RU2413926C1 - Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope - Google Patents
Detecting element for circular micromechanical vibration gyroscope Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
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:
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 , 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 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:
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:
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)
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:
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).
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)
| 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)
| 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 |
-
2009
- 2009-12-24 RU RU2009147949/28A patent/RU2413926C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| 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)
| 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 |