Резонансный гироскоп на поверхностных акустических волнах с разделением частот

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения угловой скорости. Гироскоп содержит пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы инерционные массы, не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее одной отражающей структуры резонатора на поверхностных акустических волнах, а также драйвер на поверхностных акустических волнах, состоящий не менее чем из одного встречно-штыревого преобразователя и не менее чем из одной отражающей структуры, так что поверхностная акустическая волна, возбуждаемая драйвером, проходит через отражающие структуры резонатора и сформированные в непосредственной близости от них инерционные массы. Встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры драйвера могут быть сформированы с одной стороны пластины пьезоэлектрика, а встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры резонатора - с другой стороны, а рабочие частоты драйвера и резонатора различаются, например, не менее чем в два раза. Техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости. 2 з.п. ф-лы, 1 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 этих гироскопов является достаточно высокая точность. Недостатком этих гироскопов является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты. К областям применения, требующим гироскопов менее дорогих и меньшего размера, относятся: системы автомобильной безопасности (системы против скольжения, системы камер), потребительские товары (видеокамеры, GPS, спортивное оборудование), промышленные товары (роботы, управление оборудованием), медицинские изделия (хирургические инструменты). [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. 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. С.275-283]. Такие гироскопы представляют собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Этот гироскоп приводится 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 генератора. 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 его 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, эти подвешенные механические структуры очень чувствительны к внешним ударам и вибрации, т.к. они не могут быть жестко присоединены к подложке из-за резонансной вибрации. Это ограничивает диапазон применения «Виброгироскопа».

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Патент US №6516665. "Микроэлектромеханический гироскоп" / Varadan V.K., 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 ПАВ, ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Этот гироскоп работает с использованием свойств 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 этого гироскопа является низкая точность и соответственно невозможность использования его для высокоточных применений вследствие малой амплитуды колебаний, которые воспринимают ВШП чувствительного к ПАВ элемента. Другими словами, основной причиной низкой точности является то, что информационным параметром является амплитуда.

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

Задачей настоящего изобретения является разработка резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с разделением частот с улучшенными характеристиками измерения угловой скорости.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что в резонансном гироскопе на поверхностных акустических волнах с разделением частот, содержащем пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы инерционные массы, не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее одной отражающей структуры резонатора на ПАВ, на пластине пьезоэлектрика дополнительно сформирован драйвер на ПАВ, состоящий не менее чем из одного встречно-штыревого преобразователя и не менее чем из одной отражающей структуры, так что поверхностная акустическая волна, возбуждаемая драйвером на ПАВ, проходит через отражающие структуры резонатора на ПАВ и сформированные в непосредственной близости от них инерционные массы, а рабочие частоты драйвера на ПАВ и резонатора на ПАВ различны.

Технический результат достигается за счет того, что движение инерционных масс, обусловленное действием сил Кориолиса, приводит к дополнительным деформациям пластины пьезоэлектрика и расположенных на ней отражающих структур резонатора на ПАВ. Деформации отражающих структур, в свою очередь, приводят к изменениям местной скорости ПАВ, что влечет за собой изменения собственной резонансной частоты резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с разделением частот. Основным отличием от прототипа является частотный выход предлагаемого резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с разделением частот. Основной причиной повышения точности является то, что информационным параметром в предлагаемом устройстве является частота.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с разделением частот, отсутствуют, поэтому заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору не известны резонансные гироскопы на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с разделением частот.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков прототипов, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, показали, что отличительные признаки заявленного изобретения не следуют явным образом из уровня развития 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 чертежом, где представлена схема резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот.

Резонансный гироскоп на ПАВ с разделением частот состоит из пластины (подложки) пьезоэлектрика 1, выполненной, например, из кварца или из ниобата лития [1].

На поверхности пластины пьезоэлектрика 1 сформированы отражающие структуры драйвера на ПАВ 2, ВШП драйвера на ПАВ 3, инерционные массы 4, отражающие структуры резонатора на ПАВ 5, ВШП резонатора на ПАВ 6.

Инерционные массы 4 расположены в области расположения отражающих структур резонатора на ПАВ 5.

Инерционные массы 4 и отражающие структуры резонатора на ПАВ 5 расположены между ВШП драйвера на ПАВ 3 и отражающими структурами драйвера на ПАВ 2.

Отражающие структуры резонатора на ПАВ 5 и ВШП резонатора на ПАВ 6 образуют резонатор резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот.

Инерционные массы 4, ВШП 6 и отражающие структуры 5 резонатора на ПАВ и отражающие структуры 2 и ВШП 3 драйвера на ПАВ могут быть сформированы как на одной, так и на разных сторонах пластины пьезоэлектрика 1. При этом инерционные массы и отражающие структуры могут быть изготовлены методами травления, например, ионно-плазменного, а ВШП резонатора на ПАВ 6 и ВШП драйвера на ПАВ 3 могут быть выполнены методами фотолитографии. Кроме того, инерционные массы 4, отражающие структуры резонатора на ПАВ 3 и отражающие структуры драйвера на ПАВ 2 могут быть выполнены в виде штырей (например, металлизированных).

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии вращения основания резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот на ВШП драйвера на ПАВ 3 от внешнего генератора (на фиг.1 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. При этом инерционные массы совершают движение в плоскости, перпендикулярной поверхности пластины пьезоэлектрика 1. В случае если пластина пьезоэлектрика 1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту до 1 ГГц.

При отсутствии вращения основания резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот сила Кориолиса не возникает, поэтому не происходит и соответствующего смещения инерционных масс 4 в плоскости, перпендикулярной местной скорости колебаний поверхности материала пластины пьезоэлектрика 1. Резонансная частота резонатора резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот определяется, например, при помощи анализатора спектра [1]. Дальнейшая работа устройства происходит аналогично работе известного резонатора на ПАВ [1].

Следовательно, при отсутствии вращения основания (пластины пьезоэлектрика 1) собственная (резонансная) частота резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот будет равна f₀. Собственная (резонансная) частота резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот определяется как экстремальное значение его амплитудно-частотной характеристики.

При наличии угловой скорости вращения основания резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот на вибрирующие инерционные массы 4 воздействует сила Кориолиса. Возникшее в результате воздействия силы Кориолиса дополнительное движение инерционных масс 4 приводит к соответствующей деформации находящихся поблизости, в том числе и между инерционными массами, отражающих структур резонатора на ПАВ 5. Дополнительная деформация отражающих структур резонатора на ПАВ 5 приводит к изменению местной скорости ПАВ, что, в свою очередь, приводит к изменению собственной частоты резонатора резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот. В этом случае резонансная частота резонатора резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот будет равна частоте f, не равной f₀.

Частота напряжения, подаваемого на ВШП драйвера на ПАВ 3, может отличаться, например, в целое число (не менее двух) раз от собственной (резонансной) частоты резонатора на ПАВ, образованного отражающими структурами резонатора на ПАВ 5 и ВШП резонатора на ПАВ 6. Различие частот драйвера и резонатора позволяет снизить уровень шума при измерениях.

Если отражающие структуры 2 и ВШП 3 драйвера на ПАВ сформированы с одной стороны пластины пьезоэлектрика 1, а ВШП 6 и отражающие структуры 5 резонатора на ПАВ сформированы с другой стороны этой пластины, то отсутствуют геометрические и технологические ограничения на топологию отражающих структур 2 и ВШП 3 драйвера на ПАВ, ВШП 6 и отражающих структур 5 резонатора на ПАВ. Топология отражающих структур и ВШП может быть определена расчетом, например, в соответствии с [1].

Резонансную частоту резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот измеряют, например, анализатором спектра [1]. Эта резонансная частота связана однозначной зависимостью с величиной угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1 [2]. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике резонансного гироскопа на ПАВ с разделением частот.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнены 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 описанных 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".

Источники информации

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. 416 с.

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. С.275-283.

1. Резонансный гироскоп на поверхностных акустических волнах с разделением частот, содержащий пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы инерционные массы, не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее одной отражающей структуры резонатора на поверхностных акустических волнах, отличающийся тем, что на пластине пьезоэлектрика дополнительно сформирован драйвер на поверхностных акустических волнах, состоящий из не менее чем из одного встречно-штыревого преобразователя и не менее чем из одной отражающей структуры, так что поверхностная акустическая волна, возбуждаемая драйвером на поверхностных акустических волнах, проходит через отражающие структуры резонатора на поверхностных акустических волнах и через сформированные в непосредственной близости от них инерционные массы, а рабочие частоты драйвера на поверхностных акустических волнах и резонатора на поверхностных акустических волнах различны.

2. Резонансный гироскоп на поверхностных акустических волнах с разделением частот по п.1, отличающийся тем, что встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры драйвера на поверхностных акустических волнах сформированы с одной стороны пластины пьезоэлектрика, а встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры резонатора на поверхностных акустических волнах сформированы с другой стороны пластины пьезоэлектрика.

3. Резонансный гироскоп на поверхностных акустических волнах с разделением частот по п.2, отличающийся тем, что рабочие частоты драйвера на поверхностных акустических волнах и резонатора на поверхностных акустических волнах отличаются не менее чем в два раза.