5.5.1. Микромеханические гироскопы

В настоящее время известно большое количество самых разнообразных конструктивных схем ММГ. Теоретические основы построения ММГ и ММА подробно изложены, например в [92,93,94]. Общим конструктивным признаком вибрационных микрогироскопов -датчиков угловой скорости является использование в них различных по конфигурации двухстепенных упругих подвесов чувствительного элемента (ЧЭ). Принцип работы ММГ заключается в создании относительно корпуса знакопеременного поступательного либо вращательного движения ЧЭ по одной из степеней свободы и измерении перемещений по другой степени свободы, возникающих под действием кориолисовых сил или гироскопических моментов при наличии переносной угловой скорости корпуса. На рис.5.29 показана реализация принципа на примере двухстепенного упругого подвеса с поступательными перемещениями ЧЭ. При наличии знакопеременной относительной линейной скорости V вдоль оси X и переносной угловой скорости Ω вокруг оси Z появляются знакопеременное ускорение Кориолиса W_K и соответствующая ему сила F_K вдоль оси Y. Амплитуда y перемещения ЧЭ вдоль оси Y при равенстве собственных частот по обеим степеням свободы для случая резонанса определяется следующим соотношением:

, (5.87)

где С – жесткость упругого подвеса; m – масса ЧЭ; Q – добротность подвеса. Эта амплитуда несет информацию об измеряемой угловой скорости Ω.

По принципу построения упругого подвеса все известные типы ММГ можно классифицировать в соответствии со схемой на рис.5.30. В зависимости от типа движения ЧЭ в подвесе ММГ можно разделить на три группы: ММГ RR-типа – с вращательным движением ЧЭ по обеим степеням свободы; ММГ RL-типа – с вращательным движением по одной степени свободы и с поступательным – по другой; ММГ LL-типа – с поступательными движениями по обеим степеням свободы.

В каждой из выделенных групп количество возможных вариантов схем ММГ может быть весьма велико. На схеме указаны наиболее известные и в той или иной степени реализованные варианты ММГ: ГМП – гироскоп с маятниковым подвесом; ГКП – гироскоп с карданным подвесом; ГК – гироскоп камертонный; ГСМ – гироскоп с сосредоточенной массой; ГРМ – гироскоп с распределенной массой. Рассмотрим кратко принципы построения и типовые конструктивные схемы ММГ.

Принципы построения и типовые конструктивные схемы ММГ.

ММГ RL-типа (гироскоп камертонный). Конструкция ММГ камертонного типа, разработанная лабораторией Ч. Дрейпера, представлена на рис.5.31. В этом гироскопе вынужденное движение чувствительного элемента, обеспечиваемое вибрационным двигателем, является поступательным; другое движение, являющееся информационным – вращательное. Конструкция выполнена из монокристаллического кремния и представляет собой камертон, реализованный в виде двух инерционных масс 1, закрепленных с помощью упругих элементов 2 во внешней рамке 3. Рамка связана с основанием также через упругие элементы 4, обеспечивающие ей вращательное движение вокруг оси Z. С помощью электростатического вибрационного двигателя 5, выполненного в виде «гребенчатой» структуры (рис.5.32.), силами F_В возбуждаются противофазные поступательные колебания масс в плоскости рамки.

При наличии измеряемой угловой скорости основания Ω, вектор которой совпадает с осью вращения рамки, возникают силы Кориолиса F_К, создающие переменный момент сил, порождающий угловые колебания рамки вокруг оси Z с частотой, равной частоте колебаний, создаваемых двигателем. Амплитуда колебаний рамки является мерой измеряемой угловой скорости. Измерение колебаний рамки осуществляется с помощью емкостного датчика, электроды которого расположены на подложке под инерционными массами. Номинальная величина емкостей между электродами и инерционной массой ~ 1пФ. Характерный размер инерционной массы в плане ~ 1мм. Толщина подвеса с целью увеличения жесткости его конструкции и увеличения чувствительности ММГ доведена до 400мкм. Добротность подвеса по оси возбуждения – 40000, по измерительной оси – 5000 при уровне вакуума в подвесе – 100мТорр. Сравнительно меньшая величина добротности по оси измерения определяется малой величиной зазора между инерционными массами и подложкой, а также относительно большой величиной площади инерционных масс. Для снижения коэффициента демпфирования в разряженной газовой среде массы выполнены перфорированными. Полоса пропускания в режиме прямого измерения обеспечивается благодаря расстройке между собственными частотами колебаний масс и рамки. Одна из основных погрешностей ММГ – квадратурная, порождаемая вибрационным двигателем из-за неперпендикулярности оси возбуждения и измерительной оси.

ММГ RR-типа (гироскоп с кардановым подвесом). В конструкциях ММГ ГКП (рис.5.33), впервые разработанных также в лаборатории им. Ч. Дрейпера, реализован упругий карданов подвес ЧЭ 1. В первом варианте ММГ используется внешний двухрамочный карданный подвес ЧЭ₀. Вокруг оси внутренней рамки 2 с помощью электростатического вибрационного двигателя, реализованного в виде пары электродов 3, расположенных на диэлектрической подложке под внутренней рамкой, создаются угловые колебания ЧЭ и тем самым - кинетический момент Н ЧЭ по этой оси. При появлении угловой скорости ω_y0, перпендикулярной плоскости механической структуры подвеса, возникает переменный гироскопический момент М_Г, приводящий к колебаниям внешней рамки 4 по углу β вокруг оси Z₀. Амплитуда этих колебаний пропорциональна измеряемой угловой скорости. Съем колебаний осуществляется с помощью емкостного датчика, пара электродов 5 которого расположена под внешней рамкой. Возможна работа этого ММГ в режиме обратной связи по моменту, когда гироскопический момент ММГ компенсируется моментом, развиваемым электростатическим датчиком момента.

На рис.5.34 представлен выполненный по подобной схеме один из вариантов конструкции ММГ.

В другом варианте ММГ используется внутренний упругий карданов подвес ЧЭ - дискового ротора 1 (рис.5.35.), совершающего с помощью вибрационного электростатического двигателя 2 с «гребенчатой» структурой под действием момента М_В угловые колебания на собственной частоте вокруг оси возбуждения Z, перпендикулярной плоскости подложки.

При наличии измеряемой угловой скорости Ω возникает переменный гироскопический момент М_к, вызывающий колебания ротора вокруг оси, перпендикулярной плоскости, образованной вектором измеряемой угловой скорости и осью возбуждения. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью емкостных датчиков перемещений C. Одну из обкладок емкостного датчика составляет ротор, а вторую – электрод в виде металлической пленки, напыленной на диэлектрическое основание. В ММГ может быть реализован компенсационный режим измерения с обратной связью по моменту с помощью электростатического датчика момента. На рис.5.35. показан еще один вариант конструкции ММГ с внутренним упругим карданным подвесом, разработанный в ЦНИИ «Электроприбор» [102].

ММГ LL-типа (гироскоп с сосредоточенной массой).

Компания Analog Devices Inc. одна из первых применила технологии МЭМС для создания микромеханических акселерометров и микромеханических гироскопов LL-типа. В основу конструктивной схемы ММГ положен выполненный из поликристаллического кремния упругий подвес ЧЭ с двумя степенями свободы поступательного движения в плоскости подвеса. ММГ работает в соответствии со схемой, представленной на рис.5.29. На рис. 5.37 показан вариант конструктивной схемы ММГ с ЧЭ в виде сосредоточенной массы. С помощью «гребенчатого» электростатического вибрационного двигателя 1 обеспечивается колебательное движение ЧЭ (инерционной массы) вдоль оси X в упругом подвесе 2. При наличии Ω возникающее за счет сил Кориолиса перемещение ЧЭ по оси Y является мерой измеряемой угловой скорости Ω и измеряется с помощью емкостного датчика 3.

В другой конструкции гироскопа этого типа (рис.5.38) используются два независимых упругих подвеса двух ЧЭ 1 на одной подложке, объединенных дифференциальной системой емкостного съема, образованной каждым из ЧЭ его системой гребенчатых электродов, а также системой электродов, расположенных на подложке. Такая конструкция ММГ минимизирует погрешность гироскопа от линейных ускорений, а также от ударов и линейных вибраций основания. Толщина механической структуры подвеса – 6мкм. Корпус ММГ не вакуумируется, поэтому, несмотря на невысокую жесткость подвеса из-за его малой толщины и относительно большой площади, достаточная устойчивость к воздействию ударов и вибраций в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, обеспечивается воздушной «подушкой», возникающей в зазоре между подложкой и поверхностью ЧЭ. Добротность подвеса по рабочим степеням свободы вследствие воздушного демпфирования невысока (~45), однако это обстоятельство позволяет реализовать в ММГ простую схему прямого измерения путем введения достаточно большой величины расстройки (~300Гц) собственных частот колебаний ЧЭ по рабочим и информационным степеням свободы. Собственная частота подвеса ~ 15КГц. Для работы двигателя используется напряжение с амплитудой 12В, обеспечивающее в режиме резонанса амплитуду колебаний ЧЭ – 10мкм, стабилизируемую с помощью контура обратной связи. Для регистрации чрезвычайно малых, вследствие небольшой добротности подвеса, перемещений разработана высокочувствительная емкостная система съема сигнала, позволяющая при номинальной величине перемещения ЧЭ порядка 10^-10м измерять его с погрешностью порядка 16 ×10^-15м. Прибор размещается в керамическом корпусе размером 7×7×3 мм и имеет массу менее 1 г.

Достоинством ММГ является расположение сервисной электроники в интегральном исполнении на одной подложке с механической структурой в одном чипе, что существенно снижает уровень паразитных и шумовых сигналов в системе съема. В качестве достоинства ММГ следует также отметить отсутствие необходимости вакуумирования корпуса гироскопа.

ММГ LL-типа (гироскоп с кольцевым резонатором).

Принцип работы микромеханического гироскопа с кольцевым резонатором (КР) аналогичен принципу работы ВТГ (см. разд.5.4) и заключается в измерении амплитуды периодической деформации КР, возникающей в результате действия сил Кориолиса. Эти силы действует на каждый элемент КР, совершающий относительно КР колебательное линейное движение и вращательное переносное вместе с КР движение относительно оси, перпендикулярной его плоскости. Для обеспечения относительного колебательного линейного движения в гироскопе создается вибрация КР вдоль оси возбуждения. При вращении корпуса прибора возникают силы Кориолиса, вызывающие колебания (периодические деформации) КР по оси, перпендикулярной плоскости, образованной осью возбуждения и вектором измеряемой входной угловой скорости. Амплитуда этих деформаций пропорциональна входной угловой скорости.

Достоинством подобного ММГ является его устойчивость к внешним механическим воздействиям, что обеспечивается симметрией конструкции кольцевого резонатора и его подвеса. Конструкция обеспечивает также минимизацию влияния на точность паразитных степеней свободы и температурную стабильность собственной частоты резонатора, а также его добротности. В известных ММГ с КР, как правило, реализуется схема датчика угловой скорости (ДУС) компенсационного типа. Блок-схема ММГ с КР представлена на рис.5.39 и состоит из следующих основных компонент: резонатора, датчика вибрации системы возбуждения ДВ1, исполнительного элемента системы возбуждения ИЭ1, датчика вибрации системы измерения ДВ2, исполнительного элемента системы возбуждения ИЭ2, системы для возбуждения и стабилизации амплитуда колебаний резонатора, а также системы измерения выходного сигнала.

Система возбуждения и стабилизации амплитуды колебаний резонатора с исполнительным элементом ИЭ1 и датчиком вибрации ДВ1 образуют первичный контур – контур возбуждения, а система измерения выходного сигнала и подавления квадратуры с датчиком вибрации ДВ2 и исполнительным элементом ИЭ2 вторичный контур – контур измерения.

Сигнал от система возбуждения подается на ИЭ1, расположенный по оси возбуждения 1. При этом создаются силы, обеспечивающие резонансные колебания КР. Возникающие деформации КР измеряются с помощью ДВ1, расположенного на оси чувствительности 2 первичного контура; после усиления и обработки сигналы от ДВ1 вновь подаются на ИЭ1. При этом стабилизируется амплитуда колебаний КР. Измерение деформаций КР, возникающих по оси чувствительности 3 вторичного контура при наличии угловой скорости вращения основания, осуществляется с помощью ДВ2; после усиления и обработки сигнал от ДВ2 поступает на исполнительный элемент ИЭ2 по выходной оси 4, с помощью которого создаются силы, компенсирующие силы Кориолиса. При этом величина напряжения на ИЭ2 является мерой входной угловой скорости, а амплитуда колебаний по выходной оси практически равна нулю, что позволяет стабилизировать форму колебаний резонатора, обеспечить высокую линейность выходной характеристики и малость постоянной составляющей скорости дрейфа гироскопа.

На рис.5.40-5.42 показана конструкция ММГ с КР, разработанного компанией BAE Systems [95]: на рис.5.40 – конструкция КР; на рис.5.41 – основные компоненты конструкции ММГ; на рис.5.42 - внешний вид КМГ с КР.

КР 1 из монокристаллического кремния (рис.5.40) удерживается в плате помощью восьми упругих элементов 2. Диаметр КР - 6мм, размер платы - 10×10мм². На внешней поверхности расположены дорожки проводников, образующие 8 электрических контуров (на рисунке не показаны). Диаметрально расположенные петли образуют пары, с помощью двух из которых реализуется система магнитоэлектрического возбуждения колебаний КР, а с помощью двух других – система индукционного съема сигнала и обратная связь. Номинальное значение собственной частоты колебаний КР – 14,5кГц. Предусматривается балансировка КР путем съема масс с помощью лазера и дополнительная настройка частоты с помощью электростатических датчиков силы для минимизации расщепления собственной частоты Δf=f₀/2Q, где f₀ - собственная частота колебаний КР, Q – добротность КР для второй формы его колебаний. Собственная частота подвеса КР по оси, перпендикулярной плоскости платы, составляет ~ 5 кГц. Подвес эффективно защищает КР от вибраций основания и выдерживает ускорение порядка 10 000g (при этом возникающие в конструкции механические напряжения примерно на порядок меньше предельно допустимых). Плата с КР крепится к стеклянной подложке путем анодного сращивания.

Основными компонентами конструкции ММГ (рис.5.41) являются: 1 – чувствительный элемент – КР; 2 – стеклянное основание; 3 – термостабильный редкоземельный магнит; 4 – верхний магнитопровод; 5 – нижний магнитопровод.

В другом варианте конструкции ММГ с КР компании BAE Systems применяются электростатическая система возбуждения и емкостная система съема сигнала. Такой вариант конструкции существенно упрощает изготовление и сборку ММГ, обеспечивает возможность балансировки параметров КР с помощью электростатического привода, позволяет уменьшить габариты и массу, избавится от проблем, связанных с нестабильностью его магнитных компонент, повысить его устойчивость по отношению к внешним механическим и температурным воздействиям. В таблице 5.5 приведены основные характеристики коммерчески выпускаемых, а также некоторых разрабатываемых типов ММГ.

Таблица 5.5. Основные характеристики ММГ.

Фирма	Analog Devices	BAE Systems	Silicon Sensing	BOSCH Sensortec	Systron Donner Inertial	ОАО «Элпа»	ЦНИИ «Электроприбор»
	ADIS16130	SiRSS01	CRS10	SMG040(60,61)	LCG50	МПГ-1	ММГ-2
Тип гироскопа	LL Два дифференциально включенных независимых упругих подвеса электростатический двигатель, емкостный съем	LL Кольцевой резонатор, магнитоэлектрический двигатель, индукционный съем	LL Кольцевой резонатор, электростатический двигатель, емкостный съем	RR упругий карданов подвес, электростатический двигатель, емкостный съем	RL Камертон	Пьезокерамический	RR Внутренний упругий карданов подвес, электростатический двигатель, емкостной съем
Диапазон измерений, град/с	±250	±(50-1500)	±300	±240	±500	±300	±(50-1500)
Масштабный коэффициент	LSB/град/с (24 бита на диапазон)	18,2мВ/град/сек	LSB/град/с (32 бита на диапазон)	7м В/град/с	3,2мВ/град/с	(5±0,15)мВ/град/с	20мВ/град/с
Нелинейность, %	0,04	1%	0,25%	0,5%	0,05%		1%
Смещение нуля, град/с	±3 (1σ)	±0,3	±1	±0,5
Стабильность нуля в запуске, град/с	0,0016	0,00083	0,0033			0,06 ( за 30 с)
Случайное угловое блуждание, град/ч	0,56	0,2	5
Чувствительность к g, град/с/g	0,05	7	0,01		0,05
Шум	0,0125град/с/Гц	0,25 град /с(СКО)	0,5 град /с(СКО)	1,5 град /с(СКО)	0,01 град /с/Гц	0,05 град /с (порог чувствительности)	0,05 град /с/Гц
Полоса пропускания,Гц	300	50	75	27-33	50		40
Температурный диапазон, °С	-40… + 85	-40… + 75	-40 … + 125	-40 … + 105	-40 … + 85	-25… + 70
Удар, g	2000 (0,5мсек)	60 (30мсек)	95 (1мсек)		50 (2мсек)
Габариты, мм	44х36,6х13,8	30х30х17,3	23х17х10		29,4х29,4х10,7	30х20х10
Масса, г		35			12	12