Кремниевый твердотельный гироскоп (МЭМС-гироскоп)

Несмотря на то, что гироскоп с вращающимся ротором на протяжении многих лет был единственным выбором там, где необходимо было использовать его уникальные свойства, заложенный в основу его работы принцип (вращение) не позволял получить надежную микроминиатюрную конструкцию, востребованную сегодня многими приложениями. Составные элементы традиционного гироскопа, а именно, карданов подвес, поддержи-вающие подшипники, приводные моторы, маховики требуют высокоточных операций по изготовлению и сборке, они трудно поддаются автоматизации; надежный и точный гироскоп вращения получается дорогим прибором. Кроме того, износ механических узлов не гарантирует работу гироскопа в соответствии с заявленными характеристиками в течение продолжительного срока. Постоянный поиск новых решений и достижения микроэлектроники приводят к принципиально иным возможностям определения направления и скорости движения. Упомянем еще раз о GPS, которая для многих задачах сегодня является идеальным выбором, хотя её возможностями в отдельных случаях непросто, а зачастую и невозможно воспользоваться. Это - космос, подводные объекты… Или такие приложения, где размеры датчика или финансовая сторона проекта выходят на передний план. Для этих приложений и разрабатывают МЭМС-датчики. Они уже сейчас активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др.

В МЭМС-гироскопе вращающийся диск заменен вибрирующим чувствительным элементом (кольцом). Вместо движения инерционной массы (ИМ) по окружности она подвешивается специальным образом так, чтобы совершать линейное гармоническое движение (массу принуждают вибрировать). Появляющееся в результате взаимодействия вибрационного и измеряемого движения результирующее ускорение ИМ можно обнару-жить и зафиксировать на выходе датчика.

Рис. 8.4Ускорение Кориолиса

Все гироскопы с вибрирующим чувствительным элементом используют явление кориолисова ускорения. Кориолис показал, что если фундаментальные законы Ньютона применяются во вращающейся системе отсчета, в уравнения движения нужно включать силу инерции. При этом сила направлена вправо по отношению к движению тела, если система отсчета вращается против часовой стрелки, и влево, когда вращение системы происходит по часовой стрелке. Возникающее кориолисово ускорение (Рис. 8.4) направлено перпендикулярно плоскости, образованной движением тела и осью вращения системы координат. Величина ускорения прямо пропорциональна обеим скоростям - скорости, с которой движется тело, и угловой скорости вращения системы отсчета:

. (8.5)

Во время вращения объекта с МЭМС-гироскопом силы Кориолиса действуют на вибрирующее в резонаторной полости кремниевое сенсорное кольцо, являясь причиной дополнительных радиальных движений по периметру кольца.

Рис. 8.5 иллюстрирует эффект действия линейного и углового ускорений на вибрирую-щее кольцо.

Рис. 8.5.МЭМС структура с вибрирующим кольцом; (C–F) – проявляемые эффекты от действия ускорений относительно разных осей

На диаграмме С показано состояние резонатора в отсутствие какого-то бы ни было ускорения. Рисунок D иллюстрирует линейное ускорение вдоль оси z. На рисунке Е показан эффект приложенного углового ускорения относительно оси x, а на F – угловое ускорение вдоль y оси.

Поскольку положение кольца по отношению к раме изменяется, остается приспособить несколько датчиков перемещения (снимающие преобразователи), чтобы фиксировать все движения резонатора и определять составляющие кориолисова ускорения. Движение кольца, фиксируемое снимающими преобразователями, пропорционально угловой скорости корпуса датчика. В данном примере используются индукционные преобразователи с применением самарий-кобальтового постоянного магнита в качестве источника магнитного поля.

Все элементы заключены в металлический корпус стандартного исполнения. Датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5х1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерен широкий диапазон измерения (до 900 градусов/сек), сверх-малый вес (0,08 грамм) и высокая стабильность работы. Элементы готового интегрального МЭМС-гироскопа, похожего конструктивно и функционально на рассмотренный выше, можно видеть на Рис. 8.6. Здесь представлены:

- кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
- основание из кремния (Pedestal),
- интегральная микросхема гироскопа (ASIC) – специализированная интегральная схема для возбуждения привода и обработки сигнала снимающих преобразователей,
- корпус (Package Base),
- крышка (Lid).

Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование данных датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличивается.

Рис. 8.6 Элементы МЭМС-гироскопа и внешний вид микрочипа без крышки

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: