Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения угловой скорости. Чувствительный элемент содержит пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн. Встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента поверхностных акустических волн и канавки на пути распространения поверхностных акустических волн, формируемых встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, расположены на разных сторонах пластины пьезоэлектрика, при этом канавки могут иметь сквозные отверстия. Техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижных объектов, и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах.

Известные волоконно-оптические гироскопы и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Преимуществом таких гироскопов является достаточно высокая точность, а их недостатками являются достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты. Потребности в применении менее дорогих и меньшего размера гироскопов появились при создании и модернизации систем автомобильной безопасности, потребительских товаров (видеокамер, GPS, спортивного оборудования), промышленных товаров (роботов, управления оборудованием), медицинских изделий (хирургических инструментов). [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах // XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005: Тез. докл. С.275-283].

В настоящее время известны микромеханические гироскопы на основе кремния [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах // XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005: Тез. докл. С.275-283]. Такие гироскопы представляют собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Эти гироскопы приводятся в колебательное движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса, создающая колебания относительно измерительной оси. При этом зазор между подвижной массой микромеханического гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей величины емкости. Измеряя изменение величины емкости, можно определить изменение угловой скорости вращения микромеханического гироскопа.

Однако вышеуказанные гироскопы имеют низкую точность и низкую механическую прочность.

Известен также «Виброгироскоп» [Патент РФ №2123219, H01L 41/08. 1998.12.10], содержащий твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, с двумя парами сплошных и двумя парами встречно-штыревых электродов. Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цепям второго и третьего генераторов. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход которого подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

Стабильность и помехоустойчивость позволяет применять виброгироскоп в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами. Однако этот гироскоп имеет ограничения по рабочим характеристикам из-за принципа действия, который основан на вибрации подвешенных механических структур. Кроме того, эта подвешенная механическая структура очень чувствительна к внешним ударам и вибрации, т.к. она не может быть жестко присоединена к подложке из-за резонансной вибрации. Это ограничивает диапазон его применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Патент US №6,516,665. "Микроэлектромеханический гироскоп" / V.K.Varadan, Pascal В. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V.Varadan. 2003].

Гироскоп включает в себя пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностной акустической волны, ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Этот гироскоп работает на основе принципа поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке.

В отличие от других гироскопов этот имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным.

Недостатком микроэлектромеханического гироскопа является низкая точность и, соответственно, невозможность использования его для высокоточных применений вследствие малой амплитуды колебаний, которые воспринимают встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ.

Вышеизложенные факты приводят к снижению точности оценивания угловой скорости, что и является недостатком прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка чувствительного элемента гироскопа с улучшенными характеристиками измерения угловой скорости.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе гироскопа на поверхностных акустических волнах, содержащем пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн и отражающие структуры для первичной поверхностной акустической волны, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн, а также встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн, на одной из сторон пластины пьезоэлектрика между встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн на пути распространения поверхностных акустических волн, формируемых встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, образованы канавки, при этом встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн и канавки расположены на разных сторонах пластины пьезоэлектрика.

Технический результат достигается за счет того, что встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн расположены в непосредственной близости от области, в которой ПАВ, образовавшиеся под действием силы Кориолиса, имеют наибольшую амплитуду. Резонатор на ПАВ создает стоячие ПАВ между встречно-штыревыми преобразователями драйвера. Частицы в пучностях стоячей волны вибрируют в плоскости, ортогональной к плоскости подложки, что является первичным вибрационным перемещением для этого гироскопа. Возникающие под действием абсолютной угловой скорости и силы Кориолиса поверхностные акустические волны определяют вторичное вибрационное перемещение и распространяются в плоскости, ортогональной к плоскости первичного вибрационного перемещения; при этом скорости материальных точек первичной и вторичной ПАВ перпендикулярны.

Увеличение амплитуды колебаний ПАВ достигается формированием канавок на поверхности одной из сторон пластины пьезоэлектрика. При этом встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн и канавки находятся на разных сторонах пластины пьезоэлектрика, что позволяет формировать топологию ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ, наиболее чувствительную к наличию угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика, без геометрических и технологических ограничений, определяемых наличием канавок. Наличие канавок позволяет уменьшить жесткость в направлении распространения вторичной ПАВ.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного устройства, чувствительного элемента гироскопа на поверхностных акустических волнах, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору неизвестны гироскопы на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция гироскопа.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема чувствительного элемента гироскопа на поверхностных акустических волнах с односторонним расположением канавок и ВШП драйвера ПАВ, на фиг.2 - схема чувствительного элемента гироскопа на поверхностных акустических волнах с расположением канавок и ВШП драйвера ПАВ на разных сторонах пластины пьезоэлектрика.

Гироскоп состоит из пластины (подложки) пьезоэлектрика 1, выполненной, например, из кварца или из ниобата лития [1].

На поверхностях пластины пьезоэлектрика 1 сформированы встречно-штыревые преобразователи драйвера ПАВ 3 и отражающие структуры для первичной ПАВ 2, канавки 4, встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 и отражающие структуры для вторичной ПАВ 5.

Отражающие структуры для первичной ПАВ 2 и отражающие структуры для вторичной ПАВ 5 расположены за ВШП драйвера ПАВ 3 и за ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 и канавками 4. Встречно-штыревые преобразователи драйвера ПАВ 3 и ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 могут быть расположены ортогонально или параллельно друг другу, а также ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 может располагаться в области наибольшей чувствительности к наличию угловой скорости вращения пластины пьезоэлектика 1. Канавки 4 расположены между ВШП драйвера ПАВ 3, на пути распространения первичной ПАВ, формируемой ВШП драйвера ПАВ 3. Канавки 4 могут располагаться на одной стороне с ВШП драйвера 3 на пластине пьезоэлектрика 1 (фиг.1) и на разных сторонах с ВШП драйвера 3 на пластине пьезоэлектрика 1 (фиг.2).

Во всех случаях (фиг.1 и фиг.2) канавки 4 и ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 располагаются на разных сторонах пластины пьезоэлектрика 1.

Отражающие структуры для вторичной ПАВ 5 могут располагаться на одной стороне пластины пьезоэлектрика 1 вместе с ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 или на разных сторонах пластины пьезоэлектрика 1 (ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 на одной стороне, а отражающие структуры для вторичной ПАВ 5 - на другой). Канавки 4 могут иметь сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика 1.

Канавки 4 и отражающие структуры для первичной ПАВ 2 и отражающие структуры для вторичной ПАВ 5 могут быть выполнены в виде канавок методами травления, например ионно-плазменного, ВШП драйвера ПАВ 3 и ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 могут быть выполнены методами фотолитографии. Отражающие структуры для первичной ПАВ 2 и отражающие структуры для вторичной ПАВ 5 могут быть выполнены в виде штырей.

Устройство работает следующим образом.

На ВШП драйвера ПАВ 3 от внешнего генератора (на фиг.1 и фиг.2 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. В случае если пластина пьезоэлектрика 1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.

При отсутствии вращения основания чувствительного элемента гироскопа на ПАВ сила Кориолиса не возникает, поэтому не возникает и вторичных ПАВ, распространяющихся не параллельно ПАВ, создаваемых ВШП драйвера ПАВ 3. Следовательно, при отсутствии вращения основания (пластина пьезоэлектрика 1) чувствительного элемента гироскопа на ПАВ отсутствуют и вторичные ПАВ в месте расположения ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6.

Микроколебания первичной ПАВ генерируются встречно-штыревыми преобразователями драйвера ПАВ 3 на пластине пьезоэлектрика 1. Эти колебания распространяются по пластине пьезоэлектрика 1. Распространяясь, первичная ПАВ взаимодействует с отражающими структурами для первичной ПАВ 2. Взаимное расположение ВШП драйвера ПАВ 3 и отражающих структур для первичной ПАВ 2 выбрано таким образом, чтобы образовалась стоячая волна.

При наличии угловой скорости вращения основания гироскопа приповерхностный слой пластины, вибрирующий под действием первичной ПАВ, подвергается воздействию силы Кориолиса. В результате влияния силы Кориолиса на первичную ПАВ возникает вторичная ПАВ в плоскости, ортогональной к плоскости первичной ПАВ. Вторичная ПАВ распространяется в область расположения ВШП чувствительных элементов ПАВ 6. Распространяясь дальше, вторичная ПАВ взаимодействует с отражающими структурами для вторичной ПАВ 5.

Поскольку ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 и канавки 4 расположены на разных сторонах пластины пьезоэлектрика 1, то отсутствуют геометрические и технологические ограничения на топологию ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6, которая определяется расчетом, например, в соответствии с [1].

Отражающие структуры для вторичных ПАВ 5 могут располагаться как на одной с ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 стороне пластины пьезоэлектрика 1, так и на разных с ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 сторонах пластины пьезоэлектрика 1. Встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 могут располагаться параллельно или перпендикулярно ВШП драйвера ПАВ 3, а также ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ 6 могут располагаться в области наибольшей чувствительности к угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1.

Наличие сквозных отверстий в канавках 4 позволяет устранить паразитные составляющие вторичной ПАВ.

Измерения проводятся не менее чем через одну наносекунду после прекращения подачи электрического напряжения на встречно-штыревые преобразователи драйвера ПАВ 3, что позволяет осуществить разделение сигнала, формируемого на ВШП драйвера внешним генератором, и полезного измеряемого сигнала, формируемого на встречно-штыревых преобразователях чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн 6 вторичной ПАВ.

Параметры вторичных ПАВ измеряют, например, анализатором спектра [1]. Параметры (например, амплитуда) вторичных ПАВ связаны однозначной зависимостью с величиной угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1 [2]. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике чувствительного элемента гироскопа на ПАВ.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнялись следующие условия:

- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью указанных выше или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

2. Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.И., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах // XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005: Тез. докл. С.275-283.

1. Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах, содержащий пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн и отражающие структуры для первичной поверхностной акустической волны, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн, а также встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн, отличающийся тем, что на одной из сторон пластины пьезоэлектрика между встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн на пути распространения поверхностных акустических волн, формируемых встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, образованы канавки, при этом встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн и канавки расположены на разных сторонах пластины пьезоэлектрика.

2. Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.1, отличающийся тем, что дополнительно сформированы отражающие структуры для вторичной поверхностной акустической волны, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн и на одной со встречно-штыревыми преобразователями чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн стороне пластины пьезоэлектрика.

3. Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.2, отличающийся тем, что отражающие структуры для вторичной поверхностной акустической волны расположены за пределами встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн и на разных с встречно-штыревыми преобразователями чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн сторонах пластины пьезоэлектрика.

4. Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.3, отличающийся тем, что встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн расположены параллельно встречно-штыревым преобразователям чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн.

5. Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.4, отличающийся тем, что встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн расположены перпендикулярно встречно-штыревым преобразователям чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн.

6. Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.5, отличающийся тем, что встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн расположены в области наибольшей чувствительности к угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика.

7. Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.6, отличающийся тем, что канавки имеют сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика.