плоскости подложки в РЧ, демпфирование оказывается более интенсивным и менее предсказуемым из-за сжимаемости и разрежения газового слоя по сравнению с МГ, в которых эти перемещения параллельны подложке.

Вместе с тем, наличие  двух ИМ, выходящих из плоскости и движущихся в противофазе, позволяет выполнить простые операции выделения сигналов. Пусть, например, в направлении оси Z действует ускорение a_z. Тогда на ИМ сказываются силы m(a_z+2vΩ_z) и m(a_z-2vΩ_z). Если выходные сигналы,

пропорциональные действующим  силам, вычитаются одно из другого, тогда  устраняется действие a_Z,а если эти сигналы суммируются, то на выходе формируется сигнал, пропорциональный ускорению a_z. Существует   большое   разнообразие МГ LL-типа, конструкции которых в основном   повторяют    изложенные    выше особенности их построения.

1.3.3. Микрогироскопы LR-типа

Принципиальные схемы  ЧЭ МГ (без приводов ИМ, которые обеспечивают РД), иллюстрирующие две конструкции  с различными вариантами взаимных перемещений ИМ в РД и РЧ, приведены на рис. 13. В схеме ЧЭ на рис. 13, а перемещения ИМ в РД и РЧ происходят в одной плоскости, а в схеме на рис. 13, б -в разных. В обеих схемах ИМ 1 связаны упругими элементами 2 с жесткими элементами 3 подвеса, которые, в свою очередь, через упругие элементы 4 повеса и анкеры (элементы крепления) 5 соединены с подложкой. Микроструктуры ЧЭ располагаются на некотором расстоянии над подложкой.ЧЭ, собранный по схеме рис. 13, a, работает следующим образом. ИМ 1 имеют возможность благодаря малой жесткости упругих элементов 2 в направлении осей X и Y синхронно в противофазе перемещаться относительно жестких элементов конструкции с помощью приводов со скоростями v.Тем самым реализуется РД в направлении осей X и Y. При появлении угловой скорости Ω_z вокруг оси Z возникает ускорение Кориолиса и, соответственно, на каждой ИМ - силы инерции Кориолиса, которые находятся в плоскости XY. Эти силы действуют на плече, равном радиусу R₀ окружности, проходящей через центры ИМ, и развивают момент вокруг оси Z, равный M_z = 4F_KR₀ ⁼ 8mvΩ_zR₀ (m - масса ИМ). Момент M_z из-за малой изгибной жесткости упругих элементов 4 приводит к их деформированию и угловым перемещениям ИМ вместе с жесткими элементами конструкции вокруг оси Z. Таким образом реализуется РЧ вокруг оси Z

На рис. 13, а показаны мгновенные величины векторов v, направление измеряемой угловой скорости Ω_z и соответствующие им векторы F_k. При изменении направление векторов v изменяется на противоположное направление векторов F_k и развиваемого ими момента М_z. Следовательно, при линейных виброперемещениях ИМ в РД имеют место угловые виброперемещения ЧЭ вокруг выходной оси в РЧ (рис.13, в).

 

В предположении, что все  ИМ одинаковы, конструкция ЧЭ симметрична, упругие свойства всех элементов 2 и элементов 4 между собой идентичны, простейшая система уравнений, описывающая линейные перемещения одной ИМ в РД, например, по координате X и угловые колебания ЧЭ вокруг оси Z по координате φ в РЧ, имеет вид

тẍ + b_xẋ + G_xx = F₀ sin pt

, (10)

где b_X ,G_x - коэффициент демпфирования и жесткость упругих элементов 2 для одной ИМ; F₀, p - параметры силы, генерирующей РД; J_φ - момент инерции всей микроструктуры ЧЭ относительно оси Z; b_φ, С_φ - коэффициент демпфирования и жесткости всех упругих элементов 4 при движении ЧЭ по координате φ.

Уравнение движения ИМ в  РД аналогично для всех рассмотренных ранее схем МГ. Здесь надо напомнить еще раз, что желательно измерение скорости v = ẋ ИМ в РД, так как эта величина необходима для вычисления ускорения Кориолиса.

Из уравнения движения для координаты φ в установившемся режиме следует выражение

φ=-8m v Ω_zR₀\G_φ (11)

откуда видно, что угол поворота ЧЭ вокруг оси Z содержит информацию об измеряемой угловой скорости. Отметим, что минимальное число конструктивных узлов с ИМ - 2 шт., а максимальное зависит от требуемых характеристик ЧЭ и его габаритных размеров.

Работа ЧЭ по рис. 13, б происходит следующим образом. Привод обеспечивает синхронное, противофазное движение ИМ 1 в направлении оси X. Кинематическая связь 6, которая по принципу работы аналогична антипараллелограмму, способствует синхронизации противофазных движений ИМ в РД. Кинематическая связь 6 необязательна.

При появлении угловой  скорости Ω_z возникают силы инерции Кориолиса. Для принятого мгновенного направления векторов v и Ω_z для правой ИМ сила F_K направлена перпендикулярно к плоскости XI в отрицательном направлении оси У, а для левой - наоборот. В результате вокруг оси Z возникает момент сил инерции Кориолиса M_z = -4mvΩ_z R₀, вектор которого направлен в отрицательную сторону оси Z. При изменении направления векторов v изменится и направление вектора M_Z что вызовет колебательные движения ЧЭ в РЧ вокруг оси Z. Очевидно, что в РЧ упругие элементы 4 работают как торсионы,   т.е.    на   кручение   вокруг   оси   Z (рис. 13, г).

Уравнения движения ИМ в  РД аналогичны первому уравнению системы (10), а уравнение ЧЭ в РЧ - второму уравнению этой системы:

где G_φ — жесткость упругих элементов 4 на кручение вокруг оси Z; остальные параметры те же, что и в системе (10).

"Закрутка" ЧЭ вокруг оси Z определяется формулой (11) с заменой коэффициента 8 на 4.

Следует обратить внимание на то, что схема на рис. 13, б является общей и по отношению к рис. 13, а. Действительно, если выполнить элементы 4 с малой изгибной жесткостью вокруг оси У, то при измерении угловой скорости вокруг этой оси движение ЧЭ будет в плоскости XZ. Число ИМ в этом случае можно увеличивать, как об этом упоминалось выше.

Рассмотрим конструкции  МГ, ЧЭ которых соответствуют схемам на рис. 13.

Общий вид конструкции  МГ, кинематика ЧЭ которого отвечает схеме на рис. 13, а, показан на рис. 14.

ЧЭ состоит из восьми ИМ 1, которые на упругих элементах 2 подвеса сформированы с круговой рамкой 3, закрепленной, в свою очередь, посредством четырех радиальных упругих элементов 4 на анкерах 5, связанных с подложкой. В режиме движения все ИМ, образующие ЧЭ, с помощью гребенчатых электростатических двигателей 6 перемещаются в радиальных направлениях со скоростями v. Каждая пара диаметрально противоположных ИМ перемещается синхронно и в противофазе.

Роторные    гребенчатые    структуры двигателей сформированы вместе с ИМ, а статорные   расположены   на   подложке. При угловой скорости Ω вокруг оси, перпендикулярной   к  плоскости  подложки, возникают силы инерции Кориолиса, которые создают момент сил, вызывающий разворот рамки вместе с ЧЭ относительно подложки.  При заданных  на  рис.14 мгновенных направленных скоростей v и Ω, вращающий момент направлен по часовой стрелке. Угловые перемещения рамки измеряются емкостными датчиками перемещений   7,   роторные   части   которых сформированы вместе с рамкой, а статорные - с подложкой.

Оцифровки на рис.13  и 14 соответствуют друг другу до поз. 5 включительно.

 

Принципиальная схема МГ фирмы Samsung Electronics Co. (Южная Корея) с ЧЭ, аналогичным схеме по рис. 13, б, приведена на рис. 15.

МГ включает в себя ИМ 1, которые посредством четырех пар упругих элементов 2 подвеса могут перемещаться вдоль оси X относительно жестких, недеформируемых элементов 3 подвеса, объединенных в единую конструкцию жестким элементом 13.

ИМ 1 соединены друг с другом элементами 14, которые осуществляют кинематическую связь между ними таким образом, что достигается механическая синхронизация противофазных движений ИМ. В точке пересечения элементов 13 и 14 происходит разворот элементов 14 как единого стержня вокруг воображаемой оси. Вся микроструктура с помощью торсионов 4, т.е. упругих элементов, обеспечивающих возможность ее вращательных движений вокруг оси Z, установлена на анкерах 5 на некотором возвышении над кремниевой подложкой.