[go: up one dir, main page]

RU2413926C1 - Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope - Google Patents

Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2413926C1
RU2413926C1 RU2009147949/28A RU2009147949A RU2413926C1 RU 2413926 C1 RU2413926 C1 RU 2413926C1 RU 2009147949/28 A RU2009147949/28 A RU 2009147949/28A RU 2009147949 A RU2009147949 A RU 2009147949A RU 2413926 C1 RU2413926 C1 RU 2413926C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ring
resonator
circular
vibration gyroscope
detecting element
Prior art date
Application number
RU2009147949/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Петрович Тимошенков (RU)
Сергей Петрович Тимошенков
Степан Александрович Анчутин (RU)
Степан Александрович Анчутин
Виктор Владимирович Калугин (RU)
Виктор Владимирович Калугин
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ)
Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория микросистем" (ООО "ЛМС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ), Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория микросистем" (ООО "ЛМС") filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ)
Priority to RU2009147949/28A priority Critical patent/RU2413926C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2413926C1 publication Critical patent/RU2413926C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: detecting element for a circular micromechanical vibration gyroscope consists of a base, an annular resonator and flexible suspensions. The resonator ring has a section which varies on the length. The width b and height h of the ring satisfy the relationship:
Figure 00000009
Figure 00000012
where K1 and K2 are constants; λ and λA are fixed compliance coefficients; E(Θ) is a periodic direction function (Young's modulus).
EFFECT: compensation for mechanical anisotropic properties of silicon and high accuracy of measuring angular velocities of the resonator.
3 dwg

Description

Изобретение относится к гироскопическим приборам и может быть использовано в системах управления подвижных объектов различного назначения в качестве индикаторов угловой скорости.The invention relates to gyroscopic devices and can be used in control systems of moving objects for various purposes as indicators of angular velocity.

На сегодняшний день известны различные конструкции чувствительных элементов кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа, так, например, [1], [2], [3].To date, various designs of sensitive elements of a ring micromechanical vibrational gyroscope are known, for example, [1], [2], [3].

Все существующие, на данный момент, конструкции чувствительных элементов кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа имеют в своем составе постоянный по сечению кольцевой резонатор, подвешенный с помощью упругих элементов. При этом для улучшения точностных характеристик прибора крайне необходимо, чтобы частоты первичных и вторичных колебаний совпадали.All existing, at the moment, designs of sensitive elements of a ring micromechanical vibrational gyroscope incorporate a ring resonator constant in cross section, suspended by means of elastic elements. Moreover, to improve the accuracy characteristics of the device, it is imperative that the frequencies of primary and secondary vibrations coincide.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является чувствительный элемент (ЧЭ) кольцевого вибрационного гироскопа, который содержит основание, резонатор в виде кремниевого кольца, поддерживаемого восемью радиально упругими подвесами, которые фиксируются в основании. Кольцевой резонатор имеет сечение правильной прямоугольной формы [3].Closest in technical essence to the claimed invention is a sensitive element (SE) of a ring vibration gyroscope, which contains a base, a resonator in the form of a silicon ring supported by eight radially elastic suspensions, which are fixed in the base. The ring resonator has a section of regular rectangular shape [3].

Известное устройство имеет ряд существенных недостатков.The known device has several significant disadvantages.

Конструкция прототипа предполагает его изготовление только в плоскости кремния с ориентацией (111), поскольку у кремния в остальных плоскостях ярко выражена анизотропия механических свойств. Анизотропия механических свойств в свою очередь приводит к изменению жесткости кольцевого резонатора в зависимости от направления, что является следствием существенного различия собственных частот колебаний кольцевого резонатора для рабочей формы колебания. Неравенство частот колебаний кольцевого резонатора приводит к существенному ухудшению точностных характеристик прибора.The design of the prototype involves its manufacture only in the silicon plane with an orientation of (111), since silicon in the remaining planes has a pronounced anisotropy of mechanical properties. The anisotropy of the mechanical properties, in turn, leads to a change in the stiffness of the ring resonator depending on the direction, which is a consequence of a significant difference in the natural frequencies of the oscillations of the ring resonator for the working form of vibration. The inequality of the oscillation frequencies of the ring resonator leads to a significant deterioration in the accuracy characteristics of the device.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа и возможность его изготовления в плоскости кремния (100).The objective of the invention is to improve the accuracy of the ring micromechanical vibration gyroscope and the possibility of its manufacture in the silicon plane (100).

Эта задача решается за счет того, что в чувствительном элементе кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа, включающем основание, кольцевой резонатор, упругие подвесы, согласно изобретению резонатор выполнен в виде кольца с переменным по длине сечением, при этом зависимость ширины b и высоты h кольца:This problem is solved due to the fact that in the sensitive element of the ring micromechanical vibration gyroscope, including the base, ring resonator, elastic suspensions, according to the invention, the resonator is made in the form of a ring with a variable cross-sectional length, with the dependence of the width b and height h of the ring:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где K1 и K2 - постоянные коэффициенты.where K 1 and K 2 are constant coefficients.

Известно, что анизотропия механических свойств кремния как конструкционного материала приводит к существенной разнице собственных частот первичных и вторичных колебаний кольцевых резонаторов с постоянным по длине сечением, что крайне негативно влияет на точностные свойства гироскопа [4]. Это объясняется тем, что изгибная жесткость B для кольцевого резонатора также будет анизотропна при постоянном сечении резонатора.It is known that the anisotropy of the mechanical properties of silicon as a structural material leads to a significant difference in the natural frequencies of the primary and secondary vibrations of ring resonators with a constant cross-sectional length, which extremely negatively affects the accuracy properties of the gyroscope [4]. This is because the flexural rigidity B for the ring resonator will also be anisotropic with a constant cavity cross section.

Отметим, что модуль Юнга Е анизотропных материалов есть периодическая функция направления, например модуль Юнга Si в плоскости (100) определяется зависимостью

Figure 00000003
, фиг.2 [5].Note that the Young's modulus E of anisotropic materials is a periodic direction function, for example, the Young's modulus Si in the (100) plane is determined by the dependence
Figure 00000003
2 [5].

где λ и λA - постоянные коэффициенты податливости.where λ and λ A are constant compliance coefficients.

В предлагаемом изобретении резонатор имеет переменное сечение, при этом сечение меняется таким образом, чтобы изгибная жесткость резонатора оставалась постоянной:In the present invention, the resonator has a variable cross-section, while the cross-section is changed so that the bending stiffness of the resonator remains constant:

B=E·J=const,B = E · J = const,

где B - изгибная жесткость, E - модуль Юнга, J=(bh3)/12 - момент инерции сечения, b и h - ширина и высота кольцевого резонатора соответственно.where B is the bending stiffness, E is the Young's modulus, J = (bh 3 ) / 12 is the moment of inertia of the cross section, b and h are the width and height of the ring resonator, respectively.

Таким образом, в предлагаемом гироскопе ширина и высота кольцевого резонатора, изготовленного в плоскости (100), изменяется по закону:Thus, in the proposed gyroscope, the width and height of the ring resonator made in the (100) plane changes according to the law:

Figure 00000004
Figure 00000004

где К - постоянный коэффициент.where K is a constant coefficient.

При этом один из размеров кольцевого резонатора можно жестко фиксировать, а другой определять в соответствии с зависимостью:In this case, one of the dimensions of the ring resonator can be rigidly fixed, and the other determined in accordance with the dependence:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где K1 и K2 - постоянные коэффициенты.where K 1 and K 2 are constant coefficients.

На фиг.3 изображен чувствительный элемент микромеханического вибрационного гироскопа, где 1 - кольцевой резонатор с переменным сечением; 2 - упругие подвесы; 3 - основание.Figure 3 shows the sensitive element of the micromechanical vibration gyroscope, where 1 is a ring resonator with a variable cross section; 2 - elastic suspensions; 3 - base.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В кольцевом резонаторе возбуждаются резонансные колебания на второй форме колебаний, так называемые первичные колебания. В результате действия сил Кориолиса появляются колебания относительно оси чувствительности прибора, которая повернута на 45° от оси первоначальных колебаний, так называемые вторичные колебания (фиг.1). Известным способом эти колебания фиксируются и по величине сигнала судят об угловой скорости.In a ring resonator, resonant oscillations are excited on the second form of oscillation, the so-called primary oscillations. As a result of the action of the Coriolis forces, oscillations appear relative to the axis of sensitivity of the device, which is rotated 45 ° from the axis of the initial oscillations, the so-called secondary oscillations (Fig. 1). In a known manner, these oscillations are recorded and the magnitude of the signal is judged on the angular velocity.

Источники информацииInformation sources

1. США, патент №5555765.1. USA patent No. 5555765.

2. США, патент №6978674.2. USA patent No. 6978674.

3. США, патент №7267005, (прототип).3. USA, patent No. 7267005, (prototype).

4. Зотов С.А. Анализ влияния анизотропных свойств материала на собственные частоты кольцевых резонаторов микромеханических гироскопов. Известия вузов. Электроника 2007 г. №5, с.30.4. Zotov S.A. Analysis of the influence of the anisotropic properties of the material on the natural frequencies of ring resonators of micromechanical gyroscopes. University News. Electronics 2007, No. 5, p.30.

5. Концевой Ю.А. и др. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. - М.: Машиностроение, 1982. 240 с.5. Terminal Yu.A. and others. Plasticity and strength of semiconductor materials and structures. - M.: Mechanical Engineering, 1982. 240 p.

Claims (1)

Чувствительный элемент кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа, включающий основание, кольцевой резонатор, упругие подвесы, отличающийся тем, что кольцо резонатора выполнено с переменным по длине сечением, при этом зависимость ширины b и высоты h кольца:
Figure 00000007

Figure 00000008

где К1 и К2 - постоянные коэффициенты;
λ и λA - постоянные коэффициенты податливости;
E(θ) - периодическая функция направления (модуль Юнга).
A sensitive element of a ring micromechanical vibration gyroscope, including a base, a ring resonator, elastic suspensions, characterized in that the resonator ring is made with a cross-section with a variable length, the dependence of the width b and the height h of the ring:
Figure 00000007

Figure 00000008

where K 1 and K 2 are constant coefficients;
λ and λ A are constant compliance coefficients;
E (θ) is the periodic direction function (Young's modulus).
RU2009147949/28A 2009-12-24 2009-12-24 Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope RU2413926C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009147949/28A RU2413926C1 (en) 2009-12-24 2009-12-24 Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009147949/28A RU2413926C1 (en) 2009-12-24 2009-12-24 Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2413926C1 true RU2413926C1 (en) 2011-03-10

Family

ID=46311199

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009147949/28A RU2413926C1 (en) 2009-12-24 2009-12-24 Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2413926C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112146651A (en) * 2020-09-25 2020-12-29 上海航天控制技术研究所 Micro-mechanical gyroscope assembly with small volume, low power consumption and high reliability

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0859219B1 (en) * 1997-02-18 2005-01-26 BAE SYSTEMS plc A vibrating structure gyroscope
JP2007052014A (en) * 2005-08-08 2007-03-01 Litton Syst Inc Ring resonator gyroscope with folded cylinder suspension
RU2296300C1 (en) * 2005-10-31 2007-03-27 Общество с ограниченной ответственностью Научно-Производственная Компания "Оптолинк" Integrating micro-mechanical vibration gyroscope
US7267005B1 (en) * 2005-03-02 2007-09-11 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army SOI-MEMS gyroscope having three-fold symmetry
RU2331845C1 (en) * 2007-02-21 2008-08-20 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Vibration gyroscope

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0859219B1 (en) * 1997-02-18 2005-01-26 BAE SYSTEMS plc A vibrating structure gyroscope
US7267005B1 (en) * 2005-03-02 2007-09-11 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army SOI-MEMS gyroscope having three-fold symmetry
JP2007052014A (en) * 2005-08-08 2007-03-01 Litton Syst Inc Ring resonator gyroscope with folded cylinder suspension
RU2296300C1 (en) * 2005-10-31 2007-03-27 Общество с ограниченной ответственностью Научно-Производственная Компания "Оптолинк" Integrating micro-mechanical vibration gyroscope
RU2331845C1 (en) * 2007-02-21 2008-08-20 Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" Vibration gyroscope

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112146651A (en) * 2020-09-25 2020-12-29 上海航天控制技术研究所 Micro-mechanical gyroscope assembly with small volume, low power consumption and high reliability

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8826742B2 (en) Pressure sensor using MEMS resonator
US10996056B2 (en) Vibrating micro-mechanical sensor of angular velocity
US11326883B2 (en) Inertial sensing systems and methods of manufacturing the same
US9227833B2 (en) Vibration isolated MEMS structures and methods of manufacture
UA79166C2 (en) Detecting element of a vibratory gyroscope sensitive to coriolis acceleration
FI126070B (en) Improved ring gyroscope structure and gyroscope
US20160327390A1 (en) Method and apparatus for decoupling environmental and modal dependencies in inertial measurement devices
US11441902B2 (en) Method of optimising the performance of a MEMS rate gyroscope
US9470708B2 (en) MEMS resonant accelerometer
Maenaka et al. Novel solid micro-gyroscope
JP7284564B2 (en) Angular rate sensor
RU2413926C1 (en) Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope
KR20170096015A (en) Gyroscope
RU151978U1 (en) SENSITIVE ELEMENT OF A WAVE SOLID GYROSCOPE
RU2110768C1 (en) Micromechanical vibratory gyroscope
Li et al. Design and simulations of a resonant accelerometer
CN116940804A (en) Vibrating gyroscope with planar structure
RU2348902C1 (en) Vibrating gyroscope using superficial ultrasonic waves
RU2296300C1 (en) Integrating micro-mechanical vibration gyroscope
RU2234679C2 (en) Angular velocity micromechanical sensor
RU148254U1 (en) SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPE
RU2444703C1 (en) Vibration gyroscope
RU187272U1 (en) Cylindrical resonator
RU2296390C1 (en) Micromechanical transducer sensing element
RU2289788C1 (en) Micromechanical vibration gyroscope

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161225